JP2009087897A - 光学部品およびこれを用いた車両用灯具 - Google Patents

Abstract

【課題】小型且つ簡単な構成で、所望の配光特性を容易に実現することができる光学部品および車両用灯具を提供する。
【解決手段】光学部品１５の反射面１７及び第１の出射面１８ａを光軸Ｏに直交するＸ軸方向とＹ軸方向とで非対称な非球面で形成し、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで光線の配光特性を異ならせる。これにより、単一の光源ユニット１０によって所望の配光パターンの光束を形成する。そして、このような光学部品１５を用いた光源ユニット１０を投影レンズ２２と組み合わせることにより小型且つ簡単な構成で、必要とされる配光規格を満たす走行ビームユニット１を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード等の光源に好適に用いられる光学部品およびこれを用いた車両用灯具に関する。

一般に、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光源は、点光源として扱うことが可能であり、しかも、消費電力が小さく長寿命であるという利点を有する。そこで、近年では、ＬＥＤの高出力化に伴い、車両用灯具の光源としてＬＥＤを適用するための技術が数多く提案されている。

例えば、特許文献１には、ＬＥＤを保持するとともに該ＬＥＤからの入射光を光軸寄りに集光反射させる反射部を表面の一部に形成した透光部材とレンズとが一体形成された光学部品を用いて小型灯具（光源ユニット）を構成し、該小型灯具を灯室内に複数配列して車両用前照灯を構成する技術が開示されている。
特開２００４−２４１３４９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術は、複数の小型灯具を集積して所定配光の前照灯を構成することが前提となっているため、構造が複雑化する。しかも、例えば、ＬＥＤの更なる高出力化によって小型灯具の集積が不要となった場合には、透光部材やレンズ等を大型化させる必要があるばかりか、配光規格を満たす灯具を実現することが困難となる虞がある。

本発明は、小型且つ簡単な構成で、所望の配光特性を容易に実現することができる光学部品およびこれを用いた車両用灯具を提供することを目的とする。

本発明の光学部品は、光源を囲繞する凹状の入射面と、前記入射面からの入射光を反射する反射面と、前記入射面から入射された直接光及び前記反射面で反射された反射光を出射する出射面と、を透光部材の表面に具備し、前記入射面、前記反射面、或いは、前記出射面の少なくとも何れか１つを、光軸に直交する異なる２軸方向で非対称な非球面で形成して、前記光軸と直交する一方の軸方向と他方の軸方向とで配光特性を異ならせたことを特徴とする。

また、本発明の車両用灯具は、車体の上下方向に指向する一方の前記軸方向では出射光を集光光に制御し、車幅方向に指向する他方の前記軸方向では出射光を略平行光に制御する前記光学部品と、前記光学部品の入射面に囲繞される光源と、前記集束光の集光部近傍に前側焦点が配設された状態で前記光学部品の出射面に対向配置される投影レンズと、を具備したことを特徴とする。

本発明によれば、小型且つ簡単な構成で、所望の配光特性を容易に実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図１乃至図５は本発明の第１の実施形態に係わり、図１は走行ビームユニットの要部を示す縦断面図、図２は走行ビームユニットの要部を示す横断面図、図３は走行ビームユニットの要部を示す分解斜視図、図４（ａ）は光学部品を出射面側から見た平面図であって(ｂ）及び（ｃ）は（ａ）のｂ−ｂ線及びｃ−ｃ線に沿う各断面図、図５（ａ）は光学部品によって形成される光束の配光パターンを示す説明図であって（ｂ）は走行ビームユニットによる照射パターンを示す説明図である。

図１乃至図３において、符号１は、車両の前照灯を構成する走行ビーム（所謂、ハイビーム）ユニットを示す。この走行ビームユニット１は、例えば、表面実装型の発光ダイオード（ＬＥＤ）１２を光源とする光源ユニット１０と、この光源ユニット１０に冠設する筐体２０とを有する。

光源ユニット１０は、例えば、平面略矩形形状をなすＬＥＤ基板１１を有する。ＬＥＤ基板１１は、ＬＥＤ１２を半田付等によって保持し、保持したＬＥＤ１２を図示しない電源回路と電気的に接続する。さらに、ＬＥＤ基板１１には、ＬＥＤ１２からの出射光を調光するための光学部品１５が接着等によって固設されている。

ここで、ＬＥＤ１２は、例えば、青色の発光部を有する素子の表面にＹＡＧ蛍光体等の黄色蛍光体を塗布することで白色光を得る高出力の白色ＬＥＤで構成されている。このＬＥＤ１２で発生する熱を効率よく放熱してＬＥＤ１２の発光効率を向上するため、本実施形態において、ＬＥＤ基板１１は、例えば、熱伝導率の高いアルミニウム基板等で構成されている。さらに、放熱性を向上するため、ＬＥＤ基板１１の裏面には、放熱フィン（ヒートシンク）１３が固設されている。なお、ＬＥＤ基板１１と放熱フィン１３とは、一体の部材として構成されてもよい。

光学部品１５は、例えば、透明樹脂またはガラス等からなる透光部材の表面に、ＬＥＤ１２を囲繞する凹状の入射面１６と、入射面１６からの入射光を全反射する反射面１７と、入射面１６から入射された直接光及び反射面１７で反射された反射光とを出射する出射面１８とが形成されて要部が構成されている。

具体的に説明すると、本実施形態において、入射面１６は、ＬＥＤ１２の出射面と正対する平面状の第１の入射面１６ａと、この第１の入射面１６ａの周部に先端部が連続する円周面状の第２の入射面１６ｂとの組み合わせによって構成され、これら第１，第２の入射面１６ａ，１６ｂは光学部品１５の基端面に凹部を形成する（図１，２，４参照）。ここで、第２の入射面１６ｂは、光学部品１５の光軸Ｏと同軸に形成され、先端側から基端側へと線形的に拡開されている。この入射面１６は、光学部品１５の基部がＬＥＤ基板１１に固設されることにより、ＬＥＤ１２を囲繞する。これにより、光学部品１５内には、ＬＥＤ１２から出射される放射角の小さい光線が第１の入射面１６ａを通じて入射されるとともに、放射角の大きい光線が第２の入射面１６ｂを通じて入射される（図１，２参照）。

反射面１７は、光学部品１５の光軸Ｏ周りの周面に設定されている。本実施形態において、反射面１７の形状は、光軸Ｏと直交する２軸方向で非対称な非球面で形成されている。すなわち、本実施形態において、反射面１７は、例えば、光軸Ｏに直交して車体の略上下方向に指向する一方の軸（Ｙ軸）方向に短軸が設定されるとともに光軸Ｏに直行して略車幅方向に指向する他方の軸（Ｘ軸）方向に長軸が設定された略楕円形状を基調とした、基端側から先端側へと非線形に拡開する非球面で形成されている。そして、反射面１７は、主として、第２の入射面１６ｂを通じて入射された光を全反射して光学部品１５の先端側へと導く。

出射面１８は、光学部品１５の先端面に設定されている。本実施形態において、出射面１８は、光学部品１５の先端面の略中央部に設定された第１の出射面１８ａと、第１の出射面１８ａの周部に設定された第２の出射面１８ｂとの組み合わせによって構成されている。第１の出射面１８ａは、例えば、Ｘ軸方向に長軸が設定されるとともにＹ軸方向に短軸が設定された略楕円形状を基調とする非球面の凸レンズ面で形成され、主として、第１の入射面１６ａからの入射光を出射する。一方、第２の出射面１８ｂは、例えば、光軸Ｏに直交する平面で形成され、主として、反射面１７からの反射光を出射する。

そして、本実施形態の光学部品１５は、反射面１７と第１の出射面１８ａとが、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで非対称な非球面で形成されることにより、出射光の配光特性を、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで異ならせる。具体的には、光学部品１５は、例えば、Ｘ軸方向では出射光を略平行光に制御し（図２参照）、Ｙ軸方向では出射光を収束光に制御する（図１参照）。これにより、光学部品１５により形成される光束は、集光部Ｃの近傍において、例えば、図５（ａ）に示すように、車体の上下方向よりも車幅方向に長尺な光束となる。ここで、図５（ａ）に示す光束は、反射面１７及び第１の出射面１８ａの非球面形状等を実験やシミュレーション等に基づいてチューニングすることにより、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで形状の異なる所望形状に設定されるものである。

筐体２０は、例えば、ＬＥＤ１２及び光学部品１５の光軸Ｏ方向に沿って延びる略円筒形状をなす。この筐体２０の基部には外向フランジ２１が突設されており、筐体２０は、この外向フランジ２１を介して、ＬＥＤ基板１１に固設されている。

一方、筐体２０の先端部には、投影レンズ２２が固設されている。本実施形態において、投影レンズ２２は、例えば、出射面２２ａ側が非球面で形成された片凸レンズで構成されており、入射側の焦点である前側焦点Ｆを通過して入射する光を略平行光に変換する機能を有する。この投影レンズ２２の前側焦点Ｆは、筐体２０内において、光学部品１５による集光部Ｃの近傍に位置するよう設定されている。これにより、投影レンズ２２は、Ｘ軸方向では出射光を所定の拡散光に制御するとともに（図２参照）、Ｙ軸方向では出射光を略平行光に制御し（図１参照）、例えば、図５（ｂ）に示すように、集光部Ｃの近傍で形成される光束と略相似する車幅方向に長尺な光束を形成する。本実施形態において、この光束の照射パターンは、走行ビームとしての配光規格を満たすよう設計されている。

このような実施形態によれば、光学部品１５の反射面１７及び第１の出射面１８ａを光軸Ｏに直交するＸ軸方向とＹ軸方向とで非対称な非球面で形成し、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで光線の配光特性を異ならせることにより、単一の光源ユニット１０によって所望の配光パターンの光束を形成することができる。

そして、このような光学部品１５を用いた光源ユニット１０を投影レンズ２２と組み合わせることにより小型且つ簡単な構成で、走行ビームとして必要とされる配光規格を満たす走行ビームユニット１を実現することができる。なお、すれ違いビームとして必要とされる配光規格をより的確に達成するため、複数（例えば、３組）の光源ユニット１０を用いて走行ビームユニット１を構成することも可能である。この場合、各光源ユニット１０の光学部品１５で形成される配光パターンを異なる形状に設定し、これら異なる配光パターンの光を互いに重ね合わせて合成することにより、所望の配光規格の光を容易に実現することが可能となる。

なお、本実施形態においては、反射面１７及び第１の出射面１８ａの形状を非対称な非球面で形成することによって各軸方向に非対称な光束を設定する一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、入射面１６、反射面１７、或いは、出射面１８の少なくとも何れか１つをＸ軸方向とＹ軸方向とで非対称な非球面で形成することによって各軸方向に非対称な光束を設定するものであってもよい。また、入射面１６及び１８ｂを球面あるいは非球面としてもよい。

次に、図６乃至図１２は本発明の第２の実施形態に係わり、図６はすれ違いビームユニットの要部を示す縦断面図、図７は図６のVII−VII線に沿う断面図、図８はすれ違いビームユニットによる照射パターンを示す説明図、図９はすれ違いビームユニットの変形例を示す要部縦断面図、図１０はすれ違いビームユニットによる照射パターンを示す説明図、図１１はすれ違いビームユニットの変形例を示す要部縦断面図、図１２はすれ違いビームユニットによる照射パターンを示す説明図である。ここで、本実施形態は、上述の第１の実施形態で説明した走行ビームユニットと略同様の構成に、シェード１０５を付加することにより、すれ違いビーム（所謂、ロービーム）ユニット１０１を構成するものである。なお、本実施形態において、上述の第１の実施形態と同様の構成については同符号を付して説明を省略する。

図６，７に示すように、本実施形態のすれ違いビームユニット１０１は、筐体２０の内部に、光学部品１５からの出射光の一部をカットするためのシェード１０５を有する。本実施形態において、このシェード１０５にはブラケット１０６が一体形成されており、このブラケット１０６がＬＥＤ基板１１に固設されることにより、シェード１０５は、投影レンズ２２の前側焦点Ｆの近傍で、筐体２０内に保持されている。

具体的には、シェード１０５は、レンズ２２の前側焦点Ｆの近傍で、筐体２０内の下方に配設され、光学部品１５の出射面１８の下部に対向する。そして、シェード１０５は、光学部品１５の下部からの出射光の一部をカットし、投影レンズ２２への入射を制限する。これにより、例えば、図８に示すように、投影レンズ２２からの出射光の配光パターンには、すれ違いビームとして必要とされる配光規格を満たすためのカットラインが形成される。

このような実施形態によれば、上述の第１の実施形態と同様、小型且つ簡単な構成で、すれ違いビームとして必要とされる配光規格を満たすすれ違いビームユニット１０１を実現することができる。

ここで、例えば、図９に示すように、本実施形態において、すれ違いビームの配光規格を逸脱させない範囲内において、光源ユニット１０の光軸Ｏを投影レンズ２２の光軸Ｏ’に対してオフセットさせることも可能である。このように構成することにより、ＬＥＤ１２からの出射光の光利用効率を向上することができる（例えば、図１０参照）。

また、例えば、図１１に示すように、上述の光学部品１５の上部形状と略同形状の光学部品１１５を用いて光源ユニット１１０を構成することも可能である。ここで、図１１において、光学部品１１５の入射面１１６は例えば略ドーム形状に形成されている。また、ＬＥＤ１２は、出射面が光軸Ｏに対して所定の仰角で傾斜した状態でＬＥＤ基板１１１に実装されている。この場合、光学部品１１５を構成する入射面１１６の形状やＬＥＤ１２の実装状態等に応じて、反射面１７及び出射面１８の形状を適宜チューニングしてもよいことは勿論である。また、特に、ＬＥＤ１２の出射面を光軸Ｏに対して傾斜させた場合には、全反射しない光を再度光学部品１１５に戻すため、反射面１７上に金属膜等からなる反射膜を形成することが望ましい。なお、図示の例では、ＬＥＤ基板１１１、放熱フィン１１３、シェード１０７は、例えば、アルミニウム合金等によって一体形成されている。このように構成することにより、シェード１０７による光のカット量を抑制して十分な光利用効率を確保しつつ、すれ違いビームとして必要とされる配光パターンを得ることができる（例えば、図１２参照）。

次に、図１３，１４は本発明の第３の実施形態に係わり、図１３は走行ビームユニットの要部を示す縦断面図、図１４はすれ違いビームユニットの要部を示す縦断面図である。ここで、本実施形態は、入射面に囲繞された領域内に実質的な光源位置を保持しつつ、ＬＥＤ１２を筐体２０外に配設するものである。なお、本実施形態において、上述の第１，第２の実施形態と同様の構成については同符号を付して説明を省略する。

図１３に示すように、本実施形態の走行ビームユニット２０１において、光学部品１５は、保持板２０２を介して筐体２０内に保持されている。この保持板２０２には、光学部品１５の入射面１６に対応する位置に、貫通孔２０２ａが開孔されており、この貫通孔２０２ａには、ライトパイプ２０３が貫通保持されている。

このライトパイプ２０３の基端部には、例えば、ヒートシンク一体型のＬＥＤ基板２０４に保持されたＬＥＤ１２の出射面が固設されている。一方、ライトパイプ２０３の先端部は、光学部品１５の入射面１６内に臨まされており、これにより、ＬＥＤ１２からの出射光は、入射面１６内に導かれるようになっている。

また、図１４に示すように、本実施形態のすれ違いビームユニット２１０において、光学部品１１５は、シェード１０７と一体形成された保持部材２１１を介して筐体２０内に保持されている。この保持部材２１１には、光学部品１１５の入射面１１６に対応する位置に、貫通孔２１１ａが開孔されており、この貫通孔２１１ａには、ライトパイプ２０３が貫通保持されている。

このライトパイプ２０３の基端部には、例えば、ヒートシンク一体型のＬＥＤ基板２０４に保持されたＬＥＤ１２の出射面が固設されている。一方、ライトパイプ２０３の先端部は、入射面１１６内に臨まされており、これによりＬＥＤ１２からの出射光は、入射面１１６内に導かれるようになっている。

ここで、ライトパイプ２０３は、ガラス等で構成されることが望ましく、さらに、光のロスを低減するため、ライトパイプ２０３の両端には反射防止膜が施されていることが望ましい。

このような実施形態によれば、実質的な光源位置を入射面に囲繞された位置に保持したままＬＥＤ１２を筐体２０の外部に配設することができ、光学部品等をＬＥＤ１２の熱害から的確に保護することができる。しかも、ＬＥＤ１２は筐体２０の外部に配設されているため、ＬＥＤ１２の冷却効率を向上することができる。

本発明の第１の実施形態に係わり、走行ビームユニットの要部を示す縦断面図 同上、走行ビームユニットの要部を示す横断面図 同上、走行ビームユニットの要部を示す分解斜視図 同上、（ａ）は光学部品を出射面側から見た平面図、(ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線線に沿う断面図、(c）は（ａ）のｃ−ｃ線に沿う断面図 同上、（ａ）は光学部品によって形成される光束の配光パターンを示す説明図、（ｂ）は走行ビームユニットによる照射パターンを示す説明図 本発明の第２の実施形態に係わり、すれ違いビームユニットの要部を示す縦断面図 同上、図６のVII−VII線に沿う断面図 同上、すれ違いビームユニットによる照射パターンを示す説明図 同上、すれ違いビームユニットの変形例を示す要部縦断面図 同上、すれ違いビームユニットによる照射パターンを示す説明図 同上、すれ違いビームユニットの変形例を示す要部縦断面図 同上、すれ違いビームユニットによる照射パターンを示す説明図 本発明の第３の実施形態に係わり、走行ビームユニットの要部を示す縦断面図 同上、すれ違いビームユニットの要部を示す縦断面図

符号の説明

１…走行ビームユニット（車両用灯具）、１０…光源ユニット、１１…ＬＥＤ基板、１２発光ダイオード（光源）、１３…放熱フィン、１５…光学部品、１６…入射面、１６ａ…第１の入射面、１６ｂ…第２の入射面、１７…反射面、１８…出射面、１８ａ…第１の出射面、１８ｂ…第２の出射面、２０…筐体、２１…外向フランジ、２２…投影レンズ、２２ａ…出射面、１０１…すれ違いビームユニット、１０５…シェード、１０６…ブラケット、１０７…シェード、１１０…光源ユニット、１１１…ＬＥＤ基板、１１３…放熱フィン、１１５…光学部品、１１６…入射面、２０１…走行ビームユニット、２０２…保持板、２０２ａ…貫通孔、２０３…ライトパイプ、２０４…ＬＥＤ基板、２１０…すれ違いビームユニット、２１１…保持部材、２１１ａ…貫通孔、Ｃ…集光部、Ｆ…前側焦点、Ｏ…光軸

Claims (3)

1. 光源を囲繞する凹状の入射面と、
   前記入射面からの入射光を反射する反射面と、
   前記入射面から入射された直接光及び前記反射面で反射された反射光を出射する出射面と、を透光部材の表面に具備し、
   前記入射面、前記反射面、或いは、前記出射面の少なくとも何れか１つを、光軸に直交する異なる２軸方向で非対称な非球面で形成して、前記光軸と直交する一方の軸方向と他方の軸方向とで配光特性を異ならせたことを特徴とする光学部品。
2. 車体の上下方向に指向する一方の前記軸方向では出射光を集光光に制御し、車幅方向に指向する他方の前記軸方向では出射光を略平行光に制御する請求項１記載の光学部品と、
   前記光学部品の入射面に囲繞される光源と、
   前記集束光の集光部近傍に前側焦点が配設された状態で前記光学部品の出射面に対向配置される投影レンズと、を具備したことを特徴とする車両用灯具。
3. 前記集束光の集光部近傍にすれ違いビーム配光用のカットラインを形成するシェードを介在させたことを特徴とする請求項２記載の車両用灯具。