| 【発明の名称】 |
太陽光採光装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】福井 秀明
【氏名】末岡 哲雄
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| 【要約】 |
【課題】集光効率が四季を通じて常に良好である上に安価なものとする。
【解決手段】集光用のレンズ５１と、該レンズ５１の焦点位置付近に配設されているとともに集光用のレンズ５１側の面が凹面となっている円錐ロッドレンズ４と、円錐ロッドレンズ４に一端が接続された光ファイバー２とを集光部５に具備する。レンズ５１から光ファイバー２に至る光経路が密閉空間内に設けられているとともにレンズ５１と円錐ロッドレンズ４間の距離を調整する調整機構を備える。レンズや円錐ロッドレンズにプラスチック製を用いても、密閉空間内にあるためにほこり等の付着の心配がなく、またレンズの焦点位置の変動があっても調整機構による調整で集光効率を高く保つ。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 集光用のレンズと、該レンズの焦点位置付近に配設されているとともに集光用のレンズ側の面が凹面となっている円錐ロッドレンズと、円錐ロッドレンズに一端が接続された光ファイバーとを集光部に具備し、レンズから光ファイバーに至る光経路が密閉空間内に設けられているとともにレンズと円錐ロッドレンズ間の距離を調整する調整機構を備えていることを特徴とする太陽光採光装置。
【請求項２】 密閉空間は、円錐ロッドレンズとこれに一端が接続された光ファイバーとからなる光入射部を複数個備えている有底筒状のケースと、上記各円錐ロッドレンズに対応する複数のレンズを一体に備えて上記ケースの開口面に配されたレンズ板で囲まれた空間であることを特徴とする請求項１記載の太陽光採光装置。
【請求項３】 採光光量を検知する検知手段を備えるとともに、調整機構は検知手段の検知出力が最大出力となる位置に調整を行うものであることを特徴とする請求項１または２記載の太陽光採光装置。
【請求項４】 温度や湿度といった雰囲気を検知する検知手段を備えるとともに、調整機構は検知された雰囲気でのレンズの焦点距離を算出して該算出値に基づいてレンズと円錐ロッドレンズ間の距離を調整するものであることを特徴とする太陽光採光装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は太陽光を室内に導く太陽光採光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】太陽光採光装置として、図６に示すように、屋根上に設置する集光ユニット１で集光した太陽光を光ファイバー２で室内に導いて光ファイバー２の端末に設けた出光ユニット３から室内に出射させるものがある。
【０００３】ところで、光ファイバーには石英ガラスファイバーとプラスチックファイバーとがあるが、後者は前者に比べて損失が大きいものの、安価である上に取り扱いが容易で初めての施工業者でも断線の心配なく施工することができるといった利点を有しており、太陽光採光装置においても光ファイバーとしてプラスチックファイバーを用いることで低コストのものを得ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、プラスチックファイバーを用いるにあたっては、次のような問題を解決しなくてはならない。
【０００５】すなわちプラスチックファイバーはφ３ｍｍ以下の線径であり、製造時の取付誤差による光軸ずれや金型精度、製造時の歪み等をふまえた設計とするには受光径を大きくしなければならないが、この時、複数の光ファイバーをバンドルとして大口径の受光径を確保すると、光ファイバー間の空隙のために２割以上の損失がある上に、光ファイバー本数が増えるために高価になってしまう。
【０００６】このために、プラスチックレンズを集光レンズとして用いることで、実質的な受光径を大きくすることが考えられるが、プラスチックレンズは、温度や湿度の影響による屈折率及び寸法の変化が大きく、焦点距離が四季を通じて数〜数十ｍｍほど変動することがあり、安定した性能を四季を通じて得ることができない。
【０００７】単一の細い光ファイバーへの受光効率を高めるために光ファイバーのコア径よりも受光径を大きくした円錐型のロッドレンズを用いて集光することも考えられるが、耐熱性に優れたガラス製では非常に高価となるためにプラスチック製のものを用いた場合、受光面にほこり等が付着すると、そこが核となって高温となり、溶融または発火してしまう可能性がある。
【０００８】受光面へのほこりの付着を防ぐために密閉構造を採用するとしても、各レンズごとに設置していては高価となるほか、密閉のための囲いを安価とするには各レンズ形状を円または正方形としなくてはならず、この場合、集光面の面積を有効に利用することができない。
【０００９】さらに、図５に示すように、上記ロッドレンズ４の受光面を凹面とすることによって集光光線が平行に近くなり、光ファイバー２への光搬送効率が向上するが、上記焦点距離の変動があれば、図９(b)に示すように、焦点ずれのために、光ファイバー２がその内面での全反射で光を伝達することができる全反射角以上の角度で光が入射してしまうために、却って集光効率が低下してしまう。
【００１０】本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは集光効率が四季を通じて常に良好である上に安価である太陽光採光装置を提供するにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】しかして本発明は、集光用のレンズと、該レンズの焦点位置付近に配設されているとともに集光用のレンズ側の面が凹面となっている円錐ロッドレンズと、円錐ロッドレンズに一端が接続された光ファイバーとを集光部に具備し、レンズから光ファイバーに至る光経路が密閉空間内に設けられているとともにレンズと円錐ロッドレンズ間の距離を調整する調整機構を備えていることに特徴を有している。レンズや円錐ロッドレンズにプラスチック製を用いても、密閉空間内にあるためにほこり等の付着の心配がないものであり、またレンズの焦点位置の変動があっても調整機構による調整で集光効率を高く保つことができるものである。
【００１２】密閉空間は、円錐ロッドレンズとこれに一端が接続された光ファイバーとからなる光入射部を複数個備えている有底筒状のケースと、上記各円錐ロッドレンズに対応する複数のレンズを一体に備えて上記ケースの開口面に配されたレンズ板で囲まれた空間とすればよい。
【００１３】また、レンズの焦点距離変動に対応する調整については、採光光量を検知する検知手段を備えて、調整機構が検知手段の検知出力が最大出力となる位置に調整を行ったり、温度や湿度といった雰囲気を検知する検知手段を備えて、調整機構が検知された雰囲気でのレンズの焦点距離を算出して該算出値に基づいてレンズと円錐ロッドレンズ間の距離を調整するものを好適に用いることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、この太陽光採光装置は、前記従来例で示したものと同様に、屋根上に設置する集光ユニット１と、この集光ユニット１で集光した太陽光を室内に導く光ファイバー２と、光ファイバー２で導かれた光を室内に向けて出射させる出光ユニット３からなるもので、光ファイバー２として、ここでは安価なプラスチックファイバーを用いている。
【００１５】集光ユニット１は図１に示すように、ベース部１０上に密閉構造の集光部５を架台１２を介して設置するとともに該集光部５を透明アクリル樹脂からなるドーム１１で覆っているもので、架台１２に水平方向軸１６で支持されている集光部５は、方位調整用モータ１３による架台１２の回転でその前面である集光面５５の方位を、仰角調整用モータ１４により集光面５５の仰角を調整することができるものとなっている。図中１５、１６は上記両モータ１３，１４による集光部５の方位と仰角との調整用回転を伝達するギア部である。
【００１６】集光部５は図２に示す有底円筒状のケース５０と、ケース５０の開口面に配設された集光用レンズ５１とからなるもので、ここでは集光用レンズ５１として、扇形のアクリルフレネルレンズを６枚組み合わせた円形のものを用いて上記開口面を閉じている。そして、ケース５０の背面には光ファイバー２を内部に導入するための導入口５３を各フレネルレンズの焦点位置に合わせた位置に設けている。
【００１７】一方、光ファイバー２は６本用意されていて、各集光ユニット１側の一端は、図３に示すように、ホルダー２５に夫々保持されて上記導入口５３に挿入されているのであるが、各先端には凹面となった受光面を備えている耐熱樹脂製円錐ロッドレンズ４が夫々接続されている。レンズ５１との対向面側が凹面となっているとともに径が大きくなっている上記円錐ロッドレンズ４は、その円錐のテーパ角度θがθ＝（θ１−θ２）／４以下ただし、θ１：光ファイバー２の受光角、θ２：レンズ５１の受光角に設定されている。円錐ロッドレンズ４内では１回反射するごとに２θ毎角度が加算されていくためであり、ここではθ２＋２θ＜θ１として、２回反射以内に光ファイバー２に至るようにしてある。
【００１８】また、上記の各ホルダー２５の外面にははすば歯車が取り付けられて、焦点位置調整モータ８０の出力で回転するはすば内歯車８に各はすば歯車が夫々噛み合っており、モータ８０の回転ではすば内歯車８が回転する時、その回転方向に応じてホルダー２５はその軸方向移動を行うようにされている。これらによってレンズ５１と円錐ロッドレンズ４との間の距離を調整する調整機構が構成されているものである。
【００１９】さらに、上記集光部５のケース５０底面中央には、追尾センサ９を配置してある。前記モータ１３，１４による方位及び仰角の調整は、追尾センサー９の出力に応じて行われるものであり、常に太陽を追尾してその集光面５５を太陽に向かわせる。なお、追尾センサ９として、ここでは方位調整方向及び仰角調整方向において夫々対をなすセンサーを備えて、該対のうちの一方の出力が他方よりも低下した場合に低下した側のセンサーが位置する方向に出力差に応じた量だけモータ１３，１４を動かすことで追尾を行うものを用いている。
【００２０】そして、図示例のものにおいては、図６に示すように、出光ユニット３に光センサー３０を設けて、この光センサー３０が最大出力となるように、上記調整機構を作動させることで、製造時の各種誤差やレンズ５１の温度・湿度変化に伴う焦点位置変動があっても、円錐ロッドレンズ４の凹面となっている受光面をレンズ５１の焦点位置付近に位置させる。
【００２１】採光した光量から調整を行うのではなく、たとえば表１に示すような温度変化による焦点ずれ量、あるいは表２に示すような湿度変化による焦点ずれ量を予め測定もしくは算出しておき、温度や湿度の検出手段の出力から上記焦点ずれ量に応じた調整を行うようにしたものであってもよい。
【００２２】
【表１】
【００２３】
【表２】
【００２４】いずれにしても、レンズ５１の焦点位置付近に円錐ロッドレンズ４を常に位置させることができるために、凹面円錐ロッドレンズ４が持つ図５(a)に示した角度の抑制効果による広い受光面積での受光を行うことができるものであり、光の入射損失を低減して採光光量を増大させることができる。
【００２５】また複数のフレネルレンズが一体となっているレンズ５１と、ケース５０とによって複数の円錐ロッドレンズ４の受光面を密閉空間内に位置させているために、受光面にほこりが付着することがない構成のものを簡便に得ることができるものであり、またレンズ５１の形状についての制約が殆どなく、集光部５の前面のすべてを集光に当てることができる。
【００２６】なお、図示例のものでは、光ファイバー２への許容受光角（内部全反射できる角度）が６０°であることから、必要以上にレンズ径を大きくしても、受光角度が６０°を越えるだけとなってレンズ径を大きくした意味がなくなる上に、焦点距離が長いものを用いて入射角度を小さくした場合には装置全体の奥行きが大きくなってしまうが、上記凹面円錐ロッドレンズ４の使用は奥行きの増大を招くことなくレンズ径の増大を図ることができることになる。
【００２７】また、レンズ５１と円錐ロッドレンズ４との間には、赤外線カットフィルターを配置しておくのが望ましい。
【００２８】
【発明の効果】以上のように本発明においては、集光用のレンズと、該レンズの焦点位置付近に配設されているとともに集光用のレンズ側の面が凹面となっている円錐ロッドレンズと、円錐ロッドレンズに一端が接続された光ファイバーとを集光部に具備し、レンズから光ファイバーに至る光経路が密閉空間内に設けられているとともにレンズと円錐ロッドレンズ間の距離を調整する調整機構を備えていることから、レンズや円錐ロッドレンズに安価なプラスチック製を用いても、密閉空間内にあるためにほこり等の付着の心配がなく、ほこりに起因する問題を排除することができる上に、温度などが原因でレンズの焦点位置に変動があっても調整機構による調整で集光効率を高く保つことができるものであり、安価で且つ年間を通して安定した採光量を確保することができるものである。
【００２９】密閉空間は、円錐ロッドレンズとこれに一端が接続された光ファイバーとからなる光入射部を複数個備えている有底筒状のケースと、上記各円錐ロッドレンズに対応する複数のレンズを一体に備えて上記ケースの開口面に配されたレンズ板で囲まれた空間とするのがコスト的に有利である。
【００３０】また、レンズの焦点距離変動に対応する調整については、採光光量を検知する検知手段を備えて、調整機構が検知手段の検知出力が最大出力となる位置に調整を行ったり、温度や湿度といった雰囲気を検知する検知手段を備えて、調整機構が検知された雰囲気でのレンズの焦点距離を算出して該算出値に基づいてレンズと円錐ロッドレンズ間の距離を調整するものを好適に用いることで、上記調節の自動化を図ることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５８３２
【氏名又は名称】松下電工株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年４月２５日（２０００．４．２５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８７７６７
【弁理士】
【氏名又は名称】西川 惠清 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−３０７５２２（Ｐ２００１−３０７５２２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１１月２日（２００１．１１．２） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−１２４９３２（Ｐ２０００−１２４９３２） |
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