JP6568706B2 - 車両用灯具 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザー素子を光源とする車両用灯具に関し、特に半導体レーザー素子と蛍光体を組み合わせて白色光を発生させるための車両用灯具に関する。

自動車の前照灯などの車両用灯具では、発光ダイオード（ＬＥＤ）に替えてレーザーダイオード（ＬＤ）を用いることが試みられている（特許文献１参照）。ＬＤ光源は、光変換効率が高くまた発光面積が小さいので、灯具の小型化に有利となる。ＬＤ光源を用いる車両用灯具では、ＬＤ素子から波長変換素子である蛍光体へレーザー光、例えば青色レーザー光を照射し、蛍光体が励起されて発する光、例えば黄色光と、前記青色レーザー光を混色させて、白色光が出射される。

レーザー光は指向性の高い高エネルギー光であり、車両の前照灯等の光として使用する場合は、前述した通り、蛍光体と接触散乱させて、路面照射に適し、かつ適度のエネルギーを有する白色光に変換している。前記レーザー光と蛍光体とが十分に接触しないと、高エネルギーのままリフレクタで反射され、前方の歩行者、車両及び路面等に照射されることになる。このような事態を回避するために、前記蛍光体を取付体に強固に固定してその脱離や損傷を確実に防止している。

この高エネルギーのままのレーザー光の照射を回避するために、前記蛍光体が離脱又は損傷しないように、前述の取付体への強固な固定をはじめとして各種手法が採られているが、極端に低い可能性ながら、前記蛍光体の離脱を完璧に回避できるとは断言できない。蛍光体が適正に機能していること、つまり、レーザー光と前記蛍光体との接触及び散乱が適切に行われていることを確認する（逆に言うと、異常を検知する）ために、通常は、光路の要所に、光検知器を設置して、エネルギー量（光の強度）や光の波長を測定して、異常の存否をチェックしている。そして万一異常が検知され、高エネルギーのレーザー光が蛍光体と接触せずに放射されていると判断した場合には、何らかの原因で蛍光体が脱離又は損傷されたと推定し、レーザー素子の駆動を停止させるようにしている。

この他に、異常時に、レーザー光が接触するリフレクタに、該リフレクタを貫通する貫通孔又はエスケープホール（特許文献１の符号Ｈ２）を形成して、レーザー光をリフレクタの外側に逃がし、高エネルギーのレーザー光がリフレクタから前方に反射することを回避することが提案されている。

特開２０１４−１８０８８６号公報

しかし、光検知器が存在しない場合、光検知器が損傷している場合あるいは、光検知器が迅速に作動しない場合には、高エネルギーのレーザー光がそのままリフレクタで反射して前方に照射されてしまうという問題がある。

更に前述のエスケープホールを形成すると、正常運転時にリフレクタに達する白色光の一部が無駄になるという欠点がある。しかも異常時にリフレクタの外側に逃がしたレーザー光が各部材に複数回反射して最終的に高エネルギーのまま灯室外に照射される可能性もある。

また、青色レーザー光や紫色レーザー光の場合、前記蛍光体と接触して該蛍光体を透過した光は、生成して四方に散乱する白色光以外に、光路の中心付近を通って前記蛍光体と比較的短時間接触した比較的強い青色光等と、前記蛍光体を斜めに進み、前記蛍光体と比較的長時間接触して弱められた黄色光等を含んでいる。つまり、蛍光体透過後の光は、青色味の強い中央部と、その周囲の黄色味が強い周縁部から成る色むらを有している。この色むらのある光は、色度規格を満たさないおそれがあるとともに、リフレクタから反射して、路面上等に色むらのある光を照射することになるという問題点がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、蛍光体が所定位置から脱離した場合や該蛍光体が損傷して正常な機能を果たせない場合でも、前記レーザー光がリフレクタで反射され、前方へ直接照射されることを抑制できる、車両用灯具を提供することを目的とする。また、本発明では、色むらのある光が生成しても、この光の色むらを解消できる車両用灯具を提供することも目的とする。

前記目的を達成するために、本発明１（請求項１）に係る車両用灯具では、レーザー光を放出する半導体レーザー素子と、前記レーザー光を集光する集光レンズと、集光された前記レーザー光の少なくとも一部を波長変換して白色光を形成する第１蛍光体と、前記白色光を反射するリフレクタと、を備える車両用灯具において、前記第１蛍光体と前記リフレクタ間の、前記第１蛍光体に当たる前のレーザー光の光路の延長路に、第２蛍光体を設置する。

（作用）このような構成では、第１蛍光体が所定位置に固定されて、青色又は紫色等のレーザー光の少なくとも一部が波長変換され、高エネルギーのレーザー光の強い指向性が弱まって低エネルギー化した白色光が生成し、この白色光が比較的広面積でリフレクタに接触して、ほぼ全部の白色光が前方に反射して路面等に照射される。

しかし、この場合、第１蛍光体を透過した光は、白色光となって四方に散乱する他、その横断面図を図２ａに例示するように、中央が青色光等が強く、周囲に向かうにつれて、黄色光が強くなる光となり、色むらが生じる。この色むらを有する光のうちの青色光は指向性が弱くなっているが、その多くは、第１蛍光体との接触前と同様に鉛直方向に進み、リフレクタで反射して、色むらを有する光のまま、車両前方に照射される。

しかし、本発明１のように、色むらを有する光の進行路に、第２蛍光体を設置しておくと、前記した指向性が弱くなった青色光等が、該第２蛍光体に当たって散乱し、ほぼ完全に青色味が消失して、色むらのない散乱光に変換され、この散乱光がリフレクタで反射して、色むらのない散乱光として車両前方に照射される。なお、前記第１蛍光体は、前記第２蛍光体と同一でも異なっていても良い。第１蛍光体と第２蛍光体を同一にすると、異常時にも、前記散乱光は白色光になり、正常時と同じ光が得られる。

また、このような構成では、正常時、つまり第１蛍光体が所定位置に固定されて、レーザー光の少なくとも一部を波長変換するよう機能している間は、高エネルギーのレーザー光の強い指向性が弱まって低エネルギー化した白色光及び前述した青色味を帯びた光がリフレクタに接触して、車両前方に反射して路面等に照射される。この光は青色味を帯びてはいても、レーザー光のエネルギーより遥かに弱い光であり、車両前方に反射しても殆ど支障は生じない。

しかし前記第１蛍光体が所定位置から離脱したり、所定位置に存在しても前記蛍光体が機能劣化していると、従来の車両用灯具では、高エネルギーのレーザー光がそのまま、あるいは十分に低エネルギー化されていないレーザー光が、リフレクタの非常に狭い範囲に集中してそのまま反射し、高エネルギーのレーザー光が路面や歩行者等に照射されることになる。

これに対し、本発明１の構成では、万一前記第１蛍光体が離脱したり、機能劣化して、該第１蛍光体との接触により低エネルギー化されるべきレーザー光、例えば青色や紫色の短波長のレーザー光が、高エネルギーのままリフレクタ方向に進行しても、このレーザー光が確実に接触するように、第２蛍光体を設置してあるため、前記レーザー光がこの第２蛍光体に当たって、正常時の前記第１蛍光体と同じように、前記レーザー光の少なくとも一部を波長変換して高エネルギーのレーザー光の強い指向性を弱めて低エネルギー化する。

これにより生成する白色光は、四方に散乱した後にリフレクタで反射して車両前方に照射され、前記白色光以外に、前述した青色光等と黄色光を含む色むらのある散乱光が生成し、この散乱光は、色むらが残ったまま、リフレクタで反射して車両前方に照射される。従って、第１蛍光体に離脱や損傷が生じた場合にも、色むらのある散乱光が一部生成するが、高エネルギーのレーザー光を車両前方への照射は回避できる。逆に、第２蛍光体に離脱や損傷が生じた場合にも、第１蛍光体が正常に機能していれば、同様の理由でレーザー光の車両前方への照射は防止できる。

更に本構成では、従来のエスケープホールに相当するような開口をリフレクタに形成する必要がなく、特に正常運転時に波長変換された白色光が、リフレクタの外側に達して無駄に消費されることがなく、エネルギー効率の向上に寄与できる。

本発明２（請求項２）に係る車両用灯具では、レーザー光を放出する半導体レーザー素子と、前記レーザー光を集光する集光レンズと、集光された前記レーザー光の少なくとも一部を波長変換して白色光を形成する第１蛍光体と、前記白色光を反射するリフレクタと、を備える車両用灯具において、前記蛍光体と前記リフレクタ間の、前記蛍光体に当たる前のレーザー光の光路の延長路に、少なくとも該延長路との交差面を透明とした透明樹脂基体を設置する。

（作用）このような構成では、正常時、つまり蛍光体が所定位置に固定されて、レーザー光の少なくとも一部を波長変換するよう機能している間は、高エネルギーのレーザー光の強い指向性が弱まって低エネルギー化した白色光が、前記透明樹脂基体を透過した後、リフレクタに接触して、車両前方に反射して路面等に照射される。

しかし前記蛍光体が所定位置から離脱したり、所定位置に存在しても前記蛍光体が機能劣化していると、従来の車両用灯具では、高エネルギーのレーザー光がそのまま、あるいは十分に低エネルギー化されていないレーザー光が、リフレクタの非常に狭い範囲に集中してそのまま反射し、高エネルギーのレーザー光が路面や歩行者等に照射されることになる。

本発明２では、蛍光体とリフレクタ間の前記蛍光体に当たる前のレーザー光の光路の延長路に、光遮断機能を有する透明樹脂基体、例えば珪素樹脂やシリコーン樹脂等の基体を設置している。万一前記蛍光体が離脱したり、機能劣化して、該蛍光体との接触により低エネルギー化されるべきレーザー光、例えば青色や紫色の短波長のレーザー光が、高エネルギーのままリフレクタ方向に進行しても、このレーザー光が確実に前記透明樹脂基体に接触する。この透明樹脂基体は、レーザー光との接触により、該レーザー光のエネルギーや熱により、自身を変色、好ましくは黒色化して、高エネルギーのレーザー光を全て遮断するか、透過率を低下させて、遮光を可能にする。

請求項３では、請求項２に記載の車両用灯具において、蛍光体に当たる前のレーザー光の光路の延長路に相当する前記リフレクタ表面に、散乱光形成部を形成する。

（作用）本発明２（請求項２）では、万一前記蛍光体が離脱したり、機能劣化して、該蛍光体との接触により低エネルギー化されるべきレーザー光が、高エネルギーのままリフレクタ方向に進行しても、透明樹脂基体に接触して、該透明樹脂基体を変色して、レーザー光の透過を阻止するよう構成している。

しかし、蛍光体の離脱直後や、短時間しか経過せずあるいは該透明樹脂基体の固有の性質に起因して、前記透明樹脂基体の変色が十分でない場合には、高エネルギーのレーザー光の一部が前記透明樹脂基体を透過して、前記リフレクタに到達して反射し、車両前方に照射されることになる。

しかし請求項３の構成では、高エネルギーのレーザー光の一部がリフレクタ表面に到達しても、リフレクタに到達した実質的に全てのレーザー光が前記散乱光形成部に接触して乱反射し、リフレクタ内方の実質的全ての方向に散乱する。この散乱により、レーザー光の指向性は無くなり、低エネルギーの散乱光となり、高エネルギーのレーザー光が前方に照射されなくなる。

この場合多くの散乱光は、リフレクタとの単一回の反射では、直接灯室から前方に照射されないが、かなりの量の散乱光は、リフレクタ等に複数回反射することにより、間接的に灯室から前方に照射されることになる。正常運転時には、白色光がこの散乱光形成部で反射して散乱光が形成されるが、同様の理由で、実質的に全ての散乱光が前方への照射に利用でき、殆ど無駄が生じない。

前記散乱光形成部は、該散乱光形成部に達するレーザー光の実質的に全てが接触する形状とする。通常のレーザー光は真円ではなく長円状に発生するため、前記散乱光形成部は、リフレクタに達する長円状のレーザー光より若干大きい長円状とすることが望ましい。

前記散乱光形成部としては、リフレクタ表面に形成された曲面又は凹凸面や拡散剤、前記蛍光体と同一又は異なった補助蛍光体などがある。散乱光形成部の替わりに、回折格子を設置しても良い。

本発明１に係る車両用灯具では、レーザー光の光路又はその延長路に２個又はそれ以上の蛍光体を設置し、第１蛍光体で生じる色むらを有する散乱光を、引き続き第２蛍光体に当てることにより色むらを解消させ、色むらのない白色光を車両前方に照射することができる。

更にレーザー光の光路又はその延長路に、蛍光体が２個又はそれ以上設置されているため、いずれか一方が脱離した場合や該蛍光体が損傷して正常な機能を果たせない場合でも、他の蛍光体が、レーザー光を波長変換して、低エネルギー化し、高エネルギーのレーザー光が車両前方に車両前方に照射しないようにできる。この場合には、色むらのある散乱光が車両前方に照射される可能性が高いが、高エネルギーのレーザー光の照射は防止できる。

本発明２では、蛍光体の下流側の、レーザー光の光路の延長路に少なくとも該延長路との交差面を透明とした透明樹脂基体を設置してある。該透明樹脂基体をレーザー光のエネルギーや熱により変色する材質としておくと、蛍光体に離脱や損傷が生じた場合にも、レーザー光の少なくとも一部が前記透明樹脂基体に接触して遮光され、前記レーザー光の車両前方への照射を全部又は部分的に回避できる。リフレクタ表面の所要部分に、散乱光形成部を形成しておくと、前記レーザー光の車両前方への照射を実質的に回避できる。

本発明の第１実施態様である車両用灯具の縦断正面図である。 図２ａは、レーザー光を使用する従来の車両用灯具における、レーザー光の光路を示す概略縦断面図と、レーザー光の光束の平面図、図２ｂは、図１の車両用灯具における、レーザー光の光路を示す概略縦断面図と、レーザー光の光束の平面図である。 図３ａは、本発明の第２実施態様である車両用灯具の異常時の状態を示す縦断正面図、図３ｂは、同じく正常時の状態を示す縦断正面図である。

次に、本発明の実施の形態について説明する。

第１実施形態である灯具ユニット１は、図１に示すように、円筒形の発光装置３、車両前後方向に延びる光軸上に配置された投影レンズ（図示略）、及びリフレクタ（図示略）を備えている。図示しないリフレクタは、発光装置３の第１蛍光体で生成した指向性の弱い白色光の実質的に全部を後述する第２蛍光体を透過させあるいは透過させずに到達する光束を前方に反射し、図示しない前記投影レンズを透過させて車両前方に照射し、車両前面に正対した仮想鉛直スクリーン（車両前面から約２５ｍ前方に配置されている）上に基本配光パターン（例えば、ロービーム用配光パターンの少なくとも一部）を形成するように、発光装置３の側方から上方にかけての範囲をドーム状に覆っている。

発光装置３は、レーザー光を発光させる半導体レーザー素子５、該半導体レーザー素子５からのレーザー光を集光する集光レンズ７、及び該集光レンズ７からの光が照射されて上方に向けて透過される第１蛍光体９を備えている。前記半導体レーザー素子５は、レーザー光を放出する半導体発光素子で、例えば、発光波長が青系（４５０ｎｍ程度）のレーザー光、あるいは近紫外域（４０５ｎｍ程度）のレーザー光を発光する素子を使用する。

前記発光装置３は円筒状に成形され、下方内部の円板１１上に一体成型された長円状の周壁１３内に、前記半導体レーザー素子５が固定されている。前記発光装置３の円筒内壁面のほぼ中央には前記集光レンズ７が固定され、かつ前記発光装置３の上面中央には矩形又は円形の固定孔１５が形成され、この固定孔１５には、前記第１蛍光体９が、シリコーンや低融点ガラス等の透明な接着剤により接着されて嵌め込まれている。通常のレーザー光は真円ではない長円状に発生するため、この固定孔は、長円孔としても良く、いずれにしても半導体レーザー素子５で発生するレーザー光を遮蔽することなく、少なくともその一部を吸収して波長変換して透過させる形状とする。

前記第１蛍光体９は、例えば、セリウムＣｅ等の付活剤が導入されたＹＡＧとアルミナＡｌ_２Ｏ_３との複合体で、ほぼ平行に配置された下面及び上面を含む板状又は層状とする。その厚さは、目的の色度に応じて、適宜に選択することができる。該蛍光体９は、前述の波長変換された光と半導体レーザー素子５からのレーザー光との混色により生成するる白色光を放出する。

前記集光レンズ７は、半導体レーザー素子５からのレーザー光を集光して、前記第１蛍光体９に照射させる。前記集光レンズ７は、円筒形の発光装置３内の前記第１蛍光体９と半導体レーザー素子５との間の内壁に固定されている。

前記発光装置３の上面の周縁部には、茶碗を反転させた形状に類似する半球体１７の下端周縁部が接着され、該半球体１７の上部中央には、前記第１蛍光体９と固定孔１５とほぼ同一形状の固定孔１９が形成され、この固定孔１９には、第２蛍光体２１が、シリコーンや低融点ガラス等の透明な接着剤により接着されて嵌め込まれている。前記第２蛍光体２１の材質は、前記第１蛍光体９と同一でも相違していても良いが、後述する異常時を想定すると、同一の材質であることが好ましい。

図示を省略した前記投影レンズは、アクリル等の透明樹脂製で、例えば前方側の凸表面、及び後方側の平面を含む非球面レンズである。この投影レンズは、ホルダ等に固定されて車両前後方向に延びる光軸上に配置されている。

図２ａは、単一の蛍光体を使用する従来の車両用灯具、図２ｂは、図１の車両用灯具における、それぞれのレーザー光の光路を示す概略縦断面図と、レーザー光の光束の平面図である。図２ａの光束の平面図に示すように、従来のように単一の蛍光体２３のみで波長変換された透過光は、前述の通り、光路の中心付近を通って前記蛍光体と比較的短時間接触した比較的強い青色光等（図２ａの平面図中の濃い影の部分）と、前記蛍光体を斜めに進み、前記蛍光体と比較的長時間接触して弱められた黄色光等（図２ａの平面図中の薄い影の部分）と、その中間の光（図２ａの平面図中の白い部分）を含んでいる。つまり、蛍光体透過後の光は、青色味の強い中央部と、その周囲の黄色味が強い周縁部等から成る色むらを有している。

これに対し、前記第１実施形態では、第１蛍光体９を透過した白色光は、図面２ａの平面図と同様に、青色味の強い中央部と、その周囲の黄色味が強い周縁部等から成る色むらを有している。この色むらを有する光は、半球体１７の固定孔１９に嵌合された第２蛍光体２１に入射する。前記第１蛍光体９との接触距離が短く青色味が残存している中央部の光束が、前記第２蛍光体２１と接触することにより、再度散乱して指向性が十分に弱まり、色むらが殆どない白色光を得ることができる。

図１及び図２ｂに示す第１実施形態では、前記第２蛍光体２１の上方に、従来と同様のリフレクタが設置され、半導体レーザー素子５→集光レンズ７→第１蛍光体９→第２蛍光体２１の順に進行した白色光に変換された色むらのない光が、前記リフレクタで反射し、車両前方に照射される。

第１実施形態において、第１蛍光体９及び第２蛍光体２１のいずれか一方が離脱又は損傷して、蛍光体としての機能を喪失しても、他方の蛍光体が正常に機能していれば、前述した色むらは発生することはあっても、半導体レーザー素子５で生成したレーザー光が蛍光体に当たらずに、強指向性で高エネルギーのまま、車両前方に照射されることは防止され、フェールセーフが達成できる。

図３ａ及び図３ｂは、第２実施形態の灯具ユニットにおいて、蛍光体が離脱又は損傷した場合（図３ａ）、及び蛍光体が正常状態に維持されている場合（図３ｂ）の、それぞれの縦断正面図を表している。灯具ユニット３１は、円筒形の発光装置３３、車両前後方向に延びる光軸上に配置された投影レンズ（図示略）、及びリフレクタ（図示略）を備えている。

発光装置３３は、レーザー光を発光させる半導体レーザー素子３５、該半導体レーザー素子３５からのレーザー光を集光する集光レンズ３７、及び該集光レンズ３７からの光が照射されて上方に向けて透過される蛍光体３９（図３ｂ）を備えている。前記発光装置３３は円筒状に成形され、下方内部の円板４１上に一体成型された長円状の周壁４３内に、前記半導体レーザー素子３５が固定されている。前記発光装置３３の円筒内壁面のほぼ中央には前記集光レンズ３７が固定され、かつ前記発光装置３３の上面中央には矩形又は円形の固定孔４５が形成され、この固定孔４５には、図３ｂの場合、前記蛍光体３９が、透明な接着剤により接着されて嵌め込まれている。

前記円板４１の発光装置３３より外側には、該発光装置３３を間隙を形成して収容できる、前記発光装置３３よりやや大きい、上面を有する樹脂製円筒体４７の下端部が固定されている。前記円筒体４７を構成する樹脂は、アクリル樹脂やウレタン樹脂等の蛍光体が正常に維持されている状態の白色光によっては性能変化が生じないが、光エネルギーのままのレーザー光に対しては変色するものを使用する。該樹脂は、単独で使用しても、２種以上を併用しても良い。

この第２実施形態の変形例として、前記円筒体４７をレーザー光に対して変色しない材料で形成し、この円筒体４７の内上面に、レーザー光変色層を被覆形成することができる。また、レーザー光に対しては変色する樹脂を使用し、更に、レーザー光変色層を形成しても良い。このレーザー光変色層を構成する材料は、必要な波長のレーザー光、例えば波長が７００ｎｍ以上１２０００ｎｍ以下のレーザー光により反応して発色する物質を使用し、このような物質には、無機材料及び有機材料がある。該無機材料としては、鉄、亜鉛、スズ、ニッケル、銅、銀及び金などの金属、炭酸銅、炭酸ニッケル、硝酸マグネシウム、硝酸マンガン、硝酸鉄、硝酸カドミウム、硝酸亜鉛、硝酸コバルト、硝酸鉛及び硝酸ニッケル等の金属塩、水酸化銅、水酸化アルミニウム及び水酸化マグネシウムなどの金属水酸化物、及び酸化ケイ素、酸化アルミニウム及び酸化鉄等の金属酸化物がある。前記有機材料としては、フルオラン系、フェノチアジン系及びスピロピラン系レーザー変色色素がある。

本実施形態では、図３ａのように、蛍光体３９が、円孔４５から脱離し、高エネルギーのレーザー光が前記円筒体４７に達しても、この円筒体４７が、レーザー光に対しては変色する樹脂で形成されているため、前記レーザー光により変色してレーザー光を透過させなくなる。更に、前記変形例のように、前記円筒体４７をレーザー光に対しては変色する樹脂で形成することに加えて、円筒体４７の内上面などに、レーザー光変色層を被覆しておくと、更にレーザー光の透過を確実に防止できる。また円筒体４７をレーザー光に対して変色しない樹脂で形成し、要所にレーザー光変色層を形成するだけでも、レーザー光の透過防止が可能である。

１ 灯具ユニット
３ 発光装置
５ 半導体レーザー素子
７ 投影レンズ
９ 第１蛍光体
２１ 第２蛍光体
２３ 蛍光体

Claims (1)

1. レーザー光を放出する半導体レーザー素子と、
   前記レーザー光を集光する集光レンズと、
   集光された前記レーザー光の少なくとも一部を波長変換して白色光を形成する第１蛍光体と、
   前記白色光を反射するリフレクタと、を備える車両用灯具において、
   前記第１蛍光体と前記リフレクタ間の、前記第１蛍光体に当たる前のレーザー光の光路の延長路に、
   第２蛍光体を前記第１蛍光体から離間させて設置し、前記第１蛍光体で形成された白色光の一部が該第１蛍光体と前記第２蛍光体の間を通過して前記リフレクタに向うように構成されたことを特徴とする車両用灯具。

Images