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JP5216362B2 - Ｌｅｄ光源ユニット - Google Patents

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Description

本発明は、ＬＥＤを光源としてヘッドライト、フォグライトなど配光特性の形状に規制が設けられているときに、ＬＥＤの形状、性能に工夫を行うことで、所定の形状とした配光特性が、灯具側に負担をかけることなく、簡便に得られるＬＥＤ光源の提供を目的とするものである。
従来の、この種のＬＥＤ光源９０の構成の例を、ヘッドライト用の場合で示すものが、図１１及び図１２であり、先ず、図１１に示すように、前面がガラスなど透明部材９１ａで封止が行われた金属ケース９１内に略円形のＬＥＤ９２がマウントされている。尚、このときに、前記ＬＥＤ９２は、図１２に断面図で示すように、ＬＥＤ９２からの青色発光に励起されて黄色を発光する蛍光剤９３で被覆が行われ、ＬＥＤ９２からの青色光との合成色で白色光が得られるようにされている。
そして、前記金属ケース９１の上方開口部を封止する透明部材９１ａには、ヘッドライトの配光形状に相似する開口を有する遮光部材９４が取付けられている。従って、前記ＬＥＤ光源９０を点灯状態で正面から観視すると、ヘッドライトの配光形状と相似の形状で光輝しているＬＥＤ９２及び蛍光剤９３が見える。
従って、前記ＬＥＤ光源９０が光を放射している正面に非球面レンズなどを設置すれば、蛍光剤９３を含むＬＥＤ９２からの光が拡大投影されて、関係規格に沿うヘッドライトの形成が可能となるのである。尚、前記ＬＥＤ９２は円形である必要はなく、例えば長方形などであっても良い。
特開２００５−００５１９３号公報
また、上記のように、配光特性の全範囲を包括するＬＥＤ９２を予めに形成しておき、配光特性としては不要となる部分を遮光部材９４で遮蔽して所望の配光特性の形状を得るものでは、遮光部材９４で覆われる部分の光（約５０％）は全く無駄になると共に、ＬＥＤ９２の覆われている部分にも電流は流れるものとなり、使用可能な光量に対する電力効率も低下する。
この点を解決すようと図るものが、図１３に示すＬＥＤ８０であり、サファイヤ基板８１上にＮ型半導体層８２を形成すると共に、その一部を配光特性の形状とした凸部８２ａを形成しておき、当該の凸部の８２ａの上面に適宜な手段でＰ型半導体層８３を形成し、その境界面に発光層８４を生成させる。このようにすることで、前記ＬＥＤ８０は、配光特性の形状に発光するものとなり、過剰な電力を必要としないものとなる。尚、図１３中に符号８５で示すものはＮ電極であり、符号８６で示すものはＰ電極である。
特開２００５−０８５５４９号公報 特開２００５−０８５８９５号公報 特開２００５−１５９１８７号公報
上記した従来のＬＥＤ光源９０においては、光量はＬＥＤ９２に流せる電流で決定されるものであるので、可能な限りＬＥＤ９２の寸法が大きく多くの電流が流せるものとすることで、光量の多いＬＥＤ光源９０が得られるものとなる。また、ＬＥＤ９２の寸法が大きくなれば、非球面レンズなどによる投影時にも拡大率が低い状態で所定の範囲を照射できるものとなるので、明るいヘッドライトが得られるものとなり、好都合である。
しかしながら、金属ケース９１の大型化を図るときには、例えば、金属ケース９１と透明部材９１ａとの溶着には多大の熱量が必要となるなど、金属ケース９１の大型化には限度があるのが実情であり、大きなＬＥＤ９２を封入するには困難であり光量不足と成りやすい。また、前記ＬＥＤ９２と遮光部材９４との位置合わせにも、高い精度が要求され、ＬＥＤ光源９０自体が高価格化するという問題も生じている。
また、図１３に示したＬＥＤ８０においては、確かに、必要な部分のみが発光するものとなるので、ヘッドライトとしての照射光量に対する電力効率は向上するものとなるが、前記ＬＥＤ８０の生造工程において、上記に説明したような配光特性に相似する発光層８４を直接に生成するのは困難であり、例えば、Ｎ型半導体層８２の上面の全面にＰ型半導体層８３、Ｎ電極８５を形成し、その後にエッチングなど適宜な手段で所望の形状の発光層８４を形成せざるを得ないものとなる。また、Ｎ電極８５は発光層８４からの光を透過させるために透明化せざるを得ず、金線のボンディング位置によっては、配光に影を生じるなどの問題点も生じる。
よって、加工精度に高いものが要求されると共に、前記一度拡散したＰ型半導体層８３、発光層８４の約５０％程度をエッチングなどで除去する工程が必要となるので、生産工程が煩雑化し、部止まりの低下、エッチング液などを含み産業廃棄物が増加し、処理工程が増加するなどの問題点を生じるるものとなる。
本発明は、前記した従来のＬＥＤ光源に生じている課題を解決するための具体的手段として、基板上にマウントした複数のＬＥＤ発光素子の発光面に、配分電極と、不透光性であり、それぞれが所望の配光特性の一部を構成する遮光電極を設けた車両用灯具用のＬＥＤ光源ユニットであって、各ＬＥＤ発光素子において、配光特性の形状を形成する発光部と前記遮光電極の境界部で前記発光面を構成する半導体層と前記遮光電極は密着しており、前記遮光電極と前記半導体層の間の前記境界部を除いた部分では非導電性部材による絶縁層が前記半導体層と前記遮光電極の間に設けられ、前記遮光電極に溶接される給電用リードワイヤーは、当該遮光電極の前記発光部の近傍となる部分に配置され、前記基板上には前記ＬＥＤ発光素子が隣接して並べて配列され、それぞれのＬＥＤ発光素子の前記発光部と前記遮光電極の境界部が、隣接する他のＬＥＤ発光素子の境界部と直線となるようにそれぞれのＬＥＤ発光素子の遮光電極が隣り合って配置されており、前記複数のＬＥＤ発光素子を所定の順序に並べて投影することで、前記遮光電極に覆われない部分である発光部からの光の総合により所望の明暗の境界線が生じる配光特性が得られるものとしたことを特徴とする車両用灯具用のＬＥＤ光源ユニットを提供することで、給電電極と遮蔽板とを供用させて 課題を解決するものである。
本発明により、任意の数のＬＥＤ発光素子に対し最終的に要求される配光特性のそれぞれの部分の形状を受け持つように、ＬＥＤ発光素子に発光部を形成し、それらのＬＥＤ発光素子を組合わせることで、所望の配光特性を得るＬＥＤ光源ユニットとしたことで、小型のＬＥＤにより規定の配光特性を得ることができるものとすると共に、複数のＬＥＤの集合により大型化も可能とし、明るいヘッドライトの実現も可能とするという優れた効果を奏するものである。
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に符号１で示すものは、本発明に係るＬＥＤ発光素子の１個を示すものであり、このＬＥＤ発光素子１も上記と同様に車両用のヘッドライトなど、配光の形状、明るさなどが規定されている灯具の光源として採用することを目的とするものである。
先ず、図１を参照して、前記ＬＥＤ発光素子１の基本構成の説明を行えば、ＬＥＤチップ２の発光面上には、金によるボンディングパット３ａ、配分電極３ｂが形成されている。尚、配分電極３ｂは、前記ボンディング用パッド３ａに接続されると共に、ＬＥＤチップ２の表面を均一な明るさで発光させられるように、ＬＥＤチップ２の表面の全面に細い線状として敷設されている。また、ＬＥＤチップ２は、例えばセラミックなどで形成された基板６上にマウントされている。
図２は、上記説明のＬＥＤチップ２に対して、配光形状の作成を行わせるときの構成の例を示すものであり、本発明では、配分電極３ｂによりＬＥＤチップ２を均一に発光させると共に、遮光電極３ｃにより、ＬＥＤチップ２の任意の一部を光らせないことを特徴としている。
尚、遮光電極３ｃが設けられる際には、前記遮光電極３ｃが、金ワイヤ４をボンディングするのに、通常には充分な面積を有するものとなるので、前記ボンディング用パッドは省略しても良い。また、前記金ワイヤ４を遮光電極３ｃにボンディングする際には、前記ＬＥＤチップ２との境界近くにボンディングを行うと、その付近の電流密度が高くなり、境界近くのＬＥＤチップ２の部分を明るく光らせることが可能となる。
図３は、上記の説明に基づいて、４個のＬＥＤチップ２を用い、車両のヘッドライトにおけるすれ違い配光を形成したときの状態を示すものであり、図示は左側通行用の場合で示してある。よって、向かって右半部、即ち、対向車線側の２個のＬＥＤチップ２は水平の上半部に遮光電極３ｃが設けられている。その場合、それぞれの電極は４つに分割されておらず、横につながった形状であっても良い。
これに対して、ヘッドライトの場合には、向かって左半部の２個のＬＥＤチップ２には、両ＬＥＤチップ２上で左１５°上がりの直線となるように遮光電極３ｃが形成されて、路側にある道路標識、或いは、歩行者などが、容易に視認できるようにした、いわゆる、エルボを形成するようにされている。また、図３において、図示は省略するが、例えば光量、発熱などの条件が満足できれば、４個のＬＥＤチップを接続したような横に長い１枚のＬＥＤチップを用いても良いものである。
尚、ヘッドライトがプロジェクター型と称されて、上記に説明したパターンを非球面レンズなどで照射方向に拡大投影する方式のものであれば、投影像は上下左右が反転するので、図３に示したＬＥＤチップ２の配置も上下左右に反転したものとして形成すれば、投影像は上下反転し、図４に示すように規定の配光形状Ｄとなる。
図５は、１個の前記ＬＥＤチップ２の断面図であり、ＬＥＤチップ自体は青色発光をしているものであるので、この青色発光に励起され黄色を発光する蛍光体で覆い、混合色として白色を得なければならないものとなるので、本来、遮光電極３ｃが敷設されている部分は発光が遮蔽されているので、図示のように遮光電極３ｃが敷設されている以外の部分に塗装など適宜な手段で蛍光剤５を塗布すればよい。
尚、このときに、前記蛍光剤５はそれ自体が自発光を行うものではないので、塗装時に図６に示すように、配光パターンの形状などに実質的な影響を与えない程度であれば、一部で重複Ｗを生じていても支障はない。よって、前記蛍光剤５の塗布には、それ程の精度を要する作業とは成らない。
図７は、本発明の遮光電極３ｃにおける別な実施例であり、上記に説明した実施例では、遮光電極３ｃの全面を金（Ａｕ）で形成していたが、金はコストも高く、また、単波長の光は吸収する性質を有している。
そこで、この実施例の遮光電極３ｃでは、遮光部と発光部との境界面を除いた遮光電極３ｃとＩｎＧａＮ層（以下、半導体層２ａと称する）とが接触する部分の大部分を反射性に優れるアルミニウムなどによる反射層２ｅに置き換える。このようにすることで、発光した光は半導体層２ａに向けて反射され、全体として外部に取り出せる光量を増やすことができる。
尚、図７中に符号２ｂで示すものは金属層、符号２ｃで示すものは不透明基板、符号２ｄで示すものは裏面電極であり、本発明の作用、効果に直接に関与する部分を除いては、その説明を省略する。
図８は、本発明の遮光電極３ｃにおける更に別な実施例であり、上記したアルミニウムによる反射層２ｅは確かに反射率が高く、明るさの向上に有効であるが、アルミニウムが導電性であり、基本的には遮光電極３ｃの全てを金で形成したのとほぼ同じ電流がジャンクションに流れるものとなる。
よって、ＬＥＤチップ２に流れる電流が過大であるときには、例えば酸化チタンなど絶縁性で電流が流れない部材で形成した絶縁層２ｆで代替すれば、遮光電極３ｃと、半導体間で電流が流れる面積が減少させることができ、駆動電流が適正となるように調整できるものとなる。また、図９に示すように、前記遮光電極３ｃ自体に半導体層との電気的接触面積が適宜となるようにスリット３ｄを設けて分割し、電流の流れる面積を調整しても良いものである。
尚、発明者による試作の結果では、非球面レンズなどで照射方向に投影するときには、対向車に眩惑を生じさせず、且つ、自車からは路面、歩行者などが認識できるように、明暗の境界線が明確に生じることが、望ましく、よって、従来例では光源（ＬＥＤ）から離れた位置にある遮光板にレンズ（図示せず）の焦点を一致させていたが、本発明では、ＬＥＤチップ２と遮光電極３ｃが密着しているので、実質的にＬＥＤチップ２にレンズの焦点を一致させることができ、レンズへの光量の入射光率を高めることができる。
図１０は、本発明に係るＬＥＤ発光素子１を組立てた状態の断面図であり、例えば箱状に形成した基板６の所定位置に、配分電極３ｂ、遮光電極３ｃ、蛍光剤５などが取付けられた各ＬＥＤチップ２をマウントし、金ワイヤ（図示せず）などによる配線を行い、その後に、透明なエポキシ樹脂７などにより防湿処理を行って、一体化すればよいものである。
本発明に係るＬＥＤチップの基本構成を示す正面図である。 ＬＥＤチップに遮光電極を敷設したときの状態を示す正面図である。 ４個のＬＥＤチップを組合わせすれ違い配光の形状を形成した状態を示す説明図である。 すれ違い配光の配光形状を示す説明図である。 ＬＥＤチップの構成の実施例を断面で示す説明図である。 ＬＥＤチップにおける蛍光剤の塗布状態を示す説明図である。 ＬＥＤチップの構成の別の実施例を断面で示す説明図である。 ＬＥＤチップの構成の更に別の実施例を断面で示す説明図である。 遮光電極における加工状態を示す説明図である。 ＬＥＤ素子の組立状態を示す断面図である。 従来例を示す斜視図である。 図１１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 別の従来例を示す斜視図である。
符号の説明
１…ＬＥＤ発光素子
２…ＬＥＤチップ
２ａ…半導体層
２ｂ…金属層
２ｃ…不透明基板
２ｄ…裏面電極
２ｅ…反射層
２ｆ…絶縁層
３…電極
３ａ…ボンディング用パッド
３ｂ…配分電極
３ｃ…遮光電極
３ｄ…スリット
４…金ワイヤ
５…蛍光剤
６…基板
７…エポキシ樹脂

Claims (5)

  1. 基板上にマウントした複数のＬＥＤ発光素子の発光面に、配分電極と、不透光性であり、それぞれが所望の配光特性の一部を構成する遮光電極を設けた車両用灯具用のＬＥＤ光源ユニットであって、
    各ＬＥＤ発光素子において、配光特性の形状を形成する発光部と前記遮光電極の境界部で前記発光面を構成する半導体層と前記遮光電極は密着しており、前記遮光電極と前記半導体層の間の前記境界部を除いた部分では非導電性部材による絶縁層が前記半導体層と前記遮光電極の間に設けられ、
    前記遮光電極に溶接される給電用リードワイヤーは、当該遮光電極の前記発光部の近傍となる部分に配置され、
    前記基板上には前記ＬＥＤ発光素子が隣接して並べて配列され、それぞれのＬＥＤ発光素子の前記発光部と前記遮光電極の境界部が、隣接する他のＬＥＤ発光素子の境界部と直線となるようにそれぞれのＬＥＤ発光素子の遮光電極が隣り合って配置されており、
    前記複数のＬＥＤ発光素子を所定の順序に並べて投影することで、前記遮光電極に覆われない部分である発光部からの光の総合により所望の明暗の境界線が生じる配光特性が得られるものとしたことを特徴とする車両用灯具用のＬＥＤ光源ユニット。
  2. 前記ＬＥＤ発光素子の、前記遮光電極に覆われない部分には、波長変換層が設けられていることを特徴とする請求項１記載の車両用灯具用のＬＥＤ光源ユニット。
  3. 前記遮光電極には前記発光部に沿うスリットが設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両用灯具用のＬＥＤ光源ユニット。
  4. 前記配光特性が、車両のヘッドライトにおけるすれ違い配光であって、
    前記複数のＬＥＤ発光素子のうち対向車線側のＬＥＤ発光素子において、前記遮光電極は、正面視において、水平の上半部に設けられ、
    前記複数のＬＥＤ発光素子のうち対向車線側と反対側のＬＥＤ発光素子において、左１５°上がりの直線として形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の車両用灯具用のＬＥＤ光源ユニット。
  5. 請求項１〜請求項４の何れかに記載のＬＥＤ光源ユニットと、当該ＬＥＤ光源ユニットからの照射光を投影する非球面レンズを含み、前記非球面レンズの焦点が前記ＬＥＤ発光素子上にあることを特徴とする車両用灯具。
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