JP2017183720A - 発電装置および発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】表示機能および／または照明機能を備えた高効率の発電装置を提供する。【解決手段】内部または表面に蛍光体が分散された導光体１１ａと、導光体１１ａの端面に配置された光電変換素子１２とを備え、蛍光体が光を吸収することにより発生した蛍光の一部が、光電変換素子１２によって光電変換される発電装置１０ａであって、導光体１１ａに光を放射する光源１３ａをさらに備える。【選択図】図４

Description

本発明は発電装置に関し、より詳細には、表示機能および／または照明機能を実現した、蛍光を利用する発電装置および発電システムに関する。

第一の従来技術は、蛍光を利用する発電装置であり、Luminescent Solar Concentrator (LSC)として知られている。図１は、非特許文献１に係る蛍光を利用する発電装置２００の構成例である。図１に示すように、発電装置２００は、内部に蛍光体２０１が分散された透明基板２０２と、その端部に配置された太陽電池２０３とで構成されている。

非特許文献１に係る発電装置２００では、太陽光２０４が透明基板２０２に入射して蛍光体２０１を励起すると、蛍光体２０１は蛍光を様々な方向へ放射する。そのうちの一部の蛍光２０４ａ、２０４ｂは、透明基板から外部の空中に放射される。一方で、一部の蛍光２０４ｃは、透明基板と空気との界面で全反射されて、透明基板の内部を伝搬して進行し、透明基板２０２の端部に配置された太陽電池２０３により光電変換される。

ここで、太陽光２０４が入射する透明基板２０２の面（主要面）は、端部の太陽電池の受光面よりもはるかに大きい。従って、必要とされる太陽電池２０３の面積を小さくできる。また、太陽光２０４の入射方向が変化しても蛍光２０４ｃが発生して発電することができる。レンズやミラーを使用した集光型の太陽光発電システムでは、常に太陽光を太陽電池に集光するために、太陽を追尾するための機構が必要になるが、発電装置２００では太陽追尾は不要である。

第二の従来技術は、特許文献１に記載された発明である。図２は、特許文献１に係る蛍光を利用する発光デバイス３１０の構成例である。図２に示すように、特許文献１に係る発光デバイス３１０は、蛍光体層３１３と、励起光源３１１と、光散乱性を有する障壁３１５と、低屈折率層３１６とを備えている。励起光源３１１は蛍光体層３１３に対向して配置されている。

特許文献１に係る発光デバイス３１０では、励起光源３１１が放射した光が蛍光体層３１３によって吸収され、蛍光が放射される。光散乱性を有する障壁と低屈折率層との存在により、蛍光を効率よく外部に取り出すことを可能にしている。このようにして、カラーフィルタを使用しない表示装置が実現されている。従って、従来のカラーフィルタによる光の吸収が回避されるので、エネルギーの利用効率が高い表示装置が実現される。

発光デバイス３１０は発電機能を有していないが、特許文献１には発電装置としての実施例も開示されている。図３は、特許文献１に係る蛍光を利用する発電装置３７０の構成例である。図３に示すように、特許文献１に係る発電装置３７０では、蛍光体基板３７２から蛍光が取り出された場所に太陽電池３７４を配置している。この場合の励起光源は太陽３７１である。

特開２０１４−２２４８３６号公報

W.G.J.H.M. van Sark, "Recent developments in luminescent solar concentrators," Proc. of SPIE Vol. 9178, 917804 (2014).

第一の従来技術に係る発電装置２００の構成では、太陽光２０４によって放射された一部の蛍光２０４ｃは発電に寄与している。しかしながら、透明基板から漏れ出して外部の空中に放射される蛍光２０４ａ、２０４ｂは表示や照明に利用されることはない。

第二の従来技術に係る蛍光を利用する発電装置３７０では、蛍光体基板３７２の光が出力される面の全面を覆うように太陽電池３７４が配置されている。このため、太陽電池３７４の面積が光の出力面とほぼ同じである必要がある。また、放射される蛍光を表示や照明に利用するためには、太陽電池３７４の位置を移動させる必要がある。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、表示機能および／または照明機能を備えた高効率の発電装置を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、以下に示す態様を含む。
（項１）
内部または表面に蛍光体が分散された導光体と、
前記導光体の端面に配置された光電変換素子とを備え、
前記蛍光体が光を吸収することにより発生した蛍光の一部が、前記光電変換素子によって光電変換される発電装置であって、
前記導光体に光を放射する光源をさらに備える、発電装置。
（項２）
前記光を前記蛍光体が蛍光に変換し、変換された前記蛍光の一部が前記導光体の外部へ放射される、項１に記載の発電装置。
（項３）
前記導光体が、
透明電極を有する複数の透明基板と、
複数の前記透明基板の間に介装された、前記蛍光体を含む蛍光体層とを備える、項１または２に記載の発電装置。
（項４）
前記複数の透明基板は、
前記蛍光体層の前記光源側の面に隣接する第１の透明基板と、
前記蛍光体層の前記光源と反対側の面に隣接する第２の透明基板と、
を備え、
前記第１の透明基板の厚さが前記第２の透明基板の厚さよりも小さい、項３に記載の発電装置。
（項５）
前記蛍光体層における隣接する発光領域の最短距離をｄ、前記第２の透明基板から空気への前記蛍光の臨界角をθｃ、前記第１の透明基板の厚さをＬｂとすると、
２Ｌｂ・tanθｃ＜ｄ
を満たす、項４に記載の発電装置。
（項６）
前記光源が面状であり、前記導光体の前記端面以外の主要面に対向して配置される、項１から５のいずれかに記載の発電装置。
（項７）
前記光源は前記光を前記導光体に対して走査する、項１から６のいずれかに記載の発電装置。
（項８）
前記光源は前記光の強度を変調する、項７に記載の発電装置。
（項９）
前記蛍光の放射パターンが異方性を有する、項１から８のいずれかに記載の発電装置。
（項１０）
前記導光体の領域毎に前記蛍光の前記放射パターンが異なる、項９に記載の発電装置。
（項１１）
前記蛍光体の配向方向が可変である、項９または１０に記載の発電装置。
（項１２）
前記蛍光体層は、液晶をさらに含む混合層であり、
前記透明電極への電圧印加により、前記蛍光体の前記配向方向が前記液晶の配向方向と共に変化する、項１１に記載の発電装置。
（項１３）
前記導光体が、発光波長域が異なる複数の蛍光体を含む、項１から１２のいずれかに記載の発電装置。
（項１４）
項１から１３のいずれかに記載の発電装置と、
前記発電装置から供給される電力を蓄えて、前記発電装置に電力を供給する二次電池と、
を備える発電システム。

本発明によると、表示機能および／または照明機能を備えた高効率の発電装置を提供することができる。

非特許文献１に係る蛍光を利用する発電装置の構成例である。 特許文献１に係る蛍光を利用する発光デバイスの構成例である。 特許文献１に係る蛍光を利用する発電装置の構成例である。 本発明の第一の実施形態に係る発電装置１０ａの構成を示す模式図である。 本発明の第二の実施形態に係る発電装置１０ｂの構成を示す模式図である。 本発明の第二の実施形態の変形例を説明するための模式図である。 本発明の第三の実施形態に係る発電装置１０ｃの構成を示す模式図である。 本発明の第四の実施形態に係る発電装置１０ｄｈおよび１０ｄｖの導光体１１ｄおよび１１ｅの構成を説明するための模式図である。 本発明の第五の実施形態に係る発電装置１０ｅの導光体１１ｆの構成を説明するための模式図である。 本発明の第六の実施形態に係る発電装置１０ｆの導光体１１ｇの構成を説明するための模式図である。 ゴーストの発生原因を説明するための図である。 観察角度、ゴーストの強度比およびゴースト像のずれ幅の関係を示すグラフである。 本発明の第七の実施形態に係る発電装置１０ｇの構成を示す模式図である。 ゴーストの低減効果を説明するための図である。 ゴーストを解消するための条件を説明するための図である。 ゴーストを解消するための条件を説明するための図である。 ゴーストを解消するための条件を説明するための図である。 発電装置１０ｇを車載用HUDに適用した例を示す図である。 本発明の第八の実施形態に係る発電システム１００の概略構成を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明および図面において、同じ符号は同じまたは類似の構成要素を示すこととし、よって、同じまたは類似の構成要素に関する説明を省略する。

第一の実施形態
図４は、本発明の第一の実施形態に係る発電装置１０ａの構成を示す模式図である。

本発明の第一の実施形態に係る発電装置１０ａは、導光体１１ａと、太陽電池１２と、光源１３ａとを備える。導光体１１ａは、２枚の透明基板１１１と、蛍光体層１１２ａとを備える。蛍光体層１１２ａは、２枚の透明基板１１１の間に介装されており、内部に蛍光体が分散されている。導光体１１ａの端面には太陽電池１２が１つ配置されており、太陽電池１２は光電変換素子として機能する。これら導光体１１ａと、その端面に配置された太陽電池１２とが協働してLSCを構成する。
蛍光体層１１２ａを励起するための光源１３ａはLSCの外部に配置されている。図４に示すように、本実施形態では、光源１３ａは面状であり、導光体１１ａの透明基板１１１の主要面に対向して配置されている。また、本実施形態では、光源１３ａには発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用し、蛍光体には、可視光域の波長を有する蛍光を放出する蛍光体を使用する。なお、光源１３ａと透明基板１１１との間には空気層または低屈折率の透明材料層が存在する。

第一の実施形態に係る発電装置１０ａの動作を説明する。光源１３ａから放射された光は蛍光体層１１２ａ中の蛍光体を励起し、蛍光体から放射された蛍光の一部が導光体１１ａの外部に取り出される。従って、発電装置１０ａは照明装置として動作する。一方で、太陽光や室内光などの外光Ｌｅｘｔが導光体１１ａに入射することによっても蛍光が放射され、その一部は導光体１１ａの内部を伝搬し、導光体１１ａの端部に配置された太陽電池１２に到達し、光電変換される。従って、発電装置１０ａは発電装置としても動作する。なお、本実施形態では蛍光体層１１２ａを２枚の透明基板１１１で挟んだ構成を例示したが、蛍光体層１１２ａの構成はこれに限定されない。即ち、従来のLSCと同様に、蛍光体を１枚の透明基板１１１の内部に分散させた構成や、蛍光体層１１２ａを１枚の透明基板１１１の表面に配置した構成としてもよい。

また、本実施形態では、光源１３ａは面状であり、一様な強度で光を出力する矩形の面状光源として図示しているが、光源１３ａの形状および出力光の強度分布はこれに限定されない。用途に応じて、表示または照明したい情報（例えば文字）を表す種々の形状および強度分布の光源を用いてもよい。これにより、第一の実施形態に係る発電装置１０ａは表示機能も実現することができる。

このように、第一の実施形態に係る発電装置１０ａによれば、蛍光を利用する発電装置に表示機能および／または照明機能を実現させることができる。また、太陽電池１２が導光体１１ａの端面に配置されているので、太陽電池１２の面積を小さくすることができ、表示機能および／または照明機能を阻害しない。よって、表示機能および／または照明機能を備えた高効率の発電装置を提供することができる。

第二の実施形態
図５は、本発明の第二の実施形態に係る発電装置１０ｂの構成を示す模式図であり、図６は、本発明の第二の実施形態の変形例を説明するための模式図である。

図４に示す第一の実施形態では、発電装置１０ａに照明機能を付加している。第二の実施形態に係る発電装置１０ｂでは、図５に示すように、励起光としてビーム状（断面の強度分布が点状）の光ＬＢを放射する光源１３ｂと、ビーム状の光ＬＢを2次元で走査する光学系（図示せず）とを用いて、蛍光体を含む導光体１１ａを走査する。本実施形態では、光源１３ｂには紫外光または青色光を出力するレーザ光源を使用し、走査光学系は、光源１３ｂに一体化されている。

なお、このような走査光学系は、プロジェクタやバーコードリーダーの分野で用いられており、例えば、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems、微小電気機械システム）技術によるミラー素子、またはガルバノミラーを2つ用いて構成される。いずれの素子も、ミラーの角度を機械的に変化させて光の伝搬方向を制御するものである。特に、MEMS素子は小型、低消費電力、複数の素子の集積が容易、という利点があり、光源などの装置への内蔵に有利である。

そして、第二の実施形態に係る発電装置１０ｂは、励起光ＬＢを一様な強度で走査すれば照明装置として機能し、画像内の画素毎の位置情報に対応させて励起光ＬＢの強度を変調すれば表示装置として機能する。すなわち、励起光ＬＢの強度を変調する最小の時間に対応した領域が、表示装置の「画素」になる。一方で、太陽光や室内光などの外光Ｌｅｘｔが、光源１３ｂの例えば反対側から導光体１１ａに入射すると、発電装置１０ｂに発電機能が実現される。

以上では点状の光を2次元で走査する構成としたが、断面の強度分布が点状のビームを線状に整形し、これを1次元で走査してもよい。線状のビームの強度を画素毎に変調するためには、MEMS技術を用いて微小なミラーを線状に並べた素子（例えば、光の回折現象を利用するGrating Light Valveと呼ばれる素子）を用いればよい。あるいは、Digital Micro Mirror Device (DMD)を用いて強度変調した面状の光を入射してもよい。DMDは、微小なミラーを2次元平面上に周期的に並べたMEMS素子で、プロジェクタ分野では広く普及している。

さらに、複数色の蛍光体材料１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂを透明基板１１１上に周期的に併置して導光体を構成することにより、第二の実施形態に係る発電装置１０ｂは、多色表示の表示装置または照明装置を実現することができる。導光体の構成としては、例えば図６（ａ）および（ｂ）に示す導光体１１ｂのように、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の蛍光を発する３種類の蛍光体材料１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂを透明基板１１１上にストライプ状に配置する。さらに、変調手段（図示せず）により励起光ＬＢの強度を変調してそれぞれの蛍光体材料１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂに入射させると、併置加法混色の原理によりカラー画像の表示が可能になる。なお、光源１３ｂに青色光源（例えば、青色レーザ）を用いる場合には、青色の蛍光を放射する材料に代えて、光を拡散する材料を用いてもよい。

このように、第二の実施形態に係る発電装置１０ｂによれば、発電装置に多色表示の表示機能および照明機能を実現させることができる。

使用する蛍光体の特性として、励起光の吸収スペクトルと蛍光スペクトルとの関係が重要である。吸収スペクトルおよび蛍光スペクトルのそれぞれが最大値となる波長の差はストークシフト（Stokes shift）と呼ばれる。LSCでは一般に、ストークシフトが大きい材料を用いることで、透明基板内を伝搬する際の光の吸収（自己吸収と呼ばれる）による光の損失を低減している。図６（ｂ）の断面図に示すように、例えば青色の蛍光体材料１１２Ｂによって放射された光が透明基板１１１内を伝搬するときに、他の蛍光体（図示する例では、赤色の蛍光体材料１１２Ｒ）に吸収されることがある。従って、導光体１１ｂでは、自己吸収による光の損失が発生する。

この損失は、図６（ｃ）および（ｄ）に示す導光体１１ｃのように、３種類の蛍光体材料１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂを３枚の透明基板１１１上のそれぞれに配置し、これら３枚の透明基板１１１を積層することにより軽減することができる。即ち、図６（ｄ）に示すように、光源１３ｂからの励起光ＬＢがいずれか一つの蛍光体のみに入射するように、それぞれの透明基板１１１上に領域を限定して蛍光体材料を配置する。なお、３種類の蛍光体材料１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂを配置した３枚の透明基板１１１を積層する際には、空気層または低屈折率の透明材料層を介在させる。このような構成によると、各蛍光体材料１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂが放射する蛍光の一部は、対応するそれぞれの透明基板１１１の内部のみを伝搬するので、自己吸収の影響を低減することができる。

図５および図６に示す第二の実施形態として示したいずれの構成においても、３原色に対応する３つの「画素」が画像の最小単位として機能する。画素の中で１つの蛍光体が占有する領域を「サブ画素」と呼ぶと、サブ画素の形状や材料の並べ方に関しては様々な態様がある。例えば、黄色の蛍光を発する材料を追加すれば、４原色のディスプレイを実現することができ、色再現領域を拡張することができる。また、光源１３ｂの数は一つに限定されず、複数の光源を設けて、それぞれの光源が異なる蛍光体を励起するように構成してもよい。

なお、蛍光体材料に関しては、従来のLSC、発光ダイオード、色素レーザ、などへの応用を目的として、様々な特性を持つ材料が開発されている。例えば非特許文献１には、緑色用および赤色用の蛍光材料としてそれぞれ“CRS040”と“Lumogen F Red305”とが示されている。前者の供給元のドイツ国Radiant Dyes社では、色素レーザ用として様々な発光波長域の蛍光材料を提供している。本発明においても、これらの既存の材料を使用することにより、多様な特性を持つ発電装置を実現することができる。

第三の実施形態
図７は、本発明の第三の実施形態に係る発電装置１０ｃの構成を示す模式図である。

図５および図６に示す第二の実施形態に係る発電装置１０ｂでは、励起光としてビーム状の光ＬＢを用いて、蛍光体を含む導光体１１ｂまたは１１ｃを走査しているが、励起光を入射させる方法はこれに限定されない。図７に示すように、第三の実施形態に係る発電装置１０ｃでは、励起光を入射させる構成として、液晶パネル１４と光源１３ｃとを積層した構成を用いる。液晶パネル１４はカラーフィルタを備えない構成である。本実施形態では、光源１３ｃには、紫外光または青色光を出力するＬＥＤ光源のバックライトを使用する。

第三の実施形態に係る発電装置１０ｃでは、液晶パネル１４の各画素が、光源１３ｃ（バックライト１３ｃ）からの励起光のシャッターとして動作するので、蛍光体層１１２ａに入射する励起光の強度を画素毎に調整することができる。従って、画像の表示が可能になり、発電装置１０ｃに表示機能が実現される。一方で、太陽光や室内光などの外光Ｌｅｘｔが光源１３ｃの反対側から透明基板１１１に入射すると、発電装置１０ｃに発電機能が実現される。

なお、第三の実施形態に係る発電装置１０ｃにおいて、第二の実施形態に係る発電装置１０ｂと同様に、図６（ａ）〜図６（ｄ）に示すように、液晶パネル１４の各画素に対応させて、複数色の蛍光体材料１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂを透明基板１１１上に周期的に併置して蛍光体層１１２ａを構成することにより、多色表示の表示装置または照明装置を実現することができる。

このように、第三の実施形態に係る発電装置１０ｃによれば、発電装置に多色表示の表示機能および照明機能を実現させることができる。

第四の実施形態
図８（ａ）および（ｂ）は、本発明の第四の実施形態に係る発電装置１０ｄｈおよび１０ｄｖの導光体１１ｄおよび１１ｅの構成を説明するための模式図である。

図４〜図７に示す第一から第三の実施形態では、蛍光体による蛍光の放射は等方的である。しかしながら、細長い蛍光体を配向した状態にすれば、放射される蛍光のパターン（放射パターン）は異方的になる。これは遷移双極子モーメントが蛍光体の長軸に平行であることに起因する。即ち、そのような蛍光体が放射する光は、電気双極子による発光と見なすことができ、蛍光の伝搬方向が蛍光体の長軸となす角度をθとすると、蛍光の強度分布はｓｉｎ^２θに比例することになる。

第四の実施形態に係る発電装置１０ｄｈおよび１０ｄｖでは、第一から第三の実施形態に係る発電装置１０ａ〜１０ｃのそれぞれにおいて、放射パターンが異方性を有する蛍光体１５を用いており、蛍光体１５を所定の方向に配向させる。このような構成は、例えば、導光体１１１の表面に配向膜を形成し、その上に紫外光照射や加熱により硬化する樹脂に蛍光体１５を混入させ、この溶液を配向膜の上に塗布し、紫外光照射や加熱により蛍光体１５を固定することにより作製される。図８（ａ）に示す発電装置１０ｄｈの導光体１１ｄでは、蛍光体層１１２ｂ内の蛍光体１５は、長軸が透明基板１１１に水平になるように配向されている。そのため、透明基板１１１に概ね垂直な方向に放射される蛍光ＦＬｖの割合が大きくなり、導光体１１ｃの外部へ取り出される光の割合が増加するので、画像の表示や照明に有利である。一方で、図８（ｂ）に示す発電装置１０ｄｖの導光体１１ｅでは、蛍光体層１１２ｃ内の蛍光体１５は、長軸が透明基板１１１に垂直になるように配向されている。そのため、透明基板１１１に概ね水平な方向に放射される蛍光ＦＬｈの割合が大きくなり、多くの蛍光が導光体１１ｅの内部を伝搬し、導光体１１ｅの端部に配置された太陽電池１２によって光電変換されるので、発電機能に有利である。

このように、第四の実施形態に係る発電装置１０ｄｈおよび１０ｄｖによれば、放射パターンに異方性を有する蛍光体１５を配向させて用いることにより、使用目的に応じて、発電機能と表示機能または照明機能との優先度を調整することが可能になる。

第五の実施形態
図９は、本発明の第五の実施形態に係る発電装置１０ｅの導光体１１ｆの構成を説明するための模式図である。

第五の実施形態に係る発電装置１０ｅでは、第四の実施形態に係る発電装置１０ｄｈおよび１０ｄｖの構成をさらに拡張して、蛍光体層１１２ｄの領域毎に蛍光体１５の配向方向を設定する。また、励起光１６を走査する構成（図示せず）と組み合せることで、表示に利用する蛍光の割合を増加させることが可能になる。

図９に示すように、第五の実施形態に係る発電装置１０ｅの導光体１１ｆは、２枚の透明基板１１１と、これらの間に介装された蛍光体層１１２ｄとを備える。蛍光体層１１２ｄでは、水平配向領域Ｒｈと垂直配向領域Ｒｖとを交互に配置し、励起光１６を水平配向領域Ｒｈのみで走査する。水平配向領域Ｒｈでは、異方性を有する蛍光体１５は、長軸が透明基板１１１に水平になるように配向されている。そのため、導光体１１ｆの外部へ取り出される光の割合が増加し、水平配向領域Ｒｈは、明るい画像の表示や照明の輝度向上が実現される表示または照明優先の領域となる。一方で、垂直配向領域Ｒｖでは、異方性を有する蛍光体１５は、長軸が透明基板１１１に垂直になるように配向されている。そのため、発生した蛍光は導光体１１ｆの内部を伝搬する割合が高くなり、垂直配向領域Ｒｖは、発電量が増加する発電優先の領域となる。

更に、伝搬中に他の蛍光体によって吸収される現象（自己吸収）がある材料を用いると、水平配向領域Ｒｈ中の蛍光体１５による自己吸収の確率が減少するので、損失となる光の割合が減少する。これも発電量の増加に寄与する。

このように、第五の実施形態に係る発電装置１０ｅによれば、発電優先の領域と表示または照明優先の領域とを、使用目的に応じて調整することが可能になる。

第六の実施形態
図１０は、本発明の第六の実施形態に係る発電装置１０ｆの導光体１１ｇの構成を説明するための模式図である。

第四の実施形態に係る発電装置１０ｄの構成では、発電機能と表示機能または照明機能とのうち、優先する機能を時間と共に切り替えることはできない。第六の実施形態では、液晶と蛍光体とのゲスト・ホスト技術を適用することによりこれを実現する。すなわち、液晶と放射パターンが異方性を有する蛍光体とを混在させ、電圧印加により、ホストである液晶の配向方向を切り替えることにより、ゲストである蛍光体の配向方向を時間と共に切り替える。

図１０に示すように、第六の実施形態に係る発電装置１０ｆの導光体１１ｇは、２枚の透明基板１１１と、混合層１１２ｅと、２枚の透明電極１７ａ，１７ｂと、２枚の配向膜１８ａ，１８ｂとを備える。これらの部材は、導光体１１ｇの一方面から、透明基板１１１、透明電極１７ａ、配向膜１８ａ、混合層１１２ｅ、配向膜１８ｂ、透明電極１７ｂ、透明基板１１１の順に積層されている。混合層１１２ｅは、放射パターンが異方性を有する蛍光体１５を液晶材料に混入した層である。発電装置１０ｆの構成によると、透明電極１７ａ，１７ｂへの電圧の印加により、液晶の配向方向および蛍光体１５の配向方向を、水平な状態（図１０（ａ））と垂直な状態（図１０（ｂ））との間で切り替えることができる。配向方向を切り替える態様としては、例えば時間に応じて、日中は蛍光体１５を垂直配向にして発電機能を優先し、夜間は蛍光体１５を水平配向にして表示機能を優先するという利用が可能になる。

このように、第六の実施形態に係る発電装置１０ｆによれば、発電機能と表示機能または照明機能とのうち、優先する機能を時間に応じて調整することが可能になる。

第七の実施形態
本発明の第七の実施形態について、図１１〜図１９を参照して説明する。本実施形態は、ゴースト像の低減または解消を目的としている。まず、表示機能を有する発電装置を斜めから観察する場合にゴースト像が発生する原因について説明する。

図１１は、図４に示す第一の実施形態に係る発電装置１０ａの導光体１１ａの部分拡大図である。導光体１１ａの２枚の透明基板１１１は、互いに厚さが等しく、その厚さをＬａとする。また、蛍光体層１１２ａは、ある程度の厚みのある層として図示されているが、実際には透明基板１１１に比べて無視できるほど薄いため、本実施形態では、蛍光体層１１２ａの厚さを考慮しないものとする。光源からの励起光ＬＢが蛍光体層１１２ａ内の蛍光体２５に吸収されると、蛍光体２５から蛍光が放射され、蛍光体２５が第１の発光点Ｓ１となる。

第１の発光点Ｓ１から放射された蛍光の中で、観察者に直接到達する蛍光ＦＬ１は、観察者側の透明基板１１１と空気との界面で屈折した後に観察者に至る。しかし、観察者に至る蛍光の経路は他にも存在し、蛍光ＦＬ１以外に観察者に到達する最も強度が大きい蛍光ＦＬ２は、光源側の透明基板１１１と空気との界面で１回反射し、さらに観察者側の透明基板１１１と空気との界面で屈折した後に観察者に至る。これにより第２の発光点Ｓ２が形成される。第１の発光点Ｓ１および第２の発光点Ｓ２は、同じ画素に対応する励起光ＬＢによって形成されるため、観察者にはゴースト像（画素間の光のクロストーク）が観察されることになる。

なお、蛍光ＦＬ２以外にも観察者に至る蛍光の経路は存在するが、これらの経路から観察者に到達する蛍光の強度は、蛍光ＦＬ２よりも極めて小さく無視できるため、本実施形態では、蛍光ＦＬ２のみをゴースト像の対象とする。

蛍光ＦＬ２について、定量的に記述する。第１の発光点Ｓ１は蛍光体層１１２ａに位置するため、第１の発光点Ｓ１と第２の発光点Ｓ２との間の距離Ｓ（ゴースト像のずれ幅）は、導光体１１ａ中の蛍光Ｌ１、Ｌ２の伝搬角度をθ、斜め観察の角度をθ_０とすると、
２Ｌａ・tanθ・cosθ_０…（式１）
と表わされる。

ここで、透明基板１１１の屈折率をｎとすると、スネルの法則により、
sinθ_０＝ｎsinθ
が成り立つ。また、蛍光Ｌ１の強度Ｉ_１と蛍光Ｌ２の強度Ｉ_２の比は、透明基板１１１と空気との界面での反射率に等しい。これは、フレネルの公式で以下のように与えられる。
観察角度の関数として、これらの量をグラフ化した結果を図１２に示す。このグラフにおける距離は、導光体１１ａの厚さＬ（＝２Ｌａ）に対する距離Ｓの比で表わされる。図１２において、θが約５０°までは距離Ｓがθと共に増加することが分かる。一方、強度比のθへの依存性はＳ偏光とＰ偏光でやや異なるが、一般的な蛍光体ではこれらの平均となり、θが約５０°まではほぼ一定である。以上より、θが約５０°まではθの増加と共にゴースト像が顕著になることが分かる。

以上、ゴースト像が発生する原因について説明したが、下記では、ゴースト像の発生を回避する構成について説明する。

図１３は、本実施形態に係る発電装置１０ｇの構成を示す模式図である。発電装置１０ｇは、導光体１１ｈと、太陽電池１２と、光源１３ａとを備え、導光体１１ｈは、２枚の透明基板１１１ａ、１１１ｂと、蛍光体層１１２ａとを備える。透明基板１１１ｂは、蛍光体層１１２ａの光源１３ａ側の面に隣接しており、特許請求の範囲に記載の第１の透明基板に対応する。透明基板１１１ａは、蛍光体層１１２ａの光源１３ａと反対側（観察者側）の面に隣接しており、特許請求の範囲に記載の第２の透明基板に対応する。さらに本実施形態では、透明基板１１１ｂの厚さが透明基板１１１ａの厚さよりも小さいことを特徴としている。すなわち、発電装置１０ｇは、透明基板１１１ｂが透明基板１１１ａよりも薄く形成されている点で、図４に示す第一の実施形態に係る発電装置１０ａと異なる。

図１４は、本実施形態に係る発電装置１０ｇの導光体１１ｈの部分拡大図である。観察者側の透明基板１１１ａの厚さはＬａであり、図１１に示す透明基板１１１の厚さと等しい。一方、光源側の透明基板１１１ｂの厚さＬｂはＬａよりも小さい。このような構成を有する導光体１１ｈにおいて、光源からの励起光ＬＢが蛍光体層１１２ａ内の蛍光体２５に吸収されると、蛍光体２５から蛍光が放射され、蛍光体２５が第１の発光点Ｓ１となる。

導光体１１ｈにおいても、第１の発光点Ｓ１から観察者に直接到達する蛍光ＦＬ１の他に、透明基板１１１ｂと空気との界面で１回反射し、さらに透明基板１１１ａと空気との界面で屈折した後に観察者に至る蛍光ＦＬ２が存在するため、第２の発光点Ｓ２’が形成される。

図１１に示す導光体１１ａと同様、第１の発光点Ｓ１は蛍光体層１１２ａに位置するため、第１の発光点Ｓ１と第２の発光点Ｓ２’との間の距離Ｓ’は、
２Ｌｂ・tanθ・cosθ_０…（式２）
と表わされる。ここで、Ｌａ＞Ｌｂであるため、上記距離Ｓ’は、式１に示される距離Ｓに比べて、
２(Ｌａ−Ｌｂ) tanθ・cosθ_０
だけ短くなる。したがって、ゴースト像を低減することができる。

さらに、Ｌｂを小さくするほど、すなわち、透明基板１１１ｂを薄くするほど、式２で表わされる距離Ｓ’が小さくなる。そのため、透明基板１１１ｂは、導光体１１ｈの内部を太陽電池１２に向かって進行する蛍光を全反射させる機能を失わない程度に薄いことが望ましい。これにより、距離Ｓ’を極力小さくすることができ、ゴースト像をほとんど認識されないようにすることができる。

さらに、隣接する発光領域の最短距離をｄとし、透明基板１１１ａから空気への蛍光ＦＬ２の臨界角をθｃとすると、
２Ｌｂ・ tanθｃ＜ｄ・・・（式３）
を満たすように、導光体１１ｈの各構成要素を配置することが好ましい。これにより、完全にゴースト像を解消することができる。図１５〜図１７に基づいて具体的に説明する。

図１５は、細いレーザービームで導光体１１ｈを走査する形態の説明図であり、励起光として、ｉ番目の画素に対応するレーザービームＬＢ_ｉおよびｉ＋１番目の画素に対応するレーザービームＬＢ_ｉ＋１が示されている。レーザービームＬＢ_ｉおよびレーザービームＬＢ_ｉ＋１の間隔ｄが上記式３を満たしている場合、レーザービームＬＢ_ｉの下端の蛍光体層１１２ａの出射点Ｓ１’から放射され、第２の発光点Ｓ２’で反射された後、レーザービームＬＢ_ｉ＋１の上端の蛍光体層１１２ａの出射点Ｓ３を通る蛍光ＦＬ２は、透明基板１１１ａと空気との界面Ｓ４で全反射され、観察者には至らない。したがって、ゴースト像の原因となる蛍光ＦＬ２が隣接画素の蛍光と重複して、導光体１１ｈから観察者側の空間に出射することはないため、ゴースト像は観察されなくなる。

図１６は、光源としてＤＬＰ（登録商標、Digital Light Projector）または液晶ライトバルブを用いて変調した励起光ＬＢ’を導光体１１ｈへ投影する形態の説明図である。励起光ＬＢ’は、図１５に示すレーザービームに比べて幅が広く、導光体１１ｈの全ての領域に同時に入射する。図１６では、光源と導光体１１ｈとの間に、透明な支持基板１１３が設けられており、支持基板１１３には、発光領域としての画素を正確に分離するためのマスク１１４が設けられている。マスク１１４は、励起光ＬＢ’を透過しない材料によって形成されており、光が透過する領域の形状は一般には長方形または正方形とすればよいが、円や楕円でもよい。光源からの励起光ＬＢ’は、マスク１１４の間を通過することにより複数本のレーザービームとなり、導光体１１ｈに入射する。図１６では、図１５と同様、２本のレーザービームＬＢ_ｉ、ＬＢ_ｉ＋１が示されている。マスク１１４の隣接する開口部の間の距離ｄが、上記式３を満たす場合、図１５において説明したものと同様の原理により、画素間のクロストークがなくなり、ゴースト像を解消することができる。

なお、蛍光体層１１２ａを分離する構成でも同様の効果が得られるが、蛍光体の存在しない領域に入射した励起光は発電に寄与しない。

図１５および図１６に示す構成では、１種類の蛍光体を用いるため、表示される画像はモノクロである。カラー画像を表示するためには、蛍光体層１１２ａに３種類の蛍光体を併置して加法混色する。カラー画像を表示する構成の具体例を図１７に示す。

図１７では、蛍光体層１１２ａの一画素に対応する領域が、赤色蛍光体を含む領域１１２ａｒ、緑色蛍光体を含む領域１１２ａｇおよび青色蛍光体を含む領域１１２ａｂに区分されており、これらの３つの領域に１本の紫外領域の波長のレーザ光が入射する。領域１１２ａｒでは、赤色蛍光体が紫外光を吸収して赤色の蛍光を放射し、領域１１２ａｇでは、緑色蛍光体が紫外光を吸収して緑色の蛍光を放射し、領域１１２ａｂでは、青色蛍光体が紫外光を吸収して青色の蛍光を放射する。蛍光体層１１２ａの各画素間に対応する領域１１２ｘは、上記の赤色蛍光体、緑色蛍光体、青色蛍光体のいずれか、または、他の色の蛍光体を含む。領域１１２ｘには紫外領域の波長のレーザ光は入射しない。

領域１１２ｘの幅ｄは上記式３を満たしている。このとき、領域１１２ｘの上端の蛍光体層１１２ａの出射点Ｓ１’から放射され、第２の発光点Ｓ２’で反射された後、領域１１２ｘの下端の蛍光体層１１２ａの出射点Ｓ３を通る蛍光ＦＬ２は、透明基板１１１ａと空気との界面Ｓ４で全反射され、観察者には至らない。よって、ゴースト像は観察されない。

なお、領域１１２ｘに入射する外光は発電に利用される。

図１８は、本実施形態に係る発電装置１０ｇを車載用HUD（Head-Up Display）に適用した例を示している。この例では、車のフロントガラス１２０の内側のルームミラーの背後のスペースに発電装置１０ｇが設置され、光源であるプロジェクタ１１５が観察者の反対側に配置されている。これはリアプロジェクタの構成である。発電装置１０ｇおよびプロジェクタをこのように配置することで、高分解能の画像を表示できる。また、発電装置１０ｇから他の車載の電子機器に電力を供給することも可能である。

以上のように、蛍光体層１１２ａを介装する２枚の透明基板１１１ａ、１１１ｂのうち光源側の透明基板１１１ｂを薄く形成することにより、ゴースト像を低減または解消することができる。本実施形態では、この手法を第一の実施形態に適用した形態について説明したが、第二から第六の実施形態にも同様に適用することができる。

第八の実施形態
図１９は、本発明の第八の実施形態に係る発電システム１００の概略構成を示す模式図である。

本発明の第八の実施形態に係る発電システム１００は、発電装置１０（１０ａ〜１０ｇ）と、二次電池２０と、制御部３０とを備える。発電装置１０には、本発明の第一から第七の実施形態に係る発電装置１０ａ〜１０ｇを用いることができる。二次電池２０は、発電装置１０から供給される電力を蓄えて、発電装置１０および制御部３０に電力を供給する。制御部３０は、二次電池２０の充電機能と給電機能との切り替えを制御するための制御信号を二次電池２０に出力する。制御部３０はさらに、発電装置１０の発電機能と表示機能（または照明機能）との割合を切り替えるための制御信号を発電装置１０に出力することができる。発電装置１０に二次電池２０を加えた発電システム１００とすることにより、コンセント等といった配電設備への接続が不要となるので、設置場所の自由度が大きく向上し、スタンドアロン型の表示装置および／または照明装置を実現することができる。具体的には、例えば電子看板として利用する場合には、日中は外光を取り込んで発電を行って、発電した電力を二次電池２０に蓄え、夜間は二次電池２０からの給電により、表示機能を有する電子看板として利用することができる。

以上説明したように、本発明の第一の実施形態に係る発電装置１０ａによれば、太陽光や室内光などの外光を取り込んで発電することができる。表示装置または照明装置として機能しているときにも発電することが可能である。

また、本発明の第二および第三の実施形態に係る発電装置１０ｂ，１０ｃによれば、発電装置にカラー画像の表示機能を実現することができる。一様な強度で発光させれば照明装置を実現することができる。

また、本発明の第四の実施形態に係る発電装置１０ｄｈおよび１０ｄｖによれば、使用目的に応じて、発電機能と表示機能または照明機能との優先度を調整することが可能になる。

また、本発明の第五の実施形態に係る発電装置１０ｅによれば、発電優先の領域と表示優先または照明優先の領域とを、装置の領域毎に調整することが可能になる。

また、本発明の第六の実施形態に係る発電装置１０ｆによれば、発電機能と表示機能または照明機能とのうち、優先する機能を時間に応じて調整することが可能になる。

また、本発明の第八の実施形態に係る発電システム１００によれば、二次電池２０と組み合わせることにより、配電設備への接続が不要なスタンドアロン型の表示装置および／または照明装置を実現することができる。

（付記事項）
以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。

上記第一から第七の実施形態では、紫外光または青色光を出力する光源を使用しているが、光源が出力する波長はこれに限定されず、蛍光体の特性に応じて種々の波長を選択することができる。光源の発光態様もＬＥＤまたはレーザに限定されず、例えば蛍光灯や有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）等の種々の発光態様の光源を使用することができる。

上記第一から第七の実施形態では、発電装置１０ａ〜１０ｇを構成する部品である、透明基板１１１、蛍光体層１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄ、混合層１１２ｅ、太陽電池１２、光源１３ａ，１３ｃおよび液晶パネル１４の平面形状は矩形であるが、これらの平面形状は矩形に限定されない。用途に応じて、例えば円形や多角形、星形，等の種々の平面形状を選択することができる。形状も平面には限定されず、用途に応じて、例えば曲面状とすることができる。

上記第一から第七の実施形態では、導光体１１ａ〜１１ｇの端面には太陽電池１２が１つだけ配置されているが、端面に配置される太陽電池１２の数はこれに限定されず、２つ以上の太陽電池１２を配置してもよい。また、太陽電池１２が配置されない導光体の残りの端面に鏡（ミラー）を配置して、発電効率を向上させてもよい。

これまで説明した表示や照明の応用は人が対象なので、本発明の装置が出力する光は可視光に限定されている。従って、上記第一から第七の実施形態では、可視光域の波長を有する蛍光を放出する蛍光体を使用する。しかし、使用する蛍光体はこれに限定されず、種々の波長を有する蛍光を放出する蛍光体を使用してもよい。例えば、防犯目的の照明装置には、赤外光を放出する蛍光体を用いるのがよい。植物工場の照明としては、植物の生長や害虫を追い払うのに有効な波長域が望ましい。このように、応用に応じて波長域を設計することになる。

上記第一から第七の実施形態では、発光波長が単一の蛍光体を使用しているが、発光波長域が異なる別の蛍光体を混在させた複数の蛍光体を使用してもよい。異なる発光波長域の蛍光体を混在させることで、ストークシフトを調整することができる。

上記第六の実施形態では、液晶と蛍光体とのゲスト・ホスト技術を適用することにより、蛍光体１５の配向方向を時間と共に切り替えているが、蛍光体１５の配向方向を切り替える手段はゲスト・ホスト技術に限定されず、公知の配向制御手段が適用可能である。例えば、MEMS技術により微小なミラーを形成し、その表面に配向した蛍光体を含む樹脂層を前述の方法により形成した構成では、蛍光の放射パターンをミラーに連動して切り替えることができる。

本発明によると、発電に利用できていない光を表示および照明に利用することができる。例えば、日中は外光を取り込んで発電を行い、夜間は表示機能を有する電子看板として利用することができる。本発明による発電機能を有する電子看板は、コンセント等といった配電設備への接続が不要となるので、設置場所の自由度が大きく向上する。夜間には、電子看板としてだけではなく、照明装置として利用することもできる。

また、本発明の発電装置に入射する光は太陽光である必要はなく、室内に設置される場合には室内光でも発電が可能である。更に、発電機能を付与した表示装置は、特に消費電力への要求仕様が厳しい、例えばスマートフォンやラップトップＰＣ、ウェアラブル端末等といった携帯機器への応用が期待される。

更に、防犯装置や植物工場の照明への応用も可能である。発電と蓄電の機能が提供されることで、設置場所の自由度が大きくなると共に、動作時の消費電力が低減される。

１０（１０ａ〜１０ｇ） 発電装置
１１ａ〜１１ｈ 導光体
１２ 太陽電池（光電変換素子）
１３ａ〜１３ｃ 光源
１４ 液晶パネル
１５ 放射パターンが異方性を有する蛍光体
１６ 励起光
１７ａ，１７ｂ 透明電極
１８ａ，１８ｂ 配向膜
２０ 二次電池
３０ 制御部
１００ 発電システム
１１１ 透明基板
１１１ａ 透明基板
１１１ｂ 透明基板
１１２ａ〜１１２ｄ 蛍光体層
１１２ｅ 混合層
１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂ 蛍光体材料（赤色、緑色、青色）
ＦＬｖ，ＦＬｈ 蛍光
ＬＢ ビーム状の光
Ｌｅｘｔ 外光
Ｒｈ 水平配向領域
Ｒｖ 垂直配向領域

Claims (14)

1. 内部または表面に蛍光体が分散された導光体と、
   前記導光体の端面に配置された光電変換素子とを備え、
   前記蛍光体が光を吸収することにより発生した蛍光の一部が、前記光電変換素子によって光電変換される発電装置であって、
   前記導光体に光を放射する光源をさらに備える、発電装置。
2. 前記光を前記蛍光体が蛍光に変換し、変換された前記蛍光の一部が前記導光体の外部へ放射される、請求項１に記載の発電装置。
3. 前記導光体が、
   透明電極を有する複数の透明基板と、
   複数の前記透明基板の間に介装された、前記蛍光体を含む蛍光体層とを備える、請求項１または２に記載の発電装置。
4. 前記複数の透明基板は、
   前記蛍光体層の前記光源側の面に隣接する第１の透明基板と、
   前記蛍光体層の前記光源と反対側の面に隣接する第２の透明基板と、
   を備え、
   前記第１の透明基板の厚さが前記第２の透明基板の厚さよりも小さい、請求項３に記載の発電装置。
5. 前記蛍光体層における隣接する発光領域の最短距離をｄ、前記第２の透明基板から空気への前記蛍光の臨界角をθｃ、前記第１の透明基板の厚さをＬｂとすると、
   ２Ｌｂ・tanθｃ＜ｄ
   を満たす、請求項４に記載の発電装置。
6. 前記光源が面状であり、前記導光体の前記端面以外の主要面に対向して配置される、請求項１から５のいずれかに記載の発電装置。
7. 前記光源は前記光を前記導光体に対して走査する、請求項１から６のいずれかに記載の発電装置。
8. 前記光源は前記光の強度を変調する、請求項７に記載の発電装置。
9. 前記蛍光の放射パターンが異方性を有する、請求項１から８のいずれかに記載の発電装置。
10. 前記導光体の領域毎に前記蛍光の前記放射パターンが異なる、請求項９に記載の発電装置。
11. 前記蛍光体の配向方向が可変である、請求項９または１０に記載の発電装置。
12. 前記蛍光体層は、液晶をさらに含む混合層であり、
    前記透明電極への電圧印加により、前記蛍光体の前記配向方向が前記液晶の配向方向と共に変化する、請求項１１に記載の発電装置。
13. 前記導光体が、発光波長域が異なる複数の蛍光体を含む、請求項１から１２のいずれかに記載の発電装置。
14. 請求項１から１３のいずれかに記載の発電装置と、
    前記発電装置から供給される電力を蓄えて、前記発電装置に電力を供給する二次電池と、
    を備える発電システム。