JP6094623B2 - 照明器具用フレネルレンズおよびそれを有する照明器具 - Google Patents

Description

この発明は、照明器具用のフレネルレンズに関し、特に、ＬＥＤを光源とするスポットライト等の照明器具に用いられるフレネルレンズに関する。

照明器具に用いられるフレネルレンズの先行技術として、特許文献１に記載されたフレネルレンズおよび特許文献２に記載されたレンズ部材を例示することができる。
特許文献１に記載のフレネルレンズは、板状のレンズ部材の上面の中心部に集光性の屈折型フレネルレンズ部を設け、下面の外周部に集光性の反射型フレネルレンズ部を設けた構成を有する。

特許文献２に記載のレンズ部材は、特許文献１に記載のフレネルレンズを改良したもので、反射型フレネルレンズ部からレンズ部材に入射した光を上面の屈折型フレネルレンズ部へ導くことにより、フレネルレンズの口径の拡大を抑えつつ光源からの出射光の受入角を拡げる構成が提案がされている。

特許第４２９３８５７号公報 特許第５０７８４１９号公報

最近の照明器具は、低電力で寿命の長いＬＥＤを光源とするものが一般的になっている。ＬＥＤを光源とした場合、当該光源が出射する光を効率良くかつ所望の照射方向へ出射するための改良されたレンズが望まれる。
フレネルレンズは、レンズの表面上に凹凸形状を設け、通常のレンズと同じ機能を持ちながら薄くて軽いというメリットを有している。このため、特許文献１や特許文献２に記載されているような照明器具用のフレネルレンズが各種提案されている。

ところで、ＬＥＤを光源とする照明器具においては、より高光量の照明器具とすることが求められており、かかる要求を満たすためにはフレネルレンズにも種々の工夫が必要である。
この発明は、かかる背景のもとになされたもので、光源からの光の利用効率を高めるように改良された照明器具用フレネルレンズを提供することを主たる目的とする。

また、この発明は、フレネルレンズを通して出射される光が、広角度に拡散せず、所定の方向に出射するように工夫されたスポットライトに好適なフレネルレンズを提供することを他の目的とする。

上記の課題を解決するための請求項１記載の発明は、一方面が出射面とされ、他方面が入射面とされており、前記出射面の中心部に、中心から外方へ向かって複数段に形成された屈折型の凸レンズ面と、前記入射面の中心部の外側に、内方から外方へ向かって複数段に形成された反射型レンズ面とを有する板状レンズ部材を備え、前記複数段に形成された凸レンズ面のうち中央位置の凸レンズ面は、他のすべての凸レンズ面に比べて、光の出射方向と直交する水平面に対する起立角度が大きくされていることを特徴とする、照明器具用フレネルレンズである。

請求項２記載の発明は、前記反射型レンズ面で反射されてレンズ部材内を透過し前記出射面の中心部の外側から出射される光は、中心光軸へ向かって傾斜する方向に出射され、前記凸レンズ面は、前記出射面の中心部の中央領域においては、中心光軸へ向かって傾斜した方向に光を出射し、前記中心部の外縁領域においては、前記中央領域が出射する方向よりも、中心光軸から離れる方向に光を出射することを特徴とする、請求項１に記載の照明器具用フレネルレンズである。
請求項３記載の発明は、前記中央位置の凸レンズ面の外側に位置する凸レンズ面は、その高さが、外方に向かって低くされていることを特徴とする、請求項１又は２のいずれかに記載の照明器具用フレネルレンズである。

請求項４記載の発明は、前記中央位置の凸レンズ面およびその内側に位置する凸レンズ面は、中心光軸へ向かって傾斜した方向に光軸が延びる光を出射し、前記中央位置の凸レンズ面の外側に位置する凸レンズ面は、中心光軸に沿って光軸が延びる光を出射することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明器具用フレネルレンズである。
請求項５記載の発明は、前記中央位置の凸レンズ面およびその内側に位置する凸レンズ面から出射する光は、中心光軸へ向かって３０°以下の傾斜を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明器具用フレネルレンズである。

請求項６記載の発明は、前記出射面の中心部に形成された複数段の前記凸レンズ面は、それぞれ、弧状の出射面を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明器具用フレネルレンズである。
請求項７記載の発明は、前記反射型レンズ面は、ＴＩＲ（全反射）レンズ面を含み、３段以上８段以下の段構成を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の照明器具用フレネルレンズである。

請求項８記載の発明は、前記複数段構成の反射型レンズ面のうち、内側に位置する反射型レンズ面による出射光は、前記中心光軸へ向かって傾斜した傾斜角が相対的に小さくされており、外側に位置する反射型レンズ面による出射光は、中心光軸へ向かって傾斜した傾斜角が相対的に大きくされていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の照明器具用フレネルレンズである。
請求項９記載の発明は、前記板状レンズ部材は、光源の光が前記入射面から入射して前記出射面の中心部に形成された複数段の凸レンズ面から出射される凸レンズの利用角度Φ１が、３３°以上４７°以下であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の照明器具用フレネルレンズである。

請求項１０記載の発明は、前記板状レンズ部材は、最外方の反射型レンズで反射されて出射される反射型レンズの利用角度Φ２が、６０°以上に設計されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の照明器具用フレネルレンズである。

請求項１１記載の発明は、光源としてのＬＥＤと、前記ＬＥＤの前方に前記板状レンズ部材の入射面の中央部が所定の間隔を隔てて対向するように配置された請求項１〜１０のいずれか一項に記載の照明器具用フレネルレンズと、を含むことを特徴とする照明器具である。

この発明によれば、板状レンズ部材の一方面を出射面とし、他方面を入射面として、出射面の中心部に屈折型の凸レンズを形成し、入射面の中心部の外側に反射型レンズを形成しているから、板状レンズ部材の両面を有効に活用して薄型でかつ口径の小さなフレネルレンズとすることができる。
また、複数段の凸レンズから出射される光は、中心部の中央領域においては中心光軸へ向かって傾斜した方向に光軸が延び、中心部の外縁領域においては中心光軸と平行に光軸が延びているから、出射面中心部の凸レンズから出射される光は、外方へ拡散せずに中心方向へ向かって、あるいは中心方向と平行に効率良く出射される。

さらに、入射面に形成された反射型レンズで反射されてレンズ部材を透過して出射面の中心部の外側から出射される光は、中心光軸へ向かって傾斜した方向に光軸が延びるように出射されるから、この光も外側へ拡散せず、中心方向へ効率良く出射される。
それにより、光の利用効率を高めて、高光量の照明器具を実現可能なフレネルレンズとすることができる。

図１は、この発明の一実施形態に係る照明器具用のフレネルレンズ１０の平面図である。 図２は、この発明の一実施形態に係る照明器具用のフレネルレンズ１０の底面図である。 図３は、図１に示すフレネルレンズ１０のＡ−Ａに沿う縦断面図である。 図４は、図３に示すフレネルレンズ１０の中央縦断面図の右半分を拡大して描いた図である。 図５は、フレネルレンズ１０が組み込まれた照明器具３０の一例を示す斜視図である。 図６は、この発明の他の実施形態に係る照明器具用のフレネルレンズ１００の斜視図である。

以下には、図面を参照して、この発明の一実施形態について具体的に説明をする。
図１は、この発明の一実施形態に係る照明器具用のフレネルレンズ１０の平面図であり、図２は、フレネルレンズ１０の底面図であり、図３は、図１に示すフレネルレンズ１０のＡ−Ａに沿う縦断面図である。
図１〜図３を参照して、フレネルレンズ１０は、平面視が円形をした円板状のレンズ部材１１を有している。レンズ部材１１の材質は、硝子や透明アクリル樹脂、ポリカーボネート等であり、その一方面（上面）が出射面１２とされ、その他方面（下面）が入射面１３とされている。

レンズ部材１１の出射面１２の中心部１４には、中心から外方へ向かって複数段（この実施形態では５段）の屈折型の凸レンズ１４０が形成されている。凸レンズ１４０は、レンズ部材１１の中心に対して同心円状に形成されている。
また、レンズ部材１１の入射面１３には、その外側部１５に、内方から外方へ向かって複数段（この実施形態では５段）の反射型レンズ１５０が形成されている。反射型レンズ１５０は、レンズ部材１１の中心に対して同心円状に形成されている。

なお、この明細書において、出射面１２、入射面１３の中心部１４とは、面の中心から面の端までの面領域における中心を含む約半分程度（特に限定しないが、４０〜７０％）の面領域をいう。また、外側部１５とは、面の中心から面の端までの面領域における中心部１４の外側の面領域、すなわち、全体の面領域から中心部１４に含まれる面領域を除いた残りの面領域をいう。

なお、図１および図２においては、それぞれ、出射面１２に形成された凸レンズ１４０の形状および入射面１３に形成された反射型レンズ１５０の形状のみが示されているが、レンズ部材１１は透明体であるから、実際には出射面１２側から見たときは入射面１３側の凹凸形状も、入射面１３側から見たときは出射面１２側の凹凸形状も視認できる。しかし、出射面１２側および入射面１３側から見た入射面１３側および出射面１２側に形成された各凹凸形状は、レンズ部材１１の屈折率の関係等で歪んで見えるので、図１および図２では、説明の便宜上、レンズ部材１１が透明体でないものとしてその出射面１２側の形状および入射面１３側の形状を示している。

図４は、図３に示すフレネルレンズ１０の中央縦断面図の右半分を拡大して描いた図で、説明の便宜のため、奥行（立体感）を付して描かれている。図４においては、薄墨を付した部分が、レンズ部材１１の切断面を表わしている。
図４を参照して、レンズ部材１１の出射面１２の中心部１４に形成された凸レンズ１４０は、同心円状に形成された５段の円（環）状凸レンズ１４ｅ，１４ｄ，１４ｃ，１４ａ，１４ｂを含んでいる。

そして、複数段の凸レンズ１４ｅ，１４ｄ，１４ｃ，１４ａ，１４ｂは、それぞれ、弧状の出射面１４１，１４２，１４３，１４４，１４５を有している。
この実施形態における特徴は、凸レンズ１４ｅ，１４ｄ，１４ｃの各弧状の出射面１４１，１４２，１４３から出射される光は、中心光軸（中心光軸とは、フレネルレンズ１０の中心を入射面１３から入射し、真っ直ぐ垂直上方に透過して出射面１２の中心から真っ直ぐ前方へ出射される光の進路（光軸）をいう。）Ｌ０へ向かって傾斜した方向に光軸が延びている。この場合の傾斜角度Φ１０は、Φ１０＝１５°になるように設計されている。

また、この実施形態では、同心円状に形成された５段構成の凸レンズ１４０のうち、中央に位置する凸レンズ１４ｃの有する出射面１４３は、他の凸レンズ１４ｅ，１４ｄ，１４ａ，１４ｂの有する出射面１４１，１４２，１４４，１４５に比べて、その起立角度（起立角度とは、出射方向に直交する水平面に対する角度をいう。）αが、大きくされている。

ここで「中央に位置する」とは、おおよそ、
（１）凸レンズ１４０の半径を２分する位置、または
（２）凸レンズ１４０の半径上で、利用角度Φ１の半分の角度に相当する位置、
をいう。
さらに、凸レンズ１４ｃの出射面１４３の起立角度αを大きくしたことにより、５段の中央に位置する凸レンズ１４ｃの高さ（レンズ部材１１の出射面１２における突出高さ）が、他の凸レンズ１４ｅ，１４ｄ，１４ａ，１４ｂに比べて最も高くなるように設計されている。

さらに、中央に位置する凸レンズ１４ｃの外側に位置する２つの凸レンズ１４ａ，１４ｂは、その高さが、外に向かって低くされている。よって、高さで３つの凸レンズを比較すると、凸レンズ１４ｃ＞凸レンズ１４ａ＞凸レンズ１４ｂとなっている。
また、出射面１２の中心部に形成された５段の凸レンズ１４０のうち、外側の凸レンズ１４ａ，１４ｂの出射面１４４，１４５から出射される光は、その光軸が中心光軸Ｌ０と平行に延びる光となるように設計されている。すなわち、凸レンズ１４ａ，１４ｂから出射される光の出射角Φ１１は、Φ１１＝０°に設計されている。

フレネルレンズ１０の入射面１３の下方の所定位置に光源ＬＳを配置した場合において、光源ＬＳの光が出射面１２に形成された複数段の凸レンズ１４０を透過して前方へ出射される角度、換言すれば、光源ＬＳからの出射光を凸レンズ１４０が利用できる角度範囲である凸レンズ１４０の利用角度Φ１は、この実施形態ではΦ１＝４０°に設計されている。

次に、入射面１３に形成された反射型レンズ１５０に関して説明をする。
反射型レンズ１５０は、レンズ部材１１の入射面１３の外側部１５に、内方から外方へ向かって複数段、具体的には５段に形成されている。５段の反射型レンズ１５０（１５１，１５２，１５３，１５４，１５５）は平面視で同心円状に配列形成されており、利用角は単レンズみなしで等間隔に形成されている。反射型レンズ１５０は、全て、ＴＩＲ（全反射）レンズとされている。従って、光源ＬＳからレンズ部材１１の入射面１３へ照射される光のうち、外側部１５に形成された反射型レンズ１５０へ到達する光は、反射型レンズ１５０（１５１，１５２，１５３，１５４，１５５）で全反射され、レンズ部材１１内を透過して、出射面１２の外側部１５から前方へ出射される。

この実施形態では、レンズ部材１１の出射面１２には、中心部１４に凸レンズ１４０が形成され、外側部１５は外方へ向かって傾斜した出射面１２０を構成している。この出射面１２０は、入射面１３側へ傾斜した下がり傾斜面となっていて、この実施形態では５°の下がり傾斜が付けられている。
出射面１２０に、下がり傾斜角度５°を付与することにより、出射面１２０を所望の屈折型凸レンズとして機能させることができ、所望の出射角で光を出射させることができる。なお、出射面１２０に付与する傾斜角度は、下がり傾斜で５°（−５°）に限定されるものではなく、±２０°程度以内の傾斜角としてもよい。

出射面１２０から出射される光は、中心光軸Ｌ０に対して中心光軸Ｌ０方向へ傾斜した光軸を有する光として出射される。より具体的には、反射型レンズ１５１，１５２で反射されて出射面１２０から前方へ出射される光は、中心光軸Ｌ０寄りに傾斜角度Φ２１＝２５°を有する出射光となる。また、反射型レンズ１５３，１５４，１５５で反射されて出射面１２０から出射される光は、中心光軸Ｌ０に対して傾斜角度Φ３１＝３５°の中心側へ傾斜した出射光となる。

以上のような構成であるから、レンズ部材１１の出射面１２から出射される光は、その中心部分で中心光軸Ｌ０側へ集束され、その周囲においては中心光軸と平行に出射され、さらにその外側においては中心光軸Ｌ０側に向かって集束される光として出射される。従って、このフレネルレンズ１０から出射される光は、外方へ広がって分散せず、所定の範囲内に集まるように照射されるから、当該フレネルレンズ１０を用いると、所定の範囲内に高光量の光を照射することができる。換言すれば、このフレネルレンズ１０は、スポットライト用のレンズとして好適なレンズということができる。

光源ＬＳの発する光が反射型レンズ１５０の最も外側のレンズ１５５で反射されて利用される範囲、すなわちフレネルレンズ１０の最大の利用角度Φ２は、Φ２＝７９．４°に設計されている。
さらに、図３に示すように、このフレネルレンズ１０は、全体の形状を見ると、その下面である入射面１３が、入射方向後方（光源）から見て、その中心部を中心に凹湾曲した全体形状を有している。このように、入射面１３全体が中心部を中心に凹湾曲した形状とすることにより、光源の熱が入射面中央部に集中するのを防ぐことができる。すなわち、光源から入射面中央部までの距離を、入射面を凹湾曲させることによって遠ざけることができるからである。

また、図４を参照して、反射型レンズ１５０による入射−反射半径距離の関係を説明しておくと、Ｌ１＝４ｍｍ（反射型レンズ１５１の入射−反射半径距離）、Ｌ２（反射型レンズ１５２，１５３，１５４，１５５の入射−反射半径距離）は、Ｌ２＝３．５ｍｍに設計されている。
さらに、この実施形態では、出射面１２の中心部１４に形成した凸レンズ１４０のうちの最外方の凸レンズ１４ｂと、外側部１５との境界部の段差にΦ４０＝３°の抜き勾配を形成している。このように抜き勾配を入れることにより、フレネルレンズ１０を成型時に、金型から抜く際の逆テーパーに起因する破壊を防ぐことができる。なお、抜き勾配を入れても、光が効率よく出射されるよう光学設計（各パラメータの調整）がされている。

図５は、照明器具用フレネルレンズ１０が組み込まれた照明器具３０の一例を示す斜視図である。照明器具３０は、ベース３１と、ベース３１から伸び出るアーム３２により保持されたランプ部３３とを有する。ランプ部３３は、短軸筒状をし、その一端面３４（図では右下側面）から光を照射する。一端面内には、上述したフレネルレンズ１０が配置されており、図示しないランプ部３３内に内蔵された図示しないＬＥＤ光源の出射光は、フレネルレンズ１０を通して一端面３４から右下方へ照射される。

ベース３１は、天井面や壁面等に固定されるが、アーム３２で保持されたランプ部３３は、その向きおよび角度を自在に可変できる。よって、ランプ部３３の一端面３４を所望の向き、角度に調整して、光を照射することができる。
この発明のフレネルレンズは、上記の実施例に限定されるものではなく、円板状のフレネルレンズ以外に、長方形板状のフレネルレンズにも適用することができる。

たとえば、図６に示すように、長方形板状レンズ部材１１０と、当該板状レンズ部材１１０の出射面１２側に形成された複数段の屈折型凸レンズ１４０と、当該板状レンズ部材１１０の入射面１３側に形成された複数段の反射型レンズ１５０とを有するフレネルレンズ１００として構成することも可能である。
このようなフレネルレンズ１００を用いると、直線状に等間隔で配列された複数個の光源としてのＬＥＤが発する光を、フレネルレンズ１００を通して一定幅で横に長い光として高効率に照射することができる。

その他、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。特に、実施形態において説明したレンズの入射角、出射角、利用角度、傾斜角度、入射−反射半径距離等の具体的な数値は一例にすぎない。この発明は、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。

１０，１００ フレネルレンズ
１１，１１０ レンズ部材
１２ 出射面
１３ 入射面
１４ 中心部
１５ 外側部
３０ 照明器具
１２０ 出射面
１４０，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ 凸レンズ
１５０，１５１，１５２，１５３，１５４，１５５ 反射型レンズ（ＴＩＲレンズ）
１４１，１４２，１４３，１４４，１４５ 弧状の出射面
Ｌ０ 中心光軸
ＬＳ 光源

Claims (11)

1. 一方面が出射面とされ、他方面が入射面とされており、前記出射面の中心部に、中心から外方へ向かって複数段に形成された屈折型の凸レンズ面と、前記入射面の中心部の外側に、内方から外方へ向かって複数段に形成された反射型レンズ面とを有する板状レンズ部材を備え、
   前記複数段に形成された凸レンズ面のうち中央位置の凸レンズ面は、他のすべての凸レンズ面に比べて、光の出射方向と直交する水平面に対する起立角度が大きくされていることを特徴とする、照明器具用フレネルレンズ。
2. 前記反射型レンズ面で反射されてレンズ部材内を透過し前記出射面の中心部の外側から出射される光は、中心光軸へ向かって傾斜する方向に出射され、
   前記凸レンズ面は、前記出射面の中心部の中央領域においては、中心光軸へ向かって傾斜した方向に光を出射し、前記中心部の外縁領域においては、前記中央領域が出射する方向よりも、中心光軸から離れる方向に光を出射することを特徴とする、請求項１に記載の照明器具用フレネルレンズ。
3. 前記中央位置の凸レンズ面の外側に位置する凸レンズ面は、その高さが、外方に向かって低くされていることを特徴とする、請求項１又は２のいずれかに記載の照明器具用フレネルレンズ。
4. 前記中央位置の凸レンズ面およびその内側に位置する凸レンズ面は、中心光軸へ向かって傾斜した方向に光軸が延びる光を出射し、
   前記中央位置の凸レンズ面の外側に位置する凸レンズ面は、中心光軸に沿って光軸が延びる光を出射することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明器具用フレネルレンズ。
5. 前記中央位置の凸レンズ面およびその内側に位置する凸レンズ面から出射する光は、中心光軸へ向かって３０°以下の傾斜を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明器具用フレネルレンズ。
6. 前記出射面の中心部に形成された複数段の前記凸レンズ面は、それぞれ、弧状の出射面を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明器具用フレネルレンズ。
7. 前記反射型レンズ面は、ＴＩＲ（全反射）レンズ面を含み、３段以上８段以下の段構成を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の照明器具用フレネルレンズ。
8. 前記複数段構成の反射型レンズ面のうち、内側に位置する反射型レンズ面による出射光は、中心光軸へ向かって傾斜した傾斜角が相対的に小さくされており、外側に位置する反射型レンズ面による出射光は、前記中心光軸へ向かって傾斜した傾斜角が相対的に大きくされていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の照明器具用フレネルレンズ。
9. 前記板状レンズ部材は、光源の光が前記入射面から入射して前記出射面の中心部に形成された複数段の凸レンズ面から出射される凸レンズの利用角度Φ１が、３３°以上４７°以下であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の照明器具用フレネルレンズ。
10. 前記板状レンズ部材は、最外方の反射型レンズで反射されて出射される反射型レンズの利用角度Φ２が、６０°以上に設計されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の照明器具用フレネルレンズ。
11. 光源としてのＬＥＤと、
    前記ＬＥＤの前方に前記板状レンズ部材の入射面の中央部が所定の間隔を隔てて対向するように配置された請求項１〜１０のいずれか一項に記載の照明器具用フレネルレンズと、
    を含むことを特徴とする照明器具。