JP4425019B2 - ヘッドランプ - Google Patents

Description

本発明はヘッドランプに関し、特に、発光ダイオードを用いたヘッドランプに関するものである。

従来、自転車等に装着されるヘッドランプには特許文献１にあるように電球が利用されていたが、近年、半導体素子の進歩と低消費電力の観点から発光ダイオードの利用が図られている。このような発光ダイオードを利用したヘッドランプでは、発光ダイオードは基板部に搭載されて所定の筐体内に配設され、その筐体内の電池ケースに収容された電池から必要な電力の供給を受けて点灯することになる。

その発光ダイオードから発せられる光の光度を上げてより強い光を出そうとすると、発光ダイオードからは同時に熱も発せられることになる。発光ダイオードの接合部の温度が上昇すると、発光ダイオードの発光効率が低下し、さらに、その寿命も短くなる。そのため、発生する熱をヒートシンクにより吸収し放熱させることによって、発光ダイオードの接合部の温度上昇を抑えることが望ましい。

また、発光ダイオードを基板部に取り付ける際にはんだ付けによっても基板部の温度が上昇してしまい、発光ダイオードを含め基板部に搭載される素子がその熱の影響を受けてしまう。

そこで、このような熱から基板部に搭載される発光ダイオードを含めた素子を保護するために、基板部としては、放熱の機能を有するアルミニウム板にエポキシ樹脂を介在させて銅箔を形成した基板部が用いられている。そのため、発光ダイオードは、アルミニウム板にエポキシ樹脂と銅箔を介在させて装着されることになる。
実開平２−３１００３号公報

しかしながら、従来の発光ダイオードを用いたヘッドランプでは、基板部から放熱される熱が基板部の周囲に篭もってしまい、基板部の温度上昇を抑制するのを阻害してしまうという問題があった。

また、アルミニウム板上にエポキシ樹脂を介在させているために、発光ダイオードから発生する熱あるいは発光ダイオードをはんだ付けする際の熱がアルミニウム基板部に十分に伝導せずに発光ダイオード等が劣化等したりする問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、発光ダイオードから発せられる熱および発光ダイオードを基板部に取り付ける際の熱が、発光ダイオードを含め基板部に搭載される素子に影響を及ぼすのを抑制するヘッドランプを提供することである。

本発明に係るヘッドランプは、発光ダイオードを用いたヘッドランプであって、所定の筐体と電池ケースと基板部と隔壁と通風口とを備えている。電池ケースは筐体内に形成され、発光ダイオードに所定の電源を供給するための電池を収容する。基板部は電池ケースと間隔を隔てて筐体内に配設され、発光ダイオードを搭載してヒートシンクとなる。隔壁は電池ケースに対して基板部の側に配設され、基板部と電池ケースとの間の隙間と電池ケースの内部とを仕切る。通風口は隔壁に形成され、隙間と電池ケースの内部とを連通して空気の循環を行う。その通風口は隔壁の上部と下部に設けられている。

この構成によれば、発光ダイオードから発せられて基板部に伝導した熱が、周囲に放熱されることによって隙間に位置する空気が暖められ、その暖められた隙間の空気が、隙間と電池ケースの内部とを仕切る隔壁の上部に設けられた通風口を通って効率的に電池ケース内へ送られて冷やされ、そして、冷やされた空気が、隔壁の下部に設けられた通風口を通って効率的に隙間に送られて再び暖められる、というサイクルを繰り返しながら隙間と電池ケースとの間を空気が循環することになる。これにより、通風口がない従来のヘッドランプの場合と比べると、空気が循環することで基板部の熱が効率的に放熱されて、発光ダイオードから発せられる熱によって、発光ダイオードを含め基板部に搭載される素子が影響を受けるのを抑制することができる。

また、基板部は、基板本体と、基板本体に装着され発光ダイオードを搭載するためのホルダとを含み、その基板本体は金属板のみからなり、ホルダは金属板の表面に接するように装着されていることが好ましい。

この場合には、発光ダイオードから発生する熱が効率よく金属板へ伝導して、隙間と電池ケース内とを循環する空気に効率的に放熱されることになる。

あるいは、通風口を設けることによって基板部が効率的に冷却されるため、基板部の基板本体としては、金属板とその金属板の上に樹脂を介在させて形成された金属箔とを含む基板本体でもよい。

具体的に、この金属箔としては、銅箔であることが好ましい。

また、基板本体をなす金属板は、アルミニウム板であることが好ましい。

さらに、基板部は、基板部を貫通する開口部と、開口部に装着され電池ケースに収容された電池との電気的な接触を図るとともに発光ダイオードの端子が接続されるリベットと
を含み、そのリベットは中空リベットであることが好ましい。

この場合には、発光ダイオードの端子をリベットにはんだ付けする際に、リベットが中空であることで、はんだ付けする際の熱が放熱板としての基板部に伝導することが抑制される。これにより、端子を接続する基板部の部分に過度に熱を加えることなくはんだ付けすることができて、基板部に搭載される素子の劣化等を抑制することができる。

実施の形態１
本発明の実施の形態１に係る発光ダイオードを用いたヘッドランプとして、自転車に装着されるヘッドランプを例に挙げて説明する。図１に示すように、ヘッドランプ１は、雨や風等を避けて光源と電池等を収容する筐体３を備え、その筐体３には、たとえば自転車のハンドル（図示せず）等にヘッドランプを取り付けるための取付け具５が装着されている。

図２に示すように、ヘッドランプの筐体３内には、光源となる発光ダイオード１３を搭載した基板部７と、その発光ダイオード１３に必要な電力を供給するための電池１１を収容する電池ケース９が設けられている。発光ダイオード１３が取り付けられている側には、発光ダイオード１３から発せられる光を前方に向かって出射させるための反射鏡１９が設けられている。

発光ダイオード１３を搭載してヒートシンクとなる基板部７は電池ケース９の前方側の隔壁１０とは距離を隔てて配設されて、基板部７と隔壁１０との間には隙間８が設けられている。基板部７は、基板部７に装着されたリベット（図５参照）と電池ケース９の隔壁１０に設けられた所定の端子（図５参照）とが接触するように配設されている。電池ケース９は、たとえば図３に示すように、４本の電池１１を収容する空間を有している。

図２、図４および図５に示すように、さらに、このヘッドランプ１では、電池ケース９の隔壁１０に、基板部７と隔壁１０との間にある隙間８と電池ケース９内の空間とを連通して空気の循環を行なうための通風口２０が設けられている。通風口２０は、ヘッドランプを固定した状態（使用状態）で上下方向に対応する隔壁１０の上部部分に形成される上部通風口２０ａと下部部分に形成される下部通風口２０ｂを有する。

上述したヘッドランプ１では、まず、点灯した発光ダイオード１３から発せられる熱が基板部７に伝導し、基板部７に伝導した熱が周囲の空間に放熱されることによって隙間８に位置する空気が暖められることになる。暖められた空気は隙間８の上方に向かって上昇する。

このとき、隙間８と電池ケース９内の空間とを連通する上部通風口２０ａが設けられていることで、暖められた空気が、矢印３１に示すように、その上部通風口２０ａから電池ケース９内に流れ込んで、基板部７から距離を隔てられることになる。熱源となる基板部７から離れることで、空気は徐々に冷やされながら電池ケース９の下部に向かって流れる。電池ケース９内の下部に達した空気は、下部通風口２０ｂから再び隔壁１０と基板部７との間の隙間８に流れ込んで、上述した動作を繰り返すことになる。

このようにして、基板部７の熱が放熱されることで暖められた隙間８の空気が上部通風口２０ａを介して電池ケース９内へ送られて冷やされ、そして、冷やされた空気が下部通風口２０ｂを介して隙間８に送られて再び暖められるというサイクルを繰り返しながら隙間８と電池ケース９との間を空気が循環することになる。

ここで、そのような空気の循環が行なわれる本実施の形態に係るヘッドランプの基板部の温度上昇について、従来のヘッドランプの場合と比較して行なった評価結果について説明する。図６は、発光ダイオードを点灯してから基板部の温度が上昇する様子のグラフを示す図であり、横軸を時間（分）とし縦軸を温度とする基板部温度の時間依存性のグラフを示す図である。

図６に示すように、発光ダイオードを点灯してから基板部の温度は徐々に上昇し、約３０分を経過すると基板部の温度は上昇しなくなって熱的に平衡になる。このとき、従来のヘッドランプの基板部の温度は約７８℃程度であるのに対して、実施の形態に係るヘッドランプの基板部の温度は約７３℃程度となって、通風口２０を設けることで空気の循環が図られて放熱が効率的に行なわれることが実証された。

このように本実施の形態に係るヘッドランプでは、図６のグラフが示すように、通風口を設けない従来のヘッドランプの場合と比較すると、発光ダイオード１３から基板部７に伝導する熱が効率的に放熱されて、基板部７の温度が過度に上昇するのを抑制することができる。その結果、発光ダイオード１３を含め基板部７に搭載された素子の劣化を防いだり、素子の寿命が短くなるのを防止することができる。

実施の形態２
本発明の実施の形態２に係る発光ダイオードを用いたヘッドランプについて説明する。図７に示すように、発光ダイオード１３が搭載される基板部７は、アルミニウム板７ａのみから形成されている。発光ダイオード１３は、そのアルミニウム板７ａの表面に直接配設されたホルダ１５に取付けられている。

また、図８に示すように、基板部７には基板部７を貫通する貫通穴１６が設けられ、その貫通穴１６に、所定のリベットとして中空のリベット１７が装着されている。

図８および図９に示すように、リベット１７の一端側には発光ダイオード１３の端子が接続され、リベット１７の他端側は、電池ケース９の隔壁１０に設けられた電力を供給するための端子１２に接続される。

上述したヘッドランプでは、まず、発光ダイオード１３が搭載される基板部７としてアルミニウム板７ａのみからなる基板部７が用いられる。これにより、図１０に示すようなアルミニウム板７ａの上にエポキシ樹脂７ｂを介在させて銅箔７ｃを形成した基板部７７の場合と比べると、発光ダイオード１３から発生する熱が効率よくアルミニウム板７ａへ伝導する。アルミニウム板７ａに伝導した熱は、前述したように、隙間８と電池ケース９内とを循環する空気によって効率的に冷却されることになる。

さらに、上述したヘッドランプでは、基板部７に装着された中空のリベット１７に発光ダイオード１３の端子がはんだ付けされる。これにより、はんだ付けする部分からはんだ付けする際の熱が放熱板としての基板部７に伝導することが抑制されて、発光ダイオードの端子を接続する基板部の部分に過度に熱を加えることなくはんだ付けすることができる。その結果、基板部７に搭載される素子の劣化等を抑制することができる。さらに、はんだ付けの作業性も向上する。

なお、基板部としてアルミニウム板７ａの上にエポキシ樹脂７ｂを介在させて銅箔７ｃを形成した基板部７７であっても、前述したように、隙間８と電池ケース９内とを連通する通風口を設けることで、そのような通風口を設けない従来のヘッドランプの場合と比べると、基板部７７の熱が放熱されて暖められた空気が循環することで、基板部７７の放熱を効率的に行なうことができる。

また、基板本体としてアルミニウム板を例に挙げて説明したが、熱伝導性が比較的高い金属であればアルミニム板に限られない。

本発明の実施の形態１に係るダイオードを用いたヘッドランプの外観図である。 同実施の形態において、図１に示すヘッドランプの縦断面図である。 同実施の形態において、図２に示す断面線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。 同実施の形態において、図２に示す断面線ＩＶ−ＩＶにおける断面図である。 同実施の形態において、基板部付近を示す部分拡大断面図である。 同実施の形態において、基板温度の時間依存性のグラフを示す図である。 本発明の実施の形態２に係るダイオードを用いたヘッドランプに使用される基板部を示す断面図である。 同実施の形態において、基板部のリベット付近を示す部分拡大断面図である。 同実施の形態において、基板部付近を示す部分拡大断面図である。 同実施の形態において、比較のための他の基板部を示す断面図である。

符号の説明

１ ヘッドランプ、３ 筐体、５ 取付け具、７ 基板部、７ａ アルミニウム板、７ｂ エポキシ樹脂、７ｃ 銅箔、８ 隙間、９ 電池ケース、１０ 隔壁、１１ 電池、１２ 端子、１３ 発光ダイオード、１５ ホルダ、１６ 貫通穴、１７ リベット、１９ 反射鏡、２０ 通風口、２０ａ 上部通風口、２０ｂ 下部通風口。

Claims (6)

1. 発光ダイオードを用いたヘッドランプであって、
   所定の筐体と、
   前記筐体内に形成され、前記発光ダイオードに所定の電源を供給するための電池を収容する電池ケースと、
   前記電池ケースと間隔を隔てて前記筐体内に配設され、前記発光ダイオードを搭載してヒートシンクとなる基板部と、
   前記電池ケースに対して前記基板部の側に配設され、前記基板部と前記電池ケースとの間の隙間と前記電池ケースの内部とを仕切る隔壁と、
   前記隔壁に形成され、前記隙間と前記電池ケースの内部とを連通して空気の循環を行うための通風口と
   を備え、
   前記通風口は前記隔壁の上部と下部に設けられた、ヘッドランプ。
2. 前記基板部は、
   基板本体と、
   前記基板本体に装着され、前記発光ダイオードを搭載するためのホルダと
   を含み、
   前記基板本体は金属板のみからなり、前記ホルダは前記金属板の表面に接するように装着された、請求項１記載のヘッドランプ。
3. 前記基板部は、
   基板本体と、
   前記基板本体に装着され、前記発光ダイオードを搭載するためのホルダと
   を含み、
   前記基板本体は金属板と、前記金属板の上に樹脂を介在させて形成された金属箔とを含み、前記ホルダは前記金属箔の表面に接するように装着された、請求項１記載のヘッドランプ。
4. 前記金属箔は銅箔である、請求項３記載のヘッドランプ。
5. 前記金属板はアルミニウム板である、請求項２〜４のいずれかに記載のヘッドランプ。
6. 前記基板部は、
   前記基板部を貫通する開口部と、
   前記開口部に装着され、前記電池ケースに収容された電池との電気的な接触を図るとともに前記発光ダイオードの端子が接続されるリベットと
   を含み、
   前記リベットは中空リベットである、請求項１〜５のいずれかに記載のヘッドランプ。

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