(57)【要約】【課題】定格電流が異なる複数種類のＬＥＤ光源について、１つの変調回路で所定の変調度に自動で設定する。【解決手段】可視光通信変調回路（１２０）は、電源回路（１１０）およびＬＥＤ光源（２００）に接続され、抵抗値を変化させることによって前記ＬＥＤ光源を流れる電流を変化させることが可能な変調抵抗回路（１２４）と、起動後、前記ＬＥＤ光源を流れる電流が安定するまでの間に、前記ＬＥＤ光源に印加される電圧および前記ＬＥＤ光源を流れる電流を同時に計測する動作を少なくとも２回実行する計測回路（１２２、１２３）と、前記計測回路によって計測された少なくとも２組の電圧値および電流値に基づいて、前記ＬＥＤ光源の等価直列抵抗を求め、前記等価直列抵抗と、所定の変調度とに基づいて、前記変調抵抗回路の抵抗値を決定する演算回路（１２６、１２７）と、前記演算回路によって決定された前記抵抗値に基づいて、前記変調抵抗回路の抵抗値を変化させる切替回路（１２８）とを備える。【選択図】図７
2016058148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視光通信を行う照明器具において用いられる可視光通信変調回路であって、
電源回路およびＬＥＤ光源に接続され、抵抗値を変化させることによって前記ＬＥＤ光源を流れる電流を変化させることが可能な変調抵抗回路と、
起動後、前記ＬＥＤ光源を流れる電流が安定するまでの間に、前記ＬＥＤ光源に印加される電圧および前記ＬＥＤ光源を流れる電流を同時に計測する動作を少なくとも２回実行する計測回路と、
前記計測回路によって計測された少なくとも２組の電圧値および電流値に基づいて、前記ＬＥＤ光源の等価直列抵抗を求め、前記等価直列抵抗と、所定の変調度とに基づいて、前記変調抵抗回路の抵抗値を決定する演算回路と、
前記演算回路によって決定された前記抵抗値に基づいて、前記変調抵抗回路の抵抗値を変化させる切替回路と、
を備える可視光通信変調回路。
【請求項２】
前記計測回路は、起動後、前記ＬＥＤ光源に印加される電圧および前記ＬＥＤ光源を流れる電流を同時に計測する動作を複数回にわたって連続的に実行し、
前記演算回路は、前記ＬＥＤ光源を流れる電流の変化率が所定値以下になった時点よりも前に前記計測回路によって計測された少なくとも２組の電圧値および電流値に基づいて、前記ＬＥＤ光源の等価直列抵抗を求める、
請求項１に記載の可視光通信変調回路。
【請求項３】
前記演算回路は、前記少なくとも２組の電圧値および電流値に基づいて、前記ＬＥＤ光源における負荷の電圧−電流特性の近似式を求め、前記近似式の傾きから、前記等価直列抵抗を求める、請求項２に記載の可視光通信変調回路。
【請求項４】
前記計測回路は、起動後、前記ＬＥＤ光源を流れる電流が安定するまでの間に、前記ＬＥＤ光源に印加される電圧および前記ＬＥＤ光源を流れる電流を同時に計測する動作を複数回実行し、
前記演算回路は、前記計測回路によって計測された複数組の電圧値および電流値から、最小二乗法を用いて前記電圧−電流特性の近似式を求める、
請求項３に記載の可視光通信変調回路。
【請求項５】
前記等価直列抵抗をＲＬ、前記所定の変調度をＭ、前記変調抵抗回路の抵抗値をＲｘとするとき、
前記演算回路は、
Ｍ＝Ｒｘ／（Ｒｘ＋ＲＬ）
の式に基づき、前記変調抵抗回路の抵抗値Ｒｘを求める、
請求項１から４のいずれかに記載の可視光通信変調回路。
【請求項６】
前記切替回路は、前記変調抵抗回路の抵抗値を変化させるためのスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子の導通状態を変化させることによって前記変調抵抗回路の抵抗値を変化させる、請求項１から５のいずれかに記載の可視光通信変調回路。
【請求項７】
前記切替回路は、前記スイッチング素子の導通状態を変化させることにより、前記変調抵抗回路の抵抗値を、前記演算回路によって決定された値に近づけるように変化させた後、送信する信号に応じて前記スイッチング素子の導通状態を変化させる、請求項６に記載の可視光通信変調回路。
【請求項８】
可視光通信を行う照明器具であって、
請求項１から７のいずれかに記載の可視光通信変調回路と、
前記可視光通信変調回路に接続され、ＬＥＤ光源を駆動するための電力を供給する電源回路と、
を備える照明器具。
【請求項９】
請求項８に記載の照明器具と、
前記照明器具に取り付け可能なＬＥＤ光源と、
を備える照明装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の照明装置と、
前記照明装置から送出された可視光信号を受信する受信装置と、
を備える可視光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、可視光通信に用いられる可視光通信変調回路、照明器具、照明装置、および可視光通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、照明光の強度を変調することによって信号を送信できる照明装置が提案されている。そのような照明装置からの信号は、フォトダイオードまたは汎用のイメージセンサを備えた受信装置によって受信される。これにより、照明装置から受信装置に情報を伝送することができる。このような通信は、「可視光通信」と称される。
【０００３】
可視光通信では、赤外線通信装置のような特別な機器を必要としない。光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることにより、省電力が実現できる。このため、地下街や店舗などの施設における通信システムへの利用が検討されている。
【０００４】
特許文献１は、このような可視光通信を行う可視光通信装置の一例を開示している。特許文献１には、電源およびＬＥＤ光源に接続されたインピーダンス要素のインピーダンス（抵抗）を変化させることにより、信号の変調度を容易に変更することができることが開示されている。これにより、例えば、照明器具を設置する直前に急に照明設計を変更するような場合でも、インピーダンス素子を交換することなく、適切な可視光通信の環境を設計することができることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１３５７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の可視光通信装置では、定格電流が共通するＬＥＤ光源のシリーズについては、１つの変調回路で所望の変調度に設定できた。しかし、定格電流が異なる複数種類のＬＥＤ光源については、１つの変調回路では対応できなかった。
【０００７】
本開示は、定格電流が異なる複数種類のＬＥＤ光源についても、１つの変調回路で所望の変調度に設定できる新規な可視光通信変調回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本開示の一態様に係る可視光通信変調回路は、可視光通信を行う照明器具において用いられる回路であって、電源回路およびＬＥＤ光源に接続され、抵抗値を変化させることによって前記ＬＥＤ光源を流れる電流を変化させることが可能な変調抵抗回路と、起動後、前記ＬＥＤ光源を流れる電流が安定するまでの間に、前記ＬＥＤ光源に印加される電圧および前記ＬＥＤ光源を流れる電流を同時に計測する動作を少なくとも２回実行する計測回路と、前記計測回路によって計測された少なくとも２組の電圧値および電流値に基づいて、前記ＬＥＤ光源の等価直列抵抗を求め、前記等価直列抵抗と、所定の変調度とに基づいて、前記変調抵抗回路の抵抗値を決定する演算回路と、前記演算回路によって決定された前記抵抗値に基づいて、前記変調抵抗回路の抵抗値を変化させる切替回路と、を備える。
【０００９】
上記の態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体によって実現されてもよい。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせによって実現されてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の実施形態によれば、定格電流が異なる複数種類のＬＥＤ光源についても、１つの変調回路で所望の変調度に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】定格電流が統一されたＬＥＤ光源のシリーズＳ１およびＳ２の負荷電流と負荷電圧との関係を模式的に示す図である。
【図１Ｂ】定格電流が統一されていないＬＥＤ光源のシリーズＳ３の負荷電流と負荷電圧との関係を模式的に示す図である。
【図２】本開示のある実施形態における可視光通信システムの概略構成を示すブロック図である。
【図３】可視光通信変調回路１２０の動作を説明するための図である。（ａ）は負荷電圧の時間変化の一例を示し、（ｂ）は負荷電流の時間変化の一例を示している。
【図４】ＬＥＤ光源２００の電圧−電流特性の一例を示す図である。
【図５】（ａ）は、照明装置１０の回路の概略を示し、（ｂ）は、ＬＥＤ光源２００の等価回路を示している。
【図６】変調抵抗動作の動作を示すフローチャートである。
【図７】本開示の実施形態１における照明装置１０の構成を示す回路図である。
【図８】（ａ）は、制御用電源回路１２１の出力電圧の時間変化を示し、（ｂ）は、変調用スイッチ（Ｑ１）の駆動電圧の時間変化を示し、（ｃ）は、ＬＥＤ光源２００に印加される電圧（ＬＥＤ電圧）の時間変化を示し、（ｄ）は、ＬＥＤ光源２００を流れる電流（ＬＥＤ電流）の時間変化を示している。
【図９】可視光通信変調回路１２０による変調度の調整動作を示すフローチャートである。
【図１０】Ｖ−Ｉ特性の近似式および等価直列抵抗ＲＬを求める処理を説明するための図である。
【図１１】本開示の実施形態２における照明装置１０の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示の実施形態を説明する前に、本願発明者によって見出された知見を説明する。
【００１３】
照明光による通信を行うためには、受信機の性能に応じた変調度で照明光の強度を変調する必要がある。ここで、変調度Ｍは、照明光の強度が相対的に高いハイ状態のときにＬＥＤ光源を流れる電流をＩｈ、照明光の強度が相対的に低いロー状態のときにＬＥＤ光源を流れる電流をＩｌとして、Ｍ＝（Ｉｈ−Ｉｌ）／Ｉｈで表される。変調度Ｍは、受信機がイメージセンサを備えたカメラである場合には、例えば０．５以上の値に設定される。受信機が可視光通信用に構成されたフォトダイオードである場合には、例えば０．１から０．３の範囲内の値に設定される。変調度を所定の値に設定するためには、ＬＥＤ光源に接続された変調回路の抵抗値を変化させる必要がある。抵抗値をどのような値にすればよいかは、ＬＥＤ光源の負荷（等価直列抵抗）に依存する。
【００１４】
ＬＥＤ照明器具は、大別して、ＬＥＤ光源が交換可能なタイプと、ＬＥＤ光源が交換不可能なタイプとに分類される。前者のタイプのＬＥＤ照明器具用のＬＥＤ光源には、例えば、ＬＥＤ電球および直管形ＬＥＤランプがある。これらの交換型のＬＥＤ光源には、最大発光量の異なる複数種類のＬＥＤ光源が存在する。これらの種類を表す指標として、ＬＥＤ光源の消費電力の定格値が用いられることが多い。例えば、直管形ＬＥＤランプには、定格出力が１３Ｗ、１９Ｗ、２２Ｗの３種類のものが存在する。ワット数が大きいほど最大発光量が大きく、ランプ電圧の定格値も高い。
【００１５】
照明器具には調光レベルを調節できるものがある。調光レベルは、定格時を１００％としたときの光量比または電流比で表される。調光レベルが低いほど、ＬＥＤ光源の印加電圧（以下、「負荷電圧」と称することがある。）も低い。通常、同種のＬＥＤ光源であれば、同じ調光レベルのときにＬＥＤ光源を流れる電流（以下、「負荷電流」と称することがある。）が同じ値になり、負荷電圧が定格出力に応じて異なる値になる。したがって、負荷電圧に基づいてＬＥＤ光源の機種を判別することができる。特許文献１は、このことを利用して、負荷電流が安定した後の負荷電圧に基づいてＬＥＤ光源の機種を判別することを開示している。特許文献１の可視光通信装置は、検出した負荷電圧に応じて変調回路（インピーダンス要素）の抵抗値を切り替えることにより、変調度を所定の値に設定する。
【００１６】
しかし、安定動作時の負荷電圧に基づく上記の方法は、定格電流が共通するＬＥＤ光源のシリーズにしか適用できない。定格電流の異なる別種のＬＥＤ光源では、負荷電圧が同じであっても負荷電流が異なる場合があるため、負荷電圧のみに基づいてＬＥＤ光源を特定することができない。
【００１７】
図１Ａおよび図１Ｂは、この課題を説明するための図である。図１Ａは、定格電流が統一されたＬＥＤ光源のシリーズＳ１およびＳ２のそれぞれにおける負荷電流と負荷電圧との関係を模式的に示している。図１Ｂは、定格電流が統一されていないＬＥＤ光源のシリーズＳ３における負荷電流と負荷電圧との関係を模式的に示している。図１Ａおよび図１Ｂにおいて、個々の円は、１つのＬＥＤ製品を表している。円の大きさは、ＬＥＤ光源の等価直列抵抗の大きさを表している。
【００１８】
従来は、図１Ａに示すシリーズＳ１およびＳ２のように、定格電流が器具シリーズごとに統一されていた。このため、動作安定時の電圧を計測することによってＬＥＤ光源の等価直列抵抗を判別でき、その判別結果に基づいて、変調抵抗を適切な値に設定することができた。
【００１９】
しかし、近年、図１Ｂに示すシリーズＳ３のように、定格電流が器具シリーズごとに統一されていないものが登場してきた。また、定格電流が同じでも、負荷電圧の大小関係が、ＬＥＤ光源の等価直列抵抗に比例しないシリーズも存在する。このようなシリーズについては、動作安定時の負荷電圧に基づく従来の判別方式では、自動的な判別が困難である。例えば、図１Ｂに示す機種Ｄ１およびＤ２は、負荷電圧はほぼ同じであるが、負荷電流が異なっているため、負荷電圧の情報のみに基づいて機種を判別できない。
【００２０】
本願発明者は、上記の課題を見出し、この課題を解決するための構成を検討した。本願発明者は、起動直後で負荷電流がまだ安定していない過渡期間におけるＬＥＤ光源の電圧−電流特性から、等価直列抵抗を直接求めることができることに着目して本開示の技術を完成させた。本開示の実施形態における可視光通信変調回路は、起動後、負荷電流が安定するまでの過渡期間において、負荷電圧および負荷電流を同時に計測する動作を少なくとも２回実行する。その計測結果に基づいて、ＬＥＤ光源の等価直列抵抗を求める。そして、求めた等価直列抵抗の値と所定の変調度とに基づく演算により、設定すべき変調抵抗の値を決定する。このような動作により、定格電流が異なる複数のＬＥＤ光源についても、１つの可視光通信変調回路で所定の変調度に設定することができる。
【００２１】
以下、本開示の実施形態の基本的な構成を説明する。なお、本明細書において、「通信」とは、双方向の信号伝送だけでなく、一方向の信号伝送を含む広い概念を意味する。以下の説明において、「接続」とは、電気的な接続を意味する。
【００２２】
図２は、本開示のある実施形態における可視光通信システムの概略的な構成を示すブロック図である。この可視光通信システムは、照明装置１０と、照明装置１０から送出された信号（以下、「可視光信号」または「通信信号」と称することがある。）を受信する受信装置２０とを備える。照明装置１０は、照明器具１００と、照明器具１００に取り付けられるＬＥＤ光源２００とを有する。照明器具１００は、ＬＥＤ光源２００を駆動するための電力を供給するＬＥＤ電源回路１１０と、ＬＥＤ光源２００を流れる電流を変調させる可視光通信変調回路１２０とを有する。受信装置２０は、例えば可視光通信用に構成されたフォトダイオード、または汎用のイメージセンサを備えたカメラを有する。照明装置１０は、ＬＥＤ光源２００を点灯させながら、その強度を変調させることにより、受信装置２０に可視光信号を送信する。
【００２３】
可視光通信変調回路１２０は、変調抵抗回路１２０ａ、計測回路１２０ｂ、演算回路１２０ｃ、および切替回路１２０ｄの４つの回路ブロックを備える。変調抵抗回路１２０ａは、電源回路１１０およびＬＥＤ光源２００に接続され、抵抗値を変化させることによってＬＥＤ光源２００を流れる電流を変化させることができるように構成されている。計測回路１２０ｂは、起動後、ＬＥＤ光源２００を流れる電流が安定するまでの間に、ＬＥＤ光源２００に印加される電圧およびＬＥＤ光源２００を流れる電流を同時に計測する動作を少なくとも２回実行するように構成されている。演算回路１２０ｃは、計測回路１２０ｂによって計測された少なくとも２組の電圧値および電流値に基づいて、ＬＥＤ光源２００の等価直列抵抗を求める。そして、求めた等価直列抵抗と、所定の変調度とに基づいて、変調抵抗回路１２０ａの抵抗値（合成抵抗）を決定する。切替回路１２０ｄは、演算回路１２０ｃによって決定された抵抗値に基づいて、変調抵抗回路１２０ａの抵抗値を変化させる。
【００２４】
図３は、可視光通信変調回路１２０の動作を説明するための図である。図３（ａ）は、負荷電圧の時間変化の一例を示している。図３（ｂ）は、負荷電流の時間変化の一例を示している。この例では、時刻ｔ０において電源が投入され、可視光通信変調回路１２０が起動する。まず、負荷電圧が上昇し、続いて負荷電流が上昇する。負荷電流の上昇は、負荷電圧の上昇よりも緩やかである。言い換えれば、負荷電圧よりも負荷電流の方が、安定するまでの時間が長い。図３（ｂ）において、負荷電流が安定する時刻はｔ１で表されている。負荷電流が安定したか否かは、負荷電流の時間変化率が所定の閾値以下になったか否かによって判断される。時刻ｔ０からｔ１までの時間は、例えば、１秒から数秒程度である。時刻がｔ１を超えると、可視光通信変調回路１２０は、通信のための変調動作を開始する。変調度Ｍは、前述のように、ハイ状態のときの負荷電流をＩｈ、ロー状態のときの負荷電流をＩｌとして、Ｍ＝（Ｉｈ−Ｉｌ）／Ｉｈで表される。
【００２５】
本開示の実施形態では、計測回路１２０ｂが、起動後、負荷電流が安定するまでの間に、負荷電圧および負荷電流を同時に計測する動作を少なくとも２回実行する。図３では、１回目の計測によって得られる電圧値および電流値が、それぞれＶ１およびＩ１で表されている。２回目の計測によって得られる電圧値および電流値は、それぞれＶ２およびＩ２で表されている。
【００２６】
図４は、ＬＥＤ光源２００の電圧−電流特性の一例を示す図である。ＬＥＤ光源２００に印加される電圧が所定の閾値を超えると、ＬＥＤ光源２００に電流が流れ始める。ＬＥＤ光源２００の等価直列抵抗は、この電圧−電流特性のグラフの傾きから求められる。この傾きは、演算回路１２０ｃによって計測された２組の電圧値および電流値（Ｖ１，Ｉ１，Ｖ２，Ｉ２）に基づいて近似的に求めることができる。すなわち、図４における点（Ｖ１，Ｉ１）および点（Ｖ２，Ｉ２）を通る直線Ｌ１２の傾きを、等価直列抵抗の近似値として求めることができる。
【００２７】
そこで、本実施形態における演算回路１２０ｃは、計測回路１２０ｂによって計測された２組の電圧値および電流値（Ｖ１，Ｉ１，Ｖ２，Ｉ２）に基づいて、以下の式（１）により、ＬＥＤ光源２００の等価直列抵抗ＲＬを求める。
ＲＬ＝（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｉ２−Ｉ１）  （１）
【００２８】
なお、ＬＥＤ光源２００が複数の発光素子の直列回路によって構成される場合は、各発光素子の等価直列抵抗をＲｌ、発光素子の数をＮとして、等価直列抵抗ＲＬは、ＲＬ＝Ｎ×Ｒｌで表される。
【００２９】
このように、本実施形態の演算回路１２０ｃは、起動直後で負荷電流がまだ安定していない過渡期間におけるＬＥＤ光源の電圧−電流特性から、等価直列抵抗ＲＬを直接求める。ここで、負荷電流が安定した状態における負荷電圧Ｖｓおよび負荷電流Ｉｓのみに基づいて図４に示す直線Ｌｓの傾きを求めたとしても、正しい等価直列抵抗ＲＬは得られない。原点および点（Ｖｓ，Ｉｓ）を通る直線Ｌｓの傾きは、実際の電圧−電流特性を示す曲線の傾きとは異なるためである。本実施形態のように、少なくとも２組の電圧および電流の計測値を用いることにより、初めて電圧−電流特性を示す曲線の傾きを求めることができる。
【００３０】
演算回路１２０ｃは、上記のようにして求めた等価直列抵抗ＲＬと、受信装置に応じて決まる所定の変調度Ｍとに基づいて、以下の式（２）から変調抵抗回路１２０ａの合成抵抗（変調抵抗Ｒｘ）を決定する。
Ｍ＝Ｒｘ／（Ｒｘ＋ＲＬ）  （２）
式（２）は、以下の式（３）のように変形される。
Ｒｘ＝ＲＬ×Ｍ／（１−Ｍ）  （３）
よって、式（３）から、変調抵抗Ｒｘを求めることができる。
【００３１】
式（２）は、以下のようにして導出される。まず、変調度Ｍは、Ｍ＝（Ｉｈ−Ｉｌ）／Ｉｈ＝１−Ｉｌ／Ｉｈで表される。照明装置１０の回路の概略は、図５（ａ）のように表される。ＬＥＤ光源２００（発光ダイオード）は、図５（ｂ）に示すように、抵抗Ｒｄと電圧Ｖｄとの組み合わせであると考えることができる。ＬＥＤ光源２００にはスイッチＳＷが直列に接続されている。変調抵抗Ｒｘは、スイッチＳＷに並列に接続されている。スイッチＳＷが閉じられた状態がハイ状態（負荷電流Ｉｈ）、スイッチＳＷが開いた状態がロー状態（負荷電流Ｉｌ）である。スイッチＳＷが閉じられた状態における電源電圧をＶ０１、スイッチＳＷが開いた状態における電源電圧をＶ０２とすると、以下の２式が成立する。
Ｉｈ×Ｒｄ＋Ｖｄ＝Ｖ０１
Ｉｌ×（Ｒｄ＋Ｒｘ）＋Ｖｄ＝Ｖ０２
【００３２】
スイッチの開閉は、十分に短い時間で行われるため、実質的にＶ０１＝Ｖ０２であると考えることができる。したがって、Ｉｈ×Ｒｄ＝Ｉｌ×（Ｒｄ＋Ｒｘ）が成立する。この式から、Ｉｌ／Ｉｈ＝Ｒｄ／（Ｒｄ＋Ｒｘ）が得られる。よって、Ｍ＝１−Ｉｌ／Ｉｈ＝Ｒｘ／（Ｒｘ＋ＲＬ）となり、式（２）が得られる。
【００３３】
切替回路１２０ｄは、演算回路１２０ｃによって決定された変調抵抗Ｒｘに基づいて、変調抵抗回路１２０ａの合成抵抗を変化させる。例えば、変調抵抗回路１２０ａの合成抵抗が複数の抵抗値の中から選択可能である場合、切替回路１２０ｄは、変調抵抗回路１２０ａの合成抵抗を、決定した変調抵抗Ｒｘに最も近い値に切り替える。これにより、所定の変調度Ｍで可視光通信を行うことができる。切替回路１２０ｄは、負荷電流が安定した後、通信のための変調動作を開始する。この動作は、図５（ａ）におけるスイッチＳＷを開閉する動作に相当する。
【００３４】
図６は、以上の動作を示すフローチャートである。電源が投入されると、計測回路１２０ｂは、ＬＥＤ光源２００の電流および電圧を同時に少なくとも２回計測し、測定値（Ｖ１、Ｉ１、Ｖ２、Ｉ２）を得る（ステップＳ１０１）。次に、演算回路１２０ｃは、ＬＥＤ光源２００の等価直列抵抗ＲＬを計算する（ステップＳ１０２）。この計算は、上述した式（１）を用いて行われる。続いて、演算回路１２０ｃは、等価直列抵抗ＲＬと所定の変調度Ｍとから、変調抵抗Ｒｘを計算する（ステップＳ１０３）。この計算は、上述した式（３）を用いて行われる。次に、切替回路１２０ｄは、変調抵抗回路１２０ａの合成抵抗をＲｘに最も近い値に切り替える（ステップＳ１０４）。これにより、所定の変調度Ｍで変調可能になるため、切替回路１２０ｄは、変調動作（通信）を開始する（ステップＳ１０５）。
【００３５】
以上の構成および動作により、定格電流が異なる複数種類のＬＥＤ光源についても、変調抵抗を適切な値に自動で設定することができる。本開示の実施形態によれば、従来技術とは異なり、定格電流が統一された機種シリーズに限定されずに使用可能である。このため、変調回路を交換することなく、多様な機種に使用することができる。
【００３６】
なお、上記の例では、電圧および電流の計測を、負荷電流が安定する前に行っているが、２回目の計測は、負荷電流が安定した後に行ってもよい。また、電圧および電流の同時計測を、例えば千回以上行い、それらの計測結果から、電圧−電流特性の近似式を求め、その近似式の傾きから等価直列抵抗を求めてもよい。そのような処理によれば、さらに精度の高い変調抵抗の設定が可能である。電圧および電流の同時計測は、厳密に同時である必要はなく、若干のタイムラグを伴っていてもよい。電圧の計測と電流の計測との時間的なずれが、電圧および電流が実質的に変化しない程度に短時間であれば、問題なく上記の処理を適用できる。
【００３７】
以下、本開示のより具体的な実施形態を説明する。
【００３８】
（実施形態１）
図７は、本開示の実施形態１における照明装置１０の構成を示す回路図である。照明装置１０は、照明器具１００と、照明器具１００に接続されるＬＥＤ光源２００とを備えている。照明器具１００は、電源回路１１０と可視光通信変調回路１２０とを有する。可視光通信変調回路１２０は、電源回路１１０とＬＥＤ光源２００との間に接続される。
【００３９】
本実施形態におけるＬＥＤ光源２００は、直列に接続された１つ以上の発光ダイオードによって構成される。しかし、ＬＥＤ光源２００はこのような構成に限定されない。例えば、各々が１つ以上の発光ダイオードを有する複数の直列回路を並列に接続した構成であってもよい。ＬＥＤ光源２００における各発光素子は、無機材料から構成される発光ダイオードに限らず、有機ＥＬ（ＯＬＥＤ）素子や半導体レーザなどの他の発光素子であってもよい。
【００４０】
電源回路１１０は、ＬＥＤ光源２００を駆動するための電力を供給する回路である。電源回路１１０は、商用電源ＡＣに接続される。電源回路１１０は、商用電源ＡＣから供給された交流電流を直流電流に変換し、ＬＥＤ光源２００に一定の電流を供給する。電源回路１１０は、力率改善（ＰＦＣ）回路１１４と、定電流回路１１１と、これらの回路を制御する制御回路１１２と、調光信号を受信する調光信号受信回路１１３とを有するスイッチング電源である。定電流回路１１１は、例えば、降圧チョッパ回路などのＤＣ／ＤＣコンバータによって構成され得る。調光信号受信回路１１３は、外部の調光制御回路５０が出力する調光信号を受け取り、その調光信号から調光レベルを読み取って制御回路１１２に通知する。制御回路１１２は、ＬＥＤ光源２００を流れる電流が、調光信号受信回路１１３から通知された調光レベルに応じた電流値になるように定電流回路１１１を制御する。これにより、電源回路１１０の出力電圧および出力電流は、調光レベルが１００％（定格）のときに最大になり、調光レベルの低下に伴って減少する。電源回路１１０の出力端には、可視光通信変調回路１２０における平滑コンデンサＣ１が並列に接続される。この平滑コンデンサＣ１は、電源回路１１０から出力された直流電流のリプルを除去する。
【００４１】
可視光通信変調回路１２０は、ＬＥＤ光源２００を流れる電流を変調することによって信号を照明光に重畳するための回路である。可視光通信変調回路１２０は、制御用電源回路１２１と、電圧計測回路１２２と、電流計測回路１２３と、変調抵抗回路１２４と、信号処理回路１２５とを備える。これらのうち、電圧計測回路１２２および電流計測回路１２３の組み合わせは、図２における計測回路１２０ｂに対応する。信号処理回路１２５と変調抵抗回路１２４とは、スイッチング素子Ｑ１を介して接続されている。
【００４２】
制御用電源回路１２１は、電源回路１１０からダイオードＤ１を介して入力される電圧を、信号処理回路１２５が使用する制御用電圧（例えば５Ｖ）に変換して出力する。制御用電源回路１２１は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータによって構成され得る。
【００４３】
電圧計測回路１２２は、電源回路１１０からＬＥＤ光源２００に印加される負荷電圧を計測する。電圧測定回路１２２は、例えば、電源回路１１０に並列に接続された複数の抵抗の直列回路によって構成され得る。電圧測定回路１２２は、電源回路１１０の出力電圧を分圧し、分圧した電圧を信号処理回路１２５に与える。ここで、スイッチング素子Ｑ１が導通している状態（オン）のとき、電源回路１１０の出力電圧はＬＥＤ光源２００に印加される電圧とほぼ等しくなる。したがって、電源回路１１０の出力電圧を分圧した電圧は、ＬＥＤ光源２００に印加される電圧に比例する。
【００４４】
電流計測回路１２３は、ＬＥＤ光源２００を流れる負荷電流を計測する。電流計測回路１２３は、平滑コンデンサＣ１の低電位側とＬＥＤ光源２００の低電位側との間に挿入された検出抵抗ＲＳの電圧降下に基づいて負荷電流を測定するように構成されている。
【００４５】
信号処理回路１２５は、可視光通信を行うために必要な処理を行う回路である。信号処理回路１２５は、例えば、各種のプログラムを格納するメモリとＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）とを内蔵したマイクロコントローラによって実現され得る。そのようなマイクロコントローラは、メモリに記録されたプログラムをＣＰＵで実行することにより、後述する各種の機能を実現する。信号処理回路１２５は、制御用電源回路１２１から制御用電圧を供給されることにより動作する。
【００４６】
信号処理回路１２５は、Ｖ−Ｉ特性演算部１２６と、変調抵抗値演算部１２７と、切替駆動部１２８とを有する。これらのうち、Ｖ−Ｉ特性演算部１２６および変調抵抗値演算部１２７の組み合わせは、図２における演算回路１２０ｃに対応する。切替駆動部１２８は、図２における切替回路１２０ｄに対応する。これらの機能部は、必ずしも独立した回路要素である必要はない。これらの機能部は、例えば、信号処理回路１２５がプログラムの一部を実行することによって実現してもよい。
【００４７】
Ｖ−Ｉ特性演算部１２６は、電圧計測回路１２２および電流計測回路１２３の計測値に基づいて、ＬＥＤ光源２００の電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）を計算する。Ｖ−Ｉ特性は、ＬＥＤ光源２００に印加される電圧と、ＬＥＤ光源２００を流れる電流との関係を示す関数である。Ｖ−Ｉ特性は、例えば図４に示されるような曲線で表される。本実施形態におけるＶ−Ｉ特性演算部１２６は、電圧計測回路１２２および電流計測回路１２３によって複数回にわたって連続的に計測された電圧および電流の値から、Ｖ−Ｉ特性の近似式を求める。
【００４８】
変調抵抗値演算部１２７は、Ｖ−Ｉ特性演算部１２６によって求められたＶ−Ｉ特性の近似式の傾きからＬＥＤ光源２００の等価直列抵抗を求める。この等価直列抵抗の値と、所定の変調度とから、前述の式（３）を用いて、変調抵抗回路１２４の変調抵抗を計算する。
【００４９】
切替駆動部１２８は、スイッチング素子Ｑ１およびスイッチング素子Ｑ４に接続されている。切替駆動部１２８は、スイッチング素子Ｑ１に２値の通信信号を出力する。通信信号は、例えば、屋内における照明器具の位置情報や、照明器具の商品コードといった機器情報などの情報を２値化した信号である。この通信信号が重畳された照明光をユーザが所有する受信装置（例えば、携帯電話やスマートフォンなどの情報通信端末）で受信することにより、通信信号が有する情報をユーザが利用することができる。
【００５０】
スイッチング素子Ｑ１は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴによって構成される。スイッチング素子Ｑ１は、変調抵抗回路１２４に並列に接続されている。スイッチング素子Ｑ１のゲートには、切替駆動部１２８から通信信号が入力される。スイッチング素子Ｑ１が導通している状態（オン）のとき、変調抵抗回路１２４における抵抗素子Ｒｘ１、Ｒｅを介さずにＬＥＤ光源２００に電流が流れる。一方、スイッチング素子Ｑ１が非導通状態（オフ）のとき、抵抗素子Ｒｘ１、Ｒｅの少なくとも一方を介してＬＥＤ光源２００に電流が流れる。これにより、ＬＥＤ光源２００を流れる電流が変調され、信号が送信される。
【００５１】
本実施形態における切替駆動部１２８は、さらに、可視光通信を行う前に、所定の変調度で信号が伝送されるように、抵抗変調回路１２４の抵抗値（合成抵抗）を調整する。具体的には、抵抗変調回路１２４の合成抵抗が、変調抵抗値演算部１２７によって求められた変調抵抗値に最も近くなるように、スイッチング素子Ｑ４のベース電流Ｉｂを調整する。
【００５２】
変調抵抗回路１２４は、２つの抵抗Ｒｘ１、Ｒｅと、スイッチング素子Ｑ４とを有する。スイッチング素子Ｑ４は、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタによって構成される。スイッチング素子Ｑ４は、可変抵抗器として機能する。
【００５３】
抵抗Ｒｘ１は、スイッチング素子Ｑ１とＬＥＤ光源２００との接続点と、グランドとの間に挿入されている。スイッチング素子Ｑ４のコレクタは、スイッチング素子Ｑ１とＬＥＤ光源２００との接続点に接続されている。スイッチング素子Ｑ４のエミッタは、エミッタ抵抗Ｒｅを介してグランドに接続されている。スイッチング素子Ｑ４のベースは、抵抗Ｒ５を介してグランドに接続されている。スイッチング素子Ｑ４のベースは、さらに、信号処理部１２５における切替駆動部１２８に接続されている。切替駆動部１２８からスイッチング素子Ｑ４のベースに駆動電圧Ｖｘが印加される。これにより、スイッチング素子Ｑ４のベースには、切替駆動部１２８からベース電流Ｉｂ（＝（Ｖｘ−Ｖｂｅ）／Ｒｅ）が流れる。ここで、Ｖｂｅはスイッチング素子Ｑ４のベース・エミッタ間電圧、Ｒｅはエミッタ抵抗Ｒｅの抵抗値を示している。スイッチング素子Ｑ４には、コレクタ電流Ｉｃ（＝ｈＦＥ×Ｉｂ）が流れる。ここで、ｈＦＥは、直流電流増幅率である。
【００５４】
このような構成により、駆動電圧Ｖｘが上昇するにつれてベース電流Ｉｂが増加し、ベース電流Ｉｂの増加に伴ってコレクタ電流Ｉｃも増加する。スイッチング素子Ｑ４を可変抵抗器と考えると、駆動電圧Ｖｘが上昇することによって可変抵抗器の抵抗値が減少してコレクタ電流Ｉｃが増加する。逆に、駆動電圧Ｖｘが下降することによって可変抵抗器の抵抗値が増大してコレクタ電流Ｉｃが減少する。したがって、切替駆動部１２８が駆動電圧Ｖｘを変化させることにより、スイッチング素子Ｑ１が導通していないときの負荷電流を増減させることができる。これにより、変調度を調整することができる。ここで、バイポーラトランジスタの抵抗の温度依存性（すなわち、ベース・エミッタ間電圧およびコレクタ電流の温度依存性）は、抵抗器の抵抗の温度依存性よりも高い。したがって、サーミスタなどの温度センサを用いて変調抵抗回路１２４の温度（またはその周辺の温度）を計測し、その計測値に応じて駆動電圧Ｖｘを補正してもよい。
【００５５】
次に、本実施形態における可視光通信の動作を説明する。
【００５６】
本実施形態では、通信信号によってＬＥＤ光源２００の光強度を変調することにより、可視光通信を行う。可視光通信における変調方式として、ＳＣ−４ＰＰＭを採用している。４ＰＰＭ（４値パルス位置変調）では、シンボル時間として定義される一定時間を４つのスロットに分割し、これらのスロットのうちのいずれか１つのスロットにパルスが入力される。これにより、２ビットのデータを送信することができる。４ＰＰＭの詳細は、ＪＥＩＴＡ（電子情報技術産業協会）規格のＣＰ−１２２１、ＣＰ−１２２２に記載されている。
【００５７】
図８は、本実施形態における各種の電圧および電流の波形の例を示す図である。図８（ａ）は、制御用電源回路１２１の出力電圧の時間変化を示している。図８（ｂ）は、変調用スイッチ（Ｑ１）の駆動電圧の時間変化を示している。図８（ｃ）は、ＬＥＤ光源２００に印加される電圧（ＬＥＤ電圧）の時間変化を示している。図８（ｄ）は、ＬＥＤ光源２００を流れる電流（ＬＥＤ電流）の時間変化を示している。
【００５８】
図８に示されるように、時刻ｔ０において電源が投入されると、制御用電源回路１２１の出力電圧が所定の値になり、信号変調用のスイッチング素子Ｑ１の駆動電圧がハイ状態になる。これに伴い、ＬＥＤ電圧が増加する。さらに遅れて、ＬＥＤ電流が増加する。このように、ＬＥＤ電流の立ち上がりは、ＬＥＤ電圧の立ち上がりよりも滑らかである。したがって、ＬＥＤ電流が安定するまでの時間は、ＬＥＤ電圧が安定するまでの時間よりも長い。ＬＥＤ電流は、時刻ｔ１において、その変化率が所定の閾値を下回り、安定状態になる。変調点灯回路１２０は、ＬＥＤ電流の時間変化が所定の閾値を下回った後、安定状態になったと判断し、通信を開始する。このとき、図８（ｂ）に示すように、通信信号に応じて、スイッチング素子Ｑ１の駆動電圧を、ハイ状態とロー状態との間で高速に切り替える。これにより、変調抵抗回路１２４の両端が開放された状態と短絡された状態とが高速で切り替わる。この切り替えの周波数は、人間がフリッカを感じない程度の値（例えば、数十ｋＨｚから数ＭＨｚ）に設定され得る。
【００５９】
このような可視光通信に先立って、本実施形態における可視光通信変調回路１２０は、変調度の調整を行う。この際、ＬＥＤ光源２００に応じて適切な変調度になるように変調抵抗が設定される。
【００６０】
図９は、可視光通信変調回路１２０による変調度の調整動作を示すフローチャートである。照明装置１０の電源が投入されると、まず、電圧計測回路１２２および電流計測回路１２３は、ＬＥＤ光源２００の電流および電圧を同時に複数回にわたって計測する（ステップＳ２０１）。計測期間は、図８（ｃ）、（ｄ）に示すように、起動後、負荷電流が安定するまでの所定期間である。計測回数は、例えば数千回から数万回であり得る。
【００６１】
次に、Ｖ−Ｉ特性演算部１２６は、最小二乗法により、Ｖ−Ｉ特性の近似式を求める（ステップＳ２０２）。そして、近似式の傾きから、ＬＥＤ光源２００の等価直列抵抗ＲＬを求める（ステップＳ２０３）。
【００６２】
図１０は、Ｖ−Ｉ特性の近似式および等価直列抵抗ＲＬを求める処理を説明するための図である。図１０は、負荷電圧および負荷電流の計測結果をプロットした結果の一例を示している。この例では、電圧および電流の計測回数は、約３万５千回である。この計測結果は、誤差を含んでいる。このため、本実施形態では、最小二乗法を用いて直線近似式が求められる。図１０の例では、近似式は、ｙ＝３８．６６４ｘ＋８９．７１１で表される。このため、ＬＥＤ光源２００の等価直列抵抗ＲＬは、約３８．７である。
【００６３】
なお、前述のように、安定時の負荷電圧および負荷電流の値のみを用いて原点との傾きを求めた場合、等価直列抵抗ＲＬを正しく求めることができない。この場合、ＬＥＤ光源２００の等価回路における定電圧部分（図５（ｂ）におけるＶｄ）を無視したことになるため、その傾きは実際よりも大きい値になる。このため、その傾きを近似値として用いることはできない。
【００６４】
変調抵抗値演算部１２７は、等価直列抵抗ＲＬと所定の変調度Ｍとに基づいて、変調抵抗Ｒｘを計算する（ステップＳ２０４）。この計算は、上記の式（３）、すなわち、Ｒｘ＝ＲＬ×Ｍ／（１−Ｍ）を用いて行われる。
【００６５】
次に、切替駆動部１２８は、変調抵抗回路１２４の合成抵抗がＲｘになるようにスイッチング素子Ｑ４のベース電流Ｉｂを設定する。続いて、切替駆動部１２８は、変調動作（通信）を開始する（ステップＳ２０６）。
【００６６】
以上の動作により、ＬＥＤ光源２００を交換した場合でも、通信開始前に自動的に所定の変調度に設定することができる。本実施形態によれば、動作安定後の負荷電圧に基づいて変調抵抗を決定する従来の方法とは異なり、定格電流が異なる光源に交換した場合でも、同一の変調抵抗回路１２４を用いることができる。このため、従来よりも利便性を向上させることができる。
【００６７】
なお、本実施形態では、電源回路１１０に調光可能な定電流回路１１１を用いているが、このような構成に限定されない。例えば、定電圧回路を用いて同様の構成を実現してもよい。
【００６８】
また、本実施形態では、負荷電圧および負荷電流の計測期間を固定の時間に設定しているが、動作状態に応じて計測期間を変化させてもよい。電源回路１１０の特性によってはＬＥＤ電流の立ち上がりが遅い場合がある。計測期間を予め設定された時間にした場合には、ＬＥＤ電流が安定するまでの時間が、予め設定された時間を超えてしまう可能性がある。その場合、正しい近似値が得られない。その対策として、ＬＥＤ電流の変化率を求め、その変化率が所定値以下になった時点を基点として、その時点よりも前に計測された計測値に基づいて処理してもよい。この際、計測値の誤差が比較的少ない期間を適宜選択してもよい。そのような期間に計測された複数組の電圧値および電流値に基づいて、電圧・電流特性の近似式およびＬＥＤ光源の等価直列抵抗を求めれば、より正確な近似値を得ることができる。
【００６９】
本実施形態では、通信用のスイッチング素子Ｑ１と、電源回路１１０の出力電流調整用のスイッチング素子Ｑ４とを分けているが、スイッチング素子Ｑ１を省略してもよい。負荷電流の変調周波数（例えば数ｋＨｚ未満）が、電源回路１１０のスイッチング周波数（例えば数十ｋＨｚ以上）よりも十分に低い場合、このような省略が可能である。電源回路１１０の出力電流調整用のスイッチング素子Ｑ４のデューティ制御または周波数制御によって負荷電流の変調制御を行うことができる。そのような構成では、切替駆動部１２８は、起動直後に、スイッチング素子Ｑ４の導通状態を変化させて、変調抵抗回路１２４の抵抗値を適切な値に調整した後、送信する信号に応じてスイッチング素子Ｑ４の導通状態を変化させる。変調度調整機能と通信機能とを１つのスイッチング素子によって実現することにより、部品点数が減り、装置を安価に構成することができる。
【００７０】
（実施形態２）
図１１は、本開示の実施形態２における照明装置１０の構成を示す回路図である。本実施形態では、変調抵抗回路１２４、スイッチング素子、および電流計測回路１２３の構成が実施形態１とは異なる。以下、実施形態１と異なる点を説明し、共通する事項についての説明は省略する。本実施形態において、実施形態１における構成要素に対応する構成要素には、同一の参照符号を付している。
【００７１】
本実施形態における変調抵抗回路１２４は、直列に接続された抵抗Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３を有している。抵抗Ｒｘ１にスイッチング素子Ｑ１が並列に接続され、抵抗Ｒｘ２にスイッチング素子Ｑ２が並列に接続され、抵抗Ｒｘ３にスイッチング素子Ｑ３が並列に接続されている。したがって、２つのスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３が双方ともオンのときの変調度が最も低くなる。２つのスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３が双方ともオフのときの変調度は最も高くなる。一方のスイッチング素子Ｑ２がオフ、他方のスイッチング素子Ｑ３がオンのときの変調度は中間の値となる。
【００７２】
本実施形態における電流計測回路１２３は、抵抗Ｒｓの代わりに、変調抵抗回路１２４における抵抗Ｒｘ１、Ｒｘ２，Ｒｘ３を用いて、負荷電流を計測する。変調抵抗の切り替えは、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３の切り替えによって実現される。スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３の切り替えにより、変調抵抗回路１２４の直列合成抵抗を光源２００に応じた値に切り替えることができる。
【００７３】
実施形態１では、使用する温度範囲が広いと、バイポーラトランジスタＱ４の直流電流増幅率ｈＦＥの温度依存性を補正する回路が必要になる。これに対し、本実施形態では、固定抵抗Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３を用いているため、抵抗値の温度依存性が比較的小さい。このため、温度変動が比較的大きい場合でも補正回路を不要にでき、回路を簡素化できる。
【００７４】
本実施形態でも、通信用のスイッチング素子Ｑ１と、電源回路１１０の出力電流調整用のスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３とを兼用してもよい。負荷電流の変調周波数が十分に低い場合、スイッチング素子Ｑ２またはＱ３の制御によって負荷電流の変調制御を行うことが十分に可能である。変調度調整機能と通信機能とを１つのスイッチング素子で実現することにより、さらに部品点数が減り、装置を安価に構成できる。
【００７５】
本開示は、上記の実施形態に限定されず、多様な変形が可能である。例えば、可視光通信変調回路１２０にさらに多くのスイッチング素子および抵抗素子を設け、変調度をさらに細かく設定できるようにしてもよい。また、信号処理回路１２５の構成要素は、マイクロコントローラではなく、個別の回路で構成してもよい。本開示の可視光通信変調回路は、負荷電流が安定するまでの間に少なくとも２回、負荷電圧および負荷電流を同時に計測し、その計測値に基づいて得られるＬＥＤ光源の等価直列抵抗に基づいて変調抵抗を設定する。このような動作が可能である限り、具体的な回路構成は特定のものに限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本開示の可視光通信変調回路は、可視光通信を行うための照明装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１０  照明装置
２０  受信装置
５０  調光制御回路
１００  照明器具
１１０  電源回路
１１１  定電流回路
１１２  制御回路
１１３  調光信号受信回路
１１４  ＰＦＣ回路
１２０  可視光通信変調回路
１２０ａ  変調抵抗回路
１２０ｂ  計測回路
１２０ｃ  演算回路
１２０ｄ  切替回路
１２１  制御用電源回路
１２２  電圧計測回路
１２３  電流計測回路
１２４  変調抵抗回路
１２５  演算処理回路
１２６  Ｖ−Ｉ特性演算部
１２７  変調抵抗値演算部
１２８  切替駆動部
２００  ＬＥＤ光源
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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