JP5906408B2 - 照明光通信装置及びそれを用いた照明器具、並びに照明システム - Google Patents

照明光通信装置及びそれを用いた照明器具、並びに照明システム Download PDF

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Description

本発明は、照明光の強度を変調することで可視光通信を行う照明光通信装置及びそれを用いた照明器具、並びに照明システムに関する。
近年、照明光を用いて自由空間に各種の情報を伝送する可視光通信機能を搭載した照明器具が提案されており、例えば特許文献1に開示されている。特許文献1に記載の照明器具は、半導体発光素子である発光ダイオードを配設した発光部基板と、発光部基板に接続されて発光ダイオードを点灯制御する点灯回路基板と、発光ダイオードを可視光通信制御する可視光通信制御基板とを具備している。可視光通信制御基板は、点灯回路基板と発光部基板との間に接続可能に分離配置されるので、この従来例では、可視光通信機能を搭載する照明器具と搭載しない照明器具の設計を共通化することができる。
特開2011−34713号公報
ところで、上記従来例のような可視光通信は、伝送したい情報信号(通信信号)に合わせて照明光の強度を変調することにより行われる。すなわち、送信側の照明光通信装置では、発光ダイオードを光源とする光源部を点滅させることで通信信号を照明光に重畳する。そして、受信側の受信器では、通信信号のパルスが重畳されていない光強度と、通信信号のパルスが重畳された光強度との差分を検出することで、通信信号を受信する。
上述のように照明光の強度を変調する際には、光強度の差分を検出し易いように、例えば変調度50%で、すなわち、負荷電流の最大値の50%が負荷電流の最小値となるように光強度を変調する。ここで、上記のように変調度を一定にして光強度を変調する場合には、調光が浅い場合には負荷電流の最大値と最小値との差分が大きいために検出し易く、問題ない。しかしながら、調光が深い場合には、負荷電流の最大値と最小値との差分が小さくなることから当該差分を検出し難くなり、通信信号の受信が困難となって良好な通信を維持することができないという問題があった。
本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、調光が深い場合にも良好な通信を維持することのできる照明光通信装置及びそれを用いた照明器具、並びに照明システムを提供することを目的とする。
本発明の照明光通信装置は、発光素子から成る光源部と、前記光源部を流れる負荷電流を一定に保ち且つ調光信号に基づいて前記負荷電流を制御する電源部と、前記光源部に直列に接続されてインピーダンスを可変とするインピーダンス要素と、前記インピーダンス要素と並列に接続されて前記インピーダンス要素を前記光源部に接続するか否かを切り替えるスイッチ要素と、前記スイッチ要素のオン/オフを制御することで前記光源部の出力する照明光の光強度を変調して2値の通信信号を重畳させる制御部とを備え、前記制御部は、前記通信信号のパルスを重畳した場合における前記負荷電流の大きさと、重畳しない場合における前記負荷電流の大きさとの差分が、前記負荷電流の最大値が前記差分よりも小さくならない範囲において、前記調光信号の調光率に依らず一定となるように前記インピーダンス要素のインピーダンスを制御することを特徴とする。
本発明の照明光通信装置は、発光素子から成る光源部と、前記光源部を流れる負荷電流を一定に保ち且つ調光信号に基づいて前記負荷電流を制御する電源部と、前記光源部に直列に接続されてインピーダンスを可変とするインピーダンス要素と、前記インピーダンス要素と並列に接続されて前記インピーダンス要素を前記光源部に接続するか否かを切り替えるスイッチ要素と、前記スイッチ要素のオン/オフを制御することで前記光源部の出力する照明光の光強度を変調して2値の通信信号を重畳させる制御部とを備え、前記制御部は、前記調光信号の調光率が所定の調光率以上の領域では、前記光源部の光強度の変調度を一定に保つように前記インピーダンス要素のインピーダンスを制御し、前記所定の調光率以下の領域では、前記通信信号のパルスを重畳した場合における前記負荷電流の大きさと、重畳しない場合における前記負荷電流の大きさとの差分が、前記負荷電流の最大値が前記差分よりも小さくならない範囲において、前記調光信号の調光率に依らず一定となるように前記インピーダンス要素のインピーダンスを制御することが好ましい。
この照明光通信装置において、前記制御部は、前記所定の調光率以下の領域では、前記光源部を流れる負荷電流の単位時間当たりのオンデューティ比を変化させることで前記光源部の調光を行うことが好ましい。
この照明光通信装置において、前記インピーダンス要素は、1乃至複数のスイッチング素子と1乃至複数のインピーダンス素子との直列回路又は並列回路、若しくはこれらの組み合わせから構成され、前記スイッチング素子のオン/オフを制御することでインピーダンスを変化させることが好ましい。
本発明の照明器具は、上記何れかの照明光通信装置を保持する器具本体を備えることを特徴とする。
本発明の照明システムは、上記何れかの照明光通信装置と、前記照明光通信装置から送信される前記通信信号を受信する受信器とを備えることを特徴とする。
本発明は、調光が深い場合にも良好な通信を維持することができるという効果を奏する。
本発明に係る照明光通信装置の実施形態1を示す図で、(a)は回路概略図で、(b)は調光率に応じた負荷電流の波形図である。 同上の照明光通信装置の回路の要部概略図である。 同上の照明光通信装置における可視光通信の説明図である。 本発明に係る照明光通信装置の実施形態2を示す調光率に応じた負荷電流の波形図である。 本発明に係る照明光通信装置の実施形態3を示す図で、(a)は回路概略図で、(b)は調光率に応じた負荷電流の波形図で、(c)はPWM制御時における調光率に応じた負荷電流の波形図である。 (a)〜(c)は本発明に係る照明器具の実施形態を示す図である。 本発明に係る照明システムの実施形態を示す図で、(a)は概略図で、(b)は受信器の概略図である。
(実施形態1)
以下、本発明に係る照明光通信装置の実施形態1について図面を用いて説明する。本実施形態は、図1(a)に示すように、直流電源1を入力とするDC−DCコンバータ2と、ダイオードを含む整流回路3と、平滑コンデンサC1とを備える。DC−DCコンバータ2は、直流電源1からの直流電圧を例えばMOSFETから成るスイッチング素子Q1でスイッチングし、その出力が整流回路3及び平滑コンデンサC1で整流及び平滑化されることにより、所定の電圧値の直流電圧に変換される。
DC−DCコンバータ2の出力端間、すなわち、平滑コンデンサC1の両端間には、複数個の発光ダイオード(発光素子)LD1から成る光源部4と電流検出抵抗5とが直列に接続されている。電流検出抵抗5の一端には、誤差増幅器A1の反転入力端子が接続されている。したがって、誤差増幅器A1の反転入力端子には、電流検出抵抗5の一端の電位が入力される。誤差増幅器A1の非反転入力端子には、基準電圧源E1を介して電流検出抵抗5の他端が接続されている。したがって、誤差増幅器A1は、電流検出抵抗5の電圧降下分と基準電圧源E1の電源電圧との差分を増幅した信号を出力制御部7に出力する。
出力制御部7では、誤差増幅器A1から入力されるフィードバック信号、及び外部から与えられる調光信号に基づいて、スイッチング素子Q1のオン/オフを制御する。これにより、出力制御部7は、光源部4を流れる負荷電流I1を一定に保ち且つ調光信号に基づいて負荷電流I1を制御する。
なお、誤差増幅器A1の出力端子と反転入力端子との間には、積分要素である抵抗R1及びコンデンサC2から成る位相補償回路6Aが接続されている。位相補償回路6Aは、低周波領域での利得を上げるとともに、高周波領域での利得を抑制しながら、帰還信号の位相を調整している。これら誤差増幅器A1及び位相補償回路6Aにより、定電流フィードバック回路6が構成されている。
すなわち、本実施形態では、上記の直流電源1、DC−DCコンバータ2、整流回路3、平滑コンデンサC1、電流検出抵抗5、定電流フィードバック回路6、出力制御部7により、光源部4を流れる負荷電流I1を制御する電源部を構成している。
光源部4には、インピーダンス要素Z1及びスイッチング素子Q2(スイッチ要素)の並列回路が直列に接続されている。スイッチング素子Q2は、例えばMOSFETから成り、外部から入力される通信信号によってオン/オフされる。インピーダンス要素Z1は、例えば可変抵抗などの複数のインピーダンス素子(図示せず)から構成され、外部から入力される選択信号によってインピーダンスが変化するように構成される。例えば、インピーダンス要素Z1は、各インピーダンス素子と、図示しない1乃至複数のスイッチング素子との直列回路又は並列回路、若しくはこれらの組み合わせから構成される。そして、インピーダンス要素Z1は、各スイッチング素子を選択信号に基づいて適宜オン/オフ制御することでインピーダンスを変化させることができる。
したがって、本実施形態では、通信信号に基づいてスイッチング素子Q2のオン/オフを制御することにより、インピーダンス要素Z1が光源部4に接続されるか否かを切り替えることができる。これにより、光源部4を流れる負荷電流I1、すなわち光源部4の光強度を変化させることができるので、光源部4の光強度に変調を付与することができる。また、上述のように、選択信号に基づいてインピーダンス要素Z1のインピーダンスを変化させることができるので、光源部4を流れる負荷電流I1、すなわち光源部4の光強度の変調幅を微調整することができる。
また、本実施形態には、図2に示すように、光源部4の調光率を検出する調光率検出回路8と、通信信号を生成する通信信号生成回路9とが設けられている。調光率検出回路8は、光源部4の負荷電圧又は負荷電流に基づいて光源部4の調光率を検出し、検出した調光率に基づく選択信号を生成してインピーダンス要素Z1に出力する。すなわち、調光率検出回路8は、検出した調光率に基づいてインピーダンス要素Z1のインピーダンスを可変制御する。
通信信号生成回路9は、2値の通信信号を生成してスイッチング素子Q2に出力する。なお、通信信号生成回路9は、外部の装置(図示せず)から入力される送信信号に基づいて2値の通信信号を生成する構成であってもよい。すなわち、本実施形態では、調光率検出回路8と通信信号生成回路9とで、スイッチング素子Q2のオン/オフを制御することで光源部4の出力する照明光に通信信号を重畳させる制御部を構成している。
以下、本実施形態における可視光通信の動作について説明する。本実施形態では、通信信号により光源部4の光強度を変調することで可視光通信を行っているが、その変調方式としては、4値パルス位置変調(4PPM)方式を採用している。4値パルス位置変調は、図3に示すように、先ずシンボル時間として定義される一定時間を4つのスロットに分割し、これらのスロットのうち何れか1つのスロットにパルスが入力されることにより、2ビットのデータを送信するものである。
例えば、図3に示すように、1シンボル時間における通信信号(4PPM信号)が「1000」であれば「00」のデータを送信することができ、通信信号が「0100」であれば「01」のデータを送信することができる。同様に、1シンボル時間における通信信号が「0010」であれば「10」のデータを送信することができ、通信信号が「0001」であれば「11」のデータを送信することができる。
ここで、通信信号のパルスが重畳されるときに光源部4の光強度を大きくし、パルスが重畳されないときに光源部4の光強度を小さくする方式の場合、1シンボル時間当たりの発光時間が25%となり、照明効率が悪くなる。そこで、本実施形態では、通信信号のパルスが重畳されるときに光源部4の光強度を小さくし、パルスが重畳されないときに光源部4の光強度を大きくする方式を採用している。これにより、1シンボル時間当たりの発光時間を少なくとも75%確保し、照明効率を向上させている。
上記の4値パルス位置変調方式で可視光通信を行う場合には、光源部4の光強度の最大値と最小値との差分が小さければ、受信器(図示せず)側で当該差分を検出し難くなり、通信信号を受信できない虞がある。そこで、本実施形態では、通信信号のパルスを重畳した場合における負荷電流I1の大きさと、重畳しない場合における負荷電流I1の大きさとの差分が、調光率に依らず一定となるようにインピーダンス要素Z1のインピーダンスを制御している。すなわち、例えば図1(b)に示すように、調光率が100%の場合の振幅深さD1(負荷電流I1の最大値と最小値との差分)が調光率の大小に依らず一定となるように、スイッチング素子Q2のオフ時のインピーダンス要素Z1のインピーダンスを制御する。
例えば、調光率が100%の場合における変調度50%での振幅深さD1が調光率に依らず一定となるようにインピーダンス要素Z1のインピーダンスを制御すれば、調光率が50%になるまではこの振幅深さD1を維持することができる。したがって、調光が深い場合でも光源部4の光強度の最大値と最小値との差分を十分に大きくすることができるので、受信器側で当該差分を検出し易く、良好な通信を維持することができる。なお、調光率が50%以下になると振幅深さD1を維持することはできないが、図1(b)に示すように、通信信号の2値が負荷電流I1の有無、すなわち光源部4の点灯・消灯に対応するようになる。このため、受信器側では光強度の有無に基づいて通信信号を容易に検出することができるため、良好な通信を維持することができる。
(実施形態2)
以下、本発明に係る照明光通信装置の実施形態2について図面を用いて説明する。但し、本実施形態の基本的な構成は実施形態1と共通であるので、共通する部位には同一の番号を付して説明を省略する。本実施形態は、図4に示すように、光源部4の調光率が所定の調光率に達すると、光源部4の光強度の変調方式を変更させることに特徴がある。すなわち、本実施形態では、所定の調光率以上の領域では光源部4の光強度の変調度を一定に保ち、所定の調光率以下の領域では光源部4の光強度の振幅深さD2を一定に保つようにインピーダンス要素Z1のインピーダンスを制御する。
例えば、図4に示すように、調光率が40%以上の領域では、調光率の変化に依らず変調度が50%となるようにインピーダンス要素Z1のインピーダンスを制御する。このように調光が深い領域でなければ、従来と同様に変調度を一定とする制御を行っても、光源部4の光強度の最大値と最小値との差分を十分に大きくすることができるので、受信器側で当該差分を検出し易く、良好な通信を維持することができる。
一方、調光率が40%以下の領域では、調光率が40%の場合における変調度50%での振幅深さD2が調光率に依らず一定となるようにインピーダンス要素Z1のインピーダンスを制御する。すなわち、実施形態1と同様に、通信信号のパルスを重畳した場合と重畳しない場合と各々の光源部4を流れる負荷電流I1の大きさの差分が、調光率に依らず一定となるようにインピーダンス要素Z1のインピーダンスを制御する。したがって、調光が深い場合でも光源部4の光強度の最大値と最小値との差分を十分に大きくすることができるので、受信器側で当該差分を検出し易く、良好な通信を維持することができる。
(実施形態3)
以下、本発明に係る照明光通信装置の実施形態3について図面を用いて説明する。但し、本実施形態の基本的な構成は実施形態1と共通であるので、共通する部位には同一の番号を付して説明を省略する。本実施形態は、図5(a)に示すように、平滑コンデンサC1と光源部4との間を繋ぐ経路を開閉する切替回路SW1を光源部4と直列に接続している。切替回路SW1は、調光率検出回路8から与えられる切替信号に基づいてオン/オフが切り替えられる。これにより、光源部4に負荷電流I1が流れる期間(オン時間)と、光源部4に負荷電流I1が流れない期間(オフ時間)とを交互に繰り返す、所謂PWM制御で光源部4を調光することができる。
本実施形態は、図5(b)に示すように、光源部4の調光率が所定の調光率に達すると、光源部4の光強度の変調方式を変更させることに特徴がある。すなわち、本実施形態では、所定の調光率以上の領域では、実施形態2と同様に光源部4の光強度の変調度を一定に保つようにインピーダンス要素Z1のインピーダンスを制御する。そして、所定の調光率以下の領域では、光源部4の光強度の振幅深さD3を一定に保ちつつ、切替回路SW1のオン/オフを制御する。これにより、光源部4を流れる負荷電流I1の単位時間(例えば、1/9600秒)当たりのオンデューティ比を変化させるPWM制御により光源部4の調光を行う。
以下、本実施形態における可視光通信の動作について説明する。本実施形態では、調光率が20%以上の領域では、実施形態2と同様に調光率の変化に依らず変調度が50%となるようにインピーダンス要素Z1のインピーダンスを制御する(図5(b)参照)。このように調光が深い領域でなければ、従来と同様に変調度を一定とする制御を行っても、光源部4の光強度の最大値と最小値との差分を十分に大きくすることができるので、受信器側で当該差分を検出し易く、良好な通信を維持することができる。
一方、調光率が20%以下の領域では、調光率検出回路8が切替回路SW1に切替信号を与えることにより切替回路SW1のオン/オフを切り替える制御を開始することで、PWM制御による光源部4の調光を開始する。このPWM制御時においては、調光率が20%の場合における変調度50%での光源部4の光強度の振幅深さD3が調光率に依らず一定となるようにインピーダンス要素Z1のインピーダンスを制御する。したがって、本実施形態では、負荷電流I1の振幅深さD3を一定に保ちつつ更に深い領域まで調光することができる。
例えば、調光率20%を境にしてPWM制御に切り替えた場合、図5(c)に示すように、負荷電流I1の単位時間当たりのオンデューティ比を小さくすることで調光率を15%、10%、5%と下げることが可能である。また、調光率10%を境にしてPWM制御に切り替えた場合には、図5(c)と同様に負荷電流I1の単位時間当たりのオンデューティ比を小さくしていけば、調光率を7.5%、5%、2.5%と下げることが可能である。また、調光率10%を境にしてPWM制御に切り替える場合には、負荷電流I1の単位時間当たりのオンデューティ比を10%まで小さくすれば、調光率1%まで調光することが可能である。
なお、PWM制御時における切替回路SW1の切替周波数は、重畳させる通信信号の周波数(例えば、9.6kHz)と等しく、PWM制御は通信信号と同期をとって行われる。また、切替周波数は、通信信号の周波数の整数倍に設定してもよい。
以下、本発明に係る照明器具及び照明システムの実施形態について図面を用いて説明する。なお、以下の説明では、図6(b)における上下を上下方向と定めるものとする。先ず、本発明に係る照明器具の実施形態について説明する。本実施形態の照明器具10は、
例えば図6(a)〜(c)に示すように、下面を開口した擂り鉢状の器具本体10Aを備えたダウンライトである。そして、器具本体10Aの内部には、上記何れかの照明光通信装置(図示せず)が保持されている。照明光通信装置が具備する光源部4は、器具本体10A下面の開口を介して外部の空間に臨むように配設されており、外部の空間に向けて照明光を照射する。なお、照明器具10は上記のようなダウンライトに限定される必要は無く、他の構成から成る照明器具であってもよい。
本実施形態では、上記何れかの実施形態の照明光通信装置を用いて可視光通信を行っているので、調光が深い場合にも良好な通信を維持することができる。
次に、本発明に係る照明システムの実施形態について説明する。本実施形態は、図7(a)に示すように、上記何れかの実施形態の照明光通信装置(図示せず)と、照明光通信装置から送信される通信信号を受信する受信器11とから構成される。なお、本実施形態では、天井に埋設された照明器具10の内部に照明光通信装置が保持されている。
受信器11は、例えば図7(b)に示すように携帯端末から成り、照明器具10から照射される照明光を受光するフォトダイオード11Aを備える。また、受信器11は、例えば液晶ディスプレイ等から成る表示部11Bと、操作部(図示せず)と、フォトダイオード11Aで受光した照明光の光強度に基づいて通信信号を読み取る処理回路(図示せず)とを備える。なお、操作部は、表示部11Bをタッチパネルで構成することにより実現してもよい。また、受信器11は上記の携帯端末に限定される必要はなく、他の構成から成る受信器であってもよい。
したがって、図7(a)に示すように、利用者は受信器11を所持することで、照明器具10の照明範囲内において照明器具10からの照明光に重畳した通信信号を受信することができる。これにより、受信器11では、例えば通信信号に含まれる位置情報を検出し、表示部11Bに画像を表示させたり内蔵のスピーカで音声を出力したりすることで、利用者に現在位置を知らせることができる。勿論、本実施形態の用途は利用者に現在位置を知らせる用途のみに限定される必要は無く、他の用途であってもよい。
また、本実施形態では、上記何れかの実施形態の照明光通信装置を用いて可視光通信を行っているので、調光が深い場合にも良好な通信を維持することができる。
なお、上記各実施形態では、光源部4を構成する発光素子として発光ダイオードLD1を用いているが、これに限定される必要はなく、例えば有機EL素子や半導体レーザ等の他の発光素子を用いてもよい。
1 直流電源(電源部)
2 DC−DCコンバータ(電源部)
3 整流回路(電源部)
4 光源部
5 電流検出抵抗(電源部)
6 定電流フィードバック回路(電源部)
7 出力制御部(電源部)
8 調光率検出回路(制御部)
9 通信信号生成回路(制御部)
LD1 発光ダイオード(発光素子)
Q2 スイッチング素子(スイッチ要素)
Z1 インピーダンス要素

Claims (6)

  1. 発光素子から成る光源部と、前記光源部を流れる負荷電流を一定に保ち且つ調光信号に基づいて前記負荷電流を制御する電源部と、前記光源部に直列に接続されてインピーダンスを可変とするインピーダンス要素と、前記インピーダンス要素と並列に接続されて前記インピーダンス要素を前記光源部に接続するか否かを切り替えるスイッチ要素と、前記スイッチ要素のオン/オフを制御することで前記光源部の出力する照明光の光強度を変調して2値の通信信号を重畳させる制御部とを備え、前記制御部は、前記通信信号のパルスを重畳した場合における前記負荷電流の大きさと、重畳しない場合における前記負荷電流の大きさとの差分が、前記負荷電流の最大値が前記差分よりも小さくならない範囲において、前記調光信号の調光率に依らず一定となるように前記インピーダンス要素のインピーダンスを制御することを特徴とする照明光通信装置。
  2. 発光素子から成る光源部と、
    前記光源部を流れる負荷電流を一定に保ち且つ調光信号に基づいて前記負荷電流を制御する電源部と、
    前記光源部に直列に接続されてインピーダンスを可変とするインピーダンス要素と、
    前記インピーダンス要素と並列に接続されて前記インピーダンス要素を前記光源部に接続するか否かを切り替えるスイッチ要素と、
    前記スイッチ要素のオン/オフを制御することで前記光源部の出力する照明光の光強度を変調して2値の通信信号を重畳させる制御部とを備え、
    前記制御部は、前記調光信号の調光率が所定の調光率以上の領域では、前記光源部の光強度の変調度を一定に保つように前記インピーダンス要素のインピーダンスを制御し、前記所定の調光率以下の領域では、前記通信信号のパルスを重畳した場合における前記負荷電流の大きさと、重畳しない場合における前記負荷電流の大きさとの差分が、前記負荷電流の最大値が前記差分よりも小さくならない範囲において、前記調光信号の調光率に依らず一定となるように前記インピーダンス要素のインピーダンスを制御することを特徴とする照明光通信装置。
  3. 前記制御部は、前記所定の調光率以下の領域では、前記光源部を流れる負荷電流の単位時間当たりのオンデューティ比を変化させることで前記光源部の調光を行うことを特徴とする請求項記載の照明光通信装置。
  4. 前記インピーダンス要素は、1乃至複数のスイッチング素子と1乃至複数のインピーダンス素子との直列回路又は並列回路、若しくはこれらの組み合わせから構成され、前記スイッチング素子のオン/オフを制御することでインピーダンスを変化させることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の照明光通信装置。
  5. 請求項1乃至4の何れか1項に記載の照明光通信装置を保持する器具本体を備えることを特徴とする照明器具。
  6. 請求項1乃至4の何れか1項に記載の照明光通信装置と、前記照明光通信装置から送信される前記通信信号を受信する受信器とを備えることを特徴とする照明システム。
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