JP6940310B2 - ランプユニット - Google Patents

Description

本発明は光反射ブレードを回転させながら光源の光を反射する回転リフレクタを備え、この回転リフレクタにより反射光をスキャン（走査）して照明を行うランプユニットに関するものである。

自動車等の車両の灯具、特にヘッドランプを構成するランプユニットとして、光源から出射された光を車両の前方領域に向けて高速にスキャンして照明を行う方式のものが提案されている。特許文献１では、発光素子から出射された光の入射角が、回転に伴って連続的に変化するように光反射面が構成された回転リフレクタ（光反射ブレード）を備えた技術が提案されている。回転リフレクタの回転に伴って光源からの光の入射角が変化され、これに対応して反射光の反射角が変化されるため、回転リフレクタの反射光を自動車の前方に向けて照射することにより、車両の前方領域を反射光でスキャンして照明することが可能とされている。

特開２０１７−５９５４６号公報

特許文献１の技術では、回転リフレクタを回転駆動する駆動源としてモーターが用いられているが、モーターの回転軸の一方の端部に回転リフレクタを連結すると、回転軸には軸方向に沿った荷重の偏りが生じる。特に、モーターは回転リフレクタとともにヘッドランプに内装しているので、ヘッドランプの小型化、軽量化を図るためには、モーターを可及的に小型、軽量とすることが好ましい。しかし、小型、軽量のモーターでは取り付けた回転リフレクタの重量の影響が大きくなり、回転軸における軸方向の重心位置が回転リフレクタを取り付けた一方の端部側に偏ることになる。

このように、回転軸における重心の軸方向の偏りが顕著になると、回転軸の円滑な回転が阻害される。例えば、回転軸がいわゆる「みそすり運動」をするようになる。回転リフレクタの円滑な回転が阻害されると、光源から回転リフレクタに入射される光の入射角に誤差が生じ、目的とするようなスキャンができなくなる。また、回転軸を軸転可能に軸支している軸受に偏った力が加えられ、軸受の偏摩耗等が要因となるモーターの耐久性が低下する。

本発明の目的は、回転リフレクタを取り付けた回転軸における重心位置を適切な位置に調整し、回転リフレクタによる好適な光のスキャンを実現したランプユニットを提供することにある。

本発明は、光源から出射された光を回転しながら反射して所定方向にスキャンする回転リフレクタを有するランプユニットであって、前記回転リフレクタを回転するモーターは、ステータと、回転軸に取り付けられたローターと、前記回転軸の軸方向に離間配置されて当該回転軸を軸転可能に支持する一対の軸受を備えており、前記回転リフレクタは前記回転軸の一方の端部に取り付けられ、前記回転軸の他方の端部にバランスウェイトが取り付けられて前記回転軸の重心が前記一対の軸受の軸方向の間に設定されており、前記バランスウエイトは放熱ファンとして構成されている。

本発明の好ましい形態として、前記光源はヒートシンクに搭載されており、前記放熱ファンは、駆動により生じる空気流を当該ヒートシンクに送風する構成である。

本発明によれば、回転リフレクタを回転駆動するモーターの回転軸の重心を、当該回転軸を軸支する一対の軸受の軸方向の間に設定することにより、回転軸の安定した回転が確保され、回転リフレクタにより光源の光を安定にスキャンすることができる。

実施形態１のランプユニットの概略斜視図。 実施形態１のランプユニットの一部を破断した平面図。 実施形態１のリフレクタ部の一部を破断した斜視図。 実施形態１のリフレクタ部の縦断面図。 実施形態２のリフレクタ部の縦断面図。 実施形態３のリフレクタ部の縦断面図。 実施形態４のリフレクタ部の縦断面図。 実施形態４のランプユニットの一部を破断した平面図。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明を自動車のヘッドランプのランプユニットＬＵとして構成した実施形態１の概略斜視図、図２はその一部を破断した平面図である。このランプユニットＬＵは、例えばＡＤＢ（Adaptive Driving Beam）配光制御、すなわち自動車の走行状況に応じてヘッドランプの照明領域と非照明領域を適応制御可能なスキャン式のランプユニットとして構成されており、光源部１と、リフレクタ部２と、投影レンズ部３を１つのユニットとして一体的に構成したものである。

このランプユニットＬＵの概略構成を説明する。前記光源部１は平面視でほぼＬ字型をしたヒートシンク１２を有しており、このヒートシンク１２の内側の壁面の一部に光源としてのＬＥＤ（発光ダイオード）１１が搭載されている。前記ヒートシンク１２は外面の一部に複数の放熱フィン１３が形成されており、搭載しているＬＥＤ１１が発光したときに発生する熱をヒートシンク１２及び放熱フィン１３から外部空間に放熱させる。

前記ＬＥＤ１１は、詳細な図示は省略するが、複数のＬＥＤチップ、例えば９個のＬＥＤチップを所定形状に配列した複合型ＬＥＤとして構成されており、各ＬＥＤチップは発光したときに白色光を出射し、各ＬＥＤチップからの白色光は一体に合成された光束としてＬＥＤ１１から出射される。９個のＬＥＤチップはランプユニットＬＵに要求される光度を満たすために設けられているので、当該要求される光度を満たすのであればＬＥＤチップはこれよりも少ない個数あるいは多い個数であってもよい。また、ディスクリートＬＥＤで構成されてもよい。さらには、集光用レンズや集光用リフレクタを一体に構成したＬＥＤユニットとして構成されてもよい。

前記リフレクタ部２は、モーター２１と、このモーター２１により回転駆動される回転リフレクタ２２とで構成されており、ステム１４により前記ヒートシンク１２に支持されている。これらモーター２１と回転リフレクタ２２の詳細については後述するが、回転リフレクタ２２は２枚の半円形をした光反射ブレード２２１（以下、ブレードと略称する）を円周配置した略円板状に構成されており、その中心のボス２２２において前記モーター２１の回転軸２１１に取り付けられている。これにより、モーター２１を駆動したときに回転リフレクタ２２は回転軸２１１の回りに回転駆動される。

前記投影レンズ部３は、円形レンズの一部を切除した形状の投影レンズ３１を備えている。この投影レンズ３１はレンズホルダ３２及びステム３３により前記ヒートシンク１２に支持されており、後述するように、前記したリフレクタ部２の回転リフレクタ２２によって反射された光をランプユニットＬＵの前方に向けて投影し、自動車の前方を照射するようになっている。投影レンズ３１はスキャンに必要な部位のみを残し、その他の部位を切除することにより、レンズの小型化ないしランプユニットの小型化、軽量化が実現できる。

前記回転リフレクタ２２について説明する。図３はリフレクタ部２の斜視図であり、後述するケーシング２３の一部を破断した分解斜視図である。前記したように、ボス２２２に２枚の半円形をしたブレード２２１が支持されており、全体としてほぼ円板状に形成されている。各ブレード２２１は表面、すなわち自動車の前方に向けられている図３の上側を向いた面が光反射面として構成されている。ここでは、２枚のブレード２２１は前記ボス２２２と共に樹脂成形により一体形成されており、少なくとも両ブレード２２１の表面にアルミニウム膜を蒸着、メッキ等した光反射膜が形成されている。２枚のブレード２２１の円周方向の間にはそれぞれ径方向に伸びる隙間が設けられており、この隙間は光反射を行わない無反射領域として構成されている。

２枚のブレード２２１はボス２２２を中心とした点対称の形状であり、光反射面としての表面の径方向の傾斜角度、すなわち前記モーター２１の回転軸２１１の軸方向と垂直な面に対する傾斜角度が、円周方向に沿って連続的に変化する構成とされている。ここでは、ブレード２２１を表面方向から見たときに、時計方向側では傾斜角度が裏面側に傾斜した負の角度であり、反時計側では傾斜角度が表面側に傾斜した正の角度に構成されている。

以上、概略説明したランプユニットＬＵは、ヘッドランプが自動車に装備された状態では、図２に示した前記投影レンズ３１のレンズ光軸Ｌｘが自動車の前後方向に向くように配置される。また、前記ＬＥＤ１１は、各ＬＥＤチップから出射される光束の出射光軸Ａｘが前記レンズ光軸Ｌｘに対して水平方向にほぼ直角な方向に向けられている。前記リフレクタ部２は、前記モーター２１の回転軸２１１が当該出射光軸Ａｘと前記レンズ光軸Ｌｘのそれぞれに対して水平方向にほぼ４５度の角度で交差する方向に向けられるとともに、前記回転リフレクタ２２の各ブレード２２１の反射面が前記出射光軸Ａｘと前記レンズ光軸Ｌｘの交点を通るように形成されている。

そして、ＬＥＤ１１を発光すると、各ＬＥＤチップから出射された光は１つの光束となって回転リフレクタ２２のブレード２２１の表面に投射され、ここで反射される。反射された光束は投影レンズ３１に入射され、ここで屈折されながらランプユニットＬＵの前方、すなわち自動車の前方に向けて投影され、自動車の前方領域を照射する。

回転リフレクタ２２のブレード２２１はモーター２１により回転され、ブレード２２１の表面に対するＬＥＤ１１からの光束が入射される位置は円周方向に変化する。前記したようにブレード２２１の表面の傾斜角度は円周方向に変化しているので、ブレード２２１の回転に伴って入射する光束の入射角が変化される。これにより、ブレード２２１で反射される光束の反射角、すなわちレンズ光軸Ｌｘに対する水平方向の角度が変化される。したがって、投影レンズ３１を透過する光束は水平方向に偏向され、自動車の前方領域に向けてスキャン（走査）されながら照射されることになる。

すなわち、ＬＥＤ１１から光束が経時的に連続して出射されているときには、当該光束は回転リフレクタ２２の回転に追従して、図１と図２に示すように、水平方向Ｓに高速でスキャンされる。このスキャン速度は高速であるので、人間の眼においては水平方向にスキャンされた領域を照明する配光となる。したがって、このスキャンに同期してＬＥＤ１１の発光光度（光度零の消光を含む）をタイミング制御することにより、スキャンする水平方向の光度を変化させることができ、例えば所望の領域のみを照明し、他の領域の光度を低下ないし消灯するＡＤＢ配光制御が実現できる。また、複数のＬＥＤチップ発光光度をそれぞれ独立してタイミング制御することにより、より細かい光度分布のＡＤＢ配光制御が実現できる。

なお、回転リフレクタ２２においては、１枚のブレード２２１の回転により１回のスキャンが行われので、２枚のブレード２２１で構成されているこの実施形態の回転リフレクタ２２では、回転リフレクタ２２の１回転で２回のスキャンが行われる。２枚のブレード２２１の円周方向の間に隙間が設けられているので、光の反射が１枚のブレード２２１から他の１枚のブレード２２１に移る際に、この隙間では光反射が行われることはなく、各スキャンの間に光束が反対方向にスキャンされるようなことはない。

回転リフレクタ２２を回転駆動する前記モーター２１について説明する。図４は前記リフレクタ部２の縦断面図である。図４と図３を参照すると、モーター２１は、コイル（巻線）２４１を有するステータ２４と、このステータ２４の周囲に配設されたマグネット（永久磁石）２５１を有するローター２５とからなるアウターローター型のブラシレスモーターとして構成されている。

前記モーター２１は硬質樹脂からなるケーシング２３を備えている。このケーシング２３は、底面が二段に凹設された円形容器状とされ、このケーシング２３の底面に中空円筒状の軸受筒２３１が突出した状態で一体成形されている。この軸受筒２３１の筒内には、筒軸方向に沿って一対のラジアルボールベアリング（以下、単にボールベアリングと称する）２６が離間配置されている。モーター２１の回転軸２１１は、前記軸受筒２３１に内挿されており、この軸受筒２３１内において前記一対のボールベアリング２６により軸転可能に支持されている。

前記ケーシング２３の内底面上には所要の平面領域にわたって回路基板２７が配設支持されている。この回路基板２７は例えばプリント配線基板で構成されており、その一部には前記軸受筒２３１の外径に位置するように筒部２７１が一体に設けられている。この筒部２７１の周面にはコアに導線を巻回した複数のコイル２４１が配置されており、ここでは６つのコイル２４１が円周配置されている。各コイル２４１はそれぞれ前記回路基板２７に設けられたプリント配線（図示せず）に電気接続され、給電が行われるようになっている。

一方、前記回転軸２１１には前記ステータ２４を構成している前記６つのコイル２４１を覆うように短円筒容器状をしたローターヨーク２５２が取り付けられている。このローターヨーク２５２は強磁性体で構成されており、円形をした底壁の中心において当該回転軸２１１にスプライン嵌合等によって回転方向に一体支持されている。当該ローターヨーク２５２の円周壁は前記コイル２４１の外周回りに配置されるとともに、この円周壁の内面には複数個、ここでは４つの円弧板状をしたマグネット２５１が周方向に所要のピッチ寸法で配列された状態で支持されている。これら４つのマグネット２５１は、前記各コイル２４１に対向する内径方向に向けられた面のＮ極とＳ極が周方向に交互に配列するように取り付けられている。

前記回路基板２７には前記コイル２４１に給電を行うための給電回路が構成されている。この給電回路は６つのコイル２４１に対して給電する３相信号（Ｕ，Ｖ，Ｗ）をシーケンス制御する。また、この給電回路にはシーケンス制御のタイミングを得るために、前記ローターヨーク２５２の回転を検出するための複数個、ここでは３つのホール素子２７２が搭載されている。これらのホール素子２７２はホール効果を利用して前記マグネット２５１の磁極方向の変化を検出することによりマグネット２５１を支持しているローターヨーク２５２の回転方向や回転速度を検出する。ホール素子自体は公知であるので、ここではその詳細な説明は省略する。

このモーターにおいて、６つのコイルに３相信号を給電して、各コイル２４１により発生するＮ磁界あるいはＳ磁界を周方向に経時的に変化させることにより、各マグネット２５１に接線方向の駆動力を生じさせ、マグネット２５１と一体のローターヨーク２５２を一体的に回転させる。このローターヨーク２５２の回転により、取り付けられている回転軸２１１が軸転され、アウターローター型のモーターとして機能される。

前記した回転リフレクタ２２のボス２２２は、この回転軸２１１の一方の端部、ここではローターヨーク２５２が取り付けられている側の端部に嵌合されて、回転軸２１１に一体的に取り付けられている。これにより、モーター２１が駆動されて回転軸２１１が回転すれば、回転リフレクタ２２が回転され、これに伴うブレード２２１の回転により前記したようにＬＥＤ１１の光を反射してスキャンによる照明を実行することになる。

このように、実施形態ではモーター２１の回転軸の一方の端部に回転リフレクタ２２とローターヨーク２５２をそれぞれ取り付けた構成とすることにより、リフレクタ部２の組立に際しては、回転軸２１１を軸支させたケーシング２３に回路基板２７を搭載してステータ２４を構成した後に、ローターヨーク２５２を回転軸２１１に取り付け、さらに当該回転軸２１１に回転リフレクタ２２を取り付ける作業をケーシング２３の一方側から行うことができ、モーター２１と回転リフレクタ２２の組立作業を容易に行うことができる。また、ヒートシンク１２にリフレクタ部２を組み付けた後のモーター２１や回転リフレクタ２２のメインテナンスも容易になる。

一方、回転軸２１１の一方の端部にローターヨーク２５２と回転リフレクタ２２を共に取り付けた構成とすると、回転軸２１１の重心位置Ｇｘは一方の端部側に偏って一対のボールベアリング２６から大きく外れた状態になり易い。例えば、図４に示すように、重心位置Ｇｘは一対のボールベアリング２６の間から一方の端部側に外れた位置になる。このような状態になると、回転軸２１１の回転に伴って回転軸２１１がみそすり運動をすることがあり、回転リフレクタ２２の回転にぶれが生じ、ＬＥＤ１１の光を好適にスキャンできなくなるおそれがある。

実施形態１では、前記回転軸２１１の他方の端部、すなわち前記ケーシング２３を挟んで前記ローターヨーク２５２及び回転リフレクタ２２と反対側の端部には、バランスウェイト４が取り付けられている。このバランスウェイト４は、前記回転リフレクタ２２の重量にほぼ匹敵する重量、あるいは回転リフレクタ２２とローターヨー２５２クを合せた重量に近い重量をした円柱状に形成されている。このバランスウェイト４を取り付けることにより、図４に示すように、回転軸２１１の重心位置Ｇを前記一対のボールベアリング２６の軸方向の間の位置、好ましくは当該軸方向の中間位置に設定している。

このようにバランスウェイト４を備えて重心位置Ｇを一対のボールベアリング２６の軸方向の間に位置させることにより、モーター２１が駆動されて回転軸２１１が軸転したときに、回転軸２１１がみそすり運動することを抑制する。したがって、回転軸２１１の一方の端部に取り付けられている回転リフレクタ２２、特に２枚のブレード２２１は回転中心がぶれることなく安定して回転動作され、ＬＥＤ１１の光を安定して反射して好適なスキャンが行われる。

前記実施形態では回転軸２１１の他方の端部にバランスウェイト４を取り付けて回転軸２１１の重心位置を一対のボールベアリング２６の軸方向の間に位置させているが、他の手法により重心位置を一対のボールベアリング２６の軸方向の間に位置させることが可能であるならば、バランスウェイトは必ずしも必要とされるものではない。

図５は実施形態２のリフレクタ部２の縦断面図であり、実施形態１のバランスウェイト４の代わりに回転軸２１１の他方の端部をケーシング２３から裏面側に突出した延長部４Ａを設けている。すなわち、回転軸２１１の他方の端部が他方の端部側に配置された軸受２６（２６ｂ）から延長される長さが、回転軸２１１の一方の端部が回転軸の一方の端部側に配置された軸受２６（２６ａ）から延長される長さよりも長くするような延長部４Ａが設けられている

この延長部４Ａを設けることにより回転軸２１１の重心位置Ｇを他方の端部側に移動させ、当該重心位置Ｇが一対のボールベアリング２６の軸方向の間に位置するようにしたものである。この場合、図示は省略するが、延長部４Ａの径寸法を一端側の部位よりも相対的に大径にした回転軸を構成すれば、延長部４Ａの長さを短くすることが可能になる。

図６は実施形態３のリフレクタ部の縦断面図であり、回転軸２１１における重心位置を他端側に移動するのではなく、ケーシング２３の軸受筒２３１の突出長さを増大し、当該軸受筒２３１の先端をローターヨーク２５２の内底面に可及的に近接させている。そして、一対のボールベアリング２６のうち回転軸２１１の一方の端部側、すなわち軸受筒２３１の先端側のボールベアリング２６を先端側に移動してステータ２４のコイル２４１よりも当該一方の端部側に突出した位置に配置している。これにより、一対のボールベアリング２６の間隔寸法、すなわち回転軸２１１の軸方向の間隔寸法が増大され、回転軸２１１の重心位置Ｇを一対のボールベアリング２６の間に位置することが可能になる。

一方、前記バランスウェイトを異なる形態としてもよい。図７は実施形態４の縦断面図である。実施形態１のバランスウェイト４の代わりに放熱ファン５を回転軸２１１の他方の端部に取り付けている。この放熱ファン５は各種電子部品の冷却用のファンとして用いているものをそのまま利用することができる。また、前記ケーシング２３の裏面側には、当該放熱ファン５を内装する放熱ダクト２８が設けられている。

この放熱ダクト２８は、前記放熱ファン５を包囲する容器状に形成されて前記ケーシング２３の裏面に取り付けられている。そして、放熱ダクト２８の一部には放熱ファン２８に臨む位置に吸気口２８１が設けられる。また、放熱ダクト２８は、図８に示すように、前記ヒートシンク１２の放熱フィン１３に対向する位置まで延長され、この延長端に送気口２８２が開口されている。

前記放熱ファン５は所定の重量を有しているので、この重量により実施形態１のバランスウェイト４と同様に回転軸２１１の重心位置Ｇを他方の端部側に移動し、一対のボールベアリング２６の軸方向の間の位置に設定することが可能になる。これにより、回転軸２１１がみそすり運動が防止され、回転リフレクタ２２が安定して回転動作され、ＬＥＤ１１の光を適正に反射し、好適なスキャンが行われる。

また、回転軸２１１の回転に伴って放熱ファン５が回転されると、放熱ダクト２８内に空気流が生じる。ここでは放熱ダクト２８の吸気口２８１から空気が流入され、流入された空気は送気口２８２から送出される。送出された空気は放熱フィン１３に向けて送風され、ヒートシンク１２における放熱効果を増大する。これにより、ＬＥＤ１１が発光したときに発生した熱はヒートシンク１２により効率よく放熱され、ＬＥＤ１１ないしランプユニットＬＵの冷却効果が得られる。

この、放熱ダクト２８は必ずしも設ける必要はなく、放熱ファン５を回転させることによりランプユニットＬＵを内装しているランプハウジング内の空気を循環させ、ランプハウジング内の温度上昇を抑制し、あるいはランプハウジング内に生じる結露を防止する上でも有効である。

本発明におけるバランスウェイトは、実施形態に記載の円板形状、あるいは放熱ファンに限られるものではない。また、回転軸にウエイトバランスを取り付ける位置を変化できるように構成することにより、重心位置を適宜に調整することができる。例えば、回転軸の他方の端部にネジ条を形成し、これにバランスウェイトを螺合させ、その螺合位置を変化するように構成してもよい。

本発明は実施形態に記載したブラシレスモーターを用いるランプユニットに限られるものではない。例えば、ブラシを有するＤＣモーターにおいても、ローターを取り付けている回転軸の一方の端部に回転リフレクタを取り付けた場合には本発明を適用することができる。

本発明にかかる回転リフレクタは実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、ブレードの形状や枚数等、異なる形態の構成であってもよい。例えば、ブレードは１枚でもよく、あるいは３枚以上であってもよい。また、回転リフレクタを駆動するモーターの構成も実施形態の構成に限定されるものではなく、コイルやマグネットの個数及び駆動する相信号も異なる形態のものであってもよい。さらに、回転軸の一方の端部から、ブレード、ケーシング、ヨークの順に配設した構成としてもよい。同様にランプユニットを構成している光源や投影レンズの形態も異なる構成であってもよい。

ＬＵ ランプユニット
１ 光源部
２ リフレクタ部
３ 投影レンズ部
４ バランスウェイト
４Ａ 延長部
５ 放熱ファン（バランスウェイト）
１１ ＬＥＤ（光源）
１２ ヒートシンク
１３ 放熱フィン
２１ モーター
２２ 回転リフレクタ
２３ ケーシング
２４ ステータ
２５ ローター
２６ ボールベアリング（軸受）
２７ 回路基板
２８ 放熱ダクト
２１１ 回転軸
２２１ ブレード
２４１ コイル
２５１ マグネット
Ｇ 重心位置

Claims (3)

1. 光源から出射された光を回転しながら反射して所定方向にスキャンする回転リフレクタを有するランプユニットであって、前記回転リフレクタを回転するモーターは、ステータと、回転軸に取り付けられたローターと、前記回転軸の軸方向に離間配置されて当該回転軸を軸転可能に支持する一対の軸受を備えており、前記回転リフレクタは前記回転軸の一方の端部に取り付けられ、前記回転軸の他方の端部にバランスウェイトが取り付けられて前記回転軸の重心が前記一対の軸受の軸方向の間に設定されており、前記バランスウエイトは放熱ファンとして構成されていることを特徴とするランプユニット。
2. 前記回転リフレクタは、少なくとも１枚の光反射ブレードを備えており、当該光反射ブレードの光反射面は回転方向に沿って前記光源に対する対向角度が変化する構成である請求項１に記載のランプユニット。
3. 前記光源はヒートシンクに搭載されており、前記放熱ファンは、駆動により生じる空気流を当該ヒートシンクに送風する構成である請求項１又は２に記載のランプユニット。

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