日本の交通信号機
本項では、日本における交通信号機（こうつうしんごうき）について記述する。
日本では道路の安全と円滑を守り、また交通公害などの障害を防ぐために交通信号機が設置される。主に車両用と歩行者用に分けられるが、必要に応じて自転車用や路面電車用のものも設置される。国内で本格的な交通信号機が設置されたのは1930年（昭和5年）であり、その後は歩行者用信号機の誕生、電球式からLED式への光源の変更を経て現在に至る。
交通信号機には制御器や信号柱などが付属しており、制御器で予め定められたパラメータに従って自動的に信号機の表示を変えている。
なお、この記事で取り扱う単位については「m」=メートル、「cm」=センチメートル、「mm」=ミリメートルとする。
平面交差を行う道路利用者に対して灯色や矢印の灯火を表示する装置であり、「信号灯器」とも呼ばれる。
日本の信号機は車両用信号灯器（以下、車両用信号機）と歩行者用信号灯器（以下、歩行者用信号機）に分けられる。車両用灯器は青・黄・赤をした3つの円形の発光面（直径は25 - 30 cm）で構成されており、歩行者用灯器は青・赤をした2つの四角形の発光面（一辺あたり25 cm）で構成されている。車両用信号機に限り、3色の発光面に追加して青色や黄色の矢印が付加されているものもある。一般的に横型の信号機が設置されるが、降雪が多い地域や狭隘な場所に設置する場合は縦型のものが設置される。
信号機の役割は、交通事故の防止・交通流の円滑化・交通環境の改善が挙げられる。
制御にあたって関係する交差点の分布から点制御（1つの交差点のみの場合）・線制御（1本の路線で連動させる場合）・面制御（面的に連動させる場合）の3種類に分けられる。また、信号機の制御で用いるパラメータとして、「サイクル長」「青信号スプリット」「オフセット」の3つが用いられる。
日本で最初に色灯式の自動信号機が設置されたのは1930年（昭和5年）であり、それ以前は回転式の標示板などを使用していた。現在、発光源は白熱球からLED球に移行しつつある。
日本の交通信号機の設置位置は交差点の出口に設ける方式が最も一般的である。また、降雪が多い地域や狭隘な場所を除き、道路に対して水平（横型）に設置するのも一般的である。これに対して、米国や欧州は縦型に設置するのが一般的であり、景観を乱さないように柱に直接取り付けられている例が多い。
日本では車両用は全国に126万基以上ある。1平方キロメートル当たりの設置密度はイギリスの5倍、アメリカ合衆国の16倍に達する。これは信号機による交通整理の必要性が低いラウンドアバウト（環状交差点）が欧米に比べて少ないことによる。
世界での信号機の設置事例を見ると、信号機の高さを低くし、支柱などを暗色で塗装して目立たないようにしているものが多く、都市景観の向上に効果をあげていると考えられる。一方で、個性的なデザインの信号機によって都会的な印象を与えている事例もある（例えばパリ）。
信号機の灯火は、横型のものは左から赤色・黄色・青色、縦型のものは上から赤色・黄色・青色の順に配列されている。理由は交通安全の上で最も重要な赤色を最も視認性の良い位置に配置しなければならないためである。信号機の配列は道路交通法施行令第3条に定めがある。
なお、実際は緑色をした信号機を青信号と呼ぶ理由については、大阪府警察は光の三原色に対比させたものである説明している。また、日本人は「青葉」など緑を含めて青と呼ぶことがあり、当時の新聞が「青信号」と書いたことで広がったという説もある。
信号機が表示（現示）する信号の意味は道路交通法施行令第2条に定めがある。
「左折可」の標示板がある交差点では、車両は黄色または赤色の灯火の信号にかかわらず、左折できる。この場合において他の交差する交通を妨げてはならない。
「特定の交通に対する標示板」（例「側道専用」など）が取り付けられた信号機がある場合、その信号機はその特定の交通だけに対し表示するものとされ、その信号機以外の信号機は、その特定の交通に対しては表示しないものとされる。
右折をしている途中の車両等は、たとえ右折した先で対面する信号機が赤色の灯火だったとしてもそのまま進行できる（ただし、多通行帯道路等で右折する通行原動機付自転車及び軽車両を除く）。なおこの場合、青信号等に従い進行する他の車両や歩行者を妨げてはならない。
青色の右折の矢印が出ている場合、二段階右折をすべき車両はその方向に右折することはできず、かつ、赤信号と同様に対面する信号の停止位置で停止しなければならない。（ただし、他に直進を許す信号が出ている場合は、右折しようとする地点まで直進する事ができるが、右折方向へ進む事はできない）。
青色の右折の矢印が出ている場合、道路標識等によって禁止されていない場合は転回することができる（基本的に真右「→」のみ）。青色の矢印で示していない方向に進行することは当然の事ながら、加えて青色の真右「→」の矢印以外の矢印信号（特別な状況を除く）で転回することも信号無視となる。
黄色の灯火の点滅の場合、必ずしも徐行や停止しなければならないわけではなく、『他の交通に注意し事故の恐れがないときはそのままの速度で直進することができる』と言う判例がある（昭和43年4月9日東京高裁判決）。その一方で、『信号が設置されている位置の道路状況によって、この黄色の灯火の点滅が道路を通行するときの義務を果たす場合により一層の留意を喚起するもの』とする判例もある（昭和48年9月27日最高裁判決）。通説では、黄色の灯火の点滅は、交通整理の行われていない交差点または横断歩道であるため注意を促すに留まる。また、黄色の灯火の点滅は前方注意を促すためにも使用される（前方に信号機や横断歩道がある場合、または前方すぐに赤信号や交通整理の行われていない踏切がある場合など）。
停電などにより信号機が消灯している場合には、交通整理の行われていない交差点または横断歩道としての注意義務が生じる。また信号機が故障していることが何人が見ても明らかな場合は、仮に信号機が何らかの表示をしていてもこれに従う義務は無いと解されている。1つのサイクルに則って信号機が作動している以上、3色の内1色でも故障が生じた場合は信号機の表示の効力は失うと解するのが妥当とされている。この場合も、信号機の効力が失われている以上は、交通整理の行われていない交差点または横断歩道としての注意義務が生じる。
歩行者用信号機に自転車も対象に含む旨の標示板がある場合、その歩行者用信号機の示す信号の意味は道路交通法施行令第2条第4項に定めがある。
通常、横断歩道の道路標示を設置する場合は、道路標識または信号機を設置する。歩行者用信号機が消灯した場合でも、その信号機による横断歩道は適法のものとされる。
車両用信号機が青・黄・赤を連続して表示するときの順番は、青→黄→赤とする。右折矢印信号を設ける場合は、黄色信号を表示してから赤信号と右折矢印の表示を行い、その後黄色信号を再び表示してから赤信号のみの表示を行うよう規定されている。従来は右折矢印信号を表示するときの信号機の点灯パターンは4通りあったが、事故を招くとして1994年（平成6年）7月に先述の通りにするよう通達を出した。なお、時差式による制御を行う場合でも、全ての方向の矢印を出して青信号と同じ意味の表示を行う点灯パターンは行ってはならないと通達が出されている。
歩行者用信号機が青・青点滅・赤を連続して表示するときの順番は青→青点滅→赤とする。
道路交通法に信号機に関する定めがあり、信号機の定義は以下の通りである。
設置者は都道府県公安委員会（以下、公安委員会）であり、交通の煩雑な交差点やその他交通の危険を防止するあめに必要な場所には信号機を設置しなければならない。
信号機の設置は公安委員会が行うが、公安委員会が他の者に信号機の設置又は管理を委任することができる。ここでいう「他の者」とは軌道を管理する軌道経営者や公安委員会が適当であると認める者に限る。
道路交通法第7条より、道路を通行する歩行者、又は自動車、原動機付自転車、軽車両、トロリーバス及び路面電車は信号機が表示する信号に従わなければならない。信号無視をした車両等の運転者は、3月以下の懲役又は5万円以下の罰金に処される。自動車または原動機付自転車の運転者が、赤色信号又はこれに相当する信号を殊更に無視し、よって交通事故を起こし人を死傷させた場合、危険運転致死傷罪に問われる場合がある。歩行者の場合は、2万円以下の罰金又は科料に処される。なお、道路工事の現場に設置されている交通整理用の信号機は、公安委員会または公安委員会の委任を受けた道路管理者が設置したものでなければ、信号の意味に従わなくても道路交通法による信号無視違反としての検挙はできない。
警察官や交通巡視員は手信号による交通整理を行うことができ、この場合特に必要がある場合は信号機の表示より手信号による指示の方を優先することができる。
交差点での信号機の設置要件は、自動車などの交通量が最も重要な要素となる。ある程度以下の交通量ならば一時停止などの交通規制によって対応していくが、それ以上になると交通の円滑性が保てず、事故発生を招くおそれがあるため信号機の設置を検討することとなる。また、過去に信号機の設置によって防止できた交通事故が一定数以上発生している場合は事故防止として信号機の設置を検討することとなる。
日本では『信号機設置の指針』において、5つの「必要条件」の全てに該当し、4つの「択一条件」のいずれかに該当する場合のみ原則として信号機を設置するものとしている。この指針は2015年度に制定されたものであり、以下の条件を満たさない信号機は撤去を検討することとしている。
『信号機設置の指針』が定められたことにより、必要性が低下した信号機の撤去が行いやすくなった。学校の廃校や高速道路の延伸などで撤去が進められた例がある。
一方で、歩行者用信号機は、横断歩行者需要・車道の幅員・自動車などの交通量などから設置を検討する。
交差点での交通制御方式の一種であり、他の交通制御方式として「一時停止制御」「ラウンドアバウト」による環道優先制御」がある。ライフサイクルコストは信号灯器や制御器を作動させるために高くなるため、限られた財政状況の中で持続可能な交通安全施設を維持するためには必要性の十分な検討が欠かせない。
交通信号機の制御は以下の点を目標として検討される。
これらの目標を達成するために、最も一般的な指標として「遅れ時間」が挙げられる。車両の実際の旅行時間と信号制御の影響を受けないで走行する旅行時間の差であり、交差点を通過する全車両の遅れ時間の総和（総遅れ時間）の最小化が信号制御の最適化の基本である。なお、交差点を通過する交通量が少ない場合は遅れ時間が他の制御方式と比べ大きくなるが、交通量が多い場合は遅れ時間が小さくなる。また、他の指標として「信号待ち行列長」、「交差点通貨に要する停止・発進回数」、「信号待ち回数」、「捌け量」（一定時間内に流入路の停止線を通過できる車両の最大の数）が挙げられる。信号機が一組の交通流に与える通行権のことを「現示」（または「信号現示」）と呼ぶ。信号機の現示の決定方法は、交差点の構造・交通状況・立地条件などを考慮して、交差点内の交通の流線を描いて交差・合流を許容できる範囲のものを1つの「現示」として割り当てる。交差点の形状が複雑になれば現示方式も複雑になり、現示数が増加する傾向にある。標準的な三枝または十字交差点で、かつ歩行者や右折交通量が少ない交差点では2現示で処理することが可能である。特に、交通信号機は可能な限り矢印・点滅表示を使わないで交通整理（三色整理）を行うことが望ましい。こうした交通信号機の現示の出し方を「標準二現示方式」と呼ぶ。
右折交通流が多い交差点では、時差式によって右折交通流の多い交通の青表示を長時間取る方法や、右折専用現示方式によって右折の青矢印表示で交差点の交通処理が行われる。また、歩行者交通が多い交差点では、斜め横断の歩行者需要が多い交差点ならばスクランブル現示の導入を行うほか、歩行者と車両で動線の交錯を生じないようにする歩車分離式信号制御の導入が行われる。
上述の歩車分離式信号機や時差式信号機、青矢印信号機の設置などで3現示以上出す場合は「多現示方式」と呼ぶ。こうした多現示方式の場合、交通整理の方法に道路利用者が納得できる合理的理由が無いなら信号無視を誘発するおそれがある。交通信号機を制御するために用いられるパラメータは以下の3種類である。
信号の制御方式は、制御対象の信号交差点の関連性から以下の分類に分けられる。
日本の信号制御は大きく分けてマクロ制御とミクロ制御に分けられている。前者（マクロ制御）は感知器によって収集・予測されたデータに基づきサイクル・スプリット・オフセットを制御する。後者（ミクロ制御）は感知器から得られたデータを処理したものと、マクロ制御で得られた各種のパラメータに基づき、事故の危険性などを考慮して各信号の表示時間を秒単位で制御している。
一方で、制御パラメータの設定（サイクル長、青信号スプリット、オフセット）から、以下の分類に分けられる。
交差点の流入部において、現示・車線別に単位時間あたりに停止線を通過できる最大の車両台数のことを「飽和交通流率」と呼ぶ。信号が青表示に変わった直後に車両が通過できる台数は飽和交通流率に達しないが、青表示に変わってから飽和交通流率に到達するまでの時間を「発進損失」と呼ぶ。そして黄表示に変わってから次の青表示に変わるまでの時間を「クリアランス損失」と称する。発進損失・クリアランス損失に該当せず、青表示で飽和交通流率で交通を捌ける時間を「有効青時間」となる。
なお、実際の交通需要（通常はその道路で想定されている時間あたりの交通量である「設計時間交通量」）を飽和交通流率で割った値を「需要率」と称する。この需要率の値は設計時間交通量を渋滞なく捌くために必要最小限の青時間スプリットとなる。「現示の需要率」は各信号現示での最大の需要率であり、現示の需要率の総和となる「交差点の需要率」となる。交差点の需要率は理論上、1.0を超えるとどのような信号制御でも設計時間交通量を捌くことが不可能であり、実際は現示切り替え時の損失時間を考慮して上限は0.7や0.8程度が上限として妥当となる。
端末感応制御には以下の種類がある。
車両用信号機（車両用信号灯器）の表示面は丸型が採用され、表示面の直径は一般道路用の250 mmと300 mm、高速道路用の450 mmが使用されている。かつては視認性確保のため一般道路でも450 mmのものが取り付けられていたが、LED化に伴う信号機そのものの視認性向上によって小型の信号機に戻している例が多い。
取り付ける際は地盤面から灯器底部まで5,100 mm以上とし、交差点進入方向から見やすい位置に設置しなければならない。このとき、建築限界を侵して設置してはならない。また、歩行者用信号機が設置されていない交差点では、車両用信号機が歩行者から見える位置に設置しなければならない。配置する際は、接近する車両が停止線手前で停止・通過の判断を適切に行えること、停止位置から信号機が確認できること、見るべき信号機が明確でほかの交通に対する信号機と誤認することがないことが求められる。流入車線が複数ある場合はそれぞれの車線から信号機を視認できるよう配置する必要があり、必要に応じては補助的な信号機を設置する必要もある。
黄色、赤色といった特定の灯火しか使用しない場合でも、青・黄・赤の三色の車両用信号機を用いることが望ましいとされている。矢印灯器を配置する場合、横型灯器の場合は三色灯器の下に、縦型灯器の場合は三色灯器の右に配置する。いずれの場合も、青の隣に左折矢印、黄の隣に直進矢印、赤の隣に右折矢印を配置する。
日本では一般的に横型であるが、降雪が多い地方や狭隘な場所では縦型の信号機が設置されることがある。
車両用信号機の取り付けられるアームの長さは2.0 mを標準とし、最長は3.5 mとしなければならない。アームの形状は梁が2本の「平行アーム」、1本の「直線アーム」などがある。アーム長や矢印灯が設置されている数などによって支持棒や補強金具の取付方法が異なってくる。信号交差点が連続する場合は誤認を防ぐため、手前の信号灯器のアームを短くして遠近法による錯覚を防ぐなど、設置上の配慮が必要とされる。
車両用信号機は左右に45度の光の発散角度を必要としており、それゆえに変形交差点などでは他の流入路から誤認されるおそれがある。こうした誤認を防ぐためには「視野角制限型信号灯器」が用いられる。この視野角制限型信号灯器は、灯火表面のレンズなどで光の発散角度を狭めるようにこしらえたものや、一般的なフードの代わりにルーバーなどの遮光板を付加した特殊なフードを取り付けた信号機が取り付けられるものが存在する。そのほか、停止線の位置を見直す、側柱式の縦型灯器の設置なども検討する必要がある。
信号が設置された交差点が隣接する場合は可能な限り近接交差点相互の灯器の設置間隔を開ける必要がある。そして、下流側の交差点の灯器の取付角度を下向きに調整しなければならない。
視認性を向上する目的、隣接する信号機の誤認や西日で見えなくなることを防ぐために背面板が設けられることがある。日本では通常、幅が10-15 cmの黒または緑と白の斜めの縞が設けられる。なお、例えばオレンジなどの明るい色彩は信号機ではなく背面板自体に注意を引き付けることになるため避けられる。ただし、信号機自体の視認性が確保された現在では風害や景観破壊の可能性があるため、使用が限定的となっている。
交通信号機に3色のフィルターを設けて1灯のみとすることは可能であるが、色覚障害者に考慮した場合は好ましいものではなく、また故障のおそれもあり日本では採用されていない。
LED信号機では色覚障害に配慮して黄色は青色・赤色と比べ明るく点灯する。また、信号機の表示を分かりやすくするために赤表示の部分に「×」印を付けた信号機が考案され、2012年に福岡市で試験設置された。この「×」印は色覚障害者のみ見えるものである。この信号機は「色覚異常者に優しいユニバーサルデザインLED信号灯」として2011年度にグッドデザイン賞を受賞している。
なお、2001年（平成13年）には青を「〇」、黄を「△」、赤を「×」とした「〇×△灯器」の実験が行われたが、視認実験に明確な効果が現れなかった。
交差点の手前がカーブや坂になっているなどして交差点を見通す視距が十分に取れない場合に「予告信号機」（予告信号灯）が設置される。しかし、日本では予告信号機に関して明確な規定が無く、多種類の表示方法が混在しているためドライバーの混乱を招くと指摘されている。その中で、交差点で青現示の時は青を表示し、それ以外の現示では黄点滅を表示する方式が視認性の上で効果があるとしている。道路利用者が予告信号機に使われる灯器の意味を理解するために「予告信号灯」などの標示板が取り付けられる。予告信号機から信号交差点までの距離が長い場合、車両が到達するまでに時間がかかって予告信号機としての表示機能を十分に生かせないことがあるため警戒標識の「信号機あり」で対応するのが望ましい。
1本の柱からアームを延ばし、アームの先で交差点の全方向の信号灯器をまとめたものを「懸垂型信号機」や「UFO信号機」と呼び、珍しいタイプの灯器である。現在は警察庁が定めた仕様に対応していない。宮城県では更新時に懸垂型ではない通常の設置方法にすることを検討している。
通常の信号機が設置できない細街路の交差点で、優先・非優先を明確にし出会い頭事故を防止するために一灯点滅信号機が設置される。赤・黄が相互に点滅し、点滅周期は0.4 - 0.6 秒である。ただし、地域によって偏在しており、このことがドライバーの混乱を促すと指摘がある。設置から数年で効果が薄れるなどの声があり、この信号機の効果は疑問視されている。また、一時停止規制の方がかえって分かりやすいとの声があり、一時停止規制へ変更した場合はかえって人身事故が減少した事例が多く、更に一時停止の標識の視認性も向上し、維持管理コストも減少したため一灯点滅式信号機でなくとも標識で代替できるようになった。そのうえ、色覚障害者には表示の判別が困難である。そのため、一灯点滅式信号機は撤去が進んでおり、警察庁も一時停止の交通規制等への代替により、撤去を促進している。
この信号機は1975年（昭和50年）に福岡県で導入されて以降、全国で2012年（平成24年）度には6,224基、2014年（平成26年）度末には6,076基が設置されていた。
LEDのものは旧来の物に比べ発熱が少ない事から雪が解けずに付着し見づらい・見えないという問題も起こっている。この場合、警察官や工事業者が除雪作業を行わなければならない。たとえば、北海道警察では特製の「交通信号機用雪落とし棒」を道内各警察に配布し、雪を払うようにしている。
対策として、お椀型の透明な着雪防止フードを灯器に取り付けて視認性を確保する場所や、約6 cm（センチメートル）の薄い板状にした「フラット型信号灯器」を斜め下に向けて設置して対策を行う場所が見られる。また、ロータス効果による撥水効果がある灯器の開発が進められている。
自動運転を行う車両はカメラなどで信号機の表示を認識しているが、逆光時などで正確に判断できないことがある。そのため、信号機に取り付けた通信機や交通管制センターからの情報によって信号機の表示を識別することが検討されている。
日本国内では基本的に自転車も原則としては車両用信号機に従って通行する。
日本における自転車用信号機の運用は次の通り大きく3通りに分類される。いずれも「自転車専用」と書かれた標示板が設置される。
自転車も法令上車両として扱われるため3色の車両用信号機を用いることになっているが、自動車向けに設置された信号機と区別するために2色の信号機を用いることもある。
歩行者用信号機（歩行者用信号灯器）は表示面は一辺の長さが200 - 250 mmの正方形である。信号交差点に横断歩道が設置されている場合は原則として歩行者用信号機を設置しなければならない。
1つの横断方向に対しては青・青点滅・赤を同時に表示してはならず、青→青点滅→赤→青の順に表示しなければならない。
歩行者用のものは縦型で、下が青、上が赤の配置となっている物が多いが、横型のものも存在する。歩行者用のものは信号機の中にイラストが描かれていて、青は歩いている人、赤は立っている人のイラストとなっている。
初期の信号機は車両用と歩行者用の区別がなく、同一の信号機によって交通整理が行われてきた。1936年（昭和11年）に五反田駅前交差点に車両用と区別するためレンズの直径が150 mmの歩行者用信号機が設けられた。その後、1963年（昭和38年）頃にレンズに人形を入れた歩行者用信号機が設置されたが、これらは青点滅しないものであった。そして、1964年（昭和39年）12月15日に歩行者用信号機の研究開発することが決定した。1965年（昭和40年）に警視庁が新宿追分交差点に試験設置し、アンケートを実施した。このアンケートの結果に基づき見当が加えられ、人形型の歩行者用信号機は1966年（昭和41年）2月9日に仕様書が作られ正式化された。そして、1996年（平成8年）に「U型歩行者用交通信号灯器」としてLED式の仕様が制定された。1996年制定の仕様では電球式とLED式で同じ寸法の筐体が用いられていた。しかし、電球式では必要な筐体内部の反射板が不要となり、車両用信号機と同様に薄型化された。薄型化によって軽量化や作業性向上の効果の他に歩行者用信号機においては車両との接触事故を防止する効果もある。
電球式では人形が白で、周囲が赤または青として全体が発光している。その一方で、LED式は人形のみが赤または青に発光し、周囲は発光しない。これに伴いLED式では発光面の面積が縮小したため、発光面積の確保のため人形の大型化が行われている。
歩行者用信号機の高さは地盤面から灯器底部までを2.5 m以上（通常は2.7 m-3.2 m）とし、対岸の横断歩道の中央から見て正対するように設置される。特に柱頭式（自立式）の歩行者用信号機は地盤面から灯器の底面までを3 m程度とする。視認性を確保するため、横断歩道の幅が広い場合や中央分離帯が存在する場合などは歩行者用信号機の増設を検討すべきである。
歩行者用信号機を設置する際、電柱からのびるアームで上下から抱え込む形式を標準とする。また、歩行者用信号機のみを設置する場合において柱の先端に歩行者用信号灯器を取り付ける柱頭式が設置されることもある。
赤信号でのイライラやフライング横断を防ぐ目的として待時間表示装置を併設した歩行者用信号機が設置されることがある。この信号機は1988年に東京都で試験設置が開始され、1996年（平成8年）から正式に設置されるようになった。その後、2006年から赤信号・青信号の残り時間を同時に表示できる「経過時間表示付きＬＥＤ式歩行者用交通信号灯器」の設置が開始された。この信号は「ゆとりシグナル」とも呼ばれている。歩行者の多くが赤信号開始までに横断完了できる効果があった。青信号になる直前のフライング横断を抑止する効果も見られた。その一方で、赤信号時の横断に対する抑制は見られなかった。
視覚障がい者が安全に横断歩道を横断するため「音響式信号機」が設置される。1955年（昭和30年）9月に東京都杉並区の東田町交差点にベルの鳴動による音響式信号機が設置され、1960年（昭和35年）6月には名古屋市でメロディーを流すタイプのものが設置された。
正式には信号機は1976年（昭和51年）から設置が開始され、盲学校や公共施設など視覚障がい者の利用頻度が高い場所から優先的に設置されている。歩行者用信号機が青の時にスピーカーより誘導音（「ピヨ」や「カッコー」など）が鳴動される。誘導音の種類によって、メロディ式（音楽が流れる）と擬音式（「ピヨピヨ」や「カッコウ」などの音が流れる）の2種類に分けられ、後者の擬音式がほとんどを占めている。音量は近隣住民の生活に考慮して設定しなければならず、また近隣住民に配慮するためにスピーカーの指向性や高さの性能向上が課題となっている。かつては「盲人用信号機」と呼ばれていた。
2.5 m以上の高さで、横断歩道の対岸に設置されている歩行者用信号機は弱視者や高齢者が信号を確認するのが困難という指摘がある。そのため、音響信号機に用いられる音響装置に長方形の赤と円形の緑のLEDを配置した「高齢者・視覚障がい者用LED付き音響装置」が開発されている。地面から90 cmの位置に存在するので高齢者や子供にとっても信号確認がしやすい。
視覚障がい者や盲ろう者が安全に横断歩道を横断するための触知式信号機（振動ポール）が設置される。昭和40年頃に三重県、大阪府、香川県で設置されていたが本格的な普及をせずに消滅した。しかし、2006年（平成18年）に新しい装置として復活した。
歩行者等支援情報通信システム（PICS）による信号機も整備されている。この信号機は歩行者が端末を携帯し（白杖に取り付けることもある）、端末と信号機で相互に通信することで交差点の情報や信号機の現示を知ることができる。
日本の路面電車は道路上では道路交通法施行令によって定められた信号機の意味に従い運転しなければならない。しかし、車両用信号機と共用では円滑な電車の運行が困難と判断されたため、1954年（昭和29年）4月1日より軌道運転規則によって定められた信号機も利用されている。意味は以下の通りである。
灯器は車両用交通信号灯器を使用することが一般的であるが、歩行者用交通信号灯器を利用することもある。
黄矢印信号によって進める路面電車は他の交通と交錯しないようにしなければならない。
路面電車の定時運行と速達性を確保するため、路面電車を優先する信号制御を行うことがある。架線に取り付けられたトロリーコンタクターや光ビーコンによって路面電車を感知する。導入事例として広島市や熊本市が挙げられる。
電球式の信号機は内面にプリズムを持つレンズと、回転放物面をなした反射鏡が一体化されたセミシールド型の構造であった。その焦点に電球のフィラメントを置くことで平行光線を得ることができ、さらにレンズが持つプリズムによって左右および下方に光を拡散させた。電球には白熱タングステン電球が用いられ、消費電力が60 Wと100 Wのものには「道路交通信号用電球」としてJIS規格が定められている。なお、道路交通信号用電球は家庭用電球と比べ振動に強く、家庭用電球の約12倍の12000時間もの寿命を持つ。この電球は約1年（9,000時間）を目安に交換される。
電球は最初は100 W（ワット）の白熱電球が用いられてきた。その後、オイルショックなどにより信号機にも省エネルギー化が必要となり、レンズの改良や電球の高効率化によって60 W（一部は70 W）の電球も用いられるようになった。この高効率化で生まれた電球がバンドミラー型交通信号用電球であり、1980年（昭和50年）に仕様化されている。光の輻射効率を向上させた電球であり、従来の30％の電力削減となった。その後、1987年（昭和61年）にバンドミラー型交通信号用電球から消費電力を15％削減した交通信号用電球が松下電器によって開発された。
一方で、電球の改良による反射効率の改善により、太陽光が反射してあたかも点灯しているように見える「疑似点灯」の問題が顕在化した。そのため、この疑似点灯を防止する方策が様々考えられてきたが、電球式信号機での決定的な対策方法は見つからず、LED式信号機の誕生によって全面的に解決された。
LED式信号機はLED素子を光源とする「プロジェクタ型」と、LED素子を全面に直接配置した「全面素子型」の2種類がある。「全面素子型」の方が視認性に優れ、主に用いられている。
全面素子型の歩行者信号機の場合、LED素子が赤色人形には128個、青色人形には120個用いられている。こうしたLED素子は基盤の上にセットされ、灯器に入れられる。
電球によって日中に確実に信号を伝えることは限界に達しつつあり、光源の変更が検討されてきた。後の1993年に青色LEDが発明され、そこから発展して屋外での使用にも耐えうる青色LEDが開発され、信号機にもLEDの使用が開始された。
この信号機のLED化によって、消費電力がこれまでの60 Wの白熱電球のものと比べて3分の1から10分の1程度にまで抑制できるようになった。またLEDは電球と比べ長寿命であり、電球と比べると頻繁にメンテナンスをする必要がなく、そのためメンテナンス費用の削減にも繋がった。矢印灯器は矢印の部分のみにLEDが配置されているため、従来の電球式の矢印灯器と比べ大幅に省電力となっている。それに加えて、電球はフィラメントが1個しかなく、このフィラメントが切れると完全に点灯しなくなる欠点があったが、LED式は回路を工夫することで1つのLEDが切れても他のLEDが点灯し続けるようになっていて安全性が向上している。
LED式は電球式と異なり、表示面から均一に光が放出される。またLEDそのものが色を含めて発光するので表示面の着色レンズや内部の反射鏡が不要となり、そのため本来点灯していない色が点灯しているように見える疑似点灯現象が生じないようになったので、信号機そのものの視認性が改善された。電球式信号機の場合、内部の反射鏡は光を均等かつ正しい方向に反射するために研磨作業が重要である。複数回バフによって研磨された後、電解研磨で反射鏡をリン酸溶液につけ、表面を溶解させることで更に光沢をつける。そして、陽極酸化処理で硫酸溶液につけ、反射鏡に不働態被膜を形成させて劣化しづらくさせる。そして、封孔処理として酢酸ニッケル溶液につけ、不働態被膜の間にできた表面の孔を塞ぎ、保護作用を高める。最後に乾燥を行い、研磨作業は完了である。原料であるポリカーボネートを摂氏300度で溶かし、金型でプレスし成型する。その後、成型具合を確認してから、余分な部分を取り除く。LED素子は基盤の上にセットされ、灯器に入れられる。そのLED素子は紙製のガイドにのったまま工場に届くが、ラジアル機を用いると基盤の上に配置された状態で固定されるLED素子は基盤の上にセットされ、灯器に入れられる。LED素子がずれたり外れたりしないように基盤裏面に接着剤が塗布される。そして、ICチップや抵抗が取り付けられる。その後、リフロー機を用いて接着剤を熱で硬化させる。さらに基盤に取り付けられたものを固定するためはんだ付けが行われる。はじめに、灯器本体の加工時に付着した油分を摂氏70度程度のアルカリ水で除去し。その後、水洗いしてから、十分に水切り乾燥を行う。そして、表面のゴミを取り除いから下塗りを行う。次に中塗りで均等に塗装する。その次に静電塗装によって上塗りを行う。最後に人の手で仕上げる。塗装を灯器本体になじませるため、摂氏130度程度の熱で焼き付ける。水やほこりが入り込まないように、部品どうしの接合部にはシール材が塗られる。そして、ゴム製のパッキンによってレンズや反射鏡、LEDユニットなどの部品どうしを固定する。レンズと反射鏡は組み立てられると前枠に固定される。そして、ネジを用いて完全に密着される。その一方で、後枠にもランプソケットが取り付けられ、前枠に取り付けられる。そして、庇を取り付け、電圧を加えて漏電などの異常がないか確認される。
信号機の筐体はかつて金属製が主に用いられてきたが、現在はアルミニウム製およびポリカーボネイト樹脂製が主流である。これらの素材は対候性が高く、リサイクルが簡単な材料として選定されている。電球式信号機内部の反射鏡はアルミ製のものが用いられる。また、レンズはポリカーボネートが用いられる。
信号制御装置（制御器）とは交差点ごとにプログラムされた情報やリモートコントロールされた情報に基づいて信号機の点灯を制御する装置である。突発的な事象が生じた際は内蔵されているスイッチから手動で操作できる。
交通信号機に用いられる制御器は振動や湿度・温度などの環境条件に対して長期的に機能低下しないように設計されていると同時に、交差する方向の交通を同時に対して青表示を出さないよう安全性の確保も実現されるよう設計されている。
通常の制御器では各信号の表示状態（「ステップ」や「階梯」と呼ぶ）を16ステップ設定できる（最大で24パターン）。また、1つの制御器で制御できる信号機の数は基本、16基である（最大で24基）。多段周期制御を行う場合のパラメータは最大で10パターン記録できる。制御器などの故障のときに滅灯や危険な信号表示が発生しないようにバックアップ機能が備えられており、後述の「保安動作」や「異常閃光」にモードを切り替える機能が備わっている。
予め設定されている複数のパラメータにそって信号機を動かすとき、制御器は「多段動作」モードとなっている。一方で、手動で信号機を動かす場合は「手動動作」モードで操作を行う。制御器で各信号の表示時間を司るパラメータが異常を起こした場合は「保安動作」モードとなり、ワンパターンの制御パラメータで正常な信号制御に戻そうとする。交差する方向の交通を同時に青表示を出す（このことを「G-G」と呼ぶ）や「保安動作」モードでも異常な動作があった場合は「異常閃光」モードに切り替え、車両用信号機が赤色もしくは黄色の灯火を点滅するようになる。一方で制御器から手動で点滅に変えることもできる（「手動閃光」モード）。
制御器の設置場所は交差点全体が見通せる場所が最も望ましく、やむを得ず見通せない場合は主道路（交通量が多い道路）を見通せる位置に設置する。また、歩道がある場合は歩道内に設置し、歩道が無い場合は車両が接触するおそれのない場所に設置する。いずれの場合も、通常時・制御器筐体開扉時にかかわらず歩行者の通行の支障にならないように設置し、車両の進行方向に対して信号柱の陰となる位置に設置する。また、ケーブルの配線を行う上では電圧降下による灯火の視認性低下を避けなければならない。
制御方法によって以下の通り分類される。集中制御用信号制御器はマイクロプロセッサと交通信号制御専用LSIの階層構成を用いることで信頼性の向上を図っている。マイクロプロセッサによって、車両感知器などからの感応制御を行うほか、交通管制センターからの遠隔操作時のサイクル・スプリット・現示の切り替えなどの制御内容について学習して交通管制センターとの回線が断線しても信号制御が乱れないようになっている。交通信号制御専用LSIは、マイクロプロセッサが異常状態になっても信号制御が安全に行えるよう構成されている。
多段制御用信号制御器は万年カレンダーを内蔵しており、曜日・時刻に応じて信号制御のパターンを設定することができる。
警察庁によると、2016年3月時点で日本国内の制御機の約2割にあたる4万3千基が更新時期（おおむね設置から19年）を過ぎており、信号の滅灯や点滅など老朽化した制御器によるトラブルは2014年度に全国で314件発生した。制御器1基を更新する費用の約120万円は都道府県が負担することになっているが、自治体によっては予算が確保できず事実上放置されることが問題となっている。警察庁は故障すると事故に繋がる恐れがあるとして、2020年度までに重点的に更新するよう各都道府県警に指示した。
車両感知器によって交通量や速度などの交通流データが収集され、信号制御の最適化に用いられる。端末感応制御や交通応答制御は車両感知器が収集した情報に基づいてパラメータの調整や信号表示の切替が行われる。車両感知器の種類は以下の通り挙げられる。信号交差点の近傍に車両感知器を設置する場合は、右折車両の感知と飽和交通流率の判定には信号交差点から0 - 30 mの位置、渋滞長の判定には信号交差点から300 m、500 m、750 m、1000 mの位置に設けられる。
信号機を取り付けるのに使われる「信号柱」は原則として専用の柱を設置するのが望ましく、他の所管（電力会社や電話会社など）の柱を借用するのは望ましくない。ただし、専用の柱を設置することが困難な場合は柱を借用することを検討することになる。横断歩道の側端に設置する場合は、右左折する車両などからの見通しを妨げることがあってはならない。柱の種類は材質によって「鋼管柱」と「コンクリート柱」がある。
柱を設置するときは、路面撤去→掘削→建柱→基礎コンクリート打設→埋め戻し→路面復旧の順で行われる。逆に、柱を撤去するときは路面撤去→掘削→基礎コンクリート破砕→抜柱→埋め戻し→路面復旧の順で行われる。
現在新設する信号柱は溶融亜鉛メッキ鋼管柱・根入式・長さ9 m・直径165 mmが標準となっている。柱の長寿命化を施すため、地際部を二重構造として防錆塗装を施したものが高い耐久性を持つ。信号柱の設置予定地に埋設物が存在し、根入式の信号柱が設置困難な場合は根本がベース式の信号柱が設置され、この場合は柱の長さは7.5 mが標準となる。道路構造の制約により標準的な長さの柱を設置することが困難な場合は短い柱（短尺柱）を設置する。また、狭隘な歩道上に設置する場合は外径の細い柱を設置の検討を行う。幅員が広い道路で信号用のケーブルを上空に架設する場合や、長いアームに車両用灯器を取り付ける場合は太径の信号柱が検討され、場合によっては長い柱（長尺柱）の設置も検討される。信号ケーブルが地下に敷設されたときに灯器・制御器と結線するためケーブルを入れたパイプが信号柱に取り付けることがあるが、通行の支障や景観の破壊が懸念される場合は柱内部に信号ケーブルを通せる中通し柱が使用されることがある。柱頭式で歩行者用灯器を取り付ける場合、直径101 mmで灯器の下面高さが3 mの柱頭式柱が設置される。一般的な柱が設置できない場合はクランク式の柱を設置し、柱に荷重が大きくかかる場合は杭式の柱を用いる。
コンクリート製の信号柱はかつて半永久構造物とされてきたが、柱内部の鉄筋が水素脆化に関する注意喚起がなされている。また、海に近い場所は潮風の影響を受け、それ以外の市街地でも犬などの排泄物で内部の腐食が進む。よって、磁気や打音などによる非破壊検査を踏まえた維持管理も行われている。
道路用の信号機は、1919年（大正8年）に、東京市（当時）の上野広小路交差点に試験的に「信号標板」が設置されたのが日本初である。この時は「進メ」「止レ」と書かれた板を警察官が操作する手動式であった。この方式は多くの通行者が戸惑うこととなり、時期尚早として警察官による交通整理の方が良好と判断され本格採用は見送られた。3年後の1922年（大正11年）に上野公園で開催された平和博覧会の会場入り口交差点付近に再登場した。その後、「信号標板」は改良が重ねられ全国の都市に普及した。普及の背景は、大都市での交通事故の増加が顕著であり、更に手信号での適切な交通整理が難しいと判断されていたことであった。
自動式信号機は、1930年（昭和5年）3月23日に東京市の日比谷交差点に設置された米国製が最初である。灯器は交差点の中央部に設置され、緑・黄・赤3色の意味を知らせるために、あえて信号灯のガラスの上から「ススメ」「チウイ」「トマレ」と文字が書かれていた。これは米国のレイノルズ社製で、同年に国産の信号機も製造開始されている。
交通信号機が警察で仕様化されたのは1933年（昭和8年）。この当時の配列は道路中心から赤、橙黄、緑の順と定められ、表示面の直径も185 mmから230 mmと定められた。
太平洋戦争に入ると信号機も灯火管制の対象となり、空襲警報発令時はスイッチを切り換えて減光した。その一方で、1942年（昭和17年）5月から1947年（昭和22年）12月まで、赤色の灯火の点滅（赤点滅）は空襲警報を告げる表示として用いられた。空襲警報を知らせる役割を担ったため、道路標識は金属類回収令による回収の対象となったが、信号機は回収を免れた。しかし、空襲に伴い大半の信号機は被害を受けた。
なお、これ以前は「信号機」という名称が一般的ではなく、「交通整理器」「自動交通整理信号機」などの名称が用いられていた。現在のように「信号機」と呼ぶようになったのは1947年（昭和22年）11月からであり、道路交通取締法の公布により一般的な名称となった。
戦後は被災した信号機を修理するなどして応急処置を行ったが、手信号による交通整理に頼らざる得ない状態であった。光度が下がり視認性が悪い信号機が多かったため、鉄道信号に倣い背面板の設置が始められた。
戦前・戦中は東京、大阪、京都などの8府県でしか信号機は見られなかった。戦後は自動車の普及などを背景に全国の地方都市でも信号機の導入が進んだ。
1947年（昭和23年）には配列が右側から赤色、黄色、青色と定められ、表示面の直径も20 cmから30 cmとなった。
1953年（昭和28年）頃から関西地区で「注意信号の予告として車両に停止準備をさせ、黄信号時における交差点内の進入を抑制する」ことを目的に、車両用信号機に青色の灯火の点滅（青点滅）が導入された。当時黄色の灯火（黄信号）は、交差点へ既に進入した車両等・歩行者は交差点の外に出なければならないこと以外は赤色の灯火（赤信号）と同じ意味であった。1970年（昭和45年）7月25日に道路交通法施行令が改正され、黄信号の意味が改正されて青点滅信号が廃止された。
1957年（昭和32年）9月に車両用信号機を背中合わせにしたものがはじめて設置され、1961年（昭和36年）2月には信号機の筐体に前後両方向の灯火が設けられたものが設置されるようになった。
矢印の記号の変遷もあり、1958年（昭和33年）に日本信号が矢頭と矢柄を分離した信号機を作りはじめた。その後、電球の改良に伴って矢印の記号が他の信号表示と誤認されるようになったため、各信号機メーカーが矢印の形を工夫するようになる。
1961年に両面に信号機を取り付ける方式が国内で初めて導入される。
1966年（昭和41年）に歩行者用信号機が導入された。また、各メーカーで様々な形をしていた矢印記号は、警察庁の信号技術部会によって1972年（昭和47年）7月に車両用信号機の仕様書を作成して統一が図られた。
交通信号機が初めて仕様化されたのは1973年（昭和48年）であり、「警交仕規第9号」として定められた。これは電球式車両用信号機の仕様であり、材質や電球の改良が続けられてきたが、2009年（平成21年）に電球式信号機が仕様から削除されるまで約35年間大きな変更はなかった。
1975年（昭和50年）に新潟県で初めて、多雪でも視認性を確保するために縦型の信号機が導入される。
1994年（平成6年）に世界初のLED式信号灯器が愛知県に設置され、その直後に徳島県で設置された。そして、2000年（平成12年）に正式に仕様化された（U型車両用交通信号灯器）。このとき仕様化された信号機は、LED式と電球式の両方が規定されていた。
2017年（平成29年）度から警察庁は車両用信号機の表示面の直径の標準を300 mmから250 mmに変更した。この変更により、庇が省略され、横幅は200 mm縮まりスリムな筐体となる。明るさはそのままで、製造コストが17%削減できる。さらに、6割近く軽量化されるため、台風の影響も受けにくくなる。2017年6月22日に大阪市鶴見区の交差点で初めて新型の信号機が導入され、将来的には全国126万基の灯器を交換する方針である。
笹子トンネル天井板落下事故（2012年）以降、交通信号機の老朽化が問題となっている。そのため、的確な維持管理が求められている一方で、必要性に乏しくなった信号機の撤去も進められている。