(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自転車に取り付けられる自転車用ヘッドランプであって、
光源を保持し、前記光源からの光を前方に出射する開口が設けられた筐体と、
前記筐体に取り付けられた共通の回路基板と、
前記回路基板に電気的に接続され、前記光源として、前記回路基板の前方に延びるように配置された複数個の発光ダイオードと、
前記発光ダイオードを固定し、該発光ダイオードごとに配置される発光ダイオードホルダーと、
前記発光ダイオードを取り囲み、前記発光ダイオードホルダーと係合し、前方に延びるように、前記発光ダイオードごとに配置される筒状保持部と、
前方における前記発光ダイオード、発光ダイオードホルダーおよび筒状保持部と、後方における前記回路基板とに挟まれるように位置するスペーサと、
前記発光ダイオードのそれぞれに１つずつ、前記筒状保持部の前方端を塞ぐように配置され、前記発光ダイオードからの光を集光する集光レンズとを備え、
前記発光ダイオードを３個以上有し、それぞれの発光ダイオードが少なくとも他の２個の発光ダイオードと隣接するように配置され、
前記複数個の発光ダイオードの配列の端に位置する発光ダイオードの光軸が、所定距離前方における配光特性を満たすように、前方に向うほど、前記自転車用ヘッドランプ中心の正面前方に近づくように傾いている、および前記正面前方から遠ざけるように傾いている、のいずれかの配置となるように、前記発光ダイオードホルダーを傾けて前記スペーサに固定している、自転車用ヘッドランプ。
【請求項２】
前記複数個の発光ダイオードが、多段に配置されている、請求項１に記載の自転車用ヘッドランプ。
【請求項３】
前記発光ダイオードが５個配置され、その５個のダイオードが２段に配列されている、請求項１または２に記載の自転車用ヘッドランプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自転車用ヘッドランプに関し、より具体的には発光ダイオードを光源に用いた自転車用ヘッドランプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自転車用ヘッドランプの光源には、従来、タングステンフィラメントなどを封入した白熱電球が多く用いられてきた。電力源には電池を用い、電池から供給される電流により、白熱電球は発熱し発光する。このような白熱電球は、自転車に手軽に取り付けることができるため、一般的に使用されてきた。
【０００３】
しかしながら、白熱電球は発熱するので、光源として使用されずに熱エネルギとしてロスされる割合が高く、電池寿命が短いという欠点を有していた。また、十分長い電池寿命を確保するためには、容量の大きな電池を用いればよいが、重量が増大するので、一定の制限内でしか容量増をはかることができない。さらに、白熱電球自体の寿命が短いという問題を有していた。
【０００４】
上記の白熱電球の欠点をカバーする光源として、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）がある。ＬＥＤは半導体の接合部におけるキャリアの再結合により発光するので、発熱を伴なわない。このため、エネルギ効率を向上させることができ、電池寿命を大幅に長くすることができる。さらにＬＥＤの寿命自体も白熱電球より長いため、現在では、自転車用ヘッドランプに限られず、多くの光源に使用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
自転車用ヘッドランプが満たすべき性能は多岐にわたるが、最も重要な性能は、たとえば１０ｍ前方における正面付近の照度である。このような重要な性能は各種の規格に明記されている。たとえばＩＳＯ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ）６７４２−１には、図７に示す自転車において、図８に示す前方所定距離における配光特性規格が示されている。なお、所定距離前方の照度と、光源の強さを示す光度とは対応がついており、自転車ヘッドランプの配光特性には下記に示すように、光度を用いて規定する場合が多い。
（ａ）１０ｍ前方のヘッドランプの軸線に対応する位置Ａでは、４００ｃｄ以上の光度。
（ｂ）ヘッドランプから見て、点Ａより左右に４°、上下に１°の矩形範囲内では最大光度Ｉｍａｘの半分以上の光度。
（ｃ）中心より３．５°を超える上側のゾーンＣでは１２０ｃｄ以下の光度。
【０００６】
この光度分布に関する規定は、夜間に１０ｍ先から相手を識別し、かつ対向する歩行者や対向するサイクリストの目にまぶしさを感じさせないように決められている。ゾーンＣの光度を小さくしているのは、対向車にまぶしさを感じさせないためである。
【０００７】
上記のような配光特性、とくにヘッドライト軸線に対応する正面中央の光度は通常のＬＥＤを用いたのでは実現不可能である。
【０００８】
図９は、１ｍの距離で各部分の照度を測定して光度に換算した値を示す図である。最高光度は２４．８ｃｄであり、ヘッドランプ中心に対応する主要領域で２０ｃｄ以上が実現されている。しかし、上記の規格に示す４００ｃｄ以上を中心部Ａで満たすことは不可能である。
【０００９】
図１０は、３個のＬＥＤを用いた自転車用ヘッドランプを示す断面図である。図１０において、３個のＬＥＤ１０１，１０２，１０３は、狭角出射タイプのＬＥＤであり、このＬＥＤから前方にたとえば半値幅１５°の光が出射される。半値幅１５°の光では、前方に出射される光の中心におけるピーク値の半分になる値の光が、その中央の方向から１５°の全広がり幅をもっている。通常のＬＥＤからの出射光は、これより大きい広がり幅を有する。したがって、上記の狭角出射タイプのＬＥＤは良好な指向性を有するＬＥＤであるといえる。
【００１０】
また、図１０に示す自転車用ヘッドランプでは、ＬＥＤのそれぞれに後方からＬＥＤを取り囲むように凹面（放物面）反射鏡１４１，１４２，１４３が設けられている。ＬＥＤから出射される光の大部分は、ＬＥＤから直接、前方に進行する。しかし、それよりもより広角に広がって出射された光は、ＬＥＤの後方から囲むように配置された凹面反射鏡１４１，１４２，１４３によって前方へと出射される。このため、無駄な光を生じることなく前方に光を集めることができる。
【００１１】
しかし、凹面反射鏡で進路を変えられた光以外、すなわちＬＥＤから前方に出射された光は進路変更されることなくそのまま前方に向って進行する。この進路変更されずに前方に出射される光の広がりはＬＥＤから出る光としては狭角であっても、１０ｍ前方を照射する自転車用ヘッドランプとしては大きな広がりを有する。
【００１２】
図１１に、自転車用ヘッドランプの照度を５ｍ前方で測定し、光度に換算した分布を示す。ＬＥＤを３個に増やしても、中心での最高光度Ｉｍａｘは９７．５ｃｄであり、中央領域において８０ｃｄ以上となっている。したがって、上記の規格における中心点Ａでの光度４００ｃｄにはほど遠い値である。
【００１３】
ＬＥＤはエネルギ効率が高く、長寿命で、かつ小型化にも有効なために、ＬＥＤを用いて上記の規格など、各種の配光特性を満たす自転車用ヘッドランプの開発が望まれている。
【００１４】
本発明は、エネルギ効率のよいＬＥＤを用いて、所定距離前方における照射面の中心位置での照度を十分高くすることができ、また所定の配光分布を実現することが容易な自転車用ヘッドランプを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の自転車用ヘッドランプは、自転車に取り付けられる自転車用ヘッドランプである。この自転車用ヘッドランプは、光源を保持し、光源からの光を前方に出射する開口が設けられた筐体と、筐体に取り付けられた共通の回路基板と、回路基板に電気的に接続され、光源として、回路基板の前方に延びるように配置された複数個の発光ダイオードと、発光ダイオードを固定し、該発光ダイオードごとに配置される発光ダイオードホルダーと、発光ダイオードを取り囲み、発光ダイオードホルダーと係合し、前方に延びるように、発光ダイオードごとに配置される筒状保持部と、前方における発光ダイオード、発光ダイオードホルダーおよび筒状保持部と、後方における回路基板とに挟まれるように位置するスペーサと、発光ダイオードのそれぞれに１つずつ、筒状保持部の前方端を塞ぐように配置され、発光ダイオードからの光を集光する集光レンズとを備える。そして、発光ダイオードを３個以上有し、それぞれの発光ダイオードが少なくとも他の２個の発光ダイオードと隣接するように配置され、複数個の発光ダイオードの配列の端に位置する発光ダイオードの光軸が、所定距離前方における配光特性を満たすように、前方に向うほど、（ａ1）自転車用ヘッドランプ中心の正面前方に近づくように傾いている、および（ａ2）正面前方から遠ざけるように傾いている、のいずれかの配置となるように、発光ダイオードホルダーを傾けてスペーサに固定している（請求項１）。
【００１６】
この構成により、複数個のＬＥＤからの光を前方の所定位置に集めることができ、その位置における配光分布、とくにヘッドランプの光軸付近の照度を増大させることができる。また、ＬＥＤの後方を囲むように配置された反射ミラーのみをもちいた場合には、ＬＥＤとして出射分布が狭い狭角出射タイプのＬＥＤしか用いることができない。これに対して、レンズを配置することにより狭角出射タイプのＬＥＤだけでなく、広角出射のＬＥＤも用いることができる。小型化という点では、集光レンズ全体を利用して集光することができる広角出射タイプのＬＥＤのほうが望ましい。広角出射タイプのＬＥＤを用いることにより、ＬＥＤの向きの精度を緩和することができる。少なくとも他の２個のＬＥＤと隣接するような配置として、（ｄ１）３個以上のＬＥＤの環状配列、（ｄ２）多段配列で、所定の配列の場合が該当する。たとえば、最終段や第１段のＬＥＤ数が、それと隣り合う段のＬＥＤ数と２個以上異ならず、片寄せせずにＬＥＤを配列した場合などが該当する。複数個のＬＥＤを上記のように密接させてまとめて配置することにより、ヘッドランプの小型化、および所定距離前方における配光分布とくにヘッドランプ光軸付近の照度を増大させることができる。また、上記の構成により、所定距離前方におけるヘッドランプ光軸付近の所定領域の照度分布、すなわち光度分布または配光特性を、中心で所定の光度を満たしながら調整することが容易となる。このため、安全性を考慮して制定された、所定距離前方における所定領域の照度分布に関する各種の規格を満たすことが容易になる。上記（ａ１）の場合、端のＬＥＤからの光束を、規格に定められた所定距離前方の手前の適当な位置で交差させて、所定距離前方で適当な広がりを持たせるようにして、配光特性を調整することができる。所定の場合には、（ａ２）のように端の光軸を外側に傾ける場合もある。上記の構成において重要な事項は、発光ダイオードごとに、スペーサと発光ダイオードホルダーとを用いた点にある。この結果、端に位置する発光ダイオードの光軸を発光ダイオードごとに精度よく傾斜させることができる。
【００１７】
なお、隣り合うように配置されたＬＥＤは、複数のＬＥＤが１列または複数列に並べられていてもよいし、寄せ集められてランダムに密接していてもよい。
【００１８】
このレンズは集光レンズであればよく、凸レンズやフレネルレンズを用いることができる。
【００２３】
上記自転車用ヘッドランプでは、複数個のＬＥＤを多段に配置することができる（請求項２）。
【００２４】
複数個のＬＥＤを多段に配置することにより、ヘッドランプの中央対応位置における照度を増大させ、かつヘッドランプを小型化することが容易となる。
【００２５】
上記自転車用ヘッドランプでは、ＬＥＤが５個配置され、その５個のダイオードが２段に配列されることができる（請求項３）。
【００２６】
この構成により、たとえば２個のＬＥＤの段と３個のＬＥＤの段とを積層して、所定の照度を前方の中央対応位置で確保することが容易となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【００２８】
図１は、本発明の原理を示す図である。光源として３個のＬＥＤ１，２，３が隣り合うように配置されており、各ＬＥＤの前方に集光レンズ１１，１２，１３が設けられている。ＬＥＤには、たとえば半値幅５０°の広角出射タイプを用いる。また、集光レンズには凸レンズや、凸レンズの厚みを同心円状に順次繰り入れ除去して連続体としたフレネルレンズを用いることができる。広角出射タイプのＬＥＤから出射した光は、集光レンズに照射され、所定の程度集光されるように出射される。集光レンズをＬＥＤごとに１つずつ配置することにより、集光レンズ１１，１２，１３を出射した光は、平行光線に近い光束にまとめられる。通常、１０ｍ前方の照射面Ｓなどにおける配光特性が問題となるので、所定の広がりを持たせ、照射面Ｓ上で３個のＬＥＤから出射された光が部分的に重なるようにする。
【００２９】
図１において、１つのＬＥＤから出射され、重なりのない光束をＤ１で表示し、２重に重なっている部分をＤ２、また３重に重なっている光束をＤ３で表示する。ＬＥＤから出射される光はコヒーレンスを有しないので、光束の重なりにより干渉が生じることはない。したがって、光が重なることにより、干渉縞などは生じず、通常の白熱光などと同様に明るさは明るくなる。したがって、図１では、照射面ＳのＤ３の領域で最も明るくなる。
【００３０】
たとえば１０ｍ前方において要求される領域Ｄ３の大きさおよび照度に応じて、ＬＥＤの数、集光レンズを出た後の光束の広がりなどを設定することができる。３個のＬＥＤを用い、凹面反射鏡をＬＥＤの後方から囲むように配置したヘッドランプでは、狭角出射タイプのＬＥＤを用いながら前方に出射される光は半値幅１５°程度なのであまりにも広く、領域Ｄ３が広がりすぎ、正面照度を有効に増大させることができない。また、１０ｍ前方の正面照度を増大させるようにＬＥＤの出射角度をより狭く設定するためには、微小サイズのＬＥＤに対する工作精度を超える高精度が必要になり、実質上実現することができない。
【００３１】
本発明では、複数個の発光ダイオードの配列の端に位置する発光ダイオードの光軸が、所定距離前方における配光特性を満たすように、前方に向うほど、（ａ1）自転車用ヘッドランプ中心の正面前方に近づくように傾いている、および（ａ2）正面前方から遠ざけるように傾いている、のいずれかの配置を有する。このとき、発光ダイオードごとに発光ダイオードホルダーを配置してスペーサに発光ダイオードを固定する。この結果、発光ダイオードの光軸を高精度で傾斜させることができる。また、発光ダイオードごとに筒状保持部を配置してその先端に集光レンズを配置する。このため配光特性の向上を図ることができる。すなわち上記のように、ＬＥＤを複数個隣り合うように配置して、ＬＥＤごとに集光レンズを設け、かつ複数個のＬＥＤの配列の端に位置する各ＬＥＤの光軸を高精度で傾けることにより、所定距離前方におけるヘッドランプ光軸付近の所定領域の照度分布、すなわち光度分布または配光特性を、中心で所定の光度を満たしながら調整することが容易となる。このため、安全性を考慮して制定された、所定距離前方における所定領域の照度分布に関する各種の規格を満たすことが容易になる。上記（ａ1）の場合、端のＬＥＤからの光束を、規格に定められた所定距離前方の手前の適当な位置で交差させて、所定距離前方で適当な広がりを持たせるようにして、配光特性を調整することができる。所定の場合には、（ａ2）のように端の光軸を外側に傾ける場合もある。
【００３２】
図２は、本発明の実施の形態における自転車用ヘッドランプ１０を示す斜視図である。本実施の形態では、５個のＬＥＤ１，２，３，４，５が２段に配列されている。上段には３個のＬＥＤ１，２，３が、また、下段には２個のＬＥＤ４，５が配列されている。ＬＥＤの前に配置される集光レンズは省略されている。各ＬＥＤは、ＬＥＤごとに配置された筒状保持部２１，２２，２３，２４，２５によって保持されている。省略された集光レンズは、各筒状保持部の上端に固定される。さらに、その前方に筐体の光源収容部３１ａに支持された透光板３５が、走行中の異物との衝突保護などのために配置される。筐体３１は、発光部を収容する光源収容部３１ａと、電池（図示せず）を収容する電池収容部３１ｂとによって構成される。もちろん、電池収容部と光源収容部とが識別される形状にする必要はなく、連続的な筒状筐体であってもよい。また、押し釦式スイッチ（図示せず）が電池収容部の後端に配置する。筐体３１の光源収容部３１ａにはＬＥＤを配線するための回路基板が取り付けられる。
【００３３】
上記の集光レンズには、ガラスレンズやプラスチックレンズなど任意のレンズを用いることができる。また、筒状保持部には、各種のプラスチックを用いることができる。透光板３５には透明プラスチック板を、また筐体３１には意匠性を考慮して着色した各種プラスチックを用いることができる。
【００３４】
図３は、図２の自転車用ヘッドランプを前方から見た正面図である。最も奥にＬＥＤ１，２，３，４，５が配置され、その周囲を筒状保持部２１，２２，２３，２４，２５が取り囲んでいる。筒状保持部の前方端には、集光レンズ１１，１２，１３，１４，１５が、その筒状保持部の前方端を塞ぐように取り付けられている。その手前に、保護用の透光板３５が周囲を光源収容部３１ａに固定されている。光源収容部３１ａの内面には、反射膜などはとくに設けていない。
【００３５】
図４は、図３のＩＶ-ＩＶ線に沿う断面図である。集光レンズ１１，１２，１３はフレネルレンズである。各ＬＥＤ１，２，３は、上述のように、筐体の光源収容部内に取り付けられた共通の回路基板３３に、その回路基板の前方に延びるように配置され、かつ電気的に接続されている。回路基板３３の前方にはスペーサ１８が、その電気的接続を可能にするように配置されている。さらに各ＬＥＤは、ＬＥＤホルダー５１，５２，５３によって各ＬＥＤごとに固定されている。ＬＥＤホルダー５１，５２，５３は筒状保持部２１，２２，２３にも個別に係合している。すなわち上記のスペーサは、前方におけるＬＥＤ、ＬＥＤホルダーおよび筒状保持部と、後方における回路基板とに挟まれるように位置する。
【００３６】
図４において注意すべきは、両端のＬＥＤ１，３の光軸が内側に１．５°だけ傾いていることである。このように、端に位置するＬＥＤの光軸を内側に傾けることにより、所定距離前方におけるヘッドランプ光軸付近の所定領域の照度分布、すなわち光度分布または配光特性を、中心で所定の光度を満たしながら調整することが容易となる。本実施の形態のように、端のＬＥＤの光軸を内側に傾けた場合、端のＬＥＤからの光束を、規格に定められた所定距離前方の手前の適当な位置で交差させて、当該所定距離前方で適当な広がりを持たせるようにして、配光特性を調整することができる。所定の配光特性を満たすために、本実施の形態の傾き方向とは逆に、端の光軸を外側に傾ける場合もある。
【００３７】
上記のように各ＬＥＤおよび筒状保持部の傾きは、スペーサ１８とＬＥＤホルダー５１，５２，５３とを用いて高精度に設定し固定することができる。ＬＥＤホルダーは、図示していない複数個のボスを用いて、所定の傾きを保持しながらスペーサ１８に固定される。各ＬＥＤの根元部にＯリング状のクッションを配置して上記保持の設定および保持を容易にしてもよい。
【００３８】
図５は、図３のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。各ＬＥＤは、図４と同様に、回路基板３３の上に位置するスペーサ１８およびＬＥＤホルダー５４，５５によって所定の傾きを保って固定されている。両端のＬＥＤ４，５の光軸が内側に３°だけ傾いている。図５に示すＬＥＤの傾き角度が、図４の場合よりも大きいのは、上記のように光束の交差位置を、上段下段で独立によりきめ細かく調整して、要求される配光特性を満たすためである。
【００３９】
図６は、図１に示したヘッドランプを用いて１０ｍ前方の照射面を照射したときの配光特性の計算値を示す図である。この種の配光特性の計算値は実測結果をよい精度で表わすことが知られている。最高光度Ｉｍａｘは５８３．０ｃｄであり、中心位置Ａの付近で規格値の４００ｃｄ以上は言うまでもなく、５００ｃｄ以上を余裕をもって満たしている。
【００４０】
上記の実施の形態によれば、本発明のように複数のＬＥＤを隣り合うように配置し、そのＬＥＤごとに集光レンズを設けることにより、前方所定距離における照度を容易に増大させることができる。また、所定の配光分布を満たすことも容易となる。
【００４１】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行なったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の自転車用ヘッドランプを用いることにより、エネルギ効率のよいＬＥＤを用いて、前方所定の距離における照射面の中央位置の照度を十分高くすることができ、また所定の配光分布を満たすことが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明する図である。
【図２】本発明の実施の形態における自転車用ヘッドランプを示す斜視図である。
【図３】図２の自転車用ヘッドランプの前方から見た正面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。
【図６】本発明の実施の形態における自転車用ヘッドランプの配光特性の計算値を示す図である。
【図７】一般的な自転車を示す図である。
【図８】光度規格例を示す図である。
【図９】１個のＬＥＤの配光特性を示す図である。
【図１０】３個のＬＥＤを用い、各々のＬＥＤに凹面反射鏡を配置した従来の自転車用ヘッドランプを示す図である。
【図１１】図１０の自転車用ヘッドランプの配光特性を示す図である。
【符号の説明】
１，２，３，４，５  ＬＥＤ、１０  自転車用ヘッドランプ、１１，１２，１３，１４，１５  集光レンズ、１８  スペーサ、２１，２２，２３，２４，２５筒状保持部、３１  筐体、３１ａ  光源収容部、３１ｂ  電池収容部、３３  回路基板、３５  透光板、３６  固定線材、５１，５２，５３，５４，５５  ＬＥＤホルダー、Ｓ  前方照射面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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