JP7093239B2 - 光源装置及び光源装置駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は光源装置及び光源装置駆動方法に関し、特にレーザ光源と光走査機構と蛍光体プレートを有する車両用前照灯等の光源装置及び光源装置駆動方法に関する。

半導体レーザからの出射光を支持部材に支持した蛍光体プレートに照射し、白色光を得る光源が知られている。振動や衝撃により、蛍光体プレートに剥がれが生じたり、蛍光体プレートが支持部材から脱離したりすると、レーザ光が直接外部に進行してしまう危険性がある。車両用前照灯等においては、対向車量の運転者にレーザ光が照射され得る。レーザ製品について安全性の規格もある。

図５Ａに示すように、半導体レーザ１０５上方に窓を有する回路パターン基板１１０を配置し、回路パターン基板１１０の窓を通過したレーザ光の照射領域を囲む反射電極１０８を備えた蛍光体プレート１１１を回路パターン基板１１０上に配置し、半導体レーザ１０５から反射電極１０８の開口部を介して蛍光体プレート１１１にレーザ光を照射する提案がある。半導体レーザ１０５の駆動電流は、蛍光体プレート１１１上の反射電極１０８を配線の一部として含む駆動回路から供給される。蛍光体プレート１１１が回路パターン基板１１０から脱落すると、駆動回路の配線が断線するので、半導体レーザ１０５の動作は停止する（例えば、特許文献１）。

レーザランプユニットにおいて、レーザ素子からの光がレンズによって集光され、蛍光体に入射し、透過するレーザ光と蛍光体による蛍光とが白色光を形成する構成も知られている。

ミラー等によってレーザ光を走査することにより、前方対向車の位置に応じて選択的な光照射を行うタイプのレーザランプユニットも提案されている（例えば、特許文献２）。

図５Ｂに示すように、例えば矩形形状の中心部１２１の縦方向中心部左右をトーションバー１２２ａ、１２２ｂで中間部１２３に結合し、中間部１２３の水平方向中心部上下をトーションバー１２４ａ、１２４ｂで外側部分１２５に結合する提案もある。中心部１２１と中間部１２３の間には溝部Ｇ１ａ，Ｇ１ｂが形成され、中間部１２３と外側部分１２５の間には溝部１２４ａ、１２４ｂが形成される。中心部１２１に鏡面Ｍを配置し、トーションバー部分１２２，１２４に圧電素子等の駆動機構を設けることにより２次元方向に反射光を走査できる鏡機構が形成される（例えば、特許文献３）。

透明基板上に蛍光体プレートを配置し、蛍光体プレート上に透明導電膜の折り返し配線パターン、平行配線パターン等を形成し、蛍光体プレートの損傷を透明導電膜の配線パターンに伝達し、配線パターンの抵抗変化や断線などによって、蛍光体プレートの損傷を検出する提案もある（例えば、特許文献４）。

レーザ光を走査するタイプのレーザ光前照灯においては、光強度の高いレーザ光が蛍光体プレート上で走査される。レーザ光の照射により蛍光体プレートが発する光は、あらゆる方向に進行し、蛍光体中を進行するレーザ光も蛍光体で散乱されるので、出射光の単位面積当たりの光強度は低くなり、アイセーフティが達成される。

レーザ光が蛍光体プレート表面を走査すると、蛍光体プレートに温度分布が生じる。前照灯は、外界に曝され、外気温の影響も受ける。前照灯に対して、例えば、－４０℃～＋１００℃以上の温度変化が予想されている。温度変化により歪み等の機械的外力が生じる。前照灯は車両から振動、衝撃等の外力も受ける。これらの外力の影響等により、蛍光体プレートは脱落するのみでなく、微小クラック、割れ等の欠損、破損を受ける可能性がある。

蛍光体プレート中に微小クラック等の欠損部が生じると、レーザ光が直接外部に出射する可能性が生じる。蛍光体プレートの脱落等の蛍光体プレート全体の異常を検出する機構では微小クラック等は検出できず、前方にいる人のアイセーフティが損なわれる可能性が生じる。

特開２０１４－１６５４５０号公報 特開２０１７－０５６７６２号公報 特開２００５－１４８４５９号公報 ＷＯ２０１６／１５６０００号公報

蛍光体プレートに微小クラック等の小さな欠損が生じた時も、その欠損を検出して安全対策を取れ、簡潔化された構成が望まれる。

実施例による光源装置は、レーザ光を出射できるレーザ光源と、レーザ光照射領域を含み、レーザ光照射領域内でレーザ光の照射を受け、レーザ光の照射に応じて波長を変換した光を出射できる蛍光体プレートと、レーザ光照射領域において、レーザ光を走査できる光走査機構と、レーザ光照射領域において蛍光体プレートの上に配置され、第１方向に沿った平行配線部分を含む透明導電膜パターンと、を含み、前記第１方向と交差する第２方向で隣接する透明導電膜パターンの間隔は第２方向に沿って変化する。

微小なクラックによっても切断される透明導電膜パターンを提供する。平行配線型透明導電膜パターンのピッチを変えることによりレーザ光走査長を短縮できる。

図１Ａ，１Ｂは、実施例による車両用前照灯の主要構成を示す断面図、及び蛍光体プレート上の透明導電膜形状の例を示す平面図である。 図２Ａはレーザ光源、光スキャン機構、ミラー、波長変換部材を含む系の概略断面図、図２Ｂは図２Ａにおけるレーザ光を概略的に示す平面図、図２Ｃはレーザ光源、光スキャン機構、補正光学系、波長変換部材を含む系の概略断面図、図２Ｄは図２Ｃにおけるレーザ光を概略的に示す平面図である。 図３Ａ，３Ｂは、透明導電膜パターンの例を示す平面図である。 、及び 図４Ａ～４Ｄは、中央部に幅、ピッチの大きいパターン、両側に幅、ピッチの減少したパターンを有する透明導電膜パターンの例を示す平面図である。 図５Ａは外力などにより蛍光体プレートが脱落するとレーザ光源への電力供給が遮断する従来技術によるレーザ光源系の概略断面図、図５Ｂはトーションバーにより支持され、２次元走査が可能な鏡面を有する従来技術による光走査機構を概略的に示す平面図である。

１ レーザ光源、 ２ ２次元走査ミラー、 ３ 蛍光体プレート、
４ 補正光学系、 １３ 透明導電膜パターン、
１４ レーザ光照射領域、 １５ 電極、 ＬＢ レーザ光、
１６ 駆動配線、 １８駆動電源、 １９ 投影レンズ、

図５Ａに示した従来技術の場合、蛍光体プレート１１１が脱落した時は電源配線が断線して異常を検出できる。しかし、蛍光体プレートに微細なクラックが生じても、蛍光体プレート自体は支持基板上に結合していると異常の検出はできない。

本発明者は、微細クラックが生じればいずれかの配線が断線するような微細ピッチの配線を蛍光体プレート上に形成することを検討した。例えばレーザ光照射領域内に微細ピッチの平行配線（第１パターン）を形成する。平行配線のピッチによって、蛍光体プレートの異常検出感度を設定する。

レーザ光照射領域内の平行配線間を接続する配線（第２パターン）をレーザ光照射領域外に形成する。以下、第１パターンと第２パターンとを併せて配線と呼ぶこともある。平行配線を直列に接続して一つなぎの配線とすると、１本の配線で異常を検出できる。

少なくとも第１パターンの配線を、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ），インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）等の透明導電膜で形成し、レーザ光照射領域内の配線は光を透過するようにして出力光の強度低下を抑制する。

第２パターンの配線も第１パターンの配線と同じ透明導電膜で形成すれば、同一製造プロセスで第１パターンと第２パターンの配線を形成できる。一つなぎの配線両端には接続性などの機能の優れた電極を接続するのが好ましい。

図１Ａは、実施例によるレーザ光走査方式の車両用前照灯の構成を概略的に示す断面図である。レーザ光源１は、例えば（ＧａＩｎＡｌ）Ｎ系半導体を用いたレーザであり、青色光ビームを出射する。レーザ光は楕円形状の断面形状を有する。光走査機構２は、例えば図５Ｂに示したような２次元走査可能なミラー機構を有し、２次元走査の内容は制御装置１２が制御する。

蛍光体プレート３は、高エネルギー光の照射を受け、波長を変換した（例えば黄色の）蛍光を発する材料の層であり、高エネルギー光を透過する石英、サファイヤ等の支持基板３ｓ上に配置され、その表面上に透明導電膜パターン１３が形成されている。蛍光体プレートが黄色光のみでなく、２色乃至３色の光を発する構成も可能である。光走査機構２による走査により、蛍光体プレート３のレーザ光照射領域の任意の点にレーザ光を照射することができる。典型的には、一定方向の平行パターンに沿う２次元走査を行う。

必要に応じて、光走査機構２と蛍光体プレート３との間に、レーザ光の径を調整できる補正光学系４を設け、蛍光体プレート３上のレーザ光径を制御する。レーザ出力が一定の場合、レーザ光径を小さくすれば輝度は増大し、レーザ光径を大きくすれば輝度は減少する。

図２Ａは、レーザ光源ＬＳから発したレーザ光ＬＢをまず図５Ｂに示すような反射型光スキャン機構ＳＣによって走査し、光スキャン機構ＳＣで走査されたレーザ光ＬＢをミラーＭによって反射して、波長変換部材３表面を走査させる構成を示す。図中、光スキャン機構ＳＣの同一点から進行したレーザ光ＬＢはミラーＭに入射する入射角度が変化する。左側のレーザ光ほど入射角が小さくなり、波長変換部材１３の遠方に入射する。即ち、レーザ光ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３は、波長変換部材３に入射するまでの光路長が、ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３の順に大きくなる。

図２Ｂは、光スキャン機構ＳＣから波長変換部材３に入射するまでの光路長の変化を概略的に示す平面図である。レーザ光径は光軸に沿って次第にサイズを増大させる。即ち光路長と共にサイズが増大する。波長変換部材３の遠方に入射するレーザ光は光路長が長いので、ビーム径も大きくなる。光スキャン機構ＳＣから波長変換部材３に入射するまでの距離を変化させることによりレーザ光径を変化させることができる。但し、変化のパターンは限られる。

図２Ｃは、図２Ａの平面ミラーＭに換え、凸面的鏡面を有する補正光学系４を用いる場合を示す。補正光学系４の鏡面で反射されたレーザ光ＬＢの進行方向は、補正光学系４の反射面の方位に応じて変化する。所望の輝度分布が得られるように補正光学系４の面方位（図の場合凸面的形状）を設定すると、所望の輝度分布が得られることになる。例えば、複数種類の線幅を実現する複数の平面鏡の組み合わせを有する凸面鏡を用いる。

図２Ｄは、図２Ｃの光学系を用いた場合のレーザ光走査パターンを概略的に示す。縦（列）方向に走査する間は、ビーム径は一定に保たれる。そこで列方向の走査ビームの幅を列幅と呼ぶことにする。所望に応じて補正光学系４が列幅を変化させる。図では、中心部で列幅が狭く、両側で列幅が広くなる走査パターンが示されている。

図１Ｂは蛍光体プレート３の表面上に形成された配線パターンを概略的に示す。蛍光体プレート３は、例えば３０μｍ程度の厚さ、高さ８ｍｍ、幅１８ｍｍ程度の面積を有する。透明導電膜の配線パターン１３は、レーザ光照射領域内外に延在する一繋がりの配線である。レーザ光照射領域１４内では、配線パターン１３は中心部で間隔が狭く、端部で間隔が広くなる平行配線Ｐ１を形成している。レーザ光照射領域１４外では透明導電膜パターンＰ２で平行配線Ｐ１を一繋がりの配線に接続し、両端を金/白金等の多層構造で形成された電極１５ａ、１５ｂに接続する。

配線パターン１３には、例えば常に電流を流すようにし、電流の有り無しにより、配線が断線して電流が流れなくなる異常を検出する。図１Ａの構成では、配線１３を介してレーザ光源１の駆動電流を流している。配線パターン１３の検出電流とレーザ光源１の駆動電流を別にしてもよい。

検出対象とするクラックのサイズは、高輝度領域では小さく設定する必要があるが、低輝度領域では大きくできる。透明導電膜パターンは必要な検出精度を得られるように中心部で狭く、両端で広く、設定する。例えば、レーザ光の各走査線に沿って１本の透明導電体パターンを配置する。

平行配線部分Ｐ１における配線（ライン）幅をＬ，配線間隔（スペース）をＳとする。スペースＳ部分のみに微小クラックが生じると、配線は影響を受けず、微小クラックを検出できない。微小クラックが平行配線のいずれかを横断（断線）すれば電流は流れなくなり、微小クラックを検出できる。隣接する平行配線Ｐ１を半分（Ｌ／２）ずつクラックが消費しても、残るＬ／２幅の平行配線で導電性は残る。クラック幅が（２Ｌ＋Ｓ）となれば、いずれかの配線は断線し、抵抗値は無限大となる。スペースＳと両側のライン幅２Ｌとを含む（２Ｌ＋Ｓ）を微小クラックを検出する指数とする。

平行配線パターンＰ１を複数の部分に分け、各部分における指数（２Ｌ＋Ｓ）を別々に設定する。例えば中央部を高輝度、両側部分を相対的に低輝度とする場合、中央部分の指数（２Ｌ＋Ｓ）は微小クラック検出可能な値に設定し、両側部分の指数は中央部分の指数より大きな値に設定する。

蛍光体プレートのレーザ光照射領域をレーザ光で走査する際、レーザ光走査線のピッチをレーザ光径に合わせる。中心部は高輝度を得るためにレーザ光径を小さくして走査線ピッチも小さく設定し、高輝度は必要ない端部はレーザ光径を大きくして走査線ピッチも拡大する。端部における走査線ピッチを拡大すると、走査長が短縮化されると共に、透明導電体パターンの長さも減少させることができる。

レーザ光スポットＬＢＳは、図中、横方向に長い楕円形状を有する。高輝度で面内寸法が小さなレーザ光スポットは、例えば高さ約０．０６ｍｍ、横幅約０．５ｍｍであり、低輝度で面内寸法が大きなレーザ光スポットは、例えば高さ約０．２５ｍｍ、横幅約２ｍｍである。

図３Ａは、透明導電膜パターン１３の例を示す平面図である。水平方向に長い横長の蛍光体プレート３の主要部上に垂直方向に平行な配線を含むパターンが形成され、左右両端に電極１５ａ、１５ｂが接続されている。透明導電膜パターン１３の平行配線は、水平方向中央部１３ａが密なパターンであり（２Ｌ＋Ｓ）が約０．０３４ｍｍ、水平方向両側部分（端部）１３ｂ、１３ｃが疎なパターンであり（２Ｌ＋Ｓ）が約０．０９５ｍｍに設定される。透明導電膜パターンはオン／オフを判別できれば断線の有無を判別できるので、密なパターンは線幅の小さい配線で形成している。水平方向中央部に密な透明導電膜パターンが形成され、微細なクラックも検出できる。水平方向両側部分は疎なパターンなので、配線長が低減される。

図３Ｂは、水平方向の平行配線の例を示す。道路面上を最高輝度で照明する車両用前照灯の場合、最高輝度領域は水平方向に延在し、最高輝度領域の上側領域は輝度を低下してもよい。最高輝度領域の下側もある程度輝度を低下することができる。図３Ｂの透明導電膜パターン１３は水平方向の平行配線を有し、最高輝度領域に相当する領域で水平平行配線の垂直方向間隔が最も狭く、垂直方向上下に移動すると配線間隔が広くなっている。

以上、透明導電膜パターンの密度が異なり、中央部に密な透明導電膜パターン、端部に疎な透明導電膜パターンを配置する例を説明したが、複数のパターンの配置は種々変更可能である。以下、透明導電膜パターンの他の例を示す。

図４Ａ～４Ｄは、中央部に疎な透明導電膜パターンを配置する例を示す。図４Ａは、中央部両側に中央部より幅、ピッチが小さいパターンを配置した透明導電膜パターンである。図４Ｂは、中央部から両側に３段階で幅、ピッチが減少する透明導電膜パターンである。図４Ｃは、中央部から両側に向って２段階で幅、ピッチが小さくなり、左右端部では再び幅、ピッチが増大する透明導電膜パターンである。図４Ｄは、中心部から両端に向って３段階で幅、ピッチが減少するパターンがそれぞれ分離した５つの配線１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅとして形成された透明導電膜パターンを示す。各配線の端部には電極１５が接続されている。

平行配線を楕円形レーザ光スポットで走査する。平行配線と交差する方向に移動すると配線ピッチが変化して、蛍光体プレート全面を均一に走査することはできない。レーザ光スポットＬＢＳのサイズを変えずに走査するには、平行配線の延在方向に沿ってレーザ光ＬＢを走査するのがよい。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変更、置換、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。

光源、車両用前照灯

Claims (9)

1. レーザ光を出射できるレーザ光源と、
   レーザ光照射領域を含み、レーザ光照射領域内でレーザ光の照射を受け、レーザ光の照射に応じて波長を変換した光を出射できる蛍光体プレートと、
   レーザ光を、レーザ光照射領域において走査できる光走査機構と、
   レーザ光照射領域において蛍光体プレートの上に配置され、第１方向に沿った平行配線部分を含む透明導電膜パターンと、
   を含み、前記第１方向と交差する第２方向で隣接する透明導電膜パターンの間隔は第２方向中心部で、第２方向端部より狭い、光源装置。
2. 前記透明導電膜パターンの平行配線部分は、第１の方向に沿って延在し、前記光走査機構のレーザ光走査方向は前記第１の方向に沿う請求項１に記載の光源装置。
3. 前記第１の方向は、横長の蛍光体プレートの長手方向に交差する垂直方向または長手方向に沿う水平方向である請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記レーザ光源から出射されたレーザ光は、前記レーザ光照射領域上で、長軸と短軸とを有する楕円形状のスポットを形成し、前記短軸は前記第１の方向に沿っている、請求項２または３に記載の光源装置。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の光源装置と、
   前記蛍光プレートから発する光を前方に投影する投影レンズをさらに含むことを特徴と
   する車両用ヘッドライト。
6. 蛍光体プレートのレーザ光照射領域にレーザ光源から発生したレーザ光を走査して光を発生させると共に、１部レーザ光を透過させる光源装置駆動方法であって、
   蛍光体プレート上、レーザ光照射領域上に第１方向に平行な平行配線、レーザ光照射領域外に前記平行配線を接続して１繋ぎの配線とする接続配線を含む配線を配置し、前記第１方向と交差する第２方向で隣接する前記平行配線の間隔を第２方向中心部で、第２方向端部より狭くし、隣接する平行配線幅の和とその間のスペース幅の総和をそこに照射すべきレーザ光の径より小さくし、
   レーザ光源から出射したレーザ光を、前記レーザ光照射領域内で前記第１方向に沿って走査すると共に、前記第１方向と交差する第２方向にずらして、広い面積から光を発生させ、
   レーザ光によって平行配線が欠損する時は配線の断線が生じるようにした、光源装置駆動方法。
7. 前記レーザ光源から発生したレーザ光は、前記レーザ光照射領域上で、長軸と短軸とを有する楕円形状のスポットを形成し、前記短軸は前記第１の方向に沿っている、請求項６に記載の光源装置駆動方法。
8. 前記第１の方向は、横長の蛍光体プレートの長手方向に交差する垂直方向または長手方向に沿う水平方向である請求項７に記載の光源装置駆動方法。
9. 前記蛍光プレートを透過したレーザ光及び前記蛍光プレートから発した光を投影レンズ
   を介して前方に投影する、請求項６～８のいずれか１項に記載の光源装置駆動方法。

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