JP2004085270A - 太陽位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光の入射角を正確に計測することのできる太陽位置検出装置を提供する。
【解決手段】太陽位置検出装置においては、遮光板２３に設けられた光透過窓２４が、末広がり状に配置された第１の辺２４ａ及び第２の辺２４ｂを有しているため、この光透過窓２４を通過した太陽光Ｌの照射領域Ｓでは、光透過窓２４の各辺２４ａ，２４ｂに対応する第３の辺Ｓ１と第４の辺Ｓ２とが末広がり状に位置することになる。これにより、太陽光Ｌの入射角α，βが変化すると、それに応じて各辺Ｓ１，Ｓ２がリニアセンサ２５の撮像領域２５ａを横切る位置が変化する。したがって、リニアセンサ２５からの出力信号に基づいて撮像領域２５ａにおける各辺Ｓ１，Ｓ２の位置を検出することによって、太陽光Ｌの入射角α，βを正確に計測することができる。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光を屋内に取り入れるための採光装置等に適用され、太陽光の入射角を計測する太陽位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来におけるこの種の装置としては、例えば、特開昭６２−７３１０９号公報に記載された太陽センサが知られている。この公報に記載の太陽センサにおいては、互いに平行でない直線状のスリットをスリット板に少なくとも１組設け、このスリット板の下方に１次元位置検出器を配置することによって、太陽光の入射角を計測している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載の太陽センサにあっては、スリット板に設けられたスリットにホコリやゴミ等が目詰まりし易いため、太陽光の通過が妨げられて太陽光の入射角を計測できないおそれがある。
【０００４】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、上述の課題を解決して、太陽光の入射角を正確に計測することのできる太陽位置検出装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る太陽位置検出装置は、末広がり状に配置された第１の辺と第２の辺とを有してなる光透過窓が設けられた遮光板と、光透過窓を通過した太陽光の照射領域において、第１の辺に対応する第３の辺と第２の辺に対応する第４の辺とを横切って撮像領域が配置された撮像センサと、撮像センサからの出力信号に基づいて撮像領域における第３の辺の位置と第４の辺の位置とを検出することによって、太陽光の入射角を演算する演算手段とを備えることを特徴とする。
【０００６】
この太陽位置検出装置においては、遮光板に設けられた光透過窓が、末広がり状に配置された第１の辺と第２の辺とを有する形状であるため、この光透過窓を通過した太陽光の照射領域では、光透過窓の上記各辺に対応する第３の辺と第４の辺とが末広がり状に位置することになる。これにより、太陽光の入射角が変化すると、それに応じて撮像センサの撮像領域における照射領域の面積や重心位置等が変化する。したがって、撮像センサからの出力信号に基づいて撮像領域における第３の辺の位置と第４の辺の位置とを検出することによって、太陽光の入射角を正確に計測することが可能になる。また、光透過窓は、末広がり状に配置された第１の辺と第２の辺とを有する形状であるため、スリットのようにホコリやゴミ等が目詰まりするようなことが防止される。
【０００７】
本発明に係る太陽位置検出装置においては、撮像センサはリニアセンサであることが好ましい。撮像センサとしてリニアセンサを用いることによって、太陽位置検出装置の簡易化、低コスト化を実現することができる。
【０００８】
本発明に係る太陽位置検出装置においては、演算手段は、第３の辺の位置と第４の辺の位置との間の距離に基づいて、撮像領域の長手方向に沿った軸線回りの太陽光の入射角を演算すると共に、第３の辺の位置と第４の辺の位置との間の中心位置に基づいて、撮像領域の長手方向に直角な方向に沿った軸線回りの太陽光の入射角を演算することが好ましい。このように、１つのリニアセンサによって、その撮像領域の長手方向に沿った軸線とそれに直交する軸線との２つの軸線回りの太陽光の入射角を正確に計測することができる。
【０００９】
本発明に係る太陽位置検出装置においては、撮像センサにおける受光時間を制御する制御手段を備えることが好ましい。このような電子シャッタ機能により受光時間を短縮化して撮像すれば、遮光板の内側における反射等を原因とした外乱光の影響を防止して、撮像領域における第３の辺及び第４の辺の位置を精度良く検出することが可能になる。また、例えば、太陽光の強度が低い場合（薄曇りのような場合）には受光時間を長くして撮像するというように、太陽光の強度に応じて受光時間の制御を行えば、撮像センサからの出力信号において所定の出力値を得ることが可能になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る太陽位置検出装置を採光装置に適用した場合の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１に示す採光装置１は、建物の屋上等に設置されて建物内に太陽光を取り入れるための装置であり、同図に示すように、円筒状のフレーム２を有している。このフレーム２の内周面には、複数個の支持ローラ３が取り付けられ、この支持ローラ３上には回転リング４が載置されている。また、各支持ローラ３の設置部位には、回転リング４の外周面と接触するガイドローラ５が取り付けられている。回転リング４は、支持ローラ３及びガイドローラ５にガイドされながら回転可能となっている。回転リング４の外周部には、この回転リング４を回転駆動させる方位モータ６がギア６ａを介して連結されている。この方位モータ６はステッピングモータであり、制御部７から送出されるパルス信号に応じて回転する。
【００１２】
回転リング４上には１対の支持板８ａ，８ｂが固定され、これらの支持板８ａ，８ｂの間には反射体９が設けられている。この反射体９は、１対の支持板８ａ，８ｂに軸部１０ａ，１０ｂを介して首振り可能に取り付けられ、太陽光を受光して真下の建物内に向けて反射させる。軸部１０ａには、反射体９を首振り駆動させる仰角モータ１１がギア１１ａを介して取り付けられている。この仰角モータ１１はステッピングモータであり、制御部７から送出されるパルス信号に応じて回転する。
【００１３】
さらに、採光装置１には、太陽光を受光して太陽光の入射角を計測する太陽位置検出装置２０が搭載されている。この太陽位置検出装置２０において太陽光を受光する受光部２１は、反射体９の軸部１０ｂにギヤ等を介して接続され、仰角モータ１１により回転駆動される。
【００１４】
ここで、反射体９の首振りの回転軸線方向をＹ軸方向としてＸ−Ｙ−Ｚ座標系を設定すると、図２に示すように、受光部２１は、太陽光Ｌ検出用の撮像センサを収容するための筐体２２上にＸ−Ｙ平面と平行な遮光板２３を有している。この遮光板２３には、図３に示すように、互いに長さの等しい第１の辺２４ａと第２の辺２４ｂとを有する二等辺三角形状の光透過窓２４が形成され、この光透過窓２４には、太陽光Ｌの強度を調整するためのＮＤフィルタが設けられている。なお、光透過窓２４において、第１の辺２４ａとＹ軸とのなす角度及び第２の辺２４ｂとＹ軸とのなす角度をそれぞれθとし、Ｘ軸上における第１の辺２４ａと第２の辺２４ｂとの間の距離をＬとする。
【００１５】
図２及び図３に示すように、筐体２２内における光透過窓２４の直下には、撮像センサとしてリニアセンサ２５が設置されている。このリニアセンサ２５は、複数個のフォトダイオードが１次元的に並んで形成された撮像領域２５ａを有し、この撮像領域２５ａは、Ｘ軸に沿うと共にその中心位置がＸ−Ｙ−Ｚ座標系の原点となるよう配置されている。そして、撮像領域２５ａは、Ｘ軸上における第１の辺２４ａと第２の辺２４ｂとの間の距離Ｌに比べて十分に長いものとなっている。
【００１６】
リニアセンサ２５には、その出力信号に基づく太陽光の入射角の演算処理等が行われる処理部２７が接続されている。図４に示すように、処理部２７は、リニアセンサ２５から送出された出力信号を増幅するＡＭＰ２８と、ＡＭＰ２８により増幅された出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部２９と、各種処理を実行するＣＰＵ（演算手段、制御手段）３０と、リニアセンサ２５に駆動用のクロック信号を送出するタイミング回路３１と、各種データを記憶するＲＡＭ３２とを有して構成されている。
【００１７】
ここで、ＣＰＵ３０による太陽光の入射角の演算処理について、その算出原理を説明する。ＣＰＵ３０は、図２に示すように、太陽光ＬがＺ軸に対して所定の傾きをもって入射した場合に、Ｙ軸回りとＸ軸回りとに分けて入射角α，βを算出する。
【００１８】
まず、Ｙ軸回りの入射角αの算出原理について説明する。ＣＰＵ３０は、光透過窓２４を通過した太陽光Ｌの照射領域Ｓにおいて、第１の辺２４ａに対応する第３の辺Ｓ１と第２の辺２４ｂに対応する第４の辺Ｓ２とがリニアセンサ２５の撮像領域２５ａを横切る位置を検出する。例えば、図５に示すように太陽光ＬがＸ軸の正方向に傾いて入射した場合、ＣＰＵ３０では、図６に示す出力信号がリニアセンサ２５から得られる。この出力信号において輝度値が大きく変化する位置Ｘ１，Ｘ２がそれぞれ第３の辺Ｓ１の位置，第４の辺Ｓ２の位置となる。このとき、撮像領域２５ａにおける照射領域の中心位置は「（Ｘ１＋Ｘ２）／２」であるから、撮像領域２５ａと遮光板２３との距離をＨとすると、Ｙ軸回りの入射角αは次の式（１）により算出することができる。
α＝ｔａｎ^−１｛（Ｘ１＋Ｘ２）／（２・Ｈ）｝…（１）
【００１９】
この式（１）により、図５に示すように太陽光ＬがＸ軸の正方向に傾いて入射した場合は、Ｙ軸回りの入射角αは正の値となる。また、太陽光ＬがＸ軸の負方向に傾いて入射した場合は、Ｙ軸回りの入射角αは負の値となる。
【００２０】
続いて、Ｘ軸回りの入射角βの算出原理について説明する。例えば、図７及び図８に示すように太陽光ＬがＹ軸の正方向に傾いて入射した場合、ＣＰＵ３０では、図９に示す出力信号がリニアセンサ２５から得られる。このとき、撮像領域２５ａにおける照射領域の幅は「Ｘ１−Ｘ２」であるから、Ｘ軸回りの入射角βは次の式（２）により算出することができる。
β＝ｔａｎ^−１｛（Ｘ１−Ｘ２−Ｌ）／（Ｈ・２ｔａｎθ）｝…（２）
【００２１】
この式（２）により、図７に示すように太陽光ＬがＹ軸の正方向に傾いて入射した場合は、図８に示すように「（Ｘ１−Ｘ２）＞Ｌ」となるためＸ軸回りの入射角βは正の値となる。また、図１０に示すように太陽光ＬがＹ軸の負方向に傾いて入射した場合は、図１１に示すように「（Ｘ１−Ｘ２）＜Ｌ」となるためＸ軸回りの入射角βは負の値となる。太陽光ＬがＹ軸の負方向に傾いて入射した場合のリニアセンサ２５からの出力信号を図１２に示す。
【００２２】
次に、ＣＰＵ３０によるリニアセンサ２５での受光時間の制御処理、及び太陽光の入射角の演算処理について、図１３を参照して説明する。
【００２３】
まず、ＣＰＵ３０は、初期設定されたシャッタコントロール信号をリニアセンサ２５に送出する（ステップＳ１３１）。このシャッタコントロール信号に応じてリニアセンサ２５により撮像が行われ、その出力信号がＡＭＰ２８及びＡ／Ｄ変換部２９を介してＣＰＵ３０に送出される。ＣＰＵ３０は、デジタル化された出力信号に基づいて画素毎に輝度値（０〜２５５）をＲＡＭ３２に記憶させる（ステップＳ１３２）。
【００２４】
続いて、輝度値の最大値（Ｍａｘ）が２５５に達しているか否かを判断する（ステップＳ１３３）。その結果、図１４に示すように輝度値の最大値が２５５に達していなければ、受光時間を１ステップ（所定時間分）増加させたシャッタコントロール信号をリニアセンサ２５に送出する（ステップＳ１３４）。そして、ステップＳ１３２，Ｓ１３３の処理を再度行い、図１５に示すように輝度値の最大値が２５５に達するまで、ステップＳ１３４，Ｓ１３２，Ｓ１３３の処理を繰り返す。
【００２５】
このような電子シャッタ機能によりニアセンサ２５での受光時間の制御処理を行えば、図１４に示すように太陽光の強度が低く照射領域が明確に現われないような場合にも、図１５に示すように照射領域を明確にすることができる。これにより、輝度値の最大値と最小値との間の中心の輝度値「（２５５−Ｍｉｎ）／２」から、撮像領域２５ａにおける各辺Ｓ１，Ｓ２の位置Ｘ１，Ｘ２を精度良く検出することが可能になる。また、リニアセンサ２５における受光時間が初期値から段階的に増加され、最小限の長さの受光時間で撮像が行われるため、筐体２２内における反射等を原因とした外乱光の影響を抑制することが可能になる。
【００２６】
続いて、図１３に示すように、ステップＳ１３３の判断の結果、輝度値の最大値が２５５に達していた場合は、照射領域の中心位置「（Ｘ１＋Ｘ２）／２」と照射領域の幅「Ｘ１−Ｘ２」とを算出する（ステップＳ１３５，Ｓ１３６）。そして、上述の式（１），式（２）により太陽光Ｌの入射角α，βを算出する（ステップＳ１３７）。
【００２７】
上述のリニアセンサ２５での受光時間の制御処理、及び太陽光の入射角の演算処理は所定時間毎（例えば１分毎）に行われ、ＣＰＵ３０は、算出した入射角α，βのデータを制御部７に送出する。制御部７は、入射角α，βのデータに基づいて方位モータ６及び仰角モータ１１にパルス信号を送出し、これにより受光部２１が回転駆動され、太陽光Ｌの入射角α，βがゼロとなる（すなわち、遮光板２３と太陽光Ｌとが直交する）。このとき、反射体９も回転駆動され、太陽光が真下の建物内に向けて高効率で反射される。
【００２８】
以上説明したように、採光装置１に搭載された太陽位置検出装置２０においては、遮光板２３に設けられた光透過窓２４が、末広がり状に配置された第１の辺２４ａと第２の辺２４ｂとを有する二等辺三角形状であるため、この光透過窓２４を通過した太陽光Ｌの照射領域Ｓでは、光透過窓２４の各辺２４ａ，２４ｂに対応する第３の辺Ｓ１と第４の辺Ｓ２とが末広がり状に位置することになる。これにより、太陽光Ｌの入射角α，βが変化すると、それに応じてリニアセンサ２５の撮像領域２５ａにおける照射領域の中心位置「（Ｘ１＋Ｘ２）／２」や照射領域の幅「Ｘ１−Ｘ２」が変化する。したがって、リニアセンサ２５からの出力信号に基づいて撮像領域２５ａにおける第３の辺Ｓ１の位置Ｘ１と第４の辺Ｓ２の位置Ｘ２とを検出することによって、太陽光Ｌの入射角α，βを正確に計測することが可能になる。
【００２９】
このように１つのリニアセンサ２５を用いることによって、互いに直交する２つの軸線（Ｘ軸、Ｙ軸）回りの入射角α，βを計測することができるため、２つのリニアセンサを用いるような場合に比べて太陽位置検出装置２０の簡易化、低コスト化が可能になる。また、光透過窓２４は二等辺三角形状であるため、スリットのようにホコリやゴミ等が目詰まりするようなことも防止される。
【００３０】
本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、光透過窓の形状は、二等辺三角形状に限らず、末広がり状に配置された２つの辺を有する形状であればよい。この場合にも、光透過窓を通過した太陽光の照射領域においては、光透過窓の上記各辺に対応する２つの辺が末広がり状に位置することになるからである。
【００３１】
また、撮像センサとしては、リニアセンサに限らず、複数個のフォトダイオード等の撮像素子がマトリックス状に並んで形成されたエリアセンサであってもよい。この場合、太陽光の入射角が変化すると、それに応じてエリアセンサの撮像領域における照射領域の面積や重心位置等が変化する。したがって、エリアセンサからの出力信号に基づいて撮像領域における末広がり状の２つの辺の位置を検出することによって、太陽光の入射角を正確に計測することが可能になる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明に係る太陽位置検出装置によれば、末広がり状に配置された第１の辺と第２の辺とを有してなる光透過窓が設けられた遮光板と、光透過窓を通過した太陽光の照射領域において、第１の辺に対応する第３の辺と第２の辺に対応する第４の辺とを横切って撮像領域が配置された撮像センサと、撮像センサからの出力信号に基づいて撮像領域における第３の辺の位置と第４の辺の位置とを検出することによって、太陽光の入射角を演算する演算手段とを備えることにより、ホコリやゴミ等が目詰まりし易いスリットを遮光板に設けなくとも、太陽光の入射角を正確に計測することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る太陽位置検出装置が搭載された採光装置の一実施形態を示す要部拡大断面図である。
【図２】図１に示す太陽位置検出装置の受光部の斜視図である。
【図３】図２に示す受光部の平面図である。
【図４】図１に示す太陽位置検出装置の処理部のブロック図である。
【図５】太陽光がＸ軸の正方向に傾いて入射した場合の受光部のＸ軸に沿った断面図である。
【図６】図５に示す太陽光の入射状態におけるリニアセンサからの出力信号を示すグラフである。
【図７】太陽光がＹ軸の正方向に傾いて入射した場合の受光部のＹ軸に沿った断面図である。
【図８】図７に示す太陽光の入射状態における照射領域を示す平面図である。
【図９】図７に示す太陽光の入射状態におけるリニアセンサからの出力信号を示すグラフである。
【図１０】太陽光がＹ軸の負方向に傾いて入射した場合の受光部のＹ軸に沿った断面図である。
【図１１】図１０に示す太陽光の入射状態における照射領域を示す平面図である。
【図１２】図１０に示す太陽光の入射状態におけるリニアセンサからの出力信号を示すグラフである。
【図１３】図４に示す処理部のＣＰＵによるリニアセンサでの受光時間の制御処理、及び太陽光の入射角の演算処理を示すフローチャートである。
【図１４】輝度値の最大値が２５５に達していない場合のリニアセンサからの出力信号を示すグラフである。
【図１５】輝度値の最大値が２５５に達している場合のリニアセンサからの出力信号を示すグラフである。
【符号の説明】２０…太陽位置検出装置、２３…遮光板、２４…光透過窓、２４ａ…第１の辺、２４ｂ…第２の辺、２５…リニアセンサ（撮像センサ）、２５ａ…撮像領域、３０…ＣＰＵ（演算手段、制御手段）、Ｌ…太陽光、Ｓ…照射領域、Ｓ１…第３の辺、Ｓ２…第４の辺、α…Ｙ軸回りの入射角、β…Ｘ軸回りの入射角。

Claims (4)

1. 末広がり状に配置された第１の辺と第２の辺とを有してなる光透過窓が設けられた遮光板と、
   前記光透過窓を通過した太陽光の照射領域において、前記第１の辺に対応する第３の辺と前記第２の辺に対応する第４の辺とを横切って撮像領域が配置された撮像センサと、
   前記撮像センサからの出力信号に基づいて前記撮像領域における前記第３の辺の位置と前記第４の辺の位置とを検出することによって、太陽光の入射角を演算する演算手段とを備えることを特徴とする太陽位置検出装置。
2. 前記撮像センサはリニアセンサであることを特徴とする請求項１に記載の太陽位置検出装置。
3. 前記演算手段は、前記第３の辺の位置と前記第４の辺の位置との間の距離に基づいて、前記撮像領域の長手方向に沿った軸線回りの太陽光の入射角を演算すると共に、前記第３の辺の位置と前記第４の辺の位置との間の中心位置に基づいて、前記撮像領域の長手方向に直角な方向に沿った軸線回りの太陽光の入射角を演算することを特徴とする請求項２に記載の太陽位置検出装置。
4. 前記撮像センサにおける受光時間を制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽位置検出装置。

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