JP6517008B2 - 灯具ユニット - Google Patents

Description

本発明は、灯具ユニットに関する。

従来、マトリックス状に配列された複数の反射素子が表面に設けられた反射装置により、光源から出射した光を選択的に反射することで、車両前方を所定の配光パターンで照射する車両用照明装置が考案されている（特許文献１、２）。反射装置は、多数個の反射素子がそれぞれ傾倒可能に配置されており、多数個の反射素子の位置を第１位置と第２位置とに切り替え可能である。そして、反射装置は、各反射素子を、光源からの光の反射方向が配光パターンの形成に寄与する第１位置と配光パターンの形成に寄与しない第２位置とに適宜変化させることで、路面などを照明する配光パターンを形成するように構成されている。

特開平９−１０４２８８号公報 特開２００４−２１０１２７号公報

ところで、前述の反射素子は、第１位置と第２位置とが回動軸を中心に傾倒可能に切り替えられる。そのため、反射装置の配置や反射素子の回動軸の向きによって、光学系の各要素の向きや位置を考慮しないと、所望の光量や配光パターンを得られない場合もある。

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、所望の配光が得られる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、投影光学系と、投影光学系の光軸上に配置され、入射した光を選択的に該投影光学系へ反射する光偏向装置と、光偏向装置の反射部へ光を照射する照射光学系と、を備える。光偏向装置は、反射部の少なくとも一部の領域において、照射光学系により照射された光を所望の配光パターンの一部として有効に利用されるように投影光学系へ向けて反射する第１反射位置と、照射光学系により照射された光が有効に利用されないように反射する第２反射位置とを切り替え可能に構成されており、照射光学系は、投影光学系の光軸を含む鉛直面を基準として第１反射位置の正面側にずれた位置から光偏向装置の反射部を照射するように配置されている。

この態様によると、照射光学系は、第２反射位置の正面よりも第１反射位置の正面にずれた位置から光偏向装置の反射部を照射するように配置されている。そのため、照射光学系の光の第１反射位置での入射角や反射角は、第２反射位置での入射角や反射角よりも小さくなる。また、入射角および反射角が小さいため、投影光学系に入射しない反射光を減らせる。つまり、照射光学系の光を無駄なく配光パターンに利用できる。なお、所望の配光パターンとは、例えば、車両用前照灯によるハイビーム用配光パターンが挙げられる。また、照射光学系により照射された光が所望の配光パターンの一部として有効に利用されない場合というのは、照射された光の反射光が配光パターンの形成に全く寄与しない場合だけでなく、反射光が配光パターンの形成の一部に寄与するものの配光パターンの機能に影響しない範囲で含まれている場合であってもよい。

光偏向装置は、マイクロミラーアレイを有してもよい。マイクロミラーアレイの各ミラー素子は、第１反射位置と、第２反射位置との間を回動軸を中心に切り替え可能に構成されていてもよい。回動軸は、ミラー素子の反射面の対角線に沿っていてもよい。これにより、様々な形状の配光パターンを素早く、精度良く形成できる。

照射光学系は、投影光学系の光軸を含む鉛直面を基準として、光軸を中心に第１反射位置の正面に近い側に５〜４５°の範囲で回転した場所に配置されていてもよい。これにより、灯具全体のレイアウトのコンパクト化と、投影光学系に入射する反射光の量を高いレベルで両立できる。

照射光学系は、光源から出射した光を光偏向装置へ反射するリフレクタを有してもよい。リフレクタは、反射した光を光偏向装置の反射部へ集束するように構成されていてもよい。これにより、光源から出射した光を無駄なく光偏向装置の反射部へ向かわせることができる。

リフレクタの反射面は、光偏向装置の反射部よりも面積が大きい。これにより、光偏向装置を小型化できる。

照射光学系は、半導体発光素子を含む光源と、光源から出射した光を集光する複合放物面型集光部材と、を更に有してもよい。これにより、光源から出射した光を無駄なく光偏向装置の反射部へ向かわせることができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、所望の配光が得られる灯具ユニットを提供することができる。

本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である。 図２（ａ）は、参考例に係る光偏向装置の概略構成を示す正面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す光偏向装置のＡ−Ａ断面図である。 光源から出射された光をミラー素子が第１反射位置および第２反射位置で反射した場合の反射光の広がりを模式的に示す側面図である。 本実施の形態に係るミラー素子の回動軸を説明するための模式図である。 比較例に係る灯具ユニットの概略構成の正面図である。 図５に示す灯具ユニットにおける反射光の広がりを模式的に示す上面図である。 比較例に係る灯具ユニットによる照射パターンの一例を示す模式図である。 本実施の形態に係る灯具ユニットの概略構成の正面図である。 図８に示す灯具ユニットにおける反射光の広がりを模式的に示す上面図である。 本実施の形態に係る灯具ユニットによる照射パターンの一例を示す模式図である。

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。

［灯具ユニット］
図１は、本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である。本実施の形態に係る灯具ユニット１０は、投影光学系１２と、投影光学系１２の光軸Ａｘ上に配置され、入射した光を選択的に投影光学系１２へ反射する光偏向装置１００と、光偏向装置１００の反射部１００ａへ光を照射する照射光学系１６と、を備える。投影光学系１２は、投影レンズ１８を含む。照射光学系１６は、光源２０と、集光部材２２と、リフレクタ２４と、を含む。本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。ただし、用途はこれに限られるものではなく、各種照明装置や各種移動体（航空機や鉄道車両等）の灯具に適用することも可能である。

光源２０は、ＬＥＤ（Light emitting diode）、ＬＤ（Laser diode）、ＥＬ（Electro luminescence）素子等の半導体発光素子や、電球、白熱灯（ハロゲンランプ）、放電灯（ディスチャージランプ）等を用いることができる。集光部材２２は、光源２０から出射した光の多くをリフレクタ２４の反射面２４ａに導けるように構成されているものであり、例えば、凸レンズ、砲弾形状の中実導光体や、内面が所定の反射面となっている反射鏡等が用いられる。より具体的には、複合放物面集光器（Compound Parabolic Concentrator）が挙げられる。なお、光源２０から出射したほとんどの光をリフレクタ２４の反射面に導ける場合は、集光部材を用いなくてもよい。光源２０は、例えば、金属やセラミック等のヒートシンクの所望の位置に搭載される。

光偏向装置１００は、投影光学系１２の光軸Ｘ上に配置され、光源２０から出射した光を選択的に投影光学系１２へ反射するように構成されている。光偏向装置１００は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）やＤＭＤ（Digital Mirror Device）といった複数のマイクロミラーをアレイ（マトリックス）状に配列したものである。これらの複数のマイクロミラーの反射面の角度をそれぞれ制御することで、光源２０から出射した光の反射方向を選択的に変えることができる。つまり、光源２０から出射した光の一部を投影光学系１２へ向けて反射し、それ以外の光を有効に利用されないような方向へ向けて反射することができる。ここで、有効に利用されないような方向とは、例えば、反射光の影響が少ない方向（例えば所望の配光パターンの形成にほとんど寄与しない方向）や光吸収部材（遮光部材）に向かう方向と捉えることができる。

本実施の形態に係る投影光学系１２は、投影レンズ１８の焦点近傍に光偏向装置１００の後述するマイクロミラーアレイが配置される。なお、投影光学系１２は、レンズ等の光学部材を複数備えていてもよい。また、投影光学系が含む光学部材は、レンズに限られず反射部材であってもよい。

なお、本実施の形態に係る投影光学系１２は、光源２０から出射した光を光偏向装置１００へ反射するリフレクタ２４を有している。リフレクタ２４は、反射した光を光偏向装置１００の反射部１００ａへ集束するように構成されている。これにより、光源２０から出射した光を無駄なく光偏向装置１００の反射部１００ａへ向かわせることができる。

また、リフレクタ２４の反射面２４ａは、光偏向装置１００の反射部１００ａよりも面積が大きい。これにより、光偏向装置１００を小型化できる。また、本実施の形態に係る照射光学系１６は、半導体発光素子を含む光源２０と、光源２０から出射した光を集光する複合放物面型の集光部材２２と、を有している。これにより、光源２０から出射した光を無駄なく光偏向装置１００の反射部１００ａへ向かわせることができる。

上述のように構成された灯具ユニット１０は、部分的な点消灯を実現する可変配光前照灯に用いることができる。

［光偏向装置］
図２（ａ）は、参考例に係る光偏向装置の概略構成を示す正面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す光偏向装置のＡ−Ａ断面図である。

参考例に係る光偏向装置１００は、図２（ａ）に示すように、複数の微小なミラー素子１０２がマトリックス状に配列されたマイクロミラーアレイ１０４と、ミラー素子１０２の反射面１０２ａの前方側（図２（ｂ）に示す光偏向装置１００の右側）に配置された透明なカバー部材１０６と、を有する。カバー部材は、例えば、ガラスやプラスチック等である。

マイクロミラーアレイ１０４の各ミラー素子１０２は、光源から出射された光を所望の配光パターンの一部として有効に利用されるように投影光学系へ向けて反射する第１反射位置Ｐ１（図２（ｂ）に示す実線位置）と、光源から出射された光が有効に利用されないように反射する第２反射位置Ｐ２（図２（ｂ）に示す点線位置）とを切り替え可能に構成されている。

図３は、光源から出射された光をミラー素子が第１反射位置および第２反射位置で反射した場合の反射光の広がりを模式的に示す図である。なお、図３では、説明を簡略化するためにマイクロミラーアレイを一つのミラー素子に置き換えて図示している。また、図１で示した集光部材２２は図示を省略している。

図３に示すように、光源２０から出射した光はリフレクタ２４により集光反射されるため、入射光Ｌ_ｉｎは完全な平行光とはならない。つまり、入射光Ｌ_ｉｎは、ミラー素子１０２の反射面１０２ａに入射する際の入射角がある程度の広がりを持つ。そして、ミラー素子１０２は、第１反射位置Ｐ１にて入射光Ｌ_ｉｎを反射した場合に、反射光Ｒ１が主として投影レンズ１８に向かうように配置されている。また、図３に示すように、ミラー素子１０２は、第２反射位置Ｐ２にて入射光Ｌ_ｉｎを反射した場合に、反射光Ｒ２が投影レンズ１８に向かわないように配置されている。

そして、それぞれのミラー素子１０２の反射位置を制御し、光源２０から出射した光の反射方向を選択的に変えることで、所望の投影画像や反射画像、配光パターンを得ることができる。つまり、本実施の形態に係る光偏向装置１００は、反射部１００ａの少なくとも一部のミラー素子１０２において、照射光学系１６により照射された光を所望の配光パターンの一部として有効に利用されるように投影光学系１２へ向けて反射する第１反射位置Ｐ１と、照射光学系１６により照射された光が有効に利用されないように反射する第２反射位置Ｐ２とを切り替え可能に構成されている。

図４は、本実施の形態に係るミラー素子１０２の回動軸を説明するための模式図である。ミラー素子１０２は、四角形（例えば、正方形、菱形、長方形、平行四辺形）の反射面１０２ａを有している。各ミラー素子１０２は、四角形の反射面１０２ａの対角線に沿った回動軸Ｃ１を中心に、第１反射位置Ｐ１と、第２反射位置Ｐ２との間を切り替え可能に構成されている。これにより、様々な形状の配光パターンを素早く、精度良く形成できる。

しかしながら、ミラー素子１０２の回動軸Ｃ１が四角形の反射面の対角線に沿って設けられている場合、このようなミラー素子１０２をマトリックス状に配置した光偏向装置１００に用いると、以下のような現象が生じ得る。

図５は、比較例に係る灯具ユニット１１０の概略構成の正面図である。なお、光偏向装置１００は、各ミラー素子１０２の隣り合う２辺がＺ方向（鉛直方向）、Ｙ方向（水平方向）に沿うような向きに配置されている。図６は、図５に示す灯具ユニットにおける反射光の広がりを模式的に示す上面図である。なお、図６では、説明の便宜のために一つのミラー素子における反射光の広がりについて示している。

図６に示すように、比較例に係る灯具ユニット１１０は、光源２０やリフレクタ２４がＸＺ平面を中心に面対称となるように配置されている。つまり、光源２０から出射して広がった光はリフレクタ２４で光軸Ａｘに向かって集束される。そのため、光偏向装置１００の正面と光軸Ａｘとが一致するように光偏向装置１００が配置されていた場合、ミラー素子１０２は、反射位置Ｐ１’にて入射光Ｌ_ｉｎを反射した場合、図６に示す投影レンズ１８の右側の領域に反射光Ｒ１’の大部分を向かわせることになる。一方、ミラー素子１０２は、反射位置Ｐ２’にて入射光Ｌ_ｉｎを反射した場合、図６に示す投影レンズ１８の左側の領域に反射光Ｒ２’の大部分を向かわせることになる。この場合、ミラー素子１０２が反射位置Ｐ１’、反射位置Ｐ２’のいずれであっても、投影レンズに反射光が入射するため、所望の配光パターン（照射パターン）を得ることができない。

そこで、灯具ユニット１１０では、例えば、ミラー素子１０２（光偏向装置１００）全体をＺ軸を中心に１０〜１５度程度回転（図６に示す時計回り）させた位置を基準位置とする必要がある。これにより、反射光Ｒ１’の大半が投影レンズ１８に入射するとともに、反射光Ｒ２’の大半は投影レンズ１８に入射しないようにすることができる。しかしながら、その一方で、光源２０から出射した光は、矩形の光源像として反射位置Ｐ１’のミラー素子１０２に斜めから入射し反射される。そのため、光源像が回転されて投影レンズ１８により前方へ投影される。

図７は、比較例に係る灯具ユニット１１０による照射パターンの一例を示す模式図である。図７に示すように、照射パターンＰＨ’は全体として斜めに傾いている。そのため、所望の配光パターンを得ることができない。そこで、本発明者らが鋭意検討した結果、照射光学系１６の位置を光軸Ａｘを含む鉛直面からずらすことで問題を解消できることに想到した。

図８は、本実施の形態に係る灯具ユニット１０の概略構成の正面図である。図９は、図８に示す灯具ユニットにおける反射光の広がりを模式的に示す上面図である。図１０は、本実施の形態に係る灯具ユニット１０による照射パターンの一例を示す模式図である。

図８や図９に示すように、本実施の形態に係る照射光学系１６は、投影光学系１２の光軸Ａｘを含む鉛直面Ｓ（ＸＺ平面）を基準として第１反射位置Ｐ１の正面側（図９に示す光軸Ａｘの右側）にずれた位置から光偏向装置１００の反射部にあるミラー素子１０２を照射するように配置されている。

このように構成された灯具ユニット１０の照射光学系１６は、第２反射位置Ｐ２の正面よりも第１反射位置Ｐ１の正面にずれた位置から光偏向装置１００の反射部１００ａを照射するように配置されている。そのため、照射光学系１６の光の第１反射位置Ｐ１での入射角や反射角は、第２反射位置Ｐ２での入射角や反射角よりも小さくなる。その結果、照射光学系１６および投影光学系１２のレイアウトをコンパクトにできる。また、第１反射位置Ｐ１にあるミラー素子１０２に対する入射角および反射角が小さいため、投影光学系１２に入射しない反射光を減らせる。つまり、照射光学系１６の光を無駄なく配光パターンに利用できる。

照射光学系１６は、投影光学系１２の光軸Ａｘを含む鉛直面Ｓを基準として、光軸Ａｘを中心に第１反射位置Ｐ１の正面に近い側にα°（０＜α≦４５）回転した場所に配置されている。なお、回転角度αは、ミラー素子１０２の回動角度（回動軸Ｃ１を回転中心とした第１反射位置と第２反射位置との角度変位）の設定に応じて種々変わりうるが、５°以上が好ましく、また、４０°以下が好ましい。

このように構成された灯具ユニット１０は、図１０に示すように、矩形に近い照射パターンＰＨを実現できる。つまり、光偏向装置１００で反射される際に光源像が回転することを想定して照射光学系１６全体を回転させることで、所望の配光パターンを実現し易くなる。また、光源２０とリフレクタ２４との相対的な配置関係を維持して全体を回転することで、光源像がリフレクタ２４で反射した際の反射像は変わらずに光偏向装置１００まで到達するため、光学設計が容易となる。これにより、所望の配光パターンを実現しつつ、灯具全体のレイアウトのコンパクト化と投影光学系１２に入射する反射光の量とを高いレベルで両立できる。

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、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。

Ｃ１ 回動軸、 Ｐ１ 第１反射位置、 Ｐ２ 第２反射位置、 １０ 灯具ユニット、 １２ 投影光学系、 １６ 照射光学系、 １８ 投影レンズ、 ２０ 光源、 ２２ 集光部材、 ２４ リフレクタ、 ２４ａ 反射面、 １００ 光偏向装置、 １００ａ 反射部、 １０２ ミラー素子、 １０２ａ 反射面、 １０４ マイクロミラーアレイ、 １０６ カバー部材。

Claims (6)

1. 投影光学系と、
   前記投影光学系の光軸上に配置され、入射した光を選択的に該投影光学系へ反射する光偏向装置と、
   前記光偏向装置の反射部へ光を照射する照射光学系と、を備え、
   前記光偏向装置は、前記反射部の少なくとも一部の領域において、前記照射光学系により照射された光を所望の配光パターンの一部として有効に利用されるように前記投影光学系へ向けて反射する第１反射位置と、前記照射光学系により照射された光が有効に利用されないように反射する第２反射位置とを切り替え可能に構成されており、
   前記照射光学系は、前記投影光学系の光軸を含む鉛直面を基準として前記第１反射位置の正面側にずれた位置から前記光偏向装置の反射部を照射するように配置されていることを特徴とする灯具ユニット。
2. 前記光偏向装置は、マイクロミラーアレイを有し、
   前記マイクロミラーアレイの各ミラー素子は、前記第１反射位置と、前記第２反射位置との間を回動軸を中心に切り替え可能に構成されており、
   前記回動軸は、前記ミラー素子の反射面の対角線に沿っ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. 前記照射光学系は、前記投影光学系の光軸を含む鉛直面を基準として、前記光軸を中心に前記第１反射位置の正面に近い側に５〜４５°の範囲で回転した場所に配置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. 前記照射光学系は、光源から出射した光を前記光偏向装置へ反射するリフレクタを有し、
   前記リフレクタは、反射した光を前記光偏向装置の反射部へ集束するように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. 前記リフレクタの反射面は、前記光偏向装置の反射部よりも面積が大きいことを特徴とする請求項４に記載の灯具ユニット。
6. 前記照射光学系は、
   半導体発光素子を含む光源と、
   光源から出射した光を集光する複合放物面型集光部材と、
   を更に有することを特徴とする請求項４または５に記載の灯具ユニット。

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