(57)【要約】  可変反射装置は、光源からの光を方向づけるよう構成される反射器と、前記反射器を入れるケーシングとを有し、前記ケーシングの一部は、前記反射器によって方向づけられた光を透過する。前記反射器は、前記ケーシングに入れられる２つの混ざらない流体間の界面におけるメニスカスによって形成される。この設計によれば、前記光源からの光の空間分布は、前記２つの流体間の前記メニスカスの形状を変更することによって変更可能である。前記メニスカスの形状の変更は、機械的な部品の移動ではなく、流体の移動によって達成されることから、反射器の形状の変更は、一般に、従来から知られている設計を用いた場合に比べて、より少ないエネルギ消費で、より高速に行なわれ得る。更に、２つの混ざらない流体間のメニスカスは、流体の性質のために、幾つかの異なる形状をとることが出来る。これは、固体の反射器が利用される場合には当てはまらない。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を方向づけるよう構成される反射器と、前記反射器を入れるケーシングとを有し、前記ケーシングの一部が、前記反射器によって方向づけられた光を透過する可変反射装置であって、前記反射器が、前記ケーシングに入れられる２つの混ざらない流体間の界面におけるメニスカスによって形成されることを特徴とする可変反射装置。
【請求項２】
前記メニスカスの周辺部の一部において前記ケーシングの内面のぬれ性を変え、それによって、前記反射器の形状を変える手段を更に有する請求項１に記載の可変反射装置。
【請求項３】
前記ぬれ性を変える手段が、エレクトロウェッティングを利用する請求項２に記載の可変反射装置。
【請求項４】
前記２つの流体の量が変更可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の可変反射装置。
【請求項５】
前記流体の輸送によって前記反射器の形状を変えるための、少なくとも１つの輸送導管と、少なくとも１つの流れ制御手段とを更に有する請求項４に記載の可変反射装置。
【請求項６】
少なくとも１つの外部貯蔵部であって、前記少なくとも１つの流れ制御手段によって、前記流体のうちの少なくとも１つが、前記少なくとも１つの外部貯蔵部へ輸送されることができ、前記少なくとも１つの外部貯蔵部から輸送されることが出来る少なくとも１つの外部貯蔵部への少なくとも１つの輸送導管を更に有する請求項５に記載の可変反射装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの流れ制御手段が、例えばエレクトロウェッティングポンプ又は磁性流体ポンプといったポンプの形態で設けられることを特徴とする請求項５又は６に記載の可変反射装置。
【請求項８】
前記反射器が、前記メニスカスに配設される液体状金属薄膜によって形成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の可変反射装置。
【請求項９】
前記メニスカスの前記周辺部の少なくとも一部が、前記ケーシングの前記内面の少なくとも１つの特性における不連続性によって固定的に配置されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の可変反射装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の可変反射装置と、光源とを有する照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源からの光を方向づけるよう構成される反射器と、前記反射器を入れるケーシング(casing)とを有し、前記ケーシングの一部が、前記反射器によって方向づけられた光を透過する可変反射装置、及びこのような可変反射装置を含む照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間が、居間であろうと、公共空間であろうと、空間の知覚において照明は重要な要素である。特定空間の所望の雰囲気は、照射光の適切な強度及び適切な空間分布によって作成され得る。これを達成する１つの方法は、個々に制御可能な光強度を備える多数の光源を配置するものであり得る。同じ目的を達成する別の方法は、より少数の光源であって、前記光源からの光の空間分布(spatial light distribution)が変えられ得る、より少数の光源を持つものである。光源としては、ＬＥＤが段々と普及してきている。なぜなら、ＬＥＤは、コンパクトであり、エネルギ効率が良く、低い温度で動作するからである。
【０００３】
米国特許公報第6,561,678号においては、可変焦点間接照明器具が開示されている。この照明器具は、各々が光源を実質的に囲む一対の第１反射器と、前記第１反射器の前に配置される第２可変焦点反射器とを有する。照明器具からの光出力の焦点は、第２反射器の中心線の位置を変更することによって変えられ得る。この変更は、ねじを用いて手動で、又は例えば電気モータを用いて自動的に行なわれ得る。
【０００４】
従って、多数のこれらの照明装置を用いて光の空間分布を変えることを可能にするためには、個々の照明装置の反射器の形状を手動で変える必要がある、又は各照明装置のために個々に制御可能な電気モータを取り付ける必要がある。それ故、光の空間分布の変更が非常に遅く、稀な手動の変更に限定されるか、又は全ての照明装置ための個々に制御可能な電気モータ若しくは同様のものに相対的に大きな初期投資をせざるを得ないであろう。更に、光の空間分布の変更を容易にするために、動かす機械的な部品を使用することは、これらの照明装置が、機械的な故障のための障害及び摩耗を受けやすくする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の広い目的は、従来技術の上記及び他の不利な点を鑑みて、改良した可変反射装置を提供することにある。
【０００６】
本発明の目的は、反射器の形状の素早い変更を可能にすることにある。
【０００７】
本発明の別の目的は、光の可変空間分布(variable spatial light distribution)を備える照明装置の機械的故障のリスクを減らすことにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、光の可変空間分布を備える相対的に安価な照明装置を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これら及び他の目的は、光源からの光を方向づけるよう構成される反射器と、前記反射器を入れるケーシングとを有し、前記ケーシングの一部が、前記反射器によって方向づけられた光を透過する可変反射装置であって、前記反射器が、前記ケーシングに入れられる２つの混ざらない流体間の界面(interface)におけるメニスカス(meniscus)によって形成される可変反射装置によって達成される。
【００１０】
この設計によれば、前記光源からの光の空間分布は、前記２つの流体間の前記メニスカスの形状を変えることによって変更可能である。好ましくは、前記光源は少なくとも１つのＬＥＤを有する。しかしながら、適度な動作温度を持つ如何なる光源も、前記可変反射装置に関連して用いられ得る。
【００１１】
前記メニスカスの形状の変更は、機械的な部品の移動ではなく、流体の移動によって達成されることから、前記反射器の形状の変更は、一般に、従来から知られている設計を用いた場合に比べて、より少ないエネルギ消費で、より高速に行なわれ得る。
【００１２】
更に、２つの混ざらない流体間のメニスカスは、流体の性質のために、幾つかの異なる形状をとることが出来る。これは、固体の反射器が利用される場合には当てはまらない。
【００１３】
２つの混ざらない流体間の界面におけるメニスカスの形態の可変反射器は、金属製反射器を含む機械的構成に比べて、とりわけ前記金属製反射器の形状を変えるのに電気モータが必要とされる場合に、より安価であり得ることも理解されたい。
【００１４】
「光」という用語は、可視電磁放射線と、他の波長の電磁放射線との両方を含むと理解されたい。
【００１５】
流体は、あらゆる力に応じてその形状を変える物質であって、流れる又はそれが入れられ得るチャンバのアウトラインに従う傾向がある物質である。従って、「流体」という用語は、気体、液体、蒸気、及び固体と液体との混合物であって、流れることが出来る混合物を含む。
【００１６】
「混ざらない」という用語は、メニスカスを形成することが出来る流体を表わすのに用いられている。
【００１７】
一実施例によれば、前記可変反射装置は、前記メニスカスの周辺部(perimeter)の一部において前記ケーシングの内面のぬれ性(wettability)を変える手段を更に有する。
【００１８】
もし、前記２つの流体が異なるぬれ特性( wetting properties)を持つならば、前記メニスカスの周辺部の近傍のぬれ性を変えることによって、前記２つの流体間の前記メニスカスの形状及び位置、即ち、前記反射器の形状が変えられ得る。
【００１９】
好ましくは、前記ぬれ性を変える手段は、エレクトロウェッティング(electrowetting)を利用する。
【００２０】
前記流体のうちの１つと、適切に配置した電極との間に電圧を印加することによって、前記メニスカスのぬれ角及び位置は、変更されることができ、従って、前記反射器の形状は、変更されることが出来る。レンズ及び光スイッチのために用いられるエレクトロウェッティングの原理及び利点は良く知られており、同じエレクトロウェッティングの基本メカニズムが、本発明による装置におけるエレクトロウェッティングの使用に対しても適用可能である。
【００２１】
前記ケーシングに入れられる前記流体の量が変更可能である反射装置では、他の利点が得られ得る。
【００２２】
前記ケーシングに入れられる前記流体の量を一定に保ちながら多くの反射器形状を形成することは出来るが、前記ケーシングに入れられる前記流体の量が変動することを可能にすることによって得られる更なる自由度により、より一層多くの形状が形成され得る。
【００２３】
別の実施例によれば、前記可変反射装置は、前記流体の輸送によって前記反射器の形状を変えるための、輸送導管(transportation channel)と、流れ制御手段とを更に有する。このような流体輸送は、前記メニスカスの形状及び／又は位置を変える、従って、前記装置の前記反射器を制御する別の方法を提供する。前記メニスカスを制御するのに流れ制御しか用いられない場合には、エレクトロウェッティングに適した流体以外の流体が用いられ得る。しかしながら、エレクトロウェッティングなどの、前記ケーシングの内面のぬれ性の制御可能な変化と、流体の制御される輸送を組み合わせることによって、前記反射器の形状の変更においてより大きな自由度がもたらされる。
【００２４】
前記反射装置は、外部貯蔵部であって、前記流れ制御手段によって、前記流体が、前記外部貯蔵部へ輸送されることができ、前記外部貯蔵部から輸送されることが出来る外部貯蔵部への輸送導管を更に有し得る。このような外部貯蔵部により、前記ケーシング内の前記流体の量は、非常に広範囲にわたって変えられることができ、従って、前記反射器の形状が、非常に広範囲にわたって変えられ得る。
【００２５】
前記流れ制御手段は、例えば、エレクトロウェッティングポンプ又は磁性流体ポンプ(ferrofluidic pump)といったポンプの形態で設けられ得る。
【００２６】
更に、前記反射器は、前記メニスカスに配設される液体状金属薄膜(metal liquid-like film)によって形成され得る。
【００２７】
液体の最上部に又は２つの液体間の界面に液体状金属薄膜（ＭＥＬＬＦ）を形成するのに細かい金属粒子を使用することは、文献(APPLIED OPTICS/Vol. 42, No. 10/1 April 2003)に記載されている。例えば、有機配位子でコーティングされた多数の金属ナノ粒子は液体基板(liquid substrate)上に散らばされることができ、そこで、それらは、自己組織化して、光学的品質反射面(optical quality reflective surface)を供給する。
【００２８】
前記メニスカスに配設されるＭＥＬＬＦにより前記反射器を形成することによって、前記流体の屈折率を考慮に入れる必要なしに、高品質反射器が形成され得る。当然、ＭＥＬＬＦの導入は、２つの流体間の前記メニスカスにおいて反射器を形成することを可能にするのに決して必須のものではないが、再び、特定用途のために反射装置を設計する技術者の自由が、非常に増やされる。
【００２９】
前記可変反射装置の別の実施例においては、前記メニスカスの前記周辺部の少なくとも一部が、前記ケーシングの前記内面の少なくとも１つの特性における不連続性によって固定的に配置される。前記可変反射装置のための適切な流体を選択し、前記ケーシングの前記内面の或る特性において不連続性があるように前記ケーシングを設計することによって、前記メニスカスの前記周辺部の少なくとも一部は、前記不連続性のある位置に固定的に配置され得る。前記不連続性は、例えば、前記表面の形状の急変又は前記ぬれ性の急変であり得る。前記メニスカスが、前記ケーシングの前記内面の或る位置に固定的に配置されるということは、前記メニスカスを前記位置から移動させるのに相対的に大きい力が必要とされることを意味する。例えば、前記ケーシング内の前記流体の量を十分に大きく変化させることによって、前記メニスカスは、固定的に配置された位置から離され得る。
【００３０】
不連続性によって前記メニスカスの前記周辺部の位置を固定的に決める可能性は、複雑な反射器形状を設計する可能性を広げる。
【００３１】
本発明の現在好ましい実施例を示している添付した図面を参照して、本発明のこれら及び他の態様をより詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図１ａ−ｂは、本発明の第１実施例による可変反射装置１であって、ケーシング５に入れられる２つの流体３、４間の界面におけるメニスカス２が、反射器６を形成し、それが、光源７からの光をケーシング５の窓８を通る向きにするよう構成される照明装置１を概略的に示している。
【００３３】
この例においては、２つの流体は、水（n = 1.34）及び油(n = 1.70)であり、ケーシングは、円筒形をしており、ケーシングの内面は、絶縁性の疎水性コーティング９で部分的にコーティングされている。水と油との間の屈折率の差はかなり大きいことから、反射装置は、全反射（ＴＩＲ）をあてにして設計され得る。水と油とを用いるこの場合には、ＴＩＲの臨界角は５２°である。
【００３４】
反射装置の反射率を向上させ、屈折率の差がより小さい流体の使用を容易にするために、２つの流体間のメニスカスには液体状金属薄膜（ＭＥＬＬＦ）が配設され得る。
【００３５】
電極１０、１１は、ケーシング５の内面上の絶縁疎水性表面コーティング９にわたっての電圧の印加を可能にするよう配設される。従って、一方の電極１１は、水３と接触しており（直接接触しており、又は容量結合されており）、他方のケーシング電極１０は、電界が主に疎水性コーティング９内にあるように配置される。
【００３６】
電極１０、１１を通して電圧が印加されない場合、平衡条件は、各々、ケーシングの内面及び流体の材料特性、並びに重力などの外力の影響によって決定される。電圧が印加される場合、エネルギ・バランスに静電条件(electrostatic term)（〜ＣＶ２、ここで、Ｃは、水、疎水性絶縁体及びケーシング電極によって形成される平行板コンデンサの静電容量である）が付加される。この静電条件が、流体３、４及びケーシング５の内面の疎水性コーティング９の間の３部分接触線１２における平衡条件を変え、それを、水が疎水性コーティング９のより多くと接触することがエネルギ的により起こりやすいようにする。従って、接触線１２が動かされ、それによって、反射器形状が変えられる。
【００３７】
図１ａは、或る電圧が印加される場合の第１状態を示しており、図１ｂは、より高い電圧が印加される場合の第２状態を示している。反射装置は、これらの２つの状態において、図に示されているように２つの異なる空間分布を持つ光を反射する。
【００３８】
反射器形状の実質的な変更を可能にするのに必要とされる実際の電圧差は、流体及びケーシングの内面上の疎水性材料の材料特性、並びにケーシング電極と、ケーシングの内面との間の距離に依存する。この距離が小さければ小さいほど、２つの電極（水３及びケーシング電極１０）の間で或る電界を得るのに必要とされる電圧は低くなる。たとえ、ケーシング電極１０をケーシング５の外部に配設させることが可能であっても、疎水性絶縁体９で被覆されたケーシングの内面上に電極を配設させる方が有利である。それによって、反射器形状の低電圧制御が容易にされる。従って、当然ながら、疎水性絶縁体９は、疎水性絶縁体９において静電破壊が起こるのを防止しながら、可能な限り薄くされるべきである。
【００３９】
反射器形状の他の変更を可能にするために、追加のケーシング電極が付加され得る。
【００４０】
図２ａ−ｂには、本発明の第２実施例による反射装置を有する照明装置１が示されている。ここでは、第１実施例の電極が取り除かれており、輸送導管１３と、ポンプの形態の流れ制御手段１４とが付加されている。導管１３及びポンプ１４は、ケーシング５に入れられる流体３、４の量を変化させるよう構成される。メニスカス１８は、導管１３内で流体３、４間の界面において形成される。この例においては、ケーシング５に入れられる水３の量の増加は、ケーシング５に入れられる油４の量の等しい大きさの減少をもたらす。結果として、反射器６の形状が変えられる。反射器形状のこのような変化は、図２ａ−ｂに図示されている。
【００４１】
この実施例による装置において反射器形状が変えられ得る範囲は、主として、輸送導管１３の容積によって決定される。なぜなら、水３は油４内に注入されるべきではなく、油４は水３内に注入されるべきではないからである。
【００４２】
流体のポンプ輸送は、多くの方法で行なわれることができ、例えば、機械ポンプ、エレクトロウェッティングポンプ又は磁性流体ポンプによって行なわれ得る。適切なポンプの例として、エレクトロウェッティングポンプが図３に示されている。ここでは、ポンプ１４は、システムの「水側」１５との接続、及び「油側」１６との接続を持つ導管１３として設けられている。導管１３の内面には疎水性電気絶縁コーティング１７が施される。導管１３に沿って、水と油とが出会い、メニスカス１８が形成される。導管１３内には、２つの電極１９、２０もある。或る電極２０は、水と接触するよう配設され、或る電極１９は、導管の一部を囲む。この方法においては、疎水性コーティング１７にわたって電圧が印加され得る。電圧の変化は、上記のように、メニスカスと導管壁部との間の接触線２１におけるエネルギ・バランスの変化をもたらし、従って、メニスカス１８の移動をもたらすであろう。メニスカス１８の移動は、流体の移動と等しい。
【００４３】
上記のように、屈折率の大きな差は、ＴＩＲをあてにして反射装置を設計することを容易にする。ロバストな装置を設計するために、基本的に同じ濃度を持つ２つの流体を有することにも関心を持っている。これら及び他の理由のため、流体の選択は重要であり、選べる流体のセットの増加によって与えられる可能性は有用である。一例として、ポンプの使用は、非常に低い屈折率を持つフッ素化油(fluorinated oil)、及び炭化水素油などの、そのままでエレクトロウェッティングに適している流体以外の流体を選択する可能性を広げる。これらの流体の組み合わせは、エレクトロウェッティングのそのままの適用には適さない。なぜなら、これらの流体のいずれも導電性ではないからである。
【００４４】
図４に図示されているように、これらの流体の移動にエレクトロウェッティングポンプを用いることが依然として可能であることは明らかである。図４に概略的に示されているエレクトロウェッティングポンプ１４においては、「水スラグ(water slug)」２２が付加されている。その場合、図３に関連して記載されているのと同じようにして異なる電圧を印加することによって動かされるのは、この「スラグ」２２である。水スラグの移動は、そのままではエレクトロウェッティングに適さない流体、この場合には、フッ素化油及び炭化水素油の移動をもたらす。
【００４５】
本発明による反射装置１の第３実施例は、図５に概略的に示されている。ここでは、各々が輸送導管３６、３７及びポンプ３８、２９と関連する２つの外部貯蔵部２３、２４が付加されており、それによって、２つの流体３、４の故意ではない混合のリスクが事実上排除される。
【００４６】
図６に概略的に示されている本発明による反射装置１の第４実施例においては、ケーシング５は、第１円筒形エンベロープ２５と、窓８を備える上面２６と、ＬＥＤソケット２８を備える底面２７とを有する。第１エンベロープ２５は、第２円筒形エンベロープ２９によって囲まれ、上面２６及び底面２７は、第２円筒形エンベロープ２９に取り付けられる。円筒形エンベロープ２５、２９の間には円筒殻(cylindrical shell)の形をした輸送導管３０が形成される。この輸送導管内でメニスカス３１が形成され、メニスカス３１は、例えば導管３０内に配設されたエレクトロウェッティングポンプ１４を用いて、移動され得る。
【００４７】
図７ａ−ｂに概略的に示されている本発明による反射装置１の第５実施例においては、反射器６を形成するメニスカス２は、ＬＥＤソケット２８を囲む第１部分３２と、ケーシング５の内面と接触しており、窓８のより近くに位置する第２部分３３とを備える周辺部を持つ。周辺部のこれらの部分３２、３３の間のメニスカス２が、反射器６を規定する。実施例１乃至４においては、一般に、周辺部の第２部分３３の移動によって反射器形状が変えられる一方、周辺部の第１部分３２は基本的に固定的に配置されている。
【００４８】
メニスカスの周辺部は、ケーシングの内面の１つ又は幾つかの特性の不連続性によって固定的に配置され得る。図７ａ−ｂによって図示されている例においては、固定配置、即ち「釘づけ(pinning)」の２つの異なる方法が示されている。ＬＥＤソケット２８を囲む周辺部の第１部分３２は、内面の形状の急変、この場合には角３４によって釘づけにされる。周辺部の第２部分３３は、この例においては、内面のぬれ性の急変によって釘づけにされる。周辺部のこの部分が配置されるべき位置のＬＥＤ側では、ケーシング５の内面に疎水性コーティング９が施されている。周辺部の所望の位置から窓８までは、ケーシング５の内面は親水性にされる。その場合、メニスカス２の周辺部の第２部分３３は、疎水性表面状態から親水性表面状態への急変の境界を定める線３５に釘づけにされるであろう。ケーシング５内の流体３、４の量がポンプ１４によって変えられる場合、メニスカスの形状は変わるが、メニスカスと、ケーシングの内面との間の接触線の位置は基本的に不変なままである。接触線における量の変化から生じる力が、釘づけ力より大きい場合には、当然、接触線は移動させられるであろう。
【００４９】
当業者には、本発明は決して上記の好ましい実施例に限定されないことは分かるであろう。それどころか、添付した特許請求の範囲内の多くの修正例及び変形例がありうる。例えば、反射器を入れるケーシングは、特定の実施例に最も適するようにして形づくられることができ、例えば、円錐形であり得る。更に、反射器は、回転非対称に作成されてもよく、故に、光源からの光は、集束されるだけでなく、所望のビーム形状を与えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１ａ】本発明の第１実施例による反射装置及び光源を具備する照明装置であって、前記反射装置が第１状態にある照明装置の概略図である。
【図１ｂ】第２状態にある図１ａの装置の概略図である。
【図２ａ】本発明の第２実施例による反射装置及び光源を具備する照明装置であって、前記反射装置が第１状態にある照明装置の概略図である。
【図２ｂ】第２状態にある図２ａの装置の概略図である。
【図３】エレクトロウェッティングポンプの概略図である。
【図４】「水スラグ」を備えるエレクトロウェッティングポンプの概略図である。
【図５】本発明の第３実施例による反射装置及び光源を具備する照明装置の概略図である。
【図６】本発明の第４実施例による反射装置及び光源を具備する照明装置の概略図である。
【図７ａ】本発明の第５実施例による反射装置及び光源を具備する照明装置であって、前記反射装置が第１状態にある照明装置の概略図である。
【図７ｂ】第２状態にある図７ａの装置の概略図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008527454.tif 000009
【図６】
2008527454.tif 000010
【図７ａ】
2008527454.tif 000011
【図７ｂ】
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【国際調査報告】
2008527454.tif 000013
2008527454.tif 000014
2008527454.tif 000015