(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸線（６）を有する箱形のハウジング（１）を備えた信号灯であって、前記ハウジングは前記中心軸線を中心に略回転対称に配置され且つ開放端部（２）を有し、
多数のＬＥＤ（４）が前記ハウジング（１）内に収容され、前記ハウジング（１）の開放端部（２）が拡開窓（３）により封止されている信号灯において、
前記ＬＥＤ（４）が前記ハウジング（１）の中心軸線（６）の周りに密集させられ、
前記信号灯が、前記中心軸線（６）に直交する正のフレネルレンズ（７）を有し、
前記正のフレネルレンズの焦点距離がｆであり、前記ＬＥＤ（４）が前記正のフレネルレンズ（７）から距離ｖの位置に配置され、０．５５＜ｖ／ｆ＜０．９７５の関係が成立している、
ことを特徴とする信号灯。
【請求項２】
前記ＬＥＤ（４）が密集させられているハウジングの内面が、最大で、前記正のフレネルレンズ（７）の表面の２５％の表面積を有している、
請求の範囲１に記載の信号灯。
【請求項３】
前記ＬＥＤ（４）の開口角と前記ハウジング（１）中のＬＥＤ（４）の位置とが、信号灯の点灯中、前記ＬＥＤ（４）が発生させた光が殆ど前記正のフレネルレンズ（７）に入射するように互いに構成されている、
請求の範囲１または２に記載の信号灯。
【請求項４】
前記ＬＥＤ（４）は、前記信号灯の中心軸線（６）が位置する平坦平面に対して非対称的にハウジング（１）内に配置されている、
請求の範囲１ないし３のいずれか１項に記載の信号灯。
【発明の詳細な説明】
本発明は、開放端部を有する箱型のハウジングを具える信号灯であって、多数のＬＥＤがハウジング内に収容され、ハウジングの開放端部が拡開窓により封止されている当該信号灯に関するものである。
このような信号灯自体は既知である。これらは特に、交通信号のような種々の交通を制御する信号標識に用いられる。この種類の信号灯は、ハウジングの内面全体上に規則的に分布された多数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を有している。このような信号灯の拡開窓は光の強度を適切に分布させ、必要に応じ明るさの分布を均一にする。“光の強度の分布”とは、本明細書では、光の強度の角度依存分布を意味するものとする。又、“明るさの分布”とは、本明細書では、信号灯の拡開窓の表面上での角度非依存光分布を意味するものとする。
各ＬＥＤに、拡開窓中で一体化した独自の光学系を設けるように、ＬＥＤを有する信号灯の拡開窓を構成することも既知である。このような光学系が存在するために、拡開窓の明るさの分布は信号灯の点灯中最適なものとなる。現在使用されている信号灯は４００個よりも多いＬＥＤを有している。しかし、この個数を減少させる傾向がある。この傾向は、より一層高い光出力を有するＬＥＤが入手しうるようになっているという事実によっても生ぜしめられるものである。例えば、最近の信号灯は１５０〜２００個のＬＥＤしか有していない。
上述した種類の信号灯には重大な欠点がある。このような信号灯の１個以上のＬＥＤが故障すると、拡開窓の表面上の明るさの分布が不均一になるということを確かめた。この欠点は信号灯の拡開窓の表面上に暗点の形態で現れる。その結果、１個以上のＬＥＤが故障すると、既知の信号灯はもはや明るさの分布の均一性に関する条件を満足しない。この問題は、ＬＥＤの個数が減少するにつれて増大する。
本発明の目的は、上述した欠点を回避することにある。特に、本発明は、１個以上のＬＥＤが故障しても信号灯の拡開窓の表面上の明るさの分布を全く或いは殆ど不均一にしない上述した種類の信号灯を提供することを目的とする。
本発明の上述した及びその他の目的は、前記ＬＥＤがハウジングの中心軸線の周りに密集しており、信号灯が更に正のフレネルレンズを有していることを特徴とする、頭書に記載した種類の信号灯により達成される。
本発明は、正のフレネルレンズを使用することと相俟って、信号灯容器の軸線の周りにＬＥＤを密集させることにより、１つ以上のＬＥＤの故障により殆ど或いは全く影響されない信号灯の均一な明るさの分布をもたらすという認識を基に成したものである。本発明による信号灯のＬＥＤは既知の信号灯と相違してハウジングの表面全体に亘って分布させずに信号灯容器の中心軸線の周りに密集させる。本発明によるランプでは、ＬＥＤにより形成される、レンズ上の照明領域は大部分互いに重なり合う。その結果、１つ以上のＬＥＤが故障した場合に、拡開窓の表面上での明るさの分布の均一性が殆ど減少しない。
本発明による信号灯のハウジングは一般に碗型とする。このようなハウジングは（仮想の）中心軸線を有し、この中心軸線を中心としてハウジングがほぼ回転対称的に構成されている。しかし、開放端部が楕円形又はほぼ方形としたハウジングのような他の形態のハウジングにも本発明による手段を用いることができる。この場合、ハウジングはその中心軸線を中心としてほぼ面対称に配置されている。これらの双方の場合、中心軸線は正のレンズに対してほぼ直角に延在する。レンズを拡開窓として用いることもできることに注意すべきである。拡開窓は本発明の信号灯に個別の光学素子として収容するのが好ましい。
本発明によれば、フレネルレンズを使用する為、コンパクトで廉価な信号灯を製造しうるようになる。フレネルレンズを使用することにより、正の球面レンズに比べてレンズのエッジでの光の損失が少なくなるという追加の利点が得られる。
ＬＥＤはハウジングの内面の比較的小さな部分上に設ける。本発明の好適例によれば、ＬＥＤを密集させるハウジングの内面をレンズの表面のほぼ２５％の面積とする。ハウジングの内面の、より大きな部分にＬＥＤを設けると、最外側のＬＥＤが信号灯の光の強度の分布に寄与する度合いが不充分となる。ＬＥＤを密集させるハウジングの内面をレンズの表面の５〜１５％にした場合最適な結果が得られた。本発明による信号灯の重要な例では、レンズが焦点距離ｆを有し、ＬＥＤがレンズから距離ｖの位置に配置され、０．５５＜ｖ／ｆ＜０．９７５となるようにする。
レンズからその焦点距離の位置にＬＥＤを配置すると、信号灯の拡開窓に与えられる光の強度の意図する均一分布に可成り悪影響を及ぼすということを確かめた。この場合、拡開窓が２つの機能、すなわち光の強度の分布の均一化及び明るさの分布の均一化を達成するようにする必要がある。これにより、拡開窓の構造を一層複雑にし、従ってより一層高価なものとする。しかし、０．５５＜ｖ／ｆ＜０．９７５となるようにＬＥＤを焦点以外に配置すれば、拡開窓に与えられる光の強度を比較的均一に分布させることができる。焦点距離と、ＬＥＤ及びレンズ間の距離との双方に対し、比ｖ／ｆをほぼ０．９０とすれば、この光の強度の分布の均一性が最適となる。この場合、拡開窓は１つの機能、すなわち明るさの分布の均一化のみを満足させれば足りる。
本発明による信号灯の更に他の好適例では、ＬＥＤの開口角とハウジング中のＬＥＤの位置とが、信号灯の点灯中ＬＥＤにより発生される光が殆ど（すなわち９０％よりも多く）レンズ上に入射されるように互いに適合していることを特徴とする。この構成上の手段を用いることにより本発明による信号灯の光の効率を最大限に用いうるようになる。ＬＥＤが不正確に配置されると、ＬＥＤにより発生される光の一部がハウジングの内面上にも入射されるおそれがある。ハウジング（の内面）は通常光吸収性の黒色材料を以って構成されている為、レンズに入射されない光の部分は失われる。従って、このような状態は信号灯の効率に悪影響を及ぼす。
本発明による信号灯の他の重要な例では、ＬＥＤは、信号灯の中心軸線が位置する平坦平面に対して非対称的にハウジング内に配置されていることを特徴とする。ハウジングの中心軸線の周りに密集させるＬＥＤを非対称的に配置することにより、重要な利点が得られる。この手段は、発生する光ビームの、光の強度の分布に対する著しい効果を有する。信号標識、例えば交通信号では、本発明による信号灯は、（仮想の）平坦平面が水平方向に延在するように取付ける必要がある。この配置によれば、この平坦平面の下側に放出される光の部分がこの平坦平面の上側に放出される部分よりも多くなる。これは信号灯に対し望ましい特性である。
本発明の上述した特徴及びその他の特徴は以下の実施例に関する説明から明らかとなるであろう。
明瞭にするために、図は実際のものに正比例して描いていないことに注意すべきである。
図１は、本発明による信号灯の線図的断面図である。この信号灯は、光を吸収する黒色合成樹脂材料（例えばポリカーボネート）から成る箱型ハウジング（１）を有する。このハウジングは開放端部（２）を有し、この開放端部が拡開窓（３）により封止されている。本例では、この拡開窓をプラスチック材料から造り、その内面は所望のパターンに応じて構成してある。この拡開窓は信号灯の水平面内で放出光が正しく拡がるようにする。
ハウジングは基板（５）上の比較的少数の（２５個よりも少ない）高出力ＬＥＤ（４）を収容しており、この基板がハウジングに固着され、このハウジングの一部を構成している。図面を明瞭とするためにＬＥＤの固着手段及び電気接点は図示していない。図示の例では、１８個の高出力ＬＥＤが存在する。高出力ＬＥＤは少なくとも３ルーメン（ｌｍ）の光束を有することに注意すべきである。信号灯はＬＥＤの種類に応じて赤、緑又は黄色で発光しうる。
図示の信号灯は（仮想の）中心軸線（６）を有し、ハウジングはこの中心軸線を中心としてほぼ回転対称的に配置されている。この中心軸線（６）は基板（５）と、本例ではフレネルレンズとしてレンズ（７）とに対して直角に延在している。ＬＥＤ（４）はこの中心軸線を囲んで密集している。図示の例では、ＬＥＤ（４）は、これらＬＥＤが固着されているハウジングの内面がフレネルレンズ（７）の表面の２５％よりも小さくなるように密集させる。この場合、この内面はフレネルレンズの表面の１０％である。本発明による信号灯の場合、１つ又はそれ以上のＬＥＤ（４）が故障しても、フレネルレンズが設けられておらず且つＬＥＤがハウジングの内面全体に亘って分布されている信号灯の場合よりも、拡開窓（３）の表面上の明るさの分布の均一性の低減が著しく少なくなるということを確かめた。
ＬＥＤの密集体の縁部に位置するＬＥＤ（４）の開口角は、ＬＥＤ（４）により発生されるすべての光がフレネルレンズ（７）上に直接入射されるように選択してある。この効果を説明するために、ＬＥＤの密集体の縁部に位置する２つのＬＥＤの最外側ビームの軌道を図１に示す。ＬＥＤ（４）により発生される光の一部が光吸収性のハウジング（１）の内面に入射されると、この光が失われる。ハウジングの光吸収効果はいわゆる"ファントム効果"を減少させる。
フレネルレンズ（７）の焦点（８）は中心軸線（６）上で距離ｆの位置にある。ＬＥＤ（４）はフレネルレンズから距離ｖの位置で密集されている。後に説明するように、比ｖ／ｆが信号灯の光の強度分布の均一性を可成りの程度決定する。図示の例では、この比を０．９０とする。この比が０．９７５と０．５５との間にあると、光の強度分布が許容しうるものとなる。
図２は、ｖ／ｆの比を異なるように選択した本発明による信号灯の種々の例の（相対的な）光の強度分布のグラフを示す。このグラフにおいて、相対的な光の強度Ｉを、視線角Ｈ（度）の関数として示す。信号灯のこれらの例では、合計で７個の高出力ＬＥＤを用いた。各ＬＥＤからこれに最も近いＬＥＤまでの平均距離を約５ｍｍとした。レンズの焦点距離は１０ｃｍとした。以下に記したｖ／ｆの比を得るために、物体距離ｖを変化させた。
図２Ａ〜２Ｄは、本発明による信号灯の相対的な光の強度の分布を０．９９，０．９７５，０．９０及び０．５５の比でそれぞれ示している。これらの図から明らかなように、ｖ／ｆの比が０．９９の場合、ビームの光の強度の分布は極めて不均一となる。比を０．９７５及び０．５５とした場合のビーム分布はかろうじて許容しうるものとなる。最適なビームの光の強度分布は、ｖ／ｆの比を約０．９０とした場合に得られる。
図３は、１８個（図３Ａ）及び３５個（図３Ｂ）のＬＥＤ（４）を方形の基板（５）上に設けた２つの非対称構造を示し、これらは本発明による信号灯に用いて極めて有利である。中心軸線は図面の平面に対し直角に延在し、点（７）で示してある。
ライン（１０）は平坦平面の方向を示し、この平面に対してＬＥＤが非対称に配置されている。この信号灯を交通装置内に配置する場合には、このライン（１０）をほぼ水平方向に延在させる必要がある。ＬＥＤ（４）はライン（９）に対して対称的に配置されている。ライン（１０）はこのライン（９）に対して直角に延在している。ＬＥＤをライン（１０）に対して非対称配置することにより、信号灯が交通装置の垂直平面内に非対称の光の強度の分布を生じるようにする。信号灯を交通装置内に固着する場合、基板（５）もライン（９）がほぼ垂直方向に延在するように配置する必要がある。ＬＥＤをライン（９）に対し対称配置することにより、信号灯は交通装置の水平平面内に光の強度の対称分布を生じる。
本発明による信号灯は拡開窓の表面上に最適な明るさの分布を与える。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による信号灯を示す線図的断面図であり、
図２は、本発明による信号灯の種々のビーム分布を示し、
図３は、ＬＥＤを本発明による信号灯のハウジング内に非対称に配置した構造を示す。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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