JP2009501451A - 自動車用照明のための半導体光エンジン - Google Patents

Abstract

ヘッドランプのような自動車用照明システムにおいて複数の半導体光源４０から光を提供するための光エンジン２０は、基板２４を含んでおり、その上に半導体光源が搭載される。半導体光源は、冷却目的のために基板上で相互に離間されている。基板はまた、好ましくは、半導体光源からヒートシンクもしくは他の冷却手段へと廃熱を移動させるのを補助する少なくとも一つの熱移動材料層４８を含んでいる。光エンジン２０は更に、各半導体光源４０について一つのケーブルである光ファイバーケーブルの束６０を含んでおり、各ケーブルは、それぞれの一つの半導体光源４０に隣接して配置される受光末端３２、および他の各ケーブルの放出末端に近接して配置される放出末端３６を有している。基板２４は、半導体光源を冷却する目的のために便利な場所に配置することができる一方、転送装置のケーブルの放出末端は、ヘッドランプまたは他の自動車用照明システムのレンズに隣接して配置することができる。
【選択図】図６

Description

この出願は、自動車用照明システム等の光源に関する。より詳細に言えば、この出願は、自動車用照明システム等のための光を提供する半導体光エンジンに関するものである。

自動車用照明システム、特にヘッドランプシステムでは、種々の安全規制により定義されかつ必要とされる必要なビームパターンに形成でき、且つ比較的明るい光を生じ得る光源が必要とされる。多年に亘り、ヘッドランプのための光源としては、合理的に許容可能な結果を伴って白熱電球が用いられた。

より多くの光を提供して、ヘッドランプシステムが発生するビームパターンを改善するために、白熱電球の代りに、クオーツハロゲン（「ハロゲン」）電球および高強度放電（「ＨＩＤ」）電球が現在商業的に使用されている。何故なら、ハロゲン電球およびＨＩＤ電球は、顕著により多くの光を生じるからである。しかし、このようなハロゲンおよびＨＩＤ光源は、ヘッドランプから除去しなければならない顕著な量の廃熱を生じる点で欠点を有する。更に、ハロゲンおよびＨＩＤヘッドランプは、それらが発生する光のパターンにおいて、電球フィラメントまたは電球外被管の影響に由来する欠陥を除去するために、注意深く設計された光学系を必要とする。

従って、適正な冷却および／または必要な光学系を提供するために、ハロゲンおよびＨＩＤヘッドランプの外被管は比較的大きくなければならず、このような大きな外被管は、自動車設計者が製造できるであろう美的設計および／または空気力学的設計を制限する。

最近になって、ヘッドランプシステムのための光源として、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）のような半導体光源を用いることの興味が発展している。近年では、白色光を生じるＬＥＤが入手可能になり、また斯かるＬＥＤにより発生される光の量が顕著に増大してきている。理想的に言えば、光源としてＬＥＤを用いたヘッドランプは、より小さい外被管を用いて構築でき、種々の美的および空気力学的な自動車設計を増加させるであろう。

しかし、ＬＥＤに基づくハロゲンランプシステムもまた、幾つかの欠点を有している。入手可能な白色ＬＥＤにより生じる光の量は、必要なハロゲンランプビームパターンを生じるためには未だ不十分であり、従って、充分な光を生じるためには、幾つかの近接して配置されたＬＥＤを一緒に用いなければならない。更に、半導体接合は、動作時に比較的多量の廃熱を生じるので、この熱は、ヒートシンク、ヒートパイプ、および／または冷却ファン等によって除去されなければならず、さもなければ接合が故障するであろう。従って、ＬＥＤヘッドランプのレンズに関して複数のＬＥＤ源の適正な配置を提供し、且つＬＥＤ源の充分な冷却を提供するためには、ＬＥＤヘッドランプの外被管は、そうでない場合に望ましいものよりも大きくなる傾向がある。

（関連出願の相互参照）
この出願は、２００５年７月１２日に提出された米国仮出願第６０／６９８，５２９号の利益を主張するものであり、その全体の明細書を、本願明細書の一部として明示的に援用する。

本出願の目的は、先行技術の少なくとも一つの欠点を回避または軽減する新規な光エンジンを提供することである。

この出願の第一の側面に従えば、自動車照明システムのための光エンジンであって：基板と；該基板に搭載された複数の半導体光源であって、各隣接する半導体光源は、その動作の際に半導体光源の冷却を高めるために、前記基板上において、該基板上の他の各隣接する半導体光源から相互に離間されている半導体光源と；前記半導体光源により放出された光を受光し、且つ該受光された光を前記基板から離間したもう一つの場所へと転送させるように動作可能な転送装置とを具備し、該転送装置は、それぞれの各半導体光源について一つのケーブルである光ファイバーケーブルの束を含んでなり、各ケーブルはそれぞれの一つの半導体光源に隣接して配置されて、そこから放出された光を受光する受光末端と、受光された光を放出するための放出末端とを有し、該放出末端は、前記基板上の前記半導体光源によって占められる空間よりも小さい空間内に配置される光エンジンが提供される。

本出願は、ヘッドランプのような自動車照明システムのための、複数の半導体光源から光を与える光エンジンを提供する。該光エンジンは基板を含み、該基板上には半導体光源が搭載され、該半導体光源は、冷却目的のために前記基板上で相互に離間されている。該基板はまた、好ましくは少なくとも一つの熱移動材料層を含んでおり、これは半導体光源からヒートシンクまたは他の冷却手段への熱の移動を補助する。冷却手段の例は、ＡＣシステム、エンジン冷却システム、ペルチェ接合システム、またはファン等を含むことができるであろう。該光エンジンは更に、各半導体光源について一つのケーブルでの光ファイバーケーブルの束を含んでなり、各ケーブルはそれぞれの一つの半導体光源に隣接して配置される受光末端と、各他のケーブル放出末端の放出末端に対して極めて近接して配置された放出末端とを有する。前記基板は、放出された光が必要とされる場所とは異なる場所に配置されることができる。例えば、前記基板は、前記半導体光源を冷却する目的のために便利な場所に配置する一方、前記転送装置のケーブルの放出末端は、ヘッドランプまたは他の自動車照明システムのレンズに近接して配置することができる。

次に、添付の図面を参照して、例示だけのために、本発明の教示の好ましい実施例を説明する。
本出願に従う光エンジンは、図１において一般に２０で示される。光エンジン２０は、基板２４と、受光末端３２および放出末端３６を含む転送装置２８とを含んでいる。

図２および図３に示すように、基板２４は、その上に搭載された白色光を放出するＬＥＤ等の複数の半導体光源４０を含んでいる。好ましくは、基板２４は更に、各半導体光源４０により放出された光を転送装置２８の受光末端３２へと向けるために、以下で更に詳細に説明するように、各半導体光源４０を取囲む反射体４４を含んでいる。

半導体光源４０は、隣接する半導体光源４０の間を充分に離間させて基板２４に搭載され、それらの接合部温度が許容可能な動作温度範囲内に維持され得ることを保証するようになっている。

基板２４は、当業者に明らかな何れか適切な材料で形成することができ、このような材料の例には、半導体集積回路のパッケージングに使用されるようなセラミック、印刷回路基板を製造するために使用されるようなフェノール樹脂および／またはエポキシ樹脂等が含まれる。

好ましくは、基板２４は、銅またはアルミニウムのような熱移動材料の少なくとも一つの層４８を含んでおり、これは半導体光源４０内で発生した廃熱の除去を補助する。層４８は、基板２４がヘッドランプシステム内に装着されるときに、適切なヒートシンク４９、ヒートパイプ、またはヒートウィックに結合させることができる。層４８は、上記で述べた基板２４上での半導体光源４０の離間と組み合せて、半導体光源４０がそれらの特定の動作温度範囲内で動作し得ることを保証する。

基板２４はまた、好ましくは、二つの層５２および５６を含んでおり、その各々は、半導体光源４０がこれに接続され、且つそれによって電力を供給される正および負の導電体の一方である。絶縁材料５３を、導電体５２および５６の間または望ましい何処かに配置することができる。更に、回路素子はＬＥＤの同じ側にあることができる。或いは、正および負の導電体は、基板２４の頂部、底部、または頂部および底部の両方の導電性トレースとして与えられることができる。

各反射体４４は、好ましくは、その各々の半導体光源４０を取囲むパラボラ形状の表面を含んでおり、また反射体４４はエポキシ樹脂またはポリカーボネート樹脂のような、適切な反射性コーティングを塗布できる何れか適切な材料で製造することができ、或いは、反射体４４はアルミニウムのような反射性材料から製造することができる。

図示の実施形態において、各反射体４４は、個別に基板２４に装着された別々の部品であるように示されているが、反射体４４はユニットとして製造できることも想定される。例えば、反射体４４は、エポキシ材料からアセンブリーとしてモールド整形することができ、次いで反射性材料がこれに適用され、該アセンブリーは、半導体光源４０が基板２４に搭載された後に半導体光源４０を覆って基板２４に装着される。同様に、反射体４４はアルミニウム等のビレットからアセンブリーとして加工し、次いで、基板２４に装着することができる。この後者の場合、反射体４４のアセンブリーはまた、半導体光源４０によって生じた廃熱の除去を補助することができる。

図１、図４および図６に示すように、転送装置２８は、各半導体光源４０について一つの光ファイバーケーブルの束６０を具備している。図４に最も良く示されている転送装置２８の受光末端３２において、それぞれの各光ファイバーケーブル６０は、半導体光源４０および反射体４４（存在するとき）に隣接して配置される。好ましくは、光ファイバーケーブルの受光末端は、半導体光源４０により放出された光の実質的な部分を捕捉するように、半導体光源４０に対して実質的に垂直に配置される、実質的に光学的に平坦な表面６４を含んでいる。前記光ファイバーケーブルの受光末端は、エポキシ樹脂６８または機械的手段（図示せず）によって正しい場所に維持される。

好ましくは、光ファイバーケーブルの受光末端の直径は、実質的に反射体４４（存在するとき）の外径のサイズまたは実質的に半導体光源４０（反射体４４が存在しないとき）のサイズである直径から、放出末端３６へと、光ファイバーケーブルの長さに沿ってより大きな直径へとテーパしている。当業者に理解されるように、斯かるテーパは、半導体光源４０により放出され、光ファイバーケーブル６０により受光され、その長さに沿って伝達される光の量を改善するであろう。

図５および図６に示すように、転送装置２８の放出末端３６は、好ましくは各光ファイバーケーブルの放出末端を相互に近接し且つ実質的に整列させて維持するための形成部材７２を含んでおり、これにより、各光ファイバーケーブルから放出された光が、他の各光ファーバーケーブル６０により放出された光に対して実質的に平行であるようになっている。形成部材７２は、転送装置２８における光ファイバーケーブル６０の端部回りにキャスティングされたエポキシ樹脂部材であることができ、または光ファイバーケーブル６０の夫々の末端を収容するための適切なサイズの孔を備えた、フェノール樹脂板またはアルミニウムシート等のような平坦な部材であることができる。形成部材はまた、レンズ系７４またはヘッドランプシステム内の他の部材等に対して、放出末端３６を望ましい位置に保持するための装着部材としても使用することができる。

図示してはいないが、各光ファイバーケーブル６０から放出される光の量を増大させるために、光ファイバーケーブルは放出末端３６において、それらの走行長さの大部分での上記大きな直径から、それらの形成部材７２に隣接した末端でのより小さな直径へとテーパさせ得ることが考えられる。

明らかなように、光ファイバーケーブル６０の放出末端間の間隔は、基板２４上の半導体光源４０の間隔よりも遥かに近接させることができる。従って、転送装置２８は、半導体光源４０を熱的要件に合致するように離間させることを可能にし、更には、半導体光源４０により放出された光が、遥かに近接して離間された構成でヘッドランプのレンズ系に与えられることを可能にする。

今や当業者には明らかなように、光エンジン２０は、半導体に基づくヘッドランプのための幾つかの利点を提供する。先行技術の半導体ヘッドランプシステムにおいては、半導体光源は、望ましいビームパターンを形成するために、ヘッドランプシステムのレンズに隣接して配置されなければならなかった。従って、電気接続および熱除去システムは、光源の場所および結果として生じる熱移動特性が屡々望ましいものよりも低効率である一方、当該ヘッドランプシステムの全体の外被管サイズおよび／または形状もまた、望ましいし程度に好ましくはない状態で動作するように、設計および配置されなければならなかった。

対照的に、光エンジン２０の場合、転送装置２８は、半導体光源自身がヘッドランプシステムのレンズに対して何れか特定の場所に配置されるべき必要性を除去する。その代りに、転送装置２８の放出末端３６を前記レンズに対して適正に配置しなければならないが、半導体光源４０およびこれに対する必要な電気的および熱的移動結合を備えた基板２４は、ヘッドランプシステムの外被管内における種々の場所に配置することができる。例えば、基板２４はヘッドランプ外被管の底に沿って水平に配置することができるのに対して、転送装置２８の放出末端３６は、ヘッドランプ該当の正面において前記レンズに隣接して配置される。このような構成において、基板２４は、前記ヘッドランプ外被管の底から伸びる１以上のヒートシンク等に熱的に結合させることができる。

更に、光エンジン２０は標準の光エンジンとして使用することができ、該標準の光エンジンからは、広範囲なヘッドランプまたは他の照明システムを構築することができる。光エンジン２０は既知量の光を提供し、ヘッドランプシステムは要求される照明レベルを生じるために、必要に応じて１以上の光エンジン２０を用いることができる。このような各々の光エンジン２０は、ビームの高強度部分に光を供給するように向けることができる一方、もう一つの光エンジン２０は、パターンの広い低強度の広がり部分に光を供給するために使用できるであろう。従って、当該適用のための望ましい複数の異なる光条件を形成するために、別途の光エンジン２０を結合できることが理解されるであろう。標準化された光エンジン２０を製造することによって、製造コストを低減でき、設計プロセスを単純化でき、ヘッドランプシステムの修理を単純化することができる。

図７は、高強度ビームの光８０を生じる光源２０ａの一例である。もう一つの光源２０ｂは、広がりの大きいパターン８２を形成する。それらは一緒になって、それらの組合せを有するパターン８６を形成する。図８は、複数組の光源が使用されるもう一つの例であり、ここではプロジェクタまたは光源２０ｃがパターン８８を発生し、同じ光源２０ｃが同様のパターン８８を形成し、集合的に結果として更に高強度のパターン９０を発生させる。

上記で述べた本発明の実施形態は、本出願の例示であることを意図しており、当業者は、特許請求の範囲によってのみ定義される本発明の範囲を逸脱することなく、これに変更および改変を加えることができる。

図１は、本発明の教示に従う光エンジンの概略図を示している。 図２は、図１の光エンジンに使用される基板および半導体光源の正面図を示している。 図３は、図２の線３−３に沿った側断面図を示している。 図４は、図３に類似した断面図を示しており、ここには光ファイバーケーブルを基板の半導体光源に取り付ける一つの方法が示されている。 図５は、図１の光エンジンにおける転送装置における放出末端の正面図を示している。 図６は、図５の放出末端の側面図、および図１の光エンジンにおける光ファイバーケーブル束の一部を示している。 図７は、結合される多重ビーム源の概略図を示している。 図８は、より高強度のパターンを作製するための、多重ビーム源組合せの概略図を示している。

Claims (20)

1. 自動車照明システムのための光エンジンであって：
   基板と；
   該基板に搭載された複数の半導体光源であって、各隣接する半導体光源は、その動作の際に半導体光源の冷却を高めるために、前記基板上において、該基板上の他の各隣接する半導体光源から相互に離間されている半導体光源と；
   前記半導体光源により放出された光を受光し、且つ該受光された光を前記基板から離間したもう一つの場所へと転送するように動作可能な転送装置とを具備してなり、
   該転送装置は、それぞれの各半導体光源について一つのケーブルである光ファイバーケーブルの束を含んでなり、各ケーブルはそれぞれの一つの半導体光源に隣接して配置されて、そこから放出された光を受光する受光末端と、受光された光を放出するための放出末端とを有し、該放出末端は、前記基板上の前記半導体光源によって占められる空間よりも小さい空間内に配置される光エンジン。
2. 請求項１に記載の光エンジンであって、更に、前記光ファイバーケーブルの放出末端を収容し、且つ該放出末端を平面的構成に維持するための形成部材を具備してなり、各光ファイバーケーブルによって放出された光が、他の各光ファイバーケーブルによって放出された光に対して実質的に平行である光エンジン。
3. 請求項１に記載の光エンジンであって、更に、前記基板上のそれぞれの各半導体光源を取り囲む反射体を具備してなり、該反射体は、それぞれの半導体光源から放出された光をそれぞれの光ファイバーケーブルの受光末端へと向けるように動作する光エンジン。
4. 請求項１に記載の光エンジンであって、前記基板は更に、前記半導体光源の動作によって発生した熱の除去を補助する熱移動材料層を含んでいる光エンジン。
5. 請求項４に記載の光エンジンであって、前記熱移動材料の層はヒートシンクに熱的に結合される光エンジン。
6. 請求項１に記載の光エンジンであって、前記各光ファイバーケーブルの受光末端は、該光ファイバーケーブルの受光末端と放出末端との間の部分よりも小さい直径を有する光エンジン。
7. 請求項６に記載の光エンジンであって、前記各光ファイバーケーブルの放出末端は、該光ファイバーケーブルの受光末端と放出末端との間の部分よりも小さい直径を有する光エンジン。
8. 自動車用照明システムであって：
   基板と；
   該基板上に搭載された複数の光源と；
   前記光源によって放出された光を受光し、該受光した光を前記基板のもう一つの場所へと転送するように動作可能な転送装置
   を具備してなる照明装置。
9. 請求項８に記載の照明システムであって、前記転送装置は、各光源について一つのケーブルである光ファイバーケーブルの束を含んでなり、各ケーブルはそれぞれの光源に隣接して配置された受光末端を有する照明システム。
10. 請求項８に記載の照明システムであって、前記転送装置は前記受光した光を放出するための放出末端を具備してなり、該放出末端は、前記基板上の前記半導体光源によって占められる空間よりも小さい空間内に配置される照明システム。
11. 請求項８に記載の照明システムであって、前記基板はヒートシンク層および導電体層を含む照明システム。
12. 請求項８に記載の照明システムであって、更に、前記基板に結合された反射体、および該反射体内に配置された光源を具備してなる照明システム。
13. 請求項８に記載の照明システムであって、前記転送装置は複数の光転送部材を有する受光末端を含み、前記の各光転送部材は光源により収容されるように動作可能である照明システム。
14. 請求項８に記載の照明システムであって、更に、前記基板に結合されたヒートシンクを具備してなる照明システム。
15. 請求項８に記載の照明システムであって、前記光源の一つは高強度ビームのための光を発生し、もう一つの光源は低強度の広がった部分の光を発生する照明システム。
16. 照明システムであって：
    導電性材料の層および非導電性材料の層を有する基板と；
    該基板に結合されたヒートシンクと；
    前記基板に固定された光源と；
    光をレンズに送達するために、各光源に結合された光ファイバー部材
    を具備してなる照明システム。
17. 請求項１６に記載の照明システムであって、更に、各光源に隣接し且つ前記光ファイバー部材を収容するように動作可能な反射体を具備してなる照明システム。
18. 請求項１６に記載の照明システムであって、前記光ファーバー部材は、受光末端および放出末端を有する転送装置の一部である照明システム。
19. 請求項１６に記載の照明システムであって、更に、前記光ファイバー部材の末端を収容するように動作可能な形成部材を具備してなる照明システム。
20. 請求項１６に記載の照明システムであって、更に、各光ファイバー部材から光を受取るレンズを具備してなる照明システム。

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