JP4506593B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、計器の照明などに採用される発光素子を安定的に点灯駆動する照明装置に関する。

従来、この種の照明装置の一例として、車両用計器の照明用光源として複数の発光ダイオード（発光素子）を点灯駆動する回路装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１００４７２号公報

この装置では、車載バッテリ電圧をそのまま電源として用いて発光ダイオードを点灯駆動するものであり、照明用として直列接続された多数の発光ダイオードを点灯駆動するには十分とはいえない。

そこで、本発明者等は、図５に示すように、直列接続された多数の発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎとトランジスタＴ１〜Ｔｎとを駆動するために、車載バッテリ電圧を所定の電圧まで昇圧する電圧調整回路１を設けることを検討した。

この電圧調整回路１は、いわゆるスイッチングレギュレータで構成され、電解コンデンサ１１、チョークコイル１２、スイッチング用トランジスタ１３、整流用ダイオード１４、制御回路１００、および入力電源ＯＮ時に電解コンデンサ１１を充電させるための大電流が流れてしまうことを防ぐためのソフトスタート回路２００を有する。１次側電圧となるバッテリ電圧Ｖｂ（入力電圧）を、チョークコイル１２とトランジスタ１３の断続作動により昇圧した電圧を電解コンデンサ１１に充電し、２次側電圧Ｖｓとして出力する構成である。

しかしながら、入力電源ＯＮ時などのようにソフトスタート回路２００が作動するときは大電流の発生を効果的に抑えることができるが、ソフトスタート回路２００が作動しない程度の入力電圧の変動であっても、発光ダイオードの駆動電流が大きい場合には、２次側電圧Ｖｓを所定電圧に維持できなくなることが分かった。このため、入力電圧の低下時には駆動電流の供給に十分対応できず２次側電圧Ｖｓが低下するが、その状態で入力電圧が正常な電圧に戻った際に、ソフトスタートがかからないと電解コンデンサ１１を充電するための大電流が流れてしまう可能性がある。この大電流により、電流経路にある回路素子が定格を超える恐れがある。

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、入力電圧の低下時にも電圧調整回路の調整電圧を低下させないようにし、入力電圧が正常電圧に戻った直後の大電流の発生を抑えることを可能にする照明装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は請求項１ないし請求項8の技術手段を採用する。

請求項１に記載の本発明の照明装置によれば、
複数の発光素子と駆動素子とを直列接続した発光素子駆動回路と、
電源からの入力電圧を昇圧し、この昇圧した所定の電圧を前記発光素子駆動回路に与える電圧調整回路と、
前記入力電圧が設定電圧以上のとき、一定の第１電圧を前記駆動素子に与えて前記発光素子駆動回路の駆動電流を一定に調整すると共に、前記入力電圧が前記設定電圧より低くなるとき、前記入力電圧に応じて変化する第２電圧を前記駆動素子に与えて前記駆動電流を制限する電流調整回路とを備え、
前記電流調整回路は、前記第１電圧を発生する定電圧発生回路と、前記第２電圧を発生する電圧応動回路とを有し、前記定電圧発生回路の出力端子と前記電圧応動回路の出力端子とを抵抗を介して接続し、
前記電圧応動回路は、前記第２電圧が前記第１電圧より低いときに導通して前記第２電圧を出力するダイオードを有し、このダイオードのアノードを前記定電圧発生回路の出力側に接続することを特徴とする。

それにより、本発明では、入力電圧を昇圧しているため多数の発光素子を直列接続しても、照明用として安定して点灯駆動させることが可能となる。しかも、入力電圧が設定電圧より低くなるとき、入力電圧に応じた第２電圧を駆動素子に与えて駆動電流を制限することで、電圧調整回路の出力電圧の低下を抑えることが可能となり、昇圧構成にした場合に入力電圧低下より復帰直後に発生しがちな大電流の発生も効果的に抑えることが可能となる。
また、本発明では、定電圧発生回路と電圧応動回路とを有しているので、両回路の第１電圧と第２電圧とを適宜に発生させることが可能となる。さらに、本発明では、ダイオードを介して定電圧発生回路の出力側に接続するだけで、第１電圧と第２電圧の切り替えが可能になる。

請求項２に記載の本発明によれば、前記駆動素子はトランジスタであり、前記発光素子駆動回路は、前記トランジスタと直列接続された電流制限抵抗を有する。

それにより、本発明では、トランジスタのベース側に一定電圧を与えることで、定電流回路を構成することが可能になり、発光素子の輝度を安定して制御することが可能になる。

請求項３に記載の本発明によれば、前記電圧調整回路は、前記入力電圧を昇圧した所定の電圧を整流用ダイオードを介して充電する出力側コンデンサを有している。

それにより、本発明では、出力側コンデンサにより昇圧した電圧を充電し、平滑することで、安定した出力電圧を形成することが可能となる。

請求項４に記載の本発明によれば、前記複数の発光素子は、直列接続された複数の発光ダイオードから構成され、共通の駆動素子を用いて同じ駆動電流により複数の発光ダイオードを点灯駆動させることが可能となる。

請求項５に記載の本発明によれば、前記定電圧発生回路は、車載計器の輝度を調整する調光信号に応じて決まる一定の前記第１電圧を発生することで、発光素子の輝度を要求に合った輝度に安定的に調整することが可能となる。

請求項６に記載の本発明によれば、車載計器のバックライトに適用され、車載計器の輝度を安定的に設定することが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面により説明する。

本発明は、複数の発光素子を安定的に点灯駆動する照明装置に関するものであり、以下には車載計器のバックライト用の照明装置について説明するが、車載計器以外の用途にも適用可能である。

（第１実施形態）
図１は、本発明の照明装置の全体構成を示す回路図である。

電圧調整回路１は、スイッチングレギュレータで構成され、図５に示す回路と同様に、比較的容量の大きな電解コンデンサ１１、チョークコイル１２、スイッチング用ＮＰＮ型トランジスタ１３、整流用ダイオード１４、制御回路１００、および入力電源ＯＮ時に電解コンデンサ１１を充電させるための大電流が流れてしまうことを防ぐためのソフトスタート回路２００を有する。チョークコイル１２の入力電圧となるバッテリ電圧Ｖｂ（１次側電圧）を、チョークコイル１２とトランジスタ１３の断続作動により昇圧する。この昇圧した所定の電圧をダイオード１４で整流して電解コンデンサ１１に充電し、平滑することで、調整電圧である２次側電圧Ｖｓとして出力する構成である。

ここで制御回路１００は、２次側電圧Ｖｓを所定の基準電圧Ｖｒｅｆと比較するコンパレータ１０１と駆動制御回路１０２を有し、２次側電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆによって決まる所定電圧（例えば、３０ｖ）となるように、トランジスタ１３の出力デューティ（ＤＵＴＹ）比を制御する構成である。この所定電圧の大きさは、直列接続された発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎの個数（この場合、６個）によって決定される。

また、ソフトスタート回路２００は、入力電圧Ｖｂが設定された電圧以下の場合に作動するように構成され、一度作動すると入力電圧Ｖｂが再度設定電圧以下にならないと再作動しない。例えば、イグニッションスイッチ５の投入による入力電源ＯＮ直後より一定期間Ｔ０の間、制御回路１００に対してトランジスタ１３の出力デューティ比を０から徐々に大きくするような動作をさせるものであり、この徐変期間Ｔ０を適切な期間だけ与えることで大電流の発生を抑えることができる。この場合、出力デューティ比が０とは、トランジスタ１３が完全にＯＦＦした状態であり、電解コンデンサ１１側への昇圧のための電流は０である。

なお、図２（ａ）は、入力電源ＯＮ時にソフトスタートがかからなかった場合の動作を示し、入力電源ＯＮ時に出力デューティ比が最大（ＭＡＸ）になり、電解コンデンサ１１への入力電流が大電流となる状態を示す。また図２（ｂ）は、入力電源ＯＮ時にソフトスタートがかかった場合の動作を示し、入力電源ＯＮ時に出力デューティ比が一定期間Ｔ０の間に徐々に大きくなり、電解コンデンサ１１への入力電流が低く抑えられる状態を示す。

発光素子駆動回路２は、直列接続された多数（この場合、６個）の発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎとＮＰＮ型トランジスタＴ１〜Ｔｎと電流制限抵抗Ｒ１〜Ｒｎとをそれぞれ直列接続した構成であり、電流調整回路３により発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎの駆動電流が制御される。この場合、トランジスタＴ１〜Ｔｎのベース側に一定電圧を与えることで、定電流回路を構成することが可能となり、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎの輝度を安定して制御することが可能となる。

この発光素子駆動回路２は、本例ではｎ個が配置されているが、車載計器のバックライトとしての要求性能に応じて決定される値である。この発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎは、本例では白色発光ダイオードである。

電流調整回路３は、一定の第１電圧を発生する定電圧発生回路３１と、抵抗３２と、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎの駆動電流を制限するために、入力電圧Ｖｂに応じた第２電圧を発生する電圧応動回路３３とを有し、両回路３１、３３の出力端子が抵抗３２を介して接続されている。具体的には、電圧応動回路３３内のダイオード３５のアノードが定電圧発生回路３１の出力側に接続されている。

この電圧応動回路３３は、入力電圧Ｖｂに応じた第２電圧を発生する電圧変換回路３４と、第２電圧が第１電圧より低いとき（具体的には、第２電圧とダイオード３５の順方向電圧降下の和が第１電圧より低いとき）に導通してトランジスタＴ１〜Ｔｎのベース側に出力可能にするダイオード３５とを有する。つまり、入力電圧Ｖｂが設定電圧より低くなるとき、第２電圧がダイオード３５のアノード側に発生し、この第２電圧をトランジスタＴ１〜Ｔｎのベースに与えることになる。このように、ダイオード３５を介して定電圧発生回路３１の出力側に接続するだけで、第１電圧と第２電圧との切り替えが可能となる。

ここで、電流調整回路３に設定された動作特性について、図３を用いて説明する。

図３（ａ）は、電圧調整回路１の２次側電圧（調整電圧）Ｖｓが、全ての発光素子駆動回路２へ流れる電流の総和であるＬＥＤ電流によって低下しない限界特性イを示す入力電圧Ｖｂ−ＬＥＤ電流特性図、（ｂ）は、２次側電圧（調整電圧）Ｖｓが、発光素子駆動回路２へのＬＥＤ電流によって低下しない限界特性ロを示す入力電圧Ｖｂ−トランジスタＴ１〜Ｔｎのベース電圧特性図、（ｃ）は、電圧変換回路３４に対して許容される許容特性ハを示す入力電圧Ｖｂ−トランジスタＴ１〜Ｔｎのベース電圧特性図、（ｄ）は、電流調整回路３に設定された全体特性を示し、設定電圧Ｖｋでもって許容特性を切り替え、発光素子駆動回路２へのＬＥＤ電流によって低下しない許容特性ニを示す入力電圧Ｖｂ−トランジスタＴ１〜Ｔｎのベース電圧特性図である。いずれの限界特性イ〜ニにおいても、その上側領域が２次側電圧Ｖｓが低下する動作領域、その下側領域が２次側電圧Ｖｓが低下しない正常動作領域を示す。

このように、２次側電圧（調整電圧）Ｖｓが低下しないような限界特性ロを求め、この限界特性ロより少し安全側に電圧変換回路３４の許容特性ハを設定する。つまり、入力電圧Ｖｂが低下したときには、トランジスタＴ１〜Ｔｎのベース電圧を下げることによりＬＥＤ電流を低減させることができる。一方、入力電圧Ｖｂが安定な通常の使用領域（入力電圧Ｖｂ≧Ｖｋ）では、ＬＥＤ電流を一定にするため、定電圧発生回路３１からの一定の第１電圧がトランジスタＴ１〜Ｔｎのベースに加わることになる。

また、電圧調整回路１および電流調整回路３には、入力電源となる車載バッテリ４からイグニッションスイッチ５および回路保護用ヒューズ６を介して入力電圧（バッテリ電圧）Ｖｂが入力されている。

上記構成による作動を説明する。

まず、利用者がイグニッションスイッチ５を投入すると、車載計器の照明装置の入力電源がＯＮとなる。するとソフトスタート回路２００の作用により、電圧調整回路１は、図２（ｂ）に示すように出力デューティ比を徐々に高くし、電解コンデンサ１１への入力電流を徐変する。

入力電源ＯＮより一定期間Ｔ０が過ぎ、かつ入力電圧Ｖｂが設定電圧Ｖｋ以上で安定していると、電圧調整回路１は安定的に２次側電圧Ｖｓを提供すると共に、電流調整回路３も定電圧発生回路３１から一定の第１電圧をトランジスタＴ１〜Ｔｎのベースに提供する。そこでトランジスタＴ１〜Ｔｎおよび電流制限抵抗Ｒ１〜Ｒｎは定電流回路として動作し、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎを所定輝度にて安定的に発光させることができる。

一方、入力電圧Ｖｂが設定電圧Ｖｋより低下すると、電圧変換回路３４の第２電圧も低下する。そして定電圧発生回路３１の第１電圧より低くなると（具体的には、第２電圧とダイオード３５の順方向電圧降下の和が第１電圧より低くなると）、ダイオード３５が導通して第２電圧をトランジスタＴ１〜Ｔｎのベース側に提供することになる。そのため、トランジスタＴ１〜Ｔｎは第２電圧に応じた電流制御を行い、２次側電圧Ｖｓが低下しないレベルのＬＥＤ電流を流し、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎを少し低い輝度にて発光させることになる。

その後、入力電圧Ｖｂが設定電圧Ｖｋより高くなり正常化した直後においても、上記電流制限動作により２次側電圧Ｖｓが低下していないため、電解コンデンサ１１へ大電流が流れることはない。

このように、本実施形態では、入力電圧を昇圧しているため、多数の発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎを直列接続しても、照明用として安定して点灯駆動させることが可能となる。しかも、入力電圧Ｖｂが設定電圧Ｖｋより低くなるとき、入力電圧に応じた第２電圧を駆動素子であるトランジスタＴ１〜Ｔｎに与えて駆動電流を制限することで、電圧調整回路１の出力電圧（２次側電圧）の低下を抑えることが可能となり、昇圧構成にした場合に入力電圧低下より復帰直後に発生しがちな大電流の発生も効果的に抑えることが可能となる。そのため、電流経路にあるヒューズ６、チョークコイル１２、トランジスタ１３などが、大電流により定格を超えて素子劣化や破損に至るのを確実に防止することが可能になる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図５により説明する。この第２実施形態は、第１実施形態を具現化した回路の一例を示すものであり、第１実施形態と異なる点は、電流調整回路３において定電圧発生回路３１と電圧応動回路３３の具体的回路を示した点、およびオペアンプ３５２を追加してダイオード３５１による順方向電圧降下分の影響を除いた点である。

図４において、定電圧発生回路３１は、図示してない車載計器内の調光信号発生回路３６より計器照明のための計器の輝度を調整、指示する調光信号を受け、この調光信号の電圧レベルによって決定されるＬＥＤ電流となるように、発光素子駆動回路２に与える第１電圧（定電圧）を調整する。

すなわち、定電圧発生回路３１は、調光信号の電圧レベルに応じてトランジスタ３１１、３１２の作動状態が決定され、抵抗３１６、３１７の接続点３１３には調光信号によって決まる一定の第１電圧を発生させる。しかも、この接続点３１３には、電圧応動回路３３の出力端子が直接接続されているため、電圧応動回路３３の出力電圧（第２電圧）が第１電圧より低いときには、接続点３１３の電圧は低い側の第２電圧まで引き下げられる。この接続点３１３に発生する電圧に応じた出力電圧が、出力側のトランジスタ３１４と抵抗３１５の回路、およびベース抵抗Ｒｂ１〜Ｒｂｎを通して発光素子駆動回路２に提供される構成である。

また、電圧応動回路３３は、電圧変換回路３４と出力回路３５ａとを有している。この電圧変換回路３４は、オペアンプ３４１とＮＰＮ型トランジスタ３４２とを有し、入力電圧Ｖｂ（バッテリ電圧）と基準電圧Ｖｒｅｆ１との差動増幅回路を構成し、入力電圧Ｖｂに応じた出力電圧（第２電圧）を接続点３４３に発生する。

出力回路３５ａは、ダイオード３５１とオペアンプ３５２とを有する。出力回路３５ａは、オペアンプ３５２を利用してダイオード３５１による順方向電圧降下分の影響を除去し、接続点３４３に生じる第２電圧をダイオード３５１のアノード側に発生させる構成である。なお、このダイオード３５１は、図１に示すダイオード３５と同じ機能であり、第２電圧＜第１電圧のときのみ定電圧発生回路３１の接続点３１３に影響を与える（つまり、接続点３１３の電圧を低い側に引き下げる）働きをする。

第２実施形態の作動は、第１実施形態と同様のため説明を省略する。この第２実施形態では、出力回路３５ａにおいてダイオード３５１による順方向電圧降下分の影響を除去できるため、図３（ｄ）に示す入力電圧Ｖｂの低下時における許容特性ハを安定させることができ、２次側電圧Ｖｓが低下しない限界特性ロに対してより接近させた許容特性ハの設定が可能となる。このことは、入力電圧Ｖｂの低下時にも、可能な限り発光素子駆動回路２のＬＥＤ電流を低下させる度合いを少なくし、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎの輝度の低下を少なくすることが可能になる。

（変形例）
上記実施形態では、発光素子として白色の発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎを例に掲げたが、他の発光色の発光ダイオードでもよいし、他の形式の発光素子でもよい。また、駆動素子としてＮＰＮ型トランジスタＴ１〜Ｔｎを例に掲げたが、定電流制御が可能な素子であれば、ＰＮＰ型トランジスタやＭＯＳトランジスタでもよい。

本発明の第１実施形態となる照明装置の全体構成を示す回路図である。 ソフトスタート回路２００の作動説明図である。 電圧調整回路１の２次側電圧が低下しない限界特性や許容特性を示す説明図である。 本発明の第２実施形態となる照明装置の全体構成を示す回路図である。 本発明者等が事前検討した照明装置の全体構成を示す回路図である。

符号の説明

１ 電圧調整回路
２ 発光素子駆動回路
３ 電流調整回路
４ 車載バッテリ
５ イグニッションスイッチ
１１ 電解コンデンサ（出力側コンデンサ）
１２ チョークコイル
１３ スイッチング用ＮＰＮ型トランジスタ
１４ 整流用ダイオード
３１ 定電圧発生回路
３３ 電圧応動回路
３４ 電圧変換回路
３５、３５１ ダイオード
ＬＥＤ１〜ＬＥＤｎ 発光ダイオード（発光素子）
Ｔ１〜Ｔ２ トランジスタ（駆動素子）
Ｒ１〜Ｒｎ 電流制限抵抗

Claims (6)

1. 複数の発光素子と駆動素子とを直列接続した発光素子駆動回路と、
   電源からの入力電圧を昇圧し、この昇圧した所定の電圧を前記発光素子駆動回路に与える電圧調整回路と、
   前記入力電圧が設定電圧以上のとき、一定の第１電圧を前記駆動素子に与えて前記発光素子駆動回路の駆動電流を一定に調整すると共に、前記入力電圧が前記設定電圧より低くなるとき、前記入力電圧に応じて変化する第２電圧を前記駆動素子に与えて前記駆動電流を制限する電流調整回路とを備え、
   前記電流調整回路は、前記第１電圧を発生する定電圧発生回路と、前記第２電圧を発生する電圧応動回路とを有し、前記定電圧発生回路の出力端子と前記電圧応動回路の出力端子とを抵抗を介して接続し、
   前記電圧応動回路は、前記第２電圧が前記第１電圧より低いときに導通して前記第２電圧を出力するダイオードを有し、このダイオードのアノードを前記定電圧発生回路の出力側に接続することを特徴とする照明装置。
2. 前記駆動素子はトランジスタであり、
   前記発光素子駆動回路は、前記トランジスタと直列接続された電流制限抵抗を有することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記電圧調整回路は、前記入力電圧を昇圧した所定の電圧を整流用ダイオードを介して充電する出力側コンデンサを有することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記複数の発光素子は、直列接続された複数の発光ダイオードから構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の照明装置。
5. 前記定電圧発生回路は、車載計器の輝度を調整する調光信号に応じて決まる一定の前記第１電圧を発生することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
6. 車載計器のバックライトに適用されることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。

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