JP6665716B2 - 集光装置及び照明装置 - Google Patents

Description

この発明は、集光装置と集光装置を用いた照明装置とに関する。

特許文献１に、太陽光を利用するシステムが記載されている。特許文献１に記載のシステムは、太陽光を反射させるためのライトシェルフを備える。ライトシェルフは、建物の外側に突出するように横向きに配置され、ライトシェルフの上面で反射した太陽光が部屋の中に取り込まれる。

特開２００１−３６６１号公報

特許文献１に記載のシステムでは、ライトシェルフを建物の外側に突出させなければならない。このため、ライトシェルフの保持機構が複雑になるといった問題があった。また、ライトシェルフが建物の外側に突出するため、建物の外観が損なわれるといった問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされた。この発明の目的は、縦向きでも使用できる集光装置を提供することである。また、そのような集光装置を用いた照明装置を提供することである。

この発明に係る集光装置は、平坦な第１表面及び第１表面に対して対向する第２表面が形成された第１透光体と、第１透光体の第２表面に対向する第３表面及び第２表面側とは反対側に且つ第３表面に対して対向する第４表面が形成された第２透光体と、を備える。第２表面に凸型構造体が形成される。凸型構造体は、突出高さが第２表面に沿う第１方向に向かうに従って高くなり、第１方向に直交し且つ第２表面に沿う第２方向の幅が第１方向に向かうに従って小さくなる。第２透光体は、第１方向に向かうに従って厚さが厚くなる。

この発明に係る集光装置は、平坦な第１表面及び第１表面に対して対向する第２表面が形成された第１透光体と、第１透光体の第２表面に対向する第３表面及び第２表面側とは反対側に且つ第３表面に対して対向する第４表面が形成された第２透光体と、を備える。第２表面に凹型構造体が形成される。凹型構造体は、深さが第２表面に沿う第１方向に向かうに従って浅くなり、第１方向に直交し且つ第２表面に沿う第２方向の幅が第１方向に向かうに従って大きくなる。第２透光体は、第１方向に向かうに従って厚さが厚くなる。

この発明に係る照明装置は、上記集光装置と、受光面で受けた光を、その向きを変えて照射する照射器と、照射器から照射される光の量を調整する光量調整器と、を備える。受光面は、第２透光体の第１方向を向く端面に対向する。

この発明に係る集光装置は、第１透光体及び第２透光体を備える。第１透光体の第２表面に凸型構造体が形成される。凸型構造体は、突出高さが第１方向に向かうに従って高くなり、第２方向の幅が第１方向に向かうに従って小さくなる。第２透光体は、第１方向に向かうに従って厚さが厚くなる。この発明に係る集光装置であれば、縦向きでも使用できる。

この発明の実施の形態１における集光装置の例を示す分解斜視図である。 この発明の実施の形態１における集光装置の例を示す断面図である。 透光体を示す斜視図である。 １つの凸型構造体を示す斜視図である。 光の経路を説明するための図である。 光の他の経路を説明するための図である。 光の他の経路を説明するための図である。 透光体の集光率の依存性を示す図である。 凸型構造体の配列の例を示す図である。 透光体を示す斜視図である。 楔形状の透光体を伝搬する光の経路を説明するための図である。 透光体に集光されるまでの光の経路を説明するための図である。 透光体の表面に形成された溝の断面を示す図である。 透光体の集光率の依存性を示す図である。 集光装置を太陽に向けて配置した例を示す図である。 集光装置の集光効率を示す図である。 この発明の実施の形態１における照明装置の例を示す図である。 照射器及び光量調整器の断面を示す図である。 １つの凹型構造体を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３における照明装置の例を示す図である。 照明装置を建物に適用した例を示す図である。 拡散器の断面を示す図である。 この発明の実施の形態４における照射器及び光量調整器の例を示す図である。 この発明の実施の形態４における照射器及び光量調整器の他の例を示す図である。

添付の図面を参照し、本発明を説明する。重複する説明は、適宜簡略化或いは省略する。各図において、同一の符号は同一の部分又は相当する部分を示す。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における集光装置１の例を示す分解斜視図である。図２は、この発明の実施の形態１における集光装置１の例を示す断面図である。集光装置１は、例えば透光体２、透光体３及び筐体４を備える。

透光体２は、例えば厚さが一定の板状である。透光体２に表面５及び表面６が形成される。透光体２の表面５は平坦であり、凹凸がない。透光体２の表面６に多数の凸型構造体７（図１及び図２では図示せず）が形成される。透光体２の表面６は、透光体２において、表面５に対して対向する面である。表面６のうち凸型構造体７が形成されていない部分は平坦である。以下においては、表面６のうち特に平坦な部分について言及する場合は表面６ａと表記する。

透光体３は、例えば板状である。透光体３は、透光体２に対向するように配置される。透光体３に表面８及び表面９が形成される。透光体３の表面８は平坦であり、凹凸がない。透光体３の表面８は、透光体２の表面６に対向する。透光体３の表面９に多数の溝１０が形成される。透光体３の表面９は、透光体３において、表面８に対して対向する面である。

理解を容易にするため、図１に示すようにｘ軸、ｙ軸及びｚ軸を設定する。ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は互いに直交する。ｘ軸に平行でｘの値が徐々に大きくなる方向を＋ｘ方向と表記する。ｘ軸に平行でｘの値が徐々に小さくなる方向を−ｘ方向と表記する。ｘ軸方向は、＋ｘ方向と−ｘ方向とを含む方向である。ｙ軸及びｚ軸についても同様である。＋ｘ方向及び−ｘ方向は、透光体２の表面５及び表面６に沿う方向である。＋ｙ方向及び−ｙ方向は、透光体２の表面５及び表面６に沿う方向である。＋ｚ方向及び−ｚ方向は、透光体２の表面５及び表面６に直交する方向である。

透光体３は、−ｙ方向に向かうに従ってその厚さが徐々に厚くなる。即ち、表面８と表面９との距離は、−ｙ方向に向かうに従って徐々に大きくなる。透光体３の厚さは、ｘ軸方向で変化しない。溝１０は、ｙ軸方向に沿うように表面９に形成される。溝１０は例えばＶ溝であり、表面９に平坦な部分がないように等間隔に配置される。

筐体４は、例えば箱状である。筐体４の内面１１は、箱の底面に相当する面である。透光体３は、表面９が筐体４の内面１１に対向するように筐体４の内部に配置される。透光体２は、例えば表面５が筐体４の縁を形成する端面と面一になるように筐体４の内部に配置される。筐体４は、透光体２及び透光体３を収容するだけの厚さを有する。

筐体４の内面１１は、光を反射する反射面である。例えば、内面１１に、光を反射するための鏡面加工が施される。内面１１に、光を反射するための拡散加工を施しても良い。本実施の形態に示す例では、筐体４のうち内面１１が形成された部分が特許請求の範囲における反射体に相当する。集光装置１は、例えば板状の反射体を筐体４とは別部材として備えても良い。かかる場合、板状の反射体は、反射面が透光体３の表面９に対向するように筐体４の内部に配置される。

筐体４のうち透光体３の端面１２が対向する部分に、開口１３が形成される。透光体３の端面１２は、−ｙ方向を向く面である。端面１２は、透光体３のうち厚さが最も厚い部分に形成される。

図２に示す矢印は、太陽１４からの光が進む経路の一例を示す。集光装置１は、図２に示すように＋ｙ方向が上を向くように縦向きに配置される。例えば、太陽１４からの光は、透光体２の表面５に入射角θ_１で入射する。透光体２に入射した光は、透光体２を伝搬し、表面６から出射される。透光体２は、光偏向装置としての機能を有する。透光体２の表面６からは、偏向された光が出射される。

透光体２の表面６から出射された光は、透光体３の表面８に入射角θ_２で入射する。入射角θ_２は入射角θ_１より大きい。透光体３に入射した光は、表面８及び表面９で反射を繰り返しながら−ｙ方向に進む。そして、透光体３を伝搬して端面１２に達した光は、端面１２から出射される。端面１２から出射された光は、開口１３を通過し、筐体４の外に放射される。このように、透光体３は、集光器としての機能を有する。表面５から集光装置１に取り込まれた光は、開口１３から集光装置１の外に出ていく。

次に、図３から図９も参照し、透光体２の機能について詳細に説明する。図３は、透光体２を示す斜視図である。上述したように、透光体２の表面６に多数の凸型構造体７が形成される。例えば、凸型構造体７は、表面６に規則正しく配置される。凸型構造体７は、表面６ａから突出する。凸型構造体７は、ｙ軸方向に細長い形状である。凸型構造体７は、ｙ軸方向に沿うように表面６に形成される。

図４は、１つの凸型構造体７を示す斜視図である。本実施の形態では、凸型構造体７が５面体のプリズムである例を示す。図４に示すように、凸型構造体７のうち突出高さが最も高い部分の高さをＨとする。突出高さは、表面６ａから突出する高さである。また、突出高さが最も高い部分の凸型構造体７のｘ軸方向の幅をｗ１とする。突出高さが最も低い部分の凸型構造体７のｘ軸方向の幅をｗ２とする。凸型構造体７のｙ軸に沿った長さをＬ１とする。

図４に示す例では、凸型構造体７に、表面１５、表面１６、表面１７及び表面１８が形成される。例えば、表面１５、表面１７及び表面１８は、表面６ａに対して上方向に垂直である。表面１５はｙ軸に直交する。

図４に示すように、凸型構造体７は、−ｙ方向に向かうに従って突出高さが高くなる。このため、表面１６は、−ｙ方向に向かうに従って表面６ａから離れる。同様に、表面１６は、−ｙ方向に向かうに従って表面５からも離れる。表面１６と表面６ａとの境界の長さが幅ｗ２である。表面１６は、上底が幅ｗ２及び下底が幅ｗ１の左右対称な台形である。表面１５は、縦が高さＨ及び横が幅ｗ１の長方形である。

凸型構造体７は、ｘ軸方向の幅が−ｙ方向に向かうに従って小さくなる。したがって、凸型構造体７のｘ軸方向の幅は、突出高さが最も低い部分が最も大きい。その幅はｗ２である。凸型構造体７のｘ軸方向の幅は、突出高さが最も高い部分が最も小さい。その幅はｗ１である。即ち、幅ｗ１は幅ｗ２より小さい。

以下に、凸型構造体７が備える偏向機能について詳しく説明する。図５は、光の経路を説明するための図である。図５（ａ）は、透光体２のうち凸型構造体７を含む部分のｙｚ断面図である。図５（ｂ）は、透光体２のうち凸型構造体７を含む部分のｘｙ平面図である。図５（ａ）に示す矢印と図５（ｂ）に示す矢印とは、同じ光の経路を示す。

図５に示す例では、ｙ１の位置を光の起点とする。例えば、太陽１４からの光は、ｙ２の位置で透光体２の表面５に入射角θ_１で入射する。表面５から透光体２に入射した光は、透光体２を伝搬し、ｙ３の位置で凸型構造体７の表面１６に達する。凸型構造体７の表面１６に達した光は、表面１６から出射される。＋ｙ方向が上を向くように集光装置１が配置されると、表面１６は下方に向かうに従って表面５から離れるように傾斜する。このため、表面１６への入射角は表面５への入射角θ_１より大きい。表面１６から出射される光は、表面１６に近づくように曲げられる。したがって、入射角θ_２は入射角θ_１より大きくなる。

次に、凸型構造体７の表面１７及び表面１８の機能について説明する。図６及び図７は、光の他の経路を説明するための図である。図６（ａ）及び図７（ａ）は、透光体２のうち凸型構造体７を含む部分のｙｚ断面図である。図６（ｂ）及び図７（ｂ）は、透光体２のうち凸型構造体７を含む部分のｘｙ平面図である。図６（ａ）に示す矢印と図６（ｂ）に示す矢印とは、同じ光の経路を示す。図７（ａ）に示す矢印と図７（ｂ）に示す矢印とは、同じ光の経路を示す。

図６及び図７に示す例では、ｙ５の位置を光の起点とする。例えば、太陽１４からの光は、ｙ６の位置で透光体２の表面５に入射角θ_３で入射する。図６に示す入射角θ_３は、図５に示す入射角θ_１より大きい。図６及び図７は、透光体２の表面５への入射角が全反射角度より大きい場合を示している。

表面５から透光体２に入射した光は、透光体２を伝搬し、ｙ７の位置で凸型構造体７の表面１６に達する。凸型構造体７の表面１６に達した光は、表面１６で全反射される。表面１６で反射された光は、透光体２を更に伝搬し、ｙ８の位置で表面１８に達する。表面１８に達した光は、表面１８で全反射される。表面１８で反射された光は、図６（ａ）に示すように、ｘ軸方向から見ると透光体２に入射する前よりｙ軸に平行な光となる。また、表面１８で全反射された光は、図６（ｂ）に示すように、ｚ軸方向から見ると透光体２に入射する前より＋ｘ方向或いは−ｘ方向に曲げられた光となる。例えば、図６（ｂ）に示す例では、表面１８で反射された光は−ｘ方向に曲げられる。光がｙ８の位置で表面１７で反射すれば、＋ｘ方向に曲げられる。

図７は、図６に示す経路を進んだ光が他の凸型構造体７で透光体２から放射される例を示す。図６のｙ９に達した光は、凸型構造体７が形成されていない場所では表面５及び表面６で全反射を繰り返す。例えば、透光体２を伝搬する光は、ｙ１１の位置において表面５で全反射される。表面５で反射された光は、透光体２を伝搬し、ｙ１２の位置で他の凸型構造体７の表面１７に達する。表面１７に達した光は、表面１７で全反射される。表面１７で反射された光は、凸型構造体７を更に伝搬し、ｙ１３の位置で表面１８に達する。この時、光が表面１８に入射する角度は、臨界角より小さい。表面１７で反射された光は、ｙ１３の位置で表面１８から透光体２の外に放射される。

このように、表面５への入射角が全反射角度より大きいと、光は表面１６で全反射される。表面１６で全反射された光は、表面１７及び表面１８で１回或いは複数回全反射されることによって、表面１７或いは表面１８から透光体２の外に放射される。そして、透光体２の外へ取り出される光のＹＺ平面内の角度θ_２は、表面１６で全反射されているため、よりＹ方向に近い角度に曲げられることになる。その結果、θ_２＞θ_１となり、透光体３に取り込まれ易い角度へと偏向させることができる。

図８は、透光体２の集光率の依存性を示す図である。図８は、凸型構造体７の高さＨと幅ｗ２とを変化させた時の集光率を示す。図８に示す例では、光の入射角θ_１＝４５°、凸型構造体７の長さＬ１＝１０及び凸型構造体７の幅ｗ１＝０．０１に設定している。

図８に示すように、凸型構造体７の高さＨに関しては、Ｈ＝１．７〜１．９で集光率が最も高くなる。凸型構造体７の高さＨが１．７〜１．９であれば、表面６ａと表面１６とのなす角度は９．６°〜１０．８°である。同様に、表面５と表面１６とのなす角度は９．６°〜１０．８°である。凸型構造体７の幅ｗ２に関しては、ｗ２＝１．３〜１．７及び２．０〜２．２で集光率が高くなる。しかし、幅ｗ２を変化させた時の集光率の変化は、高さＨを変化させた時の集光率の変化ほど大きくない。３０％以上の集光率を得るためには、高さＨを２より小さな値とし、幅ｗ２を１．３〜２．８の値にすれば良い。

図３に示すように、透光体２は板状である。透光体２の厚さに関しては、透光体２の機能上の制約はない。例えば、透光体２はシート状でも良い。かかる場合は、凸型構造体７をミリオーダ或いは微細加工技術を用いてミクロンオーダで表面６に形成しても良い。

図９は、凸型構造体７の配列の例を示す図である。透光体２の表面６には平坦な部分が存在しなくても良い。図９は、隣接する凸型構造体７が互いに重なるような配列を示す。図９に示す例では、表面５との距離が最も小さい部分が上述した例の表面６ａに相当する。

図３及び図９は、凸型構造体７が規則的に配置される例を示す。上述の偏向機能を実現するために必要な面は、表面１６、表面１７及び表面１８の３面である。この３面の法線ベクトルの関係性を上述した例と同様に維持できるのであれば、表面６に凸型構造体７をランダムに配置しても良い。

次に、図１０から図１４を参照し、透光体３の機能について詳細に説明する。図１０は、透光体３を示す斜視図である。上述したように、透光体３の表面８は平坦である。透光体３の表面９に、ｙ軸方向に沿う溝１０が形成される。

透光体３は、−ｙ方向に向かうに従ってその厚さが徐々に厚くなる。例えば、透光体３の薄い方の端部の厚さはＴ１である。透光体３の厚い方の端部の厚さはＴ２である。厚さＴ２は厚さＴ１より大きい。このため、側面１９は楔形状である。側面１９は、表面８及び端面１２に直交する面である。図２にも示したように、端面１２は、表面５から透光体２に入射した光が最終的に集まる集光面である。

図１１は、楔形状の透光体を伝搬する光の経路を説明するための図である。図１１に示すように、表面２０ａと表面２０ｂとの角度がαである楔形状の透光体を光が伝搬する例を考える。例えば、光は表面２０ａから透光体に入射し、表面２０ｂ及び表面２０ａで全反射しながら進む。表面２０ａから透光体に入射した光と表面２０ａとの角度をθ_４とすると、表面２０ｂで反射した光と表面２０ｂとの角度はθ_４−αとなる。また、表面２０ｂで反射した光が表面２０ａで更に反射すると、反射後の光と表面２０ａとの角度はθ_４−２αとなる。このように、透光体に入射した光は、全反射する度に反射した表面との角度がαだけ小さくなる。即ち、透光体に入射した光は、全反射する度に中心線Ｃとの角度が小さくなっていく。

透光体３でも上記と同様の現象が起きる。即ち、表面８から透光体３に入射した光は、ｙ軸に平行な光に近づきながら端面１２に集められる。

図１２は、透光体３に集光されるまでの光の経路を説明するための図である。図１２（ａ）は、透光体３及び筐体４のｙｚ断面図である。図１２（ｂ）は、透光体３のｘｙ平面図である。図１２（ａ）に示す矢印と図１２（ｂ）に示す矢印とは、同じ光の経路を示す。

図１２に示す例では、ｙ１５の位置を光の起点とする。例えば、透光体２の表面６から放射された光は、ｙ１６の位置で透光体３の表面８に入射する。表面８から透光体３に入射した光は、透光体３を伝搬し、ｙ１７の位置で表面９に達する。表面９に達した光は、表面９で全反射される。また、表面９に溝１０が形成されているため、表面９で反射した光はｚ軸方向から見て＋ｘ方向或いは−ｘ方向に曲げられる。図１２は、ｙ１７の位置で光が＋ｘ方向に曲げられる例を示す。

図１２は、ｙ１８の位置で透光体３から光が抜ける例を示す。例えば、透光体３を伝搬してきた光は、ｙ１８の位置で表面９から出射される。表面９から出射された光は、ｙ１９の位置で筐体４の内面１１に達する。上述したように、筐体４の内面１１は反射面である。内面１１に達した光は、内面１１で正反射される。内面１１で反射された光は、ｙ２０の位置で表面９から透光体３に再び入射する。

透光体３に入射した光は、表面８及び表面９で全反射を繰り返しながら−ｙ方向に進み、端面１２に達する。透光体３から光が一旦抜けても再び透光体３に入射すれば、光は表面８及び表面９で全反射を繰り返しながら−ｙ方向に進み、端面１２に達する。端面１２に達した光は、端面１２から透光体３の外に放射される。なお、透光体３を伝搬する光は、表面８及び表面９で反射する度に、ｘ軸方向から見てｙ軸に平行な光に近づいていく。また、透光体３を伝搬する光は、表面９で反射する度にｘ軸方向にランダムに曲げられる。

図１３は、透光体３の表面９に形成された溝１０の断面を示す図である。溝１０はＶ溝である。溝１０の断面形状は、頂角と２つの底角とから決まる三角形で定義できる。上記頂角は、溝１０を形成する２つの斜面がなす角度である。

図１４は、透光体３の集光率の依存性を示す図である。図１４は、上記２つの底角を変化させた時の集光率を示す。図１４に示す例では、透光体２の凸型構造体７について、長さＬ１＝１０、幅ｗ１＝０．０１及び幅ｗ２＝２．１に設定している。また、透光体３について、ｙ軸に沿った長さＬ２＝１００、厚さＴ１＝０．５及び厚さＴ２＝２に設定している。

図１４に示すように、一方の底角が６５°〜７５°であれば、もう一方の底角が３０°〜７５°の広い範囲で４０％以上の集光率を実現できる。溝１０の断面形状を定義する三角形は、二等辺三角形である必要はない。溝１０の断面形状を定義する三角形は、非対称の三角形でも良い。例えば、透光体３を樹脂の射出成形で製造する場合は、樹脂の充填を安定させるため、溝１０の頂角は６０°以上の角度であることが望ましい。例えば、一方の底角が６５°である場合、もう一方の底角を３５°とし、頂角を８０°とすれば、溝１０の形状を安定させ且つ高い集光率を実現できる。

次に、集光装置１を太陽に向けて配置した時の集光効率について説明する。図１５は、集光装置１を太陽に向けて配置した例を示す図である。集光装置１は、建物の窓或いは壁に沿うように立てて配置することを想定した装置である。図１５に示す例では、上記想定に基づき、＋ｙ方向が上を向くように集光装置１を配置している。即ち、開口１３は下を向く。また、図１５に示す例では、受光面となる透光体２の表面５が真南を向くように集光装置１を配置している。

以下の説明では、図１５に示すように、真南を基準とした経度方向の角度変位を方位角と表記する。真南を基準とした緯度方向の角度変位を仰角と表記する。図１５に示す例では、集光装置１は東西方向に対して対称な形状になる。このため、西側の方位角に対する集光効率と東側の方位角に対する集光効率とは同じになる。

図１６は、集光装置１の集光効率を示す図である。図１６は、図１５に示すように集光装置１を配置し、入射光の方位角及び仰角を変化させた時の集光効率を示す。図１６に示すように、方位角が０°〜２０°であり、仰角が４０°〜５０°である場合に集光効率が高くなる。

図１７は、この発明の実施の形態１における照明装置２１の例を示す図である。照明装置２１は、例えば集光装置１、照射器２２及び光量調整器２３を備える。図１８は、照射器２２及び光量調整器２３の断面を示す図である。

照射器２２は、特定の領域に向けて光を照射する。照射器２２は、端部２４の端面２４ａで光を受ける。即ち、端面２４ａは、光を受ける受光面である。端面２４ａで受けた光は照射器２２を伝搬する。照射器２２は、端面２４ａで受けた光を、その向きを変えて照射する。図１７は、照射器２２の端面２４ａが透光体３の端面１２に対向する例を示す。例えば、端面２４ａは端面１２に密着する。図１７は、照射器２２が集光装置１によって集光された光を特定の領域に向けて照射する例を示す。

照射器２２は、透光性を有する。例えば、照射器２２の屈折率は、透光体３の屈折率と同じである。照射器２２は、透光体２及び透光体３と同様の構成であることが望ましい。

図１７は、集光装置１からの光を部屋の天井等に当てるため、照射器２２が斜め上向きに光を照射する例を示す。例えば、照射器２２は、端部２４が曲げられた板状である。照射器２２の曲げられた部分は、その曲率半径が照射器２２の厚さの５倍程度であることが好ましい。

光量調整器２３は、照射器２２から照射される光の量を調整する。図１８に、照射器２２の一部と光量調整器２３の断面を示す。光量調整器２３は、照射器２２に設けられる。光量調整器２３は、例えば容器２５、反射板２６、太陽電池セル２７、液体２８及び液量調整器２９を備える。

容器２５は、透光性を有する。例えば、容器２５の屈折率は、照射器２２の屈折率と同じである。容器２５は、照射器２２と同様に透明であることが望ましい。容器２５は、照射器２２のうち光が伝搬する部分に設けられる。本実施の形態では、照射器２２の全体が透明である例について説明する。例えば、容器２５は、斜め上方を向く照射器２２の上面２２ａに設けられる。容器２５の下面２５ａは、照射器２２の上面２２ａに密着する。

反射板２６は、容器２５に設けられる。反射板２６は、容器２５の内部に配置される。反射板２６は、鏡面加工等が施された反射面が容器２５の内面に密着する。図１８は、反射板２６の反射面が容器２５の内面２５ｂに密着する例を示す。内面２５ｂは、上面２２ａと同様に斜め上方を向く内面である。反射板２６の反射面は、容器２５を介して照射器２２に対向する。

太陽電池セル２７は、容器２５に設けられる。太陽電池セル２７は、容器２５の内部に配置される。太陽電池セル２７は、受光面２７ａで光を受ける。太陽電池セル２７の受光面２７ａは、容器２５の内面２５ｂに対向する。図１８は、容器２５の内面２５ｂのうち受光面２７ａが対向しない部分に反射板２６が密着される例を示す。

液体２８は、容器２５に注入される。また、液体２８は、容器２５から抽出される。液体２８は、透光性を有する。例えば、液体２８の屈折率は、照射器２２の屈折率と同じである。液体２８は、照射器２２と同様に透明であることが望ましい。液体２８は、市販されている光学イマージョンオイル或いは光学用のシリコンオイルが最適である。太陽電池セル２７に防水加工が施されていれば、液体２８として水を用いても良い。

液量調整器２９は、容器２５内の液体２８の量を調整する。液量調整器２９は、液体２８を容器２５に注入することによって容器２５内の液体２８の量を増やす。液量調整器２９は、液体２８を容器２５から抽出することによって容器２５内の液体２８の量を減らす。液量調整器２９は、太陽電池セル２７の受光面２７ａの少なくとも一部が液体２８に浸るまで液体２８を容器２５に注入することが可能である。太陽電池セル２７の受光面２７ａの全体が液体２８に浸っても良い。図１８は、太陽電池セル２７の受光面２７ａが半分だけ浸るように容器２５に液体２８が注入された例を示す。

図１７及び図１８に示す例では、照射器２２を伝搬する光が反射板２６に達すると、反射板２６によって正反射される。光量調整器２３のうち反射板２６が配置されていない部分に光が達すると、その部分が液体２８で満たされていれば、光は容器２５の内部に進入する。そして、液体２８を進む光は、太陽電池セル２７の受光面２７ａに達すると太陽電池セル２７に吸収される。このように、容器２５に注入されている液体２８の量によって太陽電池セル２７に吸収される光の量を調整できる。太陽電池セル２７に吸収されない光は、液体２８の液面で反射し、照射器２２を進む経路に戻る。図１７では、集光装置１で集光されて照射器２２に入射した光は、光量調整器２３にて調整された後、光量調整器２３の設置されていない照射器２２の上面２２ａより、右斜め上方に出射される。その出射角度は、図１７に示すように、光量調整器２３から離れていくほど小さくなっている。

次に、太陽１４が南中する時の仰角と室内の照度との相関について計算する。例えば、透光体３の長さＬ２＝１ｍである集光装置１を用いて、奥行き方向（ｚ軸方向）に１０ｍに亘って部屋の天井面に光を当てる場合を考える。なお、窓の幅（ｘ軸方向）は一様に開口しているものとする。

北緯３５°の地点では、太陽１４の南中高度は３２°〜７８°の間で変化する。このため、以下の計算では、仰角の範囲を３０°〜８０°として１０°刻みで床面照度を求める。

集光装置１は、例えば建物の窓ガラスに合わせて垂直に配置される。太陽の仰角をθ_１とすると、透光体２が受ける照度Ｅ_２は、太陽光に垂直な面が受ける照度のｃｏｓ（θ_１）倍になる。そこで、入射角による角度係数Ａを次式のように設定する。
Ａ＝ｃｏｓ（θ_１） ・・・（１）

図１５に示すように、集光装置１は、太陽１４の高度によって光伝搬効率ηが変化する。太陽１４からの光に対して垂直な面が受ける単位面積（ｍ^２）当たりの照度をＥ_１とすると、透光体２が単位面積当たりに集光できる光の量Ｅ_２は次式で表される。
Ｅ_２＝Ｅ_１・η・Ａ＝Ｅ_１・η・ｃｏｓ（θ_１） ・・・（２）

この光を奥行き１０ｍに亘って天井に均等に照射すると、天井面の照度Ｅ_３は次式で表される。
Ｅ_３＝Ｅ_２／１０ ・・・（３）
天井に反射率９０％の部材が用いられていれば、床面の照度Ｅ_４は次式で表される。
Ｅ_４＝０．９Ｅ_３ ・・・（４）

式（１）から式（４）に基づいて計算した太陽高度と各種照度との相関を表１に示す。
表１に示す例では、太陽光による照度を９８０００ルクスに設定している。

例えば、室内の最適照度を５００ルクスとすると、太陽高度が３０°〜７０°であれば床面照度が最適照度を上回る。床面照度が最適照度より高い場合は、例えば調光システムを作動させてＬＥＤ照明等の他の照明を完全に消灯させる。また、光量調整器２３の容器２５に液体２８を注入することによって太陽電池セル２７に光を吸収させる。これにより、床面照度を最適照度に近づける。

床面照度が最適照度より低い場合は、調光システムを作動させて容器２５から液体２８を抽出する。このため、太陽電池セル２７は光を吸収しない。照射器２２は、集光装置１によって集光された全ての光を部屋の天井に向けて照射する。これにより、床面照度を最適照度に近づける。

本実施の形態に示す例であれば、図１７に示すように集光装置１を縦向きで使用することができる。集光装置１を縦向きで使用しても十分な集光効率を実現できる。なお、透光体３の表面９に形成された溝１０と筐体４の内面１１からなる反射面とは集光装置１にとって必須の要件ではない。しかし、表面９に溝１０が形成されることにより、散乱させた光を透光体３の端面１２から取り出すことができる。また、表面９に対向する反射体を備えることにより、集光効率を大幅に改善することができる。

また、本実施の形態に示す例であれば、縦向きに配置した集光装置１を用いて天井等に光を当てることができる。照明装置２１からの光が部屋にいる人に直接照射されることを防止した上で、照明装置２１からの光だけで部屋の中を十分に明るくすることができる。

本実施の形態に示す例では、集光装置１によって例えば１０倍以上に集光することができる。このため、太陽電池セル２７による発電を効率よく行うことができる。なお、熱源となるような長波長の光は透光体２及び３で吸収されるため、量子効率の高い波長を太陽電池セル２７に吸収させることができる。このような理由からも発電効率を高めることができる。更に、使用する太陽電池セル２７の面積が小さくて良いため、化合物半導体或いは多層膜構造を持つ高価な製造プロセスの太陽電池も適用できる。

実施の形態２．
実施の形態１では、透光体２の表面６に凸型構造体７が形成される例について説明した。本実施の形態では、透光体２の表面６に多数の凹型構造体３０が形成される例について説明する。例えば、凹型構造体３０は、表面６に規則正しく配置される。凹型構造体３０は、ｙ軸方向に細長い形状である。凹型構造体３０は、ｙ軸方向に沿うように表面６に形成される。

図１９は、１つの凹型構造体３０を示す斜視図である。図１９は、図４に対応する図である。本実施の形態では、表面６ａから凹んだ形状自体が５面体のプリズムである例を示す。図４では凸型構造体７の上面が表面１６にて存在しているが、図１９では凹型構造体３０の上面は存在していない。図１９に示すように、凹型構造体３０の最も凹んだ部分の深さをＨとする。即ち、深さＨは、上記５面体のプリズムの最も高い部分の高さに相当する。また、深さが最も深い部分の凹型構造体３０のｘ軸方向の幅をｗ１とする。深さが最も浅い部分の凹型構造体３０のｘ軸方向の幅をｗ２とする。凹型構造体３０のｙ軸に沿った長さをＬ１とする。

図１９に示す例では、凹型構造体３０に、表面３１、表面３２、表面３３及び表面３４が形成される。例えば、表面３１、表面３３及び表面３４は、表面６ａに対して下方向に垂直である。表面３１はｙ軸に直交する。

図１９に示すように、凹型構造体３０は、−ｙ方向に向かうに従って深さが浅くなる。このため、表面３２は、−ｙ方向に向かうに従って表面６ａに近づく。表面３２は、−ｙ方向に向かうに従って表面５から離れる。表面３２と表面６ａとの境界の長さが幅ｗ２である。表面３２は、上底が幅ｗ１及び下底が幅ｗ２の左右対称な台形である。表面３１は、縦が高さＨ及び横が幅ｗ１の長方形である。

凹型構造体３０は、ｘ軸方向の幅が−ｙ方向に向かうに従って大きくなる。したがって、凹型構造体３０のｘ軸方向の幅は、深さが最も浅い部分が最も大きい。その幅はｗ２である。凹型構造体３０のｘ軸方向の幅は、深さが最も深い部分が最も小さい。その幅はｗ１である。即ち、幅ｗ１は幅ｗ２より小さい。

本実施の形態に示す例では、透光体２の表面６に凹型構造体３０が形成される。凹型構造体３０は、凸型構造体７が備える偏向機能と同様の機能を備える。このため、本実施の形態に示す例でも、透光体２の表面に凸型構造体７が形成された例と同様の効果が期待できる。

凹型構造体３０は、図３に示す配列のように表面６に規則正しく配置されても良い。表面６に凹型構造体３０が形成されることによって、透光体２の表面６に平坦な部分が存在しなくても良い。表面６に凹型構造体３０がランダムに配置されても良い。

本実施の形態で開示しない集光装置１の構成及び機能は、実施の形態１で開示した構成及び機能と同様である。例えば、図８に示すように、凹型構造体３０の深さＨに関しては、Ｈ＝１．７〜１．９で集光率が最も高くなる。凹型構造体３０の深さＨが１．７〜１．９であれば、表面６ａと表面３２とのなす角度は９．６°〜１０．８°である。同様に、表面５と表面３２とのなす角度は９．６°〜１０．８°である。凹型構造体３０の幅ｗ２に関しては、ｗ２＝１．３〜１．７及び２．０〜２．２で集光率が高くなる。しかし、幅ｗ２を変化させた時の集光率の変化は、深さＨを変化させた時の集光率の変化ほど大きくない。３０％以上の集光率を得るためには、深さＨを２より小さな値とし、幅ｗ２を１．３〜２．８の値にすれば良い。

本実施の形態における集光装置１は、実施の形態１で開示した集光装置１と同様に照明装置２１に用いることができる。

実施の形態３．
図２０は、この発明の実施の形態３における照明装置２１の例を示す図である。本実施の形態における照明装置２１は、例えば複数の集光装置１と複数の照射器２２と複数の光量調整器２３とを備える。図２０に示す例では、照明装置２１は、追加符号Ａ〜Ｃで区別される３組の集光装置１、照射器２２及び光量調整器２３を備える。

例えば、集光装置１Ａ、集光装置１Ｂ及び集光装置１Ｃが縦に並べられる。集光装置１Ａ、集光装置１Ｂ及び集光装置１Ｃの大きさは同じであっても異なっていても良い。照射器２２Ａが光を照射する方向は、照射器２２Ｂが光を照射する方向及び照射器２２Ｃが光を照射する方向と一致しなくても良い。照射器２２Ｂが光を照射する方向は、照射器２２Ｃが光を照射する方向と一致しなくても良い。光を照射したい範囲全体が一定の照度となるように、各照射方向が設定される。図２０では、集光装置１Ａで集光されて照射器２２Ａに入射した光は、光量調整器２３Ａにて調整された後、光量調整器２３Ａの設置されていない照射器２２Ａの上面２２ａより、右斜め上方に出射される。その出射角度は、図２０に示すように、光量調整器２３Ａから離れていくほど小さくなっている。照射器２２Ｂ及び２２Ｃからの光の出射も同様である。集光装置と照射器との角度については、（集光装置１Ａと照射器２２Ａとの角度）＜（集光装置１Ｂと照射器２２Ｂとの角度）＜（集光装置１Ｃと照射器２２Ｃとの角度）となっている。このため、光の出射角度は、（照射器２２Ａからの光の角度）＜（照射器２２Ｂからの光の角度）＜（照射器２２Ｃからの光の角度）となる。

図２１は、照明装置２１を建物３５に適用した例を示す図である。集光装置１Ａ、集光装置１Ｂ及び集光装置１Ｃは、南向きの窓ガラス３６に沿うように設置される。例えば、集光装置１Ａによって集光された光は、照射器２２Ａから部屋の天井に向かって照射される。

本実施の形態における照明装置２１は、拡散器３７を更に備える。拡散器３７は、照射器２２からの光が当たる天井に設けられる。図２１は、天井に６台の拡散器３７が設置される例を示す。図２２は、拡散器３７の断面を示す図である。拡散器３７は、例えば支持具３８、拡散板３９及び光源４０を備える。

拡散板３９は、天井から吊り下げられるように支持具３８によって支持される。拡散板３９は、上端の厚さが一番厚く、下端に近づくに従って薄くなる。拡散板３９の表面３９ａ及び表面３９ｂに、光を拡散するための拡散加工が施される。例えば、表面３９ａ及び表面３９ｂに、微小な凹凸が形成される。表面３９ａ及び表面３９ｂに形成される凹凸は、一般にシボと呼ばれる不規則なものでも良い。凹凸を作るために表面３９ａ及び表面３９ｂにＶ溝を形成しても良い。かかる場合、例えば表面３９ａに横向きにＶ溝を形成し、表面３９ｂには溝の方向を９０°変えて縦向きにＶ溝を形成する。表面３９ａに形成する溝の方向と表面３９ｂに形成する溝の方向とを変えることにより、光を大きく散乱させることができる。拡散板３９は、照射器２２から照射された光が表面３９ａ及び表面３９ｂに当たるように配置される。照射器２２から照射された光は、拡散板３９によって拡散される。

光源４０は、支持具３８によって支持される。光源４０は、拡散板３９の上端面に対向するように配置される。夜間等、照射器２２から照射される光だけでは十分な明るさを得ることができない場合に光源４０が点灯される。光源４０は、拡散板３９の上端面に光を照射する。これにより、光源４０からの光を拡散板３９を通して部屋に放射させることができる。光源４０からの光は、拡散板３９の表面３９ａ及び表面３９ｂを通過する際に拡散される。

光源４０からの光が支持具３８から漏れることを防止するため、支持具３８によって光源４０を完全に覆っても良い。かかる場合、支持具３８の内面を反射面にすれば、光源４０からの光を拡散板３９に効率よく取り込むことができる。

本実施の形態に示す例であれば、照射器２２からの光を天井面及び拡散板３９によって拡散できる。このため、眩しさを抑えた優しい光を供給できる。本実施の形態で開示しない集光装置１の構成及び機能は、実施の形態１又は２で開示した構成及び機能と同様である。

実施の形態４．
本実施の形態では、光量調整器２３による他の調整方法について説明する。図２３は、この発明の実施の形態４における照射器２２及び光量調整器２３の例を示す図である。

照射器２２は、例えば導光体４１及び導光体４２を備える。導光体４１の一方の端部２４に上述した端面２４ａが形成される。導光体４１のもう一方の端部４３に端面４３ａが形成される。導光体４１は、透光性を有する。例えば、導光体４１の屈折率は、透光体３の屈折率と同じである。導光体４１は、透光体２及び透光体３と同様に透明であることが望ましい。導光体４１は、端面２４ａで受けた光を端面４３ａに導く。即ち、端面２４ａから入射した光は導光体４１を伝搬し、端面４３ａに達する。

導光体４２は、導光体４１と同様に透光性を有する。例えば、導光体４２の屈折率は、透光体３の屈折率と同じである。導光体４２は、透光体２及び透光体３と同様に透明であることが望ましい。導光体４２の一方の端部４４に端面４４ａが形成される。導光体４２は、端面４４ａが導光体４１の端面４３ａに対向するように配置される。導光体４１の端面４３ａと導光体４２の端面４４ａとの間には、一定の幅の隙間が形成される。

光量調整器２３は、例えば容器２５、反射板２６、太陽電池セル２７、液体２８及び駆動装置４５を備える。容器２５は、照射器２２に設けられる。導光体４１の端部４３は、容器２５の側壁を貫通する。端部４３の端面４３ａは、容器２５の内部に配置される。導光体４２の端部４４は、容器２５の他の側壁を貫通する。端部４４の端面４４ａは、容器２５の内部に配置される。即ち、容器２５は、導光体４１の端部４３と導光体４２の端部４４とを覆うように配置される。導光体４２の端面４４ａは、容器２５の内部で導光体４１の端面４３ａに対向する。

反射板２６は、導光体４１のうち容器２５の内部に配置された部分に設けられる。反射板２６は、上記部分のうち端面４３ａ以外の部分を覆う。反射板２６は、例えば導光体４１に密着される。また、反射板２６は、導光体４２のうち容器２５の内部に配置された部分に設けられる。反射板２６は、上記部分のうち端面４４ａ以外の部分を覆う。反射板２６は、例えば導光体４２に密着される。

容器２５に液体２８が入れられる。端面４３ａと端面４４ａとの間に形成された隙間は、液体２８によって完全に満たされる。液体２８の屈折率は、例えば導光体４１の屈折率及び導光体４２の屈折率と同じである。端面４３ａと端面４４ａとの間に液体２８しか存在していなければ、導光体４１を伝搬して端面４３ａに達した光は、液体２８を伝搬して端面４４ａから導光体４２に入射する。

太陽電池セル２７は、容器２５の内部で移動可能に設けられる。太陽電池セル２７は、少なくとも一部が端面４３ａと端面４４ａとの間に形成された隙間に配置される位置と端面４３ａ及び端面４４ａの隙間に配置されない位置とに変位できる。駆動装置４５は、太陽電池セル２７を駆動する。例えば、太陽電池セル２７は、受光面２７ａが端面４３ａ及び端面４４ａに対して平行になるように配置される。駆動装置４５は、太陽電池セル２７を端面４３ａに沿って移動させる。これにより、駆動装置４５は、太陽電池セル２７を端面４３ａ及び端面４４ａの隙間に入れたり出したりする。

太陽電池セル２７が端面４３ａ及び端面４４ａの隙間に配置されると、受光面２７ａが端面４３ａに対向する。かかる場合、導光体４１の端面４３ａから液体２８に進んだ光の一部は、受光面２７ａに達して太陽電池セル２７に吸収される。駆動装置４５によって太陽電池セル２７を駆動することにより、太陽電池セル２７の受光面２７ａのうち端面４３ａに対向する部分の面積を変えることができる。即ち、受光面２７ａが端面４３ａに対向する面積を変えることによって太陽電池セル２７に吸収される光の量を調整できる。なお、太陽電池セル２７に吸収されない光は、液体２８を伝搬して端面４４ａから導光体４２に入射する。

図２４は、この発明の実施の形態４における照射器２２及び光量調整器２３の他の例を示す図である。照射器２２は、実施の形態１で開示した例と同様である。

光量調整器２３は、例えば反射板２６、太陽電池セル２７、液体２８及び駆動装置４５を備える。反射板２６は、照射器２２に設けられる。反射板２６は、鏡面加工等が施された反射面が照射器２２の上面２２ａに密着する。反射板２６は、例えばシート状である。反射板２６の厚さは太陽電池セル２７の厚さと比較して極めて薄い。図２４は、反射板２６の中央部分に開口が形成される例を示す。

液体２８は、透光性を有する。例えば、液体２８の屈折率は、照射器２２の屈折率と同じである。液体２８は、照射器２２と同様に透明であることが望ましい。液体２８は、反射板２６を覆うように層状に設けられる。液体２８は、反射板２６に形成された上記開口にも満たされる。

太陽電池セル２７は、液体２８の上に載せられる。液体２８が１００〜１０００ｃＳｔの粘度を有していれば、液体２８を介して太陽電池セル２７を照射器２２に保持させることができる。即ち、太陽電池セル２７と反射板２６との間、及び太陽電池セル２７と照射器２２との間に液体２８による液体層が形成される。太陽電池セル２７は、受光面２７ａが液体２８に浸るように下向きに配置される。太陽電池セル２７は、少なくとも受光面２７ａの一部が照射器２２の上面２２ａに対向する位置と受光面２７ａが上面２２ａに対向しない位置とに変位できる。

駆動装置４５は、太陽電池セル２７を駆動する。例えば、太陽電池セル２７は、受光面２７ａが照射器２２の上面２２ａ及び反射板２６に対して平行になるように配置される。太陽電池セル２７は液体層に保持されているため、受光面２７ａと平行な方向に力を加えれば太陽電池セル２７は横滑りする。駆動装置４５は、太陽電池セル２７を上面２２ａ及び反射板２６に沿って移動させる。これにより、駆動装置４５は、太陽電池セル２７を反射板２６の裏側に隠したり裏側から出したりする。

図２４に示す状態では、受光面２７ａの一部が照射器２２の上面２２ａに対向する。かかる場合、照射器２２から液体２８に進んだ光の一部は、受光面２７ａに達して太陽電池セル２７に吸収される。駆動装置４５によって太陽電池セル２７を駆動することにより、太陽電池セル２７の受光面２７ａのうち照射器２２の上面２２ａに対向する部分の面積を変えることができる。即ち、受光面２７ａが上面２２ａに対向する面積を変えることによって太陽電池セル２７に吸収される光の量を調整できる。なお、太陽電池セル２７に吸収されない光は、液体２８の液面で反射し、照射器２２を進む経路に戻る。

本実施の形態で開示しない集光装置１の構成及び機能は、実施の形態１から３の何れかで開示した構成及び機能と同様である。本実施の形態における集光装置１は、他の実施の形態で開示した集光装置１と同様に照明装置２１に用いることができる。

１ 集光装置、 ２ 透光体（第１透光体）、 ３ 透光体（第２透光体）、 ４ 筐体、 ５ 表面、 ６ 表面、 ７ 凸型構造体、 ８ 表面、 ９ 表面、 １０ 溝、 １１ 内面、 １２ 端面、 １３ 開口、 １４ 太陽、 １５ 表面、 １６ 表面、 １７ 表面、 １８ 表面、 １９ 側面、 ２０ａ 表面、 ２０ｂ 表面、 ２１ 照明装置、 ２２ 照射器、 ２２ａ 上面、 ２３ 光量調整器、 ２４ 端部、 ２４ａ 端面、 ２５ 容器、 ２５ａ 下面、 ２５ｂ 内面、 ２６ 反射板、 ２７ 太陽電池セル、 ２７ａ 受光面、 ２８ 液体、 ２９ 液量調整器、 ３０ 凹型構造体、 ３１ 表面、 ３２ 表面、 ３３ 表面、 ３４ 表面、 ３５ 建物、 ３６ 窓ガラス、 ３７ 拡散器、 ３８ 支持具、 ３９ 拡散板、 ４０ 光源、 ４１ 導光体（第１導光体）、 ４２ 導光体（第２導光体）、 ４３ 端部、 ４３ａ 端面、 ４４ 端部、 ４４ａ 端面、 ４５ 駆動装置

Claims (4)

1. 平坦な第１表面及び前記第１表面に対して対向する第２表面が形成された第１透光体と、
   前記第１透光体の前記第２表面に対向する第３表面及び前記第２表面側とは反対側に且つ前記第３表面に対して対向する第４表面が形成された第２透光体と、
   を備え、
   前記第２表面に凸型構造体が形成され、
   前記凸型構造体は、突出高さが前記第２表面に沿う第１方向に向かうに従って高くなり、前記第１方向に直交し且つ前記第２表面に沿う第２方向の幅が前記第１方向に向かうに従って小さくなり、
   前記第２透光体は、前記第１方向に向かうに従って厚さが厚くなる集光装置。
2. 平坦な第１表面及び前記第１表面に対して対向する第２表面が形成された第１透光体と、
   前記第１透光体の前記第２表面に対向する第３表面及び前記第２表面側とは反対側に且つ前記第３表面に対して対向する第４表面が形成された第２透光体と、
   を備え、
   前記第２表面に凹型構造体が形成され、
   前記凹型構造体は、深さが前記第２表面に沿う第１方向に向かうに従って浅くなり、前記第１方向に直交し且つ前記第２表面に沿う第２方向の幅が前記第１方向に向かうに従って大きくなり、
   前記第２透光体は、前記第１方向に向かうに従って厚さが厚くなる集光装置。
3. 前記第４表面に前記第１方向に沿う溝が形成された請求項１又は請求項２に記載の集光装置。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載の前記集光装置と、
   受光面で受けた光を、その向きを変えて照射する照射器と、
   前記照射器から照射される光の量を調整する光量調整器と、
   を備え、
   前記受光面は、前記第２透光体の前記第１方向を向く端面に対向する照明装置。

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