JP4263484B2 - Ｌｅｄの多色化アレイを有する照明器具 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）の多色化アレイを有する照明器具に関する。さらに特に、本発明は、白色発光照明器具であって、該照明器具によって発生される光出力および白色光の色が温度とともに変化する照明器具に関する。
【０００２】
参照によってここに含まれるゼネラルエレクトリックカンパニーに譲渡された米国特許明細書明細書第５８５１０６３号は、各ＬＥＤの波長の適切な選択によって最適化された演色評価数を有する少なくとも３つの多色化ＬＥＤのシステムを記載している。この参考文献は、ＬＥＤシステムの色度を、前記システムの所望の色度を指定し、黒体軌跡における前記所望の色度の理論的なｘ、ｙおよびｚＣＩＥ（国際照明委員会）座標を計算し、これらの座標に基づいて選択された波長において各ＬＥＤから光を発生することによって規定する方法も含む。
【０００３】
しかしながら、実際の状況の下で、ＬＥＤからの光出力は、前記ＬＥＤの温度とともに変化する。この変化は、各々の色に関する均一性が生じない。所定の色のＬＥＤのブロックにおいて、例えば、１つ以上のＬＥＤが故障した場合、光出力は変化する。ＬＥＤの所定のアレイの光出力および色温度に悪影響を及ぼすおそれがある要因を与えた場合、特に白色発光照明器具において、光出力および色温度を自動的に制御することが望ましい。
【０００４】
白色発光照明器具の色および光出力を、自動的に、連続して、オンラインで、小さいサイズのアレイによって制御することも望ましい。
【０００５】
本発明によれば、照明器具における複数の色の各々における少なくとも１つのＬＥＤで形成されるＬＥＤのアレイを、実験に基づく方法によって駆動する。最初に、電流を各々の色のＬＥＤに供給し、これらが通常の動作中、通常の連続値を有する光出力を有するようにする。次に、各々のＬＥＤ光源に関するＣＩＥｘｙ座標を、異なった温度に関して測定する。前記ＬＥＤ光源に関するＣＩＥｘｙ座標を前記ＬＥＤ光源の温度の関数として表し、メモリに格納する。温度の関数としてのＣＩＥｘおよびＣＩＥｙ座標に関する式を得て、これらの式を使用し、オンラインの間、前記ＣＩＥｘｙ座標およびルーメン出力分数を計算する。前記ＬＥＤの光出力および色を、前記計算されたｘｙ座標およびルーメン出力分数に基づいて制御する。
【０００６】
この方法において、前記ＬＥＤ光源に関するＣＩＥｘｙ座標を、最初に、動作範囲全体に関して実験的に異なった温度に関して測定する。次に、前記実験的データに基づいて、前記ＣＩＥｘおよびＣＩＥｙ座標に関する式を、多項式を使用して温度の関数として得る。前記ＣＩＥｘｙ座標が高度に非線形である場合、より高次の多項式を使用し、前記式を得る。
【０００７】
前記ＣＩＥｘｙ座標を温度の関数として表すため、基準ルーメンをオンラインで計算する。この方法は、可変色およびルーメン制御に好適である。測定された光出力をコントローラに、所望の出力と共にフィードバックし、これをユーザ制御によって設定してもよく、必要なように色ブロックに関する電源への変化を行う。このようにして、白色光の色を、この色を変化させるかもしれない要因に関係なく自動的に制御する。ユーザインプットは、白色光の所望の色温度の、温白色（より赤い出力）または冷白色（より青い出力）双方への変化を許可する。
【０００８】
本発明の一実施形態によれば、最初にオフラインで、白色光の固定された色に関して、多項式を使用することによって、基準ルーメンを計算し、温度の関数として表す。次にオンラインで、温度を入力し、これらの式を使用し、前記基準ルーメンを得る。
【０００９】
本発明の他の態様は、白色光の色温度を線形的に変化させる方法を提供する。この変化の一例は、色温度を温白色から昼光白色にシフトする。これを、黒体軌跡における白色光のＣＩＥｘｙ座標を、多項式を使用して色温度の関数として表すことによって達成する。所望のカラーポイントに関する白色光のＣＩＥｘｙ座標と、温度に依存する前記ＬＥＤ光源のＣＩＥｘｙ座標とを知ることにより、前記多色化ＬＥＤの各々に関する必要な基準ルーメン出力を計算する。これらのルーメン出力を基準としてルーメン出力制御システムに供給し、このルーメン出力制御システムは、温度およびエージングにかかわらず、前記ＬＥＤ光源のルーメン出力を調整する。
【００１０】
図１を参照し、本発明の例としての実施形態によるＬＥＤ照明器具は、複数の色の各々における複数のＬＥＤを含むＬＥＤ１０、１２、１４の二次元アレイを含む。ＬＥＤ１０、１２、１４は、電流をＬＥＤドライバ１１、１３、１５を経て供給する電源９から電力を受ける。前記アレイは、ヒートシンク１８に含まれた赤色ＬＥＤ１０、緑色ＬＥＤ１２および青色ＬＥＤ１４を含む。前記ＬＥＤを、全体の光出力がヒートシンク１８の外側に取り付けられた混合光学系２２によって結合されるように配置する。アンバーのような追加の色におけるＬＥＤを使用し、前記混合光学系を強化してもよい。
【００１１】
少なくとも１つの光センサ２４、例えばフォトダイオードを、前記アレイにおけるすべてのＬＥＤの光強度を検出するように配置する。好適には、光ファイバ（図示せず）は前記アレイからの光を光センサ２４に結合し、光センサ２４は、対応する電流信号を発生し、これらの信号をコントローラ３０にフィードバックライン２６を経て送る。
【００１２】
図１におけるＬＥＤ照明器具は、異なったヒートシンク温度に関する各々のＬＥＤ光源に関するＣＩＥｘｙ座標を計算するマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサ３４に結合されたサーモメータのような温度センサ３３も含む。マイクロコントローラ３４を、前記ヒートシンク温度の関数としてのＣＩＥｘｙ座標の式を格納するメモリ３６に結合する。マイクロコントローラ３４は、ヒートシンク温度の関数としてのＣＩＥｘおよびＣＩＥｙ座標に関する式を得て、前記ＲＧＢ ＬＥＤアレイに関するＣＩＥｘｙ座標およびルーメン出力をオンラインで計算する。電位差計のようなユーザ入力制御３５によって前記マイクロコントローラに入力された設定は、前記ＬＥＤの光出力および色温度を、前記ＲＧＢ ＬＥＤアレイに関する計算されたＣＩＥｘｙ座標およびルーメン出力に応じて制御する。
【００１３】
赤色、緑色および青色ＬＥＤ光源からの光出力を使用する白色光の発生は、当該技術分野において既知である。以下の式は、各々のＬＥＤアレイに関するＣＩＥｘｙ座標と、各々のＬＥＤアレイからのルーメン出力とを関係付け、発生された白色光のルーメン出力およびＣＩＥｘｙ座標を決定する。（ｘ_Ｒ，ｙ_Ｒ）、（ｘ_Ｇ，ｙ_Ｇ）および（ｘ_Ｂ，ｙ_Ｂ）を、ＣＩＥｘｙ色度図における前記赤色、緑色および青色ＬＥＤ光源に関する個々の座標とする。前記赤色、緑色および青色ＬＥＤ光源からのルーメン出力を、各々、Ｌ_Ｒ、Ｌ_ＧおよびＬ_Ｂと記す。（ｘ_Ｗ，ｙ_Ｗ）およびＬ_Ｗを混合光（白色光）に関する座標およびルーメン出力とすると、以下の式（１）はこれらの量の間の関係を示す。
【数１】

【００１４】
前記白色光の色度座標および必要なルーメン出力と前記赤色、緑色および青色ＬＥＤ光源の色度座標とが既知の場合、前記赤色、緑色および青色ＬＥＤ光源からの必要なルーメン出力を、式（１）を使用することによって計算することができる。前記白色光に関する色度座標（ｘ_Ｗ，ｙ_Ｗ）を、前記白色光の所望の色に基づいて選択する。次に、前記ＬＥＤ光源のＣＩＥｘｙ座標を知ることにより、必要なルーメン出力Ｌ_Ｒ、Ｌ_ＧおよびＬ_Ｂを計算する。ルーメン出力制御システムは、前記ＬＥＤアレイのルーメン出力を温度およびエージングの変化にかかわらず調整する必要があるため、計算された基準値をこのような制御システムに供給する。
【００１５】
しかしながら、赤色、緑色および青色ＬＥＤに関するＣＩＥｘｙ座標も温度とともに変化し、これら変化は、白色光の色を前記白色光のカラーポイントからドリフトさせる。この問題を克服するために、前記ＬＥＤに関するＣＩＥｘｙ異なったヒートシンク温度において測定する。次に、前記ＣＩＥｘｙ座標を、多項式を使用することによって温度の関数として表す。前記色の制御に関して、前記ヒートシンクの温度を測定し、次に、前記ＣＩＥｘｙ座標およびルーメン出力分数をオンラインで計算する。ＣＩＥｘｙ座標における変化を式の形態において格納するため、前記ＬＥＤの制御を離散的なステップにおいて行わず、この方法は、所望の精度を保持するための大きいアレイの必要性を除去する。
【００１６】
ＬＥＤ製造者データシートは、ピーク波長と、主波長と、スペクトルの幅の半分の最大の波長と、前記ピーク波長における温度による変化とを供給する。この情報を使用し、前記ＬＥＤに関するＣＩＥｘｙ座標を、前記ＬＥＤのスペクトルに関するガウスまたはローレンツライン形状を使用して計算することができる。前記ＬＥＤに関するＣＩＥｘおよびｙ色度座標における変化も計算することができる。次に、前記ヒートシンクに関する熱係数と、前記ヒートシンクにおけるＬＥＤの配置とを知ることによって、前記ＣＩＥｘｙ座標を温度の関数として得る。
【００１７】
ＬＥＤ光源は、同じ形式の１つ以上のＬＥＤによって構成され、ＬＥＤ光源における各ＬＥＤの特性は、バッチ間変化により同一ではない。したがって、前記ＬＥＤアレイのＣＩＥｘおよびＣＩＥｙ座標を、白色光の適切な増分的でない制御に関してＣＩＥｘおよびＣＩＥｙ座標を得るために、実験的に測定する。
【００１８】
前記ＣＩＥｘｙ色度座標は、順方向電流とともにも変化する。前記ＬＥＤアレイに関する順方向電流を、例えば、振幅変調（ＡＭ）またはパルス幅変調（ＰＷＭ）によって調整することができる。振幅変調案を使用する場合、ＣＩＥｘｙ色度座標を温度とともに、動作中の平均電流に関して測定する。ＰＷＭ案において、前記ＣＩＭｘｙ座標における順方向電流の影響を、一定のピーク電流によって除去する。ここで、前記ＣＩＥｘｙ座標を温度とともに前記ピーク電流において測定する。
【００１９】
前記赤色、緑色および青色ＬＥＤアレイに関する前記ヒートシンク温度によるＣＩＥｘおよびＣＩＥｙ座標における変化を、図２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂ、４Ａおよび４Ｂにおいて示す。ＣＩＥｘおよびＣＩＥｙにおける変化は非線形であり、したがって、二次多項式を使用し、これらを表す。
【００２０】
前記赤色、緑色および青色ＬＥＤに関するＣＩＥｘおよびＣＩＥｙ座標を、一次多項式を使用することによって表すことができる。より高次の多項式を使用することもできる。前記緑色ＬＥＤに関するＣＩＥｙ座標は非線形であるため、これを二次多項式を使用することによって表すことができる。
【００２１】
前記ＬＥＤ光源のＣＩＥｘおよびＣＩＥｙ座標を、以下のようなヒートシンク温度の関数としての多項式を使用して得る。
Ｘ_Ｒ（Ｔ_Ｈ）＝−２．１７３５×１０^−０７Ｔ_Ｈ ^２＋１．１７８８×１０^−４Ｔ_Ｈ＋０．６８１６
Ｙ_Ｒ（Ｔ_Ｈ）＝−１．３０９８９×１０^−０７Ｔ_Ｈ ^２−１．０７６７×１０^−４Ｔ_Ｈ＋０．３１６０２９
Ｘ_Ｇ（Ｔ_Ｈ）＝２．３３５６４×１０^−０６Ｔ_Ｈ ^２＋１．７６２０９×１０^−０６Ｔ_Ｈ＋０．２５９８８３
Ｙ_Ｇ（Ｔ_Ｈ）＝−２．１２９５５×１０^−６Ｔ_Ｈ ^２−７．４６４６９７×１０^−５Ｔ_Ｈ＋０．６８７５４３９
Ｘ_Ｂ（Ｔ_Ｈ）＝１．０７２９９×１０^−０７Ｔ_Ｈ ^２−６．７３５０１×１０^−０５Ｔ_Ｈ＋０．１１９０４６
Ｙ_Ｂ（Ｔ_Ｈ）＝７．３９３２６６×１０^−７Ｔ_Ｈ ^２＋２．６０１４４６×１０^−４Ｔ_Ｈ＋０．１１２８２３
ここで、Ｔ_Ｈはヒートシンク温度である。実際には、これらの実験式を、温度の完全な動作範囲に関してとった測定に基づいて得なければならない。
【００２２】
上記実験式は、白色光に関して可変色を望む場合、前記ＬＥＤ光源に関する基準ルーメンを各々の色温度に関して計算する必要があるため、有用である。白色光の色が一定の場合、前記ＬＥＤ光源に関する基準ルーメンをオフラインで計算し、多項式を使用してヒートシンク温度の関数として表す。この方法は、計算量を減少し、前記基準ルーメンを直接供給する。この方法を、以下の例において説明する。
【００２３】
白色光の所望の色温度を、４２５０°の色温度に対応する（０．３７２，０．３７５）のＣＩＥｘおよびＣＩＥｙ座標を有する冷白色とする。基準ルーメン出力分数を、図５に示すように、２５℃ないし７５℃の範囲に関して上記実験式を使用して計算する。前記赤色、緑色および青色ＬＥＤ光源に関する必要なルーメンＬ_R、Ｌ_GおよびＬ_Bを、ヒートシンク温度と、白色光の必要なルーメン出力Ｌ_Wとの関数として表す。
Ｌ _R （Ｔ _H ）＝（−１．１９６４０７×１０ ^-6 ×Ｔ _H ² −２．２５４０３３×１０ ^-4 ×Ｔ _H ＋０．３１０３０８１）×Ｌ _W
Ｌ _G （Ｔ _H ）＝（−２．８２６５１３×１０ ^-7 ×Ｔ _H ² −１．７０３３９５×１０ ^-5 ×Ｔ _H ＋０．５９７６０３９）×Ｌ _W
Ｌ _B （Ｔ _H ）＝（９．１３７５９×１０ ^-7 ×Ｔ _H ² ＋２．４２４３７×１０ ^-4 ×Ｔ _H ＋０．０９２０８７９６）×Ｌ _W
ここで、ＬＷは白色光に関する必要な合計ルーメンである。同様の式を、白色光の異なった色に関して見つけることができる。
【００２４】
本発明の他の実施形態によれば、白色ＬＥＤ照明器具に関する色温度を、白色光に関して可変色温度を望む場合、一様に変化させることができる。式（１）において、ｘ_Ｗおよびｙ_Ｗを、白色光の所望の色温度に基づいて黒体軌跡から選択される白色光のＣＩＥ色度座標である。したがって、ｘ_Ｗおよびｙ_Ｗに関する値は、黒体軌跡上にある。ｘ_Ｗおよびｙ_Ｗを色温度の関数として表すと、色温度を知ることによって、ｘ_Ｗおよびｙ_Ｗに関する必要な値を計算することができる。前記白色光の所望の色温度を、電位差計によって設定することができる。
【００２５】
図６Ａおよび６Ｂは、２５００°Ｋないし６５００°Ｋの色温度範囲に関する色温度によるｘ_Ｗおよびｙ_Ｗにおける変化を示す。ｘ_Ｗおよびｙ_Ｗの値は、黒体軌跡上にある。ここで、白色光に関する色度座標を、色温度Ｔ_Ｃの関数として、以下の二次多項式を使用して表す。
ｘ_Ｗ（Ｔ_Ｃ）＝８．５５４７８×１０^−９×ＴＣ^２−１．１５６６７×１０^−４×Ｔ_Ｃ＋０．７０７８０２
ｙ_Ｗ（Ｔ_Ｃ）＝１．４５２２×１０^−９×ＴＣ^２−３．６８３３７×１０^−５×Ｔ_Ｃ＋０．５００４４１
【００２６】
所望の色温度を、電位差計によって設定することができる。前記色温度を知ることによって、ＣＩＥ座標ｘ_Ｗおよびｙ_Ｗを、上記二次多項式を使用して計算することができ、前記白色光の色温度を一様に変化させることができる。同様な式を、異なった色温度範囲に関して、多項式を使用して得ることができる。
【００２７】
上記式および例は、典型的なものであり、請求項の範囲を限定することを目的としていない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＬＥＤ照明器具の図式的な図である。
【図２】 Ａは温度の関数としてのアレイにおける赤色ＬＥＤに関するＣＩＥ_ＸＲ座標における変化を示すグラフであり、Ｂは温度の関数としてのアレイにおける赤色ＬＥＤに関するＣＩＥ_ＹＲ座標における変化を示すグラフである。
【図３】 Ａは温度の関数としてのアレイにおける緑色ＬＥＤに関するＣＩＥ_ＸＧ座標における変化を示すグラフであり、Ｂは温度の関数としてのアレイにおける緑色ＬＥＤに関するＣＩＥ_ＹＧ座標における変化を示すグラフである。
【図４】 Ａは温度の関数としてのアレイにおける青色ＬＥＤに関するＣＩＥ_ＸＢ座標における変化を示すグラフであり、Ｂは温度の関数としてのアレイにおける青色ＬＥＤに関するＣＩＥ_ＹＢ座標における変化を示すグラフである。
【図５】 温度の関数としての白色ＬＥＤアレイに関する基準ルーメン出力分数における変化を示すグラフである。
【図６】 Ａは色温度の関数としての白色ＬＥＤアレイに関する色温度によるＣＩＥ_ＸＷ座標の変化を示すグラフであり、Ｂは色温度の関数としての白色ＬＥＤアレイに関する色温度によるＣＩＥ_ＹＷ座標の変化を示すグラフである。

Claims (8)

1. 照明器具における複数の色の各々における少なくとも１つのＬＥＤを具えるＬＥＤのアレイを駆動する方法において、
   各々の前記色における前記ＬＥＤに電流を供給し、前記ＬＥＤが通常の動作中の通常の連続値を有する光出力を有するようにするステップと、
   異なった温度に関して各々のＬＥＤ光源に関するＣＩＥｘｙ座標を測定するステップと、
   前記ＣＩＥｘｙ座標の前記温度の関数としての式を格納するステップと、
   ＣＩＥｘおよびＣＩＥｙ座標に関する温度の関数としての式を得るステップと、
   前記ＬＥＤのアレイによって発生される前記複数の色の各々の前記ＣＩＥｘｙ座標（Ｘ _R ，Ｙ _R ），（Ｘ _G ，Ｙ _G ），（Ｘ _B ，Ｙ _B ）およびルーメン出力Ｌ _R ，Ｌ _G ，Ｌ _B を、合計した光出力の所望のルーメン出力Ｌ _W ，合計した光出力の所望のＣＩＥｘｙ座標（Ｘ _W ，Ｙ _W ），前記ＬＥＤ光源の温度Ｔ _H に基づいて、次式
   

   

   を使用してオンラインで計算するステップと、
   前記ＬＥＤの光出力および色を、前記計算されたＣＩＥｘｙ座標およびルーメン出力に基づいて制御するステップとを含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記式を得るステップが、温度の関数としてのＣＩＥｘおよびＣＩＥｙに関する式を、多項式を使用して得るステップをさらに含むことを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法において、前記式を得るステップが、温度の関数としてのＣＩＥｘおよびＣＩＥｙに関する式を、より高次の多項式を使用して得るステップをさらに含むことを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法において、前記ＬＥＤのアレイによって発生される光が白色光であって、
   この白色光の所望の色温度と所望の光出力を決定するステップと、
   この白色光のＣＩＥｘｙ座標を、多項式を用いて色温度の関数として表現するステップと、
   前記複数の色における各々の所望のルーメン出力を、前記白色光のＣＩＥｘｙ座標及び前記所望の光出力と、温度に応じる前記複数の色の光を発生する各々のＬＥＤ光源のＣＩＥｘｙ座標とから計算するステップと、を含むことを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法において、前記ＣＩＥｘｙ色度座標が、前記ＬＥＤのアレイに関する順方向電流と共に変化することを特徴とする方法。
6. 照明器具において、
   複数の色の各々における少なくとも１つのＬＥＤを具えるＬＥＤのアレイと、
   光出力を有する、各々の前記色における前記ＬＥＤに電流を供給し、前記光出力が、通常の動作中の通常の連続値を有するようにする手段と、
   前記アレイにおける少なくとも１つのＬＥＤの光出力を測定するように配置された少なくとも１つのフォトダイオードと、
   異なったヒートシンク温度に関して各々のＬＥＤ光源に関するＣＩＥｘｙ座標を測定する手段と、
   前記温度の関数としてのＣＩＥｘｙ座標の式を格納する格納手段と、
   温度の関数としてのＣＩＥｘおよびＣＩＥｙ座標に関する式を得て、前記ＬＥＤのアレイによって発生される前記複数の色の各々の前記ＣＩＥｘｙ座標（Ｘ _R ，Ｙ _R ），（Ｘ _G ，Ｙ _G ），（Ｘ _B ，Ｙ _B ）およびルーメン出力Ｌ _R ，Ｌ _G ，Ｌ _B を、合計した光出力の所望のルーメン出力Ｌｗ，合計した光出力の所望のＣＩＥｘｙ座標（Ｘ _W ，Ｙ _W ），前記ＬＥＤ光源の温度Ｔ _H に基づいて、次式
   

   

   を使用してオンラインで計算する計算手段と、
   前記ＬＥＤの光出力および色温度を、前記計算されたＣＩＥｘｙ座標およびルーメン出力に基づいて制御する制御手段とを具えることを特徴とする照明器具。
7. 請求項６に記載の照明器具において、前記制御手段が電位差計をさらに具えることを特徴とする照明器具。
8. 請求項６に記載の照明器具において、前記温度を、前記ＬＥＤを包むヒートシンクから測定することを特徴とする照明器具。

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