(57)【要約】【課題】ＬＥＤ素子を光源とする信号灯において、光学レンズと微小レンズの組み合わせを工夫することで、個々のＬＥＤ素子の光出力を高め、ＬＥＤ素子の個数を減らしても、ＬＥＤ素子間の隙間の暗部が生じず、輝度むらのない、均一な発光を実現する。【解決手段】面状に配置した複数のＬＥＤ素子３から成る光源と、各ＬＥＤ素子３の前方に対応配置した光学レンズ４１とを備え、光学レンズ４１の出射面４１ｄ側に、レンズと一体又は別体に配光制御のための微小レンズを複数配置して成る微小レンズ群を設け、さらに、光学レンズ４１の出射面４１ｄを、凸面４１ａと凹面４１ｂとの変曲点付近を通って出射面４１ｄに達する光を平行光に戻すような形状としている。これにより、ＬＥＤ素子の配光の強い範囲の光を、レンズ形状に起因して生じる暗部に配光することができる。【選択図】図１０
2006072874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面状に配置した複数のＬＥＤ素子から成る光源と、各ＬＥＤ素子の前方に対応配置した光学レンズとを備えた信号灯において、
前記光学レンズの出射面側に、該レンズと一体又は別体に配光制御のための微小なレンズを複数配置して成る微小レンズ群を設け、
前記光学レンズは、ＬＥＤ素子に対面して形成された凸面と、この凸面の周縁部にＬＥＤ素子を囲むように形成された凹面と、この凹面を透過したＬＥＤ素子からの光を全反射する反射面と、前記凸面及び反射面からの光を出射する出射面とを有し、
前記ＬＥＤ素子の配光がランバート分布の場合、前記光学レンズの凸面及び該凸面と凹面との変曲点付近を通って出射面に達する光を該出射面で平行光に戻すためのレンズ形状を該出射面に設けたことを特徴とする信号灯。
【請求項２】
面状に配置した複数のＬＥＤ素子から成る光源と、各ＬＥＤ素子の前方に対応配置した光学レンズとを備えた信号灯において、
前記光学レンズの出射面側に、該レンズと一体又は別体に配光制御のための微小なレンズを複数配置して成る微小レンズ群を設け、
前記光学レンズは、ＬＥＤ素子に対面して形成された凸面と、この凸面の周縁部にＬＥＤ素子を囲むように形成された凹面と、この凹面を透過したＬＥＤ素子からの光を全反射する反射面と、前記凸面及び反射面からの光を出射する出射面とを有し、
前記ＬＥＤ素子の配光が側方寄りに強い場合、前記光学レンズの反射面を、該反射光が前記出射面の弱い配光領域を通るように形成したことを特徴とする信号灯。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のＬＥＤ素子を光源とした信号灯に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、複数配列されたＬＥＤ素子の発光を効率良く集光するために、砲弾型のＬＥＤ素子の前面に集光用凸レンズを配置した交通信号灯がある。この種の信号灯においては、信号灯から近距離の地点では配光から外れた状態となるため、信号灯の発光の視認が困難となる。また、西日（太陽光）等の外光がレンズにより各ＬＥＤ素子に集光され、ＬＥＤ素子実装基板面等で鏡面反射されると、点灯の視認性が悪くなり、点灯していないのに、点灯しているように見える場合がある（これを擬似点灯と言う）。この問題を解消するために、レンズと別体又は一体に光拡散用のプリズムを設けることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、個々のＬＥＤ素子から発せられる光を効率的に屈折させて活用できるように、ＬＥＤ素子の前面にそれぞれに対応、かつ対面してレンズカット部を施したレンズを配置することが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−１８３８９１号公報
【特許文献２】特開昭６３−２３６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、信号灯としての発光径はほぼ２５０ｍｍ〜３５０ｍｍであり、所定の光度を持たせつつ、発光径内部をできるだけ均一に発光させる必要があるが、上記特許文献１に示されるような、光拡散用のプリズムを持つ信号灯にあっても、砲弾型のＬＥＤ素子を密接配置した場合、ＬＥＤ素子の個数が増え、コスト高となり、しかも、発光の隙間に暗部が生じる。ＬＥＤ素子の個数を減らし、個々のＬＥＤ素子の光出力を高めると、ＬＥＤ素子間の隙間の暗部が一層目立つ。また、特許文献２に示されるようなレンズを持つ信号灯においても、依然として、レンズ間の隙間には暗部ができ、また、配光制御すると、個々のレンズの出射側で発光の輝度むらが大きくなる。特に、レンズ形状とＬＥＤ素子の配光分布とに起因して、弱い発光領域ができ、例えば円環状に暗い部分ができるといった問題があった。
【０００５】
本発明は、上記問題を解消するものであり、光学レンズと微小レンズの組み合わせを工夫することで、個々のＬＥＤ素子の光出力を高め、ＬＥＤ素子の個数を減らしても、ＬＥＤ素子間の隙間の暗部が生じないものとなり、均一な発光が実現できると共に、レンズ形状とＬＥＤ素子の配光分布とに起因する発光の輝度むらを防止することができる信号灯を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述目的を達成するため、本発明は、面状に配置した複数のＬＥＤ素子から成る光源と、各ＬＥＤ素子の前方に対応配置した光学レンズとを備えた信号灯において、前記光学レンズの出射面側に、該レンズと一体又は別体に配光制御のための微小なレンズを複数配置して成る微小レンズ群を設け、前記光学レンズは、ＬＥＤ素子に対面して形成された凸面と、この凸面の周縁部にＬＥＤ素子を囲むように形成された凹面と、この凹面を透過したＬＥＤ素子からの光を全反射する反射面と、前記凸面及び反射面からの光を出射する出射面とを有し、前記ＬＥＤ素子の配光がランバート分布の場合、前記光学レンズの凸面及び該凸面と凹面との変曲点付近を通って出射面に達する光を該出射面で平行光に戻すためのレンズ形状を該出射面に設けたものである。また、本発明は、面状に配置した複数のＬＥＤ素子から成る光源と、各ＬＥＤ素子の前方に対応配置した光学レンズとを備えた信号灯において、前記光学レンズの出射面側に、該レンズと一体又は別体に配光制御のための微小なレンズを複数配置して成る微小レンズ群を設け、前記光学レンズは、ＬＥＤ素子に対面して形成された凸面と、この凸面の周縁部にＬＥＤ素子を囲むように形成された凹面と、この凹面を透過したＬＥＤ素子からの光を全反射する反射面と、前記凸面及び反射面からの光を出射する出射面とを有し、前記ＬＥＤ素子の配光が側方寄りに強い場合、前記光学レンズの反射面を、該反射光が前記出射面の弱い配光領域を通るように形成したものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、光学レンズにより個々のＬＥＤ素子からの発光面積を拡大した上で、微小レンズ群により配光するので、個々のＬＥＤ素子の光出力を高め、ＬＥＤ素子の個数を減らしたとしても、光学レンズ間の隙間に暗部が生じ難くなり、輝度分布むらが少なくなり、均一発光が可能となる。しかも、光学レンズの凸面と凹面との変曲点付近を通って出射面に達する光を該レンズの出射面で平行光に戻すので、ＬＥＤ素子のランバート分布の強い範囲の光を、光学レンズ形状に起因して生じる暗部に配光することができる。これにより、発光の輝度むらを改善でき、均一な発光が可能となる。また、光学レンズの反射面による反射光が、光学レンズ形状に起因する出射面の弱い配光領域を通るようにしたので、ＬＥＤ素子の側方寄りに強い配光を有効に利用でき、上記と同等の作用効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態に係る信号灯について図面を参照して説明する。図１は信号灯の構成を、図２は信号灯の要部正面構成を、図３は信号灯の要部構成を概念的に示す。図１において、信号灯１は、回路配線が施された基板２上に前面視円形に複数個配列実装したＬＥＤ素子３から成る光源と、この光源の前面に各ＬＥＤ素子３に対応して設けられた光学レンズプレート４と、樹脂又は金属材から成る黒色の背面本体５と、耐紫外線特性を有する樹脂材で成る透明又は色付き前面カバー６と、電源回路７とを備える。電源回路７は、電源線８から電源供給を受けて、基板２の回路に配線９を通して光源点灯用の電力を供給する。信号灯は、赤色、青色、黄色の３色から成るが、ここでは、その内の１つのみを図示している。
【０００９】
光学レンズプレート４は、透明又は色付きのアクリル等の樹脂素材又はガラスで構成され、各ＬＥＤ素子３の前方に対応配置した複数の光学レンズ４１と、その出射面側に該レンズ４１と一体又は別体に形成した配光制御のための複数の微小レンズ４２からなる微小レンズ群とを備える。各ＬＥＤ素子３を単位ＬＥＤと称したとき、各光学レンズ４１は単位レンズと称される。個々の光学レンズ４１により個々のＬＥＤ素子３からの発光面積を拡大している。各光学レンズ４１は、本実施形態では、図２、図３に示したように、正面視正六角形とされ、レンズ間の隙間も樹脂により一体形成され、隙間を可能な限り抑制し、可能な限り暗部が生じることを低減している。なお、各光学レンズ４１は正六角形に限られるものではない。ＬＥＤ素子３の数量は、適宜数とすればよく、例えば、３０個乃至９０個とする。また、光学レンズプレート４の外周部は、発光部が円形になるように、レンズの一部をカットしている。
【００１０】
微小レンズ群は、光学レンズ４１と一体又は別体に多数の微小レンズ４２を緊密に並べたものであり、図１では別部材のレンズシート４４上に微小レンズ４２を形成した例を示している。微小レンズ群は、配光機能を持たせると共に均一な発光を図り、しかも正面から見たとき平面部が無いようにして、入射した西日等の反射を抑制し、反射光に起因する擬似発光を防止している。
【００１１】
図４は、本実施形態による光学レンズ４１の基本構成を示す。同図は、レンズ断面を示すが、破断線は省いており（以下、同様）、また、光学レンズ４１の出射面に設けられる微小レンズ群も図示を省いている。光学レンズ４１は、光軸Ｘに対して回転対称形状とされ、ＬＥＤ素子３に対面する中央部に形成された凸面４１ａと、この凸面４１ａの周縁部にＬＥＤ素子３を囲むように形成された凹面４１ｂと、この凹面４１ｂを透過したＬＥＤ素子３からの光を全反射する反射面４１ｃと、光軸Ｘと垂直に交わる出射面４１ｄとを有する。このような基本形状の光学レンズ４１を、本明細書では、ハイブリッドレンズと称する。また、ＬＥＤ素子３の発光面３ａは面的にあるが、レンズ形状設計は、点光源Ａを基に行う。ＬＥＤ素子３は、発光面３ａの中心が点光源Ａの位置になるように配置する。
【００１２】
上記光学レンズ４１の凸面４１ａは、点光源Ａからの光のうち、この面に入射した光が入射屈折後、光軸Ｘと平行な光線となるように形状に設定する。凹面４１ｂは、光を入射屈折させる面であり、反射面４１ｃに導く。凹面４１ｂと光軸Ｘとの成す角度θは、レンズ成型用金型の抜き勾配確保のための０度以上の角度である。反射面４１ｃは、この面で全反射した光線が光軸Ｘと平行な光となるように形状を設定する。出射面４１ｄは、本例では平面であり、出射される光は、点光源の場合、平行光になる（実際には光源は大きさを持つので、光軸Ｘを中心に、ある程度広がりを持つ）。出射面４１ｄには、図示していない微小レンズ群が設けられる。Ｌ１は、反射面４１ｃの最外周に届く光線を示し、少なくとも、この光線Ｌ１を反射面４１ｃで利用できるようにレンズ口径は決定される。
【００１３】
図５、図６（ａ）（ｂ）は光学レンズ４１及びその出射面に設けられる微小レンズ４２の構成を示す。図５では、微小レンズ４２は光学レンズ４１と一体に設けられている。光学レンズ４１は、ハイブリッドレンズの基本形状はそのままに、微小レンズ４２の設計により、任意の配光に制御でき、信号灯に必要な水平面より下方向に配光する非対称配光とすることができる。それと同時に、均一発光が可能で、輝度分布むらが抑制される。図６（ａ）（ｂ）では、微小レンズ４２は、光学レンズ４１の出射面にそれとは別部材のレンズシート４４（又はカバー）に設けられている。同図（ａ）（ｂ）では、レンズシート４４の微小レンズ４２が有る面を内外、逆としている。微小レンズ群は、光学レンズ４１とは別部材のレンズシートに設けてもよいし、また、光学レンズ４１の出射面を押し出しにより一体に形成してもよい。
【００１４】
ここで、図７を参照して、本発明を適用していない光学レンズを用いた場合の、レンズ形状とＬＥＤ素子の配光特性に起因して輝度むらが生じる様子を説明する。光学レンズ４１は、図４に示したものと同等のものであり、光学レンズ４１の成形時には、凹面４１ｂに金型を引き抜くためのテーパが必要であり、その形状のために、凹面４１ｂに対応する光軸Ｘに直交する方向幅Ｗの領域は、発光しない部分となる。ＬＥＤ素子３が、光軸Ｘ方向に強く、側方向に弱いランバート配光特性を持つものであるとすると、側方向から出射し凹面４１ｂを通って反射面４１ｃにより反射され、出射面４１ｄより出射される光線Ｌは、光量が弱いものとなる。このように、発光しない部分と弱く発光する部分とが近接して生じる。このため、出射面４１ｄを正面から見ると、図８に示すように、円環状の暗部Ｂが生じ、発光の均一性を大きく損なう。
【００１５】
そこで、本発明の信号灯は、ＬＥＤ素子の強い配光範囲の光を有効に使い、光学レンズ形状に起因した出射面の暗部に配光することにより、光学レンズの出射面に暗部が発生しないようにして発光の輝度むらを改善し、より均一発光性を高めるものである。まず、図９及び図１０を参照して、ＬＥＤ素子の配光がランバート分布の場合を説明する。なお、光学レンズ４１は、上述したように、均一発光を可能とする微小レンズ４２を持つが、図１０では微小レンズ４２を省いている。図９は、ＬＥＤ素子３の配光が素子正面方向に強い、一般的なランバート分布である場合を示し、図１０は、その場合に輝度むらを改善できるハイブリッドな光学レンズ４１の実施例を示す。
【００１６】
図１０において、光学レンズ４１は、ＬＥＤ素子３の配光が入射面中央部（太線で示す）の凸面４１ａ及びこの凸面４１ａと凹面４１ｂとの変曲点α付近を通って上面部の出射面４１ｄに達する光を、出射面４１ｄで平行光に戻すためのレンズ上面形状４１ｅ（太線で示す）を出射面に設けている。このように光学レンズを形成することにより、ＬＥＤ素子３のランバート分布の強い範囲の光を、光学レンズ４１の形状に起因して生じる方向幅Ｗの発光しない暗部に配光することができる。詳細には、レンズの変曲点αを通って屈折する光線Ｌが、レンズ上面形状４１ｅの範囲で端部βの周辺に到達するようにレンズ形状を設計する。これにより、ＬＥＤ配光の強い範囲を有効に使い、発光の輝度むらを改善でき、均一な発光が可能となる。なお、凹面４１ｂは、凸面４１ａと反射面４１ｃとの間、すなわち、変曲点αともう一つの変曲点γとの間の面である。
【００１７】
図１１は、ＬＥＤ素子３の配光が素子の側方（周囲）寄りに強い、バットウィング分布である場合を示し、図１２（ａ）（ｂ）は、その場合に輝度むらを改善できるハイブリッドな光学レンズ４１の実施例を示す。この光学レンズ４１は、反射面４１ｃ（太線で示す）を、反射光が出射面４１ｄの弱い配光領域（レンズ形状に起因する）を通るように形成している。出射面４１ｄのうち、外周領域、つまり反射面４１ｃからの反射光が到達する領域は、図１２（ａ）に示すように、球面形状４１ｆ（太線で示す）に、又は、図１２（ｂ）に示すように、円錐形状４１ｇ（太線で示す）とし、平行光が出射されるようにしている。これにより、上記と同様に、ＬＥＤ配光の強い範囲を有効に使い、発光の輝度むらを改善でき、均一な発光が可能となる。さらに、このような形状によれば、レンズの成形性が良く、かつ、軽量化とコストダウンが実現できる。なお、出射面４１ｄは、図１２（ａ）（ｂ）ともに平面状のものを示すが、これらは凸面４１ａの形状に合わせて設計すれば、図１３（ａ）（ｂ）、図１４（ａ）（ｂ）に示すように、凸形状でも凹形状でも構わない。
【００１８】
そして、図１３（ａ）のように、凹形状の出射面４１ｄ’とする場合は、入射側の凸面４１ａ’の曲率を小さくすれば、図１２（ａ）と同じ効果、すなわち平行光が得られる。図１３（ｂ）のように、凸形状の出射面４１ｄ”とする場合には、入射側の凸面４１ａ”の曲率を大きくすれば、図１２（ａ）と同じ効果が得られる。
【００１９】
また、図１４（ａ）のように、凹形状の出射面４１ｄ’とする場合は、凸面４１ａ’の曲率を小さくする。図１４（ｂ）のように、凸形状の出射面４１ｄ”とする場合は、凸面４１ａ”の曲率を大きくする。これらにより、図１２（ｂ）と同じ効果が得られる。
【００２０】
なお、本発明は、上記実施例の構成に限られることなく、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能で、例えば、ハイブリッドレンズとした光学レンズ４１は、レンズ間に暗部が生じないような任意のレンズ形状及び配置を採用することができる。また、光学レンズ４１及び微小レンズ４２は、信号灯の正面方向に対して信号灯として必要ない上方向への配光を少なくした上下非対称配光を実現するような形態としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る信号灯の構成図。
【図２】同信号灯の要部の正面図。
【図３】同信号灯の要部を概念的に示す斜視図。
【図４】同信号灯における光学レンズの基本構成の断面図。
【図５】光学レンズの出射面に設けられる微小レンズの構成を示す図。
【図６】（ａ）（ｂ）は同微小レンズの上記とは別の構成を示す図。
【図７】本発明を適用していない光学レンズの作用を示す図。
【図８】同上本発明を適用していない光学レンズの出射面を見た図。
【図９】ＬＥＤの配光分布を示す図。
【図１０】本発明を適用した光学レンズの実施例を示す断面図。
【図１１】ＬＥＤの他の配光分布を示す図。
【図１２】（ａ）（ｂ）は本発明を適用した光学レンズの他の実施例を示す断面図。
【図１３】（ａ）（ｂ）は図１２（ａ）の光学レンズの変形例を示す断面図。
【図１４】（ａ）（ｂ）は図１２（ｂ）の光学レンズの変形例を示す断面図。
【符号の説明】
【００２２】
１  信号灯
３  ＬＥＤ素子
４  光学レンズプレート
４１  光学レンズ
４１ａ  凸面
４１ｂ  凹面
４１ｃ  反射面
４１ｄ  出射面
４１ｅ  レンズ上面形状
４１ｆ  球面形状
４１ｇ  円錐形状
４２  微小レンズ
【図１】
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【図２】
2006072874.tif 000004
【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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【図１２】
2006072874.tif 000014
【図１３】
2006072874.tif 000015
【図１４】
2006072874.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成17年1月21日(2005.1.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
また、個々のＬＥＤ素子から発せられる光を効率的に屈折させて活用できるように、ＬＥＤ素子の前面にそれぞれに対応、かつ対面してレンズカット部を施したレンズを配置することが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−１８３８９１号公報
【特許文献２】特公昭６３−２３６０４号公報