負荷駆動制御装置
【課題】消費電力を抑えつつ、高輝度で安定した駆動を得るとともに駆動制御回路全体の寿命を向上させる。
【解決手段】負荷２０に接続される駆動制御部１０を備え、駆動制御部１０は、負荷２０の定格電流値ＩＦと、パルス駆動したときの絶対最大定格電流値Ｉｍａｘから予め設定されたピーク電流値Ｉｐに基づいてパルス幅変調することで、負荷２０のオン期間を規定した第１のオン／オフ周期による第１駆動パルスＰ１を生成し、第１のオン／オフ周期のオン期間の中でさらにスイッチングさせることで、パルスの最大振幅がＩｐとなるように、第２のオン／オフ周期による第２駆動パルスＰ２を生成する定電流パルス駆動部１４とを備え、第２駆動パルスＰ２によって駆動された電流を前記負荷２０に印加することによって、負荷２０を連続的に駆動させるとともに、充放電制御部１５のキャパシタンスＣ１を信頼性寿命の高いセラミックコンデンサーを使用した。
【解決手段】負荷２０に接続される駆動制御部１０を備え、駆動制御部１０は、負荷２０の定格電流値ＩＦと、パルス駆動したときの絶対最大定格電流値Ｉｍａｘから予め設定されたピーク電流値Ｉｐに基づいてパルス幅変調することで、負荷２０のオン期間を規定した第１のオン／オフ周期による第１駆動パルスＰ１を生成し、第１のオン／オフ周期のオン期間の中でさらにスイッチングさせることで、パルスの最大振幅がＩｐとなるように、第２のオン／オフ周期による第２駆動パルスＰ２を生成する定電流パルス駆動部１４とを備え、第２駆動パルスＰ２によって駆動された電流を前記負荷２０に印加することによって、負荷２０を連続的に駆動させるとともに、充放電制御部１５のキャパシタンスＣ１を信頼性寿命の高いセラミックコンデンサーを使用した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、モータ、アクチュエータなどの負荷を一定周期のパルス信号によって駆動制御するための負荷駆動制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、負荷の一例としての発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた照明装置が多く利用されつつある。例えば、電球、蛍光灯、ダウンライト、投光器、広告灯器、ディスプレイ照明装置、自動車の車内灯や前照灯、などなど従来の白熱灯、水銀灯、メタルハライドランプなどと比べ、低消費電力、長寿命、低発熱、などの性能からその代替需要を含む新需要が急速に進んでいる。このようなＬＥＤの光量調整を行う最も簡単な方法は、ＬＥＤに流す電流値を調整することである。しかしながら、ＬＥＤの発光特性は、流れる電流量に応じて波長が変化することによって、可視色が変化して見えるといった問題が生じる。このような問題を改善するため、光量調整制御には一般にPulse Width Modulation（ＰＷＭ）方式が用いられている（特許文献１，２）。
【０００３】
また、特許文献３には、ＬＥＤが接続されている光源負荷部におけるピーク電流を検出することで、低電圧時における過電流防止を目的とした装置が開示されている。
【０００４】
図５は、従来のＰＷＭ方式を用いたＬＥＤ点灯回路の基本的な回路構成を示したものである。このＬＥＤ点灯回路は、電流制限抵抗Ｒ０、半導体スイッチＱ０、ＰＷＭ制御回路とを備えた構成になっている。前記電流制限抵抗Ｒ０は、ＬＥＤに流れる電流を制限する抵抗であり、ＬＥＤに対して直列に接続されている。この直列回路の一方は、電源ラインＶｃｃに接続され、他方は半導体スイッチＱ０を介してグランド（ＧＮＤ）に接続されている。ＰＷＭ制御回路は、半導体スイッチＱ０のゲートにＰＷＭ方式で変調されたパルス信号を供給し、半導体スイッチＱ０をオン／オフさせる機能を備えたものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２１０８３５号公報
【特許文献２】特開２００７−４９９５号公報
【特許文献３】特開２００４−２２７９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記図５に示した点灯回路でＬＥＤを長時間点灯させた場合に、ＬＥＤで消費される電力によって、ＬＥＤ自体が発熱する。この発熱に伴って温度が上昇し、定格電圧値ＶＦが低下する現象が発生する。前記点灯回路がこのような状況に置かれると、電源は定電圧制御されているため、ＶＦの低下に伴って、電流制限抵抗Ｒ０の両端電圧及び回路電流が上昇し、ＬＥＤの発光輝度が変動するといった問題がある。また、半導体スイッチＱ０の発熱によってもＯＮ抵抗が変化し、その結果、ＬＥＤの温度上昇と同様の問題が生じる。さらに、供給電圧に変動が生じた場合も、そのまま電流値の変動となり、ＬＥＤの発光輝度が変動する要因となる場合がある。特に、半導体であるＬＥＤのＶＦは、ロットのバラツキ等によって、差が大きくなるので、負荷側に複数個のＬＥＤを接続した場合に一定の発光輝度を維持した状態で連続発光させるのは容易ではない。
【０００７】
また、発光素子を一定周期のオン／オフによるパルスで駆動することは一般に行なわれているが、前記一定周期のオン／オフによるオン期間のパルスの中でさらに細かくパルス駆動させ、さらにこのパルス駆動を発光素子の駆動能力の限界値に近いピーク電流値の近傍を維持しつつ制御することは行なわれていなかった。
【０００８】
そこで、本出願人は、先に特願２００９−０７２１６３として、発光素子が接続される光源負荷部と、この光源負荷部に供給される電流によって前記発光素子の定格電圧値を検出する負荷容量検出部と、この負荷容量検出部で検出された定格電圧値に基づいて前記発光素子を定常駆動させるための定格電流値及びこの定格電流値から前記発光素子に流し得るピーク電流値を算出する信号処理制御部と、前記ピーク電流値に基づいてパルス幅変調した第１のオン／オフ周期による方形状の第１駆動パルスを生成するとともに、前記第１のオン／オフ周期のオン期間の中でさらにスイッチングさせた第２のオン／オフ周期による方形状の第２駆動パルスを生成する定電流パルス駆動部とを備え、さらに前記定電流パルス駆動部は前記光源負荷部が接続される出力側にキャパシタンス及びインダクタンスからなる充放電回路を備え、パルスの最大振幅が前記ピーク電流値となるように駆動される第１駆動パルス及び第２駆動パルスのオン期間で充電してオフ期間で放電させることによって、前記光源負荷側に前記充放電によるパルス信号で駆動された電流を印加することを特徴とする光源駆動装置を提案したところである。
【０００９】
上記提案された光源駆動装置によれば、定格電圧値や定格電流値が分かっていない発光素子が負荷容量検出部に接続されていても、発光素子へ段階的に微小電流を流すことによって、予めＣＰＵ内に格納されているテーブルを参照することで瞬時に接続された発光素子の定格電圧値を検出でき、さらに、検出した定格電圧値から格納テーブルを参照してピーク電流値を算出できるようになっている。そして、算出したピーク電流値に基づいて第１及び第２駆動パルスを生成し、ピーク電流値で制御された第２駆動パルスを連続的に発光素子に印加し、発光素子の駆動能力を一定レベルに維持した状態で、発熱量及び消費電力を低減化させることが可能となる。
【００１０】
たしかに、上記光源装置においては、接続される発光素子の定格電圧などの電気特性が未知であったとしても、予めＣＰＵ内に格納されているテーブルを参照することで自動的に検出して駆動することができるため、電気特性の異なる種々の発光素子を対象とすることが可能である。
しかしながら、例えば、電球、ダウンライト、投光器、街路灯、防犯灯、庭園灯、防犯灯、誘導灯、非常灯、スタンドなど特定された発光素子を使用する製品を対象とした場合には、予め使用される発光素子の定格電圧値などは既知であるため、定格電圧値の検出やこの検出された定格電圧値からピーク電流値をテーブル等を参照して算出する回路構成などは不要となるため、装置の大型化やコストＵＰを招くことがあった。
【００１１】
そこで、本出願人らは、上記課題を解消し、さらに、外部電力供給源から供給される電源電圧が商用電源（交流１００Ｖ，２００Ｖ）、直流電源、乾電池などであっても使用可能な負荷駆動制御装置を特願２００９―２１２６１４として提案した。この提案した負荷駆動制御装置は、負荷に接続して電流を印加する出力端と、外部電力供給源からの直流電圧を入力する入力端とを備えた駆動制御部とを備え、前記駆動制御部は、更に入力端で入力された直流電圧を前記負荷の定格電圧値に変換する昇降圧制御部と、前記負荷の定格電流値を超え絶対最大定格電流値を超えない範囲で前記負荷に流し得る予め設定されたピーク電流値に基づいてパルス幅変調することで、前記負荷のオン期間を規定した第１のオン／オフ周期による方形状の第１駆動パルスを生成するとともに、この第１駆動パルスのオン期間の中でさらにスイッチングさせることで、パルスの最大振幅が前記ピーク電流値となるように第２駆動パルスを生成する定電流パルス駆動部とを備え、更に前記定電流パルス駆動部と前記負荷の間にキャパシタンス、抵抗及びダイオードを有する充放電制御部を備えるとともに、前記定電流パルス駆動部と前記充放電制御部間に前記ピーク電流値の平滑用コイルを備え、パルスの最大振幅が前記ピーク電流値となるよう駆動される第１駆動パルス及び第２駆動パルスのオン期間で充電してオフ期間で放電させることによって、前記充放電によるパルス信号で駆動された電流を前記負荷に印加することを特徴とするものである。
【００１２】
たしかに、上記負荷駆動装置は電球、ダウンライト、投光器など特定された負荷（ＬＥＤ）を使用する製品を対象とした場合においては、定格電圧値の検出やこの検出された定格電圧値からピーク電流値を設定するためにテーブル等を参照して算出することは不要となり、装置の小型化やコスト削減が可能となった。
しかしながら、上記充放電制御部のキャパシタンス（コンデンサ）として、静電容量が大きく、比較的安価な電解コンデンサを用いた場合、負荷駆動装置回路全体の寿命をこの電解コンデンサで律束（制限）してしまうことがあった。そうかといって、電解コンデンサに比べ寿命の長いセラミックコンデンサを単純に代用すると、静電容量体積比は高々電解コンデンサの半分しかなく、充分な充電を確保し、同時に耐電圧も確保することには問題が生じてしまうことがあった。
【００１３】
そこで、本出願人は、上述した特願２００９−２１２６１４のもとで、電解コンデンサに比べて寿命のあるセラミックコンデンサが何とか使用できないものかと研究を重ねた結果、インダクタンス（コイル）と関連することに着目し、セラミックコンデンサの容量不足をインダクタンス（コイル）で補うことで上記課題を解決した。
すなわち、上記課題を解決するために、本発明の負荷駆動制御装置は、負荷に接続して電流を印加する出力端と、外部電源供給源からの直流電圧を入力する入力端とを有する駆動制御部を備え、前記駆動制御部は、前記入力端で入力された直流電圧を前記負荷の定格電圧値に変換する昇降圧制御部と、前記負荷の定格電流値を超え絶対最大定格電流値を超えない範囲で前記負荷に流し得る予め設定されたピーク電流値に基づいてパルス幅変調することで、前記負荷のオン期間を規定した第１のオン/オフ周期による方形状の第１駆動パルスを生成するとともに、この第１駆動パルスのオン期間の中でさらにスイッチングさせることで、パルスの最大振幅が前記ピーク電流値となるように第２駆動パルスを生成する定電流パルス駆動部と、更に前記定電流パルス駆動部と前記負荷の間にキャパシタンス、抵抗及びダイオードを有する充放電制御部を備えるとともに、前記定電流パルス駆動部と前記充放電制御部間に前記ピーク電流値の平滑用コイルを備え、パルスの最大振幅が前記ピーク電流値となるよう駆動される第１駆動パルス及び第２駆動パルスのオン期間で充電してオフ期間で放電させることによって、前記充放電によるパルス信号で駆動された電流を前記負荷に印加する負荷駆動装置において、前記充放電制御部のキャパシタンスをセラミックコンデンサとし、このセラミックコンデンサの静電容量を前記コイルとの関係において規定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の負荷駆動制御装置によれば、予め既知の負荷を用いるため、充放電制御部のキャパシタンス（コンデンサ）を、インダクタンス（コイル）との関係においてその負荷に対応した静電容量を確保し得るセラミックコンデンサに設定できるため、負荷駆動制御装置全体の電気的寿命が大幅に向上し、さらに、このセラミックコンデンサの静電容量が小さくなったことにより、負荷点灯時の充電時間が短くなるため、ＬＥＤの点灯時の立ち上がり時間が早くなるといった効果も得られる。また、ＬＥＤ点灯時に生じるセラミックコンデンサへのサージなどによる突入直流電圧での絶縁破壊も緩和されるといった効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る負荷駆動制御装置の概略ブロック図である。
【図２】上記負荷駆動制御装置の回路図である。
【図３】上記負荷駆動制御装置の駆動タイミングである。
【図４】上記駆動タイミングに基づく各部のタイミングチャートである。
【図５】従来のＬＥＤ駆動制御装置の基本構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る負荷駆動制御装置の一形態として、添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、負荷がモータ、電磁弁コイル、アクチュエータ等の発光素子以外の場合であっても、この実施形態と同様にして負荷駆動制御装置が構成される。図１は本発明の負荷駆動制御装置１の概要構成を示したブロック図であり、図２は負荷駆動制御装置１の詳細を示した回路図、図３は駆動タイミング図であり、図４はタイミングチャートである。図１に示すように、本発明の負荷駆動制御装置１は、定格電圧値、定格電流値などの電気的特性が既知である負荷２０を含む。以下、負荷２０として、発光素子（ＬＥＤ）を例にとり説明する。また、負荷駆動制御装置１は、発光素子２０に接続して発光素子２０に電流を印加するための出力端１１と、外部電力供給源１００からの直流電圧Ｖ０を入力する入力端１２とを有する駆動制御部１０を備えている。発光素子２０は、１Ｗ，２Ｗ，３Ｗ，４Ｗ，５Ｗ、・・・などその用途に応じて種類、数量などが適宜選択されて組み込まれる。例えば、白熱電球３０Ｗ相当用であれば、４Ｗ前後の発光素子が１個、或いは１Ｗの発光素子が４個から５個選択されて直列接続される。図１では、発光素子２０として、４ＷのＬＥＤ１個が選択された例を示している。発光素子メーカーＡ社製の仕様書等から発光素子２０が４Ｗでは、定格電圧値ＶＦは９．３Ｖ、定格電流値ＩＦは０．４８Ａと容易に分かる。また、発光素子はＡ社製以外に、Ｂ社製、Ｃ社製を選択しても、それぞれの仕様書等から選択したＬＥＤの定格電圧値、定格電流値が予め分かる。
【００１７】
一方、外部電力供給源１００は、製品の用途に応じて商用交流電圧（１００Ｖ系、２００Ｖ系）、直流電圧（３Ｖ〜４８Ｖ系など）及び乾電池（１．５Ｖ〜３Ｖ系など）から選択された電源が使用されることになる。商用交流電圧が使用される場合には、ＬＥＤが直流駆動で動作されるため、外部電力供給源１００側に設けられた一般的な整流回路１０１を介して交流から直流に変換されて、駆動制御部１０の入力端１２に供給されることになる。なお、直流電圧電源および乾電池電源が使用される場合には、そのまま直流電圧Ｖ０が入力端１２に入力される。
【００１８】
駆動制御部１０は、昇降圧制御部１３、定電流パルス駆動部１４，充放電制御部１５とを備えている。昇降圧制御部１３は、回路及び発光素子２０に流れる電流Ｉ１が、設定電流ＩＦになるように、昇降圧制御部１３の両端（１３ａ、１３ｂ）の電圧を制御する。電流Ｉ１が設定電流ＩＦより低い場合には昇圧コンバータとして動作し、設定電流ＩＦと等しくなるように電流Ｉ１を制御する。逆に、電流Ｉ１が設定電流ＩＦより高い場合には降圧コンバータとして動作し、設定電流ＩＦと等しくなるように電流Ｉ１を制御する。したがって、昇降圧制御部１３で制御された電圧ＶＦが定電流パルス駆動部１４へ出力される。
【００１９】
定電流パルス駆動部１４は、発光素子２０の予め設定された定格電流値ＩＦと、後述するパルス駆動における予め設定された発光素子２０が破壊しない範囲で流し得る絶対最大定格電流値Ｉｍａｘとの間で、絶対最大定格電流値Ｉｍａｘを超えないでより絶対最大定格電流値に近い値としてのピーク電流値Ｉｐで駆動される駆動パルスを充放電制御部１５に出力する。充放電制御部１５はピーク電流値Ｉｐを最大振幅とする発光周期波形Ｗ１による電流を発光素子２０に印加する。これにより、消費電力を抑えつつ、高効率で発光素子２０を連続的に安定した状態で発光駆動させることができる。
【００２０】
前記定格電圧値ＶＦを基準としたピーク電流値Ｉｐは、ＩＦ＜Ｉｐ＜Ｉｍａｘの関係を維持していれば良いが、最大限の効果を引き出すためには、安全性を考慮して Ｉｐ＝ｋ×Ｉｍａｘ 但し、ｋ＝０．９として予め設定されている。 勿論、係数ｋは状況に応じて ０＜ｋ＜１の範囲を取り得るが、好ましくは、０．５＜ｋ＜１、更に好ましくは、０．７＜ｋ＜１の範囲を設定すると良い。この結果から実際に発光素子２０を高効率で駆動させるためのピーク電流値Ｉｐを設定する。なお、係数ｋは、駆動制御部１０の外部端子に接続される可変抵抗、トリマー或いはディップスイッチなどの調整デバイス（図示せず）によって外部から設定することも可能である。
【００２１】
また、上記したように既定値として予めピーク電流値Ｉｐを設定する以外の手段として、ＣＰＵのメモリ内に定格電流値参照テーブル（ＶＦ−ＩＦテーブル）や絶対最大定格電流値参照テーブル（ＩＦ−Ｉｍａｘテーブル）を記憶させておき、これらの参照テーブルを基にしたプログラム処理によって算出させることもできる。前記ＶＦ−ＩＦテーブルには、定格電圧値ＶＦ、定格電流値ＩＦが設定され、ＩＦ−Ｉｍａｘテーブルには、前記定格電流値ＩＦ、絶対最大定格電流値Ｉｍａｘが設定される。
【００２２】
ここで、定格電流値ＩＦとは、前記発光素子２０を安定した状態で一定の明るさに発光させることが可能な電流値であり、定格電圧値ＶＦは、そのときに発光素子２０にかかる電圧値である。また、絶対最大定格電流値Ｉｍａｘとは、発光素子２０の動作を一定の条件の下で保証し得る最大許容値であり、この値を超えれば素子の破壊につながる恐れがあるため、短時間であっても越えないように規定した値である。そしてこの絶対最大定格電流値Ｉｍａｘは本発明の後述する第１駆動パルス及び第２駆動パルスにおける駆動条件において保証し得る最大許容値であり、前述したＡ社などのＬＥＤチップメーカの仕様書などに規定された絶対最大定格電流値とは異なり、数倍の値を取り得る。
したがって、本発明におけるピーク電流値Ｉｐとは、使用する発光素子２０の第１及び第２駆動パルスにおける駆動条件下において予め求められた絶対最大定格電流値Ｉｍａｘに安全率としての係数ｋを加味して決定された値である。
【００２３】
続いて、図３に示すように、前記発光素子２０をパルス駆動させるための方形状の発光周期信号（第１駆動パルス）Ｐ１を生成する。この第１駆動パルスＰ１は、定電流パルス駆動部１４の第１ドライブ回路２３によってパルス幅変調された連続した第１のオン／オフ周期Ｔ１からなっており、電流が流れる期間（オン期間）と電流が流れない期間（オフ期間）を連続して繰り返す。第１のオン／オフ周期Ｔ１は、一例として、約２００Ｈｚ、デューティ比はオン期間が１（１０％）に対してオフ期間が９（９０％）となるように設定される。前記第１のオン／オフ周期Ｔ１は、発光素子２０の駆動能力に応じて適宜設定される。
【００２４】
前記第１駆動パルスＰ１は、第１のオン期間の中で高速にスイッチングさせることで、さらに電流が流れる期間を細かく断続させた第２のオン／オフ周期Ｔ２からなる方形状の発光駆動信号（第２駆動パルス）Ｐ２が生成される。第２のオン／オフ周期Ｔ２は、前述したＴ１の条件の下では、一例として、約３００ｋＨｚ、デューティ比は第１駆動パルスＰ１と同様にオン期間が１に対してオフ期間が９となるように設定される。この第２駆動パルスＰ２は、前記第１駆動パルスＰ１と同様に発光素子２０の種類や数等の駆動能力に応じて設定されたピーク電流値Ｉｐによる振幅幅で制御されて出力される。また、図３，図４に示すように、前記第２駆動パルスＰ２は、ＲＣ積分回路２７を通すことによって、第２のオン／オフ周期Ｔ２で充放電を繰り返す三角波状の発光駆動波形Ｗ２となる。さらに、この発光駆動波形Ｗ２によるパルスから第１のオン／オフ周期Ｔ１で充放電を繰り返す三角波状の発光周期波形Ｗ１による電流が出力される。このように、ピーク電流値Ｉｐを最大振幅幅とする発光周期波形Ｗ１による電流を発光素子２０に印加することによって、消費電力を抑えつつ、高効率で発光素子２０を連続的に安定した状態で発光駆動させることができる。
【００２５】
本発明の駆動制御部１０は、定電流パルス駆動部１４によって、前記ピーク電流値ＩｐがＩＦ＜Ｉｐ＜Ｉｍａｘの関係を満たす範囲内に制御され、このピーク電流値Ｉｐを所定のデューティ比でスイッチングさせるように構成されている。
【００２６】
前記定電流パルス駆動部１４は、図２に示したように、定電流制御部２１と、第１のスイッチング素子Ｑ１と、第２のスイッチング素子Ｑ２とを備えている。定電流制御部２１は、設定された電流値ＩＦの電圧換算値Ｖ１を監視して、発光素子２０に流れる電流ＩＦを一定に保つように第１ドライブ回路２３及び第２ドライブ回路２４へ出力されるピーク電流値Ｉｐを制御する機能を備える。第１のスイッチング素子Ｑ１は、第１のオン／オフ周期Ｔ１からなる第１駆動パルスＰ１を生成するためのもので、前記昇降圧コンバータによって増減された電流信号を第１のドライブ回路２３を介して所定のタイミングでスイッチングさせることで、オン期間とオフ期間の比率（デューティ）を設定する。前記第１のオン／オフ周期Ｔ１は、２００Ｈｚ程度となるように制御される。また、デューティは、前記発光素子２０が有する定格輝度となるように制御されるが、オン期間を５０％程度又はそれ以下となるように設定することで、発熱量や消費電力を低減させることができる。本実施形態では、オン期間を１（１０％）、オフ期間を９（９０％）となるようにデューティ比を設定した。
【００２７】
第２のスイッチング素子Ｑ２は、第２のオン／オフ周期Ｔ２からなる第２駆動パルスＰ２を生成するためのもので、前記第１のスイッチング素子Ｑ１がオンしている間で動作可能となっている。このスイッチングによって、第２のオン／オフ周期Ｔ２は３００ｋＨｚで、デューティ比はオン期間が１（１０％）、オフ期間が９（９０％）となるように制御される。
【００２８】
前記駆動制御部１０は、前記発光素子２０側の電極端子１１に接続される出力側にセラミックコンデンサからなるキャパシタンスＣ１、抵抗Ｒ１、ダイオードＤ１を含む充放電制御部１５が設けられている。この充放電制御部１５では、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第２のスイッチング素子Ｑ２がオンする度に発光素子２０に流れる電流が抵抗１を通してセラミックコンデンサＣ１にも充電される。そして、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第２のスイッチング素子Ｑ２がオフになっている間にコンデンサＣ１に充電された電荷が放電して発光素子２０に電流が流れる。これによって、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第２のスイッチング素子Ｑ２のスイッチングによるそれぞれのオン期間だけでなくオフ期間においても発光素子２０には電流を一定量供給し続けることができる。このため、駆動電流は間欠的な方形波状のパルスでありながら発光素子２０には一定の電流が連続して流れるため、発光輝度を一定に維持することができるとともに、消費電力を低減させることが可能となる。なお、コイルＬ１とダイオードＤ２は、第２のスイッチング素子Ｑ２がオンすることによってＬＥＤ２０に流れるピーク電流値Ｉｐを平滑化するために設けられる。ダイオードＤ２は、バックコンバータとして設けられており、第２のスイッチング素子Ｑ２がオフの期間、発光素子２０に流れた電流をＩ１に回生させる機能をもっている。
【００２９】
さらに、前記コイルＬ１とセラミックコンデンサＣ１は共振周波数ｆとして関連づけられた下記の数式１において規定される。
【数１】
したがって、容量の小さいセラミックコンデンサＣ１を使っても、コイルＬ１との関連において式（１）で規定された関係を維持することによって直列共振周波数では電流を最大とすることができ、発光周期波形Ｗ１および発光駆動波形Ｗ２への影響を与えず安定してピーク電流Ｉｐを負荷に対して印加することができる。
【００３０】
負荷電流検出部１６は、図２に示したように、電流検出素子Ｒ２、ＲＣ積分回路２７、差動増幅器２８を備える。電流検出素子Ｒ２は、高精度のシャント抵抗が用いられ、前記第２のスイッチング素子Ｑ２のスイッチングによって発光素子２０を流れる電流を検出する。ＲＣ積分回路２７では、前記電流検出素子Ｒ２によって検出された検出電流を第２のスイッチング素子Ｑ２のオン／オフ周期によって積分する。差動増幅器２８は、前記ＲＣ積分回路２７によって積分された信号と基準電圧源３２との差分をとって増幅した検出電圧Ｖ１を出力する。この検出電圧Ｖ１は定電流制御部２１に送られる。
【００３１】
次に、上記負荷体駆動制御装置１の駆動操作手順を図２乃至図５に基づいて説明する。駆動制御部１０の出力端子１１間に発光素子２０を接続した状態で、外部電力供給源１００からの直流電圧Ｖ０を前記駆動制御部１０の入力端に接続して、負荷体駆動制御装置１を立ち上げてオンにする。この外部電力供給源１０のオンによって、定電流パルス駆動部１４内の定電流制御部２１から出力されるピーク電流値Ｉｐ信号により第１のドライブ回路２３を通して第１スイッチング素子Ｑ１がオン／オフする。この第１スイッチング素子Ｑ１のオン／オフにより、第２のドライブ回路２４を通して第２スイッチング回路Ｑ２を高速でオン／オフする。第２スイッチング回路Ｑ２を通過した積分されたパルス電流Ｉｐは、負荷電流検出部１６の抵抗Ｒ２を通過して回路中の符号１６ａに発生した電圧をＲＣ積分回路２７で積分した後の電圧Ｖｒｃと、基準電圧源３２に基づく電圧Ｖｒｅｆとを差動増幅器２８で比較して電圧Ｖｒｃが電圧Ｖｒｅｆとなるように制御された出力電圧Ｖ１を差動増幅器２８から定電流制御部２１へ出力する。前記ピーク電流値Ｉｐが前述したような関係式ＩＦ＜Ｉｐ＜Ｉｍａｘを満たす範囲の中で、特にＩｍａｘに近い状態を維持させることで、明るさを最大限に高めつつ、安定した状態で発光させることが可能となる。
【００３２】
このスイッチングによって、前記発光素子２０の発光周期を決める第１駆動パルスＰ１の中でさらに高速にスイッチングされた第２駆動パルスＰ２によって生成された発光駆動波形Ｗ２による電流が印加されることになる。この発光駆動波形Ｗ２は、オン期間とオフ期間を周期的に繰り返す方形パルス波を基にしてＲＣ積分された三角波であるため、全体的な消費電力や発熱を抑えつつ、発光輝度を高いレベルで維持した状態でＬＥＤを連続駆動させることが可能となる。
【００３３】
また、前記発光素子２０は、外部からの制御信号によって、定電流パルス駆動部１４内の第１のスイッチング素子Ｑ１及び第２のスイッチング素子Ｑ２がオンする幅（デューティ）を制御したり、充放電制御部１５内のキャパシタンス容量などを調整したりすることによって、発光量や発光輝度等の調整が可能である。
【００３４】
また、一例として、本発明の負荷として発光素子を用いた負荷駆動制御装置を口金付きＬＥＤ電球に応用する場合には、駆動制御部１０の入力端を口金に接続し、この負荷駆動制御装置１全体を透明或いは半透明のキャップを含むケースで全体を覆うことによって、容易にＬＥＤ電球を得ることができる。
【００３５】
以上、説明したように、本発明の負荷駆動制御装置によれば、負荷として接続された発光素子の特性や個数に応じた定電流を前記発光素子に対して連続的に供給するのではなく、ピーク電流値Ｉｐのオン／オフが変化するパルス信号を高速にスイッチングし、パルスのオン期間で充電してオフ期間で放電させるためのコンデンサをコイルＬ１との関係において規定して設けたセラミックコンデンサＣ１とすることで発光素子を発光制御する。このため、回路全体の寿命を従来の電解コンデンサに比べ大幅に向上させることが可能となり、さらにコンデンサＣ１に生じるサージやパルスの異常電圧などによる絶縁破壊が起きにくくなり、また静電容量が小さくなったことによる負荷ＬＥＤの定格電圧ＶＦまでの立ち上がり時間が早くなるなどの効果を奏するものである。
【符号の説明】
【００３６】
１ 負荷駆動制御装置
１０ 駆動制御部
１１ 出力端
１２ 入力端
１３ 昇降圧制御部
１４ 定電流パルス駆動部
１５ 充放電制御部
１６ 負荷電流検出部
２０ 負荷
２１ 定電流制御部
２３ 第１ドライブ回路
２４ 第２ドライブ回路
２７ ＲＣ積分回路
２８ 差動増幅器
３２ 基準電圧源
１００ 外部電力供給源
１０１ 外部整流器
Ｑ１ 第１のスイッチング素子
Ｑ２ 第２のスイッチング素子
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ 電流検出素子
Ｃ１ セラミックコンデンサ（キャパシタンス）
Ｌ１ コイル（インダクタンス）
Ｄ１,Ｄ２ ダイオード
Ｐ１ 第１駆動パルス
Ｐ２ 第２駆動パルス
Ｔ１ 第１のオン／オフ周期
Ｔ２ 第２のオン／オフ周期
Ｗ１ 発光周期波形
Ｗ２ 発光駆動波形
Ｖ１ 検出電圧
ＶＦ 定格電圧値
Ｉ１ 検出電流
ＩＦ 定格電流値
Ｉｐ ピーク電流値
Ｉmax 絶対最大定格電流値
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、モータ、アクチュエータなどの負荷を一定周期のパルス信号によって駆動制御するための負荷駆動制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、負荷の一例としての発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた照明装置が多く利用されつつある。例えば、電球、蛍光灯、ダウンライト、投光器、広告灯器、ディスプレイ照明装置、自動車の車内灯や前照灯、などなど従来の白熱灯、水銀灯、メタルハライドランプなどと比べ、低消費電力、長寿命、低発熱、などの性能からその代替需要を含む新需要が急速に進んでいる。このようなＬＥＤの光量調整を行う最も簡単な方法は、ＬＥＤに流す電流値を調整することである。しかしながら、ＬＥＤの発光特性は、流れる電流量に応じて波長が変化することによって、可視色が変化して見えるといった問題が生じる。このような問題を改善するため、光量調整制御には一般にPulse Width Modulation（ＰＷＭ）方式が用いられている（特許文献１，２）。
【０００３】
また、特許文献３には、ＬＥＤが接続されている光源負荷部におけるピーク電流を検出することで、低電圧時における過電流防止を目的とした装置が開示されている。
【０００４】
図５は、従来のＰＷＭ方式を用いたＬＥＤ点灯回路の基本的な回路構成を示したものである。このＬＥＤ点灯回路は、電流制限抵抗Ｒ０、半導体スイッチＱ０、ＰＷＭ制御回路とを備えた構成になっている。前記電流制限抵抗Ｒ０は、ＬＥＤに流れる電流を制限する抵抗であり、ＬＥＤに対して直列に接続されている。この直列回路の一方は、電源ラインＶｃｃに接続され、他方は半導体スイッチＱ０を介してグランド（ＧＮＤ）に接続されている。ＰＷＭ制御回路は、半導体スイッチＱ０のゲートにＰＷＭ方式で変調されたパルス信号を供給し、半導体スイッチＱ０をオン／オフさせる機能を備えたものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２１０８３５号公報
【特許文献２】特開２００７−４９９５号公報
【特許文献３】特開２００４−２２７９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記図５に示した点灯回路でＬＥＤを長時間点灯させた場合に、ＬＥＤで消費される電力によって、ＬＥＤ自体が発熱する。この発熱に伴って温度が上昇し、定格電圧値ＶＦが低下する現象が発生する。前記点灯回路がこのような状況に置かれると、電源は定電圧制御されているため、ＶＦの低下に伴って、電流制限抵抗Ｒ０の両端電圧及び回路電流が上昇し、ＬＥＤの発光輝度が変動するといった問題がある。また、半導体スイッチＱ０の発熱によってもＯＮ抵抗が変化し、その結果、ＬＥＤの温度上昇と同様の問題が生じる。さらに、供給電圧に変動が生じた場合も、そのまま電流値の変動となり、ＬＥＤの発光輝度が変動する要因となる場合がある。特に、半導体であるＬＥＤのＶＦは、ロットのバラツキ等によって、差が大きくなるので、負荷側に複数個のＬＥＤを接続した場合に一定の発光輝度を維持した状態で連続発光させるのは容易ではない。
【０００７】
また、発光素子を一定周期のオン／オフによるパルスで駆動することは一般に行なわれているが、前記一定周期のオン／オフによるオン期間のパルスの中でさらに細かくパルス駆動させ、さらにこのパルス駆動を発光素子の駆動能力の限界値に近いピーク電流値の近傍を維持しつつ制御することは行なわれていなかった。
【０００８】
そこで、本出願人は、先に特願２００９−０７２１６３として、発光素子が接続される光源負荷部と、この光源負荷部に供給される電流によって前記発光素子の定格電圧値を検出する負荷容量検出部と、この負荷容量検出部で検出された定格電圧値に基づいて前記発光素子を定常駆動させるための定格電流値及びこの定格電流値から前記発光素子に流し得るピーク電流値を算出する信号処理制御部と、前記ピーク電流値に基づいてパルス幅変調した第１のオン／オフ周期による方形状の第１駆動パルスを生成するとともに、前記第１のオン／オフ周期のオン期間の中でさらにスイッチングさせた第２のオン／オフ周期による方形状の第２駆動パルスを生成する定電流パルス駆動部とを備え、さらに前記定電流パルス駆動部は前記光源負荷部が接続される出力側にキャパシタンス及びインダクタンスからなる充放電回路を備え、パルスの最大振幅が前記ピーク電流値となるように駆動される第１駆動パルス及び第２駆動パルスのオン期間で充電してオフ期間で放電させることによって、前記光源負荷側に前記充放電によるパルス信号で駆動された電流を印加することを特徴とする光源駆動装置を提案したところである。
【０００９】
上記提案された光源駆動装置によれば、定格電圧値や定格電流値が分かっていない発光素子が負荷容量検出部に接続されていても、発光素子へ段階的に微小電流を流すことによって、予めＣＰＵ内に格納されているテーブルを参照することで瞬時に接続された発光素子の定格電圧値を検出でき、さらに、検出した定格電圧値から格納テーブルを参照してピーク電流値を算出できるようになっている。そして、算出したピーク電流値に基づいて第１及び第２駆動パルスを生成し、ピーク電流値で制御された第２駆動パルスを連続的に発光素子に印加し、発光素子の駆動能力を一定レベルに維持した状態で、発熱量及び消費電力を低減化させることが可能となる。
【００１０】
たしかに、上記光源装置においては、接続される発光素子の定格電圧などの電気特性が未知であったとしても、予めＣＰＵ内に格納されているテーブルを参照することで自動的に検出して駆動することができるため、電気特性の異なる種々の発光素子を対象とすることが可能である。
しかしながら、例えば、電球、ダウンライト、投光器、街路灯、防犯灯、庭園灯、防犯灯、誘導灯、非常灯、スタンドなど特定された発光素子を使用する製品を対象とした場合には、予め使用される発光素子の定格電圧値などは既知であるため、定格電圧値の検出やこの検出された定格電圧値からピーク電流値をテーブル等を参照して算出する回路構成などは不要となるため、装置の大型化やコストＵＰを招くことがあった。
【００１１】
そこで、本出願人らは、上記課題を解消し、さらに、外部電力供給源から供給される電源電圧が商用電源（交流１００Ｖ，２００Ｖ）、直流電源、乾電池などであっても使用可能な負荷駆動制御装置を特願２００９―２１２６１４として提案した。この提案した負荷駆動制御装置は、負荷に接続して電流を印加する出力端と、外部電力供給源からの直流電圧を入力する入力端とを備えた駆動制御部とを備え、前記駆動制御部は、更に入力端で入力された直流電圧を前記負荷の定格電圧値に変換する昇降圧制御部と、前記負荷の定格電流値を超え絶対最大定格電流値を超えない範囲で前記負荷に流し得る予め設定されたピーク電流値に基づいてパルス幅変調することで、前記負荷のオン期間を規定した第１のオン／オフ周期による方形状の第１駆動パルスを生成するとともに、この第１駆動パルスのオン期間の中でさらにスイッチングさせることで、パルスの最大振幅が前記ピーク電流値となるように第２駆動パルスを生成する定電流パルス駆動部とを備え、更に前記定電流パルス駆動部と前記負荷の間にキャパシタンス、抵抗及びダイオードを有する充放電制御部を備えるとともに、前記定電流パルス駆動部と前記充放電制御部間に前記ピーク電流値の平滑用コイルを備え、パルスの最大振幅が前記ピーク電流値となるよう駆動される第１駆動パルス及び第２駆動パルスのオン期間で充電してオフ期間で放電させることによって、前記充放電によるパルス信号で駆動された電流を前記負荷に印加することを特徴とするものである。
【００１２】
たしかに、上記負荷駆動装置は電球、ダウンライト、投光器など特定された負荷（ＬＥＤ）を使用する製品を対象とした場合においては、定格電圧値の検出やこの検出された定格電圧値からピーク電流値を設定するためにテーブル等を参照して算出することは不要となり、装置の小型化やコスト削減が可能となった。
しかしながら、上記充放電制御部のキャパシタンス（コンデンサ）として、静電容量が大きく、比較的安価な電解コンデンサを用いた場合、負荷駆動装置回路全体の寿命をこの電解コンデンサで律束（制限）してしまうことがあった。そうかといって、電解コンデンサに比べ寿命の長いセラミックコンデンサを単純に代用すると、静電容量体積比は高々電解コンデンサの半分しかなく、充分な充電を確保し、同時に耐電圧も確保することには問題が生じてしまうことがあった。
【００１３】
そこで、本出願人は、上述した特願２００９−２１２６１４のもとで、電解コンデンサに比べて寿命のあるセラミックコンデンサが何とか使用できないものかと研究を重ねた結果、インダクタンス（コイル）と関連することに着目し、セラミックコンデンサの容量不足をインダクタンス（コイル）で補うことで上記課題を解決した。
すなわち、上記課題を解決するために、本発明の負荷駆動制御装置は、負荷に接続して電流を印加する出力端と、外部電源供給源からの直流電圧を入力する入力端とを有する駆動制御部を備え、前記駆動制御部は、前記入力端で入力された直流電圧を前記負荷の定格電圧値に変換する昇降圧制御部と、前記負荷の定格電流値を超え絶対最大定格電流値を超えない範囲で前記負荷に流し得る予め設定されたピーク電流値に基づいてパルス幅変調することで、前記負荷のオン期間を規定した第１のオン/オフ周期による方形状の第１駆動パルスを生成するとともに、この第１駆動パルスのオン期間の中でさらにスイッチングさせることで、パルスの最大振幅が前記ピーク電流値となるように第２駆動パルスを生成する定電流パルス駆動部と、更に前記定電流パルス駆動部と前記負荷の間にキャパシタンス、抵抗及びダイオードを有する充放電制御部を備えるとともに、前記定電流パルス駆動部と前記充放電制御部間に前記ピーク電流値の平滑用コイルを備え、パルスの最大振幅が前記ピーク電流値となるよう駆動される第１駆動パルス及び第２駆動パルスのオン期間で充電してオフ期間で放電させることによって、前記充放電によるパルス信号で駆動された電流を前記負荷に印加する負荷駆動装置において、前記充放電制御部のキャパシタンスをセラミックコンデンサとし、このセラミックコンデンサの静電容量を前記コイルとの関係において規定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の負荷駆動制御装置によれば、予め既知の負荷を用いるため、充放電制御部のキャパシタンス（コンデンサ）を、インダクタンス（コイル）との関係においてその負荷に対応した静電容量を確保し得るセラミックコンデンサに設定できるため、負荷駆動制御装置全体の電気的寿命が大幅に向上し、さらに、このセラミックコンデンサの静電容量が小さくなったことにより、負荷点灯時の充電時間が短くなるため、ＬＥＤの点灯時の立ち上がり時間が早くなるといった効果も得られる。また、ＬＥＤ点灯時に生じるセラミックコンデンサへのサージなどによる突入直流電圧での絶縁破壊も緩和されるといった効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る負荷駆動制御装置の概略ブロック図である。
【図２】上記負荷駆動制御装置の回路図である。
【図３】上記負荷駆動制御装置の駆動タイミングである。
【図４】上記駆動タイミングに基づく各部のタイミングチャートである。
【図５】従来のＬＥＤ駆動制御装置の基本構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る負荷駆動制御装置の一形態として、添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、負荷がモータ、電磁弁コイル、アクチュエータ等の発光素子以外の場合であっても、この実施形態と同様にして負荷駆動制御装置が構成される。図１は本発明の負荷駆動制御装置１の概要構成を示したブロック図であり、図２は負荷駆動制御装置１の詳細を示した回路図、図３は駆動タイミング図であり、図４はタイミングチャートである。図１に示すように、本発明の負荷駆動制御装置１は、定格電圧値、定格電流値などの電気的特性が既知である負荷２０を含む。以下、負荷２０として、発光素子（ＬＥＤ）を例にとり説明する。また、負荷駆動制御装置１は、発光素子２０に接続して発光素子２０に電流を印加するための出力端１１と、外部電力供給源１００からの直流電圧Ｖ０を入力する入力端１２とを有する駆動制御部１０を備えている。発光素子２０は、１Ｗ，２Ｗ，３Ｗ，４Ｗ，５Ｗ、・・・などその用途に応じて種類、数量などが適宜選択されて組み込まれる。例えば、白熱電球３０Ｗ相当用であれば、４Ｗ前後の発光素子が１個、或いは１Ｗの発光素子が４個から５個選択されて直列接続される。図１では、発光素子２０として、４ＷのＬＥＤ１個が選択された例を示している。発光素子メーカーＡ社製の仕様書等から発光素子２０が４Ｗでは、定格電圧値ＶＦは９．３Ｖ、定格電流値ＩＦは０．４８Ａと容易に分かる。また、発光素子はＡ社製以外に、Ｂ社製、Ｃ社製を選択しても、それぞれの仕様書等から選択したＬＥＤの定格電圧値、定格電流値が予め分かる。
【００１７】
一方、外部電力供給源１００は、製品の用途に応じて商用交流電圧（１００Ｖ系、２００Ｖ系）、直流電圧（３Ｖ〜４８Ｖ系など）及び乾電池（１．５Ｖ〜３Ｖ系など）から選択された電源が使用されることになる。商用交流電圧が使用される場合には、ＬＥＤが直流駆動で動作されるため、外部電力供給源１００側に設けられた一般的な整流回路１０１を介して交流から直流に変換されて、駆動制御部１０の入力端１２に供給されることになる。なお、直流電圧電源および乾電池電源が使用される場合には、そのまま直流電圧Ｖ０が入力端１２に入力される。
【００１８】
駆動制御部１０は、昇降圧制御部１３、定電流パルス駆動部１４，充放電制御部１５とを備えている。昇降圧制御部１３は、回路及び発光素子２０に流れる電流Ｉ１が、設定電流ＩＦになるように、昇降圧制御部１３の両端（１３ａ、１３ｂ）の電圧を制御する。電流Ｉ１が設定電流ＩＦより低い場合には昇圧コンバータとして動作し、設定電流ＩＦと等しくなるように電流Ｉ１を制御する。逆に、電流Ｉ１が設定電流ＩＦより高い場合には降圧コンバータとして動作し、設定電流ＩＦと等しくなるように電流Ｉ１を制御する。したがって、昇降圧制御部１３で制御された電圧ＶＦが定電流パルス駆動部１４へ出力される。
【００１９】
定電流パルス駆動部１４は、発光素子２０の予め設定された定格電流値ＩＦと、後述するパルス駆動における予め設定された発光素子２０が破壊しない範囲で流し得る絶対最大定格電流値Ｉｍａｘとの間で、絶対最大定格電流値Ｉｍａｘを超えないでより絶対最大定格電流値に近い値としてのピーク電流値Ｉｐで駆動される駆動パルスを充放電制御部１５に出力する。充放電制御部１５はピーク電流値Ｉｐを最大振幅とする発光周期波形Ｗ１による電流を発光素子２０に印加する。これにより、消費電力を抑えつつ、高効率で発光素子２０を連続的に安定した状態で発光駆動させることができる。
【００２０】
前記定格電圧値ＶＦを基準としたピーク電流値Ｉｐは、ＩＦ＜Ｉｐ＜Ｉｍａｘの関係を維持していれば良いが、最大限の効果を引き出すためには、安全性を考慮して Ｉｐ＝ｋ×Ｉｍａｘ 但し、ｋ＝０．９として予め設定されている。 勿論、係数ｋは状況に応じて ０＜ｋ＜１の範囲を取り得るが、好ましくは、０．５＜ｋ＜１、更に好ましくは、０．７＜ｋ＜１の範囲を設定すると良い。この結果から実際に発光素子２０を高効率で駆動させるためのピーク電流値Ｉｐを設定する。なお、係数ｋは、駆動制御部１０の外部端子に接続される可変抵抗、トリマー或いはディップスイッチなどの調整デバイス（図示せず）によって外部から設定することも可能である。
【００２１】
また、上記したように既定値として予めピーク電流値Ｉｐを設定する以外の手段として、ＣＰＵのメモリ内に定格電流値参照テーブル（ＶＦ−ＩＦテーブル）や絶対最大定格電流値参照テーブル（ＩＦ−Ｉｍａｘテーブル）を記憶させておき、これらの参照テーブルを基にしたプログラム処理によって算出させることもできる。前記ＶＦ−ＩＦテーブルには、定格電圧値ＶＦ、定格電流値ＩＦが設定され、ＩＦ−Ｉｍａｘテーブルには、前記定格電流値ＩＦ、絶対最大定格電流値Ｉｍａｘが設定される。
【００２２】
ここで、定格電流値ＩＦとは、前記発光素子２０を安定した状態で一定の明るさに発光させることが可能な電流値であり、定格電圧値ＶＦは、そのときに発光素子２０にかかる電圧値である。また、絶対最大定格電流値Ｉｍａｘとは、発光素子２０の動作を一定の条件の下で保証し得る最大許容値であり、この値を超えれば素子の破壊につながる恐れがあるため、短時間であっても越えないように規定した値である。そしてこの絶対最大定格電流値Ｉｍａｘは本発明の後述する第１駆動パルス及び第２駆動パルスにおける駆動条件において保証し得る最大許容値であり、前述したＡ社などのＬＥＤチップメーカの仕様書などに規定された絶対最大定格電流値とは異なり、数倍の値を取り得る。
したがって、本発明におけるピーク電流値Ｉｐとは、使用する発光素子２０の第１及び第２駆動パルスにおける駆動条件下において予め求められた絶対最大定格電流値Ｉｍａｘに安全率としての係数ｋを加味して決定された値である。
【００２３】
続いて、図３に示すように、前記発光素子２０をパルス駆動させるための方形状の発光周期信号（第１駆動パルス）Ｐ１を生成する。この第１駆動パルスＰ１は、定電流パルス駆動部１４の第１ドライブ回路２３によってパルス幅変調された連続した第１のオン／オフ周期Ｔ１からなっており、電流が流れる期間（オン期間）と電流が流れない期間（オフ期間）を連続して繰り返す。第１のオン／オフ周期Ｔ１は、一例として、約２００Ｈｚ、デューティ比はオン期間が１（１０％）に対してオフ期間が９（９０％）となるように設定される。前記第１のオン／オフ周期Ｔ１は、発光素子２０の駆動能力に応じて適宜設定される。
【００２４】
前記第１駆動パルスＰ１は、第１のオン期間の中で高速にスイッチングさせることで、さらに電流が流れる期間を細かく断続させた第２のオン／オフ周期Ｔ２からなる方形状の発光駆動信号（第２駆動パルス）Ｐ２が生成される。第２のオン／オフ周期Ｔ２は、前述したＴ１の条件の下では、一例として、約３００ｋＨｚ、デューティ比は第１駆動パルスＰ１と同様にオン期間が１に対してオフ期間が９となるように設定される。この第２駆動パルスＰ２は、前記第１駆動パルスＰ１と同様に発光素子２０の種類や数等の駆動能力に応じて設定されたピーク電流値Ｉｐによる振幅幅で制御されて出力される。また、図３，図４に示すように、前記第２駆動パルスＰ２は、ＲＣ積分回路２７を通すことによって、第２のオン／オフ周期Ｔ２で充放電を繰り返す三角波状の発光駆動波形Ｗ２となる。さらに、この発光駆動波形Ｗ２によるパルスから第１のオン／オフ周期Ｔ１で充放電を繰り返す三角波状の発光周期波形Ｗ１による電流が出力される。このように、ピーク電流値Ｉｐを最大振幅幅とする発光周期波形Ｗ１による電流を発光素子２０に印加することによって、消費電力を抑えつつ、高効率で発光素子２０を連続的に安定した状態で発光駆動させることができる。
【００２５】
本発明の駆動制御部１０は、定電流パルス駆動部１４によって、前記ピーク電流値ＩｐがＩＦ＜Ｉｐ＜Ｉｍａｘの関係を満たす範囲内に制御され、このピーク電流値Ｉｐを所定のデューティ比でスイッチングさせるように構成されている。
【００２６】
前記定電流パルス駆動部１４は、図２に示したように、定電流制御部２１と、第１のスイッチング素子Ｑ１と、第２のスイッチング素子Ｑ２とを備えている。定電流制御部２１は、設定された電流値ＩＦの電圧換算値Ｖ１を監視して、発光素子２０に流れる電流ＩＦを一定に保つように第１ドライブ回路２３及び第２ドライブ回路２４へ出力されるピーク電流値Ｉｐを制御する機能を備える。第１のスイッチング素子Ｑ１は、第１のオン／オフ周期Ｔ１からなる第１駆動パルスＰ１を生成するためのもので、前記昇降圧コンバータによって増減された電流信号を第１のドライブ回路２３を介して所定のタイミングでスイッチングさせることで、オン期間とオフ期間の比率（デューティ）を設定する。前記第１のオン／オフ周期Ｔ１は、２００Ｈｚ程度となるように制御される。また、デューティは、前記発光素子２０が有する定格輝度となるように制御されるが、オン期間を５０％程度又はそれ以下となるように設定することで、発熱量や消費電力を低減させることができる。本実施形態では、オン期間を１（１０％）、オフ期間を９（９０％）となるようにデューティ比を設定した。
【００２７】
第２のスイッチング素子Ｑ２は、第２のオン／オフ周期Ｔ２からなる第２駆動パルスＰ２を生成するためのもので、前記第１のスイッチング素子Ｑ１がオンしている間で動作可能となっている。このスイッチングによって、第２のオン／オフ周期Ｔ２は３００ｋＨｚで、デューティ比はオン期間が１（１０％）、オフ期間が９（９０％）となるように制御される。
【００２８】
前記駆動制御部１０は、前記発光素子２０側の電極端子１１に接続される出力側にセラミックコンデンサからなるキャパシタンスＣ１、抵抗Ｒ１、ダイオードＤ１を含む充放電制御部１５が設けられている。この充放電制御部１５では、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第２のスイッチング素子Ｑ２がオンする度に発光素子２０に流れる電流が抵抗１を通してセラミックコンデンサＣ１にも充電される。そして、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第２のスイッチング素子Ｑ２がオフになっている間にコンデンサＣ１に充電された電荷が放電して発光素子２０に電流が流れる。これによって、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第２のスイッチング素子Ｑ２のスイッチングによるそれぞれのオン期間だけでなくオフ期間においても発光素子２０には電流を一定量供給し続けることができる。このため、駆動電流は間欠的な方形波状のパルスでありながら発光素子２０には一定の電流が連続して流れるため、発光輝度を一定に維持することができるとともに、消費電力を低減させることが可能となる。なお、コイルＬ１とダイオードＤ２は、第２のスイッチング素子Ｑ２がオンすることによってＬＥＤ２０に流れるピーク電流値Ｉｐを平滑化するために設けられる。ダイオードＤ２は、バックコンバータとして設けられており、第２のスイッチング素子Ｑ２がオフの期間、発光素子２０に流れた電流をＩ１に回生させる機能をもっている。
【００２９】
さらに、前記コイルＬ１とセラミックコンデンサＣ１は共振周波数ｆとして関連づけられた下記の数式１において規定される。
【数１】
したがって、容量の小さいセラミックコンデンサＣ１を使っても、コイルＬ１との関連において式（１）で規定された関係を維持することによって直列共振周波数では電流を最大とすることができ、発光周期波形Ｗ１および発光駆動波形Ｗ２への影響を与えず安定してピーク電流Ｉｐを負荷に対して印加することができる。
【００３０】
負荷電流検出部１６は、図２に示したように、電流検出素子Ｒ２、ＲＣ積分回路２７、差動増幅器２８を備える。電流検出素子Ｒ２は、高精度のシャント抵抗が用いられ、前記第２のスイッチング素子Ｑ２のスイッチングによって発光素子２０を流れる電流を検出する。ＲＣ積分回路２７では、前記電流検出素子Ｒ２によって検出された検出電流を第２のスイッチング素子Ｑ２のオン／オフ周期によって積分する。差動増幅器２８は、前記ＲＣ積分回路２７によって積分された信号と基準電圧源３２との差分をとって増幅した検出電圧Ｖ１を出力する。この検出電圧Ｖ１は定電流制御部２１に送られる。
【００３１】
次に、上記負荷体駆動制御装置１の駆動操作手順を図２乃至図５に基づいて説明する。駆動制御部１０の出力端子１１間に発光素子２０を接続した状態で、外部電力供給源１００からの直流電圧Ｖ０を前記駆動制御部１０の入力端に接続して、負荷体駆動制御装置１を立ち上げてオンにする。この外部電力供給源１０のオンによって、定電流パルス駆動部１４内の定電流制御部２１から出力されるピーク電流値Ｉｐ信号により第１のドライブ回路２３を通して第１スイッチング素子Ｑ１がオン／オフする。この第１スイッチング素子Ｑ１のオン／オフにより、第２のドライブ回路２４を通して第２スイッチング回路Ｑ２を高速でオン／オフする。第２スイッチング回路Ｑ２を通過した積分されたパルス電流Ｉｐは、負荷電流検出部１６の抵抗Ｒ２を通過して回路中の符号１６ａに発生した電圧をＲＣ積分回路２７で積分した後の電圧Ｖｒｃと、基準電圧源３２に基づく電圧Ｖｒｅｆとを差動増幅器２８で比較して電圧Ｖｒｃが電圧Ｖｒｅｆとなるように制御された出力電圧Ｖ１を差動増幅器２８から定電流制御部２１へ出力する。前記ピーク電流値Ｉｐが前述したような関係式ＩＦ＜Ｉｐ＜Ｉｍａｘを満たす範囲の中で、特にＩｍａｘに近い状態を維持させることで、明るさを最大限に高めつつ、安定した状態で発光させることが可能となる。
【００３２】
このスイッチングによって、前記発光素子２０の発光周期を決める第１駆動パルスＰ１の中でさらに高速にスイッチングされた第２駆動パルスＰ２によって生成された発光駆動波形Ｗ２による電流が印加されることになる。この発光駆動波形Ｗ２は、オン期間とオフ期間を周期的に繰り返す方形パルス波を基にしてＲＣ積分された三角波であるため、全体的な消費電力や発熱を抑えつつ、発光輝度を高いレベルで維持した状態でＬＥＤを連続駆動させることが可能となる。
【００３３】
また、前記発光素子２０は、外部からの制御信号によって、定電流パルス駆動部１４内の第１のスイッチング素子Ｑ１及び第２のスイッチング素子Ｑ２がオンする幅（デューティ）を制御したり、充放電制御部１５内のキャパシタンス容量などを調整したりすることによって、発光量や発光輝度等の調整が可能である。
【００３４】
また、一例として、本発明の負荷として発光素子を用いた負荷駆動制御装置を口金付きＬＥＤ電球に応用する場合には、駆動制御部１０の入力端を口金に接続し、この負荷駆動制御装置１全体を透明或いは半透明のキャップを含むケースで全体を覆うことによって、容易にＬＥＤ電球を得ることができる。
【００３５】
以上、説明したように、本発明の負荷駆動制御装置によれば、負荷として接続された発光素子の特性や個数に応じた定電流を前記発光素子に対して連続的に供給するのではなく、ピーク電流値Ｉｐのオン／オフが変化するパルス信号を高速にスイッチングし、パルスのオン期間で充電してオフ期間で放電させるためのコンデンサをコイルＬ１との関係において規定して設けたセラミックコンデンサＣ１とすることで発光素子を発光制御する。このため、回路全体の寿命を従来の電解コンデンサに比べ大幅に向上させることが可能となり、さらにコンデンサＣ１に生じるサージやパルスの異常電圧などによる絶縁破壊が起きにくくなり、また静電容量が小さくなったことによる負荷ＬＥＤの定格電圧ＶＦまでの立ち上がり時間が早くなるなどの効果を奏するものである。
【符号の説明】
【００３６】
１ 負荷駆動制御装置
１０ 駆動制御部
１１ 出力端
１２ 入力端
１３ 昇降圧制御部
１４ 定電流パルス駆動部
１５ 充放電制御部
１６ 負荷電流検出部
２０ 負荷
２１ 定電流制御部
２３ 第１ドライブ回路
２４ 第２ドライブ回路
２７ ＲＣ積分回路
２８ 差動増幅器
３２ 基準電圧源
１００ 外部電力供給源
１０１ 外部整流器
Ｑ１ 第１のスイッチング素子
Ｑ２ 第２のスイッチング素子
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ 電流検出素子
Ｃ１ セラミックコンデンサ（キャパシタンス）
Ｌ１ コイル（インダクタンス）
Ｄ１,Ｄ２ ダイオード
Ｐ１ 第１駆動パルス
Ｐ２ 第２駆動パルス
Ｔ１ 第１のオン／オフ周期
Ｔ２ 第２のオン／オフ周期
Ｗ１ 発光周期波形
Ｗ２ 発光駆動波形
Ｖ１ 検出電圧
ＶＦ 定格電圧値
Ｉ１ 検出電流
ＩＦ 定格電流値
Ｉｐ ピーク電流値
Ｉmax 絶対最大定格電流値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に接続して電流を印加する出力端と、外部電源供給源からの直流電圧を入力する入力端とを有する駆動制御部を備え、前記駆動制御部は、前記入力端で入力された直流電圧を前記負荷の定格電圧値に変換する昇降圧制御部と、前記負荷の定格電流値を超え絶対最大定格電流値を超えない範囲で前記負荷に流し得る予め設定されたピーク電流値に基づいてパルス幅変調することで、前記負荷のオン期間を規定した第１のオン/オフ周期による方形状の第１駆動パルスを生成するとともに、この第１駆動パルスのオン期間の中でさらにスイッチングさせることで、パルスの最大振幅が前記ピーク電流値となるように第２駆動パルスを生成する定電流パルス駆動部と、更に前記定電流パルス駆動部と前記負荷の間にキャパシタンス、抵抗及びダイオードを有する充放電制御部を備えるとともに、前記定電流パルス駆動部と前記充放電制御部間に前記ピーク電流値の平滑用コイルを備え、パルスの最大振幅が前記ピーク電流値となるよう駆動される第１駆動パルス及び第２駆動パルスのオン期間で充電してオフ期間で放電させることによって、前記充放電によるパルス信号で駆動された電流を前記負荷に印加する負荷駆動装置において、前記充放電制御部のキャパシタンスをセラミックコンデンサとし、このセラミックコンデンサの静電容量を前記コイルとの関係において規定したことを特徴とする負荷駆動制御装置。
【請求項１】
負荷に接続して電流を印加する出力端と、外部電源供給源からの直流電圧を入力する入力端とを有する駆動制御部を備え、前記駆動制御部は、前記入力端で入力された直流電圧を前記負荷の定格電圧値に変換する昇降圧制御部と、前記負荷の定格電流値を超え絶対最大定格電流値を超えない範囲で前記負荷に流し得る予め設定されたピーク電流値に基づいてパルス幅変調することで、前記負荷のオン期間を規定した第１のオン/オフ周期による方形状の第１駆動パルスを生成するとともに、この第１駆動パルスのオン期間の中でさらにスイッチングさせることで、パルスの最大振幅が前記ピーク電流値となるように第２駆動パルスを生成する定電流パルス駆動部と、更に前記定電流パルス駆動部と前記負荷の間にキャパシタンス、抵抗及びダイオードを有する充放電制御部を備えるとともに、前記定電流パルス駆動部と前記充放電制御部間に前記ピーク電流値の平滑用コイルを備え、パルスの最大振幅が前記ピーク電流値となるよう駆動される第１駆動パルス及び第２駆動パルスのオン期間で充電してオフ期間で放電させることによって、前記充放電によるパルス信号で駆動された電流を前記負荷に印加する負荷駆動装置において、前記充放電制御部のキャパシタンスをセラミックコンデンサとし、このセラミックコンデンサの静電容量を前記コイルとの関係において規定したことを特徴とする負荷駆動制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１５１５０４（Ｐ２０１１−１５１５０４Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９５８７（Ｐ２０１０−９５８７）
【出願日】平成２２年１月２０日（２０１０．１．２０）
【出願人】（５０８１３７９６９）株式会社光洋電子工業 (7)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２０日（２０１０．１．２０）
【出願人】（５０８１３７９６９）株式会社光洋電子工業 (7)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]