JP5139956B2

JP5139956B2 - Ｌｅｄ照明装置

Info

Publication number: JP5139956B2
Application number: JP2008289329A
Authority: JP
Inventors: 翼湯口; 道彦金重
Original assignee: オプテックスエフエー株式会社
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2028-11-12
Also published as: JP2010118194A

Description

本発明は、ＬＥＤを有し、ＰＷＭ制御によりＬＥＤの輝度調整を行うＬＥＤ照明装置に関する。

従来から、図６（Ａ）に示すように、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）１を有する照明部５２と、照明部５２を駆動する照明駆動部５３とを備え、この照明駆動部５３が、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御方式で、図６（Ｂ）のように供給電圧のオンオフパルス幅を可変させることにより照明部５２に供給される電圧を調整して、ＬＥＤ１の輝度調整を行うＬＥＤ照明装置が知られている（例えば、特許文献１）。

ところで、このＬＥＤ照明装置は、温度変化によってＬＥＤ１の輝度が変動し、また経年変化によってＬＥＤ１の輝度が徐々に低下する。このＬＥＤ１の輝度を自動的に補正する必要がある場合、図７に示すように、照明部（補正付き照明部）６２と照明駆動部（補正付き駆動部）６３とをコネクタＣ付きの２本の電源ケーブルＷを介して接続し、照明部６２側でＬＥＤ全体または一部の投光状態を受光して得られたＬＥＤ１の輝度情報を、照明駆動部側に伝送し、照明駆動部６３でその情報に基づいてＰＷＭ制御のオンパルス幅や、出力する電圧を補正して、ＬＥＤ１の輝度が目的の輝度となるようにする。

図７のＬＥＤ照明装置は、照明部６２が前記ＬＥＤ１の投光状態を受光量として検出し輝度情報を得るＰＤ（Photo Diode）などのような受光回路７１および輝度情報を照明駆動部６３側に伝送するための送信回路７２を有し、照明駆動部６３が輝度情報を受信する受信回路７３および輝度情報に基づいてＬＥＤ１の輝度を補正する補正回路７４を有する。そして、前記２本の電源ケーブルＷのほかに、この受光回路７１・送信回路７２への電源線と送信回路６２の通信線として、別途コネクタＣ１付きの２本のケーブルＷ１を配線することが必要となる。

しかし、ＬＥＤ１の輝度補正をする必要がある場合と、輝度補正をする必要がない場合とで、各使用状態における装置間の互換性を持たせたい場合がある。この場合、図８（Ａ）（Ｂ）のように、いずれか一方で不要な２本のケーブルＷ１のコネクタＣ１が余ってしまうので、前記２本の電源ケーブルＷを利用して、照明部６２に供給する電源に送信回路７２の通信信号や、受光回路７１・送信回路７２へ供給する電源を重畳することが考えられる。

ところで、従来から、供給する電源に通信信号を重畳させる通信手段が種々知られており、この例として、商用交流電源に通信信号を重畳させる電灯線通信（例えば、特許文献２）や、通話音声を伝送する通信線に直流電源を重畳出力させるインターホン（例えば、特許文献３）などが挙げられる。特許文献２では商用交流電源の周波数５０〜６０Ｈｚに、特許文献３では直流電源に、それぞれ通信信号を重畳させるので、いずれも通信信号に含まれるノイズ成分が少ないから、正確な取り出し（復元）が可能となる。
特開２００８−１１２７９６号公報特開２００８−１６０４９０号公報特開２００８−２８８６６号公報

しかし、ＬＥＤをＰＷＭ制御により輝度調整する場合、ＬＥＤを点灯させるＰＷＭ信号は、通常２０〜１００ｋＨｚ程度の高周波数でオンオフを繰り返しており、その電圧電流は１２Ｖ、数１０ｍＡ〜数Ａ程度になり、しかも矩形波のため高調波成分を多く含んでいるため、重畳させた通信信号を正確に取り出すことが困難である。

また、例えば画像処理装置にＬＥＤ照明装置を使用した場合には、図９のように、撮影、画像処理および待機状態に応じて、点灯と消灯を繰り返すものであり、必要なときにのみ点灯する間欠駆動の場合が多い。この消灯の場合には、照明部側の受光回路・送信回路に電源が供給されないこととなる。

本発明は、前記の問題点を解決して、ＬＥＤをＰＷＭ制御により輝度調整する場合に、ＰＷＭ制御のオンオフパルスに通信信号を容易に取出可能に重畳することができるＬＥＤ照明装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明に係るＬＥＤ照明装置は、ＬＥＤを有する照明部と、前記照明部と２本の電源ケーブルで接続されて、直流電源部からの供給電圧のオンオフパルス幅を可変させるＰＷＭ制御により前記照明部に供給される電圧を調整して前記ＬＥＤを駆動し輝度調整可能に点灯させる照明駆動部と、前記照明部から前記電源ケーブルを介して前記照明駆動部へ通信する通信手段とを備えるものであって、前記通信手段は、前記ＬＥＤの少なくとも輝度情報を含む通信信号を前記ＰＷＭ制御のオンオフパルスに重畳して通信するものであり、前記照明駆動部は、前記通信された輝度情報を含む通信信号を、前記ＰＷＭ制御のオフパルス時に取り出す情報取出手段を備えている。

この構成によれば、照明部から電源ケーブルを介して照明駆動部へＰＷＭ制御のオンオフパルスに重畳して通信されたＬＥＤの輝度情報を含む通信信号が、ＰＷＭ制御のオフパルス時に取り出されるので、ＬＥＤ点灯時であるオンパルス時の取り出しと比べてＬＥＤ消灯時でその駆動電流も低いため、正確に通信信号を取り出すことが可能となるから、他のケーブルを別途増加させることなく、簡単な構成でＰＷＭ制御のオンオフパルスに通信信号を容易に取出可能に重畳することができる。

好ましくは、前記照明部は、前記ＬＥＤ全体または一部の投光状態を受光量として検出し前記輝度情報を得る受光回路と、前記輝度情報を含む通信信号を前記照明駆動部へ送信する送信回路と、前記受光回路で得られた輝度情報に対応させた前記照明部の消費電流の変化に基づいて、前記送信回路から送信するための前記輝度情報を含む通信信号を生成する信号生成回路とを備え、前記照明駆動部は、さらに、前記照明部から送信された前記輝度情報を含む通信信号を受信する受信回路と、前記受信回路で受信して前記情報取出手段で取り出された前記輝度情報を含む通信信号に基づいて前記ＬＥＤの輝度を補正する補正回路とを備えている。ここで、照明部の消費電流とは、ＰＷＭ制御のオフパルス時における照明部全体の負荷で消費される負荷電流をいう。
したがって、より簡単な構成でＰＷＭ制御のオンオフパルスに通信信号を容易に取出可能に重畳することができるとともに、取出された通信信号に基づいてＬＥＤの輝度を容易に補正することができる。

好ましくは、前記ＰＷＭ制御のオンパルス時に前記照明部に供給される電圧が、前記ＰＷＭ制御のオフパルス時を存在させても、前記照明部のＬＥＤが連続点灯しオフパルス時が存在しないときの平均輝度と同等の輝度を保持できる電圧に設定されている。したがって、ＰＷＭ制御のオフパルス時に輝度情報を含む通信信号を取り出す際に、照明部は連続点灯時と同等の輝度を得ることができる。

好ましくは、前記ＰＷＭ制御のオフパルス時に前記照明部に供給される電圧が、前記送信回路および受光回路が駆動可能で、かつ供給されても前記ＬＥＤが点灯しない電圧に設定される。したがって、ＬＥＤが消灯するＰＷＭ制御のオフパルス時にも、照明部の送信回路および受光回路へ電圧を供給して作動可能とすることができる。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るＬＥＤ照明装置を示すブロック図である。本装置は、例えば複数のＬＥＤ１を有する照明部（補正付き照明部）２と、照明部２に電源を供給するためにコネクタＣ付きの２本の電源ケーブルＷを介して接続されて、直流電圧のオンオフパルス幅を可変させるＰＷＭ制御により照明部２に供給される電圧を調整して前記ＬＥＤ１を駆動しその輝度調整可能に点灯させる照明駆動部（補正付き駆動部）３と、照明部２から照明駆動部３へ電源ケーブルＷを介して通信する通信手段４とを備えている。

前記通信手段４は、ＬＥＤ１の少なくとも輝度情報を含む通信信号を前記ＰＷＭ制御のオンオフパルスに重畳して通信する。この例では、通信信号をＬＥＤ１の輝度情報を含む通信信号としているが、そのほかにＬＥＤ１の近傍にサーミスタなどの温度センサを設けてＬＥＤ１の温度情報などを通信信号としてもよく、これらのＬＥＤ１の輝度情報と温度情報の両方などを通信信号としてもよい。

前記照明駆動部３は、直流電力の供給源である直流電源部（定電圧電源）５、ＰＷＭ制御部６、情報取出手段７、受信回路８・補正回路９、および第１駆動電源１０を備えている。

前記ＰＷＭ制御部６は、例えば、２０〜１００ｋＨｚ程度の一定周波数で常時オンオフ信号を発振するＰＷＭ発振回路２１、ＡＮＤ回路２２、スイッチングトランジスタ２３、およびＬＥＤ１の所望の照明状態に応じて、ＬＥＤ１の点灯と消灯のタイミングを外部から指令する外部点灯制御入力２４からなる。

ＰＷＭ制御部６は、ＡＮＤ回路２２にＰＷＭ発振回路２１からの入力と外部点灯制御入力２４の両方の入力があったとき、つまりＰＷＭ発振回路２１からは常時発振入力があるので外部点灯制御入力２４の入力があったとき、スイッチングトランジスタ２３のスイッチングにより直流電源部５からの供給電圧のオンオフパルスのパルス幅を可変させるＰＷＭ制御を行い、電源ケーブルＷを介して照明部２のＬＥＤ１に供給される電圧を調整する。

外部点灯制御入力２４の入力に基づき、図２に示すように、例えば１２Ｖの電圧のオンパルス幅を小さくすることによりＬＥＤ１の低輝度点灯を行い、オンパルス幅を大きくすることにより高輝度点灯を行う。外部点灯制御入力２４の入力がないとき、ＬＥＤ１は消灯する。

図１の情報取出手段７は、検出増幅部２５とサンプリング回路２６を有し、照明部２から電源ケーブルＷを介してＰＷＭ制御のオンオフパルスに重畳して送信された輝度情報を含む通信信号を、ＰＷＭ制御のオフパルス時に取り出す。検出増幅部２５は、例えば電圧比較器Ａ１と抵抗Ｒ１からなり、照明部２のオフパルス時の消費電流、つまり照明部２の送信回路１２から電源ケーブルＷを介して送信された通信信号を検出し増幅する。

サンプリング回路２６は、ＰＷＭ発振回路２１からのサンプリングに基づいて、この通信信号をＰＷＭ制御のオフパルス時におけるオンパルス立ち上がり直前のサンプリングタイミングでサンプリングする。つまり、サンプリング回路２６のサンプリング周波数は、ＰＷＭ発振回路２１の発振周波数と同一になる。ＰＷＭ制御のオフパルス時であるので、ＬＥＤ点灯時であるオンパルス時の取り出しと比べてＬＥＤ消灯時でその駆動電流が低いため、照明部２の消費電流の変化を安定して検出することができ、かつＰＷＭ制御のスイッチングするタイミングでのノイズ成分も少なく、ＰＷＭ制御のオンオフパルスに重畳した通信信号を正確に取り出す（復元する）ことができる。また、ＰＷＭ制御のオフパルス時におけるオンパルス立ち上がり直前に通信信号を取り出しているので、簡単な回路構成で、かつオンパルス立ち下がり直後の不安定さを回避して安定した通信信号を取り出すことができる。

前記直流電源部（定電圧電源）５は、図３に示すように、照明部２にＰＷＭ制御のオンパルス時に供給される電圧が、照明部２のＬＥＤ１が連続点灯しオフパルス時が存在しないときの平均輝度と同等の輝度を保持できる電圧に設定されている。すなわち、本発明では、ＰＷＭ制御のオフパルス時を利用して通信信号を取り出すので、図３（Ａ）のように、連続オンパルスでは通信することができず、必ずＰＷＭ制御のオフパルスを存在させる必要がある。しかも、１２Ｖの供給電圧の連続オンパルスで平均輝度を設定した場合と比べて、オフパルスが存在する分輝度が低下する。このため、図３（Ｂ）のようにＰＷＭ制御のオフパルスを存在させてもＬＥＤ１の連続点灯時と同等の輝度を保持することができるように、直流電源部５の供給電圧を１２Ｖよりも若干高くした１３Ｖとしている。

図１の受信回路８は、照明部２から送信されて検出・増幅された輝度情報を含む通信信号を受信する。前記補正回路９は、受信して情報取出手段７で取り出された輝度情報を含む通信信号に基づいてＬＥＤ１の輝度を補正するもので、この通信信号と予め登録された基準輝度とを比較して、これに応じて供給電圧のオンオフパルス幅を補正した電圧を電源ケーブルＷを介して照明部２に供給し、ＬＥＤ１の輝度を自動的に補正する。例えば、ＬＥＤ１の輝度が低下している場合には、ＰＷＭ制御のオンパルスの幅を大きく可変させた電圧をＬＥＤ１に供給して、その輝度低下分だけ輝度を上げてもとの輝度を維持するように補正する。

前記第１駆動電源部１０は、ツェナーダイオードＺd1、スイッチングトランジスタ２７および抵抗からなり、直流電源部５からの直流電力を所定値、例えば５Ｖに変換する。この電圧はＰＷＭ制御のオンパルス時に１２Ｖを供給しないとき、つまりＰＷＭ制御のオフパルス時の消灯時に、電源ケーブルＷを介して照明部２の受光回路１１・送信回路１２に供給される。

ＰＷＭ制御のオフパルス時に照明部２に供給される電圧が、前記受光回路１１・送信回路１２が駆動可能で、かつＬＥＤ１が点灯しないように設定される。すなわち、図２に示すように、ＬＥＤ１を点灯させるＰＷＭ制御のオンパルス時に１２Ｖ、ＬＥＤ１を消灯させるオフパルス時に５Ｖを出力することにより、常に１２Ｖまたは５Ｖの電圧が照明部２に供給されて、消灯時における受光回路１１・送信回路１２への供給電圧が確保される。

図１の照明部２は、複数のＬＥＤ１および抵抗Ｒ３のほかに、受光回路１１、送信回路１２、信号生成回路１３、および第２駆動電源部１４を備えている。受光回路１１は、図示しないＰＤ（Photo Diode）のようにＬＥＤ１全体または一部の投光状態を受光量として検出し前記輝度情報を得る。送信回路１２は、ＬＥＤ１の少なくとも輝度情報を含む通信信号を、電源ケーブルＷを介して照明駆動部３へＰＷＭ制御のオンオフパルスに重畳して送信する。

前記信号生成回路１３は、スイッチングトランジスタ１５および抵抗Ｒ２からなり、受光回路１１で得られた輝度情報に対応させた照明部２の消費電流の変化に基づいて、送信回路１２から送信するための前記輝度情報を含む通信信号を生成する。照明部２の消費電流とは、ＰＷＭ制御のオフパルス時における照明部２全体の負荷で消費される負荷電流をいい、ＰＷＭ制御のオフパルス時における受光回路１１・送信回路１２の消費電流を意味する。

前記第２駆動電源部１４は、ツェナーダイオードＺd2、スイッチングトランジスタ１６、コンデンサおよび抵抗からなり、上述したとおり、直流電源部５から電源ケーブルＷを介して点灯時に１２Ｖ、消灯時に５Ｖの供給電圧が、例えば３．３Ｖの所定電圧に変換され、前記受光回路１１・送信回路１２に供給されて、消灯時における供給電圧が確保される。

前記通信手段４は、照明部２に設けられた送信回路１２と信号生成回路１３、電源ケーブルＷ、および照明駆動部３に設けられた受信回路８からなり、照明部２の送信回路１２から電源ケーブルＷを介して照明駆動部３の受信回路８へ、信号生成回路１３で生成されたＬＥＤ１の輝度情報の通信信号を、同期信号を利用しない、例えば調歩同期通信信号のような非同期で通信する。これにより、同期信号用のケーブルの配線を省略でき、このためのケーブルを別途増加させることなく、より簡単な構成が可能となる。

上記構成のＬＥＤ照明装置の動作の一例を、図４のタイムチャートおよび図５のフローチャートに基づいて説明する。まず、図４のａ．のように、送信回路１２から、受光回路１１で検出されたＬＥＤ１の輝度情報に対応させた消費電流(負荷電流）の変化に基づき生成された通信信号が送信される。この通信信号は、非同期の調歩同期通信信号であり、シリアルデータを構成し、スタートビットの後に、例えば、二値化された輝度情報「00110000」が続き、図示しないパリティビットおよびストップビットが付加されてなる。

なお、この例では、通信信号に含まれる輝度情報として、ＬＥＤ１の輝度情報に対応させた消費電流（負荷電流）の変化を二値（オンオフ）化したものを使用しているが、消費電流の大小をそのまま輝度の強弱を表す情報として使用するものでもよい。

図４のｂ．は、ａ．の通信信号が、ＬＥＤ１の輝度情報に対応させた照明部２の消費電流（負荷電流）の変化に基づいたものであることを示す。図４のａ．の通信信号のスタートビットおよびデータの「1」部分が、ｂ．の消費電流の大きい部分に対応する。

一方、図４のｃ．のように、照明駆動部３から照明部２へ、外部点灯制御入力２４に基づき、ＬＥＤ駆動信号が出力される。ｅ．はＰＷＭ発振回路２１から発振されるオンオフ信号を示す。

図４のｄ．のように、照明駆動部３では、照明部２から送信された輝度情報に基づく通信信号（消費電流）が、ｃ．の照明駆動部３側のＬＥＤ駆動信号に重畳した状態で受信されて検出される。図４のｆ．はＰＷＭ制御のオフパルス時の状態をオンパルス立ち上がり直前にサンプリングした波形、つまり、情報取出手段７により取り出された通信信号を示す。こうして、ＰＷＭ制御のオフパルス時に通信信号が、ＬＥＤ駆動信号に影響されない状態で正確に取り出される。

図５のフローチャートは照明駆動部３の輝度補正処理の動作を示す。
まず、照明駆動部３の受信回路８で照明部２側からの消費電流（負荷電流）の変化に基づく輝度情報を含む通信信号が受信されたとき（ステップＳ１）、その通信信号（受信信号）にスタートビットがあるか否かが確認され（ステップＳ２）、スタートビットがない場合には、ステップＳ１に戻る。スタートビットがある場合には、サンプリング回路２６でＰＷＭ制御のオフパルス時に受信信号のサンプリングが行われて、輝度情報を含む通信信号が正確に取り出され、受信データとして変換される（ステップＳ３）。

つぎに、受信回路８でデータエラーチェック、所定期間における輝度情報の平均化処理が行われて（ステップＳ４）、補正回路９で輝度情報を基準輝度と比較して明るいか否かが確認される（ステップＳ５）。基準輝度よりも明るい場合には、ＰＷＭ制御のデューティ比を下げて出力電圧を下げる補正が行われ（ステップＳ６）、基準輝度よりも暗い場合には、出力電圧を上げるか、またはＰＷＭ制御のデューティ比を上げてＬＥＤ駆動電流を上げる補正が行われる（ステップＳ７）。こうして、ＬＥＤ１の輝度が補正された後、ステップＳ１に戻る。

このように、本発明では、照明部２から電源ケーブルＷを介して照明駆動部３へＰＷＭ制御のオンオフパルスに重畳して通信されたＬＥＤ１の輝度情報を含む通信信号が、ＰＷＭ制御のオフパルス時にのみ取り出されるので、ＬＥＤ点灯時であるオンパルス時のようにＬＥＤを駆動する電流変化の影響を受けることなく、正確に通信信号を取り出すことが可能となるから、他のケーブルを別途増加させることなく、簡単な構成でＰＷＭ制御のオンオフパルスに通信信号を容易に取出可能に重畳することができる。

本発明の一実施形態に係るＬＥＤ照明装置を示すブロック図である。ＬＥＤ照明装置の照明駆動波形を示すタイムチャートである。ＰＷＭ制御出力を示す図である。図１のＬＥＤ照明装置の動作を示すタイムチャートである。図１のＬＥＤ照明装置の動作を示すフローチャートである。（Ａ）は従来のＬＥＤ照明装置を示すブロック図、（Ｂ）はＰＷＭ制御波形を示す図である。従来の輝度補正回路を有するＬＥＤ照明装置を示すブロック図である。（Ａ）（Ｂ）は従来のＬＥＤ照明装置を示すブロック図である。ＬＥＤ照明装置の間欠駆動を示すタイムチャートである。

符号の説明

１：ＬＥＤ
２：照明部
３：照明駆動部
４：通信手段
５：直流電源部
６：ＰＷＭ制御部
７：情報取出手段
８：受信回路
９：補正回路
１０：第１駆動電源
１１：受光回路
１２：送信回路
１３：信号生成回路
１４：第２駆動電源
Ｃ：コネクタ
Ｗ：電源ケーブル

Claims

ＬＥＤを有する照明部と、前記照明部と２本の電源ケーブルで接続されて、直流電源部からの供給電圧のオンオフパルス幅を可変させるＰＷＭ制御により前記照明部に供給される電圧を調整して前記ＬＥＤを駆動し輝度調整可能に点灯させる照明駆動部と、前記照明部から前記電源ケーブルを介して前記照明駆動部へ通信する通信手段とを備えたＬＥＤ照明装置であって、
前記通信手段は、前記ＬＥＤの少なくとも輝度情報を含む通信信号を前記ＰＷＭ制御のオンオフパルスに重畳して通信するものであり、
前記照明駆動部は、前記通信された輝度情報を含む通信信号を、前記ＰＷＭ制御のオフパルス時に取り出す情報取出手段を備えている、ＬＥＤ照明装置。
請求項１において、
前記照明部は、前記ＬＥＤ全体または一部の投光状態を受光量として検出し前記輝度情報を得る受光回路と、前記輝度情報を含む通信信号を前記照明駆動部へ送信する送信回路と、前記受光回路で得られた輝度情報に対応させた前記照明部の消費電流の変化に基づいて、前記送信回路から送信するための前記輝度情報を含む通信信号を生成する信号生成回路とを備え、
前記照明駆動部は、さらに、前記照明部から送信された前記輝度情報を含む通信信号を受信する受信回路と、前記受信回路で受信して前記情報取出手段で取り出された前記輝度情報を含む通信信号に基づいて前記ＬＥＤの輝度を補正する補正回路とを備えた、ＬＥＤ照明装置。
請求項１において、
前記照明部に前記ＰＷＭ制御のオンパルス時に供給される電圧が、前記ＰＷＭ制御のオフパルス時を存在させても、前記照明部のＬＥＤが連続点灯しオフパルス時が存在しないときの平均輝度と同等の輝度を保持できる電圧に設定されている、ＬＥＤ照明装置。
請求項２において、
前記照明部に前記ＰＷＭ制御のオフパルス時に供給される電圧が、前記送信回路および受光回路が駆動可能で、かつ前記ＬＥＤが点灯しない電圧に設定されている、ＬＥＤ照明装置。