ＬＥＤ点灯装置および車両用前照灯
【課題】複数のＬＥＤ素子の輝度を個々に調整可能であって、かつ色のばらつきが小さいＬＥＤ点灯装置を小型、低コストで実現する。
【解決手段】直列に接続された複数のＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの各々に並列にスイッチ素子Ｑ１〜Ｑｎを接続し、ＬＥＤ素子とスイッチ素子の直並列回路に定電流源２から定電流を供給するとともに、スイッチ素子のオンオフを制御回路１により行う。制御回路は、スイッチ素子のオンオフデューティーを制御するためのタイミング信号を生成する点灯パターン生成回路と、スイッチ素子のゲートを駆動するゲート駆動回路とで構成され、制御回路は、複数のスイッチ素子のうち、最も高い電位に接続されるスイッチ素子以外の全てのスイッチ素子を同時にオンする期間を定期的に設けるようにした。
【解決手段】直列に接続された複数のＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの各々に並列にスイッチ素子Ｑ１〜Ｑｎを接続し、ＬＥＤ素子とスイッチ素子の直並列回路に定電流源２から定電流を供給するとともに、スイッチ素子のオンオフを制御回路１により行う。制御回路は、スイッチ素子のオンオフデューティーを制御するためのタイミング信号を生成する点灯パターン生成回路と、スイッチ素子のゲートを駆動するゲート駆動回路とで構成され、制御回路は、複数のスイッチ素子のうち、最も高い電位に接続されるスイッチ素子以外の全てのスイッチ素子を同時にオンする期間を定期的に設けるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）素子で構成された半導体光源を点灯させるためのＬＥＤ点灯装置およびこのＬＥＤ点灯装置を使用した車両用前照灯に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体光源としてのＬＥＤ（Light Emitting diode）素子は、車両用灯具、信号機および照明用灯具として広く用いられるようになっている。このようなＬＥＤ素子の輝度を調整する従来の方法として、ＬＥＤ素子に流れる電流値を制御したり、ＬＥＤ素子に流れる電流をＰＷＭ（Pulse Width Modulation)制御したりする方法があった。
ＰＷＭ制御によりＬＥＤ素子に対する通電と遮断を繰り返すことでＬＥＤ素子を減光点灯することができるが、例えば、全点灯時に定格電流が供給されることによって白色に発光していたものが、減光点灯時にＬＥＤ素子に供給する電流を少なくして平均電流を単に低下させると、ＬＥＤ素子の発光色のうち青色成分が徐々に低下し、ＬＥＤ素子が緑がかった色で発光することがある。このような半導体光源に色度変化が生じるのを防止するため、半導体光源に対する電流の供給をオンオフ制御信号に基づいて行なう場合、オンオフ制御信号のうち一方の論理レベルの時に半導体光源に規定の電流を供給し、オンオフ制御信号のうち他方の論理レベルの時には半導体光源に対する電流の供給を停止するようにした点灯制御回路がある。（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−８６０６３号公報（段落番号［００２６］、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のＬＥＤ点灯装置は、以上のようにして輝度を調整していたが、複数のＬＥＤ素子の輝度を個別に調整する場合は、電流値またはパルス幅を調整可能な電源を、それぞれのＬＥＤ素子に個別に設ける必要があり、点灯回路が複雑でコストが高くなってしまうという問題があった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、小型、低コストで、かつ複数のＬＥＤ素子の輝度を個別に調整可能なＬＥＤ点灯装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るＬＥＤ点灯装置は、直列に接続された複数のＬＥＤ素子、このＬＥＤ素子の各々に並列に接続された複数のスイッチ素子、ＬＥＤ素子とスイッチ素子の直並列回路に電流を供給する電源、およびスイッチ素子のオンオフデューティーを制御してＬＥＤ素子の輝度を発光デューティーにより制御する制御回路を備え、制御回路は、スイッチ素子のオンオフデューティーを制御するためのタイミング信号を生成する点灯パターン生成回路と、スイッチ素子のゲートを駆動するゲート駆動回路によって構成され、ゲート駆動回路は、レベルシフト回路と、バッファ回路と、チャージポンプ回路によって構成され、制御回路は、複数のスイッチ素子のうち、最も高い電位に接続されるスイッチ素子以外の全てのスイッチ素子を同時にオンする期間を定期的に設けるようにしたものである。
【０００７】
またこの発明の車両用前照灯は、ＬＥＤ点灯装置の複数のＬＥＤ素子をマトリクス状に並べたＬＥＤモジュールと、複数のＬＥＤ素子から放射される光を各々のＬＥＤ素子に対応して定められた方向に投射する光学ユニットとを備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、直列に接続された複数のＬＥＤ素子の各々に並列に接続されたスイッチ素子のオンオフ制御によりＬＥＤ素子の輝度を調整するとともに、ＬＥＤ素子とスイッチ素子の直並列回路に一括して定電流を供給する電源を設けたので、電源が一つで済み、点灯装置を小型でかつ低コストで実現できる。
また、制御回路のゲート駆動回路を、レベルシフト回路と、バッファ回路と、チャージポンプ回路によって構成し、複数のスイッチ素子のうち、最も高い電位に接続されるスイッチ素子以外の全てのスイッチ素子を同時にオンする期間を定期的に設けることにより、チャージポンプ回路のコンデンサに、ゲート駆動用の電荷を蓄積することが可能となる。チャージポンプ回路が使用可能となることにより、基準電位（ＦＥＴの場合はソース電位）の異なる複数のスイッチ素子を駆動する場合においても、個別の絶縁電源を用いる必要がなくなり、ＬＥＤ駆動回路を小型化、低コスト化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１によるＬＥＤ点灯装置の回路構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１における制御回路の構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１における定電流源の回路構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１における輝度調整動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図５】この発明の実施の形態２における定電流源の回路構成を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態３によるＬＥＤ点灯装置の回路構成図である。
【図７】この発明の実施の形態３におけるＬＥＤ素子の点灯状態と出力電圧との関係を説明するためのタイミングチャートである。
【図８】この発明の実施の形態４によるＬＥＤ点灯装置の回路構成図である。
【図９】この発明の実施の形態５における輝度調整動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図１０】この発明の実施の形態６における車両用前照灯を示す概略構成図である。
【図１１】この発明の実施の形態６に使用されるＬＥＤ素子モジュールの正面図と側面図である。
【図１２】この発明の実施の形態７によるＬＥＤ点灯装置の回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１におけるＬＥＤ点灯装置を図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１によるＬＥＤ点灯装置の回路構成図、図２はこの発明の実施の形態１における制御回路の構成を示す図、図３はこの発明の実施の形態１における定電流源の回路構成を示す図、図４はこの発明の実施の形態１における輝度調整動作を説明するためのタイミングチャートである。
図１において、ｎ個（ｎは２以上の自然数）のＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎが直列に接続されており、それぞれのＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎには並列にＦＥＴ（Field Effect Transistor）などのスイッチ素子Ｑ１〜Ｑｎが並列に接続されている。すなわち、スイッチ素子Ｑ１のドレインがＬＥＤ素子Ｄ１のアノードと、スイッチ素子Ｑ１のソースがＬＥＤ素子Ｄ１のカソードと、いうように接続されている。
【００１１】
スイッチ素子Ｑ１〜Ｑｎの各ゲートには、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑｎのオン／オフを制御する制御回路１が接続されている。この制御回路１の詳細については図２で説明する。複数のＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎとスイッチ素子Ｑ１〜Ｑｎの直並列回路にはＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎに定電流を供給するための定電流源２が接続されている。この定電流源２はＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの直列回路に一定の電流Ｉ１を供給するＬＥＤ素子駆動用の電源である。この定電流源２の詳細については図３で説明する。
【００１２】
次にこの発明の実施の形態１に使用される制御回路１について図２により説明する。図２において、制御回路１は、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの点灯パターンを生成する点灯パターン生成回路１１と、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑｎのゲートを駆動するゲート駆動回路１２とによって構成される。点灯パターン生成回路１１は、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎのオンオフや、発光デューティーを制御するためのタイミング信号を生成する回路であり、ＡＳＩＣやＦＰＧＡなどを用いたディジタル回路や、マイコンなどにより実現することができる。ゲート駆動回路１２は、ソース電位の互いに異なるＦＥＴなどのスイッチ素子Ｑ１〜Ｑｎのゲート駆動信号を与える必要があるが、レベルシフト回路１２ａと、バッファ回路１２ｂと、チャージポンプ回路１２ｃによって実現することができる。最も高い電位に接続されるスイッチ素子以外の全てのスイッチ素子Ｑ２〜Ｑｎを同時にオンする期間を定期的に設けることにより、チャージポンプ回路１２ｃのコンデンサＣ１〜Ｃｎに、ゲート駆動用の電荷を蓄積することが可能である。ゲート駆動回路１２は図２に示す構成のほか、それぞれのＦＥＴ毎に絶縁されたゲート電源とフォトカプラを用いることもできる。
【００１３】
次にこの発明の実施の形態１に使用される定電流源２について図３により説明する。図３において、定電流源２は、電圧源２１と定電流回路２２の組み合わせにより実現することができる。定電流回路２２の構成としては、降圧チョッパ型などのスイッチングコンバータを用いて構成される。定電流回路２２は、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎに流れる電流をＬＥＤ素子に直列に接続された検出抵抗Ｒsnsによって検出し、この検出電流に基づく検出電圧Ｖsenceを定電流制御回路２２ａに入力し、定電流制御回路２２ａからの制御信号によって電圧源２１とＬＥＤ素子Ｄ１との間に接続された電源用スイッチ素子Ｑｐのゲートを制御して、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎに流れる電流が一定になるようにする。
定電流回路２２は、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎのアノード側に接続することも、カソード側に接続することも可能である。
【００１４】
次に図４を用いて、この発明の実施の形態１におけるＬＥＤ素子の輝度調整動作について、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの数がｎ＝４の場合を例として説明する。
図４において、Ｑ１〜Ｑ４は、それぞれの同名のスイッチ素子Ｑ１〜スイッチ素子Ｑ４のＯＮ（導通）／ＯＦＦ（非導通）の状態を、また、Ｄ１〜Ｄ４は、それぞれの同名のＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４のＯＮ（発光）／ＯＦＦ（非発光）の状態を示すタイミングチャートである。なお以下ではＯＮ、ＯＦＦをオン、オフとして説明する。
【００１５】
まず、ｔ０の時点にてスイッチ素子Ｑ１からスイッチ素子Ｑ４は全てオフとすると、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４には定電流源２から供給される所定の電流Ｉ１によって定電流駆動され，全てのＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４が同時に発光する。次に、ｔ１のタイミングにてスイッチ素子Ｑ１がオンすると、ＬＥＤ素子Ｄ１の両端はスイッチ素子Ｑ１によってショートされ、ＬＥＤ素子Ｄ１はオフとなる。このとき、それまでＬＥＤ素子Ｄ１を流れていた電流はスイッチ素子Ｑ１をバイパスして流れるため、ＬＥＤ素子Ｄ２〜Ｄ４はオンのままである。次に、ｔ２にてスイッチ素子Ｑ２がオンすると、ＬＥＤ素子Ｄ２がオフになる。以下、同様に他のＬＥＤ素子が順次オフする。このように、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４に並列に接続されたスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４をオン／オフ制御することにより、任意のＬＥＤ素子を、任意のタイミングでオン／オフすることができる。このとき、電流はＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４またはスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の何れかを流れ続けるので、直列に接続された他のＬＥＤ素子とスイッチ素子の並列回路の動作に影響を与えることは無い。
【００１６】
以上の動作を周期ＴＴ（周波数１／ＴＴ）にて繰り返すと、それぞれのＬＥＤ素子が所定のデューティーで発光する。例えば、ＬＥＤ素子Ｄ１の発光デューティーはＴ１／ＴＴとなる。ただし、Ｔ１はｔ０からｔ１までの時間である。同様に、ＬＥＤ素子Ｄ２の発光デューティーはＴ２／ＴＴ、ＬＥＤ素子Ｄ３の発光デューティーはＴ４／ＴＴ、ＬＥＤ素子Ｄ４の発光デューティーはＴ３／ＴＴとなる。ただし、Ｔ２はｔ０からｔ２までの時間、Ｔ３はｔ０からｔ３までの時間、Ｔ４はｔ０からｔ４までの時間である。
ここで、周波数１／ＴＴを人間の視覚における臨界融合周波数以上とすれば、ＬＥＤ素子の点滅は知覚されなくなり、それぞれの発光デューティーに比例した輝度で発光しているように見える。臨界融合周波数は、輝度や発光面積などの諸条件や、個人差等により異なるが、概ね３０Ｈｚから６０Ｈｚ程度である。ちらつきを感じさせないようにするには、周波数を６０Ｈｚ以上にするのが望ましい。
【００１７】
さて、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４は、電流値によって色度が変化（色シフト）する特性を有しており、色度の変化を抑制するためには、電流を一定としてパルス幅で輝度を調整することが望ましい。この発明においては、全てのＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４を同一の一定電流で駆動しつつ、それぞれのＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４に流れる電流パルスの幅を制御することにより輝度調整を行うので、色シフトが少なくなり、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４間の色度の差を小さくすることができる。また、同一の輝度設定値に対するＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４間の輝度ばらつきを小さくすることができる。
また、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４に並列に設けたスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４は、高速にターンオン／ターンオフすることが出来るので、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４に流れる電流は立ち上がり／立下りの速い理想的な矩形波に近い電流を流すことができ、色シフトをさらに小さくすることができる。
【００１８】
また、複数のＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４に対して共通の定電流回路２２を用いるので、定電流回路２２の回路数を減らすことができ、駆動回路を小型かつ低コストにすることができる。
また、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４は比較的低電圧、大電流であるため、駆動回路の内部抵抗による電力損失の割合が大きくなり、効率が低下することがあるが、この発明によれば、輝度を個別に調整可能としつつも、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４は直列に接続されているので、複数のＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４に対して定電流源２からはＬＥＤ素子１個分相当の電流を流せば良く、電源回路の内部抵抗による電力損失を低減することができる。
なお、ここではスイッチ素子としてＦＥＴを用いたが、他にＩＧＢＴやバイポーラトランジスタを用いても良い。
【００１９】
また、図４に示した例においては、１周期間の最初に全てのＬＥＤ素子（ただし、完全オフ＝輝度ゼロのＬＥＤ素子を除く）を点灯させ、順次消灯させていくことにより、輝度の制御を行ったが、オンおよびオフのタイミングは、ＬＥＤ素子毎に任意のタイミングに設定することができる。例えば、最初に全てをオフとし、順次点灯させて最終的に最大の点灯数となるように制御しても良い。
【００２０】
実施の形態２．
次にこの発明の実施の形態２におけるＬＥＤ点灯装置を図に基づいて説明する。実施の形態２におけるＬＥＤ点灯装置の回路構成図および制御回路の構成を示す図は実施の形態１と同じである。この発明の実施の形態２においては定電流源を実施の形態１と異なる回路構成としたものである。
図５はこの発明の実施の形態２における定電流源の回路構成を示す図で、定電流源２は電圧源２１と定電流回路２３で構成され、定電流回路２３として、トランジスタの活性領域を用いたリニアレギュレータ型の定電流回路を用いたものである。図５に示すように、定電流回路２３は、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎに直列にトランジスタＴｒ１と検出抵抗Ｒsnsを接続し、検出抵抗Ｒsnsによって検出した電流に基づく検出電圧ＶsenceをトランジスタＴｒ２のベースに入力して制御することにより、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎに流れる電流が一定になるようにしたものである。このリニアレギュレータ型の定電流回路はよく知られているので、その動作説明は省略する。
なお定電流回路２３は、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎのアノード側に接続することも、カソード側に接続することも可能である。
【００２１】
実施の形態３．
次にこの発明の実施の形態３におけるＬＥＤ点灯装置を図に基づいて説明する。
この発明においては、ＬＥＤ素子を点灯させるための電源として定電流源２を用いている。上述のように、定電流源２は電圧源と定電流回路を組み合わせて実現することが可能である。
ここで、定電流回路として、図５に示したようなリニアレギュレータ型の定電流回路２３を用いた場合、定電流回路における電力損失は、定電流回路２３に印加される電圧に比例して増大する。定電流回路に印加される電圧は、電圧源２１の出力電圧と、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎにおける電圧降下の合計との差である。電圧源２１の出力電圧を、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎにおける電圧降下に近づければ、定電流回路２３における電力損失を低減することができる。
【００２２】
そこで、実施の形態３の発明においては、制御回路１により電圧源の出力電圧を制御することとし、ＬＥＤ素子の同時点灯数に応じて出力電圧を可変することにより、定電流回路２３における電力損失を低減するようにしたものである。
図６はこの発明の実施の形態３におけるＬＥＤ点灯装置の回路構成図、図７はこの発明の実施の形態３におけるＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４の点灯状態と可変電圧源の出力電圧との関係を示すタイミングチャートである。
図６において、定電流源はＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎに接続された可変電圧源２４と定電流回路２３とで構成されている。定電流回路２３は図５に示すような定電流回路である。可変電圧源２４は制御回路１からの電圧制御信号Ｖcntによって出力電圧Ｖdcが可変するようになっている。制御回路１はＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎに並列に接続されたスイッチ素子Ｑ１〜Ｑｎのオン／オフを制御すると共に、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの点灯数に応じた電圧制御信号Ｖcntを出力するようになっている。そして制御回路１から出力される電圧制御信号Ｖcntによって、可変電圧源２４の出力電圧Ｖdcを制御している。
【００２３】
次に図７を用いて、この発明の実施の形態３におけるＬＥＤ素子の点灯パターンの一例と、そのときの可変電圧源２４の出力電圧Ｖdcとの関係について、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの数がｎ＝４の場合を例として説明する。
図７において、Ｄ１〜Ｄ４は、それぞれ同名のＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４のオン（発光）／オフ（非発光）の状態を示し、ＶdcはＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４の点灯数に応じた可変電圧源２４の出力電圧を示すタイミングチャートである。
図７のｔ０からｔ１までの期間のＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４の同時点灯数は４であり、ｔ１からｔ２までの期間のＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４の同時点灯数は３、その後、同時点灯数は２、１、０と、同時点灯数は減少し、ｔ５で再び同時点灯数が４に戻る。
【００２４】
そこで、ＬＥＤ素子の同時点灯数が多いほど、可変電圧源２４の出力電圧Ｖdcが高くなるように制御する。好ましくは、定電流回路２３が正常に動作するために最小限印加する必要のある電圧をＶ０、ＬＥＤ素子の順方向電圧をＶｆ、ＬＥＤ素子の同時点灯数をｋとしたとき、電圧源の出力電圧Ｖdcが、
Ｖdc ＝ ｋ×Ｖｆ ＋Ｖ０
となるように制御する。
【００２５】
このように制御することにより、定電流回路２３に印加される電圧は、常に最小限の値となり、リニアレギュレータ型定電流回路を用いた場合は、定電流回路２３における電力損失が低減される。また、定電流回路２３として図３に示すような降圧チョッパ型定電流回路を用いた場合は、降圧チョッパの入力電圧と出力電圧の差が小さくなり、リップルを減少させることができる。
可変電圧源２４には、昇圧チョッパやフォワードコンバータなど、各種のスイッチングコンバータを用いることができる。スイッチングコンバータの応答速度は有限であり、電圧制御信号Ｖcntが入力されてから出力電圧Ｖdcが所定の値となるまでに遅れが生じるので、同時点灯数が変化するよりも遅れ時間分早く電圧制御信号Ｖcntを変化させても良い。
【００２６】
実施の形態４．
次にこの発明の実施の形態４におけるＬＥＤ点灯装置を図に基づいて説明する。
実施の形態４おいては、電圧源としてＡＣ電源を入力としたものである。ＡＣ電源を入力とするＬＥＤ点灯装置は蛍光灯や電球を置き換えて、家庭や店舗などの照明に用いることができる。
ＡＣ電源を入力とする場合は、ＡＣ入力電流の高調波を低減し力率を改善するために、通常、電源入力段に力率改善回路を用いる必要がある。実施の形態４の発明においては、力率改善回路を実施の形態３で説明した図６の可変電圧源２４と兼用したもので説明する。 図８はこの発明の実施の形態４における回路構成図を示すもので、可変電圧源は、ＡＣ（交流）電源２４１と、このＡＣ電源２４１からの入力電圧を脈流の直流（ＤＣ）に変換するダイオードブリッジ回路２４２と、このダイオードブリッジ回路２４２の出力をＤＣ電圧に変換すると共に、力率を改善する力率改善回路２４３で構成されている。ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎとスイッチ素子Ｑ１〜Ｑｎの直並列回路と力率改善回路２４３との間には定電流回路２３が接続される。その他の回路構成は図６と同様につき説明を省略する。
【００２７】
図８において、ＡＣ電源２４１から入力された交流電流はダイオードブリッジ回路２４２で正弦波状の脈流に変換された後、力率改善回路２４３によりＤＣ電圧に変換される。力率改善回路２４３は昇圧または降圧または昇降圧のコンバータにより構成されるが、ここでは昇圧チョッパ方式のコンバータを用いている。すなわち、力率改善回路２４３内のスイッチ素子Ｑｒをオンオフ制御することにより、ＡＣ電源の電圧ピークよりも高い直流電圧Ｖｄｃを得ている。ここで、ダイオードブリッジ回路２４２から昇圧チョッパ回路に流れ込む電流波形は、スイッチ素子Ｑｒのオンオフのタイミング（デューティなど）によって可変するので、スイッチ素子Ｑｒのオンオフを制御回路１からの制御電圧Ｖcntを用いて適切に制御することにより、入力電流波形を正弦波状かつ入力電圧波形と同相となるように制御することが可能となる。例えば、ダイオードブリッジ回路２４２の出力電圧（脈流波形）と力率改善回路２４３の入力電流とを検出し、両者が相似の波形となるようにフィードバック制御すれば良い。このようにして、入力電流波形を正弦波状かつ入力電圧波形と同相となるように制御すれば、ＡＣ電源２４１からの入力の力率が改善される。力率改善回路２４３の出力として得られるＤＣ電圧の出力は、定電流回路２３を介してＬＥＤ素子Ｄ１〜ＤｎとスイッチＱ１〜Ｑｎの直並列回路に印加される。ここで、力率改善回路２４３の出力電圧Ｖdcを、実施の形態３と同様にＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの同時点灯数に応じて可変する。この構成によれば、可変電圧源２４を力率改善回路と兼用することにより、駆動回路を小型、低コストで実現することが可能となる。
【００２８】
実施の形態５．
次にこの発明の実施の形態５におけるＬＥＤ点灯装置を図に基づいて説明する。
実施の形態１においては、図４に示したように、１周期間の最初に全てのＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎを点灯させ、順次消灯させていくことにより、輝度の制御を行う方法を例として挙げた。
この場合、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの直列回路に印加する電圧は、１周期間の最初に最大値、ｎ×Ｖｆとなる。ｎが大きい場合には、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの直列回路に印加する最大電圧が非常に高くなるので、電圧源２１の最大出力電圧を高くする必要が生じる。
そこで、実施の形態５においては、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの最大同時点灯数をｎよりも小さい所定の値に制限することとした。図９に、実施の形態５におけるＬＥＤ素子の点灯パターンの一例を示す。
【００２９】
図９に示すように、この例においては、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの直列数ｎ＝４に対して、最大同時点灯数を３に制限している。すなわち、ｔ０からｔ１の期間においては、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ３はＯＮ（オン）であり、すでに最大同時点灯数に達したため、ＬＥＤ素子Ｄ４は強制的にＯＦＦ（オフ）とする。ｔ１にてＬＥＤ素子Ｄ１がＯＦＦ（オフ）となった時点で、ＬＥＤ素子Ｄ４をＯＮ（オン）する。
以上のように制御することにより、電圧源２１の最大出力電圧を低減することができるので、電圧源２１の耐電圧を下げることができ、また、ピーク電力を低減することができるので、点灯回路をより低コストで実現することが可能となる。
【００３０】
実施の形態６．
この発明の実施の形態６における車両用前照灯を図に基づいて説明する。この実施の形態６の発明は、実施の形態１〜５で説明したＬＥＤ点灯装置のいずれか１つを用いて車両用前照灯を構成したものである。図１０はこの発明の実施の形態６における車両用前照灯（ヘッドライト）の概略構成図、図１１（ａ）（ｂ）は図１０に示す車両用前照灯に用いられるＬＥＤ素子モジュールの正面図と側面図である。
図１０および図１１において、複数のＬＥＤ素子Ｄｎが基板３１上にマトリクス状に並べられてＬＥＤ素子モジュール３２が構成されている。このＬＥＤ素子モジュール３２は前照灯ケース３３の背面側に設置され、前照灯ケース３３の前面側には複数のＬＥＤ素子Ｄｎから放射される光を、それぞれのＬＥＤ素子Ｄｎに対応して定められた方向に投射する光学ユニット３４が設けられている。ＬＥＤ素子モジュール３２にはＬＥＤ素子Ｄｎの各々を任意の輝度にて発光させる駆動回路３５が接続される。この駆動回路３５は実施の形態１〜５にて説明したＬＥＤ点灯装置のいずれかが用いられる。
【００３１】
この実施の形態６の車両用前照灯は、マトリクス状に並べられた複数のＬＥＤ素子Ｄｎを備えるＬＥＤ素子モジュール３２を用いており、それぞれのＬＥＤ素子Ｄｎから放射された光は光学ユニット３４によって、それぞれ定められた方向に投射される。また、複数のＬＥＤ素子Ｄｎを駆動回路３５によって駆動すれば、それぞれのＬＥＤ素子Ｄｎを任意の輝度で発光させることが可能となり、前照灯の配光分布を可変することができる。
【００３２】
さて、車両用前照灯において、ステアリングの操舵方向に光軸を向け、進行方向に集中的に光を照射することにより視認性を向上させるＡＦＳ（Adaptive Front-Lighting System）や、レベリング制御といった機能を有するものがある。従来はランプやＬＥＤ素子などの光源と、レンズなどによる光学系を組み込んだ前照灯ユニットの向きを、アクチュエータなどを用いて変化させて配光を変化させることによりこれらの機能を実現していた。
この実施の形態６の発明を用いれば、前照灯ユニットを機械的に動かすことなく、自由に配光分布を変更することができるので、ＡＦＳやレベリング制御などの機能を有する前照灯を、小型化、軽量化することができる。さらに、この発明によればＬＥＤ素子間の色度の差を小さくすることができるので、色ムラの少ない投射光を得ることができる。
【００３３】
実施の形態７．
次にこの発明の実施の形態７におけるＬＥＤ点灯装置を車両用前照灯に適用した場合について図に基づいて説明する。図１２はこの発明の実施の形態７におけるＬＥＤ点灯装置の回路構成を示す図である。
図１２において、複数のＬＥＤ素子が互いに直列に接続されてＬＥＤ素子群を構成し、それぞれのＬＥＤ素子群は、ハイビーム用ＬＥＤ素子群ＤＨ、ロービーム用ＬＥＤ素子群ＤＬ、およびＤＲＬ（Daylight Running Lights： 昼間点灯走行）用ＬＥＤ素子群ＤＲ、の３つのＬＥＤ素子群にブロック分けされている。複数のＬＥＤ素子が互いに直列に接続されて構成された各ＬＥＤ素子群ＤＨ、ＤＬ、ＤＲには並列にスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ３が接続されている。３つのＬＥＤ素子群ＤＨ、ＤＬ、ＤＲとスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ３の並列回路は、さらに直列に接続されてＬＥＤ素子回路網を構成し、このＬＥＤ素子回路網に一括して定電流源２から一定電流を供給している。スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ３は制御回路１によりオン／オフ制御されるようになっている。
【００３４】
ここで、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ３を制御回路１によりオン／オフ制御すれば、それぞれの群のＬＥＤ素子を任意の輝度で発光させることができる。例えば、昼間走行時には、ロービーム用ＬＥＤ素子群ＤＬとハイビーム用ＬＥＤ素子群ＤＨは、並列に接続されたスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２をオンとすることにより、消灯状態とし、ＤＲＬ用ＬＥＤ素子群ＤＲに並列に接続されたスイッチ素子Ｑ３をＰＷＭ制御することにより、ＤＲＬ用ＬＥＤ素子群ＤＲを任意の輝度で発光させることができる。同様に、ロービーム用ＬＥＤ素子群ＤＬのみ、あるいはハイビーム用ＬＥＤ素子群ＤＨのみを任意の輝度で発光させることもできる。また、２つあるいは３つのＬＥＤ素子群を、それぞれ任意の輝度で同時に点灯させることも可能である。
この実施の形態７によれば、ハイビーム用ＬＥＤ素子群ＤＨとロービーム用ＬＥＤ素子群ＤＬとＤＲＬ用ＬＥＤ素子群ＤＲを、１つの電源回路のみで駆動することができるので、電源回路の小型化および低コスト化が可能となる。さらに、全てのＬＥＤ素子には一定かつ同一の電流を流すので、色シフトが小さくなり、色むらを防止することが可能となる。
【符号の説明】
【００３５】
Ｄ１〜Ｄｎ：ＬＥＤ素子、 Ｑ１〜Ｑｎ：スイッチ素子、
１：制御回路、 ２：定電流源、
１１：点灯パターン生成回路、 １２：ゲート駆動回路、
１２ａ：レベルシフト回路、 １２ｂ：バッファ回路、
１２ｃ：チャージポンプ回路、 ２１：電圧源、
２２：定電流回路、 ２２ａ：定電流制御回路、
Ｒsns：検出抵抗 Ｑｐ：電源用スイッチ素子
２３：定電流回路、 ２４：可変電圧源、
３１：基板、 ３２：ＬＥＤ素子モジュール、
３３：前照灯ケース、 ３４：光学ユニット、
３５：駆動回路、 ２４１：ＡＣ電源、
２４２：ダイオードブリッジ回路、 ２４３：力率改善回路、
ＤＨ：ハイビーム用ＬＥＤ素子群 ＤＬ：ロービーム用ＬＥＤ素子群、
ＤＲ：ＤＲＬ用ＬＥＤ素子群。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）素子で構成された半導体光源を点灯させるためのＬＥＤ点灯装置およびこのＬＥＤ点灯装置を使用した車両用前照灯に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体光源としてのＬＥＤ（Light Emitting diode）素子は、車両用灯具、信号機および照明用灯具として広く用いられるようになっている。このようなＬＥＤ素子の輝度を調整する従来の方法として、ＬＥＤ素子に流れる電流値を制御したり、ＬＥＤ素子に流れる電流をＰＷＭ（Pulse Width Modulation)制御したりする方法があった。
ＰＷＭ制御によりＬＥＤ素子に対する通電と遮断を繰り返すことでＬＥＤ素子を減光点灯することができるが、例えば、全点灯時に定格電流が供給されることによって白色に発光していたものが、減光点灯時にＬＥＤ素子に供給する電流を少なくして平均電流を単に低下させると、ＬＥＤ素子の発光色のうち青色成分が徐々に低下し、ＬＥＤ素子が緑がかった色で発光することがある。このような半導体光源に色度変化が生じるのを防止するため、半導体光源に対する電流の供給をオンオフ制御信号に基づいて行なう場合、オンオフ制御信号のうち一方の論理レベルの時に半導体光源に規定の電流を供給し、オンオフ制御信号のうち他方の論理レベルの時には半導体光源に対する電流の供給を停止するようにした点灯制御回路がある。（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−８６０６３号公報（段落番号［００２６］、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のＬＥＤ点灯装置は、以上のようにして輝度を調整していたが、複数のＬＥＤ素子の輝度を個別に調整する場合は、電流値またはパルス幅を調整可能な電源を、それぞれのＬＥＤ素子に個別に設ける必要があり、点灯回路が複雑でコストが高くなってしまうという問題があった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、小型、低コストで、かつ複数のＬＥＤ素子の輝度を個別に調整可能なＬＥＤ点灯装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るＬＥＤ点灯装置は、直列に接続された複数のＬＥＤ素子、このＬＥＤ素子の各々に並列に接続された複数のスイッチ素子、ＬＥＤ素子とスイッチ素子の直並列回路に電流を供給する電源、およびスイッチ素子のオンオフデューティーを制御してＬＥＤ素子の輝度を発光デューティーにより制御する制御回路を備え、制御回路は、スイッチ素子のオンオフデューティーを制御するためのタイミング信号を生成する点灯パターン生成回路と、スイッチ素子のゲートを駆動するゲート駆動回路によって構成され、ゲート駆動回路は、レベルシフト回路と、バッファ回路と、チャージポンプ回路によって構成され、制御回路は、複数のスイッチ素子のうち、最も高い電位に接続されるスイッチ素子以外の全てのスイッチ素子を同時にオンする期間を定期的に設けるようにしたものである。
【０００７】
またこの発明の車両用前照灯は、ＬＥＤ点灯装置の複数のＬＥＤ素子をマトリクス状に並べたＬＥＤモジュールと、複数のＬＥＤ素子から放射される光を各々のＬＥＤ素子に対応して定められた方向に投射する光学ユニットとを備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、直列に接続された複数のＬＥＤ素子の各々に並列に接続されたスイッチ素子のオンオフ制御によりＬＥＤ素子の輝度を調整するとともに、ＬＥＤ素子とスイッチ素子の直並列回路に一括して定電流を供給する電源を設けたので、電源が一つで済み、点灯装置を小型でかつ低コストで実現できる。
また、制御回路のゲート駆動回路を、レベルシフト回路と、バッファ回路と、チャージポンプ回路によって構成し、複数のスイッチ素子のうち、最も高い電位に接続されるスイッチ素子以外の全てのスイッチ素子を同時にオンする期間を定期的に設けることにより、チャージポンプ回路のコンデンサに、ゲート駆動用の電荷を蓄積することが可能となる。チャージポンプ回路が使用可能となることにより、基準電位（ＦＥＴの場合はソース電位）の異なる複数のスイッチ素子を駆動する場合においても、個別の絶縁電源を用いる必要がなくなり、ＬＥＤ駆動回路を小型化、低コスト化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１によるＬＥＤ点灯装置の回路構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１における制御回路の構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１における定電流源の回路構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１における輝度調整動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図５】この発明の実施の形態２における定電流源の回路構成を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態３によるＬＥＤ点灯装置の回路構成図である。
【図７】この発明の実施の形態３におけるＬＥＤ素子の点灯状態と出力電圧との関係を説明するためのタイミングチャートである。
【図８】この発明の実施の形態４によるＬＥＤ点灯装置の回路構成図である。
【図９】この発明の実施の形態５における輝度調整動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図１０】この発明の実施の形態６における車両用前照灯を示す概略構成図である。
【図１１】この発明の実施の形態６に使用されるＬＥＤ素子モジュールの正面図と側面図である。
【図１２】この発明の実施の形態７によるＬＥＤ点灯装置の回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１におけるＬＥＤ点灯装置を図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１によるＬＥＤ点灯装置の回路構成図、図２はこの発明の実施の形態１における制御回路の構成を示す図、図３はこの発明の実施の形態１における定電流源の回路構成を示す図、図４はこの発明の実施の形態１における輝度調整動作を説明するためのタイミングチャートである。
図１において、ｎ個（ｎは２以上の自然数）のＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎが直列に接続されており、それぞれのＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎには並列にＦＥＴ（Field Effect Transistor）などのスイッチ素子Ｑ１〜Ｑｎが並列に接続されている。すなわち、スイッチ素子Ｑ１のドレインがＬＥＤ素子Ｄ１のアノードと、スイッチ素子Ｑ１のソースがＬＥＤ素子Ｄ１のカソードと、いうように接続されている。
【００１１】
スイッチ素子Ｑ１〜Ｑｎの各ゲートには、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑｎのオン／オフを制御する制御回路１が接続されている。この制御回路１の詳細については図２で説明する。複数のＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎとスイッチ素子Ｑ１〜Ｑｎの直並列回路にはＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎに定電流を供給するための定電流源２が接続されている。この定電流源２はＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの直列回路に一定の電流Ｉ１を供給するＬＥＤ素子駆動用の電源である。この定電流源２の詳細については図３で説明する。
【００１２】
次にこの発明の実施の形態１に使用される制御回路１について図２により説明する。図２において、制御回路１は、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの点灯パターンを生成する点灯パターン生成回路１１と、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑｎのゲートを駆動するゲート駆動回路１２とによって構成される。点灯パターン生成回路１１は、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎのオンオフや、発光デューティーを制御するためのタイミング信号を生成する回路であり、ＡＳＩＣやＦＰＧＡなどを用いたディジタル回路や、マイコンなどにより実現することができる。ゲート駆動回路１２は、ソース電位の互いに異なるＦＥＴなどのスイッチ素子Ｑ１〜Ｑｎのゲート駆動信号を与える必要があるが、レベルシフト回路１２ａと、バッファ回路１２ｂと、チャージポンプ回路１２ｃによって実現することができる。最も高い電位に接続されるスイッチ素子以外の全てのスイッチ素子Ｑ２〜Ｑｎを同時にオンする期間を定期的に設けることにより、チャージポンプ回路１２ｃのコンデンサＣ１〜Ｃｎに、ゲート駆動用の電荷を蓄積することが可能である。ゲート駆動回路１２は図２に示す構成のほか、それぞれのＦＥＴ毎に絶縁されたゲート電源とフォトカプラを用いることもできる。
【００１３】
次にこの発明の実施の形態１に使用される定電流源２について図３により説明する。図３において、定電流源２は、電圧源２１と定電流回路２２の組み合わせにより実現することができる。定電流回路２２の構成としては、降圧チョッパ型などのスイッチングコンバータを用いて構成される。定電流回路２２は、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎに流れる電流をＬＥＤ素子に直列に接続された検出抵抗Ｒsnsによって検出し、この検出電流に基づく検出電圧Ｖsenceを定電流制御回路２２ａに入力し、定電流制御回路２２ａからの制御信号によって電圧源２１とＬＥＤ素子Ｄ１との間に接続された電源用スイッチ素子Ｑｐのゲートを制御して、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎに流れる電流が一定になるようにする。
定電流回路２２は、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎのアノード側に接続することも、カソード側に接続することも可能である。
【００１４】
次に図４を用いて、この発明の実施の形態１におけるＬＥＤ素子の輝度調整動作について、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの数がｎ＝４の場合を例として説明する。
図４において、Ｑ１〜Ｑ４は、それぞれの同名のスイッチ素子Ｑ１〜スイッチ素子Ｑ４のＯＮ（導通）／ＯＦＦ（非導通）の状態を、また、Ｄ１〜Ｄ４は、それぞれの同名のＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４のＯＮ（発光）／ＯＦＦ（非発光）の状態を示すタイミングチャートである。なお以下ではＯＮ、ＯＦＦをオン、オフとして説明する。
【００１５】
まず、ｔ０の時点にてスイッチ素子Ｑ１からスイッチ素子Ｑ４は全てオフとすると、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４には定電流源２から供給される所定の電流Ｉ１によって定電流駆動され，全てのＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４が同時に発光する。次に、ｔ１のタイミングにてスイッチ素子Ｑ１がオンすると、ＬＥＤ素子Ｄ１の両端はスイッチ素子Ｑ１によってショートされ、ＬＥＤ素子Ｄ１はオフとなる。このとき、それまでＬＥＤ素子Ｄ１を流れていた電流はスイッチ素子Ｑ１をバイパスして流れるため、ＬＥＤ素子Ｄ２〜Ｄ４はオンのままである。次に、ｔ２にてスイッチ素子Ｑ２がオンすると、ＬＥＤ素子Ｄ２がオフになる。以下、同様に他のＬＥＤ素子が順次オフする。このように、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４に並列に接続されたスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４をオン／オフ制御することにより、任意のＬＥＤ素子を、任意のタイミングでオン／オフすることができる。このとき、電流はＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４またはスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の何れかを流れ続けるので、直列に接続された他のＬＥＤ素子とスイッチ素子の並列回路の動作に影響を与えることは無い。
【００１６】
以上の動作を周期ＴＴ（周波数１／ＴＴ）にて繰り返すと、それぞれのＬＥＤ素子が所定のデューティーで発光する。例えば、ＬＥＤ素子Ｄ１の発光デューティーはＴ１／ＴＴとなる。ただし、Ｔ１はｔ０からｔ１までの時間である。同様に、ＬＥＤ素子Ｄ２の発光デューティーはＴ２／ＴＴ、ＬＥＤ素子Ｄ３の発光デューティーはＴ４／ＴＴ、ＬＥＤ素子Ｄ４の発光デューティーはＴ３／ＴＴとなる。ただし、Ｔ２はｔ０からｔ２までの時間、Ｔ３はｔ０からｔ３までの時間、Ｔ４はｔ０からｔ４までの時間である。
ここで、周波数１／ＴＴを人間の視覚における臨界融合周波数以上とすれば、ＬＥＤ素子の点滅は知覚されなくなり、それぞれの発光デューティーに比例した輝度で発光しているように見える。臨界融合周波数は、輝度や発光面積などの諸条件や、個人差等により異なるが、概ね３０Ｈｚから６０Ｈｚ程度である。ちらつきを感じさせないようにするには、周波数を６０Ｈｚ以上にするのが望ましい。
【００１７】
さて、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４は、電流値によって色度が変化（色シフト）する特性を有しており、色度の変化を抑制するためには、電流を一定としてパルス幅で輝度を調整することが望ましい。この発明においては、全てのＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４を同一の一定電流で駆動しつつ、それぞれのＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４に流れる電流パルスの幅を制御することにより輝度調整を行うので、色シフトが少なくなり、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４間の色度の差を小さくすることができる。また、同一の輝度設定値に対するＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４間の輝度ばらつきを小さくすることができる。
また、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４に並列に設けたスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４は、高速にターンオン／ターンオフすることが出来るので、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４に流れる電流は立ち上がり／立下りの速い理想的な矩形波に近い電流を流すことができ、色シフトをさらに小さくすることができる。
【００１８】
また、複数のＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４に対して共通の定電流回路２２を用いるので、定電流回路２２の回路数を減らすことができ、駆動回路を小型かつ低コストにすることができる。
また、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４は比較的低電圧、大電流であるため、駆動回路の内部抵抗による電力損失の割合が大きくなり、効率が低下することがあるが、この発明によれば、輝度を個別に調整可能としつつも、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４は直列に接続されているので、複数のＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４に対して定電流源２からはＬＥＤ素子１個分相当の電流を流せば良く、電源回路の内部抵抗による電力損失を低減することができる。
なお、ここではスイッチ素子としてＦＥＴを用いたが、他にＩＧＢＴやバイポーラトランジスタを用いても良い。
【００１９】
また、図４に示した例においては、１周期間の最初に全てのＬＥＤ素子（ただし、完全オフ＝輝度ゼロのＬＥＤ素子を除く）を点灯させ、順次消灯させていくことにより、輝度の制御を行ったが、オンおよびオフのタイミングは、ＬＥＤ素子毎に任意のタイミングに設定することができる。例えば、最初に全てをオフとし、順次点灯させて最終的に最大の点灯数となるように制御しても良い。
【００２０】
実施の形態２．
次にこの発明の実施の形態２におけるＬＥＤ点灯装置を図に基づいて説明する。実施の形態２におけるＬＥＤ点灯装置の回路構成図および制御回路の構成を示す図は実施の形態１と同じである。この発明の実施の形態２においては定電流源を実施の形態１と異なる回路構成としたものである。
図５はこの発明の実施の形態２における定電流源の回路構成を示す図で、定電流源２は電圧源２１と定電流回路２３で構成され、定電流回路２３として、トランジスタの活性領域を用いたリニアレギュレータ型の定電流回路を用いたものである。図５に示すように、定電流回路２３は、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎに直列にトランジスタＴｒ１と検出抵抗Ｒsnsを接続し、検出抵抗Ｒsnsによって検出した電流に基づく検出電圧ＶsenceをトランジスタＴｒ２のベースに入力して制御することにより、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎに流れる電流が一定になるようにしたものである。このリニアレギュレータ型の定電流回路はよく知られているので、その動作説明は省略する。
なお定電流回路２３は、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎのアノード側に接続することも、カソード側に接続することも可能である。
【００２１】
実施の形態３．
次にこの発明の実施の形態３におけるＬＥＤ点灯装置を図に基づいて説明する。
この発明においては、ＬＥＤ素子を点灯させるための電源として定電流源２を用いている。上述のように、定電流源２は電圧源と定電流回路を組み合わせて実現することが可能である。
ここで、定電流回路として、図５に示したようなリニアレギュレータ型の定電流回路２３を用いた場合、定電流回路における電力損失は、定電流回路２３に印加される電圧に比例して増大する。定電流回路に印加される電圧は、電圧源２１の出力電圧と、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎにおける電圧降下の合計との差である。電圧源２１の出力電圧を、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎにおける電圧降下に近づければ、定電流回路２３における電力損失を低減することができる。
【００２２】
そこで、実施の形態３の発明においては、制御回路１により電圧源の出力電圧を制御することとし、ＬＥＤ素子の同時点灯数に応じて出力電圧を可変することにより、定電流回路２３における電力損失を低減するようにしたものである。
図６はこの発明の実施の形態３におけるＬＥＤ点灯装置の回路構成図、図７はこの発明の実施の形態３におけるＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４の点灯状態と可変電圧源の出力電圧との関係を示すタイミングチャートである。
図６において、定電流源はＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎに接続された可変電圧源２４と定電流回路２３とで構成されている。定電流回路２３は図５に示すような定電流回路である。可変電圧源２４は制御回路１からの電圧制御信号Ｖcntによって出力電圧Ｖdcが可変するようになっている。制御回路１はＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎに並列に接続されたスイッチ素子Ｑ１〜Ｑｎのオン／オフを制御すると共に、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの点灯数に応じた電圧制御信号Ｖcntを出力するようになっている。そして制御回路１から出力される電圧制御信号Ｖcntによって、可変電圧源２４の出力電圧Ｖdcを制御している。
【００２３】
次に図７を用いて、この発明の実施の形態３におけるＬＥＤ素子の点灯パターンの一例と、そのときの可変電圧源２４の出力電圧Ｖdcとの関係について、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの数がｎ＝４の場合を例として説明する。
図７において、Ｄ１〜Ｄ４は、それぞれ同名のＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４のオン（発光）／オフ（非発光）の状態を示し、ＶdcはＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４の点灯数に応じた可変電圧源２４の出力電圧を示すタイミングチャートである。
図７のｔ０からｔ１までの期間のＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４の同時点灯数は４であり、ｔ１からｔ２までの期間のＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ４の同時点灯数は３、その後、同時点灯数は２、１、０と、同時点灯数は減少し、ｔ５で再び同時点灯数が４に戻る。
【００２４】
そこで、ＬＥＤ素子の同時点灯数が多いほど、可変電圧源２４の出力電圧Ｖdcが高くなるように制御する。好ましくは、定電流回路２３が正常に動作するために最小限印加する必要のある電圧をＶ０、ＬＥＤ素子の順方向電圧をＶｆ、ＬＥＤ素子の同時点灯数をｋとしたとき、電圧源の出力電圧Ｖdcが、
Ｖdc ＝ ｋ×Ｖｆ ＋Ｖ０
となるように制御する。
【００２５】
このように制御することにより、定電流回路２３に印加される電圧は、常に最小限の値となり、リニアレギュレータ型定電流回路を用いた場合は、定電流回路２３における電力損失が低減される。また、定電流回路２３として図３に示すような降圧チョッパ型定電流回路を用いた場合は、降圧チョッパの入力電圧と出力電圧の差が小さくなり、リップルを減少させることができる。
可変電圧源２４には、昇圧チョッパやフォワードコンバータなど、各種のスイッチングコンバータを用いることができる。スイッチングコンバータの応答速度は有限であり、電圧制御信号Ｖcntが入力されてから出力電圧Ｖdcが所定の値となるまでに遅れが生じるので、同時点灯数が変化するよりも遅れ時間分早く電圧制御信号Ｖcntを変化させても良い。
【００２６】
実施の形態４．
次にこの発明の実施の形態４におけるＬＥＤ点灯装置を図に基づいて説明する。
実施の形態４おいては、電圧源としてＡＣ電源を入力としたものである。ＡＣ電源を入力とするＬＥＤ点灯装置は蛍光灯や電球を置き換えて、家庭や店舗などの照明に用いることができる。
ＡＣ電源を入力とする場合は、ＡＣ入力電流の高調波を低減し力率を改善するために、通常、電源入力段に力率改善回路を用いる必要がある。実施の形態４の発明においては、力率改善回路を実施の形態３で説明した図６の可変電圧源２４と兼用したもので説明する。 図８はこの発明の実施の形態４における回路構成図を示すもので、可変電圧源は、ＡＣ（交流）電源２４１と、このＡＣ電源２４１からの入力電圧を脈流の直流（ＤＣ）に変換するダイオードブリッジ回路２４２と、このダイオードブリッジ回路２４２の出力をＤＣ電圧に変換すると共に、力率を改善する力率改善回路２４３で構成されている。ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎとスイッチ素子Ｑ１〜Ｑｎの直並列回路と力率改善回路２４３との間には定電流回路２３が接続される。その他の回路構成は図６と同様につき説明を省略する。
【００２７】
図８において、ＡＣ電源２４１から入力された交流電流はダイオードブリッジ回路２４２で正弦波状の脈流に変換された後、力率改善回路２４３によりＤＣ電圧に変換される。力率改善回路２４３は昇圧または降圧または昇降圧のコンバータにより構成されるが、ここでは昇圧チョッパ方式のコンバータを用いている。すなわち、力率改善回路２４３内のスイッチ素子Ｑｒをオンオフ制御することにより、ＡＣ電源の電圧ピークよりも高い直流電圧Ｖｄｃを得ている。ここで、ダイオードブリッジ回路２４２から昇圧チョッパ回路に流れ込む電流波形は、スイッチ素子Ｑｒのオンオフのタイミング（デューティなど）によって可変するので、スイッチ素子Ｑｒのオンオフを制御回路１からの制御電圧Ｖcntを用いて適切に制御することにより、入力電流波形を正弦波状かつ入力電圧波形と同相となるように制御することが可能となる。例えば、ダイオードブリッジ回路２４２の出力電圧（脈流波形）と力率改善回路２４３の入力電流とを検出し、両者が相似の波形となるようにフィードバック制御すれば良い。このようにして、入力電流波形を正弦波状かつ入力電圧波形と同相となるように制御すれば、ＡＣ電源２４１からの入力の力率が改善される。力率改善回路２４３の出力として得られるＤＣ電圧の出力は、定電流回路２３を介してＬＥＤ素子Ｄ１〜ＤｎとスイッチＱ１〜Ｑｎの直並列回路に印加される。ここで、力率改善回路２４３の出力電圧Ｖdcを、実施の形態３と同様にＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの同時点灯数に応じて可変する。この構成によれば、可変電圧源２４を力率改善回路と兼用することにより、駆動回路を小型、低コストで実現することが可能となる。
【００２８】
実施の形態５．
次にこの発明の実施の形態５におけるＬＥＤ点灯装置を図に基づいて説明する。
実施の形態１においては、図４に示したように、１周期間の最初に全てのＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎを点灯させ、順次消灯させていくことにより、輝度の制御を行う方法を例として挙げた。
この場合、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの直列回路に印加する電圧は、１周期間の最初に最大値、ｎ×Ｖｆとなる。ｎが大きい場合には、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの直列回路に印加する最大電圧が非常に高くなるので、電圧源２１の最大出力電圧を高くする必要が生じる。
そこで、実施の形態５においては、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの最大同時点灯数をｎよりも小さい所定の値に制限することとした。図９に、実施の形態５におけるＬＥＤ素子の点灯パターンの一例を示す。
【００２９】
図９に示すように、この例においては、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄｎの直列数ｎ＝４に対して、最大同時点灯数を３に制限している。すなわち、ｔ０からｔ１の期間においては、ＬＥＤ素子Ｄ１〜Ｄ３はＯＮ（オン）であり、すでに最大同時点灯数に達したため、ＬＥＤ素子Ｄ４は強制的にＯＦＦ（オフ）とする。ｔ１にてＬＥＤ素子Ｄ１がＯＦＦ（オフ）となった時点で、ＬＥＤ素子Ｄ４をＯＮ（オン）する。
以上のように制御することにより、電圧源２１の最大出力電圧を低減することができるので、電圧源２１の耐電圧を下げることができ、また、ピーク電力を低減することができるので、点灯回路をより低コストで実現することが可能となる。
【００３０】
実施の形態６．
この発明の実施の形態６における車両用前照灯を図に基づいて説明する。この実施の形態６の発明は、実施の形態１〜５で説明したＬＥＤ点灯装置のいずれか１つを用いて車両用前照灯を構成したものである。図１０はこの発明の実施の形態６における車両用前照灯（ヘッドライト）の概略構成図、図１１（ａ）（ｂ）は図１０に示す車両用前照灯に用いられるＬＥＤ素子モジュールの正面図と側面図である。
図１０および図１１において、複数のＬＥＤ素子Ｄｎが基板３１上にマトリクス状に並べられてＬＥＤ素子モジュール３２が構成されている。このＬＥＤ素子モジュール３２は前照灯ケース３３の背面側に設置され、前照灯ケース３３の前面側には複数のＬＥＤ素子Ｄｎから放射される光を、それぞれのＬＥＤ素子Ｄｎに対応して定められた方向に投射する光学ユニット３４が設けられている。ＬＥＤ素子モジュール３２にはＬＥＤ素子Ｄｎの各々を任意の輝度にて発光させる駆動回路３５が接続される。この駆動回路３５は実施の形態１〜５にて説明したＬＥＤ点灯装置のいずれかが用いられる。
【００３１】
この実施の形態６の車両用前照灯は、マトリクス状に並べられた複数のＬＥＤ素子Ｄｎを備えるＬＥＤ素子モジュール３２を用いており、それぞれのＬＥＤ素子Ｄｎから放射された光は光学ユニット３４によって、それぞれ定められた方向に投射される。また、複数のＬＥＤ素子Ｄｎを駆動回路３５によって駆動すれば、それぞれのＬＥＤ素子Ｄｎを任意の輝度で発光させることが可能となり、前照灯の配光分布を可変することができる。
【００３２】
さて、車両用前照灯において、ステアリングの操舵方向に光軸を向け、進行方向に集中的に光を照射することにより視認性を向上させるＡＦＳ（Adaptive Front-Lighting System）や、レベリング制御といった機能を有するものがある。従来はランプやＬＥＤ素子などの光源と、レンズなどによる光学系を組み込んだ前照灯ユニットの向きを、アクチュエータなどを用いて変化させて配光を変化させることによりこれらの機能を実現していた。
この実施の形態６の発明を用いれば、前照灯ユニットを機械的に動かすことなく、自由に配光分布を変更することができるので、ＡＦＳやレベリング制御などの機能を有する前照灯を、小型化、軽量化することができる。さらに、この発明によればＬＥＤ素子間の色度の差を小さくすることができるので、色ムラの少ない投射光を得ることができる。
【００３３】
実施の形態７．
次にこの発明の実施の形態７におけるＬＥＤ点灯装置を車両用前照灯に適用した場合について図に基づいて説明する。図１２はこの発明の実施の形態７におけるＬＥＤ点灯装置の回路構成を示す図である。
図１２において、複数のＬＥＤ素子が互いに直列に接続されてＬＥＤ素子群を構成し、それぞれのＬＥＤ素子群は、ハイビーム用ＬＥＤ素子群ＤＨ、ロービーム用ＬＥＤ素子群ＤＬ、およびＤＲＬ（Daylight Running Lights： 昼間点灯走行）用ＬＥＤ素子群ＤＲ、の３つのＬＥＤ素子群にブロック分けされている。複数のＬＥＤ素子が互いに直列に接続されて構成された各ＬＥＤ素子群ＤＨ、ＤＬ、ＤＲには並列にスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ３が接続されている。３つのＬＥＤ素子群ＤＨ、ＤＬ、ＤＲとスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ３の並列回路は、さらに直列に接続されてＬＥＤ素子回路網を構成し、このＬＥＤ素子回路網に一括して定電流源２から一定電流を供給している。スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ３は制御回路１によりオン／オフ制御されるようになっている。
【００３４】
ここで、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ３を制御回路１によりオン／オフ制御すれば、それぞれの群のＬＥＤ素子を任意の輝度で発光させることができる。例えば、昼間走行時には、ロービーム用ＬＥＤ素子群ＤＬとハイビーム用ＬＥＤ素子群ＤＨは、並列に接続されたスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２をオンとすることにより、消灯状態とし、ＤＲＬ用ＬＥＤ素子群ＤＲに並列に接続されたスイッチ素子Ｑ３をＰＷＭ制御することにより、ＤＲＬ用ＬＥＤ素子群ＤＲを任意の輝度で発光させることができる。同様に、ロービーム用ＬＥＤ素子群ＤＬのみ、あるいはハイビーム用ＬＥＤ素子群ＤＨのみを任意の輝度で発光させることもできる。また、２つあるいは３つのＬＥＤ素子群を、それぞれ任意の輝度で同時に点灯させることも可能である。
この実施の形態７によれば、ハイビーム用ＬＥＤ素子群ＤＨとロービーム用ＬＥＤ素子群ＤＬとＤＲＬ用ＬＥＤ素子群ＤＲを、１つの電源回路のみで駆動することができるので、電源回路の小型化および低コスト化が可能となる。さらに、全てのＬＥＤ素子には一定かつ同一の電流を流すので、色シフトが小さくなり、色むらを防止することが可能となる。
【符号の説明】
【００３５】
Ｄ１〜Ｄｎ：ＬＥＤ素子、 Ｑ１〜Ｑｎ：スイッチ素子、
１：制御回路、 ２：定電流源、
１１：点灯パターン生成回路、 １２：ゲート駆動回路、
１２ａ：レベルシフト回路、 １２ｂ：バッファ回路、
１２ｃ：チャージポンプ回路、 ２１：電圧源、
２２：定電流回路、 ２２ａ：定電流制御回路、
Ｒsns：検出抵抗 Ｑｐ：電源用スイッチ素子
２３：定電流回路、 ２４：可変電圧源、
３１：基板、 ３２：ＬＥＤ素子モジュール、
３３：前照灯ケース、 ３４：光学ユニット、
３５：駆動回路、 ２４１：ＡＣ電源、
２４２：ダイオードブリッジ回路、 ２４３：力率改善回路、
ＤＨ：ハイビーム用ＬＥＤ素子群 ＤＬ：ロービーム用ＬＥＤ素子群、
ＤＲ：ＤＲＬ用ＬＥＤ素子群。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された複数のＬＥＤ素子、このＬＥＤ素子の各々に並列に接続された複数のスイッチ素子、前記ＬＥＤ素子と前記スイッチ素子の直並列回路に電流を供給する電源、および前記スイッチ素子のオンオフデューティーを制御して前記ＬＥＤ素子の輝度を発光デューティーにより制御する制御回路を備え、
前記制御回路は、前記スイッチ素子のオンオフデューティーを制御するためのタイミング信号を生成する点灯パターン生成回路と、前記スイッチ素子のゲートを駆動するゲート駆動回路によって構成され、
前記ゲート駆動回路は、レベルシフト回路と、バッファ回路と、チャージポンプ回路によって構成され、
前記制御回路は、前記複数のスイッチ素子のうち、最も高い電位に接続されるスイッチ素子以外の全てのスイッチ素子を同時にオンする期間を定期的に設けることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
【請求項２】
請求項１に記載のＬＥＤ点灯装置を用いた車両用前照灯において、前記ＬＥＤ点灯装置の複数のＬＥＤ素子をマトリクス状に並べたＬＥＤモジュールと、前記複数のＬＥＤ素子から放射される光を各々のＬＥＤ素子に対応して定められた方向に投射する光学ユニットとを備えた車両用前照灯。
【請求項１】
直列に接続された複数のＬＥＤ素子、このＬＥＤ素子の各々に並列に接続された複数のスイッチ素子、前記ＬＥＤ素子と前記スイッチ素子の直並列回路に電流を供給する電源、および前記スイッチ素子のオンオフデューティーを制御して前記ＬＥＤ素子の輝度を発光デューティーにより制御する制御回路を備え、
前記制御回路は、前記スイッチ素子のオンオフデューティーを制御するためのタイミング信号を生成する点灯パターン生成回路と、前記スイッチ素子のゲートを駆動するゲート駆動回路によって構成され、
前記ゲート駆動回路は、レベルシフト回路と、バッファ回路と、チャージポンプ回路によって構成され、
前記制御回路は、前記複数のスイッチ素子のうち、最も高い電位に接続されるスイッチ素子以外の全てのスイッチ素子を同時にオンする期間を定期的に設けることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
【請求項２】
請求項１に記載のＬＥＤ点灯装置を用いた車両用前照灯において、前記ＬＥＤ点灯装置の複数のＬＥＤ素子をマトリクス状に並べたＬＥＤモジュールと、前記複数のＬＥＤ素子から放射される光を各々のＬＥＤ素子に対応して定められた方向に投射する光学ユニットとを備えた車両用前照灯。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−８４６３５（Ｐ２０１３−８４６３５Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−２７３４１（Ｐ２０１３−２７３４１）
【出願日】平成２５年２月１５日（２０１３．２．１５）
【分割の表示】特願２００７−３０８９４０（Ｐ２００７−３０８９４０）の分割
【原出願日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年２月１５日（２０１３．２．１５）
【分割の表示】特願２００７−３０８９４０（Ｐ２００７−３０８９４０）の分割
【原出願日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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