JP2012134281A

JP2012134281A - レーザ発光装置、およびこれを用いた車両用灯具

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Publication number: JP2012134281A
Application number: JP2010284287A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Igarashi; 弘樹五十嵐; Takeshi Shiomi; 竹史塩見; Kotaro Kataoka; 耕太郎片岡; Masaru Nomura; 野村　　勝; Yoshiji Ota; 佳似太田; Hiroshi Iwata; 浩岩田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-07-12

Abstract

【課題】電源電圧或いは半導体レーザ素子の特性がばらついても、降圧回路のみで使用可能なレーザ発光装置を提供する。
【解決手段】直流電源と、前記直流電源の電圧を降圧するチョッパ回路と、前記チョッパ回路により駆動され複数の半導体レーザ素子が直列に接続された半導体レーザ素子群と、を備えるレーザ発光装置であって、前記半導体レーザ素子群の個数は、前記直流電源の所定の電圧変動に対して前記チョッパ回路が、前記半導体レーザ素子群の所要駆動電圧を降圧とする個数である。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体レーザを用いた発光装置であり、特に車両用の灯具に用いるレーザ発光装置に関するものである。

従来より、半導体レーザを発光源とする装置或いは機器は、民生分野の情報装置、情報機器などにおいて幅広く用いられており、これらの装置、機器に向けた種々の回路が提案されている。

例えば、特許文献１では、レーザ光源をレーザポインタ、情報記録再生装置等に安定して用いるためのレーザ光源駆動回路が提案されている。

また、特許文献２には、レーザ光源を室内灯、街灯、懐中電灯などの一般の照明器具に用いる場合に、消費電力が少なく、最適な照明光を得るための点灯回路が開示されており、半導体レーザ素子を複数使用した直列接続の場合に、一個が不点灯になると全てが不点灯になるので、並列に接続あるいは並列と直列を組み合わせて接続することが開示されている。

特開平０６−２７５９０１特開平０７−２８２６０９

近年、車両用の前照灯への半導体発光素子（例えばＬＥＤ）の適用が盛んに行われているが、半導体レーザも同様の使用が可能である。しかしながら、半導体レーザを車両用前照灯の光源として使用する場合にいくつかの不都合がある。

それは、半導体レーザ素子は特性のばらつきが大きく、ばらついた複数の半導体レーザ素子の複数個を接続して一度に駆動することが困難な点である。

ばらつきが多い原因については、半導体レーザ素子の構造は、実効的な電流が流れる部分がＬＥＤなどに比較してより小さく、これによって等価抵抗が高くなるためと考えられる。

このような半導体レーザ素子のばらつきを考慮して、素子の一つ一つに対して駆動回路を設けた場合には発光装置が大型化し、電装部材の配置の許容空間が厳しく制限される車両への適用が困難となる。

また、車両への適用にあたっては、不安定な電源を使用した場合に、半導体レーザ素子が安定した発光動作を維持するための駆動が困難となる点である。すなわち、電源として車両用の蓄電池を用いる場合、蓄電池に並列接続されている発電機の電圧は一定ではなく、また、蓄電池に接続されている他の電装機器のオン、オフにより過渡現象が発生することもあり、例えば定格が３６Ｖの蓄電池の場合、２８Ｖ〜４６Ｖ程度に電圧が変動する。

一方、前述したように半導体レーザ素子のばらつきに起因して、半導体レーザ素子が一定の光を出力するに要する駆動電圧（順方向電圧）のばらつきが生ずる。つまり、等価抵抗が低い方にばらついた場合は低い駆動電圧が必要になり、等価抵抗が高い方にばらついた場合は高い駆動電圧が必要になり、電圧変動の大きい蓄電池での駆動では安定した発光動作が困難となる。

図４は、特許文献１と同様な従来のレーザ発光装置の回路図である。特許文献１は、レーザポインタ、情報再生装置の光ピックアップ内のレーザ光源、光通信装置、のレーザ光源などを対象としており、必要な光量が少なくてよく、図４に示すように、半導体レーザ素子１５一つに対して駆動回路１８を一つという構成を採用できるが、車両用の前照灯に必要な光量を得ようとして複数個の半導体レーザ素子の使用を検討した場合、前述のような課題点に直面する。

特許文献２では、前述した半導体レーザ素子のばらつきに対しては何ら考慮されていないため安定した発光は期待できず、車両用への適用は困難である。

本発明は上記従来の課題を解決し、車両用に好適な安定した発光を行うレーザ発光装置を提供することを目的としている。

本発明は、直流電源と、前記直流電源の電圧を降圧するチョッパ回路であって、前記直流電源の正極にドレイン端子が接続されたトランジスタと、前記トランジスタのソース端子にカソード端子が接続されアノード端子が接地されたダイオードと、前記ダイオードのカソード端子に一端が接続されたコイルと、前記コイルの他端に一端が接続され他端が接地されたコンデンサとを含む前記チョッパ回路と、前記チョッパ回路により駆動され複数の半導体レーザ素子が直列に接続された半導体レーザ素子群と、を備えるレーザ発光装置であって、前記半導体レーザ素子群の個数は、前記直流電源の所定の電圧変動に対して前記チョッパ回路が、前記半導体レーザ素子群の所要駆動電圧を降圧とする個数であることを特徴とする。

また、本発明は、前記所要駆動電圧が、前記半導体レーザ素子群の中で最も高い駆動電圧をもつ半導体レーザ素子の電圧に基づくことを特徴とする。

また、本発明は、複数の前記半導体レーザ素子群が並列に配置され、複数の前記チョッパ回路により各々駆動されることを特徴とする。

また、本発明によるレーザ発光装置は車両用灯具に備えられることを特徴とする。

本発明によれば、安定した発光を行うレーザ発光装置を構成することができる。
また、別の態様によれば、半導体レーザ素子群の所要駆動電圧を、常に直流電源の電圧以下となるように半導体レーザ素子群の直列数を決定するので、チョッパ回路を降圧型に固定することができ、装置の簡略化が図れる。

本発明によるレーザ発光装置の実施例１の回路図である。本発明にかかるレーザアレイの直列数と所要駆動電圧の関係図である。本発明にかかる所定電源電圧における降圧比と効率の関係図である。従来のレーザ発光装置を示す回路図である。

以下に本発明の実施例について図１〜３を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施例を示すレーザ発光装置の回路図、図２は、レーザアレイの直列数と所要駆動電圧の関係を表す図、図３は、電源電圧に対する降圧比と効率の関係を示す図である。

図１において、レーザ発光装置１００は、蓄電池１０７、蓄電池１０７の正極にドレイン端子が接続されたトランジスタ１０２、トランジスタ１０２のソース端子にカソード端子が接続されアノード端子が接地されたダイオード１０３、ダイオード１０３のカソード端子に一端が接続されたコイル１０１、コイル１０１の他端に一端が接続され他端が接地されたコンデンサ１０４、コンデンサ１０４の一端にアノード端子が接続されたレーザアレイ１０５、レーザアレイ１０５のカソード端子と接地間に接続されたトランジスタ１０６を備えて構成されている。

また、トランジスタ１０２とコイル１０１とダイオード１０３とコンデンサ１０４にてチョッパ回路１０８を形成している。なお、図示は省略するが、必要な光量に応じて複数のレーザアレイ１０５と、これら複数のレーザアレイを各々駆動する複数のチョッパ回路１０８を蓄電池１０７に並列接続してもよい。

次に、レーザ発光装置１００の全体動作を説明する。まず、チョッパ回路１０８では、トランジスタ１０２がオンになると、蓄電池１０７の電圧がコイル１０１に印加されてエネルギーが蓄積される。さらに、コイル１０１を通過した電流はコンデンサ１０４に充電される。また、トランジスタ１０２がオフになると、コイル１０１に蓄積されたエネルギーにより、接地側からダイオード１０３とコイル１０１を介してコンデンサ１０４に電流が充電される。この動作が繰り返されることにより、コンデンサ１０４の電圧を蓄電池１０７の電圧より低い電圧の範囲で任意に調整することが出来る。この後、コンデンサ１０４に充電された電圧、すなわち、チョッパ回路１０８の出力電圧は、レーザアレイ１０５に印加されて、レーザアレイ１０５が発光する。なお、トランジスタ１０６は緊急時の回路遮断用に設けられている。

次に、図２に示すレーザアレイの直列数と所要駆動電圧の関係について説明する。図２は、図１のレーザ発光装置１００の電源電圧が２８〜４６Ｖまで変動する場合に、レーザアレイの直列数と、レーザ素子のＶｆ（順方向電圧、換言するとレーザ素子単体の所要駆動電圧）を３ランクに分けた時の、レーザアレイ所要駆動電圧との関係をマトリクスに表している。マトリクスの見方を説明すると、例えば、レーザアレイの直列数を２直列とする場合、Ｖｆ＝５Ｖのレーザ素子が２直列とすれば、１０Ｖの駆動電圧が必要であり、レーザアレイの直列数を６直列とする場合、Ｖｆ＝９Ｖの素子が６直列とすれば、５４Ｖの駆動電圧が必要になることを示している。

すなわち本実施例によれば、このマトリクスから、半導体レーザ素子の順方向電圧のばらつきと、電源電圧の変動範囲とが判れば、降圧回路のみで使用できる、レーザアレイの最適直列数を決定できるのである。

具体的には、車両の蓄電池の定格電圧が３６Ｖであり、電圧変動が２８〜４６Ｖである場合に、最小電圧である２８Ｖに変動し、半導体レーザ素子のＶｆが、ばらつきの最大電圧である９Ｖの条件で、蓄電池電圧に対するレーザアレイの所要駆動電圧が、常に降圧の関係を維持するために必要な直列数は、３直列以下を選択すれば良いということである。

また、レーザアレイの直列数が、効率に及ぼす影響についても確認した。図３は、電源電圧として９〜６０Ｖを用いた時の、チョッパ回路の降圧比と効率の関係を表した実験データを示す図である。

図２、３を参照して、レーザアレイの直列数と効率の関係について説明する。まず、図２おいて、蓄電池の定格電圧が３６Ｖで且つ、最大電圧である４６Ｖに電圧が変動し、半導体レーザ素子のＶｆが、ばらつきの最小電圧である５Ｖの条件で、レーザアレイの直列数として３直列を選択すると、電源電圧４６Ｖに対してレーザアレイの所要駆動電圧は１５Ｖであり、この時の降圧比は０．３３倍となる。

次に図３を参照すると、電源電圧が４６Ｖで降圧比が０．３３倍の時、８８％の効率を得られることが判った。また、図３の実験データにより、他の電源電圧においても、降圧比を０．２倍以上に抑えることで、概ね７２％以上の効率を得られることが判った。

以上説明したとおり実施例１によれば、電源電圧の変動と、半導体レーザ素子の順方向電圧のばらつきから、常に電源電圧よりもレーザアレイの所要駆動電圧が低くなる条件でのレーザアレイ直列数を決定できるので、チョッパ回路を降圧型のみに簡略化でき、また、レーザ発光装置、車両用灯具としての安定化が可能となる。

ところで、図１のチョッパ回路１０８においては、蓄電池１０７とチョッパ回路１０８とが、接続されていない状態から接続された状態になり且つ、トランジスタ１０２がスイッチング動作を始める（トランジスタ１０２がオン・オフサイクルを始める）と、蓄電池１０７からの電流がコイル１０１にエネルギーを蓄えた後、コイル１０１を通過して、コイル１０１の出力側に接続されているコンデンサ１０４に電流が流れ込む。この後、コンデンサ１０４の充電が完了し、レーザアレイ１０５の所要駆動電圧と等しくなった後も、コイル１０１に蓄積されたエネルギーが電流として放出され、コンデンサ１０４の電圧をさらに上昇させることにより、コンデンサ１０４の電圧すなわち、レーザアレイ１０５の所要駆動電圧よりも高い電圧となる現象が発生する。例えば、蓄電池１０７の電圧が３６Ｖで、レーザアレイ１０５の所要駆動電圧が１８Ｖであった場合に、チョッパ回路１０８の降圧比を０．５倍としてレーザアレイ１０５の所要駆動電圧である１８Ｖに降圧するところ、上述した現象によりコンデンサ１０４の電圧は２０Ｖ程度となってしまうのである。

この現象を考慮して、蓄電池１０７とチョッパ回路１０８とが、接続されていない状態から接続された状態になり、且つ、トランジスタ１０２がスイッチング動作を始める場合において、トランジスタ１０２をオンオフ比の低い状態から起動し、徐々に目標のオンオフ比へ移行するよう動作させるとよい。

例えば、蓄電池１０７の電圧が３６Ｖで、レーザアレイ１０５の所要駆動電圧が１８Ｖの場合、定常電圧の１８Ｖ時のオンオフ比である１：１に対して、スイッチング動作開始時のオンオフ比を０．１：１とする。すると、オンの時間は定常時の１／１０になるのでコンデンサ１０４の電圧は２Ｖ程度までの充電に抑制される。次に、２Ｖまで充電が完了した後にオンオフ比を０．５：１に変化させ、コンデンサ１０４を１０Ｖ程度まで充電する。その後、最終的にオンオフ比を定常電圧時の１：１に変化させても、コンデンサ１０４の電圧は定常電圧である１８Ｖ近くまで充電されているので、レーザアレイ１０５の所要駆動電圧に適切に設定されるのである。

このように、スイッチング用トランジスタのオンオフ比を段階的に増加させ、徐々に定常状態のオンオフ比にすることで、スイッチング動作開始時の過電圧からレーザアレイを保護することができる。

本発明にかかるレーザ発光装置は、車両用の灯具ばかりでなく、不安定な電源を用いたレーザ発光装置全般に広く適用することができる。

１００、１０レーザ発光装置
１０１、１１コイル
１０２、１０６、１２トランジスタ
１０３、１３ダイオード
１０４、１４コンデンサ
１０５レーザアレイ（半導体レーザ素子群）
１０７、１７蓄電池（直流電源）
１０８、１８チョッパ回路

Claims

直流電源と、
前記直流電源の電圧を降圧するチョッパ回路であって、前記直流電源の正極にドレイン端子が接続されたトランジスタと、前記トランジスタのソース端子にカソード端子が接続されアノード端子が接地されたダイオードと、前記ダイオードのカソード端子に一端が接続されたコイルと、前記コイルの他端に一端が接続され他端が接地されたコンデンサとを含む前記チョッパ回路と、
前記チョッパ回路により駆動され複数の半導体レーザ素子が直列に接続された半導体レーザ素子群と、
を備えるレーザ発光装置であって、
前記半導体レーザ素子群の個数は、前記直流電源の所定の電圧変動に対して前記チョッパ回路が、前記半導体レーザ素子群の所要駆動電圧を降圧とする個数であることを特徴とするレーザ発光装置。
前記所要駆動電圧は、前記半導体レーザ素子群の中で最も高い駆動電圧をもつ半導体レーザ素子の電圧に基づくことを特徴とする請求項１に記載のレーザ発光装置。
複数の前記半導体レーザ素子群が並列に配置され、複数の前記チョッパ回路により各々駆動されることを特徴とする請求項１または２いずれか一項に記載のレーザ発光装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ発光装置を備える車両用灯具。