JP2008010228A - 車両用灯具 - Google Patents

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Abstract

【課題】 小型化を図るとともに所望の配光特性を容易に得ることが可能な車両用灯具を提供する。
【解決手段】 半導体発光素子からなる光源部１と、光源部１から出射される光を配光させるための光学部材２とでランプモジュールＬＭを構成する。光源部１は複数の発光部１０２を表面に並列配置した面発光レーザ素子１０１と、面発光レーザ素子の表面に配設されて発光部を露呈させる複数のマスク開口部１０４を備えるマスク１０３と、マスク開口部内に充填された蛍光体１０５とを備える。光源部をモノリシックな構成とすることで複数の発光部の配列ピッチを低減でき、光源を小型化するとともに灯具の小型化が可能になる。
【選択図】 図３

Description

本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等の半導体発光素子を光源とする車両用灯具に関し、特に小型かつ軽量で所要の光度及び配光特性を得ることが可能な車両用灯具に関するものである。
近年自動車の灯具に用いられる光源にＬＥＤやＬＤ等の半導体発光素子が用いられており、一部は前照灯（ヘッドランプ）の光源としても用いられている。例えば、特許文献１では基板の前面に複数個の半導体発光チップをマトリクス状に配置して光源ユニットを構成している。この光源ユニットでは基板の前面に隣接する半導体発光チップ間での光の干渉を防ぐためにマスク部材として各半導体発光チップを露呈させる孔を有する孔開きプレートを配設するとともに、各孔内に半導体発光チップを覆う透明なモールド樹脂を充填している。また、光源ユニットの前方には集光レンズとして機能する透光プレートを配設し、この透光プレートによって所要の配光特性を得ている。
また、特許文献２では、多数個のディスクリート型の発光素子をマトリックス配置して光源を構成し、光源から出射した光の一部を絞りで遮光し、絞りを透過した光を光学レンズにより集光して所要の配光特性を得ている。
特開２００４−３６２８４０号公報 特開２００１−２６６６２０号公報
特許文献１の光源は複数の半導体発光チップを基板の前面にマトリクス状に実装しているため、光源の光度を高めるべく半導体発光チップの数を多くすると半導体発光チップを実装するための工数が多くなるとともに、隣接する半導体発光チップを基板の所定の位置にしかも所定の光軸方向に向けて実装することが困難である。特に、半導体発光チップを実装するためには隣接する半導体発光チップとの間に所要の間隔（ピッチ）を確保しなければならず、そのためピッチ寸法を小さくすることは難しく、光源、すなわち灯具の小型化が難しい。また、隣接する半導体発光チップ間にマスク部材が存在して光が出射されない領域が生じるので、配光特性における光度のむらが生じる原因になる。さらに、特許文献１は半導体発光チップで発光した光をモールド樹脂を透過させて前方に出射させる構成であるので、モールド樹脂での光吸収によって出射される光量が低下することがある。
特許文献２の光源も同様であり、発光素子の数を多くすると光源を形成するための工数が多くなる。また、特許文献２では、発光素子を密に配置することができ、しかもマスクを用いていないので配光特性における光度のむらを抑制する上では有利であるが、ディスクリート構成の発光素子はチップ型の発光素子に比較してサイズが大きいため光源が大型化してしまう。また、隣接する発光素子の間にマスク部材が存在しないため、発光素子の一部のみを発光させた場合には、発光した発光素子から出射した光が発光しない発光素子側にまで洩れ込むことがある。そのため、発光素子の発光を個々に制御して所望の配光特性を得ようとした場合でも、各発光素子による照明領域を高精度に制御することは難しく、目的とする配光特性を得ることが難しいことがある。
本発明の目的は、小型化を図るとともに所望の配光特性を容易に得ることが可能な車両用灯具を提供するものである。
本発明は、半導体発光素子を備える光源部と、光源部から出射される光を配光させるための光学部材とを備えており、光源部は平面配列された複数の発光部を表面に有する面状集積光源と、面状集積光源の表面に配設され、発光部を露呈させる複数の開口部を備えるマスクと、マスクの開口部内に充填された蛍光体とを備えることを特徴とする。ここで、本発明における面状集積光源は、半導体基板に複数の発光部がモノリシックに形成されたものを言う。ここで、本発明は、マスクの開口部は前面側に向かって開口径が増大するように内壁が傾斜されていることが好ましい。さらに、内壁の表面が反射処理されていることが好ましい。
本発明によれば、光源は複数の発光部を平面配置した面状集積光源、すなわちモノリシックな半導体発光素子で構成されているので複数の発光部の配列ピッチを低減でき、光源を小型化するとともに灯具の小型化が可能になる。また、面状集積光源の前面に配置されたマスクによって各発光部から出射される光が隣接領域にまで洩れ込むことがなく、発光部を選択的に発光するように制御した場合でも所望の配光特性を得ることが可能になる。さらに、発光部が配置されるマスクの開口部に蛍光体が充填されており、発光部から出射された光で蛍光体が発光するため光量を増大するとともに、蛍光体で発光する光を隣接する発光部との間に出射させて発光部間に光が出射されない領域が生じることを解消し、光度のむらが生じることもない。
本発明の車両用灯具の第１の好ましい形態は、光学部材は光源部と一体的に構成され、複数の発光部を選択的に発光可能な制御回路を備える。所要の配光特性を得るための遮光部材が不要であり、灯具の構造の簡略化と小型化が可能になる。
本発明の車両用灯具の第２の好ましい形態は、マスクは隣接する開口部の境界部となる内壁の前縁部が鋭利な断面形状に形成される。隣接する開口部からの発光領域に切れ目のない連続した発光領域となり、また隣接する発光領域と発光しない領域との境界が明確になり、任意の配光パターンを得る上で有利になる。
次に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図１は本発明を自動車の前部の左右に配設するヘッドランプＨＬに適用した実施例の概略構成を示す一部を分解した斜視図、図２は光軸に沿った縦断面図である。所要の正面形状をした浅皿状のランプボディ１１と、このランプボディ１１の前面開口に取着された透明カバー１２とで灯室１３を構成し、この灯室１３内に光源部１と光学部材２が配設されている。この実施例では光源部１と光学部材２はランプモジュールＬＭとして構成されている。前記ランプモジュールＬＭには図には表れない点灯制御回路が一体的に設けられており、自動車に搭載されている図には表れないＥＣＵ（電子制御ユニット）からの信号に基づいてランプモジュールＬＭの点灯を制御するようになっている。
図３は前記ランプモジュールＬＭの光軸方向に沿った拡大断面図である。前記光源部１は所要の平面形状をして複数の発光部１０２が平面ＸＹ方向にマトリクス状に表面配置された状態で形成されたモノリシック構成の面状集積光源１０１を備えており、ここでは面状集積光源１０１は面発光レーザ素子として構成されている。この面発光レーザ素子１０１の素子構造については既に知られている構造であるので詳細な説明は省略するが、例えば、サファイア基板やＧａＮ基板１１１上に下部ミラー層１１２を形成し、この上に発光部１０２としてスペーサ層１１３、活性層１１４、スペーサ層１１５、電流狭窄層１１６、上部ミラー層１１７、コンタクト層１１８を形成している。そして、前記ＧａＡｓ基板１１１の下面に下部コンタクト電極１２１を、上層の前記コンタクト層１１８の上に上部コンタクト電極１２２を形成し、上部コンタクト電極１２２に開口窓１２２ａを形成している。この面発光レーザ素子は、上下のコンタクト電極１２１，１２２間に電流を印加すると、上部コンタクト電極１２２から注入された電流は電流狭窄層１１６を通過して活性層１１４に注入され、活性層１１４で青色光〜紫外光が発生される。発生された光は上下のミラー層１１２，１１７からなる光共振器により共振され、上部コンタクト電極１２２の開口窓１２２ａから素子の表面に垂直な方向に出射される。前記下部コンタクト電極１２１は前記複数の発光部１０２について共通電極として構成されているが、各発光部１０２の上部コンタクト電極１２２はそれぞれ独立に電流が印加できるようなパターンに形成されており、それぞれ独立に点灯制御回路に電気接続されている。
前記光源１、すなわち面発光レーザ素子１０１の表面上には所要の膜厚をしたマスク１０３が一体的に形成される。このマスク１０３は光を透過しない材料で形成されており、例えば薄い絶縁膜１０３ａと厚い金属膜、ここではアルミニウム膜１０３ｂとを順次蒸着する。その上で、フォトリソグラフィ技術によりアルミニウム膜１０３ｂを選択エッチングして前記発光部１０２を含む領域を円形にエッチング除去し、さらに下層の絶縁膜１０３ａをエッチング除去してマスク開口部１０４を開設する。このとき、アルミニウム膜１０３ｂにウェットエッチング（等方性エッチング）を施すことにより、開設するマスク開口部１０４は表面方向に向けて径寸法が拡大するように内壁１０４ａが傾斜したテーパ状に形成される。また、同時にマスク開口部１０４の内壁１０４ａはアルミニウムの素材面が露呈されるため光反射面として形成される。このように構成されるマスク１０３は面発光レーザ素子１０１の発光部１０２以外の領域を覆い隠すとともに、発光部１０２から出射した光が隣接する発光部１０２に洩れ込んで配光特性に影響を与えることがないように設けられるものである。
さらに、前記マスク開口部１０４内には蛍光体１０５として蛍光物質を混入させた透明樹脂を充填する。この蛍光物質は面発光レーザ素子の各発光部１０２で発光する青色光〜紫外光を受けてこれらの光と補色の関係にある黄色光を発光する物質を用いている。この蛍光体１０５はマスク開口部１０４内に充填した後、マスク１０３の表面と同一面となるように蛍光体１０５の表面を平坦に研磨することにより形成する。
前記光源部１、すなわち面発光レーザ素子１０１は回路基板１０６に搭載され、下部コンタクト電極１２１は回路基板１０６の表面に形成した導電パターンに直接接続され、各発光部１０２の上部コンタクト電極１２２はそれぞれ図には表れないリード線によって回路基板１０６に電気接続される。なお、実施例１では発光部１０２は平面ＸＹ方向にマトリクス配置されているので、例えばＸ方向に並ぶ発光部１０２の各上部コンタクト電極１２２はＸ方向に延長した構成とされ、各延長端において回路基板１０６に電気接続する構成としてもよい。この回路基板１０６は一部に図には表れない点灯制御回路を構成している。
さらに、前記回路基板１０６の表面には面発光レーザ素子１０１を覆うように前記光学部材２が装着されている。この光学部材２は透明樹脂を成形した板状のレンズ体２０１を有しており、このレンズ体２０１の両端部に設けたフック片２０３を回路基板１０６に設けた係合孔１０６ａに嵌入することにより取着されている。前記レンズ体２０１は前記光源部１の各発光部１０２に対峙する前面には複数個のマイクロレンズ２０２が一体に形成されている。これらのマイクロレンズ２０２はそれぞれ光源部１の各発光部１０２の光軸、換言すればマスク開口部１０４の中心とレンズ光軸とが一致するようにレンズ体２０１の前面にマトリクス状に配設されている。また、実施例ではマイクロレンズ２０２の焦点が各発光部１０２のレーザ光出射点にほぼ一致するように光源部１に対するレンズ体２０１の距離が設定されている。
以上のランプモジュールＬＭは図１，２に示したようにランプボディ１１の灯室１３内に内装支持される。例えば、ネジ等によってラプボディ１１の背壁の内面に固定される。回路基板１０６には電気コード３が接続され、ランプボディ１１に設けられたコネクタ４に接続される。このコネクタ４には自動車に搭載されているＥＣＵに接続されたコードが接続可能である。そして、ＥＣＵからの電気信号に基づいて回路基板１０６に設けた点灯制御回路が光源部１の複数の発光部１０２を選択的、あるいは合一的に発光制御する。発光部１０２での発光では、図３に示したように、活性層１１４で発光したレーザ光が開口窓１２２ａから発光部１０２の光軸方向、すなわち面発光レーザ素子の表面に対してほぼ垂直な方向に向けた円形の光束形状で出射される。出射されたレーザ光はマスク開口部１０４に充填された蛍光体１０５を透過し、この蛍光体１０５の表面から光軸に沿ってほぼ真直に、あるいは若干屈折されて出射される。これと同時に発光部１０２から出射された青色光〜紫外光の一部は蛍光体１０５の蛍光物質に当射され、蛍光物質で黄色の蛍光が発生する。発生した蛍光は一部は蛍光体１０５を透過して直接その表面から出射されるが、他の一部はマスク開口部１０４の内壁１０４ａに当射され、ここで反射された上で蛍光体１０５の表面から出射される。
このように光源部１の各発光部１０２で発光されてマスク開口部１０４を通して出射された青色光〜紫外光のレーザ光と、当該レーザ光を受けて蛍光体１０５において発生する黄色の蛍光はそれぞれ加算混合されて白色光となり、レンズ体２０１の各マイクロレンズ２０２によって集光され、ほぼ光軸に沿って出射される。そして、ヘッドランプＨＬの透明カバー１２を通して自動車の前方に照射され、ヘッドランプＨＬとしての照明を行う。このヘッドランプＨＬでは、光源部１で発生されて出射されたレーザ光はヘッドランプＨＬの光軸に沿って若干の角度で広がりながら出射され、蛍光体１０５で発生した蛍光はそれよりも大きな角度で広がりながら出射され、それぞれ自動車の前方を照明する。このように、蛍光体１０５で発生した蛍光がレーザ光よりも広い領域に出射されるので、光源部１において隣接する発光部１０２との間にレーザ光が出射されない領域が存在しても、この領域を蛍光によって補間することができ、光度のむらのない均一な光度での照明が可能になる。また、レーザ光と蛍光とが重合することで照明領域の全体の光度を高めることも可能になる。
点灯制御回路において光源部の発光部を選択して発光させることで、任意の配光パターンに設定できる。例えば、図４（ａ）のように、全ての発光部１０２を発光したときにはヘッドランプＨＬの光軸を含む所要の領域を照明するハイビーム配光パターンに設定できる。一方、図４（ｂ）のように、一部の発光部１０２でのみ発光を行い、他の発光部での発光を停止させることにより、ヘッドランプＨＬの光軸よりも下側領域を照明するロービーム配光パターンに設定することができる。なお、図４（ａ），（ｂ）はランプモジュールＬＭを正面方向から見たときの概略図であり、図においてＨ線は水平基準線、Ｖ線は垂直基準線であり、これらの基準線の交点が光軸である。また、各発光部は白い領域が発光した領域であり、黒く塗りつぶした領域が非発光の領域である。したがって、運転者の操作によるビーム切替信号を受けて点灯制御回路が光源部１の各発光部１０２の発光を制御することによってハイビーム配光パターンとロービーム配光パターンへの設定が可能になる。もちろん、その他の任意の配光パターンへの設定が可能であることは言うまでもない。
このように実施例１のヘッドランプは、光源部１と光学部材２とでランプモジュールＬＭを構成しており、光源部１はモノリシックな面発光レーザ素子１０１を主体に構成され、しかも発光部１０２から出射される光の方向を制御するためのマスク１０３も面発光レーザ素子１０１に一体に形成されているので、面発光レーザ素子１０１を半導体製造技術により製造すれば複数の発光部１０２を同時に形成できる。そのため複数の発光部１０２の配列ピッチを低減することは容易であり、光源部１を小型化することができるとともに、複数の発光部１０２を組み立てる工程が不要になり、製造が容易になって低コスト化が可能になる。また、光学部材２を光源部１に対して一体的に組み立てるだけでランプモジュールＬＭを構成できるので、ランプモジュールＬＭを小型化、薄型化することができ、このランプモジュールＬＭを内蔵したヘッドランプＨＬの小型化、薄型化が実現できる。さらに、配光パターンを切り替えるためにヘッドランプＨＬ内にシェード等の配光制御手段を配設する必要もなく、ヘッドランプＨＬの構成を簡略化し、さらなる小型化を進める上で有利である。
図５は実施例２のヘッドランプＨＬの概略構成を示す一部を破断した分解斜視図である。実施例２はプロジェクタ型のランプとして構成した例であり、ランプボディ１１Ａは円筒容器状に形成され、その底面に光源部１Ａが配設される。また、ランプボディ１１Ａの前面開口部に光学部材２Ａとして集光性のある投影レンズ１２Ａが配設されている。前記光源部１Ａの構成は実施例１の光源部１と同じ構成であるので説明は省略する。また、実施例１のようにマイクロレンズを備えるレンズ体２０１を光源部１Ａに対して一体的に設けてはおらずランプモジュールは構成していない。そして、実施例２では前記投影レンズ１２Ａが本発明にかかる光学部材として構成される。
前記光源部１Ａの発光部１０２を覆うマスク１０３は、図６（ａ）に正面図、図６（ｂ）にそのＡ−Ａ線断面図をそれぞれ示すように、マスク開口部１０４の内壁１０４ａの傾き角度を大きくして隣接するマスク開口部１０４の各内壁１０４ａの前縁部１０４ｂが三角稜のような鋭利な形状とし、マスク１０３の前面において隣接するマスク開口部１０４が互いに接するように構成する。このようにすることでマスク開口部１０４ａの間にマスク１０３の平坦な表面領域、すなわち光が出射しない領域が存在しなくなり、隣接する発光領域の間に非発光領域が存在しなくなり、連続した発光領域を構成することができる。その一方で、隣接する発光領域の一方が発光しないときには発光領域と非発光領域の境界を明確なものにすることができる。また、これと同時にマスク開口部１０４の容積が大きくなってマスク開口部１０４に充填する蛍光体１０５の体積が増加し、蛍光による発光量を増やすことも可能になる。
実施例２のヘッドランプＨＬでは、発光部１０２から出射された光は投影レンズ１２Ａにより屈折され、ヘッドランプＨＬの前方領域を照明する。ハイビーム配光パターンにおいては、図７（ａ）に示すように、全ての発光部１０２を発光させることにより、光源部１Ａの各発光部１０２から出射された殆ど全ての光はそのまま投影レンズ１２Ａに入射され、投影レンズ１２Ａで集光されて所要のハイビーム配光パターンでの照明が行われる。ロービーム配光パターンにおいては、図７（ｂ）に示すように、光源部１Ａの光軸Ａｘよりも上側のほぼ１／２の領域の発光部１０２を発光させることにより、投影レンズ１２Ａで集光された光はヘッドランプＨＬの光軸Ａｘよりも下方の領域を照明し、所要のロービーム配光パターンでの照明が行われる。
実施例２のヘッドランプＨＬは、光源部１Ａは単純にモノリシックな面発光レーザ素子１０１とその表面に形成されるマスク１０３とマスク開口部１０４に充填された蛍光体１０５とで構成されているのみであり、実施例１のような光学部材を一体に設けていないので、光源部１Ａを実施例１の光源部１よりも小型、薄型に構成できるとともに、半導体集積装置を製造する製造プロセスのみでの製造が可能であるので低コスト化が可能になる。また、マスク開口部１０４の前縁部１０４ｂを鋭利な形状とし、隣接する発光領域との間に非発光領域を生じさせず、また隣接する非発光領域との境界を明確なものにできるので、投影レンズ１２Ａによる集光のみによっても所要の配光パターンを容易に得ることができる。
実施例２では、ヘッドランプＨＬの光源として光源部１Ａのみで構成した例を示しているが、実施例１のランプモジュールＬＭをそのまま実施例２の光源として用いてもよい。この場合には、本発明にかかる光学部材はランプモジュールＬＭを構成する光学部材としてのレンズ体と、ランプボディ１１Ａの前面開口に取着された投影レンズ１２Ａとで二重構成の光学部材として構成されることは言うまでもない。
また、マスク１０３を構成する材料は実施例のアルミニウムに限られるものではなく、樹脂やその他の材料で形成することも可能である。例えば、カーボンブラックを含有した樹脂で形成することも可能である。この場合にはマスク開口部１０４の内壁１０４ａの内面を反射面として構成するために、当該内面にアルミニウム等を蒸着する等して反射処理するようにしてもよい。
また、実施例１，２では面状集積光源の発光部を構成する発光素子として面発光レーザ素子の例を示したが、モノリシックに構成できる発光素子であればよく、例えば面発光ダイオード素子で構成されてもよい。また、本発明の光源部は複数の面状集積光源で構成されてもよく、各面状集積光源をそれぞれ独立して、あるいは一体化して光源部を構成し、ランプボディ内に内装するようにしてもよい。
本発明は実施例のヘッドランプに限られるものではなく、車両の補助灯や標識灯にも適用できる。また、複数のランプを一体化したコンビネーションランプにも適用できる。
実施例１のヘッドランプの一部を破断した概略斜視図である。 実施例１ヘッドランプの縦断面図である。 光源モジュールの一部の拡大断面図である。 実施例１における配光パターンを説明する光源部の正面図である。 実施例２のヘッドランプの一部を破断した一部分解斜視図である。 実施例２の光源部の平面図とそのＡ−Ａ線断面図である。 実施例２における配光パターンを説明する模式的な断面図である。
符号の説明
ＨＬ ヘッドランプ
ＬＭ ランプモジュール
１，１Ａ 光源部
２，２Ａ 光学部材
３ コード
４ コネクタ
１１，１１Ａ ランプボディ
１２ 透明カバー
１２Ａ 投影レンズ
１０１ 面状集積光源（面発光レーザ素子）
１０２ 発光部
１０３ マスク
１０４ マスク開口部
１０５ 蛍光体
１０６ 回路基板
２０１ レンズ体
２０２ マイクロレンズ

Claims (5)

  1. 半導体発光素子を備える光源部と、前記光源部から出射される光を配光させるための光学部材とを備え、前記光源部は平面配列された複数の発光部を表面に有する面状集積光源と、前記面状集積光源の表面に配設され、前記発光部を露呈させる複数の開口部を備えるマスクと、前記マスクの開口部内に充填された蛍光体とを備えることを特徴とする車両用灯具。
  2. 前記マスクの開口部は前面側に向かって開口径が増大するように内壁が傾斜されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用灯具。
  3. 前記マスクは隣接する開口部との境界部となる前記内壁の前縁部が鋭利な断面形状であることを特徴とする請求項２に記載の車両用灯具。
  4. 前記内壁の表面が反射面として処理されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の車両用灯具。
  5. 前記光学部材は前記光源部と一体的に構成され、前記複数の発光部を選択的に発光可能な制御回路を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の車両用灯具。

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