JP2002109907A - 投光ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発光素子が発する光量を有効利用できるとと
もに、良好な視認性を得ることができる投光ユニットを
提供する。 【解決手段】 投光ユニットは、中心軸線Ｚを取り巻く
環状の反射凹面２１が設けられた基台２０と、その反射
凹面２１に向けて光を照射する光源１０と、光学的開口
部３２が設けられた遮光板３０とを備えている。光学的
開口部３２は、中心軸線Ｚを中心とした円弧状をなす。
反射凹面２１は、光源１０からの光の反射光を、光学的
開口部３２にほぼ重ねて設定された環状の集光領域Ｄ内
に集光させるような凹面形状をなしており、その集光領
域Ｄ及び光学的開口部３２を通過した光が外部に投光さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一つの光源として
利用可能な投光ユニットに関し、例えば信号機に組み込
まれる信号灯具を含む屋内外で使用されるディスプレイ
の光源単位として好適な投光ユニットに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のディスプレイの一例としては、
信号機を挙げることができる。この種の信号機用の信号
灯具は、図１５及び図１６（ａ）に示すように、反射鏡
凹面７１の中心に単一光源である白熱電球７２を配置す
るとともに、これらの前方に着色透明フィルタ７３を配
して構成されている。

【０００３】かかる信号灯具には、疑似点灯の問題が指
摘されている。疑似点灯とは、白熱電球７２が点灯して
いないにもかかわらず、着色透明フィルタ７３を介して
信号灯具内に入射し反射鏡凹面７１で反射された外光に
よってあたかも点灯しているかのように見える現象をい
い、例えば西向きに設置された信号機が西日を受ける場
合に多くみられる。

【０００４】それ故、白熱電球７２を光源とする信号灯
具は、例えば図１５及び図１６（ｂ）に示すような、発
光素子が樹脂製レンズ内に封止されてなるレンズ型発光
ダイオード（ＬＥＤ）７５を光源単位とした信号灯具に
置き換えられつつある。この信号灯具では、外光を反射
し難いように黒色着色された基板７４上に複数のレンズ
型ＬＥＤ７５が上下左右に密集した状態で実装（密実
装）されている。このようなレンズ型ＬＥＤを基板上に
密実装した光源は、信号灯具のみならず、各ＬＥＤの発
光により所定のパターンを表示するディスプレイにも採
用されている。このＬＥＤタイプのディスプレイによれ
ば、疑似点灯が解消される他、白熱電球に比べて寿命が
長く外部放射効率も改善されるといった長所がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ようにレンズ型ＬＥＤを密実装したディスプレイには、
少なくとも次のような欠点が存在する。

【０００６】（イ）レンズ型ＬＥＤのレンズ形状には、
発光素子から出る光の多くがレンズ軸線方向を指向し得
るような光学的設計が採用されている。ところが、レン
ズには臨界角等の光学的限界が存在することから、レン
ズ軸線方向を指向させることができずに外部放射されな
い光が一部に不可避的に生じてしまい、ＬＥＤが本来発
する光量の全てを有効利用できない。

【０００７】（ロ）個々のレンズ型ＬＥＤの発光量の少
なさを補って点灯時にはディスプレイ全体として十分な
輝度を確保するとともに、隙間のない見栄えの良さを確
保するためにＬＥＤの密実装が行われている。ところ
が、ＬＥＤの実装密度を高めることでディスプレイ内に
熱がこもり易くなり、その熱が個々のＬＥＤの発光出力
を低下させるとともに、ＬＥＤ自身の寿命を短縮させ
る。

【０００８】（ハ）レンズ型ＬＥＤの樹脂製レンズ内に
は、発光素子の他に、その素子の背後に配置される小反
射鏡（銀色凹面鏡）が併せて封止されるのが通例であ
る。このため、特に信号灯具においては、外部から個々
のレンズ型ＬＥＤに差し込む外光の一部が、前記小反射
鏡で反射されることは避けられない（図１６（ｂ）参
照）。それ故、ＬＥＤの消灯時には黒色基板の中に銀色
の小斑点が多数浮かぶがごとき外観となり、消灯時にお
ける信号灯の地色が黒色ではなく灰色がかって見えてし
まう（この現象はダークノイズと呼ばれる）。これによ
り、点灯時と消灯時とで表示色のコントラストが乏しい
という欠点が指摘されている。

【０００９】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、発光素子が発する光量を十分に有効利用できると
ともに、良好な視認性を得ることができる投光ユニット
を提供することにある。また、点灯時と消灯時とのコン
トラストを向上可能な投光ユニットを提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
（投光ユニット）は、一軸線上に配置された発光素子
と、該発光素子の発光面に対向する反射面と、外光を遮
光するとともに所定位置に光学的開口部が設けられた前
面部材とを備え、前記反射面は前記発光素子からの光を
少なくとも１つの環状領域に集光する形状であり、前記
光学的開口部は前記環状領域に対応するように設けたこ
とを特徴とする。

【００１１】この構成によれば、発光素子が発する光量
の大部分が反射面によって受光され、その反射面での反
射光は前面部材の光学的開口部と対応する環状領域内に
集められ、該環状領域及び光学的開口部を通過して外部
に投光される。また、環状領域を前記発光素子が配置さ
れる一軸線から所定距離だけ離れて存在させれば、該発
光素子が反射面での反射光を捕らえることはなく、発光
素子から発された光が外部に投光されるまでの光路には
光を遮る内部構造はほとんど存在しない。このように、
発光素子が発する光量のほぼ全てが有効利用されて外部
に投光されるため、光の外部放射効率が極めて高い。

【００１２】また、発光素子から発された光は、反射面
で反射後、環状領域及びその環状領域に対応する光学的
開口部を介して外部に投光されるため、投光ユニットの
正面側からは光の点ではなく、一定の面積を占めるほぼ
環状の光の帯に見える。換言すれば、一つの発光素子か
ら一定の面積の光の帯が作られる。それ故、この投光ユ
ニットを複数近接配置すれば、その投光ユニット群の正
面側における面積の相当な割合を光の帯で埋める（占拠
する）ことができ、点灯時には従来のレンズ型ＬＥＤを
密実装した場合と同様の視覚的効果が生み出される。ま
た、このように視覚的効果が同等であるにもかかわら
ず、本件投光ユニットの構造上、発光素子の周囲には十
分な空間が確保されるため、二つの投光ユニットを隣接
配置してもそれぞれの発光素子間には一定の距離が保た
れる。このため、従来のレンズ型ＬＥＤの密実装に比べ
て熱がこもる心配がなく、蓄熱が原因となる発光素子の
出力低下や寿命短縮が未然に回避される。

【００１３】さらに、本件投光ユニットは、発光素子か
ら発された光が反射面で反射されて光学的開口部（及び
環状領域）に到達するという光路を想定した構造設計と
なっている。このため、消灯時に外部から光学的開口部
に入射した外光が前記光路を逆にたどるかたちで投光ユ
ニット内に進入したとしても、反射面に反射された外光
は、前記軸線上に位置する発光素子に照射され、そこで
吸収または乱反射される。これにより、ユニット内で乱
反射を繰り返す光の多くが、光学的開口部を介して再び
外に出る光路に乗ることはできず前面部材によって遮ら
れる。故に、このユニット内に進入した外光が、再び前
記光路をたどって光学的開口部から外に出る確率は極め
て低い。つまり、消灯時において反射面が外光由来の光
線を光学的開口部に向けて反射する割合は極めて低く、
反射面がダークノイズの顕在化要因となることはない。
それ故、本件投光ユニットによれば、ダークノイズが効
果的に回避される。

【００１４】加えて、前記反射面は前記発光素子からの
光を複数の環状領域に集光する形状とし、それらの環状
領域に対応するように光学的開口部を設けることで、一
つの発光素子から一定の面積を有する多重の光の帯が作
られる。このため、一つの発光素子あたりの占有面積が
大きくなって、その光の帯の半径を大きくなっても、そ
の中央部が中抜けしたように視認されるのを抑制するこ
とができ、表示面の優れた見栄えを保つことができる。

【００１５】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の投光ユニットにおいて、前記反射面は、前記発光素子
が配置される前記一軸線周りの回転形状をなしているこ
とを特徴とする。

【００１６】この構成に従う反射面は、前記発光素子か
らの光をより確実に環状領域に集光することができる。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記
載の投光ユニットにおいて、前記反射面は、前記発光素
子に対して、１．０π〜２．５π（ｓｔｒａｄ）の範囲
内の立体角を有することを特徴とする。

【００１７】ここで、信号灯具では、一般に中心軸線に
対して±３０°以下の角度範囲で集光して外部照射する
ことが求められる。この集光範囲をレンズ型ＬＥＤを採
用して直接外部放射することで実現しようとした場合、
臨界角が存在する関係上、そのＬＥＤのレンズ面は１π
（ｓｔｒａｄ）以下の立体角しか形成することができな
い。換言すれば、レンズ型ＬＥＤを使用した場合、ＬＥ
Ｄの発光面から放射された光のうちで、１π（ｓｔｒａ
ｄ）の立体角の範囲内の光だけが有効に外部放射される
に過ぎない。

【００１８】これに対して、請求項３に記載の構成に従
う反射面は、発光素子からの光をより広い立体角の範囲
で受光することができて、投光ユニットにおける外部放
射効率を、より確実に高く維持することができる。しか
も、この反射面からの反射光は、環状領域で一旦集光さ
れるため、前記レンズ型ＬＥＤから直接外部放射する場
合に比べて、集光度合の高い光とすることができる。

【００１９】請求項４に記載の発明は、請求項２または
請求項３に記載の投光ユニットにおいて、前記反射面
を、前記発光素子が配置される前記一軸線を含む平面に
おいて、前記発光素子と前記環状領域上の一点とを焦点
とする楕円弧を前記一軸線周りに回転させて得られる曲
面にほぼ沿うように形成したことを特徴とする。

【００２０】この構成に従う反射面は、前記一軸線上の
発光素子と、その一軸線から径方向に所定距離だけ離れ
た環状領域とを両焦点とする楕円弧を前記一軸線の周り
に回転させて得られる楕円面に準じた曲面として提供さ
れる。この構成によれば、発光素子から発された光の反
射面での反射光を楕円弧の焦点位置にある環状領域に集
束させて、環状領域を通過する光束の光量や輝度を高め
ることができる。なお、請求項２または請求項３におけ
る前記一軸線は、投光ユニットの中心軸線に一致するこ
とは好ましく、その場合には、ユニットの内部構造の対
称性が確保され、外部に投光された光の分布が均等化さ
れる。

【００２１】請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求
項４のいずれか一項に記載の投光ユニットにおいて、前
記反射面を、前記前面部材と所定の距離をおいてほぼ平
行に配置される基台上に形成された凹面からなることを
特徴とする。

【００２２】この構成によれば、反射面が投光ユニット
の外部に表出することがなく、反射面が不用意に破損さ
れるのを回避することができる。また、製造過程等にお
いて、その反射面に予測し得ない応力が生じることがな
く、その反射面の光学性能を高く維持することができ
る。

【００２３】請求項６に記載の発明（投光ユニット）
は、発光素子と、該発光素子の発光面に対向する反射面
とを備え、前記反射面は前記発光素子からの光を少なく
とも１つの環状領域に集光する形状であり、前記環状領
域に対応して環状の発光パターンが視認されるようにし
たことを特徴とする。

【００２４】この構成は、請求項１に記載の構成から前
面部材を除去した投光ユニットに相当する。故に、この
構成によれば、前述の請求項１に記載の発明と同様の作
用効果が発揮される。すなわち、光の外部放射効率が高
まる。また、一つの発光素子から一定面積の光の帯を作
り出して、従来のレンズ型ＬＥＤを密実装した場合と同
様の視覚的効果を生み出すことができるとともに、従来
のレンズ型ＬＥＤの密実装に比べて熱がこもる心配がほ
とんどなく、蓄熱が原因となる発光素子の出力低下や寿
命短縮が回避される。ただし、前面部材が存在しないこ
とから、有効なダークノイズ対策とはなり得ない。

【００２５】なお、請求項８に対し、次の（１）〜
（３）の少なくとも１つの構成を付加することは好まし
い。 （１） 前記反射面は、前記発光素子が配置される一軸
線周りの回転形状をなしていること。

【００２６】（２） 前記反射面は、前記発光素子に対
して、１．０π〜２．５π（ｓｔｒａｄ）の範囲内の立
体角を有すること。 （３） 前記反射面を、前記発光素子が配置される前記
一軸線を含む平面において、前記発光素子と前記環状領
域上の一点とを焦点とする楕円弧を前記一軸線周りに回
転させて得られる曲面にほぼ沿うように形成したこと。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を信号灯具用の投光
ユニットに具体化したいくつかの実施形態を、図面を参
照して説明する。

【００２８】（第１実施形態）図１〜図５は本発明の第
１実施形態を示す。図１及び図２に示すように、投光ユ
ニットは、一軸線をなす該ユニットの中心軸線Ｚ上に位
置する光源１０と、その中心軸線Ｚの前方側（図２では
下側）に設けられた基台２０と、中心軸線Ｚの後方側
（図２では上側）に設けられた前面部材としての遮光板
３０とを備えている。

【００２９】図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、基台
２０と遮光板３０とは、いずれもほぼ同面積の平面六角
形状をなしている。基台２０と遮光板３０とは、互いに
対応する６つの隅部に立設された６本の支柱２４によっ
て連結され、両者は該ユニットの中心軸線Ｚ方向に所定
間隔を隔ててほぼ平行に配置されている。光源１０は、
その発光面が遮光板３０の中心部から延びる支持棒３１
により基台２０と遮光板３０との中間に位置するように
保持されている。

【００３０】図１（ｂ）及び図２に示すように、基台２
０の上面側（光源と対向する側）には、前記中心軸線Ｚ
を取り囲むように反射面をなす反射凹面２１が形成され
ている。この反射凹面２１は、金属表面を鏡面仕上げす
ることによりまたは物理的もしくは化学的蒸着によって
金属膜を形成することにより提供される金属光沢面であ
る。そして、この反射凹面２１は、その光源１０に対し
て、ほぼ２π（ｓｔｒａｄ）の立体角をなすように形成
されている。

【００３１】また、この反射凹面２１は、中心軸線Ｚの
一径方向断面において、光源１０の中心を第１焦点ｆ０
とし、かつ当該径方向断面内に存在する環状領域をなす
集光領域Ｄ上の一点を第２焦点ｆ１として描かれる楕円
弧を中心軸線Ｚの周りで回転させた場合に得られる三次
元形状（曲面）に設定されている。換言すれば、前記中
心軸線Ｚ上の反射凹面２１の中心点Ｐ１と同反射凹面２
１の外縁点Ｐ２との間の反射曲線の中心軸線Ｚ周りでの
集合体が、一つの三次元反射凹面２１を構成している。

【００３２】図２に示すように、光源１０は、その前方
発光面が反射凹面２１を内壁面とする凹部２２の内側領
域に包含されるように配設されている。本実施形態では
光源１０として、レンズ型の発光ダイオード（ＬＥＤ）
が用いられている。具体的には図３に示すように、光源
１０は、略円柱状の支持体１１と、その下面（前方面）
に固着された半導体発光素子１２と、その発光素子１２
を封止する半径Ｒの半球状透明樹脂１３とを備えてい
る。半導体発光素子１２は、支持体１１内に設けられた
給電線１４（破線で示す）を介して外部から電流を供給
される。透明樹脂１３は発光素子１２の全露出面を覆っ
て外気との接触を遮断しつつ該素子を支持体１１の下面
に保持する。

【００３３】本実施形態では、完全な半球体の中心に発
光素子１２が位置し、発光素子１２から発される光線は
いずれも半球体表面に対し直角に入射するため、光線が
半球体表面から外に向かう際には屈折しない。それ故、
発光素子１２が発する光は半球状の全方位に放射され
る。そして、支持体１１の下側に突出形成された半球状
透明樹脂１３の全体が前記凹部２２の内側領域にすっぽ
りと収容されているため、発光素子１２から発された光
はほぼ全て、前記反射凹面２１に到達しそこで反射され
て向きを変える。

【００３４】ここで、この反射凹面２１は、前述のよう
に、中心軸線Ｚの一径方向断面において、光源１０の中
心を第１焦点ｆ０とし、集光領域Ｄを第２焦点ｆ１とし
て描かれる楕円弧を中心軸線Ｚの周りで回転させた場合
に得られる三次元形状に設定されている。このため、図
２に示すように、この反射凹面２１からの反射光は、中
心点Ｐ１から外縁点Ｐ２までの間の反射曲線上のいずれ
の反射点Ｐｘで反射されたとしても、環状をなす前記集
光領域Ｄに集束される。

【００３５】さらに、図１（ａ）及び図２に示すよう
に、遮光板３０には、中心軸線Ｚを中心とする円弧（半
径Ｒｄ）に沿って設定された幅Ｗの光学的開口部３２が
貫通形成されている。光学的開口部３２の設定基準とし
て用いた前記円弧の半径は、前記環状集光領域Ｄの半径
Ｒｄに一致している。その上で、円弧状の光学的開口部
３２内に前記環状集光領域Ｄが含まれるように、基台２
０に対する遮光板３０の高さ（離間長）が設定されてい
る。つまり、光学的開口部３２は、環状集光領域Ｄにほ
ぼ重なるように設定されている。

【００３６】ここで、図１及び図２に示した遮光板３０
（厚さＴ）に形成された光学的開口部３２（幅Ｗ）の径
方向断面積（＝ＴＷ）は、環状集光領域Ｄの径方向断面
積（ゼロに近い）に比べて十分に大きい。このことか
ら、集光領域Ｄに集束される光は、光学的開口部３２の
内壁部分等により遮られることなく、発散されながら外
部に投光される。しかし、遮光板３０の機能（後述）を
十分発揮せしめるという観点からは、外部への投光に支
障を生じない限り、光学的開口部３２の幅Ｗを極力狭く
設定することが好ましい。

【００３７】前記光学的開口部３２は完全な円環ではな
く、その円環状領域の一部に光学的開口部３２の内側の
遮光板部分と外側の遮光板部分とを連結する連結部３３
を残した不完全な環形状をなしている。この連結部３３
は、前記内側の遮光板部分を前記外側の遮光板部分に支
持するための支持材として機能する。また、連結部３３
の裏面は、光源１０と電源とをつなぐ給電線１４を通す
ための連絡経路を提供する。なお、遮光板３０の表面お
よび裏面ともに黒く着色されている。このため、遮光板
３０の黒い各面にあたった光は、そこで吸収されるかま
たは大きく減衰された状態で乱反射される。

【００３８】このように構成された投光ユニットは、例
えば図４に示すような３個の信号灯具を組み合わせて構
成された信号機に使用される。図４及び図５に示すよう
に、各信号灯具４０は、お碗型の基体４１と、その正面
側に垂立して固定された平らな支持基板４２と、その支
持基板の前方に風雨を凌ぐために設けられた断面弧状の
無色透明なカバーレンズ４３とを備えている。そして、
前記平らな支持基板４２上に多数の投光ユニットＵを配
置している。これら投光ユニットＵは、略六角柱状をな
す各ユニットＵの側面部分が互いに接するような仕方で
隣接配置されている（図４参照）。その結果、支持基板
４２の正面は、多数の投光ユニットＵでほぼ隙間なく埋
め尽くされている。なお、当然のことながら、各投光ユ
ニットＵは、遮光板３０の表面（黒色）が無色透明なカ
バーレンズ４３と対向するように配置されている。

【００３９】さて、信号灯具４０の点灯時には、各投光
ユニットＵへの給電により発光素子１２から発された光
はほぼ全て反射凹面２１に受光される。その反射凹面２
１での反射光は、遮光板３０の光学的開口部３２内に設
定された環状の集光領域Ｄに集束される。そして、集光
領域Ｄに集められた光は、高い効率で、そこを通過した
後、各光路の延長方向に発散しながら外部に投光され
る。このとき、各投光ユニットＵにおいては、遮光板３
０内に設けられた円弧状の光学的開口部３２の全体が発
光素子１２から発される光線の色で帯状に光って見え
る。また、信号灯具４０を十分に離れた位置から観察す
れば、そのカバーレンズ４３の全体が、発光素子１２の
発光色と同じ色で均一な丸に光って見える。

【００４０】他方、信号灯具４０の消灯時には、光を出
しているように見えないことは当然のことながら、それ
に加えてカバーレンズ４３の全体がかなり明瞭な黒色に
見える。これは、外光がカバーレンズ４３を通過して各
投光ユニットＵの表面に照射されることがあっても、外
光の大部分が黒色の遮光板３０によって吸収または減衰
されるためである。

【００４１】また、仮にカバーレンズ４３を通過してき
た外光の一部が、遮光板３０の光学的開口部３２を通っ
て各投光ユニットＵ内の反射凹面２１に入射することが
あっても、その入射光は反射凹面２１で光源１０に向け
て反射され、さらにそこで乱反射される。前記入射光の
大部分は、投光ユニットＵの内部で反射を繰り返すうち
に、黒色に着色された遮光板３０の裏面に達しそこで吸
収または減衰されてしまう。このため、投光ユニットＵ
内に進入したときのエネルギー量を保持したまま、再び
光学的開口部３２を通って投光ユニットＵの外に逃げら
れる外光は、ほとんど存在しない。かかる次第で、本件
の信号灯具４０は、消灯時においてもダークノイズが顕
在化せず、消灯時と点灯時とでコントラストが大きい。
なお、この意味で、遮光板３０の裏面を黒色着色したこ
とは、光を吸収または大きく減衰して乱反射する減衰手
段を構成する。

【００４２】以上のように構成された第１実施形態によ
れば、以下のような効果を得ることができる。 ・ 上述のような光源１０の配置及び反射凹面２１の形
状設定を採用したことにより、光源１０から発される光
のほぼ全てが反射凹面２１によって受光及び反射され
る。そして、そこでの反射光は、途中でほぼ遮られるこ
となく集光領域Ｄ及び光学的開口部３２を介して外部に
投光される。つまり、光源１０が発する光はほぼ全て有
効利用されるため、光の外部放射効率が極めて高い。特
に、反射凹面２１は、光源１０に対してほぼ２π（ｓｔ
ｒａｄ）の立体角をなすように形成されている。このた
め、光学精度及び投光ユニット全体の形状の高い自由度
を確保しつつ、光の外部照射効率を最大級に高めること
ができる。

【００４３】一般に、ＬＥＤのような半導体発光素子１
２を用いた光源の場合に、その光量の少なさが問題とな
ることが多い。これに対して、本件投光ユニットＵで
は、光の外部放射効率が極めて高く、ＬＥＤ光源の光量
の少なさを十分に補償することができるとともに、発光
素子１２の使用個数を減らすことができる。

【００４４】・ 点灯時、各投光ユニットＵにおいて
は、高い外部放射効率を確保しつつ、遮光板３０に設け
た円弧状の光学的開口部３２の全体が帯状に光るように
なっている。このため、発光素子１２の使用個数（また
は実装密度）を減らしたとしても、見かけの発光面積を
大きくとることができる。これにより、信号灯具４０を
十分に離れた位置から観察した場合に、個々のユニット
Ｕが散点状に見えることはなく、表示面全体が光ってい
るように見える。また、この表示面は、数多くの円弧状
をなす単一パターンにより構成されるため、１０ｍ前後
以下の距離からはその表示面に輝度アクセントを生じ、
表示面全体が一様に光っているものに比べ、その表示面
の視認性が高められる。従って、本件投光ユニットＵを
採用することにより、見栄えのよい表示面を実現するこ
とができる。

【００４５】さらに、発光素子１２の使用個数（または
実装密度）が少ないことで、多数の投光ユニットＵを用
いる信号灯具４０に熱がこもるのを回避でき、個々の発
光素子１２の出力低下や寿命の短縮を未然に抑制するこ
とができる。

【００４６】・ 反射凹面２１が、基台２０上に形成さ
れ、その表面は遮光板３０により覆われている。このた
め、反射凹面２１が投光ユニットＵの外部に表出するこ
とがなく、反射凹面２１が不用意に破損されるのを回避
することができる。また、投光ユニットＵの製造過程等
において、その反射凹面２１に予測し得ない応力が生じ
ることがなく、その反射凹面２１の光学性能を高く維持
することができる。

【００４７】・ 信号灯具４０を構成する個々の投光ユ
ニットＵは、その内部に反射凹面２１を備えているにも
かかわらず、前述のような反射凹面２１の形状設定およ
び表裏黒色着色された遮光板３０が配設されている。こ
れにより、点灯時と消灯時とのコントラストを大幅に向
上することができて、ダークノイズを効果的に抑制また
は低減することができる。

【００４８】・ 投光ユニットＵの前面に設けられた遮
光板３０の裏側に、光源１０が配設されている。このた
め、光源１０が日光にさらされることがなく、結果的に
各光源１０を構成する樹脂１３の劣化が遅れ、光源１０
の耐用時間を長くすることができる。

【００４９】（第２実施形態）前記第１実施形態では、
反射体としての基台２０に単一の環状反射凹面２１を形
成する一方、それに対応した単一の円弧状光学的開口部
３２を遮光板３０に形成した。しかし、基台２０の反射
凹面及び遮光板３０の光学的開口部３２は、単一環形状
である必要はなく、投光ユニットの中心軸線Ｚ周りにお
いてそれぞれが多重環状に設けられてもよい。図６及び
図７は、そのような着想を具体化した第２実施形態を示
す。なお、重複説明を避けるため、以下では第１実施形
態と異なる部分のみを説明する。特に説明無き部分に関
しては、第１実施形態と第２実施形態は共通しているも
のとする。

【００５０】図６（ｂ）及び図７に示すように、基台２
０の反射凹面の中心点Ｐ１と、反射凹面の円形外縁（外
縁点Ｐ２の連続集合体）との間には、稜線部２５が円環
状に存在する。この反射凹面は、その稜線部２５を境界
として、内側に位置する内側反射凹面２１Ａと、外側に
位置する外側反射凹面２１Ｂとが連続されたものとして
提供されている。

【００５１】ここで、この稜線部２５を構成する個々の
頂点を、仮に稜線点Ｐ３と命名する。内側反射凹面２１
Ａは、その径方向断面において中心点Ｐ１と稜線点Ｐ３
との間で光源１０の中心を第１焦点ｆ０とし、かつ当該
径方向断面内に存在する環状領域をなす内側集光領域Ｄ
Ａの一点を第３焦点ｆ２として描かれる楕円弧を中心軸
線周りで回転させた場合に得られる三次元形状（曲面）
に設定されている。一方、外側反射凹面２１Ｂは、その
径方向断面において稜線点Ｐ３と外縁点Ｐ２との間で光
源１０の中心を第１焦点ｆ０とし、かつ当該径方向断面
内に存在する環状領域をなす外側集光領域ＤＢを第４焦
点ｆ３として描かれる楕円弧を中心軸線周りで回転させ
た場合に得られる三次元形状（曲面）に設定されてい
る。また、これら２つの反射凹面２１Ａ，２１Ｂを合わ
せると、全体として光源１０に対して、ほぼ２π（ｓｔ
ｒａｄ）の立体角をなすようになっている。

【００５２】そして、光源１０から発された光のうちで
内側反射凹面２１Ａに達した光は、内側反射凹面２１Ａ
で反射されて、環状の内側集光領域ＤＡに収束される。
この光は、遮光板３０上にその内側集光領域ＤＡに対応
するように貫通形成された光学的開口部３２Ａを介して
外部に放射される。一方、光源１０から発された光のう
ちで外側反射凹面２１Ｂに達した光は、外側反射凹面２
１Ｂで反射されて、環状の外側集光領域ＤＢに収束され
る。この光は、遮光板３０上にその外側集光領域ＤＢに
対応するように貫通形成された光学的開口部３２Ｂを介
して外部に放射される。

【００５３】このように、光源１０から発された光のほ
ぼ全てが、内側反射凹面２１Ａまたは外側反射凹面２１
Ｂのいずれかによって受光される。そして、そこで反射
されて環状の集光領域ＤＡまたはＤＢのいずれかに集束
されるとともに、光学的開口部３２Ａまたは３２Ｂを介
して外部に投光される。このため点灯時には、遮光板３
０に設けられた二重円弧状の光学的開口部３２Ａ及び３
２Ｂの全体が、発光素子１２から発される光線の色で二
重の帯状に光って見える。このような第２実施形態によ
れば、前記第１実施形態の場合よりも、光学的開口部３
２Ｂの径を大きくしたときに、環状パターンが中抜けし
たように視認されるのを防止することができる。

【００５４】従って、第２実施形態の投光ユニットを図
４及び図５に示すような信号灯具４０に適用した場合に
は、光量の大きな発光素子１２を使用して、１つの光源
１０あたりの占有面積が著しく大きくなっても、表示面
の優れた見栄えを保つことができる。なお、その他の点
では、第２実施形態の投光ユニットは、第１実施形態の
場合とほぼ同様の作用及び効果を奏する。

【００５５】（変形例）本発明の実施形態は、以下のよ
うに変形してもよい。 （変形例１）上記第１及び第２実施形態では、光源１０
を構成する透明樹脂１３を半径Ｒの半球形状とした。こ
れに対して、その透明樹脂１３の形状を、図８（ａ）に
示すように、半径Ｒの半球（破線で示す）を外方向に引
き延ばしたような形状（つまり中心軸線Ｚに長軸が一致
するような楕円断面を持つ立体形状）に変更してもよ
い。かかる形状を採用すれば、半導体発光素子１２から
発される光線が透明樹脂１３の湾曲表面を通過して外に
向かう際に、中心軸線Ｚ寄りの屈折を受ける。つまり、
透明樹脂１３は、光源１０の周方向（図の水平方向）よ
りも前方方向（図の垂直下向き）に光を集める偏向レン
ズとして機能する。

【００５６】この図８（ａ）のレンズ型ＬＥＤ光源を第
１実施形態に適用した場合には、反射凹面２１の外縁点
Ｐ２よりも中心点Ｐ１に近い領域の光量が相対的に増加
する。また、第２実施形態に適用した場合には、外側の
反射凹面２１Ｂよりも内側の反射凹面２１Ａに対する単
位面積当りの光量が増加する。

【００５７】（変形例２）上記変形例１とは逆に、光源
１０を構成する透明樹脂１３の形状を図８（ｂ）に示す
ように、半径Ｒの半球（破線で示す）を内方向に押し潰
したような形状（つまり中心軸線Ｚとの直交方向に長軸
が一致するような楕円断面を持つ立体形状）に変更して
もよい。かかる形状を採用すれば、半導体発光素子１２
から発される光線が透明樹脂１３の湾曲表面を通過して
外に向かう際に、中心軸線Ｚから遠ざかる方向への屈折
を受ける。つまり透明樹脂１３は、光源１０の前方方向
（図の垂直下向き）よりも周方向（図の水平方向）に光
を集める偏向レンズとして機能する。

【００５８】この図８（ｂ）のレンズ型ＬＥＤ光源を第
１実施形態に適用した場合には、反射凹面２１の中心点
Ｐ１よりも外縁点Ｐ２に近い領域の光量が相対的に増加
する。また、第２実施形態に適用した場合には、内側の
反射凹面２１Ａよりも外側の反射凹面２１Ｂに対する単
位面積当りの光量が増加する。

【００５９】（変形例３）上記第１実施形態では、光源
１０と基台２０とを別体としていたが、両者を一体化す
ることも可能である。例えば図９に示すように、肉薄で
長尺なリードフレーム５１を水平方向に延設し、その中
心位置に半導体発光素子１２を固定する。発光素子１２
への給電は、リードフレーム５１に沿って設けられた給
電線を介して行う。そして、この発光素子１２をマウン
トしたリードフレーム５１を光透過性材料５２（例えば
透明なエポキシ樹脂）で封止する。

【００６０】ここで、光透過性材料５２で封止する際に
使用する付形用金型の内壁面を、第１実施形態の反射凹
面２１の凹面形状に対応させておく。これにより、封止
の完了後には、光透過性材料からなる透明レンズ体の底
部に上記反射凹面２１に対応する凸面５３を形成するこ
とができる。そして、その凸面５３に対し、例えば物理
的または化学的な蒸着処理により金属（例えば銀）を付
着させることで、凸面の表面に反射膜５４を形成するこ
とができる。この反射膜５４の内側面は、発光素子１２
からの光を反射する反射凹面として機能する。この樹脂
モールド品の上面側に反射膜５４と対向する遮光板３０
を取り付ければ、一単位の投光ユニットが完成する。こ
の投光ユニットも前記第１実施形態と同様の効果を奏す
る。この着想は、第２実施形態のような多重環構成に対
しても適用可能である。

【００６１】（変形例４）上記変形例３のように蒸着処
理による反射膜５４の形成工程を経ずとも、光源と基台
部との一体化は可能である。例えば図１０に示すよう
に、環状の反射凹面２１が形成された扁平カップ形の金
属製反射体５５を予め準備しておく。そして、この反射
体５５と、発光素子１２をマウントしたリードフレーム
５１とを、光透過性材料５２（例えば透明なエポキシ樹
脂）で封止し、図１０に示すような樹脂モールド品を一
挙に完成させてもよい。この樹脂モールド品の上面側に
反射凹面２１と対向する遮光板３０を取り付ければ、一
単位の投光ユニットが完成する。この投光ユニットも前
記第１実施形態と同様の効果を奏する。この着想は、第
２実施形態のような多重環構成に対しても適用可能であ
る。

【００６２】なお、変形例３及び変形例４における光透
過性材料５２は、透明なガラス材料で置換されてもよ
い。すなわち、変形例３及び変形例４で用いる材料５２
は、電気絶縁性を備えた光透過性材料であれば、樹脂で
ある必要はなくどのような材料でもよい。

【００６３】また、変形例３及び変形例４において、樹
脂モールド品の上面側に遮光板３０を別途取り付ける代
わりに、樹脂モールドの際に製品の上面に窪み又は凹部
が付与されるようにし、モールド完了後にその窪み又は
凹部内に黒色流体を流し込み、それを固化させることで
遮光板３０に相当するものを事後的に出現させてもよ
い。

【００６４】（変形例５）上記各実施形態及び各変形例
では、反射凹面の凹面形状が滑らかに連続したものを想
定していたが、その凹面での反射光を特定の集光領域
Ｄ，ＤＡ又はＤＢに集束させるような面構成である限
り、連続的に滑らかな凹面である必要はない。例えば、
極めて多数の微小平面を個々の微小平面の角度を微妙に
変化させつつ配列することで、前記反射凹面２１，２１
Ａ又は２１Ｂと光学的に等価な凹状多面体を構成しても
よい。このような凹状多面体も、本件明細書でいう「反
射凹面」の範疇に含まれる。

【００６５】（変形例６）前記各実施形態及び各変更例
においては、反射凹面２１，２１Ａ，２１Ｂを、光源１
０に対し、全体としてほぼ２π（ｓｔｒａｄ）の立体角
をなすように形成した。これに対して、その反射面２
１，２１Ａ，２１Ｂを、光源１０に対し、全体として、
１π〜２．５π（ｓｔｒａｄ）、好ましくは１．５π〜
２．３５π（ｓｔｒａｄ）の立体角をなすように形成し
てもよい。

【００６６】このように構成すると、投光ユニットを信
号灯具に適用する場合に、前述のように、レンズ型ＬＥ
Ｄを採用して直接外部放射することで実現しようとする
場合に比べ、発光素子からの光をより広い立体角の反射
凹面２１，２１Ａ，２１Ｂで受光することができる。こ
のため、投光ユニットにおける外部放射効率を、より確
実に高く維持することができる。

【００６７】ここで、反射凹面２１，２１Ａ，２１Ｂの
立体角を、光源１０に対して１．５π（ｓｔｒａｄ）以
上とすることで、光源１０からの光の大部分を受光して
制御することができる。一方、立体角が大きすぎると、
反射凹面２１，２１Ａ，２１Ｂの面形状が、光学制御や
投光ユニット全体の形状の自由度の低下を招くため、そ
の立体角は２．５π（ｓｔｒａｄ）以下とするのが望ま
しい。

【００６８】（変形例７）前記各実施形態及び各変形例
では、光源１０及び集光領域Ｄ，ＤＡ，ＤＢを焦点とす
る楕円弧を中心軸線Ｚ周りで回転させた楕円面に沿って
反射凹面２１，２１Ａ，２１Ｂ及び凸面５３を形成し
た。これに対して、前記楕円弧に近似する円弧を中心軸
線Ｚ周りで回転させた球面に沿って反射凹面２１，２１
Ａ，２１Ｂ及び凸面５３を形成してもよい。この場合、
反射凹面２１，２１Ａ，２１Ｂ及び凸面５３を前記楕円
面に沿って形成した場合に比べ、集光領域Ｄ，ＤＡ，Ｄ
Ｂの幅は若干広がるものの、反射凹面２１，２１Ａ，２
１Ｂ及び凸面５３の形状が単純なものとなり、投光ユニ
ットＵを容易に製造することができる。

【００６９】また、反射凹面２１，２１Ａ，２１Ｂ及び
凸面５３は、前記楕円弧に近似した曲線を中心軸線Ｚ周
りで回転させて得られる曲面であればよく、例えば前記
楕円弧に近似した放物線、サイクロイド曲線、渦巻き線
等を中心軸線Ｚ周りで回転させて得られる曲面に沿って
形成してもよい。

【００７０】（変形例８）上記第１及び第２実施形態に
おける光源１０は、透明樹脂１３を伴わない裸のままの
チップ（発光素子１２）で構成されてもよい。

【００７１】（変形例９）上記第１及び第２実施形態に
おける遮光板３０の光学的開口部３２，３２Ａ，３２Ｂ
を貫通孔とはせず、光透過性のガラスや樹脂等で形成し
てもよい。これにより、投光ユニットＵに防塵効果及び
防水効果を付与できて、例えば信号灯具４０に適用した
場合にはカバーレンズ４３を省略することも可能とな
る。

【００７２】（変形例１０）上記第１実施形態の投光ユ
ニットにおいて、図１１及び図１２に示すように、遮光
板３０の光学的開口部３２が光透過性材料（ガラス、透
明エポキシ樹脂等）６０により形成する。そして、その
光透過性材料６０の裏面（反射凹面２１と対向する面）
に、特定の一方向に延びる複数の溝６１を形成してもよ
い。この場合、図１３の拡大斜視図に示すように、前記
複数の溝６１は互いに平行に延びかつ各溝６１は同じ略
断面Ｖ字形に刻設されている。

【００７３】その結果、光透過性材料６０の裏面は、断
面略波板状に形成され、複数のプリズム部が付与された
状態となる。このプリズム部は、反射凹面２１からの反
射光を外部投光する際の光の配向制御に役立つ。つま
り、前記反射凹面２１側からの入射光が、プリズム部に
おいて、主に前記溝６１とほぼ直交する面内で屈折され
る。そして、その溝６１とほぼ直交する方向への放射角
が、その溝６１の延びる方向に比べて大きく広がった光
として、光学的開口部３２から外部に放射される。

【００７４】このように特定方向に延びる溝６１を光透
過性材料６０の裏面に付与することによって、外部に投
光される光の配向を制御することができる。これによ
り、投光ユニットの視野角を所望状態に調節可能とな
る。なお、この着想は、第２実施形態に対しても適用可
能である。

【００７５】（変形例１１）前記各実施形態及び各変形
例では、遮光板３０の光学的開口部３２を環状の集光領
域Ｄ上に１つの連結部３３を有する不完全な環形状に形
成した。これに対して、例えば図１４に示すように、環
状の集光領域Ｄ上に複数の連結部３３を設けて、光学的
開口部３２を複数に分割してもよい。このようにするこ
とで、若干の光量ロスは生じるものの、表示面の見栄え
がよくなり、視認性の向上を図ることができる。

【００７６】（変形例１２）前記各実施形態及び各変更
例において、遮光板３０は黒色に限らず、反射面２１，
２１Ａ，２１Ｂへ到る外光を遮光できるものであれば、
他の色であってもよい。

【００７７】（変形例１３）前記各実施形態及び各変更
例において、遮光板３０を省略するようにしてもよい。
この場合、外光の遮光効果によるダークノイズの低減は
期待できないが、高い外部放射効率に加え、見かけの発
光面積を大きくとることができる。また、表示面に輝度
アクセントを生じ、表示面全体が一様に光っているもの
に比べ、その表示面の視認性を高めることができる。こ
のため、この変更例の投光ユニットは、半屋外や屋内な
どの強い外光がない場所でのディスプレイ用途に適す
る。

【００７８】次に、上述の各実施形態及び変形例からさ
らに把握される技術的思想の要点を、以下に列挙する。 ・ 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の投光ユ
ニットにおいて、前記環状集光領域における光の通過断
面積が、前記反射面の総面積よりも小さいこと。

【００７９】・ 請求項１〜請求項６のいずれか一項に
記載の投光ユニットにおいて、発光素子と反射面とが電
気絶縁性の光透過性材料を介して一体化されているこ
と。 ・ 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の投光ユ
ニットにおいて、前記前面部材の光学的開口部またはそ
の近傍に、通過光の配向を制御するプリズム部を設けた
こと。

【００８０】・ 請求項１〜請求項５のいずれか一項に
記載の投光ユニットにおいて、前記反射面と対向する前
記前面部材の裏側面には、光を吸収または乱反射する減
衰手段が付与されていること。

【００８１】・ 請求項１〜請求項５のいずれか一項に
記載の投光ユニットにおいて、前記反射体には、前記反
射面が内壁面を構成する凹部が形成されており、その凹
部の内側領域に前記発光素子が包含されていること。

【００８２】・ 請求項１〜請求項５のいずれか一項に
記載の投光ユニットを複数近接配置して構成した信号灯
具。 ・ 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の投光ユ
ニットを複数近接配置して構成したディスプレイ装置。

【００８３】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１〜請求項
６に記載の投光ユニットによれば、発光素子が発する光
量を十分に有効利用できるとともに、良好な視認性を得
ることができる。また、発光効率の向上により、発光素
子の搭載数を減じても、良好な視認性を保つことができ
る。さらに、熱のこもりに起因する発光素子の出力低下
や寿命短縮を極力回避することが可能となる。また、請
求項１〜請求項５に記載の投光ユニットによれば、点灯
時と消灯時とのコントラストを大幅に向上することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１実施形態の投光ユニットを示し、（ａ）
は遮光板の平面図、（ｂ）は基台の平面図。

【図２】 図１の２−２線での縦断面図。

【図３】 光源の一例を示す図。

【図４】 信号機を示す正面図。

【図５】 信号機に組み込まれる信号灯具の断面図。

【図６】 第２実施形態の投光ユニットを示し、（ａ）
は遮光板の平面図、（ｂ）は基台の平面図。

【図７】 図６の７−７線での縦断面図。

【図８】 光源の二つの変形例を示す図。

【図９】 投光ユニットの一変形例を示す断面図。

【図１０】 投光ユニットの一変形例を示す断面図。

【図１１】 投光ユニットの一変形例を示す断面図。

【図１２】 図１１の変形例における遮光板の裏面（底
面）を示す図。

【図１３】 図１１の変形例におけるプリズム部を示す
斜視図。

【図１４】 投光ユニットの一変形例を示す平面図。

【図１５】 従来の信号機を示す正面図。

【図１６】 従来の信号機に組み込まれる信号灯具の断
面図。

【符号の説明】

１２…半導体発光素子（発光素子）、２０…基台、２１
…反射面をなす反射凹面、２１Ａ…反射面をなす内側反
射凹面、２１Ｂ…反射面をなす外側反射凹面、２２…凹
部、３０…遮光板（前面部材）、３２，３２Ａ，３２Ｂ
…光学的開口部、５４…反射面をなす反射膜、Ｄ…環状
領域をなす集光領域、ＤＡ…環状領域をなす内側集光領
域、ＤＢ…環状領域をなす外側集光領域、Ｚ…中心軸線
（一軸線）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3K080 AA12 AA15 AB00 BA07 BB22 BB24 BC03 5H180 HH14

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一軸線上に配置された発光素子と、該発
   光素子の発光面に対向する反射面と、外光を遮光すると
   ともに所定位置に光学的開口部が設けられた前面部材と
   を備え、 前記反射面は前記発光素子からの光を少なくとも１つの
   環状領域に集光する形状であり、前記光学的開口部は前
   記環状領域に対応するように設けたことを特徴とする投
   光ユニット。
2. 【請求項２】 前記反射面は、前記発光素子が配置され
   る前記一軸線周りの回転形状をなしていることを特徴と
   する請求項１に記載の投光ユニット。
3. 【請求項３】 前記反射面は、前記発光素子に対して、
   １．０π〜２．５π（ｓｔｒａｄ）の範囲内の立体角を
   有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載
   の投光ユニット。
4. 【請求項４】 前記反射面を、前記発光素子が配置され
   る前記一軸線を含む平面において、前記発光素子と前記
   環状領域上の一点とを焦点とする楕円弧を前記一軸線周
   りに回転させて得られる曲面にほぼ沿うように形成した
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の投光
   ユニット。
5. 【請求項５】 前記反射面は、前記前面部材と所定の距
   離をおいてほぼ平行に配置される基台上に形成された凹
   面からなることを特徴とする請求項１〜請求項４のいず
   れか一項に記載の投光ユニット。
6. 【請求項６】 発光素子と、該発光素子の発光面に対向
   する反射面とを備え、 前記反射面は前記発光素子からの光を少なくとも１つの
   環状領域に集光する形状であり、前記環状領域に対応し
   て環状の発光パターンが視認されるようにしたことを特
   徴とする投光ユニット。