JP2010287777A - 発光モジュールおよび車両用前照灯 - Google Patents

Abstract

【課題】別体のシェードを用いずに所望の遮光領域を有する配光パターンを形成する発光モジュールを提供する。
【解決手段】発光モジュール３６は、半導体発光素子４０と、半導体発光素子４０の発光面に対向するように設けられ、半導体発光素子４０が発する光の波長を変換する板状の光波長変換セラミック４２と、光波長変換セラミック４２の表面に形成され、光波長変換セラミック４２を通過した光の一部を遮光する反射膜５０と、を備える。光波長変換セラミック４２は、無機材料で構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光モジュール、および自動車などに用いられる車両用前照灯に関する。

近年、高寿命化や消費電力低減などを目的として、車両前方に光を照射する灯具ユニットなど強い光を照射するための光源としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子を有する発光モジュールを用いる技術の開発が進められている。しかし、このような用途で用いるためには発光モジュールに高い輝度の光を発することが求められることになる。ここで、例えば白色光の取り出し効率を向上させるべく、主として青色光を発光する発光素子と、青色光により励起されて主として黄色光を発光する黄色系蛍光体と、発光素子から青色光を透過させ、黄色系蛍光体からの黄色光以上の波長の光を反射する青色透過黄色系反射手段と、を備える照明装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、一般的な粉状の蛍光体を用いて光の波長を変換する場合、光が蛍光体の粒子に当たったときにその光の輝度が弱められるため、光の高い利用効率を実現することは難しい。このため、例えば発光層によって放出された光の経路内に配置されたセラミック層を備える構造体が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−５９８６４号公報 特開２００６−５３６７号公報

近年、ヘッドランプを含む車両用灯具に、小型軽量で発光効率に優れる半導体発光素子（ＬＥＤ）が採用されつつある。通常、光源として用いるＬＥＤチップの発光面は矩形である。そのため、光源にＬＥＤを用いた車両用前照灯は、ロービーム用配光パターンを形成する場合、カットオフラインを形成するためのシェードが別途必要となる。

しかしながら、このようなシェードの存在は、光源から出射される光の一部が無駄になるため、光の利用率という観点からは更なる改善が必要である。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、別体のシェードを用いずに所望の遮光領域を有する配光パターンを形成することが可能な発光モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の発光モジュールは、発光素子と、発光素子の発光面に対向するように設けられ、発光素子が発する光の波長を変換する板状の光波長変換部材と、光波長変換部材の表面に形成され、光波長変換部材を通過した光の一部を遮光する遮光膜と、を備える。光波長変換部材は、無機材料で構成されている。

この態様によると、光波長変換部材が無機材料で構成されているため、樹脂に粉末の蛍光体を分散させた場合と比較して、精度の高い加工や形成が容易となる。また、このような光波長変換部材を用いることで、表面の平坦性も向上する。これにより、光波長変換部材の表面に容易に精度良く遮光膜を形成することができる。すなわち、別体のシェードを用いずに所望の遮光領域を有する配光パターンを形成することが可能となる。

遮光膜は、光波長変換部材を通過した光を反射する金属被膜であってもよい。これにより、半導体プロセスである例えば蒸着法やスパッタリング法による精度の高い遮光膜の形成が可能となる。

光波長変換部材は、矩形であり、遮光膜は、光波長変換部材の表面の四隅のいずれかに三角形状に形成されていてもよい。また、矩形とは、長方形だけでなく正方形であってもよい。

遮光膜は、三角形状の斜辺と光波長変換部材の一辺との成す角が１５度から４５度であってもよい。これにより、例えば、自動車のロービーム用の前照灯に求められているようなカットオフラインを有する配光パターンを形成することができる。

本発明の別の態様は、車両用前照灯である。この車両用前照灯は、発光モジュールと、発光モジュールから出射された光を投影し、カットオフラインを有する配光パターンを形成する光学部材と、を備える。

この態様によると、別体のシェードを用いずにカットオフラインを有する配光パターンを形成することができる。

本発明によれば、別体のシェードを用いずに所望の遮光領域を有する配光パターンを形成することができる。

本実施の形態に係る車両用前照灯の構成を示す断面図である。 本実施の形態に係る発光装置の構成を示す断面図である。 図２に示す発光モジュールの上面図である。 本実施の形態に係る発光モジュールを用いた車両用前照灯の光照射の様子を模式的に示した図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

図１は、本実施の形態に係る車両用前照灯１０の構成を示す断面図である。車両用前照灯１０は、灯具ボディ１２、前面カバー１４、および灯具ユニット１６を有する。以下、図１において前面カバー１４側を灯具前方、灯具ボディ１２側を灯具後方として説明する。また、後述する光源から前面カバー１４に向かう方向（灯具前方）に見て右側を灯具右側、左側を灯具左側という。図１は、灯具ユニット１６の光軸を含む鉛直平面によって切断された車両用前照灯１０を灯具左側から見た断面を示している。なお、車両用前照灯１０が車両に装着される場合、車両には互いに左右対称に形成された車両用前照灯１０が車両左前方および右前方のそれぞれに設けられる。図１は、左右いずれかの車両用前照灯１０の構成を示している。

灯具ボディ１２は、開口を有する箱状に形成されている。前面カバー１４は、透光性を有する樹脂またはガラスによって椀状に形成されている。前面カバー１４は、縁部が灯具ボディ１２の開口部に取り付けられている。こうして、灯具ボディ１２と前面カバー１４とによって覆われる領域に灯室が形成される。

灯室内には、灯具ユニット１６が配置されている。灯具ユニット１６は、エイミングスクリュー１８，２０によって灯具ボディ１２に固定されている。下方のエイミングスクリュー２０はレベリングアクチュエータ２２が作動することにより回転するよう構成されている。このため、レベリングアクチュエータ２２を作動させることで、灯具ユニット１６の光軸を上下方向に移動することが可能となっている。

灯具ユニット１６は、投影レンズ２４、支持部材２６、ブラケット２８、発光装置３０、放熱フィン３２、および放熱ファン３４を有する。投影レンズ２４は、灯具前方側表面が凸面で後方側表面が平面の平凸非球面レンズからなり、その後方焦点面上に形成される光源像を反転像として灯具前方に投影する。支持部材２６は、投影レンズ２４を支持する。発光装置３０には発光モジュール３６が設けられている。投影レンズ２４は、発光モジュール３６が発した光を灯具前方に向けて集光する光学部材として機能する。放熱フィン３２は、ブラケット２８の後方側の面に取り付けられ、放熱ファン３４は、放熱フィンの３２の後方側に設けられている。放熱フィン３２および放熱ファン３４は、主に発光モジュール３６が発した熱を放熱する。

車両用前照灯１０は、ロービーム用光源として用いられ、発光モジュール３６の表面に形成された後述する反射膜により出射光の一部が遮られることで、車両前方においてカットオフラインを有するロービーム用配光パターンを形成する。なお、ロービーム用配光パターンは公知であることから説明を省略する。

図２は、本実施の形態に係る発光装置３０の構成を示す断面図である。発光装置３０は、発光モジュール３６および基板３８を有する。基板３８は、プリント配線基板であり、上面に発光モジュール３６が取り付けられている。発光モジュール３６は、素子搭載用基板４４、反射基体４６、半導体発光素子４０、およびセラミックユニット４８を有する。本実施の形態に係る発光モジュール３６は、板状のセラミックユニット４８が半導体発光素子４０の発光面に対向するように設けられている。

素子搭載用基板４４は、ＡＩＮ、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉなど、熱伝導性の高い材料によって板状に形成される。反射基体４６は、直方体の部材の中央に貫通孔４６ａが設けられた形状に形成される。貫通孔４６ａの内面は、光が反射するように、アルミニウムまたは銀などが蒸着またはスパッタリングされることによる鏡面処理が施されている。

半導体発光素子４０は、ＬＥＤ素子によって構成される。本実施の形態では、半導体発光素子４０として、青色の波長の光を主として発する青色ＬＥＤが採用されている。具体的には、半導体発光素子４０は、サファイヤ基板上にＧａＮ系半導体層を結晶成長させることにより形成されるＧａＮ系ＬＥＤ素子によって構成されている。半導体発光素子４０は、例えば１ｍｍ角のチップとして形成され、発する青色光の中心波長は４６０ｎｍとなるよう構成されている。なお、半導体発光素子４０の構成や発する光の波長が上述したものに限られないことはもちろんである。

セラミックユニット４８は、光波長変換部材であり、少なくとも光波長変換セラミック４２から構成されている。光波長変換セラミック４２は、５０μｍ以上１０００μｍ未満の厚さの板状に形成された光波長変換セラミックを、半導体発光素子４０よりサイズが５％以上１０％以下大きくなるようダイシングすることにより形成される。なお、光波長変換セラミック４２の大きさがこれに限られないことはもちろんであり、例えば光波長変換セラミック４２は、半導体発光素子４０と同じサイズにダイシングされてもよい。また、光波長変換セラミック４２は、半導体発光素子４０より１０％を超えて大きくダイシングされてもよく、ゼロより大きく５％未満だけサイズが大きくなるようダイシングされてもよい。

光波長変換セラミック４２は、いわゆる発光セラミック、または蛍光セラミックと呼ばれるものであり、青色光によって励起される蛍光体であるＹＡＧ（Yttrium Alminium Garnet）粉末を用いて作成されたセラミック素地を焼結することにより得ることができる。このような光波長変換セラミックの製造方法は公知であることから詳細な説明は省略する。こうして得られた光波長変換セラミック４２は、例えば粉末状の蛍光体と異なり、粉末表面での光拡散を抑制でき、半導体発光素子４０が発する光の損失が非常に少ない。

光波長変換セラミック４２は、半導体発光素子４０が主として発する青色光の波長を変換して黄色光を出射する。このため、発光モジュール３６からは、光波長変換セラミック４２をそのまま透過した青色光と、光波長変換セラミック４２によって波長が変換された黄色光との合成光が出射する。こうして、発光モジュール３６は、白色の光を発することが可能となる。

また、光波長変換セラミック４２には、透明なものが採用されている。本実施の形態において「透明」とは、変換光波長域の全光線透過率が４０％以上のことを意味するものとする。発明者の鋭意なる研究開発の結果、変換光波長域の全光線透過率が４０％以上の透明な状態であれば、光波長変換セラミック４２による光の波長を適切に変換できると共に、光波長変換セラミック４２を通過する光の光度の減少も適切に抑制できることが判明した。したがって、光波長変換セラミック４２をこのように透明な状態にすることによって、半導体発光素子４０が発する光をより効率的に変換することができる。

また、光波長変換セラミック４２は、無機物で構成され、バインダーに有機物を含有する場合に比べて耐久性の向上が図られている。このため、例えば発光モジュール３６に１Ｗ（ワット）以上の電力を投入することが可能となっており、発光モジュール３６が発する光の輝度および光度を高めることが可能となっている。

なお、半導体発光素子４０は、青以外の波長の光を主として発するものが採用されてもよい。この場合も、光波長変換セラミック４２には、半導体発光素子４０が発する主とする光の波長を変換するものが採用される。なお、光波長変換セラミック４２は、この場合においても半導体発光素子４０が主として発する波長の光と組み合わせることにより白色または白色に近い色の波長の光となるよう、半導体発光素子４０が発する光の波長を変換してもよい。

反射膜５０は、光波長変換セラミック４２の両面のうち半導体発光素子４０が配置している側と反対側の面、つまり光が出射する側の面の一部に形成されている。図３は、図２に示す発光モジュール３６の上面図である。図３に示すように、本実施の形態に係る反射膜５０は、矩形の光波長変換セラミック４２の表面の四隅の一つに三角形状に形成されており、光波長変換セラミック４２を通過した光の一部を遮光する遮光膜として機能する。

本実施の形態に係る発光モジュール３６の用途は様々であるが、例えば、ロービーム用配光パターンを形成する車両用前照灯の光源として発光モジュール３６を採用する場合、反射膜５０は、三角形状の斜辺と光波長変換セラミック４２の一辺との成す角が１５度から４５度になるように設定される。これにより、例えば、自動車のロービーム用の前照灯に求められているような斜めのカットオフラインを有する配光パターンを、別部材のシェードを用いずに形成することができる。

なお、反射膜５０の形状は、必ずしも三角形状に限られるものではなく、発光モジュール３６に求められている用途や配光によって適宜決めればよい。例えば、反射膜５０は、形成される領域が光波長変換セラミック４２の表面の一箇所に限られるものではなく、複数の箇所に分散して形成されていてもよい。

反射膜５０は、アルミニウム、銀、金などの薄膜を、蒸着またはスパッタリングして成膜することにより形成される。そして、反射膜５０は、光波長変換セラミック４２を通過した光の一部を反射面５０ａ（図２参照）で遮光するとともに反射する。そのため、反射した光を出射光の一部として利用することで、反射率の低い物質で遮光した場合と比較して、発光モジュール３６の発光効率を向上させることができる。なお、反射膜５０の露出面５０ｂ（図２参照）、すなわち、光波長変換セラミック４２と接していない側の面は、反射面５０ａより反射率の低い薄膜で構成されている。これにより、発光モジュール３６の表面で外光などが不必要に反射することが防止される。

上述のように、本実施の形態に係る発光モジュール３６は、セラミックユニット４８が無機材料で構成されているため、樹脂に粉末の蛍光体を分散させた場合と比較して、精度の高い加工や形成が容易となる。また、このようなセラミックユニット４８を用いることで、光波長変換セラミック４２の表面の平坦性も向上する。これにより、光波長変換セラミック４２の表面に容易に精度良く密着性の高い反射膜５０を形成することができる。このように、発光モジュール３６は、別体のシェードを用いずに所望の遮光領域を有する配光パターンを精度良く形成することが可能となる。

また、反射膜５０を前述のようなアルミニウムや銀などの金属皮膜で形成する場合、半導体プロセスである例えば蒸着法やスパッタリング法を用いることが可能となる。そのため、光波長変換セラミック４２の表面に寸法精度が高い反射膜５０の形成が可能となる。また、半導体プロセスを用いてセラミックユニット４８を製造する場合、その半導体プロセスの一工程として反射膜５０を形成することが可能となり、工数の低減や製造時間の短縮が図られる。

次に、発光モジュール３６の製造方法について詳述する。まず接着剤などによって反射基体４６が素子搭載用基板４４に固定される。次に、反射基体４６の貫通孔４６ａの内部に発光面が上方となるよう半導体発光素子４０が配置される。半導体発光素子４０は、金バンプ５２を介して素子搭載用基板４４にフリップチップ実装される。

次に、光波長変換セラミック４２の入射面４２ａが半導体発光素子４０の発光面に対向するよう、あらかじめ反射膜５０が形成されているセラミックユニット４８を半導体発光素子４０の上方に配置し、半導体発光素子４０および反射基体４６の内壁に接着剤によって固定する。このとき接着剤として、シリコーン系、ゾルゲルシリカ系、フッ素系、無機ガラス系などの耐光性に優れた材料が用いられる。本実施の形態では板状の光波長変換セラミック４２を用いるため、例えば粉状の光波長変換部材を半導体発光素子４０の上方に積載する場合に比べ、発光モジュール３６を精度良く簡易に製造することができる。

こうして、半導体発光素子４０が発した光が光波長変換セラミック４２の入射面４２ａに入射するよう、半導体発光素子４０および光波長変換セラミック４２が配置される。なお、セラミックユニット４８の固定方法は接着に限られず、例えばはんだ付け、かしめ、溶着、またはねじ止めなどの機械的締結方法によるものであってもよい。

次に、上述の発光モジュール３６を用いた車両用前照灯の概略について説明する。図４は、本実施の形態に係る発光モジュール３６を用いた車両用前照灯の光照射の様子を模式的に示した図である。図４に示すように、本実施の形態に係る車両用前照灯１００は、発光モジュール３６と、発光モジュール３６から出射された光を投影し、カットオフラインを有する配光パターンを形成する光学部材としての投影レンズ２４と、を備える。

発光モジュール３６は、車両用前照灯に搭載する場合、半導体発光素子４０（図２参照）の発光面が投影レンズ２４と対向するように、また、反射膜５０が下方に位置するように、投影レンズ２４の焦点近傍に配置される。投影レンズ２４による半導体発光素子４０の投影像１０２は、投影レンズ２４の前方に仮想的に設けた所定のスクリーン上に、半導体発光素子４０の発光面の形状が横方向に拡大された配光パターンとして形成される。その際、三角形状の反射膜５０が半導体発光素子４０の発光面の一部を遮光しているため、図４に示すように斜めのカットオフライン１０４が形成される。

このように、本実施の形態に係る車両用前照灯１００は、反射膜５０が形成された発光モジュール３６を用いることで、別体のシェードを用いずにカットオフラインを有する配光パターンを形成することができる。そのため、車両用前照灯１００の小型化や部品点数の削減が可能となる。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

上述の実施の形態では、主として発光モジュールを車両用前照灯に用いた場合について説明したが、例えば、道路照明や歩道照明等の照明全般に適用することも可能である。このような照明においても、対象の車両や人に対してグレアを与えないような配光が求められている。そのため、このような用途についても、求められる配光に応じた形状の反射膜を形成した発光モジュールを用いることで、上述の各効果が得られる。

１０ 車両用前照灯、 １２ 灯具ボディ、 １６ 灯具ユニット、 ２４ 投影レンズ、 ３０ 発光装置、 ３６ 発光モジュール、 ４０ 半導体発光素子、 ４２ 光波長変換セラミック、 ４２ａ 入射面、 ４４ 素子搭載用基板、 ４８ セラミックユニット、 ５０ 反射膜、 ５０ａ 反射面、 ５０ｂ 露出面、 １００ 車両用前照灯、 １０２ 投影像、 １０４ カットオフライン。

Claims (5)

1. 発光素子と、
   前記発光素子の発光面に対向するように設けられ、前記発光素子が発する光の波長を変換する板状の光波長変換部材と、
   前記光波長変換部材の表面に形成され、前記光波長変換部材を通過した光の一部を遮光する遮光膜と、
   を備え、
   前記光波長変換部材は、無機材料で構成されていることを特徴とする発光モジュール。
2. 前記遮光膜は、前記光波長変換部材を通過した光を反射する金属被膜であることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
3. 前記光波長変換部材は、矩形であり、
   前記遮光膜は、前記光波長変換部材の表面の四隅のいずれかに三角形状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光モジュール。
4. 前記遮光膜は、三角形状の斜辺と前記光波長変換部材の一辺との成す角が１５度から４５度であることを特徴とする請求項３に記載の発光モジュール。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の発光モジュールと、
   前記発光モジュールから出射された光を投影し、カットオフラインを有する配光パターンを形成する光学部材と、
   を備えることを特徴とする車両用前照灯。

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