JP7019173B2 - Ｌｅｄ照明装置、ｌｅｄ照明システム及びｌｅｄ駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ照明装置、ＬＥＤ照明システム及びＬＥＤ駆動方法に係り、より詳細には、ＬＥＤ素子の出力光の明るさを制御するとともに、ＬＥＤ素子の出力光の色味を制御することができるＬＥＤ照明装置、ＬＥＤ照明システム及びＬＥＤ駆動方法に関する。

近年、ＬＥＤ(light emitting diode：発光ダイオード）素子を光源として使用した種々の照明装置が普及している。さらに、舞台やスタジオで使用される演出用の照明装置のような高輝度の照明光が要求される照明装置においても、光源としてハロゲンランプ等の電球に代わり、ＬＥＤ素子が使用されるようになってきている。ＬＥＤ素子には、ハロゲンランプ等の従来の光源と比較して、消費電力及び発熱量が非常に少ないという利点がある。

また、特許文献１には、照射光の色が変化しないように、ＬＥＤ素子をＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御により調光する照明装置が記載されている。

特開２０１５－１４４０８０号公報

ところで、従来のハロゲンランプ等の電球はブロードな発光波長スペクトルを有するため、かかる光源を使用した演出用の照明装置では、色フィルタを使用して所望の色を得ていた。
これに対し、ＬＥＤ素子は、輝線スペクトルの発光波長スペクトルを有するため、例えば、三原色にそれぞれ対応する３種類のＬＥＤ素子の発光強度のバランスを調整することによって、所望の色を得ている。具体的には、ＬＥＤ素子の出力する三原色にそれぞれ相当する色度図上の３点を結ぶ三角形で囲まれた範囲内の色を、混合色として得ることができる。

しかし、３種類のＬＥＤ素子を使用した照明装置では、色度図上の上記三角形の外側の領域に相当する色を得ることは困難である。例えば、三原色に対応する３種類のＬＥＤ素子だけで青緑色と黄緑色の両方の色を得ることは困難である。具体的には、青緑色を得るために、出力光のピーク波長が高めの緑色ＬＥＤ素子、即ち、青味がかった緑色を出力する緑色ＬＥＤ素子を使用すれば、青緑色を得ることはできるが、黄緑色を得ることが困難となる。反対に、出力光のピーク波長が低めの緑色ＬＥＤ素子、即ち、黄味がかった緑色を出力する緑色ＬＥＤ素子を使用すれば、黄緑色を得ることはできるが、今度は、青緑色を得ることが困難となる。

一方、舞台等の演出用の照明装置には、青緑色及び黄緑色を含めて広い範囲の色を表現することが要求される。例えば、演出用の照明装置の一種であるホリゾンライトには、舞台背景に、昼間の青空だけでなく、黄味がかった夕暮れや、青味がかった薄暮といった様々な空の色を表現することが要求される。このような空の色は、舞台演出上、重要な効果を有するため、ＬＥＤ素子を光源とするホリゾンライトも、従来のハロゲンランプを光源とするホリゾンライトと同様に、広い範囲の色を表現できることが要求される。

なお、ＬＥＤ素子の発光色の種類を増加させれば、出力可能な色の範囲を拡大することはできる。例えば、赤色及び青色のＬＥＤ素子に加えて、青味がかった緑色を出力する緑色ＬＥＤ素子と、黄味がかった緑色を出力する緑色ＬＥＤ素子の合計４種類のＬＥＤ素子を設ければ、青味がかった緑色を出力する緑色ＬＥＤ素子を点灯して、青緑色を生成し、また、黄味がかった緑色を出力する緑色ＬＥＤ素子を点灯して、黄緑色を生成することができる。
しかし、ＬＥＤ素子の色の種類を増加させることは、照明装置の製造コストの増大を招くため、好ましくない。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、ＬＥＤ素子の出力光を調光することができ、かつ、ＬＥＤ素子の出力光の波長を容易に変更することができるＬＥＤ照明装置、ＬＥＤ照明システム及びＬＥＤ駆動方法を提供することを目的としている。

本発明に係る発明者は、種々の検討及び実験を重ねた結果、ＬＥＤ素子の駆動電流を変化させると出力光の色が変化することがあるというＬＥＤ素子の特性に着目した。ＬＥＤ素子のかかる特性は、一般には好ましくないものと考えられているが、本発明者は、敢えてかかる特性を利用することにより本発明を完成させた。

本発明のＬＥＤ照明装置は、互いに異なる波長の光を出力する少なくとも３種類のＬＥＤ素子と、前記少なくとも３種類のＬＥＤ素子のうちの少なくとも１種類の被制御ＬＥＤ素子を駆動するＬＥＤ駆動回路とを備えた、ＬＥＤ照明装置であって、前記ＬＥＤ駆動回路は、電圧波形が矩形状に変化するパルス信号を生成するパルス信号生成部と、前記パルス信号のデューティー比を制御するＰＷＭ制御部と、前記パルス信号の信号強度を第１の信号強度と前記第１の信号強度とは異なる第２の信号強度とで切り替えて制御する電圧制御部と、を有し、前記ＰＷＭ制御部により前記デューティー比が制御され、かつ前記電圧制御部により前記信号強度が制御された前記パルス信号をＰＷＭ信号として出力するＰＷＭ信号生成回路と、前記被制御ＬＥＤ素子のカソード側に接続された第１端子と、電流制御抵抗を介して接地された第２端子と、前記ＰＷＭ信号が入力される制御端子と、を有し、前記ＰＷＭ信号のデューティー比により前記被制御ＬＥＤ素子の出力光の明るさを制御するために、前記ＰＷＭ信号によりスイッチング素子として機能し、かつ、前記ＰＷＭ信号が前記第２の信号強度のときに、前記ＰＷＭ信号が前記第１の信号強度のときの前記少なくとも３種類のＬＥＤ素子から出力された光の混合色として表現可能であった範囲外の混合色を表現するように、前記ＰＷＭ信号の信号強度により前記被制御ＬＥＤ素子の出力光の波長を制御するために、前記ＰＷＭ信号の信号強度を前記被制御ＬＥＤ素子の駆動電流の大きさに反映させる電流制御素子としても機能するトランジスタ素子と、を備えたことを特徴としている。

本発明のＬＥＤ照明装置によれば、ＬＥＤ駆動回路において、ＰＷＭ制御により、被制御ＬＥＤ素子の出力光を調光することができるとともに、パルス信号の信号強度を制御して、被制御ＬＥＤ素子の駆動電流を制御することにより、被制御ＬＥＤ素子の出力光の波長を容易に変更することができる。これにより、本発明のＬＥＤ照明装置によれば、本発明のＬＥＤ駆動回路により、少なくとも１種類の被制御ＬＥＤ素子の発光波長を変更することができるため、ＬＥＤ照明装置の出力する混合光の色の範囲を拡大することができる。

また、本発明のＬＥＤ照明システムは、本発明のＬＥＤ照明装置と、前記ＬＥＤ照明装置に、前記ＬＥＤ素子の出力光の明るさを制御する調光信号と、前記ＬＥＤ素子の出力光の発光波長を制御する調色信号とを入力する操作部を備え、前記ＬＥＤ駆動回路の前記ＰＷＭ制御部は、前記調光信号に応じて、前記パルス信号のデューティー比を制御し、前記ＬＥＤ駆動回路の前記電圧制御部は、前記調色信号に応じて、前記パルス信号の信号強度を制御することを特徴としている。

本発明のＬＥＤ照明システムによれば、操作部より調光信号と調色信号をＬＥＤ照明装置に入力することにより、ＬＥＤ素子の出力光を容易に調光し、かつ、ＬＥＤ素子の出力光の波長を容易に変更することができる

また、本発明のＬＥＤ駆動方法によれば、互いに異なる波長の光を出力する少なくとも３種類のＬＥＤ素子と、前記少なくとも３種類のＬＥＤ素子のうちの少なくとも１種類の被制御ＬＥＤ素子を駆動するＬＥＤ駆動回路とを備えた、ＬＥＤ照明装置における前記被制御ＬＥＤ素子を駆動するＬＥＤ駆動方法であって、電圧波形が矩形状に変化するパルス信号を生成し、前記パルス信号のデューティー比を制御し、前記パルス信号の信号強度を第１の信号強度と前記第１の信号強度とは異なる第２の信号強度とで切り替えて制御し、前記デューティー比が制御され、かつ前記信号強度が制御された前記パルス信号をＰＷＭ信号として出力し、前記ＰＷＭ信号を、前記被制御ＬＥＤ素子のカソード側に接続された第１端子と、電流制御抵抗を介して接地された第２端子とを有するトランジスタ素子の制御端子に入力し、前記トランジスタ素子を、前記制御端子に入力された前記ＰＷＭ信号によりスイッチング素子として機能させて、前記ＰＷＭ信号のデューティー比により前記被制御ＬＥＤ素子の出力光の明るさを制御し、前記トランジスタ素子を、前記制御端子に入力された前記ＰＷＭ信号の信号強度を前記被制御ＬＥＤ素子の駆動電流の大きさに反映させる電流制御素子としても機能させて、前記ＰＷＭ信号が前記第２の信号強度のときに、前記ＰＷＭ信号が前記第１の信号強度のときの前記少なくとも３種類のＬＥＤ素子から出力された光の混合色として表現可能であった範囲外の混合色を表現するように、前記ＰＷＭ信号の信号強度により前記被制御ＬＥＤ素子の出力光の波長を制御することを特徴としている。

本発明のＬＥＤ駆動方法によれば、ＰＷＭ制御により、被制御ＬＥＤ素子の出力光を容易に調光することができるとともに、パルス信号の信号電圧を制御することにより、被制御ＬＥＤ素子の発光波長を容易に変更することができる。これにより、少なくとも１種類の被制御ＬＥＤ素子の発光波長を変更することができるため、ＬＥＤ照明装置の出力する混合光の色の範囲を拡大することができる。

本発明のＬＥＤ照明装置、ＬＥＤ照明システム及びＬＥＤ駆動方法によれば、ＬＥＤ素子の出力光を容易に調光し、かつ、ＬＥＤ素子の出力光の波長を容易に変更することができる。

本発明の第１実施形態に係るＬＥＤ照明システムのブロック図である。 本発明の第１実施形態に係るＬＥＤ駆動回路の回路図である。 本発明の第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置及びＬＥＤ照明システムの出力光の色範囲を説明する色度座標である。 本発明の第１実施形態に係るＬＥＤ駆動回路のタイムチャートである。 本発明の第２実施形態に係るＬＥＤ駆動回路の回路図である。 本発明の第２実施形態に係るＬＥＤ駆動回路のタイムチャートである。 本発明の第３実施形態に係るＬＥＤ照明システムのブロック図である。 本発明の第３実施形態に係るＬＥＤ駆動回路の回路図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係るＬＥＤ照明システムのブロック図を示す。同図に示すように、ＬＥＤ照明システムは、ＬＥＤ素子を駆動するＬＥＤ駆動回路１を備えたＬＥＤ照明装置２と、操作部（コンソール）３とから構成されている。

本実施形態のＬＥＤ照明装置２は、例えば、ホリゾンライトを構成し、赤、緑、青の三原色をそれぞれ出力する３種類のＬＥＤ素子を備えている。赤色ＬＥＤ素子は、例えば５７０～６９０ｎｍの波長範囲内にピーク波長を有し、緑色ＬＥＤ素子は、例えば４６０～６２０ｎｍの波長範囲内にピーク波長を有し、青色ＬＥＤ素子は、例えば４２０～５３０ｎｍの波長範囲内にピーク波長を有する。ここで、ＬＥＤ素子のピーク波長とは、ＬＥＤ素子の発光スペクトルのうち、発光強度が最大となる波長をいう。
３種類のＬＥＤ素子は、それぞれ別個のＬＥＤ駆動回路１で駆動されるが、図１では、３つのＬＥＤ駆動回路１のうち１のブロックだけを代表して示す。

また、操作部３には、ＬＥＤ素子の明るさの調整手段と、ＬＥＤ素子の色味の調整手段とが設けられている。これら調整手段は、スライドバー、回転摘まみ、又はトグルスイッチ、その他の機構で構成することができる。

操作部３からは、ＬＥＤ照明装置２の３つのＬＥＤ駆動回路１に、それぞれ外部信号として、ＬＥＤ素子の出力光の明るさを制御する調光信号と、ＬＥＤ素子の出力光の発光波長を制御する調色信号とが入力される。各ＬＥＤ駆動回路１は、以下に説明するように、ＬＥＤ素子の明るさと色味を制御する。なお、外部信号は、ＤＭＸ信号であるのがよい。

図２に、ＬＥＤ駆動回路１の回路図を示す。同図に示すＬＥＤ駆動回路は、ＮＰＮ型トランジスタ１０（ＴＲ１）と、電流制御抵抗２０（１ＬＩＭＩＴ）と、ＰＷＭ信号生成回路３０を備えている。ＮＰＮ型トランジスタ１０は、第１端子としてコレクタ端子ＣがＬＥＤ素子Ｄ１のカソード側に接続され、第２端子としてエミッタ端子Ｅが電流制御抵抗２０を介して接地されている。また、ＬＥＤ素子Ｄ３のアノード側には、直流定電圧（ＤＣ＋）が印加されている。

ＰＷＭ信号生成回路３０は、電圧波形が矩形状に変化するパルス信号を生成するパルス信号生成部とパルス信号のデューティー比を制御するＰＷＭ制御部とを兼ねるＣＰＵ３１と、パルス信号の信号強度（電圧波形における波高）を制御する電圧制御部としての、電圧増減回路３２及び切替抵抗部３３とから構成されている。

操作部３からＣＰＵ３１に入力される外部信号としての調光信号に応じて、ＣＰＵ３１はＰＷＭ信号のデューティー比を制御する。また、外部信号としての調色信号に応じて、ＣＰＵ３１は切替抵抗部３３へ抵抗切り替え信号を出力する。切り替え信号に応じて、切替抵抗部３３は、抵抗器（図示せず）を切り替えて、電圧増減回路３２に入力されたＰＷＭ信号の信号強度を制御する。図１に示す例では、電圧増減回路３２に入力されたＰＷＭ信号の電圧波形の波高がＶＡ（例えば、ＶＡ＝１．０Ｖ）であるのに対して、電圧増減回路３２から出力されたＰＷＭ信号の電圧波形の波高がＶＢ（例えば、ＶＢ＝１．１～５．０Ｖ）に増幅されている。
なお、電圧増減回路３２は、入力したＰＷＭ信号の信号強度よりも、出力するＰＷＭ信号強度を低くすることもできる。
このように、ＰＷＭ信号生成回路３０は、ＰＷＭ信号のデューティー比を制御するとともに、ＰＷＭ信号の信号強度を制御する。

また、所望の色の再現を容易にするため、ＣＰＵ３１に入力されていた外部信号がなくなると、ＣＰＵ３１から記憶信号が切替抵抗部３３へ出力され、切替抵抗部３３は直前の抵抗を記憶することが好ましい。

ＰＷＭ信号生成回路３０で生成されたＰＷＭ信号は、電流制限抵抗Ｒ１を介してＮＰＮ型トランジスタ１０のベース端子Ｂに入力される。したがって、ＰＷＭ信号生成回路３０で生成されたＰＷＭ信号の波高ＶＢは、ＮＰＮ型トランジスタ１０のベース電圧ＶＢとなる。

ＮＰＮ型トランジスタ１０は、ＰＷＭ制御において、スイッチング素子として機能する。ＮＰＮ型トランジスタ１０は、ベース端子Ｂに入力されるＰＷＭ信号の電圧波形の電圧レベルが、デューティー比に応じて断続的に「高」となっているときにＯＮ状態となり、ＬＥＤ駆動電流ＩＦを流す。これにより、デューティー比が低いほど、ＬＥＤ素子は暗くなり、一方、ＰＷＭ信号のデューティー比が高いほど、ＬＥＤ素子は明るくなる。したがって、ＰＷＭ信号のデューティー比を制御することにより、ＬＥＤ素子の明るさが制御される。

ところで、通常のＰＷＭ制御であれば、ＮＰＮ型トランジスタ１０は、上記のように単なるスイッチング素子として機能するだけである。
しかし、本実施形態では、ＮＰＮ型トランジスタ１０は、単なるスイッチング素子としてだけではなく、以下に説明するように、ＰＷＭ信号の信号強度をＬＥＤ駆動電流ＩＦの大きさに反映させる電流制御素子としても機能する。

一般に、ＮＰＮ型トランジスタのベースＢ－エミッタＥ間電圧は、実質的に一定（例えば、約０．７Ｖ）である。このため、ベース電圧ＶＢが上昇すると、エミッタ電圧ＶＥも上昇する。
例えば、ベース電圧ＶＢ＝１．０Ｖのときに、エミッタ電圧ＶＥ＝１－０．７＝０．３Ｖであるのに対し、ベース電圧ＶＢ＝５．０Ｖのときは、エミッタ電圧ＶＥ＝５－０．７＝４．３Ｖとなる。

そして、エミッタ電圧ＶＥのときのエミッタ電流ＩＥは、エミッタ電圧ＶＥを電流制御抵抗２０（１（Ω）ＬＩＭＩＴ）で除した値である。さらに、エミッタ電流ＩＥは、コレクタ電流ＩＣであるＬＥＤ素子の駆動電流ＩＦに実質的に等しくなっている（例えば、コレクタ電流ＩＣは、エミッタ電流ＩＥの９５～９９％である）。

したがって、ＬＥＤ素子の駆動電流ＩＦは、式（１）に示すように、ベース電圧ＶＢである、ＰＷＭ信号の信号強度ＶＢの関数として表される。
ＩＦ（Ａ）≒（ＶＢ―０．７（Ｖ））÷１（Ω）ＬＩＭＩＴ ・・・（１）
そして、式（１）から明らかなように、ベース電圧Ｂが上昇すると、ＬＥＤ
素子の駆動電流ＩＦも上昇する。

なお、コレクタ電圧ＶＣをエミッタ電圧ＶＥよりも高く保つため、ベース電圧ＶＢは、ＶＣ―０．７≧ＶＢを満たす範囲で制御されるのがよい。コレクタ電圧ＶＣは、ＬＥＤ素子に印加される直流定電圧（ＤＣ＋）からＬＥＤ素子の電圧降下分を減じた値である。

ＬＥＤ素子は、駆動電流ＩＦが小さくなると、発光波長が長くなり、一方、駆動電流ＩＦが大きくなると、発光波長が短くなることがある。このため、上記の式（１）から明らかなように、電圧制御部３２で生成されるＰＷＭ信号の信号強度ＶＢが低いほど、ＬＥＤ素子の発光波長が長くなり、一方、信号強度ＶＢが高いほど、ＬＥＤ素子の発光波長が短くなる。したがって、パルス信号の信号強度ＶＢを制御することにより、ＬＥＤ素子の発光波長、即ち、色味が制御される。

なお、ＬＥＤ素子の発光強度は、ＰＷＭ信号のデューティー比とＬＥＤ駆動電流ＩＦの両方で決まる。このため、ＬＥＤ素子の色味を変更するためにＬＥＤ駆動電流ＩＦを大きくしたときには、ＬＥＤ素子を所望の明るさに維持するために、ＰＷＭ信号のデューティー比を小さくするとよい。また、反対に、ＬＥＤ素子の色味を変更するためにＬＥＤ駆動電流ＩＦを小さくしたときには、ＬＥＤ素子を所望の明るさに維持するために、ＰＷＭ信号のデューティー比を大きくするとよい。他の実施形態においても同様に、ＰＷＭ信号のデューティー比とＬＥＤ駆動電流ＩＦの両方を制御することが好ましい。

次に、図３の色度図を参照して、ＰＷＭ信号の信号強度と、ＬＥＤ照明装置２から出力される混合色との関係を説明する。
まず、色度図のＸ－Ｙ座標上に、赤色ＬＥＤ素子の出力光の色を点Ｒで示し、青色ＬＥＤ素子の出力光の色を点Ｂで示す。

さらに、ＰＷＭ信号の信号強度が低く、緑色ＬＥＤ素子の発光波長が長くなって、黄味がかった緑色の光を出力したときの緑ＬＥＤ素子の出力光の色を点Ｇ１で示す。
このとき、ＬＥＤ照明装置２は、点Ｒ、Ｂ、Ｇ１を頂点とする実線の三角形で囲まれた範囲内の色を混合色として表現することができる。この範囲には、色度図中に破線円ｙｇで示した領域に相当する黄緑色が含まれる。したがって、ＰＷＭ信号の信号強度が低いときには、黄緑色を表現することができる。

また、ＰＷＭ信号の信号強度が高く、緑色ＬＥＤ素子の発光波長が短くなって、青味がかった緑色の光を出力したときの緑ＬＥＤ素子の出力光の色を点Ｇ２で示す。
このとき、ＬＥＤ照明装置２は、点Ｒ、Ｂ、Ｇ２を頂点とする破線の三角形で囲まれた範囲内の色を混合色として表現することができる。この範囲には、色度図中に破線円ｇｂで示した領域に相当する青緑色が含まれる。したがって、ＰＷＭ信号の信号強度が低いときには、青緑色を表現することができる。
なお、いずれの場合においても、図３の色度図中に破線円ｗで示した領域に相当する白色は、三原色の混合色として表現することができる。

よって、黄緑色を表現する場合には、操作部３から、ＬＥＤ照明装置２の緑色ＬＥＤ素子のＬＥＤ駆動回路１のＣＰＵ３１に、外部信号として、ＰＷＭ信号の信号強度を低くする調色信号を入力するとよい。
これに対し、青緑色を表現する場合には、操作部３から、ＬＥＤ照明装置２の緑色ＬＥＤ素子のＬＥＤ駆動回路１のＣＰＵ３１に、外部信号として、ＰＷＭ信号の信号強度を高くする調色信号を入力するとよい。
このように、本実施形態のＬＥＤ照明装置２及びＬＥＤ照明システムは、ＬＥＤ素子の種類を増やすことなく、表現可能な色の範囲を拡大することができる。

次に、図４示すタイムチャートを参照して、緑色ＬＥＤ素子を駆動するＬＥＤ駆動回路１の動作例を説明する。
タイムチャートの上段は、ＣＰＵ３１より出力されるＰＷＭ信号を表し、中段は、ＣＰＵ３１から切替抵抗部３３へ出力される抵抗切替信号を表し、下段は、電圧増減回路３２から出力されるＰＷＭ信号を表す。

上段のタイムチャートに示すように、ＰＷＭ信号は、デューティー比０％（消灯状態）から開始し、デューティー比を１００％（全灯状態）まで徐々に増加し、再び、デューティー比を０％まで徐々に減少している。

ｔ１の時点では、抵抗切替信号がＬのままであり、電圧増減回路３２から出力され、ＮＰＮ型トランジスタ１０のベース端子Ｂに入力されるＰＷＭ信号の信号強度は低いままである。このとき、緑色ＬＥＤ素子の出力光の色は、黄味がかった緑色であり、図３の色度図上では点Ｇ１に相当する。
したがって、開始からｔ２までの間、緑色ＬＥＤは、黄味がかった緑色の出力光で、徐々に明るさを増加している。

次に、ｔ２の時点で、抵抗切替信号がＬからＨに切り替わる。その結果、電圧増減回路３２から出力されるＰＷＭ信号の信号強度が高くなる。このとき、緑色ＬＥＤ素子の出力光の色は、青味がかった緑色に変化し、図３の色度図上では、点Ｇ１から点Ｇ２に変化する。

そして、ｔ２からｔ３まで、緑色ＬＥＤは、青味がかった緑色の出力光で、全灯状態まで徐々に明るさを増加している。
さらに、ｔ３以降、緑色ＬＥＤは、青味がかった緑色の出力光で、全灯状態から消灯状態まで、ｔ４を経て徐々に明るさを減少させていく。

ＬＥＤ照明装置２がホリゾンライトの場合、上記の緑色ＬＥＤ素子の動作を赤色及び青色ＬＥＤ素子と組み合わせることにより、例えば、背景を黄緑色で徐々に明るくし、ｔ２の時点で青緑色に変化させ、ｔ３の時点で全灯状態とし、続いて、青緑色のまま、徐々に暗くして消灯することができる。
また、ＬＥＤ照明システムの操作部３では、例えば、調光操作をしつつ、ｔ２の時点で、調色信号を切り替えることにより、上記の演出を表現することができる。
このように、本実施形態のＬＥＤ照明装置２及びＬＥＤ照明システムによれば、三原色に相当する３種類のＬＥＤ素子だけあっても、広い範囲の色を表現することできる。

（第２実施形態）
図５に、本発明の第２実施形態に係るＬＥＤ駆動回路の回路図を示す。
なお、本実施形態では、第１実施形態のＬＥＤ駆動回路と同一の構成部分には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
また、本実施形態のＬＥＤ駆動回路を、第１実施形態のＬＥＤ駆動回路の代わりに組み込むことにより、第１実施形態と同様に、本発明のＬＥＤ照明装置及びＬＥＤ照明システムを構成することができる。

同図に示すように、第２実施形態のＬＥＤ駆動回路は、第２の電流制御抵抗２２を加え、電流制御抵抗２０と第２の電流制御抵抗２２との合成抵抗を変化させる調整回路２０ａを設けている。
調整回路２０ａにおいて、第２の電流制御抵抗２２は、第２のＮＰＮ型トランジスタ１２（ＴＲ２）を介して接地されている。第２のＮＰＮ型トランジスタ１２は、ＣＰＵ３１からベース端子Ｂに入力されるパルス電流調整信号によって、ＯＮ／ＯＦＦ状態が制御され、第２のＮＰＮ型トランジスタ１２を流れるエミッタ電流のスイッチング素子として機能する。

第２のＮＰＮ型トランジスタ１２がＯＦＦ状態のときには、エミッタ電流が第１の電流制御抵抗２０だけを流れる。これに対し、第２のＮＰＮ型トランジスタ１２がＯＮ状態のときには、エミッタ電流が、第１の電流制御抵抗２０と、これに並列に接続された第２の電流制御抵抗２２の両方を流れる。この場合、第１の電流制御抵抗２０単独よりも、第１及び第２の電流制御抵抗２０及び２２の合成抵抗が小さくなるため、エミッタ電流が増大する。その結果、ＬＥＤ駆動電流ＩＦも増大して、ＬＥＤ素子の発光波長がより短くなる。

次に、図６に示すタイムチャートを参照して、緑色ＬＥＤ素子を駆動する第２実施形態のＬＥＤ駆動回路の動作例を説明する。
タイムチャートの上から１段目は、ＣＰＵ３１より出力されるＰＷＭ信号を表し、２段目は、ＣＰＵ３１から切替抵抗部３３へ出力される抵抗切替信号を表し、３段目は、ＣＰＵ３１から調整回路２０ａの第２のＮＰＮ型トランジスタ１２へ出力されるパルス電流調整信号を表し、４段目は、電圧増減回路３２から出力されるＰＷＭ信号を表し、５段目は、ＬＥＤ駆動電流ＩＦを表す。

１段目のタイムチャートに示すように、ＰＷＭ信号は、第１実施形態のタイムチャートと同様に、デューティー比０％（消灯状態）から開始し、デューティー比を１００％（全灯状態）まで徐々に増加し、再び、デューティー比を０％まで徐々に減少している。

開始からｔ５までは、抵抗切替信号がＬのままであり、電圧増減回路３２から出力され、ＮＰＮ型トランジスタ１０のベース端子Ｂに入力されるＰＷＭ信号の信号強度は低いままである。このとき、緑色ＬＥＤ素子の出力光の色は、黄味がかった緑色であり、図３の色度図上では点Ｇ１に相当する。
したがって、開始からｔ５までの間、緑色ＬＥＤは、黄味がかった緑色の出力光で、徐々に明るさを増加している。

次に、ｔ５の時点で、抵抗切替信号がＬからＨに切り替わる。その結果、電圧増減回路３２から出力されるＰＷＭ信号の信号強度が高くなり、ＬＥＤ駆動電流ＩＦが増加する。このとき、緑色ＬＥＤ素子の出力光の色は、青味がかった緑色に変化し、図３の色度図上では点Ｇ１から点Ｇ２に変化する。

そして、ｔ５からｔ６まで、緑色ＬＥＤは、青味がかった緑色の出力光で、全灯状態まで徐々に明るさを増加している。

次に、ｔ６の時点で、パルス電流調整信号がＬからＨに切り替わる。その結果、ＬＥＤ駆動電流ＩＦが一段と高くなる。このとき、緑色ＬＥＤ素子の出力光の色は、より青味がかった緑色に変化し、図３の色度図上では、点Ｇ２から更に図面左側へ変化する。

さらに、ｔ６以降、緑色ＬＥＤは、より青味がかった緑色の出力光で、全灯状態から消灯状態まで徐々に明るさを減少させていく。

ＬＥＤ照明装置２がホリゾンライトの場合、上記の緑色ＬＥＤ素子の動作を赤色及び青色ＬＥＤ素子と組み合わせることにより、例えば、背景を開始から黄緑色で徐々に明るくし、ｔ２の時点で、青緑色に変化させ、ｔ６で全灯状態とするとともに、より青味がかった青緑色に変化させ、続いて、より青味がかった青緑色のまま、徐々に暗くして消灯することができる。
また、ＬＥＤ照明システムの操作部３では、例えば、調光操作をしつつ、ｔ５の時点で調色信号を切り替え、さらに、ｔ６の時点でパルス電流調整信号を切り替えることにより、上記の演出を表現することができる。
このように、本実施形態のＬＥＤ照明装置２及びＬＥＤ照明システムによれば、三原色に相当する３種類のＬＥＤ素子だけあっても、より広い範囲の色を表現することできる。

（第３実施形態）
図７に、本発明の第３実施形態に係るＬＥＤ駆動回路の回路図を示す。
なお、本実施形態では、第１実施形態のＬＥＤ駆動回路と同一の構成部分には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
また、本実施形態のＬＥＤ駆動回路を、第１実施形態のＬＥＤ駆動回路の代わりに組み込むことにより、第１実施形態と同様に、本発明のＬＥＤ照明装置及びＬＥＤ照明システムを構成することができる。

同図に示すように、本実施形態のＬＥＤ駆動回路では、トランジスタ素子として、第１実施形態のＮＰＮ型トランジスタ１０の代わりに、ＰＮＰ型トランジスタ１０ａ（ＴＲ３）を設けている。ＰＮＰ型トランジスタ１０ａは、第１端子としてエミッタ端子ＥがＬＥＤ素子Ｄ１のカソード側に接続され、第２端子としてコレクタ端子Ｃが電流制御抵抗２０を介して接地されている。

ＰＮＰ型トランジスタ１０ａは、ベース端子Ｂに印加されるベース電圧ＶＢ１が、エミッタ電圧ＶＥよりも一定値（例えば、約０．７Ｖ）以上低い場合に、ＯＮ状態となる。このため、本実施形態では、ＣＰＵ３１に入力される外部信号としての調光信号に応じて、ＣＰＵ３１は、ＰＷＭ信号のパルス波形の高い（Ｈ）区間ではなく、低い（Ｌ）区間の比率をデューティー比として制御する。

さらに、電圧増減回路３２は、ＰＷＭ信号のパルス波形の高い区間に対する、低い区間との電位差として、ＰＷＭ信号の信号強度を制御する。図７に示す例では、電圧増減回路３２に入力されたＰＷＭ信号の電圧波形の波高がＶＡ（例えば、ＶＡ＝５．０Ｖ）であるのに対して、電圧増減回路３２から出力されたＰＷＭ信号の電圧波形の波高がＶＡよりもＷだけ小さくなったＶＢ（例えば、ＶＢ＝０．０～５．０Ｖ）に変えられている。
なお、電圧増減回路３２は、入力したＰＷＭ信号の信号強度よりも、出力するＰＷＭ信号強度を高くすることもできる。

そして、ＶＢが低くなるほど、ベース端子Ｂに接続された抵抗Ｒ３の両端の電位差（ＶＢ１―ＶＢ）が大きくなり、ベース電流ＩＢ＝（（ＶＢ１―ＶＢ）／Ｒ３）なり、その結果、（（ＶＢ１―ＶＢ）／Ｒ３）×ｈＦＥ＝１（Ω）ＬＩＭＩＴ１抵抗２０を流れる電流≒ＬＥＤ電流ＩＦが大きくなる。なお、「ｈＦＥ」は、ＰＮＰ型トランジスタ１０ａの電流増幅率を表す。また、反対に、ＶＢが高くなるほど、ＬＥＤ電流ＩＦが小さくなる。したがって、本実施形態においても、パルス信号の信号強度ＶＢを制御することにより、ＬＥＤ素子の発光波長、即ち、色味が制御される。

次に、図８示すタイムチャートを参照して、本実施形態のＬＥＤ駆動回路により緑色ＬＥＤ素子を駆動する動作例を説明する。
タイムチャートの上から１段目は、ＣＰＵ３１より出力されるＰＷＭ信号を表し、２段目は、ＣＰＵ３１から切替抵抗部３３へ出力される抵抗切替信号を表し、３段目は、電圧増減回路３２から出力されるＰＷＭ信号を表し、４段目は、ＰＮＰ型トランジスタ１０ａのベース端子Ｂを流れるベース電流ＩＢを表し、５段目は、ＬＥＤ駆動電流ＩＦのパルス電流波形を表す。

上段のタイムチャートに示すように、ＰＷＭ信号は、デューティー比０％（消灯状態）から開始し、デューティー比を１００％（全灯状態）まで徐々に増加し、再び、デューティー比を０％まで徐々に減少している。
ｔ７以前の時点では、抵抗切替信号がＬのままであり、電圧増減回路３２から出力され、ＰＮＰ型トランジスタ１０ａのベース端子Ｂに入力されるＰＷＭ信号のＶＢは低いままであり、緑色ＬＥＤ素子の出力光の色は、黄味がかった緑のままである。

次に、ｔ７の時点で、抵抗切替信号がＬからＨに切り替わる。その結果、電圧増減回路３２から出力されるＰＷＭ信号の信号強度が高くなる。これにより、緑色ＬＥＤ素子の出力光の色は、青味がかった緑色に変化する。
そして、ｔ７からｔ８まで、緑色ＬＥＤは、青味がかった緑色の出力光で、全灯状態まで徐々に明るさを増加している。さらに、ｔ８以降、緑色ＬＥＤは、青味がかった緑色の出力光で、全灯状態から消灯状態まで徐々に明るさを減少させていく。
このように、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、緑色ＬＥＤ素子の明るさと色味を制御することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は種々の変更及び変形を行うことができる。
上述した実施形態では、切替抵抗を切り替えることによって、ＰＷＭ信号の信号強度を切り替えたが、本発明では、ＰＷＭ信号の信号強度の切り替え方法はこれに限定されない。また、ＰＷＭ信号の信号強度は多段階に切り替えてもよいし、連続的に変化させてもよい。

また、上述した実施形態では、三原色の各色をそれぞれ出力する３種類のＬＥＤ素子を、本発明のＬＥＤ駆動回路で駆動する例を説明したが、本発明のＬＥＤ照明システム及びＬＥＤ照明装置では、全てのＬＥＤ素子を本発明のＬＥＤ駆動回路で駆動する必要はなく、例えば、１種類のＬＥＤ素子だけを本発明のＬＥＤ駆動回路で駆動するように構成してもよい。

また、上述した実施形態では、ＬＥＤ駆動回路中のトランジスタ素子をＮＰＮ型又はＰＮＰ型のバイポーラトランジスタでそれぞれ構成した例を説明したが、本発明では、トランジスタ素子はバイポーラトランジスタに限定されず、トランジスタ素子をＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）で構成してもよい。例えば、エンハンスメント型ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）－ＦＥＴも、ゲート電圧強度を変化させることによってドレイン電流を制御することができるため、トランジスタ素子として好ましい。特に、トランジスタ素子をＮチャネルＭＯＳ－ＦＥＴで構成すれば、トランジスタ素子をＮＰＮ型トランジスタとした第１実施形態と同じ信号波形のパルス信号を制御端子に入力することにより、ＬＥＤの調光及び発光波長の変更を行うことができる。

また、上述した実施形態では、三原色の各色をそれぞれ出力する３種類のＬＥＤ素子だけを設けた例を説明したが、本発明のＬＥＤ照明装置及びＬＥＤ照明システムでは、４種類以上のＬＥＤ素子を設けてもよい。例えば、三原色の３種類のＬＥＤ素子に加えて、白色光を出力するＬＥＤ素子を設けてもよい。

本発明は、種々のＬＥＤ素子の駆動回路、ＬＥＤ照明装置及びＬＥＤ照明システムに適用することができ、特に、スタジオ又は舞台で使用される演出用の照明装置及び照明システムに適用して好適である。

１０ （第１の）ＮＰＮ型トランジスタ（ＴＲ１）
１２ （第２の）ＮＰＮ型トランジスタ（ＴＲ２）
２０ （第１の）電流制限抵抗（１ＬＩＭＩＴ）
２０ａ 調整回路
２２ （第２の）電流制限抵抗
３０ ＰＷＭ信号生成回路
３１ ＣＰＵ
３２ 電圧増減回路
３３ 切替抵抗部

Claims (6)

1. 互いに異なる波長の光を出力する少なくとも３種類のＬＥＤ素子と、
   前記少なくとも３種類のＬＥＤ素子のうちの少なくとも１種類の被制御ＬＥＤ素子を駆動するＬＥＤ駆動回路と
   を備えた、ＬＥＤ照明装置であって、
   前記ＬＥＤ駆動回路は、
   電圧波形が矩形状に変化するパルス信号を生成するパルス信号生成部と、前記パルス信号のデューティー比を制御するＰＷＭ制御部と、前記パルス信号の信号強度を第１の信号強度と前記第１の信号強度とは異なる第２の信号強度とで切り替えて制御する電圧制御部と、を有し、前記ＰＷＭ制御部により前記デューティー比が制御され、かつ前記電圧制御部により前記信号強度が制御された前記パルス信号をＰＷＭ信号として出力するＰＷＭ信号生成回路と、
   前記被制御ＬＥＤ素子のカソード側に接続された第１端子と、電流制御抵抗を介して接地された第２端子と、前記ＰＷＭ信号が入力される制御端子と、を有し、前記ＰＷＭ信号のデューティー比により前記被制御ＬＥＤ素子の出力光の明るさを制御するために、前記ＰＷＭ信号によりスイッチング素子として機能し、かつ、前記ＰＷＭ信号が前記第２の信号強度のときに、前記ＰＷＭ信号が前記第１の信号強度のときの前記少なくとも３種類のＬＥＤ素子から出力された光の混合色として表現可能であった範囲外の混合色を表現するように、前記ＰＷＭ信号の信号強度により前記被制御ＬＥＤ素子の出力光の波長を制御するために、前記ＰＷＭ信号の信号強度を前記被制御ＬＥＤ素子の駆動電流の大きさに反映させる電流制御素子としても機能するトランジスタ素子と、
   を備えたことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
2. 前記ＬＥＤ駆動回路が、前記電流制御抵抗の合成抵抗値を変える調整回路を更に備えた
   ことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
3. 前記トランジスタ素子は、ＮＰＮ型トランジスタであり、
   前記第１端子は、コレクタ端子であり、
   前記第２端子は、エミッタ端子であり、
   前記制御端子は、ベース端子である
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載のＬＥＤ照明装置。
4. 前記トランジスタ素子は、ＰＮＰ型トランジスタであり、
   前記第１端子は、エミッタ端子であり、
   前記第２端子は、コレクタ端子であり、
   前記制御端子は、ベース端子である
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載のＬＥＤ照明装置。
5. 請求項１～４のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置と、
   前記ＬＥＤ照明装置に、前記被制御ＬＥＤ素子の出力光の明るさを制御する調光信号と、前記被制御ＬＥＤ素子の出力光の発光波長を制御する調色信号とを入力する操作部を備え、
   前記ＬＥＤ駆動回路の前記ＰＷＭ制御部は、前記調光信号に応じて、前記パルス信号のデューティー比を制御し、
   前記ＬＥＤ駆動回路の前記電圧制御部は、前記調色信号に応じて、前記パルス信号の信号強度を前記第１の信号強度と前記第２の信号強度とで切り替えて制御する
   ことを特徴とするＬＥＤ照明システム。
6. 互いに異なる波長の光を出力する少なくとも３種類のＬＥＤ素子と、前記少なくとも３種類のＬＥＤ素子のうちの少なくとも１種類の被制御ＬＥＤ素子を駆動するＬＥＤ駆動回路とを備えた、ＬＥＤ照明装置における前記被制御ＬＥＤ素子を駆動するＬＥＤ駆動方法であって、
   電圧波形が矩形状に変化するパルス信号を生成し、
   前記パルス信号のデューティー比を制御し、
   前記パルス信号の信号強度を第１の信号強度と前記第１の信号強度とは異なる第２の信号強度とで切り替えて制御し、
   前記デューティー比が制御され、かつ前記信号強度が制御された前記パルス信号をＰＷＭ信号として出力し、
   前記ＰＷＭ信号を、前記被制御ＬＥＤ素子のカソード側に接続された第１端子と、電流制御抵抗を介して接地された第２端子とを有するトランジスタ素子の制御端子に入力し、
   前記トランジスタ素子を、前記制御端子に入力された前記ＰＷＭ信号によりスイッチング素子として機能させて、前記ＰＷＭ信号のデューティー比により前記被制御ＬＥＤ素子の出力光の明るさを制御し、
   前記トランジスタ素子を、前記制御端子に入力された前記ＰＷＭ信号の信号強度を前記被制御ＬＥＤ素子の駆動電流の大きさに反映させる電流制御素子としても機能させて、前記ＰＷＭ信号が前記第２の信号強度のときに、前記ＰＷＭ信号が前記第１の信号強度のときの前記少なくとも３種類のＬＥＤ素子から出力された光の混合色として表現可能であった範囲外の混合色を表現するように、前記ＰＷＭ信号の信号強度により前記被制御ＬＥＤ素子の出力光の波長を制御する
   ことを特徴とするＬＥＤ駆動方法。

Images