JP2010250979A - 照明装置、照明システムおよび照明制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】照明とは別途測光素子を設ける必要なしに、周囲の外光輝度に応じて色調およびまたは光量を調整する。
【解決手段】白色光源（白色発光ダイオードＬＥＤｗ）と、少なくとも１種類の色の単色発光ダイオードＬＥＤｏとを有し、単色発光ダイオードＬＥＤｏの少なくともひとつが、発光と受光とで切り替えて使用される受発光兼用ダイオードであり、この受発光兼用ダイオードの受光出力に応じて白色光源（ＬＥＤｗ）と単色発光ダイオードＬＥＤｏとの発光状態を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置、照明システムおよび照明制御方法に関する。

白色発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）の長寿命かつ低消費電力という特徴を生かし、照明器具への応用がなされている。白色発光ダイオードを照明器具に使用する場合に、その照明光量の調整は、通常は、駆動電流のデューティー比を制御することにより実現される。また、別途設ける測光素子により外光輝度を測定し、この照明光量を切り替えることにより、エネルギー消費を削減することも提案されている。さらに、白色だけでなく、たとえば３原色の発光ダイオードを使用し、照明光の色調を調整して照明効果を高めることも行われている（たとえば特許文献１、２参照）。

特開２００９−００９７８２号公報 特開２００９−００９８１７号公報

ところで、照明は、昼には白色光でもよいが、夜の室内は暖色系の光による照明の方が安らげることが知られている。また、昼は太陽の光もあり、十分な明るさを確保でき、通常の作業ができるが、夜は照明装置のみの明るさとなり、眼を使う作業が十分に行えないということがある。また、逆に、昼間は十分な光量によって作業をし、夜は省エネを考えて少ない光量としたいという要望も考えられる。特許文献１、２に記載の技術は、出力を一定としながら照明光の色調を調整するものであるため、そのような要望には対応することができない。測光素子を別途設けて照明光量を切り替える技術では、照明とは別の位置に測光素子を配置する必要があり、また、そのための回路も必要となっている。

本発明は、このような課題を解決し、照明とは別途測光素子を設ける必要なしに、周囲の外光輝度に応じて色調およびまたは光量を調整することのできる照明装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点によると、白色光源と、少なくとも１種類の色の単色発光ダイオードとを有し、単色発光ダイオードの少なくともひとつは、発光と受光とで切り替えて使用される受発光兼用ダイオードであり、この受発光兼用ダイオードの受光出力に応じて白色光源と単色発光ダイオードとの発光状態を制御する発光制御回路を有することを特徴とする照明装置が提供される。

本発明の第２の観点によると、第１の観点による第１の照明装置と、手動によりオン、オフが切り替えられる第２の照明装置とを有し、第１の照明装置の輝度が、第２の照明装置のオン、オフに応じて自動的に調整されることを特徴とする照明システムが提供される。

本発明の第３の観点によると、白色光源と少なくとも１種類の色の単色発光ダイオードとを組み合わせ、単色発光ダイオードの少なくともひとつを発光と受光とで切り替えて受発光兼用ダイオードとして使用し、この受発光兼用ダイオードの受光出力に応じて白色光源と単色発光ダイオードとの発光状態を制御することにより照明光の色調およびまたは光量を制御することを特徴とする照明制御方法が提供される。

本発明によれば、照明とは別途測光素子を設ける必要なしに、周囲の外光輝度に応じて色調およびまたは光量を調整することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の回路図である。 図１に示す照明装置内の制御用マイクロプロセッサによる制御の流れを示すフローチャートである。 外光輝度ＢＶと図１に示す照明装置内の測光出力電圧Ｖｏｕｔとの関係の一例を示す図である。 図１に示す照明装置内の白色発光ダイオードへの駆動電流を変更する基準となる外光輝度レベルについて、外光増加時と減少時との違いを説明する図である。 本発明の第２の実施の形態に係る照明システムを示すブロック構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態の構成］
図１は本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の回路図である。この照明装置は、白色光源としての白色発光ダイオードＬＥＤｗと、少なくとも１種類の色の受発光兼用ダイオードとなる単色発光ダイオードＬＥＤｏとを有する。白色発光ダイオードＬＥＤｗとして、図１では直列接続された２個の例を示すが、１個のみとしたり、直接接続された３個以上としてもよく、また、並列接続としてもよい。単色発光ダイオードＬＥＤｏとして、図１では１個だけを示すが、同じ発光色で複数、あるいは異なる発光色で複数設けることもできる。単色発光ダイオードＬＥＤｏの少なくともひとつは、発光と受光とで切り替えて使用される受発光兼用ダイオードである。照明装置は、受発光兼用ダイオードの受光出力に応じて白色発光ダイオードＬＥＤｗと単色発光ダイオードＬＥＤｏとの発光状態を制御する発光制御回路として、制御用マイクロプロセッサ１００と、抵抗Ｒ１〜Ｒ５およびトランジスタＱ１〜Ｑ５とを有する。

白色発光ダイオードＬＥＤｗのアノードは、抵抗Ｒを介して、電源Ｖｄｄに接続される。白色発光ダイオードＬＥＤｗのアノードはまた、発光ダイオード駆動集積回路１０１のＩｓｅｎｓｅ端子に接続される。白色発光ダイオードＬＥＤｗのカソードは、リアクタンスＬ１を介して発光ダイオード駆動集積回路１０１のＬＸ端子に接続される。抵抗Ｒ、白色発光ダイオードＬＥＤｗおよびリアクタンスＬ１の直列回路には、並列に、保護用のダイオードＤが接続される。電源Ｖｄｄと接地点ＧＮＤとの間には、キャパシタＣが設けられる。発光ダイオード駆動集積回路１０１のＶｉｎ端子には、電源Ｖｄｄが接続される。発光ダイオード駆動集積回路１０１のＧＮＤ端子は、接地（ＧＮＤ）される。発光ダイオード駆動集積回路１０１のＡＤＪ端子は、電流値調整端子であり、白色発光ダイオードＬＥＤｗに流れる電流を設定するための電圧が入力される。発光ダイオード駆動集積回路１０１としては、一般的なスイッチングレギュレータを用いる。

発光ダイオード駆動集積回路１０１のＡＤＪ端子には、抵抗Ｒ１〜Ｒ５およびトランジスタＱ１〜Ｑ５からなる回路が接続される。抵抗Ｒ１は、一端が、電圧レギュレータ１０２の出力する電源Ｖｃｃに接続される。電圧レギュレータ１０２の入力は、電源Ｖｄｄに接続される。抵抗Ｒ１の他端は、抵抗Ｒ２を介してトランジスタＱ１のコレクタに、抵抗Ｒ３を介してトランジスタＱ２のコレクタに、抵抗Ｒ４を介してトランジスタＱ３のコレクタに、抵抗Ｒ５を介してトランジスタＱ４のコレクタに、抵抗を介さずにトランジスタＱ５のコレクタに、それぞれ接続される。トランジスタＱ１〜Ｑ５のエミッタは接地（ＧＮＤ）される。抵抗Ｒ１の他端はまた、発光ダイオード駆動集積回路１０１のＡＤＪ端子に接続される。

トランジスタＱ１のベースは、制御用マイクロプロセッサ１００の出力ポートＲＢ１に接続される。トランジスタＱ２のベースは、制御用マイクロプロセッサ１００の出力ポートＲＢ２に接続される。トランジスタＱ３のベースは、制御用マイクロプロセッサ１００のＲＢ３端子に接続される。トランジスタＱ４のベースは、制御用マイクロプロセッサ１００の出力ポートＲＢ４に接続される。トランジスタＱ５のベースは、制御用マイクロプロセッサ１００の出力ポートＲＣ１に接続される。制御用マイクロプロセッサ１００のＶｃｃ端子には、電圧レギュレータ１０２の出力する電源Ｖｃｃが接続される。制御用マイクロプロセッサ１００のＶｓｓ端子は、接地される。

単色発光ダイオードＬＥＤｏのアノードは、ＦＥＴトランジスタＱ６のゲートに接続され、トランジタＱ７のコレクタ、エミッタを介して電圧Ｖｃｃに接続される。ＦＥＴトランジスタＱ６は、ドレインが抵抗Ｒ６を介して電源Ｖｃｃに接続され、ソースが抵抗Ｒ７を介して接地（ＧＮＤ）される。ＦＥＴトランジスタＱ６のドレインはまた、制御用マイクロプロセッサ１００のアナログ・ディジタル変換ポートＡＮＩに接続される。トランジスタＱ７のベースは、抵抗Ｒ８を介して電源Ｖｃｃに接続される。トランジスタＱ９のベースにはまた、インバータゲートＩ１〜Ｉ３および抵抗Ｒ９を介して、制御用マイクロプロセッサ１００の出力ポートＲＣ０が接続される。

単色発光ダイオードＬＥＤｏのカソードは、抵抗Ｒ１０を介して電源Ｖｃｃに接続され、抵抗Ｒ１１を介して接地（ＧＮＤ）され、また、トランジスタＱ８のコレクタに接続される。トランジスタＱ８のエミッタは、抵抗Ｒ１２を介して接地（ＧＮＤ）される。トランジスタＱ８のエミッタはまた、トランジスタＱ９のベースに接続される。トランジスタＱ８のベースは、可変抵抗ＶＲ１３を介して電源Ｖｃｃに接続され、トランジスタＱ９のコレクタ、エミッタを介して接地（ＧＮＤ）される。トランジスタＱ９のコレクタには、トランジスタＱ１０のコレクタが接続される。トランジスタＱ１０のエミッタは接地（ＧＮＤ）される。トランジスタＱ１０のベースおよびエミッタには、制御用マイクロプロセッサ１００の出力ポートＲＣ０が、インバータゲートＩ１を介して接続される。

［動作の説明］
以上の構成において、トランジスタＱ８、Ｑ９と抵抗Ｒ１２および可変抵抗ＶＲ１３は、従来から知られている定電流回路を構成する。すなわち、トランジスタＱ８のコレクタ電流が増加すると、トランジスタＱ８のエミッタと接地との間に接続されている抵抗Ｒ１２の電位降下が大きくなり、トランジスタＱ９がオンになる。これにより、トランジスタＱ８のベース電流が減少し、結果として、トランジスタＱ８のコレクタ電流が減少する。トランジスタＱ８のコレクタ電流が減少した場合は、逆の作用が起こる。このようにして、トランジスタＱ８のコレクタ電流は、一定に保たれる。定電流値は、可変抵抗ＶＲ１３により微調整できる。

定電流回路のオン、オフは、制御用マイクロプロセッサ１００の出力ポートＲＣ０からの信号により制御される。出力ポートＲＣ０が「高」になると、インバータゲートI１の出力が「低」となり、トランジスタＱ１０がオフとなる。同時に、インバータI３の出力も「低」となり、トランジスタＱ７はオンとなる。これにより、単色発光ダイオードＬＥＤｏが、定電流駆動されて発光する。

出力ポートＲＣ０が「低」になると、トランジスタＱ１０はオンとなり、トランジスタＱ８がオフとなる。これにより、単色発光ダイオードＬＥＤｏのカソードに、抵抗Ｒ１０、Ｒ１１のバイアス電圧が供給される。また、トランジスタＱ７はオフとなり、単色発光ダイオードＬＥＤｏのアノードは開放となる。これにより、単色発光ダイオードＬＥＤｏが受光ダイオードとして動作する。ＦＥＴトランジスタＱ６は、外光輝度により発生した単色発光ダイオードＬＥＤｏの開放電圧を測定する。ＦＥＴトランジスタＱ６の出力電圧Ｖｏｕｔは、制御用マイクロプロセッサ１００のアナログ・ディジタル変換ポートＡＮＩに入力される。

一方、白色発光ダイオードＬＥＤｗは、発光ダイオード駆動集積回路１０１により駆動される。この実施の形態では、抵抗Ｒ１に対する分圧抵抗を抵抗Ｒ２から抵抗Ｒ５のうちから選ぶことにより、４種類の駆動電流値を選択できる。各駆動電流値は、対応するトランジスタＱ１からＱ４のいずれかをオンにすることにより選択できる。また、トランジスタＱ５をオンにすることにより、駆動電流をオフにすることができる。ここで、抵抗Ｒ２は、白色発光ダイオードＬＥＤｗの駆動電流が１００ｍＡとなる値に設定されているものとする。同様に、抵抗Ｒ３は、駆動電流が２００ｍＡとなる値に設定され、抵抗Ｒ４は、駆動電流が３００ｍＡとなる値に設定され、抵抗Ｒ５は、駆動電流が６００ｍＡとなる値に設定されているものとする。また、可変抵抗ＶＲ１３は、単色発光ダイオードＬＥＤｏの駆動電流が２００ｍＡとなるように設定されているものとする。

図２は、制御用マイクロプロセッサ１００による制御の流れを示すフローチャートである。

制御用マイクロプロセッサ１００は、照明時には、出力ポートＲＣ０を「高」、ＲＣ１を「低」とし、出力ポートＲＢ１〜ＲＢ４のいずれかを「高」とする。これにより、単色発光ダイオードＬＥＤｏは、２００ｍＡで定電流駆動されて発光する。また、白色発光ダイオードＬＥＤｗは、出力ポートＲＢ１〜ＲＢ４の出力に対応する電流で駆動されて発光する。ここで、初期状態では、白色発光ダイオードＬＥＤｗを３００ｍＡで駆動するものとする（ステップＳ１）。すなわち、制御用マイクロプロセッサ１００は、初期状態では、出力ポートＲＢ３を「高」、出力ポートＲＢ１、ＲＢ２、ＲＢ４を「低」とする。

制御用マイクロプロセッサ１００は、任意間隔の時間、例えば３０秒毎に（ステップＳ２でＹ）、２ミリ秒間だけ、出力ポートＲＣ０を「低」に、出力ポートＲＣ１を「高」にする。これにより、白色発光ダイオードＬＥＤｗと単色発光ダイオードＬＥＤｏの発光が停止し、単色発光ダイオードＬＥＤｏは測光モードとなる。そして、ＦＥＴトランジスタＱ６のドレインに、外光輝度に比例した電圧が得られる（ステップＳ３）。制御用マイクロプロセッサ１００は、この電圧をアナログ・ディジタル変換し、あらかじめ設定されているテーブル値と比較して、白色発光ダイオードＬＥＤｗの電流値を選択する。（ステップＳ４）。外光輝度を測光するためには、白色発光ダイオードＬＥＤｗと単色発光ダイオードＬＥＤｏの双方を消灯する必要がある。このため、使用者に照明のちらつきを意識させないように、２ミリ秒より短い時間で測光することが望ましい。測光終了後、制御用マイクロプロセッサ１００は、は、白色発光ダイオードＬＥＤｗおよび単色発光ダイオードＬＥＤｏを点灯する（ステップＳ５）。

図３は、外光輝度ＢＶに対してＦＥＴトランジスタＱ６のドレインに得られる測光出力電圧Ｖｏｕｔの関係の一例を示す。外光輝度ＢＶが暗くなると、測光した出力電圧Ｖｏｕｔは高くなる。

制御用マイクロプロセッサ１００は、測光結果が低く、外光輝度が十分あると判断されたときは、白色発光ダイオードＬＥＤｗの電流値を３００ｍＡのように設定し、全体の消費電力を抑える。一方、測光結果が夕暮れ時を表しているような場合は、白色発光ダイオードＬＥＤｗの電流値を６００ｍＡに設定し、より明るい照明を得る。測光結果が夜間を表している場合は、白色発光ダイオードＬＥＤｗの電流値を２００ｍＡに設定し、省エネルギーモードとする。

単色発光ダイオードＬＥＤｏの電流値は２００ｍＡで一定であるから、白色発光ダイオードＬＥＤｗの電流値を変化させると、照明の色調が変化する。たとえば、単色発光ダイオードＬＥＤｏとしてオレンジ色で発光するものを用いる場合、白色発光ダイオードＬＥＤｗの駆動電流値を小さくすると、オレンジ色の混色の度合いが強まり、電球色の色調を帯びるようになる。これにより、省エネルギー効果と安らぎ効果とを得ることができる。

図４は、図１に示す照明装置内の白色発光ダイオードＬＥＤｗへの駆動電流を変更する基準となる外光輝度レベルについて、外光増加時と減少時との違いを説明する図である。制御用マイクロプロセッサ１００は、外光輝度がそれまでより減少するときと増加するときとで、白色発光ダイオードＬＥＤｗの発光出力の変化に差を設ける。具体的には、外光輝度が減少するときに駆動電流を変更するレベルを、外光輝度が増加するときに駆動電流を変更するレベルより、高く設定する。これにより、少しの外光輝度の変化で発光量が変化する（ちらつく）ことを防止できる。

［本実施の形態の効果］
白色光照明は、人間に対して、生理的に違和感を与える場合がある。たとえば、上述したように、昼間は白色光でも良いが、夜間の室内は、暖色系の光による照明の方が、人間にとっては安らげることが知られている。図１を参照して説明した本発明の実施の形態によれば、昼間の明るいときには光量を減らし、薄暗くなったときには白色光の大きな光量で照明を行い、夜間は電球色による比較的小さな光量の照明に切り替えることができる。このように照明を切り替えることで、生理的安らぎと、省エネネルギー効果との双方を得ることができる。また、このような光量の切り替えを外光輝度により自動的に切り替えることができれば、より省エネルギー効果を高めることができる。

［変形例］
以上の説明では、単色発光ダイオードＬＥＤｏとして、特に色を限定して説明するとともに、例示のひとつとしてオレンジ色で発光するものを用いるものとしたが、発光色が暖色系であれば、赤など、他の色で発光するものを用いることもできる。また、電球色を発光ダイオードで再現するために、３原色の赤、緑、青の発光色の発光ダイオードの発光輝度を調整してもよい。

また、図１に示す照明装置では、２個の白色発光ダイオードＬＥＤｗと１個の単色発光ダイオードＬＥＤｏとを組み合わせているが、さらに多数の発光ダイオードを組み合わせてもよく、発光色の異なるさらに多種類の発光ダイオードを組み合わせることもできる。単色発光ダイオードを複数用いる場合には、そのすべてを受光に用いる必要はなく、１個または少数個だけを受光用とすることができる。多数の発光ダイオードを組み合わせる場合には、最も長波長側の赤色発光ダイオードで測光することで、測光輝度範囲をより拡大できる。

図１に示す照明装置では、単色発光ダイオードＬＥＤｏは定電流駆動されるものとして説明したが、この駆動電流を変化させることもできる。したがって、制御用マイクロプロセッサ１００は、一般には、受発光兼用ダイオードの受光出力により表される外光輝度が比較的高い（まだ暗くなっていない）ときには、単色発光ダイオードＬＥＤｏの発光出力に対して相対的に白色発光ダイオードＬＥＤｗの発光出力を大きくし、外光輝度が比較的低い（暗くなった）ときには、単色発光ダイオードＬＥＤｏの発光出力に対して相対的に白色発光ダイオードＬＥＤｗの発光出力を小さくする。さらに、昼のように外光輝度がさらに高いときには、白色発光ダイオードの発光出力を中間の値にすることが望ましい。

制御用マイクロプロセッサ１００に手動によりオン、オフが切り替えられるスイッチを設け、このスイッチがオンのときには、自動輝度判定を解除し、手動による発光量調整を可能とする構成とすることもできる。

［第２の実施の形態］
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る照明システムを示すブロック構成図である。この照明システムは、図１に示す照明装置と同様の構成の照明装置１と、手動によりオン、オフが切り替えられる手動の照明装置２とを有する。発光ダイオード利用の照明装置１は、手動の照明装置２のオン、オフに応じて、自動的に輝度を調整する。

たとえば、夜間などで、手動の照明装置２がオフにされた場合には、発光ダイオード利用の照明装置１を微小電流動作に切り替え、白色発光ダイオードＬＥＤｗの駆動電流値を１００ｍＡとする。これにより、照明装置１を常夜灯として使用することができる。これは、防災上あるいは防犯上、有益である。この場合の供給電力としては、発光ダイオードの低消費電力の特徴を生かし、太陽電池により得られる電力を蓄えておいたものなどのバックアップ電源を用いることができる。

以上、本発明の各実施の形態に係る照明装置、照明システムおよび照明制御方法ならびにその変形例について説明したが、本発明は、要旨を逸脱しない範囲で種々変更実施できる。たとえば、上述の例では色調と光量の双方を共に調整しているが、色調のみ、または光量のみを調整するようにしてもよい。また、白色発光ダイオードＬＥＤｗの代わりに、他の白色光源を用いることもできる。

ＬＥＤｗ 白色発光ダイオード（白色光源）
ＬＥＤｏ 単色発光ダイオード（受発光兼用ダイオード）
１００ 制御用マイクロプロセッサ（発光制御回路の一部）
１０１ 発光ダイオード駆動集積回路
１０２ 電圧レギュレータ
Ｒ１〜Ｒ５ 抵抗（発光制御回路の一部）
Ｑ１〜Ｑ５ トランジスタ（発光制御回路の一部）
Ｒ、Ｒ６〜Ｒ１１ 抵抗
Ｌ１ リアクタンス
Ｄ ダイオード
Ｃ キャパシタ
Ｑ６ ＦＥＴトランジスタ
Ｑ７、Ｑ１０ トランジスタ
Ｑ８、Ｑ９ トランジスタ（定電流回路の一部）
Ｒ１１ 抵抗（定電流回路の一部）
ＶＲ１３ 可変抵抗（定電流回路の一部）
Ｉ１〜Ｉ３ インバータゲート

Claims (9)

1. 白色光源と、
   少なくとも１種類の色の単色発光ダイオードと
   を有し、
   上記単色発光ダイオードの少なくともひとつは、発光と受光とで切り替えて使用される受発光兼用ダイオードであり、
   この受発光兼用ダイオードの受光出力に応じて上記白色光源と上記単色発光ダイオードとの発光状態を制御する発光制御回路を有する
   ことを特徴とする照明装置。
2. 請求項１記載の照明装置において、前記白色光源は白色発光ダイオード利用の光源であることを特徴とする照明装置。
3. 請求項１または２記載の照明装置において、前記受発光兼用ダイオードを駆動する定電流駆動回路を有し、この定電流駆動回路の動作を切り替えることで、前記受発光兼用ダイオードの動作を発光と受光とで切り替えることを特徴とする照明装置。
4. 請求項３記載の照明装置において、前記受発光兼用ダイオードによる受光は２ミリ秒より短い時間内で行われることを特徴とする照明装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項記載の照明装置において、前記単色発光ダイオードはその発光色が暖色であり、前記発光制御回路は、前記受発光兼用ダイオードの受光出力により表される外光輝度が比較的高いときには、前記単色発光ダイオードの発光出力に対して相対的に前記白色光源の発光出力を大きくし、上記外光輝度が比較的低いときには、前記単色発光ダイオードの発光出力に対して相対的に前記白色光源の発光出力を小さくすることを特徴とする照明装置。
6. 請求項５記載の発光ダイオード照明装置において、前記発光制御回路は、前記外輝度が前記比較的高いときよりもさらに高いときには、前記白色光源の発光出力を前記比較的高いときよりも小さく、かつ前記比較的低いときよりも大きくすることを特徴とする照明装置。
7. 請求項５または６記載の照明装置において、前記発光制御回路は、前記外光輝度がそれまでより減少するときと増加するときとで、前記白色光源の相対的な発光出力の変化に差を設けることを特徴とする照明装置。
8. 請求項１から７のいずれか記載の第１の照明装置と、手動によりオン、オフが切り替えられる第２の照明装置とを有し、上記第１の照明装置は、上記第２の照明装置のオン、オフに応じて自動的に輝度を調整することを特徴とする照明システム。
9. 白色光源と少なくとも１種類の色の単色発光ダイオードとを組み合わせ、
   上記単色発光ダイオードの少なくともひとつを発光と受光とで切り替えて受発光兼用ダイオードとして使用し、
   この受発光兼用ダイオードの受光出力に応じて上記白色光源と上記単色発光ダイオードとの発光状態を制御することにより、照明光の色調およびまたは光量を制御する
   ことを特徴とする照明制御方法。

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