JP2009266794A - 太陽光照明器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の太陽光採光設備の欠点である大きさや外観上の問題を解決し、通常の窓にも施工でき、窓としての視界を妨げず、太陽光を室内導入し、かつ太陽の方位角変化に追従可能とし照明に利用しやすくすること。
【解決手段】透明材料と反射面を、組立、あるいは一体成形により水平格子状に上下交互に配置したパネルを太陽光照明器として建物窓の太陽光が当たる部位に取り付け、屈折と反射の作用により、太陽光線を室内天井方向に導き、天井に反射させて照明に利用する。更に、透明材料と反射面を、組立、あるいは一体成形により水平格子状に上下交互に配置したパネルを回転、もしくは変形させて水平格子に傾きを与えて、太陽の方位角変化に追従して出射光を一定方位に導き天井に反射させて照明に利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光を室内に導入し照明に用いる太陽光照明器に関するものである。

日中、室外に強い太陽光がありながら、建物はそれを遮断して室内に人工照明を施すことは、省エネルギーの観点から矛盾があった。そのため従来から、大型反射鏡を用いて太陽光を室内に導き室内照明の補助とする設備があった。（非特許文献１ｐ５５〜５７参照）
パワー社２００２年刊「太陽生活入門」Ｐ５５〜５７

以上に述べた設備では、室外に大きな構造物を設ける必要があり、窓の視野を遮る美観上の問題があるほか、太陽追尾のためミラー等を水平回転する必要があり、スペースを取り設置費用もかさみ、普及に至っていない。

本発明は、このような従来の装置の欠点を解決し、室内にも設置でき、スペースを取らず、視界を確保し、低コストで製作可能でありながら、効果的に太陽光を室内導入し照明に利用することができるようにすることを目的とする。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明は、上記目的を達成するために、透明材料と反射特性を持つ水平格子を交互に配置し、パネル状としたものである。

透明材料で作られた要素部材（９）の、入射光側（１２）と出射光側（１３）の面は互いに平行として、室内に居る人の視点（１１）から太陽光照明器に妨げられることなく、外の景色（３）の視界が得られるようにする。

本発明の太陽光照明器は、建物の窓（４）の太陽光が当たる範囲でなるべく上部の位置に取り付けるか、建物の窓（４）の近傍に配置するか、もしくは窓ガラスの代わりに窓材料として施工する。

本発明の太陽光照明器に太陽光線（２）が入射すると、入射光側（１２）の境界面で屈折し、反射面（１０）で反射した後、出射光側（１３）の境界面でも屈折し、天井（７）方向に向かう。

天井（７）が白色その他光反射率の高い面であれば、天井面の反射光（８）により晴天の日中においては室内の照度が充分上がり、人工照明を消灯もしくは減灯することが可能になる。天井が反射率の高い面でなければ、天井（７）に反射率の高い反射板（３８）を設置することにより室内の照度を上げることができる。また、角度が可変的であるような反射板を天井に取り付ければ、照度（照明配光）の調整をすることができる。

反射面で反射する太陽光の光路上に配置され、室外側から見たとき正面方向に対して不透明で斜め上方方向に対して透明の性質を有する方向性拡散板（４３）を設けると、正面方向に対しては覗き見防止効果を持ちながら太陽光（６）を天井（７）方向に導くことができる。

反射面で反射する太陽光の光路上に配置され、光学的特性の異なる領域を有することにより透過光に模様を形成する模様板（４４）を設けると、天井方向に向う太陽光（６）によって天井（７）に光の模様（４５）を描くことが可能である。

要素部材（９）による格子が水平であると天井方向に導かれた太陽光（６）の方位は時刻による入射太陽光の方位（２７）の方位となり、時刻による太陽方位の変化とともに出射光が天井に当たる場所の方位は変化する。この不便を避けるには要素部材（９）による格子を南中時刻からの太陽方位角の変化の２分の１の角度分、水平から傾くように制御すると、時刻による入射太陽光の方位（２７）が、例えば南中時から１５時の方位に変わっても天井方向に導かれた太陽光（６）の方位を南中時と同じに保つことができる。

要素部材（９）による格子を傾ける方法としては、円盤状に集積成形した太陽光照明器のパネル（２４）をパネル面と垂直の中心線が軸となるようにモーターで回転させるか、パネル形状を長方形（２９）から平行四辺形（３０）に変形させる方法などがある。

本発明の太陽光照明器の使用により、晴天の日中には、導入した太陽光６により室内の照度を上げることができ、人工照明の消灯もしくは減灯が可能になるので、省エネルギー効果が大きく、ＣＯ２ガス排出削減にも寄与する。また、従来の太陽光採光装置と異なり、窓の視界を遮らないので外を見るという窓本来の機能も阻害されない。

また本発明の一実施形態における太陽光照明器により、晴天の日中には太陽光を天井の一定方向に向うように導入することができるため、より効果的に室内の照度を上げることができる。

図２に示すように、透明材料にて製作された複数の棒状の要素部材９を互いに平行に並ぶように支持部によって支持することにより、パネル（太陽光照明器５）を製作する。こうしたパネルは、図３に示すように、室内に居る人の視点１１がパネルの正面にあるときに透明であり、通常の窓ガラスのように外の景色３を見ることができる。一方、斜め上方から入射する太陽光線２は各々の要素部材９の下面の反射面で反射して室内の斜め上方に向かい、天井方向に導かれた太陽光６となる。太陽光６は天井を明るく照らし、室内に間接照明の効果ももたらす。要素部材９はガラス等の透明な部材によって製作することができる。

図４に示すように、太陽光の入射光側面１２と出射光側面１３を平行に製作した各々の、透明材料で作られた要素部材９の、組み立て時下方となる面に蒸着等により反射面１０を形成する。反射面１０を形成する方法としては蒸着以外にもスパッタ、メッキ、貼り合わせ等があり、また組み立てによらず、透明材料と反射板を一体成形する方法もある。また、図９のように隣接する部材との間に空隙１４を設けて、それによって起こる透明材料内面での全反射を利用する方法もあり、この方法は製造時の環境負荷がより低い点で優れている。発明者が製作した試作品ではアクリルを材料として用い、図９に示すように下面側に鍍金などの加工を施さずに全反射によって太陽光を反射することにより、良好な結果を得ている。

反射面１０の形状は平面のほか、図６のように長手方向に母線を持つ曲面を形成する、すなわち、要素部材の長手方向に垂直な面内の形状を曲線となるように形成する方法がある。また図５のように長手方向に稜線を持つ複数面の組み合わせにより反射面を形成する方法がある。こうした反射面により、天井方向に導かれる太陽光６のパターンを拡散させ照明を平均化することができる。また、反射面は使用する地域の緯度に応じて、太陽光の利用効率が向上するような角度の傾きを与えて製作すると良い。

また、反射面１０に微細な凹凸を加えて散乱効果で光をより一様化することもできる。

また、図７のように入射光側の面および出射光側の面と、反射面１０のなす角度を直角としない構成も可能である。図７の例では、要素部材９の入射光側の面と出射光側の面は互いに平行であり、共に地面に対して垂直な面となるように取り付けられる。一方、反射面１０は水平ではなく、室内側に向って下がるように傾斜している。このような断面形状を有する要素部材９を用いると、太陽光線２をより部屋の奥深い位置の天井の方向に向けることができる。そのため、こうした要素部材９からなるパネルを有する太陽光照明器５は、太陽光線２が高い角度から入射する夏場の使用に適している。図８は、こうした要素部材９からなるパネルを有する太陽光照明器５を、表側（室外側）と裏側（室内側）を逆にして取り付けたときの断面図を示す。この状態では、反射面１０は室外側に向って下がるように傾斜する。そのため、太陽光線２をより部屋の浅い位置の天井の方向に向けることができ、太陽光線２が低い角度から入射する冬場の使用に適する。すなわち、図７、図８に示す要素部材９を用いることにより、夏冬で太陽光線２の角度が大きく異なっても、天井方向に導かれた太陽光６の方向の変化を小さくすることができる。

図２０に示すように、所望により出射光側の面１３に、正面から見ると透明で上方から見ると不透明でスリガラスと同様の特性を持った方向性拡散板４１を付加することによって太陽光散乱効果を高め、拡散された太陽光４２を天井方向に導くこともできる。

また、こうした方向性拡散板４１に代えて、図２１に示す方向性拡散板４３を付加することも好ましい。この方向性拡散板４３は、室外に居る人の視線１１から見たとき、正面（表面に垂直な方向）から見ると不透明なスリガラスと同様の特性を有し、室内側の斜め上方から見ると透明である。そのため、正面方向に覗き見防止効果を持ち、室内のプライバシーを保ちながら太陽光を導入することができる。このように方向により透過率の異なる板は、市販されているフィルム（例：ルミスティー（住友化学株式会社の登録商標））により実現することができる。

要素部材９の反射面１０と反対側の面、すなわち上面１５をスリガラス状の粗面処理あるいは光を吸収する不透明化処理を行なった面１７にすると、無処理の場合の図１０の内部乱反射による迷光１６を図１１のように防止でき、不快な眩しさを生じない。反射板と透明材料を一体成形する方式では反射板の裏面を吸収面もしくは拡散面とすれば同じ効果が得られる。

図１２に示すように要素部材９の入射光側の面１２に赤外線反射コーティング１８を施したり、材料自体に赤外線吸収特性を持たせれば、室内に導入した太陽光による室温の上昇を抑えられ、夏季冷房負担を低減する効果が付加される。

このような構成で作られた透明材料要素部材を上下に積載組み立てあるいは一体成形して照明器となるパネルを形成する。

このように形成されたパネル（太陽光照明器５）を、図１に示すように建物の窓４の太陽光が入射する範囲に取り付けるか、窓ガラスの代わりの部材として施工する。窓４に取り付ける場合は、太陽光が入射する範囲のなるべく上部であることが望ましい。

図４に示すように、いま、室外から入射した太陽光線２は、透明材料の入射光側の面１２で屈折し、次に反射面１０で反射する。

反射面１０で反射した光は、透明材料の出射光側の面１３の境界面でもう一度屈折して室内天井方向に向かう。

天井方向に導かれた太陽光６は天井７にて反射して反射光８となって室内を照明する。上方からの光は生活や作業に有効であり、照度が向上した分、人工光源を消灯したり減灯したりすることが可能になり省エネルギーに寄与する。

なお、人工照明側が室内照度を一定に保つよう制御されていれば、天候の変化により変化する室内照度も平準化される。

図２２は、太陽光照明器５と共に用いる模様板４４を示す。模様板４４は、光学的特性の異なる領域を有する（例えば面内で第１領域の色と第２領域の色が異なる）ことにより透過光に模様を形成する。このように太陽光照明器５の室内側、または太陽光照明器５に対応する位置の窓４の外側に、光学的特性の違いにより模様を形成した模様板４４を付加すると、天井方向に導かれた太陽光６によって天井７に光の模様４５を描くことができる。図２２の例では、丸・三角・四角などの形状の領域が透明で、それ以外の領域がすりガラス状の特性を有する模様板４４が示されている。この例では、天井にすりガラス状の部位を通って拡散された太陽光が照射された明るい領域ができ、その領域の中に輪郭の明確で輝度の高い丸・三角・四角の模様が形成される。模様板４４は、領域によって異なる格子のパターンを形成した板、不透明な領域と透明な領域とによってパターンが描かれた透明板、透明陽画、ステンドグラス、回折格子などさまざまな様式によって実現が可能である。

太陽高度によって変化する天井方向に導かれた太陽光６の仰角を制御したい場合は、図１３に示すように長手方向の中心軸で回転可能にした要素部材２１の集積でパネルを形成し、各要素部材を連動させて回転すると天井方向に導かれた太陽光６の仰角を変えることができ、制限はあるが天井に当たる太陽光の位置を調整することができる。

また、要素部材２１の回転角度を、季節および時刻により太陽高度が変わっても、天井方向に導かれた太陽光６の仰角は一定となるよう演算された角度に制御することで、制約範囲はあるものの、天井に当たる光の奥行方向の位置を定位させることができる。

回転可能にした要素部材２１を連動させる方法としては、部材にピン２２を取り付け、それを連動ロッド２３に嵌合させ、連動ロッド２３を上下することにより回転可能にした要素部材２１を同じ角度で回転させる方法や、部材の取り付け軸に小歯車を取り付けラックで回転させる等、いろいろな方法がある。

時刻により変化する太陽方位により変わる天井方向に導かれた太陽光６の方位を制御したい場合は、図１４、図１５に示すように、要素部材を円板状など回転させやすい形状に集積形成したパネル２４をローラー２５で受け、ローラーをモーター２６で回転させる等の方法で、パネル面に垂直な中心線を軸として、太陽の方位角の経時変化の２分の１の角度変化で、室外側から見て反時計回りとなるよう連続して回転させると、入射太陽光２７の方位の変化にもかかわらず、天井方向に導かれた太陽光６を室内の一定の方位に向けることができ、照明として利用しやすくなる。

図１６は、太陽光６の方位を制御するための他の構成例を示す。この構成例では、パネル全体を回転させるのではなく、傾けられる構造を持つ要素部材２８が水平であるとき長方形をなすパネル２９を、平行四辺形のパネル形状３０に変形させることにより、傾けられる構造を持つ要素部材２８が斜めに傾けられ、図１４、図１５に示した太陽光照明器と同じ効果を得ることができる。

より詳細に説明すると、図１６の左図では、水平方向を長手方向とする複数の要素部材２８が描かれている。各々の要素部材２８は垂直方向に見て同じ位置に配置される。その結果、それらの要素部材２８からなるパネル２９は長方形を形成する。図１６の右図では、各々の要素部材２８が同じ角度で傾けられている。その際、垂直方向に見て同じ位置に配置されている関係は保たれている。その結果、それらの要素部材２８からなるパネル２９は平行四辺形を形成する。

このような変形を可能とする構成の一例として、図１７に示されるように、傾けられる構造を持つ要素部材２８の両端を、ヒンジピン３１を介して縦連結ロッド３２で支え、コーナーのヒンジピン３４で横連結ロッド３３につないで四辺形を構成し、軸受け３５で全体を支える。横連結ロッド３３をモーター２６で回転させると長方形であった形状が平行四辺形に変形し傾けられる構造を持つ要素部材２８は傾きを得る。本項の方式では、基準位置でのパネルの形状が長方形となり、円形に比べ窓枠に対して意匠的な違和感が少ない。

本発明の太陽光照明器を用いる時の天井仕上げは、高い拡散反射率と良好な演色性を得るため白色が通常であるが、反射率が不足する場合は、図１８に示すように、出射光が天井に当たる位置に、シルバー等の高反射率材料で製作された反射板３６を設けると良い。その場合は、天井方向に導かれた太陽光６が一定方向に制御されていると大きな反射板を用いなくて済む。

図２３は、角度の設定が可能な反射板を示す。反射板３９には、複数の反射面３９が取り付けられる。反射板３９は回転軸などの支持部材を有し、反射面３８を角度の調整ができるように支持する。こうした反射板３９によれば、反射面３８の端部を押して角度を調整することにより反射光の方向を変えることができ、室内のより奥へ光を反射させる等、照明光を制御された配光４０とすることができる。

また、反射板３６を、方向により反射率の変わるものとすれば照明光の配光制御ができる。

本発明の太陽光照明器の破損を防止するには、図１９に示したように、入射光側と室内側に保護用透明板３７を設けると良い。この透明板に光学機能を付加することも効果的で、例えば赤外線を遮蔽する効果を付加すると、夏季の冷房負荷を低減でき、紫外線を遮蔽すると日焼けを防止することができる。

本発明の太陽光照明器は既存建物に付加するばかりでなく、新たに窓サッシに組み付けた製品とすることで新築の住宅やビルに適用でき、省エネルギー照明の建物が実現する。とりわけ、部屋が大きく奥行があり、また利用時間の中心が昼間であるオフィスビルでは大きな省エネルギー効果が期待できる。

本発明の太陽光照明器を建物に取り付けた状態を示す見取り図。 本発明の照明器の構成を示す見取り図。 本発明の照明器の構成を示す断面図。 本発明の照明器を構成する要素ユニットの断面図で下の反射層が平面であるもの。 本発明の照明器を構成する要素ユニットの断面図で、反射層が複数面の組み合わせであるもの。 本発明の照明器を構成する要素ユニットの断面図で、反射層が曲面であるもの。 本発明の照明器を構成する要素ユニットの断面図で入射光側と出射光側の面と反射面のなす角度を直角でない角度としたもの。 本発明の照明器を構成する要素ユニットの断面図で入射光側と出射光側の面と反射面のなす角度を直角でない角度としたもの。 本発明の照明器を構成する要素ユニットの断面図で、反射層の代わりに空隙を設け部材内部の全反射を利用するもの。 本発明の照明器を構成する要素ユニットの断面図で、上面が無処理である場合の迷光。 本発明の照明器を構成する要素ユニットの断面図で、上面に処理をして迷光を防ぐもの。 本発明の太陽光照明器で入射面に赤外線反射コートを施したもの。 本発明の各要素部材を回転させて天井方向に導かれる太陽光の仰角を変更する機能を持つ照明器の見取り図。 要素部材が円板状に集積形成されたパネルを回転させ太陽方位角の変化に対応する照明器の見取り図。 図１４の機構を持つ照明器の働きを上方より見た図。 長方形と平行四辺形のパネル形状の正面図。 パネル形状を変形させる機構を表す見取り図。 天井に反射板を付加した照明器。 保護用透明板を設けた太陽光照明器の断面図。 本発明の太陽光照明器で、正面に透明で上方に不透明な方向性拡散板を設けたもの。 本発明の太陽光照明器で、正面に不透明で上方に透明な方向性拡散板を設けたもの。 模様板を付加した太陽光照明器。 本発明の太陽光照明器で、角度設定可能な反射板を天井に設けたもの。

符号の説明

１．太陽
２．太陽光線
３．外の景色
４．建物の窓
５．本発明の太陽光照明器
６．天井方向に導かれた太陽光
７．天井
８．天井面での反射光
９．透明材料で作られた要素部材
１０．反射面
１１．視点
１２．入射光側の面
１３．出射光側の面
１４．空隙
１５．要素部材の上面
１６．迷光
１７．粗面または吸収面処理をした上面
１８．赤外線反射コーティングをした面
１９．反射した赤外線
２０．赤外線を削減した太陽光
２１．回転可能にした要素部材
２２．ピン
２３．連動ロッド
２４．要素部材を円板状に集積形成させたパネル
２５．ローラー
２６．モーター
２７．入射太陽光の方位
２８．傾けられる構造を持つ要素部材
２９．長方形のパネル形状
３０．平行四辺形のパネル形状
３１．ヒンジピン
３２．縦連結ロッド
３３．横連結ロッド
３４．コーナーのヒンジピン
３５．軸受け
３６．反射板
３７．保護用透明板
３８．角度設定可能な反射面
３９．角度設定可能の反射面で構成した反射板
４０．制御された配光
４１．正面に透明、上方に不透明の方向性拡散板
４２．方向性拡散板で拡散された天井方向に導かれた太陽光
４３．正面に不透明で上方に透明の方向性拡散板
４４．模様板
４５．太陽光にて天井に描かれた光の模様

Claims (21)

1. 透明材料にて製作された複数の棒状の要素部材と、
   前記複数の要素部材が互いに平行に並ぶように支持する支持部とを具備し、
   前記複数の要素部材は、窓に取り付けた時に、室外側から入射した太陽光をそれぞれの下側の反射面で反射して室内側の天井方向に導く
   太陽光照明器。
2. 請求項１に記載された太陽光照明器において、
   前記支持部は隣接する前記要素部材を互いの間に隙間が保たれるように支持し、
   前記複数の要素部材は、前記反射面における前記透明材料による全反射によって前記太陽光を室内側の天井方向に導く太陽光照明器。
3. 請求項１または２に記載された太陽光照明器において、
   前記複数の要素部材と前記支持部とは一体成型により形成されている太陽光照明器。
4. 請求項１から３の何れかに記載された太陽光照明器において、
   前記複数の要素部材は、窓に取り付けた時に、室外を向く面と室内を向く面が平行である太陽光照明器。
5. 請求項１から４の何れかに記載された太陽光照明器において、
   前記反射面の前記要素部材の長手方向に垂直な面内の形状を曲線となるように形成することにより、太陽高度の変化による照明器への太陽光線入射角の変化によって生じる光線ケラレ等の損失を抑制するとともに、天井に向かう出射光のパターンを拡げる太陽光照明器。
6. 請求項１から４の何れかに記載された太陽光照明器において、
   前記反射面を前記要素部材の長手方向と平行な稜線を持つ複数平面の組み合わせによる柱状面としたことにより、太陽高度の変化による照明器への太陽光線入射角の変化によって生じる光線ケラレ等の損失を抑制するとともに、天井に向かう出射光のパターンを拡げる太陽光照明器。
7. 請求項１から４の何れかに記載された太陽光照明器において、
   前記要素部材の入射光側の面、および出射光側の面と反射面のなす角度を直角でない角度にして、反射面を水平から傾けたものとし、窓への取り付けの表裏を変えることで、夏冬の太陽高度の違いに対応する太陽光照明器。
8. 請求項１から７の何れかに記載された太陽光照明器において、
   前記反射面に微細な凹凸を設け、出射光の拡散と平準化を図った太陽光照明器。
9. 請求項１から８の何れかに記載された太陽光照明器において、
   前記要素部材の室内側の面に正面から見ると透明、上方から見るとスリガラス状の特性を持つ方向性拡散シートを付加した太陽光照明器。
10. 請求項１から８の何れかに記載された太陽光照明器において、
    更に、前記反射面で反射する太陽光の光路上に配置され、室外側から見たとき正面方向に対して不透明で斜め上方方向に対して透明の性質を有する方向性拡散板を具備する太陽光照明器。
11. 請求項１から１０の何れかに記載された太陽光照明器において、
    更に、前記反射面で反射する太陽光の光路上に配置され、光学的特性の異なる領域を有することにより透過光に模様を形成する模様板を具備することにより、前記天井方向に向う太陽光によって天井に光の模様を描くことを可能にした太陽光照明器。
12. 請求項１から１０の何れかに記載された太陽光照明器において、
    前記要素部材の上面は光を拡散する拡散面または光を吸収する吸収面である太陽光照明器。
13. 請求項１から１０の何れかに記載された太陽光照明器において、
    前記反射面は、前記要素部材の下面に形成された反射板であり、
    前記反射板の下面側は光を拡散する拡散面または光を吸収する吸収面である太陽光照明器。
14. 請求項１から１３の何れかに記載された太陽光照明器において、
    室外側の面に赤外線反射膜を成膜するか、もしくは透明材料に赤外吸収特性を付与することにより室内側に導く太陽光から赤外波長成分を低減し、夏季の冷房負担を低減した太陽光照明器。
15. 請求項１から１４の何れかに記載された太陽光照明器において、
    更に、前記複数の要素部材からなるパネルを、パネル面に垂直の中心線を軸として回転するように角度を制御し、入射光である太陽光の方位角の時刻による変化に対応させるための制御部を具備する太陽光照明器。
16. 請求項１５に記載された太陽光照明器において、
    前記制御部は、前記パネルを長方形から平行四辺形に変化するように制御変形させることで前記要素部材に傾きを与えることにより前記角度の制御を実現する太陽光照明器。
17. 請求項１５または１６に記載された太陽光照明器において、
    前記要素部材の各々はその長手方向の中心軸回りに回転可能に支持され、
    更に、各要素部材の前記中心軸回りの回転角が連動するように制御し、入射する太陽光の太陽高度の時刻および季節による変化に対応させる回転角制御部を具備する太陽光照明器。
18. 請求項１５から１７のいずれかに記載された太陽光照明器において、
    更に、前記反射面で反射し天井方向に導かれた太陽光が天井に当たる位置に配置された天井反射板を具備する太陽光照明器。
19. 請求項１８に記載された太陽光照明器において、
    前記天井反射板は、その角度が可変的であるように固定される太陽光照明器。
20. 請求項１から１９のいずれかに記載された太陽光照明器において、入射光側および室内側に保護用透明板を設けた太陽光照明器。
21. 請求項２０に記載された太陽光照明器において、前記保護用透明板に赤外線、紫外線の何れか、もしくは両方に対する遮蔽効果を付加した太陽光照明器。

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