JP6522622B2 - ローアンドハイビームledランプ - Google Patents

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Description

本発明は、発光ダイオード(LED)ランプに関する。そして、特定的には、自動車においてヘッドライトとして使用され得るLEDランプに関し、ここでは、異なる発光パターンを有する2つの照明レベルが望まれる。

一般的なタイプの自動車用ヘッドライトは、標準の3点ソケットの中に挿入される3点コネクタ(3−point connector)を有する一つの、いわゆるH4、バルブを使用する。バルブは、2つのフィラメントを含んでいる。一つのフィラメントは、通常の夜間ドライブのための、ロービーム(low beam)に対するものであり、そして、別のフィラメントは、ハイビーム(high beam)のために使用される。ハイビームは、両方のフィラメントを使用している。3つのコネクタポイントのうち第1コネクタポイントは、グラウンドのためである。3つのコネクタポイントのうち第2コネクタポイントに対して電圧を適用することは、ロービーム用フィラメントを励起し、そして、第2と第3のコネクタポイントに対して電圧を適用することは、ロービームとハイビーム用フィラメントを励起する。

ロービーム用フィラメントは、ビーム角を制限するために、一方の側に金属シールドを有してよい。ビーム角が対面交通の中に向けられることを防ぎ、かつ、一般的に照明が下向きに向けられるようにするためである。ハイビーム用フィラメントは、360°発光パターンを生成するようにブロックされず、そして、より広く、かつ、より高いビーム角を結果として生じている。

バルブはリフレクタの中に挿入される。リフレクタは、ヘッドライトに対する管轄/法的要求を満たすように、良好に定められたビームを形成する。

法的要求を満たす、H4ヘッドバルブの適切なLEDバージョンをデザインすることは難しい。LEDは、熱に敏感なでデバイスであり、そして、フィラメントとは異なり、実質的なエネルギを赤外線(IR)において発しないからである。最先端の白色LEDを用いてさえ、入力電力の半分以上は熱に変換されてしまう。そして、フィラメントバルブのためにデザインされた従来の照明、廃熱(waste heat)の大部分を赤外線放射として発するもの、において、この熱を管理することはチャレンジである。さらに、LEDは、必然的に、半球状パターンにおいてだけ光を放射する。LEDダイの底面が不透明のサブストレート上にマウントされているからである。従って、そういったLEDヘッドライトバルブをデザインすることにおけるチャレンジは、ロービーム用LEDとハイビーム用LEDの両方に対して要求される照明発光パターンを作成すること、および、LEDダイから熱を取り除くこと、を含んでいる。

改造(retrofit)アプリケーションのためには、同一のヘッドライト用リフレクタが使用できるように、LEDヘッドライトH4バルブは、従来のフィラメントヘッドライトH4バルブを直接的に置き換えるべきである。

LEDヘッドランプ、シグナルランプ、および照明ランプに対する最先端のデザインは、米国特許出願第20100213809号明細書、米国特許出願第20070121326号明細書、および米国特許出願第20100182788号明細書に説明されるように、全てが非常に類似した構造を使用している。パッケージされたLEDが、半田、接着剤、ネジ、およびクリップといった取り付け方法を使用して、プラスチックと金属パーツを用いてアセンブリされるものである。このアセンブリ方法は、余分な製造ステップ、および、品質リスクを増して、製造コストを増加させるコンポーネントを追加することになる。

一つの実施例においては、自動車のための標準フィラメントヘッドライト用バルブを置き換えるための2レベルのバルブがデザインされる。LEDバルブは、ヘッドライト用リフレクタにおけるソケットの中にプラグインされるための3ポイントコネクタを有している。コネクタにわたり適用される電圧は、バッテリー電圧であり、典型的には自動車に対して約12ボルトであり、トラックに対しては24ボルトである。

垂直方向において、リフレクタの上側部分に向けて放射するようにローレベルビームのためのLEDダイがマウントされ、リフレクタは光を一般的に下向きに方向付けする。バルブボディの不透明なプラスチック壁が、ロービーム用LEDダイの周りに光ブロック壁を形成して、垂直および側方のLED照明の放射を一般的に制限し、シャープなカットオフラインを生成している。放射の角度を制限することは、光が対面交通の中に向けられることを防ぐ。

統合されたプラスチック壁は、対面交通の中へのグレア(glare)を防ぐようにシャープなカットオフを提供する形状でデザインされている。

LEDと金属フレームの典型的な動作温度は250°Cより低いので、バルブの中のフィラメント(典型的には2300°C以上)より非常に低い温度で動作しており、そして、一般的なフィラメントバルブに対して使用される金属の代わりに、標準的モールド可能プラスチックが任意的なコスト低減のために使用され得る。プラスチックは、望ましくは、照明器具において光学部品による使用のためにコントラストの強いカットオフライン(cut−off line)を提供するように、いくらかの領域においては黒色である。プラスチックは、他の領域においては、反射性とスタイリングの要素を提供するために、アルミニウムフィルムを用いてコーティングされてよく、もしくは、酸化亜鉛または酸化チタンといった、白色の反射性物質で満たされてよい。プラスチックは、LEDダイの領域において発生した熱が、ランプボディのパーツへ迅速に伝達され得るように、望ましくは熱伝導性(thermal conductivity)が高い。対流と周辺の周囲空気へのエネルギの熱放射に最も効率的なものである。

ハイビーム用LEDダイは、右側に面している垂直な壁にマウントされたLEDダイの一つのセットと、左側に面している垂直な壁の反対側にマウントされたLEDダイの同一なセットとを含んでいる。ダイのセットの両方が放射パターンを発するので、最もシンプルなのはランバート(Lambertian)パターンであるが、幅が広くて高角度のハイビームを生成するように、放射がリフレクタを光で実質的に満たす。ロービーム用LEDダイも、また、ハイビームモードの最中に活性化され得る。LEDダイの両方のセットは、LED光の大部分がリフレクタの上部に反射するように、下に不透明な表面を有しており、光を道路に向かって再方向付け(redirect)する。従って、不透明な表面は、リフレクタの発光の上向き角度を制限する。

LEDランプの製造に関するアセンブリ段階の削減において主要なチャレンジは、熱可塑性プラスチックはLEDと結合され得るという認識である。これは、全く明らかなものではない。LEDパッケージは、現在、典型的には260°C以下でガス状の(gaseous)環境において10秒の、プリント回路基板または類似の構造体の上でのリフロー半田付けのために、デザインされているからである。熱可塑性プラスチックは、典型的には260°C以上の高温で高圧の下で、溶け、そして、型(mold)の中に射出(inject)される。

熱可塑性プラスチックを使用する第2の主要なチャレンジは、それらのベストのものも、また、電気導電性(electrically conductive)であって、LEDバルブを通る通常の電流から電気導電性のプラスチックを絶縁するための電気的絶縁スキームが開発されねばならないことである。

高輝度のLEDダイを使用するせいで、典型的には約1mmの、非常に小さな領域において、それぞれのLEDダイによって高熱が生成される。この高熱を除去するために、新規な統合されたプロセスが使用され、LEDダイは、例えば、鉄または銅もしくは金属コーティングされたセラミックからなる電気導電性リードフレームに対して直接的に接合される。プラスチックが電気導電性である(プラスチックは、より良く熱を伝えるために金属を含んでよい)場合に、絶縁フィルムを用いて選択的にコーティングされているものである。蛍光体と主要な光学部品(例えば、半球状のレンズ)が、良好な光取り出し効率で白色光を生成するために、LEDダイの上にモールドされる。レジスタ、キャパシタ、ダイオ、または、(ブリッジ整流器といった)ダイオードアレイといった、回路エレメントが、リードフレームに対して取り付けられる。そして、次に、熱伝導性なプラスチックがリードフレームの上にモールドされて、回路エレメントを含んで、全てが一緒になって完全に機能的なLEDバルブを作っている。リードフレームは、バルブボディの広い領域上の熱伝導性のプラスチックの中に熱を分配するための熱分配器として動作する。LEDを支持しているリードフレームは、熱をプラスチックの中へより上手く分配するために、LEDダイよりも非常に幅が広くてよい。プラスチックは、フィンまたは他のそうした構造体を通じて、対流と熱放射の両方を通じて、熱をプラスチックから周囲空気の中へ伝達する。

絶縁レイヤを用いたリードフレームのカバー領域により、電気的回路を短絡させることなく熱伝導性を増加するために、金属、金属パーティクル、カーボンファイバ、グラファイト、または、他の熱伝導性かつ電気導電性の材料を含んでいる、熱伝導性のプラスチックを使用することができる。非常に典型的には、電気導電性である熱伝導性プラスチックは、電気導電性でない熱伝導性プラスチックよりも熱伝導性がよく、かつ、同じレベルの熱導電性についてコストもより低い、の両方である。

一つのリードフレームまたは複数のリードフレームの組み合わせが、ロービーム用およびハイビーム用LEDダイを支持するために使用されてよい。一つのリードフレームが使用される場合に、リードフレームは、ロービーム用LEDダイとハイビーム用LEDダイがお互いに垂直であるように折り曲げられる。別の実施例において、2または3個の個別のリードフレームが、LEDダイの3つの位置に対して使用されてよく、そして、リードフレームは、リードフレームの上にモールドされたプラスチックによって位置が固定される。

一つの実施例においては、リードフレームに対して直接的に接合されたボトム金属電極を有する垂直LEDが使用される。他のタイプのLEDダイが使用されてもよい。リードフレームの端は、LEDセットを選択的に活性化するために3つのコネクタポイントで終了する。

本デザインは、高いストップ輝度(stop−brightness)レベルと、より低い輝度レベルを有するテールライトに対して適合され得る。本デザインは、また、MR16バルブといった、一つのフィラメントのアプリケーション対しても適合され得る。低電圧ACの家庭用照明において一般的に使用されるものである。本デザインは、また、より高電圧のアプリケーションにおける短絡を防ぐのに十分な絶縁性および厚さ特性を伴って、伝導性リードフレームの絶縁コーティングを適切に選択することによって、典型的なACライン電圧の110ACまたは220ACに対しても、適用され得るものである。他の専用の回路エレメントが、所望の回路構成に応じて必要であれば、フレームに対して追加され得る。モールドされたプラスチックは、これらのコンポーネントをカプセル化(encapsulate)し、メカニカルにロバスト(robust)かつ環境的シールドの両方であり、周囲空気への非常に効率的な熱拡散パスでもある。

多くのデザインにおいて、白色光が望まれている。白色光は、当業者によって知られている、蛍光体を伴う青色光または紫外線(UV)LEDの組み合わせを用いて作成され得る。一つの実施例においては、プライマリ(primary)レンズのオーバーモールドの以前に、青色光LEDダイの上に蛍光体レイヤが直接的にデポジットされる。第2の実施例においては、クリアなサブプライマリレンズが青色光LEDダイの上に直接的にモールドされ、複数の蛍光体からなる蛍光体フィルムとシリコーンが、サブプライマリレンズの上に置かれ、そして、次に、ダイ、サブプライマリレンズ、および蛍光体フィルムの組み合わせの上に、プライマリレンズが直接的にモールドされる。

図1は、本発明の一つの実施例に従った、LEDバルブの部分的に透明な斜視図である。 図2は、図1のLEDバルブの透明でない斜視図である。 図3は、自動車の左ヘッドライト用リフレクタの中に設置されたLEDバルブの模式的な左側面図であり、ロービーム光線を示している。図3から図6においては、簡素化のために、説明に関連するモールドされたプラスチック製ボディ部分だけが示されている。 図4は、左ヘッドライト用リフレクタの中に設置されたLEDバルブの模式的な立面図であり、ロービーム光線を示している。 図5は、左ヘッドライト用リフレクタの中に設置されたLEDバルブの模式的な左側面図であり、ハイビーム光線を示している。 図6は、左ヘッドライト用リフレクタの中に設置されたLEDバルブの模式的な立面図であり、ハイビーム光線を示している。 図7は、バルブのプラスチック製ハウジングの中にモールドされたリードフレーム部分の立面図であり、ロービームおよびハイビーム用のLEDダイがリードフレーム上に直接的にマウントされている。そして、リードフレームは、ロービームおよびハイビーム用のLEDダイが垂直であるように曲げられる。 図8は、図7のリードフレームの端面図であり、ハイビーム用LEDダイの配置を示している。 図9は、所望の電圧降下を達成するために、LEDダイがどのように直列および並列に接続され得るかを示している。 図10は、LEDダイの3つのセットを支持するためにお互いに関して位置決めされた3つの別個のリードフレームの端面図を示している。 図11は、スズ−銀−銅(SAC)半田を使用した、バルブの製造の最中の、典型的な温度プロフィールを示している。 図12は、バルブの製造の最中の、熱可塑性プラスチックのインジェクションモールディングに対する典型的な温度プロフィールを示している。 図13は、金属サブストレートの断面図であり、図7から図10のリードフレームであってよい。電気導電性のモールドされたプラスチック製ボディをサブストレートから電気的に絶縁するための、サブストレート上の電気的に絶縁性であり、かつ、熱伝導性のレイヤを示している。

同一または類似のエレメントは、同じ数字を用いてラベル付けされている。

図1と図2は、LEDバルブ10の斜視図であり、自動車における従来のヘッドライトソケットに受け入れられるための3つのコネクタポイントを伴うH4ベースを有している。レジスタ、キャパシタ、およびダイオードといった、従来の回路が、バッテリー電圧をLEDダイのための望ましい電流へ変換するためのベースに含まれてよい。バルブは、ロービーム用LEDダイの一つのセット14とハイビーム用LEDダイの一つのセット16を有している。ハイビーム用LEDダイ16の同一のセットがプラスチック壁18の他の側面上にマウントされている。

4つのロービーム用LEDダイ14と8つのハイビーム用LEDダイ16が実施例において使用されているが、要求される輝度を達成するために、あらゆる数量のLEDダイが使用され得る。

LEDダイ14と16のボトム金属電極は、一つのリードフレーム上に直接的にマウントされており、図7から図9に関して説明される。代替的に、LEDダイ14と16は、3つの個別のリードフレーム上にマウントされてよい。ダイヤグラムにおいては、LEDダイごとに一つのLEDジャンクション(junction)を伴う垂直構造のLED(vertical−structure LED)が示されている。しかしながら、アプローチは非常に多用途であり、複数ジャンクションのLEDダイ、横方向、およびフリップチップLEDダイに対して適合され得るものである。ワイヤが、次に、ダイ14/16のトップ電極とリードフレームの他の部分との間に繋がれる(bonded)。

蛍光体変換(phosphor−converted)LEDが使用されるアプリケーションのために、蛍光体レイヤがLEDダイの上にデポジットされ得る。

光学レンズが、個別または組み合わせのいずれかにおいて、LEDの上にモールドされている。

非常に電気導電性な熱可塑性プラスチックに対して直接的に露出される導電性フレームの領域は、絶縁レイヤを用いてコーティングされる。絶縁レイヤは、いくつかの実施例において、光学レンズをカバーしてもよい。絶縁レイヤは、また、マスクされ、もしくは、いくつかの領域において後で取り除かれてもよい。目的のある電気的接続のために、フレームの選択された領域が保護されないままにしておくためである。導電性フレームをコーティングするために望ましい絶縁材料は、テフロン(登録商標)、ガラス、シリコーン(silicone)、二酸化ケイ素(silicon dioxide)、酸化アルミニウム、および、他の金属酸化物である。高い誘電スタンドオフ電圧(dielectric standoff voltage)と高い温度の両方を維持することができるからである。

非常に熱伝導性なプラスチックが、絶縁レイヤの上面でリードフレームの周りに、かつ、LEDダイ14/16の光学レンズのエッジに接触してモールドされる。保護のためにリードフレームを完全にシールドするようにである。プラスチックは、110W/mKの高い熱伝導性のために金属を含んでいる。他の実施例においては、グラファイト粉末、グラフェン(graphene)シート、ダイヤモンド粉末、および窒化アルミニウム粉末といった、熱伝導性な材料が使用されて、インジェクションモールディングに先立ってプラスチックの中にロードされる。従って、そうしたプラスチックについて、リードフレームは、プラスチックがリードフレームに接触する場所において、テフロン(登録商標)、シリコーン、熱酸化物、または窒化物といった、絶縁レイヤを用いてコーティングされる。50W/mKより大きい熱伝導性を有するプラスチックが望ましく、そして、1000Ohms−cmより小さい抵抗が望ましい。光ブロック機能に係る不透明性を最大化するために、黒色のプラスチックが望ましい。リードフレームによって伝導された熱は、プラスチックによって取り除かれ、そして、プラスチックは、周囲空気によって冷やされる。一つの実施例において、絶縁レイヤは、10Ohm−mより大きな電気抵抗を有しており、そして、電気導電性のプラスチック/ポリマー製ボディは、10Ohm−mより小さい電気抵抗と1W/mKより大きい熱伝導性を有している。

左側のバルブデザインと右側のバルブデザインが存在する。左側のバルブは、左側にいる対面するドライバーの眼の中に光が向けられるのを妨げるように、ロービームのためのヘッドライト用リフレクタから出てくる左側の光放射を制限する。同様に、右側のバルブは、右側にいる対面するドライバーの眼の中に光が向けられるのを妨げるように、ロービームのためのヘッドライト用リフレクタから出てくる右側の光放射を制限する。図1は、左側のバルブを示している。

図3から図6は、左側のヘッドライト用リフレクタの中に設置されたバルブ10の簡素化された模式的なビューである。簡素化のために、説明について関連するモールドされたプラスチック製ボディの部分だけが示されている。図3から図6の寸法は、より正確な図1と図2とは正確には一致しない。実施例の関連する部分をより良く図示するためである。

図3は、自動車の左側のヘッドライト用リフレクタの中に設置されたLEDバルブ10の模式的な左側面図であり、ロービーム光線24を示している。ソケット25が示されている。4つ全てのロービーム用LEDダイ14が、簡素化のために一つのブロックによって表されている。黒色のプラスチック製表面26(図4も参照のこと)は、ロービーム用ダイ14からの下向き光をブロックし、そうして、光線24によって示されるように、ロービーム光は、一般的に上向きに方向付けされる。この光は、自動車の正面のドライバーの眼の中にロービームが方向付けされないように、一般的にパラボラ状のリフレクタ28によって下向きに反射される。バルブ10の後ろに向かって方向付けされた光は、バルブ10の円錐形の部分にわたり、反射性のアルミニウムレイヤ29(図1と図2)によって、前向き、かつ、外向きに再方向付けされてよい。反射性の部分は、代わりに、酸化亜鉛または酸化チタンを含んでいる白色コーティングであってよい。

図4は、左側のヘッドライト用リフレクタの中に設置されたLEDバルブ10の模式的な立面図であり、ロービーム光線30を示している。黒色の垂直なプラスチック壁32(図3も参照のこと)は、ロービーム用LEDダイ14の右側の発光をブロックし、そうして、左側の発光だけが存在する。この光は、自動車の正面の道路に対して下向きに反射され、そして、リフレクタ28により、左側において光が良好に定められたカットオフを有するようになる。左側における対面交通の中に比較的に少ない量の光だけが方向付けられるようにである。

右側のバルブ(図示されていない)は、壁32および表面26と反対の配置である。一つの実施例においては、右側のバルブについて、垂直な壁が存在しない。右側においては対面交通が存在しそうにないからである。

図5は、ヘッドライト用リフレクタ28の中に設置されたLEDバルブ10の模式的な左側面図であり、ハイビーム光線34を示している。図1と図2からわかるように、ハイビーム用LEDダイ16は、LEDダイ16の下の不透明で傾斜した表面36からいくらかの量だけブロックするように構成されている。従って、ハイビーム用LEDダイ16からの光は、上向き及び側方に幅広く方向付けされているので、リフレクタ2を出る光は、横方向および垂直方向において幅広いビームであろう。

自動車の前方に向かって方向付けされたLEDダイ14と16の前方放射(front emission)は、バルブの前方部分40(図2)によってブロックまたは再方向付け(redirect)される。プラスチックの冷却を手助けするように気流(air flow)のための溝42を有するものである。角度の付いた反射部分43は、いくらかの光を上方に反射するのに役に立つ。従って、仮想的に、リフレクタ28を出て行く全ての光は、管轄標準を満たすように、リフレクタとプラスチック壁によって形成される。

図6は、左側のヘッドライト用リフレクタ28の中に設置されたLEDバルブ10の模式的な立面図であり、2つのハイビーム光線44と46を示している。リフレクタ28は、ハイビーム光をあらゆるパターンにおいて方向付けするように形成されてよい。非対称パターンを含むものである。

ハイビームオペレーションの最中には、ロービーム用LEDダイ14とハイビーム用LEDダイ16の両方を活性化するために3つの突起(prong)12全てに対して電力が供給され得る。そうして、ハイビームは、ロービーム用LEDダイ14とハイビーム用LEDダイ16との組み合わせである。

図7と図8は、銅製リードフレーム50上におけるLEDダイ14と16の一つの可能な配置を図示している。典型的には、銅製シートから打ち抜かれた(stamped)アレイにおいて多くの接続されたリードフレームが存在しており、ハンドリングを簡素化するためにリードフレームは同時に処理される。リードフレームは、次に、それぞれのLEDバルブのために分離される。1つのアース線、および、ロービームとハイービームのための2つの正(positive)電力リード線が存在するようにである。

リードフレーム50の端は、プラスチックモールディングの以前にロバストコネクタ12(図1)に対して電気的に接続される。半田付けによる、といったものである。別の実施例においては、リードフレーム50自身もコネクタ12を形成し、そのため比較的に厚いものである。LEDダイを活性化するためのバッテリー電圧を調整するために、レジスタ、キャパシタ、およびダイオードといった、従来の電力調整回路が、リードフレーム50とコネクタ12との間に接続されてよい。そうした回路は、モールドされたプラスチック製ボディの中に収容される。

最初に、リードフレーム50は平坦であり、そして、LEDダイ14と16のボトム金属電極が、リードフレーム50に対して直接的に接合される。半田付け、超音波溶接、または、導電性エポキシによる、といったものである。LEDダイ14と16は、実施例においては、垂直なLEDダイであり、ボトム電極およびワイヤーボンドされたトップ電極を伴うが、他のタイプのLEDダイも使用され得る。金属結合(metal bonding)は、銅製リードフレーム50に対する優れた熱経路(thermal path)を提供する。次には、熱を拡散するものである。

LEDダイ14と16がリードフレームストリップ(strip)に対して接合された後で、トップ電極が、リードフレーム50の他のストリップに対してワイヤーボンドされる。図7の実施例においては、LEDダイ14がリードフレーム52の上にマウントされ、そして、LEDダイ14のトップ電極がワイヤ54を介してストリップ56に対して接続される。このように、LEDダイ14は、並列に接続されている。ストリップ52は、突起12(図1)のうち一つに接続され、そして、ストリップ56は、別の突起12に接続される。

同様に、図7と図8に示されるように、LEDダイ16がリードフレーム58と60の上にマウントされ(図7には曲げられた後が示されている)、そして、図8において、トップ電極がワイヤ54を介してストリップ62と64に対して接続される。図8は、図7の端面図であり、プラスチック製ボディの中にモールドされる以前に、リードフレーム50がどのように最終的に曲げられるかを示している。

ワイヤーボンディングの後で、LEDダイ14は、蛍光体でコーティングされる。スクリーン印刷による、といったものである。

ボディのためのプラスチック材料が電気導電性である場合に、リードフレーム50(および他の回路)のプラスチックと接触するであろう部分は、絶縁体を用いてコーティングされる。熱酸化プロセス、窒化物デポジションプロセス、スプレイプロセス(例えば、テフロン(登録商標)、等のためのもの)、浸漬(dipping)プロセス、または他のプロセスを使用することによるもの、といったものである。これは、リードフレームがプラスチックを通じて露出されるべきところであるLEDダイ14/16の周りをフォトレジストを用いてマスキングすること、続いて、絶縁レイヤを用いてリードフレームをコーティングすること、次に、マスクを取り除くこと、によって行われてよい。別の実施例においては、リードフレーム全体が絶縁体を用いてコーティングされ、そして、マスクされたエッチ(etch)ステップを使用して、絶縁体が、次に、エッチング除去される。絶縁体が透明、かつ、薄い場合には、絶縁体は、LEDダイのレンズ66および他の全ての回路の上にさえデポジットされてよい。絶縁体をスクリーン印刷することが、代わりに実行されてよい。マスクの必要性を取り除くものである。

別の実施例においては、LEDダイ14がリードフレームの露出された部分に対して接合される以前に、パターン化された絶縁体コーティングがデポジットされてよい。

リードフレームの20%以上、かつ、リードフレームの90%までが、典型的には、絶縁体を用いてコーティングされるだろう。

クリアな半球状レンズ66が、全てのLEDダイの上にモールドされる。光取り出し(light extraction)を改善するため、かつ、LEDダイを保護するためである。このことは、もしあれば、絶縁体コーティングがデポジットされる前または後で行われてよい。クリアまたは不透明なプラスチック68が、任意的に、リードフレーム50のストリップの周りに、しかしレンズの上ではなく、モールドされてよい。リードフレーム50が切断(単体化)される以前、そして、メインのプラスチック製ボディがリードフレーム50の上にモールドされる以前に、ワイヤ54を保護し、かつ、ストリップを一緒に確保するためである。

ブロック68は、LEDダイ領域、および他の要求される領域をカバーするためのマスクの一部分を代わりに表わしてよい。プラスチック製ボディが電気導電性である場合に、任意的にリードフレームを絶縁体を用いてコーティングするときである。

リードフレーム50は、次に、図7と図8に示されるように、曲げられる。突起12(図1)は、ストリップに対して接続され、そして、リードフレーム50は、図1と図2に示されるように、プラスチック製ボディの中にモールドされる。

プラスチック製ボディは、プラスチックがレンズ66のエッジの周りに接触し、かつ、シール(seal)するように、モールドされてよく、LEDダイ14の追加の保護を提供している。プラスチックは、高い位置誤差精度でモールドされ得る。プラスチックが電気導電性である場合に、リードフレームの絶縁体コーティングは、レンズ66の下に拡がる必要がある。

図7と図8の実施例において、バッテリーの正(positive)端子が、一つの突起12を介して、ストリップ56に接続されており、かつ、ストリップ52が、別の突起12を介して、グラウンドに接続されている場合には、ロービーム用LEDダイ14が電源オンされる。バッテリーの正端子が、また、残りの突起12を介して、ストリップ62と64に接続されている場合には、LEDダイ14と16の両方のセットが、ハイビームのために電源オンされる。電力調整回路が、突起12とストリップとの間に入れられてよい。

別の実施例において、ハイビーム用LEDダイ16は、ロービーム用LEDダイ14に関して90°である必要はないが、所望のビームに応じて、60°より大きくてよい。

一つの実施例において、LEDダイ14と16は、GaNベースであり、そして、青色光を発する。LEDダイは、YAG蛍光体、または、他の適切な蛍光体を用いてコーティングされる。蛍光体を通じて漏れている青色光と蛍光体光の組み合わせが、ヘッドライトに対する管轄要求を満たす白色光を生成するようにである。一つの実施例において、ハイビーム出力は、1000ルーメンス(Lumens)以上である。LEDダイ14と16は、代わりに、紫外線(UV)光を発してよい。一つの実施例においては、プライマリ(primary)レンズのオーバーモールドの以前に、青色光LEDダイの上に蛍光体レイヤが直接的にデポジットされる。第2の実施例においては、クリアなサブプライマリレンズが青色光LEDダイの上に直接的にモールドされ、複数の蛍光体からなる蛍光体フィルムとシリコーンが、サブプライマリレンズの上に置かれ、そして、次に、ダイ、サブプライマリレンズ、および蛍光体フィルムの組み合わせの上に、プライマリレンズが直接的にモールドされる。

実施例において、LEDダイ14と16の全ては、オンの場合に並列に接続される。しかしながら、より複雑な実施例においては、所望の電圧降下を達成するために、あらゆる数量のLEDダイが直列に接続されてよい。LEDダイは、所望の電圧降下を達成するように、マルチジャンクション(multi−junction)ダイであってよい。一つのLEDダイの典型的な電圧降下は3−4ボルトの間であってよく、そうして、LEDダイを通じた電流をコントロールするように、バルブ10のベースにおいて電流リミッタが必要とされる。これは、プラスチック製ボディの中にモールドされたパッシブ抵抗ネットワーク(passive resistive network)を用いて行われてよい。そうした電流リミッタは、12ボルトに近い電圧降下を有するようにLEDダイを直列に接続することによって不要にされ得る。図9は、LEDダイがどのように直列に接続され得るかを図示している。図9に示されるように、ストリップ72上にマウントされたLEDダイ70は、並列に接続されている。ストリップ76上にマウントされたLEDダイ74も、また、並列に接続されている。種々のLEDダイとストリップ76と78との間のワイヤーボンディングにより、LEDダイの2つのセットが直列に接続される。ストリップ72と78を横切って適用される電圧は、LEDダイを電源オンにする。この技術は、あらゆる所望の電圧降下を作成するために使用され得るものである。

別の実施例においては、3つの方向においてLEDダイを支持するために、3つの別個のリードフレームが使用される。図10は、3つの別個のリードフレームの端面図であって、ストリップ81−86を有しており、3つの方向においてLEDダイ14と16を支持するためにお互いに関して位置決めされている。そこでは、モールドされたプラスチック製ボディ(図1と図2)によってリードフレームの位置が固定されており、そして、ボディは、レンズ66のための開口(opening)を有している。この実施例においては、リードフレームの曲げは必要とされない。ストリップは、ワイヤまたは他のタイプのコネクタによって突起12(図1)に対して電気的に接続されており、もしくは、突起12はリードフレームの一部である。ストリップが接続されないであろうことを除いて、立面図は、図7と類似している。

テールライトのために、同様なタイプのバルブが作成されてよく、ローレベルのテールライトのために一つのLEDダイのセットが使用され、そして、より明るいストップライトまたはターンシグナルのために別のLEDダイのセットが貢献する。

ここにおいて、我々は、LEDバルブを作成することができることを教示している。LEDバルブは、LEDダイが導電性サブストレート上に置かれ、クリアレンズがLEDの上にモールドされ、そして、大変高い温度であるが大変短い時間において、全てのパーツが熱可塑性プラスチックにおいてインサートモールドされるものである。

ここにおいて説明されたLEDバルブの製造は、LEDダイ、LEDレンズ、導電性サブストレート、および熱伝導性のLEDバルブボディを結合するための技術として、(アセンブリの代わりに)インジェクションモールディングを使用することによって可能になる。図11において、我々は、LEDを金属サブストレート(例えば、リードフレーム)の上へ取り付けることにおけるSAC半田の使用について、典型的な半田リフロー(reflow)プロフィールを示している。曲線「A」は、「角度タイプ(”angle type”)」の半田リフロープロセスを示しており、そして、曲線「H」は、「帽子タイプ(”hat type”)」の半田リフロープロセスを示している。図11に示されるように、角度タイプと帽子タイプの両方について、温度は、最初に150−180°Cの中間温度まで、90−150秒の期間にわたりゆっくり立ち上がり、そして、次に、典型的には240−260°Cの間の温度まで、30−60秒の期間にわたり、わずかにより早くだけ立ち上がる。温度は、ゆっくりと立ち上がることが必要である。半田が完全に溶けて、LEDとサブストレートの両方の上の金属接点を濡らし、そして、信頼性のある半田接合を作成すること、を確保するためである。最高温度をできる限り低く保持すること、および、急激な温度変化とクラックを防ぐように半田接合を溶かして、冷却することについて、多大な労力がかけられている。LEDと導電性サブストレートは、次に、完成品のランプを作成するために、プラスチック製および金属製パーツを用いてアセンブリされる。温度プロフィールは、ガス状の(gaseous)環境において行われ、かつ、最高温度は、典型的には260°C以下、LEDに対するダメージを防ぐためにできる限り低く保持される。240°C以上である時間は、典型的に30−60秒である。

図12において、我々は、熱可塑性プラスチックのインジェクションモールディングに対する典型的な温度プロフィールを示している。横軸TIは時間を示し、かつ、縦軸TEは温度を示している。プロセスは、5つのフェイズを含んでいる。12−1は、LEDを伴う電気導電性のサブストレートと絶縁レイヤを型(mold)の中へインサートするステップを表しており、12−2は、たいていは0.1−10秒続く型(mold)を閉めるステップを表しており、12−3は、1−5秒について260−500°C以上の高温を用いたプラスチックインジェクションのステップを表しており、12−4は、5−30秒の冷却ステップを表しており、そして、12−5は、型を開けてパーツを取り外すステップを表している。プラスチックは、リフロー半田付けにおいて使用される最高温度より著しく高い温度で溶けて、型の中に射出されるが、高温における時間は非常に短い。一つの実施例において、熱可塑性プラスチックはナイロン(Nylon)であり、300°Cの温度において、LEDインサートを含んでいる型の中に射出される。この温度は、LEDのリフロー半田付けにおいて使用される最高の260°Cより著しく高いものである。非常に早い射出速度と早い冷却時間が、従来の考えとは全く関係しない新たなやり方で、LEDパッケージに対するダメージを防いでいる。材料射出温度は、材料溶解温度によって決定され、そして、典型的なポリカーボネートプラスチックに対する280°Cからモールド可能な金属材料に対する480°Cまでであり得る。キーポイントは、温度がより高くても、時間が非常に短く保持されることであり、240°C以上である全時間は典型的に5−10秒以下である。図13において、我々は、電気導電性のサブストレート96(LEDリードフレームといったもの)を電気導電性の熱可塑性プラスチックまたはインジェクションモールディング可能な金属98から隔離するために、電気的に絶縁なレイヤ94の追加がどのように使用され得るかを示している。電気導電性のサブストレート上の絶縁レイヤの使用は、LEDバルブの作成において使用されるインジェクションモールディング可能な材料の利用可能性を劇的に拡大し、そして、非常に高い熱伝導性を有するインジェクションモールディング可能な材料を使用できるようにする。ポリカーボネートまたはPMMAのような典型的な熱可塑性プラスチック材料は、熱伝導性が1W/mKより小さい。これらの材料は、熱伝導性を増すように、シリカ(Silica)及びアルミナ(Alumina)といった電気的な絶縁材料、もしくは、金属及びカーボンといった電気導電性の材料と伴にロードされ得る。プラスチックのロードにおいて電気導電性の材料を使用することは、実質的により低いコストで、材料がより高い熱伝導性を提供するので、望ましいことである。熱可塑性プラスチックを超えて、射出温度が450−500°Cであり、熱的な導電性が100W/mK以上であるインジェクションモールディング可能な金属をモールドすることが、説明された技術を使用することで可能である。

ここにおいて説明されたLEDバルブは、パーツが非常に少なく、極めて信頼性があり、そして、優秀な熱的特性を有している。ヘッドライト用リフレクタの発光パターンは、LEDダイの配置、プラスチック製バルブボディの光ブロック機能、および、リフレクタの形状の組み合わせである。LEDバルブ10は、既存のヘッドライト用リフレクタにおける従来のフィラメントタイプH4バルブを置き換えることができる。

LEDバルブ10については、あらゆる2次的なコネクタまたはシール用リングなしでバルブ10が良好なシール(seal)を形成するように、ソケット25の中にフィットすることが望ましい。

別の実施例において、バルブ10は、バルブ10の周りに回転可能なスリーブ89を含んでいる。リフレクタに関してバルブ10をシールするために使用されるものである。タブ90が、ランプまたはソケットにおける対応するスロットの中にフィットする。他のランプデザインが、本技術を使用して想定される。そうしたデザインは、ただ一つの放射パターンを生成するように構成されたLEDとボディ/リフレクタの一つのセットを使用してよい。

本発明の所定の実施例が示され、説明されてきたが、当業者にとっては、変更および変形が、本発明の範囲から逸脱することなく、より広い態様においてなされ得ること、かつ、従って、添付の特許請求の範囲は、全てのそうした変更および変形を本発明の真の主旨および範囲内にあるものとして包含するものであることが、明らかであろう。

Claims (11)

  1. 異なる放射パターンを有する少なくとも2つのレベルの光を放射するための発光ダイオード(LED)バルブであって、発光構造体を含み、
    前記発光構造体は、
    電気導電性のリードフレームと、
    第1電極と第2電極を有する発光ダイオード(LED)ダイであり、前記LEDダイの前記第1電極は、前記電気導電性のリードフレームに対して、電気的および熱的に結合されている、LEDダイと、
    前記電気導電性のリードフレームの上にモールドされた熱伝導性の熱可塑性プラスチック製ボディであり、前記電気導電性のリードフレームの一部をカプセル化している、熱可塑性プラスチック製ボディと、
    を含み、
    第1LEDダイとしての複数のLEDダイであり、前記第1LEDダイそれぞれは第1電極と第2電極を有しており、前記第1LEDダイそれぞれの前記第1電極は、電気的および熱的にリードフレームに対して結合されている、第1LEDダイと、
    複数の第2LEDダイであり、前記第2LEDダイそれぞれは第3電極と第4電極を有しており、前記第2LEDダイそれぞれの前記第3電極は、電気的および熱的に前記リードフレームに対して結合されている、第2LEDダイと、
    複数の第3LEDダイであり、前記第3LEDダイそれぞれは第5電極と第6電極を有しており、前記第3LEDダイそれぞれの前記第5電極は、電気的および熱的に前記リードフレームに対して結合されている、第3LEDダイと、
    を含み、
    前記第2LEDダイと前記第3LEDダイは、前記リードフレーム上で、両方とも前記第1LEDダイから離れて置かれており、
    前記リードフレームは、前記第1LEDダイの上面が第1の方向に面し、前記第2LEDダイの上面が第2の方向に面し、かつ、前記第3LEDダイの上面が第3の方向に面しており、前記第1の方向は前記第2と第3の方向とは異なり、前記第2と第3の方向は互いに反対であるように、構成されており、
    前記リードフレームの一部は、熱伝導性の熱可塑性プラスチック製ボディから延びているコネクタにおいて終了し、前記熱伝導性の熱可塑性プラスチック製ボディは、
    前記第1LEDダイが、第1放射パターンを有するようにさせる、前記第1LEDダイのための第1光ブロック構成と、
    前記第2と第3LEDダイが、前記第1放射パターンとは異なる第2放射パターンを有するようにさせる、前記第2と第3LEDダイのための第2光ブロック構成と、
    を含み、
    前記第1光ブロック構成は、
    前記第1LEDダイに対する少なくとも一つの横方向の光ブロック壁と、
    前記第1LEDダイに対する少なくとも一つの光ブロック面、を含み、
    前記第2光ブロック構成は、
    前記第2と第3LEDダイそれぞれに対する少なくとも一つの光ブロック面、を含み、
    前記熱伝導性の熱可塑性プラスチック製ボディは、
    前記第1LEDダイおよび前記第2と第3LEDダイからの前向き光をブロックする前方部分、を含む、
    発光ダイオードバルブ。
  2. 前記熱伝導性の熱可塑性プラスチック製ボディは、さらに、
    前記第1LEDダイおよび前記第2と第3LEDダイからの後ろ向きに方向付けされた光を再方向付けするための反射性の後方壁、を含む、
    請求項に記載の発光ダイオードバルブ。
  3. 前記反射性の後方壁は、光を外向き及び前向きに反射する円錐形の部分を有する、
    請求項に記載の発光ダイオードバルブ。
  4. 前記第1LEDダイの上面が上方に面し、かつ、前記第2と第3LEDダイの上面が、前向き方向と垂直な、側方に面するように、リフレクタの中に設置されている、
    請求項に記載の発光ダイオードバルブ。
  5. 前記電気導電性のリードフレームの部分の上に電気導電性の低いレイヤが形成されて、電気的な絶縁レイヤを形成し、
    前記電気導電性の低いレイヤは、10Ohm−mより大きい電気抵抗を有する、
    請求項1に記載の発光ダイオードバルブ
  6. 前記熱伝導性の熱可塑性プラスチック製ボディは、10Ohm−mより小さい電気抵抗と1W/mKより大きい熱伝導率を有し、
    前記熱可塑性プラスチック製ボディは、前記電気導電性の低いレイヤの少なくとも一部分の上にモールドされ、前記熱可塑性プラスチック製ボディを前記リードフレームから電気的に絶縁する、
    請求項に記載の発光ダイオードバルブ
  7. 前記発光構造体は、さらに、
    前記LEDダイと前記電気導電性のリードフレームの一部の上に配置された光学レンズであり、前記熱伝導性の熱可塑性プラスチック製ボディと直接的に接触している、光学レンズ、
    を含む、請求項1に記載の発光ダイオードバルブ
  8. 前記熱伝導性の熱可塑性プラスチック製ボディは、また、前記LEDダイから離れた個別の電気コンポーネントの上にも配置され、かつ、完全に接触している、
    請求項1に記載の発光ダイオードバルブ
  9. 前記電気導電性のリードフレームは、金属製リードフレームである、
    請求項1に記載の発光ダイオードバルブ
  10. 前記熱伝導性の熱可塑性プラスチック製ボディは、融解温度が240°Cより高い熱可塑性プラスチックである、
    請求項1に記載の発光ダイオードバルブ
  11. 前記熱伝導性の熱可塑性プラスチック製ボディは、融解温度が380°Cより高く、モールド可能な金属がコンパウンドされている、
    請求項1に記載の発光ダイオードバルブ
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