JP2008097912A - 半導体発光素子を光源とする車両前照灯用の投影レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、簡単な構成により、射出成形による品質を向上させるようにした、車両前照灯用の投影レンズを提供することを目的とする。
【解決手段】 少なくとも一つの半導体発光素子を備えた光源ユニットからの光を集束して、光照射方向前方に向かって照射する、車両前照灯用の投影レンズ１０において、上記投影レンズが、透明性を有する熱可塑性樹脂から射出成形により成形されており、この投影レンズの出射面の凸部頂点付近に、平面カットによるゲートカット部１４が配置されるように、投影レンズ１０を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば車両前照灯，補助前照灯等として使用されるＬＥＤ等の半導体発光素子を光源とする車両前照灯用の投影レンズに関する。

従来、このような車両前照灯は、例えば図７に示すように、構成されている。 即ち、図７において、車両前照灯１は、光源としてのＬＥＤユニット２と、ＬＥＤユニット２の光照射方向前方に配置された投影レンズ３と、から構成されている。

上記ＬＥＤユニット２は、少なくとも一つのＬＥＤ２ａから構成されており、光照射方向前方に向かって光を出射するようになっている。
また、上記投影レンズ３は、凸レンズから構成されており、その光源側の焦点が、上記ＬＥＤユニット２の発光中心付近に位置するように、配置されている。

このような構成の車両前照灯１によれば、上記ＬＥＤユニット２に対して外部から給電が行なわれることにより、各ＬＥＤ２ａが駆動され、発光する。
上記ＬＥＤユニット２の各ＬＥＤ２ａから出射した光が、投影レンズ３を透過しほぼ平行光となって、光出射方向前方に向かって照射される。

ここで、上記投影レンズ３は、出射面面積が入射面面積より大きく選定されており、具体的には、図８に示すように、光源側が平坦な所謂平凸レンズとなっている。
上記投影レンズ３は、上記ＬＥＤユニット２の発熱量が小さいことから、使用時に温度が殆ど上昇しないので、例えばメタクリル樹脂，ポリカーボネイト樹脂等から射出成形により成形されている。

その際、上記投影レンズ３は、ゲート部分による光学的影響を回避するために、図８にて矢印Ｇで示すように、上記フランジ部３ａに成形用のゲート口が配置されるようになっている。
従って、上記投影レンズ３の成形時には、このゲート口から、投影レンズ３を成形すべき金型のキャビティ内に、溶融樹脂材料が注入され、硬化後に金型から取り出される。これにより、上記投影レンズ３の射出成形が行なわれるようになっている。

特許文献１には、投影レンズの入射側の中心付近にゲート口が配置されるようにした、車両灯具用レンズ体の製造方法が開示されている。
この製造方法によれば、レンズ体の入射側の表面の中心付近にて、所謂ピンポイントゲートを介して、樹脂材料が金型のキャビティ内に注入されることにより、レンズ体が成形されるようになっている。
特開２００３−０２５３７７号

しかしながら、図８に示したフランジ部３ａにゲート口を配置した場合には、上記投影レンズ３が凸レンズであることから、樹脂材料の流入距離、特にゲート口から凸レンズの凸部頂点までの樹脂材料の流入距離が比較的長くなってしまう。
このため、凸レンズの各部に対して十分な成形圧力を伝達することが困難となり、成形品である投影レンズ３の表面形状が、金型形状を忠実に再現することができず、品質面の安定性が低くなってしまう。

特許文献１によるレンズ体の製造方法においては、ゲート口がレンズ体の入射側の平坦な表面の中心付近に位置することから、ピンポイントゲートを利用したとしても、ゲートカット部の形状が、レンズ体を介して出射側に影響して、光学的な損失が比較的多くなる。また、車両前照灯の投影レンズとして使用したとき、ゲートカット部を通過する光による配光の乱れによって、配光パターンの中心付近の照度ムラが発生することになってしまう。

また、このような問題は、光源としてＬＥＤ２ａを使用した場合だけでなく、他の種類の半導体発光素子を使用している場合についても、同様に発生する。

本発明は、以上の点から、簡単な構成により、射出成形による品質を向上させるようにした、車両前照灯用の投影レンズを提供することを目的としている。

上記目的は、本発明によれば、少なくとも一つの半導体発光素子を備えた光源ユニットからの光を集束して、光照射方向前方に向かって照射する、車両前照灯用の投影レンズにおいて、上記投影レンズが、透明性を有する熱可塑性樹脂から射出成形により成形されており、この投影レンズの出射面の凸部頂点付近に、平面カットによるゲートカット部が配置されていることを特徴とする、半導体発光素子を光源とする車両前照灯用の投影レンズにより、達成される。

本発明による投影レンズは、好ましくは、上記ゲートカット部が、開閉可能なシャッタを備えたバルブゲートにより形成されている。

本発明による投影レンズは、好ましくは、上記ゲートカット部が、直径２〜３ｍｍ程度の大きさである。

上記構成によれば、上記投影レンズが、成形の際に、その出射面の凸部頂点付近のゲート口から金型キャビティ内に樹脂材料が注入される。これにより、射出成形されており、当該投影レンズを成形するための金型キャビティの各部への樹脂材料の流入距離が比較的短くなる。
従って、上記金型キャビティの各部に対して十分に大きな成形圧力が伝達され得ることになる。これにより、この金型キャビティ内における成形品である投影レンズが正確に成形され得、上記投影レンズの成形に関する品質が向上し、品質の安定性が高められ得ることになる。

この場合、上記投影レンズの光学有効面内に、即ち車両前照灯の光軸上にゲートカット部が位置することになるが、このゲートカット部は、平面カットされる。これにより、当該投影レンズの出射面の表面との間に段差が生ずることがなく、ほぼ平坦な形状となり、このゲートカット部の周縁における光学的な損失は殆ど発生しない。

また、このゲートカット部は、光源の発光中心からの見込み角が例えばわずか０．７９度程度で、上記投影レンズの光学有効面積の約０．２％程度であり、ゲートカット部が投影レンズの出射面側に配置されていることから、このゲートカット部における配光の乱れが発生したとしても、この乱れは、配光パターンにおける余裕度許容範囲内に十分収まることになる。

上記ゲートカット部が、開閉可能なシャッタを備えたバルブゲートにより形成されている場合には、上記投影レンズの成形後に、ゲート部分のゲートカット処理が不要となり、上記投影レンズの生産性が向上することになる。

上記ゲートカット部が、直径２〜３ｍｍ程度の大きさである場合には、ゲート部分のゲートカット処理が容易に行なわれる。また、このゲートカット部の投影レンズの光学性能に対する影響がより一層低減され得ることになる。

このようにして、本発明によれば、投影レンズの成形の際のゲート口を、当該投影レンズの出射面の凸部頂点に配置したことにより、成形品としての投影レンズの成形が正確に行なわれ得る。また、ゲートカット部による投影レンズの光学性能に対する影響が低く抑制され得る。これにより、車両前照灯用として最適な投影レンズが得られることになる。

以下、この発明の好適な実施形態を図１から図３を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

図１は、本発明による投影レンズの一実施形態の構成を示している。
図１において、投影レンズ１０は、図７に示す車両前照灯１における投影レンズ３の代わりに使用され得る投影レンズであって、図示の場合、出射面面積が入射面面積より大きく選定されており、入射側１１及び出射側１２がそれぞれ凸面である所謂両凸レンズとして構成されている。また、その周縁から半径方向外側に突出するフランジ部１３を備えている。

上記投影レンズ１０は、例えばメタクリル樹脂，ポリカーボネイト樹脂，シクロオレフィン樹脂等の透明性を有する熱可塑性樹脂から射出成形により成形されている。
ここで、上記投影レンズ１０は、射出成形の際のゲート口が、図１にて符号Ｇで示すように、その出射側１２の凸部頂点付近、即ち光軸付近に配置されている。
これにより、上記投影レンズ１０は、その出射側１２の凸部頂点に、平坦カットによるゲートカット部１４が形成されることになる。

上記ゲート口Ｇは、所謂ダイレクトゲートとして、開閉可能なシャッタを有するバルブゲート構造で構成されており、その直径が例えば２〜３ｍｍ程度に選定されている。
ここで、ゲート口の直径が２ｍｍ以下であると、樹脂注入の際に、溶融した樹脂が、金型キャビティの各部に十分に流入せず、成形品の品質が損なわれる。また、ゲート口の直径が３ｍｍ以上であると、ゲートカット部の光学的影響が大きくなってしまう。

本発明実施形態による投影レンズ１０は、以上のように構成されており、その射出成形の際には、その出射面１２の凸部頂点付近のゲート口から、この投影レンズ１０の成形のための金型キャビティ内に樹脂材料が注入される。このため、当該投影レンズ１０を成形するための金型キャビティの各部への樹脂材料の流入距離が比較的短くなる。
従って、樹脂注入時に、上記金型キャビティの各部に対して十分に大きな成形圧力が伝達され得る。これにより、この金型キャビティ内における成形品である投影レンズ１０が正確に成形され得ることになる。

ここで、上記投影レンズ１０は、ゲート口の成形跡として、そのゲートカット部１４が、前述したバルブゲート構造のシャッタにより（あるいは成形後に別工程にて）平坦カットされる。これにより、図２（Ａ）に示すように、ほぼ平面に形成されており、周囲の出射側１２の表面と段差を生じない。
従って、このゲートカット部１４の周囲における段差によって、光が散乱して、光損失となるようなことはない。
尚、図２（Ｂ）に示すように、平坦カットではなく、ゲートカット部１４が高さを有している場合には、周囲の出射側１２の表面と段差を生ずる。このため、この段差部分から光が照射方向以外に散乱し、光損失を生ずることになる。
具体的には、直径３ｍｍのバルブゲートを使用して、ゲート筒の内径を２．５ｍｍとすると、０．５ｍｍ幅のバルブゲート跡が、投影レンズ１０の出射側１２の凸部頂点付近に形成され、その内側がほぼ平坦に、好ましくは僅かに凸状になっている。

また、上記ゲートカット部１４は、例えば図３に示すように、焦点即ち光源に対する見込み角θが光取り込み角度に対して十分小さく、その面積（無効誤差面積）が、上記投影レンズ１０の出射側１２全体の面積に対して十分に小さく、而も出射側に配置されている。このため、このゲートカット部１４を通過する光の配光パターンへの影響は、配光余裕度許容範囲内に収まるものであり、実質的に影響が殆どない。

このようにして、本発明実施形態の投影レンズ１０によれば、この投影レンズ１０の成形の際のゲート口を、当該投影レンズ１０の出射面１２の凸部頂点に配置したことにより、当該投影レンズ１０の成形が正確に行なわれ得る。また、ゲートカット部１４による投影レンズの光学性能に対する影響が低く抑制され得るこのため、車両前照灯用として最適な投影レンズが得られることになる。

次に、上述した投影レンズ１０のゲート口Ｇの配置による効果について流動解析を用いて考察する。
解析方法としては、Ｍｏｌｄ ｆｌｏｗ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｉｎｓｉｇｈｔ
Ｒ５．０を使用して、充填保圧解析を行なった。

また、流動解析における成形条件は、使用樹脂：帝人化成株式会社製 Ｐａｎｌｉｔｅ Ｌ−１２２５Ｚ １００Ｍ，樹脂温度：２９０℃，金型温度：８０℃，射出時間：５秒，保持圧力：１００ＭＰａ，保持時間１８０秒，冷却時間：４２０秒とした。
成形品である投影レンズ１０の形状は、図４に示すように、外径Ｄを４６ｍｍ，光学有効径ｄを４２ｍｍ，フランジ部１３の厚さｔを３〜４．２ｍｍ，入射側１１の曲率半径を８０ｍｍ，出射側１２の曲率半径を２６．８ｍｍ，バックフォーカスを３１．３ｍｍ，最大レンズ厚Ｔを１４．５ｍｍ，光取り込み角度を３２．３度とする。
そして、本発明の解析例Ａとして、図５（Ａ）に示すように、投影レンズ１０の出射側の凸部頂点にゲート口（ダイレクトゲート）が位置し、また比較例Ｂとして、図５（Ｂ）に示すように、フランジ部にゲート口（サイドゲート）が位置するように、ゲートＧを配置して、射出成形を行なった。

射出充填の完了時間解析結果においては、充填時間は、サイドゲートにおける５．０７秒に対して、ダイレクトゲートにおける５．００秒と、殆ど変化はなかった。
これに対して、射出充填時の圧力分布解析結果においては、サイドゲートにおける５．４ＭＰａに対して、ダイレクトゲートにおける０．３ＭＰａと、本発明による解析例Ａの方が、射出充填時の射出圧力が格段に低いことが分かった。これにより、本発明の投影レンズでは、射出能力の小さな射出成形機でも成形が可能となり、設備の設置スペースや設備費等のコストが大幅に低減され得る。

また、射出充填完了時の樹脂温度解析結果においては、投影レンズ中心での温度−時間グラフから、樹脂材料の固化時間を、ポリカーボネイト樹脂のガラス転移温度である１４４℃以下になる時間として求めると、ダイレクトゲートの場合、図６（Ａ）に示すように、３３０秒であり、またサイドゲートの場合、図６（Ｂ）に示すように、２７０秒であった。従って、ダイレクトゲートの場合に冷却時間が遅くなる傾向がある。
しかしながら、充填完了時の樹脂温度の差を分析すると、サイドゲートの場合には、最高３００℃，最低２５５℃と温度差４５℃であるのに対して、ダイレクトゲートの場合には、最高２９２℃，最低２８９℃と温度差３℃であり、投影レンズ全体の樹脂温度分布が非常に均一であることが分かる。これにより、歪の少ない投影レンズが成形され得ることになる。

さらに、冷却時間４２０秒後の金型離型時の体積収縮率解析結果においては、サイドゲートの場合、体積収縮率は、中心肉厚部で５．９％，端部で０．３％と大きな差があるのに対して、ダイレクトゲートの場合には、中心肉厚部で１．４％，端部で−０．３％と、サイドゲートの場合と比較して非常に少ないことが分かった。従って、ダイレクトゲートの場合、成形品即ち投影レンズの形状精度の品質面で大いに優位である。

このようにして、射出成形における冷却時間は、従来のサイドゲートの場合が見かけ上良好ではあるが、ダイレクトゲートの場合に、形状精度や歪等の品質面で有利であることが明らかである。さらに、ダイレクトゲートの場合には、射出圧力が低いことから、小型の成形機が使用され得、ランニングコストが低減され、省スペース化の点で有利である。
さらに、投影レンズ１０の成形の際に、ゲート口として、シャッタにより開閉可能なバルブゲート構造を採用する。これにより、成形品取出し後のゲートカット処理も不要であることから、生産性が向上することになる。

次に、投影レンズ１０におけるゲートカット部１４の光学的影響について考察する。
図３に示した投影レンズ１０において、ゲートカット部１４は、投影レンズ１０の光軸に対して、見込み角θが最大０．７９度程度であり、車両前照灯におけるカットオフ付近の車両取付角度０．５７度より大きいが、投影レンズ１０の光取り込み角度３２．３度に対して十分に小さく、またゲートカット部１４の面積は、投影レンズ１０の光学有効面積に対して約０．２％程度である。これにより、ゲートカット部１４を透過した光が、所定の配光パターンから外れたとしても、配光余裕度許容範囲内に十分収まることになる。

また、上記ゲートカット部１４が、投影レンズ１０の出射側１２に設けられている。このため、入射側１１に設けられている場合と比較して、配光パターンに対する影響が大幅に小さくなっている。
従って、投影レンズ１０のゲートカット部１４による配光パターンへの光学的影響を考慮しても、ダイレクトゲートによる成形品即ち投影レンズ１０の正確な形状が得られる。また、射出圧力が低くてよいことから、小さな射出成形機でも成形可能となり、設備コスト及びランニングコストが低減され得ることになる。

上述した実施形態においては、光源としてＬＥＤを使用した車両前照灯用の投影レンズについて説明したが、これに限らず、ＬＥＤ以外の例えばレーザー素子等の他の種類の半導体発光素子を光源とする車両前照灯用の投影レンズにも本発明を適用し得ることは明らかである。
また、上述した実施形態においては、投影レンズ１０は、両凸レンズとして構成されているが、入射側１１が平坦である所謂平凸レンズであってもよいことは明らかである。
さらに、上述した実施形態においては、単に車両前照灯用の投影レンズについて説明したが、車両前照灯としては、自動車用，二輪車用のヘッドランプだけでなく、例えばフォグランプ等の補助前照灯にも本発明を適用し得ることは明らかである。

このようにして、本発明によれば、簡単な構成により、射出成形による品質を向上させるようにした車両前照灯用の投影レンズが提供されることになる。

本発明による車両前照灯用の投影レンズの一実施形態の構成を示す概略側面図である。 図１の投影レンズの出射側の凸部頂点付近を示す拡大断面図である。 図１の投影レンズにおけるゲートカット部の見込み角を示す概略図である。 図１の投影レンズの解析で使用する具体的な形状を示す（Ａ）側面図及び（Ｂ）正面図である。 図１の投影レンズの成形時の流動解析を行なうための（Ａ）解析例及び（Ｂ）比較例における投影レンズとゲートの配置を示す概略図である。 図１の投影レンズの成形時の流動解析の（Ａ）解析例及び（Ｂ）比較例における中心層の温度変化を示すグラフである。 従来のＬＥＤ光源を備えた車両前照灯の一例の構成を示す概略断面図である。 図７の車両前照灯で使用される投影レンズの構成例を示す断面図である。

符号の説明

１０ 投影レンズ
１１ 入射側
１２ 出射側
１３ フランジ部
１４ ゲートカット部

Claims (3)

1. 少なくとも一つの半導体発光素子を備えた光源ユニットからの光を集束して、光照射方向前方に向かって照射する、車両前照灯用の投影レンズにおいて、
   上記投影レンズが、透明性を有する熱可塑性樹脂から射出成形により成形されており、
   この投影レンズの出射面の凸部頂点付近に、平面カットによるゲートカット部が配置されていることを特徴とする、半導体発光素子を光源とする車両前照灯用の投影レンズ。
2. 上記ゲートカット部が、開閉可能なシャッタを備えたバルブゲートにより形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の投影レンズ。
3. 上記ゲートカット部が、直径２〜３ｍｍ程度の大きさであることを特徴とする、請求項１または２に記載の投影レンズ。

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