JP4140042B2 - 蛍光体を用いたｌｅｄ光源装置及びｌｅｄ光源装置を用いた車両前照灯 - Google Patents

蛍光体を用いたｌｅｄ光源装置及びｌｅｄ光源装置を用いた車両前照灯 Download PDF

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Description

本発明は、複数個のＬＥＤ素子及び蛍光体を用いたＬＥＤ光源装置と、この光源装置を使用した前照灯，補助前照灯等の車両前照灯に関するものである。
従来、大電流タイプの白色ＬＥＤ光源は、例えば図２２に示すように構成されている。
即ち、図２２において、白色ＬＥＤ光源１は、放熱コア２の上面に設けられたキャビティ２ａ内に実装されたＬＥＤチップ３の周囲を蛍光体を含むシリコン，エポキシ等の樹脂４で覆うと共に、樹脂４の上方にレンズ５を配置することにより構成されており、放熱コア２の周囲に配置されたリード端子６，７の上端をそれぞれ放熱コア２及びＬＥＤチップ３の電極部に金線６ａ，７ａによりワイヤボンディングすることにより、ＬＥＤチップ３に駆動電流を供給するようになっている。
ここで、ＬＥＤチップ３は例えば青色光を出射する青色ＬＥＤチップであり、樹脂４内の蛍光体は、青色光により励起されて黄色光を出射するようになっている。
このような構成の白色ＬＥＤ光源１によれば、ＬＥＤチップ３から出射した光Ｌ１が樹脂４内の蛍光体に当たって蛍光体を励起し、励起光Ｌ２とＬＥＤチップ３からの光Ｌ１との混色によって、外部に白色光が出射することになる。
ところで、このような構成の白色ＬＥＤ光源１においては、供給される駆動電流のうち、一部が光に変換されるものの、現状では約９０％近くが熱に変換されている。そして、発熱による温度上昇に伴って、ＬＥＤチップ３の内部量子効率が低下することになる。また、樹脂４内の蛍光体の励起光への変換効率も、ＬＥＤチップ３よりも温度上昇による影響が大きい。
このため、白色ＬＥＤ光源１に関して、温度上昇によって出射する光束が低下するだけでなく、色度がシフトしてしまう結果となることから、放熱対策が重要である。
従って、このような大電流タイプの白色ＬＥＤ光源１においては、ＬＥＤチップ３の放熱効率を高めるために、熱伝導性の高い材料、例えば銅から成る放熱コア２を使用して、放熱コア２上にＬＥＤチップ３を実装すると共に、ＬＥＤチップ３から出射する光の取出し効率を向上させるために、放熱コア２の上面に形成されたキャビティ２ａの内面を反射ホーンとして利用するようにしている。
このような構成により、白色ＬＥＤ光源１は例えば２００ｍＡ以上の大電流化が可能となり、ＬＥＤチップの高効率化、そして蛍光体の変換効率の向上によって、白色ＬＥＤ光源の高輝度化及び大光量化が実現されるようになってきている。
そして、ＬＥＤ自体の長寿命，省電力という利点もあって、ＬＥＤ光源の照明用光源，車両前照灯用光源として利用が現実的になってきている。
ここで、大電流タイプのＬＥＤ光源を車両前照灯の光源として利用する場合、以下のような問題があることから、実際に車両前照灯として構成することが困難である。
即ち、車両前照灯の配光特性、特にすれ違いビームの配光特性は、図２３に示すように規格化されており、対向車に眩惑光を与えないための水平ライン及び歩行者や交通標識を認識するために必要な１５度のエルボラインにおける光度の明暗差（以下、カットオフラインＣ１という）を必要とし、また運転者の遠方視認性を確保するために、前方における中心光度最低８０００ｃｄ以上を必要とする。
尚、従来のハロゲン電球を使用した車両前照灯では２００００ｃｄ以上の中心光度，ＨＩＤ（キセノン放電灯）を使用した車両前照灯では４００００ｃｄ以上の中心光度が一般的である。
光源として白色ＬＥＤ光源１を使用することにより、このような配光特性を実現するためには、従来図２４または図２５のような車両前照灯が考えられている。
図２４において、車両前照灯８は、集光用の凸レンズ８ａの後側の焦点Ｆ付近に対して、すれ違いビームの配光パターン即ち前述したカットオフを形成するための遮光板８ｂを配置すると共に、遮光板８ｂの直後に白色ＬＥＤ光源１を配置することにより、構成されている。
このような構成の車両前照灯８によれば、白色ＬＥＤ光源１から出射した光は、凸レンズ８ａの焦点Ｆに向かって進み、焦点Ｆ付近に配置された遮光板８ｂで不要な光が遮断されることにより、凸レンズ８ａで集光されて、図２３に示すように、所謂すれ違いビームのカットオフを備えた配光パターンで前方に向かって照射されることになる。
また、図２５において、車両前照灯９は、集光用の凸レンズ９ａの後側の焦点Ｆ付近に対して、すれ違いビームの配光パターン即ち前述したカットオフを形成するための遮光板９ｂを配置し、さらに上記凸レンズ９ａの焦点Ｆ付近に一方の焦点が位置し且つ他方の焦点が凸レンズ９ａの光軸上に位置する回転楕円面から成るリフレクタ９ｃを配置して、リフレクタ９ｃの他方の焦点位置付近に、凸レンズ９ａの光軸に垂直に、即ち凸レンズ９ａに対して横向きに白色ＬＥＤ光源１を配置することにより、構成されている。
このような構成の車両前照灯９によれば、白色ＬＥＤ光源１から出射した光は、リフレクタ９ｃにより反射されて、一方の焦点即ち凸レンズ９ａの焦点Ｆに向かって進み、焦点Ｆ付近に配置された遮光板９ｂで不要な光が遮断されることにより、凸レンズ９ａで集光されて、図２３に示すように、所謂すれ違いビームのカットオフを備えた配光パターンで前方に向かって照射されることになる。
ところで、これらの車両前照灯８，９によれば、白色ＬＥＤ光源１のレンズ（一次光学系レンズ）に対して、二次光学系レンズとしての凸レンズ８ａ，９ａにより遮光板８ｂ，９ｂの影を前方に向かって投影することにより、容易にカットオフを形成することができるが、白色ＬＥＤ光源１からの光の約３０乃至４０％が遮光板８ｂ，９ｂにより遮断されることになるので、光の利用効率が非常に低くなってしまう。
これに対して、白色ＬＥＤ光源１の発光部形状は、矩形や円形であることから、遮光板８ｂ，９ｂを使用せずに、明瞭なカットオフを形成することは困難である。
さらに、一般に、集光光学系における光度値は、光源の輝度（二次光学系レンズの焦点位置における輝度）と二次光学系面積によってほぼ決まってしまうので、既存のハロゲン電球やＨＩＤと比較して輝度が低いＬＥＤ光源の場合、光度のピーク値を成立させることが困難である。
そして、ＬＥＤ光源の高輝度化が進んだとしても、将来的にＬＥＤ光源の輝度がＨＩＤと同等の輝度を実現することは困難であると考えられることから、特に図２５に示すような車両前照灯９の場合、既存のプロジェクタタイプと同様の光度を得るためには、より大きな光学系面積が必要になると共に、ＬＥＤ光源の面発光という利点を生かすことができず、既存のプロジェクタタイプと同様の奥行きになり、車両前照灯の小型化及び薄型化を図ることが困難になってしまう。
また、図２４に示す車両前照灯８においては、遮光板８ｂが、ＬＥＤ光源１の発光部から離れる程、焦点Ｆ付近の光度値が急激に低下してしまう。出願人の実験によれば、図２６のグラフに示すように、約６割の光度を得るためには、発光部から２ｍｍ以内の位置に遮光板８ｂを配置することが望ましいが、一般的にＬＥＤ光源１は、光取り出し効率の向上及びＬＥＤチップ３，蛍光体を含む樹脂４や金線６ａ，７ａの保護のために、樹脂モールドによるレンズ５で覆われていることから、発光部から２ｍｍ以内の位置に遮光板８ｂを配置することは不可能である。
これに対して、車両前照灯８においては、ＬＥＤ光源１の発光部の発光部形状がそのまま凸レンズ８ａにより前方に向かって投影されるので、ＬＥＤチップ３内の色ムラや輝度分布がそのまま配光特性に反映されることになる。
ここで、白色ＬＥＤ光源１は、図２２に関連して前述したように構成されていることから、発光部は、実質的に蛍光体を含む樹脂４の表面になる。従って、発光部表面における光の色は、ＬＥＤチップ３からの透過光と蛍光体による励起光の比によって決まり、ＬＥＤチップ３の直上では、ＬＥＤチップ３からの透過光が多いことから、青色ＬＥＤチップの場合、青白い光となり、周辺にいくに従って黄色がかった白い光となり、色ムラが発生することになる。
また、輝度分布も同様であり、輝度ムラがそのまま前方に向かって照射されることにより、配光特性に影響を与えることになってしまう。
さらに、上述した車両前照灯８においては、光源である白色ＬＥＤ光源１の発光部形状またはそれに近い像がそのまま凸レンズ８ａによって前方に向かって投影されるので、例えば図２７に示すような二次カットオフラインＣ２が形成されることになり、スクリーンや路面に照射されたとき、この二次カットオフラインＣ２が配光ムラを生ずることになる。
このような二次カットオフラインによる配光ムラを目立たなくさせるために、例えば図２８に示すように、複数組（図示の場合、四組）の車両前照灯８を設けて、各組の凸レンズ８ａの焦点距離を互いに異なるように構成する方法も考えられるが、前述した二次カットオフラインＣ２を除去することはできず、図２９に示すように、複数本の二次カットオフラインＣ２が生ずることになり、配光特性に滑らかなグラデーションを生成することができない。
これに対して、白色ＬＥＤ光源１と遮光板８ａとの間に、例えば図３０に示すように、二次光学系レンズとして一枚構成の第二の凸レンズ８ｄを配置し、または図３１に示すように、二枚構成の第二の凸レンズ８ｅを配置することにより、白色ＬＥＤ光源１の像を凸レンズ８ａの焦点Ｆ付近に形成する方法も考えられる。
しかしながら、これらの構成においては、複数のレンズ、即ち凸レンズ８ａと第二の凸レンズ８ｄまたは８ｅにより、配光特性にグラデーションを生成することは可能であるが、光学系が複雑となり、部品点数が多くなり、部品コスト及び組立コストが増大すると共に、光軸合わせの調整が困難になってしまう。
本発明は、以上の点から、光源として複数個の蛍光体を用いたＬＥＤ素子を使用して前照灯，補助前照灯等の前方に向かって光を照射するために適したＬＥＤ光源装置及びこの ＬＥＤ光源装置を用いた車両前照灯を提供することを目的としている。
上記目的は、本発明の第一の構成によれば、上面にキャビティが形成されている基台と、上記基台のキャビティ内に実装されたＬＥＤチップと、このキャビティ内にてＬＥＤチップを封止する樹脂部と、上記基台の上方にてＬＥＤチップから隔置して配置された光学部材と、を備えたＬＥＤ光源装置であって、上記光学部材が、遮光部と、遮光部を除く領域に配置された蛍光体層と、を含んでおり、上記基台が放熱コアとして形成されていることを特徴とする、ＬＥＤ光源装置により、達成される。
本発明によるＬＥＤ光源装置は、好ましくは、上記遮光部が、光学部材の内面上に設け た薄膜または板状部材から構成されている。
本発明によるＬＥＤ光源装置は、好ましくは、上記遮光部の内面が、ＬＥＤチップから の光を光軸に対して傾斜して反射するように、傾斜して配置されている反射面である。
本発明によるＬＥＤ光源装置は、好ましくは、さらに、光学部材の外面に、第二の遮光 部を備えている。
本発明によるＬＥＤ光源装置は、好ましくは、上記反射面に対向して、この反射面からの反射光を上記遮光部材を除く領域に配置された蛍光体層を通って光軸方向に向かって照 射する第二の反射面を、基台のキャビティ内面に備えている。
本発明によるＬＥＤ光源装置は、好ましくは、上記遮光部が、ＬＥＤチップから２ｍｍ 以内、好ましくは１ｍｍ以内の位置に配置されている。
本発明によるＬＥＤ光源装置は、好ましくは、上記蛍光体層が、薄膜フィルム状に形成されている。
本発明によるＬＥＤ光源装置は、好ましくは、上記蛍光体層は、上記蛍光体層が接する光学部材または遮光部との間にＳｉＯ2 層を介在して配置されている。
また、上記目的は、本発明の第二の構成によれば、前述したＬＥＤ光源装置の何れかと、この光源装置の遮光部付近に光源側の焦点が位置するように配置された投影レンズと、を備えており、上記投影レンズが遮光部によりカットオフされた光源装置の発光部の形状を前方に向かって照射することを特徴とする、車両前照灯により、達成される。
上記第一の構成によれば、ＬＥＤチップから出射した光は、直接にまたはキャビティ内面で反射されて、樹脂部から出射し、蛍光体層に入射する。そして、蛍光体層の蛍光体がＬＥＤチップからの光により励起され、励起による蛍光とＬＥＤチップからの光の混色光が、遮光部によりカットオフを形成されて、光軸に沿って出射することになる。従って、この光を投影レンズにより光軸方向に沿って、所定の配光パターンで、例えば自動車の前方に向かって投影することにより、車両前照灯用の配光パターンで照射されることになる。
その際、蛍光体層が、ＬＥＤチップから隔置して、即ちＬＥＤチップに対して樹脂部そして空間を介して配置されていることにより、ＬＥＤチップの発熱が蛍光体層に伝達されにくくなっている。このため、ＬＥＤチップの発熱による蛍光体層の温度上昇が抑止されることになる。
従って、蛍光体層の温度上昇による励起光の変換効率の低下が抑制され、励起光の減少が抑止されることにより、温度上昇による色度の変化が低減され得ると共に、励起による蛍光とＬＥＤチップからの光の混色光の光度が高くなり、光取出し効率が向上することになる。
また、ＬＥＤチップと蛍光体層が隔置されていることから、ＬＥＤチップの発光部の輝度ムラが分散されて蛍光体層に入射することになり、色ムラを低減することができると共に、輝度分布の滑らかなグラデーションを形成することができる。
さらに、遮光部が光源装置内に配置されていることから、ＬＥＤチップと遮光部との距離を近接させることができるので、発光部付近の高輝度な部分で遮光部によりカットオフを形成することが可能となり、例えば車両前照灯としての高光度化及び明瞭なカットオフを実現することができる。
さらにまた、上記基台が放熱コアとして形成されていることによって、ＬＥＤチップの駆動による発熱が例えば銅製の放熱コアを介して放熱されることにより、ＬＥＤチップの温度上昇を抑制することができる。
上記遮光部が、ＬＥＤチップから２ｍｍ以内、好ましくは１ｍｍ以内の位置に配置されている場合には、遮光部における高い光度が得られ、２ｍｍ以内ではＬＥＤチップの光度の約６０％、１ｍｍ以内ではＬＥＤチップの光度の約９０％の光度が得られる。
上記遮光部が、光学部材の内面上に設けた薄膜または板状部材から構成されている場合には、例えば光学部材の内面に対して、スパッタリング等により薄膜を形成し、あるいは 板状部材から成る遮光部を接着することにより、容易に遮光部を構成することができると共に、遮光部を支持する部材を設ける必要がなく、光源装置の構成を簡略化することができる。
さらに、光学部材の外面に、第二の遮光部を備えている場合には、光源装置から光軸方向に出射した光を投影レンズにより照射するとき、遮光部及び第二の遮光部によって、それぞれ投影レンズの色収差による赤色光や青色光の焦点位置付近でそれぞれ遮光することによって、色の分離を取り除くことができる。
尚、遮光部と第二の遮光部の光軸方向の距離は、赤色光と青色光の焦点距離の差に対応しており、投影レンズの焦点距離の約２％程度であって、これは光学部材の厚さを適宜に選定することにより、調整され得る。
上記遮光部の内面が、ＬＥＤチップからの光を光軸に対して傾斜して反射するように、 傾斜して配置されている反射面である場合には、ＬＥＤチップから出射して遮光部に入射した光が、この反射面により反射されてＬＥＤチップからずれた位置に向かって進んだ後、キャビティ内面で再び反射されて、遮光部以外の領域に導かれて、その一部が光学部材を通って外部に出射することになり、光の取出し効率が向上することになる。
上記反射面に対向して、この反射面からの反射光を上記遮光部を除く領域に配置された 蛍光体層を通って光軸方向に向かって照射する第二の反射面を、基台のキャビティ内面に備えている場合には、反射面で反射された光がキャビティ内面に向かって進み、第二の反射面により反射されて、蛍光体層を通って外部に出射することになり、光の取出し効率がより一層向上することになる。
上記蛍光体層は、薄膜フィルムとして形成されることにより、全体がほぼ一定の厚さに保持され得る。従って、蛍光体層に同じ入射角で入射した光の蛍光体層内の光路長が同じになることから、色ムラの発生が抑制されることになる。
また、蛍光体層が、光学部材の内面から内側または外側に、光軸から離れるにつれて厚さが薄くなるように、扁平な凸レンズ状に形成される場合には、これにより、光軸から離れた周辺領域にて、ＬＥＤチップから蛍光体層への入射角が大きくなっても、蛍光体層内の光路長があまり長くならないので、混色光が黄色がかる等の色度のずれが低減され得ることになる。
上記蛍光体層は、上記蛍光体層が接する光学部材または遮光部との間に、ＳｉＯ2 層を 介在して配置されている場合には、光学部材及び遮光部を構成する材料に関わらず、その表面にＳｉＯ2 層が介在することにより、蛍光体層を光学部材または遮光部に容易に密着させて、蛍光体層の剥離を防止することができる。
上記第二の構成によれば、光源装置のＬＥＤチップからの光は、蛍光体層の蛍光体を励起して、励起光との混色光となって遮光部を介して出射し、投影レンズの入射面に入射して、投影レンズによって集束されることにより、前方に向かって照射され、その際遮光部により所定の配光特性を形成して、対向車に幻惑光を与えないような所謂すれ違いビームの配光特性が得られる。
その際、蛍光体層が、ＬＥＤチップから隔置して、即ちＬＥＤチップに対して樹脂部そして空間を介して配置されていることにより、ＬＥＤチップの発熱が蛍光体層に伝達されにくくなっている。このため、ＬＥＤチップの発熱による蛍光体層の温度上昇が抑止されることになる。
従って、蛍光体層の温度上昇による励起光の変換効率の低下が抑制され、励起光の減少が抑止されることにより、温度上昇による色度の変化が低減され得ると共に、励起による蛍光とＬＥＤチップからの光の混色光の光度が高くなり、光取出し効率が向上することになる。
また、ＬＥＤチップと蛍光体層が隔置されていることから、ＬＥＤチップの発光部の輝度ムラが分散されて蛍光体層に入射することになり、色ムラを低減することができると共に、輝度分布の滑らかなグラデーションを形成することができる。
さらに、遮光部が光源装置内に配置されていることから、ＬＥＤチップと遮光部との距離を近接させることができるので、発光部付近の高輝度な部分で遮光部によりカットオフを形成することが可能となり、車両前照灯としての高光度化及び明瞭なカットオフを実現することができる。
さらにまた、上記基台が放熱コアとして形成されていることによって、ＬＥＤチップの 駆動による発熱が例えば銅製の放熱コアを介して放熱されることにより、ＬＥＤチップの 温度上昇を抑制することができる。
このようにして、本発明によれば、ＬＥＤチップからの光を隔置された蛍光体層に入射させて、蛍光体層中の蛍光体を励起し、その励起光とＬＥＤチップからの光の混色光を、遮光部を介して光源装置の外部に出射させ、投影レンズにより前方に向かって投影することにより、蛍光体層の温度上昇を抑制して、ＬＥＤチップからの出射光の利用効率を向上させると共に、温度上昇による色度のずれを排除して、前照灯として必要な配光パターンと輝度分布を得ることができる。従って、光源としてＬＥＤチップ及び蛍光体を用いた前照灯，補助前照灯に適したＬＥＤ光源装置そしてこのＬＥＤ光源装置を用いた車両前照灯を提供することができる。
以下、この発明の好適な実施形態を図１から図２１を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
図１〜図３は、本発明によるＬＥＤ光源装置の第一の実施形態を使用した車両前照灯の構成を示している。
図１及び図２において、車両前照灯１０は、光源装置１１と、光源装置１１からの光を集束させる投影レンズ１２と、から構成されている。
上記光源装置１１は、図４及び図５に示すように、基台２０と、ＬＥＤチップ２１と、樹脂部２２と、光学部材２３と、遮光部２４と、蛍光体層２５と、一対のリード端子２６，２７と、から構成されている。
上記基台２０は、図示の場合、銅等の熱伝導性の良好な放熱コアから構成されており、上面に上方に向かって拡るように形成された凹状のキャビティ２０ａを備えている。
上記ＬＥＤチップ２１は、例えば青色ＬＥＤチップであって、基台２０のキャビティ２０ａの底面にダイボンディング等により実装されており、その上面の電極部が一方のリード端子２６の上端に対して金線２６ａによりワイヤボンディングされている。これに対して、他方のリード端子２７の上端に対して、基台２０の上面が同様に金線２７ａによりワイヤボンディングされている。
上記樹脂部２２は、シリコン等の透光性樹脂から成り、基台２０のキャビティ２０ａ内に充填され、硬化されている。
上記光学部材２３は、ガラス，樹脂等の透光性材料から成るフラットカバー（またはレンズ）であって、上記ＬＥＤチップ２１の上方にて、その光軸に対してほぼ垂直に配置されている。
上記遮光部２４は、上記光学部材２３の内面（図５にて下面）にて、その一部領域に配置されており、ＬＥＤチップ２１から出射した光の一部を遮断することにより、所謂カットオフを形成して、投影レンズ１２により投影される光の配光パターンを、例えば図２３に示す車両前照灯のすれ違いビームの配光パターンとなるように調整する。
そして、上記遮光部２４は、ＬＥＤチップ２１の光軸上にて、ＬＥＤチップ２１の発光面である上面から２ｍｍ以内、好ましくは１ｍｍ以内の位置に配置されている。
さらに、上記遮光部２４は、そのＬＥＤチップ２１側の表面に反射面２４ａを備えていてもよい。
この反射面２４ａは、遮光部２４自体が、例えばステンレス鋼，アルミニウム等の金属板から構成され、光学部材２３の内面に接着等により貼り付けられていてもよく、また遮光部２４の表面に例えばスパッタリング等により形成された金属薄膜として構成されていてもよい。
金属薄膜としては、例えばアルミニウムが好適であり、約９０％程度の反射率を実現することが可能である。
また、ニッケル及びアルミニウムの二層構造の金属薄膜であってもよい。この場合、ニッケルを内側に配置することにより、光学部材２３または遮光部２４の表面を平滑化することにより、より平坦な反射面２４ａを形成することが可能になる。
さらに、遮光部２４及び反射面２４ａを一体の薄膜として形成する場合、光の透過を防止するためには、１００ｎｍ以上の厚さにすることが好ましい。
上記遮光部２４は、図６に示すように、光軸方向に関して所定の厚さｄを有している。この厚さは、投影レンズ１２の赤色波長（長波長側）による焦点位置Ｆ１及び青色波長（短波長側）による焦点距離Ｆ２の差異（図７参照）、即ち一般的には、投影レンズ１２が通常の材料から構成される場合、その焦点距離の約２％程度に選定されている。
これにより、投影レンズ１２を構成する材料の赤色波長及び青色波長の光に対する屈折率の違いにより発生する色収差を取り除いて、投影レンズ１２の色収差により分離した赤色光や青色光を遮光部２４により確実に遮断して、前方に向かって照射される光における色の分離を取り除くようになっている。
尚、遮光部２４の厚さｄにより、投影レンズ１２の赤色波長（長波長側）及び青色波長（短波長側）による焦点距離の差異に対応させる代わりに、図８に示すように、光学部材２３の内面の遮光部２４に対応して、光学部材２４の外面に第二の遮光部２８を設けて、光学部材２３の厚さを前述した焦点距離の差異ｄに対応させるようにしてもよい。
上記蛍光体層２５は、例えばシリコン材料に蛍光体（図示せず）を含浸させて、薄膜フィルム状に形成されており、光学部材２３の内面に対して接着等により貼り付けられている。
蛍光体は、ＬＥＤチップ２１からの青色光により励起されて、励起光である黄色光を出射し、この黄色光がＬＥＤチップ２１からの青色光と混色されて、白色光となって外部に出射されるようになっている。
ここで、光学部材２３及び遮光部２４の表面には、ＳｉＯ2 膜２３ａがコーティングされており、上記蛍光体層２５の光学部材２３及び遮光部２４の表面に対する密着性を高めて、蛍光体層２５の剥離を防止するようになっている。
上記ＳｉＯ2 膜２３ａは、例えばスパッタリング等の薄膜コーティング法により形成され、上記反射面２４ａが薄膜から成る場合には、反射面２４ａと同時に形成するようにしてもよい。
尚、光学部材２３がガラスから構成されている場合には、このＳｉＯ2 膜２３ａは省略されてもよい。
さらに、上記蛍光体層２５は、ＬＥＤチップ２１の上面から所定距離の位置に配置されている。これにより、ＬＥＤチップ２１から蛍光体層２５に対する熱伝導が低減されることになり、蛍光体層２５の温度上昇が抑制される。
ここで、例えば蛍光体層２５は、一般に１００℃で常温時の約７０％程度の変換効率となり、１５０℃に達すると約５０％以下の変換効率になってしまう。これに対して、ＬＥＤチップ２１は、１００℃で９０％，１５０で７０％の出力低下がある。
従って、ＬＥＤチップ２１と蛍光体層２５の間の温度抵抗を距離及び媒質を調整して、ＬＥＤチップ２１に対して蛍光体層２５の温度を例えば７割程度に低く保持することにより、ＬＥＤチップ２１及び蛍光体層２５の温度上昇による効率低下の差異を低減することにより、混色光の色度のずれを低減することができる。
例えば、図２に示した光源装置１１においては、ＬＥＤチップ２１から蛍光体層２５までの距離を１．２ｍｍとすることにより、ＬＥＤチップ２１の温度が１００℃のとき、蛍光体層２５の温度を約７０℃程度まで低下させることができ、蛍光体層２５の温度上昇による変換効率の低下を抑制して、色度のずれを低減することができる。
また、上記蛍光体層２５は、薄膜フィルムとして形成されることにより、図９に示すように、全体がほぼ一定の厚さに保持され得る。従って、蛍光体層２５に同じ入射角で入射した光の蛍光体層２５内の光路長が同じになることから、色ムラの発生が抑制されることになる。
これに対して、蛍光体層２５は、図１０または図１１に示すように、光学部材２４の内面から内側または外側に、光軸から離れるにつれて厚さが薄くなるように、扁平な凸レンズ状に形成されていてもよい。これにより、光軸から離れた周辺領域にて、ＬＥＤチップ２１から蛍光体層２５への入射角が大きくなっても、蛍光体層２５内の光路長があまり長くならないので、混色光が黄色がかる等の色度のずれが低減され得ることになる。
ここで、上記蛍光体層２５は、例えば蛍光体を含浸させたシリコン材料等をスピンコータ等によってガラス板等の上に塗布することにより、薄膜フィルムとして形成され、あるいは金型成形によって形成される。金型成形の場合には、上述したように図１０または図１１に示す厚さが一定でない形状の蛍光体層２５を容易に作成することが可能である。
上記投影レンズ１２は、凸レンズから構成されており、上記光源装置１１の基台２０の前方に向かってほぼ水平に延びる中心軸上に光軸が一致するように、そしてその光源装置１１側の焦点位置Ｆが、光源装置１１の遮光部２３付近に位置するように、配置されている。
本発明実施形態による車両前照灯１０は、以上のように構成されており、光源装置１１のＬＥＤチップ２１が給電されて発光することにより、ＬＥＤチップ２１から出射した光は、直接に、または基台２０のキャビティ２０ａの内面で反射されて樹脂部２２から出射して、隔置された蛍光体層２５に入射して、蛍光体層２５中の蛍光体を励起する。
そして、蛍光体による励起光である黄色光がＬＥＤチップ２１からの青色光と混色され白色光となって、光学部材２４を透過して出射され、投影レンズ１２により集光されて、前方に向かって照射されることになる。
その際、上記混色光である白色光の一部が遮光部２４により遮断されることにより、カットオフを形成されて、その像が投影レンズ１２により前方に向かって投影されるので、図３に示すように、すれ違いビームの配光パターンＬを備えることになる。
ここで、光源装置１１の蛍光体層２５がＬＥＤチップ２１から隔置されていることにより、蛍光体層２５の温度上昇が抑制されることになり、ＬＥＤチップ２１及び蛍光体層２５の温度上昇による効率低下の差異が縮小されるので、温度上昇による混色光の色度のずれが抑制されることになる。
また、光源装置１１内にて遮光部２４がＬＥＤチップ２１に近接して配置されているので、遮光部２４において高光度が得られることになり、この遮光部２４の像を投影レンズ１２により前方に向かって投影することにより、明瞭なカットオフを形成することができる。
例えば、実験によれば、ＬＥＤチップ２１から遮光部２４までの距離を２ｍｍ以内に設定することにより約６０％の光度を、また１ｍｍ以内に設定することにより約９０％の光度を得ることができる。
その際、投影レンズ１２の焦点位置を光源装置１１の遮光部２４付近に位置合わせすることによって、簡単な構成により、車両前照灯を構成することができる。
さらに、遮光部２４の内面に反射面２４ａを備えていることにより、遮光部２４に入射する光が反射されて、再利用により遮光部２４を通って前方に向かって照射されることにより、光源装置１１からの光の取出し効率が約１０％程度高められることになる。
また、遮光部２４が所定の厚さを備えていることにより、投影レンズ１２の色収差による赤色光及び青色光の分離を取り除くことができるので、前方に向かって照射される光は、車両前照灯に適した白色光となる。
さらに、蛍光体層２５がＬＥＤチップ２１から隔置されていることにより、図１２に示すように、ＬＥＤチップ２１からの光が十分に拡散した状態で蛍光体層２５に入射することになるので、蛍光体層２５からの混色光の輝度分布が滑らかなグラデーションを備えることになり、投影レンズ１２により投影される配光パターンにおいて、二次的カットオフラインが目立たなくなり、路面における配光スジ等が大幅に削減され得ることになる。
ここで、蛍光体層２５がＬＥＤチップ２１から隔置されていることにより、中心輝度が約２／３程度と低下することになるが、蛍光体の変換効率の向上，反射面２４ａによる光取出し効率の向上により、輝度の低下を部分的に補償することができると共に、色ムラの低減、輝度分布のグラデーション生成等の大きな利点が得られることになる。
このようにして、本発明による車両前照灯１０によれば、蛍光体層２５のＬＥＤチップ２１からの隔置により、温度上昇による蛍光体層２５の蛍光体による変換効率を向上させて、温度上昇による色度のずれを低減すると共に、遮光部２４をＬＥＤチップ２１に近接させることによって、軸上輝度を向上させ、且つ明瞭なカットオフを形成することができる。
従って、光源としてＬＥＤチップ２１を使用することにより、前照灯等に適した車両前照灯１０を実現することができる。
図１３は、本発明による車両前照灯の第二の実施形態の要部の構成を示している。
図１３において、車両前照灯３０は、図１及び図２に示した車両前照灯１０とほぼ同様の構成であるが、光源装置１１の反射面２４ａが、光軸に垂直な面に対して斜めに配置されており、これに対応して、基台２０のキャビティ２０ａの内面が異型反射ホーン２０ｂとして形成されている点で異なる構成になっている。 この場合、反射面２４ａは、遮光部材により形成された遮光部２４が光軸方向に立体的に構成され、その斜面が鏡面仕上げされることにより、形成されている。
このような構成の車両前照灯３０によれば、図１及び図２に示した車両前照灯１０と同様に作用すると共に、遮光部２４に入射する光の大部分が、反射面２４ａにより反射されて、基台２０のキャビティ２０ａの異型反射ホーン２０ｂに導かれて、異型反射ホーン２０ｂにより反射され、二次反射光として蛍光体層２５に入射し、その励起光との混色光が光学部材２３を介して外部に出射される。これにより、光源装置１１からの光の取出し効率がより一層向上することになる。
図１４は、本発明による車両前照灯の第三の実施形態の要部の構成を示している。
図１４において、車両前照灯４０は、図１３に示した車両前照灯３０の変形例であって、光源装置１１の反射面２４ａが、遮光部２４としても作用する金属薄膜から構成されており、これに対応して、光学部材２３が反射面２４ａの表面を画成するように立体的に形成されている点で異なる構成になっている。
このような構成の車両前照灯４０によれば、図１３に示した車両前照灯３０と同様に作用して、反射面２４ａに入射する光の大部分が、反射されて、基台２０のキャビティ２０ａの異型反射ホーン２０ｂに導かれて、異型反射ホーン２０ｂにより反射され、二次反射光として蛍光体層２５に入射し、その励起光との混色光が光学部材２３を介して外部に出射される。これにより、光源装置１１からの光の取出し効率がより一層向上することになる。
図１５は、本発明による車両前照灯の第四の実施形態の要部の構成を示している。
図１５において、車両前照灯５０は、図１及び図２に示した車両前照灯１０とほぼ同様の構成であるが、光源装置１１が、基台２０の代わりに、セラミック基台として構成された基台５１を備えていると共に、光学部材２３の外面に微小構造（マイクロテクスチャ構造）としてマイクロレンズアレイ５２を備えている点で異なる構成になっている。
上記基台５１は、キャビティ５１ａを備えた積層構造のセラミック基台として、例えば窒化アルミニウムやアルミナ等のセラミック材から構成されており、内部にＬＥＤチップ２１のための配線パターン５１ｂ，５１ｃを備えている。
これにより、ＬＥＤチップ２１は、キャビティ５１ａの底面に露出した一方の配線パターン５１ｂ上にダイボンディングされると共に、その上面の電極部が一方の配線パターン５１ｃに対して金線５１ｄによりワイヤボンディングされている。
上記マイクロレンズアレイ５２は、図示の場合、それ自体単体として形成されており、フラットカバーである光学部材２３上に接着等により貼り付けられている。
上記マイクロレンズアレイ５２は、図１６に示すように光学部材２３に対して比較的大きな入射角で入射して、光学部材２３内で内面反射を繰り返して、光学部材２３から出射し得なくなった光を、図１７に示すように、光学部材２３の外面から外部に出射させることができる。
尚、この場合、微小構造として、マイクロレンズアレイ５２が使用されているが、これに限らず、光学的に同様の機能を備えていれば、図１８または図１９に示すマイクロプリズムアレイ５３または５４を備えるようにしてもよい。
さらに、上記マイクロレンズアレイ５２の個々のマイクロレンズを非球面レンズとして形成し、あるいはマイクロプリズムアレイ５３，５４の個々のマイクロプリズムを例えばピラミッド状のプリズムとして形成することにより、光学部材２３から出射する光を個々のマイクロレンズまたはマイクロプリズムにより屈折させて、出射光に対して光軸方向の指向性を付与することもできる。
これにより、投影レンズ１２の取り込み角内に、より多くの光束を入射させることができるので、車両前照灯５０として光の利用効率が向上し、照射光の高光度化を図ることができる。
このような構成の車両前照灯５０によれば、図１及び図２に示した車両前照灯１０と同様に作用すると共に、マイクロレンズアレイ５２により、フラットカバーとしての光学部材２３内で内面反射を繰り返す光を外部に取り出すことによって、図２０にて実線で示すように、前方に向かって拡散する光を多くして、光源装置１１からの光の取出し効率が約５乃至２０％程度向上することになる。
具体的には、マイクロレンズアレイ５２の個々のマイクロレンズを直径５０μｍの半球レンズとして形成したとき、光の取出し効率を約１２％向上させることができた。
また、この場合、基台と別体のリード端子２７，２８の代わりに、基台５１内に一体化された配線パターン５１ｂ，５１ｃが備えられているので、部品点数が少なくて済み、部品コスト及び組立コストが低減され得る。
尚、上記車両前照灯５０においては、投影レンズ１２の色収差を補償するために、遮光部２４の実質的な厚さを所定厚さｄにするために、光学部材２４の外面に第二の遮光部２８を設ける場合、第二の遮光部２８の端縁を、マイクロレンズアレイ５２より前方に配置する必要がある。
このため、図２１に示すように、第二の遮光部２８を構成する板状部材が、光学部材２４の遮光部２４に対応する外面に配置され、あるいはこの板状部材に相当する部分を光学部材２４と一体的に前もって形成しておき、この部分に遮光材料をコーティング，塗布等により備えるようにしてもよい。
上述した実施形態においては、すれ違いビーム用の配光特性として、左側通行の場合に限定して、自動車の前方に向かって右側に関して、対向車に幻惑光を与えないように、遮光部２４，第二の遮光部２８の端縁が形成されているが、これに限らず、右側通行の場合には、車両前照灯において、遮光部２４，２８の端縁の配置が左右逆転されることにより、同様の効果が得られることになる。
本発明による車両前照灯の第一の実施形態の構成を示す概略斜視図である。 図１の車両前照灯の構成を示す概略断面図である。 図１の車両前照灯による配光パターンを示す概略斜視図である。 図１の車両前照灯における光源装置の構成を示す概略斜視図である。 図４の光源装置の構成を示す概略断面図である。 図４の光源装置における遮光部の構成を示す部分拡大断面図である。 図１の車両前照灯による投影レンズの色収差を示す概略図である。 図４の光源装置における遮光部の変形例の構成を示す部分拡大断面図である。 図４の光源装置における蛍光体層の構成を示す部分拡大断面図である。 図９の蛍光体層の変形例を示す部分拡大断面図である。 図９の蛍光体層の他の変形例を示す部分拡大断面図である。 図４の光源装置における蛍光体層での拡散状態を示す概略図である。 本発明による車両前照灯の第二の実施形態の要部を示す部分拡大断面図である。 本発明による車両前照灯の第三の実施形態の要部を示す部分拡大断面図である。 本発明による車両前照灯の第四の実施形態の光源装置の構成を示す概略断面図である。 図１５の光源装置における光学部材内で反射を繰り返す光を示す部分断面図である。 図１５の光源装置におけるマイクロレンズアレイの作用を示す部分断面図である。 図１５の光源装置におけるマイクロレンズアレイの代わりに備えられるマイクロプリズムの一例の構成を示す部分断面図である。 図１５の光源装置におけるマイクロレンズアレイの代わりに備えられるマイクロプリズムの他の例の構成を示す部分断面図である。 図１５のマイクロレンズアレイによる効果を示す光源の指向特性グラフである。 図１５の光源装置における遮光部の変形例を示す部分断面図である。 従来の車両前照灯で使用される光源装置の一例の構成を示す概略断面図である。 車両前照灯によるすれ違いビームの配光特性の規格を示すグラフである。 図２２の光源装置を利用した車両前照灯の一例の構成を示す概略断面図である。 図２２の光源装置を利用した車両前照灯の他の例の構成を示す概略断面図である。 ＬＥＤチップからの距離による光度変化を示すグラフである。 図２４の車両前照灯による配光パターンを示すグラフである。 図２２の光源装置を利用した車両前照灯のさらに他の例の構成を示す概略断面図である。 図２８の車両前照灯による配光パターンを示すグラフである。 図２２の光源装置を利用した車両前照灯の他の例の構成を示す概略断面図である。 図２２の光源装置を利用した車両前照灯の他の例の構成を示す概略断面図である。
符号の説明
８，９, １０，３０，４０，５０ 車両前照灯
１１, ３０，４０，５０ 光源
１２ 投影レンズ
２０ 基台
２０ａ キャビティ
２０ｂ 異型反射ホーン
２１ ＬＥＤチップ
２２ 樹脂部
２３ 光学部材（フラットカバーまたはレンズ）
２３ａ ＳｉＯ2 膜
２４ 遮光部
２４ａ 反射面
２５ 蛍光体層
２６，２７ リード端子
２８ 第二の遮光部
５１ 基台
５１ａ キャビティ
５１ｂ，５１ｃ 配線パターン
５１ｄ 金線
５２ マイクロレンズアレイ（微小構造）
５３，５４ マイクロプリズムアレイ（微小構造）

Claims (9)

  1. 上面にキャビティが形成されている基台と、
    上記基台のキャビティ内に実装されたＬＥＤチップと、
    このキャビティ内にてＬＥＤチップを封止する樹脂部と、
    上記基台の上方にてＬＥＤチップから隔置して配置された光学部材と、
    を備えたＬＥＤ光源装置であって、
    上記光学部材が、遮光部と、遮光部を除く領域に配置された蛍光体層と、を含んでおり 、
    上記基台が放熱コアとして形成されていることを特徴とする、ＬＥＤ光源装置。
  2. 上記遮光部が、光学部材の内面上に設けた薄膜または板状部材から構成されていること を特徴とする、請求項１に記載のＬＥＤ光源装置。
  3. 上記遮光部の内面が、ＬＥＤチップからの光を光軸に対して傾斜して反射するように、 傾斜して配置されている反射面であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載 のＬＥＤ光源装置。
  4. さらに、光学部材の外面に、第二の遮光部を備えていることを特徴とする、請求項２ま たは請求項３に記載のＬＥＤ光源装置。
  5. 上記反射面に対向して、この反射面からの反射光を上記遮光部材を除く領域に配置され た蛍光体層を通って光軸方向に向かって照射する第二の反射面を、基台のキャビティ内面に備えていることを特徴とする、請求項１から４の何れかに記載のＬＥＤ光源装置。
  6. 上記遮光部が、ＬＥＤチップから２ｍｍ以内、好ましくは１ｍｍ以内の位置に配置されていることを特徴とする、請求項１から５の何れかに記載のＬＥＤ光源装置。
  7. 上記蛍光体層が、薄膜フィルム状に形成されていることを特徴とする、請求項１から６の何れかに記載のＬＥＤ光源装置。
  8. 上記蛍光体層は、上記蛍光体層が接する光学部材または遮光部との間にＳｉＯ2 層を介 在して配置されていることを特徴とする、請求項７に記載のＬＥＤ光源装置。
  9. 請求項１から８の何れかに記載のＬＥＤ光源装置と、
    この光源装置の遮光部付近に光源側の焦点が位置するように配置された投影レンズと、を備えており、
    上記投影レンズが遮光部によりカットオフされた光源装置の発光部の形状を前方に向かって照射することを特徴とする、車両前照灯。
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