JP2011014766A

JP2011014766A - 発光モジュールおよび車両用灯具

Info

Publication number: JP2011014766A
Application number: JP2009158645A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Takeda; 仁志武田; Tsukasa Tokita; 主時田
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2011-01-20
Also published as: US20110002137A1

Abstract

【課題】発光モジュールや車両用灯具における点灯中の明るさの変化を抑制する。
【解決手段】発光モジュールは、発光素子と、発光素子が発する光により励起され可視光を発光する蛍光体と、を備える。発光素子は、作動開始直後に該発光素子が発する光のピーク波長が蛍光体の励起スペクトルのピーク波長よりも短く、作動による素子の温度上昇に伴い該発光素子が発する光のピーク波長が蛍光体の励起スペクトルのピーク波長に向かってシフトするように構成されている。
【選択図】図１

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灯具に関する。

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や各種照明器具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。

しかしながら、このような用途で用いる発光モジュールは、高い光度の光を発することが求められるため、発光時は大きな電流が流されることになる。そのため、発光素子を中心に発熱が大きくなり発光モジュール全体の温度が上昇するという問題がある。そこで、発光モジュールの昇温を抑制するための技術が種々考案されている。例えば、特許文献１には、複数の灯具ユニットを支持する金属製支持部材に放熱フィンが設けられている車両用前照灯が開示されている。

特開２００６−３３５３２８号公報

ところで、発光モジュールを備えた車両用灯具は、規格によっては最大光度と最低光度が規定されていることがある。発光モジュールは、明るさをはじめとする発光特性に温度依存性があるため、発光モジュールの点灯開始直後から時間の経過とともに温度が上昇すると明るさが低下する傾向がある。そのため、上述の放熱フィンをはじめとする放熱性を高める工夫が発光モジュールに適用されることになるが、温度の上昇を完全になくすことは困難である。

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、点灯中の明るさの変化が抑制された発光モジュールおよびそれを備えた車両用灯具を提供することを目的とするものである。

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、発光素子が発する光により励起され可視光を発光する蛍光体と、を備える。発光素子は、作動開始直後に該発光素子が発する光のピーク波長が蛍光体の励起スペクトルのピーク波長よりも短く、作動による素子の温度上昇に伴い該発光素子が発する光のピーク波長が蛍光体の励起スペクトルのピーク波長に向かってシフトするように構成されている。

この態様によると、温度の上昇に伴い蛍光体自身の発光強度が低下するような場合であっても、それとともに発光素子が発する光のピーク波長が蛍光体の励起スペクトルのピーク波長に向かってシフトする。このような発光素子が発する光のピーク波長がシフトするという点は、蛍光体の発光強度を増加させる方向に働く。そのため、温度の上昇に伴う蛍光体自身の性能の低下に起因する発光強度の低下と、蛍光体を励起させる光の波長が励起スペクトルのピーク波長に近付くことに起因する発光強度の増加と、が互いに打ち消し合うことになる。その結果、発光モジュール点灯中の明るさの変化、例えば、点灯直後からモジュールの温度が安定するまでの間の明るさの変化が抑制される。

発光素子は、連続作動によって素子の温度が定常状態になった場合に、該発光素子が発する光のピーク波長が蛍光体の励起スペクトルのピーク波長と合うように構成された発光ダイオードであってもよい。これにより、発光モジュール点灯中の明るさの変化が更に抑制される。

発光素子は、青色光を発光する発光ダイオードであり、蛍光体は、励起スペクトルが青色光のピーク波長を含む黄色系蛍光体である。これにより、明るさの変化が抑制された白色の発光モジュールが実現される。

本発明の別の態様は、車両用灯具である。この車両用灯具は、上述の発光モジュールと、発光モジュールが載置される放熱部材と、を備える。

この態様によると、発光モジュールの温度変化が抑制されるため、温度変化に起因する発光モジュールの明るさの変化が更に抑制された車両用灯具が実現される。

本発明によれば、発光モジュールや車両用灯具における点灯中の明るさの変化を抑制することができる。

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。青色ＬＥＤと黄色系蛍光体とを組み合わせた白色発光モジュールにおける明るさと温度との関係を示した図である。熱飽和時のジャンクション温度が１００℃前後となる発光モジュールを備えた車両用灯具における点灯時からの明るさの時間的な変化を示す図である。黄色系蛍光体の励起スペクトルの一例を示す図である。青色ＬＥＤチップが発する光のピーク波長の温度依存性を示した図である。青色ＬＥＤチップ単体の光束の温度依存性を示した図である。図５に示した発光スペクトルのうち波長が４５０ｎｍ前後の領域を拡大した図である。本実施の形態に係る発光モジュールにおける点灯時からの明るさの時間的な変化を示す図である。

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。

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、および蛍光層４８を有する。本実施の形態に係る発光モジュール３６においては、蛍光層４８は、半導体発光素子４０を封止するように半導体発光素子４０の発光面を覆っている。

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、紫外線や短波長可視光を発光するＬＥＤ素子やＬＤ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ＩｎＧａＮ系半導体層を結晶成長させることにより形成されるＩｎＧａＮ系ＬＥＤ素子によって構成されている。ＩｎＧａＮ系の化合物半導体は、Ｉｎ含有量によって発光波長域が変化する。例えば、Ｉｎの含有量が多いと発光波長が長波長となり、Ｉｎの含有量が少ないと発光波長が短波長となる。したがって、Ｉｎの含有量を変化させることで所望の波長の光を発光する半導体素子を得ることができる。

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４５０ｎｍ前後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。

蛍光層４８には、黄色系蛍光体がバインダー部材によって半導体発光素子４０の上面を覆う膜状（層状）に封止されている。ここで、黄色系蛍光体としては既知のものから適宜選択されればよい。より好ましくは、黄色系蛍光体は、その励起スペクトルが前述の半導体発光素子４０の青色光のピーク波長を含んでいるとよい。

蛍光層４８は、例えば、液状またはゲル状のバインダー部材に蛍光体を混入した蛍光体ペーストを作製した後、その蛍光体ペーストを半導体発光素子４０の上面に塗布し、その後に蛍光体ペーストのバインダー部材を硬化することにより形成される。バインダー部材としては、例えば、シリコーン樹脂やフッ素樹脂等を用いることができる。また、本実施の形態に係る発光装置は、励起光源として紫外線または短波長可視光を用いることから、耐紫外線性能に優れたバインダー部材が好ましい。

また、蛍光層４８は、蛍光体以外の種々の物性を有する物質が混入されていてもよい。バインダー部材よりも屈折率の高い物質、例えば、金属酸化物、フッ素化合物、硫化物等が蛍光層４８に混入されることにより、蛍光層４８の屈折率を高めることができる。これにより、半導体発光素子４０から発生する光が蛍光層４８へ入射する際に生ずる全反射が低減され、蛍光層４８への励起光の取り込み効率を向上させるという効果が得られる。更に、混入する物質の粒子径をナノサイズにすることで、蛍光層４８の透明度を低下させることなく屈折率を高めることができる。また、アルミナ、ジルコニア、酸化チタン等の平均粒径０．３〜３μｍ程度の白色粉末を光散乱剤として蛍光層４８に混入することができる。これにより、発光面内の輝度，色度むらを防止することができる。

蛍光層４８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、蛍光層４８をそのまま透過した青色光と、蛍光層４８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。

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、蛍光層４８には、半導体発光素子４０が主として発する光の波長を変換するものが採用される。なお、蛍光層４８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。例えば、青色の光を発する半導体発光素子と、半導体発光素子が発する光の波長を赤色及び緑色にそれぞれ変換する２種類以上の蛍光体を含有する蛍光体層と、を備える発光モジュールであってもよい。また、紫外線を発する半導体発光素子と、半導体発光素子が発する光の波長を青色、赤色及び緑色にそれぞれ変換する３種類以上の蛍光体を含有する蛍光体層と、を備える発光モジュールであってもよい。

ところで、上述のようなＬＥＤと蛍光体を組み合わせた発光モジュールは、その明るさに温度依存性がある。図３は、青色ＬＥＤと黄色系蛍光体とを組み合わせた白色発光モジュールにおける明るさと温度との関係を示した図である。なお、図３に示す横軸はＬＥＤのチップの温度であるジャンクション温度（Ｔｊ）を示し、縦軸はジャンクション温度が２５℃のときの光束を１とした相対光束を示している。

図３に示すように、ジャンクション温度が高くなるに従って、発光モジュールの相対光束、つまり明るさが低下することがわかる。このような明るさの低下の要因として、蛍光体の温度依存性が挙げられる。

したがって、ＬＥＤを含む発光モジュールは、一定電流でＬＥＤを駆動した場合、点灯直後から自己発熱でジャンクション温度が上昇する。そして、温度が平衡状態となって安定するまで明るさが低下し続けることになる。図４は、熱飽和時のジャンクション温度が１００℃前後となる発光モジュールを備えた車両用灯具における点灯時からの明るさの時間的な変化を示す図である。図４に示すように、点灯直後から明るさが低下し、３０分程度経過してようやく明るさが安定する。

このような現象は、現行の白色ＬＥＤ全般に見られるものである。そのため、このような発光モジュールを車両用灯具に採用する場合、これらの現象を考慮して所定の配光規格を満たすような設計が必要となる。通常、配光規格を満たすか否かは、最大光度は点灯直後、最低光度は熱飽和状態の値が用いられる。そのため、発光モジュールの点灯直後と熱飽和状態との光度差が大きければ大きいほど、最大光度と最低光度が共に配光規格を満たすことが困難となり、車両用灯具の設計の自由度や製造時の歩留りが低下する一因となる。

本発明者らは、このような状況で鋭意検討した過程において、蛍光体の発光強度の温度依存性及び励起波長依存性を考慮して半導体発光素子が発する光のピーク波長を最適化することで発光モジュールの最大光度と最低光度との差を抑制することができる可能性に想到した。

図５は、黄色系蛍光体の励起スペクトルの一例を示す図である。蛍光体の発光強度は前述の温度依存性以外にも、図５に示すように、励起光源の発光波長に依存性を持っている。図５に示す蛍光体は、励起光源の波長が４５０ｎｍの時に最も発光強度が高く、４５０ｎｍから離れるに従い発光強度は低下する。そのため、蛍光体とＬＥＤとを組み合わせる際、発光モジュールとしての発光効率が最も高くなるように、蛍光体の励起スペクトルに適した発光波長のＬＥＤを選択することが一般的である。したがって、図３の蛍光体では、ＬＥＤの発光スペクトルのピーク波長が４５０ｎｍの場合に最も高い発光効率が得られる。

また、種々のＬＥＤ製品のデータシートでの光束データは、Ｔｊ＝２５℃を記載することが通例となっている。特に、パワー系ＬＥＤでは、ユーザの用途や製品形態の相違による放熱処理構造の違いによりジャンクション温度Ｔｊは大きく変動する。そのため、光束を一義的に簡単には規定できないことが多い。したがって、熱の影響を受けないことを示す、Ｔｊ＝２５℃での光束が用いられている。

上述のような事情によりＴｊ＝２５℃の光束を最優先するため、Ｔｊ＝２５℃でのＬＥＤが発する光のピーク波長は、蛍光体の励起スペクトルの発光強度が最も高くなる４５０ｎｍに設定されることになる。しかしながら、ＬＥＤが発する光のピーク波長は、熱で長波長側へシフトする傾向があるため、図３に示すように、Ｔｊの上昇とともに蛍光体の発光強度は低下傾向となる。つまり、発光モジュールの明るさは温度の上昇とともに低下傾向となる。

図６は、青色ＬＥＤチップが発する光のピーク波長の温度依存性を示した図である。図６に示すように、ＬＥＤが発する光のピーク波長は、ジャンクション温度Ｔｊが上昇するに従って長波長側にシフトする。図７は、青色ＬＥＤチップ単体の光束の温度依存性を示した図である。ＬＥＤチップは、その光出力自体がＴｊの上昇で低下するが、ピーク波長の長波長化で逆に比視感度が向上するため、この波長領域では光束としては増加傾向にある。

上述のような知見より本発明者らは以下に述べる構成に想到した。つまり、ＬＥＤを含む現行の発光モジュールのように、Ｔｊ＝２５℃でＬＥＤが発する光のピーク波長を蛍光体の発光強度が最大になるように合わせ込むのではなく、製品や用途の使用時に予測される最大Ｔｊ時におけるＬＥＤの発光スペクトルのピーク波長を蛍光体の発光強度が最大となる励起波長に合うように設定する。

具体的には、図５に示す特性の蛍光体と、図６に示すようなＴｊ＝１００℃時に発する光のピーク波長が４５０ｎｍである青色ＬＥＤとを使用し、予測最大Ｔｊを１００℃と仮定した発光モジュールの場合について説明する。

図８は、図５に示した発光スペクトルのうち波長が４５０ｎｍ前後の領域を拡大した図である。図６に示す青色ＬＥＤのようなピーク波長の設定では、Ｔｊ＝２５℃時の青色ＬＥＤのピーク波長は４４４ｎｍ程度となる。このピーク波長は、黄色系蛍光体の発光強度が最大となる励起波長４５０ｎｍよりも短い。そのため、ピーク波長４４４ｎｍの光で励起された黄色系蛍光体の発光強度は、ピーク波長４５０ｎｍの光で励起された黄色系蛍光体の発光強度より低下する。加えてＬＥＤの発光波長の短波長化は比視感度が低下するため、従来ＬＥＤに比べＴｊ＝２５℃時の光束は更に低下してしまう。

しかしながら、本実施の形態に係るＬＥＤは、作動によってＬＥＤのＴｊが上昇するのに従い、ＬＥＤが発する光のピーク波長が蛍光体の励起スペクトルのピーク波長である４５０ｎｍに向かってシフトするように構成されている。そのため、作動によるＬＥＤの温度上昇に伴い蛍光体の発光強度は向上する。また、ＬＥＤから放出される青色光の波長が長波長化することで比視感度が向上し、光束も増加傾向となる。

図９は、本実施の形態に係る発光モジュールにおける点灯時からの明るさの時間的な変化を示す図である。図９に示すように、蛍光体の温度依存性が大きいため、総合的には光束は減少する。しかしながら、図４に示す光束の変化（約２０％の低下）と比較して、本実施の形態に係る発光モジュールは、点灯直後からジャンクション温度が安定するまでの光束の変化（約１０％の低下）が半減している。このように、ジャンクション温度の変化が生じても、明るさの変動をこれまでよりも抑制することができる。その結果、本実施の形態に係る発光モジュールを車両用灯具に採用することで、車両での点灯直後と熱飽和状態での光度の変化の抑制が可能となり、配光規格を満たした灯具設計が容易となる。

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。

１０車両用前照灯、１２灯具ボディ、１４前面カバー、１６灯具ユニット、２４投影レンズ、２６支持部材、２８ブラケット、３０発光装置、３２放熱フィン、３４放熱ファン、３６発光モジュール、３８基板、４０半導体発光素子、４４素子搭載用基板、４６反射基体、４８蛍光層。

Claims

発光素子と、
前記発光素子が発する光により励起され可視光を発光する蛍光体と、を備え、
前記発光素子は、作動開始直後に該発光素子が発する光のピーク波長が前記蛍光体の励起スペクトルのピーク波長よりも短く、作動による素子の温度上昇に伴い該発光素子が発する光のピーク波長が前記蛍光体の励起スペクトルのピーク波長に向かってシフトするように構成されていることを特徴とする発光モジュール。
前記発光素子は、連続作動によって素子の温度が定常状態になった場合に、該発光素子が発する光のピーク波長が前記蛍光体の励起スペクトルのピーク波長と合うように構成された発光ダイオード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。
前記発光素子は、青色光を発光する発光ダイオードであり、
前記蛍光体は、励起スペクトルが前記青色光のピーク波長を含む黄色系蛍光体である、
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。
請求項１乃至３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が載置される放熱部材と、
を備えることを特徴とする車両用灯具。