(57)【要約】【課題】白色発光ダイオードの普及に伴って商用電源を用いる照明のニーズが高くなってきている。しかし、電源として一般的に有限の需要を持つ電解コンデンサが使用されている。高電圧駆動の白色ダイオードを用いて駆動電流を減らして、できるだけ簡素な定電流素子を実用化して部品点数の少ない発光ダイオード照明器具を実用化したい。【解決手段】本発明は白色ダイオード駆動電圧を商用電源と近い高電圧に設定したものを用いて、駆動電流を減らして、ジャンクションＦＥＴ型定電流素子を使用可能とし、その素子の温度特性と交差を改善しかつ小型化を実現するものである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
定電流回路としてジャンクションＦＥＴ型定電流素子を用いる素子において、複数個のジャンクションＦＥＴ素子を同一パッケージに実装することを特徴とするジャンクションＦＥＴ型定電流素子。
【請求項２】
特許請求項１において、複数個の定電流素子は定電流値を予め計測されたものを複数個として目標の定電流値なるように組み合わせたもの、或いは少なくとも一つの素子の定電流値を他の定電流値より低く設定して、その素子を目標の定電流値に対して必要に応じて使用するのかどうか選択することにより精度を向上した定電流素子。
【請求項３】
定電流回路としてジャンクションＦＥＴ型定電流素子を用いる素子において、その素子のパッケージの熱抵抗を下げるためにヒートシンクを持つパッケージ、あるは他の熱抵抗を下げる手段を有するパッケージに実装したジャンクションＦＥＴ型定電流素子。
【請求項４】
特許請求項１，２，３においてこれらの素子を商用電源を用いる発光ダイオード照明装置に定電流素子として用いた照明装置、或いはこれらの素子を高電圧駆動発光ダイオードを使用する発光ダイオード照明装置に定電流素子として用いた照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は商用電源を使用する発光ダイオード照明装置において、高電圧駆動の発光ダイオードを定電流駆動するための素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】従来の発光ダイオードを用いた商用電源用の発光ダイオード照明装置は図１に示すような構成を有している。ダイオードによる全波整流後の電圧をスイッチング電源回路により発光ダイオードの駆動電圧近くの電圧まで降圧させ、その後、電解コンデンサにて平滑して定電流回路を経て定電流を発光ダイオードに供給している。この回路構成においては、駆動電流が大きいため大容量の電解コンデンサが必要になる。電解コンデンサは有限の寿命があり、灯具の寿命の面でも発光ダイオードが普及するための大きな制約要因になっている。【０００３】白色発光ダイオードの普及に伴って商用電源を用いて小型の照明器具を実用化するニーズが高まってきている。特に白色発光ダイオードの高効率化に伴って白熱電球より圧倒的に効率が良いことによりその普及が望まれている。この様な背景のもとで発光ダイオードの駆動回路の低コスト化と小型化のニーズは極めて高いものである。特に、電解コンデンサのような大きな部品を使わなくてもよい簡素な駆動回路の実用化が必要である。【０００４】
【特許文献１】  特願２００９−３５８６１  特願２００９−３５８６２  特願２００９−１３２５２５
【０００５】
【特許文献２】  特願２００７−８４６１４
【０００６】
【非特許文献１】  石塚電子株式会社  ＣＲＤ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｒｅｇｕｌａｔｉｖｅ  Ｄｉｏｄｅ）カタログ  Ｃａｔ．Ｎｏ．１１３Ｇ  （２００９年４月発行）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】発光ダイオード照明装置の小型化と長寿命化の制約要因は発光ダイオードを効率よく駆動するための電源の部品点数の多さと電解コンデンサのように大きく寿命に制限のある部品を使わなくてはならないことにある。発光ダイオードの駆動電圧は商用電源電圧と比べて低く、商用電圧から発光ダイオードの駆動電圧まで降圧させ、電圧を安定化させ、定電流を供給するために部品が多くなっている。この為、Ｅ１７の口径やＥ２６の口径に実装することはできない。また、密閉型の灯具では温度が上昇するために、電源回路に温度条件の制約がある電解コンデンサを使わなくても良い回路の実現が課題である。発光ダイオードの輝度が向上して同一輝度を出すために必要な電力が下がり、発熱が下がることにより灯具としての実用化が進みつつある。それにつれて電源回路の小型化と高耐熱化は一層重要な課題となってきている。【０００８】高電圧で動作する発光ダイオードは発光ダイオードを素子上で直列に接続することにより可能である。（特許文献１）これが実現できればが、商用交流電源から整流回路のような簡素な電源回路を経るだけで駆動できるようになり、またそれに伴い駆動電流を少なくすることができ、簡素な定電流素子を使用することができるようになる。ジャンクションＦＥＴ型の電流素子は数ミリアンペア駆動のものについては安定して定電流駆動ができる。しかし駆動電流を大きくすると駆動電圧が高い領域において素子温度が上昇して定電流値が減少してしまうという課題を持つ。また、ジャンクションＦＥＴの素子構造上、電流値のばらつきが接合の深さにより大きくばらつき、製造時のウエーハの面内ばらつきにより１０％程度の公差となってしまうのが現状の課題である。これらの理由によりジャンクションＦＥＴは定電流素子として極めて簡素な構造にも関わらず用途が限られており、制御電流値は１０ミリアンペア程度のものだけが商品化されている。この１０ミリアンペア程度の定電流制御でも制御電圧が数１０ボルトと高くなると発熱のために駆動電流が大きく減少してしまう。（非特許文献１参照）【０００９】高電圧駆動の発光ダイオードの採用で駆動電流が５０ミリアンペアまで減少することができるといえども、１０ミリアンペアの素子が複数個必要なこと、原理的に簡素な構造を持つジャンクションＦＥＴ型定電流素子を使用するには温度依存性の大きいことと公差の大きいことが課題である。この点が改善できればこの定電流素子と高電圧駆動の発光ダイオードとの組み合わせで発光ダイオードの灯具が極めて簡素な構成なる。これにより低コストで、小型で、寿命に制約のない発光ダイオード照明装置を実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】この様なニーズと課題に対応するために商用電源電圧近くの高電圧で駆動する発光ダイオードを使用して駆動電流を少なくする発光ダイオード応用灯具において、本発明は、ジャンクションＦＥＴ型定電流素子の特性と定電流駆動能力とを向上させるものである。【００１１】高電圧駆動の発光ダイオードとしては、発光ダイオードを形成する基板上に電気的に絶縁された多数個の発光部を形成して、それらを多段に直列接続することにより高電圧で駆動できる素子を実現できる（特許文献１参照）。たとえば、駆動電圧４．５ボルトの発光素子を２０個直列に構成することにより９０ボルトで動作する発光素子を構成できる。この様にして高電圧駆動の発光ダイオード素子を実現することができる。また、駆動電流は一つの発光部を駆動する電流であり、同じ輝度を得るための駆動電流は直列接続の段数分だけ低くすることができる。２０段の直列接続であれば、駆動電流は１／２０と飛躍的に低くすることができる。すなわち２０個の直列接続の発光素子の発光ダイオードでは、駆動電圧は２０倍となり、駆動電流は１／２０と少なくすることができる。４．５ワット、９０ボルト駆動白色発光ダイオードでは駆動電流を５０ミリアンペアと少なくすることができる。【００１２】本発明の構成は、５０ミリアンペアの定電流を複数個のジャンクションＦＥＴ型定電流素子で駆動することができる構成として、この定電流素子複数個を一つのパッケージに実装して既知のジャンクションＦＥＴの温度特性が大きいという欠点とバラツキが大きいという欠点を大幅に改善した定電流素子を実現するものである。ジャンクションＦＥＴ素子を複数個に素子から構成して複数個に分離することにより素子から実装基板に至る熱抵抗を下げ、それによりジャンクションＦＥＴの素子部の温度上昇を抑制して、温度依存性を小さくするものである。また、個々にはバラツキのあるジャンクションＦＥＴを複数個組み合わせて、それによりバラツキを小さくするものである。（特許文献２、非特許文献１を参照）。
【発明の効果】
【００１３】本発明の発光ダイオード照明システムは、簡素な電源システムで駆動できるために、小型化、低コスト化ができ、発光ダイオードの持つ高効率な発光システムを小型で安価に提供することができるものである。また電解コンデンサの使用を不要にすることにより電源回路部品の寿命の制約をなくすることにより長寿命の発光ダイオードの特徴を発揮することができる。今後、発光効率の良い発光ダイオードが省エネルギーを背景として、家庭用の電灯の代わりになり、特に電解コンデンサの動作温度や寿命に制限されない１００℃以上の温度まで動作する発光ダイオード灯具は灯具業界への価値が極めて大きい。【００１４】また、簡素な構成により、駆動回路全体をＥ２６、Ｅ１７、さらにはＥ１２の電球口金の大きさに収納できるようになに発光ダイオードの灯具への使用可能性を飛躍的に拡大するものとなる。（特許文献１参照）
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】  従来の商用電源を用いた発光ダイオード照明装置の回路構成図
【図２】  本発明の商用電源を用いた発光ダイオード照明装置の回路構成図
【図３】  高電圧駆動発光ダイオードの構成図
【図４】  ジャンクションＦＥＴ型定電流回路図と特性図
【図５】  本発明によるジャンクションＦＥＴ型定電流回路の構成と実装図
【図６】  本発明による別の実施例
【図７】  高電圧駆動発光ダイオードとジャンクションＦＥＴの使用の照明装置の仕様と諸元の例
【図８】  Ｅ２６、Ｅ１７への実装図の例
【発明を実施するための形態】
【００１６】本発明の発光ダイオード照明装置の回路構成を図２に示す。図２において１０は交流電源、１１はヒューズ、１２は全波整流回路、１３は高電圧駆動の発光ダイオード、１４は本発明による定電流素子である。駆動電流が大幅に減少したことと本発明による定電流素子によりこの様な簡素な回路で構成できるものである。
【００１７】本発明に用いる高電圧発光ダイオードを図３に示す。図３−ａは素子の平面図である。２０は高電圧駆動発光ダイオードであり、２０個の光マイクロセルが直列に接続され形成されている様子を示している（特許文献１参照）。個々の光マイクロセルが一つの発光素子であり駆動電圧がこの事例では４．５ボルトである。この事例では４列×５行に分離された光マイクロセルから構成されており、それらが直列接続されて一つの発光素子を構成している様子を示し、２１はＰ型端子、２２はＮ型端子を示している。この高電圧駆動発光ダイオードの駆動電圧は発光素子２０個の直列であり９０ボルトである。駆動電流は一つの光マイクロセルの発光素子を駆動する電流値である。同じ輝度を得るのに従来の発光ダイオードに対して１／２０と小さくすることができる。図３−ｂにおいて、２３はその等価回路図を示す。
【００１８】図３−ｃにおいてパッケージに実装した発光ダイオードの断面図を示す。２４はサファイアを基板とする発光ダイオードであり、２５、２６は光マイクロセル発光素子の簡易断面図の模式図である。発光素子はＧａＡｌＮ系の半導体であり２７が発光素子部の発光活性層である。この図では二つの素子２５，２６がサファイア基板上で分離されている様子を示しているが、実際には図３−ａのように４列×５行のマトリックス上に素子が分離され配置されている（特許文献１参照）。個々の素子はこのサファイア基板上で相互に直列接続となるように配線がなされて回路図では２１，２２がフリップチップバンプ電極２８、２９を通じて取り出されてそれが、パッケージ基板３０の導体電極３１、３２としてパッケージ外部に取り出されている。これがパッケージの側壁３３とキャップ３４により封止されている。発光部からの光はサファイア基板を通って蛍光体３５に照射され、波長の長い光となって集光方向３６の方向へ集められる。このパッケージを用いた事例では発光効率を良くするためにサファイア基板上に発光素子を形成して素子裏面から発光して、素子表面から電極を取り出し、フリップチップ電極技術により実装する構成としている（特許文献１参照）。この構成により熱抵抗を小さくしている。この事例では熱抵抗は５℃／ワットと小さい。照明用の発光ダイオードにおいては効率が良いといえども数ワットの発熱がするので熱抵抗の低いパッケージと実装技術が必要であり、この事例はその目的にあった実装方法をとっている。
【００１９】図３−ｃの事例ではパッケージに実装しているが、発光ダイオードをＥ２６口金、或いはＥ１７口金の小型電球の代わりに使う場合には口径の小さなＥ２６，Ｅ１７に実装するためにプリント基板、或いは放熱の良い金属基板に直接フリップチップ実装することも考えられる。この場合は、フリップチップ実装した後に、電極部をＲＡＢ（レジン・アシスト・ボンディング）のように樹脂で補強することも可能である。特に、高輝度のＬＥＤ照明の場合にはＬＥＤからの発熱が大きくなるので金属基板を用いて、ＬＥＤを直接実装して、金属基板経由口金へ熱を逃がすことが有効な放熱手段となってくる。小型化と放熱を考慮した実装方式である。
【００２０】この構成の高電圧駆動発光ダイオードによれば常時点灯のときには４．５ワットの発光ダイオードの場合、通常の駆動電圧の４．５ボルトの発光ダイオードを用いて１アンペアの駆動電流が必要であるが、本発明の事例の２０段直列接続した高電圧駆動発光ダイオードでは駆動電圧は９０ボルトであり、駆動電流は１／２０の５０ミリアンペアと少ないのが特徴である。
【００２１】図４において本発明の図２の事例で用いる定電流素子の構成を示す。駆動電流を小さくすることにより定電流回路の代わりに定電流素子を使うことが可能になる。図４−ａにおいてはジャンクションＦＥＴの回路図を示す。負のスレッシュホールド電圧を持つＦＥＴのゲートをソースと接続することによりドレイン・ソース間に定電流が得られることは公知である。一定電流になる印加電圧Ｖｆ以上において定電流特性となる（特許文献２、非特許文献１参照）。Ｖｆが通常１ボルト程度以下と小さい値である。図４−ｂ図においてその電圧電流特性を示す。印加電圧が正の方向に対してはスレッショールド電圧や電子移動度、素子の大きさにより決まる。印加電圧が負の方向に対しては素子内部の寄生ダイオードのためにダイオードの順方向電流特性を示す。また、このジャンクションＦＥＴの素子サイズは図４−ｃに示すように０・５ｍｍ×０・５ｍｍ程度の小さなシリコン素子であり、表面からドレイン、裏面からソース・ゲートを取り出す構造が一般的であり、これが汎用のモールドパッケージに封止されている。（非特許文献１を参照）
【００２２】ジャンクションＦＥＴ型定電流回路は小型汎用ダイオードのパッケージに封止されており１０ミリアンペア程度の駆動能力のものが実用化されている。ＣＲＤという商品名で実用化されている（非特許文献１を参照）。ジャンクションＦＥＴの定電流値は製造工程のばらつきにより通常は１０％程度のばらつきがある点と温度係数が大きいために発熱により定電流値が変化するという問題を有する。図４−ｂに示すように駆動電流が１０ミリアンペア程度のものでは定電流値は期待がａの実線ような一定値であるが実際はｂの破線のような高電圧領域において電流が低下するという特性を有する。これは、高電圧駆動域において素子の温度が上昇し、これにより定電流値が減少することによるものである。
【００２３】この１０ミリアンペア仕様の素子を用いて、５０ミリアンペアを駆動するためには５個必要になる。また駆動電圧の高い領域では定電流値が大きく減少してしまう課題を持ちつつ公差も大きいという課題がある。公差の大きい素子を複数個使用する時に、電流値を選別して組み合わせにより合計に公差を小さくすることができるがＣＲＤの完成品を選別して使用することも案としてはあるが、大量生産向けには不可能である。
【００２４】図５においてはこの特性の問題点を改善した本発明で用いるジャンクションＦＥＴの構成を示している。図５−ａにおいて、汎用のジャンクションＦＥＴを複数個並列に用いる回路図を示す。ドレイン１、ドレイン２にそれぞれ４個ずつの素子を用いる構成である。図５−ｃにおいて本発明で用いるパワーパッケージ４０の構造を示す。４１，４６がドレイン１端子，４３、４４がドレイン２端子でありドレイン１、ドレイン２を実装時に接続して使用する構成である。４２，４５がソース・ゲート電極である。このパッケージは４７のようにヒートシンクを持ち、熱抵抗は２０℃／Ｗと低いパッケージである。図５−ｄはその透視図であり、ジャンクションＦＥＴが８素子すなわちａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈの８個素子が実装されている様子を示す。５０ｍＡを定電流で得るためには個々の素子の定電流値は６．２５ｍＡのものを使用する。４８がその一つである素子ｈである。素子は表面にボンディングパットが形成されておりドレイン電極である。裏面がソース、ドレインの共通電極であり基板に接続されやすいように金メッキがほどこしてある。全ての素子がリードフレーム４２，４５にダイボンドされており全ての素子のソース・ゲートがリードフレーム４２、４５に各素子の基板を通じて接続されている。素子ａ、ｂ、ｃ、ｄのドレインがリードフレーム４１、４６にワイアボンドで接続されており、素子ｅ、ｆ、ｇ、ｈのドレインがリードフレーム４３、４４にワイアボンドで接続されている。リードフレーム４１，４６とリードフレーム４３、４４は実装基板上で接続されることによりａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈの８素子のドレインが一つに接続される。これらの素子は０．３ｍｍ×０．３ｍｍメートル小さなシリコン素子であり、ウエーハ上から素子をダイボンドする時に個々の素子の定電流値を予め計測しておくことにより必要な合計定電流値にするように素子を組み合わせて実装することができる。この様にウエーハ上で特性がわかっている素子を組み合わせることにより、素子間では公差が１０％のばらつきがあるものでも、８個の組み合わせで１％の公差のものを容易に作ることができる。使用する段階ではあたかも高精度のジャンクションＦＥＴが実現できることになる。図６−ｂはその等価回路図である。
【００２５】図５−ｃのように熱抵抗の低いパッケージを用いること及びＦＥＴ素子を分割することにより素子からリードフレームへの熱の伝達が分散でき、ヒートシンクへの熱抵抗が分割でき、素子の温度上昇を抑えることができる。この様に定電流素子としてマルチチップの実装方式とすることにより、公差の低減や熱抵抗の低減など、多くのメリットを創出することができる。この様にして本発明で用いるジャンクションＦＥＴ型定電流素子は特性の公差が大きいという弱点と温度依存性が大きいという弱点を同時に補うものである。
【００２６】本事例のように図２で用いるジャンクションＦＥＴ型定電流素子の特性は５０ミリアンペアの電流駆動、２５ボルト平均の電圧ドロップ、後述の様に点灯比率５５％で０．８ワットの発熱に対して、２０℃／ワットのパッケージでの温度上昇は１６℃程度に抑制することができる。この程度であれば定電流の温度係数も実用上大きな問題にはならない。
【００２７】本発明の事例では図５−ｄの構成において定電流素子ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、が同一電流仕様の素子を用いてそのバラツキがある特性値の組み合わせにより目標とする公差になるように組み合わせたが、より確実に交差を小さくする方法を次に示す。具体的には定電流素子ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、の定電流値を変えてその組み合わせにより交差を確実に小さくする方法である。ａ、ｂ、ｃ、ｄ、の定電流値をＩとしてｅの定電流値はＩの１／２の電流値、ｆの定電流値はＩの１／４の電流値、ｇの定電流値はＩの１／８、ｈの定電流値はＩの１／１６の電流値を持つ定電流素子として、その組み合わせにより、目標とする定電流値を確実に得る方法である。電流値の重みづけを行った素子を実装するには異なる素子サイズの異なるウエーハから素子を選択的に選びながらのダイボンディングとなり煩雑となる欠点がある。その点を解決するのが図５−ｅ、図５−ｆに示す事例である。
【００２８】図５−ｅ、図５−ｆに同一ウエーハから選択的に素子を選ぶ素子構成を示している。図はウエーハの中における１セットの素子を示している。図６−ｆがその１セットの素子を表しており、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、の素子がひと組としてウエーハ上で形成されている。ダイボンディングにおいては、個々の素子が分離され目標とする電流値必要な素子だけを選んでダイボンディングする方法である。具体的にはａ、ｂ、ｃ、ｄの４素子により定電流の目標値よりやや小さめの値に設定する。すなわち駆動電流値１を有する４個の素子を用いて素子全体として目標とする駆動電流値Ａよりやや小さく設計して作りこみ、そして目標にできるだけ近づくように、ｅ（１／２電流値）、ｆ（１／４電流値）、ｇ（１／８電流値）、ｈ（１／１６電流値）の各素子のうち、必要な素子のみを選択的に実装する。いわゆるバイナリーサーチ方法の応用で精度を公差に近づける方法である。これであれば、同一ウエーハにて電流値の重みずけの異なる素子を作りこみ、同一ウエーハから汎用ダイボンド技術によりダイボンディングすることができる。素子の大きさはスクライブすなわち素子分離のしやすさに鑑みてａ、ｂ、ｃ、ｄが同一の大きさ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、の素子は一辺はａ、ｂ、ｃ、ｄ、と同じで、もう一辺はａ、ｂ、ｃ、ｄ、の半分と必要な電流値に応じて小さく設計してある。一例では、ａ、ｂ、ｃ、ｄが０．３ｍｍ×０．４ｍｍ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈが０．３ｍｍ×０．２ｍｍである。ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、は素子サイズが同じであるがジャンクションＦＥＴの有効面積を変えることにより定電流値を変える構成としてある。
【００２９】上記実施例では素子ｅ、ｆ、ｇ、ｈを必要に応じて選択的に選びダイボンディングする方式の説明をしたが、構成上、すべての素子ｅ、ｆ、ｇ、ｈダイボンディングして、ワイアボンディングを必要とする素子だけ行う方式も可能である。製造工程の管理のし易さによりいずれの方式も採用することができる。
【００３０】また、もう少し汎用性を持たせる構成としたものが図６である。定電流素子ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈの出力端子をそれぞれ独立にパッケージ端子として持ち、プリント版上にドレイン端子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈを設けて、使う時にプリント版上でＡ−ａ、Ｂ−ｂ、Ｃ−ｃ、Ｄ−ｄ、Ｅ−ｅ、Ｆ−ｆ、Ｇ−ｇ、Ｈ−ｈの間を接続するのか、接続しないのかを決めることにより定電流値を決める方法である。パッケージとしては図６−ｃ、図６−ｄのように１０端子のものを使用する。素子ａ、ｂ、ｃ、ｄは個々の素子の発熱を分散できるように離して配置してある。素子のパッケージ後、電流特性の検査工程でこの素子の中心値を記録、その特性を示すコードを印字しておくことにより重みづけのある素子をどのように組み合わせるのかは使う時に選択するようにして公差の大きさを吸収することができる。この構成により新たなるメリットも創出できる。すなわち、電流値が異なる仕様のもの、例えば５０ミリアンペア仕様のもの、２５ミリアンペア仕様のもの、１２．５ミリアンペア仕様のもの、６．２５ミリアンペア仕様のものが同一定電流素子と製品化できる。５０ミリアンペア仕様ではａ、ｂ、ｃ、ｄの４個使用、３７．５ミリアンペア仕様ではａ、ｂ、ｃの３個使用、２５ミリアンペア仕様ではａ、ｂの２個使用、１２．５ミリアンペア仕様ではａの１個使用をして、６．２５ミリアンペア以下の素子（素子ｅ、ｆ、ｇ、ｈ）を電流調整用に接続するのか、しないのかの選択使用することができる。この様にして一つの電流素子を多種の電流目的に使用することができる。尚参考までに、Ａ−ａ間を接続するかしないかの選択は、通常は、プリント基板上で接続しておいて、その配線をレーザで断線するのかしないのかで選択する方法が容易である。Ｂ−ｂ以下の素子の選択も同様である。
【００３１】図７において、本発明の適用事例の設計値の事例を示す。図７−ａはその特性値の仕様例を示す。動作点の特性値を図７−ｂに示す。動作波形を図７−ｃに示す。図７−ｃにおいて、印加電圧波形は全波整流の波形で位相が１８０度ごとのサインカーブの波形となる。ピーク電圧は１４１ボルトである。また、発光ダイオードが点灯する電圧はＶａ以上でこれは発光ダイオードの駆動電圧（９０ボルト）と定電流素子（約１ボルト）で決まり９１ボルト以上である。印加電圧がＶａを超す位相はアークサイン（９１／１４１）で決まり約４０°である。従って点灯する時間比率は１００／１８０となり、約５５％である。これは３角関数から容易に決まる。
【００３２】従って、図７−ａ、図７−ｂの各数値は以下のようになる。商用電源はＡＣ１００ボルト、電源の周波数は５０Ｈｚ、発光ダイオードの印加電圧は９０ボルト、発光ダイオードは４．５ボルト駆動を２０段直列にして形成している。駆動定電流値は５０ミリアンペアである。発光素子は９１ボルト以上で点灯する。アークサイン（９１／１４１）の位相、すなわち４０°から１４０°の間で点灯する。これは１００°／１８０°の比率である約５５％の時間点灯する。従って発光のための電力は約２．５ワットである。定電流素子には９０ボルト以上の印加電圧で定電流駆動中に発熱が生じ、約０．８ワットである。発光ダイオードパッケージの熱抵抗は５℃／Ｗであり素子温度は周囲温度に対して１２．５℃の温度上昇と低く、定電流素子の熱抵抗は２０℃／Ｗであり素子温度は周囲温度に対して１６℃の温度上昇と低く、安定的に商用電源使用の発光システムとして利用できる。
【００３３】図８は口金への実装図である。図８−ａはＥ２６あるいはＥ１７口金への実装図である。部品点数が少ないために２６ｍｍ、１７ｍｍの口径に実装することができる。また、Ｅ１２のようにさらに小さい口金へは図８−ｂのような構成をとることにより実装することができる。これらはともに、高電圧駆動発光ダイオードを用いて本発明のジャンクションＦＥＴ型定電流素子の効果である。
【００３４】本事例では２．５ワットの諸元で説明したが、より小さな発光ダイオード応用灯具が必要とされており、一層の低電流の駆動も同様に行うことができる。構成が発光ダイオード、全波整流ダイオード、ジャンクションＦＥＴ型定電流素子だけの組み合わせだけである為、電源回路により寿命が制限されることなく温度範囲も広範囲で使用することができる。使用温度が高温になるとジャンクションＦＥＴ型定電流素子の定電流値が低下してくるが温度上に伴い消費電流が減少する安全サイドであり輝度の減少を許容すれば問題はない。その点で１００℃以上の高温度まで使用できる画期的なものである。
【００３５】本事例においては商用電源として１００Ｖを事例にしたが、それ以外の電圧の商用電源向けにも同様な構成をとることができる。例えば、２００Ｖ向けには発光ダイオードの光マイクロセルの段数を２０段から４０段にすることにより１８０ボルト仕様の発光ダイオードが実現でき、これを用いることにより同様な効果を創出できる。
【産業上の利用の可能性】
【００３６】発光ダイオードの用途は省エネに向けてその用途が拡大している。本発明により、高電圧駆動の発光ダイオードを用いて、駆動回路を簡素化し小型化を実現できることは、今後、照明器具の省エネために発光ダイオードの普及を一層促すものである。特にＥ１７口金に対応するような小型の電球の代替や照明機器のデザイン性を重視する閉空間において電球を使う用途においては低消費電力、小型かつ長寿命の発光源の実用化は極めて大きな意味を持つものである。
【符号の説明】
【００３７】１・・・商用電源    ２・・・ヒューズ    ３・・・ダイオードブリッジ    ４・・・スイッチング電源    ５・・・電解コンデンサ    ６・・・定電流回路    ７・・・発光ダイオード    １０・・・商用電源    １１・・・ヒューズ    １２・・・全波整流回路    １３・・・高電圧駆動発光ダイオード    １４・・・定電流素子    ２０・・・発光ダイオード素子の平面図    ２３・・・高電圧駆動発光ダイオードの回路図    ２４・・・高電圧駆動発光ダイオード素子    ２５、２６・・・ＧａＡｌＮ発光素子    ２７・・・発光素子の活性層    ２８、２９・・・フリップチップのバンプ    ３０・・・パッケージ基板    ３１、３２・・・パッケージ電極    ３３・・・パッケージ側壁    ３４・・・キャップ    ３５・・・蛍光体    ４０・・・パワーパッケージ    ４１，４６・・・ドレイン端子リードフレーム    ４２，４５・・・ソース・ゲート端子リードフレーム    ４３，４４・・・ドレイン端子リードフレーム    ４７・・・ヒートシンク    ４８・・・ジャンクションＦＥＴ素子のｈ    ４９・・・ジャンクション素子の集合体    ５１，５２，５４，５５，５６，５７，５９，６０・・・ジャンクションＦＥＴ素子ｅ、ａ、ｂ、ｆ、ｇ、ｃ、ｄ、ｈのドレイン出力端子    ５３，５８・・・ソース・ゲート電極端子    ６１・・・ジャンクションＦＥＴ素子の集合体    ７０・・・配線    ７１・・・中心電極    ７２・・・Ｅ２６口金電極    ７３・・・絶縁体    ７４・・・基板    ７５・・・高電圧駆動発光ダイオード    ７６・・全波整流ダイオード    ７７・・・ジャンクションＦＥＴ型定電流素子    ７８・・・透明キャップ    ７９・・・集光パッケージ    ８１・・・中心電極    ８２・・・口金    ８３・・・絶縁体    ８４・・・基板    ８５・・・全波整流ダイオード    ８６・・・基板    ８７・・・ジャンクションＦＥＴ型定電流素子    ８８・・・高電圧駆動発光ダイオード    ８９・・・透明キャップ    ９０・・・絶縁支持板    ９１・・・配線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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