JP6004753B2 - 画像処理用ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤを光源とし、画像処理装置の照明に使用される画像処理用ＬＥＤ照明装置に関する。

従来から、ＬＥＤ（発光ダイオード）を光源とし、複数のＬＥＤを直並列に接続して点灯させ、画像処理装置の照明に使用する照明装置が知られている（例えば、特許文献１）。開発当初の赤色ＬＥＤを使用した画像処理用の照明装置では、図８のように、そのＬＥＤの所定電圧である順方向電圧は最大で約２（Ｖ）で、５個直列に接続して１２Ｖ電源で駆動するのが一般的であった。また、ＬＥＤに流す電流を調整するために、電流制限抵抗をさらに直列に挿入していた。

その後開発された青色ＬＥＤや白色ＬＥＤを使用した照明装置では、図９（Ａ）のように、これらＬＥＤの順方向電圧は最大で約３．５（Ｖ）で、３個直列に接続して、同様に１２Ｖ電源で駆動される場合が多かった。図９（Ｂ）では、広範囲に対象物を照明するために、直列接続したＬＥＤを複数並列させている。

また、図１０（Ａ）のように、照明装置によっては、単一のＬＥＤから出射される光を集光して、スポット照明的な光源とするものも知られている（例えば、特許文献２）。複数のＬＥＤからの光を1つに集光するには、光学設計上で難易度が高く、照明装置も大型化するため、この図のように、単一の高輝度ＬＥＤで実現させる場合が多い。

特開２００７−０９６２８７号公報 特開２００６−００３３４２号公報 特開２００４−１５８８４０号公報

ところで、図１０（Ａ）のように、単一のＬＥＤでは、その所定電圧である順方向電圧に対して電流制限抵抗で消費する電力が、図８、９と比較してかなり大きくなるので、照明装置の筐体温度を著しく上昇させてしまう。このため、図１０（Ｂ）のように、ＬＥＤの電流制限抵抗を照明装置の外付けに設置したり、または、図１０（Ｃ）のように、専用の定電流電源を用いてＬＥＤを駆動するなどの対策がなされて、照明装置内の温度上昇を回避していた。

図１０（Ｂ）の場合、構成が簡単なため比較的使用されるものの、外付けの電流制限抵抗が必要となる。図１０（Ｃ）の場合には、専用の定電流電源が必要となる。この定電流電源は、種々の定格電流の照明装置に対応できるよう電流値を可変にしているが、照明装置の許容電流を超過する電流が流れるおそれがあるので、別の配線から許容電流値を電源側に伝達して、個々の照明装置に応じて最大電流を制限する構成がさらに必要となる（例えば、特許文献３）。

複数のＬＥＤを使用する照明装置であっても、ＬＥＤの順方向電圧の都合上、規定数の整数倍のＬＥＤ個数でないと、回路上一部で損失が大きくなる。図１１は、青色または白色ＬＥＤを１０個使用する回路例であるが、ＬＥＤの直列数は図の通り３個が基本なので、残った１個は独立した回路で電流制限抵抗を増やして点灯させる必要がある。

このように、ＬＥＤを使用する照明装置の設計は、ＬＥＤの所定電圧である順方向電圧により制約を受けており、この所定の順方向電圧の制約によって設計の自由度が阻害される、という問題点があった。

本発明は、前記の問題点を解決して、ＬＥＤの所定の順方向電圧の制約を受けることなく、設計の自由度の向上が可能な画像処理用ＬＥＤ照明装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明に係る画像処理用ＬＥＤ照明装置は、光源であるＬＥＤに直流電力を供給する直流電源、および前記直流電源から供給された直流電力をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御部を有する電源ユニットと、 前記直流電源からの直流電力または前記ＰＷＭ制御された電力を変換する電力変換部を有し、変換された電力でＬＥＤ照明を行う照明ユニットとを備え、前記照明ユニットは、ＬＥＤへの変換電力の電圧が所定時間印加されたとき、前記電力変換部への電流を遮断し、所定時間経過後に当該電流を復帰させる強制復帰回路を備えている。

この構成によれば、電力変換部により直流電源からの直流電力またはＰＷＭ制御された電力を変換し、この変換された電力により所望の順方向電圧でＬＥＤを駆動するとともに、強制復帰回路により電力変換部への電流を遮断し、所定時間経過後に当該電流を復帰させることで、電力変換部を強制的に作動させ、その変換機能を自動的に維持することができる。したがって、ＬＥＤの順方向電圧を所望の電圧に安定して変換できるので、ＬＥＤの所定の順方向電圧の制約を受けることなく、設計の自由度を向上することができる。

好ましくは、前記照明ユニットは、さらに前記電力変換部に過大電流が流れたことを検出する過大電流検出回路を有し、前記強制復帰回路は、前記過大電流が検出されたときに、前記電力変換部への電流を遮断し、所定時間経過後に当該電流遮断を解除して復帰させる。したがって、電力変換部に過大電流が流れた場合に、遮断時間を短くしてＬＥＤを保護するとともに、ＬＥＤの順方向電圧を所望の電圧に安定して変換できる。

本発明は、電力変換部により直流電源からの直流電力またはＰＷＭ制御された電力を変換し、この変換された電力により所望の順方向電圧でＬＥＤを駆動するとともに、強制復帰回路により電力変換部への電流を遮断し、所定時間経過後に当該電流を復帰させることで、電力変換部を強制的に作動させ、その変換機能を自動的に維持することができる。

本発明の第１実施形態に係る画像処理用ＬＥＤ照明装置を示す回路図である。 ＰＷＭ制御の動作を示す信号波形である。 本装置の強制復帰回路の動作を示す信号波形である。 本装置の強制復帰回路の動作を示す信号波形である。 （Ａ）、（Ｂ）は変形例に係る画像処理用ＬＥＤ照明装置を示す回路図である。 変形例に係る画像処理用ＬＥＤ照明装置を示す回路図である。 第２実施形態に係る画像処理用ＬＥＤ照明装置を示す回路図である。 従来の画像処理用ＬＥＤ照明装置を示す回路図である。 （Ａ）、（Ｂ）は従来の画像処理用ＬＥＤ照明装置を示す回路図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は従来の画像処理用ＬＥＤ照明装置を示す回路図である。 従来の画像処理用ＬＥＤ照明装置を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る画像処理用ＬＥＤ照明装置を示す回路図である。このＬＥＤ照明装置１は、ＬＥＤ（発光ダイオード）２を光源とし、例えば搬送される製品をカメラで撮像し、製品の撮像データを画像処理する画像処理装置用に使用される。このＬＥＤ照明装置１は、ＬＥＤ２に電源を供給する電源ユニット３、およびＬＥＤ照明を行う照明ユニット１０を備えている。

電源ユニット３は、ＬＥＤ２に直流電力を供給する直流電源５と、直流電源５から供給された直流電力をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御部６とを備えている。ＰＷＭ制御部６は、ＰＷＭ生成回路７、駆動回路Ｕ１およびスイッチング用トランジスタＱ１を備えている。直流電源５の正電極とトランジスタＱ１のコレクタ電極とが接続されて、駆動回路Ｕ１の出力とトランジスタＱ１のベース電極とが接続されている。スイッチング用トランジスタＱ１は駆動回路Ｕ１により駆動されて、ＰＷＭ生成回路７から所望のＰＷＭ波形が生成される。

図２は、ＰＷＭ制御部６の動作を示すもので、ＰＷＭ制御部６は、所定電圧で駆動されるＬＥＤ照明装置１の輝度を調整するために、直流電源５の直流電力を所定の周波数、デューティ比でスイッチングさせる。図２のａ．〜ｄ．は、それぞれ調光値（ＰＷＭデューティ比）が１０、５０、９０、１００％の状態を示す。

照明ユニット１０は、光源であるＬＥＤ２と、直流電源５からの直流電力または前記ＰＷＭ制御された電力を変換する電力変換部１１と、ＬＥＤ２への変換電力の電圧が所定時間印加されたとき、電力変換部１１への電流を遮断し、所定時間経過後に当該電流を復帰させる強制復帰回路１２を有し、変換された電力でＬＥＤ照明を行う。

電力変換部１１は、ＬＥＤ２に変換電力を供給する、例えばインダクタＬ１と、このインダクタＬ１と並列に接続されて、漏れ磁束のエネルギーを放出するための、例えばダイオードＤ１とツェナーダイオードＤ２からなるスナバ回路１３とを有する。電流制限抵抗として、インダクタＬ１およびスナバ回路１３と直列に抵抗Ｒ１が接続されている。

強制復帰回路１２の構成について説明する。図１の電源ユニット３のトランジスタＱ１のエミッタ電極と、直流電源５の負電極との間に、直列接続の抵抗Ｒ４およびＲ５が、並列に接続されている。また、この抵抗Ｒ４およびＲ５と並列に、直列接続の抵抗Ｒ６およびコンデンサＣ１が接続されている。トランジスタＱ１のエミッタ電極と、強制スイッチングを行うトランジスタＱ２のコレクタ電極とが接続されている。オペアンプ（またはコンパレータ）Ｕ２は、トランジスタＱ２を駆動する。抵抗Ｒ４とＲ５の接続点は、オペアンプＵ２の入力端子３に接続されるとともに、抵抗Ｒ３を介してトランジスタＱ２のベース電極に接続されている。オペアンプＵ２の出力端子１もトランジスタＱ２のベース電極に接続されている。また、抵抗Ｒ６とコンデンサＣ１の接続点は、オペアンプＵ２の入力端子２に接続されるとともに、抵抗Ｒ２およびダイオードＤ３を介してトランジスタＱ２のベース電極に接続されている。

抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５は分圧抵抗部を構成し、オペアンプＵ２の入力端子３への電圧を分圧することにより、強制スイッチングのヒステリシスを設けて発振できるようにしている。抵抗Ｒ６、Ｒ２およびコンデンサＣ１は、強制スイッチングを行うトランジスタＱ２のスイッチング周波数設定部を構成する。また、抵抗Ｒ６、Ｒ２の抵抗値比率で、強制スイッチングを行うトランジスタＱ２自身の発振ＰＷＭデューティ比が決定される。

以下、上記構成を有するＬＥＤ照明装置１の動作を説明する。
まず、電力変換部１１は、ＰＷＭ制御によるスイッチングを利用して、インダクタＬ１の巻線比でＬＥＤ２に供給する電力を変換させる。インダクタＬ１には巻線の途中から引き出したタップがあり、タップの位置により電力の変換比が決定される。例えば、インダクタＬ１全体の巻数を９０回、インダクタＬ１のタップからダイオードＤ２側の巻数が３０回、ＬＥＤ２の順方向電圧を３．５Ｖとすると、インダクタＬ１の両端ではＬＥＤ２の順方向電圧が巻線比で変換されて、
３．５×９０÷３０＝１０．５［Ｖ］
となる。

このことから、抵抗Ｒ１に印加される電圧はＰＷＭ電圧が１２Ｖの場合、１．５Ｖで済むため、図９（Ａ）の回路同様、３直列のＬＥＤを駆動するのと同等となり、単一のＬＥＤを使用しているにもかかわらず、図１０（Ａ）の回路よりも損失が大幅に削減される。さらに、ＬＥＤ２に流れる電流はインダクタＬ１の巻線比で変換されるため、上記の巻線比であれば、
Ｉ_Ｒ１＝Ｉ_ＬＥＤ１×３０÷９０＝I_ＬＥＤ１÷３
のように、電源ユニット３からの駆動電流を、ＬＥＤ２に流したい電流の１／３にすることができる。ここでＩ_Ｒ１は抵抗Ｒ１に流れる電流、Ｉ_ＬＥＤ１はＬＥＤ２に流れる電流を意味する。つまり、抵抗Ｒ１の損失は、図１０（Ａ）の回路では、８．５［Ｖ］×Ｉ_ＬＥＤ１となるが、図１の電力変換部１１の回路では、１．５［Ｖ］×Ｉ_ＬＥＤ１÷３となり、抵抗Ｒ１の損失を１／１７まで減少させることができる。

つぎに、強制復帰回路１２の動作について説明する。電力変換部１１のインダクタＬ１による電力変換は有限時間のものであり、図２ｄ．の１００％ＰＷＭデューティ比では、一定時間後に変換機能が作動しなくなる。そこで、実用的にはＰＷＭデューティ比がある程度以上高くなる場合には、図１のように、強制的に照明ユニット１０側で駆動電流をスイッチングさせる強制復帰回路１２が必要となる。

抵抗Ｒ６とコンデンサＣ１は直流電源５からのＰＷＭまたは直流電圧により充放電され、コンデンサＣ１の電圧がオペアンプＵ２の入力端子３の電圧を超えると、オペアンプＵ２の出力端子１の電圧が低下するため、トランジスタＱ２が遮断される。また同時に、ダイオードＤ３と抵抗Ｒ２を経由してコンデンサＣ１に蓄えられた電荷を放電する。

このとき、印加電圧をＶａとしたとき、オペアンプＵ２の入力端子３の電圧は、それまでの電圧Ｖ_ＯＮ、すなわち、
Ｖ_ＯＮ＝Ｖａ・Ｒ５÷｛（Ｒ４//Ｒ３）＋Ｒ５｝
＝Ｖａ・Ｒ５÷｛（Ｒ３・Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４））＋Ｒ５｝
＝Ｖａ・Ｒ５・（Ｒ３＋Ｒ４）／（Ｒ３・Ｒ４＋Ｒ３・Ｒ５＋Ｒ４・Ｒ５）
の式で得られる電圧から、
Ｖ_ＯＦＦ＝Ｖａ・（Ｒ５//Ｒ３）÷｛Ｒ４＋（Ｒ５//Ｒ３）｝
＝Ｖａ・｛Ｒ３・Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）｝÷｛Ｒ４＋（Ｒ３・Ｒ５／（Ｒ３＋Ｒ５））｝
＝Ｖａ・Ｒ３・Ｒ４／（Ｒ３・Ｒ４＋Ｒ３・Ｒ５＋Ｒ４・Ｒ５）
の電圧Ｖ_ＯＦＦに切り替わるため、このＶ_ＯＮからＶ_ＯＦＦへの切り替えにより、入力端子３の電圧が、Ｖ・Ｒ４・Ｒ５／（Ｒ３・Ｒ４＋Ｒ３・Ｒ５＋Ｒ４・Ｒ５）分だけ低下する。その後コンデンサＣ１が放電されて上記Ｖ_ＯＦＦの電圧未満にまで低下すると、オペアンプＵ２の出力端子１の電圧が上昇し、再びトランジスタＱ２の駆動を開始する。

図３は、照明ユニット１０側に直流電源５からそのまま直流電力が印加されている場合に、図４は、ＰＷＭ制御されて、例えば図２ｂ．のＰＷＭデューティ比５０％の電力が印加された場合に、それぞれ強制復帰回路１２における各部信号の波形例を示す。それぞれａ．は電源出力、ｂ．はＵ２の端子３の信号波形、ｃ．はＵ２の端子２の信号波形、ｄ．は、Ｕ２の端子１の信号波形を示す。

図３のように、ａ．の照明ユニット１０側に直流電圧が印加されている場合は上記発振動作が繰り返されるため、ｄ．のインダクタＬ１による電力変換動作が維持できる。また、図４ａ．のような例えばＰＷＭデューティ比５０％のＰＷＭ信号が印加されている場合、コンデンサＣ１へはそのＰＷＭデューティ比に応じて充放電が繰り返されるが、ある一定のＰＷＭデューティ比以上にならないと、上記Ｖonを超える電圧まで充電されないこととなる。すなわち、分圧抵抗部の抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５を調整することで、ＰＷＭデューティ比がどれだけ高くなれば強制復帰（スイッチング）回路１２が作動するかを設計することが可能である。通常は、このＰＷＭデューティ比が８０〜９０％以上となるように設計される。

上記したように、抵抗Ｒ６、Ｒ２、コンデンサＣ１はトランジスタＱ２の強制スイッチングする発振周波数を決定する要素である。これは少なくとも電源ユニット３から供給されるＰＷＭ周波数よりも遅く設定しないと、通常のＰＷＭ駆動でも強制復帰（スイッチング）回路１２が作動してしまうためである。また、抵抗Ｒ６とＲ２の比率によって決定されるトランジスタＱ２の発振ＰＷＭデューティ比は、通常９０％以上に設定される。

また、インダクタＬ１は、図５（Ａ）のように、１次コイルと２次コイル間で電力変換を行うトランス形式とすることも可能である。この例では、スナバ回路１３は、ダイオードＤ１、ツェナーダイオードＤ２で構成されているが、これに何ら限定されるものではなく、任意の回路を採用することが可能である。例えば、図５（Ｂ）のようにダイオードＤ１と、並列接続したコンデンサＣ２および抵抗Ｒ７とを直列接続した回路構成とすることもできる。

さらに、図６のようにインダクタＬ１で電圧を大きく上昇させて、多数個の直列接続されたＬＥＤ２を駆動させ、照明の輝度を高めることも可能である。この場合も同様に、ＬＥＤの順方向電圧を所望の電圧に安定して変換できるので、ＬＥＤの所定の順方向電圧の制約を受けることなく、設計の自由度を向上することができる。

つぎに、第２実施形態について説明する。インダクタＬ１は、これに直流電流が流れ続けた場合、インダクタとしての役割を果たさなくなるため、インダクタＬ１および抵抗Ｒ１へ通常よりも大きな電流が流れ始める。その場合、抵抗Ｒ１とインダクタＬ１間の信号の電圧が低下するため、オペアンプＵ２の入力端子３の電圧が抵抗Ｒ３を介して下がり、ついにはオペアンプＵ２の出力端子１の電圧も低下することになる。

これを検出するために、図７のように、電力変換部１１の抵抗Ｒ１とダイオードＤ１の接続点と、強制復帰回路１２の抵抗Ｒ３とを直結させた過大電流検出回路１４が設けられている。その他の構成は図１と同様である。過大電流検出回路１４は、図１のように抵抗Ｒ３の接続をオペアンプＵ２の出力端子１ではなく、図７のように、トランジスタＱ２のエミッタ電極から抵抗Ｒ１を介した信号に接続することで、インダクタＬ１に何らかの要因で過大電流が流れた場合に、自動的に遮断することができる。この過大電流が消滅すると、通常の強制復帰回路１２の動作となる。

第２実施形態では、電力変換部１１に過大電流が流れた場合に、遮断時間を短くしてＬＥＤ２を保護するとともに、ＬＥＤ２の順方向電圧を所望の電圧に安定して変換できる。

以上のように、本発明では、電力変換部により直流電源からの直流電力またはＰＷＭ制御された電力を変換し、この変換された電力により所望の順方向電圧でＬＥＤを駆動するとともに、強制復帰回路により電力変換部への電流を遮断し、所定時間経過後に当該電流を復帰させることで、電力変換部を強制的に作動させ、その変換機能を自動的に維持することができる。これにより、ＬＥＤの順方向電圧を所望の電圧に安定して変換できるので、ＬＥＤの所定の順方向電圧の制約を受けることなく、設計の自由度を向上することができる。

１：画像処理用ＬＥＤ照明装置
２：ＬＥＤ
３：電源ユニット
５：直流電源
６：ＰＷＭ制御部
１０：照明ユニット
１１：電力変換部
１２：強制復帰回路
１３：スナバ回路
１４：過大電流検出回路

Claims (1)

1. 光源であるＬＥＤに直流電力を供給する直流電源、および前記直流電源から供給された直流電力をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御部を有する電源ユニットと、
   前記直流電源からの直流電力または前記ＰＷＭ制御された電力を変換する電力変換部を有し、変換された電力でＬＥＤ照明を行う照明ユニットとを備え、
   前記電力変換部は、トランジスタ、タップ付きのインダクタまたはトランス、およびスナバ回路を備え、
   前記照明ユニットは、ＬＥＤへの変換電力の電圧が所定時間印加されたとき、前記電力変換部の前記トランジスタを駆動する電流を遮断し、所定時間経過後に当該電流を復帰させる、発振回路を有する強制復帰回路を備えた、画像処理用ＬＥＤ照明装置。

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