JP2007294771A - 車両用灯具ユニット - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体発光素子を備えた単一ユニットで構成するランプであっても、ムラの無い照度勾配の配光パターンが得られる車両用灯具ユニットを提供する。
【解決手段】車両用灯具ユニットは、基板37と、基板37上に配置される発光ダイオード素子47を有し、表面が平坦とされた光源モジュール35と、光源モジュール35の発光像を反転像として前方に投影する投影レンズと、を備える。光源モジュール35における対向面59には、光の反射を低減させるサブ波長格子57が形成されており、このサブ波長格子57の形成密度が、前方に投影される反転像中の発光強度分布が変化するように場所により異なっている。
【選択図】図2

Description

本発明は、半導体発光素子からの照射光によって所定の配光パターンを形成する車両用灯具ユニットに関する。
ヘッドランプ配光パターンには所定の形状と照度分布が求められる。すなわち、高い前方視認性や、照射光の一部を除去して明暗境界線(水平カットオフライン)を有するすれ違いビーム用配光パターンの形成が求められる。
ところで、近年、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)等の半導体発光素子は、高輝度化が進み、消費電力も小さいことから次世代の車両用光源として期待されている。
従来、この種のLEDを用いた車両用灯具ユニットは、チップ形状を投影する複数の光学ユニットを備え、配光を重ね合わせることにより、所定の形状及び照度分布を形成していた。
例えば、特許文献1に開示される車両用前照灯は、水平カットオフラインを形成するための光照射を行う複数の灯具ユニットを備える。各灯具ユニットは、矩形状の発光チップの一辺が水平方向に延びるようにして前向きに配置された発光ダイオードからなる光源と、その前方に設けられ、光源の像を反転像として灯具前方へ投影する投影レンズとを備えた構成とする。これにより、灯具前方に投影される光源の反転像を、略水平に延びる上端縁を有する略矩形状の像とする。このような構成とすることにより、LEDを備えた車両用灯具ユニットにおいて、所定の配光パターンと照度分布とを制御可能としていた。
特開2004−327095号公報
ところで、上記した従来のLEDを用いた車両用灯具ユニットは、チップ形状を投影する複数の光学ユニットを備えて配光を重ね合わせることにより、所定の形状及び照度分布を形成していたため、灯具ユニット全体が大型化するとともに、製品コストも嵩む。
そのため、LEDチップを直接投影する単一ユニットによって、所定の形状と照度分布が得られる車両用灯具ユニットの実用化が望まれている。
しかしながら、LEDチップは、発光領域がほぼ一定の輝度で発光している。そこで、LEDチップを直接投影する直接光学系では、投影レンズで制御して上下左右にチップ像を拡げて図9(a)に示すすれ違いビーム用配光パターンPをつくるものの、元々単位面積あたりの輝度が均一なチップを投影するため、特に高い前方視認性を得るために必要なパターン中央部P1における一部の輝度が低下する。このため、図9(b)に示すように、配光パターンの照度勾配にムラの発生する問題があった。
また、半導体発光素子は、高輝度化に加えて、白色を呈するものが実用化されつつあり、従来のハロゲンランプに代わる光源としての期待も高まっている。ところが、光の配光や照度などを考慮した場合、半導体発光素子は、発光色にバラツキが生じ易く、青白い光や、黄色っぽい光となり易い不利があった。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、半導体発光素子を備えた単一ユニットで構成するランプであっても、ムラの無い照度勾配の配光パターンが得られる車両用灯具ユニットを提供することを目的とする。
本発明の上記目的は、基板と、前記基板上に配置され少なくとも一つの発光層を備えた複数の層を有し、表面が平坦とされた光源モジュールと、前記光源モジュールの発光像を反転像として前方に投影する光学部材と、を備え、
前記光源モジュールにおける前記複数の層の一表面には、光の反射を低減させるサブ波長格子が形成されており、
前記サブ波長格子の形成密度が、前方に投影される反転像中の発光強度分布が変化させられるように場所により異なっていることを特徴とする車両用灯具ユニットにより達成される。
上記構成の車両用灯具ユニットによれば、サブ波長格子の凹凸の密度が濃いところではチップ内で全反射が起こらずチップの表面へ光が多く出射し、凹凸の密度が薄いところではチップ内で全反射が起こってチップ表面への出射が少なくなる。したがって、凹凸を徐変することで、チップ表面での発光輝度が、明るいところから徐々に暗くなるように変化可能となる。
なお、上記構成の車両用灯具ユニットにおいて、
前記複数の層は、
前記基板上に配置された半導体発光素子と、
前記半導体発光素子を覆うように配置された蛍光体層と、
前記蛍光体層が上に形成され、平坦な表層面を備えた封止部材と、
を備えていることが望ましい。
このような構成の車両用灯具ユニットによれば、基板上に配置された少なくとも一つの層が発光層となる半導体発光素子であり、この発光層から出射された光が、発光層を覆うように設けられた蛍光体層を透過することにより、一部が蛍光体を励起させた着色光となって平坦な封止部材の表層面から出射される。
これにより、例えば発光層から出射される青色光と、蛍光体層の励起光とを混合させた白色光の均一出射が可能となる。
また、上記構成の車両用灯具ユニットにおいて、
前記光源モジュールに形成された最上層の表面が略四角形形状を有しており、対向する2辺の一辺側から他辺側へ向けて前記サブ波長格子の密度が徐々に変化することが望ましい。
このような構成の車両用灯具ユニットによれば、光源モジュールの最上層に設けられたサブ波長格子が略四角形形状で形成され、このサブ波長格子の密度が一辺側から他辺側へ向けて徐々に変化する。
そこで、発光層からの光の取り出し効率が徐々に変化可能となり、所望の配光パターンがムラのない照度分布で形成可能となる。
また、上記構成の車両用灯具ユニットにおいて、
前記光学部材が投影レンズであり、前記光源モジュールが前記投影レンズの焦点近傍に配置されて、直射型の灯具ユニットとして構成されることが望ましい。
このような構成の車両用灯具ユニットによれば、光源モジュールの最上層が、投影レンズにより拡大された像となり、光源モジュール最上層の発光領域輪郭形状に相似した照射パターン形状が得られる。さらに、この最上層に密度の徐変されたサブ波長格子が設けられることで、所定の形状の配光パターンがムラの無い照度分布で形成される。
本発明に係る車両用灯具ユニットによれば、光源モジュールの一表面に、光の反射を低減させるサブ波長格子を形成し、このサブ波長格子の形成密度を、前方に投影される反転像中の発光強度分布が変化するように場所により変えたので、凹凸の密度が濃いところはチップ内で全反射が起こらずチップの表面へ光が多く出射し、凹凸の密度が薄いところはチップ内で全反射が起こってチップ表面への出射が少なくなる。
したがって、凹凸を徐変することで、チップ表面での発光輝度を明るいところから、徐々に暗くなるように変えることができ、このチップを直射光学系で投影することで、単一ユニットで構成するランプであっても、ムラの無い照度勾配の配光パターンを得ることができる。
以下、添付図面を参照しながら本発明に係る車両用灯具ユニットの好適な実施の形態を説明する。
図1は本発明の一実施形態に係る車両用灯具ユニットの断面図である。
本実施形態による車両用灯具ユニット100は、LED型の灯具であって、すれ違いビーム用前照灯として好適に用いることができる。この車両用灯具ユニット100は、図1に示すようように、ランプボディ21と光学部材である投影レンズ23とによって覆われる灯室25内に、光を出射する灯具ユニット27が配置されている。
灯具ユニット27は、該灯具ユニット27の光軸Axを調整可能としたエイミング機構29,29を介して、ランプボディ21に取り付けられている。エイミング機構29,29には可動プレート31が設けられ、可動プレート31は光源保持部33を有している。灯具ユニット27は、光を出射するLEDモジュール(光源モジュール)35を備えている。光源保持部33には取付開口部33aが形成され、この取付開口部33aにLEDモジュール35が挿入固定されている。
本実施形態のLEDモジュール35は、発生する光に基づき、所定の配光パターンの光を車両の前方に照射する。灯具ユニット27は、車両用灯具ユニット100を車体に取り付けた場合の光軸Axの方向が、例えば0.3〜0.6°程度下向きになるように、ランプボディ21に支持されている。なお、灯具ユニット27は、LEDモジュール35に代えて、例えば半導体レーザを用いてもよい。
ランプボディ21には不図示の回路ユニットが内設され、回路ユニットはLEDモジュール35を点灯させる点灯回路等を有し、ケーブルを介してLEDモジュール35と電気的に接続されるとともに、車両用灯具ユニット100の外部と電気的に接続される。
また、ランプボディ21には不図示のヒートシンクである放熱部材が設けられ、放熱部材は灯具ユニット27の少なくとも一部と接触して設けられる。この放熱部材は、例えば金属等の空気よりも高い熱伝導率を有する素材により形成され、例えばエイミング機構の支点に対して灯具ユニット27を動かす範囲で、LEDモジュール35に伴って可動であり、ランプボディ21に対し、灯具ユニット27の光軸調整を行うのに十分な間隔を空けて設けられる。
図2はLEDモジュールの構成の一例を示す断面図、図3は図2の平面図である。
LEDモジュール35は、光を発生する発光モジュールの一例であり、基板37、複数の電極39、キャビティ41、保持部43、封止部材45、発光層となる発光ダイオード素子47、及び蛍光体層49を有する。
基板37は、発光ダイオード素子47を上面に裁置して固定する板状体である。また、基板37は、電極39と発光ダイオード素子47とを電気的に接続する配線を含み、複数の電極39から受け取る電力を発光ダイオード素子47に供給する。複数の電極39は、LEDモジュール35の外部から受け取る電力を、基板37を介して発光ダイオード素子47に供給する。キャビティ41は、基板37の上に、発光ダイオード素子47を囲むように形成された空洞であり、内部に蛍光体層49を保持する。
保持部43は、複数の電極39、基板37、キャビティ41、及び封止部材45を保持する。また、保持部43の少なくとも一部は、例えば金属等の空気よりも熱伝導率の高い素材で形成され、発光ダイオード素子47が発生する熱を、例えば基板37を介してLEDモジュール35の外部に伝達する。
発光ダイオード素子47は、光を発生する半導体発光素子の一例であり、電極39及び基板37を介してLEDモジュール35の外部から受け取る電力に応じて、例えば青色光を発生する。本実施形態において、発光ダイオード素子47は、封止部材45と対向する表面である発光面51の略全体を発光領域として、光を発生する。また、発光面51は、その輪郭が略扇形に形成されている。また、他の例において、発光ダイオード素子47は、青色光に代えて、例えば紫外光を発生してもよい。LEDモジュール35は、半導体発光素子として、例えばレーザダイオード素子を用いてもよい。
蛍光体層49は、キャビティ41内に充填されることにより、発光ダイオード素子47の表面を覆うように設けられている。この蛍光体層49も、その輪郭が略扇形に形成されている。蛍光体層49は、発光ダイオード素子47が発生する青色光に応じて、青色の補色である黄色の光を発生する。
これにより、LEDモジュール35は、発光ダイオード素子47及び蛍光体層49が発生する青色光及び黄色光に基づき、白色光を発生する。なお、蛍光体層49は、発光ダイオード素子47が発生する紫外光に応じて、赤色光、緑色光、及び青色光を発生するものであってもよい。この場合、LEDモジュール35は、蛍光体層49による赤色光、緑色光、及び青色光によって白色光を発生する。
封止部材45は、発光ダイオード素子47を封止するモールドである。本実施形態において、封止部材45は、白色光を透過する素材により発光ダイオード素子47及び蛍光体層49を封止する。この場合、封止部材45は、蛍光体層49を挟んで発光ダイオード素子47と対向する。なお、この白色光は、LEDモジュール35が発生する光の一例である。
封止部材45は、出射面53を有し、該出射面53において空気と接している。出射面53は、発光ダイオード素子47の発光面51と平行な平面状に形成される。封止部材45は、発光ダイオード素子47と対向する界面から入射した光を、出射面53から外部に出射する。これにより、封止部材45は、発光ダイオード素子47が発生する青色光、及び蛍光体層49が発生する黄色光を透過して、出射面53から空気中へ出射する。
発光ダイオード素子47は、例えば、サファイア基板と、サファイア基板上に形成された半導体層とを有する。この場合、サファイア基板は、1.8程度(例えば1.75〜1.85)の屈折率を有する。また、この半導体層は、例えばInGaNにより形成され、例えば2.2〜2.5程度の屈折率を有する。半導体層は、例えば2〜4程度の屈折率を有してもよい。本実施形態において、発光ダイオード素子47は、サファイア基板を封止部材45と対向させるように、基板37上にフリップチップ実装され、サファイア基板の表面を発光面51として、光を発生する。
サファイア基板の対向面には、拡大部55に示すような、サブ波長格子(SWG:SubwavelengthGrating)57が形成されている。サブ波長格子57は、サファイア基板が透過する光の波長よりも小さな格子周期で形成されることにより、蛍光体層49の表面(対向面59)における光の反射を低減させる。なお、図3の拡大部61は、斜め上方から見た場合のサブ波長格子57を示す。
図4は蛍光体層上面にサブ波長格子が設けられたLEDモジュールの要部断面図、図5は発光ダイオード素子の表面にサブ波長格子が設けられたLEDモジュールの要部断面図、図6はRGB蛍光体を有する蛍光体層の形成されたLEDモジュールの要部断面図である。
ここで、発光ダイオード素子47が、色光を発生する場合、図4に示すように、発光ダイオード素子(青色発光チップ)47に、蛍光体層(黄色蛍光体層)49を積層し、LEDモジュール35の一表面である対向面59にサブ波長格子57を設ける。
蛍光体層49は、発光ダイオード素子47が発生する青色光に応じて蛍光することにより、黄色光を発生する。発光ダイオード素子47及び蛍光体層49は、互いに補色関係にある青色光及び黄色光を発生することにより、白色光を発生する。また、この場合、サファイア基板は、発光ダイオード素子47が発生する青色光を透過して、対向面59から封止部材45へ出射する。
なお、本実施形態では、青色光と黄色光とを合わせて白色光に見せているので、図5に示すように、発光ダイオード素子47の表面(発光面51)にサブ波長格子57を設けると、青・黄のバランス調整が難しくなり、青白い光や、黄色っぽい光となり易い。
また、蛍光体層49Aは、図6に示すように、発光ダイオード素子47が発生する紫外光に応じて、赤色光、緑色光、及び青色光を発生するものであってもよい。すなわち、蛍光体層49Aは、それぞれ異なる色の光を発生する複数種類の蛍光体粒子を有する。それぞれの種類の蛍光体粒子は、紫外光に応じて、赤色光、緑色光、及び青色光のそれぞれを発生する。
これにより、蛍光体層49Aは、紫外光に応じて白色光を発生する。そして、RGB蛍光体層(3種混合蛍光体層)49Aを積層した場合(サブ波長格子57は発光面51又は蛍光層表面の何れでも可)、赤(R)・緑(G)・青(B)のバランス調整された白色光が容易に得や易くなる。また、蛍光体層49Aが3原色の光を発生するため、演色性の高い白色光を発生することができる。
本実施形態において、サブ波長格子57は、対向面59と垂直な方向(Z方向)に突出する複数の凸部63を有する。この場合、回折波が発生しないことにより、サファイア基板の内部から対向面59に入射する光に対して、サブ波長格子57は、サファイア基板の内部と外部との中間の有効屈折率の媒体と等価となる。
複数の凸部63は、サファイア基板が透過する光の半波長より小さな格子間隔Δx、Δyで配列されるのが好ましい。例えば、複数の凸部63の格子間隔は、サファイア基板中における紫外光の半波長よりも小さくてよい。凸部63の高さhは、サファイア基板が透過する光の半波長より大きいのが好ましい。この場合、凸部63の高さhは、蛍光体層49中における紫外光の半波長よりも大きくてよい。これにより、対向面59における反射を更に適切に低減することができる。
ここで、発光ダイオード素子47が青色光を発生する場合、複数の凸部63の格子間隔Δx、Δyは、サファイア基板中における青色光の半波長よりも小さくてよい。また、凸部63の高さhは、蛍光体層49中における青色光の半波長よりも大きくてよい。また、他の例において、凸部63は、例えば円錐状、又は他の多角錐状であってもよい。凸部63は、高さ方向に対して徐々に断面積が減少するテーパー状に形成されるのが好ましい。また、凸部63のアスペクト比は、1以上であるのが好ましい。
図7は車両用灯具ユニットにより形成される配光パターンの一例を説明する概念図である。
図7(b)に示す配光パターンPは、車両用灯具ユニット100の前方25mの位置に配置された仮想鉛直スクリーン上に形成されるすれ違いビーム用配光パターンである。
本実施形態において、車両用灯具ユニット100は、略水平方向の明暗境界を定める水平カットラインCL1と、水平方向に対して15°程度の角度をなす所定の斜め方向の明暗境界を定める斜めラインCL2とを有する配光パターンPを形成する。
ここで、本実施形態の投影レンズ23は、発光面51の一辺51a上に焦点を有している。一辺51aは、図7(a)に示すように、発光面51における略水平方向に延伸する下辺である。また、投影レンズ23は、発光ダイオード素子47が発生する光を、LEDモジュール35の光軸Axに交差させて照射する。そのため、投影レンズ23は、発光面51の一辺51aの形状を、図7(b)に示すように、配光パターン領域の上辺の位置に投影する。
そして、LEDモジュール35の対向面59に、光の反射を低減させるサブ波長格子57を形成し、このサブ波長格子57の形成密度を、前方に投影される反転像中の発光強度分布が変化するように、場所により異なって形成している。したがって、LEDモジュール35の最上層である対向面59が、投影レンズ23により拡大された像となり、対向面59の発光領域輪郭形状に相似した図7(b)に示すような照射パターン形状が得られる。さらに、この対向面59に密度の徐変されたサブ波長格子57が設けられることで、所定の形状の配光パターンPがムラの無い照度分布で形成される。
サブ波長格子57では、凹凸の密度が濃いところは発光ダイオード素子47内で全反射が起こらずチップの表面へ光が多く出射する。また、凹凸の密度が薄いところは発光ダイオード素子47内で全反射が起こるためチップ表面への出射が少ない。
したがって、略扇形状のサブ波長格子57の凹凸密度D1,D2,D3,D4を中心から半径方向外側へ徐々に薄くすることで、チップ表面(本実施形態では対向面59)での発光輝度を図7(a)のように明るいところから、徐々に暗くなるように変える(徐変する)ことができる。この発光ダイオード素子47を投影レンズ23で投影することで、境界部分の照度勾配がなめらかになり、単一ユニットで構成するランプであってもムラの無い図7(b)に示す配光パターンPが得られるようになる。
したがって、本実施形態の車両用灯具ユニット100によれば、LEDモジュール35の一表面(対向面59)に、光の反射を低減させるサブ波長格子57を形成し、前方に投影される反転像中の発光強度分布が変化するように、このサブ波長格子57の形成密度を場所により変えたので、凹凸の密度が濃いところはチップ内で全反射が起こらずチップの表面へ光が多く出射し、凹凸の密度が薄いところはチップ内で全反射が起こってチップ表面への出射が少なくなる。
したがって、凹凸を徐変することで、チップ表面での発光輝度を明るいところから、徐々に暗くなるように変えることができ、このチップを投影レンズ23で投影することで、単一ユニットで構成するランプであっても、ムラの無い照度勾配の配光パターンPを得ることができる。
次に、本発明に係る車両用灯具ユニットの変形例を説明する。
図8は本発明に係る車両用灯具ユニットの変形例におけるサブ波長格子と照度勾配の説明図である。
本実施形態において、車両用灯具ユニットは、図8(a)(b)(c)に示すように、それぞれ異なる配光特性を有する複数のLEDモジュール71,73,75を備え、それぞれのLEDモジュール71,73,75が発生する光に基づき、図8(d)に示す合成配光パターンPAを形成する。なお、その他の構成は上記の車両用灯具ユニット100と同一であるので、同一部材には同符号を付して説明は省略する。
これらのLEDモジュール71,73,75は、すれ違いビーム用配光パターンである合成配光パターンPAにおける一部の領域PA1,PA2,PA3をそれぞれ形成する。LEDモジュール71,73,75は、それぞれが2つの正方形の発光ダイオード素子71a,71a、73a,73a、75a,75aからなる。
また、発光ダイオード素子73a,75aのそれぞれは、最上層の表面にサブ波長格子57を有している。
発光ダイオード素子73a,75aに設けられるサブ波長格子57は、最上層表面の対向する2辺の一辺73s,75s側から他辺73t,75t側へ向けて、密度が徐々に変化(濃く変化)している。上記のように、サブ波長格子57は、凹凸の密度が濃いところは発光ダイオード素子73a,75a内で全反射が起こらずチップの表面へ光が多く出射する。また、凹凸の密度が薄いところは発光ダイオード素子73a,75a内で全反射が起こるためチップ表面への出射が少ない。
したがって、発光ダイオード素子71a,73a,75aから出射された光は、投影レンズ23によってそれぞれのチップ像が上下左右に反転されて、図8(d)に示す合成配光パターンPAをつくる。
そして、この合成配光パターンPAでは、パターン中央部Phの輝度が高まり、特に高い前方視認性を得ることができる。これに加え、サブ波長格子57の密度が一辺側から他辺側へ向けて徐々に変化することで、発光層からの光の取り出し効率が徐々に可変可能となり、所望の合成配光パターンPAがムラのない照度分布で形成可能となっている。
本発明に係る車両用灯具ユニットの断面図である。 LEDモジュールの構成の一例を示す断面図である。 図2の平面図である。 蛍光体層上面にサブ波長格子が設けられたLEDモジュールの要部断面図である。 発光ダイオード素子の表面にサブ波長格子が設けられたLEDモジュールの要部断面図である。 RGB蛍光体を有する蛍光体層の形成されたLEDモジュールの要部断面図である。 車両用灯具ユニットにより形成される配光パターンの一例を説明する概念図である。 本発明に係る車両用灯具ユニットの変形例におけるサブ波長格子と照度勾配の説明図である。 従来の車両用灯具ユニットによる配光パターンと照度勾配の説明図である。
符号の説明
23…投影レンズ(光学部材)
35…LEDモジュール(光源モジュール)
37…基板
45…封止部材
47…発光ダイオード素子(半導体発光素子)
49…蛍光体層
57…サブ波長格子
59…対向面(一表面)
100…車両用灯具ユニット

Claims (4)

  1. 基板と、前記基板上に配置され少なくとも一つの発光層を備えた複数の層を有し、表面が平坦とされた光源モジュールと、前記光源モジュールの発光像を反転像として前方に投影する光学部材と、を備え、
    前記光源モジュールにおける前記複数の層の一表面には、光の反射を低減させるサブ波長格子が形成されており、
    前記サブ波長格子の形成密度が、前方に投影される反転像中の発光強度分布が変化させられるように場所により異なっていることを特徴とする車両用灯具ユニット。
  2. 前記複数の層は、
    前記基板上に配置された半導体発光素子と、
    前記半導体発光素子を覆うように配置された蛍光体層と、
    前記蛍光体層が上に形成され、平坦な表層面を備えた封止部材と、
    を備えていることを特徴とする請求項1に記載の車両用灯具ユニット。
  3. 前記光源モジュールに形成された最上層の表面が略四角形形状を有しており、対向する2辺の一辺側から他辺側へ向けて前記サブ波長格子の密度が徐々に変化することを特徴とする請求項1又は2に記載の車両用灯具ユニット。
  4. 前記光学部材が投影レンズであり、前記光源モジュールが前記投影レンズの焦点近傍に配置されて、直射型の灯具ユニットとして構成されることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の車両用灯具ユニット。
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