JP4880329B2 - 車両用灯具 - Google Patents

Description

本発明は、車両用灯具に関するものである。

近年、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた灯具が盛んに開発されている。白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤに黄色蛍光体を組み合わせること等により実現される。例えば、特許文献１に開示された発光ダイオードは、いわゆる砲弾型の白色ＬＥＤであって、ＧａＮ系化合物半導体からなり青色光を発光するＬＥＤチップと、ＹＡＧ蛍光体を含有する透明樹脂とを備えている。ＹＡＧ蛍光体は、ＬＥＤチップからの青色光によって励起され、黄色の蛍光を発光する。

特許第２９２７２７９号公報

自動車などの車両の灯具（例：ヘッドランプ）に白色ＬＥＤを応用しようとすると、次の課題が生じる。すなわち、車両用の灯具は、遠方視認性を確保するために、極めて高い遠方照度を有することが望ましい。従って、車両用の灯具に用いられる光源は、一般的な照明用灯具の光源と比較して格段に高輝度であることが求められる。しかしながら、従来の白色ＬＥＤは、輝度が小さく、車両用灯具に応用しても十分な遠方視認性を確保することが困難であった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、発光ダイオードを光源とする車両用灯具において、光源の輝度をより高めることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る車両用灯具は、青色光を生成する半導体層を有し、半導体層の厚さ方向と交差する矩形の光出射面を有する発光ダイオードチップと、青色光により励起されて発光する蛍光物質を含有し、発光ダイオードチップの光出射面上及び側面上に設けられた蛍光層とを備え、蛍光層の厚さが、光出射面上においてｄ／１０（ｄは光出射面の辺の長さ）以下であり、且つ、側面上においてもｄ／１０以下であることを特徴とする。

光源の輝度は、単位発光面積から出射される光束に比例する。したがって、光源から一定量の光束が出射されるとすると、その輝度は発光面積に反比例する。そして、蛍光層に覆われた発光ダイオードチップにおいては、蛍光層の表面積が発光面積となる。従って、輝度を高めるためには、蛍光層の表面積を小さくすることが好ましい。

上記の車両用灯具において、発光ダイオードチップで生成された青色光は、実装面を除く他の面（光出射面及び側面）から出射される。また、蛍光層の厚さが均一でないと出射光の色度がばらつくので、蛍光層の厚さは光出射面上及び側面上に亘って均一であることが好ましい。このような場合、蛍光層の表面積は、発光ダイオードチップの光出射面上における蛍光層の厚さ、及び発光ダイオードチップの側面上における蛍光層の厚さに応じて定まる。本発明者は、これらのことに鑑み、光出射面上における蛍光層の厚さをｄ／１０以下とし、且つ、側面上においても蛍光層の厚さをｄ／１０以下とすることにより、蛍光層の表面積（発光面積）を効果的に小さくでき、従来のＬＥＤを用いた車両用灯具と比較してより高い輝度が得られることを見出した。

すなわち、上記の車両用灯具によれば、発光ダイオードを光源とする車両用灯具において、光源の輝度をより高め、遠方視認性を確保できる。

また、車両用灯具は、光出射面の辺の長さｄが１５０μｍ以上であり、蛍光層の厚さが、光出射面上において１５μｍ以上であり、且つ、側面上においても１５μｍ以上であることを特徴としてもよい。より高い輝度を得るためには、蛍光層の厚さをより薄くすることが好ましい。しかし、車両用灯具からの出射光の色合いには、運転時の視認性を高めるために、一般の照明光とは違い厳格な色度範囲が求められる。蛍光層を透過する青色光の強度に対して蛍光層から取り出される蛍光の強度が過小であると、青色光及び蛍光の合成光である出射光の色度をこの厳格な色度範囲内に収めることが困難となる。本発明者は、蛍光層が蛍光物質からなる場合、蛍光層の厚さが光出射面上及び側面上の双方において１５μｍ以上あれば、蛍光層から取り出される蛍光の強度が十分に大きくなり、車両用灯具として望ましい色度範囲内に出射光の色度を収め得ることを見出した。すなわち、この車両用灯具によれば、車両用灯具として好適な色度の出射光を得ることができる。

また、車両用灯具は、蛍光層が、蛍光物質を保持するためのバインダを更に有し、蛍光層における蛍光物質の体積占有率ｖが、光出射面上においてｖ≧１５／ｔ_１（ｔ_１［μｍ］は光出射面上における蛍光層の厚さ）を満たし、且つ、側面上においてもｖ≧１５／ｔ_２（ｔ_２［μｍ］は側面上における蛍光層の厚さ）を満たすことを特徴としてもよい。

上述したように、蛍光層が蛍光物質からなる場合には、蛍光層の厚さが光出射面上及び側面上の双方において１５μｍ以上あれば、蛍光層を透過する青色光の強度に対して蛍光層から取り出される蛍光の強度を十分に大きくでき、出射光の色度を車両用灯具として望ましい色度範囲内に好適に収め得る。しかし、蛍光物質をバインダによって固定する場合、蛍光層から取り出される蛍光の強度は、蛍光層の厚さだけでなく蛍光物質の密度（体積占有率ｖ）にも依存する。すなわち、蛍光層から取り出される蛍光の強度は、単位発光面積当たりの蛍光物質の量（体積占有率×蛍光層の厚さ）によって定まる。上述したように、体積占有率ｖが１（すなわち１００％）である場合に蛍光層の厚さｔ_１及びｔ_２が１５μｍ以上（すなわち、ｖ×ｔ_１≧１５，ｖ×ｔ_２≧１５）であればよいので、蛍光層における蛍光物質の体積占有率ｖが光出射面上においてｖ≧１５／ｔ_１を満たし、且つ側面上においてｖ≧１５／ｔ_２を満たせば、車両用灯具として好適な色度の出射光を得ることができる。

また、車両用灯具は、蛍光層が、蛍光物質を保持するためのバインダを更に有し、蛍光層における蛍光物質の体積占有率ｖが、光出射面上においてｖ≦ｘ_１（ｘ_１：２３／ｔ_１及び１のうちいずれか小さい方、ｔ_１［μｍ］は光出射面上における蛍光層の厚さ）を満たし、且つ、側面上においてもｖ≦ｘ_２（ｘ_２：２３／ｔ_２及び１のうちいずれか小さい方、ｔ_２［μｍ］は側面上における蛍光層の厚さ）を満たすことを特徴としてもよい。

車両用灯具においては、蛍光層から取り出される蛍光の強度が、蛍光層を透過する青色光の強度に対して過大であっても、出射光の色度を上記色度範囲に収めることが困難となる。本発明者は、蛍光層が蛍光物質からなる場合において、蛍光層の厚さが光出射面上及び側面上の双方において２３μｍ以下であれば、車両用灯具にとって望ましい色度範囲内に出射光の色度を収め得ることを見出した。また、上述したように、蛍光物質をバインダによって固定する場合、蛍光層から取り出される蛍光の強度は、単位発光面積当たりの蛍光物質の量（体積占有率×蛍光層の厚さ）によって定まる。体積占有率ｖが１（すなわち１００％）である場合に蛍光層の厚さｔ_１及びｔ_２が２３μｍ以下（すなわち、ｖ×ｔ_１≦２３，ｖ×ｔ_２≦２３）であればよいので、蛍光層における蛍光物質の体積占有率ｖが光出射面上においてｖ≦２３／ｔ_１を満たし、且つ側面上においてもｖ≦２３／ｔ_２を満たせば、車両用灯具として好適な色度の出射光を得ることができる。なお、２３／ｔ_１，２３／ｔ_２が１を超える場合（すなわち、蛍光層の厚さｔ_１，ｔ_２が２３μｍ以下の場合）には、体積占有率ｖが１（１００％）であっても蛍光層から取り出される蛍光の強度が過大とはならず、好適な色度の出射光を得ることができる。

また、車両用灯具は、青色光のピーク波長が４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長域に含まれるとともに、蛍光物質が発する光のピーク波長が５１０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長域に含まれることが好ましい。

また、車両用灯具は、光出射面上における蛍光層の厚さと、側面上における蛍光層の厚さとが略等しいことを特徴としてもよい。これにより、出射光の色度のばらつき（色むら）を抑え、均質な白色光を生成できる。ここで、厚さが略等しいとは、例えば光出射面上における蛍光層の平均厚さと側面上における蛍光層の平均厚さとの差が８／ｖμｍ以下（ｖ：蛍光物質の体積占有率）であるような場合をいう。

本発明によれば、発光ダイオードを光源とする車両用灯具において、光源の輝度をより高めることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る車両用灯具の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明による車両用灯具の一実施形態として、車両用前照灯の構成を示す水平断面図である。本実施形態の車両用前照灯１は、例えば自動車等に用いられるヘッドランプであり、車両の前方へ可視光を照射する。図１を参照すると、車両用前照灯１は、複数の光源ユニット２、カバー２１、基部２２、回路ユニット２３、及び複数の配線２４を備える。

複数の光源ユニット２のそれぞれは、光源部１０、配線基板２０、及びレンズ２５を有する。光源部１０は、発光ダイオードチップを含んで構成されており、配線基板２０上に実装されている。光源部１０は、各光源ユニット２に接続された配線２４を介して回路ユニット２３から受け取る電力に応じて、可視光を出射する。また、レンズ２５は、光源部１０が出射する可視光を車両用前照灯１の外部へ照射する。光源ユニット２は、図示しない機構によって基部２２に支持されており、光源ユニット２の光軸を調整するための機構によって傾動可能となっている。なお、本実施形態では各光源ユニット２に対し一つの光源部１０を配しているが、各光源ユニット２は複数の光源部１０を有してもよい。

カバー２１および基部２２は、複数の光源ユニット２を収容するための容器を構成する。カバー２１および基部２２は、光源ユニット２を収容するための空間を密閉し、防水することが好ましい。カバー２１は、光源部１０から出射される可視光を透過する素材によって構成され、複数の光源ユニット２の前方を覆っている。基部２２は、カバー２１との間に複数の光源ユニット２を挟むように配置され、複数の光源ユニット２を後方から覆っている。なお、基部２２は、車両のボディと一体に形成されてもよい。

回路ユニット２３は、光源部１０を点灯させる点灯回路等を含む。回路ユニット２３は、配線２４を介して複数の光源ユニット２と電気的に接続される。また、回路ユニット２３は、図示しない配線を介して車両用前照灯１の外部回路と電気的に接続される。

また、車両用前照灯１は、図示しない放熱部材（ヒートシンク）及び反射鏡（リフレクタ）を更に備えてもよい。放熱部材は、例えば金属といった高い熱伝導率を有する素材によって形成され、光源ユニット２の少なくとも一部と接触して設けられる。また、反射鏡は、例えば薄い金属板等によって光源ユニット２の光軸を囲むように形成され、複数の光源ユニット２とカバー２１とに亘って設けられる。

図２及び図３は、光源部１０の構成の一例を示す図である。図２は、光源ユニット２の光軸方向から見た光源部１０の平面図である。また、図３は、図２に示す光源部１０のＩ−Ｉ線に沿った側面断面図である。光源部１０は、発光ダイオードチップ３及び蛍光層４を有する。

発光ダイオードチップ３は、例えば窒化ガリウム系半導体からなる半導体層３０をサファイア基板３１上に成長させた構成を備える半導体素子であり、例えば４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下といった波長域にピーク波長を有する青色光を半導体層３０において生成する。また、発光ダイオードチップ３は、半導体層３０の厚さ方向と交差する光出射面３ａ（サファイア基板３１の裏面に相当）、及び光出射面３ａの縁に沿った側面３ｂを有する。半導体層３０において生成された青色光は、光出射面３ａ及び側面３ｂから発光ダイオードチップ３の外部へ出射される。なお、本実施形態の光出射面３ａは、図３に示すように矩形状（正方形状、長方形状など）に形成されている。光出射面３ａの一辺の長さ（長方形状の場合は短辺の長さ）ｄは、例えば３００μｍ〜１５００μｍといった値である。

半導体層３０は、サファイア基板３１の主面３１ａ上にエピタキシャル成長により形成されている。本実施形態の半導体層３０は、第１のクラッド層として機能するｎ型ＧａＮ層３２、第２のクラッド層として機能するｐ型ＧａＮ層３４、及びｎ型ＧａＮ層３２とｐ型ＧａＮ層３４との間に挟まれた活性層３３が、サファイア基板３１の主面３１ａ上に積層されて成る。なお、半導体層３０は、ｎ型ＧａＮ層３２、活性層３３、及びｐ型ＧａＮ層３４の他、更に別の層（例えば、サファイア基板３１とｎ型ＧａＮ層３２との間のバッファ層など）を有してもよい。

発光ダイオードチップ３は、半導体層３０へ電力を供給するためのアノード電極３５及びカソード電極３６を更に有する。アノード電極３５は、ｐ型ＧａＮ層３４とのオーミック接合によりｐ型ＧａＮ層３４と電気的に接続されている。また、カソード電極３６は、ｎ型ＧａＮ層３２の露出表面とのオーミック接合によりｎ型ＧａＮ層３２と電気的に接続されている。発光ダイオードチップ３は、アノード電極３５及びカソード電極３６が配線基板２０上の配線パターンにはんだ等を用いて接合されることにより、配線基板２０上に実装される。

アノード電極３５とカソード電極３６との間に電圧が印加されると、アノード電極３５とカソード電極３６との間に電界が発生する。そして、ｎ型ＧａＮ層３２及びｐ型ＧａＮ層３４において発生したキャリアが活性層３３に集中する。これにより、活性層３３において青色光が発生する。活性層３３において発生した青色光は、光出射面３ａ及び側面３ｂから発光ダイオードチップ３の外部へ出射される。

蛍光層４は、蛍光物質４１を含有する層であり、発光ダイオードチップ３の光出射面３ａ上及び側面３ｂ上に亘って設けられている。蛍光物質４１は、発光ダイオードチップ３からの青色光により励起され、青色の補色である黄色の蛍光を発する。従って、蛍光層４の表面から出射される光は、蛍光層４を透過した青色光、及び蛍光物質４１から発光された黄色の蛍光に基づく白色光となる。蛍光物質４１から発光される蛍光は、例えば５１０ｎｍ以上６００ｎｍ以下といった波長域にピーク波長を有することが好ましい。このような蛍光物質４１としては、例えばセリウム付活のガーネット構造のもの（ＹＡＧ：Ｃｅなど）が挙げられる。蛍光物質４１は、蛍光層４の内部において、例えば直径５μｍ程度の粒子状となって分散している。なお、蛍光物質４１は、蛍光層４の内部において略均一な密度で分散していることが好ましい。

また、蛍光層４は、蛍光物質４１を保持するためのバインダ４２を有する。バインダ４２は、発光ダイオードチップ３の光出射面３ａ及び側面３ｂを覆うように形成される。また、バインダ４２は、発光ダイオードチップ３からの青色光及び蛍光物質４１からの蛍光に対して透明な素材からなることが好ましく、例えばシリコーン樹脂またはフッ素樹脂等により形成される。バインダ４２は、蛍光物質４１を内部に混合した状態で硬化されている。

また、白色光の色度を均一にするために、光出射面３ａ上における蛍光層４の厚さｔ_１は、巨視的には、該光出射面３ａ上に亘って略均一であることが望ましい。同様に、側面３ｂ上における蛍光層４の厚さｔ_２もまた、巨視的には、該側面３ｂ上に亘って略均一であることが望ましい。但し、微視的には、蛍光層４の界面における光の反射を低減するために、蛍光層４の表面に微細な凹凸形状が形成されていることが好ましい。この凹凸形状の具体的な大きさは、例えば次のようにして決定される。すなわち、青色光の反射を回避し得る（青色光からみて平坦ではない）凹凸形状の大きさは、該青色光の１／４波長以上の０．１μｍ以上である。また、蛍光物質４１の密度の均一性を確保するためには、蛍光層４の厚さｔ_１，ｔ_２が、蛍光物質４１（特にＹＡＧ蛍光体）の最適粒径である６μｍの１／２以下であることが好ましい。従って、蛍光層４の表面における凹凸形状の大きさは、０．１μｍ〜３μｍであることが好ましい。

なお、発光ダイオードチップ３及び蛍光層４は、図示しない封止部材によって封止（モールド）されていてもよい。封止部材は、発光ダイオードチップ３及び蛍光層４を覆うように、可視光を透過する素材（シリコーン樹脂やフッ素樹脂樹脂など）によって形成されていることが好ましい。このような封止部材を更に備えることにより、発光ダイオードチップ３及び蛍光層４を好適に保護することができる。

ここで、車両用前照灯１に望まれる性能について、更に詳しく説明する。車両用前照灯１が例えば自動車に用いられるような場合、車両用前照灯１には、安全運転に必要な視界を確保するために特別な照射パターンが望まれる。例えば、（１）光軸付近の照度を特に高めて遠方視認性を確保すること、（２）横に広がる非対称な照明領域を実現し、対向車のグレアーを抑えつつ路肩までの側方視認性を確保すること、（３）水平面に沿った明暗ラインを有すること、（４）照明領域内でのなだらかな照度変化を実現すること、等である。このうち、（１）の遠方視認性に関しては、従来の白色ＬＥＤでは輝度が低い（４〜１０ｃｄ／ｍｍ^２程度）ため十分な照度を確保することが困難であった。

また、自動車用の前照灯から照射される光の色は、色度座標系において以下の色度範囲に含まれることが望ましい。
黄色方向：ｘ≦０．５０
青方向：ｘ≧０．３１
緑方向：ｙ≦０．４４ 及び ｙ≦０．１５＋０．６４ｘ
紫方向：ｙ≧０．０５＋０．７５ｘ 及び ｙ≧０．３８２
光源部１０からの発光色をこの色度範囲に収めるためには、発光ダイオードチップ３から出射され蛍光層４を透過した青色光（一次光）の強度と、蛍光物質４１から発光され蛍光層４から取り出された蛍光（二次光）の強度との比率が、好適な範囲に収まっていることが必要となる。

また、車両用前照灯１には、車両の燃費向上のためより高い発光効率が望まれる。従来の白色ＬＥＤの発光効率は３０［ｌｍ／Ｗ］〜５０［ｌｍ／Ｗ］であり、ハロゲンランプを凌いでいるが、ディスチャージバルブ（９１［ｌｍ／Ｗ］）には及ばない。青色光と黄色の蛍光とを合成する方式の白色ＬＥＤにおいては、白色光に含まれる青色光成分が強いほど、視感度が小さくなり発光効率が低下する。従って、蛍光物質の量を多くして蛍光強度を増加させれば発光効率が向上するようにも思われる。しかし、蛍光物質が厚く設けられていると、内側の蛍光物質から発した蛍光が外側（表層側）の蛍光物質によって遮蔽されるので、蛍光物質の量が過大であっても発光効率が低下することとなる。

車両用前照灯１に望まれるこれらの課題を解決するために、本発明者は、（Ａ）蛍光層４を厚くし過ぎると蛍光層４の表面積（発光面積）が増大して輝度の低下を招くので、蛍光層４をできる限り薄く（すなわち、表面積を小さく）する、及び（Ｂ）発光色が上述した色度範囲に収まるように、且つ、発光効率が十分に高くなるように、蛍光層４における蛍光物質４１の量を定める、という着想を得た。

上記着想を具現化するため、まず、十分な輝度を確保できる蛍光層４の厚さについて検討した。なお、車両用前照灯１においては、発光ダイオードチップ３で生成された青色光は、実装面を除く他の面（光出射面３ａ及び側面３ｂ）から出射される。また、光源部１０からの発光色のばらつき（色むら）を抑え、均質な白色光を生成するために、光出射面３ａ上における蛍光層４の厚さｔ_１（図３参照）と、側面３ｂ上における蛍光層４の厚さｔ_２（図３参照）とは略等しいことが好ましい。なお、厚さが略等しいとは、例えば光出射面３ａ上における蛍光層４の平均厚さと側面３ｂ上における蛍光層４の平均厚さとの差が８／ｖμｍ以下（ｖ：蛍光物質の体積占有率）であるような場合をいう。例えば体積占有率ｖが１（１００％）の場合には、各平均厚さが基準値から±４μｍの範囲内であれば、各平均厚さの差が８μｍ以下となり、発光色のばらつき（色むら）を好適に抑えることができる。

蛍光層４においては、単位発光面積当たりの蛍光物質４１の量を一定とすると、蛍光物質４１の体積占有率ｖが１（１００％）のときに厚さｔ_１及びｔ_２が最小となる。従って、発光面積（蛍光層４の表面積）を最小にして光源部１０の輝度を最大とするためには、蛍光物質４１の体積占有率ｖを１（１００％）とするとよい。しかし、実際には、蛍光層４の加工性を確保するために、蛍光物質４１をバインダ４２と混合して蛍光層４を形成する。このとき、蛍光物質４１とバインダ４２との混合比は、混合物のレオロジー特性を考慮して蛍光物質４１の粒径やバインダ４２の粘度に応じて調整される。一般的には、蛍光物質４１の比率は６０％〜７０％を上限として設定される。

また、発光ダイオードチップ３の大きさによっても、蛍光層４の厚さｔ_１，ｔ_２の発光面積への影響度合いは異なる。そこで、蛍光物質４１の体積占有率ｖが１（１００％）である場合の光源部１０の輝度を基準として、少なくとも７０％の輝度を確保するための厚さｔ_１，ｔ_２の条件を、発光ダイオードチップ３の大きさ毎に求めた。図４は、発光ダイオードチップ３の光出射面３ａの一辺の大きさｄが３００μｍ、５００μｍ、１０００μｍ、及び１５００μｍの場合における、７０％の輝度を確保するために必要な蛍光層４の厚さｔ_１，ｔ_２の最大値及び体積占有率ｖを示す図表である。図４を参照すると、蛍光層４の厚さｔ_１，ｔ_２の最大値は、光出射面３ａの一辺の大きさｄの１／１０を少し超えた値となっていることがわかる。このことから、光出射面３ａ上における蛍光層４の厚さｔ_１をｄ／１０以下とし、且つ、側面３ｂ上における蛍光層４の厚さｔ_２もｄ／１０以下とすれば、発光面積は最小値の１．４倍以下に止まり、従来の白色ＬＥＤを用いた車両用灯具と比較して十分な輝度を確保できることが判明した。これにより、発光ダイオードチップ３を光源とする車両用前照灯１において、光源部１０の輝度をより高め、遠方視認性を確保できる。

なお、以上の説明は発光ダイオードチップ３の光出射面３ａが正方形の場合であり、光出射面３ａが長方形の場合には、ｄの値を光出射面３ａの短辺の大きさに置き換えるとよい。

このように、より高い輝度を得るためには、蛍光層４の厚さｔ_１，ｔ_２をより薄くすることが好ましい。しかし、車両用灯具からの出射光の色合いには、運転時の視認性を高めるために、一般の照明光とは違い厳格な色度範囲が求められる。以下、発光色が上述した色度範囲に収まるように、且つ発光効率が十分に高くなるように、蛍光層４における蛍光物質４１の量を検討する。

まず、蛍光層の表面から取り出される青色光及び蛍光の強度と、蛍光層の厚さｔとの相関について、蛍光物質の量（体積占有率）を変化させつつ測定した。このときの測定系の構成を図５に示す。一次光源１０１は、４６０ｎｍをピーク波長とする一次光（青色光Ｌｂ）を出射するための光源である。また、測光部１０２は、受光する光の青色成分強度及び黄色成分強度を別々に測定できる分光光度計であり、ここでは大塚電子製の瞬間マルチ測光システム（ＭＣＰＤ−１０００）を用いた。そして、ガラス板１０３上に塗布された蛍光体ペースト膜１０４（蛍光層）に一次光源１０１から青色光Ｌｂを照射し、蛍光体ペースト膜１０４を透過した青色光Ｌｂ及び蛍光体ペースト膜１０４からの二次光（蛍光）Ｌｙそれぞれの強度を測光部１０２により測定した。なお、蛍光体ペースト膜１０４は、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体と透明バインダ（信越化学製シリコーン樹脂、ＫＥ１０６）とを所定の質量比（蛍光体：バインダ＝２：１，１：１，１：２，及び１：４）で混合したものをガラス板１０３に塗布し、１５０℃を１時間維持して硬化させることにより形成した。

図６〜図９は、上記実験において測光部１０２に入射した青色光Ｌｂの強度（相対強度）と、蛍光体ペースト膜１０４の厚さｔとの相関を示すグラフである。図６は、蛍光体ペースト膜１０４における蛍光物質とバインダとの比率を２：１とした場合を示している。また、図７〜図９は、蛍光物質とバインダとの質量比をそれぞれ１：１、１：２、１：４とした場合を示している。

また、図１０〜図１３は、上記実験において測光部１０２に入射した蛍光Ｌｙの強度（相対強度）と、蛍光体ペースト膜１０４の厚さｔとの相関を示すグラフである。図１０〜図１３は、蛍光体ペースト膜１０４における蛍光体とバインダとの質量比をそれぞれ２：１、１：１、１：２、１：４とした場合を示している。

ここで、蛍光体ペースト膜１０４における減衰を考慮した場合の、青色光Ｌｂ及び蛍光Ｌｙの強度について考察する。蛍光体ペースト膜１０４の内部を進む光は、その光路長に応じて指数関数的に減衰する。従って、蛍光体ペースト膜１０４を通過した青色光Ｌｂの強度Ｉ_Ｂ、及び蛍光体ペースト膜１０４から取り出された蛍光Ｌｙの強度Ｉ_Ｙは、以下の式（１）及び（２）で近似できる。
Ｉ_Ｂ＝ＢＩｅｘｐ（−ｂｔ） …（１）
Ｉ_Ｙ＝Ｂ（η／２）Ｉ（ｅｘｐ（−ｂｔ）−ｅｘｐ（−ａｔ））／（ａ−ｂ） …（２）
なお、上式において、Ｉは蛍光体ペースト膜１０４への青色光Ｌｂの入射強度であり、ａ，ｂそれぞれは、蛍光体ペースト膜１０４中における蛍光Ｌｙ，青色光Ｌｂそれぞれの減衰率（単位：ｍ^−１）である。また、ηは蛍光体ペースト膜１０４の単位厚さ当たりの変換効率（単位：ｍ^−１）であり、Ｂは定数である。また、式（２）において変換効率ηを２で割ったのは、蛍光体ペースト膜１０４において変換された蛍光のうち測光部１０２とは反対の方向へ進む蛍光を強度Ｉ_Ｙから除外するためである。

これらの近似式（１），（２）に、図５〜図１３のグラフを最小二乗法によりフィッティングさせると、蛍光体ペースト膜１０４における蛍光物質の体積占有率ｖと各数値ａ，ｂ，η／２との関係は、図１４のようになった。

ここで、図１５は、図１４に基づいて青色光（一次光）Ｌｂの減衰率ｂと蛍光物質の体積占有率ｖとの相関を表したグラフである。また、図１６は、図１４に基づいて蛍光（二次光）Ｌｙの減衰率ａと蛍光物質の体積占有率ｖとの相関を表したグラフである。また、図１７は、図１４に基づいて変換効率（η／２）と蛍光物質の体積占有率ｖとの相関を表したグラフである。図１５〜図１７に示すように、青色光（一次光）Ｌｂの減衰率ｂ、蛍光（二次光）Ｌｙの減衰率ａ、及び変換効率（η／２）は、蛍光物質の体積占有率ｖに比例することが判明した。そして、これらのグラフに基づいて、各数値ｂ，ａ，及び（η／２）が以下の式（３）〜（５）で近似できることを確認した。
ｂ＝０．１１６ｖ …（３）
ａ＝０．０１３１ｖ …（４）
η／２＝０．０３８ｖ …（５）

上式（３）〜（５）によって、各数値ｂ，ａ，及び（η／２）が算出可能となり、式（１）及び（２）に基づいて青色光Ｌｂ及び蛍光Ｌｙの強度比率が得られる。例えば、蛍光物質：バインダ＝４：１の質量比で混合した場合、蛍光物質及びバインダそれぞれの比重から、蛍光物質の体積占有率ｖは０．４４（すなわち４４％）となる。そして、この数値を上式（３）〜（５）に代入すると、青色光Ｌｂの減衰率ｂ＝５．１×１０^−２、蛍光Ｌｙの減衰率ａ＝５．７×１０^−３、変換効率（η／２）＝１．７×１０^−２となる。図１８は、これらの数値ｂ，ａ，及び（η／２）を式（１）及び（２）に適用した場合における、青色光Ｌｂ、蛍光Ｌｙ、及びこれらの合成光（白色光）の強度（相対強度）と蛍光体ペースト膜１０４の膜厚ｔとの相関を示すグラフである。なお、図１８において、グラフＧｂ_１は青色光Ｌｂの強度を示し、グラフＧｙ_１は蛍光Ｌｙの強度を示し、グラフＧｗ_１は合成光の光束を示している。

図１８を参照すると、蛍光体ペースト膜１０４の膜厚が厚くなるに従い、青色光（一次光）Ｌｂの強度は指数関数的に減少するが、蛍光（二次光）Ｌｙの強度は、或る膜厚において極大値を持つことがわかる。つまり、或る膜厚までは、蛍光Ｌｙの強度は膜厚増加に応じて大きくなるが、膜厚が厚くなり過ぎると蛍光物質自体が蛍光Ｌｙを遮蔽してしまい、結果的に蛍光Ｌｙの出射強度が減少してしまう。従って、青色光Ｌｂと蛍光Ｌｙとの合成光（白色光）も、或る膜厚において極大値を持つこととなる。

このように、蛍光物質の体積占有率ｖに応じた、青色光Ｌｂ及び蛍光Ｌｙの強度と膜厚ｔとの相関が得られた。通常、膜厚ｔ及び体積占有率ｖは予め分かっているので、この相関に基づいて青色光Ｌｂ及び蛍光Ｌｙの強度を求めることができる。そして、青色光Ｌｂ及び蛍光Ｌｙの発光スペクトルを測定すれば、青色光Ｌｂと蛍光Ｌｙとの合成光の色度及び光束（光強度及び視感度の積）を求めることも可能となる。

なお、図１９は、窒化ガリウム系の発光ダイオードチップから発光される青色光Ｌｂの発光スペクトルの一例である。この青色光Ｌｂの発光スペクトルは、図１９に示すように、４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長域にピーク波長を有する。また、図２０は、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体から発光される蛍光Ｌｙの発光スペクトルの一例である。この蛍光Ｌｙの発光スペクトルは、図２０に示すように、５１０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長域にピーク波長を有し、且つ、７００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長域（赤色波長域）まで裾を引くブロードなスペクトルとなっている。車両用前照灯１から照射される光は、このように赤色の波長成分を含んでいることが好ましく、更に具体的には、可視光域（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）の全光束中に、赤色の波長成分（６１０ｎｍ〜７８０ｎｍ）の光束が５％以上含まれていることが好ましい。赤色の波長成分の割合Ｋｒｅｄは、以下の式（６）によって表現できる。

なお、上式（６）において、λは波長［ｎｍ］であり、Ｅｅ（λ）は放射束の分光分布［Ｗ］であり、ｖ（λ）は分光発光効率［ｌ］である。

以上に得られた結果を利用して、蛍光層４中の蛍光物質４１の密度が最も高い（すなわち、蛍光層４における蛍光物質４１の体積占有率ｖが１００％となる）場合における、青色光及び蛍光の強度と蛍光層４の厚さｔ_１，ｔ_２との相関を求めた。そして、この相関に基づいて、合成光（白色光）の光束と蛍光層４の厚さｔ_１，ｔ_２との相関を求めた。図２１は、体積占有率ｖが１００％の場合における、青色光及び蛍光の強度と厚さｔ_１，ｔ_２との相関、並びに合成光の光束と厚さｔ_１，ｔ_２との相関を示すグラフである。なお、図２１において、グラフＧｂ_２は青色光の強度を示し、グラフＧｙ_２は蛍光の強度を示し、グラフＧｗ_２は合成光の光束を示している。

前述したように、車両用前照灯１には車両の燃費向上のため高い発光効率が望まれる。従って、蛍光層４の厚さｔ_１及びｔ_２は、合成光（白色光）の光束がほぼ極大となるように設定されることが好ましい。本実施例においては、合成光（白色光）の光束が極大値ＦＬ_ＭＡＸとなる蛍光層４の厚さｔ_１，ｔ_２の値は、図２１に示すように１４μｍであった。また、合成光（白色光）の光束がほぼ極大となる（具体的には、極大値ＦＬ_ＭＡＸの９０％以上となる）蛍光層４の厚さｔ_１，ｔ_２の範囲は、図２１に示すように５μｍ以上３０μｍ以下の範囲であった。

また、先に得られた結果を利用して、蛍光層４中の蛍光物質４１の密度が最も高い（すなわち、蛍光層４における蛍光物質４１の体積占有率ｖが１００％となる）場合における、合成光の色度と蛍光層４の厚さｔ_１，ｔ_２との相関を求めた。図２２のグラフＧ１は、蛍光層４の厚さｔ_１及びｔ_２が変化したときの色度の変化を示すグラフである。なお、図２２において、色度ｃ_１〜ｃ_５は、それぞれ蛍光層４の厚さｔ_１（＝ｔ_２）が１６μｍ、１８μｍ、２０μｍ、２２μｍ、及び２４μｍの場合における色度を示している。

前述したように、車両用前照灯１から照射される光の色は、色度座標系において次の色度範囲に含まれることが望ましい。すなわち、色度座標系において、０．３１≦ｘ≦０．５０，０．３８２≦ｙ≦０．４４，且つ０．０５＋０．７５ｘ≦ｙ≦０．１５＋０．６４ｘである。この色度範囲を、図２２に併せて示す（範囲Ａ）。グラフＧ１のうち、この範囲Ａ内に含まれる部分は、体積占有率ｖが１００％の場合において上記色度範囲に合致する蛍光層４の厚さの範囲を表している。すなわち、図２２より、上記色度範囲に合致する蛍光層４の厚さｔ_１，ｔ_２は、１５μｍ以上であり、２３μｍ以下であることが判明した。

但し、上記色度範囲に合致する蛍光層４の厚さｔ_１，ｔ_２の範囲（ｔ_１，ｔ_２≧１５μｍ、ｔ_１，ｔ_２≦２３μｍ）は、蛍光層４における蛍光物質４１の体積占有率ｖが１００％の場合のものであり、蛍光層４がバインダ４２を有する場合には、蛍光層４の厚さｔ_１，ｔ_２の好適な範囲も異なってくる。すなわち、蛍光層４の表面から出射される青色光及び蛍光の強度は、バインダ４２による光の減衰が無いと仮定すると、単位発光面積当たりの蛍光物質の量（体積占有率ｖ×蛍光層４の厚さｔ_１，ｔ_２）に依存する。上述したように、体積占有率ｖが１（すなわち１００％）である場合に蛍光層４の厚さｔ_１，ｔ_２が１５μｍ以上であればよいので、蛍光層４における蛍光物質４１の体積占有率ｖが光出射面３ａ上においてｖ≧１５／ｔ_１（ｔ_１の単位：μｍ）を満たし、且つ側面３ｂ上においてもｖ≧１５／ｔ_２（ｔ_２の単位：μｍ）を満たすことにより、車両用前照灯１として好適な色度の合成光（白色光）を得ることができる。

また、体積占有率ｖが１（１００％）である場合に蛍光層４の厚さｔ_１，ｔ_２が２３μｍ以下であればよいので、蛍光層４における蛍光物質４１の体積占有率ｖが光出射面３ａ上においてｖ≧２３／ｔ_１（ｔ_１の単位：μｍ）を満たし、且つ側面３ｂ上においてもｖ≧２３／ｔ_２（ｔ_２の単位：μｍ）を満たすことにより、車両用前照灯１として好適な色度の合成光（白色光）を得ることができる。なお、２３／ｔ_１及び２３／ｔ_２が１を超える場合（すなわち、蛍光層４の厚さｔ_１及びｔ_２が２３μｍ以下の場合）には、体積占有率ｖが１（１００％）であっても蛍光の強度が過大とはならず、好適な色度の合成光を得ることができる。従って、上記条件は、蛍光層４における蛍光物質４１の体積占有率ｖが、光出射面３ａ上においてｖ≦ｘ_１（ｘ_１：２３／ｔ_１及び１のうちいずれか小さい方）、且つ、側面３ｂ上においてｖ≦ｘ_２（ｘ_２：２３／ｔ_２及び１のうちいずれか小さい方）と表現できる。

また、合成光（白色光）の光束がほぼ極大となる蛍光層４の厚さｔ_１，ｔ_２の範囲（ｔ_１，ｔ_２≧５μｍ、ｔ_１，ｔ_２≦３０μｍ）から、蛍光層４における蛍光物質４１の体積占有率ｖが、光出射面３ａ上において５／ｔ_１≦ｖ≦３０／ｔ_１（ｔ_１の単位：μｍ）を満たし、且つ、側面３ｂ上において５／ｔ_２≦ｖ≦３０／ｔ_２（ｔ_２の単位：μｍ）を満たすことによって、合成光（白色光）の光束がほぼ極大となり、高い発光効率を得ることができる。

なお、上述した各考察においては、蛍光物質４１の粒径をも考慮すれば尚好ましい。通常、ＹＡＧ蛍光体などの蛍光物質４１は、粒子状の結晶中に発光中心となる元素がドープされて成る。また、結晶に存在する結晶欠陥は発光効率を低下させるが、粒子状結晶における結晶欠陥密度は、粒子状結晶の最表面において高くなる傾向がある。すなわち、粒子状結晶の単位体積当たりの表面積は平均粒径が小さいほど増大するので、平均粒径が小さいほど結晶欠陥が多くなり、発光強度が低下することとなる。

本発明者は、この点に鑑み、蛍光物質４１の粒径と発光強度との相関を調べた。具体的には、図５に示した測定系において用いた蛍光物質（平均粒径６．５μｍ）をボールミルで粉砕して平均粒径を変化させ、発光効率を測定した。なお、蛍光物質の平均粒径の測定には、堀場製作所製のParticle Size Analyzer LA-500を使用した。その結果、蛍光物質４１の平均粒径が２μｍより小さいと、平均粒径が６．５μｍである場合と比較して発光強度が４０％以下と大幅に低下してしまうことがわかった。また、平均粒径が１０μｍを超えると、蛍光層４の厚さｔ_１，ｔ_２を１５μｍとした場合に細密充填構造の形成が難しくなってしまうので、結晶粒子間の隙間が大きくなり、一次光（青色光）がその隙間から洩れてしまう。従って、蛍光物質４１の平均粒径は、２μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。

本発明による車両用灯具は、上記した実施形態に限られるものではなく、他にも様々な変形が可能である。例えば、発光ダイオードチップの光出射面の平面形状は、矩形状であれば正方形や長方形に限られるものではない。また、上記実施形態では裏面出射型（フリップチップ実装型）の発光ダイオードチップを例示したが、半導体基板側の表面が実装面となり半導体層側の表面が光出射面となる方式の発光ダイオードチップに本発明を適用してもよい。

また、上記実施形態では蛍光物質の例としてセリウム付活のガーネット構造のものを例示したが、他の構造を有する蛍光物質であってもよい。

本発明による車両用灯具の一実施形態として、車両用前照灯の構成を示す水平断面図である。 光源ユニットの光軸方向から見た光源部の平面図である。 図２に示す光源部のＩ−Ｉ線に沿った側面断面図である。 発光ダイオードチップの光出射面の一辺の大きさに応じた蛍光層の最大厚さ及び体積占有率を示す図表である。 蛍光層の表面から出射される青色光及び蛍光の強度と蛍光層の厚さとの相関について、蛍光物質の量（体積占有率）を変化させつつ測定したときの測定系の構成を示す図である。 蛍光体ペースト膜における蛍光物質とバインダとの比率を２：１とした場合の、測光部に入射した青色光の強度と蛍光体ペースト膜の厚さとの相関を示すグラフである。 蛍光体ペースト膜における蛍光物質とバインダとの比率を１：１とした場合の、測光部に入射した青色光の強度と蛍光体ペースト膜の厚さとの相関を示すグラフである。 蛍光体ペースト膜における蛍光物質とバインダとの比率を１：２とした場合の、測光部に入射した青色光の強度と蛍光体ペースト膜の厚さとの相関を示すグラフである。 蛍光体ペースト膜における蛍光物質とバインダとの比率を１：４とした場合の、測光部に入射した青色光の強度と蛍光体ペースト膜の厚さとの相関を示すグラフである。 蛍光体ペースト膜における蛍光物質とバインダとの比率を２：１とした場合の、測光部に入射した蛍光の強度と蛍光体ペースト膜の厚さとの相関を示すグラフである。 蛍光体ペースト膜における蛍光物質とバインダとの比率を１：１とした場合の、測光部に入射した蛍光の強度と蛍光体ペースト膜の厚さとの相関を示すグラフである。 蛍光体ペースト膜における蛍光物質とバインダとの比率を１：２とした場合の、測光部に入射した蛍光の強度と蛍光体ペースト膜の厚さとの相関を示すグラフである。 蛍光体ペースト膜における蛍光物質とバインダとの比率を１：４とした場合の、測光部に入射した蛍光の強度と蛍光体ペースト膜の厚さとの相関を示すグラフである。 蛍光体ペースト膜における蛍光物質の体積占有率と各数値ａ，ｂ，η／２との関係を示す図表である。 図１４に基づいて、青色光（一次光）の減衰率と蛍光物質の体積占有率との相関を表したグラフである。 図１４に基づいて、蛍光（二次光）の減衰率と蛍光物質の体積占有率との相関を表したグラフである。 図１４に基づいて、変換効率（η／２）と蛍光物質の体積占有率との相関を表したグラフである。 青色光、蛍光、及びこれらの合成光（白色光）の強度と蛍光体ペースト膜の膜厚との相関を示すグラフである。 窒化ガリウム系の発光ダイオードチップから発光される青色光の発光スペクトルの一例である。 ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体から発光される蛍光の発光スペクトルの一例である。 体積占有率が１００％の場合における、青色光及び蛍光の強度と蛍光層の厚さとの相関、並びに合成光の光束と蛍光層の厚さとの相関を示すグラフである。 蛍光層の厚さが変化したときの色度の変化、及び車両用前照灯として望ましい色度範囲を示すグラフである。

符号の説明

１…車両用前照灯、２…光源ユニット、３…発光ダイオードチップ、３ａ…光出射面、３ｂ…側面、４…蛍光層、１０…光源部、２０…配線基板、２１…カバー、２２…基部、２３…回路ユニット、２４…配線、２５…レンズ、３０…半導体層、３１…サファイア基板、３２…ｎ型ＧａＮ層、３３…活性層、３４…ｐ型ＧａＮ層、３５…アノード電極、３６…カソード電極、４１…蛍光物質、４２…バインダ。

Claims (3)

1. 青色光を生成する半導体層を有し、前記半導体層の厚さ方向と交差する矩形の光出射面を有する発光ダイオードチップと、
   前記青色光により励起されて発光する蛍光物質を含有し、前記発光ダイオードチップの前記光出射面上及び側面上に設けられた蛍光層と
   を備え、
   前記蛍光層の厚さが、前記光出射面上においてｄ／１０（ｄは前記光出射面の辺の長さ）以下であり、且つ、前記側面上においてもｄ／１０以下であり、
   前記光出射面の辺の長さｄが１５０μｍ以上であり、
   前記蛍光層の厚さが、前記光出射面上において１５μｍ以上であり、且つ、前記側面上においても１５μｍ以上であり、
   前記蛍光層が、前記蛍光物質を保持するためのバインダを更に有し、
   前記蛍光層における前記蛍光物質の体積占有率ｖが、前記光出射面上においてｖ≧１５／ｔ_１（ｔ_１［μｍ］は前記光出射面上における前記蛍光層の厚さ）を満たし、且つ、前記側面上においてもｖ≧１５／ｔ_２（ｔ_２［μｍ］は前記側面上における前記蛍光層の厚さ）を満たし、
   前記蛍光層が、前記蛍光物質を保持するためのバインダを更に有し、
   前記蛍光層における前記蛍光物質の体積占有率ｖが、前記光出射面上においてｖ≦ｘ _１ （ｘ _１ ：２３／ｔ _１ 及び１のうちいずれか小さい方、ｔ _１ ［μｍ］は前記光出射面上における前記蛍光層の厚さ）を満たし、且つ、前記側面上においてもｖ≦ｘ _２ （ｘ _２ ：２３／ｔ _２ 及び１のうちいずれか小さい方、ｔ _２ ［μｍ］は前記側面上における前記蛍光層の厚さ）を満たすことを特徴とする、車両用灯具。
2. 前記青色光のピーク波長が４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長域に含まれるとともに、
   前記蛍光物質が発する光のピーク波長が５１０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長域に含まれることを特徴とする、請求項１に記載の車両用灯具。
3. 前記光出射面上における前記蛍光層の厚さと、前記側面上における前記蛍光層の厚さとが略等しいことを特徴とする、請求項１または２に記載の車両用灯具。