JP6113995B2 - レンズおよび道路照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤなどの光源に取り付けられるレンズおよび道路の脇の支柱等に設置されて下方の道路を照明する道路照明装置に関する。

道路の脇に立設された支柱の上部に設置されて、下方の道路を照明する道路照明装置は、通常、図１に示すように、数十ｍほどの間隔で設置される。そのため、道路を長手方向Ｌに広い範囲で照明することが要求される。また、近年は、省エネルギー等の要請から、光源としてレンズ付きのＬＥＤ（発光ダイオード）が採用される。そこで、たとえば、下記特許文献１、２には、ＬＥＤを光源として、道路の長手方向を効率よく照明することのできる特殊な形状のレンズや道路照明器具が開示されている。

特開２０１０−１７７０２８号公報 特表２０１０―５２４１７０号公報

特許文献１、２に開示のレンズや道路照明器具は、道路の長手方向を効率よく照明する。しかし、道路の脇に立設された支柱の上部に道路照明装置を取り付ける場合には、道路脇の民家などに余計な光が漏れることを防止することも要請される。

しかし、量産等のために樹脂を型で固める成型にてレンズを製作する場合は、最小厚みや型から抜き出し易くするために形状が制限されるので上記の要請に対応したレンズを製作することは難しい。なお、所望しない方向へ光が射出されることを防止する要請は道路照明装置のレンズに限られるものではない。

本発明は、上記の問題を解決しようとするものであり、入射した光が所望しない方向へ射出されることを防止することのできるレンズおよびこのレンズを用いた道路照明装置を提供することを目的としている。

かかる目的を達成するための本発明の要旨とするところは、次の各項の発明に存する。

［１］光源から入射する光を、光の射出を回避させる所望の射出回避範囲から離れる方向へ屈折させて射出させる連続したレンズ面を、前記射出回避範囲に光が漏れ出る直前で終端させ、その隣に非レンズ部を設け、
前記非レンズ部は、入射した光の進路上にその光を、前記連続したレンズ面から射出する光と同方向側へ全反射させる境界面を形成する空間部と、前記境界面で全反射された光を、前記連続したレンズ面から射出する光が照明する方向に拡散して射出する拡散射出面とを有する
ことを特徴とするレンズ。

上記発明では、連続したレンズ面の隣に非レンズ部が配置される。連続したレンズ面は、光源からの光を、光の射出を回避させる所望の射出回避範囲から離れる方向へ屈折させて射出させると共に、射出回避範囲へ光が漏れ出る直前で終端される。非レンズ部はこの終端したレンズ面の隣に設けられる。これにより、光源からの光が射出回避範囲へ射出しないように配光が制御される。レンズ面は曲面状の入射面または出射面であり、非レンズ部は、レンズ効果を発揮しない部分である。
また上記発明では、非レンズ部で光を全反射させることで、光の進路を大きく変えることができ、連続するレンズ面では無理な方向へ光を出射させることが可能になる。さらに、境界面で全反射された光を、連続したレンズ面から射出する光が照明する方向に拡散して射出する拡散射出面を有する。

［２］前記非レンズ部は、連続したレンズ面の前記終端から折れ曲がって続く入射面を含む
ことを特徴とする［１］に記載のレンズ。

上記発明では、非レンズ部を、連続したレンズ面の終端から折れ曲がって続く入射面とすることで、レンズ面の終端近傍を通過した光の進路と非レンズ部を通る光の進路とを大きく相違させることができ、それらの間に光の射出しない範囲（射出回避範囲）を形成することができる。

［３］略点光源とみなせる光源を収める凹部を有して、前記光源に前記凹部を被せて取り付けられる
ことを特徴とする［１］または［２］に記載のレンズ。

上記発明では、光源から光が入射される角度範囲が広いので、連続するレンズ面だけでは所望の射出回避範囲へ光を射出させないように制御することが難しくなり、非レンズ部を設けることの効果が大きい。

［４］前記光源は、発光ダイオードである
ことを特徴とする［３］に記載のレンズ。

［５］上方から下方の道路を照明する道路照明装置に使用され、
前記非レンズ部は、道路外の照明すべきでない範囲に光が射出されないように前記連続するレンズ面で光を制御できない部分に設けられる
ことを特徴とする［１］乃至［４］のいずれか１つに記載のレンズ。

上記発明では、非レンズ部は、道路外の照明すべきでない範囲に光が出射されないように作用する。

［６］上方から下方の道路を照明する道路照明装置であって、
光源と、
前記光源から放射された光が入射される［１］乃至［４］のいずれか１つに記載のレンズと、
を有する
ことを特徴とする道路照明装置。

本発明に係るレンズおよび道路照明装置によれば、不要な方向へ光が射出されないようにすることができる。

本発明の実施の形態に係る道路照明装置の設置例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る道路照明装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る道路照明装置の正面、下面、上面、背面、側面を示す図である。 道路照明装置の内部（発光モジュールの配列）を示す図である。 発光モジュールに設けられるレンズユニットの正面、側面およびＡ−Ａ断面を示す図である。 道路の幅方向および長手方向におけるレンズの断面および光の進路を示す説明図である。 後方へ光が漏れるレンズの一例を示す図である。 図６に示すレンズの等照度分布を示す図である。 プリズムを備えたレンズの断面および光の進路を示す説明図である。 図９に示すレンズの正面、下面、平面、上面、側面を示す図である。 貫通穴を備えたレンズの断面および光の進路を示す説明図である。 図１１に示すレンズの正面、下面、平面、上面、側面を示す図である。

以下、図面に基づき本発明の各種の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る道路照明装置１０の設置例を示している。道路照明装置１０は、道路２の脇に立設された支柱３の上部に取り付けられて、上方から道路およびその周辺を照明する。道路照明装置１０は、道路の長手方向に沿って数十ｍ（たとえば、４０ｍ）間隔で設置される。なお、各図において矢印Ｌは道路２の長手方向（縦断方向）を、矢印Ｗは道路２の幅方向（横断方向）をそれぞれ示す。また、矢印Ｗの指す方向は道路の対岸側である。道路照明装置１０の設置位置に対して道路２のある方向（矢印Ｗの指す方向）を「前方」、その反対側を「後方」と呼ぶものとする。

図２は、道路照明装置１０を斜め前方上方から見た斜視図である。図３は、道路照明装置１０の正面、下面、上面、背面、側面を示す。道路照明装置１０は、下面側に光の照射口を有する筐体１１と、この筐体１１に収容された複数の発光モジュール３０（図４参照）と、発光モジュール３０を駆動する図示省略の制御回路などで構成される。筐体１１の主要部は、溶かした金属を鋳型に流し込み、冷却、凝固させて製作された鋳造品である。

道路照明装置１０の筐体１１は、道路照明装置１０を支柱３に固定するための金具や電源用の端子台を収容する基部１２と、基部１２から前方へ延設された、横長の略長方形で比較的薄い中空の箱形状を成した本体部１４とから構成される。

本体部１４の下面には、略長方形の照射口１６が開口されている。照射口１６には、パッキンを挟んで透光板１８が嵌め込まれている。透光板１８は、光を透過する板状部材であり、ガラスや樹脂などで構成される。

図４は、透光板１８を取り外した状態の道路照明装置１０を下面側から見た様子を示している。本体部１４の中には、本体部１４の内側から照射口１６を臨むようにして、複数の発光モジュール３０が収容されている。

発光モジュール３０は、平らな基板上に、複数のＬＥＤ（発光ダイオード）３４を配列して備えると共に、各ＬＥＤ３４にレンズ４２を被せて構成される。ここでは、長方形の基板上に、レンズ４２の被せられたＬＥＤ３４が、２×７の行列状に１４個配列されている。本体部１４の中には、上記の発光モジュール３０が、３×２の行列状に配列されて６枚取り付けられる。なお、発光モジュール３０の取り付け枚数は増減可能になっている。ＬＥＤ３４は、球の中心から略半球の範囲に光を放射する。すなわち、基板の表面側に設けられた点光源のように光を放射する。

図５は、発光モジュール３０が有するレンズユニット４０の正面、側面、Ａ−Ａ断面を示している。１枚の発光モジュール３０に配列された１４個のＬＥＤ３４に被せられる１４個のレンズ４２は一体に成型されてレンズユニット４０になっている。レンズユニット４０は、溶かした樹脂を型に入れて固めて取り出す成型により製作される。

次に、レンズユニット４０に含まれるレンズ４２の形状について説明する。

図６（ａ）は、レンズユニット４０に含まれるレンズ４２のＢ−Ｂ断面と光路を示し、同図（ｂ）はレンズ４２のＣ−Ｃ断面と光路を示している。同図（ａ）は道路２の横断方向（幅方向Ｗ）におけるレンズ４２の断面を、同図（ｂ）道路２の縦断方向（長手方向Ｌ）におけるレンズ４２の断面を示している。

レンズ４２は、球体をその中心を通る平面で２分して扁平させ、その切断面に凹部４３を備えた形状を成している。ＬＥＤ３４の配列された基板上にレンズユニット４０を重ねて取り付けたとき、各ＬＥＤ３４にレンズ４２の凹部４３が被さり、凹部４３の中の所定位置にＬＥＤ３４が収まるようになっている。

レンズ４２は、同図（ｂ）に示すように、道路２の長手方向（Ｌ方向）には当該レンズ４２を中心に対称な配光となるようにＬＥＤ３４から放射された光の進路を制御する。一方、レンズ４２は、同図（ａ）に示すように、道路２の幅方向（Ｗ方向）には、当該レンズ４２を中心に非対称な配光となるように光の進路を制御する。詳細には、道路２の幅方向の制御では、道路２の対岸側（前方）へ向かう光を増やし、道路照明装置１０の設置位置に対して道路２の反対側（後方）へ向かう光を少なくするように制御する。また、後方側の所定の角度範囲（図中の斜線を施した射出回避範囲５１）に光を射出しないようになっている。射出回避範囲５１は、たとえば、道路脇の民家などを照明しないようにするために設けられる。

図６に示すレンズ４２では、ＬＥＤ３４から放射された光が入射する入射面４４（レンズ４２の凹部４３の内面）の形状によって主に道路２の幅方向Ｗにおける配光を制御し、出射面４５の形状によって主に道路２の長手方向Ｌにおける配光を制御する。

すなわち、出射面４５は、道路の長手方向Ｌにおいて当該レンズ４２の中心に対して対称な形状になっている。概ね、楕円をその長軸を中心に１８０度回転させて得られる楕円体を、長軸を通る平面で２分した半楕円体の曲面部分の形状であり、道路の長手方向Ｌにおいてレンズの中心に対して対称な形を成している。ＬＥＤ３４は道路２の長手方向Ｌにはレンズ４２の中心位置にある。

入射面４４においては、道路２の長手方向Ｌの断面（図６（ｂ）参照）は、ほぼ半円もしくは半楕円の形状を成している。道路２の幅方向Ｗの断面（図６（ａ）参照）は、前述の配光（前方（対岸側）への光を増やし、後方への光を少なくした配光）が得られるように、凸面と凹面を組み合わせたなめらかに連続して湾曲するレンズ面としての連続レンズ面部４４ａを有する。また、連続レンズ面部４４ａの終端から折れ曲がって続くほぼ平らな入射面としての非レンズ面部４４ｂを備える。なお、ＬＥＤ３４は、道路２の幅方向Ｗにはレンズ４２の中心よりも後方へシフトした位置にある。なお、ここで言うレンズ面とは、凹凸する曲面であり、平面を除くものとする。

凸面、凹面を組み合わせた連続レンズ面部４４ａを図６に示す終端位置よりさらに後方へ延長すると、図７に示すレンズ４６のように、どうしても射出回避範囲５１に光が漏れ出てしまう。

そこで、図６に示すレンズ４２では、連続レンズ面部４４ａを後方へ連続させた場合に射出回避範囲５１へ光が漏れ始める箇所の直前で連続レンズ面部４４ａを終端させ、該終端から折れ曲がって続く非レンズ面部４４ｂを形成している。連続レンズ面部４４ａと非レンズ面部４４ｂの境界部分や非レンズ面部４４ｂからの入射光が通る部分は非レンズ部５０になっている。

連続レンズ面部４４ａを含むレンズ面は、光源４４から入射した光を射出回避範囲５１から離れる方向へ屈折させて射出するように光を制御する。このなめらかに連続する湾曲したレンズ面は、該レンズ面をさらに連続させた場合に射出回避範囲５１へ光が漏れ出る直前で終端され、その隣に非レンズ部５０が設けられている。ここでは、連続レンズ面部４４ａをさらに続けると道路２の外側の照明すべきでない範囲（射出回避範囲５１）に光が漏れ出てしまうので、連続レンズ面部４４ａを終端させてその隣に非レンズ部５０を設けてある。

図６（ａ）に示すように、非レンズ面部４４ｂとの境界近くの連続レンズ面部４４ａに入射した光は前方側（射出回避範囲５１から離れる方向）へ屈折し、連続レンズ面部４４ａとの境界近くの非レンズ面部４４ｂに入射した光は後方側へ屈折する。すなわち、連続レンズ面部４４ａの終端と非レンズ面部４４ｂの境界前後で光が互いに離れる方向に屈折するので、その間に、光の射出されない領域（射出回避範囲５１）が形成される。

図８は、道路照明装置１０による地上での等照度分布を示している。道路照明装置１０は、道路２の脇に立設された支柱に、路面からの高さが１０ｍの位置に５度傾斜させて取り付けられている。

道路照明装置１０の設置位置（図中の器具位置）に対して道路２の長手方向Ｌには対称な配光パターンとなっており、道路２を長手方向に広範囲に照明している。

一方、道路２の幅方向Ｗの配光では、道路照明装置１０がほぼ水平に設置されているにもかかわらず、配光中心が器具位置から道路２の対岸側へシフトしてほぼ道路２の幅方向の中央になっている。また、道路２を越えたさらに向こう側では、道路２から離れるに従って緩やかに光が弱くなっている。一方、器具位置の後方のエリアは、道路２から離れると直ぐに明るさが低下するような配光になっている。

このような配光により、道路２の脇に立設した支柱３に水平にあるいは少ない傾斜で取り付けた道路照明装置１０で道路２を幅方向全体に明るく照らしつつ、道路２の脇（後方側）の民家などに到達する光を弱くすることができる。また、道路照明装置１０の設置位置を中心にして対称に、道路２を長手方向Ｌに広範囲に照明することができる。

なお、レンズ４２の入射面４４の形状で主に道路２の幅方向Ｗにおける配光を制御し、出射面４５の形状で主に道路２の長手方向Ｌにおける配光を制御するので、道路２の幅方向Ｗと長手方向Ｌで異なる配光パターンを有するレンズの設計が容易になる。

次に、射出回避範囲５１への配光を避ける別の形態のレンズについて説明する。

図９、図１０は、非レンズ部としてプリズムを備えたレンズ６０を示している。図９は、道路２の幅方向Ｗにおけるレンズ６０の断面と光路を示している。図１０（ａ）は、レンズ６０の斜視図であり、図１０（ｂ）は、レンズ６０の正面、側面、下面、上面および背面を示している。道路照明装置１０への取り付け方などはレンズ４２と同様であり、その説明は省略する。

レンズ６０は、レンズ４２の後方側の端部に、後方へ突出した突出部６１を付加した形状を成している。突出部６１以外の部分（連続レンズ面部４４ａ、非レンズ面部４４ｂ、出射面４５など）の形状はレンズ４２とほぼ同一である。レンズ６０では、非レンズ面部４４ｂを含む突出部６１が非レンズ部となっている。

レンズ６０の突出部６１の内部には、非レンズ面部４４ｂから入射した光の一部を全反射させる境界面６２を形成するための空間部６３が設けてある。詳細には、非レンズ面部４４ｂのうち、連続レンズ面部４４ａとの境界に近い部分から入射した光の進路上に、この光が全反射される曲面状の境界面（全反射面６２）が形成されるように、突出部６１の中に空間部６３が形成されている。

また、全反射面６２で全反射された光が突出部６１から出射する部分には、凹状に湾曲した凹レンズ効果を持った凹状部６４が形成されている。これにより、凹状部６４から出射する光がやや拡散される。全反射面６２で全反射された光は道路２を照射する方向へ凹状部６４から射出される。

非レンズ面部４４ｂから入射した光のうち、図中で水平方向（Ｗ方向）に近い角度で入射した光は、全反射面６２に到達せずに空間部６３を経て突出部６１を通過する。突出部６１から出たこの光は、道路照明装置１０の内壁などに到達し、道路照明装置１０の外部へ漏れ出ることはない。

レンズ６０は、非レンズ面部４４ｂから入射光を全反射面６２で全反射させて道路２側へ出射させるので、レンズ４２に比べて、より多くの光を道路２の照明に振り向けることができる。

レンズ６０は、突出部６１を設けることで複雑な形状になっているが、各面の角度は型抜き可能な角度となっており、樹脂成型に問題はない。

次に、射出回避範囲５１への配光を軽減する別の形態のレンズについて説明する。

図１１、図１２は、非レンズ部として貫通穴７１を備えたレンズ７０を示している。図１１は、道路２の幅方向Ｗにおけるレンズ７０の断面と光路を示している。図１２（ａ）は、レンズ７０の斜視図であり、図１２（ｂ）は、レンズ７０の正面、側面、下面、上面および背面を示している。道路照明装置１０への取り付け方などはレンズ４２と同様であり、その説明は省略する。

レンズ７０では、レンズ４２の後方側の非レンズ面部４４ｂがあった当たりに相当する部分に、非レンズ部としての貫通穴７１が設けてある。貫通穴７１を設けることで、樹脂成型上必要な最小の厚みを確保しなくて済む。これにより、貫通穴７１の近傍部分７４における入射面７２や出射面７３の形状や角度の自由度が高まり、貫通穴７１の近傍部分７４を通る光線Ｐ１まで制御可能になり、制御範囲を広げることができる。

一方、貫通穴７１を通って後方へ放射される光線Ｐ２は、レンズ効果のない穴部をそのまま通過するので、歩道側の余計なところに到達する光を減らすことができる。

貫通穴７１を通る光線Ｐ２は直進し、近傍部分７４（連続するレンズ面の終端部分）を通る光は道路側（前方側）へ屈折するので、その間の角度範囲が射出回避範囲５１となる。また、貫通穴７１を通る光については、道路照明装置１０の内壁などに到達させて、道路照明装置１０の外部へ漏れ出ないようにするとよい。

レンズ７０の入射面７２および出射面７３のうち、貫通穴７１の近傍部分７４を除く部分の形状は、レンズ４２の連続レンズ面部４４ａ、出射面４５とほぼ同様の形状となっている。なお、レンズ７０の形状は、樹脂成型に問題のない形状であり、樹脂成型で製作することができる。

このように、レンズ７０では、連続するレンズ面は光源から入射した光を射出回避範囲５１から離れる方向へ屈折させて射出すると共に射出回避範囲５１へ光が漏れ出る直前で終端され、その隣に非レンズ部としての貫通穴７１を有している。貫通穴７１を設けることで、貫通穴７１の近傍部分７４でのレンズ面の形状の自由度が広がり、この部分に高いレンズ効果を持たせて光を制御することができる。たとえば、図７に示すレンズ４６のように、なめらかに連続するレンズ面を後方の終端まで続けた場合には、樹脂成型上の制約による最小厚みを確保するために、入射面等の角度が制限されてしまい、射出回避範囲５１に光が射出されてしまうが、レンズ７０ではこれを軽減することができる。

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、具体的な構成は実施の形態に示したもの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。

実施の形態で示したレンズ４２、６０、７０の形状は例示であり、これに限定されるものではない。特に、連続レンズ面部４４ａの形状や出射面４５の形状は必要な配光パターンに応じ任意にて定めればよい。

実施の形態に示すレンズ４２では、入射面である連続レンズ面部４４ａを終端させることで連続したレンズ面を終端させたが、出射面４５によりレンズ面を終端させる構成でもかまわない。たとえば、連続して凹凸に湾曲した出射面４５をある位置で終端させ、この終端から折れ曲がって平らな出射面が続くといった構成でもよい。

道路照明装置１０は、たとえば、道路２の脇に設置した支柱３の上部にほぼ水平に取り付けられるものに限定されず、道路２の対岸側へ傾斜して取り付けられてもかまわない。また道路２の内側へ少し延びたアームの先端等に取り付けられてもよい。また、道路照明装置１０は、交差点の４隅等に設置されて交差点内や周囲の歩道を照明するものでもかまわない。

レンズ４２、６０、７０は、複数を集合させたレンズユニットにされる必要はない。単体のレンズであってもかまわない。また光源はＬＥＤ３４に限定されるものではない。

実施の形態で示した道路照明装置１０の筐体１１等の形状は例示であり、これに限定されない。

２…道路
３…支柱
１０…道路照明装置
１１…筐体
１２…基部
１４…本体部
１６…照射口
１８…透光板
３０…発光モジュール
３４…ＬＥＤ
４０…レンズユニット
４２…レンズ
４３…凹部
４４…入射面
４４ａ…連続レンズ面部
４４ｂ…非レンズ面部
４５…出射面
４６…後方漏れのあるレンズ
５０…非レンズ部
５１…射出回避範囲
６０…レンズ
６１…突出部
６２…全反射面
６３…空間部
６４…凹状部
７０…レンズ
７１…貫通穴
７２…入射面
７３…出射面
７４…貫通穴の近傍部分のレンズ
Ｐ１、Ｐ２…光線

Claims (6)

1. 光源から入射する光を、光の射出を回避させる所望の射出回避範囲から離れる方向へ屈折させて射出させる連続したレンズ面を、前記射出回避範囲に光が漏れ出る直前で終端させ、その隣に非レンズ部を設け、
   前記非レンズ部は、入射した光の進路上にその光を、前記連続したレンズ面から射出する光と同方向側へ全反射させる境界面を形成する空間部と、前記境界面で全反射された光を、前記連続したレンズ面から射出する光が照明する方向に拡散して射出する拡散射出面とを有する
   ことを特徴とするレンズ。
2. 前記非レンズ部は、連続したレンズ面の前記終端から折れ曲がって続く入射面を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載のレンズ。
3. 略点光源とみなせる光源を収める凹部を有して、前記光源に前記凹部を被せて取り付けられる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のレンズ。
4. 前記光源は、発光ダイオードである
   ことを特徴とする請求項３に記載のレンズ。
5. 上方から下方の道路を照明する道路照明装置に使用され、
   前記非レンズ部は、道路外の照明すべきでない範囲に光が射出されないように前記連続するレンズ面で光を制御できない部分に設けられる
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載のレンズ。
6. 上方から下方の道路を照明する道路照明装置であって、
   光源と、
   前記光源から放射された光が入射される請求項１乃至４のいずれか１つに記載のレンズと、
   を有する
   ことを特徴とする道路照明装置。

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