JP6180709B2 - 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、車両用灯具に用いられる光源ユニットとして、光源ユニットの光軸上に該光軸と略直交する所定方向へ向けて配置された半導体発光素子と、この半導体発光素子からの光を光軸方向前方へ向けて該光軸寄りに集光反射させるリフレクタと、を備えた光源ユニットが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この光源ユニットを備えた車両用灯具は、光源ユニットの前方に投影レンズが配置されており、光源から出射された光は、投影レンズを介して灯具前方に照射される。投影レンズには、灯具正面から見て丸形の平凸レンズが用いられている。

特開２００３−３１７５１３号公報

ところで、近年、車両に搭載される灯具ユニットにおいて、斬新な意匠性を実現する様々な工夫が検討されている。例えば、従来の円形の投影レンズとは異なる形状の投影レンズを採用することも一案である。

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、灯具ユニットにおいて、所望の配光性能を満たしつつ新たな意匠性を実現する技術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、所定の配光パターンを形成する灯具ユニットであって、光源を搭載する光源搭載部と、光源からの光を反射光として灯具前方に向けて反射するリフレクタと、反射光を光源の像として灯具前方に投影する非円形の投影レンズと、を備える。投影レンズは、光軸から等距離にある少なくとも一部の環状の領域の表面と光軸との成す角が周方向に均一ではない形状であり、リフレクタは、配光パターン全体の形成に寄与する光を反射する第１反射面と、光源よりも灯具後方であって光軸近傍に配置され、配光パターンの中心領域へ向かう光を反射する第２反射面と、を有している。

この態様によると、従来の円形の投影レンズと異なる非円形の投影レンズにより新たな意匠性を実現できる。また、光源搭載部よりも灯具後方であって光軸近傍に配置され、配光パターンの中心領域へ向かう光を反射する第２反射面を設けたことにより、配光パターンの中心領域の明るさを向上できる。

投影レンズは、入射面及び出射面の形状が鉛直方向の高さよりも水平方向の幅が大きくなるように形成されていてもよい。これにより、灯具ユニットの高さを抑えることができる。

第１反射面は、連続した一つの曲面を有しており、第２反射面を取り囲むように配置されていてもよい。これにより、第１反射面で反射した光によって全体が形成される配光パターンのムラを抑制できる。

光源搭載部に搭載される光源として半導体発光素子を備えてもよい。半導体発光素子は、発光面が上方を向くように光源搭載部に搭載されていてもよい。

第２反射面は、光軸を含む断面形状が光源の発光中心近傍を第１焦点とする楕円を基調とした形状であり、投影レンズは、焦点が第２反射面の第２焦点近傍に位置するように配置されている。

本発明によれば、灯具ユニットにおいて、所望の配光性能を満たしつつ新たな意匠性を実現する技術を提供することができる。

図１（ａ）は、連続した曲面で構成されているリフレクタと平凸レンズとを組み合わせた灯具ユニットを上から見た場合における光線追跡図、図１（ｂ）は、スクリーン上での図１（ａ）の光線の分布を示した図、図１（ｃ）は、一つの連続した曲面で構成されているリフレクタと異型レンズとを組み合わせた灯具ユニットを上から見た場合における光線追跡図、図１（ｄ）は、スクリーン上での図１（ｃ）の光線の分布を示した図である。 本実施の形態に係る灯具ユニットの斜視図である。 本実施の形態に係る灯具ユニットの概略構成を模式的に示した断面図である。 図４（ａ）は、本実施の形態に係るリフレクタの正面図、図４（ｂ）は、本実施の形態に係るリフレクタの斜視図、図４（ｃ）は、本実施の形態に係るリフレクタの上面図である。 図５（ａ）は、本実施の形態に係る投影レンズを入射面側から見た背面図、図５（ｂ）は、投影レンズを出射面側から見た正面図、図５（ｃ）は、投影レンズを灯具上方から見た上面図である。 図６（ａ）は、本実施の形態に係る投影レンズの側面図、図６（ｂ）は、投影レンズを下方から見た斜視図である。 図７（ａ）は、本実施の形態に係るリフレクタの第１反射面で反射した光線追跡図、図７（ｂ）は、スクリーン上での図７（ａ）の光線の分布を示した図、図７（ｃ）は、本実施の形態に係るリフレクタの第２反射面で反射した光線追跡図、図７（ｄ）は、スクリーン上での図７（ｃ）の光線の分布を示した図である。 図８（ａ）は、本実施の形態に係る灯具ユニットによる配光パターンを模式的に示した図、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す配光パターンのうち、リフレクタの第１反射面によって形成された配光パターンを模式的に示した図、図８（ｃ）は、図８（ａ）に示す配光パターンのうち、リフレクタの第２反射面によって形成された配光パターンを模式的に示した図である。

車両に用いられる灯具ユニットに求められる性能として、遠方視認性、ある程度の広さの照射領域、その照射領域における明るさムラの少なさ等が挙げられる。一方、車両用灯具ユニットには、性能とは別に斬新なデザイン性が求められてもいる。そこで、これら灯具ユニットの性能とデザイン性とを高いレベルで両立するべく、本願発明が考案された。

はじめに、本願発明に想到した経緯について説明する。図１（ａ）は、連続した曲面で構成されているリフレクタと平凸レンズとを組み合わせた灯具ユニットを上から見た場合における光線追跡図、図１（ｂ）は、スクリーン上での図１（ａ）の光線の分布を示した図、図１（ｃ）は、一つの連続した曲面で構成されているリフレクタと異型レンズとを組み合わせた灯具ユニットを上から見た場合における光線追跡図、図１（ｄ）は、スクリーン上での図１（ｃ）の光線の分布を示した図である。

なお、図１（ａ）、図１（ｃ）における光線追跡図は、説明の便宜上、リフレクタの半分の領域で反射した光線の追跡図である。一方、図１（ｂ）、図１（ｄ）におけるスクリーン上での光線の分布は、リフレクタの全体の領域で反射した光線が対象である。

図１（ａ）に示す灯具ユニット１１０の場合、光源１１２から出射した光は、リフレクタ１１４の内面で反射され、平凸型の投影レンズ１１６を介して、前方に光源像として投影される。このような一般的な灯具ユニット１１０の場合、図１（ｂ）に示すように、比較的光線の分布に乱れがなく、車両前方の照射領域における配光のムラが少ない。ここで、配光のムラとは、例えば、明るさが局所的に急激に変化する領域であり、場合によっては、明暗によるすじとして見えることもある。

しかしながら、円形の平凸型の投影レンズは、縦、横の比率や大きさを自由に選択することができないため、このような投影レンズを備えた灯具ユニットにおいて意匠性を工夫することには制約が多い。そこで、従来の平凸型の投影レンズに代えて、形状の自由度が高い異型レンズを備えた灯具ユニットについて説明する。

図１（ｃ）に示す灯具ユニット１２０は、前述の灯具ユニット１１０と比較して、形状が非円形の投影レンズ１１８を備えている点が主たる特徴である。異型の投影レンズ１１８を用いた場合、レンズ端の異型度の高い領域を通過する光により、図１（ｄ）に示すように、光線の分布にムラが生じる領域Ｒが形成される。つまり、灯具ユニット１２０の照射領域の明るさに局所的なムラが生じることになる。

そこで、本発明者は、異型の投影レンズと組み合わせることで、配光（明るさ）ムラを低減するための一つの手段として、リフレクタに着目した。

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。

図２は、本実施の形態に係る灯具ユニットの斜視図である。図３は、本実施の形態に係る灯具ユニットの概略構成を模式的に示した断面図である。図４（ａ）は、本実施の形態に係るリフレクタの正面図、図４（ｂ）は、本実施の形態に係るリフレクタの斜視図、図４（ｃ）は、本実施の形態に係るリフレクタの上面図である。

本実施の形態に係る灯具ユニットは、例えば、車両用前照灯などの車両用灯具に好適である。図２や図３に示すように、灯具ユニット１０は、いわゆるプロジェクタ型の灯具ユニットであり、光源搭載部１４と、光源モジュール１６（光源）と、リフレクタ１８と、シェード部２０と、投影レンズ１００とを備える。

光源搭載部１４は、例えばアルミなどの金属材料で形成され、灯具ユニット１０の光軸Ｏに対して垂直方向上方を向く光源モジュール搭載面１４ａを有する。光源モジュール搭載面１４ａには、光源モジュール１６が搭載されている。

光源モジュール１６は、光出射面が光軸Ｏに対して垂直方向略上方を向くように配置されている。光源モジュール１６は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）、ＥＬ素子等の半導体発光素子と、半導体発光素子を支持する基板とを有する。なお、灯具ユニット１０に用いられる光源は、白熱球やハロゲンランプ、放電球等であってもよい。光源モジュール１６の半導体発光素子は、発光面が上方を向くように光源搭載部１４に搭載されている。

リフレクタ１８は、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、略ドーム状であり、光源モジュール１６の上方に配置されて光源搭載部１４に固定されている。リフレクタ１８は、回転楕円面を基調とした自由曲面で構成される２種類の反射面１８ａ、１８ｂ（１８ｂ１，１８ｂ２）を内側に有する。この反射面１８ａ，１８ｂのそれぞれは、第１焦点と、第１焦点よりも灯具前方側に位置する第２焦点とを有する。光軸Ｏを中心に左右に分割された反射面１８ｂ１，１８ｂ２は、その境界に稜線が形成されており、連続した楕円面と比較して、互いに光軸Ｏ側に向かってわずかに向きを傾けて形成されている。リフレクタ１８は、光源モジュール１６の発光部が反射面１８ａ，１８ｂの第１焦点と略一致するように、光源モジュール１６との位置関係が定められている。また、リフレクタ１８は、投影レンズ１００の焦点が反射面１８ａ，１８ｂの第２焦点と略一致するように、投影レンズ１００との位置関係が定められている。

光源搭載部１４の灯具前方側には、シェード部２０が設けられている。シェード部２０は、略水平に配置された平面部２０ａを有する。リフレクタ１８は、シェード部２０の平面部２０ａの灯具前方側の先端部が反射面１８ａ，１８ｂの第２焦点の近傍に位置するように、シェード部２０との位置関係が定められている。

投影レンズ１００は、前方側表面が凸面であり、光源搭載部１４に搭載される光源モジュール１６からの光を灯具前方に投影する透光性部材である。投影レンズ１００は、その後方焦点を含む後方焦点面上に形成される光源像を、反転像として灯具前方の仮想鉛直スクリーン上に投影する。投影レンズ１００は、灯具ユニット１０の光軸Ｏ上に、かつ後方焦点がリフレクタ１８の反射面１８ａや反射面１８ｂの第２焦点と略一致する位置に配置されている。投影レンズ１００の形状については、後に詳細に説明する。

光源モジュール１６の発光素子１６ａから出射した光は、リフレクタ１８の反射面１８ａや反射面１８ｂにて反射され、それぞれの第２焦点、すなわちシェード部２０の先端部の近傍を通って投影レンズ１００に入射する。投影レンズ１００に入射した光は、投影レンズ１００から略平行な光として灯具前方に照射される。また、光源光の一部がシェード部２０の平面部２０ａ上にて反射することにより、シェード部２０の先端部を境界線として光源光が選択的にカットされる。これにより、シェード部２０の先端部の形状に対応するカットオフラインを有する配光パターンが、車両前方に投影される。

図５（ａ）は、本実施の形態に係る投影レンズ１００を入射面側から見た背面図、図５（ｂ）は、投影レンズ１００を出射面側から見た正面図、図５（ｃ）は、投影レンズ１００を灯具上方から見た上面図である。図６（ａ）は、本実施の形態に係る投影レンズ１００の側面図、図６（ｂ）は、投影レンズ１００を下方から見た斜視図である。

なお、図５（ａ）〜図６（ｂ）において、Ｘ軸は光軸Ｏに平行な軸であり、Ｙ軸は光軸Ｏに垂直であって灯具左右方向に延在する軸であり、Ｚ軸は光軸Ｏに垂直であって灯具上下方向に延在する軸である。

図３に示すように、投影レンズ１００は、光源モジュール１６よりも車両前方側に配置されている。投影レンズ１００は、光源モジュール１６から出射した光がリフレクタ１８で反射され、その反射光が入射する入射面１００ａと、入射面１００ａから入射した光の少なくとも一部が灯具前方に向けて出射する出射面１００ｂと、入射面１００ａの外縁部１００ａ１と出射面の外縁部１００ｂ１とをつなぐつなぎ面１００ｃと、を有する。

本実施の形態に係る灯具ユニット１０において、光源モジュール１６の発光素子から出射した光は、リフレクタ１８の反射面１８ａまたは反射面１８ｂにて反射され、反射面１８ａの第２焦点や反射面１８ｂの第２焦点、すなわちシェード部２０の先端部の近傍を通って投影レンズ１００に入射する。

本実施の形態に係る投影レンズ１００は、図５（ａ）〜図６（ｂ）に示すように、入射面１００ａ及び出射面１００ｂが、鉛直方向の高さよりも水平方向の幅が大きくなるように形成されている。従来、投影レンズには真円の平凸レンズが多く用いられていた。平凸レンズは、光学性能の観点からは設計しやすいものの、意匠性という観点では斬新さに欠けているところがある。また、大きさ、特に車両用灯具における高さ方向の大きさを、光学性能を満たしつつ小さくすることが困難でもあった。

一方、本実施の形態に係る投影レンズ１００は、正面視において長方形であり、鉛直方向の高さが抑えられているため、車両用灯具の高さを抑えることができる。一方、鉛直方向の高さと水平方向の幅とが異なる投影レンズ１００は、平凸レンズのように光軸Ｏを中心とした回転対称体ではないため、真円のレンズと比較して、つなぎ面の形状が一様ではない。

このように、平凸レンズから非回転形状の異型レンズに変わると、方向により主線の形状が異なり、平凸レンズよりも集光しにくくなり、遠方の明るさが減少してしまう。換言すれば、レンズの中央領域と比較してレンズの端部領域は、形状の変化が大きく、またその変化も場所によって不均一であるため、レンズの端部領域を通過する光を車両前方の所望の配光に適切に用いることは、光学設計上困難な場合が多い。また、方向によりレンズの結像性能も異なる。

そのため、図１（ｃ）に示した灯具ユニット１２０においては、図１（ｄ）に示す光線の乱れが生じ、照射領域に明るさのムラを生じさせる一因となるとともに、照射方向中央部の遠方視認性の低下を招くことにもなる。

そこで、新たな意匠性を実現しうる投影レンズを採用した場合においても、所望の配光パターンを精度よく形成するために、上述の灯具ユニット１０を考案した。

灯具ユニット１０は、光源モジュール１６からの光を反射光として灯具前方に向けて反射するリフレクタ１８と、反射光を光源の像として灯具前方に投影する非円形の投影レンズ１００と、を備える。投影レンズ１００は、光軸から等距離にある少なくとも一部の環状の領域の表面と光軸との成す角が周方向に均一ではない形状であり、リフレクタ１８は、配光パターン全体の形成に寄与する光を反射する第１反射面１８ａと、光源搭載部１４よりも灯具後方であって光軸Ｏ近傍に配置され、配光パターンの中心領域へ向かう光を反射する第２反射面１８ｂと、を有している。なお、第２反射面１８ｂは、配光パターンの内側領域（Ｈ−Ｈ線とＶ−Ｖ線との交点の周囲近傍）へ向かって、より照度の高い領域を形成する光を反射するように構成されている、と捉えることもできる。

図７（ａ）は、本実施の形態に係るリフレクタ１８の第１反射面１８ａで反射した光線追跡図、図７（ｂ）は、スクリーン上での図７（ａ）の光線の分布を示した図、図７（ｃ）は、本実施の形態に係るリフレクタ１８の第２反射面１８ｂで反射した光線追跡図、図７（ｄ）は、スクリーン上での図７（ｃ）の光線の分布を示した図である。

図７（ｂ）に示すように、第１反射面１８ａで反射した光は、配光パターン全体の形成に寄与するものであり、その光線分布は広い範囲で均一に分布している。これは、図４（ａ）に示すように、 第１反射面１８ａは、境界なく滑らかに連続した一つの曲面を有しており、第２反射面１８ｂを取り囲むように配置されているためである。これにより、第１反射面１８ａで反射した光によって全体が形成される配光パターンの明るさのムラを抑制できる。

第２反射面１８ｂは、光軸Ｏを含む断面形状が光源の発光中心近傍を第１焦点とする楕円を基調とした形状であり、投影レンズ１００は、焦点が第２反射面１８ｂの第２焦点近傍に位置するように配置されている。また、第２反射面１８ｂ（１８ｂ１，１８ｂ２）は、第１反射面１８ａと比較して光軸Ｏ側に向かって傾けて形成されている。そのため、図７（ｄ）に示すように、第２反射面１８ｂで反射した光は、配光パターンの中心領域に向かうものであり、その光線分布は配光パターンの中心領域にほぼ集中している。

このように、本実施の形態に係る灯具ユニット１０は、従来の円形の投影レンズと異なる非円形の投影レンズ１００により新たな意匠性を実現できる。また、光源搭載部１４よりも灯具後方であって光軸Ｏ近傍に配置され、配光パターンの中心領域へ向かう光を反射する第２反射面１８ｂを設けたことにより、配光パターンの中心領域の明るさを向上できる。その結果、遠方視認性を向上しつつ、明るさムラのない配光を実現できる。

また、投影レンズ１００は、入射面１００ａ及び出射面１００ｂの形状が鉛直方向の高さよりも水平方向の幅が大きくなるように形成されている。これにより、灯具ユニット１０の高さを抑えることができる。

図８（ａ）は、本実施の形態に係る灯具ユニット１０による配光パターンを模式的に示した図、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す配光パターンのうち、リフレクタ１８の反射面１８ａによって形成された配光パターンを模式的に示した図、図８（ｃ）は、図８（ａ）に示す配光パターンのうち、リフレクタ１８の反射面１８ｂによって形成された配光パターンを模式的に示した図である。

図８（ａ）に示すように、本実施の形態に係る灯具ユニット１０は、全体にわたって明るさのムラの少ない配光パターンを実現するとともに、配光パターン中央部の明るさを増すことにより、遠方視認性を向上することができる。上述のように、灯具ユニット１０は、所望の配光性能を満たしつつ新たな意匠性を実現できる。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の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、 １４ 光源搭載部、 １４ａ 光源モジュール搭載面、 １６ 光源モジュール、 １６ａ 発光素子、 １８ リフレクタ、 １８ａ 第１反射面、 １８ｂ 第２反射面、 ２０ シェード部、 １００ 投影レンズ。

Claims (5)

1. 車両用灯具に用いられる、所定の配光パターンを形成する灯具ユニットであって、
   光源を搭載する光源搭載部と、
   光源からの光を反射光として灯具前方に向けて反射するリフレクタと、
   前記反射光を光源の像として灯具前方に投影する非円形の投影レンズと、を備え、
   前記投影レンズは、光軸から等距離にある少なくとも一部の環状の領域の表面と光軸との成す角が周方向に均一ではない形状であり、
   前記リフレクタは、
   前記配光パターン全体の形成に寄与する光を反射する第１反射面と、
   前記光源よりも灯具後方であって光軸近傍に配置され、前記配光パターンの中心領域へ向かう光を反射する第２反射面と、を有し、
   前記第１反射面は、連続した一つの曲面を有しており、前記第２反射面を取り囲むように配置されており、
   前記第２反射面は、光軸を含む断面形状が光源の発光中心近傍を第１焦点とする楕円を基調とした形状であり、
   前記投影レンズは、
   焦点が前記第２反射面の第２焦点近傍に位置するように配置されており、
   レンズの光軸と該レンズとの交点近傍の中央領域と比較して、レンズの出射面の外縁部近傍の端部領域は、該端部領域の表面と光軸との成す角の変化が大きく、かつその変化が光軸から等距離にある少なくとも一部の環状の領域の表面において不均一であり、
   前記第１反射面で反射された、光源から出射した光の反射光が入射する入射面を有しており、
   前記出射面は、前記入射面から入射した光が出射する、連続した一つの曲面で構成されていることを特徴とする灯具ユニット。
2. 前記投影レンズは、入射面及び出射面の形状が鉛直方向の高さよりも水平方向の幅が大きくなるように形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. 前記第２反射面は、光軸を中心に左右に分割された２つの反射面を有しており、該２つの反射面の境界に稜線が形成されており、
   前記２つの反射面のそれぞれは、前記第１反射面と比較して光軸側に向かって傾けて形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. 前記光源搭載部に搭載される光源として半導体発光素子を備え、
   前記半導体発光素子は、発光面が上方を向くように前記光源搭載部に搭載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. 前記投影レンズは、入射面の外縁部と出射面の外縁部とをつなぐ、形状が一様でないつなぎ面を有する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。