JP2008251468A - 集光素子と採光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】採光効率のよい集光素子と、採光効率のよい小型で安価な採光装置を提供することを目的とする。
【解決手段】第１の屈折率を有する基板に一体的に設けられ、第１の屈折率より高い第２の屈折率を有する埋設部を含んでなる集光素子であって、前記埋設部は、一端面が前記基板の一主面と同一平面にあって入射面となり、該入射面に平行な横断面形状が全長にわたって一定である導光部と、一端が前記導光部の他端に繋がっており、前記導光部から離れるにしたがって細くなっている集光部と、を有してなり、前記集光部の他端部にある外周面の一部に反射面が設けられたことを特徴とする。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、集光素子とその集光素子を用いて構成した採光装置に関する。

近年、都市部では、ビルデイングが立ち並んだり、集合住宅が増加していることなどにより、自然光の採光環境が悪化してきている。このような状況のもと、日当たりの良い場所で自然光を採光して、光ファイバによって光を必要とする場所に伝送して利用することが考えられている。

これらの採光装置として、ミラー方式、プリズム・ミラー方式、レンズ・ファイバー方式のものがあるが、いずれも、得られる光量の割には高額で、その普及は進んでいない。また、特許文献１には、低屈折率領域の中に、円錐形状の高屈折率領域を複数形成してなる集光部で集めた光を光ファイバにより伝送させる採光装置が開示されている。この特許文献１の採光装置は、比較的小型で製造コストを低減できるとされている。
特開平８−７６２６号公報

しかしながら、採光装置を一般家庭に普及させるためには、より採光効率のよい小型で安価な採光装置が求められる。

そこで、本発明は、採光効率のよい集光素子と、採光効率のよい小型で安価な採光装置を提供することを目的とする。

以上目的を達成するために、本発明に係る集光素子は、第１の屈折率を有する基板に一体的に設けられ、第１の屈折率より高い第２の屈折率を有する埋設部を含んでなる集光素子であって、前記埋設部は、一端面が前記基板の一主面と同一平面にあって入射面となり、該入射面に平行な横断面形状が全長にわたって一定である導光部と、一端が前記導光部の他端に繋がっており、前記導光部から離れるにしたがって細くなっている集光部と、を有してなり、前記集光部の他端部にある外周面の一部に反射面が設けられたことを特徴とする。

また、本発明に係る採光装置は、本発明に係る複数の集光素子と、前記基板の内部に設けられた前記第１の屈折率より高い第３の屈折率を有するコア部からなり、前記各集光素子の前記外周面の他端部の一部にそれぞれ連結され、前記反射面で反射された光がそれぞれ入射される複数の結合導波路と、前記基板の内部または他主面に設けられた前記第１の屈折率より高い第４の屈折率を有するコア部からなり、前記複数の結合導波路が接続された集積導波路と、を有して成る。

以上のように構成された本発明に係る集光素子は、前記入射面に平行な横断面形状が全長にわたって一定である導光部を有しているので、採光効率を良好にできる。
また、本発明に係る採光装置によれば、本発明に係る採光効率の高い集光素子を複数備えて構成されているので、採光効率のよい小型で安価な採光装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施形態の採光装置について説明する。
本実施形態の採光装置は、図１Ａ〜図１Ｃに示すように、マトリクス状に配置された複数の集光素子１と、各集光素子１に接続された結合導波路２と、結合導波路２が接続された第１集光導波体３と、第１集積導波体３が接続された第２集積導波体４とを有してなり、全ての集光素子１に入射された光が最終的に第２集積導波体４に集められて出力端子Ｐ１から出力される。また、本実施の形態の採光装置において、集光素子１、結合導波路２、第１集光導波体３及び第２集積導波体４はそれぞれ、低屈折率領域５に高い屈折率領域を所定の形状に形成することにより一体化された基板１００として構成されており、低屈折率領域との屈折率差によって高い屈折率領域に光を閉じ込めて伝送させている。
尚、入射面１１ａの表面（基板１００の表面）には、反射防止膜（ＡＲコート）７が施され、反射によるロスを軽減している。

以下、本発明に係る実施形態の採光装置の構成について詳細に説明する。
＜集光素子１＞
実施形態において、集光素子１はそれぞれ入射面１１ａを有し、その入射面１１ａが基板１００の表面（一主面）と同一面上に位置するように基板１００に埋め込まれて形成された埋設部を有しており（図１Ｂ）、低屈折率領域５より高い屈折率を有している。本実施形態では、集光素子１の入射面１１ａは矩形形状であり、マトリクス状に配置されている（図１Ａ）。なお、低屈折率領域５（第１の屈折率）の屈折率は、１．２９〜１．３６、また埋設部を構成する高低屈折率領域（第２の屈折率）の屈折率は、１．４５〜１．６２である。

また、集光素子１はそれぞれ、入射面１１ａを含み該入射面１１ａに平行な横断面形状が入射面１１ａと同一形状である柱形状の導光部１１と、一端が入射面１１ａと同一形状であって、その一端で導光部１１に連続して繋がっており、導光部１１から離れるにしたがって細くなっている集光部１２とからなっている。さらに、集光部１２の下端部の外周面の一部に反射面１３が設けられている。そして、集光部１２の下端部の外周面の一部（反射面１３が設けられた一部の反対側の一部）に結合導波路２が接続されている。
このように、反射面１３は、斜めに形成されて、入射した光を結合導波路２に向けて角度変換するためのもので、本実施形態では、反射率を上げるために反射体１３が形成されている。しかしながら、集光素子の屈折率によっては、十分、全反射させることが可能になるため、この反射体１３を設けることなく構成してもよい。

以上のように構成された集光素子１において、入射面１１ａを介して入射された光は、導光部１１を介して集光部１２に入射され、集光部１２で集光されて反射面１３で反射され、結合導波路２に入射される。

ここで特に、本実施形態の集光素子１において、導光部１１は低屈折領域５との境界面で入射した光を反射させて、集光部１２に入射する。このとき、本実施形態では、集光部１２は、入射面１１ａを一端面とする柱形状を有しているので、入射された光のうちより多くの光を導光部１１と低屈折率領域５との界面（柱形状の側面）で反射して効率よく集光部１２に伝達できる。

すなわち、斜めから入射した光は、特許文献１のように、低屈折率領域５との界面が最初から傾斜していると入射角が小さくなって全反射する光の割合が小さくなるが、本発明のように低屈折率領域５との界面が入射面１１ａに対して垂直になっていると入射角が大きくなって全反射する光の割合が大きくなる。したがって、導光部１１を有する本発明では、低屈折率領域５の内に漏れる光を少なくでき、入射面１１ａから入射される光を効率よく集光できる。このように、本実施形態では、垂直に入射した光だけでなく、斜めに入射した光をも集光導波路に効果的に導くことができる。

また、本実施形態の採光装置では、導光部１１を設けているので、導光部１１を設けていない場合に比較して、開口数を大きくすることができる。すなわち、本実施形態の採光装置では、導光部１１が入射面に垂直に設けられているため、導光部１１と低屈折領域５の間の臨界角を入射面１１ａに対して大きくできるためである。

また、以上の集光素子１では、導光部１１の長さは、開口数を大きくとるために、光入射面の径又は一辺の２．５〜４．０倍の範囲に設定することが好ましい。

本実施形態において、集光素子を構成する高屈折率材料として、例えば、メタクリル酸メチル樹脂、ポリカーボネート等を用いることができ、その中でも、ポリカーボネート樹脂を用いることが好ましい。ポリカーボネート樹脂を用いて集光素子を構成すると、開口数が大きく取れ、散乱光の集光にも大いに貢献することが出来る。また、集光素子を水素原子の一部が重水素原子で置換されたポリメタクリル酸メチル樹脂で構成すれば、集光素子の光の吸収波長のピークを長波長側にシフトさせることができるため、可視光領域における光の吸収を低減させて、採光量を増大させることができる。

＜結合導波路２＞
結合導波路２はそれぞれ、一端が集光部１２の下端部の外周面の一部に接続され、他端が第１集積導波路３に接続される。この結合導波路２は、低屈折率領域５の内部に高い屈折率のコア部を形成することにより構成される。また、結合導波路２は、集光部１２の下端部の外周面の一部に反射面１３に対向するように設けられて、反射面１３で反射された光が入射され、入射された光を第１集積導波路３に入射させる。

＜第１集積導波路３＞
第１集積導波路３はそれぞれ、配列された集光素子１の２つの行の間に設けられ、その２つの行に配列された各集光素子１２に接続された結合導波路２が全て接続され、その端部が第２集積導波路４に接続される。これにより、２つの行に配列された各集光素子１２なよって集光された光が全て集積された後、第２集積導波路４に入力される。この第１集積導波路３も結合導波路２と同様、低屈折率領域５の中に高い屈折率のコア部を形成することにより構成される。なお、本実施形態において、第１集積導波路３は、低屈折率領域５の内部に形成されているが、低屈折率領域５を有する基板１００の入射面１１ａの裏面に対応する他主面に形成させてもよい。

＜第２集積導波路４＞
第２集積導波路４には、複数の第１集積導波路３の端部が接続されて、その端部は出力端子Ｐ１に接続され、その複数の第１集積導波路３に集積された光をさらに集積して伝送する。この第２集積導波路４も、結合導波路２及び第１集積導波路３と同様、低屈折率領域５の中に高い屈折率のコア部を形成することにより構成される。なお、本実施形態において、第２集積導波路４は、低屈折率領域５の内部に形成されているが、低屈折率領域５を有する基板１００の入射面１１ａの裏面に対応する他主面に形成させてもよい。

以上のように構成された実施形態の採光装置において、各集光素子１に入射した光がそれぞれ結合導波路２によって第１集積導波体３に集められて伝送され、第１集積導波体３に集められた光はさらに第２集積導波体４に集められて伝送され、第２集積導波体４に集められた光は出力端子Ｐ１から出力される。このようにして、実施形態の光採光装置では、全ての集光素子１に入射された光が全て集められて出力端子Ｐ１から出力されて、出力端子Ｐ１に接続された光ファイバ６によって目的とする場所に伝送される。

以上のように構成された本発明に係る実施形態の採光装置では、集光素子１がそれぞれ柱形状の導光部１１と導光部１１から離れるにしたがって細くなっている集光部１２からなっているので、入射した光の効率良く集光することができる。

実施形態では、結合導波路２、第１集積導波路３及び第２集積導波路４のコア部を構成する材料は同一であることが好ましく、例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂を用いることができるが、特に、結合導波路２、第１集積導波路３及び第２集積導波路４のコア部を水素原子の一部が重水素原子で置換されたポリメタクリル酸メチル樹脂で構成すれば、集光素子の光の吸収波長のピークを長波長側にシフトさせることができるため、可視光領域における光の吸収を低減させて、採光量を増大させることができる。

次に、本発明に係る採光装置の製造方法を説明する。図３にその製造フローを示す。
本方法では、まず、基板１００と同じ外形の凹部の底面に集光素子１に対応する形状の素子凹部が、集光素子１に対応する個数だけ形成された第１型枠５０を準備する。
次に、第１型枠５０の素子凹部にそれぞれ、集光素子１を構成するための第１高屈折率樹脂を充填して硬化する。
そして、素子凹部に充填された第１高屈折率樹脂部５１を覆うように、第１型枠５０の凹部の底面に反射防止膜となる樹脂５２を塗布して硬化する（図３（ａ））。

次に、基板１００と同じ外形でかつ底面が平坦な凹部を有する第２型枠を準備し、その凹部に第１型枠から取り出した樹脂５２の上に第１高屈折率樹脂部５１が配列された樹脂成形体を、樹脂５２を下にして収容する。そして、第１高屈折率樹脂部５１の間に、低屈折率樹脂５３を充填して硬化する。ここで、低屈折率樹脂５３は、第１高屈折率樹脂部５１の反射部となる部分が丁度露出するような高さまで充填する。

そして、低屈折率樹脂５３の表面と第１高屈折率樹脂部５１の反射部となる部分とに、反射膜１３となる金属反射膜５４を形成する（図３（ｃ））。

その後、金属反射膜５４を覆うように、結合導波路２と第１集積導波路３のコアを形成するための高屈折差率樹脂を集光素子１の先端まで充填し、て硬化する。
次に、結合導波路２、第１集積導波路３及び第２集積導波路４のコアとなる部分にレジストを形成してパターンニングすることにより、結合導波路２、第１集積導波路３及び第２集積導波路４のコア部を形成する。

最後に、結合導波路２、第１集積導波路３及び第２集積導波路４のコア部を覆うように、低屈折率樹脂を充填して硬化した後、型から取り出す。

以上のようにして、本発明に係る採光装置は作製される。
尚、以上の製造方法では、結合導波路２と第１集積導波路３のコアを形成した後に、
反射部１３を形成する部分のみを露出させて、その後、反射膜用の金属膜を形成するようにしてもよい。このようにすると、実施形態で説明した図１Ｂに示す構造の採光装置が作製できる。

本発明の採光装置は、以上のような製造方法を用いて製造することが可能であり、安価に製造することができる。

以上の実施形態では、集光素子１の軸方向が光入射面１１ａに直交する例を用いて説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、太陽光を最も効率よく取り入れることができる方向に集光素子１の軸を向ければよく、集光素子１の軸が光入射面１１ａに対して傾いていてもよい。

本発明において、集光素子１を構成する材料は、導波路を構成する材料と同一材料により構成してもよいが、本発明では、集光素子１を構成する材料は、導波路を構成する材料より吸水率が低い材料により形成されていることが好ましい。採光装置において表面近くの集光素子１を、吸水率が低い材料により構成すると、採光装置の耐湿特性を向上させることができる。

また、本発明に係る採光装置では、反射防止膜に代えて、又は反射防止膜の上に紫外光を吸収する光吸収層を設けることもできる。このようにすると、自然光から紫外線をカットして室内に取り入れることができる。このような光吸収層としては、例えば、カーボンを含有した黒色系のエポキシ樹脂等を用いることができる。

本発明を実施するに当たって、一辺が０．３ｍのサンプルを準備した。
尚、光導波路の集合体部分の厚さは、６５μｍとした。
集光素子の長さは１ ｍｍ、入射面は一辺が２００μｍの正方形とし、反射面の一辺は、６５μｍとした。集光素子の個数は１４４００００個である。
また、結合導波路、集積導波路の断面は、一辺が６５μｍの正方形とした。これはコア径２００μｍのファイバと容易に接続が可能となるようにするためである。

完成した光集光装置の有効面積は、５７６ｃｍ^２である。
この装置を１００００ルクスの環境におき、光ファイバで室内に伝送して、光ファイバから出射した光をレンズで拡散して、１．５ｍの円の元での光量を評価したところ、１８０ルクスが得られた。その結果から、結合効率として６３％がえられたこととなる。
この結果から、約．１．５ｍ．角の有効面積を有する光採光装置を作成すると、８畳間サイズに対して、十分な光量が確保できることが確認された。

本発明に係る実施形態の光採光装置の平面図である。 図１ＡのＩＢ−ＩＢ線についての断面図である。 実施形態の光採光装置を裏側から見たときの一部（図１ＡにおいてＩＣで示す部分）の透視図である。 実施形態の光採光装置において、集光素子により集光された光の伝送方向を模式的に示す断面図である。 本発明に係る採光装置の製造工程の流れを示す断面図である。

符号の説明

１ 集光素子、２ 結合導波路、３ 第１集光導波体、４ 第２集積導波体、１００ 採光装置

Claims (9)

1. 第１の屈折率を有する基板に一体的に設けられ、第１の屈折率より高い第２の屈折率を有する埋設部を含んでなる集光素子であって、
   前記埋設部は、
   一端面が前記基板の一主面と同一平面にあって入射面となり、該入射面に平行な横断面形状が全長にわたって一定である導光部と、
   一端が前記導光部の他端に繋がっており、前記導光部から離れるにしたがって細くなっている集光部と、を有してなり、
   前記集光部の他端部にある外周面の一部に反射面が設けられたことを特徴とする集光素子。
2. 前記入射面は、円形又は矩形である請求項１記載の集光素子。
3. 請求項１又は２に記載された集光素子からなる複数の集光素子と、
   前記基板の内部に設けられた前記第１の屈折率より高い第３の屈折率を有するコア部からなり、前記各集光素子の前記外周面の他端部の一部にそれぞれ連結され、前記反射面で反射された光がそれぞれ入射される複数の結合導波路と、
   前記基板の内部または他主面に設けられた前記第１の屈折率より高い第４の屈折率を有するコア部からなり、前記複数の結合導波路が接続された集積導波路と、を有して成る採光装置。
4. 前記集積導波路を複数有し、
   前記基板の内部または他主面に設けられた前記第１の屈折率より高い第５の屈折率を有するコア部からなり、該複数の集積導波路が接続された第２の集積導波路をさらに有する請求項３記載の採光装置。
5. 前記結合導波路のコア部と前記集積導波路のコア部と前記第２の集積導波路のコア部は、同一の材料からなる請求項４記載の採光装置。
6. 前記集光素子はポリカーボネート樹脂により形成され、
   前記結合導波路のコア部と前記集積導波路のコア部と前記第２の集積導波路のコア部は、前記光導波部は水素原子の一部が重水素原子で置換されたポリメタクリル酸メチル樹脂により形成されていることを特徴とする請求項３〜５のうちのいずれか１つに記載の採光装置。
7. 前記導光部の軸は、前記入射面に直交する請求項３〜６のうちのいずれか１つに記載の採光装置。
8. 前記集光素子は、前記結合導波路より吸水率が低い材料により形成されていることを特徴とする請求項３〜７のうちのいずれか１つに記載の採光装置。
9. 少なくとも前記入射面の上に、紫外光を吸収する光吸収層を設けたことを特徴とする請求項３〜８のうちのいずれか１つに記載の採光装置。

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