JP2015216580A

JP2015216580A - 情報送信機能を備えた調光型照明装置およびその情報受信装置

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Publication number: JP2015216580A
Application number: JP2014099476A
Authority: JP
Inventors: 権太郎北角; Kentaro Kitakado
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2015-12-03

Abstract

【課題】情報送信機能を備えた従来の調光型照明装置における、特に光量が少ない場合に、データ信号間の間隔が大きくなり、フリッカが目立つようになる、また、通信速度を上げづらい、という欠点を改善する。
【解決手段】発光素子への電流印加のパルス幅を増減して調光する照明装置で、その電流を、同一の振幅で周期の異なる複数種類の矩形波で構成する。各種類の矩形波で異なるデジタル信号に対応付ける。また、複数種類の矩形波を発生と、その各種類の矩形波のデューティ比変えることは、矩形波発生手段で生成する信号波形を変えて行う。ここで、各デジタル信号の１ビット分の矩形波の電圧時間積あるいは電流時間積の和を等しく設定する。また、受信においては、光電変換素子の受光開始点の信号をエッジ検出手段で抽出し、各エッジ間の周期から、または周波数シフトキーイング信号として、復調する。
【選択図】図２

Description

本発明は、輝度を調整することができる照明装置で、照明用の光源からの光を用いて情報を発信することができる、情報送信機能を備えた調光型照明装置およびその情報受信装置に関する。

照明装置を用いた可視光通信（ＶＬＣ：Visible Light Communication）は、展示会での説明や、建物内での経路案内など信号伝達範囲を限定したい場合などの局所的な通信に便利に使用されている。また、展示用の都合や節電のために、照明装置は調光可能であることが求められている。

このように照明と信号送信を兼ねる光源としては、人の目にフリッカを感じさせない様にするために、また、十分な送信速度を得るために高速応答が可能な光源素子が用いられる。そのような素子としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子などが用いられる。また、明るい照明を行いたい場合には、各種の放電灯も利用することが可能である。また、低速の通信速度でよい場合には、液晶ディスプレイなどもそのための光源として用いることが可能である。

例えば、発光ダイオードを光源素子に用いた場合、図４に示す構成で調光可能な照明装置が実現できることが知られている。光源素子１０は、通常は白色の照明光にするために青色より短波長の光を蛍光物質に照射する単原色のものや３原色の混合で白色光とするものでもよい。当然のことながら、白色光に限る必要はない。光源素子１０には、直流電源１からの電流が変調素子８で信号発生器９からの信号で変調されて、印加される。光源素子１０を流れる電流は、Ｉ−Ｖ変換回路２０により電圧に変換される。この電圧は、参照電圧源３の参照電圧と比較するために差動増幅器による電圧比較器２に入力される。その比較結果は、信号発生器９に印加され、そこで発生する信号の制御に用いられる。この回路では、上記参照電圧とＩ−Ｖ変換回路２０の出力電圧が同じになるように帰還がかけられることになり、上記参照電圧を調整することで、光源素子１０を流れる電流を制御し、調光できるようになる。
信号発生器９の出力信号としては、変調素子８でのエネルギー損失を少なくするためにパルス信号である場合が多い。また、光源素子１０を流れる電流を制御することは、前記パルス信号の振幅、幅または密度などを調整することで可能であることが知られている。一般には、パルス幅を変調するパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）方式が用いられる場合が多い。

また、調光なしの照明装置で情報を発信する場合に、デジタル信号送信の例として図５に示す方式が知られている。これは、サブキャリア４値ＰＰＭ（pulse position modulation：パルス位置変調）方式と呼ばれるもので、単位区間のどの位置に変調波があるかで、デジタル信号の、００、０１、１０、１１を区別するものである。上記サブキャリアの周波数は例えば２８．８ｋＨｚである。

図６にＶＬＣ対応のＬＥＤ照明回路例を示す。この回路は、図４類似回路に、さらに変調回路を付加したものである。光源素子１０に印加されるＰＷＭ波は、キャパシタ１４で平滑され、デジタルデータ１１に従って変調波を発生する変調信号発生器１２の出力で変調素子１３を介して変調される。
この回路の特徴は次の点にある。つまり、ＬＥＤを定電流駆動するためのＰＷＭ変調回路と、例えば４値ＰＰＭデータ変調を行うための回路を独立して用意する必要がある。また、調光（輝度の制御）のために、平均電流を変化させると、平滑化した電流が変化するため、通信可能な距離が変化し、輝度条件によっては調光とデータ通信の両立が困難になる。

また、特許文献１（特開２００６−３２５０８５号公報）には、ＰＷＭ方式で調光をしつつ、パルス位置の違いによって情報を発信するデータ送信装置が開示されている。この開示では、送信データが０の場合、基準クロックの最初にパルスがオンになり途中でオフとなる。これに対して送信データが１の場合には、基準クロックの途中でパルスがオンになり最後でオフになる、というものである。

また特許文献２（欧州特許出願公開第２５４７１７３号明細書）には、ＰＷＭ方式による調光と４値ＰＰＭによる情報送信を用いた照明光通信装置が開示されている。これは、ＰＷＭ方式で調光をするが、その各パルスの先頭部分に、４値ＰＰＭによる情報送信のための単位区間を設け、その単位区間を４分割したうちの１つのパルス高を低くするものである。その低いパルスの位置で、デジタル信号の、００、０１、１０、１１を区別する。

上記の情報送信機能を備えた従来の調光型照明装置では、特に光量が少ない場合に、データ信号間の間隔が大きくなり、フリッカが目立つようになる、また、通信速度を上げづらい、という欠点があった。

特開２００６−３２５０８５号公報欧州特許出願公開第２５４７１７３号明細書

本発明では、光量が少ない場合での上記のフリッカや送信速度についての問題を改善する。

本発明の情報送信機能を備えた調光型照明装置は、発光素子と、該発光素子にパルス状の電流を流す電流印加手段とを備え、該電流印加手段は該電流のパルス幅を調整するパルス幅調整手段であり、上記パルス幅を増減して調光する照明装置であって、
上記電流は、同一の振幅で周期の異なる複数種類の矩形波で構成され、前記複数種類の矩形波はそれぞれ異なるデジタル信号に対応付けられたものであることを特徴とする。

また、上記複数種類の矩形波の開始点の並びは、所定の周期に従って上記発光素子が発光を開始する点の並びであることを特徴とする。

また、上記パルス幅調整手段は、入力されるデジタル信号に従って同一の振幅で周期の異なる複数種類の矩形波を発生し、前記複数種類の矩形波のデューティ比を、上記発光素子に印加する電流量に対応すべく決める矩形波発生手段であることを特徴とする。

上記デジタル信号の各１ビット分の矩形波の電圧時間積あるいは電流時間積を等しく設定したものである。

また、本発明の情報受信装置は、上記の情報送信機能を備えた調光型照明装置からの情報を受信する情報受信装置であって、光電変換素子と、エッジ検出手段と、復調手段とを備え、上記エッジ検出手段は、該光電変換素子からの矩形波による光信号の受光開始点の信号を抽出するものであり、上記復調手段は、該エッジ検出手段の出力から、送信された符号を復調するものである。復調は、周波数シフトキーイング復調法や、パルス密度変調における復調法によって行うことができる。

本発明による情報送信機能を備えた調光型照明装置では、光量が少ない場合でも、フリッカが目立たなくなるようになり、また、データ送信速度が改善される。

本発明の情報送信機能を備えた調光型照明装置の例を示すブロック図である。２値のデジタルデータの場合の出力信号例を示す模式図である。（ａ）は、デジタルデータが０、１、０であることを示し、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、デューティ比がそれぞれ８０、５０および２０％の場合に、上記デジタルデータ０、１、０の場合に対応する矩形波例を示す。本発明の情報送信機能を備えた調光型照明装置からの情報を受信する情報受信装置例を示すブロック図である。調光可能な照明装置の従来例を示すブロック図である。調光なしの照明装置で情報を発信する場合に用いられ、サブキャリア４値ＰＰＭ（pulse position modulation：パルス位置変調）方式と呼ばれるデジタル信号送信の例を示す図である。ＶＬＣ対応のＬＥＤ照明回路例を示すブロック図である。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

図１は、本発明の情報送信機能を備えた調光型照明装置の例を示すブロック図である。光源素子１０は、例えば、青色ＬＥＤを用いた波長変換型の白色発光素子や３原色混合型ＬＥＤの白色発光素子でもよい。目的によっては、色彩光を発生する発光素子でもよく、白色光に限る必要はない。また、ＬＥＤの他に、有機ＥＬ素子などを用いることができる。さらに明るい照明を行いたい場合には、各種の放電灯も利用することが可能である。以下では、ＬＥＤを発光素子に用いた場合について説明する。

光源素子１０には、直流電源１からの電流が、変調素子８で信号発生器７からの信号で変調されて、印加される。光源素子１０を流れる電流は、Ｉ−Ｖ変換回路２０により電圧に変換される。この電圧は、参照電圧源３の参照電圧と比較するために差動増幅器による電圧比較器２に入力される。その比較結果は、信号発生器７に印加され、信号発生器７で発生する信号の制御に用いられる。この回路では、上記参照電圧とＩ−Ｖ変換回路２０の出力電圧が同じになるように帰還がかけられることになり、上記参照電圧を調整することで、光源素子１０を流れる電流量を制御し、調光できるようになる。この電流量は、図１の場合、抵抗５とキャパシタ４で平滑されたものであり、厳密な意味で積算値や平均値でなくてもよい。

信号発生器７の出力信号は、変調素子８でのエネルギー損失を少なくするために矩形波である。このために、この例では、変調素子８にはスイッチング素子を用いる。また、光源素子１０を流れる電流量を制御することは、前記パルス信号の振幅、幅または密度などを調整することで可能である。
また、信号発生器７は、デジタルデータに従って、複数の矩形波を使い分ける。２値のデジタルデータの場合は異なる周期の２種類の矩形波を用いる。多（ｎ）値のデジタルデータの場合は、異なる周期のｎ種類の矩形波を用いる。

２値のデジタルデータの場合の出力信号例を模式的に図２に示す。図２（ａ）は、デジタルデータが０、１、０であることを示す。図２（ｂ）は、信号発生器７の出力について、指定されたデューティ比が８０％の場合に、上記デジタルデータ０、１、０の場合に対応する矩形波例を示す。この例では、「０」に長周期の矩形波を２周期分当て、「１」に短周期の矩形波を４周期分当てる。ここで、「０」と「１」の高電流（または高電圧）期間の長さは同じである。また、「０」に長周期の矩形波を１周期分当て、「１」に短周期の矩形波を２周期分当てることもできる。さらに、長周期の矩形波の周期を短周期のそれの１．５倍としてもよく、任意性がある。図２（ｃ）、（ｄ）は上記デューティ比がそれぞれ５０％、２０％である場合を示す。これらの図は、デューティ比の調整は、長周期、短周期それぞれの矩形波の周期についてのデューティ比であることを示している。

ここで、フリッカを抑制するために、各デジタル信号の１ビット分の矩形波の電圧時間積あるいは電流時間積を等しく設定することが望ましい。図２（ｂ）から（ｄ）では、１ビット分のデータが「０」または「１」の期間の矩形波の総和面積、例えば電圧時間積や電流時間積あるいは光度時間積の総和を等しくとっている。

また、デューティ比を変える場合でも、矩形波の立ち上がり時期は、一定の周期の時系列上にあるようにする。つまり図１の光源素子１０の発光パルスの立ち上がり時点は所定の周期を持った時系列となる。
このように、デジタルデータ６に従って周期の異なる矩形波信号を発生し、しかも、調光のためにパルスのデューティ比を変えることは、信号発生器７に、例えばプログラム可能なデジタル信号発生器を用いることで可能である。

図３は、上記の情報送信機能を備えた調光型照明装置からの情報を受信する情報受信装置例を示すブロック図である。この情報受信装置は、光電変換素子３１と、エッジ検出手段３２と、復調手段３３とを備える。

光電変換素子３１としては、赤外領域から可視光領域まで受信可能なＰＩＮ−フォトダイオードを使用することができる。
また、上記エッジ検出手段３２は、該光電変換素子３１からの矩形波による光信号の受光開始点の信号を抽出するものである。この抽出は、微分回路で微分波形を得たのちに、整流器で例えば正符号の信号を抽出することで可能である。また、上記復調手段３３は、該エッジ検出手段３１の出力波形のパルス間の周期を計測してデジタル信号を復調することが可能であり、また、既によく知られているような復調法によって、例えば、周波数シフトキーイング復調法や、パルス密度変調における復調法によって復調することができる。
復調手段３３の出力は、エラー処理などを行い、デジタル信号として伝送や表示が行われて活用される。

上記の説明で送信の際に用いたデジタルデータは、自由に設定するようにすることは容易に可能であるが、また、よく知られた種々の方法で入力することができる。例えばＲＯＭ（読み出し専用メモリー）やフラッシュメモリーとして搭載することや、伝送線を設けて記憶されたデジタルデータを書き換えることも容易である。

１直流電源
２電圧比較器
３参照電圧源
４キャパシタ
５抵抗
６デジタルデータ
７信号発生器
８変調素子
９信号発生器
１０光源素子
１１デジタルデータ
１２変調信号発生器
１３変調素子
１４キャパシタ
２０Ｉ−Ｖ変換回路
３１光電変換素子
３２エッジ検出手段
３３復調手段

Claims

発光素子と、該発光素子にパルス状の電流を流す電流印加手段とを備え、該電流印加手段は該電流のパルス幅を調整するパルス幅調整手段であり、上記パルス幅を増減して調光する照明装置であって、
上記電流は、同一の振幅で周期の異なる複数種類の矩形波で構成され、前記複数種類の矩形波はそれぞれ異なるデジタル信号に対応付けられたものであることを特徴とする、情報送信機能を備えた調光型照明装置。
上記複数種類の矩形波の開始点の並びは、所定の周期に従って上記発光素子が発光を開始する点の並びであることを特徴とする請求項１に記載の、情報送信機能を備えた調光型照明装置。
上記パルス幅調整手段は、入力されるデジタル信号に従って同一の振幅で周期の異なる複数種類の矩形波を発生し、前記複数種類の矩形波のデューティ比を、上記発光素子に印加する電流量に対応すべく決める矩形波発生手段であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の、情報送信機能を備えた調光型照明装置。
各デジタル信号の１ビット分の矩形波の電圧時間積あるいは電流時間積の和を等しく設定したものであることを特徴とする請求項３に記載の、情報送信機能を備えた調光型照明装置。
請求項１から４のいずれか１つに記載の情報送信機能を備えた調光型照明装置からの情報を受信する情報受信装置であって、
光電変換素子と、エッジ検出手段と、復調手段とを備え、
上記エッジ検出手段は、該光電変換素子からの矩形波による光信号の受光開始点の信号を抽出するものであり、
上記復調手段は、該エッジ検出手段の出力から、送信された符号を復調するものであることを特徴とする情報受信装置。