JP5266605B2 - 車両用灯具 - Google Patents

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Description

本発明は、車両灯具に係わり、特にすれ違いビーム用の配光パターンを形成するLED光源を用いた車両用灯具に関する。
従来、車両用灯具の光源としてはメタルハライドランプ等のHIDランプ(High Intensity Discharge lamp)が用いられていた。しかし、集光効率の悪さの解消や低消費電力化を目指し、近年ではLED(Light Emitting Diode)が光源として用いられ始めている。
LED光源を用いる場合、現状のLED光源の発光輝度や光束はHID光源と比較して半減以下と非常に低く、1つの光源で所望のすれ違いビーム用の配光パターンを形成することが出来ない。そのため、リフレクタやレンズの焦点距離を短く設定してモジュールサイズをコンパクトにするとともに複数のLED光源を設け、HIDランプと同一の灯具サイズで所望の配光パターンが形成できるようにLED光源へ置き換える方法がとられていた(例えば、特許文献1参照。)。
特開2008−10228号公報
複数のLED光源を備えた光学モジュールの場合、各LED光源サイズを縮小する必要がある。しかし、LEDの発光部面積を小さくした場合、光束がその分低下するため単位面積当たりに換算した輝度が増えることはありえず、すれ違いビームで路面を照射する際のカットオフ付近の明るさが不足し遠方視認性が低下するという問題が生じていた。
本発明はこのような問題に対して成されたものであり、すれ違いビーム用の配光パターンを形成するLED光源を用いた車両用灯具のカットオフ近傍に輝度が高い光源を配置し、遠方視認性の高い車両用灯具を提供することを目的としている。
本発明の車両用灯具は前記目的を達成するために、請求項1に記載の発明において、すれ違いビーム用の配光パターンを形成するLED光源と、レーザー光源からの光を受けて発光することにより前記配光パターンのカットオフ近傍へ光を照射するレーザー光源用蛍光体と、により構成される発光部を備えたことを特徴としている。
請求項1の発明によれば、複数のLED光源と、レーザー光源からの光を受けて発光するレーザー光源用蛍光体とにより構成される発光部を車両用灯具は備えている。LED光源はすれ違いビーム用の配光パターンを形成する。レーザー光源用蛍光体はレーザー光源からの光により発光して配光パターンのカットオフ近傍へ光を照射する。レーザー光源はLED光源よりも理論値で倍以上の高い輝度を備えているので、レーザー光源用蛍光体から高輝度の光がカットオフ近傍へ照射されてカットオフ近傍での明るさ不足が解消される。これにより遠方が明るく視認性の高い車両用灯具とすることが可能となる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記レーザー光源用蛍光体は平面形状、半円柱形状、三角柱形状、球面形状または放物面形状であることを特徴としている。
請求項2の発明によれば、レーザー光源からの光を受けてカットオフ近傍へ光を照射するレーザー光源用蛍光体は平面形状、半円柱形状、三角柱形状、球面形状または放物面形状のいずれかに形成される。平面形状とすることで蛍光体の塗布が容易となるが、レーザー光で励起した平面形状の蛍光体の輝度分布はランバシアン分布なので、発光素子の輝度分布よりも輝度均一性はよくなる。また、半円柱状に蛍光体を塗布することで表面積が拡大されて光束が向上するとともに、照射分布が面積増加分拡散されて穏やかになり白色均一性が向上され、中央が明るくなる傾向がある平面形状よりも更に輝度や色ムラが改善される。また、レーザー光源用蛍光体を三角柱形状とすることでレーザー光の入射角度に合わせた傾きとすることが可能となり、更に三角柱形状の蛍光体層の厚い底辺部分は中央よりも蛍光体濃度が高いため、蛍光体励起による黄色光の光量が増え、輝度が高まり、車両用灯具としての遠方視認性を向上させることができる。また、レーザー光源用蛍光体を球面形状または放物面形状とすることでレーザー光の強度分布を補完し色ムラ変化を調整することが可能となる。
請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の発明において、前記LED光源と前記レーザー光源用蛍光体は1つの基板上または個々の基板上に分かれて取り付けられていることを特徴としている。
請求項3の発明によれば、LED光源とレーザー光源用蛍光体とは同一の基板または個々の基板に分かれて取り付けられる。同一の基板に設けられることにより発光部のサイズをコンパクトにすることが可能となり、車両用灯具を小型化することが可能となる。また個々の基板上に分かれて取り付けることにより、照射方向や光源位置の調整を容易にすることが可能となる。
請求項4に記載の発明は、請求項1、2、または3のいずれか1項に記載の発明において、焦点位置近傍に設けられた前記発光部からの光を拡大投影照射するレンズを備えたことを特徴としている。
請求項4の発明によれば、LED光源とレーザー光源からの光により発光するレーザー光源用蛍光体とを備えた発光部が焦点位置近傍に設けられた非球面凸レンズが車両用灯具には備えられている。レンズは発光部からの光を拡大投影照射して所望のすれ違いビーム用の配光パターンを形成する。
請求項5に記載の発明は、請求項1、2、または3のいずれか1項に記載の発明において、前記発光部と、前記LED光源からの光をすれ違いビーム用の配光パターンの主配光となるように反射し前記レーザー光源用蛍光体からの光をすれ違いビーム用の配光パターンのカットオフ近傍へ反射するリフレクタとを備えており、前記レーザー光源用蛍光体は照射方向に対してLED光源よりも前方に配置されているリフレクタ型灯具であることを特徴としている。また、請求項6に記載の発明は、請求項1、2、または3のいずれか1項に記載の発明において、前記発光部と、レンズと、遮光板と、前記LED光源からの光をすれ違いビーム用の配光パターンの主配光となるように反射し前記レーザー光源用蛍光体からの光をすれ違いビーム用の配光パターンのカットオフ近傍へ反射するリフレクタとを備えており、前記レーザー光源用蛍光体は照射方向に対してLED光源よりも前方に配置されているプロジェクタ型灯具であることを特徴としている。
請求項5によれば車両用灯具はリフレクタと発光部とを備えたリフレクタ型灯具であって、請求項6によれば車両用灯具はレンズとリフレクタと遮光板と発光部とを備えたプロジェクタ型灯具である。リフレクタはLED光源からの光をすれ違いビーム用の配光パターンの主配光となるように反射し、レーザー光源用蛍光体からの光をすれ違いビーム用の配光パターンのカットオフ近傍へ反射する。これにより、所望の配光パターンがLED光源とレーザー光源からの光により発光するレーザー光源用蛍光体とによって形成される。
請求項7に記載の発明は、請求項1、2、3、4、または5のいずれか1項に記載の発明において、前記発光部の直近もしくは直上にはカットオフラインを形成する遮光板が配置されていることを特徴としている。
請求項7によれば、直射タイプの発光部から発光された光は遮光版により一部が遮られ、明瞭なカットオフラインが形成される。
以上説明したように、本発明の車両用灯具によれば、すれ違いビーム用の配光パターンを形成するLED光源を用いた車両用灯具のカットオフ近傍にレーザー光源からの光により発光するレーザー光源用蛍光体からの光を照射し、遠方視認性の高い車両用灯具を提供することが可能となる。
本発明に係わる車両用灯具の構造を示した斜視図。 レーザー光源とレーザー光源用蛍光体との位置関係を示した側面図。 レーザー光源用蛍光体の形状を示した斜視図。 レーザー光源の構造を示した側面図。 発光素子の発行部サイズと照射範囲サイズを示した図。 配光パターンを示した正面図。 レーザー光源用蛍光体のサイズに対する輝度分布を示した図。 発光方式別の特性を比較した図表。 レーザー光源用蛍光体の面積と明るさの関係を示した図表。 照射される光の範囲と明るさを示した上面図。 別の実施の形態による車両用灯具の構成を示した側面断面図。 更に別の実施の形態による車両用灯具の構成を示した側面断面図。
以下、添付図面に従って本発明に係る車両用灯具の好ましい実施の形態について詳説する。図1は本発明に係わる車両用灯具の構造を示した斜視図、図2はレーザー光源とレーザー光源用蛍光体との位置関係を示した側面図、図3はレーザー光源用蛍光体の形状を示した斜視図、図4はレーザー光源の構造を示した側面図、図5は配光パターンを示した正面図である。
車両用灯具1には図1に示すように発光部2が備えられ、発光部2より出射された光は凸レンズ3により拡大投影照射される。発光部2には基板4上に複数のLED光源5とレーザー光源用蛍光体6が設けられている。
LED光源5は例えばLEDチップを蛍光体により包囲されたLEDからなる発光部材であって、基板4に接続された不図示の電源より給電されて発光する。LED光源5は基板4上に複数設けられ、出射された光が各経路を経た後すれ違いビームの配光パターンを形成するように配置されている。本実施の形態では、図1に示すようにLED光源5が水平線Hの上方で水平に複数並べられて設けられている。これにより、照射されたLED光源5からの光が凸レンズ3により水平線Hの下方で水平方向へ広がり、後述する図6で示すようにすれ違いビームの配光パターンの主配光となる。
レーザー光源用蛍光体6はYAG蛍光体等を塗布して形成され、図2に示すようにレーザー光源7から照射されるガウシアン分布の指向特性を備えた青色のレーザー光を受けることにより励起し、ランバシアン分布の指向特性を備える白色光を発光する。本実施の形態では、図1に示すようにレーザー光源用蛍光体6が水平線Hの上方であって垂直線Vの側方に水平方向に長く形成されている。レーザー光源用蛍光体6より発光した光は凸レンズ3により拡大投影照射される。これにより、レーザー光源用蛍光体6がレーザー光を受けて発光した光は、凸レンズ3により水平線Hの下方であって垂直線Vの側方に位置するすれ違いビームの配光パターンのカットオフ近傍(図6参照)へ照射される。
レーザー光源用蛍光体6は図3に示すように平面形状である蛍光体6A、半円柱形状である蛍光体6B、三角柱形状である蛍光体6C、球面形状または放物面形状である蛍光体6Dのいずれかの形状に形成される。
基本的なレーザー光源用蛍光体6の形状は蛍光体6Aのように平面形状であって、平面形状とすることで蛍光体の塗布が容易であり、レーザー光で励起した平面形状の蛍光体の輝度分布はランバシアン分布なので、発光素子の輝度分布よりも輝度均一性はよくなる。また、蛍光体6Bのように半円柱状に蛍光体を塗布することで表面積が拡大されて光束が向上するとともに、照射分布が面積増加分拡散されて穏やかになり白色均一性が向上され、中央が明るくなる傾向がある平面形状よりも更に輝度や色ムラが改善される。蛍光体6Cのように三角柱形状とすることでレーザー光源7からの光の入射角度に合わせた傾きとすることが可能となり、更に三角柱形状の蛍光体層の厚い底辺部分は中央よりも蛍光体濃度が高いため、蛍光体励起による黄色光の光量が増え、輝度が高まり、車両用灯具としての遠方視認性を向上させる。蛍光体6Dのように球面形状または放物面形状とすることでレーザー光の強度分布を補完し色ムラ変化を調整することが可能となる。
レーザー光源7は図4に示すように発光素子8とコリメートレンズ9により構成される高出力半導体レーザー光源である。レーザー光源7は図5(a)に示すように、発光素子8の発光部より発光部サイズに相当するレーザー光が所定の分角度を持ちながら出射する。発行素子8より出射したレーザー光はコリメートレンズ9へ入射し収束され、図5(b)のように照射範囲より大きめ、もしくは同等サイズのレーザー光源用蛍光体6へ照射される。これにより、レーザー光源用蛍光体6の所定範囲が励起し細長く発光部表面輝度の高い発光が得られる。
このように構成された車両用灯具1では図6に示すようにすれ違いビームとしての配光パターン10を形成する。このとき配光パターン10のカットオフ部は輝度の高いレーザー光の光を受けて発光するレーザー光源用蛍光体6からの光により形成される。
図2に示すレーザー光源7の発光素子8は青色(440nm)で、図5(a)に示すように発光部サイズは横10μm、縦2μmで、指向特性は横方向30°、縦60°と、発光部中央の輝度が高く横長なガウシアン分布の輝度分布を持っている。この発光素子8から出射されたレーザー光はコリメートレンズ9で収束され、レーザー光源用蛍光体6に照射される。レーザー光源用蛍光体6は黄色味を帯びたYAGを使用しており、コリメートレンズ9で収束された青色のレーザー光によって白色に発光する。レーザー光源用蛍光体6に当ったレーザー光は散乱するため、レーザー光源用蛍光体6から得えられる発光はランバシアン分布に変化し、発光素子8の輝度分布よりも均一性は向上している。図7にレーザー光源用蛍光体6のサイズに対する輝度分布を示す。図7よりレーザー光源用蛍光体6のサイズは横2.5mm、縦0.5mmで、図5(b)に示すコリメートレンズで収束されたレーザー光の範囲もほぼ同じサイズなので、レーザー光源用蛍光体6の全面を発光させている。この図7より、レーザー光源用蛍光体6の輝度分布は発光素子8の輝度分布(図5(a)と同様の細長く輝度の高い発光が得られることが分かる。
ただし、本実施の形態ではコリメートレンズ9を使用し、発光素子8は波長440nmのレーザー半導体素子を使用しているが特にこの波長に限定するものではなく、青色であれば他の発光素子を使用してもよい。また、レーザー光源用蛍光体6は黄色味を帯びたYAGを使用したが、緑色と赤色が混ざった蛍光体でもよく、発光色が白色となるものであれば他の材料も好適に利用可能である。更にコリメートレンズ9に替わり収束レンズであっても同様の効果を得ることが可能である。コリメートレンズ9で収束されたレーザー光のサイズは光学設計で大小変化させられるため、レーザー光源用蛍光体6のサイズと共に本実施の形態に限定されたサイズとする必要はなく、光学設計によってより細長くすること、または太くすることも可能である。レーザー光源用蛍光体6も灯体の組み立て誤差や加工誤差を考慮した設計をしてもよい。
また、カットオフ部近傍のみを主配光よりも突出した明るさを持つ配光を得るためには平均輝度の高い光源の方が適している。図8において本実施形態におけるレーザー励起発光方式と、比較例の白色LED発光方式およびHID方式における指向特性、発光サイズ、光束、放射角度、平均輝度、消費電力、効率、色温度を比較している。光学指向性は、本実施の形態のレーザー励起発光方式と白色LED発光方式はランバシアン分布なので、放射角度は2πとなり、HIDのみ全方位に発光するリンゴ型なので、放射角度は4πとなる。図8中の発光サイズ、光束値、放射角度の値により以下の式に従って平均輝度を計算する。
平均輝度=光束÷放射角度÷発行面積 ・・・ 式(1)
発光サイズ縦0.5mm、横2.5mmのレーザー励起発光方式の平均輝度は58.6Mnitと最も高い輝度を示す。発光サイズ縦1.0mm、横4.4mmの白色LED発光方式の平均輝度は21.7Mnitで最も低く、発光サイズ縦0.5mm、横4.4mmのHID方式の平均輝度は45.6Mnitと前者両タイプの中間値となる。図9にレーザー励起発光方式の発光面積と平均輝度との相関グラフを示す。図9には、図8に示す3方式の発光サイズに対する平均輝度もプロットしている。図9よりレーザー励起発光方式は発光面積が小さくなるほど平均輝度は高くなるため、カットオフ近傍の輝度を高めたい本発明の目的に適合した細長く高輝度な光源に適していることが分かる。白色LED発光方式は発光面積が大きいのに対して平均輝度が低く、HID方式の平均輝度は比較的高いが発光面積をこれ以上小さくすることが出来ない。また、両方式共に発光面積が増えるほど光束が落ちるため、レーザー励起発光方式のように平均輝度が増加することがない。このように本実施の形態のレーザー励起発光方式のみが、図10(A)に示すLED光源5のみと比べ図10(B)に示すように高輝度の光をカットオフ部へ照射してカットオフ部に高輝度領域Hを形成して遠方視認性が高い配光を形成する。
なお、レーザー光源用蛍光体6は本実施の形態において基板4上にLED光源5とともに設けられているが、本発明はこれに限らず、LED光源5とレーザー光源用蛍光体は個々の基板上に設けられていてもよい。これにより、LED光源5とレーザー光源用蛍光体6との照射方向や位置の調整を容易にすることが可能となる。
また、配光パターン10でより明瞭なカットオフラインを形成するため、発光部2が直接光を照射するような場合には、発光部2直近もしくは直上にカットオフラインと同じ形状のシェード14を配置し、照射する光の一部をカットオフラインの形状に合わせて遮蔽するとよい。
続いて、本発明における別の実施の形態における車両用灯具について説明する。図11は別の実施の形態における車両用灯具の構成を示した側面断面図である。
図11に示すように車両用灯具1Aには複数のLED光源5と、LED光源5よりも照射方向に対して前方に配置されたレーザー光源用蛍光体6とが設けられた発光部2と、発光部2からの光を反射するリフレクタ11とが備えられている。このようなリフレクタ型灯具として構成される車両用灯具1Aは、リフレクタ11によりLED光源5からの光がすれ違いビーム用の配光パターンの主配光となるように反射され、レーザー光源用蛍光体6からの光がすれ違いビーム用の配光パターンのカットオフ近傍へ反射される。本実施の形態では、LED光源5とレーザー光源用蛍光体6の上に、シリコーン系若しくはガラス系のレンズを取り付けているか、若干リフレクタ設計は必要だがレンズが無くと同様の効果を得ることができる。
車両用灯具1Aにより形成される配光パターンは、図11のように車両前方に対してレーザー光源用蛍光体6が複数のLED光源の前方に配置されているため、レーザー光源用蛍光体6から発する光の焦点100も照射方向に対してLED光源5の焦点101より前方に位置する。レーザー光源用蛍光体6からの光線L1は概ね照射方向に対して平行光になるようにリフレクタの反射面が形成されており、その平行光である光線L1はカットオフ部の輝度が高くなるような配光に調整されている。これに対して、LED光源5は照射方向に対してレーザー光源用蛍光体6よりも後方に配置されているため、照射方向に対してLED光源5の焦点101は、レーザー光源用蛍光体6から発する光の焦点100よりも後方に位置する。このため、LED光源5からの光線L2は、レーザー光源用蛍光体6からの光線L1よりもリフレクタへの入射角度が広角になるため、LED光源5からの光線L2はレーザー光源用蛍光体6による照射光L1より下方で照射方向に対して概ね平行な照射光となり、すれ違いビーム用の主配光に適した配光パターンを形成することができる。これにより図6に示す配光パターン10のように主配光が複数のLED光源5により形成され、カットオフ部は輝度の高いレーザー光の光を受けて発光するレーザー光源用蛍光体6からの光により形成される。これにより、カットオフ部の輝度が高く遠方視認性が高い配光となる。
また、配光パターン10でより明瞭なカットオフラインを形成するため、発光部2直近もしくは直上にカットオフラインと同じ形状のシェード14を配置し、照射する光の一部をカットオフラインの形状に合わせて遮蔽するとよい。
続いて、本発明における更に別の実施の形態における車両用灯具について説明する。図12は更に別の実施の形態における車両用灯具の構成を示した側面断面図である。
図12に示すように、車両用灯具1Bには複数のLED光源5と、LED光源5よりも照射方向に対して前方に配置されたレーザー光源用蛍光体6とが設けられた発光部2と、発光部2からの光を反射するリフレクタ12と、所望のすれ違いビーム用の配光パターンを形成する遮光板13と、光を拡大投影照射する凸レンズ3が備えられている。
このようなプロジェクタ型灯具として構成される車両用灯具1Bは、リフレクタ12によりLED光源5からの光がすれ違いビーム用の配光パターンの主配光となるように反射され、レーザー光源用蛍光体6からの光がすれ違いビーム用の配光パターンのカットオフ近傍へ反射される。リフレクタ12により反射された光は一部が遮光板13により遮られることですれ違いビーム用の配光パターンの形状を形成し、凸レンズ3により拡大投影照射する。
このようにして車両用灯具1Bにより形成される配光パターンは、図12のように車両前方に対してレーザー光源用蛍光体6が複数のLED光源5の前方に配置されているため、レーザー光源用蛍光体6から発する光の焦点100も照射方向に対してLED光源5の焦点101より前方に位置する。レーザー光源用蛍光体6から発した光はリフレクタ12で反射され、凸レンズ3の焦点F1近傍に集光し、凸レンズ3で屈折し、照射方向に概ね平行な光になる光線L3が投影される。光線L3はカットオフ近傍の輝度が高くなるような配光に調整されている。これに対して、LED光源5は照射方向に対してレーザー光源用蛍光体6よりも後方に配置されているため、照射方向に対してLED光源5の焦点101は、レーザー光源用蛍光体6から発する光の焦点100よりも後方に位置することとなる。LED光源5からの光線L4は、レーザー光源用蛍光体6からの光線L3よりもリフレクタ12への入射角度が広角になるため、リフレクタ12で反射された光線は遮光板13近傍の凸レンズの焦点やレーザー光源用蛍光体6の焦点F1よりも高い位置の焦点F2に集光する。LED光源5の焦点F2は、レーザー光源用蛍光体6の焦点Fよりも高い位置にあるため、凸レンズ3から出射するLED光源5からの光線L4は、レーザー光源用蛍光体6からの光線L3より下方に出射され、すれ違いビーム用の主配光に適した配光パターンを形成できる。これにより、図6に示す配光パターン10のように主配光が複数のLED光源5により形成され、カットオフ部は輝度の高いレーザー光の光を受けて発光するレーザー光源用蛍光体6からの光により形成される。これにより、カットオフ部の輝度が高く遠方視認性が高い配光となる。
以上、説明したように、本発明に係わる車両用灯具によれば、すれ違いビーム用の配光パターンを形成するLED光源5を用いた車両用灯具のカットオフ近傍に、レーザー光源7からの光により発光するレーザー光源用蛍光体6からの光を照射し、カットオフ近傍の輝度を向上させ遠方視認性の高い車両用灯具を提供することが可能となる。
1、1A、1B…車両用灯具,2…発光部,3…凸レンズ,4…基板,5…LED光源,6、6A、6B、6C、6D…レーザー光源用蛍光体,7…レーザー光源,8…発光素子,9…コリメートレンズ,10…配光パターン,11、12…リフレクタ,13…遮光板,100、101、F1、F2…焦点,L1、L2、L3、L4…光線

Claims (7)

  1. すれ違いビーム用の配光パターンを形成するLED光源と、
    レーザー光源からの光を受けて発光することにより前記配光パターンのカットオフ近傍へ光を照射するレーザー光源用蛍光体と、により構成される発光部を備えたことを特徴とする車両用灯具。
  2. 前記レーザー光源用蛍光体は平面形状、半円柱形状、三角柱形状、球面形状または放物面形状であることを特徴とする請求項1に記載の車両用灯具。
  3. 前記LED光源と前記レーザー光源用蛍光体は1つの基板上または個々の基板上に分かれて取り付けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の車両用灯具。
  4. 焦点位置近傍に設けられた前記発光部からの光を拡大投影照射するレンズを備えたことを特徴とする請求項1、2、または3のいずれか1項に記載の車両用灯具。
  5. 前記発光部と、前記LED光源からの光をすれ違いビーム用の配光パターンの主配光となるように反射し前記レーザー光源用蛍光体からの光をすれ違いビーム用の配光パターンのカットオフ近傍へ反射するリフレクタとを備えており、前記レーザー光源用蛍光体は照射方向に対してLED光源よりも前方に配置されているリフレクタ型灯具であることを特徴とする請求項1、2、または3のいずれか1項に記載の車両用灯具。
  6. 前記発光部と、レンズと、遮光板と、前記LED光源からの光をすれ違いビーム用の配光パターンの主配光となるように反射し前記レーザー光源用蛍光体からの光をすれ違いビーム用の配光パターンのカットオフ近傍へ反射するリフレクタとを備えており、前記レーザー光源用蛍光体は照射方向に対してLED光源よりも前方に配置されているプロジェクタ型灯具であることを特徴とする請求項1、2、または3のいずれか1項に記載の車両用灯具。
  7. 前記発光部の直近もしくは直上にはカットオフラインを形成する遮光板が配置されていることを特徴とする請求項1、2、3、4、または5のいずれか1項に記載の車両用灯具。
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