JP2012114338A - レーザ発光装置、およびこれを用いた車両用灯具 - Google Patents

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、昇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１０７と、前記直流電源の電圧を昇圧するチョッパ回路１０８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１０５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昇圧とする個数である。
【選択図】図１

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るので、定格が１２Ｖの蓄電池の電圧は９Ｖ〜１５Ｖ程度に変動する。

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６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６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昇圧するチョッパ回路であって、前記直流電源に一端が接続されたコイルと、前記コイルの他端にドレイン端子が接続されソース端子が接地された第１のトランジスタと、前記コイルの他端にアノード端子が接続された第１のダイオードと、前記第１のダイオードのカソード端子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昇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低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、本発明は、前記コイルの前記一端と、前記第１のダイオードのカソード端子との間に接続され、前記コイルの前記一端にアノード端子が接続された第２のダイオードを備えることを特徴とする。

また、本発明は、前記第２のダイオードのアノード端子にドレイン端子、カソード端子にソース端子が接続される第２のトランジスタを備え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上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、チョッパ回路を昇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昇圧比と効率の関係図である。 本発明によるレーザ発光装置の実施例２の回路図である。 本発明によるレーザ発光装置の実施例３の回路図である。 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、電源電圧に対する昇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の正極に一端が接続されたコイル１０１、コイル１０１の他端と接地間に接続されたトランジスタ１０２（第１のトランジスタ）、コイル１０１の他端にアノードが接続された、ダイオード１０３（第１のダイオード）、ダイオード１０３のカソードと接地間に接続されたコンデンサ１０４、ダイオード１０３のカソードにアノードが接続されたレーザアレイ１０５、レーザアレイ１０５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、コイル１０１とトランジスタ１０２とダイオード１０３とコンデンサ１０４にて昇圧チョッパ回路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、昇圧チョッパ回路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、トランジスタ１０２がオフになると、このエネルギーがダイオード１０３を介してコンデンサ１０４に充電される。そして、この充電が繰り返されることにより、コンデンサ１０４の電圧が蓄電池１０７の電圧より高くなる。この後、コンデンサ１０４に充電された電圧、すなわち、昇圧チョッパ回路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９〜１５Ｖ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、昇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１２Ｖであり、電圧変動が９〜１５Ｖである場合に、最大電圧である１５Ｖに変動し、半導体レーザ素子のＶｆが、ばらつきの最低電圧である５Ｖ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、常に昇圧の関係を維持するために必要な直列数は、３直列以上を選択すれば良いということである。なお、３直列の場合は、所要駆動電圧は１５Ｖとなり、蓄電池電圧と等しくなるので、より安定した発光動作を維持するために４直列以上とすればより好ましい。

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９〜４８Ｖを用いた時の、チョッパ回路の昇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１２Ｖで且つ、最小電圧である９Ｖに電圧が変動し、半導体レーザ素子のＶｆが、ばらつきの最高電圧である９Ｖの条件で、レーザアレイの直列数として４直列を選択すると、電源電圧９Ｖに対してレーザアレイの所要駆動電圧は３６Ｖであり、この時の昇圧比は４倍となる。

次に図３を参照すると、電源電圧が９Ｖで昇圧比が４倍の時、９６％強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、昇圧比を４倍以下に抑えることで、概ね９６％以上の効率を得られることが判った。

ところで、図１の昇圧チョッパ回路１０８においては、蓄電池１０７と昇圧チョッパ回路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、蓄電池１０７の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の電圧は蓄電池１０７の電圧の２倍程度まで上昇することになる。この約２倍になった電圧は、ダイオード１０３により蓄電池１０７側に帰還することを阻止されるため、電圧は約２倍になったまま保持される。（正確には、ダイオード１０３等の抵抗成分が含まれるので、２倍の値から約１Ｖ差し引いた程度の値になる。）
この現象は、コイル１０１とコイル１０１の出力側にコンデンサ１０４が設置されていて、コイル１０１とコンデンサ１０４にエネルギーが蓄積されていない状態、すなわち、蓄電池１０７と昇圧チョッパ回路１０８が接続されていない状態から接続された場合にのみ生じる現象である。

この現象を考慮すると、蓄電池の定格電圧が１２Ｖの場合、電圧変動の最大が１５Ｖであるため、蓄電池１０７接続時に昇圧チョッパ回路１０８の出力電圧が最大で２９Ｖ程度まで上昇し、初期駆動時にレーザアレイ１０５に対して、約２９Ｖの電圧が印加されることになる。

このような場合において、レーザアレイ１０５にかかる過電圧（初期駆動時のみにかかる電圧）からレーザアレイ１０５を保護するためには、レーザアレイ１０５の直列数を６直列以上とし、Ｖｆのばらつきが最小値の５Ｖであっても、レーザアレイ１０５の所要駆動電圧が３０Ｖ以上となるようにすることで過電圧からレーザアレイ１０５を保護することができる。

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高くなる条件でのレーザアレイ直列数を決定できるので、チョッパ回路を昇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。

次に、本発明の第２の実施例について図２〜４を参照して説明する。なお、実施例１と同一の機能を有する構成要素については同一符号を付加し、説明を省略する。

前述した実施例１においては、レーザアレイ１０５の初期駆動時における過電圧からレーザアレイ１０５を保護するために、レーザアレイ１０５の直列数を増やして、所要駆動電圧を上げることで、初期駆動時の過電圧からの保護が可能であることを説明したが、これによって昇圧チョッパ回路１０８の効率が、若干ではあるが低下する。

この効率の低下について、図２、３を参照して説明する。まず、図２において、蓄電池１０７の定格電圧が１２Ｖで、電圧変動が最大値である１５Ｖになった場合、レーザアレイ１０５の初期駆動時に２９Ｖの電圧が印加されることを考慮して、レーザアレイ１０５の直列数を６直列にすると、半導体レーザ素子のＶｆのばらつきが５Ｖの場合は、所要駆動電圧が３０Ｖとなり、したがって昇圧チョッパ回路１０８の昇圧比は約２倍となる。また、図３を参照すると、この時の効率は、９６．５％以上となる。

一方、図２において、半導体レーザ素子のＶｆのばらつきが９Ｖの場合は、所要駆動電圧が５４Ｖとなり、前述した過電圧によるレーザアレイ１０５の保護についてはなんら問題はないが、蓄電池１０７の電圧変動が最小値である９Ｖになった場合、昇圧チョッパ回路１０８の昇圧比は５倍以上となり、図３に示すように、この時の効率は９４％を下回ってしまうのである。

ここで本実施例の説明に戻る。図４は、本発明の第２の実施例を示すレーザ発光装置２００の回路図である。本実施例が実施例１と異なる点は、蓄電池１０７と、昇圧チョッパ回路１０８の出力であるダイオード１０３のカソードとの間に、ダイオード１０９（第２のダイオード）を接続した点である。

次に、レーザ発光装置２００の全体動作を説明する。昇圧チョッパ回路１１０に蓄電池１０７の電圧が印加されると、実施例１と同様に、コイル１０１、ダイオード１０３を経由してコンデンサ１０４の充電が開始されると共に、ダイオード１０９を経由したコンデンサ１０４の充電が行われる。すると、ダイオード１０９を経由したコンデンサ１０４の充電により、コンデンサ１０４の電圧が急速に蓄電池１０７の電圧に近づくので、コイル１０１、ダイオード１０３を経由した充電が抑制され、これにより、コンデンサ１０４の電圧上昇は、蓄電池１０７の電圧に対して１０％程度の電圧上昇に抑制することができる。

このようにして、例えば蓄電池の定格電圧が１２Ｖで、電圧変動の最大値である１５Ｖの時、初期駆動時における昇圧チョッパ回路１１０の出力電圧の電圧上昇が、＋１０％の１６．５Ｖになったとしても、Ｖｆのばらつきが最小値である５Ｖの半導体レーザ素子の直列数を４直列にして、所要駆動電圧を２０Ｖとすることで、昇圧比の上昇に伴う効率の低下を回避しつつ、過電圧からレーザアレイ１０５を保護することができる。

なお、図示は省略するが、コンデンサ１０４への充電時間が長くなり過ぎない範囲で、ダイオード１０９と直列に抵抗を接続し、ダイオード１０９への負荷を軽減しても構わない。

次に、本発明の第３の実施例について図５を参照して説明する。なお、実施例１、２と同一の機能を有する構成要素については同一符号を付加し、説明を省略する。

図５は、本発明の第３の実施例を示すレーザ発光装置３００の回路図である。本実施例においては、実施例２で説明したダイオード１０９に、トランジスタ１１１（第２のトランジスタ）を並列に接続している。より具体的には、ダイオード１０９のアノードにトランジスタ１１１のドレインを、ダイオード１０９のカソードにトランジスタ１１１のソースを接続している。なお、ダイオード１０９の機能は、実施例２で説明したとおりである。

本実施例では、トランジスタ１１１をダイオード１０９に並列に接続していることで、初期駆動時の過電圧をより一層低減することができる。具体的に説明すると、トランジスタ１１１の接続によって、蓄電池１０７とコンデンサ１０４の間は、双方向に電流の導通が可能となるので、コンデンサ１０４を急速に充電するとともに、過電圧による電気エネルギーを蓄電池１０７へ還流するためである。これにより、ダイオード１０９による過電圧抑制においても僅かに発生する電圧上昇、例えば実施例２の説明で述べた、＋１０％程度の電圧上昇をも更に抑制することができる。

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、２００、３００、１０ レーザ発光装置
１０１、１１ コイル
１０２、１０６、１１１、１２ トランジスタ
１０３、１０９、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、１１０、１１２、１８ チョッパ回路

Claims (6)

1. 直流電源と、
   前記直流電源の電圧を昇圧するチョッパ回路であって、前記直流電源に一端が接続されたコイルと、前記コイルの他端にドレイン端子が接続されソース端子が接地された第１のトランジスタと、前記コイルの他端にアノード端子が接続された第１のダイオードと、前記第１のダイオードのカソード端子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昇圧とする個数であることを特徴とするレーザ発光装置。
2. 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低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。
3. 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。
4. 前記コイルの前記一端と、前記第１のダイオードのカソード端子との間に接続され、前記コイルの前記一端にアノード端子が接続された第２のダイオードを備える請求項１〜３いずれか一項に記載のレーザ発光装置。
5. 前記第２のダイオードのアノード端子にドレイン端子、カソード端子にソース端子が接続される第２のトランジスタを備えた請求項４に記載のレーザ発光装置。
6. 請求項１〜５に記載のレーザ発光装置を備える車両用灯具。