JP6504355B2 - ランプおよび車両用ヘッドランプ - Google Patents

Description

本開示は、半導体発光素子からの励起光によって発光する波長変換素子を備えたランプに関する。

従来、レーザー光を出射する半導体レーザーと、半導体レーザーから出射されたレーザー光を反射する反射部と、反射されたレーザー光により発光する発光部とを備えたランプがあった（特許文献１）。また、プロジェクタ用の光源装置であって、固体光源である励起用レーザー光源と、該励起用レーザー光源が出射した紫外光を含むレーザー光により励起され、可視域の光を発光する蛍光体と、蛍光体が発光した光を反射して所定の方向へ出射するためのリフレクタと、リフレクタの焦点位置に蛍光体を設置する蛍光体設置部とを備える光源装置があった（特許文献２）。この蛍光体設置部は、蛍光体の発光した光を効率良くリフレクタの反射面に導くための反射ミラーを有していた。

特開２０１２−１０９２０１号公報 特開２０１１−２２１５０２号公報

従来の技術によれば、半導体レーザーが反射部に対して相対的に振動する環境においては、ランプが適切に発光しない可能性があった。例えば、ランプの出射光の方向が変動したり、発光部が十分に発光しなかったりする可能性があった。

本開示は、励起光を出射する光源が振動する場合であっても、より適切な発光が可能なランプを提供する。

上記課題を解決するため、本開示の一態様に係るランプは、励起光を出射する複数の半導体発光素子と、前記励起光を前記励起光とは異なる波長の光に変換する波長変換素子と、前記複数の半導体発光素子の各々から出射された前記励起光を反射して前記波長変換素子に入射させ、かつ、前記波長変換素子から出射した光を反射してランプの外部に出射するように配置された凹面鏡とを備える。前記複数の半導体発光素子は、第１の半導体発光素子および第２の半導体発光素子を含む。前記励起光のビーム径をＤ、前記凹面鏡の光軸に垂直な方向における前記波長変換素子の長さをＤｐｈｏｓ、前記凹面鏡の焦点距離をｆ、前記凹面鏡の開口半径をＲとするとき、前記第１の半導体発光素子の光軸と前記凹面鏡の光軸との距離ｙ１は、
（Ｄ＋Ｄｐｈｏｓ）／２≦ｙ１≦４ｆ
を満足し、前記第２の半導体発光素子の光軸と前記凹面鏡の光軸との距離ｙ２は、
４ｆ＜ｙ２≦Ｒ
を満足する。

本開示の実施の形態によれば、励起光源が振動する環境下でも、より適切な発光が可能となる。このため、光学的な信頼性を向上させたランプを実現できる。

第１の実施の形態に係るランプの概略構成を示す図である。 第１の実施の形態に係るランプの構成要素間の位置関係を説明するための図である。 第１の実施の形態に係る波長変換素子の概略構成を示す図である。 第２の実施の形態に係るランプの概略構成を示す図である。 第２の実施の形態に係るランプにおける２つの発光素子の位置関係を説明するための図である。 第３の実施の形態に係るランプの概略構成を示す図である。 第４の実施の形態に係る車両の概略構成を示す図である。 本開示の比較例のランプの光学シミュレーション結果を示す図である。 本開示の実施例１に係るランプの光学シミュレーション結果を示す図である。 本開示の実施例２に係るランプの光学シミュレーション結果を示す図である。 （ａ）は、本開示の実施例１に係るランプの凹面鏡からの出射光のビームプロファイルを示す図であり、（ｂ）は、本開示の実施例２に係るランプの凹面鏡からの出射光のビームプロファイルを示す図である。 本開示の実施例３に係るランプの概略構成を示す図である。 本開示の実施例３に係るランプの駆動波形を示す図である。 本開示の実施例３に係るランプの半導体発光素子のジャンクション温度の投入電力依存性を示す図である。

本開示の実施形態によれば、励起光を出射する光源が振動する場合であっても、適切に発光するランプを実現できる。この効果に加え、本開示の他の実施形態では、光源のジャンクション温度の上昇に伴う発光の不安定化を抑制することができる。

高輝度のランプを実現するためには、一般に高出力の半導体レーザーが必要である。しかし、高出力の半導体レーザー素子を用いると、ジャンクション温度の上昇によって発振波長の変化や発光効率の低下などの問題が生じる。特に、車載用ヘッドランプにおいては、出射光のビームプロファイルを水平方向に広げることが要求される。このため、フレネルレンズや上方への迷光を除去するアパーチャーもしくはカットミラーなどの光学部品が通常用いられる。しかし、これらの光学部品は、光の損失を招き、ランプの発光効率が低下するという問題がある。

そこで、本開示のある実施形態では、複数の半導体発光素子の配置や制御を適切に行うことにより、半導体発光素子の温度上昇を抑制し、熱的および光学的な信頼性を向上させることができる。

本開示の実施形態の概要は以下のとおりである。

（１）本開示の一態様に係るランプは、励起光を出射する複数の半導体発光素子と、前記励起光を前記励起光とは異なる波長の光に変換する波長変換素子と、前記複数の半導体発光素子の各々から出射された前記励起光を反射して前記波長変換素子に入射させ、かつ、前記波長変換素子から出射した光を反射してランプの外部に出射するように配置された凹面鏡とを備える。前記複数の半導体発光素子は、第１の半導体発光素子および第２の半導体発光素子を含む。前記励起光のビーム径をＤ、前記第１および第２の半導体発光素子の少なくとも一方の光軸および前記凹面鏡の光軸を含む平面における前記凹面鏡の光軸に垂直な方向の前記波長変換素子の長さをＤｐｈｏｓ、前記凹面鏡の焦点距離をｆ、前記凹面鏡の開口半径をＲとするとき、前記第１の半導体発光素子の光軸と前記凹面鏡の光軸との距離ｙ１は、
（Ｄ＋Ｄｐｈｏｓ）／２≦ｙ１≦４ｆ
を満足し、前記第２の半導体発光素子の光軸と前記凹面鏡の光軸との距離ｙ２は、
４ｆ＜ｙ２≦Ｒ
を満足する。

第１の半導体発光素子の光軸とは、第１の半導体発光素子から出力された励起光が直接的に、または光学素子（ミラー、光ファイバなど）を介して間接的に凹面鏡に入射する場合の、入射光線の光軸をいう。第２の半導体発光素子の光軸も同様に、第２の半導体発光素子から出力された励起光が直接的に、または光学素子（ミラー、光ファイバなど）を介して間接的に凹面鏡に入射する場合の、入射光線の光軸をいう。

（２）ある実施形態において、前記波長変換素子は、前記励起光を受けて前記励起光よりも長い波長の光を発生する蛍光体を有する。

（３）ある実施形態において、前記蛍光体が設けられている領域は、前記凹面鏡の焦点領域に位置している。

（４）ある実施形態において、前記蛍光体が設けられている領域の表面の中央部は、前記凹面鏡の前記焦点領域に位置している。

（５）ある実施形態において、前記複数の半導体発光素子の各々は、前記凹面鏡の光軸に平行に前記励起光を出射するように配置され、前記波長変換素子は、各半導体発光素子から前記凹面鏡に向かう前記励起光を遮らない位置に配置されている。

（６）ある実施形態において、前記波長変換素子は、前記凹面鏡の光軸上に位置し、前記複数の半導体発光素子および前記波長変換素子を前記凹面鏡の光軸に垂直な面に投影したとき、前記複数の半導体発光素子の１つは、前記波長変換素子から第１の方向に位置し、前記複数の半導体発光素子の他の１つは、前記波長変換素子から前記第１の方向に垂直な第２の方向に位置している。

（７）ある実施形態において、前記凹面鏡の反射面は、放物線の回転体形状を有している。

（８）ある実施形態において、前記凹面鏡の反射面は、楕円曲線の部分回転体形状を有している。

（９）ある実施形態において、前記凹面鏡の反射面は、双曲線の部分回転体形状を有している。

（１０）ある実施形態において、前記凹面鏡の反射面は、非線形曲線の部分回転体形状を有している。

（１１）ある実施形態において、前記ランプは、前記複数の半導体発光素子に含まれる第１の半導体発光素子と、前記複数の半導体発光素子に含まれる第２の半導体発光素子とが、交互に前記励起光を出射するように前記複数の半導体発光素子を駆動する制御回路をさらに備える。

（１２）ある実施形態において、前記制御回路は、前記第１の発光素子が前記励起光を出射する時間よりも前記第２の発光素子が前記励起光を出射する時間の方が長くなるように、前記第１および第２の発光素子を駆動する。

（１３）本開示の他の態様に係るヘッドランプは、上記（１）から（１２）のいずれかに記載のランプを備えた車両用ヘッドランプである。

以下、本開示のより具体的な実施の形態を説明する。

（実施の形態１）
図１は、本開示の第１の実施の形態に係る光源ランプ（以下、単に「ランプ」と称する。）の概略構成を示す構成図である。本実施の形態のランプ５０は、波長変換素子１０と、複数の半導体発光素子１１と、凹面鏡１３とを備える。以下の説明では、半導体発光素子を、単に「発光素子」と称することがある。

発光素子１１は、例えば、ＬＥＤ、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）またはレーザーダイオード（ＬＤ）などの半導体発光素子であり得る。本実施の形態では、一例として、複数の発光素子１１が２つのレーザーダイオードからなる発光素子１１ａ、１１ｂである場合を想定する。発光素子１１は、凹面鏡１３の光軸に平行に、かつ波長変換素子１０によって遮られることなく凹面鏡１３にレーザー光を照射出来るように配置され得る。ここで凹面鏡１３の「光軸」とは、凹面鏡１３の中心（頂点）と焦点とを通る直線を意味する。凹面鏡１３の光軸は、凹面鏡１３の頂点に接する平面の法線に一致する。以下の説明では、図１に示すｘｙｚ座標を用いる。凹面鏡１３の光軸の方向をｚ方向、光軸に対する発光素子１１の方向をｙ方向、ｚ方向およびｙ方向に垂直な方向をｘ方向とする。

図２は、発光素子１１ａ、１１ｂ、波長変換素子１０、および凹面鏡１３の配置関係を説明するための図である。励起光のビーム径をＤ、発光素子１１ａ、１１ｂの光軸２４ａ、２４ｂおよび凹面鏡１３の光軸２５を含む平面における凹面鏡１３の光軸２５に垂直な方向の波長変換素子１０の長さをＤｐｈｏｓ、凹面鏡の焦点距離をｆ、凹面鏡１３の開口半径をＲとする。このとき、一方の発光素子１１ａの光軸２４ａと凹面鏡１３の光軸２５との距離ｙ１は、例えば、(Ｄ＋Ｄphos)／２≦ｙ１≦４ｆを満足するように設定され得る。他方の発光素子１１ｂの光軸２４ｂと凹面鏡１３の光軸２５との距離ｙ２は、例えば４ｆ＜ｙ２≦Ｒを満足するように設定され得る。

このような条件を満足する場合、ランプ５０の発熱による温度上昇を抑制させつつ、ランプ５０から出射される出射光のビームプロファイルを水平方向に広げることができる。レンズやアパーチャーなどの光学的な損失が大きい光学部品を使用することなく、上記の効果が得られるため、高効率かつ安定した発光を実現できる。

発光素子１１は、図１に示すように、支持体１７によってランプ５０のケース（またはハウジング）に固定されていてもよい。

発光素子１１は、例えば、青紫光または青色光を出射するように構成されている。発光素子１１は、これらに限らず、他の光を出射するように構成されていてもよい。本開示において、「青紫光」とは、ピーク波長（強度がピークとなる波長）が３８０ｎｍを超え且つ４２０ｎｍ以下の光をいう。また、「青色光」とは、ピーク波長が４２０ｎｍを超え且つ４８０ｎｍ以下の光をいう。発光素子１１から出射される光は、波長変換素子１０を励起させる。このため、発光素子１１からの出射される光を「励起光」と称することがある。

図１に示されるように、波長変換素子１０と発光素子１１との間には、発光素子１１の光を波長変換素子１０に導く入射光学系１２が設けられていてもよい。入射光学系１２は、例えば、レンズ、ミラー及び／又は光ファイバなどを含み得る。

凹面鏡１３は、発光素子１１が発する励起光を反射し、波長変換素子１０に入射させるように配置されている。また、凹面鏡１３は、励起光を受けた波長変換素子１０が発する光を反射してランプの外部に出射する。すなわち、凹面鏡１３で反射された波長変換光がランプの外に放出される。凹面鏡１３は、例えば、放物線の回転体形状を有する。放物線の回転体形状とは、放物線をその対称軸を中心に回転させた曲面（放物面）の形状を意味する。凹面鏡１３は、放物線の回転体形状に代えて、楕円曲線、双曲線または他の非線形曲線の部分回転体形状を有していてもよい。ここで、「部分回転体形状」とは、その曲線を対称軸を中心に回転させた曲面の一部の形状を意味する。

波長変換素子１０は、凹面鏡１３の焦点近傍に配置される。波長変換素子１０は、励起光を異なる波長の光に変換する機能を有する。波長変換素子１０は、凹面鏡１３によって反射された励起光によって発光する。

図３は、本実施の形態における波長変換素子１０の概略構成の例を示す断面図である。波長変換素子１０は、蛍光体層１４と担持材１６とを具備する。蛍光体層１４の形状は、例えば、円柱状、円盤状または直方体状である。蛍光体層１４は、他の形状であってもよい。波長変換素子１０は、蛍光体層１４の表面（図３に示す上側の表面）の中央部が、凹面鏡１３の焦点領域に位置するように配置され得る。ここで「焦点領域」とは、焦点距離をｆとして、焦点からの距離が概ねｆ／５以下の領域を意味する。例えば、焦点距離ｆが０．５ｍｍの場合、焦点からの距離が１００μｍ以下の領域が焦点領域に該当する。焦点における蛍光体層１４の部分的な温度上昇を押さえるために、蛍光体層１４の表面位置を、凹面鏡の焦点位置からずらすことによって集光スポットを拡大してもよい。例えば、１０μｍから１００μｍ程度、前方（＋ｚ方向）または後方（−ｚ方向）に離れた位置に配置してもよい。

蛍光体層１４は、発光素子１１からの励起光を、より長波長の光に変換する。蛍光体層１４は、図３に示すように、蛍光体粉体１９と結着材料１５とを有していてもよい。発光素子１１が青紫光を出射する場合、蛍光体層１４は、例えば、黄色蛍光体および青色蛍光体を含み得る。本開示において「黄色蛍光体」とは、発光スペクトルのピーク波長が５４０ｎｍ以上且つ５９０ｎｍ以下であるものをいう。黄色発光体は、緑色の光を発する緑色発光体と、赤色の光を発する赤色発光体との混合体であってもよい。また、「青色蛍光体」とは、発光スペクトルのピーク波長が４２０ｎｍ以上且つ４８０ｎｍ以下であるものをいう。これらの混合により、白色光に近い光をランプ外部に照射することができる。発光素子１１が青色光を射出する場合、蛍光体層１４は、例えば、黄色蛍光体を含み得る。黄色蛍光体と励起光である青色光との混合により、白色光に近い光をランプ外部に照射することができる。

蛍光体粉体１９は、多数の蛍光体粒子を含む。結着材料１５は、蛍光体粒子間に配置され、蛍光体粒子を結着する。結着材料１５は、例えば、無機材料であり得る。結着材料は、樹脂、ガラスまたは透明結晶などの媒体であってもよい。蛍光体層１４は、結着材料１５を含まない蛍光体焼結体、即ち蛍光体セラミクスであってもよい。

蛍光体層１４は、図３に示すように、担持材１６に担持され得る。担持材１６は、蛍光体層１４の底面を支持し、かつ、蛍光体層１４の側面を取り囲むように配置され得る。ここで、蛍光体層１４の底面とは、発光素子１１から出射され凹面鏡１３で反射された光が入射する面の反対側の面（図３における下側の面）をいい、蛍光体層１４の側面とは底面の周囲を取り囲む面をいう。図３に示す例では、蛍光体層１４において、担持材１６と接触する面の面積は、担持材１６と接触しない面の面積よりも大きい。これにより、蛍光体層１４からの放熱を促進することができる。担持材１６は、例えば、円柱状の蛍光体層１４とほぼ同じ中心軸、ほぼ同じ高さを有する厚い側壁と、蛍光体層１４を支持する円盤状の底面とを有する円筒状であり得る。担持材１６は、円筒状に限らず、他の形状であってもよい。担持材１６は、例えば熱伝導率が４２Ｗ／ｍ℃以上の材料から構成され得る。担持材１６の材料は、例えば、無機材料、金属、樹脂、ガラスまたは透明結晶であり得る。担持材１６が光透過性材料の場合、蛍光体層１４からの光を反射するための反射層２０を蛍光体層１４と担持材１６との接触面に有していてもよい。これにより、蛍光体層１４から凹面鏡１３への光量が増加し光取出し効率を向上させることができる。反射層２０は、銀もしくはアルミニウムなどの金属薄膜、または分布ブラッグ反射膜（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）を用いて形成することができる。

次に、再び図１を参照してランプ５０の動作を説明する。発光素子１１は励起光を出射する。この励起光は凹面鏡１３で反射され、波長変換素子１０に入射する。波長変換素子１０の蛍光体は、この励起光を受け、励起光よりも長い波長の波長変換光を出射する。この波長変換光は、凹面鏡１３で反射され、ランプ５０の外部に向かって放出される。

ランプ５０が車両用のランプである場合、ランプ５０は振動する環境に置かれる。振動が生じると、発光素子１１と凹面鏡１３との間の相対的な位置関係が変化する。その結果、凹面鏡１３上における励起光の照射位置が変化する。しかし、本実施形態における凹面鏡１３は、励起光の照射位置が変化しても励起光を波長変換素子１０に導く曲面を有する。したがって、ランプ５０が振動する環境に置かれた場合も、波長変換素子１０が励起光によって適切に照射され、ランプ５０から波長変換光が適切に放出される。

（実施の形態２）
図４は、本開示の第２の実施の形態に係るランプの概略構成を示す構成図である。上述した第１の実施の形態と同様の構成要素については、同じ符号を付してその説明を省略する。本実施の形態のランプ５１において、複数の発光素子１１は、凹面鏡１３の上部および側部に支持体１７によってそれぞれ支持された第１の発光素子１１ａおよび第２の発光素子１１ｂを有する。ここで「上部」は、図４における上（＋ｙ方向）における部分を指し、「側部」は、図４における紙面奥方向（＋ｘ方向）における部分を指す。他の構成および動作は第１の実施の形態と同様である。

図５は、本実施形態における発光素子１１ａ、１１ｂ、および波長変換素子１０を、凹面鏡１３の光軸に垂直な平面に投影した場合の配置関係を示す図である。この図は、発光素子１１ａ、１１ｂ、および波長変換素子１０を凹面鏡１３側から＋ｚ方向に見たときの状況を表している。この投影面において、第１の発光素子１１ａは、波長変換素子１０から第１の方向（ｙ方向）に位置し、第２の発光素子１１ｂは、波長変換素子１０から第２の方向（ｘ方向）に位置している。第２の方向は第１の方向に垂直である。

本実施形態において、第１の発光素子１１ａの光軸と凹面鏡１３の光軸との距離ｙ１は、例えば、以下の条件（１）を満足するように設定され得る。
（Ｄ＋Ｄｐｈｏｓ）／２≦ｙ１≦４ｆ （１）

また、第２の発光素子１１ｂの光軸と凹面鏡１３の光軸との距離ｙ２は、例えば、以下の条件（２）を満足するように設定され得る。
４ｆ＜ｙ２≦Ｒ （２）

ここで、Ｄは励起光のビーム径、Ｄｐｈｏｓは凹面鏡１３の光軸に垂直な方向における波長変換素子１０の長さ（図５の例では直径）、ｆは凹面鏡１３の焦点距離、Ｒは凹面鏡１３の開口半径である。なお、本実施形態では、距離ｙ２は、ｘ方向の長さであるが、図２との対比の便宜上、記号「ｙ２」を用いている。

このような構成により、後述する実施例２において説明するように、出射光のビームプロファイルを水平方向（±ｘ方向）に広げることが可能である。その結果、車両用ヘッドランプに用いた場合、対向車の運転手への迷光を抑制できるという効果が得られる。

また、本実施形態では、実施形態１と同様、振動に対する安定性が高いという効果も得られる。

（実施の形態３）
図６は、本開示の第３の実施の形態に係るランプの概略構成を示す構成図である。上述した第２の実施の形態と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を省略する。本実施の形態のランプ５２では、複数の発光素子１１は、凹面鏡１３の外に配置されている。発光素子１１は、支持体１７によってケース（またはハウジング）に固定され支持されている。また、ランプ５２は、２つの発光素子１１から出射された励起光を凹面鏡１３の反射面に導く２つの反射鏡１８を有する。

反射鏡１８は、例えばダイクロイックミラーである。反射鏡１８は、発光素子１１の発光波長およびそれよりも短い波長の光を反射し、発光波長よりも長い波長を透過するように設計されている。これにより、発光素子１１からの励起光を反射して凹面鏡１３の方向に反射し、かつ、波長変換素子１０から出射された光を透過させることができる。よって、発光素子１１への戻り光を抑制することができる。発光素子１１から出射された励起光が反射鏡１８で反射されて凹面鏡１３に入射する場合の入射光の中心（即ち光軸）を発光素子１１ａ、１１ｂの光軸という。

２つの反射鏡１８は、例えば図５に示す発光素子１１ａ、１１ｂに対応する位置に配置され得る。２つの発光素子１１ａ、１１ｂは、２つの反射鏡１８の鉛直上方（＋ｙ方向）に配置される。これにより、実施の形態２と同様の効果を得ることができる。

本実施形態では、発光素子１１が凹面鏡１３の外部に位置しているため、発光素子１１から発生する熱を効果的にランプ外に排出することができる。その結果、温度上昇による発光効率の低下を抑制することができる。

ランプ５２を車載用ヘッドランプとして用いる場合、凹面鏡１３の光軸に対して水平方向（＋ｘ方向）にずれた第２の発光素子１１ｂからの光ビームの中心と凹面鏡１３の光軸との距離ｙ２は、４ｆ＜ｙ２≦Ｒを満足するように設定され得る。これにより、凹面鏡１３からの出射光のビームプロファイルを水平方向に広げ、対向車の運転手への迷光を抑制することができる。他の構成および動作は第２の実施の形態と同様である。

（実施の形態４）
図７は、本開示の第４の実施の形態に係る車両６０の概略構成を示す図である。車両６０は、第１の実施の形態に係るランプ５０と、電力供給源６１とを備える。車両６０は、エンジン等の駆動源によって回転駆動され、電力を発生する発電機６２を有していてもよい。発電機６２が生成した電力は、電力供給源６１に蓄えられる。電力供給源６１は、充放電が可能な２次電池である。この実施形態におけるランプ５０は、車両用ヘッドライトである。ランプ５０は、電力供給源６１からの電力によって点灯する。車両６０は、例えば、自動車、２輪車、または特殊車両である。車両６０は、エンジン車、電気車、またはハイブリッド車であってもよい。第１の実施の形態におけるランプ５０に代えて、第２または第３の実施の形態におけるランプ５１または５２を用いてもよい。

本実施の形態によれば、車両走行中の振動する環境であってもランプから出射される光の変動を低減し、車両の安全性を向上させることができる。

（実施例１、２）
本開示の実施の形態に係る構成により、車両走行中などの振動する環境下でも安定した発光が可能なランプを実現できる。また、実施の形態２、３における構成では、フレネルレンズやアパーチャーなどの光学的な損失が大きい光学部品を用いることなく、ランプからの出射光のビームプロファイルを変化させることができる。このことを確認するために、本発明者らは、光線追跡法による光学シミュレーションを行った。光学シミュレーションには、サイバネット社製ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓを使用した。

図８、図９、および図１０は、それぞれ、比較例、実施例１、実施例２におけるシミュレーション結果を示す図である。これらの光学シミュレーションに使用したモデルは、励起光源である発光素子１１として、直径０．６ｍｍの円形の面光源を使用した。光線の出射方向を凹面鏡１３の頂点に接する面に対して垂直（凹面鏡１３の光軸に平行）とした。発光素子１１からの励起光の出射範囲を直径０．６ｍｍの円とすることで、ビーム径Ｄが０．６ｍｍのコリメートされた半導体レーザー光のシミュレーションを行った。凹面鏡１３として、開口面の直径Ｒが９ｍｍ、焦点距離ｆが０．５ｍｍの放物面を有するミラーを用いた。波長変換素子１０として、直径Ｄｐｈｏｓが１．２ｍｍの円板状の素子を、凹面鏡１３の焦点領域に、凹面鏡１３の頂点に接する面に平行に配置した。波長変換素子１０からの発光は円板の表面からのランバート散乱によるものとした。凹面鏡１３の開口面から５０ｍｍ離れた位置に受光器２１を配置し、凹面鏡１３からランプ前方に出射される光のビームプロファイルを調べた。受光器２１の受光面は、凹面鏡１３の頂点に接する面と平行になるように配置した。

図８は、比較例におけるシミュレーション結果を示している。この比較例では、１つの発光素子１１を、光出射面の中心点が、凹面鏡１３の光軸上の焦点から１ｍｍ離れた上方に位置するように配置した。光出力を１Ｗとし、５万本の光線を出射するものとして光線追跡を行った。

図８に示されるように、受光器２１の受光面における光線の分布は、凹面鏡１３の光軸との交点を中心とする同心円状であった。本比較例では、発光素子１１から放出されたビーム径０．６ｍｍの光ビームは、凹面鏡１３で反射され、焦点領域にある波長変換素子１０に入射する。波長変換素子１０の表面ではランバート散乱が生じ、発生した光が再び凹面鏡１３で反射されて受光器２１に入射する。図８の結果は、受光器２１に入射する際のビームプロファイルの均一性が良いことを示している。

図９は、実施例１におけるシミュレーション結果を示している。この実施例では、２つの発光素子１１ａ、１１ｂを用いた。一方の発光素子１１ａは、光出射面の中心点が、凹面鏡１３の光軸上の焦点から１ｍｍ離れた上方に位置するように配置した。他方の発光素子１１ｂは、光出射面の中心点が、凹面鏡１３の光軸上の焦点から水平方向に１ｍｍ離れて位置するように配置した。各発光素子の光出力を０．５Ｗとし、それぞれ２万５千本の光線を出射するものとして光線追跡を行った。図９に示されるように、受光器２１の受光面における光線の分布は、図８の結果と同様、凹面鏡１３の光軸との交点を中心とする同心円状であり、良好な結果が得られた。

凹面鏡１３の光軸からの発光素子１１ａ、１１ｂの距離ｙが小さすぎると、発光素子１１からの光線が波長変換素子１０によって遮られる割合が増加してしまう。これを防ぐため、凹面鏡１３の光軸からの発光素子１１ａ、１１ｂの距離ｙは、励起光のビーム径をＤ、波長変換素子の直径をＤｐｈｏｓ、凹面鏡の焦点をｆとして、（Ｄ＋Ｄｐｈｏｓ）／２≦ｙを満たすように設定され得る。この条件を満足することにより、ランプ５０の発光効率を向上させることができる。したがって、本実施例におけるｙの範囲は、０．９ｍｍ≦ｙ≦２ｍｍとすることができる。

図１０は、実施例２におけるシミュレーション結果を示している。この実施例では、２つの発光素子１１ａ、１１ｂの配置を実施例１における配置から変更している。一方の発光素子１１ａは、光出射面の中心点が、凹面鏡１３の光軸上の焦点から１．５ｍｍ離れた上方に位置するように配置した。他方の発光素子１１ｂは、光出射面の中心点が、凹面鏡１３の光軸上の焦点から水平方向に３ｍｍ離れて位置するように配置した。上方に配置した発光素子１１ａの光出力を０．４Ｗ、水平方向に配置した発光素子１１ｂの光出力を０．６Ｗとし、それぞれ２万５千本の光線を出射するものとして光線追跡を行った。

図１０に示すように、光線の分布は、図９に示す分布と比較して、水平方向に伸びた楕円形状に変形している。これは、凹面鏡１３の光軸から水平方向に離れて配置された発光素子１１ｂの光軸からの距離ｙ２が長くなったことに起因する。ｙ２が大きくなるにつれて、波長変換素子１０の表面に入射する光線の入射角度が大きくなる。４ｆ＜ｙ２≦Ｒの範囲では、波長変換素子１０の表面における光線の照射プロファイルが８の字形に歪む。本実施例では、４ｆ＜ｙ≦Ｒを満たすため、照射プロファイルが歪む。一方、凹面鏡１３の光軸上の焦点から１．５ｍｍ離れた上方に配置された発光素子１１ａについては、(Ｄ＋Ｄphos)／２≦ｙ≦４ｆを満たす。このため、発光素子１１ａから出射される光のビームプロファイルは、歪がなく同心円状である。本実施例では、２つのビームプロファイルが凹面鏡１３によって合成された結果、受光器２１に入射する光の分布が水平方向に伸びた楕円形状になったと言える。

図１１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、実施例１および実施例２における出射光のビームプロファイル（強度の角度依存性）を示す分布図である。これらの分布図からわかるように、実施例２においては、水平方向（図の横方向）に出射光の分布が広がっている。実施例２では、フレネルレンズもしくは非球面レンズ、またはアパーチャーなどの光学的に光損失を有する光学部品を使用することなく、ビームプロファイルを水平方向に広げることが可能であることがわかる。

（実施例３）
次に、実施例３を説明する。本実施例では、実施例２と同様の光学構成において、２つの発光素子１１ａ、１１ｂを交互に駆動し、かつ、両者の駆動時間の長さが異なるように制御することにより、発光素子の温度上昇を抑制する例を説明する。

図１２は、本実施例におけるランプ５１の概略構成を示す図である。ランプ５１は、実施の形態２と同様の光学構成を有している。ランプ５１は、２つの発光素子１１ａ、１１ｂの発光タイミングを制御する制御回路８０も備えている。制御回路８０は、発光素子１１ａ、１１ｂに電気的に接続され、発光を指示する駆動信号（パルス）を発光素子１１ａ、１１ｂに送出する。制御回路８０は、例えば、マイコン又はロジック回路を備え、以下で説明する駆動信号を発生させる。

図１３は、２つの発光素子１１ａ、１１ｂを駆動する際に制御回路８０から出力される駆動信号の波形を示す図である。本実施例では、発光素子１１ａ、１１ｂとして、日亜化学社製、青色レーザーダイオードＮＤＢ７Ａ７５を使用した。光学系は実施例２のものと同様である。波長変換素子として、ＹＡＧ：Ｃｅ系蛍光体粉末をシリコーン樹脂に５０ｗｔ％混合し封入したものを使用した。発光素子１１ａ、１１ｂを駆動するパルスのピーク電圧を３．７Ｖ、ピーク電流を２．３Ａとした。パルス幅とパルス周期との比であるデューティ比を変えることで、２つの発光素子１１ａ、１１ｂに投入する電力を制御した。２つの発光素子１１ａ、１１ｂを駆動する電流パルスの周期は１ｍｓとした。デューティ比は、中心軸上の焦点から１．５ｍｍ離れた上方に配置した発光素子１１ａについては４０％、即ちパルス幅を０．４ｍｓとした。中心軸上の焦点から３ｍｍ離れた水平方向に配置した発光素子１１ｂについては、６０％、即ちパルス幅を０．６ｍｓとした。これにより、発光素子１１ａの平均投入電力を３．４Ｗ、発光素子１１ｂの平均投入電力を５．１Ｗとした。周囲の雰囲気温度を８５℃に保って測定を行った。

図１４は、投入電力に対する半導体発光素子のジャンクション温度の依存性を示すグラフである。ジャンクション温度の測定には、過渡熱抵抗法を使用した。一般に、半導体発光素子のジャンクション温度が上昇すると、発光波長が長波長側へ移動し、発光効率も低下する。このため、ジャンクション温度は、例えば１１０℃程度までに抑えることが望ましい。図１４に示すように、パルスのデューティ比が１００％である１つの発光素子を用いた例（比較例）では、投入電力は８．５Ｗであり、ジャンクション温度は１３３℃であった。一方、本実施例におけるランプでは、２つの発光素子１１ａ、１１ｂを使用し、デューティ比を、それぞれ４０％および６０％にすることで、平均投入電力が、それぞれ３．４Ｗおよび５．１Ｗになった。その結果、ジャンクション温度は、それぞれ１１４℃および１０４℃であった。本実施例においては、雰囲気温度８５℃という苛酷な環境下であってもジャンクション温度を十分に低減できていることがわかる。したがって、本実施例の構成は、車載用ランプとして好適に使用可能である。

以上のように、本実施例によれば、光損失を招く光学部品を使用することなく、ビームプロファイルを水平方向に広げることができるだけでなく、発光素子のジャンクション温度を低減することができる。このような構成により、サーチライト、車載用ヘッドアップディスプレイ、または車両用ヘッドランプのように、常に振動を受ける環境で使用される場合であっても、迷光を抑えて効率を高く維持することができる。本実施例によれば、さらに高品質な特性を有するランプを実現することができる。

本開示は、上述した実施の形態１〜４および実施例１〜３の各構成に限定されず、多様な変形が可能である。例えば、実施の形態１〜４、実施例１〜３の構成を適宜組み合わせたり、一部の構成要素を削除または置換したりすることができる。

上述した実施形態および実施例では、ランプにおける凹面鏡の反射面が、主に放物線の回転体（放物面）形状を有するものとしたが、これに限定されない。例えば、楕円曲線の部分回転体形状や、双曲線の部分回転体形状を採用してもよい。あるいは、これら以外の非線形曲線の部分回転体形状を採用してもよい。その場合、反射面の形状に応じて、波長変換素子１０および複数の発光素子１１の配置および向きを適宜調整すればよい。

上述した実施形態および実施例では、励起光源として２つの発光素子を用いる例を説明したが、発光素子は３つ以上であってもよい。また、発光素子は半導体発光素子に限定されない。例えば、半導体以外のレーザーを発光素子として用いてもよい。

本開示のランプは、例えば、特殊照明、スポットライト、サーチライト、ヘッドアップディスプレイ、プロジェクタ及び車両用ヘッドランプなどの光源に用いることができる。

１０ 波長変換素子
１１、１１ａ、１１ｂ 発光素子
１２ 入射光学系
１３ 凹面鏡
１４ 蛍光体層
１５ 結着材料
１６ 担持材
１７ 支持体
１８ 反射鏡
１９ 蛍光体粉体
２０ 反射層
２１ 受光器
２４ａ、２４ｂ 発光素子の光軸
２５ 凹面鏡の光軸
５０、５１、５２ ランプ
６０ 車両
６１ 電力供給源
６２ 発電機

Claims (14)

1. 励起光を出射する複数の半導体発光素子と、
   前記励起光を前記励起光とは異なる波長の光に変換する波長変換素子と、
   前記複数の半導体発光素子の各々から出射された前記励起光を反射して前記波長変換素子に入射させ、かつ、前記波長変換素子から出射した光を反射してランプの外部に出射するように配置された凹面鏡と、
   を備え、
   前記波長変換素子は、前記凹面鏡の光軸上に位置し、
   前記複数の半導体発光素子は、第１の半導体発光素子および第２の半導体発光素子を含み、
   前記励起光のビーム径をＤ、前記第１および第２の半導体発光素子の少なくとも一方の光軸および前記凹面鏡の光軸を含む平面における前記凹面鏡の光軸に垂直な方向の前記波長変換素子の長さをＤｐｈｏｓ、前記凹面鏡の焦点距離をｆ、前記凹面鏡の開口半径をＲとするとき、
   前記第１の半導体発光素子の光軸と前記凹面鏡の光軸との距離ｙ１は、
   （Ｄ＋Ｄｐｈｏｓ）／２≦ｙ１≦４ｆ
   を満足し、
   前記第２の半導体発光素子の光軸と前記凹面鏡の光軸との距離ｙ２は、
   ４ｆ＜ｙ２≦Ｒ
   を満足するランプ。
2. 前記波長変換素子は、前記励起光を受けて前記励起光よりも長い波長の光を発生する蛍光体を有する、請求項１に記載のランプ。
3. 前記蛍光体が設けられている領域は、前記凹面鏡の焦点領域に位置している、請求項２に記載のランプ。
4. 前記蛍光体が設けられている領域の表面の中央部は、前記凹面鏡の前記焦点領域に位置している、請求項３に記載のランプ。
5. 前記第１の半導体発光素子および前記第２の半導体発光素子は、前記凹面鏡の光軸に平行に前記励起光を出射するように配置され、
   前記波長変換素子は、前記第１の半導体発光素子および前記第２の半導体発光素子から前記凹面鏡に向かう前記励起光を遮らない位置に配置されている、
   請求項１から４のいずれかに記載のランプ。
6. 前記第１の半導体発光素子および前記第２の半導体発光素子および前記波長変換素子を前記凹面鏡の光軸に垂直な面に投影したとき、前記第１の半導体発光素子は、前記波長変換素子から第１の方向に位置し、前記第２の半導体発光素子は、前記波長変換素子から前記第１の方向に垂直な第２の方向に位置している、
   請求項１から５のいずれかに記載のランプ。
7. 前記凹面鏡の反射面は、放物線の回転体形状を有している、請求項１から６のいずれかに記載のランプ。
8. 前記凹面鏡の反射面は、楕円曲線の部分回転体形状を有している、請求項１から６のいずれかに記載のランプ。
9. 前記凹面鏡の反射面は、双曲線の部分回転体形状を有している、請求項１から６のいずれかに記載のランプ。
10. 前記凹面鏡の反射面は、非線形曲線の部分回転体形状を有している、請求項１から６のいずれかに記載のランプ。
11. 前記第１の半導体発光素子と、前記第２の半導体発光素子とが、交互に前記励起光を出射するように前記複数の半導体発光素子を駆動する制御回路をさらに備える、請求項１から１０のいずれかに記載のランプ。
12. 前記制御回路は、前記第１の半導体発光素子が前記励起光を出射する時間よりも前記第２の半導体発光素子が前記励起光を出射する時間の方が長くなるように、前記第１および第２の半導体発光素子を駆動する、請求項１１に記載のランプ。
13. 前記複数の半導体発光素子は、前記第１の半導体発光素子および前記第２の半導体発光素子のみから構成される、請求項１から１２のいずれかに記載のランプ。
14. 請求項１から１３のいずれかに記載のランプを備えた車両用ヘッドランプ。

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