JP2011043814A - フレネルレンズシート及びそれを使用した照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】照明器具に使用される、比較的小さなビーム角の光線を集中可能なフレネルレンズシートを提供する。
【解決手段】フレネルレンズシート２００は、一方の側に略平面である第一の面２１２を有し、他方の側に第二の面２１４を有する透明シート２１０と、及び第二の面に形成された複数の同心円状の凸状プリズムを含み、凸状プリズムのそれぞれは略三角構造の断面を有するフレネルレンズ部と、を備え、略三角構造は、第一の湾曲部分と第二の湾曲部分とを接合することによって形成される頂点及び基部を有し、この三角構造は、第二の湾曲部分の半径と基部幅との比率が０．１から０．５の範囲である。
【選択図】図６

Description

本発明は、一般的に照明器具の分野において使用されるフレネルレンズの改善に関するものであり、特に、比較的小さな角度で光線を集中させ、高性能の均一な照度及びより効果的な光束を実現可能なフレネルレンズ及び、そのフレネルレンズを光透過片として使用した照明器具に関するものである。

光源とフレネルレンズとを組み合わせて有する照明は、一般に光を光源から集め、焦点を合わせて向ける技術において見られる。最も一般的な種類の照明では、光を集中又は発散する目的で、フレネルレンズが光源から放出される光の方向を変えるよう、光源がフレネルレンズに対向して配置される。

ダウンライトやスポットライトのような、強い光を必要とする活用において、フレネルレンズシートは、光を比較的小さな領域に集中させるのに大変有用である。照明で、光透過片として使用される従来のフレネルレンズシート１００の構成を図１に示す。図１に示すように、フレネルレンズシート１００は、部分に分かれたレンズ１１０の複数の同心円状の輪から成り、部分に分かれたレンズ１１０のそれぞれの断面は、略三角構造である。三角構造は、通常、斜辺及び鋭角の頂点を有する直角三角形である。図２は、この従来のフレネルレンズシートによって生じた照度分布を図示したものである。光源（図示せず）から放出された光の部分は、屈折して、通常は直角三角形の斜辺に沿ってフレネルレンズを通過し、範囲Ｚ１を有する光区域を定義する。図に示すように、照明は通常、環状に分布し、区域範囲Ｚ１の中央部ではより分布が少ない。

図３は、光源１５０から放出される光の他の部分が、フレネルレンズシートの平面によって反射されて戻り、屈折できず、フレネルレンズシートを通過しない様子及び、光のさらなる部分が反射され、屈折してシートを通過する様子を明確に示す。図示するように、光源１５０から放出される光は、様々な方向からフレネルレンズシート１００に向い、光の大部分はフレネルレンズシートと反対の方向へ進むように反射されて、光のこの部分を失うことになる。この図において、太線は、直接屈折してフレネルレンズシートを通過する光の部分を示す。細線は、最初に反射され、その後、屈折してフレネルレンズシートを通過する光の部分を示すが、光のこの部分は、直接屈折した光の部分よりも照度が低くなってしまう。

そのため、比較的小さなビーム角を有する光線をより集中させ、照明区域の中央部分における照度を増大させるための、照明で使用されるフレネルレンズシートが必要である。反射過程中に光エネルギーの損失を減少可能なフレネルレンズシートも必要である。

本発明は、上記の要求を満たすために開発され、従って、照明器具に使用される、比較的小さなビーム角の光線を集中可能なフレネルレンズシートの提供という主要な目的を有する。

本発明の別の目的は、照明器具に使用される、反射過程中に光エネルギーの損失を減少可能なフレネルレンズシートを提供することにある。

本発明のこれら及び別の目的及び利点は、照明器具において使用するためのフレネルレンズシートを提供することによって達成され、本発明のフレネルレンズシートは、一方の側に略平面である第一の面を有し、他方の側に第二の面を有する透明シートと、第二の面に形成された複数の同心円状の凸状プリズムを含み、凸状プリズムのそれぞれは略三角構造の断面を有するフレネルレンズ部と、を備え、略三角構造は、第一の湾曲部分と第二の湾曲部分とを接合することによって形成される頂点及び基部を有し、この三角構造は、第二の湾曲部分の半径と基部幅との比率が０．１から０．５の範囲であることを特徴とする。

本発明の一実施形態では、上記の比率が０．３から０．５の範囲であり、第一及び第二の湾曲部分が曲線形状になるよう形成される。

本発明の別の形態は、照明器具を提供し、本発明によるフレネルレンズシートと、開いた側面を有し、開いた側面の付近にフレネルレンズシートを配置する筐体と、筐体に配置された少なくとも一つの光源とを備え、光源は、フレネルレンズシートに対して光を発生させるよう、フレネルレンズシートの第一の面に対向して、光がそこを通過することができることを特徴とする。

本発明によれば、照明器具を白熱灯、蛍光灯、ダウンライト、スポットライト、自動車のヘッドランプ、交通信号灯、又は装飾ライトのような多くの種類の発光体に使用できる。

好ましくは、照明器具の光源は、発光ダイオードである。

先行技術で利用可能なフレネルレンズシートに対し、本発明のフレネルレンズシートは、複数の同心円状の凸状プリズムを有し、プリズムのそれぞれは、略三角構造の断面を有し、三角構造は、第一の湾曲部分と第二の湾曲部分とを接合することにより形成される頂点、及び第二の湾曲部分の半径と基部幅との比率が０．１から０．５の範囲であることを特徴とする。この比率の範囲内では、フレネルレンズシートを通過する光線が比較的小さなビーム角及び比較的中央部が分布した照度を有するように集中することが分かっている。また、本発明のフレネルレンズシートによって、光の大部分の向きを変更させて通過させ、光エネルギーの損失を減少させることができる。

本発明をより理解するために、下記に本発明の詳細及びその実施形態を添付の図面と併せて記載する。

図１は、先行技術で利用可能なフレネルレンズシートの断面図である。 図２は、図１のフレネルレンズシートの光屈折の概略を示す図である。 図３は、図１のフレネルレンズシートの照明パターンを示す図である。 図４は、本発明の実施形態によって構成されたフレネルレンズシートの概略図である。 図５は、図４のフレネルレンズシートの上面図である。 図６は、図４のＡ−Ａ線における断面図である。 図７は、図６のＢ部の拡大図である。 図８は、図４のフレネルレンズシートの光屈折の概略を示す図である。 図９は、図４のフレネルレンズシートの照明パターンを示す図である。 図１０は、本発明のフレネルレンズシートを使用した照明器具を例示した概略図である。

この発明は、実施形態で説明及び記載されるが、フレネルレンズシートは、多くの異なる構成、寸法、形、及び材質で製造することができる。

図に関して、図４から図９は、本発明の実施形態に一致して構成されるフレネルレンズシート２００を提供する。本形態では、フレネルレンズシート２００は、透明シート２１０及びフレネルレンズ部２２０を備える。フレネルレンズシート２００は、ガラス、プラスチック、ポリオレフィン、又は有機ガラスから選択した材質で形成することができる。

透明シート２１０は、略平面である第一の面２１２及び第一の面２１２の反対位置に第二の面２１４を有する。透明シート２１０は、高さが１ｍｍから１０ｍｍの範囲内であることが望ましい。

フレネルレンズ部２２０は、透明シート２１０の第二の面２１４上に形成される。フレネルレンズ部２２０は、図４及び図５に示すように、複数の同心円状の凸状プリズム２２２から成る。図６は、凸状プリズム２２２のそれぞれが略三角構造の断面を有することを示す。この略三角構造は、幅“ｗ”の基部２２８、第一の曲線部２２６及び第二の曲線部２２４を有し、二つの曲線部２２６及び２２４の両方が接合され、略三角構造の頂点を定義する。特に、図７に示すように、略三角構造は、第二の曲線部２２４の半径“ｒ”と基部幅“ｗ”との比率が０．１から０．５の範囲になるように構成され、０．３から０．５の範囲内であることが望ましい。当業者にとって、フレネルレンズシート２００を、ガラス、プラスチック、又はポリオレフィンから選択した材質を熱成形することにより、又はここで詳細を記載していない、従来知られている方法で作ることができるのは明らかである。

図８は、フレネルレンズシート２００の光屈折の概略図を示す。図示のように、光源（図示せず）からの光線が、この図において破線で示した、一般に入手可能なフレネルレンズシートのビーム角と比べ、小さな角度で放出される。第一の平面２１２及びフレネルレンズ部２２０を通過するこの狭角の光は、光の比較的大部分が光区域の範囲Ｚ２の中央に分布する、範囲Ｚ２を有する光区域に入る傾向がある。

続いて図９について説明する。この図は、基部幅が２ｍｍの時に半径０．７５ｍｍである、すなわち、半径“ｒ”の基部幅“ｗ”に対する比率が０．３７５である、第二の曲線部２２４を有するフレネルレンズシート２００の照明パターンを示す。図示のように、光源２５０から放出される光は、第一の平面２１２に色々な方向から到達する。光の比較的大部分が直接屈折してフレネルレンズシート２００と通過し、シート２００を抜け出る一方で、図３に示した照明パターンに比べ、光のほんの一部が反射過程中に反射して消耗され、光のさらにごく一部分が最初に反射され、その後屈折してフレネルレンズシート２００を通過する。上記のように、この太線で示した光の部分は、反射した後に屈折してフレネルレンズシート２００を抜け出た細線の光の部分よりも照度が高い。従って、フレネルレンズシート２００を通過する光全体が、より高い光強度及び光束を有する。

フレネルレンズ部２２０の第一の曲線部２２６が、光源２５０から放出された光を強化して集中させる働きをすること、及び、第二の曲線部２２４から出た光が中央に分布するよう傾斜して、図８に示す照明パターンを生成するよう、第二の曲線部２２４が屈折角を小さくし、さらに第一の曲線部２２６からの光を集中させて向きを変更できることが分かっている。その結果、均一な光強度及び中央に分布する照度が可能になる。

本発明は、また上記のフレネルレンズシート２００を備える照明器具３００も提供する。図１０は、この照明器具３００の例を示す。特に、照明器具３００は、フレネルレンズシート２００と、開いた側面を有し、開いた側面の付近に前記フレネルレンズシート２００を配置する筐体３１０と、及び、筐体に配置された少なくとも一つの光源（図示せず）を備え、光源は、フレネルレンズシートに対して光を発生させるよう、フレネルレンズシートの第一の面に対向して、光がそこを通過することができることを特徴とする。

当然のことながら、本発明の照明器具は、どのようなタイプの照明器具でもよく、白熱灯、蛍光灯、ダウンライト、スポットライト、自動車のヘッドランプ、交通信号灯、及び装飾ライトを含むが、これに限定されるものではない。光源は、発光ダイオード又は当技術分野で周知の別のタイプのどんな光源でもよい。

例：本発明に従って構成された複数のフレネルレンズシートの照明特性を検査した。これらの検査では、基部幅“ｗ”を２ｍｍに設定し、フレネルレンズ部の第二の曲線部の半径“ｒ”を、複数のフレネルレンズシートによって変更している。

これらの検査から得られた結果を、次の表１に示す。

結果は、光源からの光の大部分が、本発明のフレネルレンズシートを通して、小さなビーム角で放出されるため、本発明のフレネルレンズシートが、先行技術で利用可能なフレネルレンズシートに比べ、集光パターン及び比較的中央に分布する照度を有することを示す。これらのフレネルレンズシートのうち、ｒ=０．７５ｍｍの第二の曲線部を有するフレネルレンズシート、すなわち、第二の曲線部の半径の基部幅に対する比率が０．３７５であるフレネルレンズシートが、最良の光パターンを作り出した。

従って、本発明は、略中央に分布する照度を投じるよう、光源からの光を集中させて向きを変えることができ、光効率が改善されて光強度がより高くなる、照明器具で使用するためのフレネルレンズシートを提供する。これは、本発明のフレネルレンズシートが、第二の曲線部の半径と基部幅との比率が０．１から０．５である、第一及び第二の曲線部によって定義される曲線の頂点を有するフレネルレンズ部を形成するよう、設計されるためである。

ここに記載した実施例は、典型的なフレネルレンズシートとして意図されているが、本発明が例示の実施例に限定されるものではないことを、当業者によって評価されるものである。当業者は、当業者の通常の知識によって、本発明の範囲から逸脱することなく、他の実行できる変化及び変更を構想するものであり、その変化及び変更は、本発明の範囲に該当すべきものである。

Claims (7)

1. 照明器具において使用するためのフレネルレンズシートであって、
   一方の側に略平面である第一の面を有し、他方の側に第二の面を有する透明シートと、
   前記第二の面に形成された複数の同心円状の凸状プリズムを含み、前記凸状プリズムのそれぞれは略三角構造の断面を有するフレネルレンズ部と、を備え、
   前記略三角構造は、第一の湾曲部分と第二の湾曲部分とを接合することによって形成される頂点及び基部を有し、この三角構造は、前記第二の湾曲部分の半径と基部幅との比率が０．１から０．５の範囲であることを特徴とするフレネルレンズシート。
2. 前記比率が０．３から０．５の範囲であることを特徴とする請求項１記載のフレネルレンズシート。
3. 前記第一及び第二の湾曲部分が曲線形状になるよう形成されることを特徴とする請求項１又は２記載のフレネルレンズシート。
4. 前記フレネルレンズシートは、ガラス、プラスチック、ポリオレフィン、又は有機ガラスから選択した材質で形成されることを特徴とする請求項１又は２記載のフレネルレンズシート。
5. 照明器具であって、
   請求項１乃至４の何れかに記載のフレネルレンズシートと、
   開いた側面を有し、前記開いた側面の付近に前記フレネルレンズシートを配置する筐体と、
   前記筐体に配置された少なくとも一つの光源と、を備え、
   前記光源は、前記フレネルレンズシートに対して光を発生させるよう、前記フレネルレンズシートの前記第一の面に対向して、前記光がそこを通過することができることを特徴とする照明器具。
6. 前記照明器具は、白熱灯、蛍光灯、ダウンライト、スポットライト、自動車のヘッドランプ、交通信号灯、又は装飾ライトから成るグループから選択されることを特徴とする請求項５記載の照明器具。
7. 前記光源が発光ダイオードであることを特徴とする請求項５記載の照明器具。

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