JP2538180B2

JP2538180B2 - 照明装置

Info

Publication number: JP2538180B2
Application number: JP5203124A
Authority: JP
Inventors: アランスナイダーエドワード; フィリップティーターミカエル
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1982-05-10
Filing date: 1993-08-17
Publication date: 1996-09-25
Anticipated expiration: 2011-09-25
Also published as: CA1226255A; JPH0737408A; US4481563A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車用ヘッドライトに
関するものであり、さらに詳しくは所望のライト仕様に
合うように反射器の輪郭を描き、レンズを透明なカバー
・プレートに置き換え、このカバー・プレートを空気力
学的に望ましい任意の角度に置くことのできるヘッドラ
イトに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車用の密封ビーム・ヘッドライトに
は放物面反射器が含まれており、この放物面反射器は白
熱フィラメント電球からの光を集めてこれをレンズに与
える。レンズにはフルートがあり、このフルートは光を
移動、放散することにより米国自動車技術者協会の定め
た仕様に適合するビーム・パターンにする。標準のレン
ズはフルートのライザーとエッジ付きのフルーティング
をそなえた光学的能動素子であるので、それの電球およ
び反射器に対する位置ぎめは重大なことである。レンズ
の位置は電球および反射器から発する光に対してほぼ直
角にすることが望ましい。レンズが光に対してある角度
で傾いていると、ライザーのグレアが悪くなるからであ
る。即ち、レンズのフルーティングによりフルートのラ
イザーとエッジから制御されない光、所謂グレアが生ず
るからである。多くの場合、ヘッドライトの正面表面を
傾斜させることが望ましく、これにより優れた空気力学
的性能が得られる。しかし上述したように、レンズやそ
れから生ずるグレアの光学的見地からは、正面表面を傾
斜させることは実際的でない。スタイルの点からも傾斜
させることは望ましくない。傾斜したレンズの利点を維
持しつつこの種のグレアをなくすことが本発明の目的で
ある。

【０００３】ヤコブセンによる米国特許153,341 ならび
にグッドリーによる米国特許1,346,268 には反射器に光
学系を備えたランプ製造の初期の試みが示してある。ド
ーマンによる米国特許3,511,983 ならびにドーマンによ
る米国特許4,149,277 には、反射器によって所望の光パ
ターンがつくられるランプを製造するもっと最近の試み
が示されている。これらの反射器はもっと厳しい自動車
用仕様を満たすのに適当なものではない。

【０００４】ジャーナル・オヴ・アイ・イー・エス誌19
76年36頁乃至42頁所載のドノヒューおよびジョセフ執筆
になる「小平面を刻んだ反射器をそなえた自動車用ラン
プのコンピュータ設計」で述べている自動車用ランプで
は、反射器だけがパターンを生じレンズのフルーティン
グが除去されるように反射器が複数のセグメント（小平
面）に分割されている。上記論文の第12図に示されてい
るように多数の小平面の間には尖ったエッジがあり、不
連続になっている。各小平面は放物面であるので、面の
間の交差または連接は滑らかでない。このためこのよう
な反射器の製造は極めて難しい。これらの反射器はガラ
ス、プラスチック、または金属等の任意の適当な材料で
つくることができる。上記論文の第12図に示されている
不連続連接を有する面を形成することは極めて難しい。

【０００５】特開昭52-139288 号公報に記載のものにお
いては、反射面は単一反射面であって本発明のように３
部構造からなっておらず、従って本発明にあるような接
続部の特性についての開示がない。また、特開昭52-139
288 号公報に記載のものにおいては、正面カバーにはフ
ルート（プリズム）が形成されており（第17図参照）、
フルートをなくすことに関する開示も示唆もない。

【０００６】

【発明の目的】本発明の目的は、自動車の仕様に適合す
るパターンの光の方向を定め、かつその滑らかで連続的
に結合された面によりヘッドライトの製造が容易に行な
えるような自動車用ヘッドライト反射器を提供すること
である。

【０００７】

【発明の構成】本発明による照明装置の主たる特徴は、
その反射器の反射表面の構成、および正面カバーにフル
ートが形成されていないことにある。すなわち、本発明
によれば、反射表面が中央変形楕円面と２つのエッジ変
形楕円面を含む３部構造からなり、これらの楕円面は光
源からの光を所望のパターンに方向付けると共に、各楕
円面間に滑らかで連続した接続部を形成し、該接続部は
明確な法線と約1.27ｍｍより大の最小曲率半径を有す
る。また、正面カバーにはフルートの形成が不要であ
る。

【０００８】ここで“フルート”とは、特開昭52-13928
8 号公報の第16図および第17図に高さがｈ₁およびｈ₂
として示されるような並置された複数のプリズムのこと
を言う。すなわち、本発明においては、前述したように
反射器の反射面を特殊な構成とすることにより、照射光
の分散を目的とする“フルート”を正面カバーに設ける
必要がない。

【０００９】本発明によれば、密封ビーム・ヘッドライ
ト用の反射器の表面は電球からの光を自動車用ヘッドラ
イトの仕様に合うパターンで、フルートのない透明な正
面カバーを通過させる。反射面は滑らかで連続的である
ので、反射器の製造が容易になり、好ましくない反射器
のフルート・グレアが除去される。フルートがないの
で、カバーを空気力学的に向きを変えることができ、製
造業者が現在力を入れているスタイル、性能の両面にお
いて利益が得られる。

【００１０】ヘッドライトはディジタル・コンピュータ
・エイディット・プロセスで製造される。このプロセス
では、ディジタル的にモデル化された反射面を反復手順
で修正することにより自動車仕様に最も適合する光強度
パターンがつくられ、反射表面は滑らかで連続的になっ
ている。タングステン・ハロゲン・ランプからの光強度
に極めて類似したディジタル・モデル化された光源が使
用される。従来技術においては、複数の放物面反射器が
ヘッドライトを構成している。従来技術の設計プロセス
では、各放物小平面からの光をどこに向けるかだけがき
められ、それに応じて所望の光パターンが得られるよう
にこの方向が変えられる。これに対して本発明によれ
ば、正確にモデル化された光源から反射表面へ非常に多
数、たとえば500,000 の光線路が定められる。光線径路
は反射面の法線から反射器を囲む球体等の表面上に投射
される。球体表面の一部を横切る光強度は各単位面積に
交差する光線の数を数えることにより判定される。この
ように判定された強度はディジタル的にエス・エー・イ
ー仕様と比較し、仕様との一致を示す性能関数を発生す
ることができる。ディジタル的にモデル化された反射表
面の形状は性能関数を最適化するように反復手順で変更
される。形状を変更するごとに、表面の間の連接が混合
されて滑らかになるので、製造を困難にする尖ったエッ
ジまたは不連続がなくなる。

【００１１】本発明の前記ならびに他の目的、特徴およ
び利点は以下の詳細な説明ならびに請求範囲によりより
良く理解し得る。

【００１２】図１において、本発明の自動車用ヘッドラ
イトには電球11と透明な正面カバー12が含まれている。
電球11は光源となるフィラメントをそなえている。正面
カバー12はヘッドライトに対して空気力学的に望ましい
角度に向けることができる。このことは正面カバーを15
°以上の角度に向けること、そして図１に描いてあるよ
うに45°乃至50°のオーダーにすることが望ましいとい
うことを意味している。

【００１３】反射器13が電球を囲んでおり、正面カバー
12に密封して取り付けられている。反射器13の反射面は
電球11からの光を自動車用ヘッドライトの仕様に合うパ
ターンで正面カバーを通過させる。

【００１４】図２および第３乃至図５に示すように、反
射器の反射表面には、中央の変形された楕円面14ならび
に２つのエッジの変形された楕円面15および16が含まれ
ている。エッジ楕円面15は滑らかな連続した連接17で中
央の楕円面14と結合している。同様に、エッジ楕円面16
は滑らかな連続した連接18で中央の楕円面14と結合して
いる。

【００１５】中央の表面14は楕円面の中央に滑らかな垂
直***部21を付加したものである。楕円面14は凹面であ
り、ヘッドライトの軸から傾いている。楕円面14，15お
よび16は凹面であり、真の放物面から変形することによ
り、所定の光パターンが生じ、面間の連接が滑らかで連
続的になる。中央の壇22は尖ったエッジを持つことがで
きランプの取り付けと調節を行なうが、これは反射面の
一部ではない。本発明に従って、反射面のほぼすべてに
わたってこのような尖ったエッジは避けている。

【００１６】図６にはこの型の反射器を製造するコンピ
ュータ・エイディッド・プロセスを示してある。図６の
説明を行なう前に図７の説明を行なう。図７は本発明の
利点を示すために従来技術の反射器を示したものであ
る。図７は従来技術において単一の放物面のかわりに複
数の放物面を使うことにより反射器の深さを減らそうと
したものである。注意すべきことは放物面の間の連接23
および24は尖ったエッジになっており、これはモデル化
されておらず、製造が難しい。さらに、反射器の23と25
の間ならびに24と26の間の部分は陰になっており、光の
反射に寄与しない。図７の反射器では、連接23および24
に法線ベクトルがない。換言すれば、曲率の最小半径は
連接23および24では非常に小さい。表面の傾斜は不連続
である。即ち曲率の最小半径は任意に小さい。本発明で
使用されているように、滑らかで連続した連接とは、図
７の23および24に描いたような状態は存在せず、法線が
常に良好に定められるということを意味する。

【００１７】図２の反射器のように形状に別々の反射器
面が含まれている場合には、面間の連接は何か他の領域
として扱われる。結果として行なわれる強度計算には滑
らかな連接の効果が含まれる。したがって連接は十分大
きくされ、ガラス形成プロセスが容易になる。曲率の最
小半径が1.27ｍｍより小さい場合には、ガラスを尖った
エッジに形成する上で問題が大きくなる。本発明の実施
例では曲率の最小半径が4.9 ｍｍであるが、曲率の最小
半径が約1.27ｍｍより大きい滑らかな連接のある面に本
発明を実施することができる。

【００１８】従来技術では連接からの反射を無視してい
る。従来技術のランプでは反射面が不連続になっている
（ドノヒューらの論文および本明細書の図７のように）
かまたは面連接で傾斜が不連続になっている（ドーマン
の特許）。

【００１９】従来技術では連接を扱わないので、実際の
製品の連接はできる限り鋭く保たなければならない。即
ち、曲率の最小半径は任意に小さくしなければならな
い。本発明の反射器にはこのような問題はない。連接に
おいて曲率の最小半径が大きくなるように形状を選択し
ているからである。

【００２０】再び図６において、本発明のコンピュータ
に支援されたプロセスには所定の光パターンをディジタ
ル・コンピュータへの入力としてディジタル化するステ
ップ27が含まれている。今説明している例では、エス・
エー・イー仕様はエス・エー・イー・ジャーナル 579
Ｃ、1940年１月照明部承認で1974年12月照明委員会最新
改訂の23.31 頁の第１表、「７インチ（178 ミリメート
ル）タイプ２密封ビーム装置の試験点値」に示されてい
るものである。

【００２１】28に示されているように反射器の表面を指
定する複数の形状関数のパラメータがディジタル化さ
れ、入力としてディジタル・コンピュータに与えられ
る。本実施例では、形状関数は中央の変形楕円面と２つ
のエッジ変形楕円面である。これらの楕円面の係数は、
光パターン仕様に合うように、そして楕円面のエッジ間
に滑らかで連続的な連接を生じるように修正されたパラ
メータである。これらの係数の最適化ステップを29に示
してある。これには、30に示した形状関数の特定の係数
組み合わせの選択ならびに複数の光経路とともにこの反
射器形状を使って得られる光強度分布の計算が含まれ
る。

【００２２】31ではタングステン・ハロゲン・ランプの
ディジタル・コンピュータ・モデルから光線リストが作
成される。図８に示すように、このモデルには横断フィ
ラメント32が含まれており、その長手方向に温度が分布
している。即ち通常は、フィラメントの両端は冷たく、
真ん中では熱くなっている。これから得られる光線は不
透明なエンド・キャップ付きの水晶円筒33としてモデル
化されたエンベロープを通して屈折される。

【００２３】図６の34に示すように、エンベロープ表面
を離れる光線路のリストによってこのディジタル・モデ
ル・ランプからの光強度が作成される。エンベロープか
らの光線を試験して、これが反射器と交差するか判定す
る。交差しない場合には、光線は反射器を囲んだ球体上
に直接投射される。図９の点35のように光線路が交差す
る場合には、これは反射器を囲む球体の表面上に投射さ
れる。たとえば、35で反射された光線路は点36で球体と
交差する。実際の強度は球体上の30°×８°のスクリー
ンに対してだけ判定される。このスクリーンは図９の37
で示されている。球体に当る単位面積当りの光線数を数
えることにより強度が判定される。

【００２４】再び図６において、ステップ38は反射モデ
ルと反射器のまわりの球体上の光線リストの作成を示し
たものである。反射光線の光線路を指定するために、反
射器との交点（たとえば図９の点35）における理論法線
平面を見つける。ディジタル・コンピュー・ステップ2
8，29および30から得られる反射器の記述説明を使って
交点における法線を見つける。実際の反射器は成形誤差
により理論的形状からゆがんでいる。このゆがみは、法
線平面を理論的法線付近で可変とすることにより、本発
明に従ってモデル化される。実際の測定結果を前の設計
のモデル予測に合わせることにより、このモデルで使う
ため２ａ＝１°の値が選ばれた。このゆがんだ法線と入
射光線を使って反射光線が最終的に計算される。

【００２５】光線路の追跡から、球体表面を横切る光強
度が39で示されるように判定される。これは球体スクリ
ーン上の各単位面積に交差する光線路の数を数えること
により行なわれる。40で示すようにこれらの値が予め定
められたパターンと比較される。試行する各形状に対し
て、ＰＦＵＮと呼ばれる性能因子がきめられる。この性
能因子は試験中の形状に対する光強度パターンがどれだ
けエス・エー・イー仕様に適合するかを表わす尺度であ
る。

【００２６】ステップ30，38，39および40は異なる形
状、即ち異なる表面係数に対して反復される。41に示す
ように、予め定められた光パターンに最も適合する光強
度を発生する形状が定められる。これは、最適な性能関
数（この場合にはＰＦＵＮの最小値）を有する係数の組
を選択することによって行なわれる。その結果、42に示
すように最良の係数の組み合わせが選択される。

【００２７】この係数組に対して、複数の点の各点にお
けるカンデラ値が43に示すようにプリント・アウトされ
る。このプリントアウトはエス・エー・イー試験点に対
応する26の試験点の各点に対して60フィートでのカンデ
ラ値をリストしたものである。26の試験点のうち試験点
25だけが仕様外の7.71という値になる。現在の例ではエ
ス・エー・イー仕様をほぼ満足する反射器表面が作成さ
れた。

【００２８】図６の43で作成されたプリントアウトか
ら、もっと良い光強度分布パターンを作成しなければな
らないと設計者は判定することができる。次に述べるプ
ログラムには、設計者が選択することのできる異なる形
状関数に対してプロセスを反復する能力がある。プロセ
スでどの係数を変化させるかをも設計者は選択すること
ができる。

【００２９】このプロセスの反復動作から、図６の44に
示すように最良の形状が選択される。この形状は反射器
の製造に使用される。

【００３０】図10はこのプロセスによって設計された反
射器に対しコンピュータで作成された光強度パターンの
カンデラ図を示している。図10は低ビーム・パターンで
あり、図11は高ビーム・パターンである。これらの図に
おいて、点線は2000カンデラの等高線であり、実線は1
0,000カンデラの等高線である。即ち図10では、等高線4
5は2000カンデラを表わし、等高線46は24,000カンデラ
を表わしており、その間の等高線は中間のカンデラ値を
表わしている。図10では自動車仕様で要求されているよ
うにビーム・パターンが右下に移される。図11の高ビー
ム・パターンでは、広い高強度のビームが作られ、自動
車仕様で要求されているように少し右下に移される。

【００３１】コンピュータ・プログラムはたとえばユニ
バック1100／81コンピュータで実行されるすべてのコン
ピュータ・プログラムと同様、このコンピュータ・プロ
グラムは通常のデバッキングを行なわずにランするもの
と考えるべきでない。

【００３２】このプログラムには多数のサブルーチンが
含まれており、次のように図６のステップを実行する。

【００３３】サブルーチンＥＮＶはステップ34に相当
し、タングステン・ハロゲン・ランプのモデル化を行な
う。これは光線の位置と方向をファイルに書き込む。こ
れは軸方向に温度が分布した円筒からの放射のモデル化
を行なってから、フィラメントのブロック付け、エンド
・キャップのブロック付け、エンベロープの屈折の決定
を行なう。

【００３４】サブルーチンＲＵＮはステップ29に相当
し、最適化のためのメイン・プログラムである。これは
サブルーチンＯＰＴを呼び出す。

【００３５】サブルーチンＯＰＴはステップ30および41
に相当し、多変数最適化器である。これはベクトルＸＮ
ＥＸＴを変化させて性能関数ＰＦＵＮの最小値を探索す
る。最適化器は８係数の数個の組に対する性能インデッ
クスを比較して、より良い組を推測する。このプロセス
を多数回反復することにより性能インデックスの局部最
小値を見出す。これにより、与えられた形状関数に対す
る最良の係数組が得られる。このサブルーチンは性能関
数を最小にしようとする。サブルーチンＯＰＴ２はサブ
ルーチンＰＦＵＮを呼び出す。

【００３６】サブルーチンＰＦＵＮは反射および性能関
係のサブルーチンをランする。

【００３７】サブルーチンＲＡＹＲはステップ38に相当
し、反射のモデル化を行なう。このサブルーチンはファ
イルから光線を取り出し、光線と反射器との交点を見出
し、交点での法線を見出し、法線をゆがめ、ゆがめた法
線からの反射光線を見出し、続いて反射器から60フィー
トと25フィート離れた球体に光線を投射する。最後にこ
のサブルーチンは交点を別のファイルに書き込む。

【００３８】サブルーチンＺＶＡＬはステップ28に相当
し、反射面の形状を記述する。サブルーチンＺＶＡＬは
Ｘ，Ｙ，Ｓが与えられたとき、Ｚを返す。ＺＶＡＬへの
呼出しはＸ座標，Ｙ座標とともに８つの係数Ｓをもたら
し、反射器のＺ値が返される。したがって多重呼出しは
ｄＺ／ｄＸおよびｄＺ／ｄＹを評価して、理論的な表面
法線を見出すことができる。中間に混合領域のある２つ
の軸がずれた楕円面を使用しているが、他の形状を使っ
てもよい。

【００３９】−3.7 ″乃至−1.45″および1.45″乃至3.
7 ″の区間でエッジ形状関数Ｚ１を使用している。この
形状はランプからの光をパターンの高強度部分に対して
反射する。８つの係数のうち３つを用いてこの形状を変
更する。

【００４０】−1.2 ″乃至1.2 ″の区間では中央形状関
数Ｚ２を使用する。これは水平線上の光をスクリーンを
横切って拡散する。残りの５つの係数がこの形状を制御
する。

【００４１】−1.45″乃至−1.2 ″の区間および1.2 ″
乃至1.45″の区間では、形状はＺ１とＺ２を滑らかに混
合したものになる。

【００４２】良好な強度分布を与えると設計者が思う一
般的な形状を記述するために任意に関数が選択される。
次に設計者はどの係数の変化を許すか選択する。関数選
択のプロセスは試行錯誤である。選択された関数はＺＶ
ＡＬに入れられ、その結果の強度分布が見出される。得
られた結果が設計者の気に入れば、係数は最適化された
ことになる。気に入らなければ、設計者は他の形状を試
行する。

【００４３】サブルーチンＮＯＲＭは交点での単位表面
の法線を見出す。

【００４４】サブルーチンＳＣＡＴは法線をＮＯＲＭ値
のまわりにガウス分布でゆがめる。

【００４５】サブルーチンＲＥＦＬは入射光線とゆがめ
られた法線に対して単位反射光線を見出す。

【００４６】サブルーチンＣＤはファイルから球体交点
を読み出し、両方の球体に対して30°×８°の部分で１
／２°ごとにカンデラ値を見出す。フィラメント電力が
セットされる。

【００４７】サブルーチンＰＥＲＦはモデルＣｄ値とエ
ス・エー・イー仕様との比較を行ない、与えられた構成
に対する性能インデックスを返す。

【００４８】図２の反射器を作るのに使用された係数組
の値は次の通りである。

【００４９】Ｓ〔１，……，８〕＝〔.0814, .1730, 2.706, .07733,
.2816, 1.6913, 1.9259, 1.6351〕以上、自動車ヘッドライトについて特定の実施例を図示
し説明してきたが、本発明の真の趣旨と範囲の中で種々
の変形が可能である。本発明は歯科用ライト、街燈、家
庭照明および商業照明等他の照明装置に等しく適用可能
だからである。このため請求範囲はこのような変形をす
べて包含するように記述してある。

【図面の簡単な説明】

【図１】透明なカバー・プレートに取り付けられた反射
器の側面図

【図２】反射器の透視図

【図３】本発明による反射器の正面図

【図４】本発明による反射器の上部断面図

【図５】本発明による反射器の側部断面図

【図６】ヘッドランプを製造するためのコンピュータ・
エイディッド・プロセスのフロー・チャート

【図７】従来技術の反射器を示す断面図

【図８】光源と反射表面のディジタル・コンピュータで
発生されたモデルを示す斜視図

【図９】光線と球体表面との交点を示す斜視図

【図１０】本発明による反射器が作る低ビーム・パター
ンのカンデラ図

【図１１】本発明による反射器が作る高ビーム・パター
ンのカンデラ図

【符号の説明】

11 電球 12 正面カバー 13 反射器 14 中央楕円面 15，16 エッジ楕円面 17，18 連接 21 垂直***部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】照明装置において、分布型光源および該
光源の位置づけを行なう反射器を含み、該反射器は、上記光源からの光を所望のパターンに方向
付ける滑らかで連続した反射表面を有し、該反射表面は中央変形楕円面と２つのエッジ変形楕円面
を含み、これら変形楕円面は上記光源からの光を上記所
望のパターンに方向付けると共に上記中央変形楕円面と
上記エッジ変形楕円面との間に滑らかで連続した接続部
を形成するよう変形されており、該接続部は明確な法線と約1.27ｍｍより大きい最小曲率
半径を有し、そしてフルートのない透明な正面カバーが
取り付けられていることを特徴とする照明装置。
【請求項２】上記中央楕円面の中央を変形して滑らか
な垂直***部を含むようにし、上記楕円面が上記照明装
置の軸から傾斜していることを特徴とする請求項１記載
の照明装置。
【請求項３】上記エッジ楕円面の各々は上記中央楕円
面とともに垂直に伸びた滑らかな連接をそなえ、上記楕
円面は凹面になっていることを特徴とする請求項１記載
の照明装置。
【請求項４】上記反射表面が自動車ヘッドライトに適
合するパターンで光を方向付けすることにより密封ビー
ム形自動車ヘッドライトを形成することを特徴とする請
求項１記載の照明装置。
【請求項５】上記透明な正面カバーが上記ヘッドライ
トに対して空気力学的に望ましい角度をなすことを特徴
とする請求項４の照明装置。
【請求項６】上記最小曲率半径が約4.9 ｍｍより大き
いことを特徴とする請求項１記載の照明装置。