JP6905862B2 - 光学ユニット - Google Patents

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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。
近年、光源から出射した光を車両前方に反射し、その反射光で車両前方の領域を走査することで所定の配光パターンを形成する装置が考案されている。例えば、光源から出射した光を反射しながら回転軸を中心に一方向に回転する回転リフレクタと、発光素子からなる複数の光源と、を備え、回転リフレクタは、回転しながら反射した光源の光が所望の配光パターンを形成するように反射面が設けられている光学ユニットが考案されている（特許文献１）。
特開２０１５−２６６２８号公報
しかしながら、上述の光学ユニットを備えるランプユニットは、ハイビーム用配光パターンを形成するためのものであり、ロービーム用配光パターンを形成するためには別途のランプユニットが必要である。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡易な構成で複数の配光パターンを形成可能な新たな光学ユニットを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の光学ユニットは、光源と、光源から出射した光を反射しながら回転軸を中心に一方向に回転する回転リフレクタと、を備える。回転リフレクタは、回転しながら反射した光源の光を走査することで所望の配光パターンを形成するように反射面が設けられており、光源は、主として水平線より下方の範囲を照射する第１の配光パターンを形成する際に点灯する第１の発光部と、少なくとも水平線より上方の範囲を照射する第２の配光パターンを形成する際に点灯する第２の発光部と、を有する。
この態様によると、光源から出射した光を反射しながら回転軸を中心に一方向に回転する回転リフレクタを用いて、照射範囲が異なる複数の配光パターンを形成できる。また、第１の発光部や第２の発光部は、一つ以上の発光素子を有してもよい。
光源は、第１の配光パターンを形成する際に水平線近傍の自車線側カットオフラインを構成する光を発する第３の発光部を更に有してもよい。第３の発光部は、第１の発光部と第２の発光部との間の領域に配置されていてもよい。これにより、第３の発光部から出射する光を走査しつつ第３の発光部の点消灯を制御することで、自車線側カットオフラインの位置を変更できる。
第１の発光部は、複数の第１の発光素子が所定方向に沿ってジグザグに配置されており、第１の発光素子は、矩形の発光面を有し、該矩形の一辺が所定方向に沿うように配置されており、第２の発光部は、複数の第２の発光素子が所定方向に沿ってジグザグに配置されており、第２の発光素子は、矩形の発光面を有し、該矩形の一辺が所定方向に沿うように配置されており、第３の発光部は、第１の発光素子と第２の発光素子の間に配置された第３の発光素子を有し、該第３の発光素子の矩形の発光面の一辺が所定方向に沿うように配置されていてもよい。これにより、素子間の隙間による暗部が配光パターンに生じにくくなる。
第１の配光パターンを形成する際の第３の発光部の点灯時間が第１の発光部の点灯時間よりも短くなるように、光源の点灯状態を制御する制御部を更に備えてもよい。これにより、例えば、自車線側のカットオフラインの上端だけを高くするといったことが可能となる。
第１の発光部は、第２の配光パターンを形成する際に点灯してもよい。これにより、第１の配光パターンおよび第２の配光パターン以外の新たな配光パターンを実現できる。
回転リフレクタで反射された光を光学ユニットの光照射方向に投影する投影レンズを更に備えてもよい。これにより、光学ユニットの前方に光源像を鮮明に投影できる。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、簡易な構成で複数の配光パターンを形成できる。
本実施の形態に係る車両用前照灯の水平断面図である。 本実施の形態に係る車両用前照灯の正面図である。 本実施の形態に係る回転リフレクタの構成を模式的に示した側面図である。 本実施の形態に係る回転リフレクタの構成を模式的に示した上面図である。 本実施の形態に係る第１の光源を正面から見た場合の模式図である。 図６（ａ）は、点灯した状態の第１の発光部および第３の発光部が静止した回転リフレクタに反射されて前方へ光源像として投影された様子を示す模式図、図６（ｂ）は、回転リフレクタが回転することで図６（ａ）に示す光源像が走査されて形成された第１の配光パターンを示す図である。 図７（ａ）は、点灯した状態の第２の発光部が静止した回転リフレクタに反射されて前方へ光源像として投影された様子を示す模式図、図７（ｂ）は、回転リフレクタが回転することで図７（ａ）に示す光源像が走査されて形成された第２の配光パターンを示す図である。 図８（ａ）は、点灯した状態の第４の発光部が静止した回転リフレクタに反射されて前方へ光源像として投影された様子を示す模式図、図８（ｂ）は、回転リフレクタが回転することで図８（ａ）に示す光源像が走査されて形成された第３の配光パターンを示す図である。 第１の光源および第２の光源の全ての発光素子を点灯し、走査した場合に形成されるハイビーム用配光パターンＰＨ’を示す図である。 本実施の形態に係る車両用前照灯の制御装置を示す図である。 第２の実施の形態に係る車両用前照灯の水平断面図である。
以下、本発明を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全ての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
本発明の光学ユニットは、種々の車両用灯具に用いることができる。以下では、車両用灯具のうち車両用前照灯に本発明の光学ユニットを適用した場合について説明する。
［第１の実施の形態］
（車両用前照灯）
図１は、本実施の形態に係る車両用前照灯の水平断面図である。図２は、本実施の形態に係る車両用前照灯の正面図である。なお、図２においては、一部の部品を省略してある。
本実施の形態に係る車両用前照灯１０は、自動車の前端部の右側に搭載される右側前照灯であり、左側に搭載される前照灯と左右対称である以外は同じ構造である。そのため、以下では、右側の車両用前照灯１０について詳述し、左側の車両用前照灯については説明を省略する。
図１に示すように、車両用前照灯１０は、前方に向かって開口した凹部を有するランプボディ１２を備えている。ランプボディ１２は、その前面開口が透明な前面カバー１４によって覆われて灯室１６が形成されている。灯室１６は、１つの光学ユニット１８が収容される空間として機能する。光学ユニット１８は、可変ハイビームとロービームの両方を照射できるように構成されたランプユニットである。可変ハイビームとは、ハイビーム用の配光パターンの形状を変化させるように制御されているものをいい、例えば、配光パターンの一部に非照射領域（遮光部）を生じさせることができる。
本実施の形態に係る光学ユニット１８は、第１の光源２０と、第１の光源２０から出射した第１の光Ｌ１の光路を変化させて回転リフレクタ２２のブレード２２ａに向かわせる１次光学系（光学部材）としての集光用レンズ２３と、第１の光Ｌ１を反射しながら回転軸Ｒを中心に回転する回転リフレクタ２２と、投影レンズ２４と、第１の光源２０と投影レンズ２４との間に配置された第２の光源２６と、第２の光源２６から出射した第２の光Ｌ２をブレード２２ａに向かわせる１次光学系（光学部材）としての拡散用レンズ２８と、制御部２９と、を備える。
第１の光源２０は、１６個の素子がマトリックス状に配置されている。第２の光源２６は、４個の素子が一列に配置されている。
投影レンズ２４は、回転リフレクタ２２で反射された第１の光Ｌ１を光学ユニットの光照射方向（図１左方向）に集光し投影する集光部２４ａと、回転リフレクタ２２で反射された第２の光Ｌ２を光学ユニットの光照射方向に拡散し投影する拡散部２４ｂと、を備える。これにより、光学ユニット１８の前方に光源像を鮮明に投影できる。
図３は、本実施の形態に係る回転リフレクタの構成を模式的に示した側面図である。図４は、本実施の形態に係る回転リフレクタの構成を模式的に示した上面図である。
回転リフレクタ２２は、モータ３４などの駆動源により回転軸Ｒを中心に一方向に回転する。また、回転リフレクタ２２は、回転しながら反射した各光源の光を走査することで所望の配光パターンを形成するように反射面としてのブレード２２ａが設けられている。つまり、回転リフレクタは、その回転動作により、発光部からの可視光を照射ビームとして出射するものであり、かつ、該照射ビームを走査せしめることによって所望の配光パターンを形成する。
回転リフレクタ２２は、反射面として機能する、形状の同じ２枚のブレード２２ａが筒状の回転部２２ｂの周囲に設けられている。回転リフレクタ２２の回転軸Ｒは、光軸Ａｘに対して斜めになっており、光軸Ａｘと各光源とを含む平面内に設けられている。換言すると、回転軸Ｒは、回転によって左右方向に走査する各光源の光（照射ビーム）の走査平面に略平行に設けられている。これにより、光学ユニットの薄型化が図られる。ここで、走査平面とは、例えば、走査光である各光源の光の軌跡を連続的につなげることで形成される扇形の平面ととらえることができる。
また、回転リフレクタ２２のブレード２２ａの形状は、回転軸Ｒを中心とする周方向に向かうにつれて、光軸Ａｘと反射面とが成す角が変化するように捩られた形状を有している。これにより、図４に示すように第１の光源２０や第２の光源２６の光を用いた走査が可能となる。
各光源には、ＬＥＤ、ＥＬ素子、ＬＤ素子などの半導体発光素子が用いられる。集光部２４ａおよび拡散部２４ｂを有する凸状の投影レンズ２４の形状は、要求される配光パターンや照度分布などの配光特性に応じて適宜選択すればよいが、非球面レンズや自由曲面レンズを用いることも可能である。
制御部２９は、外部からの制御信号に基づいて、第１の光源２０および第２の光源２６の点消灯制御と、モータ３４の回転制御を行う。第１の光源２０は、ヒートシンク３０に搭載され、第２の光源２６は、ヒートシンク３２に搭載されている。
図５は、本実施の形態に係る第１の光源を正面から見た場合の模式図である。なお、図５では、集光用レンズ２３の図示を省略している。また、図５の光源像は、投影レンズ２４によって上下が反転する。
図５に示すように、第１の光源２０は、主として水平線より下方の範囲を照射する第１の配光パターンを形成する際に点灯する第１の発光部３６と、少なくとも水平線より上方の範囲を照射する第２の配光パターンを形成する際に点灯する第２の発光部３８と、第１の配光パターンを形成する際に水平線近傍の自車線側カットオフラインを構成する光を発する第３の発光部４０と、を有する。第３の発光部４０は、第１の発光部３６と第２の発光部３８との間の領域に配置されている。
第１の発光部３６は、５つの第１の発光素子Ｓ１１〜Ｓ１５が水平方向（Ｈ−Ｈ線）に沿ってジグザグ（換言すると、ある素子の鉛直方向の位置が隣接している素子に対して上方または下方にずれている。）に配置されている。第１の発光素子Ｓ１１〜Ｓ１５は、それぞれ矩形の発光面を有し、該矩形の一辺が水平方向に沿うように配置されている。
第２の発光部３８は、９個の第２の発光素子Ｓ２１〜Ｓ２９が水平方向に沿ってジグザグに配置されている。第２の発光素子Ｓ２１〜Ｓ２９は、それぞれ矩形の発光面を有し、該矩形の一辺が水平方向に沿うように配置されている。
第３の発光部４０は、第１の発光素子Ｓ１１〜１５と第２の発光素子Ｓ２１〜Ｓ２９の間に配置された２個の第３の発光素子Ｓ３１〜Ｓ３２を有し、第３の発光素子の矩形の発光面の一辺が水平方向に沿うように配置されている。これにより、素子間の隙間による暗部が配光パターンに生じにくくなる。
なお、各発光素子は、短時間での点消灯制御が容易な半導体発光素子が好適であり、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Device）、ＬＤ（Laser Diode）、ＥＬ（Electroluminescent）素子が挙げられる。
図６（ａ）は、点灯した状態の第１の発光部および第３の発光部が静止した回転リフレクタに反射されて前方へ光源像として投影された様子を示す模式図、図６（ｂ）は、回転リフレクタが回転することで図６（ａ）に示す光源像が走査されて形成された第１の配光パターンを示す図である。
図６（ａ）に示す光源像Ｌ１１〜Ｌ１５は、第１の発光素子Ｓ１１〜Ｓ１５の各発光面に対応したものである。また、光源像Ｌ３１〜Ｌ３２は、第３の発光素子Ｓ３１〜Ｓ３２の各発光面に対応したものである。また、光源像Ｌ１１〜Ｌ１５、Ｌ３１〜Ｌ３２が走査されることで、図６（ｂ）に示す走査パターンＰ１１〜Ｐ１５、Ｐ３１〜Ｐ３２が形成され、各走査パターンが重畳されることで、主として水平線より下方の範囲を照射する第１の配光パターンとしてのロービーム用配光パターンＰＬが形成される。
なお、第３の発光素子Ｓ３１〜Ｓ３２を第１の発光素子Ｓ１１〜Ｓ１５と同様に点灯し続けていると、図６（ｂ）に示すように、ロービーム用配光パターンＰＬにおいて自車線側のカットオフラインＣＬ１だけでなく対向車線側のカットオフラインＣＬ２も水平線より上に形成されてしまう。この場合、対向車の乗員にグレアを与える可能性がある。
そこで、制御部２９は、ロービーム用配光パターンＰＬを形成する際の第３の発光素子Ｓ３１〜Ｓ３２の点灯時間が第１の発光素子Ｓ１１〜Ｓ１５の点灯時間よりも短くなるように、第１の光源２０の点灯状態を制御する。より詳述すると、制御部２９は、第３の発光素子Ｓ３１〜Ｓ３２の光源像Ｌ３１〜Ｌ３２が、図６（ｂ）に示すＶ−Ｖ線の左側領域を通過するタイミングで対応する素子を点灯させ、Ｖ−Ｖ線の右側領域を通過するタイミングで対応する素子を消灯させる。これにより、例えば、自車線側のカットオフラインＣＬ１の上端だけを高くするといったことが可能となる。また、第３の発光素子Ｓ３１〜Ｓ３２から出射する光を走査しつつ第３の発光素子Ｓ３１〜Ｓ３２の点消灯を制御することで、自車線側のカットオフラインＣＬ１の位置（長さ）を変更できる。
図７（ａ）は、点灯した状態の第２の発光部が静止した回転リフレクタに反射されて前方へ光源像として投影された様子を示す模式図、図７（ｂ）は、回転リフレクタが回転することで図７（ａ）に示す光源像が走査されて形成された第２の配光パターンを示す図である。
図７（ａ）に示す光源像Ｌ２１〜Ｌ２９は、第２の発光素子Ｓ２１〜Ｓ２９の各発光面に対応したものである。また、光源像Ｌ２１〜Ｌ２９が走査されることで、図７（ｂ）に示す走査パターンＰ２１〜Ｐ２９が形成され、各走査パターンが重畳されることで、少なくとも水平線より上方の範囲を照射する第２の配光パターンとしてのハイビーム用配光パターンＰＨが形成される。なお、第１の発光部３６は、ハイビーム用配光パターンＰＨを形成する際に点灯してもよい。これにより、ロービーム用配光パターンＰＬとハイビーム用配光パターンＰＨとが重畳された新たな配光パターンを実現できる。
次に、第２の光源２６についても説明する。第２の光源２６から出射した第２の光Ｌ２は、第１の光源２０が出射した第１の光Ｌ１が回転リフレクタ２２のブレードで反射される位置よりも、投影レンズ２４に近い位置で回転リフレクタ２２のブレードに反射される。そのため、広範囲を照射するためには、第２の光源２６から出射した光が広がっている方がよい。そこで、第２の光源２６の発光面の近傍には拡散用レンズ２８が配置されている。これにより、回転リフレクタ２２で反射され、投影レンズ２４の拡散部２４ｂを通過した第２の光Ｌ２による光源像を大きくできる。なお、第２の光源２６は、４つの第４の発光素子Ｓ４１〜Ｓ４４が一列に並んだ第４の発光部４２（図１参照）を有する。
図８（ａ）は、点灯した状態の第４の発光部が静止した回転リフレクタに反射されて前方へ光源像として投影された様子を示す模式図、図８（ｂ）は、回転リフレクタが回転することで図８（ａ）に示す光源像が走査されて形成された第３の配光パターンを示す図である。
図８（ａ）に示す光源像Ｌ４１〜Ｌ４４は、第４の発光素子Ｓ４１〜Ｓ４４の各発光面に対応したものである。また、光源像Ｌ４１〜Ｌ４４が走査されることで、図８（ｂ）に示す走査パターンＰ４１〜Ｐ４４が形成され、各走査パターンが重畳されることで、主として水平線より下方の広い範囲を照射する第３の配光パターンとしての拡散ロービーム用配光パターンＰＬ’が形成される。
図９は、第１の光源および第２の光源の全ての発光素子を点灯し、走査した場合に形成されるハイビーム用配光パターンＰＨ’を示す図である。図９に示すように、第１の配光パターンおよび第２の配光パターン以外の新たな配光パターンを実現できる。
上述のように、本実施の形態に係る光学ユニット１８は、第１の光源２０や第２の光源２６から出射した光を反射しながら回転軸を中心に一方向に回転する回転リフレクタ２２を用いて、照射範囲が異なる複数の配光パターン（ＰＬ、ＰＬ’、ＰＨ、ＰＨ’）を形成できる。
なお、第１の発光部３６と第２の発光部３８は、本実施の形態の第１の光源２０のように、完全に異なる領域として設けられていてもよいが、一部の発光素子や発光領域が重複していてもよい。つまり、第１の配光パターンおよび第２の配光パターンのいずれの場合にも利用される発光素子や発光領域があってもよい。
図１０は、本実施の形態に係る車両用前照灯の制御装置を示す図である。図１０に示すように、本実施の形態に係る車両用前照灯１０の制御装置１００は、車両前方や周囲を撮影するカメラ４４と、車両前方の他車両や歩行者までの距離や存在を検出するレーダ４６と、ドライバにより車両用前照灯の点灯状態や照射モード（ハイビーム用配光パターンやロービーム用配光パターンの選択や自動制御モード等）を制御するスイッチ４８と、操舵状態を検出する検知部５０と、車速センサや加速度センサ等のセンサ５２と、制御部２９と、モータ３４と、第１の光源２０と、第２の光源２６と、を備える。
制御部２９は、カメラ４４、レーダ４６、スイッチ４８、検知部５０およびセンサ５２から取得した情報に基づいて、モータ３４の回転や、第１の光源２０や第２の光源２６が有する第１の発光部３６〜第４の発光部４２における各発光素子の点消灯を制御する。これにより、簡易な構成で複数の配光パターンを形成可能な新たな光学ユニット１８を実現できる。
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態に係る車両用前照灯１０においては、回転リフレクタ２２のブレード２２ａの形状が、回転軸Ｒを中心とする周方向に向かうにつれて、光軸Ａｘと反射面とが成す角が変化するように捩られた形状を有している。一方、第３の実施の形態に係る車両用前照灯１０においては、回転リフレクタとしてポリゴンミラーを用いており、それ以外は第１の実施の形態と実質的な違いはない。したがって、以下の説明においては、回転リフレクタについて詳述し、第１の実施の形態と同じ構成については同じ符号を付して説明を適宜省略する。
図１１は、第２の実施の形態に係る車両用前照灯の水平断面図である。第３の実施の形態に係る車両用前照灯１１０は、前方に向かって開口した凹部を有するランプボディ１２を備えている。ランプボディ１２は、その前面開口が透明な前面カバー１４によって覆われて灯室１６が形成されている。灯室１６は、１つの光学ユニット１１８が収容される空間として機能する。光学ユニット１１８は、可変ハイビームとロービームの両方を照射できるように構成されたランプユニットである。
本実施の形態に係る光学ユニット１１８は、光源２２０と、光源２２０から出射した第１の光Ｌ１の光路を変化させてポリゴンミラー１２２の反射面１２２ａに向かわせる１次光学系（光学部材）としての集光用レンズ２３と、第１の光Ｌ１を反射しながら回転軸Ｒを中心に回転するポリゴンミラー１２２と、投影レンズ１２４と、制御部２９と、を備える。
光源２２０は、複数の素子がマトリックス状に配置されている。投影レンズ１２４は、ポリゴンミラー１２２で反射された第１の光Ｌ１を光学ユニットの光照射方向（図１左方向）に集光し投影する。これにより、光学ユニット１１８の前方に光源像を鮮明に投影できる。
ポリゴンミラー１２２は、モータなどの駆動源により回転軸Ｒを中心に一方向に回転する。また、ポリゴンミラー１２２は、回転しながら反射した各光源の光を走査することで所望の配光パターンを形成するように反射面１２２ａが設けられている。つまり、ポリゴンミラー１２２は、その回転動作により、発光部からの可視光を照射ビームとして出射するものであり、かつ、該照射ビームを走査せしめることによって所望の配光パターンを形成する。
ポリゴンミラー１２２の回転軸Ｒは、光軸Ａｘに対してほぼ垂直になっており、光軸Ａｘと光源２２０とを含む平面と交差するように設けられている。換言すると、回転軸Ｒは、回転によって左右方向に走査する光源の光（照射ビーム）の走査平面と略直交するように設けられている。このようなポリゴンミラー１２２を用いた車両用前照灯１１０においても、前述の各種配光パターンの形成が可能である。
以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
ＣＬ１ カットオフライン、 １０ 車両用前照灯、 １８ 光学ユニット、 ２０ 第１の光源、 ２２ 回転リフレクタ、 ２２ａ ブレード、 ２４ 投影レンズ、 ２９ 制御部、 ３４ モータ、 ３６ 第１の発光部、 ３８ 第２の発光部、 ４０ 第３の発光部、 ４２ 第４の発光部、 １００ 制御装置。

Claims (5)

  1. 光源と、
    光源から出射した光を反射しながら回転軸を中心に一方向に回転する回転リフレクタと、を備え、
    前記回転リフレクタは、
    回転しながら反射した光源の光を走査することで所望の配光パターンを形成するように反射面が設けられており、
    前記光源は、
    主として水平線より下方の範囲を照射する第１の配光パターンを形成する際に点灯する第１の発光部と、
    少なくとも水平線より上方の範囲を照射する第２の配光パターンを形成する際に点灯する第２の発光部と、
    前記第１の配光パターンを形成する際に水平線近傍の自車線側カットオフラインを構成する光を発する第３の発光部と、を有し、
    前記第３の発光部は、前記第１の発光部と前記第２の発光部との間の領域に配置されていることを特徴とする光学ユニット。
  2. 前記第１の発光部は、複数の第１の発光素子が所定方向に沿ってジグザグに配置されており、
    前記第１の発光素子は、矩形の発光面を有し、該矩形の一辺が前記所定方向に沿うように配置されており、
    前記第２の発光部は、複数の第２の発光素子が前記所定方向に沿ってジグザグに配置されており、
    前記第２の発光素子は、矩形の発光面を有し、該矩形の一辺が前記所定方向に沿うように配置されており、
    前記第３の発光部は、前記第１の発光素子と前記第２の発光素子の間に配置された第３の発光素子を有し、該第３の発光素子の矩形の発光面の一辺が前記所定方向に沿うように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
  3. 前記第１の配光パターンを形成する際の前記第３の発光部の点灯時間が前記第１の発光部の点灯時間よりも短くなるように、前記光源の点灯状態を制御する制御部を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光学ユニット。
  4. 前記第１の発光部は、前記第２の配光パターンを形成する際に点灯することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学ユニット。
  5. 前記回転リフレクタで反射された光を光学ユニットの光照射方向に投影する投影レンズを更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学ユニット。
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