JP7070113B2 - 光源点灯装置及び照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロコンピュータなどの制御回路で出力電流を制御する光源点灯装置及び照明器具に関する。

ＰＷＭ信号を入力することで調光ができる光源点灯装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、マイクロコントローラ又はマイクロコンピュータで出力電流を制御する光源点灯装置も知られている。

特許第３８２９２８６号公報

マイクロコンピュータの出力はデジタル出力である。従って、マイクロコンピュータで出力電流を制御している光源点灯装置では、ＰＷＭ信号により連続的に調光をさせようとしても、出力電流を連続的に変化させることできず、段階的な変化となってしまう。

マイクロコンピュータのデジタル出力をアナログに変換する回路又は遅延時間を設ける回路などを付加することで、出力電流を連続的に変化させることも可能である。しかし、回路を追加することになるため、光源点灯装置が大型化し、コストが高くなってしまうという問題がある。

光源点灯装置の出力電流は光源の明るさに比例する。調光する際に出力電流が段階的に変化すると明るさも段階的に変化する。従って、視覚的に見た目がよくないという問題がある。特に、出力電流の少ない低調光の時ほど、同じ電流値の変化でも出力電流の変化率が大きいものとなり、明るさの変化が大きく感じられ、視覚的な見た目の悪さが顕著になる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はマイクロコンピュータなどの制御回路で出力電流を制御する光源点灯装置においてＰＷＭ信号の変化に応じて出力電流を変化させたときに段階的に見える視覚的な明るさの変化を軽減することである。

本発明に係る光源点灯装置は、光源を点灯させる出力電流を生成する電流生成部と、外部から入力されるＰＷＭ信号に応じて前記電流生成部を制御して前記出力電流を段階的に不連続に変化させる制御回路とを備え、前記制御回路は、前記ＰＷＭ信号の変化に応じて前記出力電流を現在の電流値から次の電流値に変化させるときに前記出力電流の電流値を２段階以上で段階的に変化させることを特徴とする。

本発明に係る光源点灯装置は、光源を点灯させる出力電流を生成する電流生成部と、外部から入力されるＰＷＭ信号に応じて前記電流生成部を制御して前記出力電流を段階的に不連続に変化させる制御回路とを備え、前記ＰＷＭ信号のＯＮ－Ｄｕｔｙは段階的に不連続に変化し、前記制御回路は、前記ＰＷＭ信号の１段階の変化に応じて前記出力電流を現在の電流値から次の電流値に変化させるときに前記出力電流の電流値を２段階以上で段階的に変化させることを特徴とする。

実施の形態における照明器具を示す図である。 従来の調光カーブを示す図である。 実施の形態の調光カーブを示す図である。 従来の調光度を５％から６％に変化させた場合の図である。 実施の形態で調光度を５％から６％に変化させた場合の図である。 理想的に調光度を５％から６％に変化させた場合の図である。 従来の調光度を５％から８％に変化させた場合の図である。 実施の形態で調光度を５％から８％に変化させた場合の図である。 理想的に調光度を５％から８％に変化させた場合の図である。

図１は、実施の形態における照明器具を示す図である。照明器具は、電源１、光源１２、ＰＷＭ調光器１３、及び光源点灯装置２００を備える。光源点灯装置２００は、電源１より交流電圧を入力し電力の供給を受けて、光源１２を点灯させる装置である。また、光源点灯装置２００は、ＰＷＭ調光器１３からＰＷＭ信号を入力し、ＰＷＭ信号のＯＮ－Ｄｕｔｙに応じて調光を行う。図１において、電源１、光源１２、ＰＷＭ調光器１３以外は、光源点灯装置２００の構成要素である。電源１は直流電圧であってもよい。

光源１２は例えばＬＥＤを複数個接続したＬＥＤモジュールである。光源１２は、ＬＥＤに限らず、光源点灯装置２００から電流を流すことで点灯するものであればよく、例えば有機ＥＬなどでもよい。光源１２の種類に応じて、降圧チョッパ回路１００でなく、整流回路２、平滑コンデンサ３を含め、光源１２を点灯させるために適した回路構成を用いる。

光源点灯装置２００は、整流回路２、平滑コンデンサ３、降圧チョッパ回路１００、制御回路１０、調光Ｉ／Ｆ（インターフェース）回路１１、及びコネクタ５０ａ～５０ｆを備えている。降圧チョッパ回路１００は、スイッチング素子４、駆動回路５、還流ダイオード６、インダクタ７、コンデンサ８、及び電流検出抵抗９を有する。光源点灯装置２００のコネクタ５０ａ，５０ｂは電源１と接続するために設けられ、コネクタ５０ｃ，５０ｄは光源１２と接続するために設けられ、コネクタ５０ｅ，５０ｆはＰＷＭ調光器１３と接続するために設けられている。

整流回路２は電源１から供給される交流電圧を全波整流する。整流回路２は例えばダイオードブリッジで構成される。整流回路２で全波整流された脈流電圧を平滑コンデンサ３が平滑化する。本実施の形態の整流回路２はコンデンサインプット形整流回路であるが、これに限らず平滑コンデンサ３に直流電圧を生成する回路構成であればよい。例えば、力率改善を行うような場合は、整流回路２と平滑コンデンサ３の間に、力率改善回路として昇圧チョッパ回路を入れてもよい。平滑コンデンサ３で平滑された直流電圧は、降圧チョッパ回路１００に供給される。

降圧チョッパ回路１００では、一例として、光源１２の電流を検出するため電流検出抵抗９が光源１２と直列に設けられている。電流検出抵抗９と光源１２の接続点は制御回路１０に接続される。電流検出抵抗９は光源１２と同じ電流が流れることになるので、電流検出抵抗９に発生する電圧で電源１２の電流を知ることができる。制御回路１０は、電流検出抵抗９の電圧をフィードバック制御し、光源１２に流れる電流を制御する。ここではスイッチング素子４はＭＯＳＦＥＴである。駆動回路５は、制御回路１０から入力された制御信号に従ってスイッチング素子４のゲートにスイッチング素子４をオン／オフ制御するゲート信号を供給する。オン／オフ制御された電流はインダクタ７により降圧され、コンデンサ８により平滑化されると共に光源１２に流れて光源１２を点灯させる。還流ダイオード６は、スイッチング素子４がオフしたときインダクタ７に対する電流経路となる。ここでは、光源１２に電流を供給する手段として降圧チョッパ回路１００を用いているが、光源１２に電流を供給する手段はこれ以外の回路でもよい。

制御回路１０は、電流検出抵抗９の電圧と調光Ｉ／Ｆ回路１１の電圧に基づいて駆動回路５に制御信号を供給する。例えば、制御回路１０は、プログラムで所望する動作を実行できるマイクロコンピュータなどである。制御回路１０の制御の詳細は後で説明する。

制御回路１０より出力されたスイッチング素子４の制御信号はスイッチング素子４のゲートに入力される。本実施の形態では、スイッチング素子４は高圧側に設けられているため、スイッチング素子４のゲートに駆動回路５から駆動信号が電気的に伝達される。駆動回路５として一般的にトランス又はフォトカプラなどが用いられる。駆動信号は矩形波であり、制御回路１０から入力された制御信号に基づいて駆動回路５は矩形波のオンデューティ比又は周波数を変化させる。このオンデューティ比に応じてスイッチング素子４はオン／オフする。オンデューティ比が大きくなると光源１２に流れる電流は増加する。オンデューティ比が小さくなると光源１２に流れる電流は減少する。このようにスイッチング素子４と駆動回路５は、制御回路１０からの制御信号に応じて光源１２を点灯させる出力電流を生成する。

調光Ｉ／Ｆ回路１１は、ＰＷＭ信号の波形整形を行い、制御回路１０に電圧を入力する。ＰＷＭ調光器１３と光源点灯装置２００は別の製品である。両者の回路グランドが異なるため、直接接続すると故障又は誤動作の原因となる。従って、調光Ｉ／Ｆ回路１１においてフォトカプラなどでＰＷＭ調光器１３と絶縁する必要がある。基本的には、ＰＷＭ調光器１３から入力されるＰＷＭ信号をフォトカプラなどで絶縁し、ＰＷＭ調光器１３から入力された波形と同じになるように、波形整形し制御回路１０に入力する。制御回路１０は、ＰＷＭ信号のＯＮ－Ｄｕｔｙに応じて駆動回路５及びスイッチング素子４を制御して出力電流を段階的に不連続に変化させる。

ＰＷＭ調光器１３は照明用の調光器である。ＰＷＭ調光器１３は、調光器に限らずＰＷＭ信号を出力するものであればよく、人感センサーなどであってもよい。ＰＷＭ調光器１３から出力されるＰＷＭ信号は、パルス幅変調（Pulse Width Modulation）であり、周期は一定でパルス幅のＯＮ－Ｄｕｔｙ（デューティサイクルの比）を変えて制御される。

ＰＷＭ信号のＯＮ－Ｄｕｔｙについて説明する。調光Ｉ／Ｆ回路１１で波形整形されたＰＷＭ信号は、波形整形する際に半導体素子のスイッチング動作などを行っている。このため、仮にＰＷＭ調光器１３から出力されるＰＷＭ信号のＯＮ－Ｄｕｔｙに全く変動がなかったとしても、制御回路１０に入力される波形整形されたＰＷＭ信号のＯＮ－Ｄｕｔｙは、常に僅かながら変動している。変動量はものによって異なるが±０．２％くらいである。

上記は、仮にＰＷＭ調光器１３から出力されるＰＷＭ信号のＯＮ－Ｄｕｔｙに全く変動がなかったものとして考えた。ただし、ＰＷＭ信号も半導体素子のスイッチング動作などを行い出力しているため、ＰＷＭ調光器１３が一定の信号を出すようにしていても常に僅かながら変動している。変動量はものによって異なるが±０．２％くらいである。

ＰＷＭ信号は常に僅かながら変動しているため、ＰＷＭ信号のＯＮ－Ｄｕｔｙに対して細かい制御をすることが出来ない。例えば、ＯＮ－Ｄｕｔｙを０．１％単位で制御しようとした場合、ＰＷＭ調光器１３のＰＷＭ信号は変化していなくとも、調光Ｉ／Ｆ回路１１を経由して制御回路１０に入力されるＰＷＭ信号は僅かながら変化している。変動量はものによって異なるが±０．２％くらいである。このため、明るさを変化しようとしていないにも関わらず、常に明るさが変化してしまい、場合によってはチラツキに見えてしまう。

チラツキなどが起こらないようにするため、ＰＷＭ信号のＯＮ－Ｄｕｔｙによる制御を１％単位で行うのが望ましい。これは、明るさの変化の最小の変化幅がＯＮ－Ｄｕｔｙの１％分になるということを意味する。例えば、全光（１００％）から５％調光までの明るさの変化幅９５％（＝１００％－５％）を、仮にＯＮ－Ｄｕｔｙを０％から１００％の変化幅１００％で変化させた場合、ＯＮ－Ｄｕｔｙの１％の変化に対して、明るさ（調光度）を約１％変化させる必要がある。

従来の調光カーブと動作を説明する。図２は、下限調光付近での従来の調光カーブを拡大した図である。横軸はＰＷＭ信号 ＯＮ－Ｄｕｔｙ［％］、縦軸は調光度［％］である。先に説明したように、チラツキなどが起きないようにＰＷＭ信号が１％変化する毎に調光度［％］が１％変化するようにしている。調光度は、全光から下限調光までを、ＰＷＭ信号に比例して変化するようにしているため、どのポイントにおいてもＰＷＭ信号 ＯＮ－Ｄｕｔｙ１％に対して、変化する調光度（出力電流）は同じ値となる。ＰＷＭ信号 ＯＮ－Ｄｕｔｙ１％変化したときの調光度の変化は一定値Ａとなる。

例えば、ＰＷＭ調光信号のＯＮ－Ｄｕｔｙが５％の時に全光（１００％）で点灯し、ＯＮ－Ｄｕｔｙが９０％の時に５％の出力で点灯する場合、ＯＮ－Ｄｕｔｙ１％あたり、出力電流は１．１２％変化することになる。図２、図３では分かりやすく説明するために、ＯＮ－Ｄｕｔｙ１％あたり、出力電流が１％変化するものとして図示している。

ここで、従来の問題点について、全光が３００ｍＡで出力電流を５％調光の１５ｍＡまで調光できる光源点灯装置の場合で説明する。ＰＷＭ調光信号によって、全光から５％調光までリニアに出力電流が変化するため、全光から５％調光までのいずれの場合においても、ＯＮ－Ｄｕｔｙ１％あたり出力電流は３ｍＡ、即ち全光３００ｍＡの１％の変化をする。

全光の３００ｍＡからＯＮ－Ｄｕｔｙ１％の出力電流を減らそうとすると、ＯＮ－Ｄｕｔｙ１％に相当する３ｍＡが減少し、２９７ｍＡになる。先ほども述べたが、出力電流は光源の明るさに比例するため、明るさも１％減少したことになる。即ち、（２９７ｍＡ／３００ｍＡ）×１００＝９９％である。

５％調光の１５ｍＡからＯＮ－Ｄｕｔｙ１％の出力電流を増やそうとすると、ＯＮ－Ｄｕｔｙ１％に相当する３ｍＡが増加し、１８ｍＡになる。出力電流は光源の明るさに比例するため、明るさは２０％増加したことになる。即ち、（１８ｍＡ／１５ｍＡ）×１００＝１２０％である。

このように同じＯＮ－Ｄｕｔｙ１％が変化した場合でも、元の出力電流が小さいほど、出力電流（明るさ）の変化の割合が大きいことがわかる。これより、従来は５％調光などの調光の下限において、ＯＮ－Ｄｕｔｙ１％変化させた場合に、明るさが急に大きく変化することになり、視覚的に見た目のよいものではなく、場合によってはクレームとなることもある。

図３は、実施の形態の調光カーブを示す図である。図２と異なる点について説明する。図２ではＰＷＭ信号のＯＮ－Ｄｕｔｙが１％変化したときの調光度の変化はＡであった。図３ではＡを３分割してａ、ｂ、ｃとしている。先ほども説明したが、チラツキの点から調光度を１％単位以下で変化させることは難しい。そこで、調光度を変化させるときに、１回の変化で調光度、即ち出力電流を変化させるのではなく、何分割かに分けて出力電流を変化させる。これにより、１回あたりの出力電流（明るさ）の変化が小さくなり、視覚的な見た目も改善される。ここでは３分割し、調光度の変化Ａをするときにａ→ｂ→ｃ又はｃ→ｂ→ａと順に変化しＡの変化を行う。

例えば、ＯＮ－Ｄｕｔｙの１％の変化で出力電流が３ｍＡ変化する場合、Ａは３ｍＡとなる。図２ではＯＮ－Ｄｕｔｙの１％の変化で出力電流が３ｍＡ変化していた。一方、図３ではＯＮ－Ｄｕｔｙの１％の変化で出力電流が１ｍＡずつ３回変化し、合計で３ｍＡ変化する。

補足になるが、調光度はＯＮ－Ｄｕｔｙ１％単位での変化になるので、ａ、ｂ、ｃの途中の調光度で常時点灯をすることはない。あくまで、調光度がＡの変化をする場合に調光度の遷移するポイントとしてのみ使用される。ここでは、説明のため３回に分けて変化したが、変化は２回以上であればよい。分割の数が増えるほど１回あたりの変化を少なくすることができ、視覚的な見た目も改善される。

実際に調光信号を可変させた場合、両者でどのような差があるかを図４～図６を用いて説明する。図４は、従来技術で調光度を５％から６％に変化させた場合の図である。縦軸は調光度［％］、横軸は時間ｔである。調光度を５％から６％に１段階変化させている。図５は、実施の形態で調光度を５％から６％に変化させた場合の図である。調光度はａ、ｂ、ｃと小さい変化を繰返して５％から６％に変化する。

図６は、理想的に調光度を５％から６％に変化させた場合の図である。このように調光度の変化は連続的に変化させていくことが望ましい。連続的に変化させることで視覚的な見た目の違和感は、段階的に変化するよりも格段に少ないものとなる。要するに、段階的に変化する場合でも分割する数を多くすればするほど、連続的に変化させているように見え、理想的な状態に近づくということである。制御回路１０がマイクロコンピュータのようなデジタル制御のものであると調光度を連続的に変化させることは難しいが、制御ＩＣがアナログＩＣであれば調光度を連続的に変化させることができる。しかし、近年では光源点灯装置も初期照度補正など複雑な制御を求められるため、マイクロコンピュータが搭載されているものが多い。

図７は、従来技術で調光度を５％から８％に３段階変化させた場合の図である。図８は、実施の形態で調光度を５％から８％に３段階変化させた場合の図である。図９は、理想的に調光度を５％から８％に３段階変化させた場合の図である。基本的には図７は図４を、図８は図５を、図９は図６を繰返したものである。

以上説明したように、本実施の形態では、制御回路１０は、ＰＷＭ信号の１段階の変化に応じて出力電流を現在の電流値から次の電流値に変化させるときに出力電流の電流値を２段階以上で段階的に変化させる。これにより、マイクロコンピュータなどの制御回路１０で出力電流を制御する光源点灯装置において、ＰＷＭ信号の変化に応じて出力電流を変化させたときに段階的に見える視覚的な明るさの変化を軽減することができる。

制御回路１０はマイクロコンピュータなどであり、書き込まれたプログラムにより調光度（出力電流、明るさ）の変化を分割させて制御する。調光度を段階的に変化させるのは、調光度が低い場合のみとし、例えば調光度が５０％以上の領域では、調光度を段階的に変化させる数を少なくしてもよいし、複数回に分割して調光度を変化させなくてもよい。プログラムの仕方によるところもあるが、限定することでプログラムの容量を減らすことができる可能性がある。

４ スイッチング素子（電流生成部）、５ 駆動回路（電流生成部）、１０ 制御回路、１２ 光源

Claims (2)

1. 光源を点灯させる出力電流を生成する電流生成部と、
   外部から入力されるＰＷＭ信号に応じて前記電流生成部を制御して前記出力電流を段階的に不連続に変化させる制御回路とを備え、
   前記ＰＷＭ信号のＯＮ－Ｄｕｔｙは段階的に不連続に変化し、
   前記制御回路は、前記ＰＷＭ信号の１段階の変化に応じて前記出力電流を現在の電流値から次の電流値に変化させるときに前記出力電流の電流値を２段階以上で段階的に変化させることを特徴とする光源点灯装置。
2. 請求項１に記載の光源点灯装置を備えることを特徴とする照明器具。

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