(57)【要約】【課題】  太陽の方位や高度に関係なく太陽光線を集光する方法として光の全反射を応用した円錐筒型の太陽レンズが提案されているが、円錐の接線方向から入射する光線においては円錐筒の外壁面のみで全反射を繰返す結果、光線の進行方向が反転して入光面から散逸し損失するがこの損失光線を抑止することが課題である。また、空隙を介して渦巻状に分離して太陽レンズを形成する方法が複雑であり、容易な製造方法を提供することが課題である。【解決手段】  外壁面ばかりで全反射を繰返さないように円錐筒型の太陽レンズを多角錐筒に換えることで損失光線を抑制するものである。また、渦巻状の空隙に換えて表面反射板を配置し、全反射と同じ方角に表面反射をさせるように構成することで射出成型でも製造できるようにして前記課題を解決するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に切断した円錐筒の切断面を渦巻状に連結して円錐形の太陽レンズを透明な材料で形成すると共に各円錐筒の層間に微小な空隙を設け、円錐筒の底面を入光面として入射する太陽光線を円錐筒の内外壁面で全反射を繰返させて円錐筒先端の出光面に集光するように構成した太陽レンズにおいて、円錐筒を多角錐筒に形成したことを特徴とする多角錐形の太陽レンズ。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽レンズにおいて、多角錐筒の内外壁面で全反射をさせるために設けられた微小な空隙に換えて鏡面反射板を配置し、全反射と同じ方角に表面反射させて集光するように形成したことを特徴とする太陽レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高度と方位が常に移動している太陽光線を、静止したレンズで受光面積よりも狭い一定の範囲に集光することを目的とした太陽レンズの改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽の方位や高度に関係なく太陽光線を集光する方法として光の全反射を応用した集光方法が提案されている。
【特許文献１】特願２００８−１７８５１９  太陽レンズ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記特許文献１の方法は、軸方向に切断した円錐筒の切断面を渦巻状に連結して円錐形の太陽レンズを形成し、円錐筒の底面を入光面として入射する太陽光線を、円錐筒の内外壁面で全反射を繰返させて円錐筒先端の出光面に集光するように構成した太陽レンズであるが、円錐筒に対して接線方向から入射する太陽光線が外壁面で全反射したあと内壁面に達することなく外壁面のみで全反射を繰返す状態が発生する。この光線は全反射を繰返すたびに出光面に向かう傾斜角度が拡大して方向が反転して入光面から放出されて損失光線となる。本発明はこの損失光線を阻止抑制する方法を提供するものである。
【０００４】
また、前記特許文献１の太陽レンズをガラスや透明樹脂で形成する場合に、螺旋状の板を製造したり、それを巻き込んで太陽レンズを形成することになるが製造が複雑困難で実用性が低い不都合があった。本発明は実用性の高い製造方法を提供することでこれらの欠点を解決するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
渦巻状に巻き込んで形成される太陽レンズの円錐筒を多角錐筒にすることで、連続して外壁面で全反射を繰返す状態を阻止し前記課題を解決するものである。また、渦巻状に形成された全反射をさせるための微小な空隙の換わりに両面が高反射率の鏡面反射板を配置し、表面反射によって全反射と同じ方角に集光することで空隙を設ける必要がなくなり、射出成型などで鏡面反射板をインサートすることで容易に製造できるようにするものである。
【発明の効果】
【０００６】
太陽レンズの外周面にほぼ平行して入射する太陽光線でも外壁面のみで全反射を繰返す状態が殆どなくなるから、出光面に向かって進行する光線が次第に方角を反転して入光面から放出し散逸する損失光線を阻止することができる。また、空隙の換わりに鏡面反射板を配置することで樹脂成型などにより容易に製造できることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は本発明による多角錐筒型の太陽レンズ１の断面を示すもので、軸方向に切断した多角錐筒２の切断面８を渦巻状に連結して多角錐形の太陽レンズを形成すると共に、連結された各多角錐筒の層間に微小な空隙７（図示せず）を設けて、多角錐の底面を入光面３として入射する太陽光線を、多角錐筒の外壁面５と内壁面６で全反射を繰返させて多角錐筒先端の出光面４に集光させるように構成したもので、全体は透明な材料で形成されている。
【０００８】
多角錐筒を平面的に展開すると、図３のように三角形を扇状に並べた形状の板を渦巻状に巻き込んで太陽レンズが形成されていることになる。円錐筒の肉厚を相対的に薄くすると渦巻の積層回数がより増大するから、展開した円錐筒は螺旋状に重なった形状となる。
【０００９】
以下の説明における多角錐の壁面傾斜角や光線の傾斜角は、特に断らない限り太陽レンズを水平に設置した状態での鉛直面に対する傾斜角度を表示している。入光面に入射する光線は多角錐の壁面で全反射を繰り返しながら出光面に向かって進行することになるが、図４、図５は光線の経路を説明するために、肉厚が均一な円錐筒で形成された円錐筒型の太陽レンズの外側の円錐筒だけを表したもので、地点ｍ１、ｍ２などから進入する光線の経路を、図４の下向きの成分と図５の円周方向の成分とに分けて表示したものである。多角錐筒型の太陽レンズの場合にもほぼ同様の光線経路となる。
【００１０】
入光面に対する太陽光線の傾斜角度は最大で９０度（日の出日没）であるから入光面が水平の場合、入光面から多角錐筒に進入する光線の傾斜角度は構成素材の臨界屈折角以下の角度で進行することになる。例えば、臨界屈折角が４２度（屈折率約１．５）のアクリル樹脂を使った太陽レンズで、多角錐筒壁面の傾斜角α１が６度、入光面の傾斜角α２が９０度の水平で、入射光線としては最大に屈折する水平方向からの光線（朝陽）ｍ３の場合、図４、図５のように入光面から入射したあと傾斜角４２度で外壁面に向かい、全反射によって反転して５４度の傾斜角で内壁面に進行し、全反射を繰返して出光面に到達する。外壁面は光線の傾斜角度を拡大させ、内壁面は傾斜角度を縮小させることになる。
【００１１】
図１のように内外壁面が直線的な多角錐筒で肉厚が等しい場合には、内外壁面の傾斜角が同じであるから全反射を繰返す光線の傾斜角も同じになって、出光面に到達する光線ｍ３の傾斜角は５４度となる。その結果、この光線は出光面でも全反射して方向を上下に反転して点線で示す矢印の光線ｅ１ようにレンズ外に散逸することになるが、図１のように入光面を壁面にほぼ直角（８４度）になるように傾斜させることで地点ｍ３に入射する光線の最大傾斜角度が小さくなり出光面での反転を防止することができる。
【００１２】
出光面を入光面にあわせて傾斜角α２の角度で傾斜させると、出光面に対応する受光装置の受光面を合わせる必要があることや、受光面が出光面に密着していないと一部の光線が太陽レンズに逆流する恐れがでてくるから、出光面は平面であることが望ましく、また、平面にするには出光面に到達する光線の傾斜角度を臨界屈折角以下の角度にする必要がある。
【００１３】
渦巻き状に積層された多角錐筒相互の空隙は光学的に各円錐筒の間を分離するためのものであるから、空隙の幅は多角錐筒と空隙の境界で全反射が起こる状態であれば１ミクロン以下の微小な隙間でもよい。空隙を保つためには、多角錐筒の表面に適当な間隔で微小な突起を設けたり、微粉末を荒目の間隔で散布するなどの方法が考えられる。
【００１４】
外壁面を透過して最も漏れやすい光線は、最大傾斜角（４２度）で進入する水平方向からの太陽光線（朝陽）で、図５の地点ｍ３から外壁面に直面して入射する太陽光線である。このため、この光線が当たる外壁面を全反射が起こる角度（６度以内）に設定すれば、それ以外の光線と外壁面との角度差はより小さいので外壁面を透過して損失する光線はないと考えられる。
【００１５】
以上は入光面から出光面に向かう軸方向の光線の進路であるが、図５のように円錐筒で形成された太陽レンズに接線方向から地点ｍ４に入射する軸に直角な方向の光線について見ると、外壁面で全反射した光線が内壁面に到達することなく連続して外壁面で全反射を繰返す光線が発生する。外壁面の傾斜は光線の傾斜角度を拡大させるように作用するから、その結果、光線の傾斜角度が次第に増大して進行方向が反転し、入光面から放出して散逸し集光性能を低下させることになる。
【００１６】
この損失光線を抑止するには、外壁面で反射した光線が内壁面に到達しやすいように、太陽レンズを円錐形ではなく多角錐形にすることで殆どを抑制できる。多角錐筒の壁面に平行して入射する地点ｍ４に相当する光線でも、外壁面で全反射した光線は隣の外壁面で全反射した後に内壁面に向かうことになり、外壁面で連続して全反射を繰返す状態を減らせるのでより多くの入射光線を出光面に集光することができる。しかし、多角錐をより多角に細分すると上述の損失光線を抑止する効果が薄れることになるから多角形の角数は少ない方が望ましいが、太陽レンズを複数個組合わせて蜂の巣状に配置する場合などを考慮すると、六角形以下の多角錐形に設定することが望ましいと考えられる。
【００１７】
渦巻状に巻かれた多角錐筒の各層間は連続しているので、各層の入光面に入射した光線が出光面に到達する状況は、太陽レンズが１層だけの単純な形状の場合と同一とみることができる。また、多角錐筒に入射した光線はそれぞれの出光面に達した後は、隣接する外側の多角錐の出光面へと順次進行して、最も外側の出光面に到達することになる。
【００１８】
上述の例では外壁面に向かって進行する光線の傾斜角が最大で４２度であるから、この光線と多角錐の切断面との角度差が臨界屈折角以下であれば、壁面に沿って切断面に向かう光線も全反射で方向を反転し出光面へ達することになる。切断面の傾斜角度は太陽レンズ壁面の傾斜角α１の設定や多角錐筒の肉厚などにも関連するが、切断面に到達する光線と切断面との角度差が臨界屈折角度以下になるように設定すればよい。
【００１９】
渦巻状に巻かれた多角錐筒の各層間を分離している空隙は境界面での全反射を起こさせる作用をなすものであるが、空隙の換わりに両面が高反射率の鏡面反射板を配置しても全反射と同じ方角に表面反射で光線が進行する。全反射に比べて１００％の反射を期待することは難しいが、太陽レンズとしての集光機能を確保することができる。鏡面反射板の厚みは金属蒸着などによる薄膜であってもよいが、射出成型に適した厚みのインサートとしてあらかじめ金型に組み込んでおくことで射出成型で太陽レンズを形成することが可能となる。
【００２０】
このように本発明の太陽レンズは多角錐で形成されているため、円錐形の太陽レンズに比べて外壁面のみで全反射を繰返して周回したうえ入光面から散逸する損失光線が少なくなり集光性能を高められる利点がある。また、境界面で全反射をさせて集光する太陽レンズの空隙を表面反射板に換えて、全反射と同じ方角に表面反射をさせて集光する方法であるため空隙を設ける必要がなく、射出成型などで容易に製造ができる利点を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】太陽レンズの断面図である。
【図２】太陽レンズの上面図である。
【図３】展開した太陽レンズの説明図である。
【図４】軸方向の光線経路を説明するための断面説明図である。
【図５】円錐筒型太陽レンズにおける半径方向の光線経路を説明するための平面説明図である。
【符号の説明】
【００２２】
１、太陽レンズ
２、多角錐筒
３、入光面
４、出光面
５、外壁面
６、内壁面
７、空隙
８、切断面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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