JP2011090815A

JP2011090815A - 照明制御システム

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Publication number: JP2011090815A
Application number: JP2009241689A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Tanigawa; 哲也谷川; Yoshinobu Murakami; 善宣村上
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2011-05-06

Abstract

【課題】制御対象とする照明器具の光出力が臨界融合周波数以上の周波数で周期的に変動する場合に、光出力変動の周期が異なる複数種類の照明器具に対応して照明領域の平均的な明るさに基づき調光制御することができる照明制御システムを提供する。
【解決手段】モード切替手段２２は、サンプリング手段２１を十分に短い第１のサンプリング周期で動作させる設定モードと、第１のサンプリング周期よりも長い第２のサンプリング周期で動作させる制御モードとを切り替える。周期設定手段２３は、設定モードにおいて、サンプリング結果から照明器具３０の光出力変動の周期を計測し、計測された周期に基づいて、第２のサンプリング周期およびサンプリング回数を設定する。平均化手段２４は、制御モードにおいて、周期設定手段２３で設定されたサンプリング回数のサンプリング結果から照明器具３０の光出力変動の１周期分の検出値の平均値を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明器具によって照明される照明領域の明るさを検出する明るさセンサと、明るさセンサの検出値に基づいて照明器具を調光制御する制御部とを備える照明制御システムに関するものである。

この種の照明制御システムは、外部から調光率の指示を受け当該調光率で調光点灯する照明器具を制御部に接続して使用され、図２に示すように外光が入り込むオフィスなどにおいて、照明器具３０にて照明される照明領域の明るさを一定に保つために用いられる。

すなわち、机４０上の照明器具３０で机上面４１を照明領域とする場合、机上面４１の照度の目標値を予め設定しておけば、制御部は、明るさセンサ１０での検出値（照度）が目標値より大きいときには調光率を下げるように（光出力を下げるように）照明器具３０を調光制御する。一方、明るさセンサ１０の検出値が目標値より小さいときには調光率を上げるように（光出力を上げるように）照明器具３０を調光制御する。これにより、昼間と夜間とで机上面４１に照射する外光の強度が変化するような場合でも、机上面４１の明るさ（照度）を一定（目標値）に保つことができ、照明器具３０の光出力が必要以上に大きくなることを防止して省エネルギー化を図ることができる（たとえば特許文献１参照）。

上述の目標値は、たとえば照明領域に照射する外光を遮断した状態で、照明領域が所望の明るさになるように照明器具３０の調光率を調節し、そのときの明るさセンサ１０の検出値を目標値とすることで決定される。

ここで、一般的な明るさセンサ１０は、光電変換素子としてのフォトダイオード（図示せず）を有し、フォトダイオードの出力が周辺回路を介して出力されるように構成されており、周辺回路のフィルタ特性により高周波に対する応答性が低い。そのため、上述した照明制御システムの制御対象が、点灯回路に高周波駆動のインバータを用いた蛍光灯照明器具３０である場合、外光の強度が一定であれば、明るさセンサの検出値は図６（ａ）に示すように時間変化のない一定値となる。したがって、制御部が明るさセンサ１０から検出値を取得するタイミングは、制御部が取得する検出値の大きさにほとんど影響せず、図６（ａ）のいずれのタイミングｔ１，ｔ２で検出値を取得しても同じ値を得ることができる。

これに対して、ＬＥＤ（発光ダイオード）を光源とする照明器具３０においては、商用電源を整流して降圧チョッパにて降圧し、降圧チョッパの後段に設けた調光回路にてＬＥＤを調光制御するようにしたものがある。この種の調光回路は、所定周波数（たとえば５０Ｈｚ）でＬＥＤを点灯するオン期間と消灯するオフ期間とを繰り返すようにし、オン期間とオフ期間との比率を調節するＰＷＭ制御により調光制御する。この照明器具３０では、光出力が一定周期（たとえば２０ｍｓ）で変動することになる。この光出力の変動の周波数は、臨界融合周波数（光を明滅させる周波数を徐々に高めていったときに人がちらつきを感じずあたかも連続的に点灯しているように視認し始める周波数）以上の周波数であるため人にはちらついているように見えないものの、一般的な明るさセンサ１０が応答できる程度の周波数である。

そのため、このような照明器具３０を照明制御システムの制御対象とする場合、外光の強度が一定であっても、明るさセンサ１０の検出値は図６（ｂ）に示すように時間経過に伴い変動する。したがって、制御部が明るさセンサ１０から検出値を取得するタイミングは、制御部が取得する検出値の大きさに大きく影響する。つまり、図６（ｂ）のように検出値がその平均値に対してプラスマイナス５０％の範囲で変動している場合、異なるタイミングｔ１，ｔ２で取得される検出値の間には、最大でその変動分の誤差が生じる可能性がある。

そこで、制御部として、図７に示すように照明器具３０の光出力変動の周期に合わせてサンプリング周期を設定し、当該サンプリング周期でサンプリングされた検出値の平均値を求める構成を採用することが考えられる。このとき、照明器具３０の光出力変動の１周期Ｔについて検出値の平均を求めるために、たとえば照明器具３０の光出力変動の１周期Ｔのｎ分の１（＝Ｔ／ｎ）をサンプリング周期としてｎ回サンプリングする。このように、照明器具３０の光出力変動の１周期Ｔについて検出値の平均を求めることで、照明器具３０の周期的な光出力変動の影響を受けることなく、照明領域の平均的な明るさに基づいて調光制御することが可能になる。

特開２００５−７１７７６号公報

ところで、上述のように照明器具３０の光出力変動の１周期Ｔについての検出値の平均値を求めるためには、サンプリング周期およびサンプリング回数を、照明器具３０の光出力変動の周期に合わせて設定する必要がある。しかし、光出力変動の周期は照明器具３０の種類によって異なることがあり、ある照明器具３０に合わせてサンプリング周期およびサンプリング回数が一意に決められていると、光出力変動の周期が異なる他の照明器具３０に対応できないという問題がある。

すなわち、たとえば図７の周期Ｔに合わせてサンプリング周期およびサンプリング回数が決められている場合に、光出力変動の周期がＴの２倍の照明器具３０を用いると、制御部では光出力変動の半周期分についての検出値の平均値が得られることになる。そのため、当該平均値の大きさは、制御部がサンプリングを行うタイミングによって大きく異なることになり、照明領域の平均的な明るさに基づいて調光制御することができない。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、制御対象とする照明器具の光出力が臨界融合周波数以上の周波数で周期的に変動する場合に、光出力変動の周期が異なる複数種類の照明器具に対応して照明領域の平均的な明るさに基づき調光制御することができる照明制御システムを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、照明器具によって照明される照明領域の明るさを検出する明るさセンサと、明るさセンサの検出値に基づいて照明器具を調光制御する制御部とを備える照明制御システムであって、明るさセンサの検出値には少なくとも照明器具の調光時に照明器具の光出力変動に伴う周期的な変動が生じ、制御部が、明るさセンサの検出値を周期的にサンプリングするサンプリング手段と、サンプリング手段を明るさセンサの検出値に生じ得る変動の周期よりも短く設定された第１のサンプリング周期で動作させる設定モードと第１のサンプリング周期よりも長い第２のサンプリング周期で動作させる制御モードとを切り替えるモード切替手段と、設定モードにおいて、サンプリング結果から照明器具の光出力変動の周期を計測し、計測された周期に基づいて、第２のサンプリング周期およびサンプリング回数を設定する周期設定手段と、制御モードにおいて、周期設定手段で設定されたサンプリング回数のサンプリング結果から照明器具の光出力変動の１周期分の検出値の平均値を求める平均化手段とを有し、制御モードでは、平均化手段で求めた平均値を用いて照明器具の調光率を決定することを特徴とする。

この構成によれば、制御モードでは、明るさセンサの検出値を第２のサンプリング周期および所定のサンプリング回数にてサンプリングしたサンプリング結果から、照明器具の光出力変動の１周期分の検出値の平均値を求め、当該平均値を用いて照明器具の調光率を決定することができる。しかも、第２のサンプリング周期およびサンプリング回数は、設定モードにおいて、明るさセンサの検出値を第１のサンプリング周期にてサンプリングすることで照明器具の光出力変動の周期を計測し、当該光出力変動の周期に基づいて設定される。したがって、光出力変動の周期が異なる複数種類の照明器具に対応して、照明器具の周期的な光出力変動の影響を受けることなく、照明領域の平均的な明るさに基づいて調光制御することが可能になる。また、設定モードと制御モードとではサンプリング周期が切り替えられるので、設定モードでは、比較的短いサンプリング周期で光出力変動の周期を正確に計測可能としつつ、制御モードでは比較的長いサンプリング周期を採用して処理負荷を軽くすることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記検出値に生じる周期的な変動の振幅は前記照明器具の調光率に応じて変化し、前記制御部が、前記設定モードにおいては、照明器具の光出力変動が前記周期設定手段で検知されるように予め設定された調光率に照明器具を制御することを特徴とする。

この構成によれば、光出力変動の振幅が比較的大きい調光率を指定することにより、周期設定手段での光出力変動の周期の計測が容易になる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記検出値に生じる周期的な変動の振幅は前記照明器具の調光率に応じて変化し、前記制御部が、前記設定モードにおいては、照明器具の調光率を時間経過に伴って変化させながら、検出値の周期的な変動の振幅が所定の閾値を超える調光率を自動的に探索し、当該調光率に照明器具を制御することを特徴とする。

この構成によれば、光出力変動の振幅が比較的大きい調光率が自動的に探索されるため、周期設定手段での光出力変動の周期の計測が容易になる。

本発明は、光出力変動の周期が異なる複数種類の照明器具に対応して、照明器具の周期的な光出力変動の影響を受けることなく、照明領域の平均的な明るさに基づいて調光制御することが可能になるという利点がある。

本発明の実施形態１の構成を示す概略システム図である。同上の設置例を示す概略説明図である。同上の設定モードでの動作説明図である。同上の制御モードでの動作説明図である。同上の調光率を変化させた場合の動作説明図である。従来例の動作説明図である同上の動作説明図である。

（実施形態１）
本実施形態の照明制御システムは、図１に示すように照明器具３０によって照明される照明領域の明るさを検出する明るさセンサ１０と、明るさセンサ１０の検出値に基づいて照明器具３０を調光制御する制御部２０とを備えている。

ここで用いる照明器具３０は、ＬＥＤ（発光ダイオード）からなる光源３１と、光源３１に電力供給することで光源３１を点灯させる点灯回路３２とを器具本体３３（図２参照）に備えたベースライトとする。点灯回路３２は、制御部２０からの調光信号を受け、当該調光信号によって指定される調光率で光源３１を調光点灯させるように、光源３１への供給電力を制御する機能を有する。この照明器具３０は、背景技術の欄で説明したように、商用電源を整流して降圧チョッパにて降圧し、降圧チョッパの後段に設けた調光回路（図示せず）にて所定周波数（たとえば５０Ｈｚ）でＬＥＤを点灯するオン期間と消灯するオフ期間とを繰り返し、ＰＷＭ制御により調光制御するものとする。すなわち、照明器具３０は、光出力が臨界融合周波数（光を明滅させる周波数を徐々に高めていったときに人がちらつきを感じずあたかも連続的に点灯しているように視認し始める周波数）以上の周波数で周期的（たとえば２０ｍｓ周期）に変動する。

明るさセンサ１０は、光電変換素子たるフォトダイオード（図示せず）を主構成とし、照明領域での反射光を受光することで、照明領域の明るさ（照度）を電圧値からなる検出値として出力するように構成される。ここで、照明領域としては、図２に示すように照明器具３０からの光および外光（太陽光など）が照射する机４０の机上面４１を想定する。

制御部２０は、ＣＰＵ（図示せず）を主構成とし、明るさセンサ１０の出力する電圧値（検出値）を計測する機能と、照明器具３０の調光率を求め照明器具３０に対して調光信号を出力する機能とを有している。この制御部２０は、メモリ（図示せず）を有し、机上面４１の照度が所望の照度（たとえば７５０ｌｘ）であるときの明るさセンサ１０の検出値を目標値として予めメモリに記憶する。

制御部２０は、その基本的な動作として、目標値が設定された状態で、明るさセンサ１０の検出値をメモリ内の目標値と比較し、その比較結果に応じて照明器具の調光率を制御することにより、照明領域の明るさ（照度）を一定に保つ。つまり、検出値が目標値より大きい場合には照明器具３０の調光率を下げ、一方、検出値が目標値より小さい場合には照明器具３０の調光率を上げることで、照明領域の照度を目標値に保持できる。

ただし、本実施形態では照明器具３０の光出力が上述のように一定周期Ｔで変動するため、外光の強度が一定であっても、明るさセンサ１０の検出値は図３に示すように時間経過に伴い周期Ｔで周期的に変動する。つまり、明るさセンサ１０の検出値には一定周期Ｔでリップル（揺らぎ）が生じることになる。そこで、照明器具３０の周期的な光出力変動の影響を受けることなく、照明領域の平均的な明るさに基づいて調光制御するために、明るさセンサ１０の検出値そのものでなく検出値の平均値を目標値と比較する構成を採用する。

具体的に説明すると、制御部２０は図１のように、複数のサンプリング点において明るさセンサ１０の検出値をサンプリングするサンプリング手段２１を有している。また、制御部２０には、サンプリング手段２１の動作モードを切り替えるモード切替手段２２と、サンプリング手段２１のサンプリング周期を設定する周期設定手段２３とが設けられる。さらに、制御部２０は、サンプリング結果を用いて明るさセンサ１０の検出値の平均値を求める平均化手段２４と、平均化手段２４で求めた平均値を目標値と比較して調光率を決定する演算手段２５とを有する。

モード切替手段２２は、サンプリング手段２１を第１のサンプリング周期で動作させる設定モードと、第１のサンプリング周期よりも長い第２のサンプリング周期で動作させる制御モードとの２つの動作モードを切り替え可能に構成される。ここで、第１のサンプリング周期は、普通に想定される照明器具３０の光出力変動の周期よりも十分に短い周期（たとえば１０μｓ）となるように予め設定されているものとする。周期設定手段２３は設定モードでのみ動作するものとし、制御モードでは動作を停止する。

設定モードと制御モードとの切り替えはモード切替手段２２にて自動的に行われる。ここでは、制御部２０への通電開始後（あるいは初期化ボタンが操作された後）の所定期間にのみ設定モードで動作させ、照明制御システムの稼動中は基本的に、照明器具３０等のシステムの構成要素の交換が行われない限りは制御モードで動作させるものとする。

本実施形態では、設定モードにおいて照明領域に照射する外光を遮断した状態で、照明領域が所望の明るさになるように照明器具３０の調光率を調節し、そのときの明るさセンサ１０の検出値の平均値を目標値として設定するものとする。つまり、設定モードでの動作中は、図３に示すように第１のサンプリング周期で検出値のサンプリングが行われるので、平均化手段２４で求まる当該サンプリング結果の平均値が目標値として設定されることになる。

さらに設定モードにおいては、周期設定手段２３にて、サンプリング手段２１のサンプリング結果から照明器具３０の光出力変動の周期Ｔを計測し、当該周期Ｔに基づいて、第２のサンプリング周期を決定する。ここで、サンプリング手段２１で用いる第１のサンプリング周期は光出力変動の周期Ｔよりも十分に短いため、当該サンプリング結果から光出力変動の周期Ｔを容易に計測することができる。すなわち、サンプリング手段２１を第１のサンプリング周期で動作させる設定モードでは、図３に示すように光出力変動の１周期Ｔ当りに多数回サンプリングが行われることとなる。そのため、たとえばサンプリング結果の中で最大となる検出値が得られたサンプリングタイミングと、最小となる検出値が得られたサンプリングタイミングとの時間間隔（光出力変動の半周期に相当する）を２倍することにより、簡単に光出力変動の周期Ｔを求めることができる。

周期設定手段２３は、求まった周期Ｔを用いて、光出力変動の１周期Ｔにおいて等間隔でｎ回（ｎは２以上の自然数）サンプリングできるように、照明器具３０の光出力変動の周期Ｔのｎ分の１（つまりＴ／ｎ）を第２のサンプリング周期とする。サンプリング回数ｎについては、予め固定的に定められているものとする。このように、光出力変動の周期Ｔが求まれば、当該周期Ｔから第２のサンプリング周期（Ｔ／ｎ）は容易に算出することができる。

一方、制御モードにおいては、サンプリング手段２１は、第２のサンプリング周期（Ｔ／ｎ）でサンプリング回数ｎ分のサンプリングを行うことにより、図４（ａ）のように照明器具３０の光出力変動の１周期をｎ等分する各サンプリング点ＳＰ１〜ＳＰ１０（ここではｎ＝１０と仮定する）での検出値をサンプリングする。このとき、平均化手段２４は、これらのサンプリング点ＳＰ１〜ＳＰ１０でのサンプリング結果の平均を求めることにより、光出力変動の１周期Ｔ分についての検出値の平均値を求める。このような平均値を求める処理は、周期Ｔごとに連続的に行ってもよいし、一定時間間隔で行ってもよい。

これにより、明るさセンサ１０の検出値から照明器具３０の光出力の周期的な変動の影響を除くことができる。演算手段２５は、当該平均値をメモリ内の目標値と比較し、平均値が目標値より大きい場合には調光率を下げ、一方、平均値が目標値より小さい場合には調光率を上げる。結果的に、制御部２０では、照明器具３０の光出力変動の影響を受けることなく、照明領域の平均的な明るさに基づいて照明器具３０の調光率を決定することができる。

以上説明した構成によれば、照明制御システムを使用して実際に照明器具３０を制御する前に、制御部２０を前述の設定モードで動作させることにより光出力変動の周期Ｔを計測し、当該周期Ｔに応じて制御モードで用いる第２のサンプリング周期が設定される。そのため、たとえば図４（ｂ）に示すように、照明器具３０の光出力変動の周期Ｔ’が上述の図４（ａ）の例とは異なるような場合でも、当該周期Ｔ’（＞Ｔ）に合わせて、第２のサンプリング周期およびサンプリング回数が設定されることになる。その結果、光出力変動の周期が異なる複数種類の照明器具３０に対応して、照明器具３０の周期的な光出力変動の影響を受けることなく、照明領域の平均的な明るさに基づいて調光制御することが可能になる。

また、設定モードでは、比較的短いサンプリング周期（第１のサンプリング周期）で光出力変動の周期を正確に計測可能としつつ、制御モードでは比較的長いサンプリング周期（第２のサンプリング周期）を採用して制御部２０を構成するＣＰＵの処理負荷を軽減することができる。これにより、制御モードにおいて、サンプリングを実行するタイミングを各サンプリング点に正確に合わせることができ、サンプリングされた検出値の信頼性が向上する。また、ＣＰＵは、あるサンプリング点でサンプリングを行ってから次のサンプリング点でサンプリングを行うまでの時間（第２のサンプリング周期）が長いため、この時間を他の処理に割り当てることで処理の効率を向上させることも可能である。

本実施形態では、サンプリング回数ｎは一定として説明したが、第２のサンプリング周期自体は変えずに、サンプリング回数ｎを周期Ｔに合わせて設定してもよい。たとえば、第２のサンプリング周期を１〔ｍｓ〕とする場合、光出力変動の周期Ｔが８〔ｍｓ〕であればサンプリング回数ｎを８回、周期Ｔが１０〔ｍｓ〕であればサンプリング回数ｎを１０回に設定すればよい。要するに、第２のサンプリング周期とサンプリング回数ｎとの積が照明器具３０の光出力変動の周期Ｔと一致するように、光出力変動の周期Ｔに応じて第２のサンプリング周期およびサンプリング回数ｎが設定されればよい。

ところで、照明器具３０の光出力には常に一定の振幅で変動が生じるとは限らず、図５に示すように、照明器具３０の調光率に応じて光出力変動の振幅が異なる場合がある。つまり、上述のように照明器具３０がＰＷＭ制御により調光制御する場合、その調光率によって光出力の変動幅が異なることになる。図５の例の場合、調光率が１００％（全点灯）のとき（図５（ａ））には光出力は殆ど変動しないのに対し、調光率が７５％のとき（図５（ｂ））、５０％（図５（ｃ））のときと、調光が深くなる（調光率が低くなる）ほど光出力変動の振幅は大きくなる。その結果、明るさセンサ１０の検出値の変動幅は、図５（ｂ）の調光率７５％の状態（振幅Ａ１）に比べ図５（ｃ）の調光率５０％の状態（振幅Ａ２）で大きくなる。

この点を考慮して、制御部２０の演算手段２５は、設定モードにおいて目標値の設定後、明るさセンサ１０の検出値に生じる周期的な変動の振幅がある程度の大きさとなるような調光率で照明器具３０を点灯させることが考えられる。たとえば図５の場合であれば、調光率５０％にて照明器具３０を点灯させ、明るさセンサ１０の検出値の変動幅を比較的大きく確保した状態で光出力変動の周期Ｔを計測することが望ましい。これにより、明るさセンサ１０の出力におけるＳＮ比が高くなり、光出力変動の周期Ｔの計測精度が向上するという利点がある。

ここで、設定モードでの目標値の設定後の照明器具３０の調光率は、予め設定されていてもよいし、設定モードにおいて制御部２０にて自動的に設定されるようにしてもよい。すなわち、照明器具３０の種類によらず、光出力変動の振幅と調光率との関係が予め決まっているのであれば、光出力変動の振幅がある程度大きくなる調光率を設定モードで用いる調光率として予め設定しておけばよい。一方、照明器具３０の種類によって、光出力変動の振幅と調光率との関係が大きく異なるのであれば、設定モードにおいて目標値の設定後、照明器具３０の調光率を随時変化させながら、検出値の周期的な変動の振幅が少なくとも所定の閾値を超える調光率を自動的に探索する構成が望ましい。

上記実施形態では、ＬＥＤを光源とするＬＥＤ照明器具（ベースライト）３０を制御対象として説明したが、その他の照明器具３０を制御対象とすることも可能である。たとえば、白熱灯を光源３１し、商用電源を整流して位相制御により調光を行う点灯回路３２を備えた照明器具３０においては、商用電源と同一の周期（たとえば２０ｍｓ）で光出力が変動する。この種の照明器具３０においても上記照明制御システムを用いることにより、照明器具３０の周期的な光出力変動の影響を受けずに照明器具の調光率を決定することが可能となる。

１０明るさセンサ
２０制御部
２１サンプリング手段
２２モード切替手段
２３周期設定手段
２４平均化手段
３０照明器具

Claims

照明器具によって照明される照明領域の明るさを検出する明るさセンサと、明るさセンサの検出値に基づいて照明器具を調光制御する制御部とを備える照明制御システムであって、明るさセンサの検出値には少なくとも照明器具の調光時に照明器具の光出力変動に伴う周期的な変動が生じ、制御部は、明るさセンサの検出値を周期的にサンプリングするサンプリング手段と、サンプリング手段を明るさセンサの検出値に生じ得る変動の周期よりも短く設定された第１のサンプリング周期で動作させる設定モードと第１のサンプリング周期よりも長い第２のサンプリング周期で動作させる制御モードとを切り替えるモード切替手段と、設定モードにおいて、サンプリング結果から照明器具の光出力変動の周期を計測し、計測された周期に基づいて、第２のサンプリング周期およびサンプリング回数を設定する周期設定手段と、制御モードにおいて、周期設定手段で設定されたサンプリング回数のサンプリング結果から照明器具の光出力変動の１周期分の検出値の平均値を求める平均化手段とを有し、制御モードでは、平均化手段で求めた平均値を用いて照明器具の調光率を決定することを特徴とする照明制御システム。
前記検出値に生じる周期的な変動の振幅は前記照明器具の調光率に応じて変化し、前記制御部は、前記設定モードにおいては、照明器具の光出力変動が前記周期設定手段で検知されるように予め設定された調光率に照明器具を制御することを特徴とする請求項１記載の照明制御システム。
前記検出値に生じる周期的な変動の振幅は前記照明器具の調光率に応じて変化し、前記制御部は、前記設定モードにおいては、照明器具の調光率を時間経過に伴って変化させながら、検出値の周期的な変動の振幅が所定の閾値を超える調光率を自動的に探索し、当該調光率に照明器具を制御することを特徴とする請求項１記載の照明制御システム。