JP6944870B2 - ショート判定装置、及び、光照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤのショートの有無を判定するショート判定装置に関する。

例えば外観検査等に用いられる光照射装置は、複数のＬＥＤが直列に接続されたストリングスを具備する照明器と、照明器に対して電圧を供給し、その明るさ等を制御する制御電源と、を備えている。

制御電源は、照明器が接続された状態で、ストリングに対して直列に接続されるＦＥＴ等のスイッチング素子を具備し、このスイッチング素子に対してＰＷＭ信号を入力してその明るさや電流を制御するように構成されている（特許文献１参照）。

また、このような制御電源は、スイッチング素子のサージ保護を目的としてストリングスに対して極性が逆向きとなるように並列接続されるダイオードを備えている。加えて、制御電源は、ストリングスを構成するＬＥＤに過剰な電流が流れるのを防止するため、オン期間においてスイッチング素子のソース側電圧を監視し、閾値を超えた場合にスイッチング素子をオフにする過電流検出部を備えているものもある。

ところで、ＰＷＭの周波数が高い場合やデューティ比が小さい（オン期間が短い）ときには、制御電源の出力端が短絡したり、ストリングス全体が短絡しても、過電流検出部の応答が遅れることから、保護が掛からない場合がある。これは、制御電源の出力端が短絡したり、ストリングス全体が短絡すると、電流が制限なく流れようとするが、回路中に存在するＥＭＣ対策部品やケーブルのインダクタンス成分によって電流値が瞬間的に上昇せずインダクタンス成分に応じた傾きで上昇するからである。そして、電流が流れている間は、電流のエネルギーがインダクタンス成分に蓄えられ続け、スイッチング素子がオンからオフになった際に、インダクタンス成分に蓄えられたエネルギーが無くなるまでサージクランプ用のダイオードに電流が流れ続けることとなる。

このように保護が掛からない状態でスイッチング素子のオンオフが繰り返されると、スイッチング素子がオフの期間にサージクランプ用のダイオードに電流が流れ続けて過剰に発熱する可能性がある。

このため、ＰＷＭの周波数に上限を設けたり、発煙発火しないように予め想定される電流量を許容可能な大容量のダイオードを設けたり、ダイオードの温度を検出し、閾値温度を超えた場合にはスイッチング素子を停止させる温度保護回路を別に設けたりすることで故障や事故を防止する必要がある。したがって、照明器の制御に制限が発生したり、複数の保護回路が必要となることで電源装置の製造コスト上昇を招いている。

特開２０１４−１３５１６７号公報

本発明は上述したような問題を解決するためになされたものであり、例えばオンオフの切り替え周波数が高い場合やデューティ比が小さい（オン期間が短い）場合でもＬＥＤ全体がショートしたことを検出でき、例えばショートにより過電流が流れ続けることを防止できるショート判定装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係るショート判定装置は、ＬＥＤと、前記ＬＥＤのカソード側に対して直列に接続されたスイッチング素子と、前記ＬＥＤと前記スイッチング素子の間にアノードが接続され、カソードが前記ＬＥＤのアノード側に接続されるダイオードと、を具備するＬＥＤ点灯回路における前記ＬＥＤのショートの有無を判定するショート判定装置であって、前記スイッチング素子のドレイン側の電圧を監視電圧として検出する監視電圧検出回路と、前記スイッチング素子がオンからオフに切り替わってから所定時間内の監視電圧に基づいて、ＬＥＤのショートの有無を判定するショート判定機構と、を備えたことを特徴とする。

このようなものであれば、前記スイッチング素子のオンオフの切り替え周波数が高い場合やデューティ比が小さい場合でも、前記ＬＥＤのショートの有無によって表れる監視電圧の違いを検出できる。

具体的には前記ＬＥＤにショートが生じていない場合、前記スイッチング素子がオンの間に回路中のインダクタンス成分に蓄えられるエネルギーが小さい。このため、正常時であれば前記スイッチング素子がオンからオフに切り替わっても、監視電圧が所定電圧以上に維持されるのはごく短時間でしかない。

一方、前記ＬＥＤにショートが生じている場合、前記スイッチング素子がオンの間は、電流が制限なく流れ、インダクタンス成分に正常時よりも大きなエネルギーが蓄えられる。したがって、前記スイッチング素子がオンからオフに切り替わった際、そのインダクタンス成分に蓄えられた大きなエネルギーが前記ダイオードに放出されるため、監視電圧が所定電圧以上に維持される時間が正常時に比べて長くなる。

したがって、前記ショート判定機構は、前記スイッチング素子がオンからオフに切り替わってから所定時間の間、監視電圧が所定電圧以上に保たれているかどうかに基づいて前記ＬＥＤのショートの有無を判定する。

これらのことから、本発明であれば、従来と比較してスイッチング素子の駆動周波数やデューティ比の制限を緩和することが可能となり、ＬＥＤの制御態様の幅を広げることができる。

前記ＬＥＤがショートしていない状態で発生するサージ電流と、前記ＬＥＤがショートしている場合に発生する監視電圧の電圧上昇とを正確に区別されるようにして、誤判定が起こりにくくするには、前記ショート判定機構が、前記スイッチング素子がオンからオフに切り替わってから所定時間の間、監視電圧が所定電圧以上の状態が継続している場合に、ＬＥＤのショートが発生していると判定するように構成されていればよい。

前記ＬＥＤのショートによって、回路中のインダクタンス成分に蓄えられたエネルギーが増加していることを検出するには、前記所定電圧を、前記ＬＥＤにおける電圧降下量Ｖ_ｆと前記ＬＥＤへ供給される電源電圧Ｖ_ｉｎとの和であるＶ_ｆ＋Ｖ_ｉｎ以下の電圧に設定すればよい。

前記スイッチング素子がオンからオフに切り替わってから、監視電圧が所定電圧以上に維持されている時間を正確に検出して、前記ＬＥＤのショートの判定精度を高めるには、前記ショート判定機構が、前記監視電圧検出回路で検出される監視電圧とリファレンス電圧とを比較し、監視電圧がリファレンス電圧よりも大きい場合にハイレベルの電圧を出力するように構成されたコンパレータと、前記スイッチング素子がオンからオフに切り替わってからコンパレータの出力が継続されている継続時間を測定し、当該継続時間が所定時間以上となった場合に前記ＬＥＤにショートが発生していると判定するショート判定部と、を備えたものであればよい。

本発明に係るショート判定装置と、前記ＬＥＤと、前記スイッチング素子と、前記ダイオードと、インダクタンス成分と、を備えた光照射装置であれば、前記ＬＥＤがショートすると、前記スイッチング素子がオンからオフになってからの監視電圧の異常検出時間が長くなって、前記ＬＥＤのショートの有無をより判定しやすくできる。

前記ショート判定装置において前記ＬＥＤにショートが発生したと判定されると、前記ＬＥＤに電流を流さず、重大な故障等が発生するのを防止するには、前記光照射装置が、前記スイッチング素子のゲートに対してＰＷＭ信号を入力するＰＷＭ制御器と、前記ショート判定装置が前記ＬＥＤにショートが発生したと判定すると、前記ＰＷＭ制御器により前記スイッチング素子をオフにする保護部と、を備えたものであればよい。

このように本発明に係るショート判定装置によれば、前記スイッチング素子のドレイン側の電圧を監視電圧として検出し、この監視電圧に基づいてＬＥＤのショートを検出できる。

また、前記スイッチング素子がオフに切り替わってからの監視電圧に基づいて前記ＬＥＤのショートの有無を判定しているので、前記スイッチング素子のオンオフ切り替え周波数が高い場合や、オン期間が短くオフ期間が長い場合でも前記ＬＥＤのショートを監視電圧により検出できる。

これらのことから、本発明であれば従来と比較して前記スイッチング素子の駆動周波数やデューティ比の制限を緩和することが可能となる。また、温度による過電流保護回路を別途設けないようにすることもでき、ショートの判定精度を高く保ちながら製造コストを抑えることが可能となる。

本発明の一実施形態に係るショート判定装置、及び、それを備えた光照射装置を示す模式的回路図。 同実施形態の光照射装置の構成を示す機能ブロック図。 同実施形態のショート判定機構で検出される監視電圧の変化を示すグラフ。

本発明の一実施形態に係るショート判定装置１００、及び、光照射装置３００について各図を参照しながら説明する。

本実施形態の光照射装置３００は、複数のＬＥＤ１が直列に接続されたストリングスを具備する照明器１０と、照明器１０が接続され、当該照明器１０に電力を供給し、所定の照明態様で点灯するように制御するＬＥＤ制御電源２００と、を備えている。

ＬＥＤ制御電源２００は、照明器１０に所定の電源電圧Ｖ_ｉｎを供給する電源２と、照明器１０のカソード側に対して直列に接続されるスイッチング素子３と、ＬＥＤ１とスイッチング素子３の間にアノードが接続され、カソードがＬＥＤ１のアノード側に接続されるダイオード４と、照明器１０とダイオード４との間に設けられたコイル５と、ＬＥＤ１のショートの有無を判定するショート判定装置１００と、各機器の制御を司る制御装置ＣＮと、を備えている。このＬＥＤ制御電源２００に対して照明器１０が接続されることで、電源２、スイッチング素子３、ダイオード４、及び、照明器１０がＬＥＤ点灯回路Ｃを構成する。

各部について詳述する。

スイッチング素子３は、例えばＭＯＳＦＥＴであって、制御装置ＣＮからゲートに対して入力される制御信号に基づき、照明器１０に流れる電流のオンオフを切り替える。

コイル５は、ＥＭＣ対策用のものであり、ＬＥＤ点灯回路Ｃ中の寄生インダクタンスとともにインダクタンス成分として作用する。

ダイオード４は、スイッチング素子３がオフとなった際にＬＥＤ点灯回路Ｃ中のインダクタンス成分により発生するサージ電圧をクランプし、スイッチング素子３を保護するためのものである。すなわち、スイッチング素子３がオンからオフに切り替えられた際に、このダイオード４を介して入力側へ電流が流れることになる。

ショート判定装置１００は、本実施形態ではＬＥＤ制御電源２００に対する照明器１０の接続不良等によってＬＥＤ制御電源２００の出力端がショートしている状態となっているかどうか、又は、照明器１０を構成する複数のＬＥＤ１が全てショートしている状態かどうかを判定するものである。

このショート判定装置１００は、図１の回路図、及び、図２の機能ブロック図に示すように、スイッチング素子３のドレイン側の電圧（スイッチング素子３に印加されるドレイン電圧）を監視電圧として検出する監視電圧検出回路６と、前記スイッチング素子３がオンからオフに切り替わってから所定時間内の監視電圧に基づいて、ＬＥＤ１のショートの有無を判定するショート判定機構７と、を備えている。また、このショート判定装置１００は、ＬＥＤ１に過電流が流れているかどうかを判定する過電流判定機構８も備えている。

ショート判定機構７は、コンパレータ７１と、コンパレータ７１からの出力に基づいてＬＥＤ１のショートの有無を判定する、制御装置ＣＮの演算機能によって実現されるショート判定部７２を備えている。

コンパレータ７１は、監視電圧検出回路６で検出される監視電圧Ｖ_ｄｓと、リファレンス電圧Ｖ_ｒｅｆと、を比較し、監視電圧Ｖ_ｄｓがリファレンス電圧Ｖ_ｒｅｆよりも大きい場合にハイレベルの電圧を出力するように構成されている。ここで、リファレンス電圧Ｖ_ｒｅｆは、例えば照明器１０を構成する複数の直列接続されたＬＥＤ１での電圧降下量Ｖ_ｆと電源電圧Ｖ_ｉnとの和であるＶ_ｆ＋Ｖ_ｉｎ以下の電圧に設定してある。

制御装置ＣＮは、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａコンバータ等の入出力機器を備えたいわゆるコンピュータである。本実施形態において制御装置ＣＮは、ＰＬＤによりその機能が実現される。この制御装置ＣＮは、メモリに格納されているプログラムが実行され、所定の演算回路が動作することによって、前述したショート判定部７２の他、過電流判定部８２、ＰＷＭ制御器９２、保護部９１としての機能を少なくとも発揮する。

ショート判定部７２は、スイッチング素子３がオンからオフに切り替わってからコンパレータ７１の出力が継続されている継続時間を測定し、当該継続時間が所定時間以上となった場合に前記ＬＥＤ１にショートが発生していると判定する。

過電流判定部８２は、スイッチング素子３のソース側電圧を検出する過電流検出回路８１とともに過電流判定機構８を構成する。過電流判定部８２は、過電流検出回路８１からハイレベルの信号が所定時間継続して出力されている場合にＬＥＤ１に過電流が流れていると判定する。

過電流検出回路８１は、スイッチング素子３のソース側の電圧と予め定められた閾値電圧とを比較するコンパレータを有し、このコンパレータは、スイッチング素子３のソース側電圧が閾値電圧よりも大きい場合にハイレベルの電圧を出力する。ここで、過電流検出回路８１は、スイッチング素子３のソース側電圧を取得しているので、スイッチング素子がオンになっている状態でしか出力は発生しない。言い換えると、過電流判定機構８は、スイッチング素子３がオンの間に出力される電圧に基づいて異常を検出するのに対して、ショート判定機構７はスイッチング素子３がオフの間に出力される電圧に基づいて異常を検出している。

ＰＷＭ制御器９２は、スイッチング素子３のゲートに対して所定の周波数とデューティ比を有するＰＷＭ信号を入力する。

保護部９１は、ショート判定部７２がＬＥＤ１にショートが発生していると判定した場合、又は、過電流判定部８２がＬＥＤ１に過電流が流れている判定した場合にＰＷＭ制御器９２により前記スイッチング素子３をオフにする。すなわち、ショート判定機構７及び過電流判定機構８による異常の判定は並列に行われており、一方でも異常があると判定している場合には保護部９１はスイッチング素子３をオフにする。

このように構成されたショート判定装置１００、及び、光照射装置３００の動作について説明する。

図３（ａ）に照明器１０にショートが発生していない正常状態における、ＰＷＭ信号、監視電圧Ｖ_ｄｓ、コンパレータ７１からの出力Ｖ_ｃｏｍｐのグラフを示す。ＰＷＭ制御器９２によりスイッチング素子３がオンからオフに切り替えられた場合に、監視電圧検出回路６で検出される監視電圧は、オンからオフに切り替えられた瞬間はリファレンス電圧を超えるがすぐに電源電圧Ｖ_ｉnから照明器１０における電圧降下量Ｖ_ｆ分だけ低い電圧で安定する。

したがって、コンパレータ７１からの出力はスイッチング素子３がオンからオフに切り替わった瞬間にパルス状にハイレベルを示したあとはローレベルが維持されることになる。

ここで、スイッチング素子３がオフとなった際にごく短時間、監視電圧がリファレンス電圧を超えるのは、ＬＥＤ点灯回路Ｃに含まれるインダクタンス成分にスイッチング素子３がオンの間に蓄えられたエネルギーによって流れる電流によるものである。

ショート判定部７２は、図３（ａ）の場合には、コンパレータ７１の出力が所定時間以上継続されていないので、照明器１０にショートが発生していないと判定する。

図３（ｂ）に照明器１０にショートが発生している状態における、ＰＷＭ信号、監視電圧Ｖ_ｄｓ、コンパレータ７１からの出力Ｖ_ｃｏｍｐのグラフを示す。ショートが発生している場合、あるいは、ＬＥＤ制御電源２００の出力端が接続不良によって短絡している状態となっている場合には、照明器１０での電圧降下がなくなり、回路に対して制限なく電流が流れる。このため、スイッチング素子３がオンの間に、コイル５や回路中の寄生容量等のインダクタンス成分に蓄えられる電流エネルギーは正常時よりも大きく、スイッチング素子３がオンからオフに切り替えられた瞬間以降においても、インダクタンス成分に蓄えられたエネルギーが無くなるまでダイオード４へ電流が流れ続けることになる。したがって、監視電圧は正常時よりも高い電圧で所定時間維持され続ける。図３（ｂ）の例では、スイッチング素子３がオフの間、リファレンス電圧であるＶ_ｉｎ＋Ｖ_ｆよりも大きな値が監視電圧として検出され、コンパレータ７１はスイッチング素子３がオフの間は常にハイレベルを出力する。

また、ショート判定部７２は図３（ｂ）の場合にはコンパレータ７１の出力がハイレベルで所定時間以上継続されているため照明器１０にショートが生じていると判定する。

ショート判定部７２において照明器１０にショートが発生していると判定されると、保護部９１はＰＷＭ制御器９２を制御してスイッチング素子３をオフにする。このようにして、照明器１０にショートが発生した場合、ＬＥＤ点灯回路Ｃの電流が止められ、保護が掛かる。

このように本実施形態のショート判定装置１００、及び、光照射装置３００によれば、スイッチング素子３がオンからオフに切り替えられてからのオフ期間において検出される監視電圧に基づいて、照明器１０のショートを検出することができる。

また、スイッチング素子３がオフの間にダイオード４を流れる電流の電圧を監視電圧として検出しているので、ＰＷＭ信号の周波数が高い場合や、デューティ比が小さい場合でも検出が可能である。

このように本実施形態のショート判定装置１００は、高速のＰＷＭ制御が行われている場合でも従来の保護回路と比較して複数のＬＥＤ１からなる照明器１０のショートを正確に判定でき、ショートが発生しているにも拘らず、保護部９１による保護が掛からないといった事態を防ぐことができる。

加えて、監視電圧によりショートの有無を判定できるので、従来のように発煙発火しないように電流量を許容できる大容量のダイオードを選定したり、ダイオード４の温度を測定して温度保護が掛かるように別途保護回路を設けたりする必要がない。このため、製造コストを抑えることが可能となる。

その他の実施形態について説明する。

前記実施形態のショート判定装置では、ＰＷＭ信号がスイッチング素子に入力されている場合においてＬＥＤのショートの有無を判定していたが、例えば定電流制御等のその他の制御でＬＥＤが駆動されている場合において、ショート判定装置が、スイッチング素子がオンからオフに切り替えられてからのオフ期間の監視電圧でショートの有無を判定するものであってもよい。

ＬＥＤ点灯回路には、例えばコイルが設けられておらず、寄生インダクタンスだけが存在するものであっても、本発明に係るショート判定装置であれば、ＬＥＤのショートの有無を判定できる。

ショート判定機構については、スイッチング素子がオフの間に監視電圧が所定電圧以上で所定時間維持されている場合にショートが発生していると判定するものに限られない。例えば、スイッチング素子がオフになってから、所定時間経過後の監視電圧が所定電圧以上であった場合にショートが発生していると判定するように構成してもよい。この場合、ショートの有無が判定される時点はオフ期間内に含まれるように所定時間を設定すればよい。

また、ショート判定機構については、前記実施形態に示したものに限られない。例えば監視電圧をそのままＡ／Ｄ変換して取り込んでショート判定部においてショートの有無を判定するようにしてもよい。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて、様々な実施形態の一部同士を組み合わせたり、変形させたりしても構わない。

３００・・・光照射装置
２００・・・ＬＥＤ制御電源
１００・・・ショート判定装置
Ｃ ・・・ＬＥＤ点灯回路
１ ・・・ＬＥＤ
２ ・・・電源
３ ・・・スイッチング素子
４ ・・・ダイオード
５ ・・・コイル
６ ・・・監視電圧検出回路
７ ・・・ショート判定機構
７１ ・・・コンパレータ
７２ ・・・ショート判定部
８ ・・・制御装置
８１ ・・・ＰＷＭ制御器
８２ ・・・保護部

Claims (6)

1. ＬＥＤと、前記ＬＥＤのカソード側に対して直列に接続されたスイッチング素子と、前記ＬＥＤと前記スイッチング素子の間にアノードが接続され、カソードが前記ＬＥＤのアノード側に接続されるダイオードと、を具備するＬＥＤ点灯回路における前記ＬＥＤのショートの有無を判定するショート判定装置であって、
   前記スイッチング素子のドレイン側の電圧を監視電圧として検出する監視電圧検出回路と、
   前記スイッチング素子がオンからオフに切り替わってから所定時間内の監視電圧に基づいて、ＬＥＤのショートの有無を判定するショート判定機構と、を備えたことを特徴とするショート判定装置。
2. 前記ショート判定機構が、前記スイッチング素子がオンからオフに切り替わってから所定時間の間、監視電圧が所定電圧以上の状態が継続している場合に、ＬＥＤのショートが発生していると判定するように構成されている請求項１記載のショート判定装置。
3. 前記所定電圧が、前記ＬＥＤにおける電圧降下量Ｖ_ｆと前記ＬＥＤへ供給される電源電圧Ｖ_ｉｎとの和であるＶ_ｆ＋Ｖ_ｉｎ以下の電圧である請求項２記載のショート判定装置。
4. 前記ショート判定機構が、
   前記監視電圧検出回路で検出される監視電圧と、リファレンス電圧と、を比較し、監視電圧がリファレンス電圧よりも大きい場合にハイレベルの電圧を出力するように構成されたコンパレータと、
   前記スイッチング素子がオンからオフに切り替わってからコンパレータの出力が継続されている継続時間を測定し、当該継続時間が所定時間以上となった場合に前記ＬＥＤにショートが発生していると判定するショート判定部と、を備えた請求項１乃至３いずれかに記載のショート判定装置。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載のショート判定装置と、
   前記ＬＥＤと、
   前記スイッチング素子と
   前記ダイオードと、
   インダクタンス成分と、を備えた光照射装置。
6. 前記スイッチング素子のゲートに対してＰＷＭ信号を入力するＰＷＭ制御器と、
   前記ショート判定装置が前記ＬＥＤにショートが発生したと判定すると、前記ＰＷＭ制御器により前記スイッチング素子をオフにする保護部と、を備えた請求項５記載の光照射装置。

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