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
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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