生命科学関連特許情報
| タイトル： | 公開特許公報(A)_ＬＥＤ寿命予測方法 |
| 出願番号： | 2011143124 |
| 年次： | 2013 |
| IPC分類： | G01N 17/00 |
特許情報キャッシュ
長沢 敏勝 JP 2013011462 公開特許公報(A) 20130117 2011143124 20110628 ＬＥＤ寿命予測方法 株式会社平山製作所 594162412 菊池 新一 100064469 菊池 徹 100099612 長沢 敏勝 G01N 17/00 20060101AFI20121214BHJP JPG01N17/00 2 1 ＯＬ 12 2G050 2G050AA02 2G050AA07 2G050BA09 2G050CA01 2G050EA01 2G050EA02 2G050EA03 2G050EB02 2G050EC01 2G050EC05本発明は、ＬＥＤ寿命予測方法に関し、更に詳細に述べると、高温、高湿度環境下でＬＥＤの輝度劣化を逐次計測してＬＥＤの低温領域での寿命を予測することができるＬＥＤ寿命予測方法に関するものである。半導体デバイスの劣化は、アレニウスの反応速度論モデルで説明することができ、これは、温度ストレスによる半導体デバイスの加速寿命試験に用いられている（非特許文献１参照）。アレニウスの式は、反応速度をＫとすると、次の式１で表わされる。式１において A ： 定数 Ea ： 活性化エネルギー ｋ ： ボルツマン定数 T ： 温度（絶対温度）ある劣化量ａに達したときを寿命と定義すると、寿命Ｌは、次の式２で表わされる。定数Ｂと活性化エネルギーＥａは物理固有の定数であるが、これが解ると、式２から寿命を予測することができる。一般的には、これらの定数が解らないため、通常では実験によりこれらの定数を求める。式２の自然対数をとると、次の式３で表わされる。式３は、ｙ＝ｌｎＬ、ａ＝Ｅａ／（ｋ・T）、ｂ＝ｌｎＢとすると、対数グラフ上においてｙ=ａｘ+ｂの直線式で表され、１ｎＬと１／Ｔを変換する直線となる。この直線の傾きから活性化エネルギーＥａを算出することができ、また、切片から定数Ｂを求めることができるため、これらの定数が解らない場合でも半導体デバイスの寿命を予測することができる。このようにアレニウスの式より求められる図をアレニウスプロットと呼ぶ。実際のＬＥＤの寿命は、このアレニウスプロットによって予測することができる。一般に、ＬＥＤの寿命は,初期値に対する光度の低下の割合（％）を決め、恒温槽内にてＬＥＤを点灯させ、光度劣化するまでの時間から測定される。これは、恒温槽の設定温度を変え測定を繰り返し行う。一方、ＬＥＤの寿命の評価方法は、２００２年に設立されたＡＳＳＩＳＴ（ＴＨＥ ＡＬＬＩＡＮＣＥ ＦＯＲ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ）とＩＥＳ（ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＮＧ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＳＯＣＩＥＴＹ：アメリカ照明学会）のＬＭ−８０−０８で定義されている。 従来技術では、ＬＥＤは、上記の規格に合った恒温槽内に配置し、この恒温槽内のＬＥＤを発光させてＬＥＤの劣化試験や輝度試験を行っていた。この試験の一例を掲げると、前記のＡＳＳＩＳＴでは、最初に定格電流、定格電圧でＬＥＤの初期エージングを１０００時間行い、その後恒温槽内の３つの異なった温度環境の下で、定格電流を流して５０００時間以上の動作試験を行っている。この動作試験中にＬＥＤからの光のスペクトル分布が変わらない前提で、フォトダイオードの如き光電素子によってＬＥＤの光出力を測定している。このため、ＬＥＤの寿命を確認するために、６０００時間（約２５０日）という長時間の連続試験時間が必要であった。 しかしながら、ＬＭ−８０−０８で定義されている方式では、６０００時間経過後でも ９１．８％（住宅用）又は９４．１％（屋外及び非住宅用）のルーメンの維持が要求されている。また、近年の技術開発により ＬＥＤの寿命が更に改善されており、ルーメンを維持することが容易になりつつある。 このため、従来技術では、光束が７０％に達するルーメン維持時間は、初期値（１００％）から現状の劣化値まで数値計算により予測しければならない。計算式は、ＬＥＤが光出力Ｐの時間変化を表す近似式として動作時間に対し指数関数的に減少する例があり次の式４で表される（非特許文献１参照）。 式４において Ｐ0 ：初期の光出力 β : 劣化率 t : 動作時間この場合、光出力の変化（光速維持率）Ｐ／Ｐ0 と動作時間の関係は、次の式５で表される。 式５から、光出力の変化（光束維持率）の対数を縦軸に、動作時間を横軸にとってグラフを描くと、直線の関係となり、図７に示すように、数千時間までの実測データから延長してルーメン維持の寿命τ（光束維持時間７０％の時間）を外挿法により推定することができる。 本発明者は、先に、被試験ＬＥＤを高加速寿命試験装置の容器内に配置し、この被試験ＬＥＤに一定時間単位毎に異なる定電流を供給して被試験ＬＥＤを発光し、被試験ＬＥＤを流れるＬＥＤ電流とＬＥＤ電圧とを検出して測定し、ＬＥＤ電流とＬＥＤ電圧との測定値から得られる時系列的な電流電圧特性に基づく被試験ＬＥＤの劣化と、被試験ＬＥＤからの光を受光する光電素子からの受光電流を検出して得られる被試験ＬＥＤの輝度低下とから被試験ＬＥＤの寿命を確認するＬＥＤ寿命試験方法を提案している（特許文献１参照）。この方法によると、高温、高湿の悪環境下でＬＥＤの輝度劣化試験を行うことができるので、極めて短期間でＬＥＤの寿命試験を実現することができ、またこの試験中に一定時間単位毎に、被試験ＬＥＤに異なる定電流を供給することによって、ＬＥＤの電流電圧特性の変遷情報を得ることができ、これによって、ＬＥＤ自体がどのような劣化傾向現象を示すのか詳細に知ることができる。 しかし、このような方法で測定された測定データに基づいてルーメン維持時間を計算により予測して寿命を推定すると、ルーメン維持時間と常温での寿命との両方を計算で求めるので、ＬＥＤの寿命の推定の精度が極めて低い欠点がある。特願２０１０−４３７５７号(未公開文献)ＬＥＤ照明信頼性ハンドブック 編者 ＬＥＤ照明推進協議会発行 日刊工業新聞社本発明が解決しようとする課題は、高加速寿命試験装置（ＨＡＳＴ装置）内において、ルーメン維持時間を実際に測定して、その実測値（実時間）からアレニウスの反応速度論モデルを用いて低温領域での寿命計算を行うことにより高精度な寿命を短時間で精度よく予測することができるＬＥＤ寿命予測方法を提供することにある。本発明の課題解を解決するための手段は、被試験ＬＥＤを高度加速寿命試験装置の容器内に配置し、前記被試験ＬＥＤに定電流を供給して発光し、前記被試験ＬＥＤからの光を受光する光電素子からの受光電流を複数の温度で一定時間単位毎に検出し測定して受光電流の計測値を求め、この計測値が目標値（ルーメン維持値）以下に達するまで測定を継続して、ＬＥＤによる光束が目標値に達するルーメン維持時間の実測値(時間)を求め、この実測値からアレニウスの反応速度論モデルを用いて低温領域での寿命を計算して被試験ＬＥＤの寿命を予測することを特徴とするＬＥＤ寿命予測方法を提供することにある。本発明によれば、高温、高湿度の悪環境下での寿命試験でＬＥＤの光束が目標値に達するルーメン維持時間の実測値を短時間で計測することができるので、この実測値からアレニウスの反応速度論モデルによって常温の如き低温領域での寿命を計算して被試験ＬＥＤの寿命を予測することができるが、ルーメン維持時間の値は、計算ではなく、寿命試験中の実測で求められるので、ＬＥＤの低温領域での寿命を短時間で精度よく求めることができる。本発明の実施に用いられるＬＥＤ寿命試験装置の一例の系統図である。図１の装置を用いてルーメン維持時間を実測してＬＥＤの低温領域での寿命を予測する本発明の方法を実施する工程を示す工程図である。図１の装置でルーメン維持時間を実測するのではなく、この装置から得られる光束変化(受光素子の出力)に基づいてルーメン維持時間を計算によって求めてＬＥＤの如き低温での寿命を予測する方法（以下単に「計算予測方法」と称する）を本発明の方法と対比するため、５種類の温度のＬＥＤの相対輝度劣化(図１の装置の受光素子の出力)の測定結果を示す表である。図３Ａの表のＬＥＤの相対輝度劣化の測定結果値を自然対数値に変換した表である。図３Ｂの表から回帰直線の傾き、切片、相対関数を求め、推定寿命を計算した表である。５つの異なる温度に対して、図３の計算予測方法と本発明の方法とを対比して寿命を予測する例であって計算予測方法の推定寿命と本発明の方法の実測値とを対比して示す表である。図４Ａの回帰直線の傾き、切片、相対関数を示す表である。図４Ｂから計算予測方法と本発明の方法の各温度での予測寿命を示した表である。本発明の一つの測定温度である温度１１０℃湿度８５％における実測値を示すグラフである。５つの異なる温度に対して、図１のＬＥＤ寿命試験装置を用いてルーメン維持時間を実測した本発明の方法による結果のアレニウスプロット図である。予測計算による寿命の推定図である。本発明のＬＥＤ寿命予測方法に関し図面を参照して詳細に述べると、本発明の方法は、基本的には、図1に示すように、被試験ＬＥＤ７００をＨＡＳＴ装置５００内に配置し、この被試験ＬＥＤ７００に定電流を供給して発光し、この被試験ＬＥＤ７００からの光を受光する光電素子９１０からの受光電流を複数の温度で一定時間単位毎に測定して受光電流の計測値を求め、この計測値が目標値（ルーメン維持値）以下に達するまで測定を継続して、被試験ＬＥＤ７００による光束が目標値に達するルーメン維持時間の実測値(時間)を求め、この実測値からアレニウスの反応速度論モデルを用いて常温の如き低温領域での寿命を計算して被試験ＬＥＤの寿命を予測することにある。本発明に用いられるＬＥＤ寿命試験装置の１つの実施の形態を詳細に述べると、図1に示すように、このＬＥＤ寿命試験装置は、被試験ＬＥＤ７００が配置されるＨＡＳT装置５００を含み、このＨＡＳＴ装置５００の容器内には、被試験ＬＥＤ７００の光を受光して電気信号に変換する受光器６００が配置されている。ＨＡＳＴ装置５００の容器内は、試験時には、高い試験温度と高い湿度とを有するまで高悪環境となるように設定される。後に詳細に述べるように、高い温度は、複数の異なる温度、例えば、１１０℃、１１５℃、１２０℃、１２５℃、１３０℃の５つの異なる温度に設定され、また高い湿度は、それぞれの温度に共通して相対湿度８５％に設定される。 受光器６００は、被試験ＬＥＤ７００からの光を導通する導光デバイス９００とこの導光デバイス９００を通過する光を受光するフォトダイオードの如き光電素子（受光素子）９１０とを含み、導光デバイス９００は、ＨＡＳＴ装置５００内の環境から絶縁されている密閉容器６１０の開口を閉じるように配置され、光電素子９１０は、この密閉容器６１０内に配置されている。 本発明に用いられるＬＥＤ寿命試験装置は、ＬＥＤ定電流装置１００と、ＬＥＤ電圧／電流測定器２００と、受光電流測定器３００と、制御装置４００とを更に備えている。 ＨＡＳＴ装置５００の容器の装置口８００は、ＬＥＤ定電流器１００の出力側の導線１２と被試験ＬＥＤ７００の入力側の導線１３、ＬＥＤ電圧／電流測定器２００の入力側導線１５と被試験ＬＥＤの出力側導線１４、受光電流測定器３００の入力側導線１８と受光器６００の出力側導線１７とをそれぞれ接続する接続部を構成している。 制御装置４００は、ＬＥＤ定電流装置１００に定電流を供給するのを指示する定電流供給指令信号１１をＬＥＤ定電流装置１００に供給し、また、ＬＥＤ電圧／電流測定器２００から供給されるＬＥＤ電圧電流測定データ１６と受光電流測定器３００から供給される受光電流（光電素子電流）測定データ１９とを受けてこれらの測定データを表示及び／又は記録する。 ＬＥＤ定電流器１００は、制御装置４００からの定電流供給指令信号１１を受けてこの定電流供給指令信号１１に相応する定電流を被試験ＬＥＤ７００に供給してこの被試験ＬＥＤ７００を発光させる。 ＬＥＤ電圧／電流測定器２００は、被試験ＬＥＤ７００が駆動されてこの被試験ＬＥＤ７００に流れる電流とその両端電圧とのデータを受けてこれらの電流／電圧データを測定する。 また、受光電流測定器３００は、受光器６００からの受光量に相応する光電素子９１０の電流(受光電流)を受けてこの電流を測定する。 制御装置４００が受領する測定データ、即ち、ＬＥＤ電圧／電流測定器２００の測定データ１６と受光電流測定器３００の測定データ１９のうち、ＬＥＤの電圧電流測定データ１６は、それに基づく時系列的な電圧電流特性からＬＥＤの劣化状態を求めることができ、また受光電流測定データ１９は、ＬＥＤの光束（輝度）低下を指示し、後に述べるように、ルーメン維持時間の測定に用いられる。 本発明の方法は、測定データ１９の受光電流の計測値が試験温度毎に目標値（ルーメン維持値）以下に達するまで測定を継続して、ＬＥＤによる光束が目標値に達するルーメン維持時間の実測値(時間)を求め、この実測値からアレニウスの反応速度論モデルに基づいてＬＥＤの低温領域（例えば、常温）での寿命を計算する。この実測値(時間)の測定とアレニウス反応速度論モデルによる寿命の計算とは、制御装置４００内に格納したマイクロコンピュータで行ってもよいし、制御装置４００から実測値を出力して外部コンピュータで寿命の計算を行ってもよい。 次に、上記のＬＥＤ寿命試験装置を用いて本発明の方法を説明するが、本発明の方法と対比するために、既に述べたように、図１の装置から受光電流に相応する相対輝度（光束）の計測値を求め、これに基づいてルーメン維持時間を計算により求める方法(計算予測方法)と対比しながら説明する。まず、図１の試験装置の動作を述べると、ＨＡＳＴ装置５００内の環境が所定の試験条件に到達した後に、制御装置４００が定電流供給指令信号１１をＬＥＤ定電流器１００に供給し、ＬＥＤ定電流器１００は、導線１２、１３を介してＨＡＳＴ装置５００内にある被試験ＬＥＤ７００に定電流を供給する。ＨＡＳＴ装置５００内の試験条件は、幾つかの異なる値に設定されるが、本発明の１つの形態では、１１０℃〜１３０℃の温度範囲で５℃毎に異ならせた５つの温度条件のいずれかに設定し、いずれの温度条件でも湿度８５％の同じ湿度条件に設定する。 定電流が供給された被試験ＬＥＤ７００は、この定電流によって発光し、またその電流及び電圧は、導線１４、１５を介してＬＥＤ電圧／電流測定器２００に伝送される。ＬＥＤ電圧／電流測定器２００は、ＬＥＤ電圧／電流測定データ１６を制御装置４００に送る。それと同時に、被試験ＬＥＤ７００からの光は、導光デバイス９００を通して光電素子９１０で受光され、この受光電流は、導線１７、１８を介して受光電流測定器３００に供給される。受光電流測定器３００は、受光電流測定データ１９を逐次制御装置４００に送る(図２のステップ１、２参照)。 制御装置４００は、５つの異なる試験条件毎に、電圧／電流測定データ１６と受光電流測定データ１９を表示及び／又は記録する。受光電流測定データ１９は、光束（輝度値）に相応するので、異なる試験条件毎に、一定時間単位（例えば、１０時間毎）で、輝度の測定値がルーメン維持の目標値Ｐ／Ｐｏ（光束が初期値の７０％）以下に達するまで繰り返し行われる(図２のステップ３、４参照)。このようにして、被試験ＬＥＤ７００からの光束（受光電流測定データ１９）が７０％であるルーメン維持値以下に達するまでの時間を測定し、ＬＥＤの寿命τは、この動作時間からアレニウスプロットを用いて予測する（図６参照）。本発明の方法と対比するために、図１の装置で輝度値を計測し、この輝度値からルーメン維持値以下に達するまでの時間を計算する計算予測方法を述べると、上記の５つの異なる試験条件で、試験開始時（経過時間０時間）の相対輝度値（Normalized Light Output）を１．０にして、１０時間経過毎に各温度における相対輝度値を計測したところ、図３（Ａ）の表に示す通りであった。なお、この１０時間毎の６回の試験時間６０時間は、単に、ルーメン維持時間を計算するための基礎となる時間である。計算予測方法で寿命を推定方する場合、被試験ＬＥＤの寿命は、次のようにして求められる。即ち、まず、図３（Ａ）の表の相対輝度値を式５に従って自然対数化に変換すると、図３（Ｂ）の表に示す通りとなる。５つの異なる試験条件における図３（Ｂ）の自然対数から、試験条件毎に、回帰直線の傾き、切片、相関係数を計算し、式５に基づいて光束が７０％に達するルーメン維持時間を求めると、それは、ｌｎ（Ｐ／Ｐ0）＝ｌｎ(０．７)＝−０．３５６６７の値になった時間であり、これは、図３（Ｃ）に示す通りとなる。このルーメン維持時間から各温度での自然対数の式３のｌｎＬ ＝ｌｎ(寿命時間)を求めることができる。５つの温度条件毎に、上記の計算予測方法による推定寿命τとその値の自然対数のｌｎＬ値と本発明の方法によるＰ／Ｐｏ以下に達するまでの時間の実測値の値とその自然対数の値のｌｎＬ値とが図４（Ａ）の表に示されている。式３を用いて、計算予測方法と本発明の実測予測方法とのアレニウスプロットの回帰直線の傾き、切片、相関係数求めると、図４（Ｂ）の表に示す通りとなる。また、図４（Ｂ）の表から求めた各温度での計算予測方法と本発明の実測予測方法との寿命予測を計算すると、図４（Ｃ）の表に示す通りとなる。この図４（Ｃ）から解るように、５０℃のように低い温度の環境では、本発明による光束（輝度値）が目標値以下に達するまでの実測定時間からの寿命予測時間は、計算予測方式による計算値からの寿命予測時間と比較すると、約１／３０倍と極めて短く、本発明の予測方法が実際の寿命に一層近く精度がよい予測をすることができることが解る。ルーメン維持時間を実測する本発明の方法に比べて、計算予測方法による寿命予測の精度が低下するのは、ルーメン維持時間と寿命との両方を計算で求めているからである。図５は、本発明の実測予測方法によって温度１１０℃、湿度８５％環境下での試験結果を示すグラフである。このグラフにおいて、実輝度劣化の波形は，複数個のＬＥＤを発光して求められた輝度の平均値を示し、このグラフにおいて、縦軸は、ｌｎ（Ｐ／Ｐ0）であり、横軸は、経過時間（単位は分）である。このグラフから解るように、計算予測方法による式５の近似式では近似が難しく、予側の精度が低くなる。図６は、本発明の方法によるアレニウスプロットを示し、１１０℃〜１３０℃の５つの温度の範囲内のプロットは、実測値である。式３に準じて、各温度におけるＬｎＬとＬｎＢの値をプロットすると、アレニウスプロットができるので、このプロット図から、１１０℃より低い温度でのｌｎＬを予測することができ、即ち、１００℃から５０℃までの常温に近い予測寿命が解る。上記のように、本発明は、高温、高湿度の悪環境下での寿命試験でＬＥＤの光束が目標値に達するルーメン維持時間を計算ではなく、実測で求めてこの実測値からアレニウスの反応速度論モデルによってＬＥＤの低温領域での寿命を計算して被試験ＬＥＤの寿命を短時間で精度よく予測することができる。 本発明は、ＬＥＤ寿命試験における試験時間を短縮することができる上に、ルーメン維持時間の実測値に基づいてアレニウス法則によりＬＥＤの低温領域での寿命を計算予測方法よりも高い精度で短時間に予測をすることができ、ＬＥＤ寿命試験に産業上有利に利用することができる。１１ 定電流供給指令信号１２、１３、１４、１５、１７，１８ 導線１６、１９ 測定データ１００ ＬＥＤ定電流発生器２００ ＬＥＤ電圧／電流測定器３００ 受光電流測定器４００ 制御装置５００ ＨＡＳＴ装置６００ ＬＥＤ受光器６１０ 密閉容器７００ 被試験ＬＥＤ９００ 導光デバイス９１０ フォトダイオードの如き光電素子被試験ＬＥＤを高度加速寿命試験装置の容器内に配置し、前記被試験ＬＥＤに定電流を供給して発光し、前記被試験ＬＥＤからの光を受光する光電素子からの受光電流を複数の温度で一定時間単位毎に検出して受光電流の検出値を求め、前記受光電流の検出値が目標値（ルーメン維持値）以下に達するまで測定を継続して、ＬＥＤによる光束が目標値に達するルーメン維持時間の実測値(時間)を求め、前記実測値からアレニウスの反応速度論モデルを用いて低温領域での寿命を計算して被試験ＬＥＤの寿命を予測することを特徴とするＬＥＤ寿命予測方法。請求項1に記載のＬＥＤ寿命予測方法であって、前記被試験ＬＥＤの発光時のＬＥＤ電圧とＬＥＤ電流とを更に検出し、前記被試験ＬＥＤの電圧電流特性から前記被試験ＬＥＤの劣化を検出することを特徴とするＬＥＤ寿命予測方法。 【課題】 ＬＥＤの輝度を高度の悪環境下で逐次計測してＬＥＤの寿命をアレニウス則に従って、短期間で予測すること。【解決手段】被試験ＬＥＤ７００をＨＡＳＴ装置５００内に配置し、このＨＡＳＴ装置５００がその試験条件に到達した後、被試験ＬＥＤ７００に外部から定電流を供給し,このＬＥＤの光量を光電素子９１０で受光し、その電流をＨＡＳＴ装置の外部に引き出して被試験ＬＥＤ７００の輝度を目標値（パーセント値）まで計測し、それを複数の高温湿度で試験し、その値をアレニウス則に従って、ＬＥＤの寿命を予測する。【選択図】図１