(57)【要約】【課題】  面内に輝度分布を形成しても色度分布の少ない半導体発光素子アレイを含む車両用灯具を提供する。【解決手段】  光源と制御装置を含んで構成される車両用灯具であって、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２次元状に配置された半導体発光素子アレイで構成され、制御装置は、半導体発光素子アレイが、１方向に関して、中心部で高く、周辺に向って低下する輝度分布を形成し、かつ温度が中心部と周辺とで均一の仮定において、中心部で高く、周辺に向って低下する色度分布を形成する制御を行う。【選択図】  図４
2020113554.tif 000002
【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２次元状に配置された、中心部と周辺部とを有する、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アレイに対する駆動電流をデューティ変調し、前記半導体発光素子アレイの１方向に関して、中心部で周辺部より高い電力を供給し、中心部で高く、周辺に向って低下する輝度分布を形成し、かつ中心部で低く周辺部に向うに従って駆動電流密度を増加させて、温度分布の影響による色度の分布をキャンセルするように制御を行う、
車両用灯具。
【請求項２】
前記１方向は、照射光において垂直方向である請求項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、行列状に配置された複数の半導体発光素子を含む請求項１または２に記載の車両用灯具。
【請求項４】
前記複数の半導体発光素子は、独立制御可能である請求項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における前記複数の発光素子は、同一の発光面積を有し、
前記制御装置は、１周期内の電流供給時間を、前記周辺部で前記中心部より少なくする制御を行い、
前記電流が供給されている間の前記周辺部の半導体発光素子電流密度は、電流が供給されている間の前記中心部の半導体発光素子の電流密度より大きい請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両用灯具。
【請求項６】
前記複数の半導体発光素子は、前記１方向に関して、前記中心部の半導体発光素子が前記周辺部の半導体発光素子より大きな発光面積を有する請求項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、前記複数の半導体発光素子へ同一電流値を供給する請求項６に記載の車両用灯具。
【請求項８】
前記半導体発光素子アレイは、最も大きい面積を有する半導体発光素子が前記中心部に配置され、最も小さな面積を有する半導体発光素子が前記周辺部の最外周に配置され、
前記制御装置は、前記最も大きい面積を有する発光素子で輝度が最も高くなるよう駆動する請求項６または７に記載の車両用灯具。
【請求項９】
前記半導体発光素子は、青色発光ダイオードであり、前記蛍光体発光部は黄色発光蛍光体層である請求項１〜８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２次元状に配置された、中心部と周辺部とを有する、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アレイに対する駆動電流をデューティ変調し、前記半導体発光素子アレイの１方向に関して、中心部で周辺部より高い電力を供給し、中心部で高く、周辺に向って低下する輝度分布を形成し、かつ中心部で低く周辺部に向うに従って駆動電流密度を増加させて、温度分布の影響による色度の分布をキャンセルするように制御を行う、
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は図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／ｃｍ２）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は図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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年5月21日(2020.5.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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１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１〜８のいずれか１項に記載の車両用灯具。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。