JP2012501001A - 等断面の三角プリズムを備える指向性円形反射板及びそれを有する円盤状ライト - Google Patents

等断面の三角プリズムを備える指向性円形反射板及びそれを有する円盤状ライト Download PDF

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Abstract

等断面の三角マイクロプリズムを備える指向性円形反射板及びそれを有する円盤状ライトを提供する。反射板1では、プリズム面11にリング状の微小角柱のプリズム体111が複数設けてあり、中心軸線を通した垂直な断面において、複数のプリズム体111の横断面は、形状が同じで、断面積が等しくて、径方向における距離が同じ三角形であり、中心軸線に最も近い三角形の頂点から反射板の平滑表面12までの距離が最も短く、平滑表面12までの距離が反射板の周辺へ向けて順次逓増する。円盤状ライトは、反射板1と、放熱フレーム3と、反射バックシート5と、放熱板4と、ライト本体2とを備える。放熱フレーム3は、反射板1の周囲に取り付けられており、反射板1の円柱面との間で隙間を形成して、ライト本体2を取り付けるライト溝14を形成するように構成してある。
【選択図】図2a

Description

本発明はマイクロプリズム式の反射板に関し、特に等断面の三角プリズムを備える円形反射板及びそれを有する各種の円盤状ライト、円盤状照明器具に関する。
従来の技術では、反射シート又は反射板は主に光線の反射、屈折に使われたが、その後に、反射シート又は反射板にプリズムとして機能されるストリップ状の微柱プリズムを設けることで、太陽光の反射及び屈折をより良く調節することができた。さらに、反射板の両側にライト本体を設けて発光板を製造することにより、照明機能を兼ねることができた。特許文献１において、本出願人はマイクロプリズム型の太陽光反射板及びその調節制御装置を提案しており、そのうち、反射板の一方の表面に平行なストリップ状の直角二等辺三角微柱プリズム体が複数設けてあり、その頂角が90度であり、底角が夫々45度であり、反射板の両側の端面に夫々盲穴が設けてあり、盲穴にLEDダイオードを含むライト本体が取り付けてある。このような反射板は、ガラス天井、窓、又は天窓を設けた部屋に応用されている。冬場には太陽光を充分に入射させる一方で、夏場には太陽光の全部又は一部を反射させることで、太陽光を遮蔽するとともに室内の明るさを確保することができる。また、両側に取り付けられたライト本体は暗い天気又は夜に補充照明を提供することができる。このような構造の反射板では、ライト本体の働きにより、反射板全体を発光面として形成することができるが、設計構造の制限により、照明光の照度が比較的に低かった。
出願人は、前記特許文献１からヒントを受けて、反射板と発光ダイオードLEDとを組み合わせた構造を照明分野に如何に応用するかを検討し、LEDにより反射板のスポット光源を面光源に変更すること、即ちLEDの作用を装飾用から本格的な照明用に転換することに工夫している。このため、出願人は特許文献２、特許文献３で二種の反射板を提示している。一種は平板の反射板であり、一方の表面において平行なストリップ状の微柱プリズム体が複数設けてあり、各微柱プリズム体の横断面が不等辺直角三角形で、対称中心の平面に隣接した左右二つの直角不等辺三角形の断面積が最も大きく、断面積が左右両端へ逐次に逓減するように構成してある。他種は円形板で、中心軸線を対称中心とし、断面が直角三角形であるマイクロプリズムを備える円形反射板であり、その径方向においてリング状微柱プリズムが複数形成してあり、その断面及び断面積の構造が平板の反射板と同じであるように構成してある。前記二種の反射板は、相対している両端又は円周面に盲穴を設置してライト本体を取り付けた後、円形反射板の場合、ライト本体を設けた後、これらのライト本体の出射中心の軸線は反射板の平面に平行になるか、反射板の平面の各リング状プリズム体の夾角の頂点を通すように構成してある。そうすると、ライト本体によって出射された光線が各微柱プリズム体の内部から出射され、良好な照明効果を実現することができる。
更なる研究により、前記構造の平板反射板及び円形反射板には、指向性照明について、プリズムを通して平面から反射、出射した光線の不均一性（照明効果に影響する）及び反射板を有するライトの小型化の問題点があり、つまり、非対称の片側微柱プリズムの設計・配置に関することである。これは前記の特許文献１において意識しなかった問題点である。
LED光源は、その構造特性により、照明分野に含まれるのは当然であるが、LEDは発展中に大きな障害に遭って、特に高出力LEDの応用について挫折を受けている。最大の問題点は光の減衰である。また、LEDの室内の照明応用もうまく行かない。まとめてみると、我々はLED光源の光特性に関する認識が不足で、LEDの“ライト”と組み合わせる“器具”はどんなものなのか、“ライト”と“器具”についてどのように光学的、機械的な設計をするかは本発明が解決しようとする課題である。
中国特許第200510029375.1号明細書 PCT/CN2007/002052 PCT/CN2008/000031
本発明は、LED特性に相応しい光学技術であって、反射板のプリズムの一つの平面で反射、出射したLEDによる光線を非常に均一にさせる等断面の（同一の）三角プリズムを備える指向性円形反射板及びそれを有する円盤状ライト又は円盤状照明器具を提供することを目的とする。
本発明は、LED放熱機能の複雑化による照明器具の複雑化、及び大電流に伴うLEDの温度上昇によるルーメン値の低下を避けるために、室内照明において、高出力LEDではなく、低出力、小電流のLEDチップを採用し、チップに出射された全ての光束の出射、伝導、反射を精確に位置決めするとともに、LEDチップによる熱を素早く放出して照明器具の最適な効果を実現することをもう一つの目的とする。
前記目的を達成するために、本発明では、等断面の三角プリズムを備える反射板と言われる反光手段を採用している。該反射板は円盤状ライトの主体である。このような反射板では、一連の等断面の三角プリズムが中心から外へ展開され、連続の等断面の三角形の同心円プリズムが形成されている。本発明の等断面の三角マイクロプリズムを備える指向性円形反射板は、プリズム面といわれる一方の表面に、中心軸線から径方向に複数の同心のリング状微柱プリズム体が設けてあり、中心軸線を通した垂直な断面における各リング状微柱プリズム体の横断面が三角形で、鋸歯状に連続して分布されており、前記三角形は夫々、形状が同じで、断面積が等しく、断面三角形の頂点から円形反射板の平滑表面といわれる他方の表面までの距離は、中心軸線に最も近いリング状微柱プリズム体の方が最も短く、左右両側の反射板の周辺へ向けて順次逓増し、各リング状微柱プリズム体の断面三角形の頂点の径方向における連結線は二本の傾斜した直線となり、円形反射板の中心軸線と一つの点で交差し、円形反射板の平滑表面と夾角αを形成し、αが45度未満であり、各断面三角形は径方向における距離又はピッチが等しいことを特徴とする。
前記円盤状ライトでは、前記鋸歯状に連続して分布されている断面三角形は、その頂点から平滑平面までの距離が順次逓減する方向における各三角形の右側又は左側の辺が臨界辺と呼ばれ、該臨界辺の延長線がプリズム面に相対する平滑平面と交差し、法線と夾角を形成し、該夾角の範囲が40度から90度の間であることを特徴とする。
前記円盤状ライトでは、前記夾角αが10度未満であることを特徴とする。
前記円盤状ライトでは、前記断面三角形が直角三角形又は非直角三角形であることを特徴とする。
前記円盤状ライトでは前記透明なプラスチックはポリカーボネイトであることを特徴とする。
本発明の円形反射板を有する円盤状ライトは、反射板と、放熱フレームと、複数のライト本体とを備え、前記放熱フレームは、中央通し穴を有する盤面と、盤面の周囲に位置するリング状の盤縁部とを備え、中央通し穴が形成された盤面の縁部が反射板の平滑表面の縁部に重なるように反射板に装着されており、盤縁部の内周壁の下部が反射板のフランジに相対して当接するとともに、内周壁の他の部分と反射板の円柱面との間で隙間を形成して中心軸線と同軸の凹溝タイプのリング状ライト溝を形成するように構成してあり、前記ライト本体は、発光ダイオードLED、電球、電極管又は予め作製された複数の発光ダイオードライトユニットであり、夫々にリング状ライト溝に取り付けられており、前記発光ダイオードの出射平面がプリズム面における各断面三角形の頂点の連結線と交差して、90−αの夾角を形成するように構成してあることを特徴とする。
前記円盤状ライトでは、放熱板を備え、前記放熱板は、円形の板であり、上面に、間隔が均一な同心のリング状放熱リブが板面と垂直に複数設けてあり、縁部と放熱フレームの盤縁部との結合により反射板を覆うように構成してあることを特徴とする。
前記円盤状ライトでは、前記放熱板の各リング状放熱リブには、均一に分布した欠けが設けてあり、これらの欠けが径方向に揃っており、前記放熱板がアルミニウム合金材料で形成されることを特徴とする。
前記円盤状ライトでは、反射バックシートを備え、前記反射バックシートは、寸法が反射板とほぼ同じで、プラスチック、紙又は金属材料から選ばれた何れかの材料で形成され、反射板と放熱板との間に挟まれていることを特徴とする。
前記円盤状ライトでは、前記ライト本体は、予め作製されたリング状のライトユニットであり、複数の発光ダイオード表面実装部品と、電気抵抗と、配線基板とを有し、且つ、該ライトユニットは、円環状に曲げられて前記ライト溝内に設置又ははめ込まれており、ライト溝内の発光ダイオードの出射平面をライト溝の反射板円柱面に密着させるとともに、反射板の各断面三角形の頂点の連結線と90−αの夾角で交差するように構成してあることを特徴とする。
前記円盤状ライトでは、前記放熱フレームの盤縁部及び放熱リングの外周壁に、間隔が均一な、径方向に突出したリング状放熱リブが数本設けてあることを特徴とする。
前記円盤状ライトでは、前記三角プリズム体の発光ダイオードの照射方向に向いた各断面三角形の辺又は光に面する辺は受光臨界辺とされ、断面三角形の中心軸線に面した臨界辺であり、各断面三角形の受光臨界辺が位置したリング状面は受光臨界面とされ、臨界辺の延長線がプリズム面の平滑平面と交差し、法線と40度〜90度の範囲の夾角を形成するように構成してあることを特徴とする。
前記円盤状ライトでは、前記発光ダイオード及びLED表面実装部品は、夫々低出力、小電流のダイオード及びチップであり、一つのLED表面実装部品には複数のチップが設置可能であることを特徴とする
前記円盤状ライトでは、前記放熱フレーム及び放熱板は、アルミニウム合金材料で形成されることを特徴とする。
前記円盤状ライトでは、前記放熱板、反射バックシート及び反射板の中心に中心取り付け穴が設けてあることを特徴とする。
前記円盤状ライトでは、スクリューソケットと電源駆動装置の定電流源とを備え、前記放熱板は円錐形であり、円錐の上部が平面であり、円錐面に放射状の放熱リブが設けてあり、前記スクリューソケットは円錐上部の平面に取り付けられており、前記電源駆動装置の定電流源は、放熱板と反射バックシートとの間の空間に取り付けられた場合、入力側がスクリューソケットに接続され、出力側がLED発光ストリップ状ライトの配線端子に接続されるように構成してあることを特徴とする。
このように、等断面の三角プリズムを有する円盤状ライトは、電源駆動装置の定電流源、LED発光ストリップ状ライト光源、円盤状ライトのアルミ製の放熱フレーム（放熱器）、等断面の三角プリズムを備える円板二次光学素子から形成された面光源発光エンジンである。円盤状ライトの基本形状は円板状で、点灯されると、光線が円形平面から出射され、駆動電圧はDC12V又は24Vで、電流は数十から数百ミリアンペアの定電流源であり、数十ミリメートルから数百ミリメートルまでの異なる直径の円板状ライトに作製することができ、屋内照明、リビングルームの平天井のシーリングライト、トイレの天井灯、キッチンルームのシーリングライト、食器棚の棚間の円盤状ライト、公共廊下及び大きい空間のシーリングライトに応用することができる。円盤状ライトは電気スタンドに応用することもでき、直径が数十ミリメートルである、1Wの円盤状ライトは老人の夜間使用に適用する。
円盤状ライトは形状が偏平で、コンパクトで、円形平面の表面での発光が均一でグレアがなく、ケース温度は通常環境温度より10℃ほど高く、12ボルトの安全な低電圧であり、全体電流が1000ミリアンペア未満で、寿命が長く、照明器具の寿命が40000時間である。これらの特徴を持っているため、室内照明に幅広く応用することができる。
LED円盤状ライトでは、4.6Wで直径が190ミリメートルの円盤状ライトの場合、距離が400-500ミリメートルである場合の照度は900Luxで、距離が1Mである場合の照度は195Luxである。
光線は白熱灯とほぼ同じで、光色が良く、グレアがなく、光色が均一で、ちらつかなく、使用寿命が長い。
LED円盤状ライトは省エネ型ライトとして、消費電力が通常の白熱灯の十分の一であるが、白熱灯と同様な照度を実現することができる。
LED円盤状ライトは構造が簡単で、使用が便利で、運輸が安全で、採用した材料が環境に優しく、再利用可能などの特長を持っており、人々の生活、仕事、学習に利便性を提供し、高効率で省エネの目的を達成することができる。
等断面の三角プリズムを備える円形反射板の立体図である。 等断面の三角プリズムを備える円形反射板を有する円盤状ライトの立体図である。 等断面の三角プリズムを有する円盤状ライトの断面図である。 等断面の三角プリズムを有する円盤状ライトのA部拡大図である。 第1例の円盤状ライトに係る正面図で、放熱板を取り除いた部分を表すものである。 図3aのA-A線に沿った断面図で、当該円盤状ライトのプリズム面のプリズム体の設計構造の一例及び発光ダイオードの照射による光路解析を表すものである。 第2例の円盤状ライトに係る正面図で、放熱板を取り除いた部分を表すものである。 図4aのA-A線に沿った断面図で、当該円盤状ライトのプリズム面のプリズム体の設計の他の例及び発光ダイオードの照射による光路解析を表すものである。 第3例の円盤状ライトに係る正面図で、放熱板を取り除いた部分を表すものである。 図5aのA-A線に沿った断面図で、当該円盤状ライトのプリズム面のプリズム体の設計構造の他の例及び発光ダイオードの照射による光路解析を表すものである。 図3bの円盤状ライトの中心軸線の片側における各三角プリズム体の径方向におけるピッチ並びに隣接した三角形の頂点の連結線と水平線とが形成した夾角を示すものである。 図6のA部拡大図で、プリズム体の受光臨界面が直角三角形の斜辺で、プリズムの法線と45度で交差することを表すものである。 図4bの円盤状ライトの中心軸線の片側における各三角形プリズム体の径方向におけるピッチ並びに隣接した三角形の頂点の連結線と水平線とが形成した夾角を示すものである。 図8のB部拡大図で、プリズム体の受光臨界面が直角三角形の斜辺で、プリズムの法線と45度で交差することを表すものである。 図5bの円盤状ライトの中心軸線の片側における各三角形プリズム体の径方向におけるピッチ並びに隣接した三角形の頂点の連結線と水平線とが形成した夾角を示すものである。 図10のC部拡大図で、プリズム体の受光臨界面が直角三角形の斜辺で、プリズムの法線と45度で交差することを表すものである。 本発明に係る4Wの円盤状ライトと60Wの白熱灯との0〜1.5メートルの距離範囲における照度の対比グラフである。 本発明に係る4Wの円盤状ライトと60Wの白熱灯との1.5〜3メートルの距離範囲における照度の対比グラフである。 本発明に係る二種類の異なる形状の等断面の三角プリズムを有する4Wの円盤状ライトの0〜1.5メートル範囲における照度の対比グラフである。 本発明に係る二種類の異なる形状の等断面の三角プリズムを有する4Wの円盤状ライトの1.5〜3メートル範囲における照度の対比グラフである。 本発明に係る円盤状ライトをシーリングライトに作製した円盤状照明器具である。 スクリューソケットを有する円盤状照明器具の断面図である。 スクリューソケットを有する円盤状照明器具の上面図である。
図1aから図2bに示されたのは本発明の第一実施例に係る等断面の三角マイクロプリズムを備える円形反射板である。反射板1のプリズム面11と言われる一方の表面には、対称中心OO′から同心リング状の微柱プリズム体111が複数設けてある。各微柱プリズム体111の横断面は、直角三角形と非直角三角形とを含む三角形である。前記複数の三角形は鋸歯状に連続して分布されており、且つ断面同士が同じで等しく、対称中心に隣接した左右二つの三角形の頂点から反射板の平滑表面12と言われる他方の面までの垂直距離が最も短く、三角形の頂点から反射板の他方の表面までの垂直距離が左右両側へ順次逓増し（中心平面又は中心軸線の両側は対称的なものなので、当該垂直距離は左側の半分を例とする）、各三角形の長手方向におけるピッチが等しく、夫々δである。このように、三角プリズム体全体の幅は2n×δであり、そのうち、nは対称中心平面の片側における同心リング状の三角プリズム体の数である。また、本発明では、反射板において、平坦な平滑表面12及び鋸歯状の三角形のプリズム面11という既に設定された二つの面を有するほかに、平滑表面12に近い三角形の頂点を繋ぎ、平滑表面12から離れた隣接した三角形の頂点を繋ぐことにより、中心軸の左側の半分を例として、二本の直線又はそれが位置した二つの平面が得られる。前記二本の直線は平滑表面12に対して傾斜なものであるが、相互に平行である。当該二本の直線はA、H点で反射板の断面の中心軸線OO′と交差しており、AN、HMとされ、反射板の平滑表面12と夾角αを形成しており、αが45度未満である。本発明では、円形反射板は例えばポリカーボネイトなどの透明なプラスチックで作製されている。
また、設計の需要により、本出願では臨界辺の概念を導入している。即ち、鋸歯状に分布されている三角形の頂点から平滑平面までの距離が順次逓減する方向において、各三角形の右側の辺及び左側の辺の一つが臨界辺と称され、当該臨界辺の延長線がプリズム面に相対する平滑平面と交差しており、法線と夾角を形成しており、この夾角の範囲が40度〜90度である。
本発明では、前記異なる等断面の三角プリズムを備える反射板と、放熱フレームと、ライト本体とを用いて円盤状ライトを作製する場合に発光ダイオードの照射により生じる反射及び屈折について下記の通り説明する。
図1a及び図1bに示された本発明の円盤状ライトは、円形反射板1と、複数のライト本体2と、放熱フレーム3とを備える。反射板1は、中心軸線OO′に最も遠いリング状の微柱プリズム体の外側に更に外へ延伸する縁部113が残っており、当該縁部113の外周面に一部の円柱面114が残っている。前記円柱面114の下部における、平滑表面12に隣接した箇所にはリング状のフランジ115が設けてある。
図2aに示されるように、前記放熱フレーム3は、一つの中央通し穴を有する盤面31と盤面の周囲に位置するリング状盤縁部32とを備える。放熱フレーム3は、盤面の通し穴の縁部が反射板の平滑表面側の縁部113に重なるように反射板に装着されており、盤縁部32の内周壁の下部を介して反射板のフランジ115に相対して当接しており、内周壁の他の部分と反射板の円柱面114との間に隙間を形成して、中心軸線OO′と同軸のリング状の溝、即ちライト溝14を形成するように構成してある。また、前記放熱フレーム3の盤縁部32の外周壁に間隔が均一で、径方向に突出するリング状放熱リブ33が複数設けてあり、その間の空間で放熱溝27が形成してあることは好ましい。また、良好な放熱効果を確保するために、放熱フレーム3はアルミニウム合金材料で形成される。
好ましい実施例では、放熱フレーム3はアルミニウム合金製の独立部品であり、その外周壁に放熱リブ33′が設けてあり、反射板に装着された場合に、その内周壁の下部が反射板のフランジ115に相対して当接し、内周壁の他の部分と反射板の円柱面114との間に隙間を形成して、中心軸線OO′と同軸のリング状の凹溝を構成するように形成してある。放熱リング32′もアルミニウム合金材料で作製されたものである。
前記ライト本体2は発光ダイオードLED、電球、電極管又は予め作製された複数の発光ダイオードライトユニットであり、夫々リング状ライト溝14に取り付けられている。前記発光ダイオードは出射平面がプリズム面における各断面三角形の頂点の連結線と交差して、90−αの夾角を形成するように構成してある。
本実施例では、ライト本体2は予め作製された発光ダイオードユニットを採用した。当該ユニットは、複数の発光ダイオード表面実装部品21と、電気抵抗と、配線基板22とから構成されるリング状のライトユニットであり、複数の発光ダイオード表面実装部品21が均一な間隔で配線基板22に配置されており、且つ当該ライトユニットが配線基板の曲がりに合わせて円環状に曲げられ、前記ライト溝14に設置又ははめ込まれており、発光ダイオード表面実装部品21の出射平面をライト溝14の反射板の円柱面114に密着させ、反射板の各断面三角形の頂点の連結線と交差して90−αの夾角を形成するように構成してある。
ライト溝14に取り付けられた前記LED発光ダイオード表面実装部品（発光ダイオードと総称する）21が出射した光線は、主軸が反射板の平滑表面12に平行な光束であり、前記反射板1の中心軸線の片側にｎ個の等断面の三角プリズム体がある場合、各LED発光ダイオード表面実装部品21の面積が面積Aであり、該面積Aはプリズム体111の数と同じくn等分にされる。提供されたトータルの光子エネルギーをEとすれば、各等分面積にはE/A/nの充分な光子エネルギーが分配され、プリズム面11の各プリズム体111に均一な光線を照射することを確保することができる。本発明に使われたLED発光ダイオード表面実装部品は低出力ダイオードであり、一つのLED発光ダイオード表面実装部品には、複数のチップを設置することができる。このようなマルチチップのLED発光ダイオード表面実装部品はマトリックス状で一列に配列され、円盤状ライトのライト溝14に取り付けられる。
ここで、数式で等断面の三角プリズムの光学構造特徴を表す。二本の直線AN、HMと平滑表面とが形成した夾角αは、A、M点で平滑表面の平行線変換を行うことにより（夾角αを）得ることができる。通常、前記夾角αは10度未満である。前記二本の平行直線はAKとMEであり、図2に示された通りである。平行線AKの場合、中心軸の片側のプリズム体の１番目の断面三角形FCAは直角不等辺三角形で、F点（隣接した三角形の頂点）から平行線に向けて作った垂線はFBであり、当該垂線FBは当該直角三角形の直角辺の一つであり、h1で示し、２〜n番目の隣接した三角形の頂点から前記と同じ方式で平行直線AKに向けて垂線を作って、一連の直角辺h2、h3……hn-1、hnが得られる。従って、h1、h2、h3……hn-1、hnは対称中心軸からの片側の1〜n番目の三角形の前記頂点の垂直距離を表す。BAは一つの断面三角形の平行直線AKにおける一部であり、もう一つの直角辺でもあり、且つ、断面三角形の長手方向におけるピッチδに等しい。従って、計算式tgα＝ＦＢ／ＡＢ（即ちtgα＝ａ／ｎ×δ）から、中心軸の片側の1番目の直角三角形に隣接した三角形の頂点から平行直線AKまでの垂直距離h1を求めることができ、FB＝h1，BA＝δなので、h1=δ×tgα。同様に、２〜n番目の直角三角形に隣接した三角形の頂点から平行直線AKまでの垂直距離h2、h3……hn-1、hnを求めることができる。中心軸の片側のn番目の三角形において、tgα＝hn ／ｎ×δ、hnがn番目の隣接した断面三角形の頂点から平行線AKまでの垂直線であり、Hが発光ダイオード表面実装部品の高さ又は直径である場合、発光ダイオード表面実装部品を設計するときに、その高さ方向において出射した光線の主軸通路とする隣接した三角形の頂点の垂直距離を通って各三角形の受光臨界面に照射して十分な光子エネルギーを提供することを確保するために、通常hn =Hを満たすものとする。
図3a、図4a、図5aに示された円盤状ライトには、二つの配線端子29がさらに設けてある。反射板1は、ライト溝の外側に位置する縁部13の端面に夫々一つの差込口が設けてある。前記配線端子29が夫々差込口に取り付けられており、リード線を介してストリップ状のライトユニット2の導線と電気的に接続される。これにより、配線端子29で外部の給電電源を接続することができる。実際に、図3〜図5は各種の円盤状ライトの中心対称形式の等断面三角形設計について説明するためのものである。まず、図3a及び図3bに示された第1例の円盤状ライトでは、等断面の三角形は45度三角形であり、中心軸線OO′の左右両側に位置する二列の三角形は、夫々外側に向いた垂直の直角辺（LED光線はそこからプリズムに入射される辺又は面）15と、夫々内側に向いた斜辺とを有している。これらの斜辺は発光ダイオードの照射方向(LED光軸)に向いたものか、光に面するものであるため、臨界辺（臨界面）又は受光臨界辺（受光臨界面）16と定義される。当該等断面の三角プリズムを備える反射板において、各直角三角プリズム体の法線が受光臨界辺の延長線と45度で交差している。
図4a及び図4bに示された第2例の円盤状ライトでは、等断面三角形は直角不等辺三角形であり、その中心軸線OO′の左右両側に位置する二列の直角三角形は夫々内側及び外側に向いた二本の直角辺17、18を有している。そのうち、外側に向いた、つまりLED光線がそこからプリズムに入射される辺又は面は入射直角辺17と定義され、内側に向いた直角辺は発光ダイオードの照射方向(LED光軸)に向いているため、臨界辺又は受光臨界辺18と定義される。当該等断面の直角不等辺三角プリズムを備える反射板において、各直角三角プリズム体の法線Fが受光臨界辺18の延長線と45度で交差している。
図5a及び図5bに示された第3例の円盤状ライトでは、等断面三角形は非直角三角形であり、中心平面又は中心軸線OO′の左右両側に位置する二列の三角形は夫々内側及び外側に向いた二本の長さが異なる三角形辺19、24を有している。これらの外側に向いた短辺は発光ダイオードの照射方向に向いているため、臨界辺又は受光臨界辺24と定義される。当該等断面の三角プリズムを備える反射板において、各三角プリズム体の法線Fが受光臨界辺24の延長線と45度で交差している。
図3〜図5に基づいて、前記円盤状ライトがどのように指向性照明を実現したかが分かる。当該等断面の三角プリズムを備える反射板において、各三角プリズム体の法線が受光臨界辺の延長線と45度で交差しており、発光ダイオード表面実装部品の照射により、等断面の三角プリズム体を有する円盤状ライトから発生されるのは、当該円盤状ライトの平滑表面12の法線Fと平行な光線cである。
前記の様々な等断面の三角プリズムを備える反射板で作製された円盤状ライトは、平滑表面から一定角度で出射する光線を形成し、集合させて指向性照明を実現することができる。つまり、発光ダイオードLEDを取り付けた等断面の三角プリズムを備える反射板から出射した光線がプリズム平面の法線と一定の夾角を形成し、これらの出射光線の集合により指向性照明が構成される。図3〜図6の何れか一つの等断面の三角プリズムを備える円盤状ライトは、平滑表面の法線と指向性夾角を形成する光線を発生させることができる。つまり、発光ダイオード表面実装部品21又はマルチチップのLED表面実装部品は夫々スポット光源の方式でn個の等断面の三角プリズム体に光を出射することができる。受光臨界辺及び平滑表面による反射及び屈折により、夫々ストリップ状の出射光が形成される。複数の発光ダイオード表面実装部品のストリップ状の出射光は配列及び集合により、平面全体に密に散布されて高い照度の面照射光が形成される。これは本発明に係る円盤状ライトが通常の白熱灯に取って代わる主なメカニズムである。
図6から図11に示された三つの等断面の三角プリズムを有する円盤状ライトの共通点は、受光臨界面又は臨界辺の延長線16、18、24が全て平滑表面12の法線と45度の夾角を形成し、且つ平滑表面の法線と平行な出射光を発生させる、ということである。分析によると、図中で採用した等断面の三角プリズムの受光臨界面の延長線とプリズムの平滑表面の法線との夾角は45度である。これは三つの等断面の三角プリズムを有する円盤状ライトの共通の特性である。図3、図4と図5に示されたように、これらの円盤状ライトにより発生される光は平滑表面の法線と平行である。
図8はプリズム体の部分拡大図で、同図に示された三角プリズムでは、一方の垂直面又は辺OM（15）は、LED光線がここからプリズムに入射される直角辺であり、各直角三角形が長手方向におけるピッチは夫々δ1である。図10に示された直角三角プリズムでは、LED光線が直角面又は辺OM’（17）からプリズムに入射され、各直角三角形が長手方向におけるピッチは夫々δ2である。図11に示された三角プリズムでは、LED光線が直角面又は辺OM’’からプリズムに入射され、各直角三角形が長手方向におけるピッチは夫々δ3である。ここで注意すべきなのは、これらのプリズム体の中で、直角三角形にしても非直角三角形にしても、等断面の三角プリズムの同じ面積を確保した状況で、同じ幅の反射板において、図7に示された反射板の各三角形の長手方向における距離δ1は最も短くて小さいものであり、図11に示された反射板の各三角形の長手方向における距離δ3は最も長くて大きいものであり、図9に示された反射板の各直角三角形の長手方向における距離δ2はδ1とδ3との間にある。前述ように、図7に示された反射板に設けられる三角プリズムリングの数が多いが、図11に示された反射板に設けられる三角プリズムリングの数が少ない。同様に、同じ幅の反射板において、三角プリズムリングが多ければ多いほど、出射する光が多く、光線が強くなる。逆に三角プリズムリングが少なければ少ないほど、出射する光が少なく、光線が弱くなる。
図3b、図4b，図5bに示されたように、LED表面実装部品21がライト溝14内で精確に位置決めされている。LED発光ダイオード表面実装部品の光軸は円盤状ライトの平面と平行である。LED表面実装部品により出射された平行光線は順次並べた三角プリズムの臨界点部に照射し、全反射が発生して、プリズムの平滑表面から透過し、平面の法線と平行な指向性照明が形成される。
本発明で採用したのは低出力、小電流のLED表面実装部品である。LED発光ダイオードのPN接合は80%の稼働電流の場合に熱が発生するため、LEDの長時間稼働を確保するために、低い温度でPN接合に稼働させる必要があるので、PN接合で発生した熱を速やかに取り除く必要がある。我々は反射板ライト溝外側方向の相対縁部（この縁部はちょうど照明器具の縁部枠でもある）に熱伝導率が高いアルミニウム合金を採用し、縁部に放熱溝27を有するアルミニウム合金放熱フレーム3を設けることで、良好な熱伝導性能が維持される。
図1a、図2a及び図16に示された本発明の他の実施例に係る円盤状ライトは、円形反射板1、複数のライト本体2、放熱フレーム3のほかに、放熱板4及び/又は反射バックシート5を有している。前記放熱板4は、蓋のような円形板である。前記放熱板4は、その上面に間隔が均一な、同心のリング状放熱リブ41が複数設けてあり、その縁部と放熱フレームの盤縁部との結合により、ネジ6を介して接続して反射板を覆うように構成してあることが好ましい。放熱板4のリング状放熱リブ41はライト本体2から放散された熱を伝導するものであり、空気の対流を促進して熱を円心から周辺に放散させるように、リング状の放熱リブ41の間に放熱槽が形成してある。また、放熱板4の各リング状の放熱リブ41には均一に分布した若干の欠け411が開設してある。外部への熱放散を確保するために、これらの欠けが整然と配列され、当該放熱板がアルミニウム合金材料で作製されることは好ましい。前記反射バックシート5は反射板とほぼ同じ寸法で、プラスチック、紙又は金属材料で作製され、反射板1と放熱板4との間に挟まれている。
図12と図13に示されるのは異なる距離範囲における本発明に係る4Wの円盤状ライトと60Wの白熱灯との照度対比グラフであり、そのうち、黒い点と黒い連結線とで示したのは4Wの円盤状ライトの一定の距離範囲における照度であり、灰黒色の点と灰黒色の連結線とで示したのは60Wの白熱灯の一定の距離範囲における照度であり、且つ4Wの円盤状ライトの等断面の三角プリズム体の頂角は45度（図3に示された形式）である。二者に対する測定結果によると、0.3から1.5メートルの距離で、4Wの円盤状ライトの照度は1350Lux〜70Lux程度であり、60Wの白熱灯の同じ距離における照度は800Luxから70Lux以下に下がり、1.5から3メートルの距離で、4Wの円盤状ライトの照度は60Lux〜20Lux程度であり、60Wの白熱灯の照度は30Lux〜10Luxである。このように、本発明に係るLEDを取り付けた等断面の三角プリズムを有する指向性円盤状ライトは優れた照度を提供することができ、特に円盤状ライトから3メートル離れた場所でも照度が40Luxに達することができるため、新しい照明器具として照明分野に適用され、白熱灯に取って代わることができる。また、節電、明るい、放熱量が少ない、構造が合理的で、便利などのメリットを持っている。
図14と図15に示されたのは、本発明における二種類の形状が異なる等断面の三角プリズムを有する4Wの円盤状ライトの0.3〜1.5メートル及び1.5メートル〜3メートルの距離範囲における照度対比グラフである。そのうち、黒い点と黒い連結線とで示したのは、等断面の三角プリズム体の頂角が45度である反射板で作製された4Wの円盤状ライト（図3に示された形式）の一定の距離範囲における照度であり、灰黒色の点と灰黒色の連結線とで示したのは、等断面の三角プリズム体の頂角が90度である反射板で作製された4Wの円盤状ライト（図4に示された形式）の一定の距離範囲における照度である。
同じ出力で、LEDを取り付けた等断面の三角プリズムを有する円盤状ライトの、プリズム体の頂角が45度である場合とプリズム体の頂角が90度である場合との照度を対比すると、以下のことが明らかになる。図14及び図15のグラフによると、頂角が45度である円盤状ライトは、頂角が90度である円盤状ライトより照度が高く、特に1.5メートルから3メートル範囲における照度グラフから分かるように、4Wの等断面の三角プリズムを有する円盤状ライトについて、頂角が45度である場合は頂角が90度である場合より照度がほぼ2倍である。これは、4Wの等断面の三角プリズムを有する円盤状ライトは、頂角が45度である場合における臨界面の数が、頂角が90度である場合よりちょうど2倍だからである。つまり、本発明の円盤状ライトに係る光学設計構想における理念は正しいことを証明した。
図16から分かるように、本発明に係る円盤状ライトは他の電球又は蛍光灯のように、ソケット、ブラケット、装飾シェード、電源駆動装置の定電流源を配置することにより、様々な用途の円盤状ライトを作製することができる。このような円盤状照明器具は、製品の構造が簡約で、指向性照明器具の直径が50〜500mmである。ここで、本発明に係る円盤状照明器具の実施例は、円盤状ライトでシーリングライトを作製されている。この場合、前記放熱板4と、反射バックシート5と、反射板1との中心には、一つの中心取り付け穴が設けてある。円盤状ライトを吊り天井又は平天井に取り付ける前に、天井に一つの穴を開設しておき、当該穴にネジ穴付の鋼帯を支持部材として詰め、更にネジを円盤状ライトの取り付け穴に通して鋼帯のネジ穴に螺合することで、円盤状ライトを天井に設置することができる。それから、円盤状ライトの配線端子29を介して外部の電源オン／オフ用の電源駆動装置の定電流源に接続することにより、円盤状ライトの発光ダイオード表面実装部品、即ちLED発光ストリップ状ライトを点灯し、出射された光線を前述のように各プリズム体に通して平滑表面で照明光線を形成することができる。他の実施例では、本発明に係る円盤状ライトは、例えば図17に示されたスクリューソケット付の円盤状ライトのような、止め具又はスクリュー（螺旋）ソケットを備える省エネライトとされる。当該円盤状照明器具は、反射板1と、複数のライト本体2と、放熱フレーム3と、放熱板4′と、反射バックシート5と、スクリューソケット7と、電源駆動装置の定電流源8とを有している。図17a及び図17bから分かるように、当該円盤状ライトの基本部品の一部は前記実施例と同じであるが、放熱板4′だけが図16の放熱板4と異なって、円錐状の蓋であり、円錐の上部が平面で、円錐面に放射状の放熱リブ41′が設けてある。前記スクリューソケット7は円錐上部の平面に取り付けられている。前記放熱板4′は、反射板1と反射バックシート5とを覆った後、その縁部と放熱フレーム3の円盤縁部とをネジ（図示せず）で接続することにより、放熱板4′及び放熱フレーム3を相対して結合させる。同時に、放熱板4′と反射バックシート5との間に円錐形の空間が形成され、ブラケット（図示せず）を介して電源駆動装置の定電流源8が取り付けられ、後者の入力側がスクリューソケット7に接続され、出力側がLED発光ストリップ状ライトのライト本体2の配線端子29（図示せず）に接続される。そうすると、円盤状ライトはスクリューソケット7を介して商用電源に接続されているソケットにねじ込むことで直接に点灯される。

Claims (20)

  1. プリズム面といわれる一方の表面に、中心軸線から径方向に複数の同心のリング状微柱プリズム体が設けてあり、中心軸線を通した垂直な断面における各リング状微柱プリズム体の横断面が三角形で、鋸歯状に連続して分布されている等断面の三角マイクロプリズムを備える指向性円形反射板であって、
    前記三角形は夫々、形状が同じで、断面積が等しく、断面三角形の頂点から円形反射板の平滑表面といわれる他方の表面までの距離は、中心軸線に最も近いリング状微柱プリズム体の方が最も短く、左右両側の反射板の周辺へ向けて順次逓増し、各リング状微柱プリズム体の断面三角形の頂点の径方向における連結線は二本の傾斜した直線となり、円形反射板の中心軸線と一つの点で交差し、円形反射板の平滑表面と夾角αを形成し、αが45度未満であり、各断面三角形は径方向における距離又はピッチが等しいことを特徴とする等断面の三角マイクロプリズムを備える指向性円形反射板。
  2. 前記鋸歯状に連続して分布されている断面三角形は、その頂点から平滑平面までの距離が順次逓減する方向における各三角形の右側又は左側の辺が臨界辺と呼ばれ、該臨界辺の延長線がプリズム面に相対する平滑平面と交差し、法線と夾角を形成し、該夾角の範囲が40度から90度の間であることを特徴とする請求項１に記載された円盤状ライト。
  3. 前記夾角αが10度未満であることを特徴とする請求項１に記載された円形反射板。
  4. 中心軸線に最も遠いリング状微柱プリズム体の外側には、円柱面に囲まれている縁部を有し、前記円柱面には、平滑表面に隣接する箇所にフランジが設けてあることを特徴とする請求項１に記載された円形反射板。
  5. 前記断面三角形が直角三角形又は非直角三角形であることを特徴とする請求項１に記載された円形反射板。
  6. 前記円形反射板が透明なプラスチックで形成されていることを特徴とする請求項１に記載された円形反射板。
  7. 前記透明なプラスチックはポリカーボネイトであることを特徴とする請求項５に記載された円形反射板。
  8. 円形反射板を有する円盤状ライトであって、反射板と、放熱フレームと、複数のライト本体とを備え、前記放熱フレームは、中央通し穴を有する盤面と、盤面の周囲に位置するリング状の盤縁部とを備え、中央通し穴が形成された盤面の縁部が反射板の平滑表面の縁部に重なるように反射板に装着されており、盤縁部の内周壁の下部が反射板のフランジに相対して当接するとともに、内周壁の他の部分と反射板の円柱面との間で隙間を形成して中心軸線と同軸の凹溝タイプのリング状ライト溝を形成するように構成してあり、
    前記ライト本体は、発光ダイオードLED、電球、電極管又は予め作製された複数の発光ダイオードライトユニットであり、夫々にリング状ライト溝に取り付けられており、前記発光ダイオードの出射平面がプリズム面における各断面三角形の頂点の連結線と交差して、90−αの夾角を形成するように構成してあることを特徴とする円盤状ライト。
  9. 放熱板を備え、該放熱板は、円形の板であり、上面に、間隔が均一な同心のリング状放熱リブが板面と垂直に複数設けてあり、縁部と放熱フレームの盤縁部との結合により反射板を覆うように構成してあることを特徴とする請求項７に記載された円盤状ライト。
  10. 前記放熱板の各リング状放熱リブには、均一に分布した欠けが設けてあり、これらの欠けが径方向に揃っており、前記放熱板がアルミニウム合金材料で形成されることを特徴とする請求項９に記載された円盤状ライト。
  11. 反射バックシートを備え、該反射バックシートは、寸法が反射板と略等しく、プラスチック、紙又は金属材料から選ばれた何れかの材料で形成され、反射板と放熱板との間に挟まれていることを特徴とする請求項7に記載された円盤状ライト。
  12. 前記ライト本体は、予め作製されたリング状のライトユニットであり、複数の発光ダイオード表面実装部品と、電気抵抗と、配線基板とを有し、且つ、該ライトユニットは、円環状に曲げられて前記ライト溝内に設置又ははめ込まれており、ライト溝内の発光ダイオードの出射平面をライト溝の反射板円柱面に密着させるとともに、反射板の各断面三角形の頂点の連結線と90−αの夾角で交差するように構成してあることを特徴とする請求項７に記載された円盤状ライト。
  13. 前記放熱フレームの盤縁部及び放熱リングの外周壁に、間隔が均一な、径方向に突出したリング状放熱リブが数本設けてあることを特徴とする請求項７又は８に記載された円盤状ライト。
  14. 前記三角プリズム体の発光ダイオードの照射方向に向いた各断面三角形の辺又は光に面する辺は受光臨界辺とされ、断面三角形の中心軸線に面した臨界辺であり、各断面三角形の受光臨界辺が位置したリング状面は受光臨界面とされ、臨界辺の延長線がプリズム面の平滑平面と交差し、法線と40度〜90度の範囲の夾角を形成するように構成してあることを特徴とする請求項７に記載された円盤状ライト。
  15. 前記発光ダイオードにより出射された光線は、主軸が円形反射板の平滑表面と平行になるとともに、中心軸線に向いた光束であり、前記円形反射板の中心軸線の片側に等断面の三角プリズム体がn個ある場合、各発光ダイオードLEDの発光平面の面積が面積Aであり、該発光平面の面積Aがプリズム体の数量と同じくn等分にされ、提供されるトータルの光子エネルギーがEとすれば、各等分面積にE/A/nの十分な光子エネルギーが分配され、発光ダイオードにより出射された光線が、径方向に沿って、中心軸線の方向における何れかの断面三角形の受光臨界辺又は三角プリズム体の受光臨界面に均一に照射されることを特徴とする請求項７、１１、１４の何れか一つに記載された円盤状ライト。
  16. 前記発光ダイオード及びLED表面実装部品は、夫々低出力、小電流のダイオード及びチップであり、一つのLED表面実装部品には複数のチップが設置可能であることを特徴とする請求項７に記載された円盤状ライト。
  17. 配線端子を備え、前記円形反射板は、一側のライト溝内側に位置する縁部に差込口が設けてあり、前記配線端子は差込口に取り付けられており、リード線を介してリング状ライトユニットの導線に電気的に接続されるように構成してあることを特徴とする請求項７又は１２に記載された円盤状ライト。
  18. 前記放熱フレーム及び放熱板は、アルミニウム合金材料で形成されることを特徴とする請求項７から９の何れか一つに記載された円盤状ライト。
  19. 前記放熱板、反射バックシート及び反射板の中心に中心取り付け穴が設けてあることを特徴とする請求項７、９、１１の何れか一つに記載された円盤状ライト。
  20. スクリューソケットと電源駆動装置の定電流源とを備え、前記放熱板は円錐形であり、円錐の上部が平面であり、円錐面に放射状の放熱リブが設けてあり、前記スクリューソケットは円錐上部の平面に取り付けられており、前記電源駆動装置の定電流源は、放熱板と反射バックシートとの間の空間に取り付けられた場合、入力側がスクリューソケットに接続され、出力側がLED発光ストリップ状ライトの配線端子に接続されていることを特徴とする請求項７、９、１１の何れか一つに記載された円盤状ライト。
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