(57)【要約】    【課題】  蛍光ランプのように広く普及している放電ランプからなる発光媒体を用いて４値ＰＰＭ方式を実現するのに好適な放電ランプ点灯装置を提供する。    【解決手段】  放電ランプ点灯装置は、直流電源１３ａと、その直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路１３ｂ１と、インバータ回路の交流出力端に接続する負荷回路１３ｂ２と、負荷回路に接続してインバータ回路の交流出力により付勢されて点灯する蛍光ランプ１４と、インバータ回路のスイッチング素子の駆動信号を１パルスごとにオン、オフ制御する制御手段１２とを具備している。【選択図】図３
2009087551.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と；
直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と；
インバータ回路の交流出力端に接続する負荷回路と；
負荷回路に接続してインバータ回路の交流出力により付勢されて点灯する放電ランプと；
インバータ回路のスイッチング素子の駆動信号を１パルスごとにオン、オフ制御する制御手段と；
を具備していることを特徴とする放電ランプ点灯装置。
【請求項２】
制御手段は、４値ＰＰＭ方式の主搬送周波数の一周期（fmdl1）内の少なくとも変調期間において、インバータ回路の発振周波数を副搬送周波数の整数倍にすることを特徴とする請求項１記載の放電ランプ点灯装置。
【請求項３】
制御手段は、４値ＰＰＭ方式の主搬送周波数の一周期（fmdl1）内の非変調期間中に蛍光ランプの調光制御を行なうことを特徴とする請求項１または２記載の放電ランプ点灯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電ランプの光出力を変調するのに適した放電ランプ点灯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビル内などの構内を照明するのに用いられる蛍光ランプの光出力を例えば周波数変調して通信する光通信システムは既知である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
一方、可視光を使ったデータ通信技術が規格化され、ID情報を送信する可視光通信について標準化されている（非特許文献１参照）。この規格で採用している変調方式は、４値ＰＰＭ方式であって、図１に示すように変調の周波数（主搬送周波数）fmdl1中に副搬送波周波数fmdl2を設け、このfmdl2で変調している期間を1とし、変調していない期間を0とすると、状態の数は1000、0100、0010、0001の4状態となり、fmdl1の時間で２bitの情報を伝送することができる。例えば、CP-1222では主搬送周波数fmdl1=2.4kHz、副搬送波周波数fmdl2=28.8kHzに選択することで、4.8kbpsの通信速度を実現することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１７４８７８号公報
【非特許文献１】電子情報技術産業協会（JEITA）規格「可視光IDシステム」（CP-1222）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この４値ＰＰＭ方式を実現するため最適な放電ランプ点灯装置が期待されているが、実現していない。
【０００６】
本発明は、蛍光ランプのように広く普及している放電ランプからなる発光媒体を用いて４値ＰＰＭ方式を実現するのに好適な放電ランプ点灯装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の放電ランプ点灯装置は、直流電源と；直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と；インバータ回路の交流出力端に接続する負荷回路と；負荷回路に接続してインバータ回路の交流出力により付勢されて点灯する放電ランプと；インバータ回路のスイッチング素子の駆動信号を１パルスごとにオン、オフ制御する制御手段と；を具備していることを特徴としている。
【０００８】
本発明は、以下の態様を許容する。
【０００９】
〔制御手段について〕    制御手段は、放電ランプの光出力を伝送媒体として送信する情報を変調するように放電ランプを制御しながら点灯させる手段である。このために、制御手段は、放電ランプを始動し、点灯させる点灯制御機能と、情報を光出力中に含ませる変調機能とを少なくとも含む。
【００１０】
（点灯制御機能について）    点灯制御機能は、光通信を行わない単なる照明目的の場合において一般的に行なわれている制御機能であり、主としてインバータ回路および／または直流電源を制御するためにインバータ回路や直流電源のスイッチング素子を駆動する駆動信号を制御する。なお、駆動信号は、パルス状をなし、スイッチング素子の構成に応じてパルス電圧またはパルス電流の態様をなす。制御手段は、駆動信号を形成するために、制御手段の本体中で直接駆動信号を発生するように構成してもよいし、上記本体とは別に駆動信号発生回路を配設して、上記本体が駆動信号発生回路を制御するように構成してもよい。
【００１１】
また、制御手段は、点灯制御機能として放電ランプの動作の状態に応じて適切な制御を行う。放電ランプが例えば熱陰極形の蛍光ランプの場合に電極予熱を必要とする場合には、予熱制御をも行う。予熱制御は、放電ランプの始動に先立ち電極を所要温度まで加熱するための制御であり、放電ランプが始動できないで、かつ電極が加熱されるようにインバータ回路の交流出力を制御する。
【００１２】
放電ランプを始動するために始動制御は、インバータ回路の出力電圧を高めて放電ランプが始動しやすくする。点灯制御は、放電ランプが始動したら所望の光出力を生じるようにインバータ回路の出力電圧を制御する。所望により光出力を点灯中に変化させるために、調光制御を行うこともできる。
【００１３】
さらに、制御手段は、点灯制御機能として放電ランプの保護動作を行うように制御させることができる。この保護動作としては、例えばランプ装着検出、寿命検出および初期照度補正制御などを所望により行うことができる。
【００１４】
（変調機能について）    変調機能は、光通信を行うために情報を光出力中に含ませる機能である。本発明においては、パルス位置変調（ＰＰＭ）方式、好ましくは４値ＰＰＭ方式に適合させるために、インバータ回路のスイッチング素子に対する駆動信号の供給をオン、オフする。そして、このオン、オフを少なくとも駆動信号の１パルスごとに制御できるようにしたものである。これを行うために、制御手段を、ディジタル制御を行うＤＳＰ（ディジタル・シグナル・プロセッサ）、例えばマイコンなどを用いて構成するのが好ましい。
【００１５】
４値ＰＰＭ方式の場合、副搬送周波数の１周期（fmdl2）に放電ランプの光出力を１回オン、オフして変調するが、少なくともその変調期間中におけるインバータ回路の点灯周波数を副搬送周波数の整数倍に設定するのがよい。インバータ回路のスイッチング素子に対する駆動信号のオン、オフを１パルスごとに制御することにより、インバータ回路の点灯周波数を副搬送周波数の整数倍に設定するのが容易になる。したがって、インバータ回路の点灯周波数は、副搬送周波数に対して、１倍、２倍、３倍、４倍、…といった整数倍のいずれかを選択して設定することになる。なお、理論上整数倍に上限はない。また、下限は１倍すなわち幅搬送周波数と同一の周波数であるが、好ましいのは３倍以上である。なお、本発明において、上記整数倍というのには、±５．０％程度の誤差が含まれることを許容する。
【００１６】
３倍以上が好ましいとする理由は、次のとおりである。すなわち、送信手段の光出力が放電ランプ、例えば蛍光ランプの交流点灯によって形成される場合、点灯波形の特性から受光信号に特有のノイズが生じ、ノイズと変調信号との識別が困難になり、通信が不安定になりやすい。ところが、インバータ回路の点灯周波数が副搬送周波数の３倍以上であると、非変調期間に受光手段に生じるノイズレベルが小さくなり、通信の不安定解消が容易になることが分かった。また、３倍程度であれば、点灯回路の設計が容易である。なお、６倍であれば、非変調期間に受光手段に生じるノイズレベルが顕著に低減し、放電ランプから放射した光出力の受光信号から変調波と非変調波の識別が頗る容易になる。したがって、好適な範囲は３〜６倍である。なお、４倍および５倍の場合、好適な範囲の下限および上限の場合における特長の中間の傾向を示すが、どちらかといえば４倍の場合は３倍の場合に傾向が似ていて、５倍の場合は同じく６倍の場合に傾向が似ている。
【００１７】
４値ＰＰＭ方式では、図１に示すように、主搬送周波数の一周期（fmdl1）中に４つの副搬送周波数の一周期（fmdl2）が含まれるが、そのうち１つの副搬送周波数の一周期（fmdl2）が変調期間で、３つの副搬送周波数の一周期（fmdl2）が非変調期間になる。そして、変調期間には光出力が３回オン、オフされる。また、非変調期間には光出力はオン、オフされない。なお、非変調期間において、インバータ回路の出力はオン状態およびオフ状態のいずれであってもよいが、通常はオン状態に維持される。また、非変調期間におけるオン状態の光出力レベルは変調期間中のそれと同じでなくてもよい。
【００１８】
したがって、４値ＰＰＭ方式においては、所望により非変調期間を利用して調光することができる。すなわち、主搬送周波数の一周期（fmdl1）において、非変調期間中におけるインバータ回路の出力を変調期間のそれと異ならせたり、出力を停止させたりすることにより放電ランプを調光点灯させることができる。上記において、インバータ回路の出力を変化させるには、点灯周波数を変化させたり、出力電圧を変化させたりすればよい。また、出力を停止させるには、インバータ回路のスイッチング素子の駆動信号をオフさせればよい。なお、本態様において採用する調光方式は、変調期間との識別が可能であれば、特段限定されない。
【００１９】
（放電ランプについて）    本発明において、放電ランプは、低圧放電ランプおよび高圧放電ランプのいずれであってもよい。低圧放電ランプとしては、例えば蛍光ランプを用いることができる。蛍光ランプを用いる場合、蛍光体を励起させる紫外線放射媒体、例えば水銀の特性スペクトル（波長４０５ｎｍまたは４３６ｎｍ）を選択的に受光することにより、蛍光体の残光性による影響を回避でき、通信信号に対する応答が速くなる。高圧放電ランプとしては、例えばメタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプおよび水銀ランプなどを用いることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明においては、制御手段がインバータ回路のスイッチング素子の駆動信号を１パルスごとにオン、オフ制御することにより、可視光通信を行うために、情報データを４値ＰＰＭ方式などにより変調した光出力を得る場合に、搬送周波数とインバータ回路の点灯出力とを所定の関係に対応させることが容易になり、その結果良好な変調が得られる放電ランプ点灯装置を提供することができる。
【００２１】
また、４値ＰＰＭ方式の主搬送周波数の一周期（fmdl1）内の少なくとも変調期間において、インバータ回路の点灯周波数を副搬送周波数の一周期（fmdl2）の３〜６倍にすれば、非変調期間における受光手段に生じるノイズレベルが小さくなり、安定した通信を行うことができる。
【００２２】
さらに、４値ＰＰＭ方式の主搬送周波数の一周期（fmdl1）内の非変調期間を利用して放電ランプの点灯を制御すれば、光通信に影響しないで放電ランプの調光点灯を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
【００２４】
図２は、本発明の放電ランプ点灯装置を用いる光通信システムを示すブロック回路図である。光通信システムは、送信手段１および受信手段２を具備して構成されている。
【００２５】
送信手段１は、外部の情報源３から発生した情報データを光出力で変調した送信信号を発信する。そして、放電ランプ点灯装置１０および情報データ受入手段１１を備えていている。放電ランプ点灯装置１０は、制御手段１２、点灯装置１３および放電ランプ１４を備えていて、照明器具を構成している。したがって、送信手段１は、照明器具本体内に配設されていて、外観上は送信手段を備えていない照明器具と実質的に変わらない。
【００２６】
情報データ受入手段１１は、例えばインターフェイスを主体として構成され、外部の情報源３から発生した情報データを受け入れる。
【００２７】
制御手段１２は、情報データ受入手段１１が受け入れた情報データに基づいて所定の変調方式により変調した送信信号を生成する。
【００２８】
点灯装置１３は、直流電源１３ａおよびインバータ回路／負荷回路部１３ｂを備えて構成されている。直流電源１３ａは、低周波交流電源４の交流電圧を整流、平滑化して直流電圧を出力する。インバータ回路／負荷回路部１３ｂは、インバータ回路および負荷回路部を含む。インバータ回路は、スイッチング回路および駆動信号発生回路１３ｂ１により構成されている。
【００２９】
駆動信号発生回路１３ｂ１は、駆動信号を発生してインバータ回路のスイッチング回路を所定の発振周波数で駆動する。また、駆動信号発生回路１３ｂ１は、制御手段１２において生成された送信信号で変調された駆動信号を発生する。これによりインバータ回路からは変調された送信信号が含まれた交流電圧が発生する。
【００３０】
放電ランプ１４は、例えば蛍光ランプであり、ガラスバルブ、その内面側に形成された蛍光体層、ガラスバルブの両端内部に封装された一対のフィラメント電極およびガラスバルブの内部に封入された放電媒体を具備している。そして、放電媒体は、適量の水銀および数百Ｐａ程度のアルゴンなどの希ガスからなり、一般照明用のものである。
【００３１】
また、放電ランプ１４は、その一対のフィラメント電極がインバータ回路／負荷回路部１３ｂの負荷回路の所定位置に接続しているので、インバータ回路から発生した送信信号が含まれた高周波電圧が負荷回路を経由して一対のフィラメント電極間に印加される。その結果、予熱フィラメント電極が予熱され、次に始動電圧が印加されて始動して点灯する。そして、点灯により、送信信号を含む可視光の光出力が生じる。しかし、送信信号は人間の目には感じない高い周波数を有しているので、放電ランプ１４の点灯による通信を行わない通常の点灯におけるのと見かけ上は変わらない照明が行われる。
【００３２】
受信手段２は、受光手段２１、増幅器２２および復調手段２３を備えている。
【００３３】
受光手段２１は、蛍光ランプ１４の光出力を受光するような位置関係に配設され、好適には蛍光ランプ１４の光出力の中からガラスバルブ内に封入されている水銀が蒸発し、かつ低圧水銀蒸気放電が生起したときに放射される主要なスペクトル線、例えば４３６ｎｍの可視光を選択的に受光し得る分光受光感度特性を有している。そのため、光出力中に含まれる送信信号を高感度に受光すなわち受信することができる。
【００３４】
増幅器２２は、受光手段２１から得た送信信号を所要のレベルまで増幅する。
【００３５】
復調手段２３は、増幅された送信信号を復調して情報データを復元する。なお、得られた情報データは、受信手段２から取り出されて、例えば外部の機器５に入力して通信が行われる。
【００３６】
図３は、本発明の放電ランプ点灯装置を実施するための第１の形態を示す回路図である。図において、図２と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。
【００３７】
直流電源１３ａは、ブリッジ形整流回路１３ａ１およびアクティブフィルタ１３ａ２からなる。ブリッジ形整流回路１３ａ１は、その入力端が低周波交流電源４に接続して低周波交流を全波整流する。アクティブフィルタ１３ａ２は、昇圧チョッパまたは高圧チョッパなどの直流−直流変換回路からなり、その入力端がブリッジ形整流回路１３ａ１の直流出力端に接続する。
【００３８】
インバータ回路１３ｂ１は、ハーフブリッジ形インバータからなる。そして、その１対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の直列回路がアクティブフィルタ１３ａ２の平滑コンデンサＣ１の両極間に接続している。
【００３９】
負荷回路１３ｂ２は、インダクタＬ１および共振コンデンサＣ２の直列回路を主体としていて、直流カットコンデンサＣ３を介してインバータ回路１３ｂ１の出力端すなわち第２のスイッチング素子Ｑ２に並列接続している。放電ランプ１４は、螢光ランプからなり、共振コンデンサＣ２に並列接続している。なお、放電ランプ１４の一対の電極の非電源側端子間には図示を省略しているが、フィラメント加熱用コンデンサを接続することができる。
【００４０】
制御手段１２は、主要部がＤＳＰによって構成され、その内部に変調手段および駆動信号発生手段を備えている。変調手段は、外部の情報源３から送出された情報データに基づいて駆動信号を４値ＰＰＭ方式により変調する。駆動信号発生手段は、インバータ回路１３ｂ１の１対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に対して１８０°位相が異なるとともに、４値ＰＰＭ方式の副搬送周波数に対してその複数倍の周波数で、かつ情報データで変調されてオン、オフする駆動信号を供給する。
【００４１】
図４は、本発明の放電ランプ点灯装置を実施するための第１の形態における４値ＰＰＭ方式の第１の変調例を説明する波形図である。図において、（ａ）は光出力識別、（ｂ）は駆動信号オン、オフ、（ｃ）は放電電流波形、（ｄ）は光出力波形を示す。
【００４２】
図においては、理解しやすくするために、スイッチング素子の駆動信号を副搬送周波数２８．８ｋＨｚに等しい周波数でオン、オフしているものとして示しており、副搬送周波数の一周期（fmdl2）の前半期間にはオンし、後半期間にはオフしている。このため、前半期間にインバータ回路１３ｂ１が作動して放電電流が正負半波の１サイクル流れ、光出力が各半波に対応して２回発生する。しかし、受光手段側においては、前半期間に一つの光出力有りとして識別される。
【００４３】
これに対して、後半期間には図４の（ｂ）に示すように駆動信号がオフされてインバータ回路１３ｂ１に供給されないので、インバータ回路１３ｂ１が作動しないから、放電ランプ１４は点灯しない。そのため、図４の（ｃ）に示すように放電電流が流れないとともに、（ｃ）の光出力が発生しないので、（ａ）に示す光出力識別は光出力がない消灯として識別される。
【００４４】
図５は、本発明の放電ランプ点灯装置を実施するための第１の形態における４値ＰＰＭ方式の第２の変調例を説明する波形図である。図において、薄墨により描いている波形は、副搬送周波数２８ｋＨｚを示し、放電電流波形に重ねて描いてある。黒く描いている波形は、インバータ回路１３ｂ１から出力される放電電流波形であり、その点灯周波数が１６８ｋＨｚ（副搬送周波数の６倍）である。したがって、副搬送周波数の一周期（fmdl2）の前半部分における駆動信号のオン時にインバータ回路１３ｂ１から放電ランプ１４に供給される放電電流が３サイクル連続して生じることが分かる。なお、送信信号が０１１１の場合である。符号０は無変調であり、インバータ回路は発振を継続する。
【００４５】
図６は、本発明の放電ランプ点灯装置を実施するための第１の形態における４値ＰＰＭ方式の第３の変調例と受光手段の出力波形を重ねて示す波形図である。図において、薄墨により描いている波形は、インバータ回路１３ｂ１の放電電流波形であり、その点灯周波数は５６ｋHｚであり、インバータ回路１３ｂ１から放電ランプ１４に供給される放電電流であり、点灯周波数が副搬送周波数は２８ｋＨｚである。なお、送信信号が０１１１の変調期間に連続して符号０に比較して長い無変調期間が存在する場合である。
【００４６】
黒く描いている波形は、受光手段の出力電圧波形であり、変調期間中のオフ期間に対応する受光パルスが無変調期間中の受光出力に比較して十分に大きくなっている。なお、無変調期間中の受光出力は、放電ランプの点灯に特有のノイズである。
【００４７】
図７は、本発明の放電ランプ点灯装置を実施するための第１の形態における４値ＰＰＭ方式の第２の変調例における図６と同様な場合の波形図である。第２の変調例では、インバータ回路の点灯周波数が副搬送周波数の６倍であるので、無変調期間中の受光出力のノイズレベルが、図６に示す第３の変調例より明らかに小さくなっている。
【００４８】
図８は、本発明の放電ランプ点灯装置を実施するための第２の形態を示す回路図である。なお、図において、図３と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。本形態においては、無変調期間に放電ランプ１４を調光点灯させるように構成されている点で、第１の形態と異なる。
【００４９】
すなわち、調光司令部１５により制御手段１２に調光制御を行わせるように構成されている。そして、制御手段１２は、４値ＰＰＭ変調の無変調期間に放電ランプに投入される電力が調光度合いに応じて低減するように例えば点灯周波数を変化させることでインバータ回路１３ｂ１の出力を低減させる。
【００５０】
図９は、本発明の第２の形態における調光と４値ＰＰＭ方式による変調との関係を説明するタイムチャートである。すなわち、主変調周波数の一周期（fmdl1）の符号０の無変調期間に放電ランプ１４を全光点灯し、次の一周期（fmdl1）の符号０の無変調期間に放電ランプ１４を消灯させる。上記２周期を調光制御の一周期（fpwm）として、この周期を繰り返すことにより、ＰＷＭ方式による中間レベルの調光点灯を行わせることができる。
【００５１】
したがって、調光制御の一周期（fpwm）に含まれる主変調周波数の一周期（fmdl1）の数を多くして、全光点灯と消灯の時間割合を多様化させたり、主変調周波数の一周期（fmdl1）の数に関係なく、消灯期間に代えて中間の明るさレベルを設けたり、全光期間、消灯期間および中間明るさ期間を適宜組み合わせたりすることにより、多様な調光レベルを設定することが可能である。
【００５２】
また、調光制御の一周期（fpwm）を、人の視感度にちらつきとして感じないようになるべく短く設定するのが好ましい。ＴＶカメラなどの撮像機器を使用する環境においては、撮像機器の撮像周波数と調光制御の一周期（fpwm）との間に整数倍の関係があるように調光制御の一周期（fpwm）を設定すれば、フリッカーが生じない。例えば、fmdl1＝2.4kHzであって、fpwm＝120Hzに設定すると、fmdl1＝20×fpwmとなる。また、一般的なＴＶカメラの撮像周波数は60Hzであるから、フリッカーの問題は生じない。
【００５３】
そうして、本形態によれば、４値ＰＰＭによる通信速度を落とすことなく、所望の調光点灯を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】光出力の４値ＰＰＭ方式による変調を説明するタイムチャート
【図２】本発明の放電ランプ点灯装置を用いる光通信システムを示すブロック回路図
【図３】本発明の放電ランプ点灯装置を実施するための第１の形態を示す回路図
【図４】本発明の放電ランプ点灯装置を実施するための第１の形態における４値ＰＰＭ方式の第１の変調例を説明する波形図
【図５】本発明の放電ランプ点灯装置を実施するための第１の形態における４値ＰＰＭ方式の第２の変調例を説明する波形図
【図６】本発明の放電ランプ点灯装置を実施するための第１の形態における４値ＰＰＭ方式の第３の変調例と受光手段の出力波形を重ねて示す波形図
【図７】本発明の放電ランプ点灯装置を実施するための第１の形態における４値ＰＰＭ方式の第２の変調例における図６と同様な場合の波形図
【図８】本発明の放電ランプ点灯装置を実施するための第２の形態を示す回路図
【図９】本発明の第２の形態における調光と４値ＰＰＭ方式による変調との関係を説明するタイムチャート
【符号の説明】
【００５５】
３…情報源、４…低周波交流電源、１２…制御手段、１３ａ…直流電源、１３ａ１…ブリッジ形整流回路、１３ａ２…アクティブフィルタ、１３ｂ１…インバータ回路、１３ｂ２…負荷回路、１４…放電ランプ
【図１】
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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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