(57)【要約】【課題】ＬＥＤの温度変化を確実に検知して、ＬＥＤを効率良く発光させる発光装置を低コストで提供する。【解決手段】ＬＥＤ駆動回路１２は、ＬＥＤ１１の駆動電圧を測定する電圧測定回路１４と、駆動電流を制御する駆動電流制御回路１５と、ＬＥＤ１１を駆動するための電源である駆動用ＤＣ１６と、演算制御部１７とで構成されている。演算制御部１７は、電圧測定回路１４が測定した電圧値を逐次取得して、単位時間当たりの電圧変化量を算出し、この算出値に基づいて、駆動電流制御回路１５を制御することによりＬＥＤ１１の駆動電流を制御する。これにより、ＬＥＤ１１の温度を制御することが出来る。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、前記発光素子の駆動電流を制御する駆動電流制御手段と、前記発光素子の電圧を測定する電圧測定手段と、前記発光素子を定電流で駆動する時に、前記電圧測定手段から電圧の測定値を順次取得して電圧の変化量を算出し、この変化量に基づいて前記駆動電流制御手段を制御する演算制御手段とを設けたことを特徴とする発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子を効率良く発光させるために、温度制御を行う発光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、発光ダイオード等の発光素子は、その温度や周囲温度の変化により、発光出力や発光スペクトルが変動することが知られており、このような、発光出力や発光ペクトルの変動を制御するために、発光素子の温度制御を行っている。このような技術として、発光素子の温度を検出する温度検出手段と、発光素子を加熱する発熱手段と、温度検出手段の出力に基づいて発熱手段を制御する制御手段とを設けることにより、発光素子の時間経過に伴う温度変動を抑制して、発光素子の発光出力の変動を抑制する技術（例えば、特許文献１）が開示されている。
【０００３】
また、発光素子の温度を検出する温度検出手段と、発光素子の駆動電力を制御する駆動電力制御手段と、温度検出手段により検出された温度情報、駆動電力手段の駆動電力情報に基づいて発光素子の波長を算出して、この算出値に基づいて駆動電力制御手段を制御する演算処理制御手段とを設けることにより、発光素子の発光波長を制御する技術（例えば、特許文献２）が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−４５６５４号公報
【特許文献２】
特開平６−２３７０１３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１および特許文献２に記載の技術では、発光素子の温度を検出する温度検出手段として、熱電対、サーミスタ等の温度センサが必要であり、コストが高くなるという問題があった。また、熱電対やサーミスタ等の温度センサを使用した場合には、温度検出に熱伝導による時間的な遅れが発生するために、制御に遅れが生じるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決するためのもので、発光素子の温度制御を確実に行うことにより、発光素子を効率良く発光させる発光装置を低コストで提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明の発光装置は、発光素子と、発光素子の駆動電流を制御する駆動電流制御手段と、発光素子の電圧を測定する電圧測定手段と、発光素子を定電流で駆動する時に、電圧測定手段から電圧の測定値を順次取得して電圧の変化量を算出し、この変化量に基づいて駆動電流制御手段を制御する演算制御手段とを設けたことを特徴とするものであり、電圧の変化量に基づいて駆動電流を制御することにより、発光素子の温度制御を確実に行うことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の発光装置の電気的構成を示すブロック図である。発光装置１０は、発光ダイオード（以下ＬＥＤと省略する）１１と、ＬＥＤ駆動回路１２と、ヒートシンク１３とで構成されている。
【０００９】
本実施形態においては、ＬＥＤ１１として高輝度青色発光ダイオード（例えば、ＩｎＧａＮ）を用いて説明を行うが、これに限るものではない。以下に、このＬＥＤ１１の特性について説明を行う。ＬＥＤ１１を高電流駆動した時の時間経過に対する電圧変化を図２に示す。図２は、定電流（２Ａ）で駆動した時のＬＥＤ１１の時間−電圧特性を示すグラフであり、横軸が経過時間（ｓ）、縦軸が駆動電圧（Ｖ）である。このような高電流駆動時には、ＬＥＤ１１の発熱により一般的な電圧低下が発生する。この電圧低下は、ＬＥＤ１１の駆動開始（位置Ａ）から約３秒後まで発生する。この時、グラフの変曲点（位置Ｂ）に達しており、それ以降は、逆に電圧増加が発生して、約８秒後に位置Ｃに到達している。
【００１０】
図３は、ＬＥＤ１１の電圧−光出力特性を示すグラフである。このグラフのデータは、図２の時間−電圧特性を示すグラフのデータと同じであり、ＬＥＤ１１を２Ａの定電流で駆動している。このグラフの横軸は駆動電圧（Ｖ）、縦軸は光出力（ｍＷ）を示している。ＬＥＤ１１の駆動開始時は、右上端の位置Ａであり、その後、時間経過とともに、駆動電圧及び光出力が低下し、約３秒後に変曲点（位置Ｂ）に到達する。その後、光出力は低下し続けるが、駆動電圧は、逆に増加を開始して、駆動開始から約８秒後に左下端の位置Ｃに到達する。
【００１１】
このグラフより、駆動開始（位置Ａ）から、時間の経過とともに、ＬＥＤ１１の発熱により、徐々に発光効率が低下し、かつ駆動電圧が減少することが分かる（図中領域ａ）。さらに、ＬＥＤ１１の発熱が進むと変曲点（位置Ｂ）を過ぎて、光出力は領域ａの時と同じように低下するが、駆動電圧は逆に上昇に転じる（図中領域ｂ）。これは、光出力の低下、つまり投入された駆動電力が光に変換される効率が、ＬＥＤ１１の発熱により低下して、この低下の割合が、発熱による半導体の抵抗低下による駆動電圧の減少を上回ったためであると解釈できる。この領域ｂでは、急速に、光出力の低下→発熱→駆動電圧の上昇→発熱の増加→光出力の低下と帰還がかかり、ＬＥＤ１１の破壊に至る。
【００１２】
よって、ＬＥＤ１１の破壊を防ぐためには、ＬＥＤ１１の電圧測定を逐次行い、単位時間当たりの電圧の変化量、すなわち、電圧の時間微分（ｄＶ／ｄｔ）を算出することにより、ＬＥＤ１１の温度が、領域ａの範囲内であるか、変曲点（位置Ｂ）であるか、領域ｂの範囲内であるかを判断することが可能である。
【００１３】
変曲点（位置Ｂ）においては、電圧の時間微分（ｄＶ／ｄｔ）＝０となるので、これを閾値として変曲点（位置Ｂ）に至ってるかどうかを判断して、この閾値に到達した時は、ＬＥＤ１１の温度上昇が大きいので、駆動電力（駆動電圧×駆動電流）を減らせば、温度上昇を抑制できる。これにより、ＬＥＤ１１の破壊を防止でき、駆動電力に対して効率良く発光させることができる。
【００１４】
次に、ＬＥＤ駆動回路１２の説明を行う。ＬＥＤ駆動回路１２は、ＬＥＤ１１の駆動電圧を測定する電圧測定回路１４と、駆動電流を制御する駆動電流制御回路１５と、ＬＥＤ１１を駆動するための電源である駆動用ＤＣ１６と、演算制御部１７とで構成されている。電圧測定回路１４及び駆動用ＤＣ１６は、ＬＥＤ１１に対して並列に接続されており、駆動電流制御回路１５は、ＬＥＤ１１に対して直列に接続されている。また、演算制御部１７は、電圧測定回路１４及び駆動電流制御回路１５に接続されている。
【００１５】
演算制御部１７は、電圧測定回路１４が測定した電圧値を順次取得して、単位時間当たりの電圧変化量、すなわち、電圧の時間微分（ｄＶ／ｄｔ）を算出する。演算制御部１７は、この算出値に基づいて、図３に示す位置Ｂの変曲点（ｄＶ／ｄｔ＝０）に到達したか否かの判断を行い、変曲点Ｂに到達したと判断した場合には、駆動電流制御回路１５を制御して、電圧の時間微分（ｄＶ／ｄｔ）が、０より小さい範囲内で駆動するように駆動電流を制限・制御する。また、閾値は変曲点（ｄＶ／ｄｔ＝０）ではなく、ｄＶ／ｄｔ＜０の領域、すなわち領域ｂ内に設けても良い。この場合も、電圧の時間微分（ｄＶ／ｄｔ）が、閾値より小さい範囲内で駆動するように駆動電流を制限・制御すれば良い。
【００１６】
ヒートシンク１３は、ＬＥＤ１１の内部で発生する熱を冷却するために設けられた部品である。ヒートシンクは、熱の消費体である半導体素子の内部で発生する熱を周囲の冷たい流動体（気体または液体）に移す機能を持っており、半導体を冷却するのに最も実用的で、且つ経済的な部品として知られている。
【００１７】
次に、上記実施形態の作用について説明する。発光装置１０は、ＬＥＤ駆動回路１２により駆動されて発光する。窒化物系青色発光ダイオードであるＬＥＤ１１を定電流で駆動する場合は、一般的な駆動条件において、１℃上昇時の発光効率の低下は、−０．４３％／℃、電圧の低下は、−０．００６Ｖ／℃（駆動電圧が３．３Ｖとすると、０．１８％／℃程度）である。
【００１８】
また、高電流注入時には、ＬＥＤ１１に投入電力が大きく、温度上昇に伴う発光効率低下による温度上昇が加わることにより、電圧の時間変化量、すなわち電圧の時間微分（ｄＶ／ｄｔ）は、マイナス（領域ａ）からプラス（領域ｂ）に転じる。この電圧特性が変曲点（位置Ｂ）を越えた（ｄＶ／ｄｔ＞０）の領域ｂでは、非常に短時間（数〜数十秒）程度しか駆動出来ず、このまま駆動すると破壊に至る。
【００１９】
ＬＥＤ１１がＬＥＤ駆動回路１２により駆動され発光している時、電圧測定回路１４は、ＬＥＤ１１の駆動電圧を測定する。ＬＥＤ１１の駆動中は、この駆動電圧の測定値は、演算制御部１７にて順次取得される。演算制御部１７は、取得した測定値に基づいて、電圧の時間変化量、すなわち電圧の時間微分（ｄＶ／ｄｔ）を算出し、この算出値に基づいて、図３に示す位置Ｂの変曲点（ｄＶ／ｄｔ＝０）に到達したか否かの判断を行い、変曲点Ｂに到達したと判断された場合には、駆動電流制御回路１５を制御して、電圧の時間微分（ｄＶ／ｄｔ）が０より小さい範囲内で駆動するように、必要なＬＥＤ動作時間に応じて駆動電流を制限・制御する。これにより、ＬＥＤ１１の温度上昇を制御することが可能であり、ＬＥＤ１１が温度上昇により破壊されることを防止できる。また、駆動電力に対して、ＬＥＤ１１を効率良く発光させることができる。
【００２０】
変曲点Ｂに到達していないと判断された場合には、演算制御部１７は、駆動電流制御回路１５により、ＬＥＤ１１の定電流駆動を継続させる。
【００２１】
また、閾値は変曲点（ｄＶ／ｄｔ＝０）ではなく、ｄＶ／ｄｔ＜０の領域、すなわち領域ｂ内に設けても良い。この場合も、電圧の時間微分（ｄＶ／ｄｔ）が、閾値より小さい範囲内で駆動するように、必要なＬＥＤ動作時間に応じて駆動電流を制限・制御すれば良い。
【００２２】
さらに、ＬＥＤ１１の各電圧時間微分（ｄＶ／ｄｔ）の値に対応するＬＥＤ１１の温度を演算制御部１７のメモリに記憶させておくことにより、この時間微分の値に対応する温度を順次参照して駆動電流を制限・制御すれば、より細かい温度制御が可能である。
【００２３】
また、ＬＥＤ１１の発熱が小さい、定格以下の電流で駆動した時の電圧値と、一定電流で駆動開始後、一定時間経過後の電圧値との差を算出して、この差が小さくなった時には、ＬＥＤ１１の温度が上昇していることが推測できる。これにより、同一電流における発光効率そのものの低下と、ＬＥＤの温度上昇による発光効率の低下という異なるモードごとのＬＥＤチップの劣化率を割り出すことができる。
【００２４】
なお、本実施形態においては、ＬＥＤを駆動するのに駆動用ＤＣ電源を用いたが、これに限るものではなく、例えば、パルス直流電源でも良い。この場合は、駆動電圧Ｖｆの時間に対する微分値を算出することにより、ＬＥＤの温度上昇に関する情報を取得して、この情報に基づいて、駆動電圧やパルス幅を適宜制御することにより、ＬＥＤの発熱を一定値以下に制御することが可能であり、ＬＥＤを駆動電力に対して効率良く発光させることができる。
【００２５】
また、本実施形態においては、１つのＬＥＤを使用するように説明したが、複数のＬＥＤで構成されるＬＥＤアレイを使用しても良い。この場合は、ＬＥＤの駆動電圧の時間変化に基づいてＬＥＤの温度を検知して、駆動電流を制御する制御手段を１個以上のＬＥＤに設ければ良い。これにより、ＬＥＤアレイ内の温度分布を知ることができる。また、サーミスター等の温度計測用素子を用いて温度を測定するよりも、熱伝導による時間の遅れがない分、ＬＥＤの温度を迅速に検出することができる。このため、ＬＥＤのパルス駆動や、フラッシュのような駆動において温度上昇を検出する手段として有効である。
【００２６】
さらに、本実施形態の発光装置に、発光量を測定する手段を設け、ＬＥＤに投入する電力の損失に対する発熱量が一定値以下で駆動するように、ＬＥＤに投入する電力を制御するようにしても良い。あるいは、ＬＥＤの冷却のために、例えばヒートシンクとファン等を設けた場合、このファンの風量により、ヒートシンクによるＬＥＤの冷却量を制御するために、この電圧変動値を用いて制御することも可能である。
【００２７】
また、本実施形態の発光装置に、ＬＥＤの温度を測定する温度測定手段を設け、この温度測定手段により測定された温度と、ＬＥＤを定電流駆動したときの電圧値から換算される温度との差を算出して、この差が一定値の範囲内で駆動するように、ＬＥＤに投入する電力を制御するようにしても良い。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の発光装置は、発光素子の電圧の時間変化量に基づいて、発光素子の温度変化を制御するので、熱電対やサーミスタ等の温度センサを使用した場合の熱伝導による温度検出の遅れがないので、制御の遅れが発生せずに確実な温度制御が可能であるため、温度上昇による発光素子の破壊を防止することができる。また、発光素子を駆動電力に対して効率的に発光させることが可能である。
【００２９】
また、熱電対やサーミスタ等の温度センサを必要としないため、温度センサを設けた場合と比べて低コストで製造可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図２】ＬＥＤの時間−電圧特性を示す図である。
【図３】ＬＥＤの電圧−光出力特性を示す図である。
【符号の説明】
１０  発光装置
１１  ＬＥＤ
１２  ＬＥＤ駆動回路
１３  ヒートシンク
１４  電圧測定回路
１５  駆動電流測定回路
１６  駆動用ＤＣ
１７  演算制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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