JP2003157707A

JP2003157707A - 採光用光学素子及び採光装置

Info

Publication number: JP2003157707A
Application number: JP2001354259A
Authority: JP
Inventors: Osamu Sato; 佐藤　　修
Original assignee: NIPPON TOKUSHU KOGAKU JUSHI KK
Current assignee: NIPPON TOKUSHU KOGAKU JUSHI KK
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2003-05-30

Abstract

(57)【要約】【課題】屋内への過剰な太陽光の入射を無くすととも
に必要な時の必要な量の太陽光を入射させる実用的な構
成を提供する。【解決手段】建物の開口部２０に設けられる板状の採
光用光学素子１は、同一平面上に詰めて設けられた多数
のプリズム部１０から成る。各プリズム部１０の一方の
斜面１３は、太陽の仰角θ_Ｓが臨界仰角より小さい場合
には太陽光を透過させ臨界仰角以上の場合には全反射さ
せる角度であり、太陽の仰角θ_Ｓが臨界仰角以上の場合
の全体の採光量は、臨界仰角より小さい場合に比べて少
ない。臨界仰角は、太陽が冬季に南中にある際の仰角θ
_Ｓよりも大きい。各プリズム部１０は互いに平行な水平
方向に長く延びたものであり、採光装置は、各プリズム
部１０が延びた方向と採光用光学素子１の中心軸上の点
と太陽Ｓとを結ぶ方向とが水平面視において垂直に交差
するよう太陽の移動に追従して採光用光学素子１の姿勢
を制御する太陽追尾機構４を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願の発明は、建物の内部に
太陽光を採り入れる採光技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】建物の内部への採光には、通常は、壁面
に窓を設けることで行われる。しかしながら、大きな建
物でその中央部分に採光が必要な場合や、日当たりの良
くない場所に立つ建物の場合には、屋根に採光用の窓を
設けることもある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、太陽光
を屋根に設けられた窓から採り入れるようにすると、屋
内の照明を少なくすることができ、省エネや自然な光で
照明できるとった点でメリットが大きい。しかしなが
ら、夏季の日射の強い時期には、あまりに多くの光が採
り入れられるため、屋内の温度が上昇し、冷房に多大な
負荷がかかる等、好ましくない事態になることもある。

【０００４】このようなことを防止するため、上記屋根
に設けられた採光用の窓に赤外線を反射する光学素子を
設けたりすることが考えられる。しかしながら、このよ
うな構成では、赤外線を積極的に屋内に入れて屋内を暖
めたい場合にも赤外線を反射することになってしまい、
具合が悪い。冬季には、赤外線反射用の光学素子を取り
外すことも考えられるが、これも面倒である。本願の発
明は、係る課題を解決するために成されたものであり、
屋内への過剰な太陽光の入射を無くすとともに必要な時
の必要な量の太陽光を入射させる実用的な構成を提供す
る技術的意義がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願の請求項１記載の発明は、太陽光を採り入れる
よう建物の開口部に設けられる板状の採光用光学素子で
あって、同一平面上に詰めて設けられた多数のプリズム
部から成り、各プリズム部の斜面は、太陽の仰角が臨界
仰角より小さい場合には太陽光を透過させ臨界仰角以上
の場合には全反射させる角度となっており、太陽の仰角
が臨界仰角以上の場合の全体の採光量は、臨界仰角より
小さい場合の全体の採光量に比べて少なくなっていると
いう構成を有する。また、上記課題を解決するため、請
求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前
記臨界仰角は、太陽が冬季に南中にある際の仰角よりも
大きいという構成を有する。また、上記課題を解決する
ため、請求項３記載の発明は、前記請求項１又は２の構
成において、前記各プリズム部は、太陽から遠い側に位
置する一方の斜面と、太陽に近い側に位置する他方の斜
面とから成るものであって、一方の斜面は、仰角が前記
臨界仰角以上の場合に太陽光を全反射させるものであ
り、他方の斜面は、太陽が夏季に南中にある際の角度よ
りも大きい角度となっているという構成を有する。ま
た、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、
前記請求項１乃至３いずれかの採光用光学素子を備えた
採光装置であって、前記各プリズム部は、互いに平行な
水平方向に長く延びたものであり、この各プリズム部が
延びた方向と、採光用光学素子の中心軸上の点と太陽と
を結ぶ方向とが、水平面視において垂直に交差するよう
太陽の移動に追従して採光用光学素子の姿勢を制御する
太陽追尾機構を備えているという構成を有する。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本願発明の実施の形態（以
下、実施形態）について説明する。図１は、本願発明の
実施形態に係る採光用光学素子の概略構成を示す断面図
である。図１に示す採光用光学素子は、全体としては板
状であり、同一平面上に詰めて設けられた多数のプリズ
ム部１０から成っている。採光用光学素子は、透光性樹
脂から形成されており、一対の型の間に母材を挟み込ん
で加熱・加圧することにより製作されている。採光用光
学素子の一方の面１１は平坦面であり、他方の面１２に
各プリズム部１０が形成されている。各プリズム部１０
は、図１に示すように三角形状の断面形状であり、二つ
の斜面１３，１４から成る。

【０００７】この採光用光学素子は、太陽の仰角が小さ
い場合にもより多くの光が屋内に採り入れられるよう設
けられるものである。この実施形態の採光用光学素子の
大きな特徴点は、各プリズム部１０の斜面１３，１４
が、太陽の仰角が所定の臨界仰角以上である場合には太
陽光を全反射させ、仰角が臨界仰角より小さい場合にの
み太陽光を透過させる角度となっている点である。尚、
仰角とは、太陽高度の意味であり、太陽の位置が水平面
に対して成す角度である。

【０００８】図２を使用して、さらに詳しく説明する。
図２は、図１の採光用光学素子の原理図である。例え
ば、図１に示す実施例として、各プリズム部１０が断面
正三角形の形状とする。即ち、図２において、二つの斜
面１３，１４の成すをθ_１、一方の斜面１３が水平面に
対して成す角をθ_２、他方の斜面１４が水平面に対して
成す角をθ_３とすると、θ_１＝θ_２＝θ_３＝６０度であ
る。また、採光用光学素子は、全体に水平に保持されて
おり、従って平坦面１１も水平面上である。尚、図２に
示すように、採光用光学素子は、平坦面１１が上側、各
プリズム部１０が下側になるよう保持されている。従っ
て、太陽光は最初に平坦面１１に入射する。また、採光
用光学素子の材質はメタアクリル（ＰＭＭＡ）樹脂であ
り、その屈折率は１．４９２程度である。図２には、太
陽の仰角θ_Ｓが、２０度，３０度，４０度，５０度，６
０度，７０度と変化した場合、採光用光学素子に入射す
る太陽光がどのように進むかが示されている。

【０００９】図２に示すように、太陽光は平坦面１１に
入射し、幾分屈折した後、プリズム部１０の一方の斜面
１３に達する。この際、仰角θ_Ｓが小さいうちは、一方
の斜面１３を幾分屈折しながら透過し、下方に向けて進
む。一方、仰角θ_Ｓが大きくなり、７０度程度に達する
と、図２に示すように、太陽光はプリズム部１０の一方
の斜面１３で全反射し、大きく進行方向が変えられる。
反射した光は、水平方向に近い角度で進み、他方の斜面
１４を透過する。従って、屋内側に採り入れられること
はない。図２に示すように、仰角θ_Ｓが７０度以上の場
合であっても、太陽光の入射位置によっては、屋内側に
入射する光線もある。但し、これらの光線は、水平に近
い角度で入射するものであったり、散乱光として入射す
るものであったりするため、屋内を加熱する作用は少な
い。従って、全体として見ると、仰角θ_Ｓが７０度程度
以上の場合には、屋内に達して屋内を加熱する太陽光は
ほぼ半減するか、殆どゼロになる。

【００１０】仰角θ_Ｓがどの程度に達したら太陽光を全
反射するか（以下、この仰角を臨界仰角と呼ぶ）は、採
光用光学素子の屈折率及び斜面１３，１４の角度θ_２，
θ_３に依存する。前述したように例えば採光用光学素子
の材質がＰＭＭＡであってその屈折率が１．４９２であ
り、斜面１３，１４が水平に対して６０度の場合、臨界
仰角は６２．７度程度になる。いずれにしても、採光用
光学素子の材料や斜面１３，１４の角度θ_２，θ_３を適
宜選定することで、任意の臨界仰角を得ることができ
る。

【００１１】各プリズム部１０の他方の斜面１４の角度
θ_３は、太陽光の採り入れを抑制する季節の南中高度よ
り大きい角度とすることが好ましい。以下、この点につ
いて説明する。図３は、他方の斜面１４の角度θ_３につ
いて説明した図である。図３中の（１）は、他方の斜面
１４の角度θ_３が夏季の南中の際の仰角より小さい場
合、（２）は大きい場合を示している。

【００１２】図３（１）に示すように、南中の際の仰角
より角度θ_３が小さい場合、南中の前後で、太陽光の一
部は平坦面１１を透過した後に他方の斜面１４に最初に
達することが可能となり、この太陽光は、他方の斜面１
４で全反射し、一方の斜面１３を透過して屋内に達す
る。これ以外の太陽光は、前述したように一方の斜面１
３で全反射するため、全体としては屋内に採り入れられ
る光量は少ないものの、南中の前後で幾分採り入れられ
る光量が多くなってしまう。これに対し、図３（２）に
示すように、南中の際の仰角θ_Ｓよりθ_３が大きけれ
ば、南中時においても他方の斜面１４に最初に達する太
陽光は無く、屋内に採り入れられることは、迷光等を除
き、本質的にない。従って、屋内の温度上昇抑制に効果
的である。

【００１３】尚、他方の斜面１４に全反射することで屋
内に太陽光が達するのを抑制するには、他方の斜面１４
を黒色に着色して光を吸収することも考えられる。但
し、仰角が低い場合の屋内に採り入れるべき光も一部吸
収されてしまい、採光効率が低下してしまう欠点があ
る。第一第二の各斜面１３，１４の角度が６０度である
前記実施例は、屋内に入射する太陽光が、仰角が５１．
８度の場合に最も鉛直に近い方向に進むようにしたもの
である。仰角５１．８度は、日本では春秋の南中時の仰
角に近い。つまり、この実施例は、春秋冬において太陽
光の採り入れによる照明効果が最も高くなるようにして
いる。

【００１４】図４は、上記実施形態の採光用光学素子を
使用した採光装置の発明の実施形態の概略構成を示す図
である。図４に示す装置は、屋根２の開口部２０に取り
付けられるようになっている。この装置は、開口部２０
の水密封止等のために設けられるトップシール３と、ト
ップシール３の下側に設けられる採光用光学素子１と、
太陽の移動に追従して採光用光学素子１の姿勢を変更す
る太陽追尾機構４とから主に構成されている。

【００１５】トップシール３は、透光性樹脂等で形成さ
れたドーム状である。トップシール３は、不図示のシー
ラントを介して屋根２の開口部２０を気密に塞ぐよう取
り付けられている。太陽追尾機構４は、採光用光学素子
１を保持した保持具４１と、保持具４１を介して採光用
光学素子１を回転させるためのモータ４２と、モータ４
２と保持具４１との間に設けられたギヤ機構４３と、太
陽の位置を検出するセンサ４４と、センサ４４からの信
号に従ってモータ４２を制御するコントローラ４５等か
ら構成されている。

【００１６】図５は、太陽追尾機構４による採光用光学
素子の姿勢制御について説明する図である。図５に示す
ように、採光用光学素子１の各プリズム部１０は、特定
の方向に長いもので互いに平行となっている。以下、こ
の方向を長尺方向と呼ぶ。コントローラ４５は、図５に
示すように、太陽Ｓと採光用光学素子１の中心軸Ａとを
結ぶ方向とが、水平面視で常に垂直に成るように採光用
光学素子１の姿勢を制御するものである。

【００１７】具体的に説明すると、図５に示すように、
太陽Ｓは、東から昇り、南中に達した後、西に沈む。こ
の際、周知のように、地球の自転軸が公転軸に対して垂
直でなく傾いていることから、南中高度は、完全に真上
ではなく、斜め上方となる。ここで、前述した仰角に従
った採光量の調整作用は、各プリズム部１０の長尺方向
が、太陽光の入射方向に対して水平面視で垂直であるこ
とが前提である。垂直でない場合、透過する光の量が少
なくなり、採光の効率が低下してしまう。太陽追尾機構
４は、このようなことを考慮し、太陽Ｓの移動にかかわ
らず、太陽光の入射方向が水平面視で各プリズム部１０
の長尺方向に垂直になるようにするものである。従っ
て、前述した第一の斜面１３は、常に太陽Ｓから遠い側
にあり、第二の斜面１４は、常に太陽Ｓに近い側にあ
る。尚、意図的に採光を抑える場合、太陽光の入射方向
に対して各プリズム部１０の長尺方向が水平面視で斜め
になるようにする場合もある。

【００１８】より具体的に説明すると、センサ４４は、
例えばエリアフォトダイオードアレイから構成され、レ
ンズ系によって投影される太陽光の光芒の変位を検出す
ることにより、太陽Ｓがどの向きにどの程度移動したの
かを検出するようになっている。コントローラ４５は、
センサ４４からの信号に従い、モータ４２を制御して、
各プリズム部１０の長尺方向が太陽光の入射方向に対し
て水平面視で常に垂直になるようにする。モータ４２に
よる採光用光学素子１の回転軸は、鉛直方向であって、
採光用光学素子の中心軸Ａに一致している。図５では、
太陽Ｓの移動に従い、採光用光学素子１は、時計回りに
自転していくことになる。ギヤ機構４３としては、例え
ばラックアンドピニオン機構が採用できる。保持具４１
を、採光用光学素子の周面に沿って設けられたリング状
とし、これに噛み合うラックをモータ４２で回転させる
ことにより、採光用光学素子を中心軸Ａの周りに回転さ
せることができる。尚、保持具４２は、屋根２に固定さ
れた台座にベアリング等を介して支持されている。ま
た、モータ４２の電源は、通常の商用交流電源でも良い
が、太陽電池を電源としておくと、電源ケーブルが不要
であって施工がし易く、省エネや稼働コスト低減の点で
も好ましい。

【００１９】次に、本実施形態の採光用光学素子及び採
光装置の技術的意義について詳説する。南中高度は、周
知のように、冬季において最も低く、夏季において最も
高い。春秋はその中間である。ここで、この採光用光学
素子１が設けられた場所の緯度における夏季の南中高度
が７０度よりかなり高く、冬季における南中高度が７０
度より高いとする。臨界仰角を７０度に設定しておく
と、春秋冬においては終日太陽光が屋内に入射するもの
の、夏季においては、太陽が高い位置にある南中の前後
の時間、太陽光の屋内への入射は半減するか、殆ど零に
なる。

【００２０】このように、緯度との関連で臨界仰角を適
当な値に設定しておくと、いわゆる日射しが強い時の太
陽光の入射を最適な範囲で制限することができる。この
ため、太陽光の過剰な採り入れによる屋内の温度上昇を
問題を抑制でき、冷房費の上昇を抑えることができる。
このような太陽光の入射の制限は、例えば、ブラインド
やルーバーのような遮光部材を設けて遮光量を自動的に
調節することによっても行えるが、機構的に複雑になり
コストが高くなる問題がある。本実施形態によれば、遮
光用光学素子１の各プリズム部１０の斜面１３，１４の
角度を設定すること達成しているので、機構的にシンプ
ルであり、コスト的にも圧倒的に有利である。

【００２１】前述したように、臨界仰角は、採光用光学
素子１が使用される場所の緯度や入射を制限すべき光の
量（又は制限する時間の長さ）に応じて設定される。と
はいえ、日本国内での使用が予定されている場合、仰角
は適当な一つの値に設定されることで充分であろう。緯
度が大きく異なる海外での使用の場合、海外用として別
の臨界仰角が設定されることはあり得る。

【００２２】上記実施形態及び実施例は、各プリズム部
１０が長尺で互いに平行であるタイプの採光用光学素子
１であったが、これ以外の構成もあり得る。例えば、フ
レネルレンズのように、各プリズム部が同心円周状に延
びているものであっても良い。

【００２３】図６は、上記実施形態に属する別の実施例
の採光用光学素子の概略構成を示す断面図である。図６
に示す採光用光学素子では、第一の斜面１３，１４が水
平面に対して成す角は５７．５度、第二の斜面１３，１
４が水平面に対して成す角は６７．５度、第一の斜面１
３，１４と第二の斜面１３，１４とが成す角は５５度と
なっている。この実施例で、採光用光学素子の材質が、
同様に屈折率１．４９２のＰＭＭＡ樹脂である場合、臨
界仰角６６．６度程度になり、前述した実施例と同様の
効果を得ることができる。

【００２４】図６には、（１）（２）として異なる二つ
の実施例が示されている。（１）は、各プリズム部１０
が上記構成であって、屋外側の面１１が平坦面である場
合、（２）は、プリズム部１５が形成されている場合で
ある。屋外側の各プリズム部（以下、外側プリズム部）
１５は、屋内側（以下、内側プリズム部１０）に比べて
高さがかなり低い断面三角形の形状である。この実施例
では、外側プリズム部１０の頂角θ_４は８５．０度、一
方の斜面１３が水平に対して成す角θ_５（傾斜角）は５
度となっている。

【００２５】図６（１）に示すように、屋外側が平坦面
の場合、５０度の仰角の時に屋内に進入する光の角度
は、ある程度斜めになっている。一方、図６（２）に示
すように、屋外側に傾斜角５度程度の外側プリズム部１
５を形成すると、仰角５０度の際の太陽光は屋内でほぼ
鉛直に進む。このように、内側プリズム部１０の構成に
併せて適宜外側プリズム部１５を選定することで、屋内
に進入する光の進行方向と仰角との関連で最適化するこ
とが可能である。

【００２６】上述した各実施形態又は各実施例の構成に
おいて、採光用光学素子１の材質は、ＰＭＭＡ樹脂に限
らず、ポリカーボネード（ＰＣ）樹脂やＭＳ樹脂（ＰＭ
ＭＡとスチレンの共重合樹脂）等でもよく、強化ガラス
等でも良い。また、本明細書において「斜面」とは通常
よりも広い意味であり、垂直な面も含んでいる。つま
り、プリズム部が断面直角形状の場合もあり得る。

【００２７】

【発明の効果】以上説明した通り、本願の請求項１記載
の採光用光学素子によれば、太陽が臨界仰角以上である
場合に光を全反射させて採光量を制限するので、日射し
が強い時の太陽光の入射を最適な範囲で制限することが
できる。このため、太陽光の過剰な採り入れによる屋内
の温度上昇を問題を抑制でき、冷房費の上昇を抑えるこ
とができる。また、請求項２記載の採光用光学素子によ
れば、上記効果に加え、臨界仰角が冬季の南中の際の仰
角よりも大きいので、採光が必要な冬季には南中時にお
いても採光が制限されることはなく、太陽光の採り入れ
による屋内環境の向上や採光による屋内の暖めなどの効
果を充分に得ることができる。また、請求項３記載の発
明によれば、上記効果に加え、他方の斜面は、太陽が夏
季に南中にある際の角度よりも大きい角度となっている
ので、光が他方の斜面に反射して採り入れられることが
少なく、強い日射しの入射制限がより効果的に行われ
る。また、請求項４記載の採光装置によれば、上記各効
果を有する採光用光学素子を常に期待された通りに作用
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の実施形態に係る採光用光学素子の概
略構成を示す断面図である。

【図２】図１の採光用光学素子の原理図である。

【図３】他方の斜面１４の角度θ_３について説明した図
である。

【図４】実施形態の採光用光学素子を使用した採光装置
の発明の実施形態の概略構成を示す図である。

【図５】陽追尾機構４による採光用光学素子の姿勢制御
について説明する図である。

【図６】実施形態に属する別の実施例の採光用光学素子
の概略構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１採光用光学素子１０プリズム部１１平坦面１３斜面１４斜面２屋根２０開口部３トップシール４太陽追尾機構４１保持具４２モータ４３ギヤ機構４４センサ４５コントローラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】太陽光を採り入れるよう建物の開口部に
設けられる板状の採光用光学素子であって、同一平面上
に詰めて設けられた多数のプリズム部から成り、各プリズム部の斜面は、太陽の仰角が臨界仰角より小さ
い場合には太陽光を透過させ臨界仰角以上の場合には全
反射させる角度となっており、太陽の仰角が臨界仰角以
上の場合の全体の採光量は、臨界仰角より小さい場合の
全体の採光量に比べて少なくなっていること特徴とする
採光用光学素子。
【請求項２】前記臨界仰角は、太陽が冬季に南中にあ
る際の仰角よりも大きいことを特徴とする請求項１記載
の採光用光学素子。
【請求項３】前記各プリズム部は、太陽から遠い側に
位置する一方の斜面と、太陽に近い側に位置する他方の
斜面とから成るものであって、一方の斜面は、仰角が前
記臨界仰角以上の場合に太陽光を全反射させるものであ
り、他方の斜面は、太陽が夏季に南中にある際の角度よ
りも大きい角度となっていることを特徴とする請求項１
又は２記載の採光用光学素子。
【請求項４】請求項１乃至３いずれかの採光用光学素
子を備えた採光装置であって、前記各プリズム部は、互
いに平行な水平方向に長く延びたものであり、この各プ
リズム部が延びた方向と、採光用光学素子の中心軸上の
点と太陽とを結ぶ方向とが、水平面視において垂直に交
差するよう太陽の移動に追従して採光用光学素子の姿勢
を制御する太陽追尾機構を備えていることを特徴とする
採光装置。