JP4783257B2 - 半導体発光素子を光源とする車両前照灯用の投影レンズ - Google Patents

Description

本発明は、例えば車両前照灯，補助前照灯等として使用されるＬＥＤ等の半導体発光素子を光源とする車両前照灯用の投影レンズに関する。

従来、このような車両前照灯は、例えば図９に示すように、構成されている。 即ち、図９において、車両前照灯１は、光源としてのＬＥＤユニット２と、ＬＥＤユニット２の光照射方向前方に配置された投影レンズ３と、から構成されている。

上記ＬＥＤユニット２は、少なくとも一つのＬＥＤ２ａから構成されており、光照射方向前方に向かって光を出射するようになっている。
また、上記投影レンズ３は、凸レンズから構成されており、その光源側の焦点が、上記ＬＥＤユニット２の発光中心付近に位置するように、配置されている。

このような構成の車両前照灯１によれば、上記ＬＥＤユニット２に対して外部から給電が行なわれることにより、各ＬＥＤ２ａが駆動され、発光する。
上記ＬＥＤユニット２の各ＬＥＤ２ａから出射した光が、投影レンズ３を透過すると共に、ほぼ平行光となって、光出射方向前方に向かって照射される。

ここで、上記投影レンズ３は、図１０に示すように、光源側が平坦な所謂平凸レンズであって、その周縁から半径方向外側に突出するフランジ部３ａを備えている。
上記投影レンズ３は、上記ＬＥＤユニット２の発熱量が小さいことから、使用時に温度が殆ど上昇しないので、例えばメタクリル樹脂，ポリカーボネイト樹脂等から射出成形により成形されている。

その際、上記投影レンズ３は、ゲート部分による光学的影響を回避するために、図１０にて矢印Ｇで示すように、上記フランジ部３ａに成形用のゲート口が配置されるようになっている。
従って、上記投影レンズ３の成形時には、このゲート口から、投影レンズ３を成形すべき金型のキャビティ内に、溶融樹脂材料が注入され、硬化後に金型から取り出されることにより、上記投影レンズ３の射出成形が行なわれるようになっている。

しかしながら、図１０に示したフランジ部３ａにゲート口を配置した場合には、上記投影レンズ３が平凸レンズであることから、凸部が比較的大きく突出することになるため、樹脂材料の流入距離、特にゲート口から凸レンズの凸部頂点までの樹脂材料の流入距離が比較的長くなってしまう。
例えば、投影レンズ３が、有効直径４２ｍｍ，フランジ厚３ｍｍ，光取り込み角度３２．３度の場合、バックフォーカスＢＦ３１．３ｍｍ，レンズ厚１３．５ｍｍとなる。

このため、投影レンズ３の成形時に、金型キャビティ内の各部に対して十分な成形圧力を伝達することが困難となり、成形品である投影レンズ３の表面形状が、金型形状を忠実に再現することができず、品質面の安定性が低くなってしまう。
また、平凸レンズの場合、凸部が大きく突出していることから、投影レンズ全体の重量が増大してしまうと共に、成形のために必要な樹脂材料の量が多くなり、コストが高くなってしまう。

また、上記フランジ部３ａは、一般的に平坦に形成されており、レンズホルダーに取り付けられることによって、投影レンズ３を固定保持するためにのみ使用されるようになっている。

また、このような問題は、光源としてＬＥＤ２ａを使用した場合だけでなく、他の種類の半導体発光素子を使用している場合についても、同様に発生する。

本発明は、以上の点から、簡単な構成により、射出成形による品質を向上させると共に、フランジ部を光学的にも利用するようにした車両前照灯用の投影レンズを提供することを目的としている。

上記目的は、本発明によれば、少なくとも一つの半導体発光素子を備えた光源ユニットからの光を集束して、光照射方向前方に向かって照射するように、外周縁に設けられたフランジ部により固定保持される、車両前照灯用の投影レンズにおいて、上記投影レンズが、透明性を有する熱可塑性樹脂から射出成形により成形された両凸レンズであって、上記投影レンズの出射面面積が入射面面積より大きく選定され、上記フランジ部の一部が、光源からの光を透過させて、オーバーヘッドサイン用配光パターンを形成させるように、構成されていることを特徴とする、半導体発光素子を光源とする車両前照灯用の投影レンズにより、達成される。

上記構成によれば、上記投影レンズが、両凸レンズとして構成されている。これにより、この投影レンズの成形の際に、当該投影レンズを形成するための金型キャビティ内に樹脂材料が注入されたとき、この金型キャビティ内の各部への樹脂材料のゲート口からの流入距離が比較的短くなる。
従って、上記金型キャビティの各部に対して十分に大きな成形圧力が伝達され得ることになる。これにより、この金型キャビティ内における成形品である投影レンズが正確に成形され得、上記投影レンズの成形に関する品質が向上し、品質の安定性が高められ得ることになる。

また、上記投影レンズが両凸レンズとして構成されていることから、投影レンズ全体の容積が平凸レンズの場合と比較して低減されることになり、軽量化を実現することができる。また、成形に必要な樹脂材料が少なくて済むので、材料コストが低減され得ることになる。
さらに、上記投影レンズの出射面面積が入射面面積より大きく選定されていることから、光源からこの投影レンズの入射面に入射する光の入射角度が比較的小さい。このため、当該投影レンズの屈折作用により、容易に且つ確実に出射面に導かれることになり、当該投影レンズによる光の照射効率が高くなる。

このようにして、本発明によれば、投影レンズが、出射面面積が入射面面積より大きい両凸レンズとして形成されていることにより、成形品としての投影レンズの成形が正確に行なわれ得る。また、光源からの光の照射効率が高く、しかもフランジ部の一部が、オーバーヘッドサイン用配光のための光学面として利用されるので、車両前照灯用として最適な投影レンズが得られることになる。

以下、この発明の好適な実施形態を図１から図８を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

［実施例１］
図１は、本発明による投影レンズの第一の実施形態の構成を示している。
図１において、投影レンズ１０は、図９に示す車両前照灯１における投影レンズ３の代わりに使用され得る投影レンズであって、図示の場合、出射面面積が入射面面積より大きく、即ち出射面の曲率半径が入射面の曲率半径より小さく選定されており、入射側１１及び出射側１２がそれぞれ凸面である所謂両凸レンズとして構成されている。また、その周縁から半径方向外側に突出するフランジ部１３を備えている。

上記投影レンズ１０は、例えばメタクリル樹脂，ポリカーボネイト樹脂，シクロオレフィン樹脂等の透明性を有する熱可塑性樹脂から射出成形により成形されている。
ここで、上記投影レンズ１０は、射出成形の際の成形用のゲート口が、図１にて符号Ｇで示すように、フランジ部１３の側面に対向するように配置されている。
これにより、上記投影レンズ１０は、フランジ部１３の側面に、ゲートカット部１４が形成されることになる。

本発明実施形態による投影レンズ１０は、以上のように構成されており、その射出成形の際には、フランジ部１３の側面に対向するゲート口から、この投影レンズ１０の成形のための金型キャビティ内に樹脂材料が注入される。
ここで、上記投影レンズ１０が両凸レンズとして形成されていることから、当該投影レンズ１０を成形するための金型キャビティの各部への樹脂材料の流入距離が比較的短くなる。
従って、樹脂注入時に、上記金型キャビティの各部に対して十分に大きな成形圧力が伝達され得る。このため、この金型キャビティ内における成形品である投影レンズ１０が正確に成形され得ることになる。

また、上記投影レンズ１０は、その出射面面積が入射面面積より大きく選定されている。このため、光源から投影レンズ１０の入射面１１から入射した光が、確実に出射面１２から出射することになり、光照射効率が向上することになる。

このようにして、本発明実施形態の投影レンズ１０によれば、この投影レンズ１０が両凸レンズとして形成されていることにより、当該投影レンズ１０の成形が正確に行なわれ得る。これにより、車両前照灯用として最適な投影レンズが得られることになる。

図２は、図１に関連して上述した投影レンズ１０を使用した車両前照灯の構成例を示している。
図２において、車両前照灯２０は、ＬＥＤ光源ユニット２１と、このＬＥＤ光源ユニット２１からの光を光照射方向前方に向かって反射させるリフレクタ２２と、このリフレクタ２２の前方に配置された投影レンズ１０と、上記リフレクタ２２と投影レンズ１０との間に配置されたシャッタ２３と、レンズホルダー２４と、から構成されている。

上記ＬＥＤ光源ユニット２１は、基板２１ａ上に実装された少なくとも一つのＬＥＤ２１ｂを備えており、図示の場合、上記基板２１ａは、車両前照灯２０の光軸Ｏに対して上面がやや後向きに斜めに配置されている。

上記リフレクタ２２は、上記ＬＥＤ光源ユニット２１からの光を光照射方向前方に向かって反射するように、光照射方向前方に向かって凹状に形成され、その第一の焦点位置Ｆ１がＬＥＤ光源ユニット２１の発光中心付近に位置する。また、その第二の焦点位置Ｆ２が前側にてＬＥＤ光源ユニット２１から光照射方向前方に関してやや上方に位置するように、楕円系の反射面として構成されている。 ここで、楕円系反射面は、回転楕円面，楕円柱だけでなく、楕円面を基本とした自由曲面を含むものである。

上記投影レンズ１０は、上記リフレクタ２２の第二の焦点位置Ｆ２から前方に向かって水平に延びる光軸Ｏ上にて、その光源側（後側）の焦点が上記リフレクタ２２の第二の焦点位置Ｆ２付近に位置するように、配置されている。

上記シャッタ２３は、リフレクタ２２で反射して前方に向かって照射される光の一部を遮断してカットオフラインを形成することにより、所定のすれ違いビーム用の配光パターンを付与するためのものであり、不透光性材料から形成されている。
上記シャッタ２３は、上記投影レンズ１０の光源側の焦点位置即ち上記リフレクタ２２の第二の焦点位置Ｆ２付近に配置されている。

上記レンズホルダー２４は、遮光性材料から構成されており、上記投影レンズ１０を、その外周のフランジ部１３により支持する。また、図示の場合、上記リフレクタ２２の先端に対して取り付けられ、固定保持されている。

このような構成の車両前照灯２０によれば、ＬＥＤ光源ユニット２１の各ＬＥＤ２１ｂが駆動され、発光することにより、ＬＥＤ光源ユニット２１から光が出射することになる。
ＬＥＤ光源ユニット２１から出射した光は、上記リフレクタ２２の内面で反射して、このリフレクタ２２の第二の焦点位置Ｆ２に向かって前方に進み、投影レンズ１０により集束しながら、光照射方向前方に向かって照射される。
ここで、上記リフレクタ２２からの反射光のうち、一部の光が、上記シャッタ２３により遮断され、その上縁２３ａによりカットオフラインを形成されて、光照射方向前方に向かって照射される。従って、すれ違いビーム用の配光パターンが形成されることになる。

次に、上述した投影レンズ１０の両凸レンズ形状による効果について具体例により考察する。
具体例として、図３に示すような三つの投影レンズを使用する。
一つ目は、図３（Ａ）に示す本発明による両凸レンズ３１、二つ目は、図３（Ｂ）に示す従来の平凸レンズ３１、そして三つ目は、図３（Ｃ）に示す（入射面が凹状，出射面が凸状の）メニスカスレンズ３１である。

これらの投影レンズ３１〜３３は、共通データとして、凸レンズ有効径ｄを４２ｍｍ，フランジ部１３の厚さｔを３ｍｍ，光取り込み角度θ（図４参照）を３２．３度とする。
これにより、両凸レンズ３１においては、入射面１１の曲率半径Ｒを８０ｍｍとすると、バックフォーカスＢＦ（図４参照）は、２９．３ｍｍ，レンズ厚Ｔは、１３．４ｍｍとなる。
また、平凸レンズ３２においては、前述したように、バックフォーカスＢＦが３１．３ｍｍ，レンズ厚Ｔが１３．５ｍｍとなる。
これに対して、メニスカスレンズ３３においては、バックフォーカスＢＦが３３．２ｍｍ，レンズ厚Ｔが１３．７ｍｍとなる。

これにより、両凸レンズ３１が、他のレンズ３２，３３に対して、レンズ厚Ｔはほぼ同じであるが、バックフォーカスＢＦが小さい。このため、車両前照灯１０全体が、例えば奥行きで２．１ｍｍ程度短縮され、小型に構成され得ることになる。
また、両凸レンズ３１においては、フランジ部１３から投影レンズの凸部頂点までの距離が、従来の平凸レンズ３２と比較して、約２．８ｍｍ短縮されることになる。このため、成形時にゲート口Ｇから凸部頂点までの流動距離も短縮され、成形圧力が金型キャビティの各部まで十分に伝達されることになり、投影レンズ１０の正確な成形が行なわれ得る。これにより、投影レンズの品質面での安定性が良好になる。

さらに、これらの投影レンズ３１〜３３の容積及び重量は、両凸レンズ３１で、容積１１．９０９ｃｃ，重量１４．２９ｇであり、また平凸レンズ３２で、容積１２．４８７ｃｃ，重量１４．９８ｇであり、さらにメニスカスレンズ３３では、容積１３．２９１ｃｃ，重量１５．９５ｇとなり、両凸レンズ３１が最も容積が小さく、最も軽量であることが分かる。
従って、両凸レンズ３１では、レンズ自体が小型軽量に形成されることになる。このため、即ち平凸レンズ３２と比較して、約０．７ｇの軽量化となる。これにより、車両前照灯も小型で軽量に構成され得て、投影レンズの材料コストが低減され得ることになる。

［実施例２］
図５は、本発明による投影レンズの第二の実施形態の構成を示している。
図５において、投影レンズ４０は、図１に示した投影レンズ１０とほぼ同様に構成されており、外周縁の平坦なフランジ部１３の代わりに、部分的に光学面４１ａを備えたフランジ部４１を有している。
この光学面４１ａは、図５（Ｂ）に詳細に示すように、光源から導かれる光を、その屈折作用により、所定方向に照射するように構成されている。
例えば、この投影レンズ４０が車両前照灯に組み込まれて使用される場合、光源からの光を、光軸Ｏのやや上側に向かって照射することにより、例えばオーバーヘッドサイン用配光パターンを形成するようになっている。

これにより、上記フランジ部４１は、投影レンズ４０をレンズホルダー（図示せず）に対して取り付けるためだけではなく、光学的にも利用され得ることになる。従って、例えばオーバーヘッドサイン用配光パターンを形成するために、別体のレンズ等の光学部材を設ける必要がなくなり、簡単な構成により、低コストでオーバーヘッドサイン用配光パターンを形成することができる。

図６は、図５に関連して上述した投影レンズ４０を使用した車両前照灯の構成を示している。
図６において、車両前照灯５０は、図２に示した車両前照灯２０とほぼ同じ構成であるので、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
上記車両前照灯５０は、図２に示した車両前照灯２０とは、投影レンズ１０の代わりに、上記投影レンズ４０が使用されている。また、リフレクタ２２が、オーバーヘッドサイン用の反射面２２ａを備えている点でのみ異なる構成になっている。

ここで、上記リフレクタ２２のオーバーヘッドサイン用の反射面２２ａは、リフレクタ２２の上端付近に設けられており、ＬＥＤ光源ユニット２１からの光を、上記投影レンズ４０のフランジ部４１の光学面４１ａに向かって導くように構成されている。
尚、この光学面４１ａを通過した光が、所定のオーバーヘッドサイン用配光パターンを形成するように、これらの光学面４１ａ及び反射面２２ａの形状（曲率半径）が適宜に選定されている。

このような構成の車両前照灯５０によれば、図２に示した車両前照灯２０と同様に作用して、図７に示すように、すれ違いビーム用の配光パターンＬ１が形成される。また、上記ＬＥＤ光源ユニット２１から出射した光の一部が、上記リフレクタ２２の反射面２２ａで反射して、上記投影レンズ４０のフランジ部４１の光学面４１ａを透過することにより、オーバーヘッドサイン用の配光パターンＬ２が形成されることになる。

［実施例３］
図８は、本発明による投影レンズの第三の実施形態の構成を示している。
図８において、投影レンズ６０は、図５に示した投影レンズ４０とほぼ同様に構成されており、外周縁のフランジ部４１の光学面４１ａの代わりに、異なる形状の光学面４１ｂを有している点でのみ異なる構成になっている。
この光学面４１ｂは、図８（Ｂ）に詳細に示すように、光源から導かれる光を、その屈折作用により、所定方向に照射するように構成されている。
例えば、この投影レンズ６０が車両前照灯に組み込まれて使用される場合、光源からの光を、光軸Ｏのやや上側に向かって照射することにより、例えばオーバーヘッドサイン用配光パターンを形成するようになっている。

このような構成の投影レンズ６０によれば、図５に示した投影レンズ４０と同様に作用して、例えば車両前照灯に組み込まれた場合に、オーバーヘッドサイン用の反射面で反射した光が、この光学面４１ｂに入射し、光照射方向前方に向かって照射されることにより、所定のオーバーヘッドサイン用の配光パターンを形成する。

このようにして、本発明によれば、投影レンズが、両面が凸状に形成された両凸レンズとして構成されることにより、ゲート口から各部への流入距離が短縮される。これにより、投影レンズが正確に成形されることになり、品質が向上し、全体として小型且つ軽量に形成され、車両前照灯全体が小型化され軽量化されることになる。
また、フランジ部の一部が、光学面として利用されることにより、例えばオーバーヘッドサイン用配光パターンを形成することができる。これにより、利便性が向上することになり、車両前照灯がより簡単な構成になる。

上述した実施形態においては、光源としてＬＥＤを使用した車両前照灯用の投影レンズについて説明したが、これに限らず、ＬＥＤ以外の例えばレーザー素子等の他の種類の半導体発光素子を光源とする車両前照灯用の投影レンズにも本発明を適用し得ることは明らかである。
また、上述した実施形態においては、単に車両前照灯用の投影レンズについて説明したが、車両前照灯としては、自動車用，二輪車用のヘッドランプだけでなく、例えばフォグランプ等の補助前照灯にも本発明を適用し得ることは明らかである。
さらに、上述した実施形態においては、投影レンズ１０は、単に両面がそれぞれ球面として形成された両凸レンズについて説明したが、これに限らず、出射面面積が入射面面積より大きければ、少なくとも一方の面が非球面として形成されていてもよいことは明らかである。

このようにして、本発明によれば、簡単な構成により、射出成形による品質を向上させ、フランジ部を光学的にも利用するようにした、極めて優れた車両前照灯用の投影レンズが提供されることになる。

本発明による車両前照灯用の投影レンズの一実施形態の構成を示す概略側面図である。 図１の投影レンズを組み込んだ車両前照灯の構成例を示す概略断面図である。 図１の投影レンズの両凸形状の効果を検証するための（Ａ）両凸レンズ，（Ｂ）平凸レンズ及び（Ｃ）メニスカスレンズをそれぞれ示す断面図である。 図３の投影レンズのバックフォーカス及び光取り込み角度を示す説明図である。 本発明による投影レンズの第二の実施形態の構成を示す（Ａ）断面図及び（Ｂ）部分拡大断面図である。 図５の投影レンズを組み込んだ車両前照灯の構成例を示す断面図である。 図６の車両前照灯による配光パターンを示すグラフである。 本発明による投影レンズの第三の実施形態の構成を示す（Ａ）断面図及び（Ｂ）部分拡大断面図である。 従来のＬＥＤ光源を備えた車両前照灯の一例の構成を示す概略断面図である。 図９の車両前照灯で使用される投影レンズの構成例を示す断面図である。

符号の説明

１０，４０，６０ 投影レンズ
１１ 入射側
１２ 出射側
１３ フランジ部
１４ ゲートカット部
２０，５０ 車両前照灯
２１ ＬＥＤ光源ユニット
２１ａ 基板
２１ｂ ＬＥＤ
２２ リフレクタ
２２ａ オーバーヘッドサイン用反射面
２３ シャッタ
３１ 投影レンズ（両凸レンズ）
３２ 投影レンズ（平凸レンズ）
３３ 投影レンズ（メニスカスレンズ）
４１ フランジ部
４１ａ，４１ｂ 光学面

Claims (1)

1. 少なくとも一つの半導体発光素子を備えた光源ユニットからの光を集束して、光照射方向前方に向かって照射するように、外周縁に設けられたフランジ部により固定保持される、車両前照灯用の投影レンズにおいて、
   上記投影レンズが、透明性を有する熱可塑性樹脂から射出成形により成形された両凸レンズであって、
   上記投影レンズの出射面面積が入射面面積より大きく選定され、
   上記フランジ部の一部が、光源からの光を透過させて、オーバーヘッドサイン用配光パターンを形成させるように、構成されていることを特徴とする、半導体発光素子を光源とする車両前照灯用の投影レンズ。

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