JP2005269051A - 発光ダイオードの駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオードを高速で間欠発光させる駆動回路を提供する。
【解決手段】アノードとカソードを有する発光ダイオードにパルス電流を流して間欠発光させる発光ダイオードの駆動回路であって、アノードまたはカソードに直列接続されて発光ダイオードへの電流をオン・オフするドライバと、アノードとカソードに並列接続され発光ダイオードのアノードとカソードの間に閉ループ回路を構成するスイッチング素子とを備える発光ダイオードの駆動回路を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードの駆動回路に関するものであり、より詳細には、パルス電流を流して発光ダイオードを間欠発光させるための駆動回路に関する。

発光ダイオード（あるいはＬＥＤともいう）は、発光効率が高く、駆動が簡単で信頼性の高い発光素子として知られ、表示や光センサ、光通信、照明などの用途に広く応用されている。特に近年では、発光輝度の高いものが得られるようになり、屋外表示用や照明用としての用途が拡大している。

発光ダイオードは、ダイオードの順方向、即ちアノードからカソードへ電流を流すことにより発光し、電流を停止すれば発光も停止する。しかし、発光をオン・オフさせる場合の応答時間は主として発光ダイオードの容量成分によって決まる上限がある。例えば、発光ダイオードを高速にオン・オフさせて光通信を行う標準規格の１つにＩｒＤＡがあるが、そのデータ転送レートの規格上限は４Ｍｂｐｓ（一秒間に４メガビット）、周期に換算して２５０ナノ秒であり、しかも、ＩｒＤＡを実装したパーソナル・コンピュータなどでは、実際の動作速度がそれよりも遅い数百ｋｂｐｓ程度のものもある。このように、発光ダイオードを用いたＩｒＤＡ方式は、電波や有線を用いた方式にくらべて高速とはいい難い。ＩｒＤＡ方式で、通信速度の上限を決定している主な要因は、ＬＥＤの応答速度である。通信以外の用途、例えば照明用に設計されたＬＥＤは、前記のＬＥＤに比べて更に応答速度が遅く、比較的速いものでも数マイクロ秒程度である。

一方、測定対象となる微小な粒子の懸濁液をフローセル中に流し、粒子の特性を測定する粒子測定装置において、測定粒子を照明するための照明装置用の光源として、ハロゲンランプやキセノンランプが知られている。しかし、対象物の照射面積は微小であり、光源の照明効率、即ち光源からの光エネルギーに対する照射面を照射する光エネルギーの割合を向上させるためには、発光部分が小型で高い光エネルギー密度の得られる光源が必要である。発光部が小型であれば照明装置に一般的に用いられるケラー照明系が小型化でき、かつ安価に構成できることが期待されるからである。この観点から、発光ダイオードは、前記の装置に用いる光源として好適である。しかも、発光ダイオードは、高発光効率、駆動が容易、高信頼性及び長寿命という優れた特性を有している。従って、発光ダイオードを粒子測定装置の光源に用いれば、小型の照明装置で微小な照射面に強い光を照射することができ、小さな粒子を高精度に測定することが可能になる。しかも、光発光効率であるために放熱のために照明装置が大型化したりコストアップしたりすることもない。さらに、フラッシュランプのような発光光源は放電現象を利用して発光させているために、誘導ノイズが非常に大きくシールド処理が必要である。しかしながら、発光ダイオードを発光光源として使用した場合にはそのような処理は不要である。

前記の粒子測定装置では、光源をストロボのように間欠発光させてフローセル中を流れる粒子の撮像を行う。光源の発光周期は、粒子の流速に依存し、流速が速いほど測定時間が短くできる。一例では、流速は２０ミリメートル／秒である。この場合、発光時間内に対象粒子は２０ｍｍ／秒×発光時間（秒）＝移動距離（ｍｍ）の距離を移動する。対象粒子を０．１μｍ、発光時間を1μ秒とすると、粒子は、発光期間に２０ｎｍ移動し、流れ方向の長さは０．１２μｍになり、長楕円に撮像されてしまう。この点から、発光時間は可能な限り短い方が良い。一般的に撮像粒子の測定精度は、対象粒子直径や光学分解能の１／１０以下が必要とされ、最小対象粒子を０．１μｍとし、流れ方向の直径変化を５％以下にするためには、発光時間を２５０ｎｓｅｃ程度にする必要がある。

前記のように、発光ダイオード、とりわけ照明用発光ダイオードの応答は遅いため、粒子測定装置の光源に用いるためには駆動の高速化が必要である。発光ダイオードを高速で駆動するための回路が提案されている（例えば、特許文献１）が、汎用の部品を用いた単純な構成でＬＥＤを間欠発光させることのできる駆動回路が望まれている。
特開平２−２０６２２０号公報

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、発光ダイオードを高速で間欠発光させる照明装置に適用するための駆動回路を提供するものである。特に、前記の粒子測定装置の光源に用いる発光ダイオードを駆動するのに好適な駆動回路である。

発明者らの知見によればこのような試みは、これまであまりなされていなかった。発光ダイオードの輝度が向上したのは比較的近年であり、ストロボ装置などの間欠照明装置への応用実績が少ない。高輝度かつ応答の速い素子は特殊であり、たとえ特性的に適合してもコストや安定供給実用面で制約されがちである。一方、高速応答する低コヒーレンスな光源が求められる分野では、レーザ発光素子を光源に用い、外部にコヒーレンス性を低下させる仕組みを設ける構成が一般的であった。

発明者らは、一般的な高輝度発光ダイオードの応答速度が、その容量成分に起因していると考え、電流オフ時に容量成分に蓄積された電荷を速やかに放電させる回路を構成して発光ダイオードの応答を高速化すべく検討を行い、この発明の駆動回路を出願するに至った。

この発明は、アノードとカソードを有する発光ダイオードにパルス電流を流して間欠発光させる発光ダイオードの駆動回路であって、アノードまたはカソードに直列接続されて発光ダイオードへの電流をオン・オフするドライバと、アノードとカソードに並列接続され発光ダイオードのアノードとカソードの間に閉ループ回路を構成するスイッチング素子とを備える発光ダイオードの駆動回路を提供する。

この発明の発光ダイオードの駆動回路は、発光ダイオードのアノードとカソードの間に閉ループ回路を構成するスイッチング素子を備えるので、ドライバがオフしたときに前記閉ループ回路によって発光ダイオードの容量成分に蓄積された電荷が放電され、発光ダイオードのオン・オフが高速に行われる。

この発明の駆動回路は、発光ダイオードのアノードとカソードに直列接続されドライバと、発光ダイオードのアノードとカソードの間に閉ループ回路を構成するスイッチング素子を備える。また、スイッチング素子は、発光ダイオードへの電流をオフしている期間の少なくとも一部の期間にオンすることが好ましい。

ここで、ドライバとは、発光ダイオードに流す電流をオン・オフするスイッチとしての機能を果たす回路を指し、バイポーラ・トランジスタを用いて構成することが好ましい。具体的には、ＰＮＰ型トランジスタまたはＮＰＮ型トランジスタを用いることが好ましい。しかし、この発明に係るドライバの構成はそれに限定されず、充分な応答速度を有してスイッチ機能を果たすものであればよい。例えば、電界効果トランジスタ（あるいはＦＥＴともいう）を用いてもよい。また、発光ダイオードのアノードとカソード間に閉ループ回路を構成するスイッチング素子も、バイポーラ・トランジスタを用いて構成することが好ましい。具体的には、ＰＮＰ型トランジスタまたはＮＰＮ型トランジスタを用いることが好ましい。しかし、この発明に係るスイッチング素子は、それに限定されず、充分な応答速度を有してスイッチ機能を果たすものであればよい。例えば、電界効果トランジスタを用いてもよい。また、閉ループ回路とは、発光ダイオードの容量成分に蓄積された電荷が移動して放電し得る回路的な循環経路をいう。

前記閉ループ回路中に、抵抗素子が配置されていてもよい。このようにすれば、前記電荷が移動して放電する際に抵抗素子でエネルギーが抵抗で消費されるとともに電流が制限されるので、閉ループ回路中に配置されるトランジスタや発光ダイオード等の定格を上回る電流が流れて素子が破壊されることがない。
また、この発明の粒子測定装置は、前記の駆動回路を備えていてもよい。このようにすれば、粒子測定装置は、この発明による前記駆動回路を備えるので、発光ダイオードのオン・オフが高速に行われ、一般的な高輝度発光ダイオードを光源として用いても十分な応答速度を得ることができ、照明系を小型化し、小さな粒子を高精度に測定することが可能である。

以下、図面に示す実施形態に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。
（実施の形態１）

図１は、この発明の発光ダイオードの駆動回路の構成の一例を示す回路図である。図１に示すように、発光ダイオード駆動回路は、発光ダイオードＤ１への電流をオン・オフするドライバであるＰＮＰトランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ１がオンしたときに電源Ｖｃｃから発光ダイオードＤ１流れる電流を制限するための抵抗Ｒ１、トランジスタＴｒ１のオフ時に、発光ダイオードＤ１のアノードとカソード間に閉ループを構成して発光ダイオードＤ１のアノードとカソード間に蓄積された電荷を放電するためのスイッチング素子であるＮＰＮ型トランジスタＴｒ２、トランジスタＴｒ２がオンした場合に前記閉ループに流れる電流を制限するための抵抗Ｒ２から構成される。Ｒ１、Ｒ２の抵抗値は電源電圧や回路を構成する素子の特性に応じて適宜選択されるが、発光ダイオードＤ１の蓄積電荷を放電するためにＴｒ２をながれる放電電流が、Ｔｒ２が駆動可能な電流に対して十分小さければＲ２は省略することができる。

図２は、図１の回路のトランジスタＴｒ１の駆動電圧Ｖｉ１およびトランジスタＴｒ２の駆動電圧Ｖｉ２の波形と、発光ダイオードＤ１の発光の強さＥｌを模式的に示す波形説明図である。トランジスタの駆動電圧Ｖｉ１がＶｏｎのときにトランジスタＴｒ１がオンし、発光ダイオードＤ１がオンして発光する。トランジスタＴｒ１がオフしたときに、トランジスタＴｒ２をオンして発光ダイオードＤ１のアノードとカソード間に閉ループを構成し、発光ダイオードＤ１に蓄積された電荷を放電させる。

図３は、図１に示す駆動回路と同様の構成で、発光ダイオードの駆動特性の測定を行った回路の詳細な構成を示す回路図である。図１と図３との対応関係は、下記のとおりである。
図１ 図３
Ｔｒ１ Ｔｒ１３
Ｔｒ２ Ｔｒ１４
Ｒ１ Ｒ２０
Ｒ２ Ｒ２１
Ｄ１ Ｄ１１
Ｖｉ１ Ｖ１３
Ｖｉ２ Ｖ１５
Ｅｌ Ｅｌ１１

図５は、図３に示す回路の各電圧波形及び発光ダイオードＤ１１の発光の強さを模式的に示す波形説明図である。また、図４は、前記測定回路系の全体の構成を示すブロック図である。図４のブロック図中で、図３に示す回路はＣＵＴ（非測定回路）３に対応する。図４に示すように、ＬＥＤをパルス発光させるためのトリガ信号を発生するパルス発生器１からの出力は、インピーダンスマッチング回路２を介してＣＵＴ３に入力される。即ち、図３のＶ１１で示す電圧が、図４のＣＵＴ３への入力である。また、図３の発光ダイオードＤ１１からの光は、図４に示すレセプタクル４に接続された光ファイバ５を介して、光電変換機６へ入力されて発光強度に対応した電気信号に変換され、オシロスコープ７に波形が表示される。パルス発生器１には旭データシステムズ社製ＡＬＰ−７０３１ＰＣ、光電変換器６はテクトロニクス社製Ｐ６７０１Ａ、オシロスコープ７はテクトロニクス社製ＴＤＳ３０５４を用いている。
図６は、図３の測定回路で実測した波形を示す波形説明図である。即ち、パルス周期３３６ナノ秒、発光デューティ５０％で駆動した場合の実測波形である。図６の上側の波形Ａは図５のＥｌ１１に対応し、下側の波形Ｂは、図５のＶ１２に対応する。波形ＢからＡへの立ち上がりおよび立下りの遅延Ｃ、Ｄは、主としてトランジスタＴｒ１３および発光ダイオードＤ１１の特性による。図６に示すように、発光ダイオードのオン（発光）の立ち上がり応答時間（１０−９０％）は約３０ナノ秒、オフの立ち下がり応答時間（９０−１０％）は約６０ナノ秒であり、約７ＭＨｚの高周波応答特性を有していることがわかる。前述の粒子測定条件、即ち流速２０ミリメートル／秒で、最小対象粒子を０．１μｍ、流れ方向の直径変化を５％以下にするための発光時間約２５０ｎｓｅｃ程度に対して、図６の波形Ａの発光時間はそれよりも短い１８０ｎｓｅｃ程度である。従って、図６の測定回路に適用された発光ダイオードの駆動回路は、前記条件の粒子測定に好適である。
（実施の形態２）

図７は、この発明の発光ダイオードの異なる構成の一例を示す回路図である。この実施形態では、発光ダイオードＤ３１のアノードが電源Ｖｃｃ、に接続され、カソードが電流制限抵抗Ｒ３２を介してドライバであるトランジスタＴｒ３２に直列接続されている。そして、発光ダイオードＤ３１がオフしたとき、蓄積電荷の放電ループを形成するスイッチング素子としてトランジスタＴｒ３１が配置されている。

図８は、図７の回路のトランジスタＴｒ３１の駆動電圧Ｖｉ３１およびトランジスタＴｒ３２の駆動電圧Ｖｉ３２の波形と、発光ダイオードＤ３１の発光の強さＥｌ３１を模式的に示す波形説明図である。トランジスタの駆動電圧Ｖｉ３２がＶｏｎのときにトランジスタＴｒ３２がオンし、発光ダイオードＤ３１がオンして発光する。トランジスタＴｒ３２がオフしたときに、トランジスタＴｒ３１をオンして発光ダイオードＤ３１のアノードとカソード間に閉ループを構成し、発光ダイオードＤ３１に蓄積された電荷を放電させる。
（実施の形態３）

図９は、この発明の発光ダイオードのさらに異なる構成の一例を示す回路図である。この実施形態は、発光ダイオードＤ４１のドライバであるトランジスタＴｒ４１がＮＰＮ型である点が、図１の回路構成と異なる。このように構成しても、発光ダイオードＤ４１を駆動することができる。
あるいは、ＰＮＰ型を用い、図９の回路に対してコンプリメンタリー（相補的）な回路構成も前述の実施形態から当業者が容易に想到できるものであり、このような実施形態であってもよい。

図１０は、図９の回路のトランジスタＴｒ４１の駆動電圧Ｖｉ４１およびトランジスタＴｒ４２の駆動電圧Ｖｉ４２の波形と、発光ダイオードＤ４１の発光の強さＥｌ４１を模式的に示す波形説明図である。トランジスタの駆動電圧Ｖｉ４１がＶｏｎのときにトランジスタＴｒ１がオンし、発光ダイオードＤ１がオンして発光する。トランジスタＴｒ１がオフしたときに、トランジスタＴｒ２をオンして発光ダイオードＤ１のアノードとカソード間に閉ループを構成し、発光ダイオードＤ１に蓄積された電荷を放電させる。
（実施の形態４）
図１１は、この発明の発光ダイオードの駆動回路を備えてなる粒子測定装置の実施の一形態を示す説明図である。
図１１に示すように、この実施形態の粒子測定装置３９は、測定対象の試料、即ち粒子がフローセル２９内を通過する。前記フローセル２９内を通過する粒子を照射するための照明系は、照明光源であるＬＥＤを内部に有する光源ユニット４３、前記ＬＥＤを駆動する前述の駆動回路４４、コレクターレンズ２４、コンデンサーレンズ２５、前記コレクターレンズ２４とコンデンサーレンズ２５を固定するシリンダ３１から構成される。また、照明されたフローセル２９中の粒子を撮影する撮影系は、結像レンズ２６、受光素子２７から構成される。前記照明系及び撮像系は、暗箱３２の内部に収納されている。照明及び撮像系は、高精度に加工されて高い剛性を有するベース３０上に取り付けられ、外部からの振動や装置の設置状態によって光学系の配置に誤差や歪が生じないように設計されている。この他に、粒子測定装置は、図示しない粒子投入部や、装置に対する操作や指示を入力するための入力部、撮像された画像を処理する画像処理部、処理された画像や操作の結果、あるいは装置の設定等を表示する表示部、表示内容を出力する出力部、装置各部の動作を制御する制御部を含んでいてもよい。
この実施形態の粒子測定装置は、発光ダイオードを用いた照明光源を備えるので、照明系を小型化し、微小な照射面に強い光を照射して小さな粒子を高精度に測定することが可能になる。しかも、光発光効率であるために放熱のために照明装置が大型化したりコストアップしたりすることもない。さらに、フラッシュランプのような放電現象を利用した発光光源でないため、誘導ノイズを低減するためのシールド処理を必要としない。そして、前記粒子測定装置は、発光ダイオードを高速で間欠発光させるのに好適な、この発明による駆動回路を備えるので、発光ダイオードのオン・オフが高速に行われ、一般的な高輝度発光ダイオードを光源として用いても十分な応答速度を得ることができる。

この発明の発光ダイオードの駆動回路の構成の一例を示す回路図である。 図１の各トランジスタの駆動波形と、発光ダイオードＤ１の発光の強さを模式的に示す波形説明図である 図１に示す駆動回路と同様の構成で、発光ダイオードの駆動特性の測定を行った回路の詳細な構成を示す回路図である。 図３の測定回路系の全体の構成を示すブロック図である。 図３に示す測定回路の各電圧波形及び発光ダイオードＤ１１の発光の強さを模式的に示す波形説明図である。 図３の測定回路で実測した波形を示す波形説明図である。 この発明の発光ダイオードの異なる構成の一例を示す回路図である。 図７に示す測定回路の各電圧波形及び発光ダイオードＤ３１の発光の強さを模式的に示す波形説明図である。 この発明の発光ダイオードのさらに異なる構成の一例を示す回路図である。 図９に示す測定回路の各電圧波形及び発光ダイオードＤ４１の発光の強さを模式的に示す波形説明図である。 この発明の発光ダイオードの駆動回路を備えてなる粒子測定装置の実施の一形態を示す説明図である。

符号の説明

１ パルス発生器
２ インピーダンスマッチング回路
３ ＣＵＴ（被測定回路）
４ レセプタクル
５ 光ファイバ
６ 光電変換器（ＰＩＮフォトダイオード）
７ オシロスコープ
８、９、１３、１４ ワンショット・マルチバイブレータ
Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ１１〜１４、Ｔｒ３１，Ｔｒ３２、Ｔｒ４１、Ｔｒ４２ トランジスタ
１０ 精密基準電源ＩＣ
１１ 電圧バッファ
１２ コンパレータ
２４ コレクターレンズ
２５ コンデンサーレンズ
２６ 結像レンズ
２７ 受光素子
２９ フローセル
３０ ベース
３１ シリンダ
３２ 暗箱
３９ 粒子測定装置
４３ 光源ユニット
４４ ＬＥＤ駆動回路
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ１１〜２０、Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ４１、Ｒ４２ 抵抗
Ｄ１、Ｄ１１、Ｄ３１、Ｄ４１ 発光ダイオード
Ｅｌ、Ｅｌ１１、Ｅｌ３１、Ｅｌ４１発光強さ
Ｖｉ１、Ｖｉ２、Ｖ３１、Ｖ３２、Ｖ４１、Ｖ４２ 駆動電圧
Ｖ１１〜Ｖ１６ 回路電圧
Ｖｃｃ 電源

Claims (6)

1. アノードとカソードを有する発光ダイオードにパルス電流を流して間欠発光させる発光ダイオードの駆動回路であって、
   アノードまたはカソードに直列接続されて発光ダイオードへの電流をオン・オフするドライバと、
   アノードとカソードに並列接続され発光ダイオードのアノードとカソードの間に閉ループ回路を構成するスイッチング素子とを備える発光ダイオードの駆動回路。
2. スイッチング素子は、ドライバが発光ダイオードへの電流をオフしている期間の少なくとも一部の期間にオンする請求項１記載の駆動回路。
3. 閉ループ回路中に、抵抗素子が配置される請求項１または２記載の駆動回路。
4. ドライバが、ＰＮＰ型トランジスタまたはＮＰＮ型トランジスタのいずれかひとつを含む請求項１〜３のずれかひとつに記載の駆動回路。
5. スイッチング素子がＰＮＰ型トランジスタまたはＮＰＮ型トランジスタである請求項請求項１〜４のずれかひとつに記載の駆動回路。
6. 請求項１〜５の何れかひとつに記載の駆動回路を備えてなる粒子測定装置。

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