JP2017216107A - 導光板装置及び窓照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照明装置を窓として設け、昼間は外光を室内に取り入れ、夜間は照明装置として用いる場合には、室内でしか光を利用せず、屋外に室内の光を透過させる必要がないにもかかわらず、室内から導光板に入射した光が対向する外側の面へ透過してしまうため、室内光を有効活用できなかった。【解決手段】本発明に係る導光板装置は、外部からの光が入射される入射面、入射面に対向する出射面、光源からの光が入射される端面を有し、端面から入射した光を入射面と出射面の間で反射して導光する導光板と、導光板の出射面に接合される接合面、接合面と対向する光放射面、接合面と光放射面とをつなぐ側面を有する導光体とを備え、導光体の側面を、側面に接する接平面と接合面とで成す角度が９０度以下となる形状にしたものである。【選択図】図１

Description

本発明は、端部から入射した光を内部で伝搬して出射面から出射する導光板装置及び導光装置を利用した窓照明装置に関する。

屈折率が大きい媒質から屈折率が小さい媒質に光が入射するときに入射光が境界面を透過せず、全て反射する全反射という現象がある。導光板はこの全反射を利用して、導光板の端部から入射させた光を、内部で全反射させながら伝搬させるものである。この導光板の境界面に光が全反射しない部分を光の放出部として設けることにより、導光板内部を伝搬する光を外部へ放出させるようにしたものが導光板装置である。このような導光板装置を用いた照明装置として、例えば特許文献１には、光源の光を導光板装置の端部から導光板の内部に入射させ、入射した光を外部に放出する放出部を導光板の両面に配置し、導光板の両面から光を出射する照明モジュールが開示されている。この照明モジュールは外光を取り入れる天窓としても用いることができる。

特開２０１４−１０７１６７号公報

上記のような照明装置では、導光板の外部から導光板に光が入射すると、入射した光が導光板の片方の面から対向する面へ透過する構造であるため、外部からそれぞれの面に入射してきた光を対向する面側へ透過して双方向で光を取り入れることができる。しかし、この照明装置を窓として設け、昼間は外光を室内に取り入れ、夜間は照明装置として用いる場合には、導光板の片面側のみ、すなわち室内でしか光を利用せず、屋外に室内の光を透過させる必要がないにもかかわらず、室内から導光板に入射した光が対向する外側の面へ透過してしまうため、室内光を有効活用できなかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、室内等の光を利用する側の光を効率的に利用できる導光板装置を得ることを目的とする。

本発明に係る導光板装置は、外部からの光が入射される入射面、入射面に対向する出射面、光源からの光が入射される端面を有し、端面から入射した光を入射面と出射面の間で反射して導光する導光板と、導光板の出射面に接合される接合面、接合面と対向する光放射面、接合面と光放射面とをつなぐ側面を有する導光体とを備え、導光体の側面を、側面に接する接平面と接合面とで成す角度が９０度以下となる形状にしたものである。

本発明によれば、導光板の光出射面に導光体を設け、導光体の側面を、側面に接する接平面と接合面とで成す角度が９０度以下となる形状としたので、導光板装置の光出射面側から導光板に向かう光が導光体で反射されるため、室内光を有効に利用することができる。

実施の形態１に係る導光板装置を用いた照明装置の分解斜視図である。 実施の形態１に係る導光板装置を用いた照明装置の点状光源付近を拡大した拡大断面図である。 実施の形態１に係る導光板装置の導光体の断面図である。 実施の形態１に係る導光板装置の導光体の斜視図である。 実施の形態１に係る導光板装置の導光体の光の伝搬経路を示す拡大断面図である。 実施の形態１の導光板装置の光の透過率を示す説明図である。 平板の天窓の光の透過率を示す説明図である。 実施の形態１に係る導光板装置を窓に設置した場合の概念図である。 実施の形態１に係る導光板装置の導光体の配光分布の説明図である。 実施の形態１に係る導光板装置の製造方法の説明図である。 実施の形態２に係る導光板装置の導光体の断面図である。 実施の形態２に係る導光板装置の導光体の配光分布の説明図である。 実施の形態３に係る導光板装置を用いた照明装置の分解斜視図である。 本発明に係る導光板装置の導光体の配置図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る導光板装置を用いた窓照明装置について説明する。図１は、実施の形態１に係る導光板装置１を用いた窓照明装置の分解斜視図である。
窓照明装置は、導光板１１及び導光板１１に複数個配置された導光体１２から構成される導光板装置１、点状光源２、反射板３１、３２、筐体本体４１、筐体蓋４２から構成される。導光板１１の入射面１１ａは屋外側、出射面１１ｂは室内側として窓枠に設置されるものである。
また、図２は、導光板装置１を用いた窓照明装置の点状光源２付近を拡大した拡大断面図である。

導光板装置１は、導光板１１及び導光体１２から構成される。
導光板１１は、透光性の高い樹脂で形成された厚さが薄い直方体である。導光板１１は、外部（屋外）からの光が入射される入射面１１ａ、入射面１１ａに対向し室内側に配置される出射面１１ｂ、片方の反射板３１に設置された点状光源２からの光が入射される端面１１ｃを有し、端面１１ｃから入射した光を入射面１１ａと出射面１１ｂの間で反射して導光するものである。導光板１１は、端面１１ｃより導光板１１内に光を入射させた場合に、導光板１１内を光が伝搬し、伝搬する光が入射面１１ａと出射面１１ｂで全反射を起こす材質及び形状であればよい。全反射は、屈折率が大きい媒質から小さい媒質に光が入る時に起きる現象である。よって、導光板１１の材質は導光板装置１の外部と大きく屈折率が異なる透光性の高い材質が望ましく、例えば空気中で使用する場合には、空気中よりも屈折率が大きい樹脂であるメタクリル樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ガラス等を用いることができる。また、導光板１１の形状も上述したものに限らず、板を曲面とした形状等でもよい。

導光板１１の出射面１１ｂに設置された導光体１２は、導光板１１と同じ材質で、錐台状に形成されており、導光板１１の出射面１１ｂに接合して複数設けられる。導光体１２は導光板１１と同じ材質とすることにより、導光板１１からの光をほぼ反射せずに取り込むことができる。また、導光体１２は推台状に形成されており、上面から光を出射する。

点状光源２は、照明装置として使用される際の光源であり、例えばＬＥＤ光源で構成される。点状光源２から放射された照明光が導光板１１の端面１１ｃから導光板１１内に入射されるよう、点状光源２は導光板１１の端面１１ｃに対向して設けられる。点状光源２の点灯及び消灯は、図示しない壁掛けスイッチやリモコンスイッチなどにより図示しない電源装置から点状光源２への電源供給を切替えて行うように構成してもよいし、人感センサー付きアダプタモジュールにより点灯及び消灯の指令を図示しない電源装置に通知することで自動的に切替えるよう構成してもよい。

反射板３１、３２は、導光板１１内を伝搬した光を反射するための鏡であり、反射板３１、３２を設けることにより、導光板１１内を伝搬してきた光の光学損失を抑えて導光体１２から光を効果的に出射するよう有効利用するためのものである。
なお、図１には、点状光源２の配置面とそれに対向する面に反射板３１、３２が設けられている状態を図示しているが、これらに直交する端面を覆うように配置される反射板も図示していないが設けられており、導光板１１の全ての端面を反射板が覆っている。

上記導光板装置１、点状光源２、反射板３１、３２は、筐体本体４１及び筐体蓋４２に収納される。筐体本体４１及び筐体蓋４２は、共に面の中央部が長方形に切り取られており、導光板１１の入射面１１ａ及び出射面１１ｂが外部から見える形状となっている。

次に導光体１２の詳細について説明する。図３は、実施の形態１に係る導光板装置１の導光体１２の断面図である。導光体１２は、導光板１１の出射面１１ｂに接合される円形の接合面１２１、この接合面１２１と対向する円形の光放射面１２２を有する。また、導光体１２は、接合面１２１と光放射面１２２とをつなぐ側面１２３を有する。導光体１２の側面１２３は、側面１２３の任意の位置における接平面と接合面１２１とで成す角度が９０度以下であり、接平面と接合面１２１とで成す角度が異なる角度となる複数の面１２３ａ〜１２３ｃを含み、かつ、複数の面１２３ａ〜１２３ｃのうち接合面１２１から遠い方の面における接平面と接合面１２１とで成す角度の方が、複数の面のうち接合面１２１から近い方の面における接平面と接合面１２１とで成す角度より大きい形状である。
ここで、接平面とは、導光体１２の側面１２３に接する平面である。例えば、それぞれの面１２３ａ〜１２３ｃが図２の切断面で切断された時の切断線を含み切断面に垂直な平面が接平面である。なお、導光体１２の側面が、切断面において曲線を有する形状の場合には、その曲線と接する接線を含み切断面と垂直な平面が接平面となる。接平面で定義したが、導光体１２の側面１２３自身でも定義することは可能である。
導光体１２は、より具体的には、接合面１２１、光放射面１２２、および第一の面１２３ａ、第二の面１２３ｂ、第三の面１２３ｃを含む側面１２３を有する形状である。導光体１２の接合面１２１は直径がａの円形である。光放射面１２２は、接合面１２１の中心軸と同じ中心軸を有し、直径がｂの円形である。導光体１２の高さはｃであり、第一の面１２３ａ、第二の面１２３ｂ、第三の面１２３ｃのそれぞれの高さは、高さｃを３等分した高さ方向の幅ｈ＝ｃ／３である。また、それぞれの面１２３ａ〜１２３ｃと接する接平面と接合面１２１との成す角度は、９０度以下であり、それぞれの角度を接合面１２１から近い方からα、β、γとすると、この順に大きくなっている。
図３に示すように、導光体１２の側面１２３には、導光板１１から接合面１２１を介して導光体１２に入射し、側面１２３で反射した光が導光体１２上部の光出射面１２２から放出するように、接合面１２１に対して外側に傾斜させるように構成すればよい。

図４の左側に本実施の形態１に係る導光板装置１の導光体１２の斜視図を示しており、側面１２３に含まれる第一の面１２３ａ、第二の面１２３ｂ、第３の面１２３ｃはそれぞれ異なる頂点角の円錐の表面の一部からなる連続面で形成されている。なお、側面１２３はこのような面で形成される以外に、例えば図４の右側に示したように異なる頂点角の多角錐の表面の一部をつないで形成されてもよい。

次に、本実施の形態に係る導光板装置１を用いた窓照明装置の動作を説明する。窓照明装置は、図示しない電源装置から点状光源２に直流の電力を供給して点灯することで、室内側である導光体１２の出射面１１ｂから点状光源２の光を放出するものである。以下、点状光源２の光が導光板１１の端面１１ｃから入射された際の伝搬経路について説明する。
図２において、矢印は点状光源２が点灯した際に、点状光源２の光が導光板１１の端面１１ｃから導光板１１に入射し伝搬する伝搬経路を２通り示したものである。
導光板１１の端面１１ｃから導光板１１内部に入射する光のうち、導光板１１の出射面１１ｂ側に向かった光は、出射面１１ｂを全反射した後、再び入射面１１ａを全反射している。このように、光は入射面１１ａと出射面１１ｂとを全反射することにより導光板１１内部を伝搬する。入射面１１ａと導光体１２が設置されていない出射面１１ｂの部分では、空気との間で屈折率が大きく異なるため、全反射させることができる。
一方、導光板１１の端面１１ｃから導光板１１内部に入射する光のうち、導光板１１の入射面１１ａ側に向かった光は、入射面１１ａを反射する。その後、導光板１１の出射面１１ｂと導光体１２の接合面１２１が接合している部分に入射すると、その部分では反射せずに透過して導光体１２内部に入射する。導光体１２が導光板１１と同じ材質で形成されているため、出射面１１ｂと導光体１２の接合面１２１と接合している部分において、空気との間でみられるような屈折率が大きく異なる境界が存在しない。このため、全反射の現象が起こらずに導光板１１の出射面１１ｂから導光体１２の接合面１２１へ光が直進する。導光体１２内部に入射した光は、導光体１２の側面を反射した後、導光体１２の光放射面１２２から外部に放出される。
図５は、実施の形態１に係る導光板装置１の導光体１２に入射した光の伝搬経路を示す拡大断面図である。図５において、３つの矢印は導光板１１内部の光が導光板１１の出射面１１ｂと導光体１２の接合面１２１が接合している部分に入射した光の伝搬経路を３通り示したものである。図５に示すように、導光板１１内の光は接合面１２１から導光体１２内に入射した場合、入射する位置や角度に応じて、第一の面１２３ａ、第二の面１２３ｂ、第三の面１２３ｃにあたる。この時、それぞれの面に対して接合面１２１から入射してくる光の入射角度は、臨界角よりも大きくなるため全反射する。全反射した光は、光放射面１２２に入射するが、光放射面１２２に対する入射光の入射角度は臨界角よりも小さいため全反射せずに透過する。よって、点状光源２の光は光放射面１２２から放出されることとなる。

このように、導光板１１の端面１１ｃから入射した点状光源２の光は、導光板１１内の入射面１１ａと出射面１１ｂを全反射しながら伝搬し、導光板１１の出射面１１ｂと導光体１２の接合面１２１が接合している部分に入射した場合に導光体１２内部に入射し、導光体１２の光放射面１２２から放射される構造となっている。よって、導光板装置１の出射面１１ｂ側のみに点状光源２の光を出射することができる。

また、導光板装置１の外部（屋外）から入射面１１ａに入る屋外光は導光板装置１を透過し出射面１１ｂから室内に出射する。一方、出射面１１ｂ側からの室内光は光放射面１２２、及び導光体１２の設置されていない出射面１１ｂから導光体１２の内部に入射し、導光板１１に取り込まれるが、導光板１１内を全反射し、再び導光体１２に導かれ、光放射面１２２より放出される。よって、出射面１１ｂから入射面１１ａへの透過率よりも入射面１１ａから出射面１１ｂへの透過率の方が高い。

つまり、実施の形態１に係る窓照明装置は、点状光源２を点灯した場合には、点状光源２の光は出射面１１ｂ側へ出射される。また、導光板装置１の外部から入射面１１ａに入る光は導光板装置１を透過し出射面１１ｂから室内に出射し、一方出射面１１ｂ側からの室内光は一部が導光体１２、導光体１２内を反射して室内側に戻る。よって、室内等の光を利用する側の光を効率的に室内で利用することができるものである。

次に、本実施の形態１に係る導光板装置１に関するシミュレーション結果について述べる。本シミュレーションでは、設計の一例として、屈折率１．４９、臨界角４２．1°であるＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）を材料として、図３に示す長さ及び角度をａ＝１、ｂ＝２．５、ｃ＝１．７、α＝４７．５°、β＝７１．５°、γ＝８５．２°とした。
まず、導光板装置１の端面１１ｃから光を入射した場合の入射面１１ａと出射面１１ｂからの光放出量のシミュレーション結果について述べる。導光板装置１は、端面１１ｃから光源を入射した場合に光源光量の９０％近くを出射面１１ｂから出射し、２．５％を入射面１１ａから出射する結果となった。わずかに入射面１１ａから光が出射するのは、光放射面１２２を透過するときに発生する界面反射光である。

次に、導光板装置１の入射面１１ａ及び出射面１１ｂから外部の光が入射した場合のシミュレーション結果について述べる。図６は、実施の形態１の導光板装置１の入射面１１ａ側からの透過率及び出射面１１ｂ側からの透過率を示すシミュレーション結果である。図６は、導光板装置１の入射面１１ａ及び出射面１１ｂと垂直な方向を０度とし、所定の広がり持たせた光を導光板装置１に入射させたときの透過率を示しており、横軸は光の広がり角、縦軸は透過率である。
広がり角９０度の光とは９０度の範囲のどの方向に対しても同じ光量となるように拡散された光であり、広がり角が０度の光は、垂直な方向に向かう光のみのことである。入射面１１ａ側から光が入射された場合、図６の黒い丸で示すように、広がり角が０度の垂直な光が入射されると９０％近くが透過し、広がり角が４０°まで広がった光に対しても７０％以上が透過しており、外光の多くを取り入れられることがわかる。一方、出射面１１ｂ側から光が入射された場合の透過率は、図６の白い四角で示すように、どの広がり角の光でも５０％台の透過率となっており、ほぼ半分の光が反射していることがわかる。つまり、室内からの光を室内に反射して有効利用できるものである。
比較例として、平板の天窓の透過率と広がり角の関係を図７に示す。平板の場合は、屋外から屋内、および屋内から屋外への双方とも同じ光の広がり角依存性を示し、どの光の広がり角に対しても透過率は８５〜９０％と高い。これに比べ、本実施の形態１の導光板装置１では、屋内すなわち出射面１１ｂ側からの光の透過率は、ほぼどの広がり角の光でも５０％台の透過率となり、室内からの光を室内すなわち出射面１１ｂに反射して戻すことで室内側で有効利用できることがわかる。

図８は、実施の形態１に係る窓照明装置を窓として設置した場合の概念図である。導光板装置１を導光体１２が屋内側に配置されるように窓として設置する。図８において矢印は導光板装置１の外部からの光を表している。屋外から入射面１１ａに入射する光は主に直進性の太陽光であるため、時間とともに導光板装置１へ入射する角度が変化する。一方、屋内から出射面１１ｂへ入射する室内の光は、ある程度拡散された拡散光であると考えられる。

この窓照明装置を天窓として使用する場合、南中時に太陽光が天窓に垂直に入射するように設置されることが多い。この場合、上述したシミュレーション結果のように、屋外である入射面１１ａ側から入射するほぼ垂直に入射する光が９０％近く透過していることから、太陽光のほぼ９０％近くの光を取り込めることになる。また、室内である出射面１１ｂから入射する光は、どの広がり角でも半分近くが室内に反射する。
よって、本実施の形態に係る窓照明装置を天窓として使用すると、平板の採光窓に比べ、南中時の採光は平板の採光窓と同等の性能を有し、また夜間は屋内光の半分は反射し、その分部屋の明るさを明るく維持することが可能となる。

図９は、実施の形態１の導光板装置１の導光体１２から取り出される配光分布のシミュレーション結果である。図９は、３００００ｃｄ／ｍ^２をピークとする光源を用いた場合の配光分布であり、光源の明るさにより輝度の絶対値は変動する。正面の輝度に対して輝度がほぼ半分に落ちる角度は、およそ４０°であり、４０°の範囲に広がる面光源となっていることがわかる。

次に、本実施の形態１に係る導光板装置１の導光体１２の形状の詳細について述べる。まず、導光体１２の接合面１２１の直径ａと高さｃの関係について述べる。点状光源２から出た光は導光板１１の入射面１１ａと出射面１１ｂの間で反射を繰り返し、その一部が導光体１２の接合面１２１から入射し、光放射面１２２から放射する。接合面１２１から導光体１２に臨界角よりも大きい角度で入射する光が導光体１２の光放射面１２２から出射するためには、少なくとも一度導光体１２の側面を反射する。窓照明装置の厚みを抑えたい場合、導光体１２の高さｃをできるだけ低くする必要がある。導光体１２の高さｃをできるだけ低く抑えるためには、接合面１２１から導光体１２に入射する角度が最も大きい場合である臨界角θcの光が、導光体１２の第三の面１２３ｃの最も高い位置に当たればよい。したがって、次の式が導かれる。

ここで、ｘ１、ｘ２、ｘ３はそれぞれ第一の面１２３ａ、第二の面１２３ｂ、第三の面１２３ｃの図３における横方向の幅である。また、上述したように第一の面１２３ａ、第二の面１２３ｂ、第三の面１２３ｃの高さ方向の幅ｈと導光体１２の高さｃとの関係はｃ＝３ｈであるので、以下の式が成り立つ。

これらを式（１）に代入すると、次の式が得られる。

従って、α、β及びγを前述の角度条件を満たす範囲より選択することにより、ｃ／ａが導かれる。このｃ／ａは、値が小さい方が、透明円錐体形状である導光体１２の成形が容易になるものである。

次に、導光体１２の接合面１２１の直径ａと光放射面１２２の直径ｂとの関係について述べる。これまで説明したように、光放射面１２２が室内の光を反射する形状であるので、導光体１２の形状は光放射面１２２が上に向けて広がる円錐状となり、接合面１２１より光放射面１２２の方が面積が大きく設計される。ここで、導光板１１内部の光を導光体１２に取り出す量は、導光板１１の出射面１１ｂと導光体１２の接合面１２１とが接合している面積によって決まる。しかし、導光体１２を導光板１１の出射面１１ｂに配置する間隔は光放射面１２２の大きさによって決定される。したがって、導光板１１の所定の領域での取り出し光量を増加させようとして導光体１２の配列間隔を狭めようとしても、導光体１２の光放射面１２２の大きさによってその配列間隔に対し制約を受ける。この制約をできるだけ小さくし、導光体１２の配置を決める際の光取り出し量の選択範囲を広げるためには、導光体１２の接合面１２１と光放射面１２２との面積比率を小さくするのがよい。本実施の形態のように接合面１２１、光放射面１２２とも円形であれば、それぞれの面積の比率を示す値として、それぞれの直径を用いた開口比率ｂ／ａを用いることができる。ｂ／ａを小さくすれば、導光体１２の配置を決める際の光取り出し量の選択範囲を広げることができるが、一方、開口比率をｂ／ａ大きくするほうが導光体１２の個数あたりの外部から導光板装置１の出射面１１ｂに入射する光の反射率を大きくすることができる。開口比率ｂ／ａを利用形態に応じて選択すれば、適切な導光板装置が得られる。

次に、本実施の形態１に係る導光板装置１の製造方法について説明する。
例えば、導光板装置１の導光板１１と導光体１２とは３Ｄプリンタを用いた高解像プリントにより一体形成される。また、量産する場合は導光板１１と導光体１２とを図１０に示すような構造体として製造することが可能である。導光体１２は導光体支持板１３の表面に射出成形やプレス成形を用いて一体形成されている。この状態で導光体１２の光放射面１２２は導光体支持板１３に接合されている。これを別に成形しておいた導光板１１に接合することで、導光板１１と導光体１２とを持つ構造体を製造できる。このような構造の場合、導光体１２が２枚の平板に挟まれた構造となるため、導光体１２が破壊されにくくなるばかりでなく、断熱効果も向上させることができる。上述した導光体１２の開口比率ｂ／ａが大きい場合にも、ガラス材料によるプレス成形が可能となり、より耐光性の高い材料を用いることができるようになる。

以上のように、実施の形態１に係る導光板装置１を利用した窓照明装置によれば、導光板の出射面１１ｂに導光体１２を設け、導光体１２の側面を、側面に接する接平面と接合面１２１とで成す角度が９０度以下となる形状としたので、導光板装置１の出射面１１ｂ側から導光板１１に向かう光が導光体１２で反射されるため、室内光を有効に利用することができる。
また、点状光源２を点灯した際には、導光板１１の端面１１ｃから入射した点状光源２の光は、導光板１１内の入射面１１ａと出射面１１ｂを全反射しながら伝搬し、導光体１２の接合面１２１と導光板１１の出射面１１ｂが接合している部分に入射した場合に導光体１２内部に入射し、導光体１２の光放射面１２２から放射される構造となっているので、導光板装置１の出射面１１ｂ側のみに点状光源２の光を出射することができる。
つまり、本発明に係る窓照明装置は、昼間は外光を室内に取り入れ、夜間は室内側のみを照明し、かつ、室内の光を屋外へ透過させないので、光を有効に利用することができる。

実施の形態２．
次に、本実施の形態２に係る導光板装置１について説明する。実施の形態２では、導光体１２の側面の形状が実施の形態１と異なる。
本実施の形態２に係る導光板装置１の導光体１２の形状の詳細について述べる。図１１は、実施の形態２に係る導光板装置の導光体１２の断面図である。導光体１２は、導光板１１の出射面１１ｂに接合される円形の接合面１２１、接合面１２１と対向する円形の光放射面１２２を有する。また、導光体１２は、接合面１２１と光放射面１２２とをつなぐ側面１２３を有する。導光体１２の側面１２３は、側面１２３の任意の位置における接平面と接合面１２１とで成す角度が９０度以下であり、接合面１２１から近い方の面における接平面と接合面１２１とで成す角度より大きい形状である。

図１１において、側面１２３は接合面１２１の一端である点Ｏから入射する光が導光体１２の側面１２３で全反射されるような側面形状とする。
点Ｏを基準として、図１１における導光体の側面上の点の座標（ｘ、ｙ）を前記接合面の端部である点Ｏから側面１２３に伸ばした線の長さｒ、およびこの線と接合面１２１との成す角度θを用いて表すと次のようになる。

この時のｒ及びθに対する位置変位は、次のようになる。

点Ｏからの光が側面１２３において全反射するような導光体側面の形状であれば、接合面１２１のどの点から発せられる光に対しても全反射条件が成立することとなる。点Ｏからの光が側面１２３へ臨界角θ_Ｃで入射しているとすると、導光体１２の側面１２３の傾きはπ／２＋θ―θ_Ｃとなり、この傾きがほとんど変化しないとすると、次の式が成り立つ。

よって、式（５）と式（６）より、次の式が得られる。

上式をΔθ、Δｒの項に分けると、次式のように変形できる。

この式を加法定理を用いて変形すると、以下のようになる。

両辺を微分すると以下の式が得られる。

式（１０）は、接合面１２１の端部である点Ｏから側面１２３に伸ばした線の長さｒとこの線と接合面１２１との成す角度θとの関係を表したものであり、式（１０）を満たせば、導光体１２に入射した光が側面１２３において臨界角で全反射する。特に点Ｏから導光体１２側面への入射角度が、臨界角θcで入射されるような側面形状とすると、接合面１２１の直径ａと光放射面１２２の直径ｂとの比ｂ／ａを小さくできるばかりでなく、導光体１２の高さｃとの比ｃ／ａも小さくすることが可能となる。前者の比が小さくなると導光板装置１の単位長さ当たりの光取り出し効率が向上し、導光板装置１の長さや厚さとの範囲が広くなる。また後者の比が小さくなると、射出成形を用いた成形方法においては、離形性が良くなり、成形精度を向上させることができる。

式（１０）にてＣｏｎｓｔ＝０．５、θ_Ｃ=４２．１°とした曲面では、ａ＝１．６５、ｂ＝３．０８、ｃ＝２．１３となり、ｂ／ａ＝１．９、ｃ／ａ＝１．３となる。図１２に、実施の形態２の導光板装置１の導光体１２から取り出される配光分布のシミュレーション結果を示す。

実施の形態３．
次に、本実施の形態３に係る導光板装置１について説明する。実施の形態１では１つの導光板装置１を用いて窓照明装置としたが、実施の形態３では２つの導光板装置１を組み合わせて窓照明装置とする。
図１３は、本実施の形態３係る導光板装置１を用いた窓照明装置の分解斜視図である。筐体本体４１と筐体蓋４２に、２つの導光板装置１、点状光源２、反射板３１、３２が収納されている。
導光板装置１は、透光性の高いガラス樹脂で形成されているがわずかに光を吸収するため、長距離を伝搬させると光は減衰する。よって、点状光源２の光の利用効率を高く維持するには、点状光源２の配列方向に直交する導光板１１の幅は短い方がよく、そのためには図１３に示すような２分割、あるいはそれ以上に複数に分割すれば幅を短くできる。
点状光源２の配列方向に直交する導光板装置１の幅は、導光板１１の厚さに依存し、例えば厚さ２．５ｍｍの導光板１１であれば、１５０〜２５０ｍｍとするのが良い。この幅を超える面光源が必要な場合は、導光板装置１及び点状光源２、反射板３１、３２を継ぎ足すことにより、大面積化することが可能である。

なお、上述したいずれの実施の形態においても、導光体１２は導光板１１の出射面１１ｂ上に均一に配列しており、その密度は必要に応じて決められる。なお、導光体１２を導光板１１の出射面１１ｂに配列するパターンは均一配列に限らず、所望の放射光分布に応じた配列とすればよく、例えば図１４に示すように所定の形状を形成する配列としてもよい。図１４のように導光体１２を模様や形を形成するように配置すれば、配光分布を変えたり、意匠を変えることができる。導光板１１の導光体１２が配置されていない領域は、照明としては非発光領域となり、夜間の照明としては暗く見える領域となる。一方、日中は屋外光の透過特性に光の入射角依存性や導光体１２の散乱特性により、模様が浮き上がって見えるようにできる。

また、導光体１２を導光板１１の片面に均等に配置した場合、導光板１１の点状光源２近くが明るく下流側に進むにしたがって光量が減衰するような発光面の輝度分布となる。この場合、液晶のバックライトなどに用いる導光板と同様に導光体１２の配列間隔を点状光源２に近い上流側では広げ、下流側では狭めることで面光源として均等な発光量とすることができる。

１．導光板装置
１１．導光板
１１ａ．入射面
１１ｂ．出射面
１２．導光体
１２１．接合面
１２２．光放射面
１２３．側面
１２３ａ．第一の面
１２３ｂ．第二の面
１２３ｃ．第三の面
２．点状光源
３１．３２．反射板
４１．筐体本体
４２．筐体蓋

Claims (5)

1. 外部からの光が入射される入射面、
   前記入射面に対向する出射面、
   光源からの光が入射される端面を有し、
   前記端面から入射した光を前記入射面と前記出射面の間で反射して導光する導光板と、
   前記導光板の前記出射面に接合される接合面、
   前記接合面と対向する光放射面、
   前記接合面と前記光放射面とをつなぐ側面
   を有する導光体とを備えた導光板装置において、
   前記導光体の前記側面は、
   前記側面に接する接平面と前記接合面とで成す角度が９０度以下であることを特徴とする導光板装置。
2. 前記導光体の前記側面は、
   前記接平面と前記接合面とで成す角度が異なる角度となる複数の面を含み、かつ、前記複数の面のうち前記接合面から遠い方の面における前記接平面と前記接合面とで成す角度の方が、前記複数の面のうち前記接合面から近い方の面における前記接平面と前記接合面とで成す角度より大きい形状であることを特徴とする請求項１に記載の導光板装置。
3. 前記導光体の前記側面は、
   前記導光体の臨界角がθ_Ｃである場合に、
   前記接合面の端部から前記側面に伸ばした線の長さｒと前記線と前記接合面との成す角度θがｌｎ（ｒ）＝θｔａｎθ_Ｃ＋Ｃｏｎｓｔを満たす形状であることを特徴とする請求項１に記載の導光板装置。
4. 請求項１から３いずれかに記載の導光板装置と、前記光源とを備えた窓照明装置。
5. 前記導光板は、
   前記入射面から入射した光を前記入射面に対向する前記出射面に導光して前記出射面から出射し、
   前記出射面から入射した光を前記導光体の前記光放射面に導光して前記出射面から出射し、
   前記導光体は、
   前記導光板の前記出射面から前記導光体の前記接合面へ入射した光を前記光放射面から放出する請求項４に記載の窓照明装置。

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