JP2007265994A - 単一又は複数のフェーセット付きレンズを用いたｌｅｄプロジェクタヘッドライト - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム拡散特性に対する制御性を向上させると同時にヘッドライト組立体のパッケージサイズを減少させるコンデンサレンズを提供する。
【解決手段】コンデンサレンズ（３０）は、光（２４）を放出する光源（２２）を有するプロジェクタヘッドライト組立体（２０）用に提供され、放出された光は、自動車の前方へ長手方向下流側に投射される。コンデンサレンズは、主要構成要素として、光透過材料の本体（３２）を有する。この本体は、光源からの光を受け取る第１の表面（３４）及びこの光を放出する第２の表面（３６）を有する。第２の表面は、光を拡散させると共に所定のビームパターンをもたらすよう構成された少なくとも１つのフェーセット（３８）を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、概略的には、自動車用ヘッドライトに関し、詳細には、コンデンサレンズ（集光レンズ）を用いるプロジェクタ型のヘッドライトに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、消費電力が少なく、自動車の照明用途で許容されるレベルの光を放出することができるようになってきたので、急速に自動車の照明用の好ましい光源となってきている。ヘッドライトに用いる場合、ＬＥＤは幾つかの要件を満たされなければならない。具体的には、路上を照明する際のビームパターンが、一定量の上下方向拡散並びに一定量の水平方向の拡散を有することが必要である。それと同時に、対向車へのグレアを最小限にするために上下方向のカットを行う必要がある。

自動車用のヘッドライトは、概略的には、リフレクタ型ヘッドライト、又はプロジェクタヘッドライトとして特徴付けることができる。リフレクタ型ヘッドライトは、光源からの光を集めてその向きを変える特別な構造のリフレクタユニットを採用しており、このようなリフレクタ型ヘッドライトは、特に、光を合焦させると共に必要なビーム拡散をもたらすよう構成されている。プロジェクタヘッドライトでは、標準型プロジェクタユニットが、ＬＥＤ光源からの光を集めるリフレクタを採用し、ビーム拡散を提供している。リフレクタからの光は、コンデンサレンズを通過し、このコンデンサレンズは、路上を照明するためにリフレクタからの光を単に透過させ投射する。直接型プロジェクタユニットでは、リフレクタが使用されておらず、光源の選択及びコンデンサレンズに対する位置の選択による限定されたビーム拡散制御しか行うことができない。

コンデンサレンズは、焦点のところに位置する像を路上に単に投射し、単に光源を逆にすることにより（左を右、下を上）ビームパターンを形成する画像化光学部品である。これらコンデンサレンズは、軸対称であり、光軸（即ち、レンズ中心を通って延びる長手方向軸線）を中心とした二次元曲線の面回転により得られる非球面レンズである。ビーム拡散特性に関する制御性を得るため、標準的なプロジェクタヘッドライトのリフレクタは、所望のビーム拡散特性を得るために主として水平方向に細長い。上下方向のビーム拡散が約−１０°であり、水平方向のビーム拡散が約±３５°であるのが望ましい。

上述のことに鑑みて、出射された光のビーム拡散特性に関する優れた制御性を備えたプロジェクタヘッドライトを提供することが要望されている。

本発明は、ビーム拡散特性に対する制御性を向上させると同時にヘッドライト組立体のパッケージサイズを減少させるコンデンサレンズ及びコンデンサレンズを用いたヘッドライト組立体を提供する。一実施形態によれば、コンデンサレンズは、光を放射する光源を有するプロジェクタヘッドライト組立体用に提供され、放射された光は、自動車の前方へ長手方向下流側に投射される。コンデンサレンズは、主要構成要素として、光透過材料の本体を有する。この本体は、光源からの光を受け取る第１の表面及びこの光を放出する第２の表面を有する。第２の表面は、光を拡散すると共に所定のビームパターンをもたらすよう構成された少なくとも１つのフェーセットを有する。

より詳細な特徴によれば、少なくとも１つのフェーセットは、水平方向のビーム拡散を上下方向のビーム拡散から分離する。第２の表面は、好ましくは、少なくとも２つのフェーセットを有し、最も好ましくは、上下方向に延びる複数の水平に間隔をおいたフェーセットを有する。変形例として、少なくとも１つのフェーセットは、第２の表面を形成すると共に鞍の形をしている単一のフェーセットから成っていてもよい。複数の水平に間隔をおいたフェーセットが用いられる場合、複数のフェーセットの各々の上下方向の曲率は、上下方向拡散を定め、複数のフェーセットの水平方向の曲率は、水平方向の拡散を規定する。一般に、複数の水平に間隔を置いたフェーセットは、第２の表面に一連の山部及び谷部を形成する。複数のフェーセットの上下方向の曲率は、水平方向のカットオフを保つと共に所望の上下方向ビーム拡散を生じさせるために水平方向軸線に対して非対称である。フェーセットは、水平方向に凸の曲率か凹の曲率かのいずれかを有するのがよい。フェーセットは、光強度の高い領域を含む所定のビームパターンを生じさせるよう構成されるのがよいことがわかる。わらに、コンデンサレンズの断面形状は、円形には限定されず、この結果、ＬＥＤの光放出面の形状にマッチする正方形又は矩形の形状、或いは、任意の他の非円形の形、例えば、卵形又は他の長円形でもよい。

本発明の教示に従って構成された別の実施形態は、主要構成要素として、光源、リフレクタ及びコンデンサレンズを有する自動車用のプロジェクタヘッドライト組立体を提供する。コンデンサレンズは、上述した多くの構造と同様に構成され、それにより、所定のビームパターンをもたらす。光を拡散させる役割をコンデンサレンズに受け持たせることにより、リフレクタは、断面形状が円形の単純な楕円形リフレクタから成ることができる。即ち、リフレクタは、水平方向に細長いものである必要はなく、或いは、所望のビーム拡散パターンを生じさせるよう特別に構成される必要はない。また、水平方向のカットオフをもたらすようプロジェクタヘッドライト組立体に遮光板に用いるのがよい。好ましくは、遮光板は、光源から僅かに遠ざかってレンズの方へ傾けられており、それにより集光度を向上させる。

本願に組み込まれてその一部をなす添付の図面は、本発明の幾つかの特徴を示しており、本明細書とともに、本発明の原理を説明するのに役立つ。

図面を参照すると、図１及び図２は、本発明の教示に従って構成されたコンデンサレンズ３０を示している。特に、コンデンサレンズ３０は、口述するように、このコンデンサレンズが一部と構成するヘッドライト組立体２０（図３）から出力される光にビーム拡散特性を付与する。さらに、コンデンサレンズ３０は、特定の上下方向拡散及び水平方向拡散をフェーセット毎に生じさせることができ、それにより、一定数の乗り物又は所望のビーム特性に適合した適応性の高いコンデンサレンズが得られる。ビームを拡散する機能をリフレクタからコンデンサレンズに移すことにより、標準型の楕円形リフレクタをＬＥＤ光源と一緒に用いて、自動車のヘッドライトに適し、所望のビーム特性を有する光出力を生じさせることができるようになる。

コンデンサレンズ３０は、主要構成要素として、長手方向に互いに間隔をおいた第１の表面３４と第２の表面３６を備えた本体３２を有している。第１の表面３４は、光源２２（図３）からの光を受け、この第１の表面は、湾曲していてもよいが、全体として平らで長手方向軸線１０（図３）に対して上下方向である。長手方向軸線１０は、コンデンサレンズ３０の中心と整列したときには、組立体２０の光軸と考えることもできる。図２に最もよく示されているように、第２の表面３６は、複数のフェーセット３８として形成され、フェーセットの数はいくつでもよいが、図２の実施形態では、具体的には、６つのフェーセットが設けられている。フェーセット３８は、水平に互いに間隔をあけながらほぼ上下方向に延びているが、チェッカーボード設計パターンのように、フェーセットを上下方向と水平方向の両方で互いに間隔をおいて配置することも可能である。フェーセット３８は各々、水平方向及び上下方向に全体として凸の曲率を有し、最も好ましくは、所望の出力ビームをもたらすよう設計されている数学的に作成された自由曲面である。隣り合うフェーセット３８が接合する上下方向のラインは、好ましくは、隣接するフェーセット相互間に大きな段差を生じさせないようできるだけ滑らかであり、隣り合うフェーセット３８の特有の水平方向曲率の特性に依存する。フェーセット３８の各々がそれ自体の水平方向の曲率を有していると仮定すると、山部及び谷部の数は、一般に第２の表面３６の水平方向曲率によって決まる。

次に図３を参照すると、コンデンサレンズ３０を採用したヘッドライト組立体２０が示されている。ヘッドライト組立体２０は、主要構成要素として、コンデンサレンズ３０に加えて、光２４を放出する光源２２を有し、この光は、リフレクタ２６により集められてその向きが変えられる。好ましくは、光源２２は、当該技術分野において知られているように、一般に表面発光するＬＥＤである。リフレクタ２６は好ましくは、楕円形リフレクタであり、このことは、このリフレクタが図３の側面図で最もよく分かるように楕円曲率を有していることを意味しており、したがって、ＬＥＤ２２をリフレクタの第１の焦点のところに配置すると、リフレクタ２６は、光をその第２の焦点４０に向けて合焦させ、この第２の焦点は、当該技術分野において知られているようにコンデンサレンズ３０の焦点とほぼ一致している。当業者であれば理解できるように、コンデンサレンズ３０はビーム拡散機能の全て又は一部を実行することになるので、リフレクタ２６は、図３Ａで最もよく分かるように、全体として円形断面を有する楕円形リフレクタから成るのがよい。長方形又は卵形のリフレクタ２６を採用してビーム拡散機能の一部を受け持たせてもよいが、図示したような円形断面の楕円形リフレクタ（又は幅がこれよりも小さい長円形リフレクタ）を用いると、その結果として、ヘッドライト組立体２０は、幅の減少によりパッケージサイズが小さくなる（リフレクタ２６が或る程度の上下方向ビーム拡散機能を有する場合、高さが減少する可能性がある）。

図３を参照すると、ＬＥＤ光源２２を出射した光２４は集光され、光の一部の方向がコンデンサレンズ３０の上半分に向けて上方に再度、変えられるように遮光板２８が位置決めされている第２の焦点４０に向かって合焦される。一般に、もしそのように構成していない場合に上方ビーム開きを生じさせる光２４の部分は、図示のように反射され、それにより、コンデンサレンズ３０の第２の表面３６から出る光の全てではないにせよ大部分が−１０°の好ましい上下方向ビーム拡散の範囲内で水平方向又は僅かに下方に向けられる。本発明の一特徴によれば、反射遮光板２８は好ましくは、コンデンサレンズ３０に向けて僅かに傾けられ、本出願人により、傾きの量に応じて集光度を３〜１５％だけ向上させることが発見された。具体的には、遮光板２８の前方端部を上下方向位置をほぼ維持した状態で、後方すなわち上流側端部を上方に傾ける。また、任意の形状の平らな又は湾曲した遮光板２８を上述したように用いて傾斜させてもよいことがわかる。遮光板２８は、長手方向軸線１０に対して約０°〜６°だけ傾けられるのが好ましい。

また、当業者であれば理解できるように、第２の表面３６の曲率、具体的には、複数のフェーセット３８により構成される上下方向曲率により、上下方向ビーム拡散が決まる。好ましくは、第２の表面３６の上下方向曲率は、長手方向軸線１０に関して非対称であり、それにより、出力された光２４は、上下方向カットオフを保ちつつ、所望の上下方向ビーム拡散を生じさせるよう僅かに斜め下方に進む。したがって、本体３２は、第２の表面３６の上縁が、第１の表面３４から離れて位置するその程度よりも第２の表面３６の下方端部３９が第１の表面３４から更に離れて位置している結果として得られ、プリズム効果を生じさせる半環状表面３３を有する。したがって、当業者であれば理解できるように、複数のフェーセット３８として形成された第２の光放出表面３６を有するコンデンサレンズ３０を用いることにより、水平方向の拡散と上下方向の拡散をヘッドライト組立体２０により出力される光ビームに導入することができる。

図４を参照すると、例えばＬＥＤ光源により得られる矩形の形を有し、コンデンサレンズ３０の焦点４０のところに且つ上下方向軸線１２、水平方向軸線１４及び光軸すなわち長手方向軸線１０に対して位置決めされた光源２２を有するヘッドライト組立体２０が略図で示されている。また、当業者であれば理解できるように、ヘッドライト組立体２０は、直射型ヘッドライトを有してもよく、それにより、ＬＥＤ２２を全体が図４に符号２２で示されるように位置決めしてもよい。いずれの場合においても、コンデンサレンズ３０は、光をその第１の表面３４のところで受け、複数のフェーセット３８を有する第２の表面３６の構造により、所定のビームパターン４４が図５に示すように作られる。標準型非球面コンデンサレンズ（即ち、軸対称レンズ）を用いた場合、かかるレンズは、点線４２の領域で指示されているように、その焦点４０のところに配置された光源を投射するに過ぎない。しかしながら、本発明のコンデンサレンズ３０を用いることにより、増大した水平方向拡散及び増大した上下方向拡散を持つ所定のビームパターン４４を生じさせることができる。好ましくは、所定のビームパターン４４は、±３５°の水平方向拡散を有し、上下方向拡散は、約０°〜−１０°である。また、個々のフェーセット３８を特別仕立てすることにより、ホットスポット、例えば、点線４６で指示された領域を生じさせることができる。即ち、フェーセット３８は各々、上下方向と水平方向のいずれか一方又は両方においてそれ自体の固有の曲率を有することができ、これらフェーセットは、これが出力する光をオーバラップさせ又は分離させ、それにより所定のビーム拡散パターンを生じさせるよう構成できる。例えば、フェーセット３８が左から右へ連続して番号付けされていると仮定すると、フェーセット２，５は、特定のホットスポット又は複数のホットスポットを生じさせるよう利用でき、他方、残りのフェーセットは、より一様に拡散したビームパターンを生じさせるよう構成できる。

したがって、コンデンサレンズ３０の水平方向拡散機能と上下方向拡散機能は、水平に間隔をおくと共に上下方向に延びるフェーセット３８を用いることにより分けられることがわかる。

次に図６を参照すると、本発明の教示に従って構成された別の実施形態としてのコンデンサレンズ１３０が示されている。コンデンサレンズ１３０は、光を受け第１の表面１３４及び路上を照明するよう光を自動車の前方へ長手方向下流側に放出する第２の表面１３６を備えた本体１３２を有している。第２の表面１３６は、複数個、本実施形態では３つのフェーセット１３８を有している。図７で最もよく分かるように、フェーセット１３８は各々、先の実施形態のフェーセット１３８に与えられた凸の曲率ではなく、形状が全体として凹状の水平方向の曲率を有する。先の実施形態と同様、フェーセット１３８は各々、好ましくは長手方向軸線に関して非対称であり、又は、所定量の上下方向ビーム拡散をもたらしながら上下方向のカットオフを保持するよう構成された上下方向曲率を有する。

次に図８及び図９を参照すると、本発明の教示に従って構成された更に別の実施形態としてのコンデンサレンズ２３０が示されている。コンデンサレンズ２３０は、主要構成要素として、第１の受光表面２３４及び第２の光放出表面２３６を備えた本体２３２を有している。第２の表面２３６は全体として、複数の上下方向に間隔をおくと共に水平方向に延びるフェーセット２３８により形成され、これらフェーセットは、コンデンサレンズ２３０の水平方向拡散機能を上下方向拡散機能を分けるよう機能する。また、先の実施形態と同様、第２の表面２３６及びそのフェーセット２３８の上下方向曲率は、光が上下方向カットオフの下に差し向けられるように長手方向軸線に関し僅かに非対称であり又は傾けられている。かくして、第２の表面２３６の下端２３９又は下縁２３９は、上縁よりも第１の表面２３４から一層離れて位置している。

特に、当業者であれば理解できるように、図８及び図９の実施形態は、全体として正方形、又は矩形の形を有するコンデンサレンズ２３０となっている。このように、コンデンサレンズ２３０は、光を表面、例えば正方形又は矩形表面から放出する光源、例えばＬＥＤ光源２２と一致するよう形作られているのがよい。したがって、コンデンサレンズ２３０、特に、第１の受光表面２３４は、任意の形状、円形又は非円形の形を取ることができ、かかる非円形としては、矩形、正方形、卵形（若しくは楕円形）又は他の長円形が挙げられることは理解されよう。このように、コンデンサレンズ２３０の非使用材料を無くすことができ、それによりレンズ２３０及びヘッドライト組立体が軽量化され、それにより、軽くて小形のヘッドライト組立体が得られる。

次に図１０及び図１１を参照すると、本発明の教示に従って構成された更に別の実施形態としてのコンデンサレンズ３３０が示されている。レンズ３３０は、主要構成要素として、第１の受光表面３３４及び第２の光放出表面３３６を備えた本体３３２を有している。先の実施形態とは異なり、第２の表面３３６は、単一のフェーセット３３８を有し、この結果、このフェーセットはそれ自体が光放出表面を構成している。この場合、単一のフェーセット３３８（及びそれ故第２の表面３３６）は、鞍の形をしており、これは、三次元的に湾曲しており、その結果、所定のビームパターンの水平方向拡散と上下方向拡散が分離される。図１１の側面図で分かるように、本体３３２はかくして、全体として環状の形をした周面３３３を有している。当業者であれば理解できるるように、単一のフェーセット３３８及び第２の表面３３６は、所定の上下方向ビーム拡散及び水平方向ビーム拡散を持つ任意所望のビームパターンを生じさせるよう特徴的に形成できる。好ましくは、表面３３６は、所定所望のビームパターンを生じさせるよう数学的に作成される。

したがって、当業者であれば理解できるように、本発明は、ビーム拡散機能の幾分か又は全てを生じさせるようコンデンサレンズを特徴的に利用したコンデンサレンズ及びヘッドライト組立体を提供している。さらに、このビーム拡散機能は、出力されるビームパターンの個別調整が可能なその水平方向及び上下方向成分に分割できる。これと同様に、ホットスポット又は他の望ましいビーム特性を光放出表面及びそのフェーセットの特別仕立てにより生じさせることができる。また、当業者であれば、多くの変形例を容易に採用できることは認識されよう。例えば、複数のフェーセットは、上下方向に間隔を置くと共に水平に延びてもよく、その結果、依然として、水平方向ビーム拡散機能と上下方向ビーム拡散機能が分離されることになる。これと同様に、数を限定しない特徴的な単一のフェーセット及びマルチフェーセット実施形態を当業者であれば容易に想定でき、特定の用途に合わせて特別仕立てできる。

本発明の種々の実施形態の上記説明は、例示及び説明の目的のために提供されている。上述の説明は網羅的ではなく、又は、本発明を開示した実施形態そのものに限定するものではない。多くの改造例及び変形例が、上記教示に照らして可能である。説明した実施形態は、本発明の原理及びその実際の用途の最善の説明をもたらし、それにより、当業者本発明を種々の実施形態で利用でき且つ計画した特定の用途に合わせた種々の改造を施して利用できるようにするために選択されると共に説明されている。かかる改造例及び変形例は全て、公正且つ適法なしかも均等な保護範囲の広さに従って解釈されると、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に含まれる。

本発明の教示に従って構成されたコンデンサレンズの斜視図である。 図１に示すコンデンサレンズの底面図である。 本発明の教示に従って構成されていて、図１に示すコンデンサレンズを採用したヘッドライト組立体の側面図である。 図３に示すヘッドライト組立体の一部を形成するリフレクタ及び光源の正面図である。 図３に示すヘッドライト組立体の斜視図である。 図３のヘッドライト組立体により生じたビームパターンを示す略図である。 本発明の教示に従って構成されたコンデンサレンズの別の実施形態の斜視図である。 図６に示すコンデンサレンズの底面図である。 本発明の教示に従って構成されたコンデンサレンズの更に別の実施形態の斜視図である。 図８に示すコンデンサレンズの側面図である。 本発明の教示に従って構成されたコンデンサレンズの更に別の実施形態の斜視図である。 図１０に示すコンデンサレンズの底面図である。 図１０に示すコンデンサレンズの側面図である。

符号の説明

２０ ヘッドライト組立体
２２ 光源
２６ リフレクタ（反射器）
２８ 遮光板
３０，１３０，２３０ コンデンサレンズ（集光レンズ）
３２，１３２，２３２ 本体
３４，１３４，２３４ 第１の表面
３６，１３６，２３６ 第２の表面
３８，１３８，２３８ フェーセット
４４ ビームパターン

Claims (7)

1. 自動車のプロジェクタヘッドライト組立体であって、
   光を放出する光源と、
   前記光源からの光を集め、前記光を長手方向下流側に投射するリフレクタと、
   前記リフレクタからの光を受け取る第１の表面及び前記光を放出する第２の表面を備えた本体を有するコンデンサレンズとを有し、前記第２の表面は、前記光を拡散すると共に所定のビームパターンを提供するよう構成された少なくとも１つのフェーセットを有する、
   ことを特徴とするヘッドライト組立体。
2. 前記光源は、ＬＥＤである、
   請求項１に記載のヘッドライト組立体。
3. 前記リフレクタは、断面形状が円形の楕円形リフレクタである、
   請求項１に記載のヘッドライト組立体。
4. 遮光板を更に有する、
   請求項１に記載のヘッドライト組立体。
5. 前記遮光板は、前記光源から遠ざかり前記レンズの方へ傾けられている、
   請求項４に記載のヘッドライト組立体。
6. 前記遮光板は、水平に対して約０°〜６°傾けられている、
   請求項５に記載のヘッドライト組立体。
7. 前記少なくとも１つのフェーセットは、前記水平方向のビーム拡散を前記上下方向のビーム拡散から分離する、
   請求項１に記載のヘッドライト組立体。

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