JP6880507B2 - 車両用照明装置、および車両用灯具 - Google Patents
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Description
車両用照明装置を点灯させる際には、車両用照明装置(発光ダイオード)に電圧を印加する。発光ダイオードに電圧が印加されると、発光ダイオードに電流が流れて熱が発生し、発光ダイオードの温度が上昇する。また、自動車に設けられる車両用照明装置の場合には、車両用照明装置(発光ダイオード)に印加される電圧が変動する。そのため、発光ダイオードの温度が高くなりすぎて、発光ダイオードが故障したり、発光ダイオードの寿命が短くなったりするおそれがある。
しかしながら、この様にすると、サーミスタによる遮断が行われた際に発光ダイオードに流れる電流が急激に変化して全光束が急激に変動するおそれがある。
そこで、車両用照明装置に印加される電圧が増加した場合であっても、発光ダイオードなどの発光素子に流れる電流を抑制することができ、且つ、全光束の急激な変動を抑制することができる技術の開発が望まれていた。
本実施の形態に係る車両用照明装置1は、例えば、自動車や鉄道車両などに設けることができる。自動車に設けられる車両用照明装置1としては、例えば、フロントコンビネーションライト(例えば、デイタイムランニングランプ(DRL;Daylight Running Lamp)、ポジションランプ、ターンシグナルランプなどが適宜組み合わされたもの)や、リアコンビネーションライト(例えば、ストップランプ、テールランプ、ターンシグナルランプ、バックランプ、フォグランプなどが適宜組み合わされたもの)などに用いられるものを例示することができる。ただし、車両用照明装置1の用途は、これらに限定されるわけではない。
図2は、発光モジュール20の回路図である。
図1に示すように、車両用照明装置1には、ソケット10、発光モジュール20、給電部30、および伝熱部40が設けられている。
装着部11は、フランジ13の、放熱フィン14が設けられる側とは反対側の面に設けられている。装着部11の外形形状は、柱状とすることができる。装着部11の外形形状は、例えば、円柱状である。装着部11は、フランジ13側とは反対側の端面に開口する凹部11aを有する。凹部11aの底面11a1には発光モジュール20が設けられる。 装着部11には、少なくとも1つのスリット11bを設けることができる。スリット11bの内部には、基板21の角部が設けられる。装着部11の周方向におけるスリット11bの寸法(幅寸法)は、基板21の角部の寸法よりも僅かに大きくなっている。そのため、スリット11bの内部に基板21の角部を挿入することで、基板21の位置決めができるようになっている。
また、スリット11bを設けるようにすれば、基板21の平面形状を大きくすることができる。そのため、基板21上に実装する素子の数を増加させることができる。あるいは、装着部11の外形寸法を小さくすることができるので、装着部11の小型化、ひいては車両用照明装置1の小型化を図ることができる。
この場合、ソケット10は、発光モジュール20において発生した熱を効率よく放熱することができ、且つ、軽量であることが望まれる。
そのため、発光モジュール20において発生した熱を外部に伝えることを考慮して、ソケット10は高い熱伝導率を有する材料から形成することが好ましい。高い熱伝導率を有する材料は、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属や、高熱伝導性樹脂などとすることができる。高熱伝導性樹脂は、例えば、PET(Polyethylene terephthalate)、PBT(polybutylene terephthalate)、ナイロン(Nylon)等の樹脂に、無機材料を用いたフィラーを混合させたものである。フィラーは、例えば、酸化アルミニウムなどのセラミックスや炭素などを含むことができる。高熱伝導性樹脂を用いてソケット10を形成すれば、発光モジュール20において発生した熱を効率よく放熱することができ、且つ、軽量化を図ることができる。
発光モジュール20は、基板21、発光素子22、第1の抵抗23、ダイオード24、枠部25、封止部26、サーミスタ27、および第2の抵抗28を有する。
基板21は、接着部を介して伝熱部40に設けられている。すなわち、基板21は、伝熱部40の基板21側の面に接着されている。基板21は、平板状を呈している。基板21の平面形状は、例えば、四角形とすることができる。基板21の材料や構造には特に限定はない。例えば、基板21は、セラミックス(例えば、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなど)などの無機材料、紙フェノールやガラスエポキシなどの有機材料などから形成することができる。また、基板21は、金属板の表面を絶縁性材料で被覆したものであってもよい。なお、金属板の表面を絶縁性材料で被覆する場合には、絶縁性材料は、有機材料からなるものであってもよいし、無機材料からなるものであってもよい。発光素子22の発熱量が多い場合には、放熱の観点から熱伝導率の高い材料を用いて基板21を形成することが好ましい。熱伝導率の高い材料としては、例えば、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなどのセラミックス、高熱伝導性樹脂、金属板の表面を絶縁性材料で被覆したものなどを例示することができる。また、基板21は、単層であってもよいし、多層であってもよい。
また、配線パターン21aには、発光素子22が電気的に接続されるパッド21c(第1のパッドの一例に相当する)、第1の抵抗23が電気的に接続されるパッド21d(第3のパッドの一例に相当する)、サーミスタ27が電気的に接続されるパッド21e(第2のパッドの一例に相当する)、および第2の抵抗28が電気的に接続されるパッド21f(第3のパッドの一例に相当する)が設けられている。なお、パッド21c〜21fに関する詳細は後述する。
図1および図2に例示をした発光モジュール20には、3つの発光素子22が設けられている。図2に示すように、3つの発光素子22は、直列接続されている。
なお、発光素子22は、表面実装型の発光素子やリード線を有する砲弾型の発光素子とすることもできる。
ダイオード24は、例えば、表面実装型のダイオードや、リード線を有するダイオードなどとすることができる。図1に例示をしたダイオード24は、表面実装型のダイオードである。
枠部25は、基板21の、凹部11aの底面11a1側とは反対側に設けられている。枠部25は、基板21の上に設けられている。枠部25は、基板21に接着されている。枠部25は、例えば、環状形状を有し、内側に複数の発光素子22が配置されるようになっている。すなわち、枠部25は、複数の発光素子22を囲んでいる。枠部25は、樹脂から形成されている。樹脂は、例えば、PBT(polybutylene terephthalate)、PC(polycarbonate)、PET、ナイロン、PP(polypropylene)、PE(polyethylene)、PS(polystyrene)などの熱可塑性樹脂とすることができる。
例えば、発光色が白色またはアンバー色の場合には、InGaN系の青色発光ダイオードを2つまたは3つ設け、蛍光体を用いて色変換させる。発光色が赤色の場合には、AlINGaP系の赤色発光ダイオードを3つまたは4つ設けることができる。
また、枠部25を設けずに封止部26のみを設けることもできる。封止部26のみを設ける場合には、ドーム状の封止部26が基板21の上に設けられる。
また、並列接続された複数のサーミスタ27は、直列接続された複数の発光素子22と直列接続されている。
車両用照明装置1は、バッテリーを電源としているが、車両用照明装置1に印加される電圧は変動する。例えば、一般的な自動車用の車両用照明装置1の動作標準電圧(定格電圧)は13.5V程度であるが、これより高い電圧が印加される場合がある。発光モジュール20に印加される電圧が高くなると、発光素子22の温度が高くなりすぎて、発光素子22が故障したり、発光素子22の寿命が短くなったりするおそれがある。
発光素子22は、InGaN系の発光ダイオードとしている。定格電圧(13.5V)における駆動電流は、350mAとしている。入力電圧(バッテリー電圧)が12V〜14.5Vまでは、サーミスタ27における抵抗値の上昇が起きないような設定としている。
図3から分かるように、電圧が14.5V以上になるとサーミスタ27の抵抗値が増加して、発光素子22の電流値が減少する。また、24Vのバッテリーが誤って接続された際にも、発光素子22の電流値を抑制することができるので、発光素子22の故障を抑制できる。
なお、図中のAは周囲温度と発光素子22のジャンクション温度Tjとの関係を表し、Bは周囲温度と発光素子22の電流値との関係を表している。
発光素子22は、InGaN系の発光ダイオードとし、ジャンクション温度Tjの最大値は150℃としている。そして、周囲温度が55℃を超えるとサーミスタ27における抵抗値の増加が生じるようにしている。
発光素子22が点灯している状態において周囲温度が上昇すると、Aから分かるように発光素子22のジャンクション温度Tjが上昇する。
この場合、周囲温度が55℃を超えるとサーミスタ27における抵抗値の増加が生じる。そのため、周囲温度が55℃を超えると、Bにおいて発光素子22の電流値が減少し、Aにおいてもジャンクション温度Tjの上昇が抑制される。
自動車用エクステリア光源は、周囲温度が70℃〜100℃程度となる場合がある。しかしながら、適切なサーミスタ27を設ければ発光素子22のジャンクション温度Tjが最大値を超えるのを抑制することができる。
また、複数のサーミスタ27を並列接続すれば、抵抗値の変化量を少なくすることができる。後述するように、サーミスタ27の抵抗値は、±20%程度ばらつくことがある。サーミスタ27の抵抗値がばらつくと発光素子22から照射される光の明るさがばらつくおそれがある。そのため、複数のサーミスタ27を並列接続すれば、抵抗値のばらつきを小さくすることができる。
また、複数のサーミスタ27を並列接続すれば、抵抗値の変化量を少なくすることができるので、発光素子22に流れる電流の値の変化量を少なくすることができる。そのため、サーミスタ27の温度がキュリー点を超えた際に、全光束が急激に変動するのを抑制することができる。
すなわち、サーミスタ27の温度は、自己発熱、発光素子22などによる熱干渉、周囲温度の影響を受ける。
また、サーミスタ27において発生した熱が基板21を介して伝熱部40に伝わりやすくなれば、発光素子22への熱干渉、すなわち、発光素子22の温度上昇を抑制することができる。そのため、サーミスタ27の放熱性を向上させることが好ましい。
図5に例示をしたものの場合には、基板21の周縁近傍に3つのサーミスタ27が並べて設けられている。3つのサーミスタ27は、基板21の辺の中央の近傍に設けられている。サーミスタ27の数は、設定する総電流により変更することができる。例えば、サーミスタ27の数は2つとすることもできる。
第1の抵抗23および第2の抵抗28は、3つのサーミスタ27を挟んで設けられている。この場合、3つのサーミスタ27の一方の側に設けられる抵抗の数と、他方の側に設けられる抵抗の数とがなるべく同じとなるようにすることが好ましい。この様にすれば、熱の分散が図れるとともに、3つのサーミスタ27に両側から同程度の熱を伝えることができる。
第1の抵抗23は、パッド21dの上に設けられている。パッド21dは、第1の抵抗23の外方に向けて延びた形状を有している。平面視における複数のパッド21dの総面積は、第1の抵抗23の総面積よりも大きくすることができる。
サーミスタ27は、パッド21eの上に設けられている。パッド21eは、サーミスタ27の外方に向けて延びた形状を有している。平面視における複数のパッド21eの総面積は、複数のサーミスタ27の総面積よりも大きくすることができる。
第2の抵抗28は、パッド21fの上に設けられている。パッド21fは、第2の抵抗28の外方に向けて延びた形状を有している。平面視における複数のパッド21fの総面積は、複数の第2の抵抗28の総面積よりも大きくすることができる。
この様なパッド21c〜21fを設ければ、それぞれの素子において発生した熱が基板21を介して伝熱部40に伝わりやすくなる。そのため、サーミスタ27への熱干渉と、発光素子22の温度上昇とを抑制することができる。
この場合、発光素子22の群の重心を中心とする円周上または円周の近傍に3つのサーミスタ27のそれぞれの重心が設けられるようにすることが好ましい。
また、次に発熱量が大きい3つの第2の抵抗28と、3つのサーミスタ27との位置関係を適切なものとすることが好ましい。
この場合、サーミスタ27の群の重心を中心とする円周上または円周の近傍に3つの第2の抵抗28のそれぞれの重心が設けられるようにすることが好ましい。また、この円周上または円周の近傍に第1の抵抗23の重心が設けられるようにすることが好ましい。
本実施の形態においては、図5に示すように、パッド21cとパッド21eとの間の最短距離L1を基板21の厚みよりも大きくしている。
パッド21fとパッド21eとの間の最短距離L2を基板21の厚みよりも大きくしている。
パッド21dとパッド21eとの間の最短距離L3を基板21の厚みよりも大きくしている。
発熱量は、「発光素子22≧第2の抵抗28≧第1の抵抗23」となる場合が多い。そのため、「距離L1≧距離L2≧距離L3」とすることもできる。
図6に例示をしたものの場合には、2つの発光素子22が設けられている。発光素子22の群の重心は、基板21の重心に設けることができる。
前述したものと同様に、パッド21cは、発光素子22の外方に向けて延びた形状を有している。平面視における複数のパッド21cの総面積は、複数の発光素子22の総面積よりも大きくすることができる。
また、パッド21cとパッド21eとの間の最短距離L1を基板21の厚みよりも大きくしている。また、「距離L1≧距離L2≧距離L3」とすることができる。
その他は、図5に例示をしたものと同様とすることができる。
図7に例示をしたものの場合には、4つの発光素子22が設けられている。発光素子22の群の重心は、基板21の重心に設けることができる。
前述したものと同様に、パッド21cは、発光素子22の外方に向けて延びた形状を有している。平面視における複数のパッド21cの総面積は、複数の発光素子22の総面積よりも大きくすることができる。
また、パッド21cとパッド21eとの間の最短距離L1を基板21の厚みよりも大きくしている。また、「距離L1≧距離L2≧距離L3」とすることができる。
その他は、図5に例示をしたものと同様とすることができる。
図2に示すように、直列接続された複数の第2の抵抗28と、並列接続された複数のサーミスタ27と、第1の抵抗23と、直列接続された複数の発光素子22と、を直列接続することができる。
膜状の抵抗器の材料は、例えば、酸化ルテニウム(RuO2)とすることができる。膜状の抵抗器は、例えば、スクリーン印刷法および焼成法を用いて形成することができる。第2の抵抗28が膜状の抵抗器であれば、第2の抵抗28と基板21との接触面積を大きくすることができるので、放熱性を向上させることができる。また、複数の第2の抵抗28を一度に形成することができる。そのため、生産性を向上させることができ、また、複数の第2の抵抗28における抵抗値のばらつきを抑制することができる。
第2の抵抗28が膜状の抵抗器の場合には、第2の抵抗28の一部を除去すれば、抵抗値を増加させることができる。例えば、第2の抵抗28にレーザ光を照射すれば第2の抵抗28の一部を容易に除去することができる。そのため、第2の抵抗28を膜状の抵抗器とすれば、電流値の調整が容易となる。
なお、第1の抵抗23および複数の第2の抵抗28のいずれか1つを表面実装型の抵抗器またはリード線を有する抵抗器とし、他を膜状の抵抗器とすることもできる。
また、発光素子22の断線の検出や、誤点灯防止などのために、プルダウン抵抗を設けることもできる。また、配線パターン21aや膜状の抵抗器などを覆う被覆部を設けることもできる。被覆部は、例えば、ガラス材料を含むものとすることができる。
給電端子31は、例えば、棒状体とすることができる。給電端子31の断面形状には特に限定がない。給電端子31の断面形状は、例えば、四角形などの多角形、円などとすることができる。複数の給電端子31は、凹部11aの底面11a1から突出している。複数の給電端子31は、所定の方向に並べて設けることができる。複数の給電端子31は、絶縁部32の内部に設けられている。絶縁部32は、給電端子31とソケット10との間に設けられている。複数の給電端子31は、絶縁部32の内部を延び、絶縁部32の発光モジュール20側の端面、および絶縁部32の放熱フィン14側の端面から突出している。複数の給電端子31の発光モジュール20側の端部は、基板21に設けられた配線パターン21aと電気的および機械的に接続されている。すなわち、給電端子31の一方の端部は、配線パターン21aと半田付けされている。複数の給電端子31の放熱フィン14側の端部は、孔10bの内部に露出している。孔10bの内部に露出する複数の給電端子31には、コネクタ105が嵌め合わされる。給電端子31は、導電性を有する。給電端子31は、例えば、銅合金などの金属から形成することができる。なお、給電端子31の数、形状、配置、材料などは例示をしたものに限定されるわけではなく、適宜変更することができる。
ここで、自動車に設けられる照明装置1の場合には、使用環境の温度が、−40℃〜85℃となる。そのため、絶縁部32の材料の熱膨張係数は、ソケット10の材料の熱膨張係数となるべく近くなるようにすることが好ましい。この様にすれば、絶縁部32とソケット10との間に発生する熱応力を低減させることができる。例えば、絶縁部32の材料は、ソケット10に含まれる高熱伝導性樹脂としたり、この高熱伝導性樹脂に含まれる樹脂としたりすることができる。
絶縁部32は、例えば、ソケット10に設けられた孔10aに圧入したり、孔10aの内壁に接着したりすることができる。
伝熱部40と基板21とを接着する接着剤、および伝熱部40と凹部11aの底面11a1とを接着する接着剤は、熱伝導率の高い接着剤とすることが好ましい。例えば、接着剤は、無機材料を用いたフィラーが混合された接着剤とすることができる。無機材料は、熱伝導率の高い材料(例えば、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなどのセラミックス)とすることが好ましい。接着剤の熱伝導率は、例えば、0.5W/(m・K)以上、10W/(m・K)以下とすることができる。
なお、サーミスタ27の抵抗値は常温(25℃)における抵抗値である。また、総抵抗値は、並列接続された複数のサーミスタ27の合成抵抗値と、直列接続された複数の第2の抵抗28の合成抵抗値と、第1の抵抗23の抵抗値と、の和である。
車両用照明装置1がデイタイムランニングランプなどの場合には、発光色は白色とすることができる。車両用照明装置1がターンシグナルランプなどの場合には、発光色はアンバー色とすることができる。車両用照明装置1がストップランプなどの場合には、発光色は赤色とすることができる。
発光色が白色の場合には、光束は350 lm(ルーメン)必要となる。そのため、図8に示すように、定格電流は350mAとしている。また、2つのサーミスタ27を並列接続している。3つの第2の抵抗28の合成抵抗値は7.75Ω、第1の抵抗23の抵抗値は1.8Ωとしている。すると、安定時の電流(定格電流)が350mAとなり、目標の光束を得ることができる。サーミスタ27のサイズは2012としている。サーミスタ271つ当たりに流す電流は250mA以下とし、サーミスタ27の数は2つとしている。サーミスタ27の抵抗比率(常温(25℃)におけるサーミスタ27の合成抵抗値/総抵抗値)は19.7%となる。第1の抵抗23の抵抗比率(第1の抵抗23の抵抗値/総抵抗値)は15.1%となる。
この場合、サーミスタ27の抵抗比率が大きくなると、サーミスタ27の抵抗値が増加し始める電圧が低くなる。例えば、図3におけるピークの位置が左側に移動する。そのため、定格電圧の上限より低い電圧で発光素子22の電流値が減少するおそれがある。
一方、サーミスタ27の抵抗比率が小さくなると、発光素子22のジャンクション温度Tjが高くなる。例えば、図4中のAが上方に移動する。そのため、例えば、周囲温度が55℃以下であってもジャンクション温度Tjが最大値を超えるおそれがある。
本発明者らが得た知見によれば、サーミスタ27の抵抗比率は15%以上、25%以下とすることが好ましい。この様にすれば、定格電圧の上限の近傍でサーミスタ27の抵抗値の増加を開始させることができる。
また、第1の抵抗23の抵抗比率は、10%以上、20%以下とすることが好ましい。この様にすれば、車両用照明装置1に印加される電圧が変動しても、車両用照明装置1から出射される光の明るさがばらつくのを抑制することができる。
次に、車両用灯具100について例示する。
なお、以下においては、一例として、車両用灯具100が自動車に設けられるフロントコンビネーションライトである場合を説明する。ただし、車両用灯具100は、自動車に設けられるフロントコンビネーションライトに限定されるわけではない。車両用灯具100は、自動車や鉄道車両などに設けられる車両用灯具であればよい。
図9に示すように、車両用灯具100には、車両用照明装置1、筐体101、カバー102、光学要素部103、シール部材104、およびコネクタ105が設けられている。
例えば、図9に例示をした光学要素部103はリフレクタである。この場合、光学要素部103は、車両用照明装置1から出射した光を反射して、所定の配光パターンが形成されるようにする。
また、コネクタ105は、段差部分を有している。そして、シール部材105aが、段差部分に取り付けられている。シール部材105aは、孔10bの内部に水が侵入するのを防ぐために設けられている。シール部材105aを有するコネクタ105が孔10bに挿入された際には、孔10bが水密となるように密閉される。
Claims (9)
- ソケットと;
前記ソケットの一方の端部側に設けられた発光モジュールと;
を具備し、
前記発光モジュールは、
配線パターンを有する基板と;
それぞれが前記配線パターンの第1のパッドと電気的に接続され、直列接続された複数の発光素子と;
それぞれが前記配線パターンの第2のパッドと電気的に接続され、並列接続された複数のサーミスタと;
を有し、
前記第1のパッドと、前記第2のパッドとの間の最短距離は、前記基板の厚みよりも大きい車両用照明装置。 - ソケットと;
前記ソケットの一方の端部側に設けられた発光モジュールと;
を具備し、
前記発光モジュールは、
配線パターンを有する基板と;
それぞれが前記配線パターンの第1のパッドと電気的に接続され、直列接続された複数の発光素子と;
それぞれが前記配線パターンの第2のパッドと電気的に接続され、並列接続された複数のサーミスタと;
それぞれが前記配線パターンの第3のパッドと電気的に接続され、直列接続された複数の抵抗と;
を有し、
前記第2のパッドと、前記第3のパッドとの間の最短距離は、前記基板の厚みよりも大きい車両用照明装置。 - 前記第1のパッドと、前記第2のパッドとの間の最短距離は、前記基板の厚みよりも大きい請求項2記載の車両用照明装置。
- 前記並列接続された複数のサーミスタは、前記直列接続された複数の発光素子と直列接続されている請求項1〜3のいずれか1つに記載の車両用照明装置。
- 前記複数の発光素子は、前記基板の中央領域に設けられ、
前記複数のサーミスタは、前記基板の周縁領域に設けられ、
前記発光素子の群の重心を中心とする円周の近傍に、前記複数のサーミスタのそれぞれの重心が設けられている請求項1〜4のいずれか1つに記載の車両用照明装置。 - 前記直列接続された複数の抵抗は、前記並列接続された複数のサーミスタ、および前記直列接続された複数の発光素子と直列接続され、
前記複数の抵抗は、前記複数のサーミスタを挟んで2つの群に分けて配置され、
前記サーミスタの群の重心を中心とする円周の近傍に、前記複数の抵抗のそれぞれの重心が設けられている請求項2または3に記載の車両用照明装置。 - 前記複数のサーミスタは、正特性サーミスタである請求項1〜6のいずれか1つに記載の車両用照明装置。
- 前記サーミスタの抵抗比率は、15%以上、25%以下である請求項2、3、6のいずれか1つに記載の車両用照明装置。
- 請求項1〜8のいずれか1つに記載の車両用照明装置と;
前記車両用照明装置が取り付けられる筐体と;
を具備した車両用灯具。
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