JP6724686B2 - 照明器具および照明装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、照明器具および照明装置に関する。

発光ダイオードのような半導体発光素子を用いた照明器具は、発光ダイオードに供給する電流を断続させ、デューティサイクルを調整することによって、容易に調光制御を行うことができる。また、複数の有色の発光ダイオードを組み合わせて、それぞれを調光制御することによって、演色制御も容易に行うことができる。

発光ダイオードをＰＷＭ制御する場合に、発光ダイオードに流す電流の波形や、デューティサイクルによって、発光色が変化することが知られている。発光色の変化は、発光ダイオードの発光の波長に応じて異なることも知られている。

特許５７６０１７６号公報

実施形態は、発光ダイオードに供給する電流値やＰＷＭ制御のデューティサイクルによって発光色の変化を生じにくい照明器具および照明装置を提供する。

実施形態に係る照明器具は、電流を供給して発光素子を点灯させる電力変換部と、前記発光素子に流れる電流を断続させるスイッチと、前記発光素子の明るさを設定する調光信号にもとづいてＰＷＭ信号を生成し前記ＰＷＭ信号にしたがって前記スイッチを断続する調光制御部と、備える。前記ＰＷＭ信号は、前記電流を流すオン期間と、前記電流を遮断するオフ期間と、を含む。前記オン期間および前記オフ期間は、設定された前記発光素子の明るさごとに前記発光素子の発光波長を一定とするように設定される。前記発光波長は、前記オン期間にわたる方形波換算の前記電流の値に応じて変化する。前記オン期間および前記オフ期間は、前記発光波長の変化を相殺するように設定される。前記発光波長は、前記方形波換算の電流の値の増大に対して正の相関を有するとともに、前記オン期間および前記オフ期間にもとづいて決定されるオンデューティの増大に対して負の相関を有する。

本実施形態では、オン期間およびオフ期間が調光信号によって設定された発光素子の明るさごとに前記発光素子の発光波長を一定とするように設定されたＰＷＭ信号を生成する調光制御部を備えているので、発光素子の発光色の変化を小さくすることができる。

第１の実施形態に係る照明器具を例示するブロック図である。 第１の実施形態の照明器具の動作原理を説明するための模式図である。 第１の実施形態の照明器具の動作原理を説明するための模式図である。 第２の実施形態に係る照明装置を例示するブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る照明器具を例示するブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の照明器具１０は、電力変換部１２と、照明モジュール１４と、調光制御部１６と、スイッチ１８と、を備える。

照明器具１０は、電源端子１１ａ，１１ｂを含む。照明器具１０は、電源端子１１ａ，１１ｂを介して、入力電源１に接続される。入力電源１は、たとえば商用の交流電源である。照明器具１０は、入力電源１から交流電力を供給されて点灯する。

照明器具１０は、調光信号端子１１ｃを含む。照明器具１０は、調光信号端子１１ｃを介して調光装置（図示せず）から調光信号を入力する。調光信号は、照明モジュール１４の明るさを設定する信号であり、照明器具１０は、入力された調光信号によって設定される明るさで点灯する。

電力変換部１２は、電源端子１１ａ，１１ｂと照明モジュール１４との間に接続されている。電力変換部１２は、電源端子１１ａ，１１ｂを介して入力電源１から交流電力を入力される。電力変換部１２は、入力された交流電力を直流電力に変換して照明モジュール１４を点灯させる。

電力変換部１２は、たとえば、整流平滑回路１２１と、ＤＣ−ＣＤコンバータ１２２と、を含む。整流平滑回路１２１は交流電圧を直流電圧に変換してＤＣ−ＤＣコンバータ１２２に供給する。整流平滑回路１２１は、アクティブ平滑フィルタを含んでもよい。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２２は、整流平滑回路１２１から供給される直流電圧をほぼ一定の直流電流に変換して照明モジュール１４に供給する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２２が出力する電流は、たとえばあらかじめ設定されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２２は、あらかじめ設定された電流Ｉｏを出力して照明モジュール１４に供給する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２２は、設定された直流電流を出力することができればよく、スイッチング式やリニア式を問わない。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２２の形式は、入出力電圧や出力する電力に応じて適切に選定される。

照明モジュール１４は、発光素子１５を含む。発光素子１５は、たとえば直列に複数個接続されている。発光素子１５は、たとえば発光ダイオードである。発光ダイオードの発光色は、任意に設定される。また、後述するように、発光ダイオードは、その発光波長に応じたオン期間およびオフ期間で点滅する。オン期間およびオフ期間の和であるＰＷＭ制御の周期は、人間が視認できる周波数よりも十分高いので、人間の目には、発光ダイオードは、オン期間およびオフ期間で設定されるオンデューティに応じた明るさで点灯しているように見える。

調光制御部１６は、調光信号端子１１ｃを介して入力される調光信号をＰＷＭ信号に変換して出力する。調光制御部１６は、テーブル１７を有する。テーブル１７は、後に詳述するように、調光信号に対応する調光度（照明モジュール１４の明るさ）ごとに、照明モジュール１４に電流を流す時間（オン期間）Ｔｏｎおよび照明モジュール１４に電流を流さない時間（オフ期間）Ｔｏｆｆが設定されている。つまり、設定される各調光度に対して、オン期間Ｔｏｎおよびオフ期間Ｔｏｆｆが関連付けられて、テーブル１７に格納されている。

スイッチ１８は、照明モジュール１４に並列に接続されている。スイッチ１８は、制御端子１８ａを有しており、制御端子１８ａは、調光制御部１６の出力に接続されている。スイッチ１８は、制御端子１８ａに入力されるＰＷＭ信号に応じて開閉される。

スイッチ１８は、照明モジュール１４に並列に接続され、電力変換部１２から電流Ｉｏを供給される。スイッチ１８が開いた場合には、電力変換部１２から出力される電流Ｉｏは、すべて照明モジュール１４に流れる。スイッチ１８が閉じた場合には、電力変換部から出力される電流Ｉｏは、すべてスイッチ１８に流れる。そのため、照明モジュール１４に流れる電流ＩＰＷＭは、スイッチ１８の開閉に応じてパルス状になり、発光素子１５の発光もパルス状になる。スイッチ１８の開閉周波数を人間の視覚の周波数特性よりも十分高くすることによって、パルス状の発光は、パルス点滅周期にわたる平均値に近い明るさと視認される。つまり、照明モジュール１４は、ＰＷＭ制御によって明るさが制御される。

本実施形態の照明器具の動作について説明する。
図２および図３は、本実施形態の照明器具の動作を説明するための模式図である。
図２の上段の図には、調光度が大きい場合の照明モジュールに流れる電流波形が示されている。下段の図には、調光度が小さい場合の照明モジュールに流れる電流波形が示されている。照明モジュール１４に電流が流れている期間をオン期間Ｔｏｎとし、照明モジュール１４に電流が流れない期間をオフ期間Ｔｏｆｆとする。

図２に示すように、照明モジュール１４に流れる電流は、電力変換部１２の出力電圧の応答速度に制限があるため、その応答速度に応じた立ち上がり時間ｔｒおよび下降時間ｔｆを有する。立ち上がり時間ｔｒおよび下降時間ｔｆは、電力変換部１２の出力電圧の応答特性に依存し、オン期間Ｔｏｎによらずほぼ一定である。

図２の上段の図に示すように、オン期間Ｔｏｎにおける電流波形は、オン期間が立ち上がり時間ｔｒおよび下降時間ｔｆに比べて長い場合には、台形状になる。台形状の電流波形を方形波に換算する場合には、オン期間Ｔｏｎにわたって平均値をとればよく、図の一点鎖線のようになる。方形波換算された一点鎖線の電流値は、Ｉ１である。

図２の下段の図のように、オン期間Ｔｏｎにおける電流波形は、オン期間Ｔｏｎが短くなるにしたがい、台形の上辺が短くなり、破線のように三角波状になる。方形波換算された電流値は、Ｉ２である。Ｉ２は、Ｉ１よりも小さい値である。破線のような三角波状の場合には、オン期間Ｔｏｎにわたる平均電流はさらに小さくなる。

このように、オン期間Ｔｏｎが短くなるほど、方形波換算したときの電流値は、小さくなり、ＰＷＭの周期（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）を一定とした場合には、実際のオンデューティＤｏｎ（＝Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ））にしたがう電流値よりも低い電流値の電流ＩＰＷＭが照明モジュール１４に流れることになる。

発光ダイオードは、流れる電流によって発光波長が変化する。たとえば、ＧａＰやＡｌＧａＩｎＰ等を用いた緑色の発光ダイオードは、流れる電流値が小さいほど波長が短くなることが知られている。青色ダイオードやＧａＰやＡｌＧａＡｓ等を用いた赤色の発光ダイオードも、流れる電流が小さいほど波長が短くなる。波長が短くことによって、発光色が変化する色ずれを生ずる。

つまり、一定周期のＰＷＭ制御によって発光ダイオードを光源とする照明モジュール１４を調光する場合にオンデューティＤｏｎを絞っていくと、発光色が短波長側に色ずれを生ずる。色ずれの度合いは、発光ダイオードの材質等によって異なり、緑色の発光ダイオードでは、他の発光色のものよりも色ずれが大きい傾向がある。

図３には、照明モジュール１４に流れる電流波形が立ち上がり時間ｔｒおよび下降時間ｔｆに比べて十分長いオン期間Ｔｏｎの場合において、オンデューティＤｏｎを変化させた場合の電流波形が示されている。
図３の上段の図では、オン期間Ｔｏｎおよびオフ期間Ｔｏｆｆがほぼ等しい場合の電流波形が示されている。
図３の下段の図では、上段の図とオン期間Ｔｏｎを同一とした場合に、オフ期間Ｔｏｆｆを２倍にしたときの電流波形が示されている。

図３に示すように、オン期間Ｔｏｎを一定にした場合に、オフ期間Ｔｏｆｆを変化させることによってオンデューティＤｏｎを制御することができる。図３の上段の図では、オンデューティＤｏｎは、ほぼ５０％であり、下段の図では、オンデューティＤｏｎは、上段の図よりもオンデューティＤｏｎが低く、ほぼ２５％である。

ここで、照明モジュール１４の光源が発光ダイオードの場合には、発光ダイオードの発光波長は、オンデューティＤｏｎに関しても依存性を有する。

たとえば、ＧａＰやＡｌＧａＩｎＰ等を用いた緑色の発光ダイオードや青色ダイオードは、オンデューティＤｏｎが小さいほど波長が長くなることが知られている。一方、ＧａＰやＡｌＧａＡｓ等を用いた赤色の発光ダイオードの場合には、オンデューティＤｏｎが小さいほど波長が短くなる。

図３の例では、緑色や青色の発光ダイオードの場合には、上段の図の状態から下段の図の状態にオンデューティＤｏｎを下げると、発光波長が短波長側にシフトする。

赤色の発光ダイオードの場合には、上段の図の状態から下段の図の状態にオンデューティＤｏｎを下げると、発光波長が長波長側にシフトする。

上述したように、光源に発光ダイオードを用いる場合には、一定の周期（キャリア周波数の逆数）のＰＷＭ信号によって照明モジュール１４に流れる電流ＩＰＷＭを制御した場合には、電流ＩＰＷＭの波形に起因して実効的な電流値が変化する。電流値が変化したことによって、発光ダイオードの発光波長がシフトし、色ずれを生ずる。なお、ここで、実効的な電流値は、たとえば電流ＩＰＷＭをオン期間Ｔｏｎにわたって平均化した値である。

また、オフ期間Ｔｏｆｆを変えることによって、調光制御する場合であっても、オンデューティＤｏｎによって、発光ダイオードの発光波長はシフトし、色ずれを生ずる。そして、これらの色ずれの方向および程度は、発光ダイオードの材質および発光色によって相違する。つまり、発光ダイオードに流れる電流の波形が設定され、オン期間Ｔｏｎごとの実効的な電流値が設定された場合には、発光ダイオードに応じて、色ずれを生じにくいオン期間Ｔｏｎおよびオフ期間Ｔｏｆｆが存在することになる。

本実施形態の照明器具１０では、調光制御部１６が調光度に対する最適なオン期間Ｔｏｎおよびオフ期間Ｔｏｆｆを設定したテーブル１７を有している。

テーブル１７には、調光信号に対応して設定される調光度のデータが格納されている。調光度のデータは、たとえば照明モジュール１４の明るさが０％〜１００％の範囲を複数の段階に分けて設定され、格納されている。たとえば、調光度のデータは、０％，５％，１０％，…のように５％きざみで設定されている。

テーブル１７には、調光度のデータのそれぞれにオン期間Ｔｏｎおよびオフ期間Ｔｏｆｆのデータが関連付けられて格納されている。調光度のデータに対するオン期間Ｔｏｎおよびオフ期間Ｔｏｆｆのデータは、点灯する発光ダイオードの発光波長シフトを生じないように設定されている。

たとえば、緑色の発光ダイオードの場合には、電流値が小さく、オフ期間が長いほど、短波長側に色ずれを生ずる。したがって、電流値と波長シフトとの間の関係、そして、オフ期間と波長シフトとの関係を取得した上で、適切なオン期間Ｔｏｎおよびオフ期間Ｔｏｆｆを設定する。

調光制御部１６は、図示しない調光装置から調光信号が供給されると、調光信号が有する調光度（明るさ）のデータを抽出し、テーブル１７から対応する調光度のデータを探索する。探索された調光度のデータには、その調光度に適したオン期間Ｔｏｎおよびオフ期間Ｔｏｆｆが関連付けられている。調光制御部１６は、調光度のデータに応じたオン期間Ｔｏｎおよびオフ期間Ｔｏｆｆでスイッチ１８を駆動する。

本実施形態の点灯器具の効果について説明する。
本実施形態の点灯器具は、調光度に応じて設定されたオン期間Ｔｏｎおよびオフ期間Ｔｏｆｆのデータがあらかじめ取得され、調光度のデータと、これに関連付けられたオン期間Ｔｏｎおよびオフ期間Ｔｏｆｆのデータとを格納するテーブル１７を有しているので、ＰＷＭ制御によって駆動される照明モジュール１４の色ずれを生じにくくすることができる。

（第２の実施形態）
発光ダイオードを点灯する電力変換部を発光色の数だけ備えることによって演色機能を有する照明器具を実現することができる。
図４は、本実施形態の照明装置を例示するブロック図である。
図４に示すように、本実施形態の照明装置１１０は、照明器具１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを備える。照明器具１０Ｒは、赤色の発光ダイオードを発光素子とする照明モジュール１４Ｒを有する。照明器具１０Ｇは、緑色の発光ダイオードを発光素子とする照明モジュール１４Ｇを有する。照明器具１０Ｂは、青色の発光ダイオードを発光素子とする照明モジュール１４Ｂを有する。照明器具１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂの構成は、それぞれ第１の実施形態の場合と同一である。

照明器具１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂは、赤色、緑色、青色の発光ダイオードをそれぞれ適切に調光することができるテーブル１７Ｒ，１７Ｇ，１７Ｂを有する調光制御部１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂを備えている。

テーブル１７Ｒ，１７Ｇ，１７Ｂは、それぞれの発光ダイオードの調光度ごとに関連付けられた最適なオン期間およびオフ期間を有している。したがって、各色の発光ダイオードは、調色、演色を行うために設定された調光度に応じて波長ずれを生じることなく発光することができる。

以上説明した実施形態によれば、発光ダイオードに供給する電流の波形やＰＷＭ制御のデューティサイクルによって発光色の変化を生じにくい照明器具を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 交流電源、２ 調光装置、１０，１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ 照明器具、１１ａ，１１ｂ 電源端子、１１ｃ 調光信号端子、１２ 電力変換部、１４ 照明モジュール、１５ 発光素子、１６ 調光制御部、１８ スイッチ、１１０ 照明装置、１２１ 整流平滑回路、１２２ ＤＣ−ＤＣコンバータ

Claims (4)

1. 電流を供給して発光素子を点灯させる電力変換部と、
   前記発光素子に流れる電流を断続させるスイッチと、
   前記発光素子の明るさを設定する調光信号にもとづいてＰＷＭ信号を生成し前記ＰＷＭ信号にしたがって前記スイッチを断続する調光制御部と、
   を備え、
   前記ＰＷＭ信号は、前記電流を流すオン期間と、前記電流を遮断するオフ期間と、を含み、
   前記オン期間および前記オフ期間は、設定された前記発光素子の明るさごとに前記発光素子の発光波長を一定とするように設定され、
   前記発光波長は、前記オン期間にわたる方形波換算の前記電流の値に応じて変化し、
   前記オン期間および前記オフ期間は、前記発光波長の変化を相殺するように設定され、
   前記発光波長は、前記方形波換算の電流の値の増大に対して正の相関を有するとともに、前記オン期間および前記オフ期間にもとづいて決定されるオンデューティの増大に対して負の相関を有する照明器具。
2. 前記発光素子の異なる明るさにわたって、前記オン期間および前記オフ期間の和は、異なる値を有する請求項１記載の照明器具。
3. 前記調光制御部は、前記設定された明るさと、前記明るさに関連付けられた前記オン期間および前記オフ期間と、を含むテーブルを有する請求項１または２に記載の照明器具。
4. 第１電流を供給して第１発光素子を点灯させる第１電力変換部と、
   前記第１発光素子に流れる電流を断続させる第１スイッチと、
   前記第１発光素子の明るさを設定する第１調光信号にもとづいて第１ＰＷＭ信号を生成し前記第１ＰＷＭ信号にしたがって前記第１スイッチを断続する第１調光制御部と、
   を含む第１照明器具と、
   第２電流を供給して第２発光素子を点灯させる第２電力変換部と、
   前記第２発光素子に流れる電流を断続させる第２スイッチと、
   前記第２発光素子の明るさを設定する第２調光信号にもとづいて第２ＰＷＭ信号を生成し前記第２ＰＷＭ信号にしたがって前記第２スイッチを断続する第２調光制御部と、
   を含む第２照明器具と、
   を備え、
   前記第１ＰＷＭ信号は、前記第１電流を流す第１オン期間と、前記第１電流を遮断する第１オフ期間と、を含み、
   前記第１オン期間および前記第１オフ期間は、設定された前記第１発光素子の明るさごとに前記第１発光素子の発光波長を一定とするように設定され、
   前記第２ＰＷＭ信号は、前記第２電流を流す第２オン期間と、前記第２電流を遮断する第２オフ期間と、を含み、
   前記第２オン期間および前記第２オフ期間は、設定された前記第２発光素子の明るさごとに前記第２発光素子の発光波長を一定とするように設定され、
   前記第２発光素子の明るさごとに設定される前記第２オン期間および前記第２オフ期間は、前記第１発光素子の明るさごとに設定される前記第１オン期間および第１オフ期間とは、無関係に設定され、
   前記第１発光素子の発光波長は、前記第１オン期間にわたる方形波換算の前記第１電流の値に応じて変化し、
   前記第１オン期間および前記第１オフ期間は、前記第１発光素子の発光波長の変化を相殺するように設定され、
   前記第１発光素子の発光波長は、方形波換算の前記第１電流の値の増大に対して正の相関を有するとともに、前記第１オン期間および前記第１オフ期間にもとづいて決定されるオンデューティの増大に対して負の相関を有する照明器具。

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