JP6680537B2 - 光学ユニットおよび車両用灯具 - Google Patents

Description

本発明は光学ユニットに関し、特に車両用灯具に用いられる光学ユニットに関する。

光源から出射した光を反射しながら回転軸を中心に一方向に回転する回転リフレクタを有する光学ユニットを備えた車両用灯具が知られている（特許文献１参照）。回転リフレクタには、反射した光が所望の配光パターンを形成する反射面が設けられたブレードが、回転軸の周方向に複数設けられている。ブレードにより反射された光は、投影レンズを通して車両用灯具の前方に投影される。

特願２０１０−０９２１２４号公報

上記のような車両用灯具が搭載された車両が昼間に走行すると、灯具に入射した太陽光が投影レンズによって回転リフレクタのブレードの反射面上に集光され、ブレードが溶損するおそれがある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転リフレクタを備える光学ユニットにおいて、投影レンズに入射した光が集光されることによるブレードの溶損を防止する技術を提供することにある。

本発明のある態様の光学ユニットは、光源と、回転軸を中心に回転する回転リフレクタであって、所定の角度だけ回転する間に光源から出射した光を反射して所望の配光パターンを形成する反射面を有する複数のブレードを回転軸の周方向に有している、回転リフレクタと、回転リフレクタからの反射光が入射する入射面を有する投影レンズと、を備える。投影レンズの出射面に対して所定範囲の角度で入射し該投影レンズにより集光されて回転リフレクタの反射面に向かう光の少なくとも一部を遮るシェードが、投影レンズと回転リフレクタの間に設けられる。

この態様によると、投影レンズによりブレードの反射面上に集光される光をシェードで遮ることで、ブレードの溶損を防止することができる。

シェードは、リフレクタからの反射光を遮らない位置に設けられてもよい。これによると、光学ユニットが形成する配光パターンにシェードが与える影響を排除できる。

シェードが金属製であってもよい。これによると、集光によりシェード自体が溶損することを防止できる。

本発明によれば、回転リフレクタを備える光学ユニットにおいて、投影レンズに入射した光が集光されることによるブレードの溶損を防止することができる。

第１の実施の形態に係る車両用前照灯の水平断面図である。 第１の実施の形態に係る光学ユニットを含むランプユニットの構成を模式的に示した上面図である。 図１に示すＡ方向からランプユニットを見た場合の側面図である。 図４（ａ）〜図４（ｅ）は、第１の実施の形態に係るランプユニットにおいて回転リフレクタの回転角に応じたブレードの様子を示す斜視図である。図４（ｆ）〜図４（ｊ）は、図４（ａ）〜図４（ｅ）の状態に対応して光源からの光を反射する方向が変化する点を説明するための図である。 図５（ａ）〜図５（ｅ）は、回転リフレクタが図４（ｆ）〜図４（ｊ）の状態に対応した走査位置における投影イメージを示した図である。 図６（ａ）は、第１の実施の形態に係る車両用前照灯を用いて光軸に対して左右±５度の範囲を走査した場合の配光パターンを示す図、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す配光パターンの光度分布を示す図、図６（ｃ）は、第１の実施の形態に係る車両用前照灯を用いて配光パターンのうち一箇所を遮光した状態を示す図、図６（ｄ）は、図６（ｃ）に示す配光パターンの光度分布を示す図、図６（ｅ）は、第１の実施の形態に係る車両用前照灯を用いて配光パターンのうち複数箇所を遮光した状態を示す図、図６（ｆ）は、図６（ｅ）に示す配光パターンの光度分布を示す図である。 第２の実施の形態に係る車両用灯具の概略斜視図である。 第２の実施の形態に係る車両用灯具の別の例の概略斜視図である。 図７の光学ユニットの上面図である。 図７の光学ユニットを車両後方側から観察したときの斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は、光学ユニットの投影レンズの出射面に太陽光が入射したときの光線軌跡を示す図である。

以下、本発明を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全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は、第１の実施の形態に係る車両用前照灯の水平断面図である。車両用前照灯１０は、自動車の前端部の右側に搭載される右側前照灯であり、左側に搭載される前照灯と左右対称である以外は同じ構造である。そのため、以下では、右側の車両用前照灯１０について詳述し、左側の車両用前照灯については説明を省略する。

図１に示すように、車両用前照灯１０は、前方に向かって開口した凹部を有するランプボディ１２を備えている。ランプボディ１２は、その前面開口が透明な前面カバー１４によって覆われて灯室１６が形成されている。灯室１６は、２つのランプユニット１８、２０が車幅方向に並んで配置された状態で収容される空間として機能する。

これらランプユニットのうち外側、すなわち、右側の車両用前照灯１０にあっては図１に示す上側に配置されたランプユニット２０は、レンズを備えたランプユニットであり、可変ハイビームを照射するように構成されている。一方、これらランプユニットのうち内側、すなわち、右側の車両用前照灯１０にあっては図１に示す下側に配置されたランプユニット１８は、ロービームを照射するように構成されている。

ロービーム用のランプユニット１８は、リフレクタ２２とリフレクタ２２に支持された光源バルブ（白熱バルブ）２４と、不図示のシェードとを有し、リフレクタ２２は図示しない既知の手段、例えば、エイミングスクリューとナットを使用した手段によりランプボディ１２に対して傾動自在に支持されている。

ランプユニット２０は、図１に示すように、回転リフレクタ２６と、ＬＥＤ２８と、回転リフレクタ２６の前方に配置された投影レンズとしての凸レンズ３０と、を備える。なお、ＬＥＤ２８の代わりにＥＬ素子やＬＤ素子などの半導体発光素子を光源として用いてもよい。また、ＬＥＤ２８の代わりに、半導体レーザや、半導体レーザで蛍光体を励起発光する光源を用いてもよいし、これらとＬＥＤの組合せを光源として用いてもよい。特に後述する配光パターンの一部を遮光するための制御には、点消灯が短時間に精度よく行える光源が好ましい。凸レンズ３０の形状は、要求される配光パターンや照度分布などの配光特性に応じて適宜選択すればよいが、非球面レンズや自由曲面レンズが用いられる。本実施の形態では、凸レンズ３０として非球面レンズを用いている。

回転リフレクタ２６は、不図示のモータなどの駆動源により回転軸Ｒを中心に一方向に回転する。また、回転リフレクタ２６は、ＬＥＤ２８から出射した光を回転しながら反射し、所望の配光パターンを形成するように構成された反射面を備えている。実施の形態では、回転リフレクタ２６が光学ユニットを構成している。

図２は、本実施の形態に係る光学ユニットを含むランプユニット２０の構成を模式的に示した上面図である。図３は、図１に示すＡ方向からランプユニット２０を見た場合の側面図である。

回転リフレクタ２６は、反射面として機能する、形状の同じ３枚のブレード２６ａが筒状の回転部２６ｂの周囲に設けられている。回転リフレクタ２６の回転軸Ｒは、光軸Ａｘに対して斜めになっており、光軸ＡｘとＬＥＤ２８とを含む平面内に設けられている。換言すると、回転軸Ｒは、回転によって左右方向に走査するＬＥＤ２８の光（照射ビーム）の走査平面に略平行に設けられている。これにより、光学ユニットの薄型化が図られる。ここで、走査平面とは、例えば、走査光であるＬＥＤ２８の光の軌跡を連続的につなげることで形成される扇形の平面ととらえることができる。また、本実施の形態に係るランプユニット２０においては、備えているＬＥＤ２８は比較的小さく、ＬＥＤ２８が配置されている位置も回転リフレクタ２６と凸レンズ３０との間であって光軸Ａｘよりずれている。そのため、従来のプロジェクタ方式のランプユニットのように、光源とリフレクタとレンズとが光軸上に一列に配列されている場合と比較して、車両用前照灯１０の奥行き方向（車両前後方向）を短くできる。

また、回転リフレクタ２６のブレード２６ａの形状は、反射によるＬＥＤ２８の２次光源が凸レンズ３０の焦点付近に形成されるように構成されている。また、ブレード２６ａは、回転軸を中心とする周方向に向かうにつれて光軸Ａｘと反射面とがなす角が変化するように捩られた形状を有している。これにより、図２に示すようにＬＥＤ２８の光を用いた走査が可能となる。この点についてさらに詳述する。

図４（ａ）〜図４（ｅ）は、本実施の形態に係るランプユニットにおいて回転リフレクタ２６の回転角に応じたブレードの様子を示す斜視図である。図４（ｆ）〜図４（ｊ）は、図４（ａ）〜図４（ｅ）の状態に対応して光源からの光を反射する方向が変化する点を説明するための図である。

図４（ａ）は、ＬＥＤ２８が２つのブレード２６ａ１、２６ａ２の境界領域を照射するように配置されている状態を示している。この状態では、図４（ｆ）に示すように、ＬＥＤ２８の光は、ブレード２６ａ１の反射面Ｓで光軸Ａｘに対して斜めの方向に反射される。その結果、配光パターンが形成される車両前方の領域のうち、左右両端部の一方の端部領域が照射される。その後、回転リフレクタ２６が回転し、図４（ｂ）に示す状態になると、ブレード２６ａ１が捩れているため、ＬＥＤ２８の光を反射するブレード２６ａ１の反射面Ｓ（反射角）が変化する。その結果、図４（ｇ）に示すように、ＬＥＤ２８の光は、図４（ｆ）に示す反射方向よりも光軸Ａｘに近い方向に反射される。

続いて、回転リフレクタ２６が図４（ｃ）、図４（ｄ）、図４（ｅ）に示すように回転すると、ＬＥＤ２８の光の反射方向は、配光パターンが形成される車両前方の領域のうち、左右両端部の他方の端部に向かって変化することになる。本実施の形態に係る回転リフレクタ２６は、１２０度回転することで、ＬＥＤ２８の光によって前方を一方向（水平方向）に１回走査できるように構成されている。換言すると、１枚のブレード２６ａがＬＥＤ２８の前を通過することで、車両前方の所望の領域がＬＥＤ２８の光によって１回走査されることになる。なお、図４（ｆ）〜図４（ｊ）に示すように、２次光源（光源虚像）３１は、凸レンズ３０の焦点近傍で左右に移動している。ブレード２６ａの数や形状、回転リフレクタ２６の回転速度は、必要とされる配光パターンの特性や走査される像のちらつきを考慮して実験やシミュレーションの結果に基づいて適宜設定される。また、種々の配光制御に応じて回転速度を変えられる駆動部としてモータが好ましい。これにより、走査するタイミングを簡便に変えることができる。このようなモータとしては、モータ自身から回転タイミング情報を得られるものが好ましい。具体的には、ＤＣブラシレスモータが挙げられる。ＤＣブラシレスモータを用いた場合、モータ自身から回転タイミング情報を得られるため、エンコーダなどの機器を省略することができる。

このように、本実施の形態に係る回転リフレクタ２６は、ブレード２６ａの形状や回転速度を工夫することで、ＬＥＤ２８の光を用いて車両前方を左右方向に走査することができる。図５（ａ）〜図５（ｅ）は、回転リフレクタが図４（ｆ）〜図４（ｊ）の状態に対応した走査位置における投影イメージを示した図である。図の縦軸および横軸の単位は度（°）であり、照射範囲および照射位置を示している。図５（ａ）〜図５（ｅ）に示すように、回転リフレクタ２６の回転によって投影イメージは水平方向に移動する。

図６（ａ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯を用いて光軸に対して左右±５度の範囲を走査した場合の配光パターンを示す図、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す配光パターンの光度分布を示す図、図６（ｃ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯を用いて配光パターンのうち一箇所を遮光した状態を示す図、図６（ｄ）は、図６（ｃ）に示す配光パターンの光度分布を示す図、図６（ｅ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯を用いて配光パターンのうち複数箇所を遮光した状態を示す図、図６（ｆ）は、図６（ｅ）に示す配光パターンの光度分布を示す図である。

図６（ａ）に示すように、本実施の形態に係る車両用前照灯１０は、ＬＥＤ２８の光を回転リフレクタ２６で反射させ、反射した光で前方を走査することで実質的に矩形のハイビーム用配光パターンを形成することができる。このように、回転リフレクタ２６の一方向の回転により所望の配光パターンを形成することができるため、共振ミラーのような特殊な機構による駆動が必要なく、また、共振ミラーのように反射面の大きさに対する制約が少ない。そのため、より大きな反射面を有する回転リフレクタ２６を選択することで、光源から出射した光を照明に効率よく利用することができる。つまり、配光パターンにおける最大光度を高めることができる。なお、本実施の形態に係る回転リフレクタ２６は、凸レンズ３０の直径とほぼ同じ直径であり、ブレード２６ａの面積もそれに応じて大きくすることが可能である。

また、本実施の形態に係る光学ユニットを備えた車両用前照灯１０は、ＬＥＤ２８の点消灯のタイミングや発光度の変化を回転リフレクタ２６の回転と同期させることで、図６（ｃ）、図６（ｅ）に示すように任意の領域が遮光されたハイビーム用配光パターンを形成することができる。また、回転リフレクタ２６の回転に同期させてＬＥＤ２８の発光光度を変化（点消灯）させてハイビーム用配光パターンを形成する場合、光度変化の位相をずらすことで配光パターン自体をスイブルするような制御も可能である。

上述のように、本実施の形態に係る車両用前照灯は、ＬＥＤの光を走査することで配光パターンを形成するとともに、発光光度の変化を制御することで配光パターンの一部に任意に遮光部を形成することができる。そのため、複数のＬＥＤの一部を消灯して遮光部を形成する場合と比較して、少ない数のＬＥＤで所望の領域を精度よく遮光することができる。また、車両用前照灯１０は、複数の遮光部を形成することができるため、前方に複数の車両が存在する場合であっても、個々の車両に対応する領域を遮光することが可能となる。

また、車両用前照灯１０は、基本となる配光パターンを動かさずに遮光制御することが可能なため、遮光制御時にドライバに与える違和感を低減できる。また、ランプユニット２０を動かさずに配光パターンをスイブルすることができるため、ランプユニット２０の機構を簡略化することができる。そのため、車両用前照灯１０は、配光可変制御のための駆動部としては回転リフレクタ２６の回転に必要なモータを有していればよく、構成の簡略化と低コスト化、小型化が図られている。

（第２の実施の形態）
図７は、第２の実施の形態に係る車両用灯具１００を左上方から見たときの概略斜視図である。第１の実施の形態と同様に、車両用灯具１００は、自動車の前端部の右側に搭載される右側前照灯である。

車両用灯具１００は、その前面開口が透明な前面カバー（図示せず）によって覆われて灯室を形成するランプボディ１０２を備えている。ランプボディ１０２には、２つのランプユニット１１８、１２０が車幅方向に並んで配置される。

車幅方向の外側（図７では左側）に配置されるランプユニット１１８は、光源と、光源から発せられた光を反射する反射面を有するリフレクタと、投影レンズとで構成されるロービーム形成用のランプユニットである。このようなランプユニットは周知であるので、詳細な説明は省略する。

車幅方向の内側（図７では右側）に配置される光学ユニット１２０は、第１の実施の形態で説明したランプユニット２０と同様の、回転リフレクタ１４０を備えるランプユニットである。

なお、車両用灯具１００には、ランプユニット１１８、１２０に加えて、他のタイプのランプユニットが設けられていてもよい。

図９は、図７の光学ユニット１２０の上面図であり、図１０は、光学ユニット１２０を車両後方側から観察したときの斜視図である。光学ユニット１２０は、回転リフレクタ１４０と、光源であるＬＥＤ１１２と、回転リフレクタ２６の前方に配置された凸レンズである投影レンズ１３０と、を備える。なお、ＬＥＤ１１２の代わりにＥＬ素子やＬＤ素子などの半導体発光素子を光源として用いてもよい。また、半導体レーザや、半導体レーザで蛍光体を励起発光する光源を用いてもよいし、これらとＬＥＤの組合せを光源として用いてもよい。

図９および図１０に示すように、ＬＥＤ１１２の背後には、ＬＥＤの放熱を促進するためのヒートシンク１１４が配設されている。

投影レンズ１３０の形状は、要求される配光パターンや照度分布などの配光特性に応じて適宜選択すればよいが、非球面レンズや自由曲面レンズが用いられる。本実施形態では、投影レンズ１３０の一部が切り欠かれており、車両前方側から回転リフレクタを観察できるようになっている（図７を参照）。

回転リフレクタ１４０は、図示しないモータなどの駆動源により回転軸を中心に一方向に回転する。回転リフレクタ１４０は、所定の角度だけ回転する間にＬＥＤ１１２から出射した光を反射して所望の配光パターンを形成する反射面を有するブレード１４２を、筒状の回転部１４４の周方向に複数（本実施形態では２枚）有している。これらのブレード１４２の形状は、第１の実施の形態の回転リフレクタ２６のブレード２６ａと同様に、反射による２次光源が投影レンズ１３０の焦点付近に形成されるように構成されている。また、ブレード１４２は、回転軸を中心とする周方向に向かうにつれて光軸と反射面とがなす角が変化するように捩られた形状を有している。ブレード１４２は、通常、プラスチック成型で作成される。

光学ユニット１２０は、図６を参照して説明したように、ＬＥＤ１１２の光を回転リフレクタ１４０で反射させ、反射した光で前方を走査することで実質的に矩形のハイビーム用配光パターンを形成することができる。

回転リフレクタ１４０のブレード１４２の反射面とは反対側に、冷却ファン１５０が設けられている。冷却ファン１５０は、回転リフレクタの回転軸に取りつけられ、上述した図示しないモータによって回転リフレクタ１４０とともに駆動される。冷却ファン１５０はブレードの反射面とは反対側に設けられているので、回転リフレクタの形成する配光パターンには何ら影響がない。

冷却ファン１５０は、円筒形の筐体１５８の内部に多翼羽根１５６が回転可能に収容されている、いわゆるブロアファンである。多翼羽根１５６は、回転リフレクタ１４０と回転軸を共有している。冷却ファン１５０は、筐体１５８の底部に形成された吸込口１５２から空気を取り込み、羽根１５６の回転により圧縮された空気を、筐体１５８の側面に形成された吹出口１５４から吹き出すように構成されている。冷却ファンとしてブロアファンを採用することで、回転リフレクタの回転軸に対して直交する方向に風を発生させることができる。冷却ファン１５０の発生する風が回転リフレクタ１４０に直接当たらないため、回転リフレクタの回転数や回転速度に影響を及ぼすことはない。また、吸込口１５２を回転リフレクタ１４０とは反対の側に配置することで、回転リフレクタの影響を受けずに空気を取り込むことができる。

上記のような車両用灯具１００が搭載された車両が昼間に走行すると、条件によっては、回転リフレクタ１４０のブレード１４２が太陽光によって溶損するおそれがある。これについて、図１１を参照して説明する。

図１１（ａ）〜（ｄ）は、光学ユニット１２０の投影レンズ１３０の出射面１３０ａに太陽光が入射したときの光線軌跡を示す図である。太陽は時間によって高度が変化するため、投影レンズへの太陽光の入射角は変化する。図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、入射光が水平線に対して０度、１０度、２０度、３０度であるときの光線軌跡を示している。

投影レンズ１３０の出射面１３０ａに入射した光は、投影レンズによって後方の焦点近傍に集光される。このとき、投影レンズ１３０の像面湾曲によって、投影レンズに対する焦点の位置は入射光の角度によって変化する。

入射光角度が０度であるとき、図１１（ａ）に示すように、焦点Ｆ１は、回転リフレクタ１４０のブレード１４２よりも車両後方側（図中右側）に位置している。入射光角度が１０度になると、図１１（ｂ）に示すように、焦点Ｆ２の位置がブレード１４２に接近する。

入射光角度が２０度になると、図１１（ｃ）に示すように、焦点Ｆ３がブレード１４２の反射面上にほぼ位置するようになる。入射光角度がこの近辺であるとき、太陽光のエネルギーが反射面に集中するので、プラスチック部品であるブレード１４２が溶損するおそれがある。入射光角度が３０度になると、図１１（ｄ）に示すように、焦点Ｆ４が投影レンズ１３０と回転リフレクタ１４０の間に移動し、溶損のおそれはなくなる。

したがって、投影レンズ１３０により集光されて回転リフレクタのブレードの反射面に向かう光のうち、図１１（ｃ）に示す焦点Ｆ３の近傍に向かう光を遮れば、ブレードの溶損は防止できる。そこで、本実施形態では、図７および９に示すように、投影レンズ１３０と回転リフレクタ１４０の間に、シェード１６０が設けられている。

焦点Ｆ３近傍に向かう光をシェード１６０により遮光することで、投影レンズ１３０に入射した光が集光されることによるブレード１４２の溶損を防止すことができる。なお、シェード１６０は金属製であることが好ましい。これにより、投影レンズ１３０による集光によりシェード１６０自体が溶損することを防止できる。

図１１（ｂ）〜（ｄ）には、光学ユニット１２０をオンにしたとき、ＬＥＤ１１２から出射した光を投影レンズ１３０に向けて反射して所望の配光パターンを形成するのに必要な、ブレード１４２の反射面上の領域Ｂも示されている。上述したシェード１６０を、ブレード１４２上のこの領域Ｂからの反射光を遮らない位置に設けるようにすれば、光学ユニット１２０により形成される配光パターンに影響を与えることはない。

図９では、シェード１６０が回転リフレクタ１４０の直近に位置し、回転リフレクタ１４０の直径と略同じ長さであるように描かれているが、シェード１６０の位置および形状はこれに限られない。例えば、シェード１６０は、図９中にＣで示す長さであっても、集光によるブレードの溶損を十分防ぐことができる。

また、シェード１６０は、図８に示すように、回転リフレクタ１４０の上側と下側にそれぞれ一枚ずつ設けられてもよい。

なお、図１１を参照して説明した入射光の角度は一例であり、投影レンズの形状や、車両用灯具の車両上での搭載位置等の様々な要因により、ブレードが溶損するおそれのある投影レンズへの入射光の角度範囲は変化することに注意する。この角度範囲は実験またはシミュレーションで決定すればよい。

以上、本発明を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合せたものや置換したものについても本発明に含まれる。

上述の実施の形態では、ランプユニットを車両用灯具に適用した場合について説明したが、必ずしもこの分野への適用に限らない。例えば、種々の配光パターンを切り替えて照明を行う舞台や娯楽施設における照明器具に適用してもよい。

１００ 車両用灯具、 １１２ ＬＥＤ、 １３０ 投影レンズ、 １３０ａ 出射面、 １３０ｂ 入射面、 １４０ 回転リフレクタ、 １４２ ブレード、 １６０ シェード。

本発明によれば、回転リフレクタを備える光学ユニットにおいて、投影レンズに入射した光が集光されることによるブレードの溶損を防止することができる。

Claims (3)

1. 光源と、
   回転軸を中心に回転する回転リフレクタであって、所定の角度だけ回転する間に前記光源から出射した光を反射して所望の配光パターンを形成する反射面を有する複数のブレードを回転軸の周方向に有している、回転リフレクタと、
   前記回転リフレクタからの反射光が入射する入射面を有する投影レンズと、を備える光学ユニットにおいて、
   前記投影レンズの出射面に対して所定範囲の角度で入射し該投影レンズにより集光されて前記回転リフレクタの反射面に向かう光であってその焦点が当該反射面上に位置する光の少なくとも一部を遮るシェードが、前記投影レンズと前記回転リフレクタの間であって、前記リフレクタからの反射光を遮らない位置に設けられることを特徴とする光学ユニット。
2. 前記シェードが金属製であることを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
3. 請求項１または２に記載の光学ユニットを用いた車両用灯具。