JP5591097B2

JP5591097B2 - 光学ユニット

Info

Publication number: JP5591097B2
Application number: JP2010287124A
Authority: JP
Inventors: 昭則松本
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: JP2012134091A

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。

特許文献１には、半導体発光素子から照射された光をリフレクタで反射して、投影レンズを介して車両前方に照射する、車両用灯具用の光学ユニットが開示されている。この光学ユニットにおいて、リフレクタは略楕円球面状の反射面を有し、この反射面の第１焦点に半導体発光素子が配置され、第２焦点に投影レンズの後方焦点が配置されていた。そして、半導体発光素子から照射された光は、リフレクタの反射面で反射され、投影レンズの後方焦点を通過して投影レンズに入射して車両前方に照射されていた。

特開２００３−３１７５１３号公報

上述した従来の光学ユニットでは、半導体発光素子、および投影レンズの後方焦点は光学ユニットの光軸上に配置されていた。すなわち、リフレクタが有する反射面の第１焦点および第２焦点が光学ユニットの光軸上に配置されていた。そのため、従来の光学ユニットには光学ユニットの小型化を図る上で改善の余地があった。

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、車両用灯具に用いられる光学ユニットを小型化する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様は光学ユニットであり、当該光学ユニットは、発光素子の光を照射する車両用灯具に用いられる光学ユニットであって、発光素子搭載部と、略楕円面形状の反射面を有し、発光素子搭載部に固定された発光素子の光を反射するためのリフレクタと、リフレクタで反射された光を灯具前方に照射するための投影レンズと、を備え、反射面の第１焦点近傍に発光素子搭載部が位置し、反射面の第２焦点近傍に投影レンズの後方焦点が位置し、反射面の第１焦点の灯具前後方向位置が第２焦点と同一または第２焦点よりも前方にあることを特徴とする。

この態様によれば、光学ユニットの前後寸法を小さくすることができるため、光学ユニットを小型化することができる。

上記態様において、リフレクタは、発光素子の発光面から発光面の法線方向に照射された光を、投影レンズの前後方向に延びる中心軸を通るように反射してもよい。これによれば、発光素子から照射される光の光束利用率を高めることができる。

上記態様において、光学ユニットを正面から見て、反射面の第１焦点が投影レンズと重なっていてもよい。これによれば、光学ユニットの上下寸法を小さくすることができるため、光学ユニットをさらに小型化することができる。

本発明によれば、車両用灯具に用いられる光学ユニットを小型化する技術を提供することができる。

実施形態１に係る光学ユニットを備えた車両用灯具の概略鉛直断面図である。実施形態１に係る光学ユニットで形成される配光パターンの模式図である。比較例に係る光学ユニットの概略鉛直断面図である。実施形態１に係る光学ユニットの概略鉛直断面図である。

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み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る光学ユニットを備えた車両用灯具の概略鉛直断面図である。本実施形態に係る車両用灯具１は、車両前方の左右に配置される一対の前照灯ユニットを有する車両用前照灯装置である。一対の前照灯ユニットは左右対称の構造を有する点以外は実質的に同一の構成であるため、図１には車両用灯具１として一方の前照灯ユニットの構造を示す。

図１に示すように、本実施形態に係る車両用灯具１は、車両前方側に開口部を有するランプボディ２と、ランプボディ２の開口部を覆うように取り付けられた透光カバー４とを備える。透光カバー４は、透光性を有する樹脂やガラス等で形成されている。ランプボディ２と透光カバー４とにより形成される灯室３内には、光学ユニット１００が収容されている。

光学ユニット１００は、いわゆるプロジェクタ型の光学ユニットであり、ヒートシンク１１０、リフレクタ１３０、および投影レンズ１５０を備える。また、光学ユニット１００は、ロービーム用配光パターンを形成するための光学ユニットである。光学ユニット１００は、その光軸Ｘが車両前後方向に延びるように配置されてランプボディ２に連結されている。本実施形態では光学ユニット１００の前後方向と車両前後方向とは一致している。

ヒートシンク１１０は、光源としての発光素子が搭載される部材であるとともに、リフレクタ１３０および投影レンズ１５０を支持する部材として機能する。ヒートシンク１１０は、背面部１１２、および発光素子搭載部１１４を有する。

背面部１１２は、略平板状であり、その主表面が灯具前後方向を向くように配置されている。背面部１１２の上部には螺孔が設けられており、ランプボディ２の壁面に回転自在に支持されたエイミングスクリュー６がこの螺孔に螺合している。また、背面部１１２の下部にはジョイント受け部１１６が灯具後方に突出するように設けられており、ランプボディ２の壁面を貫通して灯具前方に延出するレベリングシャフト８がジョイント受け部１１６に連結されている。レベリングシャフト８の先端にはボールジョイント用球部８ａが形成され、ジョイント受け部１１６にはボールジョイント用球部８ａの形状に沿った球形空間が形成されている。ジョイント受け部１１６とレベリングシャフト８は、ボールジョイント用球部８ａがジョイント受け部１１６の球形空間に収容されることで連結される。また、レベリングシャフト８は、レベリングアクチュエータ１０に接続されている。車両用灯具１は、エイミングスクリュー６と、レベリングシャフト８およびレベリングアクチュエータ１０とにより、光学ユニット１００の光軸Ｘを上下左右に調整可能である。

発光素子搭載部１１４は、背面部１１２の灯具前方を向く主表面から灯具前方に延びている。発光素子搭載部１１４は、発光素子搭載面１１４ａを有し、発光素子搭載面１１４ａに発光素子２０２を有する光源モジュール２００が固定されている。ヒートシンク１１０は、例えばアルミダイキャスト製であり、背面部１１２、および発光素子搭載部１１４が一体成形されている。

光源モジュール２００は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、発光素子２０２と、発光素子２０２を支持する基板２０４とを有する。基板２０４は、セラミックなどで形成された熱伝導性絶縁基板である。基板２０４には、発光素子２０２に電力を伝達する電極（図示せず）が形成されている。

リフレクタ１３０は、発光素子搭載部１１４に固定された発光素子２０２の光を反射するための部材である。リフレクタ１３０はドーム状であり、発光素子２０２の持つ発光面の上方を覆うようにして発光素子搭載部１１４に固定されている。リフレクタ１３０は、発光素子２０２から照射された光を反射するための第１反射面１３２および第２反射面１３４が内側に形成されている。第１反射面１３２は、光軸Ｘを中心軸とする回転楕円面の一部で構成されている。すなわち、第１反射面１３２は略楕円面形状の反射面である。第１反射面１３２は、リフレクタ１３０の発光素子２０２側の端部から所定の領域にかけて延在している。第２反射面１３４は、所定の形状を有し、第１反射面１３２の前端部（発光素子２０２側と反対側の端部）からリフレクタ１３０の投影レンズ１５０側の端部にかけて延在している。リフレクタ１３０は、第１反射面１３２の第１焦点Ｆ１の近傍に発光素子搭載部１１４が位置し（したがって第１焦点Ｆ１の近傍に発光素子２０２が位置し）、第１反射面１３２の第２焦点Ｆ２の近傍に投影レンズ１５０の後方焦点Ｆが位置するようにして、投影レンズ１５０よりも灯具後方側に配置されている。

投影レンズ１５０は、リフレクタ１３０で反射された光を灯具前方に照射するためのレンズであり、前方側表面が凸面で後方側表面が平面の平凸非球面レンズからなる。投影レンズ１５０は、その後方焦点Ｆを含む後方焦点面上に形成される光源像を、反転像として灯具前方の仮想鉛直スクリーン上に投影する。投影レンズ１５０は、その周縁部が発光素子搭載部１１４に固定されて光軸Ｘ上に設けられている。投影レンズ１５０の後方焦点Ｆは、第１反射面１３２の第２焦点Ｆ２の近傍に配置されている。

また、光学ユニット１００は、シェード１７０を有する。シェード１７０は、略平板状であり、その一辺の先端部（稜線）が第１反射面１３２の第２焦点Ｆ２、および投影レンズ１５０の後方焦点Ｆの近傍に位置するようにして、発光素子搭載部１１４に固定されている。第２焦点Ｆ２および後方焦点Ｆの近傍に位置する先端部は、ロービーム用配光パターンのカットオフラインに対応した形状を有する。

発光素子２０２から照射された光の一部は、リフレクタ１３０の第１反射面１３２により投影レンズ１５０の後方焦点Ｆに向けて反射される。後方焦点Ｆに向かった光は、その一部がシェード１７０により選択的にカットされて、残りが投影レンズ１５０に入射する。後方焦点Ｆを通って投影レンズ１５０に入射したこの光は、後述するロービーム用配光パターンのカットオフラインを形成するためのカットオフライン形成光Ａとして投影レンズ１５０から灯具前方に照射される。また、発光素子２０２から照射された光の他の一部は、第２反射面１３４で反射されて後方焦点Ｆの上方を通過して投影レンズ１５０に入射する。後方焦点Ｆの上方を通過して投影レンズ１５０に入射したこの光は、投影レンズ１５０からロービーム用配光パターンの拡散部を形成するための拡散部形成光Ｂとして灯具前方に照射される。また、発光素子２０２から照射された光のさらに他の一部は、第１反射面１３２により第２反射面１３４に向けて反射され、第２反射面１３４でさらに反射されて後方焦点Ｆの上方を通過して投影レンズ１５０に入射する。第１反射面１３２と第２反射面１３４とで２回反射して投影レンズ１５０に入射したこの光は、投影レンズ１５０から拡散部形成光Ｂとして灯具前方に照射される。拡散部形成光Ｂは、カットオフライン形成光Ａよりも下向きの光として投影レンズ１５０から照射される。

上述のように構成された光学ユニット１００で形成される配光パターンについて説明する。図２は、実施形態１に係る光学ユニットで形成される配光パターンの模式図である。なお、図２では、灯具前方の所定位置、例えば灯具前方２５ｍの位置に配置された仮想鉛直スクリーン上に形成された配光パターンを示している。

図２に示すように、光学ユニット１００によりロービーム用配光パターンＰＬが形成される。このロービーム用配光パターンＰＬは、左側通行時に前方車両や歩行者にグレアを与えないように配慮された配光パターンである。ロービーム用配光パターンＰＬは、その上端の鉛直ラインＶよりも右側に、水平ラインＨと平行に延びる対向車線側カットオフラインＣＬ１を有する。また、ロービーム用配光パターンＰＬは、鉛直ラインＶよりも左側に、対向車線側カットオフラインＣＬ１よりも高い位置で水平ラインＨと平行に延びる自車線側カットオフラインＣＬ２を有する。さらに、ロービーム用配光パターンＰＬは、対向車線側カットオフラインＣＬ１と自車線側カットオフラインＣＬ２との間に、両者をつなぐ斜めカットオフラインＣＬ３を有する。斜めカットオフラインＣＬ３は、自車線側カットオフラインＣＬ２の鉛直ラインＶ側の端部から左斜め上方へ４５°の傾斜角で延びている。対向車線側カットオフラインＣＬ１、自車線側カットオフラインＣＬ２、および斜めカットオフラインＣＬ３は、シェード１７０の前述した先端部によって作り出されるラインである。また、ロービーム用配光パターンＰＬは、各カットオフラインの下方に拡がる拡散部ＰＤを有する。

ロービーム用配光パターンＰＬの対向車線側カットオフラインＣＬ１、自車線側カットオフラインＣＬ２、および斜めカットオフラインＣＬ３は、光学ユニット１００から照射されるカットオフライン形成光Ａによって形成される。また、ロービーム用配光パターンＰＬの拡散部ＰＤは、光学ユニット１００から照射される拡散部形成光Ｂによって形成される。

続いて、本実施形態に係る光学ユニット１００について詳細に説明する。図３は、比較例に係る光学ユニットの概略鉛直断面図である。図４は、実施形態１に係る光学ユニットの概略鉛直断面図である。なお、図３、および図４では、ヒートシンクの背面部を省略している。

図３に示すように、比較例に係る光学ユニット３００は、ヒートシンク３１０、リフレクタ３３０、および投影レンズ３５０を有する。ヒートシンク３１０は、灯具前後方向に延びる発光素子搭載部３１４を有する。発光素子搭載部３１４は、鉛直方向上方を向く発光素子搭載面３１４ａを有する。光源モジュール２００は、発光素子２０２の発光面の法線が鉛直方向に延びるようにして発光素子搭載面３１４ａに固定されている。リフレクタ３３０は、略楕円面形状の反射面３３２を有する。リフレクタ３３０は、反射面３３２の第１焦点Ｆ１の近傍に発光素子搭載部３１４が位置し（したがって、第１焦点Ｆ１近傍に発光素子２０２が位置し）、第２焦点Ｆ２の近傍に投影レンズ３５０の後方焦点Ｆが位置するようにして、投影レンズ３５０よりも灯具後方側に配置されている。

比較例に係る光学ユニット３００において、発光素子２０２、および投影レンズ３５０の後方焦点Ｆは、光学ユニット３００の光軸Ｘ上に配置されている。すなわち、反射面３３２の第１焦点Ｆ１および第２焦点Ｆ２が光軸Ｘ上に配置されている。そして、第１焦点Ｆ１が第２焦点Ｆ２より灯具後方側に位置している。したがって、光学ユニット３００の灯具前後方向の寸法（前後寸法）に影響する投影レンズ３５０の前端からリフレクタ３３０の後端までの灯具前後方向の長さＬは、投影レンズ３５０の前端から後方焦点Ｆまでの長さＭと、後方焦点Ｆと略一致する第２焦点Ｆ２から第１焦点Ｆ１までの長さである焦点間距離Ｎと、第１焦点Ｆ１からリフレクタ３３０の後端までの長さＯとの合計となる。

これに対し、本実施形態に係る光学ユニット１００では、発光素子搭載部１１４の発光素子搭載面１１４ａが灯具後方側に傾斜している。そのため、光源モジュール２００は、発光素子２０２の持つ発光面の法線が鉛直方向よりも灯具後方に傾いている。そして、第１反射面１３２の第１焦点Ｆ１は、その灯具前後方向位置が第２焦点Ｆ２よりも前方に位置している。すなわち、発光素子２０２が投影レンズ１５０の後方焦点Ｆよりも灯具前方側に配置されている。したがって、投影レンズ１５０の前端からリフレクタ１３０の後端までの長さＬは、投影レンズ１５０の前端から後方焦点Ｆまでの長さＭと、後方焦点Ｆと略一致する第２焦点Ｆ２からリフレクタ１３０の後端までの長さＰとの合計となる。なお、リフレクタ１３０の後端に位置する部分は、内側に第１反射面１３２が形成された部分である。

投影レンズの前端から後方焦点Ｆまでの長さＭは、投影レンズの大きさや形状に応じて決まるため、後方焦点Ｆからリフレクタ後端までの長さが光学ユニット１００の前後寸法を決定するといえる。焦点距離Ｎを固定して後方焦点Ｆからリフレクタ後端までの長さを変化させようとする場合、第２焦点Ｆ２を中心に第１焦点Ｆ１が回動することになる。したがって第１焦点Ｆ１および第２焦点Ｆ２を焦点とする楕円が第２焦点Ｆ２を中心に回動することになる。このとき、比較例のように第１焦点Ｆ１が第２焦点Ｆ２より灯具後方側に位置する場合は、後方焦点Ｆからリフレクタ後端までの長さは焦点間距離Ｎと第１焦点Ｆ１からリフレクタ後端までの距離Ｏとの合計となる。一方、本実施形態のように第１焦点Ｆ１が第２焦点Ｆ２より灯具前方側に位置する場合、あるいは第１焦点Ｆ１と第２焦点Ｆ２の灯具前後方向位置が同じ場合は、後方焦点Ｆからリフレクタ後端までの長さは第２焦点Ｆ２からリフレクタ後端までの距離Ｐとなる。

ここで、楕円は短軸に対して線対称である。そのため、第１焦点Ｆ１および第２焦点Ｆ２が鉛直方向に並んだ状態、すなわち楕円の長軸が鉛直方向に延びる状態を基準として、そこから第１焦点Ｆ１が灯具後方に変位するように所定角度だけ長軸を傾けたときの第１焦点Ｆ１からリフレクタ後端までの長さＯと、第１焦点Ｆ１が灯具前方に変位するように同じ角度だけ長軸を傾けたときの第２焦点Ｆ２からリフレクタ後端までの長さＰは等しい。したがって、第１焦点Ｆ１の灯具前後方向位置が第２焦点Ｆ２と同一または第２焦点Ｆ２より前方にある場合は、焦点間距離Ｎの分だけ後方焦点Ｆからリフレクタ後端までの長さを短くすることができる。これにより、光学ユニット１００の前後寸法（奥行き寸法）を小さくすることができるため、光学ユニット１００を小型化することができる。

また、本実施形態に係る光学ユニット１００において、リフレクタ１３０は、発光素子２０２の発光面から発光面の法線方向に照射された光Ｄを、投影レンズ１５０の前後方向に延びる中心軸を通るように反射する。発光素子２０２は、発光面の法線方向が最も光度が高い指向特性を有するため、法線方向に照射された光Ｄを投影レンズ１５０の中心に入射させることで、発光素子２０２の照射光の光束利用率を高めることができる。なお、本実施形態に係る光学ユニット１００では、投影レンズ１５０の前後方向に延びる中心軸は、光軸Ｘと一致している。

また、図４に示すように、第１反射面１３２の第１焦点Ｆ１は、投影レンズ１５０の外周縁よりも光軸Ｘ寄りに位置している。したがって、光学ユニット１００を正面から見た場合、第１反射面１３２の第１焦点Ｆ１が投影レンズ１５０と重なることになる。これにより、光学ユニット１００の上下寸法を小さくすることができるため、光学ユニット１００をさらに小型化することができる。あるいは、これにより、第１焦点Ｆ１の灯具前後方向位置を第２焦点Ｆ２と同一か第２焦点Ｆ２より前方にしたことによる光学ユニット１００の上下寸法の大型化を回避できる。また、発光素子搭載部１１４は、発光素子２０２から照射された光が通過する領域の外側に位置している。そのため、発光素子搭載部１１４は、光学ユニット１００によるロービーム用配光パターンＰＬの形成を妨げない。

なお、前記「第１焦点Ｆ１の近傍」、「第２焦点Ｆ２の近傍」、および「後方焦点Ｆの近傍」は、それぞれの焦点位置と、それぞれの焦点に近く上述した配光パターンの形成が可能な領域、例えば、光学ユニット製造時の組み付け誤差範囲の領域とを含む。また、前記「略平板状」、および「略楕円面形状」は、それぞれの形状と、それぞれの形状に近い形状、例えば、製造時の寸法誤差を有する形状とを含む。また、「略楕円面形状」は、楕円面を基本として複数のステップが形成された形状を含む。

以上説明したように、本実施形態に係る光学ユニット１００は、発光素子２０２の光を照射する車両用灯具１に用いられる光学ユニットであって、略楕円面形状の第１反射面１３２を有するリフレクタ１３０を備える。そして、第１反射面１３２の第１焦点Ｆ１近傍に発光素子搭載部１１４が配置され、第２焦点Ｆ２近傍に投影レンズ１５０の後方焦点Ｆが配置され、第１焦点Ｆ１の灯具前後方向位置が第２焦点Ｆ２と同一または第２焦点Ｆ２よりも前方に設定されている。これにより、第１焦点Ｆ１の灯具前後方向位置が第２焦点Ｆ２よりも後方に設定された構成に比べて、光学ユニット１００の前後寸法を小さくすることができるため、光学ユニット１００を小型化することができる。また、これにより、車両用灯具１の小型化を図ることができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることが可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれる。上述の実施形態に変形が加えられた新たな実施形態は、組み合わされる実施形態および変形それぞれの効果をあわせもつ。

１車両用灯具、１００光学ユニット、１１４発光素子搭載部、１３０リフレクタ、１３２第１反射面、１３４第２反射面、１５０投影レンズ、２０２発光素子、Ｆ後方焦点、Ｆ１第１焦点、Ｆ２第２焦点。

Claims

発光素子の光を照射する車両用灯具に用いられる光学ユニットであって、
発光素子搭載部と、
略楕円面形状の反射面を有し、前記発光素子搭載部に固定された発光素子の光を反射するためのリフレクタと、
前記リフレクタで反射された光を灯具前方に照射するための投影レンズと、を備え、
前記反射面の第１焦点近傍に前記発光素子搭載部が位置し、前記反射面の第２焦点近傍に前記投影レンズの後方焦点が位置し、前記反射面の第１焦点の灯具前後方向位置が第２焦点と同一または第２焦点よりも前方にあることを特徴とする光学ユニット。
前記リフレクタは、発光素子の発光面から発光面の法線方向に照射された光を、前記投影レンズの前後方向に延びる中心軸を通るように反射する請求項１に記載の光学ユニット。
光学ユニットを正面から見て、前記反射面の第１焦点が前記投影レンズと重なっている請求項１または２に記載の光学ユニット。