JP5007394B2 - 光制御装置及び光照射システム - Google Patents

Description

本発明は、ＰＷＭ制御により発光ダイオードの明るさを調整する光制御装置及びこれを含んだ光照射システムに関するものである。

発光ダイオード（以下、ＬＥＤと言うこともある。）の調光方式としては、従来、２つの代表的な方式が知られている。１つは、ＬＥＤに流す連続電流値を制御する連続電流制御方式であり、もう一つは早い周期でＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、そのＯＮ信号の期間とＯＦＦ信号の期間の比を変えて見かけ上明るさを制御するＰＷＭ制御方式である。

ＰＷＭ制御方式は、スイッチ素子の非飽和領域を主として使用する電流制御方式に比べると、飽和領域を主に使用することからスイッチ素子での損失を抑えられるというと利点がある。しかしながら、ＰＷＭ制御方式は、単に見かけ上の明るさを制御しているだけであって、実際にＬＥＤはＯＮ／ＯＦＦを繰り返しているため、そのＯＮ／ＯＦＦを感知できるような速いシャッタスピードで撮影を行うと、その撮影のタイミングによって撮影画像が明るかったり暗かったりする不具合が生じ得る。

特に近時、製品の表面検査に用いるときなどのように、非常に速いシャッタスピード（例えば１／１０００秒）での撮影が行われる場合、このようなところにＰＷＭ制御方式を用いるとすれば、その１／１０以下の長さの基本周期が求められる。調光は、その基本周期をさらに分割して行われるのであるから、例えばきめ細かく２５６階調に制御しようとすると、最も暗い調光時には、ＯＮ信号の期間（パルス幅）が数十ｎｓｅｃオーダーとなる。

ところが、ＯＮ信号の期間が極めて短い（数十ｎｓｅｃ)場合に過電流が生じると、電源側に設けられる過電流保護回路が動作せず、前記スイッチ素子が破損に至る場合がある。電源側の過電流保護回路は、ノイズによる誤動作防止の目的からある程度鈍感に設計されていて、上述した時間幅の非常に短い過電流に対しては反応しないのである。

これを防止するには、単純には前記過電流保護回路を敏感なものとすればよいが、そうするとノイズによる誤動作が頻繁に生じることになる。

ＬＥＤの調光回路と分野は異なるが、例えば特許文献１には、スイッチ素子を流れる電流が一定値を超えた回数が、所定回数に達すると初めて動作を停止するよう保護回路が開示されている。

しかし、この保護回路は、ＯＮ信号の期間及びＯＦＦ信号の期間に関わらず、常に電流検出をするものである。つまり、ＯＮ信号の期間に生じたノイズであっても、ＯＦＦ信号の期間に生じたノイズであっても、一定値を超えた電流であればカウントすることになる。したがって、複数回ノイズが入れば、たとえそのノイズがＯＦＦ信号の期間に生じたものであっても、やはり誤動作するわけであり、抜本的な対策には全くなっていない。
特開平５−３００７３１号公報

そこで本発明は、かかる不具合に鑑みなされたものであって、ＰＷＭ信号におけるＯＮ信号の期間が極めて短い場合であっても、ノイズによる誤動作を防止しつつ、過電流によるスイッチ素子の破損を防止することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明にかかる光制御装置は、発光ダイオードと直列に接続されてなり、制御端子にＯＮ信号が入力されたときに主経路が導通して前記発光ダイオードに電流を流し、制御端子にＯＦＦ信号が入力されたときに主経路を遮断して前記発光ダイオードに電流が流れないようにするスイッチ素子と、１サイクル内でＯＮ信号の期間とＯＦＦ信号の期間とが切り替わる所定周波数のＰＷＭ信号を前記スイッチ素子の制御端子に対して出力するとともに、ＯＮ信号の期間とＯＦＦ信号の期間との比によって発光ダイオードの明るさを制御する調光回路と、前記スイッチ素子を流れる電流が所定の上限値を上回ったか否かを検出する電流検出回路と、前記ＰＷＭ信号がＯＮ信号の期間にスイッチ素子を流れる電流値が上限値を上回ったと前記電流検出回路で一度でも検出され、なおかつ、その現象が連続して複数サイクル繰り返される過電流状態にあるか否かを判定する判定回路と、前記判定回路で過電流状態にあると判定された場合に、前記スイッチ素子の動作を停止させる保護回路と、を備えていることを特徴とするものである。

このようなものであれば、ＰＷＭ信号と同期してＯＮ信号の期間のみ過電流検出を行うため、ＯＦＦ信号の期間で生じるノイズを無視することができ、誤作動を防止することができる。また、ＯＮ信号の期間にノイズが発生したとしても、複数サイクル連続して検出した場合のみ過電流状態であると判定するので、ＯＮ信号の期間に生じたノイズも排除することができる。したがって、ＰＷＭ信号におけるＯＮ信号の期間が極めて短い場合であっても、ノイズによる誤動作を防止しつつ、過電流によるスイッチ素子の破損を好適に防止することができる。

復旧スイッチをさらに備え、前記保護回路によってスイッチ素子の動作が停止した後は、前記復旧スイッチの操作がなされるまで、前記スイッチ素子の動作が停止状態で維持されるように構成していることが望ましい。これならば、過電流状態になった後にオペレータが過電流状態の原因を解消するまでは光制御装置の起動をさせないようにできる。

前記保護回路の代わりに、前記判定回路で過電流状態にあると判定された場合に、その旨を報知する報知手段を備えているものであっても良い。このようなものであれば、過電流状態が生じていることが分かりオペレータが主電源をオフにする等して、スイッチ素子等の破損を防ぐことができるようになる。

また、本発明に係る光照射システムは、発光ダイオードと、その発光ダイオードと直列に接続されてなり、制御端子にＯＮ信号が入力されたときに主経路が導通して前記発光ダイオードに電流を流し、制御端子にＯＦＦ信号が入力されたときに主経路を遮断して前記発光ダイオードに電流が流れないようにするスイッチ素子と、１サイクル内でＯＮ信号の期間とＯＦＦ信号の期間とが切り替わる所定周波数のＰＷＭ信号を、前記スイッチ素子の制御端子に対して出力するとともに、ＯＮ信号の期間とＯＦＦ信号の期間との比によって発光ダイオードの明るさを制御する調光回路と、前記スイッチ素子を流れる電流が所定の上限値を上回ったか否かを検出する電流検出回路と、前記ＰＷＭ信号がＯＮ信号の期間にスイッチ素子を流れる電流値が上限値を上回ったと前記電流検出回路で一度でも検出され、なおかつ、その現象が連続して複数サイクル繰り返される過電流状態にあるか否かを判定する判定回路と、前記判定回路で過電流状態にあると判定された場合に、前記スイッチ素子の動作を停止させる保護回路と、を備えていることを特徴とするものである。

このようなものであれば、ＰＷＭ信号と同期してＯＮ信号の期間のみ過電流検出を行うため、ＯＦＦ信号の期間で生じるノイズを無視することができ、誤作動を防止することができる。また、ＯＮ信号の期間にノイズが発生したとしても、複数サイクル連続して検出した場合のみ過電流状態であると判定するので、ＯＮ信号の期間に生じたノイズも排除することができる。したがって、ＰＷＭ信号におけるＯＮ信号の期間が極めて短い場合であっても、ノイズによる誤動作を防止しつつ、過電流によるスイッチ素子の破損を防止することができる。

また、前記保護回路の代わりに、前記判定回路で過電流状態にあると判定された場合に、その旨を報知する報知手段と、を備えているものであっても良い。

このように構成した本発明によれば、ＰＷＭ信号と同期してＯＮ信号の期間のみ過電流検出を行うため、ＯＦＦ信号の期間で生じるノイズを無視することができ、誤作動を防止することができる。また、ＯＮ信号の期間にノイズが発生したとしても、複数サイクル連続して検出した場合のみ過電流状態であると判定するので、ＯＮ信号の期間に生じたノイズも排除することができる。したがって、ＰＷＭ信号におけるＯＮ信号の期間が極めて短い場合であっても、ノイズによる誤動作を防止しつつ、過電流によるスイッチ素子の破損を好適に防止することができる。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態にかかる光照射システムの全体を示す模式図であり、図２は、光照射システムの概略回路構成図である。この光照射システムは、照明装置１と、その照明装置１とは別体をなし、電気ケーブル４によって接続された離間させて配置される電源２と、前記電源２と同一筐体内に収納された光制御装置３とを備えている。

照明装置１は、例えば、円筒状のものであり、その内部に発光ダイオード（ＬＥＤ）１１と、そのＬＥＤ１１からの光を前方に射出する光射出口１３とを備えている。照明装置１は、例えば、同軸照明の光源として用いることができ、光照射口１３からの光を直接照射したり、光照射口１３に光ファイバＦを取り付けるなどして、光ファイバＦを介して光を照射したりすることができる。

さらにこの照明装置１にはプラス端子とマイナス端子とからなる外部接続端子（図示しない）が設けてあり、プラス端子とマイナス端子との間には１又は数個のＬＥＤ１１と電流制限抵抗１２とが直接に接続されている。そして、電気ケーブル４が接続されて電源と電気的に接続される。ここで、ＬＥＤ１１は所定時間連続して２００ｍＡ以上（例えば、２００ｍＡ〜２Ａのものが好ましい）の電流を流すことが可能なものであり、単体でも従来のものに比して非常に大きな光量で発光する。

電源２は、例えば、ＬＥＤ１１に一定の電圧を供給する定電圧直流タイプのものであり、電気ケーブル４によって外部接続端子を介して、ＬＥＤ１１と電気的に接続されている。

光制御装置３は、電源２の筐体内に収納されており、ＬＥＤ１１への電流の導通を制御するスイッチ素子としてのＦＥＴ（電解効果トランジスタ）３１と、ＬＥＤ１１の明るさを制御する調光回路であるＰＷＭコントローラ３２と、ＦＥＴ３１を流れる電流が所定の上限値を上回ったか否かを検出する電流検出回路３３と、電流検出回路３３での検出結果に基づいて過電流状態にあるか否かを判定する判定回路３４と、前記判定回路３４で過電流状態にあると判定された場合に、ＦＥＴ３１の動作を停止させる保護回路３５と、を備えている。

なお、以下、本実施形態において、電源電圧ラインとグランドラインとの間で直列に接続される電流制限抵抗１２、ＬＥＤ１１、ＦＥＴ３１および後述する電流検出抵抗３３１から構成される経路を主経路Ａという。

以下に各部３１〜３５について説明する。

ＦＥＴ３１は、ゲート端子３１１にＯＮ信号が入力されると主経路Ａが導通して前記ＬＥＤ１１に電流を流し、ゲート端子３１１にＯＦＦ信号が入力されると主経路Ａを遮断してＬＥＤ１１に電流が流れないようにするものである。

ＰＷＭコントローラ３２は、図３に示すように、１サイクル内でＯＮ信号の期間とＯＦＦ信号の期間とが切り替わる所定周波数のＰＷＭ信号をＦＥＴ３１の制御端子３１１に対して出力するとともに、ＯＮ信号の期間とＯＦＦ信号の期間との比によって発光ダイオード１１の明るさを制御するものである。

電流検出回路３３は、図２に示すように、ＦＥＴ３１を流れる電流が所定の上限値を上回ったか否かを検出するものであり、ＦＥＴ３１に直列に接続される電流検出抵抗３３１と、電流がその電流検出抵抗３３１を通過するときに生じる出力電圧Ｖ_ｓ及び予め定めた基準電圧Ｖ_ｒｅｆを比較して、その比較信号を判定回路３４に出力するコンパレータ３３２とを備えている。ここで、基準電圧Ｖ_ｒｅｆとは、所定の上限値の電流が電流検出抵抗３３１に流れたときに生じる電圧である。

コンパレータ３３２は、出力電圧Ｖ_ｓと基準電圧Ｖ_ｒｅｆとを比較して、出力電圧Ｖ_ｓが基準電圧Ｖ_ｒｅｆ以下の場合にはＬ（Ｌｏｗ）レベル、出力電圧Ｖ_ｓが基準電圧Ｖ_ｒｅｆよりも大きい場合にはＨ（Ｈｉｇｈ）レベルの比較信号を判定回路３４に出力する。つまり、ＦＥＴ３１に流れる電流が所定の上限値以下であればＬレベル、ＦＥＴ３１を流れる電流が所定の上限値を上回っている場合にはＨレベルの比較信号を判定回路３４に出力することになる。

判定回路３４は、ＰＷＭ信号においてＯＮ信号の期間だけに着目して、コンパレータ３３２によるその期間内の出力電圧Ｖ_ｓと基準電圧Ｖ_ｒｅｆとの比較結果に基づいて過電流状態か否かを判定する。そして、その判定信号を保護回路３５に出力するものである。

具体的な過電流状態の判定方法としては、図４に示すように、ＰＷＭ信号の１サイクル毎に、そのＰＷＭ信号に同期して、ＯＮ信号の期間において、ＦＥＴ３１を流れる電流値が一度でも所定の上限値を上回り、その状態が連続して複数サイクル繰り返されたときに過電流状態であると判定する。より詳細には、判定回路３４からの比較信号を受け付けて、ＯＮ信号の期間において、その比較信号が、一度でもＨレベルの信号であり、なおかつ、その現象が連続して複数サイクル繰り返された場合に過電流状態であると判断する。なお、ＯＦＦ信号の期間においては、比較信号がＬレベルか、Ｈレベルかは判断しない。

保護回路３５は、図２に示すように、判定回路３４で過電流状態にあると判定された場合に、ＦＥＴ３１の動作を停止させるものである。具体的には、判定回路３４において複数サイクル連続して、出力電圧Ｖ_ｓが基準電圧Ｖ_ｒｅｆを上回ったと判定された場合に、ＦＥＴ３１の動作を停止させ、主経路Ａを非通電状態にする。本実施形態では、保護回路３５は、ＦＥＴ３１を停止させるための停止信号をＰＷＭコントローラ３２に出力する。

ＰＷＭコントローラ３２は、１サイクル内でＯＮ信号の期間とＯＦＦ信号の期間とが切り替わる所定周波数のＰＷＭ信号を、ＦＥＴ３１のゲート端子３１１に対して出力するとともに、ＯＮ信号の期間とＯＦＦ信号の期間との比によってＬＥＤの明るさを制御するようにしている。

また、ＰＷＭコントローラ３２は、保護回路３５からの停止信号が入力されると、ＯＦＦ信号をＦＥＴ３１に出力して、ＦＥＴ３１の動作を停止するようにしている。

しかして、本実施形態の光制御装置３は、ＦＥＴ３１の動作を復旧させるための復旧スイッチ５を備えている。そして、保護回路３５によってＦＥＴ３１の動作が停止した後は、復旧スイッチ５の操作がなされるまで、ＦＥＴ３１の動作が停止状態で維持されるように構成している。復旧スイッチ５の操作がなされると、復旧スイッチ５から復旧信号がＰＷＭコントローラ３２に出力されて、ＰＷＭコントローラ３２がＦＥＴ３１にＰＷＭ信号を出力してＦＥＴ３１を制御する。

次にこのように構成した本実施形態に係る光照射システムの動作について図４を参照して説明する。

正常時、電流検出抵抗３３１からの出力電圧Ｖ_ｓは基準電圧Ｖ_ｒｅｆ以下である。そのため、コンパレータ３３２からの比較信号はＬレベルとなり、判定回路３４は過電流状態ではないと判定して、その判定信号を保護回路３５に出力する。保護回路３５は主経路Ａを正常状態に保ち、ＰＷＭコントローラ３２に停止信号を出力しない。

過電流状態時においては、電流検出抵抗３３１からの出力電圧Ｖ_ｓは基準電圧Ｖ_ｒｅｆよりも大きくなる。そのため、コンパレータ３３２から判定回路３４への比較信号はＨレベルとなる。このとき、連続して複数サイクルのＯＮ信号の期間内において比較信号はＨレベルであり、判定回路３４は、過電流状態であると判定する。そして、その判定信号を保護回路３５に出力する。保護回路３５は、ＦＥＴ３１を停止させるための停止信号をＰＷＭコントローラ３２に出力する。これによって、過電流状態においてＦＥＴ３１の動作が停止され破損を防止することができる。なお、従来の方式では、ＯＮ信号の期間が短い（本実施形態では、約６３ｎｓ）場合には、電源２の過電流保護が動作せず、ＦＥＴ３１が破損するに至ってしまう。

以上に説明したように本実施形態に係る光照射システムによれば、ＰＷＭ信号と同期してＯＮ信号の期間のみ過電流検出を行うため、ＯＦＦ信号の期間で生じるノイズを無視することができ、誤作動を防止することができる。また、ＯＮ信号の期間にノイズが発生したとしても、複数サイクル連続して検出した場合のみ過電流状態であると判定するので、ＯＮ信号の期間に生じたノイズも排除することができる。したがって、ＰＷＭ信号におけるＯＮ信号の期間が極めて短い場合であっても、ノイズによる誤動作を防止しつつ、過電流によるＦＥＴ３１の破損を好適に防止することができる。

また復旧スイッチ５を備え、保護回路３５によってＦＥＴ３１の動作が停止した後は、復旧スイッチ５の操作がなされるまで、ＦＥＴ３１の動作が停止状態で維持されるように構成しているので、過電流状態になった後にオペレータ等が過電流状態の原因を解消するまでは光照射システムの起動をさせないようにできる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

前記照明装置に関していうと、発光ダイオード（ＬＥＤ）１１を複数個備えたものであっても良い。

保護回路について言うと、前記実施形態では、停止信号を調光信号に出力することによってＦＥＴの動作を停止するようにしているが、その他にもＦＥＴに直接制御信号を出力して動作を停止させるようにしても良いし、電源や光照射システムの主スイッチをオフするようにしても良い。

また、保護回路の代わりに又は保護回路とともに、判定回路で過電流状態にあると判定された場合に、その旨を報知する報知手段を設けることも考えられる。報知手段の具体例としては、例えば音を発するもの、光を点滅させるもの等が考えられる。このようなものであれば、過電流が生じていることをオペレータに報知することができるので、過電流によるＦＥＴの破損を防ぐことができるようになる。

また、ＯＮ信号の期間が比較的長い場合には、１サイクルのＯＮ信号の期間内に複数回過電流か否かを判定するようにしても良い。この場合、１つのＯＮ信号の期間内に監視した回数も考慮に入れて判定することも考えられる。

さらに、前記実施形態では、保護回路は、ＰＷＭコントローラに停止信号を出力して、スイッチ素子の動作を停止させるようにしているが、この他にも電源に停止信号を出力して電源をダウンさせるようにしても良い。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の一実施形態を示す全体構成図。 同実施形態における光照射システムの概略回路構成図。 同実施形態におけるＯＮ信号及びＯＦＦ信号の期間を示す図。 同実施形態における光制御装置の動作を示す図。

符号の説明

１ ・・・照明装置
１１・・・発光ダイオード（ＬＥＤ）
２ ・・・電源
３ ・・・光制御装置
３１・・・スイッチ素子（ＦＥＴ）
３２・・・調光回路（ＰＷＭコントローラ）
３３・・・電流検出回路
３４・・・判定回路
３５・・・保護回路
４ ・・・電気ケーブル
５ ・・・復旧スイッチ

Claims (5)

1. 発光ダイオードと直列に接続されてなり、制御端子にＯＮ信号が入力されたときに主経路が導通して前記発光ダイオードに電流を流し、制御端子にＯＦＦ信号が入力されたときに主経路を遮断して前記発光ダイオードに電流が流れないようにするスイッチ素子と、
   １サイクル内でＯＮ信号の期間とＯＦＦ信号の期間とが切り替わる所定周波数のＰＷＭ信号を前記スイッチ素子の制御端子に対して出力するとともに、ＯＮ信号の期間とＯＦＦ信号の期間との比によって発光ダイオードの明るさを制御する調光回路と、
   前記スイッチ素子を流れる電流を検出する電流検出回路と、
   前記ＰＷＭ信号がＯＦＦの期間は電流を無視するとともに、前記ＰＷＭ信号がＯＮ信号の期間のみにおいて、スイッチ素子を流れる電流値が所定の上限値を上回ったと一度でも検出され、なおかつ、その現象が連続して複数サイクル繰り返されたときに過電流状態であると判定する判定回路と、
   前記判定回路で過電流状態にあると判定された場合に、前記スイッチ素子の動作を停止させる保護回路と、を備えている光制御装置。
2. 復旧スイッチをさらに備え、前記保護回路によってスイッチ素子の動作が停止した後は、前記復旧スイッチの操作がなされるまで、前記スイッチ素子の動作が停止状態で維持されるように構成している請求項１記載の光制御装置。
3. 発光ダイオードと直列に接続されてなり、制御端子にＯＮ信号が入力されたときに主経路が導通して前記発光ダイオードに電流を流し、制御端子にＯＦＦ信号が入力されたときに主経路を遮断して前記発光ダイオードに電流が流れないようにするスイッチ素子と、
   １サイクル内でＯＮ信号の期間とＯＦＦ信号の期間とが切り替わる所定周波数のＰＷＭ信号を、前記スイッチ素子の制御端子に対して出力するとともに、ＯＮ信号の期間とＯＦＦ信号の期間との比によって発光ダイオードの明るさを制御する調光回路と、
   前記スイッチ素子を流れる電流を検出する電流検出回路と、
   前記ＰＷＭ信号がＯＦＦの期間は電流を無視するとともに、前記ＰＷＭ信号がＯＮ信号の期間のみにおいて、スイッチ素子を流れる電流値が所定の上限値を上回ったと一度でも検出され、なおかつ、その現象が連続して複数サイクル繰り返されたときに過電流状態であると判定する判定回路と、
   前記判定回路で過電流状態にあると判定された場合に、その旨を報知する報知手段を備えている光制御装置。
4. 発光ダイオードと、
   その発光ダイオードと直列に接続されてなり、制御端子にＯＮ信号が入力されたときに主経路が導通して前記発光ダイオードに電流を流し、制御端子にＯＦＦ信号が入力されたときに主経路を遮断して前記発光ダイオードに電流が流れないようにするスイッチ素子と、
   １サイクル内でＯＮ信号の期間とＯＦＦ信号の期間とが切り替わる所定周波数のＰＷＭ信号を、前記スイッチ素子の制御端子に対して出力するとともに、ＯＮ信号の期間とＯＦＦ信号の期間との比によって発光ダイオードの明るさを制御する調光回路と、
   前記スイッチ素子を流れる電流を検出する電流検出回路と、
   前記ＰＷＭ信号がＯＦＦの期間は電流を無視するとともに、前記ＰＷＭ信号がＯＮ信号の期間のみにおいて、スイッチ素子を流れる電流値が所定の上限値を上回ったと一度でも検出され、なおかつ、その現象が連続して複数サイクル繰り返されたときに過電流状態であると判定する判定回路と、
   前記判定回路で過電流状態にあると判定された場合に、前記スイッチ素子の動作を停止させる保護回路と、を備えている光照射システム。
5. 発光ダイオードと、
   その発光ダイオードと直列に接続されてなり、制御端子にＯＮ信号が入力されたときに主経路が導通して前記発光ダイオードに電流を流し、制御端子にＯＦＦ信号が入力されたときに主経路を遮断して前記発光ダイオードに電流が流れないようにするスイッチ素子と、
   １サイクル内でＯＮ信号の期間とＯＦＦ信号の期間とが切り替わる所定周波数のＰＷＭ信号を、前記スイッチ素子の制御端子に対して出力するとともに、ＯＮ信号の期間とＯＦＦ信号の期間との比によって発光ダイオードの明るさを制御する調光回路と、
   前記スイッチ素子を流れる電流を検出する電流検出回路と、
   前記ＰＷＭ信号がＯＦＦの期間は電流を無視するとともに、前記ＰＷＭ信号がＯＮ信号の期間のみにおいて、スイッチ素子を流れる電流値が所定の上限値を上回ったと一度でも検出され、なおかつ、その現象が連続して複数サイクル繰り返されたときに過電流状態であると判定する判定回路と、
   前記判定回路で過電流状態にあると判定された場合に、その旨を報知する報知手段と、を備えている光照射システム。