JP2011204633A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低消費電力を実現しながら、所望の調光レベルのチラツキのない照明を可能にする。
【解決手段】 入力電流に応じて発光する光源を点灯させる照明装置であって；前記光源の視角が２度以内である場合には前記光源を６０Ｈｚのパルス点灯周波数でパルス点灯駆動し、前記光源の視角が２度より大きく１０度以内である場合には前記光源を８０Ｈｚのパルス点灯周波数でパルス点灯駆動し、前記光源の視角が１０度より大きい場合には前記光源を１００Ｈｚのパルス点灯周波数でパルス点灯駆動する制御回路；を具備したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）等の光源を備えた照明装置に関する。

従来、低消費電力、長寿命、発熱が少ない等の利点から、表示用だけでなく照明用としても、ＬＥＤが採用されるようになってきた。ＬＥＤの輝度はＬＥＤに流れる電流値に応じて決まる。ＬＥＤに流れる電流と順方向電圧との関係は周囲温度の影響を受け、定電圧駆動してもＬＥＤに流れる電流を一定にすることはできない。このため、ＬＥＤは定電流駆動する必要がある。

特許文献１においては、エネルギー消費を低減するために、効率的にＬＥＤを駆動する照明装置が提案されている。この提案の照明装置においては、ＬＥＤに周期的にパルス状に電力を供給し、ＬＥＤを周期的にパルス状に発光させることで、消費電力を抑制しつつ十分な明るさの照明装置を実現している。

特開２００９−１４６８９３号公報

このように、特許文献１の発明では、ＬＥＤにパルス状の電力を供給して点灯（以下、パルス点灯という）することで、少ない光束でより明るく知覚させることを可能にしている。しかしながら、特許文献１の提案においてＬＥＤをパルス点灯させた場合には、ＬＥＤからの光にチラツキを感じてしまうという問題があった。

本発明は、消費電力を低減しながらチラツキを防止することができる照明装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る照明装置は、入力電流に応じて発光する光源を点灯させる照明装置であって；前記光源の視角が２度以内である場合には前記光源を６０Ｈｚのパルス点灯周波数でパルス点灯駆動し、前記光源の視角が２度より大きく１０度以内である場合には前記光源を８０Ｈｚのパルス点灯周波数でパルス点灯駆動し、前記光源の視角が１０度より大きい場合には前記光源を１００Ｈｚのパルス点灯周波数でパルス点灯駆動する制御回路；を具備したことを特徴とし、
本発明の請求項２に係る照明装置は、前記制御回路が、調光レベルに応じて前記入力電流のデューティを変化させる；ことを特徴とする。

請求項１の本発明によれば、消費電力を低減しながら所望の明るさをの光をチラツキを防止して知覚させることができるという効果を有する。

請求項２の本発明によれば、消費電力を低減しながら調光制御が可能であるという効果を有する。

本発明の一実施の形態に係る照明装置を示す回路図。 パルス点灯時における光出力を示すグラフ。 トールボットの法則を説明するための説明図。 横軸に入力電流をとり縦軸に発光効率をとってＬＥＤの特性を示すグラフ。 横軸にデューティ比をとり縦軸に輝度比をとって、直流点灯時の明るさを基準にしたパルス点灯時の明るさを示すグラフ。 横軸に光源の１辺の視角（ｄｅｇ）をとり縦軸にフリッカを知覚する人の割合をとって、パルス点灯周波数とチラツキとの関係を示すグラフ。 調光制御を示すフローチャート。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態に係る照明装置を示す回路図である。

本実施の形態は光源としてＬＥＤを用いた照明装置に適用したものである。ＬＥＤは、入力電流波形と光出力波形とが近似しており、入力電流の変化がそのまま光出力にも現れる。本実施の形態はこのような特性を有する光源を用いた照明装置に適用するものである。なお、以下、明細書中において明るさは人間の主観が加味されたものとし、光出力は電気的な測定によって求められるものとして扱う。

先ず、図２乃至図６を参照して本実施の形態における点灯制御について説明する。図２はパルス点灯時における光出力を示すグラフであり、図３はトールボットの法則を説明するための説明図である。また、図４は横軸に入力電流をとり縦軸に発光効率をとってＬＥＤの特性を示すグラフである。

図２はＬＥＤ等に対するパルス点灯における光出力の発光波形を示している。パルス点灯は、光源をパルス状の入力によって駆動することにより、光源の光出力が周期的にパルス状に変化して点灯する状態をいう。図２は、デューティ比が約５０％の光出力が得られているパルス点灯の例を示している。

図３はトールボットの法則を示している。トールボットの法則は、人間の網膜の一点が、ちらつきを感じない周波数（融合周波数）を超える周波数の光刺激を受けた場合の視感覚についての法則を規定している。トールボットの法則によれば、この場合の視感覚は、光刺激の変動の１周期にわたって平均した強度と等しい強度をもつ定常刺激によって生じる視感覚と等しい。

図３（ａ）はピーク（振幅）がｆ（ｌｍ）の一定レベルの光出力が発生していることを示し、図３（ｂ）はピークが２ｆ（ｌｍ）の光出力がデューティ５０％で周期的に発生していることを示している。図３（ａ）の直流点灯による発光状態と図３（ｂ）のパルス点灯による発光状態とでは、人間が知覚する明るさは同等である。

このように、ＬＥＤをパルス点灯させた場合には、トールボットの法則から、人間が感じる明るさは、ＬＥＤから出射される光出力（ｌｍ）の平均値によって与えられる。従って、パルス点灯時におけるデューティ比を変化させることで、ＬＥＤから出射される光出力を変化させる調光制御が可能である。

また、調光制御時における効率（１ワット当たりの光出力）を考慮した場合においては、ＬＥＤに与える電流値を所定の電流値に固定するパルス点灯駆動が好ましい。

図４の丸印は、所定のＬＥＤを直流点灯した場合における効率をプロットしたものである。直流点灯しているので、人間が感じる明るさは、光出力の振幅、即ち、入力電流値に比例する。一方、効率は、図４に示すように、入力電流値の所定レベル（以下、最大効率電流値という）をピークに山形の特性となる。以下、直流点灯時に最大効率が得られる最大効率電流値に対応した調光レベルを最大効率調光レベルという。例えば、入力電流が３００ｍＡにおいて１００％調光が行われるものとすると、図４の例では、約２０％調光レベルが最大効率調光レベルであり、調光レベルが最大効率調光レベルよりも減少又は増加するに従って、効率は低下する。

なお、図４は所定のＬＥＤについて求めた一例であるが、全てのＬＥＤについて同様の特性が得られる。図４の例は最大効率調光レベルが約２０％調光レベルの例であるが、例えば５０％調光レベルが最大効率調光レベルであるＬＥＤも存在する。

上述したように、パルス点灯時には、人間が知覚する明るさは光出力の平均で与えられるので、光出力のピークが一定である場合でも、光出力のデューティを変化させることで人間が知覚する明るさを変化させることができる。

図４のプラス印は、光出力のピーク値及びデューティを変化させながら、同一の明るさが得られる場合の入力電流と効率との関係を示している。

図４のプラス印は、オンデューティが５％、１０％及び５０％の光出力の場合を示している。オンデューティ５％の光出力のピークに対してオンデューティ１０％の光出力のピークを１／２にすることによって、これらの光出力から人間が知覚する明るさは相互に同一となる。同様に、オンデューティ１０％の光出力のピークに対してオンデューティ５０％の光出力のピークを１／５にすることによって、これらの光出力から人間が知覚する明るさは相互に同一となる。

そして、図４に示すように、この結果をプロットしたプラス印と実線との関係から、効率は、人間が知覚する明るさや光出力のデューティ比とは無関係に、光出力のピークに比例して変化することが分かる。

つまり、直流点灯によって最大効率調光レベルの光出力を得るための電流値（最大効率電流値）の電流をＬＥＤに与えることにより、デューティ等に拘わらず、最も高い効率でＬＥＤを点灯させることができる。従って、直流点灯時に最大効率が得られる光出力のピーク（以下、最大効率光出力ピーク）を維持したまま調光することにより、所望の明るさを得ながら高効率でＬＥＤを駆動して、低消費電力を達成することができる。

更に、パルス点灯制御時における点灯周波数を最適化することで一層の効率の向上を図ることが可能である。

図５は横軸にデューティ比をとり縦軸に輝度比をとって、直流点灯時の明るさを基準にしたパルス点灯時の明るさを示すグラフである。図５の輝度比は、上記実施の形態において調光レベルに応じてトールボットの法則に従って設定されたパルス点灯により実際に知覚される輝度と、これと同一調光レベルに従って設定された直流点灯により実際に知覚される輝度との比を示している。図５の例では、点灯周波数が３０Ｈｚ、６０Ｈｚ及び１２０Ｈｚの例を示してある。

図５に示すように、オンデューティ５０％以下のパルス点灯時には、いずれの点灯周波数時であっても輝度比は１以上である。即ち、同一調光レベルとして設定された直流点灯とパルス点灯とでは、実際に知覚される明るさは、パルス点灯の方が直流点灯よりも明るい。

そこで、本実施の形態においては、図５の輝度比に基づいて、パルス点灯制御時におけるデューティー比をトールボットの法則から導き出されるデューティ比よりも小さくして、知覚される明るさを指定された調光レベルに一致させるようになっている。これにより、パルス点灯時の効率を一層向上させることができ、低消費電力化を図ることができる。

また、パルス点灯の周波数を変更することで、知覚される明るさが変化する。図５に示すように、点灯周波数を低くした方が知覚される明るさが増加し、デューティ比を小さくして、一層の低消費電力化が可能である。図５では、点灯周波数が３０Ｈｚの場合に最も効率が高い。

しかしながら、点灯周波数が低い場合には、ＬＥＤの出射光にチラツキが生じやすい。そこで、本実施の形態においては、人間の目の特性を考慮して、光源の視角に応じて、パルス点灯周波数を設定するようになっている。

人間の網膜は、可視光線を生体内電気信号に変換する錐状体と杆状体とを有している。錐状体は、網膜の視角約２度以内の範囲に存在し、比較的明るい光に反応して色を感じる。一方、杆状体は、錐状体の周囲に存在し、比較的暗い光にも反応して明暗を感じる。このような人間の目の特性から、視角２度を超える光源については、ちらつきを感じやすいと考えられる。

図６は横軸に光源の１辺の視角（ｄｅｇ）をとり縦軸にフリッカを知覚する人の割合をとって、パルス点灯周波数とチラツキとの関係を示すグラフである。図６の○印を結ぶ折れ線はパルス点灯周波数が４０Ｈｚの特性を示している。図６に示すように、パルス点灯周波数が４０Ｈｚの場合には、２度近傍の視角であっても、チラツキを感じる人の割合が大きい。

これに対し、四角印にて示す周波数が６０Ｈｚの場合には、２度近傍の視角であっても、チラツキを感じる人は殆どいない。そこで、本実施の形態においては、視角が２度以内の光源については、チラツキを感じない、なるべく低いパルス点灯周波数として６０Ｈｚを設定してパルス点灯制御を行う。

また、図６に示すように、×印にて示すパルス点灯周波数が８０Ｈｚ以上の場合には、視角が１０度以内であれば、チラツキを感じる人はいない。そこで、本実施の形態においては、視角が２度より大きく１０度以下の光源については、チラツキを感じない、なるべく低いパルス点灯周波数として８０Ｈｚを設定してパルス点灯制御を行う。

また、図６に示すように、パルス点灯周波数が１００Ｈｚ以上の場合には、視角が１０度を超えても、チラツキを感じる人はいない。そこで、本実施の形態においては、視角が１０度を超える光源については、チラツキを感じない、なるべく低いパルス点灯周波数として１００Ｈｚを設定してパルス点灯制御を行う。

図１において、照明装置には、ＬＥＤ等の光源１２，１２が設けられている。なお、光源の数は適宜設定可能である。制御回路１１には調光データが与えられる。制御回路１１は、光源１２に対して電力の供給を行って、光源１２を点灯制御する。記憶部１４には光源１２についての最大効率電流値及び視角の情報が記憶されている。

制御回路１１は、調光データが与えられると、最大効率電流値で光源１２を駆動した場合において、調光データに基づく調光レベルを得るために必要なデューティ比を求める。この場合において、制御回路１１は、光源１２の視角の情報に基づいて、パルス電流のパルス点灯周波数を決定する。即ち、光源１２の視角が２度以内である場合にはパルス点灯周波数として６０Ｈｚを設定し、視角が２度より大きく１０度以内である場合にはパルス点灯周波数として８０Ｈｚを設定し、視角が１０度より大きい場合にはパルス点灯周波数として１００Ｈｚを設定する。制御回路１１は、設定したパルス点灯周波数を考慮して、トールボットの法則に基づくデューティ比よりも小さいデューティ比を決定するようになっている。制御回路１１は、求めたデューティ比で最大効率電流値のパルス電流を発生して光源１２に供給する。

次に、このように構成された実施の形態の動作について図７を参照して説明する。図７は調光制御を示すフローチャートである。

図７のステップＳ１において、制御回路１１は、記憶部１４から視角の情報を読み出す。制御回路１１は、視角の情報に基づいてパルス点灯周波数を決定する。即ち、制御回路１１は、光源１２の視角が２度以内である場合にはパルス点灯周波数を６０Ｈｚに設定し、視角が２度より大きく１０度以内である場合にはパルス点灯周波数を８０Ｈｚを決定し、１０度より大きい場合にはパルス点灯周波数を１００Ｈｚに設定する。

ステップＳ３において、制御回路１１は、調光レベルを指定するための調光データを取り込む。また、制御回路１１は、記憶部１４から最大効率電流値の情報を読出す（ステップＳ４）。制御回路１１は、光源１２に供給する電流の電流値を最大効率電流値に設定すると共に、調光データ及びパルス点灯周波数に基づいて電流のデューティ比を算出する（ステップＳ５）。このデューティ比は、トールボットの法則に基づくデューティ比よりも小さい。

制御回路１１は、求めたデューティ比で最大効率電流値のパルス電流を発生して光源１２をパルス点灯駆動する（ステップＳ６）。

このように本実施の形態においては、光源の視角に応じて、チラツキを防止すると共により高い効率が得られるパルス点灯周波数を設定しており、消費電力を十分に低減しながら所望の明るさのチラツキのない光を知覚させることができる。

なお、上記実施の形態においては、記憶部が最大効率電流値及び視角の情報を記憶し、制御回路において、視角の情報に基づいてパルス点灯周波数を決定する例について説明したが、光源の種類が１種類に限定されている場合には、記憶部を設けることなく光源に応じて設定されたパルス点灯周波数及び電流値でパルス点灯駆動するようにしてもよい。

１１…制御回路、１２…光源、１４…記憶部。

Claims (2)

1. 入力電流に応じて発光する光源を点灯させる照明装置であって；
   前記光源の視角が２度以内である場合には前記光源を６０Ｈｚのパルス点灯周波数でパルス点灯駆動し、前記光源の視角が２度より大きく１０度以内である場合には前記光源を８０Ｈｚのパルス点灯周波数でパルス点灯駆動し、前記光源の視角が１０度より大きい場合には前記光源を１００Ｈｚのパルス点灯周波数でパルス点灯駆動する制御回路；
   を具備したことを特徴とする照明装置。
2. 前記制御回路は、調光レベルに応じて前記入力電流のデューティを変化させる；
   ことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。

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