JP5249834B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の発光素子を備えた照明装置に関する。

近年、地球環境に配慮する観点から、ＬＥＤ等の発光素子を一般照明に利用する要請がある。発光素子の代表的な点灯方式として、複数の発光素子を直列接続したものを二組用意し、これらを交流電源に逆並列に接続するものがある。直列接続される発光素子の個数は、交流電源の電圧と発光素子の耐圧特性との兼ね合いで決められる。この点灯方式は、回路構成が簡易であるという利点をもつ一方で、交流電源の半周期中において電圧瞬時値がある程度高い期間にしか発光素子が点灯せず、その結果、半周期毎に明滅を繰り返すという欠点をもつ。これは、個々の発光素子に印加される電圧が閾値以上にならないと、電流が流れないからである。

そこで、特許文献１では、複数の発光素子と複数のスイッチ素子とを含み、スイッチ素子のオンオフにより、直列接続される発光素子の個数を切り替えることができる照明装置が提案されている。これによれば、交流電源の電圧瞬時値に応じて直列接続される発光素子の個数を切り替えることにより、半周期中における発光素子の点灯期間を長くすることができ、半周期毎の明滅を抑制することができる。
特表２００８−５４４５６９号公報

白熱電球が装着される照明器具には、トライアック等を用いた位相制御回路が設けられているものがある。この照明器具に上記の照明装置を装着すれば、白熱電球と同様に、調光レベルを調整することができる。
ところで、位相制御回路では、電源ノイズ等に起因してトライアックが誤動作し、半周期中に位相制御が正常に働かないことが間欠的に生じる場合がある。このような場合、上記の照明装置では、誤動作が生じた半周期とその前後の正常な半周期とで明るさが異なることとなり、明るさにちらつきが生じてしまうという問題がある。

そこで、本発明は、半周期中に位相制御が正常に働かない場合があっても、明るさのちらつきが生じるのを防止することができる照明装置を提供することを目的とする。

本発明に係る照明装置は、交流電源から位相制御回路を介して電力供給を受ける照明装置であって、複数の発光素子と少なくとも１つのスイッチ素子とを含み、前記スイッチ素子のオンオフにより前記交流電源に直列に接続される発光素子の個数が切り替わるように構成された回路と、前記交流電源の半周期中における、調光レベルに応じた点灯開始タイミングを示す情報を保存しているメモリと、前記交流電源の電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、 前記点灯開始タイミングに達するまでに前記交流電源の電圧の立ち上がりが検出されたときから次にゼロクロスが検出されるまでの期間に、前回ゼロクロスが検出されたときからの経過時間に応じて、前記交流電源の半周期の前半では前記交流電源に直列に接続される発光素子の個数が増加し、前記交流電源の半周期の後半では前記交流電源に直列に接続される発光素子の個数が減少する傾向となるように、前記スイッチ素子のオンオフを制御し、前記交流電源の電圧の立ち上がりが検出されずに前記点灯開始タイミングに達したときから次にゼロクロスが検出されるまでの期間に、前記傾向と同じ傾向で、前記スイッチ素子のオンオフを制御するスイッチ制御手段とを備える。

位相制御では、調光レベルの変化に応じて電圧が立ち上がるタイミングが変化する。上記構成によれば、電圧の立ち上がりが検出されたときから次にゼロクロスが検出されるまでの期間に発光素子が点灯する。また、仮に、位相制御回路の誤動作により位相制御が働かず、その結果、位相制御に基づく電圧の立ち上がりが検出されない場合でも、点灯開始タイミングに達したときから次にゼロクロスが検出されるまでの期間には発光素子が点灯することになる。したがって、半周期中に位相制御が正常に働かない場合でも、半周期中の全期間に発光素子が消灯あるいは点灯してしまうという事態を回避して、調光レベルに応じて発光素子を点灯させることができる。すなわち、照明装置の明るさにちらつきが生じるのを防止することができる。

本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
＜構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る電球形の照明装置の概略構成を示す一部切り欠き図である。
照明装置１は、白熱電球に模した外観形状を有している。円筒状のケース２は、樹脂等の絶縁材料で形成されており、その一端にはＥ型口金３が設けられ、他端には円板状のヒートシンク５が設けられている。口金３とヒートシンク５で封塞されたケース２の内部空間には、点灯装置４が収容されている。ヒートシンク５のケース封塞面とは反対側の面には発光モジュール６が搭載されていると共に、発光モジュール６を覆うグローブ７が取着されている。

発光モジュール６は、白色光源であり、基板６ａの表面に配線パターンが配設され、その配線パターンにＬＥＤ６ｂが実装され、そのＬＥＤ６ｂを樹脂成型部材６ｃで内包して形成されたものである。樹脂成型部材６ｃには、ＬＥＤ６ｂから出射された光の波長を変換する材料（例えば、蛍光体物質）が含有されている。ＬＥＤ６ｂの出射光の一部は樹脂成型部材６ｃの通過中に波長変換され、波長変換されずにそのまま出射された光と混色して白色光となる。白色光源としては青色ＬＥＤと黄色蛍光体との組合せが例示できるが、これ以外の公知の組合せを用いてもよい。例えば、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤの組合せや、紫外ＬＥＤと各色蛍光体との組合せでも白色光源を実現することができる。また、発光モジュールは、白色光源に限らず、植物育成や殺菌や画像処理など種々の用途に合わせて赤外線光源や紫外線光源としてもよい。この場合には、発光素子として赤外ＬＥＤや紫外ＬＥＤが採用される。

口金３が照明器具に装着されると、商用の交流電源から電力が供給される。供給された電力は点灯装置４を介して発光モジュール６に送られる。以下、点灯装置４および発光モジュール６に設けられた照明回路について説明する。
図２は、本発明の実施形態に係る照明回路の構成を示す回路図である。
照明回路１０では、ダイオードブリッジＤＢ２がトライアック１５を介して交流電源ＡＣに接続されている。ダイオードブリッジＤＢ２のプラス端子には、ＬＥＤ１からＬＥＤ８までの８組、合計４５個のＬＥＤが直列に接続されている。各組に含まれるＬＥＤの個数は次の通りである。

ＬＥＤ１：８個
ＬＥＤ２：８個
ＬＥＤ３：７個
ＬＥＤ４：７個
ＬＥＤ５：６個
ＬＥＤ６：５個
ＬＥＤ７：３個
ＬＥＤ８：１個
ＬＥＤ１の末端のノードＮ１はスイッチ素子ＦＥＴ１を介してダイオードブリッジＤＢ２のマイナス端子に接続されている。ノードＮ２からノードＮ８についても同様である。

このような構成により、スイッチ素子ＦＥＴ１−ＦＥＴ８のオンオフにより交流電源ＡＣに直列に接続されるＬＥＤの個数を切り替えることができる。例えば、ＦＥＴ１がオン，ＦＥＴ２−ＦＥＴ８がオフの場合には、ＬＥＤ１に電力が供給され、ＬＥＤ２−ＬＥＤ８には電力が供給されない。このとき、ＬＥＤ１に含まれる８個のＬＥＤが交流電源ＡＣに直列に接続されていると言える。また、別のケースとして、ＦＥＴ２がオン，ＦＥＴ１，ＦＥＴ３−８がオフの場合には、ＬＥＤ１，ＬＥＤ２に電力が供給され、ＬＥＤ３−ＬＥＤ８には電力が供給されない。このとき、ＬＥＤ１とＬＥＤ２に含まれる合計１６個のＬＥＤが交流電源ＡＣに直列に接続されていると言える。

ＬＥＤの総数Ｎ［個］は、次の関係式により決定されている。
Ｎ＝Ｖｅｆｆ×１．１×√２／Ｖｆ
ここでは、交流電源の電圧実効値をＶｅｆｆ［Ｖ］、ＬＥＤ単体に仕様電流を流したときに誘起される電圧をＶｆ［Ｖ］とする。なお、仕様電流とは、ＬＥＤの発光効率を最適に維持できる電流値、または、照明器具設計をする場合の、使用環境下による放熱設計やあかり条件に適した電流値をいう。

本実施形態では、Ｖｅｆｆ＝１００［Ｖ］、Ｖｆ＝３．４［Ｖ］から、Ｎ＝４５［個］としている。Ｖｅｆｆ×１．１×√２により得られる電圧は、交流電源のピーク電圧を１．１倍したものである。商用の交流電源の電圧は±１０％程度の公差がある。１．１倍することにより、交流電源の電圧が公差の範囲で１０％上昇した場合でも、ＬＥＤに過剰な電流が流れないように配慮されている。なお、直列接続されたＬＥＤとダイオードブリッジＤＢ２のプラス端子との間に過電流保護素子であるポリスイッチ１４が挿入されており、これによってもＬＥＤに過剰な電流が流れないようにされている。ポリスイッチ１４は、ＰＴＣサーミスタの一種であり、例えば、タイコエレクトロニクスレイケム株式会社製のＬＶＲ００５Ｓを利用することができる。特に、マイコン１２の演算の遅れや不安定な動作により、交流電源の電圧瞬時値に対して、直列接続されるＬＥＤの個数が過小となる場合が考えられる。このような場合にポリスイッチ１４があればＬＥＤに過電流が流れるのを防止することができる。なお、過電流保護素子としての機能があれば、ＰＴＣサーミスタに限らず、電流ヒューズ等も利用かのうである。ただし、ＰＴＣサーミスタは、温度低下により再復帰できるので、溶断するたびに交換を要する電流ヒューズよりも使い勝手がよい。

マイコン１２は、スイッチ素子ＦＥＴ１−ＦＥＴ８のオンオフを制御するものであり、例えば、マイクロチップテクノロジー社のＰＩＣ１８Ｆ２５２を利用することができる。マイコン１２の電源端子Ｖｉｎには、直流電源部１１が接続されている。直流電源部１１は、マイコン１２を動作させるために、直流電圧５［Ｖ］を生成するものである。アナログ入力端子Ａｉｎには、抵抗素子Ｒ１，Ｒ２から構成された分圧器が接続されている。これにより、交流電源ＡＣから供給される交流電圧の瞬時値を検出することができる。デジタル入力端子ＤＩ０，ＤＩ１には、切替スイッチ１３が接続されている。切替スイッチ１３は、１／２半周期中にＬＥＤ区間が何個あるかを設定するスイッチで、ＬＥＤ点灯タイミングをあらかじめ設定することによりＦＥＴのオンオフ制御の切替時間を決定するものである。本実施形態では、８区間のＬＥＤから構成されているので、１区間のＬＥＤ点灯時間は約０．５２［ｍｓ］であり（６０［Ｈｚ］時）、順次ＬＥＤ区間が点灯若しくは消灯していく。デジタル出力端子ＤＯ０−ＤＯ７には、それぞれスイッチ素子ＦＥＴ１−ＦＥＴ８のゲート端子が接続されている。

図３に、マイコン１２の内部構成を示す。マイコン１２は、アナログデジタルコンバータ１２１、タイマー１２２、ＣＰＵ１２３、ＲＯＭ１２４、ＲＡＭ１２５、入力ポート１２６および出力ポート１２７を備えている。入力ポート１２６には、アナログ入力端子Ａｉｎ、デジタル入力端子ＤＩ０，ＤＩ１が設けられている。出力ポート１２７には、デジタル出力端子ＤＯ０−ＤＯ７が設けられている。ＣＰＵ１２３は、ＲＯＭ１２４およびＲＡＭ１２５に記憶されたプログラムおよびデータに従って動作する。動作フローについては後述する。

図４に、ＲＯＭに記憶されているテーブルを示す。このテーブルでは、交流電源の電圧の位相とオンされるスイッチ素子ＦＥＴの番号とが対応付けられている。交流電源の電圧の位相は、ゼロクロスからの経過時間に相当し、オンされるスイッチ素子の番号は、直列接続されるＬＥＤの個数に相当する。したがって、上記テーブルは、交流電源の電圧のゼロクロスが検出されたときからの経過時間と交流電源に直列に接続される発光素子の個数とを対応付けているとも言える。

電圧位相の欄では、０［ｄｅｇ］から１８０［ｄｅｇ］までの範囲（交流電源の半周期に相当）が１６区間に分割されている。ＦＥＴ番号の欄では、各区間にオンされるＦＥＴの番号が示されている。
図５に、図４に記憶されたテーブルに従ってＦＥＴのオンオフ制御をした場合における、交流電源ＡＣに直列接続されるＬＥＤの個数の変化を示す。ここでは、０［ｄｅｇ］から９０［ｄｅｇ］までの範囲（交流電源の半周期の前半に相当）が示されている。また、図中の破線は、ピーク電圧が１４１［Ｖ］の交流電源の電圧を示している。

位相が０［ｄｅｇ］から１１［ｄｅｇ］までの第１区間では、テーブルに従ってＦＥＴ１がオンされ、ＦＥＴ２−８がオフされる。このとき、ＬＥＤ１に含まれる８個のＬＥＤが交流電源ＡＣに直列に接続される。
位相が１２［ｄｅｇ］から２２［ｄｅｇ］までの第２区間では、テーブルに従ってＦＥＴ２がオンされ、ＦＥＴ１，３−８がオフされる。このとき、ＬＥＤ１とＬＥＤ２に含まれる１６個のＬＥＤが交流電源ＡＣに直列に接続される。

以降、同様に、位相が増加するにつれて、直列接続されるＬＥＤの個数が増加していき、位相が７８［ｄｅｇ］から９０［ｄｅｇ］までの第８区間では、ＬＥＤ１−ＬＥＤ８に含まれる４５個全てのＬＥＤが交流電源ＡＣに直列に接続される。
また、テーブルから明らかなように、９１［ｄｅｇ］から１８０［ｄｅｇ］までの範囲（交流電源の半周期の後半に相当）では、位相が増加するにつれて、直列接続されるＬＥＤの個数が減少していく。

なお、図５に示すように、各区間での直列接続されるＬＥＤの個数は、該当する区間での電圧瞬時値からＶｆ［Ｖ］を割って得られた数値に設定されている。したがって、各区間では、交流電源の電圧瞬時値に応じて適切な個数のＬＥＤが直列接続されることになる。
本実施形態では、ＬＥＤを交流（厳密には全波整流された脈流）で点灯させるので、平滑用の電解コンデンサを必要としない。したがって、電球形の照明装置のケースの寸法を小さくすることができ、結果的に、照明装置の小型化を図ることができる。また、電解コンデンサは電源回路の寿命の長短を決定させる主要素子である。これを使用しないことから電源回路の寿命を安定的に長くすることができる。
＜動作＞
次に、マイコンの動作について説明する。図６，図７は、マイコンの動作を示すフロー図である。図８は、交流電源の周期と電圧のサンプリング間隔との関係を示す図である。

まず、照明装置１に電力が投入されることによりマイコン１２の電源端子Ｖｉｎに直流電圧５［Ｖ］が入力されると、マイコン１２は初期化を行う（ステップＳ１１）。
次に、交流電源の周波数を検出し（ステップＳ１２）、電源投入直後に交流波形をサンプリングし、周波数を自動算出する。周波数が５０［Ｈｚ］なら（ステップＳ１３：５０Ｈｚ）、位相９０［ｄｅｇ］を５［ｍｓ］に対応付け（ステップＳ１４）、周波数が６０［Ｈｚ］なら（ステップＳ１３：６０Ｈｚ）、位相９０［ｄｅｇ］を４．１６［ｍｓ］に対応付ける（ステップＳ１５）。

次に、アナログ入力端子Ａｉｎの入力を受け付け（ステップＳ１６）、タイマー１２２をリセットし（ステップＳ１７）、ＦＥＴ１−８の全てをオフにすることによりＬＥＤを消灯させる（ステップＳ１８）。
次に、交流電源の電圧のゼロクロスを検出する（ステップＳ１９）。ゼロクロスが検出されたとき（ステップＳ１９：ＹＥＳ）、それが初回であれば（ステップＳ２０：ＹＥＳ）、一定のサンプリング間隔だけ待機し（ステップＳ２１）、電圧が変化したか否かを判断し（ステップＳ２２）、電圧が変化している場合には（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、電圧変化率が閾値より大きいか否かを判断する（ステップＳ２３）。電圧が変化し、かつ、電圧変化率が閾値より大きい場合に、交流電源の位相制御に基づく電圧の立ち上がりであると判断する。ここでは、位相制御に基づいて電圧が瞬時に変化することを「電圧の立ち上がり」といい、位相制御されずに電圧がサイン波に沿って変化することは「電圧の立ち上がり」には含めない。電圧変化率の閾値は、位相制御に基づく電圧変化であるか、サイン波に沿う電圧変化であるかを判別可能な値に定められる。電圧が立ち上がっていなければ（ステップＳ２２：ＮＯまたはステップＳ２３：ＮＯ）、サンプリング間隔の待機（ステップＳ２１）と電圧の立ち上がりの判定（ステップＳ２２，Ｓ２３）とを繰り返す。

トライアック１５を用いた位相制御では、調光レベルの設定に応じて電圧が立ち上がるタイミングが変化する。上記判定動作により電圧が立ち上がるタイミングを検出することができる。なお、図８に示すように、サンプリング間隔は、１つの区間を１０以上に分割して得られる間隔とする。本実施形態では、半周期を１６区間に分割しているので、１つの区間は６０［Ｈｚ］時において０．５２１［ｍｓ］、５０［Ｈｚ］時において０．６２５［ｍｓ］である。そこで、例えば、サンプリング間隔を６０［Ｈｚ］時において５０［μｓ］、５０［Ｈｚ］時において６２［μｓ］とすることとする。また、「電圧の立ち上がり」とは、０［Ｖ］からプラスに変化する場合も、０［Ｖ］からマイナスに変化する場合も含むものとする。

交流電源の電圧の立ち上がりが検出されれば（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、タイマーに示される時間を読み出すことにより、ゼロクロスが検出されたときから電圧の立ち上がりが検出されたときまでの時間Δｔを検出する（ステップＳ２４）。
次に、検出された時間Δｔに対応する位相を特定し、図４に示されたテーブルを参照してオンすべきＦＥＴｎ（ｎは１以上８以下の整数）を特定し（ステップＳ２５）、時間Δｔを示す情報をメモリに保存し（ステップＳ２６）、特定されたＦＥＴｎをオンさせる（ステップＳ２７）。時間Δｔから位相を特定するときには、ステップＳ１３−Ｓ１５の結果を利用する。

次に、ＦＥＴｎをオンさせたままあらかじめ切替スイッチ１３で設定された第ｎ区間に相当する時間だけ待機し（ステップＳ２８）、位相が９０［ｄｅｇ］未満か、９０［ｄｅｇ］ちょうどか、９０［ｄｅｇ］より大きいかを判定する（ステップＳ２９）。位相が９０［ｄｅｇ］未満であれば、数値ｎをインクリメントし（ステップＳ３０）、ステップＳ２７に戻す。位相が９０［ｄｅｇ］ちょうどであれば、数値ｎをそのまま維持し（ステップＳ３１）、ステップＳ２７に戻す。位相が９０［ｄｅｇ］より大きければ、位相が１８０［ｄｅｇ］を超えていない限り（ステップＳ３２：ＮＯ）、数値ｎをデクリメントし（ステップＳ３３）、ステップＳ２７に戻す。この動作の繰り返すと、０［ｄｅｇ］から９０［ｄｅｇ］までの区間では、位相の増加に応じて直列接続されるＬＥＤの個数が増加し、９０［ｄｅｇ］から１８０［ｄｅｇ］までの区間では、位相の増加に応じて直列接続されるＬＥＤの個数が減少する。

位相が１８０［ｄｅｇ］に達すれば（ステップＳ３２：ＹＥＳ）、ステップＳ１７に戻す。
一方、ステップＳ２０において、ゼロクロスの検出が二回目以降であれば（ステップＳ２０：ＮＯ）、メモリに保存されている時間Δｔを示す情報を読み出す（ステップＳ３４）。メモリには、事前に、ステップＳ２６において時間Δｔを示す情報が保存されている。

次に、一定のサンプリング間隔だけ待機し（ステップＳ３５）、電圧が変化したか否かを判断し（ステップＳ３６）、電圧が変化している場合には（ステップＳ３６：ＹＥＳ）、電圧変化率が閾値より大きいか否かを判断する（ステップＳ３７）。電圧が変化し、かつ、電圧変化率が閾値より大きい場合に、交流電源の位相制御に基づく電圧の立ち上がりであると判断する。ステップＳ３７の閾値は、ステップＳ２３の閾値と同じとする。電圧が立ち上がっていなければ（ステップＳ３７：ＮＯ）、読み出した時間Δｔを経過していない限り（ステップＳ３８：ＮＯ）、サンプリング間隔の待機（ステップＳ３５）と電圧の立ち上がりの判定（ステップＳ３６，Ｓ３７）とを繰り返す。

繰り返しの結果、交流電源の電圧の立ち上がりが検出されれば（ステップＳ３７：ＹＥＳ）、ステップＳ２４にジャンプする。ステップＳ２４では、ゼロクロスが検出されたときから電圧の立ち上がりが検出されたときまでの時間Δｔが検出される。ステップＳ２４で検出された時間Δｔは、ステップＳ２６でメモリに保存される。これにより、メモリに保存されている時間Δｔを示す情報が更新される。

また、繰り返しの結果、交流電源の電圧が立ち上がるまでに時間Δｔに達すれば（ステップＳ３８：ＹＥＳ）、時間Δｔに対応する位相を特定し、図４に示されたテーブルを参照してオンすべきＦＥＴｎ（ｎは１以上８以下の整数）を特定し（ステップＳ３９）、特定されたＦＥＴｎをオンさせる（ステップＳ４０）。
ステップＳ４０からステップＳ５１までの処理は、一部を除いてステップＳ２９からステップＳ３３までの処理と同じである。異なるのは、前者では、ステップＳ４０以降も交流電源の電圧の立ち上がりを検出しているのに対し、後者ではステップＳ２９以降は交流電源の電圧の立ち上がり検出をしない点である。以下、異なる点だけ説明する。

ステップＳ４０においてＦＥＴｎをオンさせた後、一定のサンプリング間隔だけ待機し（ステップＳ４１）、電圧が変化したか否かを判断し（ステップＳ４２）、電圧が変化している場合には（ステップＳ４２：ＹＥＳ）、電圧変化率が閾値より大きいか否かを判断する（ステップＳ４３）。電圧が変化し、かつ、電圧変化率が閾値より大きい場合に、交流電源の位相制御に基づく電圧の立ち上がりであると判断する。ステップＳ４３の閾値は、ステップＳ２３の閾値と同じとする。電圧が立ち上がっていなければ（ステップＳ４３：ＮＯ）、第ｎ区間に相当する時間が経過するまで、サンプリング間隔の待機（ステップＳ４１）と電圧の立ち上がりの判定（ステップＳ４２，Ｓ４３）とを繰り返す。

交流電源の電圧の立ち上がりが検出されれば（ステップＳ４３：ＹＥＳ）、タイマーに示される時間を読み出すことにより、ゼロクロスが検出されたときから電圧の立ち上がりが検出されたときまでの時間Δｔを検出し（ステップＳ４５）、検出された時間Δｔを示す情報をメモリに保存する（ステップＳ４６）。
メモリに保存されている時間Δｔは、以前の半周期中における点灯開始タイミングを示している。したがって、ステップＳ３４からＳ３８までの処理により、以前の半周期中における点灯開始タイミングに達するまでに電圧の立ち上がりが検出された場合には、そのときからＬＥＤの点灯を開始させ、電圧の立ち上がりが検出されずに以前の半周期中における点灯開始タイミングに達すれば、そのときからＬＥＤの点灯を開始させることになる。すなわち、電圧の立ち上がりが検出されなくても、点灯開始タイミングになれば強制的にＬＥＤの点灯制御が開始されることになる（ステップＳ４０−Ｓ５１）。

また、強制的にＬＥＤが点灯制御されているときは、交流電源の電圧の立ち上がりを検出し、立ち上がりが検出されればゼロクロスから立ち上がりまでの時間Δｔをメモリに保存する（ステップＳ４１−Ｓ４６）。これにより、メモリに保存された点灯開始タイミングを最新に保つことができる。
図９に、上記動作を実行したときにおける、交流電源に直列接続されるＬＥＤの個数の時間変化を示す。ＬＥＤの個数の時間変化に併せて、トライアックゲート信号、照明装置への供給電圧およびメモリに保存された情報の時間変化も表す。

図９（ａ）は、調光レベルの設定が最大の場合を示している。トライアック１５を用いた場合には、調光レベルの設定を最大にしても供給電圧はゼロクロスからわずかに遅れて立ち上がる。したがって、この場合においても、位相制御に基づく電圧上昇かサイン波に沿った電圧上昇かを判別することができる。ゼロクロスから電圧の立ち上がりまでの期間では、直列接続されるＬＥＤの個数はゼロである。電圧の立ち上がりから次のゼロクロスまでの期間では、ゼロクロスからの経過時間に応じて直列接続されるＬＥＤの個数が切り替わっている。また、半周期Ｔ１１では、時間Δｔ１を示す情報がメモリに保存され、次の半周期Ｔ１２では、時間Δｔ２を示す情報がメモリに保存される。

図９（ｂ）は、調光レベルの設定が中間値の場合を示している。この場合、位相が９０［ｄｅｇ］に達するまで電圧が立ち上がらず、直列接続されるＬＥＤの個数もゼロである。電圧は位相が９０［ｄｅｇ］のときに立ち上がり、それ以降はゼロクロスからの経過時間に応じて直列接続されるＬＥＤの個数が切り替わる。半周期Ｔ２１では、時間Δｔ１を示す情報がメモリに保存され、次の半周期Ｔ２２では、時間Δｔ２を示す情報がメモリに保存される。

図９では、位相制御回路は正常に動作し、各半周期において正常に位相制御が行われている。次に、位相制御回路が誤動作し、ある半周期において位相制御が正常に働いていない場合について説明する。
図１０は、位相制御回路が誤動作した場合における交流電源に直列接続されるＬＥＤの個数の時間変化を示す。ここでは、調光レベルの設定が中間値の場合において、半周期Ｔ３３で位相制御が正常に働かなかった例を示している。

半周期Ｔ３２では、電圧は位相が９０［ｄｅｇ］のときに立ち上がり、それ以降はゼロクロスからの経過時間に応じて直列接続されるＬＥＤの個数が切り替わる。メモリには、ゼロクロスから電圧の立ち上がりまでの時間Δｔ２を示す情報が保存される。
半周期Ｔ３３では、電圧はサイン波に沿って変化するので、位相制御に基づく電圧の立ち上がりは検出されない。そのままメモリに保存された時間Δｔ２に達すると、それ以降はゼロクロスからの経過時間に応じて直列接続されるＬＥＤの個数が切り替わる。電圧の立ち上がりが検出されていないので、メモリは更新されない。

半周期Ｔ３４では、正常動作に戻り、電圧は位相が９０［ｄｅｇ］のときに立ち上がり、それ以降はゼロクロスからの経過時間に応じて直列接続されるＬＥＤの個数が切り替わる。メモリには、ゼロクロスから電圧の立ち上がりまでの時間Δｔ４を示す情報が保存される。
このように、半周期Ｔ３３では、電圧の立ち上がりが検出されなくても、点灯開始タイミングになれば強制的にＬＥＤが点灯されることになる。しかも、半周期Ｔ３３とその前後の半周期Ｔ３２，Ｔ３４との点灯開始タイミングが同一なので、ちらつきを防止することができる。

図１０では、調光レベルが一定の状態において位相制御回路が誤動作している。次に、調光レベルの上昇中あるいは下降中において位相制御回路が誤動作した場合について説明する。
図１１は、位相制御回路が誤動作した場合における交流電源に直列接続されるＬＥＤの個数の時間変化を示す。

図１１（ａ）は、調光レベルの上昇中において、半周期Ｔ４３で位相制御が正常に働かなかった例を示している。半周期中での電圧の立ち上がりのタイミングが後の半周期になるほど早くなっている。
半周期Ｔ４２では、メモリに保存された時間Δｔ１に達するまでに電圧が立ち上がる。そのため、電圧の立ち上がり以降、ゼロクロスからの経過時間に応じて直列接続されるＬＥＤの個数が切り替わる。メモリには、ゼロクロスから電圧の立ち上がりまでの時間Δｔ２を示す情報が保存される。

半周期Ｔ４３では、電圧はサイン波に沿って変化するので、位相制御に基づく電圧の立ち上がりは検出されない。そのままメモリに保存された時間Δｔ２に達すると、それ以降はゼロクロスからの経過時間に応じて直列接続されるＬＥＤの個数が切り替わる。電圧の立ち上がりが検出されていないので、メモリは更新されない。
半周期Ｔ４４では、メモリに保存された時間Δｔ２に達するまでに電圧が立ち上がる。そのため、電圧の立ち上がり以降、ゼロクロスからの経過時間に応じて直列接続されるＬＥＤの個数が切り替わる。メモリには、ゼロクロスから電圧の立ち上がりまでの時間Δｔ４を示す情報が保存される。

一方、図１１（ｂ）は、調光レベルの下降中において、半周期Ｔ５３で位相制御が正常に働かなかった例を示している。半周期中での電圧の立ち上がりのタイミングが後の半周期になるほど遅くなっている。
半周期Ｔ５２では、電圧が立ち上がるまでにメモリに保存された時間Δｔ１に達する。そのため、時間Δｔ１以降、ゼロクロスからの経過時間に応じて直列接続されるＬＥＤの個数が切り替わる。ただし、時間Δｔ１から時間Δｔ２までは電力供給されないので、直列接続されるＬＥＤの個数が切り替わったとしても、ＬＥＤは消灯したままである。電圧が立ち上がる時間Δｔ２以降は、電力供給されるので、ＬＥＤが点灯する。メモリには、ゼロクロスから電圧の立ち上がりまでの時間Δｔ２を示す情報が保存される。

半周期Ｔ５３では、電圧はサイン波に沿って変化するので、位相制御に基づく電圧の立ち上がりは検出されない。そのままメモリに保存された時間Δｔ２に達すると、それ以降はゼロクロスからの経過時間に応じて直列接続されるＬＥＤの個数が切り替わる。電圧の立ち上がりが検出されていないので、メモリは更新されない。
半周期Ｔ５４では、電圧が立ち上がるまでにメモリに保存された時間Δｔ２に達する。そのため、時間Δｔ２以降、ゼロクロスからの経過時間に応じて直列接続されるＬＥＤの個数が切り替わる。ただし、時間Δｔ２から時間Δｔ４までは電力供給されないので、ＬＥＤは消灯したままである。電圧が立ち上がる時間Δｔ４以降は電力供給されるので、ＬＥＤが点灯する。メモリには、ゼロクロスから電圧の立ち上がりまでの時間Δｔ４を示す情報が保存される。

このように、調光レベルの上昇中または下降中に位相制御回路が誤動作した場合でも、ある程度ちらつきを防止することができる。なお、図１０では、分かりやすくするため、電圧の立ち上がりのタイミングの時間変化が極端に描かれている。
上記構成によれば、半周期中に位相制御が正常に働かない場合があっても、明るさのちらつきが生じるのを防止することができる。なお、位相制御回路の誤動作の原因としては、電源ノイズの他に、位相制御回路と照明装置の適合性の問題が挙げられる。ＬＥＤを用いた照明装置は、白熱電球に比べて約１／１０の電力で同じ明るさを得ることができる。既存の照明器具に内蔵された位相制御回路は、白熱電球が装着されることを前提として設計されているので、ＬＥＤを用いた照明装置を装着すると、設計値の約１／１０しか負荷電流が流れないことになる。この場合に、トライアックの動作が不安定となることがある。これを解消するには、例えば、トライアックよりも負荷側に抵抗素子等を接続し、敢えて負荷電流を大きくすることが考えられるが、無意味に電力を消費することとなってしまう。本実施形態の照明装置であれば、そのような無意味な電力消費を招くことなく、明るさのちらつきが生じるのを防止することができる。

また、上記構成によれば、電圧の位相が９１［ｄｅｇ］から１８０［ｄｅｇ］までの範囲（交流電源の半周期の後半に相当）では、位相の増加に応じて直列接続されるＬＥＤの個数が減少する。このように電圧の瞬時値が低下してもその電圧に適した個数のＬＥＤを点灯させることができるので、低照度領域においても調光レベルを微調整することができる。

上述の通り、本実施形態では、半周期に含まれる区間毎にＬＥＤの個数が定められ、タイマーに示される時間が各区間の始期に達するたびに、区間毎に定められた個数のＬＥＤを直列接続させている。これに対し、別の制御方法として、交流電源の電圧瞬時値を検出し、電圧瞬時値に応じた個数のＬＥＤを直列接続させる方法が考えられる。ところが、電圧瞬時値を利用する方法では、交流電源の電圧が公差の範囲内で低下した場合、ＬＥＤ８やＬＥＤ７に含まれるＬＥＤが常時不点灯になることがある。これは、発光モジュールのある特定の箇所が常時不点灯になることから、照度むらの原因となる。また、電源ノイズの影響により交流電源の電圧が瞬間的に変動した場合、マイコンの演算処理が間に合わずに動作が不安定になることがある。一方、本実施形態のように時間に応じてＬＥＤの個数を切り替える場合には、そのような問題がない。

以上、本発明に係る照明装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
（１）実施形態では、配線に４５個のＬＥＤが直列に挿入されており、ノードＮ０がダイオードブリッジＤＢ２のプラス端子に接続され、ノードＮ１−Ｎ８がそれぞれ別個のスイッチ素子ＦＥＴ１−ＦＥＴ８を介してダイオードブリッジＤＢ２のマイナス端子に接続されている。しかしながら、本発明は、複数の発光素子と少なくとも１つのスイッチ素子とを含み、スイッチ素子のオンオフにより交流電源に直列に接続される発光素子の個数が切り替わるように構成された回路であれば、これに限らない。例えば、ダイオードブリッジＤＢ２のプラス端子とマイナス端子との間に８本の配線を並列に設け、各配線に１または複数のＬＥＤを直列に挿入すると共にスイッチ素子を挿入し、配線毎に直列に挿入されるＬＥＤの個数を異ならせたものとしてもよい。また、４５個のＬＥＤに対し４５個のスイッチ素子を設け、直列接続されるＬＥＤの個数を１個単位で切り替え可能な回路構成としてもよい。
（２）実施形態では、ダイオードブリッジＤＢ２により交流電圧を全波整流し、全波整流された電圧をＬＥＤのアレイに供給しているが、本発明は、これに限らない。例えば、図１２に示すように、ダイオードブリッジＤＢ２を排除し、正負の交流電圧をそのままＬＥＤのアレイに供給することとしてもよい。正極点灯回路（ＬＥＤ１−ＬＥＤ８）において、ＦＥＴ１−ＦＥＴ８の各ソース端子はノードＮ２２に接続されている。また、負極点灯回路（ＬＥＤ９−ＬＥＤＧ）において、ＦＥＴ９−ＦＥＴ１６の各ソース端子はノードＮ２１に接続されている。すなわち、正極点灯回路と負極点灯回路とが交流電源に逆並列に接続されている。マイコン２２は、交流電源の電圧が正の半周期では、ＦＥＴ１−８を順次オンにしつつ、ＦＥＴ９−１６の何れもオフとする。一方、交流電源の電圧が負の半周期では、ＦＥＴ９−１６を順次オンにしつつ、ＦＥＴ１−８の何れもオフとする。

これによれば、ＬＥＤの半分が半周期中に消灯していることから、熱ストレスの低減が可能となる。また、ダイオードブリッジＤＢ２を排除しているので、部品点数を削減することができる。これらのことから、さらなる小型化と長寿命化を図ることができる。
（３）実施形態では、半周期を１６区間に区分しているが、本発明は、これに限らない。区間の数を多くすれば、区間が切り替わる際の輝度の変動を抑制することができる。また、区間の数を少なくすれば、処理速度の低い廉価なマイコンを利用することができる。
（４）実施形態では、半周期の各区間を略等間隔にしているが、本発明は、これに限らない。例えば、位相変化に対して電圧変化が大きな領域（位相０−４５［ｄｅｇ］）では区間間隔を短くし、位相変化に対して電圧変化が小さな領域（位相４６−９０［ｄｅｇ］）では区間間隔を長くするなどしてもよい。これにより、区間が切り替わる際の輝度の変動を抑制することができる。例として、連続する２つの区間でＬＥＤの個数の差が大きい場合に（例えば、ＬＥＤ１とＬＥＤ２と８個の差）、これらの区間をさらに細かく２分すれば、輝度差は１／２に半減されることになる。特に、ゼロクロス点直後からの電圧の立ち上がりが急峻なところを細分化すると効果的である。
（５）実施形態では、電球形の照明装置としているので、トライアックが照明装置の外部に存在しているが、本発明は、これに限らない。例えば、トライアックを内蔵する照明装置としてもよい。この場合、簡易な構成で調光を実現することができる。
（６）実施形態では、ゼロクロス点からの電圧の立ち上がり検出をマイコンのアナログ入力端子で電圧変化を見ながら検出しているが、デジタル入力端子を用いて、ある閾値電圧による検出としてもよい。この場合、マイコンにアナログ入力端子を必要にしないため、安価なマイコンを使用することができる。
（７）実施形態では、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２をダイオードブリッジＤＢ２よりも交流電源側に配し、交流電圧を検出することとしているが、本発明は、これに限らない。例えば、ダイオードブリッジＤＢ２よりも負荷側に分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２を配し、全波整流された交流電圧を検出することとしてもよい。また、実施形態では、電圧検出には分圧抵抗による比電圧を検出する方法が採用されているが、これに限らず、ツェナーダイオードとフォトカプラによる微分検出方法を採用することとしてもよい。
（８）実施形態では、電圧の立ち上がりが検出されるたびに、メモリに保存された時間Δｔを示す情報を更新しているが、本発明は、これに限らない。例えば、メモリに保存された時間Δｔを示す情報を固定的としてもよい。時間Δｔが固定的であっても、半周期中の全期間に発光素子が消灯あるいは点灯してしまうという事態を回避することは可能である。
（９）実施形態では、動作フローにより順次処理を実行しているが、処理速度を上げるために、ゼロクロス検出による割込み処理によるマルチタスク制御にしてもよい。但し、ゼロクロス割込みでは稀に発生の可能性がある異常信号などによる不定期のゼロクロスにより誤動作を招くおそれがあるため、動作フロー初期で検出した周波数情報を用いて、不定期に生じるゼロクロスはゼロクロスとして検出しないようにすることとしてもよい。
（１０）実施形態では、１つの区間を１０に分割して得られる間隔をサンプリング間隔としているが、本発明はこれに限らない。例えば、点灯と消灯のタイミングの精度を上げるために、分割数を１００や１０００などに増やしてもよい。
（１１）トライアック１５は、２次側に負荷が接続されているときに動作が安定する。ＬＥＤが点灯している期間には点灯しているＬＥＤが負荷となるのでトライアック１５が安定動作することができる。一方、ＬＥＤが消灯している期間にはＬＥＤ１−ＬＥＤ８の何れも負荷として働かないのでトライアック１５の動作が不安定になるおそれがある。そこで、ＬＥＤが消灯している期間でもトライアック１５を安定動作させるために、トライアック１５の２次側に抵抗や発光素子やダイオードを直列か並列に挿入し、数十［ｍＡ］の負荷電流を流すようにしてもよい。

なお、この抵抗や発光素子やダイオードの負荷は、常時接続されることとしてもよいが、ＬＥＤが消灯している期間だけ接続されるようにするのが消費電力低減の観点から好ましい。ＬＥＤが消灯している期間だけ接続するには、例えば、スイッチ素子を介して負荷を接続しておき、ＬＥＤが消灯している期間だけスイッチ素子がオンになるようにマイコンで制御することにより実現できる。

なお、負荷の接続箇所は、トライアックの２次側であればよく、ダイオードブリッジの１次側（交流側）でもよいし、ダイオードブリッジの２次側（脈流側）でもよい。

本発明は、例えば、一般照明に利用可能である。

本発明の実施形態に係る電球形の照明装置の概略構成を示す一部切り欠き図 本発明の実施形態に係る照明回路の構成を示す回路図 マイコンの内部構成を示すブロック図 ＲＯＭに記憶されているテーブルを示す図 図４に記憶されたテーブルに従ってＦＥＴのオンオフ制御をした場合における、交流電源ＡＣに直列接続されるＬＥＤの個数の変化を示す図 マイコンの動作を示すフロー図 マイコンの動作を示すフロー図 交流電源の周期と電圧のサンプリング間隔との関係を示す図 マイコンの動作により交流電源に直列接続されるＬＥＤの個数の時間変化を示す図 マイコンの動作により交流電源に直列接続されるＬＥＤの個数の時間変化を示す図 マイコンの動作により交流電源に直列接続されるＬＥＤの個数の時間変化を示す図 ＬＥＤ構成の変形例を示す回路図

１ 照明装置
２ ケース
３ Ｅ型口金
４ 点灯装置
５ ヒートシンク
６ 発光モジュール
６ａ 基板
６ｂ ＬＥＤ
６ｃ 樹脂成型部材
７ グローブ
１０ 照明回路
１１ 直流電源部
１２，２２ マイコン
１３ 切替スイッチ
１４ ポリスイッチ
１５ トライアック
１２１ アナログデジタルコンバータ
１２２ タイマー
１２３ ＣＰＵ
１２４ ＲＯＭ
１２５ ＲＡＭ
１２６ 入力ポート
１２７ 出力ポート

Claims (10)

1. 交流電源から位相制御回路を介して電力供給を受ける照明装置であって、
   複数の発光素子と少なくとも１つのスイッチ素子とを含み、前記スイッチ素子のオンオフにより前記交流電源に直列に接続される発光素子の個数が切り替わるように構成された回路と、
   前記交流電源の半周期中における、調光レベルに応じた点灯開始タイミングを示す情報を保存しているメモリと、
   前記交流電源の電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、
   前記交流電源の位相制御に基づく電圧の立ち上がりを検出する立ち上がり検出手段と、
   前記点灯開始タイミングに達するまでに前記交流電源の電圧の立ち上がりが検出された場合に、その時点から次にゼロクロスが検出されるまでの期間に、前回ゼロクロスが検出されたときからの経過時間に応じて、前記交流電源の半周期の前半では前記交流電源に直列に接続される発光素子の個数が増加し、前記交流電源の半周期の後半では前記交流電源に直列に接続される発光素子の個数が減少する傾向となるように、前記スイッチ素子のオンオフを制御し、
   前記交流電源の電圧の立ち上がりが検出されずに前記点灯開始タイミングに達した場合に、その時点から次にゼロクロスが検出されるまでの期間に、前記傾向と同じ傾向で、前記スイッチ素子のオンオフを制御するスイッチ制御手段と
   を備えることを特徴とする照明装置。
2. 前記交流電源の電圧の立ち上がりが検出された場合に、前記交流電源の電圧のゼロクロスが検出された時点から当該電圧の立ち上がりが検出された時点までの時間を示す情報を、次の半周期における点灯開始タイミングを示す情報として、前記メモリに保存するメモリ制御手段をさらに備えること
   を特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記立ち上がり検出手段は、前記交流電源の電圧が上昇したとき、電圧の変化率が閾値以上であれば、位相制御に基づく電圧の立ち上がりであると判定すること
   を特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記回路は、さらに、前記交流電源に接続されたダイオードブリッジを含み、前記複数の発光素子は配線に直列に挿入されており、前記配線の一端が前記ダイオードブリッジのプラス端子に接続され、前記配線の他端と前記配線の一端から他端までの複数の分岐点とがそれぞれ別個のスイッチ素子を介して前記ダイオードブリッジのマイナス端子に接続されており、
   前記スイッチ制御手段は、
   前記交流電源に直列に接続される発光素子の個数を増加させる場合には、前記配線の一端から他端に向かう順番にスイッチ素子を選択的にオンしていき、前記交流電源に直列に接続される発光素子の個数を減少させる場合には、前記配線の他端から一端に向かう順番にスイッチ素子を選択的にオンしていくこと
   を特徴とする請求項１に記載の照明装置。
5. 前記スイッチ制御手段は、
   前記交流電源の半周期の前半の最後および前記交流電源の半周期の後半の最初に何れかのスイッチ素子をオンする場合には、前記配線の他端と前記ダイオードブリッジのマイナス端子との間にあるスイッチ素子をオンすること
   を特徴とする請求項４に記載の照明装置。
6. 前記複数の発光素子の総数をＮ［個］、交流電源の電圧実効値をＶｅｆｆ［Ｖ］、発光素子単体に仕様電流を流したときに誘起される電圧をＶｆ［Ｖ］としたとき、
   Ｎ＝Ｖｅｆｆ×１．１×√２／Ｖｆ
   が満たされていること
   を特徴とする請求項５に記載の照明装置。
7. さらに、前記交流電源の電圧のゼロクロスが検出されたときにリセットされるタイマーと、
   前記交流電源の電圧のゼロクロスが検出されたときからの経過時間と前記交流電源に直列に接続される発光素子の個数とを対応付けており、前記交流電源の半周期の前半には経過時間が長くなるほど直列に挿入すべき発光素子の個数が増加する傾向を示し、前記交流電源の半周期の後半には経過時間が長くなるほど直列に挿入すべき発光素子の個数が減少する傾向を示すテーブルを保持する保持手段とを備え、
   前記スイッチ制御手段は、
   前記交流電源の電圧の立ち上がりが検出されたときから次に電圧のゼロクロスが検出されるまでの期間に、前記タイマーに示される経過時間が前記交流電源の半周期中に複数設定された所定タイミングに達するたびに、前記テーブルを参照し、該当するタイミングに対応する個数の発光素子が前記交流電源に直列に接続されるように前記スイッチ素子のオンオフを制御すること
   を特徴とする請求項１に記載の照明装置。
8. 前記回路は、さらに、前記交流電源と前記複数の発光素子とを結ぶ配線に挿入された過電流保護素子を含むこと
   を特徴とする請求項１に記載の照明装置。
9. さらに、動作地域の周波数を検出する周波数検出手段を備え、
   前記ゼロクロス検出手段は、検出された周波数を用いて、不定期に発生するゼロクロスについてはゼロクロスとして検出しないこと
   を特徴とする請求項１に記載の照明装置。
10. 前記回路において、前記スイッチ素子は、制御回路と絶縁されていること
    を特徴とする請求項１に記載の照明装置。

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