JP2014211976A - 発光ダイオードを用いた照明灯及び車両用前照灯 - Google Patents

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Abstract

【課題】低電力で高出力で長超寿命であり、構造が簡単で、コンパクトな照明灯および車両用前照灯を提供する。
【解決手段】発光ダイオード1が搭載されている半導体基板を固着したアルミニウム板を、銅製の熱伝導棒6−1に直接固定し、当該固定されたアルミニウム板部位の熱伝導棒部位を除いて、遮光壁Aと遮光壁Bを形成するように、銅製の熱伝導棒の表面をアルミニウムで口金7に達する部位まで被覆した上部構造と、長い銅製の熱伝導棒を有する下部構造からなる銅製の熱伝導棒で連結された光源支持体6を、長い銅製の熱伝導棒で、口金を介して中心部が空洞になっているアルミニウム製放熱台座8に嵌合させ、銅製の熱伝導棒の先端部が空洞部の奥深く侵入した位置で固定し、空洞部の空気で銅製の熱伝導棒を冷却することにより、発光ダイオードからの発熱をアルミニウム製放熱台座で逃がす。
【選択図】図7

Description

本発明は、発光ダイオードを用いた照明灯及び車両用前照灯、特に、発光ダイオードを用いた自動車用前照灯に関するものである。
近年、発光ダイオードは、低電力で高発光が得られること、寿命が長いこと、構造が簡単なこと、装置がコンパクトであること、など、長所が多いことがら、暫時その使用が広まっている。しかしながら、高温になると効率が著しく低下することが、欠点として挙げられる。
特許文献1には、特に効果的に冷却される発光ダイオード装置を提供することを課題とし、各発光ダイオードチップに少なくとも1つの光学素子が対応配置されており、発光ダイオードチップにより発生させられた熱を導出するために適した少なくとも1つの熱伝導エレメントと、該熱伝導エレメントにより導出された熱を導出するために適した少なくとも1つの冷却装置とが設けられていることが記載されている。
特許文献2には、自動車前部に設けて進行方向の安全を確認するための長寿命かつ低電力の前照灯を提供することを課題として、前照灯は、投影用凸レンズと、この投影用凸レンズの後方焦点Fの後方に配置される複数のLEDチップで構成された発光面とを備えており、定電流駆動回路は各LEDチップをオン/オフ制御し、制御回路(図示せず)はLEDチップをグループごとに通電タイミングの位相をずらして点灯し、LEDチップから一定の発光量の放出光を導き出すことが記載されている。
特許文献3には、少なくとも1つの発光ダイオードと、少なくとも1つの発光ダイオードを冷却するための冷却体とを備えた照明装置に関し、冷却体に掛合手段が設けられており、掛合手段が、照明装置のためのホルダとバヨネット継手を形成するために役立つようにし、少なくとも1つの照明装置が、光源として自動車前照灯内に配置されていることが記載されている。
しかし、いずれの文献にも発光ダイオードの光束が1300ルーメン以上である車両前照灯については開示されていない。
特開2006−100836号公報 特開2004−214144号公報 特表2008−524862号公報
従来、発光ダイオードを用いた車両用前照灯において、1000ルーメンの光束で使用する場合、冷却用ファンはなくても、特に問題はなかった。しかしながら、1300ルーメン以上で使用していると、温度が上昇して行くと、発光ダイオードの効率が著しく低下し、急激に1000ルーメン以下に低下する。これは、発光ダイオードの温度に対する弱点が顕在化したものとおもわれる。
上記課題を解決するために本発明者は、発光ダイオードで発生する熱を効率よく逃がす照明灯の構造を見出すに至った。
すなわち本発明は、発光ダイオードが搭載されている半導体基板を固着したアルミニウム板を、銅製の熱伝導棒に直接固定し、当該固定されたアルミニウム板部位以外の熱伝導棒部位を除いて、遮光壁Aと遮光壁Bを形成するように、銅製の熱伝導棒の表面をアルミニウムで口金に達する部位まで被覆した上部構造と、長い銅製の熱伝導棒を有する下部構造からなる銅製の熱伝導棒で連結された光源支持体を、長い銅製の熱伝導棒で、口金を介して中心部が空洞になっているアルミニウム製放熱台座に嵌合させ、銅製の熱伝導棒の先端部が空洞部の奥深く侵入した位置で固定し、空洞部の空気で銅製の熱伝導棒の冷却することにより、発光ダイオードからの発熱をアルミニウム製放熱台座で逃がすことを特徴とする発光ダイオードを用いた照明灯である。
また、本発明の発光ダイオードを用いた照明灯では、発光ダイオードが搭載されている半導体基板を固着したアルミニウム板を、銅製の熱伝導棒に超音波溶接により直接固定した構造とすることができる。
さらに、本発明の発光ダイオードを用いた照明灯では、光源支持体の下部構造である長い銅製の熱伝導棒を、口金を介して中心部が空洞になっているアルミニウム製放熱台座に嵌合させ、銅製の熱伝導棒の先端部が空洞部の奥深く侵入した位置で固定し、溶融したアルミニウムを口金側の空洞部の空間に流し込み、アルミニウム製放熱台座の口金側の熱伝導棒の一部を固定することができる。
また、本発明の発光ダイオードを用いた照明灯では、前記光源支持体の上部構造のアルミニウム表面に放熱用の溝若しく放熱用フィンを設け、かつ、放熱用のフィンが外周に設けられ、且つ中心部が空洞になっている放熱台座の空洞部が円柱状若しくは角柱状とすることができる。
さらに、本発明の発光ダイオードを用いた照明灯では、放熱台座の空洞部が円柱状若しくは角柱状であって、空洞部に耐水性のモータにより駆動されるファンを装備することができる。
また、本発明の発光ダイオードを用いた照明灯では、発光ダイオードの光束が1300ルーメン以上とすることができる。
さらに、本発明は、車両の前後方向に伸びる光軸上に、投影レンズ及び光源支持体の中心軸を配置し、光源支持体には、発光ダイオードよりなる光源を光軸に対して上面及び/又は下面に取り付け、光源より発した光が、前記投影レンズを通して光軸方向にほぼ投影するように、前記光軸上に反射鏡を設けた車両用前照灯において、光源として、前述のとおり記載されたいずれかの発光ダイオードを用いた照明灯を用いた車両用前照灯である。
また、本発明の発光ダイオードを用いた照明灯を用いた車両用前照灯は、光源中心部から口金基準面までの距離が、31.25mm、24.55mm、31.625mm、27.375mm、27.25mm、27.4mm、26.85mm、27.5mm、27.05mm、31.5mm、18mm、31.25mm、27.1mmのいずれかとすることができる。
本発明は、上記の構成をとったので、発光ダイオードを用いた照明灯及び車両用前照灯または発光ダイオードを用いた車両用前照灯が、点灯から長時間後も、点灯時と同じ明るさを保つことが出来、また、長時間効率が低下することなく使用することができ、低電力で高出力がえられ、長寿命であり、構造が簡単で、コンパクトな照明灯及び車両用前照灯とくに自動車用前照灯を得ることができた。
は、発光ダイオードを用いた前照灯の概略図 は、発光ダイオードの光源支持体と口金と冷却台座の見とり図 は、発光ダイオードの取り付け細部を示した側面図 は、冷却台座の側面図 は、本発明の発光ダイオードを用いた前照灯の一例 は、本発明の発光ダイオードを用いた前照灯の一例 は、本発明の発光ダイオードを用いた前照灯の一例(ファン付) は、本発明の発光ダイオードを用いた前照灯の一例(黄LED) 本発明の発光ダイオードを用いた前照灯の光源支持体の一例
本発明は、図3に示すように、アルミニウム板5上に半導体基板4、その上に発光ダイオード1が搭載されている発光体ユニット(以下、発光体ユニットと称する)のアルミニウム板5を銅製の熱伝導棒6−1に直接固定し、図5に示すように遮光壁Aと遮光壁Bを形成するように非固定部の銅製の熱伝道棒の表面をアルミニウムで口金に達する部位まで被覆した上部構造と、長い銅製の熱伝導棒6−1を有する下部構造からなる銅製の熱伝導棒で連結された光源支持体6を、図4に示すように中心部が空洞になっているアルミニウム製放熱台座8に、口金7を介して嵌合することにより、発光ダイオードからの発熱をアルミニウム製放熱台座8に直接熱伝導が行える構造を有する発光ダイオードを用いた照明灯である。
すなわち、発光ダイオードユニットを取り付けた光源支持体は、光源支持体の芯を銅で作成し、その周りをアルミニウムで被覆した構造の支持体であり、かつ、発光ダイオードユニット(発光ダイオードが搭載されている半導体基板を固着したアルミニウム板)が銅の表面に取り付けられた構造の発光ダイオードを用いた照明灯である。
図3に示すように、発光ダイオードは発光ダイオード(LED)取り付部2により、アルミニウム板5に取り付けられ、半導体基板4は、熱伝導性の優れた接着剤でアルミニウム板5に取り付けられている。
また、本発明において、銅製の熱伝導棒をアルミニウムで被覆する方法としては銅製の熱伝導棒を差し込んだ鋳型に溶融したアルミニウムを放熱台座挿入部の銅製熱伝導棒以外の部位までを注ぎ、冷却後、アルミニウムで一部被覆された熱伝導棒を取り出し、発光ダイオードユニットとの接合部を銅の部分が現れるまで遮光壁Aと遮光壁Bを形成するように削った後、発光ダイオードユニット(発光ダイオードが搭載されている半導体基板を固着したアルミニウム板)を直接固定することにより、得られる。
固定方法は熱伝導性の接着剤により固定しても良く、金属ペーストを塗布した後、ねじ止めにより固定しても良く、超音波溶接により、固定しても良い。熱伝導性の優れた接着剤としてはDiemat Inc.製、SK30N、SK60N、SK70N、SK100N、SK100SDN、SK100SFNなどが挙げられる。金属ペーストとしては金ペースト、銀ペースト、銅ペースト、ニッケルペーストなどが知られているが、散熱性や経済性から見ると銀ペーストが好ましい。銀ペーストの例としてはCT212M,CT284R、CT285(京セラケミカル(株))、TB3300シリーズ((株)スリーボンド)などが挙げられる。
これらの固定方法の中では超音波溶接による固定は発光ダイオードユニットを不用な物質の介在が無く、直接固定することができ、また、接着剤の塗布工程や金属ペーストの塗布工程およびねじ止め工程を省略することができるので、最も好ましい。
当然、接着剤や金属ペーストによる固定と超音波溶接を併用することもできる。また、超音波溶接による固定を行った後、ねじ止めにより固定しても良い。
さらに、光源支持体6を中心部が空洞になっている放熱台座8に嵌合する方法としては熱伝導性の優れたエポキシ系接着剤により、固着しても良く、光源支持体を差し込んだ放熱台座の裏側(光源支持体を差し込んでいる反対側)より溶融したアルミニウムを流し込むことにより、固着しても良い。光源支持体を差し込んだアルミニウム製放熱台座の裏側(光源支持体を差し込んでいる反対側)より溶融したアルミニウムを流し込むことによる固着は強固で、熱伝導もしやすいので最も好ましい。
光源より発せられた光は、反射鏡により反射され、投影レンズを通して、必要な配光が得られる。光源は、高出力、高輝度の発光ダイオードである。発光ダイオード1は、通常800ルーメン以上、より望ましくは1000ルーメン以上である。
発光ダイオード1は、外部電源接続端子3より導線3−1で電力を供給されている。発光ダイオード1は、半導体基板4に取付け部2により取り付けられ、取付け部2の端部は金属薄板5に達し、熱伝導を補助する。
1300ルーメン以上の発光ダイオードを使用すると、時間とともに、特に短時間で1000ルーメン以下に輝度が低下する。これは、発光ダイオードが熱に脆弱なことによる。
通常、高出力発光ダイオードは、冷却ファンだけだと、点灯と同時に時間とともに急激に照度が低下し、約60分位で、1300ルーメンのものが、1000ルーメンにまで低下する。
本発明では、図3に示すように、光源(LED)1を搭載した発光ダイオード基板4を、銅やアルミニウム等の金属薄膜5に溶着し、さらに、金属薄膜5は光源支持体6に溶着或いはロー付けすることが通常行われている。
本件発明の光源支持体は、光源体の芯を銅で作成し、その周りをアルミニウムで囲った構造の支持体であり、銅は純銅若しくは合金が用いられる。
一例としてベリリウム銅合金 等が挙げられる。
本件発明の光源支持体は、光源支持体の芯を銅で作成し、その周りをアルミニウムで囲った構造の支持体であり、アルミニウムは純アルミニウム若しくはアルミニウム合金が用いられる。
一例としてアルミニュウム番手6063 等が挙げられる。
本件発明の光源支持体は、光源支持体の芯を銅で作成し、その周りをアルミニウムで囲った構造の支持体であり、本発明者はこの構造が良好な熱伝導を確保することができることを見出したものである。遮光壁Aと遮光壁Bを形成するように、アルミニウムを削り込み、銅をむき出しにして平坦部を作り、平坦部に、発光ダイオードが搭載されている半導体基板を固着したアルミニウム板を、超音波加熱等により固着させる。
なお、遮光壁A又は遮光壁Bの角度は、図5及び図6では、90度の例を示したが遮光の目的が達成できる範囲の角度を選ぶことが出来る。
発光ダイオードの電力供給線は、図示していないが、光源支持体6の内部又は外部に沿わせて配置することができる。通常は、電線を用いるが、導電性フィルムや導電性薄膜を用いることも可能である。
光源支持部6に設ける放熱フィンは、薄い板状のものが、光軸に平行に支柱から突出したものや、光軸に対して直角の板状の突出したものや、光軸に対して直角に棒状の突出したものが、想起されるが、いずれのものでも可能である。
光源支持体6は、図1〜図2からわかるように、放熱台座8に達する銅製の熱伝導棒6−1をもち、熱伝導棒は口金の中心部に穴7−2をあけ、さらに放熱台座の中心部に穴8−2をあけ、金属ペーストを塗布し緊密に嵌合することにより、発光ダイオードからの発熱が直接熱伝導が行える形で、放熱台座8に熱を逃がす。
金属ペーストとしては金ペースト、銀ペースト、銅ペースト、ニッケルペーストなどが知られているが、散熱性や経済性から見ると銀ペーストが好ましい。銀ペーストの例としてはCT212M,CT284R、CT285(京セラケミカル(株))、TB3300シリーズ((株)スリーボンド)などが挙げられる。
嵌合は超音波振動による溶接により行うことも出来、表面が金属ペーストを用いた場合より緊密に嵌合することが出来る。
放熱台座8は、フィン8−1を有し、フィンの形状は所望により種々の形状を取ることが出来る。また、放熱台座8は、空洞部があり、空洞の内部に耐水性のモータにより駆動される放熱用のファン3が設けられており、モータにより回転することにより、放熱フィンと相まって空気を掻き混ぜ放熱することにより光源支持体6を冷却する。
発光ダイオードの電力供給電線、及び冷却用ファンのモータの電力供給電線は、図示されていないが、電線、導電性フィルム、導電性薄板等いずれのものでもよい。
接続も、コネクタで結線してもよいし、カバーで一体的に固着と同時に結線するタイプでもよい。
本発明の冷却構造によれば、発光ダイオードの点灯と同時にほぼ照度が低下することなく1300ルーメンの照度を一定に維持することができる。
本発明者は、2000ルーメン以上の高輝度発光ダイオードについても、試験研究してきたが、1300ルーメンの高輝度発光ダイオードと同様の高い照度性能を得ることができることを確認した。
発光ダイオオードの基板温度は、80℃が限界であり、約80℃以下の保持されるのが、理想であり、100℃以上になると、発光ダイオード自体が破壊される。
したがって、約80℃以下に基板が保持されるよう、放熱フィンのフィン、冷却ファン等を考慮して設計されなければならない。

発光ダイオード(LED)には、黄色がないため黄色ランプは、光源として発光ダイオード(LED)を用いるが、ガラス電球に黄色顔料による被膜を設けて、黄色ランプを製造することもできる。黄色被膜は有機溶剤にナノ分散された黄色有機顔料あるいは黄色無機顔料とアクリル樹脂あるいはシリコーン樹脂を混合した液にガラス電球を浸漬するか、黄色顔料とアクリル樹脂あるいはシリコーン樹脂を混合した液をガラス電球にスプレー塗布し、乾燥させることにより、容易に得られる。黄色有機顔料としてはイソインドリノン系、イソインドリン系、キノフタロン系、ベンツイミダゾロン系、メタルコンプレックスアゾ系、縮合アゾ系の有機黄色顔料が挙げられ、市販品としてはイルガジンイエローL-2040(BASF社製、イソインドリノン系)、パリオトールエローL-2140(BASF社製、イソインドリン系)、パリオトールエローK-0961HD(BASF社製、キノフタロン系)、ホスタパームエローH-3G(クラリアント社製、ベンツイミダゾロン系)などが挙げられる。
黄色無機顔料としてはバナジン酸ビスマスや水酸化鉄などが挙げられる。また、バナジン酸ビスマスの前駆物質である有機バナジウム化合物と有機ビスマス化合物の有機溶媒溶液とゾルーゲル反応により得られたシリコーン樹脂を混合後、ガラス電球に塗布し、300−500℃の高温で焼成して黄色透明被膜を設けても良い。具体的にはバナジウム(III)アセチルアセトナートと2−エチルヘキサン酸ビスマス(III)の2−エチルヘキサン酸溶液をエタノールなどのアルコールに溶解させ、ゾルーゲル反応により得られたシリコーン樹脂のアルコール溶液と混合し、使用することができる。
また、ガラス電球に酸化チタンと酸化ケイ素を交互に真空蒸着させた黄色被膜も使用することができる。
本発明の実施例を示す。
図5において、光源支持体6の芯部は外径7mm、銅芯長70mmで、純度99.6%の銅を用いた(図9参照)。発光ダイオード(LED)が搭載されている半導体基板の背面側のアルミニウム金属薄板を熱伝導性接着剤(Diemat Inc.製、SK60N)で接着して光源支持体の表面に取り付けた。
図7において、発光ダイオード(LED)が搭載されている半導体基板の背面側のアルミニウム金属薄板を超音波振動による溶接で、光源支持体の同表面に取り付けた。
図6において、発光ダイオード(LED)が搭載されている半導体基板の背面側のアルミニウム金属薄板を超音波振動による溶接で、光源支持体の同表面に取り付けた。さらに、図7のように、放熱台座の空洞部に耐水性のモータにより駆動されるファンを装備した。
ファンを回転させた時は実施例2と同じであり、ファンを停止させた時では、明るさは以下の通りであった。
本発明の発光ダイオードを用いた車両用前照灯の特性を表1に示す。
Figure 2014211976
表中、銅−アルミ構造なしとは、光源支持体において、銅の部分をすべてアルミニウムで置き換えたものを云う。
(黄色ランプの製造例)
バナジン酸ビスマスの前駆物質であるバナジウム(III)アセチルアセトナート(98%)1.3gと2−エチルヘキサン酸ビスマス(III)の2−エチルヘキサン酸溶液(Bi:25%)4.0gをエタノール40gに溶解させ、ゾルーゲル反応により得られたシリコーン樹脂アルコール溶液(不揮発分20%)0.65gと混合した液をガラス電球(内径15mm、長さ45mmの円筒形)に約1μmの膜厚となるようにスプレー塗布し、室温で10分乾燥後、450℃で30分間焼成し、レモンイエロー色透明ガラス電球を得た。このガラス電球を発光ダイオードを用いた照明灯の外側に被せて、結線し、点灯させたところ、黄色光を発した。
(発光ダイオードによる車両用前照灯)
車両用前照灯は、所定の規格があり、発光ダイオードによる車両用前照灯においても、従来のハロゲンランプや高輝度放電ランプと同様の規格で作成することが出来る。
発光ダイオードは、黄色以外の色は出すことが出来るので、発光ダイオードによる車両用前照灯は、とくにガラス電球は必要としない。
規格を表2に示す。
Figure 2014211976
なお、数値は、口金の基準面からLED発光体の中心部までの長さ(mm)である。
本発明の発光ダイオード(LED)を用いた照明灯及び車両用前照灯は、あらゆる分野の照明に適しており、その利用範囲が広いため産業上極めて利用可能性が高いものである。
1発光ダイオード(LED)
2発光ダイオード(LED)取り付部
3外部電源接続端子
3−1外部電源接続線
4発光ダイオード(LED)が搭載されている半導体基板
5金属薄板
6光源支持体
6−1 光源支持体の熱伝導棒
7口金
7−1口金の電球体取付け部
7−2口金の熱伝導棒挿入部
8放熱台座
8−1放熱台座の表面のフィン
8−2放熱台座の熱伝導棒挿入部
8−3放熱台座の空洞部
8−4放熱台座の空洞部に入れられた冷却用電動ファン
9 ガラス電球(黄色)
10 ファン

Claims (9)

  1. 発光ダイオードが搭載されている半導体基板を固着したアルミニウム板を、銅製の熱伝導棒に直接固定し、当該固定されたアルミニウム板部位の熱伝導棒部位を除いて、遮光壁Aと遮光壁Bを形成するように、銅製の熱伝導棒の表面をアルミニウムで口金に達する部位まで被覆した上部構造と、長い銅製の熱伝導棒を有する下部構造からなる銅製の熱伝導棒で連結された光源支持体を、長い銅製の熱伝導棒で、口金を介して中心部が空洞になっているアルミニウム製放熱台座に嵌合させ、銅製の熱伝導棒の先端部が空洞部の奥深く侵入した位置で固定し、空洞部の空気で銅製の熱伝導棒の冷却することにより、発光ダイオードからの発熱をアルミニウム製放熱台座で逃がすことを特徴とする発光ダイオードを用いた照明灯。
  2. 発光ダイオードが搭載されている半導体基板を固着したアルミニウム板を、銅製の熱伝導棒に超音波溶接により直接固定した構造の請求項1に記載した発光ダイオードを用いた照明灯。
  3. 光源支持体の下部構造である長い銅製の熱伝導棒を、口金を介して中心部が空洞になっているアルミニウム製放熱台座に嵌合させ、銅製の熱伝導棒の先端部が空洞部の奥深く侵入した位置で固定し、溶融したアルミニウムを口金側の空洞部の空間に流し込み、アルミニウム製放熱台座の口金側の熱伝導棒の一部を固定した請求項1又は2に記載した発光ダイオードを用いた照明灯。
  4. 前記光源支持体の上部構造のアルミニウム表面に放熱用の溝若しく放熱用フィンを設け、かつ、放熱用のフィンが外周に設けられ、且つ中心部が空洞になっている放熱台座の空洞部が円柱状若しくは角柱状である請求項1〜3のいずれかに記載された発光ダイオードを用いた照明灯。
  5. 放熱台座の空洞部が円柱状若しくは角柱状であって、空洞部に耐水性のモータにより駆動されるファンを装備した請求項1〜4のいずれかに記載された発光ダイオードを用いた照明灯。
  6. 車両の前後方向に伸びる光軸上に、投影レンズ及び光源支持体の中心軸を配置し、光源支持体には、発光ダイオードよりなる光源を光軸に対して上面及び/又は下面に取り付け、光源より発した光が、前記投影レンズを通して光軸方向にほぼ投影するように、前記光軸上に反射鏡を設けた車両用前照灯において、光源として、請求項1〜5のいずれかに記載された発光ダイオードを用いた照明灯を用いた車両用前照灯。
  7. 発光ダイオードの光束が1300ルーメン以上である請求項6に記載された発光ダイオードを用いた車両用前照灯。
  8. 光源中心部から口金基準面までの距離が、31.25mm、24.55mm、31.625mm、27.375mm、27.25mm、27.4mm、26.85mm、27.5mm、27.05mm、31.5mm、18mm、31.25mm、27.1mmのいずれかである請求項6、7に記載した発光ダイオードを用いた照明灯を用いた車両用前照灯。
  9. 発光ダイオードを用いた照明灯の外側に黄色透明ガラス電球を付した請求項1〜8に記載した照明灯及びそれを用いた車両用前照灯。
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