JP5711890B2

JP5711890B2 - 車両用前照灯

Info

Publication number: JP5711890B2
Application number: JP2010020995A
Authority: JP
Inventors: 健史石井
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2010-02-02
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2030-02-02
Also published as: CN102162614B; CN102162614A; JP2011159530A

Description

本発明は、車両用前照灯に係り、特にプロジェクタ式の車両用前照灯に関する。

従来、図５に示すように、プロジェクタ式の車両用前照灯１００においては、光源１０１と、光源１０１からの光を反射するためのリフレクタ１０２と、リフレクタ１０２からの光の一部を遮るためのシェード１０３と、シェード１０３によって遮られなかった光を投影するためのレンズ１０５と、これらを収容するハウジング１０６とが備えられている。光源１０１の光軸Ｚ１に沿ってレンズ１０５の光軸が沿うように、光軸１０１及びレンズ１０５は配置されている。そして、レンズ１０５には、当該レンズ１０５をハウジング１０６に固定するためのフランジ部１０７が、レンズ本体１０８の外周縁から外側に向けて突出するように一体的に形成されている（例えば特許文献１参照）。
ここで、図５に示すように、リフレクタ１０２によって反射された光のうち、一部の光Ｌ１０は第二焦点Ｐを通過してレンズ１０５の下部のフランジ部１０７に入射する。この光Ｌ１０がフランジ部１０７を通過してしまうと、レンズ１０５前方に配置されたエクステンション１０９にあたってしまい、グレア光として前方に照射されるおそれがある。このグレア光を防止すべく、近年においてはエクステンション１０９の表面に対して、反射率を下げる処理を施しているのが実状である。

特開２００９−２７７４９０号公報

ところで、上述した反射率を下げる処理をエクステンション１０９に施すには、エクステンション１０９の形状がどうしても制約を受けることとなっていた。
このため本発明の課題は、レンズのフランジ部を光が透過してしまうことを防止し、エクステンションの形状の自由度を高めることである。

請求項１記載の発明に係る車両用前照灯は、
二つの焦点を有する楕円系のリフレクタと、
前記リフレクタの第一焦点近傍に配置された光源と、
前記リフレクタの第二焦点近傍に、上端部が位置するように配置されたシェードと、
前記リフレクタ、前記光源及び前記シェードの前方に配置され、前記第二焦点近傍に焦点を有し、前方に向けて凸となる凸型レンズとを備え、
前記凸型レンズは、レンズ本体と、前記レンズ本体の外周縁から外側に向けて突出するように形成されたフランジ部とを備え、
前記凸型レンズの出射面は、前方に向けて凸となる前記レンズ本体の出射面と、前記フランジ部の出射面とを備え、
前記凸型レンズの入射面は、前記凸型レンズの出射面よりも前記光源側に位置して、水平面に対して垂直な平面であり、
前記レンズ本体の外周縁より下側であって前記フランジ部の出射面は、前記第二焦点よりも下側に位置し、かつ、上下方向断面において下方に行くにつれ前方に張り出す傾斜面として形成されていて、
前記光源からの出射光の一部は、前記第二焦点を通って前記凸型レンズ本体の入射面から入射した後に、前記フランジ部の出射面に到達するものとされ、
前記フランジ部の出射面の傾斜角度は、水平面に対して垂直な垂直面に対して前記フランジ部の出射面がなす角度θ_３が以下の関係を満たすように設定されていることを特徴とする。
θ_１＝ａｒｃｔａｎ（ｈ／ｄ）
θ_２＝ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ・ｓｉｎ（θ_１））
θ_３＞θ_ｍ−θ_２
ここで、前記第二焦点から前記凸型レンズ本体の入射面に入射することによって屈折し、且つ前記フランジ部の出射面と前記レンズ本体の出射面との境界に到達する光線と、前記凸型レンズの後面との交点から光軸までの距離をｈとし、前記交点から前記第二焦点までの前記光軸に対して平行な距離をｄとし、水平面に対して前記光線がなす入射側の角度をθ_１とし、前記第二焦点から前記交点を介して前記凸型レンズ内に進入した光線と水平面との角度をθ_２とし、全反射の臨界角度をθ_ｍとし、前記凸型レンズの材質の屈折率をｎとする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の車両用前照灯において、
前記リフレクタから反射された前記光源からの出射光の一部が前記凸型レンズの入射面から入射した後に、前記フランジ部の出射面から出射する光線と水平面との角度が１．５度以上となるように、前記リフレクタの反射面及び前記凸型レンズの入射面が形成されていることを特徴としている。

請求項１記載の発明によれば、凸型レンズのフランジ部の前面と垂直面とがなす角度θ_３が上記の関係を満たす角度に設定されているので、光源側からフランジ部の前面に入射した光は全反射されることとなる。したがって、凸型レンズのフランジ部を光が透過してしまうことを抑制することができる。これにより、フランジ部を透過した光を考慮してエクステンションを形成する必要もなくなるため、エクステンションの形状の自由度を高めることができる。

請求項２記載の発明によれば、リフレクタから反射された前記光源からの出射光の一部は、前記第二焦点を通って前記凸型レンズ本体の入射面から入射した後に、前記フランジ部の出射面から出射する光と水平面との角度が１．５度以上となっているので、レンズ本体だけでは配光形成が難しい１．５度上部への配光を容易に実現することができる。

本実施形態に係る車両用前照灯の全体構成を示す断面図である。図１の車両用前照灯に備わる凸型レンズのフランジ部前面の内面反射が傾斜角度によりどう異なるかを示す説明図である。図１の車両用前照灯に備わる凸型レンズのフランジ部前面の傾斜角度を設定するうえで必要な条件を模式的に示した模式図である。図１の車両用前照灯に備わるリフレクタの反射面形状を説明するための説明図である。従来の車両用前照灯の全体構成を示す断面図である。

以下、本実施形態に係る車両用前照灯について説明する。図１は本実施形態に係る車両用前照灯の全体構成を示す断面図である。

図１に示すように、車両用前照灯１は、リフレクタ２と、光源３と、シェード４と、凸型レンズ５と、これらを収容するハウジング６とを備えている。

リフレクタ２の内周面は光源３から照射された光を前方へ反射するための反射面２１である。反射面２１は、回転楕円面など楕円系を基本とした曲面を基に光学設計されている。図１において、リフレクタ２の反射面２１における第一焦点をＰ１と示し、第二焦点をＰ２と示す。

光源３は、例えば白熱電球であり、フィラメントがリフレクタ２の第一焦点Ｐ１近傍に位置するように、リフレクタ２に固定されている。また、光源３は、その光軸Ｚがリフレクタ２の第二焦点Ｐ２近傍を通過するように配置されている。
シェード４は、その上端部がリフレクタ２の第二焦点Ｐ２近傍に位置するように配置されている。シェード４の下方には、リフレクタ２で反射された光を凸型レンズ５の下部に位置するフランジ部５２に案内するための光路空間４２が形成されている。
ハウジング６は、凸型レンズ５の前方下部に配置された装飾用のエクステンション６１と、凸型レンズ５の前方を覆う光透過性のカバー６２と、凸型レンズ５を固定するための係止部６３とを有している。

凸型レンズ５は、平凸型レンズであり、凸面が前方となるように配置されている。凸型レンズ５は、その光軸が光源３の光軸Ｚに沿うように配置されている。また、凸型レンズ５は、その焦点がリフレクタ２の第二焦点Ｐ２の近傍に配置されている。
凸型レンズ５は、レンズ本体５１と、レンズ本体５１の周縁部から外側に突出し、レンズ本体５１の全周にわたって形成されたフランジ部５２とを備えている。レンズ本体５１は、その凸面５１１が非球面に形成されている。
フランジ部５２は係止部６３に係止されることで、ハウジング６内に凸型レンズ５が固定されるようになっている。フランジ部５２の後面５２２は、レンズ本体５１の後面５１２と連続する平面により形成されている。これらフランジ部５２の後面５２２とレンズ本体５１の後面５１２とは、水平面に対して垂直な平面となっている。一方、フランジ部５２の前面５２１は、後面５２２に対して傾斜するように、下方に行くにつれ前方に張り出す傾斜面となっている。フランジ部５２の前面５２１と、後面５２２とがなす角度を傾斜角度と称す。

以下、フランジ部５２の前面５２１の傾斜角度について詳細に説明する。なお、以下の説明においてフランジ部５２の前面５２１と、後面５２２とがなす傾斜角度は、上下方向に沿った断面形状を例示して説明するが、この傾斜角度はフランジ部５２の全周にわたって同角度であることが好ましい。

まず、凸型レンズ５をなす材質の全反射角度をθ_ｍとし、凸型レンズ５の材質の屈折率をｎとすると、このθ_ｍはスネルの法則により式（２）で表される。なお、空気の屈折率は１であるので、式（１）の右辺の分子は１となる。

ｓｉｎθ_ｍ＝１／ｎ・・・（１）
θ_ｍ＝ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）・・・（２）

つまり、フランジ部５２の前面５２１に対して光源３側から入射した光の入射角度が全反射の臨界角度θ_ｍよりも大きければ前面５２１により光が全反射して、前方へと出射しないこととなる。
ところで、図２は、フランジ部５２の前面５２１の内面反射が傾斜角度によりどう異なるかを示す説明図であり、図２（ａ）＜図２（ｂ）＜図２（ｃ）＜図２（ｄ）の順で傾斜角度が設定されている。この図２に示すように、第二焦点Ｐ２を通過し、フランジ部５２の前面５２１に到達する光は、その高さ位置によって入射角度が異なる。これは第二焦点Ｐ２がフランジ部５２よりも高い位置に配置されているためである。例えば、前面５２１の上部地点Ａ、中部地点Ｂ、下部地点Ｃに光が入射すると、第二焦点Ｐ２からの光の入射角度はθ_Ａ＜θ_Ｂ＜θ_Ｃとなる。図２（ａ）では、全ての入射角度θ_Ａ，θ_Ｂ，θ_Ｃが臨界角度θ_ｍ以下であるので、上部地点Ａ、中部地点Ｂ、下部地点Ｃに入射した光はフランジ部５２の前方へ出射してしまう。図２（ｂ）では、入射角度θ_Ｃのみが臨界角度θ_ｍよりも大きいので、下部地点Ｃに入射した光は前面５２１により全反射し、上部地点Ａ、中部地点Ｂに入射した光はフランジ部５２の前方へ出射してしまう。図２（ｃ）では、入射角度θ_Ｂ，θ_Ｃが臨界角度θ_ｍよりも大きいので、中部地点Ｂ、下部地点Ｃに入射した光は前面５２１により全反射し、上部地点Ａに入射した光はフランジ部５２の前方へ出射してしまう。図２（ｄ）では、全ての入射角度θ_Ａ，θ_Ｂ，θ_Ｃが臨界角度θ_ｍよりも大きいので、上部地点Ａ、中部地点Ｂ、下部地点Ｃに入射した光は前面５２１により全反射することとなる。
このように、上部地点Ａへの入射角度が臨界角度θ_ｍよりも大きければ、それよりも下方の部分でも全反射が達成できることになる。

図３は、傾斜角度を設定するうえで必要な条件を模式的に示した模式図である。ここで、レンズ本体５１の前面（凸面５１１）の最下点Ｐ３及び第二焦点Ｐ２を結んだ光線の軌跡をＬとし、凸型レンズ５の後面（後面５１２，５２２）との交点をＱとする。また、交点Ｑから光軸Ｚまでの垂直方向の距離をｈとし、交点Ｑから第二焦点Ｐ２までの光軸Ｚに対して平行な距離をｄとし、水平面に対して光線の軌跡Ｌがなす角度をθ_１とする。
後面５１２及び後面５２２は水平面に対して垂直な平面となっているから、光線の軌跡Ｌに沿って進行する光が後面（後面５１２，５２２）に入射する際の入射角θ_１は式（３）により求めることができる。

θ_１＝ａｒｃｔａｎ（ｈ／ｄ）・・・（３）

一方、凸型レンズ５の後面（後面５１２，５２２）を介して凸型レンズ５内に進入してフランジ部５２の前面５２１に到達した光Ｌ１と水平面との角度をθ_２とする。フランジ部５２の前面５２１と垂直面Ｓ１とがなす角度（傾斜角度）θ _３と、フランジ部５２の前面５２１の法線と水平面Ｓ２とがなす角度θ _４とは同じであるため、前記前面５２１に対する光Ｌ１の入射角度θ _ｎは式（６）で表される。
θ _ｎ＝θ _２＋θ _３・・・（６）

角度θ _ｎが臨界角度θ _ｍよりも大きければ、フランジ部５２の前面５２１に対して光源３側から入射した光は全反射する。したがって、傾斜角度θ _３は式（７）のような関係を満たしていれば、フランジ部５２から前方に出射する光を抑制することができる。

θ _ｍ＜θ _ｎ
θ _ｍ＜θ _２＋θ _３
θ _３＞θ _ｍ −θ _２・・・（７）

傾斜角度θ _３が式（７）のような関係を満たした上で、光Ｌ１が光線の軌跡Ｌに沿って進行すれば、凸型レンズ５の後面（後面５１２，５２２）における光Ｌ１の出射角がθ _２に等しくなるので、スネルの法則により式（５）のような関係となる。なお、空気の屈折率は１であるので、式（４）の右辺の分子は１となる。

ｓｉｎθ _２／ｓｉｎθ _１＝１／ｎ・・・（４）
ｓｉｎθ _２＝１／ｎ・ｓｉｎθ _１
θ _２＝ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ・ｓｉｎθ _１）・・・（５）

したがって、光Ｌ１が光線の軌跡Ｌに沿って進行した上で（式（３）及び式（５）を満たした上で）、傾斜角度θ _３が式（７）のような関係を満たしていれば、凸型レンズ５のフランジ部５２を光が透過してしまうことを抑制することができるので、フランジ部５２を透過した光を考慮してエクステンション６１を形成する必要もなくなるため、エクステンション６１の形状の自由度を高めることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限らず適宜変更可能であるのは勿論である。
ここで、凸型レンズ５からの出射光の一部が水平面に対して１．５度以上の角度で斜め上方に向かって出射されることが望まれているが、この出射光はレンズ本体５１では配光形成が困難なのが実状である。このため、図４に示すように、リフレクタ２下部の反射面２１から反射され、光路空間４２を介して凸型レンズ５のフランジ部５２を通過し最下点Ｐ３から斜め上方に向かって出射する光Ｌ２と水平面との角度（出射角度）θ_５が１．５度以上となるように、リフレクタ２の反射面２１が形成されている。具体的には、出射角度θ_５が１．５度以上となる光路を逆追跡することで、フランジ部５２の後面５２２に対する入射角度θ_６を求める。そして、光源３からリフレクタ２下部の反射面２１で反射された光が入射角度θ_６となるように反射面２１を形成する。
これにより、レンズ本体５１だけでは配光形成が難しい１．５度上部への配光を容易に実現することができる。

［実施例］
以下、凸型レンズ５の材質をアクリル、硬質ガラス、軟質ガラスとした場合の各値を例示する。なお、各材質とも共通となる数値は、交点Ｑから光軸Ｚまでの垂直方向の距離ｈが３０ｍｍ、交点Ｑから第二焦点Ｐ２までの光軸Ｚに対して平行な距離ｄが４０ｍｍ、レンズ本体５１の最下点Ｐ３から後面５１２までの厚みｔが５ｍｍとなっている。

・凸型レンズ５の材質がアクリルの場合
アクリルの屈折率ｎは１．４９２であるので、この値を式（２）に代入することで、アクリルの臨界角度θ_ｍは４２．０８５度となる。
角度θ_１は式（３）に各値を代入することにより求められ、３６．８７度となる。角度θ_２は式（５）に各値を代入することにより求められ、２３．７１度となる。これらの各値を式（７）に代入すれば、フランジ部５２の前面５２１の傾斜角度θ_３は１８．３８度よりも大きな値となる。
また、出射角度θ_５が１．５度となる光路を逆追跡することで、入射角度θ_６は１０．７１度となる。つまり、リフレクタ２の反射面２１の形状は、入射角度θ_６が１０．７１度となる形状に形成されることになる。

・凸型レンズ５の材質が硬質ガラスの場合
硬質ガラスの屈折率ｎは１．４７１であるので、この値を式（２）に代入することで、硬質ガラスの臨界角度θ_ｍは４２．８２９度となる。
角度θ_１は式（３）に各値を代入することにより求められ、３６．８７度となる。角度θ_２は式（５）に各値を代入することにより求められ、２４．０７度となる。これらの各値を式（７）に代入すれば、フランジ部５２の前面５２１の傾斜角度θ_３は１８．７６度よりも大きな値となる。
また、出射角度θ_５が１．５度となる光路を逆追跡することで、入射角度θ_６は１０．５１度となる。つまり、リフレクタ２の反射面２１の形状は、入射角度θ_６が１０．５１度となる形状に形成されることになる。

・凸型レンズ５の材質が軟質ガラスの場合
軟質ガラスの屈折率ｎは１．５１９であるので、この値を式（２）に代入することで、硬質ガラスの臨界角度θ_ｍは４１．１７２度となる。
角度θ_１は式（３）に各値を代入することにより求められ、３６．８７度となる。角度θ_２は式（５）に各値を代入することにより求められ、２３．２７度となる。これらの各値を式（７）に代入すれば、フランジ部５２の前面５２１の傾斜角度θ_３は１７．９１度よりも大きな値となる。
また、出射角度θ_５が１．５度となる光路を逆追跡することで、入射角度θ_６は１０．９６度となる。つまり、リフレクタ２の反射面２１の形状は入射角度θ_６が１０．９６度となる形状に形成されることになる。

１車両用前照灯
２リフレクタ
３光源
４シェード
５凸型レンズ
６ハウジング
２１反射面
４２光路空間
５１レンズ本体
５２フランジ部
６１エクステンション
６２カバー
６３係止部
５１１凸面
５１２後面
５２１前面
５２２後面
ｄ距離
ｈ距離
Ｌ光線の軌跡
Ｐ１第一焦点
Ｐ２第二焦点
Ｐ３最下点
Ｑ交点
Ｓ１垂直面
Ｓ２水平面
Ｚ光軸
θ_３傾斜角度
θ_５出射角度
θ_６入射角度
θ_ｍ臨界角度

Claims

二つの焦点を有する楕円系のリフレクタと、
前記リフレクタの第一焦点近傍に配置された光源と、
前記リフレクタの第二焦点近傍に、上端部が位置するように配置されたシェードと、
前記リフレクタ、前記光源及び前記シェードの前方に配置され、前記第二焦点近傍に焦点を有し、前方に向けて凸となる凸型レンズとを備え、
前記凸型レンズは、レンズ本体と、前記レンズ本体の外周縁から外側に向けて突出するように形成されたフランジ部とを備え、
前記凸型レンズの出射面は、前方に向けて凸となる前記レンズ本体の出射面と、前記フランジ部の出射面とを備え、
前記凸型レンズの入射面は、前記凸型レンズの出射面よりも前記光源側に位置して、水平面に対して垂直な平面であり、
前記レンズ本体の外周縁より下側であって前記フランジ部の出射面は、前記第二焦点よりも下側に位置し、かつ、上下方向断面において下方に行くにつれ前方に張り出す傾斜面として形成されていて、
前記光源からの出射光の一部は、前記第二焦点を通って前記凸型レンズ本体の入射面から入射した後に、前記フランジ部の出射面に到達するものとされ、
前記フランジ部の出射面の傾斜角度は、水平面に対して垂直な垂直面に対して前記フランジ部の出射面がなす角度θ_３が以下の関係を満たすように設定されていることを特徴とする車両用前照灯。
θ_１＝ａｒｃｔａｎ（ｈ／ｄ）
θ_２＝ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ・ｓｉｎ（θ_１））
θ_３＞θ_ｍ−θ_２
ここで、前記第二焦点から前記凸型レンズ本体の入射面に入射することによって屈折し、且つ前記フランジ部の出射面と前記レンズ本体の出射面との境界に到達する光線と、前記凸型レンズの後面との交点から光軸までの距離をｈとし、前記交点から前記第二焦点までの前記光軸に対して平行な距離をｄとし、水平面に対して前記光線がなす入射側の角度をθ_１とし、前記第二焦点から前記交点を介して前記凸型レンズ内に進入した光線と水平面との角度をθ_２とし、全反射の臨界角度をθ_ｍとし、前記凸型レンズの材質の屈折率をｎとする。
請求項１記載の車両用前照灯において、
前記リフレクタから反射された前記光源からの出射光の一部が前記凸型レンズの入射面から入射した後に、前記フランジ部の出射面から出射する光線と水平面との角度が１．５度以上となるように、前記リフレクタの反射面及び前記凸型レンズの入射面が形成されていることを特徴とする車両用前照灯。