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【発明の名称】 投光ユニット
【発明者】 【氏名】末広 好伸

【氏名】面家 英樹
【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。
【特許請求の範囲】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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、ＬＥＤの発光面から放射された光のうちで、１π（ｓｔｒａｄ）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２０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２１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２０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２１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３０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（ｓｔｒａｄ）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１２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２０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２１Ａ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ＤＡ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（ｓｔｒａｄ）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２１Ｂ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２１Ｂ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３０に設けられた二重円弧状の光学的開口部３２Ａ及び３２Ｂ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３２Ｂ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２１，２１Ａ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１０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２１，２１Ａ，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ＬＥＤ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２１，２１Ａ，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，ＤＢの幅は若干広がるものの、反射凹面２１，２１Ａ，２１Ｂ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。
【出願人】 【識別番号】０００２４１４６３
【氏名又は名称】豊田合成株式会社
【出願日】 平成１２年９月２７日（２０００．９．２７）
【代理人】 【識別番号】１０００６８７５５
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣 （外１名）
【公開番号】 特開２００２−１０９９０７（Ｐ２００２−１０９９０７Ａ）
【公開日】 平成１４年４月１２日（２００２．４．１２）
【出願番号】 特願２０００−２９４２６４（Ｐ２０００−２９４２６４）