JP2007183317A

JP2007183317A - 採光装置

Info

Publication number: JP2007183317A
Application number: JP2006000272A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kobayashi; 毅小林; Hideyuki Tanaka; 秀幸田中
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-01-04
Filing date: 2006-01-04
Publication date: 2007-07-19

Abstract

【課題】太陽を追尾するための可動機構を備えることなく効率の良い採光ができ、しかも小型且つ安価に製造できるようにすること。
【解決手段】板状体１０と、その上面に形成した回折光学素子１１とを備え、回折光学素子１１に入射する様々な方向からの光を集光して板状体１０の端面から放射する。これにより、可動機構を備えることなく太陽光などの自然光を効率良く採光することができる。また、可動機構を備えない分、装置の小型化が図れる。さらに、板状体１０と回折光学素子１１をアクリル樹脂等の透明な材料を用いて一体に形成することで、安価に製造することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光などの自然光を採光する採光装置に関する。

近年、環境問題の高まりとともに電気エネルギーをはじめとするエネルギー消費を低減しようとする省エネルギーの必要性が増してきている。電気エネルギーのうち照明に要するエネルギーは全消費電力の２０％〜３０％を占めるといわれ、それを低減することは省エネルギーに大きく貢献する。照明用電力の低減には、窓から直接入光する自然光を利用して窓際の照明用電力を低減するようにしたものが知られている。また、窓から直接入光する光だけではなく、屋外に設置して太陽光を積極的に採光し、室内に導くことで照明用電力を低減しようとするものも知られている。

屋外に設置して自然光を採光する装置として、太陽の位置に応じて２枚のプリズムを回転させて太陽光を採光するものがある（例えば特許文献１参照）。図１０は、特許文献１で開示された装置の概略構成図である。この図に示すように、所定間隔隔てて配置される２枚の採光プリズム１及び２と、これらの採光プリズム１及び２を独立して回転させる可動機構（図示略）とを備えるとともに、上側に配置される採光プリズム１の上面には凸レンズ面１ａが形成され、上下に配置される採光プリズム１及び２の回転中心を合致させて回転させる構成を採っている。一方、太陽を追尾することなく採光する装置もある（例えば特許文献２参照）。図１１は、特許文献２で開示された装置の概略構成図である。この図に示すように、平板形状で透明度の高いプレート５と、プレート５の一面５ａに被着された少なくとも１つの多重化ホログラム光学フィルム６とを備える構成を採る。
特開平９−５６６４号公報特表２００１−５１０９０２号公報

しかしながら、従来の太陽光を採光する装置においては、次のような問題がある。
特許文献１で開示された装置は、日周運動する太陽を追尾するための可動機構を備えるため、装置が大型化すると共に高価になり、また可動機構を動作させるための電力を必要とする。

特許文献２で開示された装置は、太陽を追尾する可動機構を備えることなく採光することができるので、装置が大型化にならず、その分コストの低減、電力消費を抑えることができる利点がある反面、平板透明度の高いプレートを製作する工程と、多重化ホログラムフィルムを製作する工程と、多重化ホログラムフィルムをプレートに被着する工程を要するため、製造コストが嵩む。

本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたもので、太陽を追尾するための可動機構を備えることなく効率の良い採光が可能で、しかも小型且つ安価に製造することができる採光装置を提供することを目的とする。

本発明の採光装置は、少なくとも可視光を透過可能な材料で形成された板状体と、前記板状体の光入射面に形成され、入射光を前記板状体内に該板状体の全反射条件を満たすよう偏向又は分岐する回折光学素子と、を具備ことを特徴とする。

このように構成された採光装置によれば、回折光学素子に対して垂直に入射した光が全反射条件を満たす角度で分岐されて板状体内に射出され、また回折光学素子に対して斜めに入射した光の場合は分岐した光の一方が全反射条件を満足するように板状体内に射出される。板状体内に射出された光は板状体の下面で全反射し、さらに回折光学素子面で反射して板状体の端面に向かい、該端面から放射される。したがって、太陽を追尾するための可動機構を備えることなく効率の良い採光が可能となり、さらに可動機構を備えない分、装置の小型化が図れ、さらに板状体と回折光学素子を樹脂成型又はガラス成型により一体に形成できるので、安価に製造することができる。

本発明の採光装置は、少なくとも可視光を透過可能な材料で形成された板状体と、前記板状体の光入射面と対向する対向面に形成され、入射光を前記板状体内に該板状体の全反射条件を満たすよう偏向又は分岐する回折光学素子と、を具備することを特徴とする。

このように構成された採光装置によれば、板状体に対して垂直に入射した光は回折光学素子の面で反射回折し、板状体の内部で全反射する条件を満たす角度に分岐され、板状体に対して斜めに入射した光の場合は回折光学素子の面で反射回折して分岐した一方の光が全反射条件を満足するように板状体内に射出される。分岐された光は板状体の端面に導光され、該端面から放射される。したがって、本発明においても上記発明と同様に、太陽を追尾するための可動機構を備えることなく効率の良い採光が可能となり、さらに可動機構を備えない分、装置の小型化が図れ、さらに板状体と回折光学素子を樹脂成型又はガラス成型により一体に形成できるので、安価に製造することができる。

本発明の採光装置において、前記板状体と前記回折光学素子を一体に形成することで、少ない工数で製造することができ、製造コストを低く抑えることが可能となる。

また、本発明の採光装置において、前記板状体の光入射面と放射面とを除く他の面夫々に、前記板状体内を全反射して伝播してくる光を前記板状体内に反射する反射部材を設けることで、必要な端面以外からの光の放射を防止でき、必要な端面からより多くの光を放射させることができる。

また、本発明の採光装置において、前記板状体の断面形状を楔形とすることで、楔の開いた方の端面から放射される光を増加させることができる。

本発明の採光装置の製造方法は、少なくとも可視光を透過可能な樹脂材料又はガラス材料からなる板状体と、前記板状体の光入射面に形成され、入射光を前記板状体内に該板状体の全反射条件を満たすよう偏向又は分岐する回折光学素子とを、成型により一度に製造することを特徴とする。

このような採光装置の製造方法によれば、板状体と回折光学素子を樹脂成型又はガラス成型により一体に形成できるので、安価に製造することができる。

本発明の採光装置の製造方法は、少なくとも可視光を透過可能な樹脂材料又はガラス材料からなる板状体と、前記板状体の光入射光面と対向する対向面に形成され、入射光を前記板状体内に該板状体の全反射条件を満たすよう偏向又は分岐する回折光学素子とを、一度の成型により製造することを特徴とする採光装置の製造方法。

本発明の採光装置の製造方法は、少なくとも可視光を透過可能な樹脂材料又はガラス材料からなる板状体を成型により製造する一方、入射光を前記板状体内に該板状体の全反射条件を満たすよう偏向又は分岐する回折光学素子を成型により製造し、前記板状体の光入射面又は光入射光面と対向する対向面に被着することを特徴とする。

このような採光装置の製造方法によれば、回折光学素子を成型により製造するので、多重化ホログラムフィルムを製作する場合に比べて安価に製造可能である。

本発明によれば、太陽を追尾するための可動機構を備えることなく効率の良い採光が可能で、しかも小型且つ安価に製造することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る採光装置を示す断面図である。また、図２は図１の部分拡大図である。なお、図１及び図２は断面図であるが、装置内部での光の反射状況を示す為にハッチングを省略している。図１において、本実施に係る採光装置９は、少なくとも可視光が透過可能な材料で形成された板状体１０からなり、その上面には回折光学素子１１が形成されている。本実施の形態では、可視光が透過可能な透明材料として屈折率１．４８のアクリル樹脂を用いている。回折光学素子１１の格子方向は図３に示すように板状体１０の端面に平行になっている。また、回折光学素子１１の断面形状は正弦波形状となっている。

板状体１０の回折光学素子１１が形成された面（即ち上面）が太陽光などの自然光が入射する光入射面となる。回折光学素子１１は分岐素子（特別な場合に偏向素子）として機能する。すなわち、光が回折光学素子１１の面に垂直に入射する場合、分岐された光が入射光の方向に対してなす角度即ち１次回折角θｄ（図２の部分拡大図を参照）は、式（１）で表される。

ｓｉｎθｄ＝λ／（ｎ_１×ｄ） …（１）
但し、λは光の波長、ｎ_１は板状体１０の屈折率であり、ｄは回折光学素子１１の格子定数（格子周期）である。例えば、ｄ＝０．４μｍとすると、可視の波長範囲でθｄを４２度以上の角度とすることが可能となる。また、全反射条件即ち板状体１０内で全反射が発生する角度θｃ（図２の部分拡大図を参照）は式（２）で与えられる。

（ｎ_１／ｎ_２）×ｓｉｎθｃ≧１ …（２）
但し、ｎ_２は板状体１０の外部即ち空気の屈折率（１．０）である。板状体１０が屈折率１．４８のアクリル樹脂の場合、式（２）を満足させるにはθｃ≧４２．５度であることが必要である。ｄ＝０．４μｍの回折光学素子１１による回折角θｄはこの条件を略満足できる。すなわち、上記のような回折光学素子１１に対して垂直に入射した光２０ａが全反射条件を満たす角度で分岐されて板状体１０内に射出される。回折光学素子１１に対して斜めに入射した光２０ｂ、２０ｃの場合は分岐した一方の光が全反射条件を満足するように板状体１０内に射出される。板状体１０内に射出された光は板状体１０の下面で全反射し、さらに回折光学素子１１の面で反射して板状体１０の端面に向かい、端面１０から放射される。また、入射光のうち一部は板状体１０の下面から抜ける。図面において符号２１は反射光、符号２２は板状体１０の下面から抜けた透過光である。また、符号２３は、板状体１０の端面から放射された放射光である。このように、板状体１０の回折光学素子１１に入射した光が板状体１０の端面に集光する。集光した光は図示しない導光路を用いて照明に使用することができる。

このような採光装置９を建物の屋上などに設置することにより、移動する太陽に対しても常時採光することができる。採光装置９の設置においては、常時太陽光を受光する向き、すなわち南中時に採光装置が太陽に面するよう設置するのが望ましい。回折光学素子１１で採光された光が板状体１０の端面に集光するので、大きく広がった光ビームを導光する場合と比べて非常に容易に導光することができる。すなわち、建物の屋上などの離れた場所から目的とする場所まで光を導光する場合に、それを容易に行うことができる。

また、本実施の形態の採光装置９は、一度の樹脂成型により板状体１０と回折光学素子１１を一体に形成できるので、製造工程の簡略化が図れ、安価に製造することができる。すなわち、特許文献２で開示された装置では、その製造工程として、透明度の高いプレートを製作する工程と、多重化ホログラムフィルムを製作する工程と、多重化ホログラムフィルムをプレートに被着する工程の３つの工程を必要としたが、本実施の形態の採光装置９は、板状体１０と回折光学素子１１を一度に形成するこができので、１工程で済ますことができる。なお、入射光のうち一部は板状体１０の下面から抜けてしまうが、装置の小型化の利点で、安価で製造することができる利点が勝る。安価に製造できるため設置数を大幅に増すことができ、利用できる光量を容易に賄うことができる。

このように本実施の形態の採光装置によれば、板状体１０と、その上面に形成した回折光学素子１１とを備え、回折光学素子１１に入射する様々な方向からの光を集光して板状体１０の端面から放射するので、太陽を追尾するための可動機構を備えることなく効率の良い採光が可能となり、さらに可動機構を備えない分、装置の小型化が図れ、さらに、板状体１０と回折光学素子１１を樹脂成型又はガラス成型により一体に形成できるので、安価に製造することができる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る採光装置を示す断面図である。なお、図４において前述した図１と共通する部分には同一の符号を付けている。また、図４においても装置内部での光の反射状況を示す為にハッチングを省略している。図４において、本実施の形態の採光装置３０は、少なくとも可視光が透過可能な材料で形成された板状体１０の光が入射する面に対向する面に回折光学素子１１を形成している。本実施の形態の採光装置３０においても、一度の樹脂成型により板状体１０と回折光学素子１１を一体に形成できるので、製造工程の簡略化が図れ、安価に製造することができる。

板状体１０に対して垂直に入射した光２０ａは回折光学素子１１の面で反射回折し、透明の板状体１０の内部で全反射する条件を満たす角度に分岐される。板状体１０に対して斜めに入射した光２０ｂ、２０ｃの場合は回折光学素子１１の面で反射回折して分岐した一方の光が全反射条件を満足するように板状体１０内に射出される。分岐された光は上述した実施の形態１の場合と同様に板状体の端面に導光され、該端面から放射される。本実施の形態でも実施の形態１と同様の効果を奏する。

なお、上記実施の形態１及び２では、回折光学素子１１の格子の方向を板状体１０の端面に平行としたが、例えば図５に示すように斜めでも良い。また、格子は必ずしも平行でなくとも良く曲線状であっても良い。さらに、図６に示すように直線状格子が交わった構成である複合格子であっても良い。複合格子とした場合は放射される光は図６に示すように４つの端面から放射される。

さらに、板状体１０において光が入射する面と放射される面とを除いた部分に、図７に示すように、反射面４０を形成しても良い。反射面４０は、アルミニウム、クロム、金などの金属をメッキ、蒸着することにより実現できる。このように、板状体１０において光が入射する面と、放射される面とを除いた部分に反射面４０を形成することにより必要な端面以外からの光の放射を除くことができ、必要な端面から多くの光を放射させることができる。さらに、板状体の形状も矩形に限らず図８に示すように台形状でも良い。板状体１０の断面形状も矩形に限らず図９に示すように、楔（くさび）形とすることもできる。断面を楔形とすると、楔の開いた方の端面から放射される光を増加させることができる効果がある。また、回折光学素子１１を形成した板状体１０の材質は樹脂に限らず、透明なガラスなど可視光が透過する材料であればどのようなものであっても良い。

本発明の採光装置は、屋外に設置して自然光を採光して屋内を照らす照明装置や自動販売機の商品名プレートを照らすバックライトとして適用可能である。

本発明の実施の形態１に係る採光装置を示す断面図実施の形態１に係る採光装置の部分拡大図実施の形態１に係る採光装置の回折光学素子の格子方向を示す図本発明の実施の形態２に係る採光装置を示す断面図本発明の実施の形態１及び２に係る採光装置の回折光学素子の応用例を示す図本発明の実施の形態１及び２に係る採光装置の回折光学素子の応用例を示す図本発明の実施の形態１及び２に係る採光装置の回折光学素子の応用例を示す図本発明の実施の形態１及び２に係る採光装置の回折光学素子の応用例を示す図本発明の実施の形態１及び２に係る採光装置の回折光学素子の応用例を示す図従来の光の採光を行う装置の概略構成を示す図従来の他の採光装置の概略構成を示す図

符号の説明

９、３０採光装置
１０板状体
１１回折光学素子
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ入射光
２１反射光
２２透過光
２３放射光
４０反射面

Claims

少なくとも可視光を透過可能な材料で形成された板状体と、
前記板状体の光入射面に形成され、入射光を前記板状体内に該板状体の全反射条件を満たすよう偏向又は分岐する回折光学素子と、
を具備することを特徴とする採光装置。
少なくとも可視光を透過可能な材料で形成された板状体と、
前記板状体の光入射面と対向する対向面に形成され、入射光を前記板状体内に該板状体の全反射条件を満たすよう偏向又は分岐する回折光学素子と、
を具備することを特徴とする採光装置。
前記板状体と前記回折光学素子とが一体に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の採光装置。
前記板状体の光入射面と放射面とを除く他の面夫々に設けられ、前記板状体内を全反射して伝播してくる光を前記板状体内に反射する反射部材を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の採光装置。
前記板状体は、その断面形状が楔形であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の採光装置。
少なくとも可視光を透過可能な樹脂材料又はガラス材料からなる板状体と、前記板状体の光入射面に形成され、入射光を前記板状体内に該板状体の全反射条件を満たすよう偏向又は分岐する回折光学素子とを、一度の成型により製造することを特徴とする採光装置の製造方法。
少なくとも可視光を透過可能な樹脂材料又はガラス材料からなる板状体と、前記板状体の光入射光面と対向する対向面に形成され、入射光を前記板状体内に該板状体の全反射条件を満たすよう偏向又は分岐する回折光学素子とを、一度の成型により製造することを特徴とする採光装置の製造方法。
少なくとも可視光を透過可能な樹脂材料又はガラス材料からなる板状体を成型により製造する一方、入射光を前記板状体内に該板状体の全反射条件を満たすよう偏向又は分岐する回折光学素子を成型により製造し、前記板状体の光入射面又は光入射光面と対向する対向面に被着することを特徴とする採光装置の製造方法。