ＬＥＤ光源ユニットを用いた灯具
【課題】砲弾型のＬＥＤ光源のように透明樹脂モールドのあるＬＥＤ光源を用いないＬＥＤ光源ユニットを用いることで、所望の配光設計作業に要する手間を簡略化可能とする。
【解決手段】 ＬＥＤ光源モジュールを透明樹脂モールドを有さず、半導体発光層および拡散層を有する半導体発光装置を搭載したモジュールとする。また、灯具照射方向前方に設けた仮想スクリーンに照射したときに仮想スクリーン上に光源モジュールの発光面が配列することで所定の配光特性を発揮するように光学部材を用いて灯具を構成する。前記光学部材は、前記半導体発光層の光軸と交差する位置に配設したレンズもしくは反射面とし、その焦点位置をＬＥＤ光源モジュールの発光面とする。
【解決手段】 ＬＥＤ光源モジュールを透明樹脂モールドを有さず、半導体発光層および拡散層を有する半導体発光装置を搭載したモジュールとする。また、灯具照射方向前方に設けた仮想スクリーンに照射したときに仮想スクリーン上に光源モジュールの発光面が配列することで所定の配光特性を発揮するように光学部材を用いて灯具を構成する。前記光学部材は、前記半導体発光層の光軸と交差する位置に配設したレンズもしくは反射面とし、その焦点位置をＬＥＤ光源モジュールの発光面とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、灯具に係り、特に車両用信号灯具や車両用信号灯具以外の一般照明などに適用可能な半導体発光装置を用いた灯具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地球温暖化、環境意識の高まりから白熱電球に換えて低消費電力な半導体発光装置、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた照明装置などの灯具が実用化されている。この種のＬＥＤを光源として用いた車両用灯具として、例えば特許文献１がある。
【０００３】
特許文献１に記載の車両用灯具９０は、図１０に示すようにＬＥＤを光源とするプロジェクタ型ランプ９０として、例えばＬＥＤ光源９４と、回転楕円反射面系の反射鏡９１と、シェード９２と投影レンズ９３とを備え、反射鏡９１の第一焦点にＬＥＤ光源９４を配置し第二焦点をシェード上とし、第二焦点を投影レンズ９３の焦点と一致させた構成としている。符号９５は投影レンズホルダ、符号９６は光線、符号Ｘは光軸を示す。
【０００４】
ＬＥＤ光源９４は、ランバーシアン分布を示している。そのためこれを光源とした灯具においては、面発光によるランバーシアン分布となり、例えば水平方向正面に照度の最高値が出にくい等の配光形成上の問題点が特性が出にくいなどの配光形成上の問題を有することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−６１９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願発明者等は、上記した配光形成上の問題点を解決するため、前記した車両用灯具９０において、ＬＥＤ光源９４として種々の形態のＬＥＤ光源とした場合について検討した。
【０００７】
図１１は、発明者等が検討した種々の形態のＬＥＤ光源を車両用灯具に適用した場合の代表例を模式的に示す図である。図１１（ａ）はいわゆる砲弾型と称されるドーム型の透明樹脂１０２にてＬＥＤチップ１０１をモールドしたＬＥＤ光源１００を用いた場合、図１１（ｂ）は面実装型ＬＥＤとして実用化されている白色樹脂からなる反射壁１１３を有するもので、反射壁１１３内にＬＥＤチップ１１１を配設し、それらを透明樹脂１１２にて覆ったＬＥＤ光源１１０である。なお、このとき検討したＬＥＤチップは、同じ半導体素子構造のＧａＮ系の面発光型の青色ＬＥＤであり、同一面積のものを用いた。また、発光面の上にのみイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系の蛍光体層を設けたものを用いた。また、透明樹脂はエポキシ樹脂を用いた。
【０００８】
図１１（ａ）の砲弾型のＬＥＤ光源１００を上記したプロジェクタ型ランプ９０に適用した場合には、ドーム型の透明樹脂モールド１０２によるレンズ効果によりＬＥＤチップ１０１の実像位置と反射鏡９１の第一焦点位置が所定の設定位置からずれてしまい、所望の配光特性を得るのが困難となった。図１１（ｂ）の面実装型ＬＥＤの場合には、ドーム型の透明樹脂モールド１０２のようなレンズ効果による屈折作用が生じての影響は小さかったものの反射壁１１３による反射光とＬＥＤチップ１１１からの直接光あることから反射鏡９１の第一焦点位置が所定の設定位置がずれてしまい、所望の配光特性を得るのが困難となった。
【０００９】
本願発明はこれらの検討に鑑みてなされたものであり、ドーム型の透明樹脂モールドを設けた場合および反射壁内において透明樹脂にて覆った場合のＬＥＤ光源を光源した場合に比べて、所望の配光特性を設計し易いＬＥＤ光源を用いた灯具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、発光面に対し交差する方向に光軸を有する半導体発光層と、前記発光層の発光面上に設けた少なくとも波長変換粒子もしくは拡散粒子を含有する拡散層とを有する半導体発光装置と、前記半導体発光装置の発光面もしくはその近傍に一つ以上の焦点を有する投影レンズ若しくは反射面を有する光学部材を備えた灯具であって、前記灯具は、灯具照射方向前方に設けた仮想スクリーンに照射したときに仮想スクリーン上に前記発光面が配列することで所定の配光特性を有するように前記半導体発光装置の光路を調整する前記レンズもしくは反射面を有する光学部材が配設され、前記拡散層は、発光面の平行な方向に延在する導光層を有さないで空気層もしくは微小レンズ素子群を介して空気層と接しており、前記半導体発光装置は、前記拡散層を通って照射する配光特性が前記光軸を通る発光装置断面輝度分布が急峻な立ち上がりを示し、
前記光学部材は、前記半導体発光層の光軸と交差する位置に配設され、光学部材の少なくとも一つの焦点が前記発光面の端部もしくは中央部またはそれらの近傍に配設している、ことを特徴とする灯具を提供する。
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、灯具からの照射光は、半導体発光装置から照射される光のうち輝度の高い半導体発光素子の正面の光を有効に利用することができる。また、半導体発光装置からの照射光を光学部材により所望の配光特性をなすようにする際に、光源となる半導体発光装置の位置がレンズ効果により屈折することがないので配光設計を容易に行なうことができる。また、透明樹脂を充填する反射壁もないので発光面の大きさを小さくして設計することができ、投影レンズなどの光学部材を小型のものとすることができ得る。従って、灯具全体の小型化を図ることができ得る。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、所望の配光特性を得るための設計作業を、透明樹脂レンズを介する場合に比べて容易にすることが出来、総じて灯具のコストを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態である灯具の模式的な断面図である。
【図２】図２は、評価用サンプルａ〜ｃの半導体発光装置を示す概略断面図である。（ａ）が評価用サンプルａ、（ｂ）が評価用サンプルｂ、（ｃ）が評価用サンプルｃを示す。
【図３】図１に示した灯具に用いる光源ユニットの概略断面図である。
【図４】本発明の実施形態に用いるＬＥＤのチップ縦断面輝度分布を説明するための図である。
【図５】本発明に係る第２の実施の形態である灯具の縦断面図である。
【図６】本発明に係る第２の実施の形態である灯具の分解斜視図である。。
【図７】本発明に係る第３の実施の形態である灯具の模式的な縦断面図である。
【図８】本発明に係る第３の実施の形態である灯具による配光パターンを説明する平面図である。
【図９】図８の配光パターンを形成する光源像を模式的に示した配光パターン説明図である。
【図１０】従来のプロジェクター型前照灯を示す縦断面図である。
【図１１】従来のプロジェクター型前照灯においてＬＥＤ光源を透明樹脂モールドを有するＬＥＤとした検討例を説明する模式的な断面図。（ａ）が砲弾型ＬＥＤ光源を用いた場合、（ｂ）が反射壁を有する面実装型ＬＥＤ光源を用いた場合である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態である灯具について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
以下の実施の形態では、投影光学系として反射およびと投影レンズを組合わせた光学系と、投影レンズのみを用いた光学系の２種類の実施の形態について説明し、反射光学系として反射面を用いた１種類の実施の形態について説明する。また、各々の光学系とした灯具において、特にことわりのない限り、光源は半導体発光装置、具体的には発光ダイオードを用いた白色光とした光源を用いた例にて説明する。
【００１６】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施態様に係る灯具２００の構成の一例を示す概略断面図である。本実施形態の灯具２００は、例えばすれ違いビーム用の車両用のヘッドランプであり、図１に示すように、光源ユニット２１０、反射面２２０、シェード２３０、投影レンズ２４０等を備えている。反射面２２０、シェード２３０、投影レンズ２４０が投影光学系に相当し、光源からの光を最初に捉える反射面２２０が本発明の光学部材に該当する。図３は光源ユニット２１０の概略断面図である。
【００１７】
光源ユニット２１０は、図３に示すように半導体発光装置２１１を有する。半導体発光装置２１１は、本発明における半導体発光層２１２と、半導体発光層２１２上に設けた蛍光体粒子を含有する拡散層２１４を有する。半導体発光層２１２は、例えばＧａＮ系の青色半導体発光層でありサファイア基板の上にエピタキシャル成長される。半導体発光層２１２を有するＬＥＤチップ２１３は半導体発光層と垂直な方向に向かって光出射する。拡散層２１４は、ＬＥＤチップ２１３上に蛍光体粒子を塗布もしくは蛍光体粒子分散溶液を塗布することで形成される。なお、半導体発光装置２１１については後に詳細に説明する。半導体発光装置２１１は、セラミック基板２１５の一方の表面上に搭載される。セラミック基板２１５上には図示しない給電用の配線が金属メッキなどにより形成されており、半導体発光層２１２と電気的に接続する。またセラミック基板の他方の表面側、図３において下方側、には半導体発光装置２１１から生じる発熱を放熱するためのヒートシンク２１６が設けられている。また、半導体発光層２１２の光軸Ｘは図１に示すように番線方向に対して後ろ側に傾斜するように配設される。
【００１８】
反射面２２０は、本発明における光学部材である。反射面２２０は前記光軸Ｘと交差する位置に設けられ反射面２２０と光源ユニット２１０の間には空気層２５０が存在する。また、前記反射面２２０は、第１焦点を半導体発光装置２１１の発光面上もしくはその近傍、より具体的には、前記発光層２１２の反射面側の表面端部もしくは中央部またはそれらの近傍とし、第２焦点をシェード２３０上の近傍とした回転楕円放物面系の反射面とされている。これにより半導体発光装置２１１から放射された光Ｌ１はシェード２３０近傍の第２焦点に向かって反射する。
【００１９】
シェード２３０は、黒色とした金属材料などからなり反射面２２０の第２焦点近傍に設けられる。シェード２３０にて、投影方向前方に設けたスクリーン上において法規にて定められたすれ違いビームの配光パターンとなるように一部の光を遮光する。なお、灯具２００を複数個用い、それら複数個の灯具による配光パターンを合成して車両用灯具のすれ違い配光パターンを形成する場合には、シェード２３０の形状はすれ違い配光パターンの一部をなすように適宜調整される。
【００２０】
投影レンズ２４０は反射面２２０にて反射された光を投影方向前方に向かって照射する半球状の非球面レンズであり、ガラスもしくはアクリルなどの透明樹脂により形成される。また、その焦点位置は前記第２焦点位置と一致して設ける。
【００２１】
本例によれば、光源としてＬＥＤ光源ユニットを用いることにより、灯具を小型化することができる。また、所望の配光特性を設計し易いＬＥＤ光源ユニットを用いた灯具とすることができる。
【００２２】
本実施の形態において、半導体発光装置２１１には透明樹脂レンズを形成していず、半導体発光層２１２上に拡散層２１４を有するのみの構成とされている。そして拡散層２１４が空気層２５０と接している。この透明樹脂レンズを有さない半導体発光装置２１１について詳述する。
【００２３】
まず、半導体発光装置に設ける透明樹脂レンズの作用を検討するために、評価用サンプルａ〜評価用サンプルｃを作成して半導体発光装置に設ける透明樹脂レンズの形態の違いによる影響を別途検討した。
【００２４】
図２は評価用の半導体発光装置を示す概略断面図であり、図２（ａ）は透明樹脂からなる半球状レンズを設けた評価用サンプルａ、図２（ｂ）は透明樹脂からなる平面レンズを設けた評価用サンプルｂ、図２（ｃ）は透明樹脂からなるレンズを設けなかった評価用サンプルｃを示す。
【００２５】
＜評価用サンプルａ＞
図２（ａ）の半導体発光装置１２０は、板状のセラミック基板１２４上にＬＥＤチップ１２１を搭載し、ＬＥＤチップ１２１およびセラミック基板１２４の一部はＬＥＤチップ１２１の中央を中心とした半球状の透明樹脂レンズ１２３にて、ＬＥＤチップ１２１の上面および側面の全てが覆われている。透明樹脂レンズ１２３は半球状をなしているので、ＬＥＤチップ１２１の半導体発光層１２２から放射する光は半球状の透明樹脂レンズ１２３を通った後、外部となる大気（空気層）との界面において殆ど反射することなく外部に取り出すことができる。なお、セラミック基板１２４上には図示しない給電用の一対の電極ラインがメッキ等により配設されている。透明樹脂として屈折率１．５のシリコーン樹脂を用いた。このときの、中心光度は２９０００ｃｄ、光源全光束は２０３ｌｍ、投影角度は約４．０°であった。なお、投影角度は、焦点距離が２０ｍｍのコリメートレンズにてＬＥＤチップからの照射光を平行光線に変換して投影したときの２５ｍ前方スクリーン上における大きさを角度で示すものである。
【００２６】
＜評価用サンプルｂ＞
図２（ｂ）の半導体発光装置１３０は、板状のセラミック基板１２４上にＬＥＤチップ１２１を搭載し、ＬＥＤチップ１２１およびセラミック基板１２４の一部は矩形形状の平面レンズ（透明樹脂レンズ）１３３にて覆われている。平面レンズ（透明樹脂レンズ）１３３はＬＥＤチップ１２１の全周側面および上面を覆っておりその表面は平坦面となっている。よって、ＬＥＤチップ１２１の半導体発光層１２２から放射する光は、平面レンズを通った後に外部に取り出される。このとき、ＬＥＤチップ１２１からセラミック基板１２４に対して垂直な方向に出射する光の成分は、透明樹脂レンズ１３３と大気との界面において殆ど反射することなく外部に取り出すことができる。一方、ＬＥＤチップ１２１から斜め方向に向かう光の成分は、一部は外部に取り出すことができるものの、前記界面にてスネルの法則に基づいて内面反射され、平面レンズ１３３内を導光して、繰り返し反射した後に一部のみが外部に出射する。平面レンズ１３３に用いた透明樹脂は評価用サンプルａと同一材料を用いた。このときの、中心光度は２７０００ｃｄ、光源全光束は９６ｌｍ、投影角度は約２．８°であった。
【００２７】
＜評価用サンプルｃ＞
図２（ｃ）の半導体発光装置１４０は、板状のセラミック基板１２４上にＬＥＤチップ１２１を搭載している。評価用サンプルｃの半導体発光装置１４０は、ＬＥＤチップ１２１およびセラミック基板１２４の一部を覆う透明樹脂レンズを形成していない。このときの、中心光度は４２０００ｃｄ、光源全光束は２００ｌｍ、投影角度は約２．８°であった。
【００２８】
上記した評価用サンプルａ〜ｃのいずれの場合においてもＬＥＤチップ１２１として同一の構造のものを使用し、同一条件にて点灯している。
半球状レンズ（評価用サンプルａ）から平面レンズ（評価用サンプルｂ）に変えることで、投影角度は約半分になり、中心光度も約半分に低下する。また、中心光度も低下している。なお、投影角度とはセラミック基板１２４に垂直な光軸を基準とした半導体発光装置により照射可能な角度をいう。一方、透明樹脂レンズを設けない場合（評価用サンプルｃ）には、半球状レンズ（評価用サンプルａ）に対し、中心光度は約１．５倍に増加し、光源光束に大きな変化がなかった。なお、投影角度は平面レンズを設けた場合に比べ小さくなるが、おおよそ等しい大きさであった。
【００２９】
これら評価用サンプルの検討から、半導体発光装置として透明樹脂レンズを設けない評価用サンプルｃが最も中心光度が高く明るく、かつ、投影光源像を小さくした光源ユニットを得られると考えられる。
【００３０】
また、灯具において反射面２２０と光源位置との関係は精度良く固定しなければならない。特に所望の配光パターンを形成する必要がある場合には、両者の位置精度は重要である。光源位置が反射面２２０の焦点位置とずれると狙い通りの配光特性が得られない。反射面２２０と半導体発光装置２１０を位置精度良く固定しても、レンズ作用を有する透明樹脂が存在すると、その実像位置にあわせた補正を反射面に適用しなければならない。しかしながら、第２焦点位置を保ったまま第１焦点位置を光路に応じて変えた反射面を設計するのは容易ではない。そこで、透明樹脂レンズを設けない構成、すなわち評価用サンプルｃと同様の構成を光源ユニット２１０とするのが良い。
【００３１】
そこで、前記した灯具２００において、光源ユニット２１０は前記評価用サンプルｃと同様な構成、すなわち、図３に示したように半導体発光層２１２上に拡散層２１４のみを有し拡散層２１４は空気層２５０と接するものとした。ＬＥＤチップ２１３は、サファイア基板上に結晶成長させることにより形成され、ｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層等を有し、ダブルヘテロ構造、量子井戸構造などとした発光層２１２を有す。半導体発光層２１２は、供給される電力に応じて、例えば３６０〜４２０ｎｍ程度の紫外線または短波長可視光線を発するものとされ、青色発光を行なうものが好適である。拡散層２１４は、例えば５０μｍ程度の粒子径を有する蛍光体、例えばＹＡＧをシリコーン樹脂またはエポキシ樹脂のバインダ中に高濃度に分散させて半導体発光層の上にのみ塗布形成する。これにより拡散層２１４は蛍光体にて波長変換するとともにＬＥＤからの照射光を一部拡散する。
【００３２】
図４は拡散層２１４として蛍光体粒子を分散した拡散層２１４を厚みを均一に設けた場合のチップ縦断面輝度分布である。図面からわかるようにＬＥＤチップ中心部を最大として周囲に行くほどなだらかに低下する輝度分布を示す。また、輝度分布の立ち上がりは急峻であり、急峻に立ち上がった後になだらかな分布を示している。これは拡散層２１４にて蛍光体粒子により波長変換された光およびされなかった光が拡散して照射されるので、チップ周囲ほど断面輝度が低下しているものと考えられる。なお図４において横軸はＬＥＤチップの縦断面における位置を中心を０ｍｍとした長さにて示すもので、縦軸は輝度を任意のスケールにて表したものである。なお、発光装置断面輝度分布が急峻な立ち上がりとは、断面における発光装置端部の外側近傍において輝度分布の変曲点を有する輝度分布をいい、明確な変曲点を有さないブロードな輝度分布を含まない。
【００３３】
透明樹脂レンズを半導体発光装置に設けない場合には、断面輝度分布において急峻な立ち上がりを示し、かつ、中心光度が高い。このような半導体発光装置２１１を用いた光源ユニット２１０とすることで、反射面２２０、特に光軸Ｌ１と交差する位置の反射面にて高い光度の光を利用することができ配光設計上好適である。なお、透明樹脂レンズを設けないとは、半導体発光層の側面を実質的に覆う透明樹脂レンズが存在せず、かつ、半導体発光層の発光面側を覆う大きなレンズ素子もしくは前記した導光作用を発揮する平面レンズが実質的に存在しないこと、すなわち評価用サンプルａおよび評価用サンプルｂのような透明樹脂レンズを設けた例を排除するものである。また、本実施の形態では、従来技術に記したような反射壁１１２も有していない。よって、反射面２２０の第１焦点位置と光源位置が、透明樹脂レンズを設けた評価用サンプルａを用いた場合のようにレンズ作用により、その実像位置と焦点位置が一致しない、といった不都合が生じることはない。
【００３４】
本実施の形態において半導体発光装置は中心光度が高く、光源光束も高いので、半導体発光装置２１１から照射される光を取扱う最初の光学部材、すなわち本実施形態における反射面２２０を小さくしても効率よく光を利用できることになる。従って光学系を小さなものとしても灯具全体の照度を高く保つことができる。また、投影レンズ２４０も小さくすることができるので灯具全体の軽量化も図ることができる。さらに、光束の高い光軸方向の光を制御するにあたり透明樹脂レンズが介在していないのでレンズ効果による屈折を考慮する必要がなく、反射面の設計が容易になり、総じてコスト低減を図ることができる。
【００３５】
＜第２の実施の形態＞
図５および図６は本発明の第２の実施態様に係る灯具３００を示すもので、図５が概略断面図、図６は分解斜視図である。本実施形態の灯具３００は、例えば車両用のフロントフォグランプであり、図５に示すように、光源ユニット３１０、投影レンズ３４０等を備えたダイレクトプロジェクション方式の灯具である。本実施の形態においては投影レンズ３４０が本発明の光学部材に該当する投影光学系である。
【００３６】
光源ユニット３１０は、半導体発光装置３１１を有する。半導体発光装置３１１は、本発明における半導体発光層と、半導体発光層上に設けた蛍光体粒子を含有する拡散層を有する。半導体発光層および拡散層は第１の実施の形態と同一であるので、ここでの説明は省略する。半導体発光装置３１１は、金属製のヒートシンクを一体に設けた台座３１３上に図示しない絶縁性のセラミック基板を介して搭載される。
【００３７】
台座３１３は、ベースプレート３０４と位置調整可能にネジ３０５にて固定され、ベースプレート３０４が位置調整ネジ３０６にて投影レンズホルダ３０２と固定される。投影レンズホルダ３０２には非球面投影レンズ３４０が配設されている。
【００３８】
投影レンズ３４０は、その焦点が半導体発光装置３１１上に位置するようにし、また、半導体発光装置３１１の光軸と投影レンズ３４０の光軸は一致させる。これにより半導体発光装置３１１からの光を投影することができる。投影レンズ３４０と半導体発光装置３１１の間には空気層３５０が介在しており半導体発光装置３１１には、第１の実施の形態と同様に透明樹脂レンズが設けられていない。よって、投影レンズの焦点位置と光源位置を容易に光学的に位置合わせすることができる。また、最も中心光度が高い光軸と投影レンズの光軸とを一致させているので、灯具３００の中心光度を高くすることができる。
【００３９】
＜第３の実施の形態＞
図７は本発明の第３の実施態様に係る灯具４００の構成の一例を示す概略断面図である。本実施形態の灯具４００は、例えば車両用のすれ違いヘッドランプであり、図８に示すような配光パターンを照射する。光源ユニット４１０、反射面４４０等を備えた反射方式の灯具である。本実施の形態においては反射面４４０が本発明の光学部材に該当する。
【００４０】
光源ユニット４１０は、半導体発光装置４１１を有する。半導体発光装置４１１は、本発明における半導体発光層と、半導体発光層上に設けた蛍光体粒子を含有する拡散層を備える。半導体発光層および拡散層は第１の実施の形態と同一であるので、ここでの説明は省略する。半導体発光装置４１１は、セラミック基板４１５の一方の表面上にＬＥＤチップ４１３が搭載される。セラミック基板４１５の一方の表面上には図示しない給電用の配線が金属メッキなどにより形成されており、半導体発光層４１２と電気的に接続する。またセラミック基板の他方の表面側にはヒートシンク４１６が設けられている。また、光軸Ｘが下向き、図８における下方に向かって照射するものとすることで、光源ユニット４１０の発光部、すなわちＬＥＤチップ４１３が外部から視認され難いものとしている。
【００４１】
反射面４２０は、本発明における光学部材である。反射面４２０は前記光軸Ｘと交差する位置に設けられ、反射面４２０と光源ユニット４１０の間には空気層４５０が存在する。また、前記反射面４２０は、ＬＥＤチップ４１３の発光面上、より具体的には前記ＬＥＤチップの反射面４２０と反対側のＬＥＤチップ表面端部もしくはその近傍に焦点Ｆを有する回転放物面系の反射面もしくは回転放物面を基礎とした所謂自由曲面またはこれらの複合反射面とされている。これにより半導体発光装置４１１の焦点Ｆから放射された光線Ｌ２（図８において実線にて示す）は、水平方向に向かって照射する。また、焦点より反射面４２０寄りに位置するＬＥＤチップ表面端部から出射した光線Ｌ３（図面上にて点線にて示す）は、下向き光となって灯具投影方向に向かって反射される。これにより発光層から光軸Ｘ方向に向かって照射された光束の高い光は、光線Ｌ２およびＬ３とされ、水平線よりも下方に向かって反射するものとされる。これにより水平線より上方に向かう所謂グレア光が生じないようにされるとともに、所望のカットラインを有する配光特性が得られる。なお、図６において符号５００で示すものは灯具４００の照射方向前方に設けたスクリーンである。
【００４２】
図８はスクリーン５００上に照射された配光パターンを示す。スクリーン５００は灯具照射方向前方、例えば１０ｍ前方に設けて配光パターンを確認するためのものである。すなわちスクリーンは灯具を構成するものではない。よって、スクリーン５００が本発明における仮想スクリーンに相当する。
スクリーン５００上において灯具４００の光軸を通る水平面との交線をＨ軸、光軸を通る垂直面との交線をＶ軸として表している。すれ違い配光のパターンはＨ軸上もしくはＨ軸より僅かに下側に水平カットオフラインＣＬ１と水平に対して１５°斜め方向の斜めカットラインＣＬ２が形成されている。また、Ｈ軸とＶ軸の交点近傍のＨ軸より下側の領域が最も明るいものとしている。
【００４３】
上記すれ違い配光パターンを形成するためには、反射面４２０を複数のエリアに分割し、各々の領域における反射方向を調整することにより、かかる配光パターンを形成するのが好適である。本実施の形態では反射面４２０を焦点Ｆとした回転楕円面を基本とした多数の自由曲面からなる複合反射面とした。そのため反射面４２０における各々の反射領域毎に反射面が異なり、各々の領域が焦点Ｆを有するものではない。しかしながら、反射面４２０全体として単一の焦点Ｆと近似して捉えることができ、このような反射面も本発明に係る焦点を有する光学部材に含まれる。
【００４４】
図８のような配光パターンを得るためには、反射面４２０に設けた各々の反射領域によりＬＥＤチップ４１３の発光層像を投影反射し、かかる投影像を合成することで所定の配光パターンを得るようにするのが好適である。図９は、スクリーン５００上に投影した発光層像の合成例を示す。図９に示すように異なる反射領域からの光を発光層の大きさが異なるようにして複数重ね合わせることで所望の配光特性とすることができ好適である。図９のような配光パターンを発光層像を重ね合わせて合成するためには、中心光度の高い光源を用いると明るい灯具とすることができる。また、断面輝度分布が急峻な光源を用い、半導体発光装置の光軸と交差する発光層と平行な平面方向への光照射が小さいものを用いると反射面を小さくすることができる。すなわち光源ユニットと反射面との距離を小さくした小型化した灯具とすることができ好適である。なお、図９において符号Ｐ１およびＰ１’は多数の反射領域により投影反射された発光層像を模式的に示すものである。
【００４５】
＜第４の実施の形態＞
前記した第１の実施の形態の灯具において、本発明に係る半導体発光装置として、半導体発光層上に設ける拡散層を、蛍光体粒子を含有するものに変えて、ガラスビーズなどの拡散作用のある拡散粒子を含有するものとした。それ以外は前記第１の実施の形態と同一とした。これにより発光色は青色の灯具が得られる。
【００４６】
＜第５の実施の形態＞
前記した第１の実施の形態の灯具において、本発明に係る半導体発光装置として、半導体発光層上に設ける拡散層として、蛍光体粒子を含有するシリコーン樹脂を半導体発光層上に形成した。その際に拡散層の表面形状として凹凸形状とし、拡散層が小さなプリズムを多数設けた場合と同様の微小プリズム面とした。それ以外は前記第１の実施の形態と同一とした。これによりチップ断面輝度分布は異なるものとなるものの、急峻な立ち上がりを有するＬＥＤ光源を得ることができた。またかかる光源を用いた場合においても、同様に中心光度の高いＬＥＤ光源を用いた灯具が得られた。
【００４７】
上記実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎない。これらの記載によって本発明は限定的に解釈されるものではない。例えば、拡散層として蛍光体粒子およびガラスビーズの双方を分散させたものを用いたが、蛍光体粒子を公知の電気泳動法を用いて半導体発光層上に積層しバインダ樹脂を含まないものとする。拡散層表面にガラス製のマイクロビーズを離散的に配設した光源なども本発明に包含される。
本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく他の様々な形で実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
ＬＥＤ光源と反射面もしくは投影レンズからなる光学部材との間に半導体発光層よりも広い面積のレンズ作用を有する透明樹脂レンズを供えていないので、所望の配光特性とする灯具の設計を比較的容易に行なうことができ、建築用照明、サーチライトなどの集光型投光器を始め、ヘッドランプやフォグランプなどの照明用車両用灯具、スポット照明用光源などの一般照明の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００４９】
９０ プロジェクタ型ランプ（車両用灯具）
９１ 回転楕円反射面の反射鏡
９２ シェード
９３ 投影レンズ
９４ ＬＥＤ光源
１００ ＬＥＤ光源
１０１ ＬＥＤチップ
１０２ ドーム型の透明樹脂
１１０ ＬＥＤ光源
１１１、１２１、２１３，４１３ ＬＥＤチップ
１１２ 透明樹脂
１１３ 反射壁
１２０、１３０、２１１、３１１、４１１ 半導体発光装置
１２２、２１２ 半導体発光層
１２３、１３３、２１５，４１５ 透明樹脂レンズ
１２４ セラミック基板
２００、３００ 灯具
２１０，３１０、４１０ 光源ユニット
２１４ 拡散層
２１６，４１６ ヒートシンク
２２０，４２０，４４０ 反射面
２３０ シェード
２４０ 投影レンズ
２５０，３５０、４５０ 空気層
３１３ 台座
３０２ 投影レンズホルダ
３０４ ベースプレート
５００ スクリーン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、灯具に係り、特に車両用信号灯具や車両用信号灯具以外の一般照明などに適用可能な半導体発光装置を用いた灯具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地球温暖化、環境意識の高まりから白熱電球に換えて低消費電力な半導体発光装置、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた照明装置などの灯具が実用化されている。この種のＬＥＤを光源として用いた車両用灯具として、例えば特許文献１がある。
【０００３】
特許文献１に記載の車両用灯具９０は、図１０に示すようにＬＥＤを光源とするプロジェクタ型ランプ９０として、例えばＬＥＤ光源９４と、回転楕円反射面系の反射鏡９１と、シェード９２と投影レンズ９３とを備え、反射鏡９１の第一焦点にＬＥＤ光源９４を配置し第二焦点をシェード上とし、第二焦点を投影レンズ９３の焦点と一致させた構成としている。符号９５は投影レンズホルダ、符号９６は光線、符号Ｘは光軸を示す。
【０００４】
ＬＥＤ光源９４は、ランバーシアン分布を示している。そのためこれを光源とした灯具においては、面発光によるランバーシアン分布となり、例えば水平方向正面に照度の最高値が出にくい等の配光形成上の問題点が特性が出にくいなどの配光形成上の問題を有することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−６１９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願発明者等は、上記した配光形成上の問題点を解決するため、前記した車両用灯具９０において、ＬＥＤ光源９４として種々の形態のＬＥＤ光源とした場合について検討した。
【０００７】
図１１は、発明者等が検討した種々の形態のＬＥＤ光源を車両用灯具に適用した場合の代表例を模式的に示す図である。図１１（ａ）はいわゆる砲弾型と称されるドーム型の透明樹脂１０２にてＬＥＤチップ１０１をモールドしたＬＥＤ光源１００を用いた場合、図１１（ｂ）は面実装型ＬＥＤとして実用化されている白色樹脂からなる反射壁１１３を有するもので、反射壁１１３内にＬＥＤチップ１１１を配設し、それらを透明樹脂１１２にて覆ったＬＥＤ光源１１０である。なお、このとき検討したＬＥＤチップは、同じ半導体素子構造のＧａＮ系の面発光型の青色ＬＥＤであり、同一面積のものを用いた。また、発光面の上にのみイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系の蛍光体層を設けたものを用いた。また、透明樹脂はエポキシ樹脂を用いた。
【０００８】
図１１（ａ）の砲弾型のＬＥＤ光源１００を上記したプロジェクタ型ランプ９０に適用した場合には、ドーム型の透明樹脂モールド１０２によるレンズ効果によりＬＥＤチップ１０１の実像位置と反射鏡９１の第一焦点位置が所定の設定位置からずれてしまい、所望の配光特性を得るのが困難となった。図１１（ｂ）の面実装型ＬＥＤの場合には、ドーム型の透明樹脂モールド１０２のようなレンズ効果による屈折作用が生じての影響は小さかったものの反射壁１１３による反射光とＬＥＤチップ１１１からの直接光あることから反射鏡９１の第一焦点位置が所定の設定位置がずれてしまい、所望の配光特性を得るのが困難となった。
【０００９】
本願発明はこれらの検討に鑑みてなされたものであり、ドーム型の透明樹脂モールドを設けた場合および反射壁内において透明樹脂にて覆った場合のＬＥＤ光源を光源した場合に比べて、所望の配光特性を設計し易いＬＥＤ光源を用いた灯具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、発光面に対し交差する方向に光軸を有する半導体発光層と、前記発光層の発光面上に設けた少なくとも波長変換粒子もしくは拡散粒子を含有する拡散層とを有する半導体発光装置と、前記半導体発光装置の発光面もしくはその近傍に一つ以上の焦点を有する投影レンズ若しくは反射面を有する光学部材を備えた灯具であって、前記灯具は、灯具照射方向前方に設けた仮想スクリーンに照射したときに仮想スクリーン上に前記発光面が配列することで所定の配光特性を有するように前記半導体発光装置の光路を調整する前記レンズもしくは反射面を有する光学部材が配設され、前記拡散層は、発光面の平行な方向に延在する導光層を有さないで空気層もしくは微小レンズ素子群を介して空気層と接しており、前記半導体発光装置は、前記拡散層を通って照射する配光特性が前記光軸を通る発光装置断面輝度分布が急峻な立ち上がりを示し、
前記光学部材は、前記半導体発光層の光軸と交差する位置に配設され、光学部材の少なくとも一つの焦点が前記発光面の端部もしくは中央部またはそれらの近傍に配設している、ことを特徴とする灯具を提供する。
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、灯具からの照射光は、半導体発光装置から照射される光のうち輝度の高い半導体発光素子の正面の光を有効に利用することができる。また、半導体発光装置からの照射光を光学部材により所望の配光特性をなすようにする際に、光源となる半導体発光装置の位置がレンズ効果により屈折することがないので配光設計を容易に行なうことができる。また、透明樹脂を充填する反射壁もないので発光面の大きさを小さくして設計することができ、投影レンズなどの光学部材を小型のものとすることができ得る。従って、灯具全体の小型化を図ることができ得る。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、所望の配光特性を得るための設計作業を、透明樹脂レンズを介する場合に比べて容易にすることが出来、総じて灯具のコストを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態である灯具の模式的な断面図である。
【図２】図２は、評価用サンプルａ〜ｃの半導体発光装置を示す概略断面図である。（ａ）が評価用サンプルａ、（ｂ）が評価用サンプルｂ、（ｃ）が評価用サンプルｃを示す。
【図３】図１に示した灯具に用いる光源ユニットの概略断面図である。
【図４】本発明の実施形態に用いるＬＥＤのチップ縦断面輝度分布を説明するための図である。
【図５】本発明に係る第２の実施の形態である灯具の縦断面図である。
【図６】本発明に係る第２の実施の形態である灯具の分解斜視図である。。
【図７】本発明に係る第３の実施の形態である灯具の模式的な縦断面図である。
【図８】本発明に係る第３の実施の形態である灯具による配光パターンを説明する平面図である。
【図９】図８の配光パターンを形成する光源像を模式的に示した配光パターン説明図である。
【図１０】従来のプロジェクター型前照灯を示す縦断面図である。
【図１１】従来のプロジェクター型前照灯においてＬＥＤ光源を透明樹脂モールドを有するＬＥＤとした検討例を説明する模式的な断面図。（ａ）が砲弾型ＬＥＤ光源を用いた場合、（ｂ）が反射壁を有する面実装型ＬＥＤ光源を用いた場合である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態である灯具について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
以下の実施の形態では、投影光学系として反射およびと投影レンズを組合わせた光学系と、投影レンズのみを用いた光学系の２種類の実施の形態について説明し、反射光学系として反射面を用いた１種類の実施の形態について説明する。また、各々の光学系とした灯具において、特にことわりのない限り、光源は半導体発光装置、具体的には発光ダイオードを用いた白色光とした光源を用いた例にて説明する。
【００１６】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施態様に係る灯具２００の構成の一例を示す概略断面図である。本実施形態の灯具２００は、例えばすれ違いビーム用の車両用のヘッドランプであり、図１に示すように、光源ユニット２１０、反射面２２０、シェード２３０、投影レンズ２４０等を備えている。反射面２２０、シェード２３０、投影レンズ２４０が投影光学系に相当し、光源からの光を最初に捉える反射面２２０が本発明の光学部材に該当する。図３は光源ユニット２１０の概略断面図である。
【００１７】
光源ユニット２１０は、図３に示すように半導体発光装置２１１を有する。半導体発光装置２１１は、本発明における半導体発光層２１２と、半導体発光層２１２上に設けた蛍光体粒子を含有する拡散層２１４を有する。半導体発光層２１２は、例えばＧａＮ系の青色半導体発光層でありサファイア基板の上にエピタキシャル成長される。半導体発光層２１２を有するＬＥＤチップ２１３は半導体発光層と垂直な方向に向かって光出射する。拡散層２１４は、ＬＥＤチップ２１３上に蛍光体粒子を塗布もしくは蛍光体粒子分散溶液を塗布することで形成される。なお、半導体発光装置２１１については後に詳細に説明する。半導体発光装置２１１は、セラミック基板２１５の一方の表面上に搭載される。セラミック基板２１５上には図示しない給電用の配線が金属メッキなどにより形成されており、半導体発光層２１２と電気的に接続する。またセラミック基板の他方の表面側、図３において下方側、には半導体発光装置２１１から生じる発熱を放熱するためのヒートシンク２１６が設けられている。また、半導体発光層２１２の光軸Ｘは図１に示すように番線方向に対して後ろ側に傾斜するように配設される。
【００１８】
反射面２２０は、本発明における光学部材である。反射面２２０は前記光軸Ｘと交差する位置に設けられ反射面２２０と光源ユニット２１０の間には空気層２５０が存在する。また、前記反射面２２０は、第１焦点を半導体発光装置２１１の発光面上もしくはその近傍、より具体的には、前記発光層２１２の反射面側の表面端部もしくは中央部またはそれらの近傍とし、第２焦点をシェード２３０上の近傍とした回転楕円放物面系の反射面とされている。これにより半導体発光装置２１１から放射された光Ｌ１はシェード２３０近傍の第２焦点に向かって反射する。
【００１９】
シェード２３０は、黒色とした金属材料などからなり反射面２２０の第２焦点近傍に設けられる。シェード２３０にて、投影方向前方に設けたスクリーン上において法規にて定められたすれ違いビームの配光パターンとなるように一部の光を遮光する。なお、灯具２００を複数個用い、それら複数個の灯具による配光パターンを合成して車両用灯具のすれ違い配光パターンを形成する場合には、シェード２３０の形状はすれ違い配光パターンの一部をなすように適宜調整される。
【００２０】
投影レンズ２４０は反射面２２０にて反射された光を投影方向前方に向かって照射する半球状の非球面レンズであり、ガラスもしくはアクリルなどの透明樹脂により形成される。また、その焦点位置は前記第２焦点位置と一致して設ける。
【００２１】
本例によれば、光源としてＬＥＤ光源ユニットを用いることにより、灯具を小型化することができる。また、所望の配光特性を設計し易いＬＥＤ光源ユニットを用いた灯具とすることができる。
【００２２】
本実施の形態において、半導体発光装置２１１には透明樹脂レンズを形成していず、半導体発光層２１２上に拡散層２１４を有するのみの構成とされている。そして拡散層２１４が空気層２５０と接している。この透明樹脂レンズを有さない半導体発光装置２１１について詳述する。
【００２３】
まず、半導体発光装置に設ける透明樹脂レンズの作用を検討するために、評価用サンプルａ〜評価用サンプルｃを作成して半導体発光装置に設ける透明樹脂レンズの形態の違いによる影響を別途検討した。
【００２４】
図２は評価用の半導体発光装置を示す概略断面図であり、図２（ａ）は透明樹脂からなる半球状レンズを設けた評価用サンプルａ、図２（ｂ）は透明樹脂からなる平面レンズを設けた評価用サンプルｂ、図２（ｃ）は透明樹脂からなるレンズを設けなかった評価用サンプルｃを示す。
【００２５】
＜評価用サンプルａ＞
図２（ａ）の半導体発光装置１２０は、板状のセラミック基板１２４上にＬＥＤチップ１２１を搭載し、ＬＥＤチップ１２１およびセラミック基板１２４の一部はＬＥＤチップ１２１の中央を中心とした半球状の透明樹脂レンズ１２３にて、ＬＥＤチップ１２１の上面および側面の全てが覆われている。透明樹脂レンズ１２３は半球状をなしているので、ＬＥＤチップ１２１の半導体発光層１２２から放射する光は半球状の透明樹脂レンズ１２３を通った後、外部となる大気（空気層）との界面において殆ど反射することなく外部に取り出すことができる。なお、セラミック基板１２４上には図示しない給電用の一対の電極ラインがメッキ等により配設されている。透明樹脂として屈折率１．５のシリコーン樹脂を用いた。このときの、中心光度は２９０００ｃｄ、光源全光束は２０３ｌｍ、投影角度は約４．０°であった。なお、投影角度は、焦点距離が２０ｍｍのコリメートレンズにてＬＥＤチップからの照射光を平行光線に変換して投影したときの２５ｍ前方スクリーン上における大きさを角度で示すものである。
【００２６】
＜評価用サンプルｂ＞
図２（ｂ）の半導体発光装置１３０は、板状のセラミック基板１２４上にＬＥＤチップ１２１を搭載し、ＬＥＤチップ１２１およびセラミック基板１２４の一部は矩形形状の平面レンズ（透明樹脂レンズ）１３３にて覆われている。平面レンズ（透明樹脂レンズ）１３３はＬＥＤチップ１２１の全周側面および上面を覆っておりその表面は平坦面となっている。よって、ＬＥＤチップ１２１の半導体発光層１２２から放射する光は、平面レンズを通った後に外部に取り出される。このとき、ＬＥＤチップ１２１からセラミック基板１２４に対して垂直な方向に出射する光の成分は、透明樹脂レンズ１３３と大気との界面において殆ど反射することなく外部に取り出すことができる。一方、ＬＥＤチップ１２１から斜め方向に向かう光の成分は、一部は外部に取り出すことができるものの、前記界面にてスネルの法則に基づいて内面反射され、平面レンズ１３３内を導光して、繰り返し反射した後に一部のみが外部に出射する。平面レンズ１３３に用いた透明樹脂は評価用サンプルａと同一材料を用いた。このときの、中心光度は２７０００ｃｄ、光源全光束は９６ｌｍ、投影角度は約２．８°であった。
【００２７】
＜評価用サンプルｃ＞
図２（ｃ）の半導体発光装置１４０は、板状のセラミック基板１２４上にＬＥＤチップ１２１を搭載している。評価用サンプルｃの半導体発光装置１４０は、ＬＥＤチップ１２１およびセラミック基板１２４の一部を覆う透明樹脂レンズを形成していない。このときの、中心光度は４２０００ｃｄ、光源全光束は２００ｌｍ、投影角度は約２．８°であった。
【００２８】
上記した評価用サンプルａ〜ｃのいずれの場合においてもＬＥＤチップ１２１として同一の構造のものを使用し、同一条件にて点灯している。
半球状レンズ（評価用サンプルａ）から平面レンズ（評価用サンプルｂ）に変えることで、投影角度は約半分になり、中心光度も約半分に低下する。また、中心光度も低下している。なお、投影角度とはセラミック基板１２４に垂直な光軸を基準とした半導体発光装置により照射可能な角度をいう。一方、透明樹脂レンズを設けない場合（評価用サンプルｃ）には、半球状レンズ（評価用サンプルａ）に対し、中心光度は約１．５倍に増加し、光源光束に大きな変化がなかった。なお、投影角度は平面レンズを設けた場合に比べ小さくなるが、おおよそ等しい大きさであった。
【００２９】
これら評価用サンプルの検討から、半導体発光装置として透明樹脂レンズを設けない評価用サンプルｃが最も中心光度が高く明るく、かつ、投影光源像を小さくした光源ユニットを得られると考えられる。
【００３０】
また、灯具において反射面２２０と光源位置との関係は精度良く固定しなければならない。特に所望の配光パターンを形成する必要がある場合には、両者の位置精度は重要である。光源位置が反射面２２０の焦点位置とずれると狙い通りの配光特性が得られない。反射面２２０と半導体発光装置２１０を位置精度良く固定しても、レンズ作用を有する透明樹脂が存在すると、その実像位置にあわせた補正を反射面に適用しなければならない。しかしながら、第２焦点位置を保ったまま第１焦点位置を光路に応じて変えた反射面を設計するのは容易ではない。そこで、透明樹脂レンズを設けない構成、すなわち評価用サンプルｃと同様の構成を光源ユニット２１０とするのが良い。
【００３１】
そこで、前記した灯具２００において、光源ユニット２１０は前記評価用サンプルｃと同様な構成、すなわち、図３に示したように半導体発光層２１２上に拡散層２１４のみを有し拡散層２１４は空気層２５０と接するものとした。ＬＥＤチップ２１３は、サファイア基板上に結晶成長させることにより形成され、ｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層等を有し、ダブルヘテロ構造、量子井戸構造などとした発光層２１２を有す。半導体発光層２１２は、供給される電力に応じて、例えば３６０〜４２０ｎｍ程度の紫外線または短波長可視光線を発するものとされ、青色発光を行なうものが好適である。拡散層２１４は、例えば５０μｍ程度の粒子径を有する蛍光体、例えばＹＡＧをシリコーン樹脂またはエポキシ樹脂のバインダ中に高濃度に分散させて半導体発光層の上にのみ塗布形成する。これにより拡散層２１４は蛍光体にて波長変換するとともにＬＥＤからの照射光を一部拡散する。
【００３２】
図４は拡散層２１４として蛍光体粒子を分散した拡散層２１４を厚みを均一に設けた場合のチップ縦断面輝度分布である。図面からわかるようにＬＥＤチップ中心部を最大として周囲に行くほどなだらかに低下する輝度分布を示す。また、輝度分布の立ち上がりは急峻であり、急峻に立ち上がった後になだらかな分布を示している。これは拡散層２１４にて蛍光体粒子により波長変換された光およびされなかった光が拡散して照射されるので、チップ周囲ほど断面輝度が低下しているものと考えられる。なお図４において横軸はＬＥＤチップの縦断面における位置を中心を０ｍｍとした長さにて示すもので、縦軸は輝度を任意のスケールにて表したものである。なお、発光装置断面輝度分布が急峻な立ち上がりとは、断面における発光装置端部の外側近傍において輝度分布の変曲点を有する輝度分布をいい、明確な変曲点を有さないブロードな輝度分布を含まない。
【００３３】
透明樹脂レンズを半導体発光装置に設けない場合には、断面輝度分布において急峻な立ち上がりを示し、かつ、中心光度が高い。このような半導体発光装置２１１を用いた光源ユニット２１０とすることで、反射面２２０、特に光軸Ｌ１と交差する位置の反射面にて高い光度の光を利用することができ配光設計上好適である。なお、透明樹脂レンズを設けないとは、半導体発光層の側面を実質的に覆う透明樹脂レンズが存在せず、かつ、半導体発光層の発光面側を覆う大きなレンズ素子もしくは前記した導光作用を発揮する平面レンズが実質的に存在しないこと、すなわち評価用サンプルａおよび評価用サンプルｂのような透明樹脂レンズを設けた例を排除するものである。また、本実施の形態では、従来技術に記したような反射壁１１２も有していない。よって、反射面２２０の第１焦点位置と光源位置が、透明樹脂レンズを設けた評価用サンプルａを用いた場合のようにレンズ作用により、その実像位置と焦点位置が一致しない、といった不都合が生じることはない。
【００３４】
本実施の形態において半導体発光装置は中心光度が高く、光源光束も高いので、半導体発光装置２１１から照射される光を取扱う最初の光学部材、すなわち本実施形態における反射面２２０を小さくしても効率よく光を利用できることになる。従って光学系を小さなものとしても灯具全体の照度を高く保つことができる。また、投影レンズ２４０も小さくすることができるので灯具全体の軽量化も図ることができる。さらに、光束の高い光軸方向の光を制御するにあたり透明樹脂レンズが介在していないのでレンズ効果による屈折を考慮する必要がなく、反射面の設計が容易になり、総じてコスト低減を図ることができる。
【００３５】
＜第２の実施の形態＞
図５および図６は本発明の第２の実施態様に係る灯具３００を示すもので、図５が概略断面図、図６は分解斜視図である。本実施形態の灯具３００は、例えば車両用のフロントフォグランプであり、図５に示すように、光源ユニット３１０、投影レンズ３４０等を備えたダイレクトプロジェクション方式の灯具である。本実施の形態においては投影レンズ３４０が本発明の光学部材に該当する投影光学系である。
【００３６】
光源ユニット３１０は、半導体発光装置３１１を有する。半導体発光装置３１１は、本発明における半導体発光層と、半導体発光層上に設けた蛍光体粒子を含有する拡散層を有する。半導体発光層および拡散層は第１の実施の形態と同一であるので、ここでの説明は省略する。半導体発光装置３１１は、金属製のヒートシンクを一体に設けた台座３１３上に図示しない絶縁性のセラミック基板を介して搭載される。
【００３７】
台座３１３は、ベースプレート３０４と位置調整可能にネジ３０５にて固定され、ベースプレート３０４が位置調整ネジ３０６にて投影レンズホルダ３０２と固定される。投影レンズホルダ３０２には非球面投影レンズ３４０が配設されている。
【００３８】
投影レンズ３４０は、その焦点が半導体発光装置３１１上に位置するようにし、また、半導体発光装置３１１の光軸と投影レンズ３４０の光軸は一致させる。これにより半導体発光装置３１１からの光を投影することができる。投影レンズ３４０と半導体発光装置３１１の間には空気層３５０が介在しており半導体発光装置３１１には、第１の実施の形態と同様に透明樹脂レンズが設けられていない。よって、投影レンズの焦点位置と光源位置を容易に光学的に位置合わせすることができる。また、最も中心光度が高い光軸と投影レンズの光軸とを一致させているので、灯具３００の中心光度を高くすることができる。
【００３９】
＜第３の実施の形態＞
図７は本発明の第３の実施態様に係る灯具４００の構成の一例を示す概略断面図である。本実施形態の灯具４００は、例えば車両用のすれ違いヘッドランプであり、図８に示すような配光パターンを照射する。光源ユニット４１０、反射面４４０等を備えた反射方式の灯具である。本実施の形態においては反射面４４０が本発明の光学部材に該当する。
【００４０】
光源ユニット４１０は、半導体発光装置４１１を有する。半導体発光装置４１１は、本発明における半導体発光層と、半導体発光層上に設けた蛍光体粒子を含有する拡散層を備える。半導体発光層および拡散層は第１の実施の形態と同一であるので、ここでの説明は省略する。半導体発光装置４１１は、セラミック基板４１５の一方の表面上にＬＥＤチップ４１３が搭載される。セラミック基板４１５の一方の表面上には図示しない給電用の配線が金属メッキなどにより形成されており、半導体発光層４１２と電気的に接続する。またセラミック基板の他方の表面側にはヒートシンク４１６が設けられている。また、光軸Ｘが下向き、図８における下方に向かって照射するものとすることで、光源ユニット４１０の発光部、すなわちＬＥＤチップ４１３が外部から視認され難いものとしている。
【００４１】
反射面４２０は、本発明における光学部材である。反射面４２０は前記光軸Ｘと交差する位置に設けられ、反射面４２０と光源ユニット４１０の間には空気層４５０が存在する。また、前記反射面４２０は、ＬＥＤチップ４１３の発光面上、より具体的には前記ＬＥＤチップの反射面４２０と反対側のＬＥＤチップ表面端部もしくはその近傍に焦点Ｆを有する回転放物面系の反射面もしくは回転放物面を基礎とした所謂自由曲面またはこれらの複合反射面とされている。これにより半導体発光装置４１１の焦点Ｆから放射された光線Ｌ２（図８において実線にて示す）は、水平方向に向かって照射する。また、焦点より反射面４２０寄りに位置するＬＥＤチップ表面端部から出射した光線Ｌ３（図面上にて点線にて示す）は、下向き光となって灯具投影方向に向かって反射される。これにより発光層から光軸Ｘ方向に向かって照射された光束の高い光は、光線Ｌ２およびＬ３とされ、水平線よりも下方に向かって反射するものとされる。これにより水平線より上方に向かう所謂グレア光が生じないようにされるとともに、所望のカットラインを有する配光特性が得られる。なお、図６において符号５００で示すものは灯具４００の照射方向前方に設けたスクリーンである。
【００４２】
図８はスクリーン５００上に照射された配光パターンを示す。スクリーン５００は灯具照射方向前方、例えば１０ｍ前方に設けて配光パターンを確認するためのものである。すなわちスクリーンは灯具を構成するものではない。よって、スクリーン５００が本発明における仮想スクリーンに相当する。
スクリーン５００上において灯具４００の光軸を通る水平面との交線をＨ軸、光軸を通る垂直面との交線をＶ軸として表している。すれ違い配光のパターンはＨ軸上もしくはＨ軸より僅かに下側に水平カットオフラインＣＬ１と水平に対して１５°斜め方向の斜めカットラインＣＬ２が形成されている。また、Ｈ軸とＶ軸の交点近傍のＨ軸より下側の領域が最も明るいものとしている。
【００４３】
上記すれ違い配光パターンを形成するためには、反射面４２０を複数のエリアに分割し、各々の領域における反射方向を調整することにより、かかる配光パターンを形成するのが好適である。本実施の形態では反射面４２０を焦点Ｆとした回転楕円面を基本とした多数の自由曲面からなる複合反射面とした。そのため反射面４２０における各々の反射領域毎に反射面が異なり、各々の領域が焦点Ｆを有するものではない。しかしながら、反射面４２０全体として単一の焦点Ｆと近似して捉えることができ、このような反射面も本発明に係る焦点を有する光学部材に含まれる。
【００４４】
図８のような配光パターンを得るためには、反射面４２０に設けた各々の反射領域によりＬＥＤチップ４１３の発光層像を投影反射し、かかる投影像を合成することで所定の配光パターンを得るようにするのが好適である。図９は、スクリーン５００上に投影した発光層像の合成例を示す。図９に示すように異なる反射領域からの光を発光層の大きさが異なるようにして複数重ね合わせることで所望の配光特性とすることができ好適である。図９のような配光パターンを発光層像を重ね合わせて合成するためには、中心光度の高い光源を用いると明るい灯具とすることができる。また、断面輝度分布が急峻な光源を用い、半導体発光装置の光軸と交差する発光層と平行な平面方向への光照射が小さいものを用いると反射面を小さくすることができる。すなわち光源ユニットと反射面との距離を小さくした小型化した灯具とすることができ好適である。なお、図９において符号Ｐ１およびＰ１’は多数の反射領域により投影反射された発光層像を模式的に示すものである。
【００４５】
＜第４の実施の形態＞
前記した第１の実施の形態の灯具において、本発明に係る半導体発光装置として、半導体発光層上に設ける拡散層を、蛍光体粒子を含有するものに変えて、ガラスビーズなどの拡散作用のある拡散粒子を含有するものとした。それ以外は前記第１の実施の形態と同一とした。これにより発光色は青色の灯具が得られる。
【００４６】
＜第５の実施の形態＞
前記した第１の実施の形態の灯具において、本発明に係る半導体発光装置として、半導体発光層上に設ける拡散層として、蛍光体粒子を含有するシリコーン樹脂を半導体発光層上に形成した。その際に拡散層の表面形状として凹凸形状とし、拡散層が小さなプリズムを多数設けた場合と同様の微小プリズム面とした。それ以外は前記第１の実施の形態と同一とした。これによりチップ断面輝度分布は異なるものとなるものの、急峻な立ち上がりを有するＬＥＤ光源を得ることができた。またかかる光源を用いた場合においても、同様に中心光度の高いＬＥＤ光源を用いた灯具が得られた。
【００４７】
上記実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎない。これらの記載によって本発明は限定的に解釈されるものではない。例えば、拡散層として蛍光体粒子およびガラスビーズの双方を分散させたものを用いたが、蛍光体粒子を公知の電気泳動法を用いて半導体発光層上に積層しバインダ樹脂を含まないものとする。拡散層表面にガラス製のマイクロビーズを離散的に配設した光源なども本発明に包含される。
本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく他の様々な形で実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
ＬＥＤ光源と反射面もしくは投影レンズからなる光学部材との間に半導体発光層よりも広い面積のレンズ作用を有する透明樹脂レンズを供えていないので、所望の配光特性とする灯具の設計を比較的容易に行なうことができ、建築用照明、サーチライトなどの集光型投光器を始め、ヘッドランプやフォグランプなどの照明用車両用灯具、スポット照明用光源などの一般照明の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００４９】
９０ プロジェクタ型ランプ（車両用灯具）
９１ 回転楕円反射面の反射鏡
９２ シェード
９３ 投影レンズ
９４ ＬＥＤ光源
１００ ＬＥＤ光源
１０１ ＬＥＤチップ
１０２ ドーム型の透明樹脂
１１０ ＬＥＤ光源
１１１、１２１、２１３，４１３ ＬＥＤチップ
１１２ 透明樹脂
１１３ 反射壁
１２０、１３０、２１１、３１１、４１１ 半導体発光装置
１２２、２１２ 半導体発光層
１２３、１３３、２１５，４１５ 透明樹脂レンズ
１２４ セラミック基板
２００、３００ 灯具
２１０，３１０、４１０ 光源ユニット
２１４ 拡散層
２１６，４１６ ヒートシンク
２２０，４２０，４４０ 反射面
２３０ シェード
２４０ 投影レンズ
２５０，３５０、４５０ 空気層
３１３ 台座
３０２ 投影レンズホルダ
３０４ ベースプレート
５００ スクリーン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光面に対し交差する方向に光軸を有する半導体発光層と、前記発光層の発光面上に設けた少なくとも波長変換粒子もしくは拡散粒子を含有する拡散層とを有する半導体発光装置と、前記半導体発光装置の発光面もしくはその近傍に焦点を有する投影レンズ若しくは反射面を有する光学部材を備えた灯具であって、
前記灯具は、灯具照射方向前方に設けた仮想スクリーンに照射したときに仮想スクリーン上に前記発光面が配列することで所定の配光特性を有するように前記半導体発光装置の光路を調整する前記レンズもしくは反射面を有する光学部材が配設され、
前記半導体発光装置は、前記拡散層は空気層もしくは微小レンズ素子群を介して空気層と接するとともに、前記拡散層を通って照射する配光特性が前記光軸を通る発光装置断面輝度分布が急峻な立ち上がりを有しており、
前記光学部材は、前記半導体発光層の光軸と交差する位置に配設していることを特徴とする灯具。
【請求項２】
前記半導体発光層がＧａＮ系化合物半導体からなる青色ＬＥＤであり、前記拡散層が蛍光体粒子を含有することを特徴とする請求項１に記載の灯具。
【請求項１】
発光面に対し交差する方向に光軸を有する半導体発光層と、前記発光層の発光面上に設けた少なくとも波長変換粒子もしくは拡散粒子を含有する拡散層とを有する半導体発光装置と、前記半導体発光装置の発光面もしくはその近傍に焦点を有する投影レンズ若しくは反射面を有する光学部材を備えた灯具であって、
前記灯具は、灯具照射方向前方に設けた仮想スクリーンに照射したときに仮想スクリーン上に前記発光面が配列することで所定の配光特性を有するように前記半導体発光装置の光路を調整する前記レンズもしくは反射面を有する光学部材が配設され、
前記半導体発光装置は、前記拡散層は空気層もしくは微小レンズ素子群を介して空気層と接するとともに、前記拡散層を通って照射する配光特性が前記光軸を通る発光装置断面輝度分布が急峻な立ち上がりを有しており、
前記光学部材は、前記半導体発光層の光軸と交差する位置に配設していることを特徴とする灯具。
【請求項２】
前記半導体発光層がＧａＮ系化合物半導体からなる青色ＬＥＤであり、前記拡散層が蛍光体粒子を含有することを特徴とする請求項１に記載の灯具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２３８４９７（Ｐ２０１１−２３８４９７Ａ）
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０９７７１（Ｐ２０１０−１０９７７１）
【出願日】平成２２年５月１２日（２０１０．５．１２）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１２日（２０１０．５．１２）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]