特許第6935536号(P6935536)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6935536
(24)【登録日】2021年8月27日
(45)【発行日】2021年9月15日
(54)【発明の名称】車両用灯具
(51)【国際特許分類】
   F21S 41/65 20180101AFI20210906BHJP
   F21S 41/143 20180101ALI20210906BHJP
   F21S 41/153 20180101ALI20210906BHJP
   F21S 41/663 20180101ALI20210906BHJP
   H05B 45/325 20200101ALI20210906BHJP
   H05B 45/20 20200101ALI20210906BHJP
   F21W 102/13 20180101ALN20210906BHJP
   F21Y 115/10 20160101ALN20210906BHJP
   F21Y 115/30 20160101ALN20210906BHJP
【FI】
   F21S41/65
   F21S41/143
   F21S41/153
   F21S41/663
   H05B45/325
   H05B45/20
   F21W102:13
   F21Y115:10
   F21Y115:30
【請求項の数】9
【全頁数】14
(21)【出願番号】特願2020-75579(P2020-75579)
(22)【出願日】2020年4月21日
(62)【分割の表示】特願2015-247318(P2015-247318)の分割
【原出願日】2015年12月18日
(65)【公開番号】特開2020-113554(P2020-113554A)
(43)【公開日】2020年7月27日
【審査請求日】2020年5月21日
(73)【特許権者】
【識別番号】000002303
【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100095407
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 満
(74)【代理人】
【識別番号】100091340
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 敬四郎
(72)【発明者】
【氏名】宮地 護
(72)【発明者】
【氏名】田中 聡
【審査官】 當間 庸裕
(56)【参考文献】
【文献】 特開2015−155280(JP,A)
【文献】 特開2005−294165(JP,A)
【文献】 特開2009−266434(JP,A)
【文献】 特開2012−048861(JP,A)
【文献】 特表2010−508669(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F21S 41/65
F21S 41/143
F21S 41/153
F21S 41/663
H05B 45/325
H05B 45/20
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光源と制御装置を含み、
前記光源は、それぞれ蛍光体発光部を備えた複数の半導体発光素子が第一の方向に並んで配置された半導体発光素子群を含む半導体発光素子アレイで構成され、
前記制御装置は、
前記半導体発光素子群において、相対的に輝度の高い高輝度部と相対的に輝度の低い低輝度部とを有する輝度分布を形成し、
前記高輝度部における前記半導体発光素子の駆動電流密度を前記低輝度部における前記半導体発光素子の駆動電流密度より低く制御する
車両用灯具。
【請求項2】
前記半導体発光素子群は、前記高輝度部が前記第一の方向における中心部に形成され、前記高輝度部の周辺に前記低輝度部が形成される輝度分布を形成する請求項1に記載の車両用灯具。
【請求項3】
前記半導体発光素子アレイは、前記第一の方向に列を構成する前記半導体発光素子群が、前記第一の方向に垂直な第二の方向に複数配置されて行を構成することにより、前記複数の半導体発光素子がマトリクス状に配置されている請求項1または2に記載の車両用灯具。
【請求項4】
前記制御装置は、前記複数の半導体発光素子の複数個をまとめて制御する請求項1〜3のいずれか1項に記載の車両用灯具。
【請求項5】
前記半導体発光素子アレイは、複数列から構成され、同一行内の前記半導体発光素子の駆動電流密度が同一である請求項1〜4のいずれか1項に記載の車両用灯具。
【請求項6】
前記制御装置は、前記半導体発光素子群に供給する電力を前記高輝度部で前記低輝度部より高くする請求項1〜4のいずれか1項に記載の車両用灯具。
【請求項7】
前記制御装置は、
前記半導体発光素子群に対する駆動電流を前記第の方向に関してデューティ変調し、1周期内の電流供給時間を、前記低輝度部で前記高輝度部より少なくし、
前記電流が供給されている間の前記低輝度部における半導体発光素子の電流密度を、前記電流が供給されている間の前記高輝度部の半導体発光素子の電流密度より大きくする請求項1〜6のいずれか1項に記載の車両用灯具。
【請求項8】
前記半導体発光素子群における前記半導体発光素子の発光面積は、同一である請求項1〜6のいずれか1項に記載の車両用灯具。
【請求項9】
前記半導体発光素子群における前記半導体発光素子の発光面積は、前記高輝度部において前記低輝度部よりも大きい請求項1〜のいずれか1項に記載の車両用灯具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、車両用灯具に関し、特に平面状発光領域内に配置された多数の発光ダイオードを含む車両用灯具に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、車両用前照灯において、前方の状況、即ち対向車や前走車等の有無及びその位置に応じて配光形状をリアルタイムで制御する技術(ADB adaptive driving beam等と呼ばれる)が注目されている。この技術によれば、例えば走行用の配光形状すなわちハイビームで走行中に、対向車を検出した場合に、前照灯に照射される領域の内、当該対向車の領域に向う光のみをリアルタイムで低減することが可能となる。ドライバに対しては常にハイビームに近い視界を与え、その一方で対向車に対して眩惑光(グレア)を与えることを防止できる。
【0003】
また、ハンドルの舵角に合わせて進行方向の配光を調整する前照灯システム(AFS adaptive front-lighting system 等と呼ばれる)が一般化されつつある。配光形状を、ハンドルの舵角に合わせて、左右方向に移動させることにより、進行方向の視界を広げることができる。
【0004】
このような配光可変型の前照灯システムは、例えば多数の発光ダイオード(LED)をアレイ状に並置した発光ダイオード装置を作成し、各発光ダイオードの導通/非導通(オン/オフ)並びに導通時の投入電流(従って輝度)をリアルタイムで制御することによって実現することができる。
【0005】
マトリクス状に配置され、独立に点灯制御可能な多数のLEDチップのアレイと、該LEDチップアレイから放出された光の光路上に配置された投影レンズとを備え、該LEDチップアレイの点灯パターンを制御することにより、前方に所定の配光パターンを形成するように構成された車両用前照灯装置が提案されている(例えば特開2013−54849号)。
【0006】
図11Aは、放熱機構を有する支持基板211上に、複数の発光ダイオード(LED)212をマトリクス配置し、前方に投影レンズ210を配した車両用前照灯の要部を側方から見た図である。
【0007】
図11Bは、複数のLED212をマトリクス配置した状態を正面から見た概略図である。このようにマトリクス配置した複数のLED(以下、「マトリクスLED」と呼ぶことがある。)からなる光源を車両前方に向け、その前方に投影レンズを配置した光学系は、LEDの輝度分布を前方に投射する。
【0008】
図11Cは、前照灯システムの概略構成を示すブロック図である。前照灯システム200は、左右それぞれの車両用前照灯100、配光制御ユニット102、前方監視ユニット104等を備えている。車両用前照灯100は、マトリクスLEDからなる光源と、投影レンズと、それらを収容する灯体とを有する。
【0009】
車載カメラ108、レーダ110、車速センサ112等の各種センサが接続されている前方監視ユニット104は、センサから取得した撮像データを画像処理し、前方車両(対向車や先行車)やその他の路上光輝物体、区画線(レーンマーク)を検出し、それらの属性や位置等配光制御に必要なデータを算出する。算出されたデータは車内LAN等を介し
て配光制御ユニット102や各種車載機器に発信される。
【0010】
車速センサ112、舵角センサ114、GPSナビゲーション116、前照灯スイッチ118等が接続されている配光制御ユニット102は、前方監視ユニット104から送出されてくる路上光輝物体の属性(対向車、先行車、反射器、道路照明)、その位置(前方、側方)と車速に基づいて、その走行場面に対応した配光パターンを決定する。配光制御ユニット102は、その配光パターンを実現するために必要な配光可変前照灯の制御量を決定する。
【0011】
配光制御ユニット102は、マトリクスLEDの各LEDの制御内容(点消灯、投入電力等)を決定する。ドライバ120は、配光制御ユニット102からの制御量の情報を、駆動装置や配光制御素子の動作に対応した命令に変換すると共にそれらを制御する。
【0012】
車両用ヘッドランプは、中心部(配光中心)で輝度が高く、周辺に向って輝度が低下していく輝度分布を形成する。半導体発光素子アレイを用いた車両用ヘッドランプの場合は、各半導体発光素子の駆動電力を制御することによって輝度を調整し、所望の輝度パターンを形成することが可能である。半導体発光素子アレイ内の電力消費は、中心部で高く、周辺に向って低下することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0013】
【特許文献1】特開2013−54849号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
半導体発光素子において、搭載されている蛍光体の光変換効率にも温度依存性がある。このため、半導体発光素子の色度は温度によって変化してしまう。ヘッドランプ用光源として半導体発光素子アレイを用いた場合、中心部で高く、周辺に向って低下する輝度分布を形成すると、アレイ面内において、発熱、放熱が均一とはならないために温度分布が形成されてしまい、この温度分布によって半導体発光素子アレイ面内に色度分布が形成されてしまう。
【0015】
半導体発光素子アレイの発光パターンをレンズ等で投影して配光パターンを形成するヘッドランプにおいては、この半導体発光素子アレイ面内で形成された色度分布によって、配光パターンにも色度分布が形成されることとなる。ドライバの視界内において色度が異なってしまうと、ドライバに違和感を与えてしまう。
【0016】
実施例の目的は、半導体発光装置面内に輝度変化を形成しても色度分布の少ない配光パターンを実現できる車両用灯具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0017】
本発明の実施例によれば、
光源と制御装置を含み、
前記光源は、それぞれ蛍光体発光部を備えた複数の半導体発光素子が第一の方向に並んで配置された半導体発光素子群を含む半導体発光素子アレイで構成され、
前記制御装置は、
前記半導体発光素子群において、相対的に輝度の高い高輝度部と相対的に輝度の低い低輝度部とを有する輝度分布を形成し、
前記高輝度部における前記半導体発光素子の駆動電流密度を前記低輝度部における前記半導体発光素子の駆動電流密度より低く制御する
車両用灯具
が提供される。
【0018】
輝度分布に基づく温度分布によって形成される色度分布を、電流密度分布によって補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
図1図1Aは、半導体発光素子の断面構造を示す断面図、図1Bは、望まれる視野内の配光パターン、およびその水平、垂直方向に沿う輝度分布のグラフである。
図2図2は、発光ダイオード(LED)アレイの概略平面図である。
図3図3A,3Bは、LED温度、および電流密度に対するLED発光の色度の関係を示すグラフである。
図4図4Aは、1方向に沿う輝度分布を簡略化して示すグラフ、図4Bは、図4Aの輝度分布に基づいて生じる、1方向に沿う色度αの分布を簡略化して示すグラフ、図4Cは1方向に沿う電流密度分布を簡略化して示すグラフ、図4D図4Cの電流密度分布に基づいて生じる、1方向に沿う色度βの分布を簡略化して示すグラフ、図4Eは、図4Bに示す色度αと図4Dに示す色度βを合体させた合成色度の1方向に沿う分布を概略的に示すグラフである。
図5図5A、5Bは、半導体発光素子アレイの配線例、1列5個の半導体発光素子に対する電流源、を概略的に示す回路図、図5Cは、中心部の供給電力波形Wpと周辺部の供給電力波形Wtの例を示すグラフである。
図6図6A,6Bは、発光ダイオードアレイ内の発光ダイオードの面積を中心部から周辺部に欠けて減少させる分布例を示す概略平面図、及び1列分の配線例を示す回路図である。
図7図7Aは、発光ダイオードアレイを用いた車両用前照灯装置の構成を概略的に示すブロック図、図7B,7Cはパルス幅変調、周波数変調による駆動波形の形状を示すグラフである。
図8図8は、発光ダイオードアレイ内の発光ダイオードの相対的面積分布の他の例を示す概略平面図である。
図9図9は、LEDの発光輝度の駆動電流密度に対する関係を示すグラフである。
図10図10A,10Bは、発光ダイオードアレイの他の配線例を示す配線図である。
図11図11A,11B,11Cは、従来技術による、車両用前照灯の要部側面図、発光ダイオードアレイの平面図、車両用前照灯システムのブロック図である。
図12図12は、発光ダイオードアレイの他の配線例を示す配線図である。
図13図13は、発光ダイオードアレイを用いた車両用前照灯装置が地面を照射した状況を示す図面である。
【符号の説明】
【0020】
LP 配光パターン、 LC 配光中心、 BP 輝度分布、
2 発光ダイオード、 43 電源ユニット、
44 デューティ変調制御ユニット、 45 カメラユニット、
P 発光領域中心部、 T 発光領域周辺部、 100 車両用前照灯、
102 配光制御ユニット、 104 前方監視ユニット、
108 車載カメラ、 110 レーダ、 112 車速センサ、
114 舵角センサ、 116 GPSナビゲーション、
118 前照灯スイッチ、 120 ドライバ、 200 前照灯システム、
210 投影レンズ、 211 支持基板、 212 LED
【発明を実施するための形態】
【0021】
車両用ヘッドランプの光源として、半導体発光素子アレイを用いることができる。半導体発光素子は、例えば青色発光ダイオードの表面上方に黄色発光の蛍光体層を有し、白色発光する機能を有する。アレイを構成する個々の半導体発光素子としては制限的ではないが、例えば、本発明者らが提案した特願2014−237442号の実施例の欄に開示されたGaN系半導体発光素子等を用いることができる。
【0022】
図1Aは一例としての半導体発光素子の断面構造である。隣接した2つの素子を図示してある。支持基板12上に接合層60,70を介して各素子20が接合されている。素子20は支持基板12側からp型層24、活性層23、n型層22からなる。n型層の発光表面には光取出しの凹凸構造層25をさらに有している。接合層60は電極としても機能しp電極30、およびnビア電極50と電気的につながっており、隣接する素子間の配線としても機能している。素子20上にはさらに蛍光体層80を有している。
【0023】
半導体発光素子アレイは、例えばマトリクス(行列)状に配置した多数の半導体発光素子で構成し、各半導体発光素子の輝度を調整することにより所望の輝度分布を形成する。
【0024】
図1Bは、望まれる配光パターンの例を示す概略図である。前方に向う配光パターンをLPで示す。LPの上方及び右側に水平断面に沿う輝度分布BPh、垂直断面に沿う輝度分布BPvを示している。車両用前照灯では、夜間の運転者の視界を確保するために、その配光パターンは一般的に水平方向に延在する配光中心LCを最高輝度として、周辺に向って徐々に低下する輝度分布が望ましい。配光中心の近傍を中心部と呼ぶことがある。
【0025】
図2は、マトリクス状に配置された発光ダイオードアレイを示す概略平面図である。発光領域内に、同一形状の発光ダイオード2がマトリクス状(例えば、8行x30列程度である。簡略化した5行×11列で示す。)に配置されたアレイを示している。車両用の前照灯としては、運転者の正面を最高輝度とし、周辺に行くほど輝度が低下する輝度分布となる、図1Bのような輝度分布を実現することが望ましい。図1Bのような輝度パターンを形成するには、中心部Pの投入電力を高くし、周辺部Tにおいては、周辺に向うに従って投入電力を低減することになる。
【0026】
中心部では投入電力が大きいために発熱量が大きくなり、外周に向うに従い発熱量が小さくなる。また、半導体発光素子アレイの中心部Pの熱は面内方向に拡散しにくいのに対し、周辺部Tにおいては外周に向うに従って、周辺への熱の拡散が容易になる。従って、半導体発光素子アレイは、中心部Pの温度が高く、周辺部Tでは外周に向うに従って温度が低下することになる。計算による温度分布の例では、中心部Pの温度は115℃、周辺部Tの温度は85℃になる。中心部Pと周辺部Tとの間に、30℃の温度差が形成されることとなる。
【0027】
図3Aは、InGaNを活性層とするGaN系半導体発光素子(LED)を用い、蛍光体波長変換層としてYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)を用いた白色LEDの場合の、半導体発光ダイオード(LED)の温度に対する、LEDの発光の色度の変化の例を示すグラフである。電流密度は一定としてある。横軸がLEDの温度を単位℃で示し、縦軸がLEDからの発光の色度を単位Cxで示す。
【0028】
温度が上昇すると、色度は低下する傾向を示す。温度が50℃付近では色度の温度変化は小さいが、温度が上昇するにつれて、温度による色度の低下率は増加している。LEDの温度が周辺部のT点で85℃、中心部のP点で115℃になると、PT間で30℃の間に分布することになる。この温度差により、色度は周辺部Tの約0.3303Cxから中心部Pの約0.3272Cxまで、約0.003Cx低下することになる。中心部と周辺部とを比較すると、中心部は温度が高く、色度が低くて青色味が強く、周辺部は温度が低く、色度が高くて黄色味が強くなる。
【0029】
繰り返しになるが、図1Bに示すように視野の中心部で輝度を高くし、周辺部に向うに従って輝度を低下させる場合、輝度の高い中心部は、投入電力を高くする必要がある。中心部の投入電力を高くすると、温度が上昇し、色度は低下する。中心部と周辺部とを比較すると、温度が高く、色度の低い中心部は青色味が強く、温度が低く、色度の高い周辺部は黄色味が強くなる。輝度分布の形成により、色度分布(色ムラ)が生じることになる。
【0030】
半導体発光素子は駆動電流密度によっても発光強度が変化し、蛍光体の変換効率は励起光強度によっても変化する。駆動電流密度を変化させる場合、LED放射光の色度は、駆動電流密度に依存して変化する。
【0031】
本発明者らは、色度分布の少ない配光パターンを実現する可能性を検討した。視野中心部の輝度を周辺部より高くすることは必須の要件と考えられる。中心部の輝度を高くするためには、高い駆動電力を供給する必要があり、必然的に発熱量も高くなる。中心部の温度が高くなり、中心部の色度が周辺部に比較して低くなり、青色味が強くなる。
【0032】
図3Bは、半導体発光素子としてInGaNを活性層とするGaN系半導体を用い、波長変換層としてYAGを用いた白色LEDの場合のLED放射光色度の電流密度依存性を示すグラフである。温度は一定としてある。横軸が電流密度を単位(A/cm)で示し、縦軸が色度を単位(Cx)で示す。電流密度が増加すると、色度は減少する。電流密度の増加による色度の減少率は電流密度の増加と共に減少する傾向を示す。
【0033】
周辺部の輝度は中心部の輝度より低くする必要があるが、駆動電流密度は制限されない。輝度分布形成のため色度が中心部で低くなる傾向は、駆動電流密度を中心部で低くして色度を増大させれば補償することが可能となろう。
【0034】
図4Aは、例えば図1Bに示す面内輝度分布の1方向(例えば縦(垂直)方向)に沿う位置に対する輝度分布を簡略化して示すグラフである。縦軸が中心部からの距離Rを示し、横軸の位置に輝度中心があるとする。横軸は輝度を示す。中心部で輝度が高く、周辺部では周辺に向って輝度が徐々に低減する。ここでは電流密度は一定としてある。
【0035】
図4Bは、図4Aに示す輝度分布を形成する場合、付随的に生じる温度分布に基づく色度αの該1方向に沿う分布を概略的に示すグラフである。縦軸が中心部からの距離Rを表し、横軸が色度αを表す。輝度中心は高い電力供給により、高い温度になり、色度は低くなる。周辺部は、周辺に向うに従い温度が低下し、色度は高くなる。
【0036】
図4Cは該1方向に沿う位置に対する半導体発光素子の駆動電流密度の変化例を概略的に示すグラフである。中心部で駆動電流密度を低く、周辺部に向うに従って駆動電流密度を増加させる。ここでは温度は一定としてある。
【0037】
図4D図4Cに示す電流密度変化によって生じる色度βの該1方向に沿う分布を概略的に示すグラフである。中心部から周辺部に向うに従い、電流密度が高くなり、色度は低下する。
【0038】
図4Eは、図4Bに示す色度αと図4Dに示す色度βとを合体させた合成色度の該1方向に沿う位置に対する変化を概略的に示すグラフである。つまり、電流密度および温度が共に変化している場合のグラフである。輝度分布形成に伴う色度αの変化が、電流密度分布に伴う色度βの合体により、大幅に低減されることが判る。
【0039】
複数の駆動素子を同一電流密度で駆動する場合には、それらの駆動電流によって生じる色度は同一であるが、駆動電流密度を変化させることにより、色度を変化させることができる。実際に生じる色度の分布は、図4Bの色度αと図4Dの色度βを加算したものとなり、温度分布によって生じる図4Bの色度分布を電流密度変化による図4Dの色度分布で少なくとも一部キャンセルすることが可能となる。
【0040】
輝度分布を形成するためには、周辺部の電力供給を中心部の電力供給より小さくする必要がある。通常、輝度を高くするためには電流密度を高めるようにするが、本願では上記の事情を考慮し、周辺部の電流密度を中心部の電流密度より高くすると同時に、周辺部の電力供給を高くしない対策を講じた。
【0041】
図5Aは、半導体発光素子アレイの配線例を概略的に示す回路図、図5Bは、1列5個分の半導体発光素子に対する5個の電流源を示す回路図、図5Cは、中心部の供給電力波形Wpと周辺部の供給電力波形Wtの例を示すグラフである。図2に示すように、同一形状の半導体発光素子が行列状に配列された場合を想定する。
【0042】
図5Aにおいて、列方向に並んだ5つの発光ダイオードD1,D2,D3,D4,D5のカソードが共通カソード配線Kに接続され、アノードA1,A2、A3,A4,A5はそれぞれ独立に配線されている。図5Bに示すように、これら5つのアノードA1〜A5には、例えばそれぞれ独立制御可能な電流源が接続されている。
【0043】
図5C上段は、中心部の半導体発光素子に対する電力供給Wp、下段は周辺部の半導体発光素子に対する電力供給Wtを示すグラフである。中心部の電力供給は周期の大部分で行われる(連続供給としてもよい)のに対し、周辺部の電力供給は周期の一部、例えば約1/4しか行われない。周辺部の瞬時供給電力を中心部の瞬時供給電力の約2倍としても、周期内の供給電力は6割以下にすることができている。
【0044】
尚、電流密度を増加させ、かつ供給電力は低下させる方法は種々考えられる。上述の例においては、従来技術同様、発光素子アレイ内のLEDを同一発光面積とし、駆動電流源は各半導体発光素子に独立とした。電流が供給されている間の電流値はWt>Wpと周辺部の半導体発光素子の方が大きくすることで電流密度は周辺部の方を大きくした。ただし、1周期で考えると周辺部の半導体発光素子は電流供給時間が少なくトータルでの電力(図面での電流ONの体積に相当)は中心部の半導体発光素子よりも少なくなっている。これにより中心部が輝度高く、且つ周辺部より電流密度を低くすることを実現している。
【0045】
尚、電流値とは単一の半導体発光素子に投入される電流量を示し、電流密度とは投入された電流が面内に広がった時の単位面積当たりの電流量を示している。ただし、この方法は電流源の構成は複雑化する。電流値は一定でも、半導体発光素子の面積を変化させることによって、異なる駆動電流密度で半導体発光素子を駆動することも考えられる。駆動回路を簡略化することが可能となる。
【0046】
半導体発光素子の発光面積を縮小すると、同じ電流値の電流でも電流密度は高くなる。投入される電流値が同じでも半導体発光素子面内での広がりが異なるためである。中心部と比較して、周辺部の発光素子の駆動電流密度を高くすれば、周辺部の色度が低くなり、温度による色度分布(色むら)をキャンセルし、全体としての色むらを改善できると見込まれる。もちろん、色度をキャンセルする効果を高めるために周辺部の半導体発光素子の面積を小さくしつつ、瞬間的な投入電流値を上げてもよい。
【0047】
図6Aは、半導体発光素子アレイを構成する半導体発光素子が所定方向に沿って発光面積を変化させる構成例を概略的に示す平面図である。図2同様に、5行11列の発光ダイオード素子2がマトリクス状に配置されている。各素子内に表示された数値は、相対的な発光面積を示している。尚、図面の方向は実際の半導体発光素子アレイの配置方向ではなく車両用灯具としての照射光の向きに従っている。すなわち図面上下方向が垂直方向、左右が水平方向をとなるような配置を示している。
【0048】
垂直V方向に並んだ同一列内の5つの半導体発光素子2は、下から2番目の素子が100%の最大面積を有し、その上下の素子の相対的面積は85%に減少している。さらに上方の素子の相対的面積は、75%、67%と上に向うほど減少している。各素子に同一電流値を供給するとすれば、電流密度は面積の逆数に比例するので、最大面積の中心部の半導体発光素子周囲の周辺部の半導体発光素子の駆動電流密度は、中心部の半導体発光素子の駆動電流密度の、100/85、100/75、100/67となる。駆動電流密度が約50%まで増加している。水平H方向に並んだ同一行内の素子は、同一の発光面積を有している。
【0049】
図6Bは、1列分の半導体発光素子の回路例を示す配線図である。発光ダイオードD1,D2,D3,D4,D5の直列接続が定電流源CCとカソードKの間に接続されている。定電流源CCからの駆動電流で直列接続を駆動すると、ダイオードD1、D2,D3,D4,D5内の駆動電流密度は、100/67、100/75、100/85、100/100=1、100/85の比となる。中心部から周辺部の周辺に向って電流密度が増加するので、色度は減少し、周辺部は青色味が強くなる。例えば、駆動電流密度が約50%増加することにより、色度は約0.002低下する。輝度分布に基づいて、周辺に向って増大する色度分布を補償して、色度を均一化する。
【0050】
図6Bの回路において、スイッチSW1,SW2,SW3,SW4,SW5の直列接続が、ダイオードD1,D2,D3,D4,D5の直列接続と並列に接続され、各中間端子同士も接続される。即ち、スイッチSW1,SW2,SW3,SW4,SW5が、ダイオードD1,D2,D3,D4,D5と並列に接続されている。スイッチSW3を短絡するとダイオードD3が短絡され、発光状態から非発光状態に変化する。任意の発光ダイオードを非発光状態とすることにより、細やかなADB制御が可能となる。尚、周辺部の輝度の低い発光ダイオードに対するスイッチの接続は省略してもよい。
【0051】
所望の輝度分布を維持するには、周辺部の供給電力は中心部の供給電力より小さい所定の値にする必要がある。例えば、中心部D4の電力供給は連続した直流(100%)とし、素子(D3,D5),D2,D1に対する駆動電流はデューティ変調して、85%、75%、67%のように、中心部から周辺に向うにしたがって、供給電力が減少するようにする。
【0052】
図7Aは、発光ダイオードアレイを用いた車両用前照灯装置の構成を概略的に示すブロック図である。発光ダイオードアレイ41の前方にレンズユニット42が配置され、発光ダイオードアレイの発光を前方に照射する。電源ユニット43は、デューティ変調制御ユニット44を介して、発光ダイオードアレイに変調制御させた駆動電流を供給する。カメラユニット45は、車両前方等の画像を形成し、対向車、前走車等の情報をデューティ変調制御ユニット44に供給する。デューティ変調制御ユニット44は、パルス幅変調、又は周波数変調による変調制御駆動を行うと共に、特定の方向に対する発光停止処理も行う。
【0053】
図7Bは、パルス幅変調による駆動波形の変化を示す。上から、デューティ10%、20%、50%の駆動波形を示す。投入される間の電流値は一定としてある。
【0054】
図7Cは、周波数変調による駆動波形の変化を示す。上から、デューティ10%、20%、50%の駆動波形を示す。固定周期内のパルス数が変調されている。時分割された各行の電圧印加と重なる部分で、発光ダイオードが駆動される。
【0055】
図8は、発光ダイオードアレイ中に分布する発光ダイオード素子の面積比の他の例を示す平面図である。図6Aの構成においては、行列の列に相当する垂直方向に並んだ素子の発光面積比を、中心部の素子D4を100%とし、周辺に向うに従って、(D3,D5)で85%、D2で75%、D1で67%とし、行列の行に相当する水平方向には、同一構成の素子列を等ピッチで配列した。水平方向の中心位置の選択が自由に行え、AFSを行うのに適した構成である。水平方向の輝度分布は供給電流を変調することによって行う。
【0056】
図8の構成は、水平方向にも発光面積を変化させており、中心部で高く、周辺に向うに従って低下する輝度分布の形成が容易になる。垂直軸Vに沿う素子列の発光面積は、図6の構成と同じであるが、左右に離れるに従って、比が減少している。左端の列の面積比を右端の列の面積比より若干減少して、車両の前端左右に2つの前照灯を配置する構成に対して、より適切な設定を可能としている。尚、図7Aに示したデューティ変調制御ユニット44の制御は2次元制御とする。
【0057】
上述のように、輝度分布を調整するためにデューティ比を調整する。ここで、半導体発光素子の発光効率は、注入電流密度が増加するに従って低下する特性がある。
【0058】
図9は、輝度の電流密度依存性を示すグラフである。電流密度の増加に対して、輝度は飽和して行く傾向がある。この特性を考慮すると、周辺部の半導体発光素子の発光面積と電流密度の積は微調整するのが好ましいであろう。例えば、サンプルを試作し、より好ましい特性を実現できるように、設計を最適化するのが好ましいであろう。
【0059】
図10A,10Bは、細かい解像度を必ずしも必要としない周辺部において、発光素子を複数個同時に制御する構成である。列内の一番上の発光素子D1と次の発光素子D2とが同一の制御を受ける。駆動回路を簡略化することができる。また、図12のように1つのスイッチが複数の半導体発光素子をまとめて制御するようにしてもよい。
また、個々に半導体発光素子を駆動ができる場合、電源装置の制御によってはその輝度分布を状況に応じて変化させることも可能となる。ただし、車両用灯具においては基本的な配光パターンというものはあらかじめ決められており、それに従い発光ダイオードアレイも形成される。よって、最適には発光ダイオードアレイは基本的な配光パターンを再現する場合に輝度が最も高くなる半導体発光素子で面積が最大となるよう設計される。結果として最大面積の半導体発光素子から離れるに従い半導体発光素子の面積が減少していく発光ダイオードアレイが出来上がる。最も小さい素子は一方の最端部にあるのが好ましい。また、車両用灯具においては最大輝度の位置は一方に偏りつつも最端部よりもやや離れた位置が好ましい。よって、最大輝度の素子、図6A図8では最大サイズの素子は下から2番目と列方向にて両端の素子に挟まれた位置に有る。
尚、輝度分布を状況によって変化できるといっても、車両用灯具においては輝度中心があり周辺部に向うほど輝度が下がるという傾向は変わらない。輝度変化の様子が変わる程度である。よって、発光ダイオードアレイが輝度の最も高い中心部を有し、周辺部に行くほど輝度が小さくなるという点において変わりはない。このような制御はデューティ変調制御ユニット44及び電源ユニット33によって行われる。
【0060】
図13は発光ダイオードアレイを用いた車両用前照灯装置が地面を照射した状況を示す図面である。発光ダイオードアレイの発光はレンズを通して地面に照射される。発光ダイオードアレイが灯具の何処に置かれるかは図示の通りに限られない。発光ダイオードアレイにおいて最大輝度となる半導体発光素子は列方向において中心よりも一方向側に片寄った位置に存在している。図6A図8の発光ダイオードアレイにおいては下側(下から2番目)に最大輝度、しいては最大サイズの半導体発光素子が片寄った位置に有る。地面に照射された場合、最大輝度の素子(図6A図8では最大サイズ素子)が片寄った方向(図6A図8では下側の素子)の半導体発光素子が灯具から最も近い位置を照射し、反対側の素子(図6A図8では上側の素子)が最も遠い位置を照射する。よって、図13の灯具は最大輝度素子が片寄った方向(図6A図8では最大サイズ素子が片寄った方向)が地面の近くを照射するよう配置され、反対側が地面の遠くを照射するように配置されている。尚、照射を地面の垂直にある仮想スクリーン上に行うとすると、図1のように下側(地面側)に図6A図8での下側の素子からの照射がされ、上側に反対側からの照射がされる。
【0061】
尚、以上のように中心部に高輝度な素子、周辺部にそれよりも低輝度な素子を配置するよう説明したが、デューティ駆動の場合においては時間平均輝度で考える。すなわち駆動信号1周期の間の平均的な輝度である。
【0062】
以上のように、中心において高輝度で周辺部に向うほど輝度が下がるよう制御しつつ、温度一定の仮定のもとでは周辺部の方が、色度が下がるような制御を行う発光ダイオードアレイとすることで、温度の影響による色度の分布をキャンセルするようにした。周辺部の色度を下げる方法としては電流密度を上げる手法がある。
【0063】
以上実施例に沿って説明したが、これらは本発明を制限するものではない。説明中に用いた数値や材料は例示であり、制限的なものではない。公知の均等物を置換してもよい。例えば発光ダイオード(LED)を半導体レーザとしてもよい。半導体レーザもダイオードであるので、LEDはレーザを含む概念とする。その他種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは、当業者に自明であろう。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
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図10
図11
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図13