JP5152502B2 - 灯具 - Google Patents

Description

本発明は灯具および半導体発光光源に関し、特に、半導体発光素子を光源として利用した灯具および半導体発光光源に関する。

従来、光源として複数個のＬＥＤ素子等の半導体発光素子を用いて、所望の配光パターンを形成する灯具が知られている。

この種の灯具は、例えば特許文献１に示されるように、光源としてＬＥＤ素子を備えた複数個の光源モジュールと、各光源モジュールからの光を、それぞれ前方に向かって配向パターンの所定の互いに異なる領域に向かって照射する光学系とを備えている。
特開２００５−１２９４０４号公報

しかしながら、この種の灯具においては、灯具に求められる配光パターンを得るために複数個の光源モジュールを使用し、その各々の光源モジュールに対して一つの光学系が配置されている。一組の光源モジュールと光学系は、それぞれを異なる配光パターンを形成し、各配光パターンを重ね合わせることによって、灯具に必要とされる配光パターンを形成している。

複数個の光源モジュールを使用するため灯具が大型化し、コストもアップするものとなっていた。また、幅広い配光パターンを得ることができ、光源モジュールを減らすことができる半導体発光光源も求められていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、幅広い配光パターンを得ることができ、また小型化が可能な灯具を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、幅広い配光パターンを得ることができ、光源モジュールを減らすことができる半導体発光光源を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の灯具は、上面と下面から光を放射する半導体発光素子と、前記半導体発光素子を載置し、前記半導体発光素子の下面から放射される光を透過する搭載基板と、前記半導体発光素子の上面から放射される光に第一の配光パターンを付与する第一光学系と、前記半導体発光素子の下面から放射される光に第一の配光パターンと異なる第二の配光パターンを付与する第二光学系と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、半導体発光素子の上面と下面から放射される光に対して、異なる配光パターンを付与できる光学系をそれぞれ配置することによって、単一の半導体発光素子であっても幅広い配光パターンを実現することができる。特に、高い光度を必要とする集光配光パターンと高い光度をそれほど必要としない拡散配光パターンを、単一の半導体発光素子で同時に実現することができる。これにより、灯具を小型化することができる。

本発明の灯具は、前記発明において、前記搭載基板は、前記半導体発光素子を載置する領域に、少なくとも一部が透明な部分、または貫通孔が形成されていることが好ましい。

搭載基板上の半導体発光素子を載置する領域に、少なくとも一部が透明な部分、または貫通孔を形成することで、半導体発光素子の下面から放射される光が搭載基板を透過することができる。透明な部分において、半導体発光素子の下面から放射される光に対して、その透過率が８０％以上であることが好ましく、９０％以上であることが、さらに好ましい。

本発明の灯具は、前記発明において、前記搭載基板の前記透明な部分、または前記貫通孔は前記半導体発光素子よりも小さいことが好ましい。

透明な部分、または貫通孔を半導体発光素子よりも小さくすることで、下面から放射される光に対し、所定の発光形状を付与することができる。したがって、半導体発光素子の上面と下面から放射される光を異なる発光形状とすることができる。一つの半導体発光素子により異なる配光形状を実現することができる。特に、車両用の灯具のすれ違いビームの配光パターンのようなカットオフラインを容易に形成でき、しかも幅広い配光パターンを実現することができる。

本発明の灯具は、前記発明において、前記半導体発光素子の側面に反射膜、または白色部材を備えることが好ましい。

半導体発光素子の側面に、反射膜または白色部材を設けることで、半導体発光素子の側面から光がリークするのを防止することができる。これにより、半導体発光素子の光が、上面と下面に導かれて第一の光学系と第二の光学系に照射されるので、光の損失が少ない、高効率の灯具を実現することができる。

本発明の灯具は、前記発明において、前記搭載基板を挟んで前記半導体発光素子と対向する位置に、下面から放射される光を制御する光学部材が設けられたものであることが好ましい。

光学部材によって、半導体発光素子の下面から放射される光を制御することで、第一光学系からの光と第二光学系からの光が重ならないよう制御することができる。また、半導体発光素子の下面から放射される光を第二光学系に確実に入射することができる。

本発明の灯具は、前記発明において、前記搭載基板を挟んで前記半導体発光素子と対向する位置に前記半導体発光素子の光軸と平行となるよう配置された反射板を有することが好ましい。

反射板によって、半導体発光素子の下面から放射される光を、一定の方向に向けることができ、第二光学系の大きさを小さくすることができる。これにより、灯具としての大きさを小さくすることができる。

本発明の灯具は、前記発明において、前記半導体発光素子の上面および／又は下面に波長変換層を備えたものであることが好ましい。

波長変換層によって、半導体発光素子からの光が波長変換され、灯具に求められる色温度や色度等の光学特性を実現することができる。波長変換層は半導体発光素子の上面、及び下面に直接戴置されているのが好ましい。直接戴置することで光源サイズの増大を防ぐことができる。

本発明の灯具は、前記発明において、前記搭載基板の前記半導体発光素子の搭載面及び搭載面の反対面の少なくとも一方面に、又は前記搭載基板に形成された貫通孔内に配置される波長変換層を有するものであることが好ましい。

波長変換層を搭載基板の半導体発光素子の搭載面及び搭載面の反対面の少なくとも一方面に、または搭載基板に形成された貫通孔内に波長変換層を配置するので、半導体発光素子の搭載状態に応じて波長変換層を自由に配置できる。

本発明の灯具は、前記発明において、前記半導体発光素子の上面および下面に設けられた前記波長変換層は、前記半導体発光素子の上面および下面から放射される光を波長変換し、異なる色温度または色度を有する白色光を放射するよう調整されていることが好ましい。

上面および下面に戴置される波長変換層をそれぞれ調整することで、波長変換層を通過して上面と下面から放射される白色光に異なる色温度や色度等の光学特性を付与することができる。これにより、第一光学系と第二光学系で形成される合成の配光パターンに、異なる色温度や色度の配光パターンを含ませることができる。

本発明の灯具は、前記発明において、前記半導体発光素子の上面または近傍に遮光部材を有することが好ましい。

半導体発光素子の上面または近傍に設けられた遮光部材によって、配光パターンの形状を任意の形状とすることができる。

本発明の灯具は、前記発明において、前記遮光部材は、前記半導体発光素子の上面から放射される光に、すれ違いビームの配光パターンを付与する形状を備えていることが好ましい。

遮光部材をすれ違いビームの配光パターンと同様の形状とすることで、容易にすれ違いビームの配光パターンを形成することができる。

本発明の灯具は、前記発明において、前記搭載基板の近辺に可動式シャッタを有することが好ましい。可動式シャッタを設けることで、配光パターンを可変とすることができる。

前記目的を達成するために、本発明の半導体発光光源、上面と下面から光を放射する半導体発光素子と、前記半導体発光素子を載置し、前記半導体発光素子の下面から放射される光を透過する搭載基板と、を備え、前記半導体発光素子の上面および下面に波長変換層が配置されていることを特徴とする。

本発明の半導体発光光源は、半導体発光素子の上面と下面に波長変換層が配置されているので、光学系を利用して上面と下面から放射される光に配光パターンを付与する灯具に好適に適用することができる。

本発明の半導体発光光源は、前記発明において、前記搭載基板は、前記半導体発光素子を搭載する領域に形成された貫通孔を有し、該貫通孔内に下面の前記波長変換層が配置されていることが好ましい。

波長変換層を搭載基板の貫通孔内に配置することで、搭載基板に遮光部材の機能を持たせることができる。これにより、貫通孔の形状を光の発光形状と同様とすることで、下面から放射される光に所定の発光形状を付与することができる。

本発明によれば、幅広い配光パターンを得ることができ、また小型の灯具を提供することができる。さらに、本発明によれば、幅広い配光パターンを得ることができ、光源モジュールを減らすことができる半導体発光光源を提供することができる。

以下添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について説明する。本発明は以下の好ましい実施の形態により説明されるが、本発明の範囲を逸脱すること無く、多くの手法により変更を行なうことができ、本実施形態以外の他の実施の形態を利用することができる。従って、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明による灯具の概略断面構造を示している。図１に示すように、灯具１０は、少なくとも一つの半導体発光素子１４と、半導体発光素子１４を載置する搭載基板１６と、半導体発光素子１４の上面からの光を受光する位置に配置された投影レンズ１２と、搭載基板１６を挟んで投影レンズ１２の反対側で半導体発光素子１４の下面からの光を受光する位置に配置されたリフレクタ１８を備えている。

半導体発光素子１４は、少なくとも上面および下面を有しており、少なくともその上面および下面から光を放射する。半導体発光素子１４は、その下面が搭載基板１６の上面と対向するように戴置されている。搭載基板１６は、半導体発光素子１４の下面から放射される光が搭載基板１６の下面側から透過できるよう、全体が透明であったり、一部分が透明であったり、また一部分に貫通孔が形成されている。

ここで、半導体発光素子１４の下面とは、搭載基板１６と対向する半導体発光素子１４の発光面を意味し、半導体発光素子１４の上面とは下面と反対側の面を意味する。

半導体発光素子１４の発光色は何色でも良い。白色光を発光させたい場合、例えば半導体発光素子１４の発光層が青色を放射しつつ、その他の変換層を素子内部に有することで白色を発するものを用いても良い。また、例えばＧａＮのような青色や近紫外光を放射する半導体発光素子１４にＹＡＧやその他の蛍光体を樹脂やセラミックなどに含有させた波長変換層をさらに設けてもよい。半導体発光素子１４、搭載基板１６や波長変換層の構成について後に詳述する。

本実施の形態において、投影レンズ１２が第一光学系として機能する。投影レンズ１２は、光受光面が平面で、光出射面が凸形状のレンズで構成されている。

投影レンズ１２は、半導体発光素子１４の中心軸上に光軸が一致するように配置され、さらに投影レンズ１２の光源側の焦点位置が半導体発光素子１４の上面付近に位置するように配置されている。半導体発光素子１４の上面からの光が、第一光学系である投影レンズ１２により集光され所望の方向に照射されることによって、所定の第一の配光パターンが形成される。

本実施の形態において、リフレクタ１８が第二光学系として機能する。リフレクタ１８は、凹状、例えば、回転放物面や回転楕円面などの組み合わせで構成されている。リフレクタ１８は、半導体発光素子１４の中心軸に対向して、その焦点位置が半導体発光素子１４の下面付近に位置するよう配置されている。半導体発光素子１４の下面からの光が、第二光学系により反射されて所望の方向に照射されることによって、所定の第二の配光パターンが形成される。第二光学系により付与される配光パターンは、第一光学系によって得られる配光パターンと異なる形状を有している。

ここで、第一光学系とは半導体発光素子１４の上面からの光を主として受光し、その光に配光パターンを付与する光学系を意味し、第二光学系とは半導体発光素子１４の下面からの光を主として受光し、その光に配光パターンを付与する光学系を意味する。

灯具１０が、例えば、車両用前照灯である場合、半導体発光素子１４の上面から放射された光は、第一光学系である投影レンズ１２によって、第一の配光パターンを形成し、車両の前方に導かれる。第一の配光パターンは車両用前照灯として必要な配光の一部を構成する。

また、半導体発光素子１４の下面から放射された光は、第二光学系であるリフレクタ１８によって反射され、第二の配光パターンを形成し、車両の前方に導かれる。第二の配光パターンは車両用前照灯として必要な配光の一部を形成する。

例えば、第一の配光パターンは高い光度を必要とする集光配光パターンを構成し、第二の配光パターンは高い光度を必要としない拡散配光パターンを構成する。

次に、本発明の灯具１０に用いられる半導体発光素子１４と搭載基板１６を備える半導体発光光源の構成を、図２を参照に説明する。

図２は、半導体発光素子、搭載基板、及び波長変換層を備えた半導体発光光源の概略断面図を示している。図２（ａ）、図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、それぞれ透明な搭載基板を用いた場合、一部に透明な部分を有する搭載基板を用いた場合、貫通孔を有する不透明な搭載基板を用いた場合の構成を示している。

図２（ａ）に示すように、半導体発光素子１４は、例えば、透明な支持基板であるサファイア基板１４ａと、サファイア基板１４ａ上にエピタキシャル成長法によって積層されたｎ−ＧａＮ層１４ｂと、発光層１４ｃと、ｐ−ＧａＮ層１４ｄを備えるＬＥＤ素子である。

発光層１４ｃとｐ−ＧａＮ層１４ｄの一部がエッチングにより除去され、ｎ−ＧａＮ層１４ｂの一部が露出されている。ｎ−ＧａＮ層１４ｂの露出部分にｎ電極１４ｅが形成される。ｐ−ＧａＮ層１４ｄ上にはｐ電極１４ｆが形成される。本実施の形態では、半導体発光素子１４の同一面にｎ電極１４ｅとｐ電極１４ｆが配置される。

また、本実施の形態では、サファイア基板１４ａ上にｎ−ＧａＮ層１４ｂ、発光層１４ｃおよびｐ−ＧａＮ層１４ｄの三層を積層した半導体発光素子１４を示したが、これに限定されず、さらに別の層が形成されたものであっても、発光層１４ｃが量子井戸構造で構成されているものであっても良い。半導体発光素子１４がＧａＮ系化合物半導体材料で構成される場合、半導体発光素子１４は紫外光、近紫外光、青色光、緑色等の光を発光することができる。

半導体発光素子１４が搭載される搭載基板１６は、ガラス等の透明基板１６ａと透明基板１６ａ上に形成された配線１６ｂを備えている。図２（ａ）において、搭載基板１６は全体が透明であるよう構成されている。半導体発光素子１４はバンプ１４ｇによって透明基板１６ａ上の配線１６ｂと電気的に接続されている。この場合、バンプ１４ｇは下面の全面を覆わないことで、下面からの光の放射することができる。これにより、半導体発光素子１４の下面からの光が、搭載基板１６を透過し、第二光学系に入射することができる。

本実施の形態では、半導体発光素子１４の上面と下面に波長変換層２０，２２が直接載置されている。直接戴置することによって、光源サイズの増大を防ぐことができる。半導体発光素子１４が青色光を発光する場合、波長変換層２０，２２を、例えば、ＹＡＧ系蛍光体やシリケート系蛍光体の少なくとも一種類を含んだ樹脂やセラミックとすることで、半導体発光素子１４の青色光と波長変換層２０，２２の黄色光とから白色光を作り出すことができる。

半導体発光素子１４と波長変換層２０，２２の組み合わせは、本実施の形態では、青色発光のＬＥＤ素子とＹＡＧ系蛍光体やシリケート系蛍光体としたが、これに限定されない。例えば、紫外光や近紫外光を発光するＬＥＤ素子と、このＬＥＤ素子からの光で励起されて青色光、緑色光、赤色光を発光する波長変換層とを組み合わせて、白色光を含め所望の発光色を作り出すことができる。

上面および下面に戴置される波長変換層２０，２２は同じ蛍光体を用いる必要はなく、上面と下面で異なるものとしてもよい。上面と下面で異なる波長変換層２０，２２を使用することで、上面の波長変換層を通過して得られる光と下面の波長変換層を通過して得られる光に異なる色温度や色度を持たせることができる。また、波長変換層２０，２２のどちらか一方に赤色系の蛍光体を混ぜることで色温度や色度の異なる光を発するものとしてもよい。

人間の目における周辺視は中心視より青色成分が多いほうが好ましい。従って、例えば、図１に示す灯具１０を白色発光する車両用前照灯に用いる場合、第一光学系の投影レンズ１２に入射する側の白色光よりも、第二光学系のリフレクタ１８に入射する側の白色光に青色光成分を多くさせるように、調整された波長変換層２０，２２を配置することができる。これにより、人間の目における周辺視に青色成分を多く含ませることができる。

上面と下面で異なる波長変換層２０，２２を使用することで、例えば、周囲に拡散される光を人間の周辺視に好ましい色に合わせることができる。

波長変換層２０，２２は、ディスペンサ法によっても、また印刷法によっても半導体発光素子１４の上面と下面に形成することができる。

また、下面の波長変換層２２に関して、半導体発光素子１４を搭載基板１６にシリコーン接着剤で搭載する場合、シリコーン接着剤の中に蛍光体を含ませることで、波長変換層２２を設けることができる。

また、波長変換層は素子の下面ではなく、半導体発光素子の光を変換できるような位置であれば、発光素子搭載基板の上面や下面に配置してもよい。また、貫通孔を有する発光素子搭載基板である場合は、貫通孔の中に波長変換層を形成してもよい。

図２（ｂ）では、搭載基板１６は全て透明ではなく、半導体発光素子１４の下面と対向する領域が透明となるよう構成されている。搭載基板１６は、不透明基板１６ｃと、不透明基板１６ｃ上に形成された配線１６ｂと、透明部分１６ｄで構成されている。不透明基板１６ｃとして、例えば、ガラスエポキシ基板等を使用することができる。

半導体発光素子１４の下面からの光は、透明部分１６ｄを透過し、第二光学系に入射することができる。図２（ｂ）において、不透明基板１６ｃに半導体発光素子１４を駆動するための駆動回路を形成することができる。

図２（ａ）（ｂ）の搭載基板１６を使用する場合、波長変換層２２は半導体発光素子１４の下面ではなく、下面からの光を波長変換できる限り、搭載基板１６の半導体発光素子１４の搭載面又はその反対面に配置することができる。

また、図２（ａ）（ｂ）で示した搭載基板１６を使用する場合、つまり、半導体発光素子１４の搭載領域に透明な部分を有する場合、半導体発光素子１４と搭載基板１６とを透明な接着剤、例えばシリコーン接着剤を使用して接続することができる。この場合、半導体発光素子１４のサファイア基板１４ａ側が下面となり、サファイア基板１４ａがシリコーン接着剤により搭載基板１６上に搭載される。一方、半導体発光素子１４の上面側となったｎ電極１４ｅとｐ電極１４ｆは、金ワイヤ等によって、配線１６ｂと電気的に接続される。

図２（ｃ）では、搭載基板１６は、貫通孔１６ｆが形成された不透明基板１６ｃと、不透明基板１６ｃ上に形成された配線１６ｂで構成されている。搭載基板１６が、半導体発光素子１４の下面と対向する位置に貫通孔１６ｆが形成されているので、半導体発光素子１４の下面からの光は搭載基板１６を透過し、第二光学系に入射することができる。

下面の波長変換層２２は、図２（ｃ）に示すように、貫通孔１６ｆ内を充填するように設けられている。波長変換層２２を搭載基板１６の貫通孔１６ｆ内に配置し、貫通孔１６ｆの形状を光の発光形状と同様とすることで、搭載基板１６に遮光部材としての機能を持たせることができる。これにより、下面から放射される光に所定の発光形状を付与することができる。特に、灯具１０を車両用前照灯とした場合、貫通孔１６ｆの形状を、すれ違いビームの配光パターンとすることで、下面から放射される光をすれ違いビームの配光パターンに形成することができる。

図２において、半導体発光素子１４を搭載基板１６に直接載置する例で説明したが、これに限定されることはない。例えば、透明のサブマウント上に半導体発光素子を搭載し、そのサブマウントを搭載基板に載置することで、半導体発光素子を、サブマウントを介して搭載基板に載置することができる。

また、図２（ｄ）に示すように、半導体発光素子１４の一部を覆う搭載基板の領域を用いて、そこに半導体発光素子１４をバンプ１４ｇで実装することができる。発光部を覆うようにバンプ１４ｇを形成した部分をバンプ部分としている。また、バンプ１４ｇを全周囲ではなく、一部周囲のみに形成しても良い。これにより、所望する発光形状とバンプ部分を分けることが可能となる。半導体発光素子１４の発光面の中にバンプを形成することで、発光面１４ｈの発光形状内に非発光面を有するということがなくなるので、より好ましい発光形状を得ることができる。

半導体発光素子１４は上述したように透明な支持基板であるサファイア基板１４ａ上にｎ−ＧａＮ層１４ｂと、発光層１４ｃと、ｐ−ＧａＮ層１４ｄがエピタキシャル成長法、または貼付け法などによって積層されている。半導体発光素子１４の大きさとしては、例えば、１ｍｍ（縦）×１ｍｍ（横）×１００μｍ（厚さ）のように薄い形状をしている。用途によっては、正方形ではなく、１ｍｍ（縦）×２ｍｍ（横）のような長方形形状であってもよい。

また、正方形の半導体発光素子１４をライン状に複数個並べたものとしてもよい。半導体発光素子１４の光はほとんど上面と下面から放出されるため、側面からの発光に対しては光学系を設ける必要がない。側面からの発光がないため、従来のハロゲンランプやＨＩＤのような全方向に光を照射する光源に比べ、灯具を薄くすることが可能となる。

一方、半導体発光素子１４の側面からの発光が問題となる場合は、半導体発光素子１４の側面に反射膜を設けることによって、側面からの光のリークを防止することができる。反射膜は、例えば絶縁性の高反射膜（単一でもよいし、複数の膜を積層してもよい）を半導体発光素子１４の側面に蒸着法などによって設けることができる。

また、例えば、樹脂に酸化チタンや酸化アルミニウムのような粒子を混入させた白色部材を半導体発光素子１４の側面を覆うように配置することもできる。

図２では、波長変換層２０，２２が半導体発光素子１４の上面と下面に配置された例で説明した。しかし、波長変換層２０，２２のいずれか一方だけ、または全く設けない場合でも良い。

次に、本発明の灯具１０の動作について図１及び図２を参照して説明する。駆動電流が、搭載基板１６に載置された半導体発光素子１４に、配線１６ｂを介して供給される。半導体発光素子１４の上面と下面から所定の発光色に光が放射される。例えば、青色光が半導体発光素子１４の上面と下面から発光される。

青色光が波長変換層２０，２２で波長変換され、波長変換層２０，２２から黄色光が放射される。波長変換層２０，２２で波長変換されずに通過した青色光と黄色光が合成され、白色光が作り出される。

半導体発光素子１４の上面の波長変換層２０からの白色光が、第一光学系である投影レンズ１２に入射する。投影レンズ１２により波長変換層２０からの白色光が前方に出射され、第一の配光パターンを形成する。

半導体発光素子１４の下面の波長変換層２２からの白色光が、搭載基板１６を透過し、第二光学系であるリフレクタ１８に入射する。波長変換層２２からの白色光がリフレクタ１８により反射され、前方に出射される。これにより、第二の配光パターンが形成される。

図３は、本実施の形態の灯具１０により形成された配光パターンを示している。この配光パターンは合成配光パターンであり、第一光学系で形成される第一の配光パターンＰ１と、第二光学系で形成される第二の配光パターンＰ２を含んでいる。

図３において、中心方向すなわち所謂ＨＶ付近においては、例えば６０００ｃｄ〜３５０００ｃｄ程度の光度が必要である。これに対してＨＶ付近から離れるに従って光度はＨＶ付近よりも格段に低いものとなる。このように場所によって光度に大きな差のある配光パターンを、半導体発光素子１４を用いた一つの光源モジュールで形成するのは従来では困難であった。しかし、本発明では半導体発光素子１４の上面と下面から放射された光に対し、異なる配光パターンを形成する第一光学系と第二光学系を設けている。これにより、その各々に対して、一つは光度の高い部分、第一の配光パターンＰ１を形成し、他方は光度がそれほど必要としない拡散した配光、第二の配光パターンＰ２を形成することで、所望の配光パターンを実現することができる。

半導体発光素子１４の上面と下面に配置された波長変換層２０，２２を異なるものとすることで、例えば、第一光学系により形成される第一の配光パターンＰ１よりも、第二光学系により形成される第二の配向パターンＰ２に青色光成分を多くすることができる。これにより、人間の目における周辺視に青色成分を多く含ませることができる。

波長変換層２０，２２が同じ濃度の蛍光体を含んでいる場合、波長変換層２２の厚さを波長変換層２０の厚さより薄くすることで、第二の配向パターンＰ２に青色光成分を多く含ませることができる。これは、波長変換層２２の厚さが薄くなることで、半導体発光素子１４の青色光で励起される蛍光体の量が実質的に少なくなり、白色光に青色光成分を多く含ませることができる。

波長変換層２０，２２が同じ厚さである場合、波長変換層２０と波長変換層２２の濃度を異ならせることで同様の効果を得ることができる。

〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態を、図４を参照して説明する。図４は本発明による灯具の概略断面構造を示している。なお、第１の実施形態に示した灯具と同様の構成には同一符号を付して説明を省略する場合がある。

図４に示すように、灯具１０は、少なくとも一つの半導体発光素子１４と、半導体発光素子１４を載置する搭載基板１６と、半導体発光素子１４の上面からの光を受光する位置に配置された投影レンズ１２と、搭載基板１６の半導体発光素子１４の搭載面と反対面に設けられた光学部材２４と、搭載基板１６を挟んで投影レンズ１２の反対側で光学部材２４からの光を受光する位置に配置されたリフレクタ１８と備えている。

光学部材２４は、半導体発光素子１４の下面に対して垂直な軸方向の光を減少させ、軸からやや外側に光を配光することができる。これによって、半導体発光素子１４の下面に対して垂直な軸方向に出射した光が、第二光学系であるリフレクタ１８によって反射され、第一光学系である投影レンズ１２に入射するのを防ぐことができる。光学部材２４を設けることによって、第一光学系で扱う光と第二光学系で制御する光を正確に分けることが可能になる。これにより、灯具１０にとってより望ましい配光パターンが形成しやすくなる。また、半導体発光素子１４の上面と下面から出射する光の主なる光軸が平行とならないようにすることで、より光を有効に使える光学系を組むことが可能となる。

図５は、本実施の形態で使用される光学部材２４の構造の例を示している。図５（ａ）に示すように、光学部材２４は、略半球レンズ状の光出射部２４ａと、光出射部２４ａの頂部に形成された溝２４ｂと、溝２４ｂに形成された反射膜２４ｃを備えている。光出射部２４ａが第二光学系の方向に向けて搭載基板に配置される。光出射部２４ａの内部に拡散材２４ｄを混入することができる。

光学部材２４は、半導体発光素子の下面からの光を受光し、その光を反射膜２４ｃにより外方向に光を出射する。これにより、第二光学系に入射される光軸方向の光を少なくすることができる。また、拡散材２４ｄを光出射部２４ａに混入した場合、さらに光軸方向に出射する光を少なくすることができる。これによって、半導体発光素子の下面に対して垂直な軸方向に出射して、さらに第二光学系によって反射された光が第一光学系に入射するのを防止することができる。

図５（ｂ）に示す別の態様では、光学部材２４は、円柱を半分にした形状の光出射部２４ａと、光出射部２４ａの頂部に形成された溝２４ｂと、溝２４ｂに形成された反射膜２４ｃを備えている。この場合、光学部材２４の発光面は長方形形状が二つ存在するものになる。例えば、図３に示したような配光パターンは横長の形状をしており、発光面が略長方形の形状である場合は図３のような配光パターンを形成するのに適している。

図５（ｃ）に示す別の態様では、光学部材２４は、三角柱の形状の光出射部２４ａを有している。三角柱の側面の一つから半導体発光素子の下面２４ｅからの光が入射し、他の二面２４ｆ，２４ｇから光を放射する。光学部材２４の発光面は長方形形状が二つ存在するものになり、上記したような有利な点を有することになる。図５（ａ）と同様に、光出射部２４ａの内部に拡散材２４ｄを混入することができる。

図６は、本発明の第２の実施形態の応用例を示している。図６に示すように、灯具１０は、少なくとも一つの半導体発光素子１４と、半導体発光素子１４を載置する搭載基板１６と、半導体発光素子１４の上面からの光を受光する位置に配置された投影レンズ１２と、搭載基板１６の半導体発光素子１４の搭載面と反対面に設けられた光学部材２４と、搭載基板１６を挟んで投影レンズ１２の反対側で光学部材２４からの光を受光する位置に配置されたリフレクタ１８ａ，１８ｂと、を備えている。

図６に示すように、第二光学系であるリフレクタ１８が、第一リフレクタ１８ａと第二リフレクタ１８ｂに分割されている。特に、半導体発光素子１４の下面に対して垂直な軸方向にはリフレクタが配置されていない。これにより、第二光学系であるリフレクタ１８は、半導体発光素子１４の下面に対して垂直な軸方向付近の光を反射することがなくなるため、より確実に半導体発光素子１４の下面に対して垂直な軸方向に出射し、さらに第二光学系によって反射された光が第一光学系に入射するのを防ぐことができる。また、光学部材２４により半導体発光素子１４の下面から放射される光が外側を向くよう導かれているので、光を損失することなく第二光学系に入射させることができる。

本実施の形態において、図２に示す半導体発光光源を好適に適用することができる。また、本実施の形態の灯具１０により、図３と同様の配光パターンを得ることができる。

〔第３の実施形態〕
本発明の第３の実施形態を、図７を参照して説明する。図７は本発明による灯具の概略断面構造を示している。なお、第１及び第２の実施形態に示した灯具と同様の構成には同一符号を付して説明を省略する場合がある。

図７に示すように、灯具１０は、少なくとも一つの半導体発光素子１４と、半導体発光素子１４を載置する搭載基板１６と、半導体発光素子１４の上面からの光を受光する位置に配置された投影レンズ１２と、搭載基板１６を挟んで投影レンズ１２の反対側に搭載基板１６と略垂直となるよう配置された反射板２６と、反射板２６の反射面からの光を受光する位置に配置されたリフレクタ１８と、を備えている。

半導体発光素子１４の下面から放射された光は搭載基板１６を透過し、反射板２６により一定方向に出射される。反射板２６で反射された光がリフレクタ１８で反射され、前方方向へ出射される。図７に示すように、本実施の形態において、半導体発光素子１４の下面から出射された光が反射板２６に一定の方向に導かれるので、リフレクタ１８の大きさを小さくすることができる。これにより、灯具１０の大きさを小さくすることができる。

本実施の形態では、半導体発光素子１４の下面からの光が、反射板２６によって、リフレクタ１８に導かれている。半導体発光素子１４の下面からの光が、リフレクタ１８に直接入射される必要はない。下面からの光が、複数の光学経路を通過して、リフレクタ１８に入射する場合でもよい。

本実施の形態において、図２に示す半導体発光光源を好適に適用することができる。また、本実施の形態の灯具１０により、図３と同様の配光パターンを得ることができる。

〔第４の実施形態〕
本発明の第４の実施形態を、図８を参照して説明する。図８は本発明による灯具の概略断面構造を示している。なお、第１から第３の実施形態に示した灯具と同様の構成には同一符号を付して説明を省略する場合がある。

図８に示すように、灯具１０は、少なくとも一つの半導体発光素子１４と、半導体発光素子１４を載置する搭載基板１６と、半導体発光素子１４の上面からの光を受光する位置に配置された投影レンズ１２と、搭載基板１６を挟んで投影レンズ１２の反対側で半導体発光素子１４の下面からの光を受光する位置に配置されたリフレクタ１８と、半導体発光素子１４の上面に設けられた遮光部材２８を備えている。

本実施の形態において、半導体発光素子１４の上面に遮光部材２８が設けられている。遮光部材２８は半導体発光素子１４の上面に形成されていても良いし、半導体発光素子１４の上面の近傍に配置されていても良い。遮光部材２８をすれ違いビームの配光パターンと同様の形状とすることで、第一光学系により出射される光に、すれ違いビームの配光パターンを付与することができる。

また、遮光部材２８を高反射率の膜、例えばアルミニウムや銀、またはその合金の膜を、半導体発光素子１４上に蒸着法などによって形成することができる。遮光部材２８を高反射の膜で形成した場合、半導体発光素子１４の上面から出射する光はすれ違いビームの配光パターンに必要なカットオフを形成しつつ、遮光部材２８によって反射された光は半導体発光素子１４の下面から効率よく出射することができる。これにより、遮光部材２８による光のロスを大幅に抑制することができる。

半導体発光素子１４の上面に波長変換層が配置されている場合、遮光部材２８は波長変換層の上に配置してもよいし、波長変換層と並べて半導体発光素子１４の上面に配置しても良い。

次に、本発明の灯具１０の動作について図８を参照して説明する。図示しない直流電流源から駆動電流が、搭載基板１６に載置された半導体発光素子１４に供給される。半導体発光素子１４の上面と下面から所定の発光色に光が放射される。

半導体発光素子１４の上面からの光が、半導体発光素子１４の上面に配置された遮光部材２８によって遮光される。遮光部材２８でカットされない光が投影レンズ１２に照射される。このとき遮光部材２８はすれ違いビーム配光パターンの形状を有しているので、投影レンズ１２から出射される光は、すれ違いビーム配光パターンを有する第一の配光パターンとなる。

半導体発光素子１４の下面の光が、搭載基板１６を透過し、リフレクタ１８に入射する
。リフレクタ１８により反射された光が前方に出射され、第二の配光パターンが形成される。

図９は、本実施の形態の灯具１０により形成された配光パターンを示している。この配光パターンは合成配光パターンであり、第一光学系で形成される第一の配光パターンＰ１と、第二光学系で形成される第二の配光パターンＰ２を含んでいる。

その配光パターンは、図９に示すように、すれ違い配光に適したカットオフラインＣＬを有する配光パターンとなるよう形成されている。中心方向すなわち所謂ＨＶ付近においては、例えば６０００ｃｄ〜３５０００ｃｄ程度の光度が必要な領域は、遮光部材２８でカットされた光を照射する第一光学系により形成される第一の配光パターンＰ１で主として構成される。第一の配光パターンＰ１の周辺領域の比較的光度の低い領域は、第二光学形成で形成される第二の配光パターンＰ２で主として構成される。

本実施の形態によれば、光度の高い部分カットオフラインを形成する領域は、第一の配光パターンＰ１で形成し、他方は光度がそれほど必要としない拡散領域は、第二の配光パターンＰ２を形成することで、所望のすれ違いに適した配光パターンを実現することができる。

本実施の形態において、図２に示す半導体発光光源を好適に適用することができる。

〔第５の実施形態〕
本発明の第５の実施形態を、図１０を参照して説明する。図１０は本発明による灯具の概略断面構造を示している。なお、第１から第４の実施形態に示した灯具と同様の構成には同一符号を付して説明を省略する場合がある。

図１０に示すように、灯具１０は、少なくとも一つの半導体発光素子１４と、半導体発光素子１４を載置する搭載基板１６と、半導体発光素子１４の上面からの光を受光する位置に配置された投影レンズ１２と、搭載基板１６を挟んで投影レンズ１２の反対側で半導体発光素子１４の下面からの光を受光する位置に配置されたリフレクタ１８と、半導体発光素子１４の上面の周縁に設けられた遮光部材３０を備えている。

本実施の形態の灯具１０は、図８で示される第４の実施形態と同様に、半導体発光素子１４の上面に遮光部材３０を備えている。本実施の形態における遮光部材３０は、特殊な配光パターンを実現することを目的として特殊な形状を有せず、半導体発光素子１４の上面の発光面積を減少させるために使用される。

遮光部材３０により半導体発光素子１４の上面の発光面積を減らすことができるので、上面の発光は点光源に近いものとなる。半導体発光素子１４の上面の発光を点光源として取り扱うことよって、第一光学系の大きさを小さくすることができる。光学系の大きさが光源の大きさにより決定されるからである。第一光学系の大きさを小さくすることで、灯具１０の大きさを小さくすることができる。

また、第一光学系の大きさを小さくすることで、第二光学系から照射される光を、第一光学系により遮光される量を少なくして、前方に照射することができる。

第４の実施形態と同様に、遮光部材３０を高反射の膜、例えばアルミニウムや銀またはその合金の膜を、半導体発光素子１４上に蒸着法によって形成することで、遮光部材３０によって反射された光は半導体発光素子１４の下面から出射することができる。これにより、遮光部材３０による光のロスを大幅に抑制することができる。

また、遮光部材３０に限らず、半導体発光素子１４の上面からの発光を集光するような光学要素を半導体発光素子１４の上面に設けることができる。これにより、半導体発光素子１４の発光面を点光源として取り扱うことができ、第一光学系を小さなものとすることができる。

本実施の形態において、図２に示す半導体発光光源を適用することができる。また、本実施の形態の灯具１０により、図３と同様の配光パターンを得ることができる。

〔第６の実施形態〕
本発明の第６の実施形態を、図１１を参照して説明する。図１１は本発明による灯具の概略断面構造を示している。なお、第１から第５の実施形態に示した灯具と同様の構成には同一符号を付して説明を省略する場合がある。

図１１に示すように、灯具１０は、少なくとも一つの半導体発光素子１４と、半導体発光素子１４を載置する搭載基板１６と、半導体発光素子１４の上面からの光を受光する位置に配置されたリフレクタ１８と、搭載基板１６を挟んでリフレクタ１８の反対側で半導体発光素子１４の下面からの光を受光する位置に配置された投影レンズ１２と、を備えている。

本実施の形態において、半導体発光素子１４の上面が投影レンズ１２ではなく、リフレクタ１８を向いている。リフレクタ１８が第一光学系を構成し、投影レンズ１２が第二光学系を構成する。

本実施の形態において、図２の半導体発光光源を好適に適用することができる。特に、搭載基板１６の一部透明な部分１６ｄや、貫通孔１６ｆをすれ違いビームの配光パターンと同様の形状とすることで、半導体発光素子１４の下面から放射される光にすれ違い配光パターンを付与することができる。

これにより、第４の実施形態で説明した半導体発光素子１４の上面に遮光部材２８を設けることなく、搭載基板１６の貫通孔を利用することで、すれ違いビームの配光パターンを形成することができる。

図１２は、本発明の第６の実施形態の応用例を示している。図１２に示すように、灯具１０は、少なくとも一つの半導体発光素子１４と、半導体発光素子１４を載置する搭載基板１６と、半導体発光素子１４の上面からの光を受光する位置に配置されたリフレクタ１８と、搭載基板１６の半導体発光素子１４の搭載面と反対側に設けられたレンズ３２と、搭載基板１６を挟んでリフレクタ１８の反対側でレンズ３２からの光を受光する位置に配置された投影レンズ１２と、を備えている。

図１２において、光学部材としてレンズ３２が、搭載基板１６の投影レンズ１２側に設けられている。従来のハロゲンランプなどでは熱の問題から直接光源にレンズを接触させることはできなかった。しかし、発熱の少ない半導体発光素子１４であれば、レンズ３２を接触させることができる。これにより、半導体発光素子１４の下面からの光を有利に集光させることができるので、光の利用効率を高めることができる。

本実施の形態において、図２に示す半導体発光光源を適用することができる。また、本実施の形態の灯具１０により、図３と同様の配光パターンを得ることができる。また、搭載基板１６の透明な部分、または貫通孔をすれ違いビームと同様の形状とすることで、図９と同様の配光パターンを得ることができる。

〔第７の実施形態〕
本発明の第７の実施形態を、図１３を参照して説明する。図１３は本発明による灯具の概略断面構造を示している。なお、第１から第６の実施形態に示した灯具と同様の構成には同一符号を付して説明を省略する場合がある。

図１３（ａ）に示すように、灯具１０は、少なくとも一つの半導体発光素子１４と、半導体発光素子１４を載置する搭載基板１６と、半導体発光素子１４の上面からの光を受光する位置に配置されたリフレクタ３４と、リフレクタ３４で反射された光を受光する位置に配置された投影レンズ１２と、搭載基板１６を挟んでリフレクタ３４の反対側で半導体発光素子１４の下面からの光を受光する位置に配置されたリフレクタ１８と、搭載基板１６の先端で、投影レンズ１２の光軸と平行になるよう配置された反射板３６と、を備えている。

本実施の形態では、半導体発光素子１４の上面の光軸が投影レンズ１２の光軸に対して垂直となるよう、半導体発光素子１４が配置されている。半導体発光素子１４の上面からの光がリフレクタ３４を経由して投影レンズ１２に導かれる。

つまり、第一光学系も第二光学系も所望の配光を得るために必ずしも１つの光学部材、例えば、投影レンズ１２やリフレクタ１８のみで構成されるわけではなく、複数の光学部材によって構成されていても良い。

また、配光パターンを適切なものとするための反射板３６が配置されている。反射板３６は図示したように投影レンズ１２の軸に沿って配置しても良いし、軸に垂直に配置しても良い。

例えば、灯具１０が車両用前照灯である場合、反射板３６を設けることで、車両用前照灯として望ましい、例えばすれ違い配光パターンに適した配光パターン等を得ることができる。

図１４は、本発明の第７の実施形態の応用例を示している。図１４に示すように、灯具１０は、少なくとも一つの半導体発光素子１４と、半導体発光素子１４を載置する搭載基板１６と、半導体発光素子１４の上面からの光を受光する位置に配置されたリフレクタ３４と、リフレクタ３４で反射された光を受光する位置に配置された投影レンズ１２と、搭載基板１６の半導体発光素子１４の搭載面と反対側に設けられた光学部材３８と、光学部材３８からの光を受光する位置に配置されたリフレクタ１８と、搭載基板１６の先端で、投影レンズ１２の光軸と平行になるよう配置された反射板３６と、を備えている。

本実施の形態では、半導体発光素子１４の上面の光軸が、投影レンズ１２の光軸に対して、リフレクタ３４側に傾くよう、半導体発光素子１４が配置されている。これにより、リフレクタ３４の長軸方向を比較的長くなるよう形成することができる。したがって、半導体発光素子１４の上面からの光が、リフレクタ３４でより多く反射されるので、第一光学系に入射される光量が増大することになり、半導体発光素子１４からの光の利用効率が向上する。

一方、半導体発光素子１４の上面の光軸をリフレクタ３４側に向けたので、半導体発光素子１４の下面側の光軸は、投影レンズ１２側に傾く。半導体発光素子１４の下面からの光をリフレクタ１８に向けるために、搭載基板１６の半導体発光素子１４の搭載面と反対側に光学部材３８が設けられている。下面からの光を光学部材３８でリフレクタ１８に向けられるので、下面からの光を損失することなく前方に導くことができる。

図１５は、本実施の形態で使用される光学部材３８の構造の例を示している。図１５に示すように、光学部材３８は、三角柱の形状を有している。光学部材３８の面３８ａが、搭載基板１６の半導体発光素子１４の搭載面と反対面に接するよう、光学部材３８が搭載基板１６に載置されている。搭載基板１６と垂直な位置関係にある面３８ｂが投影レンズ１２を向くように配置され、搭載基板１６に対し斜めとなる面３８ｃがリフレクタ１８をを向くように配置されている。面３８ｂには反射面３８ｄが設けられている。反射面３８ｄにより、面３８ａから入射した光が反射され面３８ｃに向けられ、面３８ｃを透過してリフレクタ１８に導かれる。

これにより、半導体発光素子１４の下面の光軸が投影レンズ１２に向くように傾いた場合でも、半導体発光素子１４の下面からの光をより有効に活用することができる。

本実施の形態において、図２に示す半導体発光光源を適用することができる。また、本実施の形態の灯具１０により、反射板３６をすれ違い配光パターンと同様の形状とすることで、図９と同様の配光パターンを得ることができる。

図１３（ｂ）に示すように、また、例えば、第二光学系側のリフレクタ１８と半導体発光素子１４との間に可動式シャッタ４０を配置させても良い。これにより、所謂ＡＦＳランプのような機能を持たせることができる。このようにした場合でも、可動式シャッタ４０に高反射な部材を使用することで、可動式シャッタ４０で反射した光を第一光学系である投影レンズ１２に入射させることができる。これにより、半導体発光素子１４の光を有効に活用することができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、上記の説明に基づいて多くの変形例が可能となる。上記実施形態では、半導体発光素子の上面および下面から出射した光を、車両用灯具の配光パターンを形成する場合で説明した。

しかし、本発明は、例えばデイタイムランニングランプ、コーナリングランプの補助灯やフォグランプ等の補助前照灯のような配光パターンの形成に適用することができる。これらの灯具を組み合わせてもよい。

また、灯具として、車両用灯具以外にも異なる二つの配光を重ね合わせて使用するような照明装置に有利に適用することができる。また、上記の灯具を複数使用することで、所望の配光を形成することもできる。

本発明による灯具の第１の実施形態を示す概略構成図 半導体発光光源を示す概略構成図 第１の実施形態に示す灯具による配光パターンを説明する図 本発明による灯具の第２の実施形態を示す概略構成図 第２の実施形態に適用される光学部材の概略構成図 本発明による灯具の第２の実施形態の応用例を示す概略構成図 本発明による灯具の第３の実施形態を示す概略構成図 本発明による灯具の第４の実施形態を示す概略構成図 第４の実施形態に示す灯具による配光パターンを説明する図 本発明による灯具の第５の実施形態を示す概略構成図 本発明による灯具の第６の実施形態を示す概略構成図 本発明による灯具の第６の実施形態の応用例を示す概略構成図 本発明による灯具の第７の実施形態を示す概略構成図 本発明による灯具の第７の実施形態の応用例を示す概略構成図 第７の実施形態の応用例に適用される光学部材の概略構成図

符号の説明

１０…灯具、１２…投影レンズ、１４…半導体発光素子、１６…搭載基板、１８，３４…リフレクタ、２０，２２…波長変換層、２４、３８…光学部材、２６，３６…反射板、２８，３０…遮光部材、３２…レンズ、４０…可動式シャッタ、Ｐ１…第一の配光パターン、Ｐ２…第二の配光パターン

Claims (14)

1. 上面と下面から光を放射する半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子を載置し、前記半導体発光素子の下面から放射される光を透過する搭載基板と、
   前記半導体発光素子の上面から放射される光に第一の配光パターンを付与する第一光学系と、
   前記半導体発光素子の下面から放射される光に第一の配光パターンと異なる第二の配光パターンを付与する第二光学系と、を備えた灯具であって、
   前記搭載基板は、前記半導体発光素子を載置する領域に、少なくとも一部が透明な部分、または貫通孔が形成されており、
   前記第一光学系は、投影レンズを備え、当該投影レンズにより灯具前方中央に前記第二光学系にて照射される光よりも高い光度の光とした前記第一の配光パターンを照射し、
   前記第二光学系は、リフレクタを備え、当該リフレクタにより灯具前方に前記第一光学系にて照射される光よりも光度が低く、拡散した光とした前記第二の配光パターンを照射し、
   前記第一光学系および／または第二光学系には、前記第二の配光パターンが前記第一の配光パターンと異なる色温度または色度となるように波長変換層を備えることを特徴とする灯具。
2. 前記第一光学系および／または前記第二光学系には、前記第二の配光パターンが前記第一の配光パターンよりも青色光成分が多くなるように波長変換層を備える請求項１記載の灯具。
3. 前記搭載基板を挟んで前記半導体発光素子と対向する位置に、下面から放射される光を制御する光学部材が設けられた請求項１又は２記載の灯具。
4. 前記光学部材は、前記第二光学系のリフレクタによって反射した後に前記第一光学系の投影レンズに入射する光を減少するように設ける請求項３記載の灯具。
5. 前記搭載基板の前記透明な部分、または前記貫通孔は前記半導体発光素子よりも小さい請求項１又は２記載の灯具。
6. 前記半導体発光素子の側面に反射膜、または白色部材を備える請求項１〜５の何れか記載の灯具。
7. 前記搭載基板を挟んで前記半導体発光素子と対向する位置に前記半導体発光素子の光軸と平行となるよう配置された反射板を有する請求項１又は２記載の灯具。
8. 前記半導体発光素子の上面および／又は下面に波長変換層を備えた請求項１〜７の何れか記載の灯具。
9. 前記搭載基板の前記半導体発光素子の搭載面及び搭載面の反対面の少なくとも一方面に、又は前記搭載基板に形成された貫通孔内に配置される波長変換層を有する請求項１〜８の何れか記載の灯具。
10. 前記半導体発光素子の上面または近傍に遮光部材を有する請求項１〜９の何れか記載の灯具。
11. 前記遮光部材は、前記半導体発光素子の上面から放射される光に、すれ違いビームの配光パターンを付与する形状を備えている請求項１０記載の灯具。
12. 前記搭載基板の近辺に可動式シャッタを有する請求項１〜１１の何れか記載の灯具。
13. 前記第一光学系は、前記半導体発光素子の上面からの光を受光する位置に配置された第一光学系のリフレクタと、当該リフレクタで反射された光を受光する前記投影レンズとを備える請求項１〜１１の何れか記載の灯具。
14. 前記半導体発光素子は、当該半導体発光素子の上面光軸が、前記投影レンズの光軸に対して垂直または前記第一光学系のリフレクタ側に傾くように配置されている請求項１３記載の灯具。

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