JP7187683B2 - 照明装置及び車両用ライト - Google Patents

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Description

本発明は、照明技術に関し、特に照明装置及び車両用ライトに関するものである。
車両における灯具は、車両の走行安全に影響を与える重要な要素であり、車両産業の発展は、車両灯具に対する要求がますます高まって行く。
タングステンフィラメントランプは、自動車の照明の常用光源であるが、輝度が低く、エネルギー消費が高く、使用寿命が短いので、徐々に淘汰されている。光源の輝度を高め、エネルギー消費を低減するために、照明光源として、フィラメント用のレーザ照明装置の開発が、研究者によって開始されている。これは、レーザ光源が出射した励起光が結合して棒状の導光素子に進入し、棒状の導光素子の表面に出射する方式で形成される。このフィラメントは、タングステンフィラメントと同じ発光特性を有するとともに、輝度が高く、使用寿命が長いなどの利点を有するので、タングステンフィラメントに代わって自動車の照明分野に応用される。
レーザ光源の放熱の要求を満たすために、照明装置を製造する際、例えば、Ａｌ２Ｏ３単結晶やＹＡＧ単結晶などの高熱伝導率の材料を用いることが好ましい。Ａｌ２Ｏ３単結晶またはＹＡＧ単結晶の屈折率が高いことから、その界面における全反射角度は、相対的に小さい。光線が照明装置の光出射の端部に伝導させる際、全反射角度に満たない少ない光のみが光出射の端部を経て外部に出射されて照明が実現されるが、全反射角度に満す多くの光は、光出射の端部から外部に直接出射されず、ビームが照明装置の内部で複数回の全反射することになり、照明装置の熱効果が増加する一方で、光の利用効率が低くなる。
本発明が主に解決しようとする課題は、光の利用効率を向上させる照明装置を提供することである。
以上の問題点に鑑みて、本発明は、１つの技術方案として、照明装置を提供することを採用する。前記照明装置は、励起光を出射する光源と、光ガイドとを備え、光ガイドは、第一導光部及び第二導光部を備え、第二導光部は、発光面を有し、光源が出射した励起光は結合して第一導光部に進入し、且つ第二導光部の発光面を経て出射し、第二導光部における光ガイドの中心線に垂直な断面の面積が光源の光軸方向に沿って次第に小さくなり、光ガイドの中心線を通る断面と第二導光部の発光面との交線または交線のいずれかの接線は、光ガイドの中心線と鋭角である夾角をなす。
前記技術方案は、結合して光ガイドに進入した励起光が第二導光部の発光面に入射する入射角を低減し、第二導光部の発光面での励起光の全反射を低減し、光ガイドの発光面での励起光の出光効率を高め、ひいては光の利用効率を高める。
本発明の１つの実施形態において、光ガイドの中心線を通る断面と第二導光部の発光面との交線または交線のいずれかの接線は、光ガイドの中心線と４５度未満の夾角をなす。この技術方案は、励起光の光取出し効率を向上させるだけでなく、照明装置の側方の光線の割合を高めて、出射光がより有効に利用され、光の利用効率をさらに向上させる。
本発明の１つの実施形態において、照明装置は、機能層をさらに備え、前記機能層は、第二導光部の発光面にコーティングされ、励起光を波長変換又は散乱させて、照明の光を形成する。
本発明の１つの実施形態において、光ガイドの第二導光部は、円錐体であり、光ガイドの中心線を通る断面と第二導光部の側面との交線は、光ガイドの中心線と４５度未満の夾角をなす。
本発明の１つの実施形態において、光ガイドの第二導光部は、円錐台体であり、ここで、光ガイドの中心線を通る断面と第二導光部の側面との交線は、光ガイドの中心線と４５度未満の夾角をなし、円錐台体における第一導光部から離れる第二端面は、平面または凹溝であり、反射層は、平面または凹溝の内部に設けられている。この技術方案は、平面又は凹溝に照射された励起光を反射層で反射させてから機能層に照射されて、光効率を向上させる。
本発明の１つの実施形態において、第二導光部の側面は、曲面をなし、光ガイドの中心線を通る断面と第二導光部の側面との交線のいずれかの接線は、光ガイドの中心線と４５度未満の夾角をなす。
本発明の１つの実施形態において、光ガイドは、さらに放熱層及び透明接着剤層を備え、放熱層は、第一導光部の側面に設けられ、光ガイドを放熱し、透明接着剤層は、放熱層を第一導光部の側面に接着して、光ガイドの熱を放熱層に伝導させ、ここで、透明接着剤層の屈折率が光ガイドの屈折率よりも低い。この技術方案は、放熱層を設けることで導光体の放熱性能を向上させるとともに、光入射端の側表面でも励起光が全反射することを確保し、高い光の利用効率を維持させる。
以上の問題点に鑑みて、本発明は、もう１つの技術方案として、車両用ライトを提供することを採用する。この車両用ライトは、上記照明装置を備える。
本発明に係る実施形態の有益な効果は以下の通りである。従来技術と異なって、本発明に係る実施形態の照明装置は、励起光を出射する光源と、光ガイドを備え、前記光ガイドは、第一導光部及び第二導光部を備え、前記第二導光部は、発光面を有し、前記光源が出射した励起光は結合して前記第一導光部に進入し、前記第二導光部の前記発光面を経て出射し、前記第二導光部における前記光ガイドの中心線に垂直な断面の面積が前記光源の光軸方向に沿って次第に小さくなり、前記光ガイドの中心線を通る断面と前記第二導光部の発光面との交線または交線のいずれかの接線は、前記光ガイドの中心線と鋭角である夾角をなす。このようにすれば、結合して光ガイドに進入した励起光が第二導光部の発光面に入射する入射角を小さくして、第二導光部の発光面での励起光の全反射を低減し、光取出し効率を高め、光の利用効率を高める。
本発明に係る照明装置の実施形態１の構造を示す模式図である。 本発明に係る照明装置の実施形態２の構造を示す模式図である。 本発明に係る照明装置の実施形態３の構造を示す模式図である。 本発明に係る照明装置の実施形態４の構造を示す模式図である。 図４における実施形態の照明装置の光の利用効率のシミュレーション結果を示す模式図である。 本発明に係る照明装置の実施形態５の構造を示す模式図である。 本発明に係る照明装置の実施形態６の構造を示す模式図である。 本発明に係る照明装置の実施形態７の構造を示す模式図である。 本発明に係る照明装置の実施形態８の構造を示す模式図である。 本発明に係る車両用ライトの実施形態の構造を示す模式図である。
図１を参照すると、図１は、本発明に係る照明装置の実施形態１の構造を示す模式図である。本実施形態に係る照明装置１０１は、光源１０２、光ガイド１０３及び機能層１０４を備え、光源１０２は、励起光を出射し、ここで、光源１０２は、レーザ、ＬＥＤ等の半導体光源である。光ガイド１０３は、第一導光部１０５及び第二導光部１０６を備え、ここで、第一導光部１０５は、２つの底面と円筒面を有する円筒構造であり、円柱構造が好ましい。第二導光部１０６は、底面と円錐面を有する円錐構造であり、ここで、円錐面発光面は、円錐体構造が好ましい。ここで、第一導光部１０５の底面の面積は、第二導光部１０６の底面の面積と等しく、第一導光部１０５と第二導光部１０６との接続を図る。光源１０２が出射した励起光は、第一導光部１０５の一方の底面から結合して光ガイド１０３に進入し、他方の底面から第二導光部１０６に出射される。ここで、機能層１０４は、第二導光部１０６の発光面に設けられ、第二導光部１０６に入った励起光に対して波長変換又は散乱を行うためのものである。第二導光部１０６における光ガイドの中心線Ｎに垂直な断面（図示せず）の面積は、光源の光軸方向に沿って次第に小さくなり、かつ、光ガイドの中心線Ｎを通る断面と第二導光部１０６の発光面との交線Ｌは、光ガイドの中心線Ｎと鋭角である夾角Ａをなす。好ましくは夾角Ａは、４５度未満であり、夾角Ａが小さくなるほど照明装置１０１側方の光線の割合が多くなって、出射光がより有効に利用され、光の利用効率を向上させる。
なお、本実施形態に係る光源１０２は、レーザ光源であり、レーザ光源を利用して、光源からの光を結合して光ガイド１０３に進入した光源輝度を高め、照明装置１０１の輝度をより高める。もちろん、他の実施形態においても、ＬＥＤの他の半導体光源を採用する。
なお、本実施形態に係る光ガイド１０３の材料は、Ａｌ２Ｏ３単結晶やＹＡＧ単結晶等の高熱伝導率材料であってもよく、光ガイド１０３の熱的性能を向上させる。
なお、本実施形態に係る光ガイド１０３の第一導光部１０５は、さらに透明接着剤層１０７及び放熱層１０８を含む。なお、放熱層１０８は、第一導光部１０５の外表面に設けられて、光ガイド１０３を放熱するためのものである。透明接着剤層１０７は、第一導光部１０５と放熱層１０８とを接着して、第一導光部１０５の熱を放熱層１０８に伝導させるためのものである。透明接着剤層１０７の屈折率は、第一導光部１０５の屈折率よりも低く、励起光が第一導光部１０５の円筒面で全反射して光損失が低減される。
なお、本実施形態に係る第一導光部１０５及び第二導光部１０６は、一体成形される。もちろん、他の実施形態において、第一導光部１０５及び第二導光部１０６は、別途に成形してから一体に接続される。
なお、本実施形態に係る第二導光部１０６の発光面に機能層１０４を設けられ、このうち機能層１０４は、波長変換層または散乱層であり、さらに入射した励起光に対して波長変換または散乱を行い、ここで、波長変換層は、黄色光を発光する蛍光材料を含むが、他の実施形態において、波長変換層は、他の色光を発光する蛍光材料であってもよく、ここで、波長変換層は、蛍光材料とガラスまたはシリカゲルとの混合物になる。もちろん、他の実施形態において、機能層は、散乱層であってもよく、例えば、機能層は、散乱粒子とガラスまたはシリカゲルとの混合物であってもよい。散乱層は、導光体の第二導光部の発光面から出射された励起光を散乱するためのものであり、さらに散乱粒子は、Ａｌ２Ｏ３、ＢａＳＯ４、ＭｇＯ、ＴｉＯ２等である。さらに、第二導光部１０６の発光面は、つや消し面であり、励起光の全反射の低減に寄与する。
ここで、機能層１０４を設ける際、機能層１０４を予め第二導光部１０６の発光面にコーティングし、高温硬化または高温焼結などのプロセスにより機能層１０４を第二導光部１０６の発光面に貼り付けてもよい。もちろん、他の実施形態においても、機能層１０４は、別途に成形してから第二導光部１０６の発光面に接着してもよい。
従来技術と異なって、光ガイドの中心線Ｎを通る断面と第二導光部１０６の発光面との交線Ｌは、光ガイドの中心線Ｎと鋭角である夾角Ａをなす。夾角Ａは、４５度未満が好ましい。このような設計は、励起光が第二導光部１０６の発光面に入射する入射角を小さくして、発光面と機能層１０４との界面での励起光の全反射を低減し、より多くの励起光を機能層１０４に出射させて波長変換や散乱を実現して、さらに、照明装置の励起光の利用効率をさらに向上させ、励起光の全反射が低下して、光ガイドにおける励起光の光路が小さくなり、これにより、光ガイド１０３内部での励起光の熱効果を低減する。
アプリケーションシナリオにおいて、励起光の光路の伝搬は、図１に示すように、光ガイド１０３の材料は、Ａｌ２Ｏ３単結晶であり、その屈折率は、１．７７程度であり、透明接着剤層１０７の屈折率は、１．４３程度である。したがって、励起光が光ガイド１０３の第一導光部１０５と透明接着剤層１０７との界面で全反射を生じ得る臨界角が約５３．９度（全反射臨界角＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ１／ｎ２）、但し、ｎ１は、光学的に密な媒質の屈折率であり、ｎ２は、光学的に疎な媒質の屈折率である。）。光源１０２の励起光のビーム発散半角は、約２５度であり、励起光が第一導光部１０５の側面に入射する入射角θ１は、約７６度であり、入射角θ１は、全反射臨界角よりも大きいため、励起光は、第一導光部１０５の円筒面で全反射する。ここで、機能層１０４は、ガラス基板の波長変換層であり、その屈折率は、約１．６であるため、発光面と機能層１０４との界面で励起光が全反射する臨界角は、約６４．７度である。発光面に励起光が入射する入射角θ２＝θ１－Ａであり、Ａは、約１５度であるため、θ２は、約６１．２度であり、入射角θ２は、この全反射臨界角より小さいので、励起光は、機能層１０４に出射し、蛍光体に吸収されて蛍光に変換される。
もちろん、他の実施形態においても、照明装置の光ガイド１０３は、他の形状及び他のサイズであってもよく、また、照明装置の光ガイド、機能層、透明接着剤層等にも他の屈折率の材料を用いることができ、照明装置における励起光の入射角は、適応的に変化してもよい。
本発明は、実施形態２の照明装置をさらに提案し、図２に示したように、図２は、本発明に係る照明装置の実施形態２の構造を示す模式図である。本実施形態に係る照明装置２０１は、上記実施形態の照明装置１０１と異なって、本実施形態に係る照明装置２０１の機能層２０２は、円錐体２０３の側面の発光面上にコーティングされ、機能層２０２の面積は、側面の面積よりも小さく、すなわち、機能層２０２は、円錐体２０３の一部側面のみにコーティングされ、つまり発光面の面積は、側面の面積より小さい。具体的には、機能層２０２は、円錐体２０３の側面における第一導光部２０４から離れた一端部にコーティングされる。
なお、励起光が研磨された側面に全反射されるように、機能層２０２により被覆されていない側面について研磨を行って、光の損失を低減する。これにより、発光面が形成した円錐体の体積が小さくなり、光学設計の自由度を向上させる。
もちろん、照明装置２０１の必要な発光面積に応じて、円錐面における機能層２０２のコーティング面積を設けてもよい。
本発明における実施形態３に係る照明装置は、図３に示すように、図３は、本発明に係る照明装置の実施形態３の構造を示す模式図である。本実施形態に係る照明装置３０１は、前記実施形態の照明装置１０１と異なって、本実施形態の機能層３０２は、さらに、第一導光部３０３の側面の発光面にコーティングされる。具体的には、機能層３０２は、さらに、第一導光部３０３の側面における第二導光部３０４に近い一端部（図面において、破線で示す丸枠）にコーティングされている。これにより、機能層３０２は、第一導光部３０３と第二導光部３０４との境界から出射された励起光を蛍光に変換して、光の利用効率を高め、光効率を向上させる。ただし、第一導光部３０３における機能層３０２のコーティング長さは、０．２～１．０ｍｍであってもよい。もちろん、他の実施形態では、具体的な需要に応じて、その長さを設定してもよい。
本発明は、さらに実施形態４の照明装置を提案し、図４に示すように、図４は、本発明に係る照明装置の実施形態４の構造を示す模式図である。本実施形態に係る照明装置４０１は、上記照明装置１０１と異なって、本実施形態に係る第二導光部４０２は、円錐台体４０２であり、光ガイド（図示せず）の中心線を通る断面と円錐台体４０２の側面との交線Ｌは、導光体の中心線Ｎと夾角Ａをなし、好ましくは、夾角Ａは、４５度未満であり、機能層４０３は、円錐台体４０２の側面の発光面にコーティングされている。
あるいは、本実施形態に係る照明装置４０１は、反射層４０４をさらに備え、円錐台体４０２の第一端面は、第一導光部４０５と接続し、反射層４０４は、円錐台体４０２の第二端面に設けられ、円錐台体４０２の第一端面が第二端面と対向するように設置される。
本実施形態では、円錐台体４０２の第二端面に反射層４０４が設けられ、円錐台体４０２の第二端面から出射された励起光を反射して光ガイドに戻させて、光効率を向上させる。
なお、反射層４０４は、拡散反射層としてもよいし、ガウス型の散乱反射層としてもよい。ここで、拡散反射層とは、ビームが反射層を経て反射された後にランバーシアン分布を呈し、その反射光の強度が余弦分布を呈し、拡散反射する材料は、ＴｉＯ２、ＭｇＯ、ＢａＳＯ４等の粒子と粘着剤やガラス粉末との混合物であり、この混合物は、高温硬化または焼結プロセスによって円錐台体４０２の第二端面に貼り付けられるものである。ガウス型の散乱反射とは、ビームが反射層を経て反射された後にガウス分布を呈し、その反射光強度がガウス分布を呈し、ガウス型の散乱反射層は、銀粉を用いて円錐台体４０２の第二端面に焼結される。
さらに、本実施形態に係る第二導光部４０２の第一端面の半径は、約１．１ｍｍであり、第二導光部４０２の長さは、約６ｍｍである。仮に、第二導光部の第二端面の半径をＲとし、その反射層４０４は、ランバージェント拡散反射するように設けられ、励起光が機能層に透過する出光効率ηとＲとの関係は、図５に示すように、図５から見ると、第二端面の半径Ｒの増大に応じて出光効率ηが先に急峻に減少してから徐々に増大し、Ｒが０．１ｍｍになると出光効率が７２％となることが分かる。
本発明は、さらに実施形態５の照明装置を提案し、図６に示すように、図６は、本発明の照明装置の実施形態５の構造を示す模式図である。本実施形態に係る照明装置６０１は、上記照明装置４０１と異なって、本実施形態に係る円錐台体６０２の第二端面には、凹溝６０３が設けられ、反射層６０３は、凹溝６０３内に設けられている。なお、反射層６０３は、拡散反射層であってもよいし、ガウス反射層であってもよい。反射層６０４が曲面であることで、光が反射層６０４を経て反射して角度変化が大きくなり、全反射角度に満たさない多くの光が照明装置６０１の発光面から出射して、照明装置６０１の光の利用効率を向上させ、すなわち照明装置６０１の光の利用効率を向上させる。
本発明は、さらに実施形態６の照明装置を提案し、図７に示すように、本実施形態の照明装置７０１は、上記照明装置１０１と異なって、本実施形態に係る照明装置７０１において、光ガイド（図示せず）の第二導光部７０２の表面は、放物線面を呈し、光ガイドの中心線を通る断面と放物線面との交線のいずれかの接線は、光ガイドの中心と夾角Ａをなし、好ましくは夾角Ａが４５度未満であり、機能層は、放物線面の発光面にコーティングされる。
本発明は、さらに実施形態７の照明装置を提案し、図８に示すように、本実施形態の照明装置８０１は、上記照明装置１０１と異なって、本実施形態の照明装置８０１において、光ガイド（図示せず）の第二導光部８０２は、紡錘体であり、光ガイドの中心線を通る断面と紡錘体の側面との交線のいずれかの接線は、光ガイドの中心と夾角Ａをなし、好ましくは、夾角Ａが４５度未満であり、機能層は、紡錘体の側面の発光面にコーティングされる。
もちろん、他の実施形態において、光ガイドの第二導光部の円錐構造の発光面は、他の曲面であってもよい。
本発明は、さらに実施形態８に係る照明装置を提案し、図９に示したように、本発明の照明装置の実施形態８の構造を示す模式図である。本実施形態に係る照明装置９０１は、上記照明装置１０１と異なって、本実施形態の照明装置９０１は、第一導光部９０２の側面を研磨面として設け、第一導光部９０２よりも屈折率が小さい透明接着剤層を設けることなく、励起光が第一導光部９０２の側面で全反射することを実現する。
本発明は、さらに車両用ライトを提案し、図１０に示したように、図１０は、本発明に係る灯具の実施形態の構造を示す模式図である。本実施形態に係る灯具１００１は、照明装置１００２及び反射ボウル１００３を備え、照明装置１００２の光源１００４は、反射ボウル１００３の外部に設置され、照明装置１００２の光ガイド１００５等の構造は、反射ボウル１００３内部に設置され、光ガイド１００５の第二導光部１００６の発光面は、反射ボウル１００３の焦点上に設けられる。なお、本実施形態に係る照明装置１００２は、上記実施形態の照明装置であり、ここでは説明を省略する。第二導光部１００６の発光面から出射される多くの光線は、反射ボウル１００３で反射してから出射され、残りの少ない光線は、そのまま出射され、最終的に理想的な照明光パターンとなり、車両用ライトが高い光の利用効率を有する。
本発明係る照明装置は、他のタイプの灯具にも適用される。
従来技術と異なって、本発明の実施形態に係る照明装置の発光面と光ガイドの中心を通る断面との交線または交線のいずれかの接線は、光ガイドの中心線と鋭角をなし、発光面への励起光の入射角を小さくし、発光面と変換層との界面での励起光の反射を低減し、より多くの励起光を機能層に出射させて蛍光または散乱に変換するので、本発明の実施形態は、光の利用効率を高める。
また、本発明に係る実施形態は、放熱層を透明接着剤層によって第一導光部の側面に固定する。また、透明接着剤層の屈折率は、光ガイドの屈折率よりも低く、第一導光部の側面で励起光を全反射して光損失を低減し、かつ、照明装置を放熱する。
さらに、本発明に係る実施形態の車両用ライトにおいて、照明装置の発光面が出射した多くの光線は、反射ボウルにて反射して外部に出射可能であり、少ない光線は、外部に直接出射し、理想的な照明光パターンの形成に有利で、光の利用効率が高い。また、この照明装置を反射ボウルに適用した場合、デフォーカス現象が小さく、光の利用効率をより高める。
以上の説明は、単に本発明の実施形態に過ぎず、本発明の保護範囲を限定するものではない。本発明の明細書及び添付図面の内容を利用した同等の構造又は同等のプロセスの変更、又は他の関連する技術分野に直接又は間接的に適用したものは、いずれも本発明の保護範囲内に包含されるものである。

Claims (10)

  1. 励起光を出射する光源と、光ガイドとを備える照明装置であって、
    前記光ガイドは、第一導光部及び第二導光部を備え、
    前記第二導光部は、発光面を有し、
    前記光源が出射した励起光は結合して前記第一導光部に進入し、前記第二導光部の前記発光面を経て出射し、
    前記第二導光部における前記光ガイドの中心線に垂直な断面の面積が前記光源の光軸方向に沿って次第に小さくなり、前記光ガイドの中心線を通る断面と前記第二導光部の発光面との交線または交線のいずれかの接線は、前記光ガイドの中心線と鋭角である夾角をなし、
    前記発光面は、前記第二導光部の一部の側面に設けられ、
    前記第二導光部の発光面にコーティングされ、励起光に対して波長変換又は散乱を行う機能層をさらに備えることを特徴とする照明装置。
  2. 前記光ガイドの中心線を通る断面と前記第二導光部の発光面との交線または交線のいずれかの接線は、前記光ガイドの中心線と４５度未満の夾角をなすことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
  3. 前記発光面は、前記第二導光部の側面及び前記第一導光部における前記第二導光部に近い部分側面に設けられることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
  4. 前記光ガイドの前記第二導光部は、円錐体であり、前記光ガイドの中心線を通る断面と前記第二導光部の側面との交線は、前記光ガイドの中心線と４５度未満の夾角をなすことを特徴とする請求項１または３に記載の照明装置。
  5. 前記光ガイドの前記第二導光部は、円錐台体であり、前記光ガイドの中心線を通る断面と前記第二導光部の側面との交線は、前記光ガイドの中心線と４５度未満の夾角をなすことを特徴とする請求項１または３に記載の照明装置。
  6. 前記第二導光部は、対向するように設けられた第一端面及び第二端面を備え、前記第一端面は、前記第一導光部に接続され、前記第二端面に反射層が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
  7. 前記第二導光部の第二端面は、凹溝を有し、前記反射層は、前記凹溝の内部に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の照明装置。
  8. 前記第二導光部の側面は、曲面をなし、前記光ガイドの中心線を通る断面と前記第二導光部の側面との交線のいずれかの接線は、前記光ガイドの中心線と４５度未満の夾角をなすことを特徴とする請求項１または３に記載の照明装置。
  9. 前記光ガイドは、さらに放熱層及び透明接着剤層を備え、
    前記放熱層は、前記第一導光部の側面に設けられ、前記光ガイドを放熱し、
    前記透明接着剤層は、前記放熱層を前記第一導光部の側面に接着して、前記光ガイドの熱を前記放熱層に伝導させ、ここで、前記透明接着剤層の屈折率が前記光ガイドの屈折率よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
  10. 車両用ライトであって、
    請求項１～９のいずれか１項に記載の照明装置を備えることを特徴とする車両用ライト。
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