JP2011129447A - 車両用灯具 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却用ファンの能力を十分に発揮させて灯具の性能を高め、かつ小型に構成できる車両用灯具を提供する。
【解決手段】 光源にＬＥＤ２２を用い放熱用のヒートシンク２６を備えるランプユニット２と、ランプユニット２６を冷却するための冷却用ファン３を備える車両用灯具であって、灯具ハウジング１内の温度を検出する温度検出手段４０と、冷却用ファン３の回転数を検出する回転数検出手段４３と、検出した温度と回転数とに基づいてランプユニット２の点灯を制御する点灯制御手段４４を備える。ヒートシンク２６は、基準温度のときの冷却用ファン３の最小回転数に基づいて設計される。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体発光素子を光源とし、光源で発生する熱を放熱するための冷却用ファンを備えた車両用灯具、さらには発生した熱を放熱するためのヒートシンクを備えた車両用灯具に関するものである。

発光素子、特にＬＥＤ等の半導体発光素子を光源とする灯具、特に自動車の照明用灯具では、ＬＥＤの発光に伴いＬＥＤ自身の温度が上昇し、ＬＥＤ発光光度の低下やＬＥＤの熱破壊が生じる。そのため、ＬＥＤの放熱性を高めるためにＬＥＤを支持する基板等にヒートシンクを一体的に設け、ＬＥＤで発生した熱をヒートシンクから放熱する構成がとられている。また、ＬＥＤの放熱効果を高めるために、特許文献１の車両用灯具では灯具内に冷却用ファンを配設し、灯具の点灯時には冷却用ファンを駆動してＬＥＤないし灯具を冷却する構成がとられている。冷却用ファンは周知のように電気モータを回転駆動限として冷却羽根を回転させて空気流を発生させ、灯具ハウジング内で空気を対流させて灯具ハウジング内の温度を均一化することにより冷却を図るものである。この種のヒートシンクとＬＥＤの放熱効果を高めるためにはヒートシンクの放熱面積を大きくすることが好ましいが、そのためヒートシンクのサイズが増大し、ヒートシンクを内装させる灯具ハウジングが大型化し、小型の灯具を実現することが困難になる。しかし冷却用ファンを備えることにより放熱効果の向上が期待できるためヒートシンクを小型化することが可能になり、ヒートシンクと冷却用ファンを灯具ハウジングに内装しても灯具の小型化が可能になる。

このような構成の灯具では、冷却用ファンの冷却効果は回転数との関係が深く、回転数が高速では冷却効果が高く、低速になると冷却効果が低くなる。冷却用ファンの回転数が極度に低下するとＬＥＤに対する冷却効果が得られなくなり、ＬＥＤが熱破壊するおそれが生じる。例えば、冷却用ファンの回転軸や軸受部が磨耗されたときに回転抵抗が大きくなり、回転数が低下することがある。また、冷却用ファンは回転軸受にオイル（潤滑油）を用いているため、温度が低下するとオイルの粘性が高くなり回転数が低下することもある。

このような冷却用ファンの回転数の低下によるＬＥＤの熱破壊を防止するために、冷却用ファンの回転数を検出し、回転数が所定回転数よりも低下したときにはＬＥＤに供給する発光のための駆動電流を低減し、あるいは停止させる等して発光光度を低下させ、あるいは発光を停止させることでＬＥＤの温度上昇を防止するようにした灯具が考えられている。また、このような灯具においては、前記した所定回転数はヒートシンクのサイズと密接な関連がある。すなわち、冷却用ファンの回転数が最も小さくなったときの最小回転数を測定し、この最小回転数を基準にしてヒートシンクの設計を行っている。図はその一例として冷却用ファンの回転数と関係があるファン周囲温度変化に対するファンの回転数を測定したものであり、横軸がファン周囲温度、縦軸がファンの回転数である。この冷却用ファンは、また駆動電圧の違いによっても回転数が相違しており、電源電圧が正常電圧の９Ｖのときには−３０℃で最小回転数４５００ｒｐｍであり、ファン周囲温度が上昇するのに伴ってファン回転数は徐々に増加し、定格回転数である４９００ｒｐｍに達している。電源電圧が９．５Ｖに上昇したときには、−３０℃での最小回転数はほぼ５５００ｒｐｍになるが、電源電圧が８．５Ｖに低下したときには最小回転数は３０００ｒｐｍ近傍まで低下することになる。このような温度特性の冷却用ファンでは、電源電圧が低下したときを考慮して、最小回転数を３０００ｒｐｍとし、この最小回転数に対して誤検知による誤差分として５００ｒｐｍのマージンをとって２５００ｒｐｍを基準回転数とする。そして、ヒートシンクにおける放熱効果の有効範囲としてプラス・マイナスの誤差を１２％に設定し、プラス側に振れたときの回転数を２５００ｒｐｍとすると、得られる設計用の最小回転数としての所定回転数はこれよりも２４％低い１９６４ｒｐｍとなる。因みに有効範囲の中央値は２２３２ｒｐｍである。

ヒートシンクを設計する際には、冷却用ファンの回転軸が磨耗し、あるいは温度が低下する等して冷却用ファンの回転数が最小になり、その冷却効果が最低となった状態でもＬＥＤの温度上昇を防止することが担保できるサイズに設計しておく必要がある。そのため、ヒートシンクによる放熱効果が最も少ない場合でも冷却用ファンによる冷却効果によってＬＥＤの熱破壊を防止するには、冷却ファンの所定回転数を１９６４ｒｐｍとしてヒートシンクを設計しているのである。したがって、このようにしてヒートシンクを設計した場合には、前記した冷却用ファンの回転数が所定回転数１９６４ｒｐｍよりも低下したときにはＬＥＤの点灯を停止し、ＬＥＤの熱破壊を防止するようにしている。

特開２００９−１４６６４８号公報

このように冷却用ファンの最小回転数に基づいて設定した所定回転数を基準にして一義的にＬＥＤの発光を制御し、またこの設計用最小回転数に基づいてヒートシンクの設計を行った場合には、次のような問題が生じる。すなわち、図５の場合には冷却用ファンの定格回転数が４９００ｒｐｍであり、いわゆる常温でもこれに近い回転数があるのにかかわらず、これよりも回転数が格段に少ない設計用最小回転数としての所定回転数１９６４ｒｐｍを基準にしてＬＥＤの発光を制御することになるため、冷却用ファンに冷却の余裕があるのにもかかわらずＬＥＤの発光が無用に制限されてしまい、灯具の性能低下の要因になる。また、当該所定回転数を基準にしてヒートシンクを設計した場合には冷却用ファンの最小の冷却効果に基づく設計となってしまい、その分ヒートシンクが大きなサイズに設計されることになり、灯具ハウジングの小型化、すなわち灯具の小型化を実現することが困難になる。

本発明の目的は、冷却用ファンの能力を十分に発揮させて灯具の性能を高め、かつ小型に構成できる車両用灯具を提供するものである。

前述したように従来では、冷却用ファンの回転数、特に設計用最小回転数としての所定回転数については実際に冷却用ファンが設置される状況については特に考慮されていない。すなわち、冷却用ファンを灯具ハウジング内に設置した場合には、ＬＥＤが発光して温度が上昇すればこれに伴ってＬＥＤの周囲温度も上昇し、灯具ハウジング内の温度も上昇して冷却用ファンの周囲温度も上昇することになる。また、冷却用ファンが最小回転数となる氷点下の温度ではＬＥＤを発光しても常温に比較してＬＥＤの温度上昇は鈍くなりＬＥＤが熱破壊することも抑制されることになる。

そこで、本発明においては、ＬＥＤが熱破壊する温度と相関のある温度を基準温度とし、この基準温度における冷却用ファンの最小回転数から設定した所定回転数に基づいてヒートシンクを設計するようにした。そして、この基準温度において冷却用ファンの回転数が所定回転数よりも低下したときにはヒートシンクにおける放熱効果が不十分なものになりＬＥＤが熱破壊するおそれが生じるため、その際にはＬＥＤの発光を停止するようにしたものである。

本発明は、光源に半導体発光素子を用い放熱用のヒートシンクを備えるランプユニットと、ランプユニットを冷却するための冷却用ファンとを灯具ハウジングに配設している車両用灯具であって、灯具ハウジング内の温度を検出する温度検出手段と、冷却用ファンの回転数を検出する回転数検出手段と、温度検出手段で検出した温度と回転数検出手段で検出した回転数とに基づいてランプユニットの点灯を制御する点灯制御手段とを備える構成とする。

特に、点灯制御手段は、温度検出手段で検出した温度が基準温度よりも高く、回転数検出手段で検出した回転数が所定回転数よりも低いときにランプユニットの点灯を停止する構成とする。基準温度は光源が熱破壊する温度になるときに温度検出手段で検出する温度とする。所定回転数は冷却用ファンが基準温度のときの最小回転数に所定のマージン及び誤差範囲を考慮して当該最小回転数よりも小さい回転数に設定される。ヒートシンクは、基準温度のときの冷却用ファンの最小回転数に基づいて設計される。

本発明において、温度検出手段は、ランプユニット又は冷却用ファン、あるいは点灯制御手段が配設されている箇所に配設されることが好ましい。

本発明によれば、発光素子が熱破壊する温度と相関のある基準温度における冷却用ファンの最小回転数に基づいて設定した所定回転数でランプユニットの点灯を制御しているので、ランプにおいて発光素子が実際に熱破壊する状況となったときにのみランプユニットの点灯を停止する制御を行うことになり、いたずらにランプユニットの点灯を停止するようなことがなくなり、ランプ性能を高めることができる。また、当該所定回転数に基づいてヒートシンクを設計するので、ヒートシンクのサイズを無用に制限することがなくなり、シートシンクを備えるランプユニットの小型化、ないしランプの小型化が実現できる。

実施形態のランプの概略断面図。 ランプユニット、冷却用ファン、ランプ制御モジュールの外観図。 ＮＶ−ＥＣＵとランプ制御モジュールの構成を示すブロック図。 本発明の基準温度と所定回転数を説明するための冷却用ファンの温度−回転数特性図。 これまでのヒートシンクの設計を説明するための冷却用ファンの温度−回転数特性図。

次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明が適用された灯具として、ここではいわゆるＮＶ（ナイトビュー）ランプとして夜間撮像を行う際の照明を可能にしたランプである。ランプボディ１１と透明前面カバー１２とで構成されるランプハウジング１内にランプユニット２が内装されている。また、前記ランプハウジング１内には前記ランプユニット２に対向する位置に冷却用ファン３が配設されている。さらに、前記ランプユニット２の点灯と冷却用ファン３の回転を制御するためのランプ制御モジュール４が内装されている。このランプ制御モジュール４は灯具ハウジング１外に設けられているＮＶ−ＥＣＵ（ナイトビュー電子制御ユニット）５に電気接続されている。

前記ランプユニットは図２に概略構成の外観斜視図で示すように、ユニットベース２１を備え、このユニットベース２１の上面に光源として所定数のＬＥＤ２２が搭載されている。ここではユニットベース２１の中央に１つのＬＥＤ２２が搭載されている。このＬＥＤ２２は、ここでは白色ＬＥＤを用いているが夜間撮影時の照明を可能にするものであれば、その他の色光を発光するＬＥＤや赤外ＬＥＤであってもよい。前記ユニットベース２１には前記ＬＥＤ２２を覆うようにして所要形状、ここでは回転放物面形状に近い形状をしたリフレクタ２４が支持されており、ＬＥＤ２２で発光して出射した光を前方に向けて反射する。このリフレクタ２４の前側には集光レンズ２５が前記ユニットベース２１の前端部に支持されており、リフレクタ２４で反射した光を集光して前方に向けて所要の配向で照射する。また、前記ユニットベース２１の後部にはヒートシンク２６が一体的に取着されており、ＬＥＤ２２が発光したときに発生する熱をユニットベース２１からヒートシンク２６にまで伝熱させ、このヒートシンク２６から放熱させるようになっている。

前記冷却用ファン３はこのヒートシンク２６に対向する位置に配置されており、回転動作したときに前記ランプハウジング１の空気を対流させてランプハウジング１内の全域にわたって均一化することにより、ランプユニット２の近傍の温度を低下させ、ランプユニット２を冷却するようになっている。この冷却用ファン３は一般に提供されているものであり、図には表れないが回転軸受のオイルは温度によって粘性が変化され、低音になるのにしたがって粘性が増大し、回転数が低下する特性を有するものである。

前記ランプ制御モジュール４は前記ランプユニット２と冷却用ファン３のいずれに対しても可及的に近い位置に配設されている。このランプ制御モジュール４は図３に概念構成を示すように、詳細を後述するＮＶ−ＥＣＵ５からの点灯信号が入力されたときにＬＥＤ２２を発光するための駆動電流を出力するＬＥＤ点灯回路４１と、同じ点灯信号が入力されたときに前記冷却用ファン３を回転駆動するための駆動電力を出力するファン駆動回路４２を備えている。また、ランプ制御モジュール４には冷却用ファン３の駆動用の回転パルス信号を入力して冷却用ファン３の回転数を検出するための回転数検出回路４３を備えている。また、ランプ制御モジュール４の一部には灯具ハウジング１内の温度、すなわちランプユニット２と冷却用ファン３の温度を検出するための温度センサ４０が一体的に配設されるとともに、この温度センサ４０から出力される信号に基づいて温度を検出する温度検出回路４４を備えている。さらに、この温度検出回路４４で検出した温度と前記回転数検出回路４３で検出した回転数とに基づいて前記ＬＥＤ点灯回路４１を制御してＬＥＤ２２に出力する駆動電流を制御する点灯制御回路４５を備えている。この点灯制御回路４５は前記ＬＥＤ点灯信号に基づいて前記ファン駆動回路４２を制御するようにもなっている。

前記ＮＶ−ＥＣＵ５は、自動車の乗員が手操作したときにオンされるナイトビュースイッチ５１とロービームスイッチ５２とコンライトスイッチ（夜間照度検知スイッチ）５３が接続されるとともに車速センサ５４が接続されている。ＮＶ−ＥＣＵ５は前記各スイッチ５〜５３からオン信号が入力され、かつ車速センサ５４が車速１５Ｋｍ／ｈ以上を検出したときに前記した点灯信号をランプ制御モジュール４に向けて出力するように構成される。

これらランプユニット２、冷却ファン３、ランプ制御モジュール４及びＮＶ−ＥＣＵ５を備えた構成によれば、ランプ制御モジュール４にＮＶ−ＥＣＵ５からの点灯信号が入力されると、ＬＥＤ点灯回路４１はＬＥＤ２２に対して所定の駆動電流を出力しＬＥＤ２２を点灯する。これにより、ランプユニット２は点灯状態となり、ＬＥＤ２２から出射する光はリフレクタ２４により反射され、集光レンズ２５により集光されて自動車の前方に向けて照射される。同時に、ランプ制御モジュール４においては前記点灯信号を受けてファン駆動回路４２は冷却用ファン３に対して所定の駆動電力を出力し、冷却用ファン３を回転駆動する。これにより、ランプユニット２のＬＥＤ２２で発生した熱はユニットベース２１からヒートシンク２６に伝熱され、冷却用ファン３による空気対流によって前述のようにヒートシンク２６が空冷されることで放熱効果が高められる。

そして、ランプユニット２が点灯している間はランプ制御モジュール４の回転数検出回路４３は常時冷却用ファン３の回転数を検出し、温度検出回路４４は常時温度センサ４０の出力に基づいて温度を検出する。点灯制御回路４５はこれら検出された回転数と温度とに基づいて所要の演算を行い、後述するように予め設定した基準温度以上の温度領域において回転数が所定の回転数よりも低下したときにＬＥＤ点灯回路４１に対して駆動電流の出力を停止する制御を行い、ランプユニット２の点灯を停止させる。これにより、冷却用ファン３の回転数が低下してランプユニット２の冷却効果が低下した状態となったときにＬＥＤ２２の発光を停止し、このＬＥＤ２２が熱破壊することを防止する。

ここで、前記ランプユニット２に設けたヒートシンク２６の設計について説明する。図４は従来の設計手法を説明したときに用いた図５に対応する図であり、定格回転数が４９００ｒｐｍの同じ冷却用ファンを用いたときの本発明におけるヒートシンクの設計手法を示している。図４において、本実施形態のランプにおいては、ランプユニット２が点灯するとＬＥＤ２２で発生した熱によりＬＥＤ自身の温度と共に灯具ハウジング１内の温度が上昇し、これに伴って冷却用ファン３の温度も上昇する。ＬＥＤが熱破壊する温度は一般的には１００℃であるが、ＬＥＤがこの温度にまで上昇したときの温度を測定すると灯具ハウジング１内は５０℃程度、測定誤差を考慮しても４０℃〜６０℃程度の温度範囲である。そこで、ここでは最低の４０℃を基準温度に設定し、この基準温度における冷却用ファン３の回転数を測定すると、９Ｖの正規電圧では定格に近い４８００ｒｐｍ程度であり、電圧のばらつきをみても８．５Ｖで４０００ｒｐｍ、９．５Ｖで５８００ｒｐｍである。すなわち、この基準温度での最小回転数は４０００ｒｐｍ程度である。この最小回転数の４０００ｒｐｍに対し、従来と同様に誤検知による誤差分として５００ｒｐｍのマージンをとって３５００ｒｐｍを限界回転数とする。そして、ヒートシンク２６における放熱効果の有効範囲やその他の測定誤差等を考慮してプラス・マイナス１２％の誤差に設定し、プラス側に振れたときの上限の回転数を限界回転数の３５００ｒｐｍとすると、基準温度における設計用最小回転数はこれよりも２４％低い２７５０ｒｐｍとなり、この回転数を所定回転数として設定する。

したがって、実施形態のランプユニット２のヒートシンク２６を設計する際には、これまでと同様に冷却用ファン３の回転数が最小になって冷却効果が最低となった状態でもＬＥＤの温度上昇を防止することが担保できるサイズに設計するため、冷却ファン３における最小回転数の３５００ｒｐｍから得た所定回転数の２７５０ｒｐｍに基づいてヒートシンク２６を設計している。このため、図５に示した従来の冷却用ファンと同じ冷却用ファンを用いても、この実施形態では設計に用いる設計用最小回転数を所定回転数の２７５０ｒｐｍと高く設定することができ、従来の所要回転数を１９６４ｒｐｍとしていた場合に比較して冷却用ファン３による冷却効果を高く見積もって設計できるようになり、その分ヒートシンク２６のサイズを縮小することが可能になり、ランプユニット２の小型化、ないしはランプの小型化が実現できる。

これは、図４から判るように温度検出回路４４で検出した温度が基準温度よりも低く、冷却用ファン３の回転数が低回転であっても、このときにはＬＥＤ２２が発光してもＬＥＤの温度の上昇が抑制されるため熱破壊するおそれはない。ＬＥＤ２２が発光して温度が上昇し、熱破壊するおそれがある温度まで上昇すると、これに伴ってランプユニット２の温度も上昇し温度検出回路４４で検出する温度も高くなる。そして、温度検出回路４４で検出する温度が高くなれば、冷却用ファン３の回転数も大きくなって冷却効果が高くなるため、このときにはもはや従来のように冷却用ファン３の低温（この場合には−３０℃）での最小回転数を考慮する必要はない。したがって、ここでは基準温度（ここでは前記したように４０℃〜６０℃の温度領域の最低温度の４０℃）での冷却用ファン３の回転数が所定回転数の２７５０ｒｐｍよりも低下したときにＬＥＤ２２の熱破壊が生じるおそれがあるとしているのである。

そして、点灯制御回路４５は基準温度４０℃での冷却用ファン３の設計用最小回転数の２７５０ｒｐｍを所定回転数として設定し、温度検出回路４４で検出する温度が基準温度４０℃よりも高温度になったときに、回転数検出回路４３で検出する回転数が所定回転数の２７５０ｒｐｍよりも低回転になったときにヒートシンク２６と冷却用ファン３による冷却効果が不十分であるとしてＬＥＤ点灯回路４１を制御し、ＬＥＤ２２に出力する駆動電流を停止するように制御している。これにより、ＬＥＤ２２の発光が停止されてランプユニット２の点灯が停止され、冷却用ファン３の回転数の低下に伴う冷却効果の低下にかかわらずＬＥＤの熱破壊を未然に防止することになる。

このように実施形態では、点灯制御回路４５は、ランプユニット２又は冷却用ファン３の温度を検出し、検出した温度が基準温度よりも高温度で、しかも冷却用ファン３が劣化し、オイル切れ、異物の挟み込み等による負荷の増大等の何らかの異常な状態が生じて回転数が所定回転数よりも低回転数になったときに初めてランプユニット２の点灯を停止してＬＥＤ２２の熱破壊を防止している。また、点灯制御回路４５は、検出した温度が基準温度よりも低温度のときには冷却用ファン３の回転数が所定回転数よりも低下してもこれを無視してランプユニット２の点灯を保持する。この場合、ＬＥＤ２２が発光しても熱破壊するおそれがないことは前述した通りである。このため、ランプユニット２のヒートシンク２６の設計に際してはこの所定回転数、すなわち基準温度における冷却用ファン３の最小回転数を基準にして得られる設計用最小回転数に基づいて設計を行うことができ、従来に比較して冷却用ファン３の冷却効果を高く見積もって小型のヒートシンクが設計でき、ランプユニットないしランプの小型化が実現できることになる。

実施形態では、温度センサ４０をランプ制御モジュール４に配設した場合を示したが、ランプユニット２ないしＬＥＤ２２の温度との相関が高い温度が検出でき、かつその一方で冷却用ファン３の温度に近い温度が検出できる箇所であれば灯具ハウジング１内の別の箇所に温度センサ４０を配設しランプ制御モジュール４と電気接続するように構成してもよい。

本発明において、前記した基準温度の４０℃と、所定回転数の２７５０ｒｐｍは一例の値であり、基準温度はＬＥＤの種類の違い等、ＬＥＤが熱破壊する際の温度によって相違し、また、同じＬＥＤを用いた場合でも冷却用ファンの冷却効果の違いによって相違するものである。同様に基準温度における冷却用ファンの最小回転数は冷却用ファンの種類の違いや冷却用ファンの個体差による特性のばらつきによっても相違し、また設定するマージンの違いや検出誤差範囲の違いによっても相違するものである。また、本発明における光源は実施形態のＬＥＤに限られるものではなく、可視光を発光するＬＥＤや半導体レーザ（ＬＤ）等の発光素子を用いることも可能であり、これらの発光素子を用いた場合でも本発明を同様に適用することが可能である。

本発明は半導体発光素子を光源とし、ヒートシンク及び冷却用ファンを装備して発光素子の冷却を行う構成のランプに採用することが可能である。

１ 灯具ハウジング
２ ランプユニット
３ 冷却用ファン
４ ランプ制御モジュール
５ ＮＶ−ＥＣＵ（ナイトビュー電子制御ユニット）
２２ ＬＥＤ
２６ ヒートシンク
４０ 温度センサ
４１ ＬＥＤ点灯回路
４２ ファン駆動回路
４３ 回転数検出回路
４４ 温度検出回路
４５ 点灯制御回路

Claims (5)

1. 光源に半導体発光素子を用い放熱用のヒートシンクを備えるランプユニットと、前記ランプユニットを冷却するための冷却用ファンとを灯具ハウジングに配設している車両用灯具であって、前記灯具ハウジング内の温度を検出する温度検出手段と、前記冷却用ファンの回転数を検出する回転数検出手段と、前記温度検出手段で検出した温度と前記回転数検出手段で検出した回転数とに基づいて前記ランプユニットの点灯を制御する点灯制御手段とを備えることを特徴とする車両用灯具。
2. 前記点灯制御手段は、前記温度検出手段で検出した温度が基準温度よりも高く、前記回転数検出手段で検出した回転数が所定回転数よりも低いときに前記ランプユニットの点灯を停止することを特徴とする請求項１に記載の車両用灯具。
3. 前記基準温度は前記光源が熱破壊する温度になるときに前記温度検出手段で検出する温度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. 前記所定回転数は前記冷却用ファンが前記基準温度のときの最小回転数に所定のマージン及び誤差範囲を考慮して当該最小回転数よりも小さい回転数に設定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. 前記ヒートシンクは、前記基準温度のときの前記冷却用ファンの最小回転数に基づいて設計されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の車両用灯具。
   
   
   

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