JP4811126B2 - 照明システム - Google Patents

Description

本発明は、照明システムに関し、特に電源から供給される電力がＰＷＭ信号によってオンオフされて調光制御される照明システムに関する。

従来から、光源と、光源を点灯させる電源と、電源の出力をオンオフ制御するためのＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を生成する信号生成手段と、を備え、信号生成手段が生成するＰＷＭ信号のパルスのオン時間に応じて光源の明るさが調光調整されるシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、ディスプレイの階調制御をＰＷＭ信号によって行う階調駆動装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

一方、一般的なＰＷＭ信号による制御において、ＰＷＭ信号の見かけ上の分解能を高めるために、所定の長さの制御周期内に生成されるパルスの幅の組合せを変える方法が知られている（例えば、特許文献３及び特許文献４参照）。
特表２００２−５１９９８９号公報 特開２０００−５６７２７号公報 特開平５−２６５５０５号公報 特開２０００−１２７４９５号公報

ＰＷＭ信号によって電源の出力をオンオフして光源の明るさを制御する照明システムは、上述の通り知られており、特に光源として発光ダイオードを使用する場合には、ＰＷＭ信号のパルスのオン時間が周期に占める割合（以下、オンデューティという）がそのまま発光ダイオードの光出力パーセントとなるため、出力の下限から上限までの滑らかな調光制御が可能であるという利点を有する。

ところが、ＰＷＭ信号のパルスのオン時間は、ＰＷＭ信号を生成するためのマイクロプロセッサのクロックの分解能よりも細かい時間幅を規定できないため、ＰＷＭ信号によって制御される照明システムは、実際にはクロックの分解能を最小単位とする離散的な調光制御しか実現できないという問題がある。

ここで、ＰＷＭ信号における分解能について、図１０を参照して説明する。いま、１周期Ｔが１ｍｓ（１０００μｓ）のＰＷＭ信号が生成されている場合に、パルスのオン時間ｔが変化されることによってオンデューティが次のように変化される。例えば、パルスのオン時間ｔが５００μｓである場合には、オンデューティは５０％であり、パルスのオン時間ｔが２５３μｓである場合には、オンデューティは２５．３％である。

ところが、ＰＷＭ信号を生成するためのマイクロプロセッサが例えば１ＭＨｚのクロックを有する場合には、クロックの周期は１μｓになるのでパルスのオン時間は、１μｓごとの離散的な値でしか生成されず、オンデューティの変化範囲は１０００段階の段階的なものになり、連続的な変化は得られない。

なお、特許文献１に記載のシステムでは、マイクロプロセッサのクロックの分解能よりも細かいパルスのオン時間を実現するために、クロックの分解能よりも細かい時間幅の微小幅パルスを発生するパルス発生回路を備え、このパルス発生回路から発生される微小幅パルスがＰＷＭ信号に重畳されるように構成しているが、微小幅パルスの発生タイミングの制御とＰＷＭ信号への重畳タイミングの制御が困難であるという問題がある。

また、特許文献２に記載の装置では、制御命令に応じて電源の電圧を制御する電圧制御部を備え、電圧制御部によって電源の出力を変化させることでＰＷＭ信号の分解能を細かくすることなく光源の出力を細かく調整できるように構成されているが、回路構成が複雑になり製造コストが増大するという問題がある。

さらに、特許文献３及び特許文献４に記載の制御方法は、具体的な照明システムにおいて、光源の明るさが連続的に調整されるようにするためにどのように構成するかについては開示していない。

そこで、本発明は、電源から供給される電力がＰＷＭ信号によってオンオフ制御されて調光制御される照明システムにおいて、回路構成が複雑になることなく、出力の下限から上限まで連続的な調光制御が可能である照明システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、光源と、前記光源を点灯させる電源と、前記電源の出力をオンオフ制御して前記光源の明るさを制御するためのＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を生成する信号生成手段と、前記信号生成手段に対して前記信号生成手段が生成する前記ＰＷＭ信号のパルス幅を変更させる制御命令を出力する入力手段と、を備え、ユーザが前記入力手段を操作することによって前記光源の明るさが調整される照明システムにおいて、前記信号生成手段は、前記制御命令に応じたＰＷＭ信号のパルスオン時間が、該信号生成手段の分解能よりも細かくなる場合に、組合せＰＷＭ信号を生成し、前記組合せＰＷＭ信号は、パルスのオン時間の異なる発生比率が大きい第１の組合せパルスと発生比率が小さい第２の組合せパルスから構成されて、平均のパルスのオン時間が前記制御命令に応じたＰＷＭ信号のパルスのオン時間になるものであり、前記組合せＰＷＭ信号を構成する前記第２の組合せパルスは、そのパルスのオン時間を分割することによって複数の子パルスに分解されたうえで、前記第１の組合せパルスのパルス群の間に均等に分散して配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、ＰＷＭ信号の信号生成手段が、制御命令に応じたＰＷＭ信号のパルスオン時間が信号生成手段の分解能よりも細かくなる場合に、平均のパルスのオン時間が制御命令に応じたＰＷＭ信号のパルスのオン時間になる組合せＰＷＭ信号を生成するので、回路構成が複雑になることなく、出力の下限から上限まで連続的な調光制御が可能になる。

以下、本発明の一実施形態に係る照明システムについて、図１乃至図９を参照して説明する。本実施形態の照明システム１は、図１に示されるように、ＬＥＤから構成される光源２と、光源２を点灯させる電源３と、電源３の出力をオンオフ制御して光源２の明るさを制御するためのＰＷＭ信号を生成する制御装置（信号生成手段）４と、制御装置４に対してＰＷＭ信号のパルス幅を変更させる制御命令５を出力する入力装置（入力手段）６を備えている。

さらに、図２を参照して詳細に説明する。電源３は、交流１００Ｖの商用電源７を取込んで直流２４Ｖに変換する変換器８と抵抗９を備える。電源３からの出力が光源（ＬＥＤ）２とＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１１とグランド１２に直列に接続され、ＦＥＴ１１のゲートにＰＷＭ信号Ｓが入力されることによってＦＥＴ１１がオンオフ制御され、光源（ＬＥＤ）２が所定の明るさで点灯される。

制御装置４は、１ＭＨｚのクロックを有するマイクロプロセッサ１３と、後述する演算式等のマイクロプロセッサ１３の一連の動作プログラムが格納されたＲＯＭ１４を備える。入力装置６は、入切スイッチ１５と、明るさを連続的に変化させるためのロータリスイッチ等から構成されるボリューム１６と、シリアル通信のポート１７を備える。ユーザは、入切スイッチ１５の入切を切替えることによって光源２を点灯又は消灯することができ、ボリューム１６を調節することによって光源２の明るさを変化させることができる。

例えば、いま、ユーザがボリューム１６を中間に調節したときにマイクロプロセッサ１３は、ＲＯＭ１４に格納されたテーブルの中からオンデューティが５０％になるＰＷＭ信号を生成する動作プログラムを読出して実行する。このときにマイクロプロセッサ１３が生成するＰＷＭ信号が図３に示される。生成されるＰＷＭ信号Ｓは、周期が１ｍｓ（１０００μｓ）であり、パルスのオン時間が５００μｓである。

上記ＰＷＭ信号ＳがＦＥＴ１１のゲートに入力されることによって電源３からの出力がオンオフ制御され、ＬＥＤ２は、５００μｓの点灯と５００μｓの消灯を繰返す。人間の目にはＬＥＤ２は、半分の明るさで常時点灯しているように見える。

次に、ユーザがボリューム１６を調節し、パルスのオン時間として１００．２５μｓが設定された場合にマイクロプロセッサ１３がＰＷＭ信号Ｓを生成する手順について、図４及び図５を参照して説明する。

本実施形態のマイクロプロセッサ１３のクロックは１ＭＨｚであるので、マイクロプロセッサ１３の分解能は１μｓである。この場合、マイクロプロセッサ１３は、オン時間が異なるパルスを組合わせて組合せＰＷＭ信号Ｓを生成する。

マイクロプロセッサ１３は、まず与えられた１００．２５μｓを１μｓ（分解能）で除算し（１００．２５÷１＝１００．２５）、得られた商「１００．２５」のうち整数部分の「１００」を１つ目の組合せパルス（以下、第１の組合せパルスという）Ｐ１のオン時間とする。そして、さらに１分解能分だけ増加させた「１０１」を、２つ目の組合せパルス（以下、第２の組合せパルスという）Ｐ２のオン時間とする。

次に、マイクロプロセッサ１３は、商「１００．２５」のうち小数点以下の桁数「２」に基づいて、１０進数の「１０」を２乗して（１０×１０＝１００）、「１００」を得る。この値が、組合せＰＷＭ信号Ｓを構成する組合せパルスＰ１、Ｐ２の全個数となる。

また、マイクロプロセッサ１３は、商「１００．２５」のうち小数点以下の数「０．２５」に組合せパルスＰ１、Ｐ２の全個数「１００」を乗算し（０．２５×１００＝２５）、「２５」を得る。この値が第２の組合せパルスＰ２の個数となり、組合せパルスの全個数「１００」から「２５」を減算した値（１００−２５＝７５）「７５」が第１の組合せパルスＰ１の個数となる。

マイクロプロセッサ１３は、図４に示されるように、パルスオン時間が「１００μｓ」の第１の組合せパルスＰ１を７５個生成し、続いてパルスオン時間が「１０１μｓ」の第２の組合せパルスＰ２を２５個生成する。これによって、１００個の組合せパルスＰ１、Ｐ２から構成され、平均のパルスオン時間が１００．２５μｓの組合せＰＷＭ信号Ｓが生成される。

このＰＷＭ信号Ｓによって電源３の出力が制御されたＬＥＤ２は、正確にボリューム１６によって調節された明るさで点灯される。図４において１周期は１０００μｓであり、ＰＷＭ信号Ｓは、時間軸方向が図面中に収まるようにパルスオフ時間が短縮されて示されている。

なお、上記の場合のように、第１の組合せパルスＰ１の個数「７５」と第２の組合せパルスＰ２の個数「２５」が約分できる関係であるときに、個数の値同士を約分して同一のパルスオン時間の組合せパルスＰ１、Ｐ２が連続して生成される区間を短くする。

具体的には、マイクロプロセッサ１３は、第１の組合せパルスＰ１の個数「７５」と第２の組合せパルスＰ２の個数「２５」を約分して（７５／２５＝３／１）、得られた値「３」を第１の組合せパルスＰ１の個数とし、「１」を第２の組合せパルスＰ２の個数とする。このとき組合せＰＷＭ信号Ｓを構成する組合せパルスＰ１、Ｐ２の全個数は「４」になる。

この場合、マイクロプロセッサ１３は、図５に示されるように、パルスオン時間が「１００μｓ」の第１の組合せパルスＰ１を３個生成し、続いてパルスオン時間が「１０１μｓ」の第２の組合せパルスＰ２を１個生成する。換言すると、マイクロプロセッサ１３は、第１の組合せパルスＰ１と第２の組合せパルスＰ２を、発生比率（３対１）に応じて順次交互に生成する。

図５に示されるＰＷＭ信号Ｓは、図４に示されるＰＷＭ信号Ｓに比べて、パルスオン時間が僅かに長い第２の組合せパルスＰ２が、第１の組合せパルスＰ１群の間に分散して生成されるので、人間の目にはより明るさの変動が少ない点灯状態に見える。

次に、第１の組合せパルスＰ１の個数と第２の組合せパルスＰ２の個数が約分できる（整数で割切れる）関係ではない場合の例について、図６及び図７を参照して説明する。

いま、ボリューム１６の調節によってパルスのオン時間として２００．２１μｓが設定された場合、マイクロプロセッサ１３は、上述の場合と同様の演算により、第１の組合せパルスＰ１のオン時間として「２００」を得、第２の組合せパルスＰ２のオン時間として「２０１」を得る。

次に、マイクロプロセッサ１３は、上述の場合と同様の演算により、組合せＰＷＭ信号Ｓを構成する組合せパルスＰ１、Ｐ２の全個数として「１００」を得、第２の組合せパルスＰ２の個数として「２１」を得、第１の組合せパルスＰ１の個数として「７９」を得る。

上記のようにして得られた個数に従って、パルスオン時間が「２００μｓ」の第１の組合せパルスＰ１が７９個連続して生成され、続いてパルスオン時間が「２０１μｓ」の第２の組合せパルスＰ２が２１個連続して生成されるＰＷＭ信号Ｓが図６に示される。

前述の例と同様に、同一のパルスオン時間の組合せパルスＰ１、Ｐ２が連続して生成される区間が短い方が人間の目にはより変動が少なく見えるので、第１の組合せパルスＰ１の個数と第２の組合せパルスＰ２の個数が整数で割切れない場合には、次のようにして、第２の組合せパルスＰ２を第１の組合せパルスＰ１群中に分散する。

すなわち、マイクロプロセッサ１３は、第１の組合せパルスＰ１の個数「７９」を第２の組合せパルスＰ２の個数「２１」で除算し（７９÷２１≒３．７６）、第１の組合せパルスＰ１と第２の組合せパルスＰ２の発生比率（３．７６：１）を得る。

ここで、以下の説明を簡明にするために発生比率を３．８：１であるとする。この発生比率を実現するために、マイクロプロセッサ１３は、第１の組合せパルスＰ１が４個連続し、第２の組合せパルスＰ２が１個生じるパターンのＰＷＭ信号区間Ｓａ（図７参照）と、第１の組合せパルスＰ１が３個連続し、第２の組合せパルスＰ２が１個生じるパターンのＰＷＭ信号区間Ｓｂ（図７参照）を生成する。

そして、マイクロプロセッサ１３は、前者のパターンのＰＷＭ信号区間Ｓａを４回繰返して生成した後、後者のパターンのＰＷＭ信号区間Ｓｂを１回生成する。これによって、平均のパルスオン時間が２００．２１μｓの組合せＰＷＭ信号Ｓが実現される。しかも第２の組合せパルスＰ２が第１の組合せパルスＰ１群の間により分散して生成されるので、人間の目にはより明るさの変動が少なく、ちらつきの少ない点灯状態に見える。

次に、第２の組合せパルスＰ２の発生比率が第１の組合せパルスＰ１よりも極端に小さい場合について、図８（ａ）、図８（ｂ）及び図９を参照して説明する。

いま、ボリューム１６の調節によってパルスのオン時間として３００．００１μｓが設定された場合、マイクロプロセッサ１３は、上述の場合と同様の演算により、第１の組合せパルスＰ１のオン時間として「３００」を得、第２の組合せパルスＰ２のオン時間として「３０１」を得る。

次に、マイクロプロセッサ１３は、上述の場合と同様の演算により、組合せＰＷＭ信号Ｓを構成する組合せパルスＰ１、Ｐ２の全個数として「１０００」を得、第２の組合せパルスＰ２の個数として「１」を得、第１の組合せパルスＰ１の個数として「９９９」を得る。

上記のようにして得られた個数に従って、パルスオン時間が「３００μｓ」の第１の組合せパルスＰ１が９９９個連続して生成され、続いてパルスオン時間が「３０１μｓ」の第２の組合せパルスＰ２が１個生成されるＰＷＭ信号Ｓが図８（ａ）に示される。

このように第２の組合せパルスＰ２の発生比率が極端に小さい場合には、人間の知覚によって識別され、ちらつきとして認識される可能性が高くなる。そこで、第２の組合せパルス（発生比率が小さい方の組合せパルス）Ｐ２のオン時間を分割することによって、第２の組合せパルスＰ２を第１の組合せパルスＰ１群の間に分散する。

具体的には、マイクロプロセッサ１３は、第２の組合せパルスＰ２が生成される１０００回に１回の発生比率の周期（１０００μｓ）Ｓｃを、１００μｓの周期１０回に分割する。さらに詳細に説明すると、マイクロプロセッサ１３は、１０００μｓの周期中に３０１μｓのオン時間を有する第２の組合せパルスＰ２（図８（ａ）において右端のパルス）を、図８（ｂ）に示されるように１００μｓの周期中に３０μｓのオン時間を有するパルスＰ２ａ（以下、第１の子パルスという）９個と、１００μｓの周期中に３１μｓのオン時間を有するパルスＰ２ｂ（以下、第２の子パルスという）１個に分割する。

そして、マイクロプロセッサ１３は、分割して生成した第１の子パルスＰ２ａと第２の子パルスＰ２ｂを、１０００μｓの周期中に３００μｓのオン時間を有する９９９個の第１のパルスＰ１群の間に均等に分散する。

具体的には、マイクロプロセッサ１３は、図９に示されるように、第１の組合せパルスＰ１を１００回生成した後、第１の子パルスＰ２ａを１回生成するパターンを９回繰返し、続いて第１の組合せパルスＰ１を９９回生成した後、第２の子パルスＰ２ｂを１回生成する。

これによって、平均のパルスオン時間が３００．００１μｓのＰＷＭ信号Ｓが実現され、しかも発生比率が極端に小さい組合せパルスＰ２が発生比率の大きい組合せ比率のパルスＰ１群の間に分散されるので、人間の目には明るさの変動が少なく、ちらつきの発生も少ない点灯状態に見える。

なお、上記の例の場合に、１０００μｓの周期中に３００μｓのオン時間を有する発生比率の大きい第１の組合せパルスＰ１も、１００μｓの周期中に３０μｓのオン時間を有する１０個の子パルスに分割されるように構成しても良い。

以上のように、本実施形態の照明システムでは、ユーザがボリューム１６を調節することによってパルスのオン時間が設定され、マイクロプロセッサ１３は、設定されたパルスオン時間が制御装置４の分解能よりも細かくなる場合には、パルスのオン時間が異なる複数のパルスＰ１、Ｐ２、Ｐ２ａ、Ｐ２ｂを組合せて平均のパルスオン時間が設定されたパルスオン時間になるＰＷＭ信号Ｓを生成するので、回路構成が複雑になることなく、出力の下限から上限まで連続的な調光制御が可能になる。

本発明の一実施形態に係る照明システムの概略構成を示すブロック図。 同照明システムの電気的構成を示すブロック図。 同照明システムにおいてオンデューティが５０％になるＰＷＭ信号を示す図。 同照明システムにおいて平均のパルスオン時間が１００．２５μｓになるＰＷＭ信号を示す図。 同照明システムにおいて組合せパルスが発生比率に応じて順次交互に生成されて平均のパルスオン時間が１００．２５μｓになるＰＷＭ信号を示す図。 同照明システムにおいて平均のパルスオン時間が２００．２１μｓになるＰＷＭ信号を示す図。 同照明システムにおいて発生比率の小さい組合せパルスが発生比率の大きい組合せパルス群の間に分散されて平均のパルスオン時間が２００．２１μｓになるＰＷＭ信号を示す図。 （ａ）は、同照明システムにおいて平均のパルスオン時間が３００．００１μｓになるＰＷＭ信号を示す図、（ｂ）は、発生比率の小さい組合せパルスが分割された状態を示す図。 同照明システムにおいて発生比率の小さい組合せパルスが発生比率の大きい組合せパルス群の間に分散されて平均のパルスオン時間が３００．００１μｓになるＰＷＭ信号を示す図。 従来装置におけるＰＷＭ信号を示す図。

符号の説明

１ 照明システム
２ ＬＥＤ（光源）
３ 電源
４ 制御装置（信号生成手段）
５ 制御命令
６ 入力装置（入力手段）
Ｓ 組合せＰＷＭ信号
Ｐ１ 第１の組合せパルス
Ｐ２ 第２の組合せパルス
Ｐ２ａ 第１の子パルス
Ｐ２ｂ 第２の子パルス

Claims (1)

1. 光源と、
   前記光源を点灯させる電源と、
   前記電源の出力をオンオフ制御して前記光源の明るさを制御するためのＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を生成する信号生成手段と、
   前記信号生成手段に対して前記信号生成手段が生成する前記ＰＷＭ信号のパルス幅を変更させる制御命令を出力する入力手段と、を備え、ユーザが前記入力手段を操作することによって前記光源の明るさが調整される照明システムにおいて、
   前記信号生成手段は、前記制御命令に応じたＰＷＭ信号のパルスオン時間が、該信号生成手段の分解能よりも細かくなる場合に、組合せＰＷＭ信号を生成し、
   前記組合せＰＷＭ信号は、パルスのオン時間の異なる発生比率が大きい第１の組合せパルスと発生比率が小さい第２の組合せパルスから構成されて、平均のパルスのオン時間が前記制御命令に応じたＰＷＭ信号のパルスのオン時間になるものであり、
   前記組合せＰＷＭ信号を構成する前記第２の組合せパルスは、そのパルスのオン時間を分割することによって複数の子パルスに分解されたうえで、前記第１の組合せパルスのパルス群の間に均等に分散して配置されていることを特徴とする照明システム。

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