JP5510646B2 - 車両用灯具 - Google Patents

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Description

本発明は、車両用灯具に係り、特にレーザー光により励起されて発光する蛍光体を用いた車両用灯具に関する。
従来、車両用灯具の分野においては、夜間に充分な強度の光で遠方を照明するために、高輝度の光源が求められている（例えば特許文献１参照）。
本出願の発明者らは、レーザー光により励起されて発光する蛍光体（例えばYAG蛍光体）の輝度がＨＩＤランプ（及び白色ＬＥＤ）よりも高い点に注目し（図１１参照）、当該蛍光体を用いて車両用灯具に適用される光源を試作した。
図１２は、本出願の発明者らが実際に試作した光源２００の構成図である。
図１２に示すように、光源２００は、発光部２１０、レーザー光学系２２０等を備えている。
発光部２１０は、金属板２１１、蛍光体２１２等を備えている。
金属板２１１は、例えばアルミニウム製プレートである（例えばサイズ：縦１．５［ｍｍ］×横７．５［ｍｍ］×厚み：２［ｍｍ］）。金属板２１１の表面には、青色レーザー光により励起されて発光する蛍光体２１２（例えばYAG蛍光体）が塗布されている（例えばサイズ：縦０．５［ｍｍ］×横２．５［ｍｍ］×厚み０．１［ｍｍ］）。
レーザー光学系２２０は、レーザー光源２２１、レンズ２２２を含んでいる。
レーザー光源２２１は、蛍光体２１２に入射する青色レーザー光（放射束）を放射する光源、例えば、発光サイズ：縦２μｍ×横１０μｍ、光出力：２Ｗ、発光色：青色（４４０ｎｍ）、配光指向特性：ガウシアン分布（横方向３０°×縦方向６０°）の高出力半導体レーザー装置である。
レンズ２２２は、レーザー光源２２１から放射される青色レーザー光を蛍光体２１２のサイズまで集光するレンズ（例えば収束レンズ又はコリメートレンズ）であり、レーザー光源２２１の前方に配置されている。
上記構成の光源２００によれば、レーザー光源２２１から放射された青色レーザー光は、レンズ２２２の作用により蛍光体２１２のサイズ（縦０．５［ｍｍ］×横２．５［ｍｍ］）まで集光されて蛍光体２１２に照射される（図１２参照）。これにより、蛍光体２１２は励起されて発光し白色光を発生する。これとともに、高エネルギーの青色レーザー光が照射される蛍光体２１２と金属板２１１は、急激に温度上昇し（約１０００℃程度）熱膨張する。
特開２００５−１５００４１号公報
しかしながら、上記構成の光源２００においては、蛍光体２１２と金属板２１１の熱膨張係数が大きく相違するため（YAG蛍光体の熱膨張係数：２．４〜７．８、アルミニウムの熱膨張係数：２４）、点灯消灯を繰り返すと（すなわち温度変化を繰り返すと）、次第に界面剥離が発生する、という問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、蛍光体とその取り付け相手部材の熱膨張係数が相違することに起因する界面剥離の発生を防止（又は低減）することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、レーザー光により励起されて発光する光源としての蛍光体と、前記蛍光体とは熱膨張係数が相違する部材と、前記蛍光体と前記部材との間に形成され前記蛍光体と前記部材とを接着する硫酸バリウム層と、を含む構造体と、前記構造体に入射するレーザー光を放射する半導体レーザー光源と、前記光源としての蛍光体からの放射光を、車両用灯具前方に照射方向前方に向かって投影する投影レンズまたは反射面と、を備え、前記蛍光体は、板状の第１焼結体からなり、前記部材は、第２焼結体からなり、前記硫酸バリウム層は、粉体の硫酸バリウム層であり、前記蛍光体の表面から入射して前記蛍光体と前記硫酸バリウム層との界面に到達する前記レーザー光を、前記蛍光体に向かって反射することを特徴とする。
請求項１に記載の発明によれば、蛍光体と蛍光体とは熱膨張係数が相違する部材との間に形成された硫酸バリウム層の緩衝作用により、蛍光体とその取り付け相手部材の熱膨張係数が相違することに起因する界面剥離の発生を防止（又は低減）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、前記第２焼結体は、AlN焼結体であることを特徴とする。
請求項２に記載の発明によれば、蛍光体とAlN焼結体との間に形成された硫酸バリウム層の緩衝作用により、蛍光体とAlN焼結体の熱膨張係数が相違することに起因する界面剥離の発生を防止（又は低減）することが可能となる。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、放熱部材をさらに備えており、前記AlN焼結体は、前記放熱部材に共晶接合されていることを特徴とする。
請求項３に記載の発明によれば、共晶接合された放熱部材の作用により、放熱効果を向上させることが可能となる。
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の発明において、前記光源としての蛍光体の光源像を投影してすれ違いビーム用配光パターン又は走行ビーム用配光パターンを形成するように構成された光学系をさらに備えることを特徴とする。
請求項４に記載の発明によれば、レーザー光により励起されて発光する蛍光体を用いてすれ違いビーム用配光パターン又は走行ビーム用配光パターンを形成する車両用灯具を構成することが可能となる。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記蛍光体は、前記すれ違いビーム用配光パターン又は走行ビーム用配光パターンの明暗境界線に対応する辺を含んでおり、前記光学系は、前記蛍光体の前方に配置され、かつ、焦点が前記蛍光体の前記明暗境界線に対応する辺近傍に設定された投影レンズを含んでいることを特徴とする。
請求項５に記載の発明によれば、レーザー光により励起されて発光する蛍光体を用いていわゆるダイレクトプロジェクション型の車両用灯具を構成することが可能となる。
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記蛍光体は、前記すれ違いビーム用配光パターン又は走行ビーム用配光パターンの明暗境界線に対応する辺を含んでおり、前記光学系は、投影レンズと、反射面と、前記投影レンズと反射面との間に配置されたシェードと、を含んでおり、前記反射面は、第１焦点が前記蛍光体の前記明暗境界線に対応する辺近傍に設定され、第２焦点が前記シェードの上端縁近傍に設定された回転楕円系の反射面であり、前記投影レンズは、焦点が前記シェードの上端縁近傍に設定されていることを特徴とする。
請求項６に記載の発明によれば、レーザー光により励起されて発光する蛍光体を用いていわゆるプロジェクタ型の車両用灯具を構成することが可能となる。
請求項７に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記蛍光体は、前記すれ違いビーム用配光パターン又は走行ビーム用配光パターンの明暗境界線に対応する辺を含んでおり、前記光学系は、焦点が前記蛍光体の前記明暗境界線に対応する辺近傍に設定された回転放物面系の反射面を含んでいることを特徴とする。
請求項７に記載の発明によれば、レーザー光により励起されて発光する蛍光体を用いていわゆる反射型（パラボラ型）の車両用灯具を構成することが可能となる。
以上説明したように、本発明の車両用灯具によれば、蛍光体とその取り付け相手部材の熱膨張係数が相違することに起因する界面剥離の発生を防止（又は低減）することが可能となる。
本発明の一実施形態である車両用灯具１００の側面図である。 図１に示した車両用灯具１００の斜視図である（レーザー光学系２０省略）。 発光部１０の断面図である。 発光部の製造プロセスを説明するための図である。 発光部１０とレーザー光学系２０を説明するための側面図である。 硫酸バリウム層１３により裏面反射率が向上することを説明するための図である。 （ａ）〜（ｄ）反射抑制部材１６の例である。 車両用灯具１００（変形例１）の断面図である。 車両用灯具１００（変形例２）の断面図である。 車両用灯具１００（変形例２）の反射面５１の面形状を説明するための図である。 青色レーザー光により励起されて発光するYAG蛍光体、ＨＩＤランプ、及び、白色ＬＥＤの輝度等を対比させた表である。 本出願の発明者らが試作した光源２００の側面図である。
以下、本発明の一実施形態である車両用灯具について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態の車両用灯具１００は、自動車や自動二輪車等の車両のヘッドランプ又はフォグランプに適用されるものであり、図１、図２に示すように、発光部１０、レーザー光学系２０、投影レンズ３０等を備えている。
［発光部１０］
図３に示すように、発光部１０は、AlN焼結体１１と、蛍光体１２と、AlN焼結体１１と蛍光体１２との間に形成された硫酸バリウム層１３と、を含む構造体である。なお、AlN焼結体１１の他に蛍光体１２を取り付ける相手部材としては、例えば、SiC単結晶、SiC多結晶、SiCアモルファス、セラミック（Al2O3）、Si、サファイア単結晶、GaN単結晶が挙げられる。構造体（AlN焼結体１１）は、Al製放熱部材としてのAl製放熱プレート１４に共晶接合されている。なお、Al製放熱プレート１４以外の放熱部材としては、例えば、Cu、CuW、SiCアモルファスなど、熱伝導率が100[W/(m・K)]以上の材料が望ましい。Al製放熱プレート１４の裏面には、放熱用のAl製ヒートシンク１５が固定されている。
発光部１０は、例えば、図４に示す工程を経て製造される。
まず、水又はバインダー（Epoxy樹脂、有機SOG(spin-on glass)材料等）に硫酸バリウム（BaSO4、熱膨張係数：４〜６）の粉末を加え、ゲル状にする。硫酸バリウムと水との混合比は目標膜圧により定まる（例えば、重量比でBaSO4:H2O=3:1〜1:1、3:1〜1:1）。
次に、ゲル状の硫酸バリウムをAlN焼結体１１（例えば厚み：１００〜３００［μｍ］、熱膨張係数：４．５の薄板状のAlN焼結体１１）に塗布し、蛍光体１２（例えば厚み：１００［μｍ］、熱膨張係数：２．４〜７．８の薄板状のYAG焼結体）を硫酸バリウム（接着成分を含む粉体の硫酸バリウム層。すなわち接着層）が塗布されたAlN焼結体１１上に配置し、９０℃、３０分間の条件で水分を飛ばす処理を行う。次に、４００℃、３０分間の条件で、高温処理を行う。
以上の処理により、AlN焼結体１１と、蛍光体１２と、AlN焼結体１１と蛍光体１２との間に形成された硫酸バリウム層１３と、が一体化された構造体が得られる。
次に、上記構造体（AlN焼結体１１）を、Au0.2Sn0.8ペースト（熱伝導性：〜120W/mK、熱膨張係数：2.1×10-5）を介してAl製放熱プレート１４上に配置し、200℃の条件で共晶接合する。なお、Au0.2Sn0.8ペーストに代えて、Au0.78Sn0.23ペースト（熱伝導性：〜260W/mK、熱膨張係数：1.6×10-5、共晶温度320℃）を用いることも可能である。Au0.78Sn0.23ペーストによれば、共晶温度が高い分、接着強度を強く、かつ、熱伝導率を高くすることが可能となる。また、Au0.2Sn0.8ペーストに代えて、Agペースト（硬化温度：130℃、熱伝導率5〜60W/mK、熱膨張係数：2.5〜9.0×10-5）を用いることも可能である。
以上の処理により、構造体（AlN焼結体１１）と、Al製放熱部材としてのAl製放熱プレート１４と、が共晶接合された発光部１０が得られる。
［レーザー光学系２０］
図５に示すように、レーザー光学系２０は、レーザー光源２１、レンズ２２を含んでいる。
レーザー光源２１は、蛍光体１２に入射する青色レーザー光（放射束）を放射する光源、例えば、発光サイズ：縦２μｍ×横１０μｍ、光出力：２Ｗ、発光色：青色（４４０ｎｍ）、配光指向特性：ガウシアン分布（横方向３０°×縦方向６０°）の高出力半導体レーザー装置である。なお、レーザー光源２１としては、青色レーザー光源の他に紫外レーザー光源などの半導体ダイオードレーザーによる励起光源が挙げられる。
レンズ２２は、レーザー光源２１から放射される青色レーザー光を蛍光体１２のサイズまで集光するレンズ（例えば収束レンズ又はコリメートレンズ）であり、レーザー光源２１の前方に配置されている。
なお、レンズ２２により集光されるレーザー照射束サイズは、ガウシアン分布のピーク値に対し１０％までをサイズ範囲として規定した（図５参照）。
上記構成の発光部１０、レーザー光学系２０によれば、レーザー光源２１から放射された青色レーザー光は、レンズ２２の作用により蛍光体１２のサイズ（縦０．５［ｍｍ］×横２．５［ｍｍ］）まで集光されて蛍光体１２に照射される。これにより、蛍光体１２は励起されて発光し白色光（光学特性：ランバシアン分布）を発生する。なお、全入射レーザー光量の損失比は、８．２％程度である。
また、上記構成の発光部１０、レーザー光学系２０によれば、AlN焼結体１１と蛍光体１２との間に形成された硫酸バリウム層１３の緩衝作用により、AlN焼結体１１と蛍光体１２との熱膨張係数が相違することに起因する界面剥離の発生を防止（又は低減）することが可能となる。実験により、発光部１０の耐久性は、AlN焼結体１１と蛍光体１２とを含む（硫酸バリウム層１３を含まない）構造体と比較し、数十倍に向上することを確認した。
また、硫酸バリウム層１３は１００％に近い反射率であり、アルミよりも反射率が高いため、レーザー光学系の発光効率を向上させることが可能となる（図６参照）。実験では、アルミの効率が９２％であるのに対し、硫酸バリウム層１３の効率が１００％であり、８％発光効率が向上することを確認した。
なお、構造体（AlN焼結体１１と、蛍光体１２と、AlN焼結体１１と蛍光体１２との間に形成された硫酸バリウム層１３と、が一体化された構造体。図３参照）周囲の金属板表面（Al製放熱プレート１４）の領域には、反射抑制部材１６（図２参照）を配置するのが好ましい。このようにすれば、仮に何らかの理由で、レーザー光学系２０からの放射束サイズが蛍光体１２のサイズよりも大きくなったとしても（又は、レーザー光学系２０からの青色レーザー光が蛍光体１２から位置ズレしたとしても）、その大きくなった（又はズレた）青色レーザー光は、蛍光体１２周囲のAl製放熱プレート１４表面の領域に入射することなく反射抑制部材１６に入射し、反射が抑制される。このため、レーザー光源２１から放射された青色レーザー光が蛍光体１２周囲のAl製放熱プレート１４表面の領域で反射されることに起因する発光色の色ムラや輝度ムラを防止（又は低減）することが可能となる。反射抑制部材１６としては、反射率が極めて低い部材が好ましく、例えば、蛍光体１２が配置される横長の楕円形の開口１６ａが形成されたカーボン製プレート（図７参照。反射率：１．５％以下）、又は、カーボンナノチューブ製プレートを用いることが可能である。
［投影レンズ３０］
投影レンズ３０は、図２に示すように、蛍光体１２の前方、かつ、焦点が蛍光体１２の明暗境界線に対応する辺１２ａ近傍に位置するように配置されている。
上記構成の車両用灯具１００によれば、青色レーザー光により励起されて発光した蛍光体１２は、投影レンズ３０により投影され、色ムラや輝度ムラの無い（又はほとんど無い）走行ビーム用配光パターンを形成するいわゆるダイレクトプロジェクション型の車両用灯具（図１参照）を構成することが可能となる。
また、上記構成の車両用灯具１００によれば、AlN焼結体１１と蛍光体１２との間に形成された硫酸バリウム層１３の緩衝作用により、AlN焼結体１１と蛍光体１２との熱膨張係数が相違することに起因する界面剥離の発生を防止（又は低減）することが可能となる。
また、反射抑制部材１６として、図７（ｄ）に示すように、明暗境界線に対応するＺ型の段差辺１２ｂを含んだ蛍光体１２が配置される開口１６ａが形成されたカーボン製プレートを用いることで、色ムラや輝度ムラの無い（又はほとんど無い）明瞭な明暗境界線を含むすれ違いビーム用配光パターンを形成するいわゆるダイレクトプロジェクション型の車両用灯具を構成することが可能となる。
次に、変形例について説明する。
［変形例１］
本変形例１の車両用灯具１００は、図８に示すように、発光部１０、レーザー光学系２０、反射面４０等を備えている。
反射面４０は、焦点が蛍光体１２の明暗境界線に対応する辺１２ａ近傍に設定された回転放物面系の反射面である。
本変形例１によれば、反射抑制部材１６として、例えば、図７（ｂ）に示すように、蛍光体１２が配置される横長の楕円形の開口１６ａが形成されたカーボン製プレートを用いることで、色ムラや輝度ムラの無い（又はほとんど無い）走行ビーム用配光パターンを形成するいわゆる反射型（パラボラ型）の車両用灯具を構成することが可能となる。
また、本変形例１によれば、反射抑制部材１６として、例えば、図７（ａ）、図７（ｃ）に示すように、明暗境界線に対応する辺１２ａを含んだ蛍光体１２が配置される開口１６ａが形成されたカーボン製プレートを用いることで、色ムラや輝度ムラの無い（又はほとんど無い）明瞭な明暗境界線を含むすれ違いビーム用配光パターンを形成するいわゆる反射型（パラボラ型）の車両用灯具を構成することが可能となる。
［変形例２］
本変形例２の車両用灯具１００は、図９に示すように、発光部１０、レーザー光学系２０、投影レンズ５０、反射面５１、投影レンズ５０と反射面５１との間に配置されたシェード５２等を備えている。
投影レンズ５０は、焦点がシェード５２の上端縁近傍に設定されている。
反射面５１は、第１焦点が蛍光体１２の明暗境界線に対応する辺１２ａ近傍に設定され、第２焦点がシェード５２の上端縁近傍に設定された回転楕円系の反射面（例えば縦断面に放物線、横断面に楕円弧が現れる反射面）である。
例えば、反射面５２は、図９中のＹ−Ｚ座標系上の各点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３等における蛍光体１２の像が、図１０中のＹ−Ｚ座標上の各点において示した像Ｐ１´、Ｐ２´、Ｐ３´となるように、その面形状が設定されている。
本変形例２によれば、反射抑制部材１６として、例えば、図７（ｂ）に示すように、蛍光体１２が配置される横長の楕円形の開口１６ａが形成されたカーボン製プレートを用いることで、色ムラや輝度ムラの無い（又はほとんど無い）走行ビーム用配光パターンを形成するいわゆるプロジェクタ型の車両用灯具を構成することが可能となる。
また、本変形例２によれば、反射抑制部材１６として、例えば、図７（ａ）、図７（ｃ）に示すように、明暗境界線に対応する辺１２ａを含んだ蛍光体１２が配置される開口１６ａが形成されたカーボン製プレートを用いることで、色ムラや輝度ムラの無い（又はほとんど無い）明瞭な明暗境界線を含むすれ違いビーム用配光パターンを形成するいわゆるプロジェクタ型の車両用灯具を構成することが可能となる。
上記実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎない。これらの記載によって本発明は限定的に解釈されるものではない。本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく他の様々な形で実施することができる。
１００…車両用灯具、１０…発光部、１１…AlN焼結体、１２…YAG焼結体、１３…硫酸バリウム層、１４…Al製放熱プレート、１５…Al製ヒートシンク、２０…レーザー光学系、２１…レーザー光源

Claims (7)

  1. レーザー光により励起されて発光する光源としての蛍光体と、前記蛍光体とは熱膨張係数が相違する部材と、前記蛍光体と前記部材との間に形成され前記蛍光体と前記部材とを接着する硫酸バリウム層と、を含む構造体と、
    前記構造体に入射するレーザー光を放射する半導体レーザー光源と、
    前記光源としての蛍光体からの放射光を、車両用灯具前方に照射方向前方に向かって投影する投影レンズまたは反射面と、
    を備え、
    前記蛍光体は、板状の第１焼結体からなり、
    前記部材は、第２焼結体からなり、
    前記硫酸バリウム層は、粉体の硫酸バリウム層であり、前記蛍光体の表面から入射して前記蛍光体と前記硫酸バリウム層との界面に到達する前記レーザー光を、前記蛍光体に向かって反射することを特徴とする車両用灯具。
  2. 前記第２焼結体は、AlN焼結体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. 放熱部材をさらに備えており、
    前記AlN焼結体は、前記放熱部材に共晶接合されていることを特徴とする請求項２に記載の車両用灯具。
  4. 前記光源としての蛍光体の光源像を投影してすれ違いビーム用配光パターン又は走行ビーム用配光パターンを形成するように構成された光学系をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の車両用灯具。
  5. 前記蛍光体は、前記すれ違いビーム用配光パターン又は走行ビーム用配光パターンの明暗境界線に対応する辺を含んでおり、
    前記光学系は、前記蛍光体の前方に配置され、かつ、焦点が前記蛍光体の前記明暗境界線に対応する辺近傍に設定された投影レンズを含んでいることを特徴とする請求項４に記載の車両用灯具。
  6. 前記蛍光体は、前記すれ違いビーム用配光パターン又は走行ビーム用配光パターンの明暗境界線に対応する辺を含んでおり、
    前記光学系は、投影レンズと、反射面と、前記投影レンズと反射面との間に配置されたシェードと、を含んでおり、
    前記反射面は、第１焦点が前記蛍光体の前記明暗境界線に対応する辺近傍に設定され、第２焦点が前記シェードの上端縁近傍に設定された回転楕円系の反射面であり、
    前記投影レンズは、焦点が前記シェードの上端縁近傍に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の車両用灯具。
  7. 前記蛍光体は、前記すれ違いビーム用配光パターン又は走行ビーム用配光パターンの明暗境界線に対応する辺を含んでおり、
    前記光学系は、焦点が前記蛍光体の前記明暗境界線に対応する辺近傍に設定された回転放物面系の反射面を含んでいることを特徴とする請求項４に記載の車両用灯具。
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