JP4749653B2 - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

【０００１】
この出願は、米国特許第 6,127,783号明細書の一部継続出願であり、この米国特許明細書は参考のために記載したものである。
【０００２】
本発明は、赤色、緑色及び青色発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する照明装置に関するものであり、特に、個々の構成要素を調整して所望のカラーバランス（色度）を維持する制御系を有する白色光照明装置に関するものである。
【０００３】
米国特許第 5,301,090号明細書には、赤色、緑色及び青色の各色に対し複数のＬＥＤを有するＬＥＤのアレイを具えるＬＥＤ照明装置が開示されている。各色に対するこれらのＬＥＤは並列に配線され、これらに個別の電源が設けられており、アレイ全体に亙り拡散スクリーンが設けられている。アセンブリの色度はそれぞれの色に対する３つのノブにより手動調整され、自動調整に関しては述べられていない。
【０００４】
ＬＥＤは半導体に基づくものであり、所定の駆動電流に対しても、光出力は半導体チップ毎に相違し、各半導体チップの寿命に至るまでも変化する。光出力は温度に反比例して変化するも、各色に対し均一には変化しない。又、ある所定の色のＬＥＤのブロックでは、光出力は１つ以上のＬＥＤが故障した場合でも変化する。ＬＥＤのいかなるアレイのカラーバランスに悪影響を及ぼすおそれのあるあらゆる要因を考慮するに、特に白色照明装置においては、カラーバランスを自動的に監視して調整するのが望ましい。
【０００５】
例えば交通信号灯で、所定の色温度にするのにＬＥＤのアレイに対する電流を制御することは知られている。この方法は、複数の色のＬＥＤを有する照明装置では面倒な方法である。その理由は、温度（従って、光度）が種々の色に対し均一に変化しない為である。
【０００６】
従って、個々の色の光出力を変化させる要因にかかわらず、白色照明装置の色度を自動的に制御するのが望ましい。
【０００７】
更に、それぞれの色に対しホトダイオード及びフィルタを用いるような、スペクトル的に分解して光を測定するシステムに頼ることなく色度を自動的に制御するのが望ましい。
【０００８】
本発明によれば、白色ＬＥＤ照明装置の合成光出力（色度）を、アレイの全てのＬＥＤの光出力を測定するように配置した１つのホトダイオードによる測定に基づいて電子的に調整（制御）する。この調整は、各色のＬＥＤの光出力を時間パルスの列中で別々に測定することにより達成する。赤色、緑色及び青色ＬＥＤのアレイの場合、測定シーケンス中に３つの時間パルスがある。各時間パルス中では、測定しない色に対する電流はターンオフさせる。代表的なホトダイオードの応答時間は極めて短かい為、測定シーケンスは、観測者がこの測定シーケンスを認識しえない程度に短かい時間（例えば、１０ミリ秒）で行うことができる。
【０００９】
色に対して測定した光出力は、ユーザ制御により設定しうる所望の出力と比較され、必要に応じ色のブロックに対する電源を変化させる。従って、色度は、これを変化させるおそれのある要因にかかわらず自動的に調整される。ユーザ入力は、所望の色度を暖かい白（赤出力を多くする）か或いは冷たい白（青出力を多くする）に変えるのを可能にする。
【００１０】
昇温段階中での温度に依存する変化を最良に補償するために、電子制御回路が昇温段階中に、より頻繁に測定シーケンスを取るようにすることができる。安定な点灯温度に達した後には、ＬＥＤの長時間に亙る変化を補償するのに、測定をそれほど頻繁に行わないですむ。
【００１１】
各色のＬＥＤが並列に配線されている場合、あるＬＥＤの故障はその後の測定シーケンス中にその他のＬＥＤへの電流を変えることにより自動的に補償することができる。
【００１２】
本発明による他の例によれば、少なくとも第１のブースト部分及び“ターンオフ”部分を有する測定駆動パルスを含む電流供給源によりＬＥＤのアレイを駆動する。各色のＬＥＤは、常規点灯中公称連続値を有するとともに第１のブースト部分中に増大し且つ“ターンオフ”部分中に中断される光出力を有する。ＬＥＤのアレイは、電流が電流供給源により供給されると、合成光出力を生じる。アレイの全てのＬＥＤの光出力を測定するように１つのホトダイオードを配置する。ＬＥＤへの電流は選択的にターンオフさせ、ホトダイオードが測定駆動パルスに応答して各色の光出力を別々に測定するようにする。
【００１３】
本発明の上述した及びその他の利点は以下の実施例に関する説明から明らかとなるであろう。
図１を参照するに、本発明によるＬＥＤ照明装置は、複数の色の各々に複数のＬＥＤを含むＬＥＤ１０、１２、１４の二次元アレイを有する。本例では、このアレイは、ハウジング１８内の配線基板１６上に装着された赤色ＬＥＤ１０と、緑色ＬＥＤ１２と、青色ＬＥＤ１４とを有している。これらＬＥＤは、光出力全体が白色となるように配置されており、これらＬＥＤの光の混合力を高めるためにハウジング１８上にディフューザ２２が装着されている。この混合力を更に高めるには、琥珀色のような追加の色のＬＥＤを用いることができる。混合用の光学系には、ディフューザ以外の手段を含めることができる。
【００１４】
アレイ中のすべてのＬＥＤの光度を検出するのに、１つのホトダイオード２４が配置されている。
【００１５】
図１では、ハウジング１８の長手方向に沿って延在する光ファイバ２８が光をホトダイオード２４に送り、このホトダイオードが対応する電流信号を発生し、この電流信号を、帰還ライン２６を経て制御器３０に供給する。図１には、光ファイバの配列の代りに、小さなアレイの各アレイに対するホトダイオードを示してある。
【００１６】
図２をも参照するに、制御器３０はホトダイオード２４からの帰還信号をカラーポイント測定値に変換し、これらをユーザ入力装置４０から与えられる所望のカラーポイント設定値と比較する。この比較に基づいて、制御器３０は所望のカラーバランスが存在するか否かを決定し、従って、それぞれのダイオード１０、１２、１４に対する電流調整器１１、１３、１５に信号を供給する。この場合、ＡＣ電力変換器５０からの電力入力が電流出力に変換され、これら電流出力が赤色、緑色及び青色のそれぞれに対する光度を制御し、所望のカラーバランスを得る。アレイの各色に対するダイオードは基板１６上の配線により共通電位に保たれている。所望の設定の制御を行うユーザ入力装置は、それぞれの色に対する入力部４１、４２、４３と得られる白色光の全光度を制御する調光部４４とを含んでいる。
【００１７】
図３は、照明装置に対する制御論理図を示す。ステップ３１でランプ（照明装置）をターンオンさせる場合、電力がＬＥＤに与えられ、ステップ３２で測定シーケンスが開始される。これによるカラーポイント測定値が、ユーザ調整ステップ３５に応じてステップ３４で記憶された所望のカラーポイント設定値とステップ３３で比較される。この比較に基づいて、色調整が必要であるか否かがステップ３６で決定され、必要である場合には、ステップ３７で調整（ＲＧＢの光レベルの調整）が行われ、測定シーケンスがステップ３２で繰返される。色調整は不必要であることがステップ３６で決定されると、制御器は測定シーケンスをステップ３２で繰返すまでに、予め決定した測定間間隔の間待つ（ステップ３８）。
【００１８】
図４は、照明装置がターンオンされている間実行されている制御論理を示すタイミング線図である。図４における４つのタイミング線図のうちの一番上のタイミング線図は、測定間間隔（破線の両矢印で示す）だけ分離された３パルス列（実線の両矢印で示す測定シーケンス）より成る測定信号である。第１のパルス中は、緑色及び青色のＬＥＤをターンオフさせて、ホトダイオードが赤色のＬＥＤの光度を測定しうるようにし（上から二番目のタイミング線図の赤色チャネル）、第２のパルス中は、赤色及び青色のＬＥＤをターンオフさせて、ホトダイオードが緑色のＬＥＤの光度を測定しうるようにし（上から三番目のタイミング線図の緑色チャネル）、第３のパルス中は、赤色及び緑色のＬＥＤをターンオフさせて、ホトダイオードが青色のＬＥＤの光度を測定しうるようにする（上から四番目のタイミング線図の青色チャネル）。次に、制御器が測定された光度と所望の光度とを比較し、必要に応じＬＥＤの１つ以上の群への電流を調整する。
【００１９】
代表的なホトダイオードの応答時間は極めて短かく、各パルスは観測者が認識しえない程度に短かく、例えば、１．０ミリ秒としうる。従って、測定シーケンスを照明装置の常規の点灯中に行うことができる。測定間間隔の長さは、光出力が変化するのに迅速に依存する。この長さは例えば、ＬＥＤの温度がいかに迅速に変化しているかに依存する。測定間間隔は例えば、１分毎又はそれよりも短かい時間間隔から数時間毎までの範囲とすることができ、制御論理は、始動直後は頻繁に測定を行い、引続き安定な点灯状態に達すると測定をあまり行わないようにプログラミングすることができる。
【００２０】
照明装置には、各色当り２列以上のＬＥＤを設け、これらの列の出力を個々に測定することもできる。例えば、３色の各色当り２列のＬＥＤが設けられている場合、１つの測定シーケンスには６つのパルスがある。いずれの場合にも、対応する光出力のみに基づいて個々の色を調整するのではなく、１つの測定シーケンスにおける全ての測定に基づいてカラーバランスを調整するのが好ましい。
【００２１】
上述した説明は例示的なものであり、本発明の技術範囲を制限するものではない。図４につき上述したチャネルの各々における駆動パルスはかなり短かく、例えば、１〜２ミリ秒程度であるが、多くの観測者が依然として、放出された光中のフリッカに気づくおそれがある。その理由は、人間の目は、目が受ける光を約１５ミリ秒の期間に亙って積分することにより光に応答する為である。従って、感度の良い目は、４００μ秒のような短かい期間の光の中断に気づく。従って、測定シーケンスにおける各“ターンオフ”期間を４００μ秒以下に短かくするのが望ましい。しかし、この期間は、ＬＥＤの光度を測定する通常の電子回路にとってはあまりにも短かすぎるおそれがある。
【００２２】
本発明の他の実施例によれば、生じるおそれのあるフリッカに対応するために、各測定シーケンス中の各チャネルの駆動パルスを変化させる。図５は、本発明の一実施例による測定シーケンス中の測定駆動パルスの一例を示す。この測定駆動パルスは、第１ブースト部分と、これに続く“ターンオフ”すなわち中断期間と、これに続く第２ブースト部分とを有する。特に、各測定駆動パルスの選択に影響を及ぼす３つの制約がある。第１の制約は、ＬＥＤに及ぼす長時間にわたるいかなる損傷も回避するために各パルスのブースト部分をできるだけ低くするのが好ましいということである。第２の制約は、廉価な素子による正確な測定を容易にするために、“ターンオフ”すなわち中断期間をできるだけ長くするということである。第３の制約は、目に見えるアーティファクトを回避するために、第１ブースト部分、“ターンオフ”期間及び第２ブースト部分の全シーケンスを約１５ミリ秒とするのが好ましいということである。
【００２３】
本発明の一実施例によれば、ＬＥＤの光レベルを安定に生ぜしめる測定駆動パルスは、公称光出力の１２０％の５ミリ秒のブースト部分と、これに続く２ミリ秒の完全な電流中断と、これに続く、公称光出力の１２０％の他の５ミリ秒のブースト部分とを有する。
【００２４】
本発明の他の実施例によれば、駆動パルス列を対称的として、このパルス列における２つのブースト部分が同じ振幅及び同じ持続時間を有するようにする。しかし、この点で本発明の範囲を制限するものではない。例えば、本発明の更に他の実施例によれば、測定駆動パルスが、第１ブースト部分と、これに続く“ターンオフ”期間との２つの構成部分を有するようにする。更に、本発明の原理によれば、少なくとも１つのブースト部分と１つの“ターンオフ”部分とを有する測定駆動パルスの他の形状を採用することができる。パルスは、人間の目の積分時間、すなわち、約１５ミリ秒内で、駆動されたＬＥＤの平均光レベルが通常の点灯中の公称連続値と同じとなるように選択するのが好ましい。
【００２５】
本発明の一実施例によれば、光出力を駆動電流にほぼ比例させて、駆動電流がある特定の割合だけ増大すると、これに比例して光出力レベルが増大するようにする。この場合、例えば図５に示すように、光出力レベルを１２０％の値まで増大させたい場合には、電流（ＣＵＲＲＥＮＴ）も所定の割合、例えば１２０％の値まで増大させる。従って、全ての駆動レベルに対する割合の特定の電流ブーストを含む測定駆動パルス列を採用することができる。
【００２６】
しかし、ＬＥＤは必ずしも、光出力レベル変化と駆動電流変化との間の比例関係をあらゆる点灯電流で呈する必要はない。従って、本発明の他の実施例では、測定シーケンス中に光出力レベルを一定に維持する精度を良好にするために、光対電流の関係を照明装置に対し校正し、ブースト電流値は、光レベルがあらゆる点灯レベルにおいて公称直流レベルに平均化されるように選択する。校正された電流対光出力の関係を記憶させるために、ある点灯状態の範囲で光出力レベルのいかなる所望の変化に必要とする電流変化量を与えるデータベースをインテリジェント制御器３０が有するようにする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 光ファイバの光ピックアップを有する本発明による照明装置の断面図である。
【図２】 照明装置の回路構成を示すブロック線図である。
【図３】 制御器に対する論理シーケンスを示す系統図である。
【図４】 帰還光学系に対するタイミング線図である。
【図５】 測定シーケンス中の測定駆動パルスを示す。

Claims (14)

1. 複数の色の各々に対し少なくとも１つのＬＥＤを有するＬＥＤのアレイと、
   各色のＬＥＤに電流を供給する手段であって、この電流は、少なくとも第１のブースト部分及び“ターンオフ”部分を持つ測定駆動パルスを有する測定期間を具え、各色の前記ＬＥＤの光出力は、常規点灯中に公称連続値を有するとともに前記第１のブースト部分中に増大し且つ前記“ターンオフ”部分中に中断し、アレイ中の全てのＬＥＤに電流が供給された場合にこのアレイが合成光出力を生じるようにする当該手段と、
   アレイの全てのＬＥＤの光出力を測定するように配置したホトダイオードと、
   前記ＬＥＤに対する電流を選択的にターンオフさせて、前記ホトダイオードが前記測定駆動パルスに応答して各色に対する光出力を別々に測定するようにする手段と
   を具える照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置において、前記測定期間中の平均光出力を前記常規点灯中の公称連続値の光出力にほぼ等しくして、可視フリッカを回避するようにした照明装置。
3. 請求項２に記載の照明装置において、前記測定駆動パルスが更に前記“ターンオフ”部分に続く第２のブースト部分を有する照明装置。
4. 請求項３に記載の照明装置において、前記第１及び第２のブースト部分が同じ持続時間及び同じ振幅を有する照明装置。
5. 請求項４に記載の照明装置において、前記第１及び第２のブースト部分が前記公称連続値の１２０％である照明装置。
6. 請求項５に記載の照明装置において、前記第１及び第２のブースト部分の持続時間が約５ミリ秒であり、前記“ターンオフ”部分の持続時間が約２ミリ秒である照明装置。
7. 請求項２に記載の照明装置において、この照明装置が更に、ＬＥＤの光出力の変化に対するＬＥＤの駆動電流の変化と関連する校正値を記憶する手段を有する照明装置。
8. 照明装置の複数の色の各々に対し少なくとも１つのＬＥＤを有するＬＥＤのアレイを駆動する方法において、
   各色の前記ＬＥＤに電流を供給し、前記ＬＥＤが常規点灯中に公称連続値を有する光出力を生じるようにする工程と、
   測定期間中に前記電流を高めて少なくとも第１のブースト部分を有する測定駆動パルスを規定する工程と、
   前記測定期間中に前記電流を“ターンオフ”させて“ターンオフ”部分を規定し、前記光出力が前記第１のブースト部分中に増大するとともに前記“ターンオフ”部分中に中断され、電流がアレイの全てのＬＥＤに供給された場合にアレイが合成光出力を生じるようにする工程と、
   アレイの全てのＬＥＤの光出力を測定する工程と、
   前記ＬＥＤへの電流を選択的にターンオフさせて、前記測定駆動パルスに応答して各色に対する光出力を別々に測定するようにする工程と
   を有するアレイ駆動方法。
9. 請求項８に記載のアレイ駆動方法において、このアレイ駆動方法が更に、測定期間中の平均光出力を前記常規点灯中の公称連続値の光出力にほぼ等しくして可視フリッカを回避するようにする工程を有するアレイ駆動方法。
10. 請求項９に記載のアレイ駆動方法において、このアレイ駆動方法が更に、前記電流を高めて前記“ターンオフ”部分に続く第２のブースト部分を規定する工程を有するアレイ駆動方法。
11. 請求項１０に記載のアレイ駆動方法において、このアレイ駆動方法が更に、前記第１及び第２のブースト部分が同じ持続時間及び同じ振幅を有するようにする工程を有するアレイ駆動方法。
12. 請求項１１に記載のアレイ駆動方法において、このアレイ駆動方法が更に、前記電流を前記公称連続値の１２０％まで高める工程を有するアレイ駆動方法。
13. 請求項１２に記載のアレイ駆動方法において、このアレイ駆動方法が更に、前記第１及び第２のブースト部分の持続時間を約５ミリ秒にし、前記“ターンオフ”部分の持続時間を約２ミリ秒にする工程を有するアレイ駆動方法。
14. 請求項９に記載のアレイ駆動方法において、このアレイ駆動方法が更に、ＬＥＤの光出力の変化に対するＬＥＤの駆動電流の変化と関連する校正値を記憶する工程を有するアレイ駆動方法。

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