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JP4138586B2 - 光源用ｌｅｄランプおよびこれを用いた車両用前照灯 - Google Patents

光源用ｌｅｄランプおよびこれを用いた車両用前照灯 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＥＤランプに関するものであり、詳細には、車両用灯具の光源としても用いられるＬＥＤランプの構成に係るものであって、前照灯（ヘッドライト）、補助前照灯（フォグライト）など従来は採用されることの無かった照明用の車両灯灯具の光源として採用可能なＬＥＤランプの構成に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＬＥＤランプを、例えば懐中電灯など照明用灯具の光源としての使用するときには、大型としたＬＥＤチップを大型のパッケージに収納し、例えば、数十〜数百ミリアンペアの電流を印加し光量を得るものとしている。同時に、大型のパッケージとしたことにより、点灯させたときに前記ＬＥＤチップに生じる発熱を効果的に前記パッケージを経由て外部に伝導させ、大気中などに放熱させることで、過熱による前記ＬＥＤチップの劣化、あるいは、破損を防止するものである。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１５０９６８号公報（段落００１１〜段落００３４、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＬＥＤランプを光源とする灯具が、前照灯など車両用灯具である場合には、前方に照射される光には対向車の運転者に幻惑を生じさせないように、厳密な配光特性が関係規格などにより設定されているものであり、また、前照灯など灯具側の構成は、ほぼ全方位に均等に光束を放散させる白熱電球などを想定して形成されているものであるので、一方向に偏って光を放射するＬＥＤランプに単純に交換したのみでは、配光特性などに満足するものが得られないと言う問題点を生じている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記した従来の課題を解決するための具体的手段として、光源用ＬＥＤランプであって、ＬＥＤチップと蛍光材料を含むＬＥＤ発光部と、前記ＬＥＤ発光部からの光を投影する投影手段と、前記ＬＥＤ発光部に近接して、前記前記ＬＥＤ発光部の一部を覆う遮蔽部材とを備え、前記遮蔽部材は、前記蛍光材料よりも前記ＬＥＤランプ照射方向前方に位置し、前記ＬＥＤ発光部と対峙する側の面は当該遮蔽板に入射する前記発光部からの光を反射する反射部材であり、前記ＬＥＤ発光部の前記遮蔽部材で覆われない部分の形状が、前記投影手段により照射方向に拡大投影されて明暗境界線を有する配光特性が得られることを特徴とする光源用ＬＥＤランプ。
【０００６】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明を図に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。図１および図２に符号１で示すものは本発明に係る光源用ＬＥＤランプ（以下、ＬＥＤランプ１と略称する。）であり、このＬＥＤランプ１においては、ＬＥＤチップ３はベース３上にマウントが行われている。
【０００７】
前記ベース３は、銅など熱伝導性に優れる金属部材で形成された基台部３ａと、同じく金属部材で形成されるリードフレーム３ｂとが設けられ、前記基台部３ａとリードフレーム３ｂとは樹脂部材など絶縁性部材で形成された絶縁層３ｃにより絶縁が行われている。そして、前記基台部３ａにマウントが行われたＬＥＤチップ２に対しては金線４などによりリードフレーム３ｂとの配線が行われ、外部からの給電により点灯が行えるものとされている。
【０００８】
ここで、前記ＬＥＤランプ１を前照灯の光源用として採用するときの必要条件について考察してみると、灯色としては白色、または、黄色の単色が規定色とされ、通常には白色が採用される場合が多いが、現実には白色を直接に発光するＬＥＤチップ２は存在せず、白色光を得るためには蛍光体５を併用するものとしている。
【０００９】
その第一の方法としては、青色発光のＬＥＤチップ２と、黄色発光の蛍光体５とを組合わせるものであり、ＬＥＤチップ２からの直射光の青色光と、前記ＬＥＤチップ２からの光により励起される蛍光体５からの黄色光が混合して白色光が得られるものとなる。また、第二の方法としては、紫外発光のＬＥＤチップ２と、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）三原色の発光を行う蛍光体５を組合わせるものであり、この場合にはＬＥＤチップ２からの直射光は照射光として使用されることはなく、前記蛍光体５からの照射光をもってＬＥＤランプ１の照射光とされるものである。
【００１０】
よって、本発明においては、前記ＬＥＤチップ２と蛍光体５とを組合わせて白色発光などとしたＬＥＤ発光部８をもって前照灯の光源としているものとして以後の説明を行うが、例えば灯色に黄色が要求されたときなどには、ＬＥＤチップ２からの直射光のままでも光源光として採用可能となるが、この場合においても本発明は実施が可能であり、その場合には、前記ＬＥＤ発光部８をＬＥＤチップ２に置き換えれば良い。
【００１１】
また、前記ＬＥＤチップ２、金線４、蛍光体５などは機械的にも強度が弱く、湿度などに対する耐性も充分ではないので、透明樹脂などで形成されたレンズ状部材、あるいは、窓ガラス状部材（図示は窓ガラス状部材６の例で示す）で覆われ、前記基台部３ａとで外気に対して密閉状態とされて、上記各部位の接触による破損、湿度による劣化などを防ぐものとされている。また、レンズ状部材、あるいは、窓ガラス状部材とＬＥＤ発光部８との間は、不活性ガス、シリコーンゲル（ここではシリコーンゲル９の例で示す）などで満たすことが好ましい。
【００１２】
加えて、本発明のＬＥＤランプ１においては、遮蔽部材７を設けるものであり、この遮蔽部材７は、前記蛍光体５の一部を覆い、例えばこの蛍光体５から放射される光を投影レンズなどで照射方向に投影したときに、例えばすれ違い用の配光形状など所望する形状が得られるものする。
【００１３】
従って、前記窓ガラス状部材６と遮蔽部材７とは何れも、蛍光体５よりも照射方向前方に存在するものとなり、窓ガラス状部材６は透明、遮蔽部材７は不透明となるので、設ける順番は何れを前方側に設置しても良く、更には、例えば前記窓ガラス状部材６の内外面を利用して、不透明塗料による塗装、あるいは、金属部材の蒸着などにより遮蔽部材７を形成するなども自在である。
【００１４】
また、このＬＥＤランプ１を光源として採用する前照灯が赤外線暗視装置（ナイトビジョン）用の光源である場合には、前記窓ガラス状部材６には赤外線を通過し可視光を遮蔽する部材を用い、遮蔽部材７としては少なくとも赤外線から可視光までの光線を遮蔽する部材を用いれば良いものとなる。更に言えば、遮蔽部材７が金属部材の蒸着膜である場合、酸化による劣化なども考えられるので図２中に符号１２で示すようにSiO2膜で覆い保護するものとしても良い。
【００１５】
図３に符号ＨＢで示すものは、左側通行におけるすれ違い配光の例であり、このすれ違い配光ＨＢにおいては、自車の中心線から右半部は、対向車の運転者に対して幻惑を生じさせないように上向き光を一切含まない配光形状とされているが、左半部は、路側帯にある標識などの読み取りを容易とするために、エルボと称されている左上がり１５°に上向き光を生じる部分が設けられている。
【００１６】
本発明では、前記蛍光体５の前記遮蔽部材７で覆われない部分の形状を、上記に説明したすれ違い配光ＨＢに相似させるものであり、そして、このようにして得られた蛍光体５の形状を、図４に示すように投影レンズ１０で照射方向Ｐに投影することで、すれ違い配光ＨＢが得られるものとなるのである。尚、前記遮蔽部材７でＬＥＤチップ２を覆うときには、遠方視界を確保するために正面の水平方向に最高輝度があるように前記ＬＥＤチップ２は最高輝度、もしくは、それに近い位置で覆われるものとされる。
【００１７】
尚、投影レンズ１０で投影した後には、上下左右が反転するので、ＬＥＤランプ１としては、１８０°回転した状態で前照灯に取付け、この状態で投影レンズ１０で投影すれば、すれ違い配光ＨＢとしての正立像が得られるものとなる。また、前記遮蔽部材７の形状を変更することで、例えばエルボ無しの配光形状、あるいは、走行用の配光形状など自在な配光形状の形成が可能である。
【００１８】
ここで、前記遮蔽部材７について、更なる説明を行えば、この遮蔽部材７はＬＥＤチップ２からの光を遮蔽するものであるので、半分を覆えば光量も半分となるなどＬＥＤチップ２からの光量に損失を生じるものである。ここで、発明者の検討の結果では、前記遮蔽部材７は少なくともＬＥＤチップ２に対峙する側の面の処理は、投影後の配光特性の形状に与える影響が軽微であることを確認した。
【００１９】
即ち、遮蔽部材７の表面側（投影レンズ１０側）は光を反射すると投影レンズ１０で再投影され配光特性の形状に影響を与える恐れが高いものとなるので黒色などに着色した無反射処理は好ましいが、裏面側の場合には鏡面処理を行ってＬＥＤチップ２からの光を反射しても、ＬＥＤチップ２の側に戻るのみであるので、蛍光体５と遮蔽部材７との境界の形状、言い換えれば配光特性の形状には実質的に影響を与えないものである。
【００２０】
そして、遮蔽部材７の裏面側で反射が行われた光は再度蛍光体５内に戻るので、図５に示すように遮蔽部材７の裏面を鏡面処理を行うと共に、蛍光体５が覆われていない方向に向かい反射光を生じる例えば鋸歯形状部７ａなどとしておけばこれにより前記蛍光体５は一層に明るさが向上するものとなる。即ち、遮蔽部材７の裏面側に達する光は、照射光として回収することが可能となるのであり、発明者の試作、測定の結果では１５％以上の光量増加が確認された。
【００２１】
また、同時に行った前記遮蔽部材７に対する発明者の検討の結果では、配光特性の形状をより正確に得るためには投影レンズ１０の焦点を遮蔽部材７に合わせて投影することが好ましく、また、配光特性に明るさを得たいときには投影レンズ１０の焦点をＬＥＤ発光部８（灯色が黄色の場合はＬＥＤチップ２）に合わせ投影することが好ましい。よって、ＬＥＤチップ２と遮蔽部材７とは近接していれば両者がほぼ焦点が合っている状態となり、形状と明るさの双方の面に好都合であり、両者の間隔は２mm以下とすることが好ましく、更には１mm以下とすれば一層の好結果が期待できる。
【００２２】
また、上記のように、遮蔽部材７により覆われるＬＥＤ発光部８を投影レンズ１０で投影する場合、投影レンズ１０には１枚の平凸レンズ形状が採用されることが多いので図６に示すように、例えば青色に対する焦点ｆｂを生じる位置と赤色に対する焦点ｆｒを生じる位置とに位置差がある、いわゆる色収差を生じるものとなる。
【００２３】
この場合、何れか一方の側に近づけて遮蔽部材７を設置すれば、前記すれ違い配光ＨＢの前記遮蔽部材７の形状が投影される部分である明暗境界線ＨＬ（図３参照）の部分に着色を生じるものとなり、灯色は単色であるとする規定を満足させることができないものとなる。その解決策としては図７に示すように遮蔽板７の板厚ｔを、例えば、青色の焦点ｆｂから赤色の焦点ｆｒまで至る厚みのものとし、投影された明暗境界線ＨＬ上には複数の色が存在するものとすれば、混合色は白色に近づき、特定の色を感じさせないものとすることができる。
【００２４】
あるいは、図８に示すように、薄い遮蔽部材７の少なくとも２枚を用意し、例えば、窓ガラス状部材６の表裏面を利用するなどして、１枚を青色の焦点ｆｂの位置に設置し、他方の一枚を赤色の焦点ｆｒの位置に設置する。このようにすることで、投影されたすれ違い配光ＨＢの明暗境界線ＨＬにおいてはほぼ補色の関係にある青色と赤色とが混色されるものとなり、上記の厚い遮蔽部材７の例と同様に、特定の色を感じさせないものとすることができる。
【００２５】
尚、前記遮蔽部材７について更に説明を行えば、前記投影レンズ１０においては上記に説明した色収差(Chromatic aberratin)以外にも、球面収差(Spherical aberration)、非点収差(Astigmatism)、コマ(Coma)、像面湾曲(Field cllurvature)、歪曲収差(Distortion)などの収差を生じ、前記ＬＥＤ発光部８の形状を投影するときには、これらの収差によって、形状の歪み、あるいは、焦点はずれなどを生じる。
【００２６】
従って、前記遮蔽部材７としては、例えば像面湾曲に対応させるためには、投影レンズ１０の焦点面が湾曲しているのと同じ形状に湾曲させれば、中心から左右両端まで先鋭な明暗境界線ＨＬが得られる（但し、球面収差、非点収差、コマの影響はないものとした場合）ものとなる。また、歪曲収差など形状の歪みに関与する収差については、投影された後のすれ違い配光ＨＢが所望の形状となるように遮蔽部材７側で修正すれば良い。
【００２７】
以上、何れの収差に対しても遮蔽部材７を厚くする、湾曲させる、変形させるなどの手段で対応が可能であるが、これらの詳細な方法については、投影レンズ１０を採用するいわゆるプロジェクタ型の灯具において既に公知のことであるので、ここでのより以上の詳細な説明は省略する。
【００２８】
図９は、本発明に係るＬＥＤランプ１を光源として採用した前照灯の別な実施形態を模式的に示すものであり、図４では前照灯は１つのＬＥＤランプ１と１つの投影レンズ１０とから構成されていた。しかしながら、前記遮蔽部材７を含む白色ＬＥＤ発光部８は形状面ではすれ違い配光ＨＢの規格を満足させられるが、照度分布的には中心照度が不足するなど、規定を満足させられない場合がある。
【００２９】
ここで、本発明では極めて小面積であるＬＥＤ発光部８を直接に投影するものであるので、投影レンズ１０も小型のもので良いものとなり、よって、ＬＥＤランプ１と投影レンズ１０との組合せを複数個用意しても充分に前照灯として要求される寸法内には保てるものとなる。
【００３０】
そこで、この実施形態では、１つの前照灯として、ＬＥＤランプ１と投影レンズ１０との組合せの数を、例えば３組など、複数組を用意するものであり、このときにＬＥＤランプ１は前の実施形態と同一のもので良いが、投影レンズ１０は、拡大率が図４で使用したのと同じとした第一の投影レンズ１０ａ、それより拡大率が小さい第二の投影レンズ１０ｂ、更に小さい第三の投影レンズ１０ｃの３種類が用意され、全てが同一方向に投影されている。
【００３１】
図１０は、上記の構成とした前照灯によるすれ違い配光ＨＢｓを示すものであり、このすれ違い配光ＨＢｓは形状的には前の実施形態で得られたすれ違い配光ＨＢ（図３参照）と同じであるが、第一の投影レンズ１０ａからの配光Ｈａと、第二の投影レンズ１０ｂからの配光Ｈｂと、第三の投影レンズ１０ｃからの配光Ｈｃとが重ね合わされて形成されている
【００３２】
このようにすることで、最も拡大率の低い第三の投影レンズ１０ｃからの配光Ｈｃが最も明るく、その配光Ｈｃが、すれ違い配光ＨＢｓの中心部に配置されていることで車両の正面前方が最も明るく照射されるものとなり遠方に対する視認性が向上する。そして、ＬＥＤランプ１と投影レンズ１０との組合せの数、それぞれの投影レンズ１０ｃ拡大率を調整すれば規格を満足させられるものとなる。
【００３３】
尚、一般的に言えばＬＥＤランプ１の光量は従来の光源であるハロゲン電球、メタルハライド放電灯に比べて少ないものであるので、このように複数を組合わせて光量を増す手段はＬＥＤランプ１を光源とする前照灯を実現する手段としては非常に有効である。
【００３４】
また、上記説明では理解を容易とするために、ほぼ同じ形状とした配光の拡大率を変えたものを重ね合わせて最終的なすれ違い配光を得るものとしているが、これは、最終的なすれ違い配光の形状を適宜に分割したものをつなぎ合わせて形成しても良いものであり、要は最終的に規定を満足する配光形状が得られれば良いものである。
【００３５】
図１１は本発明に係るＬＥＤランプ１を使用する別な投射方法の例であり、前の投射方法である投影レンズ１０に換えて、この例では、例えば回転放物面など焦点を有するリフレクタ１１を用いて照射方向Ｐに投影し、所定の配光形状とした照射光を得るものとしている。
【００３６】
ここで、よって、反射光により投影像を形成するリフレクタ１１を用いるこの投影方法では前記ＬＥＤチップ２、蛍光体５、遮蔽部材７などをリフレクタに対峙させるものとなり、即ち、照射方向Ｐに対して後ろ向きに近い状態で設置されるものとなる。
【００３７】
このときに、前記リフレクタ１１は、例えば放物系の自由曲面の複数が組合わされたマルチリフレクタのものとしておけば、すれ違い配光ＨＢを形成するときの自由度が高く、またリフレクタ１１においては原則的に色収差を生じないので、高品質なすれ違い配光ＨＢが得られやすいものとなる。また、上記投影レンズの場合と同様にＬＥＤランプ１とリフレクタ１１との組合せの複数を使用して前照灯を構成しても良いものである。
【００３８】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明により、焦点を有する投影手段の前記焦点の近傍にＬＥＤチップを配置し、該ＬＥＤチップからの光を前記投影手段により照射方向に拡大投影したときには、車両用前照灯に適する配光特性が得られる形状に前記ＬＥＤチップの一部を覆う遮蔽部材が設けられている前照灯光源用ＬＥＤランプとしたことで、正確な特性の配光形状が、固体構造である前照灯光源用ＬＥＤランプの発光部の形状を投影レンズ、あるいは、リフレクタにより照射方向に拡大投影するという極めて簡便な手段で得られるものとなり、光源の固体化による信頼性の向上と、構成の簡素化によるコストダウンと、加えて、小型化を同時に可能とするという極めて優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る前照灯光源用ＬＥＤランプの実施形態を示す斜視図である。
【図２】 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】 本発明により得られるすれ違い配光特性の例を示す説明図である。
【図４】 本発明に係る前照灯光源用ＬＥＤランプを投影レンズと組合わせるときに状態を示す説明図である。
【図５】 本発明に係る前照灯光源用ＬＥＤランプの遮蔽部材の構成の例を示す断面図である。
【図６】 投影レンズに生じる色収差の例を示す説明図である。
【図７】 本発明に係る前照灯光源用ＬＥＤランプの遮蔽部材の別の構成の例を示す断面図である。
【図８】 同じく本発明に係る前照灯光源用ＬＥＤランプの遮蔽部材の更に別の構成の例を示す断面図である。
【図９】 複数の前照灯光源用ＬＥＤランプと投影レンズとの組合わせで前照灯を構成するときの例を示す説明図である。
【図１０】 複数の前照灯光源用ＬＥＤランプと投影レンズとを組合わせるときの配光特性の形成手段の例を示す説明図である。
【図１１】 本発明に係る前照灯光源用ＬＥＤランプをリフレクタと組合わせるときに状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１……前照灯光源用ＬＥＤランプ
２……ＬＥＤチップ
３……ベース
３ａ……基台部
３ｂ……リードフレーム
３ｃ……絶縁層
４……金線
５……蛍光体
６……窓ガラス状部材
７……遮蔽部材
７ａ……鋸歯形状部
８……ＬＥＤ発光部
９……シリコーンゲル
１０……投影レンズ
１１……リフレクタ
１２……ＳｉＯ ２ 膜

Claims (7)

  1. 光源用ＬＥＤランプであって、
    ＬＥＤチップと蛍光材料を含むＬＥＤ発光部と、
    前記ＬＥＤ発光部からの光を投影する投影手段と、
    前記ＬＥＤ発光部に近接して、前記前記ＬＥＤ発光部の一部を覆う遮蔽部材とを備え、
    前記遮蔽部材は、前記蛍光材料よりも前記ＬＥＤランプ照射方向前方側に位置し、前記ＬＥＤ発光部と対峙する側の面は当該遮蔽板に入射する前記発光部からの光を反射する反射部材であり、
    前記ＬＥＤ発光部の前記遮蔽部材で覆われない部分の形状が、前記投影手段により照射方向に拡大投影されて明暗境界線を有する配光特性が得られることを特徴とする光源用ＬＥＤランプ。
  2. 前記遮蔽部材の前記ＬＥＤ発光部と対峙する側の面は、前記ＬＥＤ発光部の遮蔽が行われていない方向に向けて光を反射する傾斜が設けられていることを特徴とする請求項１記載の光源用ＬＥＤランプ。
  3. 前記遮蔽部材の前記ＬＥＤ発光部と対峙する側の面は鏡面処理が成されている反射面とされていることを特徴とする請求項２記載の光源用ＬＥＤランプ。
  4. 前記遮蔽部は前記ＬＥＤ発光部における最高輝度を生じる部分またはその近傍を通る稜線に遮蔽部材の縁部が位置することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の光源用ＬＥＤランプ。
  5. 前記遮蔽部材は前記ＬＥＤ発光部を覆うレンズ部材あるいは窓ガラス部材に一体化して設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の光源用ＬＥＤランプ。
  6. 請求項１〜請求項５の何れかに記載の光源用ＬＥＤランプの複数を用いた車両用前照灯であって、
    前記複数の光源用ＬＥＤランプは、前記投影手段による拡大率の異なる光源用ＬＥＤランプを備え、異なる拡大率の光源用ＬＥＤランプによる配光を重ね合わせて配設していることを特徴とする車両用前照灯。
  7. 請求項１〜請求項５の何れかに記載の光源用ＬＥＤランプの複数を用いた車両用前照灯であって、
    前記車両用前照灯の配光特性が、何れかの光源用ＬＥＤランプの配光形状と、当該光源用ランプと異なる光源用ＬＥＤランプの配光形状をつなぎ合わせて形成されるように複数の光源用ＬＥＤランプが配設されていることを特徴とする車両用前照灯。
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