CN1255646C - 车用前照灯 - Google Patents

Abstract

本发明提供使用LED等发光元件的车用前照灯。为使其配光设计容易进行，用于车用前照灯光源的发光元件(1)的发光部(1a)在与发光元件的光轴直交的方向具有横向长形状，其光源像的构成通过借助光学系统主要在水平方向放大形成配光图形。由于可以放大横向长形状的光源像，得到投影图形，所以与发光元件的亮度分布具有旋转对称性的情况相比，灯具的配光设计变得很容易。

Description

车用前照灯

技术领域

本发明涉及将发光二极管等半导体发光元件用于光源，得到车用前照灯的配光的技术。

背景技术

作为车用灯具的光源使用白炽灯或放电灯，然而，以低耗电和小型化为目的，现在正着眼于使用半导体的发光二极管(LED)等发光元件。

例如，作为使用LED的灯具有高位制动灯、后示宽灯等。

然而，当把使用发光二极管等半导体的发光元件用作车辆前照灯的光源时，为了形成近光射束的配光图形，需要在光学设计上下功夫。例如，众所周知，采用排列成矩阵的许多半导体光源构成能切换各种发光机能的形态(例，参照专利文件1)。

在使用LED时，当其亮度分布在光轴周围具有旋转对称性时，为了得到象前照灯配光那样不具有旋转对称性的分布，必须进行涉及反射镜的反射面和透镜等级的精致的光学设计。作为使用了发光元件的灯具的光学设计方法，使元件的内部结构模块化，并根据光线跟踪和配光分布的模拟结果进行透镜等级的形状修正的方法为大家所熟悉(例如参照特许文献2)。

(特许文献1)

特开2001-266620号公报(图1、图4)

(特许文献2)

特开平7-225790号公报(图11)

然而，现有的发光元件，由于从元件发出的光的图形形状从光轴方向看形成大致圆形(从光轴方向看时，以圆形发光)，故存在形成前照灯配光问题。如近光光束的配光很难明确地形成限定明暗边界的分界线(或明暗截止线)。

发明内容

本发明的课题是在使用LED等发光元件的车用前照灯中做成容易进行配光设计的方案。

本发明的车用前照灯具有使用半导体的发光元件和包括反射镜或透镜的光学系统；具有下述所示的结构：

在上述发光元件的发光部或在该发光部附近设定涉及光学系统的焦点(反射镜的焦点和透镜的物侧焦点等)。

发光元件的发光部从该发光元件的光轴方向看，具有沿与该光轴直交方向的横长的形状。通过该发光部的光源像介助该光学系统在水平方向上放大，形成配光图形。

因而，根据本发明，由于使用从发光元件的光轴方向看做成横长形状的发光部的光源像，所以不必象亮度分布具有旋转对称性时那样，用光学系统驱动配光控制进行复杂的光学设计。即通过使横长形状的光源像主要在水平方向放大，可以得到所需要的投影图形。

附图说明

图1是表示发光元件的构成例的示意图；

图2是表示涉及发光元件的矩形图形的例的图；

图3是表示从光轴方向看的反射部及芯片部的形状的一例的示意图；

图4是表示从光轴方向看的反射部及芯片部的形状的另一例的示意图；

图5是示意表示对形成分界线有用的光源像的图形形状例的图；

图6是示意表示对形成小的聚光性或扩散性的投影图形有用的光源像的图形形状例的图；

图7是示意表示对形成具有中等扩散性或大扩散性的投影图形有用的光源像的图形形状例的图；

图8是示意表示配光图形的图；

图9是表示有多个芯片部的发光元件的图；

图10是表示有多个芯片部的发光元件的另一例的图；

图11与图12都表示涉及本发明的前照灯的结构的一例，本图是说明利用来自发光元件的直射光的结构形式的示意图；

图12是利用反射光的构成方式的示意图；

图13与图14都表示对于灯具的构成要素光学配置的一例，本图是纵剖面图；

图14是水平剖面图；

图15是表示前照灯的构成例的正面图；

图16是示意表示配光图形的形成例的图。

部件编号说明

1、23、26发光元件；1a发光部；2芯片部；3反射部；4萤光体；5透镜部；29、35车用前照灯；30、36透镜；31、38光学系统；37反射镜；42发光元件。

具体实施方式

本发明涉及使用发光元件作为光源的车用前照灯，能够适用于前照灯或雾灯等。另外，对于应用半导体的发光元件可以例举诸如由P-N结中正向流动的电流发光的LED元件，或通过电场发光的EL元件等。

图1是以LED为例示意表示发光元件构造的图。

发光元件1具有芯片部2、反射部3、萤光体4、透镜5，在本例，发光部1a由芯片部2、反射部3、萤光体4构成。另外，光学系统的焦点位置设定在发光部或者该发光部的近处。在此所说的“焦点”不局限于反射镜或者透镜本身的狭义的焦点，包括光学上的形状设计的基准点等。

对于芯片部2，例如使用Al-In-Ga-P型、In-Ga-N型等材料，如图所示，具有在支持部件(引线框或管座等)上直接安装芯片部2的方法和在辅助安装部件上安装芯片然后在支持部件上安装辅助安装部件的方法；另外，在芯片2上形成的电极上连接焊线(没作图示)。

在设在芯片部2的周围的部件上形成反射部3。例如，芯片部2的支持部件具有杯子形状的部分，通过在杯子形状的部分形成凹面，而形成反射面。在芯片部2发出的光具有以发光元件1的光轴为中心的指向特性，越远离光轴光的强度越弱。于是，在图中区分成以“6a”表示的直射光和以“6b”、“6c”表示的反射光的情况下，光轴方向的直射光最强，而为了有效地利用如“6b”那样的从芯片部2的侧方发射的光，设置了反射部3。即，在该反射部3的反射面，光被反射成为向前方(照射方向)的光。另外，“6c”表示从发光层发射后向着照射方向相反的方向的光，该光通过在芯片部2的后端面的反射，成为向前方的光，或者在芯片2的后端面反射后，再从芯片部2的侧面射出然后再被反射部3反射。

萤光体4覆盖芯片部2及其周围。例如，为了取得白色光，可以使用发兰色光的芯片和YAG萤光体等发黄光的材料进行调色。

透镜部5配置在芯片部2的前方，或者形成把发光部1a包入树酯透镜内的结构，后者采用通过把发光部整体埋入树酯内提高指向性的方法，例如，形成炮弹型用作制动灯是众所周知的。为了不形成从芯片部2以广角发射的光在透镜内部或者反射或者从透镜侧面部射出损失的光，使用圆屋顶形或者半球形的透镜是理想的。另外，通过利用全反射和反射装置进行光路控制有效地发出芯片部的放射光，从而提高光的利用效率是理想的。

从发光元件的光轴方向看，用发光部的光源像形成圆形的元件，在发光部发生的光中的大半部分是直射光，这对形成圆形的图形有作用，位于其周围的圆环状的图形由从透镜部的侧面发出的光形成而成为拟似光源。

这样，当光源的光度分布在光轴周围具有转动对称性的情况下，因为必须要基于从光轴方向看大体形成圆形的图形，形成非转动对称性的配光图形，这会使光学设计困难。例如，形成近光的射束配光中的分界线那样的直线部分是困难的。(因为将形成圆弧状的部分简单地互相连接难以形成明确的直线部)。

在此，当发光元件的光度分布在光轴周围具有非转动对称性的情况下，因为发光部具有沿着与发光元件的光轴直交的方向横向长的形状，所以，构成通过光学系统投影的图形形状具有直线的部分。

图2表示从发光元件的光轴方向看的形状例，是示意表示与发光元件有关的光源像的图形形状的例。

如图所示，光源像7的图形形状的外周边缘大体形成矩形。

在本例，从光轴方向看的发光部1a的形状为长方形，如后面所述地该光源像主要是在其长方向扩大。

另外，为了得到横向长的投影图形，比采用正方形的光源像，形成长方形是理想的。另外，因为长方向的端部不限于直线状，所以，也可以如虚线7′所示的光源像那样去除长方形的4个角，形成圆弧的形状。

为了获得这样的光源像，对构成发光元件的芯片部、反射部、萤光体或者透镜部形状的设计要使在该发光元件的光轴周围具有非对称性。即，决定光源像的图形形状的要素是芯片部的形状、反射部或萤光体的形状、透镜部的形状及材质，还有与这些构成部件有关的光学的位置关系。因而，根据组合各要素的模拟结果(光线跟踪和光线分布)，能够设计具有理想光源像的发光元件。

可以举出把从光轴方向看的发光部做成所要求的形状，如长方形，用半圆柱状等的树脂透镜覆盖发光部的结构。但为此要把芯片部设计成任意形状，考虑伴随各种技术困难及对制造成本的不利影响等，如下所述，进行涉及反射部和萤光体的形状设计的方法是有效的。

在把反射部3的形状设计成在光轴周围非旋转对称，适于灯具配光的形状的设计方法中，不对芯片部的形状和指向特性进行大幅变更就可以改变亮度分布。

图3、图4是表示从发光元件光轴方向看的芯片部及反射部的例图。芯片部2全为正方形。

图3所示的反射部3A具有其外周缘做成圆弧状的部分8和“ㄑ”字状的折线部分9，大致做成扇形。而从光轴方向看时，芯片部2的一边(图的上边)10和上述折线的一部分11局部几乎一致。即反射部3A做成如圆形中切除图中虚线所示的范围的形状。

根据本例，在近光光束的配光图形中，可以得到对形成水平分界线及相对其倾斜的分界线适合的光源像。

图4所示的反射部3B具有其外周缘形成圆弧状的部分12和直线状的部分13。而从光轴方向看时，芯片部2的一边(图的上边)10与上述部分13的直线部几乎一致。即反射部3B做成如圆形中切除图中用虚线所示范围的形状。

根据本例，在近光光束的配光图形中，可以得到适于形成水平分界线的光源像。

如上所述，涉及做成杯状的反射部，通过使从光轴方向看的形状为非旋转对称，考虑前照灯配光进行反射部的形状设计，可以得到对形成明确的分界线有效的光源像。

而若使用将从光轴方向看的萤光体4的形状做成与上述反射部3A、3B相同的形状，或所需要的形状的方法，可以进一步提高设计上的自由度。

另外，由于来自芯片部2的直射光和由反射部3等产生的反射光通过透镜部5向外部射出，可以将涉及该透镜部的结构材料的折射率的选定及折射界面的形状设计组合在一起。例如最好将在透镜部5中具有透镜作用的界面(入射侧界面和出射侧界面)的形状做成非旋转对称(一般作成非球面形状)。

如上所述，通过涉及发光元件的结构要素的光学设计，可以得到与发光元件有关的所需要的光源像。

图5表示发光部的光源像的一例14。图中所示的纵轴“UD”表示沿垂直方向延伸的轴；横轴“LR”表示沿水平方向延伸的轴。

如图所示的图形形状中，其长边方向的侧缘部15具有与近光光束特有的分界线相似的形状。也就是说，作为UD轴左方，位于LR轴下方的侧缘中，向左斜方向延伸的部分15a在配光图形中对应倾斜的分界线，而作为UD轴右方，沿LR轴的下方的侧缘，即向左右方向延伸的部分15b对应配光图形中水平的分界线。

由于通过将涉及在光轴周围作成非旋转对称的光源像的投影图形进行若干组合可以得到多种形状，则可以例如将两个长方形的图形组合得到光源像14那样的图形；使用单一的发光元件可以得到适于形成分界线的光源像，在容易进行涉及近光光束配光的光学设计这一点是非常重要的。(即只要光源像的图形形状是从开始就考虑配光图形作成的，构成光学系统的反射镜和透镜的设计就很方便。)

这样，通过将具有适于车用配光设计的光源像的发光元件设计成配光机能不同，将各发光元件按用途不同使用，可以在灯具设计上提高自由度(即与只使用具有一定形状的光源像的发光元件进行灯具设计的情况相比，配光控制的组合范围扩大)。

以配光图形由光学系统形成的聚光性投影图形和扩散性的投影图形组合形成的情况为例，对适于形成各投影图形的发光元件的光源像进行以下说明。

图6是表示用于形成小聚光性或水平扩散性的投影图形的光源像的图。“UD”、“LR”的意思如图5中的说明(其在图7中也一样)。

本例所示的光源像16作成在LR轴方向变长的大致长方形，其一边16a(图的下边)与LR轴一致。

图7表示用于形成具有中等程度的水平扩散性或大的水平扩散性的投影图形的光源像17。

本例中光源像17也作成在LR轴方向变长的大致长方形，其一边17a(图的下边)与LR轴一致，与上述的光源像16相比，LR轴方向及UD轴方向的宽度变大。

如图5到图7所示，通过使用各自具有分成不同机能的光源像的发光元件，可以将适于涉及近光光束配光的分界线、热区(亮度中心部)、中扩散性区、大扩散性区的投影图形合成，得到所需要的配光。

图8示意表示通过按机能不同生成四种图形，将它们重迭组合得到的配光图形。横轴上的“H”表示水平线；纵轴上的“V”表示铅垂线。

本例配光图形18由以下图形构成。

·主要对分界线形成有用的投影图形(19)

·三个水平扩散性的投影图形(20、21、22)

这些图形作为主要在水平方向放大的投影像的集合，形成涉及各发光元件的光源像。在投影图形20、21、22中，图形20扩散性最小，图形21的扩散性为中等，图形22扩散性最大。另外，使用的发光元件是两种以上(如四种)。

这样，在分别包括用于形成聚光性投影图形的发光元件、用于形成扩散性投影图形的发光元件、及用于形成分界线的发光元件的同时，形成各自的光源像具有在配光机能上不同的形状的结构最为理想。

对于使用多个发光元件的结构形式，不限于在一个发光元件内有一个芯片部的结构。如图9、图10所示(上方表示平面图；下方表示立体图)，也可以有在发光元件内排列多个芯片部的结构。

如图9所示，具有在发光元件23的内部沿规定方向配例矩形状的芯片部24、24、......的结构，用形成半圆柱状的萤光体或者透明部件25覆盖这些芯片或者在设置各芯片部的基板的前方配置透明部件。

通过在圆筒部件(基材)的侧面(圆筒面)配列多个芯片部，与形成与灯丝形状(理想形状为圆筒形状)相同的构成方式相比较，由于在本例使用半圆柱状的萤光体或者透明部件，可以获得诸如能减小光源尺寸以及对发光元件不需使用特殊的光学系统这样的优点。

在图10所示例中，具有在发光元件26的内部排列着四个矩形芯片部27、27、27、27的结构。即使各个芯片部的中心位于正方形或长方形的各顶点而形成两行两列的配置。之后，用萤光体或透明部件28覆盖这些芯片部，或在设置各芯片部的基板的前方配置透明部件。

在所有的结构中，都可以通过使芯片部中的多个或全部发光，在光轴的周围得到非旋转对称的亮度分布。如在根据车辆行驶环境等可以改变配光分布构成的配光控制型灯具中，可以有选择性地对配光分布的形成所需的芯片部开灯，或根据使用光束的选择(近光光束或行驶光束等)有选择性地对必需的芯片部开灯。

由于在芯片部电连接中使用的结合电缆遮住了来自芯片部的光，有时在光源像上产生阴影(暗线)，在元件内部设置多个芯片部时成为问题。因而，最好选择电极位置，使结合电缆尽量不遮住芯片部的前方(照射方向)，或者采用芯片部的侧边或侧面部能与结合电缆连接的结构。

图11及图12表示涉及本发明的车用前照灯或构成该前照灯的照射部(照射单元)的构成例，作为使用投影光学系统的结构，可以列举出以下方式。

(A)主要利用由发光元件发射的直接光的方式(参照图11)，

(B)主要利用由发光元件发射后，用反射镜产生的反射光的方式(参照图12)。

在图11所示的车用前照灯29，使用具有投影透镜30的光学系统(投影光学系统)31。即，在本例，具有发光元件32、遮光部件33(遮光罩)、投影透镜30，具有在支持部件34上设置发光元件32及遮光部件33的结构。而且，投影透镜30的物侧焦点设在遮光部件33的上边附近。另外，当投影由在遮光部件33的上边缘遮挡发光元件32发射的光的一部分形成像时，使遮光部件33的上边缘部尽量接近发光元件32是理想的。

使发光元件的光轴和灯具的光轴互相平行，在由该发光元件发的光中，没被设置在该发光元件的前方的遮光部件33遮挡而向前方的光1、1、...透过投影透镜30后成为照射光。另外，通过遮光部件33的上边形成决定配光图形的明暗边界的分界线。另外，当从发光元件32发出的光的放射角度大时，没透过投影透镜30的无效的光会增多，因此有必要考虑投影透镜的直径和位置，规定扩散角度。

在图12所示的车用前照灯35，使用具有投影透镜36和反射镜37的光学系统38。即，在本例，具有发光元件39、反射镜37、投影透镜36，发光元件39和投影透镜36的支持部件40从侧方看形成曲柄状，其一部分成为遮光部40a。而且，反射镜37的焦点设定在发光元件39的发光部或者其附近，投影透镜36的物侧焦点设定在遮光部40a的近处。

发光元件39，具有其光轴与灯具的光轴垂直相交的位置关系，安装在支持部件40上，从发光元件39发射的光的大半在反射镜37的反射面被反射。然后，没被遮光部40a遮挡向着前方的光1、1、...透过投影透镜36之后成为照射光。另外，通过遮光部40a的上边缘形成决定配光图形的明暗边界的分界线。另外，通过在发光元件39和遮光部40a之间设置平面反射镜41，能提高光束利用率。由于使用透明材料一体地形成支持部件40和投影透镜36，能够制造在发光元件39的安装位置、遮光部40a的上边缘位置、投影透镜36的焦点位置等方面的具有高精度的光学系统构成部件。

图13及图14对形式(B)的灯具例表示发光元件42、反射面43、投影透镜44的位置关系，图14表示纵(垂直)剖面图，图15表示水平剖面图。另外，图中省略了遮光部。

另外，作为反射面的形状，使用旋转椭圆面或椭圆一抛物复合面，或者使用以这些基本面通过曲面操作提高了自由度的自由曲面等。

发光元件42的发光部在与灯具光轴平等的方向上具有横长的形状，通过该发光部的光源像借助光学系统放大，可以得到对应反射面43上的反射位置的投影图形。之后，使投影图形合成，形成配光图形。

图15是表示车用前照灯的构成例45的正面图，具有组合多个照射单元的结构。

配置在最上段的照射单元46、46...是扩散型，作为其配光机能，由具有中度的水平扩散性的照射单元和具有大的水平扩散性的照射单元构成。

另外，配置在中段及最下段的照射单元是集光型，其中，位于中段的照射单元47、47主要照射对形成分界线有用的投影图形。其余的照射单元48、48...用于照射车前方的远区域，主要形成对热区域的形成有作用的投影图形。

这些照射单元都具有图12所示的结构，根据配光机能的不同发光元件的发光部形状各异，同时，根据使用目的分别设计反射镜的焦点距离、遮光位置、投影透镜的后焦点等。

至于照射单元的个数，在考虑灯具的小型化和低成本化等的情况下，全部为十个至十几个是理想的，对形成分界线有用的照射单元为两个，配置在灯具中央或者中段，在其左右及上下配置的小扩散、中扩散、大扩散的照射单元分别为两～三个是理想的。

图16示意表示配光图形的形成例，左侧分开表示不同机能的投影图形，右侧表示合成全部图形的样子。另外，H线表示水平线、V线表示垂直线。

聚光性的投影图形49、50中，面积相对小的图形49表示由照射单元48形成的图形，图形50表示由照射单元47形成的图形。

另外，水平扩散性的投影图形51、52表示由照射单元48、48...形成的图形，由中度扩散性的照射单元形成图形51，由大扩散性的照射单元形成图形52。

通过组合这些投影图形能形成明显的分界线，同时能提高光束利用率。

发明的效果

由上述说明可知，根据发明的第一方面，由于通过使用光学系统，使从发光元件的光轴方向看成横长形状的发光部的光源像主要在水平方向放大，能够得到所需要的投影图形，所以使配光设计变得容易。另外，为了得到在光轴周围没有旋转对称性的配光分布，没有使反射镜等光学部件的形状和结构复杂化。

根据本发明第二方面，通过使用大体矩形的图形，能容易地获得适合车用前照灯配光的投影图形。

根据发明的第三方面，通过构成发光元件的芯片部、反射部和萤光体的形状设计，可以得到具有所需要的亮度分布的光源像。

根据本发明第四方面，能明显地形成近光的光束配光中的分界线。

根据发明的第五方面，通过分别使用配光机能不同的发光元件，可以提高配光设计的自由度。

根据发明的第六方面，通过将多个芯片部排列在一个元件内，能够实现小型化，通过使各个芯片部分别发光，可以得到各种亮度分布。

Claims (6)

1.一种车用前照灯，其具有使用半导体的发光元件和包括反射镜或透镜的光学系统，其特征在于，上述光学系统的焦点设定在上述发光元件的发光部或者该发光部的附近；所述发光元件的发光部从该发光元件的光轴方向看，具有沿与该光轴直交方向的横向长的形状，通过该发光部的光源像借助上述光源系统主要在水平方向放大而形成配光图形。

2.如权利要求1所述的车用前照灯，其特征在于，所述发光部从发光元件的光轴方向看大致成矩形，通过借助上述光学系统使发光部的光源像在其长边方向放大而形成配光图形。

3.如权利要求1或2所述的车用前照灯，其特征在于，构成上述发光元件的芯片部或该芯片部周围的反射部或萤光体的形状在该发光元件的光轴周围具有非旋转对称性。

4.如权利要求2所述的车用前照灯，其特征在于，与上述发光元件有关的光源像的图形形状中，其长边方向的侧缘部具有与近光光束的分界线对应的形状。

5.如权利要求1或2所述的车用前照灯，其特征在于，上述配光图形通过由上述光学系统产生的聚光性的投影图形和扩散性的投影图形合成形成，分别具有用于形成上述聚光性的投影图形的发光元件和用于形成上述扩散性的投影图形的发光元件。

6.如权利要求1或2所述的车用前照灯，其特征在于，上述发光元件具有排列多个芯片部的结构，通过使该芯片部中多个或全部发光，在发光元件的光轴周围得到非旋转对称的亮度分布。

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