JP5911184B1 - ダブル型高輝度ｌｅｄ前照灯 - Google Patents

Abstract

【課題】低電力で高出力がえられ、長超寿命であり、構造が簡単で、コンパクトなダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯の構造を提供する。【解決手段】ロービーム用とハイビーム用の２個の発光ダイオード１０１，１０２を搭載したプリント配線基板１０３を張り付けた銅板１００を、アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００であり、上端と下端が円柱２０１，２０２で、円柱と円柱のほぼ中心部に板状中間部２０３があり、中間部に設けられた銅板取り付け平面２０４を介してその両面に取り付け、熱伝導棒下端の円柱部を、放熱フィン３０２を有し中心部が空洞３０３になっているアルミニウム製放熱台座３００の口金３０１に圧入嵌合させ、さらに、熱伝導棒の上端と下端の円柱に、円筒状の遮光板構造物４００をかぶせ所定の光線を遮蔽する。【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードを用いた照明灯及び車両用前照灯、特に、発光ダイオードを
用いた自動車用ダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯に関するものである。

近年、発光ダイオードは、低電力で高発光が得られること、寿命が長いこと、構造が簡
単なこと、装置がコンパクトであること、など、長所が多いことがら、暫時その使用が広
まっている。しかしながら、高温になると効率が著しく低下することが、欠点として挙げ
られる。

特許文献１には、特に効果的に冷却される発光ダイオード装置を提供することを課題と
し、各発光ダイオードチップに少なくとも１つの光学素子が対応配置されており、発光ダ
イオードチップにより発生させられた熱を導出するために適した少なくとも１つの熱伝導
エレメントと、該熱伝導エレメントにより導出された熱を導出するために適した少なくと
も１つの冷却装置とが設けられていることが記載されている。

特許文献２には、自動車前部に設けて進行方向の安全を確認するための長寿命かつ低電
力の前照灯を提供することを課題として、前照灯は、投影用凸レンズと、この投影用凸レ
ンズの後方焦点Ｆの後方に配置される複数のＬＥＤチップで構成された発光面とを備えて
おり、定電流駆動回路は各ＬＥＤチップをオン／オフ制御し、制御回路（図示せず）はＬ
ＥＤチップをグループごとに通電タイミングの位相をずらして点灯し、ＬＥＤチップから
一定の発光量の放出光を導き出すことが記載されている。

特許文献３には、少なくとも１つの発光ダイオードと、少なくとも１つの発光ダイオード
を冷却するための冷却体とを備えた照明装置に関し、冷却体に掛合手段が設けられており
、掛合手段が、照明装置のためのホルダとバヨネット継手を形成するために役立つように
し、少なくとも１つの照明装置が、光源として自動車前照灯内に配置されていることが記
載されている。
さらに、特許文献４には、発光ダイオードが搭載されている半導体基板を固着したアルミニウム板を、銅製の熱伝導棒に直接固定し、当該固定されたアルミニウム板部位の熱伝導棒部位を除いて、遮光壁Ａと遮光壁Ｂを形成するように、銅製の熱伝導棒の表面をアルミニウムで口金に達する部位まで被覆した上部構造と、長い銅製の熱伝導棒を有する下部構造からなる銅製の熱伝導棒で連結された光源支持体を、長い銅製の熱伝導棒で、口金を介して中心部が空洞になっているアルミニウム製放熱台座に嵌合させ、銅製の熱伝導棒の先端部が空洞部の奥深く侵入した位置で固定し、空洞部の空気で銅製の熱伝導棒の冷却することにより、発光ダイオードからの発熱をアルミニウム製放熱台座で逃がすことを特徴とする発光ダイオードを用いた照明灯及びそれを用いた車両用前照灯が開示されている。しかしながら、この車両用前照灯は、中心部に銅製の長い熱伝導棒を必要とし、銅が高価な上、重いため改良が望まれている。

特開２００６−１００８３６号公報 特開２００４−２１４１４４号公報 特表２００８−５２４８６２号公報 特願２０１３−０８６６９０（特許第５５５９３８６号）

従来、発光ダイオードを用いたダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯において、ハイビーム、ロービームの切り替えが、運転席の切り替えスイッチで切り替えが出来、車検基準であるカットオフラインを有するものであり、ロービーム時に６４００ｃｄ以上、ハイビーム時に１５０００ｃｄ以上の明るさを照射できるバルブであることが最低限要求されるが、さらには、ハイビーム時において２５０００ｃｄ、ロービーム時においてにおいて１５０００ｃｄのＨ４ＬＥＤバルブ（ダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯）が安価に供給されることが要求されている。

上記課題を解決するために本発明者は、ダブル型高輝度ＬＥＤにおいて、発光ダイオードで発生する熱を効率よく逃がすダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯の構造を見出すに至った。
すなわち、本発明は、ハイビーム用発光ダイオード１０２とロービーム用発光ダイオード１０１の２個の発光ダイオードを搭載したプリント配線基板１０３を張り付けた２枚の銅板１００と、アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００と、アルミニウム製放熱台座３００と円筒状の遮光板構造物４００を有するダブル型高輝度LED前照灯であって、前記熱伝導棒２００は、上端２０１と下端２０２が円柱状で、円柱と円柱のほぼ中心部に板状中間部２０３を有し、前記板状中間部２０３に設けられた銅板取付け平面２０４の裏表に前記銅板１００をそれぞれ１枚づつ取り付けられており、前記熱伝導棒下端円柱部２０２の外周部を、放熱フィン３０２を有し中心部が空洞になっているアルミニウム製放熱台座３００の口金３０１円周面に圧入嵌合させ、さらに、当該熱伝導棒２００の上端２０１と下端２０２の円柱に、円筒状の遮光板構造物４００をかぶせ所定の光線を遮断するダブル型高輝度LED前照灯である。
また、本発明のダブル型高輝度ＬＥＤにおいては、銅板取り付け平面２０４の厚さが２ｍｍ以下であり、銅板の取り付けが熱伝導性接着剤若しくはリベットによるものであり、発光ダイオード１辺の長さが５〜７ｍｍとすることができる。
さらに、本発明のダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯においては、ハイビーム用発光ダイオード１０２とロービーム用発光ダイオード１０１の２個の発光ダイオードを直列につなぐことが望ましい。

また、本発明のダブル型高輝度ＬＥＤにおいては、前記銅板取り付け平面２０４の厚さが２ｍｍ以下であり、熱伝導性接着剤若しくはリベットを介して前記銅板が取り付けられ、発光ダイオード１辺の長さが５〜７ｍｍとすることが望ましい。
さらに、本発明のダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯においては、ハイビーム用発光ダイオード１０２とロービーム用発光ダイオード１０１とを直列につなぐことが好ましい。

また、本発明のダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯においては、熱伝導ペーストを介して、前記プリント配線基板と前記銅板が取り付けられ、当該銅板の厚さが１ｍｍ以下であり、かつ、圧力が１ｔ／ｃｍ ^２ 以上で、熱伝導棒下端の円柱部２０２が、アルミニウム製放熱台座の口金３０１に圧入された状態とすることが望ましい。

さらに、本発明のダブル型高輝度前照灯においては、前記熱伝導棒２００のアルミニウムが、アルミ６０６３であり、前記プリント配線基板を張り付けた前記銅板がC１１００であることが望ましい。

本発明のダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯は、構造が簡単で大量生産に向いており、効率よく放熱でき、長時間効率が低下することなく使用することができ、低電力で高出力がえられ、長寿命で安価なコンパクトな車両用ダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯を得ることができた。

は、本発明のダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯の概略図 は、本発明のダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯の実施例（単位はｍｍ） は、本発明のダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯の発光ダイオードの光源中心部と口金基準面との距離の実施例（単位はｍｍ） は、本発明のダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯の放熱台座の実施例（単位はｍｍ） は、本発明の熱伝導棒の実施例（単位はｍｍ） は、本発明の熱伝導棒の側面図、上面図 は、本発明の遮光板構造物の実施例（単位はｍｍ） は、本発明の遮光板構造物の頭部の実施例（単位はｍｍ） は、本発明の口金の実施例（単位はｍｍ）

本発明のダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯は、図１に示すように、ハイビーム用とロービーム用の２個の発光ダイオードを搭載したプリント配線基板１０３を張り付けた銅板１００、アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００、アルミニウム製放熱台座３００、円筒状の遮光板構造物４００をその主要部とする。
本発明の主要部を構成する材料について述べる。銅板１００を構成する銅は、無酸素銅Ｃｕ−ＯＦ，タフピッチ銅Ｃｕ−ＥＴＰ、市販のタフピッチ銅ｃ1100（タフピッチ銅とは、展延性や絞り加工性、耐食性、耐侯性に優れた純度は99.90%以上の純銅）、りん脱酸銅Ｃｕ−ＤＨＰ、黄銅８５／１５Ｂｒａｓｓ、黄銅６５／３５Ｂｒａｓｓ、黄銅６０／４０Ｂｒａｓｓ、快削黄銅Ｆｒｅｅ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｂｒａｓｓ、鋳造用黄銅 Ｆｏｒｇｉｎｇ Ｂｒａｓｓ、高力黄銅Ｈｉｇｈ Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｂｒａｓｓ、快削高力黄銅Ｆｒｅｅ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｈ．Ｔ．Ｂ等があるが無酸素銅Ｃｕ−ＯＦ，タフピッチ銅Ｃｕ−ＥＴＰ、市販のｃ1100（タフピッチ銅）、りん脱酸銅Ｃｕ−ＤＨＰが好ましく用いられる。
アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００、アルミニウム製放熱台座３００を構成するアルミニウムは、純アルミ１０５０（Ａ１０５０）、耐食アルミ５０５２と５０５６（Ａ５０５２とＡ５０５６）、アルミ２０１７（Ａ２０１７）、アルミ２０２４とアルミ７０７５（Ａ２０２４とＡ７０７５）、快削アルミ２０１１（Ａ２０１１）アルミ６０６３の平角棒とパイプ（Ａ５０６３）、アルミ６０６１（Ａ６０６１）アルミ５０８３（Ａ５０８３）、アルミーゴＨａｒｄ、ダイキャストアルミ（ＡＤＣ１２）等を挙げることが出来る。
ダイキャストアルミ（ＡＤＣ１２）、アルミ６０６３が好ましく用いられる。
さらに、円筒状の遮光板構造物４００を構成する材料は、ステンレス等各種の耐腐食性金属を用いることが出来る。
以下、各主要部について詳述する。

厚さが１ｍｍ以下の銅板１００の表面にプリント配線基板を熱伝導接着剤等で張り付け、裏面は銅の地金のまま用いる。プリント配線基板には端子１０４があり、ロービーム用発光ダイオード（ＬＥＤ）１０１とハイビーム用発光ダイオード（ＬＥＤ）１０２が取り付けられている。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、一辺が５ｍｍ〜７ｍｍのものを利用した。５ｍｍ以下では、発光量が少なく、７ｍｍ以上では焦点がぼやけてくる。
銅板の取り付け孔１０５とアルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００の板状中間部２０３にある銅板取り付け平面２０４にある取り付け孔２０５は、リベットで取り付けることが好ましい。すなわち、銅板取り付け平面２０４の反対方向の面にも同様にもう一つの銅板をあてがい、２枚の銅板１００を銅板取り付け平面２０４を挟むように、リベットでり付ける。取り付け孔２０５が、ふさがれないため気体の対流が起こり、温度のアンバランスを補正する作用が期待できる。
本発明のダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯においては、ハイビーム用とロービーム用の２個の発光ダイオードを直列につなぐことが望ましい。何故なら、直列回路の場合、LEDチップの数に関係なく、LEDチップ１個の電流値で点灯することができるので、発熱量が少ないのに対し、並列回路の場合、LEDチップの数だけ、チップ当たりの電流値が必要となってくるために複数のLEDチップを点灯さす場合、電流を多くしなければならず、発熱量も多くなるからである。

アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００において、上端の円柱２０１と下端の円柱２０２と、円柱と円柱のほぼ中心部に板状中間部２０３があり、中間部２０３に設けられた銅板取り付け平面２０４を介してその両面に銅版１００を取り付け孔１０５と取り付け孔２０５を重ねてリベット等で取り付け、熱伝導棒下端の円柱部２０２を、放熱フィン３０２を有し中心部が空洞３０３になっているアルミニウム製放熱台座３００の放熱台座口金３０１に圧入嵌合させ、アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００とアルミニウム製放熱台座３００を結合させる。圧入嵌合の圧力は1ｔ/ｃｍ^２以上が好ましく、圧力が高い方が、熱伝導効率が良い。放熱台座の空洞３０３には、ファン付のモータが収納され、ファン付モータ固定用底板３０４をネジ等でアルミニウム製放熱台座の下端部に取りつける。

円筒状の遮光板構造物４００は、薄いステンレスでできており、口金基準面４０１、口金の位置決めと取り付けのための部材４０２、円筒状の遮光板構造物４０３、遮光板構造物の頭部分４０４から成り、発光ダイオードが発する光線のうち、所定方向のものを遮蔽する作用を有する。銅板１００、アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００、アルミニウム製放熱台座３００、円筒状の遮光板構造物４００を組み合わせると第１図の右に示す形状となる。

本発明において、固定方法は熱伝導性の接着剤により固定しても良く、金属ペーストを塗布した後、リベットにより固定しても良く、超音波溶接により、固定しても良い。熱伝導性の優れた接着剤としてはDiemat Inc.製、ＳＫ３０Ｎ、ＳＫ６０Ｎ、ＳＫ７０Ｎ、ＳＫ１００Ｎ、ＳＫ１００ＳＤＮ、ＳＫ１００ＳＦＮなどが挙げられる。金属ペーストとしては金ペースト、銀ペースト、銅ペースト、ニッケルペーストなどが知られているが、散熱性や経済性から見ると銀ペーストが好ましい。銀ペーストの例としてはCT212M,CT284R、CT285（京セラケミカル（株））、TB3300シリーズ（（株）スリーボンド）などが挙げられる。
これらの固定方法の中では超音波溶接による固定は発光ダイオードユニットを不用な物質
の介在が無く、直接固定することができ、また、接着剤の塗布工程や金属ペーストの塗布
工程およびねじ止め工程を省略することができるので、最も好ましい。
当然、接着剤や金属ペーストによる固定と超音波溶接を併用することもできる。また、
超音波溶接による固定を行った後、ねじ止めにより固定しても良い。

発光ダイオードの電力供給線は、図示していないが、銅板１００に沿わせて配置することができる。通常は、電線を用いるが、導電性フィルムや導電性薄膜を用いることも可能である。
放熱台座３００に設ける放熱フィンは、薄い板状のものが、光軸に平行に支柱から突出し
たものや、光軸に対して直角の板状の突出したものや、光軸に対して直角に棒状の突出し
たものが、想起されるが、いずれのものでも可能である。
本発明において、熱伝導性を高めるために必要により、金属ペーストを用いても良い。金属ペーストとしては金ペースト、銀ペースト、銅ペースト、ニッケルペーストなどが
知られているが、散熱性や経済性から見ると銀ペーストが好ましい。銀ペーストの例とし
ては、CT212M,CT284R、CT285（京セラケミカル（株））、TB3300シリーズ（（株）スリーボンド）などが挙げられる。

発光ダイオードの電力供給電線、及び冷却用ファンのモータの電力供給電線は、図示さ
れていないが、電線、導電性フィルム、導電性薄板等いずれのものでもよい。
接続も、コネクタで結線してもよいし、カバーで一体的に固着と同時に結線するタイプ
でもよい。
発光ダイオオードの基板温度は、約８０℃以下に保持されるのが、理想であり、１００℃以上になると、明るさの低下および発光ダイオードの寿命が短くなる。
したがって、約８０℃以下に基板が保持されるよう、放熱フィンのフィン、冷却ファン
等を考慮して設計されなければならない。

本発明の実施例を示す。
図２において、５．２ｍｍ×５．２ｍｍのハイビーム用発光ダイオード１０２とロービーム用の発光ダイオード１０１を搭載したプリント配線基板１０３を張り付けた銅板１００＜材質銅Ｃ１１００＞を用意した。銅板は厚さ１ｍｍ、横１４ｍｍ×縦３２ｍｍであり、発光ダイオード（ＬＥＤ）が搭載されているの裏側の銅面を、熱伝導性接着剤（Diemat Inc.製、ＳＫ６０Ｎ）を用いて、アルミニウム＜材質アルミ６０６３＞で一体成型された熱伝導棒２００の銅板取り付け平面２０４に接着した。同様にもう一組の５．２ｍｍ×５．２ｍｍのハイビーム用発光ダイオード１０２とロービーム用の発光ダイオード１０１を搭載したプリント配線基板１０３を張り付けた銅板１００を用意し、熱伝導棒２００の銅板取り付け平面２０４に接着した。
熱伝導棒２００は、アルミニウムを用いて図６に示される寸法で作成した。
図２に示すように、熱伝導棒２００の上端と下端の円柱の直径は、１９．７ｍｍとした。
アルミニウム製放熱台座３００は、図４に示される寸法で作成した。
アルミニウム製放熱台座３００の口金３０１に熱伝導棒２００の下端の円柱２０２を圧入する。アルミニウム製放熱台座３００の下端の外径は４３ｍｍであり、上端の外径は２９ｍｍとした。アルミニウム製放熱台座３００の下端から熱伝導棒２００の上端円柱２０１の端面までの長さは８２．９ｍｍであった。アルミニウム製放熱台座３００の空洞３０３にファン付モータを収納した後、放熱台座３００の下端に厚さ３ｍｍ、直径４３．５ｍｍのファン付モータ固定用底板３０４で固定する。
さらに、遮光板構造物４００は、ステンレスを用いて、図７及び図８に示される寸法で円筒状の遮光板構造物４０３と硬質樹脂で作成された口金の位置決めと取り付けのための部材４０２と遮光板構造物の頭部分４０４を作成し、さらに図９に示される寸法で作成した口金基準面４０１を組み込んで、作成されたステンレス製の円筒状の遮光板構造物４００を、アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００の上端の円柱２０１、下端の円柱２０２の外周かぶせた。
全体の寸法は、ファン付モータ固定用底板３０４から遮光板構造物の頭部分４０４までの寸法は９８．２ｍｍ、下端のファン付モータ固定用底板３０４の直径４３．５ｍｍ、口金４０１の最大径が４６．５ｍｍのダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯を作成した。
図３に示すように、口金基準面からハイビーム用発光ダイオード１０２の中心までの距離は２６．０ｍｍであり、ロービーム用の発光ダイオード１０１の中心までの距離は３１．２ｍｍであった。

実施例１において、発光ダイオード（ＬＥＤ）が搭載されている銅板面の裏側を、熱伝導性接着剤（Diemat Inc.製、ＳＫ６０Ｎ）を用いて、アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００の銅板取り付け平面２０４に接着するのに変えて、接着剤を用いずに、プリント配線基板１０３を張り付けた銅板１００を２枚用意し、銅板の穴１０５と銅板取り付け平面２０４にある取り付け孔２０５の位置を合わせて、銅板の裏面＜発光ダイオード（ＬＥＤ）が搭載されていない面＞に銀ペーストを塗布した後、銅板取り付け平面２０４を挟んで、リベットで取り付けた。

実施例１において、熱伝導棒２００の材質をダイキャストアルミＡＤＣ１２に変えたほかは実施例１と同じことを行った。

実施例２において、熱伝導棒２００の材質をダイキャストアルミＡＤＣ１２に変えたほかは実施例２と同じことを行った。

（比較例１）
実施例２において、発光ダイオード（ＬＥＤ）が搭載されている銅板１００に変えて、アルミ６０６３を用いたアルミ板を用いた。

（比較例２）
比較例１において、アルミ６０６３製の熱伝導棒の材質を、ダイキャストアルミＡＤＣ１２に変えたほかは比較例１と同じことを行った。
本発明のダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯の特性を表1に示す。

ダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯に通電後、３０分後のＬＥＤチップの付近のプリント配線基板温度を測定した。

本発明のダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯は、冷却構造が簡単で、安価にダブル型高輝度ＬＥＤ前照灯を大量生産することができ、その利用範囲が広いため産業上極めて利用可能性が高いものである。

１００ 銅板
１０１ ロービーム用発光ダイオード（ＬＥＤ）
１０２ ハイビーム用発光ダイオード（ＬＥＤ）
１０３ プリント配線基板
１０４ 接続端子
１０５ 取り付け孔
２００ アルミニウムで一体成型された熱伝導棒
２０１ 上端円柱部
２０２ 下端円柱部
２０３ 板状中間部
２０４ 銅板取り付け平面
２０５ 取り付け孔
３００ アルミニウム製放熱台座
３０１ 放熱台座口金
３０２ 放熱フィン
３０３ 空洞
３０４ ファン付モータ固定用底板
４００ 円筒状の遮光板構造物
４０１ 口金基準面
４０２ 口金の位置決めと取り付けのための部材
４０３ 円筒状の遮光板構造物
４０４ 遮光板構造物の頭部分

Claims (5)

1. ハイビーム用発光ダイオード１０２とロービーム用発光ダイオード１０１の２個の発光ダイオードを搭載したプリント配線基板１０３を張り付けた２枚の銅板１００と、アルミニウムで一体成型された熱伝導棒２００と、アルミニウム製放熱台座３００と円筒状の遮光板構造物４００を有するダブル型高輝度LED前照灯であって、前記熱伝導棒２００は、上端２０１と下端２０２が円柱状で、円柱と円柱のほぼ中心部に板状中間部２０３を有し、前記板状中間部２０３に設けられた銅板取付け平面２０４の裏表に前記銅板１００をそれぞれ１枚づつ取り付けられており、前記熱伝導棒下端円柱部２０２の外周部を、放熱フィン３０２を有し中心部が空洞になっているアルミニウム製放熱台座３００の口金３０１円周面に圧入嵌合させ、さらに、当該熱伝導棒２００の上端２０１と下端２０２の円柱に、円筒状の遮光板構造物４００をかぶせ所定の光線を遮断するダブル型高輝度LED前照灯。
2. 前記銅板取り付け平面２０４の厚さが２ｍｍ以下であり、熱伝導性接着剤若しくはリベットを介して前記銅板が取り付けられ、発光ダイオード１辺の長さが５〜７ｍｍである請求項１に記載のダブル型高輝度LED前照灯。
3. 前記ハイビーム用発光ダイオード１０２と前記ロービーム用発光ダイオード１０１とを直列につないだ請求項１又は請求項２に記載のダブル型高輝度LED前照灯。
4. 熱伝導ペーストを介して、前記プリント配線基板と前記銅板が取り付けられ、当該銅板の厚さが１ｍｍ以下であり、かつ、圧力が１ｔ／ｃｍ ^２ 以上で、熱伝導棒下端の円柱部２０２が、アルミニウム製放熱台座の口金３０１に圧入された請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のダブル型高輝度LED前照灯。
5. 前記熱伝導棒２００のアルミニウムが、アルミ６０６３であり、前記プリント配線基板を張り付けた前記銅板がC１１００である請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のダブル型高輝度LED前照灯。
   
   

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