JP2016100252A - 発光ダイオード装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
発光素子数を増加でき、かつ配線や制御回路の複雑化を抑制できる発光ダイオード装置を提供する。
【解決手段】
発光ダイオード装置は、支持基板と、支持基板上に、２次元状に配置された多数の発光ダイオードからなる発光ダイオードアレイと、を含み、多数の発光ダイオードは、独立に点灯／消灯を制御できる、複数の制御ユニットに分割され、複数の制御ユニットは、複数の発光ダイオードが直列接続された複合制御ユニットを含み、複合制御ユニット各々における複数の発光ダイオードは、発光ダイオードアレイで最も輝度が高い配光中心から遠いものほど発光面積が広い。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオード装置に関し、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発光ダイオード装置に関する。
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（ＡＤＢadaptive 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の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、当該対向車の領域のみに向う光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は眩惑光（グレア）を与えることを防止できる。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。
このような配光可変型の前照灯システムは、例えば複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。
マトリクス状に配置され、独立に点灯制御可能な複数の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（例えば特許文献１）。
図５Ａ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。
図５Ｂは、複数のＬＥＤ２１２をマトリクス配置した状態を正面から見た図である。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」と称する。）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。
図５Ｃ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。
車載カメラ１０８、レーダ１１０、車速センサ１１２など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、そして区画線（レーンマーク）を検出し、それらの属性や位置など配光制御に必要なデータを算出し、算出されたデータは車内ＬＡＮなど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。
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など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。
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、投入電力など）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１０６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。
図６は、望まれる配光パターンの例を示す。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。複数の発光素子が並置された光源装置を用いて、個々の発光素子の輝度を制御する車両用前照灯において運転者に違和感のない滑らかな配光パターンを実現するためには、素子を微細にして、配置する個数を増やすことが有効である。しかし、この場合には、独立素子の数が増加し、これを制御する配線も複雑化し、駆動電源数の増加させなければならなくなる。
なお、ロービーム用光源、ハイビーム用光源、調整用光源等、複数の光源を組み合わせた自動車用照明装置も提案されている（例えば特許文献２）。
特開２０１３−５４８４９号公報 特開２０１０−４０５２８号公報
滑らかな配光パターンを実現するためには、配光領域中に配置する発光素子数を増加することが望ましい。一方で、配光パターンの周辺領域では、対向車等の眩惑低減のために形成する非点灯パターンの解像度は。中央領域と比べて低くてもよい。
発光素子数を増加でき、かつ配線や制御回路の複雑化を抑制できる構成が可能であれば、好ましい。
本発明の実施例によれば、
支持基板と、
前記支持基板上に、２次元状に配置された多数の発光ダイオードからなる発光ダイオードアレイと、
を含み、
前記多数の発光ダイオードは、独立に点灯／消灯を制御できる、複数の制御ユニットに分割され、
前記複数の制御ユニットは、複数の発光ダイオードが直列接続された複合制御ユニットを含み、
前記複合制御ユニット各々における複数の発光ダイオードは、前記発光ダイオードアレイで最も輝度が高い配光中心から遠いものほど発光面積が広い、
発光ダイオード装置
が提供される。
図１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ、１Ｅは、実施例１による発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイの概略平面図、垂直方向に並んだ８個のＬＥＤの等価回路図、該８個のＬＥＤの面積比を示すグラフ、８行×５列分のＬＥＤの等価回路図、マトリクスＬＥＤをダイナミック駆動させる場合の等価回路図である。 図２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、ＬＥＤアレイの３つの具体的構成例の断面図である。 図３Ａは、実施例による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３Ｂ，３Ｃ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４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ、４Ｆは、変形例を示す等価回路図、平面図である。 図５Ａ，５Ｂ，５Ｃ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。 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。
２ 発光ダイオード、 １１ 支持基板、 ２０ 半導体積層、 ２１ ｎ型半導体層、 ２２ 活性層、 ２３ ｐ型半導体層、 ２５ ｎ側電極、 ２６ ｐ側電極、 ２７ 蛍光体層、
２８ 配線、 ２９ 絶縁層、 ３０ 配線、
３２，３４ ビア電極、 ４１ 発光ダイオードアレイ、
４２ レンズユニット、 ４３ 電源ユニット、
４４ デューティー変調制御ユニット、 ４５ カメラユニット、
５１ 発光領域中央部、 ５２ 発光領域中間部、
５３ 発光領域端部、 ２１２ ＬＥＤ、 ２１０ 投影レンズ。
図１Ａ−１Ｄは、実施例１による、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、図１Ａの垂直方向に配列された８個の発光ダイオードＡ〜Ｈの接続状態を示す等価回路図、発光ダイオードＡ〜Ｈの面積比を示すグラフ、マトリクス中８行×５列分の発光ダイオードの等価回路図である。
図１Ａの平面図に示すように、発光領域内に、例えば８行×３１列の、発光ダイオード２がマトリクス状に配置される。水平（Ｈ−Ｈ‘）方向に並んだ発光ダイオードの各列は等しいピッチで並んでいる。垂直（Ｖ−Ｖ’）方向軸の両側に夫々１５列、８行の発光ダイオードが格子状に配列されている。垂直方向の分割は、各列共通になされ、行の高さは列によらず共通である。即ち、行Ｈ−Ｈ‘方向には、同一形状の発光ダイオードが並んでいる。
図１ＡにおいてＨ−Ｈ‘軸で示される水平軸が水平方向の輝度中心軸を構成し、Ｖ−Ｖ’軸で示される垂直軸が垂直方向の輝度中心軸を構成する。車両用の前照灯としては、運転者の正面（配光中心ＬＣ）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６の上側に示したＢＰｈの様な輝度分布をＨ−Ｈ‘軸に沿って実現し、図６の右側に示したＢＰｖのような輝度分布をＶ−Ｖ’軸に沿って実現することが望ましい。
図１Ｂに示すように、発光ダイオードアレイにおいて垂直（Ｖ−Ｖ’）方向の各列内に並んだ８個の発光ダイオードは、２つづつ直列接続されて４つの制御ユニットを構成している。
図１Ｃが、各列内の８個の発光ダイオードの面積比を示す。各制御ユニット内で直列に接続された２個づつの発光ダイオードの面積は、Ａ＞Ｂ，Ｃ＞Ｄ，Ｅ＞Ｆ，Ｈ＞Ｇとなっており、各制御ユニット内においては、輝度中心から遠い方の発光ダイオードが輝度中心側の発光ダイオードよりも大きな面積となり、従ってより低い電流密度を生じ、より低い輝度となる。電流値は各制御ユニットで独立に設定できるので、電流値を適切に設定することにより、垂直Ｖ−Ｖ‘方向において、輝度中心から周辺方向に離れるにしたがって徐々に低下する輝度分布を形成できる。
図１Ｄは、５列分の発光ダイオードアレイの等価回路を示す。直列接続のアノードがすべての制御ユニットで共通であり、カソードが別個に引き出され、制御回路を介して電源に接続される。このような接続によりカソード側の制御のみで点灯制御可能となる。カソードを共通とする回路としてもよい。５列の発光ダイオードの中心が視野中心であり、水平方向の輝度中心であるとする。
ハンドルの舵角を右に切る場合、右方向に輝度中心を移すことが望ましい。図１Ａの発光ダイオードアレイは、水平方向に同一特性の発光ダイオードが並んでいるので、駆動電流の中央部分の分布を右側に移動させると、所望の輝度パターンが得られることになる。ハンドルの舵角を左に切る場合は、駆動電流の中央部分の分布を左側に移動させることになる。
このように発光ダイオードを配置することにより、各制御ユニット内において、光軸中心から遠い側を、近い側に対して相対的に暗くした輝度諧調を制御することが可能になる。
各制御ユニット内には直列接続が１つ存在するのみであり、発光ダイオード外の配線は１つとなり配線数の増加が抑制される。電流の制御も制御ユニット単位の制御となるため、例え各制御ユニット毎に駆動電源を設けるとしても、輝度諧調数と比較して少ない駆動電源数とすることが可能となる。さらに後述するように、時分割を行い、１つの駆動電源で複数の制御ユニットを制御するようにすれば、駆動電源数をさらに削減可能である。
図２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、発光ダイオードアレイ１列分の具体的な構成を示す断面図である。例えば、図１Ａの垂直方向軸Ｖ−Ｖ‘に沿った断面とする。
図２Ａにおいて、表面に酸化シリコン膜等の絶縁層を形成したシリコン基板などの支持基板１１上に、８個のＬＥＤ２が搭載されている。これらを、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈで示す。各ＬＥＤは、ｎ型半導体層２１、ｐ型半導体層２３、必須ではないがこれらの間の活性層２２の積層を含む。活性層は単層のダブルヘテロ型でも、バリア層とウェル層との交互積層を含む多重量子井戸型でもよい。
ｐ型半導体層２３の下面上にｐ側電極２６、配線２８が形成され、ｎ型半導体層２１の下面に接するようにｎ側電極２５が形成される。発光ダイオードＢＤＦＨの配線２８は、図中左側に延在して発光ダイオードＡＣＥＧのｎ側電極２５に接続されている。発光ダイオードＢＤＦＨのｎ側電極２５は、支持基板１１上の配線３０に接続されている。ｐ側電極２６／配線２８と配線３０の間には絶縁層２９が配置されている。
発光ダイオードＡＣＥＧのｐ側電極２６は図示外にて等電位に接続され、個別の配線３０に接続されたＢＤＦＨのｎ側電極２５への電圧印加を制御することで各制御ユニットの点灯を制御する。
２つ組のＬＥＤの左側ダイオードのｐ側電極２６からｐ型半導体層２３、ｎ型半導体層２１を介して、ｎ側電極２５に回路が形成され、配線２８を介して右側ダイオードのｐ側電極２６からｎ側電極２５、配線３０へと回路が形成され、２つのＬＥＤの直列接続が形成される。同様の直列接続により、図１Ｂの等価回路が形成される。
上側に配置されたｎ型半導体層２１の上に蛍光体層２７が形成されている。例えば、ＬＥＤがＧａＮを含む青色ＬＥＤである場合、黄色光を発生する蛍光体を組み合わせることにより白色光を発生できる。
図２Ａの構成では、ｐ型半導体層２３の一端が除去され露出したｎ型半導体層２１上にｎ側電極２５が形成されている。ｎ側電極２５から離れた半導体層に電流が供給しにくく、ｐ型半導体層２３が除去された領域は電流を供給されるが発光しない領域となる。
図２Ｂはこの点を改良できるビア電極タイプの構成を示す。ｐ型半導体層２３に複数のビア孔が形成され、側壁上に絶縁層が形成される。ビア孔内にｎ側ビア電極２５が埋め込まれる。複数のビア電極からｎ型層全体に電流を供給しやすく、かつｎ側電極２５が分散配置されているので、目立つ影が生じにくい。
この場合、発光ダイオードＢＤＦＨのｎ側電極２５は図示外にて等電位に接続され、個別の配線３０に接続された発光ダイオードＡＣＥＧのｐ側電極２６への電圧印加を制御することで各制御ユニットの点灯を制御する。
図２Ａ，２Ｂでは、支持基板上の多層配線を用いて回路が形成された。支持基板に貫通電極を形成することもできる。図２Ｃにおいて、支持基板１１に貫通孔を形成し、絶縁処理した後、貫通孔内に電極を埋め込んで貫通電極３２，３４を形成することができる。その他の点は、図２Ａ，２Ｂと同様にすることができる。図２Ｃでは、蛍光体膜が省略されているが、図２Ａ，２Ｂ同様に設ける。図２Ａ同様ＡＣＥＧのｐ側電極２６は図示外にて等電位に接続されており、ＢＤＦＨのｎ側電極２５に個別に配線され、個々に電圧印加を制御することで各制御ユニットの点灯を制御する。
なお、各制御ユニットの輝度調整は、図２Ａ，２Ｃの場合はｎ側電極２５、図２Ｂの場合はｐ側電極２６に個別に接続される配線を通じて、後述するような変調制御させるパルス波形を印加して行う。
上記のように点灯期間に各ＬＥＤをスタティック駆動してもよいが、配線数、電源数が増加する。複数の制御ユニットを時分割で駆動するダイナミック駆動を採用することもできる。マトリクス配置された発光ダイオードアレイを、水平方向で時分割してダイナミック駆動すると、制御回路、電源の数は大幅に削減できる。垂直方向で時分割することも可能である。
図１Ｅはダイナミック駆動させる場合の配線を表している。各行に並ぶ各制御ユニットのカソードが等電位で接続され、各列に並ぶ各制御ユニットがアノードで等電位に接続されている。この場合、例えば、各行には時分割に電圧印加（例えば２５％ずつの時間で）され、各列は後述する変調制御させるパルス波形を重ね合わせることで、各制御ユニットの点灯及び輝度調整を行う。
図３Ａは、実施例による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。レンズユニット４２の焦点より前方に発光ダイオードアレイを配置すると、拡散光が出射されることになり、アレイ内の各発光領域が重なり合い、影の部分が目立たなくなる。
電源ユニット４３は、デューティー変調制御ユニット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ー変調制御ユニット４４に供給する。デューティー変調制御ユニット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。
図３Ｂは、パルス幅変調による駆動波形の変化を示す。上から、デューティー１０％、２０％、５０％の駆動波形を示す。パルス幅が変調されている。時分割された各行の電圧印加と重なる部分で（４周期に１回）、発光ダイオードが駆動される。
図３Ｃは、周波数変調による駆動波形の変化を示す。上から、デューティー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。この場合も、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。
８行×３１列のマトリクス状に配置されたＬＥＤが、列方向に隣接する２個づつで直列接続されて制御ユニットを構成する場合を説明したが、マトリクスの接続形式、全体形状は種々に設定できる。以下、マトリクスの変形例について説明する。
図４Ａは、列方向の８個のＬＥＤがＡ，Ｂ，Ｃ３個、Ｄ，Ｅ２個、Ｆ１個、Ｇ，Ｈ２個で夫々制御ユニットを構成する場合を示す。遠方は、３個のＬＥＤの直列接続で照明する。
図４Ｂは、列方向の８個のＬＥＤが１つの制御ユニット内で直列接続される場合を示す。垂直方向の輝度分布は形成できるが、オン／オフ制御が列単位となる。後述のように、ロービームとハイビームを別光源とする場合、ハイビーム用に適用可能である。
図４Ｃは、発光ダイオードアレイが、発光領域中央部５１、その両側の発光領域中間部５２、その両側の水平方向に関する発光領域端部５３でマトリクスの構成を変えている。各部の行数は端部に向うほど減少している。列幅も変化している。
発光ダイオードアレイ全体の形状も、矩形ないしその組み合わせに制限されない。図４Ｄに示すひし形、図４Ｅに示す長円形（角を丸めた長方形）等も可能である。
図４Ｆは、投影レンズＬ１と組み合わされたロービーム用ＬＥＤアレイＬＢ、投影レンズＬ２と組み合わされたハイビーム用ＬＥＤアレイＨＢを含む、前照灯を示す。ロービームは固定パターンでよく、ハイビーム用ＬＥＤアレイＨＢに上述の実施例を適用できる。
以上、実施例に基づき、本発明を説明した。基本的な事項を確認する。多数のＬＥＤを２次元的、乃至マトリクス状に配置して、所望面積を有する発光領域を構成する。車両用の前照灯の場合、望まれる配向パターンは配光中心から周辺に向って徐々に輝度が減少するものである。多数のＬＥＤを複数の制御ユニットに分割する。１つの制御ユニットには、１個または複数個のＬＥＤを含める。複数のＬＥＤを含む制御ユニットにおいては、これら複数のＬＥＤを直列接続して、共通電流で駆動する。例えば、１つの制御ユニットが２個のＬＥＤの直列接続を含む場合、制御すべき信号線の数、駆動電源数は半減できる。
直列接続されたＬＥＤの面積を調整することによって、複数のＬＥＤ間の相対的発光輝度を調整する。１つの制御ユニット内で直列接続された複数のＬＥＤは、互いに発光面積が異なり、異なる電流密度となることにより、異なる輝度となる。配光中心を最高輝度とし、周辺に向って徐々に低下する輝度分布を形成するようにＬＥＤを直列接続する。
配光中心を左右に移動させるためには、発光ダイオードマトリクスの水平（横）方向のピッチは一定とすることが好ましい。各制御ユニット内の輝度を調整するための発光ダイオードの面積変化は垂直（縦）方向の寸法によって実現することになる。
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。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。

Claims (10)

  1. 支持基板と、
    前記支持基板上に、２次元状に配置された多数の発光ダイオードからなる発光ダイオードアレイと、
    を含み、
    前記多数の発光ダイオードは、独立に点灯／消灯を制御できる、複数の制御ユニットに分割され、
    前記複数の制御ユニットは、複数の発光ダイオードが直列接続された複合制御ユニットを含み、
    前記複合制御ユニット各々における複数の発光ダイオードは、前記発光ダイオードアレイで最も輝度が高い配光中心から遠いものほど発光面積が広い、
    発光ダイオード装置。
  2. 前記直列接続された複数の発光ダイオードは、前記配光中心と交差する方向に沿って配列されている、請求項１に記載の発光ダイオード装置。
  3. 前記多数の発光ダイオードは、水平方向の行、鉛直方向の列を有するマトリクス状に配置されており、前記列の水平方向の幅が等しい、請求項２に記載の発光ダイオード装置。
  4. 前記各列が複数の制御ユニットを含み、前記配光中心から遠くに配置された制御ユニットが、前記配光中心から近くに配置された制御ユニット内のいずれかの発光ダイオードよりも、発光面積の小さな発光ダイオードを含む、請求項３に記載の発光ダイオード装置。
  5. 前記発光中心を含む行を構成する制御ユニットは、１個の発光ダイオードのみで構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光ダイオード装置。
  6. 前記多数の発光ダイオードの各々が蛍光体膜を有して、白色光を発光し、前記発光ダイオード装置が車両用の前照灯を構成する請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光ダイオード装置。
  7. 前記複数の制御ユニットの各々に、制御された駆動電流を供給する複数の駆動電源をさらに含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光ダイオード装置。
  8. 前記駆動電源が、複数の制御ユニットに対してスタティック駆動を行う請求項７に記載の発光ダイオード装置。
  9. 前記駆動電源が視野内の鉛直方向に沿って時分割駆動を行う請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光ダイオード装置。
  10. 前記駆動電源が、パルス幅変調又は周波数変調を行う請求項１〜９のいずれか１項に記載の発光ダイオード装置。
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