JP2010067415A - Ｌｅｄ照明灯具 - Google Patents

Abstract

【課題】照射光の配光特性を周囲の環境条件に応じて制御することにより、照明装置としての機能性の向上を図ると共に省エネルギー効果をもたらす、ＬＥＤを光源とする照明灯具を提供することにある。
【解決手段】ＬＥＤ光源と夫々異なる形状の配光制御レンズによって光学系を構成した、異なる配光特性を有する３種類のＬＥＤ光学モジュールを形成し、夫々同一配光特性の前記ＬＥＤ光学モジュールを複数個実装した、異なる配光特性を有する３種類のＬＥＤ光学ユニット２６を形成し、異なる配光特性の前記ＬＥＤ光学ユニット２６を組み合わせることによってＬＥＤ照明灯具３４を形成した。そして更に、ＬＥＤ照明灯具３４に調光制御手段を設け、周囲環境条件に応じてＬＥＤ光学ユニットの光出力を各ＬＥＤ光学ユニット毎に独立して制御することによりＬＥＤ照明灯具の配光特性を制御できるようにした。
【選択図】図１５

Description

本発明はＬＥＤ照明灯具に関するものであり、詳しくは、ＬＥＤを光源とする屋外用のＬＥＤ照明灯具に関する。

従来、屋外に設置される照明灯具は、一般的に、屋内に設置される照明灯具よりも高い明るさ（出射光束の増大）が要求され、その分消費電力も大きくなる。そこで、消費電力を抑制してランニングコストを低減すると共に、省エネルギー化を図った照明装置の提案がなされている。

例えば、高圧放電ランプを外部からの調光信号又は手動操作によって調光できる照明装置（例えば、特許文献１参照。）、或いは、点灯、消灯及び調光の各切換時刻をタイマによって設定する照明装置（例えば、特許文献２参照。）がある。
特開２００７−１４９５２０号公報 特開２００３−１６８５７５号公報

ところで、道路灯、歩行者灯、駐車場灯など、交通関連施設に設置する照明装置は、設置場所によって照射光に求められる配光特性が夫々異なる。また、同一の場所に設置された照明装置であっても、周囲の環境条件（例えば、周囲の明るさ、降雨量、霧の濃さ、等）によっても求められる配光特性が異なり、それを満足することにより照明装置としての機能性が高められる。

これに対し、上記特許文献１及び特許文献２に開示された照明装置は、点灯、消灯、及び明るさを制御するものであって、配光特性については制御されない。

周囲の環境条件（例えば、周囲の明るさ、降雨量、霧の濃さ、等）をパラメータとする照射光の配光特性制御の必要性や実用性は、例えば、道路灯については以下のような理由が挙げられる。

それは、夜間の車両走行においては、路肩に設置された照明装置から照射された光が路面で反射されて運転者の視線に入射し、それにより運転者は走行方向前方の路面状態を確実に視認しながら運転を行うことができる。

これは、照明装置から照射された光が路面上の細かい凸凹により拡散反射（所謂、ランバート反射と呼ばれる拡散反射）して周辺にも拡散反射光が散乱し、該散乱光が運転者の視線に入射することにより路面輝度が上がって明るく見えるためである。

但し、降雨時の夜間の車両走行においては、路面上に溜まった雨水が鏡面を形成し、照明装置から照射された光は路面上の雨水で鏡面反射する。すると、照明装置の直下から車両側の方向に照射された光は路面上の雨水による鏡面で車両側に反射されて運転者の視線に入射し、明るい路面が視認できる。

一方、照明装置の直下から車両と反対側（反車両側、つまり車両の進行方向側）の方向に照射された光は路面上の雨水による鏡面で反車両側の方向に反射され、運転者の視線に入射することはない。つまり、照明装置の直下から反車両側の方向に照射された光は運転者にとっては路面の視認に寄与するものとはならず、無駄な光である。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、照射光の配光特性を周囲の環境条件に応じて制御することにより、照明装置としての機能性の向上を図ると共に省エネルギー効果をもたらす、ＬＥＤを光源とする照明装置（ＬＥＤ照明灯具）を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、光源となるＬＥＤと前記ＬＥＤ光源の上方に配設された配光制御レンズによって光学系を構成する、異なる配光特性を有する複数種のＬＥＤ光学モジュールが形成され、
前記ＬＥＤ光学モジュールのうち夫々配光特性が同じ複数の前記ＬＥＤ光学モジュールを実装して異なる配光特性を有する複数種のＬＥＤ光学ユニットが形成され、
前記ＬＥＤ光学ユニットのうち異なる配光特性を有する複数種の前記ＬＥＤ光学ユニットの組み合わせによって形成されたＬＥＤ照明灯具であって、
前記ＬＥＤ照明灯具は調光制御手段を備えており、該調光制御手段は前記ＬＥＤ照明灯具の周囲環境を検知する環境検知部、各前記ＬＥＤ光学ユニットの光出力を制御するＬＥＤ光学ユニット駆動制御部、及び前記周囲環境検知手段からの検知信号に対応した光出力制御信号を各前記ＬＥＤ光学ユニット駆動制御部に送信する光出力制御部を有しており、
前記周囲環境検知手段からの検知信号に基づく前記光出力制御部からの光出力制御信号により制御された各前記ＬＥＤ光学ユニット駆動制御部を介して各前記ＬＥＤ光学ユニットの光出力がＬＥＤ光学ユニット毎に独立して制御され、それにより前記ＬＥＤ照明灯具の配光特性が制御されることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記配光制御レンズは、前記ＬＥＤからの光の光入射面および外部に対する光出射面のいずれも前記ＬＥＤの前方方向に膨らんだ略凸状を有すると共に前記ＬＥＤ光源近傍を焦点とする位置に位置しており、前記光出射面は連続する複数の異なる形状の自由曲面からなっていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項２において、前記配光制御レンズは、該配光制御レンズの焦点位置からの入射角度に対して出射方向を連続的に指定方向に屈折して出射させるような形状の光出射面を有していることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれか１項において、前記ＬＥＤ光学ユニット駆動制御部は、定電流回路からなることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項１〜４のいずれか１項において、前記周囲環境検知手段は、少なくとも明るさ検知センサ及び／又は降雨量検知センサからなることを特徴とするものである。

本発明は、ＬＥＤ光源と夫々異なる形状の配光制御レンズによって光学系を構成した、異なる配光特性を有する３種類のＬＥＤ光学モジュールを形成し、夫々同一配光特性の前記ＬＥＤ光学モジュールを複数個実装した、異なる配光特性を有する３種類のＬＥＤ光学ユニットを形成し、異なる配光特性の前記ＬＥＤ光学ユニットを組み合わせることによってＬＥＤ照明灯具を形成した。そして更に、ＬＥＤ照明灯具に調光制御手段を設け、周囲環境条件に応じてＬＥＤ光学ユニットの光出力を各ＬＥＤ光学ユニット毎に独立して制御することによりＬＥＤ照明灯具の配光特性を制御できるようにした。

その結果、配光特性を広大な照明エリアに亘って細かく設定することができると共に照明灯具としての機能性の向上が図られ、且つ優れた省エネルギー効果をもたらすことが可能なＬＥＤ照明灯具を実現することができた。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図２１を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は本発明のＬＥＤ照明灯具の実施形態に係わるＬＥＤ光学モジュールの分解立体図、図２は斜視図である。ＬＥＤ光学モジュール１は、下方側から順に熱伝導シート２、熱伝導プレート３、回路基板４および配光制御レンズ５が配置された構成となっている。

最下方に位置する熱伝導シート２は、後述するように、ＬＥＤ光学モジュール１をハウジング上に実装するときに直接ハウジングと接触し、ＬＥＤ光学モジュール１で発生した熱をハウジングに逃がしてＬＥＤ光学モジュール１の温度上昇を抑制する役割を担うものである。従って、熱伝導シート２は熱抵抗を極力小さくするために熱伝導率が良好で、且つ電気絶縁性を有する材料によって物理的な信頼性を損なわない範囲内で極力薄く設けられる。

熱伝導シート２の上には熱伝導率が高く、硬質の材料（例えば、アルミ、銅、鉄等の金属、あるいはセラミック等）からなる熱伝導プレート３が位置する。熱伝導プレート３の一方の面上の周縁部の複数箇所と中央部の複数箇所に夫々上方に向かって突出したボス６およびボスピン７が設けられている。各ボス６には、熱伝導プレート２と後述する回路基板４および配光制御レンズ５を一体化してＬＥＤ光学モジュール１とするための組立用ネジ８の軸部を螺締するネジ孔９が設けられているものと、複数のＬＥＤ光学モジュール１を組み込んでユニット化するときのＬＥＤ光学モジュール１の固定用ネジの軸部が挿通するネジ挿通孔１０が設けられているものが共存している。ネジ孔９およびネジ挿通孔１０はいずれも熱伝導プレート３を貫通している。

熱伝導プレート３にはさらに、中央部の上記ボスピン７が設けられた内側に、接着剤を充填する接着剤充填用溝１１が略閉ループ状に設けられている。

熱導電プレート３の上には、薄型の回路基板（例えば、フレキシブル回路基板等）４が位置する。回路基板４には下方に位置する熱伝導プレート３の各ボス６および各ボスピン７に対応する位置に夫々ボス６およびボスピン７が挿通するボス挿通孔１２およびボスピン挿通孔１３が設けられている。

回路基板４にはさらに、中央部の上記ボスピン挿通孔１３が設けられた内側に、窓孔（図示せず）が設けられ、当該窓孔を塞ぐように光源となるＬＥＤ１４が実装されている。ＬＥＤ１４の電極は回路基板４上の配線導体のパッド部に導電性部材（例えば、はんだ、導電性接着剤等）を介して接合され、パッド部から延びる配線導体は回路基板４上を配線されて回路基板４の端部近傍に載設された基板コネクタ１５の電極端子に接続されている。

回路基板４の上には、フランジ１６を有し、下方に位置するＬＥＤ１４から発せられた光の配光を制御する配光制御レンズ５が位置する。フランジ１６にはＬＥＤ光学モジュールの組立用ネジ８の軸部が挿通するネジ挿通孔１７が設けられている。

そこで、上述の熱伝導プレート３、回路基板４および配光制御レンズ５を組立用ネジ８によって一体化すると図２に示すようなＬＥＤ光学モジュール１が組み上がる。

このとき、ＬＥＤ１４が実装された近傍は、例えば図３あるいは図４で示す構造とすることが可能である。図３の構造は、熱伝導プレート３の平坦な面上に、窓孔１８を塞ぐようにＬＥＤ１４が実装された回路基板４が該回路基板４に設けられたボスピン挿通孔１３に熱伝導プレート３に設けられたボスピン７が挿通された状態で配設されており、これにより、熱伝導プレート３に対するＬＥＤ１４の位置決めがなされている。

また、ＬＥＤ１４が実装された回路基板４は熱伝導プレート３に設けられた接着剤充填用溝１１に充填された接着剤１９を介して熱伝導プレート３に接着・固定されている。

更に、回路基板４の窓孔１８には高熱伝導性コンパウンド２０が満たされてＬＥＤ１４と熱伝導プレート３が高熱伝導性コンパウンド２０を介して熱的に接続されており、これにより、ＬＥＤ１４で発生した熱を効率良く熱伝導プレート３に逃がしてＬＥＤ１４の温度上昇を抑制している。

一方、図４の構造は、熱伝導プレート３に、回路基板４に設けられた窓孔１８よりも小さく、且つ回路基板４の厚みと略同一の高さの凸部２１が設けられており、回路基板４の窓孔１８内に位置する熱伝導プレート３の凸部２１の端面２２が回路基板４のＬＥＤ実装面２３と略面一となっている。そのため、ＬＥＤ１４と熱伝導プレート３が直接接触した状態となり、これにより、図３の構造よりも更に効率良くＬＥＤ１４で発生した熱を熱伝導プレート３に逃がしてＬＥＤ１４の温度上昇を更に抑制する構造となっている。

なお、熱伝導プレート３の凸部２１の高さを回路基板４の厚みよりも低くし、その分回路基板の窓孔１８に高熱伝導性コンパウンド２０を満たしてＬＥＤ１４と熱伝導プレート３とを高熱伝導性コンパウンド２０を介して熱的に接続することも可能である。

次に、ＬＥＤ光学モジュールの光学系について説明する。図５はＬＥＤ光学モジュールの光学系を構成するＬＥＤ光源と配光制御レンズを示す概略断面図である。

ＬＥＤ１４の前方方向に延びる光軸Ｘ上に、ＬＥＤ１４に対向する側の面（光入射面２４）と反対側の面（光出射面２５）の両面が共にＬＥＤ１４の前方方向に膨らんだ略凸状の配光制御レンズ５が配置されている。このとき、ＬＥＤ１４を配光制御レンズ５の光入射面２４の焦点ＦがＬＥＤ１４の発光部近傍となっている。

そして、ＬＥＤ１４から放射状に発せられて配光制御レンズ５の光入射面２４に至った光は、光入射面２４から配光制御レンズ５内に入射して配光制御レンズ５内を導光されて光出射面２５に至り、光出射面２５から配光制御レンズ５外に出射される。

従って、配光制御レンズ５はＬＥＤ１４の配光特性を所望の配光特性に変換する役割を担うものであり、その設計については以下のように行なわれる。

ＬＥＤ光学モジュールの照射エリアを複数の区分に分割し、各区分毎に所望の配光特性を設定する。そして、夫々の配光特性を形成する照射光が屈折光として出射されるような配光制御レンズの光出射面の形状を決定する。

このとき、配光制御レンズの光出射面の形状を算出するための基になる条件として、配光制御レンズの光入射面の形状（本実施例においては半径５０ｍｍの球面形状）、光源となるＬＥＤと配光制御レンズの光入射面との距離、配光制御レンズを形成する材料に依存する屈折率が設定される。なお、光入射面の形状およびＬＥＤ光源と光入射面との距離によって、光入射面の任意の点における入射光の入射角が求められる。

そして、これら算出条件に基づいて、例えば、特開２００４−８７１７９号公報に公開されている設計手法を利用すると、ＬＥＤ光源から放射状に発せられて配光制御レンズの光入射面に至り、光入射面で屈折して配光制御レンズ内を導光された光が、出射点において屈折して該屈折光が指定方向に向かうような光出射面の形状を得ることができる。

本発明では、上記配光制御レンズの光出射面の出射点から出射した光の向く方向が、該出射光が照射エリアの各区分毎に指定された配光特性を形成し、且つ隣接する区分の配光特性同士が連続的に形成される方向となるような、配光制御レンズ内を導光されて光出射面の出射点に至った光を屈折する光出射面の形状を有している。

つまり、配光制御レンズは該配光制御レンズの焦点位置からの入射角度に対して出射方向を連続的に指定方向に屈折して出射させるような形状の光出射面を有している。

次に、ＬＥＤ光学モジュールの光学性能について説明する。まず、ＬＥＤ光学モジュールを指向性の狭い狭指向性ＬＥＤ光学モジュール、指向性の広い広指向性ＬＥＤ光学モジュールおよび狭指向性ＬＥＤ光学モジュールと広指向性ＬＥＤ光学モジュールの間の指向性を有する中間指向性ＬＥＤ光学モジュールの３種類のＬＥＤ光学モジュールを設定した。

そして、指向性の異なる夫々のＬＥＤ光学モジュールを実現するための配光制御レンズを考案し、光線追跡を行なった（図６参照）。このとき、いずれの配光制御レンズの光入射面もＬＥＤの前方方向に半径５０ｍｍの球面形に状膨らんだ凸形状とした。

図６より、配光制御レンズ５の光出射面２５の曲率と光出射面２５から出射される光線の広がりとに関連性があることがわかる。つまり、（ａ）から（ｂ）、（ｂ）から（ｃ）と光出射面２５の曲率が小さくなるにつれて、光出射面２５から出射される光線の広がりが大きくなっている。従って、狭指向性ＬＥＤ光学モジュールについては配光制御レンズの光出射面を主に曲率の大きい球面または非球面あるいはその組み合わせで構成し、広指向性ＬＥＤ光学モジュールについては配光制御レンズの光出射面を主に曲率の小さい球面または非球面あるいはその組み合わせで構成し、中間指向性ＬＥＤ光学モジュールについては配光制御レンズの光出射面を主に中間の曲率の大きさの球面または非球面あるいはその組み合わせで構成することが基本となる。

そこで、上記光線追跡の結果から導かれた配光制御レンズの基本構成に基づいて、図７、図８、図９に示す３種類のＬＥＤ光学モジュールを設計した。この場合、３種類のＬＥＤ光学モジュールは夫々配光制御レンズのみが異なり、詳しくは、配光制御レンズの光出射面の形状のみが異なる。

図７に示すＬＥＤ光学モジュールは狭指向性ＬＥＤ光学モジュール１ａであり、配光制御レンズ５の光出射面２５は形状の異なる複数の連続する自由曲面で構成され（この場合は８面構成）、配光制御レンズの中心軸Ｚ（ＬＥＤの光軸Ｘでもある）を中心とする略点対称の形状を呈している。

また、図８に示すＬＥＤ光学モジュールは中間指向性ＬＥＤ光学モジュール１ｂであり、配光制御レンズ５の光出射面２５は形状の異なる複数の連続する自由曲面で構成され（この場合は４面構成）、配光制御レンズの中心軸Ｚ（ＬＥＤの光軸Ｘでもある）を中心とする略点対称の形状を呈している。

また、図９に示すＬＥＤ光学モジュールは広指向性ＬＥＤ光学モジュール１ｃであり、配光制御レンズ５の光出射面２５は形状の異なる複数の連続する自由曲面で構成され（この場合は４面構成）、配光制御レンズの中心軸Ｚ（ＬＥＤの光軸Ｘでもある）を中心とする略点対称の形状を呈している。

また、上記夫々の配光制御レンズを、該配光制御レンズの中心軸Ｚを含み中心軸から放射状に延びる切断面で切断したときの断面において、中心軸Ｚ近傍の曲率が最も大きい光出射面２５同士を比較すると、図７の狭指向性ＬＥＤ光学モジュール１ａ、図８の中間指向性ＬＥＤ光学モジュール１ｂ、図９の広指向性ＬＥＤ光学モジュール１ｃの順に該曲率の大きい光出射面を有している。

そして、（ａ）の狭指向性ＬＥＤ光学モジュールは図１０の配光パターンを示し、（ｂ）の中間指向性ＬＥＤ光学モジュールは図１１の配光パターンを示し、（ｃ）の広指向性ＬＥＤ光学モジュールは図１２の配光パターンを示す。配光パターンからわかるように、曲率の大きい光出射面を有するほど狭い配光パターンを有するＬＥＤ光学モジュールとなる。

尚、各配光制御レンズにおいて、形状の異なる複数の自由曲面の夫々から出射される光は、ＬＥＤ光学モジュールの照射エリアを複数の区分に分割したときの１つの区分に対応する配光特性を形成するものである。従って、ＬＥＤ光学モジュールの配光制御レンズの光出射面を構成する、形状の異なる複数の連続する自由曲面の数と、ＬＥＤ光学モジュールの照射エリアを構成する複数に分割された区分の数は同一である。

これら３種類のＬＥＤ光学モジュールは単体でも使用できるが、同一種類を複数個あるいは異なる種類を複数個組み合わせてＬＥＤ光学ユニットを構成することにより、単体の場合よりも多くの照射光量を確保することができる。

図１３は３つの広指向性ＬＥＤ光学モジュール１ｃによって構成された広指向性ＬＥＤ光学ユニット２６ｃの分解立体図、図１４は斜視図である。その構成は、下方に防水キャップ２７を取り付けた、放熱フィンを有するハウジング２８上に３つの広指向性ＬＥＤ光学モジュール１ｃを熱伝導プレート（図示せず）を介して載置し、広指向性ＬＥＤ光学モジュール１ｃのネジ挿通孔１０に挿通された固定用ネジ２９の軸部をハウジング２８に設けられたネジ孔に螺締してハウジング２８上に広指向性ＬＥＤ光学モジュール１ｃを固定する。

そして、ハウジング２８に取り付けられて、外部の電力供給源からの電力をユニット内に導入する外部接続コネクタ３０からユニット内に配線されたコードに取り付けられた配線コネクタ３１と広指向性ＬＥＤ光学モジュール１ｃの基板コネクタ１５を接続する。

更に、広指向性ＬＥＤ光学モジュール１ｃ以外の領域をエクステンション３２で塞ぎ、最後にアウターレンズ３３をハウジング２８に固定して広指向性ＬＥＤ光学ユニット２６ｃが完成する。

なお、ハウジング２８は熱の良導体からなり、例えばアルミダイキャストハウジングである。

同様の構成によって、３個の中間指向性ＬＥＤ光学モジュール１ｂを実装した中間指向性ＬＥＤ光学ユニット２６ｂおよび３個の狭指向性ＬＥＤ光学モジュール１ａを実装した狭指向性ＬＥＤ光学ユニット２６ａを設計した。

そこで、本実施形態のＬＥＤ照明灯具３４は２個の狭指向性ＬＥＤ光学ユニット、６個の中間指向性ＬＥＤ光学ユニットおよび１個の広指向性ＬＥＤ光学ユニットの９個のＬＥＤ光学ユニット２６を図１５のように配置し、２車線の道路の路肩に１０ｍの高さで３５ｍ間隔で設置することを想定して図１６に示すように各ＬＥＤ光学ユニット２６が指定した照射領域を照射するように割り当てた。

それと同時に、図１７のブロック図で示す調光制御回路４０をＬＥＤ照明灯具３４に組み込み（図示せず）、各ＬＥＤ光学ユニット２６の調光をＬＥＤ光学ユニット２６毎に独立して制御できるようにしている。

調光制御回路４０の構成は、各ＬＥＤ光学ユニット２６が夫々各定電流回路４１に１対１に接続され、各定電流回路４１の入力端子は光出力制御部４２に接続されている。更に、光出力制御部４２の入力端子は、例えばタイマ４３等の外部設定手段、或いは、明るさ検知センサ４４、降雨量検知センサ４５等の周囲環境検知手段に接続されている。

そして、調光制御回路４０において、光出力制御部４２はタイマ４３、明るさ検知センサ４４、降雨量検出センサ４５からの検知信号を受けて該検知信号に対応した光出力制御信号を各定電流回路４１に送信し、それを受けた各定電流回路４１による制御電流により各ＬＥＤ光学ユニット２６の光出力がＬＥＤ光学ユニット２６毎に独立して制御される。

図１８は、上述のＬＥＤ照明灯具３４の光学シミュレーションにより得られた指向特性である。全てのＬＥＤ光学ユニット２６を定格値の１００％の光出力で点灯したときの指向特性（ｆ）と、全てのＬＥＤ光学ユニット２６を定格値の５０％の光出力で点灯したときの指向特性（ｈ）を同一図上に表したものである。この図より、ＬＥＤ照明灯具３４の指向特性（ｈ）は指向特性（ｆ）に対して全体的に光出力が低下しているが形状はほぼ同形となっている。

図１９は、上記指向特性を有する複数のＬＥＤ照明灯具３４を３５ｍの間隔（Ｄ）で１０ｍの高さ（Ｈ）のポールに設置したときの路面上の照度分布を光学シミュレーションにより得た結果である。この図より、各ＬＥＤ照明灯具３４からの照射光は、該ＬＥＤ照明灯具３４に対して路面の車両側の方向と反車両側の方向を略対称な照度分布で照らしており、隣接するＬＥＤ照明灯具３４の間に位置する路面領域４６からは、一方のＬＥＤ照明灯具３４ａから車両側の方向に照射された光と他方のＬＥＤ照明灯具３４ｂから反車両側の方向に照射された光が重畳されて運転者の視線に入射し、路面状況が明るく認識される。

そこで、降雨のない夜間の車両走行においては、このような照度分布による路面照明によって運転者が走行方向前方の状況を確実に視認することができ、高い視認性によって安全走行を確保することが可能となる。

しかしながら、降雨時の夜間の車両走行においては、上述したように、ＬＥＤ照明灯具３４ｂから反車両方向に照射された光は路面上の雨水による鏡面で反車両側の方向に反射され、運転者の視線に入射することはない。そのため、隣接するＬＥＤ照明灯具３４の間に位置する路面領域４６からは、ＬＥＤ照明灯具３４ａから車両方向に照射された光のみが運転者の視線に入射することになり、降雨のない車両走行時に比べて暗い状態の中で路面状況を視認しなければならず、安全走行に支障をきたすことも考えられる。

それと同時に、路面を照明する各ＬＥＤ照明灯具３４ａ、３４ｂからの照射光量（出射光束）は、降雨のない時、及び降雨時に拘らず常時一定であるのに対して、降雨時は各ＬＥＤ照明灯具３４ａ、３４ｂから反車両側の方向に出射された光は運転者の路面の視認に寄与しない無駄な光となり、無駄な光エネルギーを消費していることになる。

そこで、本発明のＬＥＤ照明灯具は、例えば降雨時の車両走行においても、ＬＥＤ照明灯具から照射された光が無駄なく運転者の路面状況の確実な視認に寄与し、それにより高い視認性によって安全走行が確保できると共に無駄な光エネルギーの消費を抑制して省エネルギー化を実現できるようにしたものである。

具体的には、図１７にあるように、現時点の道路（周囲）環境をＬＥＤ照明灯具に組み込まれた調光制御回路４０のタイマ４３、明るさ検知センサ４４、降雨量検知センサ４５が検知し、検知信号が光出力制御部４２に送られる。

出力コントロール回路４３では、３つの検知信号の組み合わせに対応した光出力制御信号を各定電流回路４１に送信し、それを受けた各定電流回路４１による制御電流（定電流）により各ＬＥＤ光学ユニット２６の光出力がＬＥＤ光学ユニット２６毎に独立して制御される。つまり、ＬＥＤ照明灯具は周囲環境条件によって該ＬＥＤ照明灯具を構成する各ＬＥＤ光学ユニットの光出力がＬＥＤ光学ユニット毎に独立して制御され、路面を周囲環境条件に応じた最適な配光特性によって照明することができる。

図２０は、降雨がない時と降雨時のＬＥＤ照明灯具３４の配光特性の光学シミュレーションにより得られた指向特性である。降雨がなく全てのＬＥＤ光学ユニット２６を定格値の１００％の光出力で点灯したときの指向特性（ｆ）と、降雨時で各ＬＥＤ光学ユニット２６毎に独立して設定された光出力で点灯したときの指向特性（ｃ）を同一図上に表している。

この図からわかるように、降雨がないときのＬＥＤ照明灯具３４の指向特性（ｆ）は指向角度０°を中心とした略相似形の形状を呈している。それに対し、降雨時の指向特性（ｃ）は指向角度０°を中心とした非相似形の形状を呈しており、ＬＥＤ照明灯具３４から出射される全光束が指向角度０°を境として一方の側（図では指向角度が＋で表されている側）に多く振り分けられ、他方の側（図では指向角度が−で表されている側）に少なく振り分けられている。

ＬＥＤ照明灯具３４がこのような指向特性に設定されたときの路面上の照度分布を光学シミュレーションにより得た結果を図２１に示している。なお、図２０の指向角度が＋で表されている側はＬＥＤ照明灯具３４を中心として車両側の方向に対応し、指向角度が−で表されている側はＬＥＤ照明灯具３４を中心として反車両側の方向に対応する。つまり、各ＬＥＤ照明灯具３４ａ、３４ｂからは車両側の方向に多くの光束が出射され、反車両側の方向には少ない光束が出射されていることになる。

すると路面に照射される光束は、その多くが各ＬＥＤ照明灯具３４ａ、３４ｂから車両側の方向に出射された光束であり、反車両側の方向に出射された光束は少ない。そのため、降雨時の夜間の車両走行において、路面上に雨水による鏡面が形成されている場合であっても、各ＬＥＤ照明灯具３４ａ、３４ｂから出射された光の多くは雨水による鏡面で反射されて運転者の視線に入射し、運転者の視線に入射しない光は少ない。その結果、運転者にとって路面の視認に寄与しない無駄な光は少なくなり、省エネルギー化を図ったＬＥＤ照明灯具となる。

なお、ＬＥＤ照明灯具を構成する各ＬＥＤ光学ユニットの光出力の制御範囲は、夫々のＬＥＤ光学ユニットの光出力の最大定格値を１００％としたときに、ＬＥＤ照明灯具の車両側の方向を照射するＬＥＤ光学ユニットについては１００％〜５０％とし、ＬＥＤ照明灯具の反車両側の方向を照射するＬＥＤ光学ユニットについては５０％〜０％とする。

但し、周囲の環境条件によっては、全てのＬＥＤ光学ユニットを１００％の光出力で点灯する場合もある。

以上説明したように、本発明のＬＥＤ照明灯具に係わるＬＥＤ光学モジュールにおいて、光源となるＬＥＤと配光制御レンズによって光学系を形成するようにした。そのため、光源からの光を照射方向に向けるためのリフレクタが不要であり、その分部品点数の削減、組み付け精度の向上、および軽量化等の効果が期待できる。

また、配光制御レンズの光入射面の形状をＬＥＤ光源を取り囲むような球面形状としたため、ＬＥＤ光源から放射状に発せられて光入射面に至った光に対して光入射面から配光制御レンズ内に入射する光の割合が大きくなり、光の利用効率が向上した。

また、ＬＥＤ光学モジュールの配光制御レンズの光出射面を形状の異なる複数の連続する自由曲面で構成し、各自由曲面から出射される光によって、照射エリアを複数の区分に分割した夫々の区分の配光特性が形成されるようにした。その結果、ＬＥＤ光学モジュールの配光特性を細かく設定することが可能となり、配光特性に対する設計の自由度が飛躍的に高まった。

また、配光制御レンズを替えることによって得られる、配光特性の異なるＬＥＤ光学モジュールの中から、同一の配光特性を備えた複数のＬＥＤ光学モジュールあるいは異なる配光特性を備えた複数のＬＥＤ光学モジュールの組み合わせによってＬＥＤ光学ユニットを構成することにより、ＬＥＤ光学モジュール単独の場合よりも多くの照射光量を確保することができると共に、ＬＥＤ光学モジュール単独の場合と同様にＬＥＤ光学ユニットの配光特性を細かく設定することが可能となり、配光特性に対する設計の自由度が飛躍的に高まった。

また、同一の配光特性を備えた複数のＬＥＤ光学ユニットあるいは異なる配光特性を備えた複数のＬＥＤ光学モユニットの組み合わせによってＬＥＤ照明灯具を構成することにより、広大な照射エリアを複数の区分に分割した夫々の区分の配光特性を、ＬＥＤ光学ユニット単位で割り当てることができる。その結果、ＬＥＤ光学ユニットの場合と同様にＬＥＤ照明灯具の配光特性を広大な照明エリアに亘って細かく設定することができると共に照射エリア内の輝度の均一性が確保され、配光特性に対する設計の自由度が飛躍的に高まった。

また、ＬＥＤ照明灯具を、周囲の環境条件によって配光特性を変える構成とした。その結果、照明灯具としての機能に寄与しない光が低減、或いは無くなり省エネルギー化されたＬＥＤ照明灯具が実現した。

このＬＥＤ照明灯具を道路灯として使用することにより、上述のように降雨時にも明るさ感のある路面照射が実現でき、運転者視線の安全性が高まると共に、消費される電力も単に全体的に光出力を増大して視認性を高める従来の方法に比べて５０％以下に抑えることが可能となる。

また、駐車場灯として使用することにより、照明エリア内に入った人や車両をセンサによって検知し、それによりＬＥＤ照明灯具の光出力を瞬時に増大して明るい照明で安全性を確保し、照明エリア外に移動した後は光出力を抑制して省エネルギー効果と防犯機能を発揮することができる。

更に、降雨時の駐車場灯としては、降雨時の道路照射と同様に、車両等の進入方向を照射するＬＥＤ光学ユニットの光出力を特に増大させてＬＥＤ照明灯具の配光特性を変化させ、駐車場を効率的に照明することが可能となる。

ＬＥＤ光学モジュールの分解立体図である。 ＬＥＤ光学モジュールの斜視図である。 ＬＥＤ光学モジュールの部分断面図である。 ＬＥＤ光学モジュールの部分断面図である。 ＬＥＤ光学モジュールに係わる光学系を示す説明図である。 ＬＥＤ光学モジュールに係わる配光制御レンズの光線追跡図である。 狭指向性ＬＥＤ光学モジュールの斜視図である。 中間指向性ＬＥＤ光学モジュールの斜視図である。 広指向性ＬＥＤ光学モジュールの斜視図である。 狭指向性ＬＥＤ光学モジュールの配光パターンを示すグラフである。 中間指向性ＬＥＤ光学モジュールの配光パターンを示すグラフである。 広指向性ＬＥＤ光学モジュールの配光パターンを示すグラフである。 ＬＥＤ光学ユニットの分解立体図である。 ＬＥＤ光学ユニットの斜視図である。 ＬＥＤ照明灯具の概略正面図である。 ＬＥＤ照明灯具に係わるＬＥＤ光学ユニットの照射領域を示す概略図である。 調光制御回路のブロック図である。 ＬＥＤ照明灯具の指向特性である。 ＬＥＤ照明灯具による路面上の配光特性である。 ＬＥＤ照明灯具の指向特性である。 ＬＥＤ照明灯具による路面上の配光特性である。

符号の説明

１ ＬＥＤ光学モジュール
１ａ 狭指向性ＬＥＤ光学モジュール
１ｂ 中間指向性ＬＥＤ光学モジュール
１ｃ 広指向性ＬＥＤ光学モジュール
２ 熱伝導シート
３ 熱伝導プレート
４ 回路基板
５ 配光制御レンズ
６ ボス
７ ボスピン
８ 組立用ネジ
９ ネジ孔
１０ ネジ挿通孔
１１ 接着剤充填用溝
１２ ボス挿通孔
１３ ボスピン挿通孔
１４ ＬＥＤ
１５ 基板コネクタ
１６ フランジ
１７ ネジ挿通孔
１８ 窓孔
１９ 接着剤
２０ 高熱伝導性コンパウンド
２１ 凸部
２２ 端面
２３ ＬＥＤ実装面
２４ 光入射面
２５ 光出射面
２６ ＬＥＤ光学ユニット
２６ａ 狭指向性ＬＥＤ光学ユニット
２６ｂ 中間指向性ＬＥＤ光学ユニット
２６ｃ 広指向性ＬＥＤ光学ユニット
２７ 防水キャップ
２８ ハウジング
２９ 固定用ネジ
３０ 外部接続コネクタ
３１ 配線コネクタ
３２ エクステンション
３３ アウターレンズ
３４ ＬＥＤ照明灯具
３４ａ ＬＥＤ照明灯具
３４ｂ ＬＥＤ照明灯具
３５ 筐体
４０ 調光制御回路
４１ 定電流回路
４２ 光出力制御部
４３ タイマ
４４ 明るさ検知センサ
４５ 降雨量検知センサ
４６ 路面領域

Claims (5)

1. 光源となるＬＥＤと前記ＬＥＤ光源の上方に配設された配光制御レンズによって光学系を構成する、異なる配光特性を有する複数種のＬＥＤ光学モジュールが形成され、
   前記ＬＥＤ光学モジュールのうち夫々配光特性が同じ複数の前記ＬＥＤ光学モジュールを実装して異なる配光特性を有する複数種のＬＥＤ光学ユニットが形成され、
   前記ＬＥＤ光学ユニットのうち異なる配光特性を有する複数種の前記ＬＥＤ光学ユニットの組み合わせによって形成されたＬＥＤ照明灯具であって、
   前記ＬＥＤ照明灯具は調光制御手段を備えており、該調光制御手段は前記ＬＥＤ照明灯具の周囲環境を検知する環境検知部、各前記ＬＥＤ光学ユニットの光出力を制御するＬＥＤ光学ユニット駆動制御部、及び前記周囲環境検知手段からの検知信号に対応した光出力制御信号を各前記ＬＥＤ光学ユニット駆動制御部に送信する光出力制御部を有しており、
   前記周囲環境検知手段からの検知信号に基づく前記光出力制御部からの光出力制御信号により制御された各前記ＬＥＤ光学ユニット駆動制御部を介して各前記ＬＥＤ光学ユニットの光出力がＬＥＤ光学ユニット毎に独立して制御され、それにより前記ＬＥＤ照明灯具の配光特性が制御されることを特徴とするＬＥＤ照明灯具。
2. 前記配光制御レンズは、前記ＬＥＤからの光の光入射面および外部に対する光出射面のいずれも前記ＬＥＤの前方方向に膨らんだ略凸状を有すると共に前記ＬＥＤ光源近傍を焦点とする位置に位置しており、前記光出射面は連続する複数の異なる形状の自由曲面からなっていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明灯具。
3. 前記配光制御レンズは、該配光制御レンズの焦点位置からの入射角度に対して出射方向を連続的に指定方向に屈折して出射させるような形状の光出射面を有していることを特徴とする請求項２項に記載のＬＥＤ照明灯具。
4. 前記ＬＥＤ光学ユニット駆動制御部は、定電流回路からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明灯具。
5. 前記周囲環境検知手段は、少なくとも明るさ検知センサ及び／又は降雨量検知センサからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明灯具。

Images