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特許7152511光学素子、それを用いた車両用前照灯ユニット、及び、車両用前照灯装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-03
(45)【発行日】2022-10-12
(54)【発明の名称】光学素子、それを用いた車両用前照灯ユニット、及び、車両用前照灯装置
(51)【国際特許分類】
F21S 41/24 20180101AFI20221004BHJP
F21S 41/143 20180101ALI20221004BHJP
F21S 41/25 20180101ALI20221004BHJP
F21S 41/663 20180101ALI20221004BHJP
F21S 41/153 20180101ALI20221004BHJP
F21W 102/155 20180101ALN20221004BHJP
F21Y 115/10 20160101ALN20221004BHJP
【ＦＩ】
F21S41/24
F21S41/143
F21S41/25
F21S41/663
F21S41/153
F21W102:155
F21Y115:10
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2020558773
(86)(22)【出願日】2018-12-07
(86)【国際出願番号】 JP2018045040
(87)【国際公開番号】W WO2020115887
(87)【国際公開日】2020-06-11
【審査請求日】2021-04-12
(73)【特許権者】
【識別番号】500103199
【氏名又は名称】マクセルフロンティア株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001689
【氏名又は名称】青稜弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】太田 光彦
【審査官】河村 勝也
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－０５５９０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／１２２６２９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０５４２３２０９（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１８４５７８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２１Ｓ ４１／００
Ｆ２１Ｗ １０２／１５５
Ｆ２１Ｙ １１５／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
車両用前照灯装置に用いる光学素子であって、前記光学素子は、複数の発光素子からの出射光を各々伝搬させる複数のロッドと、該複数のロッドと接続し連結する統合部を備えており、
前記複数のロッドのうち照射光が配光の光度ピーク形成に最も大きく寄与するロッドは、他のロッドに比べて指向性が低く、前記統合部の接続箇所から出射光方向の前記統合部の厚さが他のロッドに比べて薄く、前記複数のロッドの前記統合部との接続箇所における水平方向の幅が、照射光が配光の光度ピーク形成に最も大きく寄与するロッドにおいて最小であることを特徴とする光学素子。
【請求項2】
請求項１に記載の光学素子であって、前記複数のロッドのうち照射光が配光の光度ピーク形成に最も大きく寄与するロッドは、他のロッドに比べてテーパが小さいことを特徴とする光学素子。
【請求項3】
請求項１に記載の光学素子であって、前記複数のロッドのうち照射光が配光の光度ピーク形成に最も大きく寄与するロッドは、投射レンズの光軸に最も近いことを特徴とする光学素子。
【請求項4】
複数の発光素子と、光学素子と投射レンズを備える車両用前照灯ユニットであって、
前記光学素子は、前記複数の発光素子からの出射光を各々伝搬させる複数のロッドと、該複数のロッドと接続し連結する統合部を備えており、
前記複数のロッドのうち照射光が配光の光度ピーク形成に最も大きく寄与するロッドは、他のロッドに比べて指向性が低く、前記統合部の接続箇所から出射光方向の前記統合部の厚さが他のロッドに比べて薄く、前記複数のロッドの前記統合部との接続箇所における水平方向の幅が、照射光が配光の光度ピーク形成に最も大きく寄与するロッドにおいて最小であることを特徴とする車両用前照灯ユニット。
【請求項5】
請求項４に記載の車両用前照灯ユニットであって、前記複数のロッドのうち照射光が配光の光度ピーク形成に最も大きく寄与するロッドには、他のロッドに比べてテーパが小さいことを特徴とする車両用前照灯ユニット。
【請求項6】
請求項４に記載の車両用前照灯ユニットであって、前記複数のロッドのうち照射光が配光の光度ピーク形成に最も大きく寄与するロッドは、投射レンズの光軸に最も近いことを特徴とする車両用前照灯ユニット。
【請求項7】
車両用前照灯ユニットと、該車両用前照灯ユニットの光軸調整の制御を行う照射制御部とを有する車両用前照灯装置であって、
前記車両用前照灯ユニットは、複数の発光素子と、光学素子と投射レンズを備え、
前記光学素子は、前記複数の発光素子からの出射光を各々伝搬させる複数のロッドと、該複数のロッドと接続し連結する統合部を備えており、
前記複数のロッドのうち照射光が配光の光度ピーク形成に最も大きく寄与するロッドは、他のロッドに比べて指向性が低く、前記統合部の接続箇所から出射光方向の前記統合部の厚さが他のロッドに比べて薄く、前記複数のロッドの前記統合部との接続箇所における水平方向の幅が、照射光が配光の光度ピーク形成に最も大きく寄与するロッドにおいて最小であることを特徴とする車両用前照灯装置。
【請求項8】
請求項７に記載の車両用前照灯装置であって、
前記複数のロッドのうち照射光が配光の光度ピーク形成に最も大きく寄与するロッドには、他のロッドに比べてテーパが小さいことを特徴とする車両用前照灯装置。
【請求項9】
請求項７に記載の車両用前照灯装置であって、前記複数のロッドのうち照射光が配光の光度ピーク形成に最も大きく寄与するロッドは、投射レンズの光軸に最も近いことを特徴とする車両用前照灯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光学素子、それを用いた車両用前照灯ユニット、及び、車両用前照灯装置に関する。
【背景技術】
【0002】
夜間運転中の車両は運転者の視界が悪いため事故の発生率が高い。そのため、安全上の観点から前照灯の点灯が義務付けられている。前照灯には、すれ違い用前照灯（以下、ロービームと記載）と走行用前照灯（以下、ハイビームと記載）とがあり、照射範囲を分担している。ロービームのみの点灯では視界を十分に確保することが難しいが、一方、ロービームに加えてハイビームを点灯すると対向車や先行車の運転者を眩惑させてしまうことがある。
【0003】
近年、この課題を解決するために、前方の対向車や先行車などの物体を認識し、この認識結果に基づいてハイビームの配光を適切に制御する技術が提案されており、普及しつつある。例えば、前方イメージセンサを用いて取得した画像を利用し、対向車や先行車を検出して、それらに対応する領域にはビームが非照射あるいは減光状態となるようにハイビームを制御する技術が提案されている。このような技術はAdaptive Driving Beam（ＡＤＢ）と呼ばれている。
【0004】
また、配光の一部を遮蔽するシェードを用いずにＡＤＢ対応ハイビームを実現する技術が開発されている。当該技術においては、前照灯ユニットは複数の発光素子と、光学素子と、投射レンズから構成される。光学素子は各発光素子に対応する複数のロッドと当該ロッドを連結する統合部から構成されており、各ロッドには発光素子からの出射光の入射する入射面、入射面と対向する統合部側には出射面が設けられている。各発光素子からの出射光は光学素子の各ロッドの入射面からに入射し光学素子内を伝播し出射面から出射し、投射レンズに入射する。投射レンズに入射した光は投射レンズにより車両の前方に投射されハイビーム配光となる。ＡＤＢ実施の際には各発光素子の点消灯が行われ対応する配光の各エリアは照射・非照射となる。また、当該技術においては1つの前照灯ユニットの中に、前述のＡＤＢ対応ハイビームを実現するための構成部品の他にロービームを実現するための構成部品を配置することが可能である。ロービームを実現するための追加の構成部品はロービーム用の複数の発光素子と、ロービーム用の光学素子である。投射レンズはハイビームを実現する投射レンズと兼用される。ロービーム用の光学素子はハイビーム用の光学素子と同様に、各発光素子に対応する複数のロッドと当該ロッドを連結する統合部から構成されており、各ロッドには発光素子からの出射光の入射する入射面、入射面と対向する統合部側には出射面が設けられている。ロービーム用の各発光素子からの出射光はロービーム用の光学素子の各ロッドの入射面から入射しロービーム用の光学素子内を伝播し出射面から出射し、投射レンズに入射する。投射レンズに入射した光は投射レンズにより車両の前方に投射されロービーム配光となる。以上のようにロービームを実現するための構成および動作はハイビームを実現するための構成および動作と同様であり、大きな差異はＡＤＢ実施のための各発光素子の点消灯が行われない点のみである。
【0005】
本技術分野における背景技術として、例えば特許文献１がある。特許文献１には、車両用前照灯装置であって、ハイビーム用の複数の発光素子と、ハイビーム用の光学素子と、ロービーム用の複数の発光素子と、ロービーム用の光学素子と、投射レンズとを備え、ロービーム用光学素子は、複数の発光素子からの光を伝搬させる複数の導光部と、導光部を一体形状とした光混合部とを備える構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１８－５５９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献１では、発光素子の輝度むら、色むらを低減し、滑らかな配光分布を形成することができる車両用前照灯装置を提供することができるが、配光の水平方向の中心付近に必要な光度のピーク値を確保する点について考慮されておらず、当該発明において配光の水平方向の中心付近に必要な光度のピーク値を確保するためには、例えば、統合部の長さを適当に制限した上で配光の中心付近を形成する発光素子の出力を上げる等が考えられるが、出力には上限があり、また、エネルギー効率が悪いという課題がある。
【0008】
本発明は、上記従来技術の課題に鑑みて為されたものであって、エネルギー効率を高くして配光の光度ピークを形成することが可能な光学素子、それを用いた車両用前照灯ユニット、及び、車両用前照灯装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、その一例を挙げるならば、車両用前照灯装置に用いる光学素子であって、光学素子は、複数の発光素子からの出射光を各々伝搬させる複数のロッドと、複数のロッドと接続し連結する統合部を備えており、複数のロッドのうち照射光が配光の光度ピーク形成に最も大きく寄与するロッドは、他のロッドに比べて指向性が低く、統合部の接続箇所から出射光方向の統合部の厚さが他のロッドに比べて薄くなるように構成する。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、エネルギー効率を高くして配光の光度ピークを形成することが可能な光学素子、それを用いた車両用前照灯ユニット、及び、車両用前照灯装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】実施例における車両用前照灯装置の内部構造を説明する概略断面図である。
【図2A】従来の車両用前照灯装置の前照灯ユニットの概略構成を示した側面図である。
【図2B】従来の車両用前照灯装置の前照灯ユニットの概略構成を示した平面図である。
【図3A】ロービームの理想的な配光パターンを示し、車両前方の角度空間における配光の光度を示す図である。
【図4】従来のロービーム用光学素子と各発光素子の構成例を示す平面図である。
【図6】従来のロービーム用光学素子と各発光素子の別の構成例を示す平面図である。
【図10】ロッドの内部での光線の反射状態を表す図である。
【図11】ロッドのテーパと指向性の関係のシミュレーション結果を示す図である。
【図12】配光中央部を形成するロッドの動作を説明するための図である。
【図16】配光中央部を形成するロッドにおいて他のロッドよりも指向性が低く設定されていても投射レンズの光取込率は低下しない原理説明のための図である。
【図17】実施例におけるロービーム用光学素子と各発光素子の構成例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【実施例】
【0013】
図１は、本実施例における車両用前照灯装置の内部構造を説明する概略断面図である。本実施例の車両用前照灯装置は、車両の前方の車幅方向の左右にそれぞれ１つずつ配置されるが、それぞれ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、以下では片側の車両用前照灯装置の構造について説明する。
【0014】
図１において、車両用前照灯装置１００は、ランプボディ２１２と透光カバー２１４を含む。ランプボディ２１２は、車両前方方向に開口部を有し、後方側には発光素子の交換時等に取り外す着脱カバー２１２ａを有する。そして、ランプボディ２１２の前方の開口部には、透光カバー２１４が接続されて灯室２１６が形成される。灯室２１６には、光を車両前方方向に照射する前照灯ユニット９が収納されている。前照灯ユニット９の一部には、前照灯ユニット９の揺動中心となるピボット機構２１８ａを有するランプブラケット２１８が形成されている。ランプブラケット２１８は、ランプボディ２１２の壁面に回転自在に支持されたエイミング調整ネジ２２０と螺合している。したがって、前照灯ユニット９はエイミング調整ネジ２２０の調整状態で定められた灯室２１６内の所定位置に傾動可能な状態で支持されることになる。
【0015】
また、前照灯ユニット９の下面には、曲線道路走行時等に進行方向を照らす曲線道路用配光可変前照灯（Adaptive Front-Lighting System：ＡＦＳ）などを構成するためのスイブルアクチュエータ３１１の回転軸３１１ａが固定されている。スイブルアクチュエータ３１１は車両側から提供される操舵量のデータやナビゲーションシステムから提供される走行道路の形状データ、対向車や先行車を含む前方車両と自車との相対位置の関係等に基づいて、前照灯ユニット９を、ピボット機構２１８ａを中心として進行方向に旋回（スイブル：swivel）させる。その結果、前照灯ユニット９の照射領域が車両の正面ではなく、曲線道路のカーブの先に向き、運転者の前方視認性が向上する。スイブルアクチュエータ３１１は、例えばステッピングモータで構成することができる。なお、スイブル角度が固定値の場合には、ソレノイドなども利用可能である。
【0016】
また、スイブルアクチュエータ３１１は、ユニットブラケット２２４に固定されている。ユニットブラケット２２４には、ランプボディ２１２の外側に配置されたレベリングアクチュエータ３１３が接続されている。レベリングアクチュエータ３１３は、例えばロッド３１３ａを矢印Ｍ、Ｎ方向に伸縮させるモータなどで構成されている。ロッド３１３ａが矢印Ｍ方向に伸張した場合、前照灯ユニット９はピボット機構２１８ａを中心として、後傾姿勢になるように揺動する。逆にロッド３１３ａが矢印Ｎ方向に短縮した場合、前照灯ユニット９はピボット機構２１８ａを中心として前傾姿勢になるように揺動する。前照灯ユニット９が前傾姿勢になると、光軸を下方に向けるレベリング調整ができる。このようなレベリング調整をすることで、車両姿勢に応じた光軸調整ができる。その結果、車両用前照灯装置１００による前方照射光の到達距離を最適な距離に調整することができる。
【0017】
このレベリング調整は、車両走行中の車両姿勢に応じて実行することもできる。例えば、車両が走行中に加速する場合は車両姿勢は後傾姿勢となり、減速する場合は前傾姿勢となる。したがって、車両用前照灯装置１００の照射方向も車両の姿勢に対応して上下に変動し、前方照射距離が長くなったり短くなったりする。そこで、車両姿勢に基づき前照灯ユニット９のレベリング調整をリアルタイムで実行することで、走行中でも前方照射の到達距離を最適に調整できる。これを「オートレベリング」と称することもある。
【0018】
前照灯ユニット９の下方位置の灯室２１６の内壁面には、前照灯ユニット９の点消灯制御や配光パターンの形成制御を実行する照射制御部３００（制御部）が配置されている。図１の場合、車両用前照灯装置１００を制御するための照射制御部３００が配置されている。この照射制御部３００は、スイブルアクチュエータ３１１、レベリングアクチュエータ３１３等の光軸調整の制御も実行する。なお、車両用前照灯装置１００は左右それぞれの車両用前照灯装置１００に専用の照射制御部３００を有していても良いし、片方の車両用前照灯装置１００に設けられた照射制御部３００が左右それぞれの車両用前照灯装置１００の各アクチュエータの制御や配光パターンの形成制御を一括して制御するようにしても良い。
【0019】
前照灯ユニット９はエイミング調整機構を備えることができる。例えば、レベリングアクチュエータ３１３のロッド３１３ａとユニットブラケット２２４の接続部分に、エイミング調整時の揺動中心となるエイミングピボット機構（図示せず）を配置する。また、ランプブラケット２１８には前述したエイミング調整ネジ２２０が車幅方向に間隔を空けて配置されている。例えば２本のエイミング調整ネジ２２０を反時計回り方向に回転させれば、前照灯ユニット９はエイミングピボット機構を中心に前傾姿勢となり光軸が下方に調整される。同様に２本のエイミング調整ネジ２２０を時計回り方向に回転させれば、前照灯ユニット９はエイミングピボット機構を中心に後傾姿勢となり光軸が上方に調整される。また、車幅方向左側のエイミング調整ネジ２２０を反時計回り方向に回転させれば、前照灯ユニット９はエイミングピボット機構を中心に右旋回姿勢となり右方向に光軸が調整される。また、車幅方向右側のエイミング調整ネジ２２０を反時計回り方向に回転させれば、前照灯ユニット９はエイミングピボット機構を中心に左旋回姿勢となり左方向に光軸が調整される。このエイミング調整は、車両出荷時や車検時、車両用前照灯装置１００の交換時に行われる。そして、車両用前照灯装置１００が設計上定められた姿勢に調整され、この姿勢を基準に本実施例の配光パターンの形成制御が行われる。
【0020】
前照灯ユニット９は、複数の発光素子（ＬＥＤ）４、光学素子３、投射レンズ５、放熱部品６、部品を保持するための構造部品７、発光素子実装基板８を備える。放熱部品６は例えばヒートシンクやファンなどから構成され、構造部品７は前照灯ハウジングなどから構成される。発光素子４から発した光線は光学素子３に入射し、内部を全反射して伝搬する。光学素子３の出射面は投射レンズ５の略焦点距離ｆの位置に配置され、光学素子３の出射面で形成される配光分布は投射レンズ５を通して車両前方に照射される。
【0021】
次に、本実施例の前提となる、従来の車両用前照灯の構成及び機能について説明する。
【0022】
図２Ａ、２Ｂは、それぞれ従来の車両用前照灯装置の前照灯ユニットの概略構成の側面図および平面図である。図２Ａ、２Ｂにおいて、Ｘが水平方向、Ｙが鉛直方向、Ｚが車両の進行方向である。前照灯ユニットはロービーム用光学素子１、ハイビーム用光学素子２、複数の発光素子４および発光素子実装基板８、投射レンズ５から構成されている。ロービーム用光学素子１は図２Ｂに示すように複数の発光素子４にそれぞれ対応した複数のロッド１０a～１０eと当該複数のロッドを統合する統合部１１から構成されている。なお、当該複数のロッドと統合部は同一材質なので光学的に均質である。各ロッドの端面は各発光素子４に面しており、当該面と対向する面は統合部１１と接続している。統合部１１は各ロッドと接続部を介して接続しており、接続部と対向する面は投射レンズ５に面している。ここで各ロッドの発光素子４側の面を入射面、統合部１１の投射レンズ５側の面を出射面と呼ぶ。また、図には示さないがハイビーム用発光素子２も同様の構成である。
【0023】
ロービーム用光学素子１とハイビーム用発光素子２は積み重なるようにして配置されており、それぞれの出射面付近で接している。複数の発光素子４は面発光素子であり、全てが発光素子実装基板８に実装されており、ロービーム用光学素子１およびハイビーム用光学素子２の各ロッドの入射面に対向するように出射面が配置されている。投射レンズ５の光軸はロービーム用光学素子１とハイビーム用光学素子２の接する部分を通る用に設定されている。また投射レンズ５の焦点はロービーム用光学素子１の出射面上およびハイビーム用光学素子２の出射面上に概略位置している。
【0024】
ロービーム配光形成の際の各構成要素の機能は以下の通りである。ロービーム用光学素子１の各ロッドに対応する複数の発光素子４は発光し、放射された光束はロービーム用光学素子１の各ロッド入射面から各ロッドに入射する。ロービーム用光学素子１は各ロッドに入射した光束を内部で伝播させ統合部１１を経て出射面に到達させる。ロービーム用光学素子１の出射面に到達した光はロービーム用光学素子１から出射し投射レンズ５に入射する。投射レンズ５は入射した光束を車両の前方に投射する。ここで投射レンズ５は焦点を含む面の照度を車両前方の空間の光度に変換する機能を有しているので、ロービーム用光学素子１の出射面の照度パターンは車両前方にロービーム配光として形成される。ハイビーム配光形成の際の各構成要素の機能は同様であるが、ハイビームにおいては複数の発光素子４を個別に点消灯することによりＡＤＢを実施する。
【0025】
図２Ｂにおいて、Ｗはロービーム用光学素子１の出射面の幅であり、所望の配光の水平方向の照射範囲に対応した大きさが必要である。限られた個数の各発光素子４で幅Ｗの出射面全体に光束を到達させるために各ロッドは発光素子４側から統合部１１に向かって広がる形状となっている。また、各ロッドの図中θａ～θｅで表すテーパはロービーム用光学素子１の出射面からの出射光束の指向性に影響を与える。出射光束の指向性が低い場合には投射レンズ５の光取込率が低下するのでθａ～θｅは適切に設定する必要がある。ここで述べた設計上の都合はハイビーム用光学素子２についても同様である。
【0026】
図３Ａ、３Ｂは、ロービームの理想的な配光の一例を示す図である。図３Ａは車両前方の角度空間における配光の光度を示す図である。図において横軸は水平方向の角度、縦軸は鉛直方向の角度である。図中には等光度線が示してあり光度は内側ほど高い。水平方向＋２度、鉛直方向－１度付近に光度ピークがあり、ピークから離れるに従って光度は低下する。図３Ｂは図３Ａの鉛直方向－１度付近において水平方向に沿った光度を示す図である。横軸は水平方向の角度、縦軸は光度である。水平方向＋２度付近にピークがありピークから離れるに従って光度は低下する。光度低下の傾きは滑らかに変化している。
【0027】
図４は、ロービーム用光学素子１と各発光素子の構成例を示す平面図である。図４においては各発光素子の符号をそれぞれ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅとしてある。図３Ａ、３Ｂに示したように中央の光度が高い配光の形成を目標として発光素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅの出力比を１：２：４：２：１としている。また、この構成例ではロービーム用光学素子１の各ロッドは投射レンズ５側で接続しているが接続位置と出射面の位置は一致している。即ち統合部１１のＺ方向の長さはゼロである。
【0028】
図５Ａ、５Ｂは、図４に示したロービーム用光学素子1の出射面における照度分布である。図５Ａはロービーム用光学素子1の出射面の２次元的照度分布を表す画像であり、画像の輝度が高いほど照度が高い。図５Ｂはロービーム用光学素子1の出射面の鉛直方向中心付近で水平方向に沿った照度分布を示すグラフであり、横軸が水平位置、縦軸が照度である。図５Ａ、５Ｂに示すように、図４の構成では照度分布に段差があることが分かる。これはロービーム用光学素子１の各ロッドの境界で照度が急激に変わるためである。この照度分布が投射レンズ５により車両前方の輝度分布に変換されると、配光にも段差が発生し運転者に違和感を与えてしまう。
【0029】
図６は、ロービーム用光学素子１と各発光素子の別の従来の構成例を示す平面図である。図６において各発光素子の設定は図４と同じであるがロービーム用光学素子１の構成は異なる。ロービーム用光学素子1の入射面および出射面の位置は図４のロービーム用光学素子１と同じであるが統合部１１のＺ方向の長さがゼロでなく図中tで表す長さに設定されている点が図４のロービーム用光学素子１と異なる。
【0030】
図７Ａ、７Ｂは、図６に示したロービーム用光学素子１の出射面における照度分布である。図の読み方は図５Ａ、５Ｂと同様である。図７Ａ、７Ｂに示すように、図６の構成では照度分布の段差が緩和されて照度低下の傾きが滑らかになっているのが分かる。
【0031】
この理由について図８、図９Ａ、９Ｂを用いて説明する。図８は１つだけのロッドの動作を説明するための図である。図８における光学素子は図６において光学素子の複数のロッドのうち１つのロッドだけを残し（例えばロッド１０ａ）、他のロッドを省略した構成になっている。図中破線はロッド１０の内壁の延長線である。発光素子４から発してロッド１０に進入した光線はロッド１０の内壁により進行角を制限され光学素子内を進行し出射面に到達する。そのため統合部１１がない場合の光線の到達範囲は図中ｄ０の範囲である。これが元々のロッド１０の担当する照射範囲である。しかし、統合部１１を設定したことにより一部の光線はｄ０の外側にも到達できるようになる。このように光線が到達できるようになる範囲を図中ｄ１として示す。
【0032】
図９Ａ、９Ｂは、図８に示した光学素子の出射面における照度分布である。図の読み方は図５Ａ、５Ｂと同様である。図９Ａに示すように、図８の構成では照射範囲の左右の輪郭はぼけており、図９Ｂに示すように照度の傾きとしてはなだらかな傾きになっている。このように統合部１１には各ロッドの担当する照射範囲の輪郭をぼかし照度分布の段差を緩和させる効果がある。これが、図７Ａ、７Ｂにおいて照度分布の段差が緩和された理由である。このように統合部１１は照度分布の段差を緩和する効果があるが、厚さｔが大きすぎると各ロッドの担当する照射範囲が混合してしまい配光分布の強弱がつけられなくなるので厚さｔは所望のぼけ量を得られる値に設定される。
【0033】
従来の構成において、配光のピーク光度を高く設定する方法としては、配光中央部を形成する発光素子４の出力を上げる方法と、配光中央部を形成するロッド１０の担当する照射範囲を狭くすることにより出射面上で単位面積当たりの光量を上げる方法とがある。しかし、発光素子４の出力を上げる方法は、その分発光素子にエネルギーを注入する必要がある。また、配光中央部を形成するロッド１０の担当する照射範囲を狭くする方法では、当該ロッドの担当する照射範囲が狭まる分、他のロッドの担当する照射範囲を広げる必要があり、それでも元々の照度を維持するためには発光素子４の出力を上げる必要があるため結局は余分にエネルギーを注入する必要がある。
【0034】
【0035】
図１０は、本実施例におけるロッド１０の内部での光線の反射状態を表す図である。図１０において、光線の角度の基準をZ軸として反時計回りを正の角度とする。ロッド１０のテーパはθで表す。光線の初期の角度はα０とし、ロッド１０の内側壁面で反射するごとにその角度をα１，α２・・・とし、反射回数をｎとするとαｎは次式で表される。
αｎ＝（－１）ｎ（α０－ｎθ） ・・・（１）
つまり、反射ごとに角度の絶対値がθだけ小さくなる。
αｎ＝（－１）ｎ（α０－ｎθ） ・・・（１）
つまり、反射ごとに角度の絶対値がθだけ小さくなる。
【0036】
ロッド１０に入射する光束は、発光素子４から放射された広がり角の広い光束なので、ランダムな角度の光線が多数入射するものと考えられる。多数の光線のうちロッド１０の内側壁面で反射されない光線は角度の変換を受けることなく出射するが、反射される光線は（１）式の通り角度の変換を受けて出射する。全ての光線を総合して考えると広がりを持ってロッド１０に入射する光束はその広がりを狭められてロッド１０を出射することになる。つまり指向性が向上する。θと指向性向上の効果の関係を考えると、θ＝０では効果はなく、θ＝０から大きくなると暫くは効果が上がり続ける。しかしθがある程度大きくなると光線が反射する確率が減るので効果は減少に転じる。
【0037】
図１１にロッドのモデルを用いた指向性のシミュレーション結果を示す。シミュレーション条件として発光素子はランバート発光、発光素子の面サイズ１ｍｍ×１ｍｍ、発光素子発光面とロッド入射面間の距離０．３ｍｍ、ロッド入射面サイズ１．８ｍｍ×１．８ｍｍ、ロッド長さ４０ｍｍ、ロッド出射面高さ４ｍｍ、ロッド材質の屈折率１．５９としている。図１１に示すように、ロッド出射面幅を変数としてテーパの変更をした結果、この条件ではおよそθ＝１０°で指向性が最高となっている。
【0038】
本実施例において配光中央部を形成するロッド１０の指向性は他のロッドの指向性より低く設定する。例えば、ロッドの設定が上記シミュレーション条件であった場合、配光中央部を形成するロッド１０においてθ＝０°、他のロッドにおいてθ＝１０°とすることにより配光中央部を形成するロッド１０の指向性を他のロッドより低くできる。
【0039】
図１２は配光中央部を形成するロッドの動作を説明するための図である。すなわち、図１２において、配光中央部を形成するロッドの符号を１０ｃとする。また、説明に無関係なロッドは省略してある。また、比較として、配光中央部を形成するロッドでないロッドの動作を説明するために図８を参照する。なお、図１２において、発光素子４の出力と統合部１１の厚さtは、図８と同一としている。
【0040】
図１２においてロッド１０ｃの内壁の延長と光学素子の出射面との交差によりできる領域の幅ｄ０１は、図８においてロッド１０ａの内壁の延長と光学素子の出射面との交差によりできる領域の幅ｄ０より狭く設定されているが、ロッド１０ａよりもロッド１０ｃの方が指向性が低いため、図１２におけるロッド１０ｃから放射される光線の到達範囲ｄ１１は、図８におけるロッド１０ａから放射される光線の到達範囲ｄ１よりも広い。
【0041】
図１３Ａ、１３Ｂは、図１２で示した光学素子の出射面における照度分布をそれぞれ示す。図の読み方は図５Ａ、５Ｂと同様である。図８で示した光学素子の出射面における照度分布を示す図９Ａ、９Ｂと比較すると図１３Ａ、１３Ｂでは照射範囲は広がっており、ピークが低下している。ピークの低下はロッド１０ｃからの放射される光線の発散が大きいため、照度ピーク部に寄与するべき光が外側に逃げてしまったためである。
【0042】
図１４は、図１２における統合部１１の厚さをｔ１（ｔ１＜ｔ）として薄くした構成を示す図である。ロッド１０cの内壁の延長と出射面との交差によりできる領域の幅ｄ０１は図１２におけるｄ０１と等しい。また、ロッドからの放射光線の到達範囲ｄ１１１は図８におけるｄ１と等しくなるように統合部１１の厚さをt１と設定してある。図１５Ａ、１５Ｂは図１４で示した光学素子の出射面における照度分布を示す。図の読み方は図５Ａ、５Ｂと同様である。図９Ａ、９Ｂと比較すると図１５Ａ、１５Ｂでは照射範囲は等しいままピークが向上している。照射範囲が等しいのはｄ１１１＝ｄ１としたためであり、ピークが向上しているのはｄ０１＜ｄ０としたために照射範囲の中央に光を集められたためである。また図１４において統合部１１は図８よりも厚さが薄いが、図１５Ａ、１５Ｂに示すように、ロッド１０ｃの担当する照射範囲の輪郭をぼかす効果は同程度に維持されている。
【0043】
ここで、配光中央部を形成するロッドにおいては他のロッドよりも指向性が低く設定されていても投射レンズ５の光取込率は低下しない。図１６はこの原理を説明するための図である。図１６においてロッド１０cは配光中央部を形成するロッドであり、複数のロッドのうち最も投射レンズ５の光軸近くに配置されている。ロッド１０aは他のロッドの代表であるが、特に最も光軸から離れた位置に配置されたロッドとしてある。図においてφａはロッド１０aからの出射光束の広がり角を表している。ロッド１０aは光軸から離れた位置に配置されているのでφａが図中に示す角度より大きいと一部の光線は投射レンズ５に取り込まれなくなってしまう。φｃはロッド１０cの指向性をロッド１０aと同じに設定した場合の出射光束の広がり角を表しており、φａ＝φｃである。ロッド１０cは光軸近くに設置されているので、もし、指向性が低く設定されてφｃがφｃ１のように大きな角になったとしても投射レンズ５の光取込率は低下しない。そのため、ユニット全体の光利用率を低下させないという条件であっても、ロッド１０cは他のロッドと比較して指向性を低く設定できる。
【0044】
図１７は本実施例におけるロービーム用光学素子１と各発光素子の構成例を示す平面図である。本実施例において複数の発光素子が発光素子実装基板８に実装されている点と投射レンズ５の構成及び機能は従来例と同様である。発光素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅの出力比は１：２：４：２：１としている。各ロッドの符号は１０ａ～１０ｅとしてあり、それぞれ発光素子４ａ～４ｅと対応している。発光素子４ｃおよびロッド１０ｃが配光の中央を形成する発光素子及びロッドである。ロッド１０ｃのパラメータは図１４で示したロッド１０ｃと同一であり、ロッド１０ａ、１０ｂ、１０ｄ、１０ｅのパラメータは図８で示したロッド１０ａと同一である。このためテーパθｃは他のロッドのテーパθａ、θｂ、θｄ、θｅより小さく、ロッド１０ｃの内壁の延長と出射面との交差によりできる領域の幅ｄ０１は他のロッドの内壁の延長と出射面との交差によりできる領域の幅ｄ０より小さい。また統合部１１の厚さはロッド１０ｃの接続する部分と他のロッドの接続する部分において異なっており、ロッド１０ｃの接続する部分の厚さは図１４におけるｔ１、他のロッドの接続する部分においては図８のｔとなっている。
【0045】
【0046】
また、比較として、図６に示した従来の構成におけるロービーム用光学素子１の出射面における照度分布である図７Ａ、７Ｂを参照する。なお、図６では、前述したように、図１７において、ロッド１０ｃのテーパθｃを他のロッドのテーパθａ、θｂ、θｄ、θｅと等しく、ロッド１０ｃの内壁の延長と出射面との交差によりできる領域の幅ｄ０１を他のロッドの内壁の延長と出射面との交差によりできる領域の幅ｄ０と等しく、統合部１１のロッド１０ｃの接続する部分の厚さｔ１を他のロッドの接続する部分の厚さｔと等しく設定している。
【0047】
【0048】
このように本実施例によれば従来の構成と比べてエネルギー効率を高くして光度ピークの高い配光が形成できる。
【0049】
なお、以上の実施例の説明で、ロッドの数は５つとして説明したが、ロッドの数は複数であれば良く、５つ、あるいは奇数に限定するものではない。また、説明において各発光素子４の出力、発光面サイズ、各発光素子４の発光面と各ロッド１０入射面間の距離、各ロッド１０の入射面サイズ、長さ、出射面高さ、屈折率を限定したが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、従来例、実施例とも、ロービーム用光学素子に限定して説明したが、ハイビームにおいてもロービームと同様に配光のピークを形成する要望はあるので、本発明はハイビーム用光学素子に適用して差し支えない。また、従来例、実施例とも、１つの前照灯ユニットでロービームとＡＤＢ対応ハイビームを実現する技術に限定して説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、ロービームとＡＤＢ非対応ハイビームを実現する前照灯ユニットであっても、あるいは、ロービーム単独、ＡＤＢ対応ハイビーム単独、ＡＤＢ非対応ハイビーム単独の前照灯ユニットであっても同様の光学素子を構成要素とする前照灯ユニットであれば適用して差し支えない。
【0050】
また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【0051】
１：ロービーム用光学素子、２：ハイビーム用光学素子、３：光学素子、４：発光素子（ＬＥＤ）、５：投射レンズ、８：発光素子実装基板、９：前照灯ユニット、１０：ロッド、１１：統合部、１００：車両用前照灯装置
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図16】
【図17】
【図18A】
【図18B】