JP5405151B2 - 自動車用光学システム - Google Patents

Description

本発明は、光源、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）を有し、所定の機能を発揮しうる自動車用光学システムに関する。本発明の主たる目的は、少数の光源（好ましくはＬＥＤ）を基に、光を伝播するスクリーン（自動車の光学システムに係る法規制を満たす、外部から視認しうる光射出面）を介して、主たる機能を発揮しうる光学システムを提供することである。ここで、光学システムとは、光源、および光学的機能を営む手段を含み、前照灯装置の全部または一部を構成する要素を指すものである。また、光学的機能とは、後述する光線をつくり出すことによって、法規制に則った光ビームを形成する機能をいう。

本発明は、自動車用の照明装置、または合図ための装置の分野に属する。

上記の分野においては、種々のタイプの装置が知られている。その中でも、主なものは、次の通りである。
−尾灯（テールライト）または側灯；低強度で照明範囲が狭い。
−ロービーム用前照灯；高強度で約７０ｍ先まで照らし出すことができる。
−ハイビーム用前照灯およびこの付属灯；高強度で約200ｍ先まで照らし出すことができる。
−着脱可能な遮光マスクを備え、ロービームとハイビームの両機能を有するデュアルモード型前照灯。
−フォグランプ。
−合図用のランプ（自動車の前部と後部のウィンカ、後退灯、尾灯等）。
−昼間の走行時に、自動車の左右両端の位置を示すために使用される側灯（ＤＲＬ(Daytime Running Light)）。

本発明の適用分野は、主に、ブレーキランプ、ウィンカ、側灯、またはＤＲＬである。

上記の照明装置または合図装置における光源には、従来からハロゲンランプまたは放電ランプが使用されている。しかし、近年、自動車部品メーカーは、ウィンカーまたは尾灯に、発光ダイオードを用いることを考えている。

発光ダイオードには、多くの利点がある。
−第一に、発光ダイオードは、従来から、無指向性の光ビームを発せず、基板のダイオードＰＮ接合を支持する側とは反対側の空間に光を射出することが分かっている。すなわち、ハロゲンランプや放電ランプよりも指向性の高い光ビームを発しうるため、これらのランプよりも、エネルギーの無駄を小さくすることができる。
−第二に、発光ダイオードは、近年、発せられる光のエネルギー強度について、改善がなされている。また、発光ダイオードは、長年、赤色光しか発することができなかったが、最近では、白色光を発するものも現れており、その適用範囲は拡大している。発光ダイオードの発光時に発生する熱は、比較的小さいため、公知の前照灯におけるような熱の放散に伴う問題のいくつかを、回避することができる。しかし、高出力の発光ダイオードにおいては、熱の放散は、依然として大きな問題である。

−第三に、発光ダイオードは、放電ランプやハロゲンランプと同一強度の光を発する場合でも、これらに比べて、エネルギー消費量が小さい。また、発光ダイオードは、設置スペースをほとんど要せず、かつ自由な形状をとりうるため、これを可撓性ボードタイプの電子部品支持体に取り付けることにより、発光ダイオードに関連づけられた複雑な形状の表面を形成したり、複雑な立体的配置をつくり出したりすることができる。

発光ダイオードは、特に自動車メーカーが望む美感の基準に対応するべく、ますます広く使われるようになっている。このため、前照灯装置の内部において、発光ダイオードを３次元的に（すなわち平坦ではない支持基板上に）配置したり、光ビームを誘導する要素を用いたりすることによって、前照灯装置を、当初の容積を保ちつつ製造することが可能になっている。

近年、発光ダイオードから射出された光線が内部を伝播するようになっている光学システムであって、スクリーンを利用して、光を遮るカーテンを形成するようになっている光学システムが提案されている。この光学システムは、同じ光学システムの他の機能（第３の光源により形成される光ビームによって発揮される機能）よりも重要と認められる機能（主機能）を有している。この光学システムにおいては、第３の光源となる発光ダイオードは、主機能には関与しないため、主機能を含めて考慮すると、複数の光源を用いることになる。したがって、このような光学システムは、必要とされる光源の数が多いために、製造コストが高く、かつ大きな設置スペースを必要とする。

上述の光を遮るカーテンとは、光学システム内部の空間を伝播する光ビームの照射を受けながら、この光ビームの射出を阻むようになっている、光学システムの一部を構成する面をいう。この光のカーテンによって射出を阻止される光ビームは、光学システムの主機能を実行したり支援したりすることはなく、純粋に装飾的な機能、または主機能をごく僅かに補助する役割を果たすだけである。照明の分布強度は、空間的に可能な限り連続的なものとし、モザイク化が生じないようにするのが好ましい。

本発明は、上記の課題や短所の解決策を提示するものである。本発明においては、光源の数、特に主機能を担うために用いられる発光ダイオードの数を少なくした光学システムを提案するものである。さらに、本発明においては、光源、特に発光ダイオードから発せられる光線からなる合図の信号、または光ビームを拡散するための光線拡散スクリーンを、この位置、特に、所望の主機能を果たす光射出面の向きの設定や、光線拡散スクリーンの形状の調整によって、この光射出面の面積を、所望の主機能に寄与しうるよう拡大することができる。光線拡散スクリーンの位置は、補助的な光学的機能、すなわち、「サイドマーカー」として知られる自動車の側端部の位置を示すマーカー機能の遂行に寄与しうるものとされる。

本発明は、上記課題を解決するために、
−光線拡散スクリーンと、
−前記光線拡散スクリーンの内部を伝播する１組の光線を、それぞれ発する光源、特に発光ダイオードとを備え、少なくとも１つの主機能を営むようになっている自動車用の光学システムであって、
−前記光線拡散スクリーンは、湾曲しているかまたは概ね平坦なシート状をなし、かつ前側面および後側面を含む側面を介してつながる上面および下面を有し、
−前記主機能は、前記光線拡散スクリーンの前側面により構成される光ビーム射出面を介して発揮され、
−前記上面の一部の領域は、前記主機能に寄与するか、または主機能を補完する光学的機能を発揮する光ビームを拡散させるようになっていることを特徴とする光学システムを提供する。

本発明に係る光学システムは、さらに、次のような特徴を、１つまたは複数有する。
−前記光線拡散スクリーンの前側面の厚さは、３〜５mm、特に４mmである。
−前記光線拡散スクリーンにおける上面の第１の部分は、主機能に係る光ビームを拡散させる。
−前記上面の第１の部分は、主機能に係る光の射出方向から視た光学システムの表面を拡大しうる方向を向いている。
−前記光学システムの主機能は、制動表示機能、側端位置表示機能、または方向指示機能である。
−前記光線拡散スクリーンにおける上面の第２の部分は、自動車の側端部の位置を示すマーカー機能を発揮する光ビームを拡散させるようになっている。
−前記光線拡散スクリーンの上面は、光線拡散スクリーンの内部を伝播するべき光線の一部を、光線拡散スクリーンの外部へ発散させるのに適した複数の微細な粗い表面、特に表面が粗い小円形領域を介して、光ビームとして拡散させるようになっている。
−前記表面が粗い小円形領域の直径は、０．２〜０．６mm、特に約０．４mmである。
−前記光源、特に発光ダイオードは、前記光線拡散スクリーンの後側面に取り付けられている。
−前記側面として、少なくとも１つの側面を有し、前記光源、特に発光ダイオードは、前記横側面の少なくとも一方に取り付けられている。
−前記光源、特に発光ダイオードは、前記光線拡散スクリーンのいずれか１つの横側面に取り付けられている。
−前記側面の１つである後側面は、光源、特に発光ダイオードから発せられた光線を、光線拡散スクリーンの前側面へ向かわせる複数の反射プリズムからなっている。

上記以外の本発明の種々の特性を、両立しえないものでない限り、組み合わせることによって、後記の複数の実施形態が得られる。

本発明に係る光学システムは、自動車の前照灯装置、または合図のための装置に搭載され、上記のような主機能および補足的な機能を有する。

本発明によれば、光源の数が少なく、製造コストが低くて、かつ設置スペースが小さくてすむ光学システムが提供される。

本発明の第１の実施形態に係る光学システムの斜視図である。 同じく、異なる方向からの斜視図である。 同じく、さらに異なる方向からの斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る光学システムの斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る光学システムの斜視図である。 同じく、平面図である。

本発明の内容とその用途は、以下の説明と添付の図面から、明瞭に理解しうると思う。なお、図面は、本発明の例示のためのみのもので、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

同種の要素が複数の図面にわたって示されている場合には、特に断らない限り、同一の符号を付してある。

図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃは、本発明の第１の実施形態に係る光学システムを、それぞれ第１の方向、第２の方向および第３の方向から示している。これらの図には、自動車が後退する際の変位の方向を示すＸ軸、および垂直方向を示すＺ軸を含む３次元の直交座標を付記してある。

図１Ａ〜図１Ｃにおいて、光学システム100は、光線拡散スクリーン113と、この光線拡散スクリーン113内部の空間内で伝播する光線102を射出する複数の発光ダイオード101とを備えている。光線拡散スクリーン113は、透明なプラスチック材料（特にＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）やＰＣ（超流動体に対する透過率が高いポリカーボネート）等）から形成されている。

複数の発光ダイオード101は、すべて、これらを定位置に保持し、かつ制御しうる、後述する側面の１つに取り付けるのが好ましい。光線拡散スクリーン113は、湾曲したシート状をなしている。この湾曲したシートとは、平坦にした場合に、概ね４mmの均一な厚さ（平たい四辺形において最も短い方向の長さをいう）をもつ部品をいう。

光線拡散スクリーン113は、上面108および下面109を有し、これら２つの面108,109は、側面103を介してつながっている。側面103は、前側面104、第１の横側面105、第２の横側面106、および後側面107からなっている。前側面104は、この光学システムの中にあって、この光学システムを備えた自動車の後方に位置する観察者が直接視認しうる面である。光線拡散スクリーン113は、自動車の後方に位置する観察者が、上面108の少なくとも一部を視認しうるように湾曲している。このような形状は、側面103における第１の横側面105および第２の横側面106の少なくとも一方が、湾曲している（または少なくとも傾斜している）セグメントであることによって示されている。

各発光ダイオード101は、光線拡散スクリーン113の後側面107において、発光ダイオードから発せられる光線102が、光線拡散スクリーン113に入射しうるレベルに取り付けられている。光線102は、第１および第２の横側面105，106で反射した後、光線拡散スクリーン113の内部を伝播し、前側面104を通して、第１の光ビーム111として、光線拡散スクリーン113から射出され、少なくとも主機能（例えば側灯としての役割）を発揮する。

上面108は、直径０．２〜０．６mmの複数の小円形領域を備えている。これらの小円形領域は、表面が粗いため、光線の一部を、第２の光ビーム112として、上面108における小円形領域以外の領域115から、光線拡散スクリーン113の外部へ拡散する。以下においては、このような光を拡散させる小円形領域の面を、微細光学面と称することがある。

図１Ｂ（右上には、光線拡散スクリーン113の拡大図を付してある）においては、小円形領域は、円形領域110内側の複数の点によって示されている。光線拡散スクリーン113の拡大図においては、小円形領域の１つによって生成される光ビーム112が、１組の矢印によって示されている。図１Ｂから明らかなように、すべてではなくても、ほとんどの小円形領域は、第２の光ビーム112を生成している。図１Ｂには、拡大図を付した円形領域の外に、２つの円形領域110,110が描かれている。

小円形領域は、上面108全体に分布させるのが好ましい。小円形領域によって拡散される光線から生成する第２の光ビーム112は、外部から視認しうる光学システム100の表面を拡大することによって、主機能の性能向上に寄与する。すなわち、光学システム100のうち、外部から視認しうる表面は、光学システム100をいくらかでも傾斜させることによって、ある程度増大させることができる。

前側面104は、ホットポイント（発光体（エミッタ）の位置に相当する）を完全に覆い隠して、光ビームを空間内に拡散しうる完全拡散性の均質な表面としたり、または光ビームを空間内に拡散しうる光学パターン（表面に適合する小径のトーラスに類するもの）で覆ったり、またはホットポイントを明らかにするよう十分に研磨したりすることによって調整される。

上面108の縁部114は、自動車の側端部の位置を示すマーカー（サイドマーカー）を補完する役割を果たす。このため、この縁部114は、概ね垂直方向に延びており、自動車の側端部を視る場合にも、車体からはみ出して見えるようになっている。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る光学システム200を示す。この第２の実施形態は、次の点が、第１の実施形態と異なっている。
−光線202を発する発光ダイオード201は、後側面107ではなく、第１の横側面105に取り付けられている。
−第１の実施形態に係る光学システム100における後側面107は、平坦であったが、この実施形態における後側面207は、第１の実施形態と同様の主機能を担うために必要な長さにわたって、反射プリズム208が連続した形状となっており、照射された光線202を、前側面104へ向かって全反射する。

第１の実施形態で触れた他の要素は、この実施形態においても用いられており、第１の実施形態と同様の機能を果たす。

図３と図４は、第３の実施形態に係る光学システム300を示す。この実施形態に係る光線拡散スクリーン313は、第１の実施形態と異なって、概ね平坦であり、全体として平板状をなしている。前方の横面308と後方の横面309も、概ね平坦である。また、後側面307、上側面305、および下側面306も、平坦である。光ビームの射出面304は、前方の横面308と鈍角をなしている。さらに、光線拡散スクリーン313は、全体として、次の条件を満たす方向を向いている。
−光ビーム射出面304は、Ｘ軸（主機能を担う光ビームの射出方向に相当する）と概ね直交している。
−前方の横面308は、Ｙ軸と鋭角をなしている。また、この前方の横面308と前側面（光ビーム射出面）304は、Ｘ軸方向において向かい合う観察者から、直接視認することができる。

光学システムの向きを上記のように設定すると、この光学システムを自動車の後部に設けたときに、Ｘ軸に沿って（すなわち、自動車の後方へ）、光ビーム射出面304により、主機能の一部を果たすことができる。また、この光学システムを自動車の後部に設けたときに、前方の横面308から拡散される光線によって、この光学システムの主機能が発揮される方向であるＸ軸方向（自動車の後方）、およびリピート機能を営むＹ軸方向から視認しうる表面積を拡大することができる。

第１の実施形態で触れた他の要素（例えば、微細光学面）は、この第３の実施形態においても用いられており、第１の実施形態と同様の機能を果たす。

第１および第２の実施形態における「上面」、ならびに第３の実施形態における「前側面」とは、自動車の外部方向を向く面、すなわち観察者によって視認されうる面を意味する。特に、自動車に設置されたときに、部分的に垂直方向に延びるか、または地面に対して傾斜する方向を向き、光線拡散スクリーンの一部を構成する面をいう。

100 光学システム
101 発光ダイオード
102 光線
103 側面
104 前側面
105 第１の横側面
106 第２の横側面
107 後側面
108 上面
109 下面
110 円形領域
111 第１の光ビーム
112 第２の光ビーム
113 光線拡散スクリーン
114 縁部
200 光学システム
201 発光ダイオード
202 光線
208 反射プリズム
300 光学システム
304 光ビームの射出面
305 上側面
306 下側面
307 後側面
308 前方の横面
309 後方の横面
313 光線拡散スクリーン

Claims (14)

1. −光線拡散スクリーン(113)(313)と、
   −前記光線拡散スクリーン(113)(313)の内部を伝播する１組の光線(102)(202)を発する光源とを備え、少なくとも１つの主機能を営むようになっている自動車用の光学システム(100)(200)(300)であって、
   −前記光線拡散スクリーン(113)(313)は、湾曲しているかまたは概ね平坦なシート状をなし、かつ前側面(104)(304)および後側面(107)(207)(307)を含む側面(103)を介してつながる上面(108)(308)および下面(109)を有し、
   −前記主機能は、前記光線拡散スクリーン(113)(313)の前側面(104)(304)により構成される光ビーム射出面を介して発揮され、
   −前記上面(108)(308)の一部の領域(115)は、前記主機能に寄与するか、または主機能を補完する光学的機能を発揮する光ビーム(112)を拡散させるようになっていることを特徴とする光学システム。
2. 前記光源は、発光ダイオード(101)(201)(301)であることを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
3. 前記光線拡散スクリーン(113)(313)の前側面(104)(304)部分の厚さは、３〜５mmであることを特徴とする請求項１記載の光学システム。
4. 前記光線拡散スクリーンにおける上面(108)(308)の一部 (115)は、前記光ビーム(112)を拡散させ、かつ主機能に係る光の射出方向から視た光学システムの表面を拡大しうる方向を向いていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学システム。
5. 前記光学システムの主機能は、制動表示機能、側端位置表示機能、または方向指示機能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学システム。
6. 前記光線拡散スクリーン(113)(313)の上面(108)(308)の他の一部は、自動車の側端部の位置を示すマーカー機能を発揮する光ビーム(112)を拡散させるようになっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学システム。
7. 前記光線拡散スクリーン(113)(313)の上面(108)(308)は、光線拡散スクリーン(113)(313)の内部を伝播するべき光線の一部を、光線拡散スクリーン(113)(313)の外部へ発散させるのに適した複数の微細な粗い表面を介して、光ビーム(112)として拡散させるようになっていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光学システム。
8. 前記微細な粗い表面は、複数の小円形領域を形成することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光学システム。
9. 前記表面が粗い小円形領域の直径は、０．２〜０．６mmであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光学システム。
10. 前記光源(101)(301)は、前記光線拡散スクリーン(113)(313)の後側面(107)(307)に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光学システム。
11. 前記側面(103)として、少なくとも１つの横側面(105)(106)を有し、前記光源(201)は、前記横側面(105)(106)の少なくとも一方に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光学システム。
12. 前記光源(201)は、前記光線拡散スクリーン(113)のいずれか１つの横側面に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の光学システム。
13. 前記側面(103)の１つである後側面(207)は、光源(201)から発せられた光線(202)を、光線拡散スクリーン(113)の前側面(140)へ向かわせる複数の反射プリズム(208)からなっていることを特徴とする請求項１１または１２記載の光学システム。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の光学システムを搭載している自動車の前照灯または合図装置。

Images