JP2008543012A - Ｌｅｄ照明灯を制御するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、混合色光を生成するために複数色の複数のＬＥＤ光源を含むＬＥＤ照明灯（１２）のための制御システム（１０；３０；５０）に関する。制御システムは、所望の光出力を表す設定点値と，ＬＥＤ光源により生成される光の特性に応答する少なくとも１つの光学センサ（１４；３２）により提供される第１制御データと，の間の差に基づいてＬＥＤ光源を制御する手段（２２）を有する。制御システムは、前記光学センサの温度に応答する温度センサ（２４）により提供される第２制御データに基づいて前記設定点値を補正する手段（２６；３８）を備えたことを特徴とする。付加的な温度センサは、光学センサの分光感度の変化を補正することを可能とし、これにより、一体化された光学センサを有するＬＥＤ照明灯の色安定性を向上させることができる。また、本発明は、対応する制御方法に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ照明灯用の制御システムに関し、照明灯は混合色光を生成するための複数色の複数のＬＥＤ光源を含む。また、本発明は対応する制御方法に関する。

複数の色付き発光ダイオード（ＬＥＤ）を混合して混合色を得ることは、白色光又は着色光を生成する通常のやり方である。生成される光は、使用されたＬＥＤの種類並びに混合比により決定される。しかしながら、作動中にＬＥＤの温度が上昇すると、ＬＥＤの光学的特性が変化する。すなわち、光束出力が減少し、ピーク波長がシフトする。

この問題を解決するため、使用中のＬＥＤの光学的特性におけるこれらの変化を補正するための種々のフィードバックシステムが提案されてきた。これらフィードバックシステムは、ＬＥＤ照明灯の色の安定性において改善をもたらす。このようなフィードバックシステムの例が、例えば国際公開第０３／０３７０４２号公報及び国際公開第０２／４７４３８号公報に開示されている。国際公開第０３／０３７０４２号公報は、ＬＥＤ照明灯制御システムを開示し、これはＬＥＤ照明灯により生成された実際の混合色光を表すフィードバック値を生成するフィードバックユニットを有する。フィードバック値は、フォトダイオードによる測定から得ることができる。さらに、システムは、得られたフィードバック値と所望の混合色光を表す参照又は設定点値との間の差にしたがって複数のＬＥＤを調整するためのコントローラを有する。このように、ＬＥＤの特性の変化を、ＬＥＤ照明灯が所望の混合色光を生成するように補正することができる。

しかしながら、上記フィードバックシステム並びに他の既知のフィードバックシステムの問題は、実際の実施形態において、実際のＬＥＤの出力を検出するフォトダイオード又は光学センサがＬＥＤ照明灯に一体化されるということである。その結果、作動中にＬＥＤの温度だけでなく、光学センサの温度も上昇してしまう。光学センサの温度が上昇すると、センサの量子効率の変化に起因して、センサの分光感度が変化する。このことはセンサからの測定が影響を受けることを意味し、これによりＬＥＤ照明灯の相当な色変化が起こってしまう。約６０℃の温度上昇は、ＬＥＤ照明灯の出力の明らかな視認できる色変化を生じる。

本発明の目的は、この問題を解決し、ＬＥＤ照明灯のための改良された制御システムを提供することである。

この目的及び以下の記載から明らかとなる他の目的は、特許請求の範囲にしたがったＬＥＤ照明灯のための制御システム及び対応する方法により達成される。

本発明の態様によれば、混合色光を生成するために複数色の複数のＬＥＤ光源を含むＬＥＤ照明灯のための制御システムであって、所望の光出力を表す設定点値と，ＬＥＤ光源により生成される光の特性に応答する少なくとも１つの光学センサにより提供される第１制御データと，の間の差に基づいてＬＥＤ光源を制御する手段と、光学センサの温度に応答する温度センサにより提供される第２制御データに基づいて設定点値を補正する手段を備えた制御システムが提供される。

本発明は、光学センサの温度を測定可能な温度センサを設けることにより、ＬＥＤを制御／調整するときに、この光学センサの（温度変化に起因する）分光感度の変化を考慮に入れることが可能となる、という理解に基づいており、これにより、一体化された光学センサを有するＬＥＤ照明灯の色安定性を向上させ、所望の混合色を生成することができる。かくして、既存のフィードバックシステムに加えて、補正手段及び温度センサがフィードフォワードシステムを形成し、制御システムにより使用される補正された設定点値を提供する。また、システムはより温度安定性を有する。

光学センサの温度は、ＬＥＤ及び光学センサを収容するヒートシンクの温度を測定することにより得ることができる。この場合、温度センサは、ヒートシンクに連結して設けられる。また、温度は、例えばダイオードの漏えい電流からセンサ温度を決定するような、直接温度測定により測定することができる。

本発明の実施形態によれば、設定点値は、所望の混合色の出力、すなわちある色及びルーメン出力に関連付けられており、少なくとも１つの光学センサは、フィルタ処理を行うセンサである。フィルタ処理を行うセンサは、実際に生成された混合色光を表す第１制御データを提供することができ、第１制御データは、例えばＬＥＤの温度上昇に伴う波長シフトを補正するため、所望の混合色光に関連付けられた補正された設定点値と比較することができる。

本発明の他の実施形態によれば、設定点値は、所望の光束の出力に関連付けられており、少なくとも１つの光学センサは、フィルタ処理を行わないセンサである。フィルタ処理を行わないセンサは、複数のＬＥＤ光源により生成された実際の光束に関連付けられた第１制御データを提供することができ、第１制御データは、ＬＥＤの温度上昇に伴う光束の変化を補正するため、所望の光束に関連付けられた補正された設定点値と比較することができる。ここで、複数のＬＥＤ光源は、好ましくはさらに所望の混合色の出力を表す第２設定点値に基づいて制御される。

さらに本発明の別の実施形態では、設定点値がＬＥＤ照明灯の出力の所望の光束に関連付けられており、制御システムは、さらに各ＬＥＤ光源の温度を計算する手段を備え、計算されたＬＥＤ光源の温度は、第２フィードバックデータに含まれる。このように、光束設定点値は、光学センサの分光感度とＬＥＤの波長シフトの両方について補正することができる。また、各ＬＥＤ光源の温度は、ＬＥＤの温度変化に伴う波長シフトを考慮に入れるため、所望の混合色の出力を表す第２設定点値を補正するのに使用することができる。各ＬＥＤ光源の温度は、例えば、ヒートシンク温度，ＬＥＤ光源の熱的モデル，ＬＥＤ光源への電流入力に基づいて計算することができる。

本発明の他の態様によれば、混合色光を生成するために複数色のＬＥＤを含むＬＥＤ照明灯を制御する方法であって、所望の光出力を表す設定点値と，ＬＥＤ光源により生成される光の特性に応答する少なくとも１つの光学センサにより提供される第１制御データと，の間の差に基づいてＬＥＤ光源を制御する工程と、前記光学センサの温度に応答する温度センサにより提供される第２制御データに基づいて前記設定点値を補正する工程を備えた方法が提供される。この方法は、本発明の上述の態様により得られるのと同様な効果を与える。

本発明のこれらの特徴及び他の特徴が、本発明の現時点での好ましい実施形態を示す添付図面を参照して、ここでより詳細に記載される。

図面では、同様の要素が同じ参照番号により表されている。

図１は、本発明の実施形態によるＬＥＤ照明灯１２のための制御システムを示している。ＬＥＤ照明灯又は照明システム１２は、ドライバと、異なる色（図示せず）を有する複数のＬＥＤ光源とを含む。照明システム１２は、例えば、赤色光を発光するように構成された複数のＬＥＤを含む１つのＬＥＤ光源と、緑色光を発光するように構成された複数のＬＥＤを含む１つのＬＥＤ光源と、青色光を発光するように構成された複数のＬＥＤを含む１つのＬＥＤ光源とを備えることができる。照明システム１２は、異なる複数のＬＥＤ光源の出力を混合することにより、例えば白色光を生成する。

照明システム１２に関連して、３つの色センサ１４が備えられており、これらセンサは、それぞれ赤，緑および青を検出するように構成されている。色センサ１４は、フィルタ処理を行うフォトダイオードとすることができる。センサ１４は、照明システム１２によって生成された混合色光を、赤，緑および青にそれぞれ対応する３つのセンサ値又はフィードバック値（第１制御データ）に変換する。かくして、３つのフィードバック値により、実際に生成された混合色光が表現される。

ＬＥＤ照明灯制御システム１０は、さらにユーザインターフェース１６と、較正マトリクス１８とを有している。ＬＥＤ照明灯の所望のルーメン出力と色を表すユーザ入力が、ユーザインターフェース１６を介して受取られる。ユーザ入力は、例えば、ＣＩＥ１９３１色度図における、ある位置を表すＣＩＥｘ，ｙ，Ｌ形式とすることができる。ユーザ入力は較正マトリクス１８に受け渡され、較正マトリクス１８はユーザ入力に基づいて設定点値を算出する。かくして、設定点値は、混合色光の所望の値を表す。

さらに、ＬＥＤ照明灯制御システム１０は、所望の混合色光を生成するため、任意の設定点値とこれに対応する色センサ１４により供給されたフィードバック値（第１制御データ）とを比較するためのブロック２０と、ブロック２０から導き出された差に基づいて、照明システム１２の異なる複数のＬＥＤ光源の出力を修正するためのＰＩＤ（比例・積分・微分）コントローラ２２とを有する。ＰＩＤコントローラ２２の出力には、照明システム１２に渡る前に、さらに較正マトリクス１８の出力が乗じられる。かくして、色センサ１４，ブロック２０およびＰＩＤコントローラ２２は、制御システム１０のフィードバックシステムの一部を形成し、これは、例えば、ＬＥＤの温度が上昇することに伴う、波長シフトを補正する。

本発明の現時点における実施形態により、ＬＥＤ照明灯制御システム１０は、さらに温度センサ２４と、補正ブロック２６と有し、これらは、温度変化に起因する光学センサの分光感度の変化を考慮に入れることを目的としている。

温度センサ２４は、光学センサ１４の温度を検出するように構成されている。作動時、温度センサ２４により検出された温度、すなわち現在のセンサ温度（第２制御データ）は、補正ブロック２６に供給される。補正ブロック２６は、現在のセンサ温度におけるセンサの分光感度の変化を反映させるように、較正マトリクス１８の設定点値（これは、センサの温度がある較正温度であるときにのみ有効である）を変換する。さらに、調整された設定点値は、ブロック２０で対応するフィードバック値と比較され、設定点値とフィードバック値との差が、それに応じて処理を行う３つのＰＩＤコントローラ２２に渡される。すなわち、得られた差に基づいて、コントローラ２２は、照明システム１２の複数のＬＥＤ光源の出力を修正し、所望の混合色光を生成する。

かくして、ＬＥＤ照明灯制御システム１０の温度センサ２４と補正ブロック２６を実施するとき、ブロック２０で対応するフィードバック値と比較される設定点値は、すでに光学センサ１４の温度の関数として補正されており、これにより、ＰＩＤコントローラ２２への入力及びひいてはＬＥＤ光源の調整が影響を受ける。上述のように、センサの分光感度の変化を考慮に入れることにより、向上された色安定性を有するＬＥＤ照明灯が得られる。

図２は、本発明の他の実施形態によるＬＥＤ照明灯１２のための制御システム３０を示している。制御システム３０と図１の制御システム１０との相違は、制御システム３０のフェードバックシステムが、ＬＥＤ光源の温度が上昇するに伴い、光束出力変化を補正するだけであって、波長シフトが補正されないことである。

したがって、制御システム３０は、照明システム１２に関して設けられたフィルタ処理を行わないフォトダイオード３２を有し、このフィルタなしのフォトダイオード３２は、ＬＥＤの光束レベルを検出するように構成されている。このようであるので、フィルタ処理しないフォトダイオード３２は、赤色光，緑色光及び青色光間での識別をすることができない。したがって、ＬＥＤの各色の光束を独立して測定するため、照明システムの出力は、異なるＬＥＤの色を順次オン／オフ切り換えすることにより、時間的に順次に測定される。これは、基本的にセンサを時分割する。そして、ＬＥＤの各色の光束出力は、時間マルチプレクサ３４と色信号抽出器３６により決定される。

さらに、制御システム３０は、複数のＬＥＤ光源の所望の光束出力を表す設定点値を提供する光束参照ブロック３８（この設定点値は、概して初期較正により予め定められる）と、任意の設定点値をフォトダイオード３２により提供された対応するフィードバック値（第１制御データ）と比較するためのブロック４０とを有する。さらに、ＰＩＤコントローラ２２は、所望の光束を有する光を生成するため、ブロック４０から導き出された差に基づいて、照明システム１２の異なる複数のＬＥＤ光源の出力を修正するように構成されている。ユーザにより選択された色を実施するため、照明システム１２に渡される前に、ＰＩＤコントローラ２２の出力には、ユーザインターフェース１８に接続された較正マトリクス２０からの出力（第２設定点値）を乗じることができる。かくして、フィルタ処理しないフォトダイオード３２，ブロック４０及びＰＩＤコントローラ２２は、制御システム３０のフィードバックシステムの一部を構成し、ＬＥＤの温度上昇に伴う光束の変化を補正する。

本発明の現時点での実施形態によれば、ＬＥＤ照明灯制御システム３０は、さらに温度センサ２４を有し、温度センサ２４は、温度変化に起因するフォトダイオード４２の分光感度の変化を考慮に入れることを可能にする。

温度センサ２４は、フィルタ処理しないフォトダイオード３２の温度を検出するように構成されている。作動時、温度センサ２４により検出された温度、すなわち現在のフォトダイオードの温度（第２制御データ）は、光束参照ブロック３８に供給され、測定されたフォトダイオードの温度での補正光束設定点値を導くために元の設定点値が変更される。かくして、フォトダイオードの温度が変化すると、光束の参照は、それにしたがい変化する。その結果、ブロック４０で対応するフィードバック値と比較される設定点値は、フォトダイオード３２の温度の関数として既に補正され、ＰＩＤコントローラ２２への入力及びその結果のＬＥＤ光源の調整が影響を受ける。上述のように、センサの分光感度の変化を考慮に入れることにより、向上された光束安定性を有するＬＥＤ照明灯を得ることができる。

図３は、本発明のさらに別の実施形態によるＬＥＤ照明灯１２のための制御システム５０を開示する。制御システム５０は、制御システム５０に接合温度の関数としてＬＥＤの波長シフトの付加的な補正があることを除いて、図２の制御システム３０と同様である。接合温度は、ＬＥＤ内の活性層の温度である。

図２の制御システム３０に加えて、制御システム５０は、さらに各ＬＥＤ光源（すなわち、赤色，緑色及び青色のＬＥＤ光源）の温度（つまり接合温度）を計算するための手段５２を有する。接合温度は、温度センサ２４により、先ず照明システム１２の上述のフォトダイオード３２及びＬＥＤ光源を収容するヒートシンク５４の温度を測定することにより得ることができる。そして、各ＬＥＤ光源の接合温度は、ヒートシンク温度と共に、ＬＥＤ光源の熱的モデル及びＬＥＤ光源への電流入力を用いることにより、（計算手段５２により）概算することができる。さらに、ヒートシンク温度は、フォトダイオードの温度を得るために再計算され、フォトダイオードの温度（第２制御データ）は、上述の実施形態のように光束設定点値を補正するために使用される。

かくして、計算手段５２により得られた接合温度データは、ＬＥＤの温度が変化するのに応じた波長シフトを説明するために、較正マトリクス１８に提供される。加えて、フォトダイオードの光束感度もまた波長依存性があるので、接合温度データは、光束設定点値を補正するために光束参照ブロック３８に届けられる。かくして、この実施形態では、第２制御データは、現在のセンサ温度と現在のＬＥＤ光源の温度を含み、これにより、光束設定点値は、センサの感度の変化並びにＬＥＤのピーク波長の変化に対して補正される。これは、ＬＥＤ照明灯の向上された色安定性を導く。

当業者は、本発明が上記好ましい実施形態に限定されないことを理解するであろう。それどころか、多くの改変及び変形が特許請求の範囲内で可能である。例えば、光学センサを収容するヒートシンクの温度を測定することにより、光学センサの温度を測定する特徴は、本発明の任意の実施形態で実施可能である。

また、本発明による制御システム及び方法は、ＲＧＢ，ＡＧＢ，ＲＡＧＢのような異なるＬＥＤの組合せや、蛍光変換ＬＥＤシステム等に用いることができる。

さらに、センサ分野及びアクチュエータ分野の間での任意の適した変換が、上述のシステムで実施可能である。

本発明の一実施形態によるＬＥＤ照明灯のための制御システムを示す回路図である。 本発明の他の実施形態によるＬＥＤ照明灯のための制御システムを示す回路図である。 本発明のさらに別の実施形態によるＬＥＤ照明灯のための制御システムを示す回路図である。

符号の説明

１０ 制御システム
１２ 照明灯
１４ 光学センサ
１６ ユーザインターフェース
１８ 較正マトリクス
２０ ブロック
２２ コントローラ
２４ 温度センサ
２６ 補正ブロック
３０ 制御システム
３２ フォトダイオード
３４ 時間マルチプレクサ
３６ 色信号抽出器
３８ 光束参照ブロック
４０ ブロック
４２ フォトダイオード
５０ 制御システム
５２ 計算手段
５４ ヒートシンク

Claims (8)

1. 混合色光を生成するために複数色の複数のＬＥＤ光源を含むＬＥＤ照明灯用の制御システムにおいて、
   所望の光出力を表す設定点値と，ＬＥＤ光源により生成される光の特性に応答する少なくとも１つの光学センサにより提供される第１制御データと，の間の差に基づいてＬＥＤ光源を制御する手段を備え、
   さらに、前記光学センサの温度に応答する温度センサにより提供される第２制御データに基づいて前記設定点値を補正する手段を備えたことを特徴とする制御システム。
2. 前記光学センサの温度は、前記ＬＥＤ光源及び光学センサを収容するヒートシンクの温度を測定することにより得られることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
3. 前記設定点値は、所望の混合色の出力に関連付けられており、前記少なくとも１つの光学センサは、フィルタ処理を行うセンサであることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
4. 前記設定点値は、所望の光束の出力に関連付けられており、前記少なくとも１つの光学センサは、フィルタ処理を行わないセンサであることを特徴とする請求項１又は２に記載の制御システム。
5. 前記ＬＥＤ光源は、さらに所望の混合色の出力を表す第２設定点値に基づいて制御されることを特徴とする請求項４に記載の制御システム。
6. さらに、各ＬＥＤ光源の温度を計算する手段を備え、
   計算されたＬＥＤ光源の温度は、前記第２フィードバックデータに含まれることを特徴とする請求項４又は５に記載の制御システム。
7. 前記第２設定点値は、前記計算されたＬＥＤ光源の温度に基づいて補正されることを特徴とする請求項６に記載の制御システム。
8. 混合色光を生成するために複数色の複数のＬＥＤ光源を含むＬＥＤ照明灯を制御する方法であって、
   所望の光出力を表す設定点値と，ＬＥＤ光源により生成される光の特性に応答する少なくとも１つの光学センサにより提供される第１制御データと，の間の差に基づいてＬＥＤ光源を制御する工程を備え、
   さらに、前記光学センサの温度に応答する温度センサにより提供される第２制御データに基づいて前記設定点値を補正する工程を備えたことを特徴とする方法。

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