JP5290414B2 - 少なくとも１つの光学素子を備えた保持フレーム - Google Patents

Description

本発明は光学素子が取り付けられた保持フレームと、光学素子を保持フレームに取り付ける方法と、保持フレームを備えた照明装置、特に車両ヘッドライトモジュールとに関する。

US 2005/0128762 A1には、光源の前に配置するように形成されたレンズ支持体とガラスレンズとを含んだ照明装置が記載されている。これらのレンズ（光の屈折によって結像する光学素子）は光源に取り付けられたレンズ支持体と一体に形成されている。支持体は合成樹脂材から形成されており、レンズは光源の方向を向くように形成された裏面と、光学的な正面と、裏面と正面とを互いに結合している周縁リムを有しており、レンズ支持体のリムにレンズが嵌め込まれている。ランプは支持体がインサート成形によってレンズに取り付けられていることを特徴としている。支持体を構成している材料はレンズのリムを少なくとも部分的に包囲している。

本発明の課題は、特に照明装置用に光学素子を保持する別の手段、それも特に保持すべき光学素子への負荷が低減された保持手段を提供することである。

この課題は、各々の独立請求項によれば、保持フレーム、保持フレームとこの保持フレームに取り付けられた光学素子とから成るシステムを形成する方法、および照明装置、特に車両ヘッドライトモジュールにより解決される。有利な実施形態は特に従属請求項に記載されている。

保持フレームは射出成形により保持フレームに取り付けられた少なくとも１つの光学素子を備えている。この少なくとも１つの光学素子は少なくとも内部全反射および／または回折によってビームを形成するように形成されている。少なくとも内部全反射および／または回折のある光学素子とは、内部全反射および／または回折によってビームを案内する光学素子であるが、さらに屈折によってビームを案内するようにしてもよい。

少なくとも１つの光学素子がＣＰＣ状の部分、ＣＥＣ状の部分および／またはＣＨＣ状の部分を有していると特に有利である。特にＣＰＣ状の集光器を使用することができる。ここで集光器とは、反射側面が少なくとも部分的におよび／または少なくとも出来るだけ放物面を合わせた集光器（「複合放物面集光器」ＣＰＣ）の形状を有する集光器を意味している。同様に、例えば楕円面を合わせた集光器（「複合楕円面集光器」ＣＥＣ）および／または双曲面を合わせた集光器（「複合双曲面集光器」ＣＨＣ）を使用してもよい。

自由曲面集光器を使用すると特に有利である。集光器は、特に車両ヘッドライトモジュールの一次光学系として使用した場合に、光源から二次光学系へ光を投光し、光分布パターンを調節する、例えば明暗限界を形成するのに有利に利用しうる。

代替的または付加的に、光学素子が四角錐台の部分または円錐台の部分を有しているとまた有利である。

光学素子は保持フレームに機械的に良好に取り付けられるように有利には少なくとも２つの突起部を、特に側面に配置された突起部を有している。ちょうど２つの突起部を向かい合う位置に設けると有利である。突起部を光学素子の全周のうちの僅かな部分に配置すると、機械的および／または熱的負荷の伝達を低減するのに特に有利である。

保持フレームの周縁部にあるアーチ、とりわけ狭いアーチによって突起部を保持するようにすると特に有利である。

特に有利には、保持フレームは合成樹脂、特に熱可塑性合成樹脂、具体的にはＰＰＳ（「ポリフェニレンサルファイド」、「ポリ（チオ-ｐ-フェニレン）」とも呼ばれる）、特にリニアＰＰＳから成る。ＰＰＳの良好な機械的特性は２００℃をはるかに超える温度でも得られるので、負荷に応じて２４０℃まで連続使用が可能である。短期的には２７０℃までの温度における負荷にも耐えられる。さらに、ほぼすべての溶媒、すなわち酸およびアルカリ溶液に対する化学的耐性、また限定的ではあるが高温でも空中酸素に対する化学的耐性が優れている。さらにＰＰＳは水の吸収が少ないことに加えて良好な寸法安定性と本質難燃性を有している。ＰＰＳは優れた電気絶縁特性を有し、ほとんどの液体および気体に対して高度の不透過性を持ち、高温でも低いクリープ率しか有しておらず、流動性が良いため、長くて細い成形部材と複雑なジオメトリの工具とに適している。リニアＰＰＳは架橋ＰＰＳとは違って多様な処理方法によって部材へと成形することが可能である。

散乱光を特に効率的に低減させるために、保持フレームは有利には光学素子の方向を向いた壁の内面に吸光性の表面構造を有している。

このために壁は例えば粗面処理されていてもよいし、かつ／または吸光性の層で被覆されていてもよい。

さらに、散乱光を効率的かつ全面的に低減するために保持フレームは有利には光学素子を側面から包囲する閉じた包囲壁を有している。

保持フレームと保持フレームに取り付けられた光学素子とから成るシステムを形成する方法は少なくとも、保持フレームを射出成形するステップを有する。光学素子は、特に周縁部のアーチにより、複数の取付け突起部においてのみ保持フレームにモールドされる。

別のステップでは、保持フレームは直接または例えば回路支持体、冷却体またはサブストレート基板のような更なる手段を介して光源に接続される。

照明装置はこのような保持フレームを備えており、特に一次光学系として、光学素子に対して直列に配置された少なくとも１つの半導体光源、特に発光ダイオードを有する。

光学素子はガラスまたは透明な合成樹脂、有利にはシリコーンから成るものであってよい。

以下では、本発明の実施例を図面に基づいてより詳細に説明する。なお、見易いように同じ要素または同機能の要素には同一の参照番号が付されている。

分解図として光学素子のためのフレームとこのフレーム内に保持すべき光学素子とを斜め上から示す。 光学素子がフレームに取り付けられた図１のシステムを斜め上から示す。 図２のシステムを有する照明装置を横から断面図として示す。

図１には、保持フレーム２とこのフレームに取り付けるべき光学素子３とを備えた光学系１が分解図で示されている。光学系１は一般に１つまたは複数の光源に対して直列に配置されており、光源から放出された光の少なくとも一部を案内するために使用される。光学系１は例えば自動車の照明装置の一部として、例えばヘッドライトの一部として使用することができる。

保持フレーム２は上面および下面が開いた中空の基体４を有している。基体４は閉じた厚い包囲壁５によって実質的に楕円形の輪郭で形成される。このようにして形成された基体４の内部空洞６は光学素子３を入れるために使用される。このために基体４の上縁部７は向かい合った凹部８の形で２つの受け部を有している。基体４の下部には、ここには図示されていない照明装置に保持フレーム２を取り付けるために横方向に突き出た４つのラグ９，１０が設けられている。保持フレーム２を案内するために、互いに斜めの位置にある２つのラグ９は垂直な案内ピン１１を有しており、案内ピン１１の下部は保持フレーム２の位置決めに、上部は二次光学系の位置決めに使用される。他の２つのラグ１０は取付ネジを通す貫通孔１２を有している。

保持フレーム２はリニアＰＰＳから製造されている。ＰＰＳは保持フレーム２での光の反射を最小化するために黒色処理されている。これにより、保持フレーム２に当たる不所望な散乱光を抑制することができる。保持フレーム２での光の反射をさらに抑制するために、基体４ないし壁５の内面１３は粗面処理されている。保持フレーム２の側面からの散乱光の放出は閉じた包囲壁５によっても抑制される。

光学素子３は非対称な角錐台の基体１４を有する内部全反射（’total internal reflection’，ＴＩＲ）光学系としてガラスから形成されている。このような形状の一次光学系は光の発散を効率的に低減することができる。その結果、特に十分な明るさと明確に規定された放射特性を有するヘッドライトを実現することができる。

光学素子３は保持フレーム２への取付けのために脇に２つのラグ状の突起部１５を持つ取付け部を有している。突起部１５は基本的に取付け機能を有するものであって、光学素子３の光学特性に対しては無視できる程度の影響しか及ぼさない。突起部１５においてのみ固定することの利点は明暗限界が良好に定められる点にある。光学素子３は突起部１５においてのみ保持フレーム２に取り付けられており、残りの表面は空いている。突起部１５が光学素子３の全周のうちの僅かな部分しか占めない（つまり、上縁部の狭い側に配置される）ことにより、装着によって生じる突起部の機械的な負荷は光学素子３の残りの体積体に対して僅かな影響しか及ぼさない。これは空いた表面によって材料の歪みを少なくとも部分的に減らすことができるからである。この「負荷良好性」は、使用する突起部１５が小さければ小さいほど、関連する取付け部が小さければ小さいほど、顕著になる。

光学系１は保持フレーム２の射出成形によって形成されるため、保持フレーム２と光学素子３は意図的に分離されていないということに留意しなければならない。

図２には、保持フレーム２と光学素子３が互いに接続された光学系１が示されている。これは保持フレーム２を光学素子３に射出成形することによって行われる。ＴＩＲ素子３の上面は保持フレーム２の上縁７と実質的に面一にシールされるので、狭い周縁部アーチ１９は光学ＴＩＲ素子３の突起部１５のすぐ上に位置し、光学素子３を保持フレーム２に保持する。

例えば包囲型の取付け縁によって完全に包囲するように固定するのに比べて、縁部に部分的にしか存在しない突起部１５がもたらす利点は、第１に光学素子３の熱負荷が大幅に小さいこと、第２に接合部を簡単に射出成形できるということである。光学素子３は狭いアーチ１９だけによって支持される。したがって、シリコーンから成る光学素子でも使用可能である。

光学素子３の突起部１５以外の表面は保持エレメント２と接触していない。内部空洞６に沿って上または下から見ると、突起部１５まで包囲する自由空間は光学素子３と保持フレームの間にとどまっている。したがって光学素子２は内部空洞６を閉じない。この「ゆるい」配置により、様々に成形された光学素子（集光器、回折格子など）を同一の保持フレーム２内で使用することが可能である。

図３には、図２のシステムを有する照明装置が断面図で示されている。この図では、光学素子３（ＴＩＲ集光器）は非対称に形成されている。したがって２つの側壁２０の傾斜は異なっている。しかし、下部の光入射面２１と上部の光出射面２２との間を直接結ぶ線はこれらの側壁に沿って実質的に真っ直ぐ延びている。さらに、光学素子３の角錐台領域２３の上方には拡大しない延長領域２４が接しており、この延長領域２４の側方にもラグが配置されている。アーチ１９は光学素子３を上部光出射面２２の縁部に固定する。光学素子３はその長手方向（ｚ軸に平行）に沿って保持フレーム１７によって完全に側方を包囲されている。ここに示されている光学素子３の狭い側の断面図から、光学素子２は内部空洞６の１／３未満しか占めていないが、内部空洞６の（ｚ方向に沿った）ほぼ全長を超えていることが分かる。

ここでは単にスケッチとしてしか示されていないが、動作中、発光ダイオード２５からの光は光学素子３の下部光入射面２１に供給される。共通のサブマウントに載置された複数の白色ＬＥＤチップから形成された発光ダイオード２５は下部光入射面２１の近傍に配置されているので、発光ダイオード２５から放射された光の大部分は下部光入射面２１に入射し、ほんの少しの部分しか保持フレーム２の壁５の内面１３へと放射されない。ＬＥＤ２５からの光は直接光学素子３と壁５の間の自由空間を通って放射されることはない。内面１３の吸光特性により、内面１３に入射する光は吸収される。それゆえ、光は光学素子３からしか外に（ここでは上に）放射されない。より正確に言えば、下部光入射面２１に入射した光が直接光学素子３によって上部光出射面２２まで放射され、上部光出射面２２から再び外へ放射されるか、光学素子３の側壁２０に当たった光線が内部全反射（ＴＩＲ）によって光学素子３へと反射し返されるかである。その結果、僅かな放射損失だけで所望の照明パターンが得られる。

もちろん本発明は図示された実施例に限定されない。

例えばＰＰＳの代わりに他の合成樹脂、有利には熱可塑性合成樹脂を使用してもよい。この合成樹脂は光を透過させるものであると有利である。

光学素子の種類も限定されない。実質的に角錐台状の構造を有するＴＩＲ集光器の代わりに、例えば実質的に円錐台状の基体を使用してもよい。

しかし、ＴＩＲ集光器の代わりに例えば自由曲面状、ＣＰＣ状、ＣＥＣ状またはＣＨＣ状の集光器を使用してもよい。

また、例えば集光器に回折構造を設けた、集光器と回折光学系の組合せを使用することも可能である。

また一般に偏向プリズムを使用してもよい。

代替的に、特にフレネルゾーンプレートや回折格子のような回折光学素子を保持フレームに保持してもよい。

光学素子はビーム成形のために例えばいわゆる枕構造などの微細構造を持つ表面を有していてよい。

光学素子の取付け部の数、特に取付け突起部の数は限定されていない。したがって、２つより多くの取付け部があってもよく、また部分的にまたは完全に包囲する縁部の形の受け部がただ１つだけあってもよい。

有利には、半導体光源は少なくとも１つの発光ダイオードを含む。光源は例えば１つまたは複数の発光ダイオードチップを備えたＬＥＤモジュールとして存在していてもよいし、有利には白色光を放射するただ１つのカバーされたＬＥＤ、例えば変換ＬＥＤとして存在していてもよい。複数の発光ダイオードが存在する場合、これらの発光ダイオードは例えば同色（単色または多色）および／または異色で発光することができる。例えば、ＬＥＤモジュールは全体として例えば「冷白色」または「温白色」の白色混合光を発する複数の単独ＬＥＤチップ（「ＬＥＤクラスタ」）を有していてよい。白色混合光を発生させるために、ＬＥＤクラスタは有利には赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の基本色で発光する発光ダイオードを含む。その場合、複数のＬＥＤから同時に１つまたは複数の色を発生させることができるので、ＲＧＢ、ＲＲＧＢ、ＲＧＧＢ、ＲＧＢＢ、ＲＧＧＢＢ等の組合せが可能である。しかしながら、色の組合せはＲ、Ｇ、Ｂに限定されるものではなく、例えば白色ＬＥＤチップも含まれていてよい。温白色の色調を得るために例えば琥珀色のＬＥＤ「アンバー」（Ａ）が１つまたは複数あってもよい。ＬＥＤモジュールはまた複数の白色ＬＥＤチップを有していてもよい。これにより光束を簡単にスケーリングすることができる。個々のチップおよび／またはモジュールはビーム成形のための適切な光学系、例えばフレネルレンズ、コリメータなどを備えていてよい。同色または異色の複数のＬＥＤモジュールを１つのコンタクトの上に配置してもよい。例えば複数の同色ＬＥＤモジュールを同じ基板上に配置してもよい。例えばＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＰをベースとした無機発光ダイオードに代わってまたは加えて、一般的に有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）も使用可能である。また例えばダイオードレーザを使用してもよい。

１ 光学系
２ 保持フレーム
３ 光学素子
４ 基体
５ 壁
６ 内部空洞
７ 上縁
８ 凹部
９ ラグ
１０ ラグ
１１ 案内ピン
１２ 貫通孔
１３ 壁の内面
１４ 光学素子の基体
１５ 突起部
１９ アーチ
２０ 側壁
２１ 下部光入射面
２２ 上部光出射面
２３ 光学素子の角錐台状部分
２４ 拡張部分
２５ 発光ダイオード

Claims (8)

1. 射出成形によって少なくとも１つの光学素子（３）が取り付けられた保持フレーム（２）であって、前記少なくとも１つの光学素子（３）は少なくとも内部全反射および／または回折によってビーム成形するために形成されている、保持フレーム（２）において、
   前記光学素子（３）は前記保持フレーム（２）に取り付けるために少なくとも２つの突起部を有しており、
   前記少なくとも２つの突起部（１５）は周縁部にあるアーチ（１９）によって前記保持フレーム（２）に保持される
   ことを特徴とする保持フレーム（２）。
2. 前記光学素子（３）は自由曲面集光器状の領域、ＣＰＣ状の領域、ＣＥＣ状の領域および／またはＣＨＣ状の領域を有する、請求項１記載の保持フレーム（２）。
3. 前記光学素子（３）は角錐台状の領域または円錐台状の領域を有する、請求項１または２記載の保持フレーム（２）。
4. 前記光学素子（３）を側方から包囲する閉じた包囲壁（５）を有する、請求項１から３のいずれか１項記載の保持フレーム（２）。
5. 前記包囲壁（５）の前記光学素子（３）の方向を向いた内面（１３）が吸光性の表面構造を有する、請求項４記載の保持フレーム（２）。
6. 熱可塑性合成樹脂、特にＰＰＳから成る、請求項１から５のいずれか１項記載の保持フレーム（２）。
7. 請求項１から６のいずれか１項記載の保持フレーム（２）を有する照明装置、特に車両ヘッドライトモジュールであって、前記光学素子（３）に対して特に一次光学系として直列に配置された少なくとも１つの半導体光源、特に発光ダイオード（２５）を有していることを特徴とする照明装置。
8. 保持フレーム（２）と該保持フレーム（２）に取り付けられた光学素子（３）とから成るシステムを形成する方法において、前記光学素子（３）が周縁部にあるアーチ（１９）によって複数の取付け突起部（１５）においてのみ前記保持フレームと一体にモールドされるように前記保持フレーム（２）を射出成形するステップを少なくとも有する、ことを特徴とする方法。

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