技術研究報告第 39 号

2013.10

戸田建設株式会社

無線による時間帯別制御を行う LED 照明の病院環境への適用に関する研究
その１

照明システムの概要と光環境の変化に対する被験者実験

STUDY ON APPLICATION IN HOSPITAL ENVIRONMENT OF LED LUMINARIES WITHSEQUENTIAL RADIO CONTROLPart 1: Outline of LED luminaries system and evaluation of the lighting environment

村 江 行 忠*,森 一 紘**,丹 羽 啓 之***,柳 下 一 隆****,望 月 悦 子******
Yukitada MURAE, Kazuhiro MORI, Hiroyuki NIWA, Kazutaka YAGISHITA and Etsuko MOCHIZUKIThis paper is outline of newly LED luminaries with sequential radio control for hospital environment and subjective
experiment on lighting environment.
The purpose of this experiment is to investigate subjective preferences of the lighting environment in the hospital through aday. For the occupants who cannot go outside, such as patients in the hospital etc., the total amount of light exposed in a day
tends to be insufficient and the pattern of the exposure to light through a day tends to be monotonous. It is desired to control
artificial lighting to be in line with the outside for who cannot experience natural variations in daylight.
All 38 experimental conditions consisting of 18 stationary lighting conditions and 20 variable lighting conditions wereevaluated. The subjects evaluated brightness, comfort as a dayroom of hospital and impression of the lighting environment.
Also he/she judged whether the lighting condition was changed during the stay in the experimental room with each condition.
Moreover the subjects were asked to take saliva to evaluate stress measured by the salivary α-amylase activity.
From the results of our experiments, it is recommended to change the lighting condition slowly for the occupants not tosense.
Keywords : Sequential Control, Radio Control, LED Luminaries, Hospital Environment, Subject Experiment
時間帯別制御，無線，LED 照明，病院環境，被験者実験

1. はじめに照明システムの構成を図－1 に示し，それぞれの機能について概述する．
(1) 照明制御用 Gateway
開発した照明システムの多くの機能は照明制御用Gateway（ゲートウェイ）によって実現している（写真－1 左側，表－1）．

近年，LED 照明の開発・普及に加え，制御・通信技術の発展に伴い，より簡易に様々な光環境を構築することが可能になってきた．特にサーカディア
ン・リズムと言われる生体のリズムに大きく影響していると考えられる昼光の変化を模した照明制御が注目されている．
このような照明制御に関して，オフィスなどの執務環境においては，心理・生理あるいは知的生産性において好ましい影響が示されている例えば 1)．一方で，住宅や病院など視作業をともなわない環境においても，「くつろぎ」や「安らぎ」を与える効果や睡眠効率の向上などが期待できる 2)．
上記背景のもと，無線技術などを採用することにより，簡易に連続的な調光・調色制御が可能な LED照明システムを開発するとともに，病院環境への適用について基礎的な検討を行ったのでその概要を報告する．

写真－1 照明制御用 Gateway(左)と電池レス無線スイッチ(右)2. 照明システム概要
従来，サーカディアン・リズムに対応した調光・調色制御の導入には制御用の配線や制御機器および専用ソフトウェアによる設定の複雑さや，工期・コストなどの課題があったが，今回，開発した照明シ
ステムにおいては無線通信を採用することで，システムを簡略化するとともに，柔軟な運用を可能とした．
2.1 システム構成と機能

無 線 通 信 機 能 と し て 「 ZigBee® （ ジ グ ビ ー ）」，「EnOcean®（エンオーシャン）」，Wi-Fi の 3 つの通信モジュールが実装されている．ZigBee®は照明制御に，EnOcean®は電池レス無線スイッチからの信号受信に使用する．
また，Wi-Fi 経由で照明制御用 Gatewayに内蔵されているウェブサーバにアクセスすること
で，専用ソフトウェアをインストールすることなくブラウザ上で調光・調色の設定やスケジュールの登* 戸田建設(株) 技術研究所 修士（工学）****** 戸田建設(株) 環境事業推進室***** 千葉工業大学 工学部建築都市環境学科 教授・博士（工学）***(株)村田製作所 通信モジュール商品事業部

1-1

ウシオライティング(株) 照明ソリューション事業部

無線による時間帯別制御を行う LED 照明の病院環境への適用に関する研究

図－1 照明システムの概念録を行うことができる．
照明の制御機能は MCU（Micro Control Unit）により提供され，２系統の LED 照明用電源に対して，それぞれ 256 段階の出力制御を行うことができ，１日あたり５シーンについて四季を想定した４パターン（計 20 シーン）の設定が可能で，内蔵時計により変更の要する時間を含めた連続した制御が可能である．
制御可能な照明器具台数は Gateway１台あたり 100台以上で１６のグループに分けることができる．
また，後述する電池レス無線スイッチにより，別に４シーンを登録可能である．
(2) LED 照明LED 照明の上面（制御部）および仕様を写真－2，
表－2 に示す．LED 照明は約 600mm×600mm の正方形で寒色系（白色）と暖色系（アンバー色）の LED各 320 個が交互に配置されている．それぞれに無線通信を行う ZigBee®モジュールに直結した電源を使用して，その出力を制御することで，相関色温度を3000K（電球色）～6500K（昼光色）の範囲で調整可能である．
(3)電池レス無線スイッチ
電池レス無線スイッチ（写真－1 右側）は，スイッチ操作時の動きを起電力として信号を送信するもの
で，電源も含めた配線が不要となるため，設置位置が自由になることに加えて電池交換のメンテナンスが不要となる．照明制御用 Gateway ではこのスイッチからの信号を受信した場合は割り込み処理を行い特定のシーン（４シーン）を再現する．

表－1 照明制御用 Gateway 仕様
項目仕様

サイズ

173×130×32mm

搭載 OS

Linux2.6.31

無線インターフェース

ZigBee®, EnOcean®, Wi-Fi

有線インターフェース

Ethernet,USB,SD カード

ZigBee®プロトコル

独自仕様

照明制御台数

100 台以上/Gateway

グループ数

16 グループ

時刻調整機能調光機能
調光変更時間NTP 対応ステップ調光対応
1～3600 秒

写真－2 ＬＥＤ照明用電源システムと無線通信モジュール表－2 照明器具の仕様

3. 照明条件変更時の光環境に関する基礎実験
3.1 実験目的
本実験では，病院の待合室やデイルームなど在室時間が比較的短い空間を想定して，時間帯に応じて段階的に設定変更される照明環境について，心理・生理の両面から評価した．

項目

仕様

寸法

発光面；約 600mm×約 600mm

LED 数

寒色系（白色）；320 個
暖色系（アンバー）；320 個1-2

全光束5700 [lm]相関色温度3000～6400[K]

消費電力

85 [W]

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2013.10

戸田建設株式会社

3.2 実験方法・実験条件

5,535

実験は大きさがほぼ同じの隣り合う 2 室において行った（図－2）．窓面は遮蔽してあり，天井には 600mm 角の LED 照明 3 灯が均等に配置されている．LED照明は，無線通信により両室同時に制御した．実験
条件は表－3 および表－4 に示す通りで，実験室滞在中，一定の照明環境に曝露される 18 条件と，実験室入室後 2 分経過した後，30 秒あるいは 60 秒かけて照明条件を変更する 20 条件の計 38 条件について評価した．各条件の値は，照明直下の机上面（床上 700mm）における計測値で，白色 LED とアンバーLEDの出力を 256 段階（0～255）の組み合わせで設定した．実験は１日を朝（9:30～11:00），昼（11:40~14:00），夕（14:00～16:30），夜（15:30～18:30）の４つの時間帯に区切って，2 日間行った．被験者は 16 名（男 13名，女 3 名，平均 24 歳）で，1 回の実験には 8 名が参加，4 名を一組として片方ずつの実験室に同時に入室させた．被験者は時間帯の異なる実験にそれぞれ 1回参加し，実験条件はランダムに呈示した．

6,450

照度計

LED照明
衝立

実験室A

実験室B

制御用PC

前室

図－２ 実験室平面図
表－3 実験条件（照明環境一定 18 条件）

3.3 評価方法
被験者は机上面照度 150 lx に設定された前室にて5 分間待機した後，各条件に設定された実験室に入室，5 分間滞在した．各照明条件は，唾液アミラーゼ活性による生理的ストレス 3)（ニプロ社製, 唾液アミラーゼモニター）と光環境の主観申告として，明るさ感，快・不快，印象評価，許容度，照明環境変化に対する知覚と快・不快（図－3）により評価した．被験者
は，前室にて待機中に唾液を採取した後，実験室に入室し，入室直後と退室直前に実験室内の光環境について主観申告を行った．申告後，前室に戻り再び唾液を採取し，次の条件曝露まで待機した．
Ｑ 現在のこの室の明るさをどのように感じますか？
・非常に明るい・明るい・やや明るい・やや暗い・暗い・非常に暗い

4,660

4380

朝
○

評価時間帯
昼夕－
－

夜－

1000

4380

○

○

700

5500

○

700

4380

○

700

3690

－

500

4380

－

○

○

－

500

3690

－

－

○

－

照度[lx]

CCT[K]

1400

－

－

－

－

○

－

－

○

○

－

350

4380

－

－

○

－

350

3690

－

－

○

○

250

3690

－

－

－

○

250

3000

－

－

－

○

175

3690

－

－

－

○

175

3000

－

－

－

○

朝: 9:30-11:00 昼:11:40-14:00
夕: 14:00-16:30 夜:15:30-18:30

表－4 実験条件（照明環境変化 20 条件）
変更前
照度[lx] CCT[K]・どちらでもない

Ｑ 現在のこの室の光環境は快適ですか？
・はい・いいえＱ 今回の室に滞在中に、以下の項目について感じましたか？
感じた場合は、快適でしたか不快でしたか？
1)一瞬だけ照明が消えた ・感じた（・快適 ・不快） ・感じなかった
2)明るさの変化
・感じた（・快適 ・不快） ・感じなかった
3)器具ごとの出力の違い ・感じた（・快適 ・不快） ・感じなかった
4)光のちらつき・感じた（・快適 ・不快） ・感じなかった
5)光の色の変化
・感じた（・快適 ・不快） ・感じなかった
6)光の照射方向の変化 ・感じた（・快適 ・不快） ・感じなかった図－3 光環境主観申告

なお，実験室の温熱環境については，表－5 に示す
ように，実験室間で大きな差は無かった．

変更後
照度[lx] CCT[K]設定変更時間30s60s

1400

4380

1000

4380

○

○

1400

4380

700

4380

○

○

1000

4380

700

4380

○

○

1000

4380

500

4380

○

○

700

5500

700

4380

○

－700

5500

500

4380○－700

4380

500

4380

○

○7004380

350

4380

○

○700

3690

350

3690

○

○5003690

2503690

○

○

350

3690

1753690○○表－5 実験室温熱環境（実験中）

3.4 実験結果(1) 照明条件変更中の机上面照度，相関色温度
図－4 に，照明条件変更時の机上面照度（HIOKI3640, 1 秒間隔で計測），図－5 に LED 照明の相関色温度（EKO 携帯型分光放射計 MS-720, 15 秒間隔で計測）の変化の一例を示す．机上面照度は，実験中に計測したため，在室者の影による影響が若干見られ

実験室Ａ

1-3

実験室Ｂ

温度
[℃]

湿度
[%RH]

温度
[℃]

湿度
[%RH]

Ave.

23.5

34.3

23.8

33.0

Min.

19.7

22.0

20.8

22.0

Max.

25.1

49.0

25.046.0

無線による時間帯別制御を行う LED 照明の病院環境への適用に関する研究

相関色温度[K]

6000

5000

4000
5500 K→4380 K (60s)
700 lx 一定

3000

150

図－4 設定変更時の机上面照度快適と評価した割合

明るさ感申告

明るい＊
やや明るい

＊
どちらでもない
やや暗い
暗い
○朝
非常に暗い

100

□昼▲夕

非常に明るい100%＊p<0.05

300 500
机上面照度[lx]

明るい

80%
60%
40%

やや明るい
どちらでもない
やや暗い

20%

×夜

500lx・4380K
500lx・3690K
350lx・4380K
350lx・3690K

暗い○朝 □昼 ▲夕 ×夜

0%
100

1000

図－6 時間帯による明るさ感の違い

6045

図－5 設定変更時の照明色温度

明るさ感申告非常に明るい30
経過時間[秒]

300 500
机上面照度[lx]

非常に暗い

1000

図－7 時間帯による快適感の違い

入室直後退室前

図－8 照明条件一定時の明るさ感変化△：入室直後，○：退室前，*：有意差有非常に明るいp=0.0277

p=0.0051*

p=0.0077*

p=0.0010*

明るさ感申告どちらでもない
1400→1000 lx
4380K 一定

非常に暗い
非常に明るい1400→700 lx
4380K 一定

p=0.0697

1000→700 lx
4380K 一定

p=0.0117*

1000→500 lx
4380K 一定

p=0.0759

p=0.0010*○1400→1000 lx●1400→700 lx△1000→ 700 lx▲1000→500 lx□ 700→ 500 lx■ 700→350 lx◇ 700→ 700 lx

どちらでもない
700→500 lx
4380K 一定

非常に暗い

0500 1000

700 lx 一定
5500→4380K

700→350 lx
4380K 一定0500 1000

0500 1000

700→350 lx
5500→4380K0500 1000

机上面照度[lx]図－9 照明条件変更時の明るさ感の変化(30 s)るものの，２つの実験室で概ね同じ照度に設定できていた．照度・相関色温度ともほぼ直線的に変化させることができた．
(2) 時間帯による評価の違い
図－6,7 に一例として，設定条件が等しく（相関色温度は全て 4,380 K），評価時間帯の異なる場合の明るさ感（入室時の申告中央値）ならびに各条件の光環境を快適と評価した割合を比較する．机上面照度が高い方が実験室の明るさ感も高くなるが，同じ机上面照度でも，昼より夕方，夕方より夜の時間帯に評価した方が明るさ感が高く，また快適と感じる割合も高くなった．Wilcoxon の符号付順位検定の結果，机上面照度 350 lx と 500 lx で評価時間帯により明るさ感に有意差（p<0.05）があった．明るさ感は時間帯によらず，快・不快評価が時間帯によって異なると考えたが，今回の実験では，評価時間帯による快・不快評価の有意差は確認されなかった．

(3) 照明環境の変化に対する知覚と快適性
実験室滞在中，照明環境が一定の場合は，図－8に示すように入室直後と退室直前とで明るさ感はほぼ等しかった．図－9 に示すように，照明環境が変化する場合の，入室直後と退室直前の明るさ感については，1000 lx から 700 lx，700 lx から 500 lx に照度が変化する 2 条件と色温度だけ変化する条件を除いて，入室直後と退室直前とで明るさ感に有意差が確認された．30 秒で変化する場合と 60 秒で変化する場合の退室直前の明るさ感に有意差はなかった．
図－10 に実験室滞在中に明るさの変化を知覚した
割合，変化を知覚した被験者のうち不快と感じた割合，条件曝露前後での唾液アミラーゼ活性の変化量（中央値）を示す．前後照度比（後/前）が小さい方が知覚割合は高いが，不快に感じる割合に明確な差はない．変更時間が長い方が，知覚割合，不快に感

1-4

技術研究報告第 39 号

2013.10

戸田建設株式会社

図－10 明るさ変化の知覚と快・不快評価，ストレス指標の変化じる割合が低く，唾液アミラーゼ活性の変化量も少ない傾向が見られたが，有意な差ではなかった．

今後は，窓からの昼光も含めた一日を通した長時間の照明環境の変化と人工照明による照明環境の変化の心理・生理的影響の違いについて，検証を進めていく予定である．

4. おわりに無線による時間帯別制御を行う LED 照明に関して，その概要を示した．また，短時間曝露による被験者実験を行い以下の知見を得た．
1) 同じ光環境でも時間帯によって，主観評価に差が確認された．
2) 光環境に変化があった場合は，明るさ感に入室前後で差が生じた．
3) 前後照度比が小さいほうが知覚割合が高く，変化時間が長いほうが，知覚割合と不快に感じる割合が低い傾向が見られた．
4) 唾液アミラーゼについては有意な差は見られなかった．

謝辞
本照明システムの開発においては，（株）村田製作所佐藤氏，ウシオライティング（株）斎藤氏に，被験者実験においては千葉工業大学大学院石井氏に，その他多くの方に多大なるご協力を頂いた．ここに記して謝意を表す．
参考文献1)
関川, 川瀬ほか「昼光利用サーカディアン照明の照度条件による知的生産性への影響」,日本建築学会大会
学術講演梗概集 環境工学 D-1, p.279-280, 2005.92)
伊藤,小山「生体リズムを考慮した最近の医療福祉施設の照明」, 照明学会誌 84(6), p.362-367, 2000.6
3)
中野,山口「唾液アミラーゼによるストレスの評価」，
バイオフィードバック研究 38(1), p.3-9, 2011.4

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