JP5468754B2 - 自動車ヘッドライト用のプロジェクションモジュール - Google Patents

Description

本発明は、自動車ヘッドライト用のプロジェクションモジュールに関するものである。このモジュールは、電磁放射を発するための少なくとも１つの半導体放射源と、発せられた放射を反射するためのリフレクタと、反射された放射の少なくとも一部を遮蔽するためのシェード構造と、反射されてシェード構造の脇を通過した放射を所望の放射分布の生成のためにプロジェクションモジュールから車両の前方へ投影するための投影レンズとを含んでいる。

１つまたは複数のＬＥＤ（発光ダイオード）を放射源として備えているこのような種類のプロジェクションモジュールは、さまざまな実施形態のものが従来技術から知られている。ＬＥＤから出される放射の波長に応じて、可視光、または不可視の紫外（ＵＶ）放射もしくは赤外（ＩＲ）放射を発するためにプロジェクションモジュールを利用することができる。不可視放射は、たとえば暗視装置（たとえばメルセデスベンツやＢＭＷの車両用の”Ｎｉｇｈｔ Ｖｉｓｉｏｎ”）の一環として、自動車の前方の車道を照明する役目を果たす。不可視放射で照らされた領域は、ＵＶ感度またはＩＲ感度のあるカメラによって撮影し、たとえばダッシュボードにあるスクリーンで、あるいはウィンドシールドの内面への投影によって、自動車の運転者に呈示することができる。

従来技術から知られているＬＥＤプロジェクションモジュールでは、ＬＥＤとシェード構造は互いに場所的に切り離されて位置決めされている。このようなＬＥＤとシェード構造の間の間隔によって、および投影レンズに対するシェード構造の間隔によって、プロジェクションシステムの最小の設計長さが必然的に規定される。

しかしながら将来のプロジェクションモジュールは、自動車ヘッドライトの複雑さが増しつつあることや、ヘッドライトに組み込まれなくてはならない追加のライト機能（たとえば市街地ライト、街道ライト、アウトバーンライト、悪天候ライトなど）があることから、および新たなデザインという側面から、できるだけコンパクトかつ小型に構成されていなくてはならない。さらに、自動車ヘッドライト用のＬＥＤ光モジュールでは、複数のＬＥＤないしＬＥＤアレイならびにさまざまな種類のシステム（投影と反射）を、１つの照明モジュールに統合することが可能である。しかしそのためには、できるだけコンパクトで小型の照明モジュールが前提条件となる。

上述した従来技術を前提とする本発明の課題は、冒頭に述べた種類の自動車ヘッドライト用のプロジェクションモジュールを、できるだけコンパクトで小型になるように構成して改良することである。

この課題を解決するために、冒頭に述べた種類の自動車ヘッドライト用のプロジェクションモジュールを前提としたうえで、放射源がシェード構造の裏面もしくはその近傍に配置されており、放射源の主放射方向はプロジェクションモジュールからの放射射出方向と反対向きに半空間へ向けられていることが提案される。

少なくとも１つのＬＥＤをシェード構造の裏面またはその付近に配置することで、ＬＥＤとシェード構造の間の間隔が最低限にまで縮小される。それにより、プロジェクションモジュールの設計スペース長を明らかに低減することができるので、本発明によるプロジェクションモジュールを含んでいる自動車ヘッドライトの取付の奥行きを削減することができ、もしくは、ヘッドライトハウジングの中で利用できる設計スペースを別の用途のために、たとえば電子式の制御回路および／または調節回路や別の照明モジュールのために、活用することができる。

ＬＥＤプロジェクションモジュールは、リフレクタによって反射される放射の一部を遮蔽するためのシェード構造を備えている。それによりこのモジュールは、明暗境界をもつ光分布、たとえばロービームの光分布、フォグライトの光分布を生成するのに適しており、あるいは、たとえば市街地ライト、街道ライト、アウトバーンライト、悪天候ライトなどを含むアダプティブな光分布を生成するのに適している。シェード構造は可動に構成されていてよく、特に、光学軸に対して横向きに延びる水平方向の軸を中心として傾動可能に構成されていてよく、それによりシェード構造を光路から外に出るように、および光路の中に入るように動かすことができる。それによってハイビームと、明暗境界をもつ光分布との間でプロジェクションモジュールを切り換えることができる。アダプティブな光分布を生成するためにシェード構造は複数のシェード部材を有することができ、これらのシェード部材は互いに相対的に可動に構成されており、特に、光学軸と平行に延びる水平方向の軸を中心として旋回可能に構成されている。光分布の明暗境界の形状は、上側のシェード部材の光学的に有効な上側エッジによって規定される。

本発明によるとＬＥＤは、光路に配置されたシェード構造の延長平面に実質的に相当する平面に配置されている。さらにＬＥＤは後方を向いており、すなわち走行方向で見て後側を向いており、ないしは放射射出方向と反対を向いている。シェード構造の延長平面は傾斜して延びているのが好ましく、ないしは、光学軸に対して実質的に横向きに延びる水平方向の軸を中心として傾いているのが好ましく、それにより、延長平面に配置されたＬＥＤの主放射方向は光学軸と平行に延びるのではなく、光学軸に対して相対的に上方に向かって傾いて延びることになる。

少なくとも１つの放射源は冷却体と熱工学的に結合されている。冷却体に伝達される放射源の熱は、空気冷却および／または液体冷却によって冷却体から運び出すことができる。冷却体がシェード構造の一体的な構成要素であることによって、本発明によるプロジェクションモジュールのサイズをいっそう縮小することができる。その代替または追加として、冷却体は、投影レンズをリフレクタに取り付けるレンズ保持部の一体的な構成要素であってもよい。リフレクタと、シェード構造と、投影レンズとを、定義された関係で互いに相対的に保持するプロジェクションモジュールの保持フレームに取って代わるように、冷却体が構成されていると格別に好ましい。本発明によると、光源は取付部および冷却体とともに、シェード構造ないしシェード構造の延長平面と、投影レンズとの間のスペースに格納されている。

次に、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。

図５には、一例として自動車ヘッドライトで使用するための従来技術から知られるプロジェクションモジュールが、その全体に符号１を付して示されている。

このプロジェクションモジュールは、従来技術では従来型の白熱電球、ガス放電ランプ、あるいは１つまたは複数の半導体光源、いわゆるＬＥＤ（発光ダイオード）として構成されていてよい少なくとも１つの光源２を含んでいる。光源２は電磁放射を発し、その波長は可視光の波長領域内にあり、または、不可視の紫外（ＵＶ）放射または赤外（ＩＲ）放射の波長領域内にある（該当する波長領域は、ＵＶ放射については約３２０〜３８０ｎｍ、可視光については３８０ｎｍ〜７００ｎｍ、ＩＲ放射については約７００〜１６００ｎｍ）。

図５にはさまざまな光路が一例として示されている。光源２から発せられた光はリフレクタ３で反射される。リフレクタ３は、楕円面状ないし近似的に楕円面状に構成されているのが好ましい。光源２はリフレクタ３の第１の焦点に、またはその近傍に配置されている。リフレクタ３の第２の焦点には、シェード構造４の上端が位置決めされている。シェード構造４は、シェード構造４の光学的に有効な上端を変えるために互いに相対的に可動な複数のシェード部材を有することができる。シェード構造４の光学的に有効な上端は、モジュール１の投影レンズ５により、自動車の手前の車道へ明暗境界として投影される。シェード構造４を第２の焦点から外れるように光学軸とほぼ平行に変位させることで、車道上での明暗境界の結像を不鮮明にすることができる。シェード構造４の光学的に有効な上端の位置および／または形状を変えることで、光分布の明暗境界の位置ないし形状を変えることができる。

図６には、同じく従来技術から知られているＬＥＤプロジェクションモジュールが、その全体に符号１０を付して示されている。図５に示す従来式のプロジェクションモジュール１とは異なり、ＬＥＤプロジェクションモジュール１０では、光源１２は、１つまたは複数のＬＥＤアレイとしてまとめられていてもよい、１つまたは複数のＬＥＤとして構成されている。ＬＥＤ１２は冷却体１１と熱工学的に結合されており、それにより、ＬＥＤ１２の作動中に発生する熱を冷却体１１を通じて排出し、周囲に放出することができる。リフレクタ１３は、冷却体１１に取り付けられた、いわゆるハーフシェルリフレクタとして構成されている。リフレクタ１３の形態は楕円面状であり、またはこれとは異なる自由曲面であってよい。図６にも、一例としていくつかの光路が図示されている。公知のＬＥＤプロジェクションモジュール１０の場合にも、ＬＥＤ１２は電磁放射を発し、好ましくは可視光線または不可視の赤外線を発する。これがリフレクタ１３で反射される。反射された光線の一部をシェード構造１４が遮蔽し、反射されてシェード構造１４の脇を通過した光線は、投影レンズ１５によって自動車の手前に投影される。

公知のプロジェクションモジュール１，１０では、最小の設計長さは、光源２，１２とシェード構造４，１４の間の間隔によって規定され、ならびに、投影レンズ５，１５に対するシェード構造４，１４の間隔によって規定される。光源２，１２とシェード構造４，１４の間の間隔は、公知のプロジェクションモジュール１，１０では比較的広くなっている。そのために、公知のプロジェクションモジュール１，１０の設計長さも比較的大きい。

それに対して本発明では、図１から図３にその全体に符号１００を付して示されている、格別にコンパクトで小型のＬＥＤプロジェクションモジュールが提案される。図１から図３は、本発明によるプロジェクションモジュール１００の１つの好ましい実施形態を示している。当然ながら、これに代わる実施形態も考えられる。

図１には、本発明によるプロジェクションモジュール１００の分解図が示されている。このプロジェクションモジュールは、支持部材１０２に組み付けられて電気接触している１つまたは複数のＬＥＤ１０１を含んでいる。ＬＥＤ１０１は、１つまたは複数のＬＥＤアレイとしてまとめられていてよい。さらにプロジェクションモジュール１００は、リフレクタ１０３と、図示した実施形態では光学的に有効な上端を備えるただ１つのシェード部材だけを有するシェード構造１０４を含んでいる。当然ながらシェード構造１０４は、光分布の明暗境界の位置および／または形状を変えるために好ましくは光学軸と平行に延びる実質的に水平方向の軸を中心として互いに相対的に旋回可能な複数のシェード部材を有することもできる。プロジェクションモジュール１００のレンズ１０５は、レンズ保持部１０６に保持される。ＬＥＤ１０１によって作動中に生成される熱を排出するための冷却体には、符号１０７が付されている。レンズ保持部１０６と冷却体１０７は、１つの一体化されたユニットとしてまとめられている。

図２には、図１に示す本発明によるＬＥＤプロジェクションモジュール１００が、組み立てられた状態で示されている。支持部材１０２（図１参照）はＬＥＤ１０１とともに、冷却体１０７の傾斜した裏面にある凹部１０８（図３も参照）に取り付けられており、それにより、ＬＥＤ１０１は事実上、冷却体１０７の傾斜した裏面と同一平面上に位置するようになっており、また、ＬＥＤ１０１と冷却体１０７とは、ＬＥＤ１０１によって作動中に生成される熱が冷却体１０７を介して放出されるように、結合（熱工学的に結合）するようになっている。ＬＥＤ１０１の上には、同じく冷却体１０７の傾斜した裏面にシェード構造１０４が取り付けられる。それによってシェード構造１０４も事実上、冷却体１０７の傾斜した裏面と同一平面上に位置決めされている。このようにＬＥＤ１０１とシェード構造１０４は、事実上、同一の平面に位置決めされている。ＬＥＤ１０１がシェード構造１０４の裏側に、もしくは裏側の近傍に配置されている様子を明らかに見ることができる。ＬＥＤ１０１の主ビーム方向（図３の矢印１１１参照）は、プロジェクションモジュール１００からの放射射出方向１０９と反対向き（反対側に向かう向き）に半空間（レンズ１０５の光軸を通る水平面を境界として分割された一方の空間）へ向けられている。リフレクタ１０３も冷却体１０７の傾斜した裏面に取り付けられている。レンズ１０５は、冷却体１０７の一体的な構成要素であってよいレンズ保持部１０６に取り付けられている。このように冷却体１０７は、熱排出機能に加えて、ＬＥＤ１０１、リフレクタ１０３、シェード構造１０４、および投影レンズ１０５を所定の相互関係に保ち、そのようにして簡単に取り扱い可能なユニットとして統合する、プロジェクションモジュール１００のための保持フレームの機能も担っている。全体として本発明によるプロジェクションモジュール１００は、図２を見るとただちに明らかなように、格別にコンパクトかつ小型に構成されている。

図３に示す本発明のＬＥＤプロジェクションモジュール１００の断面図を参照しながら、モジュールの組み立てられた状態について再度説明する。この図に格別に良く見られるように、ＬＥＤ１０１とシェード構造１０４は、紙面に入り込むように（図３において示された相対的な位置関係において、図３の紙面に垂直な方向に）延び、冷却体１０７の傾斜した裏面に対して実質的に平行に延びる、符号１１０が付された平面に位置している。すなわちＬＥＤ１０１は、シェード構造１０４の裏側もしくはその近傍に位置決めされている。さらに図３に良く見られるように、ＬＥＤ１０１の主ビーム方向１１１は、光射出方向１０９と反対向きに後側の半空間へ向けられている。このことは、リフレクタ光学系を相応に設計すれば、従来のプロジェクションモジュール１，１０に比べて、プロジェクションモジュール１００の明らかに低減された設計長さを可能にする。ＬＥＤ１０１が取付部１０２および冷却体１０７とともに、実質的に、シェード構造１０４ないし平面１１０と投影レンズ１０５との間に格納されているからである。

図３に見られるように、かつ図４ａから図４ｃを見るとさらに明らかなように、リフレクタ１０３は、紙面に入り込むように延びるほぼ水平方向の平面１１２によって、上側の部分リフレクタ１０３ａと下側の部分リフレクタ１０３ｂとに分割されている。図示した実施形態では、上側および下側の部分リフレクタ１０３ａ，１０３ｂの間の分割線が見えており、符号１１３が付されている。部分リフレクタ１０３ａ，１０３ｂは、自由曲面リフレクタとして構成されているのが好ましい。このことは、所定の照明強度最大値と照明強度最小値を備える所定の光分布をプロジェクションモジュールが生成するように、離散した各点で反射面が算出されていることを意味している。そして、離散的に算出されるそれぞれの点の間では反射面が補間される。このようにして構成された自由曲面リフレクタ１０３は、光学的に作用する追加の部材（たとえばヘッドライトのカバーガラスにおけるプリズムやレンズ）なしで、所望の光分布を生成することができる。

簡素化をするために、上側のリフレクタ半体１０３ａを近似的に放物面と見なし、下側のリフレクタ半体１０３ｂを楕円面と見なすこともできる。このとき下側のリフレクタ半体１０３ｂの楕円面部分は、一方の焦点がＬＥＤ１０１もしくはその近傍に位置し、他方の焦点がシェード構造１０４の平面１１０もしくはその近傍に位置するように構成される。それにより、結果として生じる光分布で、高い照明強度最大値を生起することができる。上側のリフレクタ半体１０３ａの放物面部分は、放物面の焦点がＬＥＤ１０１もしくはその近傍に位置するように構成されるのが好ましい。それにより、前方照明と側方散乱のために重要な基本照明を有する光分布を生起することができる。このように構成されたプロジェクションモジュール１００の結果として生じる光路が、一例として図４ａに示されている。この図では、上側および下側の部分リフレクタ１０３ａ，１０３ｂの間の比較的大きい段差１１４を明らかに見ることができる。

図４ｂと図４ｃは、リフレクタ部分１０３ａおよび１０３ｂの焦点位置が変更された、若干改変された光路を示している。このような変更も同じく、法律の要求事項を満たす良好な光分布につながる。図４ｂに示す実施形態では、図４ａよりも段差１１４が小さく構成されており、また、図４ｃに示す実施形態では、図４ａおよび図４ｂに示す実施形態に比べて段差１１４がいっそう明瞭に小さくなっている。

図４ｃに示す実施形態では、投影レンズ１０５は互いに明らかに分離された領域でビームを通過させる。このとき上側のリフレクタ部分１０３ａは下側のレンズ半体１０５ｂを利用し、下側のリフレクタ部分１０３ｂは上側のレンズ半体１０５ａを利用する。この場合、光分布の構成に関していっそうの自由度を得るために、レンズ１０５のビームを通過させる分離された領域１０５ａ，１０５ｂを互いに分割し、個々のレンズセグメント１０５ａ，１０５ｂを互いに別々に最適化するのが好適である。投影レンズ１０５の区分もしくはセグメント化によって、特別なデザインという側面も考慮に入れることができる。当然ながら、２つを超えるセグメント１０５ａ，１０５ｂにレンズ１０５を区分することも考えられる。

図４ｄには、本発明によるプロジェクションモジュール１００のさらに別の実施形態が示されている。これまでに説明したコンポーネントに加えて、光源１０１の近傍かつ下側に追加リフレクタ１１５が配置されており、この追加リフレクタによってモジュール１００の光束の効率が改善される。リフレクタ１１５の役割は、下方に向かって放出される光を、全体の光分布への寄与として利用することができるように、主リフレクタ１０３ａおよび１０３ｂへ反射することである。この追加リフレクタ１１５がなければ、特定の角度以下で光源１０１から放出される光を利用することができなくなる。そのような光は、急峻すぎる入射角のせいでシェード１０４に当たるか、またはレンズ１０５の上側を通り過ぎるかのいずれかになるからである。

上記実施の形態では次の内容を採用することができる。
まず、上側の部分リフレクタ１０３ａは、プロジェクションモジュール１００によって生成される放射分布を変えるために、下側の部分リフレクタ１０３ｂに対して相対的に可動に構成するようにしてもよい。なお、上側の部分リフレクタ１０３ａと下側の部分リフレクタ１０３ｂとが両方とも移動可能に構成してもよく、また、下側の部分リフレクタ１０３ｂは少なくとも１つのＬＥＤ１０１に対して固定的な関係で配置されているようにしてもよい。

上記の可動構成各々において、モータ及びギアの機構により、上側の部分リフレクタ１０３ａはプロジェクションモジュール１００の光学軸に対して横向きに延びる水平方向の旋回軸を中心として下側の部分リフレクタ１０３ｂに対して相対的に旋回可能に構成してもよく、また、アクチュエータにより、上側の部分リフレクタ１０３ａは実質的に水平方向の平面１１２で下側の部分リフレクタ１０３ｂに対して相対的にスライド可能に構成してもよい。

本発明の実施形態によるプロジェクションモジュールを示す分解図である。 図１の本発明の実施形態によるプロジェクションモジュールを示す組み立てられた図である。 図１の本発明の実施形態によるプロジェクションモジュールを示す縦断面の図面である。 本発明によるプロジェクションモジュールのリフレクタの考えられる実施形態のさまざまな例を、対応する光路とともに示す図である。 本発明によるプロジェクションモジュールのリフレクタの考えられる実施形態のさまざまな例を、対応する光路とともに示す図である。 本発明によるプロジェクションモジュールのリフレクタの考えられる実施形態のさまざまな例を、対応する光路とともに示す図である。 本発明によるプロジェクションモジュールのリフレクタの考えられる実施形態のさまざまな例を、対応する光路とともに示す図である。 従来技術から知られているプロジェクションモジュールである。 従来技術から知られているＬＥＤプロジェクションモジュールである。

Claims (13)

1. 乗り物のフロントに取り付けられたヘッドライト用のプロジェクションモジュール（１００）であって、前記モジュール（１００）は、
   電磁放射を発するための少なくとも１つの半導体放射源（１０１）と、
   発せられた放射を反射するリフレクタ（１０３）と、
   反射された放射の少なくとも一部を遮蔽するシェード構造（１０４）と、
   反射されて前記シェード構造（１０４）の脇を通過した放射を所望の放射分布の生成のために前記プロジェクションモジュール（１００）から車両の前方へ投影するための投影レンズ（１０５）と、
   を含み、
   少なくとも１つの前記放射源（１０１）は、前記シェード構造（１０４）の裏面もしくはその近傍に配置されており、
   少なくとも１つの前記放射源（１０１）の主放射方向（１１１）は、前記プロジェクションモジュール（１００）からの放射射出方向（１０９）と反対向きに半空間へ向けられており、
   少なくとも１つの前記放射源（１０１）は冷却体（１０７）と熱工学的に結合されており、前記冷却体（１０７）は前記シェード構造（１０４）の一体的な構成要素であり、
   前記リフレクタは実質的に水平方向の平面（１１２）で上側の部分リフレクタ（１０３ａ）と下側の部分リフレクタ（１０３ｂ）に区分され、
   少なくとも１つの前記放射源（１０１）の下部に、前記モジュール（１００）の全光配分への寄与として利用することができるように、下方へ放射された光を前記上側の部分リフレクタ（１０３ａ）と前記下側の部分リフレクタ（１０３ｂ）に反射する補助リフレクタ（１１５）が配置されている
   ことを特徴とするプロジェクションモジュール。
2. 前記放射は可視光の波長領域にある波長を有していることを特徴とする、請求項１に記載のプロジェクションモジュール。
3. 前記放射は不可視の赤外放射の波長領域にある波長を有していることを特徴とする、請求項１に記載のプロジェクションモジュール。
4. 前記上側の部分リフレクタ（１０３ａ）は前記下側の部分リフレクタ（１０３ｂ）に対して前記プロジェクションモジュール（１００）の前記放射射出方向（１０９）で見て前方に向かってオフセットされた状態で配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のプロジェクションモジュール。
5. 前記リフレクタ（１０３）全体または少なくとも前記部分リフレクタ（１０３ａ，１０３ｂ）のうちの一方は自由曲面リフレクタとして構成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のプロジェクションモジュール。
6. 前記上側の部分リフレクタ（１０３ａ）は放物面として構成されており、前記下側の部分リフレクタ（１０３ｂ）は楕円面として構成されていることを特徴とする、請求項１または４に記載のプロジェクションモジュール。
7. 前記上側の部分リフレクタ（１０３ａ）と前記下側の部分リフレクタ（１０３ｂ）は、前記上側の部分リフレクタ（１０３ａ）の焦点と前記下側の部分リフレクタ（１０３ｂ）の第１の焦点とが少なくとも１つの前記放射源（１０１）の領域に位置するとともに、前記下側の部分リフレクタ（１０３ｂ）の第２の焦点が前記シェード平面（１０４）に位置するように位置決めされていることを特徴とする、請求項６に記載のプロジェクションモジュール。
8. 前記上側の部分リフレクタ（１０３ａ）は前記プロジェクションモジュール（１００）によって生成される放射分布を変えるために前記下側の部分リフレクタ（１０３ｂ）に対して相対的に可動に構成されていることを特徴とする、請求項１または４に記載のプロジェクションモジュール。
9. 前記下側の部分リフレクタ（１０３ｂ）は少なくとも１つの前記放射源（１０１）に対して固定的な関係で配置されていることを特徴とする、請求項８に記載のプロジェクションモジュール。
10. 前記上側の部分リフレクタ（１０３ａ）は前記プロジェクションモジュール（１００）の光学軸に対して横向きに延びる水平方向の旋回軸を中心として前記下側の部分リフレクタ（１０３ｂ）に対して相対的に旋回可能に構成されていることを特徴とする、請求項８または１０に記載のプロジェクションモジュール。
11. 前記上側の部分リフレクタ（１０３ａ）は実質的に水平方向の平面（１１２）で前記下側の部分リフレクタ（１０３ｂ）に対して相対的にスライド可能に構成されていることを特徴とする、請求項８から１０までのいずれか１項に記載のプロジェクションモジュール。
12. 少なくとも１つの前記放射源（１０１）は冷却体（１０７）と熱工学的に結合されており、前記冷却体（１０７）は前記投影レンズ（１０５）を前記リフレクタ（１０３）に取り付けるレンズ保持部（１０６）の一体的な構成要素であることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載のプロジェクションモジュール。
13. 複数の放射源（１０１）に１つのリフレクタ（１０３）または複数の部分リフレクタ（１０３ａ，１０３ｂ）が割り振られていることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項に記載のプロジェクションモジュール。

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