JP2006048934A - 灯具光源用ｌｅｄランプ - Google Patents

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Abstract

【課題】 従来のヘッドライトの配光特性を形成する方法は、広い範囲に光を配布しておき、不要となる部分を遮蔽板で遮蔽して形状を整えるものであり無効となる光が多く、光量が少ないＬＥＤランプではヘッドライトの形成は困難とされていた。
【解決手段】 本発明により、回転放物面系反射面とした反射鏡１１と組合わせて配光特性を得るヘッドライトに用いられる灯具光源用ＬＥＤランプ１であって、発光面の形状が短辺と長辺との比が１：２〜１：６の範囲とする略平面状としたことで、従来、発光源として使用されていた、フィラメントに類似する配光パターンの形成を可能とし、且つ、ＬＥＤランプから放射される光のほぼ全てを照明光として使用可能とし、実現性を向上させるものである。
【選択図】 図３

Description

本発明はＬＥＤランプに関するものであり、詳細には、車両のヘッドライトの光源用として使用したときに、車両前方に投影される配光特性が、従来から使用されている白熱電球、、ハロゲン電球のフィラメントなどと同様に、要求を満足する形状となり、それらとの代替を可能とするＬＥＤランプの構成に係るものである。
従来の、光源をＬＥＤランプとしたヘッドライトとしては、図１０に示すような構成のがものが知られている。この例ではＬＥＤが３行×８列のマトリクス状に並べられて、規定の明るさが得られるようにされ、更には、これらＬＥＤの前面にはレンズなどが設けられて、所望の配光特性が得られるものとなっている。尚、上記した行、および、列に配置されるＬＥＤは、必要に応じて複数のチップが封入されたもの（マルチ・チップ・パッケージ）のものとされて、ヘッドライトとして必要な明るさが得られるものとされている。
ここで、前記ＬＥＤは、１１の符号が付されたＬＥＤには赤色発光のものが用いられ、１２の符号が付されたＬＥＤには緑色発光ののものが用いられ、１３の符号が付されたものには青色発光のものが用いられ、１４の符号が付されたＬＥＤには黄色若しくは白色発光のものが用いられ、灯色が特定な色に着色することが低減されている。
特表２００３−５０３８１５号公報
しかしながら、前記した従来の構成のヘッドライトでは、それぞれがビーム状の配光特性を有するＬＥＤの複数を組合わせて、ヘッドライト用として規定されている形状の配光特性を形成させるには１つ１つのＬＥＤも向きを厳密に規定の方向に合わせるなどの作業が必要となり、現実的には高度な精度が要求され、作業が煩雑化すると共に歩留まりも低下し結果として製品のコストアップを招くという問題点を生じる。
また、上記のように多数のＬＥＤを広い面積に配置するときには、確かに全体の光量としては、必要な光量が得られているものとなっているが、上記したように１つ１つのＬＥＤからの光を正確に所望の方向に向かわせることは不可能であるので、それ程遠方を明るく照明することはできず、現在の技術では信号灯具用としては有効なものが得られるが、照明灯具用としては、例え配光特性的には所望のものが得られるとしても、到達距離が不足し採用できるものではなかった。
しかしながら、近年の市場の要望としてはメンテナンスフリーとなるソリッドステート化の要望が強く、ヘッドライトにおいても、光源のＬＥＤ化が求められている。よって、従来のＬＥＤと異なり、光をできるだけフィラメントなどに近い状態で、反射鏡に反射させ、遠方を明るく照射できるヘッドライト専用のＬＥＤの開発が求められているものとなっていた。
本発明は，上記した従来の課題を解決するための具体的手段として、車両用前照灯に用いられるＬＥＤ光源であって、発光形状が矩形をしており、その短辺と長辺との比が１：２〜１：６の範囲であることを特徴とする灯具光源用ＬＥＤランプを提供することで、既存のヘッドライト用の反射鏡に反射させるときには規定の配光特性を満足させる反射光が得られるものとして、課題を解決するものである。
本発明により、ＬＥＤチップの発光面の短辺と長辺との比が１：２〜１：６の範囲とする灯具光源用ＬＥＤランプとしたことで、回転放物面などとした反射鏡の焦点の近傍に、ＬＥＤランプを配置することで、ＬＥＤランプからの光は平行光線に変換され、従来例のヘッドライトと同様な手段配光特性が形成できるものとなる。
よって、複数のＬＥＤチップを使用するときにも、これら複数のＬＥＤチップからの光が広い範囲に拡散されることはなく、小面積で高輝度な平行光線としてレンズを透過するものとなるので、このレンズに、左右に適宜な拡散を行うレンズカットを形成することで、所望の配光形状を持ち、遠方まで照射できるヘッドライトが、ＬＥＤランプによっても得られるという画期的な成果が得られるものとなる。
つぎに、本発明を図に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。図１及び図２に符号１で示すものは、本発明に係る灯具光源用ＬＥＤランプであり、この灯具光源用ＬＥＤランプ１は、図１に示す第一実施形態、図２に示す第二実施形態の何れも、ＬＥＤチップ２をマウントするためのベース３が設けられている。
ここで、本発明の灯具光源用ＬＥＤランプ１においては、前記ＬＥＤチップ２にできるだけ多くの電流を流すことで、少しでも多くの光量が得られるものとしたいので、前記ＬＥＤチップ２をマウントするためのベース３は、銅などの金属（図１参照）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）などのセラミック（図２参照）など熱伝導性に優れる部材を採用し、且つ、前記ベース３の厚みも裏面にヒートシンク２２を接合したときの熱拡散に対して必要且つ充分なものとしてある。
そして、ベース３に金属を採用したものについては、前記ベース３の両側面の適宜の位置に、図１にも示すように絶縁層４が設けられ、前記ＬＥＤチップ２に給電を行うための端子板５がベース３とは絶縁された状態で配設が行われている。また、この第一実施形態（図１参照）、第二実施形態（図２参照）においては、マウントした後の前記ＬＥＤチップ２を保護し、且つ、白色光を得るために注入される蛍光体６ａが混入された透明シリコーン樹脂６を保持するための凹部であるキャビティ３ａが設けられている。
尚、図１の第一実施形態においては、ＬＥＤチップ２が、短辺と長辺との長さの比を１：３としたものが使用され、本発明においては、この比を１：２〜１：６の範囲に限定するものであるが、これは、図１に示したようにＬＥＤチップ２自体を長方形に形成したものを採用しても良く、或いは、以下の図２に説明するように、正方形のＬＥＤチップの必要数（例えば４個）を一列に並べて、実質的に長方形の発光形状を得るようにしても良いものである。
図２は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）などのセラミックをベース３とし、加えて、正方形としたＬＥＤチップ２の適宜数（図示の場合は４個）を１列に整列させるものとしたときの構成例であり、まず、ベース３には導電塗料などで配線パターン３ｂが印刷され、上記ベース３上にはグリーンシートの積層、焼成などによりキャビティ３ａが形成される。また、上記キャビティ３ａの形成時には端子板５も同時に形成され外部からの給電に備えられている。
そして、前記配線パターン３ｂ上にはＬＥＤチップ２がマウントされ、各ＬＥＤチップ２が金線７により直列に配線が行われ、しかる後に、キャビティ３ａに適量の蛍光体６ａが混入された透明シリコーン樹脂６が注入されて、本発明の灯具光源用ＬＥＤランプ１とされる。ここで、本発明の灯具光源用ＬＥＤランプ１では、キャビティ３ａに注入されるシリコーン樹脂は、キャビティ３ａの上面に対しほぼ面一の平面でありレンズ作用を実質的に生じないものとされている。
尚、図２では４個のＬＥＤチップ２が直列に接続されているものとして記載されているが、ＬＥＤチップ２は発光色の相違による組成の相違などにより、青色発光のものは３．６Ｖ近傍など点灯電圧に相違がある、また、車種により要求される最低使用可能電圧が異なる場合もある。
従って、８Ｖ〜９Ｖからの使用が可能であることが要求されている場合には、図２に示した灯具光源用ＬＥＤランプ１は、青色発光のＬＥＤチップ２の２個を直列接続し、低電流回路により電流制御したものを２組使用して縦横比１：４の矩形の発光形状を得ることが適当な手段となり、同様に、縦横比１：６の矩形の発光形状が要求されるときには、２個を直列接続し、電流制御したものを３組使用することが適当となる。
上記説明のようにして形成された、灯具光源用ＬＥＤランプ１は、何れも点灯が行われたときには、ＬＥＤチップ２からは青色の光が発せられるものとなり、この青色の光がシリコーン樹脂６中を透過する際に混和された蛍光体６ａを励起して黄色発光を行わせる。よって、蛍光体６ａの混合比を適正化しておくことで青色と黄色とが混色され、ヘッドライトとして適する白色が得られるものとなるのである。
また、前記透明シリコーン樹脂６に関しては、軟質であり、前記ＬＥＤチップ２、金線７に与えるストレスが少なく保護機能に優れる。よって、ＬＥＤチップ２の保護、金線の保護という的では優れるが、透明シリコーン樹脂６自体が吸湿性が高く、防湿面でのＬＥＤチップ２などの保護性能には劣るものとなる。また、軟質な透明シリコーン樹脂６を採用した場合、表面に粘着性を生じてゴミの付着など別の問題点を生じるものとなるので、図３に第三実施形態として示すように、まず、ＬＥＤチップ２、金線などを軟質な透明シリコーン樹脂６で覆い、更に、その上部をより硬質である硬質シリコーン樹脂６ｂの膜を設け、ゴミなどの付着を防止する手段も考えられる。尚、蛍光体６ａは、硬質シリコーン樹脂６ｂの側に添加することも自在である。
また、図４に第四実施形態として示すように透明樹脂、透明ガラスなどでフラットカバー８を形成して被着するものとして、上記ゴミの付着の問題を解決すると共に、シリコーン樹脂６を採用したことによる吸湿性の問題も同時に解決する手段も考えられるが、この場合には、前記シリコーン樹脂６（または硬質シリコーン樹脂６ｂ）とフラットカバー８との間に空気層を生じ、屈折率の差を有する境界面により約５％の光量損失が増加する問題点をを生じる。
更には、図５に第五実施形態として示すようにフラットカバー８に換えて、図３に示したシリコーン樹脂６（硬質シリコーン樹脂６ｂが設けられていても良い）の膜の上面を覆いＳｉＯ２（酸化シリコン）６ｃの成膜を密着して行い、より強力な防湿性を持たせると共に、前記フラットカバー８で生じていた大気との境界面の増加による光量損失（１面につき５％程度）も防止する構成も実施可能であるので、要求される性能に応じて、上記の何れかの構成を選択するものとすれば良い。
図６は、本発明により上記の構成とされた、灯具光源用ＬＥＤランプ１を、回転放物面型のリフレクタが採用されているヘッドライト２０に組み込んだ状態を示すものであり、このときに、前記灯具光源用ＬＥＤランプ１は複数個（例えば６個）が直線状に並べられたＬＥＤチップ２の長手方向を回転放物面とした反射鏡２１の水平方向の中心線Ｈｏと直交させ、且つ、回転放物面の焦点よりも適宜に前方に位置（但し、反射鏡２１の上半部に光を当接させている場合）させている。
そして、例えば、Ｈ４型ハロゲン電球のすれ違いフィラメントにおけるように、リフレクタの上半分のみに光を反射させれば、図７に示すように、水平線Ｈ以下を照射するすれ違い配光に適する配光ＤＮが得られるものとなり、このときにハロゲン電球のすれ違い用フィラメントでは当初から下半部にフードが取付けられて既に半分の光量が失われているが、本発明の灯具光源用ＬＥＤランプ１においては、最初から一方向のみに光を発するようにされているので、光束利用率は格段に高い。
更に、本発明により発光面を矩形としたことで、リフレクタにより投影される光源像も車両用灯具の配光に適する水平線Ｈ方向に広いものとなり、左右方向の視界に優れる配光特性が容易に得られるものとなる。図８は本発明の灯具光源用ＬＥＤランプ１による配光特性と比較するために、いわゆるドーム型と称されている形状の１個のＬＥＤランプを同じリフレクタに取付けたときの配光特性ＤＯを示すもので、照射幅も狭く、また水平線Ｈに対して両端が垂れ下がり視認性に劣るものとなるものであることが明らかである。
図９は本発明の第六実施形態であり、上記に説明した灯具光源用ＬＥＤランプ１は何れもＬＥＤチップ２がベース３に設けられたキャビティ３ａ中にマウントされ、当該のキャビティ３ａは蛍光体６ａが混入された透明シリコーン樹脂が充填されるものとなっていた。この理由はチップ２上面に金線７によるワイヤボンドが行われ、この金線７を保護する必要を応じていたからである。
従って、実質的にはキャビティ３ａが形成された大きさが発光面積となり、ＬＥＤチップ２よりも大型化して輝度の低下を招くものとなる。しかしながら、本発明の要旨は、光源としては小面積であり高輝度であるものを得ることが最も必要とされる条件である。
よって、この第六実施形態ではフリップチップのＬＥＤチップ２を用いることで、上面が平坦でキャビティが設けられていないベース３上にＬＥＤチップ２を取付け、それによりベース３上に突出しているものとなっているＬＥＤチップ２自体を蛍光体６ａでコーティングを行うものであり、このようにすることで、蛍光体６ａを含めた発光面積の小型化が可能となり、高輝度化が可能となると共に、ベース３も薄型化、小型化するので、ヘッドライト２０全体の小型化と高輝度化が可能となる。
本発明に係る灯具光源用ＬＥＤランプのベースを金属で形成した第一実施形態を示す斜視図である。 同じく本発明に係る灯具光源用ＬＥＤランプのベースをセラミックで形成した第二実施形態を示す断面図である。 同じく本発明に係る灯具光源用ＬＥＤランプの第三実施形態を示す断面図である。 同じく本発明に係る灯具光源用ＬＥＤランプの第四実施形態を示す断面図である。 同じく本発明に係る灯具光源用ＬＥＤランプの第五実施形態を示す断面図である。 本発明に係る灯具光源用ＬＥＤランプを灯具と組合わせたときの状態を示す説明図である。 本発明に係る灯具光源用ＬＥＤランプを採用したヘッドライトの配光特性の例を示す説明図である。 従来例のＬＥＤランプを採用したヘッドライトの配光特性を比較例として示す説明図である。 同じく本発明に係る灯具光源用ＬＥＤランプの第六実施形態を示す断面図である。 従来例を示す説明図である。
符号の説明
１…灯具光源用ＬＥＤランプ
２…ＬＥＤチップ
３…ベース
３ａ…キャビティ
３ｂ…配線パターン
４…絶縁層
５…端子板
６…透明シリコーン樹脂
６ａ…蛍光体
６ｂ…硬質しリコーン樹脂
６ｃ…酸化シリコン（ＳｉＯ２）
７…金線
８…フラットカバー
２０…ヘッドライト
２１…反射鏡
２２…ヒートシンク

Claims (7)

  1. 車両用前照灯に用いられるＬＥＤ光源であって、発光形状が矩形であり、その短辺と長辺との比が１：２〜１：６の範囲であることを特徴とする灯具光源用ＬＥＤランプ。
  2. 前記灯具光源用ＬＥＤランプは、１個が略正方形のＬＥＤチップを２個〜６個直線状に整列させてベース上にマウントすることで構成されていることを特徴とする請求項１記載の灯具光源用ＬＥＤランプ。
  3. 前記灯具光源用ＬＥＤランプは、短辺と長辺との比が１：２〜１：６の範囲とした１個のＬＥＤチップのマウントにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の灯具光源用ＬＥＤランプ。
  4. 前記ベースの前記ＬＥＤチップをマウントする位置には、上記略正方形としたＬＥＤチップの必要数、若しくは、短辺と長辺との比が１：２〜１：６の範囲内とされたと１個のＬＥＤチップをマウントするのに適合するキャビティが設けられ、該キャビティも短辺と長辺との比が１：２〜１：６の範囲としてあることを特徴とする灯具光源用ＬＥＤランプ。
  5. 前記ＬＥＤチップがマウントされたキャビティ内には蛍光体が混和された透明シリコーン樹脂が充填されていることを特徴とする請求項４記載の灯具光源用ＬＥＤランプ。
  6. 前記キャビティ内に充填される透明シリコーン樹脂は、硬度の異なる２種類以上のシリコーン樹脂により、外側ほど高い硬度とする階層状として充填されていることを特徴とする請求項４又は請求項５何れかに記載の灯具光源用ＬＥＤランプ。
  7. 前記シリコーン樹脂内に混和される蛍光体は複数種類であることを特徴とする請求項４〜６何れかに記載の灯具光源用ＬＥＤランプ。
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