JPWO2020021825A1 - ヘッドライト装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1〜図20を用いて、本発明の実施の形態のヘッドライト装置について説明する。実施の形態のヘッドライト装置は、固体光源として特にLEDを用いた場合の構成を示す。LEDを用いることで、装置を薄型、小型にすることが可能である。その際、装置全体の薄型の実現のためには、LED以外の部品についても併せて薄型として構成する必要がある。そのため、実施の形態のヘッドライト装置は、ロービーム出射機構に関して、遮光部材であるシェードを設ける構成等を採用しない。実施の形態のヘッドライト装置は、LEDに併せて、光源集光光学系や配光制御導光体の構造を工夫することで、薄型および高い光利用効率を実現する。具体的には、実施の形態のヘッドライト装置は、導光体の内部での複数回の全反射を用いることで、ロービームおよびそのカットオフラインを形成する。
図1は、実施の形態のヘッドライト装置1が搭載された車両2の概要構成を示す斜視図である。図1の(A)は、車両2の前部の左右の位置に搭載されたヘッドライト装置1(1a,1b)を示す。ヘッドライト装置1は、前部の右側のヘッドライト装置1aと、前部の左側のヘッドライト装置1bとがある。
図2および図3は、実施の形態のヘッドライト装置1(例えば右側のヘッドライト装置1a)の構成の斜視図を示す。図2は、ヘッドライト装置1の全体の外観を示す。図3は、ヘッドライト装置1の内部の構成を示す。
図4は、ロービームヘッドライト10および光路を鉛直上方(Y方向)からみた場合に対応する、LEDの光軸(一点鎖線で示す)の位置での水平断面(X−Z面)の構成を示す。図4では、X方向の1列のロービーム部の部分を示すが、各列で同様の構成を有する。LED基板32の主面には、ロービーム用LEDであるLED12が実装されている。LEDの光軸は、LEDの発光面(X−Y面)に対して垂直な線である。
図5は、図4のロービームヘッドライト10および光路を側方(X方向)からみた場合に対応する、光軸の位置での鉛直断面(Y−Z面)の構成を示す。図5で、Y方向における厚さT1は、ヘッドライト装置1(特にロービームヘッドライト10)の厚さを示す。この厚さT1は、ヘッドライトケース30やねじ等の部品を除く主要な構成要素である、LED基板32、LED12、LEDコリメータ13、導光体14、およびプロジェクタレンズ11が収まっている範囲に対応する概略的な厚さを示す。実施の形態のヘッドライト装置1では、この厚さT1は、20mm程度まで薄型にすることができる。
図6は、ハイビームヘッドライト20および光路を鉛直上方(Y方向)からみた場合に対応する、光軸(一点鎖線で示す)の位置での水平断面(X−Z面)の構成を示す。図6では、X方向の1列のハイビーム部の部分を示すが、各列で同様の構成を有する。
図7は、図6のハイビームヘッドライト20および光路を側方(X方向)からみた場合に対応する、光軸の位置での鉛直断面(Y−Z面)の構成を示す。ハイビームヘッドライト20の主要な構成要素であるLED基板32、LED22、LEDコリメータ23、導光体24、およびプロジェクタレンズ21は、Y方向の厚さT1の範囲内に収まっている。図7のハイビームヘッドライト20側の厚さT1は、図5のロービームヘッドライト10側の厚さT1と同じである。
図8は、ロービームヘッドライト10におけるロービーム用光源集光光学系であるLEDコリメータ13の構成の斜視図を示す。LEDコリメータ13は、機能の概要としては、LED12からの光を集光して、車両2の路面(対応するZ方向)に対し概略的に平行な光に変換する機能を有する。LEDコリメータ13の出射光は、詳細には、図4および図5のように、導光体14の入射面F2へある程度絞り込まれるように集光される光である。
図9は、ハイビームヘッドライト20におけるハイビーム用光源集光光学系であるLEDコリメータ23の構成の斜視図を示す。LEDコリメータ23は、機能の概要としては、LED22からの光を集光して、図6および図7のように導光体24に対しY方向で光軸へ向けてある程度絞り込まれるように集光される光に変換する機能を有する。
図10は、図8のLEDコリメータ13の水平断面(X−Z面)および光路を示す。入射側素子部131は、詳しくは、入射側の凹部135および屈折素子部134と、側面反射部136とを有する。凹部135および屈折素子部134は、LED12の光軸上、LED12の発光面に対向するように配置されている。LED12の発光面の位置に、凹部135の開口面が配置されている。凹部135の底面に、屈折素子部134が形成されている。屈折素子部134は、入射側に凸形状を持つ凸レンズとして構成されている。
図11〜図15を用いて、ロービームヘッドライト10におけるロービーム用配光制御導光体である導光体14の構成について説明する。図11は、ロービーム用配光制御導光体である導光体14の構成の斜視図を示す。図11では、Z方向の後側(LEDコリメータ13側)から入射面F2をみた場合の斜視図を示す。図12は、図11の導光体14に関する、Z方向の前側(プロジェクタレンズ11側)から出射面F3をみた場合の斜視図を示す。図13は、導光体14をY方向の上方から平面視した場合の上面図(X−Z面)を示す。図14は、導光体14の光軸位置での水平断面および光線の例を示す。図15は、導光体14の鉛直断面(Y−Z面)で、全反射の構成について示す。
図12で、導光体14は、Y方向での上部(基準線C2および第2導光体部14Eよりも上側の部分)において、X方向の中央および左右を含む横に長い領域に、出射部142を有する。出射部142は、その領域に出射面F3を有する。出射面F3は、図13にも示すように、入射部141の反対側にあるX方向の中央の領域(第1出射面とする)ではX方向に平行な平面を持ち、左右の領域(第2出射面、第3出射面とする)では光軸の方に向いた斜めの平面を持つ。
図13では、図12等に対応する上面図(X−Z面)で、各全反射部143の全反射面が、光軸の方を向く斜面として形成されていることを示す。導光体14は、図14にも示すように、第2光の全反射に伴い、入射面F2での入射の位置に対し、出射面F3での出射の位置が、X方向での外側にずれるように、複数の全反射部143の複数の全反射面が設計されている。具体的には、図13のように、カットオフ面143C(第1全反射面)を含む複数の全反射面は、出射面F3の中央の平面(第1出射面)に対し、光軸を対称軸として、10°〜15°程度の角度θ1で曲がった関係で配置されている。その結果、出射面F3の下側の第2導光体部14Eの全反射部143(カットオフ面143C等)における、X−Z面でみた場合の左右の開閉の角度θaは、150°〜160°程度になっている。これにより、入射光を全反射によって再利用しながら、X方向に広いロービーム用光束15dが実現されている。
図14で、入射部141の入射面F2への入射光のうちの第2光、例えば光線L41は、導光体14内部の複数の全反射面での複数回の全反射(破線および点で示す)によって、X方向の外側(例えば右側)へ移動してゆき、光線L42となる。光線L42は、ロービーム用光束15bの一部として、出射部142の出射面F3(特に図12の右側の領域1202)からZ方向の前方へ出射される。
図15では、導光体14における光軸位置に対応する第1全反射面(カットオフ面143C)での鉛直断面を示している。図15のように、導光体14は、内部に複数の全反射面を含んだ多面体形状を有する。実施の形態では、導光体14は、複数の全反射面として、5個の全反射面f1〜f5を有する。
導光体14を安価に形成するために、製造方法および構成材料としては、透明樹脂を用いた射出成形が好適である。導光体14は、透明樹脂を用いた射出成形によって形成できる。透明樹脂としては、例えば、アクリル樹脂(特にPMMA:ポリメチルメタクリレート)、ポリカーボネート(PC)、シクロオレフィン樹脂等が好適である。実施の形態では、透明樹脂として例えばPMMAを用いて導光体14が形成される。その場合、PMMAの可視光における屈折率1.49から求められる臨界角を臨界角θcとし、PMMAの屈折率をnとすると、Sinθc=1/nという関係がある。よって、臨界角θcは、約42°となる。この臨界角θcに基づいて、カットオフ面143Cの角度βが設定される。
図16〜図19を用いて、ハイビームヘッドライト20におけるハイビーム用配光制御導光体である導光体24について説明する。図16は、導光体24の構成の斜視図を示す。図16では、Z方向で後側(LEDコリメータ23側)から導光体24の入射部の入射面G2をみた場合の斜視図を示す。図17では、Z方向で前側(プロジェクタレンズ21側)から導光体24の出射部の出射面G3をみた場合の斜視図を示す。図18は、導光体24の光軸位置での鉛直断面(Y−Z面)を示す。図19は、導光体24の入射面G2および出射面G3に関してZ方向で平面視したX−Y面の平面構成を示す。なお、図16および図17では、1つの導光体24に対し、1つのLEDコリメータ23からの光束を示すが、図3および図19のように、実装例では、1つの導光体24に対し、2つのLEDコリメータ23からの2つの光束を有する。
図18で、導光体24の入射部241における入射面G2のシリンダー形状を示す。このシリンダー形状は、光軸(一点鎖線)に対し、Y方向で上側の領域では、曲率半径R21が例えば2〜5mmであり、下側の領域では、曲率半径R22が例えば5〜20mmである。上側の領域の曲率半径R21の方が下側の領域の曲率半径R22よりも小さい(R21<R22)。LEDコリメータ23からの入射光(光601)は、例えば入射面G2の上側の領域に入射する光線の方が、下側の領域に入射する光線よりも、大きく屈折する。例えば、上側の光線L61は、光線L62となって出射される。下側の光線L63は、光線L64となって出射される。これに対応して、出射部242の出射面G3では、出射光(光602)に対応するハイビーム用光束の領域は、Y方向で上下非対称形状となる。
図20の(A)は、ロービームヘッドライト10によるロービームの配光分布特性を示す。このロービームは、図4等のプロジェクタレンズ11の出射光403、ロービーム用光束15cと対応する。図20のグラフで、横軸は水平方向(X方向)の角度[deg.(°)]、縦軸は鉛直方向(Y方向)の角度[deg.(°)]を示す。図20では、図1の車両2の右側のヘッドライト装置1aの場合で、Z方向の前側(すなわち無限遠点側)から後側(すなわち車両側)を見た場合の配光分布を示す。
実施の形態のヘッドライト装置によれば、ロービームおよびハイビームを出射する機構を備える場合に、薄型と共に光利用効率の向上を実現でき、また、ロービームおよびハイビームに要求される好適な配光特性を実現できる。実施の形態のヘッドライト装置1では、固体光源として従来の光源素子よりも薄型を実現しやすいLED素子(LED12,22)を用いている。そして、ヘッドライト装置1では、そのLED素子に合わせた光源集光光学系(LEDコリメータ13,23)を用いている。ヘッドライト装置1は、そのLEDおよびLEDコリメータの構成に合わせて、薄型を実現できるように工夫した導光体(導光体14,24)を備えている。
Claims (16)
- 車両に搭載されるヘッドライト装置であって、
ロービームを出射するロービームヘッドライトを備え、
前記ロービームヘッドライトは、
ロービーム用固体光源と、
前記ロービーム用固体光源の光軸上に配置され前記ロービーム用固体光源からの発光を集光するロービーム用光源集光光学系と、
前記光軸上に配置され前記ロービーム用光源集光光学系からの光を入射し配光制御して出射するロービーム用配光制御導光体と、
前記光軸上に配置され前記ロービーム用配光制御導光体からの光を入射して投射するロービーム用プロジェクタレンズと、
を有し、
前記ロービーム用配光制御導光体は、
前記ロービーム用光源集光光学系からの光を入射する入射面と、
複数の全反射面と、
前記ロービーム用プロジェクタレンズへの光を出射する出射面と、
を有し、
前記入射面からの入射光のうちの第1光は前記複数の全反射面を経由せずに前記出射面から出射され、前記入射光のうちの第2光は前記複数の全反射面での複数回の全反射を経由して前記出射面から出射される、
ヘッドライト装置。 - 請求項1記載のヘッドライト装置において、
前記ロービーム用固体光源は、LED素子で構成され、
前記ロービーム用光源集光光学系は、LEDコリメータで構成される、
ヘッドライト装置。 - 請求項1記載のヘッドライト装置において、
前記LEDコリメータは、
前記LED素子の発光面に対向するように配置された入射側屈折素子部と、
前記LED素子からの光を全反射させる側面反射部と、
前記入射側屈折素子部および前記側面反射部からの光を出射する出射側屈折素子部と、
を含む、
ヘッドライト装置。 - 請求項1記載のヘッドライト装置において、
前記ロービームヘッドライトの前記光軸の方向と鉛直方向とが成す断面において、
前記出射面は、前記光軸よりも上側に設けられた出射面領域を有し、
前記複数の全反射面は、前記光軸よりも下側で前記出射面領域に対し斜めに設けられた第1全反射面を有する、
ヘッドライト装置。 - 請求項1記載のヘッドライト装置において、
前記第2光は、前記複数の全反射面での複数回の全反射を経由することで、前記光軸に対し第1水平方向の外側に進んで前記出射面から出射される、
ヘッドライト装置。 - 請求項1記載のヘッドライト装置において、
前記複数の全反射面は、奇数の全反射面である、
ヘッドライト装置。 - 請求項6記載のヘッドライト装置において、
前記奇数の全反射面は、5個の全反射面である、
ヘッドライト装置。 - 請求項1記載のヘッドライト装置において、
前記第2光が前記複数の全反射面のうちの第1全反射面に入射する際の入射角は、全反射の臨界角よりも3°以上大きい角度である、
ヘッドライト装置。 - 請求項1記載のヘッドライト装置において、
ハイビームを出射するハイビームヘッドライトを備え、
前記ハイビームヘッドライトは、
ハイビーム用固体光源と、
前記ハイビーム用固体光源の光軸上に配置され前記ハイビーム用固体光源からの発光を集光するハイビーム用光源集光光学系と、
前記光軸上に配置され前記ハイビーム用光源集光光学系からの光を入射して配光制御し出射するハイビーム用配光制御導光体と、
前記光軸上に配置され前記ハイビーム用配光制御導光体からの光を入射して投射するハイビーム用プロジェクタレンズと、
を有し、
前記ハイビーム用配光制御導光体は、
前記ハイビーム用光源集光光学系からの光を入射する入射面と、
前記ハイビーム用プロジェクタレンズへの光を出射する出射面と、
を含み、
前記ハイビーム用配光制御導光体の前記入射面または前記出射面の少なくとも一方は、前記光軸の方向と前記鉛直方向とが成す断面において前記鉛直方向の上下での非対称形状を有する、
ヘッドライト装置。 - 請求項9記載のヘッドライト装置において、
前記ハイビーム用配光制御導光体の前記入射面は、前記鉛直方向での曲面を持つ円柱面形状を有し、
前記鉛直方向の上下での非対称形状として、上側の第1領域の方が下側の第2領域よりも曲率が大きい形状である、
ヘッドライト装置。 - 請求項9記載のヘッドライト装置において、
前記ハイビーム用固体光源は、LED素子で構成され、
前記ハイビーム用光源集光光学系は、LEDコリメータで構成される、
ヘッドライト装置。 - 請求項11記載のヘッドライト装置において、
前記LEDコリメータは、
前記LED素子の発光面に対向するように配置された入射側屈折素子部と、
前記LED素子からの光を全反射させる側面反射部と、
前記入射側屈折素子部および前記側面反射部からの光を出射する出射側屈折素子部と、
を含む、
ヘッドライト装置。 - 車両に搭載されヘッドライト装置であって、
ハイビームを出射するハイビームヘッドライトを備え、
前記ハイビームヘッドライトは、
ハイビーム用固体光源と、
前記ハイビーム用固体光源の光軸上に配置され前記ハイビーム用固体光源からの発光を集光するハイビーム用光源集光光学系と、
前記光軸上に配置され前記ハイビーム用光源集光光学系からの光を入射して配光制御し出射するハイビーム用配光制御導光体と、
前記光軸上に配置され前記ハイビーム用配光制御導光体からの光を入射して投射するハイビーム用プロジェクタレンズと、
を有し、
前記ハイビーム用配光制御導光体は、
前記ハイビーム用光源集光光学系からの光を入射する入射面と、
前記ハイビーム用プロジェクタレンズへの光を出射する出射面と、
を含み、
前記ハイビーム用配光制御導光体の前記入射面または前記出射面の少なくとも一方は、前記光軸の方向と前記鉛直方向とが成す断面において前記鉛直方向の上下での非対称形状を有する、
ヘッドライト装置。 - 請求項13記載のヘッドライト装置において、
前記ハイビーム用配光制御導光体の前記入射面は、前記鉛直方向での曲面を持つ円柱面形状を有し、
前記鉛直方向の上下での非対称形状として、上側の第1領域の方が下側の第2領域よりも曲率が大きい形状である、
ヘッドライト装置。 - 請求項13記載のヘッドライト装置において、
前記ハイビーム用固体光源は、LED素子で構成され、
前記ハイビーム用光源集光光学系は、LEDコリメータで構成される、
ヘッドライト装置。 - 請求項15記載のヘッドライト装置において、
前記LEDコリメータは、
前記LED素子の発光面に対向するように配置された入射側屈折素子部と、
前記LED素子からの光を全反射させる側面反射部と、
前記入射側屈折素子部および前記側面反射部からの光を出射する出射側屈折素子部と、
を含む、
ヘッドライト装置。
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