JP6516455B2 - 配光レンズ - Google Patents

Description

本発明は、所定方向に光を照射する光源から入射した光を、予め設計した範囲および方向に配光するレンズ体を備えた配光レンズに関する。

従来より、この種の配光レンズとして、例えば鉄道等の車両に取り付けられる標識灯（ヘッドライト）に用いるものが知られている。ここで標識灯は、夜間等に車両の進行方向である前方を照らして運転手の視認性を向上させるものである。一般に標識灯は、その配光特性によってハイビームとロービームに区別され、ハイビームでは遠方を照射し、ロービームでは近傍を照射していた。

最近の主流であるＬＥＤ式の標識灯では、特にＬＥＤからの光を効率良く前方に出射させるために配光レンズの役割が重要となる。ここで配光レンズとしては、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。すなわち、一般的な配光レンズと同様に、ＬＥＤの光軸を軸心として配置され、ＬＥＤからの光を光軸方向に沿って真っ直ぐ前方へ出射する配光に設計されており、かかる配光において、光ムラの低減を図ることを目的とするものであった。

特許第５２６９８４３号公報

しかしながら、前述した特許文献１に開示された従来の配光レンズでは、ＬＥＤからの光を光軸方向に沿って真っ直ぐ前方にしか配光することができなかった。そのため、ハイビームに用いる場合には、光源および配光レンズを水平方向を向く状態に配置して、そのまま適用することができるが、ロービームに用いる場合は、ハイビーム用の配置とは全く別に、光源および配光レンズを下向きとなる状態に配置しなければならない。

このように、ハイビーム用とロービーム用とでは、それぞれの光源やレンズの配置を個別に振り向ける必要があり、その製作が面倒であり時間もかかり、コストアップの要因になるという問題があった。また、ハイビーム用とロービーム用とを別々のライトで構成することも考えられるが、いっそうコストアップの要因になるだけでなく、限られた車体スペース内での配置は難しいという問題もあった。

本発明は、以上のような従来の技術の有する問題点に着目してなされたものであり、光源から入射した光を理想的なロービームの配光に容易に制御することが可能であり、しかも、ハイビームと同一向きに光源を設置することができる配光レンズを提供することを目的としている。

前述した目的を達成するための本発明の要旨とするところは、以下の各項の発明に存する。
［１］所定方向に光を照射する光源（４１）から入射した光を、予め設計した範囲および方向に配光するレンズ体（２０）を備えた配光レンズ（１０）において、
前記レンズ体（２０）は、光軸が水平面上に延びる状態に配置された前記光源（４１）から入射した光を、前方の目的とする照射位置にて、前記水平面より下方を主な照射範囲とし、かつ該照射範囲の中心より上方となる前記光軸および光軸より所定角度だけ下方に沿って強めて配光するものであり、
該レンズ体（２０）は、前記光源（４１）に頂端側が向く椀状に形成され、頂端側にて前記光源（４１）の光軸を中心とする光が入射する入射部（２１）と、頂端側の反対側にて中実の椀状内部を通過した光が出射する出射面（２２）と、該出射面（２２）上にて前記入射部（２１）と前記光軸上で対向する位置に開口し、前記入射部（２１）に向かって内側に凹む有底の孔部（２３）と、椀状の周壁（２４）の内面である反射面（２４ａ）と、を備え、
前記入射部（２１）の表面と前記孔部（２３）の底面は、互いに対向して所定のレンズ形状を成し、該レンズ形状によって、前記光源（４１）の光軸を中心とする光は、前記光軸および前記光軸より所定角度だけ下方に沿って前記孔部（２３）内を通り開口より出射され、
前記入射部（２１）を通り前記孔部（２３）の底面より周囲に入射した光は、前記反射面（２４ａ）によって全反射された後、前記孔部（２３）を通らず前記出射面（２２）より前記水平面の下方に向けて出射されることを特徴とする配光レンズ（１０）。

［２］前記入射部（２１）は、前記光源（４１）の光軸を中心とする同心円状で出射側に向かってアール断面形状に凹み、該凹んだ表面の中心底に、光源（４１）側に向かってアール断面形状に出っ張る入射レンズ面（２１ａ）が形成されたことを特徴とする前記［１］に記載の配光レンズ（１０）。

［３］前記孔部（２３）の底面のうち、該底面と交わる前記光軸が延びる水平面を間にして、上側は、前記入射レンズ面（２１ａ）を通過した光を光軸方向に直進させる上出射レンズ面（２３ａ）に形成され、下側は、前記入射レンズ面（２１ａ）を通過した光を光軸と所定角度で交差する下向きに進行させる下出射レンズ面（２３ｂ）に形成されたことを特徴とする前記［２］に記載の配光レンズ（１０）。

［４］前記孔部（２３）の内周面のうち、該内周面を上下に分ける前記水平面を間にして、上側は、前記光軸と平行に延びる一方、下側は、前記光軸と所定角度で交差する下向きに傾斜することを特徴とする前記［３］に記載の配光レンズ（１０）。

［５］前記反射面（２４ａ）のうち、該反射面（２４ａ）を上下に分ける前記水平面を間にして、上側は、前記孔部（２３）の底面より上方に広がる光を、前記光軸と所定角度で交差する下向きに全反射させる臨界角に設定され、下側は、前記孔部（２３）の底面より下方に広がる光を、前記光軸と所定角度で交差する下向きに全反射させる臨界角に設定されたことを特徴とする前記［１］，［２］，［３］または［４］に記載の配光レンズ（１０）。

［６］一枚の基体（１１）上に複数の前記レンズ体（２０）が一体に成形され、
各レンズ体（２０）の出射面（２２）は、前記基体（１１）の表面上に連なり、各レンズ体（２０）の椀状の周壁（２４）は、前記基体（１１）の裏面より膨出し、
前記基体（１１）は、各レンズ体（２０）に対応した光源（４１）が実装された光源基板（４０）の前方にて平行に対向する状態に配置され、
前記各光源（４１）は、それぞれ前記光源基板（４０）上にて同一方向に光軸が向く状態に配置されていることを特徴とする前記［１］，［２］，［３］，［４］または［５］に記載の配光レンズ（１０Ａ）。

［７］一枚の基体（１１）上に複数のレンズ体（２０）が一体に成形され、
各レンズ体（２０）のうち少なくとも１つは、ロービーム用のレンズ体（２０）として、前記［１］，［２］，［３］，［４］または［５］に記載のレンズ体（２０）であり、
各レンズ体（２０）のうち前記ロービーム用のレンズ体（２０）以外の少なくとも１つは、ハイビーム用のレンズ体（２０Ａ）として、光源（４１）から入射した光を、前方の目的とする照射位置にて、前記光源（４１）の光軸を中心とする所定の照射範囲に出射する配光に構成され、
各レンズ体（２０，２０Ａ）の出射面（２２）は、前記基体（１１）の表面上に連なり、各レンズ体（２０）の椀状の周壁（２４）は、前記基体（１１）の裏面より膨出し、
前記基体（１１）は、前記ロービーム用および前記ハイビーム用の各レンズ体（２０，２０Ａ）に対応した光源（４１）が実装された光源基板（４０）の前方にて平行に対向する状態に配置され、
前記各光源（４１）は、それぞれ前記光源基板（４０）上にて同一方向に光軸が向く状態に配置されていることを特徴とする配光レンズ（１０Ａ）。

次に、前述した解決手段に基づく作用を説明する。
前記［１］に記載の配光レンズ（１０）では、そのレンズ体（２０）によって、光軸が水平面上に延びる状態に配置された光源（４１）から入射した光を、前方の目的とする照射位置にて、前記水平面より下方を主な照射範囲とし、かつ該照射範囲の中心より上方となる光軸および光軸より所定角度だけ下方に沿って強めて配光する。

これにより、レンズ体（２０）を通過した光は、全体的には光軸が通る水平面よりも下方に向かうことになるが、照射範囲の中心より上方に位置する光軸方向やその下方だけを局所的に強い光で照らすことができる。従って、メリハリのある理想的なロービームの配光を実現することができる。

前記レンズ体（２０）は、光源（４１）に頂端側が向く椀状に形成し、その頂端側にて光源（４１）の光軸を中心とする光が入射する入射部（２１）と、頂端側の反対側にて中実の椀状内部を通過した光が出射する出射面（２２）と、該出射面（２２）上にて前記入射部（２１）と光軸上で対向する位置に開口し、前記入射部（２１）に向かって内側に凹む有底の孔部（２３）と、椀状の周壁（２４）の内面である反射面（２４ａ）とから成る。

ここで、前記入射部（２１）の表面と前記孔部（２３）の底面は、互いに対向して所定のレンズ形状を成す。このレンズ形状によって、光源（４１）の光軸を中心とする光は、光軸および光軸より所定角度だけ下方に沿って孔部（２３）内を通り開口から出射される。また、前記入射部（２１）を通り孔部（２３）の底面より周囲に入射した光は、中実の椀状内部を通過し、前記反射面（２４ａ）によって全反射された後、孔部（２３）を通らず出射面（２２）より下方に向けて出射される。かかる構成により、配光レンズ（１０）全体を小型化しても、理想的なロービームの配光に制御することができる。

また、前記［２］に記載したように、前記レンズ体（２０）の入射部（２１）は、光源（４１）の光軸を中心とする同心円状で出射側に向かってアール断面形状に凹ませて、この凹んだ表面の中心底に、光源（４１）側に向かってアール断面形状に出っ張る入射レンズ面（２１ａ）を形成すると良い。
このように、入射部（２１）が凹んだ形状である場合には、その中心に光軸が直交する光源（４１）からの光を漏らさず効率良く受け入れることができる。また、全体的な凹みの中心底に形成した入射レンズ面（２１ａ）によって、光源（４１）の光軸付近の光を、効率良く入射レンズ面（２１ａ）と対をなす孔部（２３）の底面に向かわせることができる。

また、前記［３］に記載したように、前記孔部（２３）の底面のうち、該底面と交わる光軸が延びる水平面を間にして、上側は、前記入射レンズ面（２１ａ）を通過した光を光軸方向に直進させる上出射レンズ面（２３ａ）に形成し、下側は、前記入射レンズ面（２１ａ）を通過した光を光軸と所定角度で交差する下向きに進行させる下出射レンズ面（２３ｂ）に形成すると良い。

これにより、入射レンズ面（２１ａ）を通過してきた光を、限られたスペース内でも効率良く光軸および光軸より所定角度だけ下方に沿って進行させることができ、全体的に水平線より下方に位置する照射範囲のうち、その中心より上方の特定の領域を特に明るく照らす配光制御が可能となる。

また、前記［４］に記載したように、前記孔部（２３）の内周面のうち、該内周面を上下に分ける水平面を間にして、上側は、光軸と平行に延びるように形成する一方、下側は、光軸と所定角度で交差する下向きに傾斜するように形成すると良い。これにより、前記下出射レンズ面（２３ｂ）より下向きに出射された光が、孔部（２３）の内周面の下側に当たって反射することを防ぐことができ、孔部（２３）の開口より外部に直接導くことができる。

また、前記［５］に記載したように、前記反射面（２４ａ）のうち、該反射面（２４ａ）を上下に分ける水平面を間にして、上側は、前記孔部（２３）の底面より上方に広がる光を、光軸と所定角度で交差する下向きに全反射させる臨界角に設定し、下側は、前記孔部（２３）の底面より下方に広がる光を、光軸と所定角度で交差する下向きに全反射させる臨界角に設定すると良い。

これにより、椀状の周壁（２４）全周における反射面（２４ａ）にて、入射部（２１）より上方に広がる光も、入射部（２１）より下方に広がる光も、それぞれ効率良く下方に向けて出射させることができる。

前記［６］に記載した配光レンズ（１０Ａ）では、一枚の基体（１１）上に複数の前記レンズ体（２０）が一体に成形されている。そして、各レンズ体（２０）の出射面（２２）は、基体（１１）の表面上に連なり、各レンズ体（２０）の椀状の周壁（２４）は、前記基体（１１）の裏面より膨出する。このような基体（１１）は、各レンズ体（２０）に対応した光源（４１）が実装された光源基板（４０）の前方にて平行に対向する状態に配置される。これにより、複数のレンズ体（２０）を備えた一ユニットとして扱うことができる。

さらに、前記［７］に記載した配光レンズ（１０Ａ）では、一枚の基体（１１）上に複数のレンズ体（２０，２０Ａ）が一体に成形され、各レンズ体（２０，２０Ａ）のうち少なくとも１つは、ロービーム用のレンズ体（２０）として、前述したものを採用する。一方、各レンズ体（２０，２０Ａ）のうち前記ロービーム用のレンズ体（２０）以外の少なくとも１つは、ハイビーム用のレンズ体（２０Ａ）として、光源（４１）から入射した光を、前方の目的とする照射位置にて、光源（４１）の光軸を中心とする所定の照射範囲に出射する配光に構成する。

これにより、ロービームとハイビームを、１枚の光源基板（４０）上にて同一向きに実装した光源（４１）で実現することができる。このように、配光レンズ（１０Ａ）により、一部の光線の進路を下方に向ける設計によれば、前方を照らすための直進性を確保しつつ、下方も照射する性能も併せて実現することが可能となる。

本発明に係る配光レンズによれば、光源から入射した光を理想的なロービームの配光に容易に制御することが可能であり、しかも、ハイビームと同一向きに光源を設置することができる。

本発明の実施の形態に係る配光レンズであるレンズ体を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る配光レンズであるレンズ体を示す縦切断端面図である。 本発明の実施の形態に係る配光レンズであるレンズ体を示す横切断端面図である。 本発明の実施の形態に係る配光レンズであるレンズ体の入射側となる背面図である。 本発明の実施の形態に係る配光レンズであるレンズ体の出射側となる正面図である。 本発明の実施の形態に係る配光レンズであるレンズ体の右側面図である。 本発明の実施の形態に係る配光レンズであるレンズ体の平面図である。 本発明の実施の形態に係る配光レンズであるレンズ体に光源から入射した光の配光状態を示す縦切断端面図である。 本発明の実施の形態に係る配光レンズであるレンズ体に光源から入射した光の配光状態を示す横切断端面図である。 本発明の実施の形態に係る配光レンズであるレンズ体の照射範囲を示す説明図である。 本発明の別の実施の形態に係る配光レンズを示す正面図である。 本発明の別の実施の形態に係る配光レンズを示す背面図である。 本発明の別の実施の形態に係る配光レンズを前方から見た斜視図である。 本発明の別の実施の形態に係る配光レンズを後方から見た斜視図である。 本発明の別の実施の形態に係る配光レンズを示す横切断端面図（図１１のＡ−Ａ’線切断部端面図）である。 本発明の別の実施の形態に係る配光レンズを示す縦切断端面図（図１１のＢ−Ｂ’線切断部端面図）である。 本発明のまた別の実施の形態に係る配光レンズを示す正面図である。 本発明のまた別の実施の形態に係る配光レンズを示す背面図である。 本発明のまた別の実施の形態に係る配光レンズを前方から見た斜視図である。 本発明のまた別の実施の形態に係る配光レンズを後方から見た斜視図である。 本発明のまた別の実施の形態に係る配光レンズを示す横切断端面図（図１７のＣ−Ｃ’線切断部端面図）である。 本発明のまた別の実施の形態に係る配光レンズを示す縦切断端面図（図１７のＤ−Ｄ’線切断部端面図）である。 本発明の実施の形態に係る配光レンズを備えた標識灯を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態に係る配光レンズを備えた標識灯を示す斜視図である。

以下、図面に基づき、本発明を代表する実施の形態を説明する。
本実施の形態に係る配光レンズ１０は、所定方向に光を照射する光源であるＬＥＤ４１から入射した光を、予め設計した範囲および方向に配光するレンズ体２０を備えたものである。なお、配光レンズ１０は、その構成の一部としてレンズ体２０を含むものでも良く、あるいはレンズ体２０の部位だけで配光レンズ１０として捉えても良い。

先ず、図１〜図１０に示すように、レンズ体２０の部位だけで配光レンズ１０を構成した例について説明する。図１から図９に示すように、配光レンズ１０そのものであるレンズ体２０は、ＬＥＤ４１（図８参照）に頂端側が向く図示した椀状に形成されている。ここでＬＥＤ４１は、例えば表面実装型のＬＥＤチップであり、その構成は一般的であるので詳細な説明は省略するが、チップ表面と直交する光軸Ｌを中心に所定角度の放射範囲で光を出射するタイプである。

ＬＥＤ４１は、原則として光軸Ｌが水平面上に延びる状態に配置されるが、ここで「水平」とは、厳密な意味での水平のみを意味するものではなく、ほぼ水平に視認できる程度で足りる。なお、ＬＥＤ４１の発光色は任意に選択される。また、ＬＥＤ４１は、表面実装型のＬＥＤチップに限らず、チップを砲弾型のモールドに埋め込んだＬＥＤランプでも良く、さらに、他のランプ等を光源として採用しても良い。

レンズ体２０は、その椀状の頂端側にてＬＥＤ４１の光軸Ｌを中心とする光が入射する入射部２１と、頂端側の反対側にて中実の椀状内部を通過した光が出射する出射面２２と、該出射面２２上にて前記入射部２１と前記光軸Ｌ上で対向する位置に開口し、前記入射部２１に向かって内側に凹む有底の孔部２３と、椀状の周壁２４の内面である反射面２４ａと、を備えている。このようなレンズ体２０は、例えばアクリルやポリカーボネート等の透明材質で一体的に成形される。

レンズ体２０のうち、入射部２１の表面と孔部２３の底面は、互いに対向して所定のレンズ形状を成している。このレンズ形状によって、ＬＥＤ４１の光軸Ｌを中心とする光は、光軸Ｌおよび光軸Ｌより所定角度だけ下方に沿って孔部２３内を通り開口より出射される。また、入射部２１を通り孔部２３の底面の外側周囲に入射した光は、周壁２４の内面である反射面２４ａによって全反射された後、孔部２３を通らず出射面２２より前記水平面の下方に向けて出射される。

このように、配光レンズ１０であるレンズ体２０は、光軸Ｌが水平面上に延びる状態に配置されたＬＥＤ４１から入射した光を、図８から図１０に示すように、前方の目的とする照射位置にて、前記水平面より下方を主な照射範囲とし、かつ該照射範囲の中心より上方となる前記光軸Ｌおよび前記光軸Ｌより所定角度だけ下方に沿って強めて配光する設計で構成されている。なお、所定角度とは、ＬＥＤ４１を中心として、上下方向に例えば０度から−３０度の範囲で設定され、また水平方向にもＬＥＤ４１を中心として、例えば±２５〜３０度の範囲で広がるように設定される。

図１から図７に示すように、レンズ体２０全体は円錐台のような椀状ではなく、図５に示すように、光軸Ｌ方向から見た正面視において、椀状の開口側となる出射面２２は真円ではない。すなわち、出射面２２は、曲率が大きな円弧形の上縁と曲率が小さな円弧形の下縁を、それぞれの両側で互いに平行な直線状の側縁で囲った形状であり、後方の入射部２１に向かって断面が相似形を保ちつつ漸次縮径するような椀状に形成されている。

図２および図３に示すように、前記椀状の頂端側にある入射部２１は、ＬＥＤ４１（図８参照）の光軸Ｌを中心とする同心円状で出射側に向かってアール断面形状に内側に凹むように形成されている。この凹みの軸心はＬＥＤ４１の光軸Ｌと一致しており、入射部２１は、ＬＥＤ４１の出射側を取り囲むように配置される。また、入射部２１の凹んだ表面の中心底には、逆にＬＥＤ４１側に向かってアール断面形状に小さく出っ張る入射レンズ面２１ａが形成されている。この入射レンズ面２１ａの中心に対して、ＬＥＤ４１の光軸Ｌは直交する。

図５に示すように、出射面２２の略中心に孔部２３は開口しており、孔部２３は、光軸Ｌを含む光路に沿って前記入射部２１に向かって内側に凹むように形成されている。かかる孔部２３の開口は、光軸Ｌ方向から見た正面視において、円弧形の上縁と横方向に直線状に延びる下縁を、それぞれの両側にて互いに平行な直線状の側縁で囲ったような馬蹄形となっている。

また、図２および図３に示すように、孔部２３の底面は、前述した入射部２１の入射レンズ面２１ａと互いに対向して所定のレンズ形状を成している。詳しく言えば、孔部２３の底面のうち、該底面と交わる前記光軸Ｌが延びる水平面を間にして、上側は、入射レンズ面２１ａを通過した光を光軸Ｌ方向に直進（コリメート）させる上出射レンズ面２３ａに形成されている。一方、下側は、入射レンズ面２１ａを通過した光を光軸Ｌと所定角度で交差する下向きに進行させる下出射レンズ面２３ｂに形成されている。

さらに、図２および図５に示すように、孔部２３の内周面のうち、該内周面を上下に分ける前記水平面を間にして、上側は、前記光軸Ｌと平行に延びる断面形状となる一方、下側は、前記光軸Ｌと所定角度で交差する下向きに傾斜するテーパー面２３ｃとなっている。ここで「平行」とは、厳密な意味での平行のみを意味するものではなく、ほぼ平行に視認できる程度で足りる。

図８および図９に示すように、レンズ体２０の周壁２４の内面である反射面２４ａは、前記入射部２１から入射した光のうち、主として入射レンズ面２１ａを通らず、その外側周囲に広がって入射した光、すなわち孔部２３の底面より外側に広がる光を、下方に向けて全反射させるものである。

詳しく言えば、反射面２４ａのうち、該反射面２４ａを上下に分ける前記水平面を間にして、上側は、孔部２３の底面より上方に広がる光を、光軸Ｌと所定角度で交差する下向きに全反射させる臨界角に設定されている。一方、反射面２４ａの下側は、孔部２３のテーパー面２３ｃより下方に広がる光を、光軸Ｌと所定角度で交差する下向きに全反射させる臨界角に設定されている。

ここで、水平面を間にした上下の反射面２４ａは、それぞれ同じ角度で光を下方に向けて反射するように設定しても良く、あるいは異なる角度で光を下方に向けて反射するように設定しても良い。なお「水平面を間にして」とは、水平面を厳密な境界として上下別々な構成になることを意図するものではなく、上下の異なる構造の間に単に水平面が位置する程度で足りることを意図する。前記孔部２３の底面において、上出射レンズ面２３ａと下出射レンズ面２３ｂの間についても同様である。

次に、本実施の形態に係る配光レンズ１０の作用について説明する。
図８および図９に示すように、本配光レンズ１０は、ＬＥＤ４１の直ぐ前方にて、その光軸Ｌがレンズ体２０の入射部２１に対して直交するように配置される。ここでＬＥＤ４１自体は、光軸Ｌが水平面上に延びる状態に配置される。かかる配置の状態で、ＬＥＤ４１から光軸Ｌを中心として照射された光は、先ずレンズ体２０の椀状の頂端側にある入射部２１に入射する。

入射部２１は、ＬＥＤ４１の光軸Ｌを中心としたアール断面形状に内側に凹んでおり、この凹みの軸心はＬＥＤ４１の光軸Ｌと一致し、入射部２１は、ＬＥＤ４１の出射側を取り囲むように配置される。これにより、ＬＥＤ４１からの光を外部に漏らさず受け入れることができる。他に例えば、入射部２１を椀形状の頂端を切り欠いた平端面としても良いが、前述した凹みに比べて入射効率は低くなり、また次述するような配光制御もかなわない。

入射部２１の凹みの中心底には、小さく出っ張る入射レンズ面２１ａがあり、この入射レンズ面２１ａによって、ＬＥＤ４１の光軸Ｌ付近の光を、入射レンズ面２１ａと対をなす孔部２３の底面に向けて進行させる。また、入射レンズ面２１ａの外側に入射した光は、孔部２３の底面の外側周囲に広がり、後述するが周壁２４の内面である反射面２４ａに到達する。仮に入射レンズ面２１ａを設けなければ、孔部２３の底面に向けて光を収束させることはなく、全周方向に光は拡散して、出射面２２から出射される光も暈けたものとなる。

このように、入射部２１の入射レンズ面２１ａと、出射面２２側から入射部２１に向かって凹む孔部２３の底面とは、互いに対向して所定のレンズ形状を成す。詳しくは、孔部２３の底面のうち、該底面と交わる光軸Ｌが延びる水平面を間にして上側は、上出射レンズ面２３ａとして形成され、この上出射レンズ面２３ａによって、前記入射レンズ面２１ａを通過してきた光は、そのまま光軸Ｌ方向にコリメート（直進）する。かかる光は、そのまま孔部２３内を通過して、孔部２３の開口より外部に出射される。

一方、孔部２３の底面のうち、前記水平面を間にして下側は、下出射レンズ面２３ｂとして形成され、この下出射レンズ面２３ｂによって、前記入射レンズ面２１ａを通過してきた光は、光軸Ｌと所定角度で交差する下向きに進行する。かかる光も、そのまま孔部２３内を通過して、孔部２３の開口より外部に出射される。このように入射部２１の表面と孔部２３の底面から成るレンズ形状によって、ＬＥＤ４１の光軸Ｌを中心とする光は、光軸Ｌおよび光軸Ｌより所定角度だけ下方に沿って配光される。

このように、ＬＥＤ４１から入射した光を、限られたスペース内でも効率良く光軸Ｌおよび光軸Ｌより所定角度だけ下方に沿って進行させることができる。かかるレンズ形状のうち、入射レンズ面２１ａは単に凸レンズ形状であるため、上出射レンズ面２３ａの曲率や角度によって光をコリメートさせる一方、下出射レンズ面２３ｂでは特別に配光制御することなく、入射レンズ面２１ａからの光をそのまま下方に向けて進行させれば良い。このような異なる方向への配光制御は、孔部２３の底面側ではなく、入射部２１の表面側の設定によって実現するように構成しても良い。

また、孔部２３の内周面のうち、上側は光軸Ｌと平行に延びるように形成すれば、上出射レンズ面２３ａによりコリメートする光の進行を妨げることはないが、下側も光軸Ｌと平行に延びるように形成すると、上出射レンズ面２３ａから下方に向かう光が干渉して反射してしまう。よって、孔部２３の内周面の下側には、特に下向きに傾斜するテーパー面２３ｃを形成したことにより、下方に向かう光が干渉する事態を防ぐことができる。

さらに、孔部２３の深さを、その底面が入射部２１の表面側に近づくと、その分だけレンズ形状は薄くなる。そのため、レンズ体２０全体の成形時に生じる歪みヒケの影響が少なくなる。従って、より正確な配光特性に設計することが可能となる。このような本実施の形態に係るレンズ形状によれば、限られた大きさでも効率良く、しかも正確に光軸Ｌおよび光軸Ｌより所定角度だけ下方に沿って光を強める配光制御が可能となる。

前記入射部２１から入射した光のうち、入射レンズ面２１ａを通らず、その外側周囲に広がって入射した光は、周壁２４の内面である反射面２４ａに到達し、下方に向けて全反射される。詳しく言えば、反射面２４ａのうち、前記水平面を間にして上側は、孔部２３の底面より上方に広がる光を、光軸Ｌと所定角度で交差する下向きに全反射させる。一方、前記水平面を間にして下側は、孔部２３の底面より下方に広がる光を、光軸Ｌと所定角度で交差する下向きに全反射させる。

このように、椀状の周壁２４全周における反射面２４ａにて、入射部２１より上方に広がる光も、入射部２１より下方に広がる光も、それぞれ効率良く同じ角度で下方に向けて出射させることも可能となる。よって、ロービーム用の配光が可能となる。なお、水平面を間にした上下の反射面２４ａは、それぞれ同じ角度で光を下方に向けて反射するように設定しても良く、あるいは異なる角度で光を下方に向けて反射するように設定しても良い。

さらに補足すれば、図１０に示すように、レンズ体２０は、その出射面２２および孔部２３の底面から照射する光を略楕円形状の照明範囲に配光する。ここで図示した照射面は、例えばＬＥＤ４１から直線距離で前方１０ｍ等と目的とする照射位置において、光軸Ｌと直交する平面と仮定している。この照射面における照射範囲Ｅ１のうち、前述したように、光軸Ｌおよび光軸Ｌより所定角度だけ下方に沿った部分Ｅ２において照度が高められている。

以上のように、本配光レンズ１０によれば、光軸Ｌが水平面上に延びる状態に配置されたＬＥＤ４１から入射した光を、前方の目的とする照射位置にて、前記水平面より下方を主な照射範囲とし、かつ該照射範囲の中心より上方となる前記光軸Ｌおよび前記光軸Ｌより所定角度だけ下方に沿って強めて配光することができる。これにより、レンズ体２０を通過した光は、全体的には光軸Ｌが通る水平面よりも下方に向かうことになるが、照射範囲の中心より上方に位置する光軸Ｌ方向やその下方だけ局所的に強い光で照らすことができ、メリハリのある理想的なロービームの配光を実現することができる。

なお、ＬＥＤ４１や配光レンズ１０は、地面に対して所定の高さ位置に配されることになるが、前方の目的とする照射位置における照射面は、ＬＥＤ４１等より下方に位置する地面あるいは地面と平行な水平面でも良く、あるいは前述したように、光軸Ｌと直交する平面、すなわち地面に対して垂直に立ち上がる面や、その他に地面に斜めに交わる面であっても良い。また、配光レンズ１０から照射位置までの距離は、適宜定め得る設計事項となる。

次に、図１１から図１６に示すように、別の実施の形態の配光レンズ１０Ａとして、一枚の基体１１上に複数の前記レンズ体２０の他、別のレンズ体２０Ａも併せて一体に成形したものを説明する。本配光レンズ１０Ａは、円板状の基体１１を備えており、該基体１１上に、個々のＬＥＤ４１に対応した複数のレンズ体２０，２０Ａが設けられている。ここで基体１１は、各レンズ体２０，２０Ａと同様に、例えばアクリルやポリカーボネート等の透明材質で一体的に成形されている。

詳しく言えば、複数のレンズ体２０，２０Ａは、ロービーム用として前述したレンズ体２０と、ハイビーム用の別のレンズ体２０Ａであり、レンズ体２０は、基体１１の中央に縦列に４つ並んでおり、レンズ体２０Ａは、基体１１の外周に沿って円周方向に６つ並んでいる。このように各レンズ体２０，２０Ａの具体的な数や配置は、適宜定め得る設計事項であり、少なくとも１つがロービーム用のレンズ体２０であり、このレンズ体２０以外の少なくとも１つがレンズ体２０Ａであれば、その配置は特には問わない。

ロービーム用のレンズ体２０は、図１から図１０に基づき説明したものに相当するが、ハイビーム用のレンズ体２０Ａは、ＬＥＤ４１から入射した光を、前方の目的とする照射位置にて、前記ＬＥＤ４１の光軸Ｌを中心とする所定の照射範囲に出射する配光に構成されている。このようなレンズ体２０Ａ自体は周知の構成であり、前記レンズ体２０とは異なり全体的には円錐台をなす椀状に形成され、その軸心はＬＥＤ４１の光軸Ｌと一致する。

かかるレンズ体２０Ａの椀状の頂端側には、ＬＥＤ４１の光軸Ｌを中心とする同心円状で出射側に向かってアール断面形状に内側に凹むように入射部２１が形成されているが、入射レンズ面２１ａはない。また、出射面２２は本来は真円であるが、基体１１の表面上の限られたスペース内に密に配置する関係上、レンズ体２０Ａは外周の一部が互いに重なり合い、当該部分の弦を間にして弓形に切り欠かれた形状となっている。また、出射面２２の中心には孔部２３が開口しているが、前述したレンズ体２０の孔部２３のような特別な底面や内周面を備えるものではなく、レンズ体２０Ａ自体は周知のものである。

各レンズ体２０，２０Ａの出射面２２は、何れも基体１１の表面上に連なっており、また、各レンズ体２０，２０Ａの椀状の周壁２４は、何れも基体１１の裏面より膨出している。このような基体１１は、各レンズ体２０，２０Ａに対応したＬＥＤ４１が実装されたＬＥＤ基板（光源基板）４０の前方にて平行に対向する状態に配置される（図２３参照）。ＬＥＤ基板４０上の個々のＬＥＤ４１は、後述するがＬＥＤ基板４０上にて全て同一方向に光軸Ｌが向く状態に配置されている。

このような配光レンズ１０Ａによれば、複数のレンズ体２０，２０Ａを一ユニットとして扱うことができ、各レンズ体２０または各レンズ体２０Ａに対応したＬＥＤ４１を選択的に点灯させることで、ハイビームまたはロービームの照射を選択的に実現することができる。特にロービームとハイビームは、１枚のＬＥＤ基板４０上で同一向きに実装したＬＥＤ４１で実現することができる。

なお、レンズ体２０，２０Ａの全体形状、周壁２４の曲面、入射部２１や出射面２２、それに孔部２３の具体的な形状や構成は、図示したものに限定するものではなく、適宜変更が可能である。例えば他の変形例として、図１７から図２２に示した配光レンズ１０Ｂのように、ロービーム用のレンズ体２０Ｂを横幅の大きな形状に設計したり、ハイビーム用のレンズ体２０Ｃを互いに重なり合わない形状に設計しても良い。
さらに、図示省略したが別の実施の形態として、１つの基体１１上に全て同じロービーム用のレンズ体２０，２０Ｂを一体に成形しても良い。

次に、図２３および図２４に示すように、前述した配光レンズ１０Ａを部品として含む標識灯１について説明する。本標識灯１は、例えば鉄道車両の先頭車両に取り付けられるものである。図２１に示すように、標識灯１は、ヒートシンクを兼ねた灯体２と、ＬＥＤ基板４０と、配光レンズ１０Ａを有している。標識灯１は、主としてこれら３点の部品によって組み立てられ、各部品はそれぞれ予めユニット化されている。なお、配光レンズ１０Ａの代わりに、他の配光レンズ１０Ｂを用いても良い。

灯体２は、例えばアルミニウム合金等の金属により一体的に成形されており、正面側には、ＬＥＤ基板４０を収納すると共に配光レンズ１０Ａを取り付けるための筒状の収納部３が設けられている。収納部３は前方に開口しており、外周縁３ａはフランジ状に突出している。収納部３の底は平らな取付面を成しており、図示省略したが車両に搭載された電源から電力を給電する配線を通す挿通孔等が適所に設けられている。また、灯体２の背面側には、後方に互いに平行に延びる複数の放熱フィン４が立設されたヒートシンク５が設けられている。

ＬＥＤ基板４０は、前記収納部３の底の取付面に合致する大きさの円形であり、その表面上に配線回路が形成され、配線回路上に複数のＬＥＤ４１が実装されている。ここでＬＥＤ４１は、前述したように表面実装型のＬＥＤチップである。各ＬＥＤ４１は、それぞれＬＥＤ基板４０の表面上にて、該表面に対して直交する同一方向に光軸Ｌが向く状態で配置されている。

配光レンズ１０Ａは、前記収納部３の底の取付面に合致する大きさに形成されており、その基体１１上の各レンズ体２０，２０Ａは、前記ＬＥＤ基板４０上の個々のＬＥＤ４１に対応している。かかる配光レンズ１０Ａは、前記収納部３の底に装着されたＬＥＤ基板４０の前方にて平行に対向する状態で、収納部３の開口を覆う状態に取り付けられる。

このような標識灯１によれば、配光レンズ１０Ａによって、一部の光線の進路を下方に向ける設計とすることで、通常のレンズ体２０Ａにより車両の進行方向を照らすための直進性を確保しつつ、レンズ体２０により車両軌道上となる下方も照射する性能も併せて実現することが可能となる。また、構成する部品点数が少なく、装置全体も小型化することができる。

特に、配光レンズ１０Ａに関しては、異なる配光特性の各レンズ体２０，２０Ａの出射面２２を、基体１１における表面側の同一平面上に形成したから、一ユニットである配光レンズ１０Ａ自体の構成も、ＬＥＤ基板４０との相対的な配置に関しても、より簡易化することができる。さらに、各ＬＥＤ４１は、実装する部位や配置は特に限定されるものではないが、それぞれ一つのＬＥＤ基板４０上にて同一方向に光軸Ｌが向く状態に配置したから、まとめて簡単に実装することが可能となり、容易に制作することができる。

以上、本発明の実施の形態を図面によって説明してきたが、具体的な構成は前述したような実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。例えば、前述したようにレンズ体２０，２０Ａの全体形状、周壁２４の曲面、入射部２１や出射面２２、それに孔部２３の具体的な形状や構成は、図示したものに限定するものではなく、適宜変更が可能である。また、配光レンズ１０，１０Ａ，１０Ｂは、標識灯１に限らず様々な照明装置の光学部品として活用することができる。

本発明に係る配光レンズは、様々な照明装置の光学部品として幅広く適用することができる。

１０…配光レンズ
１０Ａ…配光レンズ
１１…基体
２０…レンズ体
２０Ａ…レンズ体
２１…入射部
２１ａ…入射レンズ面
２２…出射面
２３…孔部
２３ａ…上出射レンズ面
２３ｂ…下出射レンズ面
２３ｃ…テーパー面
２４…周壁
２４ａ…反射面
４０…ＬＥＤ基板
４１…ＬＥＤ
１…標識灯
２…灯体
３…収納部
４…放熱フィン
５…ヒートシンク

Claims (7)

1. 所定方向に光を照射する光源から入射した光を、予め設計した範囲および方向に配光するレンズ体を備えた配光レンズにおいて、
   前記レンズ体は、光軸が水平面上に延びる状態に配置された前記光源から入射した光を、前方の目的とする照射位置にて、前記水平面より下方を主な照射範囲とし、かつ該照射範囲の中心より上方となる前記光軸および光軸より所定角度だけ下方に沿って強めて配光するものであり、
   該レンズ体は、前記光源に頂端側が向く椀状に形成され、頂端側にて前記光源の光軸を中心とする光が入射する入射部と、頂端側の反対側にて中実の椀状内部を通過した光が出射する出射面と、該出射面上にて前記入射部と前記光軸上で対向する位置に開口し、前記入射部に向かって内側に凹む有底の孔部と、椀状の周壁の内面である反射面と、を備え、
   前記入射部の表面と前記孔部の底面は、互いに対向して所定のレンズ形状を成し、該レンズ形状によって、前記光源の光軸を中心とする光は、前記光軸および前記光軸より所定角度だけ下方に沿って前記孔部内を通り開口より出射され、
   前記入射部を通り前記孔部の底面より周囲に入射した光は、前記反射面によって全反射された後、前記孔部を通らず前記出射面より前記水平面の下方に向けて出射されることを特徴とする配光レンズ。
2. 前記入射部は、前記光源の光軸を中心とする同心円状で出射側に向かってアール断面形状に凹み、該凹んだ表面の中心底に、光源側に向かってアール断面形状に出っ張る入射レンズ面が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の配光レンズ。
3. 前記孔部の底面のうち、該底面と交わる前記光軸が延びる水平面を間にして、上側は、前記入射レンズ面を通過した光を光軸方向に直進させる上出射レンズ面に形成され、下側は、前記入射レンズ面を通過した光を光軸と所定角度で交差する下向きに進行させる下出射レンズ面に形成されたことを特徴とする請求項２に記載の配光レンズ。
4. 前記孔部の内周面のうち、該内周面を上下に分ける前記水平面を間にして、上側は、前記光軸と平行に延びる一方、下側は、前記光軸と所定角度で交差する下向きに傾斜することを特徴とする請求項３に記載の配光レンズ。
5. 前記反射面のうち、該反射面を上下に分ける前記水平面を間にして、上側は、前記孔部の底面より上方に広がる光を、前記光軸と所定角度で交差する下向きに全反射させる臨界角に設定され、下側は、前記孔部の底面より下方に広がる光を、前記光軸と所定角度で交差する下向きに全反射させる臨界角に設定されたことを特徴とする請求項１，２，３または４に記載の配光レンズ。
6. 一枚の基体上に複数の前記レンズ体が一体に成形され、
   各レンズ体の出射面は、前記基体の表面上に連なり、各レンズ体の椀状の周壁は、前記基体の裏面より膨出し、
   前記基体は、各レンズ体に対応した光源が実装された光源基板の前方にて平行に対向する状態に配置され、
   前記各光源は、それぞれ前記光源基板上にて同一方向に光軸が向く状態に配置されていることを特徴とする請求項１，２，３，４または５に記載の配光レンズ。
7. 一枚の基体上に複数のレンズ体が一体に成形され、
   各レンズ体のうち少なくとも１つは、ロービーム用のレンズ体として、請求項１，２，３，４または５に記載のレンズ体であり、
   各レンズ体のうち前記ロービーム用のレンズ体以外の少なくとも１つは、ハイビーム用のレンズ体として、光源から入射した光を、前方の目的とする照射位置にて、前記光源の光軸を中心とする所定の照射範囲に出射する配光に構成され、
   各レンズ体の出射面は、前記基体の表面上に連なり、各レンズ体の椀状の周壁は、前記基体の裏面より膨出し、
   前記基体は、前記ロービーム用および前記ハイビーム用の各レンズ体に対応した光源が実装された光源基板の前方にて平行に対向する状態に配置され、
   前記各光源は、それぞれ前記光源基板上にて同一方向に光軸が向く状態に配置されていることを特徴とする配光レンズ。

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