(57)【要約】【課題】変圧器を用いずに廉価で小型にしうる照明装置を提供する。【解決手段】発光ダイオードアレイと、この発光ダイオードアレイに給電する直流‐直流コンバータとを有する照明装置において、発光ダイオードアレイを入力端子と出力端子との間に結合する。入力電圧と出力電圧との間の差を比較的低い値に制御でき、変圧器を用いることなく発光ダイオードアレイを動作させることができる。直流‐直流コンバータはアップコンバータとするのが好ましい。【選択図】図１
2004186159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオードアレイと、この発光ダイオードアレイに給電する給電回路とを具える照明装置であって、この給電回路は、直流入力電圧Ｖinから直流出力電圧Ｖout を発生させる直流‐直流コンバータを有し、この直流‐直流コンバータが、
‐  直流入力電圧を生じる電圧電源に接続するための入力端子と、
‐  誘導素子と、
‐  ダイオードと、
‐  前記誘導素子を流れる電流を制御するスイッチング素子と、
‐  このスイッチング素子の制御電極に結合され、このスイッチング素子を周期的に交互に導通及び非導通とする制御回路と、
‐  出力端子であって、動作中これら出力端子間に直流出力電圧を存在させる当該出力端子と
を有するようにした照明装置において、前記発光ダイオードアレイが入力端子と出力端子との間に結合されていることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
請求項１に記載の照明装置において、前記直流‐直流コンバータがアップコンバータである照明装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の照明装置において、前記出力端子間にキャパシタが結合されている照明装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明装置において、前記制御回路には、前記直流‐直流コンバータを臨界的な不連続モードで動作させる手段が設けられている照明装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明装置において、前記直流‐直流コンバータには、発光ダイオードアレイを流れる平均電流を予め決定した値に制御する電流制御手段が設けられている照明装置。
【請求項６】
請求項４に記載の照明装置において、前記直流‐直流コンバータには、発光ダイオードアレイを流れる平均電流を予め決定した値に制御する電流制御手段が設けられており、この電流制御手段は、入力端子及び出力端子に結合されて制御信号の各周期中に前記スイッチング素子を導通状態に維持する期間を入力電圧Ｖin及び出力電圧Ｖout の関数である数式に比例するように制御する手段を具えている照明装置。
【請求項７】
請求項２に記載の照明装置において、前記制御回路には、前記直流‐直流コンバータを臨界的な不連続モードで動作させる手段が設けられており、前記直流‐直流コンバータには、発光ダイオードアレイを流れる平均電流を予め決定した値に制御する電流制御手段が設けられており、この電流制御手段は、入力端子及び出力端子に結合されて制御信号の各周期中に前記スイッチング素子を導通状態に維持する期間を入力電圧及び出力電圧の関数である数式に比例するように制御する手段を具えており、前記数式はＶout ／Ｖin2 である照明装置。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の照明装置において、前記直流‐直流コンバータには、ほぼ方形波により発光ダイオードアレイを流れる電流の振幅を変調する手段が設けられている照明装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の照明装置を具えているバックライトが設けられた液晶ディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードアレイと、この発光ダイオードアレイに給電する給電回路とを具える照明装置であって、この給電回路は、直流入力電圧Ｖinから直流出力電圧Ｖout を発生させる直流‐直流コンバータを有し、この直流‐直流コンバータが、
‐  直流入力電圧を生じる電圧電源に接続するための入力端子と、
‐  誘導素子と、
‐  ダイオードと、
‐  前記誘導素子を流れる電流を制御するスイッチング素子と、
‐  このスイッチング素子の制御電極に結合され、このスイッチング素子を周期的に交互に導通及び非導通とする制御回路と、
‐  出力端子であって、動作中これら出力端子間に直流出力電圧を存在させる当該出力端子と
を有するようにした照明装置に関するものである。
【０００２】
本発明は、このような照明装置を有する液晶ディスプレイにも関するものである。
【背景技術】
【０００３】
上述した照明装置は、国際公開パンフレットＷＯ01/05193に開示されており、既知である。この既知の照明装置は、例えば、液晶ディスプレイにおけるバックライトとして用いられる。使用されているＤＣ‐ＤＣ（直流‐直流）コンバータは帰還型である。ＬＥＤ（発光ダイオード）アレイにまたがって存在する電圧は比較的低い為、ＤＣ‐ＤＣコンバータは一般に変圧器を具える必要がある。このような変圧器の欠点は、これが高価でかさばる素子であるということである。
【特許文献１】ＷＯ01/05193
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、上述した欠点を無くした照明装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、発光ダイオードアレイと、この発光ダイオードアレイに給電する給電回路とを具える照明装置であって、この給電回路は、直流入力電圧Ｖinから直流出力電圧Ｖout を発生させる直流‐直流コンバータを有し、この直流‐直流コンバータが、
‐  直流入力電圧を生じる電圧電源に接続するための入力端子と、
‐  誘導素子と、
‐  ダイオードと、
‐  前記誘導素子を流れる電流を制御するスイッチング素子と、
‐  このスイッチング素子の制御電極に結合され、このスイッチング素子を周期的に交互に導通及び非導通とする制御回路と、
‐  出力端子であって、動作中これら出力端子間に直流出力電圧を存在させる当該出力端子と
を有するようにした照明装置において、前記発光ダイオードアレイが入力端子と出力端子との間に結合されていることを特徴とする。
【０００６】
本発明によれば、直流入力電圧Ｖinと直流出力電圧Ｖout との差を比較的低い値に制御しうる為、変圧器を用いることなく本発明による照明装置におけるＬＥＤアレイを動作させることができる。その結果、照明装置は比較的廉価で小型のものとなる。
【０００７】
前記制御回路には、前記直流‐直流コンバータを臨界的な不連続モードで動作させる手段が設けられているようにした本発明による照明装置の例の場合、良好な結果を得ることができた。臨界的な不連続モードでは、誘導素子における電流がほぼ零になった際にのみスイッチング素子が導通状態にされる。その結果、ダイオードにおける電力損失が比較的低くなる。
【０００８】
前記直流‐直流コンバータをアップコンバータとした本発明による照明装置の例の場合も、良好な結果が得られた。アップコンバータも臨界的な不連続モードで動作させるのが好ましい。殆どの他の直流‐直流コンバータを用いた場合に比べてアップコンバータを用いた場合に得られる重要な利点は、アップコンバータは電圧電源からほぼ連続的な電流を取出すということである。臨界的な不連続モードで動作する殆どの他の直流‐直流コンバータの場合には、制御信号の各周期における一部の間のみ電圧電源から電流が取出されるにすぎない。その結果、これら殆どの他の直流‐直流コンバータは、ＬＥＤアレイを流れる平均電流が同じであるとした場合に、アップコンバータよりも高いピーク電流に対して設計する必要がある。
【０００９】
出力端子間にはキャパシタを結合するのが好ましい。このようなキャパシタは出力端子間の電圧を安定化し、これにより発光ダイオードアレイにまたがる電圧をも安定化する。
【００１０】
本発明による照明装置の好適例では、前記直流‐直流コンバータに、発光ダイオードアレイを流れる平均電流を予め決定した値に制御する電流制御手段が設けられていることを特徴とする。発光ダイオードアレイを流れる平均電流を制御することにより、発光ダイオードアレイの平均光出力も制御される。光出力を制御するのは、例えば、照明装置をバックライトとして用いる場合にしばしば望ましいこととなる。この電流制御手段は、入力端子及び出力端子に結合されて制御信号の各周期中に前記スイッチング素子を導通状態に維持する期間を入力電圧Ｖin及び出力電圧Ｖout の関数である数式に比例するように制御する手段を具えているようにするのが好ましい。前記直流‐直流コンバータがアップコンバータである場合、前記数式はＶout ／Ｖin2 とする。この電流制御手段は比較的簡単に構成でき、又この電流制御手段は、発光ダイオードアレイの電流を迅速に制御することを確かめた。このような電流制御手段の構成に関する更なる可能な情報は、特願２００３‐１９２８４０に開示されている。
【００１１】
本発明による照明装置の更なる好適例では、前記直流‐直流コンバータに、ほぼ方形波により発光ダイオードアレイを流れる電流の振幅を変調する手段が設けられていることを特徴とする。ほぼ方形波により変調する際のデューティサイクルを調整することにより、発光ダイオードアレイを流れる平均電流を調整でき、これにより、発光ダイオードアレイの光出力を制御できる。実際に、変調深さはしばしば１００％として選択される為、発光ダイオードアレイは各変調周期の一部中いかなる電流も流さない。各変調周期の残の部分（前記一部以外の部分）中に発光ダイオードアレイが電流を流す場合には、この電流が比較的迅速にその固定値まで増大するようにするのが望ましい。このような電流の迅速な増大は、前記電流制御手段を上述したように構成することにより達成される。
【実施例】
【００１２】
本発明による照明装置の実施例を示す図１において、Ｋ1 及びＫ2 はそれぞれ、直流入力電圧Ｖinを生じる電圧電源に接続するための第１及び第２入力端子である。入力端子Ｋ1 及び入力端子Ｋ2 はキャパシタＣ１により且つ誘導素子Ｌ１及びスイッチング素子Ｑ１の直列回路により相互接続されている。スイッチング素子Ｑ１の制御電極はスイッチング素子Ｓを介して回路部分ＣＣの出力端に接続されている。この回路部分ＣＣは、スイッチング素子Ｑ１を周期的に交互に導通及び非導通にする制御信号を発生する制御回路である。この回路部分ＣＣは、スイッチング素子が制御信号の各周期中に導通状態に維持される期間ＴonをＶout ／Ｖin2 に比例するように制御するために、（破線で示すように）入力端子及び出力端子に結合された手段Ｉを有する。スイッチング素子Ｑ１はダイオードＤ１とキャパシタＣ２との直列回路により分路されている。ダイオードＤ１とキャパシタＣ２との共通端子が第１出力端子Ｋ3 を構成している。第２出力端子Ｋ4 はキャパシタＣ１とキャパシタＣ２との共通端子より成る。誘導素子Ｌ１とダイオードＤ１との直列回路はＬＥＤアレイＬＡにより分路されており、従って、このＬＥＤアレイは入力端子Ｋ1 と出力端子Ｋ3 との間に結合されている。スイッチング素子Ｓには、回路部分IIＡの出力端子が結合されている。この回路部分IIＡの入力端子は、ＬＥＤアレイＬＡの付近に配置された光センサＳＥに結合されている。センサＳＥと、回路部分IIＡと、スイッチング素子Ｓとが相俟って、ＬＥＤアレイを流れる電流の振幅をほぼ方形波により変調する手段IIを形成する。
【００１３】
入力端子Ｋ1 及びＫ2 と、出力端子Ｋ3 及びＫ4 と、キャパシタＣ１及びＣ２と、誘導素子Ｌ１と、スイッチング素子Ｑ１と、ダイオードＤ１と、回路部分ＣＣとが相俟って、アップコンバータであるＤＣ‐ＤＣコンバータを形成する。このアップコンバータはＬＥＤアレイと相俟って照明装置を形成する。
【００１４】
図１に示す照明装置の動作は以下の通りである。
入力端子Ｋ1 及びＫ2 を、第１直流電圧Ｖinを生じる電圧電源に接続すると、回路部分ＣＣが制御信号を発生し、この制御信号によりスイッチング素子Ｑ１を周期的に交互に導通及び非導通とする。スイッチング素子Ｑ１が導通すると、振幅が直線的に増大する直流電流が誘導素子Ｌ１及びスイッチング素子Ｑ１を流れる。次に、このスイッチング素子が非導通になると、電流の振幅は直線的に減少し、電流が誘導素子Ｌ１及びダイオードＤ１を流れてキャパシタＣ２を充電する。アップコンバータは臨界的な不連続モードで動作する。すなわち、誘導素子（インダクタ）Ｌ１を流れる電流が零になると、制御信号がスイッチング素子Ｑ１を再び導通させ、上述したサイクルが繰返される。この動作の結果として、直流出力電圧Ｖout が出力端子Ｋ3 及びＫ4 間に、従って、キャパシタＣ２の両端間に存在する。ＬＥＤアレイＬＡにまたがって電圧Ｖout −Ｖinに等しい電圧が存在し、直流電流が出力端子Ｋ3 からこのＬＥＤアレイを経て入力端子Ｋ1 に流れる。実際には、直流出力電圧Ｖout を直流入力電圧Ｖinよりも４ボルトだけ高い値に制御しうるということを確かめた。従って、変圧器を用いることなく、ＬＥＤアレイにまたがる電圧降下を４ボルト程度にしうる。或いはまた、アップコンバータの直流出力電圧Ｖout を入力電圧よりも著しく高い値に制御しうることもできる。実際には、直流出力電圧を３Ｖinに等しい値に制御しうることを確かめた。この後者の場合、ＬＥＤアレイにまたがる電圧は２Ｖinに等しくなる。従って、図１に示す照明装置においては、ＬＥＤアレイにまたがる電圧を種々に異なる値に調整でき、この回路は多くの異なるＬＥＤアレイに適応しうる。図１に示す実施例はＬＥＤアレイを流れる電流を制御する手段Ｉを有する。この手段Ｉは制御回路ＣＣに含まれ、入力端子及び出力端子に結合され、制御信号の各周期中にスイッチング素子Ｑ１を導通状態に維持する期間ＴonをＶout ／Ｖin2 に比例させる。キャパシタＣ２を充電する電流の平均値は、スイッチング素子Ｓが導通している期間中一定値に制御されることを確かめた。これにより、ＬＥＤアレイを流れる電流も、スイッチング素子Ｓが導通している期間中一定値に制御される。この回路には更に、ＬＥＤアレイを流れる電流の振幅をほぼ方形波により変調する手段IIが設けられている。この変調は、スイッチング素子Ｓを非導通にすることにより、予め決定された期間中、制御回路ＣＣとスイッチング素子Ｑ１との間の接続を周期的に中断させることにより容易に行なわれる。このような中断中、スイッチング素子Ｑ１は導通させられない為、電圧電源からスイッチング素子Ｑ１を経て電流が流れることはない。従って、直流出力電圧は直流入力電圧にほぼ等しい値まで急速に降下し、ＬＥＤアレイＬＡはもはや電流を流さない。回路部分IIＡがスイッチング素子Ｓを再び導通させることにより、制御回路ＣＣとスイッチング素子Ｑ１の制御電極との接続が回復されると、直流出力電圧が迅速にその固定値まで上昇し、ＬＥＤアレイＬＡが電流を流す。手段Ｉは期間ＴonをＶout ／Ｖin2 に比例させることにより、直流出力電圧を迅速に上昇させる為、ＬＥＤアレイを流れる電流に対しても同様となる。このような迅速な応答は、光出力を手段IIにより��整する場合に、極めて望ましいことである。センサＳＥは、ＬＥＤアレイの平均光出力を表わす信号を発生する。回路部分IIＡは、ＬＥＤアレイを流れる電流の振幅をほぼ方形波により変調するデューティサイクルを制御し、ＬＥＤアレイの平均光出力が所望値を有するようにする。この所望値は一定値にしうるが、多くの分野では時間の関数である信号となる。
【００１５】
図２は、図１に示す実施例の回路部分ＣＣに含まれる手段Ｉを詳細に示す。図２において、Ｋ5 は入力端子Ｋ1 に接続された端子であり、Ｋ6 は入力端子Ｋ2 に接続された端子である為、動作中電圧Ｖinが端子Ｋ5 及びＫ6 間に存在する。端子Ｋ5 及びＫ6 は、オーム抵抗Ｒ01及びＲ03の直列回路により、且つオーム抵抗Ｒ05と、ツェナーダイオードＤ03と、トランジスタＱ03と、キャパシタＣ03との直列回路により相互接続されている。オーム抵抗Ｒ03はツェナーダイオードＤ02により分路されている。オーム抵抗Ｒ03とツェナーダイオードＤ02との共通端子はトランジスタＱ03のベース電極に接続されている。端子Ｋ5 はオーム抵抗Ｒ02によりトランジスタＱ03のエミッタ電極に接続されている。キャパシタＣ03はスイッチング素子Ｑ4 により分路されている。このスイッチング素子Ｑ4 の制御電極は回路部分ＣＣの出力端子に接続されている。オーム抵抗Ｒ01、Ｒ02、Ｒ03及びＲ05と、ツェナーダイオードＤ02及びＤ03と、トランジスタＱ03とは、これらが相俟ってＶin2 に比例する電流を生じるようにした電流源を形成するように構成する。端子Ｋ8 は出力端子Ｋ3 に接続されている。この端子Ｋ8 はオーム抵抗Ｒ07及びＲ10の直列回路により端子Ｋ6 にも接続されている。この直列回路の両端間には、動作中電圧Ｖout が存在する。オーム抵抗Ｒ07及びＲ10の共通端子が比較器ＣＯＭＰの第１入力端子に接続され、トランジスタＱ03及びキャパシタＣ03の共通端子がこの比較器ＣＯＭＰの第２入力端子に接続されている。Ｋ7 はスイッチング素子Ｑ１の制御電極に結合された比較器出力端子である。
【００１６】
図２に示す手段Ｉの動作は以下の通りである。
スイッチング素子Ｑ１が導通する必要があるということを回路部分ＣＣにより検出されると、この回路部分の出力端子における電圧が低レベルから高レベルに変化し、スイッチング素子Ｑ4 が導通させられ、キャパシタＣ03が放電される。その結果、比較器ＣＯＭＰの第２入力端子に存在する電圧がこの比較器の第１入力端子に存在する電圧よりも低くなり、比較器出力端子Ｋ7 に存在する電圧が高レベルになり、スイッチング素子Ｑ１が導通させられる。キャパシタＣ03が放電すると直ちに、スイッチング素子Ｑ4 が再び非導通にされ、Ｖin2 に比例する電流を生じる電流源がキャパシタＣ03を充電する。キャパシタＣ03にまたがる電圧が比較器ＣＯＭＰの第１入力端子における電圧よりも低い限り、比較器出力端子における電圧は高レベルであり、スイッチング素子Ｑ１が導通状態に維持される。キャパシタＣ03の両端間の電圧が比較器ＣＯＭＰの第１入力端子における電圧に等しくなると、比較器出力端子における電圧が低レベルになり、従ってスイッチング素子Ｑ１が非導通となる。キャパシタＣ03を充電する電流はＶin2 に比例し、比較器の第１入力端子における電圧はＶout に比例する為、期間ＴonはＶout ／Ｖin2 に比例するようになる。電流源は、１２Ｖ及び２４ＶのようなＶinの２つの異なる値に対し用いるのに適するように設計する。Ｖinの２つの異なる値のうち低い方の値では、ツェナーダイオードＤ02のみが導通し、ツェナーダイオードＤ03は導通しない。従って、電流源が生じる電流はオーム抵抗Ｒ02を流れる電流である。Ｖinの２つの異なる値のうち高い方の値では、双方のツェナーダイオードが導通し、電流源が生じる電流は、オーム抵抗Ｒ02及びＲ05を流れる電流の合計となる。
【００１７】
図２における電流源は、これが生じる電流が、正確ではないが良好な近似でＶin2 のみに比例するように設計してあることに注目すべきである。更に、Ｖinは、しばしばバッテリーにより供給され、従って、ある制限された範囲に亙って変化するにすぎない。従って、Ｖinの平均値とあまり相違しない（例えば、多くとも１０％又は２０％しか相違しない）Ｖinの値に対し電流源はＶin2 にほぼ比例する電流を生じるようにする必要があるだけである。例えば、電流源を１２Ｖに等しいＶinの平均値に対し設計するには、実際的な殆どの場合、電流源は、１０．８Ｖ＜Ｖin＜１３．２Ｖの範囲内のＶinの値に対しＶin2 にほぼ比例する電流を生じるようにすれば完全に満足なものとなる。同様に、電流源を１２Ｖ及び２４ＶのようなＶinの２つの異なる平均値に対し設計する場合には、この電流源が、例えば１０．８Ｖ＜Ｖin＜１３．２Ｖの範囲内のＶinの値に対し且つ例えば２１．６＜Ｖin＜２６．４Ｖの範囲内のＶinの値に対しＶin2 にほぼ比例する電流を生じるようにすれば、満足な結果が得られる。
【００１８】
図１及び２に示す回路の実際例では、Ｖinが１０％だけ変化することにより、出力電流Ｉout を３％よりも少なく変化させるにすぎないことを確かめた。同様に、Ｖinが２０％だけ変化した場合、出力電流Ｉout を５％よりも少なく変化させるにすぎない。手段Ｉが存在しないものとした場合、換言すれば、スイッチング素子Ｑ１の期間Ｔonを変化させない状態にした場合、入力電圧Ｖinが１０％だけ変化すると、出力電流Ｉout を２０％だけ変化させ、入力電圧Ｖinが２０％だけ変化すると、出力電流Ｉout を４０％だけ変化させてしまう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による照明装置の一実施例を示す線図的回路図である。
【図２】図１に示す照明装置の回路の一部を示す回路図である。
【符号の説明】
【００２０】
ＬＡ      ＬＥＤアレイ
ＳＥ      センサ
ＣＣ      回路部分
IIＡ      回路部分
ＣＯＭＰ  比較器
【図１】
2004186159.tif 000003
【図２】
2004186159.tif 000004