JP2009522801A - 一体化された温度センサ機能をもつ照明センサ - Google Patents

Abstract

本発明は，特にLEDをベースにしたランプ用の照明センサに関する。当該照明センサは少なくとも１個の光センサと温度センサとを有する。当該光センサ及び温度センサは，共通のハウジング内で共通の基板上に一体化されている。

Description

ランプ及びランプシステムは，発光ダイオードに基づいたランプ及びランプシステムによって次第に置き換えられている。LEDベースのランプの主な長所は，大幅に高い効率及び発光ダイオードの大変長い寿命である。更に，多数のアプリケーションにおいて，審美的要因が主要な役割を演じている。ここに，LEDベースのランプ及び照明システムは，付加されたデザインオプションを提供するので，更に好ましく用いられている。

例えば信号灯のような，発光ダイオードの当初の一般的なアプリケーションは次々に拡大されている。例えば交通信号のような，より大きな信号灯に対する置き換えとしても，複数のLEDの相互接続が既に用いられている。自動車部門においてもまた，発光ダイオードのランプシステムが，後退灯，停止灯及び方向指示システムに使われている。前照灯へのLEDの使用は，実験段階である。

将来，LEDランプは業務用ランプシステム部門（特殊な市場）及び民生部門でも使われるであろう。これらの部門においては，ランプの色（又は色温度）を利用者の要望に従って種々異なる条件に適応する可能性同様，特に良好な色品質であることが格別に重要である。しかしながら，これはLEDランプシステムによって満たされねばならない特定の技術的な事前要件を必要とする。

通常，例えば白色光は幾つかの，しばしば異なる色の発光ダイオードの組み合わせによって作り出される。原則として白色光は，例えば赤色（R），緑色（G）及び青色（B）の発光ダイオードの混色によって生成される。個々のLEDのスペクトル及び輝度レベルは，必要とされる特性をもっている所望の光を生み出すよう制御されている。このように，白色光の輝度及び色温度の他に，例えば赤色（R）のみの光，又は（GとBとの組合せとしての）黄色の光を生成するために，例えば特別な信号による発光ダイオードの大変特別な組合せのみを制御することによって，種々異なる色もまた設定されることができる。

これらの設定の可能性は，ランプの個々のLEDの具体的な電子制御を前提にしている。更に，センサ回路又はセンサ論理が必要とされ，当該回路又は論理はRGBベースのLEDランプの特性の情報を制御エレクトロニクスと交信するためにRGBベースのLEDランプの特性を検出し，これによって当該制御エレクトロニクスは所望の動作点を得るためにLEDの制御を行う。このように，LEDランプの特性を制御し設定するための電子的な調節が必要である。この目的のために，光に反応する部品及び/又は温度に反応する素子の利用ができ，これらは，LED信号に基づいてLEDの特性を制御するために，ランプのスペクトル及び/又はLEDの温度を検知する。

特に，LEDベースのランプシステムの高い温度は，光スペクトルの大幅な変化につながる。LEDのスペクトルの一般的な温度挙動を観察すると，照射の最大値が生じる波長の変化は別にして，照明パワー自身同様，この最大値の減少が重大であり，RGB(A)光の全スペクトルに強い影響を生じることが解明され得る。電子的な調節が，この影響を償うために必要とされる。

RGB(A)ベースのLEDランプ及び当該照明システムの，輝度同様，色又は色温度を制御し設定する既知の方法で，光センサ及び/又は温度センサが使われている。具体的なスペクトルの組合せの所望の設定とは別に，斯様なセンサは，ランプの経年及び温度のバラツキの関数として，ランプの特性を一定に保つためにも使われており，この結果，これらの現象がランプの特性に影響を及ぼすことはない。この目的のため，更には，固定されたアルゴリズムに従って個々のLED[RGB(A)]の制御エレクトロニクスに影響を及ぼすために，LEDの特性がセンサによって検出され，調べられる。通常は，個々のLEDの電流が振幅変調及び/又はパルス幅変調によって増減され，この結果，ランプの光スペクトルは所望の値になる。

既知の制御方法では，LEDの比較的不正確な温度検知のみが可能であることは欠点である。用いられた光センサによって測定されたスペクトルもまた問題が多い。これは，光センサ及び温度センサ同様，LEDの空間的に種々異なる配置によって，LED半導体部品の実際の温度が測定されることが出来ぬという事実に起因していると考えられる。更に，光センサが，検知すべきLEDというよりは温度に晒されている場合がある。これは，ランプ温度の関数としてのランプスペクトルの安定性を阻害する。ヒートシンクと多少近接して熱的に結合されているRGB(A)照明の個々の部品（光センサ，温度センサ，LED）を観察すると，ヒートシンクと温度センサ，光センサ及びLEDとの間に種々異なる熱遷移抵抗が生じている。

本発明は，この問題に対する改善を供することを望んでいる。より低い温度感度をもつ照明センサを供することが，本発明の目的である。本発明によれば，この目的は請求項1の特徴によって達成される。

本発明は，光センサと温度センサとの間の温度抵抗が最小化されている照明センサで，更に，より高度な極小化を可能にする照明センサを提供する。

本発明の他の見解では，当該照明センサはMOS技術又はCMOS技術にて製造される。この技術を用いて，両方のセンサタイプ（光センサ及び温度センサ）が製造されることができる。

本発明の実施例において，温度センサは半導体ベースの熱素子である。斯様な，いわゆるサーミスタは，負の温度係数をもつ（NTC抵抗）か，又は正の温度係数をもつ（PTC抵抗），温度に依存する多結晶の半導体抵抗である。サーミスタは正確な測定を可能にし，コスト効率の良い態様にて製造されることができる。

本発明の他の実施例では，温度センサ及び光センサは直列に接続されており，当該温度センサはPTC挙動をもつ熱素子である。適切な寸法をもつ熱素子との組合せで，この実施例は温度に関して得られた光電流の一定挙動を可能とし，この結果，光センサの温度依存性が補償されることができる。

本発明の他の見解では，光センサと温度センサとの間にタップが供され，周囲温度を検知するために，当該タップはハウジングに対して外へと導かれるよう配置される。

増幅素子が照明センサ内に付加的に供されることができる。増幅素子を同一の半導体技術（MOS又はCMOS）で一体化することにより，組み合わされた光−温度センサの機能性が拡張され得る。当該増幅素子がトランスインピーダンス型のコンバータである場合は好都合である。

本発明の他の実施例においては，当該増幅器の出力部の後に，信号フィルタ・モジュールが追加で供される。この信号フィルタ・モジュールによって，HFの切換え信号（LEDはパルス幅変調（PWM）によって通常駆動されている）はフィルタリングされ，この結果，高品質のセンサ信号が出力で引出される。当該信号フィルタ・モジュールは，好ましくは低域通過フィルタである。

本発明の他の見解及び実施例は，更に請求項中で示されている。本発明の例は図で示され，詳細が以降に説明されよう。

実施例として選ばれた照明センサは，共通のハウジング内の共通の基板上に，少なくとも1個の温度センサ2と共に，少なくとも1個の光センサ1を有する。両方のセンサのタイプ（光センサ及び温度センサ）はMOS技術又はCMOS技術によって製造されることができるので，MOS技術又はCMOS技術は，それ自身が有力な半導体技術として役に立つ。図1は組み合わされた照明センサの原理を示す。光センサ1と共に，温度センサ2はハウジング内の基板上に収容されており，この結果，光センサ1と温度センサ2との間の温度遷移抵抗は無視できるほど小さい。図1には，簡単な最小限の解決策が示されている。温度センサの情報（通常はオーム抵抗値）用と同様，光ダイオードの信号（通常は光電流）用に，両方のセンサ1，2は別々に引出すことのできる接点3をもっている。

光センサ1は，単純で，比較的広帯域のセンサであり，当該センサはアプリケーションの全スペクトル（例えば可視光，紫外光，赤外光，等々）をカバーしているか，又は比較的狭帯域のセンサで，周波数スペクトルの小さな一部を検知するのみである。対応する特性をもった光学フィルタを作り出すための十分な可能性が，当業者に知られている。原則的に，干渉フィルタ同様，色フィルタが適時用いられることができ，これらのフィルタは光に敏感な半導体構造の上部に配置されている。

図2は，数個の光センサ1を有する解決策を示し，光センサは具体的な周波数範囲に各々調整されている。ここでは三つの原色RGBが適時使われている。特に，人間の眼の感度に対応している色センサが特別に重要である。ここでは説明されていない周波数に調整されている他の光センサの構成及び組合せも同様に考えられる。また，光学的な不適合を最小化して光電流を増すために，同一のスペクトル感度をもつ複数の光ダイオードが，お互いに空間的に分離され，同時に並列に接続されていることも可能である。原理的には，例えば光トランジスタ，太陽電池，光抵抗等のような，他の光感応部品も，図示されている光ダイオードの代わりに使うことができる。

半導体ベースの熱素子が温度センサ2として適時使われることができ，当該素子は正の温度係数を一般にもち，従ってPTC（正の温度係数）又はPTC抵抗の挙動を示す。半導体ベースの負の温度係数（NTC）の抵抗の使用も同様に可能である。しかしながら原理的には，光ダイオードの搬送基板上に取り付けられたNTC抵抗又はPTC抵抗（金属層の温度センサ）もまた使うことができる。

一体化された光センサと温度センサとを有する照明センサを使用しているLEDベースの照明のブロック線図が図3に示されている。図3bは，当該照明センサがLEDの直近に配置されている事例に関する。この事例は，LEDの温度が上手く検出できるという長所をもち，LEDとセンサとの間には小さな温度遷移抵抗（R_T1）があるのみである。しかしながらこの構成では，場合によっては，光センサ1は全照明スペクトルの一部を検出するのみかも知れない。図3cは照明センサがLEDからある距離で配置されている事例を示しており，この結果，LEDとセンサ1，2との間に，より大きな熱遷移抵抗（R_T1）が有る。しかしながら，この構成は，照明センサの光センサ部が照明スペクトルをより良く捉えることができるという長所を供する。

しかしながら，LEDに対する照明センサの配置とは関係無く，図3aに示されている従来の分離されたセンサの解決策に対する長所が明確に認識されることができる。二つの異なる温度遷移抵抗（R_T1及びR_T2）の代わりに，ここでは唯一つの温度遷移抵抗が存在するのみである。未知数が一つ少なくなるので，これはランプの色制御を簡略化し，従ってより精度が高く，より高速の色調節ができる。更に，光センサ1自身の温度感度が正確に検出されることができ，従って容易に補償されることが可能である。結果として，センサデータはより精度が上がり，より正確な色の設定，又は個々のLEDの制御エレクトロニクスのより正確な訂正が実行できる。

更に，部品点数が減じられ，より少ない組み立て費用と配線費用とをもたらし，より小さな，単純な，従って，より経済的なLEDベースのRGB(A)ランプの製造を可能にする。

図1及び図2による実施例では，熱素子2は光センサ1に直列に接続されている。半導体の光センサ1の固有の導電性が温度とともに増大し（逆方向の電流がより大きくなり，順方向の抵抗がより小さくなる），これゆえ，前記光センサがNTC挙動を示すので，適切な直列温度補償素子は，PTC挙動を示している1個の素子である。図1及び図2で示されている構成での熱素子の適切な寸法の決定によって，温度に対する光電流の一定の挙動が実現でき，この結果，光センサの全温度にわたる依存性が補償されることができる。

更に，光センサ1と温度センサ2との間に適切なタップ3を，（ハウジングに対して）外側に導く態様で配置することによって，照明センサを実際の周囲温度を検出するために用いる可能性が有る。ここで温度補償が可能となる。多くの種々異なる接続の組合せ（直列接続，並列接続及び幾つかの温度センサの混合回路）を用いることができる。

照明センサ内で組み合わされた光センサ及び温度センサの機能は，（同じ半導体技術，即ちMOS又はCMOSで）増幅素子4を一体化することによって拡張されることができる。光の照射に起因して生成された，通常は非常に小さな光電流は必然的に強化されねばならず，この結果，信号は更に処理されることができる。この目的のために，比較的高い増幅率をもつ所謂トランスインピーダンスのコンバータが適時使用されることができ，これについては学術文献で十分に説明されてきた。増幅器4が光センサ1の直近に配置された場合，実質的に短い導電路に起因してスプリアス信号は非常に減じられ，この結果，増幅器4の動作は実質的に低いノイズレベルと実質的に減じられた感度とを特色とする。この拡張が，図5に概観的に示されている。

更に，信号フィルタ・モジュール5が増幅器の出力部の後に追加して取り付けられることができ，この結果，HFの切換え信号（概してLEDはPWMで駆動される）はフィルタリングされ，高品質なセンサ信号が出力で引き出されることができる。この出力信号は次に，LEDベースのRGB(A)照明の制御エレクトロニクスに直接供給される。図6は，対応する基本的な線図を示している。適時使用できるフィルタ部品は低域通過フィルタであって，これについての多くの様々なトポロジが学術文献で説明されてきた。

更なる実施例においては，動作電圧への接続の他に，例えば増幅率並びに/又は最小出力電圧及び最大出力電圧を規定するために，上で説明された増幅器は追加の端子ももっている。これは，この目的のために供された接続に付随した追加の部品（例えばオーム抵抗器）を介して行われる。低域通過フィルタのフィルタ特性は，（オーム抵抗及び/又はコンデンサ及び/又は誘導コイルによって）同じ態様にて変更されることができる。

一体化された光センサと温度センサとが有る，照明センサの原理の概観図を示す。 複数のセンサをもつ，図１による原理の概観図を示す。 （従来型の）別々の光センサと温度センサとをもち，温度遷移抵抗が付いた，センサが関与するLED照明の基本的なブロック線図を示す。 LEDの直近に配置された一体化された光センサと温度センサとをもち，温度遷移抵抗が付いた，センサが関与するLED照明の基本的なブロック線図を示す。 LEDから距離をおいて配置された一体化された光センサと温度センサとをもち，温度遷移抵抗が付いた，センサが関与するLED照明の基本的なブロック線図を示す。 周囲温度を測定するための温度センサと光センサとの間にタップをもっている，図１による照明センサの原理の概観図を示す。 一体化された光電流増幅器をもった，図１による照明センサの原理の概観図を示す。 追加されたフィルタ機能をもった，図5による照明センサの原理の概観図を示す。

Claims (9)

1. 少なくとも1個の光センサと温度センサとを有し，前記光センサと前記温度センサとは共通のハウジング内の共通の基板上に一体化されている，特にLEDベースのランプ用の照明センサ。
2. 前記照明センサは，MOS技術またはCMOS技術で製造されることを特徴とする，請求項1に記載の照明センサ。
3. 前記温度センサが半導体ベースの熱素子であることを特徴とする，請求項1又は2に記載の照明センサ。
4. 前記温度センサと前記光センサとは直列に接続され，前記温度センサがPTC挙動をもつ熱素子であることを特徴とする，請求項1ないし3の何れか一項に記載の照明センサ。
5. 前記光センサと前記温度センサとの間にタップが供されており，周囲温度を検出するために，当該タップが前記ハウジングに対して外側へ導かれるように配置されていることを特徴とする，請求項1ないし4の何れか一項に記載の照明センサ。
6. 増幅素子が前記照明センサに追加で供されていることを特徴とする，請求項1ないし5の何れか一項に記載の照明センサ。
7. 前記増幅素子がトランスインピーダンスコンバータである，請求項6に記載の照明センサ。
8. 信号フィルタ・モジュールが前記増幅器の出力部の後に追加で供されていることを特徴とする，請求項6又は7に記載の照明センサ。
9. 前記信号フィルタ・モジュールが低域通過フィルタであることを特徴とする，請求項8に記載の照明センサ。

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