JP4048164B2

JP4048164B2 - 発光装置

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Publication number: JP4048164B2
Application number: JP2003346087A
Authority: JP
Inventors: 洋平吉田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-10-03
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2023-10-03
Also published as: CN1288765C; JP2004235611A; US20040145301A1; US7183718B2; CN1518136A

Description

この発明は、発光装置に関し、複数個の発光素子（ＬＥＤ）特に、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３つのＬＥＤを用いて、所定の色の光、例えば、白色光を生成する発光装置に関する。

３原色の光を合成して作る白色光源としては、例えば、赤色（以下、Ｒと記す），緑色（以下，Ｇと記す），青色（以下、Ｂと記す）の３原色のＬＥＤを組み合わせたものが利用されている。また、青色光と青色光で励起され赤色光を出す蛍光体を組合せて擬似的な白色を実現するＬＥＤもある。
白色光源は、携帯電話などの液晶表示装置（ＬＣＤ）のバックライトとして用いられている。
しかし、３原色のＬＥＤを用いて白色光を放出させるようにした場合には、色ずれが生じないように３原色のＬＥＤの配置や光強度を適切に選択し、３原色の色バランスを適切に調整することが必要であり、３つのＬＥＤの配置や発光方法に種々の提案がなされている（特許文献１，２参照）。
実開平６−７９１６５号公報（図１）実開平５−２１４５８号公報（図１）

特許文献１には、１個の赤色ＬＥＤを中心に置き、２個の緑ＬＥＤと２個の青色ＬＥＤを、赤色ＬＥＤを中心としてそれぞれの表示色ごとに対称となるように配設したＬＥＤランプが開示されている。
特許文献２には、１つの赤色ＬＥＤを四角形の中心に配置し、四角形の４つの角に、それぞれ２つの緑色ＬＥＤと青色ＬＥＤとを交互に配置した半導体発光装置が開示されている。

所望の色光源を３原色のＬＥＤで作る場合、その色の表示品質を維持し色ずれを防止するためには、各ＬＥＤの色彩，色バランス，光強度が重要な要素となり、特に、各色の光強度比により色合いが決定される。
Ｒ，Ｇ，Ｂの各ＬＥＤ素子は完全に設計値どうりに作成することは困難であり、同じ色のＬＥＤを複数個用いる場合や多数の異なるＬＥＤを用いて同じ色調の発光色を生成する場合は、個々の製品ごとに色バランスにばらつきが発生していた。
特に白色の場合、色合いを変えることで昼光色、電燈色等部屋の雰囲気まで変化するため色調を設計通りに作成することが重要である。

また、各ＬＥＤごとに時間経過による各ＬＥＤの劣化スピードの違いにより、長年の使用により色彩や色バランスに変化が生じ、発光色の色調が変化するという問題もあった。
この経年変化に対応するためには、光強度モニター素子を各ＬＥＤごとに設け、各ＬＥＤの光強度を常に測定しながら、各ＬＥＤの発光強度を調整することにより、発光色の品質を維持することが望ましいと考えられる。しかし、各ＬＥＤごとに別々に光強度モニター素子を設けていたのでは、光強度をモニターするための部品点数が増加し、回路も複雑化し、さらにパッケージ寸法が大きくなるので、特に小型化を要求される用途には適さない。

そこで、この発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであり、ＲＧＢ１つずつのＬＥＤ（発光素子）と、光強度検出用の１つのフォトトランジスタ（光検出素子）を設けることにより、色バランスの調整をしながら発光色の品質を維持し、小型化が可能な発光装置を提供することを課題とする。

この発明は、基板上に、第１，第２および第３の色の発光素子がそれぞれ正三角形の各頂点に配置され、各発光素子から発せられた光を検出する１つの光検出素子がその正三角形の重心位置に配置され、光検出素子の検出結果は、各発光素子の駆動条件の調整に使用されることを特徴とする発光装置を提供するものである。
また、この発明は、基板上に、それぞれ異なる色を発光する複数の発光素子と、各発光素子から発せられ光を検出する１つの光検出素子とを備える発光装置において、前記光検出素子は、前記複数の発光素子のそれぞれとの間の距離が等距離となる位置に搭載され、前期光検出素子は、その検出結果が各発光素子の駆動条件の調整に使用され、さらに、前記複数の発光素子の出射光をさえぎらないように、発光素子搭載面よりも低い凹部に搭載されたことを特徴とする発光装置を提供するものである。

この発明は、第１，第２および第３の色を発光する発光素子を各色ごとに１つずつ備え、各発光素子から発せられた光を検出する光検出素子を１つ備えたことを特徴とする発光装置を提供するものである。
これによれば、光検出素子が各発光素子の近傍にあるので、光検出素子から発せられた光の強度を正確にモニターすることができ、所望の色バランスを持つ発光色を得ることができる。特に、所望の白色光を安定して得ることができる。また、部品点数の削減と装置の小型化ができる。

ここで、前記光検出素子は、前記３つの発光素子からの距離がほぼ等距離となる位置に配置することが好ましい。
また、前記第１，第２および第３の色の発光素子をそれぞれ正三角形の各頂点に配置し、前記光検出素子をその正三角形の重心位置に配置してもよい。このような配置とすることにより各素子から光検出素子に入る光の割合をほぼ一定にできるのでどの色に対しても光検出素子の出力がほぼ同じとなるので後段の増幅器の利得を略同じにすることができ装置が簡単になる。更に、各素子の間隔を最も狭くでき、装置の小型化がはかれる。
発光素子としては、種々のものが考えられるが、小型かつ安価なものとしては、たとえばＬＥＤが用いられる。また、白色光を得るために、３つの色として、赤色，緑色，青色の光を発光するＬＥＤが用いられる。光検出素子としては、たとえばフォトトランジスタが用いられる。

さらに、この発明は、所定の電流を前記発光素子に与え、３つの発光素子を所定時間間隔で順次発光させる発光制御部と、前記光検出素子が発光された光の強度に対応して出力した検出信号を順次受信し、かつ前記検出信号を解析することにより所定の白色光が生成されるように、各発光素子に与えられる電流を調整する光強度調整部とを備えたことを特徴とする発光装置を提供するものである。
発光制御部と発光強度調整部は、論理素子を組合せたハードウェアロジックで形成することもできるが、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏコントローラ，タイマー等からなるマイクロコンピュータで形成することもできる。マイクロコンピュータを用いる場合には、調整のための基準となる電流量や発光の制御手順を示すプログラム等が、予めＲＯＭ、またはＲＡＭに記憶される。

また、前記発光制御部がいずれの発光素子も発光させていない時間帯に、前記光検出素子に入光される外光を検出させ、前記光強度調整部が外光による検出信号を用いて各発光素子に与えられる電流を調整するようにしてもよい。
また、絶縁基板上に前記３つの発光素子を配置し、前記光検出素子を、発光された光を遮らないように、配置してもよい。たとえば絶縁基板上に形成された凹部の中に配置してもよい。
さらに、この発明の発光装置は、液晶表示装置等のバックライトに用いてもよい。

この発明によれば、基板上に、複数の発光素子と、その発光素子から発せられた光を検出する１つの光検出素子とを備えているので、発光色の色バランスを容易に調整することができる。
この発明によれば、３つの発光素子と１つの光検出素子を備え、これらの配置を工夫しているので、色バランスのばらつきを抑え、３つの発光素子の発光により合成された発光色の色調を維持することができ、特に白色光の色合いを維持することができ、少ない部品点数で装置を構成しているので装置の小型化，低コスト化が可能である。
また、光検出素子によって検出された検出信号を用いて発光素子に与える電流を調整しているので、発光素子の発光特性にばらつきや劣化が生じても、常に所望の色バランスを持つ発光色を得ることができ、特に、所望の白色光を安定して得ることができる。
さらに、光検出素子により外光の検出を行うので、外気光の光強度に対応して白色光の光強度を調整でき、利用者に見やすく高品質な表示を提供することができる。

以下、図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳述する。なお、これによってこの発明が限定されるものではない。
以下の実施例では、発光素子の数が３つの場合について説明する。
図１に、この発明の発光装置の一実施例の構成図を示す。
図２に、図１の発光装置の配置に対応する回路図を示す。
図３に、図１の断面Ａ−Ａ'の部分の断面図を示す。

この発明の発光装置は、図１に示すように、１つの絶縁基板１の上に、３つのＬＥＤチップ（２ａ，２ｂ，２ｃ）と、１つのフォトトランジスタ３が形成されたものである。
３つのＬＥＤチップは、それぞれ赤色を発光するＬＥＤ２ａ，緑色を発光するＬＥＤ２ｂ，青色を発光するＬＥＤ２ｃであり、正三角形の各頂点の位置に配置される。
１つのフォトトランジスタ３は、各ＬＥＤチップからの距離が、ほぼ等距離となる位置、すなわち、正三角形の重心の位置に配置される。

また、絶縁基板１上には、ＬＥＤチップ（２ａ，２ｂ，２ｃ）とフォトトランジスタ３に電流を与えるための配線パターン４およびワイヤ５が形成される。配線パターン４は、３つのＬＥＤチップとフォトトランジスタごとに、電気的に独立した配線とする。
図１では、各ＬＥＤチップ２とフォトトランジスタ３に対して、それぞれ電気的に独立した配線パターン４と、これらの配線パターンと直接接続するためのワイヤ５が形成されている。
各ＬＥＤチップに接続された配線パターン（４ａ，４ｃ，４ｄ）は、図４に示した制御部１１に電気的に接続され、制御部１１は、この配線パターン４を介して、各ＬＥＤに流れる電流のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。
また、チップ保護と光の拡散効果等を目的とし、電極の外部接触部を除いた回路全体を覆うように樹脂保護膜６が形成されている。

図２は、図１の表示装置を回路記号で表わしたものである。各ＬＥＤチップに電流を流すことによりそれぞれの色の光が発光されると、その光は全方位に進行するが、その光のうちの一部が１つのフォトトランジスタ３により検出されることになる。
また、フォトトランジスタ３は１つであるので、同時に複数のＬＥＤの光を検出させることはなく、時分割で順次ＬＥＤを発光させるように制御する。

すなわち、一時には、１つのＬＥＤのみを発光させ、フォトトランジスタ３では、その１つのＬＥＤからの光を検出するようにする。
フォトトランジスタ３に接続された配線パターン（４ｂ）も、前記した制御部１１に接続され、配線パターン４ｂを介して出力された３つのＬＥＤそれぞれの光強度の検出信号を解析することにより、各ＬＥＤに流す電流を調整する。

図４に、この発明のＬＥＤ発光，光強度検出，電流制御の概略構成図を示す。
図４において、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の発光は時分割で時間的に重なることなく行われ、検出信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢは、時間的にずれた信号として、制御部１１に入力される。制御部１１では、検出信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢの大きさを解析し、設計どうりの白色光が出力されるようにＲＧＢ３つの発光強度を調整し、これに対応した電流（ｉａ，ｉｂ，ｉｃ）を時間をずらして出力する。
制御部１１は、発光のタイミングを制御する発光制御部と、フォトトランジスタから入力される検出信号を解析して光強度に対応する電流の調整量を算出する光強度調整部の機能を備えたものである。

図５に、この発明の電流制御のタイムチャートの一実施例を示す。
図５において、赤色ＬＥＤ２ａの発光は０から時刻Ｔ１までの間に行い、その時間内の時刻ｔ１〜ｔ１'のときにフォトトランジスタ３を動作させて検出信号ＳＲを出力させる。
また、緑色ＬＥＤ２ｂの発光は時刻Ｔ１からＴ２までの間に行い、その時間内の時刻ｔ２からｔ２'のときにフォトトランジスタ３を動作させて検出信号ＳＧを出力させる。

さらに、青色ＬＥＤ２ｃの発光は時刻Ｔ２からＴ３までの間で、その時間内のｔ３〜ｔ３'のときに検出信号ＳＢを出力させる。
ここで、たとえば、各ＬＥＤの発光時間は５ｍｓｅｃ程度とし、フォトトランジスタ３の検出時間は３ｍｓｅｃ程度とすればよい。
このような発光制御をする場合、ある瞬間には、どれか１色しか発光していないが、１５ｍｓｅｃ程度のサイクルで順次発光させても、人間の目には残像効果があるので、Ｒ，Ｇ，Ｂの３つの光の合成光により人間の目には白色が発光されているように見える。

また、検出信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢは時間的にずれた信号として、順次、制御部１１に入力される。
制御部１１では、基準となる検出信号強度の値（基準強度値）を、各色ごとに予め記憶しておき、この基準強度値と入力された検出信号との差を求め、この差と一対一に対応する電流補正値を算出する。
次の発光のタイミングのときに、この電流補正値を考慮した電流が、各色のＬＥＤにそれぞれ与えられる。
このように光強度をモニターすることにより電流値を制御しているので、常に設計時に定めた白色光を安定して得ることができる。

図６に、この発明の発光装置のフォトトランジスタの他の配置例の構成図を示す。
図７は、図６の断面Ｂ−Ｂ'の部分の断面図である。
図３に示したように、各ＬＥＤチップ２とフォトトランジスタ３とを基板１上の同じ高さに形成した場合は、フォトトランジスタ３の方向に進光した光はフォトトランジスタ３に反射して、視覚に寄与しないものもある。
ところで、バックライトとして使用する場合、得ようとする白色光はできるだけ明るい方が好ましいので、視覚に寄与しない光はできるだけ少ない方がよい。

そこで、図６，図７に示した発光装置は、フォトトランジスタ３の方へ進行した光が、フォトトランジスタ３で遮られることのないようにするために、フォトトランジスタ３の配置を工夫したものである。
絶縁基板１上の図６の平面図で見たＬＥＤ２とフォトトランジスタ３の位置は、図１と同じであるが、図７に示すように、フォトトランジスタ３を配置すべき位置に凹部７を形成し、この中にフォトトランジスタ３を形成する。

各ＬＥＤから出射された光の一部をフォトトランジスタ３で検出する必要があるので、凹部７の深さは、フォトトランジスタの高さの１から１．５倍程度とすることが好ましい。
たとえば、フォトトランジスタ３の高さを１００μｍ程度とすると、凹部７の深さは１１０μｍ程度とすることが好ましい。

なお、フォトトランジスタ３と配線パターン４との電気的接続を確保するために、凹部７のフォトトランジスタ３の下部に、導電材料層８を形成しておき、この層８と、配線パターン４ｂ'とはワイヤ５で接続する。
この場合のＬＥＤの発光制御および検出信号による強度調整は、前記した図４，図５に示したものと同様に行えばよい。
また、発光強度の調整方法としては上記実施例に限るものでは無く、各発光素子の強度を独立に測定することができるのであればよい。例えば、各発光素子を時間をずらせて順次発光させ、その合計出力から前の時間の出力を引いて、後で発光させた発光素子の強度を算出するようにしても良い。

上記実施例では、３つのＬＥＤからの発光を１つのフォトトランジスタ３で検出するものを説明したが、ＬＥＤの発光をしていないときに、外光すなわち、室内照明や太陽光をフォトトランジスタ３で検出するようにしてもよい。
携帯端末１は、様々な場所で使用され、室内のみならず、屋外で使用される場合もある。
したがって、比較的暗い室内で使用される場合もあり、逆に明るい太陽光の下で使用される場合もあるので、外光の強度に対応させて、バックライトとして使用される白色光の強度を調整できることが好ましい。

たとえば、暗い室内では白色光の強度を上げ、明るい太陽光の下では白色光の強度を下げるというような使用方法が考えられる。そこで、外気光が図１の素子領域に導入されるように装置を構成し、ＬＥＤの発光する直前あるいはＬＥＤの発光を中止しているときに、フォトトランジスタ３を動作させ、制御部１１で検出信号を検出するようにすればよい（図８参照）。

外光によって検出された検出信号と、予め定められた外光用の基準値とを比較して、所定の計算式に基づいて光強度の調整量を算出する。
そして、この調整量をもとに、ＬＥＤの発光制御を行えば、外光の強度に対応させて、白色光の明るさを変更できる。

また、外光の検出をする機能を有する場合、折りたたみ式の携帯電話のバックライトにこの発明の発光装置を使用すると、外光の検出の有無により開閉センサーとして使用することもできる。
すなわち、折りたたみ時に、フォトトランジスタ３に光が入らないような構造とすれば、外光の検出なしのときは閉じられた状態であり、外光の検出ありのときは開放された状態であることが検出できる。

以上の実施例では、３つの発光素子を備えたものについて説明したが、発光素子の数はこれに限るものではない。
たとえば、２つの発光素子を有するものや、４つ以上の発光素子を備えたものであってもよい。
２つの発光素子を有する場合、たとえば、１つの赤色ＬＥＤチップと、１つの緑色ＬＥＤチップとを有する場合は、２つのＬＥＤの発光制御を行うことによって、少なくとも赤，橙，緑の３色の光を発光できる。また、各ＬＥＤの発光量を調整することにより、これら赤と緑とを適当に混合した中間色の光を発光させることができる。
また、４色の発光素子を備える場合、たとえば、赤，青，緑，エメラルド色をそれぞれ発光するＬＥＤチップを有する場合、これら４つのＬＥＤの発光量を調整することによりさまざまな混合色の光を発光させることができる。

図９に、２つの発光素子（ＬＥＤチップ）を有する場合の発光装置の一実施例の概略構成図を示す。
図９には、１つの絶縁基板上に、赤色ＬＥＤチップ（２ａ）と、緑色ＬＥＤチップ（２ｂ）と、１つのフォトトランジスタ３とを一直線上に配置した構成を示している。
フォトトランジスタ３は、２つのＬＥＤチップ（２ａ，２ｂ）を結ぶ線分のほぼ中央に配置する。このフォトトランジスタ３は、発光量のモニタ用として用いる。
フォトトランジスタ３は、赤色ＬＥＤ２ａから出力された赤色光と、緑色ＬＥＤ２ｂから出力された緑色光の光量を検出する。
この発光装置を３色（赤，橙，緑）の表示用装置として用いる場合、赤色ＬＥＤと緑色ＬＥＤとを同時に発光制御する。赤色ＬＥＤ２ａの発光量と緑色ＬＥＤ２ｂの発光量をフォトトランジスタ３で検出し、この検出結果を利用して発光色の色合いを調整できる。また、赤と緑の発光量を制御することにより、赤と緑の間のいろいろな中間色を表示させることができる。

図１０に、４つの発光素子（ＬＥＤチップ）を有する場合の発光装置の一実施例の概略構成図を示す。ここでは、１つの絶縁基板上に、４つのＬＥＤチップ（赤２ａ，緑２ｂ，青２ｃ，エメラルド２ｄ）と、フォトトランジスタ３とを備える。フォトトランジスタ３は、各ＬＥＤチップから等距離の位置に配置され、各色の発光量のモニタ用として用いる。
これら４色のＬＥＤを同時に発光制御することにより、４色の表示と、これら４色から生成できるさまざまな混合色を表示させることができる。また、フォトトランジスタ３で、各ＬＥＤから出力された光の発光量を検出し、この検出結果をもとに発光色の色バランスを調整することができる。

なお、一般にｎ個（ｎ≧２）のＬＥＤチップを用いる場合、ｎ個のＬＥＤチップは、すべて異なる色を発光するＬＥＤを用いることが好ましいが、ｎ個のうちいくつかは同じ色を発光するＬＥＤを用いてもよい。すなわち、ｎ個のＬＥＤの発光色は、使用用途に応じて任意の組合せとすればよい。
また、ＬＥＤチップの個数ｎが５以上（ｎ≧５）の場合、１つのフォトトランジスタを中心とする正ｎ多角形の各頂点の位置にＬＥＤチップを配置すればよい。
このように複数のＬＥＤチップと、各色の発光量を検出するための１つのフォトトランジスタを絶縁基板上に設けることにより、発光装置として用いた場合の発光色の色バランスを容易に調整することが可能である。

また、基板としてフォトトランジスタを形成したＳｉ基板を用いれば、フォトトランジスタの搭載面積を小さくすることができる。
以上の説明は通常のガラスエポキシ樹脂製の配線基板等にＬＥＤチップを搭載する場合を意識して説明したが、例えば特開平11-087780号公報に記載のリードフレームを樹脂製の枠体で一体化したパッケージや、特開平7-038154号公報に記載の樹脂表面に電極パターンを成型したＭＩＤ型パッケージ、特開平9-234728号公報に記載のセラミック内部に電極を埋め込んだタイプのパッケージ等にＬＥＤチップおよびフォトトランジスタを搭載しても良いことは言うまでもない。

この発明の発光装置の一実施例の構成図である。図１の発光装置の配置に対応する回路図である。図１の断面Ａ−Ａ'の部分の断面図である。この発明の発光制御等の概略構成図である。この発明の電流制御のタイムチャートの一実施例である。この発明の発光装置のフォトトランジスタの他の配置例の構成図である。図６の断面Ｂ−Ｂ'の部分の断面図である。この発明の外気光検出を含む電流制御のタイムチャートの一実施例である。この発明の発光装置において、２つのＬＥＤを有する一実施例の構成図である。この発明の発光装置において、４つのＬＥＤを有する一実施例の構成図である。

符号の説明

１絶縁基板
２ａ赤色ＬＥＤ
２ｂ緑色ＬＥＤ
２ｃ青色ＬＥＤ
３フォトトランジスタ
４配線パターン
５ワイヤ
６樹脂保護板
７凹部
８導電材料層
１１制御部

Claims

基板上に、第１，第２および第３の色の発光素子がそれぞれ正三角形の各頂点に配置され、
各発光素子から発せられた光を検出する１つの光検出素子がその正三角形の重心位置に配置され、
光検出素子の検出結果は、各発光素子の駆動条件の調整に使用されることを特徴とする発光装置。
基板上に、それぞれ異なる色を発光する複数の発光素子と、各発光素子から発せられ光を検出する１つの光検出素子とを備える発光装置において、
前記光検出素子は、前記複数の発光素子のそれぞれとの間の距離が等距離となる位置に搭載され、
前記光検出素子は、その検出結果が各発光素子の駆動条件の調整に使用され、
さらに、前記複数の発光素子の出射光をさえぎらないように、発光素子搭載面よりも低い凹部に搭載されたことを特徴とする発光装置。
前記複数の発光素子が、それぞれ第１，第２および第３の色を発光する３つの素子からなることを特徴とする請求項２の発光装置。
所定の電流を前記発光素子に与え、第１，第２および第３の色の発光素子を時間的に重複することなく、所定時間間隔で順次発光させる発光制御部と、前記光検出素子が発光された各色の光の強度に対応して出力した検出信号を順次受信し、かつ前記検出信号を予め記憶しておいた各色毎の検出信号基準値との差を求めて、その値をもとに、所定の色が生成されるように、各発光素子に与えられる電流を調整する光強度調整部とを備えたことを特徴とする請求項１または３に記載した発光装置。
前記発光制御部がいずれの発光素子も発光させていない時間帯に、前記光検出素子に入光される外光を検出させ、前記光強度調整部が外光による検出信号を用いて各発光素子に与えられる電流を調整することを特徴とする請求項４の発光装置。
前記請求項１乃至５のいずれかに記載された発光装置を、バックライトに用いた液晶表示装置。