JP2014241220A - 車両用灯具 - Google Patents

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Abstract

【課題】
導光体を用いたプロジェクタ型の車両用灯具において、導光体内部を導光される光が出射面において内面反射されて光量ロスが発生するのを抑制する。
【解決手段】
光源と、投影レンズと、前記光源からの光を前記投影レンズの後側焦点近傍へ集光させた後、前記投影レンズへ導光するように構成された導光体と、を備えた車両用灯具において、前記導光体は、当該導光体内部を導光される前記光源からの光が出射する出射面としての第一の光学面を含んでおり、前記投影レンズは、少なくとも前記第一の光学面と第二の光学面と第三の光学面とを含み、かつ、前記後側焦点が前記第一の光学面の後方に位置する投影レンズとして構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両用灯具に係り、特に、光源からの光を出射面まで導光して、当該出射面から出射させるように構成された導光体を用いたプロジェクタ型の車両用灯具に関する。
従来、車両用灯具の分野においては、光源からの光を出射面まで導光して、当該出射面から出射させるように構成された導光体を用いたプロジェクタ型の車両用灯具が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図７は、特許文献１に記載の車両用灯具２００の斜視図である。
図７に示すように、特許文献１に記載の車両用灯具２００は、光源２１０、導光体２２０を含むプロジェクタ型の車両用灯具として構成されている。導光体２２０は、半球形状の凹部としての入射面２２０ａ、入射面２２０ａから導光体２２０内部へ入光する光源２１０からの光を反射する反射面２２０ｂ、反射面２２０ｂで集光された光源２１０からの光が出射する出射面２２０ｃ、エッジ部２２０ｄ、エッジ部２２０ｄから後方に向かって延びる平坦面２２０ｅ（反射面）等をその表面に含む透光性部材として構成されている。平坦面２２０ｅのうちエッジ部２２０ｄ近傍の領域（図７中、直線Ｌ１と直線Ｌ３の間の領域Ａ１及び直線Ｌ２と直線Ｌ４の間の領域Ａ２）には、反射防止処理が施されている。
特許第５１９６３１４号公報
しかしながら、上記構成の車両用灯具２００においては、出射面２２０ｃの球面収差が除去されると、出射面２２０ｃの曲率が小さくなる結果、図８（ａ）に示すように、導光体２２０内部を導光される光の少なくとも一部が出射面２２０ｃにおいて内面反射されて光量ロスが発生するという問題がある。また、この内面反射される光は本来出射面２２０ｃから出射して水平方向に拡散されて、配光パターン中の左右方向の箇所を照射する光であるため、当該光が上記のように内面反射される結果、配光パターン中の左右方向の箇所の照度が低下するという問題もある。
また、正弦条件（コマ収差を除去する条件）によると、コマ収差を改善するには、出射面２２０ｃの光源２１０側の主面が出射面２２０ｃの後側焦点Ｆ２２０ｃを中心とする球（アポロンの円）に一致（又は略一致）することが求められるが、上記構成の車両用灯具２００においては、図８（ｂ）に示すように、球面収差が除去されても、出射面２２０ｃの光源２１０側の主面（ここでは出射面２２０ｃそのもの）が出射面２２０ｃの後側焦点Ｆ２２０ｃを中心とする球（アポロンの円）から大きくはずれるため、コマ収差を改善することができない。その結果、上記構成の車両用灯具２００においては、図９に示すように、水平線Ｈよりも上にコマ収差に起因する幻惑光が発生し、明瞭なカットオフラインを形成することができないという問題もある。
また、上記構成の車両用灯具２００においては、水平線Ｈよりも上に幻惑光が発生するのを防止し、明瞭なカットオフラインを形成するには、平坦面２２０ｅのうちエッジ部２２０ｄ近傍の領域（図７中、直線Ｌ１と直線Ｌ３の間の領域Ａ１及び直線Ｌ２と直線Ｌ４の間の領域Ａ２）に反射防止処理を施さなければならず、その分、光利用率が低下するという問題もある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、導光体を用いたプロジェクタ型の車両用灯具において、導光体内部を導光される光が出射面において内面反射されて光量ロスが発生するのを抑制することを第１の目的とする。また、導光体を用いたプロジェクタ型の車両用灯具において、球面収差を除去し、かつ、コマ収差を改善することを第２の目的とする。また、導光体を用いたプロジェクタ型の車両用灯具において、従来技術の反射防止処理を施すことなく、水平線よりも上にコマ収差に起因する幻惑光が発生しない明瞭なカットオフラインを形成することを第３の目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、光源と、投影レンズと、前記光源からの光を前記投影レンズの後側焦点近傍へ集光させた後、前記投影レンズへ導光するように構成された導光体と、を備えた車両用灯具において、前記導光体は、当該導光体内部を導光される前記光源からの光が出射する出射面としての第一の光学面を含んでおり、前記投影レンズは、少なくとも前記第一の光学面と第二の光学面と第三の光学面とを含み、かつ、前記後側焦点が前記第一の光学面の後方に位置する投影レンズとして構成されている。
請求項１に記載の発明によれば、導光体を用いたプロジェクタ型の車両用灯具において、導光体内部を導光される光が第一の光学面（出射面）において内面反射されて光量ロスが発生するのを抑制することができる。
これは、投影レンズが少なくとも第一の光学面と第二の光学面と第三の光学面とで構成されており、各光学面の屈折力が分散されるため、投影レンズが第一の光学面のみで構成されている場合と比べ、第一の光学面の曲率を大きくすることができることによるものである。
また、請求項１に記載の発明によれば、上記のように導光体内部を導光される光が第一の光学面（出射面）において内面反射されて光量ロスが発生するのを抑制することができる結果、投影レンズを透過して前方に照射される光を左右方向に拡散されたものとすることができ、これにより、配光パターン中の左右方向の箇所の照度が低下するのを抑制することができる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第一の光学面、前記第二の光学面及び前記第三の光学面は、前記投影レンズの球面収差が除去され、かつ、前記投影レンズの前記光源側の主面が前記後側焦点を中心とする球に略一致するように構成されている。
請求項２に記載の発明によれば、導光体を用いたプロジェクタ型の車両用灯具において、投影レンズの球面収差を除去し、かつ、コマ収差を改善することができる。
これは、投影レンズが少なくとも第一の光学面と第二の光学面と第三の光学面とで構成されているため、投影レンズの球面収差が除去され、かつ、投影レンズの光源側の主面が後側焦点を中心とする球（アポロンの円）に一致（又は略一致）するように各光学面を構成することができることによるものである。なお、投影レンズの主面とは、投影レンズの後側焦点から出て第一の光学面に入射する光線群の延長線と車両用灯具の光軸に対して平行な光線群との交点が描く軌跡のことである。
また、請求項２に記載の発明によれば、上記のように投影レンズの球面収差を除去し、かつ、コマ収差を改善することができる結果、従来技術の反射防止処理を施すことなく、水平線よりも上にコマ収差に起因する幻惑光が発生しない明瞭なカットオフラインを形成することができる。
なお、前記第一の光学面は、当該第一の光学面から出射する光の出射方向に向かって凸の曲率の光学面として構成されているのが望ましく、前記第二の光学面は、前記第一の光学面から出射する光の出光方向に向かって凹の曲率の光学面として構成されているのが望ましい。
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、前記導光体は、前記後側焦点近傍に配置された、カットオフラインを形成するためのエッジ部と、前記エッジ部から後方に向かって延びる平坦部と、を含んでいる。
請求項４に記載の発明によれば、エッジ部により規定されるカットオフラインを上端縁に含む配光パターン（例えば、ロービーム用配光パターン）を形成することができる。
本発明によれば、第１に、導光体を用いたプロジェクタ型の車両用灯具において、導光体内部を導光される光が出射面において内面反射されて光量ロスが発生するのを抑制することができる。第２に、導光体を用いたプロジェクタ型の車両用灯具において、球面収差を除去し、かつ、コマ収差を改善することができる。第３に、導光体を用いたプロジェクタ型の車両用灯具において、従来技術の反射防止処理を施すことなく、水平線よりも上にコマ収差に起因する幻惑光が発生しない明瞭なカットオフラインを形成することができる。
本実施形態の車両用灯具１０の斜視図である。 （ａ）車両用灯具１０の平面図、（ｂ）正面図、（ｃ）縦断面図である。 （ａ）導光体１６内を導光される光源１２からの光の光路を表す平面図、（ｂ）側面図である。 車両用灯具１０から照射される光により、仮想鉛直スクリーン（車両用灯具１０の前方約２５ｍの位置に配置されている）上に形成される明瞭なカットオフラインＣＬを上端縁に含む配光パターンＰの例である。 （ａ）投影レンズ１４が一枚の光学面で構成されている場合の、導光体１６内を導光される光源１２からの光の光路を表す平面図、（ｂ）投影レンズ１４が三枚の光学面で構成されている場合の、導光体１６内を導光される光源１２からの光の光路を表す平面図である。 （ａ）投影レンズ１４が一枚の光学面で構成されている場合の、投影レンズ１４の主面とアポロンの円との関係を表す図、（ｂ）投影レンズ１４が三枚の光学面で構成されている場合の、投影レンズ１４の主面とアポロンの円との関係を表す図である。 従来の車両用灯具２００の斜視図である。 （ａ）導光体２２０内部を導光される光の少なくとも一部が出射面２２０ｃにおいて内面反射されて光量ロスが発生する様子を表す平面図（模式図）、（ｂ）出射面２２０ｃの主面とアポロンの円との関係を表す図である。 従来の車両用灯具２００から照射される光により、仮想鉛直スクリーン（車両用灯具１０の前方約２５ｍの位置に配置されている）上に形成されるカットオフラインを上端縁に含む配光パターンの例である。
以下、本発明の一実施形態である車両用灯具について、図面を参照しながら説明する。
図１は本実施形態の車両用灯具１０の斜視図、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は正面図、図２（ｃ）は縦断面図である。
図１、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、本実施形態の車両用灯具１０は、光源１２からの光を第一の光学面１６ｃ（出射面）まで導光して、当該第一の光学面１６ｃから出射させるように構成された導光体１６を用いたプロジェクタ型の車両用灯具で、光源１２、投影レンズ１４、導光体１６等を含む車両用灯具として構成されている。
光源１２は、例えば、１ｍｍ×２ｍｍ程度の大きさの発光部を有する白色ＬＥＤ（例えば、３００ｌｍ程度）で、その発光部を鉛直方向上方へ向けて、導光体１６等に固定された基板（図示せず）に支持された状態で配置されている。光源１２の指向特性は、ランバーシアンである。なお、光源１２は、白色ＬＥＤ以外の、例えば、ＬＤ（レーザーダイオード）であってもよい。
図３（ａ）は導光体１６内を導光される光源１２からの光の光路を表す平面図、図３（ｂ）は側面図である。
図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、導光体１６は、光源１２からの光を投影レンズ１４の後側焦点Ｆ１４近傍へ集光させた後、第一の光学面１６ｃ（出射面）まで導光して、当該第一の光学面１６ｃから出射させる。これを実現するため、導光体１６は、アクリル（ＰＭＭＡ）やポリカーボネイト（ＰＣ）等の透明樹脂製で、入射面１６ａ、平面反射面１６ｂ（全反射により反射させる全反射面）、第一の光学面１６ｃ（出射面）等をその表面に含む透光性部材として構成されている。
図２（ｃ）に示すように、入射面１６ａは、光源１２の前方かつ光源１２の光軸ＡＸ１２上に配置され、光源１２に向かって凸の中央入射面１６ａ１、中央入射面１６ａ１の周囲から光源１２に向かって延びて、光源１２の前方において光軸ＡＸ１２を囲む筒状の面として構成された周囲入射面１６ａ２を備えている。入射面１６ａ（中央入射面１６ａ１及び周囲入射面１６ａ２）及び光源１２を導光体１６の後端部の下方に配置し、平面反射面１６ｂで光路を変更させているのは、導光体１６の奥行き（前後方向の寸法）を小さくするためである。
図３（ｂ）に示すように、中央入射面１６ａ１から入光した光源１２からの光は、平面反射面１６ｂで反射されて、投影レンズ１４の後側焦点Ｆ１４近傍に集光する。これは、中央入射面１６ａ１から入光する光源１２（厳密には、基準点Ｆに位置する仮想点光源））からの光が投影レンズ１４の後側焦点Ｆ１４近傍に集光するように、中央入射面１６ａ１の面形状が構成されていることによるものである。
また、図３（ｂ）に示すように、周囲入射面１６ａ２から入光した光源１２からの光は、周囲入射面１６ａ２の外側において当該周囲入射面１６ａ２を囲む筒状の反射面１６ａ３（全反射により反射させる全反射面）及び平面反射面１６ｂで反射されて、投影レンズ１４の後側焦点Ｆ１４近傍に集光する。これは、周囲入射面１６ａ２から入光し、筒状の反射面１６ａ３で反射された光源１２（厳密には、基準点Ｆに位置する仮想点光源）からの光が投影レンズ１４の後側焦点Ｆ１４近傍に集光するように、筒状の反射面１６ａ３の面形状が構成されていることによるものである。
投影レンズ１４は、少なくとも第一の光学面１６ｃ（出射面）と第二の光学面１８ａと第三の光学面１８ｂとを含み、かつ、投影レンズ１４の後側焦点Ｆ１４が第一の光学面１６ｃの後方かつ導光体１６内部に位置する投影レンズとして構成されている。
第一の光学面１６ｃは、導光体１６の前端部に形成されている。第一の光学面１６ｃは、当該第一の光学面１６ｃから出射する光の出射方向に向かって凸の正の曲率の光学面として構成されている。第一の光学面１６ｃは、例えば、正の曲率半径をもつ多項式非球面形状に最適化されている。
第二の光学面１８ａは、第一の光学面１６ｃの前方に配置された付加レンズ部１８の後面である。第二の光学面１８ａは、第一の光学面１６ｃから出射する光の出射方向に向かって凹の負の曲率の光学面として構成されている。第二の光学面１８ａは、例えば、負の曲率半径をもつ球面形状（例えば、曲率半径＝40mm）として構成されている。
第三の光学面１８ｂは、付加レンズ部１８の前面である。第三の光学面１８ｂは、無限の曲率半径をもつ平面形状（例えば、車両用灯具１０の光軸ＡＸ１０に直交する平面）として構成されている。なお、第三の光学面１８ｂは、平面以外の、例えば、第一の光学面１６ｃから出射する光の出射方向に向かって凸又は凹の光学面として構成されていてもよい。
付加レンズ部１８は、左右一対の連結部１６ｄ、１６ｅを介して導光体１６の前端部（第一の光学面１６ｃ）の前方かつ当該前端部から離間した位置に配置されている。付加レンズ部１８と導光体１６とは、左右一対の連結部１６ｄ、１６ｅを介して一体的に構成されている。
図６（ｂ）に示すように、第一の光学面１６ｃ、第二の光学面１８ａ及び第三の光学面１８ｂは、投影レンズ１４の球面収差が除去され、かつ、投影レンズ１４の光源１２側の主面が投影レンズ１４の後側焦点Ｆ１４を中心とする球（アポロンの円）に一致（又は略一致）するようにその面形状が構成されている。なお、投影レンズ１４の主面とは、図６（ｂ）中、投影レンズ１４の後側焦点Ｆ１４から出て第一の光学面１６ｃに入射する光線群の延長線と車両用灯具１０の光軸ＡＸ１０に対して平行な光線群との交点が描く軌跡のことである。
導光体１６は、投影レンズ１４の後側焦点Ｆ１４近傍に配置された、カットオフラインＣＬを形成するためのエッジ部１６ｆ（投影レンズ１４の像面湾曲に対応して湾曲したエッジ形状とされている）と、エッジ部１６ｆから後方に向かって延びる平坦部１６ｇ（全反射により反射させる全反射面）と、を含んでいる。
上記構成の車両用灯具１０においては、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、入射面１６ａ（中央入射面１６ａ１、周囲入射面１６ａ２）から導光体１６内部に入光した光源１２からの光は、平面反射面１６ｂで反射されて、一部が投影レンズ１４の後側焦点Ｆ１４近傍へ集光した後、第一の光学面１６ｃまで導光されて当該第一の光学面１６ｃから出射し、一部が投影レンズ１４の後側焦点Ｆ１４近傍へ集光することなく第一の光学面１６ｃまで導光されて当該第一の光学面１６ｃから出射し、残りが平坦部１６ｇで反射された後、第一の光学面１６ｃまで導光されて当該第一の光学面１６ｃから出射する。そして、第一の光学面１６ｃから出射するこれらの光は、さらに付加レンズ部１８（第二の光学面１８ａ、第三の光学面１８ｂ）を透過して前方に照射されて、図４に示すように、仮想鉛直スクリーン（車両用灯具１０の前方約２５ｍの位置に配置されている）上に明瞭なカットオフラインＣＬを上端縁に含む配光パターンＰ（例えば、ロービーム用配光パターン）を形成する。
カットオフラインＣＬが明瞭なものとなるのは、投影レンズ１４の球面収差が除去され、かつ、投影レンズ１４の光源１２側の主面が投影レンズ１４の後側焦点Ｆ１４を中心とする球（アポロンの円）に一致（又は略一致）するように各光学面１６ｃ、１８ａ、１８ｂの面形状が構成されており、正弦条件（コマ収差を除去する条件）を満たしている（又は略満たしている）ことによるものである。
カットオフラインＣＬが左水平カットオフラインＣＬ１、右水平カットオフラインＣＬ２及び左水平カットオフラインＣＬ１と右水平カットオフラインＣＬ２とを接続する斜めカットオフラインＣＬ３を含んで形成されるのは、エッジ部１６ｆがこれに対応する形状のエッジ部として構成されていることによるものである。なお、配光パターンＰの路肩側は、仮想鉛直スクリーン上で０．５７度相当の段差を設けてもよい。
以上説明したように、本実施形態の車両用灯具１０によれば、導光体１６を用いたプロジェクタ型の車両用灯具１０において、導光体１６内部を導光される光が第一の光学面１６ｃ（出射面）において内面反射されて光量ロスが発生するのを抑制することができる。
これは、投影レンズ１４が少なくとも第一の光学面１６ｃと第二の光学面１８ａと第三の光学面１８ｂとで構成されており（図５（ｂ）参照）、各光学面１６ｃ、１８ａ、１８ｂの屈折力が分散されるため、投影レンズ１４が第一の光学面１６ｃのみで構成されている場合（図５（ａ）参照）と比べ、第一の光学面１６ｃの曲率を大きくすることができることによるものである。
また、本実施形態の車両用灯具１０によれば、上記のように導光体１６内部を導光される光が第一の光学面１６ｃ（出射面）において内面反射されて光量ロスが発生するのを抑制することができる結果、投影レンズ１４を透過して前方に照射される光を左右方向に拡散されたものとすることができ、これにより、配光パターンＰ中の左右方向の箇所の照度が低下するのを抑制することができる。
また、本実施形態の車両用灯具１０によれば、導光体１６を用いたプロジェクタ型の車両用灯具１０において、投影レンズ１４の球面収差を除去し、かつ、コマ収差を改善することができる。
これは、図６（ｂ）に示すように、投影レンズ１４が少なくとも第一の光学面１６ｃと第二の光学面１８ａと第三の光学面１８ｂとで構成されているため、投影レンズ１４の球面収差が除去され、かつ、投影レンズ１４の光源１２側の主面が投影レンズ１４の後側焦点Ｆ１４を中心とする球（アポロンの円）に一致（又は略一致）するように各光学面１６ｃ、１８ａ、１８ｂを構成することができることによるものである。
仮に、図６（ａ）に示すように、投影レンズ１４が第一の光学面１６ｃのみで構成されている場合、投影レンズ１４（第一の光学面１６ｃ）の球面収差が除去され、かつ、投影レンズ１４の光源１２側の主面が投影レンズ１４の後側焦点Ｆ１４を中心とする球（アポロンの円）に一致（又は略一致）するように第一の光学面１６ｃを構成することはできない。なお、投影レンズ１４（第一の光学面１６ｃ）の主面とは、図６（ａ）中、投影レンズ１４（第一の光学面１６ｃ）の後側焦点Ｆ１４から出て第一の光学面１６ｃに入射する光線群の延長線と車両用灯具１０の光軸ＡＸ１０に対して平行な光線群との交点が描く軌跡（すなわち、第一の光学面１６ｃそのもの）のことである。
また、本実施形態の車両用灯具１０によれば、上記のように投影レンズ１４の球面収差を除去し、かつ、コマ収差を改善することができる結果、従来技術の反射防止処理を施すことなく、水平線Ｈよりも上にコマ収差に起因する幻惑光が発生しない明瞭なカットオフラインＣＬ（図４参照）を形成することができる。
上記実施形態では、本発明を明瞭なカットオフラインＣＬを上端縁に含む配光パターンＰ（例えば、ロービーム用配光パターン）を形成する車両用灯具１０に適用した例を示したが、本発明はこれに限らず車両用灯（例えば、ハイビーム用配光パターンを形成する車両用灯具）一般に広く適用することができる。
上記実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎない。これらの記載によって本発明は限定的に解釈されるものではない。本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく他の様々な形で実施することができる。
１０…車両用灯具、１２…光源、１４…投影レンズ、１６…導光体、１６ａ入射面、１６ａ１…中央入射面、１６ａ２…周囲入射面、１６ａ３…反射面、１６ｂ…平面反射面、１６ｃ…第一の光学面、１６ｄ…連結部、１６ｆ…エッジ部、１６ｇ…平坦部、１８…付加レンズ部、１８ａ…第二の光学面、１８ｂ…第三の光学面

Claims (4)

  1. 光源と、投影レンズと、前記光源からの光を前記投影レンズの後側焦点近傍へ集光させた後、前記投影レンズへ導光するように構成された導光体と、を備えた車両用灯具において、
    前記導光体は、当該導光体内部を導光される前記光源からの光が出射する出射面としての第一の光学面を含んでおり、
    前記投影レンズは、少なくとも前記第一の光学面と第二の光学面と第三の光学面とを含み、かつ、前記後側焦点が前記第一の光学面の後方に位置する投影レンズとして構成されている車両用灯具。
  2. 前記第一の光学面、前記第二の光学面及び前記第三の光学面は、前記投影レンズの球面収差が除去され、かつ、前記投影レンズの前記光源側の主面が前記後側焦点を中心とする球に略一致するように構成されている請求項１に記載の車両用灯具。
  3. 前記第一の光学面は、当該第一の光学面から出射する光の出射方向に向かって凸の曲率の光学面として構成されており、
    前記第二の光学面は、前記第一の光学面から出射する光の出光方向に向かって凹の曲率の光学面として構成されている請求項１又は２に記載の車両用灯具。
  4. 前記導光体は、前記後側焦点近傍に配置された、カットオフラインを形成するためのエッジ部と、前記エッジ部から後方に向かって延びる平坦部と、を含んでいる請求項１から３のいずれか１項に記載の車両用灯具。
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