JP4542159B2 - Ledヘッドライト装置 - Google Patents

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Description

本発明は電気ランプたとえば車両用ヘッドライトに関する。さらに詳しくは、本発明はLED光源を備えた車両用ヘッドライトに関する。

背景技術
車両用ヘッドライト装置は、LED光源と1次レンズと2次レンズによって構成することができる。車両用ヘッドライトのビームは、離れた道路中央を照明するために必要とされるホットスポットを有している。さらにこれに加えて、道路の右側および左側ならびに場合によっては信号のために上方を照射する拡散ビームも有している。一般にヘッドライトビームが使われているときには、対向方向でドライバが近づいてくる。そのためどのようなビームフィーチャであれ、接近してくるドライバが眩しくならないように作動させることができなければならない。ハイビームモードではこのような眩しさは回避できず、したがってハイビームモードとロービームモードを設ける必要がある。ハイビームモードは、接近してくるドライバが存在しないことを前提とする。ロービームモードは、接近してくるドライバが存在することを前提としており、したがってホットスポットは下方中央におかれるか、あるいは道路側方におかれなければならない。同様に、拡散ビームは明るすぎたり幅が広すぎたりしてはならない。一般にこれらのフィーチャは、ハイビームフィラメントおよびロービームフィラメントまたはアーク放電のポジションに基づく特殊技術を要する光学的設計によってヘッドライトビームに作り込まれ、その際、光は光学的に規定された反射器により反射されるかまたは、中央レンズを通してプロジェクタビーム型システムに向けて屈折させられる。

LEDの出現によって、LED光源からヘッドライトビームを形成することに関心が集まっている。一般にLED光源は、ヘッドライトビームを形成するのに必要な光すべてを単独で供給するほどには強いものではなく、あるいは十分なルーメン出力を有していない。それゆえ道路視界を向上させるLEDヘッドライトを提供できるならば、この分野に進歩がみられることになる。

発明の開示
したがって本発明の課題は、これまで述べてきた従来技術の欠点を克服することである。さらに本発明の課題は、LEDヘッドライト装置を向上させることである。

この課題は、本発明の1つの観点によれば車両用ヘッドライトにおいて、ロービーム用LEDサブセットとハイビーム用LEDサブセットを有するLED光源から成る平坦な第1のLEDアレイと、第1のLEDアレイのロービーム用LEDサブセットからロービーム光を受け取り該ロービーム光をコリメートする第1の1次光学ライトガイドと、前記コリメートされたロービーム光を該第1の1次光学ライトガイドから受け取り該ロービーム光をロービームホットスポットとして集束させる第1の2次光学ライトガイドが設けられており、前記第1の1次光学ライトガイドは、前記第1のLEDアレイのハイビーム用LEDサブセットからハイビーム光を受け取り該ハイビーム光をコリメートし、前記第1の2次光学ライトガイドは、前記コリメートされたハイビーム光を前記第1の1次光学ライトガイドから受け取り、該ハイビーム光をハイビームホットスポットとして前記ロービームホットスポットと組み合わせて集束させ、ロービーム用LEDサブセットとハイビーム用LEDサブセットを有するLED光源から成る平坦な第2のLEDアレイと、該第2のLEDアレイのロービーム用LEDサブセットからロービーム光を受け取り該ロービーム光をコリメートする第2の1次光学ライトガイドと、前記コリメートされたロービーム光を前記第2の1次光学ライトガイドから受け取り該ロービーム光をロービーム拡散パターンとして拡散させる第2の2次光学ライトガイドが設けられており、前記第2の1次光学ライトガイドは、前記第2のLEDアレイのハイビーム用LEDサブセットからハイビーム光を受け取り該ハイビーム光をコリメートし、前記第2の2次光学ライトガイドは、前記コリメートされたハイビーム光を前記第2の1次光学ライトガイドから受け取り、該ハイビーム光をハイビーム拡散パターンとして前記ロービーム拡散パターンと組み合わせて拡散させ、前記の第1のLEDアレイと第2のアレイと第1の1次光学ライトガイドと第1の2次光学ライトガイドと第2の1次光学ライトガイドと第2の2次光学ライトガイドを機械的に支持するケーシングが設けられていることにより解決される。

図面の簡単な説明
図1は、LEDアレイの斜視図である。

図2は、ロービームとハイビームのホットスポット光学系を示す側面図である。

図3は、ロービームとハイビームのホットスポット光学系を上から見た図である。

図4は、ロービームとハイビームの拡散光学系を示す側面図である。

図5は、ロービームとハイビームの拡散光学系を上から見た図である。

図6は、ロービームとハイビームの先進型ホットスポット光学系を示す側面図である。

図7は、ロービームとハイビームの先進型ホットスポット光学系を上から見た図である。

図8は、ヘッドライトを正面から見た図である。

発明を実施するための最良の形態
本発明について、その他の目的や利点ならびに性能ともに理解を深めるために、上述の図面に基づき説明されている以下の開示およびそれに付随する特許請求の範囲を参照されたい。

図1にはLEDアレイ12の斜視図が示されており、これにはロービームサブセット14とハイビームサブセット16が設けられている。LEDヘッドライト装置2(図8)は、3つのLEDアレイ22,24,26によって構成されている。LEDを選択的に配線すれば、それぞれ異なるユニットにより特別な照明機能のためにダイナミックに照明が行われるようにすることができるけれども、これらのLEDアレイ各々を同様に構成することができる。第1のアレイ22は、ロービームとハイビームのホットスポットを成すように構成されている。第2のアレイ24は、ロービームとハイビームの拡散を成すように構成されている。第3のアレイ26は、先進型前方照明システムのためにホットスポットあるいはビーム拡散のような付加的なビームフィーチャを形成するように構成されている。有利なLEDは1mm×1mmのInGaN青色LEDチップであり、白色を得るためそのチップ上面には燐光体層が設けられており、各々約60ルーメンの白色光を送出する。このLEDは0.2mmの厚さであり、3.5Vにおいて700mAで動作する。有利にはセラミック支持板13は窒化アルミニウムから成り、1mmの厚さであって180W/m・K(メーター・ケルビン)の熱導電率を有している。さらにこのLEDは、高熱伝導率のエポキシによりセラミック支持板に取り付けられている。好ましいエポキシはArctic Silverとして知られており、これは0.1mmの層厚を有しており、熱伝導率は10W/m・Kである。

LEDアレイは平坦なアレイとしてセラミック支持板13上に形成されており、たとえば3つのLEDが高さ方向(縦方向)に、5つのLEDが幅方向(横方向)に配置された構造で形成されている。このようなアレイのセラミック支持板への取り付けならびに電気接続は、周知のLED組み立て手法によって達成される。LEDは一般に、セラミック支持板13から照射すべきフィールドの方向へ前方に向けられている。有利な実施形態によればこのLEDは全体的な光学的効率のため、ならびに材料とスペースを節約する理由で、互いに密にパッケージングされている。セラミック基板の裏側(図示せず)を、放熱性の金属フィンガ、リブ、フィンまたは他の熱分散構造を備えた金属プレートと結合することができる。有利な実施形態によればLEDはX=約1mm2であり、これらはY=約0.1mmだけ互いに隔てられて配置され、これによっておおよそ(3X+2Y)×(5X+4Y)mmとなる3×5個のアレイが形成される。光学的な理由でハイビームの列16は、他の2つのロービームの列14からさらに離れて延在している。有利な実施形態によればこの隔たりは約2mmまたは約3mmであり、これがLEDアレイの垂直方向の高さに加えられる。

放熱や取り付けならびに他の目的のために、セラミック支持板13を都合に合わせてもっと大きくしてもよい。また、LEDをチップ・オン・ボードとして、あるいはLEDモジュールとして取り付けることができる。LEDは2つの回路セットに配置される。上方の2つの列14はロービーム動作のために設計されており、下方の列16はハイビーム動作のために付加的に加えられるように設計されている。LEDから送出される光は一般に、ロービーム動作のためには上方の2つの列14によって、ハイビーム動作のためにはすべての3つの列によって、照射すべきフィールドへ向けて前方に配向される。

ホットスポットモジュール22からLEDにより送出される光は、第1の1次光学系30によって捕捉される。この1次光学系30は有利には一体型の光学ライトガイド31である。これは一般に台形ポリパイプの形状を有している。光学ライトガイド31は細長い矩形の入射窓32を有しており、この入射窓32は光を入射するためLEDと向き合っている。ライトガイド31は細長い矩形の出射窓34に向かって前方に延びている。入射窓32の面積は出射窓34よりも小さい。ライトガイド31は平坦な頂部31aと底部31bと左右の側壁31c,31dを有しており、一般にこれらの側壁は各々台形状である。簡単にいえば、比較的小さい入射窓32が平坦な側壁により囲まれており、これらの側壁は僅かに広い出射窓34の側壁につながっている。図示されているようにライトガイド31を、ロービーム用LEDセットの広がりをもつよう形成された第1の入射窓31eと、ハイビーム用LEDセットの広がりをもつよう形成され位置決めされた第2の入射窓31fとによって構成することができる。これら第1および第2の入射窓は、前述のように1つの共通の出射窓34へと導かれている。ロービームとハイビームのホットスポットを形成するために1次光学系をそれぞれ別個に形成し、ついでそれらを隣り合うよう取り付けることができるけれども、有利であるのは、これら2つのユニットを最適なかたちに互いにアライメントしなくてもすむよう、それらを単一のユニットして形成することである。1次光学系31をモールドされたガラス、プラスチック(ポリカーボネートまたはPMMI)あるいは実質的に透明で光を透過させる同様に適切な材料とすることができ、これによって良好な内部反射が得られる。なお、上述のプラスチックのうちPMMIが有利であり、その理由は他のプラスチックのように黄ばまないことによる。1つの実施形態によれば、ロービームの1次ライトガイドのための入射窓32は6mm×2.5mmであり、ハイビームの1次ライトガイドについては6mm×1.2mmである。両方の光学系のための出射窓34は3mm×18mmである。入射窓32は、出射窓34から軸線方向に25mmだけ隔たっている。

第1のLEDアレイ22は、ロービームとハイビームのホットスポットを発生させるよう設計されたライトガイド30につながっている。1次光学ライトガイド30を通過した後、その光はハイビームまたはロービームのために配向された光源として出射窓34から送出される。ついでこの光は、2次ライトガイド38の入射部36において受光される。この場合、焦点距離FLを70〜100mmとするのがよい。2次ライトガイド38は半球レンズまたは非球面レンズであり、このレンズは1次光学系の出射窓と向き合う直径に沿った平坦面を有している。2次ライトガイドは1次ライトガイド30からの光をホットスポットターゲットに集束させる。したがって第1のアレイのロービームLEDからの光は、1次ライトガイド30を通過して2次ライトガイド38に送られ、これによりロービームホットスポットのところに集束される。第1のアレイのハイビームLEDからの光は1次ライトガイド30を通過して2次ライトガイド38に送られ、これによりハイビームホットスポットが形成されるよう付加的に集束される。1つの実施形態によれば、2次ライトガイド38は直径100mmの半球である。

第2のLEDアレイ24は、ロービームとハイビームの拡散パターンを発生させるよう第2の光学系40につながっている。第2の光学系40は、ロービームとハイビームの拡散パターンを発生させるよう設計された第2の1次ライトガイド42を有している。有利な実施形態によれば全体的なコストのために、第2の1次ライトガイド42を第1の1次光学系と同様に構成するのが有利である。そして第2の1次ライトガイド42は、コリメートされた光を第2の2次ライトガイド44へ送出する。この場合も焦点距離FLを70〜100mmとするのがよい。第2の2次ライトガイド44は、水平方向に細長くされた矩形の入射窓46と垂直方向に湾曲させられた出射窓48を有しており、たとえば水平方向に配向された円筒区間を有している。入射窓46は出射窓48よりも小さく、この場合、入射窓46から出射窓48に至るフラットな平坦側面49,50が設けられている。有利な第2の2次ライトガイド44は、第1の2次ライトガイドと同じ入射窓を有している。この場合、光は第2のLEDアレイから第2の1次光学系の入射窓に受光される。この光は第2の2次ライトガイド44の入射窓46へ配向され、第2の2次ライトガイド44の出射窓48から照射すべきフィールドへダイレクトに送出される。送出された光は水平方向の平面で垂直方向に集束されるが、横方向ないしは左右には集束されない。したがって送出光はホットスポットのところにセンタリングされるけれども、水平方向でホットスポットから左右に拡散し、これによって拡散パターンが形成される。ここでもハイビームLEDのサブセットから送出された光の追加分が、ロービームLEDのサブセットから送出された光に加えられ、これによってロービーム拡散パターンが強められてハイビーム拡散パターンが得られるようになる。

1つの実施形態によれば、第2の2次ライトガイドは8mm×20mmの入射窓46を有している。さらに出射窓46は、120°よりも大きい角度で半径60mmの円弧区間となっている。この円弧区間は水平方向で20mmの厚さを有している。

第3のLEDアレイ26から送出された光は第3の1次ライトガイド52により受光され、2次ライトガイド54へ送られる。これは実質的に第1のLEDアレイから送出された光と同様である。第3のLEDアレイ26から送出された光は、車両が向きを変えたとき、第3のLEDアレイが装備された車両の側方へ向けて水平方向でビームに与えられる。その際にこの付加的な光は、向きを変えた方向の道路を照射するため車両側方に向けてビームパターンを拡げる。第3のLEDアレイ26は、水平方向に並置された複数のLEDが方向転換の程度や移動速度に応じてスイッチオンされるよう電気的に制御される。このようにして、車両がビームパターンの側方の方向に向きを変えたときにロービームホットスポットがビームパターンの側方まで拡げられる。このとき第3のLEDアレイ26からの光は、車両が向きを変えて進む方向である比較的に僅かにしか照射されていない領域に注がれることになる。同様にハイビームホットスポットも相応に車両の転回にあたり拡げられる。車両の反対側にも同様のヘッドライトが装備されているが、反対側における第3のLEDアレイは逆に配置されており、反対方向における転回のためにハイビームとロービームのパターンに同様に注がれるよう電気的に接続されている。

第1のLEDアレイ22における10個のロービームLEDによってロービームホットスポットのために約600ルーメンが得られ、さらに付加的な5個のLEDによってハイビームホットスポットのために約300ルーメンが得られる。

第2のLEDアレイ24における10個のロービームLEDによってロービーム拡散パターンのために約600ルーメンが得られ、さらに付加的な5個のLEDによってハイビーム拡散パターンのために約300ルーメンが得られる。

第3のLEDアレイ26における10個のロービームLEDによって、先進前方照明システムAFS(advanced forward lighting system)のロービームホットスポットのために約600ルーメンが得られ、さらに付加的な5個のLEDによって、AFSのハイビームホットスポットのために約300ルーメンが得られる。

これらのアレイは、適切な反射器または同様のケーシング60内に好適に取り付けられる。本発明の有利な実施形態であると現時点でみなしたものについて図示しながら説明してきたが、当業者にとって明らかであるように、これらに対応する特許請求の範囲によって規定された本発明の範囲を逸脱することなく、多様な変更や修正を施すことができる。

LEDアレイの斜視図 ロービームとハイビームのホットスポット光学系を示す側面図 ロービームとハイビームのホットスポット光学系を上から見た図 ロービームとハイビームの拡散光学系を示す側面図 ロービームとハイビームの拡散光学系を上から見た図 ロービームとハイビームの先進型ホットスポット光学系を示す側面図 ロービームとハイビームの先進型ホットスポット光学系を上から見た図 図8は、ヘッドライトを正面から見た図である。

Claims (3)

  1. 車両用ヘッドライトにおいて、
    ロービーム用LEDサブセットとハイビーム用LEDサブセットを有するLED光源から成る平坦な第1のLEDアレイと、
    該第1のLEDアレイのロービーム用LEDサブセットからロービーム光を受け取り該ロービーム光をコリメートする第1の1次光学ライトガイドと、
    前記コリメートされたロービーム光を該第1の1次光学ライトガイドから受け取り該ロービーム光をロービームホットスポットとして集束させる第1の2次光学ライトガイドが設けられており、
    前記第1の1次光学ライトガイドは、前記第1のLEDアレイのハイビーム用LEDサブセットからハイビーム光を受け取り該ハイビーム光をコリメートし、
    前記第1の2次光学ライトガイドは、前記コリメートされたハイビーム光を前記第1の1次光学ライトガイドから受け取り、該ハイビーム光をハイビームホットスポットとして前記ロービームホットスポットと組み合わせて集束させ、
    ロービーム用LEDサブセットとハイビーム用LEDサブセットを有するLED光源から成る平坦な第2のLEDアレイと、
    該第2のLEDアレイのロービーム用LEDサブセットからロービーム光を受け取り該ロービーム光をコリメートする第2の1次光学ライトガイドと、
    前記コリメートされたロービーム光を前記第2の1次光学ライトガイドから受け取り該ロービーム光をロービーム拡散パターンとして拡散させる第2の2次光学ライトガイドが設けられており、
    前記第2の1次光学ライトガイドは、前記第2のLEDアレイのハイビーム用LEDサブセットからハイビーム光を受け取り該ハイビーム光をコリメートし、
    前記第2の2次光学ライトガイドは、前記コリメートされたハイビーム光を前記第2の1次光学ライトガイドから受け取り、該ハイビーム光をハイビーム拡散パターンとして前記ロービーム拡散パターンと組み合わせて拡散させ、
    前記の第1のLEDアレイと第2のアレイと第1の1次光学ライトガイドと第1の2次光学ライトガイドと第2の1次光学ライトガイドと第2の2次光学ライトガイドを機械的に支持するケーシングが設けられていることを特徴とする、
    車両用ヘッドライト。
  2. 請求項1記載のヘッドライトにおいて、
    第3のLEDアレイが設けられており、該第3のLEDアレイは、先進型前方照明システム(AFS)のハイビーム用およびロービーム用のホットスポット光を第3の1次光学ライトガイドへ供給し、
    該第3の1次光学ライトガイドは、コリメートされた前記先進型前方照明システム(AFS)のホットスポット光を第3の2次光学ライトガイドへ供給し、
    該第3の2次光学ライトガイドは、前記先進型前方照明システム(AFS)のホットスポット光を、ロービームモードでは水平方向で前記ロービームホットスポットの側方に向かう領域に注ぎ、ハイビームモードでは水平方向で前記ロービームホットと前記ハイビームホットスポットの側方に向かう領域に注ぐことを特徴とするヘッドライト。
  3. 請求項3記載のヘッドライトにおいて、
    前記第3のLEDアレイにおける水平方向のLEDサブセットが、制御信号に従う選択的な動作のために電気的に接続されていることを特徴とするヘッドライト。
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