JP2018026232A - 光源装置及び車両用灯具 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体及び励起光源に対する冷却性能に優れ、なお且つ、小型化が可能な光源装置を提供する。【解決手段】両端が開口した筒状体４と、筒状体４の周壁４ａに設けられた少なくとも１種又は２種以上の蛍光体５と、筒状体４の少なくとも一端側の開口部４ｂに設けられた羽根車６とを有して、筒状体４の周方向に回転駆動される回転ドラム２と、筒状体４の内側に配置された状態で、蛍光体５に向けて励起光Ｌを照射する励起光源３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置、並びにそのような光源装置を備える車両用灯具に関する。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子と、この半導体発光素子が発する光（励起光）に励起されて光（蛍光光）を発する蛍光体とを組み合わせて、可視光（主に白色光）を得ることができる光源装置が提案されている。

また、光源装置では、高輝度且つ高出力な光が得られる半導体レーザー（ＬＤ）などのレーザー光源を用いて、このレーザー光源が発するレーザー光（例えば紫外光）を種類の異なる蛍光体に照射することによって、可視光を得ることも行われている。

しかしながら、このような高輝度且つ高出力な励起光源を用いた場合、励起光源を冷却するだけでなく、励起光が照射される蛍光体が高温となることを防ぐ必要がある。すなわち、励起光の照射により蛍光体が発熱して蛍光体が高温となった場合は、蛍光体に生ずる温度消光によって光度の低下を招くことになる。

この対策として、蛍光体ホイールを回転させながら、この蛍光体ホイールに照射される励起光の位置を変更することが行われている（例えば、特許文献１〜５を参照。）。しかしながら、蛍光体ホイールを回転させるだけでは蛍光体の発熱を十分に抑えることは困難である。このため、蛍光体ホイールを回転させる機構とは別に、冷却ファンなどの冷却手段を用意し、蛍光体ホイールや励起光源を強制的に冷却する必要がある。

しかしながら、従来の光源装置では、蛍光体ホイールを回転させるための駆動機構と、冷却ファンを回転させるための駆動機構とを別々に備えることによって、装置全体が大型化してしまうといった問題があった。特に、このような光源装置を車両用前照灯（ヘッドランプ）などの車両用灯具に適用する場合は、灯体内に収容する必要があるため、光源装置をよりコンパクトに設計することが求められる。

特許第５１５２５８６号公報 特許第５６６１９４７号公報 特開２０１２−７８７０７号公報 特開２０１３−２１０４３９号公報 特開２０１５−６９８８４号公報

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、蛍光体及び励起光源に対する冷却性能に優れ、なお且つ、小型化が可能な光源装置、並びにそのような光源装置を備える車両用灯具を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔１〕 両端が開口した筒状体と、前記筒状体の周壁に設けられた少なくとも１種又は２種以上の蛍光体と、前記筒状体の少なくとも一端側の開口部に設けられた羽根車とを有して、前記筒状体の周方向に回転駆動される回転ドラムと、
前記筒状体の内側に配置された状態で、前記蛍光体に向けて励起光を照射する励起光源とを備える光源装置。
〔２〕 前記回転ドラムの回転駆動により前記筒状体と一体に回転する前記蛍光体に対して前記励起光源が励起光を照射することによって、この励起光が照射される前記蛍光体の位置を変えながら、前記蛍光体が励起されて発する光を前記筒状体の外側に向けて出射すると共に、
前記筒状体と一体に回転する前記羽根車が気流を発生させながら、この気流により前記蛍光体及び前記励起光源を冷却することを特徴とする前記〔１〕に記載の光源装置。
〔３〕 前記蛍光体は、前記筒状体の周壁を形成する透光性基材の表面又は内部に設けられていることを特徴とする前記〔１〕又は〔２〕に記載の光源装置。
〔４〕 前記蛍光体は、前記筒状体の周壁を形成していることを特徴とする前記〔１〕又は〔２〕に記載の光源装置。
〔５〕 前記励起光源は、レーザー光を出射する半導体レーザーであることを特徴とする前記〔１〕〜〔４〕の何れか一項に記載の光源装置。
〔６〕 前記励起光源は、前記半導体レーザーが発する熱を放熱させるヒートシンクを含むことを特徴とする前記〔５〕に記載の光源装置。
〔７〕 前記筒状体を回転自在に支持する回転支持部と、
前記励起光源を固定した状態で支持する固定支持部とを備え、
前記回転支持部と固定支持部とが一体に構成されていることを特徴とする前記〔１〕〜〔７〕の何れか一項に記載の光源装置。
〔８〕 前記回転ドラムは、回転モータの動力を伝達する動力伝達機構を介して回転駆動されることを特徴とする前記〔１〕〜〔７〕の何れか一項に記載の光源装置。
〔９〕 前記〔１〕〜〔８〕の何れか一項に記載の光源装置と、
前記光源装置から出射された光を投影する投影レンズとを備える車両用灯具。

以上のように、本発明によれば、蛍光体及び励起光源に対する冷却性能に優れ、なお且つ、小型化が可能な光源装置、並びにそのような光源装置を備える車両用灯具を提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係る光源装置の一構成例を示す分解斜視図である。 図１に示す光源装置の構成を示す正面図である。 図１に示す光源装置の構成を示す側面図である。 図１に示す光源装置を備えた車両用灯具の一例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らないものとする。

（光源装置）
先ず、本発明の一実施形態として、例えば図１〜図３に示す光源装置１について説明する。なお、図１は、光源装置１の構成を示す分解斜視図である。図２は、光源装置１の構成を示す正面図である。図３は、光源装置１の構成を示す側面図である。また、以下に示す図面では、ＸＹＺ直交座標系を設定し、Ｘ軸方向を光源装置１の前後方向、Ｙ軸方向を光源装置１の左右方向、Ｚ軸方向を光源装置１の上下方向として、それぞれ示すものとする。

本実施形態の光源装置１は、図１〜図３に示すように、回転ドラム２と、励起光源３とを備えている。回転ドラム２は、両端が開口した筒状体４と、筒状体４の周壁４ａに設けられた蛍光体５と、筒状体４の一端側の開口部４ｂに設けられた羽根車６とを有している。

筒状体４は、一端側の開口部４ｂを形成する第１のリング部材７ａと、他端側の開口部４ｃを形成する第２のリング部材７ｂと、第１のリング部材７ａと第２のリング部材７ｂとの間の周壁４ａを形成する透光性基材８とを有して、全体として略円筒状に形成されている。

このうち、第１のリング部材７ａ及び第２のリング部材７ｂは、放熱性に優れた金属等からなる。一方、透光性基材８は、ガラスや透明樹脂等を筒状に成形したもの、若しくは、可撓性を有する透明樹脂シート（フィルム）を円筒状に丸めて成形したものからなる。

蛍光体５は、透光性基材８の表面（内面又は外面）に積層して設けられている。また、蛍光体５は、透光性基材８の内部に分散して設けられた構成であってもよい。さらに、蛍光体５は、筒状体４の周壁４ａを直接形成するものであってもよく、透光性基材８の代わりに、この蛍光体５を円筒状に成形したもの（バルク）を用いることが可能である。

羽根車６は、第１のリング部材７ａの内側に放射状に並ぶ複数の羽根板６ａからなる。複数の羽根板６ａは、互いに同一方向に傾斜しながら、第１のリング部材７ａの内面に一体に取り付けられている。なお、羽根車６は、筒状体４の一端側の開口部４ｂに設けられた構成に限らず、筒状体４の他端側の開口部４ｃに設けられた構成や、筒状体４の両側の開口部４ｂ，４ｃに設けられた構成としてもよい。

回転ドラム２は、回転支持部９により筒状体４の周方向に回転自在に支持されている。具体的に、この回転支持部９は、ハウジング１０と、ハウジング４に回転自在に取り付けられた複数の保持ローラ１１とを有している。

ハウジング１０は、ベース部１０ａと、ベース部１０ａから前方に向かって延長された上下一対の上壁部１０ｂ及び下壁部１０ｃとを有している。上壁部１０ｂ及び下壁部１０ｃの内側は、筒状体４を収容すると共に、前方が開放された保持空間Ｋを形成している。

複数の保持ローラ１１は、保持空間Ｋに収容される筒状体４のうち、第１のリング部材７ａ及び第２のリング部材７ｂに対応する位置に、それぞれ対称に配置されている。また、複数の保持ローラ１１は、それぞれ対称となる位置の上壁部１０ｂの先端側と、下壁部１０ｃの先端側と、上壁部１０ｂ及び下壁部１０ｃの基端側との３箇所に配置されている。

第１のリング部材７ａ及び第２のリング部材７ｂの外周面には、それぞれ複数の保持ローラ１１を案内するガイド溝１２が全周に亘って設けられている。これにより、回転支持部９は、筒状体４を複数の保持ローラ１１により保持しながら、第１のリング部材７ａ及び第２のリング部材７ｂの外周面を周方向に回転自在に支持している。

なお、本実施形態では、第１のリング部材７ａ及び第２のリング部材７ｂの外周面にガイド溝１２を設けた構成となっているが、このガイド溝１２の代わりに、第１のリング部材７ａ及び第２のリング部材７ｂの外周面から全周に亘って突出したレール部を設けた構成としてもよい。この構成の場合、複数の保持ローラ１１については、レール部からの脱線を防ぐため、フランジ付きローラを用いることが好ましい。

回転ドラム２は、回転モータ１３の動力を伝達する動力伝達機構１４を介して筒状体４の周方向に回転駆動される。回転モータ１３は、ハウジング１０の上壁部１０ｂの外面側に設置されている。動力伝達機構１４は、回転モータ１３の駆動軸に取り付けられた摩擦車１４ａを有している。摩擦車１４ａは、上壁部１０ｂに設けられた開口部（図示せず。）を介して第１のリング部材７ａの外周面と接触した状態で配置されている。

これにより、回転モータ１３により摩擦車１４ａが回転すると、この摩擦車１４ａと接触する筒状体４が周方向に回転することになる。同時に、筒状体４と一体に回転する羽根車６によって、筒状体４の一端側の開口部４ｂから他端側の開口部４ｃに向かって気流Ｃが発生することになる。

なお、動力伝達機構１４については、このような構成に限定されることなく、例えばギア機構やチェーン機構、ベルト機構、クラッチ機構などを介して回転モータ１３の動力を回転ドラム２に伝達することが可能である。

ハウジング１０の両端には、エアフィルタ１５が設けられている。これにより、塵埃等を捕集しながら、筒状体４の内側において清浄な空気を流すことが可能である。なお、エアフィルタ１５については、少なくとも気流Ｃが発生する筒状体４の上流（一端側の開口部４ｂ）側に配置すればよく、下流（他端側の開口部４ｃ）側のエアフィルタ１５については省略することも可能である。

励起光源３は、蛍光体５に向けて励起光となるレーザー光Ｌを照射する半導体レーザー１６を有している。半導体レーザー１６は、回路基板１７の前面側に実装されて、レーザー光Ｌを前方（＋Ｘ軸方向）に向けて放射状に出射する。また、回路基板１７の後面側には、半導体レーザー１６が発する熱を放熱させるヒートシンク１８が取り付けられている。

励起光源３は、半導体レーザー１６を前方に向けた状態で、筒状体４の内側に配置されている。励起光源３は、固定支持部１９により固定した状態で支持されている。具体的に、この固定支持部１９は、上述した回転支持部９と一体に構成されており、ハウジング１０の両端に設けられた一対の支柱部２０と、一対の支柱部２０の間を連結する連結部２１とを有している。

一対の支柱部２０は、それぞれ対称となる位置の上壁部１０ｂと下壁部１０ｃとの間を連結した状態で、鉛直方向（Ｚ軸方向）に沿って配置されている。連結部２１は、筒状体４の中心部を貫通した状態で、水平方向（Ｙ軸方向）に沿って配置されている。励起光源３は、この連結部２１の中央部に一体に取り付けられている。

ここで、励起光源３において、半導体レーザー１６が発するレーザー光Ｌは、近紫外光であり、赤、緑、青の各色に対応した蛍光体５に、この近紫外光を照射することによって、各蛍光体５が励起されて発する赤色光、緑色光、青色光を混色した白色光（可視光）ＷＬを得ることが可能となっている。

筒状体４では、上述した種類の異なる蛍光体５を周壁４ａの周方向に沿って配置することが可能であり、これら異なる蛍光体５の面積比を変えることで、白色光（可視光）ＷＬのスペクトルを制御することが可能である。

また、励起光源３では、半導体レーザー１６が発するレーザー光Ｌの照射方向を走査する構成としてもよい。レーザー光Ｌの照射方向を走査する手段としては、例えばＭＥＭＳミラーやＤＭＤなどの空間変調素子を用いることができる。また、半導体レーザー１６自体において、レーザー光Ｌの照射方向を可変に制御できるものを用いてもよい。また、半導体レーザー１６については、１つに限らず、複数の半導体レーザー１６を並べて配置することも可能である。

以上のような構成を有する光源装置１では、回転ドラム２の回転駆動により筒状体４と一体に回転する蛍光体５に対して半導体レーザー１６がレーザー光Ｌを照射することによって、このレーザー光Ｌが照射される蛍光体５の位置を変えながら、蛍光体５が励起されることで得られる白色光ＷＬを筒状体４の外側（前方）に向けて出射することが可能である。

また、光源装置１では、筒状体４と一体に回転する羽根車６が気流Ｃを発生させながら、この筒状体４の内部を流れる気流Ｃによって、蛍光体５や半導体レーザー１６などの発熱部分を冷却することが可能である。

以上のように、本実施形態の光源装置１では、上述した筒状体４と一体に回転する蛍光体５に対するレーザー光Ｌの照射位置を変更ことによって、蛍光体５の温度消光を防ぐと共に、この蛍光体５の耐久性を向上させることが可能である。

また、本実施形態の光源装置１では、上述した筒状体４と一体に回転する羽根車６によって気流Ｃを発生させ、この気流Ｃによって蛍光体５や半導体レーザー１６などの発熱部分を効率良く冷却することが可能である。したがって、高輝度且つ高出力な半導体レーザー１６を用いた場合でも、蛍光体５や半導体レーザー１６等に対する冷却性能を十分に確保することが可能である。

また、本実施形態の光源装置１では、半導体レーザー１６を筒状体４の内側に配置することで、レーザー光Ｌが筒状体４の外部に直接照射されることを防止できるため、安全性を十分に確保することが可能である。

また、本実施形態の光源装置１では、従来のような蛍光体ホイールを回転させるための駆動機構と、冷却ファンを回転させるための駆動機構とを別々に備える必要がなく、従来よりも装置全体を小型化することが可能である。

（車両用灯具）
次に、図４に示す上記光源装置１を備えた車両用灯具１００について説明する。
なお、図４は、車両用灯具１００の一例を示す斜視図である。また、図４では、上記光源装置１を簡略化して図示している。また、以下の説明では、上記光源装置１と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。

本実施形態の車両用灯具１００は、図４に示すように、車両の前方に搭載される車両用前照灯（ヘッドランプ）に上記光源装置１を適用したものであり、上記光源装置１と、光源装置１から出射された白色光（以下、単に光という。）ＷＬを車両の前方に向けて投影する投影レンズ１０１とを備えている。

投影レンズ１０１は、例えばカットオフラインを含むすれ違い（ロービーム）用配光パターンＰを形成するため、このカットオフラインに対応した溝形状や段差形状等を含む構成としてもよい。

また、車両用灯具１００では、このような構成とは別に、光源装置１から出射された光ＷＬを車両進行方向に向けて反射するリフレクタや、リフレクタにより反射された光ＷＬの一部を遮光（カット）するシェードを備えた構成としてもよい。

この場合も、すれ違い用ビーム（ロービーム）として、シェードの前端によって規定される光源像を投影レンズ１０１により反転投影することで、上端にカットオフラインを含むロービーム用配光パターンＰを形成することができる。

また、車両用灯具１００では、すれ違い用ビーム（ロービーム）だけでなく、走行用ビーム（ハイビーム）として、光源装置１が出射する白色光ＷＬを投影レンズ１０１により投影することで、ロービーム用配光パターンＰの上方にハイビーム用配光パターンを形成する構成としてもよい。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
具体的に、上記励起光源３では、半導体レーザー１６を用いた構成となっているが、それ以外にも、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子を用いることが可能である。この場合、ＬＥＤが発する励起光（青色光）に励起されて蛍光光（黄色光）を発する蛍光体５とを組み合わせて、白色光（可視光）ＷＬを得ることが可能である。また、半導体レーザー１６が発するレーザー光Ｌを青色光とし、このレーザー光Ｌに励起されて蛍光光（黄色光）を発する蛍光体５とを組み合わせて、白色光（可視光）ＷＬを得ることも可能である。

また、上記蛍光体５については、赤、緑、青の各色に対応した蛍光体を混合したものを用いることができ、この蛍光体５に近紫外光を照射することによって、赤色光、緑色光、青色光を混色した白色光（可視光）ＷＬを得ることも可能である。

また、上記回転ドラム２では、上述したレーザー光Ｌ（励起光）の取り込み効率を向上させるため、筒状体４の内面に無反射層や微細構造による光学機能層（構造）などを設けた構成としてもよい。

また、上記光源装置１では、上述した白色光（可視光）ＷＬの集光などの光制御を行うため、マイクロレンズや微細構造による光学機能部材（構造）などを追加した構成としてもよい。

また、上記光源装置１では、上述した回転ドラム２を回転モータ１３により回転駆動する構成に限らず、外部から供給される気流によって、筒状体４を回転させることも可能である。この場合、外部からの気流が羽根車６に当たることで、この羽根車６と共に筒状体４が回転することになる。なお、外部からの気流は、外部の冷却機構などから供給することが可能である。

１…光源装置 ２…回転ドラム ３…励起光源 ４…筒状体 ４ａ…周壁 ４ｂ…一端側の開口部 ４ｂ…他端側の開口部 ５…蛍光体 ６…羽根車 ７ａ…第１のリング部材 ７ｂ…第２のリング部材 ８…透光性基材 ９…回転支持部 １０…ハウジング １１…保持ローラ １２…ガイド溝 １３…回転モータ １４…動力伝達機構 １５…エアフィルタ １６…半導体レーザー １７…回路基板 １８…ヒートシンク １９…固定支持部 ２０…支柱部 ２１…連結部 １００…車両用灯具 １０１…投影レンズ Ｋ…保持空間 Ｌ…レーザー光（励起光） ＷＬ…白色光（可視光）

Claims (9)

1. 両端が開口した筒状体と、前記筒状体の周壁に設けられた少なくとも１種又は２種以上の蛍光体と、前記筒状体の少なくとも一端側の開口部に設けられた羽根車とを有して、前記筒状体の周方向に回転駆動される回転ドラムと、
   前記筒状体の内側に配置された状態で、前記蛍光体に向けて励起光を照射する励起光源とを備える光源装置。
2. 前記回転ドラムの回転駆動により前記筒状体と一体に回転する前記蛍光体に対して前記励起光源が励起光を照射することによって、この励起光が照射される前記蛍光体の位置を変えながら、前記蛍光体が励起されて発する光を前記筒状体の外側に向けて出射すると共に、
   前記筒状体と一体に回転する前記羽根車が気流を発生させながら、この気流により前記蛍光体及び前記励起光源を冷却することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記蛍光体は、前記筒状体の周壁を形成する透光性基材の表面又は内部に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記蛍光体は、前記筒状体の周壁を形成していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
5. 前記励起光源は、レーザー光を出射する半導体レーザーであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光源装置。
6. 前記励起光源は、前記半導体レーザーが発する熱を放熱させるヒートシンクを含むことを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
7. 前記筒状体を回転自在に支持する回転支持部と、
   前記励起光源を固定した状態で支持する固定支持部とを備え、
   前記回転支持部と固定支持部とが一体に構成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の光源装置。
8. 前記回転ドラムは、回転モータの動力を伝達する動力伝達機構を介して回転駆動されることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の光源装置。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載の光源装置と、
   前記光源装置から出射された光を投影する投影レンズとを備える車両用灯具。

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