愛知県工業技術センター研究報告第３６号（２０００）

研究ノート

光ファイバー照明製品の開発
松生秀正＊ １

小久保弘樹＊２

山本秀東＊ ３

伊藤健太郎＊ ３

伊藤忠廣＊ ３Development of the Products for Lighting used Optical Fiber
Hidemasa MATSUO, Hiroki KOKUBO, Hideto YAMAMOTO, Kentaro ITO and Tadahiro ITO

プラスチック光ファイバーは、光通信はもとよりディスプレイ照明用としても普及しているが、現在市場に出ている照明製品は大半が比較的大規模な照明システムであり、加工が容易、低コスト、コンパクトで軽量といった本来のプラスチック光ファイバー照明製品の特徴を生かしていないのが実状である。そこで、当センターでは株式会社光屋
ライティング（安城市）と共同で、電源として太陽電池と二次電池、光源としてLEDを用いて、今までになかったプラスチック光ファイバー照明製品を開発し、以下の結果を得た。
(1) 太陽電池と二次電池を組み合わせた高輝度LED点滅回路を製作した結果、昼間充電し、夜間高輝度 LEDが10時間以上点滅（点滅周期2秒、点灯時間0.26秒）することを確認した。
(2) 電圧昇圧回路を用いることにより、順電圧が比較的高い青色、白色LEDをはじめとするすべての高輝度LEDに対応することが可能となった。
(3) 光センサ（CdSセル）あるいは太陽電池の出力電圧の変化を利用して明暗を判別し、暗くなった場合にLEDを点滅させることができるため、夜間の表示灯、誘導灯などに利用できる。
(4) 人検出回路（赤外線センサ）を用いることで、明るさに関係なく人が近づいた場合にLEDを点灯させることができ、屋内の階段部分など人が通る場所で比較的照度の低 い場所への応用が可能となった。
(5) これらのプラスチック光ファイバー照明製品は、用途としては屋内、屋外ともに使用でき、メンテナンスフリー、低コスト、コンパクトで場所をとらない、などの特徴があり幅広い応用分野が考えられる。

１．はじめに

２．実験方法

現在市場に出ているプラスチック光ファイバー照明

２．１

開発コンセプト

製品は、ビル外壁、内壁の照明、商店街アーケードのまず、製品を開発するにあたって、用途とハードウ

アーチ型照明、人口滝壁面、噴水の照明、モニュメン

エアに関して開発コンセプトを設定した。用途につい

ト、看板部分の照明、歩道、床面のライン照明など、ては、以下の(1)〜(3)である。

応用範囲も広がりつつあるが、大半が比較的大規模な(1) 昼間充電を行い、夜間あるいは暗くなった場合に照明システムであり、加工が容易、低コスト、コンパ高輝度 LED を点滅させる。夜間照明、非常時の誘導灯

クトで軽量といった本来のプラスチック光ファイバーなど、安全、緊急用照明として利用する。

照明製品の特徴を生かしていないのが実状である。

(2) 屋内の階段部分など、比較的照度が低く注意を要

そこで、本研究では光源として LED、電源として太する場所の照明として利用する。人が近づいた場合に陽電池と二次電池を用いて、今までになかったタイプセンサで人を検出し、一定時間 LED を点灯させる。のプラスチック光ファイバー照明製品を開発し、とく(3) 低コスト、コンパクト、メンテナンスフリーを目に一般住宅の屋内用照明、福祉分野など、新たな市場的とし、設置工事も極力容易にできるものとする。の開拓を目指した。

また、ハードウエアついては、次の(4)〜(9)である。
(4) 電源は、太陽電池と二次電池を用いて、ＡＣ電源を使用せず、外部からの電源の供給を不要としてメン*1 現)財団法人科学技術交流財団*3 株式会社光屋ライティング

56*2 機械電子部

テナンスフリーとする。

愛知県工業技術センター研究報告(5) 二次電池は、Ni‑Cd 電池（1.2V×2 本）を使用し、

R

 ）
VOUT = 1.31 1 + 1（VR
 2


昇圧回路により 3.6V 以上の電圧を出力できるようにして、順電圧 3.6V の高輝度 LED を含めてすべての高輝(1)

表 １の高輝度 LED の中で最も高い順電圧は 3.6 V な

度 LED に対応できるようにする。
(6)第３６号（２０００）

太陽電池は、二次電池に電流を供給できるよう

Ni‑Cd 電池の出力電圧（2.4V）より 1〜1.5V 高い電圧が供給できるものとし、出力電流は数 10mA でサイズのので、R1=220 k Ω、R2=120 kΩとして、Vout ＝3.7 Vに電圧を設定した。
明暗判別回路は、CdS セルとトランジスタで構成し小さいものを使用する。ている。CdS セルは暗くなると内部抵抗値が高くなり、(7) 明暗の判別は、太陽電池の出力電圧の変動、また明るいときは抵抗値が低くなる光センサで、照度が低は光センサを用いて検出する。

くなると CdS セルの抵抗値が高くなり、トランジスタ(8) 人の検出には小型の赤外線センサを用いる。

Tr1 のベース電圧が低くなり、Tr1 がオンして次の LED(9) 回路は消費電力を極力抑え、長時間の点灯ができ点滅回路がオンになり LED が点滅するようになっているようにする。

る。

(10) できる限り回路部分のサイズを小型化して、場所表１を問わず設置できるようにする。
(11) 光ファイバーには、側面発光タイプのものを用いて、ライン状または曲線の照明ができるようにする。
以上の点を開発コンセプトとして、製品の開発を行った。
２．２構成部品構成部品の仕様を 表 １ に示す。使用したプラスチッ

構成部品の仕様
仕構成部品

様プラスチック光 外形6.5mmのフレキシブルタイプとファイバー外形6.5mmの白色反射板入りハードタイプの２種
CdS/CdTe薄膜太陽電池 松下電池工業製
太陽電池
動作電圧3.4V、動作電流40mA、サイズ37×82mm
二次電池

Ni‑Cd電池

高輝度LED

発光色

1.2V×2本
光度(mcd) 順電圧(V)

メーカー

赤8000

2.0（東芝）橙7000

2.1（東芝）黄8000

2.1（東芝）ある。電源は、外部からの電源の供給を不要とするた

緑4500

2.2（東芝）め、太陽電池と二次電池を用いた。太陽電池は、松下

緑5600

3.5(豊田合成)

電池工業製の CdS/CdTe薄膜太陽電池1) 、二次電池には

青1800

3.5(豊田合成)

Ni‑Cd電池２本を用いた。LEDは、高輝度タイプを選択

青2000

3.6(日亜化学)

白4000

3.6(日亜化学)

ク光ファイバーは、外径6.5mmのフレキシブルタイプと、同じく外径6.5mmの白色反射板入りのハードタイプでしてできるだけ光ファイバー照明が明るくなるようにした。表 １ には代表的な高輝度LEDを示してある2)〜4) 。

光センサ

CdSセル

明暗判別用の光センサには、回路構成が簡単で低価格

人検知センサ赤外線センサ（モーションセンサ） 松下電工製
信号処理回路内蔵、レンズ付き、動作電圧 DC3〜6V

浜松ホトニクス製のCdSセルを用いた。人の検出には、赤外線センサと信格の松下電工製の赤外線センサ（モーションセンサ）を用いた5) 。
図 １に、今回使用した太陽電池の照度と短絡電流の関係を示す。二次電池に充電するためには1mAは必要なので、太陽電池を使用する環境の照度は6000 lx程度必要となる。通常の部屋の照度は数100 lx 程度のため、10000 lx程度ある窓ガラス、蛍光灯の近辺、または蛍

短絡電流 ISC (μA)

号処理回路、レンズが一体となっており、比較的低価

2000
1800
1600
14001200100080060040020000

光灯の裏側のカバーの部分の様な所に設置すれば充電

5000
照度

10000(lx)15000

するのに充分な照度が得られる。
２．３

回路設 計と製作

図１

まず、開発コンセプト(1)にある昼間充電、夜間点灯

照度と短絡電流の関係

松下電池工業CdS/CdTe薄膜太陽電池（光源：蛍光灯）タイプの製品の電子回路を製作した。図 ２ がその回路図で、昇圧回路、明暗判別回路、LED点滅回路から成っ

LED 点滅回路は、タイマー IC ICM7555 と抵抗、コンている。昇圧回路は、電圧コンバータMAX631を用いてデンサで構成しており、次の(2) 式により点滅周期Ni‑Cd電池の出力電圧2.4 V を次の(1)式により計算さfOSC、1 周期中の発光時間 temission、非点灯時間 toff6)れる電圧Vout（MAX631の5番端子）に昇圧する 。

を設定する 7) 。

57愛知県工業技術センター研究報告

f osc =1.46( RA + 2R B )C 2第３６号（２０００）[Hz ]t emission = 0.685 RB C2 [sec ]t off = 0.685( RA + RB )C2 [sec]CdSセルを用いた場合は太陽電池を設置する場所の照度とは関係なく明暗を判別できるという利点があるた(2)めで、太陽電池の出力電圧で判別する回路とは使用する場所により使い分けができる。

いま、RA=470 kΩ、RB=82 kΩ、C2= 4.7μF とした場
合、点滅周期 fOSC は 0.49 Hz、すなわち約 2 秒の周期で点滅し、1 周期中の発光時間 temission は 0.26 秒である。このように点滅周期、発光時間は抵抗２本とコンデンサで自由に設定することができる。
図 ３は、明暗判別を太陽電池の出力電圧の変動により行う回路である。昇圧回路と LED 点滅回路の部分は、図 ２ の回路と同じである。使用した太陽電池は、屋内の比較的明るい場所で 3V 程度の出力電圧があるが、暗くなると電圧が低下するため、太陽電池の出力電圧と基準電圧（回路中では、約 1.9V）を電圧コンパレータ

図２

TLC393P で比較して、照度が低くなった場合にトラン太陽電池電源昇圧ＬＥＤ点滅回路（ＣｄＳセルにより明暗判別）

ジスタ Tr1 がオンして、LED が点滅するようになっている。
図 ４は、モー ションセンサを使用して人が近づいたときに LED を一定時間点灯させる回路である。昇圧回路部分は図 ２ 、 図 ３ の回路と同じである。モーションセンサは、赤外線センサ、信号処理回路、レンズが一体となったセンサで、人体からの赤外線を検出すると直流電圧を出力し、トランジスタ Tr1 がオンして次のタイマーIC ICM7555 を作動させるようになっている。
図 ２ 、 図 ３ の回路と違ってタイマー IC ICM7555 を点滅動作ではなく、ワンショットマルチバイブレータとして作動させる。モーションセンサからの信号を検出す
ると、抵抗 RX とコンデ ンサ CX を使用して次の(3)式でLED の点灯時間 tON が決められる 7) 。

t ON = 1.1R X C X[sec ](3)

図３

太陽電池電源昇圧ＬＥＤ点滅回路（太陽電池出力電圧により明暗判別）

いま、RX = 470 k Ω、CX = 10μFとした場合、点灯時間tONは約5秒となる。

３．実験結果および考察
図２のCdSセルによる明暗判別回路では、消費電流はLED非点灯時200μA以下、LED点灯時3mAとなっており、照度が6000(lx)程度の環境下で8時間充電した場合、高輝度LEDは10時間以上点滅（点滅周期2秒、点灯時間 0.26秒）することを確認した。図３の太陽電池の出力電圧の変動で明暗判別をする回路では、低消費電力の電圧コンパレータTLC393Pを用いることで、図２のCdSセルによる明暗判別回路と同様、LED非点灯時で200μA以下となり、LED点滅時間に関しても同様の特性を示した。

図４

このように明暗判別で２種類の回路を製作したのは、（人を検出してＬＥＤが一定時間点灯）

58

ひと検出回路愛知県工業技術センター研究報告

図 ４のモーションセンサを用いた回路では、人が近第３６号（２０００）

参考文献

づいた時だけ LED を点灯させるという効率的な光ファ

1)松下電池工業、太陽電池カタログ、1998。

イバー照明が可能であり、 図 ２ 、 図 ３ の回路と同様の

2)東芝、LEDランプカタログ、1998。

低消費電力回路で、太陽電池を 6000 lx の照度環境で

3)豊田合成、LEDカタログ、1999。

使用できれば、メンテナンスフリーで半永久的な使用

4)日亜化学工業、LEDカタログ、1998。

も可能である。

5)井狩、高田、桐畑：松下電工技報、Sep.、52(1998)。

写 真 １ (a)は今回試作した照明製品（夜間点滅タイ

6)マキシム社、MAX631データシート。

プ）である。ケース左上にあるのが太陽電池、ケース

7)マキシム社、ICM7555データシート。

下にあるのがプラスチック光ファイバー（ハードタイプ）である。写 真 １ (b)はケース内部の二次電池と回路である。ケース部分のサイズについては、今回は試作品ということでユニバーサル基板により製作したため、80×100 mm 程度の大きさとなったが、回路パターンをあらかじめ製作することにより、半分程度の大きさにまでコンパクト化は可能であると思われる。

４．結び
(1)

太陽電池と二次電池を組み合わせた高輝度 LED点滅回路を製作した結果、照度が 6000(lx)程度の環境下で 8 時間充電した場合、高輝度 LED は 10 時間以上点滅（点滅周期 2 秒、点灯時間 0.26 秒）することを確認した。
(2)

写 真 １ (a) 光ファイバー照明製品（夜間点滅タイプ）

消費電流は、LED が点灯していない場合 200μA以下で、低消費電力回路にすることにより、屋内ある
いは屋外のさらに照度が高い条件下では、より長時間にわたる LED の点灯と複数の LED により高輝度化が可能である。
(3)

電源となる太陽電池の出力電圧は約 3V、Ni‑Cd

電池は 2.4V であるが、昇圧回路を用いることにより、順電圧 3.5V 以上の青色、白色 LED をはじめとするすべての高輝度 LED に対応することが可能となった。
(4)

赤外線センサを用いることで、明るさに関係なく人が近づいた場合に LED を点灯させることができ、屋内の階段部分など人が通る場所で比較的照度の低い場所への応用が可能となった。
(5)

これらのプラスチック光ファイバー照明製品は、

写 真 １ (b) 二次電池（右）とＬＥＤ点滅回路

用途としては屋内、屋外ともに使用でき、階段、通路など比較的照度の低い場所や非常時の誘導灯など、福祉分野を含めて幅広い応用分野が考えられる。

59