JP5955593B2 - 異常検出機構およびそれを具備する車両用前方照明装置 - Google Patents

Description

本発明は励起源として半導体レーザ素子を用いたヘッドライトやフォグランプ等の車両用前方照明装置に関するもので、特にアイセーフティインターロック用の計装システムのための異常検出機構に関する。

車両用前方照明装置（以下、前照灯と称する）の光源はハロゲンバルブや高圧水銀系バルブから発光ダイオード（ＬＥＤ）を代替として採用化の試みがなされてきた。近年、一部の高級車にはすでにＬＥＤ式の前照灯が搭載されたことで実用化の段階にあるといえるが、これらは現状ではロービーム（すれ違いビーム）用としての使用であり、より高い光源輝度が必要なハイビーム（走行ビーム）での採用には至っていない。そこで、さらにより高い輝度の光源として半導体レーザ素子を励起源として用いる研究が盛んになっている。

特許文献１では、半導体レーザ素子から離間して設けられた蛍光体を含む発光部を光学的中心として、前記発光部から発生する光を凹面反射鏡により前方に照射するようにすることで輝度の高い光を発生する前照灯が開示されている。

しかしながら半導体レーザ素子からの照射光は空間的・時間的なエネルギー密度が高くなるので、アイセーフの観点から取扱いには注意が必要である。特許文献２では、半導体レーザ素子から離間して設けられた光透光性部材に混和された蛍光体から発光される光を受光素子で検出することで蛍光体層の脱離を感知し、セーフティインターロック処置を施すことでレーザ光による被曝を防ぐことが可能な照明器具用の発光装置が開示されている。

特開２００５−１５００４１号公報 特開２００９−１６５４３号公報

特許文献２は半導体レーザ素子から放射された光が蛍光体を含む透光性樹脂から励起源方向に戻る蛍光の有無を受光素子にて検知して発光停止等の制御を行うものであり、透光部材の脱落および破損の様な完全な使用不可能な状況の判別は可能であるが、蛍光体から発せられて励起源方向に戻る蛍光の有無を利用しているために透光部材内部での損傷（一部のクラック等）については検出不可能であるためレーザ光漏洩等に対するインターロック処置ができない。
更に、受光素子が励起源の半導体レーザ素子の光波長領域に対して受光感度を持たず、蛍光体による波長変換された光波長領域にのみ感度を有するものとしているため、光を選択的に取り込むことが可能な波長選択フィルタを具備することが必要となり、安価なＳｉフォトダイードが使用できず、コスト高である。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、半導体レーザ素子を励起源とした前照灯において、アイセーフティに関するインターロック用の光源部異常検出方法を安価に提供し、ひいては安全性が確保された前照灯を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の発明によれば、励起源としての半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子からの光の少なくとも一部を波長変換して外部へ白色光として取り出すことが可能な透光性の波長変換部材と、前記波長変換部材の発光部を光源として用いる前照灯において前記発光部の異常を検出する異常検出機構であって、前記波長変換部材は、前記発光部を含む天面と、光入射面である底面と、天面と底面に接する一つ以上の側面を備え、前記半導体レーザ素子からのビーム光の出射方向の前方に設けられ、前記波長変換部材の底面を支持し、前記半導体レーザ素子からのビーム光を通すための開口を持つ支持部材と、前記波長変換部材の側面に間隔をおいて正対するように設置された複数個の受光素子と、前記波長変換部材の天面を覆い、前記波長変換部材の天面の発光部にあたる箇所に開口を持ち、前記支持部材に接合された遮蔽部材と、前記受光素子に接続される前置き増幅器と、前期前置き増幅器に接続される判定器と、を少なくとも含むことを特徴とする前記発光部の異常を検出する異常検出機構とすることで上記した目的は達成される。

本発明の請求項２に記載の発明によれば、前記異常検出機構に用いる受光素子は、Ｓｉフォトダイオードであり、前記Ｓｉフォトダイオードの動作点が短絡モードに設定されていることとすることにより、暗電流によるノイズの影響を抑制でき、前照灯のような高い温度環境において安定した検出が可能となる。

本発明の請求項３に記載の発明によれば、上記異常検出機構と、前記異常検出機構の受光素子の検出値が一定の範囲からの増加または低下に基づいて、前記半導体レーザ素子を発光停止あるいは発光強度低下させることが可能な発光制御手段を具備する前照灯とすることで、アイセーフティインターロック用の計装回路が組み込まれた安全性の高い前照灯とすることができる。

本発明によれば、半導体レーザ素子を励起源とした前照灯において、アイセーフティに関するインターロック用の光源部異常検出方法を安価に提供し、ひいては安全性の高い前照灯を提供することができる。

図１は、本発明によるインターロック制御用の異常検出機構を組み込んだ前照灯構図の一例を示す図である 図２は、本発明の要旨となる異常検出機構の光学的電気的つながりを機能ブロック図として示す図である。 図３は、本発明における異常検出構機構の具体的実施例を示す図である。 図４は、本発明における異常検出構機構の受光素子に組み合せる前置き増幅部の一例を示す図である。 図５は、本発明における異常検出構機構の検出出力値を判定する判定器の一例を示す図である。 図６は、図３に示す実施例に対して、使用する受光素子の員数を削減し、受光素子を三つとした場合の波長変換部材と受光素子の配置関係の一例を示す図である。 図７は、図６に示した波長変換部の変形例とした場合の受光素子の配置関係の一例を示す図である。 図８は、図４に示した前置き増幅部に受光素子を二個並列に接続した状態を示す図である。 図９は、図８示す前置き増幅部と受光素子の接続状態とした場合における前置き増幅部の配置例を示す図である。

（本発明が用いられる前照灯の態様）
図１は本発明によるインターロック制御用の異常検出機構を組み込んだ前照灯構図の一例を示すものである。前照灯１は、半導体レーザ素子１０を光源として波長変換部材１５を通して白色光に変換され反射鏡２１により照明装置前面のプリズムレンズ２２により前方へ適正に配光制御された光を照射する。

半導体レーザ素子１０からの出射光は黒色アルマイト処理されたアルミ材により作成された鏡筒１４内部に設置されたコリメータレンズ１１により平行化された後、必要に応じて、シリンドリカルレンズやアナモルフィックプリズム等を用いたビーム整形器１２をとおしてビーム形状のアスペクト比が調整され、集光レンズ１３により板状の波長変換部材１５の入射面１５１へ集光される。尚、ビーム形状の整形は、極端に低アスペクト化するのではなく、前照灯に必要とされる配光に合わせて設定される。

波長変換部１５は耐熱性および熱の拡散性を確保するために無機材料をベースとして作成されることが好ましく、例えば蛍光体分散ガラスあるいは透光性蛍光体セラミックプレートで作成されている。蛍光体は熱劣化現象および温度消光現象の程度が低く、耐湿性や硫化水素などによる腐食の懸念がない窒素化物系のＣａ−αサイアロン系蛍光体が特に好ましい。

半導体レーザ素子１０は、発光波長を紫〜青色領域に持ち、構造は高出力半導体レーザの基本的構造であるブロードストライプ構造としたものである。従って混在した多数の水平横モードの発振によりビーム断面の強度分布は起伏が複数生じたものとなり、照明用光源として適しているといい難いが、蛍光体を含む波長変換部１５により、適度な拡散が生じて平滑化された光強度分布の発光部として機能する。 尚、図示していないが、半導体レーザ素子１０は寿命確保の為に、ヒートシンク或いはヒートパイプ等による放熱処置が施されている。

ここで、板状の波長変換部材１５の横方向側面に近接配置された複数の受光素子１６、および遮蔽部材１７は本発明の要部である異常検出機構部を示すものであって、受光素子１６により波長変換部材１５の光入射面１５１に入射したレーザ光の一部を常に波長変換部材１５の側面方向への拡散伝搬光として検出させている。

受光素子１６は、最大感度波長が８００ｎｍ以上、好ましくは９００ｎｍ付近であるＳｉフォトダイオードが望ましい。Ｓｉフォトダイオードは４００ｎｍ以上に感度領域があり、励起源に用いるレーザ光から波長変換されたスペクトル幅の広い光までも光電流に変換出力することが可能である。また、動作点を短絡モードに設定すれば、短絡電流Ｉｓｃは入射光量に対する直線性が優れ、暗電流によるノイズの発生がなく、ダイナミックレンジも広い。更に最大感度波長より短波長領域となる可視領域の入射光であれば温度による感度の変動特性はほぼゼロである。最大感度波長は温度上昇により短波長側にシフトするが、最大感度波長が常温時で８００ｎｍ以上あれば、前照灯の温度環境においてもほぼ検出光の波長領域を包含可能と考えられる。

遮蔽部材１７は、中央に波長変換部材１５の上面の発光部に合わせた開口を設けた板材で、波長変換部材１４を開口が設けられた支持部材２０に固定するとともに、受光素子１６への外乱光やの迷光の入射を防ぐ遮蔽手段としての機能も有するものである。遮蔽部材１７は、剛性のある金属材料（例えば、ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３０５等）で作成し、光の反射散乱を防ぐために、高耐熱性の黒色塗装（つや消しカシュー樹脂塗料やセラミック系チラノコート等）を施す。支持部材２０は金属板(例えば、亜鉛メッキ鋼板ＳＥＣＣ、ＳＥＨＣ等)で作成し、遮蔽部材１７と同様の黒色塗装を施す。

（機能ブロック図）
本発明は図１の例で示す前照灯において集光されたレーザビームにより波長変換部１５が損傷を受けた場合に、波長変換部１５の横方向への僅かな光伝搬量の変化を受光素子１６で検出することで、波長変換部１５表面に形成されたアパーレント光源の異常を検出して半導体レーザ光源の駆動部に制御部に含まれる計装回路をとおしてインターロックを作動させることを目的とするものである。
図２に本発明の要旨となる異常検出機構の光学的電気的つながりを機能ブロック図として示す。

図３に波長変換部材１５を中心とした本発明における異常検出構機構の具体的実施例を示す。波長変換部材１５は正方形の四隅を４５度の角度で切り落としたような変形八角形をした板状の部材でレーザ光の光入射面１５２は支持部材２０に当接して遮蔽部材１７により加圧固定される。光放射面１５１には発光中心目標となる凸部が形成されている。レーザビームはこの位置を目標として集光させるように設定される。

遮蔽部材１７の中央には開口が設けられ、波長変換部材１５の光出射面１５１上に形成されるアパーレント光源の大きさを規制する。また支持部材２０は光入射面１５２のビーム入射位置に合わせて開口が設けられており、レーザビーム光束の太さを規制する。

四つの受光素子１６ａ乃至１６ｄは波長変換部材２０の四方位にあたる四つの側面に受光窓が正対するように設置されており、遮蔽部材１７は設けられたＵ字型の切欠きにより受光素子１６ａ乃至１６ｄを位置固定するとともに、受光素子に周囲から侵入する外乱光を遮蔽する。

１９は前置き増幅部１８ａ乃至１８ｄが形成される回路基板である。支持部材２０からの熱によるあおりを軽減するように、あえて有機基板を用いる。基板１９は前記前置き増幅部を構成する電子回路が搭載された後にフッ素樹脂コーティング剤等により防湿コート処理を行う。尚、前置き増幅部から主制御基板（図示せず）上に形成された次段の判定器への接続は、基板１９からケーブルにて支持部材２０の所定の位置に設けた穴隙を通して配線される。

（前置き増幅器）
前述のとおり、受光素子１６ａ〜１６ｄはＳｉフォトダイオードを用いて、その動作点を短絡モードに設定するのが好ましい。この場合図４に示すように、見かけ上の負荷がゼロとなるように、オペアンプを用いたトランスインピーダンスアンプ回路との組み合わせが最良である。（実際にはＲｆ／Ａ が負荷抵抗に相当する。ここでＲｆ：帰還抵抗、Ａ：オペアンプ開放ゲインである。）

ここで用いられるオペアンプは、低入力バイアス電流タイプであるが、低入力バイアス電流タイプとして一般的なＦＥＴ入力型オペアンプは避けて、バイポーラ型オペアンプから選択すべきである（例えば、アナログデバイス社のＡＤ６２０、ＡＤ７０６等）。何故なら、本製品が組み込まれる前照灯の環境においては、高温での動作が求められため、高温状態において入力バイアス電流が極端に増加してしまうＦＥＴ入力型オペアンプでは、光電流の検出誤差が大きくなってしまうからである。

（判定器）
判定器は例えば、図４に示す様なウィンドコンパレータ回路を用いる。図２の様な、検出部の構成の場合には、１８ａ乃至１８ｄの前置き増幅器夫々の出力を判定するために判定器は計四器必要となる。１８ａ乃至１８ｄの前置き増幅器出力は低インピーダンス化されているので、前記ウィンドコンパレータの設置個所は前記１８ａ乃至１８ｄの前置き増幅器から離れてレーザ用ＣＷ駆動部及びインターロック計装回路を含む制御部等が搭載される主基板（図示せず）上にあっても良い。

図４のウィンドコンパレータでは、平常時は二つに基準電圧（高および低）の間になる様に設定されており出力はＨレベルとなっているが、波長変換部材１５にクラック等が生じて、受光素子１６ａ乃至１６ｄ方向に拡散伝搬される光量が減少するとＣＯＭＰ２の出力はＬとなり制御部への出力もＬレベルとなる。また鏡筒１４内の光学系の異常による迷走レーザ光の発生や、レーザ光源１０自体からの放射出力が何等かの理由（駆動部の定電流ドライバの異常等）で、受光素子１６ａ乃至１６ｄ方向に拡散伝搬される光量が増加するとＣＯＭＰ１の出力はＬとなり制御部への出力もＬレベルとなる。

従って、正常時はＨレベル、各閾値毎に二つの故障モードによる異常時には、いずれも出力はＬレベルとなり制御部以降のインターロック計装回路（例えば、レーザ光出力を本質的安全レベルに抑制、或いは電源供給ライン遮断によるレーザ発光の停止など）へ信号が出力される。

実施例１は図２により、四つの受光素子を用いた異常検出機構の実施例であったが、受光素子の配置及び員数はこれに拘るものではない。例えば、受光素子を三つとした場合の波長変換部材３１５と受光素子の配置関係の一例を図６に示す。この場合、波長変換部材３１５は略正三角から三つの頂点部分を中心方向に対して直角に切り落として三つの平面を設けた形状で、受光素子１６ａ乃至１６ｃは該平面と受光面が正対するように配置してある。前置き増幅部１８ａ乃至１８ｃ以降の処置は実施例１と同様である。

尚、この場合波長変換部材３１５もこの形状に拘るものではなく、レーザ光の入射位置から横方向へ拡散伝搬される光量の検出効率が高めるように、形状も受光素子の配置に合わせて、適宜形状の最適化を行ってもよい。例えば、図７の波長変換部材３１５５は図９の波長変換部材３１５の下地となった包絡形状である正三角形の三つの辺を中心に向かって凹となる曲線で変形したもので、受光素子への正対面にレーザ光の入射位置から横方向へ拡散伝搬される光の集光率向上を図るものである。

実施例１における図２を用いて説明した異常検出機構では四つの受光素子を用いて夫々に前置き増幅器を配置するものであったが、受光素子１６ａ乃至１６ｄと波長変換部材１５の配置は元のままで前置き増幅部以降の組数を減らしことも可能である。

図８は、図４に示した前置き増幅部を基にオペアンプ入力に受光素子を二個並列に接続したものである。本回路において受光素子の動作は短絡モードであり、受光素子は電流源として機能しているので、このような接続でも回路上の問題はない。

これにより、受光素子に対して前置き増幅部を個別に設けるのではなく、図２の受光素子の構成であれば、前置き増幅部の数が四つから二つへ減らすことができる。判定器も前置き増幅部と組みとなる構成であるので、同様に四つから二つに減る。
このようにして、図４による前置き増幅器の構成であれば、オペアンプ入力に接続する受光素子を複数個とすることで、前置き増幅部以降の組数を減らすことができる。

但し、図８による結線の場合、異常に対する実質的な検出感度は略１／２に低下するので、オペアンプの入力に接続する受光素子の数は制限なく追加して接続するのではなく、検出マージンを評価しながら個数決定しなければならない。並列に接続される受光素子の数が増えるに従い、判定器の、閾値設定が手間のかかる作業となり、その結果、異常検出機能の安定度を損なうことが予想されるからである。図８のように受光素子はせいぜい二個程度に収めるのが無難であろう。

前置き増幅部と受光素子を図８による接続としたときの配置例を図９に示す。波長変換部材１５および受光素子１６ａ乃至１６ｄは図２の配置と同じである。前置き増幅部のみが４１８ａおよび４１８ｂの二つのみとなり、前置き増幅部４１８ａには受光素子１６ａと１６ｄが、前置き増幅部４１８ｂには受光素子１６ｂと１６ｃが接続される。
この例では、組となる受光素子を隣合う二個とした。勿論、前置き増幅部が形成される基板部の配線が複雑になるが組となる受光素子を対向し合う二個としても良い。

上記実施例における波長変換部材と受光素子の配置及び構成、更に導光部材との組み合わせなどは単なる例示にすぎず、これに限定するものではない。例えば、波長変換部材を単なる平板ではなく三次元形状として、受光素子の結合部を保持部材上ではない別の空間に設けてもよい。
本発明をもとに、上記のような処置は当業者であれば容易に可能な変更であろう。

本発明は、半導体レーザ素子を光源とする高光束の白色照明装置に必要となるセーフティインターロック用の検出機構に係るもので、車両用のヘッドライトやフォグランプの前方照明装置の他、プロジェクタ装置等における光源の異常検出機構としても利用可能である。

１ 前照灯
１０ 半導体レーザ素子
１１ コリメータレンズ
１２ シリンドリカルレンズ、又はアナモルフィックプリズム
１３ 集光レンズ
１４ 鏡筒
１５、３１５、３１５５ 波長変換部材
１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、 受光素子
１７ 遮蔽部材
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、４１８ａ、４１８ｂ 前置き増幅部
１９ 回路基板
２０ 支持部材
２１ 反射鏡
２２ プリズムレンズ
１５１ 波長変換部材の光入射面
１５２ 波長変換部材の光放射面

Claims (3)

1. 励起源としての半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子からの光の少なくとも一部を波長変換して外部へ白色光として取り出すことが可能な透光性の波長変換部材と、前記波長変換部材の発光部を光源として用いる車両用前方照明装置において前記発光部の異常を検出する異常検出機構であって、
   前記波長変換部材は、前記発光部を含む天面と、光入射面である底面と、天面と底面に接する一つ以上の側面を備え、
   前記半導体レーザ素子からのビーム光の出射方向の前方に設けられ、前記波長変換部材の底面を支持し、前記半導体レーザ素子からのビーム光を通すための開口を持つ支持部材と、
   前記波長変換部材の側面に間隔をおいて正対するように設置された複数個の受光素子と、
   前記波長変換部材の天面を覆い、前記波長変換部材の天面の発光部にあたる箇所に開口を持ち、前記支持部材に接合された遮蔽部材と、
   前記受光素子に接続される前置き増幅器と、
   前記前置き増幅器に接続される判定器と、
   を少なくとも含むことを特徴とする前記発光部の異常を検出する異常検出機構。
   
2. 前記受光素子は、Ｓｉフォトダイオードであり、前記Ｓｉフォトダイオードの動作点が短絡モードに設定されていることを特徴とする請求項１に記載の異常検出機構。
   
3. 請求項１および請求項２に記載の異常検出機構と、前記異常検出機構の受光素子の検出値に基づいて、前記半導体レーザ素子を発光停止あるいは発光強度低下させることが可能な発光制御手段を具備することを特徴とする車両用前方照明装置。
   

Images