JP2007267037A

JP2007267037A - 照明光伝送システム

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Publication number: JP2007267037A
Application number: JP2006089593A
Authority: JP
Inventors: Kazufumi Nagasoe; 和史長添; Hideo Makino; 秀夫牧野
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】照明器具が設置される環境に左右されることなく、複数の照明器具から照明光に重畳して送信されたデータが衝突するのを防ぐ。
【解決手段】制御回路２では、ゼロクロス点検出回路６からゼロクロス点検出信号が入力された時点より計時回路７に所定の遅延時間ＳＴの計時を開始させ、計時回路７による遅延時間ＳＴの計時が完了したときに信号源１が出力する送信データを照明光に重畳する。故に、複数台の照明器具Ｔが商用交流電源のゼロクロス点で同期を取りながら送信データを時分割多重伝送するので、従来例のように各照明器具に照明光を受光する受光手段を備える必要がなくなり、照明器具Ｔが設置される環境に左右されることなく、複数の照明器具Ｔから照明光に重畳して送信されたデータが衝突して受信装置Ｒで正常に受信できなくなるのを防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源から照射する照明光にデータを重畳させて伝送する複数の照明器具と、照明光に重畳されたデータを受信する１乃至複数の受信装置とを有する照明光伝送システムに関するものである。

従来より、照明光にデータを重畳させて伝送する複数の照明器具と、照明光に重畳されたデータを受信する受信装置とを有する照明光伝送システムが種々提案されている。

現在、一般照明用として最も広く普及している光源は蛍光灯であり、蛍光灯を光源とする照明器具（以下、蛍光灯照明器具と呼ぶ。）を利用した照明光伝送システムが種々提案されている。かかる蛍光灯照明器具は、ＬＣ共振型のインバータ回路により商用周波を高周波に変換して蛍光灯を高周波点灯する点灯装置（いわゆる蛍光灯電子安定器）を備えており、蛍光灯の点灯時におけるインバータ回路の出力特性がＬＣ共振回路並びに蛍光灯を含めた共振系の共振周波数ｆ０にピークを持つ山型の波形となることから（図４参照）、インバータ回路の動作周波数を定格点灯時の周波数ｆ１（＞ｆ０）から変調周波数ｆ２（＞ｆ１）に上昇させることでインバータ回路から蛍光灯への供給電力（ランプ電流）を減少させて光出力を低下させることができる。従って、図５に示すように送信データがＨレベルのときにインバータ回路の動作周波数を定格点灯時の周波数ｆ１とし、送信データがＬレベルのときにインバータ回路の動作周波数を変調周波数ｆ２に切り換えて送信データでインバータ回路の動作周波数を周波数変調（ＦＳＫ＜周波数シフトキーイング＞）することにより、送信データを照明光に重畳することができる。なお、インバータ回路の動作周波数は、蛍光灯の発光効率やインバータ回路を構成する回路部品の寸法、発熱、ノイズ規制等の制限によって一般的に４０〜１００ｋＨｚに設定される。

一方、受信装置においては、フォトダイオードや太陽電池などの光電変換素子により照明光を電気信号に変換するとともに、当該電気信号（受信信号）からバンドパスフィルタを利用して変調周波数ｆ２の周波数成分を弁別し、弁別された周波数成分から元のデータを復調する。但し、蛍光灯に流れるランプ電流はインバータ回路の動作周波数に同期して周期的に変化するが、照明光についてはインバータ回路の動作周波数の２倍の周波数で変化するから、前記バンドパスフィルタにおける通過帯域の中心周波数を変調周波数ｆ２の２倍に設定する必要がある。

ところで、データが重畳された照明光を複数の照明器具から同時に受光した場合、受信装置ではそれぞれの照明光からデータを正常に受信できないので、少なくとも照明光の照射範囲が重複している照明器具同士では照明光にデータを重畳するタイミングをずらす必要がある。例えば、特許文献１に記載されている従来システムでは、照明光に重畳されたデータを受信する受信手段を各照明器具に具備し、受信手段で受信したデータと自らが照明光に重畳したデータとの一致、不一致を判定し、判定結果が不一致であれば他の照明器具と異なる所定時間の経過後に、再度照明光にデータを重畳している。
特開２００５−１７６２５７公報

しかしながら、上述のように複数の照明器具から照明光に重畳して送信されたデータが衝突して受信装置で正常に受信できない状況を避けるために、特許文献１に記載されている従来例のように各照明器具に受信手段を具備しなければならず、しかも、照明光を受光するためには壁や床などで反射させる必要があり、例えば、壁面や床面の反射率が低いと照明光が受光できないために正常に機能しなくなってしまう。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、照明器具が設置される環境に左右されることなく、複数の照明器具から照明光に重畳して送信されたデータが衝突するのを防ぐことができる照明光伝送システムを提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、光源から照射する照明光にデータを重畳させて伝送する複数の照明器具と、照明光に重畳されたデータを受信する１乃至複数の受信装置とを有する照明光伝送システムであって、照明器具は、光源と、商用交流電源から電源供給を受けて光源を点灯する点灯手段と、点灯手段を制御して光源から照射される照明光にデータを重畳するデータ重畳手段と、商用交流電源のゼロクロス点又はピーク点を検出する検出手段とを備え、データ重畳手段は、検出手段がゼロクロス点又はピーク点を検出した時点から所定の遅延時間が経過したときに照明光にデータを重畳してなり、複数の照明器具毎に互いに異なる前記遅延時間が割り当てられることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、データ重畳手段は、検出手段による商用交流電源のゼロクロス点並びにピーク点の検出結果を無効とする休止期間を有するとともに当該休止期間中は休止期間外に検出されたゼロクロス点又はピーク点を基準とした一定の周期で照明光にデータを重畳することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、光源と、商用交流電源から電源供給を受けて光源を点灯する点灯手段と、点灯手段を制御して光源から照射される照明光にデータを重畳するデータ重畳手段と、商用交流電源のゼロクロス点又はピーク点を検出する検出手段とを照明器具に備え、データ重畳手段は、検出手段がゼロクロス点又はピーク点を検出した時点から所定の遅延時間が経過したときに照明光にデータを重畳してなり、複数の照明器具毎に互いに異なる前記遅延時間が割り当てられるので、照明器具が設置される環境に左右されることなく、複数の照明器具から照明光に重畳して送信されたデータが衝突するのを防ぐことができる。

請求項２の発明によれば、データ重畳手段は、検出手段による商用交流電源のゼロクロス点並びにピーク点の検出結果を無効とする休止期間を有するとともに当該休止期間中は休止期間外に検出されたゼロクロス点又はピーク点を基準とした一定の周期で照明光にデータを重畳するので、商用交流電源の電源電圧にノイズが重畳してゼロクロス点又はピーク点がずれても、複数の照明器具から照明光に重畳して送信されたデータが衝突するのを確実に防ぐことができる。

本実施形態の照明光伝送システムは、照明光を照射する複数台の照明器具Ｔと、１乃至複数台の受信装置Ｒとで構成される。

受信装置Ｒは、図１（ｂ）に示すように照明器具Ｔの照明光を受光して電気信号に変換する光電変換回路２０と、光電変換回路２０から出力する電気信号（受信信号）を増幅する増幅回路２１と、増幅回路２１で増幅された受信信号からデータを復調する復調回路２２と、復調回路２２で復調されたデータ（受信データ）を処理する受信データ処理回路２３とを備えている。

光電変換回路２０は、照明光のデータが重畳されている周波数成分を透過する光学フィルタと、光学フィルタを透過した周波数成分を電気信号に変換するＰＩＮフォトダイオードのような光電変換素子とで構成される。但し、ＰＩＮフォトダイオードの代わりにフォトトランジスタや増幅器を集積したフォトＩＣを用いてもよい。増幅回路２１は汎用のオペアンプＩＣ等で構成される差動増幅回路であるが、オペアンプＩＣの代わりにトランジスタで構成されるものであっても構わない。但し、光電変換回路２０から出力する受信信号が復調回路２２で復調処理するのに十分なレベルであれば、増幅回路２１を省略してもよい。

復調回路２２は、例えばバンドパスフィルタ（図示せず）と、バンドパスフィルタを通過した受信信号の信号レベルをしきい値と比較する比較回路（図示せず）とで構成される。バンドパスフィルタは、変調周波数ｆ２の２倍の周波数を通過帯域の中心周波数とした汎用のフィルタである。但し、定格点灯時の周波数ｆ１の２倍の周波数を通過帯域の中心周波数としてもよく、その場合は復調される受信データの論理が反転しているから受信データ処理部２３でさらに反転する必要がある。比較回路はコンパレータからなり、変調周波数ｆ２の２倍の周波数成分がバンドパスフィルタを通過したときにＨレベルの信号を出力するとともにその他のときにＬレベルの信号を出力することで照明器具Ｔから照射される照明光の受信信号より受信データを復調する。

受信データ処理回路２３はマイコンを主構成要素とするものであって、復調回路２２で復調された受信データの有効性を判断するとともに、有効と判断した受信データを他の電子機器（例えば、ＰＤＡ、携帯電話機など）に伝送したり、受信データに含まれる位置情報を、別途記憶している地図情報に基づいて表示デバイスの画面上に表示したり、あるいは音声で報知する処理等を行う。

照明器具Ｔは蛍光灯照明器具であって、図１（ａ）に示すように送信データを示すデータ信号（Ｈ、Ｌの２値をとる方形パルス信号）を出力する信号源１と、照明光にデータを重畳させる制御回路２と、蛍光灯３と、商用交流電源ＡＣを整流平滑して直流電力に変換する直流電源回路４と、直流電力を商用周波よりも高い高周波の交流電力に変換して蛍光灯３を高周波点灯する点灯回路５と、商用交流電源ＡＣのゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出回路６と、ゼロクロス点検出回路６がゼロクロス点を検出した時点から所定の遅延時間を計時する計時回路７とを備えている。

信号源１は、例えば、照明器具Ｔの設置場所を示す位置情報がディップスイッチやＥＥＰＲＯＭなどで設定され、当該位置情報に対応するデータ信号を繰り返し出力している。ここで、送信データはＮＲＺ符号であって、Ｈ、Ｌの２値をとる方形パルスとして信号源１から出力される。また、信号源１が出力するデータ信号の周波数は、人間の眼が複数の光源の明暗の切換を認識可能である周波数（ＣＦＦ：Critical Fusion Frequency）よりも高い周波数に設定されている。なお、ＣＦＦは年齢（高齢者は相対的に光の変化に対する応答性が低い傾向にある。）や個人差によって異なると言われているが、少なくとも１２０ｋＨｚ以上であれば特に支障はない。何故なら、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用周波で点灯する白熱灯や銅鉄安定器で点灯する蛍光灯の光出力波形の周波数が１００Ｈｚ又は１２０Ｈｚであり、これと同水準であればちらつきとして感じないと考えられるからである。

直流電源回路４は、交流電源電圧を全波整流するダイオードブリッジＤＢと、全波整流された脈流電圧を平滑する平滑コンデンサＣ０とで構成されている。但し、直流電源回路４の構成はこれに限らず、力率改善用の昇圧チョッパ回路と平滑コンデンサの組合せでもよいし、あるいは電池でも構わない。

点灯回路５は、従来例で説明したＬＣ共振型のインバータ回路であって、電界効果トランジスタやバイポーラトランジスタからなる２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の直列回路と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点に一端が接続された直流カット用のコンデンサＣ１と、コンデンサＣ１と蛍光灯３の片側のフィラメントの一端との間に挿入されたインダクタＬ１と、蛍光灯３のフィラメントの非電源側に接続された予熱コンデンサＣ２とを備え、インダクタＬ１と予熱コンデンサＣ２と蛍光灯３が共振回路を構成している、いわゆるハーフブリッジ式のインバータ回路からなる。すなわち、駆動回路５ａから出力する駆動信号によりスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を高周波で交互にオン／オフすることで直流電源回路４から供給される直流電力を高周波交流電力に変換して蛍光灯３を高周波点灯するものである。そして、従来技術で説明したように、蛍光灯３の点灯時における点灯回路５（インバータ回路）の出力特性が共振回路の共振周波数ｆ０にピークを持つ山型の波形となることから（図４参照）、制御回路２から出力する周波数制御信号で駆動回路５ａを制御して点灯回路５の動作周波数（スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオン／オフする周波数）を定格点灯時の周波数ｆ１（＞ｆ０）から変調周波数ｆ２（＞ｆ１）に上昇させることで点灯回路５から蛍光灯３への供給電力（ランプ電流）を減少させて光出力を低下させることができ、信号源１から出力する送信データがＨレベルのときに点灯回路５の動作周波数を定格点灯時の周波数ｆ１とし、送信データがＬレベルのときに点灯回路５の動作周波数を変調周波数ｆ２に切り換えて点灯回路５の動作周波数を送信データで周波数変調（ＦＳＫ）することで送信データを照明光に重畳している。つまり、本実施形態では制御回路２がデータ重畳手段に相当する。但し、点灯回路５の構成はこれに限定されるものではなく、従来周知のフルブリッジ式や一石式のインバータ回路であってもよいし、あるいは直流電源回路４を構成する昇圧チョッパ回路とスイッチング素子等の部品を共用する構成であっても構わない。

制御回路２はマイコンを主構成要素とし、駆動回路５ａを制御して点灯回路５の動作周波数を調整することにより、蛍光灯３の予熱、始動、点灯並びにデータの重畳を行うものである。但し、蛍光灯３の予熱、始動、点灯に関する具体的な制御内容については従来周知であるから説明は省略する。また、計時回路７は制御回路２を構成するマイコンで構成されるが、独立したタイマＩＣで構成しても構わない。

ゼロクロス点検出回路６は、ダイオードブリッジＤＢの脈流出力を分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２で分圧した検出電圧Ｖｘと、図示しない定電圧回路で作成された制御電圧Ｖccを分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４で分圧した基準電圧ＶthとをコンパレータＣＰで比較し、検出電圧Ｖｘが基準電圧Ｖthよりも低いときにＨレベルのゼロクロス点検出信号を制御回路２へ出力するものである。なお、分圧抵抗Ｒ１と平滑コンデンサＣ０との間には平滑コンデンサＣ０の充電電荷が分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して放電しないようにダイオードＤが挿入されている。また、分圧抵抗Ｒ２と並列に接続されているコンデンサＣ３によって脈流電圧に含まれる高調波成分がコンパレータＣＰに入力されるのを防いでいる。

制御回路２では、ゼロクロス点検出回路６からゼロクロス点検出信号が入力された時点より計時回路７に所定の遅延時間ＳＴの計時を開始させ、計時回路７による遅延時間ＳＴの計時が完了したときに信号源１が出力する送信データを照明光に重畳する。

例えば、図２に示すように４台の照明器具Ｔ１〜Ｔ４がそれぞれ８ビットの送信データを繰り返し送信する場合において、各照明器具Ｔ１〜Ｔ４の制御回路２には互いに異なる遅延時間ＳＴ１〜ＳＴ４（ＳＴ１＜ＳＴ２＜ＳＴ３＜ＳＴ４）が設定されているものとする。照明器具Ｔ１の制御回路２は、ゼロクロス点検出信号が入力された時点で直ちに信号源１が出力する送信データを照明光に重畳し、照明器具Ｔ２の制御回路２は、ゼロクロス点検出信号が入力された時点から遅延時間ＳＴ２が経過した時点で信号源１が出力する送信データを照明光に重畳し、照明器具Ｔ３の制御回路２は、ゼロクロス点検出信号が入力された時点から遅延時間ＳＴ３（＝ＳＴ２×２）が経過した時点で信号源１が出力する送信データを照明光に重畳し、照明器具Ｔ４の制御回路２は、ゼロクロス点検出信号が入力された時点から遅延時間ＳＴ４（＝ＳＴ２×３）が経過した時点で信号源１が出力する送信データを照明光に重畳して送信する。なお、照明器具Ｔ１の遅延時間ＳＴ１をゼロとしているが、必ずしもゼロである必要はない。また、遅延時間ＳＴ３，ＳＴ４をＳＴ２の２倍、３倍としているが、必ずしも倍数にする必要はなく、送信データの送信期間およびその倍数よりも長い期間であれはよい。

上述のように本実施形態によれば、複数台の照明器具Ｔが商用交流電源のゼロクロス点で同期を取りながら送信データを時分割多重伝送しているので、従来例のように各照明器具に照明光を受光する受光手段を備える必要がなくなり、照明器具Ｔが設置される環境に左右されることなく、複数の照明器具Ｔから照明光に重畳して送信されたデータが衝突して受信装置Ｒで正常に受信できなくなるのを防ぐことができる。なお、本実施形態では商用交流電源ＡＣのゼロクロス点を検出して同期を取るようにしているが、ゼロクロス点の代わりに商用交流電源ＡＣのピーク点を検出しても構わないし、ゼロクロス点又はピーク点を検出するに当たって電圧の代わりに電流を検出してもよい。

ところで、商用交流電源ＡＣの電源電圧波形は負荷の入力インピーダンス（主に負荷である機器の入力段に設けられたコンデンサのインピーダンス）や給電線の線路インピーダンス等の影響で位相が変化したり、機器から発生するノイズ等の影響で特にゼロクロス点がずれる場合がある。その結果、ゼロクロス点検出信号の出力タイミングもずれてしまい、例えば、図２の例では照明器具Ｔ４の送信データと照明器具Ｔ１の送信データとが衝突してしまう可能性がある。なお、遅延時間ＳＴ２〜ＳＴ４を十分に長くすれば衝突の可能性は低下するが、遅延時間ＳＴ２〜ＳＴ４を長くする代わりにデータ送信期間を短くしなければならないという問題がある。また、国内における商用交流電源ＡＣの電源周波は５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの何れかしか存在しないから、必ずしも全てのゼロクロス点を検出する必要はない。

そこで、制御回路２がゼロクロス点検出回路６から入力するゼロクロス点検出信号を無効とする休止期間を設定し、この休止期間中、制御回路２が休止期間外（例えば、商用交流電源ＡＣの投入時）に検出されたゼロクロス点を基準とした一定の周期で照明光にデータを重畳すれば、例え商用交流電源ＡＣのゼロクロス点がずれても、複数の照明器具Ｔから照明光に重畳して送信されたデータが衝突するのを確実に防ぐことができる。

すなわち、制御回路２においては、電源投入時点からゼロクロス点検出回路６で検出される複数回分のゼロクロス点検出信号の間隔を調べ、その間隔がほぼ一定とみなせるときにゼロクロス点検出信号に同期した周期的な基準信号を内部で発生させるとともに、その基準信号の立ち上がり時点から計時回路７に遅延時間ＳＴの計時を開始させ、計時回路７による遅延時間ＳＴの計時が完了したときに信号源１が出力する送信データを照明光に重畳する。

例えば、図３に示すように４台の照明器具Ｔ１〜Ｔ４がそれぞれ８ビットの送信データを繰り返し送信する場合において、各照明器具Ｔ１〜Ｔ４の制御回路２には互いに異なる遅延時間ＳＴ１〜ＳＴ４（ＳＴ１＜ＳＴ２＜ＳＴ３＜ＳＴ４）が設定されているものとする。照明器具Ｔ１の制御回路２は、基準信号の立ち上がり時点で直ちに信号源１が出力する送信データを照明光に重畳し、照明器具Ｔ２の制御回路２は、基準信号の立ち上がり時点から遅延時間ＳＴ２が経過した時点で信号源１が出力する送信データを照明光に重畳し、照明器具Ｔ３の制御回路２は、基準信号の立ち上がり時点から遅延時間ＳＴ３（＝ＳＴ２×２）が経過した時点で信号源１が出力する送信データを照明光に重畳し、照明器具Ｔ４の制御回路２は、基準信号の立ち上がり時点から遅延時間ＳＴ４（＝ＳＴ２×３）が経過した時点で信号源１が出力する送信データを照明光に重畳して送信する。

したがって、正しい商用電源電圧のゼロクロス点に同期した基準信号に基づいて各照明器具Ｔ１〜Ｔ４の遅延時間ＳＴ１〜ＳＴ４が定められ、例え実際の商用電源電圧（実商用電源電圧）のゼロクロス点がずれても基準信号の周期が一定に保たれるから、複数の照明器具Ｔ１〜Ｔ４から照明光に重畳して送信されたデータが衝突して受信装置Ｒで正常に受信できなくなるのを確実に防ぐことができる。但し、制御回路２ではゼロクロス点検出回路６が出力するゼロクロス点検出信号を常時監視しており、ゼロクロス点検出信号の間隔がほぼ一定と判断されたときに基準信号の周期をゼロクロス点検出信号に基づいて修正する。

なお、本実施形態では光源を蛍光灯とする蛍光灯照明器具Ｔを例示したが、蛍光灯以外にも有機ＥＬ素子や発光ダイオードなどの個体発光素子を光源とする照明器具であっても構わない。

（ａ）は本実施形態における照明器具のブロック図、（ｂ）は受信装置のブロック図である。同上の動作説明図である。同上の動作説明図である。同上における点灯回路の動作周波数の説明図である。同上の動作説明図である。

符号の説明

Ｔ照明器具
Ｒ受信装置
１信号源
２制御回路
３蛍光灯
４直流電源回路
５点灯回路
６ゼロクロス点検出回路
７計時回路

Claims

光源から照射する照明光にデータを重畳させて伝送する複数の照明器具と、照明光に重畳されたデータを受信する１乃至複数の受信装置とを有する照明光伝送システムであって、
照明器具は、光源と、商用交流電源から電源供給を受けて光源を点灯する点灯手段と、点灯手段を制御して光源から照射される照明光にデータを重畳するデータ重畳手段と、商用交流電源のゼロクロス点又はピーク点を検出する検出手段とを備え、
データ重畳手段は、検出手段がゼロクロス点又はピーク点を検出した時点から所定の遅延時間が経過したときに照明光にデータを重畳してなり、
複数の照明器具毎に互いに異なる前記遅延時間が割り当てられることを特徴とする照明光伝送システム。
データ重畳手段は、検出手段による商用交流電源のゼロクロス点並びにピーク点の検出結果を無効とする休止期間を有するとともに当該休止期間中は休止期間外に検出されたゼロクロス点又はピーク点を基準とした一定の周期で照明光にデータを重畳することを特徴とする請求項１記載の照明光伝送システム。