JP4416636B2 - Ｌｅｄ点灯制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＬＥＤ式信号灯器など、複数のＬＥＤを光源とする発光・表示装置に適用されるＬＥＤ点灯制御装置に関する。

道路等に設置される３色信号灯器としては、従来、白熱電球（光源）と、この白熱電球の背面側に配置される反射板と、白熱電球の前面側に配置される前面カバーとからなり、その前面カバーに赤・青・黄の信号色を着色した構造のものが使用されている。

また、最近では、消費電力の低減化や保守・管理に要する手間の削減等をはかることを目的として、ＬＥＤ（発光ダイオード）式信号灯器が実用化されてきている（例えば、特許文献１参照）。

ＬＥＤ式信号灯器は、多数のＬＥＤ（発光色：赤、青または黄）がＬＥＤ基板に実装されてなるＬＥＤユニットを光源とし、そのＬＥＤユニットを灯器ケース内に収容し、ＬＥＤ群の前面側を透明の前面レンズカバーで覆った構造となっている。また、ＬＥＤユニットを光源に用いた信号灯器としては、３色信号灯器のほか、例えば道路の分岐点・曲線部などに設置し運転者に注意を喚起するのに使用されるＬＥＤ式点滅灯なども実用化されている。

ＬＥＤ式信号灯器やＬＥＤ式点滅灯等においては、昼間輝度（最大輝度）に対して輝度を落とした調光制御が行われる場合がある。ＬＥＤ群に適用される調光制御としては、交流電源からの交流電圧を用いてＬＥＤ群の点灯を行う場合、例えば図６に示すように、調光レベルに応じて点弧（位相角）φをＭまたはＮの方向にずらすことにより、ＬＥＤ群に供給する電圧を制御するという位相制御が適用されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−６７３８６号公報 特開２００４−２７３２６７号公報

ところで、ＬＥＤを位相制御により調光する場合、以下のような問題がある。

まず、ＬＥＤは、交流電源などから供給される電圧が動作開始電圧よりも低くなると、電流が流れなくなって点灯（動作）が不可となるという特性があり、このため動作開始電圧以上で使用する必要がある。

一方、ＬＥＤ式信号灯器やＬＥＤ式点滅灯等には多数のＬＥＤが直列接続され、その直列接続の複数列のＬＥＤ群が並列接続されている。例えば、点滅灯の黄信号灯器では、並列接続された複数列のＬＥＤ群の１列に３２個のＬＥＤ（例えば動作開始電圧＝２．０Ｖ）が直列接続されており、１列の全てのＬＥＤを点灯するのに必要な電圧Ｖｆは６４Ｖ（Ｖｆ＝２．０Ｖ×３２個）となる。なお、交通信号灯器などの青信号灯器では、１列に２４個のＬＥＤ（例えば動作保証電圧＝３．０Ｖ）が直列接続されており、１列の全てのＬＥＤを点灯するのに必要な電圧Ｖｆは７２Ｖ（Ｖｆ＝３．０Ｖ×２４個）となる。

そして、点滅灯等では、夜間輝度を昼間輝度（最大輝度）の１５％に調光することが行われており、上記した一般的な位相制御による調光方式では、図７に示すように、直列接続されたＬＥＤ群に印加する電圧の大部分が、点灯に必要なＶｆ（絶対値）を下回る場合があり、全てのＬＥＤが点灯しなくなるという問題がある。。

本発明は、そのような問題を解消するためになされたもので、直列接続されたＬＥＤ群を交流電源にて点灯するにあたり、調光輝度を最大輝度の１５％まで調光する制御を行っても、全てのＬＥＤが問題なく動作する調光制御を実現することが可能なＬＥＤ点灯制御装置の提供を目的とする。

本発明の点灯制御装置は、直列接続された複数のＬＥＤを交流電源からの交流電圧を用いて点灯する点灯制御装置であって、交流電圧波形のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部と、前記複数のＬＥＤの調光を制御する調光制御部とを備え、前記調光制御部は、前記複数のＬＥＤが設置される場所の周囲の明るさに従って調光レベルを決定し、前記ゼロクロス検出部にて検出されたゼロクロス点に基づいて交流電圧波形の波高点を求め、その波高点を基準として前記複数のＬＥＤに供給する電圧のパルス幅を前記調光レベルに応じて変調し、前記複数のＬＥＤは、前記パルス幅に従って調光されるように構成されていることによって特徴づけられる。なお、前記パルス幅をｔｗ１＋ｔｗ２とし、前記波高点を前記ｔｗ１と前記ｔｗ２との境界とした場合において、前記ｔｗ１と前記ｔｗ２とは、同じ値であるか、またはいずれか一方が他方に対して大きな値であってもよい。

なお、波高点とは、交流電圧波形の半サイクルにおいて電圧（絶対値）が最大値（波高値）となるポイント（位相角）Ｐｐ（図４参照）のことである。

本発明の点灯制御装置によれば、交流電源からの交流電圧波形の波高点を求め、その波高点を基準として複数のＬＥＤに供給する電圧のパルス幅変調（電源周波数に同期したＰＷＭ制御）を行っているので、例えば図５に示すように、電圧のパルス幅ＰＭを細く絞ってもＬＥＤ群に供給する電圧が、点灯に必要なＶｆを下回ることがなく、全てのＬＥＤが、前記複数のＬＥＤが設置される場所の周囲の明るさに従って決定した調光レベルに応じて調光された状態で、問題なく動作（点灯）するようになる。

本発明の点灯制御装置において、複数のＬＥＤが設置される場所の周囲の明るさ（照度）を検出する照度センサを設け、この照度センサの検出出力に基づいて調光レベルを決定し、その調光レベルに応じて前記複数のＬＥＤに供給する電圧のパルス幅を変調するように構成してもよい。このような構成を採用すると、昼間輝度（最大輝度）から夜間輝度（昼間輝度の１５％）までの調光範囲において、周囲の明るさに応じた輝度調光を、例えば５段階の調光レベルで自動的に行うことが可能になる。

本発明の点灯制御装置によれば、交流電源からの交流電圧波形の波高点を求め、その波高点を基準として複数のＬＥＤに供給する電圧のパルス幅を変調する制御（ＰＷＭ制御）を実行するので、調光輝度を最大輝度の１５％まで調光する制御を行っても、全てのＬＥＤが問題なく動作する。また、基本的には、交流電圧波形の位相制御により輝度調光を行うという方式を採用しているので、調光用トランスを用いることなく輝度の調整を行うことができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

−ＬＥＤ式灯器−
まず、本発明を適用するＬＥＤ式灯器について図１を参照しながら説明する。

図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すＬＥＤ式灯器１０は、道路の分岐点・曲線部などに設置し運転者に注意を喚起するのに使用されるＬＥＤ式点滅灯であって、２つの発光部（黄色）１１，１１を備えている。これら２つの発光部１１，１１はＬＥＤ式灯器１０の上下方向に配列されている。また、ＬＥＤ式灯器１０には各発光部１１，１１の前方側の上方領域を覆うフード（庇）１６，１６が設けられている。

各発光部１１，１１は、それぞれ、多数のＬＥＤ（発光色：黄色）１３・・１３がＬＥＤ基板１４に実装されてなるＬＥＤユニット１２，１２（図２参照）を光源としている。その各ＬＥＤユニット１２，１２がそれぞれ灯器ケース１０ａ，１０ａ内に収容されている。また、各色のＬＥＤユニット１２のＬＥＤ１３・・１３の前面側はそれぞれ前面レンズカバー１５で覆われている。なお、各ＬＥＤユニット１２は発光色が黄色であるＬＥＤ１３・・１３が図２に示すようなドット配列で実装されている。

そして、発光部１１のＬＥＤユニット１２を構成する多数のＬＥＤ１３・・１３は、図３に示すように、所定個数（例えば３２個）のＬＥＤ１３・・１３が直列接続され、さらにそれら直列接続されたＬＥＤ１３群が並列に接続されており、これらＬＥＤ１３・・１３の点灯制御を行う点灯制御装置１がＬＥＤ基板１４の裏面側に配置されている（図１参照）。

−点灯制御装置−
次に、点灯制御装置１について図３〜図５を参照しながら説明する。

この例の点灯制御装置１は、調光回路２及び点滅回路３などを備えており、調光回路２にＡＣ１００Ｖの交流電源５が接続される。また、調光回路２には周囲の明るさ（照度）を検出する照度センサ（例えばＣｄＳセル）４が接続される。

点滅回路３は、各ＬＥＤユニット１２，１２を交互にオン／オフ（例えば６０回／ｍｉｎ）するための点滅信号を調光回路２（調光制御部２２）に供給する。

調光回路２は、ゼロクロス検出部２１及び調光制御部２２を備えている。

ゼロクロス検出部２１は、交流電源５からの交流電圧波形のゼロクロス点を検出し、その検出信号を調光制御部２２に出力する。

調光制御部２２は、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｕｎｉｔ）、遅延回路及びメモリなどによって構成されており、以下に説明する調光レベル設定、及び、電源周波数に同期したＰＷＭ制御などの処理を実行する。

＜調光レベル設定＞
調光制御部２２は照度センサ４からの照度検出値を用いて調光レベルを決定する。具体的には、照度センサ４による照度検出値と調光レベルとの関係を示すテーブルが調光制御部２２のメモリに予め記憶されており、照度センサ４からの照度検出値をテーブルで参照して変換することによって調光レベルを決定する。この例では、昼間輝度（最大輝度）から夜間輝度（昼間輝度の１５％）を調光範囲としており、その範囲内に例えば５段階の調光レベルを設定している。

＜電源周波数に同期したＰＷＭ制御＞
調光制御部２２は下記の（１）〜（３）の動作によって電源周波数に同期したＰＷＭ制御を行う。

（１）図４に示すように、交流電源５からの交流電圧波形のゼロクロス点Ｃｐをゼロクロス検出部２１にて検出し、その検出されたゼロクロス点Ｃｐに基づいて交流電源５からの交流電圧波形の波高点Ｐｐを求める。ここで、交流電源５が６０Ｈｚである場合、周期Ｔは既知：Ｔ＝１６．７ｍｓｅｃ（５０Ｈｚの場合はＴ＝２０ｍｓｅｃ）であるので、ゼロクロス点Ｃｐを検出し、そのゼロクロス点ＣｐからＴ／４だけずれた位置（位相角）を算出することにより、波高点Ｐｐを求めることができる。

（２）求めた波高点Ｐｐを基準（中心）として上記した調光レベルに応じた電圧のパルス幅つまり図４に示すオン時間［ｔｗ１＋ｔｗ２］を決定する。なお、ｔｗ１とｔｗ２とは同じ値であってもよいし、いずれか一方を他方に対して大きな値としてもよい。

（３）求めたオン時間［ｔｗ１＋ｔｗ２］に基づいて、ゼロクロス点Ｃｐに対するオン遅延値ｔｄｏｎ、及び、オフ遅延値ｔｄｏｆｆを決定し、それらオン遅延値ｔｄｏｎ及びオフ遅延値ｔｄｏｆｆに基づいてＬＥＤ１３・・１３に供給する電圧のパルス幅ＰＷを設定する。このように、ＬＥＤ１３・・１３に供給する電圧のパルス幅ＰＷは、波高点Ｐｐを基準として求めたオン遅延値ｔｄｏｎ及びオフ遅延値ｔｄｏｆｆによって設定されるので、それらオン遅延値ｔｄｏｎ及びオフ遅延値ｔｄｏｆｆを図４の矢印の方向に変更することにより、上記した調光レベルに応じたパルス幅ＰＷの電圧をＬＥＤ１３・・１３に供給することができ、照度センサ４の照度検出値に基づく調光レベルに応じた調光が可能となる。

ここで、点灯制御装置１は、図示はしないが、全波整流回路を備えており、以上の交流電圧波形の位相制御（ＰＷＭ制御）の後に全波整流を行ってＬＥＤ１３・・１３に電圧を供給する。

なお、調光制御部２２は、上記した調光制御を実行すると同時に、点滅回路３からの点滅信号に応じて各ＬＥＤユニット１２，１２を交互にオン／オフする制御を実行する。

以上のように、この例の点灯制御装置１によれば、昼間輝度（最大輝度）から夜間輝度（昼間輝度の１５％）までの範囲の調光が可能である。しかも、交流電源５からの交流電圧波形の波高点Ｐｐを求め、その波高点Ｐｐを基準としてＬＥＤ１３・・１３に供給する電圧のパルス幅変調（電源周波数に同期したＰＷＭ制御）を行っているので、調光輝度を１５％まで落とした場合であっても、ＬＥＤユニット１２内の全てのＬＥＤ１３が問題なく動作する。その理由を以下に説明する。

まず、上述したように、ＬＥＤは交流電源などから供給される電圧が動作開始電圧よりも低くなると、電流が流れなくなって点灯が不可となるという特性がある。黄色のＬＥＤの動作開始電圧は２．０Ｖ程度である。

この例においては、ＬＥＤユニット１２を構成する多数のＬＥＤ１３・・１３が、１列に３２個が直列接続されており、１列の全てのＬＥＤ１３・・１３を点灯するのに必要な電圧Ｖｆは６４Ｖ（Ｖｆ＝２．０Ｖ×３２個）となるが、上記したように交流電圧波形の波高点Ｐｐを基準としてＬＥＤ１３・・１３に供給する電圧のパルス幅ＰＷを変調するので、図５に示すように、１５％調光に対応するパルス幅ＰＭの変調を行っても、ＬＥＤ１３・・１３に供給する電圧が電圧Ｖｆを下回ることがなくなり、全てのＬＥＤ１３・・１３の動作するようになる。従って、昼間輝度（最大輝度）から夜間輝度（昼間輝度の１５％）までの範囲の調光を安定かつ確実に実現することができる。

なお、以上の実施形態では、本発明をＬＥＤ式点滅灯に適用した例を示したが、本発明はこれに限られることなく、ＬＥＤ式信号灯器やＬＥＤ式注意灯あるいはその他のＬＥＤ発光・表示装置などにも適用可能であり、それらの機器・装置に適用した場合でも、上記と同様な作用効果を達成することできる。

本発明は、複数のＬＥＤが直列接続されたＬＥＤ群を交流電源からの交流電圧を用いて点灯するにあたり、昼間輝度（最大輝度）から夜間輝度（昼間輝度の１５％）までの範囲の調光を問題なく実現するのに有効に利用することができる。

本発明の点灯制御装置を適用するＬＥＤ式灯器（ＬＥＤ式点滅灯）の一例を示す正面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）を併記して示す図である。 図１のＬＥＤ式灯器に用いるＬＥＤユニットの正面図である。 本発明の点灯制御装置の一例の構成を示すブロック図である。 図３の点灯制御装置で実行する調光制御の説明図である。 図３の点灯制御装置の作用説明図である。 一般的な位相制御による調光方式の説明図である。 図７の調光方式の問題点を示す図である。

符号の説明

１ 点灯制御装置
２ 調光回路
２１ ゼロクロス検出部
２２ 調光制御部
３ 点滅回路
４ 照度センサ
５ 交流電源
１０ ＬＥＤ式灯器（点滅灯）
１１ 発光部
１２ ＬＥＤユニット
１３ ＬＥＤ

Claims (3)

1. 直列接続された複数のＬＥＤを交流電源からの交流電圧を用いて点灯する点灯制御装置であって、交流電圧波形のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部と、前記複数のＬＥＤの調光を制御する調光制御部とを備え、前記調光制御部は、前記複数のＬＥＤが設置される場所の周囲の明るさに従って調光レベルを決定し、前記ゼロクロス検出部にて検出されたゼロクロス点に基づいて交流電圧波形の波高点を求め、その波高点を基準として前記複数のＬＥＤに供給する電圧のパルス幅を前記調光レベルに応じて変調し、前記複数のＬＥＤは、前記パルス幅に従って調光されるように構成されていることを特徴とするＬＥＤ点灯制御装置。
2. 前記複数のＬＥＤが設置される場所の周囲の明るさを検出する照度センサを備え、前記調光制御部は、前記照度センサの検出出力に基づいて調光レベルを決定し、その調光レベルに応じて前記複数のＬＥＤに供給する電圧のパルス幅を変調することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯制御装置。
3. 前記パルス幅をｔｗ１＋ｔｗ２とし、前記波高点を前記ｔｗ１と前記ｔｗ２との境界とし、
   前記ｔｗ１と前記ｔｗ２とは、同じ値であるか、またはいずれか一方が他方に対して大きな値であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のＬＥＤ点灯制御装置。

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