JP2006261115A - 自動車用小型ヘッドライト - Google Patents

Abstract

【課題】光軸を有するカットオフビームを得ることができるフォグランプ型の自動車用小型ヘッドライトを提供する。
【解決手段】光源10は、光軸Ｙと概ね直交しつつ、ほぼ水平に延びるようにする。リフレクタの替わりに、光源の前面に、カットオフビームを与えるレンズＬを設ける。光源とレンズは、一体とすることもできる。この場合、光源は、１つまたは複数の発光ダイオードからなるものとし、レンズは、光源の発光面上に成形された耐熱性合成樹脂からなるものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光軸をもつカットオフビーム（一部を遮られた光ビーム）を射出し、かつ光軸と概ね直交して水平に延びる光源を備える自動車用小型ヘッドライトに係り、特にフォグランプに関する。

反射面を有するリフレクタ（反射器）を用いてカットオフビームをつくり出す自動車用ヘッドライトは、すでに知られている。すなわち、ロービームの場合、このリフレクタによって形成される反射ビームは、ビームを一部遮る水平なカットオフラインよりも概ね下方に位置する。

光源から前方に射出される光ビームが、対向車両の運転者を幻惑するのを防止するため、光源の前方には、通常、カバーが設けられている。このため、一部の光ビームは利用されず、たとえ高出力の光源を用いても、国によっては、光ビームが光度基準を満足しないことがある。

出願人は、フランス国特許出願第４１１７８５号明細書（２００４年１１月４日出願）において、カットオフビームを射出する自動車用ヘッドライトについて記載している。このヘッドライトにおいては、光源の前方にはカバーを設けず、その代わりに、カットオフビームを形成するレンズを設ける。カバーを設けないため、光源から発せられる光束を十分に利用することができ、高出力の光源を用いる必要はない。

上記の出願に係るヘッドライトは、光源の出力を減らすことができるため、ヘッドライトにおける熱応力を減らすことができる。よって、光源とレンズの間の距離を縮めて、ヘッドライトの前後方向の長さを縮小することができる。

上記の出願に係るヘッドライトは、容積を縮小することには成功しているが、例えば、昼間走行灯（ＤＲＬ）機能のような新しい機能を付加するため、さらに容積を縮小することが求められている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、小型で、かつ満足しうるカットオフビームを得ることができる自動車用ヘッドライトを提供することを目的としている。

本発明に係る自動車用小型ヘッドライトは、ヘッドライトの光軸と概ね直交して水平に延びる光源を備え、光軸をもつカットオフビームを射出するフォグランプタイプのものである。

本発明に係る自動車用小型ヘッドライトは、リフレクタを備えておらず、その代わりに、光源の前方に、カットオフビームを形成するレンズを備えている。

本発明のもう一つの様相によれば、光源から発せられる臨界光線は、屈折により、光ビームの光軸と平行に射出されるようになっている。一方、それ以外の入射光線は、光軸よりも下向きに屈折される。

本発明に係るヘッドライトは、各国の光度基準を満たすことができる。すなわち、本発明に係るヘッドライトは、現在の欧州の光度基準であるＲ１９−２、および将来の基準として考えられているＲ１９−３を満たす。また、これらの基準は、米国にも通用しうるものである。

例えば、本発明の一態様に係る簡単なＨ８型ランプは、Ｒ１９−２を満たす。また、本発明の他の態様に係るＨ７またはＨ１１型ランプも、この基準を満たす。

本発明の一実施形態においては、カットオフビームを形成するために、レンズの少なくとも頂部と底部に、光軸と直交しつつ概ね水平に延びるウィング状の部材が追加される。また、レンズの両側部の少なくとも一方にも、光軸と直交しつつ概ね垂直に延びるウィング状の部材を追加することができる。

レンズの入射面は、光源に近接して設けるのが好ましい。また、レンズの入射面は、ドーナツ状、球状、または円筒状とするのが有利である。

本発明の一実施形態においては、光源は、概ね横向きに置かれる。また、この光源は、光源の軸方向に延びるフィラメントを備えている。このような光源として、例えば、Ｈ７型、Ｈ８型、またはＨ１１型のフィラメントランプを用いることができる。

また、本発明の他の実施形態においては、光源は、発光ダイオードである。この場合、光源は、マルチチップモジュールとして、数個の発光ダイオードをまとめたものを用いることもできる。

本発明の他の実施形態においては、光源とレンズは、一体とされる。この場合、光源は、１つまたは複数の発光ダイオードから構成され、レンズは、光源の少なくとも１つの光学面上に、耐熱性の合成樹脂を成形することにより得られる。

本発明の一実施形態においては、レンズの厚さを減らすために、フレネルレンズを用いるか、またはレンズの射出面をフレネル化している。

本発明によれば、小型で、かつカットオフビームを得ることができる自動車用ヘッドライトが得られる。

上記以外の本発明の特徴と効果は、添付の図面を参照して行う、以下の例示のための実施形態の説明から明らかになると思う。

まず、本発明の第１の実施形態に係る白熱電球を備えたフォグランプ１について説明する。

図１に示すように、フォグランプ１は、白熱電球10、レンズＬ、白熱電球10とレンズＬの支持体11、およびハウジング12を備えているが、リフレクタは備えていない。

白熱電球10は、軸方向に延びるフィラメントを有する電球であり、Ｈ７型、Ｈ８型、Ｈ１１型等がある。

レンズＬは、フォグランプ１がカットオフビームを射出しうるような形状とする。レンズＬの射出面の設計原理については、後述する。

支持体11は、レンズＬの形状に合わせて象った単一の部材からなる。また、この支持体11は、白熱電球10を取り付けるための開口が設けられた部分110を有する。

白熱電球10は、このフィラメントの軸が、概ね水平となり、かつフォグランプ１の光軸Ｙ−Ｙと直交するように、フォグランプ１に横向きに取り付けられる。白熱電球10は、その位置を、レンズＬに対して調整しうるように取り付けるのが好ましい。

白熱電球10は、そのフィラメントの軸が、フォグランプの光軸と傾斜して延びるように（すなわち、両軸のなす角度が９０度以外となるように）取り付けることもできる。

ハウジング12の材料は、白熱電球におけるフィラメントの後部（すなわち、レンズＬの入射面と対向していない部分）から発せられる光線を吸収しうるものから選ばなければならない。

ハウジング12は光線を吸収する特性を有するため、フィラメントの後部から発せられた光線が、反射によってレンズに向かい、フォグランプ１から射出されるカットオフビームの分布を乱すようなことはない。

ハウジング12は、フォグランプ１を他の照明装置に組み込んだときに、白熱電球10を外部から光学的に隔離する機能も果たす。

本発明に係るヘッドライトの傾斜角を調整する機構も、ハウジング12に収められる。この機構は、当業者には知られているように、カットオフビームが、水平軸となす角度を調整するものである。

図２に示すように、レンズＬは、メニスカス（凹凸）レンズであり、入射面Ｅと射出面Ｓを有する。

白熱電球10のフィラメント101は、当業者には知られているように、円筒形状をしており、実際には螺旋形に巻き回した電線からなる。

入射面Ｅは、ドーナツ形、円筒形、球形等の種々の形状の面から選択することができる。

入射面の形状を選択した後、所望のカットオフビームが得られるように、射出面の形状を決定する。

この実施形態においては、レンズＬは両凹であり、入射面Ｅは、フィラメントに向かってドーナツ形をなしている。この入射面Ｅは、立体角が大きく、かつ入射光線の入射角が小さくなるという利点を有する。

射出面Ｓは、２次元で考えたときに、以下の条件１）と２）に従う曲線Ｇ_hから形成される。
１）点光源Ｏから発せられ水平面上を進む光線を考えたときに、レンズＬの曲線Ｇ_h上から射出するすべての光線は、この曲線Ｇ_h上を除いて、他の光線と交わることはない（射出光線は、一端が曲線Ｇ_h上に位置する半直線である）。また、レンズ面を２次元で考えた場合、入射光線は、入射面Ｅによっても、射出面Ｓによっても、垂直方向に逸れることはない。
以下においては、射出面Ｓにおける曲線Ｇ_hによって垂直方向に偏向することのない入射光線を仮定する。この仮定が正しいことは、後に証明される。
２）曲線Ｇ_hと光軸との交点における曲線Ｇ_hの接線は、光軸と直交する。
以下に、レンズＬの設計原理を、図３〜図８を参照して説明する。

第１の設計方法においては、レンズＬは、フィラメントの中心Ｏを通る垂直軸Ｚ−Ｚを含む各垂直面π内におけるフィラメント101の外形線と、これらの垂直面π内における臨界光線の進行方向に着目して設計する。

フィラメント101から発せられる臨界光線は、射出面Ｓから水平に射出されなければならない。他方、フィラメント101から発せられる臨界光線以外の光線は、光軸よりも下方に偏向される。

フィラメントの中心を通って、光軸Ｙ−Ｙと角度θをなす垂直面π(θ)を考える。角度θは、０ないし光軸が入射面Ｅの垂直軸となす角度の間で変化する。

垂直面π(θ)と入射面Ｅとの交線をＣ_i(θ)で表す。また、交線Ｃ_i(θ)上で高さｚにある点をＭ(θ,ｚ)で表す。

交線Ｃ_i(θ)上の点Ｍ(θ,ｚ)において、フィラメント101から垂直面π(θ)内に発せられる入射光線ベクトル（下記数１により表される）を考える。

数１で表される入射光線ベクトルは、垂直面π(θ)内を進む。次に、数１で表される入射光線ベクトルが入射面で屈折された後の光線（下記数２により表される）を考える。図４においては、数２で表される光線ベクトルが射出面Ｓで屈折して得られる光線ベクトル（下記数３により表される）は、水平に進んでいる。

垂直面π(θ)における上方と下方の２つの臨界光線ベクトル（下記数４と数５によりそれぞれ表す）は、それぞれ、フィラメント101の垂直面π(θ)内における前部と後部の外形線に沿う接線ベクトルである。フィラメント101の垂直面π(θ)内における前部と後部の外形線は、楕円形の弧状をなしている。図４に示すように、フィラメント101の垂直面π(θ)内における前部と後部の外形線と臨界光線ベクトルとの接点には、それぞれ、ｔ_avおよびｔ_arという符号を付してある。

第２の設計方法においては、臨界光線を、面ではなく、立体的な空間において考える。この方法は、光源が、光源からレンズの入射面Ｅまで種々の屈折率をもつような媒体に浸漬されている場合には極めて重要である。

これは、光源から発せられる光を屈折させる主たるレンズを考えることができないからである。半導体チップがかなりの厚さの樹脂で被覆されるＬＥＤ（発光ダイオード）は、このケースに該当する。

光源、例えば概ね円筒形のフィラメントが、空気中に置かれる場合には、この第２の設計方法によっても、先の第１の設計方法によって得られるレンズ面と概ね同じレンズ面が得られる。

円筒形フィラメント光源の場合、第２の設計方法においては、上記数４と数５で現される臨界光線ベクトルは、光源の周りで屈折する光線として定義され、光源から接線方向に進み、レンズ中における点Ｍ'とＭ"（図７参照）までの距離が、それぞれ、横軸ｘ方向において最小（数４の臨界光線ベクトルの場合）、または最大（数５の臨界光線ベクトルの場合）となるような光線となる。光源の周りに屈折媒体が存在しない場合には、光源から直進する接線ベクトルとなる。

図５と図６は、樹脂に浸漬され、かつ光軸と直交する平らな発光面を有するＬＥＤチップのような平坦な形状の光源の平面図である。符号ＥＬとＲＥは、それぞれ、光源と樹脂を表している。この光源においては、射出面における光線の射出点を表す中間的な変数Ａは、４次方程式を解くことによって求められる。

図７は、光源がフィラメントの場合を示す。この場合、上記数４で表される光線は、円筒形フィラメントの端部における円周上の点、またはｘ＝Ｍ'_x上のフィラメントの断面における点から接線方向に延びている。

レンズの射出面Ｓから射出される光線ベクトル（数３）が水平となるための条件は、射出面Ｓを表す関数の偏導関数を用いて表される。この偏導関数は、レンズの両端の位置が既知であるため、これらを境界条件とすることによって解くことができる。

射出面Ｓの偏導関数を解くための２つの境界条件は、レンズの射出面Ｓを表す曲線Ｇ_hと、曲線Ｇ_hについての上記２）の条件（曲線Ｇ_hと光軸との交点における曲線Ｇ_hの接線は、光軸と直交する）を「任意に」選択することによって得られる。これは、上記の２）の条件により、垂直面π(θ＝０)において、フィラメント101の外形線から接線方向に進む数１の入射光線に対応する数３の射出光線は、フォグランプの光軸Ｙ−Ｙと平行になるからである。したがって、射出面Ｓの垂直面π(θ＝０)による断面は、２次元の光学的な計算によって得られる。垂直面π(θ＝０)におけるフィラメント101の外形線は、半径がフィラメント101のそれに等しい円である。

この過程においては、解析的に解くことができる微分方程式が得られる。

この微分方程式を解く際には、例えば、接線を弦に近似させ、レンズの中心の厚さが既知であるｚ＝０の点から漸次計算を繰り返すことによって、満足しうる結果が得られた。

レンズの射出面Ｓの偏導関数の有限差分法による解法の一例を以下に示す。この例においては、各曲線の出発点を、母線Ｇ_hが途切れる点に沿って移動させることにより、「垂直線ごとに」漸次計算が行われる。この解法の長所は、射出面Ｓの各点を、２つの隣接点が既知であるため、解析的に算出しうることである。

以下においては、次の記号を用いる。
Ｐ：射出面Ｓの問題となる垂直線上の点
Ｐo，

：点Ｐと隣合う射出面Ｓ上の点（既知）

：入射面Ｅへの入射光線（数１）から生ずる屈折光線

：射出面Ｓ上の点Ｐから射出される光線

：射出面Ｓ上の点Ｐにおける法線
ｎ：レンズＬの材料の屈折率
μ：求める射出面Ｓ上の点の座標

上記の記号を用いて、次の各式（数８〜数１０）が成立する。

(collinear to: 「共直線をなす」の意)

上記の各式から、数３の光線ベクトルが規格化され、かつこの光線ベクトルが水平であることを知って、Ａμ²＋Ｂμ＋Ｃ＝０の形で、μについての２次方程式が得られる。
ここで、Ａ＝Ｖ２_z ²−ｎ²ｋ₂ ²−ｎ²ｋ₄ ²
Ｂ＝２(Ｖ１_zＶ２_z−ｎ²ｋ₁ｋ₂−ｎ²ｋ₃ｋ₄)
Ｃ＝Ｖ１_z ²−ｎ²ｋ₁ ²−ｎ²ｋ₃ ²
であり、
ｋ₁＝ｒ_xＶ１_z−ｒ_zＶ１_x
ｋ₂＝ｒ_xＶ２_z−ｒ_zＶ２_x
ｋ₃＝ｒ_yＶ１_z−ｒ_zＶ１_y
ｋ₄＝ｒ_yＶ２_z−ｒ_zＶ２_y
であり、かつ

である。

未知数μは、問題となる各点Ｐについて求められるため、射出面Ｓを設計することができる。

図８は、Ｈ１１型ランプ（レンズ前面の面積は４８×３４mm²、レンズと光源を合わせた光学系の厚さは約４２mmである）の等照度曲線を示す。

ヘッドライトの光学性能を最適化するため、レンズＬの両側には、大きさの許す限り、ウィングを補足することができる。また、レンズＬの頂部と底部にも、ウィングを追加することができる。

図９に示すように、レンズＬの頂部におけるウィングＡＨは、入射面ＡＥ，反射部ＡＲ、および射出面ＡＳを有している。

補助部材ＡＨの大きさを小さくするため、入射面ＡＥは、光線を、可能な限り後方へ反射するように設計する。ただし、用途によっては、概ね水平で、レンズＬの端部からフィラメント101の頂部まで延びる平面状または円錐形とすることもある。

反射部ＡＲは、全反射、部分反射、または鏡面反射のいずれかを生じるように設計することができる。反射部ＡＲの反射のタイプは、射出面ＡＥの設計と関連している。全反射の場合、特に反射面を蒸着によってコーティングする必要がある鏡面反射と比べて、効率がよく、製造も簡単である。

反射部ＡＲと射出面ＡＳの設計については、当業者ならば、上述の臨界光線を例にとってレンズの射出面を設計する際に用いたものと類似の解法を利用することができると思われる。

図１０は、本発明に係るヘッドライトにおけるレンズＬ２の半分を示す斜視図である。この実施形態におけるヘッドライトは、マルチチップモジュールとしてまとめられた数個の発光ダイオード（以下、「マルチＬＥＤ」と呼ぶ）を備える光源６を有している。

上述のフィラメント光源について説明したレンズの設計原理は、マルチＬＥＤ光源、または単一の発光ダイオードからなる光源にも適用しうることに留意するべきである。

したがって、例えば平坦で方形の発光面を有するマルチＬＥＤ光源の場合、レンズの設計において考慮すべき臨界光線は、方形発光面の隅から発せられる光線であり、フィラメント101の場合における円筒形端部の楕円形外形線に対する接線として発せられる光線とは異なる。

図１０においては、レンズＬ２を、光源６と同じ側において視ている。図１０に示されていないレンズＬ２の部分は、切断面より向こう側の図示されている部分と同様である。

図１０においては、レンズ頂面のウィングＡＨ、底面のウィングＡＢ、および左側面のウィングＡＬＧの各光学面が示されている。すなわち、図１０に示されているのは、頂面のウィングＡＨの光学面１ｈ、２ｈ、３ｈ、および４ｈ、底面のウィングＡＢの光学面１ｂ、２ｂ、３ｂ、および４ｂ、ならびに左側面のウィングＡＬＧの光学面１ｇおよび２ｇである。

左側面のウィングＡＬＧの光学面１ｇは、全反射のために働き、射出面２ｇは、プリズムの役割を果たす。

また、レンズＬのドーナツ状入射面Ｅには、左側面のウィングＡＬＧの光学面１ｇと関連づけられた追加のドーナツ状入射面ｅ１が補足されている。当然のことながら、図示はされていないが、右側面のウィングＡＬＤの光学面と関連づけられた追加のドーナツ状入射面ｅ２も補足されている。

これら追加のドーナツ状入射面ｅ１とｅ２を用いると、入射面の形状を円滑にすることができる。これら追加のドーナツ状入射面ｅ１とｅ２を設計する際には、両側面のウィングと関連づけられた入射面は、屈折する光線が、隣合う入射面によって屈折される光線と交差することのないよう、最小限の条件を満たさなければならないことに留意すべきである。さらに、制御できないような光線群が生じるのを避けるため、入射面が連続していることも重要である。

図１１は、光束が９９ルーメンのマルチＬＥＤ光源と、図６に示すレンズＬ２によって得られる等照度曲線を示す。

空間の半分にだけ光を照射する上記タイプの光源を用いると、照度の半分が失われるフィラメント光源と比べて、照度の点で効率がよい。

本発明に係るヘッドライトで試験を行ったところ、照度の７０％以上を利用できる可能性があることが分かった。

当然のことながら、本発明の技術的範囲は、例示としての上述の各実施形態に限られるものではなく、むしろ、当業者によってなされうる均等な範囲の変更にも及ぶものである。

したがって、上述の実施形態において、レンズと各ウィングを薄くするために、これらを、フレネルレンズのように、複数のブロックに分割（フレネル化）することもできる。

さらに、光源とレンズは、一体のモジュールとすることもできる。この場合、光源は、数個の発光ダイオードチップから構成し、レンズは、発光ダイオードチップの表面上で、耐熱性の合成樹脂を成形することにより得る。

ハウジングを取り除いた本発明に係るヘッドライト（白熱電球式）の斜視図である。 光源とレンズを備える図１の光学系のモデルを示す斜視図である。 光源の中心とレンズの入射面を通り、光軸に対して種々の角度をなす垂直面の模式的な平面図である。 光源、レンズの入射面、および臨界光線を側方から視た模式図である。 樹脂に浸漬された平坦な形状の光源を用いる場合のレンズの設計方法において利用される光線を示す模式図である。 樹脂に浸漬された平坦な形状の光源を用いる場合のレンズの設計方法において利用される光線を示す模式図である。 光源としてフィラメントを用いる場合のレンズの設計方法において利用される光線を示す模式図である。 光源としてフィラメントを用いる図１と図２に示すヘッドライトにおける等照度曲線を示すグラフである。 頂部にウィングを追加したレンズを模式的に示す断面図である。 複数の発光ダイオードから形成される光源を備えたヘッドライトに装填される、本発明に係るレンズの光学面の半分を模式的に示す斜視図である。 光源として発光ダイオードを用いる本発明に係るヘッドライトにおける等照度曲線を示すグラフである。

符号の説明

１ フォグランプ
10 白熱電球
11 支持体
12 ハウジング
ＡＥ，Ｅ 入射面
ＡＢ，ＡＬＧ，ＡＨ ウィング
ＡＲ 反射部
ＡＳ，Ｓ 射出面
Ｌ，Ｌ２ レンズ

Claims (12)

1. 光軸(Ｙ)を有するカットオフビームを射出し、かつ前記光軸(Ｙ)と概ね直交しつつほぼ水平に延びる光源(10)を備える自動車用小型ヘッドライトであって、リフレクタの替わりに、前記光源(10)の前面に、前記カットオフビームを与えるレンズ(Ｌ)を備えていることを特徴とする自動車用小型ヘッドライト。
2. 前記レンズ(Ｌ)は、前記光源(10)から発せられる臨界入射光線の組（数１，数２）が、前記レンズ(Ｌ)の射出面において、前記光軸(Ｙ)と概ね平行に進むように屈折し、前記臨界入射光線以外の入射光線は、前記光軸(Ｙ)よりも斜め下方に屈折するように設計されていることを特徴とする請求項１記載の自動車用小型ヘッドライト。
   

   

   
3. 前記レンズ(Ｌ)は、前記カットオフビームを形成するために、レンズの頂面および底面の少なくとも一方にそれぞれ付属する少なくとも１つのウィング(ＡＨ)(ＡＢ)を有し、前記ウィング(ＡＨ)は、前記光軸(Ｙ)と直交しつつ概ね水平に延びることを特徴とする請求項１または２記載の自動車用小型ヘッドライト。
4. 前記レンズ(Ｌ)は、前記カットオフビームを形成するために、レンズの左側面および右側面の少なくとも一方にそれぞれ付属する少なくとも１つのウィング(ＡＬＧ)を有し、前記ウィング(ＡＬＧ)は、前記光軸(Ｙ)と直交しつつ概ね垂直に延びることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の自動車用小型ヘッドライト。
5. 前記レンズ(Ｌ)は、前記光源(10)の近傍に入射面(Ｅ)を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の自動車用小型ヘッドライト。
6. 前記入射面(Ｅ)は、ドーナツ状、球状、または円筒状であることを特徴とする請求項５記載の自動車用小型ヘッドライト。
7. 前記光源(10)は、軸方向に延びるフィラメントを有し、かつ概ね横向きに配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の自動車用小型ヘッドライト。
8. 前記光源(10)は、Ｈ７型、Ｈ８型、またはＨ１１型のフィラメントランプであることを特徴とする請求項７記載の自動車用小型ヘッドライト。
9. 前記光源(10)は、発光ダイオード(ＥＬ)であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の自動車用小型ヘッドライト。
10. 前記光源(10)は、複数の発光ダイオード(ＥＬ)からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の自動車用小型ヘッドライト。
11. 前記発光ダイオード(ＥＬ)からなる光源とレンズ(Ｌ)(ＲＥ)は、互いに一体とされ、前記光源は、１つまたは複数の発光ダイオードからなり、前記レンズは、前記光源の発光面上に成形された耐熱性合成樹脂からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の自動車用小型ヘッドライト。
12. 前記レンズ(Ｌ)は、フレネルレンズであり、射出面にフレネル化された部分を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の自動車用小型ヘッドライト。
    

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