JP5616077B2 - Ｌｅｄフラッシュ装置および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、デジタルカメラやデジタルカメラ機能付携帯電話機等の電子機器に用いられるＬＥＤフラッシュ装置および電子機器に関する。

デジタルカメラは、夜間や暗いところにおいても明瞭な写真を撮影するために、フラッシュ装置を搭載したものが普及している。フラッシュ装置としては、キセノン放電管を使用したものとＬＥＤを使用したものとがある。
キセノン放電管を使用したフラッシュ装置は、バッテリ、ＤＣ−ＤＣコンバータ（昇圧回路）、キャパシタ（放電コンデンサ）、トリガ回路から構成され、例えば以下のように動作する。まず、バッテリの電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで２５０〜５００Ｖ程度に昇圧し、キャパシタを充電する。次に、トリガ回路のスイッチによりキャパシタから放電させ、放電電流をトランスによって数千Ｖのパルス電圧に昇圧し、キセノン放電管を発光させる。このキセノン放電管を使用したフラッシュ装置はフィルム式のアナログカメラの時代から使用されてきている。

しかしながら、上記キャパシタとして高耐圧で瞬時放電容量の大きい電解コンデンサを用いる必要がありそのサイズが大きくなるため、小型のデジタルカメラや携帯電話機には搭載が困難であるという課題があった。
そこで、近年においては、フラッシュ装置を小型化する手段として、ＬＥＤ光源を使用したＬＥＤフラッシュ装置が注目されている。例えば、ＬＥＤと前記ＬＥＤ駆動用の補助電源と、前記ＬＥＤの発光状態を制御するコントローラと、前記ＬＥＤの発光に必要な電圧を発生する昇圧回路と、前記ＬＥＤに流れる電流をオン／オフする電流スイッチとを有するＬＥＤフラッシュ装置において、前記補助電源のエネルギー密度が５Ｗｈ／ｋｇ以上であると共に、前記ＬＥＤには０．８Ａ以上の電流が通電されるＬＥＤフラッシュ装置が提案されており、該補助電源として、有機ラジカル二次電池、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタを使用するとの記載がある（特許文献１参照）。

上記特許文献１には、ＬＥＤ駆動用の補助電源が直列接続された複数の高出力電池（有機ラジカル二次電池）からなる実施例と、補助電源が主電源に対して並列に配置された実施例との記載がある。前者の場合は、ＬＥＤの発光に必要な電圧を充電するために２つの高出力電池とセルバランス回路が必要となるが、昇圧回路は小型のブーストコンバータまたはチャージポンプが使用できる。後者の場合は、高出力電池は１つですむが、昇圧回路として大型のブーストコンバータが必要となる。

ここで、リチウムイオンキャパシタとは、正極は電気二重層キャパシタと同様に活性炭を活物質とし、負極はリチウムイオン二次電池と同様にリチウムイオンを吸蔵放出する炭素質材料を活物質とした蓄電素子であり（例えば、特許文献２参照）、蓄電可能なエネルギー密度はリチウムイオン二次電池に劣るものの電気二重層キャパシタより優れ、瞬時に放出できるエネルギー量は二次電池や電気二重層キャパシタより優れる。

特開２００９−２９５７６９号公報 国際公開２００９／０６３９６６号パンフレット

上述したように、リチウムイオンキャパシタはＬＥＤフラッシュ装置のキャパシタ（放電コンデンサ）を小型化するにあたって好ましい特性を有していると考えられる。しかしながら、リチウムイオンキャパシタには、通常のキャパシタとは異なって好ましい使用電圧範囲が存在する。本発明は、リチウムイオンキャパシタを使用した小型化に適したＬＥＤフラッシュ装置、及び該ＬＥＤフラッシュ装置を搭載した電子機器を提供することを目的とする。

本発明者は、前記課題を検討した結果、ＬＥＤフラッシュ装置において、複数のリチウムイオンキャパシタを該キャパシタの電圧監視回路と組合せて使用することで上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。即ち、本発明は以下のＬＥＤフラッシュ装置とそれを用いた電子機器である。
すなわち、本発明の第一の態様は、光源としてのＬＥＤと、前記ＬＥＤ駆動用の複数のリチウムイオンキャパシタと、前記リチウムイオンキャパシタ充電用の非水系二次電池と、フラッシュパルス幅を含む前記ＬＥＤの発光状態を制御するコントローラと、前記コントローラの制御に応じて前記ＬＥＤに流れる電流をオン／オフする第一のスイッチング素子と、複数の前記リチウムイオンキャパシタの充電時に各々の該リチウムイオンキャパシタの満充電電圧を監視する監視回路と、前記リチウムイオンキャパシタと前記非水系二次電池とを直接接続し、該リチウムイオンキャパシタと該非水系二次電池との接続を開閉可能な第四のスイッチング素子と、前記リチウムイオンキャパシタ間に接続され、該リチウムイオンキャパシタ同士の接続を開閉可能な第三のスイッチング素子と、前記第三のスイッチング素子がオフ状態でオン状態となることにより複数の前記リチウムイオンキャパシタを並列接続し、前記第三のスイッチング素子がオン状態でオフ状態となることにより複数の前記リチウムイオンキャパシタを直列接続する第二のスイッチング素子と、を備え、前記非水系二次電池によって並列接続した複数の前記リチウムイオンキャパシタの各々を該非水系二次電池の電圧を昇圧させることなく充電し、直列接続に切り替えて前記複数のリチウムイオンキャパシタを放電させることを特徴とすることを特徴とする。

また、本発明の第二の態様は、上記第一の態様に係るＬＥＤフラッシュ装置であって、前記リチウムイオンキャパシタは２つ備えられ、前記リチウムイオンキャパシタは２．０〜４．０Ｖの電圧範囲内で使用され、前記非水系二次電池は３．０〜４．２Ｖの電圧範囲内で使用され、前記ＬＥＤは５〜８Ｖの電圧で駆動されることを特徴とする。
また、本発明の第三の態様は、上記第一又は第二の態様に係るＬＥＤフラッシュ装置を搭載した電子機器であることを特徴とする。なお、本発明の第三の態様に係る電子機器としては、例えば、デジタルカメラ、カメラ付携帯機器が好適である。

本発明によれば、リチウムイオンキャパシタを使用した小型化に適したＬＥＤフラッシュ装置、及び該ＬＥＤフラッシュ装置を搭載した電子機器を提供できる。

本発明の第一の実施形態を示すブロック図である。 本発明の第二の実施形態を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
本発明のＬＥＤフラッシュ装置の第一の実施形態は、図１のブロック図にて示すように、非水系二次電池４の電圧を、ＬＥＤ２の発光に必要な電圧まで昇圧させる昇圧回路２０を有するＬＥＤフラッシュ装置である。
詳しくは、同図に示すように、このＬＥＤフラッシュ装置１は、光源としてのＬＥＤ２と、このＬＥＤ２を駆動するためのリチウムイオンキャパシタ３と、このリチウムイオンキャパシタ３を充電するための非水系二次電池４と、フラッシュパルス幅を含む前記ＬＥＤ２の発光状態を制御するコントローラ５と、このコントローラ５の制御に応じて前記ＬＥＤ２に流れる電流をオン／オフする第一のスイッチング素子６を有して構成されている。ここで、図１における第一のスイッチング素子６は高電位側に位置しているが、低電位側に位置するようにしてもよい。

そして、このＬＥＤフラッシュ装置１は、２個を直列に配置したリチウムイオンキャパシタ３を備え、各リチウムイオンキャパシタ３は、少なくとも２個以上のセルからなり、該セルの充電時に各々のセルの満充電電圧を監視する監視回路１０と、該セルの接続を開閉可能な第二のスイッチング素子７とを有している。ここで、図１における第二のスイッチング素子７は低電位側に位置しているが、高電位側に位置するようにしてもよい。

上記非水系二次電池４としては、動作電圧及びエネルギー密度が高いことから、リチウムイオン二次電池であることが好ましい。ここで、リチウムイオン二次電池（以下、単に「電池」ともいう）とは、遷移金属とリチウムとの複合酸化物を正極活物質とする正極と、リチウムイオンを吸蔵放出可能な材料を負極活物質とする負極と、リチウムイオンを含む電解質を有機溶媒に溶解させた非水系電解液とを有するものである。好適には正極活物質としてコバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、またはオリビン酸リチウム、負極活物質としてグラファイト、またはコークスが使用される。以下においては、正極活物質としてコバルト酸リチウム、負極活物質としてグラファイトを使用した電池を代表例として説明する。

リチウムイオンキャパシタ３は、活性炭を正極活物質とする正極と、リチウムイオンを吸蔵放出可能な材料を負極活物質とする負極と、リチウムイオンを含む電解質を有機溶媒に溶解させた非水系電解液とを有するものである。好適には、負極活物質として、グラファイト、難黒鉛化性炭素材料（ハードカーボン）、または活性炭の表面に炭素質材料を被着させた複合多孔質炭素材料が使用される。

なお、上述したリチウムイオンキャパシタ３の負極活物質は、下記の条件（１）および（２）を満たす複合多孔質炭素材料であることがより好ましい。
（１） ＢＪＨ法で算出されたメソ孔量（直径が２ｎｍ以上５０ｎｍ以下である細孔の量）Ｖｍ１（ｃｃ／ｇ）が、０．０１≦Ｖｍ１＜０．１０である。
（２） ＭＰ法で算出されたマイクロ孔量（直径が２ｎｍ未満である細孔の量）Ｖｍ２（ｃｃ／ｇ）が、０．０１≦Ｖｍ２＜０．３０である。

また、上述したリチウムイオンキャパシタ３の正極活物質は、下記の条件（３）〜（５）を満たす活性炭であることが好ましい。
（３） ＢＪＨ法で算出されたメソ孔量Ｖ１（ｃｃ／ｇ）が、０．３≦Ｖ１＜０．８である。
（４） ＭＰ法で算出されたマイクロ孔量Ｖ２（ｃｃ／ｇ）が、０．５≦Ｖ２＜１．０である。
（５） ＢＥＴ法で測定された比表面積が１５００ｍ²／ｇ以上３０００ｍ²／ｇ以下である。

上記リチウムイオンキャパシタ３の負極活物質ないし正極活物質が、上記（１）〜（５）を満たせば、上限電圧（４．０Ｖ）の条件を一層安定して繰り返し充放電可能とすることができる。本実施形態においては、これら条件（１）〜（５）を満たしたリチウムイオンキャパシタ３を採用してＬＥＤフラッシュ回路を構成している。
リチウムイオン二次電池の使用電圧は正極活物質の種類によって異なるが、コバルト酸リチウムを正極活物質として使用するものは、通常３．０〜４．２Ｖ程度の電圧範囲内で使用される。これに対して、リチウムイオンキャパシタ３は、４．０Ｖより高い電圧での使用は素子の寿命に悪影響を与えることがあるため、２．０〜４．０Ｖ程度の電圧範囲内で使用される。

一方、出力側のＬＥＤ２の発光には瞬間的な発光のため１Ａ以上の大電流が必要となる。そのため、内部抵抗による電圧降下を考慮すると、５〜８Ｖ程度の電源電圧が必要となる。従って、ＬＥＤ２を発光させるためには、放電コンデンサであるリチウムイオンキャパシタ３を、２個を直列で放電させる必要がある。そして、この２個を直列に配置したリチウムイオンキャパシタ３を充電するためには、リチウムイオン二次電池の出力を昇圧回路２０によって２倍程度にする必要があることになる。この昇圧回路２０としては、例えば、前述した特許文献１に記載のチャージポンプや電流制御ブーストコンバータを使用することができる。スイッチング素子としては、ＦＥＴを好適に使用することができる。

監視回路１０は、２個のリチウムイオンキャパシタ３のそれぞれの両端の電圧が設定範囲内となるように監視し、充電時に設定範囲の最大電圧を超える場合に第２のスイッチング素子７（ＳＷ２）をオフするとともに２つのリチウムイオンキャパシタ３のセル電圧をバランスさせる機能を有するものである。また、放電時に設定範囲の最小電圧を超える場合に第一のスイッチング素子６（ＳＷ１）をオフする機能を有していても良い。

図１記載のＬＥＤフラッシュ装置１は、以下のように動作させることができる。
今、フラッシュを点灯させる状況になると、コントローラ５が、昇圧回路２０をオン、第一のスイッチング素子６（ＳＷ１）をオフ、第２のスイッチング素子７（ＳＷ２）をオンとして充電を開始する。これにより非水系二次電池４の電圧（４Ｖ）を昇圧回路２０により８Ｖに昇圧して２つのリチウムイオンキャパシタ３を直列で充電することができる。監視回路１０が２つのリチウムイオンキャパシタ３の電圧が上限（４Ｖ）に達したことを検出したら、ＳＷ２をオフにする。

コントローラ５が必要な発光タイミングに応じて第一のスイッチング素子６（ＳＷ１）をオンとして２つのリチウムイオンキャパシタ３の放電が開始する。これによりＬＥＤ２が発光する。コントローラ５が必要な発光時間経過を検出するか、監視回路１０がリチウムイオンキャパシタ３の電圧が下限（２Ｖ）に達したことを検出したら、ＳＷ１をオフにする。
上記構成により、リチウムイオンキャパシタ３を好適な電圧範囲で使用可能なＬＥＤフラッシュ装置１とすることができる。

次に、本発明のＬＥＤフラッシュ装置１の第２の実施形態について図２を適宜参照しつつ説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。
図２にブロック図にて示すように、このＬＥＤフラッシュ装置１の第２の実施形態は、上記昇圧回路２０に替えて第四のスイッチング素子９（ＳＷ４）を有するとともに、第二のスイッチング素子７（ＳＷ２）を二つ備え、二つのリチウムイオンキャパシタ３間に第三のスイッチング素子８（ＳＷ３）を備えている。そして、これらのスイッチング素子は、前記非水系二次電池４によって前記複数のリチウムイオンキャパシタ３を並列接続で充電し、第三のスイッチング素子８によって前記複数のリチウムイオンキャパシタ３を直列接続に切り替えて放電させるようになっている。ここで、図２における第一のスイッチング素子６は高電位側に位置しているが、低電位側に位置するようにしてもよい。また、図２における第四のスイッチング素子９は高電位側に位置しているが、低電位側に位置するようにしてもよい。

この第２の実施形態のＬＥＤフラッシュ装置１は、以下のように動作させることができる。
すなわち、今、フラッシュを点灯させる状況になると、コントローラ５が第四のスイッチング素子（ＳＷ４）と第二のスイッチング素子７（ＳＷ２）とをオンにして、第一のスイッチング素子６（ＳＷ１）と第三のスイッチング素子８（ＳＷ３）とをオフにすることにより、２つのリチウムイオンキャパシタ３を並列接続で充電する。

次いで、監視回路１０が２つのリチウムイオンキャパシタ３の電圧が上限（４Ｖ）に達したことを検出したら、第二のスイッチング素子７（ＳＷ２）をオフし、充電完了すれば第四のスイッチング素子（ＳＷ４）をオフにして第三のスイッチング素子８（ＳＷ３）をオンにすることにより、２つのリチウムイオンキャパシタ３の接続を直列接続に変更する。

コントローラ５が必要な発光タイミングに応じて第一のスイッチング素子６（ＳＷ１）をオンとして２つのリチウムイオンキャパシタ３の放電が開始する。これによりＬＥＤ２が発光する。コントローラ５が必要な発光時間経過を検出するか、監視回路１０がリチウムイオンキャパシタ３の電圧が下限（２Ｖ）に達したことを検出したら、第一のスイッチング素子６（ＳＷ１）をオフする。
上記構成により、リチウムイオンキャパシタ３を好適な電圧範囲で使用可能なＬＥＤフラッシュ装置１を昇圧回路２０なしで構成することができる。

本発明は、デジタルカメラ、カメラ付携帯機器の分野で好適に利用できる。

１ ＬＥＤフラッシュ装置
２ ＬＥＤ
３ リチウムイオンキャパシタ
４ 非水系二次電池
５ コントローラ
６ 第一のスイッチング素子
７ 第二のスイッチング素子
８ 第三のスイッチング素子
９ 第四のスイッチング素子
１０ 監視回路
２０ 昇圧回路

Claims (3)

1. 光源としてのＬＥＤと、
   前記ＬＥＤ駆動用の複数のリチウムイオンキャパシタと、
   前記リチウムイオンキャパシタ充電用の非水系二次電池と、
   フラッシュパルス幅を含む前記ＬＥＤの発光状態を制御するコントローラと、
   前記コントローラの制御に応じて前記ＬＥＤに流れる電流をオン／オフする第一のスイッチング素子と、
   複数の前記リチウムイオンキャパシタの充電時に各々の該リチウムイオンキャパシタの満充電電圧を監視する監視回路と、
   前記リチウムイオンキャパシタと前記非水系二次電池とを直接接続し、該リチウムイオンキャパシタと該非水系二次電池との接続を開閉可能な第四のスイッチング素子と、
   前記リチウムイオンキャパシタ間に接続され、該リチウムイオンキャパシタ同士の接続を開閉可能な第三のスイッチング素子と、
   前記第三のスイッチング素子がオフ状態でオン状態となることにより複数の前記リチウムイオンキャパシタを並列接続し、前記第三のスイッチング素子がオン状態でオフ状態となることにより複数の前記リチウムイオンキャパシタを直列接続する第二のスイッチング素子と、
   を備え、
   前記非水系二次電池によって並列接続した複数の前記リチウムイオンキャパシタの各々を該非水系二次電池の電圧を昇圧させることなく充電し、直列接続に切り替えて前記複数のリチウムイオンキャパシタを放電させる
   ことを特徴とするＬＥＤフラッシュ装置。
2. 前記リチウムイオンキャパシタは２つ備えられ、
   前記リチウムイオンキャパシタは２．０〜４．０Ｖの電圧範囲内で使用され、
   前記非水系二次電池は３．０〜４．２Ｖの電圧範囲内で使用され、
   前記ＬＥＤは５〜８Ｖの電圧で駆動される
   ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤフラッシュ装置。
3. 請求項１又は２に記載のＬＥＤフラッシュ装置を搭載したことを特徴とする電子機器。

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