JP2009301947A

JP2009301947A - 照明装置

Info

Publication number: JP2009301947A
Application number: JP2008156977A
Authority: JP
Inventors: Kozo Sakamoto; 幸造坂本
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2008-06-16
Filing date: 2008-06-16
Publication date: 2009-12-24

Abstract

【課題】高速カメラに用いる場合で、LED駆動中でも、低コストで精度よく異常検出を行うことができる照明装置を提供すること。
【解決手段】スイッチ素子２１とLED１との間の電圧値を検出するLPF３４及びA/D変換器３３と、スイッチ素子２１とLED１との間の電圧値を通常の電圧値から変化させる抵抗２４と、スイッチ素子２１とLED１との間に対する抵抗２４の電気的な接続、非接続を切り替えるスイッチ素子２３と、LED１の診断を行う際に、スイッチ素子２３を接続状態に制御し、その際のLPF３４及びA/D変換器３３の検出値に基づいて、LED１の異常を判断するステップＳ１〜Ｓ５の処理を実行するCPU３２を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に高速なカメラの照明などのようにパルス状の発光に用いられる照明装置の技術分野に属する。

従来では、LEDを駆動するPWM信号がON信号の期間にスイッチ素子に流れる電流値が上限値を上回ったと一度でも検出され、且つその現象が連続して複数サイクル繰り返されると過電流状態にあると判定している（例えば、特許文献１参照。）。ここで、過電流は駆動回路の用途がLEDのスイッチングであるため、LEDの短絡または電流制限抵抗の短絡を意味する。
特開２００７−３０６０５１号公報（第２−９頁、全図）

しかしながら、従来にあっては、照明装置が高速カメラに用いられる場合の異常検出について、充分ではなかった。

以下に詳細を説明する。
照明装置が、高速カメラに用いられる場合、LEDの発光時間は数ms以下と短いものとなる。さらに、光の増幅を行うイメージインテンシファイアを用いる高速カメラとなると数nsから数百ns程度とさらにLEDの発光時間は短いものとなる。LEDはパルス駆動であればDC駆動時の定格値よりも大きな電流を流すことが可能である。そのため、LEDはパルス駆動で用いられることが多い。

パルス駆動回路では、電流制限抵抗をDC駆動時よりも小さくし、大電流を流すようにするため、LEDの短絡が発生すると、瞬間的にスイッチング回路に大きな電流が流れてしまい、スイッチ素子の破壊や消費電流の増大を生じるという問題があった。
また、開放異常の場合、高速カメラで撮影された画像が暗くなってしまう。
一方、数nsから数百ns程度のパルス電流を精度よく検出することは困難であり、検出回路のコストは高いものとなってしまう。

本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、高速カメラに用いる場合で、LED駆動中でも、低コストで精度よく異常検出を行うことができる照明装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、下流側のスイッチ素子の駆動により上流側の発光素子がパルス状の発光を行う照明装置において、前記スイッチ素子と前記発光素子との間の電圧値を検出する電圧検出手段と、前記スイッチ素子と前記発光素子との間の電圧値を通常の電圧値から変化させる電圧変更手段と、前記スイッチ素子と前記発光素子との間に対する前記電圧変更手段の電気的な接続、非接続を切り替える診断用切替手段と、前記発光素子の診断を行う際に、前記診断用切替手段を接続状態に制御し、その際の前記電圧検出手段の検出値に基づいて、前記発光素子の異常を判断する異常判断手段と、を備えたことを特徴とする。

よって、本発明にあっては、高速カメラに用いる場合で、LED駆動中でも、低コストで精度よく異常検出を行うことができる。

以下、本発明の照明装置を実現する実施の形態を、請求項１，２に係る発明に対応する実施例１に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は実施例１の照明装置が高速カメラに用いられた構成を示すブロック図である。
図１の構成では、LED１、駆動回路２、駆動制御部３、画像処理部４、ICCDカメラ５を備えている。
LED１(発光素子）は発光ダイオードであり、アノード側を上流、つまりＶcc側となるように駆動回路２に接続される。
駆動回路２は、LED１の駆動指令信号に基づいて、LED１の駆動を行なうとともに、LED１の診断指令信号に基づいて、LED１の診断を行う。詳細は後述する。

駆動制御部３は、ICCDカメラ５が必要とするタイミングでパルス状の発光を行う。さらに、LED１の診断を行う。
駆動制御部３は、LED発光タイミング制御部３１、CPU３２、A/D変換器３３、LPF３４を備えている。
LED発光タイミング制御部３１は、CPU３２から指令される発光タイミングで、LED１をパルス状に発光させるように駆動回路２のスイッチ素子２１の制御を行う。さらに具体的には、PWM制御によりスイッチ素子２１のゲート駆動信号を出力する。PWM信号の周期、オン時間は、CPU３２からの指令に基づき決定すればよい。

CPU３２は、演算処理や制御処理等を行うものであり、画像処理部４による画像処理内容や他の入力条件に応じて、LED発光タイミング制御部３１へ発光タイミングの指令を出力する。また、所定の時期、あるいは条件によりLED１の診断を行うよう駆動回路２のスイッチ素子２３への指令信号を出力し、A/D変換器３３からの入力により診断を行う。
異常を判断した際には、画像処理部４を介して、あるいは直接、ICCDカメラの撮像を停止、もしくはこれに相当する処置の出力を行う。また、LED１の駆動を停止させる。

A/D変換器３３は、LPF３４から入力される信号電圧値を、CPU３２の入力値となるように変換する処理を行う。なお、LPF３４からの入力がない場合は、０ｖまたはローレベルの信号をCPU３２へ出力するよう、LPF３４からの入力側にプルダウンする回路構成、つまり出力ラインを分岐し、抵抗を介して接地する構成にする。
LPF３４は、入力される検出電圧値の低周波成分を通過させるようにして、ノイズ等の高い周波数成分を遮る処理を行う。特に実施例１では、パルス状の駆動オンオフ分のうち、短い時間のパルス状の変化を除き、定常的な電圧値変化を検出する。

画像処理部４は、ICCDカメラ５からの画像を処理する。例えば、２値化処理、ラベリング処理、パターンマッチング処理など、必要な情報を画像から検出できるように、画像情報を処理する。例えば、その後の処理判断のための画像データを作成してもよいし、パターンマッチング等による対象物の検出までをおこなってもよい。

ICCDカメラ５は、イメージインテンシファイアを具備した高速カメラである。
イメージインテンシファイアは、極微弱な光（物体からの反射光等）を一旦電子に変換して電気的に増幅し、再度蛍光像に戻すことで光量を倍増してコントラストのついた像を見るデバイスである。イメージインテンシファイアの光電面より光電現象によって打ち出された光電子はkVオーダーの高電圧で加速され、陽極側の蛍光面に打ち込まれることにより、100倍以上の光子数の蛍光を発する。蛍光面で発生した蛍光は、ファイバオプティックプレートにより、そのままの位置関係を保ったまま散乱されることなくICCDカメラ５のイメージセンサに導かれる。

そしてICCDカメラ５は、予め設定されたタイミングに基づいて、イメージインテンシファイアを介した像を撮像し、撮像画像（カラー画像でもグレー画像でもよい）を画像処理部４へ出力する。例を挙げると、解像度640×480（横：縦）、輝度値1〜255(256段階)、100fps以上のカメラである。
なお、実施例１では、ICCDカメラ５のシャッタ（ゲート）のタイミングは予め設定されたものとして説明するが、CPU３２や他のコントローラを設けて、可変となるように制御してもよい。その場合には、CPU３２へも制御内容を出力するようにして、LED発光タイミング制御部３１への指令を変更していく必要がある。

図２は駆動回路の構成を説明する回路図である。
LED１を駆動する駆動回路２は、スイッチ素子２１、抵抗２２、スイッチ素子２３、抵抗２４を備えている。
駆動回路２は、まず、供給される電圧Ｖccからグランドまでに、抵抗２２、LED１、スイッチ素子２１の順に直列に設ける。
スイッチ素子２１は例えばMOSFETであり、LED発光タイミング制御部３１からのゲート駆動信号によりソース、ドレイン間をオンにしてLED１への通電をオンにする。
抵抗２２はLED１、スイッチ素子２１へ印加する電圧を調整する抵抗である。

さらに、駆動回路２には、スイッチ素子２１とLED１の間からグランドへのラインを形成し、そこに抵抗２４、その下流にスイッチ素子２３を設ける。
抵抗２４は、LED１のカソード側の電圧Ｖcを低下させるための抵抗である。
スイッチ素子２３は例えばMOSFETであり、CPU３２からの診断制御信号により、ソース、ドレイン間をオンにして、抵抗２４への通電をオンにする。

作用を説明する。
[故障診断処理]
図３は駆動制御部３のCPU３２で実行される故障診断処理の流れを示すフローチャートで、以下各ステップについて説明する。

ステップＳ１では、CPU３２が、出力信号により、故障診断用のスイッチ素子２３をオンにする。

ステップＳ２では、CPU３２がLPF３４を通過後のLED１のカソード側の電圧ＶcをA/D変換器３３を介して入力するようにして、電圧Ｖcを測定する。

ステップＳ３では、CPU３２が、出力信号により、故障診断用のスイッチ素子２３をオフにする。

ステップＳ４では、CPU３２が、LED１のカソード側の電圧Ｖcが正常かどうかをステップＳ２で入力した電圧値から判断する。

ステップＳ５では、LED異常とし、LED１の駆動停止、撮影の停止、警報等、LED１の異常に対処する処理を行う。

[異常診断作用]
図４は異常診断の際のLEDカソード側電圧Ｖc、LPF通過後のLEDカソード側電圧Ｖc、LED駆動信号、診断制御信号のタイムチャートである。
実施例１の照明装置では、LED１の異常診断を、ICCDカメラ５の撮影状態で行う。つまりLED１が駆動されている状態で行う。

異常診断を行う際には、CPU３２からスイッチ素子２３に診断制御信号、つまりスイッチ素子２３をオンさせる信号を出力する（ステップＳ１、図４(e)参照）。
すると、ＶccからLED１を経る電圧を抵抗２４が分圧するため、LED１のアノード、カソード間における電圧降下は通常発光時よりも低めの電圧降下となる（図４(a),(b)参照）。つまり、図４(a)において、LED１のカソード側の電圧Ｖcは符号１０１のようになるが、スイッチ素子２３のオンにより、符号１０１ａで示すような電圧Ｖcの電圧変化を生じることになる。

そして、これをLPF３４に通過させると、パルス状に変化している波形部分が除去され、図４(b)に符号１０２ａの部分で示す電圧変化を検出することができる。
ここで、図４(b)に示すLPF３４を通過後の電圧Ｖcは、図１、図２に示すように、直列の２個でアレイが形成されたLED１の個々の抵抗分により、電圧降下の影響が含まれた波形（符号１０２ａで示す部分の電圧値変化）を生じている。
そのため、LED１の内の１個が短絡した場合には、符号１０２ａで示す電圧値よりも高い電圧値（符号１０２ｂで示す）になる。また、さらに、LED１の内の２個ともに短絡した場合には、符号１０２ａ、１０２ｂで示す電圧値よりも高い電圧値（符号１０２ｃで示す）になる。

この電圧値は、A/D変換器３３で変換されてCPU３２に入力されることで、CPU３２により測定、判断される（ステップＳ２、Ｓ４）。なお、測定後は、スイッチ素子２３がオフにされ、駆動電圧値Ｖcは通常の値へ戻る（ステップＳ３）。
このようにして、LED１のうち、１個の短絡、２個ともに短絡の異常は精度よく検出される。

このように、実施例１の照明装置では、発光用のスイッチ素子２１とは別に診断用のスイッチ素子２３、抵抗２４を設けることにより、発光時に比べて微弱な電流を流しLED１に順バイアスを加える。このとき、LED１の電流値はほとんど発光しないか、わずかに発光する程度で、通常発光時の発光量に比べて無視できる程度の電流値に設定される。例えば、あるLED１では通常２Aの電流値では５Ｖのところ、１０mAでは１．５Ｖ程度の電圧降下が生じる。

また、発光時間を１００ns、撮影フレームレート１０００００回／ｓとすると、発光デューティ比は１％となる。したがって、診断時に発光しても電圧測定結果に与える影響はその程度になる。

なお、スイッチ素子２３をオンにすることで、図４(a)の符号１０１ａ、図４(b)の符号１０２ａで示す診断オンとなる時間は次のように設定する。
電流パルスによって生じるリップルの影響を小さくするために発光時間（パルス幅）の影響を無視できる程度まで診断時間を長くする。リップルによる測定誤差が数％であれば充分に診断可能である。例えば、マイクロコントローラ内臓のA/D変換器を用いる場合、測定時間は通常100μs程度あれば十分であるとともに発光時間の影響を無視できる程度まで小さくできる。

さらに、LED１のどちらかで断線が生じた際には、LPF３４への診断時の信号入力、A/D変換器３３への診断時の信号入力がなくなる。A/D変換器３３への入力はプルダウンされているので、CPU３２へは電圧Ｖcが０Ｖ（ローレベル）の入力となり、LED１における断線も精度よく検出される。

CPU３２で異常を検出した場合には、駆動回路２をオフにする。あるいは、発光量の減少を補正する処理を行ったり、ICCDカメラ５又はICCDカメラ５の制御部（別体のコントローラでもよい）に通知することにより多重露光回数を増やすなどにして、発光量の減少を防ぐようにしてもよい。特に短絡異常の場合には、駆動回路２の異常発熱を防止することになる。

次に、効果を説明する。
実施例１の照明装置にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。

(1)下流側のスイッチ素子２１の駆動により上流側のLED１がパルス状の発光を行う照明装置において、スイッチ素子２１とLED１との間の電圧値を検出するLPF３４及びA/D変換器３３と、スイッチ素子２１とLED１との間の電圧値を通常の電圧値から変化させる抵抗２４と、スイッチ素子２１とLED１との間に対する抵抗２４の電気的な接続、非接続を切り替えるスイッチ素子２３と、LED１の診断を行う際に、スイッチ素子２３を接続状態に制御し、その際のLPF３４及びA/D変換器３３の検出値に基づいて、LED１の異常を判断するステップＳ１〜Ｓ５の処理を実行するCPU３２を備えたため、高速カメラに用いる場合で、LED駆動中でも、低コストで精度よく異常検出を行うことができる。

(2)上記(1)において、LED１の上流には、LED１への印加電圧調整用の抵抗２２を設け、電圧変更手段は、スイッチ素子２１とLED１との間の電圧値を診断用の抵抗２４の接続により変化させ、且つ診断用の抵抗２４は接続時に、印加電圧調整用の抵抗２２に流れる電流値の１／５０以下の電流値が流れるものであるため、LED１の駆動に影響を与えることなく、駆動中に診断を行うことができる。

以上、本発明の照明装置を実施例１に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

例えば、実施例１では、LED１を２個直列したアレイとし、これに対して駆動、診断する回路を示したが、必要な光量によっては、LED１をさらに複数個からなるようにしてもよく、また、図２の構成を複数並列化して光量を多くしてもよい。

実施例１の照明装置が高速カメラに用いられた構成を示すブロック図である。駆動回路の構成を説明する回路図である。駆動制御部のCPUで実行される故障診断処理の流れを示すフローチャートである。異常診断の際のLEDカソード側電圧Ｖc、LPF通過後のLEDカソード側電圧Ｖc、LED駆動信号、診断制御信号のタイムチャートである。

符号の説明

１ LED
２駆動回路
２１スイッチ素子
２２抵抗
２３スイッチ素子
２４抵抗
３駆動制御部
３１発光タイミング制御部
３２ CPU
３３変換器
３４ LPF
４画像処理部
５カメラ
１０１（LEDのカソード側の）電圧
１０１ａ（診断部分のLEDのカソード側の）電圧
１０２（LPF通過後のLEDカソード側の）電圧
１０３（断線時のLPF通過後のLEDカソード側の）電圧
１０４ LEDの駆動信号
１０５ LEDの診断制御信号

Claims

下流側のスイッチ素子の駆動により上流側の発光素子がパルス状の発光を行う照明装置において、
前記スイッチ素子と前記発光素子との間の電圧値を検出する電圧検出手段と、
前記スイッチ素子と前記発光素子との間の電圧値を通常の電圧値から変化させる電圧変更手段と、
前記スイッチ素子と前記発光素子との間に対する前記電圧変更手段の電気的な接続、非接続を切り替える診断用切替手段と、
前記発光素子の診断を行う際に、前記診断用切替手段を接続状態に制御し、その際の前記電圧検出手段の検出値に基づいて、前記発光素子の異常を判断する異常判断手段と、
を備えたことを特徴とする照明装置。
請求項１に記載の照明装置において、
前記発光素子の上流には、前記発光素子への印加電圧調整用の抵抗を設け、
前記電圧変更手段は、
前記スイッチ素子と前記発光素子との間の電圧値を診断用抵抗の接続により変化させ、且つ前記診断用抵抗は接続時に、前記印加電圧調整用の抵抗に流れる電流値の１／５０以下の電流値が流れるものである、
ことを特徴とする照明装置。