JP5097916B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ素子の熱を効率的に放熱でき、該ＬＥＤ素子の出射する光をロス無く集光して大光量を得られる照明装置に関するものである。

従来、複数のＬＥＤ素子が出射する光を反射・集光して大光量を得られるようにした照明装置が知られている。

具体的にこの種の照明装置は、楕円曲面の一方の焦点に配設され、外方向に光をそれぞれ出射するようにした複数のＬＥＤ素子と、これらＬＥＤ素子を環状を成すように支持する略円筒形状の基板と、前記楕円曲面を前記基板の中心軸回りに３６０度回転することで得られる反射面とを具備し、各ＬＥＤ素子が出射する光の一部（光軸を中心とした所定範囲の立体角に含まれる光）を、前記反射面で確実に反射し、その反射光がＬＥＤ素子自身や基板により遮られることなく、照射目的点である前記他方の焦点に集束して大光量を得られるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−４６４１号公報

ところがこのような従来の構成では、複数のＬＥＤ素子は、それぞれ異なる楕円曲面の一方の焦点に配されているため、各ＬＥＤ素子が出射する光のうち、一部の光しか照射目的点に集束できず、大光量を得られない。また、ＬＥＤ素子が発する熱を効率よく放熱することに関して、なんらかの特別な工夫が行われているといったものでもない。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、主たる目的は、ＬＥＤ素子の熱を効率的に放熱でき、該ＬＥＤ素子の出射する光をロス無く集光して大光量を得られる照明装置を提供することにある。

すなわち本発明にかかる照明装置は、装置全体の照射光軸を含む面内に配される平板状の伝熱部材と、前記面と直交する断面の形状が回転楕円面形状の１つの反射面を有する反射部と、素子の出射光軸が前記照射光軸と直交する状態で、前記楕円の一方の焦点位置若しくはその近傍にて前記伝熱部材の表面及び裏面にそれぞれ支持されるＬＥＤ素子と、光導入端を、前記楕円の他方の焦点に臨ませた光ファイバ又は光ファイバを接続可能なロッドレンズとを具備することを特徴とする。

ここで、「平板状」とは、必ずしも「板」である必要はなく、例えば、平らに張られた膜状のものも含む概念である。

このようなものであれば、ＬＥＤ素子の熱は、伝熱部材の側端部全体から反射面に伝達されて反射部で放熱されるため、高い放熱効果を得られる。このとき、伝熱部材は平板状であるため、熱は厚み方向よりも面方向に伝熱しやすいといった熱の性質を有効に利用して、ＬＥＤ素子から伝熱部材に伝わった熱を、その面方向に速やかに伝わらせ、例えば放熱フィンで放熱することができ、より高い放熱効果を得られる。また、ＬＥＤ素子を、その出射光軸が装置全体の照射光軸と直交する状態で、前記放物線の焦点位置若しくはその近傍又は前記楕円の一方の焦点位置若しくはその近傍にて前記伝熱部材に支持されるようにしているため、ＬＥＤ素子が前記反射面の放物線部分又は楕円部分に向けて出射する全ての光（反射面で反射された光を含む。以下同様）は、伝熱部材によって遮られることはない。しかして、反射面が放物線形状である場合にはＬＥＤ素子が出射する全ての光を効率よく平行光として照射することができ、反射面が楕円形状である場合には、ＬＥＤ素子が出射する殆ど全ての光を、該楕円の他方の焦点に集光することができる。

すなわち、ＬＥＤ素子の熱を効率的に放熱しながら該ＬＥＤ素子の出射する光をロス無く集光して大光量を得られる照明装置を提供することができる。

前記反射面が、回転放物面形状又は回転楕円面形状であれば、比較的容易に反射面の設計を行うことができる。

シンプルな構成でありながら、大きな光量を取り出せるようにするには、前記伝熱部材の表面及び裏面で、前記ＬＥＤ素子をそれぞれ支持していることが好ましい。

前記伝熱部材が、前記ＬＥＤ素子の電極を兼ねているのであれば、この伝熱部材を、例えばガラスエポキシ樹脂及び銅を用いて構成できるなど、比較的安価なものとすることができる。

本発明の望ましい態様としては、前記反射部は、前記反射面で反射させた光を外部へ導出する開口を有し、前記側端部は、前記伝熱部材の前記開口に臨む端部以外の全ての端部であるものが挙げられる。

より効率的な放熱効果を得るには、前記反射部が、内部に前記反射面を形成した反射部本体と、この反射部本体に連続して設けた放熱フィンとを具備していることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、光導入端を前記楕円面の他方の焦点に臨ませたライトガイドを具備しているものが挙げられる。ここで、「ライトガイド」の具体的な態様としては、例えば、光ファイバ、光ファイバを接続可能なロッドレンズ、フレネルレンズ等の集光レンズ等が挙げられる。例えば前記光導出端に、光ファイバを直接接続又はロッドレンズを介して間接的に接続すれば、光ファイバを利用した大光量による製品検査を好適に行うことができる。

伝熱部材の各面にそれぞれ単一のＬＥＤ素子のみを搭載すると、その出射光軸方向の光が強くなって、縦長の光となる場合がある。この現象を緩和して、より円形に近いムラのない光を照射するためには、前記伝熱部材の表裏各面において、複数のＬＥＤ素子を互いの出射光軸の向きを異ならせて集合配置しているものが望ましい。

より具体的には、前記複数のＬＥＤ素子を、ブロック体上に配置し、そのブロック体を前記伝熱部材に支持させればよい。このような構造であれば、ブロック体にＬＥＤ素子を調整配置した後、ブロック体を伝熱部材に搭載するなどの方法により、簡単に製造することができるようになる。

ところで、ＬＥＤ素子３の配置位置に誤差があったり、ＬＥＤ素子３が点光源とはみなせないようなものであったりすると、反射面が放物線形状のときには、ＬＥＤ素子が出射する全ての光を、開口で平行光として照射することができず、また、反射面が楕円形状のときには、その全ての光を、該楕円の他方の焦点に集光することができない。そこで、光導入端を、前記反射面で反射させた光を外部へ導出する前記反射部の開口に望ませたライトガイドを具備し、前記反射部の開口径と前記光導入端の径とを略等しくする構成を採ることにより、その開口に望ませ且つその開口径と略等しい径の光導入端を有するライトガイドによって、ＬＥＤ素子が出射する全ての光を利用することができる。

本発明の車両用ヘッドライトの望ましい態様としては、装置全体の照射光軸を含む面内に配される平板状の伝熱部材と、前記面と直交する断面の輪郭形状が放物線形状の反射面を有する反射部と、素子の出射光軸が前記照射光軸と直交する状態で、前記放物線の焦点位置若しくはその近傍にて前記伝熱部材に支持されるＬＥＤ素子とを具備し、前記伝熱部材の側端部を、前記反射面に接続しており、前記反射部は、前記反射面で反射させた光を外部へ導出する開口を有し、前記側端部は、前記伝熱部材の前記開口に臨む端部以外の全ての端部であるものが挙げられる。

このように本発明に係る照明装置は、ＬＥＤ素子が発する熱の高い放熱効果と、照射目的点で大光量を得ることとを同時に実現できる照明装置を提供することができる。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る照明装置Ａは、例えば車両用ヘッドライトとして使用されるものであって、図１、図２、図３、図４に示すように、内部に回転放物面形状の反射面１１ａを有する反射部１と、この反射部１の内部に配設した伝熱部材である基板２と、この基板２の表面及び裏面のそれぞれの焦点位置又はその近傍に配設したＬＥＤ素子３と、を具備するものである。以下、各部を具体的に説明する。

反射部１は、金属製のものであって、外観視略円柱形状で内部に前記反射面１１ａを形成した反射部本体１１と、この反射部本体１１の基端側に連続して設けた放熱部１２とを具備している。

反射部本体１１は、図３、図４に示す軸Ｚを装置全体の照射光軸である回転中心軸とし且つ後述する２つのＬＥＤ素子３を配設する共通の位置を焦点Ｓ１とする回転放物面（すなわち、軸Ｚを含めて切った任意の断面の形状が放物面形状を有している。）で構成された反射面１１ａを有するものであって、該反射面１１ａで反射させた光を、正面視略円形状の開口１１ｚから外部へ導出できるようにしている。

放熱部１２は、略円板状の複数の放熱フィンｆと、これら各放熱フィンｆを所定間隔離間させながらそれぞれの中心部分を支持する略平板状のフィン支持部１２２とを備えるものである。

なお、本実施形態では、この反射部１を、基板２の取り付け等のために、照射方向と直交する方向に二分割できるようにしている。

基板２は、平面視略矩形状をなすものであって、反射部本体１１の開口１１ｚに臨む端部２ｘを、その開口１１ｚから内側へオフセットさせるとともに、前記端部２ｘ以外の全ての端部である側端部２ｙを、反射部本体１１及びフィン支持部１２２に接続している。より具体的には、側端部２ｙが、当該装置の組立後に、反射部本体１１及びフィン支持部１２２のそれぞれに挟まれた状態となるようにしている（図７参照）。このように、基板２の側端部２ｙを反射部本体１１及びフィン支持部１２２が押さえるため、基板２を可及的に薄くしても、ＬＥＤ素子３を好適に支持することができる。

そして、本実施形態では、この基板２を、図５、図６、図７などに示すように、配線パターン２２を表面に設けた２つの基板本体２１を備えるものとし、その裏面同士を貼り合せて形成している。

基板本体２１は、ガラスエポキシ製で板状のものである。

配線パターン２２は銅箔からなる比較的厚肉のもので、本実施形態では、正極の配線パターン２２ａ及び負極の配線パターン２２ｂを有している。

ＬＥＤ素子３は、例えば２００ｍＡ以上の電流を流すことが可能ないわゆるパワーＬＥＤと称される面実装タイプのものであり、図３、図４、図５に示すように、出射光軸３ｘが前記回転中心軸Ｚと直交する状態で、前記回転放物面の焦点Ｓ１位置にて基板２に支持されるようにしている。そして、本実施形態では、Ｎ層を負極の配線パターン２２ｂに載置する一方、Ｐ層と正極の配線パターン２２ａとをワイヤＷによって接続している。

以上のように構成される車両用ヘッドライトについて、その動作の一例を以下に述べる。

各ＬＥＤ素子３に電力を供給すると、各ＬＥＤ素子３はそれぞれ光を出射する。ここで、各ＬＥＤ素子３は、それぞれの出射光軸３ｘが前記回転中心軸Ｚと直交する状態で、回転放物面の焦点Ｓ１位置にて基板２に支持されるようにしているため、ＬＥＤ素子３が出射する全ての光は、回転放物面形状を有する反射面１１ａで反射され、基板２によって遮られること無く、図８に示すように平行光となって反射部１の開口１１ｚから外方に向けて照射される。なお、図８では図面が煩雑になるのを避けるため代表的な光路のみを記載しているが、記載した光路以外にも多数の光路が有ることは当然である。また、ＬＥＤ素子３なども図示することを適宜省略している。

また、ＬＥＤ素子３で発生する熱は、基板２の面方向に急速に広がって、側端部２ｙに伝熱される。この側端部２ｙは、反射部本体１１及びフィン支持部１２２に接続されているため、該側端部２ｙに伝わった熱は、その反射部本体１１及びフィン支持部１２２を経て、放熱フィンｆへとさらに伝達される。しかしてＬＥＤ素子３で発生する熱は、放熱フィンｆなどでも放熱されるため、高い放熱効果を得られる。

また、基板２の側端部２ｙを、反射部本体１１及びフィン支持部１２２で支持しているため、基板２を可及的に薄くしても、ＬＥＤ素子３を焦点位置又はその近傍に確実に支持することができ、しかも、基板２の厚みが大きいものと比べて大光量を得られる。

なお、本実施形態では、基板２の表面及び裏面にそれぞれ配したＬＥＤ素子３の両方から光を照射するようにしているが、例えば、各ＬＥＤ素子３に供給する電力のＯＮ・ＯＦＦ切り替えにより、表面又は裏面に配したＬＥＤ素子３のみから、光を照射するように構成することもできる。このような構成を採用することによって、いわゆる「ハイビーム」及び「ロービーム」と呼ばれる照射態様を実現することができ、車両用ヘッドライトとして好適に用いることができる。

このように本実施形態にかかる照明装置Ａによれば、ＬＥＤ素子３の熱を、側端部２ｙ全体を利用して効率的に放熱でき、該ＬＥＤ素子３の出射する光をロス無く大光量の平行光を得られ、車両用ヘッドライトとして好適に使用することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態の照明装置Ａは、車両用ヘッドライトとしてだけでなく、例えば、劇場用のスポットライトや、手術用のスポットライトとしても用いることができる。

また、基板２の側端部２ｙを、反射部本体１１及びフィン支持部１２２のそれぞれに挟まれた状態とせず、単に、側端部２ｙを反射面１１ａに接続するようにしてもよい。かかる構成としても、上記実施形態と同様の放熱効果を得られる。

開口１１ｚに臨ませて図示しない光ファイバを接続可能なロッドレンズの光導入端を配してもよい。このとき、ロッドレンズの光導入端の径と開口１１ｚの径とを略等しくすれば、例えば、ＬＥＤ素子３の配置位置に多少のずれがあっても、そのＬＥＤ素子３が出射する全ての光を利用することができる。

反射面１１ａの形状を、図８に示す点Ｓ２ｂと２つのＬＥＤ素子３を配設する共通の位置である点Ｓ２ａとをそれぞれ楕円の焦点とし、これら焦点Ｓ２ｂとＳ２ａとを結ぶ楕円の長軸Ｚを回転中心軸として、その楕円を回転して形成できる回転楕円面形状としても構わない。

かかる構成によれば、図９に示すように、ＬＥＤ素子３が出射する殆どの光を、回転楕円面の他方の焦点Ｓ２ｂに集光することができる。

ここで、ＬＥＤ素子３が出射する光は光軸３ｚを中心に立体角状に広がるが、広がった光は、回転楕円面形状を有する反射面１１ａによって、焦点Ｓ２ｂにおける集光角度は前記立体角より小さくなるため、入射角度が大きいと良好な性能を得られない光ファイバに好適に用いることができる。

したがって、光導入端４１を回転楕円面の他方の焦点Ｓ２ｂに臨ませた例えばプラスティック製の光ファイバ（図示せず）を接続可能なロッドレンズ４（本発明の「ライトガイド」に相当）を設ければ、大光量の光を光導出端に導くことができ、大光量の光を利用した製品検査などに好適に用いることができるようになる。なお、ロッドレンズを介さずに、光ファイバ（図示せず）を焦点Ｓ２ｂに直接臨ませてもよい。

また、反射面１１ａを、回転放物面形状又は回転楕円面形状とすることで、該反射面１１ａを照射光軸Ｚ方向から見たときの開口１１ｚの形状が略円形状を有するようにしているが、その開口形状を、例えば楕円形状や矩形形状とすることもできる。

また、反射面１１ａの断面形状は、放物線形状（二次曲線定数ｋ＝−１）又は楕円形状（−１＜ｋ＜０）に限らず、例えば、双曲線形状（ｋ＜−１且つｋ≒−１）等とすることもできる。

また、図１１、図１２に示すように、放熱フィンｆを、反射部本体１１に設けることができる。このように、放熱フィンｆを、反射部本体１１及び放熱部１２の両方に設けることで、より高い放熱効果を得られる。

また、図１３に示すように、反射部１を、照射軸方向Ｚから見たときに略放射状に配される複数の板状の放熱フィンｆと、これら各放熱フィンｆ間に形成される通風路ｇとを備えるものとすることができる。このような構成によれば、例えば、放熱フィンｆの開口１１ｚ側から空気を当てると、その空気は、放熱フィンｆから熱を奪い取りながら通風路ｇを通過し、反開口側から排出されるため、非常に高い放熱効果を得られる。したがって、走行中等に開口１１ｚ側から空気が当たる車両用ヘッドライト等に好適に用いることができる。

また、図１４に示すように、開口１１ｚの径と略同一の径を有する光導入端ＦＬ１を備えたフレネルレンズＦＬを、その開口１１ｚに臨ませて設けることもできる。このような構成によれば、例えば、ＬＥＤ素子３の配置位置に誤差があったり、ＬＥＤ素子３が点光源とはみなせないようなものであったりしても、ＬＥＤ素子３が出射する全ての光を、フレネルレンズＦＬの焦点に集光させて利用することができる。なお、フレネルレンズ以外のレンズや、光ファイバを接続可能なロッドレンズを設けることもできる。

また、反射部１を、外観視略円柱形状としているが、例えば外観形状を、略矩形ブロック体形状（図示せず）とすることもできる。

ＬＥＤ素子３に、面実装タイプのものを用いているが、例えば、半球型のものを用いることもできる。半球型であれば、出射光軸方向に出射される光と側方に出射される光とが略等しいため、面実装タイプのものよりも大光量を得られる。

また、図１５、図１６に示すように、基板２の各面に、複数のＬＥＤ素子３（ａ）、３（ｂ）、３（ｃ）を互いに光軸の向きが異なるように集合させて搭載しても構わない。同図では、照射軸方向Ｚから見て台形状をなすブロック体ＢＬを基板２上に載置し、そのブロック体ＢＬの斜面及び頂面に、それぞれＬＥＤ素子３（ａ）、３（ｂ）、３（ｃ）を搭載している。このようにすることで、ＬＥＤ素子３（ａ）は、その光軸が照射軸方向Ｚと垂直な面上であって基板２に垂直な角度になり、ＬＥＤ素子３（ｂ）は、その光軸が、照射軸方向Ｚと垂直な面上であって基板２に対して６０°傾斜した角度になり、ＬＥＤ素子３（ｃ）は、その光軸が、同じく照射軸方向Ｚと垂直な面上であって基板２に対して−６０°傾斜した角度になる。

そして、このことにより、開口１１ｚでの照度ムラ、ひいては光照射対象面での照度ムラを軽減することができる。これは、以下の理由による。すなわち、前記実施形態のように、基板２に搭載されるＬＥＤ素子の搭載角度が単一であると、その光軸方向の光が強くなって、この場合であれば、照射軸方向Ｚからみて縦長の光となる（図１７の符号ｓ１が、その場合の光の断面形状のイメージを表す）。これに対して、光軸方向が異なる（ここでは光軸方向が等間隔となるようにしている）複数のＬＥＤ素子３（ａ）、３（ｂ）、３（ｃ）を設けることで、各ＬＥＤ素子３（ａ）、３（ｂ）、３（ｃ）からの光が重合し、円形状に近い、ムラの少ない光を照射することができるようになる（図１７の符号ｓ２が、その光の断面形状のイメージを表す）。もちろん、ＬＥＤ素子の数は３つに限られず、２つ又は４つ以上でも構わないし、それらＬＥＤ素子を搭載するブロック体は、台形状のみならず、多角形状をなすものや、球形状のものでもよい。

また、反射面１１ａを、反射部本体１１から着脱可能に構成することもできる。この場合、反射面１１ａは、反射部本体１１と異なる材質（例えば樹脂製）とすることもできる。

また、反射面１１ａにＲＧＢ蛍光体を塗布しておき、ＬＥＤ素子３から、例えば、波長が４０５ｎｍの光を出射して白色光を得られるようにすることもできる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の実施形態における照明装置を示す全体斜視図。 同実施形態における照明装置の正面図。 図２におけるｄ１−ｄ１断面図。 同実施形態における照明装置の平面図。 同実施形態におけるＬＥＤ素子の取付態様を示す要部拡大平面図。 同実施形態におけるＬＥＤ素子の取付部分を示す要部拡大断面図（図５におけるｄ２−ｄ２断面図）。 同実施形態におけるＬＥＤ素子の取付部分近傍を示す要部拡大断面図（図５におけるｄ３−ｄ３断面）。 同実施形態における照明装置の作用説明図。 本発明の他の実施形態における照明装置の断面図。 同実施形態における照明装置の作用説明図。 本発明のさらに他の実施形態における照明装置の全体斜視図。 同実施形態における照明装置の断面図。 本発明のさらに他の実施形態における照明装置の全体斜視図。 本発明のさらに他の実施形態における照明装置の作用説明図。 本発明のさらに他の実施形態における照明装置の全体斜視図。 同実施形態におけるＬＥＤ素子の搭載態様を示す部分拡大図。 同実施形態における光の照射態様を示すイメージ図。

符号の説明

１・・・・・反射部
２・・・・・伝熱部材（基板）
３・・・・・ＬＥＤ素子
３ｘ・・・・出射光軸
４・・・・・ライトガイド（ロッドレンズ）
１１・・・・反射部本体
１１ａ・・・反射面
１１ｚ・・・開口
４１・・・・光導入端
ｆ・・・・・放熱フィン
Ａ・・・・・照明装置（車両用ヘッドライト）
ＦＬ・・・・ライトガイド（フレネルレンズ）
Ｚ・・・・・装置全体の照射光軸（反射面１１ａの回転中心軸）
Ｓ１・・・・放物線（回転放物面）の焦点
Ｓ２ａ・・・楕円（回転楕円面）の一方の焦点
Ｓ２ｂ・・・楕円（回転楕円面）の他方の焦点

Claims (6)

1. 装置全体の照射光軸を含む面内に配される平板状の伝熱部材と、
   前記面と直交する断面の形状が回転楕円面形状の１つの反射面を有する反射部と、
   素子の出射光軸が前記照射光軸と直交する状態で、前記楕円の一方の焦点位置若しくはその近傍にて前記伝熱部材の表面及び裏面にそれぞれ支持されるＬＥＤ素子と、
   光導入端を、前記楕円の他方の焦点に臨ませた光ファイバ又は光ファイバを接続可能なロッドレンズとを具備する照明装置。
2. 前記伝熱部材が、前記ＬＥＤ素子の電極を兼ねている請求項１記載の照明装置。
3. 前記伝熱部材の側端部を、前記反射面に接続しており、
   前記反射部は、前記反射面で反射させた光を外部へ導出する開口を有し、
   前記側端部は、前記伝熱部材の前記開口に臨む端部以外の全ての端部である請求項１又は２記載の照明装置。
4. 前記反射部は、内部に前記反射面を形成した反射部本体と、この反射部本体に連続して設けた放熱フィンとを具備している請求項１、２又は３記載の照明装置。
5. 前記伝熱部材の表裏各面において、それぞれ複数のＬＥＤ素子を互いの出射光軸の向きを異ならせて集合配置している請求項１乃至４いずれか記載の照明装置。
6. 前記複数のＬＥＤ素子が、ブロック体上に配置され、そのブロック体を前記伝熱部材に支持させている請求項５記載の照明装置。