JP2006048165A

JP2006048165A - 信号灯

Info

Publication number: JP2006048165A
Application number: JP2004224562A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Sekii; 広行関井; Masashi Minoshima; 雅志蓑島
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【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ないものとなり、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の出射面側に、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４２を設ける。また、光学レンズ４１を互いに隣接するレンズの隙間がなくなるように配置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数のＬＥＤ素子を光源とした信号灯に関する。

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）。

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）。
特開２００２−１８３８９１号公報特開昭６３−２３６０４号公報

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。

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信号灯を提供することを目的とする。

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たものである。
上記において、微小レンズ群の個々のレンズの見かけ口径を、光源が均一に見えるための値以下にすることが好ましい。
上記において、微小レンズ群を、該レンズ出射面に平面部がなくなるように配列することが好ましい。
上記において、光学レンズを、互いに隣接するレンズの隙間がなくなるように配置することが好ましい。
上記において、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を有し、前記反射面のうち、ＬＥＤ素子から遠い領域を出射方向と平行な擬似カット面とし、該擬似カット面を隣接する光学レンズ同士の連結部とすることが好ましい。
上記において、光学レンズは、該レンズの光出射面を凹状曲面とすることが好ましい。

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。微小レンズ群の見かけ口径を光源が均一に見えるための値以下にすることで、上記効果は顕著となる。
また、微小レンズ群を出射面に平面部がなくなるように配列することで、擬似点灯がなくなる。
また、光学レンズの反射面の擬似カット面をレンズの連結部とすることで、光学レンズの隙間を無くすことができ、上記輝度分布むらが少なくなる効果がより一層顕著に得られる。
また、光学レンズの光出射面を凹状曲面とすることで、レンズが薄肉となり、レンズ成形性が良くなると共に、軽量化が図れる。

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。

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群４２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。

微小レンズ群４２は、光学レンズ４１と一体又は別体に多数の微小レンズ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上に微小レンズを形成した例を示している。微小レンズ群４２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。

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４２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。

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４２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。

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。

図７（ａ）は光学レンズ４１の出射面を示し、（ｂ）〜（ｄ）は微小レンズ４２の各種実施形態による配列を示す。図７（ｅ）は本発明を適用していない構成を示す。同図（ｅ）では、微小レンズ４２の隙間に平面部４５が残っているため、この平面部４５に外光が当たると、鏡面反射するため、その反射光の方向に居る人の視点にはまぶしく、光源からの光の視認性が大きく損なわれる。そこで、本発明では、そのようなことを抑制し、かつ必要配光を効率良く行うために、図７（ａ）に示すように、微小レンズ４２を隙間なく配列し、平面部を無くしている。そのために、微小レンズ４２は正ｎ角形（ｎ＝３，４，６）としている。これらｎ＝３，４，６の場合を、同図（ｂ）〜（ｄ）にそれぞれ示している。

ところで、信号灯が均一発光していると視認されるための微小レンズ４２の単位サイズ、すなわち、見かけ口径は、信号灯を見る運転者の視力（０．７〜１．０程度）を考慮して、３ｍｍ以下であることが望ましい。図８（ａ）（ｂ）を用いて、その理由を説明する。同図（ａ）は微小レンズと運転者の視力の関係を示し、微小レンズの直径をＤ（ｍｍ）、距離Ｌ（ｍ）とし、視野角をα（分）としたとき、視力Ｖは、Ｖ＝α^−１と定義され、
ｔａｎ｛（α／２）（１／６０）（π／１８０）｝＝（Ｄ／２）／（Ｌ×１０^３）
の関係式で表される。ここに、１／６０は、分を度に換算するもの、π／１８０は、ラジアン単位とするものである。上記関係式より、
Ｄ＝２０００×Ｌ×ｔａｎ（π／２１６００×Ｖ）・・・（式Ａ）

図８（ｂ）は、信号灯を視認する配光角度と距離の関係を示す。ここに、Ｄは信号灯における微小レンズの見かけの外形、Ｄ’は微小レンズの外形とし、信号灯の水平に対する視認の下方向角度を２２．５°（米国のＩＴＥ：Institute of Transportation Engineers規格の下限）とすると、
Ｄ’＝Ｄ／ｃｏｓ｛２２．５×（π／１８０）｝・・・（式Ｂ）
と表される。これら式Ａ，Ｂより、Ｌを１０．５ｍとし、運転者の視力Ｖを０．７〜１．０とし、これら値を代入すると、Ｄ’＝３．３〜４．７ｍｍとなる。よって、均一性の高い発光のためには、微小レンズの外形は、３ｍｍ以下であることが望ましい。

図９（ａ）は均一性の高い発光のための光学レンズ４１の形状・配列を示す。光学レンズ４１の凹面Ｃ１（図４の４１ｂに相当）で透過屈折した光は、反射面Ｃ２（図４の４１ｃに相当）で全反射するが、実際には凹面Ｃ１の上端を通過した光が全反射される位置Ａまでしか届かず、領域Ｂはレンズ面として機能していない。そこで、この位置ＡよりＬＥＤ素子３から遠い領域Ｂを、出射方向Ｅと平行な擬似カット面とし、この擬似カット面を隣接する周囲の光学レンズ同士の連結部とする。このように構成することにより、ＬＥＤ素子３からの光を限りなく有効に使うことができ、発光面の光の均一性も高いものが得られる。

図９（ｂ）は１つの光学レンズ４１の出射面を見た図であり、４６は上記位置Ａでの円周４６であり、この円周４６の内部であれば、ＬＥＤ素子３からの光が届くので、発光する。この円周４６の内面を、正ｎ角形４７で可能な限り隙間なく埋め、かつ、レンズ効率を良くするためには、ｎは大きい方が良い（ｎ＝∞で円となる）。ここに、出射面を可能な限り隙間なく発光部で埋め、かつ、実用上においてレンズを有効に利用して効率を高くするため、本例では、ｎ＝６の正六角形を緊密配置した。

図１０（ａ）は、本実施形態での光学レンズ４１を示し、（ｂ）は、本発明を適用していない光学レンズを示している。同図（ａ）に示すように、本実施形態では、レンズ有効面を有効に使えるようにレンズをカットし、緊密に連結している。これにより、レンズ出射面は全て明部（斜線部）となり、暗部がなくなる。それに対して、同図（ｂ）に示すように、本発明を適用することなく、個々のレンズを規則的に外接するように配列した場合、明部と暗部がそのまま視認されるので、均一性が悪いものとなる。

図１１（ａ）乃至（ｄ）は光学レンズの成形性改善及び軽量化を図る例を示す。同図（ａ）（ｂ）（ｃ）は光学レンズ４１の出射面４１ｄを凹形状としたものである。いずれもレンズ形状は回転対称であり、凹形状とすることで、薄肉となり、成形性が良く、軽量化が図れ、材料コストも下げることができる。その点、従来の肉厚のレンズでは、光源（ＬＥＤ素子）の数が増えると、重量が重くなり、また、樹脂のヒケの問題により形状再現性が良くないものとなっていた。同図（ａ）は出射面４１ｄが凹形の曲面とされ、（ｂ）は複数の平面による凹形状とされ、（ｃ）はＬＥＤからの光の全てを利用でき、最も軽量化できる構成としている。なお、同図（ｃ）において、肉厚が最も薄い部分はレンズ形状を保持するために必要な限度以上の厚みとする。また、同図（ａ）（ｂ）（ｃ）の構成にいては、微小レンズは光学レンズ４１と別部材により構成する。同図（ｄ）は、出射面４１ｄを段階状凹形としたものである。この構成における段階状凹形の立ち上り面４１ｅは、金型抜き勾配θを持たせている。同図（ｄ）の構成においては、微小レンズは光学レンズ４１の出射面４１ｄの段階状平面に一体に設けることが可能である。

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。

本発明の一実施形態に係る信号灯の構成図。同信号灯の要部の正面図。同信号灯の要部を概念的に示す斜視図。同信号灯の光学レンズの基本構成の断面図。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。（ａ）（ｂ）は同微小レンズの上記とは別の構成を示す図。（ａ）は光学レンズの出射面上の微小レンズを示す正面図、（ｂ）（ｃ）（ｄ）は同微小レンズの各種実施形態による配列図、（ｅ）は本発明を適用していない光学レンズ及び微小レンズの断面図。（ａ）は微小レンズと運転者の視力の関係を説明するための図、（ｂ）は信号灯を視認する配光角度と距離の関係を示す図。（ａ）は均一性の高い発光のための光学レンズの形状・配列を示す図、（ｂ）は１つの光学レンズの出射面から見た形状を示す図。（ａ）は本実施形態での光学レンズの斜視図、（ｂ）は本発明を適用していない光学レンズの斜視図。（ａ）乃至（ｄ）は成形性改善及び軽量化を図った各種実施形態による光学レンズの断面図。

符号の説明

１信号灯
３ＬＥＤ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
４２微小レンズ群
４４レンズシート
Ｂ領域（擬似カット面、連結部）

Claims

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たことを特徴とする信号灯。
前記微小レンズ群の個々のレンズの見かけ口径を、光源が均一に見えるための値以下にしたことを特徴とする請求項１に記載の信号灯。
前記微小レンズ群を、該レンズ出射面に平面部がなくなるように配列したことを特徴とする請求項２に記載の信号灯。
前記光学レンズを、互いに隣接するレンズの隙間がなくなるように配置したことを特徴とする請求項１記載の信号灯。
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を有し、前記反射面のうち、ＬＥＤ素子から遠い領域を出射方向と平行な擬似カット面とし、該擬似カット面を隣接する光学レンズ同士の連結部としたことを特徴とする請求項４記載の信号灯。
前記光学レンズは、該レンズの光出射面を凹状曲面としたことを特徴とする請求項５記載の信号灯。