JP2013239341A - 照明装置及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】見た目の明るさを維持しつつ、消費電力を削減した場合でもチラツキを低減可能な照明装置及びその駆動方法を提供する。
【解決手段】照明装置は、発光素子を有する発光部と、発光部に電力を供給して発光部を駆動する駆動部と、所定周波数のパルス信号Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ３３，…を生成して駆動部に供給するパルス信号供給部と、パルス信号Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ３３，…のデューティ比がその最大値から所定値までの範囲で連続的に繰り返し変動するようにパルス信号Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ３３，…を制御するパルス信号制御部とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＬＥＤなどの発光素子を用いた照明装置及びその駆動方法に関する。

文字や記号などの情報をドットマトリクスによって画像表示する手段として、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）をマトリクス状に配置したマトリクス表示装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなマトリクス表示装置は、電車内の電光文字表示装置などに広く用いられている。すなわち、複数のＬＥＤがマトリクス状に配置された表示領域を備え、この表示領域に文字や記号などを表示させることにより、ニュースなどの情報を伝えることができる。

また、ブロッカ・ザルツァー（Ｂｒｏｃａ−Ｓｕｌｚｅｒ）効果を利用した照明装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。この照明装置によれば、照明用発光ダイオードを周期的にパルス状に発光させることにより、少ない発光量で大きな心理的輝度を得ることができる。そのため、エネルギー消費の小さい照明装置を実現することが可能である。

また、点滅する光点の識別の際，臨界融像頻度は，網膜照度の対数に比例するというフェリーポーター（Ferry-Porter）の法則も知られている。

また、オフィス照明環境における明るさの変動知覚に関する研究が知られている。この研究結果によれば、視覚機能上、変動比０．９２から１．０６、すなわち、おおよそ７％程度の人工照明の変動は、その変動時間によらず、知覚することはできない。しかし、実オフィスにおけるオフィスワーカの作業状況からすると、最小知覚変動比は、０．８８から１．１３、さらに変動時間を設けて連続的に変動させた場合は、０．８から１．３と、閾値が上昇する（非特許文献１参照）。

特開平９−３２５７２９号公報 特開２００９−１４６８９３号公報

鹿倉智明、森川宏之、中村芳樹、"オフィス照明環境における明るさの変動知覚に関する研究"、照明学会誌、第85巻、第5号、平成13年、pp.346-351

しかしながら、従来技術では、見た目の明るさを維持しつつ消費電力を削減しようとすると、チラツキ（フリッカ）を感じるという課題があった。看板照明などの照明装置は、電光文字表示装置に比べて長時間利用されるため、チラツキを低減することが重要である。

本発明の目的は、見た目の明るさを維持しつつ、消費電力を削減した場合でもチラツキを低減可能な照明装置及びその駆動方法を提供することにある。

本発明の一態様によれば、発光素子を有する発光部と、前記発光部に電力を供給して前記発光部を駆動する駆動部と、所定周波数のパルス信号を生成して前記駆動部に供給するパルス信号供給部と、前記パルス信号のデューティ比がその最大値から所定値までの範囲で連続的に繰り返し変動するように前記パルス信号を制御するパルス信号制御部とを備える照明装置が提供される。

また、本発明の他の態様によれば、発光素子を有する発光部を駆動する駆動部が前記発光部に電力を供給して前記発光部を駆動する駆動ステップと、所定周波数のパルス信号を生成して前記駆動部に供給するパルス信号供給ステップと、前記パルス信号のデューティ比がその最大値から所定値までの範囲で連続的に繰り返し変動するように前記パルス信号を制御するパルス信号制御ステップとを有する照明装置の駆動方法が提供される。

本発明によれば、見た目の明るさを維持しつつ、消費電力を削減した場合でもチラツキを低減可能な照明装置及びその駆動方法を提供することができる。

第１の実施の形態に係る照明装置の基本ブロック構成図。 第１の実施の形態に係る照明装置に適用される基本パルス信号とフェイク信号の説明図。 ブロッカ・ザルツァー効果の実験結果を示す図。 第１の実施の形態に係る照明装置に適用されるパルス信号の波形図であって、（ａ）パルス信号Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ３３，…の電流波形図、（ｂ）図４（ａ）に対応したデューティ比の時間変動を示す図。 第１の実施の形態に係る照明装置の模式的回路ブロック構成図。 第１の実施の形態に係る照明装置に適用されるパルス信号の波形例の詳細説明であって、５００Ｈｚのパルス信号が５ｋＨｚ以上の複数の波形の合成波で構成され、高速にスイッチングされている様子を示す図。 第１の実施の形態に係る照明装置の応用例を示す模式的鳥瞰構造図。 第２の実施の形態に係る照明装置の模式的回路ブロック構成図。 第３の実施の形態に係る照明装置の模式的回路ブロック構成図。 第４の実施の形態に係る照明装置の模式的回路ブロック構成図。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

［第１の実施の形態］
以下、図１〜図７を参照して、第１の実施の形態について説明する。

（照明装置）
第１の実施の形態に係る照明装置１００は、図１に示すように、ＬＥＤなどの発光素子を有する発光部１と、発光部１に電力を供給して発光部１を駆動する駆動部２と、所定周波数のパルス信号Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ３３，…を生成して駆動部２に供給するパルス信号供給部３と、パルス信号Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ３３，…のデューティ比がその最大値から所定値までの範囲で連続的に繰り返し変動するようにパルス信号Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ３３，…を制御するパルス信号制御部４とを備える。例えば、パルス信号制御部４は、デューティ比１００％から８５％までの範囲で連続的に繰り返し変動させる。

（基本パルス信号、フェイク信号）
第１の実施の形態に係る照明装置１００に適用される基本パルス信号Ｐ１とフェイク信号Ｐ２は、図２に示すように表される。マトリクス表示装置の低消費技術では、図２に示すように、基本パルス信号Ｐ１とは別に、ブロッカ・ザルツァー効果を発揮させるためのフェイク信号Ｐ２を用いる。フェイク信号Ｐ２とは、ブロッカ・ザルツァー効果を発揮させるための擬似信号をいう。フェイク信号Ｐ２は、基本パルス信号Ｐ１のデューティ比よりも小さなデューティ比を有し、かつ基本パルス信号Ｐ１のピーク出力値の２倍以上のピーク出力値を有するパルス信号で構成される。

（ブロッカ・ザルツァー効果）
ブロッカ・ザルツァー効果とは、明るさの知覚に関する人間の生理的視覚特性であり、刺激光の持続時間によってその明るさ知覚が変わる現象をいう。例えば、図３に示すように、増分光の輝度を一定に保ちながらその呈示時間を増加させていくと、見た目の明るさ（比較刺激強度）は呈示時間と共に増加し、所定時間経過して極大値を迎えた後に下降し、やがて一定水準となる場合がある。ここで、呈示時間とは、オン・オフの点滅時間に相当する時間である。すなわち、刺激の呈示時間が極短い場合、その見た目の明るさは、物理的な輝度の等しい定常光の明るさを下回るが、刺激の呈示時間が中程度（５０〜１００ｍｓ程度）の場合、その見た目の明るさは、物理的な輝度の等しい定常光の明るさを上回るという現象が生じる。このような現象を発見者に因んでブロッカ・ザルツァー現象と呼ぶ。

ブロッカ・ザルツァー効果の実験結果は、図３に示すように表される。ブロッカ・ザルツァー効果によれば、図３に示すように、周波数２０Ｈｚ程度で刺激光を呈示した場合、特に高い視覚効果が得られる。

一方、発光素子としてＬＥＤを用いた場合、周波数２０Ｈｚ程度でＬＥＤを点灯させるとチラツキが生じ、見る者に不快感を与えてしまう。このため、第１の実施の形態に係る照明装置１００においては、見た目の明るさを維持しつつ消費電力を削減した場合でもチラツキを低減することができるように、図５に示す回路構成を採用している。

（波形例）
第１の実施の形態に係る照明装置１００に適用されるパルス信号Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ３３，…の電流波形は、図４（ａ）に示すように表され、図４（ａ）に対応したデューティ比の時間変動は、図４（ｂ）に示すように表される。

図４（ａ）では、パルス信号Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ３３，…の周波数は５００Ｈｚである場合を例示している。図４（ａ）に示すように、パルス信号Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ３３，…のデューティ比は、「小」から「大」へ、また「大」から「小」へ連続的に繰り返し変動している。具体的には、パルス信号Ｐ３１からＰ３４にかけてデューティ比が徐々に大きくなっている。また、パルス信号Ｐ３４からＰ３７にかけてデューティ比が徐々に小さくなっている。図示していないが、以降のパルス信号Ｐ３８，…についても同様の変動を繰り返す。ここで、パルス信号Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ３３，…には、例えば、パルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）信号、パルス数変調（ＰＮＭ：Pulse Number Modulation）信号、あるいは、パルス密度変調（ＰＤＭ：Pulse Density Modulation）信号などを適用可能である。

デューティ比は、図４（ｂ）に示すように、最大値１００％から所定値８５％までの範囲で連続的に繰り返し変動する。図４（ｂ）では、デューティ比が１００％から８５％まで変動する周期が６０Ｈｚである場合を例示している。デューティ比は、図４（ｂ）に示すように、一定速度で低下して時刻ｔ１で８５％になる。その後、一定速度で上昇して時刻ｔ２で１００％になる。更に、一定速度で低下して時刻ｔ３で８５％になる。時刻ｔ３以降も同様の変動を繰り返す。

このようにデューティ比を変動させた場合、図４（ｂ）中の斜線領域に相当する分、トータルの消費電力は削減されることになる。この場合、明るさの変動を知覚するかどうかについて、２０名程度にアンケート調査を行った。その結果、ほとんどの被験者は明るさの変動を知覚しなかった。すなわち、第１の実施の形態に係る照明装置１００によると、見た目の明るさを維持しつつ消費電力を削減することが可能である。

この効果は、発光素子を疑似白色ＬＥＤにすると、より顕著である。すなわち、疑似白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤによって黄色蛍光体を発光させることで白色を実現するものである。人間の目は、青色の変化には鈍感であるため、発光素子を疑似白色ＬＥＤにすると、明るさの変動を知覚しにくくなる。その結果、デューティ比をより大きく変動させることができるので、消費電力をより多く削減することが可能となる。

ここでは、デューティ比が最大値１００％から所定値８５％までの範囲で変動する場合を例示しているが、デューティ比の最大値は１００％に限定されるものではなく、また所定値は８５％以上であればよい。８５％より低くした場合は、明るさの変動を知覚する可能性がある。

また、パルス信号Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ３３，…の周波数が５００Ｈｚである場合を例示しているが、この周波数は５００Ｈｚ以上であればよい。５００Ｈｚ以上にすれば、精度よくチラツキを低減することができる。

また、デューティ比が１００％から８５％まで変動する周期が６０Ｈｚである場合を例示しているが、この周期は６０Ｈｚ以上であればよい。６０Ｈｚより低くした場合は、明るさの変動を知覚する可能性がある。

（回路例）
第１の実施の形態に係る照明装置１００の模式的回路ブロック構成は、図５に示すように表される。図５中の実線は電力信号の伝送線を主として表し、破線の矢印は制御信号の伝送方向を示す。

保護回路１２は、ＡＣ電源１１からの入力電圧（交流電圧）から後段の回路部を保護する。ノイズフィルター１３は、保護回路１１を介して入力された入力電圧からノイズ成分を除去する。ノイズ成分が除去された交流電圧は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４で直流電圧に変換され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５・２５で所定のＤＣ電圧値に変換される。

ＰＷＭ発生器１６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力をパルス幅変調して、メインＳＷＰＷＭ信号を発生し、スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ２０に供給する。

コンパレータ１８は、電流−電圧変換器２３から出力される電圧を基準電圧発生器１７からの基準電圧と比較し、その比較結果をスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ２０に供給する。ここで、基準電圧発生器１７の基準電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５のＤＣ出力電圧に対応する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２５に接続されたタイマー回路２６には、パルス信号をＯＮにするタイミングが設定されている。

ＰＷＭ発生器２７は、タイマー回路２６のタイミング設定に基づいて、デューティ比１００％〜ｘ％までの範囲でスイープＰＷＭ信号を生成して、スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ２０に供給する。

スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４に接続された力率改善回路１９により力率改善されたＤＣ電圧を、メインＳＷＰＷＭ信号およびスイープＰＷＭ信号によるＰＷＭ制御に基づいて、電流−電圧変換器２３に供給する。

結果として、電流−電圧変換器２３に接続されたＬＥＤなどの負荷３０には、メインＳＷＰＷＭ信号およびスイープＰＷＭ信号によりＰＷＭ制御され、定電流化されたパルス信号Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ３３，…が供給される。

このため、第１の実施の形態に係る照明装置１００においては、見た目の明るさを維持しつつ消費電力を削減した場合でもチラツキを低減することができる。

第１の実施の形態に係る照明装置に供給される電流パルス信号の波形例であって、５００Ｈｚのパルス信号が５ｋＨｚ以上の複数の波形の合成波で構成され、高速にスイッチングされている様子は、図６に示すように表される。図６中の丸印は、５００Ｈｚのパルス信号Ｐ３２が５ｋＨｚ以上の波で構成され、高速にスイッチングされている様子を示している。他の波形も同様である。図６の波形は、ＰＤＭ波形に対応している。

（応用例）
第１の実施の形態に係る照明装置１００の応用例を示す模式的鳥瞰構造は、図７に示すように表される。図７では、ガソリンスタンドやコンビニエンスストアなどの看板照明２００を例示している。図７に示すように、複数本の直管形ＬＥＤ１０１，１０２，１０３が収納器具１０４に収納されている。収納器具１０４の開口部は透過板１０５で覆われた構造となっている。なお、照明装置１００は直管形に限定されるものではなく、例えば電球形、シーリングライトやペンダントライトなどであってもよい。

第１の実施の形態によれば、見た目の明るさを維持しつつ消費電力を削減した場合でもチラツキを低減可能な照明装置及びその駆動方法を提供することができる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態に係る照明装置１００の模式的回路ブロック構成は、図８に示すように、力率改善回路１９を備えていない点を除けば、第１の実施の形態と同じである。力率改善回路１９を備えれば、電力損失が増加する等の不具合を回避することができるが、力率改善回路１９を備えなければ、その分だけ製品価格を抑えることができる等のメリットがある。いずれかの構成を採用するか、使用目的等に応じて決定すればよい。

第２の実施の形態に係る照明装置によれば、力率改善回路を備えていないため、第１の実施の形態に比べて製品価格を抑えることができる等のメリットがある。

第２の実施の形態によれば、見た目の明るさを維持しつつ消費電力を削減した場合でもチラツキを低減可能な照明装置及びその駆動方法を提供することができる。

［第３の実施の形態］
第３の実施の形態に係る照明装置１００の模式的回路ブロック構成は、図９に示すように、同期回路３１を備えている点を除けば、第１の実施の形態と同じである。

同期回路３１は、他の照明装置の電源と同期をとって、その同期信号をタイマー回路２６に供給する。ここで、他の照明装置とは、第３の実施の形態に係る照明装置１００と同様の照明装置の場合には、複数個並列に配置可能となる。また、第３の実施の形態に係る照明装置１００とは異なる照明装置であっても良い。

タイマー回路２６は、同期回路３１から供給された同期信号に基づいてタイマー回路２６のタイミング設定を変更する。このようにすれば、図７に示すように、複数本の直管ＬＥＤ１０１，１０２，１０３を用いる場合、それぞれの直管ＬＥＤ１０１，１０２，１０３で同期をとることができる。一方、簡単には、複数の照明装置間の同期を敢えて取らない動作モードを実施しても良い。

第３の実施の形態によれば、同期回路を備えているため、複数の照明装置間の位相ずれを回避することができ、より快適な照明装置を提供することが可能である。

第３の実施の形態によれば、見た目の明るさを維持しつつ消費電力を削減した場合でもチラツキを低減可能な照明装置及びその駆動方法を提供することができる。

［第４の実施の形態］
第４の実施の形態に係る照明装置１００の模式的回路ブロック構成は、図１０に示すように表される。

第４の実施の形態に係る照明装置１００は、第２の実施の形態と第３の実施の形態とを組み合わせたものである。すなわち、図１０に示すように、力率改善回路１９を備えず、また同期回路３１を備えた構成を採用している。力率改善回路１９と同期回路３１の機能は既に説明した通りである。

第４の実施の形態に係る照明装置１００によれば、力率改善回路を備えていないため、第１の実施の形態に比べて製品価格を抑えることができる等のメリットがある。また、他の照明装置の電源と同期をとる同期回路を備えているため、複数の照明装置を配置し、位相ずれを回避することができ、より快適な照明装置を提供することが可能である。

第４の実施の形態によれば、見た目の明るさを維持しつつ消費電力を削減した場合でもチラツキを低減可能な照明装置及びその駆動方法を提供することができる。

以上説明したように、本発明によれば、見た目の明るさを維持しつつ消費電力を削減した場合でもチラツキを低減することが可能な照明装置及びその駆動方法を提供することができる。

[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第１〜第４の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。例えば、 発光素子はＬＥＤに限らず、応答性が高速なものであれば他の発光素子を用いてもかまわない。例えば、有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ：Organic Electro-Luminescence）素子等の有機発光素子や電気化学発光素子（Electro Chemical-Luminescence：ＥＣＬ）等を用いることができる。

本発明の照明装置は、見た目の明るさを維持しつつ消費電力を削減した場合でもチラツキを低減することが必要な種々の照明装置に利用することができる。例えば、ガソリンスタンドやコンビニエンスストアなどの看板照明として利用するのが効果的である。

１…発光部
２…駆動部
３…パルス信号供給部
４…パルス信号制御部
１９…力率改善回路
３１…同期回路
１００…照明装置
Ｐ３１〜Ｐ３７…パルス信号

Claims (16)

1. 発光素子を有する発光部と、
   前記発光部に電力を供給して前記発光部を駆動する駆動部と、
   所定周波数のパルス信号を生成して前記駆動部に供給するパルス信号供給部と、
   前記パルス信号のデューティ比がその最大値から所定値までの範囲で連続的に繰り返し変動するように前記パルス信号を制御するパルス信号制御部と
   を備えることを特徴とする照明装置。
2. 前記パルス信号制御部は、デューティ比１００％から８５％までの範囲で連続的に繰り返し変動させることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記パルス信号の周波数は５００Ｈｚ以上であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記最大値から前記所定値まで変動する周期は６０Ｈｚ以上であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
5. 前記発光素子は疑似白色ＬＥＤであることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
6. 更に、力率を改善する力率改善回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
7. 更に、他の照明装置の電源と同期をとる同期回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
8. 複数本の直管ＬＥＤを用いる場合、それぞれの直管ＬＥＤで同期をとることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
9. 発光素子を有する発光部を駆動する駆動部が前記発光部に電力を供給して前記発光部を駆動する駆動ステップと、
   所定周波数のパルス信号を生成して前記駆動部に供給するパルス信号供給ステップと、
   前記パルス信号のデューティ比がその最大値から所定値までの範囲で連続的に繰り返し変動するように前記パルス信号を制御するパルス信号制御ステップと
   を有することを特徴とする照明装置の駆動方法。
10. 前記パルス信号制御ステップでは、デューティ比１００％から８５％までの範囲で連続的に繰り返し変動させることを特徴とする請求項９に記載の照明装置の駆動方法。
11. 前記パルス信号の周波数は５００Ｈｚ以上であることを特徴とする請求項９に記載の照明装置の駆動方法。
12. 前記最大値から前記所定値まで変動する周期は６０Ｈｚ以上であることを特徴とする請求項９に記載の照明装置の駆動方法。
13. 前記発光素子は疑似白色ＬＥＤであることを特徴とする請求項９に記載の照明装置の駆動方法。
14. 更に、力率を改善する力率改善ステップを有することを特徴とする請求項９に記載の照明装置の駆動方法。
15. 更に、他の照明装置の電源と同期をとる同期ステップを有することを特徴とする請求項９に記載の照明装置の駆動方法。
16. 複数本の直管ＬＥＤを用いる場合、それぞれの直管ＬＥＤで同期をとることを特徴とする請求項１５に記載の照明装置の駆動方法。

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