(57)【要約】【課題】発光素子に矩形波パルス電流を供給する発光素子駆動装置において、立ち上がり、立ち下がりの急峻な矩形パルス電流を発光素子に供給するとともに、発光素子と光学的に結合する光透過性ファイバやレンズの大型化を抑制し、サンプルホールド回路等を必要としない簡素な構成とすること。【解決手段】発光素子５０２、発光素子５０２に直列に接続される半導体スイッチ素子５０３ならびに、発光素子５０２および半導体スイッチ素子５０３の直列接続回路に並列に接続されるコンデンサ５０１と、を具備する光源回路５Ａと、発光素子５０２への供給電力量を制御する定電圧電源回路と、を分離して配置する。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子に矩形波パルス電流を供給する発光素子駆動装置において、
前記発光素子と、該発光素子に直列に接続される半導体スイッチ素子と、該発光素子および該半導体スイッチ素子の直列接続回路に並列に接続されるコンデンサと、を具備する光源回路と、
前記発光素子への供給電力量を制御する定電圧電源回路と、
を備え、
前記光源回路と前記定電圧電源回路とを分離して配置したことを特徴とする発光素子駆動装置。
【請求項２】
前記定電圧電源回路は、前記光源回路への出力電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器が検出した電流検出信号を平均化する電圧平均化回路と、
を備え、
前記電圧平均化回路によって平均化された電流検出値と、発光素子に供給する電流の平均値として設定された電流指示値と、の比較結果に基づいて前記出力電流を制御することを特徴とする請求項１に記載の発光素子駆動装置。
【請求項３】
前記発光素子、前記半導体スイッチ素子および前記コンデンサを同一の基板上に配置して構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子駆動装置。
【請求項４】
前記半導体スイッチ素子は、ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子駆動装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子駆動装置を有して構成されることを特徴とする発光素子駆動装置を用いた表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）やＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）等、流れる電流に応じた輝度で発光する発光素子駆動装置および、それを用いた表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の発光素子駆動装置の一つとして、例えば下記特許文献１がある。この特許文献１では、定電圧電源と、発光素子に直列に接続されたスイッチ素子と、スイッチ素子に流れる電流を検出する電流検出部と、スイッチ素子がオンしたときの電流値をサンプリングするサンプルホールド回路から構成され、定電圧電源の出力電圧は、検出されたオン動作時の電流値があらかじめ定められた設定値になるような制御が行われている。
【０００３】
また、従来の表示装置の一つとして、例えば下記特許文献２がある。この特許文献２では、赤、青、緑のレーザ光源が用いられ、これらの各光源は光透過性ファイバに光学的に結合されるとともに、ファイバの出力はレンズに光学的に結合される一方で、これらレーザ光源がマイクロミラーマトリックスディスプレイパネル等の空間光変調器を照射し、空間光変調器を介した光がリフレクタやレンズによりスクリーンに結合されることにより、所望のカラー画像を得ている。
【０００４】
一方、ＬＤ発光素子には、電流−光出力特性にしきい電流が存在することが知られている（例えば下記非特許文献１）。このため、効率良い光変換効率を実現するために、より高い電流領域での動作が可能な矩形波パルス電流で駆動することが行われる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１１４３２４号公報（段落「００２２」〜「００３１」、図４）
【特許文献２】特表平９−５０８４７６号公報（８頁１６行〜９頁２０行、図１）
【非特許文献１】伊藤良一、中村道治共編：“半導体レーザ［基礎と応用］”、培風館、ｐｐ.１２−ｐｐ.１３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のＬＤやＬＥＤ等の発光素子駆動装置にあっては、定電圧電源と発光素子とスイッチ素子の直列回路の間に距離があると、定電圧電源と発光素子とスイッチ素子の直列回路間に浮遊のインダクタンスが発生するため、電流の立ち上がりや立下りが鈍ることから、発光素子に矩形波状のパルス電流を流すことができなくなり、ＬＥＤの場合にはパルス幅と輝度の関係の線形性が崩れ、ＬＤの場合には十分な光変換効率が得られなくなるといった課題があった。
【０００７】
また、上記課題の浮遊のインダクタンスを低減するために、定電圧電源、発光素子、スイッチ素子および、その他回路を近接配置するために一つの基板上に構成した場合、発光素子を含めた駆動装置が大型であるため、赤、青、緑３色の駆動装置を近接に配置したとしても、発光素子を近接して配置することが困難となることから、発光素子と光学的に結合する光透過性ファイバやレンズ等の光学系部品が大きくなったり、空間光変調器と光学系部品の間に大きなスペースが必要となったりして、表示装置が大型化するといった課題があった。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、立ち上がり、立ち下がりの急峻な矩形パルス電流を発光素子に供給するとともに、発光素子と光学的に結合する光透過性ファイバやレンズの大型化を抑制し、サンプルホールド回路等を必要としない簡素な構成の発光素子駆動装置および、それを用いた表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる発光素子駆動装置は、発光素子に矩形波パルス電流を供給する発光素子駆動装置において、前記発光素子と、該発光素子に直列に接続される半導体スイッチ素子と、該発光素子および該半導体スイッチ素子の直列接続回路に並列に接続されるコンデンサと、を具備する光源回路と、前記発光素子への供給電力量を制御する定電圧電源回路と、を備え、前記光源回路と前記定電圧電源回路とを分離して配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明にかかる発光素子駆動装置によれば、発光素子、発光素子に直列に接続される半導体スイッチ素子ならびに、発光素子および半導体スイッチ素子の直列接続回路に並列に接続されるコンデンサと、を具備する光源回路と、発光素子への供給電力量を制御する定電圧電源回路と、を分離して配置する構成としているので、光源としての光源回路部分のサイズがコンパクトになり、発光素子と光学的に結合する光透過性ファイバやレンズの大型化が抑制され、サンプルホールド回路等を必要としない簡素な構成の発光素子駆動装置および、それを用いた表示装置を提供することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の好適な実施の形態にかかる発光素子駆動装置および、それを用いた表示装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１２】
（発光素子駆動装置を用いた表示装置の全体構成）
図１は、本発明の好適な実施の形態にかかる発光素子駆動装置を用いた表示装置の全体構成を示すブロック図である。同図において、表示装置１は、ＡＣ／ＤＣ電力変換回路３、定電圧電源回路４Ａ〜４Ｃ、光源回路５Ａ〜５Ｃ、入射レンズ６Ａ〜６Ｃ、例えば液晶またはマイクロミラーマトリックスディスプレイを用いて構成される空間光変調器７、投射レンズ８、スクリーン９、制御回路１０を備えて構成される。定電圧電源回路４Ａと光源回路５Ａ、定電圧電源回路４Ｂと光源回路５Ｂ、定電圧電源回路４Ｃと光源回路５Ｃは、異なる基板上に構成され分離配置されている。
【００１３】
（表示装置の動作）
つぎに、表示装置１の動作について説明する。表示装置１に入力される交流電圧２は、例えば６０Ｈｚ−１００Ｖであり、ＡＣ／ＤＣ電力変換回路３により１４０Ｖ程度の直流電圧に変換される。変換された直流電圧は、定電圧電源回路４Ａ，４Ｂ，４Ｃにより、各定電圧電源回路に入力される個別の指示電圧値に応じて５Ｖ〜１５Ｖの直流電圧に変換される。５Ｖ〜１５Ｖに変換された直流電圧は、それぞれ光源回路５Ａ、５Ｂ、５Ｃにより、赤色、青色、緑色の光に変換される。変換された赤色、青色、緑色の光は、入射レンズ６Ａ、６Ｂ、６Ｃを介して空間光変調器７に、「時間的に分けられて」入射される。空間光変調器７により反射されたそれぞれの光は、投射レンズ８を介して各色の画像をスクリーン９に結合され、所望のカラー画像表示が実現される。なお、定電圧電源回路４Ａ〜４Ｃおよび光源回路５Ａ〜５Ｃに対する制御は、制御回路１０によって行われる。
【００１４】
ここで、上記した「時間的に分けられて」という動作の詳細について説明する。光源回路５Ａ〜５Ｃを構成する赤色、青色、緑色の発光素子は、時間的に分けられて１フィールド時間（１／６０秒）の内、１／３の時間ずつ発光する。空間光変調器７は、赤色の光が入射されているときは赤色の画像データに応じて光を変調し、その他の色の光の場合も同様に各色の画像データに応じて光を変調している。なお、このような発光を時間的に区分する制御を行うことにより、一つの空間光変調器でカラー画像を得る方法は、一般的によく知られた方法であり、フィールドシーケンシャル表示方法と呼ばれている。
【００１５】
つぎに、ＡＣ／ＤＣ電力変換回路３、発光素子駆動装置を構成する定電圧電源回路４および光源回路５の各構成について説明する。なお、定電圧電源回路４Ａ〜４Ｃは、それぞれが同等の構成となるため、定電圧電源回路４Ａを例にとり、その構成について説明する。また、光源回路５Ａ〜５Ｃのそれぞれも同等の構成となるため、光源回路５Ａを例にとり、その構成について説明する。
【００１６】
（ＡＣ／ＤＣ電力変換回路の回路構成）
図２は、ＡＣ／ＤＣ電力変換回路３の回路構成を示す図である。ＡＣ／ＤＣ電力変換回路３は、ダイオード３１〜３４を備え、交流電圧配線ＡＣ＿ａ，ＡＣ＿ｂおよび直流電圧配線ＤＣ＿ａ、ＤＣ＿ｂが接続されている。より詳細には、ダイオード３１のアノード端子とダイオード３２のカソード端子、およびダイオード３３のアノード端子とダイオード３４のカソード端子とがそれぞれ接続され、それらの各接続点は交流電圧配線ＡＣ＿ａ，ＡＣ＿ｂにそれぞれ接続されている。一方、ダイオード３１，３３の各カソード端子同士、およびダイオード３２，３４の各アノード端子同士がそれぞれ接続され、それらの各接続点は直流電圧配線ＤＣ＿ａ，ＤＣ＿ｂにそれぞれ接続されている。なお、本発明の表示装置を構成するＡＣ／ＤＣ電力変換回路は、例えば一般的なダイオード整流回路を使用可能であるので、ここでは、その動作説明を省略する。
【００１７】
（定電圧電源回路の回路構成）
図３は、定電圧電源回路４Ａの回路構成を示す図である。定電圧電源回路４Ａは、フォワード式絶縁形ＤＣ／ＤＣ電力変換回路の構成を成している。電圧を平滑化するコンデンサ４０１の一方の端子は、トランス４０３の一次巻線の一方の端子が接続されている直流電圧配線ＤＣ＿ａに接続されている。コンデンサ４０１の他方の端子は、ＭＯＳＦＥＴ４０２のソース端子が接続されている直流電圧配線ＤＣ＿ｂに接続されるともに接地されている。トランス４０３の一次巻線の他方の端子は、ＭＯＳＦＥＴ４０２のドレイン端子に接続され、ＭＯＳＦＥＴ４０２のゲート端子は、制御回路４０９からのゲート信号が入力される構成とされる。トランス４０３の二次巻線の一方の端子には、ダイオード４０４のアノード端子が接続され、他方の端子にはダイオード４０５のアノード端子が接続される直流電圧配線ＤＣ＿ｄに接続されている。ダイオード４０４，４０５のカソード端子同士は接続され、その接続端は電流平滑化用のチョークコイル４０６の一方の端子に接続されている。そして、チョークコイル４０６の他方の端子は直流電圧配線ＤＣ＿ｃに接続されている。
【００１８】
また、電圧平均化回路４０８は、抵抗とコンデンサにより構成され、制御回路４０９は、クロック発生器（ＣＬＫ）４１０を有し、オペアンプ、コンパレータ、抵抗、コンデンサ、駆動用の電源などの他の回路要素を備えて構成されている。
【００１９】
（定電圧電源回路の動作）
つぎに、定電圧電源回路４Ａの動作について説明する。直流電圧配線ＤＣ＿ｃあるいはＤＣ＿ｄのどちらか一方の電流は、電流検出器４０７により検出され、検出された電流値に応じた電圧信号に変換される。この電流検出信号（電圧信号）は、電圧平均化回路４０８により平均化されて制御回路４０９に入力される。ここで、平均化された電流検出信号と、制御回路１０にて生成され電圧信号に変換されて出力される電流指示信号とが、制御回路４０９で比較処理され、当該比較処理の結果に基づいてＭＯＳＦＥＴ４０２を駆動するためのゲート信号に変換される。いま、電流検出信号をＶｄ、電流指示信号をＶｐとすると、このゲート信号は、Ｖｄ＞Ｖｐの場合には、ＭＯＳＦＥＴ４０２をオンさせる期間（以下「オン電圧期間」という）が狭くなり、逆に、Ｖｄ＜Ｖｐの場合には、オン電圧期間が広くなるように変化する。
【００２０】
上記ゲート信号のオン電圧期間では、ＭＯＳＦＥＴ４０２がオン状態となり、トランス４０３の一次巻線に電流が流れると同時に、二次巻線に一次巻線と二次巻線との巻数比（以下単に「巻数比」という）に応じた電圧が発生する。いま、コンデンサ４０１の直流電圧を１４０Ｖとし、巻数比を４：１とすると、二次巻線には３５Ｖの電圧が発生する。このとき誘起された電圧は、ダイオード４０４およびチョークコイル４０６を介して直流電圧配線ＤＣ＿ｃから流出し、直流電圧配線ＤＣ＿ｄに流入する向きの電流を流す。
【００２１】
一方、ゲート電圧がＭＯＳＦＥＴ４０２をオフさせる期間（以下「オフ電圧期間」という）に移行した場合、ＭＯＳＦＥＴ４０２はオフ状態となるが、チョークコイル４０６に電圧が誘起されるためダイオード４０５を介して電流は流れ続ける。このような動作により、所望の電力が、直流電圧配線ＤＣ＿ｃ、ＤＣ＿ｄを介して光源回路５Ａに供給される。
【００２２】
（光源回路の回路構成および機能）
図４は、光源回路５Ａの回路構成を示す図である。この光源回路５Ａは、発光素子に矩形波パルス電流を供給し所望の明るさで発光素子を光らせる機能を有している。また、コンデンサ５０１は、電圧を平滑化し瞬時的なエネルギーを発光素子に供給する機能を有し、ダイオード５０４は、ＭＯＳＦＥＴ５０３のスイッチング時にＭＯＳＦＥＴ５０３自身に発生するサージエネルギーをコンデンサ５０１に回生する機能を有し、ＭＯＳＦＥＴ５０３は、制御回路１０により生成された矩形波パルス信号によってオンオフが制御され、発光素子５０２に矩形波パルス電流を供給する機能を有する。
【００２３】
（光源回路の接続構成）
つぎに、光源回路５Ａの接続構成について説明する。図４において、コンデンサ５０１は、その一端が直流電圧配線ＤＣ＿ｃに接続されるとともに、その他端が直流電圧配線ＤＣ＿ｄに接続されている。コンデンサ５０１の一端は、発光素子（ＬＤ）のアノード端子とダイオード５０４のカソード端子とが接続された接続端に接続されるとともに、その他端は、ＭＯＳＦＥＴ５０３のソース端子に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ５０３のドレイン端子は、発光素子５０２のカソード端子とダイオード５０４のアノード端子とが接続された接続端に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ５０３のゲート端子は、制御回路１０の出力端子に接続されている。
【００２４】
（発光素子に供給する電流の制御手法）
つぎに、発光素子に供給する電流の制御手法について説明する。いま、ＭＯＳＦＥＴ５０３に供給する制御信号のオン時比率（オンデューティ比）をＤとし、ＭＯＳＦＥＴ５０３のオン動作時に発光素子５０２に流したい電流値をＩｐとする。このとき、制御回路１０から定電圧電源回路４Ａに出力される電流指示信号Ｖｐは、次式で表すことができる。
Ｖｐ＝Ｄ×Ｉｐ        …（１）
この（１）式で示される制御量の信号を電流指示信号として定電圧電源回路４に出力することにより、所望の電流を発光素子に供給することが可能となる。
【００２５】
図５は、図４に示した光源回路を実装した場合の一構成例を示す概観図である。回路素子は、放熱ブロック５０５上に薄膜の絶縁層（図示省略）を介して配線されたパターン配線５０６上の要所に配設され、これらの回路素子は、パターン配線５０６や半田づけ等によって接続されている。ここで、図５の構成によれば、電圧供給源であるコンデンサ５０１を、発光素子５０２およびＭＯＳＦＥＴ５０３に対して近接して配置しているため、コンデンサ５０１、発光素子５０２およびＭＯＳＦＥＴ５０３によって構成される配線ループが非常に小さくなり、浮遊のインダクタンスを極めて低減（ほぼゼロに）することができる。従って周波数が高い電流に対してもインピーダンスが小さいため、図５に示す光源回路によれば、立ち上がり、立ち下がりの急峻な矩形波パルス電流を発光素子に供給することが可能となる。言い換えると、この配線ループが大きくなると浮遊のインダクタンスが大きくなり、立ち上がり、立ち下がりの急峻な矩形波パルス電流を発光素子に供給することができなくなる。
【００２６】
なお、上記の実施の形態では、半導体スイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを用いる場合について説明したが、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチ素子を用いるようにしても同様であることは言うまでもない。ただし、発光素子がＬＥＤやＬＤの場合、動作電圧が１０Ｖ以下となることが一般的であるため、低耐圧でオン抵抗の小さな半導体スイッチ素子であるＭＯＳＦＥＴを適用することが、装置の電力損失の抑制という観点に鑑みてより有効となる。
【００２７】
以上説明したように、本実施の形態にかかる発光素子駆動装置を用いた表示装置によれば、瞬時的なエネルギー供給源として機能するコンデンサを、発光素子とＭＯＳＦＥＴとの直列回路に並列に接続した光源回路を構成することにより、発光素子に供給する電力量の制御を行う定電圧電源回路を光源回路とを基板で分離して構成することができるので、発光素子に良好な矩形波パルス電流を供給することが可能な構成であるとともに、光源としての光源回路部分のサイズがコンパクトになり、光透過性ファイバやレンズ等の光学系のサイズが大型化するのを抑制することができる。
【００２８】
また、本実施の形態にかかる発光素子駆動装置によれば、定電圧電源回路において、出力電流を検出した電圧信号を平均化する手段を備え、発光素子への電流指示値を平均電流として指示する構成としたことによって、サンプルホールド回路等を必要としない簡素な構成で、所定の電流を発光素子に供給することができる。
【００２９】
さらに、本実施の形態にかかる発光素子駆動装置によれば、光源回路において、電圧供給源であるコンデンサを、発光素子およびＭＯＳＦＥＴが搭載される同一基板上に搭載することができ、これら回路素子で構成される配線ループの距離を非常に小さくすることができるので、浮遊のインダクタンスを極めて低減（ほぼゼロに）することができ、立ち上がり、立ち下がりの急峻な矩形波パルス電流を発光素子に供給することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
以上のように、本発明にかかる発光素子駆動装置およびそれを用いた表示装置によれば、装置の小型化や、光出力の高精度化、高効率化に寄与することができる発明として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の好適な実施の形態にかかる発光素子駆動装置を用いた表示装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】ＡＣ／ＤＣ電力変換回路の回路構成を示す図である。
【図３】定電圧電源回路の回路構成を示す図である。
【図４】光源回路の回路構成を示す図である。
【図５】図４に示した光源回路を実装した場合の一構成例を示す概観図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  表示装置
２  交流電圧
３  電力変換回路
４Ａ〜４Ｃ  定電圧電源回路
５Ａ〜５Ｃ  光源回路
６Ａ〜６Ｃ  入射レンズ
７  空間光変調器
８  投射レンズ
９  スクリーン
１０  制御回路
３１，３２，３３，３４，４０４，４０５，５０４  ダイオード
４０１，５０１  コンデンサ
４０３  トランス
４０６  チョークコイル
４０７  電流検出器
４０８  電圧平均化回路
４０９  制御回路
５０２  発光素子
５０３  半導体スイッチ素子
５０５  放熱ブロック
５０６  パターン配線
【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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