明るさ、姿勢を適切に保つ照明装置

皆さんの机の上にデスクライトって置かれていますか？　勉強机やPCデスクにデスクライトを起き、書類を読むことは一般的に広く行われています。

このデスクライト、非常にポピュラーな製品ですが、バルミューダが手掛けるデスクライトは一味違います。従来のデスクライトとは比べ物にならない、超ハイテクが搭載されているのです。

今回紹介する発明は、使用者の目と対象物との距離を常に適切に保つと共に、適切な照度で机上を照らすことができるデスクライトです（特許第6723931号、出願日：2016年1月20日）。

「常に適切に保つ」と言われても、どういうこと？　って理解に苦しむかもしれません。普通、デスクライトというのは机に設置したら、明るさを適切に調節して、そして読書や作業が一番具合良くできる位置に、ライトを当てるようにしますよね。でも、使用者の姿勢が様々に、時々刻々と変化するのに対して、ライトの照明位置は最初の設定箇所から動きませんね。だから、姿勢が変わったらまたライトの位置を調整しないといけないわけです。

「そんなのあたりまえでしょ！」と思うかもしれませんが、そこが発明の母。本発明のデスクライトは、使用者の目の位置を常に把握し、その位置データに基づいて、机上の照度を最適にするようにアームを動作させて光源を移動させることとしたのです。

普段あたりまえに感じている不便を見逃さない姿勢がよく現れた特許だといえますね。

発明の背景

一般的な照明装置として、いわゆるデスクライトなどが知られています。このような照明装置は、使用者自身によって適宜動かされて位置調整され、意図したように適切な照度となるように、使用されます。

このようなデスクライトとしては、様々に改良されたものがあります。例えば、照明方向を変化させるための可動部分にモータを設けた照明装置が知られています。また、加齢や疲労で目のピント調整機能が低下する場合に対応して、色を調整したり、照射範囲を制御したりする照明装置が知られています。また、文字サイズや、カラー／モノクロを判定して、光を調整する照明装置が知られています。

しかし、上述したような一般的な照明装置には、次のような問題があります。詳しくは、使用者の姿勢が時間の経過とともにいろいろと変化することが考慮されていません。姿勢が変化すると、視線、机、光源の互いの位置関係が変化します。例えば、使用者が書籍を読むときに、机の上の書籍と、目と間の距離が短い状態がしばらく続く場合があります。すると、眼球の毛様体筋が緊張し、視力低下の原因となります。

また、机上で明るく照らされる部分と、そうでない部分との照度差が大きくなると、目に負担がかかり、同様に視力低下の原因となります。さらに、筆記具や使用者の手の影によって書籍の紙面が暗くなると、文字等を読むことが困難となり、同様に視力低下につながります。

また、机上の照度が低いと、目を近づけて本などを読もうとするため、前述したように目と対象物との距離が短くなり、視力低下の原因となります。

そこで、使用者の目と、見る対象物との距離を適切に保つことができ、しかも、適切な照度で机上を照らすことができる照明装置が要望されています。

どんな発明？

本発明の照明装置によって、使用者の目と、見る対象物との距離を適切に保つと共に、適切な照度で机上を照らすことができます。

このような照明装置の発明の具体例について、以下に説明します。

図１は本発明の照明装置１０の一例、および、照明装置１０が設置された机Ｄを示す斜視図です。なお、図１中Ｈは使用者を示しています。図２は照明装置１０を示す斜視図です。

【図１】

【図２】

図１および図２に示すように、照明装置１０は、机Ｄ上に載置されるベース部２０を備えます。また、このベース部２０を机Ｄに固定するための固定用クランプ２５を備えます。また、ベース部２０に下端部が取り付けられつつ動くことで光源６２の位置を決めるアーム機構３０を備えます。また、このアーム機構３０の先端部に取り付けられたヘッド部６０を備えます。

ベース部２０の内部には、後述する制御装置１００があります。ベース部２０の手前側には、使用者Ｈの特定部位（例えば、目の位置）と、使用者Ｈの上半身の姿勢を検出して、フェイス画像（ユーザ画像）を出力するフェイスカメラ（ユーザカメラ）２１があります。また、ベース部２０の上面にはモードスイッチ２２があります。

アーム機構３０は、アーム部４０と、このアーム部４０を動作させるアーム動作部５０とを備えています。

アーム部４０は、ベース部２０に内蔵された回転軸２３に設けられています。アーム部４０は、図中矢印α１方向（横方向）に回動する第１アーム４１を有します。また、第１アーム４１の上部を中心にして上下に回動できる第２アーム４２を有します。また、第２アーム４２の手前側部分を中心にして回動できる仰角調整部材４３を有します。また、この仰角調整部材４３に取り付けられた回動可能な首振り部材４４を有します。また、この首振り部材４４に取り付けられた回動可能なヘッド取付部４５を有します。ヘッド取付部４５にはヘッド部６０（光源あり）が取り付けられています。

アーム動作部５０は、ベース部２０に内蔵されています。アーム動作部５０は、回転軸２３を図中矢印α１方向（首振り方向）に回動させる第１モータ５１及び第１角度センサ５１ａを有します。また、第１アーム４１を図中矢印α２方向（前後に倒す方向）に回動させる第２モータ５２及び第２角度センサ５２ａを有します。また、第２アーム４２を図中矢印α３方向（縦方向）に回動させる第３モータ５３及び第３角度センサ５３ａを有します。また、仰角調整部材４６を図中矢印α４方向（縦方向）に回動させる第４モータ５４及び第４角度センサ５４ａを有します。また、首振り部材４４を図中矢印α５方向（前方から見たときに回転する方向）に回動させる第５モータ５５及び第５角度センサ５５ａを有します。また、ヘッド取付部４５を図中矢印α６方向（上から見たときに回転する方向）に回動させる第６モータ５６及び第６角度センサ５６ａを有します。なお、アーム部４０の機構モデルを模式的に示す図５でも概要を把握できます。

【図５】

アーム機構３０は、アーム動作部５０を動作させることで、後述する光源６２の位置及び照射方向をさまざまに制御して、例えば、最適な位置に光源を移動させることが可能です。

図３は照明装置１０に組み込まれたヘッド部６０を示します。

【図３】

ヘッド部６０は、長方形状のヘッドベース６１を有します（図２参照）。また、ヘッド部６０は、図３に示すように、このヘッドベース６１の下面に配置されて、机Ｄ上を照らす光源６２を有します。また、光源６２と同じ方向を向き、机上の照度分布を検出し、デスク画像を出力するデスクカメラ６３，６４を有します。また、ヘッドベース６１の上面（光源とは反対側）に配置されて、室内の環境状況を検出する照度センサ６５（図２参照）を有します。

照明装置１０の概要を表す図４のブロック図に示すように、制御装置１００は、各部を連携して制御し、かつアーム部３０を制御する制御部１１０を有します。また、この制御部１１０に接続された画像処理部１２０、演算装置（演算部）１３０を有します。また、目と机との距離が所定距離（閾値）以下の場合に音又は光によって使用者Ｈに警告を発する警告部１４０を有します。

【図４】

画像処理部１２０には、フェイスカメラ２１の出力、デスクカメラ６３，６４の出力が接続されています。画像処理部１２０では、フェイスカメラ２１で得られたフェイス画像と、デスクカメラ６３，６４で得られたデスク画像とを処理します。そして、使用者Ｈの目の位置データを検出し、使用者Ｈの目と机Ｄまでの距離Ｑ及び使用者Ｈの姿勢を算出します。

演算装置１３０は、使用者Ｈの上半身の姿勢に基づいて、光源６２の最適光源位置を算出します。具体的には、使用者Ｈの影を最小限にし、かつ、机Ｄ上の照度差を最小限にするように、光源６２の最適光源位置を算出します。

警告部１４０は、使用者Ｈの目と机Ｄとの距離Ｑが基準値（所定値）を下回ったときに音や光によって警告する機能を有します。具体的には、スピーカからの警告音を発したり、光源６２を点滅させたりします。

このように構成された照明装置１０は、次のようにして使用します。照明装置１０には、例えば次の４種類のモードが準備されています。すなわち、（Ｍ１）待機モード、（Ｍ２）キャリブレーションモード、（Ｍ３）光源位置制御モード、（Ｍ４）手元集中モードです。これらのモードは、モードスイッチ２２の押下げによって順次切り替わります。

（Ｍ１）待機モード

待機モードは、照明装置１０のスタンバイ処理を行うモードです。電源投入後に待機モードへ遷移します。待機モードでは、アーム機構３０の動作や光源６２の点灯は行いません。

（Ｍ２）キャリブレーションモード

キャリブレーションモードは、フェイスカメラ２１及びデスクカメラ６３，６４の調整（較正）を行うためのモードです。通常、初回の電源投入時に一度だけキャリブレーションモードに遷移しますが、操作次第でキャリブレーションモードに入ることができます。

（Ｍ３）光源位置制御モード

光源位置制御モードでは、照明装置１０の光源６２の位置が使用者Ｈの姿勢や環境状況に応じて制御されます。使用者Ｈのモードスイッチの操作によって、選択的に光源位置制御モードへ移行します。制御の方法については後述します。

（Ｍ４）手元集中モード

手元集中モードは、照明装置１０の光が常に使用者Ｈの手元に当たるように制御されるモードです。モードスイッチ２２の操作によって、手元集中モードを選ぶことができます。手元集中モードのときに、照明装置１０はデスクカメラ６３，６４によって使用者Ｈの手の位置を認識しています。照明装置１０は、デスクカメラ６３，６４から得られる画像の中央に使用者Ｈの手が移るようにアーム機構３０を制御します。これにより、使用者Ｈの手の周辺が照らされるようになります。

電源が投入された後、モードスイッチ２２を押すごとに上記の４つの動作モード（Ｍ１）～（Ｍ４）を順に選択します。そして、選択した動作モード（Ｍ１）～（Ｍ４）を実行し、電源を切ることにより終了します。

詳述しますと、モードスイッチ２２は押下げのたびに動作モード（Ｍ１）～（Ｍ４）が切り替わります。具体的には、開始後に、モードスイッチ２２が押下げられないと、待機モード（Ｍ１）が継続されます。押下げされると、キャリブレーションが完了されているか否かが判断され、完了していれば光源位置制御モード（Ｍ３）に進みます。

キャリブレーションが完了していなければ、キャリブレーションモード（Ｍ２）が実行され、キャリブレーションが正常に実行されているか否かが判断されます。キャリブレーションが正常に完了されていれば光源位置制御モード（Ｍ３）に進みます。一方、完了していなければ、キャリブレーションモード（Ｍ２）に戻ります。

光源位置制御モード（Ｍ３）が始まると、モードスイッチ２２が押下げられるまで光源位置制御モード（Ｍ３）が継続します。押下げられた場合は、手元集中モード（Ｍ４）に進みます。

モードスイッチ２２が次に押下げられるまで、手元集中モード（Ｍ４）が継続します。押下げられた場合は、すべて終了します。

ここで、光源位置制御モード（Ｍ３）について説明します。光源位置制御モード（Ｍ３）に移行すると、フェイスカメラ２１によって、使用者Ｈの画像を取得します。照明装置１０の画像処理部１２０は、ソフトウェアによる画像判別機能を有します。あらかじめ入力された多数の人間の姿勢、手の形等のデータも参考にして、ソフトウェアによって画像判別が行われます。取得した画像を画像処理部１２０に適用することで、画像上の目の位置を求めます。

目の位置座標をＥｘ，Ｅｙとします（図８もご参照）。Ｅｙは、上下方向を示し、机Ｄの上面部からの高さを表す指標になります。よって、目の位置の高さが、机Ｄから目までの距離となります。あらかじめ決めておいた所定の値（姿勢悪化警告閾値といいます）よりもＥｙの値が小さくなったときに、目の位置が低くなったと認識して、姿勢が悪化したと判断します。

使用者Ｈの姿勢が悪化したと演算装置１３０で検知されると、照明装置１０は使用者Ｈに対して警告部１４０によって音や光等で警告します。

図８及び図９は、照明装置１０の目と机との距離の検出動作を示します。

【図８】（上）及び【図９】（下）

図８及び図９は、フェイスカメラ２１が使用者Ｈの目の位置座標を認識しているときのＥｘ，Ｅｙの関係を示します。目の位置座標は、（Ｅｘ，Ｅｙ）で表されます。例えば、姿勢悪化警告閾値Ｅｔｈを３００とします。図８に示すように、使用者Ｈの姿勢が正常のときに、画像処理によって目の位置座標が（Ｅｘ，Ｅｙ）＝（３１０，４００）であったとします。この場合、目と机との距離Ｅｙが４００であるため、姿勢悪化警告閾値Ｅｔｈよりも大きいので警告を出しません。

一方、図９に示すように、使用者Ｈの姿勢が悪化しているときに、画像処理によって目の位置座標が（Ｅｘ，Ｅｙ）＝（９０，２６０）になったとすれば、目と机の距離Ｅｙは２６０となるため、姿勢悪化警告閾値Ｅｔｈよりも小さいので警告を出します。

本発明の照明装置１０は、照明センサ６５によって観測した現在の照明状況に基づいて、照度ムラが少なくなるように、照明装置１０の各部分を移動させて光源の位置を制御する機構を有します。このような機構により、光源６２の位置を最適位置に移動します。

実験によって実証された結果を次に示します。図１２及び図１３は、実際に得られた照度分布の改善過程を示す画像、および、この画像を画像処理して得られた照度分布のヒストグラムです。改善前（光源が移動する前）が図１２で、改善後（光源が最適位置に移動した後）が図１３です。

【図１２】

【図１３】

詳しく説明しますと、改善前では、デスクカメラ６３，６４により得られた画像から、図１２のような照度分布のヒストグラムを得ました。ヒストグラムの分散が大きく、照度のムラがある状況です。

一方、本発明の照明装置１０によって、アーム機構３０を動作させて、光源６２を適切な位置に移動させました。移動によって改善した後の照度分布のヒストグラムは、図１３です。中央部が最も明るく、周辺に行くにつれ次第に暗くなる理想的な照度分布となります。

なお、本発明は上述したような形態に限定されません。フェイスカメラで撮像する特定部位として、目以外の上半身の部位、例えば、耳の位置を採用できます。間接的に目の位置を予測できる部位であれば、特定部位は目に限られません。

ここがポイント！

上記の通り、本発明の照明装置は、使用者Ｈの目と机Ｄとの距離が所定値以下になった場合に警告を発し、使用者Ｈの目と机Ｄとの距離が近づき過ぎないように保つことができます。また、机Ｄ上の照度分布が不適な場合に、照度分布を改善し、適切な照度で机上を照らすことができるように光源を移動させることができます。このため、使用者Ｈの視力低下を防止することができます。

例えば日本国で特許となった本発明のポイントを解説しますと、本発明の照明装置の特徴は、使用者の姿勢に応じて光源の位置を変えることで机上を適切に照らす機構を備える点です。

詳しくは、本発明の照明装置は、机上を照らすための光源を備えます。また、光源の位置を移動させるアーム機構を備えます。また、机上の照度分布を検出する照度分布検出手段（図１３で示した機構など）を備えます。また、使用者の特定部位の位置データを検出する位置データ検出手段（図８および図９で示した機構など）を備えます。

そして、本発明の照明装置は、照度分布検出手段が検出した机上の照度分布および位置データ検出手段が検出した位置データに基づいて、机上の照度ムラが少なくなる光源位置を算出する演算部を備えます。

さらに、演算部が算出した光源位置に光源が移動するようにアーム機構を動作させるアーム制御部を備えています。つまり、この照明装置は光源を自動的に移動させることにより、異なった使用者の姿勢に対応でき、ひいては、机上を適切に照らすことができます。

何に活用されているの？

本特許は、「バルミューダ株式会社」から出願されたものです。「バルミューダ株式会社」は、ご存じのように今までにない新しいタイプのトースターや扇風機を販売してきた会社です。この会社のウェブサイトには、他にも掃除機やスピーカー、ライトなどの商品も掲載されています。

従来からある照明装置の仕組みを革新的に進歩させたアイデアが、本特許発明に取り入れられています。

本特許の発明は、現在販売されている照明装置に直接的には利用されていないかもしれません。しかし、本特許の発明は、今までにないユニークなアイデアとして照明装置に適用できると予想されます。今後、光源を自動的に移動してくれる照明装置が販売されるかもしれません。

特許の概要

＜免責事由＞
本解説は、主に発明の紹介を主たる目的とするもので、特許権の権利範囲（技術的範囲の解釈）に関する見解及び発明の要旨認定に関する見解を示すものではありません。自社製品がこれらの技術的範囲に属するか否かについては、当社は一切の責任を負いません。技術的範囲の解釈に関する見解及び発明の要旨認定に関する見解については、特許（知的財産）の専門家であるお近くの弁理士にご相談ください。