JP2019505068A - 複数の照明アレイ用の自動パワーコントローラー - Google Patents

Abstract

照明アレイ内の１つまたは複数の発光デバイスを動作させるためのシステムおよび方法が開示される。一例では、２つ以上のネガティブ温度係数デバイスは、電気的に並列に結合される。その結果、複数の独立して制御される照明アレイは、単一の増幅器を介して制御される。２つ以上のネガティブ温度係数デバイスは、単一の増幅器のネガティブフィードバックループ内に配置される。
【選択図】図２

Description

光反応性システムは、感光性媒体（例えば、インク、接着剤、保存料などを含むコーティング）を硬化させるための固体照明アレイ（solid-state lighting array）を含む。これらの感光性媒体の硬化時間は、固体照明アレイの照射照度出力に応答する。さらに、固体照明アレイの放射照度出力は、固体照明デバイス（solid-state lighting devices）の温度によって影響される。その固体照明デバイスは、固体照明アレイを構成する。したがって、固体照明デバイスがその名目上の動作温度から離れた温度で動作すると、感光性媒体は十分に硬化しないか、または、電力の消費量は固体照明デバイスの放射照度レベルの変化により増加する。さらに、固体照明デバイスは、固体照明デバイスの温度を制御するためにヒートシンクと熱連通している。しかしながら、ヒートシンクは、いくつかの温度ゾーンを有する。その温度ゾーンは、ヒートシンクの他の温度ゾーンから温度において変化する。その結果、固体照明アレイのいくつかの固体照明デバイスは、固体照明アレイ内の他の固体照明デバイスより、異なる温度で動作する。その結果として、照明アレイの１つの領域からの放射照度出力（irradiance output）は、照明アレイの異なる領域からの放射照度出力から所望されるものよりも大きく変動する。特に、照明アレイが独立して動作する場合に大きく変化する。

本発明者は、上記の欠点を認識し、１つ以上の発光デバイスを動作させるシステムを開発した。そのシステムは、少なくとも１つの発光デバイスで構成される少なくとも２つの独立して制御される照明アレイと、ネガティブフィードバックループを含む増幅器とを含む。少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスは、そのネガティブフィードバックループに含まれ、電気的に並列に結合される。前記少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスのそれぞれは、前記少なくとも２つの独立して制御される照明アレイの１つと熱連通する。

２つ以上のネガティブ温度係数デバイスを並列に、かつ、増幅器（１つまたは複数の発光デバイスを通る電流を制御する）のネガティブフィードバックループに、電気的に結合することによって、単一の増幅器を有する光反応性システムにおける２つ以上の照明アレイの放射照度出力を制御することができる。本発明者は、他のネガティブ温度係数デバイスを有する並列電気回路内の１つのネガティブ温度係数デバイスが、増幅器ゲインの決定を支配することを認識した。その結果、前記１つのネガティブ温度係数デバイスによって監視される照明アレイがアクティブであり、一方、他のネガティブ温度係数デバイスによって監視される他の照明アレイが非アクティブであるとき、その増幅器ゲインは、並列の電気回路における他のネガティブ温度係数デバイスよりも１つのネガティブ温度係数デバイスによってより影響を受ける。結果として、増幅器ゲインは、１つのネガティブ温度係数デバイスによって監視されるアクティブ化された照明アレイに対して適切である。一例では、２つ以上のネガティブ温度係数デバイスは、ヒートシンクを介して、２つ以上の照明アレイと熱連通する。２つ以上のネガティブ温度係数デバイスを介してヒートシンクでサンプリングされた温度は、個々の照明アレイの温度フィードバックを増幅器に供給する。その結果、各照明アレイの放射照度は、光反応性システム用に所望のレベルの放射照度を提供するために制御される。

本開示は、いくつかの利点を提供する。具体的には、そのアプローチは、照明システムの光強度制御を改善する。さらに、そのアプローチは、単一の増幅器を介して２つ以上の独立して制御される照明アレイに対してフィードバック制御を提供する。さらに、そのアプローチは、感光性媒体のより着実な硬化を提供する。

本発明の上記の利点および他の利点、ならびに特徴は、単独または添付の図面と関連して、以下の詳細な説明から容易に明らかになる。

上記の概要は、詳細な説明でさらに説明される概念の選択を簡略化した形で導入するために提供されることを理解されたい。クレームされた主題の重要なまたは本質的な特徴を特定することを意味するものではなく、その範囲は、詳細な説明に続く特許請求の範囲によって一義的に定義される。さらに、特許請求の範囲に記載の主題は、上記の欠点または本開示の任意の部分を解決する形態に限定されない。

図１は、照明システムの概略図を示す。

図２は、例示的な照明デバイスの放射照度制御システムの概略図を示す。 図３は、例示的な照明デバイスの放射照度制御システムの概略図を示す。

図４は、システムに対する増幅器ゲインのプロットを示す。３つの照明アレイのうちの１つが起動され、３つの照明アレイのうちの３つが起動される。

図５は、照明システムにおける放射照度を制御する例示的な方法を示す。

本明細書は、実質的に一定（例えば、±５％）の放射照度レベルを出力する照明システムに関する。図１は、照明システムの一例を示す。その照明システムは、２つ以上の独立して制御される照明アレイの放射照度出力を制御するための単一の増幅器を含む。照明アレイの放射照度制御は、図２および図３に示される例示的な回路を介して提供される。照明システムは、図４のプロットに従って動作する。実質的に一定の放射照度を提供する照明システムを動作する方法は、図５に示される。種々の電気回路図におけるコンポーネント間に示された電気的相互配線は、図示されたデバイス間の電流経路を表す。

ここで、図１を参照すると、本明細書に記載のシステムおよび方法による光反応性システム１０のブロック図が示される。この例では、光反応性システム１０は、照明サブシステム１００と、コントローラー１０８と、電源１０２と、冷却サブシステム１８とを含む。

照明サブシステム１００は、複数の発光デバイス１１０を含む。発光デバイス１１０は、例えば、ＬＥＤデバイスである。選択された複数の発光デバイス１１０は、放射出力２４を提供するように実装される。放射出力２４は、ワークピース２６に向けられる。戻り放射２８は、（例えば、放射出力２４の反射を介して）ワークピース２６から照明サブシステム１００に向けて戻される。

放射出力２４は、カップリング光学系３０を介してワークピース２６に導かれる。カップリング光学系３０は、使用される場合、様々に実装される。一例として、カップリング光学系は、放射出力２４を提供する発光デバイス１１０と、ワークピース２６との間に挿入された１つまたは複数の層、材料または他の構造を含む。一例として、カップリング光学系３０は、集束、集光、視準（collimation）を高めるために、または放射出力２４の品質または有効量を高めるために、マイクロレンズアレイを含む。別の例として、カップリング光学系３０は、マイクロリフレクタアレイを含む。このようなマイクロリフレクタアレイを使用する場合、放射出力２４を提供する各半導体デバイスは、１対１ベースでそれぞれのマイクロリフレクタ内に配置される。

各層、材料または他の構造は、選択された屈折率を有する。各屈折率を適切に選択することによって、放射出力２４（および／または戻り放射２８）の経路における層、材料および他の構造間の界面における反射を選択的に制御することができる。一例として、ワークピース２６に対して半導体デバイス間に配置された選択されたインターフェースでそのような屈折率の差を制御することによって、そのインターフェースでの反射は、低減され、排除され、または最小化される。その結果、ワークピース２６に対して最大の放射（ultimate delivery）のために、そのインターフェースでの放射照度出力の放出を高めている。

カップリング光学系３０は、様々な目的のために使用される。例示的な目的は、とりわけ、発光デバイス１１０を保護すること、冷却サブシステム１８に関連する冷却流体を保持すること、放射出力２４を収集し、集光し及び／又はコリメートすること、戻り放射２８を収集し、方向づけ又は拒絶すること、もしくは、他の目的を含み、これらを単独または組み合わせてもよい。さらなる例として、光反応性システム１０は、特に、ワークピース２６に放射されるような放射出力２４の有効な品質または量を増大するように、カップリング光学系３０を使用する。

選択された複数の発光デバイス１１０は、コントローラー１０８にデータを提供するように、カップリング電子機器２２を介してコントローラー１０８に結合される。以下でさらに説明するように、コントローラー１０８は、例えば、カップリング電子機器２２を介して、データを提供する半導体デバイスを制御するように実装される。

コントローラー１０８は、好ましくは、電源１０２および冷却サブシステム１８のそれぞれに接続され、それらを制御するように実装される。さらに、コントローラー１０８は、電源１０２および冷却サブシステム１８からデータを受信する。

電源１０２、冷却サブシステム１８、照明サブシステム１００のうちの１つ以上から、コントローラー１０８によって受信されるデータは、様々なタイプのものである。一例として、データは、それぞれ、結合された半導体デバイス１１０に関連する１つ以上の特性を表す。別の例として、データは、データを提供するそれぞれのコンポーネント１２、１０２、１８に関連する１つまたは複数の特性を表してもよい。さらに別の例として、データは、ワークピース２６に関連する１つまたは複数の特性を表してもよい（例えば、ワークピースに向けられた放射出力エネルギーまたはスペクトル成分を表す）。さらに、データは、これらの特性のいくつかの組み合わせを表してもよい。

コントローラー１０８は、そのようなデータを受信すると、そのデータに応答するように実行される。例えば、そのようなコンポーネントからのそのようなデータに応答して、コントローラー１０８は、電源１０２、冷却サブシステム１８、および照明サブシステム１００（１つまたは複数のそのような結合された半導体デバイスを含む）の１つまたは複数を制御するように実装される。一例として、光エネルギーがワークピースに関連する１つ以上の点で不十分であるということを示す照明サブシステムからのデータに応答して、コントローラー１０８は、次の（ａ）から（ｄ）のいずれかを実行する。（ａ）１つ以上の半導体デバイス１１０への電流および／または電圧の電源の供給を増加させる、（ｂ）冷却サブシステム１８を介して照明サブシステムの冷却を増加させる（すなわち、ある発光デバイスが冷却される場合、より大きな放射出力を提供する）、（ｃ）そのようなデバイスに電力が供給される時間を増加させる、または（ｄ）上記の組み合わせのいずれかを実行する。

照明サブシステム１００の個々の半導体デバイス１１０（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス）は、コントローラー１０８によって独立に制御される。例えば、コントローラー１０８は、第１の強度、波長などの光を放出する１つ以上の個別のＬＥＤデバイスの第１のグループを制御する。一方、異なる強度、波長などの光を放出する１つ以上の個別のＬＥＤデバイスの第２のグループを制御する。１つ以上の個別のＬＥＤデバイスの第１のグループは、半導体デバイス１１０の同じアレイ内にあってもよく、半導体デバイス１１０の２つ以上のアレイからであってもよい。半導体デバイス１１０のアレイは、コントローラー１０８によって、照明システム１００内の半導体デバイス１１０の他のアレイからコントローラー１０８によって独立に制御される。例えば、第１のアレイの半導体デバイスは、第１の強度、波長などの光を放射するように制御される。一方、第２のアレイの半導体デバイスは、第２の強度、波長などの光を放射するように制御される。

さらなる例として、第１の条件セット（例えば、特定のワークピース、光反応、および／または動作条件のセット）の下で、コントローラー１０８は、第１の制御ストラテジーを実行するために、光反応性システム１０を動作させる。第２の条件セット（例えば、特定のワークピース、光反応、および／または動作条件のセット）の下で、コントローラー１０８は、第２の制御ストラテジーを実行するために、光反応性システム１０を動作させる。上述したように、第１の制御ストラテジーは、第１の強度、波長などの光を放射する１つ以上の個別の半導体デバイス（例えば、ＬＥＤデバイス）の第１のグループを動作させることを含む。一方、第２の制御ストラテジーは、第２の強度、波長などの光を放射する１つ以上の個別のＬＥＤデバイスの第２のグループを動作させることを含む。ＬＥＤデバイスの第１のグループは、第２のグループと同じＬＥＤデバイスのグループであってもよく、ＬＥＤデバイスの１つ以上のアレイにまたがってもよい。または、第２のグループとは異なるＬＥＤデバイスのグループであってもよい。ＬＥＤデバイスの異なるグループは、第２のグループからの１つ以上のＬＥＤデバイスのサブセットを含んでいてもよい。

冷却サブシステム１８は、照明サブシステム１００の熱的挙動を管理するように実装される。例えば、一般的に、冷却サブシステム１８は、そのようなサブシステム１２（より具体的には、半導体デバイス１１０）の冷却を提供する。冷却サブシステム１８は、ワークピース２６、および／または、ピース２６と光反応性システム１０（例えば、特に照明サブシステム１００）との間の空間を冷却するように実装される。例えば、冷却サブシステム１８は、空気または他の流体（例えば、水）の冷却システムである。

反応性システム１０は、様々な用途に使用される。例えば、インク印刷からＤＶＤの製造およびリソグラフィまでの硬化用途が挙げられるが、これらに限定されない。一般に、光反応性システム１０が使用される用途は、関連するパラメーターを有する。すなわち、用途は、以下のような関連する動作パラメーターを含む（１つまたは複数の波長で、１つまたは複数の期間にわたって適用される放射パワーの１つまたは複数のレベルの提供）。用途に関連する光反応を適切に達成するために、光パワーは、１つまたは複数のこれらのパラメーター（および／または特定の時間、時間または時間の範囲）の１つまたは複数の所定のレベルで、または所定のレベルを超えて、ワークピースで、またはその近くで放射される必要がある。

意図された用途のパラメーターに従うために、放射出力２４を提供する半導体デバイス１１０は、用途のパラメーター（例えば、温度、スペクトル分布および放射パワー）に関連する様々な特性に従って動作される。同時に、半導体デバイス１１０は、特定の動作仕様書（certain operating specifications）を有する。それは、半導体デバイスの製造に関連し、とりわけ、デバイスの破壊を起こさないように、および／または、デバイスの劣化を未然に防止するためのものである。光反応性システム１０の他のコンポーネントは、関連する動作仕様書も有する。これらの仕様は、他のパラメーター仕様の中でも、動作温度および印加電力の範囲（例えば、最大および最小）を含む。

したがって、光反応性システム１０は、アプリケーションのパラメーターのモニタリングをサポートする。加えて、光反応性システム１０は、特性および仕様を含む半導体デバイス１１０のモニタリングを提供する。さらに、光反応性システム１０は、光反応性システム１０の選択された他のコンポーネント（特性および仕様を含む）のモニタリングを提供する。

このようなモニタリングを提供することにより、システムの適切な動作の確認が可能となる。その結果、光反応性システム１０の動作が確実に評価される。例えば、システム１０は、アプリケーションの１つ以上のパラメーター（例えば、温度、放射パワーなど）、そのようなパラメーターに関連する任意のコンポーネントの特性、および／または任意のコンポーネントのそれぞれの動作仕様に対して、望ましくない方法で動作している。モニタリングの提供は、１つ以上のシステムのコンポーネントによってコントローラー１０８によって受信されたデータに従って応答し、実行されてもよい。

モニタリングはまた、システムの動作の制御をサポートしてもよい。例えば、制御ストラテジーは、１つまたは複数のシステムコンポーネントからデータを受信し、応答するコントローラー１０８を介して実現されてもよい。上述したように、この制御は、直接（すなわち、コンポーネント動作に関連するデータに基づいて、コンポーネントに向けられた制御信号を介してコンポーネントを制御することによって）、または、間接的に（すなわち、他のコンポーネントの動作を調整するように指示された制御信号を介してコンポーネントの動作を制御することによって）、実行される。一例として、半導体デバイスの放射出力は、照明サブシステム１００に適用されるパワーを調整する電源１０２に指示された制御信号を介して、および／または、照明サブシステム１００に適用される冷却を調整する冷却サブシステム１８に指示された制御信号を介して間接的に調整される。

システムの適切な動作および／またはアプリケーションの性能を可能にする、および／または高めるために、制御ストラテジーを使用する。より具体的な例では、アプリケーションの光反応を適切に完了するのに十分なワークピース２６に放射エネルギーを導きながら、例えば、半導体デバイス１１０または半導体デバイス１１０のアレイをそれらの仕様を超えて加熱することを排除するように、制御は、アレイの放射出力と、その動作温度との間のバランスを可能にする、および／または増大するために使用される。

いくつかのアプリケーションにおいて、高い放射パワーは、ワークピース２６に供給されてもよい。したがって、サブシステム１２は、発光半導体デバイス１１０のアレイを使用して実行される。例えば、サブシステム１２は、高密度発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイを使用して実行される。ＬＥＤアレイが使用され、本明細書で詳細に説明されるが、半導体デバイス１１０およびそのアレイは、説明の原理から逸脱することなく、他の発光技術を使用して実行されることが理解される。他の発光技術は、特に限定されないが、例えば、有機ＬＥＤ、レーザダイオード、他の半導体レーザなどが挙げられる。

複数の半導体デバイス１１０は、アレイ２０の形態で提供される。または、アレイ２０は、図２に示されるように、複数のアレイ（例えば、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ）で構成されてもよい。アレイ２０は、１つ以上の半導体デバイス１１０またはほとんどの半導体デバイス１１０が放射出力を提供するように構成されるように、実装される。しかしながら、同時に、１つ以上のアレイの半導体デバイス１１０は、選択されたアレイの特性のモニタリングを提供するように実装される。モニタリングデバイス３６は、アレイ２０内のデバイスの中から選択される。例えば、モニタリングデバイス３６は、他の発光デバイス３と同じ構造を有している。例えば、発光とモニタリングとの間の差異は、特定の半導体デバイスに関連するカップリング電子機器２２によって決定される（例えば、基本的な形態では、ＬＥＤアレイは、ＬＥＤをモニタンリング（カップリング電子機器は逆電流を提供する）し、ＬＥＤを発光（カップリング電子機器は順電流を提供する）する）。

さらに、カップリング電子機器に基づいて、アレイ２０内の半導体デバイスの選択は、多機能デバイスおよび／または多モードデバイスのいずれかであってよく、両方であってもよい。ここで、（ａ）多機能デバイスは、複数の特性（例えば、放射出力、温度、磁場、振動、圧力、加速度、および他の機械的な力または変形）を検出することができ、用途パラメーターまたは他の決定要因に従って、これらの検出機能の間でスイッチされる。（ｂ）マルチモードデバイスは、発光、検出、およびいくつかの他のモード（例えば、オフ）が可能であり、アプリケーションパラメータまたは他の決定要因に従って、モードの間でスイッチされる。

図２を参照すると、様々な量の電流を照明アレイに供給する第１の照明システム回路の概略図が示される。照明システム１００は、１つ以上の発光デバイス１１０を含む。この例では、発光デバイス１１０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。各ＬＥＤは、アノード２０１と、カソード２０２とを含む。図１に示されるスイッチング電源１０２は、経路または導体２６４を通して、電圧レギュレータ２０４に４８ＶのＤＣパワーを供給する。電圧レギュレータ２０４は、導体または経路２４２を通して、ＬＥＤ１１０のアノード２０１にＤＣパワーを供給する。電圧レギュレータ２０４は、導体または経路２４０を介して、ＬＥＤ１１０のカソード２０２に電気的に結合される。電圧レギュレータ２０４は、電気的接地２６０を参照して示され、１つの例では降圧レギュレータになる。電圧レギュレータ２０４は、スイッチ２７０、２７１および２７２を通して、独立して制御される照明アレイ２０Ａ、２０Ｂおよび２０Ｃで構成された照明アレイ２０に選択的に電力を供給する。コントローラー１０８は、電圧レギュレータ２０４およびスイッチ２７０、２７１、２７２と電気的に連通して示される。スイッチ２７０〜２７２は、照明アレイ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの独立した制御を提供する。他の例では、必要に応じて、離散入力生成デバイス（例えば、スイッチ）は、コントローラー１０８を置き換える。コントローラー１０８は、非一時メモリ２９２に保存された命令を実行するための中央処理ユニット２９０を含む。コントローラー１０８はまた、電圧レギュレータ２０４および他のデバイスを動作させるための入力および出力（Ｉ／Ｏ）２８８を含む。非一時的に実行可能な命令は、読み出し専用メモリ２９２に保存される。一方、変数は、ランダムアクセスメモリ２９４に保存される。電圧レギュレータ２０４は、ＬＥＤ１１０に調整可能な電圧を供給する。

電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の形態の可変抵抗２２０は、コントローラー１０８から、または増幅器２２２からの別の入力デバイスを介して、強度または放射照度の制御信号電圧を受信する。増幅器２２２は、導体２３１を通して、ＦＥＴゲート２９８に制御信号または出力を供給する。増幅器２２２は、図３に示されるように、非反転入力でコントローラー１０８から命令された強度または放射照度を受信する。ネガティブ温度係数デバイス（例えば、サーミスタ）２２５、２２６および２２７は、図３に示されるように、増幅器２２２の回路またはネガティブフィードバックループにある。さらに、ネガティブ温度係数デバイス２２５、２２６および２２７は、ヒートシンク２２１を介して、ＬＥＤ１１０と熱連通している。ＦＥＴソース２９７は、電流検知抵抗２５５に電気的に結合されている。本実施例が、ＦＥＴとして可変抵抗器を説明しているが、回路が可変抵抗器の他の形態を使用してもよいことに留意すべきである。

この例では、アレイ２０の少なくとも１つの素子（element）は、固体発光素子を含む（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）。または、レーザダイオードは光を生成する。その素子は、基板上の単一のアレイ、基板上の複数のアレイ、一緒に接続されたいくつかの基板上で単一または複数で複数のアレイなどのように構成される。一例では、発光素子のアレイは、フォセオン テクノロジー インコーポレイテッドによって製造されたＳｉｌｉｃｏｎ Ｌｉｇｈｔ Ｍａｔｒｉｘ（商標）（ＳＬＭ）からなっている。

図２に示された回路は、閉ループ電流制御回路２０８である。閉ループ回路２０８において、可変抵抗器２２０は、増幅器２２２を通って導体または経路２３１を介して強度電圧制御信号を受信する。可変抵抗器２２０とアレイ２０との間の電圧は、電圧レギュレータ２０４によって決定されるように、所望の電圧に制御される。所望の電圧値は、コントローラー１０８または他のデバイスによって供給される。電圧レギュレータ２０４は、アレイ２０と可変抵抗器２２０との間の電流経路において所望の電圧を提供するレベルに、導体または経路２４２で電圧を制御する。可変抵抗器２２０は、矢印２４５の方向に、アレイ２０から電流感知抵抗器（current sense resistor）２５５への電流の流れを制御する。所望の電圧は、照明デバイスのタイプ、ワークピースのタイプ、硬化パラメーター、および様々な他の動作条件に応じて調整される。電流信号は、導体または経路２３６に沿ってコントローラー１０８または別のデバイスにフィードバックされてもよい。その別のデバイスは、与えられた強度電圧制御信号を調整する。特に、電流信号が所望の電流と異なる場合、導体２３０を通過した強度電圧制御信号は、アレイ２０を流れる電流を調整するために増減される。アレイ２０を通る電流の流れを示すフィードバック電流信号は、電圧レベルとして導体２３６を経由して導かれる。その電圧レベルは、電流感知抵抗器２５５を流れる電流が変化するように変化する。

可変抵抗器２２０とアレイ２０との間の電圧が一定電圧に調整される一例では、アレイ２０と可変抵抗器２２０とを流れる電流は、可変抵抗器２２０の抵抗を調整することによって調整される。したがって、可変抵抗器２２０から導体２４０に沿って搬送される電圧信号は、この例ではアレイ２０に到達しない。代わりに、アレイ２０と可変抵抗２２０との間の電圧フィードバックは、導体２４０に追従して、電圧レギュレータ２０４に進む。電圧レギュレータ２０４は、電圧信号２４２をアレイ２０に出力する。その結果、電圧レギュレータ２０４は、アレイ２０の下流の電圧に応答して、その出力電圧を調整する。アレイ２０を通る電流は、可変抵抗器２２０を介して調整される。コントローラー１０８は、導体２３６を通って電圧としてフィードバックされるアレイ電流に応答して、可変抵抗器２２０の抵抗値を調整するための命令を含む。導体２４０は、ＬＥＤ１１０のカソード２０２と、可変抵抗器２２０の入力２９９（例えば、Ｎ−チャネル ＭＯＳＦＥＴのドレイン）と、電圧レギュレータ２０４の電圧フィードバック入力２９３との間の電気通信を可能にする。したがって、ＬＥＤ１１０のカソード２０２と、可変抵抗器２２０の入力側２９９と、電圧フィードバック入力２９３とは、同じ電圧電位にある。

可変抵抗器は、ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、デジタルポテンシオメータ、または任意の電気的に制御可能な電流制限デバイスの形態を取ることができる。駆動回路は、使用される可変抵抗器に応じて、異なる形態を取る。閉ループシステムは、出力電圧レギュレータ２０４がアレイ２０を動作させる電圧より約０．５Ｖ高いままであるように、動作する。レギュレータ出力電圧は、アレイ２０に印加される電圧を調整する。可変抵抗は、アレイ２０を通る電流を所望のレベルに制御する。本回路は、アレイ２０から一定の放射照度出力の生成を改善する。図２の例では、可変抵抗器２２０は、典型的には、０．６Ｖの範囲の電圧降下を生成する。しかし、可変抵抗２２０の電圧降下は、可変抵抗の設計に応じて、０．６Ｖよりも小さくても大きくてもよい。

ここで図３を参照すると、可変抵抗器に放射照度または強度制御電圧を供給する例示的な増幅器２２２が示される。その可変抵抗器は、独立して制御される照明アレイを通る電流の流れを制御する。増幅器２２２は、演算増幅器３０２を含む。所望の放射照度または光強度を出力するための制御電圧は、非反転入力３０４で増幅器２２２に入力される。増幅器２２２は、図２に示される可変抵抗２２０を動作させる出力３０５を含む。ネガティブフィードバックループ３５０は、第１の抵抗器（Ｒ１）３１０および第２の抵抗器（Ｒ２）３１２を含む２つのみの固定値抵抗器（例えば、特定の温度範囲に依存して、所定のパーセンテージ未満（例えば、２％）だけ変化する抵抗値を有する抵抗器）を含む。ネガティブフィードバックループ３５０はまた、電気的に並列に結合された３つのネガティブ温度係数デバイス３１４、３１６および３１８を含む。いくつかの例では、デバイス３１４、３１６および３１８は、ネガティブフィードバックループが５つのみの抵抗を含むように、温度依存抵抗と称される。この例では、ネガティブ温度係数デバイス３１４、３１６および３１８の各々は、電気的接地２６０に電気的に直接結合される側を含む。第１の抵抗器（Ｒ１）は、最小照明アレイ温度から最大照明アレイ温度にゲイン変化を設定する。第２の抵抗器（Ｒ２）は、所定の照明アレイ平衡温度に傾きの最大を設定する。Ｒ１およびＲ２の値は、フィードバックループに対して同等のゲインを提供するように調整される。そのフィードバックループは、図３に示されるＲ１およびＲ２と異なる値を有する抵抗器Ｒ１およびＲ２と、１つのみのネガティブ温度係数デバイスとを含む。このようにして、増幅器２２２のゲインは、図３に示される回路（３つのネガティブ温度係数を含む）が１つのみのネガティブ温度係数デバイスを含む回路に類似するように調整される。

したがって、増幅器２２２は、ネガティブフィードバックループ３５０にネガティブフィードバックを含む非反転増幅器である。反転入力３０３および非反転入力３０４は、非常に高いインピーダンスである。その結果、実質的に、電流は、非反転入力３０３または非反転入力３０４に流れない。増幅器ゲインは、下記一般式で表される。

式中、Ｖｏは３０５で増幅器２２２の出力電圧であり、Ｖｉｎは反転入力３０３での電圧であり、Ｒ１は抵抗３１０の値であり、Ｒ２は抵抗３１２の値であり、Ｒ_Ｔは１／（１／Ｒ_Ｔ１＋１／Ｒ_Ｔ２＋１／Ｒ_Ｔ３）に等しい（例えば、Ｒ_Ｔ１〜Ｒ_Ｔ３は、図３に示されるネガティブ温度係数デバイスの値である）。したがって、照明アレイの温度が低温で、１／Ｒ_Ｔ１の値が高い場合、ゲインは１に近くなる。照明アレイの温度が高く、１／Ｒ_Ｔ１の値が低い場合、ゲインは１＋Ｒ１／Ｒ２に近くなる。１つのみの照明アレイがアクティブである場合、アクティブ照明アレイに関連するネガティブ温度係数デバイスの抵抗は、アクティブ照明アレイの温度が上昇するにつれて減少する。その結果、ゲインは、１よりも１＋Ｒ１／Ｒ２に近くなる。さらに、アクティブ照明アレイに関連するネガティブ温度係数デバイスのより低い抵抗は、並列抵抗値を支配する。その結果、増幅器ゲインは、１つのアクティブ照明アレイに対して適切であり、非アクティブ照明アレイおよび対応するネガティブ温度係数デバイスにより影響されにくい。特に、単一の照明アレイを動作させるための増幅器ゲインは、図３に示される３つ全ての照明アレイが全てアクティブであり、それぞれのネガティブ温度係数デバイスが同じ温度にある場合、増幅器ゲインの２％以内である。このようにして、１つのみの照明アレイを動作させるための増幅器ゲインは、２つ以上の照明アレイを動作させるための増幅器ゲインに実質的に等しい（例えば、２％以内）。いくつかの例では、増幅器２２２の出力は、自動パワー制御（ＡＰＣ）コマンドまたは信号と呼ばれる。

Ｒ１、Ｒ２、およびＲ_Ｔの値は、異なる照明システム間で変化することを理解されたい。 さらに、増幅器ゲインは、本明細書の範囲および意図から逸脱することなく、いくつかの実施形態において異なる。

したがって、図１〜３のシステムは、１つ以上の発光デバイスを動作させるためのシステムを提供する。そのシステムは、少なくとも１つの発光デバイスで構成される少なくとも２つの独立して制御される照明アレイと、増幅器とを含む。その増幅器は、ネガティブフィードバックループと、前記ネガティブフィードバックループに含まれ、電気的に並列に結合された少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスとを含む。少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスのそれぞれは、少なくとも２つの独立して制御される照明アレイの一つと熱連通している。システムは、増幅器がオペアンプであり、可変抵抗デバイスとコントローラーとをさらに備え、可変抵抗デバイスは、少なくとも２つの独立して制御される照明アレイのカソード側と電気的に連通する。

いくつかの例では、システムは、少なくとも２つの独立して制御される照明アレイが少なくとも２つのスイッチを介して制御されることを含む。システムは、少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスのそれぞれの少なくとも一方の側が電気的接地に電気的に直接結合されることを含む。システムはさらに、ネガティブフィードバックループ内に２つのみの固定値抵抗（レジスタ）を備える。このシステムは、２つの固定値抵抗のうちの１つのみが、少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスに直接結合されることを含む。このシステムは、少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスがヒートシンクと熱連通し、少なくとも２つの独立して制御される照明アレイがヒートシンクと熱連通することを含む。

図１〜３のシステムはまた、１または複数の発光デバイスを動作させるためのシステムを提供する。そのシステムは、少なくとも１つの発光デバイスで構成された照明アレイと、前記照明アレイと熱連通する少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスと、ネガティブフィードバックループを含む増幅器とを含む。前記少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスは、前記ネガティブフィードバックループ内に含まれ、電気的に並列に結合されている。このシステムは、少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスのそれぞれの一方の側が、電気接地に電気的に直接結合されることを含む。このシステムは、ネガティブフィードバックループが、増幅器の反転入力と、増幅器の出力との間の電気的連通を提供することを含む。このシステムは、照明アレイが少なくとも２つの独立して制御される照明アレイで構成され、少なくとも２つの独立して制御される照明アレイが少なくとも２つのスイッチを介して制御されることを含む。システムはさらに、ネガティブフィードバックループ内に２つのみの固定値抵抗を含む。このシステムは、第１の２つのみの固定値抵抗が増幅器の反転入力と、増幅器の出力とを電気的に直接連通し、第２の２つのみの固定値抵抗が第１の２つのみの固定値抵抗と、増幅器の反転入力と、少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスと電気的に直接連通することを含む。

ここで図４を参照すると、図３の増幅器２２２の増幅器ゲインのプロットが示される。縦軸は増幅器のゲインを表し、増幅器のゲインは縦軸の矢印の方向に増加する。横軸は、１つまたは複数の照明アレイおよび１つまたは複数のネガティブ温度係数デバイスと熱連通するヒートシンクの温度を表す。温度は、図４の左側から図４の右側に向かって増加する。

曲線４０２は、光反応性システムの３つの独立して制御される照明アレイが動作し、３つのネガティブ温度係数デバイスからのフィードバックが図３に示される増幅器２２２に提供される場合の増幅器ゲインを表す。曲線４０４は、光反応性システムの１つの独立して制御される照明アレイが動作し、３つのネガティブ温度係数デバイスからのフィードバックが図３に示される増幅器２２２に提供される場合の増幅器ゲインを表す。ヒートシンクは、１つの照明アレイのみが動作した場合、ヒートシンクの一端からヒートシンクの他端まで２０°Ｋの温度差を示す。曲線４０２および４０４の増幅器ゲインは、２％以内である。したがって、増幅器２２２は、増幅器２２２が３つの照明アレイの放射照度出力を制御する方法とほぼ同等の単一の照明アレイの放射照度出力を制御することができる。その結果、単一の増幅器は、２つ以上の照明アレイを制御するために使用される。過去には、２つ以上の増幅器が使用されていた。さらに、増幅器２２２は、２つ以上の照明アレイを動作させる場合と同様に、単一の照明アレイを動作させる実質的に同じゲイン（例えば、２％以内）を提供する。

ここで図５を参照すると、照明アレイの電力および放射照度を制御する例示的な方法が示される。図５の方法は、図１および図２に示されるコントローラーの非一時的メモリに保存された命令として含まれる。

５０２において、照明アレイの所望の強度または放射照度が決定される。所望の強度は、照明システムから照明システムまで、およびワークピースからワークピースまでで変化する。一例では、所望の強度は、制御パラメータファイルから決定されてもよい。オペレータは、所望の強度または放射照度レベルを手動で選択してもよい。制御パラメータファイルは、照明アレイ用の放射照度の経験的に決定された値を含む。方法５００は、照明アレイの放射照度または強度が決定された後、５０４に進む。

５０４において、方法５００は、５０２で決定された放射照度レベルで照明アレイを動作させるための電流および／またはパワーを決定する。一例において、照明アレイのパワーは、経験的に決定された電流を含む機能またはテーブル、または、所望の放射照度を介してインデックスを付けられたパワーレベルをインデックス付けることによって決定される。テーブルまたは機能は、所望の照明アレイの電流および／またはパワーを出力し、５０６に進む。

５０６において、方法５００は、所望の電流またはパワーを、可変抵抗器を動作させるための制御電圧または電流に変換する。その可変抵抗器は、照明アレイを流れる電流を制御する。一例では、方法５００は、伝達関数を使用して所望の電流またはパワー値を渡して、照明アレイの放射照度コマンドを決定する。放射照度コマンドは、電圧の値、またはパラメーターの値の形式であってもよい。方法５００は、放射照射コマンドが決定された後、５０８に進む。

５０８において、方法５００は、所望の放射照度を提供するために、１つまたは複数のＳＬＭまたは照明アレイを動作させる。一例では、１つまたは複数の照明アレイは、駆動される各照明アレイ用のスイッチを閉じることによって起動する。１つのスイッチは、１つの照明アレイへの電流の流れを制御する。その結果、５つの照明アレイが動作すると、５つのスイッチを閉じる。動作される照明アレイの数は、要求される放射照度レベルおよび／または試験片構成に依存してもよい。方法５００は、１つまたは複数の照明アレイが動作した後、５１０に進む。

５１０において、方法５００は、制御電圧または電流を可変抵抗器に供給する増幅器（例えば、図２の増幅器２２２）のネガティブフィードバックループ内に、１つまたは複数のネガティブ温度係数デバイスまたは伝達関数を適用する。

一例では、１つまたは複数のネガティブ温度係数デバイスは、図２および図３に示されるような増幅器のネガティブフィードバックループに含まれてもよい。ネガティブ温度係数デバイスは、照明アレイの温度が、照明アレイと熱連通するヒートシンクの温度変化に反映されるように変化するとき、増幅器のゲインを調整する。一例では、増幅器のゲインは、図４に説明される通りである。５０６で決定された制御電圧は、増幅器の非反転入力に印加される。

別の例では、照明アレイの温度を表す電圧または抵抗は、コントローラーに入力される。その電圧または抵抗は、電圧または抵抗をネガティブ温度係数出力パラメーターに変換する伝達関数によって導かれる。例えば、照明アレイ温度を表すコントローラーに電圧が入力されると、その電圧は、抵抗値が照明アレイ温度の上昇に応じて低下するように、抵抗値に変換される。抵抗値は、そのネガティブフィードバック経路に１つまたは複数のネガティブ温度係数デバイスを有する増幅器を表す伝達関数に適用される。例えば、コントローラーは、メモリに保存されたデジタルフィルタの形で、その伝達関数と、図３に示される増幅器とを実装する。５０６で決定された制御電圧は、デジタルフィルタに適用される。方法５００は、ネガティブ温度係数が照明アレイ電流および／またはパワーを調整する増幅器の負のフィードバック経路に定起用された後、５１２に進む。

５１２において、方法５００は、電流または電圧を可変抵抗器に供給することによって、照明アレイ電流および／またはパワーを調整する。一例では、電流またはパワーは、図３に示されるように、増幅器を介して調整される。別の例では、電流またはパワーは、アナログ出力からの電流または電圧、５１０で説明されたデジタルフィルタの出力から決定される電流または電圧を供給するコントローラーを介して調整される。

したがって、図５の方法は、デジタルコントローラまたはアナログ回路を介して実施される。この方法は、ネガティブ温度係数を増幅器のネガティブフィードバック経路に適用して、１つ以上の独立して制御可能な照明アレイの変化する照明アレイ温度の存在下、一定レベルに照明アレイの放射照度を維持する。

図５の方法は、１つまたは複数の発光デバイスを動作させる方法を提供する。その方法は、熱導体上の２つ以上の位置で温度を感知する工程を含む。熱導体は、照明アレイと熱連通する。２つ以上のネガティブ温度係数デバイスを介して感知された２つ以上の位置での温度は、電気的に並列に結合されている。また、この方法は、コントローラーの出力に応答して、前記照明アレイを流れる電流を調整する工程を含む。そのコントローラーは、ネガティブフィードバックループ内に、前記２つ以上のネガティブ温度係数デバイスを含む。この方法は、２つ以上のネガティブ温度係数装置のそれぞれが、電気的接地に電気的に直接結合された側を含むことを含む。

いくつかの例では、この方法は、照明アレイを通って流れる電流がオペアンプを介して調整されることを含む。この方法は、照明アレイを通る電流の流れがコントローラー内の命令を介して調整されることを含む。この方法は、照明アレイが少なくとも２つの独立して制御される照明アレイで構成されることを含む。この方法は、少なくとも２つの独立して制御される照明アレイが少なくとも２つのスイッチを介して制御されることを含む。この方法は、電流の流れが、照明アレイから実質的に一定の放射照度出力を提供するように調整されることを含む。

本明細書に含まれる例示的な制御および推定ルーチンは、様々な照明システムの構成と共に使用されることができることに留意されたい。本明細書で開示される制御方法およびルーチンは、実行可能命令として非一時的メモリに保存されてもよく、様々なセンサ、アクチュエータおよび他の照明システムハードウェアと組み合わせて、コントローラーを含む制御システムによって実行されてもよい。本明細書で説明される特定のルーチンは、任意の数の処理ストラテジー（例えば、イベント駆動、割り込み駆動、マルチタスキング、マルチスレッドなど）の１つ以上を表す。このように、図示の様々な行為、動作および／または機能は、図示された順序で、並行して、または場合によっては省略されて、実行される。同様に、処理の順序は、本明細書に記載の例示的な実施形態の特徴および利点を達成するために、必ずしも必要とされるものではない。しかし、図示および説明を容易にするために提供される。図示された行為、動作および／または機能のうちの１つまたは複数は、使用される特定のストラテジーに応じて、繰り返し実行されてもよい。さらに、説明された行為、動作および／または機能は、照明制御システム内のコンピュータ可読記憶媒体の非一時的メモリにプログラムされるコードをグラフィカルに表す。説明された行為は、電子コントローラーとの組み合わせで、様々な照明システムハードウェアコンポーネントを含むシステム内の命令を実行することによって実行される。

以上で、説明を終了する。当業者は、それを読むと、説明の精神および範囲から逸脱することなく、多くの変更および改変を想起する。例えば、異なる波長の光を生成する光源は、本説明で利用することができる。

Claims (20)

1. １つ以上の発光デバイスを動作させるためのシステムであって、
   少なくとも１つの発光デバイスで構成された、少なくとも２つの独立して制御される照明アレイと、
   ネガティブフィードバックループと、前記ネガティブフィードバックループに含まれ、電気的に並列に結合された少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスとを含む増幅器と、を含み、
   前記少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスのそれぞれは、前記前記少なくとも２つの独立して制御される照明アレイの１つと熱連通することを特徴とするシステム。
2. 前記増幅器は、オペアンプであり、 可変抵抗デバイスとコントローラーとをさらに備え、
   前記可変抵抗デバイスは、前記少なくとも２つの独立して制御される照明アレイのカソード側と電気的に連通する請求項１に記載のシステム。
3. 前記少なくとも２つの独立して制御される照明アレイは、少なくとも２つのスイッチを介して制御される請求項２に記載のシステム。
4. 前記少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスの各々の少なくとも一方の側は、電気的接地に電気的に直接結合されている請求項１に記載のシステム。
5. 前記ネガティブフィードバックループ内に２つのみの固定値抵抗をさらに含む請求項４に記載のシステム。
6. 前記２つのみの固定値抵抗のうちの一方は、前記少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスに直接結合される請求項５に記載のシステム。
7. 前記少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスは、ヒートシンクと熱連通し、
   前記少なくとも２つの独立して制御される照明アレイは、前記ヒートシンクと熱連通する請求項１に記載のシステム。
8. １つ以上の発光デバイスを動作させるためのシステムであって、
   少なくとも１つの発光デバイスで構成される照明アレイと、
   前記照明アレイと熱連通する少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスと、
   ネガティブフィードバックループを含む増幅器と、を含み、
   前記少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスは、電気的に並列に結合され、前記ネガティブフィードバックループに含まれていることを特徴とするシステム。
9. 前記少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスのそれぞれの一方の側は、電気的接地に電気的に直接結合される請求項８に記載のシステム。
10. 前記ネガティブフィードバックループは、前記増幅器の反転入力と、前記増幅器の出力との間に電気的連通を提供する請求項９に記載のシステム。
11. 前記照明アレイは、少なくとも２つの独立して制御される照明アレイで構成され、
    前記少なくとも２つの独立して制御される照明アレイは、少なくとも２つのスイッチを介して制御される請求項８に記載のシステム。
12. 前記ネガティブフィードバックループ内に２つのみの固定値抵抗をさらに含む請求項８に記載のシステム。
13. 前記２つのみの固定値抵抗の一方は、前記増幅器の反転入力と、前記増幅器の出力と電気的に直接連通し、
    前記２つのみの固定値抵抗の他方は、前記２つのみの固定値抵抗の前記一方と、前記増幅器の前記反転入力と、前記少なくとも２つのネガティブ温度係数デバイスと電気的に直接連通する請求項１２に記載のシステム。
14. １つ以上の発光デバイスを動作させるための方法であって、
    熱導体上の２つ以上の位置で温度を感知する工程と、
    コントローラーの出力に応答して、照明アレイを流れる電流を調整する工程と、を含み、
    前記熱導体は、前記照明アレイと熱連通し、
    前記２つ以上の位置での前記温度は、電気的に並列に結合された２つ以上のネガティブ温度係数デバイスを介して感知され、
    前記コントローラーは、ネガティブフィードバックループ内に前記２つ以上のネガティブ温度係数デバイスを含むことを特徴とする方法。
15. 前記２つ以上のネガティブ温度係数デバイスの各々は、電気的接地に電気的に直接結合される側を含む請求項１４に記載の方法。
16. 前記照明アレイを通る前記電流の流れは、演算増幅器を介して調整される請求項１４に記載の方法。
17. 前記照明アレイを通る前記電流の流れは、前記コントローラー内の命令を介して調整される請求項１４に記載の方法。
18. 前記照明アレイは、少なくとも２つの独立して制御される照明アレイで構成される請求項１４に記載の方法。
19. 前記少なくとも２つの独立して制御される照明アレイは、少なくとも２つのスイッチを介して制御される請求項１８に記載の方法。
20. 前記電流の流れは、前記照明アレイから実質的に一定の放射照度出力を提供するように調整される請求項１４に記載の方法。

Images