JP2019057420A - 光源の制御回路、車両用灯具 - Google Patents

Abstract

【課題】部品コストを増大させることなく直列に接続可能な発光素子の数を増やした光源の制御回路及びそれを使用する車両用灯具を提供する。【解決手段】直列に接続された複数の発光素子４１〜４７を備える光源１の点消灯を制御する制御装置２は、複数の発光素子の数をＮ個とした場合、当該複数の発光素子のうち（Ｎ−１）個以下の発光素子に対して同時に電流を流す際に、少なくとも１個の発光素子に対して実質的に電流を流さないように制御する制御回路を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、ＬＥＤなどの発光素子を複数備える光源の点消灯を制御する技術に関する。

車両用灯具において、車両周辺の他車両や歩行者等の状況に応じてヘッドランプによる配光パターンを可変に制御する機能や、車両の旋回時にその旋回方向へ光照射する機能を有するものが知られている。これらの機能を実現する技術の一例として、ＬＥＤなどの複数の発光素子を有する光源を用意し、各発光素子の点消灯（点灯／消灯）を個別に制御することで、各発光素子に対応する対象領域に対して選択的に光を照射する技術がある。

複数の発光素子の点消灯を個別に制御することが可能な装置は、例えば特開２００９−１３４９３３号公報（特許文献１）に開示されている。この特許文献１に開示されるＬＥＤ点灯装置は、直列接続された複数の発光素子に対してＤＣ−ＤＣコンバータによって電流を供給する構成において、各発光素子に対してそれぞれ並列にトランジスタを接続しておき、各トランジスタの導通状態を制御することによって各発光素子に流れる電流を増減させ、それにより各発光素子の明るさを独立に制御している。

ところで、上記のような構成において各発光素子を発光させる場合、その順方向電圧の最大値として１つの発光素子当たり４Ｖ程度必要となる。このため、複数の発光素子を直列に接続する場合、接続する発光素子の数に比例して駆動電圧が高くなる。しかし、駆動電圧を供給するための回路等による供給能力には限度があり、一般的には直列に接続可能な発光素子の上限数は１２個程度である。このため、より多くの発光素子を接続するにはより高い耐圧の回路等を用いる必要があることから部品コストが大幅に上がる。他方で、このような高価な部品の使用を避ける場合、例えば直列に接続可能な発光素子の上限数が上記した１２個であったとすると、用いたい発光素子の数がこの上限値を１つでも超えると、駆動電圧を供給するための回路等をもう１つ増やす必要があることから、やはり部品コストが上がるという不都合があるとともに、装置構成も大きくなって省スペース化の妨げとなる不都合も生じる。

特開２００９−１３４９３３号公報

本発明に係る具体的態様は、部品コスト等を増大させることなく直列に接続可能な発光素子の数を増やすことが可能な技術を提供することを目的の１つとする。

［１］本発明に係る一態様の光源の制御装置は、（ａ）直列に接続された複数の発光素子を備える光源の点消灯を制御する装置であって、（ｂ）前記複数の発光素子の数をＮ個とすると、当該複数の発光素子のうち（Ｎ−１）個以下の発光素子に対して同時に電流を流す際に少なくとも１個の発光素子に対して実質的に電流を流さないように制御する、光源の制御装置である。なお、「実質的に電流を流さない」とは、発光素子を発光させるのに必要な電流を流さない状態をいい、例えば電流を流して発光させる発光素子との対比において１／１００以下程度の大きさの電流しか流さない状態や全く電流を流さない状態をいう。
［２］本発明に係る一態様の車両用灯具は、上記した制御装置と当該制御装置によって制御される光源を備える車両用灯具である。

上記構成によれば、部品コスト等を増大させることなく直列に接続可能な発光素子の数を増やすことが可能となる。

図１は、光源の制御方法を概念的に説明するための図である。 図２は、複数の発光素子による照射光によって形成される配光パターンの一例を説明するための図である。 図３は、左右それぞれへの旋回時の各発光素子の点消灯時期を示すタイミングチャートである。 図４は、一実施形態の車両用灯具の構成を示す回路図である。 図５は、各発光素子の動作を説明するためのタイミングチャートである。

図１は、光源の制御方法を概念的に説明するための図である。図示のように、例えば７つの発光素子（ＬＥＤ）２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７の点灯・消灯を個別に制御する場合を考える。各発光素子２１〜２７のそれぞれから出射する光により、各照射光３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７が形成される。

図２は、複数の発光素子による照射光によって形成される配光パターンの一例を説明するための図である。例えば、上記した７つの発光素子２１等を備える光源を用いて構成された車両用灯具を用いて車両１００の前方へ選択的な光照射を行う場合を考える。図２では、車両１００が左方向または右方向へ旋回する場合の様子が模式的に示されている。このとき、発光素子２２〜２６の各々によって形成される照射光３２〜３６によってハイビームが形成される。なお、ここでは発光素子２２〜２６がすべて点灯した場合を示しているが、前方に存在する他車両などの位置に応じて各発光素子２２〜２６の一部が消灯してもよい。

左方向への旋回時に、旋回方向の視認性を向上させるために発光素子２１が点灯し、車両左前方に照射光３１が形成される。そして、この左方向への旋回時には、右端の発光素子２７は点灯することがない。同様に、車両が右方向への旋回時には、旋回方向の視認性を向上させるために発光素子２７が点灯し、車両右前方に照射光３７が形成される。そして、この右方向への旋回時には、左端の発光素子２１は点灯することがない。つまり、発光素子２１と発光素子２７は、対をなしており、これら一対の発光素子２１、２７の一方が点灯する際に他方が点灯することはない。

図３は、左右それぞれへの旋回時の各発光素子の点消灯時期を示すタイミングチャートである。図３において、波形が相対的にハイレベルのときが「点灯」に対応し、ローレベルのときが「消灯」に対応している。上記したように一対の発光素子２１と発光素子２７は、同時に点灯することがなく常に排他的に点灯するという関係にあるので、発光素子２１、２７の駆動に必要となる電圧は、常に発光素子１つ分の電圧となる。このため、７つの発光素子２１〜２７が直列接続されているとすると、これらのうち同時に点灯させるのは最大で６個であるため、これら発光素子２１等に駆動電圧を与えるための電流供給部（例えばＤＣ−ＤＣコンバータ）に必要な供給能力は、発光素子６個分の駆動電圧を供給できる能力で足りることになる。

図４は、一実施形態の車両用灯具の構成を示す回路図である。図示の車両用灯具は、直列接続された７個の発光素子４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７および抵抗素子４８を含んで構成される光源１と、この光源１の点消灯を制御するための制御装置２を含んで構成されている。制御装置２は、降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ（電流供給部）４０と、制御回路（制御部）５０と、７個のトランジスタ（スイッチ素子）５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７を含んで構成されている。

降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、図示しない電源から電圧供給を受けて駆動電圧を生成し、この駆動電圧を光源１の各発光素子４１〜４７に印加することにより各発光素子４１〜４７に駆動電流を供給する。

制御回路５０は、各トランジスタ５１〜５７の制御端子（ゲート）と接続されており、各制御端子に対して制御信号を供給することによって各トランジスタ５１〜５７の電流経路（ソース・ドレイン間）の導通状態（導通／遮断）を制御する。

各トランジスタ５１〜５７は、それぞれの電流経路が各発光素子４１〜４７に対して並列に接続されており、制御端子が制御回路５０と接続されている。制御回路５０によって制御端子に制御信号が与えられることにより、各トランジスタ５１等の導通状態が制御される。例えば、トランジスタ５１が導通状態に制御されると、このトランジスタ５１の電流経路に電流が迂回するので、トランジスタ５１と並列接続された発光素子４１には実質的に電流が流れなくなり、この発光素子４１が消灯する。他のトランジスタ５２〜５７とそれらに対応する発光素子４２〜４７の関係も同様である。

図５は、光源の各発光素子の動作を説明するためのタイミングチャートである。制御回路５０は、各発光素子４１〜４７のうち６個以上が同時に点灯することがないように、予め設定した区間毎に少なくとも１個の発光素子が消灯するように、各トランジスタ５１〜５７の導通状態を制御する。

具体的には、本実施形態では、所定の発光周期を定め、この発光周期を、発光素子の数もしくはそれより大きい数で分割した各区間を定める。図示の例では、発光周期を７分割しており、１つの発光周期内に７つの区間が含まれている。そして、制御回路５０は、１つの発光周期において、各発光素子４１〜４７を７つの区間のうち、各々排他的に選択される何れか１つの区間で必ず消灯させるように各発光素子４１等を制御する。すなわち、各発光素子４１〜４７を消灯させるタイミングが互いに重複しないようにする。図示の例では、各発光周期ごとに、１番目の区間で発光素子４７が消灯し、２番目の区間で発光素子４６が消灯し、３番目の区間で発光素子４５が消灯し、４番目の区間で発光素子４４が消灯し、５番目の区間で発光素子４３が消灯し、６番目の区間で発光素子４２が消灯し、７番目の区間で発光素子４１が消灯するように、各発光素子４１等に対して供給される電流が制御される。なお、各発光素子４１〜４７について、消灯させるように設定された区間以外の区間においては、その発光素子を点灯させたい場合には対応するトランジスタが非導通状態に制御され、消灯させたい場合には対応するトランジスタが導通状態に制御される。

ここで、上記した発光周期については、例えば５ｍｓ（ミリ秒間）以下に設定することが好ましい。その理由について以下に説明する。一般的に、発光素子を５ｍｓ以下の周期で点滅させた場合、人間の視覚には点滅が知覚されることなく連続した点灯状態であると認識されることが知られている。例えば、制御対象となる発光素子がＮ個の場合、発光素子の明るさが電流に比例するものとすると、電流をＮ／（Ｎ−１）倍、点灯時間と消灯時間の比を（Ｎ−１）／Ｎ倍、点滅周期を２ｍｓ以下とすることで、明るさを維持し、かつＮ個の発光素子が同時に点灯しているように見える。このとき、電流が注入されている発光素子は（Ｎ−１）個であるので、駆動回路に要求される最大電圧を低下させることが可能となる。発光素子としてＬＥＤを用いた場合に、例えば制御対象とする発光素子の数を７個とすると、電流を７／６倍とし、上記図５に示したようなタイミングチャートに基づいて点灯・消灯を制御することで、明るさを低下させることなく、同時に点灯する発光素子の数を最大で６個にすることが可能となる。

発光素子へ与える電流を７／６倍とした場合、発光素子の１個当たりの順方向電圧の増加分ΔＶｆは以下のように表すことができる。
ΔＶｆ＝（ｎｋＴ／ｑ）×ｌｎ（７／６）
上記式における各パラメータは以下の通りである。
ｎ：ダイオード因子
ｋ：ボルツマン定数
Ｔ：絶対温度
ｑ：電流素量

仮に、ｎ＝３とすると、Ｔ＝３００ケルビン（約２７℃）において、ΔＶｆ＝１２ｍＶ（ミリボルト）となる。発光素子の順方向電圧を３Ｖとすると、この増加分ΔＶｆは０．４％に過ぎず、駆動回路に要求される最大電圧に対して与える影響は非常に軽微である。

制御対象となる発光素子の数がより多い場合、このような制御は特に有効となる。例えば、１個の駆動回路（本実施形態では、降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ４０）で１００個の発光素子を独立制御する場合を想定する。発光素子１個に与える駆動電圧を１０倍とし、各発光素子の点灯時間を１／１０として点灯した場合、上記式に基づいて駆動電圧の増加分を求めるとΔＶｆ＝１７９ｍＶとなる。発光素子の順方向電圧を３Ｖとすると、この駆動電圧の増加分ΔＶｆは、順方向電圧に対して６％程度に過ぎない。従って、発光素子が１００個であっても、発光素子１個当たりに与えられる平均電流は１／１０程度であるので、安価な駆動回路のままで、かつ駆動回路を増設することなく各発光素子を独立制御することができる。すなわち、発光素子に与える電流のピーク値を増加しつつ点消灯時間の比を低下させれば、駆動回路の増加を抑えることが可能となる。

以上のような実施形態によれば、部品コスト等を増大させることなく直列に接続可能な発光素子の数を増やすことが可能となる。

なお、本発明は上記した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、上記した実施形態では車両における左右の可変配光に用いる車両用灯具に本発明を適用した場合を例示していたが、車両における上下方向の可変配光に用いる車両用灯具に本発明を適用することも可能である。また、排他的に用いる発光素子を１組（１個ずつ）としていたが、２組以上の発光素子を排他的に用いてもよい。この場合、より多くの発光素子を直列接続し、各々個別に点消灯を制御することができる。

また、上記した実施形態では、発光素子の１個当たりの平均点灯率を［（Ｎ−１）／Ｎ］以下とすることで、各々個別に点消灯を制御することが可能な発光素子の数を１個増加させていたが、発光素子へ注入する電流に余裕がある場合には、より順方向電流を増加させるとともに平均点灯率を低下させることで、発光素子の直列接続数を２個以上増加させることも可能である。

また、上記した実施形態ではスイッチ素子の一例として電界効果型のトランジスタを示していたが、他のスイッチ素子（例えば、バイポーラ型のトランジスタなど）を用いてもよい。

また、上記した実施形態では、制御対象となる複数の発光素子を備える光源の用途の一例として車両用灯具を上げていたが光源の用途はこれに限定されない。

１：光源
２：制御装置
２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７：発光素子
３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７：照射光
４０：降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ
４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７：発光素子
５０：制御回路
５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７：トランジスタ

Claims (8)

1. 直列に接続された複数の発光素子を備える光源の点消灯を制御する装置であって、
   前記複数の発光素子の数をＮ個とすると、当該複数の発光素子のうち（Ｎ−１）個以下の発光素子に対して同時に電流を流す際に少なくとも１個の発光素子に対して実質的に電流を流さないように制御する、
   光源の制御装置。
2. 前記少なくとも１個の発光素子とは異なる電流経路に電流を迂回させることによって当該少なくとも１個の発光素子には実質的に電流を流さないように制御する、
   請求項１に記載の光源の制御装置。
3. 前記複数の発光素子に含まれる一対の発光素子の一方に電流を流す際に他方には実質的に電流を流さないことにより、前記（Ｎ−１）個以下の発光素子に対して同時に電流を流す際に前記少なくとも１個の発光素子に対して実質的に電流を流さないように制御する、
   請求項１又は２に記載の光源の制御装置。
4. 所定の発光周期ごとに、当該発光周期内において各々排他的に選択される区間で前記複数の発光素子の各々に対して電流を流さないことにより、前記（Ｎ−１）個以下の発光素子に対して同時に電流を流す際に前記少なくとも１個の発光素子に対して実質的に電流を流さないように制御する、
   請求項１又は２に記載の光源の制御装置。
5. 前記排他的に選択される区間は、前記発光周期を前記Ｎ又はそれより大きい数で分割した各区間の何れかである、
   請求項４に記載の光源の制御装置。
6. 前記発光周期を５ミリ秒間以下に設定する、
   請求項４又は５に記載の光源の制御装置。
7. 直列に接続された複数の発光素子を備える光源の点消灯を制御する装置であって、
   前記複数の発光素子の各々と並列に接続される複数のスイッチ素子と、
   前記複数の発光素子の直列回路に駆動電流を供給する電流供給部と、
   前記複数のスイッチ素子の各々の導通状態を制御する制御部と、
   を含み、
   前記制御部は、前記複数の発光素子の数をＮ個とすると、当該複数の発光素子のうち（Ｎ−１）個以下の発光素子の各々に対応する前記スイッチ素子を導通状態に制御する際に少なくとも１個の発光素子に対応する前記スイッチ素子を非導通状態に制御する、
   光源の制御装置。
8. 請求項１〜７の何れかに記載の制御装置と当該制御装置によって制御される光源を備える車両用灯具。

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