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JP4611721B2 - 発光デバイス及び車両用灯具 - Google Patents

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Description

本発明は、発光素子と該発光素子を静電破壊から保護するための静電保護用素子を含む発光デバイス及び該発光デバイスを用いた車両用灯具において、発光デバイスが不点灯状態に陥ったことを確実に検出できるようにするための技術に関する。
灯具光源に用いられる発光デバイスにおいて、その発光チップの静電気防止対策としてツェナーダイオードやコンデンサ等の静電保護用素子が並列に設けられる。例えば、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）では、ＬＥＤチップに窒化物系半導体材料等が用いられ、静電気による素子破壊を防止するため、ＬＥＤチップに対してツェナーダイオードを並列に接続して両者をパッケージ化した構成が知られている。つまり、ＬＥＤチップのカソードとツェナーダイオードのアノードとが接続され、ＬＥＤチップのアノードとツェナーダイオードのカソードとが接続された状態で同一パッケージ内に配置される。
そして、ＬＥＤチップ及びツェナーダイオードの電気的な接続においては、同一線径の金ワイヤーを用いたボンディングで行われる。
このような発光素子及び静電保護用素子を含む発光デバイス（あるいは発光モジュール）を複数用いてそれらを直列に接続して光源に使用する構成では、いずれか１個でも発光素子が点灯不能状態に陥った場合に光学的性能への影響（自動車用光源への適用における配光性能の低下等）が問題になるため、各発光デバイスに係る不点灯検出が必要とされる。例えば、全ての発光素子を直列接続とした光源ユニットを用いてその定電流制御により発光素子を駆動する構成形態において、下記に示す不点灯検出方法が採用される。
（Ｉ）発光デバイス群の電流値を監視する方法
（ＩＩ）各発光デバイスの両端電圧値を監視する方法
尚、この場合に通常想定されるのは発光素子のオープンモード故障であり、ショートモード故障を検出することができない可能性がある（発光素子又は静電保護用素子のショートモード時に不点灯状態が見逃されてしまう虞がある。）。従って、ショートモード故障による発光デバイスの不点灯状態が極力発生しないようにする必要がある。
しかしながら、従来の構成では静電保護用素子のショートモード故障への対策が充分でないために、発光デバイスの不点灯検出を確実に行うことができないという問題がある。
例えば、ＬＥＤチップ及びツェナーダイオードを用いた構成において、何らかの原因によってＬＥＤチップがオープンモード故障に陥った場合に、ツェナーダイオードにはＬＥＤチップの定格電流が流れる。該電流がツェナーダイオードにとって過電流であって該ダイオードのショートモード故障が誘発されると、発光デバイス全体としてショート状態が発生する。
上記方法（Ｉ）では、ツェナーダイオードのオープン状態において電流が流れないことから、いずれかの発光デバイスにオープンモード故障が起きたことを検出できるが、ツェナーダイオードのショードモード故障時には電流が流れるため、電流値の監視だけでは充分な検出を行うことができない。
また、上記方法（ＩＩ）では、ツェナーダイオードのショートモード故障時における電圧値がＬＥＤチップの正常点灯時における両端電圧値と区別できない場合、あるいは両者の判別が不十分である場合において検出の正確性が保証されない。
尚、上記方法（Ｉ）と（ＩＩ）の組み合わせや、さらに検出の確実性を高める方法等を用いて不点灯検出用システムを構築することも考えられるが、回路構成の複雑化やコスト上昇への影響等の面で問題が残る。
そこで、本発明は、発光素子に対して並列に接続される静電保護用素子のショートモード故障が極力起きないようにすることを課題とする。
本発明に係る発光デバイスは、発光素子及び該発光素子を静電破壊から保護するための静電保護用素子を含み、該発光素子と静電保護用素子とが並列に接続された構成を有する発光デバイスにおいて、発光素子及び静電保護用素子の各接続用線材が同一材質とされ、かつ発光素子の接続用線材の線径よりも静電保護用素子の接続用線材の線径が小さくされたものである。
また、本発明に係る車両用灯具は、発光素子及び該発光素子を静電破壊から保護するための静電保護用素子を含み、該発光素子と静電保護用素子とが並列に接続された構成を有する発光デバイスと、該発光デバイスを光源として照射光を得るための光学系を備えた車両用灯具において、発光素子及び静電保護用素子の各接続用線材が同一材質とされ、かつ発光素子の接続用線材の線径よりも静電保護用素子の接続用線材の線径が小さくされたものである。
従って、本発明では、発光素子が何らかの原因でオープン状態となり、発光素子に本来流れるはずの電流が静電保護用素子に流れてしまった場合に、過電流により静電保護用素子の接続用線材が溶断することで当該素子のショートモード故障が生じないように防止することができる。
本発明によれば、過電流により静電保護用素子がショート破壊に至る前に該素子の接続用線材が溶断し、これにより静電保護用素子がショートモード故障に陥らないように防止できる。しかも、不点灯検出システムの回路構成や検出方法等の複雑化を伴うことがなく、低コスト化に有利である。
そして、静電保護用素子の接続用線材に係る溶断電流を、発光素子に流れる定格電流以下に規定することが好ましく、接続用線材として金ワイヤーを用いる場合には、静電保護用素子の接続用線材の線径を「ｄ１」と記し、発光素子の接続用線材の線径を「ｄ２」と記すとき、両者の比値が「０＜（ｄ１／ｄ２）≦（１／２）」を満たすように規定する。これによって、発光素子のオープン時の過電流により静電保護用素子がショート状態に陥る前にその接続用線材が溶断するため、該素子のショートモード故障が発生しなくなる。
また、静電保護用素子にツェナーダイオードを用いた構成において、該ツェナーダイオードのショートモード故障が起きないように防止できる。
発光素子及び静電保護用素子を含む発光デバイスと、該発光デバイスを光源として照射光を得るための光学系を備えた車両用灯具への適用において、発光デバイスの不点灯検出を確実に行うことができ、配光性能の低下等による照明への影響が及ばないように未然防止対策を講じることができる（不点灯検出結果の表示や光源の交換を促す警報等）。
本発明は発光ダイオード等の発光デバイスを用いた灯具や信号機等への適用において、不点灯状態の検出を確実に行えるようにすることを目的とする。
図１は本発明に係る車両用灯具の構成例を示す概略的な説明図であり、車両用灯具１はそのランプボディ２内に所定の間隔をもって配置された複数の光源ユニット３、３、…を備えている。
各光源ユニット３には、発光素子及びその静電保護用素子を含む発光デバイス３ａ、３ａ、…が設けられており、これらは直列に接続されて点灯回路（あるいは電源部）４から電源供給を受けるように構成されている。
そして、不点灯検出部５は発光デバイス３ａ、３ａ、…の直列回路に流れる電流を検出することにより、発光デバイスのどれかが不点灯状態に陥ったか否かを判別するために設けられており、判別結果は状態表示や警報等に用いられる。尚、前記方法（Ｉ）に限らず、前記（ＩＩ）のように発光デバイスの両端電圧値を監視する方法を採用しても構わない。
図２は光源ユニット３の構成例を示したものであり、（Ａ）図が発光デバイス３ａの直射光を利用した形態を示し、（Ｂ）図が発光デバイス３ａから発した後に反射鏡にて反射した光を利用した形態を示している。
（Ａ）図では、発光デバイス３ａの発光素子（発光部）が投影レンズ６のほぼ焦点位置に配置されており、該発光デバイス内の発光素子から発した光が、投影レンズ６を介して外部に照射される。
また、（Ｂ）図では、発光デバイス３ａと反射鏡７を用いた構成において、反射鏡７のほぼ焦点位置に配置された、発光デバイス３ａ内の発光素子から発した光が、反射鏡７の内面（反射面）で反射された後で、投影レンズ８を介して外部に照射される。
尚、投影レンズ６、８は発光デバイスを光源として照射光を得るための光学系を構成しており、各光源ユニットによる出射光は図示しないアウターレンズを介して灯具外に照射される。
実施態様としては、（Ａ）図のような直射タイプの光源ユニットを複数個用いるか、又は（Ｂ）図のような反射タイプの光源ユニットを複数個用いる形態、あるいは、両タイプの光源ユニットを複数個組み合わせた構成形態により、所望の配光性能を得ることが可能である。
図３及び図４は発光デバイスの構成例９の要部について説明するための概略図であり、図３は光軸方向から見た図、図４は断面構造を示す図である。
発光素子１０及び該発光素子を静電破壊から保護するための静電保護用素子１１は同一のパッケージ内に収容されており、電極部１２、１３上にそれぞれマウントされている。
発光素子１０には、例えば、半導体材料を用いた白色発光ダイオード等が使用されるが、使用目的に応じて赤外発光ダイオードやレーザダイオード等を用いることも可能である。
また、発光素子１０（本例では発光チップ）に対して並列に接続された静電保護用素子１１には、例えば、ツェナーダイオードが使用される。
発光素子１０及び静電保護用素子１１はいずれも収容部材１４に形成された凹部１４ａ内に位置しており、発光素子１０が電極部１２上にマウントされ、静電保護用素子１１が電極部１３上にマウントされている。
発光素子１０は、金ワイヤー等の接続用線材１５、１５を用いたワイヤーボンディングにより配線処理が行われる。例えば、ＬＥＤチップに形成されたｐ型電極が金ワイヤーを用いて電極部１２に接続され、ＬＥＤチップに形成されたｎ型電極が金ワイヤーを用いて電極部１３に接続される。
また、静電保護用素子１１については、チップ端面（電極層）が銀ペースト等を用いて電極部１３に固定されるとともに、チップの他端部（電極）が金ワイヤー等の接続用線材１６を用いたワイヤーボンディングによって電極部１２に接続される。
尚、収容部材１４の凹部１４ａには蛍光体材料１７が充填されており、発光素子１０による光が蛍光体に照射され、さらに図示しない封止用の透明樹脂部を介して外部に光が出射される。
発光素子１０及び静電保護用素子１１の各接続用線材については同一材質とされ、静電保護用素子１１の接続用線材１６の線径を「ｄ１」と記し、発光素子１０の接続用線材１５の線径を「ｄ２」と記すとき、「ｄ１＜ｄ２」の関係を満たしている（あるいは線材１５、１６の断面積をそれぞれ「Ｓ１５」、「Ｓ１６」と記すとき、「Ｓ１６＜Ｓ１５」を満たす。）。つまり、「ｄ１＝ｄ２」の場合には、発光素子１０がオープン状態となり、静電保護用素子１１の接続用線材１６を介して発光素子１０の設定電流（定格電流等）が静電保護用素子１１にそのまま流れてしまった場合に素子破壊によるショートモード故障が発生する虞がある。
そこで、静電保護用素子１１の接続用線材１６の線径を、発光素子１０の接続用線材１５の線径よりも小さくし、発光素子１０に本来流れるべき電流が静電保護用素子１１に流れてしまった場合に該素子の接続用線材１６が溶断するように対策を講じることが望ましい。
尚、静電保護用素子１１の接続用線材１６と、発光素子１０の接続用線材１５とを異なる材質とする方法も考えられるが、製造工程への影響や素材選定の問題等を考慮した場合に、静電保護用素子１１の接続用線材１６を、発光素子１０の接続用線材１５よりも細い線径する方が簡単である。
接続用線材１５、１６として金ワイヤーを用いる場合を例にして、図５及び図６を用いて線径に関する条件について以下に説明する。
図５は、発光デバイスの構成例を示す等価回路図であり、ＬＥＤチップ１８（ダイオードの記号で示す。）とツェナーダイオード１９が並列に接続されている。
図には、配線に関して金ワイヤーを用いる部分（細線参照）と、セラミック基板のパターン部（太線参照）を、接続線の太さの違いとして区別して示しており、「Ｔａ」、「Ｔｂ」に示す端子が基板の各電極パターン（導電パターン）にそれぞれ接続されている。
ＬＥＤチップ１８のカソードは、「α」で示す範囲において金ワイヤーを用いたワイヤーボンディングによりＴａ側の基板パターンに接続されている。尚、本例ではＬＥＤチップ１８のアノードがＴｂ側の基板パターンに直接接続されているが、該アノードがワイヤーボンディングによりＴｂ側の基板パターンに接続された構成も可能である。
そして、ツェナーダイオード１９については、そのカソードが「β」で示す範囲において金ワイヤーを用いたワイヤーボンディングによりＴｂ側の基板パターンに接続されている。
本構成において、「α」、「β」の各範囲に使用される金ワイヤーの線径が同じである場合（例えば、ともに３５μｍであって、各金ワイヤーはＬＥＤチップの定格電流を充分に流すだけの電流容量を有する。）には、ＬＥＤチップ側がオープンモードとなったときに、過大な電流がツェナーダイオード１９に流れてしまい、ショートモード故障が発生する虞がある。
そこで、ツェナーダイオード１９に過電流が流れてしまった場合に、範囲「β」の金ワイヤーのみが溶断するように細い径に規定する必要がある。接続用線材として金ワイヤーを用いる場合には、静電保護用素子の接続用線材の線径「ｄ１」と、発光素子の接続用線材の線径「ｄ２」との比値が、「０＜（ｄ１／ｄ２）≦（１／２）」の関係を満たせば良いことが判明している。
図６は、横軸に金ワイヤー径（単位：μｍ）をとり、縦軸に金ワイヤー長２ｍｍの時の溶断電流値（単位：Ａ）をとって、線径１５乃至３５μｍの範囲についてグラフ化したものである。
金ワイヤー長が２ｍｍであってＬＥＤの定格電流値が０．５Ａである場合に、該電流値未満で溶断する様に設定するには、線径を３５／２＝１７．５μｍ以下、好ましくは１５μｍ以下にすれば良い。つまり、ＬＥＤチップに使用する金ワイヤーの線径が３５μｍであるとき、ツェナーダイオード１９に使用する金ワイヤーの線径をその２分の１以下にすれば、ＬＥＤの定格電流が該ツェナーダイオードに流れたときに金ワイヤーが溶断するため、上記ショートモード故障の発生を防ぐことができる。
尚、金ワイヤー線径の下限値については、ツェナーダイオードの設置目的から明らかなように、静電気による電流程度では、範囲「β」の金ワイヤーが溶断しないこと（ツェナーダイオードが果たすべき機能が保証されること）及びワイヤー長、使用温度等の各種条件を考慮した上で決定される。
以上のように、発光チップ及びツェナーダイオードを含む発光デバイスにおけるショートモード故障の発生確率を充分に低減することにより、該発光デバイスの不点灯検出を確実に行うことが可能となり、車両用灯具への適用において走行の安全性を保証することができる。
本発明に係る車両用灯具の構成例を示す説明図である。 光源ユニットの構成形態について説明するための図である。 図４とともに発光デバイスの構成例を示す概略図であり、本図は光軸方向からみた図である。 断面構造を示す図である。 図６とともに、金ワイヤーの線径について説明するための図であり、本図は発光デバイスの構成例を示す等価回路図である。 金ワイヤー径と溶断電流値との関係を例示したグラフ図である。
符号の説明
１…車両用灯具、３ａ…発光デバイス、１０…発光素子、１１…静電保護用素子、１５、１６…接続用線材、１９…ツェナーダイオード

Claims (4)

  1. 発光素子及び該発光素子を静電破壊から保護するための静電保護用素子を含み、該発光素子と静電保護用素子とが並列に接続された構成を有する発光デバイスにおいて、
    上記発光素子及び静電保護用素子の各接続用線材が同一材質とされ、かつ上記発光素子の接続用線材の線径よりも、上記静電保護用素子の接続用線材の線径が小さい
    ことを特徴とする発光デバイス。
  2. 請求項１に記載した発光デバイスにおいて、
    上記接続用線材として金ワイヤーを用いる場合に、上記静電保護用素子の接続用線材の線径を「ｄ１」と記し、上記発光素子の接続用線材の線径を「ｄ２」と記すとき、両者の比値が「０＜（ｄ１／ｄ２）≦（１／２）」を満たす
    ことを特徴とする発光デバイス。
  3. 請求項１又は請求項２に記載した発光デバイスにおいて、
    上記静電保護用素子がツェナーダイオードである
    ことを特徴とする発光デバイス。
  4. 発光素子及び該発光素子を静電破壊から保護するための静電保護用素子を含み、該発光素子と静電保護用素子とが並列に接続された構成を有する発光デバイスと、該発光デバイスを光源として照射光を得るための光学系を備えた車両用灯具において、
    上記発光素子及び静電保護用素子の各接続用線材が同一材質とされ、かつ上記発光素子の接続用線材の線径よりも、上記静電保護用素子の接続用線材の線径が小さい
    ことを特徴とする車両用灯具。
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