JP5441538B2

JP5441538B2 - Ｌｅｄ光源

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Publication number: JP5441538B2
Application number: JP2009169232A
Authority: JP
Inventors: 手島孝男
Original assignee: Car Mate Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Car Mate Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2029-07-17
Also published as: JP2011023299A

Description

この発明は、例えば前照灯や前部霧灯、車幅灯等の車両用灯具や、プロジェクター等の光学装置、検査装置・半導体製造装置等の産業用機器用の光源として用いられてきた、白熱電球、ハロゲン電球及びＨＩＤランプ等の交換用又は代替用光源として好適なＬＥＤ光源に関する。

一般的に車両用灯具として用いられる前部霧灯は図７に示すような構造を有する。図７において、７１はリフレクタ、７２は前記リフレクタ７１の底部の受金部に着脱自在に装着したプラグ、７３は前記プラグ７２に取り付けた口金体、７４は前記口金体７３に固定されたハロゲン電球である。前記ハロゲン電球７４の発光部（白熱フィラメント）の中心は前記リフレクタ７１の焦点に配置され、前記ハロゲン電球７４からの発光は大部分が前記リフレクタ７１で反射され、矢符で示す方向に放射される。すなわち、ハロゲン電球７４からの発光のうちかなり多くの部分はハロゲン電球７４の後方のリフレクタ７１の底部において反射され前方に放射される。図１９は上記のような前部霧灯を点灯した場合の被照射面における配光特性を示す。リング状の各曲線は等照度曲線を示す。

従来は前記ハロゲン電球の他に白熱電球、ＨＩＤランプ等が使用されてきたが、最近はこれらの光源に代わって小型で発光効率のよいＬＥＤ素子を光源として使用する試みもなされてきた。

しかし、ＬＥＤ素子を車両用灯具の光源として用いようとすると、次のような問題が生じる。すなわち、一般的なＬＥＤ素子は放射光の指向性が高いため、発光部から１８０°前方にしか放射されず後方に放射される光は殆どないため、ＬＥＤ素子をリフレクタの焦点に配置しても図１９に示すような放射光の配光特性は得られない。すなわち、従来の白熱電球、ハロゲン電球及びＨＩＤランプとの交換用又は代替用光源としては使用することができない。

そこで、図９に示すように口金体９１の上に複数個のＬＥＤ素子９２を電球形状に配置して前記口金体９１をソケットに装着するものが提案されている。しかし、かかる構造のものは発光部の寸法・形状を従来の白熱電球と同じにした場合、発光部が大きくなるため、従来の白熱電球と同位置に配置しても所望の配光特性が得られないばかりでなく、明るさを求めて大電流を流すと全体的に高温となり、しかも放熱が困難であるという欠点がある。

また、実開昭５６−１２３５７２号公報には、図１０に示すように、ＬＥＤ素子１０１の周囲をモールド樹脂１０２で取り囲むとともに、モールド樹脂１０２の頂面に凹部１０３を設けて、ＬＥＤ素子１０１から放射された光を前記凹部１０３の面で屈折させてモールド樹脂１０２の側面での光度を大きくすることも提案されている。しかし、かかる構造ではモールド樹脂１０２の側面での光度を大きくすることはできても、ＬＥＤ素子から前方に放射された光を白熱電球、ハロゲン電球及びＨＩＤランプの発光点位置からの実質的な点光源として、リフレクタ面全体に光を反射させることは配慮されていないため、従来の白熱電球、ハロゲン電球及びＨＩＤランプとの交換用又は代替用光源としては使用すると、リフレクタの一部に光の照射が集中し、被照射面への適切な配光ができない。

さらに、特開２００３−８０６８号公報には、図１１に示すように、ＬＥＤ素子１１１に光学系レンズ１１２を組み合わせて、前記光学系レンズ１１２で反射された光の大部分がＬＥＤ素子１１１の光軸と直角な方向、すなわち横方向に放射されるように構成したものも提案されている。しかし、この技術もまた前記従来例と同様にＬＥＤ素子から前方に放射された光を白熱電球、ハロゲン電球及びＨＩＤランプの発光点位置からの実質的な点光源として、リフレクタ面全体に光を反射させることは配慮されていないため、従来の白熱電球、ハロゲン電球及びＨＩＤランプとの交換用又は代替用光源としては使用すると、リフレクタの一部に光の照射が集中し、被照射面への適切な配光ができない。

実開昭５６−１２３５７２号公報特開２００３−８０６８号公報

本発明は、前照灯や前部霧灯、車幅灯等の車両用灯具や、プロジェクター等の光学装置、検査装置・半導体製造装置等の産業用機器用の光源として用いられてきた、白熱電球、ハロゲン電球及びＨＩＤランプ等の交換用又は代替用光源として好適なＬＥＤ光源を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明においては、ＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子から前方に放射された光を反射する反射面とを有し、前記ＬＥＤ素子から前方に放射された光が前記ＬＥＤ素子より前方に設定した仮想放射光源位置から放射される仮想放射光と実質的に一致する反射光となる様に、前記反射面を形成する。

更に前記反射面は、縦断面形状が、前記ＬＥＤ素子の発光点の中心位置と前記仮想放射光源の位置とを焦点とする多重の楕円軌道の任意の位置における各法線を各楕円軌道間で連続的に結んだ軌道と同一もしくは近似する形状に形成すると良い。

更に前記反射面は、前記ＬＥＤ素子の周囲に配置した光学系レンズの一部によって構成すると良い。

また、前記反射面は、ドーム状の外郭体で覆われたＬＥＤ素子の周囲に配置した光学系レンズの一部によって構成すると良い。

更に、前記ＬＥＤ素子の発光点の中心位置と前記仮想放射光源の位置とを焦点とする多重の楕円軌道の任意の位置における各法線を各楕円軌道間で連続的に結んだ軌道と近似する形状で構成される前記反射面が、縦断面形状において前記ＬＥＤ素子から離れた位置に形成された第１の反射面と、縦断面形状において前記第１の反射面よりも前記ＬＥＤ素子に近い位置で前記第１の反射面で反射する光よりも光軸に対して外側の光を反射する第２反射面を有すると良い。

また、前記反射面の縦断面形状における、前記ＬＥＤ素子の発光点の中心位置と前記仮想放射光源の位置とを焦点とする多重の楕円軌道の任意の位置における各法線を各楕円軌道間で連続的に結んだ軌道と同一もしくは近似する形状が、複数の異なる角度の線の連続によって形成する事ができる。

また、前記反射面の縦断面形状における、前記ＬＥＤ素子の発光点の中心位置と前記仮想放射光源の位置とを焦点とする多重の楕円軌道の任意の位置における各法線を各楕円軌道間で連続的に結んだ軌道と同一もしくは近似する形状が、複数の異なる曲率の線の連続によって形成しても良い。

また、前記反射面の縦断面形状における、前記ＬＥＤ素子の発光点の中心位置と前記仮想放射光源の位置とを焦点とする多重の楕円軌道の任意の位置における各法線を各楕円軌道間で連続的に結んだ軌道と同一もしくは近似する形状が、円もしくは楕円の一部で代替的に形成しても良い。

また、前記反射面の縦断面形状における、前記ＬＥＤ素子の発光点の中心位置と前記仮想放射光源の位置とを焦点とする多重の楕円軌道の任意の位置における各法線を各楕円軌道間で連続的に結んだ軌道と同一もしくは近似する形状が、反射面と非反射面を階段状に結んだ形状の連続によって形成しても良い。

また、前記ＬＥＤ素子の周囲に配置した光学系レンズは、横断面形状が円形であり、縦断面形状における光軸の中央部に凸レンズを形成しても良い。

また、前記ＬＥＤ素子の周囲に配置した光学系レンズの縦断面形状における光軸の中央部には、光遮光手段が施しても良い。

また、前記ＬＥＤ素子の周囲に配置した光学系レンズの縦断面形状における光軸の中央部には光の反射手段が施しても良い。

更に、ＬＥＤ光源は、白熱電球、ハロゲン電球、ＨＩＤランプ等の既存の光源用に形成されたリフレクタに対して装着可能に構成され、前記仮想放射光源の位置が、前記リフレクタに対する白熱電球、ハロゲン電球、ＨＩＤランプ等の光源の発光部の位置と実質的に一致していると良い。

更に、前記ＬＥＤ素子を含む発光部と、前記リフレクタへの装着部との間に、金属性の放熱フィンを有する筒状放熱体を有すると良い。

本発明は車両用灯具や、プロジェクター等の光学装置、検査装置・半導体製造装置等の産業用機器用等の光源として使用されてきた、白熱電球、ハロゲン電球及びＨＩＤランプ等の交換用又は代替用光源として好適なＬＥＤ光源を提供することができる。

図１は本発明の最良の実施形態を示すものである。図１において、１１は下半部を省略して示す口金体、１２は前記口金体１１の頂部に固定したＬＥＤ素子固定ベース、１３は前記ＬＥＤ素子固定ベース１２で支持したＬＥＤ素子である。また、１４は前記ＬＥＤ素子１３の周囲に配置した光学系レンズであって、この光学系レンズ１４は前記ＬＥＤ素子１３より前方に存在する仮想光源位置１５から放射される仮想放射光の光路方向F１、F２に反射させる反射面１６を有する。かかる構成において、さらに、前記ＬＥＤ素子１３と前記仮想光源位置１５とを結ぶ軸線X-X'上に、前記反射面１６と同様に仮想光源位置１５から放射される仮想放射光の光路方向F３に反射させる別の反射面１７を設けてもよい。

図２は、図１に示すＬＥＤ素子１３と口金体１１の組立体をプラグ１８に装着した状態を示すもので、ＬＥＤ素子１３からの発光は点線と矢符で示す方向に放射される。この図から明らかなように、ＬＥＤ素子１３からの出射光は前方に設定した仮想放射光源位置から放射される仮想放射光と実質的に一致する反射光となる様に放射されており、前方向への指向性が高い一般的なＬＥＤ素子の放射光と異なり、リフレクタを使用する場合にきわめて、白熱電球、ハロゲン電球及びＨＩＤランプ等に近い配光を、効率的に得る事ができる。

尚、上記仮想放射光源位置１５の設定はリフレクタの設計に合わせて任意の位置に設定する事ができ、また既存の白熱電球、ハロゲン電球及びＨＩＤランプ等用に設定されたリフレクタに使用する場合は、白熱電球やハロゲン電球のフィラメントの長さ(幅)や、ＨＩＤランプの電極間距離や直流と交流での光学特性の相違等を考慮し、またＬＥＤ素子１３自体の発光が点光源では無く一定の幅を有する面光源である事を考慮して、その位置を設定する事が出来、請求項における「仮想放射光と実質的に一致する」の記載は上記考慮すべき要因による発光点の幅や誤差に基づき、同等の調製を行なった仮想放射光源位置１５に基づき形成された反射面１６によるＬＥＤ素子１３の反射光も、「仮想放射光と実質的に一致する反射光」に含まれる。

次に、本発明における光学系レンズの構成原理について説明する。図３は任意の楕円における焦点をそれぞれ光源ｆ１と仮想放射光源ｆ２に見立て、また、前記楕円上の任意の点ａ１、ａ２、ａ３及びa４における接線と直角な法線Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３及びＬ３４を光線反射面に見立てて、前記光源ｆ１から放射された光が前記各点ａ１、ａ２、ａ３及びａ４における光線反射面においてどのような方向に反射されるかを見てみると、図示のように全反射して、それぞれＦ３１、Ｆ３２、Ｆ３３及びＦ３４の方向に反射されることになる。すなわち、あたかも仮想放射光源f２から放射される仮想放射光の光路方向に反射される。

そこで次に、前記楕円上の任意の点ａ１、ａ２、ａ３及びａ４における接線と直角な法線Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３及びＬ３４をそれぞれ連続的に構成して光線反射面とすることができるか否について検討する。図４は前記ＬＥＤ素子の位置ｆ１と前記仮想放射光源の位置ｆ２とを焦点とする多重の楕円軌道の任意の位置における各法線を各楕円軌道間で連続的に結んだ軌道Ｒ４１、Ｒ４２、Ｒ４３、Ｒ４４及びＲ４１'、Ｒ４２'、Ｒ４３'、Ｒ４４'を反射面の断面形状とするものである。

このようにして反射面を構成すると、例えば断面形状が図４のＲ４２の反射面では図５に示すように光源ｆ１から放射された光は、反射面Ｒ４２において仮想放射光源f２から放射される仮想放射光の光路方向に反射される。

図６は、例えば図４における反射面Ｒ４２の一部を主反射面とし、同じく図４における反射面Ｒ４３を副反射面としてこれらをＬＥＤ素子１３の周囲に配置した光学系レンズ１４で構成したものである。このようにして、前記ＬＥＤ素子１３と前記仮想光源位置１５とを結ぶ軸線上Ｘ−Ｘ'に、前記反射面を複数個形成することも可能である。これによって前記主反射面でカバーしきれない光をリフレクタの底部に向けて反射させることができる。

図１２は、本発明において光学系レンズの中央部に凸レンズ１２１を形成したもので、被照射面の中央部の照度が低い場合に中央部の照度を高められる利点がある。

図１３は、前記反射面の断面形状を、前記ＬＥＤ素子１３の位置ｆ１と前記仮想光源位置１５の位置ｆ２とを焦点とする多重の楕円軌道の任意の位置における各法線を各楕円軌道間で直線によって連続的に結んだ軌道の反射面１３１にしたがって形成した実施例である。多重の楕円軌道の任意の位置における各法線を各楕円軌道間で曲線によって連続的に結ぶよりも簡単に光学系レンズの金型などを作成する事ができるため、作成に係わる費用と時間を低減する事ができる。尚、上記各法線を各楕円軌道間で連続的に結んだ軌道は、直線に限定されず円や楕円の一部で代替的に適用させる事ができる。

図１４は、反射面の断面構成において、前記ＬＥＤ素子１３の位置ｆ１と前記仮想光源位置１５の位置ｆ２とを焦点とする多重の楕円軌道の任意の位置における各法線を各楕円軌道間で理想的な曲線によって連続的に結ぶ代わりに、円や楕円の一部よりなる反射面１４１で代替的に構成した例である。計算に基づいて作成された連続的に変化する曲線で構成される反射面と比較した場合の被照射面における配光特性は、劣るが、簡単・安価に製造・提供することが可能である。

図１５は、反射面の縦断面形状における、前記ＬＥＤ素子の発光点の中心位置と前記仮想放射光源の位置とを焦点とする多重の楕円軌道の任意の位置における各法線を各楕円軌道間で結んだ軌道と同一もしくは近似する形状（反射面）と非反射面を階段状に結んだ形状よりなる反射面１４６によって形成した実施例である。計算に基づいて作成された連続的に変化する曲線で構成される反射面と比較した場合の被照射面における配光特性は、やや劣るが、簡単・安価に製造・提供することが可能である。

図１６は、本発明において光学系レンズの少なくとも頂部（中央付近のＬＥＤ素子１３から放射される光と光学系レンズ１４の反射面の角度が臨界角以下の部分）に反射層１５１を塗布した例であり、レンズ１４の反射面１６の臨界角が不足するために、反射面１６で反射されず透過光となってしまう光学系レンズの頂部付近に照射される光を、仮想放射光源からの光として反射させる事ができる。尚、反射層１５１の変わりに遮光層を設けた場合、光学系レンズの頂部付近に照射される光を有効利用する事はできないが、リフレクタ８１を介さず直接前方に照射される光をカットする事が出来る。

図１７は、ＬＥＤ素子１３としてドーム状の外郭体１６１で覆われた市販のＬＥＤパッケージを使用し、前記外郭体１６１の周囲に光学系レンズ１４を配置したもので、製造時におけるＬＥＤ素子１３の取り扱いが容易になる。

図１８は、リフレクタに設けられた受金に着脱可能なプラグ１８に装着された口金体１１を円柱状の熱伝導体（例えば銅やアルミニウム、セラミック）で構成し、その口金体の先端部にＬＥＤ素子を支持させて、光学系レンズを配置した実施例である。円柱状の口金体１１を使用することによりＬＥＤ素子の放熱性が良好となるが、さらに前記口金体１１に放熱フィンを有する筒状放熱体１７１を嵌装することにより、放熱性は一層良好になる。

図１９は、図１８に示すＬＥＤ素子の構成体をリフレクタ８１の底部の受金に装着した状態を示す。

図２１は、図１に示すＬＥＤ素子を図２に示すようなプラグに装着して図８のように従来の車両用灯具のリフレクタに取り付けて点灯したときの被照射面の配光特性を示すものである。配光中央部の明るい部分の幅が従来品（図２０）に比較してやや狭いものの、白熱電球、ハロゲン電球及びＨＩＤランプ等の交換用又は代替用光源として十分に使用可能な特性を有している。

本発明は、車両用灯具や、光学装置、産業用機器等の光源として使用されてきた、白熱電球、ハロゲン電球及びＨＩＤランプ等の交換用又は代替用光源として広く使用することができる。

本発明に係るＬＥＤ光源の主要部分の断面図本発明に係るＬＥＤ光源をソケットに装着した場合の外観図本発明に係るＬＥＤ光源に用いる反射面の構成原理説明図本発明に係るＬＥＤ光源に用いる反射面を適数個構成する場合の説明図図４に示す構成手段により構成した１つの反射面における光線反射状態の説明図図４に示す反射面を２つ用いた場合における反射光の反射方向の説明図ソケットにハロゲン電球を装着した車両用灯具のリフレクタにおける光線の反射方向の説明図ソケットに本発明に係るＬＥＤ光源を装着した車両用用具のリフレクタにおける光線の反射方向の説明図ＬＥＤ素子を電球型に配置して構成した従来のＬＥＤ光源の外観図ＬＥＤ素子にレンズを組み合わせた従来のＬＥＤ光源の正面図ＬＥＤ素子にレンズを組み合わせた従来のＬＥＤ光源の断面図本発明に係るＬＥＤ光源の他の実施例の断面図本発明に係るＬＥＤ光源の他の実施例の断面図本発明に係るＬＥＤ光源の他の実施例の断面図本発明に係るＬＥＤ光源の他の実施例の断面図本発明に係るＬＥＤ光源の他の実施例の断面図本発明に係るＬＥＤ光源の他の実施例の断面図本発明に係るＬＥＤ光源において口金構成体の部分に放熱フィンを取り付けた実施例の斜視図本発明に係るＬＥＤ光源において図１７に示すＬＥＤ光源を自動車用灯具のリフレクタに装着した場合の斜視図従来技術において図７に示す自動車用灯具のリフレクタによって被照射面を照射した場合の明るさ分布図本発明に係るＬＥＤ光源において図８に示す自動車用灯具のリフレクタによって被照射面を照射した場合の明るさ分布図

１１：口金体
１２：ＬＥＤ素子固定ベース
１３：ＬＥＤ素子
１４：光学系レンズ
１５：仮想放射光源
１６：反射面
１７：反射面
１８：ソケット
７１：リフレクタ
７２：ソケット
７３：口金体
７４：ハロゲン電球
８１：リフレクタ
１２１：凸レンズ
１３１：反射面
１４１：反射面
１４６：反射面
１５１：反射層
１６１：ドーム状外郭体
１７１：筒状放熱体
ｆ１、ｆ２：楕円焦点
ａ1、ａ２、ａ３、ａ４：楕円上の任意点
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４：法線
Ｆ３１、Ｆ３２、Ｆ３３、Ｆ３４：仮想放射光源からの仮想放射光の光路方向
Ｒ４１、Ｒ４２、Ｒ４３、Ｒ４４：各法線を各楕円軌道間で連続的に結んだ軌道
Ｒ４１‘、Ｒ４２‘、Ｒ４３‘、Ｒ４４‘：各法線を各楕円軌道間で連続的に結んだ軌道

Claims

ＬＥＤ素子と、
前記ＬＥＤ素子から前方に放射された光を反射する反射面とを有し、
前記ＬＥＤ素子から前方に放射された光が前記ＬＥＤ素子より前方に設定した仮想放射光源位置から放射される仮想放射光と実質的に一致する反射光となる様に、前記反射面が形成され、
前記反射面は、縦断面形状が、前記ＬＥＤ素子の発光点の中心位置と前記仮想放射光源の位置とを焦点とする多重の楕円軌道の任意の位置における各法線を各楕円軌道間で連続的に結んだ軌道と同一もしくは近似する形状に形成され、
前記反射面が、縦断面形状において前記ＬＥＤ素子から離れた位置に形成された第１の反射面と、縦断面形状において前記第１の反射面よりも前記ＬＥＤ素子に近い位置で前記第１の反射面で反射する光よりも光軸に対して外側の光を反射する第２反射面を有することを特徴とするＬＥＤ光源。
前記反射面は、前記ＬＥＤ素子の周囲に配置した光学系レンズの一部によって構成されていることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ光源。
前記反射面は、ドーム状の外郭体で覆われたＬＥＤ素子の周囲に配置した光学系レンズの一部によって構成されていることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ光源。
前記反射面の縦断面形状における、前記ＬＥＤ素子の発光点の中心位置と前記仮想放射光源の位置とを焦点とする多重の楕円軌道の任意の位置における各法線を各楕円軌道間で連続的に結んだ軌道と同一もしくは近似する形状が、複数の異なる角度の線の連続によって形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のＬＥＤ光源。
前記反射面の縦断面形状における、前記ＬＥＤ素子の発光点の中心位置と前記仮想放射光源の位置とを焦点とする多重の楕円軌道の任意の位置における各法線を各楕円軌道間で連続的に結んだ軌道と同一もしくは近似する形状が、複数の異なる曲率の線の連続によって形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のＬＥＤ光源。
前記反射面の縦断面形状における、前記ＬＥＤ素子の発光点の中心位置と前記仮想放射光源の位置とを焦点とする多重の楕円軌道の任意の位置における各法線を各楕円軌道間で連続的に結んだ軌道と同一もしくは近似する形状が、円もしくは楕円の一部で代替的に形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のＬＥＤ光源。
前記反射面の縦断面形状における、前記ＬＥＤ素子の発光点の中心位置と前記仮想放射光源の位置とを焦点とする多重の楕円軌道の任意の位置における各法線を各楕円軌道間で連続的に結んだ軌道と同一もしくは近似する形状が、反射面と非反射面を階段状に結んだ形状の連続によって形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のＬＥＤ光源。
前記ＬＥＤ素子の周囲に配置した光学系レンズは、横断面形状が円形であり、縦断面形状における光軸の中央部に凸レンズが形成されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のＬＥＤ光源。
前記ＬＥＤ素子の周囲に配置した光学系レンズの縦断面形状における光軸の中央部には、光の遮光手段が施してあることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のＬＥＤ光源。
前記ＬＥＤ素子の周囲に配置した光学系レンズの縦断面形状における光軸の中央部には光の反射手段が施してあることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のＬＥＤ光源。
ＬＥＤ光源は、白熱電球、ハロゲン電球、ＨＩＤランプ等の既存の光源用に形成されたリフレクタに対して装着可能に構成され、前記仮想放射光源の位置が、前記リフレクタに対する白熱電球、ハロゲン電球、ＨＩＤランプ等の光源の発光部の位置と実質的に一致していることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載のＬＥＤ光源。
前記ＬＥＤ素子を含む発光部と、前記リフレクタへの装着部との間に、金属性の放熱フィンを有する筒状放熱体を有することを特徴とする請求項１１に記載のＬＥＤ光源。