JP2013258059A - 灯具ユニットおよび投影レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】車両用灯具において所望の配光を精度よく実現する技術を提供する。
【解決手段】灯具ユニット１０は、車両用灯具に用いられる灯具ユニットであって、光源を搭載する光源搭載部と、光源よりも車両前方側に配置された投影レンズ１００と、を備える。投影レンズ１００は、光源から出射した光が入射する入射面１００ａと、入射面１００ａから入射した光が灯具前方に向けて出射する出射面１００ｂと、入射面１００ａの縁部と出射面１００ｂの縁部とをつなぐつなぎ面１００ｃと、を有する。つなぎ面１００ｃは、少なくとも一部の領域において、光軸を含む断面形状が径方向外側に向かって凸状となる凸面を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、灯具ユニットに関し、特に車両に搭載される灯具ユニットに関する。

従来、車両用灯具に用いられる光源ユニットとして、光源ユニットの光軸上に該光軸と略直交する所定方向へ向けて配置された半導体発光素子と、この半導体発光素子からの光を光軸方向前方へ向けて該光軸寄りに集光反射させるリフレクタと、を備えた光源ユニットが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この光源ユニットを備えた車両用灯具は、光源ユニットの前方に投影レンズが配置されており、光源から出射された光は、投影レンズを介して灯具前方に照射される。投影レンズには、灯具正面から見て丸形の平凸レンズが用いられている。

特開２００３−３１７５１３号公報

上述の車両用灯具では、光源から出射し、リフレクタで反射された光の一部は、投影レンズの焦点から離れた位置を通過する。このような光は、投影レンズの外周部に近い位置に入射するため、場合によっては、入射面に入射した光が出射面に到達する前に投影レンズの側面の内側で反射することがある。投影レンズの側面の内側で反射した光が、例えば、上方に向かって出射面から出射すると、車両前方においてグレアを生じさせてしまうことになる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、車両用灯具において所望の配光を精度よく実現する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の灯具ユニットは、車両用灯具に用いられる灯具ユニットであって、光源を搭載する光源搭載部と、光源よりも車両前方側に配置された投影レンズと、を備える。投影レンズは、光源から出射した光が入射する入射面と、入射面から入射した光が灯具前方に向けて出射する出射面と、入射面の縁部と出射面の縁部とをつなぐつなぎ面と、を有する。つなぎ面は、少なくとも一部の領域において、光軸を含む断面形状が径方向外側に向かって凸状となる凸面を有する。

この態様によると、投影レンズへ入射した光がつなぎ面で内面反射する場合、光軸を含む断面形状が平らな（直線的な）つなぎ面と比較して、凸面で反射した光は投影レンズの凸状の出射面に対して鋭角に到達する。そのため、つなぎ面で反射した光が投影レンズの出射面で全反射されやすくなり、つなぎ面で反射した光が投影レンズの出射面から前方へ照射されにくくなる。

つなぎ面は、灯具ユニットを車両用灯具に用いる際に下部に位置する領域が凸面となるように構成されていてもよい。これにより、つなぎ面の内面で反射された光のうち出射面から上方に向かって出射される光が低減され、車両前方でのグレアの発生が抑制される。

領域は、光軸を含む断面形状が弧状または円弧状に形成されていてもよい。

入射面及び出射面は、鉛直方向の高さよりも水平方向の幅が大きくなるように形成されていてもよい。このような鉛直方向の高さと水平方向の幅とが異なる投影レンズは、真円のレンズと比較して、つなぎ面の形状が一様ではなく、また複雑な場合も多い。そのため、つなぎ面で内面反射した光を車両前方の所望の配光に用いることは光学設計上困難な場合が多い。そのため、前述のようなつなぎ面の形状を有する投影レンズが好ましい。

本発明の別の態様は、投影レンズである。この投影レンズは、車両用灯具に用いられる投影レンズであって、光源から出射した光が入射する入射面と、入射面から入射した光が灯具前方に向けて出射する出射面と、前入射面の縁部と出射面の縁部とをつなぐつなぎ面と、を有する。つなぎ面は、少なくとも一部の領域において、光軸を含む断面形状が径方向外側に向かって凸状となる凸面を有する。

この態様によると、投影レンズへ入射した光がつなぎ面で内面反射する場合、光軸を含む断面形状が平らな（直線的な）つなぎ面と比較して、凸面で反射した光は投影レンズの凸状の出射面に対して鋭角に到達する。そのため、つなぎ面で反射した光が投影レンズの出射面で全反射されやすくなり、つなぎ面で反射した光が投影レンズの出射面から前方へ照射されにくくなる。

本発明によれば、車両用灯具において所望の配光を精度よく実現する技術を提供することができる。

第１の実施の形態に係る灯具ユニットが搭載された車両用灯具の概略構造を模式的に示す鉛直断面図である。 図２（ａ）は、比較例に係る灯具ユニットの概略構成を模式的に示した断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ領域の拡大図である。 灯具ユニットによって形成される配光パターンを模式的に示した図である。 図４（ａ）は、第１の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構成を模式的に示した断面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ領域の拡大図である。 図５（ａ）は、第１の実施の形態に係る投影レンズを入射面側から見た背面図、図５（ｂ）は、投影レンズを出射面側から見た正面図、図５（ｃ）は、投影レンズを灯具上方から見た上面図である。 図６（ａ）は、第１の実施の形態に係る投影レンズの側面図、図６（ｂ）は、投影レンズを下方から見た斜視図である。 第２の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構成を模式的に示した断面図である。 第３の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構成を模式的に示した断面図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る灯具ユニットが搭載された車両用灯具の概略構造を模式的に示す鉛直断面図である。本実施の形態において説明する車両用灯具１は、車両前方の左右に配置される一対の前照灯ユニットを有する車両用前照灯装置である。一対の前照灯ユニットは実質的に同一の構成であるため、図１には車両用灯具１として左右いずれか一方側に配置される前照灯ユニットの構造を示す。

図１に示すように、車両用灯具１は、車両前方側に開口部を有するランプボディ２と、ランプボディ２の開口部を覆うように取り付けられた透光カバー４とを備える。透光カバー４は、透光性を有する樹脂やガラス等で形成されている。ランプボディ２と透光カバー４とにより形成される灯室３内には、灯具ユニット１０が収容されている。

灯具ユニット１０は、いわゆるプロジェクタ型の灯具ユニットであり、ブラケット部１２と、光源搭載部１４と、光源モジュール１６（光源）と、リフレクタ１８と、シェード部２０と、投影レンズ１００とを備える。

ブラケット部１２は、例えばアルミなどの金属材料で形成された略板状の部材であり、主表面が灯具前後方向を向くように配置されている。ブラケット部１２の灯具前方側の主表面には、光源搭載部１４が固定されている。ブラケット部１２の灯具後方側の主表面には、放熱フィン２２が固定されている。ブラケット部１２は、辺縁部の所定位置に螺孔を有し、ランプボディ２を貫通して前方に延出するエイミングスクリュー２４がこの螺孔に螺合している。これにより、ブラケット部１２がランプボディ２に取り付けられている。車両用灯具１は、エイミングスクリュー２４によって、灯具ユニット１０の光軸Ｏを水平方向あるいは鉛直方向に調整できるように構成されている。なお、ブラケット部１２の形状は特にこれに限定されない。

光源搭載部１４は、例えばアルミなどの金属材料で形成され、ブラケット部１２の灯具前方側の主表面から灯具前方側に突出している。光源搭載部１４は、灯具ユニット１０の光軸Ｏに対して垂直方向上方を向く光源モジュール搭載面１４ａを有する。光源モジュール搭載面１４ａには、光源モジュール１６が搭載されている。また、光源搭載部１４の所定位置には、後述する締結部材２６が挿通される挿通孔１４ｂが設けられている。

光源モジュール１６は、光出射面が光軸Ｏに対して垂直方向略上方を向くように配置されている。光源モジュール１６は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、発光素子１６ａと、発光素子１６ａを支持する基板１６ｂとを有する。基板１６ｂには、実装される発光素子１６ａに電力を供給するための配線が設けられている。なお、灯具ユニット１０に用いられる光源は、白熱球やハロゲンランプ、放電球等であってもよい。光源モジュール１６から発せられた熱は、光源搭載部１４及びブラケット部１２を介して放熱フィン２２に伝達される。

リフレクタ１８は、略ドーム状であり、光源モジュール１６の上方に配置されて光源搭載部１４に固定されている。リフレクタ１８は、回転楕円面を基調とした自由曲面で構成される反射面１８ａを内側に有する。この反射面１８ａは、第１焦点と、第１焦点よりも灯具前方側に位置する第２焦点とを有する。リフレクタ１８は、光源モジュール１６の発光部が反射面１８ａの第１焦点と略一致するように、光源モジュール１６との位置関係が定められている。

光源搭載部１４の灯具前方側には、シェード部２０が設けられている。シェード部２０は、光源搭載部１４の挿通孔１４ｂから灯具前方側に突出するねじ等の締結部材２６によって、光源搭載部１４に固定されている。シェード部２０は、略水平に配置された平面部２０ａと、平面部２０ａよりも灯具前方側で光源光の投影レンズ１００への入射を遮らないように下方に湾曲した湾曲部２０ｂとを有する。リフレクタ１８は、シェード部２０の平面部２０ａと湾曲部２０ｂとが成す稜線２０ｃが反射面１８ａの第２焦点の近傍に位置するように、シェード部２０との位置関係が定められている。

シェード部２０は、レンズホルダとしても機能しうる。そして、シェード部２０の湾曲部２０ｂの先端に投影レンズ１００の固定部（不図示）が固定されていてもよい。投影レンズ１００は、前方側表面が凸面であり、光源搭載部１４に搭載される光源モジュール１６からの光を灯具前方に投影する透光性部材である。投影レンズ１００は、その後方焦点を含む後方焦点面上に形成される光源像を、反転像として灯具前方の仮想鉛直スクリーン上に投影する。投影レンズ１００は、灯具ユニット１０の光軸Ｏ上に、かつ後方焦点がリフレクタ１８の反射面１８ａの第２焦点と略一致する位置に配置されている。投影レンズ１００の形状については、後に詳細に説明する。

光源モジュール１６の発光素子１６ａから出射した光は、リフレクタ１８の反射面１８ａにて反射され、反射面１８ａの第２焦点、すなわち稜線２０ｃの近傍を通って投影レンズ１００に入射する。投影レンズ１００に入射した光は、投影レンズ１００から略平行な光として灯具前方に照射される。また、光源光の一部がシェード部２０の平面部２０ａ上にて反射することにより、稜線２０ｃを境界線として光源光が選択的にカットされる。これにより、稜線２０ｃの形状に対応するカットオフラインを有する配光パターンが、車両前方に投影される。

図２（ａ）は、比較例に係る灯具ユニットの概略構成を模式的に示した断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ領域の拡大図である。なお、比較例に係る灯具ユニット１１０は、投影レンズ２００の形状以外は、第１の実施の形態に係る灯具ユニット１０と同様の構成である。

比較例に係る灯具ユニット１１０において、光源モジュール１６の発光素子１６ａから出射した光は、リフレクタ１８の反射面１８ａにて反射され、反射面１８ａの第２焦点、すなわち稜線２０ｃの近傍を通って投影レンズ２００に入射する。この際、発光素子１６ａから出射した光の一部は、投影レンズ２００の入射面２００ａの外縁部２００ａ１近傍に入射し屈折される。入射した光は、投影レンズ２００の入射面２００ａと出射面２００ｂとを環状につなぐつなぎ面２００ｃに向かう。つなぎ面２００ｃは、光軸Ｏを含む断面形状（図２（ａ）、図２（ｂ）参照）が平らに（直線的に）形成されている。そのため、つなぎ面ｃに対して鋭角（つなぎ面と光の進行方向とが成す角が鋭角）に到達した光、つまり大きな入射角で到達した光は、つなぎ面２００ｃの内面で全反射される。平らなつなぎ面２００ｃで反射された光は、入射角と同じ反射角で出射面２００ｂに向かうため、出射面２００ｂへの入射角が小さくなる。

そのため、つなぎ面２００ｃで全反射された光は、出射面２００ｂで屈折され、上方に向かって照射される。図３は、灯具ユニット１１０によって形成される配光パターンを模式的に示した図である。図３に示すように、灯具ユニット１１０は、水平線（Ｈ−Ｈ線）より下方に所望のロービーム用配光パターンＰＬを形成する一方で、水平線より上方の領域ＰＧをも照射している。そのため、車両前方のこのような領域ＰＧに人や車両が存在すると、グレアを与えてしまう。

このように、投影レンズの外縁部近傍に入射した光は、投影レンズの中央部に入射する光と比較して、配光パターンへの利用が比較的難しい。そこで、本発明者が鋭意検討したところ、投影レンズの形状を工夫することで、これらの課題を解決しうることに想到した。

図４（ａ）は、第１の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構成を模式的に示した断面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ領域の拡大図である。図５（ａ）は、第１の実施の形態に係る投影レンズ１００を入射面側から見た背面図、図５（ｂ）は、投影レンズ１００を出射面側から見た正面図、図５（ｃ）は、投影レンズ１００を灯具上方から見た上面図である。図６（ａ）は、第１の実施の形態に係る投影レンズ１００の側面図、図６（ｂ）は、投影レンズ１００を下方から見た斜視図である。

なお、図４（ａ）〜図６（ｂ）において、Ｘ軸は光軸Ｏに平行な軸であり、Ｙ軸は光軸Ｏに垂直であって灯具左右方向に延在する軸であり、Ｚ軸は光軸Ｏに垂直であって灯具上下方向に延在する軸である。また、図４（ａ）、図４（ｂ）は、光軸ＯとＺ軸とを含む平面に沿った断面図に相当する。

図４（ａ）に示すように、投影レンズ１００は、光源モジュール１６よりも車両前方側に配置されている。投影レンズ１００は、発光素子１６ａから出射した光がリフレクタ１８で反射され、その反射光が入射する入射面１００ａと、入射面１００ａから入射した光の少なくとも一部が灯具前方に向けて出射する出射面１００ｂと、入射面１００ａの外縁部１００ａ１と出射面の外縁部１００ｂ１とをつなぐつなぎ面１００ｃと、を有する。

本実施の形態に係る灯具ユニット１０において、光源モジュール１６の発光素子１６ａから出射した光は、リフレクタ１８の反射面１８ａにて反射され、反射面１８ａの第２焦点、すなわち稜線２０ｃの近傍を通って投影レンズ１００に入射する。この際、発光素子１６ａから出射した光の一部は、投影レンズ１００の入射面１００ａの外縁部１００ａ１近傍に入射し屈折される。入射した光は、投影レンズ１００の入射面１００ａと出射面１００ｂとを環状につなぐつなぎ面１００ｃに向かう。つなぎ面１００ｃは、少なくとも一部の領域において、光軸Ｏを含む断面形状（図４（ａ）、図４（ｂ）参照）が径方向外側に向かって凸状となる凸面１００ｃ１を有する。なお、凸面１００ｃ１がつなぎ面１００ｃの全周にわたって形成されていてもよい。

凸面１００ｃ１を含む領域は、光軸Ｏを含む断面形状が弧状に形成されている。詳述すると、図４（ｂ）に示すように、凸面１００ｃ１は、光軸Ｏと平行な直線Ｌと出射面１００ｂの外縁部１００ｂ１で接し、入射面１００ａの外縁部１００ａ１を通る円弧である。

そのため、つなぎ面１００ｃに到達した光の入射角は、前述の比較例に係る投影レンズ２００のつなぎ面２００ｃに到達した光の入射角よりも小さくなる傾向にある。なお、凸面１００ｃ１は、曲面だけではなく、多角形や多角形との組み合わせであってもよい。また、つなぎ面１００ｃにローレット加工やシボ加工を施すことで、つなぎ面１００ｃの内面で散乱させてもよい。

このように、投影レンズ１００へ入射した光がつなぎ面１００ｃで内面反射する場合、比較例に係る灯具ユニット１１０のように光軸Ｏを含む断面形状が平らな（直線的な）つなぎ面２００ｃと比較して、凸面１００ｃ１で反射した光は投影レンズ１００の凸状の出射面１００ｂに対して大きな入射角をもって到達する。そのため、つなぎ面１００ｃで反射した光が投影レンズ１００の出射面１００ｂで全反射されやすくなり、つなぎ面１００ｃで反射した光が投影レンズ１００の出射面１００ｂから前方へ照射されず、つなぎ面１００ｃや入射面１００ａを経由して車両後方に出射しやすくなる。なお、出射面１００ｂで全反射されてつなぎ面の上部領域１００ｃ２（図４（ａ）参照）から出射される光を分散させるため、この上部領域１００ｃ２の表面にシボやローレットを設けてもよい。

そのため、灯具ユニット１０において、投影レンズ１００の外縁部１００ａ１近傍に入射した光は、配光パターンの形成への不必要な寄与が少なくなる。その結果、灯具ユニット１０を車両用灯具に適用した場合に所望の配光を精度よく実現することができる。

特に、このようなつなぎ面１００ｃを、灯具ユニット１０を車両用灯具に用いる際に下部に位置する領域が凸面１００ｃ１となるように構成することで、つなぎ面１００ｃで反射された光のうち、図４（ａ）に示すように出射面１００ｂから上方に向かって出射される光が低減される。その結果、灯具ユニット１０は、図３に示した水平線より上方の領域ＰＧを照射する光が減少し、車両前方に存在する人や車両に対して与えるグレアを低減できる。

本実施の形態に係る投影レンズ１００は、図５（ａ）〜図６（ｂ）に示すように、入射面１００ａ及び出射面１００ｂが、鉛直方向の高さよりも水平方向の幅が大きくなるように形成されている。従来、投影レンズには真円の平凸レンズが多く用いられていた。平凸レンズは、光学性能の観点からは設計しやすいものの、意匠性という観点では斬新さに欠けているところがある。また、大きさ、特に車両用灯具における高さ方向の大きさを、光学性能を満たしつつ小さくすることが困難でもあった。

一方、本実施の形態に係る投影レンズ１００は、正面視において長方形であり、鉛直方向の高さが抑えられているため、車両用灯具の高さを抑えることができる。一方、鉛直方向の高さと水平方向の幅とが異なる投影レンズ１００は、平凸レンズのように光軸Ｏを中心とした回転対称体ではないため、真円のレンズと比較して、つなぎ面の形状が一様ではない。そのため、つなぎ面で内面反射した光を車両前方の所望の配光に適切に用いることは、光学設計上困難な場合が多い。そこで、所望の配光パターンを精度よく形成するためには、一部の光を利用しないということも選択肢の一つである。つまり、前述のようなつなぎ面の形状を有する投影レンズを用いることで、入射面の外縁部近傍に入射した光が灯具の前方へ照射しないようにすることができる。

（第２の実施の形態）
図７は、第２の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構成を模式的に示した断面図である。図７に示す灯具ユニット１２０は、いわゆる直射型の灯具ユニットであり、光源モジュール１２２の発光素子１２２ａの発光面１２２ｂが投影レンズ１００の入射面１００ａと対向している点が、第１の実施の形態に係る灯具ユニット１０と大きく異なる点である。このように構成された灯具ユニット１２０においても、前述の投影レンズ１００を採用することで、上向きの光によるグレアの発生を抑制し、所望の配光を精度よく実現できる。

（第３の実施の形態）
前述のように意匠性や大きさを考慮して、従来の平凸レンズとは異なる異形の投影レンズを灯具ユニットに採用する場合、光源から出射した光の一部がリフレクタで反射されずに直接投影レンズに入射すると、配光ムラとなる場合がある。そこで、本発明者が鋭意検討したところ、光源から出射した光が直接投影レンズに入射しないように、投影レンズの入射面に光源から真っすぐ向かう経路に遮光部を設けることに想到した。

図８は、第３の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構成を模式的に示した断面図である。灯具ユニット１３０は、いわゆる反射型の灯具ユニットであり、光源モジュール１３２（光源）と、リフレクタ１３４と、第１のシェード部１３６と、投影レンズ１３８とを備える。

投影レンズ１３８は、光源モジュール１３２の発光素子１３２ａから出射した光がリフレクタ１８で反射され、その反射光が入射する入射面１３８ａと、入射面１００ａから入射した光の少なくとも一部が灯具前方に向けて出射する出射面１３８ｂと、入射面１３８ａの外縁部１３８ａ１と出射面の外縁部１３８ｂ１とをつなぐつなぎ面１３８ｃと、を有する。つなぎ面１３８ｃは、少なくとも一部の領域において、光軸Ｏを含む断面形状（図８参照）が径方向外側に向かって凸状となる凸面１３８ｃ１を有する。

また、灯具ユニット１３０は、発光素子１３２ａから出射した光が直接投影レンズ１３８に入射しないように、発光素子１３２ａ近傍に第２のシェード１４０が設けられている。これにより、発光素子１３２ａからの直射光が投影レンズ１３８に入射しないため、ムラの少ない配光パターンを形成できる。加えて、つなぎ面１３８ｃが凸面１３８ｃ１を有することで、投影レンズ１３８の入射面１３８ａの外縁部１３８ａ１に入射した光が出射面１３８ｂから上向きに出射することが抑制される。

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

１ 車両用灯具、 １０ 灯具ユニット、 １４ 光源搭載部、 １６ 光源モジュール、 １６ａ 発光素子、 １８ リフレクタ、 １８ａ 反射面、 １００ 投影レンズ、 １００ａ 入射面、 １００ａ１ 外縁部、 １００ｂ 出射面、 １００ｂ１ 外縁部、 １００ｃ１ 凸面、 １００ｃ つなぎ面。

Claims (5)

1. 車両用灯具に用いられる灯具ユニットであって、
   光源を搭載する光源搭載部と、
   光源よりも車両前方側に配置された投影レンズと、を備え、
   前記投影レンズは、
   光源から出射した光が入射する入射面と、
   前記入射面から入射した光が灯具前方に向けて出射する凸状の出射面と、
   前記入射面の縁部と前記出射面の縁部とをつなぐつなぎ面と、を有し、
   前記つなぎ面は、少なくとも一部の領域において、光軸を含む断面形状が径方向外側に向かって凸状となる凸面を有する、
   ことを特徴とする灯具ユニット。
2. 前記つなぎ面は、灯具ユニットを車両用灯具に用いる際に下部に位置する領域が前記凸面となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の灯具ユニット。
3. 前記領域は、光軸を含む断面形状が弧状に形成されていることを特徴とするを請求項１または２に記載の灯具ユニット。
4. 前記入射面及び前記出射面は、鉛直方向の高さよりも水平方向の幅が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の灯具ユニット。
5. 車両用灯具に用いられる投影レンズであって、
   前記投影レンズは、
   光源から出射した光が入射する入射面と、
   前記入射面から入射した光が灯具前方に向けて出射する凸状の出射面と、
   前入射面の縁部と前記出射面の縁部とをつなぐつなぎ面と、を有し、
   前記つなぎ面は、少なくとも一部の領域において、光軸を含む断面形状が径方向外側に向かって凸状となる凸面を有する、
   ことを特徴とする投影レンズ。