JP6811051B2 - 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灯具に関する。

従来、車両用灯具、特に前照灯の光源としては、ハロゲンランプやＨＩＤ（High Intensity Discharge）ランプが主流であったが、近年それらに代えて、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（半導体レーザ）などの半導体光源を用いた車両用灯具の開発が進められている。

半導体光源の光量を制御する方式として、駆動電流（ランプ電流）の量（振幅あるいは波高値）を変化させるアナログ調光と、駆動電流をスイッチングし、スイッチングのデューティ比を変化させるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）調光が知られている。図１は、本発明者らが検討した灯具システム２００Ｒのブロック図である。灯具システム２００Ｒは、外部コントローラ２０２、バッテリ２０４、スイッチ２０６および車両用灯具３００Ｒを備える。外部コントローラ２０２は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）とも称され、車両用灯具３００Ｒを制御するマイコン（プロセッサ）を有する。

ＥＣＵ２０２は、車両用灯具３００Ｒを点灯させるときに、スイッチ２０６をオンする。これにより、バッテリ電圧Ｖ_ＢＡＴが車両用灯具３００Ｒに供給される。また、ＥＣＵ２０２は、スイッチ２０６のオンと連動して、車両用灯具３００Ｒの光量を指示するＰＷＭ信号を生成し、車両用灯具３００Ｒに入力する。

車両用灯具３００Ｒは、半導体光源３０２および駆動回路３０４を備える。半導体光源３０２はＬＥＤである場合、駆動回路３０４は、ＬＤＭ（LED Driver Module）とも称される。駆動回路３０４は、定電流出力のスイッチングコンバータとそのコントローラを含み、ＰＷＭ信号に応じて半導体光源３０２に供給するランプ電流Ｉ_ＬＡＭＰをスイッチングする。また駆動回路３０４は、車両用灯具３００Ｒの異常を検出すると、診断信号ＤＧをアサートし、ＥＣＵ２０２に通知する。

特開２０１０−１４７２２０号公報

このような灯具システム２００Ｒにおいて、ＥＣＵ２０２と車両用灯具３００Ｒの間は、ワイヤハーネス２１０を介して電気的に接続される。このワイヤハーネス２１０に断線などの異常が発生すると、ＰＷＭ信号が駆動回路３０４に供給されなくなり、半導体光源３０２の光量が制御不能となるため、ワイヤハーネス２１０の異常検出機能が必要となる。

この問題を解決するために、ワイヤハーネス２１０にリターンライン２１２が設けられており、駆動回路３０４の内部を迂回したＰＷＭ信号が、ＥＣＵ２０２に戻されている。ＥＣＵ２０２は、送信したＰＷＭ信号と戻ってきたＰＷＭ信号を比較し、一致（マッチ）していれば正常、不一致（アンマッチ）のときに異常と判定することができる。

しかしながら図１の異常検出方法では、リターンライン２１２が必要であり、ＥＣＵ２０２や駆動回路３０４側にリターン用の追加のピンが必要であるため、灯具システム２００Ｒの接続が複雑化する。

本発明はかかる状況におい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、従来と異なる異常検出技術の提供にある。

本発明のある態様は、半導体光源を点灯させる点灯回路に関する。点灯回路は、コントローラからのＰＷＭ信号を受け、半導体光源への駆動電流を生成し、当該駆動電流をＰＷＭ信号に応じてスイッチングする駆動回路を備える。点灯回路は、ＰＷＭ信号の無入力状態が所定時間経過すると、異常検出信号をアサートし、異常検出信号をコントローラに出力する。

この態様によると、点灯回路側にＰＷＭ信号の異常検出手段を設け、検出結果をコントローラに通知することにより、ワイヤハーネスのリターンラインが不要となる。

コントローラによる点灯回路への電源供給開始とＰＷＭ信号の供給開始は同期していてもよい。これにより、点灯回路は、電源供給をトリガーとしてＰＷＭ信号の無入力状態を測定すればよい。

点灯回路の異常を示す異常検出信号とＰＷＭ信号の異常を示す異常検出信号は論理合成され、単一の信号ラインを介してコントローラに供給されてもよい。

駆動回路は、コンバータと、ＰＷＭ信号に応じてコンバータを制御するコンバータコントローラと、を備えてもよい。コンバータコントローラは、所定時間連続したＰＷＭ信号の無入力状態を検出するタイマー回路を含んでもよい。

タイマー回路は、コンバータコントローラの外部に設けられてもよい。

コンバータコントローラは、点灯回路で使用される電源電圧を生成するレギュレータを含み、所定時間連続したＰＷＭ信号の無入力状態が検出されると電源電圧をシャットダウンし、これによりコントローラに供給される異常検出信号がアサート状態となってもよい。

本発明の別の態様は、車両用灯具に関する。車両用灯具は、半導体光源と、上述のいずれかの点灯回路と、を備えてもよい。

本発明のある態様によれば、ＰＷＭ信号の異常を検出できる。

本発明者らが検討した灯具システムのブロック図である。 実施の形態に係る点灯回路を備える灯具システムのブロック図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、図２の灯具システムの正常時および異常時の動作波形図である。 車両用灯具の構成例のブロック図である。 灯具システムの別の構成例を示すブロック図である。 灯具システムのさらに別の構成例を示すブロック図である。

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４００を備える灯具システム２００のブロック図である。灯具システム２００は、ＥＣＵ（コントローラ）２０２、バッテリ２０４、スイッチ２０６、車両用灯具３００を備える。ＥＣＵ２０２、バッテリ２０４、スイッチ２０６については基本的に図１と同様である。

ＥＣＵ２０２と車両用灯具３００（点灯回路４００）の間は、二本のワイヤハーネス２１４で接続されている。ワイヤハーネス２１４ａには、ＥＣＵ２０２が生成したＰＷＭ信号が伝送する。またワイヤハーネス２１４ｂには、車両用灯具３００が生成した診断信号ＤＧが伝送する。診断信号ＤＧは、車両用灯具３００やワイヤハーネス２１４等において生ずる異常や故障を示す異常検出信号である。

車両用灯具３００は、半導体光源３０２および点灯回路４００を備える。点灯回路４００は、ＥＣＵ２０２からのＰＷＭ信号を受け、半導体光源３０２への駆動電流（ランプ電流）Ｉ_ＬＡＭＰを生成し、当該駆動電流Ｉ_ＬＡＭＰをＰＷＭ信号に応じてスイッチングする。

点灯回路４００は、ＰＷＭ信号の無入力状態が所定時間（判定時間τ）経過すると、異常検出信号すなわち上述の診断信号ＤＧをアサートし、異常検出信号をＥＣＵ２０２に出力する。アサートは、ハイレベルであってもよいし、ローレベルであってもよいし、ハイインピーダンス状態であってもよい。判定時間τは、ＰＷＭ信号の周期よりある程度長く定めることができる。通常ＰＷＭ信号は、数百Ｈｚ程度（周期は数ｍｓ）であるから、判定時間τは、数十〜数百ｍｓとすることができる。

点灯回路４００は、機能的に、駆動回路４１０、異常検出回路４２０、ＯＲ回路４３０を備える。駆動回路４１０は定電流出力を有し、その出力電流Ｉ_ＬＡＭＰをＰＷＭ信号に応じてスイッチング可能となっている。駆動回路４１０は、その内部あるいは半導体光源３０２に異常を検出すると、異常検出信号ＤＧ２をアサートする。この異常検出信号ＤＧ２は、上述した診断信号ＤＧとしてＥＣＵ２０２に送信される。

異常検出回路４２０は、ＰＷＭ信号の異常、具体的には、ワイヤハーネス２１４ａの断線や地絡などの異常を検出する。具体的には異常検出回路４２０は、ＰＷＭ信号の無入力状態が、判定時間τ持続すると、異常検出信号ＤＧ１をアサートする。異常検出回路４２０は、タイマー回路で構成することができる。

なお図２は、異常検出回路４２０やＯＲ回路４３０が、必ずしも駆動回路４１０と別個のハードウェアであることを示している訳ではなく、それらは駆動回路４１０と一体に（あるいは内蔵）されてもよい。

ＥＣＵ２０２による点灯回路４００への電源供給開始、言い換えればスイッチ２０６のターンオンのタイミングと、ＰＷＭ信号の供給開始は同期している。すなわち、ＥＣＵ２０２は、スイッチ２０６をターンオンすると同時に、あるいはターンオンから点灯回路４００の起動時間にもとづく所定時間の経過後に、ＰＷＭ信号を供給開始する。この場合、異常検出回路４２０は、車両用灯具３００（点灯回路４００）に電源電圧Ｖ_ＢＡＴが供給され、動作可能となると直ちにＰＷＭ信号の監視を開始すればよい。

点灯回路４００の異常を示す異常検出信号ＤＧ２とＰＷＭ信号の異常を示す異常検出信号ＤＧ１は論理合成され、単一の信号ライン（ワイヤハーネス）２１４ｂを介してＥＣＵ２０２に供給してもよい。ＯＲ回路４３０は、２つの異常検出信号ＤＧ１とＤＧ２を論理合成（論理和）し、診断信号ＤＧを生成する。ＯＲ回路４３０は、必ずしもＯＲゲートを含む必要はなく、２つの異常検出信号ＤＧ１，ＤＧ２の少なくとも一方がアサートされたときに、診断信号ＤＧがアサートされるように構成すればよい。またＯＲ回路４３０は、オープンコレクタ形式あるいはオープンドレイン形式の出力段を含んでもよいし、ワイヤハーネス２１４ｂを駆動するためのドライバ（バッファ）を含んでもよい。

以上が点灯回路４００を備える灯具システム２００の構成である。続いてその動作を説明する。図３（ａ）、（ｂ）は、図２の灯具システム２００の正常時および異常時の動作波形図である。本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。

図３には、スイッチ２０６のオン、オフを示す信号ＳＷ、ＰＷＭ信号、診断信号ＤＧ、ランプ電流Ｉ_ＬＡＭＰが示される。ＰＷＭ信号は、ローレベルが点灯を、ハイレベルが消灯に対応している。なおランプ電流Ｉ_ＬＡＭＰの波形は実際にはＰＷＭ信号に追従してスイッチングするが、図３では平均値を示している。

図３（ａ）を参照し、正常時の動作を説明する。時刻ｔ_０より前においてスイッチ２０６はオフであり、ＰＷＭ信号はハイレベル（消灯）となっている。時刻ｔ_０に、半導体光源３０２を点灯させるために、ＥＣＵ２０２がスイッチ２０６をターンオンする。ＥＣＵ２０２がターンオンすると、バッテリ電圧（電源電圧）Ｖ_ＢＡＴが車両用灯具３００に供給され、駆動回路４１０や異常検出回路４２０が動作可能となる。ＥＣＵ２０２は、スイッチ２０６をターンオンするとともに、ＰＷＭ信号を生成する。半導体光源３０２の輝度を緩やかに上昇させるために、ＰＷＭ信号のデューティ比を緩やかに増加させてもよい。ランプ電流Ｉ_ＬＡＭＰの平均値は、ＰＷＭ信号のデューティ比にしたがって変化する。

図３（ｂ）を参照し、異常時の動作を説明する。時刻ｔ_０に、半導体光源３０２を点灯させるために、ＥＣＵ２０２がスイッチ２０６をターンオンし、図３（ａ）と同じＰＷＭ信号を生成する。ところが、ワイヤハーネス２１４ａの断線によって、点灯回路４００が受信するＰＷＭ信号は一定レベル（一例としてハイレベル）となる。異常検出回路４２０は、時刻ｔ_１に測定を開始し、判定時間τ経過後の時刻ｔ_２に異常検出信号ＤＧ２（ＤＧ）がアサートされ、ＥＣＵ２０２に通知される。

以上が灯具システム２００の動作である。この灯具システム２００によれば、点灯回路４００側にＰＷＭ信号の異常検出手段を設け、検出結果をＥＣＵ２０２に通知することにより、図１のワイヤハーネスのリターンラインが不要となる。すなわちワイヤハーネスの本数を１本減らすことができるため、灯具システム２００を簡素化できる。

本発明は、図２のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、回路に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。

図４は、車両用灯具３００の構成例のブロック図である。点灯回路４００は、コンバータ４１２、コンバータコントローラ４１４、ＯＲ回路４３０および回路ブロック４４０を備える。コンバータ４１２は降圧コンバータであり、スイッチングトランジスタＭ_１，同期整流トランジスタＭ_２、インダクタＬ_１、平滑キャパシタＣ_１を含む。なおコンバータ４１２のトポロジーはこれに限定されない。なお、ハイサイド側のスイッチングトランジスタＭ_１を駆動するためのブートストラップ回路などは省略している。

コンバータコントローラ４１４は、コンバータ４１２を制御する機能ＩＣであり、主として、パルス発生器４１６、ドライバ４１８を含む。コンバータコントローラ４１４の入力（ＶＩＮ）には電源電圧Ｖ_ＢＡＴが、ＣＳ（電流検出）ピンには、ランプ電流Ｉ_ＬＡＭＰに応じた検出信号が入力され、ＰＷＭピンにはＥＣＵ２０２からのＰＷＭ信号が入力される。ＬＸ（スイッチング）ピンは、インダクタＬ_１と接続される。パルス発生器４１６は、検出信号Ｖ_ＣＳが目標値に近づくように、パルス信号Ｓ_１を生成する。パルス発生器４１６は、エラーアンプを用いたパルス幅変調器やパルス周波数変調器で構成してもよいし、ヒステリシス制御（Bang-Bang制御）のコントローラであってもよい。

ドライバ４１８は、パルス信号Ｓ_１にもとづいてトランジスタＭ_１，Ｍ_２をスイッチングする。またドライバ４１８は、ＰＷＭ信号が消灯を指示する期間、ランプ電流Ｉ_ＬＡＭＰを遮断する。

コンバータコントローラ４１４は、タイマー回路４２２および内部電源回路４２４を備える。内部電源回路４２４はたとえばリニアレギュレータであり、ＶＩＮピンの電圧Ｖ_ＢＡＴを受け、安定化された電源電圧Ｖ_ＣＣ＿Ｍを生成する。電源電圧ＶＣＣ＿Ｍは、コンバータコントローラ４１４のＶＣＣピンから外部に出力され、コンバータコントローラ４１４の外部のさまざまな回路（不図示）に供給される。

タイマー回路４２２はＰＷＭ信号を受け、無入力状態の時間が判定時間τ持続すると、異常検出信号ＤＧ１をアサートする。内部電源回路４２４は、異常検出信号ＤＧ１のアサートに応答して停止する。なお異常検出信号ＤＧ１のアサートに応じて、コンバータコントローラ４１４全体がシャットダウンしてもよい。内部電源回路４２４が停止すると、電源電圧ＶＣＣ＿Ｍがゼロとなる。タイマー回路４２２および内部電源回路４２４は、図２の異常検出回路４２０に相当する。電源電圧ＶＣＣ＿Ｍは、異常検出信号ＤＧ１を兼ねている。

回路ブロック４４０は、コンバータコントローラ４１４の外部、あるいは内部に設けられ、何らかの信号処理を行う。また回路ブロック４４０は、点灯回路４００の異常を検出すると、異常検出信号ＤＧ２をアサートする。

図４において、異常検出信号ＤＧ１，ＤＧ２のアサートは、ローレベルに割り当てられている。また診断信号ＤＧのアサートはオープン状態であり、ネゲートはローレベルである。

異常検出信号ＤＧ２がアサートすなわちローレベルとなると、トランジスタＭ_１３がオフとなり、診断信号ＤＧがオープン状態となる。また異常検出信号ＤＧ１がアサートすなわち電源電圧ＶＣＣ＿Ｍがローレベルとなると、ＯＲ回路４３０のトランジスタＱ_１１がオフ、Ｑ_１２がオン、トランジスタＭ_１３がオフとなり、診断信号ＤＧがオープンとなる。異常検出信号ＤＧ１，ＤＧ２が両方ネゲート（ハイレベル）であるとき、トランジスタＭ_１３はオン、診断信号ＤＧはローレベルとなる。

図５は、灯具システム２００の別の構成例を示すブロック図である。車両用灯具３００は、メインロービーム、追加ロービーム、ハイビームの３灯で構成されており、それぞれに対応する半導体光源３０２＿１〜３０２＿３を備える。ロービーム用の駆動モジュール４１０＿Ｌｏは、２つの駆動回路４５０＿１，４５０＿２を含み、それぞれがロービーム用の対応する半導体光源３０２＿１，３０２＿２を点灯させる。

ハイビーム用の駆動モジュール４１０＿Ｈｉは、ハイビーム用の半導体光源３０２＿３を点灯させる。駆動モジュール４１０＿Ｈｉは、灯具ＥＣＵ４５２と、駆動回路４５０＿３を含む。

車両用灯具３００と車両ＥＣＵ２０３は、ＬＩＮ（Local Interconnect Network）やＣＡＮ（Controller Area Network）などのバス２１６と、ワイヤハーネス２１４ｂを介して接続されている。灯具ＥＣＵ４５２は、車両ＥＣＵ２０３から、複数の半導体光源３０２のオン、オフや輝度の指令値などを含む制御信号Ｓ_３を受信する。追加ロービームの輝度は可変であり、制御信号Ｓ_３は、追加ロービームの輝度を指示するデータを含む。灯具ＥＣＵ４５２は、このデータに応じたデューティ比を有するＰＷＭ信号を生成する。このＰＷＭ信号は、ワイヤハーネス２１４ａを介して、駆動回路４５０＿２に供給される。駆動回路４５０＿２は、タイマー回路４２２を含んでおり、判定時間τより長いＰＷＭ信号の無入力状態を検出すると、異常検出信号ＤＧ１をアサートする。また、駆動回路４５０＿１（および４５０＿２）は、異常を検出すると、異常検出信号ＤＧ２をアサートする。ＯＲ回路４３０は、異常検出信号ＤＧ１，ＤＧ２にもとづく診断信号ＤＧを、ワイヤハーネス２１４ｂを介して車両ＥＣＵに送信する。

すなわち、図５の灯具システム２００は、図２のＥＣＵ２０２の機能が、車両ＥＣＵ２０３と灯具ＥＣＵ４５２に分割されていると把握できる。言い換えれば、本発明において、コントローラ（ＥＣＵ）、点灯回路４００、異常検出回路４２０の物理配置は特に限定されない。

図６は、灯具システム２００のさらに別の構成例を示すブロック図である。点灯回路４００の基本構成は図４と同様であるため、簡略化して示す。車両用灯具３００は灯具ＥＣＵ３２０を備え、灯具ＥＣＵ３２０は、スイッチ３２２とＣＰＵ（コントローラ）３２４を含む。スイッチ３２２は図２のスイッチ２０６に対応し、ＣＰＵ３２４は、図２のＥＣＵ２０２に対応する。ＣＰＵ３２４は、車両ＥＣＵ２０３とバス２１６を介して接続されており、制御信号Ｓ_３を受ける。ＣＰＵ３２４は制御信号Ｓ_３が点灯を指示すると、スイッチ３２２をオンし、電源電圧Ｖ_ＢＡＴを点灯回路４００に供給する。またＣＰＵ３２４は、半導体光源３０２の輝度の指令値に応じたデューティ比を有するＰＷＭ信号を生成し、ワイヤハーネス２１４ａを介して点灯回路４００に送信する。また点灯回路４００はＰＷＭ信号の無入力状態を検出すると、診断信号ＤＧをアサートする。診断信号ＤＧは、ワイヤハーネス２１４ｂを介してＣＰＵ３２４に入力される。

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。

たとえば実施の形態では、駆動回路４１０が降圧コンバータで構成される場合を説明したがその限りでは無く、昇降圧コンバータであってもよいし、昇圧コンバータと降圧コンバータの組み合わせであってもよいし、リニアレギュレータや定電流回路であってもよい。

半導体光源３０２はＬＥＤに限らず、ＬＤや有機ＥＬ（Electro Luminescence）であってもよい。

２００…灯具システム、２０２…ＥＣＵ、２０４…バッテリ、２０６…スイッチ、２１４…ワイヤハーネス、３００…車両用灯具、３００Ｌ…左ランプ、３００Ｒ…右ランプ、３０２…半導体光源、３０４…駆動回路、３２０…灯具ＥＣＵ、３２２…スイッチ、３２４…ＣＰＵ、４００…点灯回路、４１０…駆動回路、４１２…コンバータ、４１４…コンバータコントローラ、４２０…異常検出回路、４２２…タイマー回路、４２４…内部電源回路、４３０…ＯＲ回路、４４０…回路ブロック。

Claims (4)

1. 半導体光源を点灯させる点灯回路であって、
   コントローラからのＰＷＭ信号を受け、前記半導体光源への駆動電流を生成し、当該駆動電流を前記ＰＷＭ信号に応じてスイッチングする駆動回路を備え、
   前記ＰＷＭ信号の無入力状態が所定時間経過すると異常検出信号をアサートし、前記異常検出信号を前記コントローラに出力するよう構成され、
   前記駆動回路は、
   コンバータと、
   前記ＰＷＭ信号に応じて前記コンバータを制御するコンバータコントローラと、
   を備え、
   前記コンバータコントローラは、
   前記所定時間連続した前記ＰＷＭ信号の無入力状態を検出するタイマー回路と、
   前記点灯回路で使用される電源電圧を生成するレギュレータと、
   を含み、前記所定時間連続した前記ＰＷＭ信号の無入力状態が検出されると前記電源電圧をシャットダウンし、これにより前記コントローラに供給される前記異常検出信号がアサート状態となることを特徴とする点灯回路。
2. 前記コントローラによる前記ＰＷＭ信号の供給開始と前記点灯回路への電源供給開始は同期していることを特徴とする請求項１に記載の点灯回路。
3. 前記点灯回路の異常を示す異常検出信号と前記ＰＷＭ信号の異常を示す異常検出信号は論理合成され、単一の信号ラインを介して前記コントローラに供給され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. 半導体光源と、
   請求項１から３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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