专利名称：车用前照灯及其制造方法
技术领域：
本发明涉及使用发光二极管等半导体发光元件为光源的车用前照灯的制造技术。
背景技术：
作为车用灯具的光源使用白炽灯或放电灯，然而，以低耗电和小型化为目的，现在正着眼于使用半导体的发光二极管(LED)等发光元件。
例如，作为使用LED的灯具有位制动灯、后示宽灯等。
然而，当把使用发光二极管等半导体的发光元件用作车辆前照灯的光源时，为了形成近光的射束的配光图形，需要在光学设计上下功夫。例如，众所周知，采用排列成矩阵的许多半导体光源构成能切换各种发光机能的形态(例，参照专利文件1)。
(专利文件1)特开2001-266620号公报(图1、图4)本发明要解决的课题但是，在应用于车辆的前照灯时，因为发光元件和构成光学系统的元件的距离近，所以位置的精度重要，然而现有的发光元件在相对构成光学系统的反射镜或透镜的发光部的位置精度方面的考虑不充分。如果构成发光部的芯片部和配置在该芯片部周围的反射部的精度低，那么其误差会直接影响前照灯配光的形成。例如，在近光的射束的配光中难以明确地形成区分明暗边界的分界线(或明暗截止线)。
发明内容
在此，本发明的课题是在使用LED等发光元件的车用前照灯中高精度地进行配光设计。
本发明的车用前照灯具有使用半导体的发光元件和包括反射镜或透镜的光学系统；在该车用前照灯中，用芯片部构成设定光学系统的焦点的发光元件的发光部。从发光元件的光轴方向看该芯片部或者在该芯片部的周围配置的反射部或萤光体的外形尺寸误差应该在0.1mm以下，小于该发光部相对反射镜或者透镜的位置误差。
因而，根据本发明，通过使芯片部等的尺寸精度高于发光部相对反射镜或者透镜的位置配置的精度，就能充分保证配光控制上的必要精度。
图1是表示发光元件的构成例的说明图；图2是表示涉及发光元件的矩形图形的例的图；图3是表示从光轴方向看的发光部的形状例的说明图；图4是表示从侧方看的LED的说明图；图5是与图6一起表示用于本发明的发光元件的一例，本图是表示从侧方看的发光元件的图；图6是从光轴方向看发光元件的图；图7是与图8一起表示用于本发明的发光元件的另一例，本图是表示从侧方看的发光元件的图；图8是从光轴方向看发光元件的图；图9是涉及发光部的投影像的说明图；图10与图11一起是有多个发光部的发光元件的说明图；图11是示意表示发光元件的立体图；图12是与图13一起表示涉及本发明的前照灯的构成例，本图是利用发光元件发出的直射光的构成方式的说明图；图13是利用反射光的构成方式的说明图；图14是与图15一起说明发光元件的安装基准的图，本图是从发光元件的光轴方向看的平面图；图15是立体图；图16是表示前照灯的构成例的正面图；图17是示意表示配光图形的形成例的图。
部件编号说明1发光元件；1a发光部；2芯片部；3反射部；4萤光体；5透镜部；12发光元件；13透镜部；14透镜部的中心轴；
17发光部；17a一边；19发光元件；20透镜部；21透镜部的中心轴；24发光部；24a 长边；26发光元件；27发光部；29、35车用前照灯；30、36透镜；31、38光学系统；34、40支持部件；37反射镜；42发光元件；43基板部；43a基板部的外边缘；44发光部；44a侧边的一边。
具体实施例方式
本发明涉及使用发光元件作为光源的车用前照灯，能够适用于前照灯或雾灯等。另外，对于应用半导体的发光元件可以例举诸如由P-N结中正向流动的电流发光的LED元件，或通过电场发光的EL元件等。
图1是以LED为例示意表示发光元件构造的图。
发光元件1具有芯片部2、反射部3、萤光体4、透镜5，在本例，发光部1a由芯片部2、反射部3、萤光体4构成。另外，光学系统的焦点位置设定在发光部或者该发光部的近处。在此所说的“焦点”不局限于反射镜或者透镜本身的狭义的焦点，包括光学上的形状设计的基准点等。
对于芯片部2，例如使用Al-In-Ga-P型、In-Ga-N型等材料，如图所示，具有在支持部件(引线框或管座等)上直接安装芯片部2的方法和在辅助安装部件上安装芯片然后在支持部件上安装辅助安装部件的方法；另外，在芯片2上形成的电极上连接焊线(没作图示)。
在设在芯片部2的周围的部件上形成反射部3。例如，芯片部2的支持部件具有杯子形状的部分，通过在杯子形状的部分形成凹面，而形成反射面。在芯片部2发出的光具有以发光元件1的光轴为中心的指向特性，越远离光轴光的强度越弱。于是，在图中区分成以“6a”表示的直射光和以“6b”、“6c”表示的反射光的情况下，光轴方向的直射光最强，而为了有效地利用如“6b”那样的从芯片部2的侧方发射的光，设置了反射部3。即，在该反射部3的反射面，光被反射成为向前方(照射方向)的光。另外，“6c”表示从发光层发射后向着照射方向相反的方向的光，该光通过在芯片部2的后端面的反射，成为向前方的光，或者在芯片2的后端面反射后，再从芯片部2的侧面射出然后再被反射部3反射。
萤光体4覆盖芯片部2及其周围。例如，为了取得白色光，可以使用发兰色光的芯片和YAG萤光体等发黄光的材料进行调色。
透镜部5配置在发光部1a的前方，或者形成把发光部1a包入树酯透镜内的结构，后者采用通过把发光部整体埋入树酯内提高指向性的方法，例如，形成炮弹型用作制动灯是众所周知的。为了不形成从芯片部2以广角发射的光在透镜内部或者反射或者从透镜侧面部射出损失的光，使用圆屋顶形或者半球形的透镜是理想的。另外，通过利用全反射和反射装置进行光路控制有效地发出芯片部的放射光，从而提高光的利用效率是理想的。
从发光元件的光轴方向看，用发光部的光源像形成圆形的元件，在发光部发生的光中的大半部分是直射光，这对形成圆形的图形有作用，位于其周围的圆环状的图形由从透镜部的侧面发出的光形成而成为拟似光源。
这样，当光源的光度分布在光轴周围具有转动对称性的情况下，因为必须要基于从光轴方向看大体形成圆形的图形，形成非转动对称性的配光图形，这会使光学设计困难。例如，形成近光的射束配光中的分界线那样的直线部分是困难的。(因为将形成圆弧状的部分简单地互相连接难以形成明确的直线部)。
在此，当发光元件的光度分布在光轴周围具有非转动对称性的情况下，因为发光部具有沿着与发光元件的光轴直交的方向横向长的形状，所以，构成通过光学系统投影的图形形状具有直线的部分。
图2表示从发光元件的光轴方向看的形状例，是示意表示与发光元件有关的光源像的图形形状的例。
如图所示，光源像7的图形形状的外周边缘大体形成矩形。
在本例，从光轴方向看的发光部1a的形状为长方形，如后面所述地该光源像主要是在其长方向扩大。
另外，为了得到横向长的投影图形，发光部形成长方形是理想的，但是，因为长方向的端部不限于直线状，所以，也可以如虚线7′所示的光源像那样去除长方形的4个角，形成圆弧的形状。
为了获得这样的光源像，对构成发光元件的芯片部、反射部、萤光体或者透镜部形状的设计要使在该发光元件的光轴周围具有非对称性。即，决定光源像的图形形状的要素是芯片部的形状、反射部或萤光体的形状、透镜部的形状及材质，还有与这些构成部件有关的光学的位置关系。因而，根据组合各要素的模拟结果(光线跟踪和光线分布)，能够设计具有理想光源像的发光元件。
决定发光部形状的因素主要是芯片部的外缘和反射部或萤光体的外周边缘，如果它们的尺寸误差过大会对配光设计产生不良影响。
在此，在本发明为了减小发光部的外形尺寸误差，规定涉及芯片部和反射部或者萤光体的外形的尺寸误差为0.1mm以下。该数值受光源的安装精度和组装精度制约。例如，在使用如自炽灯泡那样的灯丝的光源，对于从其安装基准面到发光中心的距离的容许误差在大约0.2～1.5mm的范围。这是根据在从发光中心到反射镜等的距离(或焦点距离)比较长的情况下，该范围的位置误差对配光不会产生大幅度的影响。因而，在使用发光元件的情况下就不能仍旧适用该误差范围，而是在0.2mm以下，理想的是在0.1mm以下。但是，使尺寸误差为零实际上是非常难作的，是不现实的(对制造装置的精度要求过于严格直接导致制造成本的增加)。因而，只要发光部的尺寸误差比该发光部相对构成光学系统的反射镜或透镜的位置误差(通常大于0.1mm)小就行。
图3表示发光部1a从发光元件的光轴方向看成为矩形的例，“L”表示其一边的长度。
L是数毫米(例如1mm左右)，于是，L的尺寸误差为L/10以下是理想的。
另外，在使从发光元件的光轴方向看的芯片部形成理想的形状并用树酯透镜(模压透镜)覆盖芯片部的结构中，为了将芯片部设计为任意的形状，考虑伴随各种技术困难以及制造成本方面的不利因素，再进行对反射部和萤光体形状设计的方法是有效的。即，对芯片部的形状和指向特性不作大幅的变更就能改变光度分布。
可是，如图4所示，在一般的LED8中，因为形成该芯片部9的中心部置于树脂透镜10的中心轴11上的构造，这是对于前照灯配光造成各种的不合适的原因。
例如，当设定树酯透镜10的中心轴11与光学系统的光轴直交并且通过用反射镜向前方(照射方向)反射从LED8发出的光要得到用于形成近光的射束的配光分布的光时，在芯片9中因为在偏离其中心部的周边部发出的光从中心轴11的偏离大，所以难以控制。另外，因为该光难以成为被充分控制的光，所以恐怕成为对利用道路人的眩目光而造成眩光。
在此，在从发光元件的光轴方向看的发光部的侧边，使其一边形成直线，并使该直线与透镜部的中心轴连接地规定发光部的位置。
图5和图6表示发光元件的构成例12，图5是侧面图、图6是正面图。
在图5中，用点划线表示透镜部13的中心轴14，另外，在图6中，用点划线表示与中心轴14直交通过发光部的中心的纵轴15及与该轴直交的横轴16。
在本例，从正面看发光部17成矩形状，其一边17a连接在中心轴14及轴16上。
另外，为了保证该位置关系的精度，如上所述，提高发光部的尺寸精度也是必要的。
另外，如图6中用双点划线所示，也可以由反射部的形状设计作出如切去一部分的圆形的形状的发光部，形成其直线状的一边连接在中心轴14以及轴16上的结构。
这样，通过把发光部17(芯片部和反射部等)的一边17a形成直线状，并使该直线连接在透镜部13的中心轴14上配置发光部17，就能正确地控制从发光部发出、透过透镜部13的光。于是，就能减少造成眩目的光。另外，使用从该直线状的部分获得的光就能够形成在近光的射束的配光图形中的分界线。
另外，在发光部从发光元件的光轴方向看成为矩形状的情况下，当其形状(芯片部等)形成正方形时，其投影图形具有以垂直轴及水平轴的对称性的形状，因此配光设计困难。即，在前照灯的配光中，在上下(垂直)方向的图形扩展比较窄，与此相反在左右(水平)方向的图形的扩展大。因此，使用正方形的投影图形不理想。这一点对于形成分界线也是一样。
在在此，发光部从发光元件的光轴方向看成长方形，构成以其投影图形为基础容易进行配光设计的结构。
图7及图8表示发光元件的构成例19，图7是侧面图、图8是正面图。
在图7中以点划线表示透镜部20的中心轴21，另外，在图8，以点划线表示与中心轴21直交通过发光部的中心的纵轴22以及与该轴直交的横轴23。
在本例，从正面看发光部24形成长方形，其长边24a连接透镜部20的中心轴21及轴23并且垂直相交。
图9示意表示由发光部24形成的投影图形，横轴“H”表示水平线、纵轴“V”表示垂直线。
在发光部形成横向长形状的情况下，采用使发光部24靠向包括中心轴21及轴23的面的一侧的配置，并使发光部24形成最简单的长方形，其长边要连接在中心轴21上。这样，就能把大体形成长方形的各投影像25、25......的一边(对应长边24a)重合在一起。当在灯具的前方配置透光板时，因为通过透镜20的中心轴附近的光线以变形少的横向长的像投影在透光板上，所以能形成明显的分界线。另外，通过组合多个这样的横向长的投影像，能够得到前照灯必需的配光分布。例如，在分别具有形成聚光性投影图形的发光元件和用于形成扩散性投影图形的发光元件以及用于形成分界线的发光元件的构成方式中，通过合成各不相同配光功能的投影像能够进行配光控制。
另外，至于投影像的大小，可以通过设定透镜部的焦点距离，或使用外部的扩散透镜进行调整。
关于使用多个发光元件的构成方式，不限于在一个发光元件内有一个芯片部的构造。即，能使用在同一个元件内配置多个芯片部而形成组件化的结构。
如图10、图11所示，具有在发光元件26的内部沿规定方向配例矩形状的芯片部27、27、......的结构，用形成半圆柱状的萤光体或者透明部件28覆盖这些芯片或者在设置各芯片部的基板的前方配置透明部件。
通过在圆筒部件(基材)的侧面(圆筒面)配列多个芯片部，与形成与灯丝形状(理想形状为圆筒形状)相同的构成方式相比较，由于在本例使用半圆柱状的萤光体或者透明部件，可以获得诸如能减小光源尺寸以及对发光元件不需使用特殊的光学系统这样的优点。
在采用在发光元件内配列多个芯片部的结构的情况下，当其位置精度低时就会发生不能集中投影像，不能明显地形成分界线这样的问题。
例如在图10的下段表示的图，用点划线表示的直线K表示分界线形成后的基准线，在如用实线表示的发光部27、27...那样地其一边相对该直线K一致配置的情况下没有问题；但是，如用虚线夸张地表示那样，当发光部27′、27′、...相对直线K不一致配置时，就会难以进行合适的配光控制。
在此，关于在发光元件内配列的多个发光部之间相对的位置误差，规定在±0.01mm以下是理想的。这个精度相对上述的0.1mm是十分之一的范围，这是用于明显地形成分界线，在直线上一致配置发光部的一边的情况下必要的精度。
另外，在上述说明中例示了在发光元件内在规定方向配列多数的发光部的例，但是不局限于这样，可以例举诸如把发光部配列成格子状等各种构成方式，这样场合也必须要保证发光部的相对的位置精度。
图12和图13表示涉及本发明的车用前照灯以及构成车用前照灯的照射部(照射单元)的构成例，例如，作为使用投影光学系统的构成，例举下述表示的方式。
(A)主要利用从发光元件射出的直接光的方式(参照图12)(B)主要利用从发光元件射出后再由反射镜反射的光的方式(参照图13)在图12所示的车用前照灯29，使用具有投影透镜30的光学系统(投影光学系统)31。即，在本例，具有发光元件32、遮光部件33(遮光罩)、投影透镜30，具有在支持部件34上设置发光元件32及遮光部件33的结构。而且，投影透镜30的物侧焦点设在遮光部件33的上边附近。另外，当投影由在遮光部件33的上边缘遮挡发光元件32发射的光的一部分形成像时，使遮光部件33的上边缘部尽量接近发光元件32是理想的。
使发光元件的光轴和灯具的光轴互相平行，在由该发光元件发的光中，没被设置在该发光元件的前方的遮光部件33遮挡而向前方的光1、1、...透过投影透镜30后成为照射光。另外，通过遮光部件33的上边形成决定配光图形的明暗边界的分界线。另外，当从发光元件32发出的光的放射角度大时，没透过投影透镜30的无效的光会增多，因此有必要考虑投影透镜的直径和位置，规定扩散角度。
在图13所示的车用前照灯35，使用具有投影透镜36和反射镜37的光学系统38。即，在本例，具有发光元件39、反射镜37、投影透镜36，发光元件39和投影透镜36的支持部件40从侧方看形成曲柄状，其一部分成为遮光部40a。而且，反射镜37的焦点设定在发光元件39的发光部或者其附近，投影透镜36的物侧焦点设定在遮光部40a的近处。另外，作为反射面的形状，使用旋转椭圆面或椭圆-抛物复合面，或者使用以这些基本面通过曲面操作提高了自由度的自由曲面等。
发光元件39，其具有光轴与灯具的光轴垂直相交的位置关系，安装在支持部件40上，从发光元件39发射的光的大半在反射镜37的反射面被反射。然后，没被遮光部40a遮挡、向着前方的光1、1、...透过投影透镜36之后成为照射光。另外，通过遮光部40a的上边缘形成决定配光图形的明暗边界的分界线。另外，通过在发光元件39和遮光部40a之间设置平面反射镜41，能提高光束利用率。由于使用透明材料一体地形成支持部件40和投影透镜36，能够制造在发光元件39的安装位置、遮光部40a的上边缘位置、投影透镜36的焦点位置等方面的具有高精度的光学系统构成部件。
另外，在把发光元件安装在其支持部件上时，保证安装精度是必要的，因为由现有的LED设定的基准位置没有考虑向前照灯的应用或者不能充分满足前照灯所必要的精度，所以，当基准位置的误差大时，会对配光控制产生不良影响。
在此，规定实际安装发光元件的发光部的基板部的外边缘为往该发光元件的支持部件上安装的基准。
图14和图15表示发光元件的构成例42，图14是从发光元件的光轴方向看的平面图，图15是示意立体图。
在本例，设定成为发光元件42的机械定位基准的基准面S(参照图15)为包括基板部43的外边缘43a的侧面。即，包括呈矩形板状的基板43的一边，以平行于发光元件42的光轴的平面作为定位的基准面，通过使该基准面与没作图示的发光元件的支持部件的安装位置(台阶面或支持面等)相一致，保证定位的精度。
而且，设计发光部44(例如芯片部)为矩形，使从发光元件42的光轴方向看的侧边的一边44a形成为直线，通过提高该直线和上述基准面的位置之间的精度，能够获得光学设计及制造上的基准。为此，规定一边44a和基板部43的外边缘43a之间相对的位置误差值(绝对值)为0.01～0.1mm是理想的。
例如，将包括一边44a的平面“π”(参照图15)和基准面S之间的间隔记为“D”时，使该尺寸误差为±0.1mm以内的理由是如上所述地，要比发光部与反射镜等的光学部件的位置误差小。另外，关于下限值(±0.01mm)是为了必须避免制成高于需要的精度所产生的弊端(制造上的困难和成本提高)。
这样，设定发光元件的机械定位用的基准面为基板部的外缘部，通过确保发光部在该基准面的位置精度，能充分保证前照灯的制造和光学设计上必要的精度。
图16是表示车用前照灯的构成例45的正面图，具有组合多个照射单元的结构。
配置在最上段的照射单元46、46...是扩散型，作为其配光机能，由具有中度的水平扩散性的照射单元和具有大的水平扩散性的照射单元构成。
另外，配置在中段及最下段的照射单元是集光型，其中，位于中段的照射单元47、47主要照射对形成分界线有用的投影图形。其余的照射单元48、48...用于照射车前方的远区域，主要形成对热区域(光度中心部)的形成有作用的投影图形。
这些照射单元都具有图13所示的结构，根据配光机能的不同发光元件的发光部形状各异，同时，根据使用目的分别设计反射镜的焦点距离、遮光位置、投影透镜的后焦点等。
至于照射单元的个数，在考虑灯具的小型化和低成本化等的情况下，全部为十个至十几个是理想的，对形成分界线有用的照射单元为两个，配置在灯具中央或者中段，在其左右及上下配置的小扩散、中扩散、大扩散的照射单元分别为两～三个是理想的。
图17示意表示配光图形的形成例，左侧分开表示不同机能的投影图形，右侧表示合成全部图形的样子。另外，H线表示水平线、V线表示垂直线。
聚光性的投影图形49、50中，面积相对小的图形49表示由照射单元48形成的图形，图形50表示由照射单元47形成的图形。
另外，水平扩散性的投影图形51、52表示由照射单元48、48...形成的图形，由中度扩散性的照射单元形成图形51，由大扩散性的照射单元形成图形52。
通过组合这些投影图形能形成明显的分界线，同时能提高光束利用率。
发明的效果从上述可知，根据本发明的第一方面和第二方面，通过使芯片部等的尺寸精度比发光部相对反射镜或透镜的位置精度高，能充分保证必要的配光控制的精度，因此，能减少灯具配光分布和性能的误差。
根据本发明第三方面，通过使用大体矩形的图形，能容易地获得适合车用前照灯配光的投影图形。
根据本发明第四方面，能明显地形成近光的光束配光中的分界线。
根据本发明第五方面，容易进行车用前照灯的配光控制，另外，能使难以控制的光不会成为眩目光。
根据本发明第六方面，能防止各发光部的投影像不一致。
根据本发明第七方面，通过减少发光部对发光元件的安装基准的位置误差，能确保光学设计及制造上的精度。
权利要求
1.一种车用前照灯，其具有使用半导体的发光元件和包括反射镜或透镜的光学系统，其特征在于上述光学系统的焦点设定在上述发光元件的发光部或者该发光部的附近；从发光元件的光轴方向看构成上述发光部的芯片部或在该芯片部的周围配置的反射部或萤光体的外形尺寸误差是0.1mm以下，比该发光部相对上述反射镜或者透镜的位置误差小。
2.一种车用前照灯的制造方法，其车用前照灯包括使用半导体的发光元件以及具有反射镜或透镜的光学系统，通过把该光学系统的焦点设定在发光元件的发光部或者该发光部的附近，放大投影发光部的光源像，其特征在于，通过规定从发光元件的光轴方向看构成上述发光部的芯片部或在该芯片部的周围配置的反射部或萤光体的外形尺寸误差为0.1mm以下，使得比该发光部相对上述反射镜或者透镜的位置误差小。
3.如权利要求1所述的车用前照灯，其特征在于，从上述发光元件的光轴方向看的发光部具有沿着与该光轴垂直相交的方向的横向长的形状，该发光部的光源像通过上述光学系统主要在水平方向被放大而形成配光图形。
4.如权利要求3所述的车用前照灯，其特征在于，在上述发光部中，从发光元件的光轴方向看的侧边的一边形成直线状，通过其投影图形形成近光光束的配光图形中特有的分界线。
5.如权利要求4所述的车用前照灯，其特征在于，从发光元件的光轴方向看上述发光部成为长方形，其长边连接构成该发光元件的透镜部的中心轴并且垂直相交。
6.如权利要求2所述的车用前照灯的制造方法，其特征在于，规定在上述发光元件内配置的多个发光部之间的相对的位置误差在±0.01mm以内。
7.如权利要求2所述的车用前照灯的制造方法，其特征在于，规定以安装上述发光元件的发光部的基板部的外缘作为向该发光元件的支持部件的安装基准；同时在上述发光部中，把从发光元件的光轴方向看的侧边的一边形成直线，并且规定该一边和上述基板部的外缘之间的相对的位置误差值为0.01～0.1mm。
全文摘要
一种车用前照灯。该前照灯使用LED等发光元件。为高精度地进行配光设计，在具有使用半导体的发光元件(1)和包括反射镜或透镜的光学系统的车用前照灯中，使构成设定光学系统的焦点的发光元件的发光部的芯片部或在该芯片部的周围配置的反射部或者荧光体的外形尺寸误差为0.1mm以下，比发光部相对反射镜或者透镜的位置误差小。通过提高芯片部等的尺寸精度，充分保证配光控制中必要的精度。
文档编号F21S8/12GK1499125SQ20031010298
公开日2004年5月26日 申请日期2003年10月31日 优先权日2002年11月6日
发明者石田裕之, 佐冢清 申请人:株式会社小糸制作所