| 【発明の名称】 |
太陽光採光装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】青木 英明
【氏名】田口 賢治
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| 【要約】 |
【課題】
【解決手段】 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】透明材料で形成されるドーム、前記ドーム内に吊り下げられる支持材、前記支持材に固定的に支持されるミラー、および前記支持材を回転軸を介して回転させるモータを備える、太陽光採光装置。
【請求項２】前記支持材と前記回転軸とを連結するユニバーサル・ジョイントをさらに備える、請求項１記載の太陽光採光装置。
【請求項３】前記ユニバーサル・ジョイントは前記支持材を前記回転軸に係止するフックを含む、請求項２記載の太陽光採光装置。
【請求項４】前記支持材は軽量金属パイプにより構成される、請求項１ないし３のいずれかに記載の太陽光採光装置。
【請求項５】前記支持材は複数のアルミパイプおよびそれらを着脱自在に連結する連結具を含む、請求項４記載の太陽光採光装置。
【請求項６】透明材料で形成されるドーム、前記ドーム内に回転軸によって回転可能に支持されるミラー、前記ドーム内に固定的に設けられるコントロールボックス、前記コントロールボックス内に設けられて前記回転軸を駆動するモータ、および前記コントロールボックス内に設けられて前記モータを制御するコントローラを備える、太陽光採光装置。
【請求項７】前記コントロールボックスは前記ドームの下部中央に配置される、請求項６記載の太陽光採光装置。
【請求項８】前記コントロールボックスは前記ドームの頂部に配置される、請求項６記載の太陽光採光装置。
【請求項９】前記コントロールボックスは前記ドーム外で開閉できる防水蓋を含む、請求項８記載の太陽光採光装置。
【請求項１０】前記コントロールボックス内に前記モータおよび前記コントローラに電源を供給する電池を設け、前記電池を前記防水蓋の開閉により交換できるようにした、請求項９記載の太陽光採光装置。
【請求項１１】太陽電池をさらに備え、前記電池は前記太陽電池で充電される二次電池である、請求項１０記載の太陽光採光装置。
【請求項１２】透明材料材で形成されるドーム、前記ドームの頂部に固定されるコントロールボックス、前記コントロールボックス内に設けられるかつモータ軸を有するモータ、前記コントロールボックス内に設けられ前記モータを制御するコントローラ、前記モータ軸に連結されかつ前記コントロールボックスから垂下する回転軸、前記回転軸にユニバーサル・ジョイントを介して前記ドーム内に吊り下げられるかつ稜線部を軽量金属パイプで構成した角錐状フレーム体、および前記角錐状フレーム体に設けられる反射ミラーを備える、太陽光採光装置。
【請求項１３】前記角錐状フレーム体はバランスウエイトを含む、請求項１２記載の太陽光採光装置。
【請求項１４】前記ドームの下部中央に設けられて前記角錐状フレーム体の回転中心軸の下端部を軸支する軸支部をさらに備える、請求項１２または１３記載の太陽光採光装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は太陽光採光装置に関し、特にたとえば太陽放射光を反射して建造物内に光を取り込むための回転駆動される反射ミラーを透明なドーム内に備えた太陽光採光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば家屋等の建造物では、外側に面した部屋しか太陽光を直接取り込むことが出来ないために建物の中央部あるいは北側部に天窓や鉛直方向に延びる吹き抜け等の開口部を設け、この開口部より太陽光を建物内へ取り込みその内部を照明するようにしている。
【０００３】そして、この開口部に太陽の移動位置に応じて反射ミラーの傾斜角度を調整し、この反射ミラーで反射した太陽光を建物内に入射せしめる太陽光採光装置が設置される。
【０００４】この太陽光採光装置は、例えば、透明なドームの中に、回転する反射ミラーを備え太陽の位置を追尾する採光装置を設けている。回転する反射ミラーはアングル材等の型材で構成される支持部材の上に複数の反射板を所定の間隔で並べて片持ち状に固定された形状になっており、中心部に回転シャフトを設けて上向きに片持支持の状態で回転駆動シャフトに連結されている（例えば、米国特許第５９９９３２３号明細書及び図面を参照）。
【０００５】また、回転駆動シャフトを駆動するモータ及び駆動ギヤ部とその制御回路は別の場所に配置されており、透明なドーム内に設けた配線により両者は結合されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、回転する反射ミラーは上述のように支持部材上に片持ち構造であるため、複数の反射板（これも片持ち支持）を剛性強度で支持するためには高い強度を有する断面形状の構造材を使用しなければならず、重量的に重くなる。
【０００７】また、回転軸部で重量バランスをとるように配慮されていないため、常に回転軸に曲げモーメントが負荷されることになる。従って、回転する反射ミラーを駆動させるためには高い回転トルクが必要になり、それに伴い高出力の駆動モータ及び大容量の電源が必要になる。
【０００８】更に、透明なドーム内の下部中央に位置する駆動モータ及び駆動ギヤとコントローラは離れて設置されており、配線により駆動モータ及びコントローラは接続されている。
【０００９】しかしながら、これらが使用されている状況において透明なドーム内は外部環境の影響を受けて高温状態になり、各構成部品を電気的に結合する配線の接続部もその影響を受ける。その結果、装置全体の信頼性が低下するという問題がある。
【００１０】それゆえに、この発明の主たる目的は、回転する反射ミラーを支持する支持体の軽量化を図ると共に駆動モータ、コントローラ等をユニット化して剛性強度の向上と保守点検を容易にできる太陽光採光装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この発明は、透明材料で形成されるドーム、このドーム内に吊り下げられる支持材、この支持材に固定的に支持されるミラー、および支持材を回転軸を介して回転させるモータを備える、太陽光採光装置である。
【００１２】また、他の発明は、透明材料で形成されるドーム、このドーム内に回転軸によって回転可能に支持されるミラー、ドーム内に固定的に設けられるコントロールボックス、このコントロールボックス内に設けられて回転軸を駆動するモータ、およびコントロールボックス内に設けられてモータを制御するコントローラを備える、太陽光採光装置である。
【００１３】
【作用】第１の発明では、透明ドーム内に吊り下げられる支持材にミラーは支持される。そして、この支持材は回転軸を介してモータにより回転されるので、ミラーは太陽を追尾して回転することになり効率的に反射光を採光することができる。また、ミラーを支持する支持材はドーム内に吊り下げられているため回転モーメントも低減する。
【００１４】また、支持材は好ましくは軽量金属パイプを連結して構成すれば、装置全体を軽量化できると共に剛性強度も高くできる。そして、この支持材は複数のアルミパイプを着脱自在な連結具で連結できるようにすれば、複数のアルミパイプを分解してコンパクトにした状態で設置場所へ輸送できる。
【００１５】さらに、支持材とこの支持材を回転させる回転軸はユニバーサル・ジョイントにより連結すれば、回転部に生じる曲げモーメントが解消されると共に支持材の軽量化と相俟って回転駆動トルクを軽減できる。その結果モータを駆動する電気エネルギーも節約できる。
【００１６】また第２の発明では、透明ドーム内に配置されて支持材に固定的に支持されるミラーを回転駆動するモータ、モータを制御するコントローラおよび電池をコントロールボックスに収納してユニット化している。そのために、部品点数や組立工数の低減が可能となる。また、配線接続部もコントロールボックス内に収納されるため機構露出部分も少なくなり信頼性が向上する。
【００１７】
【発明の効果】この発明によれば、ミラーの回転に必要な駆動力が低減され省エネ効果も期待できる。また、モータおよびコントローラ等をユニット化することにより保守点検が容易となりコストも低減できる。
【００１８】この発明の上述の目的，その他の目的，特徴及び利点は、図面を参照して以下に行う実施例の詳細な説明により一層明らかとなろう。
【００１９】
【実施例】図１に示すこの発明の一実施例である太陽光採光装置１０は、例えば家屋等の建造物１２の天窓或いは鉛直方向の吹き抜け等の採光用開口部１４に設置される。この太陽光採光装置１０は、採光用開口部１４を被うように取付枠１５にねじ等で固定される取付用フランジ部１６ａを有する透明なドーム１６、このドーム１６内に吊り下げ状態で配置されかつアルミ肉薄パイプ等の軽量型材１８、１８、…を連結して構成される支持フレーム体２０、この支持フレーム体２０に取付けられる複数の平板あるいは二次曲面の反射パネル２２，２２、…からなる反射ミラー２４を含む。
【００２０】透明なドーム１６は、例えば３〜５ｍｍ程度の均一な板厚の透明なアクリル樹脂板あるいはポリカーボネート樹脂板を加工して形成される。また、開口部１４の形状はこの実施例では一辺が１２０ｃｍ程度の四角形（矩形）としているが、必要に応じて円形にしてもよい。この場合には、透明ドーム１６の形状も四角形状の開口部１４に適合するドーム形状から半球面形状に変更される。なお、透明ドーム１６は上述のように透明なアクリル樹脂板等で構成されるが、必要に応じてその内面に補強リブ（図示せず）を設けてもよい。そして、このドーム１６により外気が開口部１４より屋内に入いらないようにすると共に、反射ミラー２４等が塵埃で汚れるのを防止する。
【００２１】支持フレーム体２０は、６本のアルミ肉薄パイプ１８、１８、…を連結して略三角錐形状に形成されており各連結部は球状連結具２６で結合されている。この連結具２６は図示されないが、パイプ１８を挿入するための挿入穴若しくは突起を必要数設けている。また、この支持フレーム体２０の頂部に位置する連結具２６には支軸２８を介して吊下具３０が固定され、この吊下具３０に設けた一対の鉤部３０ａ、３０ｂをドーム１６の天井中央部（頂部）に配置される駆動制御ユニット３２を備えた回転シャフト３４の支持ピン３４ａ、３４ｂに係止することによりユニバーサル・ジョイントを構成している。この構成により支持フレーム体２０はドーム１６内に吊下げ状態で回転可能に支持される。
【００２２】そして、このユニバーサル・ジョイントにより回転部に生じる曲げモーメントは解消されるので、必要な駆動トルクを減少できる。なお、この実施例では支持フレーム体２０を略三角錐形状に形成しているが、他の実施例としては略四角錐形状に形成してもよい。
【００２３】一方、支持フレーム体２０に固定的に支持される反射ミラー２４は、例えば４枚の二次曲面の反射パネル２２を組合せて構成されており、各反射パネル２２の下縁は支持フレーム体２０の下面を構成するアルミ肉薄パイプ１８の連結具２６、２６に両端が固定された弧状支持部材３６で支持されかつその上縁は支持フレーム体２０の側面を構成するアルミ肉薄パイプ１８、１８に適当な支柱３８を介してそれぞれ支持される。
【００２４】また、支持フレーム体２０の底面上の中央近傍位置には二次曲面の補助反射ミラー４０を設けている。この補助反射ミラー４０は太陽Ｓの放射光をより効率的に採光するために反射ミラー２４の前方に適当な間隔を存して設けられる。そして、反射ミラー２４に届く太陽Ｓの放射光をこの補助反射ミラー４０で遮断しないようにするためにその高さ寸法を低く設定している。
【００２５】なお、反射ミラー２４及び補助反射ミラー４０は１枚の平面反射パネルで構成してもよい。また、平板状あるいは二次曲面状の反射パネル２２は、例えばアルミ蒸着により鏡面を形成した樹脂フイルムを軽量なスチロール樹脂板に貼り付けることにより形成することができる。
【００２６】駆動制御ユニット３２は、図３に示されるように、ステッピングモータ４２、このモータ４２の回転力を回転シャフト３４に伝達する駆動ギヤ４４、モータ４２の回転を制御するコントローラ（マイコンを含む）４６およびモータ４２とコントローラ４６に電源を供給する電池４８を含み、これらはいずれもコントロールボックス５０に収納されている。
【００２７】コントロールボックス５０は、外周面に螺旋部を形成した円筒状開口５２を有している。この円筒状開口５２を透明なドーム１６の天井中央部（頂部）に形成された取付孔５４に挿入し環状パッキン５６を介して取付ナット５８を螺旋部に螺合することによりコントロールボックス５０を透明ドーム１６に固定している。また、円筒状開口５２の開口端には開閉可能な防水蓋６０を取付け、必要に応じて、この蓋６０を開閉することによりドーム１６外からこのボックス５０に収納された上述の部品の点検修理や回転シャフト３４を含む支持フレーム体２０の位置調整等が行われる。例えば、ドーム１６外より防水蓋６０を開いてコントロールボックス５０内に収納される電池４８の点検や交換を行うことができる。
【００２８】また、駆動ギヤ４４は、例えばモータ４２の水平軸まわりの回転力を垂直軸まわりの回転力に変換する減速タイプの傘歯車機構を使用する。そして太陽Ｓの移動位置に応じて支持フレーム体２０に支持される反射ミラー２２及び補助反射ミラー４０を１日に１回転（３６０°／２４Ｈ＝１５°／Ｈ）させる。そのためにマイコンを含むコントローラ４６のタイマー機能を使用するか、あるいは駆動制御ユニット３２として時計ムーブメントを使用することもできる。
【００２９】例えば、マイコンを含むコントローラ４６からのパルス信号により、ステッピングモータ４２を所定の角度だけ回転させ、このステッピングモータ４２の回転駆動力により支持フレーム体２０が所定角度だけ回動し、この支持フレーム体２０に支持されている反射ミラー２４および補助反射ミラー４０が所定角度だけ回動する。その結果、上述のように反射ミラー２４及び補助反射ミラー４０は太陽Ｓの方向に向くように駆動制御される。
【００３０】なお、太陽Ｓの移動位置はその地域の緯度、季節、時間により異なるが、年間を通じて太陽光採光装置１０を設置する家屋等の建造物１２が構築されている地域の値として予めマイコンに記憶させておけば、そのデータに基づいて太陽Ｓの移動に伴い反射ミラー２４等を回転制御することができる。
【００３１】また、電池４８は、この実施例では二次電池でありさらに回転シャフト３４には支持ピン３４ａ、３４ｂの一方に太陽電池パネル６２を備えた支持部材６４を固定している。この太陽電池パネル６２は支持部材６４を介して回転シャフト３４に固定されているので太陽Ｓを追尾することになり、効率の良い太陽光発電を行うことができる。そして、太陽電池パネル６２で得られる電力を二次電池４８に充電する。
【００３２】ただし、モータ４２やコントローラ４６の電源として二次電池４８に代えて商用電源を用いることもできる。
【００３３】更に、反射ミラー２４及び補助反射ミラー４０を搭載した状態で駆動制御ユニット３２の回転シャフト３４に吊下られた支持フレーム体２０の水平バランスを取るために、必要に応じてこの支持フレーム体２０に適当なバランサ（バラスト）６５を取付ける。このバランサ６５は、この実施例では連結具２６と兼用させている。また、回転に伴う揺動を防ぐために透明ドーム１６の下部中央、すなわち開口部１４に設けた矩形状取付枠１５の各辺中央部にコイルばね６６と線材６８を介して弾性支持されかつ回転中心線上に位置する軸支孔部７０を設け、この軸支孔部７０に支持フレーム体２０に固定された中心支持部材（回転中心軸）７２の下端部を挿入している。
【００３４】次に図３及び図４を参照してこの発明の一実施例である太陽光採光装置１０の動作概要について説明する。
【００３５】先ず、駆動制御ユニット３２の二次電池４８より図示されない電源スイッチをオンしてステッピングモータ４２及びコントローラ４６に給電を行う。そして、日の出から日没まで、例えば午前（ＡＭ）６時から午後（ＰＭ）６時までの１２時間で透明なドーム１６内に吊下られた支持フレーム体２０を、コントローラ４６により回転制御されるステッピングモータ４２の回転力を駆動ギヤ４４で減速して回転シャフト３４により１８０°回転させる。この減速回転により支持フレーム体２０に支持された反射ミラー２４及び補助反射ミラー４０は太陽Ｓの移動位置に応じて所定角度回転する。
【００３６】そして反射ミラー２４及び補助反射ミラー４０で反射した太陽放射光は図３の実線矢印で示すように開口部１４に入射し、鏡面７４を形成した開口部入口側でさらに反射し光拡散板７６を透過して室内を照明する。
【００３７】日没後の午後（ＰＭ）６：００以降翌朝の午前（ＡＭ）６：００までの１２時間で支持フレーム体２０はさらに１８０°回転し、この回転により反射ミラー２４及び補助反射ミラー４０は１回転し元の位置に戻る。以後は同様の動作が繰り返し行われる。
【００３８】なお、図１及び図３で示すいずれの実施例においても、コントロールボックス５０に収納される駆動制御ユニット３２は透明なドーム１６の頂部に配置されているが、図５に示す更に他の実施例のように透明なドーム１６の下部中央に配置してもよい。
【００３９】この場合、コントロールボックス５０は、ボックス本体５０ａとこの本体の上面開口を開閉する蓋体５０ｂで構成する。そして、ボックス本体５０ａを、例えば家屋等の開口部１４に水平に設けた取付板７８の凹８０所に載置固定すると共に蓋体５０ｂからモータ４２のモータ軸に駆動ギヤ４４を介して連結される回転シャフト３４を突出させる。この回転シャフト３４に反射ミラー２４及び補助反射ミラー４０を固定的に支持する支持フレーム体２０をユニバーサル・ジョイント３５により連結し、透明ドーム１６内で駆動制御ユニット３２により支持フレーム体２０を回転させる。この場合においても回転中心線上に位置するドーム１６の頂部下面側に、例えば弾性リング８２を有する軸支孔部７０を固定し、この軸支孔部７０に支持フレーム体２０に固定された中心支持部材（回転中心軸）７２の上端部を挿入して回転に伴う支持フレーム体２０の揺動を防止する。なお、中心支持部材７２の下端部は回転シャフト３４とユニバーサル・ジョイント３５で連結している。例えば、回転シャフト３４と中心支持部材７２の下端部は非円形状の凹凸係合により連結する。
【００４０】以上説明したように、駆動制御ユニット３２をコントロールボックス５０に収納してユニット化することにより、部品点数及び組立工数の減少が図れ、コストが低減すると共に機構露出部分も少なくでき信頼性が向上する。また、必要な保守点検（メンテナンス）も容易に行うことができる。
【００４１】なお、この発明の太陽光採光装置は上述の実施例に何ら限定されるものではなく、発明の請求の範囲内において種々の変形例が存在することはいうまでもない。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１８８９
【氏名又は名称】三洋電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年４月２８日（２０００．４．２８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９０１８１
【弁理士】
【氏名又は名称】山田 義人
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| 【公開番号】 |
特開２００１−３１２９１０（Ｐ２００１−３１２９１０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１１月９日（２００１．１１．９） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−１２８７１５（Ｐ２０００−１２８７１５） |
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