JP3678744B2 - 日光照明用の形作られたフィルム及びその使用方法 - Google Patents

Description

この発明は、形作られたフィルムと、形作られたフィルムを屋根窓及び天窓に使用して天然光でもって建物の内部を照明するためのシステムとに関するものである。
倉庫、店舗及び工場のような、多数の大規模な一階建の実業的な建物は、建物内に日光を取り入れるために、屋根に天窓を有している。屋根中の単純な透明窓である天窓は、入射光の大部分を建物内へ透過させるが、かかる照明は直射日光であって、非常に不均一であり、ぎらつきを生じさせ、たいていは受け入れがたいものである。
普通の形式の天窓は、例えばしばしばピッチ化された形状を備えている半透明プラスチックシートなどといった単純な光散乱体、例えばナチュラライト（Naturalite）という商品名で商業的に普及している製品である。これらは安価ではあるが、２つの欠点がある。すなわち、第１に透過光が３０％程度しかなく、その他の光は吸収されるか又は散乱して大空に戻されてしまう。第２には、建物に入る光の散乱角度（広がり角度）が非常に広く、それを必要とするところに向けることができない。
他の形式の天窓は、屋根窓構造内に設けられて邪魔板又は壁からの散乱反射によるものであり、例えばオカソーラ（Okasolar）という商品名で商業的に普及している製品である。これでも、光散乱部材が建物内への透光性をきびしく制限する。
建物内へ日光を取り入れるための、これに代わるシステムを提供することが本発明の目的である。
本発明の１つの態様によれば、複数のネガティブフレネルレンズ（nagative Frensnel lens）を形成している形作られた表面を有する透明なフィルムが提供される。
形作られたフィルムは、半透明な光散乱体を超える利点を有している。なぜなら、光をそれを必要とするところに正確に向けることができるからであり、かつ吸収又は散乱によるロスが無視小だからである。部分的な（フレネル）反射によるロス、及び全反射して大空に戻る光によるロスが存在するが、これらは適切な設計により最小限にすることができる。
夫々、入射光を散乱させて（広げて）同一の領域を照明するように設計されている複数のフレネルレンズを有する形作られたフィルムを提供することにより、従来の設計でなしえたものよりもさらに、昼間の時間帯全体にわたって、より均一でぎらつきのない照明を行うことが可能となることが見出された。形作られたフィルムの上には、夫々実質的に同一の領域を照明する多数のフレネルレンズが存在することが好ましい。かかるレンズは、好ましくは１５cm以下、好ましくは１０cm以下の幅でもって平行に並んで直線状に配置されてもよい。このような直線状のフィルムは、東西に並んだ窓に使用するのが適切である。一般的には、フレネルレンズは行列（matrix）状に配置され、各レンズは１５cm以下の、好ましくは１０cm以下の幅及び長さを有している。レンズは所望のどのような形状としてもよいが、隣接しているレンズと密着してまとめられるようにするのが好ましく、長方形、六角形、好ましくは正方形であるのが便利である。レンズの形状は、照明領域の形状を決定する。
本発明によれば、建物内に、透光性が高くかつ所定の床領域の上にかなり均一でぎらつきのない照明を行う、屋根窓と形作られたフィルムとの組み合わせを設計することが可能となる。該設計は、日射が比較的暗くかつ大空中での高度が低い朝、夕方及び冬を含む広範囲な状況下で有効である。どちらかといえば、直射日光下（曇っていない）における性能が、曇った状況下におけるそれよりも優先される。
本発明の仕様については３つの要素が存在する。
１．利用できる日光の量を決定する、屋根中の外窓の形状及び向き。
２．光を散乱させる形作られたフィルム。
３．光を床に向ける反射器システム。
２つの類型の広い仕様が存在する。
１．まず窓の上に、光を散乱させる形作られたフィルムがあり、次にそれを床に向ける反射器があるもの。
２．透明な窓があり、次に光を形作られたフィルムに案内する反射器があるものであり、これは光の散乱（拡大）が最後に行われることを意味する。
原則として、類型２の仕様はより良好な性能をもち、他方類型１の仕様は材料使用量が少なく構築が単純で、このため比較的安価でより実用的である。
いくつかの角度で、大きな全反射ロスをもたらすことなく光を散乱させる（広げる）とともに方向を直すフィルムを設計することは困難である。もし入射角の範囲が小さければそれは実行可能であるが、これは直射日光の実際的な状況に対しては当てはまらない。提案された仕様においては、フィルムは、光の方向に正味の変化を生じさせることなく光を散乱させるようにもくろまれているだけであり、光の方向直しは、別体の反射器によって実施される。
本発明にかかる、形作られたフィルムには３つのタイプがある。
１．光を１次元的にのみライン中に散乱させる直線的なもの（リニアタイプのもの）。
２．レンズの切子面が同心状に配置され、光を２次元的に、例えば円形又は正方形の領域中に散乱させる放射状のもの（ラジアルタイプのもの）。
３．２つの直線的なフィルムがプリズム方向が垂直となるように接触している２交差式の直線的なもの（２交差リニアタイプのもの）。
直線的な光散乱部材は、建物の東西の幅と交差して伸びる長い屋根窓に用いられることができる。この場合、光を東西に散乱させる必要はなく、南北の散乱だけが必要とされる。放射状又は交差式の直線的な光散乱部材は、東西方向に仕切られた屋根窓に使用されなければならない。
光学上の用語においては、提案された構造はネガティブフレネルレンズである。直線的なフィルムは円柱レンズと等価であり、放射状フィルムは球レンズと等価である。
理論的にはポジティブレンズ（positive lens）も用いられることができるが、それらは太陽の焦点像である「ホットスポット(hot spot)」を生じさせ、これは発火性及び安全性における危険を招くので、このようなレンズは好ましくない。ある種のネガティブ構造もまたホットスポットを生じさせるが、フィルムの仕様は、この問題を回避するために修正されることができる。フィルムの性能は、この要求によっていく分かは低下させられるが、安全性の見地からはホットスポットを除去することが望まれる。
かくして、本発明は添付の図面を参照しつつ説明されるであろう。
ここにおいて、図１は、フレネルレンズを透過して床領域を照明している光線の経路を示す図である。
図２は、フレネルレンズの切子面を透過した光線の経路を示す図である。
図３は、本発明にかかる形作られたフィルムの一部を示す図である。
図４は、本発明用のフレネルレンズの構造を示す断面図である。
図５及び図６は、本発明にかかる屋根窓の断面図及び平面図である。
図７（ａ）及び（ｂ）は、夫々、低太陽角及び高太陽角における光線の経路を示す、本発明にかかる第２の屋根窓仕様の断面図である。
図８（ａ）〜（ｃ）は、本発明にかかるもう１つの屋根窓仕様の南正面図、東正面図及び下面平面図である。
フレネルレンズの切子面角は床上の均一な照明に対する要求、照明されるべき床領域及び床の上方のレンズの高さによって決定される。ここにおいて、レンズの構造は、鮮明な像をつくるように構成される普通のフレネルレンズとは異なる。
図１に示すように、もしフレネルレンズ（２）が、中心からコーナー部までの距離がｄである床上の正方形の領域の上に光を散乱させなければならない、ｍ個の幅の等しい切子面を有していれば、切子面ｎは中心軸（６）から距離がｘである床上の点に光を向けなければならない。ここでｘは次式により与えられる。
ｘ＝ｎｄ／ｍ
これは、直線的な及び放射状の両レンズに当てはまる。
この関係式の根拠は、直線的なレンズについては単純である。すなわち、同一幅の切子面は、均一な照明を得るために、床上の同一幅の帯状領域に供給されなければならない同一量のパワー(power)を受け入れる。正方形の放射状のレンズについては、状況はさらに複雑化されるが、同一の結果に至る。環状の各切子面は、床上の等価な環状領域にパワーを供給しなければならない。切子面の半径が大きくなるのにつれて、切子面の面積もまた大きくなり、このため外側の切子面ほどより大きいパワーを受け入れる。しかしながら、各切子面によって照明されなければならない領域もまた同じ割合で大きくなり、このため床上の単位面積当たりのパワーは一定値にとどまる。これは、正方形のレンズの外周によって切り取られ完全な環状部とはなっていない最も外側の切子面についてさえも当てはまる。これらの切子面が照明する床上の環状部は同様に切り取られている。
これは、放射状のレンズの輪郭は直線的なレンズの場合と正確に同一であるべきであるという驚くべき結論を導く。放射状のレンズは、直線的なレンズを単純に回転させただけのものである（床上の照明される領域の形状はレンズの形状と同一であり、この場合は正方形である。）。
切子面の幅は同一である必要はない。上の式は単純に次のように修正される。
ｘ＝ｒｄ／Ｒ
ここにおいて、ｒは切子面の半径であり、Ｒはレンズの中心からコーナー部までの半径である。
図２は、フレネルレンズの切子面を透過している光線の概略図である。レンズ（２）は、切子面（８）と立上り部（１０）と平坦面（１２）とを有している。
射出角φは、床上の位置ｘによって決定される（図１参照）。
Tanφ＝ｘ／（屋根の高さ）
レンズ表面におけるスネルの法則
１．切子面表面について
Sinθ＝ｎSin（θ−β）
ここにおいて、ｎはレンズの屈折率である。
これは次のように組み換えられてもよい。
Tanθ＝ｎSinβ／（ｎCosβ−１）
２．平坦面表面について
ｎSinβ＝Sinφ
各切子面に対しては、手順は次のとおりである。
１．ｘ及び屋根の高さの情報からφを求める。
２．Sinφ／ｎからSinβを求める。
３．切子面角を計算する。Tanθ＝ｎSinβ／（ｎCosβ−１）
かくして、本発明にかかるフレネルレンズは、夫々鉛直な入射光が角度φだけ偏向させられるような角度に設定される切子面を含む。ここでTanφは切子面半径に対して直線的に変化する。
光透過を最大にするための最適な立上り角はフィルムに対して垂直である場合であろう。しかしながら、全反射して立上り部を去る光は、この後レンズの向こうで焦点を結び受け入れがたいホットスポットを形成するであろう。いくらかの光が常に全反射して立上り部を去るので、このホットスポットを完全に除去することはできない。しかしながら、安全なレベルまで光の強さが低減されるようにそれを散乱させることは可能である。
各立上り部の角度は、鉛直な入射光に対する材料内部での光線と平行となるように設定される（図１及び図２参照）。かくして、鉛直な入射光に対しては、光は全反射して立上り部を去ることはなくなる。鉛直でない光線に対しては、全反射による焦点はレンズの向こうで散乱させられる。実験により、透過光中に可視的な輝点がまだ存在するが、それらは、レンズの平坦な側部に非常に弱いランダムな波状部を付け加えることによって除去することができるということが証明された。
特定のレンズの受入角は、透過光が７０％よりも低下する入射角で定義されるが、散乱角（広がり角）に依存するであろう。散乱角が高ければ高いほど、全反射される光が増加することになるより急勾配の切子面が必要となる。受入角はまた、光の散乱は鉛直から遠ざかるほど不均一化するといった事実によっても制約されるかもしれない。
図１に示された散乱レンズの横断面は、直線的なレンズをつくるためには紙面と直角な方向に移され、放射状のレンズをつくるためには軸回りに回転させられるであろう。かくして、放射状のものは正方形となるように切断され、レンズが行列状に組み立てられることが可能となるであろう。窓に単一のレンズを用いることも可能であるが、個々の放射状のレンズを該レンズが配置される窓よりもずっと小さくした上で、多数のレンズを用いるようにするのが一層好ましい。
図３は、複数の同心状の切子面（３）を含んでいる２つの隣あった放射状のレンズを示している。
模範的な放射状のレンズは、４インチ四方の正方形で厚さが０.１インチであり、２３３個の溝部を有しており、散乱角（広がり角）が±４０°であり、受入角が３５°であり、そしてアクリル系合成樹脂、ポリカルボネート樹脂等でつくられている。
製造上の理由により、フレネルレンズは、本体部に一定の深さの溝を切り刻むことによってつくるのが最も容易であるが、溝部の幅にもまた実際上の上限がある。それゆえ、切子面が浅い角度となるレンズ中央部では、切子面の幅が例えば、０.０３インチで一定値に保たれ、そしてその深さは増加することが許される（図４中の領域ａ）。溝部の深さが最大値に達してしまう地点より向う側では（例えば、０.００８インチ）、切子面は一定の深さであり、そして幅が変化することができる（図４中の領域ｂ）。レンズの先端のコーナー部では、溝部の幅は例えばおよそ０.００８インチまで低下する。
フィルムの最善の向き・配置は、２つの理由により、プリズムを太陽に向けたものである。
１．プリズム側及び平坦面側の両方で光の曲折が生じる。もし、平坦面側が太陽に面していれば、それは散乱に貢献しないであろう。
２．透過性が比較的高い。太陽に向かう平坦面側では、より多くの光が全反射されて大空に戻る。
窓の形状及び向きは、任意の特定の時刻及び日付において、システムに対してどれだけの光が入射されて役立てられるかを決定する。
散乱フィルムの受入角は太陽が、少なくとも１つの窓の受入角円錐の外側に目立つほどはこないことを確実にするように考慮されなければならない。もし、窓が外側にガラスはめ部を有していれば、これもまた一つの要因となる。すなわち、二重構造のガラスはめ部透過性は６０°よりも大きい入射角に対しては急速に低下する。
放射状のフィルムの受入角は３５°程度であり、このため各窓は±３５°又はトータルで７０°の範囲をカバーすることができる。太陽の角度は、１日の全過程にわたっては１８０°よりも広い範囲に変化することができるので、常時建物内に良好な透過光を与えるためには、少なくとも３つの窓（南向きのものと、南から東側へ７０°傾いたものと、南から西側へ７０°傾いたもの）が必要とされる。東又は西に面した窓は、昼間の始めと終わりにおける太陽光の低さを補償するために、南に面した窓よりも大きい開口を備えるべきである。また、昼間の始めと終わりとでは大空での太陽高度が低いので、東又は西向きの窓はまた南向きの窓よりも立ち上がっているべきである。緯度が４０°のところでは、南向きの窓は天頂からおよそ４０°の地点を向くべきであり、東又は西向きの窓は天頂から６０°の地点を向くべきである。これらの方向は、太陽の上昇範囲の概ね中間である。４つの窓を備えた仕様はより良好な性能を有しており、自然に東又は西の方向をより大きく強調するが、存在することができる窓の数には制限はない。窓の数が増えるほど、屋根窓の形状はより滑らかな曲線状となるが、窓枠による影もより多くなる。究極的には、屋根窓は単一の曲線状の窓と、同様の曲線状となった反射器とを備えることができる。東又は西を向いたより大きな開口に対する要求のため、最良の形状は半球ではなくむしろ東又は西向きのより長いアーム部を備えた半楕円である。もう１つの可能性は、東側又は西側にまっすぐな伸長部を備えた、南端部における半円である。
窓の後の反射器は、建物の内部にどのような構造物をも設けずにすむようにしつつ、光を概ね鉛直方向に向け直さなければならない。光を正確には鉛直方向に変えない現状下での仕様においては、４５°程度の角度が用いられる。平均的には、光は鉛直方向よりもいく分北側の床に当たる。これは、屋根窓が屋根の開口部の最南端にあり、光線が北向きに床に当たるための自由空間を残しているが南向きには残していないためである。このようにして光の屈曲を低減する利点は、反射器に当たらなければならない光が少なくなり透過性が高まるということである。もし、屋根窓が屋根の開口部の中央部にあれば、反射器の角度は、光をより鉛直方向に送るために調整されなければならないであろう。反射器の領域を最小限にし、そして窓から見える表面が反射器及び床のみとなることを確実にするためには、反射器ができるだけ窓に近づくことが重要である。同じ理由により、窓は高くて狭くなるよりは低くて広くなるべきである。
図６及び図５は、北緯４０°用の仕様の屋根窓の上面及び横断面を示している。この屋根窓は屋根の開口部中で８フィート四方の正方形をなし（Ａ＝Ｂ＝８フィート）、東窓（２０）、西窓（２２）及び夫々１５０°の方向と２１０°の方向とを向いている中間窓（２４、２６）の４つの窓を含んでいる。これらの中間窓は水平な屋根（２８）に対して４０°の角度に向けられ、東窓又は西窓は６０°の角度に向けられている。窓の角度は、通常は１０°〜９０°（鉛直）の範囲内で変えることができる。
各窓（２０、２２、２４、２６）は、対応する反射器（夫々３０、３２、３４、３６）を有している。反射器は、水平面に対して４５°の角度で配置され、そして反射性の材料を含んでいてもよい。適切な材料は、適切な基板によって指示された、研磨されたアルミニウムシート又は箔を含む。
形作られたフィルム（３８）は各窓に配置され、日光に向かって存在する形作られた表面を備えていて、窓の全領域にわたって伸びている。図５は、窓を透過し、そしておよそ２４フィート四方の正方形である広い正方形領域の上に向いた光を生じさせる、形作られたフィルムによって散乱させられた日光の光線経路を示している。形作られたフィルムによって散乱させられた光の一部は、反射器（３０）によって方向を向け直されている。
形作られたフィルムは、各々が１辺およそ４インチの正方形の形状をもつフレネルレンズの配列を含んでいる。各レンズは、実質的に同一の２４フィート四方の正方形の床領域の上に光を向けるであろう（あるレンズの次のレンズに対する軽微な変位により、この床領域の周辺には重要ではない変化が生じるであろう）。入射角の違いにより、反射器によって反射される光の量は変化するであろう。各窓は、昼間の時刻に依存する異なる量の日光を受け入れるであろう。
もし、反射器が散乱フィルムの前にくれば、フィルムに当たる光が実質的に鉛直方向となり、かつ常に３５°の受入角内にあることを確実にすることがそれらの役目となる。これは、低角度及び中角度の太陽に対して異なる角度をもつ少なくとも２つの反射器を用いることによって成し遂げられる。反射器の角度をおよそ１５°及び３０°とすれば、これが成し遂げられるであろう。高角度の太陽光線は、直接散乱フィルムに当たる。屋根窓の側部は（すなわち、南向きの屋根窓の場合は東又は西の側部）、窓とは直角な方向からはずれた角度でやってくる光に対処するために、同様に角度付けられかつ反射性とされなければならない。かくして、反射器は４番目の側部に窓を伴った、３側面をもつ箱形となる。
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、光が、形作られたフィルムによって散乱させられる前に反射されることができるようになっている上記に代わるもう１つの仕様の屋根窓の断面を示している。図７（ａ）及び図７（ｂ）において、同一の参照番号は、図５及び図６中における同一部分を示すために用いられている。
反射器は、２つの部分（３０ａ、３０ｂ）で形成され、そして入射光を、屋根の開口部の下方において水平に配置されている形作られたフィルム（３８）の方へ反射させるように設定されている。反射器の断面（３０ａ）は鉛直方向に対して３０°の角度に向けられ、そして断面（３０ｂ）は鉛直方向に対して１５°の角度に向けられている。形作られたフィルムの上に入射光を反射させるために、配置される反射器の数はいくつでもよい。反射器は、光を収束させて望ましくないホットスポットを形成するであろうから、曲面状にはしないのが好ましいというべきである。反射器の角度は、通常、上側の反射器は鉛直方向に対して５〜６０°の範囲で、そして下側の反射器は鉛直方向に対して０〜４５°の範囲で変えることができる。
図７（ａ）は、低角度の入射日光の光線経路を示しており、ここにおいては光は反射器から形作られたフィルム（３８）の方へ反射され、そしてこの後散乱させられて床領域を照明する。図７（ｂ）は、太陽が高角度にあるときの光線経路を示しており、この場合においては光は窓を直接透過して形作られたフィルムに至る。
図７の仕様においては、南、東及び西に面しているユニットを１つの屋根窓の中に一体化することは比較的困難である。あらゆる太陽の位置に対して良好な性能を与えるためには、曲線的に丸く配置されることができる完全に別体のユニットを備えることが必要である。
図８（ａ）〜図８（ｃ）は、窓の上にまず形作られたフィルムが用いられ、次に反射器が用いられるように設計されているもう１つの屋根窓の、南正面図、東正面図及び下面平面図である。

Claims (5)

1. 複数のネガティブフレネルレンズを形成している１つの形作られた表面を有している透明なフィルムであって、
   上記フィルムに対して鉛直方向に入射した光が上記フィルムから出射する際の上記フィルムの法線に対する出射角をφとしたとき、
   ｔａｎφが、上記レンズを構成する各切子面の中心からの距離に比例して直線的に変化するように上記切子面の角度が設定されていることを特徴とするフィルム。
2. 交差した直線的なフレネルレンズの平行配列を含んでいる、請求項１に記載のフィルム。
3. 各フレネルレンズが１５ｃｍよりも大きくない幅を有している、請求項１又は２に記載のフィルム。
4. 放射状のフレネルレンズの配列を含んでいる、請求項１に記載のフィルム。
5. 各レンズが正方形である、請求項４に記載のフィルム。

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