JP6170784B2 - 車両灯具用発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源として半導体発光素子が用いられ、車両用灯具、特に自動車の前照灯において、電球およびディスチャージランプを含む電球類の代替え等として用いられる車両灯具用発光装置に関するものである。

近年、自動車の灯具に白色発光ダイオードなどの半導体発光素子が用いられつつある。また、ヒートパイプと放熱フィンとを用いて放熱容量を大きくすることにより、高輝度な発光ダイオードを用い得るようにする技術も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００８−０４７３８３号公報

しかしながら、上記のようにヒートパイプと放熱フィンとを用いる場合、装置が大型になりがちであるため、例えば既存の電球やディスチャージランプと同様にランプハウジングのソケット等に装着可能で、かつ、発光位置も既存の電球等と同様であるような発光装置を構成することは困難であるという問題点を有していた。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、既存の電球等と同様にランプハウジングのソケット等に装着可能で、かつ、発光位置も既存の電球等と同様に設定することが容易な車両灯具用発光装置を提供することにある。

第１の発明は、
半導体発光素子と、
上記半導体発光素子の背面側の端子が半田付けされた帯状のヒートパイプと、
上記ヒートパイプの一端側を挟み込む１対の保持部材と、
上記保持部材が勘合される勘合穴を有する放熱部材と、
車両灯具用発光装置を車両または車両に取り付けられる部材に取り付ける口金部と、
を備えたことを特徴とする。

これにより、半導体発光素子の熱を、ヒートパイプ、保持部材、および放熱部材を介して効率よく放熱させることができる。したがって、大きな発光光量を確保することが容易に可能になる。さらに、帯状のヒートパイプが用いられることによって、例えば口金部によって規定される所定の基準面や規準軸に対する半導体発光素子の発光部の位置を所望に設定することが容易にできるので、既存の電球等の代替えとして使用することなどが容易に可能になる。

第２の発明は、
第１の発明の車両灯具用発光装置であって、
上記半導体発光素子の背面側の端子がヒートパイプに半田付けされる半田の融点が、半導体発光素子の少なくとも１つの配線端子への配線が接続される半田の融点よりも低いことを特徴とする。

これにより、半導体発光素子の配線端子への配線を接続した後に、半導体発光素子をヒートパイプに半田付けすることが容易にできる。

第３の発明は、
第１の発明および第２の発明のうち何れか１つの車両灯具用発光装置であって、
上記半導体発光素子の配線端子への配線が、フレキシブル基板によって行われていることを特徴とする。

また、第４の発明は、
第３の発明の車両灯具用発光装置であって、
上記半導体発光素子の背面側の端子とヒートパイプとの半田付けが、上記フレキシブル基板に形成された開口部の位置で行われていることを特徴とする。

これらにより、半導体発光素子の配線端子への配線をコンパクトに行うことなどが容易にできる。

第５の発明は、
第１の発明から第４の発明のうち何れか１つの車両灯具用発光装置であって、
上記半導体発光素子の配線端子のうちの１つが、上記背面側の端子と兼用され、または上記背面側の端子と共に上記ヒートパイプに半田付けされていることを特徴とする。

これにより、半導体発光素子の配線とヒートパイプへの取り付けを容易に行うことができる。

第６の発明は、
第１の発明から第５の発明のうち何れか１つの車両灯具用発光装置であって、
上記半導体発光素子が、上記帯状のヒートパイプの両面側にそれぞれ設けられていることを特徴とする。

これにより、２つの半導体発光素子を近接させて配置することが容易にできるので、例えば口金部によって規定される所定の規準軸に対する半導体発光素子の発光部の位置を所望に設定し、かつ、大きな発光光量を得ることが容易に可能になる。

第７の発明は、
第１の発明から第５の発明のうち何れか１つの車両灯具用発光装置であって、
上記帯状のヒートパイプが、上記口金部の中心軸に対して偏心して設けられていることを特徴とする。

これにより、半導体発光素子の発光部の位置を、より口金部の中心軸に近くなるようにすることなどが容易にできる。

第８の発明は、
第１の発明から第７の発明のうち何れか１つの車両灯具用発光装置であって、
さらに、半導体発光素子またはその周辺の温度を検出するセンサと、
上記センサにより検出される温度が高いほど、半導体発光素子に流れる電流を減少させるように制御する制御回路と、
を備えたことを特徴とする。

これにより、車両灯具用発光装置の性能を保ち、寿命を長くすることが容易にできる。

第９の発明は、
第１の発明から第８の発明のうち何れか１つの車両灯具用発光装置であって、
上記放熱部材に、半導体発光素子に流れる電流を制御する制御回路が設けられていることを特徴とする。

これにより、車両灯具用発光装置をコンパクトに構成することが容易にできる。

第１０の発明は、
第１の発明から第９の発明のうち何れか１つの車両灯具用発光装置であって、
上記放熱部材に冷却ファンが設けられていることを特徴とする。

これにより、冷却効率を高くしつつ、車両灯具用発光装置をコンパクトに構成することが容易にできる。

本発明によれば、既存の電球等と同様にランプハウジングのソケット等に装着可能で、かつ、発光位置も既存の電球等と同様に設定することが容易な車両灯具用発光装置を得ることができる。

実施形態１の車両灯具用発光装置の構成を示す分解斜視図である。 実施形態１の車両灯具用発光装置の構成を示す縦断面図である。 実施形態１の車両灯具用発光装置の要部の平面図である。 実施形態１のＬＥＤの取り付け構造を示す説明図である。 実施形態２の車両灯具用発光装置の構成を示す要部の縦断面図である。 実施形態３の車両灯具用発光装置の構成を示す要部の縦断面図である。 実施形態４の車両灯具用発光装置の要部の平面図である。 実施形態５の車両灯具用発光装置の要部の平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の各実施形態において、他の実施形態と同様の機能を有する構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。

《発明の実施形態１》
（車両灯具用発光装置の全体構造）
実施形態１の車両灯具用発光装置は、図１および図２に示すように、先端部付近の両面にそれぞれＬＥＤ１０１（半導体発光素子）が半田付けによって取り付けられた帯状のヒートパイプ１０２を備えている。上記ＬＥＤ１０１・１０１への配線はフレキシブル基板１０３によってなされるが、この点については後に詳述する。ヒートパイプ１０２の基部は、それぞれ凹部１０４ａ・１０４ａを有する１対の保持部材１０４・１０４に挟まれている。すなわち、１対の保持部材１０４・１０４が組み合わされたときにそれぞれの凹部１０４ａ・１０４ａによって形成される穴にヒートパイプ１０２の基部が挿入されている。ヒートパイプ１０２と凹部１０４ａ・１０４ａの壁面との間には、例えばシリコングリスや熱伝導率の高い樹脂シートなどが介在するようにしてもよい。また、板ばねなどによって一方の凹部１０４ａにヒートパイプ１０２が押し付けられるようにしてもよい。

上記保持部材１０４・１０４の外周に形成された鍔部１０４ｂ・１０４ｂには、防水ゴムリング１０９が嵌め込まれている。保持部材１０４・１０４は、放熱フィンが形成された放熱部材１０５のボス部１０５ｂに形成された勘合穴１０５ｃに勘合されている。これにより、ヒートパイプ１０２から保持部材１０４・１０４を介して伝達された熱が、放熱部材１０５の放熱部１０５ａによって放熱されるようになっている。

放熱部材１０５の内部には、ＬＥＤ１０１・１０１に流れる電流等を制御する制御回路基板１１０が設けられている。また、放熱部材１０５の底部には、放熱部材１０５を冷却する冷却ファン１１１が取り付けられている。

ヒートパイプ１０２の先端部付近は、１対のヒートパイプカバー１０６・１０７によって覆われている。ヒートパイプカバー１０６・１０７の先端部は、係止部１０６ａ・１０７ａによって互いに密着するようになっている。なお、ヒートパイプカバー１０６・１０７がねじ留めされることによって互いに密着されるようにしてもよい。また、ヒートパイプカバー１０６・１０７の基部は、口金部１０８が嵌め込まれることによって固定されている。上記口金部１０８には、係止部１０８ａが形成され、これによって、例えば図示しない車両のヘッドランプハウジングのソケットに、既存の電球等に代えて装着し得るようになっている。

（ＬＥＤ１０１の取り付け構造）
ＬＥＤ１０１は、例えば図３に示すように、ヒートパイプ１０２の平坦部に、ＬＥＤチップ基板１０１ａの背面側の背面端子１０１ｄが半田１２２によって半田付けされることにより固定されている。ＬＥＤ１０１への配線は、ＬＥＤチップ基板１０１ａに設けられた配線端子１０１ｂ・１０１ｃと、フレキシブル基板１０３の舌状に折り曲げられた配線接続部１０３ｂに形成された配線パターン１０３ｃにおける裏面側に露出した部分とが、半田１２１によって半田付けされることにより接続されている。

上記のようなＬＥＤ１０１の取り付け、および配線の手順は特に限定されないが、例えば以下のように行うことができる。すなわち、まず、図４に示すように、フレキシブル基板１０３に形成された開口部１０３ａの位置にＬＥＤ１０１を配置し、配線パターン１０３ｃを高融点半田によって接続する。次に、一方のＬＥＤ１０１が取り付けられたフレキシブル基板１０３の部分を矢印Ａ、Ｂで示すようにヒートパイプ１０２の一方の面上に位置させ、他方のＬＥＤ１０１が取り付けられたフレキシブル基板１０３の部分を矢印Ｃで示すように折り返してヒートパイプ１０２の他方の面側に位置させるとともに、各ＬＥＤ１０１の背面端子１０１ｄとヒートパイプ１０２との間に適量の低融点半田を介在させる。その後、ヒートパイプ１０２等を上記低融点半田の融点以上、かつ、上記高融点半田未満の温度に加熱することによって、ＬＥＤ１０１をヒートパイプ１０２に容易に半田付けすることができ、作業性を大幅に向上させることができる。

なお、フレキシブル基板１０３に上記のように舌状に折り曲げられた配線接続部１０３ｂを形成するのに限らず、単に開口部１０３ａの周辺部の配線パターン１０３ｃをＬＥＤ１０１の配線端子１０１ｂ・１０１ｃに接続するようにして、少なくともＬＥＤ１０１の周辺ではフレキシブル基板１０３とヒートパイプ１０２との間にＬＥＤ１０１のＬＥＤチップ基板１０１ａの厚さ程度の隙間が空くようにしてもよい。

（ヒートパイプの作製方法）
上記のような帯状のヒートパイプ１０２の作製方法は特に限定されないが、例えば次のようにして作製することができる。
（１） まず、銅パイプ内に、その内径よりも所定だけ小さい外径の芯材を挿入し、銅パイプと芯材との間の隙間に銅粉粒を埋める。
（２） 上記銅パイプを銅の融点に近い温度に加熱することにより、内部の銅粉粒を焼結させる。
（３） 銅パイプを冷却した後、芯材を引き抜いて、内面に細かな粒状突起によるウィック（毛細管構造）が形成された銅パイプが得られる。
（４） 上記銅パイプの内部に低沸点の冷却剤を所定量だけ封入して両端部を閉じ、圧延して扁平な外形形状にすることにより、帯状のヒートパイプが形成される。

（ＬＥＤ１０１の駆動方法）
ＬＥＤ１０１の駆動方法（電流および／または電圧制御方法）は、特に限定されないが、例えばＬＥＤ１０１に内蔵され、またはフレキシブル基板１０３に取り付けられるなどした温度センサによりＬＥＤ１０１またはその周辺の温度を検出して行うことができる。すなわち、まず、ＬＥＤ１０１を最適に制御された電圧、電流で発光開始させた後、定常点灯用の所定の電流および／または電圧に制御する。その後、温度センサによって検出される温度が６５℃を超えた場合には電流量および発光光量を定常時の８０％、７５℃を超えた場合には６５％、８５℃を超えた場合には５０％などに低下させる。

このような制御をすることにより、何らかの原因で周辺の温度が上昇した場合などでも、車両灯具用発光装置の性能を保ち、寿命を長くすることが容易にできる。ここで、上記のような検出温度と制御電流との関係等は、所定のプリセット動作によって設定できるようにしてもよい。

なお、上記のような制御は、定常的な電流量として行われるのに限らず、例えばパルス幅変調などにより実効的な電流量に対して行われるなどしてもよい。

また、上記のような電流および／または電圧の制御と共に、またはこれに代えて、冷却ファン１１１の作動を制御するようにしてもよい。

（ＬＥＤ１０１から発せられる熱の放熱について）
上記のように構成された車両灯具用発光装置では、ＬＥＤ１０１の冷却にヒートパイプ１０２が用いられ、かつ、ＬＥＤ１０１の背面端子１０１ｄが半田付けによってヒートパイプ１０２に取り付けられることにより、ＬＥＤ１０１の熱を効率よくヒートパイプ１０２の基部に伝達させることができる。さらに、扁平なヒートパイプ１０２が１対の保持部材１０４に挟まれるようにすることによって、ヒートパイプ１０２と保持部材１０４との間の隙間を小さく抑えることが容易にできるので、ヒートパイプ１０２から保持部材１０４への熱の伝達を効率よくすることができる。しかも、保持部材１０４の外周部と放熱部材１０５における勘合穴１０５ｃの内周部との寸法精度を高くすることは比較的容易であるとともに、両者の接触面積は比較的大きいため、保持部材１０４から放熱部材１０５への熱の伝達効率も高くすることが容易にできる。したがって、ＬＥＤ１０１の冷却効率を高くすることが容易にできるので、自動車のヘッドランプ等として必要とされる発光光量を確保することが容易に可能になる。

（車両灯具用発光装置の使用形態等について）
上記のような車両灯具用発光装置は、係止部１０８ａが形成された口金部１０８を備えていることによって車両のヘッドランプハウジングのソケット等に装着することができる。しかも、扁平な帯状のヒートパイプ１０２が用いられることによって、２つのＬＥＤ１０１間の距離を小さく抑えることができ、口金部１０８によって規定される所定の基準面や規準軸に対するＬＥＤ１０１の発光部の位置を既存の電球等と同等に設定することが容易にできる。それゆえ、前記のように発光光量を確保することが容易なことと併せて、既存の電球等の代替えとして使用することが容易に可能になる。

《発明の実施形態２》
上記の例では、２つのＬＥＤ１０１が、口金部１０８から等しい距離の位置に設けられた例を示したが、例えば図５に示すように、口金部１０８からの距離が異なる位置にＬＥＤ１０１が設けられるようにしてもよい。このようにＬＥＤ１０１の位置をずらすことによって、自動車の前照灯におけるいわゆるハイビームとロービームとの切り替えが可能な車両灯具用発光装置を構成することができる。また、ＬＥＤ１０１がヒートパイプ１０２の両面側に設けられていることによって、ＬＥＤ１０１の大きさに係わらず、口金部１０８からの距離の差を小さく設定することも可能になる。なお、ＬＥＤ１０１の大きさに対して口金部１０８からの距離の差を十分大きく設定し得る場合には、ヒートパイプ１０２における同一の面側に２つ以上のＬＥＤ１０１を設けるなどして、ハイビームとロービームとの切り替えを可能にしてもよい。

《発明の実施形態３》
ＬＥＤ１０１は複数設けられるのに限らず、例えば図６に示すように１つだけ設けられてもよい。また、同図に示すように口金部１０８の中心軸に対するヒートパイプ１０２の位置を偏心させるように設定して、ＬＥＤ１０１の発光部の位置が、より口金部１０８の中心軸に近くなるようにしてもよい。

《発明の実施形態４》
ＬＥＤ１０１への配線は、アノード、カソード共に実施形態１（図３、図４）で説明したようにフレキシブル基板１０３に舌状に折り曲げられた配線接続部１０３ｂを用いて行うのに限らず、例えば図７に示すように、一方はＬＥＤチップ基板１０１ａの背面側に設けられた配線端子１０１ｂにフレキシブル基板１０３の配線パターン１０３ｃが接続されるようにしてもよい。

より詳しくは、次のようにして配線接続が行われる。ＬＥＤ１０１の一方の配線端子１０１ｂはＬＥＤチップ基板１０１ａの背面側に設けられている。ＬＥＤ１０１は、上記配線端子１０１ｂの部分がフレキシブル基板１０３における開口部１０３ａの周辺部上に載置されて、フレキシブル基板１０３の配線パターン１０３ｃにおける表面側に露出した部分と半田１２１により接続されている。

なお、上記に限らず、アノード、カソード共にＬＥＤチップ基板１０１ａの背面側に設けられた配線端子１０１ｂ・１０１ｃにフレキシブル基板１０３の配線パターン１０３ｃが接続されるようにしてもよい。

《発明の実施形態５》
また、ＬＥＤ１０１のアノードまたはカソードの一方がヒートパイプ１０２に半田付けされて配線されるようにしてもよい。図８の例では、ＬＥＤ１０１の配線端子１０１ｂは、プリント基板２０１に形成された配線パターン１０３ｃと半田１２１によって接続される一方、配線端子１０１ｃは、半田１２１および導電部材２０２を介してヒートパイプ１０２に接続されている。すなわち、ヒートパイプ１０２が配線としても機能するようになっている。また、同図の例では、ＬＥＤ１０１の配線端子１０１ｃは実施形態１で説明した背面端子１０１ｄと同様にＬＥＤ１０１の放熱機能を有するようになっているが、背面端子１０１ｄが設けられている場合には配線端子１０１ｃと同様に接続されるようにすればよい。これにより、容易に配線および冷却のための接続をすることができる。

なお、導電部材２０２は、あらかじめヒートパイプ１０２に半田付け等によって取り付けられるようにしてもよいし、ＬＥＤ１０１に半田付けされた後にヒートパイプ１０２に半田付けされるようにしてもよく、また、ＬＥＤ１０１と導電部材２０２、および導電部材２０２とヒートパイプ１０２とがそれぞれ同時に半田付けされるようにしてもよい。

また、ＬＥＤ１０１とヒートパイプ１０２とを導電部材２０２を介して接続する場合には、ＬＥＤ１０１とヒートパイプ１０２との間隔が比較的大きくても、その間の距離を正確に設定しやすいことが多いが、これに限らず、実施形態１と同様に半田だけを介してＬＥＤ１０１とヒートパイプ１０２とが接続されるようにしてもよい。

また、ＬＥＤ１０１の一方の配線端子１０１ｂの配線にプリント基板２０１が用いられるのに限らず、実施形態１、２と同様にフレキシブル基板１０３が用いられてもよい。

《その他の事項》
上記の例では、フレキシブル基板１０３やプリント基板２０１の配線パターン１０３ｃがＬＥＤ１０１の配線端子１０１ｂ・１０１ｃに直接接続される例を示したが、これに限らず、例えば電線等を介して接続されるようにしてもよい。

また、フレキシブル基板１０３やプリント基板２０１が用いられるのに限らず、電線によって制御回路基板１１０までの配線が行われるなどしてもよい。

また、例えばヒートパイプ１０２と離間して配置される金属片などの中継導電体の上面に、ＬＥＤ１０１の配線端子１０１ｂ・１０１ｃ、およびフレキシブル基板１０３の配線パターン１０３ｃが半田付け等により接続されるようにしてもよい。この場合、上記中継導電体をヒートパイプ１０２から離間させるためには、例えばＬＥＤ１０１の背面端子１０１ｄとヒートパイプ１０２との間に中継導電体よりも厚い金属片などの伝熱体を介在させて半田付けするなどしてもよい。

また、ヒートパイプ１０２としては、銅パイプを用いて形成されたものに限らず、アルミニウムを用いて形成されたものなどを用いてもよい。この場合には、例えばＬＥＤ１０１の半田付けに先立って、ヒートパイプ１０２にニッケルメッキ処理を施すなどすればよい。

また、制御回路基板１１０は、放熱部材１０５の内部に設けられるのに限らず、外部に設けられて配線ケーブルで接続されるようにしてもよい。

また、上記各実施形態（図２、図５、図６）では、それぞれ口金部１０８の形状が異なる例を示したが、口金部１０８のタイプは特に限定されるものではなく、種々のタイプのものが適用可能である。

また、上記各実施形態や変形例で説明した構成要素は、論理的に可能な限り、種々組み合わせてもよい。

１０１ ＬＥＤ
１０１ａ ＬＥＤチップ基板
１０１ｂ 配線端子
１０１ｃ 配線端子
１０１ｄ 背面端子
１０２ ヒートパイプ
１０３ フレキシブル基板
１０３ａ 開口部
１０３ｂ 配線接続部
１０３ｃ 配線パターン
１０４ 保持部材
１０４ａ 凹部
１０４ｂ 鍔部
１０５ 放熱部材
１０５ａ 放熱部
１０５ｂ ボス部
１０５ｃ 勘合穴
１０６ ヒートパイプカバー
１０７ ヒートパイプカバー
１０６ａ 係止部
１０７ａ 係止部
１０８ 口金部
１０８ａ 係止部
１０９ 防水ゴムリング
１１０ 制御回路基板
１１１ 冷却ファン
１２１ 半田
１２２ 半田
２０１ プリント基板
２０２ 導電部材

Claims (10)

1. 半導体発光素子と、
   上記半導体発光素子の背面側の端子が半田付けされた帯状のヒートパイプと、
   上記ヒートパイプの一端側を挟み込む１対の保持部材と、
   上記保持部材が勘合される勘合穴を有する放熱部材と、
   車両灯具用発光装置を車両または車両に取り付けられる部材に取り付ける口金部と、
   を備えたことを特徴とする車両灯具用発光装置。
2. 請求項１の車両灯具用発光装置であって、
   上記半導体発光素子の背面側の端子がヒートパイプに半田付けされる半田の融点が、半導体発光素子の少なくとも１つの配線端子への配線が接続される半田の融点よりも低いことを特徴とする車両灯具用発光装置。
3. 請求項１および請求項２のうち何れか１項の車両灯具用発光装置であって、
   上記半導体発光素子の配線端子への配線が、フレキシブル基板によって行われていることを特徴とする車両灯具用発光装置。
4. 請求項３の車両灯具用発光装置であって、
   上記半導体発光素子の背面側の端子とヒートパイプとの半田付けが、上記フレキシブル基板に形成された開口部の位置で行われていることを特徴とする車両灯具用発光装置。
5. 請求項１から請求項４のうち何れか１項の車両灯具用発光装置であって、
   上記半導体発光素子の配線端子のうちの１つが、上記背面側の端子と兼用され、または上記背面側の端子と共に上記ヒートパイプに半田付けされていることを特徴とする車両灯具用発光装置。
6. 請求項１から請求項５のうち何れか１項の車両灯具用発光装置であって、
   上記半導体発光素子が、上記帯状のヒートパイプの両面側にそれぞれ設けられていることを特徴とする車両灯具用発光装置。
7. 請求項１から請求項５のうち何れか１項の車両灯具用発光装置であって、
   上記帯状のヒートパイプが、上記口金部の中心軸に対して偏心して設けられていることを特徴とする車両灯具用発光装置。
8. 請求項１から請求項７のうち何れか１項の車両灯具用発光装置であって、
   さらに、半導体発光素子またはその周辺の温度を検出するセンサと、
   上記センサにより検出される温度が高いほど、半導体発光素子に流れる電流を減少させるように制御する制御回路と、
   を備えたことを特徴とする車両灯具用発光装置。
9. 請求項１から請求項８のうち何れか１項の車両灯具用発光装置であって、
   上記放熱部材に、半導体発光素子に流れる電流を制御する制御回路が設けられていることを特徴とする車両灯具用発光装置。
10. 請求項１から請求項９のうち何れか１項の車両灯具用発光装置であって、
    上記放熱部材に冷却ファンが設けられていることを特徴とする車両灯具用発光装置。

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