JP5911185B1

JP5911185B1 - シングル型高輝度ｌｅｄ前照灯

Info

Publication number: JP5911185B1
Application number: JP2014211252A
Authority: JP
Inventors: 太田　達也; 達也太田
Original assignee: 株式会社日本コーティング
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2034-10-15
Also published as: JP2016081688A

Abstract

【課題】発光ダイオードで発生する熱を効率よく逃がすコンパクトなシングル型高輝度ＬＥＤ前照灯を提供する。【解決手段】ハイビーム用又はロービーム用のどちらか１個の発光ダイオード１０１を搭載したプリント配線基板１０２を張り付けた銅板１００を２枚用意し、アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００で、上端と下端の円柱のほぼ中心部に板状中間部があり、中間部に設けられた銅板取り付け平面を介してその両面に銅版を取り付け、熱伝導棒下端の円柱部の下にアルミニウム製口金３００の中心部の貫通穴を貫通し、熱伝導棒の足部は放熱フィンを有し中心部が空洞になっているアルミニウム製放熱台座４００の口金に回転自在に嵌合させる一方、アルミニウム製口金外周面を放熱台座の口金内周面に圧入して固定し、アルミニウム製口金の側面にネジ穴を設けて、熱伝導棒の角度を微調整した後、熱伝導棒をネジで固定する。【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードを用いた照明灯及び車両用前照灯、特に、発光ダイオードを
用いた自動車用シングル型高輝度ＬＥＤ前照灯に関するものである。

近年、発光ダイオードは、低電力で高発光が得られること、寿命が長いこと、構造が簡
単なこと、装置がコンパクトであること、など、長所が多いことがら、暫時その使用が広
まっている。しかしながら、高温になると効率が著しく低下することが、欠点として挙げ
られる。

特許文献１には、特に効果的に冷却される発光ダイオード装置を提供することを課題と
し、各発光ダイオードチップに少なくとも１つの光学素子が対応配置されており、発光ダ
イオードチップにより発生させられた熱を導出するために適した少なくとも１つの熱伝導
エレメントと、該熱伝導エレメントにより導出された熱を導出するために適した少なくと
も１つの冷却装置とが設けられていることが記載されている。

特許文献２には、自動車前部に設けて進行方向の安全を確認するための長寿命かつ低電
力の前照灯を提供することを課題として、前照灯は、投影用凸レンズと、この投影用凸レ
ンズの後方焦点Ｆの後方に配置される複数のＬＥＤチップで構成された発光面とを備えて
おり、定電流駆動回路は各ＬＥＤチップをオン／オフ制御し、制御回路（図示せず）はＬ
ＥＤチップをグループごとに通電タイミングの位相をずらして点灯し、ＬＥＤチップから
一定の発光量の放出光を導き出すことが記載されている。

特許文献３には、少なくとも１つの発光ダイオードと、少なくとも１つの発光ダイオード
を冷却するための冷却体とを備えた照明装置に関し、冷却体に掛合手段が設けられており
、掛合手段が、照明装置のためのホルダとバヨネット継手を形成するために役立つように
し、少なくとも１つの照明装置が、光源として自動車前照灯内に配置されていることが記
載されている。
さらに、特許文献４には、発光ダイオードが搭載されている半導体基板を固着したアルミニウム板を、銅製の熱伝導棒に直接固定し、当該固定されたアルミニウム板部位の熱伝導棒部位を除いて、遮光壁Ａと遮光壁Ｂを形成するように、銅製の熱伝導棒の表面をアルミニウムで口金に達する部位まで被覆した上部構造と、長い銅製の熱伝導棒を有する下部構造からなる銅製の熱伝導棒で連結された光源支持体を、長い銅製の熱伝導棒で、口金を介して中心部が空洞になっているアルミニウム製放熱台座に嵌合させ、銅製の熱伝導棒の先端部が空洞部の奥深く侵入した位置で固定し、空洞部の空気で銅製の熱伝導棒の冷却することにより、発光ダイオードからの発熱をアルミニウム製放熱台座で逃がすことを特徴とする発光ダイオードを用いた照明灯及びそれを用いた車両用前照灯が開示されている。しかしながら、この車両用前照灯は、中心部に銅製の長い熱伝導棒を必要とし、銅が高価な上、重いため改良が望まれている。

特開２００６−１００８３６号公報特開２００４−２１４１４４号公報特表２００８−５２４８６２号公報特願２０１３−０８６６９０（特許第５５５９３８６号）

従来、発光ダイオードを用いたシングル型高輝度ＬＥＤ前照灯において、ハイビーム、ロービームの切り替えが、運転席の切り替えスイッチで切り替えが出来、車検基準であるカットオフラインを有するものであり、ロービーム時に６４００ｃｄ以上、ハイビーム時に１2０００ｃｄ以上の明るさを照射できるバルブであることが最低限要求される。

上記課題を解決するために本発明者は、シングル型高輝度LED前照灯において、発光ダイオードで発生する熱を効率よく逃がすシングル型高輝度LED前照灯の構造を見出すに至った。
すなわち本発明は、ハイビーム用発光ダイオード又はロービーム用発光ダイオードのどちらか１個の発光ダイオード１０１を搭載したプリント配線基板を張り付けた２枚の銅板１００と、アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００と、アルミニウム製口金３００と、アルミニウム製放熱台座４００を有するシングル型高輝度LED前照灯であって、前記熱伝導棒２００は、上端２０１と下端２０２が円柱状で、円柱と円柱のほぼ中心部に板状中間部２０３と足部２０６とを有し、前記板状中間部２０３は銅板取り付け平面２０４の裏表に前記銅板１００が１枚ずつ取り付けられており、熱伝導棒下端の円柱部２０２の下端には、足部２０６があり、当該足部２０６は、アルミニウム製口金３００の中心部の貫通穴を貫通し、放熱台座まで達しており、熱伝導棒の足部２０６を有する熱伝導棒２００は、放熱フィン４０２を有し中心部が空洞になっているアルミニウム製放熱台座４００の口金に回転自在に嵌合させる一方、アルミニウム製口金３００の外周面を放熱台座の口金４０１の内周面に圧入して固定し、アルミニウム製口金３００の側面にネジ穴を設けて、熱伝導棒２００の角度を微調整した後、熱伝導棒２００をネジで固定できるシングル型高輝度LED前照灯である。

また、本発明のシングル型高輝度LED前照灯においては、前記銅板取り付け平面２０４の厚さが２ｍｍ以下であり、熱伝導性接着剤若しくはリベットを介して銅板が取り付けられ、発光ダイオード１片の長さが５〜７ｍｍとすることが望ましい。
さらに、本発明のシングル型高輝度LED前照灯においては、前記銅板上にあるハイビーム用発光ダイオード又はロービーム用発光ダイオードの２個の発光ダイオード１０１を、それぞれ直列につなぐことが好ましい。

また、本発明のシングル型高輝度LED前照灯においては、高熱伝導ペーストを介して、プリント配線基板と銅板が取り付けられ、銅板の厚さが１ｍｍ以下であり、かつ、圧力１ｔ／ｃｍ ^２以上で、アルミニウム製口金３００の外周面を、アルミニウム製放熱台座の口金４０１に圧入することが好ましい。
さらに、本発明のシングル型高輝度LED前照灯においては、アルミニウム製放熱台座の空洞にモータ付ファンを挿入して使うことが好ましい。
また、本発明のシングル型高輝度LED前照灯においては、前記熱伝導棒２００のアルミニウムが、アルミ６０６３であり、プリント配線基板を張り付けた前記銅板１００がC1100であることが好ましい。

本発明のシングル型高輝度ＬＥＤ前照灯は、構造が簡単で大量生産に向いており、効率よく放熱でき、長時間効率が低下することなく使用することができ、低電力で高出力がえられ、長寿命で安価なコンパクトな車両用シングル型高輝度ＬＥＤ前照灯を得ることができた。

は、本発明のシングル型高輝度ＬＥＤ前照灯の概略図は、本発明のシングル型高輝度ＬＥＤ前照灯の実施例（単位はｍｍ）

（発明を実施するための形態）
本発明のシングル型高輝度ＬＥＤ前照灯は、図１に示すように、ハイビーム用若しくはロービーム用のどちらか一つの発光ダイオード１０１、接続端子１０３を搭載したプリント配線基板１０２を張り付けた銅板１００、アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００、アルミニウム製口金３００、アルミニウム製放熱台座４００をその主要部とする。本発明の主要部を構成する材料について述べる。銅板１００を構成する銅は、無酸素銅Ｃｕ−ＯＦ，タフピッチ銅Ｃｕ−ＥＴＰ、市販のタフピッチ銅ｃ1100（タフピッチ銅とは、展延性や絞り加工性、耐食性、耐侯性に優れた純度は99.90%以上の純銅）、りん脱酸銅Ｃｕ−ＤＨＰ、黄銅８５／１５Ｂｒａｓｓ、黄銅６５／３５Ｂｒａｓｓ、黄銅６０／４０Ｂｒａｓｓ、快削黄銅ＦｒｅｅＣｕｔｔｉｎｇＢｒａｓｓ、鋳造用黄銅ＦｏｒｇｉｎｇＢｒａｓｓ、高力黄銅ＨｉｇｈＴｅｎｓｉｏｎＢｒａｓｓ、快削高力黄銅ＦｒｅｅＣｕｔｔｉｎｇＨ．Ｔ．Ｂ等があるが無酸素銅Ｃｕ−ＯＦ，タフピッチ銅Ｃｕ−ＥＴＰ、市販のｃ1100（タフピッチ銅）、りん脱酸銅Ｃｕ−ＤＨＰが好ましく用いられる。アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００、アルミニウム製口金３００、アルミニウム製放熱台座４００を構成するアルミニウムは、純アルミ１０５０（Ａ１０５０）、耐食アルミ５０５２と５０５６（Ａ５０５２とＡ５０５６）、アルミ２０１７（Ａ２０１７）、アルミ２０２４とアルミ７０７５（Ａ２０２４とＡ７０７５）、快削アルミ２０１１（Ａ２０１１）アルミ６０６３の平角棒とパイプ（Ａ５０６３）、アルミ６０６１（Ａ６０６１）アルミ５０８３（Ａ５０８３）、アルミーゴＨａｒｄ、ダイキャストアルミ（ＡＤＣ１２）等を挙げることが出来る。
ダイキャストアルミ（ＡＤＣ１２）、アルミ６０６３が好ましく用いられる。
以下、各主要部について詳述する。

厚さが１ｍｍ以下の銅板１００の表面にプリント配線基板を熱伝導接着剤等で張り付け、裏面は銅の地金のまま用いる。プリント配線基板には端子１０３があり、ロービーム用発光ダイオード（ＬＥＤ）若しくはハイビーム用発光ダイオード（ＬＥＤ）１０１が取り付けられている。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、一辺が５ｍｍ〜７ｍｍのものを利用した。５ｍｍ以下では、発光量が少なく、７ｍｍ以上では焦点がぼやけてくる。
銅板の取り付け孔１０４とアルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００の板状中間部２０３にある銅板取り付け平面２０４にある取り付け孔２０５は、リベットで取り付けることが好ましい。すなわち、銅板取り付け平面２０４の反対方向の面にも同様にもう一つの銅板をあてがい、２枚の銅板１００を、銅板取り付け平面２０４を挟むように、リベットで取り付ける。取り付け孔２０５が、ふさがれないため気体の対流が起こり、温度のアンバランスを補正する作用が期待できる。本発明のシングル型高輝度ＬＥＤ前照灯においては、ハイビーム用若しくはロービーム用の２個の発光ダイオードを直列につなぐことが望ましい。何故なら、直列回路の場合、LEDチップの数に関係なく、LEDチップ１個の電流値で点灯することができるので、発熱量が少ないのに対し、並列回路の場合、LEDチップの数だけ、チップ当たりの電流値が必要となってくるために複数のLEDチップを点灯さす場合、電流を多くしなければならず、発熱量も多くなるからである。

アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００において、上端の円柱２０１と下端の円柱２０２と、円柱と円柱のほぼ中心部に板状中間部２０３があり、中間部２０３に設けられた銅板取り付け平面２０４を介してその両面に銅版１００を取り付け孔１０４と取り付け孔２０５を重ねてリベット等で取り付け、熱伝導棒下端の円柱部の下にアルミニウム製口金の中心部の貫通穴を貫通し、放熱台座まで達する足部２０５を設け、熱伝導棒の足部は放熱フィンを有し中心部が空洞になっているアルミニウム製放熱台座の口金４０１に回転自在に嵌合させる一方、アルミニウム製口金３００の外周面を、放熱フィン４０２を有し中心部が空洞４０３になっているアルミニウム製放熱台座４００の放熱台座口金４０１の内周面に圧入嵌合させ固定する。圧入嵌合の圧力は１ｔ/ｃｍ^２以上が好ましく、圧力が高い方が、熱伝導効率が良い。アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００の足部２０６は、アルミニウム製口金３００の貫通穴内周面３０３を介して、アルミニウム製放熱台座４００の口金４０１に達することにより、アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００とアルミニウム製口金３００とアルミニウム製放熱台座４００とを組み合わせることができる。
アルミニウム製口金３００の側面にネジ穴を設けて（図示せず）、シングル型高輝度ＬＥＤ前照灯を設置する際に、熱伝導棒の角度を微調整した後、熱伝導棒２００をネジで固定できるようにしている。
放熱台座の空洞４０３には、ファン付のモータが収納され、ファン付モータ固定用底板４０４をネジ等でアルミニウム製放熱台座の下端部に取りつける。

本発明において、固定方法は熱伝導性の接着剤により固定しても良く、金属ペーストを塗布した後、リベットにより固定しても良く、超音波溶接により、固定しても良い。熱伝導性の優れた接着剤としてはDiemat Inc.製、ＳＫ３０Ｎ、ＳＫ６０Ｎ、ＳＫ７０Ｎ、ＳＫ１００Ｎ、ＳＫ１００ＳＤＮ、ＳＫ１００ＳＦＮなどが挙げられる。金属ペーストとしては金ペースト、銀ペースト、銅ペースト、ニッケルペーストなどが知られているが、散熱性や経済性から見ると銀ペーストが好ましい。銀ペーストの例としてはCT212M,CT284R、CT285（京セラケミカル（株））、TB3300シリーズ（（株）スリーボンド）などが挙げられる。
これらの固定方法の中では超音波溶接による固定は発光ダイオードユニットを不用な物質
の介在が無く、直接固定することができ、また、接着剤の塗布工程や金属ペーストの塗布
工程およびねじ止め工程を省略することができるので、最も好ましい。
当然、接着剤や金属ペーストによる固定と超音波溶接を併用することもできる。また、
超音波溶接による固定を行った後、ねじ止めにより固定しても良い。

発光ダイオードの電力供給線は、図示していないが、銅板１００の内部又は外部に沿わせて配置することができる。通常は、電線を用いるが、導電性フィルムや導電性薄膜を用いることも可能である。
熱台座４００に設ける放熱フィンは、薄い板状のものが、光軸に平行に支柱から突出し
たものや、光軸に対して直角の板状の突出したものや、光軸に対して直角に棒状の突出し
たものが、想起されるが、いずれのものでも可能である。
本発明において、熱伝導性を高めるために必要により、金属ペーストを用いても良い。金属ペーストとしては金ペースト、銀ペースト、銅ペースト、ニッケルペーストなどが
知られているが、散熱性や経済性から見ると銀ペーストが好ましい。銀ペーストの例とし
てはCT212M,CT284R、CT285（京セラケミカル（株））、TB3300シリーズ（（株）スリーボンド）などが挙げられる。

発光ダイオードの電力供給電線、及び冷却用ファンのモータの電力供給電線は、図示さ
れていないが、電線、導電性フィルム、導電性薄板等いずれのものでもよい。
接続も、コネクタで結線してもよいし、カバーで一体的に固着と同時に結線するタイプ
でもよい。
発光ダイオオードの基板温度は、約８０℃以下の保持されるのが、理想であり、１００℃以上になると、発光ダイオードの明るさの低下および、寿命が短くなる。
したがって、約８０℃以下に基板が保持されるよう、放熱フィンのフィン、冷却ファン
等を考慮して設計されなければならない。

本発明の実施例を示す。
図２において、５．２ｍｍ×５．２ｍｍのロービーム用の発光ダイオード１０１を搭載したプリント配線基板１０３を張り付けた銅板１００＜材質銅Ｃ１１００＞を用意した。銅板は厚さ１ｍｍ、横８．９ｍｍ×縦２１．９ｍｍであり、発光ダイオード（ＬＥＤ）が搭載されているの裏側の銅面を、熱伝導性接着剤（Diemat Inc.製、ＳＫ６０Ｎ）を用いて、アルミニウム＜材質アルミ６０６３＞で一体成型された熱伝導棒２００の銅板取り付け平面２０４に接着した。同様にもう一組の５．２ｍｍ×５．２ｍｍのロービーム用発光ダイオード１０１を搭載したプリント配線基板１０２を張り付けた銅板１００を用意し、熱伝導棒２００の銅板取り付け平面２０３に接着した。
熱伝導棒２００は、アルミニウム＜材質アルミ６０６３＞を用いて図２示される寸法で作成した。
図２に示すように、熱伝導棒２００の上端と下端の円柱の直径は、１４．０ｍｍとした。
アルミニウム製放熱台座４００は、図２に示される寸法で作成した。
熱伝導棒下端の円柱部の下にアルミニウム製口金３００の中心部の貫通穴を貫通し、放熱台座まで達する足部２０６を設け、熱伝導棒の足部２０６は放熱フィン４０２を有し中心部が空洞４０３になっているアルミニウム製放熱台座の口金４０１に回転自在に嵌合させる一方、アルミニウム製放熱台座４００の口金４０１内周面にアルミニウム製口金３００の外周面を圧力１ｔ/cm²で圧入し固定する。
このように回転自在に嵌合させることで、シングル型高輝度ＬＥＤ前照灯の取り付け時、アルミニウム製口金３００の側面にネジ穴を設けて（図示せず）、熱伝導棒の角度を微調整した後、熱伝導棒をネジで固定できる。
また、同時に、熱伝導棒の足部２０６は、アルミニウム製放熱台座４００に熱を伝える役目も果たしている。
アルミニウム製放熱台座４００の下端の外径は４３ｍｍであり、上端の外径は２９ｍｍとした。アルミニウム製放熱台座４００の下端から熱伝導棒２００の上端円柱２０１の端面までの長さは７６．２ｍｍであった。アルミニウム製放熱台座４００の空洞４０３にファン付モータを収納した後、放熱台座４００の下端に厚さ３ｍｍ、直径４３．５ｍｍのファン付モータ固定用底板４０４で固定する。
口金基準面からロービーム用の発光ダイオード１０１の中心までの距離は３１．２ｍｍであった。

実施例１において、発光ダイオード（ＬＥＤ）が搭載されている銅板面の裏側を、熱伝導性接着剤（Diemat Inc.製、ＳＫ６０Ｎ）を用いて、アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００の銅板取り付け平面２０４に接着するのに変えて、接着剤を用いずに、プリント配線基板１０３を張り付けた銅板１００を２枚用意し、銅板の穴１０４と銅板取り付け平面２０４にある取り付け孔２０５の位置を合わせて、銅板の裏面に銀ペーストを塗布した後、銅板取り付け平面２０４を挟んで、リベットで取り付けた。

実施例１において、熱伝導棒２００の材質をアルミ６０６３からダイキャストアルミＡＤＣ１２に変えたほかは実施例１と同じことを行った。

実施例２において、熱伝導棒２００の材質をアルミ６０６３からダイキャストアルミＡＤＣ１２に変えたほかは実施例２と同じことを行った。

（比較例１）
実施例２において、発光ダイオード（ＬＥＤ）が搭載されている銅板１００に変えて、アルミ６０６３を用いたアルミ板を用いた。

（比較例２）
比較例１において、アルミ６０６３製の熱伝導棒の材質を、ダイキャストアルミＡＤＣ１２に変えたほかは比較例１と同じことを行った。
本発明のシングル型高輝度ＬＥＤ前照灯の特性を表1に示す。

シングル型高輝度ＬＥＤ前照灯に通電後、３０分後のＬＥＤチップの付近のプリント配線基板温度を測定した。

本発明のシングル型高輝度ＬＥＤ前照灯は、冷却構造が簡単で、安価にシングル型高輝度ＬＥＤ前照灯を大量生産することができ、その利用範囲が広いため産業上極めて利用可能性が高いものである。

１００銅板
１０１ロービーム用発光ダイオード（ＬＥＤ）又はハイビーム用発光ダイオード（ＬＥＤ）
１０２プリント配線基板
１０３接続端子
１０４取り付け孔
２００アルミニウムで一体成型された熱伝導棒
２０１上端円柱部
２０２下端円柱部
２０３板状中間部
２０４銅板取り付け平面
２０５取り付け孔
２０６熱伝導棒の足部
３００アルミニウム製口金
３０１熱伝導棒の足部受け入れ口
３０２取り付け部材
３０３貫通穴内周面
４００アルミニウム製放熱台座
４０１放熱台座口金
４０２放熱フィン
４０３放熱台座空洞
４０４ファン付モータ固定用底板

Claims

ハイビーム用発光ダイオード又はロービーム用発光ダイオードのどちらか１個の発光ダイオード１０１を搭載したプリント配線基板を張り付けた２枚の銅板１００と、アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００と、アルミニウム製口金３００と、アルミニウム製放熱台座４００を有するシングル型高輝度LED前照灯であって、前記熱伝導棒２００は、上端２０１と下端２０２が円柱状で、円柱と円柱のほぼ中心部に板状中間部２０３と足部２０６とを有し、前記板状中間部２０３は銅板取り付け平面２０４の裏表に前記銅板１００が１枚ずつ取り付けられており、熱伝導棒下端の円柱部２０２の下端には、足部２０６があり、当該足部２０６は、アルミニウム製口金３００の中心部の貫通穴を貫通し、放熱台座まで達しており、熱伝導棒の足部２０６を有する熱伝導棒２００は、放熱フィン４０２を有し中心部が空洞になっているアルミニウム製放熱台座４００の口金に回転自在に嵌合させる一方、アルミニウム製口金３００の外周面を放熱台座の口金４０１の内周面に圧入して固定し、アルミニウム製口金３００の側面にネジ穴を設けて、熱伝導棒２００の角度を微調整した後、熱伝導棒２００をネジで固定できるシングル型高輝度LED前照灯。
前記銅板取り付け平面２０４の厚さが２ｍｍ以下であり、熱伝導性接着剤若しくはリベットを介して銅板が取り付けられ、発光ダイオード１片の長さが５〜７ｍｍである請求項１に記載のシングル型高輝度ＬＥＤ前照灯。
前記銅板上にあるハイビーム用発光ダイオード又はロービーム用発光ダイオードの２個の発光ダイオード１０１を、それぞれ直列につないだ請求項１に記載のシングル型高輝度LED前照灯。
金属ペーストを介して、プリント配線基板と銅板が取り付けられ、銅板の厚さが１ｍｍ以下であり、かつ、圧力１ｔ／ｃｍ ^２以上で、アルミニウム製口金３００の外周面を、アルミニウム製放熱台座の口金４０１に圧入した請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のシングル型高輝度LED前照灯。
前記熱伝導棒２００のアルミニウムが、アルミ６０６３であり、プリント配線基板を張り付けた前記銅板１００がC1100である請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のシングル型高輝度LED前照灯。