JP5006165B2

JP5006165B2 - 車両用灯具

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Publication number: JP5006165B2
Application number: JP2007300311A
Authority: JP
Inventors: 昌康伊藤; 文規塩津
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2027-11-20
Also published as: JP2009129564A; US20090129111A1; US8018087B2; CN101440923A; CN101440923B

Description

本発明は、車両用灯具において半導体発光素子で構成された半導体光源の点灯および該半導体光源の発熱を抑制する冷却用ファンの駆動を制御する技術に関する。

従来、半導体光源としての発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）と冷却用ファンを備えた照明装置が知られている。前記冷却用ファンは、前記ＬＥＤから生じる発熱により該ＬＥＤが高温化するのを防止する機能を有する。前記照明装置には前記冷却用ファンを回転駆動制御するファン駆動回路と前記ＬＥＤを駆動制御するＬＥＤ駆動回路が実装されている。

ここで、冷却用ファンは、複数のＬＥＤの背面側に設けられており、回転可能なプロペラを備える。この冷却用ファンにおけるプロペラの回転駆動によって生じる風をＬＥＤ側に送ることにより、ＬＥＤ自体の高温化を防止している（例えば特許文献１参照）。

上記照明装置を車両用灯具に適用することは半導体光源の長寿命につながるため、該半導体光源の交換作業回数を減らすことができるという観点から好適である。

特開２００１−２１６８０３号公報

上記した従来技術においては、ファン駆動回路とＬＥＤ駆動回路が別々に実装されているので、冷却用ファンでＬＥＤを冷却する場合、ＬＥＤが点灯しているときのみならず消灯しているときも冷却用ファンは駆動し続ける。

しかし、前記ＬＥＤが消灯しているときには該ＬＥＤは発熱せず前記冷却用ファンを駆動させる必要はない。従って、上記従来技術では本来必要のない電力を消費しているという問題が生じる。すなわち、省電力という観点からみた場合ＬＥＤが点灯しているときだけ前記冷却用ファンを駆動させ、ＬＥＤが消灯しているときには前記冷却用ファンを駆動させないことが望ましい。上記した従来技術では前記ＬＥＤが消灯しているときも前記冷却用ファンは駆動し続けるため、省電力を図ることはできず、前記冷却用ファンの寿命を短くしてしまう。

また、例えば、前記冷却用ファンヘの電流供給の配線が開放した場合、前記ＬＥＤにのみ電流が供給されるため該ＬＥＤは発熱し続ける。この場合には、ＬＥＤの耐久性向上のために前記ＬＥＤへの電流供給を停止する必要が生じるが、上記した従来技術では前記冷却用ファンが駆動されていないにもかかわらず前記ＬＥＤは発熱し続けるため該ＬＥＤの寿命を短くしてしまう。

上記した問題点を解消するために、前記冷却ファンの駆動状態および前記ＬＥＤの点灯状態を監視する部品と共に、その監視結果に応じて前記冷却ファンと前記ＬＥＤをコントロールする部品が別途必要となることが考えられる。この場合部品点数が増えてしまい車両用灯具の低コスト化を図ることはできない。

そこで、本発明は、前記冷却用ファンヘの電流供給の配線が開放した場合でもコストアップの上昇を来たすことなくＬＥＤへの電流供給を停止することが可能な車両用灯具を提供することを課題とする。

本発明の第１の態様による車両用灯具は、先ず、半導体光源と、前記半導体光源と直列接続され、前記半導体光源を冷却するファンと、電源から供給される電力を受け、前記半導体光源および前記ファンに電流を供給する電流供給回路とを備えるようにしたものである。

そして、次に、前記電流供給回路は、前記ファンと並列に接続され、オフ動作時に前記半導体光源および前記ファンに電流を供給し、オン動作時に前記ファンにのみバイパスして前記ファンに入力する電流の供給を停止するスイッチ素子と、前記スイッチ素子を駆動するスイッチ駆動回路とを有する。そして、さらに、前記スイッチ素子のデューティ比は前記ファンに入力される平均電流の大きさを所定の定格電流以下にするように設定されることが好ましい。

また、前記電流供給回路は該電流供給回路から供給される出力電流を検出する電流検出回路を有し、前記電流検出回路によって検出された出力電流の大きさが予め決められた閾値以下になった状態が所定の基準時間継続した場合に、前記出力電流を停止するように制御し、前記基準時間は前記スイッチ素子のオフ動作時間以下であることが好ましい。

請求項１に記載した発明にあっては、冷却用ファンを駆動する駆動回路と半導体光源を駆動する駆動回路を共用することができ、部品点数の削減を図ることができ、また、半導体光源が消灯しているときには冷却用ファンを駆動させず、省電力を図ることができる。そして、もし、スイッチ素子にデューティ比を設定すれば、冷却用ファンに供給する平均電流（ファン電流）を定格電流にまで抑制することが可能になる。

請求項２に記載した発明にあっては、半導体光源に供給する電流が冷却用ファンに供給される平均電流を該冷却用ファンの定格電流以下に制限することができる。

請求項３に記載した発明にあっては、冷却用ファンヘの電流供給の配線が開放した場合でもコストの上昇を来たすことなく半導体光源への電流供給を停止することができ、該半導体光源の温度上昇による故障を防止することができる。

以下、本発明の基本的構成例と実施の形態に係る車両用灯具について説明する。図１は本発明に係る車両用灯具の構成の概略を示した図である。

図１に示されるように車両用灯具１は、半導体光源として用いられるＬＥＤ３と、電流を供給して負荷を駆動制御する電流供給回路４と、冷却用ファン５を備えて構成されている。

ＬＥＤ３はリフレクター２の内側に実装されている。ＬＥＤ３は電流供給回路４に接続されており、電流供給回路４から供給される定電流（以下、「ＬＥＤ電流」と呼ぶ。）によって駆動される。電流供給回路４は、リフレクター２の背面側に設けられ、リフレクター２の背面側に設けられた冷却用ファン５に接続されている。冷却用ファン５は電流供給回路４から供給される定電流（以下、「ファン電流」と呼ぶ。）によって駆動される。

冷却用ファン５は、車両用灯具１の内部において、ＬＥＤ３や電流供給回路４に向けて直接送風することにより、あるいは車両用灯具１内の空気を循環させることにより、車両用灯具１内の温度がＬＥＤ３または電流供給回路４で生じる発熱により局所的に高くなる事態を防止する。

次に、本発明の基本的構成例について説明する。図２は本発明の基本的構成例を示した図である。

電流供給回路４はＬＥＤ６，７，８へＬＥＤ電流を流すように駆動制御する。電流供給回路４の回路形態は、スイッチングレギュレータを含んで構成されてもよいしシリーズレギュレータを含んで構成されてもよく、その形態は問わない。ＬＥＤ６，７，８は３つ直列接続されているが、その数は問わない。冷却用ファン５はＬＥＤ６，７，８と直列に接続されている。

電流供給回路４によってＬＥＤ６，７，８へＬＥＤ電流が供給されるとＬＥＤ６，７，８が駆動して点灯する。ＬＥＤ６，７，８が駆動して点灯すると、冷却用ファン５にもファン電流が流れ、冷却用ファン５はＬＥＤ６，７，８の駆動と同時に回転駆動する。逆に電流供給回路４によるＬＥＤ６，７，８へのＬＥＤ電流の供給が停止するとＬＥＤ６，７，８の駆動が停止してＬＥＤ６，７，８は消灯する。ＬＥＤ６，７，８が消灯すると、冷却用ファン５へのファン電流の供給が停止し、冷却用ファン５はＬＥＤ６，７，８の駆動停止と同時に回転駆動を停止する。

ＬＥＤ６，７，８に断線等の開放異常が生じた場合には冷却用ファン５ヘのファン電流の供給が停止し、冷却用ファン５の回転駆動は停止する。上記したような構成によれば、ＬＥＤ６，７，８に開放異常が生じた場合でも依然として冷却用ファン５だけが回転駆動し続けるという事態を避けることができる。

冷却用ファン５に断線等の開放異常が生じた場合にはＬＥＤ６，７，８への電流供給が停止し、ＬＥＤ６，７，８は消灯する。上記したような構成によれば、冷却用ファン５に開放異常が生じた場合でも依然としてＬＥＤ６，７，８だけが点灯して発熱し続けるという事態を避けることができる。

ここで、電流供給回路４の構成について説明する。図３は電流供給回路の構成を示した図である。図４は電流供給回路に設けられるスイッチングレギュレータの構成を説明するための図である。

図３に示されるように電流供給回路４は、車両用灯具（発光装置）１の一要素として、スイッチングレギュレータ１１と、制御用電源１２と、スイッチングレギュレータ１１をオンオフ動作させるようにオンオフ信号（スイッチング信号）を送出しＬＥＤ６，７，８に対する電流の供給を制御する電流供給制御手段として用いられる制御回路１３とから構成されている。制御用電源１２は制御回路１３を動作させる機能を有する。

図４に示されるように、各ＬＥＤ６，７，８は、半導体発光素子で構成された半導体光源として、スイッチングレギュレータ１１（図３参照）の出力側に直列に接続されている。ＬＥＤ６，７，８は、ヘッドランプ、ストップアンドテールランプ、フォグランプ、ターンシグナルランプ等の各種の車両用灯具の光源として構成することができる。

スイッチングレギュレータ１１は、図４に示すように、トランスＴ、コンデンサＣ１、ＮＭＯＳトランジスタ１６、ダイオードＤ１、Ｄ２、コンデンサＣ２を備えて構成されている。トランスＴの一次側にはコンデンサＣ１が並列に接続されていると共に、ＮＭＯＳトランジスタ１６が直列に接続されている。コンデンサＣ１の一端側は、ダイオードＤ１を介して車載バッテリ（直流電源）１５のプラス端子に接続され、他端側は車載バッテリ１５のマイナス端子に接続されている。ＮＭＯＳトランジスタ１６はドレインがトランスＴの一次側に接続され、ソースが車載バッテリ１５のマイナス端子に接続され、ゲートが制御回路１３に接続されている。トランスＴの二次側にはダイオードＤ２を介してコンデンサＣ２が並列に接続されており、ダイオードＤ２とコンデンサＣ２との接続点はＬＥＤ６のアノード側に接続されるようになっている。トランスＴの二次側の一端側とコンデンサＣ２の一端側は、シャント抵抗Ｒ１、冷却用ファン５を介してＬＥＤ８のカソード側に接続されるようになっている。シャント抵抗Ｒ１と冷却用ファン５の接続点は制御回路１３に接続されている。シャント抵抗Ｒ１は、ＬＥＤ６，７，８に供給される電流を検出する電流検出手段として構成されており、シャント抵抗Ｒ１の両端に生じる電圧をＬＥＤ６，７，８の電流として、制御回路１３にフィードバックするようになっている。

ＮＭＯＳトランジスタ１６は、制御回路１３から出力されるオンオフ信号（スイッチング信号）に応答してオンオフ動作するスイッチング素子として構成されている。ＮＭＯＳトランジスタ１６がオン動作したときには、車載バッテリ１５からの入力電圧が電磁エネルギーとしてトランスＴに蓄積され、ＮＭＯＳトランジスタ１６のオフ動作時に、トランスＴに蓄積された電磁エネルギーが発光エネルギーとしてトランスＴの二次側からダイオードＤ２を介してＬＥＤ６，７，８に放出されるようになっている。

すなわち、スイッチングレギュレータ１１は、制御回路１３と共に車載バッテリ１５から電力の供給を受けてＬＥＤ６，７，８に対する電流の供給を制御する電流供給制御手段として構成されている。この場合、スイッチングレギュレータ１１は、シャント抵抗Ｒ１におけるドロップ電圧と予め規定された規定電圧（閾値）とを比較し、この比較結果に応じてＬＥＤ６，７，８に出力する出力電流を制御するように構成されている。

次に、本発明の第１の実施の形態に係る車両用灯具について説明する。図５は本発明の第１の実施の形態に係る車両用灯具の構成を示した図である。なお、本発明の第１の実施の形態に係る車両用灯具１はスイッチ手段ＳＷ１を冷却用ファン５と並列に接続した構成となっているが、これ以外の構成は上記した基本的構成例と同様であるので説明を省略する。

ここで、上記した基本的構成例の場合、ＬＥＤ６，７，８へ供給する電流と冷却用ファン５に流れる電流の大きさが一致するので、ＬＥＤ６，７，８および冷却用ファン５のそれぞれの定格電流や光量・風量に制約を受けてしまう場合がある。

また、冷却用ファンが必要になるのはＬＥＤへ多大な電流を供給する場合（例えば、ヘッドランプ用途）であり、ＬＥＤへ供給したい電流を冷却用ファンにそのまま供給すると、冷却用ファンの定格電流を上回る場合も生じる。この場合定格電流が大きい冷却用ファンを用いてもよいが、コストの低減を図るためには定格電流が小さい冷却用ファンを用いることが望ましい。

そこで、本第１の実施の形態によれば後述するスイッチ素子ＳＷ１を電流供給回路４０に設けることによって上記した基本的構成例にさまざまな定格電流をもつ冷却用ファンを実装することができる。

図５に示すようにスイッチ素子ＳＷ１は冷却用ファン５と並列に接続される。スイッチ素子ＳＷ１は、オフ動作時にＬＥＤ６，７，８および冷却用ファン５に電流を供給し、オン動作時に冷却用ファン５に対してのみ電流経路を迂回（バイパス）させて冷却用ファン５に対する電流の供給を停止する機能を有する。

なお、スイッチ素子は単なるスイッチで示しているが、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ：Field effect transistor）やＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子が好ましい。

制御回路１３内のスイッチ駆動回路１８は、スイッチ素子ＳＷ１のオンオフ動作をさせるためのオンオフ信号（例えば、ハイレベル信号またはローレベル信号）をスイッチ素子ＳＷ１に出力し、スイッチ素子ＳＷ１の駆動を制御する。図７を例にすると、スイッチ駆動回路１８は、オンデューティ（Ｏｎ・Ｄｕｔｙ）が８０％になるようにスイッチ素子ＳＷ１をスイッチング制御している。

このとき、スイッチ素子ＳＷ１のデューティ比は冷却用ファン５に入力される平均電流の大きさを所定の定格電流以下にするよう設定される。

例えばＬＥＤへ流したい電流（ＬＥＤ電流）が１Ａで、定格電流２００ｍＡの冷却用ファン５を使用したいときには、スイッチ素子ＳＷ１のオフデューティ（Ｏｆｆ・Ｄｕｔｙ）を２０％に設定すれば冷却用ファン５に供給する平均電流（ファン電流）を前記定格電流にまで抑制することができる。前記ＬＥＤ電流が１Ａで、定格電流１００ｍＡの冷却用ファンを使用したいときには、スイッチ素子ＳＷ１のオフデューティを１０％に設定すればファン電流を前記定格電流にまで抑制することができる。

なお、本実施の形態ではオフデューティの設定とあるがオンデューティの設定をしてもよい。上記例ではオフデューティ２０％の設定の場合にはオンデューティ８０％の設定でも上記同様の効果が得られる。オフデューティ１０％の設定の場合にはオンデューティ９０％の設定でもよい。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る車両用灯具について説明する。図６は本発明の第２の実施の形態に係る車両用灯具の構成を示した図である。なお、本実施の形態に係る車両用灯具はスイッチ素子ＳＷ１を冷却用ファン５と並列に接続し、スイッチ素子ＳＷ１の一端に電流検出手段として用いられるシャント抵抗Ｒ２を備えた構成となっているが、これ以外の構成については上記した基本的構成例及び第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。

上記した第１の実施の形態における車両用灯具１の構成では、ＬＥＤ６，７，８の内の少なくとも一つに断線等の開放異常が生じた場合、冷却用ファン５に電流供給する経路が無くなるので、自然に冷却用ファン５は停止する。一方、冷却用ファン５にのみ断線等の開放異常が生じた場合には、ＬＥＤ６，７，８にはＬＥＤ電流が供給され続け、スイッチ素子ＳＷ１のデューティ比（オンデューティとオフデューティの割合）の設定に従ったオン・オフ動作の周期でＬＥＤ６，７，８は点滅を繰り返すことになる。

そこで、冷却用ファン５にのみ断線等の開放異常が生じた場合でも、本実施の形態によれば後述する電流検出回路としてのシャント抵抗Ｒ２をスイッチ素子ＳＷ１の一端に設けることによって、ＬＥＤ６，７，８の駆動を停止することができる。

以下、図７（Ａ）〜（Ｃ）を参照して本第２の実施の形態における車両用灯具の動作について説明する。図７（Ａ）はスイッチ素子ＳＷ１の動作を示す波形図である。図７（Ｂ）は通常時、すなわちＬＥＤ６，７，８、冷却用ファン５共に異常がない場合における電流供給回路の動作を説明するための波形図である。図７（Ｃ）は冷却用ファン５の異常時、すなわち冷却用ファン５にのみ断線等の開放異常が生じた場合における電流供給回路の動作を説明するための波形図である。

シャント抵抗Ｒ２は、ＬＥＤ６，７，８に供給される電流を検出する電流検出手段として構成されている。シャント抵抗Ｒ２による電流検出は、シャント抵抗Ｒ２の両端に生じる電圧をＬＥＤ６，７，８に供給される電流（ＬＥＤ電流またはシャント抵抗電流）として検出される。このようにして検出されたＬＥＤ電流の大きさを示す監視信号は制御回路１３にフィードバックされる。

制御回路１３は、フィードバックされたシャント抵抗Ｒ２で検出されたＬＥＤ電流の大きさが予め規定された所定の電流値（閾値）以上か否かを判定する比較器（図示せず）を有する。スイッチ駆動回路１８は、スイッチ素子ＳＷ１のオンオフ動作をさせるためのオンオフ信号（例えば、ハイレベル信号またはローレベル信号）をスイッチ素子ＳＷ１に出力し、スイッチ素子ＳＷ１の駆動を制御する。

ＬＥＤ６，７，８、冷却用ファン５共に異常なく、正常である通常時には、図７（Ｂ）の波形図に示すようにＬＥＤ電流、すなわち電流供給回路から出力される出力電流は一定になる。

ここで、前記ファン電流はスイッチ素子ＳＷ１がオフ動作のときに流れ、スイッチ素子ＳＷ１がオン動作のときには流れない。また、図７（Ｂ）の図に示されるようにスイッチ素子ＳＷ１のオンデューティが８０％であれば、ファン電流はデューティ２０％で冷却用ファン５に対して供給される。

一方、冷却用ファンが開放（オープン）した場合、前記ＬＥＤ電流はオンデューティ８０％の電流となり、スイッチ素子ＳＷ１のオフ動作時間の間流れず、前記ファン電流も流れない。この特徴を利用したものが本実施の形態である。なお、図７（Ｂ），（Ｃ）の波形図は概ねオフデューティ２０％の場合を示している。

前記ＬＥＤ電流の大きさが所定の電流値（所定の閾値）を下回る場合には前記ファン電流は流れないので、冷却用ファン５に何らかの異常が生じていることがわかる。本実施の形態に係る車両用灯具は、上記した電流検知によってそのような異常な状態を検出し、その後冷却用ファンの駆動を停止する制御を行う。

上記制御について詳細に説明する。シャント抵抗Ｒ２は常時ＬＥＤ電流を監視し、ＬＥＤ電流の大きさが前記所定の閾値を下回った場合には制御回路１３はＬＥＤ６，７，８の駆動を停止するようスイッチングレギュレータ１１を制御する。

ここで、前記所定の閾値はＬＥＤ電流が１Ａとした場合には任意の値とすることが可能であるが、ＬＥＤ電流の５０％程度以下であることが望ましい。

また、スイッチ素子ＳＷ１のオフ動作時間はＬＥＤ電流をシャント抵抗Ｒ２で検出する検出時間以上であることが必要となる。これは前記オフ動作時間が前記検出時間以下であれば、ＬＥＤ電流が供給されていないという事実が検出できないからである。

例えばスイッチ素子ＳＷ１のオン・オフ周期を１００Ｈｚと設定した場合、オフデューティー２０％におけるオフ動作時間は２ミリ秒（２ｍｓ）となる。オフ動作時間が２ミリ秒であると仮定すると、前記検出時間は２ミリ秒以下であることが必要である。

前記基準時間として用いられる前記検出時間を例えば１．５ミリ秒、前記予め決められた閾値を例えば０．５Ａとした場合、検出時間１．５ミリ秒の間に、シャント抵抗Ｒ２によって検出されたＬＥＤ電流の大きさが０．５Ａを下回ったときには制御回路１３はＬＥＤ６，７，８の駆動を停止するようスイッチングレギュレータ１１を制御する。

なお、検出時間１．５ミリ秒の間、ＬＥＤ電流の大きさが０．５Ａを下回った回数が複数回（例えば１００回）継続して発生した場合はＬＥＤ駆動を停止してもよい。一方、前記下回った回数が例えば１回である場合その原因がノイズ等による場合があるので、一回で異常と判定してもよいが、より正確な判定を求める場合には複数回以上、前記異常の判定を行う必要がある。
これにより部品コストの低減が図れ、ＬＥＤ６，７，８と冷却用ファン５のいずれか一方の異常時には、他方を停止させることが可能となる。

上記した各実施の形態は、本発明を好適に実施した形態の一例に過ぎず、本発明は、その主旨を逸脱しない限り、種々変形して実施することが可能なものである。

本発明に係る車両用灯具の構成の概略を示した図である。本発明の基本的構成例を示した図である。電流供給回路の構成を示した図である。電流供給回路に設けられるスイッチングレギュレータの構成を説明するための図である。本発明の第１の実施の形態に係る車両用灯具の構成を示した図である。本発明の第２の実施の形態に係る車両用灯具の構成を示した図である。（Ａ）はスイッチ素子ＳＷ１の動作を示す波形図であり、（Ｂ）は通常時における電流供給回路の動作を説明するための波形図であり、（Ｃ）は冷却用ファンにのみ開放異常が生じた場合における電流供給回路の動作を説明するための波形図である。

符号の説明

１…車両用灯具、２…リフレクター、３，６，７，８…ＬＥＤ，４，４０，５０…電流供給回路、５…冷却用ファン、１１…スイッチングレギュレータ、１２…制御用電源、１３…制御回路、１５…車載バッテリ、１６…ＮＭＯＳトランジスタ、１８…スイッチ駆動回路、ＳＷ１…スイッチ素子

Claims

半導体光源と、
前記半導体光源と直列接続され、前記半導体光源を冷却するファンと、
電源から供給される電力を受け、前記半導体光源および前記ファンに電流を供給する電流供給回路とを有し、
前記電流供給回路は、
前記ファンと並列に接続され、オフ動作時に前記半導体光源および前記ファンに電流を供給し、オン動作時に前記ファンにのみバイパスして前記ファンに入力する電流の供給を停止するスイッチ素子と、
前記スイッチ素子を駆動するスイッチ駆動回路とを有する
ことを特徴とする車両用灯具。
前記スイッチ素子のデューティ比は前記ファンに入力される平均電流の大きさを所定の定格電流以下にするように設定される
ことを特徴とする請求項１記載の車両用灯具。
前記電流供給回路は該電流供給回路から供給される出力電流を検出する電流検出回路を有し、
前記電流検出回路によって検出された出力電流の大きさが予め決められた閾値以下になった状態が所定の基準時間継続した場合に、前記出力電流を停止するように制御し、
前記基準時間は前記スイッチ素子のオフ動作時間以下である
ことを特徴とする請求項２記載の車両用灯具。