JP7086830B2

JP7086830B2 - 光照射システム及び電源装置

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Publication number: JP7086830B2
Application number: JP2018239152A
Authority: JP
Inventors: 秀和 ▲高▼木
Original assignee: CCS Inc
Current assignee: CCS Inc
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2022-06-20
Anticipated expiration: 2038-12-21
Also published as: JP2020102336A

Description

本発明は、光照射システム及び電源装置に関するものである。

従来から工場等の搬送ラインを流れるワークの表面形状を検査する検査装置として、ＬＥＤ回路に接続される電源装置の出力電圧を調節することにより、ＬＥＤを調光する光照射システムを備えたものがある。

ところで、前記電源装置には、出力端子に出力電圧を安定化するための平滑コンデンサが接続されている場合がある。このような電源装置おいては、ＬＥＤを調光するため、出力電圧を高い電圧から低い電圧に降下させると、平滑コンデンサに余剰電荷が生じ、この余剰電荷を何等かの方法で消費する必要がある。

なお、特許文献１には、ＬＥＤ回路に接続される電源装置として、平滑コンデンサの余剰電荷をＬＥＤに流して消費する構成のものが開示されている。しかし、この場合、余剰電荷がＬＥＤを流れることよって発熱が生じ、この発熱によってエネルギーのロスが生じるという問題があった。また、出力電圧はＬＥＤの特性に依存して降下するため、当該出力電圧の降下に時間を要し、応答性が悪化するという問題もあった。

特許第５８８２７６１号公報

そこで、本発明は、電源装置の出力電圧が高い電圧から低い電圧に降下された場合に、エネルギーのロスが生じ難く、かつ、出力電圧を素早く目標電圧に近づけることができる応答性の高い光照射システムを提供することを主な課題とするものである。

すなわち、本発明に係る光照射システムは、電源装置と、前記電源装置に接続されるＬＥＤ回路を備える光照射装置とを備える光照射システムであり、前記電源装置が、入力端子に入力される入力電圧をコントロール端子に入力される目標電圧に応じた電圧である出力電圧になるように変換して出力端子からＬＥＤ回路に出力する電圧変換回路と、前記コントロール端子に接続され、前記目標電圧を設定する電圧設定回路と、前記出力端子に接続された平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに接続された第１端子及び前記入力端子に接続された第２端子を有し、前記電圧設定回路が目標電圧を高い電圧から低い電圧に降下させた場合に生じる前記平滑コンデンサの余剰電荷を、前記第１端子で受け取って前記第２端子から前記入力端子へ戻す回生回路とを具備し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、目標電圧が高い電圧から低い電圧に降下された場合に生じる平滑コンデンサの余剰電荷が、回生回路を介して入力端子へ戻されるため、当該余剰電荷を再利用することができ、エネルギーのロスを削減できる。また、平滑コンデンサの余剰電荷が、回生回路を介して積極的に入力端子へ戻されるため、当該平滑コンデンサから余剰電荷が放出されるスピードが増す。これに伴って出力電圧が素早く目標電圧に近づくようになり、応答性が向上する。

また、前記電圧変換回路が、降圧タイプのものであり、前記回生回路が、前記第１端子に入力される前記出力電圧を前記入力電圧よりも高い電圧に上昇させる昇圧回路を備えているものであってもよい。

このようなものであれば、目標電圧が高い電圧から低い電圧に降下された場合に、第１端子に入力される出力電圧が入力電圧よりも高い電圧に上昇され、これにより、平滑コンデンサの余剰電荷が回生回路によって入力端子へ戻される。

この場合、前記電圧設定回路の目標電圧を変更する目標電圧変更部と、前記昇圧回路の動作を制御する昇圧回路制御部とを備える制御部をさらに具備し、前記昇圧回路制御部は、前記目標電圧変更部が目標電圧を高い電圧から低い電圧に降下させた時に、これに同期させて前記昇圧回路を動作させるものであってもよい。

また、前記ＬＥＤ回路に流れる電流をオン・オフするスイッチング素子をさらに備え、前記制御部が、前記スイッチング素子を制御するスイッチング素子制御部をさらに備え、前記スイッチング素子制御部が前記スイッチング素子をオフさせた状態で、前記目標電圧変更部が、前記電圧設定回路の目標電圧を高い電圧から低い電圧に降下させるものであってもよい。

このようなものであれば、スイッチング素子制御部がスイッチング素子をオフさせた状態、すなわち、ＬＥＤ回路に流れる電流をオフさせた状態において、目標電圧変更部が目標電圧を高い電圧から低い電圧に降下させる。このため、平滑コンデンサの余剰電荷が、ＬＥＤ回路へ流れ込まず、全て回生回路へ流れ込むようになる。これにより、余剰電荷をより多く入力端子へ戻すことができ、エネルギーのロスをより低減できる。

また、前記入力端子に接続され、前記回生回路によって前記入力端子へ戻された前記余剰電荷を蓄える入力コンデンサをさらに備えるものであってもよい。

このようなものであれば、平滑コンデンサの余剰電荷が回生回路を介して入力端子へ戻されて入力コンデンサに一時的に蓄えられるようになる。これにより、目標電圧が高い電圧から低い電圧に降下された場合における入力電圧の急激な上昇を抑制できる。

また、本発明に係る電源装置は、ＬＥＤ回路が接続される電源装置であって、入力端子に入力される入力電圧をコントロール端子に入力される目標電圧に応じた電圧である出力電圧になるように変換して出力端子から前記ＬＥＤ回路に出力する電圧変換回路と、前記コントロール端子に接続され、前記目標電圧を可変に設定する電圧設定回路と、前記出力端子に接続された平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに接続された第１端子及び前記入力端子に接続された第２端子を有し、前記電圧設定回路が目標電圧を高い電圧から低い電圧に降下させた場合に生じる前記平滑コンデンサの余剰電荷を、前記第１端子で受け取って前記第２端子から前記入力端子へ戻す回生回路とを備えていることを特徴とするものである。

本発明に係る光照射システムによれば、電源装置の出力電圧が高い電圧から低い電圧に降下された場合に、エネルギーのロスが生じ難くなり、また、出力電圧が素早く目標電圧に近づくようになり、応答性が向上する。

実施形態に係る光照射システムを模式的に示すブロック図である。実施形態に係る光照射システムを示す回路図である。実施形態に係る制御部を示すブロック図である。実施形態に係る光照射システムの動作時におけるタイムチャートである。

以下に、本発明に係る光照射システムを図面に基づいて説明する。

本発明に係る光照射システムＬＳは、特に用途は限定されないが、例えば、工場等の搬送ラインを流れるワークの表面形状を検査する検査装置に使用される。

＜実施形態１＞本実施形態に係る光照射システムＬＳは、図１に示すように、ＬＥＤ電源装置１００と、ＬＥＤ電源装置１００に接続される光照射装置２００と、を具備したものである。

なお、前記光照射装置２００は、ＬＥＤ電源装置１００に接続されるＬＥＤ回路７０を具備している。なお、ＬＥＤ回路７０には、図２に示すように、複数のＬＥＤ７１が直列させて接続されており、当該複数のＬＥＤ７１よりも下流側に当該複数のＬＥＤ７１に流れる電流をオン・オフするスイッチング素子７２が接続されている。なお、本実施形態のスイッチング素子７２は、トランジスタである。

前記ＬＥＤ電源装置１００は、入力端子１１、出力端子１２及びコントロール端子１３を備える電圧変換回路１０と、コントロール端子１３に接続された電圧設定回路２０と、出力端子１２に接続された平滑コンデンサ３０と、平滑コンデンサ３０に接続された第１端子４１及び入力端子１１に接続された第２端子４２を有する回生回路４０と、入力端子１１に接続された入力コンデンサ５０と、電圧設定回路２０、回生回路４０及びＬＥＤ回路７０を制御する制御部６０と、を備えている。なお、出力端子１２には、ＬＥＤ回路７０が接続されている。

前記電圧変換回路１０は、降圧タイプのものであり、入力端子１１に入力される入力電圧Ｖ_ｉｎをコントロール端子１３に入力される目標電圧Ｖ_ｒｅｆに応じた電圧である出力電圧Ｖ_ｏｕｔになるように変換して出力端子１２からＬＥＤ回路７０に出力するものである。具体的には、電圧変換回路１０は、帰還抵抗部１４と、差動増幅器１５と、ＭＯＳＦＥＴ１６と、をさらに備えており、所謂レギュレータ回路を構成している。

前記帰還抵抗部１４は、差動増幅器１５に出力電圧Ｖ_ｏｕｔを分圧した帰還電圧Ｖ_ｆｂを入力するものである。具体的には、帰還抵抗部１４は、出力端子１２に接続される直列に配置された二つの抵抗素子１４ａ，１４ｂを有し、二つの抵抗素子１４ａ，１４ｂの間から分岐して差動増幅器１５に接続されている。

前記差動増幅器１５は、所謂オペアンプである。具体的には、差動増幅器１５は、二つの入力部と、一つの出力部と、を有している。そして、一方の入力部が、コントロール端子１３となって電圧設定回路２０に接続されている。また、他方の入力部が、帰還抵抗部１４に接続され、出力部が、ＭＯＳＦＥＴ１６に接続されている。

そして、前記差動増幅器１５は、一方の入力部（コントロール端子１３）に入力される目標電圧Ｖ_ｒｅｆと、他方の入力部に入力される帰還電圧Ｖ_ｆｂとの電圧差を増幅した電圧を、出力部からＭＯＳＦＥＴ１６へ出力するように構成されている。

前記ＭＯＳＦＥＴ１６は、差動増幅器１５に入力される電圧が小さくなるように調節するものである。具体的には、差動増幅器１５に入力される電圧が０となるようにオン抵抗を調節するものである。なお、ＭＯＳＦＥＴ１６の代わりに、バイポーラトランジスタを使用することもできる。

前記電圧設定回路２０は、電圧変換回路１０のコントロール端子１３に入力される目標電圧Ｖ_ｒｅｆを設定するものである。具体的には、電圧設定回路２０は、制御部６０に接続された電源（図示せず）から当該制御部６０を介して入力される電圧を変換する複数のＤＡコンバータ２１と、選択したＤＡコンバータ２１の電圧を目標電圧Ｖ_ｒｅｆとしてコントロール端子１３に出力するアナログスイッチ２２と、を備えている。すなわち、電圧設定回路２０は、アナログスイッチ２２が切り替えられることによって目標電圧Ｖ_ｒｅｆが設定される構成になっている。なお、本実施形態の電圧設定回路２０は、二つのＤＡコンバータ２１を備えており、二つのＤＡコンバータ２１は、制御部６０を介して入力される電圧をそれぞれ異なる電圧に変換している。

前記平滑コンデンサ３０は、出力端子１２から出力される出力電圧Ｖ_ｏｕｔを安定化させるものである。具体的には、平滑コンデンサ３０は、出力端子１２に接続されており、ＬＥＤ回路７０と並列に配置されている。

前記回生回路４０は、平滑コンデンサ３０の余剰電荷を入力端子１１へ戻すものである。具体的には、回生回路４０は、第１端子４１で受け取った余剰電荷を第２端子４２から入力端子１１に出力するものである。なお、本実施形態の回生回路４０は、昇圧回路４３を構成している。

前記昇圧回路４３は、スイッチング方式のものである。そして、昇圧回路４３は、目標電圧Ｖ_ｒｅｆが高い電圧から低い電圧に降下された場合に、第１端子４１に入力される出力電圧Ｖ_ｏｕｔを入力電圧Ｖ_ｉｎよりも高い電圧に上昇させて第２端子４２から入力端子１１に出力するものである。具体的には、昇圧回路４３は、第１端子４１と第２端子４２との間に直列に接続されるインダクタ４３ａ及びダイオード４３ｂと、インダクタ４３ａとダイオード４３ｂとの間から分岐して接続される駆動素子４３ｃと、を備えている。なお、ダイオード４３ｂは、インダクタ４３ａよりも第２端子４２側に配置されており、第１端子４１から第２端子４２に向かって電荷を通すように接続されている。

前記入力コンデンサ５０は、回生回路４０によって入力端子１１へ戻された電荷を一時的に蓄えるものである。なお、入力コンデンサ５０は、平滑コンデンサ３０の静電容量よりも大きな静電容量を備えている。

前記制御部６０は、ＬＥＤ回路７０、電圧設定回路２０及び昇圧回路４３を制御するものである。本実施形態の制御部６０は、ＬＥＤ回路７０のスイッチング素子７２、電圧設定回路２０のアナログスイッチ２２及び昇圧回路４３の駆動素子４３ｃに接続されている。なお、制御部６０は、所謂ＣＰＬＤであり、具体的には、予め定義された論理回路に基づいてスイッチング素子制御部６１、目標電圧変更部６２及び昇圧回路制御部６３としての機能を発揮するものである。なお、当該ＣＰＬＤの代わりに、ＣＰＵ、メモリ等を設け、当該メモリに格納されたプログラムに基づいて前記各機能を発揮するようにしてもよい。なお、各ＤＡコンバータ２１の変換後の電圧は、図示しない入力手段により、各ＤＡコンバータ２１に対して直接入力又は制御部６０を介して入力して設定できるようになっている。

前記スイッチング素子制御部６１は、ＬＥＤ回路７０のスイッチング素子７２を制御し、ＬＥＤ回路７０に流れる電流をオン・オフさせるものである。

前記目標電圧変更部６２は、スイッチング素子制御部６１がスイッチング素子７２をオフさせた状態で、電圧設定回路２０のアナログスイッチ２２を制御し、電圧設定回路２０に設定された目標電圧Ｖ_ｒｅｆを切り替えるものである。

前記昇圧回路制御部６３は、目標電圧変更部６２が目標電圧Ｖ_ｒｅｆを高い電圧から低い電圧に切り替えられた時に、これに同期させて駆動素子４３ｃを制御してオン・オフさせるものである。具体的には、昇圧回路制御部６３は、目標電圧変更部６２が目標電圧Ｖ_ｒｅｆを高い電圧から低い電圧に切り替えた時に、これに同期させて駆動素子４３ｃを所定時間オンにし、当該所定時間経過後にオフにする一連の昇圧動作を少なくとも１回実行するものである。

前記昇圧回路制御部６３は、目標電圧変更部６２が目標電圧Ｖ_ｒｅｆを低い電圧から高い電圧に切り替えた場合に、駆動素子４３ｃをオンにせず、昇圧動作を実行しない。すなわち、昇圧回路制御部６３は、目標電圧変更部６２が目標電圧Ｖ_ｒｅｆを高い電圧から低い電圧に切り替えられた場合にのみ前記昇圧動作を実行するようになっている。

次に、本実施形態に係る電源装置１００の動作を説明する。

例えば動作開始信号が入力されると、スイッチング素子制御部６１は、スイッチング素子７２を所定時間毎にオン・オフする。すなわち、スイッチング素子制御部６１は、スイッチング素子７２をオン・オフが交互に繰り返されるように制御する。これにより、ＬＥＤ７１に電流が流れる状態とＬＥＤ７１に電流が流れない状態とが交互に繰り返される。

そして、電圧変換回路１０の目標電圧Ｖ_ｒｅｆが高い電圧Ｖ_Ｈに設定された状態で、スイッチング素子制御部６１が、スイッチング素子７２をオンにすると、平滑コンデンサ３０に目標電圧_ｒｅｆである高い電圧Ｖ_Ｈに応じた電荷が蓄えられると共に、ＬＥＤ７１に当該高い電圧Ｖ_Ｈに応じた電圧Ｖ_ｈが印加される（図４中、ｔ_０～ｔ_１）。

次に、スイッチング素子制御部６１が、スイッチング素子７２をオフにすると、ＬＥＤ７１に印加される電圧が０になる（図４中、ｔ_１）。この状態で、目標電圧変更部６２が、目標電圧Ｖ_ｒｅｆを高い電圧Ｖ_Ｈから低い電圧Ｖ_Ｌに切り替え（図４中、ｔ_２）、これに同期させて、昇圧回路制御部６３が、駆動素子４３ｃをオン・オフする昇圧動作を実行する（図４中、ｔ_２～ｔ_３）。

具体的には、昇圧回路制御部６３が、目標電圧Ｖ_ｒｅｆを高い電圧Ｖ_Ｈから低い電圧Ｖ_Ｌに切り替えると（図４中、ｔ_２）、これに同期させて、昇圧回路制御部６３が、駆動素子４３ｃを所定時間オンする（図４中、ｔ_２～ｔ_３）。これにより、インダクタ４３ａが駆動素子４３ｃを介してグランドと導通した状態となり、平滑コンデンサ３０の余剰電荷がインダクタ４３ａへ流れ込んで磁気エネルギーとして一時的に蓄えられる。

そして、昇圧回路制御部６３が、所定時間経過後に駆動素子４３ｃをオフにする（図４中、ｔ_３）。そうすると、インダクタ４３ａの第２端子４２側の電圧が当該インダクタ４３ａの微分機能によって入力電圧Ｖ_ｉｎよりも高い電圧に上昇する。これにより、インダクタ４３ａに磁気エネルギーとして蓄えられていた平滑コンデンサ３０の余剰電荷が、第１端子４１に入力されて第２端子４２から入力端子１１に戻され、入力コンデンサ５０に一時的に蓄えられる。これに伴って、入力電圧Ｖ_ｉｎが上昇する（図４中、ｔ_３～ｔ_４）。

なお、昇圧回路制御部６３が、前記昇圧動作を複数回実行すると、入力コンデンサ５０に蓄えられる電荷が増し、これに伴って第１端子４１に入力される出力電圧Ｖ_ｏｕｔがより高い電圧に上昇する。

続いて、スイッチング素子制御部６１が、スイッチング素子７２をオンにすると、ＬＥＤ７１に目標電圧_ｒｅｆである低い電圧Ｖ_Ｌに応じた電圧Ｖ_ｌが印加される（図４中、ｔ_４～ｔ_５）。なお、この時、入力コンデンサ５０に蓄えられた電荷が電圧変換回路１０に流れ込み、入力電圧Ｖ_ｉｎが降下する。

その後、スイッチング素子制御部６１が、再度スイッチング素子７２をオフにすると、ＬＥＤ７１に印加される電圧が０になる（図４中、ｔ_５）。この状態で、目標電圧変更部６２が、目標電圧Ｖ_ｒｅｆを低い電圧Ｖ_Ｌから高い電圧Ｖ_Ｈに切り替えると、再び平滑コンデンサ３０に高い電圧Ｖ_Ｈに応じた電荷が蓄えられる（図４中、ｔ₆）。なお、この場合、昇圧回路制御部６３は、駆動素子４３ｃをオンせず、前記昇圧動作を実行しないようになっている。

以降これらの動作を繰り返すことにより、光照射システムＬＳは、高い電圧が入力されて比較的明るく点灯した状態と、低い電圧が入力されて比較的暗く点灯した状態と、を交互しに繰り返しながら点滅する。

＜その他の実施形態＞前記実施形態においては、目標電圧Ｖ_ｒｅｆを二つの電圧間で切り替えられるように構成しているが、三つ以上の電圧間で切り替えられるように構成してもよい。

その他、本発明は前記各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。

ＬＳ光照射システム
１００電源装置
１０電圧変換回路
１１入力端子
１２出力端子
１３コントロール端子
２０電圧設定回路
３０平滑コンデンサ
４０回生回路
４１第１端子
４２第２端子
４３昇圧回路
５０入力コンデンサ
６０制御部
２００光照射装置
７０ＬＥＤ回路
７２スイッチング素子

Claims

電源装置と、前記電源装置に接続されるＬＥＤ回路を備える光照射装置とを備える光照射システムであり、
前記電源装置が、
入力端子に入力される入力電圧をコントロール端子に入力される目標電圧に応じた電圧である出力電圧になるように変換して出力端子からＬＥＤ回路に出力する電圧変換回路と、
前記コントロール端子に接続され、前記目標電圧を設定する電圧設定回路と、
前記出力端子に接続された平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサに接続された第１端子及び前記入力端子に接続された第２端子を有し、前記電圧設定回路が目標電圧を高い電圧から低い電圧に降下させた場合に生じる前記平滑コンデンサの余剰電荷を、前記第１端子で受け取って前記第２端子から前記入力端子へ戻す回生回路とを具備していることを特徴とする光照射システム。
前記電圧変換回路が、降圧タイプのものであり、
前記回生回路が、前記第１端子に入力される前記出力電圧を前記入力電圧よりも高い電圧に上昇させて前記第２端子から出力する昇圧回路を備えている請求項１記載の光照射システム。
前記電圧設定回路の目標電圧を変更する目標電圧変更部と、
前記昇圧回路の動作を制御する昇圧回路制御部とを備える制御部をさらに具備し、
前記昇圧回路制御部は、前記目標電圧変更部が目標電圧を高い電圧から低い電圧に降下させた時に、これに同期させて前記昇圧回路を動作させるものである請求項２記載の光照射システム。
前記ＬＥＤ回路に流れる電流をオン・オフするスイッチング素子をさらに備え、
前記制御部が、前記スイッチング素子を制御するスイッチング素子制御部をさらに備え、
前記スイッチング素子制御部が前記スイッチング素子をオフさせた状態で、前記目標電圧変更部が、前記目標電圧を高い電圧から低い電圧に降下させるものである請求項３記載の光照射システム。
前記入力端子に接続され、前記回生回路によって前記入力端子へ戻された前記余剰電荷を蓄える入力コンデンサをさらに備える請求項１乃至４のいずれかに記載の光照射システム。
ＬＥＤ回路が接続される電源装置であって、
入力端子に入力される入力電圧をコントロール端子に入力される目標電圧に応じた電圧である出力電圧になるように変換して出力端子から前記ＬＥＤ回路に出力する電圧変換回路と、
前記コントロール端子に接続され、前記目標電圧を設定する電圧設定回路と、
前記出力端子に接続された平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサに接続された第１端子及び前記入力端子に接続された第２端子を有し、前記電圧設定回路が目標電圧を高い電圧から低い電圧に降下させた場合に生じる前記平滑コンデンサの余剰電荷を、前記第１端子で受け取って前記第２端子から前記入力端子へ戻す回生回路とを備えていることを特徴とする電源装置。