JP2009517813A - 半導体ベースの照明システム、及び自動車用の照明システム用構成部品 - Google Patents

Abstract

モジュール半導体光源組立体（２０）は、発光ダイオード（２４）のような半導体光源を含み、半導体光源は、光源（２４）に電気を供給し、半導体光源からの廃熱を取り除くのを補助する基板（２８）に取り付けられる。LED（２４）によって放出された光の実質的に全てが、ライトパイプ（３６）によってレンズ（４０）に伝達され、ライトパイプ（３６）の横断面が光源（２４）からレンズ（４０）まで増し、レンズ（４０）は、レンズ（４０）によって形成される光パターンが、第２方向と直交する第１方向に拘束されるように、略D形状を有する。組立体（２０）は、自動車のヘッドランプのロービームパターン又はハイビームパターンのような所望のビームパターン全体を生じさせるライト器具の、他の同様の組立体又は他の光源と組み合わせることができる。

Description

本発明は、自動車用照明の照明源に関する。より具体的には、本発明は、半導体ベースの照明システム、及び自動車照明システム用の照明システム用構成部品に関する。

高出力白色発光ダイオード（LED)のような半導体光源の近年の進歩に伴って、ヘッドライト、警報灯、フォグランプ、及び信号灯のような自動車用照明システムを構成するために、半導体光源を利用する光要素を採用することに関心が深まっている。そのような半導体光要素は、在来の白熱光源、及び放電光源より、種々の利点を提供することができ、かかる利点は、半導体光源のある光要素に要求される容積が大変小さいことであり、その結果より広範囲の、可能なデザイン及び様式をもたらし、寿命及び信頼性が潜在的に増す。しかしながら、半導体源を採用した光要素は、匹敵する白熱及び／又は放電光源よりも低い光出力レベル、及び半導体光源の破損をもたらすことがある、半導体光源の過熱への敏感さを含む欠点を有している。

本発明の目的は、従来技術の少なくとも一つの欠点を緩和し、又は除去する新規な半導体光源組立体を提供することにある。

本発明の第１の側面によれば、モジュール半導体光源組立体であって、基板と、基板に取り付けられた半導体光源とを含み、基板は、半導体光源に電気を供給し、且つ半導体光源によって発生される廃熱を取り除き、基板から廃熱を取り除くために、基板と熱的に連通されるヒートシンクと、半導体光源から放出された、光の実質的に全てを捕捉する、半導体光源に隣接した第一端、及び第二端を有するライトパイプと、略Ｄ形状を有するレンズと、を含み、半導体光源からの光が、放出された光が第一方向に広がり、且つ第一方向と直交する第二方向に拘束されるパターンでレンズから放出されるように、ライトパイプの第二端が当該レンズに接触する、モジュール半導体光源組立体が提供される。

好ましくは、半導体光源は、発光ダイオードである。

本発明は、発光ダイオードのような半導体光源を含み、半導体光源が、光源に電力を与え、半導体光源からの廃熱を取り除くのを補助する基板に取り付けられたモジュール半導体光源組立体を提供する。LEDによって放出された光の実質的に全てが、ライトパイプによってレンズに伝達され、ライトパイプの断面が光源からレンズまで増え、且つレンズは、レンズによって形成される光パターンが、第２方向に直交する第１方向で拘束されるように、略D形を有する。組立体は、自動車のヘッドランプのロービームパターン若しくはハイビームパターン、又はフォグランプパターン若しくはドライビングランプパターンのような所望のビームパターン全体を作り出すために、他の同様の組立体又は照明器具内の他の光源と組み合わせることができる。

今、本発明の好ましい実施形態を、例示として、添付図面を参照して説明する。

上述のように、半導体光源と一緒に組み立てられる光要素は、発光ダイオード（LED）のような半導体光源によって放出される光の量が、一般的には、白熱又は放電光源によって放出される光よりも、少ないという不利益を欠点として有している。さらに、半導体光源は、過熱状態に敏感であり、過度の半導体接合温度での半導体光源の動作は、半導体光源の期待される動作寿命を減らす。

従って、本発明者等は、半導体照明システムが、半導体光源によって放出される光によって、所望されるビームパターンを効率的に形成するために注意深く設計された光学を含まなければならないことを決定した。さらに、半導体照明システムは、半導体接合温度が、通常の動作状態中に許容動作温度範囲を超えるのを防止するために、半導体照明システムの半導体光源の十分な冷却を準備しなければならない。

同時に、本発明者等は、半導体光源を採用する自動車用照明システムが、モジュール光源構成部品からの構成に特に適しているのも決定した。図１には、本発明に従ったモジュール半導体光源組立体を、一般的に２０で示す。光源組立体２０は、基板２８に取り付けられた、発光ダイオード（LED）２４のような半導体光源を含む。基板２８は、LED２４を取り付けることができる任意適当な基板でよいが、好ましくは基板２８は、LED２４との電気的接続を提供し、且つLED２４からの廃熱を伝達するのを補助するプリント回路基板である。例えば、基板２８は、表面に導電性トレースを含み、且つアルミニウム又は銅のような熱伝達材料の層を含む、エポキシ、又はフェノール系部材であるのがよい。LED２４から基盤２８を経て廃熱を受け入れるための、ヒートシンク３２が基板２８に取り付けられる。ヒートシンク３２は、アルミニウム、或いは当業者に思い浮かぶであろうように、他の適当な熱伝達材料から形成することができる。照明器具に二つ又はそれ以上の組立体２０を採用することが望まれるならば、下記で説明するように、ヒートシンク３２及び／又は基板２８は、各組立体２０に共通であるのがよい。

LED２４によって、基板２８と反対の面でLED２４によって放出された光は、LED２４によって放出された、光の実質的に全てを捕捉するために、LED２４の発光面に当接するライトパイプ３６によって捕捉される。ライトパイプ３６は、光学ファイバーケーブルであってもよいし、ポリカーボネート、又は透明なシリコンゴム若しくはニュージャージー州、RockawayのCYRO Industriesによって販売されているAcrymid（商標）815のような、成形可能なアクリル樹脂で製造されたライトガイドであってもよいし、又は光源から所望位置まで光を伝達する他の適当な方法であってもよい。

LED２４によって放出された光の実質的に全てを捕捉を確保するために、ライトパイプ３６の直径は、好ましくは少なくともLED２４の発光面と同じくらいのLED２４に隣接した最小横断面から、ライトパイプ３６がレンズ４０に接触するより大きい横断面まで、好ましくはテーパーする。レンズ４０は、選択された材料が、好ましくはライトパイプ３６の屈折率と等しい、又はライトパイプ３６の屈折率より大きい屈折率を有することだけの条件のもとに、ポリカーボネート、シリコンゴム、又はAcrymid（商標）815のような成形可能なアクリル樹脂のような任意適当な材料から製造することができる。

ライトパイプ３６は、LED２４によって放出される光の実質的に全てがレンズ４０に伝達されるように、レンズ４０に光学的に連結される。両者がアクリルである場合のように、ライトパイプ３６がレンズ４０と同じ材料から製造されるならば、ライトパイプ３６は、ライトパイプ３６をレンズ４０に融合することによって、レンズ４０に光学的に連結される。ライトパイプ３６とレンズ４０が、それぞれ透明なシリコンゴムとアクリルのような異なる材料であるならば、ライトパイプ３６は、ライトパイプ３６をレンズ４０に当接し、適当な接着剤を使用することによって、又は当業者に思い付くように適当な他の方法によって、レンズ４０に光学的に連結される。

本発明では、ライトパイプ３６とレンズ４０が、ライトパイプ３６とレンズ４０の間の光学的なインターフェイス／連結部を整合させるかもしれない公差の困難性を回避するために、例えば、それらをアクリルで成形することによって単一の構成部品として製造することが好ましい。

多くの自動車用照明システムは、規則又は要望によって決定される特定の形状又は特徴を有する、ヘッドランプビームパターン、ドライビングランプパターン、又はフォグランプパターンのような、特定の光パターンの提示を要求する。具体的には、多くの自動車用照明の要望は、放出された光が平行方向に広がるが、垂直方向に拘束されたビームパターンを要求する。従って、図１の実施形態では、図２及び図３から最もよく分かるように、レンズ４０は、好ましくは、ライトパイプ３６からレンズ４０に入る光が、図１のレンズ４０の向きに対して垂直方向に拘束され、且つ水平方向に広がるように、横断面が略D形状である。

図４は、本発明のモジュール半導体光源組立体１００の他の実施形態を示し、図１の実施形態と同様の構成部品は、同様の参照番号で示す。示されているように、この実施形態では、LED２４は、レンズ４０の垂直中心線４４から片寄って基板２８上に配置される。ライトパイプ３６が、依然として、LED２４によって放出された光の実質的に全てをレンズ４０まで伝達するが、レンズ４０の中心線に関してライトパイプ３６の中心線の片寄り（又は傾き）は、図５及び図６に示す修正ビームパターンとなる。図でわかるように、LED２４をレンズ４０の中心線の下に片寄らせることによって、レンズ４０から放出された光のビームパターンは、垂直方向にさらに拘束される。

今、当業者にとって明らかであるように、LED２４とライトパイプ３６を、モジュール半導体光源組立体１００によって生じさせたビームパターンの垂直方向の拘束を変更するために、垂直中心線４４に関して種々の場所に位置決めすることができる。

図７は、本発明による、モジュール半導体光源組立体２００のさらなる実施形態を示し、図１と図４の実施形態の構成部品と同様の構成部品は、同様の参照番号で示す。この実施形態に示すように、基板２８は、そこに取り付けられた二つのLED２４ａ，２４ｂを含み、各々、それぞれのLED２４ａ，２４ｂによって生じさせた光をレンズ４０に伝達するためのライトパイプ３６ａ，３６ｂを有する。LED２４ａ，２４ｂを、基板２８上に適切に位置決めすることによって、ライトパイプ３６ａとライトパイプ３６ｂの一方又は両方が、垂直中心線４４に関して片寄ることができる。かくして、組立体２００は、LED２４ａとLED２４ｂの組み合わせ出力からビームパターンを生じさせることができ、より大きいパターンを形成し、又はLED２４ａとLED２４ｂからの光がパターン内で重なる相対的な「ホットスポット」をパターンに形成することができる。

図８は、組立体２０、組立体１００、及び／又は組立体２００用のレンズ２２０の他の実施形態を示す。図示のように、レンズ２２０は、各々レンズ４０と同様である、一対の直角に配向されたD形部材を含む、横断面が略十字形である。かくして、レンズ２２０は、水平方向と垂直方向の両者に拘束されたビームパターンを作ることができる。LED２４によって放出された光を伝達するライトパイプ２２４の中心線が、D形部材の各々の中心線に配置されるならば、生じるビームパターンは、略正方形である。しかしながら、ライトパイプ２２４の中心線位置を、レンズ２２０を形成するD形部材の各々の中心線に関して移動させることによって、他の形のビームパターンを容易に得ることができる。

図９は、モジュール半導体光源組立体２５０の他の実施形態を示し、図でわかるように、モジュール半導体光源組立体は、モジュール半導体光源組立体２０と同様であり、同様の構成部品を、図１で使用された同様の参照番号で示す。示されるように、組立体２５０では、レンズ２５４の「D」形状は、組立体２０のレンズ４０の正楕円形（破線で示す）に関して、幾分歪められている。具体的には、レンズ２５４は、組立体２０のレンズ４０の正楕円形（破線で示す）に関してその下縁が前方に延ばされ、上縁が引き込められている。このような非楕円形状は、レンズ２５４の下部分からレンズ２５４の上部分よりも多くの光が放出されるように、組立体２５０によって放出される光を垂直方向に拘束する。組立体２５０、又は同様の非楕円形組立体は、生じるライトパターンが、ライトパターンの下部に、光の大部分をもたらすことが好まれ、又は要求される、フォグランプ又はドライビングランプのような照明器具の構成用に選ぶことができる。さらに、組立体２５０は、組立体２５０から放出する光をさらに誘導する、オフセットライトパイプ３６を採用することができる。

図示しないが、レンズ２５４は、所望の光放出パターンを達成するために、広範囲の非楕円形状を有してもよいことは、当業者にとって明らかである。さらに、レンズ２５４は、規則正しく形成される必要はなく、例えば、非楕円形状に一つ又はそれ以上の小面を含んでもよく、そのような小面は、生じる光パターンに減少した光の領域を提供する。当業者に思い付くように、レンズ２５４の種々の他の形状、及び／又はレンズ２５４のための小面、又は他の光集束構造を採用することができ、ここで使用される「略D形」、又は「略D形状」の語は、そのような全ての形状を含むものである。

今、明らかなように、所望のビームパターンを、上記の光源モジュール組立体、及び／又は他の光源の組み合わせで、有益に形成することができる。

図１０は、組立体２０、組立体１００、組立体２００、及び／又は組立体２５０と、２００５年１１月３０日に出願され、本発明の出願人に譲渡された米国出願第１１／２９０，８５３号に記載されているような投光デバイス３０４の組み合わせで構成されたヘッドランプ器具３００を示す。投光デバイス３０４は、所望のビームパターンのための高強度の光の領域を提供し、モジュール半導体光源組立体２０、１００、２００、及び／又は２５０は、所望のビームパターンのための広がった光を提供する。上述したように、多数の組立体２０、１００、２００、及び／又は２５０が、ヘッドランプ３００のような器具に採用されるときは、二つ又はそれ以上の組立体２０、１００、２００、及び／又は２５０は、共通のヒートシンクを共有することができる。図示した器具３００では、下横列の組立体２０、１００、２００、及び／又は２５０の二つと、上横列の組立体２０、１００、２００、及び／又は２５０の四つが、ヒートシンク３２ａを共有し、下横列の組立体２０、１００、２００、及び／又は２５０の残りの三つと、上横列の組立体２０、１００、２００、及び／又は２５０の三つが、ヒートシンク３２ｂを共有する。

組立体２０、１００、２００、又は２５０のいくつかを、所望のビームパターンに十分な光を提供するために採用することができ、投光デバイス３０４は、それらのビームパターンに必要なホットスポットを提供することができる。例えば、下の五つの組立体２０、１００、２００、又は２５０は、ロービームヘッドランプパターンに十分な光を生じさせるために使用することができ、上の七つの組立体２０、１００、２００、又は２５０は、ハイビームヘッドランプパターンに十分な光を生じさせるために使用されることができる。変形として、又は加えて、車両が進む方向に道路を照らすステアリングライトを提供するために、車両のハンドルを回すときに、組立体２０、１００、２００、又は２５０の一つ又はそれ以上を灯火することができる。

図１０から明らかになるように、組立体２０、１００、２００、又は２５０のレンズ４０又はレンズ２５４の厚さは、組立体２０、１００、２００、及び／又は２５０によって生じさせたビームパターンの水平方向の広がりを変えるために変化させることができる。器具３００では、組立体２０、１００、２００、及び／又は２５０のいくつかは、比較的厚いレンズ４０又はレンズ２５４を有し、他の組立体は、所望のビームパターンを得るために、比較的薄いレンズ４０又はレンズ２５４を有する。

ヘッドランプ器具に加えて、テールランプ器具及び／又は日中走行用ライト器具を含む種々の他の自動車用照明システムを、本発明によるモジュール半導体光源組立体で構成することが考えられる。例えば、図１１及び図１２は、フォグランプ又はドライビングランプとして使用することができる照明器具４００を示す。示されるように、器具４００は、器具４００から所望の放出ビームパターンを作り出すために、一つの種類の各々、例えば、五例のモジュール半導体光源組立体２０でよい、又は二つ又はそれ以上の異なる種類のモジュール光源組立体、例えば、モジュール半導体光源組立体２０の一つ、モジュール半導体光源組立体１００の三つ、及びモジュール半導体光源組立体２００の三つを含むことができる五つのモジュール半導体光源組立体２０、１００、２００、又は２５０を含む。

モジュール半導体光源組立体２０、１００、２００、又は２５０の各々は、ベーゼル４０４を介して取り付けられ、一方、ベーゼルは、器具本体４０８内に取り付けられ、且つ透明レンズ４１２によって包囲される。図示した実施形態では、各モジュール半導体光源組立体２０、１００、２００、又は２５０のレンズは、実質的に互いに平行に取り付けられるが、それぞれのレンズを、特定の所望ビームパターンに要求されるように、自動車のフロント及びサイドに、生じさせたビームパターンを広げ、又は「ラップ」するために、水平に向けてモジュール半導体光源組立体の一つ又はそれ以上を、器具４００内に取り付けてもよいと考えられる。

図１０及び図１１から明らかなように、モジュール半導体光源組立体２０、１００、２００、又は２５０の使用により、種々の様式のライト器具を望み通りに作れる。

本発明は、光源に電気を供給し、半導体光源からの廃熱を取り除くのを補助する基板に取り付けられた発光ダイオードのような半導体光源を含むモジュール半導体光源組立体を提供する。LEDによって放出された光の実質的に全てが、ライトパイプによってレンズに伝達され、ライトパイプの横断面が光源からレンズまで増し、レンズは、レンズによって形成される光パターンが、第２方向と直交する第１方向に拘束されるように、略D形状を有する。組立体は、自動車のヘッドランプのロービームパターン、又はハイビームパターンのような所望のビームパターン全体を生じさせるライト器具の、他の同様の組立体又は他の光源と組み合わせることができる。

上で説明した発明の実施形態は、本発明の例であり、専らここに添付した特許請求の範囲によって決定される発明の精神から逸脱することなく、実施形態の変更及び修正を当業者が行ってもよい。

本発明に従ったモジュール半導体光源組立体の側面図を示す。 本発明によるモジュール半導体光源組立体光路図を示す。 図１の組立体のレンズから放出された光によって生じさせたビームパターンを示す。 本発明によるモジュール半導体光源組立体の他の実施形態の側面図を示す。 図４の組立体のライトパイプとレンズを通る光の屈折を図示する光路図を示す。 図４の組立体のレンズから放出された光によって生じさせたビームパターンを示す。 本発明によるモジュール半導体光源組立体のさらなる実施形態の側面図を示す。 本発明によるモジュール半導体光源組立体用のレンズとライトパイプの他の実施形態を示す。 本発明によるモジュール半導体光源組立体の他の実施形態を示す。 本発明による、モジュール半導体光源組立体で構成された自動車用ヘッドランプ取付け具を示す。 本発明による、モジュール半導体光源組立体で構成された自動車用ドライビングランプ又はフォグランプを示す。 図１１のドライビングランプ器具又はフォグランプ器具の分解図を示す。

Claims (19)

1. モジュール半導体光源組立体であって、
   基板と、
   前記基板に取り付けられた半導体光源とを含み、前記基板は、前記半導体光源に電気を供給し、且つ前記半導体光源によって発生される廃熱を取り除き、
   基板から廃熱を取り除くために、前記基板と熱的に連通されるヒートシンクと、
   前記半導体光源から放出された、光の実質的に全てを捕捉する、前記半導体光源に隣接した第一端、及び第二端を有するライトパイプと、
   略Ｄ形状を有するレンズと、を含み、
   前記半導体光源からの光が、放出された光が第一方向に広がり、且つ前記第一方向と直交する第二方向に拘束されるパターンでレンズから放出されるように、前記ライトパイプの前記第二端が当該レンズに接触すること、
   を特徴とするモジュール半導体光源組立体。
2. 前記半導体光源は、発光ダイオードである、
   請求項１に記載のモジュール半導体光源組立体。
3. 前記ライトパイプの前記横断面積が、前記第一端から前記第二端まで増す、
   請求項１に記載のモジュール半導体光源組立体。
4. 前記ライトパイプの前記中心線が、前記レンズから放出される光のパターンをさらに拘束するために、前記レンズの前記中心線から片寄せられる、
   請求項１に記載のモジュール半導体光源組立体。
5. 前記基板に取り付けられた第２の半導体光源と、
   前記第２の半導体光源から放出された光を前記レンズに伝達する第２のライトパイプをさらに含む、
   請求項１に記載のモジュール半導体光源組立体。
6. 前記レンズは、形状が十字であり、前記十字の各アームは、前記半導体光源によって放出された光が、放出される光が直交する第一方向と第二方向の両方に拘束されたパターンでレンズから放出されるように、略Ｄ形である、
   請求項１に記載の半導体モジュール組立体。
7. 投光光源と、
   少なくとも一つのモジュール半導体光源組立体をさらに含む、
   請求項１に記載のモジュール半導体光源組立体。
8. 少なくとも二つのモジュール半導体光源組立体をさらに含み、
   前記モジュール半導体光源組立体の各々は、共通のヒートシンクに熱的に連結される、
   請求項７に記載の半導体モジュール組立体。
9. 所望の光ビームパターンを生じさせるように配置された、少なくとも二つのモジュール半導体光源組立体を有するドライビングランプ器具又はフォグランプ器具をさらに含む、
   請求項１に記載の半導体モジュール組立体。
10. 一つ又はそれ以上のモジュール半導体光源組立体と、
    少なくとも一つのモジュール半導体光源組立体と動作的に関連した投光光源を含む、
    ヘッドランプ器具。
11. 前記一つ又はそれ以上のモジュール半導体光源組立体は、
    半導体光源と、
    第一端と第二端を有するライトパイプと関連して使用される略D形状を有するレンズと、を含み、
    前記第二端は、前記半導体光源からの光が、前記放出される光が第一方向に広がり、前記第一方向と直交する第二方向に拘束されるパターンで前記レンズから放出されるように前記レンズに接する、
    請求項１０に記載のヘッドランプ器具。
12. 前記モジュール半導体光源組立体は、さらに、
    前記半導体光源が取り付けられる基板と、
    基板から廃熱を取り除くために、前記基板と熱的に連通されるヒートシンクと、よりなり、
    前記ライトパイプの前記第一端は、前記半導体光源から放出された、光の実質的に全てを捕捉するために使用される、
    請求項１０に記載のヘッドランプ器具。
13. 前記レンズの厚さは、前記一つ又はそれ以上のモジュール半導体光源組立体によって生じさせたビームパターンの水平の広がりを変えるように、変更することができる、
    請求項１１に記載のヘッドランプ器具。
14. 前記一つ又はそれ以上のモジュール半導体光源組立体の各々の前記レンズは、
    比較的厚くされ、且つ所望のビームパターンを生じさせるために、比較的薄くされた、前記一つ又はそれ以上のモジュール半導体光源組立体の各々のレンズとの組み合わせで使用される、
    請求項１３に記載のヘッドライト器具。
15. 前記一つ又はそれ以上のモジュール半導体光源組立体は、ビームパターンに十分な光を提供するために採用することができ、前記投光光源は、ビームパターンのためのホットスポットを提供することができる、
    請求項１０に記載のヘッドライト器具。
16. 前記一つ又はそれ以上のモジュール半導体光源組立体は、道路を車両が進む方向に照らす光を提供するために使用される、
    請求項１５に記載のヘッドライト器具。
17. 前記一つ又はそれ以上のモジュール半導体光源組立体は、
    車両用テールライト器具、車両用日中走行用ライト器具、フォグランプ、又はドライビングランプを含むグループから選択された一つとして使用される、
    請求項１０に記載のヘッドライト器具。
18. 前記一つ又はそれ以上のモジュール半導体光源組立体は、ベーゼルを介して取り付けられ、
    前記ベーゼルは、器具本体内に取り付けられ、且つ透明レンズによって包囲される、
    請求項１０に記載のヘッドライト器具。
19. 前記一つ又はそれ以上のモジュール半導体光源組立体は、
    前記一つ又はそれ以上のモジュール半導体光源組立体の各レンズが、生じさせたビームパターンを、車両を包囲する異なる領域に広げるために、平行に向けられるように位置決めされる、
    請求項１０に記載のヘッドランプ器具。

Images