JP3111809B2 - 補助リフレクタを備えた光分配構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、単一の光源から出射し
た光を複数のライトガイドに分配し、該複数のライトガ
イドのそれぞれによって光を灯具に導くための構造に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】単一の光源から出射した光束を多数のラ
イトガイドに分配して灯具に導く技術として、特開平２
−１７２１０２号の高輝度光源を用いた集中照明システ
ムが公知である。図４は上記の公知例を示す。同図
（Ａ）に示す特殊管球１は硬質ガラス製で、その中に放
電発光機構が封入され、リード線１ａ，１ｂによって給
電される。この特殊管球１には多数（本例では５個）の
光ガイド１ｃ〜１ｇが形成されていて、放電によって発
生した光はこれらの光ガイドにより分配されて導出され
る。同図（Ｂ）に示すごとく、多数の光ガイド１ｃ〜１
ｇで導出された光は、それぞれ光ファイバー２ｃ〜２ｇ
によりそれぞれ灯具３ｃ〜３ｇに導かれる（本図におい
て灯具３ｄ，３ｅは図示を省略）。上記公知例において
は特殊管球１を必要とし、この部材は汎用性が無いため
実用上の不便が有る。こうした不便を解消して、一般に
市販されている光源バルブを使用し得るようにした図５
の構成も提案されている。同図に示した回転放物面鏡４
の焦点Ｆに光源５が設置されている。この光源５は、例
えば市販の水銀放電灯を使用することができ、着脱交換
が可能である。光源５から回転放物面鏡４に入射した光
は矢印ａ，ｂ，ｃのように光軸Ｚと平行に反射される。
この平行光束に正対せしめて多数の光ファイバー６が配
置されていて、それぞれ光束を入射され、所望の個所
（図外の灯具）に導く、７は、熱線吸収用のガラスロッ
ドである。

【０００３】図５に示した従来技術においては、回転放
物面鏡４で反射された平行光束は、その光束分布密度が
一様である。従って、多数の光ファイバー６はそれぞれ
均等に光量を分配される。この光分配機構の用途によっ
ては、上述の均等分配機能が好都合な場合も有るが、例
えば車両用灯具の光源を単一化するには不適当である。
一般に車両は多数の灯具が搭載されており、前照灯やス
トップランプは比較的大きい光量を必要とし、テールラ
ンプやスモールランプは少ない光量で足りる。このた
め、図５の従来例を車両用灯具に適用して光源５の発光
を均等に分配すると、前照灯やストップランプは供給さ
れる光量が不足し、テールランプやスモールランプでは
供給される光量が過大となるため光フィルタで減光しな
ければならないという不具合を生じる。上記の不具合を
解消して、多数の光ガイドに対して意図的に光量を配分
し得る光分配構造として、図６に示す光分配構造が考え
られる。この構造は本発明者らが創作したものであっ
て、以下試案と呼ぶ。図６（Ａ）は側面図であり、同図
（Ｂ）はそのＢ−Ｂ矢視図である。８は回転楕円面鏡で
あって、ｆ₁はその第１焦点、ｆ₂は同じく第２焦点、Ｚ
は同じく光軸である。上記第１焦点付近に光源５を配置
する。この試案においては水銀放電管によって光源を構
成した。

【０００４】上記の光源５から出射して回転楕円面鏡８
で反射された光束は矢印ｄ，ｅのごとく第２焦点ｆ₂に
集光して交差し、その後拡散する。この拡散光を受ける
位置に凸レンズ９を設けて集光し、矢印ｄ′，ｅ′のよ
うに平行光束とする。このような機能を有する凸レンズ
は、例えばプロジェクタ型前照灯用の非球面凸レンズと
して広く用いられている。なお本図６（Ａ）は光軸Ｚに
関して上下対称であるから、矢印の符号は片側だけに付
してある。上記の平行光束ｄ′，ｅ′に正対せしめて多
数のライトガイド６を配置する。そのＢ−Ｂ矢視図は図
６（Ｂ）のごとくである。上記の平行光束の分布密度は
中央部が密で周辺部が疎である。これを利用して、例え
ば前照灯やストップランプのような大光量の灯具に光を
導くライトガイドは（Ｂ）図の６ａのごとく中央部に配
置し、スモールランプやテールランプのように小光量の
灯具に光を導くライトガイドは（Ｂ）図の６ｂのように
周辺部に配置する。これにより、各灯具のそれぞれに対
して過不足無く光を配分することができる。また、図５
に示した従来技術においては、光ファイバー６の配設本
数を増加しようとすると、回転放物面鏡４を大径のもの
と交換して平行光束（矢印ａ，ｂ，ｃ）の径を大きくし
なければならなかったが、図６（Ａ）に示した試案にお
いては回転楕円面鏡８を交換することなく凸レンズ９を
大径のものと交換するとともに該大径のレンズを灯具前
方へ移動させると、平行光束（矢印ｄ′，ｅ′）の径が
増加するので、ライトガイド６の配設本数を増加するこ
とができる。

【０００５】図６に示した試案に係る光分配装置は、ラ
イトガイド６の配設本数を容易に変更できるという優れ
た効果を奏したが、凸レンズ９が比較的大重量の構成部
材であり、また該凸レンズ９による光の吸収や光の表面
反射による損失も生じる。前記図４の従来例と、図５の
公知例と、図６の試案との問題点を比較すると、図４の
従来例は特殊管球を用いてあるので光源バルブの交換が
容易でなく、図５の公知例はライトガイドの設置本数の
変更が容易でなく、図６の試案は凸レンズを設けるため
大重量になる。上記の不具合を解消するため、図７に示
したような光分配構造が提案されて公知になっている。
この図７に示した構造は本発明者が創作して別途出願中
の考案（実願平４−５５６８９号・以下、先願の考案と
いう）であって、本図７は上記先願の考案に係る光分配
構造の１実施例に対応する斜視図である。１対の回転楕
円面鏡８Ａ，８Ｂが対向せしめられて相互に固定されて
いる。本例においては短円筒状のアダプタ１２を介して
取付ネジ８Ｃで固着されている。上記１対の回転楕円面
鏡８Ａ，８Ｂで囲まれた空間内に光源５を設置する。本
例においては放電灯バーナーを光源として用いた。実線
で描いた１０は上記光源５のソケットである。光源のソ
ケットは仮想線で示した１０′の位置に設けてもよい。
１１は給電用のハーネスである。前記短円筒状のアダプ
タ１２に貫通固着して複数本（本例では５本）のライト
ガイド９ａ〜９ｄの受光部を、周方向に等間隔に、放射
状に配置する。これらのライトガイドはそれぞれ灯具
（図外）に接続されている。Ｚは、回転楕円面鏡８Ａ，
８Ｂの光軸を表わしている。光源５から出射した光は、
１対の回転楕円面鏡８Ａ，８Ｂにより繰り返して反射さ
れ、該１対の回転楕円面鏡８Ａ，８Ｂで囲まれた空間内
は、あらゆる方向の光が均一な光束密度で分布した状態
となる（比喩的に言うならば、この空間内に光が充満す
る）。このため、各ライトガイド９ａ〜９ｂから、互い
に等しい光量が導出される。この実施例（図７）は、光
軸Ｚに関してほぼ対称であるため、各ライトガイドの分
配光量は高精度で均一となる。さらに、この作用から容
易に理解されるように、ライトガイドの設置本数は任意
に設定することができ、設計的自由度が大きい。また、
光源（例えば放電灯）が損耗したとき取付ネジ８Ｃを取
り外して容易に交換することができる。さらに、この実
施例から明らかなように凸レンズを使用しないので軽量
に構成することができる。以上に述べたように、図７に
示した先願の考案は光分配構造に係る最近の、かつ、最
も進歩した公知技術であって、（イ）凸レンズを用いな
いので軽量であり、（ロ）単一の光源から出射した光を
複数本のライトガイドに分配することができ、（ハ）上
記ライトガイドの設置本数を任意に設定することがで
き、その上（ハ）各ライトガイドに対する光量の配分が
均一である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、図７に
示した先願の考案に係る光分配構造を出願した後、その
実用化試験，研究を続行し、実用面において所期の効果
が得られることを確認したが、なお、次に述べる点につ
いて改善の余地があることを発見し、これを確認した。
すなわち、ライトガイドを構成している光ファイバーに
は種々の型式のものが有るが、それぞれの型式の光ファ
イバーの光学的な特性値の一つに、受光面における入射
角の臨界角が有る。この臨界角を越える入射光は受光面
で全反射したり、また、光ファイバー内に入射しても正
しい状態で導光されなかったりする。先願の考案（図
７）においては、ライトガイド９ａ〜９ｅの受光面に入
射する光の入射角を制御できなかったので、臨界角を越
える入射角の光は有効に導き出すことが出来ず、光束の
有効利用率の向上に限界が有った。また、図６に示した
先行技術においては、光源５から出射して回転楕円面鏡
８に入射しない光束（同図６に示した立体角ωの範囲に
出射した光束）は有効に利用されないので、光分配構造
全体としての光束有効利用率は高くない。本発明は上述
の事情に鑑みて為されたものであって、光源から出射さ
れる光束の有効利用率の高い、新規な構成より成る光分
配構造を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的（光束の有効
利用率向上）を達成するために創作した本発明の基本的
原理について、その１実施例に対応する図１を参照して
略述すると、２１ａ，２１ｂはそれぞれ回転楕円面リフ
レクタであって、第１焦点Ｐ₁と第２焦点Ｐ₂とを有して
おり、かつ、第１焦点Ｐ₁を共有している。光源５は上
記第１焦点Ｐ₁に配置され、この光源から矢印ｈ，ｉ，
ｊのごとく出射した光束は回転楕円面リフレクタ２１ａ
で反射されて第２焦点Ｐ₂に集光する。上記の第２焦点
Ｐ₂を通過した光は補助リフレクタ２３ａによってライ
トガイド２２ａの受光面に向けて再反射させる。この補
助リフレクタ２３ａを適宜の形状（図２を参照して後に
詳述）に構成し、上記の再反射した光路がライトガイド
２２ａの受光面に入射する角θ₁を臨界角よりも小なら
しめる。上記の原理に基づいて前記の目的（有効利用率
向上）を達成するため本発明に係る光分配構造は、それ
ぞれ第１焦点と第２焦点とを有する複数個の回転楕円面
リフレクタが、それぞれの第１焦点位置を一致せしめて
配設されており、上記回転楕円面リフレクタの長軸を第
２焦点側の方向に延長した線に沿ってライトガイドの受
光部が配置されており、かつ、第１焦点の光源から出射
し、回転楕円面リフレクタで反射され、第２焦点に集光
した後、該第２焦点を通過した光束を、前記ライトガイ
ドの受光部に向けて反射する補助リフレクタが設けられ
ていて、前記の補助リフレクタで反射された光束がライ
トガイドの受光面に入射する入射角θ₁が、該ライトガ
イドを構成している光ファイバの臨界角の１／２以下と
なるように設定されていることを特徴とする。

【０００８】

【作用】上述の手段によると、回転楕円面リフレクタで
反射された光束の方向は一定でないが、第２焦点に集光
し、該第２焦点を通過する。第２焦点を通過した光束は
補助リフレクタで再反射され、ライトガイドの受光面に
対して臨界角以下の入射角で入射する。従って、ライト
ガイドの受光面に到達した光束は全反射したりすること
なくライトガイド内に入射して有効に利用される。

【０００９】

【実施例】次に、図１ないし図３を順次に参照しつつ、
本発明の実施例を説明する。図１は本発明に係る補助リ
フレクタを備えた光分配構造を示し、要部を模式的に描
いた断面図に光路矢印を付記した図である。説明の便宜
上、図示のごとく直交座標軸Ｙ，Ｚを想定する。２１
ａ，２１ｂは、それぞれ第１焦点Ｐ₁と第２焦点Ｐ₂とを
有する回転楕円面リフレクタであって、第１焦点Ｐ₁を
相互に一致せしめて連設され、第２焦点Ｐ₂をそれぞれ
軸Ｚ上に位置せしめている。すなわち、前の軸Ｚは楕円
の長軸方向と一致している。図示のＡは長軸寸法、Ｂは
短軸寸法である。上記回転楕円リフレクタの長軸の延長
線に沿って、すなわちＺ軸上に、ライトガイド２２ａ，
２２ｂが設置されている。前記第１焦点Ｐ₁と第２焦点
Ｐ₂との間に、凹面鏡タイプの補助リフレクタ２３ａ，
２３ｂが、それぞれ凸面側を第１焦点に向けて、すなわ
ち反射面をそれぞれ第２焦点Ｐ₂に向けるとともにライ
トガイド２２ａ，２２ｂの受光面に向けて配置されてい
る。上記の補助リフレクタ２３ａ，２３ｂはそれぞれ、
第２焦点を通過した光束をライトガイド２２ａ，２２ｂ
の受光面に向けて、臨界角の半分以下の入射角θ₁とな
るように再反射させる。本発明を実施する際、上記の再
反射光の入射角が臨界角の１／２以下となることが必要
条件であり、前記の入射角θ₁は ０＜２θ₁＜臨界角……………（１） 上記の式（１）の範囲内で変化することが許容される。
入射角は０以下であり得ないし、臨界角の半分以下であ
ることは本発明の目的を達成するために欠くことのでき
ない事であるから、上掲の式（１）の数値限定は理論的
根拠に基づいたものである。この許容角度範囲は、精密
光学的な立場から見るとかなり広い。すなわち、例えば
光ファイバーが石英ガラス製であって臨界角が約１５度
の場合においては、 ０°＜θ₁＜７．５° ……………… （２） という広い許容範囲を有している。従って、図１に示し
た再反射光の入射角θ₁が上掲の式（２）の範囲内に入
るような補助リフレクタ２３ａ，２３ｂの形状は、これ
を解析幾何学的な公式によって特定することは実際上、
きわめて困難であって、現代の光学技術によれば「補助
リフレクタで再反射された光束が、ライトガイドの受光
面に入射する入射角が臨界角の半分以下となるような、
補助リフレクタの反射面形状は如何様にも構成すること
ができ、設計的配慮に属する事項である。本実施例の補
助リフレクタは、再反射光のライトガイドに入射する入
射角が、臨界角よりも小さい角θ₁′となるよう、次の
ようにして設計的に定めた。図２は前掲の図１における
補助リフレクタの立体的形状を求めるための設計手順を
示す図表であって、（Ａ）はＺ軸に対象な基準曲線を、
（Ｂ）は上記のＺ軸を座標回転させる形に座標変換して
線分Ｍ′を求める手法を、（Ｃ）は上記の線分Ｍ′を軸
Ｚのまわりに回転せしめて、反射面を構成する回転面を
求める手法を、それぞれ表している。図２（Ａ）に示す
ように、軸Ｚを軸とし、第２焦点Ｐ₂を焦点位置とする
放物線よりなる線分Ｍを定める。図２（Ｂ）に示すよう
に、第２焦点Ｐ₂を中心として、前記の線分Ｍを角θ₁′
だけ回転させる。図示の軸Ｚ′は前記の軸Ｚが角θ₁′
だけ回転したときの形状を表しており、破線Ｍ′は角θ
₁′だけ回転せしめられた放物線よりなる線分Ｍを表し
ている。この回転により、放物線Ｍの頂点Ｐ₃は点Ｐ₃′
に移動する。図示の点Ｐ₃″は、回転後の線分Ｍ′（破
線で示す・放物線より成っている）が軸Ｚと交差する点
である。図２（Ｂ）において、回転せしめられた放物線
よりなる線分Ｍ′が、Ｚ軸よりも上方に位置している部
分（すなわち、前記の点Ｐ₃″よりも上方の部分を考
え、図２（Ｃ）のごとく、軸Ｚを中心にして円弧矢印φ
のように回転させると、前記の線分Ｍ″は回転面を描
く。上記の回転の際、前記の軸Ｚ′も一緒に回転させた
場合を想定すると、該軸Ｚ′は、Ｚ′，Ｚ″で表わされ
ているような円錐を描く。ただし、本図２（Ｃ）は立体
的形状の推察が容易なように模式化してあり、正確な平
面図表ではない。（正確に描けば、回転体の底面は直線
となり、本図のように縦長の楕円にはならない）。図２
について以上に述べた作図経過が、同図（Ａ）の放物線
から出発していることから容易に理解できるように、図
２（Ｃ）において第２焦点を通過した光束が、図示の仮
想の点Ｌ′に到達して前記回転体で再反射されると、線
Ｚ′−Ｚ′に平行な再反射光束となる。同様に、仮想の
点Ｌ″で再反射されると、線Ｚ″−Ｚ″に平行な再反射
光束となる。すなわち、軸Ｚに対する交差角が角θ₁′
となり、この角θ₁′は臨界角よりも小さく設定されて
いる。これにより、再反射光束はライトガイド２２ａ，
２２ｂ（図１参照）の受光面に対し、臨界角よりも小さ
い入射角で入射し、有効に利用される。図１の実施例に
おいては、第１焦点Ｐ₁を共有せしめて２個の回転楕円
面リフレクタ２１ａ，２ａｂを設けたが、この設置個数
は３もしくはそれ以上の整数Ｎとすることができる。こ
れに伴ってライトガイドおよび補助リフレクタの設置個
数もそれぞれＮとなる。

【００１０】図３は前掲の図１に示した実施例に記載さ
れたライトガイドの受光部付近を抽出して模式的に描い
た拡大図に、光ファイバの臨界角と補助リフレクタから
の入射角とを対比して記入した図である。ライトガイド
２２ａを構成している光ファイバ２４は、特性値として
の臨界角θ₂を有しており、この角度範囲よりも斜めに
入射する光束は光ファイバ２４によって有効に導かれな
い。一方、補助リフレクタからの再反射光は入射角θ₁
でライトガイド２２ａの受光面に到達する。ここで、前
掲の式（１）によって上記の入射角θ₁は臨海角の半分
よりも小さい。従って、上記の再反射光はライトガイド
２２ａの中に入射して、有効に導光される。

【００１１】

【発明の効果】本発明を適用すると、回転楕円面リフレ
クタで反射された光束の方向は一定でないが、第２焦点
に集光し、該第２焦点を通過する。第２焦点を通過した
光束は補助リフレクタで再反射され、ライトガイドの受
光面に対して臨界角以下の入射角で入射する。従って、
ライトガイドの受光面に到達した光束は全反射したりす
ることなくライトガイド内に入射して有効に利用される
という優れた実用的効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る補助リフレクタを備えた光分配構
造を示し、要部を模式的に描いた断面図に光路矢印を付
記した図である。

【図２】前掲の図１における補助リフレクタの立体的形
状を求めるための設計手順を示す図表であって、（Ａ）
はＺ軸に対象な基準曲線を、（Ｂ）は上記のＺ軸を座標
回転させる形に座標変換して線分Ｍ′を求める手法を、
（Ｃ）は上記の線分Ｍ′を軸Ｚのまわりに回転せしめ
て、反射面を構成する回転面を求める手法を、それぞれ
表している。

【図３】前掲の図１に示した実施例に記載されたライト
ガイドの受光部付近を抽出して模式的に描いた拡大図
に、光ファイバの臨界角と補助リフレクタからの入射角
とを対比して記入した図である。

【図４】光分配構造の公知例を示す斜視図である。

【図５】上記と異なる公知例を示す模式的な側面図であ
る。

【図６】光分配装置に係る試案を示し、（Ａ）は模式的
な側面図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。

【図７】先願の考案に係る光分配構造の１実施例を示
し、模式的に描いた外観斜視図である。

【符号の説明】

１…特殊管球、２…光ファイバー、３…灯具、４…回転
放物面鏡、５…光源、６…光ファイバー、７…ガラスロ
ッド、８，８Ａ，８Ｂ…回転楕円面鏡、９…凸レンズ、
９ａ〜９ｅ…ライトガイド、１０…ソケット、１１…ハ
ーネス、２１ａ，２１ｂ…回転楕円面リフレクタ、２２
ａ，２２ｂ…ライトガイド、２３ａ，２３ｂ…補助リフ
レクタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−296706（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−107208（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−89310（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−100312（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F21S 2/00 B60Q 1/00 F21V 8/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれ第１焦点と第２焦点とを有する
   複数個の回転楕円面リフレクタが、それぞれの第１焦点
   位置を一致せしめて配設されており、 上記回転楕円面リフレクタの長軸を第２焦点側の方向に
   延長した線に沿ってライトガイドの受光部が配置されて
   おり、かつ、 第１焦点の光源から出射し、回転楕円面リフレクタで反
   射され、第２焦点に集光した後、該第２焦点を通過した
   光束を、前記ライトガイドの受光部に向けて反射する補
   助リフレクタが設けられていて、 前記の補助リフレクタで反射された光束がライトガイド
   の受光面に入射する入射角θ₁が、該ライトガイドを構
   成している光ファイバの臨界角の１／２以下となるよう
   に設定されていることを特徴とする、補助リフレクタを
   備えた光分配構造。