JP2517485B2

JP2517485B2 - 車輌用前照灯の反射鏡

Info

Publication number: JP2517485B2
Application number: JP3021430A
Authority: JP
Inventors: 宏之川島; 隆夫渡部; 曜三浦
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1991-01-23
Filing date: 1991-01-23
Publication date: 1996-07-24
Anticipated expiration: 2011-07-24
Also published as: FR2671851A1; DE4138322A1; DE4138322C2; US5192124A; GB9122901D0; FR2671851B1; GB2252151A; GB2252151B; JPH04248201A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、反射面の全面を利用し
て鮮明なカットラインをもったすれ違いビームを得るこ
とができる新規な車輌用前照灯の反射鏡を提供しようと
するものであり、車輌の流線形化に対応し得る前照灯に
好適な反射鏡を追求する過程で開発されたものである
が、反射面の曲面形成により反射光を制御するという設
計思想は光学上広範な分野への適用が可能であり、照明
装置全般に応用し得る普遍性を有している。

【０００２】

【従来の技術】図２５はすれ違いビーム用の自動車用前
照灯に関する基本的な構成を示す図であり、回転放物面
状をした反射鏡ａの焦点ｂの近傍にコイル状フィラメン
トｃをその中心軸が反射鏡ａの光軸に沿うような配置
（所謂Ｃ８タイプのフィラメント配置）とし、該フィラ
メントｃの下方には配光パターンにおけるカットライン
（あるいはカットオフ）を形成するためのシェードｄを
配置したものである。

【０００３】図から判るように、フィラメントｃから出
た光のうち一部はシェードｄによって遮られるため、反
射鏡ａの反射面のうち斜線で示す略下半面ａLには光が
到達せずシェードｄによってカットされて無効になる。

【０００４】よって、反射鏡ａの前方に所定の距離をお
いて配置されたスクリーンｅ上に映し出されるパターン
ｆは、図示するようにカットラインの一方ｇが水平線
（これを「Ｈ−Ｈ」と記し、鉛直線を「Ｖ−Ｖ」と記す
と共に、両者の交点を「ＨＶ」とする。）に対して所定
の角度（１５°）をなし、カットラインの他方ｈが水平
線Ｈ−Ｈの下方に沿うように位置された略半円状のパタ
ーンとなる。そして、これが反射鏡ａの前方に配置され
る図示しないアウターレンズの拡散レンズステップによ
って配光制御されると、結果として図２６に示すような
水平方向への拡がりをもったすれ違いビームの配光パタ
ーンｉが得られる。

【０００５】ところで、近時においては、自動車のスタ
イリングに関して空力学特性やデザイン上の要請から車
体の流線形化が求められるようになり、車体前部の所謂
スラント・ノーズ化に合わせた前照灯の設計が必要とさ
れるようになってきている。その結果前照灯の細幅化
（つまり、灯具の上下方向の幅を小さくすること）と、
スラント化（アウターレンズが鉛直軸に対してなす角、
所謂スラント角を大きくすること）が進められる傾向が
著しい。

【０００６】従って、反射鏡の上下幅が狭まり、また、
アウターレンズが大きく傾斜した状態となるとこれ迄の
ようにアウターレンズに広拡散レンズステップを形成す
る訳にはいかない（もし、そうすると配光パターンの左
右両端寄りの部分が垂れてしまう所謂光の垂れ現象を招
くことになる）という問題が生じ、設計上にかなりの制
約が生じるという事態に直面することになる。

【０００７】この問題を解決するために、従来において
アウターレンズに課せられてきた配光制御機能を反射鏡
側に転嫁する傾向が強くなっている。そして、灯具の細
幅化に対しては、シェードを用いることによる光束利用
率の低下を避け、反射鏡の全面を有効に利用することが
望ましい。

【０００８】そこで、このような配光制御機能を有する
反射鏡として様々な提案がなされている。その一例とし
ては、図２７の（ａ）に示すように反射鏡ｊの反射面ｋ
を、ほぼ上下半面を占める２つの回転放物面状の反射領
域ｋ_H、ｋ_Lに分けると共に、図２７の（ｂ）に示すよう
に反射鏡ｊの光軸上において上側反射領域ｋ_Hの焦点Ｆ₁
からαだけ前方（つまり、反射鏡から遠ざかる方向）に
偏位した点にフィラメントｃの後端を位置させ、下側反
射領域ｋ_Lの焦点Ｆ₂から後方にβだけ偏位した点にフィ
ラメントｃの前端を位置させるようにすることである。

【０００９】この場合、反射鏡ｊによって遠方のスクリ
ーン上に映し出されるパターンｍは、図２８に示すよう
に上側反射領域ｋ_Hによるパターンｎ（実線で示す）と
下側反射領域ｋ_Lによるパターンｏ（一点鎖線で示す）
とが合成されたパターンとなる。図から判るようにパタ
ーンｍのカットラインはパターンｎの上縁によって形成
されることになる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記したよ
うな反射鏡ｊにあっては確かに反射面の全面的な利用が
可能となるが、カットライン付近の領域Ａ、Ａでの光量
はパターンｎとｏとが重なる部分Ｂの光量に比して相対
的に低く、よって、カットラインに近づくにつれてその
明るさが徐々に変化（低下）するような分布となるため
鮮明なカットラインを形成することが困難であるという
問題がある。

【００１１】そこで、この欠点を補うためには、図２９
に示すように光源の回りに微小な２つのシェードｐ、ｐ
を配置し、シャープなカットラインが得られるようにす
る方法が考えられるが、シェードｐ、ｐの位置精度を保
証する取付構造等について設計が難しく、また、シェー
ドｐ、ｐによって反射領域ｋ_Hとｋ_Lとの境界部（図では
斜線で示す）への光が遮られるので、反射面の有効利用
という趣旨からは外れてしまい、折衷案的な意味合いが
強く最良の方法とは言い難い。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記し
た課題を解決するために、すれ違いビームに特有のカッ
トラインを備えた配光パターンを得るための車輌用前照
灯の反射鏡であって、光軸に直交する面で切ったときの
断面形状が楕円状をなし、光軸を含む面で切ったときの
断面形状が放物線状をなす楕円的放物面を基本面とし、
光源体をその中心軸が光軸に沿って配置したこと、そし
て、反射面を光軸に直交する平面で切ったときの断面曲
線の形状を、その始点、終点位置の指定及び両点間にお
ける複数の係数ベクトルの指定により有限次のベクトル
代数式によって表わし、これによって曲線形状に関する
自由度を獲得し、基本面からは外れた曲面形状を自由に
選定し得るようにしたものである。この新たな自由度に
ついては、断面曲線の端点における接線ベクトルを端点
の位置ベクトルに対して直交させる操作や、係数ベクト
ルの指定により曲面にねじれを加える操作が、配光パタ
ーン上のカットラインの形成において光学的に重要な意
味をもつ。

【００１３】

【作用】本発明によれば、反射面の形状について基本面
を任意に変形させるための自由度を獲得することができ
るので、これによって、反射面の全面に対して所望の配
光制御機能をもせたせることが可能となる。特に、カッ
トラインの形成に寄与する反射領域に属する部分につい
ては、反射面を光軸に直交する面で切ったときの断面曲
線の始点、終点での接線ベクトルと位置ベクトルとの間
に直交条件を付与すること、また、ベクトル制御により
元の曲面に対してねじれを与えることが光学的に重要な
操作であり、前者の操作は、反射面の前方に投影される
各フィラメント像の長手方向の中心軸を一致させ、これ
らをカットラインに平行に配置させる作用をもち、後者
は各フィラメント像の長手方向の一側縁を一致させ、こ
れによってカットラインを形成するという作用をもって
いる。これらの操作によって、エッジの鮮明なカットラ
インが得られる。

【００１４】

【実施例】本発明に係る反射鏡１は反射面の全面を利用
して、すれ違いビームに特有の鮮明なカットラインを得
ることを目的とするが、先ず、反射鏡１における反射面
２の配光制御区分を図１に示す。

【００１５】反射面２は正面（つまり、光軸方向から見
た場合であり、この光軸を「ｘ軸」とすると図１では紙
面に垂直な軸である。）眺めたときに、仮想的な３平面
によって６つの領域２（１）、２（２）、２（３）、２
（４）、２（５）、２（６）に区分されている。この３
平面とは、反射面の中心を通り水平方向に延びる軸（こ
れを「ｙ軸」とする。）とｘ軸とを含む平面、そして該
平面に対してｘ軸回りに所定の角度だけ傾斜された平面
Ｃ−Ｃ´、さらに、反射面の中心を通り上下方向に延び
る軸（これを「ｚ軸」とする。）とｘ軸を含む平面であ
る。

【００１６】尚、反射面２の中央には上記直交座標系の
原点Ｏを中心とする円孔３が電球の取付用孔として形成
されている。

【００１７】反射面２をｘ−ｙ平面で切ったときの断面
をそれぞれに含む２つの領域２（１）、２（４）は原点
Ｏに関して対称に位置されており、これらは配光パター
ンにおけるカットラインの形成に寄与する。即ち、領域
２（１）が水平線に対して所定のカットライン角をもつ
カットラインを形成し、これによって、図２に示すよう
なパターン４（１）が得られる。また、他方の領域２
（４）は図３に示すように水平線Ｈ−Ｈの直下において
水平線に平行なカットラインを形成し、これによってパ
ターン４（４）が得られる。これらのパターンについて
共通に言えることは光軸に沿って配置されるフィラメン
ト５（図９参照）が領域２（１）、２（４）によって前
方のスクリーン上に投影されたときに、各フィラメント
像の上縁がカットラインに一致するように配置される点
である。つまり、各フィラメント像の上縁が一直線上に
揃うことによってカットラインが形成される（尚、この
ような配置となる理由の詳細については後述する。）。

【００１８】反射面２の上半面（ｚ＞０の領域）のうち
上記領域２（１）を除く部分はｘ−ｚ平面によって２つ
の領域２（２）、２（３）に区分されている。即ち、ｚ
軸に関して左側（ｙ＜０）の領域２（２）によって得ら
れるパターン４（２）は図４に示すように水平線Ｈ−Ｈ
より下方で鉛直線Ｖ−Ｖに関してほぼ右側に位置するパ
ターンとなる。また、ｚ軸に関して右側（ｙ＞０）の領
域２（３）によって得られるパターン４（３）は、図５
に示すように水平線Ｈ−Ｈの下方で、鉛直線Ｖ−Ｖに関
してほぼ左側に位置するパターンとなる。

【００１９】反射面２の下半面（ｚ＜０の領域）のうち
領域２（４）を除く領域はｘ−ｚ平面によって２つの領
域２（５）、２（６）に分かれている。即ち、ｚ軸に関
して右側（ｙ＞０）の領域２（５）によって得られるパ
ターン４（５）は図６に示すように水平線Ｈ−Ｈの下方
で、鉛直線Ｖ−Ｖに関してほぼ左側に位置する略1/4 円
状のパターンとなる。また、ｚ軸に関して右側の領域２
（６）によって得られるパターン４（６）は、図７に示
すように水平線Ｈ−Ｈの下方で、鉛直線Ｖ−Ｖに関して
ほぼ右側に位置する略1/4 円状のパターンとなる。

【００２０】以上のパターンが合成されることによって
図８に示すような全体のパターン像４が形成され、鮮明
なカットライン４ａを有し、配光パターンの大半部が反
射面２の形状のみによって作り出されることが判る。

【００２１】図９は反射面とパターン像との対応関係を
概念的に示す斜視図であり、円筒状に簡略化して示すフ
ィラメント５はその中心軸が光軸（ｘ軸）に沿うように
配置されており、反射面の各場所によって遠方のスクリ
ーン（以下、「ＳＣＮ」と記す。）上に投影されるフィ
ラメント像の集合体として全体のパターン像４が得られ
る。尚、図では反射面の形状が正面から見て略円形状を
しており、図１で示した四角形状のものとは相違してい
るように見えるが、これは反射面の設計においては最初
図９に示すような反射面を考えて、その後実際に用いて
いる反射領域を切り出す作業がなされるからであり、本
質的な相違はない。

【００２２】ところで、上記した６つの反射領域はいず
れも楕円的放物面を基本とし、領域の各場所毎に形状パ
ラメータを調整すると共に、ベクトル制御を加えて曲面
の新たな自由度を獲得することによって設計自由度の高
い曲面（以下、「自由曲面」と言う。）として形成した
ものである。そして、図１では各領域の境界を便宜上線
で明示したが隣接する領域の境界での連続性は保証され
ているので、この境界線は肉眼によって容易に視認し得
るものでない。というのは、境界での連続性が保たれず
これが目立つ程になるとグレアの発生原因となり好まし
くないからである。

【００２３】以下では、自由曲面の面形状を表現する曲
面の式についての定量的な説明を行なう。

【００２４】自由曲面は楕円的放物面を基本とし、これ
を２×３次曲面に近似し、さらに、ベクトル制御を加え
ることによって一般化された曲面である。尚、この実施
例では自由曲面をｘ軸に直交する面で切断したときの曲
面を３次式として近似しているが、これに限らず、一般
にはｎ次のベクトル代数式によって表現することができ
ることは勿論である。

【００２５】楕円的放物面の部分面はｘ軸に関する動径
パラメータｒと、ｘ軸回りの角度パラメータθとを用い
ることによって［数１］式のように表わすことができ
る。

【００２６】

【数１】

【００２７】尚、［数１］式における「ｆ」は焦点距離
を表わし、「α_y」、「α_Z」はそれぞれｙ軸、ｚ軸方向
における楕円の形状を規定する形状パラメータを表わし
ている。また、（）内に示すｒ₁≦ｒ≦ｒ₂や、θ₁≦
θ≦θ₂はパラメータｒ、θの範囲を表わしており、添
字「₁」は始端を意味し、添字「₂」は終端を意味する。
［数１］式からｒやθを消去すれば、ｘ、ｙ、ｚに関す
る関係式が得られ、ｘ座標が一定の平面で切った断面が
楕円状をなし、ｘ軸を含む平面で切った断面が放物線状
をなしていることが判る。

【００２８】［数１］式に関するパラメトック表現を求
めるために、パラメータｒをｔに置き換えると共に、ｘ
軸方向の単位ベクトルｉ、ｙ軸方向の単位ベクトルｊ、
ｚ軸方向の単位ベクトルｋを用いて楕円的放物面上の点
の位置ベクトル（これをＰとするとパラメータθ、ｔの
関数となる）を［数２］式のようにベクトル表示で表わ
す。

【００２９】

【数２】

【００３０】図１０は［数２］式で表わされる楕円的放
物面の一例６の形状を示すものであり、（ａ）はｙ−ｚ
図、（ｂ）はｘ−ｚ図である。［数２］式の右辺第１項
はｘ軸上の点（座標値＝ｔ² ／４ｆ）を表わし、右辺第
２項は楕円的放物面６をｘ＝ｔ² ／４ｆの平面で切った
ときの断面形状（楕円の一部）を表わしている。尚、図
１１中に示す楕円弧７は楕円的放物面６をｘ＝ｒ² ₁／
４ｆの平面で切った断面線を示し、また、楕円弧８は楕
円的放物面６をｘ＝ｒ² ₂／４ｆの平面で切った断面線
を示している。

【００３１】次に、上記した楕円的放物面を２×３次曲
面に近似する。つまり、［数２］式において右辺第１項
の単位ベクトルｉの係数はｔの２次式となっており、第
２項の（）内が［数３］式に示すようにパラメータｕ
の３次式によって近似されるとすれば［数４］式に示す
ように２×３次曲面のベクトル表現式によって表わすこ
とができ、これが自由曲面の基本式である。

【００３２】

【数３】

【００３３】

【数４】

【００３４】尚、［数３］式におけるベクトルａ₀、
ａ₁、ａ₂、ａ₃は曲線の始点や終点に関する位置ベクト
ルと接線ベクトルによって求まる係数ベクトルであり、
後述する式によって求めることができる。

【００３５】［数１］式と［数４］式とを比べると、
［数１］式に示す楕円的放物面が３つのパラメータｆ、
α_y、α_Zによって規定されるのに対して、［数４］式に
示す自由曲面は楕円に関する接線ベクトルを制御し、係
数ベクトルａ₀、ａ₁、ａ₂、ａ₃により新たな自由度を獲
得することができるので、単に楕円的放物面を近似する
だけではなく、種々の変形された曲面を得ることができ
る。

【００３６】尚、パラメータｔに関してこれを正規化し
たパラメータｖを導入し、［数５］式により定義する
と、ｔの変域ｒ₁≦ｔ≦ｒ₂に対してｖの変域０≦ｖ≦１
が対応するようになる。

【００３７】

【数５】

【００３８】［数５］式を［数４］式を代入するとパラ
メータｕ、ｖのベクトル関数Ｆ（ｕ，ｖ）が［数６］式
に示すように求まる。

【００３９】

【数６】

【００４０】ベクトル関数ｆ（ｕ）は［数３］式から判
るようにｘ軸方向の成分（つまり、ｉ成分）を有しない
ｘ＝一定の面内での曲線を表わしているが、以下では、
曲線の始点や終点、そして該始点、終点での接線ベクト
ルを与えたときにｆ（ｕ）の係数ベクトルａ₀乃至ａ₃
がどのように決まるかについて説明する。

【００４１】図１１に示す曲線９は自由曲面をｘ＝ｔ²
₀／４ｆ＝ｘ₀（＝一定）の平面で切ったときの断面線を
示しており、ベクトル関数ｔ₀・ｆ（ｕ）によって表わ
される曲線である。尚、以下では、計算の簡単のためｔ
₀＝１として話を進める。（このような単位化は、比例
則が成立するような場合には有用であり、一般化の際に
はｔ₀＝１での議論について定数を乗ずるだけで済
む。）図中、ベクトルＰ₁は曲線９の始点Ｐ（１）を示
す位置ベクトルであり、ｙ軸に対してθ₁の角度をな
し、また、ベクトルＰ₂は曲線９の終点Ｐ（２）を示す
位置ベクトルでありｙ軸に対してθ₂の角度をなしてい
る。これらの位置ベクトルを明示すると［数７］式に示
すようになる。

【００４２】

【数７】

【００４３】図１１におけるベクトルＶ₁は始点Ｐ
（１）における接線ベクトルを示し、また、ベクトルＶ
₂は終点Ｐ（２）における接線ベクトルを示している。

【００４４】ところで、点Ｐ（１）と点Ｐ（２）とを結
ぶ曲線９は近似式ｆ（ｕ）で表わされるが、ベクトルＰ
₁、Ｐ₂、Ｖ₁、Ｖ₂に関して［数８］式の境界条件を満た
すはずである。

【００４５】

【数８】

【００４６】よって、［数８］式の４つの代数方程式
（４元連立一次方程式）を係数ベクトルａ₀乃至ａ₃につ
いて解くと［数９］式が得られ、これをｆ（ｕ）に代入
したものはFergosonの曲線として知られている。

【００４７】

【数９】

【００４８】しかして、［数９］式によれば、始点位
置、終点位置、そして両点での接線ベクトルをそれぞれ
与えれば係数ベクトルａ₀乃至ａ₃が求まり、これを［数
４］式又は［数６］式に代入すれば始点、終点間で規定
される領域での曲面式が求まる。

【００４９】さて、次には端点での接線ベクトルＶ₁、
Ｖ₂の与え方について説明する。

【００５０】まず、接線ベクトルＶ₁、Ｖ₂を［数３］式
に示すように楕円の接線ベクトルとして与えれば、図１
０に示したように楕円的放物面の一部が表現されること
は明らかである。

【００５１】

【数１０】

【００５２】つまり、［数１０］式は［数７］式の位置
ベクトルＰ₁、Ｐ₂をパラメータθ₁、θ₂によってそれぞ
れ一次微分して得られるものであり、点Ｐ（１）、点Ｐ
（２）が楕円上の点であることからも明らかであり、点
Ｐ（１）と点Ｐ（２）との間を近似したにすぎない。

【００５３】ところで、この接線ベクトルの与え方によ
っては２点（点Ｐ（１）とＰ（２））間を結ぶ曲線をベ
クトル的に制御することが可能となり、ここに新たな自
由度が生まれる。即ち、図１２（ａ）のｙ−ｚ図に示す
ように、位置ベクトルＰ₁で指定される始点Ｐ（１）
と、位置ベクトルＰ₂で指定される終点Ｐ（２）とを結
ぶ曲線１０は端点での接線ベクトルＶ₁、Ｖ₂をどのよう
に与えるかによって自由に選ぶことができる。図１２
（ｂ）のｘ−ｚ図は自由曲面をｙ軸方向から見たときの
形状を示しており、図１０（ｂ）の場合と同様に放物線
の集合としての形状を有している。

【００５４】以上迄の議論により接線ベクトルの与え方
如何により楕円から外れた自由な曲線を得ることができ
ることが判かったが、幾何光学的に興味深いのは、接線
ベクトルを位置ベクトルに対して直交させるような拘束
を考えることである。即ち、図１３に示すように原点Ｏ
から始点Ｐ（１）に向う方向ベクトルｔ₁と始点Ｐ
（１）での接線ベクトルＶ₁とが直交し、また、原点Ｏ
から終点Ｐ（２）に向う方向ベクトルｔ ₂と終点Ｐ
（２）での接線ベクトルとが直交するという条件を課す
ことである。これによって、接線ベクトルＶ₁、Ｖ₂は
［数１１］式に示すようになる。

【００５５】

【数１１】

【００５６】尚、上記直交条件が満たされていることは
［数７］式の位置ベクトルＰ₁、Ｐ₂と［数１１］式の接
線ベクトルＶ₁、Ｖ₂との内積（Ｐ₁，Ｖ₁）、（Ｐ₂、
Ｖ₂）がゼロになることから容易に確かめることができ
る。

【００５７】次に、フィラメント像の移動に関して興味
をひく幾何学的な曲面操作としては、曲面にツイスト
（ねじれ）を加えることである。今、図１４のｙ−ｚ図
に示すように自由曲面をｘ＝ｔ² ₀／４ｆの平面で切っ
たときに交線１１が始点Ｐ₀（１）での接線ベクトルＶ
⁽¹⁾ ₀と終点Ｐ₀（２）での接線ベクトルＶ⁽²⁾ ₀とによ
って規定されるベクトル関数ｆ₀を用いて［数１２］式
で表わされ、自由曲面をｘ＝ｔ² ₁／４ｆ（但し、ｔ₁＞
ｔ₀）の平面で切ったときの交線１２が、始点Ｐ₁（１）
での接線ベクトルＶ⁽¹⁾ ₁と終点Ｐ₁（２）での接線ベク
トルＶ⁽²⁾ ₁とによって規定されるベクトル関数ｆ₁を用
いて［数１２］式で表わされる場合を想定する。

【００５８】交線１１の方程式

【００５９】

【数１２】

【００６０】交線１２の方程式

【００６１】

【数１３】

【００６２】ここで、注意しなければならないことは交
線１２の端点での接線ベクトルＶ⁽¹⁾ ₁、Ｖ⁽²⁾ ₁が、交
線１１の端点での接線ベクトルＶ⁽¹⁾ ₀、Ｖ⁽²⁾ ₀をそれ
ぞれ点Ｐ₁（１）、点Ｐ₁（２）迄平行移動させたもの
（図では破線で示す）に対して端点Ｐ₁（１）、Ｐ
₁（２）に関してそれぞれある角度の回転が加えられた
ベクトルであり、これによって各始点間、終点間を結ぶ
曲線と交線１１、１２とによって張られる曲面が、元の
曲面（つまり、交線１２の始点、終点での接線ベクトル
がそれぞれＶ⁽¹⁾ ₀、Ｖ⁽²⁾ ₀に等しいと仮定したときに
得られる曲面）にねじりを加えていることである。

【００６３】このツイスト化された曲面のベクトル代数
式は、例えば、［数１４］式に示すようにｆ₀とｆ₁とを
線形結合した形式で表現することができる。

【００６４】

【数１４】

【００６５】上式は、ｔ＝ｔ₀で［数１２］式の曲線１
１を表わし、ｔ＝ｔ₁で［数１３］式の曲線１２を表わ
すような曲面を表現している。

【００６６】尚、［数１４］式ではベクトル関数ｆ₀と
ｆ₁とを線形的に混合したが一般的には、スカラー関数
ｇ（ｔ）、ｇ´（ｔ）を用いて［数１５］式に示すベク
トル関数Ｆ´のようにベクトル関数ｆ₀とｆ₁とを結合す
るようにしても良い。

【００６７】

【数１５】

【００６８】但し、関数ｇ（ｔ）、ｇ´（ｔ）に関して
は［数１６］式に示す条件が必要となる。

【００６９】

【数１６】

【００７０】次に、上記した直交条件による接線ベクト
ルの拘束や、曲面のツイスト化が光学的にはどのような
効果をもっているかについて図１５乃至図１９に従って
説明する。尚、図１５（ａ）、１６（ａ）、１８（ａ）
は対象となる曲面を裏側から（つまり、ｘ軸の負の方向
から正の方向に向って）眺めたときの様子を概略的に示
す図である。

【００７１】図１５の（ａ）は楕円的放物面の一部をな
す曲面１３を示しており、端点Ｐでの接線ベクトルＶに
対しては前述した直交条件による拘束がなされていない
曲面を示している。

【００７２】図１５の（ｂ）は曲面１３の上縁１３ａ上
の代表点によって遠方のスクリーン上に映し出されるフ
ィラメント像の配置をコンピュータ・シュミレーション
によって示したもので、この場合、フィラメントは円筒
状をなし、その中心軸が曲面１３の光軸に沿って配位さ
れると共に、その後端が曲面１３の焦点近傍に位置され
ていると仮定しており、フィラメント像が長方形状とな
るようにモデル化している。尚、図中の「ＵＰ−ＬＷ」
は各フィラメント像の略中心を通る相対的な鉛直線、
「ＬＨ−ＲＨ」はＵＰ−ＬＷに直交する相対的な水平線
を示している。

【００７３】図１５の（ｂ）を見ると各フィラメント像
１４、１４、・・・の長手方向に延びる中心軸は必ずし
も一致してしないことが分かる。

【００７４】次に、図１６の（ａ）に示す曲面１５は図
１５の（ａ）の曲面１３に対して端点Ｐでの接線ベクト
ルＶに拘束を課した場合の曲面を示しており、曲面上縁
１５ａの方向ベクトルｔと接線ベクトルＶ_Rとは直交し
た状態となっている。

【００７５】図１６の（ｂ）は曲面の上縁１５ａ上の幾
つかの代表点によって遠方のスクリーン上に映し出され
るフィラメント像の配置を示しており、各フィラメント
像１６、１６、・・・の長手方向に延びる中心軸が全て
一致して配置される様子が一目で分かる。尚、直交条件
による拘束がこのような光学的効果を生み出す理由につ
いては図１７に示すように端点Ｐを指す位置ベクトルＰ
と、接線ベクトルＶ_Rとが直交するため、上縁１５ａに
相当する放物線ＰＡＲＡ上の任意の点での法線ベクトル
ｎは光軸（ｘ軸）と放物線ＰＡＲＡとを含む平面πに含
まれるためである。よって、焦点の近傍において光軸に
沿って配置されたフィラメント５の中心軸から照射した
と仮定した光は放物線ＰＡＲＡ上の任意の点に入射する
光路が平面πに含まれ、その後反射光路も平面π内に含
まれることになるため各フィラメント像はその長手方向
の中心軸が一致するように配列することになる。

【００７６】図１８の（ａ）は、図１６（ｂ）に示す拘
束された曲面１５に対してさらに、前述したツイスト化
を施すことによって得られる曲面１７を示しており、端
点Ｐでの先の接線ベクトルＶ_R（破線で示す）に対して
端点Ｐを回転中心として角度α分の回転が与えられた接
線ベクトルＶ_Tを端点Ｐに与えている。

【００７７】図１８の（ｂ）は曲面１７の上縁１７ａの
幾つかの代表点によって、遠方のスクリーン上に映し出
されるフィラメント像の配置を示しており、各フィラメ
ント像１８、１８、・・・における長手方向の一側縁が
全て一致するようにして配列されているのが分かる。こ
れは、曲面にねじりを加えることによって各フィラメン
ト像は長手方向の中心軸に直交する後方に移動されるた
めであり、ねじれの度合を接線ベクトルの指定により調
整することで、各フィラメントの像の一側縁を一致させ
ることができる。

【００７８】次に、楕円放物面の一部を為す反射領域に
よって投影されるパターンが水平線Ｈ−Ｈ以下に位置さ
れるように反射光を斜め下方に向ける操作について説明
する。

【００７９】反射光を反射面の前方斜め下方に向けるた
めには、楕円的放物面における形状パラメータα_Zの値
を操作すれば充分であり、前記したような接線ベクトル
に関する操作は不要である。

【００８０】即ち、図１９に示すようにｘ軸に沿ってそ
の中心が焦点Ｆに配置されるフィラメント５の長手方向
における長さを「ＣＬ」とすると、上側（ｚ＞０）に配
置される曲面に対してはα² _Z＝１−ＣＬ／２ｆとし、
下側の曲面に対してはα² _Z＝１＋ＣＬ／２ｆとすれば
良い。このことは、ｚ² ＝４ｆα_Zｘで表わされる放物線
を考えたときにα_Z＝１の場合には焦点Ｆ（焦点距離
ｆ）から出た後放物線上の点で反射した光が平行光線と
なるに対し、α_Z≠１では焦点位置がずれて放物線上の
点での反射光が互いに平行にならないことを考えれば容
易に理解できる。即ち、α_Z≠１の場合の焦点距離はｆ
´＝α² _Zｆであり、図２０に示すようにフィラメント
５の後端５ａを焦点位置とすれば、フィラメント５から
発した後上側（ｚ＞０）の放物線ＰＡＲＡ＿Ｕ上の点で
反射光の向きは水平線より下方に向けられることになる
ので、ｆ´＝ｆ−ＣＬ／２が求める条件となる。放物線
が下側（ｚ＜０）に位置する場合にも同様にして考えれ
ば、ｆ´＝ｆ＋ＣＬ／２という条件が得られ、右辺第２
項の符号が変わるだけであることが判明する。

【００８１】しかして、以上に展開してきた議論に基づ
いた反射面２の各領域の設計手順は次のようにしてなさ
れる。（１）形状パラメータα_y、α_Zの調整により、反射光
（フィラメント像）をカットラインの下方に集める。

【００８２】即ち、すれ違いビームではカットラインよ
り上方の光は不要であるため、形状パラメータα_y、α_Z
を操作することによってフィラメント像をカットライン
より下方に配置させる。このような操作は反射領域２
（２）、２（３）の設計において必要となる。（２）接線ベクトルに対して直交条件を課すことによっ
てこれを拘束し、フィラメント像の長手方向における中
心軸をカットラインに平行な方位にそろえる。

【００８３】即ち、図１６で説明したように接線ベクト
ルの拘束によってフィラメント像の長手方向における中
心軸が互いに一致するように配置させる操作であり、主
にカットラインの形成に係る反射領域２（１）、２
（４）に関して用いられる。（３）曲面にツイスト化を施してフィラメント像の長手
方向の一側縁をそろえることによって鮮明なカットライ
ンを形成する。

【００８４】即ち、図１８にて説明したように、手順
（２）の後に接線ベクトルを端点に関して回転させて曲
面にねじりを加えることによって、フィラメント像の長
手方向の一側縁を一致させ、カットラインが鮮明となる
ようにするための操作であり、カットラインの形成に係
る反射領域２（１）、２（４）に関してこのような操作
が行なわれる。

【００８５】図２１は自由曲面について曲面の定義をＣ
ＡＤ（Computer Aided Design ）システム上にて行なっ
て反射鏡を設計する場合の作業の流れを示すもので、各
種のパラメータ値を入力した後の曲面生成の段階におい
て上述した曲面の設計手順が採られ、その後光線追跡に
よるシュミレーション結果の評価、等照度曲線による明
るさの分布の評価がこの順でなされる。そして、評価結
果が満足のゆくものではなかった場合には再びパラメー
タ値の入力段階に戻り、再設計が行なわれる。

【００８６】以上のような評価は反射面の各領域毎に行
なわれるようになっており、各領域のパターンに関して
良好な評価結果が得られ、最終的に反射面の全面につい
て曲面を定義し得た後に曲面の連続性がチェックされ
て、最終設計に係るデータはＣＡＭ（Computer Aided M
anufacturing）データとして利用される。つまり、製造
面においては金型加工に関するデータとして用いられ
る。その際、自由曲面が［数６］式に示されることから
判るように光軸回りに滑らかさをもって定義される面で
あるため、この光軸を回転中心として０°から３６０°
への一方向への回転操作のみによって曲面を加工するこ
とができるようになり、従来の反射面について問題とさ
れていた加工精度や工数上の困難が解消される。

【００８７】つまり、図２２に示すように反射面が複数
の反射領域から構成されており、しかも隣接する領域の
境界において滑らかな連続性を有さないような場合には
金型加工時に光軸を回転軸として３６０°に亘る曲面加
工を行なうことができず、各領域毎に曲面の加工を行な
わなければならない。しかもその場合、光軸に関して加
工領域の始まりの位置Ｓと終わりの位置Ｅを指定した上
で、矢印Ｄに示すように曲面を加工し、終端Ｅに達する
と、加工上の累積誤差を除去するために破線の矢印Ｄ´
に示すように始端へ戻る帰路中では加工を行なわずに、
常に始端から加工を行なわなければならないという往復
運動についての煩雑さが時によって生じていた。

【００８８】しかし、本発明に係る自由曲面にあっては
図２３に示すように領域の境界線にあたるものは視認で
きない程滑らかにつながっており（［数６］式で示す一
般式において反射面上の各場所でのパラメータ値や係数
ベクトルの異なる一つの曲面とみなすことができ
る。）、よって、矢印Ｇに示すように光軸の回りに０°
から３６０°に亘って一の方向で曲面の加工を行なうこ
とが可能となり、加工上の始点や終点は原理的にはどの
ような位置にも選ぶことができる。

【００８９】最後に、試作された反射鏡を備え、その前
方にアウターレンズを配置した灯具の配光パターン１９
についての、規格に適合した光度分布を等カンデラ曲線
によって示すと、図２４のようになる。

【００９０】尚、図中の目盛は度数法で表わした角度を
意味し、点ＨＶの稍下方に位置した最も明るい微小領域
での光度が２万カンデラであり、これから周辺部へと向
うに従って１万５千、１万、５千、３千、千、５百カン
デラという具合に低下して行く。

【００９１】

【発明の効果】以上に記載したところから明らかなよう
に、本発明によれば、楕円的放物面を基本面として係数
ベクトルの制御により曲面形状に新たな自由度を生み出
し、パラメータ値の設定により反射面の形状を自由に制
御してこれに所望の配光制御機能をもたせることがで
き、反射面の全面を有効に利用して所望の配光パターン
を得ることができる。よって、サイズの小さな反射鏡で
も相対的に大きな光出力を得ることが可能である。

【００９２】また、反射面を光軸に直交する平面で切っ
たときの断面曲線の始点、終点での接線ベクトルに対し
て位置ベクトルとの間での直交条件を付与する操作や、
接線ベクトルの制御により曲面にねじれを付与する操作
が、カットラインの形成にとって光学的に重要な作用を
生み出し、これらが鮮明なカットラインの形成に重要な
貢献をしている。このようにカットラインの鮮明化に関
してシェード等の光束の利用率を阻害する手段を講じる
ことなく曲面形状の制御だけで対応し得ることは、配光
制御機能を有する反射鏡の大きな特徴である。

【００９３】さらに、本発明に係る反射面に関しては、
設計、評価、再設計、加工へという一連の作業をＣＡＤ
／ＣＡＭシステム上で実現することができ、開発の能率
を飛躍的に高めることが可能であり、また、金型加工技
術における従来の困難性を解消することができる。

【００９４】尚、前記した実施例においては反射面がそ
の配光制御区分に関して６つの領域に分けられるような
例を示したが、本発明車輌用前照灯の反射鏡の技術的範
囲がこれによって狭く解釈されてはならず、本発明に係
る反射面は視認し得る程の明確な境界線を有していない
ことから明らかなように、配光制御の区分の数について
何らの制限がある訳ではないことは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る反射面の配光制御区分を説明する
ための正面図である。

【図２】図１の反射領域２（１）によって得られるパタ
ーンを示す図である。

【図３】図１の反射領域２（４）によって得られるパタ
ーンを示す図である。

【図４】図１の反射領域２（２）によって得られるパタ
ーンを示す図である。

【図５】図１の反射領域２（３）によって得られるパタ
ーンを示す図である。

【図６】図１の反射領域２（５）によって得られるパタ
ーンを示す図である。

【図７】図１の反射領域２（６）によって得られるパタ
ーンを示す図である。

【図８】本発明に係る反射面によって得られる全体なパ
ターンを示す図である。

【図９】本発明に係る反射面と、該反射面によって得ら
れるパターンとを併せて示す概略斜視図である。

【図１０】（ａ）は楕円的放物面の形状を示すｙ−ｚ図
であり、（ｂ）は楕円的放物面の形状を示すｘ−ｚ図で
ある。

【図１１】自由曲面をｘ軸に直交する平面で切ったとき
の断面曲線を示すｙ−ｚ図である。

【図１２】（ａ）は自由曲面の形状を示すｙ−ｚ図であ
り、（ｂ）は自由曲面の形状を示すｘ−ｚ図である。

【図１３】接線ベクトルの拘束について説明するための
ｙ−ｚ図である。

【図１４】曲面のツイスト化について説明するためのｙ
−ｚ図である。

【図１５】（ａ）は楕円的放物面状をした部分面を示す
ｙ−ｚ図であり、（ｂ）はそのフィラメント像の配置を
示す図である。

【図１６】（ａ）は接線ベクトルが拘束された自由曲面
の部分面を示すｙ−ｚ図であり、（ｂ）はそのフィラメ
ント像の配置を示す図である。

【図１７】接線ベクトルを直交条件によって拘束したと
きの光学的効果について説明するための図である。

【図１８】（ａ）はツイスト化の施された自由曲面の部
分面を示すｙ−ｚ図であり、（ｂ）はそのフィラメント
像の配置を示す図である。

【図１９】フィラメントの配置を示す斜視図である。

【図２０】楕円的放物面による反射光を斜め下方に向け
るための条件について説明するためのｘ−ｚ図である。

【図２１】設計の流れを示すフローチャート図である。

【図２２】従来の反射面に関する金型加工上の問題点を
説明するための概略図である。

【図２３】本発明の係る金型加工について説明するため
の概略図である。

【図２４】本発明に係る反射鏡を備えた灯具の配光パタ
ーンを示す図である。

【図２５】自動車用前照灯の基本構成を反射面によるパ
ターンと共に示す概略斜視図である。

【図２６】すれ違いビームの配光パターンを概略的に示
す図である。

【図２７】（ａ）は従来の反射鏡の一例を示す正面図で
あり、（ｂ）はその縦断面を示す略線図である。

【図２８】図２７の反射鏡によって得られるパターン像
を示す図である。

【図２９】改良案を示す反射鏡の正面図である。

【符号の説明】

１車輌用前照灯の反射鏡２反射面ｘ光軸５光源体６基本面（楕円的放物面）１０断面曲線Ｐ（１）、Ｐ（２）端点Ｖ₁、Ｖ₂ 接線ベクトルＳＣＮスクリーン１６、１８フィラメント像

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−231202（ＪＰ，Ａ) 特開平２−98001（ＪＰ，Ａ) 特開平４−28101（ＪＰ，Ａ) 特開平４−248202（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】すれ違いビームの配光パターンを得るた
めの車輌用前照灯の反射鏡であって、（イ）光軸に直交
する平面で切ったときの断面形状が楕円状をなし、か
つ、光軸を含む平面で切ったときの断面形状が放物線状
をなす楕円的放物面を基本面とし、光源体をその中心軸
が光軸に沿うように配置したこと、（ロ）反射面をその
光軸に直交する平面で切ったときの断面での曲線の一部
に対してその始点位置と終点位置、そして曲線形状を規
定する複数の係数ベクトルを指定し、これを有限次のベ
クトル代数式によって表わし、基本面の断面である楕円
の一部から外れた曲線形状に形成すること、（ハ）上記
した断面曲線のうちカットラインの形成に寄与する反射
領域に属する断面曲線に関して、その端点での接線ベク
トルを、端点の位置ベクトルに対して直交させることに
よって、反射面の前方に配置されるスクリーン上にフィ
ラメント像を映し出したときに、各フィラメント像にお
ける長手方向の中心軸が互いに一致し、かつ、すれ違い
ビームのカットラインに対して平行に配置されるように
したこと、（ニ）カットラインの形成に寄与する反射領
域に属する（ロ）及び／又は（ハ）に記載の断面曲線に
関して、係数ベクトルを指定して曲面にねじりを加える
ことにより、反射面の前方に配置されるスクリーン上に
フィラメント像を映し出したときに、各フィラメント像
の長手方向に延びる一側縁が互いに一致し、これらの側
縁が集まってカットラインが形成されるようにしたこ
と、を特徴とする車輌用前照灯の反射鏡。
【請求項２】請求項１に記載した車輌用前照灯の反射
鏡において、（イ）反射面をその光軸に直交する平面で
切ったときの断面曲線の一部が、その始点位置及び始点
位置での接線ベクトルを指定することによって、３次の
ベクトル代数式によって表わされること、（ロ）カット
ラインの形成に寄与する反射領域に属する断面曲線に対
して、端点での接線ベクトルを端点に関して回転させる
操作を施すことによって曲面にねじりを加えるようにし
たこと、を特徴とする車輌用前照灯の反射鏡。