JP2013089425A - ヘッドランプ用ｌｅｄ光源モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 取り替え可能な安価な構成のヘッドランプ用ＬＥＤ光源モジュールを提供する。
【解決手段】ヘッドランプ用ＬＥＤ光源モジュール１は、単数あるいは複数個のＬＥＤチップを有するＬＥＤ部２と、ＬＥＤ部を駆動するドライバ部６と、ＬＥＤ部２と熱的に接続されたヒートシンク部３と、ヒートシンク部３を強制的に冷却するアクティブクーリング部４と、ＬＥＤ部２をヘッドライト本体１０内の所定の位置に配置するべくヘッドライト本体１０に着脱可能に固定されるモジュール筐体５と、ドライバ部６とアクティブクーリング部４とに電力を供給するための電源プラグ７とを有し、これらが一体として構成されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は車両用灯具に関し、より詳細には、車両のヘッドランプに取り替え可能に装着されるＬＥＤ光源モジュールに関する。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を光源として使用したヘッドランプ（ＬＥＤヘッドランプ）が一部のハイブリッド車や電気自動車に採用されている。ＬＥＤヘッドランプは消費電力が少なくデザイン上の自由度も高いことから、今後大量生産によりコストが下がれば多くの車種に採用される可能性がある。

しかし、現状では、車両用のＬＥＤヘッドランプはその光源部を含めてランプ全体が車種ごとに個別に設計される。このことが、ＬＥＤヘッドランプのコスト高の要因の一つであり、普及を阻んでいる理由となっている。

車種ごとにＬＥＤヘッドランプの個別設計が必要となっている現状での主な理由として、（１）ハロゲンランプやメタルハライドランプの光源部と比較して、ＬＥＤに要求される位置精度（特にリフレクタに対する位置の精度）が高精度であり、（２）ＬＥＤはその自己発熱による内部温度が自己の最大ジャンクション温度に近くなると光束減少、発光色の変化、輝度の低下、寿命の低下等の不具合を生じるため最大ジャンクション温度以下に冷却される必要があること、を挙げることができる。すなわち、ＬＥＤに要求される位置精度の高さと厳しい熱管理の必要性とを両立することが現状では困難であるが故に、車種ごとの個別設計を余儀なくされてきた。

従来のＬＥＤヘッドランプの一例として、ＬＥＤの支持体にヒートシンクを設けるとともに、そのヒートシンクに臨ませて電動ファンを配置し、その電動ファンによって空気を強制的に循環させることにより、ヒートシンクからの熱の放散を促進して、ＬＥＤを強制冷却するようにしたものがある(特許文献１、特許文献２参照)。また、フォグランプなど比較的低光量の車両用灯具においては、ＬＥＤを光源に用いた光源バルブを交換可能としたものもある（特許文献３）。

特開2007-103365号公報 特開2010-262903号公報 特開2006-324217号公報

しかし、特許文献１、２に開示された従来のＬＥＤヘッドランプは、ＬＥＤを用いた光源部が灯具本体と一体になっているため、光源部を交換する必要が生じた場合、ＬＥＤヘッドランプそのものを交換せざるを得ない。また、特許文献３に開示された光源バルブは、光源として低輝度のＬＥＤを使用したものであるため、ヘッドランプ用の光源部としては利用できない。当該光源バルブの光源として、ヘッドランプに要求される光量が得られる高輝度のＬＥＤを用いるには、上述した熱管理の面が問題となる。

本発明が解決しようとする課題は、車両のヘッドランプに取り替え可能に装着されるＬＥＤ光源モジュールを安価な構成で実現することにある。

上記課題を解決するために、本発明のヘッドランプ用ＬＥＤ光源モジュールは、
単数あるいは複数個のＬＥＤチップを有するＬＥＤ部と、
前記ＬＥＤ部を駆動するドライバ部と、
前記ＬＥＤ部と熱的に接続されたヒートシンク部と、
前記ヒートシンク部を強制的に冷却するアクティブクーリング部と、
前記ＬＥＤ部をヘッドライト本体内の所定の位置に配置するべく当該ヘッドライト本体に着脱可能に固定される基部と、
前記ドライバ部と前記アクティブクーリング部とに電力を供給するための電源プラグとを有し、これらが一体となって構成されているヘッドランプ用ＬＥＤ光源モジュール。

このヘッドランプ用ＬＥＤ光源モジュールは、その構成が単純であるため安価に提供することができる。そして、このヘッドランプ用ＬＥＤ光源モジュールは、取り替えが必要となった場合、従来のようにヘッドライト本体ごと取り替える必要はなく、このヘッドランプ用ＬＥＤ光源モジュールだけを取り替えることができる。

本発明のヘッドランプ用ＬＥＤ光源モジュールにおいて、前記ヒートシンク部は、前記基部に一体的に連結されたヒートシンク本体と、当該シンク部本体から柱状に突出した熱輸送部とを有し、当該熱輸送部の突端部に前記ＬＥＤ部が設けられていることが望ましい。
この構成によれば、基部をヘッドライト本体に固定することにより、ヒートシンク本体が基部を介してヘッドライト本体に固定されるとともに、ヒートシンクの熱輸送部の突端部に設けられているＬＥＤ部がヘッドライト本体内の所定の位置に配置される。

また、前記ＬＥＤチップの順方向電圧と目標電圧とを比較し、両者が一致するように前記アクティブクーリング部を駆動制御することにより、前記ＬＥＤ部のジャンクション温度を基準温度（最大ジャンクション温度よりも低い所定の温度）以下に保つ制御回路を有することが望ましい。
この構成によれば、ＬＥＤチップの順方向電圧を制御回路に帰還させ、参照電圧との差を最小化するようにアクティブクーリング部を駆動制御することにより、過冷却による無駄な電力消費を防止し、必要最小限の電力で効率良くＬＥＤ部を強制冷却することができる。

本発明によれば、取り替え可能なヘッドランプ用ＬＥＤ光源モジュールを安価な構成で実現することができる。

本発明のヘッドランプ用ＬＥＤ光源モジュールをヘッドランプ本体に装着した状態を例示する概念図 本発明のヘッドランプ用ＬＥＤ光源モジュールの実施形態の一例を示す正面図 本発明のヘッドランプ用ＬＥＤ光源モジュールをヘッドランプ本体に装着した状態を例示する概念図 本発明のヘッドランプ用ＬＥＤ光源モジュールをヘッドランプ本体に装着した状態を例示する概念図

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
［第１形態例］
図１及び図２により本発明のヘッドランプ用ＬＥＤ光源モジュール（以下、単に「ＬＥＤ光源モジュール」と記す。）の第１形態例について説明する。
図１に例示するヘッドライト本体１０は、その大部分がリフレクタ１１で構成されている。リフレクタ１１は、その前端に大きく開口した光出射口１１ａを有する。光出射口１１ａにはレンズ１２が装着されている。リフレクタ１１は、その内面全体が反射面を成している。リフレクタ１１の後端部はドーム状に湾曲しており、ＬＥＤ光源モジュール１から後方に向けて出射された光を、この湾曲した部分の反射面１１ｂで反射して、前方に導くように構成されている。

リフレクタ１１の底部１１ｃには、ＬＥＤ光源モジュール１を装着するための取付孔１１ｄが設けられている。底部１１ｃは平坦である。取付孔１１ｄは底部１１ｃの後端寄りの位置に設けられている。取付孔１１ｄの周囲には、ＬＥＤ光源モジュール１を着脱自在に装着するための図示しない嵌合部が形成されている。

ＬＥＤ光源モジュール１は、図１及び図２に示すように、ＬＥＤ部２と、ＬＥＤ部２と熱的に接続されたヒートシンク部３と、ヒートシンク部３を強制的に冷却するアクティブクーリング部４と、ＬＥＤ部２をヘッドライト本体１０内の所定の位置に配置するべくヘッドライト本体１０に着脱可能に固定される筒状の基部（以下、「モジュール筐体」と記す。）５と、ＬＥＤ部２を駆動するドライバ部６と、アクティブクーリング部４とドライバ部６とに電力を供給するための電源プラグ７と、を有する。

ＬＥＤ部２は、単数あるいは複数個のＬＥＤチップ２ａと、ＬＥＤチップ２ａを支持しているＬＥＤ支持部２ｂとからなる。ＬＥＤ部２は少なくとも１０００ルーメンの放射性能を有している。また、望ましくは２０００ルーメン以下である。

ヒートシンク部３は、モジュール筐体５の下端部に一体的に連結された円板状のヒートシンク本体３ａと、シンク部本体３ａの中央部から上方に突出した円柱状のヒートスラグ（熱輸送部）３ｂとを有する。ヒートスラグ３ｂの断面積は１００乃至４００ｍｍ²である。ヒートスラグ３ｂの突端部（上端部）には、ＬＥＤマウント面３ｃが形成され、ＬＥＤマウント面３ｃの中央部にＬＥＤ部２が固定して設けられている。この例では、ヒートスラグ３ｂの端面がＬＥＤマウント面３ｃになっている。ＬＥＤ部２のＬＥＤ支持部２ｂはヒートスラグ３ｂのＬＥＤマウント面３ｃと一体化しており、両者間の良好な伝熱性が確保されている。ＬＥＤ支持部２ｂによるＬＥＤチップ２ａの支持角度（ＬＥＤチップ２ａの光出射面がヒートスラグ３ｂの軸線と直交する面Ｓと成す角度）θは、ヘッドライト本体１０のリフレクタ１１の構造に合わせて選定されている。

ヒートシンク本体３ａは、モジュール筐体５の下端開口部５ａに嵌合させて固定されている。ヒートシンク本体３ａの下端部には、ヒートスラグ３ｂと同軸状に形成された円柱状の突起部３ｄと、多数の放熱フィン３ｅとが形成されている。そして、放熱フィン３ｅに臨ませるようにして、アクティブクーリング部４の筐体４ｂが突起部３ｄに固定されている。

アクティブクーリング部４は、その筐体４ｂ内に電動ファン４ａを内蔵している。電動ファン４ａの風量は、ヒートシンクの熱抵抗等の測定結果に基づいて選定される。アクティブクーリング部４には、電動ファン４ａによる空気の吸い込み及び送風を良好にするべく十分な容量の空間が設けられている。

モジュール筐体５の下端開口部５ａはヒートシンク本体３ａにより気密に閉塞されている。ドライバ部６は、ヒートシンク本体３ａの上面に固定された状態でモジュール筐体５内に収容されている。
モジュール筐体５の上端近傍には環状のフランジ部５ｂが形成されている。ＬＥＤ光源モジュール１は、ＬＥＤ部２側をヘッドライト本体１１内に挿入し、このフランジ部５ｂをヘッドライト本体１１の嵌合部に嵌合させることによりヘッドライト本体１１に着脱可能に装着される。モジュール筐体５は、ＬＥＤ光源モジュール１の構成要素のうちで最も直径が大きい構成要素であり、その直径は５０ｍｍ以下である。

ヒートスラグ３ｂは、ＬＥＤ光源モジュール１をヘッドライト本体１１に装着したときに、ＬＥＤ部２がリフレクタ１１の反射面１１ｂに対して高精度に位置決めして配置されるように、その長さ寸法（ヒートシンク部３からの突出長）が選定されている。

以上説明したように、このＬＥＤ光源モジュール１は、その構成要素であるＬＥＤ部２、ヒートシンク部３、アクティブクーリング部４、モジュール筐体５、ドライバ部６、及び電源プラグ７がすべて一体となって構成され、且つ、ヘッドライト本体１１に着脱自在に構成されているので、これを取り替える必要が生じた場合、従来のようにヘッドライト本体１０ごと取り替える必要はなく、ＬＥＤ光源モジュール１だけを取り替えることができる。また、このＬＥＤ光源モジュール１は、その構成が単純であるため安価に提供することができる。

したがって、このＬＥＤ光源モジュール１をＬＥＤヘッドランプの光源部に使用することにより、ＬＥＤを用いた光源部だけを取り替えることができなかった従来のＬＥＤヘッドランプと比較して、ＬＥＤヘッドランプ自体のコストを大幅に引き下げることができる。また、光源部を取り外すことができることにより、ＬＥＤヘッドランプのメンテナンス性が大幅に向上する。このＬＥＤ光源モジュール１は、ＬＥＤヘッドランプを搭載した車両の一部として販売される市場のみならず、車両の販売後、その交換用部品として販売される市場においても流通可能である。そして、４輪車両向けヘッドランプ用としてだけでなく、２輪車両向けヘッドランプ用としても使用可能である。

また、このＬＥＤ光源モジュール１は、ＬＥＤ部２を強制冷却する手段として、ＬＥＤ部２からの熱を奪い取るヒートシンク部３と、ヒートシンク部３を冷却するアクティブクーリング部４を有しているので、排熱システムを別途要しない。アクティブクーリング部４は、ヒートシンク部３を送風により冷却する電動ファン４ａを備え、１０００ルーメンの放射性能を有するＬＥＤ部２のジャンクション温度をＬＥＤ部２が安定動作可能な基準温度（約１５０℃）以下に保つことができる。したがって、このＬＥＤ光源モジュール１は、交換可能でありながら、１つのモジュールでヘッドランプを設計する場合に要求される１０００ルーメンの放射性能を発揮する。

このＬＥＤ光源モジュール１によれば、車両のヘッドランプに要求される１灯当たり最低１０００ルーメンという光量を１つの光源モジュールで満足できる。したがって、要求される光量を満足するために複数の光源モジュールを組み合わせてヘッドランプを設計する必要がない。このＬＥＤ光源モジュール１をヘッドランプ用の汎用光源として使用することにより、車種ごとのヘッドランプの個別設計が不要となる。

［第２形態例］
つぎに、図３を参照して第２形態例について説明する。図１と共通する構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。

図３に例示するヘッドライト本体２０のリフレクタ２１は、その前端に大きく開口した光出射口２１ａを有し、その後端に、ＬＥＤ光源モジュール１を装着するための取付孔２１ｄを有している。光出射口２１ａにはレンズ２２が装着されている。取付孔２１ｄには、ＬＥＤ光源モジュール１を後方から着脱自在に装着するための図示しない嵌合部が形成されている。ＬＥＤ光源モジュール１は、ＬＥＤ部２を支持しているヒートスラグ３ｂの軸線をレンズ２２の光軸と一致させてヘッドライト本体２０に取り付けられている。ヒートスラグ３ｂのＬＥＤマウント面３ｃには、図１の例とはＬＥＤチップ２ａの支持角度θが異なるＬＥＤ部２が取り付けられている。このＬＥＤ光源モジュール１におけるＬＥＤチップ２ａの支持角度θは略０度である。すなわち、ＬＥＤチップ２ａの光出射面はリフレクタ２１の光軸と直交している。この構成によれば、ＬＥＤ部２からの出射光の大部分をリフレクタ２１で反射させることなく、直接レンズ１２を通して前方に出射することができる。なお、この構成の場合、路面上での配光パターンを制御するために、ＬＥＤ部２とレンズ２２との間に図示しない遮蔽板（配光制御板）が設けられることもある。

［第３形態例］
つぎに、図４を参照して第３形態例について説明する。ここでも図１と共通する構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
この例のＬＥＤ光源モジュール１は、ＬＥＤチップ２ａの順方向電圧と目標電圧Ｖrefとを比較し、両者が一致するようにアクティブクーリング部４を駆動制御することにより、ＬＥＤ部２のジャンクション温度を基準温度（最大ジャンクション温度よりも低い所定の温度）以下に保つ制御回路８を備えている。制御回路８には、ＬＥＤ部２の電圧−温度特性に応じた制御プログラムが組み込まれている。ＬＥＤを含むダイオードは、その温度Ｔが高くなるとその順方向電圧Ｖｄが小さくなる特性を持っているので、ＬＥＤチップ２ａの順方向電圧Ｖｄを制御回路８に帰還させ、参照電圧Ｖrefとの差を最小化するようにアクティブクーリング部４を駆動制御することにより、過冷却による無駄な電力消費を防止し、必要最小限の電力で効率良くＬＥＤ部２を強制冷却することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、各部の形状・寸法や各要素の具体的構成は適宜変更可能である。
たとえば、上述の例では、アクティブクーリング部４が冷却手段として電動ファン４ａを備えているが、電動ファン４ａの代わりに熱電素子を冷却手段に用いることも可能である。また、電動ファン４ａと熱電素子を併用することも可能である。

また、上記の例では、ＬＥＤ支持部２ｂを変更することによりＬＥＤチップ２ａの支持角度θを変更しているが、ヒートスラグ３ｂのＬＥＤマウント面３ｃの角度（ヒートスラグ３ｂの軸線に対する角度）を変更することにより、ＬＥＤチップ２ａの支持角度θを変更するようにしてもよい。

また、ヒートシンク部３やモジュール筐体５の外形は必ずしも円筒形である必要は無く、直方体であっても、あるいはそれ以外の形状であってもよい。

１ ヘッドランプ用ＬＥＤ光源モジュール
２ ＬＥＤ部
２ａ ＬＥＤチップ
２ｂ ＬＥＤ支持部
３ ヒートシンク部
３ａ ヒートシンク本体
３ｂ ヒートスラグ（熱輸送部）
４ アクティブクーリング部
４ａ 電動ファン
５ モジュール筐体（基部）
５ｂ フランジ部
６ ドライバ部
７ 電源プラグ
８ 制御回路
１０ ヘッドライト本体
１１ リフレクタ
１１ｂ 反射面
１１ｄ 取付孔
１２ レンズ
２０ ヘッドライト本体
２１ リフレクタ
２１ｄ 取付孔
２２ レンズ

Claims (3)

1. 単数あるいは複数個のＬＥＤチップを有するＬＥＤ部と、
   前記ＬＥＤ部を駆動するドライバ部と、
   前記ＬＥＤ部と熱的に接続されたヒートシンク部と、
   前記ヒートシンク部を強制的に冷却するアクティブクーリング部と、
   前記ＬＥＤ部をヘッドライト本体内の所定の位置に配置するべく当該ヘッドライト本体に着脱可能に固定される基部と、
   前記ドライバ部と前記アクティブクーリング部とに電力を供給するための電源プラグとを有し、これらが一体として構成されているヘッドランプ用ＬＥＤ光源モジュール。
2. 前記ヒートシンク部は、前記基部に一体的に連結されたヒートシンク本体と、当該シンク部本体から柱状に突出した熱輸送部とを有し、当該熱輸送部の突端部に前記ＬＥＤ部が設けられている、請求項１記載のヘッドランプ用ＬＥＤ光源モジュール。
3. 前記ＬＥＤチップの順方向電圧と目標電圧とを比較し、両者の差がなくなるように前記アクティブクーリング部を駆動制御することにより、前記ＬＥＤ部のジャンクション温度を基準温度以下に保つ制御回路を有する、請求項１又は２記載のヘッドランプ用ＬＥＤ光源モジュール。

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