JP2014216124A - 直流発光負荷を備える照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】繊細且つ自由度が高い調光及び調色が可能な、直流発光負荷を備える照明装置を提供する。【解決手段】照明装置１００は、第１の端子Ｔ１及び第２の端子Ｔ２と、第１の直流発光デバイスＬＥＤ１及び第２の直流発光デバイスＬＥＤ２を含む直流発光負荷２と、第１の端子Ｔ１及び第２の端子Ｔ２からパルス状の交流電力を出力する交流変換部ＩＮＶと、を備える。また、第１の直流発光デバイスＬＥＤ１は第１の端子Ｔ１から第２の端子Ｔ２に向かって流れる電流に応じて第１の色温度の光を放射し、第２の直流発光デバイスＬＥＤ２は第２の端子Ｔ２から第１の端子Ｔ１に向かって流れる電流に応じて第１の色温度と異なる第２の色温度の光を放射し、交流変換部ＩＮＶは交流電力を制御して直流発光負荷２から出力される光の明るさ及び色を変化させる。【選択図】図１

Description

本発明は、調光及び調色が可能な、直流発光負荷を備える照明装置に関する。

主要な技術的先進国で照明用に使用される電気エネルギーは、各国における総発電量の約１５％に達すると言われ、地球環境問題の観点から電気エネルギーの削減が求められている。このような要求を背景に、従来の照明装置に用いられている白熱電球や蛍光灯よりも消費電力が少なく且つ寿命が長い光源としてＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）及び有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）といった直流発光デバイスを発光負荷として備える照明装置が注目されている。

さらに近年、非特許文献１に記載されるように、家庭或いはオフィスにおける生産効率の改善に寄与することを目的とし、調光及び調色が可能な室内用照明装置の開発が進められている。調光及び調色とは、照明装置内外からの情報に基づき照明の明るさ及び色を動的に変化させることである。

従来の照明装置として、図６のように、高周波インバータ（ＨＦＩ）と、高周波インバータ（ＨＦＩ）の出力端子に並列接続され且つ互いに異なる色温度を有する発光ダイオード対（ＬＥＤ１及びＬＥＤ２）と、異なる共振周波数を有する複数の負荷回路（ＳＲＣ１及びＳＲＣ２）と、を備える照明装置が知られている（特許文献１）。従来の照明装置は、高周波インバータ（ＨＦＩ）の動作周波数を変調させることで負荷回路（ＳＲＣ１及びＳＲＣ２）ごとに発光ダイオード（ＬＥＤ１及びＬＥＤ２）への印加電圧を異ならせ、調光及び調色を実現している。

「ＬＥＤ２０１１ 巨大市場の見通しから成長支える技術動向まで」、日経ＢＰ社、２０１１年３月８日発行、第９６頁から第９９頁

特開２００１−３５１７８９号公報

しかしながら、発光ダイオードに流れる電流が正弦波状であるため、従来の照明装置は繊細な調光及び調色が困難である。また、発光ダイオード対ごとに設定される負荷回路の共振周波数によって各発光ダイオード対に印加される電圧のバランスが固定されるため、従来の照明装置は調光及び調色の自由度が低いという問題もある。

本発明は、繊細且つ自由度が高い調光及び調色が可能な、直流発光負荷を備える照明装置を提供する。

本発明の一態様によれば、第１の端子及び第２の端子と、前記第１の端子及び前記第２の端子の間に接続され且つ第１の直流発光デバイス及び第２の直流発光デバイスを含む直流発光負荷と、前記第１の端子及び前記第２の端子からパルス状の交流電力を出力する交流変換部と、を備え、前記第１の直流発光デバイスは前記第１の端子から前記第２の端子に向かって流れる電流に応じて第１の色温度の光を放射し、前記第２の直流発光デバイスは前記第２の端子から前記第１の端子に向かって流れる電流に応じて前記第１の色温度と異なる第２の色温度の光を放射し、前記交流変換部は前記交流電力を制御して前記直流発光負荷から出力される光の明るさ及び色を変化させることを特徴とする。

本発明によれば、繊細且つ自由度が高い調光及び調色が可能な直流発光負荷を備える照明装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る照明装置１００の構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態に係る照明装置１００の構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態に係る照明装置１００の実装例を示す構成図である。 本実施形態に係る照明装置１００の動作を示す波形図である。 本発明の第２の実施形態に係る照明装置２００の構成を示す回路図である。 特許文献１に記載される照明装置の構成を示す回路図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施形態）
図１乃至３は、本発明の第１の実施形態に係る照明装置１００の構成を示す回路図及び構成図である。本実施形態に係る照明装置１００は、第１の端子Ｔ１及び第２の端子Ｔ２と、第１の直流発光デバイスＬＥＤ１及び第２の直流発光デバイスＬＥＤ２を含む直流発光負荷２と、第１の端子Ｔ１及び第２の端子Ｔ２からパルス状の交流電力を出力する交流変換部ＩＮＶと、を備える。また、第１の直流発光デバイスＬＥＤ１は第１の端子Ｔ１から第２の端子Ｔ２に向かって流れる電流に応じて第１の色温度の光を放射し、第２の直流発光デバイスＬＥＤ２は第２の端子Ｔ２から第１の端子Ｔ１に向かって流れる電流に応じて第１の色温度と異なる第２の色温度の光を放射し、交流変換部ＩＮＶは交流電力を制御して直流発光負荷２から出力される光の明るさ及び色を変化させる。

直流発光負荷を備える照明装置１００は、第１及び第２の端子Ｔ１，Ｔ２を介して互いに接続される直流発光負荷の駆動装置１と直流発光負荷２とを備える。

本実施形態に係る駆動装置１は、直流電源DCと、直流発光負荷２に接続される第１の端子Ｔ１及び第２の端子Ｔ２と、第１の端子Ｔ１及び第２の端子Ｔ２からパルス状の交流電力を出力する交流変換部ＩＮＶと、を備え、交流変換部ＩＮＶは該交流電力を制御して直流発光負荷２から出力される光の明るさ及び色を変化させる。駆動装置１は、その内部及び／又は外部で生成される調光信号に応じて制御されたパルス状の所定の交流電力を第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２から出力する。パルス状とは、正弦波と異なり、方形波、鋸歯状波或いは三角波のように電圧等の物理量が短時間において急峻に変化するものを意味する。

本実施形態に係る直流電源ＤＣは、充電池等のバッテリであり、正及び負の出力端子を有し、直流発光負荷２を駆動するために所定の直流電力を正及び負の出力端子から出力する。直流電源ＤＣは、周知の整流平滑回路或いはＳＭＰＳ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ−Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）等の直流変換部を含むように構成されても良く、省略されても良い。

本実施形態に係る交流変換部ＩＮＶは、直流電源ＤＣの正及び負の出力端子に接続される少なくとも１つのスイッチング素子を備えるスイッチングコンバータである。交流変換部ＩＮＶは、直流電源ＤＣから出力される直流電力を、直流発光負荷２を駆動するために所定のパルス状の交流電力に変換して第１の端子Ｔ１及び第２の端子Ｔ２から出力する。交流変換部ＩＮＶは、例えば図２のように、第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２と第３のスイッチング素子Ｑ３と第４のスイッチング素子Ｑ４とを有するフルブリッジコンバータ構成を備える。詳細には、第１のスイッチング素子Ｑ１の一端は直流電源ＤＣの正の出力端子に接続され、第１のスイッチング素子Ｑ１の他端は第１の端子Ｔ１と第２のスイッチング素子Ｑ２の一端とに接続され、第２のスイッチング素子Ｑ２の他端は直流電源ＤＣの負の出力端子に接続される。また、第３のスイッチング素子Ｑ３の一端は直流電源ＤＣの正の出力端子に接続され、第３のスイッチング素子Ｑ３の他端は第２の端子Ｔ２と第４のスイッチング素子Ｑ４の一端とに接続され、第４のスイッチング素子Ｑ４の他端は直流電源ＤＣの負の出力端子に接続される。なお、交流変換部ＩＮＶは、その内部及び／又は外部で生成される調光信号に応じて各スイッチング素子を制御する制御部（図示されない）を備えていても良い。

本実施形態に係る直流発光負荷２は、少なくとも第１の直流発光デバイスＬＥＤ１と第２の直流発光デバイスＬＥＤ２と第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２とを備える。直流発光負荷２は、駆動装置１から第１の端子Ｔ１及び第２の端子Ｔ２を介して所定のパルス状の交流電力が供給され、該交流電力に応じて所定の光を放射する。さらに直流発光負荷２は、例えば図３のように、プリント基板上に配置された第１及び第２の直流発光デバイスＬＥＤ１及びＬＥＤ２を格納する透光性のケースＣを備える。この場合、交流変換部ＩＮＶは、ケースＣの外部に設置され、第１及び第２の端子Ｔ１，Ｔ２を介して直流発光負荷２に接続される。ケースＣは、例えばガラス、樹脂及び金属等の材料からなり、好ましくは従来の直管型蛍光灯或いは電球等のランプと置換可能な形状を有する。また、直流発光負荷２は、ケースＣの接地或いは固定を目的とする少なくとも第３の端子Ｔ３を設けても良い。

本実施形態に係る第１の直流発光デバイスＬＥＤ１は、そのアノード端子が第１の端子Ｔ１に接続され、そのカソード端子が第２の端子Ｔ２に接続され、第１の端子Ｔ１から第２の端子Ｔ２に向かって流れる第１の電流に応じて光を放射する。本実施形態に係る第２の直流発光デバイスＬＥＤ２は、そのアノード端子が第２の端子Ｔ２に接続され、そのカソード端子が第１の端子Ｔ１に接続され、第２の端子Ｔ２から第１の端子Ｔ１に向かって流れる第２の電流に応じて光を放射する。すなわち、第１の直流発光デバイスＬＥＤ１と第２の直流発光デバイスＬＥＤ２とは、第１及び第２の端子Ｔ１及びＴ２の間に逆並列に接続される。第１の直流発光デバイスＬＥＤ１は、第１の電流が流れるとき第１の色温度の光を放射するように構成される。第２の直流発光デバイスＬＥＤ２は、第２の電流が流れるとき第２の色温度の光を放射するように構成される。第１の色温度と第２の色温度とは互いに異なる。例えば、本実施形態における第１の色温度は昼光色と呼ばれる５０００Ｋ程度であり、第２の色温度は電球色と呼ばれる３０００Ｋ程度である。なお、第１及び第２の直流発光デバイスＬＥＤ１及びＬＥＤ２の各々は、例えば図３のように、実質的に同一の色温度を有する複数のＬＥＤパッケージが直列に接続されて構成されても良く、複数のＬＥＤパッケージが並列或いは直並列に接続されて構成されても良い。

本実施形態に係る交流変換部ＩＮＶは、第１のスイッチング素子Ｑ１と第４のスイッチング素子Ｑ４とを導通させ、第１の電流を直流発光負荷２に流し、第１の直流発光デバイスＬＥＤ１を発光させる。また、交流変換部ＩＮＶは、第３のスイッチング素子Ｑ３と第２のスイッチング素子Ｑ２とを導通させ、第２の電流を直流発光負荷２に流し、第２の直流発光デバイスＬＥＤ２を発光させる。また、交流変換部ＩＮＶは、例えば各スイッチング素子を全て遮断させ、第１及び第２の直流発光デバイスＬＥＤ１，ＬＥＤ２を消灯させる。交流変換部ＩＮＶは、上述の動作を繰り返すことで第１及び第２の直流発光デバイスＬＥＤ１，ＬＥＤ２を点灯及び消灯させ、第１の電流と第２の電流とを制御することで、直流発光負荷２から放射される光の明るさ及び色を変化させる。

図４は、本実施形態に係る照明装置１００の動作を示す波形図であり、詳細には交流変換部ＩＮＶから第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２との間に出力されるパルス状の交流電力を示す波形図である。図４において、縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示す。本実施形態に係る交流変換部ＩＮＶは、＋４０Ｖ及び−４０Ｖの正電圧ピーク及び負電圧ピークを有する方形波状の交流電力を直流発光負荷２に供給する。交流変換部ＩＮＶから＋４０Ｖの正電圧パルスが出力されるとき、第１の電流が流れ第１の直流発光デバイスＬＥＤ１が発光し、交流変換部ＩＮＶから−４０Ｖの負電圧パルスが出力されるとき、第２の電流が流れ第２の直流発光デバイスＬＥＤ２が発光し、交流変換部ＩＮＶから略ＧＮＤ電位のオフパルスが出力されるとき、第１及び第２の電流は流れずいずれの直流発光デバイスも実質的に発光しない。

図４（ａ）は、交流変換部ＩＮＶから出力される正電圧のパルス幅（出力時間）と負電圧のパルス幅が等しく、且つ、略ＧＮＤ電位の出力時間すなわちオフパルス幅が実質的に設けられていない場合の波形図である。この場合、第１の電流が流れる時間と第２の電流が流れる時間とは等しくなり、第１の直流発光デバイスＬＥＤ１と第２の直流発光デバイスＬＥＤ２とは互いに等しい時間発光し、直流発光負荷２から所定の明るさ及び色を有する光が放射される。

図４（ｂ）は、交流変換部ＩＮＶから出力される正電圧のパルス幅と負電圧のパルス幅が等しく、且つ、オフパルス幅が設けられた場合の波形図である。この場合、第１の直流発光デバイスＬＥＤ１と第２の直流発光デバイスＬＥＤ２とは互いに等しい時間発光及び消灯するとともに、消灯時間が設けられることで、直流発光負荷２から放射される光は、図４（ａ）の場合と比べて少なくとも暗くなるように調光される。

図４（ｃ）は、交流変換部ＩＮＶから出力される正電圧のパルス幅が負電圧のパルス幅よりも狭く、且つ、オフパルス幅が設けられた場合の波形図である。この場合、図４（ｂ）の場合に比べ、第１の電流が流れる時間よりも第２の電流が流れる時間が長くなり、第２の直流発光デバイスＬＥＤ２が第１の直流発光デバイスＬＥＤ１よりも長時間発光する。第２の直流発光デバイスＬＥＤ２の発光時間の割合が増大することで、直流発光負荷２から放射される光は、図４（ｂ）の場合と比べて少なくとも第２の色温度に近くなるように調色される。また、消灯時間が長くなることで、直流発光負荷２から放射される光は、図４（ｂ）の場合と比べて少なくとも暗くなるように調光される。

本実施形態に係る照明装置１００は、上述のように交流電力の正電圧のパルス幅、負電圧のパルス幅及びオフパルス幅を変調して出力する、すなわち直流発光負荷２をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）駆動することで、直流発光負荷２から出力される光を調光及び調色することができる。

また、本実施形態に係る照明装置１００は、交流変換部ＩＮＶからパルス状の交流電力が出力されるため、第１の電流及び第２の電流を高精度に導通及び遮断させることができ、直流発光負荷２から出力される光を繊細に調光及び調色することができる。

また、本実施形態に係る照明装置１００は、交流変換部ＩＮＶと直流発光負荷２とが第１及び第２の出力端子Ｔ１，Ｔ２のみを介して接続される。従って、図３のように、交流変換部ＩＮＶが直流発光負荷２を格納するケースＣの外部に設置される場合、配線構成或いは設置作業が簡易化される。

また、本実施形態に係る照明装置１００は、互いに異なる色温度を有する第１及び第２の直流発光デバイスＬＥＤ１，ＬＥＤ２が第１及び第２の端子Ｔ１，Ｔ２の間に逆並列に接続されるため、調光及び調色機能を有する照明装置を比較的簡易な構成によって提供できる。

また、本実施形態に係る照明装置１００は、交流変換部ＩＮＶから交流電力が出力されるため、図３のように、交流変換部ＩＮＶが直流発光負荷２を格納するケースＣの外部に設置される場合、第１及び第２の端子Ｔ１，Ｔ２間の絶縁破壊の信頼性が高くなる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る照明装置２００の構成を示す回路図である。本実施形態に係る照明装置２００は、駆動装置１内に、交流変換部ＩＮＶに対して機能的な信号を出力するためのマイコンＭＣＵ及びその周辺部品が設けられる点に関して照明装置１００と異なる。また、照明装置２００は、直流電源ＤＣとしてＳＭＰＳが設けられる点に関しても照明装置１００と異なる。

本実施形態に係るマイコンＭＣＵは、電源端子ＶＤＤ、接地端子ＶＳＳ及び第１乃至第６の入出力端子ＲＡ０〜ＲＡ５を備える。電源端子ＶＤＤは周辺部品を介して直流電源ＤＣの正の出力端子に接続され、直流電源ＤＣから電力が供給される。接地端子ＶＳＳは周辺部品を介して接地される。第２及び第３の入出力端子ＲＡ１、ＲＡ２は周辺部品を介して直流電源ＤＣに接続される。第５及び第６の入出力端子ＲＡ４、ＲＡ５は、それぞれ交流変換部ＩＮＶの入力端子ＩＮ及びエネーブル端子ＥＮに接続される。また、第１乃至第６の入出力端子ＲＡ０〜ＲＡ５は、内部プログラムの書き込み用端子として利用されても良い。

本実施形態に係る直流電源ＤＣは、少なくとも１つのスイッチング素子を備え、例えば＋４０Ｖ及び０Ｖを繰り返す方形波状の直流電圧パルスを出力するＳＭＰＳであり、直流電圧パルスのデューティ（オン幅）を可変して出力する。直流電圧パルスのデューティは、例えば直流電源ＤＣの外部からの調光指令に基づき可変され、調光信号としてマイコンＭＣＵに出力される。また、直流電源ＤＣは、直流発光負荷２に流れる電流を検出し所定の直流電力を出力する定電流制御機能を備えることが好ましい。

直流電源ＤＣから出力される調光信号は、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４を介して第２及び第３の入出力端子ＲＡ１、ＲＡ２に入力される。マイコンＭＣＵは、調光信号に基づき交流変換部ＩＮＶに出力するＰＷＭ信号を得るための演算テーブルを有する。マイコンＭＣＵは、調光信号に含まれる直流電力のデューティを交流変換部ＩＮＶから出力される交流電力の正電圧、負電圧及びオフパルスのパルス幅に変換し、ＰＷＭ信号として第５の入出力端子ＲＡ４から出力する。また、マイコンＭＣＵは、交流変換部ＩＮＶを動作させるためのエネーブル信号を第６の入出力端子ＲＡ５から出力する。

本実施形態に係る交流変換部ＩＮＶは、マイコンＭＣＵから出力されるエネーブル信号を検出すると、マイコンＭＣＵから出力されるＰＷＭ信号に基づき各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオンオフ制御し、所定の交流電力を出力する。上述のような動作により、本実施形態に係る照明装置２００は、直流電源ＤＣの外部から入力される調光指令に応じて直流発光負荷２をＰＷＭ駆動する。従って、本実施形態に係る照明装置２００は、実施形態１に係る照明装置１００と同様の効果を得ることができる。

上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。例えば、照明装置は、正電圧及び負電圧の電圧値を変調することで調光及び調色するように構成されても良く、力率改善機能を有するように構成されても良い。また、ＬＥＤに代わって、直流発光デバイスとして知られる有機ＥＬ素子を用いて直流発光負荷を構成しても良い。また、第１の色温度と第２の色温度とは、交流電力の制御により直流発光負荷２の放射光の色温度を変化せしめる程度に異なっていれば良い。また、直流電源ＤＣ、交流変換部ＩＮＶ及びマイコンＭＣＵの少なくともいずれかが周知の保護機能を有することが好ましい。周知の保護機能とは、例えば過電圧保護機能、過電流保護機能、過熱保護機能、及び直流発光負荷の着脱検出機能等である。

１ 駆動装置
２ 直流発光負荷
１００、２００ 照明装置
ＤＣ 直流電源
ＩＮＶ 交流変換部
ＭＣＵ マイコン
ＬＥＤ１ 第１の直流発光デバイス
ＬＥＤ２ 第２の直流発光デバイス
Ｔ１ 第１の端子
Ｔ２ 第２の端子

Claims (5)

1. 第１の端子及び第２の端子と、
   前記第１の端子及び前記第２の端子の間に接続され且つ第１の直流発光デバイス及び第２の直流発光デバイスを含む直流発光負荷と、
   前記第１の端子及び前記第２の端子からパルス状の交流電力を出力する交流変換部と、を備え、
   前記第１の直流発光デバイスは前記第１の端子から前記第２の端子に向かって流れる電流に応じて第１の色温度の光を放射し、前記第２の直流発光デバイスは前記第２の端子から前記第１の端子に向かって流れる電流に応じて前記第１の色温度と異なる第２の色温度の光を放射し、
   前記交流変換部は前記交流電力を制御して前記直流発光負荷から出力される光の明るさ及び色を変化させることを特徴とする、直流発光負荷を備える照明装置。
2. 前記パルス状の交流電力は、正電圧パルスと負電圧パルスとオフパルスとを含むことを特徴とする請求項１に記載される、直流発光負荷を備える照明装置。
3. 前記交流変換部は前記直流発光負荷をＰＷＭ駆動することを特徴とする請求項１又は２に記載される、直流発光負荷を備える照明装置。
4. 前記交流変換部に接続される正の出力端子及び負の出力端子を有する直流電源を備えることを特徴とする請求項１乃至３に記載される、直流発光負荷を備える照明装置。
5. 前記直流発光負荷は透光性のケースに格納され、前記交流変換部は前記ケース外部に設置されることを特徴とする請求項１乃至４に記載される、直流発光負荷を備える照明装置。

Images