JP5597500B2 - 発光モジュールおよび車両用灯具 - Google Patents

Description

本発明は、回路モジュール、発光モジュールおよび車両用灯具に関する。

従来、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの半導体発光素子を光源として車両用灯具に利用する技術の開発が進められている。このような車両用灯具においては、半導体発光素子の点灯を制御するための点灯回路が必要な場合がある。車両用灯具の点灯時においては、半導体発光素子や点灯回路はそれぞれ発熱するため、適当な放熱対策が必要となる。そこで、ヒートシンクなどの放熱部材に効率よく熱を伝達するために、半導体発光素子と点灯回路を一緒に搭載した熱伝導率が高い金属基板を備えた光源モジュールが考案されている（特許文献１参照）。

特開２００５−２５９６０３号公報

ところで、半導体発光素子と点灯制御回路とでは、それぞれの発熱量も異なり、動作が許容される温度も異なる。しかしながら、半導体発光素子と点灯制御回路とを一つの放熱部材に一緒に搭載する場合、動作が許容される温度が低く設定されている電子部品を考慮して放熱部材の設計を行う必要がある。そのため、このように設計された放熱部材は、動作が許容される温度が高く設定されている電子部品にとっては、過剰な性能を有することになる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体発光素子と点灯制御回路の放熱を個別に最適化できる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の回路モジュールは、半導体発光素子の点灯を制御する点灯制御回路と、点灯制御回路が搭載される第１の放熱部材と、第１の放熱部材と分離され、半導体発光素子が搭載される搭載面を有する第２の放熱部材と、第１の放熱部材および第２の放熱部材とを互いに結合する結合部と、点灯制御回路から半導体発光素子への信号を伝達する導電部とを有する接続機構と、を備える。結合部は、第１の放熱部材および第２の放熱部材より熱伝導率が低い材料で構成されている。

この態様によると、第１の放熱部材と第２の放熱部材とが分離されており、互いを結合する結合部が熱伝導率の低い材料で構成されているため、第１の放熱部材と第２の放熱部材との熱伝導が抑制される。つまり、放熱部材を介した熱の移動により点灯制御回路と半導体発光素子の温度が近づく、といったことが起きにくくなる。そのため、点灯制御回路と半導体発光素子を異なる温度範囲で動作させることが可能となり、それぞれを動作させる温度範囲に合わせて第１の放熱部材と第２の放熱部材の構成を個別に最適化することができる。

本発明の別の態様は、発光モジュールである。この発光モジュールは、回路モジュールと、第２の放熱部材の搭載面に搭載された半導体発光素子と、を備える。

この態様によると、点灯制御回路が搭載される第１の放熱部材と、半導体発光素子が搭載される第２の放熱部材とを、それぞれの放熱性を考慮して個別に設計できるため、発光モジュール全体として小型化できる。

点灯制御回路の動作が許容される最高温度は、半導体発光素子の動作が許容される最高温度よりも低く設定されており、第１の放熱部材の熱抵抗は、第２の放熱部材の熱抵抗よりも大きい。

本発明のさらに別の態様は、車両用灯具である。この車両用灯具は、車両に用いられる車両用灯具であって、発光モジュールと、発光モジュールから出射された光を車両前方に向けて反射するリフレクタと、を備える。発光モジュールは、半導体発光素子の発光面がリフレクタと対向するように配置されている。

この態様によると、点灯制御回路が搭載される第１の放熱部材と、半導体発光素子が搭載される第２の放熱部材とを、それぞれの放熱性を考慮して個別に設計できるため、車両用灯具を小型化できる。

冷却ファンを更に備えてもよい。冷却ファンは、第１の放熱部材および第２の放熱部材の両方に対して送風可能に配置されていてもよい。これにより、所望の放熱性能を満たしつつ、第１の放熱部材および第２の放熱部材を更に小型化できるとともに、車両用灯具も小型化できる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、半導体発光素子と点灯制御回路の放熱を個別に最適化できる。

第１の実施の形態に係る車両用前照灯の概略構成を示す断面図である。 第２の実施の形態に係る発光モジュールの概略構成を示す斜視図である。 第２の実施の形態に係る発光モジュールのうち主として放熱部材の構成を示す上面図である。 第３の実施の形態に係る発光モジュールの概略構成を示す上面図である。 第４の実施の形態に係る発光モジュールの概略構成を示す断面図である。 第５の実施の形態に係る発光モジュールの概略構成を示す断面図である。 第６の実施の形態に係る発光モジュールの概略構成を示す断面図である。 複数の発光モジュールと冷却ファンとの位置関係を模式的に示した図である。 複数の発光モジュールと冷却ファンとの位置関係を模式的に示した図である。 複数の発光モジュールと冷却ファンとの位置関係を模式的に示した図である。 複数の発光モジュールと冷却ファンとの位置関係を模式的に示した図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態では、車両用灯具のひとつである車両用前照灯を例に説明する。図１は、第１の実施の形態に係る車両用前照灯１０の概略構成を示す断面図である。図１に示す車両用前照灯１０は、後述する投影レンズが車両前方側、後述する発光モジュールが車両後方側に位置するように構成されている。なお、ラインＸは光軸である。

車両用前照灯１０は、投影レンズ１２、回路モジュール１４、パッケージ１６、リフレクタ１８、冷却ファン２０、を備える。投影レンズ１２は、前方側表面が凸面に形成されている非球面凸レンズであり、光源像を反転像として灯具前方に投影する。パッケージ１６は、ＬＥＤなどの半導体発光素子が含まれている。

回路モジュール１４は、パッケージ１６に含まれている半導体発光素子の点灯を制御する点灯制御回路２２と、点灯制御回路２２が搭載される第１の放熱部材２４と、パッケージ１６が搭載される第２の放熱部材２６と、接続機構２８と、を備える。接続機構２８は、第１の放熱部材２４と第２の放熱部材２６とを互いに結合し固定するハウジング３０と、点灯制御回路２２からパッケージ１６の半導体発光素子への信号を伝達する導電部３２と、を有する。

第１の放熱部材２４および第２の放熱部材２６は、共に熱伝導率の高い材料で構成されている。このような材料としては、アルミニウムや銅などの金属材料が用いられる。ハウジング３０は、第１の放熱部材および第２の放熱部材より熱伝導率が低い樹脂等の材料で構成されている。これにより、第１の放熱部材２４と第２の放熱部材２６とは、互いに熱的に分離されている。なお、回路モジュール１４にパッケージ１６を搭載したものを発光モジュール３４と称する。

第１の放熱部材２４は、第１の放熱板３６と、第１のヒートシンク３８とで構成されている。第１のヒートシンク３８は、その上面に第１の放熱板３６が固定されている。第２の放熱部材２６は、第２の放熱板４０と、第２のヒートシンク４２とで構成されている。第２のヒートシンク４２は、その上面に第２の放熱板４０が固定されている。

第１の放熱板３６の表面３６ａは、点灯制御回路２２が搭載される搭載面として機能する。第２の放熱板４０の表面４０ａは、パッケージ１６に含まれる半導体発光素子が搭載される搭載面として機能する。なお、各放熱部材は、放熱板とヒートシンクとから構成されているが、いずれか一つの部材から構成されていてもよい。

第１の放熱部材２４は、点灯制御回路２２が発する熱を第１の放熱板３６を介して回収し放熱することで、点灯制御回路２２の温度上昇を抑制する。第２の放熱部材２６は、パッケージ１６が発する熱を第２の放熱板４０を介して回収し放熱することで、パッケージ１６の温度上昇を抑制する。

リフレクタ１８は、パッケージ１６を上方から覆うように設けられており、パッケージ１６が発した光を前方へ反射して集光する反射面１８ａが内側に形成されている。つまり、発光モジュール３４は、第２の放熱板４０の搭載面である表面４０ａがリフレクタ１８と対向するように配置されている。これにより、リフレクタ１８は、パッケージ１６が発した光を反射面１８ａで反射して集光する。

ところで、従来、一つの放熱部材に半導体発光素子と点灯制御回路とを搭載した発光モジュールの場合、連続動作中に放熱部材を介した熱の移動により熱的な平衡状態に達すると、半導体発光素子および点灯制御回路はほぼ同じ温度となる。そのため、半導体発光素子および点灯制御回路のいずれかの部材のうち、動作が許容される温度が低い部材を考慮して、一つの放熱部材の性能を決めなければならなかった。

しかしながら、上述のように、本実施の形態に係る回路モジュール１４や発光モジュール３４においては、第１の放熱部材２４と第２の放熱部材２６と結合するハウジング３０が熱伝導率の低い樹脂材料で構成されているため、第１の放熱部材２４と第２の放熱部材２６とが熱的に分離されている。そのため、第１の放熱部材２４と第２の放熱部材２６との熱伝導が抑制される。つまり、放熱部材を介した熱の移動により点灯制御回路と半導体発光素子の温度が近づく、といったことが抑制される。そのため、点灯制御回路２２と半導体発光素子を異なる温度範囲で動作させることが可能となり、それぞれを動作させる温度範囲に合わせて第１の放熱部材２４と第２の放熱部材２６の構成を個別に最適化することができる。

また、本実施の形態に係る発光モジュール３４においては、点灯制御回路２２の動作が許容される最高温度（例えば１２５℃）は、半導体発光素子（パッケージ１６）の動作が許容される最高温度（例えば１５０℃）よりも低く設定されている。また、本実施の形態に係る点灯制御回路２２の発熱量は、パッケージ１６の半導体発光素子の発熱量よりも少ない。そのため、点灯制御回路２２の発熱量が少なければ、第１の放熱部材２４として熱抵抗の大きい（放熱性能の低い）放熱部材を採用することができる。一般的に、放熱性能の低い放熱部材は、小型化が可能であり、形状や材質の観点からは低コスト化が可能である。そこで、本実施の形態に係る第１の放熱部材２４の熱抵抗は、第２の放熱部材２６の熱抵抗よりも大きく設定されている。

このように、本実施の形態に係る回路モジュール１４や発光モジュール３４は、第１の放熱部材２４と、第２の放熱部材２６とを、それぞれの放熱性を考慮して個別に設計できるため、全体として小型化される。また、このような回路モジュール１４や発光モジュール３４を備える車両用前照灯１０も小型化される。

なお、本実施の形態に係る車両用前照灯１０が備える冷却ファン２０は、第１の放熱部材２４および第２の放熱部材２６の両方に対して送風可能に配置されている。これにより、所望の放熱性能を満たしつつ、第１の放熱部材２４および第２の放熱部材２６を更に小型化できるとともに、車両用前照灯１０も小型化できる。また、冷却ファン２０の数も削減できるため、車両用前照灯１０のコストの低減にも寄与する。なお、冷却ファン２０は、ヒートシンクに固定されていてもよい。

（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態に係る発光モジュールの概略構成を示す斜視図である。図３は、第２の実施の形態に係る発光モジュールのうち主として放熱部材の構成を示す上面図である。なお、第１の実施の形態と同様の構成や作用効果については説明を適宜省略する。

図２に示すように、発光モジュール５０は、パッケージ１６と、点灯制御回路２２と、第１の放熱部材５６（図３参照）と、第２の放熱部材５８と、接続機構５２と、を備える。接続機構５２は、図２および図３に示すように、第１の放熱部材５６と第２の放熱部材５８とを互いに結合し固定する樹脂製のハウジング５４と、点灯制御回路２２からパッケージ１６の半導体発光素子への信号を伝達する導電部６０と、を有する。

第１の放熱部材５６は、点灯制御回路２２が搭載される第１の放熱板６２と、第１の放熱板６２の下面と接触するように設けられている第１のヒートシンク６４と、を有する。第２の放熱部材５８は、パッケージ１６が搭載される第２の放熱板６６と、第２の放熱板６６の下面と接触するように設けられている第２のヒートシンク６８と、を有する。第２のヒートシンク６８は、その表面に４つのねじ穴６８ａが設けられている。ハウジング５４は、点灯制御回路２２が搭載されている第１の放熱部材５６を保持した状態で、４つのねじ７０により第２のヒートシンク６８に固定されている。ハウジング５４の端部には、外部の電源から供給される電力が入力されるコネクタ部５４ａが一体に成型されている。なお、コネクタ部５４ａの代わりにＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）を接続してもよい。

第２の放熱部材５８は、コの字状に形成されており、第２の放熱板６６が設けられている基部５８ａと、基部５８ａの両側から同じ方向に延びている一対のアーム部５８ｂとを有する。一対のアーム部５８ｂは、互いに対向しかつほぼ平行になるように基部５８ａの両端から延設されている。また、一対のアーム部５８ｂは、矩形の第１の放熱部材５６を挟むように配置されている。第１の放熱部材５８の一対のアーム部５８ｂとハウジング５４とは、ねじ７０により互いに固定されている。

なお、ハウジング５４と各放熱部材との固定には接着剤を用いてもよい。また、導電部６０は、ブラシ、Ａｕワイヤ、Ａｌワイヤ、Ａｌリボン等が用いられる。第２の放熱板６６は、ＡｌやＣｕ、Ｃｕ合金などの放熱性の高い部材が好ましい。なお、実施の形態に係る各放熱部材は、別々に作製された放熱板とヒートシンクとを接着または金属接合により一体化されているが、アルミダイキャスト法により一体成型したものであってもよい。

本実施の形態に係る発光モジュール５０においても、第１の放熱部材５６と第２の放熱部材５８とが熱的に分離されており、互いを結合するハウジング３０が熱伝導率の低い樹脂材料で構成されている。そのため、第１の放熱部材５６と第２の放熱部材５８との熱伝導が抑制される。

（第３の実施の形態）
図４は、第３の実施の形態に係る発光モジュールの概略構成を示す上面図である。なお、前述の各実施の形態と同様の構成や作用効果については説明を適宜省略する。

図４に示すように、発光モジュール７２は、パッケージ１６と、点灯制御回路２２と、第１の放熱部材７４と、第２の放熱部材７６と、接続機構７８と、を備える。接続機構７８は、第１の放熱部材７４と第２の放熱部材７６とを結合する樹脂材料からなる結合部８０と、点灯制御回路２２からパッケージ１６の半導体発光素子への信号を伝達する金属ワイヤ８２とで構成されている。金属ワイヤ８２の材料にはＡｌやＡｕなどが用いられる。なお、金属ワイヤ８２の代わりにＦＰＣを用いてもよい。

このように、本実施の形態に係る発光モジュール７２においても、第１の放熱部材７４と第２の放熱部材７６とが熱的に分離されており、互いを結合する結合部８０が熱伝導率の低い樹脂材料で構成されている。そのため、第１の放熱部材７４と第２の放熱部材７６との熱伝導が抑制される。

（第４の実施の形態）
図５は、第４の実施の形態に係る発光モジュールの概略構成を示す断面図である。なお、前述の各実施の形態と同様の構成や作用効果については説明を適宜省略する。

本実施の形態に係る発光モジュール８４は、ハウジング８６の断面がＬ字状になっている点、第１の放熱部材２４と第２の放熱部材２６の向きが異なっている点、以外は構成部品を含め第１の実施の形態の発光モジュールと同様である。このような発光モジュール８４を車両用前照灯に適用することで、車両用前照灯の光軸方向の長さを短くすることができる。

（第５の実施の形態）
図６は、第５の実施の形態に係る発光モジュールの概略構成を示す断面図である。なお、前述の各実施の形態と同様の構成や作用効果については説明を適宜省略する。

本実施の形態に係る発光モジュール８８は、第１のヒートシンク３８および第２のヒートシンク４２が対向するように、第１の放熱部材２４および第２の放熱部材２６が配置されている。第１の放熱部材２４と第２の放熱部材２６は、樹脂製のハウジング（不図示）で結合されている。また、発光モジュール８８は、点灯制御回路２２からパッケージ１６の半導体発光素子への信号を伝達する金属ワイヤ８９が設けられている。

発光モジュール８８は、第１の放熱部材２４と第２の放熱部材２６との間に風路が形成されている。そして、冷却ファン２０で発生する風の一部は、第１のヒートシンク３８や第２のヒートシンク４２の熱を奪いながら風路を通過する。また、冷却ファン２０で発生する風の一部は、第１のヒートシンク３８や第２のヒートシンク４２の側面３８ａ，４２ａも同時に冷却する。このような発光モジュール８８を車両用前照灯に適用することで、車両用前照灯の光軸方向の長さを短くすることができる。

（第６の実施の形態）
図７は、第６の実施の形態に係る発光モジュールの概略構成を示す断面図である。なお、前述の各実施の形態と同様の構成や作用効果については説明を適宜省略する。

本実施の形態に係る発光モジュール９０は、パッケージ１６と、点灯制御回路２２と、点灯制御回路２２を搭載する第１の放熱部材９２と、パッケージ１６を搭載する第２の放熱部材９４と、接続機構９６と、を備える。

第１の放熱部材９２は、点灯制御回路２２を搭載する第１の放熱板９８と、第１の放熱板９８の点灯制御回路２２が搭載される搭載面９８ａと同じ面に固定されいてる第１のヒートシンク１００と、を有する。第１のヒートシンク１００は、フィン１００ａの長手方向が搭載面９８ａと平行になるように第１の放熱板９８に固定されている。

第２の放熱部材９４は、パッケージ１６を搭載する第２の放熱板１０２と、第２の放熱板１０２のパッケージ１６が搭載される搭載面１０２ａと同じ面に固定されいてる第２のヒートシンク１０４と、を有する。第２のヒートシンク１０４は、フィン１０４ａの長手方向が搭載面１０２ａと平行になるように第２の放熱板１０２に固定されている。

接続機構９６は、第１の放熱板９８と第２の放熱板１０２とを互いに結合し固定するハウジング１０６と、点灯制御回路２２からパッケージ１６の半導体発光素子への信号を伝達する金属ワイヤ１０８と、を有する。冷却ファン２０は、発光モジュール９０の第１のヒートシンク１００および第２のヒートシンク１０４の各フィンと対向する位置に設けられている。

そして、冷却ファン２０で発生する風は、第１のヒートシンク１００や第２のヒートシンク１０４の各フィンに対して均等に当たるため、第１の放熱部材９２や第２の放熱部材９４から効率よく熱を奪うことができる。

次に、前述の各実施の形態に係る発光モジュールを複数用いた灯具を冷却する場合について説明する。図８乃至図１１は、複数の発光モジュールと冷却ファンとの位置関係を模式的に示した図である。なお、以下の説明の複数の発光モジュールは、前述の各実施の形態に係る発光モジュールのいずれであってもよく、また、複数種の発光モジュールを組み合わせたものであってもよい。

図８に示すように、灯具１１０は、３つの発光モジュール１１２，１１４，１１６と、冷却ファン２０とを備える。３つの発光モジュール１１２，１１４，１１６は、一列に並んで配置されており、真ん中の発光モジュール１１４と対向する位置に冷却ファン２０が配置されている。そのため、冷却ファン２０の風は、発光モジュール１１４に向かった後、発光モジュール１１４で遮られて隣接する発光モジュール１１２，１１６に向かう。これにより、一つの冷却ファン２０で複数の発光モジュール１１２，１１４，１１６を効率よく冷却することができる。

また、図９に示す灯具１２０は、３つの発光モジュール１１２，１１４，１１６が風路Ｓを挟んで両側に配置されている。また、図１０に示す灯具１３０は、３つの発光モジュール１１２，１１４，１１６で囲まれた領域に風が送られる。そのため、これらの灯具では、一つの冷却ファン２０で複数の発光モジュール１１２，１１４，１１６を効率よく冷却することができる。

また、図１１に示す灯具１４０は、冷却ファン２０と３つの発光モジュール１１２，１１４，１１６との間にダクト１１８が設けられている。そのため、灯具１４０は、一つの冷却ファン２０で複数の発光モジュール１１２，１１４，１１６を効率よく冷却することができる。また、灯具１４０では、冷却ファン２０と３つの発光モジュール１１２，１１４，１１６の配置の自由度が増す。そのため、灯具全体を小型化できる。

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

１０ 車両用前照灯、 １４ 回路モジュール、 １６ パッケージ、 ２０ 冷却ファン、 ２２ 点灯制御回路、 ２４ 第１の放熱部材、 ２６ 第２の放熱部材、 ２８ 接続機構、 ３０ ハウジング、 ３２ 導電部、 ３４ 発光モジュール、 ３６ 第１の放熱板、 ３８ 第１のヒートシンク、 ４０ 第２の放熱板、 ４２ 第２のヒートシンク。

Claims (3)

1. 半導体発光素子の点灯を制御する点灯制御回路と、
   前記点灯制御回路が搭載される第１の放熱部材と、
   前記第１の放熱部材と分離され、半導体発光素子が搭載される搭載面を有する第２の放熱部材と、
   前記第２の放熱部材の搭載面に搭載された半導体発光素子と、
   前記第１の放熱部材および前記第２の放熱部材とを互いに結合する結合部と、前記点灯制御回路から半導体発光素子への信号を伝達する導電部とを有する接続機構と、
   を備え、
   前記結合部は、前記第１の放熱部材および前記第２の放熱部材より熱伝導率が低い材料で構成されており、
   前記点灯制御回路の動作が許容される最高温度は、前記半導体発光素子の動作が許容される最高温度よりも低く設定されており、
   前記第１の放熱部材の熱抵抗は、前記第２の放熱部材の熱抵抗よりも大きいことを特徴とする発光モジュール。
2. 車両に用いられる車両用灯具であって、
   請求項１に記載の発光モジュールと、
   前記発光モジュールから出射された光を車両前方に向けて反射するリフレクタと、を備え、
   前記発光モジュールは、前記半導体発光素子の発光面が前記リフレクタと対向するように配置されていることを特徴とする車両用灯具。
3. 冷却ファンを更に備え、
   前記冷却ファンは、前記第１の放熱部材および前記第２の放熱部材の両方に対して送風可能に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の車両用灯具。

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