JP2008181717A - 車両用灯具ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】灯具の全長を短縮でき、しかも、フレネルレンズのみを用いて光源からの出射光の光学的な制御が可能となる車両用灯具ユニットを得る。
【解決手段】車両用灯具ユニット１００は、灯具前後方向に延びる光軸Ａｘ上に配置されたフレネルレンズ１３と、このフレネルレンズ１３の後方側に配置された発光素子１１とを備える。フレネルレンズ１３は、光軸Ａｘを同軸に複数のフレネルレンズステップが形成されてなり、該フレネルレンズステップは、光軸Ａｘの通る中央部が円形状に形成されると共に、中央部より外側の周辺部が、光軸Ａｘから離れるにしたがって縦横比率を徐々に変化させる長円で形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、フレネルレンズを備えた車両用灯具ユニットに関し、特に自動車用ハイビームの配光形成に用いて好適なものである。

従来、車両用灯具ユニットには光源として放電バルブの放電発光部やハロゲンバルブのフィラメント等が用いられているものがある。これら車両用灯具ユニットは、放電バルブやハロゲンバルブ等を取り付けるためのスペースを確保する必要があるため、灯具の大幅な小型化を図ることができない問題があった。また、光源が発熱するのでその熱の影響を考慮した灯具サイズを確保しておく必要がある。このようなことから車両用灯具ユニットには小型光源であるＬＥＤ等の発光素子を用いたものもある（例えば特許文献１参照）。

ところで、自動車の車両用灯具ユニットには、投影レンズの後方光軸上に楕円反射鏡面を有するリフレクタを配置し、このリフレクタの第一焦点位置に光源を設けると共に、第二焦点位置と投影レンズの後方焦点が略一致するように光学系を構成した所謂プロジェクタ型の車両用灯具ユニットがある。しかし、この種のプロジェクタ型の車両用灯具ユニットは、曲率が大きい厚肉の投影レンズを備えるため、投影レンズの外周部で分光現象が生じるようになり色ムラが発生する。このため、プロジェクタ型灯具には投影レンズを薄くするために、フレネルレンズを用いたものもある（例えば特許文献２，３参照）。

特開２００６−１２７８１９号公報 実開平６−５０１０９号公報 特開昭５９−８２０１号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された車両用灯具ユニットは、ＬＥＤ光源を用いることによる小型化は図れるものの、曲率が大きい厚肉の投影レンズを備えるため、光軸方向に沿う灯具全長が長くなる不利があり、灯具の大幅な小型化を図ることができないという問題があった。
一方、上記特許文献２，３に開示される車両用灯具ユニットは、フレネルレンズを用いることで投影レンズを薄厚にでき、光軸方向に沿う灯具全長は短縮できるものの、光源からの出射光を光学的に制御（拡散、集光）して所望の配光パターンを形成するには、例えば特許文献３に開示されるアウターレンズ等を別体に設ける必要があるため、部品数が増大して構造が複雑となり、結局、灯具の小型化が困難であった。

従って、本発明の目的は上記課題を解消することに係り、灯具の全長を短縮でき、しかも、フレネルレンズのみを用いて光源からの出射光の光学的な制御が可能となる車両用灯具ユニットを提供することである。

本発明の上記目的は、灯具前後方向に延びる光軸上に配置されたフレネルレンズと、
前記フレネルレンズの後方側に配置された発光素子と、を備えた車両用灯具ユニットであって、
前記フレネルレンズは、前記光軸を同軸に複数のフレネルレンズステップが形成されてなり、
前記フレネルレンズステップは、前記光軸の通る中央部が円形状に形成されると共に、前記中央部より外側の周辺部が、前記光軸から離れるにしたがって縦横比率を徐々に変化させる長円で形成されることを特徴とする車両用灯具ユニットにより達成される。

上記構成の車両用灯具ユニットによれば、フレネルレンズが採用されることにより、従来の凸曲面レンズに比べてレンズの厚みが低減され、灯具の光軸方向の全長が短縮可能となる。また、フレネルレンズステップの縦横比率を光軸から離れるにしたがって徐々に変化させることで、フレネルレンズのみの構成で発光素子からの出射光を拡散・集光させる光学的制御が可能となる。これにより、従来では別途に必要であった追加の制御用レンズが不要となり、少ない部材数で所望の配光が得られるようになる。

尚、上記構成の車両用灯具ユニットにおいて、上記フレネルレンズステップが、前記光軸の通る中央領域に形成され、
前記中央領域より外側の前記発光素子に対向する環状領域には、集光性の反射型フレネルレンズステップが形成されることが望ましい。

このような構成の車両用灯具ユニットによれば、発光素子から出射されてフレネルレンズの中央領域に入射した光が、発光素子と反対面に形成される上記フレネルレンズステップによって、光学的に制御される。これに加え、発光素子から出射されて前記中央領域以外の領域である環状領域へ照射された光が、反射型フレネルレンズステップによって取り込まれて、光軸と平行に照射されることとなる。したがって、従来、全反射によって取り込むことのできなかった前記環状領域への照射光が有効に利用できるようになり、光束利用効率を高めることができる。

また、上記構成の車両用灯具ユニットにおいて、前記フレネルレンズステップの縦横比率は、前記光軸から離れるにしたがって、横方向の長さが縦方向の長さよりも徐々に長くなることが望ましい。

このような構成の車両用灯具ユニットによれば、発光素子から出射されてフレネルレンズへ入射した光が、上下方向では略平行な光束となり、左右方向では徐々に拡がる拡散光となる。これにより、主要な構成部材が発光素子とレンズのみでありながら、自動車用ハイビームに好適な左右拡散のある集光（スポット）配光を形成することができる。

また、上記構成の車両用灯具ユニットにおいて、前記フレネルレンズステップの縦横比率が、二次関数的に増加されることが望ましい。

このような構成の車両用灯具ユニットによれば、左右方向へ拡散される照射光による照度分布が、被照射面の中央部から左右に向かって急激に変化しない連続的なものとなり、配光むらを少なくすることができる。

また、上記構成の車両用灯具ユニットにおいて、前記フレネルレンズステップは、溝の深さと山の高さが同一であることが望ましい。

このような構成の車両用灯具ユニットによれば、フレネルレンズの設計、加工を容易にすることができる。即ち、溝の深さと山の高さが同一であるので、周辺部において肉厚の変化が小さく、レンズをガラスで成形した場合であっても成形固化時にダレが生じず、樹脂によって成形した場合であっても成形固化時の収縮によるヒケを解消し、フレネルレンズステップの形状を全面で均一にできる。

本発明に係る車両用灯具ユニットによれば、レンズの厚みを減らすことができるとともに、フレネルレンズのみを用いて発光素子からの出射光を光学的に制御することができる。この結果、灯具の全長を短縮でき、しかも、簡素な構造で所望の配光パターンを形成することができる。

以下、添付図面に基づいて本発明の一実施形態に係る車両用灯具ユニットを詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る車両用灯具ユニットの側面図、図２は図１に示した車両用灯具ユニットの平面図である。

本実施形態に係る車両用灯具ユニット１００は、図１及び図２に示すように、ヘッドランプの一部として組み込まれた状態で用いられ、発光素子１１と、投影レンズであるフレネルレンズ１３とを備えている。
フレネルレンズ１３は、ブラケット１５の不図示のレンズ支持部に支持された状態で、灯具前後方向に延びる光軸Ａｘ上に配置されており、発光素子１１は、支持プレート１７を介してブラケット１５に支持された状態で、フレネルレンズ１３の後方側に配置されている。

ブラケット１５は、側面視において略Ｌ字状に形成されている。そして、このブラケット１５の前端部には、フレネルレンズ１３を支持するとともに開口絞りを構成する不図示の円環状レンズ支持部が形成されている。また、円環状レンズ支持部の後端部には不図示のプレート支持部が設けられ、プレート支持部はフレネルレンズ１３の後側焦点Ｆの近傍に発光素子１１が位置する距離ｆａにブラケット１５を位置決め支持している。

発光素子１１は、例えば白色発光ダイオードであって、発光チップ１９と、この発光チップ１９を実装するベース部材２１と、発光チップ１９を前方側から覆う透光カバー２３とを備えてなっている。この発光素子１１の発光チップ１９は、灯具正面視において０．３〜３ｍｍ四方程度の大きさを有しており、光軸Ａｘ上におけるフレネルレンズ１３の後側焦点Ｆの後方近傍（例えば後側焦点Ｆの後方０．５〜３ｍｍ程度の位置）に前向きで配置されている。

図３は図１に示したフレネルレンズを光出射側である正面側から視た斜視図である。
フレネルレンズ１３は、図３に示すように、光出射側の表面１３ａが、凸曲面を径方向に同芯長円状に分割した部分（フレネルレンズステップ）を平面上に並べ替えたものとし形成されている。すなわち、光軸Ａｘを同軸に複数のフレネルレンズステップＳ１，Ｓ２，・・・Ｓｎが形成されてなる。

フレネルレンズステップＳ１，Ｓ２，・・・Ｓｎは、光軸Ａｘの通る中央部Ｓ１が円形状に形成されている。したがって、この中央部Ｓ１のみを見れば通常の凸レンズと同形状となる。なお、フレネルレンズ１３の光入射側の内面１３ｂは、平滑な平面、或いは平滑な曲面で形成することができる。

図４は図３のＡ−Ａ矢視を（ａ）、Ｂ−Ｂ矢視を（ｂ）に表した断面図である。
フレネルレンズステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・Ｓｎは、図４に示すように、中央部のフレネルレンズステップＳ１より外側の周辺部２５が、光軸Ａｘから離れるにしたがって縦横比率を徐々に変化させる長円（例えば楕円）で形成されている。
フレネルレンズステップＳ１，Ｓ２，・・・Ｓｎのステップ位置は、縦方向ではＳｖ１，Ｓｖ２，・・・Ｓｖｎとなり、横方向ではＳｈ１，Ｓｈ２，・・・Ｓｈｎとなる。これらフレネルレンズステップＳ１，Ｓ２，・・・Ｓｎの縦横比率（ＳｖｎとＳｈｎの比率）は、光軸Ａｘから離れるにしたがって、横方向の長さが縦方向の長さよりも徐々に長くなっている。

これにより、車両用灯具ユニット１００は、左右方向へ拡散される照射光による照度分布が、被照射面の中央部から左右に向かって急激に変化しない連続的なものとなり、配光むらを少なくすることができる。
尚、フレネルレンズステップＳ１，Ｓ２，・・・Ｓｎの縦方向ステップ位置Ｓｖ１，Ｓｖ２，・・・Ｓｖｎと横方向ステップ位置Ｓｈ１，Ｓｈ２，・・・Ｓｈｎとの縦横比率は、例えば二次関数的に増加させる他、線形的に増加させるものであっても勿論よい。

また、上記フレネルレンズステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・Ｓｎは、溝２７の深さｈ１と山２９の高さｈ２が同一となっている。これにより、フレネルレンズ１３の設計、加工を容易にすることができる。即ち、周辺部２５において肉厚の変化が小さく、レンズをガラスで成形した場合であっても成形固化時にダレが生じず、樹脂によって成形した場合であっても成形固化時の収縮によるヒケを解消し、フレネルレンズステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・Ｓｎの形状を全面で均一にできる。
さらに、これらフレネルレンズステップＳ２，Ｓ３，・・・Ｓｎは、山２９の先端が、外側に向かうにしたがって、光軸Ａｘから離れる方向の向きに向いている。

本実施形態の車両用灯具ユニット１００によれば、フレネルレンズ１３が採用されたことにより、従来の凸曲面レンズに比べてレンズの厚みｔが低減され、灯具の光軸Ａｘ方向の全長が短縮可能となる。また、フレネルレンズステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・Ｓｎの縦横比率を光軸Ａｘから離れるにしたがって徐々に変化させることで、フレネルレンズ１３のみの構成で発光素子１１からの出射光を拡散・集光させる光学的制御が可能となる。これにより、従来では別途に必要であった追加の制御用レンズが不要となり、少ない部材数で所望の配光が得られるようになる。

図５は図１に示した車両用灯具ユニットから前方へ照射される光により灯具前方２５ｍの位置に配置された仮想鉛直スクリーン上に形成される配光パターンを透視的に示す図である。
図５に示すように、車両用灯具ユニット１００によるハイビーム配光パターンＨＰは、発光素子１１からの出射光がフレネルレンズ１３によって光学的に制御されることで、中心部から左右の周縁部へ向けて、ホットゾーンＨＺ、中拡散領域ＭＺ１，ＭＺ２，ＭＺ３、広拡散領域ＷＺの順に光度が減少する光度分布が形成される。その際、ホットゾーンＨＺは、中央部Ｓ１からの光照射により形成され、中拡散領域ＭＺ１，ＭＺ２，ＭＺ３から広拡散領域ＷＺは、周辺部２５からの光照射により形成される。

発光素子１１から出射されてフレネルレンズ１３へ入射した光は、上下方向では図１に示すように略平行な光束となり、左右方向では図２に示すように徐々に拡がる拡散光となる。
これにより、従来では別途に必要であった追加の制御用レンズが不要となり、主要な構成部材が発光素子１１とフレネルレンズ１３のみで、自動車用ハイビームに好適な遠方視認性を良好にする左右拡散のある集光（スポット）配光であるハイビーム配光パターンＨＰが形成できる。
尚、中央部Ｓ１のフレネルレンズステップは、半径が一定の円形状であり、集光度が高まり配光中心の光度を高くすることができる。

次に、本発明の他の実施形態に係る車両用灯具ユニットを説明する。
図６は本発明の他の実施形態に係る車両用灯具ユニットの側面図、図７は図２に示した車両用灯具ユニットの平面図である。なお、図１〜図５に示した部材及び部位と同等のものには同符号を付して重複する説明は省略する。
本実施形態の車両用灯具ユニット２００は、図６及び図７に示すように、灯具前後方向に延びる光軸Ａｘ上に配置されたフレネルレンズ３１と、このフレネルレンズ３１の後方側に配置された発光素子１１とを備え、フレネルレンズ３１の構成のみが上記車両用灯具ユニット１００のフレネルレンズ１３と異なり、他の構成は同一となっている。

図８は図６に示したフレネルレンズを光出射側である正面側から視た斜視図、図９は図８に示したフレネルレンズを反対側から視た斜視図、図１０は図８のＣ−Ｃ断面図である。
フレネルレンズ３１は、図８に示すように、外形が円形状で形成され、光軸Ａｘを通る光出射側の表面３１ａの中央領域３３（図１０参照）に、長円の上記フレネルレンズ１３と同様のフレネルレンズステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・Ｓｎが形成されている。

一方、図９に示すように、中央領域３３より外側の発光素子１１に対向する光入射側内面３１ｂの環状領域３５（図１０参照）には、集光性の複数の反射型フレネルレンズステップＳＲが形成されている。

図１１は図１０のＤ部拡大図である。
光入射側の内面３１ｂの環状領域３５に形成された複数の反射型フレネルレンズステップＳＲは、同一ステップ幅Ｐで、且つ溝３７の深さｈ３と山３９の高さｈ４が同一となっている。
山３９は、光軸Ａｘ側が光軸Ａｘと略平行な円筒面状の入射面３９ａで形成され、その反対側が円錐面状の傾斜面３９ｂで形成される。したがって、発光素子１１から出射された光線Ｒは、入射面３９ａから進入し、傾斜面３９ｂにて反射されて光軸Ａｘに沿う平行光となって光出射側の表面３１ａから出射される。

図１２は図６に示した車両用灯具ユニット２００から前方へ照射される光により灯具前方２５ｍの位置に配置された仮想鉛直スクリーン上に形成されるフレネルレンズ３１の環状領域３５のみ、フレネルレンズ３１の中央領域３３のみ、フレネルレンズ３１の全体の配光パターンを（ａ）（ｂ）（ｃ）に透視的に示す図である。

本実施形態の車両用灯具ユニット２００では、発光素子１１からの出射光がフレネルレンズ１３の環状領域３５の反射型フレネルレンズステップＳＲに入射した光が出射されることで図１２（ａ）に示すホットゾーンＨｚが形成される。また、フレネルレンズ１３の中央領域３３に入射した光が出射されることで図１２（ｂ）に示す広拡散領域Ｗｚが形成される。そして、中央領域３３及び環状領域３５のフレネルレンズ１３全体に入射した光が出射されることで、図１２（ｃ）に示すホットゾーンＨＺ、中拡散領域ＭＺ１，ＭＺ２、広拡散領域ＷＺの順に光度が減少する光度分布が形成される。

したがって、上記車両用灯具ユニット２００によれば、発光素子１１から出射されてフレネルレンズ３１の中央領域３３に入射した光は、発光素子１１と反対面に形成されるフレネルレンズステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・Ｓｎによって光学的に制御され、拡散・集光が可能となる。これに加え、発光素子１１から出射されて中央領域３３以外の領域である環状領域３５へ照射された光は、反射型フレネルレンズステップＳＲによって取り込まれて、光軸Ａｘと平行に照射されることとなる。従って、従来、全反射によって取り込むことのできなかった環状領域３５への照射光が有効に利用できるようになり、光束利用効率を高めることができる。

また、図１３に示すように、上記実施形態に係る車両用灯具ユニット２００を上下に並べて配置して一体とした灯具ユニットを構成してもよい。
このような構成とすることによって、照度の向上は元より、拡散光や集光光を重畳させてより好適なハイビーム配光パターンＨＰの形成を可能にすることができる。

尚、本発明の車両用灯具ユニットに係るフレネルレンズ、発光素子及びフレネルレンズステップ等の構成は、上記実施形態の車両用灯具ユニット１００，２００の構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の形態を採り得ることは勿論である。

本発明の一実施形態に係る車両用灯具ユニットの側面図である。 図１に示した車両用灯具ユニットの平面図である。 図１に示したフレネルレンズを光出射側である正面側から視た斜視図である。 図３のＡ−Ａ矢視を（ａ）、Ｂ−Ｂ矢視を（ｂ）に表した断面図である。 図１に示した車両用灯具ユニットから前方へ照射される光により灯具前方２５ｍの位置に配置された仮想鉛直スクリーン上に形成される配光パターンを透視的に示す図である。 本発明の他の実施形態に係る車両用灯具ユニットの側面図である。 図６に示した車両用灯具ユニットの平面図である。 図６に示したフレネルレンズを光出射側である正面側から視た斜視図である。 図８に示したフレネルレンズを反対側から視た斜視図である。 図８のＣ−Ｃ断面図である。 図１０のＤ部拡大図である。 図６に示した車両用灯具ユニットから前方へ照射される光により灯具前方２５ｍの位置に配置された仮想鉛直スクリーン上に形成されるフレネルレンズの環状領域のみ、フレネルレンズの中央領域のみ、フレネルレンズの全体の配光パターンを（ａ）（ｂ）（ｃ）に透視的に示す図である。 上下方向に複数の車両用灯具ユニットが配設された変形例の側面図である。

符号の説明

１１…発光素子
１３，３１…フレネルレンズ
２５…周辺部
２７…溝
２９…山
３３…中央領域
３５…環状領域
１００，２００…車両用灯具ユニット
Ａｘ…光軸
ｈ１…深さ
ｈ２…高さ
Ｓｈ１，Ｓｈ２，・・・Ｓｈｎ…横方向ステップ位置（横方向の長さ）
Ｓｖ１，Ｓｖ２，・・・Ｓｖｎ…縦方向ステップ位置（縦方向の長さ）
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・Ｓｎ…フレネルレンズステップ
ＳＲ…反射型フレネルレンズステップ

Claims (5)

1. 灯具前後方向に延びる光軸上に配置されたフレネルレンズと、
   前記フレネルレンズの後方側に配置された発光素子と、を備えた車両用灯具ユニットであって、
   前記フレネルレンズは、前記光軸を同軸に複数のフレネルレンズステップが形成されてなり、
   前記フレネルレンズステップは、前記光軸の通る中央部が円形状に形成されると共に、前記中央部より外側の周辺部が、前記光軸から離れるにしたがって縦横比率を徐々に変化させる長円で形成されることを特徴とする車両用灯具ユニット。
2. 請求項１記載のフレネルレンズステップが、前記光軸の通る中央領域に形成され、
   前記中央領域より外側の前記発光素子に対向する環状領域には、集光性の反射型フレネルレンズステップが形成されることを特徴とする車両用灯具ユニット。
3. 前記フレネルレンズステップの縦横比率は、前記光軸から離れるにしたがって、横方向の長さが縦方向の長さよりも徐々に長くなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両用灯具ユニット。
4. 前記フレネルレンズステップの縦横比率が、二次関数的に増加されることを特徴とする請求項３に記載の車両用灯具ユニット。
5. 前記フレネルレンズステップは、溝の深さと山の高さが同一であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の車両用灯具ユニット。

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