JP7023648B2 - 点灯回路および車両用灯具 - Google Patents

Description

本発明は、自動車などに用いられる照明装置に関する。

車両用灯具は、ハイビームやロービームをはじめとする複数のランプを備える。近年、これらのランプとして、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザダイオード）などの半導体光源の採用が進められている。図１は、半導体光源を用いた車両用灯具の回路図である。

車両用灯具１ｒは、光源１０およびその点灯回路２０ｒを備える。点灯回路２０ｒは、電流源３０、複数のバイパススイッチ４０＿１～４０＿Ｎ、コントローラ５０を備える。電流源３０は、バッテリ２からスイッチ４を介してバッテリ電圧Ｖ_ＢＡＴ（入力電圧Ｖ_ＩＮともいう）を受け、光源１０に流れる駆動電流Ｉ_ＤＲＶを、ある目標量に安定化する。

複数のバイパススイッチ４０＿１～４０＿Ｎは、複数の発光ユニット１２＿１～１２＿Ｎに対応づけられ、各バイパススイッチ４０はオン、オフが個別に制御可能である。ｉ番目のバイパススイッチ４０＿ｉがオン状態となると、駆動電流Ｉ_ＤＲＶが、発光ユニット１２＿ｉではなくバイパススイッチ４０＿ｉに迂回して流れ、発光ユニット１２＿ｉが消灯する。バイパススイッチ４０＿ｉがオフ状態となると、駆動電流Ｉ_ＤＲＶが発光ユニット１２＿ｉに流れて点灯する。

特開２０１４－０１７４６３号公報

本発明者らは、図１の車両用灯具１ｒについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。

光源１０と点灯回路２０ｒの間は、配線（ハーネス）を介して接続される。この配線の箇所において故障（たとえば地絡）が発生すると、いくつか、あるいはすべての発光ユニットが点灯不能となる。一例としてＯＵＴ１ピンが地絡すると、すべての発光ユニット１２＿１～１２＿Ｎが点灯不能となり、ＯＵＴ２ピンが地絡すると、それより下流の発光ユニット１２＿２～１２＿Ｎが点灯不能となる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、故障、異常状態における機能損失を低減可能な点灯回路の提供にある。

本発明のある態様は、直列に接続される複数の発光ユニットを含む光源を駆動する点灯回路に関する。点灯回路は、光源に駆動電流を供給するコンバータと、複数のハイサイドスイッチと、複数のローサイドスイッチと、を備える。各ハイサイドスイッチは、対応する発光ユニットの一端とコンバータの一方の出力の間に設けられる。各ローサイドスイッチは、対応する発光ユニットの他端とコンバータの他方の出力の間に設けられる。

この態様によると、ハイサイドスイッチ、ローサイドスイッチの状態を制御することにより、複数の発光ユニットのオン、オフを制御できる。また、故障時には、故障箇所を切り離すことができ、残りの発光ユニットの点灯を維持できる。なお、本明細書において故障は、一時的な異常も含む。

コンバータの他方の出力は接地され、各ローサイドスイッチは、対応する発光ユニットの他端と接地の間に設けられてもよい。

点灯回路は、隣接する発光ユニットの間ごとに設けられるダイオードをさらに備えてもよい。これにより電流の逆流を防止できる。

点灯回路は、それぞれが、対応する発光ユニットの一端の電気的状態を監視する複数の監視回路をさらに備えてもよい。これにより故障を検出できる。

各監視回路は、対応する発光ユニットの一端の電圧を監視してもよい。これにより地絡や天絡などのショート故障や、オープン故障（断線）を検出できる。

本発明の別の態様は、車両用灯具に関する。車両用灯具は、直列に接続される複数の発光ユニットを含む光源と、光源を駆動する上述のいずれかの点灯回路と、を備えてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、故障時の機能損失を低減できる。

半導体光源を用いた車両用灯具の回路図である。 実施の形態に係る点灯回路を備える照明装置のブロック図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、正常状態における点灯回路の等価回路図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、故障状態における点灯回路の等価回路図である。 故障状態における点灯回路の等価回路図である。 第１変形例に係る点灯回路の回路図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

また本明細書において、電圧信号、電流信号などの電気信号、あるいは抵抗、キャパシタなどの回路素子に付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値、あるいは抵抗値、容量値を表すものとする。

図２は、実施の形態に係る点灯回路３００を備える照明装置１００のブロック図である。照明装置１００は、光源２００および点灯回路３００を備える。光源２００は、直列に接続されるべき複数の発光ユニット２０２＿１～２０２＿Ｎを含む。発光ユニット２０２の個数Ｎは特に限定されないが、本実施の形態においてＮ＝４である。発光ユニット２０２は、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザダイオード）、有機ＥＬ素子が例示されるがその限りでない。また各発光ユニット２０２は、直列および／または並列に接続される複数の発光素子を含んでもよい。

光源２００と点灯回路３００は、ハーネス２１０を介して接続される。点灯回路３００は、点灯指示用のスイッチＳＷＢを介してバッテリ２からの電源電圧（バッテリ電圧）Ｖ_ＢＡＴを受け、光源２００を駆動する。点灯回路３００は、コンバータ３１０、複数のハイサイドスイッチＳＷ１＿１～ＳＷ１＿Ｎ、複数のローサイドスイッチＳＷ２＿１～ＳＷ２＿Ｎ、コントローラ３２０、複数の監視回路３３０＿１～３３０＿Ｎを備える。

コンバータ３１０は、光源２００に駆動電流Ｉ_ＤＲＶを供給する。コンバータ３１０の形式は特に限定されず、降圧（Ｂｕｃｋ）コンバータ、昇圧（Ｂｏｏｓｔ）コンバータ、昇降圧コンバータ、Ｃｕｋコンバータ、フォワードコンバータ、フライバックコンバータなど、公知のスイッチングコンバータを用いることができる。コンバータ３１０の形式は、発光ユニット２０２の順電圧Ｖｆとその個数Ｎに応じて定めることができる。具体的にはＶｆ×Ｎ＜Ｖ_ＢＡＴであるとき、コンバータ３１０は降圧型が採用でき、Ｖｆ×Ｎ＞Ｖ_ＢＡＴであるとき、コンバータ３１０は昇降圧型、あるいは前段の昇圧型と後段の降圧型の組み合わせが採用できる。

本実施の形態においてハイサイドスイッチＳＷ１およびローサイドスイッチＳＷ２の個数は、発光ユニット２０２の個数Ｎと等しく、４個である。

ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）のハイサイドスイッチＳＷ１＿ｉは、対応する発光ユニット２０２＿ｉの一端（アノード）とコンバータ３１０の一方の出力（正極）の間に設けられる。ｉ番目のローサイドスイッチＳＷ２＿ｉは、対応する発光ユニット２０２＿ｉの他端（カソード）と、コンバータ３１０の他方の出力（負極）の間に設けられる。本実施の形態において、コンバータ３１０の負極は接地され、コンバータ３１０の正極には正の電圧Ｖ_ＯＵＴが発生する。したがってローサイドスイッチＳＷ２＿ｉは、対応する発光ユニット２０２＿ｉの他端（カソード）と、接地の間に設けられることと等価である。

複数のダイオード（整流素子）Ｄ１～Ｄ３は、隣接する発光ユニット２０２の間に設けられる。

監視回路３３０＿１～３３０＿Ｎは、対応する発光ユニット２０２の一端（ここではアノード）の電気的状態を監視し、ショート故障やオープン故障を判定する。たとえば監視回路３３０は電圧コンパレータを含み、監視対象の電圧を、ショート検出用のしきい値、オープン検出用の閾値と比較することにより、各故障を検出してもよい。故障検出の具体的な方法やそのための回路構成については、図１に示すバイパス方式において使用される監視回路と同様のものを用いればよい。

コントローラ３２０は、複数のスイッチＳＷ１，ＳＷ２を制御する。たとえばコントローラ３２０は、マイコンやＣＰＵであってもよい。

以上が点灯回路３００の基本構成である。続いてその動作を説明する。以下で説明するスイッチの状態は、コントローラ３２０が主体となり、ほかの回路との協調動作によって実現される。

（正常状態）
この点灯回路３００では、連続して隣接する任意の発光ユニット２０２を点灯させ、残りを消灯することができる。

たとえばすべての発光ユニット２０２を点灯したい場合、最も高電位側のハイサイドスイッチＳＷ１＿１をオン、最も低電位側のローサイドスイッチＳＷ２＿４をオン、残りのスイッチをオフすればよい。

一般化すると、ｉ番目の発光ユニット２０２＿ｉ～ｊ番目の発光ユニット２０２＿ｊ（１≦ｉ≦ｊ≦Ｎ）を点灯したい場合、ハイサイドスイッチＳＷ１＿ｉをオン、ローサイドスイッチＳＷ２＿ｊをオンすればよい。

さらにこの状態をベースとして、発光ユニット２０２＿ｉ～２０２＿ｊのいくつかを、個別に消灯し、あるいは調光することも可能である。図３（ａ）、（ｂ）は、正常状態における点灯回路３００の等価回路図である。図３（ａ）、（ｂ）において、動作に寄与しないスイッチは省略している。

図３（ａ）では、ｉ＝１，ｊ＝４、すなわち、ＳＷ１＿１およびＳＷ２＿４が固定的にオンである。したがって、すべての発光ユニット２０２＿１～２０２＿４が点灯可能な状態である。

ハイサイドスイッチＳＷ１＿２は、発光ユニット２０２＿１に対するバイパススイッチとしても機能する。ハイサイドスイッチＳＷ１＿３は、発光ユニット２０２＿１および２０２＿２に対するバイパススイッチとして機能する。ハイサイドスイッチＳＷ１＿４は、発光ユニット２０２＿１～２０２＿３に対するバイパススイッチとして機能する。一般化すると、ｋ番目のハイサイドスイッチＳＷ１＿ｋは、発光ユニット２０２＿１～２０２＿（ｋ－１）に対するバイパススイッチとして機能する。

図３（ａ）において、一時的に発光ユニット２０２＿１を消灯したい場合、ハイサイドスイッチＳＷ１＿２をオンすればよい。また発光ユニット２０２＿１を調光したい場合、目標輝度に応じたデューティ比でハイサイドスイッチＳＷ１＿２をスイッチングすればよい。

図３（ｂ）では、ｉ＝２，ｊ＝３、すなわち、ＳＷ１＿２およびＳＷ２＿３が固定的にオンである。したがって２個の発光ユニット２０２＿２～２０２＿３が点灯可能な状態である。

図３（ｂ）において、一時的に発光ユニット２０２＿２を消灯したい場合、ハイサイドスイッチＳＷ１＿３をオンすればよい。また発光ユニット２０２＿２を調光したい場合、目標輝度に応じたデューティ比でハイサイドスイッチＳＷ１＿３をスイッチングすればよい。

図３（ａ）、（ｂ）は一例に過ぎず、ｉ，ｊは任意に選択可能である。

（故障状態）
図４（ａ）、（ｂ）は、故障状態における点灯回路３００の等価回路図である。

図４（ａ）は、図３（ａ）の状態において、最も高電位側の発光ユニット２０２＿１のアノード（故障ノードＮ_{ＳＨＯＲＴ}と称する）において地絡や天絡などのショートが発生した状況を示す。具体的には、故障ノードは、点灯回路３００の出力ピンＰ１や、それと接続されるハーネスの配線などに発生しうる。

コントローラ３２０は、ノードＮ_{ＳＨＯＲＴ}より低電位側の最隣接するハイサイドスイッチＳＷ１＿２をオンし、残りのハイサイドスイッチＳＷ１＿１，ＳＷ１＿３，ＳＷ１＿４をオフする。

これにより、コンバータ３１０が生成する駆動電流Ｉ_ＤＲＶを、ハイサイドスイッチＳＷ１＿２を経由して、故障ノードＮ_{ＳＨＯＲＴ}を迂回させ、発光ユニット２０２＿２～２０２＿４に供給し続けることができる。すなわち発光ユニット２０２＿２～２０２＿４の点灯状態を維持できるため、機能損失を低減できる。

発光ユニット２０２を過電圧から保護するために、発光ユニット２０２には、クランプ回路として機能するクランパダイオード（ツェナーダイオード）２０４が逆並列接続される場合がある。図４（ａ）では、発光ユニット２０２＿１についてのみクランパダイオード２０４を示し、その他の発光ユニット２０２のクランパダイオード２０４は省略される。このクランパダイオード２０４は、短絡故障時において、発光ユニット２０２のカソードからアノードに向かう電流経路となるが、ダイオードＤ１を設けたことにより、ハイサイドスイッチＳＷ１＿２を流れる駆動電流Ｉ_ＤＲＶが、クランパダイオード２０４を経由して故障ノードＮ_{ＳＨＯＲＴ}に流れるのを防止できる。これにより、発光ユニット２０２＿２～２０２＿４を点灯可能に維持でき、さらにクランパダイオード２０４に過電流が流れるのを防止できる。

なお、クランパダイオード２０４が設けられない場合であっても、ダイオードＤ１～Ｄ３を設けることで、多くの故障モードを回避できる。たとえばハイサイドスイッチＳＷ１＿２がオンのときに、発光ユニット２０２＿１のカソードが地絡した場合、ダイオードＤ１が存在することにより、当該カソードの地絡が影響しなくなるため、発光ユニット２０２＿２～２０２＿４を点灯させることができる。

図４（ｂ）では、２番目の発光ユニット２０２＿２のアノード（故障ノードＮ_{ＳＨＯＲＴ}で示す）において地絡や天絡などのショートが発生している。

コントローラ３２０は、故障が検出されたノードＮ_{ＳＨＯＲＴ}より低電位側の最隣接するハイサイドスイッチＳＷ１＿３をオンする。残りのハイサイドスイッチＳＷ１＿１，ＳＷ１＿２，ＳＷ１＿４はオフである。

これにより、コンバータ３１０が生成する駆動電流Ｉ_ＤＲＶを、ハイサイドスイッチＳＷ１＿３を経由して、故障ノードＮ_{ＳＨＯＲＴ}を迂回させ、発光ユニット２０２＿３～２０２＿４に供給し続けることができる。すなわち発光ユニット２０２＿２～２０２＿４の点灯状態を維持できるため、機能損失を低減できる。

発光ユニット２０２＿３のアノードに故障が発生した場合、同様にして、ハイサイドスイッチＳＷ１＿４をオンし、残りのハイサイドスイッチＳＷ１＿１～ＳＷ１＿３をオフしてもよい。これにより発光ユニット２０２＿４の点灯を維持できる。

ここでは、故障箇所よりも低電位側の発光ユニット２０２を救済する例を説明したが、その限りでない。故障箇所が、低電位寄りの発光ユニット２０２において発生した場合、故障の生じた発光ユニット２０２より高電位側の発光ユニット２０２を救済してもよい。図５は、故障状態における点灯回路３００の等価回路図である。図５では、４番目の発光ユニット２０２＿４のアノードにおいてオープン故障が生じている。この場合、故障箇所より高電位側の最隣接するローサイドスイッチＳＷ２＿３をオンに切りかえ、残りのローサイドスイッチをオフとする。

一般化すると、コントローラ３２０は、故障が検出された発光ユニット２０２＿ｋが点灯対象に含まれる場合、すなわちｉ≦ｋ≦ｊであるとき、発光ユニット２０２＿ｋが点灯対象から外れるように、ｉもしくはｊを変更する。ｉを変更する場合、変更後のｉに対応するハイサイドスイッチＳＷ１＿ｉをオンとすればよく、ｊを変更する場合、変更後のｊに対応するローサイドスイッチＳＷ２＿ｊをオンとすればよい。

以上が点灯回路３００の動作である。この点灯回路３００によれば、ハイサイドスイッチＳＷ１、ローサイドスイッチＳＷ２の状態を制御することにより、複数の発光ユニット２０２のオン、オフを制御できる。また、故障時には、故障箇所を切り離すことができ、残りの発光ユニットを救済し、点灯を維持できる。

（用途）
上述の照明装置１００は、車両用灯具とすることができる。この場合、複数の発光ユニット２０２のひとつをロービーム、別のひとつをハイビームとしてもよい。さらに別のひとつを、ＤＲＬ（Daytime Running Lamps）とし、別のひとつをＤＲＬ／クリアランスランプとしてもよい。

上述の故障時の救済を考慮すると、相対的に重要度の高いランプを低電位側に、重要度の低いランプを高電位側に割り当ててもよい。たとえばハイビームおよびロービームは、ＤＲＬ，ＤＲＬ／クリアランスよりも重要度が高いといえる。そこでたとえばＮ＝４として、複数の発光ユニット２０２を高電位側から順に、ＤＲＬ、ＤＲＬ／クリアランス、ハイビーム、ロービームの順で割り当ててもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

（第１変形例）
図６は、第１変形例に係る点灯回路３００Ａの回路図である。コンバータ３１０は負電圧出力であり、たとえばＣｕｋコンバータが採用しうる。この場合、コンバータ３１０の正極出力（＋）が接地となり、負極出力（－）に負の出力電圧－Ｖ_ＯＵＴが発生する。

（第２変形例）
照明装置１００を車両用灯具として利用する場合に、複数の発光ユニット２０２を、配光可変ヘッドランプ（ＡＤＢ：Adaptive Driving Beam）として利用してもよい。ＡＤＢとは、車両前方の状況（対向車や先行車、歩行者の有無）に応じて、配向パターンを動的、適応的に制御するものである。

（第３変形例）
実施の形態では、ハイサイドスイッチを、それより高電位側の発光ユニットのバイパススイッチとしても利用しうることを説明したが、ハイサイドスイッチとは別に、ＰＷＭ調光あるいは個別点消灯の制御のために、発光ユニットと並列に、バイパススイッチを設けてもよい。

照明装置１００を車両用灯具として利用する場合に、複数の発光ユニット２０２を、配光可変ヘッドランプ（ＡＤＢ：Adaptive Driving Beam）として利用してもよい。ＡＤＢとは、車両前方の状況（対向車や先行車、歩行者の有無）に応じて、配向パターンを動的、適応的に制御するものである。

この場合、図２の光源２００は、ハイビーム用の光源となる。車両用灯具は、複数の発光ユニット２０２それぞれの出射光を、車両前方の仮想鉛直スクリーン上の異なる領域に照射する光学系を備えてもよい。発光ユニット２０２のオン、オフを制御することにより、対応する領域の輝度を変化させることができ、所望の配光パターンを形成できる。

１００ 照明装置
２００ 光源
２０２ 発光ユニット
２１０ ハーネス
３００ 点灯回路
３１０ コンバータ
３２０ コントローラ
３３０ 監視回路
ＳＷ１ ハイサイドスイッチ
ＳＷ２ ローサイドスイッチ
２ バッテリ

Claims (5)

1. 直列に接続される複数の発光ユニットを含む光源を駆動する点灯回路であって、
   ひとつの正極出力とひとつの負極出力を有し、前記正極出力と前記負極出力の間に接続される前記光源に駆動電流を供給するコンバータと、
   複数のハイサイドスイッチであって、それぞれが、対応する発光ユニットの一端と前記コンバータの前記正極出力の間に設けられる複数のハイサイドスイッチと、
   複数のローサイドスイッチであって、それぞれが、対応する発光ユニットの他端と前記コンバータの前記負極出力の間に設けられる複数のローサイドスイッチと、
   を備えることを特徴とする点灯回路。
2. 隣接する発光ユニットの間ごとに設けられるダイオードをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の点灯回路。
3. 前記複数の発光ユニットに対応する複数の監視回路であって、各監視回路が、対応する発光ユニットの一端の電気的状態を監視する、複数の監視回路をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の点灯回路。
4. 前記コンバータの前記負極出力は接地され、
   各ローサイドスイッチは、対応する発光ユニットの他端と接地の間に設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の点灯回路。
5. 直列に接続される複数の発光ユニットを含む光源と、
   前記光源を駆動する請求項１から４のいずれかに記載の点灯回路と、
   を備えることを特徴とする車両用灯具。

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