JP6160821B2 - 太陽電池複合型発光装置及び太陽電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、表示装置あるいは照明装置などの発光装置の表面に太陽電池が設置された太陽電池複合型発光装置、及び、それに使用される太陽電池モジュールに関する。

携帯電話を始めとする液晶ディスプレイを搭載した携帯型の各種情報処理装置では、長時間の連続使用に必要な電力を自立して確保することが求められている。最も効果的な方法は、充電用二次電池の容量を拡大する方法であり、大容量二次電池の開発が活発に進められている。

一方、二次電池と併用して、補助電源として太陽電池を搭載する方式も開発されている。太陽電池は、受光面が光源に対して正対した平面形状であり、受光面積が広いほど大きな出力電力を得ることができる。そのため、特に大画面の液晶ディスプレイを搭載した携帯の情報処理装置の筐体では、大面積で平面な液晶ディスプレイの表面が最適な設置場所となる。しかし、一般的に太陽電池は有色で不透明であるため、液晶ディスプレイの表面に太陽電池を設置すると、液晶ディスプレイの表示画像の視認性が著しく低下することとなる。

特許文献１には、液晶ディスプレイの表面に開口部を有する太陽電池を設置することで、太陽電池による発電と液晶ディスプレイの視認性を両立する技術が開示されている。この技術では、液晶ディスプレイの視認性を高めるために、太陽電池に開口部を設けるだけではなく、液晶ディスプレイのバックライト光を太陽電池の開口部へ誘導するためのレンズを併用する工夫がなされている。これにより、レンズを設置しない場合の、太陽電池部分での遮光によるバックライト光の透過率の低下を防ぎ、液晶ディスプレイの輝度低下改善が図られている。

しかしながら、特許文献１で開示されている構成では、液晶ディスプレイの面積中、液晶ディスプレイの視認性のために設けられた開口部の面積分は、太陽電池の受光面として使用することはできず、太陽電池の出力電力量が減少してしまうことが考えられる。

米国特許出願公開第２００７／０１０２０３５号明細書

本発明は上記の課題を解決するためになされたものである。すなわち本発明は、太陽電池による発電と、液晶ディスプレイなどの表示装置の視認性を高い水準で両立させる太陽電池複合型表示装置を提供することを目的としている。なお、本発明は、表示装置に限られるものではなく、照明装置など、発光素子を使用する各種発光装置に適用することが考えられる。

本発明は、このような課題を解決するものであって、そのため、以下の構成要件を有す
ることを特徴としている。
本発明に係る太陽電池複合型発光装置は、
複数の第１集光レンズ、複数の太陽電池ユニット、複数の第２集光レンズ、複数もしくは単数の発光素子が順に積層され、
前記第１集光レンズは、外光を前記太陽電池ユニットに集光するとともに、隣接する前記第１集光レンズ間には、外光を集光しない非集光領域が形成されるように配置され、
前記第２集光レンズは、前記発光素子から出射される光を集光して、前記非集光領域から外部に出射し、
前記非集光領域の幅は、前記第１集光レンズの幅が前記太陽電池ユニットの幅よりも狭くならない範囲を上限とするとともに、下記の条件式の値Ｄを下限とする
太陽電池複合型発光装置。
Ｄ＝２（Δθ×ｆ）
ただし、Δθ：前記発光素子が射出する光の平行度
ｆ：前記第１集光レンズもしくは前記第２集光レンズの焦点距離

さらに本発明に係る太陽電池複合型発光装置において、
複数の前記第１集光レンズ及び前記非集光領域は、共通の光学シート上に形成されている。

さらに本発明に係る太陽電池複合型発光装置において、
前記非集光領域は、前記第２集光レンズから出射された光を散乱させて外部に出射する光学機能を有する。

また本発明に係る太陽電池モジュールは、
複数もしくは単数の発光素子を有する発光装置上に配置される太陽電池モジュールであって、
複数の第１集光レンズ、複数の太陽電池ユニット、複数の第２集光レンズが順に積層され、
前記第１集光レンズは、外光を前記太陽電池ユニットに集光するとともに、隣接する前記第１集光レンズ間には、外光を集光しない非集光領域が形成されるように配置され、
前記第２集光レンズは、前記発光素子から出射される光束を集光して、前記非集光領域から外部に出射し、
前記非集光領域の幅は、前記第１集光レンズの幅が前記太陽電池ユニットの幅よりも狭くならない範囲を上限とするとともに、下記の条件式の値Ｄを下限とする
太陽電池モジュール。
Ｄ＝２（Δθ×ｆ）
ただし、Δθ：前記発光素子が射出する光の平行度
ｆ：前記第１集光レンズもしくは前記第２集光レンズの焦点距離

本発明の太陽電池複合型発光装置、あるいは、本発明に係る太陽電池を発光装置に適用することで、太陽電池での出力電力量の向上、及び、発光素子による観察輝度の向上の両立を図ることが可能となる。

本発明の実施形態に係る太陽電池複合型表示（発光）装置の構成を示す断面図 本発明の実施形態に係る太陽電池複合型表示（発光）装置の構成を示す正面図と断面図 太陽電池複合型表示（発光）装置の比較例を示す断面図 本発明の実施形態に係る太陽電池複合型表示（発光）装置の非集光領域の幅を説明するための断面図 本発明の他の実施形態に係る太陽電池複合型表示（発光）装置の構成を示す正面図と断面図 本発明の他の実施形態に係る太陽電池複合型表示（発光）装置の構成を示す正面図と断面図 本発明の実施形態に係る太陽電池複合型表示（発光）装置を使用した情報処理装置の構成を示す図

図１は、本発明の実施形態に係る太陽電池複合型表示発光装置の構成を示す断面図である。本発明に係る太陽電池複合型表示装置は、画像光を出射する液晶表示装置などの表示装置、あるいは、情報を有さない照明光を出射する照明装置に適用することが可能である。ここでは、表示装置を用いた太陽電池複合型表示装置について説明を行う。

図１に示されるように、太陽電池複合型表示装置は、外光の入射する方向順に第１光学シート１０、太陽電池ユニット１２、第２光学シート２０、発光素子としての表示画素２２が積層されている。図中、第１光学シート１０と第２光学シート２０の間などに設けられた空間は、使用する波長において透明な媒質で満たすこととしてもよい。図１は、太陽電池複合型表示装置の微細な一部を示したものであり、太陽電池複合型表示装置は、これらの構成を多数有して構成される。

第１光学シート１０には、複数の第１集光レンズ１１が形成されている。この第１集光レンズ１１には外光を集光する集光領域Ｂが形成されている。そして、隣接する第１集光レンズ１１の間には、外光を集光しない非集光領域Ａが形成されている。本実施形態の非集光領域Ａは、第１光学シート１０の両面において平坦面を有する平坦部となっている。太陽電池ユニット１２は、セルやモジュールなどの単位で構成され、複数の太陽電池ユニットにて太陽電池を形成している。隣接する太陽電池ユニット１２の間には、表示画素２２からの画像光を射出させるための開口部１２ａが形成されている。第１集光レンズ１１は、その集光領域Ｂで集光した光を太陽電池ユニット１２上に結像させる。このように本実施形態では、第１集光レンズ１１を使用することで、外光の集光効率の向上を図り発電性能の向上が図られている。

表示画素２２は、画像光を出射し、複数の表示画素２２の画像光にて観察者に画像を提供する。本実施形態では、第２光学シート２０上に複数の第２集光レンズ２１を形成したことで、第１集光レンズ１１と同様、製造上の簡易化が図られている。なお、第１光学シート１０、第２光学シート２０には、マイクロレンズアレイやレンチキュラーレンズとして知られる光学素子を使用することが可能である。

表示画素２２から出射された画像光は、第２集光レンズ２１にて集光され、第１集光レンズ１１間に設けられた非集光領域Ａを通過して外部に出射される。このとき、第２集光レンズ２１は、表示画素２２から出射された画像光が、全て非集光領域Ａを通過するように設定しておくこと、言い換えると、表示画素２２から出射された画像光が集光領域Ｂを通過しないように配置することが好ましい。このような配置により、画像光の損失を抑え、表示装置としての輝度向上を図ることが可能となる。この非集光領域Ａには、第２集光レンズ２１から出射された光を散乱させて外部に出射する光学機能を設けることとしてもよい。このような光学機能としては、非集光領域Ａの外光側の面に凹凸を設ける、あるいは、第１光学シート１０の非集光領域Ａ内部に光を散乱させる光学材料を埋設することなどが考えれる。非集光領域Ａがこのような光学機能を有することで、画像光の視野角を大きくすることが可能となる。

図２は、本発明の実施形態に係る太陽電池複合型表示装置の構成を示す正面図と断面図の関係を示した図である。図２（Ａ）には太陽電池複合型表示装置の正面図が、図２（Ｂ）には、太陽電池複合型表示装置の側面図が示されている。図２（Ｂ）は、図１と同様であるが、正面図との構成の対比を分かりやすくするため、第１集光レンズ１１、第２集光レンズ２１は、それぞれ単体で示している。

本実施形態の太陽電池複合型表示装置は、各構成を縦方向に配置したライン形態となっている。第１集光レンズ１１、第２集光レンズ２１、太陽電池ユニット１２は、紙面上下
方向に延在している。このようなライン形態では、各構成を製造するにあたって、製造上の簡易化を図ることが可能となる。また、太陽電池ユニット１２に対しては、太陽電池複合表示装置の周囲にて配線することが可能となる。

本実施形態の太陽電池複合表示装置の製作方法について、その一例を説明する。まず、表示画素２２のピッチ（間隔）で、第２集光レンズ２１を形成するための溝部（凹部）を有した賦形型ロールを準備する。その賦形型ロールにエポキシアクリレート系の紫外線硬化型樹脂を供給装置から供給し、その樹脂を賦形型ロールとの間に挟むように厚さ１８８μｍのＰＥＴフィルムをニップロールで押し当てながら貼り合わせる。その後、そのＰＥＴフィルム側から紫外線を照射して紫外線硬化型樹脂を硬化させて第２光学シート２０を形成した。

次に、一般的な製造方法によりパターニング済みアモルファスシリコン太陽電池を作製する。すなわち、初めに透明基板４６の一方の面の全面に透明電極層を設け、その上から化学的気相成長（ＣＶＤ）法でアモルファスシリコン層を形成する。そして、水性媒体中にフッ化水素酸を含有するシリコンエッチング液でフォトエッチングすることによりパターニングされた太陽電池層を得る。その後、残存したアモルファスシリコン層上に真空製膜法により金属電極層を形成する。これにより、表示画素のピッチ（間隔）と同一のパターンで光透過性の開口部を有するパターニング済みアモルファスシリコン太陽電池（太陽電池ユニット）を形成する。

次に、パターニング済みアモルファスシリコン太陽電池の太陽電池ユニット１２部分に対応したピッチで配置される所定の光学特性を有するレンズ形状と、開口部１２ａに対応したピッチで配置される所定幅の平坦部を形成するための突起（凸部）を有した賦形型ロールを準備する。その賦形型ロールにエポキシアクリレート系の紫外線硬化型樹脂を供給装置から供給し、その樹脂を賦形型ロールとの間に挟むように厚さ１８８μｍのＰＥＴフィルムをニップロールで押し当てながら貼り合わせた後、そのＰＥＴフィルム側から紫外線を照射して紫外線硬化型樹脂を硬化させて第１光学シート１０を形成する。

次に、表示画素２２が形成される表示部上に、表示画素２２と第２光学シート２０の第２集光レンズ２１部分が一致するように重ね合わせて熱硬化性樹脂で接着する。さらに第２光学シート２０上に、第２光学シート２０の第２集光レンズ２１部分とパターニング済みアモルファスシリコン太陽電池の開口部１２ａが一致するように重ね合わせて熱硬化性樹脂で接着する。

次に、パターニング済みアモルファスシリコン太陽電池上に、パターニング済みアモルファスシリコン太陽電池の開口部１２ａと第１集光レンズ１１の中心が一致するように位置決めして、熱硬化性樹脂で接着することで太陽電池複合型表示装置が作製される。第２集光レンズ２１の集光機能を発揮するために、第２集光レンズ２１の表面に空気層を設けるか、もしくは第２集光レンズ２１と熱硬化性樹脂を異なる屈折率とする。以上、太陽電池複合型表示装置の作製方法の一例を説明したが、太陽電池複合型表示（発光）装置の作製方法には、図１、図２で説明した構成を実現する各種形態を採用することが可能である。

図３には、太陽電池複合型表示装置の比較例が示されている。この太陽電池複合表示装置は、第１集光レンズ１１間に非集光領域Ａを設けない形態であって、外光側に面する全ての面は、第１集光レンズ１１の集光領域Ｂで形成されている。このような場合、太陽電池複合型表示装置に入射する外光は、全て太陽電池ユニット１２に集光され、発電効率の向上が期待できるものの、第２集光レンズ２１で集光された表示画素２２からの画像光は、その殆どが第１集光レンズ１１の表面で正反射されることとなり、観察者に対して輝度
の低い画像を提供することとなる。

これに対して、本実施形態に係る太陽電池複合型表示（発光）装置の場合には、図１で説明したように、第１集光レンズ１１で外光を太陽電池ユニット１２に集光するとともに、第２集光レンズ２で画像光を集光し、非集光領域Ａから外部に射出することで、太陽電池による発電効率の向上と、輝度の高い画像の提供の両立を図ることを可能としている。

図４は、本発明の実施形態に係る太陽電池複合型表示装置の非集光領域の幅を説明するための断面図である。第１集光レンズ１１による集光面積を大きくすることで太陽電池ユニット１２による発電量の増大は図られるものの、その場合、非集光領域Ａの幅Ｄが狭くする必要がある。その場合、表示画素２２からの画像光が第１集光レンズ１１でけられ、画像光の輝度低下を生ずることが考えられる。一方、非集光領域Ａの幅Ｄを広く取った場合には、集光面積が狭くなり発電量が低下することが考えられる。

ここでは、太陽電池複合型表示装置における発電量と輝度の両立について検討する。これらを両立させるためには、画像光が第１集光レンズ１１によってけられない程度に、非集光領域Ａの幅Ｄを狭くすることが重要である。そのため、本実施形態では、表示装置２２から出射される画像光の平行度Δθに着目し、非集光領域Ａの幅Ｄの検討を行う。ここで、第２集光レンズ２１の焦点距離はｆであり、非集光領域Ａの表面（外光側）に焦点を位置させた場合について考える。表示画素２２から出射される画像光に±Δθの平行度が生じている場合、非集光領域Ａでのボケの半径ｄ（焦点位置の移動量）は、下記条件式（１）で表すことができる。
ｄ≒Δθ×ｆ ・・・（１）

ボケの半径ｄが、非集光領域Ａ内に収まるようにすることで、第２集光レンズ２１で集光された画像光の殆どを非集光領域Ａから出射させることが可能となり、画像光の損失を抑え、輝度の向上を図ることが可能となる。したがって、非集光領域Ａの幅Ｄの下限は、非集光領域Ａ内にボケが収まるように下記条件式（２）を満たすことが好ましい。
Ｄ＝２ｄ＝２（Δθ×ｆ） ・・・（２）

なお、第２集光レンズ２１から出射された画像光の周囲部分が太陽電池ユニット１２の裏面でけられてしまう場合には、条件式（２）において、第２集光レンズ２１の焦点距離ｆに代え、第１集光レンズ１１の焦点距離ｆ’を使用することで、非集光領域Ａの幅Ｄの下限を規定することが可能である。

一方、非集光領域Ａの上限は、第１集光レンズ１１による集光領域Ｂの幅が太陽電池ユニット１２の幅よりも狭くならないようにすることが好ましい。集光領域Ｂの幅が太陽電池ユニット１２の幅よりも小さい場合、非集光領域Ａの幅Ｄは大きく取ることができるものの、集光領域Ｂの面積は低下するとともに、第１集光レンズ１１による集光効果も薄れることとなる。

図２では、太陽電池複合型表示装置の各構成を正面図上、ライン形態で配置する形態を説明したが、第１集光レンズ１１、第２集光レンズ２１、太陽電池ユニット１２などの各構の配置形態は、他の形態を採用することが可能である。図５には、本発明の他の実施形態に係る太陽電池複合型表示（発光）装置の構成を示す正面図が示されている。図５の形態では、図５（Ａ）の正面図から分かるように、第１集光レンズ１１と、太陽電池ユニット１２は共に格子状に形成されている。図５（Ｂ）に示す断面図は、図５（Ａ）のＤ−Ｄ間における断面図であって、図１、図２で説明した光学構成となっている。第２集光レンズ２１は、太陽電池ユニット１２の格子間に島状に配置された形態となっている。図５（Ａ）では、第２集光レンズ２１は矩形形状となっているが、円形形状を採用することも可
能である。表示画素２２は、各第２集光レンズ２１の裏面に位置して画像光を出射して、観察者に画像を提供する。

図６には、本発明の他の実施形態に係る太陽電池複合型表示（発光）装置の構成を示す正面図が示されている。図５の形態では、図５（Ａ）の正面図から分かるように、第１集光レンズ１１と、太陽電池ユニット１２、第２集光レンズ２１は何れも島状に飛び地配置されている。図５（Ｂ）に示される断面図は、Ｄ−Ｄ間における断面図であって、図１、図２で説明した光学構成となっている。第２集光レンズ２１は、太陽電池ユニット１２の格子間に島状に配置された形態となっている。図６（Ａ）では、第１集光レンズ１１、第２集光レンズ２１は共に矩形形状となっているが、円形形状を採用することも可能である。表示画素２２は、各第２集光レンズ２１の裏面に位置して画像光を出射して、観察者に画像を提供する。

以上、図１〜図６を用いて本実施形態に係る太陽電池複合型表示装置について説明を行ったが、本発明に係る太陽電池複合型表示装置によれば、太陽電池での出力電力量の向上、及び、発光素子による観察輝度の向上の両立を図ることが可能となる。

なお、図１〜図６では、表示装置に適用した場合について説明したが、本発明は、表示装置のみならず照明装置など、発光素子を有する各種発光装置に適用することが可能である。さらに、本発明は、第１集光レンズ１１と、第２集光レンズ２１と、太陽電池ユニット１２が積層された太陽電池モジュールとして提供することも可能である。このように提供された太陽電池モジュールは、表示装置、照明装置などの発光装置と接合され、上述した各種実施形態のような太陽電池複合型発光装置として機能することが可能となる。太陽電池モジュールと発光装置の接合は、太陽電池側に設けられた第２集光レンズ２１と、発光装置側の発光素子（表示画素２２）、両者のピッチと位置合わせを適切に行うことが重要である。なお、照明装置に適用する場合、第２光学シート２０の裏面において、発光素子は複数に分離している必要はなく、１つ（単数）の発光素子で形成することが考えられる。この場合、第２集光レンズ２１の間に照射される光はけられるものの、第２集光レンズ２１に照射される光は有効に出射される。

図７には、本発明の実施形態に係る太陽電池複合型表示装置を使用した情報処理装置の構成が示されている。本実施形態の情報処理装置は、携帯電話などの携帯型情報処理装置を想定したものであって、表示部３０、太陽電池４０、制御部５１、充電制御部５２、画像制御部５３、バッテリ５４、入力部５５、通信部５６などを備えて構成されている。

表示部３０と太陽電池４０は、本発明の実施形態に係る太陽電池複合型表示装置で構成されており、表示部３０は、複数の表示画素２２を備えて構成され、また、太陽電池４０は、複数の太陽電池ユニット１２を備えて構成されている。

制御部５１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを有して構成され、充電制御部５２、画像制御部５３など、情報処理装置の各構成を統括して制御する。外光を受光することで、太陽電池４０にて発電された電流は、充電制御部５２によってバッテリ５４を充電する。バッテリ５４は、情報処理装置の各部に対して電源供給を行う。画像制御部５３は、制御部５１の制御に基づいて、表示画素２２の発光状態を制御することで、表示部３０に対して観察可能な画像を表示させる。

このように本実施形態の太陽電池複合型表示装置は、バッテリ５４を使用する携帯型の情報処理装置に採用することで、太陽電池４０による自己発電によって使用時間の延長を図ることが可能となっている。

なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１０…第１光学シート
１１…第１集光レンズ
１２…太陽電池ユニット
１２ａ…開口部
２０…第２集光レンズ
２２…表示画素（発光素子）
Ａ…非集光領域
Ｂ…外光集光領域
３０…表示部（発光部）
４０…太陽電池
５１…制御部
５２…充電制御部
５３…画像制御部
５４…バッテリ
５５…入力部
５６…通信部

Claims (4)

1. 複数の第１集光レンズ、複数の太陽電池ユニット、複数の第２集光レンズ、複数もしくは単数の発光素子が順に積層され、
   前記第１集光レンズは、外光を前記太陽電池ユニットに集光するとともに、隣接する前記第１集光レンズ間には、外光を集光しない非集光領域が形成されるように配置され、
   前記第２集光レンズは、前記発光素子から出射される光を集光して、前記非集光領域から外部に出射し、
   前記非集光領域の幅は、前記第１集光レンズの幅が前記太陽電池ユニットの幅よりも狭くならない範囲を上限とするとともに、下記の条件式の値Ｄを下限とする
   太陽電池複合型発光装置。
   Ｄ＝２（Δθ×ｆ）
   ただし、Δθ：前記発光素子が射出する光の平行度
   ｆ：前記第１集光レンズもしくは前記第２集光レンズの焦点距離
2. 複数の前記第１集光レンズ及び前記非集光領域は、共通の光学シート上に形成されている
   請求項１に記載の太陽電池複合型発光装置。
3. 前記非集光領域は、前記第２集光レンズから出射された光を散乱させて外部に出射する光学機能を有する
   請求項１又は請求項２に記載の太陽電池複合型発光装置。
4. 複数もしくは単数の発光素子を有する発光装置上に配置される太陽電池モジュールであって、
   複数の第１集光レンズ、複数の太陽電池ユニット、複数の第２集光レンズが順に積層され、
   前記第１集光レンズは、外光を前記太陽電池ユニットに集光するとともに、隣接する前記第１集光レンズ間には、外光を集光しない非集光領域が形成されるように配置され、
   前記第２集光レンズは、前記発光素子から出射される光束を集光して、前記非集光領域から外部に出射し、
   前記非集光領域の幅は、前記第１集光レンズの幅が前記太陽電池ユニットの幅よりも狭くならない範囲を上限とするとともに、下記の条件式の値Ｄを下限とする
   太陽電池モジュール。
   Ｄ＝２（Δθ×ｆ）
   ただし、Δθ：前記発光素子が射出する光の平行度
   ｆ：前記第１集光レンズもしくは前記第２集光レンズの焦点距離

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