JP2004051014A

JP2004051014A - 車両用ｌｅｄヘッドランプ装置

Info

Publication number: JP2004051014A
Application number: JP2002212633A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Tanabe; 田部　哲夫
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】車両用ＬＥＤヘッドランプ装置において、回路の発熱を最小限とし、配線の数を減らし、発光ダイオードの明るさを均一とし、明るさの変動も防ぐことができること。
【解決手段】ＬＥＤユニット１０においては８個のＬＥＤ９が全て直列に接続されており、電源３即ち車両のバッテリの電圧１２Ｖでは電圧不足であるので、制御ユニット２内に昇圧回路４を設けて、約１６Ｖに昇圧した電圧を８個のＬＥＤ９に印加している。ＬＥＤユニット１０の先端は定電流回路８に接続され、この定電流回路８の近傍には定電流回路８にかかっている電圧を検出する電圧検出回路７が接続されており、電源３から取り込まれた基準電圧５と比較され、アンプ６で増幅されて昇圧制御信号として昇圧回路４に入力される。この昇圧制御信号は、電圧検出回路７で検出された電圧が可能な限り低くなるように昇圧電流を制御するように出力される。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオードを光源として用いた車両用ＬＥＤヘッドランプを制御する車両用ＬＥＤヘッドランプ装置に関するものである。
【０００２】
なお、本明細書中においては、ＬＥＤチップそのもの、あるいはＬＥＤチップを搭載したパッケージ樹脂またはレンズ系等の光学装置を含むそれら全体を「発光ダイオード」または「ＬＥＤ」と呼ぶこととする。
【０００３】
【従来の技術】
発光素子の高輝度化に伴って、自動車のストップランプ等にＬＥＤを光源とした車両用ＬＥＤランプが用いられることが多くなってきた。ＬＥＤは、スペクトルがシャープで視認性が良い。また、応答速度が速いため、後続車への信号伝達速度が速く、高速走行中、静止距離の短縮に顕著な効果が認められている。さらに、ＬＥＤはそれ自体単色光源であるので、白熱電球のように必要色以外の光をフィルターカットする必要もなく、単色光源として高効率であり、省エネルギー化にもつながる。
【０００４】
かかる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置の一例を図４に示す。図４は、従来の車両用ＬＥＤヘッドランプ装置の一例を示す回路図である。図４に示されるように、この車両用ＬＥＤヘッドランプ装置５０は、制御ユニット５１と発光ダイオードユニット５２から構成されており、発光ダイオードユニット５２の８個の発光ダイオード５４は互いに並列に接続されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、各発光ダイオード５４ごとに電流制限回路（抵抗またはトランジスタ）５５が必要であり、発光ダイオード５４の数が多くなると電流制限回路５５の数も増加して、それ自体の発熱量が無視できなくなる。また、制御ユニット５１と発光ダイオードユニット５２を接続する配線の数が電源線＋並列数と多くなるので、配線の手間がかかりコスト高となる。また、各発光ダイオード５４の順方向電圧にばらつきがあると、流れる電流がばらつき、ひいては発光ダイオード５４の明るさのばらつきとなってしまう。さらには、電流制限回路５５が抵抗である場合、電源電圧が変動すると発光ダイオード５４に流れる電流も変化し、明るさが変動する、といった問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明は、回路の発熱を最小限とし、配線の数を減らし、発光ダイオードの明るさを均一とし、明るさの変動も防ぐことができる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置の提供を課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にかかる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置は、光源に発光ダイオードを用いて、該発光ダイオードを複数個直列に接続し、電源電圧から昇圧した電圧を印加して点灯させるものである。
【０００８】
通常、自動車のバッテリの電圧は約１２Ｖであって、発光ダイオードの順方向電圧は約２Ｖである。したがって、ＬＥＤを直列に並べて点灯させる場合には、６個が限界であった。そこで、ＬＥＤを従来の並列から直列に並べ替えるとともに、バッテリと直列に並べたＬＥＤの間に昇圧回路を設けて電圧を上げ、ＬＥＤの個数の増加に対応できるようにした。これによって、電源とＬＥＤユニット間の配線が２本となり、作業性の向上とコスト低減が図れる。また、ＬＥＤを直列に並べていることから全ＬＥＤに同じ大きさの電流が流れるので、ＬＥＤ間の明るさのばらつきが抑えられ、また電源電圧が変動しても昇圧回路によってＬＥＤに加わる電圧が一定となるように制御されるので明るさの変動も生じることがない。
【０００９】
このようにして、複数の発光ダイオードを接続してヘッドランプとして充分な光量が得られるとともに配線の数を減らし、発光ダイオードの明るさを均一とし、明るさの変動も防ぐことができる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置となる。
【００１０】
請求項２の発明にかかる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置は、請求項１の構成において、前記直列に接続した発光ダイオードを定電流駆動し、かつ可変電圧を印加するものである。
【００１１】
この車両用ＬＥＤヘッドランプ装置においては、ＬＥＤを直列に並べて電源電圧を昇圧して印加するのに加えて、定電流回路を加える等して定電流駆動する。そして、この定電流がＬＥＤの順方向電流に一致するように可変電圧を印加する。これによって、定電流回路等に印加される電圧が少なくなり、この部分における発熱量が小さくなる。発熱が生ずるのは殆どこの部分のみであるため、装置全体としての発熱量も小さくなって効率が向上する。
【００１２】
このようにして、回路の発熱を最小限とし、配線の数を減らし、発光ダイオードの明るさを均一とし、明るさの変動も防ぐことができる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置となる。
【００１３】
請求項３の発明にかかる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置は、請求項２の構成において、前記電源電圧から昇圧する電圧の回路は、定電流回路と該定電流回路の電圧検出回路を有し、前記電源電圧から昇圧した電圧は、前記電圧検出回路によって検出される電圧が前記複数個の発光ダイオードを発光させるに足る可能な限り低い電圧として前記可変電圧を前記複数個の発光ダイオードに印加するものである。
【００１４】
この車両用ＬＥＤヘッドランプ装置においてはＬＥＤを定電流駆動するための定電流回路と、この定電流回路にかかる電圧を検出する電圧検出回路を有している。そして、電圧検出回路によって検出される電圧が、前記複数個の発光ダイオードを発光させるに足る可能な限り低くなるように可変電圧の大きさを変えて電圧を印加するものである。これによって、定電流回路における発熱量が小さくなって、発熱が生ずるのは殆どこの部分のみであるため、装置全体としての発熱量も小さくなって効率が向上する。
【００１５】
このようにして、より確実に回路の発熱を最小限とし、配線の数を減らし、発光ダイオードの明るさを均一とし、明るさの変動も防ぐことができる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置となる。
【００１６】
請求項４にかかる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置においては直列に接続した発光ダイオードに電流代替回路を形成したものである。
【００１７】
この車両用ＬＥＤヘッドランプ装置においては、直列接続されたＬＥＤのどれか一つが断線して消灯しても代替回路を通して電流を流すことにより、残りの他のＬＥＤは継続して点灯する。
【００１８】
このようにして、発光ダイオードの明るさを均一とし、明るさの変動を防ぐと共に、断線時の一斉消灯を回避することができる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第一の実施の形態について図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態にかかる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置の回路の概略を示す回路図である。図２は本発明の実施の形態にかかる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置のより詳細な回路を示す回路図である。
【００２０】
図１に示されるように、本実施の形態の車両用ＬＥＤヘッドランプ装置１は、制御ユニット２と発光ダイオードユニット１０とから構成されている。このＬＥＤユニット１０においては８個のＬＥＤ９が全て直列に接続されて、その各々のＬＥＤに断線時のための代替回路を有してＬＥＤヘッドランプを構成している。電源３即ち車両のバッテリの電圧は約１２Ｖなので、約２Ｖ×８＝約１６Ｖを必要とするＬＥＤユニット１０には電圧不足である。そこで、制御ユニット２内に昇圧回路４を設けて、約１６Ｖに昇圧した電圧を８個のＬＥＤ９に印加している。ＬＥＤユニット１０の先端は定電流回路８に接続されてアースされている。この定電流回路８の近傍には定電流回路８にかかっている電圧を検出する電圧検出回路７が接続されており、電源３から取り込まれた基準電圧５と比較され、アンプ６で増幅されて昇圧制御信号として昇圧回路４に入力される。この昇圧制御信号は、電圧検出回路７で検出された電圧が可能な限り低くなるように昇圧電圧を制御するように出力される。
【００２１】
これによって、定電流回路８自身が発生する発熱量を可能な限り低く抑えることができ、回路の効率を上げることができる。また、８個のＬＥＤ９を全て直列に接続したことによって、全ＬＥＤに同じ電流が流れるので明るさのばらつきが抑えられる。また、ＬＥＤ９に加わる電圧（昇圧電圧）も制御されるので、電源電圧が変動してもＬＥＤ９の明るさの変動が生じない。さらに、制御ユニット２とＬＥＤユニット１０の間の配線が２本で済み、作業性が向上し、コストの低減を図ることができる。
【００２２】
次に、より詳細な回路の動作について、図２を参照して説明する。昇圧してＬＥＤ９に印加する昇圧電圧Ｖ２を作るための昇圧回路４は、本実施の形態においてはコイルＬとトランジスタＴｒを用いたチョッパ方式によっている。さらに、整流用ダイオードＤ、平滑用コンデンサＣも用いられている。ここで、トランジスタＴｒは高速でＯＮ，ＯＦＦを繰り返しており、昇圧電圧Ｖ２はトランジスタＴｒのＯＮとＯＦＦの割合デューティー比を制御することによって変えることができる。デューティー比＝トランジスタＴｒのＯＮ時間／（ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間）であり、デューティー比を大きくすると昇圧電圧Ｖ２は上昇し、小さくすると下降する。８個のＬＥＤ９を流れた電流Ｉは、抵抗Ｒ１へと流れる。この抵抗Ｒ１が図１の定電流回路８に相当する。
【００２３】
抵抗Ｒ１の電圧Ｖ１をオペアンプＱ１で検出し電圧Ｖ３に増幅して、昇圧コントロールＩＣへ入力する。抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、オペアンプＱ１の増幅率を決めるものである。したがって、オペアンプＱ１，抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が図１の電圧検出回路７を構成している。昇圧コントロールＩＣの中では、入力されたＶ３と内部の基準電圧５を比較し、両者が絶えず等しくなるように昇圧回路４のトランジスタＴｒのデューティー比を制御する仕組みとなっている。昇圧コントロールＩＣ内の発振器１２はトランジスタＴｒのＯＮ，ＯＦＦを繰り返す周期を決めるもので、ＰＷＭアンプ１３はデューティー比の決定とトランジスタＴｒを駆動する役割を果たすものである。
【００２４】
例えば、バッテリ３の電圧が何らかの原因で低下した場合、まず電圧Ｖ２が低下し、同時にＬＥＤ９に流れる電流Ｉが少なくなって、抵抗Ｒ１の電圧Ｖ１も低下する。すると電圧Ｖ３も低下するので、昇圧コントロールＩＣ内の基準電圧５と差が生じる。昇圧コントロールＩＣ内ではこの差をなくすために、トランジスタＴｒのデューティー比を増やす方向に制御が働き、結局電圧Ｖ２が上昇して変化する前の値で安定する。
【００２５】
この回路では、電圧Ｖ１の値を一定にするように制御されるので、ＬＥＤ９に流れる電流Ｉは、Ｉ＝Ｖ１／Ｒ１となり、一定である。つまり、抵抗Ｒ１によって定電流回路が形成されていることになる。
【００２６】
電圧Ｖ１の値を必要以上に大きくしなければ、抵抗Ｒ１に発生する熱も抑えられ、無駄な発熱も少なくなる。例えば、従来の回路のようにＬＥＤを８個全て並列に接続し、それぞれの電流制限用に抵抗を使用した場合、抵抗に発生する熱の源となる電力を求めると、電源電圧を１２Ｖ、ＬＥＤの順方向電圧Ｖｆを２Ｖ、ＬＥＤに流れる電流を０．０２Ａとして、各抵抗に加わる電圧は１２Ｖ−２Ｖ＝１０Ｖとなるから、全抵抗の電力は、
１０Ｖ×０．０２Ａ×８（個）＝１．６Ｗ
となる。一方、図２の回路において抵抗Ｒ１にかかる電力は、電圧Ｖ１を１Ｖとなるように制御し、ＬＥＤに流れる電流を同じく０．０２Ａとすると、
１Ｖ×０．０２Ａ＝０．０２Ｗ
となって、従来の回路に比べて極めて少なくなる。
【００２７】
また、ＬＥＤ９の特性のばらつきで順方向電圧Ｖｆが変わっても、電圧Ｖ１は一定でばらつきの分を昇圧電圧Ｖ２の変化で吸収する。このことは、ＬＥＤ９の順方向電圧Ｖｆが小さい方にばらついても、抵抗Ｒ１の発熱が大きくならないことを意味している。
【００２８】
さらに、全体の効率を比較してみると、前者のＬＥＤを８個並列に接続した場合、ＬＥＤで消費される電力は、
２Ｖ×０．０２Ａ×８（個）＝０．３２Ｗ
電源からの入力電力は、制御回路分は少量なので無視すると、
１２Ｖ×０．０２Ａ×８（並列）＝１．９２Ｗ
したがって、効率は、
０．３２／１．９２×１００＝１６．７（％）
となる。一方、図２の回路においては、ＬＥＤ９で消費される電力は、
２Ｖ×０．０２Ａ×８（個）＝０．３２Ｗ
抵抗Ｒ１で消費される電力は、
１Ｖ×０．０２Ａ＝０．０２Ｗ
昇圧回路４の効率を７０％とすると、電源からの入力電圧は、同じく制御回路分を無視して、
（０．３２Ｗ＋０．０２Ｗ）／０．７＝０．４８Ｗ
したがって、効率は、
０．３２／０．４８×１００＝６６．７（％）
となり、従来の回路に比べてはるかに効率が高くなることが分かる。
【００２９】
このように、本実施の形態の車両用ＬＥＤヘッドランプ装置においては、無駄な発熱が生ずるのを防ぐことができ、ＬＥＤの順方向電圧Ｖｆがばらついても昇圧電圧Ｖ２の変化で吸収して定電流回路の発熱量が増加するのを防止でき、さらに従来の並列回路に比べてはるかに効率が高くなる。
【００３０】
本実施の形態においては、電源電圧を昇圧する方法としてチョッパ方式を用いたが、昇圧の仕方には様々な方式があり、チャージポンプ方式、トランス方式を始めとしてどのような方式を用いても良い。
【００３１】
車両用ＬＥＤヘッドランプ装置のその他の部分の構成、形状、数量、材質、大きさ、接続関係等についても、本実施の形態に限定されるものではない。
【００３２】
次に、本発明の第二の実施の形態について図３を参照して説明する。図３は本発明の第二の実施の形態にかかる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置における各ＬＥＤ９の回路を示す概略図である。
【００３３】
図３に示されるように、本実施の形態の車両用ＬＥＤヘッドランプ装置１の各ＬＥＤ９は、ＬＥＤ９の両端電圧を分圧する抵抗Ｒ５、Ｒ６がＬＥＤ９と並列に置かれている。さらに抵抗Ｒ５、Ｒ６とＬＥＤ９と平行に、電流代替回路用のトランジスタＴｒ２と、トランジスタＴｒ２駆動用シャントレギュレータＱ２が図のように接続されている。ここで、Ｒ５＝２７ｋΩ、Ｒ６＝６８ｋΩ、Ｑ２の基準電圧＝２．５Ｖである。
【００３４】
発光ダイオード９が正常に点灯している時、電流は▲１▼の経路でＬＥＤ９に流れている。ＬＥＤの順方向電圧Ｖｆは２．０Ｖ、Ｒ５にかかる電圧は
Ｖ５＝２．０×６８／（２７＋６８）＝１．４３Ｖ
となっている。このときＱ２はＶｆを基準電圧の２．５Ｖにしようと作用し、Ｖ４を上昇させＶ４はＶｆの値とほぼ等しくなる。よって▲３▼の経路のようにＴｒ２はＯＮするためのベース電流が流れないので、Ｔｒ２はＯＦＦのままとなり代替路の▲２▼の経路で電流は流れない。
【００３５】
一方、発光ダイオード９が断線した時、電流は▲１▼の経路では流れなくなり、電流は▲４▼の経路を流れようとする。Ｒ５とＲ６は抵抗値が大きいのでＶｆの値が急に大きくなり電源電圧値近くまで上昇しようとする。同時にＶ５も上昇する。このときＱ２はＶ５を基準電圧の２．５Ｖに抑えようと作用しＶ４を低くさせる。するとＴｒ２のベース電流が▲３▼の経路で流れ、Ｔｒ２はＯＮとなる。よってＴｒ２により電流の代替路が形成される。
【００３６】
このように発光ダイオード９の断線により▲１▼の経路が絶たれても、瞬時に▲２▼の経路にて電流が流れ続け、他の発光ダイオードが継続して点灯する。その後ＶｆはＱ２により３．５Ｖあたりで安定する。
【００３７】
この実施例では、断線検出と電流の代替路形成にシャントレギュレータとトランジスタを使ったが、これの他にもサイリスタを使った回路や、トランジスタを組み合わせた回路が考えられ同様の効果が得られる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明にかかる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置は、光源に発光ダイオードを用いて、該発光ダイオードを複数個直列に接続し、電源電圧から昇圧した電圧を印加して点灯させるものである。
【００３９】
通常、自動車のバッテリの電圧は約１２Ｖであって、発光ダイオードの順方向電圧は約２Ｖである。したがって、ＬＥＤを直列に並べて点灯させる場合には、６個が限界であった。そこで、ＬＥＤを従来の並列から直列に並べ替えるとともに、バッテリと直列に並べたＬＥＤの間に昇圧回路を設けて電圧を上げ、ＬＥＤの個数の増加に対応できるようにした。これによって、電源とＬＥＤユニット間の配線が２本となり、作業性の向上とコスト低減が図れる。また、ＬＥＤを直列に並べていることから全ＬＥＤに同じ大きさの電流が流れるので、ＬＥＤ間の明るさのばらつきが抑えられ、また電源電圧が変動しても昇圧回路によってＬＥＤに加わる電圧も制御されるので明るさの変動も生じることがない。
【００４０】
このようにして、複数の発光ダイオードを接続してヘッドランプとして充分な光量が得られるとともに、配線の数を減らし、発光ダイオードの明るさを均一とし、明るさの変動も防ぐことができる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置となる。
【００４１】
請求項２の発明にかかる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置は、請求項１の構成において、前記直列に接続した発光ダイオードを定電流駆動し、かつ可変電圧を印加するものである。
【００４２】
この車両用ＬＥＤヘッドランプ装置においては、ＬＥＤを直列に並べて電源電圧を昇圧して印加するのに加えて、定電流回路を加える等して定電流駆動する。そして、この定電流がＬＥＤの順方向電流に一致するように可変電圧を印加する。これによって、請求項１に記載の効果に加えて、定電流回路等に印加される電圧が少なくなり、この部分における発熱量が小さくなる。発熱が生ずるのは殆どこの部分のみであるため、装置全体としての発熱量も小さくなって効率が向上する。
【００４３】
このようにして、回路の発熱を最小限とし、配線の数を減らし、発光ダイオードの明るさを均一とし、明るさの変動も防ぐことができる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置となる。
【００４４】
請求項３の発明にかかる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置は、請求項２の構成において、前記電源電圧から昇圧する電圧の回路は、定電流回路と該定電流回路の電圧検出回路を有し、前記電源電圧から昇圧した電圧は、前記電圧検出回路によって検出される電圧が前記複数個の発光ダイオードを発光させるに足る可能な限り低い電圧として前記可変電圧を前記複数個の発光ダイオードに印加するものである。
【００４５】
請求項２に記載の効果に加えて、この車両用ＬＥＤヘッドランプ装置においてはＬＥＤを定電流駆動するための定電流回路と、この定電流回路にかかる電圧を検出する電圧検出回路を有している。そして、電圧検出回路によって検出される電圧が、前記複数個の発光ダイオードを発光させるに足る可能な限り低くなるように可変電圧の大きさを変えて電圧を印加するものである。これによって、定電流回路における発熱量が小さくなって、発熱が生ずるのは殆どこの部分のみであるため、装置全体としての発熱量も小さくなって効率が向上する。
【００４６】
このようにして、より確実に回路の発熱を最小限とし、配線の数を減らし、発光ダイオードの明るさを均一とし、明るさの変動も防ぐことができる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置となる。
【００４７】
請求項４にかかる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置は、請求項１ないし３の構成において、直列に接続した発光ダイオードに電流代替回路を形成したものである。
【００４８】
請求項１ないし３に記載の効果に加えて、この車両用ＬＥＤヘッドランプ装置においては直列接続されたＬＥＤのどれか一つが断線して消灯しても代替回路を通して電流を流すことにより、残りの他のＬＥＤは継続して点灯する。
【００４９】
このようにして、発光ダイオードの明るさを均一とし、明るさの変動を防ぐと共に、断線時の一斉消灯を回避することができる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施の形態にかかる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置の回路の概略を示す回路図である。
【図２】図２は本発明の実施の形態にかかる車両用ＬＥＤヘッドランプ装置のより詳細な回路を示す回路図である。
【図３】図３はＬＥＤ断線時における代替路を示す回路図である。
【図４】図４は、従来の車両用ＬＥＤヘッドランプ装置の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
１　車両用ＬＥＤヘッドランプ装置
９　発光ダイオード（ＬＥＤ）
２０　　電流代替回路

Claims

光源に発光ダイオードを用いて、該発光ダイオードを複数個直列に接続し、電源電圧から昇圧した電圧を前記複数個の発光ダイオードに印加して点灯させることを特徴とする車両用ＬＥＤヘッドランプ装置。
前記直列に接続した発光ダイオードを定電流駆動し、かつ、可変電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の車両用ＬＥＤヘッドランプ装置。
前記電源電圧から昇圧する電圧の回路は、定電流回路と該定電流回路の電圧検出回路を有し、前記電圧検出回路によって検出される電圧が前記複数個の発光ダイオードを発光させるに足る可能な限り低い電圧として前記可変電圧を前記複数個の発光ダイオードに印加することを特徴とする請求項２に記載の車両用ＬＥＤヘッドランプ装置。
前記直列に接続した発光ダイオードに電流代替回路を形成したことを特徴とする請求項１ないし３に記載の車両用ＬＥＤヘッドランプ装置。