JP6501177B2

JP6501177B2 - 点灯装置、該点灯装置を用いた照明器具、並びに、前記照明器具を用いた照明システム

Info

Publication number: JP6501177B2
Application number: JP2014263044A
Authority: JP
Inventors: 村上　真一; 真一村上; 渡邊　浩士; 浩士渡邊; 熊田　和宏; 和宏熊田; 美良神行
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2014-12-25
Publication date: 2019-04-17
Anticipated expiration: 2034-12-25
Also published as: JP2016122617A; US20160192449A1; US9485822B2; DE102015121776A1

Description

本発明は、１個以上の固体発光素子からなる光源を点灯させる点灯装置、該点灯装置を用いた照明器具、並びに、前記照明器具を用いた照明システムに関する。

従来、１個の直流電源に互いに並列に接続された複数個の点灯回路を備える点灯装置が提供されている（例えば、特許文献１参照）。各点灯回路は、それぞれ出力端間に接続されたコンデンサ（以下、「出力コンデンサ」と呼ぶ。）を有し、それぞれ複数個の発光ダイオードの直列回路からなる光源であって点灯回路毎に異なる光源を点灯させる。

例えば、接続される光源の光色が光の三原色のうちの１個ずつである点灯回路を３個備える場合、これら３個の点灯回路が個別に制御されることで、３個の光源の混色により様々な光色が実現される。

特開２０１３−１０９９１３号公報

一般に、発光ダイオードのような固体発光素子からなる光源は、入力される電圧が所定の順方向電圧以上であるときに点灯する。すなわち、上記の点灯回路が光源を点灯させる動作を開始したときは、点灯回路の出力電圧すなわち出力コンデンサの両端電圧が光源の順方向電圧に達したときに光源が点灯を開始する。

しかしながら、光源の順方向電圧の違いや回路の時定数の違いにより、点灯回路が光源を点灯させる動作を開始してから光源が実際に点灯するまでの時間（以下、「始動時間」と呼ぶ。）が点灯回路毎にばらつく可能性があった。

特に、間欠点灯によって明るさが調整される場合、始動時間のずれは明るさのずれの原因となり、さらには混色による光色のずれの原因となる。

本発明の目的は、点灯回路毎の始動時間のずれが抑えられる点灯装置、該点灯装置を用いた照明器具、並びに、前記照明器具を用いた照明システムを提供することにある。

本発明に係る点灯装置は、互いに共通の電源から電力を供給されてそれぞれ異なる光源を点灯させる複数個の点灯回路を備え、各前記光源はそれぞれ１個以上の固体発光素子からなり、各前記点灯回路は、それぞれ、前記光源の点灯中には前記光源への出力電流を前記点灯回路毎に予め定められた所定の目標電流とする定電流動作を行うスイッチング電源からなり、出力端間に接続された出力コンデンサと、前記光源の消灯中に前記出力コンデンサの両端電圧を前記点灯回路毎に予め定められたプリチャージ電圧に維持するプリチャージ手段とを有し、前記光源の順方向電圧と前記プリチャージ電圧との差と前記出力コンデンサの容量値との積を前記目標電流で除した値が全ての前記点灯回路で一致するように、各前記点灯回路での前記プリチャージ電圧と前記出力コンデンサの容量値とがそれぞれ決定されていることを特徴とする。

本発明に係る照明器具は、前記点灯装置と前記光源とを備えることを特徴とする。

本発明に係る照明システムは、上記の照明器具を複数個と、各照明器具をそれぞれ制御する制御装置とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、点灯回路毎の始動時間のずれが抑えられる。

本発明の実施形態１に係る照明器具を示す回路ブロック図である。上記の照明器具を用いた照明システムの一例を示す説明図である。上記の照明器具の構造の一例を示す説明図である。上記の照明器具の構造の別の例を示す説明図である。本発明の実施形態１に対する比較例において２個の点灯回路の始動後の出力電圧Ｖｏｕｔの時間変化の一例を示す説明図である。本発明の実施形態１において２個の点灯回路の始動後の出力電圧Ｖｏｕｔの時間変化の一例を示す説明図である。本発明の実施形態２に対する比較例において２個の点灯回路の始動後の出力電圧Ｖｏｕｔの時間変化の一例を示す説明図である。本発明の実施形態２に係る照明器具を示す回路ブロック図である。本発明の実施形態３に対する比較例において２個の点灯回路の始動後の出力電圧Ｖｏｕｔの時間変化の一例を示す説明図である。本発明の実施形態３に対する別の比較例において２個の点灯回路の始動後の出力電圧Ｖｏｕｔの時間変化の一例を示す説明図である。

本発明に係る点灯装置は、図１に示すように、互いに共通の電源（直流電源１２）から電力を供給されてそれぞれ異なる光源３を点灯させる複数個の点灯回路２を備える。各光源３はそれぞれ１個以上の固体発光素子３０からなる。各点灯回路２は、それぞれ、スイッチング電源からなり、出力端間に接続された出力コンデンサＣ１を有する。また、各点灯回路２は、光源３の消灯中に出力コンデンサＣ１の両端電圧を点灯回路２毎に予め定められたプリチャージ電圧に維持するプリチャージ手段（第１抵抗Ｒ１，第２抵抗Ｒ２）を有する。光源３の順方向電圧とプリチャージ電圧との差が、全ての点灯回路２で一致するように、各点灯回路２でのプリチャージ電圧がそれぞれ決定されている。

本発明に係る別の点灯装置は、図８に示すように、互いに共通の電源（直流電源１２）から電力を供給されてそれぞれ異なる光源３を点灯させる複数個の点灯回路２を備える。各光源３はそれぞれ１個以上の固体発光素子３０からなる。各点灯回路２は、それぞれ、出力端間に接続された出力コンデンサＣ１を有して光源３の点灯中には光源３への出力電流を点灯回路２毎に予め定められた所定の目標電流とする定電流動作を行うスイッチング電源からなる。出力コンデンサＣ１の容量値と目標電流との比が全ての点灯回路２で一致するように、各点灯回路２での出力コンデンサＣ１の容量値が決定されている。

本発明に係る更に別の点灯装置は、互いに共通の電源（直流電源１２）から電力を供給されてそれぞれ異なる光源３を点灯させる複数個の点灯回路２を備える。各光源３はそれぞれ１個以上の固体発光素子３０からなる。各点灯回路２は、それぞれ、光源３の点灯中には光源３への出力電流を点灯回路２毎に予め定められた所定の目標電流とする定電流動作を行うスイッチング電源からなる。また、各点灯回路２は、出力端間に接続された出力コンデンサＣ１と、光源３の消灯中に出力コンデンサの両端電圧を点灯回路２毎に予め定められたプリチャージ電圧に維持するプリチャージ手段（第１抵抗Ｒ１，第２抵抗Ｒ２）とを有する。光源３の順方向電圧とプリチャージ電圧との差と出力コンデンサＣ１の容量値との積を目標電流で除した値が全ての点灯回路２で一致するように、各点灯回路２でのプリチャージ電圧と出力コンデンサＣ１の容量値とがそれぞれ決定されている。

本発明に係る照明器具１は、上記いずれかの１項に記載の点灯装置と光源３とを備えることを特徴とする。

本発明に係る照明システムは、上記の照明器具１を複数個と、各照明器具１をそれぞれ制御する制御装置５とを備えることを特徴とする。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
本実施形態の照明器具１は、図１に示すように、１個以上の固体発光素子３０（図３参照）からなる光源３と、共通の直流電源１２から電力を供給されてそれぞれ異なる光源３を点灯させる複数個（図では２個）の点灯回路２とを有する。複数個の点灯回路２は点灯装置を構成する。また、照明器具１は、各点灯回路２をそれぞれ制御する制御回路４を備える。

また、本実施形態の照明器具１は、外部の制御装置５から送信される制御信号を受信する受信回路１３を備えており、制御回路４は、受信回路１３に受信された制御信号に従って動作する。すなわち、本実施形態の照明器具１は、図２に示すように、複数個の照明器具１が１個の制御装置５によって制御される照明システムに用いることができる。上記の制御信号は有線信号であってもよいし、無線信号であってもよい。また、制御信号が電気信号である場合、制御信号は、制御内容を電圧値によって示すアナログ信号であってもよいし、制御内容をデューティ比によって示すいわゆるＰＷＭ信号であってもよい。さらに、制御装置５は、タッチパネルやスイッチなどにより受け付けられた操作入力に応じて制御信号を送信してもよいし、予め記憶されたプログラムに従って制御信号を送信してもよい。

また、本実施形態の照明器具１は、外部の交流電源６から入力された交流電流を全波整流する整流回路１１と、交流電源６と整流回路１１との間に設けられた入力回路１０とを備える。

直流電源１２は、整流回路１１の直流出力を所定電圧Ｖｄｃの直流電力に変換して出力する、いわゆる力率改善回路である。上記のような直流電源１２としては例えば昇圧チョッパ回路を用いることができる。

入力回路１０は、例えばコモンモードチョークやアクロスザラインコンデンサを用いて構成されて交流電源６と整流回路１１との間でのノイズの出入りを抑えるフィルタ回路である。また、入力回路１０は、バリスタ等の周知のサージ吸収素子やヒューズを含んでいてもよい。

各点灯回路２は、それぞれ、直流電源１２から供給された直流電力の電圧を変換した直流電力により光源３を点灯させる。光源３を構成する固体発光素子３０としては例えば発光ダイオードや有機ＥＬを用いることができる。光源３が複数個の固体発光素子３０を含む場合、それら複数個の固体発光素子３０は互いに直列に接続されていてもよいし、個々の固体発光素子３０または複数個の固体発光素子３０の直列回路が複数個、互いに並列に接続されていてもよい。

各点灯回路２は、いわゆる降圧チョッパである。すなわち、点灯回路２は、光源３に並列に接続された出力コンデンサＣ１と、出力コンデンサＣ１とともに直列回路を構成するインダクタＬ１と、直流電源１２から上記の直列回路への直流電力の入力をオンオフするスイッチング素子Ｑ１とを有する。また、点灯回路２は、スイッチング素子Ｑ１をオンオフ駆動する駆動部２０を有する。スイッチング素子Ｑ１としては例えばエンハンスメント形のｎチャネルＭＯＳＦＥＴを用いることができる。光源３を消灯させる期間中、駆動部２０はスイッチング素子Ｑ１をオフ状態に維持し、光源３の点灯を開始させるときに駆動部２０はスイッチング素子Ｑ１をオンする。また、光源３を点灯させる期間中、駆動部２０は例えば、スイッチング素子Ｑ１に流れる電流が所定のオフ閾値に達したときにスイッチング素子Ｑ１をオフし、その後にインダクタＬ１における電流が０になったときにスイッチング素子Ｑ１を再度オンする。また、光源３を点灯させる期間中、駆動部２０は、出力コンデンサＣ１からの出力電流を所定の目標電流に維持する定電流動作を行う。定電流動作は、具体的には例えば、出力コンデンサＣ１からの出力電流を監視し、出力電流を所定の目標電流に維持するように上記のオフ閾値を随時変更するというフィードバック動作である。スイッチング素子Ｑ１に流れる電流や出力コンデンサＣ１からの出力電流は例えばシャント抵抗を用いて検出される。また、インダクタＬ１における電流が０になったタイミングは、例えばインダクタＬ１に設けた二次巻線を用いて検出される。

また、制御回路４は、受信回路１３に受信された制御信号に従って、光源３の点灯・消灯の切替および光源３の明るさの変更を行うように各点灯回路２の駆動部２０を制御する。光源３の明るさの変更は、人の目に点滅として認識されない程度に十分に短い周期での間欠点灯におけるデューティ比の変更によって実現される。

本実施形態の照明器具１の構造の一例を図３及び図４に示す。

図３の例と図４の例とでは、それぞれ、光源３を構成する複数個の固体発光素子（発光ダイオード）３０はそれぞれ１個のプリント配線板３１の一面（以下、「実装面」と呼ぶ。）に実装されている。また、照明器具１は、光源３が収納される収納凹部７００を有する器具本体７０と、透光性を有する材料からなり器具本体７０に結合して収納凹部７００を閉塞する透光カバー７１とを備える。透光カバー７１の材料としては例えばポリカーボネート樹脂やアクリル樹脂を用いることができる。上記のプリント配線板３１は実装面を透光カバー７１に向けて収納凹部７００内に固定されており、各固体発光素子３０の光はそれぞれ透光カバー７１を通じて出射する。器具本体７０は、収納凹部７００の開口を下方に向けて、天井材９に設けられた埋込穴９０に挿通された状態で、天井材９に対して固定される。

また、図３の例では、光源３が実装されたプリント配線板３１は収納凹部７００の内底面に固定され、点灯回路２と制御回路４と入力回路１０と整流回路１１と直流電源１２と受信回路１３とはそれぞれ上記の器具本体７０とは別途のハウジング８に収納されている。上記のハウジング８は、天井材９の上側（いわゆる配線スペース）に設置されている。また、各点灯回路２を光源３に対して一対一に電気的に接続する複数本の電線８２にはコネクタ８２０が設けられており、このコネクタ８２０の着脱により点灯回路２と光源３との接続の変更が容易となっている。

一方、図４の例では、器具本体７０は収納凹部７００内を上下に仕切る仕切り７２を有し、光源３が実装されたプリント配線板３１は仕切り７２の下側に固定されている。点灯回路２と制御回路４と入力回路１０と整流回路１１と直流電源１２と受信回路１３とを構成する複数個の回路部品８１はプリント配線板８０の一面に実装され、上記の仕切り７２の上側において収納凹部７００内に固定されている。上記の仕切り７２には、各点灯回路２を光源３に対して一対一に電気的に接続する複数本の電線８２を挿通するための電線挿通孔７２０が設けられている。

図３では電線８２が２本だけ図示され、図４では電線８２が１本だけ図示されているが、実際には電線８２は１個の点灯回路２につき２本ずつ、つまり点灯回路２の個数の２倍の本数が用いられる。複数本の電線８２は一本のケーブルとして結束されていてもよい。

ところで、本実施形態においては、点灯回路２毎に、接続される光源３の順方向電圧が異なる。例えば図５に示すように２個の点灯回路２で光源３の順方向電圧Ｖｆ１，Ｖｆ２が互いに異なる場合、より順方向電圧Ｖｆ２が高い点灯回路２は始動時間ｔ２がより長くなるといったように、２個の点灯回路２で始動時間ｔ１，ｔ２に差が生じてしまう。

以下、上記のような順方向電圧の違いによる始動時間のずれを抑えるための構成について、詳しく説明する。

各点灯回路２は、それぞれ、出力コンデンサＣ１に並列に接続された第１抵抗Ｒ１と、第１抵抗Ｒ１との直列回路として直流電源１２の出力端間に接続された第２抵抗Ｒ２とを有する。これにより、スイッチング素子Ｑ１がオフされ光源３が消灯された状態でも、出力コンデンサＣ１の両端電圧（つまり点灯回路２の出力電圧）Ｖｏｕｔは光源３の順方向電圧Ｖｆよりも低い所定の電圧（以下、「プリチャージ電圧」と呼ぶ。）Ｖｐに維持される。上記のプリチャージ電圧Ｖｐは、直流電源１２の出力電圧Ｖｄｃが第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２とで分圧された電圧となる。つまり、第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２とがプリチャージ手段である。

そして、第１抵抗Ｒ１の抵抗値と第２抵抗Ｒ２の抵抗値とは、プリチャージ電圧Ｖｐを光源３の順方向電圧Ｖｆから減算した値Ｖｆ−Ｖｐを、全ての点灯回路２で一致させるように決定されている。これにより、始動時の出力コンデンサＣ１の両端電圧の上昇速度が全ての点灯回路２で共通であれば、出力コンデンサＣ１の両端電圧が安定した状態からの始動時間は、全ての点灯回路２で一致すると考えられる。

例えば、点灯回路２が２個である場合を考える。上記の条件は、一方の点灯回路２における光源３の順方向電圧Ｖｆ１及びプリチャージ電圧Ｖｐ１と、他方の点灯回路２における光源３の順方向電圧Ｖｆ２及びプリチャージ電圧Ｖｐ２とを用いて、Ｖｆ１−Ｖｐ１＝Ｖｆ２−Ｖｐ２と表される。

また、上記一方の点灯回路２において、プリチャージ電圧Ｖｐ１は、第１抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒ１１と第２抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒ２１と直流電源１２の出力電圧Ｖｄｃとを用いてＶｐ１＝Ｖｄｃ・Ｒ１１／（Ｒ１１＋Ｒ２１）と表される。

また、上記他方の点灯回路２において、プリチャージ電圧Ｖｐ２は、第１抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒ１２と第２抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒ２２と直流電源１２の出力電圧Ｖｄｃとを用いてＶｐ２＝Ｖｄｃ・Ｒ１２／（Ｒ１２＋Ｒ２２）と表される。

従って、Ｖｆ１−Ｖｐ１＝Ｖｆ２−Ｖｐ２という条件は、次式のように書き換えることができる。

上記の条件を満たすように各抵抗値Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２が決定されていれば、図５に示すような順方向電圧Ｖｆ１，Ｖｆ２の差に起因する始動時間ｔ１，ｔ２の差が、図６に示すように抑えられる。

なお、点灯回路２は上記のような降圧チョッパ回路に限られず、点灯回路２として例えば昇圧チョッパ回路や昇圧チョッパ回路と降圧チョッパ回路とを組み合わせた昇降圧チョッパ回路やフライバック回路といった他の周知のスイッチング電源を用いてもよい。この場合、プリチャージ電圧Ｖｐの出力は、例えば、光源３が消灯されている期間中の駆動部２０の動作を、上記のような定電流動作に代えて、出力電圧Ｖｏｕｔをプリチャージ電圧Ｖｐに維持する定電圧動作に切り替えることで達成される。この場合には駆動部２０がプリチャージ手段となる。
（実施形態２）
点灯回路２間で始動時間ｔ１、ｔ２に差が発生する要因としては、順方向電圧Ｖｆ１，Ｖｆ２の差以外に、図７に示すような出力コンデンサＣ１の両端電圧（つまり点灯回路２の出力電圧）Ｖｏｕｔの上昇速度（以下、「充電速度」と呼ぶ。）の差も考えられる。始動時間ｔ１、ｔ２の差が上記のような充電速度の差に起因する場合、実施形態１のようなプリチャージ電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２では始動時間ｔ１，ｔ２の差を抑えることができない。

本実施形態は、図７のように点灯回路２間で光源３の順方向電圧Ｖｆ１，Ｖｆ２に差がない場合において、出力コンデンサＣ１の充電速度の差に起因する始動時間ｔ１，ｔ２の差を抑えることを目的としている。従って、プリチャージ電圧が不要であることにより、図８に示すようにプリチャージ手段である第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２は省略されている。なお、実施形態１と共通する部分については説明を省略する。

出力コンデンサＣ１の充電速度に影響を与える要因としては、出力コンデンサＣ１への入力電流と、出力コンデンサＣ１の容量値が考えられる。

例えば、出力コンデンサＣ１への入力電流が一定の場合、出力電圧Ｖｏｕｔが一定の電圧だけ上昇するために必要な時間は出力コンデンサＣ１の容量値に比例するので、始動時間は出力コンデンサＣ１の容量値にほぼ比例する。

また、点灯回路２の駆動部２０が、出力電流を所定の目標電流とするような定電流動作を行う場合、出力コンデンサＣ１への入力電流の時間平均は目標電流にほぼ比例し、つまり始動時間は目標電流にほぼ反比例すると考えられる。

そこで、本実施形態では、出力コンデンサＣ１の容量値Ｃ１と目標電流Ｉｅとの比Ｃ１／Ｉｅを全ての点灯回路２で一致させるように、各点灯回路２での出力コンデンサＣ１の容量値が決定されている。

例えば、点灯回路２が２個である場合、一方の点灯回路２における出力コンデンサＣ１の容量値Ｃ１１及び目標電流Ｉｅ１と、他方の点灯回路２における出力コンデンサＣ１の容量値Ｃ１２及び目標電流Ｉｅ２とを、次式の関係とする。

上記構成によれば、図７に示すようなコンデンサＣ１の充電速度の差に起因する始動時間ｔ１，ｔ２のばらつきが抑えられる。
（実施形態３）
本実施形態の基本構成は実施形態１と共通である。

図９に示すように順方向電圧Ｖｆ１，Ｖｆ２と出力コンデンサＣ１の充電速度との両方が点灯回路２間で異なる場合、実施形態１のようなプリチャージ電圧と実施形態２のような出力コンデンサＣ１の容量値との一方では始動時間ｔ１、ｔ２の差が解消されない。例えば、図９の例において実施形態１のようなプリチャージ電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２のみを適用しても、図１０に示すように始動時間ｔ１、ｔ２の差は解消されない。また、図９の例において実施形態２のような出力コンデンサＣ１の容量値Ｃ１１，Ｃ１２のみを適用しても、図５のようになり、やはり始動時間ｔ１、ｔ２の差は解消されない。

本実施形態では、上記のような場合にも始動時間を一致させるために、順方向電圧Ｖｆとプリチャージ電圧Ｖｐとの差と出力コンデンサＣ１の容量値Ｃ１との積を目標電流Ｉｅで除した値Ｃ１（Ｖｆ−Ｖｐ）／Ｉｅを全ての点灯回路２で一致させている。この場合、実施形態１の条件や実施形態２の条件を必ずしも個々に満たす必要はない。

点灯回路２が２個である場合、一方の点灯回路２における光源３の順方向電圧Ｖｆ１、第１抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒ１１、第２抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒ２１、出力コンデンサＣ１の容量値Ｃ１１、目標電流Ｉｅ１、並びに、他方の点灯回路２における光源３の順方向電圧Ｖｆ２、第１抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒ１２、第２抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒ２２、出力コンデンサＣ１の容量値Ｃ１２、目標電流Ｉｅ２を用いて、本実施形態において満たされるべき条件は次式で表される。

上記以外の点では実施形態１と共通であるので説明を省略する。

１照明器具
２点灯回路
３光源
５制御装置
２１駆動回路
３０固体発光素子
Ｒ１第１抵抗（プリチャージ手段）
Ｒ２第２抵抗（プリチャージ手段）

Claims

互いに共通の電源から電力を供給されてそれぞれ異なる光源を点灯させる複数個の点灯回路を備え、
各前記光源はそれぞれ１個以上の固体発光素子からなり、
各前記点灯回路は、それぞれ、前記光源の点灯中には前記光源への出力電流を前記点灯回路毎に予め定められた所定の目標電流とする定電流動作を行うスイッチング電源からなり、出力端間に接続された出力コンデンサと、前記光源の消灯中に前記出力コンデンサの両端電圧を前記点灯回路毎に予め定められたプリチャージ電圧に維持するプリチャージ手段とを有し、
前記光源の順方向電圧と前記プリチャージ電圧との差と前記出力コンデンサの容量値との積を前記目標電流で除した値が全ての前記点灯回路で一致するように、各前記点灯回路での前記プリチャージ電圧と前記出力コンデンサの容量値とがそれぞれ決定されていることを特徴とする点灯装置。
請求項１記載の点灯装置と前記光源とを備えることを特徴とする照明器具。
請求項２記載の照明器具を複数個と、各前記照明器具をそれぞれ制御する制御装置とを備えることを特徴とする照明システム。