(57)【要約】【課題】光源が発生する熱を外部へ取り出す新たな技術を提供する。【解決手段】放熱機構２４は、光源１８と、光源１８が発生する熱によって電子が励起される半導体材料を含む吸熱部２６と、吸熱部において励起された電子を電流として外部へ取り出す導電体２８と、導電体と接続され、電流を熱に変換する電熱変換素子３０と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源が発生する熱によって電子が励起される半導体材料を含む吸熱部と、
前記吸熱部において励起された電子を電流として外部へ取り出す導電体と、
前記導電体と接続され、電流を熱に変換する電熱変換素子と、
を有することを特徴とする放熱機構。
【請求項２】
前記半導体材料は、ドーパント濃度が１０１７〜１０２２［１／ｃｍ３］であることを特徴とする請求項１に記載の放熱機構。
【請求項３】
前記半導体材料は、放熱部材に搭載されており、該半導体材料の２５℃における熱伝導率が１００［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の放熱機構。
【請求項４】
前記光源および前記吸熱部を収容するランプボディを更に備え、
前記電熱変換素子は、前記導電体を介して前記ランプボディの外側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放熱機構。
【請求項５】
前記光源は、半導体発光素子を有し、
前記吸熱部は、前記半導体発光素子を駆動するための電流が流れる配線が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放熱機構。
【請求項６】
前記電熱変換素子を収納し、該電熱変換素子に水がかからないようにする防水部材を更に備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の放熱機構。
カバーと、
【請求項７】
車両前方に向かう開口を有するランプボディと、
前記開口を覆い、光が透過する材料からなる前面カバーと、
前記ランプボディと前記前面カバーとによって囲まれた灯室内に設けられている灯具ユニットと、
前記灯具ユニットを前記ランプボディに対して回動し、該灯具ユニットの光軸を調整する光軸調整機構と、を備え、
前記灯具ユニットは、
光源と、前記光源から出射した光を車両前方へ向けて照射する光学部材と、前記光源および前記光学部材を支持する支持部材と、前記光源が発生する熱を灯室内に放熱する放熱部材と、前記光源が発生する熱を灯室外に伝熱する伝熱部材と、を有し、
前記伝熱部材は、前記ランプボディに形成されている貫通穴に挿入された可撓性部材を有することを特徴とする車両用灯具。
【請求項８】
前記可撓性部材は、一対の導電線が樹脂で被覆された直径５ｍｍ以下のワイヤーハーネスであることを特徴とする請求項７に記載の車両用灯具。
【請求項９】
前記伝熱部材は、電流を熱に変換する電熱変換素子を更に有し、
前記電熱変換素子は、灯室外に配置されていることを特徴とする請求項７または８に記載の車両用灯具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱機構に関し、例えば、車両用灯具に利用できる放熱機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光源の熱を効率良く放熱するための部材としてヒートシンクが用いられている。しかしながら、車両用灯具の光源のように、灯室内で配置する場所が決まっている場合、ヒートシンクを光源と一緒に配置する十分なスペースを確保できないことがある。
【０００３】
そこで、光源の熱をヒートパイプを介してハウジングの外側に設けられているヒートシンクに逃がす構成を有する車両用前照灯が開示されている（特許文献１参照）。また、車両用灯具の灯室内に設けられた送風手段を駆動させる電力の発電手段として、ペルチェ素子等の熱電変換素子を備えた車両用灯具が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２１１３５号公報
【特許文献２】特開２００９−８７７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている車両用前照灯において、光源で発生した熱をヒートパイプを介してランプ外に放熱するためには、ヒートパイプが貫通する穴をランプボディに形成する必要がある。特に、放熱性を高めるために断面積の大きなヒートパイプを用いる場合、ボディに大きな穴を形成する必要があり、封止の難易度が高まる。加えて、ヒートパイプを用いた車両用前照灯の場合、エイミングが困難である。
【０００６】
また、特許文献２に開示されている車両用灯具において、電熱変換素子で発電された電力を灯室内の他の電子部品に供給するためには、電圧調整といった工程が必要であり、回路の複雑化や電力変換に伴う変換ロスにより、灯室内で熱が発生する。
【０００７】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的の一つは、光源が発生する熱を外部へ取り出す新たな技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の放熱機構は、光源と、光源が発生する熱によって電子が励起される半導体材料を含む吸熱部と、吸熱部において励起された電子を電流として外部へ取り出す導電体と、導電体と接続され、電流を熱に変換する電熱変換素子と、を有する。
【０００９】
この態様によると、電熱交換素子を吸熱部から離れて配置できる。また、電熱交換素子と吸熱部とは導電体で接続されているので、導電体が通る穴さえあれば光源の熱が発生する領域と外部とを隔てることができる。
【００１０】
半導体材料は、ドーパント濃度が１０１７〜１０２２［１／ｃｍ３］であってもよい。これにより、光源の熱エネルギーで半導体材料が励起されやすくなる。
【００１１】
半導体材料は、放熱部材に搭載されており、該半導体材料の２５℃における熱伝導率が１００［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上であってもよい。これにより、光源が発生する熱が半導体部材を介して放熱部材に伝わりやすくなる。
【００１２】
光源および吸熱部を収容するランプボディを更に備えてもよい。電熱変換素子は、導電体を介してランプボディの外側に配置されていてもよい。これにより、光源が発生する熱をランプボディの外部で放熱できる。
【００１３】
光源は、半導体発光素子を有していてもよい。吸熱部は、半導体発光素子を駆動するための電流が流れる配線が形成されていてもよい。これにより、半導体発光素子を駆動するための配線を吸熱部と一体化できる。
【００１４】
放熱機構は、電熱変換素子を収納し、該電熱変換素子に水がかからないようにする防水部材を更に備えてもよい。これにより、電熱変換素子が雨水や洗車の水等によってショートすることが防止される。
【００１５】
本発明の別の態様は、車両用灯具である。この車両用灯具は、車両前方に向かう開口を有するランプボディと、開口を覆い、光が透過する材料からなる前面カバーと、ランプボディと前面カバーとによって囲まれた灯室内に設けられている灯具ユニットと、灯具ユニットをランプボディに対して回動し、該灯具ユニットの光軸を調整する光軸調整機構と、を備える。灯具ユニットは、光源と、光源から出射した光を車両前方へ向けて照射する光学部材と、光源および光学部材を支持する支持部材と、光源が発生する熱を灯室内に放熱する放熱部材と、光源が発生する熱を灯室外に伝熱する伝熱部材と、を有する。伝熱部材は、ランプボディに形成されている貫通穴に挿入された可撓性部材を有する。
【００１６】
この態様によると、光軸の調整で灯具ユニットがランプボディに対して回動しても、ランプボディに形成されている貫通穴に挿入された可撓性部材によって、光源が発生する熱を灯室外へ伝熱する経路が維持される。
【００１７】
可撓性部材は、一対の導電線が樹脂で被覆された直径５ｍｍ以下のワイヤーハーネスであってもよい。これにより、ランプボディに形成される貫通穴を小さくできる。
【００１８】
伝熱部材は、電流を熱に変換する電熱変換素子を更に有してもよい。電熱変換素子は、灯室外に配置されていてもよい。これにより、電熱交換素子を光源から離れて配置できる。また、例えば、電熱交換素子と光源とがワイヤーハーネスで接続されている場合、ワイヤーハーネスが通る穴さえランプボディに形成されていれば、光源が発生する熱を外部へ放出することができる。
【００１９】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、光源が発生する熱を外部へ取り出す新たな技術を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施の形態に係る車両用前照灯を模式的に説明するための図である。
【図２】導電体が通るランプボディの穴を封止する封止部を模式的に示した図である。
【図３】本実施の形態に係る放熱機構の概略構成を示す上面図である。
【図４】本実施の形態に係る放熱機構の概略構成を示す側面図である。
【図５】変形例に係る伝熱部材の概略構成を示す模式図である。
【図６】変形例に係る防水部材の概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述される全ての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００２３】
（車両用前照灯）
本実施の形態に係る放熱機構は様々な灯具に用いることが可能であるが、以下では、車両用灯具の一つであり、光源の発熱が比較的大きな車両用前照灯を例に説明する。
【００２４】
図１は、本実施の形態に係る車両用前照灯を模式的に説明するための図である。図２は、導電体が通るランプボディの穴を封止する封止部を模式的に示した図である。図３は、本実施の形態に係る放熱機構の概略構成を示す上面図である。図４は、本実施の形態に係る放熱機構の概略構成を示す側面図である。
【００２５】
図１に示す車両用前照灯１０は、筐体の一部を構成するランプボディ１２および前面カバー１４を備える。ランプボディ１２は、車両前方に向かう開口を有し、金属や樹脂からなる部品である。前面カバー１４は、ランプボディ１２の開口を覆い、光が透過する透明な樹脂やガラスからなる。
【００２６】
ランプボディ１２および前面カバー１４によって囲まれた灯室１６内には、灯具ユニット１７が設けられている。灯具ユニット１７は、出射面が上向きに配置されている光源１８と、光源１８から出射した下方からの光を車両前方へ向けて反射する光学部材としてのリフレクタ２０と、リフレクタ２０で反射された光が透過し、その光を光源像として車両前方へ投影する光学部材としての投影レンズ２２と、を備える。
【００２７】
光源１８は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ＬＤ（Laser Diode）、ＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）といった半導体発光素子である。本実施の形態に係る車両用前照灯１０は、光源１８を冷却するための放熱機構２４を備えている。
【００２８】
放熱機構２４は、光源１８と、光源１８が発生する熱によって電子が励起される半導体材料を含む吸熱部２６と、吸熱部２６において励起された電子を電流として外部へ取り出す導電体２８と、導電体２８と接続され、電流を熱に変換する電熱変換素子３０と、を有する。なお、放熱機構２４は、吸熱部２６が搭載されるヒートシンク３２と、吸熱部２６をヒートシンク３２に固定するためのねじ等の締結部材３３と、を更に備えている。
【００２９】
本実施の形態に係る吸熱部２６は、光源１８の点灯時に発生する熱エネルギーを半導体のバンドギャップの励起エネルギーとして吸熱することで、光源１８を冷却する機構である。吸熱部２６に含まれる半導体材料は、例えば、シリコン（Ｓｉ）が好適である。
【００３０】
また、半導体材料は、例えば、ドーパント濃度が１０１７〜１０２２［１／ｃｍ３］であり、１５０℃以下で熱励起する材料である。具体的には、半導体材料としてＳｉにガリウム（Ｇａ）をドープしたものであり、ドーパント濃度は２×１０１９［１／ｃｍ３］程度である。なお、ドーパント濃度は、半導体材料の種類、ドーパントの種類、ドーパントを添加する際の処理温度、半導体材料とドーパントの組合せ等により、適切な範囲を設定すればよい。
【００３１】
ＧａがＳｉにドープされた場合、アクセプタ準位が７２ｍｅＶであり、活性化エネルギーは３６ｍｅＶである。熱エネルギーは、２５℃で２５．７ｍｅＶ、１５０℃で３６．５ｍｅＶ程度のため、室温から１５０℃程度で活発な熱励起が生じると考えられる。このように、本実施の形態に係る吸熱部２６は、光源１８の熱エネルギーで半導体材料が励起されやすくなるように構成されている。
【００３２】
また、半導体材料は、熱伝導率が１００［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上が好ましい。例えば、Ｓｉは比較的安価な材料であり、熱伝導率が１５０［Ｗ／ｍ・Ｋ］と高い。そのため、本実施の形態に係る吸熱部２６のように、Ｓｉを主成分とする半導体材料がヒートシンク３２に搭載されている場合、光源１８が発生する熱が半導体部材を介してヒートシンク３２に伝わりやすくなる。
【００３３】
また、本実施の形態に係る放熱機構２４は、電熱変換素子３０を、吸熱部２６から離れたランプボディ１２の外部に配置できる。また、電熱変換素子３０と吸熱部２６とは導電体２８で接続されているので、ランプボディ１２に導電体２８が通る穴１２ａさえあれば、光源１８の熱が発生する灯室１６の領域と外部とをランプボディ１２で隔てることができる。
【００３４】
電熱変換素子３０は、例えば、抵抗である。これにより、光源１８で発生した熱を吸熱部２６で一度電流に変換し、導電体２８を介してランプボディ１２の外側に配置されている電熱変換素子３０まで送電され、抵抗により熱として消費される。つまり、光源１８が発生する熱をランプボディ１２の外部で抵抗から放熱できる。
【００３５】
図２に示す封止部３４は、導電体２８を構成する一対の配線２８ａを被覆する筒状の可撓性部材（樹脂やゴム）であり、ランプボディ１２の外部から水分や塵等が灯室１６に侵入することを防止する。
【００３６】
図３、図４に示すように、放熱機構２４は、板状（直方体）のヒートシンク３２と、ヒートシンク３２の上面３２ａに塗布された熱伝導性の良い放熱用シリコーン樹脂３６と、放熱用シリコーン樹脂３６の上に搭載されたＳｉ基板からなる吸熱部２６と、吸熱部２６の上面２６ａに銀ペースト３８を介して接着されている光源１８と、を有している。放熱用シリコーン樹脂の熱伝導率は、例えば、１〜１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］である。また、銀ペースト３８の熱伝導率は、例えば、１〜３０［Ｗ／ｍ・Ｋ］である。
【００３７】
光源１８は、ＬＥＤ基板１８ａの上に半導体発光素子であるＬＥＤチップ１８ｂが搭載されている。また、吸熱部２６の上面２６ａのうち、ＬＥＤ基板１８ａの周囲の領域に絶縁層４０が形成されている。吸熱部２６の上には、絶縁層４０を介して、ＬＥＤチップ１８ｂを駆動する電流が流れる一対の配線４２が形成されている。配線４２の一端部は、ＬＥＤチップ１８ｂの電極とボンディングワイヤ４４で接続されている。
【００３８】
配線４２は、一部が吸熱部２６の上に配置されながら、吸熱部２６の上に固定されているコネクタ４６を介してヒートシンク３２の外に設けられている光源駆動モジュール４８に接続されている。このように、吸熱部２６の上には、ＬＥＤチップ１８ｂを駆動するための電流が流れる配線４２が形成されている。これにより、ＬＥＤチップ１８ｂを駆動するための配線４２を吸熱部２６と一体化できる。
【００３９】
一方、導電体２８を構成する一対の配線２８ａの一部は、吸熱部２６の上面２６ａに接するように配置されている。これにより、光源１８が発生する熱によって、吸熱部２６に含まれるＳｉ等の半導体材料において電子が熱励起される。そして、この熱励起電子を導電体２８を介して電熱変換素子３０まで移動させ、電熱変換素子３０で熱として消費することで、吸熱部２６による光源１８で発生した熱の吸熱が実現する。
【００４０】
本実施の形態に係る放熱機構２４によれば、ヒートシンク３２以外に吸熱部２６を介して光源１８から離れた場所で放熱が可能となる。したがって、ヒートシンクの小型化や省略、冷却ファンの小型化や省略といったことが可能となり、放熱機構２４を含む車両用前照灯１０の小型化や軽量化を図ることができる。換言すると、意匠の自由度が増し、灯具の高機能化に必要な部品や自動運転用のセンサーユニット等の新たな部品を搭載するスペースが得られる。
【００４１】
また、本実施の形態に係る放熱機構２４においては、吸熱部２６で吸熱した熱を一度電気に変換してから電熱変換素子３０へ伝達する。したがって、ヒートパイプのような大きな部品を用いた熱の伝達ではなく、図２に示すような安価で細い二芯線一本による電気の伝達で済むため、ランプボディ１２に開ける穴は従来のヒートパイプを用いる場合と比較して極めて小さくできる。
【００４２】
本実施の形態に係る吸熱部２６の大きさは、灯具に要求される性能や光源の特性によって変わりうるが、少なくとも光源１８のＬＥＤ基板１８ａより大きな搭載面を有しているとよい。具体的には、吸熱部２６の上面２６ａは、３００〜１５００ｍｍ２の搭載面積があるとよい。また、吸熱部２６の厚みは、０．２〜２ｍｍ程度であってもよい。また、吸熱部２６は、ある程度形状が維持できる剛性があることが好ましく、ヤング率が１４０ＧＰａ以上であるとよい。
【００４３】
本実施の形態に係る車両用前照灯１０は、図１に示すように、灯具ユニット１７をランプボディ１２に対して回動し、灯具ユニット１７の光軸を調整する光軸調整機構５０を更に備える。光軸調整機構５０は、ブラケット５２と、エイミングねじ軸５４と、玉継手５６と、を有する。
【００４４】
ブラケット５２は、熱伝導率の高い金属材料やセラミックス材料を用いた板状の部材であり、ヒートシンク３２と接している。また、ブラケット５２は、上部に設けられている固定用フランジ５２ａと、下部に設けられている凹状部５２ｂと、封止部３４が挿入される貫通穴５２ｃと、を有する。固定用フランジ５２ａは、エイミングねじ軸５４の一端がねじこまれている。凹状部５２ｂは、玉継手５６の球状部５６ａを摺動可能に収容している。玉継手５６は、ランプボディ１２の内壁に固定されている。
【００４５】
光軸調整機構５０は、エイミングねじ軸５４の他端であってランプボディ１２の外側に突出している回転部５４ａを回転させることで、玉継手５６の球状部５６ａを中心にランプボディ１２に対してブラケット５２が回動する。ブラケット５２には灯具ユニット１７が固定されているため、光軸調整機構５０は灯具ユニット１７をランプボディ１２対して回動できる。
【００４６】
なお、本実施の形態に係る灯具ユニット１７は、光源１８およびリフレクタ２０を支持する支持部材をヒートシンク３２が兼ねている。ヒートシンク３２は、光源１８が発生する熱を灯室１６内に放熱する。また、灯具ユニット１７は、光源１８が発生する熱を灯室１６外に伝熱する伝熱部材として、ランプボディ１２に形成されている貫通した穴１２ａに挿入された可撓性部材としての封止部３４を有する。
【００４７】
これにより、光軸の調整で灯具ユニット１７がランプボディ１２に対して回動しても、ランプボディ１２に形成されている穴１２ａに挿入された封止部３４が撓んだり伸びたりすることによって、光源１８が発生する熱を灯室１６外へ伝熱する経路が維持される。換言すると、封止部３４が可撓性部材であるため、光軸調整機構５０による灯具ユニット１７の回動が容易となる。
【００４８】
本実施の形態に係る封止部３４は、その一端に電熱変換素子３０が接続されている。電熱変換素子３０は、封止部３４を介して灯室１６外に配置されており、電熱変換素子３０を光源１８から離れて配置できる。ランプボディ１２の外側には、電熱変換素子３０を収納し、電熱変換素子に水がかからないようにする防水部材５８が設けられている。防水部材は、例えば樹脂材料や金属材料からなるカバーである。これにより、電熱変換素子が雨水や洗車の水等によってショートすることが防止される。
【００４９】
図５は、変形例に係る伝熱部材の概略構成を示す模式図である。伝熱部材６０は、ランプボディ１２の穴１２ａを封止する筒状の防水ゴム６２と、放熱基板６４と、放熱基板６４上に搭載されたチップ抵抗６６およびコネクタ６８と、コネクタ６８と接続されるワイヤーハーネス７０と、を備える。
【００５０】
チップ抵抗６６とコネクタ６８は、放熱基板６４の上に形成されている配線パターン６４ａおよびボンディングワイヤ６４ｂにより電気的に接続されている。ワイヤーハーネス７０は、直径が５ｍｍ以下の導電線７０ａを一対有している。これにより、ランプボディ１２に形成される穴１２ａを小さくできる。導電線７０ａは、樹脂で被覆されている。
【００５１】
上述のように、チップ抵抗６６と光源１８とがワイヤーハーネス７０を介して接続されている場合、ワイヤーハーネス７０が通る穴さえランプボディ１２に形成されていれば、光源１８が発生する熱を外部へ放出することができる。
【００５２】
図６は、変形例に係る防水部材の概略構成を示す模式図である。防水部材７２は、少なくとも一部が熱伝導率の高い金属材料やセラミックス材料からなる筐体である。チップ抵抗６６が搭載された放熱基板６４は、防水部材７２の内壁に接するように設けられている。これにより、チップ抵抗６６が雨水等によってショートすることが防止されるとともに、金属製やセラミックス製の防水部材７２を介した放熱が可能となる。
【００５３】
（他の熱電素子との違い）
本実施の形態に係る吸熱部２６は、光源が発生する熱によって電子が励起される半導体材料を含む。一方、ゼーベック効果を利用した素子は、物質の両端に温度差を与えることで起電力が発生する現象であり、熱を電気に変えるものの、一方を冷却し続ける必要がある点で、本実施の形態に係る吸熱部２６と異なる。
【００５４】
また、ペルチェ効果を利用した素子は、異種の導体を接合し電流を流すと、電位差を乗り越える時に吸熱、電位差を下る時に発熱が生じる。しかしながら、ペルチェ効果を生じさせるためには電流を流す必要があり、本実施の形態に係る吸熱部２６と異なる。
【００５５】
以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【符号の説明】
【００５６】
１０  車両用前照灯、  １２  ランプボディ、  １２ａ  穴、  １４  前面カバー、  １６  灯室、  １８  光源、  １８ａ  ＬＥＤ基板、  １８ｂ  ＬＥＤチップ、  ２０  リフレクタ、  ２２  投影レンズ、  ２４  放熱機構、  ２６  吸熱部、  ２６ａ  上面、  ２８  導電体、  ２８ａ  配線、  ３０  電熱変換素子、  ３２  ヒートシンク、  ３２ａ  上面、  ３３  締結部材、  ３４  封止部、  ３６  放熱用シリコーン樹脂、  ３８  銀ペースト、  ４０  絶縁層、  ４２  配線、  ５０  光軸調整機構、  ５８  防水部材、  ６０  伝熱部材、  ７０  ワイヤーハーネス。
【図１】
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【図２】
2020140937.tif 000004
【図３】
2020140937.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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