JP5016322B2 - Ｌｅｄ制御システム - Google Patents

Description

本発明は、複数のＬＥＤの光出力をセンサにより測定し、その測定結果に応じてＬＥＤを点灯制御するＬＥＤ制御システムに関する。

従来から、建物の壁面を演出する照明装置や小型液晶ディスプレイのバックライトには、光源として発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）が用いられている。これらの照明装置やバックライトは、一般に赤・緑・青の３色をそれぞれ発光する複数のＬＥＤを備え、これらのＬＥＤの光出力を適宜に制御することにより、任意の色度の合成光を出射する。例えば、白色の合成光を得るためには、上記各ＬＥＤは等しい光出力に制御される必要がある。しかし、ＬＥＤは温度特性の違い等により、各々の光出力にばらつきが生じ、所望の色度を得られないことがある。

そこで、例えば、特許文献１に示されるように、赤・緑・青の各ＬＥＤを個別の電源で点灯させ、これら各ＬＥＤの光出力をフォトダイオードで検出し、その検出結果に基づいて各ＬＥＤに対する電流値を調整し、各ＬＥＤの光を混色させることにより、所望の色度の合成光を出射できるようにした照明装置が知られている。

また、特許文献２に示されるように、赤・緑・青の全ＬＥＤを点灯させたときの光出力を測定し、その後、測定対象のＬＥＤを消灯させたときの光出力を測定し、前者から後者を差し引くことにより、測定対象のＬＥＤの光出力を算出し、また、点灯するＬＥＤに対する電流値を増やす照明装置が知られている。この照明装置は、光出力の測定時に消灯するＬＥＤの数を少なくし、点灯するＬＥＤに対する電流値を増やして、消灯するＬＥＤの発光を強めることで、ＬＥＤ全体の合成光のチラつきを抑制している。

特表２００２−５３３８７０号公報 特表２００４−５１７４４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の照明装置は、ある色のＬＥＤの光出力を測定する際に、測定対象でない色のＬＥＤを消灯させるので、照明装置から出射される合成光がチラついたり、光色が瞬間的に変化することがある。

また、複数のＬＥＤが同一のパッケージ等により近接して配置されているような場合、これらのＬＥＤは周囲温度の影響により、複数のＬＥＤが同時に点灯するときと個別に点灯するときで光出力が異なることがある。例えば、赤・緑・青のＬＥＤの中でも、赤色ＬＥＤは、周囲温度の影響を受け易く、赤色ＬＥＤの近くで緑・青色ＬＥＤが点灯することにより周囲温度が上昇すると、赤色ＬＥＤが単独で点灯するときに比べて光出力が低下する。そのため、特許文献１に記載された光出力の測定方法では、赤色ＬＥＤの測定時に緑・青色ＬＥＤを消灯させるので、赤色ＬＥＤの周囲温度が瞬間的に下がり、赤・緑・青色ＬＥＤの全てが点灯している中の赤色ＬＥＤの光出力とは異なる値が測定されることになる。

また、赤色ＬＥＤの光出力は、単独で点灯する状態、赤・緑色ＬＥＤが点灯する状態、赤・青色ＬＥＤが点灯する状態、又は赤・緑・青色ＬＥＤが点灯する状態においてそれぞれ異なるので、３色ＬＥＤの光を正確に混色して所望の光色を得るには、それぞれの状態における光出力を測定する必要がある。しかし、特許文献２に記載された光出力の測定方法では、赤・緑・青の全ＬＥＤを点灯させたときに、何れかのＬＥＤの光出力のみが測定されるので、上記の各状態における光出力を測定することができない。

このように、複数のＬＥＤを備えた照明装置等においては、特定のＬＥＤが単独で点灯するときの光出力のみならず、他のＬＥＤが点灯している状態で、これらのＬＥＤによる影響を加味した光出力を測定しなければ、正確にＬＥＤの点灯制御を行うことができず、所望の合成光を得られない。

本発明は、上記課題を解決するものであり、ＬＥＤ全体から出射される合成光がチラついたり、光色が変化することなく、赤色ＬＥＤのような周囲温度の影響を受け易いＬＥＤの光出力について、他のＬＥＤの点灯状態に応じて正確に測定することができ、その測定結果に応じてＬＥＤの出力を制御するＬＥＤ制御システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、複数のＬＥＤと、少なくともＬＥＤの一部を点灯させて各々の光出力を測定するセンサと、前記センサの測定結果に応じて前記複数のＬＥＤの出力を個別に制御する制御部と、を備えたＬＥＤ制御システムにおいて、前記ＬＥＤは、ＰＷＭ信号のオンデューティ比に基づいて点灯制御され、前記制御部は、前記センサによる前記ＬＥＤの光出力の測定時に、前記ＰＷＭ信号の１周期内で通常点灯時におけるオンデューティ比を変更することなくオンデューティ開始タイミングをシフトさせ、全てのＬＥＤをオンとし、全てのＬＥＤの光出力を測定した後、前記各ＬＥＤのＰＷＭ信号のオン時間が互いに重複する各時点及び重複しない各時点で前記ＬＥＤの光出力を測定し、全てのＬＥＤの光出力値及び前記各時点の光出力値の差分から前記各ＬＥＤの光出力を算出し、該算出結果に応じて前記ＬＥＤを制御するものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載のＬＥＤ制御システムにおいて、前記制御部は、前記ＬＥＤの光出力の測定時に、前記ＬＥＤのＰＷＭ信号のオン時間が互いに重複する時間を増やすように、前記ＬＥＤのオンデューティ開始タイミングをシフトさせるものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のＬＥＤ制御システムにおいて、前記ＬＥＤの光出力の測定時における該ＬＥＤへの電流を可変とするものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項４に記載のＬＥＤ制御システムにおいて、前記ＬＥＤは、それぞれ赤緑青の３色を発光するものである。

請求項１の発明によれば、複数のＬＥＤが点灯している中で、特定のＬＥＤについて、他のＬＥＤの点灯状態に応じた光出力を個別に測定することができるので、例えば、周囲温度の影響を受け易いＬＥＤについて、他のＬＥＤの点灯状態に応じた光出力を正確に測定することができる。また、光出力の測定時にＰＷＭ信号のオンデューティ比が通常点灯時と変化しないので、人間の目にはＬＥＤ全体から出射される光にチラつきがなく、光色が変化することもない。更に、ＰＷＭ信号によりＬＥＤを点灯制御する制御部は、例えばトランジスタ等のスイッチ素子をＬＥＤの個数だけ備えた汎用のマイコン等を用いることにより実現されるので、装置を安価とすることができる。

請求項２の発明によれば、複数のＬＥＤを点灯させた各点灯パターンにおける光出力を効率的に測定することができる。

請求項３の発明によれば、例えば、光出力の測定時に、ＬＥＤに流す電流値を変化させることにより、最大オン時間に拘わらず、ＬＥＤ全体から出射される光の明るさを一定に保つことができる。

請求項４の発明によれば、ＬＥＤから出射される光の色のバランスを任意の色に調節することができる。

本発明の一実施形態に係るＬＥＤ制御システムについて、図１を参照して説明する。本実施形態のＬＥＤ制御システム１は、複数のＬＥＤ２（２ａ，２ｂ，・・・，２ｎ）と、少なくともＬＥＤ２の一部を点灯させて各々の光出力を測定するセンサ３と、センサ３の測定結果に応じてＬＥＤ２の出力を個別に制御する制御部４と、を備える。また、ＬＥＤ２は、スイッチング素子５（５ａ，５ｂ，・・・，５ｎ）を介して電源６（６ａ，６ｂ，・・・，６ｎ）に接続される。なお、上記複数のＬＥＤ２（２ａ，２ｂ，・・・，２ｎ）の個数は任意であり、ＬＥＤ制御システム１が適用される機器の仕様に応じて適宜に決定される。また、以下の説明において、単にＬＥＤ２と記載したときは、複数のＬＥＤ２（２ａ，２ｂ，・・・，２ｎ）の全て又は何れかをいう。

ＬＥＤ２は、それぞれ赤・緑・青の３色を発光するものであり、その光出力は、制御部４から出力されるＰＷＭ信号により点灯制御される。ＬＥＤ２は、ひと纏まりに配置されて発光部２０を構成し、各色のＬＥＤ２から出射される光の合成光が発光部２０の出射光となる。この出射光は、赤・緑・青のＬＥＤ２の光出力をそれぞれ制御することにより、任意の色に設定できる。例えば、赤・緑・青のＬＥＤ２の光出力を略等しくしたとき、発光部２０の出射光は白色光となる。

センサ３は、赤、緑又は青のフィルタを用いた少なくとも３つのフォトダイオード又は三刺激値を出力する複数のフォトダイオード等から成り、ＬＥＤ２の光出力を電気信号に変換して、これを制御部４へ出力する。また、センサ３には必要に応じてメモリ等が備えられ、このメモリ等にＬＥＤ２の光出力値を一時的に記憶させてもよい。

制御部４は、汎用のマイコン、タイマ、メモリ等から成り、タイマの計時に従い、ＰＷＭ信号をスイッチング素子５に出力し、このスイッチング素子５をオンオフさせて、ＬＥＤ２に対する電源６からの給電を切り替えることにより、ＬＥＤ２を点灯制御する。

本実施形態のＬＥＤ制御システム１におけるＬＥＤ２の通常点灯時の動作について、上述の図１に加えて図２を参照して説明する。なお、実際に制御部４が行う動作は、スイッチング素子５のオンオフであるが、以下の説明では、制御部４がＬＥＤ２をオンとする、と記載する。

まず、制御部４は、ＬＥＤ２を点灯制御するためのＰＷＭ信号の周期Ｔを例えば１ｍｓとして設定する。また、制御部４は、ＰＷＭ信号の周期Ｔの開始タイミングＳ_０にＬＥＤ２をオンとし、ＬＥＤ２に設定された出力値に応じてタイマ値を設定して、タイマ値の計時が終了すると共にＬＥＤ２をオフとする。これにより、各ＬＥＤ２（２ａ，２ｂ，・・・，２ｎ）についてオンデューティ時間ｔ（ｔ_ａ，ｔ_ｂ，・・・，ｔ_ｎ）が設定される。ＬＥＤ２は、上記オンデューティ時間ｔを周期Ｔで割ったオンデューティ比Ｄに基づいて点灯制御される。図２の例では、ＬＥＤ２ａは、オンデューティ比Ｄ_ａ（Ｄ_ａ＝ｔ_ａ／Ｔ）に基づいて点灯制御される。

次に、本実施形態のＬＥＤ制御システム１におけるＬＥＤ２の光出力の測定時の動作について、上述の図１に加えて図３及び図４を参照して説明する。ここでは、上記のＬＥＤ２は、赤ＬＥＤ、緑ＬＥＤ、青ＬＥＤの３つあり、赤ＬＥＤの光出力を測定する場合を例とする。このとき、赤ＬＥＤは、図３に示されるように、赤・緑（ＲＧ）、赤・緑・青（ＲＧＢ）、赤・青（ＲＢ）又は赤（Ｒ）点灯のいずれかのパターンにより点灯する。一般的に、赤・緑・青のＬＥＤを近接した状態でパッケージしたスリーインワンチップ等においては、赤ＬＥＤの光出力は、緑・青ＬＥＤの出力状態により、熱等の影響を瞬時に受け、周囲温度が高くなると低下する。そのため、図３に示されるように、赤ＬＥＤの光出力は、赤ＬＥＤに対するＰＷＭ信号がオンである一定時間において、緑ＬＥＤ又は／及び青ＬＥＤがオンとなることによって変化する。なお、図３に示した赤ＬＥＤの光出力の変位は、他のＬＥＤの影響を例示したものであり、実際の赤ＬＥＤの光出力の変位を示すものではない。

すなわち、赤ＬＥＤの光出力は、赤ＬＥＤが単独でオンのときは周囲温度の影響がないので、最も大きくなり、青ＬＥＤがオン、緑ＬＥＤがオンとなることにより順次小さくなる。そして、赤・緑・青ＬＥＤの全てがオンであるとき、周囲温度が最も高くなり、これに伴い、赤ＬＥＤの光出力は最も小さくなる。従って、各色のＬＥＤを正確に点灯制御して、所望の色の光を得るには、赤ＬＥＤが単独で点灯しているときの光出力（Ｒ）のみならず、赤・緑（ＲＧ）、赤・緑・青（ＲＧＢ）及び赤・青（ＲＢ）ＬＥＤ点灯中における計４パターンの赤ＬＥＤの光出力を測定する必要がある。

そこで、制御部４は、センサ３による赤ＬＥＤの光出力の測定時に、ＰＷＭ信号の１周期内でオンデューティ比Ｄを変更することなく、オンデューティ開始タイミングをシフトさせ、赤・緑・青の各ＬＥＤのＰＷＭ信号のオン時間が互いに重複する各時点及び重複しない各時点で光出力を測定し、これら各時点の光出力値の差分から各ＬＥＤの光出力を算出する。

具体的には、制御部４は、図４に示されるように、ＰＷＭ信号の周期Ｔの開始タイミングＳ_０に赤・緑・青の各ＬＥＤをオンとする。そして、センサ３により、タイミングｓ_１において赤・緑・青（ＲＧＢ）ＬＥＤ点灯時の光出力値が測定される。次に、タイミングｓ_２において赤・青（ＲＢ）ＬＥＤ点灯時の光出力値が、タイミングｓ_３において赤（Ｒ）ＬＥＤ点灯時の光出力値が測定される。また、制御部４は、１周期毎に適宜に各ＬＥＤのオンデューティ開始タイミングをシフトさせ、タイミングｓ_４において緑（Ｇ）ＬＥＤ点灯時の光出力値が、タイミングｓ_５において赤・緑（ＲＧ）ＬＥＤ点灯時の光出力値が、タイミングｓ_６において青（Ｂ）ＬＥＤ点灯時の光出力値が測定される。

本実施形態において、好ましくは、制御部４は、各ＬＥＤのＰＷＭ信号のオン時間が互いに重複する時間を増やすように、各ＬＥＤのオンデューティ開始タイミングを適宜にシフトさせる。こうすれば、各ＬＥＤの点灯パターンにおける光出力を効率的に測定することができる。

上述のようにして測定された各ＬＥＤ点灯時の光出力値に基づき、上記４パターンの赤ＬＥＤの光出力が算出される。すなわち、（ｉ）赤・緑・青（ＲＧＢ）ＬＥＤ点灯時の赤ＬＥＤの光出力値は、赤・緑・青ＬＥＤ点灯時の光出力値（ｓ_１）から緑ＬＥＤ点灯時の光出力値（ｓ_４）及び青ＬＥＤ点灯時の光出力値（ｓ_６）を差し引くことにより算出される。また、（ｉｉ）赤・青（ＲＢ）ＬＥＤ点灯時の赤ＬＥＤの光出力値は、赤・青ＬＥＤ点灯時の光出力値（ｓ_２）から青ＬＥＤ点灯時の光出力値（ｓ_６）を差し引くことにより、（ｉｉｉ）赤・緑（ＲＧ）ＬＥＤ点灯時の赤ＬＥＤの光出力値は、赤・緑ＬＥＤ点灯時の光出力値（ｓ_５）から緑ＬＥＤ点灯時の光出力値（ｓ_４）を差し引くことにより算出される。なお、（ｖｉ）赤（Ｒ）ＬＥＤ点灯時の光出力値（ｓ_３）は単独で測定される。

このように、本実施形態によれば、周囲温度の影響を受け易い赤ＬＥＤについて、４パターンの光出力が測定されるので、緑・青ＬＥＤの点灯による影響を加味した光出力を正確に測定することができる。また、光出力の測定時には、３色のＬＥＤのオンデューティ比Ｄは、通常点灯時及び光出力の測定時において変化させない。そのため、人間の目には、３色のＬＥＤ全体から出射される合成光がチラついたり、光色が変化することがない。なお、上記では、赤ＬＥＤの光出力の測定について説明したが、緑ＬＥＤ及び青ＬＥＤの光出力についても各々、同様の手順で個別に測定される。

また、上述のように、赤ＬＥＤ、緑ＬＥＤ又は青ＬＥＤがそれぞれ単独で点灯するときの光出力値を測定するため、各ＬＥＤの最大オン時間を、ＰＷＭ信号の周期Ｔの開始タイミングＳ_０から光出力の測定が完了するまでの時間（例えばｓ_５−Ｓ_０）を、ＰＷＭ信号の周期Ｔから減じた時間（Ｔ−（ｓ_５−Ｓ_０））とする。通常、センサ３による光出力の測定は短時間で行われるが、少なくとも数１０〜数１００μｓの時間を要する。そのため、最大オン時間がＰＷＭ信号の周期Ｔと一致又は近似していると、各色ＬＥＤが単独でオンとなっているタイミングを確保できず、各色ＬＥＤが単独で点灯しているときの光出力値を個別に測定できない。そこで、上述のように、各ＬＥＤの最大オン時間を、ＰＷＭ信号の周期Ｔよりもセンサ３の測定時間だけ短くすることにより、センサ３の測定時間を確保して、確実にＬＥＤの光出力を測定できるようにする。

また、上述の最大オン時間は、各色ＬＥＤのうち、最も大きいオンデューティ比Ｄが設定されたＬＥＤに割り当てられる。例えば、各オンデューティ比Ｄの割合が、赤：緑：青＝３：２：１に設定されたとする。また、センサ３の測定時間が１００μｓであり、周期Ｔは１ｍｓとする。このとき、最大オン時間は９００μｓであり、この最大オン時間は、上記３色のＬＥＤのうち、最もオンデューティ比Ｄの大きい赤ＬＥＤに割り当てられる。こうすると、光出力の測定時に、３色のＬＥＤ全体が出射する合成光の明るさが低下するのを最低限に抑えられる。

また、このとき、制御部４は、上記の各オンデューティ比Ｄの割合を一定に保つ。すなわち、上述の例において、赤ＬＥＤの最大オン時間が９００μｓであるので、緑ＬＥＤの最大オン時間は９００×２／３＝８００μｓ、青ＬＥＤは９００×１／３＝３００μｓとする。このように、通常点灯時及び光出力の測定時において、各ＬＥＤのオンデューティ比Ｄの割合が保たれると、３色のＬＥＤ全体が出射する合成光の色度が変化しない。

また、望ましくは、制御部４は、光出力の測定時に、ＬＥＤ２への電流を可変とする。すなわち、上述の例において、赤ＬＥＤの最大オンデューティ比は９０％（最大オン時間９００μｓ／周期Ｔ１ｍｓ）であるので、仮に、通常点灯時の最大オンデューティ比が１００％であったときは、光出力の測定時にＬＥＤ全体から出射される合成光の明るさが１０％低下することになる。このとき、制御部４は、各ＬＥＤに流す電流値を大きくする。例えば、上述の例において、通常点灯時、３０ｍＡの電流が赤ＬＥＤに流れているならば、光出力の測定時、制御部４は、３３．３ｍＡ（３０ｍＡ／０．９（９０％））の電流をＬＥＤに流すようにする。このようにすることで、光出力の測定の前後で３色のＬＥＤ全体から出射される合成光の明るさを一定に保つことができる。

上述のようにして個別に測定されたＬＥＤ２の光出力値は、制御部４又はセンサ３に備えられたメモリ等に書き込まれ、制御部４はこれらの光出力値を基準としてＬＥＤ２を点灯制御する。この点灯制御は、ＬＥＤ制御システム１が適用される機器の仕様により異なるが、例えば、ＬＥＤ２の動作中、１０秒毎に１度、周期的に行われる。

また、制御部４は、センサ３の測定結果がＡであるとき、ＬＥＤ２を点灯制御する調光信号のオンデューティ比（基準値）を例えば５０％に設定する。そして次の光出力の測定結果がＢであるとき、制御部４はＬＥＤ２ａに対するオンデューティ比（目標値）を５０％×Ａ／Ｂに設定する。また、上記の各ＬＥＤ２に赤緑青の３色を発光するＬＥＤを用い、これらのＬＥＤ２に対する点灯出力を周期的に制御することにより、ＬＥＤ２全体から出射される光の色のバランスを任意の色に調節することができる。

なお、本発明は、ＬＥＤを点灯制御するオンデューティ比Ｄを変化させることなく、オンとするタイミングをシフトさせ、各ＬＥＤのＰＷＭ信号のオン時間が互いに重複する各時点及び重複しない各時点でＬＥＤの光出力を測定し、これらの各時点の光出力値の差分から各ＬＥＤの光出力を算出するものであれば、上記に限られず種々の変形が可能である。

本発明の一実施形態に係るＬＥＤ制御システムのブロック構成図。 同システムにおける通常点灯時のＰＷＭ信号出力パターンを示す図。 同システムにおいて、赤・緑・青ＬＥＤの点灯パターンと各点灯パターンにおける赤ＬＥＤの光出力値の変位を示す図。 同システムにおける光出力の測定時のＰＷＭ信号出力パターンを示す図。

符号の説明

１ ＬＥＤ制御システム
２ ＬＥＤ（発光ダイオード）
３ センサ
４ 制御部

Claims (4)

1. 複数のＬＥＤと、少なくともＬＥＤの一部を点灯させて各々の光出力を測定するセンサと、前記センサの測定結果に応じて前記複数のＬＥＤの出力を個別に制御する制御部と、を備えたＬＥＤ制御システムにおいて、
   前記ＬＥＤは、ＰＷＭ信号のオンデューティ比に基づいて点灯制御され、
   前記制御部は、前記センサによる前記ＬＥＤの光出力の測定時に、前記ＰＷＭ信号の１周期内で通常点灯時におけるオンデューティ比を変更することなくオンデューティ開始タイミングをシフトさせ、全てのＬＥＤをオンとし、全てのＬＥＤの光出力を測定した後、前記各ＬＥＤのＰＷＭ信号のオン時間が互いに重複する各時点及び重複しない各時点で前記ＬＥＤの光出力を測定し、全てのＬＥＤの光出力値及び前記各時点の光出力値の差分から前記各ＬＥＤの光出力を算出し、該算出結果に応じて前記ＬＥＤを制御することを特徴とするＬＥＤ制御システム。
2. 前記制御部は、前記ＬＥＤの光出力の測定時に、前記ＬＥＤのＰＷＭ信号のオン時間が互いに重複する時間を増やすように、前記ＬＥＤのオンデューティ開始タイミングをシフトさせることを特徴とした請求項１に記載のＬＥＤ制御システム。
3. 前記ＬＥＤの光出力の測定時における該ＬＥＤへの電流を可変とすることを特徴とした請求項１又は請求項２に記載のＬＥＤ制御システム。
4. 前記ＬＥＤは、それぞれ赤緑青の３色を発光するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のＬＥＤ制御システム。

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