JP5962434B2

JP5962434B2 - 調光制御システム

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Publication number: JP5962434B2
Application number: JP2012235396A
Authority: JP
Inventors: 峰雄福井; 剛司杉山
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2032-10-25
Also published as: JP2014086335A

Description

本発明は調光制御システムに係り、詳しくは、照明装置を調光するためのＰＷＭ方式の調光信号を信号線を介して照明装置へ送信する調光器を備えた調光制御システムに関するものである。

従来より、パルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）方式の調光信号を用いて照明装置を調光する技術が使用されている。
この技術では、調光器（調光装置）と照明装置（照明器具）を接続する信号線が長くなると、照明装置の明るさが低下するという問題がある。
この問題の原因は、信号線の寄生容量と照明装置の入力抵抗とによって生じる時定数により、信号線を伝送される矩形波である調光信号の立下がりが緩やかになってしまい、調光器が設定した調光信号のデューティ比よりも、照明装置が信号線から受信する調光信号のデューティ比が大きくなることにある。
そのため、この問題は信号線が長くなるほど顕著になる。

ところで、特許文献１には、パルス信号の電圧の立下がりを急峻にする技術が開示されている。
また、特許文献２には、バイアス電流の立下がりを低レベルより低くするピーキングを行うことにより、ＬＥＤの発光出力の立下がりを急峻にする技術が開示されている。

特開２０１２−１０９４５３号公報特開２００３−１６３３７７号公報

特許文献１および特許文献２の技術を利用すれば、信号線を伝送される調光信号の立下がりを急峻にすることが可能であり、前記問題を解決できる。
しかし、特許文献１および特許文献２の技術では、調光信号の立下がりを急峻にするための専用回路が必要である。
そのため、特許文献１および特許文献２の技術を利用した調光制御システムでは、前記専用回路の分だけシステム全体の構成が複雑化して高コストになるという問題がある。

本発明は前記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、調光器と照明装置を接続する信号線の寄生容量の影響を回避して、照明装置を設定された明るさに確実に調光することが可能な調光制御システムを簡潔な構成で低コストに提供することにある。

本発明者らは前記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、下記のように本発明の各局面に想到した。

＜第１の局面＞
第１の局面は、
照明装置と、
前記照明装置が有する光源を調光するためのＰＷＭ方式の調光信号を生成し、その調光信号を信号線を介して前記照明装置へ送信する調光器と
を備えた調光制御システムであって、
前記調光器は、
前記光源の明るさを設定する設定手段と、
前記調光器から送信された前記調光信号を検出する検出手段と、
前記設定手段により設定された前記明るさに基づいて生成した第１調光信号と、前記検出手段が検出した前記調光信号である第２調光信号とに基づいて、第１調光信号に対する第２調光信号の立下がりのターンオフ遅れ時間を算出し、そのターンオフ遅れ時間に基づいて第１調光信号を補正し、その補正した第１調光信号を前記調光信号として前記信号線に送信する制御手段とを備える。

第１の局面では、設定手段により設定された光源の明るさに基づいて生成した第１調光信号と、補正した第１調光信号を検出手段が検出した第２調光信号（補正した第２調光信号）とが同じ波形になる。
照明装置が信号線から受信する調光信号は、補正した第２調光信号と同じである。
その結果、設定手段により設定された光源の明るさに基づいて制御手段が生成した第１調光信号のデューティ比（目標のデューティ比）と、照明装置が信号線から受信する補正した第２調光信号のデューティ比（実際のデューティ比）とが等しくなり、光源の明るさを設定手段によって設定された明るさに等しくすることができる。

従って、第１の局面によれば、信号線の寄生容量の影響を回避して、照明装置を設定された明るさに確実に調光することができる。
そして、第１の局面では、調光信号の立下がりを急峻にするための専用回路を用いないため、システム全体の構成が簡潔になり、調光制御システムを低コストに提供できる。

＜第２の局面＞
第２の局面は、第１の局面において、前記検出手段は、前記調光信号を検出する際に用いる前記調光信号のレベル判定のためのしきい値電圧を可変して設定するための可変手段を備える。

調光信号を検出する際に用いる調光信号のレベル判定のためのしきい値電圧は、照明装置のメーカーや機種などによりその電圧値が異なる。
そのため、前記しきい値電圧を予め固定値に設定した場合には、実際の照明装置の前記しきい値電圧が固定値と異なることがあり、正確な調光制御ができないおそれがある。
そこで、第２の局面では、可変手段を備えておき、調光制御システムのユーザーが、照明装置の光源の実際の明るさを観察しながら、しきい値電圧を可変して設定し直すことにより、照明装置のメーカーや機種などに応じて、調光制御を最適化することができる。

＜第３の局面＞
第３の局面は、第１の局面において、前記検出手段は、前記調光信号を検出する際に用いる前記調光信号のレベル判定のためのしきい値電圧を、前記調光信号の時間変位に基づいて検出する。

第３の局面では、検出手段が調光信号の時間変位に基づいてしきい値電圧を検出し、そのしきい値電圧を用いて調光信号を検出することにより、照明装置のメーカーや機種などに応じて、調光制御を最適化することができる。

図１（Ａ）は、本発明を具体化した一実施形態の調光制御システム１０の構成を示すブロック図。図１（Ｂ）は、従来の調光制御システム１００の構成を示すブロック図。調光制御システム１０の構成を示すブロック回路図。調光制御システム１０の各部の調光信号Ｓ１〜Ｓ３の波形を示す波形図。調光制御システム１０の各部の調光信号Ｓ１’〜Ｓ３’の波形を示す波形図。調光制御システム１０の各部の調光信号Ｓ１〜Ｓ３，Ｓ１’〜Ｓ３’の波形を示す波形図。本発明を具体化した別の実施形態の調光制御システム５０の構成を示すブロック図。

図１（Ａ）および図２に示すように、本実施形態の調光制御システム１０は、信号線（信号伝送路）１１を介して接続された調光器２０および照明装置３０を備える。
調光器２０は、照度設定回路２１、調光制御回路２２、調光信号送出回路２３、調光信号検出回路２４を備える。
照明装置３０は、調光信号検出回路３１、電力制御回路（駆動回路）３２、ＬＥＤ３３を備える。

信号線１１は、調光信号Ｓを伝送可能であれば、どのような信号線（例えば、平行線、ツイストペアケーブル、同軸ケーブルなど）によって具体化してもよい。
照度設定回路２１は、照明装置３０のＬＥＤ３３の明るさを設定する。
尚、照度設定回路２１による明るさの設定は、例えば、照明装置３０が設置されている室内の明るさを検出して当該明るさを一定に維持するように設定したり、調光制御システム１０のユーザーが所望の明るさに設定する、などの方法によって行えばよい。

調光制御回路２２は、照度設定回路２１によって設定されたＬＥＤ３３の明るさと、調光信号検出回路２４の検出結果とに基づいて、照明装置３０のＬＥＤ３３を調光するためのＰＷＭ方式の調光信号Ｓを生成する。
尚、調光制御回路２２は、マイクロコンピュータを用いて具体化すればよい。
調光信号送出回路２３は、調光制御回路２２が生成した調光信号Ｓを、信号線１１を介して照明装置３０へ送信する。
調光信号検出回路２４は、調光信号送出回路２３から送信された調光信号Ｓを検出する。

調光信号検出回路３１は、調光器２０から信号線１１を介して送信されてくる調光信号Ｓを検出する。
電力制御回路３２は、調光信号検出回路３１が検出した調光信号ＳをＰＷＭ方式により復調して調光用データであるデューティ比DUTY（復調結果）を取得し、そのデューティ比DUTYに基づいて、ＬＥＤ３３に供給される電力を制御することにより、ＬＥＤ３３を点灯駆動する。
尚、調光制御回路２２が生成した調光信号Ｓに「Ｓ１」、調光信号送出回路２３が送信した調光信号Ｓに「Ｓ２」、調光信号検出回路２４，３１が検出した調光信号Ｓに「Ｓ３」と符号を付して区別する。

図２に示すように、調光信号送出回路２３は、オープンコレクタ方式の出力回路であり、ＰＮＰトランジスタＱ１およびＮＰＮトランジスタＱ２を備える。
トランジスタＱ２のエミッタは調光器２０内のアースに接続され、トランジスタＱ２のコレクタはトランジスタＱ１のベースに接続され、トランジスタＱ２のベースに調光制御回路２２が生成した調光信号Ｓ（Ｓ１）が印加される。
トランジスタＱ１のエミッタは直流電源Ｖccに接続され、トランジスタＱ１のコレクタは調光器２０の高電位側出力端子２０ａに接続される。
調光器２０の低電位側出力端子２０ｂは、調光器２０内のアースに接続される。
各出力端子２０ａ，２０ｂは信号線１１に接続され、各出力端子２０ａ，２０ｂから信号線１１を介して調光信号Ｓ（Ｓ２）が送信される。
信号線１１は寄生容量Ｃｐを有する。

図２に示すように、調光信号検出回路３１は、フォトカプラＦＫおよび抵抗Ｒ１，Ｒ２を備える。
フォトカプラＦＫは、フォトダイオードＰＣおよびＮＰＮフォトトランジスタＱ３を備える。
フォトダイオードＰＣのアノードは抵抗Ｒ１から信号線１１を介して調光器２０の出力端子２０ａに接続され、フォトダイオードＰＣのカソードは信号線１１を介して調光器２０の出力端子２０ｂに接続される。
フォトトランジスタＱ３のエミッタは照明装置３０のアースに接続され、フォトトランジスタＱ３のコレクタは抵抗Ｒ２を介して直流電源Ｖccに接続される。
そして、フォトトランジスタＱ３のコレクタから、調光信号検出回路３１が検出した調光信号Ｓ（Ｓ３）が出力される。

調光器２０の調光信号検出回路２４の構成は、照明装置３０の調光信号検出回路３１と同一である。
そのため、調光信号検出回路２４が検出した調光信号Ｓは、調光信号検出回路３１が検出した調光信号Ｓ３と同一になる。

図１（Ｂ）に示すように、従来の調光制御システム１００において、本実施形態の調光制御システム１０の構成と異なるのは、調光信号検出回路２４が設けられていない点である。
そのため、調光制御システム１００の調光制御回路２２は、照度設定回路２１によって設定されたＬＥＤ３３の明るさだけに基づいて、照明装置３０のＬＥＤ３３を調光するためのＰＷＭ方式の調光信号Ｓを生成する。

図３（Ａ）には、照度設定回路２１により設定されたＬＥＤ３３の明るさだけに基づいて、調光制御システム１０，１００の調光制御回路２２が生成した調光信号Ｓ１を示す。
図３（Ｂ）には、調光信号Ｓ１に基づいて調光信号送出回路２３が送信した調光信号Ｓ２を示す。
図３（Ｃ）には、調光信号Ｓ２に基づいて調光信号検出回路２４，３１が検出した調光信号Ｓ３を示す。
図３（Ｄ）には、調光信号Ｓ１〜Ｓ３を重ね合わせた状態を示す。

図３（Ａ）に示すように、調光制御回路２２が生成したＰＷＭ方式の調光信号Ｓ１は矩形波であり、そのデューティ比DUTYは、立ち上がりエッジから立ち下りエッジまでのハイレベルの期間tsを、立ち上がりエッジから次の立ち上がりエッジまでの期間である周期t0で除算することによって算出される（DUTY＝ts／t0）。

図３（Ｂ）に示すように、調光信号送出回路２３が送信した調光信号Ｓ２は、立ち上がりについては調光信号Ｓ１と同じであるものの、信号線１１の寄生容量Ｃｐと照明装置３０の入力抵抗である抵抗Ｒ１とによって生じる時定数により、調光信号Ｓ２の立下がりは緩やかになってしまう。

図３（Ｃ）（Ｄ）に示すように、調光信号検出回路２４，３１が検出した調光信号Ｓ３は矩形波であり、立ち上がりについては調光信号Ｓ１，Ｓ２と同じである。
調光信号検出回路２４，３１は、調光信号Ｓ２がフォトダイオードＰＣのしきい値電圧Ｖｆ以上の場合にはハイレベルの調光信号Ｓ３を生成し、調光信号Ｓ２がフォトダイオードＰＣのしきい値電圧Ｖｆ未満の場合にはローレベルの調光信号Ｓ３を生成する。

そのため、調光信号Ｓ２が立ち下がり始めた時点（調光信号Ｓ１の立ち下がりエッジ）から、調光信号Ｓ２がフォトダイオードＰＣのしきい値電圧Ｖｆ未満になるまでの期間が、調光信号Ｓ３のターンオフ遅れ時間tdとなる。
すなわち、調光信号Ｓ３の立下がりは、信号線１１の寄生容量Ｃｐと照明装置３０の入力抵抗である抵抗Ｒ１とによって生じる時定数により、調光信号Ｓ１の立下がりに比べてターンオフ遅れ時間td分だけ遅れることになる。

その結果、従来の調光制御システム１００では、照度設定回路２１により設定されたＬＥＤ３３の明るさだけに基づいて調光制御回路２２が生成した調光信号Ｓ１のデューティ比（目標のデューティ比）よりも、照明装置３０が信号線１１から受信する調光信号Ｓ３のデューティ比（実際のデューティ比）の方が大きくなり、照明装置３０のＬＥＤ３３の明るさは、照度設定回路２１によって設定された明るさに比べて低下することになる。

ここで、ターンオフ遅れ時間td（sec）は、フォトダイオードＰＣのしきい値電圧Ｖｆ、調光器２０の直流電源Ｖccの直流電圧Ｖcc、信号線１１の寄生容量Ｃｐ、抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒ１から、数式１により算出される。
そして、調光信号Ｓ１のデューティ比に対する調光信号Ｓ３のデューティ比の誤差Ｅ（％）は、ターンオフ遅れ時間tdを、調光信号Ｓ（Ｓ１〜Ｓ３）の周期t0から、数式２により算出される。

td＝−ｌｏｇ｛Ｖｆ／（Ｖcc−Ｖｆ）｝×Ｃｐ×Ｒ１ ………（数式１）

Ｅ＝td／t0 ………（数式２）

ちなみに、信号線１１として一般的なツイストペアケーブルを用いた場合、寄生容量Ｃｐは長さ１ｍあたり約１００〜１５０（ｐＦ）である。
また、一般的な照明装置３０において、抵抗値Ｒ１は約２〜５（ｋΩ）であり、フォトダイオードＰＣのしきい値電圧Ｖｆは約１．２〜２（Ｖ）である。

例えば、直流電圧Ｖcc＝１２（Ｖ）、寄生容量Ｃｐ＝５２０００（ｐＦ）、抵抗値Ｒ１＝２．２（ｋΩ）、フォトダイオードＰＣのしきい値電圧Ｖｆ＝１．２（Ｖ）とすると、数式１より、ターンオフ遅れ時間td＝２．５１Ｅ−４（sec）となる。
そして、調光信号Ｓ（Ｓ１〜Ｓ３）の周期t0を１（ｋＨｚ）とすると、数式２より、調光信号Ｓ１のデューティ比に対する調光信号Ｓ３のデューティ比の誤差Ｅは２５．１（％）となる。

すなわち、従来の調光制御システム１００では、調光器２０が設定した調光信号Ｓ１のデューティ比よりも、照明装置３０が信号線１１から受信する調光信号Ｓ３のデューティ比が誤差Ｅ＝２５．１（％）分だけ大きくなり、照明装置３０のＬＥＤ３３の明るさは、照度設定回路２１によって設定された明るさよりも誤差Ｅ分だけ低下することになる。

そこで、本実施形態の調光制御システム１０において、調光制御回路２２は、まず、照度設定回路２１により設定されたＬＥＤ３３の明るさに基づいて調光制御回路２２自身が生成した調光信号Ｓ１と、調光信号検出回路２４が検出した調光信号Ｓ３とに基づいて、ターンオフ遅れ時間tdを算出し、次に、調光信号Ｓ１のハイレベルの期間tsからターンオフ遅れ時間tdを減算した期間ts’（＝ts−td）を算出し、続いて、その補正した期間ts’に基づいた調光信号Ｓ１’を生成し、その補正した調光信号Ｓ１’を先に生成した調光信号Ｓ１に置き換え、調光信号Ｓ１を調光信号Ｓ１’に更新して、調光信号Ｓ１’を調光信号送出回路２３に出力する。

図４（Ａ）には、本実施形態の調光制御システム１０の調光制御回路２２が生成した調光信号Ｓ１’を示す。
図４（Ｂ）には、調光信号Ｓ１’に基づいて調光信号送出回路２３が送信した調光信号Ｓ２’を示す。
図４（Ｃ）には、調光信号Ｓ２’に基づいて調光信号検出回路２４，３１が検出した調光信号Ｓ３’を示す。
図４（Ｄ）には、調光信号Ｓ１’〜Ｓ３’を重ね合わせた状態を示す。

図５（Ａ）は図３（Ｄ）と同じであり、図５（Ｂ）は図４（Ｄ）と同じである。
図５に示すように、調光信号Ｓ３’は調光信号Ｓ１と同じ波形になる。
その結果、本実施形態の調光制御システム１０では、照度設定回路２１により設定されたＬＥＤ３３の明るさに基づいて調光制御回路２２が生成した調光信号Ｓ１のデューティ比（目標のデューティ比）と、照明装置３０が信号線１１から受信する調光信号Ｓ３’のデューティ比（実際のデューティ比）とが等しくなり、照明装置３０のＬＥＤ３３の明るさを、照度設定回路２１によって設定された明るさに確実に調光することができる。

従って、本実施形態の調光制御システム１０によれば、信号線１１の寄生容量Ｃｐの影響を回避して、照明装置３０のＬＥＤ３３を設定された明るさに確実に調光することができる。
そして、本実施形態の調光制御システム１０では、調光信号Ｓの立下がりを急峻にするための専用回路を用いないため、システム全体の構成が簡潔になり、低コスト化を図ることができる。

＜別の実施形態＞
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよく、その場合でも、前記実施形態と同等もしくはそれ以上の作用・効果を得ることができる。

［Ａ］フォトダイオードＰＣのしきい値電圧Ｖｆは、調光器２０の調光信号検出回路２４が調光信号Ｓ（Ｓ３，Ｓ３’）を検出する際に用いる調光信号Ｓのレベル判定のためのしきい値電圧であるが、照明装置３０のメーカーや機種などによりその電圧値が異なる。
前記実施形態では、予め設定されているしきい値電圧Ｖｆの固定値を用いて、調光信号検出回路２４が調光信号Ｓ（Ｓ３，Ｓ３’）を検出している。
そのため、実際の照明装置３０のしきい値電圧Ｖｆが、予め設定されているしきい値電圧Ｖｆの固定値と異なる場合には、正確な調光制御ができないおそれがある。

図６に示すように、調光制御システム５０において、調光制御システム１０の構成と異なるのは、調光器２０にしきい値電圧設定回路２５が設けられている点である。
調光制御システム５０のユーザーは、しきい値電圧設定回路２５を用いて、しきい値電圧Ｖｆを可変して設定する。
調光制御システム５０の調光信号検出回路２４は、しきい値電圧設定回路２５によって設定されたしきい値電圧Ｖｆを用いて、調光信号Ｓ（Ｓ３，Ｓ３’）を検出する。

このようにすれば、調光制御システム１０のユーザーが、照明装置３０のＬＥＤ３３の実際の明るさを観察しながら、しきい値電圧設定回路２５を操作することにより、しきい値電圧Ｖｆを可変して設定し直すことにより、照明装置３０のメーカーや機種などに応じて、調光制御を最適化することができる。

［Ｂ］図３〜図５に示すように、調光信号Ｓ２，Ｓ２’の立下がりにおいて、フォトダイオードＰＣのしきい値電圧Ｖｆ以上の波形特性と、しきい値電圧Ｖｆ未満の波形特性とは異なる。
すなわち、調光信号Ｓ２，Ｓ２’の立下がりにおいて、調光信号Ｓ２，Ｓ２’がしきい値電圧Ｖｆとなるポイントαを境にして、調光信号Ｓ２の波形特性が異なっている。
そのため、調光信号Ｓ２，Ｓ２’の時間変位に基づいてポイントαを検出すれば、しきい値電圧Ｖｆを検出することができる。

そこで、調光器２０の調光信号検出回路２４は、しきい値電圧Ｖｆを調光信号Ｓ２，Ｓ２’の時間変位に基づいて検出し、そのしきい値電圧Ｖｆを用いて調光信号Ｓ３，Ｓ３’を検出することにより、照明装置３０のメーカーや機種などに応じて、調光制御を最適化することができる。

［Ｃ］ＬＥＤ３３は、ＰＷＭ方式の調光信号で調光可能であれば、どのような光源（例えば、有機ＥＬ、電球など）に置き換えてもよい。

［Ｄ］前記各実施形態を適宜組み合わせて実施してもよく、その場合には組み合わせた実施形態の作用・効果を合わせもたせたり、相乗効果を得ることができる。

本発明は、前記各局面および前記各実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。本明細書の中で明示した論文、公開特許公報、特許公報などの内容は、その全ての内容を援用によって引用することとする。

＜用語の説明＞
［特許請求の範囲］および［課題を解決するための手段］に記載した構成要素と、［発明を実施するための形態］に記載した構成部材との対応関係は以下のようになっている。

「光源」は、ＬＥＤ３３に該当する。
「設定手段」は、照度設定回路２１に該当する。
「検出手段」は、調光信号検出回路２４に該当する。
「制御手段」は、調光制御回路２２および調光信号送出回路２３に該当する。
「第１調光信号」は、調光信号Ｓ１に該当する。
「第２調光信号」は、調光信号Ｓ３に該当する。
「補正した第１調光信号」は、調光信号Ｓ１’に該当する。
「可変手段」は、しきい値電圧設定回路２５に該当する。

１０…調光制御システム
１１…信号線
２０…調光器
３０…照明装置
２１…照度設定回路
２２…調光制御回路
２３…調光信号送出回路
２４…調光信号検出回路
２５…しきい値電圧設定回路
３１…調光信号検出回路
３２…電力制御回路
３３…ＬＥＤ
Ｓ（Ｓ１〜Ｓ３，Ｓ１’〜Ｓ３’）…調光信号
Ｖｆ…しきい値電圧

Claims

照明装置と、
前記照明装置が有する光源を調光するためのＰＷＭ方式の調光信号を生成し、その調光信号を信号線を介して前記照明装置へ送信する調光器と
を備えた調光制御システムであって、
前記調光器は、
前記光源の明るさを設定する設定手段と、
前記調光器から送信された前記調光信号を検出する検出手段と、
前記設定手段により設定された前記明るさに基づいて生成した第１調光信号と、前記検出手段が検出した前記調光信号である第２調光信号とに基づいて、第１調光信号に対する第２調光信号の立下がりのターンオフ遅れ時間を算出し、そのターンオフ遅れ時間に基づいて第１調光信号を補正し、その補正した第１調光信号を前記調光信号として前記信号線に送信する制御手段と、を備え、
前記検出手段は、前記調光信号を検出する際に用いる前記調光信号のレベル判定のためのしきい値電圧を可変するための可変手段を備えた、
調光制御システム。
照明装置と、
前記照明装置が有する光源を調光するためのＰＷＭ方式の調光信号を生成し、その調光信号を信号線を介して前記照明装置へ送信する調光器と
を備えた調光制御システムであって、
前記調光器は、
前記光源の明るさを設定する設定手段と、
前記調光器から送信された前記調光信号を検出する検出手段と、
前記設定手段により設定された前記明るさに基づいて生成した第１調光信号と、前記検出手段が検出した前記調光信号である第２調光信号とに基づいて、第１調光信号に対する第２調光信号の立下がりのターンオフ遅れ時間を算出し、そのターンオフ遅れ時間に基づいて第１調光信号を補正し、その補正した第１調光信号を前記調光信号として前記信号線に送信する制御手段と、を備え、
前記検出手段は、前記調光信号を検出する際に用いる前記調光信号のレベル判定のためのしきい値電圧を、前記調光信号の時間変位に基づいて検出する、
調光制御システム。