JP7084929B2 - プロジェクタ型車両ヘッドランプ - Google Patents

Description

本発明は、概して、車両ヘッドランプ、特に、物理的なシェードを使用しないプロジェクタ型車両ヘッドランプに関する。

一般に、典型的な従来の車両ヘッドランプは少なくとも、図１に示すように、光源１、非球面コリメートレンズ２及び可動シェード３を有する。可動シェード３は、典型的には、機械的装置を介してモータによって駆動され、自動車のような車両のためにロービーム（すれ違い（passing）ビーム）及びハイビーム（走行（driving）ビーム）を達成するための不可欠な構成要素として作用する。ロービームモードでは、シェード３は、光源１から発せられる光の一部を遮断して人の目へのグレアを除去することができるカットオフラインを形成するように作用し、従って、生成されるロービームは、前方から来る運転者にとってより快適かつ安全である。車両のヘッドランプがハイビームモードにある場合、シェード３は、光源１からのすべての光が投射されて外部環境に対する照明性能を高めることができるように、下げられるかまたは除去され得る。

従って、従来技術では、コリメートレンズ２の後ろの物理的シェード３が必要とされるので、ロービームのためのカットオフラインがそれに従って成形されることができる。しかし、物理的なシェード３は、車両ヘッドランプにいくつかの問題を引き起こすことがある。例えば、シェードは、予期せぬ故障のより大きいリスクを有する機械的装置によって一般に駆動されるため、車両ヘッドランプは、より少ない有効な動作寿命を有し、従って、シェードは、例えば、ハイビームで予期せぬカットオフラインを生成するかもしれない。さらに、光源から放射される光の一部を遮断する物理的なシェードは、光のより低い利用率をもたらし得る。

特許文献１は、投影レンズの焦点面内且つレンズの光軸を含む水平面上方の、上方の明／暗のカットオフを有するビームを生成するための延長された光源の中間像を生成することを開示した。特許文献２は、物理的なシェードを使用せずにカットオフビームを形成するために、リフレクタによって面状発光体を発光体を含む平面内に結像し、そこで制御曲線によって制限されるホットスポットを形成し、次に、ホットスポットが、レンズによって道路上に投影されることを提案している。

依然として、ヘッドランプの物理的なシェードに起因する問題を緩和または回避するために、改良された車両ヘッドランプを提供する必要がある。

欧州特許出願公開第１６７２２７２号 欧州特許出願公開第２３９０５６２号

本発明の実施形態の一般的な目的は、上述の問題を除去または少なくとも軽減するために、物理的なシェードを持たないプロジェクタ型車両ヘッドランプを提供することである。

本発明の一実施形態によれば、提案されたプロジェクタ型車両ヘッドランプは、光を放射する第１の光源と、それを通って光がヘッドランプを出るレンズと、第１の光源から光を受け、受けた光をレンズに向ける第１の光学部品（optics）とを有し、レンズは、第１の光学部品とレンズとの間に焦点面を有し、レンズは光軸を有する。第１の光学部品は、基準面との焦点面の交線より上の焦点面上に第１の光源の複数の像を生成するように構成され、基準面はレンズの光軸を含み、基準面は、ヘッドランプが車両に取り付けられるとき、水平面に対して０‐４５度の範囲の角度αを囲む。

本実施形態で提供されるプロジェクタ型車両ヘッドランプに関して、従来の物理的なシェードは、ヘッドランプの通常のロービーム機能に影響を与えることなく、車両ヘッドランプから除去されることができ、このような車両ヘッドランプは、光の可逆性の原理に基づいて設計される。特に、第１の光学部品は、ヘッドランプが車両に取り付けられるときに、上述のように、第１の光源の複数の像が、焦点面の交線の上の焦点面上に生成されるように設計される。この方法では、ヘッドランプが車両に取り付けられるとき、ロービームが物理的なシェードを必要とせずにヘッドランプから生成されることができる。従って、車両ヘッドランプのより単純な構造およびより高い光の利用率を達成することができる。

第１の光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むがこれらに限定されない、任意の適切な光デバイスであり得る。第１の光学部品はリフレクタ（reflector）である。

リフレクタは、ヘッドランプが車両に取り付けられるときに見て、上縁、下縁、及び上縁と下縁とを接続する側縁を有する曲面反射面を有し、第１の光源の発光面は、リフレクタの曲面反射面に対向する（confronts）。

側縁は楕円の一部である。側縁が楕円の一部であるため、側縁の形状は比較的設計が容易であり、リフレクタの反射面のモデルは、楕円形の設計側縁に沿ってスプラインを掃引すること（sweeping a spline）によって容易に決定することができる。

いくつかの実施態様では、第１の光源は、楕円の第１焦点に位置し、楕円の第２焦点は、焦点面とレンズとの間に位置する。

いくつかの実施態様では、楕円の第１焦点は、第１の光源の発光面の縁部の中央に位置し、その縁部は、焦点面に最も近い発光面の縁である。

いくつかの実施形態では、ヘッドランプは、第２の光源及び第２の光学部品をさらに有し、これらの２つは、第２の光源からの光を第２の光学部品を介して焦点面内且つ光軸上のレンズの焦点に向けるように構成される。この方法では、ロービームとハイビームの両方を生成することができる二機能ヘッドランプが達成される。

いくつかの実施態様では、第２の光源の発光面は、第２の光学部品に対向し、ヘッドランプが車両に取り付けられるときに鉛直方向に沿って見るとき、第２の光源は、第１の光源よりも第１の光学部品から遠く離れるように配置される。ヘッドランプの構成要素のこのような配置は、第２の光源が、第１の光源からの光およびリフレクタから反射された光をブロックしないことを可能にし得る。

いくつかの実施態様では、第１の光源は、第２の光源から第２の光学部品を経てレンズに至る光によって通過する経路の外側に配置される。この方法では、第１の光源が第２の光源からの光をブロックしないことが可能である。

本発明のこれらの態様および他の態様は、図面を参照して、１つ又は複数の実施形態の以下に記載によってさらに説明される。

物理的シェードを有する従来技術の車両ヘッドランプを示す。 本発明の一実施形態による車両ヘッドランプが車両に取り付けられるときの車両ヘッドランプの斜視図を示す。 図２に示す焦点面２０１と可能な基準面との間の関係を示す。 光の可逆性の原理を説明するために光源からコリメートレンズを通る光路を示す。 焦点面上の交線より上に第１の光学部品によって生成された第１の光源の像を示す。 本発明の一実施形態によるリフレクタのプロファイルを示す。 第１の光学部品がリフレクタであることによって第１の光源の像を生成するプロセスを概略的に示す。 本発明の一実施形態による、リフレクタのためのスプラインを設計するステップを示す。 本発明の別の実施形態による二機能車両ヘッドランプを示す。 図９に示すヘッドランプに関して、第１の光源からレンズ２０に向かう光路を示す。 図９に示すヘッドランプに関して、第２の光源からレンズ２０に向かう光路を示す。 シミュレーションによる図９に示す車両ヘッドランプのためのロービーム及びハイビームの光分布パターンを示す。 シミュレーションによる図９に示す車両ヘッドランプのためのロービーム及びハイビームの光分布パターンを示す。 シミュレーションによる図９に示す車両ヘッドランプのためのロービーム及びハイビームの光分布パターンを示す。

ここで、本発明の本実施形態を詳細に参照し、その例を添付の図面に示す。可能な限り、同一の参照番号が図面および説明において使用され、同一または類似の部分を参照する。

図２は、本発明の一実施形態によるプロジェクタ型車両ヘッドランプの斜視図を示し、このヘッドランプは、光を放射するための第１の光源１０、光がそれを通ってヘッドランプを出るレンズ２０、および第１の光源１０からの光を受け、受けた光をレンズ２０に向けるための第１の光学部品３０を有している。レンズ２０は、第１の光学部品３０とレンズ２０との間に焦点面２０１を有し、レンズ２０は、光軸（図には示されていない）も有する。ヘッドランプが車両に取り付けられるとき、第１の光学部品３０は、基準面との焦点面２０１の交線より上の焦点面２０１上に第１の光源１０の複数の像を生成するように構成され、基準面はレンズ２０の光軸を含み、基準面は水平面に対して０‐４５度の範囲の角度αを囲む。

上述の基準面についてより明確な理解を得るために、図３は、焦点面２０１と基準面との間の関係を示す。図２に関連して図３を参照すると、図３のＹ軸およびＺ軸によって画定される平面上に、焦点面２０１と交差する２つの可能な基準面ｐ１、ｐ２が示される。この例では、参照符号ｐ２は、水平面も示し、すなわち、基準面ｐ２は、水平面に対して０度の角度を囲み、一方、基準面ｐ１は、水平面に対して４５度以下の角度αを囲む。任意の基準面が、それが水平面ｐ２に対して０‐４５度の範囲の角度αを囲む限り、実現可能であることが理解され得る。

本発明の実施形態は、実際には光の可逆性の原理を利用する。図４に示されるレンズ２０のようなレンズでは、レンズ２０に向かう無限遠からの平行光線が焦点面２０１に集光され得ることは容易に理解される。特に、水平方向の平行光線について、それらはレンズ２０によって単一の焦点Ｏに集束される。別の方向の平行光線は、焦点面２０１上の別の点に集束される。例えば、レンズ２０に向かう図４に示したように傾斜した平行光線は、点Ｏの上の別の点Ｏ１に集光される。したがって、光の可逆性の原理に基づき、光源が図４に示した点Ｏ及びＯ１などの位置に配置される場合、光は図４に示した光路に沿ってレンズを通過し、レンズを出る。特に、点Ｏより上の位置で光源から放射される光は、下方にのみ投影される。

本発明の実施形態によって提供される車両ヘッドランプに関して、第１の光学部品３０によって生成される焦点面２０１上の第１の光源１０の像は、仮想光源とみなすことができる。第１の光源１０のこれらの像は、上述のように交線より上にあるので、レンズ２０を出る光の少なくとも一部は下向きになる。この方法では、ロービームがヘッドランプの物理的なシェードなしに作られることができる。加えて、ヘッドランプを自動車のような車両に組み立てるとき、又は車両ヘッドランプの調整試験（commissioning）中、第１の光学部品３０とレンズ２０との相対位置は僅かに調節されることができ、例えば、レンズ２０は、ヘッドランプからの所望のロービームを達成するように、ある程度まで上昇又は引き下げることができる。

いくつかの工業標準によって規定される４５度の傾斜カットオフラインを考慮すると、これらの実施形態の基準面は、水平面に対して０‐４５度の範囲の角度αを囲むように選択される。特に、いくつかの実施例では、基準面は、カットオフラインのための傾きが一部の国における工業標準に従って１５度未満であることが要求されるので、水平面に対して０‐１５度の範囲の角度αを囲むように選択されてもよい。

レンズ２０の焦点面２０１は湾曲面であり得るので、基準面との焦点面２０１の交線は、必ずしも直線ではないことを理解することができる。第１の光学部品３０によって生成された光源の像をより良く理解するために、図５は、ＬＥＤなどの光源１０、第１の光学部品３０、焦点面２０１上の交線２０１ａ、および第１の光学部品３０によって生成された第１の光源１０の像１００を概略的に示す。第１の光源１０から放射される光は、第１の光学部品３０上の点３０ａによって受光され、次いでレンズ２０に向けられる。さらに、第１の光学部品３０は、基準面との焦点面２０１の交線２０１ａより上の焦点面２０１上に第１の光源１０の複数の像１００を生成するように構成される。図５のこのような図は、本発明を限定するよりもむしろ、単に本明細書に記載される交線および第１の光源の像の理解を容易にするために使用されることが理解されるべきである。

従って、本発明の実施形態により提供されるプロジェクタ型車両ヘッドランプにより、従来のヘッドランプにおける物理的シェード及びこのシェードを制御するための関連装置を省略することができ、車両ヘッドランプの構造を簡素化することができる。また、光源から放射される光をブロックするための物理的なシェードがないので、光のより高い利用率を達成し得る。

以下に、第１の光学部品３０の例示的な実施例を例として説明する。

再び図２を参照すると、第１の光学部品３０はリフレクタである。リフレクタは、ヘッドランプが車両に取り付けられるときに見られるように、上縁３０１、下縁３０２、及び上縁３０１と下縁３０２とを接続する側縁３０３を有する湾曲反射面を有する。さらに、第１の光源１０の発光面は、リフレクタの湾曲反射面に対向する。

湾曲反射面の側縁３０３は、楕円の一部である。図６は、楕円の一部である側縁３０３を持つリフレクタのプロファイルを示す。図６はまた、リフレクタの上縁のスプライン３０１ａを示す。側縁３０３のための楕円およびスプライン３０１ａが設計されると、リフレクタの反射面は、側縁３０３に沿ってスプライン３０１ａを掃引することによって決定され得る。従って、リフレクタのモデルは容易に設計できる。

次に、側縁３０３のための楕円およびスプライン３０１ａの例示的な設計を、例として図７および図８を参照して詳細に説明する。

図７は、リフレクタである第１の光学部品によって第１の光源１０の像１００を生成するプロセスを概略的に示す。湾曲反射面の側縁３０３は、楕円の一部である。焦点面上の交線２０１ａは、水平面上に示される。図７に示される点ｍが側縁３０３の最上点であると仮定すると、レンズ２０については、点ｍは光入射点とみなすことができる。したがって、光入射点ｍにおける反射面の法線ｎは、鉛直方向となる。水平面に映された（mirrored to）第１の光源１０の像１００が第１の光源１０と同じ大きさであることを条件として、本実施形態では、第１の光源１０は楕円の第１焦点に位置し、楕円の第２焦点は、交線２０１ａに近接するが、レンズ２０の焦点面２０１とレンズ２０との間に位置するように設計される。すなわち、楕円の第２焦点は、図７において交線２０１ａの右側にある。図７において交線２０１ａの左側から来て、交線２０１ａの下を通過する光は、レンズ２０によって上方に投影されることが理解され得る。従って、リフレクタによって導かれた光は、ロービームを達成するために、図７において交線２０１ａの上を通過することが望ましい。これは、楕円の第２焦点がレンズ２０の焦点面２０１とレンズ２０との間に配置されるように設計される理由である。このようにして、側縁３０３のための楕円は、設計された第１焦点および第２焦点に基づいて決定されることができる。

より具体的には、いくつかの実施形態では、第１の光源１０は、典型的には比較的規則的な（relatively regular）発光面を有し得るＬＥＤであってもよく、この場合、図７に示すように、楕円の第１焦点は、第１の光源１０の発光面の縁部の中央に位置していてもよく、この縁部は、焦点面２０１に最も近い発光面の縁部である。

スプライン３０１ａについては、以下のステップで設計することができる。

ステップ１：図８に示すように、第１の光源１０から出発して、交線２０１ａに多数の線Ｌを引く。各線Ｌの中点から、これらの線Ｌに垂直な法線ｍ’を引く。その結果、第１の光源１０の像１００は、これらの線Ｌの端部にあり、法線ｍ’によって第１の光源１０と対称である。

ステップ２：図８の交線２０１ａの右側に像１００が位置し、交線２０１ａへの距離が最小になるように、線Ｌの方向と長さを調整する。

ステップ３：調整された線Ｌの中点を結び、パスｐとしてスプラインを構成する。

上記の条件が予測できるとき、リフレクタによって反射された全ての光は、交線２０１ａの上を通過し、従って、コリメートレンズ２０によって下方に投影される。一部の光線は交線の非常に近くにあるが、交線の下には交差しない。従って、遠距離場（far field）においてでカットオフラインが達成され得る。

図８および上述のステップは、スプラインの設計方法を例として説明することを意図したものに過ぎず、特定の設計プロセスは、任意の適切なコンピュータソフトウェアによって実行され得る。

側縁３０３のための楕円の形状が決定され、上縁のスプライン３０１ａが設計されるので、リフレクタの完全な湾曲反射面は、側縁３０３に沿った経路ｐとしてスプラインを掃引することによって得ることができる。即ち、多くのスプラインが側縁３０３に沿って複製されて、リフレクタのモデルを達成し得る。

図６‐８および対応する説明は、単に、リフレクタである例示的な第１の光学部品３０およびその設計プロセスを提供し、従って、第１の光学部品３０はこれに限定されないことが理解されるべきである。他の形態のリフレクタが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく設計され得る。

上述の実施形態では、プロジェクタ型車両ヘッドランプは、ロービームモードでのみ動作し得る。ハイビームモードとロービームモードの両方で動作できる二機能車両ヘッドランプを達成するために、本発明の別の実施形態によるプロジェクタ型車両ヘッドランプは、図９に示すように、第２の光源４０および第２の光学部品５０をさらに有し、これらは、第２の光源４０からの光を第２の光学部品５０を経て焦点面２０１内且つレンズ２０の光軸上のレンズ２０の焦点に向けるように構成される。

第１の光源１０及び第２の光源４０は、ＬＥＤを含み得るが、ＬＥＤに限定されるものではなく、これらは、独立してスイッチオン及びオフされるようにコントローラによって制御され得る。例えば、第１の光源１０のみがオンになると、レンズ２０を出るすべての光またはレンズ２０を出る光のほとんどは、第１の光学部品３０の機能のために下向きになり、従って、ロービームが、車両ヘッドランプによって作り出されることができる。あるいは、第２の光源４０のみをオンになるように制御されることができ、上向き且つ水平方向の光ビームが、第２の光源４０および第２の光学部品５０の適切な配置によってレンズ２０から投影され得る。

図１０及び図１１は、それぞれ、第１の光源１０及び第２の光源４０からレンズ２０に向かう光路を示す。

いくつかの実施態様では、第２の光源４０の発光面は、第２の光学部品５０に対向する。そして、ヘッドランプが車両に取り付けられたときの鉛直方向に沿って見るとき、第２の光源４０は、図９‐１１から分かるように、第１の光源１０より第１の光学部品３０から遠く離れるように配置される。この方法では、第２の光源４０が、第１の光源１０からの光およびリフレクタからの反射光をブロックする可能性は低い。換言すれば、第１の光源１０からの光およびリフレクタから反射光を第２の光源４０がブロックするリスクは、低レベルに下げられ得る。レンズ２０を出る光の均一性は、光のブロックがないために改善され、光の利用率も向上され得る。

別の実施形態では、第１の光源１０は、第２の光源４０から第２の光学部品５０を経てレンズ２０に至る光が通過する経路の外側に配置される。この実施形態は図１１で説明され得る。第１の光源１０のこのような配置により、第１の光源１０が第２の光源４０からの光をブロックしないことを可能にされ得る。したがって、第２の光源４０および第２の光学部品５０から生成されるハイビームは、第１の光源１０によってブロックされない。実際、図１１に示す実施形態では、生成されたハイビームは、車両ヘッドランプ内のいかなる構成要素（entity）によってもブロックされず、従って、より均一なハイビームを達成することができ、第２の光源４０からの光の利用率を改善することができる。

図１２及び図１３は、それぞれ、シミュレーションによる、図９に示すような車両ヘッドランプ用ロービーム及びハイビームの光分布パターンを示す。図１２から、ロービーム光分布パターンに明確なカットオフが形成されていることが分かる。カットオフは、レンズ２０の焦点面２０１上のリフレクタである第１の光学部品３０によって作り出された仮想像によって生成され、これらの仮想像が次いで道路に投影される。さらに、車両のヘッドランプには物理的なシェードがないため、図１３に示すように、ハイビームの光分布パターンは、第２の光源４０に第２の光学部品５０を加えることによって、容易に達成することができる。

図１４は、第１の光源１０及び第２の光源４０の両方がオンにされたときのシミュレーションされた光分布パターンを示す。この場合、第１の光源１０及び第２の光源４０は、外部環境に対する改善された照明性能を得るように、走行ビームを生成するために使用される。図１４から分かるように、２つの光源１０、４０の間のビーム形状の遷移は、光分布を妨害する車両ヘッドランプに物理的なシェードがないため、滑らかである。

本発明のいくつかの例示的実施形態を上記の説明に記載したが、開示された実施形態に対する他の変形形態は、図面、開示、および添付の請求項の研究から、請求項に係る発明を実施する当業者によって理解され、実施され得る。請求項において、「有する、含む」という語は、他の要素又は工程を排除せず、また、不定冠詞「１つの（“ａ”又は“ａｎ”）」は、複数の要素を排除しない。特定の特徴が異なる従属請求項に記載されている場合でも、本発明は、これらの特徴を共通に含む実施形態にも関連する。請求項中のいずれの参照符号も、範囲を限定するものと解釈してはならない。

１ 従来技術の光源
２ 従来技術のコリメートレンズ
３ 従来技術の物理的シェード
１０ 第１の光源
２０ レンズ
３０ 第１の光学部品
３０ａ 第１の光学部品３０の反射面上の点
４０ 第２の光源
５０ 第２の光学部品
１００ レンズ２０の焦点面２０１上の第１の光源１０の像
２０１ レンズ２０の焦点面
２０１ａ レンズ２０の焦点面２０１上の水平面と基準面の交線
３０１ 第１の光学部品３０の上縁
３０１ａ 第１の光学部品３０のリフレクタの反射面を生成するためのスプライン
３０２ 第１の光学部品３０の下縁
３０３ 第１の光学部品３０の側縁
α 水平面に対する基準面の角度
Ｌ 第１の光源１０から交線２０１ａへの接続線
ｍ 第１の光学部品３０の側縁３０３の最上点
ｍ’ 線Ｌに垂直且つ線Ｌの中間点における線
ｎ 光入射点ｍにおける反射面の法線
Ｏ、Ｏ１ 無限遠からの平行光線に対するレンズ２０の焦点
ｐ スプライン３０１ａの構築のための経路
ｐ１，ｐ２ 基準面
Ｘ，Ｙ，Ｚ 三次元空間の方向

Claims (5)

1. プロジェクタ型車両ヘッドランプであって：
   発光面から光を放射するように構成された第１の光源と；
   前記第１の光源の前記発光面に面し、上縁、下縁、及び前記上縁と前記下縁とを接続する側縁とを有する曲面反射面を有するリフレクタであって、前記側縁は、前記第１の光源と交差する第１焦点を有する楕円の一部である、リフレクタと；
   レンズであって、前記レンズは、前記リフレクタと前記レンズとの間にレンズ焦点面を有するとともに基準面に含まれる光軸を有し、前記基準面は、水平面に対して０～４５度の範囲の角度を有し、前記レンズ焦点面は、前記レンズ焦点面が前記基準面と交差するところに交線を有する、レンズと；を有し、
   前記リフレクタは、前記第１の光源からの前記光を受けて前記光を導き、前記交線より上の前記レンズ焦点面上に前記第１の光源の像を生成するように構成され、前記レンズは、前記リフレクタによって導かれた前記光を受けて伝え、前記リフレクタと前記レンズの間に物理的シェードを使用することなしにカットオフラインを生成するように構成され、
   前記リフレクタの前記側縁を有する前記楕円は、前記レンズ焦点面と前記レンズとの間に第２焦点を有する、
   プロジェクタ型車両ヘッドランプ。
2. 前記楕円の前記第１焦点は、前記第１の光源の前記発光面の縁部の中央に位置し、前記縁部は、前記レンズ焦点面に最も近い前記発光面の縁部である、
   請求項１に記載のプロジェクタ型車両ヘッドランプ。
3. 前記ヘッドランプは、第２の光源及び第２の光学部品をさらに有し、これらの２つは、前記第２の光源からの光を前記第２の光学部品を介して前記レンズ焦点面内且つ前記光軸上の前記レンズの焦点に向けるように構成される、
   請求項１又は２に記載のプロジェクタ型車両ヘッドランプ。
4. 前記第２の光源の発光面は、前記第２の光学部品に対向し、
   前記ヘッドランプが車両に取り付けられるときに鉛直方向に沿って見るとき、前記第２の光源は、前記第１の光源よりも前記リフレクタから遠く離れるように配置される、
   請求項３に記載のプロジェクタ型車両ヘッドランプ。
5. 前記第１の光源は、前記第２の光源から前記第２の光学部品を経て前記レンズに至る光によって通過する経路の外側に配置される、
   請求項４に記載のプロジェクタ型車両ヘッドランプ。

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