JP6125832B2 - 灯具ユニット - Google Patents

Description

本発明は、灯具ユニットに関し、特に車両に搭載される灯具ユニットに関する。

従来、車両用前照灯においてカットオフラインを形成するための灯具ユニットが知られている。例えば、車両前後方向に延びる光軸上に配置された投影レンズと、この投影レンズの後方側焦点位置近傍において、光軸近傍に上端縁が位置するように配置された遮光部材と、この遮光部材の後方近傍に配置された半導体発光素子と、を備えた灯具ユニットが考案されている（特許文献１参照）。

この灯具ユニットは、半導体発光素子から出射して遮光部材によって一部遮断された光を、投影レンズを介して前方へ照射することにより、遮光部材の上端縁形状の反転像としてカットオフラインの一部を形成するように構成されている。

特開２００５−４４６８３号公報

しかしながら、上記の灯具ユニットは、投影レンズの屈折率に波長依存性があるため、カットオフライン上に色割れ（色収差）を生じることが避け難い。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、色収差が抑制された灯具ユニットを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の灯具ユニットは、車両用灯具に用いられる灯具ユニットであって、レンズと、光源搭載部と、光源搭載部よりも車両後方側に配置され、光源搭載部に配置された光源から出射された光をレンズに向けて反射する反射部材と、を備える。光源搭載部は、レンズと反射部材との合成焦点近傍に配置されている。反射部材は、光源から出射した光線を反射する反射領域と反射された光線がレンズに入射する入射領域とが、当該光線の光路と光軸を含む平面において光軸に対して同じ側になるように、該反射部材の反射面が構成されており、レンズは、反射部材により反射された光線がレンズの入射面に入射する入射方向と光軸とが成す角をθｉｎ、入射した光線がレンズの出射面から車両前方へ出射する出射方向と光軸とが成す角をθｏｕｔとすると、｜θｉｎ｜＞｜θｏｕｔ｜を満たすように構成されている。

この態様によると、反射部材により反射された光線がレンズの入射面に入射する入射方向と光軸とが成す角度θｉｎを小さくできる。また、入射した光線がレンズの出射面から車両前方へ出射する出射方向と光軸とが成す角θｏｕｔは角度θｉｎより更に小さい。そのため、反射部材で反射された光線が投影レンズを透過する際に屈折される程度が小さく、色収差が抑制される。

レンズおよび反射部材は、合成焦点からレンズの前方であって光軸に対して垂直な仮想平面までの光路長が一定となるように構成されていてもよい。

レンズおよび反射部材は、合成焦点から射出する光線の光軸に対する射出角度をθ、レンズと反射部材との合成焦点距離をＲ、レンズから出射された光線と光軸との距離をｈとすると、｜ｈ｜＝Ｒｓｉｎθ（正弦条件）を満たすように構成されていてもよい。これにより、合成焦点付近の物体を鮮明に結像できる。

レンズは、少なくとも入射面が自由曲面で構成されていてもよい。

反射部材の最大半径は、レンズの最大半径よりも大きい。

本発明によれば、色収差を抑制した灯具ユニットを提供することができる。

図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す側面図、図１（ｂ）は、第１の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す斜視図である。 図２（ａ）は、第１の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す上面図、図２（ｂ）は、第１の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す正面図である。 第１の実施の形態に係る灯具ユニットにおける光線図を模式的に示した図である。 正弦条件を満たすレンズおよび反射部材の構成を説明するための模式図である。 光源と遮光部材との位置関係の一例を示す図である。 図６（ａ）は、ＬＥＤアレイによる配光パターンの一例を示す図、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すＨ−Ｈ線上の明るさの変化を示す図である。 灯具ユニットを上方から見た断面図である。 図８（ａ）は、本実施の形態に係るレンズの出射面に散乱を生じさせる加工を施した場合の配光パターンの一例を示す図、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示すＨ−Ｈ線上の明るさの変化を示す図である。 図９（ａ）は、第２の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を側面から見た光線図、図９（ｂ）は、第２の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す斜視図である。 図１０（ａ）は、第２の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す上面図、図１０（ｂ）は、第２の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す正面図である。 図１１（ａ）は、第３の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を側面から見た光線図、図１１（ｂ）は、第３の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す斜視図である。 図１２（ａ）は、第３の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す上面図、図１２（ｂ）は、第３の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す正面図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す側面図、図１（ｂ）は、第１の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す斜視図である。図２（ａ）は、第１の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す上面図、図２（ｂ）は、第１の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す正面図である。

第１の実施の形態に係る灯具ユニット１０は、主として車両用灯具（例えば、車両用前照灯）に用いられる。灯具ユニット１０は、各図に示すように、レンズ１２と、レンズ１２と反射部材１８との合成焦点Ｆ近傍に配置された光源搭載部１４と、光源搭載部１４に搭載されている光源１６と、光源搭載部１４よりも車両後方側（図１（ａ）に示す矢印Ｂ側）に配置され、光源１６から出射された光をレンズ１２に向けて反射する反射部材１８と、を備える。ここで、合成焦点Ｆとは、例えば、複数の光学部材（レンズや反射鏡等）によって構成された光学系において定まる一つの焦点ととらえることができる。

レンズ１２は、半円板状であり、入射面と出射面の少なくとも一方が所定の形状を有している。なお、図１および図２の各図では、レンズ１２の表面形状については簡略化して記載してある。レンズ１２の具体的な形状については後述する。

光源搭載部１４は、光源１６を所望の位置に搭載できるように構成されており、例えば、光源１６が発する熱をユニットの外へ放出するための放熱部材を兼ねていてもよい。反射部材１８は、椀状の内面が反射面１８ａとなるように構成されている反射鏡（リフレクタ）である。

図３は、第１の実施の形態に係る灯具ユニットにおける光線図を模式的に示した図である。合成焦点Ｆ近傍に配置された光源１６から出射した光線は、反射部材１８の反射面１８ａで反射され、レンズ１２の入射面１２ａに入射する。この際、光線は入射面１２ａに入射した際に屈折されて光軸Ａｘとほぼ平行な光線となり、レンズ１２の出射面１２ｂから出射する。

ここで、反射部材１８は、光源１６から出射した光線Ｌを反射する反射領域Ｓ１と反射された光線Ｌがレンズ１２に入射する入射領域Ｓ２とが、光線Ｌの光路と光軸Ａｘを含む平面（図３の紙面）において光軸Ａｘに対して同じ側になるように、反射部材１８の反射面１８ａが構成されている。

また、レンズ１２は、反射部材１８により反射された光線Ｌがレンズ１２の入射面１２ａに入射する入射方向と光軸（図３では光軸に平行な仮想線Ｌｐ）とが成す角をθｉｎ、入射した光線がレンズの出射面から車両前方へ出射する出射方向と光軸（図３では光軸に平行な仮想線Ｌｐ）とが成す角をθｏｕｔとすると、｜θｉｎ｜＞｜θｏｕｔ｜を満たすように構成されている。

なお、本実施の形態に係る灯具ユニット１０においては、レンズ１２の出射面１２ｂから出た光線Ｌは光軸Ａｘと平行である。そのため、θｏｕｔ＝０°である。

これにより、反射部材１８により反射された光線Ｌがレンズ１２の入射面１２ａに入射する入射方向と光軸とが成す角度θｉｎを小さくできる。また、入射した光線Ｌがレンズ１２の出射面１２ｂから車両前方へ出射する出射方向と光軸とが成す角θｏｕｔは角度θｉｎより更に小さい。そのため、反射部材１８で反射された光線Ｌがレンズ１２を透過する際に屈折される程度が小さく、色収差が抑制される。

また、灯具ユニット１０においては、反射部材１８の最大半径ｒ１は、レンズの最大半径ｒ２よりも大きい（図１（ａ）参照）。つまり、反射部材１８は、光源１６から出射した光を反射してより狭い領域に集光するように構成されることで、レンズ１２を小型にすることができる。

更に、灯具ユニット１０におけるレンズ１２と反射部材１８の形状等について、以下の要件を満たすように構成することで、光源像をより鮮明に結像できる。

第１に、レンズ１２および反射部材１８は、合成焦点Ｆからレンズ１２の前方であって光軸Ａｘに対して垂直な仮想平面Ｐまでの各光線Ｌの光路長が一定となるように構成されている。

第２に、レンズ１２および反射部材１８は、以下に示す正弦条件を満たすように構成されている。図４は、正弦条件を満たすレンズおよび反射部材の構成を説明するための模式図である。

図４に示すように、レンズ１２および反射部材１８は、合成焦点Ｆから射出する光線Ｌの光軸に対する射出角度をθ、レンズと反射部材との合成焦点距離をＲ、レンズから出射された光線Ｌと光軸Ａｘとの距離をｈとすると、｜ｈ｜＝Ｒｓｉｎθを満たすように構成されている。具体的には、図４で示す光線Ｌ１、Ｌ２のそれぞれが、
｜ｈ１｜＝Ｒｓｉｎθ１
｜ｈ２｜＝Ｒｓｉｎθ２
を満たすように反射部材１８の反射面１８ａの形状やレンズ１２の形状が設定されている。本実施の形態に係るレンズ１２は、入射面１２ａが自由曲面で構成されており、出射面１２ｂは光軸Ａｘに垂直な平面で構成されている。なお、レンズ１２や反射部材１８は、図３や図４に示す断面形状を光軸Ａｘを中心に回転させて得られる形状を有する。

このように、少なくとも一対の反射部材とレンズを備えた投影光学系であって、対応する一対の反射面１８ａとレンズ１２の入射面１２ａが上述の２条件（光路長一定、正弦条件）を満たす光学系は、球面収差とコマ収差が補正され、合成焦点付近の物体（光源像）が鮮明に結像される。

なお、同様の光学系をレンズの入射面と出射面とにより構成すれば、いわゆるアプラナチックレンズとなるが、本実施の形態に係る灯具ユニットは、このようなアプラナチックレンズと比較して以下のような利点を備える。

（１）同等の焦点距離、口径のアプラナチックレンズと比較して、レンズを薄く構成できる。そのため、特に樹脂材料でレンズを形成する場合の成形性が向上する。

（２）同等の焦点距離、口径のアプラナチックレンズと比較して、通過する光線に対する各面の傾きが緩く(光線と面法線の角度差が小さく)なるため、屈折による色収差の発生が抑制される。

（３）本実施の形態に係る灯具ユニットでは、レンズ１２の出射面１２ｂは平面である。つまり、入射面１２ａにおける屈折で光軸Ａｘに対して平行となった光線は、出射面１２ｂを通過する際に屈折しない。そのため、出射面１２ｂに、シボや拡散ステップ等を追加することによって屈折による更なる配光調整が可能となる。

本実施の形態に係る灯具ユニット１０は、遮光部材を備えることで、カットオフラインを有するロービーム用配光パターンを形成することができる。図５は、光源と遮光部材との位置関係の一例を示す図である。光源１６と反射部材１８との間に遮光部材２０が設けられている。遮光部材２０は、ロービーム用配光パターンにおけるカットオフラインを形成するための水平部２０ａ，２０ｂおよび水平部２０ａ，２０ｂをつなぐ斜辺２０ｃを有する。

灯具ユニット１０が備える光源１６は、平面光源、円筒光源、または平面光源とその光を集光する複合放物面集光器とを組み合わせたユニットなどを用いることができる。光源に用いられる発光素子は、例えば、ＬＥＤ素子、ＬＤ素子、ＥＬ素子などが挙げられる。

また、光源１６は、独立して点消灯可能な複数の発光素子を並べたもの、例えば、ＬＥＤアレイであってもよい。これにより、配光パターンの一部を非照射とすることができ、自車両前方の対向車や歩行者に対するグレアの発生を抑制できる。

一方、ＬＥＤアレイの場合、隣接するＬＥＤ素子間の隙間が暗部として配光パターンに投影されることがある。図６（ａ）は、ＬＥＤアレイによる配光パターンの一例を示す図、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すＨ−Ｈ線上の明るさの変化を示す図である。図６（ａ）に示す配光パターンにおいて、ＬＥＤ素子間の隙間に対応する暗部が見られる。

そこで、レンズを透過する際に光源からの光の少なくとも一部を散乱させることで、筋状の暗部の発生を抑制することができる。図７は、灯具ユニット１０を上方から見た断面図である。前述のように、レンズ１２の入射面１２ａは、反射部材１８の反射面１８ａとともに光学的な条件により設定される屈折面であり、この面において更に形状を変化させて配光を変化させることは設計上困難である。一方、出射面１２ｂは、平面であり、この状態では光線を真っすぐ透過させるだけである。そのため、レンズ１２の出射面１２ｂにシボや拡散ステップ等を設けて光の一部を散乱させることができる。

図８（ａ）は、本実施の形態に係るレンズ１２の出射面１２ｂに散乱を生じさせる加工を施した場合の配光パターンの一例を示す図、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示すＨ−Ｈ線上の明るさの変化を示す図である。図８（ａ）に示す配光パターンにおいて、ＬＥＤ素子間の隙間に対応する暗部が軽減されていることがわかる。

また、灯具ユニット１０は、ＬＥＤアレイの一部のＬＥＤ素子を非点灯とすることでハイビーム用配光パターンの一部の領域の照射状態を変化させる、いわゆるＡＤＢ（Adaptive Driving Beam）において、非点灯のＬＥＤ素子の存在により生じる明暗境界での色割れをも低減できる。

（第２の実施の形態）
図９（ａ）は、第２の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を側面から見た光線図、図９（ｂ）は、第２の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す斜視図である。図１０（ａ）は、第２の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す上面図、図１０（ｂ）は、第２の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す正面図である。

第２の実施の形態に係る灯具ユニット２２は、第１の実施の形態に係る灯具ユニット１０と比較して、複合楕円反射面を有する楕円反射部材２４を備えている点が大きく異なる。そして、光源１６は、楕円反射部材２４の第１焦点Ｆ１近傍に配置されている。また、楕円反射部材２４は、その第２焦点Ｆ２が、レンズ１２と反射部材１８との合成焦点Ｆとほぼ一致するように構成されている。このように構成された灯具ユニット２２も、第１の実施の形態に係る灯具ユニットと同様の作用効果が得られる。

（第３の実施の形態）
図１１（ａ）は、第３の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を側面から見た光線図、図１１（ｂ）は、第３の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す斜視図である。図１２（ａ）は、第３の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す上面図、図１２（ｂ）は、第３の実施の形態に係る灯具ユニットの概略構造を模式的に示す正面図である。

第３の実施の形態に係る灯具ユニット３０は、第１の実施の形態に係る灯具ユニット１０と比較して、レンズ１２と反射部材１８との合成焦点Ｆ近傍に反射型液晶またはミラーアレイを設けた点が大きく異なる。複合放物面集光器を備えた光源２６から出射した光は、反射部材２７により反射された後、レンズ１２と反射部材１８との合成焦点Ｆ近傍に集光される。反射型液晶やミラーアレイは、光源２６から出射し、反射部材２７により反射された光の全部または一部を選択的に反射する選択反射部材２８として機能する。つまり、反射型液晶の場合は、反射させたい光が入射する領域だけ反射面を形成し、それ以外の領域では光が反射しない状態にすればよい。また、ミラーアレイの場合は、反射させたい光が入射するミラーを反射位置となるように制御し、それ以外のミラーを非反射位置となるように制御すればよい。これにより、複数の配光パターンを簡便に形成することができる。なお、このように構成された灯具ユニット３０も、第１の実施の形態に係る灯具ユニットと同様の作用効果が得られる。

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

１０ 灯具ユニット、 １２ レンズ、 １２ａ 入射面、 １２ｂ 出射面、 １４ 光源搭載部、 １６ 光源、 １８ 反射部材、 １８ａ 反射面。

Claims (5)

1. 車両用灯具に用いられる灯具ユニットであって、
   レンズと、
   光源搭載部と、
   前記光源搭載部よりも車両後方側に配置され、前記光源搭載部に配置された光源から出射された光を前記レンズに向けて反射する反射部材と、を備え、
   前記光源搭載部は、前記レンズと前記反射部材との合成焦点近傍に配置され、
   前記反射部材は、前記光源から出射した光線を反射する反射領域と反射された前記光線が前記レンズに入射する入射領域とが、当該光線の光路と光軸を含む平面において光軸に対して同じ側になるように、該反射部材の反射面が構成されており、
   前記レンズは、
   前記反射部材により反射された前記光線が前記レンズの入射面に入射する入射方向と光軸とが成す角をθｉｎ、
   入射した前記光線が前記レンズの出射面から車両前方へ出射する出射方向と光軸とが成す角をθｏｕｔとすると、
   ｜θｉｎ｜＞｜θｏｕｔ｜を満たすように構成されている、
   ことを特徴とする灯具ユニット。
2. 前記レンズおよび前記反射部材は、
   前記合成焦点からレンズの前方であって光軸に対して垂直な仮想平面までの光路長が一定となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の灯具ユニット。
3. 前記レンズおよび前記反射部材は、
   前記合成焦点から射出する光線の光軸に対する射出角度をθ、
   前記レンズと前記反射部材との合成焦点距離をＲ、
   前記レンズから出射された前記光線と光軸との距離をｈとすると、
   ｜ｈ｜＝Ｒｓｉｎθを満たすように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の灯具ユニット。
4. 前記レンズは、少なくとも入射面が自由曲面で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の灯具ユニット。
5. 前記反射部材は、車両前方側から見て半円状であり、
   前記レンズは、車両前方側から見て半円状であり、
   車両前方側から見た前記反射部材の最大半径は、車両前方側から見た前記レンズの最大半径よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の灯具ユニット。