JP2004326127A - 薄い、変形可能なフィルム - Google Patents

Abstract

【課題】
ある角度範囲内で入射された光線が全反射されるように全反射を達成する構造面を一方の側に有する透明材料から作られ、改良された薄い変形可能なフィルムを提供する。
【解決手段】
一方の側に構造面を、該構造面とは反対の他方の側に滑らかな面を有し、適当な透明材料から作られた新規の薄い変形可能なフィルムを提供する。構造面は複数の特記および溝を形成するために、並置された概ね直角の二等辺をもつ微小なプリズムが直線配列されたものから構成される。フィルムが平坦であると、各プリズムの直角の辺が構造面とは反対側の滑らかな面に対して概ね４５度の角度をつける。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、透明材料から作られ、一方の側に構造面を、前記構造面と反対の他方の側に滑らかな面を有し、その一局面が前記面の組合せにより光線を全反射しうる薄い変形可能なフィルムに関する。

例えば特許文献１に示されているように一方の側を光線を偏向させるために構造面とした薄い変形可能なフィルムを形成することは当該技術分野の専門家には周知のことである。さらに、光線を反射させるためにミラーが使用されてきたし、ミラーの作り方も、例えば特許文献２に記載されているように当該技術分野の専門家には周知である。しかしながら、ミラーの使用には限度がある。市販されているミラーはたとえそれが新品であったとしても、反射性は通常約７５％から約９５％の範囲であって限度があり、時間の経過と共に反射被覆があせてきて、反射効率が低下する。

例えば特許文献３および特許文献４に示されているように、長年にわたり全反射の原理がレフレクタや投光照明設備に対してミラーに代わるものとして光学技術者により認識されてきた。その用途は、例えばある種の双眼鏡のポロプリズムとか、ある型式のベリスコープに用いられるアミーチルーフプリズムや、ある型式の一眼レフカメラに用いられるルーフプリズムのような各種の光学器械に見出しうる。しかしながら、そのような装置は巨大で、かつ嵩高い。

米国特許第２，２４８，６３８号明細書 米国特許第２，７２３，９１９号明細書 米国特許第２，１７５，０６７号明細書 米国特許第４，２６０，２２０号明細書

本発明は、ある角度範囲内で入射された光線が全反射されるように全反射を達成する構造面を一方の側に有する透明材料から作られ、改良された薄い変形可能なフィルムを提供する。さらに、改良フィルムは何ら被覆を必要としないので、長期にわたってその効率を維持することができる。最後に、フィルムが変形可能であるため、種々の形状に形成でき、かつ多様に利用できる。

本発明は、一方の側に構造面を、該構造面とは反対の他方の側に滑らかな面を含み、適当な透明材料で形成された新規な薄い変形可能なフィルムを提供する。構造面は複数の突起及び溝を形成するために並置された、概ね直角の二等辺をもつ微小なプリズムの直線配列されたものから構成される。フィルムが平らであると、各プリズムの直角の二辺が構造面とは反対側の滑らかな面に対して概ね４５度の角度をつける。

フィルムが変形可能であるために特に利点とされることは、直線配列の直角の二等辺をもつプリズムを、導管の軸線に対して平行、直交方向、あるいは何らかの角度をつけて配置させることにより色々な断面形状の導管あるいは光学トンネルに形成しうることである。しかしながら、光線が導管に適正に向いたとき光線は初めて導管に沿って全反射され、かつ運ばれるのである。

本発明を、同じ参照番号が対応する要素を示す添付図面を参照して以下詳細に説明する。
第１Ａ図と第１Ｂ図を参照すると、本発明に用いる薄い変形可能なフィルムは全体的に１０で指示され、一方の側に構造面１２を、該構造面とは反対の他方の側に滑らかな面１４を有し、透明な高分子材料から構成されている。第２図に示すように、ある角度範囲内で前記面１２または１４のいずれかに当たる入射光線は、他方の面で全反射される。光線は、第１の面により屈折されたその光線が法線に関して臨界角以上のある角度で第２の面に当たるとき、全反射される。この空気中の臨界角は該材料の屈折率の逆比例のアークサインと定義される。第３図に示すように、前記の角度範囲の外で前記面１２または１４のいずれかに当たる入射光のかなりの部分は透過され、残りの部分は反射される。すなわち、滑らかな面１４にその法線に対して一定の角度範囲をもって入射する光線は構造面１２からより狭い角度範囲をもって透過され、また、滑らかな面１４の法線に対して狭い角度範囲をもって構造面１２に入射する光線は滑らかな面１４からより広い角度範囲をもって透過される。いずれの状態においても、該材料による光線の吸収は無視しうる程度である。

構造面１２は、第２図と第３図とに示すように、フィルム１０の長さにわたって延びる複数の突起１７と溝１８とを形成するために並行関係で並置した概ね直角の二等辺をもつ微小なプリズム１６を直線配列したものからなる。フィルムが平坦であると、直角の辺２０は隣接する滑らかな面１４に対して、約４５度の角度アルファ（α）を成す。さらに、フィルム１０が曲げられ、滑らかな面１４が連続した円弧曲線となると、前記角度アルファ（α）は第４図と第５図に示すように、４５度から変わる。辺２０はフィルムの圧縮あるいは緊張のために湾曲する。これらの状態は、多くの用途においてフィルム１０の性能に顕著な影響を与えないことが判明した。

フィルム１０に使用する特定の材料は変ってもよいが、該材料は通常変形可能であるが、特定の用途においては自立するのに十分な剛性を有しないものが意図されている。フィルム１０の弾性は、滑らかな面１４が、例えば捩れ、裂目、区切り等の目立った不連続性を有しない滑らかで連続した円弧となるように曲がり得るものと定義できれば最上である。しかしながら、該材料は透明で、好ましくは均質で等方性であることが不可欠である。この目的に対して有用な高分子材料は、例えば、それそれ称呼屈折率が１．４９３と１．５８６であるアクリルおよびポリカーボネートのように市販されている。その他の有用なポリマーとしては、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリスチレン、塩ビ等である。本明細書で説明する機能を提供する限り、選択された特定の高分子材料は本発明にとっては重要ではない。通常この製品の製造者は、価格、用途および製造過程に基づき、最良の市販高分子材料を選択する。しかしながら、屈折率が高く、物性に優れるためポリカーボネートに特に関心が集っている。

本発明によるフィルムを連続大量生産する方法は数々あり、それらは、本明細書に参考のために含めた、例えば米国特許第３，６８９，３４６号、同第４，２４４，６８３号、同第４，５７６，８５０号および英国特願第ＧＢ２，２１２７，３４４Ａ号のように当該分野の専門家には周知である。さらに、剛性シートを大量生産する従来の方法には、圧縮成形、鋳造、カレンダ加工を含む。本発明にとっては特定の製造方法は本質的ではなく、それは経済性と利用可能性とに基づく選択の問題である。

フィルムの性能や適用性は、フィルム１０が例えばチューブ状即ち円筒状のように各種の形となるよう曲げうるようにその弾力性によって左右されるので、フィルムの厚さは本発明にとって重要である。溝１８の底に対して滑らかな面１４から測定して厚さＴを有する特定のフィルムを曲げうるようにする最小の円筒体の直径Ｄに対する近似値は等式Ｄ＝Ｔ・Ｃにより規定され、Ｃは特定材料の弾性係数に関連した常数である。プリズム１６のサイズが微小で、２．５センチ当たり少なくとも４０個であり、フィルム１０の特定の厚さがＴである場合、全反射を維持しながら滑らかな面１４が滑らかな連続した円弧曲線となるように曲げることができる。微小な大きさサイズのプリズムを有するアクリルフィルムではそれに関連した約２００の常数Ｃを有することが判明した。例えば、２．５センチ当たり約７０個のプリズムを有する、厚さが０．３８ミリのアクリルフィルムは、最小直径が約７．６センチであり、一方破断することなく滑らかな連続した円弧面を保持する円筒体となるよう容易に曲げることのできる十分な弾性を有する。さらに、そのようなフィルムは、直径が約４５．７センチの円筒体に曲げられた場合、その形状を簡単に持続しうるのに十分な剛性と自立性とを有する。このように反射性を保ちうることによって、該フィルムを多様に利用できるようにし、かつ米国特許第４，２６０，２２０号が教示するように光学作用面を平坦形状にかたくなに保持すべしとの従来の要求を排除する。

第１Ａ図に示すように、滑らかな面１４に対する法線Ｎに対してある角度Ｉ₁で前記滑らかな面に入射する光線Ａは屈折され、構造面１２において全反射される。光線Ａと法線Ｎとは双方共、構造面１２の直線配列のプリズム１６が位置する方向ｐに垂直な面内にある。光線Ａは全反射され、依然として同じ面内にある反射光Ａ'として出てくる。同様に、方向ｐに対して垂直でない面において、Ｉ₂の角度で滑らかな面１４に入射する別の光線Ｂが示されている。入射光Ｂは反射され、入射光Ｂとプリズムの方向ｐとによって画定される別の平面において光線Ｂ'として出てくる。

本発明によるフィルム１０の各種の応用および使用例を数例以下説明する。例えば、フィルム１０は、第６図に示すように、太陽エネルギの集中装置を形成するために該フィルム１０を支持する硬質剛性材料製のパラボラトラフ３０に取付けることができる。このように、滑らかな面１４に入射する太陽エネルギＳは全反射され、直線状の目標３２に集中されて出てくる。

フィルム１０の最も将来性があり、かつ画期的使用方法は、それが管状の光線導管４０に形成されることであって、そのため第７図に示すように、滑らかな面１４が滑らかな連続した円弧曲線となる。さらに、第４図と第５図に示すように、導管４０には、内側の凹面あるいは外側の凸面に構造面１４を形成することができる。このため、第７図に示すように、光線は光源Ｌ−Ｓにより導管４０に導かれ、光線の大きさと位置に応じて、光線の所定部分が内方反射によって捕捉され、プリズム１６が導管４０の軸線に対して平行に位置すると他端から出ていく。

導管４０の性能は、拡散粒子を添加したり、あるいは、例えば窓ないしは光学的に滑らかでないプリズムの側部および（または）光学的に鋭くない角あるいは突起等のような不完全部分を組み入れることにより調整でき、そのため導管４０は光線が制御されて漏れるようにして照明装置として作用する。制御された光線が漏れるようにするために、通常光線伝送のためカミソリ状に鋭くする突起１７を第８図に示すように鈍く、即ち丸味をつければよい。反射に対する光線の漏れの比率はｒ／ｐ程度となり、ｒはプリズム１６'の丸くされた突起１７'の概略半径で、ｐは溝の間隔である。このように、突起１７'の半径ｒを変えることにより、光線の漏れを制御できる。この制御は、例えば付加的な、あるいは特殊なダイまたは工具を要するような、後での製造あるいは変更作業を伴うことなく、あるいは製造工程のパラメータを変えることにより行うことが好ましい。突起の繰り返しおよび丸味つけ作業を制御するには以下のパラメータを変えることが効果的かつ経済的であることが判明した。（１）成形型の温度、（２）成形型の圧力、（３）ライン速度、（４）工具の温度、（５）冷却速度、（６）ポリマーに添加する不純物の量、等である。押出成形以外の製造方法を採用すれば、別のパラメータを適用すればよい。

当該分野の専門家が本発明の技術を実行できるように本発明の好適な実施例を説明してきたが、前記の説明は例示的なものであって、本発明の範囲を限定するために使用すべきでない。本発明の範囲は特許請求の範囲のみによって定義されるべきである。

滑らかな面が円弧となる場合に反射性を維持できるため、フィルムは多様に利用できる。例えば、フィルムが変形可能であるためトラフに用いた場合、太陽エネルギの集中装置として利用できる。

本発明によるフィルムの拡大斜視図である。 本発明によるフィルムの拡大斜視図である。 本発明によるフィルムの概略端面図である。 図２の倒立端面図である。 フィルムが滑らかな連続した円弧曲線に曲げられた際のフィルムを示す、図２と類似の拡大した図である。 フィルムが滑らかな連続した円弧曲線に曲げられた際のフィルムを示す、図３と類似の拡大した図である。 本発明によるフィルムを用いた、パラボラ状太陽エネルギー集中トラフの斜視図である。 本発明によるフィルムを用いた光線導管の斜視図である。 光線が漏れるように突起に丸味をつけた本発明によるフィルムの概略端面図である。

符号の説明

１０…フィルム
１２…構造面
１４…滑らかな面
１６…プリズム
１７、１７'…突起
１８…溝
２０…直角な辺
４０…導管

Claims (1)

1. 一方の側に構造面を含み、透明の高分子材料で形成された薄い変形可能なフィルムであって、前記構造面が複数の突起と溝とを形成するために並置された、概ね直角の二等辺をもつ微小なプリズムの直線配列を含み、前記プリズムの直角の二辺が前記構造面と反対側の前記滑らかな面に対して概ね４５度の角度をなしており、前記フィルムは、その厚さが約０．３８ｍｍ以下であり、２．５ｃｍ当たり約７０個以上のプリズムを有し、最小直径が約７．６ｃｍの円筒体となるように曲げることができることを特徴とするフィルム。
   
   
   
   
   

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