JP2013068751A - フレネルレンズおよび照明器具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】プリズム4の高さをh、プリズムの頂点部の半径をr、フレネルレンズ1の光学機能を有する有効径をD、有効径Dの範囲に含まれるプリズムの数をNとする。この場合以下の式(1)で示されるkの値を0.04〜0.38とする。これによって、フレネルレンズの入射光に対する出射光の比率を示す射出効率を必要十分な状態に維持できる。さらに、金型の製造が容易で、かつ、成形されたフレネルレンズの離型が容易になる。また成形されたフレネルレンズの品質を安定させることができる。
【選択図】図1
Description
図15は、この前照灯の主要部の概略を示す断面図である。
前照灯は、従来、レンズ保持部101、光源取付部102、リフレクタ保持部103を備えるベース部104と、プロジェクタレンズとしての非球面レンズ106と、光源107と、リフレクタ108とを備えている。
この前照灯では、光源107からの光が、リフレクタ108で反射され、この反射光がリフレクタ108により主に上下方向に集光された後に拡散する状態で非球面レンズ106に入射し、入射した光が非球面レンズ106で方向を変換されて所定の投光範囲を照らすように出射される。
光が入射する第1の面と、光が出射する第2の面とを有し、
前記第2の面に、複数個のプリズムが形成され、
前記プリズムは、プリズム面と、分割面と、これらプリズム面および分割面をつなげる円弧状の頂点部とから断面が略三角形状に形成され、
前記頂点部の円弧の半径をr、前記プリズムの高さをh、レンズ有効径をD、レンズ有効径Dの範囲に含まれるプリズムの数をNとした場合、
前記rを以下の式(1)で示すものとし、
かつ、前記式(1)におけるkの値が0.04〜0.38であることを特徴とする。
すなわち、プリズムの断面円弧状の頂点部の半径rの上限を設ける事によって、成形上は十分な生産性が確保できるにも関わらず、過剰に大きいr寸法としてしまうことでのフレネルレンズの光学特性の劣化を防止し、下限を設ける事で転写不足や離型によるレンズの破損や変形を防止する。
また、上記式(1)によれば、プリズムの断面円弧状の頂点部の半径rは、プリズム各々に決められるものではなく、プリズム全ての頂点に共通するものとして一つのr寸法が定められる。そのため、金型加工途中で加工工具を交換したり、複雑な加工を行う必要が無いので、容易に精度良く金型加工することができる。
入射光量に対する出射光量の比である射出効率を考えると、分割数を多くすれば、各プリズムのプリズム面の断面を直線としても、フレネル化される前の元のレンズの光学機能面に各プリズムのプリズム面を合わせた形状が元の光学機能面により近似していくことになるので、基本的には、レンズの光学特性が向上するはずであるが、各プリズムが基本的に小さくなる(高さが低くなる)ことから、プリズムの頂点部分を円弧状にする場合に、分割数に関わらず頂点部の円弧の半径rを同じとすると、この半径rのプリズムの高さに対する割合が大きくなり、これにより各プリズム面の光学特性は悪化する。この場合に、分割数を増やすことによるメリットよりも、分割数を増やすことで、円弧状の頂点部分が増えることにより光学特性が悪化するデメリットの方が大きくなる虞がある。これらのことからプリズムの数を増やした場合には、上述の半径rを小さくすることが好ましい。
前記分割面の前記逃げ角は、
光源から入射した光のうちの前記隣り合うプリズムの前記プリズム面と前記分割面とから構成される谷の最深部に至る光の方向に、当該谷を構成する当該分割面がほぼ沿うように設定されていてもよい。
このような照明器具には、例えば、車両用前照灯(ヘッドランプ、ホグランプ等)、交通信号灯、スポットライト、ダウンライト、白熱灯、蛍光灯などが含まれる。
前記rを以下の式(1)で示すものとし、かつ、前記式(1)におけるkの値を0.04〜0.38にするものとしてもよい。
図1から図4に示すように、本発明の実施の形態に係るフレネルレンズ1は、光が入射する第1の面2と、光が出射する第2の面3とを有し、第2の面3に同心円状に複数個のプリズム4を形成したものである。なお、図2は、図1(b)のフレネルレンズ1の中心からレンズ有効径D(光が入射されてレンズとして機能する範囲の径)部分の外縁部分までの拡大図であり、図3は図2の内径側の拡大図であり、図4は図2の外径側の拡大図である。
また、ベース10のプリズム4が形成されていないレンズ有効径Dの外側となる部分がフランジ部11とされ、フレネルレンズ1の取付等に利用される。
また、上述のように各プリズム4の高さを略一定にした場合は、高さhは各プリズム4で共通になるが、各プリズム4で高さが異なっている場合がある際には、高さhを平均値としてもよい。なお、ここでの高さは、プリズムの頂点にRを付ける前の設計上の高さであり、プリズム4の断面を見た場合に、プリズム面となる辺の延長線と、分割面となる辺の延長線とが交差する交点位置がプリズム4の設計上の仮想の頂点であり、底辺から設計上の仮想の頂点までの距離が高さhである。
一方、フレネルレンズの光学特性、特に照明用途に用いた場合に、入射光に対する出射光の割合である射出効率を高くする上では、半径rが小さい方が好ましい。
どの形状の場合においても、プリズム4の頂点部7は肉薄であるため、少しの外力で変形を起こしやすい。また、アスペクト比が大きいほどプリズム4の先端(頂点部7)は肉薄となり、外力に対してより変形しやすくなる。この変形は、頂点部にRを設けることにより、肉薄部分を減少させ、抑制できる。
また、離型時の成形品姿勢の安定及び内側輪帯と外側輪帯の離型タイミングのずれによる離型の遅れる部分の変形防止のためには、輪帯にRを形成した後の各輪帯の高さが揃っているのが好ましい。成型品の全輪帯の内周側の谷部分の最低高さを基準として、Rが設けられた各輪帯の高さの平均をh’とした場合、Rが設けられた各輪帯の高さはh’の±10%以内であるのが望ましい。
図7に示すように元のレンズ形状を分割した垂直面である分割面6に食いつく力が生じるため、これにより離型がし難くなる。フレネルレンズ1とフレネルレンズ12の場合で比較すると、分割面6の面積はほとんど変わらない。分割数で比較した場合、分割数が多い方が分割面6の面積は若干増加する傾向ではあるが、さほど大きな違いは無い。プリズム頂点部にRを設けた場合、金型に食いつく部分の面積はR寸法の大きさに比例して減少するので、離型が容易になるが、その減少率はプリズムの分割数によって異なる。プリズム頂点のR寸法が同じであれば、プリズム分割数が多いほど、金型に食いつく部分の面積減少率が大きくなる。従って、プリズム分割数が多いほど、プリズム頂点のR寸法を小さくしても同等の離型し易さとすることができる。
「離型によるプリズム4の頂点7付近の変形」については、アスペクト比が大きいほど、先端が薄肉となるから変形しやすい。フレネルレンズの形状についてはフレネルレンズ12の形状では変形が起きやすい。
「離型による全体的な歪みや破損」については、プリズム頂点にRを付けることで金型に食いつく面積が減少して離型し易くなる。金型に食いつく面積はレンズ形状による差はほとんどないが、分割数が多い程、Rを付けたことによる効果が大きくなる。
前者の方法によれば、プリズム4に対応する金型40の凹部のrの違い毎の複数工程(あるいはバイト交換)にまたがるために、輪帯間の位置を精度よく保てなくなる虞がある。
また、上述の金型40の製造の問題を考慮して、プリズム4の個々にRの形状(半径r)を変えるので無く、プリズム4の全てを一様なRとするために、アスペクト比は、代表値として平均のアスペクト比を採用する。
そのためその補正分として分割数Nを式中に取り入れるものとした。検討の結果、(1/√N)とするのが現実に即している。
断面形状でみてプリズム4の頂点部7に設けられる円弧は真円の円弧に限定されるものではなく、例えば断面形状が円に対する近似多角形も含むものであり、同様の効果が期待できる。
また、kと平均アスペクト比の積としてrの範囲を定義することで十分生産可能な歩留りとすることができる。kと平均アスペクト比の積として最大rを定義することで、歩留り向上に寄与しない無駄に大きなrを付けることが無く、射出効率も確保できる。
また、成形品としてのフレネルレンズ1,12,13を離型する際には、上述のように固定金型に対して可動金型が移動する。この際に、図7に示すように、他方の金型から離れ、一方の金型40に保持された成形品としてのフレネルレンズ1,12,13の離型方向と上述の可動金型の移動方向とが同じになり、かつ前記光軸方向に沿ったものになる。金型40に対してフレネルレンズ1、12,13の離型方向に分割面6が沿っていると、離型時に分割面6と金型内面とが接触した状態で離型されることになり、プリズム4の先端部分の変形の要因になる。また、上述の食い付きにより離型が難しくなるとともに、フレネルレンズ1,12,13の破損等の要因になる。
X1=X0+(h×tan(sin-1(sin(tan-1(X0/B))/n)))・・・(2)
また、レンズ径を80mmより大きくすると、レンズ中心部からのエジェクタピン距離が長くなり過ぎて、たわみ変形が起きやすくなる。
第1面にARコートを設けた場合に、第1面で入射光が反射するのを防止して、光の射出効率を向上することができる。
また、第2面側にARコートを施した場合には、上述の多重反射を防止し、光の射出効率を向上することができる。
上述の4層のARコートを用いた場合には、例えば、ARコートが無い場合の反射率が4%程度だった場合に、3%程度改善して、反射率を1%程度に抑えることが可能になる。これにより、例えば分割数を増やしたい場合、十分な製造マージンを確保しようとすると射出効率が低下してしまうが、ARコートを用いることにより射出効率を改善できる。
また、ARコートには、単一波長用のARコートもあるが、ここでは、上述のように単一波長ではなく、白色光が用いられるので、可視光領域に対応するARコートが用いられることになる。
また、プリズム面5を曲線状とする際に、例えば、非球面形状等に対応した曲線とすることにより、光の射出効率を向上することができる。
射出成形において、二つの金型によりフレネルレンズ1が成形される。二つの金型の一方が固定金型で、他方が可動金型となっている。離型時には、固定金型に対して可動金型を離れるように移動させることになる。
キャビティ41の内面を、上述のフレネルレンズ1のプリズム4に対応する形状とすることで、溝42の最深部が尖った形状ではなく、プリズム4の頂点部7の円弧に対応した曲面となることで、金型の製造が容易になっている。また、金型の形状を上述ようにフレネルレンズ1に対応する形状とすることで、フレネルレンズ1の離型が容易になるとともに、フレネルレンズ1の品質を高効率の状態で安定させることができる。
フレネルレンズ1の射出成形は、上述のキャビティ41を備えた可動金型およびそれに対応する固定金型を用いて行われる。
固定金型および可動金型を閉じた状態で、射出ノズルから射出された樹脂がスプル−、ランナー、ゲートを介してキャビティ41に内に注入される。
この際に、フレネルレンズ1が例えば非球面レンズ等と比較して薄いので、温度の低下が速く、離型までにかかる時間を短縮することができる。
フレネルレンズ1としては、表1に示すように、プリズム(輪帯)の数Nが21,42,63のものを製造した。
プリズムが形成されるレンズ有効径Dはφ30mm、取付フランジを含むレンズ全体の径はφ37mmとした。
プリズム形状部分を除いたベースの厚みは2mmとした。プリズムは、図5(a)に記載のフレネルレンズ1に示されるような、設計上のプリズムの高さhが一定の形状とするタイプとした。設計上のプリズムの高さは、プリズムの数Nが21のレンズでは0.4mm、Nが42のレンズでは0.2mm、Nが63のレンズでは0.134mmとした。プリズムを含む最大の厚みは、ベースの厚みとプリズムの高さhを足したものとなり、2.4mm〜2.134mmとなる。また、プリズムの分割面には、前述したように谷の最深部9に至る光線の方向に沿うように逃げ角を設定した。
レンズの材料としてはメタクリル樹脂(PMMA、一般にアクリル樹脂とも呼ばれる)を用いた。
それぞれのプリズムの数Nに対して表4から6に示すように、k値を4段階に変えたフレネルレンズを製造した。(実際には金型製作の便宜上から、プリズム頂点部の半径r寸法が0mm、0.01mm、0.03mm、0.05mmとなるように設定した。)
なお、kの値が0のフレネルレンズ1と、非球面レンズのデータは比較例となるものである。製品良品率は、製造されたフレネルレンズ1から不良品を覗いた後の良品の数を、製造されたフレネルレンズ1の全部の数で除算して求めたものである。
射出効率と、製品良品率の結果を表4〜表6と図13〜図15のグラフに示す。
図13〜図15において、図13のP21がプリズム数Nが21のフレネルレンズ1の射出効率を示し、図14のP42がプリズム数Nが42のフレネルレンズ1の射出効率を示し、図15のP63がプリズム数Nが63のフレネルレンズ1の射出効率を示すものである。また、各図においてUが製品良品率を示すものである。
尚、表4〜表6と図13〜図15の頂点r寸法が0mmの場合の射出効率は、前述の通り成形品が離型出来ず測定が出来なかったため、シミュレーションによる結果を記載してある。頂点r寸法が0.01mm、0.03mm、0.05mmの場合には、シミュレーションの結果と測定の結果は一致しており、測定値を記載している。
2 第1の面
3 第2の面
4 プリズム
5 プリズム面
6 分割面
7 頂点部
8 谷
9 最深部
12 フレネルレンズ
13 フレネルレンズ
20 点光源(光源)
h プリズムの高さ
L 谷野最深部に至る光の方向
Claims (14)
- kの上限値がk=0.5553e-0.02N以下であることを特徴とする請求項1に記載のフレネルレンズ。
- 前記各プリズムは、同心円状または同心の楕円状に形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のフレネルレンズ。
- 前記プリズムの前記分割面には、逃げ角が設けられ、
前記分割面の前記逃げ角は、
光源から入射した光のうちの前記隣り合うプリズムの前記プリズム面と前記分割面とから構成される谷の最深部に至る光の方向に、当該谷を構成する当該分割面がほぼ沿うように設定されていていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のフレネルレンズ。 - 各プリズムの高さhが、当該高さhの平均に対してプラス・マイナス10%以内に設定されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のフレネルレンズ。
- レンズ径が20mm〜80mmであることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のフレネルレンズ。
- 前記プリズムは、前記プリズム面および前記分割面の断面形状が直線または曲線であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のフレネルレンズ。
- 前記各プリズムは、高さが略同一であり、前記プリズム面の傾斜角に対応して底面の幅が異なることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のフレネルレンズ。
- レンズ有効径の最大厚みは、0.5〜4mmであることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のフレネルレンズ。
- 前記第1の面および第2の面の少なくともいずれか一方に、反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載のフレネルレンズ。
- 請求項1から請求項10のいずれか1項に記載のフレネルレンズを備えていることを特徴とする照明器具。
- 光源がLEDであることを特徴とする請求項11に記載の照明器具。
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