| 【発明の名称】 |
多灯形色灯信号機 |
| 【発明者】 |
【氏名】永田 武士
【氏名】三瓶 昭弘
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| 【要約】 |
【課題】簡単な構造で効率よくＬＥＤの放熱を行う。ＬＥＤの傾きと振動を防止する。視認性を高める。電源回路の信頼性を高め、同一色は同一種類の発光ユニットで済む回路とする。
【解決手段】発光素子基盤（３）はアルミコア（３０）を使用、コアに対向する導体パターン（３３，３４）を絶縁層（３１，３２）露出部分より広くする。はんだメッキされた筒の内面がコアに接するスルーホール（３７）と、その端部に続く放熱パターン（３５，３６）を設け、アルミ製の基盤支持構造（４，５）を接触させる。基盤の前面に黒い固定板（２）を設け、電源回路は同一色発光のすべての発光ユニット間で互換性のある回路とし、完全独立の２系統とする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 発光素子基板の導体パターンで２系統に分けて接続された半導体発光素子群を搭載する複数の発光ユニットと、前記発光ユニットに発光時の電力を供給する電源回路とを含む多灯形色灯信号機において、前記発光素子基板は、熱伝導性の高い素材をコアとし、該コアに絶縁層を挟んで対向する前記導体パターンを該導体パターンに覆われない絶縁層露出部分より広くするとともに、熱伝導性の高い素材で筒状部を形成し該筒状部が前記コアに接する多数のスルーホールと、前記発光素子基板の周縁部に分散配置され前記スルーホールの端部に接する放熱パターンとを設け、熱伝導性の高い素材で構成した基板支持構造の支持面が前記放熱パターンに接することにより前記コアから前記基板支持構造への放熱ルートを形成することを特徴とする多灯形色灯信号機。
【請求項２】 発光素子基板の導体パターンで２系統に分けて接続された半導体発光素子群を搭載する複数の発光ユニットと、前記発光ユニットに発光時の電力を供給する電源回路とを含む多灯形色灯信号機において、前記発光ユニットは、前記発光素子基板の前面に平行に配置され前記半導体発光素子の発光部を貫通させて支持するための少なくとも前面が濃い色彩の素子固定板を含むことを特徴とする多灯形色灯信号機。
【請求項３】 電源回路は、現示すべき信号が異なる他の多灯形色灯信号機との間および同一多灯形色灯信号機内において同一色発光の発光ユニットを相互に交換可能な回路構成とすることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の多灯形色灯信号機。
【請求項４】 電源回路は、前記各発光ユニット内の２系統のそれぞれの半導体発光素子群に対し１対１で対応する電源電圧変換用のトランスを含むことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の多灯形色灯信号機。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は鉄道などの交通機関において、信号を現示するための色灯信号機に関し、特に半導体発光素子を光源として複数の信号を現示するために、複数の色灯の組み合わせで点灯する多灯形色灯信号機に関する。
【０００２】
【従来の技術】交通機関に使用する信号灯は、近来では光源として半導体発光素子（以下ＬＥＤという）を多数搭載した発光ユニットが、寿命が長く、保守管理に有利なところから広く採用されている。ところがＬＥＤは、発光と同時に発熱し、基板上の搭載密度が高くなると、放熱は悪くなり、極端な場合は輝度劣化が起こり発光しなくなってしまう。そこで従来は、大きな放熱器や送風によりＬＥＤの熱を逃がしていた。なお、ＬＥＤの基板への固定は、リード線の支持だけでは不十分であるので、樹脂等によりＬＥＤを基板へ固定していた。
【０００３】信号現示は、２現示，３現示，４現示，５現示と多種にわたる。各現示に用いる灯色は、Ｇ，Ｙ，Ｒの３色、あるいはＧ，Ｒの２色であり、それぞれの色の発光ユニットを組み合わせて信号機を構成している。そして従来は、４現示，５現示における２灯同時点灯現示の場合、そのうちの一方の発光ユニットは、単独点灯のものとは違う回路構成となっていた。なお、発光ユニット内では、ＬＥＤを２系統に分けて接続し信頼性の向上を図っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】信号灯に使用する発光ユニットは、限られた発光面積で十分な輝度を得るためＬＥＤ搭載密度を高くすると、大きな放熱器や送風機を取り付けないと、輝度劣化が起こってしまうという問題点がある。本発明の一つの課題は、簡単な構造でＬＥＤの放熱が有効に行えるような発光ユニットを備えた多灯形色灯信号機を提供することである。
【０００５】本発明のさらなる課題は、従来のＬＥＤの基板上への固定方法を改め、各ＬＥＤを貫通させて支持する黒色の発光素子固定板を設け、ＬＥＤの傾き防止してすべてのＬＥＤを正確に正面に向けるためのガイドを兼ねる他、振動対策，点灯時のコントラストなど、従来製品に比べ寿命の延長と特性を向上を図った発光ユニットを備えた多灯形色灯信号機を提供することである。
【０００６】本発明のさらなる課題は、ＬＥＤに信号を表示させる電源回路を、各色毎に２系統に共通のトランスを使用して構成したのを改め、信号入力部から２系統に分け、完全独立２回路とすることにより、信号機全体の信頼性を向上させるとともに、４現示，５現示における２灯同時点灯現示の各発光ユニットのうちの一灯は、単独点灯あるいは同時点灯の同色発光ユニットとは配線を異にしていたのを改め、同一色で有りさえすれば同一種類の発光ユニットが使用できるようにして発光ユニットの共通化を図ることにより、生産と保守の合理化が図れるような多灯形色灯信号機を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するために本発明の多灯形色灯信号機は、発光素子基板の導体パターンで２系統に分けて接続された半導体発光素子群を搭載する複数の発光ユニットと、前記発光ユニットに発光時の電力を供給する電源回路とを含む多灯形色灯信号機において、前記発光素子基板は、熱伝導性の高い素材をコアとし、該コアに絶縁層を挟んで対向する前記導体パターンを該導体パターンに覆われない絶縁層露出部分より広くするとともに、熱伝導性の高い素材で筒状部を形成し該筒状部が前記コアに接する多数のスルーホールと、前記発光素子基板の周縁部に分散配置され前記スルーホールの端部に接する放熱パターンとを設け、熱伝導性の高い素材で構成した基板支持構造の支持面が前記放熱パターンに接することにより前記コアから前記基板支持構造への放熱ルートを形成する構成としてある。
【０００８】また、前記の課題を解決するために本発明の多灯形色灯信号機は、発光素子基板の導体パターンで２系統に分けて接続された半導体発光素子群を搭載する複数の発光ユニットと、前記発光ユニットに発光時の電力を供給する電源回路とを含む多灯形色灯信号機において、前記発光ユニットは、前記発光素子基板の前面に平行に配置され前記半導体発光素子の発光部を貫通させて支持するための少なくとも前面が濃い色彩の素子固定板を含む構成としてある。
【０００９】さらに上記に加えて本発明の多灯形色灯信号機は、電源回路は、現示すべき信号が異なる他の多灯形色灯信号機との間および同一多灯形色灯信号機内において同一色発光の発光ユニットを相互に交換可能な回路で構成してある。
【００１０】さらに上記に加えて本発明の多灯形色灯信号機は、電源回路は、前記各発光ユニット内の２系統のそれぞれの半導体発光素子群に対し１対１で対応する電源電圧変換用のトランスを含む構成としてある。
【００１１】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について、図面を参照して詳しく説明する。図１は、本発明の一実施形態例の発光ユニットの主要部分を切断し拡大して示した説明図（図２のＸ−Ｘで切断した断面図）である。図２は、図１の発光ユニットの全体の外形を示す斜視図である。
【００１２】図１および図２において、１はＬＥＤである。２はＬＥＤ１・・・１の発光部を貫通させて支持する発光素子の固定板（以下固定板という）である。３はＬＥＤのリード線１ａ，１ｂを貫通させて支持するとともに、ＬＥＤを基板上の配線パターンにより接続するための発光素子基板である。４はスペーサ、５はユニット取付板である。スペーサ４とユニット取付板５で基板支持構造を構成し、ともに熱伝導性に優れたアルミ板で作られている。
【００１３】６は配線基板である。配線基板６は、発光ユニット側のコネクタ（図１および図２には図示していない）が取り付けられていて、発光素子基板３を電源回路に接続する回路が搭載されている。配線基板６は支持棒７，７，７，７によってユニット取付板５に固定されている。なお、発光ユニットはユニット取付板５の四隅にある取り付け孔５ａ，５ａ，５ａ，５ａによって図示しない信号機のケース内に固定される。
【００１４】ＬＥＤ１は、ＬＥＤの輝度を緑色，黄色，赤色で均整化して視認性を向上させるとともに、輝度の劣化速度を一定に保つために、黄色灯用および赤色灯用に、同一系元素（例えば、アルミニウム，インジューム，ガリューム，燐など）の原料から作られたＬＥＤを使用し、かつ全てのＬＥＤに耐湿性に優れたものを使用している。
【００１５】発光素子基板３は、アルミニュウムを素材とするコア（以下、コアという）３０の表裏面を薄いエポキシガラスの絶縁層３１，３２で覆ってある。この絶縁層３１，３２の表面には、ＬＥＤ１・・・１のリード線１ａ，１ｂを貫通させる孔の周りに設けたランドを拡張して放熱パターン３３，３４とし、ランド間を接続する配線パターンも拡張の余裕のあるところは、すべて幅を拡張して放熱パターン３３，３４に含ませている。他に基板支持構造の熱伝導スペーサ４に当接する部分にも独立した放熱パターン３５，３６が作られている。
【００１６】３７，３７・・・３７は、コア３０と絶縁層３１，３２を貫通して放熱パターン３５と３６の間を繋ぐスルーホールである。スルーホール３７，３７・・・３７は、内面は放熱パターン３３，３４と同じ素材（はんだメッキ）で覆われ表裏面の放熱パターン３３，３４間の熱伝導を促進する。図３および図４は、放熱パターン３３および３４の例を示すために、発光素子基板３の一部を拡大して示した平面図および裏面図である。図４は、図３の平面図に示した発光素子基板３の位置に対応する裏面図である。
【００１７】ＬＥＤ１，１・・・１で発生した熱は、その一部はＬＥＤのリード線を伝わって発光素子基板３のコア３０に伝わる。また、広く拡張されたランドにもＬＥＤの熱が伝わり、そこから放熱される。その後、コア３０からスルーホール３７，３７・・・３７、放熱パターン３３，３４に伝わり、速やかに外部に放散される。
【００１８】図５は、固定板２の例を示す平面図である。図５において、孔２ａ，２ａ・・・２ａは、ＬＥＤ１，１・・・１を貫通させて、組み立て作業時に正確な方向付けをするとともに、使用開始後の外部からの振動に対しても、その姿勢を正しく保ち続けられるよう支持する。孔２ａ，２ａ・・・２ａは、全体としては固定板２の発光面の円内に配置されている。孔２ａ，２ａ・・・２ａは、互いに入り込ませて分散配置した二つの系統に属するＬＥＤを貫通させている。２ｂ，２ｂ・・・２ｂは、固定板２をスペーサ２ｄを挟んでコア３０に、ビス２ｅによって固定するための孔である。
【００１９】図６は、発光ユニット内の接続例を示す電気回路図である。ただし図６の回路は、各色の発光ユニットに共通に適用される。図７は、発光ユニットを単独に点灯して信号を現示する信号機の電源回路の一例を示す回路図で、鉄道における三現示用信号機の例を示したものである。図８は、発光ユニットを２灯同時に点灯する現示を含む信号機の電源回路の一例を示す回路図で鉄道における減速四現示用信号機の例を示したものである。
【００２０】図６において、４１，４２は第１系統と第２系統のそれぞれの交流を脈流に変える整流器である。４３，４５ａ，４５ｂ〜４５ｎと、４４，４６ａ，４６ｂ〜４６ｎは、それぞれ第１系統と第２系統の発光素子基板４７と４８（４７と４８は図１および２に示す発光素子基板３と同等のもの）に流れる電流を調節するための抵抗器である。
【００２１】４０ｚは、図７の電源回路のコネクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃのいずれか、あるいは図８の電源回路のコネクタ４０ｄ，４０ｅ，４０ｆ，４０ｇのいずれか等に対応する発光ユニット側のコネクタである。１１ｚ，１２ｚ〜１８ｚおよび２１ｚ，２２ｚ〜２６ｚは、コネクタ４０ｚの各端子である。
【００２２】各発光ユニットの回路の第１系統，第２系統に関しては、コネクタ４０ｚの各端子の接続位置以外は異なるところは無い。また同色発光の各発光ユニット間でも、同様である。ただ、発光色が異なる発光ユニットでは、発光素子基板４７と４８に、該当する発色用のものが使用され、それに伴って搭載される抵抗器の抵抗値と個数が異なる。
【００２３】図７において、５１ａ，５２ａ，５１ｂ，５２ｂ，５１ｃ，５２ｃはトランスである。トランス５１ａ，５２ａは、緑色灯を点灯させるための電力を入力する電源入力端５３に接続される。トランス５１ｂ，５２ｂは、黄色灯を点灯させるための電力を入力する電源入力端５４に接続される。トランス５１ｃ，５２ｃは、赤色灯を点灯させるための電力を入力する電源入力端５５に接続される。５０は、各色点灯の共通の電源入力端である。１１ａ，１２ａ〜１８ａおよび２１ａ，２２ａ〜２６ａは、コネクタ４０ａの各端子である。１１ｂ，１２ｂ〜１８ｂおよび２１ｂ，２２ｂ〜２６ｂは、コネクタ４０ｂの各端子である。１１ｃ，１２ｃ〜１８ｃおよび２１ｃ，２２ｃ〜２６ｃは、コネクタ４０ｃの各端子である。
【００２４】電源回路側のコネクタと発光ユニット側のコネクタとの接続は、例えば図７の電源回路のコネクタ４０ａと緑色灯用発光ユニットのコネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）に結合すると、端子１１ａと１１ｚが接続され、端子１２ａと１２ｚが接続され、以下同様に符号の数字（１３〜１８，２１〜２６）の部分の同じものどうしが接続される。電源回路のコネクタ４０ｂと黄色灯用発光ユニットのコネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）の結合、および電源回路のコネクタ４０ｃと黄色灯用発光ユニットのコネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）の結合についても同様である。
【００２５】例えば、図７の電源回路の入力端の５３と５０の間に、緑色灯点火のために交流電圧が加えられると、トランス５１ａと５２ａの２次回路に電圧が発生する。トランス５１ａの２次回路電圧は、コネクタ４０ａの端子１１ａ、コネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）の端子１１ｚを経て、また、コネクタ４０ａの端子１２ａ，コネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）の端子１２ｚを経て、それぞれ図６の整流器４１の二つの交流入力端に加えられる。トランス５２ａの２次回路電圧は、コネクタ４０ａの端子１７ａ，コネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）の端子１７ｚを経て、また、コネクタ４０ａの端子１８ａ，コネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）の端子１８ｚを経て、それぞれ図６の整流器４２の二つの交流入力端に加えられる。
【００２６】整流器４１の整流出力は、その正極（＋）から抵抗群を経て、第１系統の発光素子基板４７のＬＥＤ群を点灯させ、コネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）の端子１５ｚ，コネクタ４０ａの端子１５ａ，コネクタ４０ａの端子１３ａ，コネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）の端子１３ｚを経て負極（−）に戻る。整流器４２の整流出力は、その正極（＋）から抵抗群を経て、第１系統の発光素子基板４８のＬＥＤ群を点灯させ、コネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）の端子１６ｚ，コネクタ４０ａの端子１６ａ，コネクタ４０ａの端子１４ａ，コネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）の端子１４ｚを経て負極（−）に戻る。
【００２７】図７の電源回路の入力端の５４と５０の間に、黄色灯点火のために電源の交流電圧が加えられた場合、あるいは入力端の５５と５０の間に、赤色灯点火のために電源の交流電圧が加えられた場合についても同様である。図７は、三現示用信号機の例を示したものであるが、二現示用信号機の場合は、黄色灯関係の部品と配線に相当するものが無いだけで、その他は図７の回路に準じて構成される。
【００２８】図８において、６１ｄ，６２ｄ，６１ｅ，６２ｅ，６１ｆ，６２ｆ，６１ｇ，６２ｇはトランスである。トランス６１ｄ，６２ｄは、黄色灯と緑色灯を同時に点灯させる場合の電力を入力する電源入力端６３に接続される。トランス６１ｅ，６２ｅは、赤色灯を点灯させるための電力を入力する電源入力端６４に接続される。トランス６１ｆ，６２ｆは、黄色灯を点灯させるための電力を入力する電源入力端６５に接続される。トランス６１ｇ，６２ｇは、緑色灯を点灯させるための電力を入力する電源入力端６６に接続される。６０は、各色点灯の共通の電源入力端である。
【００２９】１１ｄ，１２ｄ〜１８ｄおよび２１ｄ，２２ｄ〜２６ｄは、コネクタ４０ｄの各端子である。１１ｅ，１２ｅ〜１８ｅおよび２１ｅ，２２ｅ〜２６ｅは、コネクタ４０ｅの各端子である。１１ｆ，１２ｆ〜１８ｆおよび２１ｆ，２２ｆ〜２６ｆは、コネクタ４０ｆの各端子である。１１ｇ，１２ｇ〜１８ｇおよび２１ｇ，２２ｇ〜２６ｇは、コネクタ４０ｇの各端子である。電源回路側のコネクタと発光ユニット側のコネクタとの接続は、図７の場合と同様に、それぞれの端子の符号の数字（１１〜１８，２１〜２６）の部分の同じものどうしが接続される。
【００３０】例えば、図８の電源回路の入力端の６３と６０の間に、黄色灯と緑色灯の同時点火のために電源の交流電圧が加えられると、トランス６１ｄと６２ｄの２次回路に電圧が発生する。トランス６１ｄおよび６２ｄの２次回路の電圧は、他のトランスの２次回路電圧より高く、例えば他のトランスの２次回路電圧がそれぞれ６０Ｖであるのに対し、トランス６１ｄおよび６２ｄの２次回路電圧は１１０Ｖである。
【００３１】トランス６１ｄの２次回路電圧は、コネクタ４０ｄの端子１１ｄ，コネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）の端子１１ｚを経て、また、コネクタ４０ｄの端子１２ｄ，コネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）の端子１２ｚを経て、それぞれ図６の整流器４１相当の整流器（以下、黄色１系整流器という）の二つの交流入力端に加えられる。トランス６２ｄの２次回路電圧は、コネクタ４０ｄの端子１７ｄ，コネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）の端子１７ｚを経て、また、コネクタ４０ｄの端子１８ｄ，コネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）の端子１８ｚを経て、それぞれ図６の整流器４２相当の整流器（以下、黄色２系整流器という）の二つの交流入力端に加えられる。
【００３２】黄色１系整流器の整流出力は、その正極（＋）から抵抗群を経て、第１系統の発光素子基板（図６の発光素子基板４７相当）のＬＥＤ群を点灯させ、コネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）の端子２５ｚ，コネクタ４０ｄの端子２５ｄ，コネクタ４０ｇの端子２１ｇ，コネクタ４０ｇに接続されている他の緑色を発光するための発光ユニット（以下緑色発光ユニットという）のコネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）の端子２１ｚを経て、さらに抵抗群を経て、緑色発光ユニットの第１系統の発光素子基板（図６の発光素子基板４７相当，以下、緑色１系発光素子基板という）のＬＥＤ群を点灯させる。緑色１系発光素子基板からのリターンは、緑色発光用ユニットのコネクタの端子２５ｚ，図８のコネクタの端子２５ｇおよび２３ｄ，緑色発光用ユニットのコネクタの端子２３ｚを経て、黄色１系整流器の負極（−）に戻る。
【００３３】同様にして黄色２系整流器の整流出力は、その正極（＋）から抵抗群を経て、第２系統のＬＥＤ群を点灯させ、コネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）の端子２６ｚ，コネクタ４０ｄの端子２６ｄ，コネクタ４０ｇの端子２２ｇ，コネクタ４０ｇに接続されている以下緑色発光ユニットのコネクタ（図６のコネクタ４０ｚ相当）の端子２２ｚを経て、さらに抵抗群を経て、緑色発光ユニットの第２系統のＬＥＤ群を点灯させる。緑色２系発光素子基板からのリターンは、緑色発光用ユニットのコネクタの端子２６ｚ，図８のコネクタの端子２６ｇおよび２４ｄ，緑色発光用ユニットのコネクタの端子２４ｚを経て、黄色２系整流器の負極（−）に戻る。
【００３４】図８の入力端６４と６０の間に赤色灯点灯用の電圧が加えられた場合、入力端６５と６０の間に黄色点灯用の電圧が加えられた場合、および入力端６６と６０の間に緑色点灯用の電圧が加えられた場合は、図７の電源回路と図６の発光ユニットの組み合わせで説明した場合と同様であるので説明は省略する。
【００３５】本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、発光ユニットの構造や形態，電源回路の細部接続など、種々の変形あるいは変更が可能であって、その何れも本発明に含まれる。
【００３６】
【発明の効果】以上詳しく説明したように本発明によれば、ＬＥＤを搭載する発光素子基板に熱伝導性の高い素材のコアを採用し、独特の放熱パターンと放熱ルートを設けることにより、ＬＥＤの搭載密度を高くしても、簡単な構造でＬＥＤの放熱が有効に行えるという効果がある。したがって本発明の発光ユニットでは、高密度のＬＥＤを搭載しても輝度劣化の程度は僅かである。
【００３７】また、発光素子基板に平行に濃い色彩の発光素子固定板を配置して発光素子の発光部を貫通させて支持することにより、ＬＥＤの傾きを防止してすべてのＬＥＤを正確に正面に向けることができる他、点灯時のコントラストなど、視認性の向上ができるとともに、その状態を長期に保持することができるので、外部からの振動による影響を防ぎ、ＬＥＤの断線を防ぎ寿命の延長にも役立つという効果がある。
【００３８】また電源回路は、現示すべき信号が異なる他の多灯形色灯信号機との間および同一多灯形色灯信号機内において同一色発光の発光ユニットを相互に交換可能な回路構成としてあるので、同一色であれば、どの信号機のどの部分にも、ただ一種類の発光ユニットを用意するだけでよい。したがって本発明を実施することにより、生産性の向上と製品管理および保守作業の合理化に役立つという効果がある。
【００３９】また、電源回路は、前記各発光ユニット内の２系統のそれぞれの半導体発光素子群に対し、電源電圧変換用のトランスを１対１で対応させることにより、完全独立２回路となるので、一方の系統の回路の一部で不都合が起きても、もう一方の系統の回路で表示が続けられるので、信号としての本来の使命を完全に維持することができるという効果がある。
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| 【出願人】 |
【識別番号】５９１２２８６４９
【氏名又は名称】交通システム電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年１１月１７日（１９９８．１１．１７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７５１４４
【弁理士】
【氏名又は名称】井ノ口 壽
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| 【公開番号】 |
特開２０００−１４９６１０（Ｐ２０００−１４９６１０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年５月３０日（２０００．５．３０） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−３２６８２８ |
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