(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、均一な発光を実現すると共に、信号に必要な非対称の配光を実現する。【解決手段】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、光学レンズの出射面側に、レンズと一体又は別体に配光制御のための微小レンズ４２を複数配置して成る微小レンズ群を設ける。この微小レンズ４２は、非対称配光特性を持つ凹状又は凸状に形成されている。【選択図】図１１
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【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略平行光を出力する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、
この微小レンズ群の各レンズは、非対称配光特性を持つ凹状又は凸状に形成されていることを特徴とする信号灯。
【請求項２】
前記微小レンズ群の各レンズは、光学レンズの光軸に対して傾いた平行光を出射する凹凸形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の信号灯。
【請求項３】
前記微小レンズ群の各レンズの出力面形状は、レンズ頂点から上に凸又はレンズ底点から下に凸の曲面形状であり、レンズ頂点又はレンズ底点を通る互いに直交する２つの断面に関して一方は略対称形状であり、他方は非対称形状であることを特徴とする請求項１記載の信号灯。
【請求項４】
前記微小レンズ群の各レンズの輪郭は、各レンズを隙間なく並べることが可能な形状であることを特徴とする請求項３記載の信号灯。
【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）。
また、信号灯としては、上方への配光が不要であり、レンズ光軸に対して非対称な配光が望まれることから、砲弾型のＬＥＤにおいて光学レンズの曲率半径を部位に応じて変えることが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【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
【特許文献３】特許２９８０１２１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１，３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。
【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信号に必要な非対称の配光が実現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略平行光を出力する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、この微小レンズ群の各レンズは、非対称配光特性を持つ凹状又は凸状に形成されているものである。
また、上記において、微小レンズ群の各レンズは、光学レンズの光軸に対して傾いた平行光を出射する凹凸形状に形成されていることが好ましい。
また、上記において、微小レンズ群の各レンズの出力面形状は、レンズ頂点から上に凸又はレンズ底点から下に凸の曲面形状であり、レンズ頂点又はレンズ底点を通る互いに直交する２つの断面に関して一方は略対称形状であり、他方は非対称形状であることが好ましい。
また、上記において、微小レンズ群の各レンズの輪郭は、各レンズを隙間なく並べることが可能な形状であることが好ましい。
【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、微小レンズ群の各レンズが非対称配光特性を持つので、信号灯として適切な配光が得られる。
また、微小レンズ群の各レンズにより光学レンズの光軸に対して傾いた平行光が得られるものとすることで、信号灯として適切な配光が得られる。
また、微小レンズ群の各レンズを隙間なく並べることで、光学レンズの平坦部がなくなり、太陽光による擬似点灯作用を抑制することができる。
【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所形成面４１ｂと、この凹所形成面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を設定する。凹所形成面４１ｂは、光を入射屈折させる面であり、反射面４１ｃに導く。凹所形成面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。凹所形成面４１ｂは、凹曲面に限られず、稜線が直線的な面であってもよい。
【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。
【００１４】
本発明の信号灯は、上記のように均一発光を可能とする微小レンズ４２を持つ光学レンズ４１を備え、かつ、微小レンズ４２により信号灯として必要な非対称配光制御を実現することに特徴がある。ここで、図７（ａ）（ｂ）を参照して、本発明の信号灯における非対称配光について説明する。同図（ａ）は信号灯の高さ位置より上方への配光を抑えるように、正面水平軸Ｈに対して鉛直方向に非対称配光Ｄとするものである。同図（ｂ）は信号灯の正面より外側への配光を抑えるように、信号灯の正面水平軸Ｈに対して水平方向に非対称配光Ｄ’とするものである。
【００１５】
次に、上記のような、非対称配光を可能とする実施形態について説明する。非対称配光は、上述図４に示したようなハイブリッドレンズにおいても、本発明を適用することなく、図８（ａ）（ｂ）に示すように反射面４１ｃ等の設計により達成できるが、均一な面発光とすることは難しく、同図（ｃ）に示すように、局部的に発光して見え、輝度むらが生じる。そこで、本発明では、微小レンズ４２の形状を、信号灯に必要な非対称配光となるようにした。図９（ａ）は出射面に微小レンズ４２を持つ光学レンズ４１を示し、（ｂ）（ｃ）は微小レンズ４２の各種形態を示す。ここでは、微小レンズ４２は正面視の輪郭が、直交基準線Ｌ，Ｌ’で対称な六角形状としている。互いに直交するＡ，Ｂ線において、Ａ，Ｂ断面は凹形状でも凸形状でもよい。
【００１６】
図１０（ａ）は、Ａ断面が凸形状の場合を、（ｂ）はＡ断面が凹形状の場合を示す。いすれも、Ａ断面で略対称形状であり、稜線の平均曲率半径Ｒに関して、Ｒｂ１≒Ｒｂ２、かつ、Ｒａ１≧Ｒａ２である。そして、境界Ａの両側で対称配光となり、境界Ｂの両側では非対称配光となる。ここに、微小レンズ群の各レンズ４２の出力面形状は、レンズ頂点（Ａ線上の一点）から上に凸の曲面形状、又はレンズ底点（Ａ線上の一点）から下に凸の曲面形状であり、レンズ頂点又はレンズ底点を通る互いに直交する２つの断面に関して一方は略対称形状であり、他方は非対称形状である。
【００１７】
図１１（ａ）（ｂ）は、それぞれ図１０（ａ）（ｂ）の場合の、微小レンズ４２の境界Ａ断面での配光状態を示す。いずれも、微小レンズ４２から出射される光線は、矢印で示すように配光される。このため、Ｒａ１側からの光強度は強く、Ｒａ２側からの光強度は弱く、それぞれ図示のような配光曲線となる。この配光は、境界Ｂの両側で非対称となっていることになる。
【００１８】
図１２（ａ）は、上記のような、六角形状の微小レンズ４２を密に複数並べた微小レンズ群の実施形態を示し、（ｂ）（ｃ）（ｄ）は１つの微小レンズ４２を示す。この微小レンズ４２は、Ａ，Ｂ断面が凸形状である。微小レンズ４２の六角形周辺は隣り合うレンズと密に配置されるように擬似カット面により互いに連結されている。図１３（ａ）〜（ｄ）は、Ａ，Ｂ断面が凹形状である場合の、上述と同等の図を示す。ここに、微小レンズ群の各レンズ４２の輪郭は、各レンズを隙間なく並べることが可能な形状としている。微小レンズ群の各レンズ４２を隙間なく並べることで、光学レンズの平坦部がなくなり、太陽光による擬似点灯作用を抑制することが可能である。なお、上記図１２、図１３では、Ａ断面の軸方向もＢ断面の軸方向も整列しているものを示したが、いずれか一方の軸方向に関しては互いにずれていても構わない。なお、各微小レンズの大きさは互いに同じである方が好ましい。また、隙間なく並べられる形状としては、光学レンズの光軸に対して同一方向に傾いた光を出すものであればよく、六角形状以外に長方形状や正方形状等が考えられる。また、相対的に互いの間の平坦部を十分小さいものにできるならば、平面視略卵形等の形状であってもよい。
【００１９】
図１４（ａ）（ｂ）は、Ａ断面が凸形状の場合と凹形状の場合の、微小レンズ４２の他の実施形態を示す。この実施形態は、いずれもＡ断面の両側で略対称形状であり、Ａ断面でＲａ１に対する曲面のみがあり、Ｒａ２に対する曲面は存在しない。このような微小レンズ４２が光学レンズの出射面に連続的に配置され、微小レンズ群とされる。
【００２０】
図１５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、さらに他の実施形態を示す。この実施形態においては、上記のように光学レンズ４１の出射面４１ｄに微小レンズ群を設けることに代えて、光学レンズ４１の出射面４１ｄを、レンズ光軸に対して傾いた平行光Ｐを出射し得るように鋸歯状の凹凸面に形成している。同図（ｃ）に示すように、斜面となるレンズ有効面４１ｄｅの光軸垂直面との成す角度θは全て同じとされている。本実施形態によれば、光学レンズ４１自体を傾けることなく、光軸が信号灯に必要な下方向配光のものとすることができる。この凹凸面は、光学レンズ４１の出射面を押し出しにより一体形成することができる。
【００２１】
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、非対称配光に関しては、図７（ａ）（ｂ）のいずれかの非対称配光を持つ形態だけでなく、両者を併せ持つ非対称配光とする形態であっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】（ａ）（ｂ）は信号灯として非対称配光とすることを示す図。
【図８】（ａ）（ｂ）は本発明を適用していない光学レンズにおいてレンズ形状設計により非対称配光を得た場合の説明図、（ｃ）はその場合に輝度むらが生じることを説明する図。
【図９】（ａ）は出射面に微小レンズを持つ光学レンズの斜視図、（ｂ）（ｃ）（ｄ）は同微小レンズの各種実施形態を示す正面図。
【図１０】（ａ）（ｂ）は同微小レンズの形状を説明するための図。
【図１１】（ａ）（ｂ）は同微小レンズの境界Ａ断面が凸形状の場合と凹形状の場合の各配光を説明する図。
【図１２】（ａ）は凸形状の微小レンズを密に複数並べた微小レンズ群の実施形態を示す斜視図、（ｂ）は１つの微小レンズの上面図、（ｃ）はその斜視図、（ｄ）はその側面図。
【図１３】（ａ）は凹形状の微小レンズを密に複数並べた微小レンズ群の実施形態を示す斜視図、（ｂ）は１つの微小レンズの上面図、（ｃ）はその斜視図、（ｄ）はその側面図。
【図１４】（ａ）（ｂ）は凸形状の場合と凹形状の場合の、微小レンズの他の実施形態を示す図。
【図１５】（ａ）はさらに他の実施形態による光学レンズの側断面面、（ｂ）は同光学レンズの斜視図、（ｃ）は光学レンズの出射面の拡大図。
【符号の説明】
【００２３】
１  信号灯
３  ＬＥＤ素子
４  光学レンズプレート
４１  光学レンズ
４１ｄ  出射面
４２  微小レンズ
４４  レンズシート
Ｄ，Ｄ’  非対称配光
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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