車両用前照灯装置
【課題】集光および拡散した配光パターンの形成が可能な車両用前照灯装置を提供する。
【解決手段】車両用前照灯装置１０は、複数の半導体発光素子が互いに間隔をもって配置されている光源１４と、光源から出射した光を車両前方に光源像として投影する投影レンズ１６と、投影レンズ１６の車両前方側に設けられ、光源像の倍率を変化させる倍率変化機構２２と、を備える。複数の半導体発光素子は、投影レンズの焦点よりも前方に配置されていてもよい。
【解決手段】車両用前照灯装置１０は、複数の半導体発光素子が互いに間隔をもって配置されている光源１４と、光源から出射した光を車両前方に光源像として投影する投影レンズ１６と、投影レンズ１６の車両前方側に設けられ、光源像の倍率を変化させる倍率変化機構２２と、を備える。複数の半導体発光素子は、投影レンズの焦点よりも前方に配置されていてもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用前照灯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の半導体発光素子をマトリックス状に配置した光源と、集光レンズとを備え、所定の配光パターンで前方を照射するように構成されている車両用の照明装置が考案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
このような照明装置は、複数の半導体発光素子の一部を選択点灯したり、点灯する際の通電量を制御することで種々の配光パターンを実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２６６６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、車両用前照灯装置は、状況に応じて集光した配光パターンや拡散した配光パターンを形成できるとよい。
【０００６】
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、集光および拡散した配光パターンの形成が可能な車両用前照灯装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の車両用前照灯装置は、複数の半導体発光素子が互いに間隔をもって配置されている光源と、光源から出射した光を車両前方に光源像として投影する投影レンズと、投影レンズの車両前方側に設けられ、光源像の倍率を変化させる倍率変化機構と、を備える。
【０００８】
この態様によると、投影レンズや光源の位置を変えずに光源像の倍率を変えることができる。
【０００９】
複数の半導体発光素子は、投影レンズの焦点よりも前方に配置されていてもよい。これにより、隣接する半導体発光素子の間の暗部が、投影された光源像において目立たなくなる。
【００１０】
半導体発光素子は、その発光面が車両前方を向くように配置されていてもよい。これにより、リフレクタなどの反射部材が必要なくなる。
【００１１】
半導体発光素子は、その発光面が矩形であり、該発光面の辺が車幅方向に対して斜めになるように配置されていてもよい。これにより、斜めのカットオフラインを形成しやすくなる。また、水平方向のカットオフラインをぼかすことができる。
【００１２】
倍率変化機構は、光源像の車幅方向への倍率の変化が上下方向への倍率の変化よりも大きくなるように構成されている光学系であってもよい。これにより、車幅方向の広い範囲を対象とした集光、拡散配光パターンの形成が可能となる。
【００１３】
光学系は、アナモルフィックレンズ系であってもよい。これにより、簡易な構成で集光および拡散した配光パターンの形成が可能となる。
【００１４】
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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、集光および拡散した配光パターンの形成が可能な車両用前照灯装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施の形態に係る車両用前照灯装置の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】光源として複数の半導体発光素子をマトリックス配置した車両用前照灯装置の要部を側方から見た図である。
【図３】図３（ａ）は、本実施の形態に係る光学系における拡散配光パターン形成時の光路を示す模式図、図３（ｂ）は、本実施の形態に係る光学系における集光配光パターン形成時の光路を示す模式図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯装置により形成可能な配光パターンを示す図である。
【図５】複数のＬＥＤチップをマトリックス配置した状態を正面から見た図である。
【図６】図６（ａ）は、焦点から出た光が投影レンズに入射した場合の光路を示す図、図６（ｂ）は、焦点より後方から出た光が投影レンズに入射した場合の光路を示す図、図６（ｃ）は、焦点より前方から出た光が投影レンズに入射した場合の光路を示す図である。
【図７】矩形のＬＥＤチップの各辺を水平方向と平行に配置したマトリックスＬＥＤの配列を示す模式図である。
【図８】本実施の形態の変形例に係る車両用前照灯装置の要部を側方から見た概略構成図である。
【図９】図８に示す光源を正面から見たマトリックスＬＥＤの配列を示す模式図である。
【図１０】図１０（ａ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯装置により形成されるロービーム配光パターンを示す図、図１０（ｂ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯装置により形成されるハイビーム配光パターンを示す図である。
【図１１】本実施の形態に係るマトリックスＬＥＤの一部を拡大した図である。
【図１２】図１２（ａ）、図１２（ｂ）は、実施の形態に係るマトリックスＬＥＤの変形例を説明するための図である。
【図１３】図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、マトリックスＬＥＤにより形成されるスポットビーム状の配光パターンを示す図である。
【図１４】本実施の形態に係る車両用前照灯装置により形成される配光パターンの一例を示す図である。
【図１５】ヘッドライトシステムの概略構成を示すブロック図である。
【図１６】本実施の形態に係るヘッドライトシステムにおける制御の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【００１８】
近年、車両などの前照灯ユニット（ヘッドライト）の光源として、ＬＥＤなどの半導体発光素子を複数用いた装置の開発が進んでいる。図１は、本実施の形態に係る車両用前照灯装置の構成を模式的に示す斜視図である。図２は、光源として複数の半導体発光素子をマトリックス配置した車両用前照灯装置の要部を側方から見た図である。
【００１９】
車両用前照灯装置１０は、複数の半導体発光素子としてのＬＥＤチップ１２が互いに間隔をもって配置されている光源１４と、光源１４から出射した光を車両前方に光源像として投影する投影レンズ１６と、投影レンズの車両前方側に設けられ、光源像の倍率を変化させる倍率変化機構２２と、を備える。
【００２０】
光源１４は、ＬＥＤ回路基板１８およびヒートシンク２０を有する。複数のＬＥＤチップ１２は、投影レンズ１６の焦点Ｆ近傍に配置されている。図２では、投影レンズ１６の焦点Ｆを含み、光軸Ｌと垂直な平面に複数のＬＥＤチップ１２が配置されている。ここで、Ｈは投影レンズの主点、ｆは焦点距離、ｆｂはバックフォーカスを示している。
【００２１】
一般に投射型光学系の配光は、投影レンズの焦点距離、光源像のサイズと倍率により決定される。したがって、レンズの焦点距離や光源サイズなどの光学系パラメータを変更せずに基本配光を拡大したい場合には、その方法は倍率を変更するのみとなる。具体的には、光源の位置を前後させて行う。しかしながら、光源を移動させて倍率を変化させると光源のＬＥＤチップ像が目立つため、他の方法が求められている。
【００２２】
そこで、本実施の形態に係る車両用前照灯装置１０は、光源１４と投影レンズ１６との距離が一定の状態で光源像の倍率を変化させるために、倍率変化機構２２を備えている。
【００２３】
倍率変化機構２２は、投影レンズ１６の前方に配置され、アナモルフィックレンズ系を構成する凹レンズ２４および凸レンズ２６と、凸レンズ２６を光軸Ｌと平行な方向に移動させるアクチュエータ２８と、を備える。凹レンズ２４および凸レンズ２６のうち、投影レンズ１６側に凸レンズ２６が配置されている。凸レンズ２６は、上下方向Ｄ１では厚みが変化せず、水平方向（車幅方向）Ｄ２では厚みが変化する形状である。また、凹レンズ２４も、上下方向Ｄ１では厚みが変化せず、水平方向Ｄ２では厚みが変化する形状である。つまり、凹レンズ２４および凸レンズ２６は、円筒面の一部と同じまたは近似したレンズ面を有する。
【００２４】
凸レンズ２６の四隅にはガイドピン３０が設けられており、１つのガイドピン３０にはスクリュー３０ａが形成されている。アクチュエータ２８は、スクリュー３０ａと噛み合う歯車２８ａを有している。そして、アクチュエータ２８を動作させることで、ガイドピン３０を介して凸レンズ２６が光軸方向に移動する。これにより、凸レンズ２６と凹レンズ２４との間隔が調整される。
【００２５】
なお、光源１４、投影レンズ１６、凸レンズ２６、凹レンズ２４、アクチュエータ２８等の部品を収容する灯体（不図示）を左右方向にスイブルするアクチュエータ３２が車両用前照灯装置１０の下部に設置されている。アクチュエータ３２は、灯体全体を支持する軸３４が固定されているステージ３６を回転駆動する。これにより、車両用前照灯装置１０が照射するビーム全体をスイブルできる。
【００２６】
図３（ａ）は、本実施の形態に係る光学系における拡散配光パターン形成時の光路を示す模式図、図３（ｂ）は、本実施の形態に係る光学系における集光配光パターン形成時の光路を示す模式図である。
【００２７】
車両用前照灯装置として、車速が遅い場合にはより広い範囲を照射すべく拡散配光パターンを形成し、車速が速い場合にはより遠方の範囲まで照射すべく集光配光パターンを形成する構成が求められる。また、通常の車両用前照灯装置においては、上下方向には拡散せずに水平（左右）方向のみに集光、拡散することが望まれる。
【００２８】
そこで、本実施の形態に係る車両用前照灯装置１０は、倍率変化機構２２により凹レンズ２４と凸レンズ２６とのレンズ間隔を変化させることで、集光、拡散配光パターンの形成を行っている。なお、凹レンズ２４および凸レンズ２６の曲率半径Ｒが同一の場合、それらを密着させたときには、凹レンズ２４から出射する光線は平行光線となる。また、凹レンズ２４および凸レンズ２６の曲率半径Ｒが同一でない場合、凸レンズ２６から射出する光線の集光点を凹レンズ２４の焦点位置に一致させれば集光状態となり、その位置よりも凹レンズ２４と凸レンズ２６との間隔を広げれば拡散状態となる。
【００２９】
例えば、図３（ａ）に示すように、アクチュエータ２８により凸レンズ２６を凹レンズ２４から離間させることで、投影レンズ１６を出射したビームは、上下方向での倍率は変化せず、水平方向（車幅方向）Ｄ２のみ拡大される。一方、図３（ａ）に示すように、アクチュエータ２８により凸レンズ２６を凹レンズ２４に近接させることで、投影レンズ１６を出射したビームは、上下方向での倍率は変化せず、水平方向（車幅方向）Ｄ２のみ集光される。なお、倍率変化機構２２は、光源像の上下方向の倍率が等倍よりも大きくなる構成であってもよい。
【００３０】
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯装置により形成可能な配光パターンを示す図である。図４（ａ）に示す配光パターンＰｃは、集光配光パターンを示す。図４（ｂ）に示す配光パターンＰｄは、拡散配光パターンを示す。図４（ｃ）に示す配光パターンＰｓは、集光配光パターンをスイブルした状態の配光パターンを示す。
【００３１】
このように、車両用前照灯装置１０は、投影レンズ１６や光源１４の位置を変えずに光源像の倍率を変えることができ、集光および拡散した配光パターンの形成が可能となる。また、倍率変化機構２２には、光源像の車幅方向への倍率の変化が上下方向への倍率の変化よりも大きくなるように構成されている光学系が好適である。これにより、車幅方向の広い範囲を対象とした集光、拡散配光パターンの形成が可能となる。また、本実施の形態では、光学系としてアナモルフィックレンズ（anamorphic lens）系を採用している。これにより、簡易な構成で集光および拡散した配光パターンの形成が可能となる。なお、光学系としては、アナモルフィックレンズ系に限らず、本願発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の光学系の採用が可能である。
【００３２】
次に、光源の構成や位置に関して、より好ましい形態について説明する。
【００３３】
図５は、複数のＬＥＤチップをマトリックス配置した状態を正面から見た図である。このようにマトリックス配置した複数のＬＥＤチップ（以下、「マトリックスＬＥＤ」と称する。）からなる光源を車両前方に向け、その前方に投影レンズを配置した光学系は、焦点Ｆを含む平面上のＬＥＤチップの輝度分布が前方に投射される。したがって、ＬＥＤチップが複数であればスクリーン上にそのＬＥＤチップ群の輝度分布が投影される。しかしながら、このようなマトリックスＬＥＤを用いたヘッドランプでは以下の点で改善の余地がある。
【００３４】
（１）ＬＥＤチップ間の暗部（図５に示す隙間ｇ１、ｇ２に対応）がスクリーン上で目立つ。このような暗部は、運転者の視認性を部分的に低下させる。例えば、道路前方に衝立があった場合には、そこに矩形の模様が現れる。また、路面に縞模様が現れる場合もある。
【００３５】
（２）ロービーム配光パターンに必要な斜め（４５度）カットオフラインのＺ配光を形成しづらい。また、カットオフライン近傍をぼかせない。
【００３６】
次に、投影レンズによる結像について説明する。図６（ａ）は、焦点から出た光が投影レンズに入射した場合の光路を示す図、図６（ｂ）は、焦点より後方から出た光が投影レンズに入射した場合の光路を示す図、図６（ｃ）は、焦点より前方から出た光が投影レンズに入射した場合の光路を示す図である。
【００３７】
図６（ａ）に示すように、焦点Ｆ上に光源（物体）を設置するとその像は無限遠に結像する。実際の投影レンズの焦点距離は３０〜５０ｍｍ程度であり、この焦点距離と比較すると、結像スクリーンまでの距離（１０ｍまたは２５ｍ）は無限遠といえる。そのため、スクリーン上には光源の輝度分布がほぼそのまま投影され、ＬＥＤチップ間の暗部が目立つ。
【００３８】
また、図６（ｂ）に示すように、焦点Ｆの後側に光源を設置した場合、光源の像は倍率ｂ／ａの実像となるため、依然としてＬＥＤチップ間の暗部は目立つ。
【００３９】
一方、図６（ｃ）に示すように、焦点Ｆの前側に光源を設置した場合、光源の像は虚像となりスクリーンには結像しない。なお、光源を投影レンズに接近させすぎると、投影レンズの機能をなさず、所望の配光も形成することが困難となる。
【００４０】
本発明者は、このような知見に基づいて鋭意検討した結果、マトリックスＬＥＤの輝度ムラを目立たなくさせるためには、焦点より前側で、かつ、極力焦点近傍にＬＥＤチップを配置することで光源の像を虚像とすることが好ましい点に想到した。また、虚像の倍率は極力大きい方がよい点にも想到した。そこで、虚像の倍率を以下に求める。
【００４１】
図６（ｃ）に示すように、物体（光源）と投影レンズとの距離をａ、焦点距離をｆとすると、結像位置（結像距離ｂ）は、近軸光学系の結像式である式（１）で表される。
１／ｆ＝１／ａ−１／ｂ・・・式（１）
【００４２】
ここで、距離ａをｆ／２、２ｆ／３、３ｆ／４、４ｆ／５、９ｆ／１０、１９ｆ／２０としたときの、虚像の結像距離ｂと倍率ｂ／ａを表１に示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
図６（ｃ）に示すように、光源からの射出光線はあたかも虚像位置より出射するように進む。したがって、スクリーン上の輝度分布は倍率が高いほど複数の半導体発光素子（ＬＥＤチップ）が重ね合わさるようになり、スクリーン上のムラが目立たなくなる。
【００４５】
次に、前述のロービーム配光パターンに必要な斜めカットオフラインを形成しづらい点や、カットオフライン近傍をぼかせない点について説明する。図７は、矩形のＬＥＤチップの各辺を水平方向と平行に配置したマトリックスＬＥＤの配列を示す模式図である。
【００４６】
図７に示すマトリックスＬＥＤの場合、点線で囲まれている領域Ｒ１のＬＥＤチップを点灯させ、それ以外のＬＥＤチップを消灯しても、４５度の斜めカットオフラインを有するＺ配光は形成できない。仮に、図７に示すようなＬＥＤチップの配列でＺ配光を実現するためには、更にＬＥＤチップの個数を増加させ、擬似的に斜めカットオフラインを形成する必要がある。しかしながら、そのような場合には、マトリックスＬＥＤのサイズが増大するため、投影レンズの焦点距離を長くする必要があり、結果的に灯具サイズの拡大を招く。そこで、発明者は、これらの問題を鋭意検討し、後述するレイアウトのマトリックスＬＥＤを採用することに想到した。
【００４７】
そこで、前述の車両用前照灯装置における光源の位置やＬＥＤチップの配列を更に改良した変形例の構成について以下に説明する。
【００４８】
図８は、本実施の形態の変形例に係る車両用前照灯装置１０の要部を側方から見た概略構成図である。図８に示す光源１４では、複数のＬＥＤチップ１２は、投影レンズ１６の焦点Ｆよりも前方に配置されている。
【００４９】
したがって、本実施の形態に係る車両用前照灯装置１０においては、前述のように、光源像が虚像として前方に投影されるため、隣接するＬＥＤチップ１２の間の暗部が、投影された光源像において目立たなくなる。なお、複数のＬＥＤチップ１２は、その発光面が車両前方を向くように配置されている。これにより、リフレクタなどの反射部材が必要なくなる。
【００５０】
図９は、図８に示す光源を正面から見たマトリックスＬＥＤの配列を示す模式図である。図９に示すマトリックスＬＥＤでは、発光面が矩形のＬＥＤチップの各辺が水平方向（車幅方向）に対して斜め（水平に対して４５度）になるように各ＬＥＤチップが配置されている。
【００５１】
このようなマトリックスＬＥＤの場合、点線で囲まれている領域Ｒ２のＬＥＤチップを点灯させ、それ以外のＬＥＤチップを消灯すると、点灯しているＬＥＤチップ１２ａ〜１２ｃによって、明瞭な４５度の斜めカットオフラインが形成される。また、点灯しているＬＥＤチップの領域Ｒ２の上縁は、ノコギリ歯形状となっているため、水平方向のカットオフラインをぼかすことができる。
【００５２】
図１０（ａ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯装置により形成されるロービーム配光パターンを示す図、図１０（ｂ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯装置により形成されるハイビーム配光パターンを示す図である。図９に示すマトリックスＬＥＤのうち、領域Ｒ２に配置されているＬＥＤチップを点灯することで、図１０（ａ）に示すように、マトリックスＬＥＤからなる光源によって、Ｚ配光のロービーム配光パターンＰＬが形成される。また、図９に示すマトリックスＬＥＤの全てを点灯することで、図１０（ｂ）に示すハイビーム配光パターンＰＨが形成される。
【００５３】
次に、ＬＥＤチップの大きさと各ＬＥＤチップ間の間隔とに応じた適切な虚像の倍率について説明する。図１１は、本実施の形態に係るマトリックスＬＥＤの一部を拡大した図である。図１１で、ＷはＬＥＤチップのサイズ、Ｐは近接するＬＥＤチップのピッチ間隔、ＰｈはＬＥＤチップの水平方向のピッチ間隔、ＰｖはＬＥＤチップの垂直方向のピッチ間隔である。
【００５４】
この場合、虚像の倍率は、少なくともＰ／Ｗ倍が必要である。例えば、チップサイズＷが１ｍｍ□、ピッチ３ｍｍとすればＰ／Ｗ＝３であり、投影レンズによる結像倍率は少なくとも３倍必要である。それを実現する物体位置（距離）は、表１より２ｆ／３となる。
【００５５】
したがって、ＬＥＤチップは、投影レンズより焦点距離ｆの２／３の位置から焦点Ｆの位置の間に設置する必要がある。しかし、焦点Ｆ上にＬＥＤチップを設置するとスクリーン上には輝度ムラが目立ち始める。
【００５６】
そこで、ＬＥＤチップは、投影レンズ１６の焦点距離をｆ［ｍｍ］、ＬＥＤチップの発光面の一辺をＷ［ｍｍ］、一のＬＥＤチップと隣接している他のＬＥＤチップとのピッチをＰ［ｍｍ］とすると、ＬＥＤチップと投影レンズ１６との距離が（（Ｐ−Ｗ）／Ｐ）×ｆ以上となるように配置されているとよい。
【００５７】
なお、Ｐ／Ｗ＝３の場合、ＬＥＤチップの設置誤差Ｓも含めて考えれば、ＬＥＤチップ位置は投影レンズより２ｆ／３からｆ−Ｓまでの間に設置すればよい。実際には、量産性を考慮し実際のＰ／Ｗより大きな倍率となるような位置に光源を設置するとよい。また、設置誤差Ｓは、製造精度の標準偏差σを考慮して適宜に設定すればよい。
【００５８】
上述のように、マトリックスＬＥＤは投影レンズの焦点位置Ｆより前方（投影レンズ側）に設置するとよい。マトリックスＬＥＤの設置範囲は、ＬＥＤチップサイズをＷ、ピッチ（チップの設置間隔）をＰとしたとき、投影レンズによる虚像の倍率がＰ／Ｗより大きく、５０倍より小さな倍率の位置（ｆ＝５０のとき、ａ＝４９）の範囲が好ましい。
【００５９】
詳述すると、ＬＥＤチップは、投影レンズ１６の焦点距離をｆ［ｍｍ］とすると、ＬＥＤチップ１２と投影レンズ１６との距離が０．９８ｆ以下となるように配置されているとよい。これにより、マトリックスＬＥＤのチップ間の暗部を目立たなくすることができる。なお、マトリックスＬＥＤにおいて、隣接するＬＥＤチップまでの間隔が縦方向と横方向とで異なる場合、ピッチ間隔Ｐは広い（Ｐが大きい）方で設定する。
【００６０】
なお、マトリックスＬＥＤは、ＬＥＤチップの水平方向のピッチ間隔Ｐｈが、垂直方向ピッチ間隔Ｐｖ以上であるとよい。これにより、Ｚ配光形状を更に明瞭にすることができる。また、鉛直方向に光束密度を高めることができることから、ヘッドライトに適した横長の配光パターンが形成しやすくなる。
【００６１】
このように、本実施の形態に係る車両用前照灯装置１０は、光源にマトリックスＬＥＤを採用した投影型のヘッドランプであり、前方監視センサからの前方車両の存在状況に基づいて、マトリックスＬＥＤの点灯部位若しくは点灯電流を設定することが可能であり、一般的なロービーム用配光パターンやハイビーム用配光パターンに加えて、様々な配光パターンの実現が可能である。
【００６２】
次に、マトリックスＬＥＤを使用した配光可変型ヘッドランプシステムの変形例について説明する。図１２（ａ）、図１２（ｂ）は、実施の形態に係るマトリックスＬＥＤの変形例を説明するための図である。図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、マトリックスＬＥＤにより形成されるスポットビーム状の配光パターンを示す図である。
【００６３】
図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示すように、変形例に係るマトリックスＬＥＤは、ＬＥＤチップを４〜１０個程度使用する。例えば、マトリックスＬＥＤは、図１２（ａ）に示すように配列され、スポットビーム状の配光パターンを形成するように構成されている。この場合、図１３（ａ）に示すような矩形のスポットビーム状の配光パターンＰ１となる。この配光パターンＰ１を、図１３（ｂ）に示すように、曲路で水平方向に移動させてもよい。
【００６４】
また、マトリックスＬＥＤは、図１２（ｂ）に示すように一部のＬＥＤチップ１２ｄが菱形配置となるように配列され、スポットビーム状の配光パターンを形成するように構成されていてもよい。この場合、図１３（ｃ）に示すような横長楕円のスポットビーム状の配光パターンＰ２が形成しやすくなる。
【００６５】
図１４は、本実施の形態に係る車両用前照灯装置により形成される配光パターンの一例を示す図である。本実施の形態に係る車両用前照灯装置１０は、図１４に示すように、一部の領域Ｒ３を照射しない配光パターンＰＨ’を形成することができる。これにより、前方車両にグレアを与えないようにしながら、車両前方の視認性を確保することができる。
【００６６】
（制御システム構成）
次に、ヘッドライトの制御システムの構成について説明する。図１５は、ヘッドライトシステムの概略構成を示すブロック図である。
【００６７】
ヘッドライトシステム１００は、左右それぞれの車両用前照灯装置１０、配光制御ＥＣＵ１０２、前方監視ＥＣＵ１０４等を備えている。車両用前照灯装置１０は、前述のようにマトリックスＬＥＤからなる光源１４と、投影レンズ１６と、それらを収容する灯体とを有する。また、各車両用前照灯装置１０には、凸レンズ２６の移動や灯体をスイブルする駆動装置（ＡＣＴ）１０６が接続されている。駆動装置１０６は、前述のアクチュエータ２８やアクチュエータ３２が相当する。
【００６８】
前方監視ＥＣＵ１０４は、車載カメラ１０８、レーダ１１０、車速センサ１１２などの各種センサが接続されている。前方監視ＥＣＵ１０４は、センサから取得した撮像データを画像処理し、前方車両（対向車や先行車）やその他の路上光輝物体、そして区画線（レーンマーク）を検出し、それらの属性や位置など配光制御に必要なデータを算出する。算出されたデータは、車内ＬＡＮなどを介して配光制御ＥＣＵ１０２や各種車載機器に発信される。
【００６９】
配光制御ＥＣＵ１０２は、車速センサ１１２、舵角センサ１１４、ＧＰＳナビゲーション１１６、ヘッドランプスイッチ１１８などが接続されている。配光制御ＥＣＵ１０２は、前方監視ＥＣＵ１０４から送出されてくる路上光輝物体の属性（対向車、先行車、反射器、道路照明）、その位置（前方、側方）と車速に基づいて、その走行場面に対応した配光パターンを決定する。例えば、配光制御ＥＣＵ１０２は、形成すべき配光パターンとして、車速が速い場合は集光配光パターンを、車速が低い場合は拡散配光パターンを決定する。そして、配光制御ＥＣＵ１０２は、その配光パターンを実現するために必要な配光可変ヘッドランプの制御量を決定する。ここで、制御量は、例えば、上下・左右ビーム移動量、マスキング部分（遮光領域）の位置と範囲、凸レンズ２６の移動量などである。
【００７０】
また、配光制御ＥＣＵ１０２は、駆動装置１０６や、マトリックスＬＥＤの各ＬＥＤチップの制御内容（点消灯、投入電力など）を決定する。なお、駆動装置１０６には、配光可変ランプユニットを上下・左右方向などに駆動するメカ式の駆動装置を用いることができる。ドライバ１２０は、配光制御ＥＣＵ１０２からの制御量の情報を、駆動装置１０６や配光制御素子の動作に対応した命令に変換すると共にそれらを制御する。
【００７１】
（制御フローチャート）
図１６は、本実施の形態に係るヘッドライトシステムにおける制御の一例を示すフローチャートである。
【００７２】
図１６に示す処理は、ヘッドランプスイッチなどにより選択された場合や、各種センサの情報に基づいて所定の状況（夜間走行やトンネル内走行）が認識された場合に、所定の間隔で繰り返し実行される。
【００７３】
はじめに、配光制御ＥＣＵ１０２や前方監視ＥＣＵ１０４は、カメラや各種センサ、スイッチなどから必要なデータを取得する（Ｓ１０）。データは、例えば、車両前方の画像、車速、車間距離、走路の形状、ハンドルの舵角、ヘッドランプスイッチにより選択されている配光パターンなどのデータである。
【００７４】
前方監視ＥＣＵ１０４は、取得したデータに基づいてデータ処理１を行う（Ｓ１２）。データ処理１により、車両前方の光輝物体の属性（信号灯、照明灯、デリニエータなど）や、車両の属性（対向車、先行車）、車速、車間距離、輝物体の輝度、道路形状（車線幅、直線路、曲路）などのデータが算出される。
【００７５】
次に、配光制御ＥＣＵ１０２は、データ処理１で算出されたデータに基づいてデータ処理２を行い（Ｓ１４）、適切な配光パターンを選択する。選択される制御配光パターンは、例えば、ロービーム用配光パターン、ハイビーム用配光パターン、ＡＤＢ（Adaptive Driving Beam）、集光配光パターン、拡散配光パターンなどである。また、選択された配光パターンに応じて、ＬＥＤチップの点消灯や投入電力の制御量が決定される。
【００７６】
なお、ＡＤＢが選択された場合（Ｓ１６のＹｅｓ）、配光制御ＥＣＵ１０２によりデータ処理３が行われる（Ｓ１８）。データ処理３では、例えば、ＡＤＢ制御による照明エリアや遮光エリア、照明光量、照射方向が決定される。また、これらの情報に加えてデータ処理１で算出されたデータに基づいてＡＦＳ（Adaptive Front-Lighting System）制御も可能である。ＡＦＳ制御とは、曲路や走行地域（市街地、郊外、高速道路）、天候に応じて配光を制御するものである。なお、ＡＤＢが選択されていない場合（Ｓ１６のＮｏ）、ステップＳ１８はスキップされる。
【００７７】
次に、配光制御ＥＣＵ１０２は、データ処理４においてドライバ用にデータを変換し（Ｓ２０）、配光制御素子やアクチュエータ（ＡＣＴ）を駆動する（Ｓ２２）ことで、ＡＤＢ制御やスイブル制御を行う。
【００７８】
以上、本発明を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。
【符号の説明】
【００７９】
１０ 車両用前照灯装置、 １２ ＬＥＤチップ、 １４ 光源、 １６ 投影レンズ、 ２２ 倍率変化機構、 ２４ 凹レンズ、 ２６ 凸レンズ、 ２８ アクチュエータ、 ２８ａ 歯車、 ３０ ガイドピン、 ３０ａ スクリュー、 ３２ アクチュエータ、 １００ ヘッドライトシステム、 １０２ 配光制御ＥＣＵ、 １０４ 前方監視ＥＣＵ、 １０６ 駆動装置、 １０８ 車載カメラ、 １１０ レーダ、 １１２ 車速センサ、 １１４ 舵角センサ、 １１６ ＧＰＳナビゲーション、 １１８ ヘッドランプスイッチ、 １２０ ドライバ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用前照灯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の半導体発光素子をマトリックス状に配置した光源と、集光レンズとを備え、所定の配光パターンで前方を照射するように構成されている車両用の照明装置が考案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
このような照明装置は、複数の半導体発光素子の一部を選択点灯したり、点灯する際の通電量を制御することで種々の配光パターンを実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２６６６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、車両用前照灯装置は、状況に応じて集光した配光パターンや拡散した配光パターンを形成できるとよい。
【０００６】
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、集光および拡散した配光パターンの形成が可能な車両用前照灯装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の車両用前照灯装置は、複数の半導体発光素子が互いに間隔をもって配置されている光源と、光源から出射した光を車両前方に光源像として投影する投影レンズと、投影レンズの車両前方側に設けられ、光源像の倍率を変化させる倍率変化機構と、を備える。
【０００８】
この態様によると、投影レンズや光源の位置を変えずに光源像の倍率を変えることができる。
【０００９】
複数の半導体発光素子は、投影レンズの焦点よりも前方に配置されていてもよい。これにより、隣接する半導体発光素子の間の暗部が、投影された光源像において目立たなくなる。
【００１０】
半導体発光素子は、その発光面が車両前方を向くように配置されていてもよい。これにより、リフレクタなどの反射部材が必要なくなる。
【００１１】
半導体発光素子は、その発光面が矩形であり、該発光面の辺が車幅方向に対して斜めになるように配置されていてもよい。これにより、斜めのカットオフラインを形成しやすくなる。また、水平方向のカットオフラインをぼかすことができる。
【００１２】
倍率変化機構は、光源像の車幅方向への倍率の変化が上下方向への倍率の変化よりも大きくなるように構成されている光学系であってもよい。これにより、車幅方向の広い範囲を対象とした集光、拡散配光パターンの形成が可能となる。
【００１３】
光学系は、アナモルフィックレンズ系であってもよい。これにより、簡易な構成で集光および拡散した配光パターンの形成が可能となる。
【００１４】
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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、集光および拡散した配光パターンの形成が可能な車両用前照灯装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施の形態に係る車両用前照灯装置の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】光源として複数の半導体発光素子をマトリックス配置した車両用前照灯装置の要部を側方から見た図である。
【図３】図３（ａ）は、本実施の形態に係る光学系における拡散配光パターン形成時の光路を示す模式図、図３（ｂ）は、本実施の形態に係る光学系における集光配光パターン形成時の光路を示す模式図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯装置により形成可能な配光パターンを示す図である。
【図５】複数のＬＥＤチップをマトリックス配置した状態を正面から見た図である。
【図６】図６（ａ）は、焦点から出た光が投影レンズに入射した場合の光路を示す図、図６（ｂ）は、焦点より後方から出た光が投影レンズに入射した場合の光路を示す図、図６（ｃ）は、焦点より前方から出た光が投影レンズに入射した場合の光路を示す図である。
【図７】矩形のＬＥＤチップの各辺を水平方向と平行に配置したマトリックスＬＥＤの配列を示す模式図である。
【図８】本実施の形態の変形例に係る車両用前照灯装置の要部を側方から見た概略構成図である。
【図９】図８に示す光源を正面から見たマトリックスＬＥＤの配列を示す模式図である。
【図１０】図１０（ａ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯装置により形成されるロービーム配光パターンを示す図、図１０（ｂ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯装置により形成されるハイビーム配光パターンを示す図である。
【図１１】本実施の形態に係るマトリックスＬＥＤの一部を拡大した図である。
【図１２】図１２（ａ）、図１２（ｂ）は、実施の形態に係るマトリックスＬＥＤの変形例を説明するための図である。
【図１３】図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、マトリックスＬＥＤにより形成されるスポットビーム状の配光パターンを示す図である。
【図１４】本実施の形態に係る車両用前照灯装置により形成される配光パターンの一例を示す図である。
【図１５】ヘッドライトシステムの概略構成を示すブロック図である。
【図１６】本実施の形態に係るヘッドライトシステムにおける制御の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【００１８】
近年、車両などの前照灯ユニット（ヘッドライト）の光源として、ＬＥＤなどの半導体発光素子を複数用いた装置の開発が進んでいる。図１は、本実施の形態に係る車両用前照灯装置の構成を模式的に示す斜視図である。図２は、光源として複数の半導体発光素子をマトリックス配置した車両用前照灯装置の要部を側方から見た図である。
【００１９】
車両用前照灯装置１０は、複数の半導体発光素子としてのＬＥＤチップ１２が互いに間隔をもって配置されている光源１４と、光源１４から出射した光を車両前方に光源像として投影する投影レンズ１６と、投影レンズの車両前方側に設けられ、光源像の倍率を変化させる倍率変化機構２２と、を備える。
【００２０】
光源１４は、ＬＥＤ回路基板１８およびヒートシンク２０を有する。複数のＬＥＤチップ１２は、投影レンズ１６の焦点Ｆ近傍に配置されている。図２では、投影レンズ１６の焦点Ｆを含み、光軸Ｌと垂直な平面に複数のＬＥＤチップ１２が配置されている。ここで、Ｈは投影レンズの主点、ｆは焦点距離、ｆｂはバックフォーカスを示している。
【００２１】
一般に投射型光学系の配光は、投影レンズの焦点距離、光源像のサイズと倍率により決定される。したがって、レンズの焦点距離や光源サイズなどの光学系パラメータを変更せずに基本配光を拡大したい場合には、その方法は倍率を変更するのみとなる。具体的には、光源の位置を前後させて行う。しかしながら、光源を移動させて倍率を変化させると光源のＬＥＤチップ像が目立つため、他の方法が求められている。
【００２２】
そこで、本実施の形態に係る車両用前照灯装置１０は、光源１４と投影レンズ１６との距離が一定の状態で光源像の倍率を変化させるために、倍率変化機構２２を備えている。
【００２３】
倍率変化機構２２は、投影レンズ１６の前方に配置され、アナモルフィックレンズ系を構成する凹レンズ２４および凸レンズ２６と、凸レンズ２６を光軸Ｌと平行な方向に移動させるアクチュエータ２８と、を備える。凹レンズ２４および凸レンズ２６のうち、投影レンズ１６側に凸レンズ２６が配置されている。凸レンズ２６は、上下方向Ｄ１では厚みが変化せず、水平方向（車幅方向）Ｄ２では厚みが変化する形状である。また、凹レンズ２４も、上下方向Ｄ１では厚みが変化せず、水平方向Ｄ２では厚みが変化する形状である。つまり、凹レンズ２４および凸レンズ２６は、円筒面の一部と同じまたは近似したレンズ面を有する。
【００２４】
凸レンズ２６の四隅にはガイドピン３０が設けられており、１つのガイドピン３０にはスクリュー３０ａが形成されている。アクチュエータ２８は、スクリュー３０ａと噛み合う歯車２８ａを有している。そして、アクチュエータ２８を動作させることで、ガイドピン３０を介して凸レンズ２６が光軸方向に移動する。これにより、凸レンズ２６と凹レンズ２４との間隔が調整される。
【００２５】
なお、光源１４、投影レンズ１６、凸レンズ２６、凹レンズ２４、アクチュエータ２８等の部品を収容する灯体（不図示）を左右方向にスイブルするアクチュエータ３２が車両用前照灯装置１０の下部に設置されている。アクチュエータ３２は、灯体全体を支持する軸３４が固定されているステージ３６を回転駆動する。これにより、車両用前照灯装置１０が照射するビーム全体をスイブルできる。
【００２６】
図３（ａ）は、本実施の形態に係る光学系における拡散配光パターン形成時の光路を示す模式図、図３（ｂ）は、本実施の形態に係る光学系における集光配光パターン形成時の光路を示す模式図である。
【００２７】
車両用前照灯装置として、車速が遅い場合にはより広い範囲を照射すべく拡散配光パターンを形成し、車速が速い場合にはより遠方の範囲まで照射すべく集光配光パターンを形成する構成が求められる。また、通常の車両用前照灯装置においては、上下方向には拡散せずに水平（左右）方向のみに集光、拡散することが望まれる。
【００２８】
そこで、本実施の形態に係る車両用前照灯装置１０は、倍率変化機構２２により凹レンズ２４と凸レンズ２６とのレンズ間隔を変化させることで、集光、拡散配光パターンの形成を行っている。なお、凹レンズ２４および凸レンズ２６の曲率半径Ｒが同一の場合、それらを密着させたときには、凹レンズ２４から出射する光線は平行光線となる。また、凹レンズ２４および凸レンズ２６の曲率半径Ｒが同一でない場合、凸レンズ２６から射出する光線の集光点を凹レンズ２４の焦点位置に一致させれば集光状態となり、その位置よりも凹レンズ２４と凸レンズ２６との間隔を広げれば拡散状態となる。
【００２９】
例えば、図３（ａ）に示すように、アクチュエータ２８により凸レンズ２６を凹レンズ２４から離間させることで、投影レンズ１６を出射したビームは、上下方向での倍率は変化せず、水平方向（車幅方向）Ｄ２のみ拡大される。一方、図３（ａ）に示すように、アクチュエータ２８により凸レンズ２６を凹レンズ２４に近接させることで、投影レンズ１６を出射したビームは、上下方向での倍率は変化せず、水平方向（車幅方向）Ｄ２のみ集光される。なお、倍率変化機構２２は、光源像の上下方向の倍率が等倍よりも大きくなる構成であってもよい。
【００３０】
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯装置により形成可能な配光パターンを示す図である。図４（ａ）に示す配光パターンＰｃは、集光配光パターンを示す。図４（ｂ）に示す配光パターンＰｄは、拡散配光パターンを示す。図４（ｃ）に示す配光パターンＰｓは、集光配光パターンをスイブルした状態の配光パターンを示す。
【００３１】
このように、車両用前照灯装置１０は、投影レンズ１６や光源１４の位置を変えずに光源像の倍率を変えることができ、集光および拡散した配光パターンの形成が可能となる。また、倍率変化機構２２には、光源像の車幅方向への倍率の変化が上下方向への倍率の変化よりも大きくなるように構成されている光学系が好適である。これにより、車幅方向の広い範囲を対象とした集光、拡散配光パターンの形成が可能となる。また、本実施の形態では、光学系としてアナモルフィックレンズ（anamorphic lens）系を採用している。これにより、簡易な構成で集光および拡散した配光パターンの形成が可能となる。なお、光学系としては、アナモルフィックレンズ系に限らず、本願発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の光学系の採用が可能である。
【００３２】
次に、光源の構成や位置に関して、より好ましい形態について説明する。
【００３３】
図５は、複数のＬＥＤチップをマトリックス配置した状態を正面から見た図である。このようにマトリックス配置した複数のＬＥＤチップ（以下、「マトリックスＬＥＤ」と称する。）からなる光源を車両前方に向け、その前方に投影レンズを配置した光学系は、焦点Ｆを含む平面上のＬＥＤチップの輝度分布が前方に投射される。したがって、ＬＥＤチップが複数であればスクリーン上にそのＬＥＤチップ群の輝度分布が投影される。しかしながら、このようなマトリックスＬＥＤを用いたヘッドランプでは以下の点で改善の余地がある。
【００３４】
（１）ＬＥＤチップ間の暗部（図５に示す隙間ｇ１、ｇ２に対応）がスクリーン上で目立つ。このような暗部は、運転者の視認性を部分的に低下させる。例えば、道路前方に衝立があった場合には、そこに矩形の模様が現れる。また、路面に縞模様が現れる場合もある。
【００３５】
（２）ロービーム配光パターンに必要な斜め（４５度）カットオフラインのＺ配光を形成しづらい。また、カットオフライン近傍をぼかせない。
【００３６】
次に、投影レンズによる結像について説明する。図６（ａ）は、焦点から出た光が投影レンズに入射した場合の光路を示す図、図６（ｂ）は、焦点より後方から出た光が投影レンズに入射した場合の光路を示す図、図６（ｃ）は、焦点より前方から出た光が投影レンズに入射した場合の光路を示す図である。
【００３７】
図６（ａ）に示すように、焦点Ｆ上に光源（物体）を設置するとその像は無限遠に結像する。実際の投影レンズの焦点距離は３０〜５０ｍｍ程度であり、この焦点距離と比較すると、結像スクリーンまでの距離（１０ｍまたは２５ｍ）は無限遠といえる。そのため、スクリーン上には光源の輝度分布がほぼそのまま投影され、ＬＥＤチップ間の暗部が目立つ。
【００３８】
また、図６（ｂ）に示すように、焦点Ｆの後側に光源を設置した場合、光源の像は倍率ｂ／ａの実像となるため、依然としてＬＥＤチップ間の暗部は目立つ。
【００３９】
一方、図６（ｃ）に示すように、焦点Ｆの前側に光源を設置した場合、光源の像は虚像となりスクリーンには結像しない。なお、光源を投影レンズに接近させすぎると、投影レンズの機能をなさず、所望の配光も形成することが困難となる。
【００４０】
本発明者は、このような知見に基づいて鋭意検討した結果、マトリックスＬＥＤの輝度ムラを目立たなくさせるためには、焦点より前側で、かつ、極力焦点近傍にＬＥＤチップを配置することで光源の像を虚像とすることが好ましい点に想到した。また、虚像の倍率は極力大きい方がよい点にも想到した。そこで、虚像の倍率を以下に求める。
【００４１】
図６（ｃ）に示すように、物体（光源）と投影レンズとの距離をａ、焦点距離をｆとすると、結像位置（結像距離ｂ）は、近軸光学系の結像式である式（１）で表される。
１／ｆ＝１／ａ−１／ｂ・・・式（１）
【００４２】
ここで、距離ａをｆ／２、２ｆ／３、３ｆ／４、４ｆ／５、９ｆ／１０、１９ｆ／２０としたときの、虚像の結像距離ｂと倍率ｂ／ａを表１に示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
図６（ｃ）に示すように、光源からの射出光線はあたかも虚像位置より出射するように進む。したがって、スクリーン上の輝度分布は倍率が高いほど複数の半導体発光素子（ＬＥＤチップ）が重ね合わさるようになり、スクリーン上のムラが目立たなくなる。
【００４５】
次に、前述のロービーム配光パターンに必要な斜めカットオフラインを形成しづらい点や、カットオフライン近傍をぼかせない点について説明する。図７は、矩形のＬＥＤチップの各辺を水平方向と平行に配置したマトリックスＬＥＤの配列を示す模式図である。
【００４６】
図７に示すマトリックスＬＥＤの場合、点線で囲まれている領域Ｒ１のＬＥＤチップを点灯させ、それ以外のＬＥＤチップを消灯しても、４５度の斜めカットオフラインを有するＺ配光は形成できない。仮に、図７に示すようなＬＥＤチップの配列でＺ配光を実現するためには、更にＬＥＤチップの個数を増加させ、擬似的に斜めカットオフラインを形成する必要がある。しかしながら、そのような場合には、マトリックスＬＥＤのサイズが増大するため、投影レンズの焦点距離を長くする必要があり、結果的に灯具サイズの拡大を招く。そこで、発明者は、これらの問題を鋭意検討し、後述するレイアウトのマトリックスＬＥＤを採用することに想到した。
【００４７】
そこで、前述の車両用前照灯装置における光源の位置やＬＥＤチップの配列を更に改良した変形例の構成について以下に説明する。
【００４８】
図８は、本実施の形態の変形例に係る車両用前照灯装置１０の要部を側方から見た概略構成図である。図８に示す光源１４では、複数のＬＥＤチップ１２は、投影レンズ１６の焦点Ｆよりも前方に配置されている。
【００４９】
したがって、本実施の形態に係る車両用前照灯装置１０においては、前述のように、光源像が虚像として前方に投影されるため、隣接するＬＥＤチップ１２の間の暗部が、投影された光源像において目立たなくなる。なお、複数のＬＥＤチップ１２は、その発光面が車両前方を向くように配置されている。これにより、リフレクタなどの反射部材が必要なくなる。
【００５０】
図９は、図８に示す光源を正面から見たマトリックスＬＥＤの配列を示す模式図である。図９に示すマトリックスＬＥＤでは、発光面が矩形のＬＥＤチップの各辺が水平方向（車幅方向）に対して斜め（水平に対して４５度）になるように各ＬＥＤチップが配置されている。
【００５１】
このようなマトリックスＬＥＤの場合、点線で囲まれている領域Ｒ２のＬＥＤチップを点灯させ、それ以外のＬＥＤチップを消灯すると、点灯しているＬＥＤチップ１２ａ〜１２ｃによって、明瞭な４５度の斜めカットオフラインが形成される。また、点灯しているＬＥＤチップの領域Ｒ２の上縁は、ノコギリ歯形状となっているため、水平方向のカットオフラインをぼかすことができる。
【００５２】
図１０（ａ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯装置により形成されるロービーム配光パターンを示す図、図１０（ｂ）は、本実施の形態に係る車両用前照灯装置により形成されるハイビーム配光パターンを示す図である。図９に示すマトリックスＬＥＤのうち、領域Ｒ２に配置されているＬＥＤチップを点灯することで、図１０（ａ）に示すように、マトリックスＬＥＤからなる光源によって、Ｚ配光のロービーム配光パターンＰＬが形成される。また、図９に示すマトリックスＬＥＤの全てを点灯することで、図１０（ｂ）に示すハイビーム配光パターンＰＨが形成される。
【００５３】
次に、ＬＥＤチップの大きさと各ＬＥＤチップ間の間隔とに応じた適切な虚像の倍率について説明する。図１１は、本実施の形態に係るマトリックスＬＥＤの一部を拡大した図である。図１１で、ＷはＬＥＤチップのサイズ、Ｐは近接するＬＥＤチップのピッチ間隔、ＰｈはＬＥＤチップの水平方向のピッチ間隔、ＰｖはＬＥＤチップの垂直方向のピッチ間隔である。
【００５４】
この場合、虚像の倍率は、少なくともＰ／Ｗ倍が必要である。例えば、チップサイズＷが１ｍｍ□、ピッチ３ｍｍとすればＰ／Ｗ＝３であり、投影レンズによる結像倍率は少なくとも３倍必要である。それを実現する物体位置（距離）は、表１より２ｆ／３となる。
【００５５】
したがって、ＬＥＤチップは、投影レンズより焦点距離ｆの２／３の位置から焦点Ｆの位置の間に設置する必要がある。しかし、焦点Ｆ上にＬＥＤチップを設置するとスクリーン上には輝度ムラが目立ち始める。
【００５６】
そこで、ＬＥＤチップは、投影レンズ１６の焦点距離をｆ［ｍｍ］、ＬＥＤチップの発光面の一辺をＷ［ｍｍ］、一のＬＥＤチップと隣接している他のＬＥＤチップとのピッチをＰ［ｍｍ］とすると、ＬＥＤチップと投影レンズ１６との距離が（（Ｐ−Ｗ）／Ｐ）×ｆ以上となるように配置されているとよい。
【００５７】
なお、Ｐ／Ｗ＝３の場合、ＬＥＤチップの設置誤差Ｓも含めて考えれば、ＬＥＤチップ位置は投影レンズより２ｆ／３からｆ−Ｓまでの間に設置すればよい。実際には、量産性を考慮し実際のＰ／Ｗより大きな倍率となるような位置に光源を設置するとよい。また、設置誤差Ｓは、製造精度の標準偏差σを考慮して適宜に設定すればよい。
【００５８】
上述のように、マトリックスＬＥＤは投影レンズの焦点位置Ｆより前方（投影レンズ側）に設置するとよい。マトリックスＬＥＤの設置範囲は、ＬＥＤチップサイズをＷ、ピッチ（チップの設置間隔）をＰとしたとき、投影レンズによる虚像の倍率がＰ／Ｗより大きく、５０倍より小さな倍率の位置（ｆ＝５０のとき、ａ＝４９）の範囲が好ましい。
【００５９】
詳述すると、ＬＥＤチップは、投影レンズ１６の焦点距離をｆ［ｍｍ］とすると、ＬＥＤチップ１２と投影レンズ１６との距離が０．９８ｆ以下となるように配置されているとよい。これにより、マトリックスＬＥＤのチップ間の暗部を目立たなくすることができる。なお、マトリックスＬＥＤにおいて、隣接するＬＥＤチップまでの間隔が縦方向と横方向とで異なる場合、ピッチ間隔Ｐは広い（Ｐが大きい）方で設定する。
【００６０】
なお、マトリックスＬＥＤは、ＬＥＤチップの水平方向のピッチ間隔Ｐｈが、垂直方向ピッチ間隔Ｐｖ以上であるとよい。これにより、Ｚ配光形状を更に明瞭にすることができる。また、鉛直方向に光束密度を高めることができることから、ヘッドライトに適した横長の配光パターンが形成しやすくなる。
【００６１】
このように、本実施の形態に係る車両用前照灯装置１０は、光源にマトリックスＬＥＤを採用した投影型のヘッドランプであり、前方監視センサからの前方車両の存在状況に基づいて、マトリックスＬＥＤの点灯部位若しくは点灯電流を設定することが可能であり、一般的なロービーム用配光パターンやハイビーム用配光パターンに加えて、様々な配光パターンの実現が可能である。
【００６２】
次に、マトリックスＬＥＤを使用した配光可変型ヘッドランプシステムの変形例について説明する。図１２（ａ）、図１２（ｂ）は、実施の形態に係るマトリックスＬＥＤの変形例を説明するための図である。図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、マトリックスＬＥＤにより形成されるスポットビーム状の配光パターンを示す図である。
【００６３】
図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示すように、変形例に係るマトリックスＬＥＤは、ＬＥＤチップを４〜１０個程度使用する。例えば、マトリックスＬＥＤは、図１２（ａ）に示すように配列され、スポットビーム状の配光パターンを形成するように構成されている。この場合、図１３（ａ）に示すような矩形のスポットビーム状の配光パターンＰ１となる。この配光パターンＰ１を、図１３（ｂ）に示すように、曲路で水平方向に移動させてもよい。
【００６４】
また、マトリックスＬＥＤは、図１２（ｂ）に示すように一部のＬＥＤチップ１２ｄが菱形配置となるように配列され、スポットビーム状の配光パターンを形成するように構成されていてもよい。この場合、図１３（ｃ）に示すような横長楕円のスポットビーム状の配光パターンＰ２が形成しやすくなる。
【００６５】
図１４は、本実施の形態に係る車両用前照灯装置により形成される配光パターンの一例を示す図である。本実施の形態に係る車両用前照灯装置１０は、図１４に示すように、一部の領域Ｒ３を照射しない配光パターンＰＨ’を形成することができる。これにより、前方車両にグレアを与えないようにしながら、車両前方の視認性を確保することができる。
【００６６】
（制御システム構成）
次に、ヘッドライトの制御システムの構成について説明する。図１５は、ヘッドライトシステムの概略構成を示すブロック図である。
【００６７】
ヘッドライトシステム１００は、左右それぞれの車両用前照灯装置１０、配光制御ＥＣＵ１０２、前方監視ＥＣＵ１０４等を備えている。車両用前照灯装置１０は、前述のようにマトリックスＬＥＤからなる光源１４と、投影レンズ１６と、それらを収容する灯体とを有する。また、各車両用前照灯装置１０には、凸レンズ２６の移動や灯体をスイブルする駆動装置（ＡＣＴ）１０６が接続されている。駆動装置１０６は、前述のアクチュエータ２８やアクチュエータ３２が相当する。
【００６８】
前方監視ＥＣＵ１０４は、車載カメラ１０８、レーダ１１０、車速センサ１１２などの各種センサが接続されている。前方監視ＥＣＵ１０４は、センサから取得した撮像データを画像処理し、前方車両（対向車や先行車）やその他の路上光輝物体、そして区画線（レーンマーク）を検出し、それらの属性や位置など配光制御に必要なデータを算出する。算出されたデータは、車内ＬＡＮなどを介して配光制御ＥＣＵ１０２や各種車載機器に発信される。
【００６９】
配光制御ＥＣＵ１０２は、車速センサ１１２、舵角センサ１１４、ＧＰＳナビゲーション１１６、ヘッドランプスイッチ１１８などが接続されている。配光制御ＥＣＵ１０２は、前方監視ＥＣＵ１０４から送出されてくる路上光輝物体の属性（対向車、先行車、反射器、道路照明）、その位置（前方、側方）と車速に基づいて、その走行場面に対応した配光パターンを決定する。例えば、配光制御ＥＣＵ１０２は、形成すべき配光パターンとして、車速が速い場合は集光配光パターンを、車速が低い場合は拡散配光パターンを決定する。そして、配光制御ＥＣＵ１０２は、その配光パターンを実現するために必要な配光可変ヘッドランプの制御量を決定する。ここで、制御量は、例えば、上下・左右ビーム移動量、マスキング部分（遮光領域）の位置と範囲、凸レンズ２６の移動量などである。
【００７０】
また、配光制御ＥＣＵ１０２は、駆動装置１０６や、マトリックスＬＥＤの各ＬＥＤチップの制御内容（点消灯、投入電力など）を決定する。なお、駆動装置１０６には、配光可変ランプユニットを上下・左右方向などに駆動するメカ式の駆動装置を用いることができる。ドライバ１２０は、配光制御ＥＣＵ１０２からの制御量の情報を、駆動装置１０６や配光制御素子の動作に対応した命令に変換すると共にそれらを制御する。
【００７１】
（制御フローチャート）
図１６は、本実施の形態に係るヘッドライトシステムにおける制御の一例を示すフローチャートである。
【００７２】
図１６に示す処理は、ヘッドランプスイッチなどにより選択された場合や、各種センサの情報に基づいて所定の状況（夜間走行やトンネル内走行）が認識された場合に、所定の間隔で繰り返し実行される。
【００７３】
はじめに、配光制御ＥＣＵ１０２や前方監視ＥＣＵ１０４は、カメラや各種センサ、スイッチなどから必要なデータを取得する（Ｓ１０）。データは、例えば、車両前方の画像、車速、車間距離、走路の形状、ハンドルの舵角、ヘッドランプスイッチにより選択されている配光パターンなどのデータである。
【００７４】
前方監視ＥＣＵ１０４は、取得したデータに基づいてデータ処理１を行う（Ｓ１２）。データ処理１により、車両前方の光輝物体の属性（信号灯、照明灯、デリニエータなど）や、車両の属性（対向車、先行車）、車速、車間距離、輝物体の輝度、道路形状（車線幅、直線路、曲路）などのデータが算出される。
【００７５】
次に、配光制御ＥＣＵ１０２は、データ処理１で算出されたデータに基づいてデータ処理２を行い（Ｓ１４）、適切な配光パターンを選択する。選択される制御配光パターンは、例えば、ロービーム用配光パターン、ハイビーム用配光パターン、ＡＤＢ（Adaptive Driving Beam）、集光配光パターン、拡散配光パターンなどである。また、選択された配光パターンに応じて、ＬＥＤチップの点消灯や投入電力の制御量が決定される。
【００７６】
なお、ＡＤＢが選択された場合（Ｓ１６のＹｅｓ）、配光制御ＥＣＵ１０２によりデータ処理３が行われる（Ｓ１８）。データ処理３では、例えば、ＡＤＢ制御による照明エリアや遮光エリア、照明光量、照射方向が決定される。また、これらの情報に加えてデータ処理１で算出されたデータに基づいてＡＦＳ（Adaptive Front-Lighting System）制御も可能である。ＡＦＳ制御とは、曲路や走行地域（市街地、郊外、高速道路）、天候に応じて配光を制御するものである。なお、ＡＤＢが選択されていない場合（Ｓ１６のＮｏ）、ステップＳ１８はスキップされる。
【００７７】
次に、配光制御ＥＣＵ１０２は、データ処理４においてドライバ用にデータを変換し（Ｓ２０）、配光制御素子やアクチュエータ（ＡＣＴ）を駆動する（Ｓ２２）ことで、ＡＤＢ制御やスイブル制御を行う。
【００７８】
以上、本発明を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。
【符号の説明】
【００７９】
１０ 車両用前照灯装置、 １２ ＬＥＤチップ、 １４ 光源、 １６ 投影レンズ、 ２２ 倍率変化機構、 ２４ 凹レンズ、 ２６ 凸レンズ、 ２８ アクチュエータ、 ２８ａ 歯車、 ３０ ガイドピン、 ３０ａ スクリュー、 ３２ アクチュエータ、 １００ ヘッドライトシステム、 １０２ 配光制御ＥＣＵ、 １０４ 前方監視ＥＣＵ、 １０６ 駆動装置、 １０８ 車載カメラ、 １１０ レーダ、 １１２ 車速センサ、 １１４ 舵角センサ、 １１６ ＧＰＳナビゲーション、 １１８ ヘッドランプスイッチ、 １２０ ドライバ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体発光素子が互いに間隔をもって配置されている光源と、
前記光源から出射した光を車両前方に光源像として投影する投影レンズと、
前記投影レンズの車両前方側に設けられ、光源像の倍率を変化させる倍率変化機構と、
を備えることを特徴とする車両用前照灯装置。
【請求項２】
前記複数の半導体発光素子は、前記投影レンズの焦点よりも前方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用前照灯装置。
【請求項３】
前記半導体発光素子は、その発光面が車両前方を向くように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用前照灯装置。
【請求項４】
前記半導体発光素子は、その発光面が矩形であり、該発光面の辺が車幅方向に対して斜めになるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の車両用前照灯装置。
【請求項５】
前記倍率変化機構は、光源像の車幅方向への倍率の変化が上下方向への倍率の変化よりも大きくなるように構成されている光学系であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の車両用前照灯装置。
【請求項６】
前記光学系は、アナモルフィックレンズ系であることを特徴とする請求項５に記載の車両用前照灯装置。
【請求項１】
複数の半導体発光素子が互いに間隔をもって配置されている光源と、
前記光源から出射した光を車両前方に光源像として投影する投影レンズと、
前記投影レンズの車両前方側に設けられ、光源像の倍率を変化させる倍率変化機構と、
を備えることを特徴とする車両用前照灯装置。
【請求項２】
前記複数の半導体発光素子は、前記投影レンズの焦点よりも前方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用前照灯装置。
【請求項３】
前記半導体発光素子は、その発光面が車両前方を向くように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用前照灯装置。
【請求項４】
前記半導体発光素子は、その発光面が矩形であり、該発光面の辺が車幅方向に対して斜めになるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の車両用前照灯装置。
【請求項５】
前記倍率変化機構は、光源像の車幅方向への倍率の変化が上下方向への倍率の変化よりも大きくなるように構成されている光学系であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の車両用前照灯装置。
【請求項６】
前記光学系は、アナモルフィックレンズ系であることを特徴とする請求項５に記載の車両用前照灯装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−５４９６３（Ｐ２０１３−５４９６３Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９３２２６（Ｐ２０１１−１９３２２６）
【出願日】平成２３年９月５日（２０１１．９．５）
【出願人】（０００００１１３３）株式会社小糸製作所 (1,575)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月５日（２０１１．９．５）
【出願人】（０００００１１３３）株式会社小糸製作所 (1,575)
【Ｆターム（参考）】
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