JP2018142506A - ランプユニットのレンズ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】凸レンズからなる投影レンズと光源を備えたランプユニットにおいて、投影レンズを成形するとき、ヒケを回避するために成形時間が長くなってしまった。そこで、ヒケを生じにくくしつつ成形時間を短縮し、生産性を高めることを目的とする。【解決手段】凸レンズからなる投影レンズ３の光軸Ｌ上にて、後方の焦点Ｆ位置に光源４を配置する。投影レンズ３には光軸Ｌに沿って貫通する貫通孔５を設ける。レンズの中心部は光を通過させてもレンズ性能に影響せず、光源４から出た光は、光軸Ｌ上にて直進し、貫通孔５を通過する。肉厚の大きい部分に貫通孔５を設けることにより、成形時において最も肉厚が大きい貫通孔５の周囲の冷却が促進される。その結果、周囲部分の冷却時間を遅らせる必要が少なくなるので、全体の成形時間が短縮される。【選択図】図２

Description

この発明は車両のヘッドライト等に使用されるランプユニットのレンズ構造に係り、特に、生産性を高めたものに関する。

このようなランプユニットとして、ＬＥＤ等の半導体光源と、その前方に配置された投影レンズとをユニット化したものがある。投影レンズは凸レンズが用いられている。

特開２００６−１１４３４７号公報

投影レンズとして、ガラスや樹脂材料を溶融して金型へ注入することにより成形されるものがある。ところが、このような成形される凸レンズは、中央の肉厚が大きいため、この部分の冷却が遅くなり、周囲との冷却速度の差が大きくなる。
この冷却速度の差が大きいと、肉厚の大きな中央部においてヒケが生じる可能性がある。ヒケとは、冷却速度の差により固化時の熱歪みで成形品表面に発生する部分的な変形である。
このようなヒケが生じると品質を低下させてしまうので、ヒケが発生しないように成形することが必要であり、そのためには、レンズの周囲部分と中央部とにおける冷却速度の差を小さくするべく、周囲部分の冷却を遅らせる調整が行われている。
しかし、このような冷却速度の遅延調整は、全体の成形時間を長くし、生産性を高めることを困難にしてしまう。
そこで本願は、このようなヒケを生じにくくしつつ成形時間を短縮し、生産性を高めることを目的とする。

上記課題を解決するため、本願発明に係るランプユニットのレンズ構造は、光軸上に中心が配置された投影レンズ（３）と、この投影レンズの焦点近傍に配置された光源（４）とを備えたランプユニット（１）において、前記投影レンズ（３）を凸レンズとするとともに、その中心部に前記光軸に沿って形成された放熱用凹部（５・１５・２５・３５・４５）を設けたことを特徴とする。
この放熱用凹部は、投影レンズの中心部を貫通する貫通孔（５・１５・２５）とすることができ、また前面側へ貫通しない有底孔（３５）とすることもできる。

光源（４）を出た光のうち、光軸上を進むものは、放熱用凹部内を通過するが、この部分はレンズ性能に殆ど影響しない。しかも、この部分は最も肉厚が大きくなる部分であるが、ここに放熱用凹部が存在することにより、成形時における冷却が促進される。
その結果、中央部の冷却速度を速めることができるので、全体の冷却速度を早くして、成形速度を短縮できる。

また、放熱用凹部を穴径が変化するものとした場合、前方へ向かって漸次拡径させれば、放熱用凹部へ入った光をそのまま前方へ通過させることができる。
逆に、前方へ向かって漸次小径化させれば、放熱用凹部へ入った光は絞られ、前方へ出にくくなる。

本願発明によれば、投影レンズの光軸上に放熱用凹部を設けたので、溶融材料を金型へ注入してから冷却固化して成形するとき、光軸近傍部分で肉厚が最も大きくなる中央部分は、放熱用凹部により冷却が促進される。
したがって、肉厚の大きな中央部分に対する冷却速度を速めることができるので、全体の冷却速度を早くして、成形速度を短縮でき、生産性を高めることができる。

しかも、光が凸レンズで屈折されずに直進する光軸上に放熱用凹部を形成するので、投影レンズの性能に影響を与えずに放熱用凹部を形成することができる。
したがって、投影レンズにおいて、光の屈折に影響を与えず、かつ最も冷却効果の高い場所に放熱用凹部を設けることができる。

また、放熱用凹部の穴径を、前方へ向かって漸次拡径させれば、放熱用凹部へ入った光をそのまま前方へ通過させることができ、光軸上の光量を低下させずに維持できる。
逆に、前方へ向かって漸次小径化させれば、放熱用凹部へ入った光を前方へ出にくくするので、光軸上の光量を絞ることができる。

第１実施例に係るランプユニットの光軸方向の断面図 上記ランプユニットにおける投影レンズの拡大断面図 製造工程を示す金型の断面図 第２実施例に係る図２と同様の断面図 第３実施例に係る図２と同様の断面図 第４実施例に係る図２と同様の断面図 第５実施例に係る投影レンズの前面側を示す正面図 第６実施例に係る投影レンズの断面図 第６実施例に係る投影レンズの変形例を示す断面図

以下、実施の形態を説明する。この実施形態は、車両のヘッドライト等に用いられるランプユニットである。但し、ランプユニットの用途はヘッドライトに限らず、種々な照明装置に適用できる。
図１及び図２は第１実施例に係るものである。図１はランプユニット１を示し、ハウジング２の開口部に投影レンズ３が配置され、その後方の焦点Ｆ位置に光源４が配置されている。

図２にも示すように、投影レンズ３はガラス又は樹脂材料からなる凸レンズであり、その光軸Ｌ上となる中心部に貫通孔５が光軸Ｌと平行に形成されている。貫通孔５の軸心は光軸Ｌと一致する。
貫通孔５は本願の放熱用凹部の一例であり、円形断面で、長さ方向へ径が一様なストレートの穴であり、光軸Ｌ上に投影レンズ３の後面から前面へ貫通している。

なお、実際の貫通孔５は成形時における金型の抜き勾配を設けるため、軸方向いずれかの端部側へ僅かに傾斜するテーパー孔になっている。しかし、注意して見なければ判らない程度の傾斜であり、実質上のストレート孔となっている。

レンズの中心Ｏは、光軸Ｌ上の点であり、中心部はこの中心Ｏを含み、光軸Ｌに沿うとともに、光軸Ｌ周囲の所定範囲を含む部分である。この部分は、光軸Ｌ上の光源４から出た光があまり屈折されず直進する部分である。
なお、本実施形態における各投影レンズ３は、前面側が凸で後面側が平面の平凸レンズを用いているが、種々なレンズの形式が採用可能であり、例えば、後面側を凹面にした凹凸レンズでも、前後両面を凸にした凸レンズでもよい。

貫通孔５の穴径は、投影レンズ３を通過する光のうち光軸Ｌ周辺の、ほぼ光軸Ｌと平行して投影レンズ３を直進する光を通すことができるように設定する。但し、光軸Ｌ上は本来光量が多くなるから、多少穴径が大きくなっても問題がない。投影レンズ３の前面から見て光のムラを許容できる範囲で、穴径を適宜設定できる。

光源４はＬＥＤからなる半導体素子の、ほぼ点光源と見なすことのできる微小なものである。光源４の光軸も光軸Ｌ上に一致され、かつ投影レンズ３の後側の焦点Ｆ上に配置される。なお、光源４は半導体光源（ＬＥＤ）に限らず、種々な公知光源を採用できる。但し、半導体光源を採用すれば、点光源に近く、軽量で小型な光源を得ることができる。

この光源４から出た光のうち、光軸Ｌ上及びその近傍を進むものは、貫通孔５内へ入って直進し、投影レンズ３の前方へ出る。
一方、光軸Ｌから離れて投影レンズ３へ斜めに入射する光は、投影レンズ３にて屈折され、光軸Ｌと平行な光となって前方へ出る。

このとき、貫通孔５を通る光は投影レンズ３による屈折を受けないが、光軸Ｌ上の光は、本来屈折されずに投影レンズ３の光軸Ｌ上を直進する性質があるので、前方への光投影における投影レンズ３の性能には実用上殆ど影響しない。

図３は、この投影レンズ３の製造工程を示し、第１金型６と第２金型７を合わせて、内部に投影レンズ３に相当するキャビティ８を形成する。
このとき、例えば第１金型６に可動ピン９を設ける。この可動ピン９は、製品としての投影レンズ３における光軸Ｌの上を進退移動自在に設けられ、その太さは貫通孔５の内径と同じになっている。

この可動ピン９を第２金型７方向へ進出させて、先端を第２金型７へ当接した状態で、キャビティ８内へガラス又は樹脂からなる溶融材料を注入し、冷却して固化する。
この冷却時には、必要により、可動ピン９を適宜な冷媒で第１金型６の外部から強制冷却することができ、これにより、可動ピン９の周囲の最も大量となる溶融材料が効率よく急速に冷却される。但し、このような強制冷却をしなくても、可動ピン９の熱伝導率が良いため、可動ピン９周囲の溶融材料を速に冷却できる。

キャビティ８内の溶融材料が冷却固化してから第１金型６と第２金型７を型開きし、同時に可動ピン９を後退させれば、投影レンズ３が得られる。
この投影レンズ３の成形は、最も冷却時間を長く要する中央部が可動ピン９により短縮されるので、周囲部分の冷却を遅らせることが不要もしくは遅れを少なくすることができ、全体の成形時間を短縮できることになる。

図４は放熱用凹部の穴径を変化させた第２実施例である。この例では、放熱用凹部が前実施例と同様の貫通孔１５であるが、この貫通孔１５は前方へ向かって次第に大径となるように変化して拡開するテーパー孔になっている。このテーパーの程度は、ストレート孔と見なされる前実施例と異なり、明確にテーパーを認識できる程度に大きな傾斜角度を有する。

このようにすると、貫通孔１５へ入った光軸Ｌ近傍の光は、そのまま遮られることなく投影レンズ３の前方へ出るので、光軸Ｌ近傍となる投影レンズ３の中央部分における光量を多くしたい場合に有効な構造となる。
また、貫通孔１５のテーパー面が可動ピン９を投影レンズ３の前方側へ抜く場合における大きな抜き勾配を設けることになるので、成形がさらに容易になる。

図５は、第３実施例であり、図４の貫通孔１５に対して、逆さのテーパー孔にした貫通孔２５を示す。テーパーの程度は前第２実施例と同程度である。
この例のように、貫通孔２５を後方へ向けて拡開するテーパー孔にすると、可動ピン９を投影レンズ３の後方へ抜く場合における大きな抜き勾配を形成することができる。

また、光軸Ｌ上及びその近傍にて、貫通孔２５へ入った光は、貫通孔２５の前方側が次第に小径となるように変化するために絞られる。このため、投影レンズ３の中央部における光量を制限したい場合に有効な構造となる。

なお、本願は、上記各実施例に限定されず、種々な変形や応用が可能である。
例えば、図６は放熱用凹部を有底孔３５とした第４実施例である。有底孔３５は投影レンズ３の後面へ開口するストレート穴であるが、前面側は底部３６により行き止まりとなって貫通していない。

この有底孔３５は、投影レンズ３の後ろ側から可動ピン９を進退させることにより形成できる。このとき、図５に示すようにテーパー孔とすることもできる。
但し、この有底孔３５は前面側へ開口させ、後面側を底部にすることもできる。また、前後より中心へ向かって孔を形成し、中心部に底部を設けることもできる。

このようにすると、底部３６により、有底孔３５の外方を覆うことができるので、底部３６を前面に設けた場合には、前方から有底孔３５へ水や埃の進入を防ぐことができる。
また、底部３６の形成は、肉厚を薄くすることにより、中央部の冷却に影響を生じさせないようにできる。

図７は、複数の放熱用凹部を設けた第５実施例であり、投影レンズの前面側を示す正面図である。放熱用凹部４５は、光軸Ｌに沿う孔を複数設けたものである。各孔は、図２、４、５、６等のいずれかもしくはこれらの適宜な組合せで構成される。
この例は、投影レンズ３の前面中央において、放熱用凹部４５を形成する範囲を比較的大きくできる場合に有効である。

また、投影レンズ３に使用するレンズは、各実施例の平凸レンズに限らない。例えば、後面側を凹面にした凹凸レンズでも、前後両面を凸にした凸レンズでもよく、適宜なレンズの形式を採用できる。
さらに、光源４は半導体光源（ＬＥＤ）に限らず、種々な公知光源を採用できる。但し、半導体光源を採用すれば、点光源に近く、軽量で小型な光源を得ることができる。

図８は、第４実施例の有底孔３５の底部３６に投影レンズ３と特性の異なる中心レンズ３７を設けた第６実施例である。この例では、投影レンズ３の前面中央部である底部３６の前面に凸レンズ状の中心レンズ３７が一体に設けられている。

この中心レンズ３７の焦点Ｆ１は、投影レンズ３の焦点Ｆと異なり、焦点距離が小さくなっており、投影レンズ３と異なる特性を有している。このため、中心レンズ３７は有底孔３５を通過した光源４（（図１）の光を集光するように制御する。
したがって、このランプユニット１からなるヘッドライトは、光軸近傍の光により車両の前方所定距離における路面を明るく照明する。このため路面配光を制御できることになる。
仮に、この中心レンズ３７が形成されず貫通孔５が形成されていれば（図１）、光軸Ｌ近傍の光は、直進して路面を直射するだけで、路面配光を制御できない。

また、有低孔３６を通過した投影レンズ３の中心部における光を路面配光に用いたくない場合には、中心レンズ３７のレンズ面にシボやダイヤカット等の処理を施すことにより散光させてしまうようにすることができる。

なお、中心レンズ３７の投影レンズ３と異なる特性としては、焦点だけでなく、レンズ形状の相違も含まれる。この例を、図８における拡大部Ａ・Ｂ・Ｃに示す。
拡大部Ａは凹レンズにした中心レンズ３７Ａを示す。このようにすれば、中心部の光を拡散できる。

拡大部Ｂはフレネルレンズとした中心レンズ３７Ｂを示す。このようにすれば、中心レンズを薄くできる。
拡大部Ｃは前面が平面状をなすフラットレンズとした中心レンズ３７を示す。このようにすればデザイン性を高めることができる。

図９は図８に示した中心レンズ３７の変形例を示す、図８と同様の断面図である。
この例の中心レンズ３７は、凸レンズであるが、投影レンズ３の前面中心部に形成した中央孔３８の底部に設けられている。

中央孔３８は本願の有底孔３５に相当するものであり、前方へ向かって開放され、かつ前方へ向かって拡開するテーパー孔として形成される。
また、中心レンズ３７及び中央孔３８の大きさは、前各実施例と異なり光軸Ｌ近傍の光のみならず、より周囲に広がった光も通すことができるように大きくなっている。

投影レンズ３の後面３９を含む部分に本願の底部３６に相当する底部が設けられ、この底部が中心レンズ３７になっている。図８の場合と同様に、中心レンズ３７の焦点Ｆ２は投影レンズ３の焦点Ｆより短い。但し、光源４は投影レンズ３の焦点Ｆ上に配置されている。

このようにすると、光源４を出た光軸Ｌ近傍の光は中心レンズ３７により制御されるようになる。すなわち、光軸Ｌ上の光は中心レンズ３７の中心を通って直進するが、その周囲の光で、光軸Ｌから離れて光軸Ｌにほぼ平行とならず、光軸Ｌに対してある程度傾いた光も中心レンズ３７により集光される。

したがって、この例でも、中心レンズ３７によりヘッドライトにおける光軸近傍の光を車両の前方中心部へ集光できるが、光軸近傍のみならず、さらにその周囲となるヘッドライト中心部の光をより多く車両の前方中央へ集光するので、この部分の路面をより明るく照明できるように路面配光が制御される。

そのうえ、この例では、中央孔３８の後部である投影レンズ３の後面３９側に中心レンズ３７を設けたので、中心レンズ３７を投影レンズ３の前面より後方側へ引き込ませ、前方への突出をなくして、投影レンズ３全体を薄型に形成できる。また、中央孔３８は中心レンズ３７より大きな開口をなすため、投影レンズ３の成形時における中心部の放熱を良好にすることができる。

なお、図８においても図９と同様に、中心レンズ３７や有低孔３５を大きくすることができる。さらには、図１〜図７に示した貫通孔や有低孔の径も、図９のように大きくして投影レンズ成形時における中央部の冷却をより効率化することができる。
ここで貫通孔や有低孔及び中心レンズの径が大きいとは、光軸Ｌに対してほぼ平行となる光だけでなく、ある程度光軸Ｌに対して傾いた光も通すことができる大きさをいう。

１：ランプユニット、３：投影レンズ、４：光源、５：貫通孔（放熱用凹部）、１５：貫通孔（放熱用凹部）、２５：貫通孔（放熱用凹部）、３５：有底孔（放熱用凹部）、３７：中心レンズ、４５：放熱用凹部

Claims (8)

1. 光軸上に中心が配置された投影レンズ（３）と、この投影レンズの焦点近傍に配置された光源（４）とを備えたランプユニット（１）において、
   前記投影レンズ（３）を凸レンズとするとともに、その中心部に前記光軸に沿って形成された放熱用凹部（５・１５・２５・３５・４５）を設けたことを特徴とするランプユニットのレンズ構造。
2. 前記放熱用凹部は、前記投影レンズ（３）の中心部を前記光軸方向に沿って貫通する貫通孔（５・１５・２５・４５）であることを特徴とする請求項１に記載したランプユニットのレンズ構造。
3. 前記放熱用凹部は、前記光軸方向に穴径が変化する貫通孔（１５）であり、この貫通孔（１５）は、前記光源（４）側を小径にし、この光源から離れるに従い漸次大径になることを特徴とする請求項１又は２に記載したランプユニットのレンズ構造。
4. 前記放熱用凹部は、前記光軸方向に穴径が変化する貫通孔（２５）であり、この貫通孔（２５）は、前記光源（４）側を大径にし、光源から離れるに従い漸次小径になることを特徴とする請求項１又は２に記載したランプユニットのレンズ構造。
5. 前記放熱用凹部は、前記投影レンズ（３）の中心部へ前記光軸方向に沿って設けられる有底孔（３５）であることを特徴とする請求項１に記載したランプユニットのレンズ構造。
6. 前記有底孔（３５）の底部（３６）は、前記投影レンズ（３）の前面側に形成されていることを特徴とする請求項５に記載したランプユニットのレンズ構造。
7. 前記有底孔（３５）の底部（３６）を、前記投影レンズ（３）と異なる特性の中心レンズ（３７）としたことを特徴とする請求項６に記載したランプユニットのレンズ構造。
8. 前記光源（４）が半導体光源であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載したランプユニットのレンズ構造。

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