JP4661771B2 - 可視光通信用照明器具及び可視光通信照明システム - Google Patents

Description

本発明は、照明用の可視光を用いて通信を行う可視光通信用照明器具及び可視光通信照明システムに関するものである。

照明用の可視光を用いて通信を行う従来の可視光通信用照明器具及び可視光通信照明システムとして、特許文献１には、照明用光源としてのＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）と、ＬＥＤを駆動するスイッチング制御回路とを備える照明器具及び照明システムが開示されている。特許文献１の照明器具及び照明システムは、ＬＥＤの点灯及び消灯を制御することで可視光通信を行うものであり、ＬＥＤの点灯時間と消灯時間を所定の割合で固定することで、可視光通信時の点灯及び消灯による照明環境の変化を小さくすることができる。
特開２００４−１２０１０１号公報（段落０００９〜００１３及び第１〜３図）

しかしながら、上記従来の可視光通信用照明器具及び可視光通信照明システムには、光源（ＬＥＤ）を形成する樹脂などの劣化によって、光源が発光する光束が徐々に減っていくという現象（光束減退）が発生する。光源の発光光束が可視光通信の通信距離に大きく依存することから、従来の可視光通信用照明器具及び可視光通信照明システムには、光源の光束減退によって、通信距離が短くなる場所が発生したり、通信範囲が狭くなったりする可能性が高くなるという問題があった。

本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、可視光通信の通信距離及び通信範囲を初期状態に対して一定範囲内に長期に渡って保つことができる可視光通信用照明器具及び可視光通信照明システムを提供することにある。

請求項１の可視光通信用照明器具に係る発明は、可視光を発光する光源と、送信情報に基づいて前記光源の点灯及び消灯を切り換えて当該送信情報を送信する送信手段と、前記光源の発光照度が予め設定された一定範囲内となるように前記光源を制御する点灯制御手段と、前記光源の通算発光時間を計時するタイマと、前記発光照度が前記一定範囲内となるように前記通算発光時間ごとに前記光源への供給電流の電流値を示すデータテーブルを記憶する記憶手段とを備え、前記点灯制御手段が、前記タイマで計時される前記通算発光時間及び前記記憶手段に記憶されている前記データテーブルに基づいて前記光源への供給電流の電流値を制御することを特徴とする。

請求項２の可視光通信照明システムに係る発明は、請求項１記載の可視光通信用照明器具と、前記可視光通信用照明器具からの可視光を受光して送信情報を受信する受信器とを備えることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、光源の光束減退を補正して、光源の発光照度を初期状態に対して一定範囲内に維持することができるので、可視光通信の通信距離及び通信範囲を初期状態に対して一定範囲内に長期に渡って保つことができる。

さらに、請求項１の発明によれば、光源の通算発光時間ごとに光源の光束減退を予測し、この予測に基づいて電流値が設定された電流を光源に供給することができる。

請求項２の発明によれば、可視光通信用照明器具において、光源の光束減退を補正して、光源の発光照度を初期状態に対して一定範囲内にすることができるので、可視光通信の通信距離及び通信範囲を初期状態に対して一定範囲内に長期に渡って保つことができる。

（実施形態１）
まず、本発明の実施形態１に係る可視光通信照明システムの構成について図１〜４を用いて説明する。この可視光通信照明システムは、照明用の可視光を用いて通信を行うものであり、図１に示すように、可視光を発光して送信情報を送信する可視光通信用照明器具１と、可視光通信用照明器具１からの可視光を受光して送信情報を受信する受信器２とを備えている。

可視光通信用照明器具１は、可視光を発光する光源１０と、光源１０を発光させるための電流を作成する電源部１１と、電源部１１からの電流を定電流にする定電流回路部１２と、定電流回路部１２からの定電流に送信情報を重畳する信号発振部１３と、光源１０の発光照度を検出する明るさセンサ１４と、明るさセンサ１４のセンサ電圧の目標値を記憶する第１の記憶部１５と、送信情報を記憶する第２の記憶部１６と、光源１０の点灯及び消灯を切り換えて送信情報を送信させる制御部１７とを器具本体１８（図２参照）に収納して備えている。

図２に示す器具本体１８は、下面１８０及び発光面１８１が露出するように天井面３に埋め込まれて設置されている。

図１に示す光源１０はＬＥＤであり、電流が供給されると可視光を発光する。このＬＥＤは半導体発光素子であるためフィラメントなどはなく、放電灯や白熱灯に比べて比較的長寿命ではあるが、ＬＥＤチップやこのＬＥＤチップを封止している樹脂などの材料が劣化することによって、図３に示すように、光の透過率が低下して光束減退が発生する。光源１０の光束減退の度合いは器具全体の放熱や樹脂の組成などによって一概には決定することができないが、一例として通算点灯時間が約４００００時間で初期状態の５０％まで低下するといわれている。初期状態の５０％まで低下すると可視光通信の通信距離及び通信範囲は初期状態の半分以下になると想定される。

図１に示す電源部１１は例えばダイオードブリッジなどで構成され、交流電源ＡＣと接続している。交流電源ＡＣは例えば商用電源などである。電源部１１は交流電源ＡＣからの交流電流を整流し、平滑化して定電流回路部１２に出力する。

定電流回路部１２は例えばシャントレギュレータ又はカレントミラー回路などで構成され、電源部１１からの電流の電流値を一定にし、所定の電流値ａの直流電流である定電流Ｉ_１（図４（ａ）参照）を信号発振部１３に出力する。定電流回路部１２から出力される定電流Ｉ_１の電流値ａによって光源１０の発光光束が変化する。

信号発振部１３は、例えばバイポーラトランジスタ若しくはＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体スイッチ素子又は水晶などの発振子から構成されたものである。この信号発振部１３に、送信情報を含む後述の情報信号が制御部１７から入力されると、信号発振部１３は、入力された情報信号を定電流回路部１２からの定電流Ｉ_１（図４（ａ）参照）に重畳し、重畳したパルス電流Ｉ_２（図４（ｂ）参照）を光源１０に出力する。このパルス電流Ｉ_２の振幅は定電流Ｉ_１の電流値ａと同じである。上記のような動作によって、信号発振部１３は、送信情報に基づいたパルス電流Ｉ_２にしたがって光源１０の点灯及び消灯を切り換えて、光源１０から上記送信情報を送信させることができる（図４（ｃ）参照）。

明るさセンサ１４は例えばフォトダイオードやフォトトランジスタのような受光半導体素子などであり、光源１０の発光照度を検出し、検出した発光照度に基づくセンサ電圧Ｖ（図４（ｄ）参照）を制御部１７に出力する。このため、明るさセンサ１４は、図２に示すように、光源１０が設置されている発光面１８１に受光面１４０を向けて器具本体１８に固定されている。なお、センサ電圧Ｖの電圧値と光源１０の発光光束とはほぼ比例の関係にある。

図１に示す第１の記憶部１５は、例えばＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やフラッシュメモリなどの不揮発性メモリであり、明るさセンサ１４のセンサ電圧Ｖの目標値ｂを中心とする目標範囲Ｂ（図５（ｂ）参照）を記憶している。目標範囲Ｂは、目標値ｂを中心とする所定の範囲又は目標値ｂそのものであり、実施形態１では目標値ｂを中心に上下１０％以内の範囲に予め設定されている。この目標範囲Ｂを第１の記憶部１５に書き込む手段としては、製造段階での書き込み並びに外部機器（例えばリモコンや外部通信インタフェースなど）からの書き込み又は書き換えなどがある。

第２の記憶部１６は、例えばＥＥＰＲＯＭやフラッシュメモリなどの不揮発性メモリであり、可視光通信で送信するための送信情報を記憶している。送信情報を第２の記憶部１６に書き込む手段としては、製造段階での書き込み並びに外部機器（例えばリモコンや外部通信インタフェースなど）からの書き込み又は書き換えなどがある。

制御部１７は例えばマイコンなどで構成され、送信情報に基づいて光源１０の点灯及び消灯を切り換えて上記送信情報を送信するものである。具体的に説明すると、まず、制御部１７は、電源が投入されると同時に第２の記憶部１６から送信情報を読み取る。その後、この制御部１７は、読み取った送信情報を所定の方式（例えばマンチェスター方式やバイポーラ方式など）でパターン化して情報信号を作成し、このパターン化した情報信号を一定の時間間隔で信号発振部１３に出力する。上記より、制御部１７は、情報信号のパターンに基づいて光源１０を発光させることができるので、第２の記憶部１６に記憶されている送信情報を可視光通信で送信することができる。

また、制御部１７は、少なくとも非通信時における光源１０の発光照度が一定範囲内となるように光源１０を制御する。具体的に説明すると、まず、制御部１７は、電源が投入されると同時に第１の記憶部１５から明るさセンサ１４のセンサ電圧Ｖの目標範囲Ｂ（図５（ｂ）参照）を読み取り、少なくとも制御部１７が情報信号を信号発振部１３に出力していない間（非通信時）において明るさセンサ１４から逐次入力されるセンサ電圧Ｖの電圧値と上記目標範囲Ｂを比較する。その後、制御部１７は、非通信時に行った比較の結果に基づいて、定電流回路部１２を制御して定電流Ｉ_１の電流値ａを増減させることで、センサ電圧Ｖの電圧値が目標範囲Ｂ内となるように光源１０を制御する。

続いて、実施形態１に係る受信器２の構成について説明する。受信器２は、光源１０からの可視光を受光する受光部２０と、受光部２０で受光した可視光から送信情報を復調する復調部２１とを備えている。

受光部２０は例えばフォトダイオードや抵抗などで構成され、光源１０からの可視光を受光する。受光後、この受光部２０は、受光した可視光に基づいて電気信号を作成し、この電気信号を復調部２１に出力する。

復調部２１は受光部２０からの電気信号を増幅し、増幅した電気信号から送信情報を復調し、復調した送信情報を表示する。

次に、実施形態１に係る可視光通信照明システムの動作について図１，４，５を用いて説明する。まず、図１に示す可視光通信用照明器具１の光源１０が信号発振部１３からのパルス電流Ｉ_２（図４（ｂ）参照）によって可視光を発光する（図５（ａ）参照）。一方、受信器２では、受光部２０が光源１０からの可視光を受光し、この可視光に含まれている送信情報を復調部２１が検出する。このとき、可視光通信用照明器具１において、明るさセンサ１４が光源１０の発光照度を検出し、センサ電圧Ｖを制御部１７に出力する（図５（ｂ）参照）。制御部１７は、非通信時におけるセンサ電圧Ｖの電圧値が目標範囲Ｂ（図５（ｂ）参照）内となるか否かを比較し、目標範囲Ｂから外れた場合（図５のｔ_１１，ｔ_１２，ｔ_１３，ｔ_１４，ｔ_１５）、センサ電圧Ｖが目標範囲Ｂ内となるように、定電流回路部１２を制御して定電流Ｉ_１の電流値ａを変化させる（図５（ｃ）参照）。具体的には、センサ電圧Ｖの電圧値が目標範囲Ｂを下回ると定電流Ｉ_１の電流値ａを増大させる。

以上、実施形態１によれば、図１に示す可視光通信用照明器具１において、制御部１７が定電流回路部１２を制御して定電流Ｉ_１の電流値ａを増大させることによって（図５（ｃ）参照）、光源１０の光束減退を補正して（図５（ａ）参照）、光源１０の発光照度を初期状態に対して一定範囲内に維持することができるので（図５（ｂ）参照）、受信器２がそのままの状態で、可視光通信の通信距離及び通信範囲を初期状態に対して一定範囲内に長期に渡って保つことができる。

また、光源１０の発光照度を明るさセンサ１４で検出することができるので、検出した発光照度を用いて光源１０の発光照度を容易に一定範囲内に維持することができる。

さらに、光源１０の光束減退を補正するのに、非通信時に明るさセンサ１４で検出した発光照度を用いるので、送信情報によって光源１０の一定時間あたりの平均発光光束がばらつく可視光通信中に比べて、光源１０の発光照度をより正確に検出することができ、精度の高いフィードバックを行うことができる。

（実施形態２）
まず、本発明の実施形態２に係る可視光通信照明システムの構成について図６，７を用いて説明する。この可視光通信照明システムは、受信器２（図１参照）を実施形態１の可視光通信照明システム（図１参照）と同様に備え、実施形態１の可視光通信用照明器具１（図１参照）に代えて図６に示すような可視光通信用照明器具１ａを備えている。実施形態２の可視光通信用照明器具１ａは、図６に示すように、光源１０と、電源部１１と、定電流回路部１２と、信号発振部１３と、第２の記憶部１６とを実施形態１の可視光通信用照明器具１と同様に備えているが、実施形態１の可視光通信用照明器具１にはない以下に記載の特徴部分を有する。

可視光通信用照明器具１ａは、実施形態１の明るさセンサ１４、第１の記憶部１５及び制御部１７（図１参照）に代えて、タイマカウントを行うタイマ１９と、タイマ１９によるタイマカウントのカウント値ｃと定電流Ｉ_１の電流値ａとの関係を示すタイマテーブル（図７参照）を記憶する第１の記憶部１５ａと、タイマカウント及びタイマテーブルに基づいて定電流回路部１２を制御する制御部１７ａとを備えている。

タイマ１９は、例えばＩＣ化されたマルチバイブレータのようなもの又はマイコンにハードリソースとして実装されたものなどであり、初めて電源が投入されて光源１０が発光したときにタイマカウントを開始し、その後、光源１０の発光中にタイマカウントを継続する。タイマ１９のタイマカウントのカウント値ｃ（図７参照）は制御部１７ａに出力される。このタイマカウントは一定時間間隔で行われていることから、タイマ１９は、タイマカウントを行うことによって光源１０の通算発光時間を計時し、カウント値ｃを制御部１７ａに出力することによって光源１０の通算発光時間を制御部１７ａに出力していることになる。

第１の記憶部１５ａは、実施形態１のセンサ電圧Ｖの目標範囲Ｂ（図５（ｂ）参照）に代えて、図７に示すタイマテーブルを記憶している。このタイマテーブルは、光源１０（図６参照）の発光照度が一定範囲内となるように、タイマ１９によるタイマカウントのカウント値ｃごとに１対１に対応する定電流Ｉ_１（図４（ａ）参照）の電流値ａを示している。つまり、このタイマテーブルは、光源１０の発光照度が一定範囲内となるように、光源１０の通算発光時間ごとに光源１０に供給するパルス電流Ｉ_２（図４（ｂ）参照）の電流値を示すデータテーブルである。なお、第１の記憶部１５ａは上記以外の点において実施形態１の第１の記憶部１５（図１参照）と同様である。

図６に示す制御部１７ａは、電源が投入されると同時に第１の記憶部１５ａのタイマテーブル（図７参照）から定電流Ｉ_１の初期の電流値ａ_１を読み取り、読み取った電流値ａ_１を定電流回路部１２に出力して定電流Ｉ_１の電流値ａをａ_１に変更させる。その後、制御部１７ａは、タイマ１９によるタイマカウントのカウント値ｃに応じて定電流Ｉ_１の電流値ａをタイマテーブルから読み取り、読み取った電流値ａを定電流回路部１２に出力する。具体的には、カウント値ｃがｃ_１に達すると定電流Ｉ_１の電流値ａをａ_２とし、カウント値ｃがｃ_２に達すると定電流Ｉ_１の電流値ａをａ_３とし、カウント値ｃがｃ_３に達すると定電流Ｉ_１の電流値ａをａ_４に変更する。定電流Ｉ_１は信号発振部１３によって振幅値が電流値ａと同じパルス電流Ｉ_２（図４（ｂ）参照）となるから、制御部１７ａは、光源１０の通算発光時間及びデータテーブルに基づいて光源１０への供給電流（パルス電流Ｉ_２）の電流値を制御していることになる。上記の動作によって、制御部１７ａは、少なくとも非通信時における光源１０の発光照度が一定範囲内となるように光源１０を制御していることになる。なお、制御部１７ａは上記以外の点において実施形態１の制御部１７と同様である。

ここで、タイマカウントのカウント値ｃは制御部１７ａによって一定のタイミングで第１の記憶部１５ａに記憶され、一旦電源が遮断されて光源１０の発光が停止した後に電源が再投入された場合でも、電源遮断前のカウント値ｃからタイマカウントを再開することができる。

次に、実施形態２に係る可視光通信照明システムの動作について図６〜８を用いて説明する。まず、図６に示す可視光通信用照明器具１ａの電源投入時に、制御部１７ａが定電流Ｉ_１の初期の電流値ａ_１（図７参照）を定電流回路部１２に出力し、定電流回路部１２が電流値ａ_１の定電流Ｉ_１を出力することによって、光源１０が可視光を発光する（図８（ａ）参照）。また、電源投入時にタイマ１９がタイマカウントを開始する。制御部１７ａはタイマカウントのカウント値ｃを監視し、このカウント値ｃがタイマテーブルのカウント値ｃ_１〜ｃ_５のそれぞれに達すると（図８のｔ_２１，ｔ_２２，ｔ_２３，ｔ_２４，ｔ_２５）、定電流回路部１２を制御して定電流Ｉ_１の電流値ａをａ_２〜ａ_５に変更する。例えば、カウント値ｃがｃ_１以下までは初期の電流値ａ_１で給電しているが、時間ｔ_２１にカウント値ｃがｃ_１に達すると（図８（ｂ）参照）、タイマテーブル（図７参照）にしたがい、定電流Ｉ_１の電流値ａをａ_２に変更する（図８（ｃ）参照）。これにより、光源１０の発光光束が補正される（図８（ａ）参照）。

以上、実施形態２によれば、図６に示す制御部１７ａが定電流回路部１２を制御して定電流Ｉ_１の電流値ａを、タイマ１９によるタイマカウント及び第１の記憶部１５ａに記憶されているタイマテーブルに基づいて変更することで、光源１０の通算発光時間ごとに予め光源１０の光束減退を予測し、この予測に基づいて電流値が設定された電流を光源１０に供給することができる。これにより、光源１０の発光光束をほぼ一定に保つことができ、受信器２がそのままの状態で、可視光通信の通信距離及び通信範囲を初期状態に対して一定範囲内に長期的に保つことができる。

本発明の実施形態１に係る可視光通信照明システムの構成を示すブロック図である。 同上に係る可視光通信用照明器具の外観図である。 同上に係る光源の発光光束を示す図である。 同上に係る可視光通信用照明器具の構成を説明するものであって、（ａ）が定電流のタイムチャート、（ｂ）がパルス電流のタイムチャート、（ｃ）が光源の発光光束のタイムチャート、（ｄ）がセンサ電圧のタイムチャートである。 同上に係る可視光通信用照明器具の動作を説明するものであって、（ａ）が光源の発光光束のタイムチャート、（ｂ）がセンサ電圧のタイムチャート、（ｃ）が定電流のタイムチャートである。 本発明の実施形態２に係る可視光通信用照明器具の構成を示すブロック図である。 同上に係る第１の記憶に記憶されるタイマテーブルを示す図である。 同上に係る可視光通信用照明器具の動作を説明するものであって、（ａ）が光源の発光光束のタイムチャート、（ｂ）がタイマカウントのカウント値のタイムチャート、（ｃ）が定電流のタイムチャートである。

符号の説明

１，１ａ 可視光通信用照明器具
１０ 光源
１２ 定電流回路部
１３ 信号発振部
１４ 明るさセンサ
１５，１５ａ 第１の記憶部
１７，１７ａ 制御部
１９ タイマ
２ 受信器
Ｉ_１ 定電流
Ｉ_２ パルス電流
Ｖ センサ電圧

Claims (2)

1. 可視光を発光する光源と、
   送信情報に基づいて前記光源の点灯及び消灯を切り換えて当該送信情報を送信する送信手段と、
   前記光源の発光照度が予め設定された一定範囲内となるように前記光源を制御する点灯制御手段と、
   前記光源の通算発光時間を計時するタイマと、
   前記発光照度が前記一定範囲内となるように前記通算発光時間ごとに前記光源への供給電流の電流値を示すデータテーブルを記憶する記憶手段とを備え、
   前記点灯制御手段が、前記タイマで計時される前記通算発光時間及び前記記憶手段に記憶されている前記データテーブルに基づいて前記光源への供給電流の電流値を制御する
   ことを特徴とする可視光通信用照明器具。
2. 請求項１記載の可視光通信用照明器具と、
   前記可視光通信用照明器具からの可視光を受光して送信情報を受信する受信器と
   を備えることを特徴とする可視光通信照明システム。

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