JP6754241B2 - Ｌｅｄ光射出装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面検査等に用いられるＬＥＤ光射出装置に関するものである。

従来のＬＥＤ光射出装置として、省配線化のために、電源装置に対してＬＥＤ駆動用の２線（プラス線とマイナス線）のみで接続された２線接続式のものが開発されている。
このような２線接続式の場合、図１に示すように、ＬＥＤ光射出装置１’の内部には、ＬＥＤ１１’が収容されており、プラス線３１’はＬＥＤ１１’のアノード側に、マイナス線３２’はＬＥＤ１１’のカソード側それぞれに接続されている（実際には、非常に小さな値の保護抵抗がＬＥＤ１１’に直列に入っていることもある）。

その一方で、前記プラス線３１’は、電源装置２’の定電圧源２１’に、マイナス端子３２’は電源装置２’の定電流回路２２’にそれぞれ接続されている。そして、この定電流回路２２’によってＬＥＤ１１’を流れる電流が制御され、その明るさ調整、すなわち調光ができるように構成してある。

したがって、ＬＥＤ光射出装置１’の入力端子間電圧、すなわち、プラス線３１’とマイナス線３２’との間に発生する電圧は、ＬＥＤ１１’のＶｆに依存して、これと実質的に等しくなる。
ところが、同図に示すように、このＬＥＤ光射出装置１’内に、例えば、器差を吸収するためのバイパス電流回路といった周辺回路１２’を設けたときに、この周辺回路１２’が動作しない場合が生じる。

それは、調光によってＬＥＤ１１’に小さな電流しか流さないようにした場合である。
すなわち、該周辺回路１２’を構成する制御ＩＣ（例えば図１ではデジタルポテンシヨメーター）の動作電源端子Ｖｃｃ、ＧＮＤには、前記プラス線３１’とマイナス線３２’とをそれぞれ接続せざるをえず、その電位差が印加される。
しかしながら、調光によりＬＥＤ１１’に小電流しか流れないと、そのＶｆ、すなわち、前記プラス線３１’とマイナス線３２’との電位差が小さくなり、前記制御ＩＣの動作保証電圧を満たすことができなくなって、該制御ＩＣが動作しなくなる。
これを解決するには、ＬＥＤ駆動用の２線３１’、３２’に加えて、電源装置の電源ラインとグランドラインとをＬＥＤ光射出装置に接続し、これによって前記周辺回路に電力を供給すればよいが、そうすると省配線化を図れないという不具合が生じる。

特開2015-191861

本発明はかかる不具合に鑑みてなされたものであって、２線接続による省配線を担保しつつ、内部に種々の周辺回路を設けたとしても、これらが確実に動作するＬＥＤ光射出装置を提供すべく図ったものである。

すなわち、本発明に係るＬＥＤ光照射装置は、１又は複数のＬＥＤと、該ＬＥＤのアノード及びカソードにそれぞれ接続されるプラス端子及びマイナス端子と、前記プラス端子及びマイナス端子間の端子間電圧を示す端子間電圧指標値を検出する電圧検出回路と、基準電圧を生成する基準電圧生成回路と、前記端子間電圧指標値と基準電圧とを比較する比較回路と、前記ＬＥＤと直列に配置された電圧発生回路とを具備し、前記比較回路によって端子間電圧指標値が基準電圧を下回ったと検知された場合には、前記電圧発生回路に電圧が発生し、前記端子間電圧指標値を前記基準電圧以上に引き上げることを特徴とするものである。

好ましい実施態様としては、制御ＩＣをさらに具備し、前記基準電圧によって維持される端子間電圧の最小値が、該制御ＩＣの最低動作電源電圧以上に設定されているものを挙げることができる。なお、最低動作電源電圧とは、制御ＩＣの電源端子に印加される電圧であって、例えば、仕様として動作が保証されている最低電圧のことである。その他、仕様上の最低電圧のみならず、実験等によって動作することが判明している最低電圧でも構わない。

具体例としては、ＬＥＤに流れる電流をバイパスするバイパス回路をさらに具備し、前記制御ＩＣが、前記バイパス回路に設けられて、該バイパス回路を流れる電流を制御するデジタルポテンショを挙げることができる。

このようなものであれば、ＬＥＤ光射出装置と電源装置とを２線のみで接続し、省配線を実現しながらも、ＬＥＤ光射出装置に印加される電圧が、確実に基準電圧以上になるので、ＬＥＤ光射出装置に、ＬＥＤ以外の種々の制御ＩＣ等を搭載しても、これらを確実に動作させることができるようになり、ＬＥＤ光射出装置の高性能化を促進することができるようになる。

従来におけるＬＥＤ光照明システムを示す模式的回路図。 本発明の一実施形態におけるＬＥＤ光照明システムの回路図。 同実施形態における端子間電圧を示す電圧変化図。 本発明の原理を示す機能ブロック図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

この実施形態におけるＬＥＤ光照明システム１００は、図２に示すように、例えば、種々のワークの表面検査に用いられるＬＥＤ光射出装置１と、該ＬＥＤ光射出装置１にプラス線３１及びマイナス線３２の２線電気ケーブル３のみによって接続されて、これに電流を供給する電源装置２とを具備したものである。

前記ＬＥＤ光射出装置１は、前記プラス線３１及びマイナス線３２がそれぞれコネクタ接続されるプラス端子１３ａ及びマイナス端子１３ｂと、直列に配設された複数のＬＥＤ１１と、ＬＥＤ１１に流れる電流を一部バイパスするバイパス回路１２とを具備したものである。

前記プラス端子１３ａには、直列したＬＥＤ１１のうちの一端のＬＥＤ１１のアノードが直接又は間接的に接続されており、前記マイナス端子１３ｂには、直列したＬＥＤ１１のうちの他端のＬＥＤ１１のカソードが直接又は間接的に接続されている。なお、ここでは、前記ＬＥＤ１１と直列に、非常に小さな抵抗値（例えば０．１Ω）の保護用の抵抗素子Ｒ４が設けられているが、この抵抗素子Ｒ４は省略しても構わない。

そして、電気ケーブル３を介してこれらＬＥＤ１１に電力が供給されることにより、ＬＥＤ１１が点灯し、その光がワークに向かって射出されるように構成してある。

なお、前記バイパス回路１２は、ここでは、プラス端子１３ａ及びマイナス端子１３ｂ間において、ＬＥＤ１１と並列に配設された制御ＩＣたるデジタルポテンショ１２１を具備したものである。そして、このデジタルポテンショ１２１の抵抗値を調整することにより、バイパス回路１２を流れる電流を制御し、ＬＥＤのばらつきに起因する各ＬＥＤ光射出装置での光量のばらつき（器差）を吸収できるように構成してある。

また、このデジタルポテンショ１２１の動作電源端子Ｖｃｃ、ＧＮＤには、プラス端子１３ａとマイナス端子１３ｂとがそれぞれ接続されている。

前記電源装置２は、前記電気ケーブル３を介して、前記ＬＥＤ光射出装置１のプラス端子１３ａ及びマイナス端子１３ｂにそれぞれ接続される第１端子２３ａ及び第２端子２３ｂと、前記第１端子２３ａに接続された定電圧源２１と、前記第２端子２３ｂに接続された定電流回路２２とを具備したものである。そして、このものは、従来例でも説明したが、該定電流回路２２を流れる電流を制御することによって、ＬＥＤ１１に流れる電流を制御し、その明るさ調整、すなわち調光ができるように構成してある。

前記定電圧源２１は、例えばＤＣ−ＤＣコンバータやＡＣ−ＤＣコンバータなどに代表される直流電圧源であり、ここでは、外部から入力された電圧指令信号の値に応じてその出力電圧を変えることができるように構成されている。

前記定電流回路２２は、バイポーラトランジスタやＭＯＳＦＥＴなどを利用して一定の電流を流せるようにしたものであり、例えば、ゲートやベース電圧をコントロールすることによって、流れる電流をコントロールできるようにしたものである。

なお、この電源装置２には、前記定電圧源２１の発生する電圧や、前記定電流回路２２を流れる電流を可変に制御するための図示しない制御回路が設けられている。この制御回路は、例えば、ＣＰＵ、メモリ、ＡＤコンバータ、ＤＡコンバータ、増幅器などを具備したアナログ、デジタル混在回路であり、メモリに記憶させた所定のプログラムにしたがってＣＰＵ及びその周辺機器が協働することにより、電圧指令信号を出力して前記定電圧源２１の出力電圧を制御する電圧制御部や、電流指令信号を出力して前記定電流回路２２が流す電流を制御する電流制御部等としての機能を発揮する。

そして、かかる構成の電源装置２を、前記電気ケーブル３によってＬＥＤ光射出装置１に接続することにより、ＬＥＤ光射出装置１を所望の明るさで点灯できるように構成されている。

しかして、この実施形態のＬＥＤ光射出装置１には、同図に示すように、電圧検出回路４、基準電圧生成回路５、比較回路６、電圧発生回路７等がさらに設けてある。
以下に各回路４〜７の構成を詳述する。

前記電圧検出回路４は、プラス端子１３ａとマイナス端子１３ｂとの間の端子間電圧を示す端子間電圧指標値を検出するものである。この実施形態での電圧検出回路４は、端子間電圧指標値として、端子間電圧Ｖ_０そのものを検出するように構成してあり、図２に示すように、プラス端子１３ａに一端が接続された抵抗素子Ｒ１がその機能を担う。
なお、以下で説明する電圧は、全てマイナス端子１３ｂからみたときの電圧とするので、前記端子間電圧Ｖ_０は、プラス端子１３ａの電圧として取り扱う。

前記基準電圧生成回路５は、基準電圧Ｖ_ｒを発生するものである。ここでは、プラス端子１３ａとマイナス端子１３ｂとの間に直列に配設された抵抗素子Ｒ２とツェナーダイオードＺＤとがその機能を担い、該ツェナーダイオードＺＤのカソード端子の電圧が前記基準電圧Ｖ_ｒとなる。

前記比較回路６は、前記前記基準電圧生成回路５が発生した基準電圧Ｖ_ｒと、前記電圧検出回路４が検出した電圧指標値Ｖ_０とを比較し、その結果に応じて後述する電圧発生回路７を駆動するものであり、ここでは、トランジスタＱ１、トランジスタＱ２及び抵抗素子Ｒ３がその機能を担う。

各素子を詳述すれば、前記トランジスタＱ１はｎ型のものであり、そのコレクタがプラス端子１３ａに、そのエミッタが前記抵抗素子Ｒ３の一端に、そのベースが前記ツェナーダイオードＺＤのカソード端子にそれぞれ接続されている。前記トランジスタＱ２はｐ型のものであり、そのエミッタが前記抵抗素子Ｒ１の他端に、そのコレクタが前記マイナス端子１３ｂに、そのベースが前記トランジスタＱ１のエミッタにそれぞれ接続されている。前記抵抗素子Ｒ３は、前述したように、その一端が前記トランジスタＱ１のエミッタに、その他端がマイナス端子１３ｂにそれぞれ接続されている。

前記電圧発生回路７は、ＬＥＤ１１と直列に配置されて、プラス端子１３ａとマイナス端子１３ｂとの間に、ＬＥＤ１１によるＶｆに加えて付加電圧を発生するものであり、この実施形態では、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）がその役割を担う。このＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）はｐ型のものであり、そのソースが抵抗素子Ｒ４を介してプラス端子１３ａに、そのドレインがＬＥＤ１１のアノードに、そのゲートが比較回路６の出力端、すなわちトランジスタＱ２のエミッタにそれぞれ接続されている。

次に、このように構成したＬＥＤ光射出装置１の動作を説明する。
マイナス端子１３ｂからみたときのツェナーダイオードＺＤのカソード端子の電圧、つまり基準電圧Ｖ_ｒは一定であり、該カソード端子に接続されているトランジスタＱ１のベース電圧も前記基準電圧Ｖ_ｒとなる。

したがって、トランジスタＱ１のエミッタ電圧及びこれに接続されているトランジスタＱ２のベース電圧Ｖ_１は、基準電圧Ｖ_ｒからトランジスタＱ１のＶ_ＢＥを引いた値となり、これも一定となる。

一方、トランジスタＱ２のエミッタ電圧、すなわち比較回路６の出力電圧Ｖ_２は、前記電圧Ｖ_１にトランジスタＱ２のＶ_ＢＥを足した値に保たれようとする。なお、この出力電圧Ｖ_２は、トランジスタＱ１とトランジスタＱ２とのＶ_ＢＥの違いがわずかにあるにせよ、前記基準電圧Ｖ_ｒとほぼ同じである。

この状況下、例えば、電源装置２の定電流回路２２によって、大きな電流がＬＥＤ１１に流れているときには、ＬＥＤ１１のＶｆによって、前記基準電圧Ｖ_ｒよりも十分に大きな電圧Ｖ_０がマイナス端子１３ｂとプラス端子１３ａとの間に発生する。

ここで、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）のソース電圧は、プラス端子１３ａの電圧に実質的に等しい一方、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）のゲート電圧は、前記比較回路６の出力電圧Ｖ_２に等しく、さらにこの出力電圧Ｖ_２は、前記基準電圧Ｖｒにほぼ等しい。

したがって、この状況下では、プラス端子１３ａの電圧Ｖ_０が基準電圧Ｖ_ｒよりも十分に大きく、言い換えれば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）のソース−ゲート間電圧が十分大きいので、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）は完全にオンとなる。

その結果、このＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）のドレイン―ソース間は、実質的に導通状態となり、ＬＥＤ１１のＶｆ特性通り、ＬＥＤ１１を流れる電流が大きくなるにつれ、プラス端子１３ａとマイナス端子１３ｂとの間の電圧は大きくなっていく。

一方、ＬＥＤ１１に流す電流が小さくなって、そのＶｆも小さくなり、プラス端子電圧Ｖ_０が基準電圧Ｖ_ｒに接近してくると、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）のソース−ゲート間電圧が小さくなる。その結果、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１）の完全なオン状態は保たれなくなって、そのドレイン−ソース間に電圧が発生し、プラス端子１３ａとマイナス端子１３ｂとの間の電圧Ｖ_０を基準電圧Ｖ_ｒよりも大きくして、比較回路６の出力電圧Ｖ_２をそのまま一定に保とうとする負帰還作用が働く。

その結果、この実施形態ではＬＥＤ１１に流す電流が小さくなっても、プラス端子１３ａとマイナス端子１３ｂとの間の電圧Ｖ_０は、図３の点線で示すように、所定電圧、つまり前記基準電圧Ｖ_ｒ以上に必ず保たれる。なお、同図の実線は、ＬＥＤ１１のＶｆ特性を示している。

そして、前記所定電圧は、デジタルポテンショ１２１の動作電源電圧以上に設定してあるので、ＬＥＤ１１に流す電流が小さくなっても、該デジタルポテンショ１２１を確実に動作させることができる。

かかる構成のＬＥＤ光射出装置１を一般化した回路ブロック図は、図４に示すものとなる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、電圧発生回路はＬＥＤ１１のカソード側に設けてもよく、この場合は、ＭＯＳＦＥＴとしてｎ型のものを用いればよい。また電圧発生回路は、ＭＯＳＦＥＴに限られず、バイポーラトランジスタを利用してもよい。

さらに、前記実施形態では、電圧検出回路が端子間電圧そのものを検出していたが、例えば、電圧検出回路として、プラス端子とアノード端子との間に２つの抵抗素子を直列に設け、その間の電圧を検出するようにして、端子間電圧を間接的に示す値を検出するようにしてもよい。
比較回路を、前記実施形態のようにディスクリートで組まなくともよく、例えばオペアンプＩＣを用いてもよい。本発明によれば、このようなオペアンプＩＣの動作電源電圧も確保できるからである。

電源装置において、定電流回路がＬＥＤのアノード側に接続されるように構成してもよい。
ＬＥＤ光射出装置のＬＥＤは１つでもよい。
ＬＥＤ光射出装置は、前記実施形態のようなワーク表面検査用のもののみならず、例えば、露光用や分光計用、その他一般照明用のものでも構わない。
その他、本発明は上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。

１・・・ＬＥＤ光射出装置
１１・・・ＬＥＤ
１３ａ・・・プラス端子
１３ｂ・・・マイナス端子
４・・・電圧検出回路
５・・・基準電圧生成回路
６・・・比較回路
７・・・電圧発生回路
１２１・・・制御ＩＣ
１２・・・バイパス回路

Claims (3)

1. １又は複数のＬＥＤと、
   該ＬＥＤのアノード及びカソードにそれぞれ接続されるプラス端子及びマイナス端子と、
   前記プラス端子及びマイナス端子間の端子間電圧を示す端子間電圧指標値を検出する電圧検出回路と、
   基準電圧を生成する基準電圧生成回路と、
   前記端子間電圧指標値と基準電圧とを比較する比較回路と、
   前記ＬＥＤと直列に配置され、前記比較回路によって端子間電圧指標値が基準電圧を下回ったと検知された場合には、電圧を発生して前記端子間電圧指標値を前記基準電圧以上に引き上げる電圧発生回路とを具備することを特徴とするＬＥＤ光射出装置。
2. 制御ＩＣをさらに具備し、
   前記電圧発生回路によって引き上げられた端子間電圧が、該制御ＩＣの最低動作電源電圧以上に設定されていることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ光射出装置。
3. ＬＥＤに流れる電流をバイパスするバイパス回路をさらに具備し、前記制御ＩＣが、前記バイパス回路に設けられて、該バイパス回路を流れる電流を制御するデジタルポテンショであることを特徴とする請求項２記載のＬＥＤ光射出装置。