JP6083011B2 - 照明装置 - Google Patents
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Description
本発明は、照明装置に関し、特に、車両用の照明装置(ヘッドランプ)に関する。
従来、発光ダイオード(LED)を用いた照明装置100が車両用ヘッドランプとして用いられている(例えば、特許文献1)。
図1は、照明装置100の断面図である。照明装置100は、発光素子10と、基板11と、反射板12とを有する。LED光源10から発射された光は、反射板12で反射され、開口13を通して、前方へ照射される。
発光素子10は、高出力のLEDを含む点光源である。この点光源に対して、光学的設計により反射板12の形状が設計されている。発光素子10は高出力のLEDを含むので、大きい熱量を発生する。そのため、基板11や、その下部に冷却機構(図示せず)が設けられている。
本発明は、LEDを含むにも関わらず、薄型であり、特別の放熱構造が不要な照明装置を提供する。
本発明の照明装置は、発光素子と、第1レンズと、第2レンズとを有する。第1レンズは、発光素子に対向し、光を照射する照射口と、第1入射面と、第2入射面と、第1反射面と、第2反射面とを有する。第2レンズは照射口に対向している。第1入射面は、発光素子に対向し、発光素子からの光を照射口に導く。第2入射面は、第1入射面を通過しない光を第1レンズの外周方向に導く。第1反射面は、第2入射面からの光を反射して照射口に導く。第2反射面は、第1入射面を通過後に照射口に向かう方向から反れた光と、第1反射面で反射後に照射口に向かう方向から反れた光とを、反射して照射口に導く。
この構成では、第1レンズが光を照射口へ集め、第2レンズが光を照射するので、光の利用効率高く、出力を抑えることができる。また、反射板を用いないので小型で薄型の照明装置になる。また、特別な放熱構造も不要である。
本発明の実施の形態の説明に先立ち、従来の照明装置における問題点を簡単に説明する。特許文献1の照明装置では、LEDが1個であり、照度を確保するためには、さらに高出力化することが必要である。しかし、高出力に伴い、発熱量が大きくなる。このため、さらに冷却機構が必要である。また、反射板を含む部分も、光学設計上大きくする必要がある。
(実施の形態1)
図2は、実施の形態1による照明装置200の断面図である。図3Aは、図2のA部の拡大断面図である。図3Bは、図2に示す照明装置をB方向から見たときの平面図である。図4は、照明装置200のレンズ要素部の1ユニットの構成断面図である。
図2は、実施の形態1による照明装置200の断面図である。図3Aは、図2のA部の拡大断面図である。図3Bは、図2に示す照明装置をB方向から見たときの平面図である。図4は、照明装置200のレンズ要素部の1ユニットの構成断面図である。
<照明装置200>
照明装置200は、第1レンズユニット20と、その上部に位置する第2レンズユニット21と、第1レンズユニット20の下部に位置する複数の発光素子22と、発光素子22が実装された基板23とを含む。
照明装置200は、第1レンズユニット20と、その上部に位置する第2レンズユニット21と、第1レンズユニット20の下部に位置する複数の発光素子22と、発光素子22が実装された基板23とを含む。
発光素子22は、レーザーダイオードであり、複数個の発光素子22が基板23に実装されている。照明装置200を車両の前方、左右のコーナー部分に取り付けるため、基板23は、光の放射方向に対して傾斜して配置されている。
第1レンズユニット20は、複数の発光素子22のそれぞれに対応して、その上部に対応した位置に配置された複数の第1レンズ201を有する。第1レンズユニット20は、アクリル樹脂やポリカーボネート樹脂等の透明樹脂を材料として、樹脂成形により複数の第1レンズ201を一体化するように製造される。
第2レンズユニット21は、第1レンズユニット20の上部に配置され、第1レンズ201のそれぞれに対応した位置に配置された複数の第2レンズ211を有する。第2レンズユニット21もまた、アクリル樹脂やポリカーボネート樹脂等の透明樹脂を材料として、樹脂成形により複数の第2レンズ211を一体化するように製造される。
<照明ユニット300>
図4を参照しながら、照明ユニット300を説明する。照明ユニット300は、図2の照明装置200の一部分であり、第1レンズ201と第2レンズ211とをそれぞれ1つ含む。
図4を参照しながら、照明ユニット300を説明する。照明ユニット300は、図2の照明装置200の一部分であり、第1レンズ201と第2レンズ211とをそれぞれ1つ含む。
第1レンズ201と第2レンズ211の間には隙間24が存在する。隙間24が広いと配光特性が広くなるため、隙間24は狭いほうがよい。具体的には、隙間24は、第2レンズ211の厚みの1/20以下であることが望ましい。
第1レンズ201では、下部が上部より大きい。また、第1レンズ201の下部には凹部が設けられている。第1レンズ201は、この凹部に第1入射面202、第2入射面203を有する。また、第1レンズ201は上部に第1反射面204、第2反射面205を有する。第2反射面205は平面形状の照射口206を囲んでいる。第1レンズ201の上部は、錐状で、上へ行くに従い直径が小さくなっている。第1レンズ201は、上面に照射口206を有する。
第1レンズ201の照射口206の先には、隙間24を介して、第2レンズ211が配置されている。すなわち、照射口206は隙間24を介して、第2レンズ211と対向している。照射口206から放射された光は第2レンズ211の平面形状の入射面212に入射し、凸形状の出射面213で屈折してコリメートされる。
複数の照明ユニット300は、図3Bに示す照明装置200において、ハイビームHi用、Loビーム用として整列されている。ハイビームHi用、Loビーム用は後で説明する。
<第1レンズ201の光路>
図5に示す断面図を参照しながら、第1レンズ201を通過する光の進路(光路)を説明する。なお、図5は断面図であるが、光の進路を表示するため、斜線を用いていない。光の進路を表示する場合は、他の図も同様である。
図5に示す断面図を参照しながら、第1レンズ201を通過する光の進路(光路)を説明する。なお、図5は断面図であるが、光の進路を表示するため、斜線を用いていない。光の進路を表示する場合は、他の図も同様である。
第1入射面202は、発光素子22の光軸上に配置されている。第1入射面202は、凸レンズ形状をしており、第1入射面202を通過した光L11、光L12、及び光L13はコリメートされ、照射口206に向かう。光L11、光L12、及び光L13は、コリメートされなくともよいが、照射口206へ導かれる必要がある。
第1入射面202に入射しない光L14、光L15、光L16は、第2入射面203より第1レンズ201に入射し、第1反射面204で正反射して、照射口206に向かう。
第1反射面204の形状は、第1反射面204で反射した光が、第2反射面205に対してほぼ平行に進むように設定されている。しかし、第2入射面203付近では、全反射を維持するために、光軸と面の垂線とのなす角が樹脂の臨界角(アクリス樹脂の場合は42.15°)以上になるように設定されている。全反射が好ましいが反射でもよい。
光L18は、発光素子22の中心以外から放射され、第1入射面202を通過した光である。光L19は、発光素子22の中心以外から放射され、第2入射面203を通過した後に、第1反射面204で反射された光である。
光L18、L19や第2入射面203近傍の第1反射面204で反射した光L16などは、一旦、第2反射面205で正反射され、照射口206に向かう。
光L17は、第2入射面203と逆方向へ進む光であり、他の光と同様に、照射口206へ進む。
発光素子22の、第1レンズ201の照射口中心207(第1レンズ光軸208とほぼ同じ)に対する傾きθLは、自由に設定できるが、傾きθLを50°以下にすることが望まれる。50°を超えると照射効率が急激に低下する。
上記からわかるように、第1レンズ201は、光を集光するレンズである。
<第2レンズ211の光路>
図6は、第2レンズ211の断面図である。第2レンズ211は光軸214を有している。実線で示すように、光軸214から第2レンズ211に入射した光L21は、出射面213から外部へ出る。この出射光は、全て光軸214に対して平行な光となり放射される。
図6は、第2レンズ211の断面図である。第2レンズ211は光軸214を有している。実線で示すように、光軸214から第2レンズ211に入射した光L21は、出射面213から外部へ出る。この出射光は、全て光軸214に対して平行な光となり放射される。
一方、点線で示すように、光軸214からずれて入射した光L22は、光軸214に対して少し傾いた光となり放射される。
光軸214から入射して出射面213から出射した光L21は全て平行な光であるのに対し、光軸214からずれて入射して出射面213から出射した光L22は平行光ではなく、放射角を有する。この放射角は光軸214との位置ズレが大きいほど大きくなる。
結局、第2レンズ211から出射される光は、一定の範囲に照射されるように方向づけられる。
<照明ユニット300の光路>
図7A〜図7Dは、照明ユニット300の断面図であり、光路を示している。図7Aは、第2レンズ211がない場合の光路を示す。図7Bは、第2レンズ211の光軸214の中心が第1レンズ201の照射口中心207と同位置の場合の光路を示す。第1レンズ201から放射された光の配光角は広く、第2レンズ211を通過することにより、光がコリメートされ、狭配光の光線が得られる。
図7A〜図7Dは、照明ユニット300の断面図であり、光路を示している。図7Aは、第2レンズ211がない場合の光路を示す。図7Bは、第2レンズ211の光軸214の中心が第1レンズ201の照射口中心207と同位置の場合の光路を示す。第1レンズ201から放射された光の配光角は広く、第2レンズ211を通過することにより、光がコリメートされ、狭配光の光線が得られる。
図7Cは、図7Bに対して、第2レンズ211の位置を右に0.4mmずらした場合の放射光の方向の変化を示している。また図7Dは、図7Bに対して、第2レンズ211の位置を右に0.8mmずらした場合の放射光の方向の変化を示している。第2レンズ211の厚みは13mmである。
図7B〜図7Dからわかるように、第1レンズ201の照射口中心207と第2レンズ211の光軸214との位置ズレの大きさの変化により、第2レンズ211から放射される光の放射方向は変化する。言い換えれば、第1レンズ201の照射口中心207と第2レンズ211の光軸214との相対位置を変えることによって、光の放射方向を変化させることができる。
ヘッドランプ用の照明装置200では、車両同士が、すれ違い時に、各々の運転者がまぶしくならないために、その方向の光を急激に抑えることが求められる。すなわち、すれ違いビームにおけるカットオフライン照度の急激な変化が求められる。
本実施の形態では、第1レンズ201の照射口中心207と、第2レンズ211の光軸214とを、少し変化させることで、急激な照度変化を実現できる。
<第1レンズ201の形状、第2レンズ211の形状>
図8A、図8Bはそれぞれ、第1レンズ201と第2レンズ211の部分断面図である。図8Aは、第1レンズ201の形状に関する各変数を示す図であり、図8Bは、第2レンズ211の出射面213の形状式の各変数を示す図である。
図8A、図8Bはそれぞれ、第1レンズ201と第2レンズ211の部分断面図である。図8Aは、第1レンズ201の形状に関する各変数を示す図であり、図8Bは、第2レンズ211の出射面213の形状式の各変数を示す図である。
(1)第1レンズ201の第1入射面202の形状
発光素子22の発光面の中心P1と第1レンズ201の第1入射面202までの距離r1は、第1レンズ光軸208と、長さが距離r1であるベクトルとのなす角度θ1の関数として式1で与えられる。
発光素子22の発光面の中心P1と第1レンズ201の第1入射面202までの距離r1は、第1レンズ光軸208と、長さが距離r1であるベクトルとのなす角度θ1の関数として式1で与えられる。
r1=t1*(n*cos(β1)−1)/(n*cos(θ1+β1)−1)・・・(式1)
ここで、nはレンズ材料の屈折率であり、アクリル樹脂の場合の屈折率nは1.49である。角度β1は、第1入射面202に入射後の屈折光線と第1レンズ光軸208とがなす角度である。距離t1は、第1レンズ光軸208上で、発光素子22と第1入射面202との間の距離である。
ここで、nはレンズ材料の屈折率であり、アクリル樹脂の場合の屈折率nは1.49である。角度β1は、第1入射面202に入射後の屈折光線と第1レンズ光軸208とがなす角度である。距離t1は、第1レンズ光軸208上で、発光素子22と第1入射面202との間の距離である。
(2)第1レンズ201の第1反射面204の形状
発光素子22の発光面の中心P1と第1レンズ201の第1反射面204との間の距離r2は、第1レンズ光軸208と距離r2のなす角度θ2の関数として式2で与えられる。
発光素子22の発光面の中心P1と第1レンズ201の第1反射面204との間の距離r2は、第1レンズ光軸208と距離r2のなす角度θ2の関数として式2で与えられる。
r2=b*(1+sin(β2))/(1−cos(θ2+β2))・・・(式2)
ここで、距離bは、発光面の中心P1を通り第1レンズ光軸208に垂直な線と第1反射面204との交点と、発光面の中心P1との間の距離である。角度β2は、第1反射面204で反射した光線と第1レンズ光軸208がなす角度である。
ここで、距離bは、発光面の中心P1を通り第1レンズ光軸208に垂直な線と第1反射面204との交点と、発光面の中心P1との間の距離である。角度β2は、第1反射面204で反射した光線と第1レンズ光軸208がなす角度である。
(3)反射角θrの大きさ
第1反射面204において、反射角θrが材料の臨界角θrn(全反射する限界の角度)以下になった場合、第1反射面204から外に抜ける光が発生する。そのため、反射角θrは材料の臨界角θrn以上であることが望ましい。発光素子22の発光面の幅を考慮して、臨界角θrnより少し大きい角度θr0に対して、式2において反射角θr<角度θr0になる場合は、距離r2は式3で与えられる。また式3におけるcは式4で、式4におけるr0は式5で求められる。
第1反射面204において、反射角θrが材料の臨界角θrn(全反射する限界の角度)以下になった場合、第1反射面204から外に抜ける光が発生する。そのため、反射角θrは材料の臨界角θrn以上であることが望ましい。発光素子22の発光面の幅を考慮して、臨界角θrnより少し大きい角度θr0に対して、式2において反射角θr<角度θr0になる場合は、距離r2は式3で与えられる。また式3におけるcは式4で、式4におけるr0は式5で求められる。
r2=c*exp(−θ2*tan(θr0))・・・(式3)
c=r0/exp((2*θr0+β2−π)*tan(θr0))・・・(式4)
r0=b*(1+sin(β2))/(1−cos(π−2*θr0))・・・(式5)
(4)第1レンズ201の第1反射面204の形状
図9は、第1レンズ201の断面図である。第1レンズ201の第1反射面204の形状は、図9に示すように、発光素子22の発光面の中心P1と照射口中心207とを焦点とする楕円40であってもよい。つまり、楕円40は、照射口中心207と発光素子22の発光面の中心P1を中心とする円を繋げて構成されている。この場合でも、反射角θrは、材料の臨界角θrn以上であることが望ましい。
c=r0/exp((2*θr0+β2−π)*tan(θr0))・・・(式4)
r0=b*(1+sin(β2))/(1−cos(π−2*θr0))・・・(式5)
(4)第1レンズ201の第1反射面204の形状
図9は、第1レンズ201の断面図である。第1レンズ201の第1反射面204の形状は、図9に示すように、発光素子22の発光面の中心P1と照射口中心207とを焦点とする楕円40であってもよい。つまり、楕円40は、照射口中心207と発光素子22の発光面の中心P1を中心とする円を繋げて構成されている。この場合でも、反射角θrは、材料の臨界角θrn以上であることが望ましい。
(5)第2レンズ211の出射面213の形状
図8Bを参照しながら、第2レンズ211の出射面213の形状式を説明する。第2レンズ211の光軸214と入射面212との交点から出射面213までの距離r3は、光軸214と、長さが距離r3であるベクトルとのなす角θ3の関数として式6で与えられる。
図8Bを参照しながら、第2レンズ211の出射面213の形状式を説明する。第2レンズ211の光軸214と入射面212との交点から出射面213までの距離r3は、光軸214と、長さが距離r3であるベクトルとのなす角θ3の関数として式6で与えられる。
r3=(n−1)*t3/(n−cos(θ3))・・・(式6)
ここで、nはレンズ材料の屈折率であり、アクリル樹脂の場合、屈折率nは1.49である。また、t3は第2レンズ211の厚みであり、ここでは、例えば13mmである。
ここで、nはレンズ材料の屈折率であり、アクリル樹脂の場合、屈折率nは1.49である。また、t3は第2レンズ211の厚みであり、ここでは、例えば13mmである。
<第1レンズ201と第2レンズ211との位置関係>
次に、図10A、図10B及び図11A、図11Bを参照しながら、第1レンズ201と第2レンズ211との位置関係について説明する。
次に、図10A、図10B及び図11A、図11Bを参照しながら、第1レンズ201と第2レンズ211との位置関係について説明する。
図10Aは、第1レンズ201の照射口206及び第2レンズ211を発光素子22の方から見た図である。第2レンズ211の光軸の中心215は、第1レンズ201の照射口206の照射口中心207に対してX方向にズレ量dx、Y方向にズレ量dyだけずれている。
図10Bは、図10Aに示す照明ユニット300から一定距離だけ離れた照射面での照度分布30を示す図である。照度分布30の形状は、第1レンズ201の照射口206の形状と相似形をしている。
第1レンズ201の照射口中心207と、照度分布30の中心31とは、第2レンズ211の光軸の中心215を中心点として点対称である。
図11Aは、第2レンズユニット21の各々の第2レンズ211の配置を示した平面図である。
ロービームLo−1〜Lo−20は、すれ違いビームヘッドランプの光を放つために設けられている。これらのロービームは、対向車両用に、ある方向の光を急激にカットする。
ハイビームHi−1〜Hi−20は、走行ビームヘッドランプの光を放つために設けられている。これらのハイビームは、車両の走行用に、均質な分布の光を放出する。
図11Bは、各々の第2レンズ211の光軸の中心215と、第1レンズ201の照射口206の照射口中心207とのズレ量dx、ズレ量dyを示すグラフである。ロービームLo−1〜Lo−20までのx方向のズレ量dxは、番号順に0.1mmずつ異なっている。ロービームLo−1では、−1.0mm、ロービームLo−11では0mmとなり、ロービームLo−20では+0.9mmとなっている。
Y方向のズレ量dyは、ロービームLo−1で−0.4mmであり、ロービームLo−11まで番号順に−0.05mmずつ異なり、ロービームLo−11で−0.5mmとなる。ロービームLo−12からロービームLo−20までは−0.3mmと一定の値となっている。第1レンズ201の照射口206のY方向の幅は0.7mmであり、ズレ量dyが−0.35mmの場合、照度分布の急激な変化を示す上側のラインがちょうど光軸方向と一致する。
ハイビームHi−1〜Hi−20のx方向のズレ量dxは番号順に0.1mmずつ異なり、ロービームLo−1では、−1.0mm、ロービームLo−11では、0mmとなり、ロービームLo−20では、+0.9mmとなっている。Y方向のズレ量dyは全て一定で0mmとなっている。
<光学シミュレーションの結果:個別>
図12Aから図12Fは、上記の条件の照明装置200に対する光学シミュレーションにより、それぞれのレンズに対応する発光素子22のみを点灯した場合の照明装置から25m先の光分布を示す。
図12Aから図12Fは、上記の条件の照明装置200に対する光学シミュレーションにより、それぞれのレンズに対応する発光素子22のみを点灯した場合の照明装置から25m先の光分布を示す。
図12A〜図12Fは、それぞれ本実施の形態による照明装置200において、ロービームLo−1、ロービームLo−11、ロービームLo−20、ハイビームHi−1、ハイビームHi−11、ハイビームHi−20のそれぞれの光分布に対応する。すなわち、これらの図は、対応する発光素子22のみが点灯した際の照明装置200から25m先の光分布を示している。
図12Aから図12Fからわかるように、発光素子22を1個だけを点灯した場合、照度の高い部分が、照度分布の中央ではなく両サイドにも発生する。これは、第1レンズ201において、第1入射面202から照射口206に導かれた光束と、第1反射面204で反射して照射口206に導かれた光束とのずれによる(図5参照)。
<光学シミュレーションの結果:ロービームLo>
図13Aは、照明装置200において、ロービームLo−1からロービームLo−20までに対応する発光素子22が点灯した際の光学シミュレーションによる照明装置から25m先の光分布を示している。
図13Aは、照明装置200において、ロービームLo−1からロービームLo−20までに対応する発光素子22が点灯した際の光学シミュレーションによる照明装置から25m先の光分布を示している。
図13Bは、図13Aに示す点灯状態における配光分布を示している。ロービームLo−1〜Lo−20に対応する発光素子22が点灯した状態とは、すれ違いビーム(ロービーム)ヘッドランプの明かりを発生させた状態である。
すれ違いビーム(ロービーム)ヘッドランプの場合、照度が急激に変化するカットオフラインLkを設ける必要があり、右側通行の車両の場合、このカットオフラインは中心線を境に右側が少し高くなっていることが望まれる。左側通行の車両の場合、その逆となる。
本実施の形態ではすれ違いビーム(ロービーム)ヘッドランプを構成する第2レンズ211の光軸の中心215を、第1レンズ201の照射口206の下部のラインに近い位置に配置することで、図13Aに示すように照度分布の上側に照度が急激に変化するカットオフラインLkが形成されている。
また第1レンズ201の照射口206の照射口中心207に対する、第2レンズ211の光軸の中心215のX方向のズレ量dxが少しずつ異なることにより、それぞれの第2レンズ211から放射された光を重ね合わせることにより、中央部に帯状の高照度領域が形成されている。
<光学シミュレーションの結果:ハイビームHi>
図14Aは、照明装置200においてハイビームHi−1〜Hi−20に対応する発光素子22が点灯した際の光学シミュレーションによる照明装置から25m先の光分布を示している。
図14Aは、照明装置200においてハイビームHi−1〜Hi−20に対応する発光素子22が点灯した際の光学シミュレーションによる照明装置から25m先の光分布を示している。
図14Bは、図14Aに示す点灯状態における配光分布を示している。ハイビームHi−1〜Hi−20に対応する発光素子22が点灯した状態とは、走行ビーム(ハイビーム)ヘッドランプの明かりを発生させた状態である。
第1レンズ201の照射口206の照射口中心207に対する、第2レンズ211の光軸の中心215のY方向のズレ量dyは全て等しく0mmである。また、X方向のズレ量dxは少しずつ異なっている。そのため、中央部に帯状の高照度領域を有する横方向に長い長方形の照度分布が得られている。
<光学シミュレーションの結果:ロービームLo+ハイビームHi>
図15Aは照明装置200において全ての発光素子22が点灯した際の光学シミュレーションによる照明装置から25m先の光分布を示している。図15Bは、図15Aに示す点灯状態における配光分布を示している。
図15Aは照明装置200において全ての発光素子22が点灯した際の光学シミュレーションによる照明装置から25m先の光分布を示している。図15Bは、図15Aに示す点灯状態における配光分布を示している。
走行ビーム(ハイビーム)ヘッドランプとしてこのように全てのLEDを点灯して使用してもよい。この場合、照度分布も上下方向に広がり、最大照度も高くなる。
<第1レンズ201の照射口206と第2レンズ211の光軸の中心215とがずれている場合>
次に、第1レンズ201の照射口中心207と第2レンズ211の光軸の中心215とのズレ量の変化に伴う配光特性の変化について図16Aから図18Bを参照しながら説明する。
次に、第1レンズ201の照射口中心207と第2レンズ211の光軸の中心215とのズレ量の変化に伴う配光特性の変化について図16Aから図18Bを参照しながら説明する。
図16Aは、照射口中心207と第2レンズ211の光軸の中心215とが一致した照明ユニット300において、照射口206と第2レンズ211との位置関係を発光素子22の方から見た図である。
図16Bは、図16Aに示す照明ユニット300から放射された光の、照明装置から25m先の光分布を示している。図16Cは、図16Bに示す光の配光分布を示している。
図17Aは、図16Aに示す照明ユニット300において、第2レンズ211を右方向(xプラス方向)に0.2mmずつ、0.8mmまで移動したときのx方向の配光特性の変化を示している。
図17Bは、図17Aに示す配光の和の配光特性を示している。
図18Aは、図16Aに示す照明ユニット300において、第2レンズ211を下方向(yマイナス方向)に0.1mmずつ、0.4mmまで移動したときのy方向の配光特性の変化を示している。
図18Bは、図18Aの配光の和の配光特性を示している。
図17A及び図18Aからわかるように、第1レンズ201の照射口中心207と第2レンズ211の光軸の中心215とのズレ量を一定量ずつ変化させると、配光角度もほぼ一定量変化する。
その結果、第1レンズ201の照射口中心207と第2レンズ211の光軸の中心215とのズレ量dが0.1mm変化すると、配光角度は約7°変化する。また、配光の形も殆ど変化しない。
このことから、照明装置200を、車両(自動車)に取り付けた場合に、カーブ時のハンドルの切り替え角度に応じて、第1レンズ201、第2レンズ211の相対位置を変えることで、配光方向を変えることができる。
このズレ量dの変化に対する配光角度のズレ角度θは式7のように、第2レンズ211の厚みt3に反比例する。
θ=85.3*d/t3・・・・(式7)
式7より、第2レンズ211の厚みt3が13mmで、第2レンズユニット21の移動量が3mmの場合、配光方向を20°変えることができる。
式7より、第2レンズ211の厚みt3が13mmで、第2レンズユニット21の移動量が3mmの場合、配光方向を20°変えることができる。
<多数の照明ユニットからの光の重ね合わせ>
図16B及び図16Cに示すように、第1レンズ201の照射口中心207と第2レンズ211の光軸の中心215とのズレ量がない場合、配光角度が広く、x方向の配光特性においては中央部が暗い配光になり易い。
図16B及び図16Cに示すように、第1レンズ201の照射口中心207と第2レンズ211の光軸の中心215とのズレ量がない場合、配光角度が広く、x方向の配光特性においては中央部が暗い配光になり易い。
これに対して、図17Bに示す配光特性では、各ユニットから放射される光の重ね合わせにより、中央部の明かりの落ち込みは無くなり、矩形に近い照度分布が得られる。そのため、多数の照明ユニットを有する照明装置において、第1レンズ201の照射口中心207と第2レンズ211の光軸の中心215とのズレ量を、少しずつ異ならせて配置することが好ましい。
(実施の形態2)
図19Aは、実施の形態1による照明装置の照射口206の形状の平面図である。照射口206は、全ての第1レンズ201において、長方形の同一形状に形成されている。
図19Aは、実施の形態1による照明装置の照射口206の形状の平面図である。照射口206は、全ての第1レンズ201において、長方形の同一形状に形成されている。
図19Bは、実施の形態1の照明装置における照度分布等高線である。つまり図19Bは、図11Bに示すロービームLo−1〜Lo−20の位置関係で第2レンズ211を配置した時のすれ違いビーム(ロービーム)の照度分布等高線である。
この場合、カットオフラインLkが斜めに変化する領域において、x方向の照度変化がゆるくなり、カットオフラインが不明瞭になる領域Lが生じる場合がある。
本実施の形態は、この解決策の一例である。以下、図20A、図20Bを参照しながら本実施の形態について説明する。図20Aは、第1レンズ201の照射口の形状が複数種類あることを示す平面図である。すなわち、1つの照明装置が複数種類の照射口206A〜206Fを有する。
本実施の形態の照明装置は、20個の照明ユニット300を有している。第1レンズ201は、6種類の照射口206A〜206Fを有する。No.1からNo.20までの箇所に、図11Bに示すロービームLo−1〜Lo−20の位置関係で第2レンズ211が配置されている。
No.1からNo.12までの12箇所では、第1レンズ201は照射口206Aを有する。No.13及びNo.19.No.20の3箇所では、第1レンズ201は、照射口206Aに対して下方向に0.2mm長い照射口206Bを有する。No.14では、第1レンズ201は、照射口206Bに対して、右方向に0.1mm長い照射口206Cを有する。No.15では、第1レンズ201は、照射口206Cに対して右方向に0.1mm長い照射口206Dを有する。No.16では、第1レンズ201は、照射口206Dに対して右方向に0.1mm長い照射口206Eを有する。No.17では、第1レンズ201は、照射口206Eに対して右方向に0.1mm長い照射口206Fを有する。
図20Bは、本実施の形態の照明装置における照度分布等高線を示す。つまり図20Bは、第1レンズ201の照射口中心207と、第2レンズ211の光軸の中心215とのズレ量dを、No.1からNo.20まで、x方向に0.1mmずつシフトして配置した場合のすれ違いビーム(ロービーム)の照度分布等高線である。
本実施の形態による照明装置においては、全域で明瞭なカットオフラインLkが得られ、図19Bで存在した不明瞭な領域Lがない。すなわち、図20Aのような形状の異なる照射口206A〜206Fを有する複数の第1レンズ201を用いて、図20BのようなカットオフラインLkを形成することができる。なお説明しない事項は、実施の形態1と同様である。
(実施の形態3)
実施の形態1、2において、第1レンズ201の照射口206の形状は長方形であったが、四角形、楕円、半円、半楕円形状のいずれか1つから一部分が欠けている形状でもよい。これらの組み合わせにより、自由な形状の照度分布を形成することが可能である。
実施の形態1、2において、第1レンズ201の照射口206の形状は長方形であったが、四角形、楕円、半円、半楕円形状のいずれか1つから一部分が欠けている形状でもよい。これらの組み合わせにより、自由な形状の照度分布を形成することが可能である。
実施の形態1,2は組み合わせることができる。
<自由なデザインの構成>
実施の形態1、2では、第2レンズ211の光軸の中心215は、第1レンズ201の照射口中心207に対するズレ量が並びの順番に徐々にずれている。しかし、順番でなく、ランダムずらしてもよい。
実施の形態1、2では、第2レンズ211の光軸の中心215は、第1レンズ201の照射口中心207に対するズレ量が並びの順番に徐々にずれている。しかし、順番でなく、ランダムずらしてもよい。
また、発光素子22は、2列に等ピッチに配置されている。しかし、自由に配置しても良い。例えば、円状、S字状、幾何学形状に配置してもよい。
第1レンズ201の長さを場所によって変えることにより、発光素子22を平面状の基板23に実装した状態で、照明装置200を立体的に配置することも可能である。
図21は、照明装置200の部分正面図である。図21に示す照明装置200は、レンズを2列に配置した領域と1列に配置した領域とを有している。照明ユニット300の並べ方には自由度があり、自由なデザインが可能である。この場合も、実施の形態1、2で説明した第1レンズ201、第2レンズ211の関係が成り立てばよい。
また、複数の第1レンズ201、複数の第2レンズ211はそれぞれ、実施の形態1、2では同じであったが、大きさなど変化させてもよい。多数種類の光源の組み合わせにより照明装置が構成されてもよい。この構成では、発光素子22の一部に不具合が発生した際にも十分な明かりを照射することが可能である。
以上のように、照明装置の光軸方向に対して発光素子22の光軸方向を自由に傾けることが可能であり、複数のレンズユニットを自由に配置できる。そのため、自由なデザインが可能である。また、多数の光源の組み合わせによりランプが構成されているため、発光素子22の一部に不具合が発生した際にも十分な明かりを照射することが可能である。
(実施の形態4)
以下、図22A〜図23Gを参照しながら、実施の形態4を説明する。実施の形態1〜3では、複数のレンズユニットを用いている。これに対し、本実施の形態による照明装置500、600では、1組のレンズを用いる。
以下、図22A〜図23Gを参照しながら、実施の形態4を説明する。実施の形態1〜3では、複数のレンズユニットを用いている。これに対し、本実施の形態による照明装置500、600では、1組のレンズを用いる。
図22A、図22Bは、照明装置500の側面図である。照明装置500は、第1レンズ501と第2レンズ511とを有する。発光素子22は、第1レンズ501の下部に位置するが、図面上では見えない。
図22Cは、第1レンズ501の斜視図である。第1レンズ501には、側面の上から下まで伸びる段差521がある。
図22Dは、第1レンズ501の照射口506を示す平面図である。照射口506は、第1レンズ501から第2レンズ511へ光を導く。照射口506の長辺には段差521が現れている。
図22Eは、照明装置500による光の照射範囲507を示している。照射範囲507には段差がある。照射範囲507はロービーム配光であり、照射口506と相似な形状を有している。
照明装置500の特徴は、上述のように、第1レンズ501の側面に段差521があることである。照射口506にも段差521の端部が位置している。
照明装置500は、1組の第1レンズ501と第2レンズ511とで、ロービーム配光を達成できる。ハイビーム用照明装置としては、別の照明装置を用いればよい。
また、照明装置500を複数用いてもよい。上記以外は実施の形態1〜3と同様である。
次に、図23A〜図23Gを参照しながら、照明装置500の変形例である照明装置600について説明する。
図23Aと図23Bは、照明装置600の側面図である。照明装置600は、第1レンズ601と第2レンズ611とを有する。発光素子22は、第1レンズ601の下部に位置するが、図面上では見えない。
図23Cは、第1レンズ601の斜視図である。第1レンズ601には、側面の上から下まで伸びる段差621がある。
図23Dは、第1レンズ601の照射口606を示す平面図である。照射口606は、第1レンズ601から第2レンズ611へ光を導く。照射口606の長辺には段差621が現れている。
図23Eは、照明装置600による光の照射範囲607を示している。照射範囲607は、ロービーム配光であり、照射口606の形状に相当する。
照明装置500に対する照明装置600の違いは、図23Dからわかるように、照射口606の周辺部にテーパ部631a、631b、632c、632dがあることである。
テーパ部631aは、照射口606の左辺のコーナー部に形成されている。テーパ部631bは、照射口606の下辺のコーナー部に形成されている。テーパ部632cは、照射口606の右辺のコーナー部に形成されている。照射口606の残りの1辺にはテーパはない。テーパ部632dは、第1レンズ601の側面のコーナー部に形成されている。
図23Fは、テーパ部531aの拡大平面図である。図23Gはテーパ部531aの断面図である。このような階段状の形状により、光が分散される。図22Eと図23Eと比較するとわかるように、照射範囲607では、周辺部分が広がっている(ぼやけている)。そのため、照射範囲607は照射範囲507よりも広い。ロービーム部分608はくっきりとし、それ以外の周辺では、光が広がり、ぼやけている。
(実施の形態5)
次に、図24A〜図35Bを参照しながら実施の形態5を説明する。図24Aは、本実施の形態による照明装置700の側面図である。照明装置700は、2つの照明ユニット705を有する。2つの照明ユニット705は、自動車の照明装置を想定して、左右に配置される。照明ユニット705はそれぞれ、複数のレンズユニット705a〜705gを有する。図24Bは、図24Aと異なる方向(垂直方向)から見た1つの照明ユニット705の側面図である。図25A、図25Bは、照明ユニット705に含まれるレンズユニット705aの側面図である。他のレンズユニットも同様である。図25Cは、レンズユニット705aの第1レンズ701の下部の拡大断面図である。
次に、図24A〜図35Bを参照しながら実施の形態5を説明する。図24Aは、本実施の形態による照明装置700の側面図である。照明装置700は、2つの照明ユニット705を有する。2つの照明ユニット705は、自動車の照明装置を想定して、左右に配置される。照明ユニット705はそれぞれ、複数のレンズユニット705a〜705gを有する。図24Bは、図24Aと異なる方向(垂直方向)から見た1つの照明ユニット705の側面図である。図25A、図25Bは、照明ユニット705に含まれるレンズユニット705aの側面図である。他のレンズユニットも同様である。図25Cは、レンズユニット705aの第1レンズ701の下部の拡大断面図である。
上記実施の形態との相違点は以下のとおりである。下記以外は実施の形態1〜3と同様である。
(1)実施の形態1〜3では、基板23は平面状である。これに対し、本実施の形態による照明装置700では、図24A、図24Bに示すように、階段状の基板723を有する。
(2)実施の形態1〜3では、発光素子22は第1レンズ101に対して傾斜している。これに対し、照明装置700では、図25Cに示すように、発光素子22の発光面は、第1レンズ701の下面(第1入射面702)に平行である。上述のように、基板723が階段状であるため、このような構成が可能である。発光素子22からの光が、第1レンズ701の下面に垂直に入るので、より光の利用効率がよい。
(3)複数のレンズユニット705a〜705gでは、第1レンズ701と第2レンズ711との位置関係が同じである。
レンズユニット705a〜705gには、それぞれ、光を照射する範囲が決められている。それぞれのレンズユニット705a〜705gの下に配置された発光素子22をオン、オフすることで、光照射範囲を制御することができる。図24A、図24Bでは、ユニット705はそれぞれ、7個のレンズユニット705a〜705gを有する。
図26A〜図35Bは、レンズユニット705a〜705gの下に配置された発光素子22のオン、オフにより、光の照射範囲を変化させた例を示している。図中の記号A〜Gは、レンズユニット705a〜705gのそれぞれからの光を示している。ただし、レンズユニットの並び(位置)と光の照射位置とは無関係であり、レンズユニットごとに照射位置が設定されている。
図26A、図28A、図30A、図32A、図34Aは、左側の照明ユニット705の光分布を示している。図26B、図28B、図30B、図32B、図34Bは、右側の照明ユニット705の光分布を示している。図27A、図29A、図31A、図33A、図35Aは、右側と左側の照明ユニット705の合成光の光分布を示している。図27B、図29B、図31B、図33B、図35Bは、それぞれ、図27A、図29A、図31A、図33A、図35Aでの光強度分布を示している。
上記のように異なる光照射範囲を合成して、図22E、図23Eに示すような段差のある光照射範囲となるように、複数のレンズユニットを配置することもできる。
照明装置700では、それぞれのレンズユニット705a〜705gの下に配置された発光素子22をオン、オフすることで光を照射したくないところの光をカットできる。
なお、図25A、図25Bに示すようにレンズユニット705aでは、第1レンズ701と第2レンズ711とが一体されていてもよい。レンズユニット705b〜705gについても同様である。実施の形態1〜3とは異なり、照明装置700では第1レンズ701と第2レンズ711との位置関係をレンズユニットごとに変えないためである。
図26A〜図27Bは、全てのレンズユニット705a〜705gの下に配置された発光素子22が点灯された状態を示す。
図28A〜図29Bは、左右のレンズユニット705a〜705cの下に配置された発光素子22を消灯し、中央に光を照射させない場合を示す。
図30A〜図31Bは、左のレンズユニット705a〜705cの下に配置された発光素子22を消灯し、右のレンズユニット705a、705b、705dの下に配置された発光素子22を消灯した場合を示す。
図32A〜図33Bは、左のレンズユニット705a〜705gの下に配置された発光素子22は全点灯で消灯せず、右のレンズユニット705e、705fの下に配置された発光素子22を消灯した場合を示す。
図34A〜図35Bは、左のレンズユニット705a〜705gの下に配置された発光素子22は全点灯で消灯せず、右のレンズユニット705f、705gの下に配置された発光素子22を消灯した場合を示す。
このように、レンズユニット705a〜705gの下に配置された発光素子22の点灯、消灯で光の照射範囲を変更でき、所望の範囲にのみ光を照射できる。
以上の実施の形態は、組み合わせることができる。例えば、実施の形態4のレンズを実施の形態1〜3、5の照明装置に用いてもよい。
本発明による照明装置は、車両用だけなく、広く乗り物用の照明装置として利用できる。また、建物用の照明装置としても利用できる。
d ズレ量
n 屈折率
b 距離
10 発光素子
11 基板
12 反射板
13 開口
20 第1レンズユニット
21 第2レンズユニット
22 発光素子
23 基板
24 隙間
30 照度分布
31 中心
40 楕円
Hi ハイビーム
Lk カットオフライン
Lo ロービーム
P1 中心
dx ズレ量
dy ズレ量
r1 距離
r2 距離
r3 距離
t1 距離
t3 厚み
100 照明装置
101 第1レンズ
200 照明装置
201 第1レンズ
202 第1入射面
203 第2入射面
204 第1反射面
205 第2反射面
206,206A,206B,206C,206D,206E,206F 照射口
207 照射口中心
208 第1レンズ光軸
211 第2レンズ
212 入射面
213 出射面
214 光軸
215 光軸の中心
300 照明ユニット
500 照明装置
501 第1レンズ
506 照射口
507 照射範囲
511 第2レンズ
521 段差
531a テーパ部
600 照明装置
601 第1レンズ
606 照射口
607 照射範囲
608 ロービーム部分
611 第2レンズ
621 段差
631a テーパ部
631b テーパ部
632c テーパ部
632d テーパ部
700 照明装置
701 第1レンズ
705 照明ユニット
705a,705b,705c,705d,705e,705f,705g レンズユニット
711 第2レンズ
723 基板
L11 光
L12 光
L13 光
L14 光
L15 光
L16 光
L17 光
L18 光
L19 光
L21 光
L22 光
n 屈折率
b 距離
10 発光素子
11 基板
12 反射板
13 開口
20 第1レンズユニット
21 第2レンズユニット
22 発光素子
23 基板
24 隙間
30 照度分布
31 中心
40 楕円
Hi ハイビーム
Lk カットオフライン
Lo ロービーム
P1 中心
dx ズレ量
dy ズレ量
r1 距離
r2 距離
r3 距離
t1 距離
t3 厚み
100 照明装置
101 第1レンズ
200 照明装置
201 第1レンズ
202 第1入射面
203 第2入射面
204 第1反射面
205 第2反射面
206,206A,206B,206C,206D,206E,206F 照射口
207 照射口中心
208 第1レンズ光軸
211 第2レンズ
212 入射面
213 出射面
214 光軸
215 光軸の中心
300 照明ユニット
500 照明装置
501 第1レンズ
506 照射口
507 照射範囲
511 第2レンズ
521 段差
531a テーパ部
600 照明装置
601 第1レンズ
606 照射口
607 照射範囲
608 ロービーム部分
611 第2レンズ
621 段差
631a テーパ部
631b テーパ部
632c テーパ部
632d テーパ部
700 照明装置
701 第1レンズ
705 照明ユニット
705a,705b,705c,705d,705e,705f,705g レンズユニット
711 第2レンズ
723 基板
L11 光
L12 光
L13 光
L14 光
L15 光
L16 光
L17 光
L18 光
L19 光
L21 光
L22 光
Claims (14)
- 発光素子と、
前記発光素子に対向し配置され、光を照射する照射口を有する第1レンズと、
前記照射口に対向して配置された第2レンズと、を備え、
前記第1レンズは、
前記発光素子に対向し、前記発光素子からの光を前記照射口に導く第1入射面と、
前記第1入射面を通過しない光を前記第1レンズの外周方向に導く第2入射面と、
前記第2入射面からの光を反射して前記照射口に導く第1反射面と、
前記第1入射面を通過後に前記照射口に向かう方向から反れた光と、前記第1反射面で反射後に前記照射口に向かう前記方向から反れた光とを、反射して前記照射口に導く第2反射面と、をさらに有する、
照明装置。 - 前記第2レンズは、光軸から入射した前記光を一定の範囲へ出射する、
請求項1記載の照明装置。 - 前記第1レンズは、前記入射した光を集め照射する、
請求項1記載の照明装置。 - 前記第1レンズの側面には段差が設けられている、
請求項1記載の照明装置。 - 前記照射口の形状は、四角形で、一辺に段差がある、
請求項1記載の照明装置。 - 前記照射口の四角形の辺の部分は、前記第1レンズの側面へ向かってテーパとなっている、
請求項1記載の照明装置。 - 前記テーパは、階段状となっている、
請求項6記載の照明装置。 - 前記第1レンズの前記照射口は、四角形、楕円、或いは半円、半楕円形状のいずれか1つから、一部分が欠けた形状を有する、
請求項1記載の照明装置。 - 複数の前記発光素子と、
前記複数の発光素子のそれぞれに対向し配置され、前記照射口をそれぞれ有する複数の前記第1レンズと、
前記複数の前記第1レンズのそれぞれの前記照射口に対向して配置された複数の前記第2レンズと、を備えた、
請求項1記載の照明装置。 - 前記複数の第1レンズのそれぞれの前記照射口の中心位置と、前記複数の第2レンズのそれぞれの中心軸とのズレ寸法が、前記照明装置における位置により異なる、
請求項9に記載の照明装置。 - 前記複数の第1レンズの前記照射口のうち、少なくとも1つはそれ以外とは異なる形状を有する、
請求項9に記載の照明装置。 - 前記複数の第1レンズの1つと前記複数の第2レンズの1つとが、レンズユニットを構成することで、複数のレンズユニットを備え、前記複数のレンズユニットは、それぞれ異なる光照射範囲を有する、
請求項9に記載の照明装置。 - 前記異なる光照射範囲を合成して、段差のある光照射範囲となるように、前記複数のレンズユニットが配置されている、
請求項12に記載の照明装置。 - 前記第1レンズの複数の前記照射口はそれぞれ、四角形、楕円、半円、半楕円形状のいずれか1つから、一部分が欠けている形状を有する、
請求項9に記載の照明装置。
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