(57)【要約】【課題】  プラスチック光ファイバーを用いた安価で効率の良い太陽光集光照明装置を提供する。【解決手段】  太陽光を集光する太陽光集光照明装置に用いるレンズとして、焦点がレンズの光軸方向に長く分布したレンズを用いることにより、高価な石英コアの光ファイバーに代わり、熱に弱いアクリルコアを持つプラスチック光ファイバーの使用が可能となり、取り付け工事が簡単で、なお且つ安価で効率のよい太陽光集光照明装置を提供することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を集光する光学系と、集光した光を伝送する伝送系と、伝送されてきた光を照明として放出する照明系から成る太陽光集光照明装置において、前記光学系として使用するレンズまたは反射鏡の焦点が、ほぼ1点ではなく、光軸の方向に長く分布して存在する光学系を用いることを特徴とする太陽光集光照明装置。
【請求項２】
太陽光を集光する光学系と、集光した光を伝送する伝送系と、伝送されてきた光を照明として放出する照明系から成る太陽光集光照明装置において、前記光学系として入光側の面形状が半球面形状で出光側の面形状が円錐面形状であり、該円錐面の頂点近傍に、光軸方向に長く分布した焦点をもつレンズ（以後、球円錐レンズと記す）を用いたことを特徴とする太陽光集光照明装置。
【請求項３】
複数の球円錐レンズを行列状に配列し、各レンズの出光側の円錐面頂点近傍に凸状突起を設け、前記伝送系として用いるプラスチック光ファイバーをその突起部に接続し、複数のプラスチック光ファイバーにより照明系端末まで導いていることを特徴とする請求項２記載の太陽光集光照明装置。
【請求項４】
複数の球円錐レンズを行列状に配列し、各レンズの出光側の円錐面頂点近傍に凸状突起を設け、第１の伝送系として用いるプラスチック光ファイバーをその突起部に接続し、さらに複数のプラスチック光ファイバーから、第２の伝送系としての光ダクトに接続し照明系端末まで導いていることを特徴とする請求項２記載の太陽光集光照明装置。
【請求項５】
前記球円錐レンズの球面直径は、４０ｍｍ以下で、前記プラスチックコアの直径は２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の太陽光集光照明装置。
【請求項６】
前記照明系内に、太陽光が不足したときに補うための補助照明として、ＬＥＤ照明が付加されていることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の太陽光集光照明装置。
【請求項７】
前記球円錐レンズの入光側の半球面をすりガラス状にすることにより、広角度な範囲からの光を集光できるようにしたことを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の太陽光集光照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光をレンズによって集光し、該集光した太陽光を光ファイバーなどによって屋内に導くようにしたことを特徴とする太陽光集光照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光を屋内に導入して屋内を照明しようとする試みは種々なされており、例えば、太陽光を反射板によって反射して屋内に導入する方法や、太陽光をレンズ等によって集束して光ファイバー内に導入し、該光ファイバーを通じて屋内に導入する方法などが提案されている。後者の基本構造の詳細は、例えば下記の特許文献１、２に記載されている。また、これをさらに改善した技術として、特許文献３がある。
【０００３】
さらに詳しく述べると、特許文献３では、図７に示すように、太陽光を集光する光学系である複数個のレンズ７０及び、太陽光を追従するための太陽位置検出センサー７１とを一体化し、センサーからの信号処理部７２で制御される２軸の駆動部７３により太陽を追従し、各レンズで集光された光を各レンズの焦点付近におかれた（光の伝送系である）光ファイバー７４の入光端から入れ、各レンズに対応した光ファイバーを縒りあわせて光ファイバー束７５とし、光コネクター７６を介して、屋内部に配線され (照明系である)照明端末に至る光ファイバー７７に接続されている。すなわち、太陽光を集光する光学系から屋内の照明系までは、光コネクターを介して光ファイバーで接続されている。また、レンズとしては、アクリル製のフレネルレンズを用い、光ファイバーとしては、直径が０．８ｍｍの石英コアをもつ光ファイバーが使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５４−１１２６５３号公報
【特許文献２】特開昭５７−１７１８２号公報
【特許文献３】特開平６−３００９２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献３のようなレンズと光ファイバーを用いる太陽光集光照明装置の場合、太陽光をレンズで直径０．８ｍｍの石英コア内に絞り込む必要があるために、レンズの焦点はシャープで狭い領域に集光させる（レンズの焦点が鋭く、ほぼ１点になる）必要がある。
その場合、鋭く集光された焦点近傍では、極めて強い光になり、そこに配置されている石英コアの入光端部は透明であるとはいえ、透過率が１００％でないために温度が上昇する。しかし、レンズとして直径が１００ｍｍ程度のアクリル製フレネルレンズを使用している場合では、石英コアの耐熱温度が極めて高いので、その温度上昇は問題にはならない。
【０００６】
しかし、石英コアの光ファイバーは高価であるために、伝送系をすべて石英コアの光ファイバーで構成している前記太陽光集光照明装置の価格は、極めて高いものになっている。これを解決するために、安価なプラスチックコアの光ファイバーを用いることが出来れば良いのであるが、プラスチック光ファイバーのコアには、アクリル樹脂が用いられているため、耐熱温度が低く、前記太陽光集光照明装置に使用されているレンズでは、焦点近傍に光が鋭く集光されているので、温度が高くなり、透過率の減衰などアクリル樹脂の特性劣化が生じ、用いることができないという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、特に、太陽光を集光するレンズの焦点（集光された領域）を光軸方向に長く分布させ、光ファイバーの入光端部の熱の分散をおこなうことにより、また、光ファイバーとしては、直径を大きくし、熱の分散を行うとともに、レンズの焦点の分散により生じる光ファイバー内に入る光量の減少を起こすことなく、従来技術ではできなかったアクリルコアのプラスチック光ファイバーの使用を可能にし、安価で効率よく太陽光を屋内に導入することのできる太陽光集光照明装置を提供することを目的としてなされたものである。さらに、伝送系として、光ファイバーのみではなく、プラスチック光ファイバーと光ダクトの組み合わせにより、さらに安価な太陽光集光照明装置を提供することも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、太陽光を集光する光学系と、集光した光を伝送する伝送系と、伝送されてきた光を照明として放出する照明系から成る太陽光集光照明装置において、前記光学系として使用するレンズまたは反射鏡の焦点が、ほぼ1点ではなく、光軸の方向に長く分布して存在する光学系を用いることを特徴とする。
【０００９】
この太陽光集光照明装置では、太陽光を集光する光学系が、従来のように、レンズや反射鏡の焦点が鋭く、ほぼ１点になるものを使用せずに、光軸方向に長く分布したレンズや反射鏡を用いるために、その焦点近傍に置かれる伝送系（例えば、光ファイバー）の入光端部の温度を低くできるので、耐熱性の低いプラスチック光ファイバーの使用が可能になる。
【００１０】
請求項２の発明は、太陽光を集光する光学系と、集光した光を伝送する伝送系と、伝送されてきた光を照明として放出する照明系から成る太陽光集光照明装置において、前記光学系として入光側の面形状が半球面形状で出光側の面形状が円錐面形状であり、該円錐面の頂点近傍に、光軸方向に長く分布した焦点をもつレンズ（以後、球円錐レンズと記す）を用いていることを特徴とする。
【００１１】
該形状のレンズを用いることにより、レンズの焦点をその光軸方向に長く分布することができるため、このレンズの焦点近傍に置かれる伝送系である光ファイバーの入光端の温度を低くし、耐熱性の低いプラスチック光ファイバーの使用が可能になる。この作用はレンズの入光側の半球面形状によるもので、出光側の円錐面形状は、光ファイバーへの光の取り込みを最大にする作用がある。これは、半球面や半楕円面より光ファイバーに対する開口角が広くなるためである。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、複数の球円錐レンズを行列状に配列し、各レンズの出光側の円錐面頂点近傍に凸状突起を設け、前記伝送系として用いるプラスチック光ファイバーをその突起部に接続し、複数のプラスチック光ファイバーにより照明系端末まで導いていることを特徴とする。
【００１３】
これにより、太陽光を集光する光学系として球円錐レンズを用いるので、伝送系としてプラスチック光ファイバーの使用が可能になり、高価な石英コアの光ファイバーを用いる必要がなくなるので、太陽光集光照明装置を安価にすることができる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項２の発明において、複数の球円錐レンズを行列状に配列し、各レンズの出光側の円錐面頂点近傍に凸状突起を設け、第１の伝送系として用いるプラスチック光ファイバーをその突起部に接続し、複数のプラスチック光ファイバーから、第２の伝送系としての光ダクトに接続し照明系端末まで導いていることを特徴とする。
【００１５】
これにより、レンズからの接続はプラスチック光ファイバーで行い、屋内の配光は光ダクトで行うので、複数のプラスチック光ファイバーを長い距離使用する必要がないので、さらに安価な太陽光集光照明装置とすることができる。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項２から４のいずれかに記載の発明において、前記球円錐レンズの球面直径は、４０ｍｍ以下で、前記プラスチックコアの直径は２ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００１７】
前述したように、球円錐レンズの焦点は、光軸方向に長く分布して熱の分散を行っているが、レンズ径（球の直径）が大きいと多くの太陽光が集光されるので、焦点近傍の温度は高くなり、前記プラスチック光ファイバーの入光端の温度は高くなる。このプラスチック光ファイバーの特性に影響を与えないレンズ径の大きさは、４０ｍｍ以下が好ましく、また、プラスチックコアの直径が大きいほど熱も分散するので、プラスチックコアの直径は２ｍｍ以上が好ましい。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項２から４のいずれかに記載の発明において、前記照明系内に、太陽光が不足したときに補うための補助照明として、ＬＥＤ照明が付加されていることを特徴とする。
【００１９】
曇天の時や夜間は、太陽は見えなくなるので、これを補うための補助照明が必要になる。補助照明として、低消費電力で十分な輝度が出せるＬＥＤ照明を付加することにより、日常的に使えるエコ照明となる。また、太陽が雲に出入りした場合、太陽光のみでは、明暗を繰り返すが、照度センサーで太陽光をモニターし、光度を一定に保つようにＬＥＤ照明をコントロールすることも可能である。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項２から４のいずれかに記載の発明において、前記球円錐レンズの入光側の半球面をすりガラス状にすることにより、広角度な範囲からの光を集光できるようにしたことを特徴とする。
【００２１】
曇天時には、雲に散乱された光が存在するが、この光を効果的に集光するためには、前記球円錐レンズの半球面をすりガラス状にすればよい。面の粗さは、Ｒｚ値で１０μｍ以下、好ましくは、６μｍ以下が良い。
【発明の効果】
【００２２】
太陽光を集光するレンズとして、焦点がレンズの光軸方向に長く分布したレンズを用いることにより、熱に弱いアクリルコアを持つプラスチック光ファイバーの使用が可能となり、安価で効率のよい太陽光集光照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による太陽光集光照明装置に用いる球円錐レンズを説明するための図である。
【図２】本発明による太陽光集光照明装置に用いる球円錐レンズを行列状に配列したパネルの図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図３】本発明による太陽光集光照明装置に用いる太陽光集光装置の一実施例の詳細であって、(ａ)は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図４】本発明による太陽光集光照明装置に用いる太陽光集光装置の他の実施例の詳細であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】本発明による太陽光集光照明装置の一実施例の詳細であって、（ａ）はシステム説明図、（ｂ）は光ダクトの分光器の図（ｃ）は光ダクトの入光部の図である。
【図６】本発明による太陽光集光照明装置に用いる照明装置の一実施例の詳細図である。
【図７】従来の太陽光集光照明装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、本発明の太陽光集光照明装置に使用する球円錐レンズの形状と太陽光が入射した時の光線を示したものである。図１において、レンズの太陽側（入光側）の面形状１０は、半球面の形状をしており、光ファイバー側（出光側）の面形状１１は、円錐面の形状をしている。半球面１０と円錐面１１は、円柱１２でつながっている。また円錐面の頂点付近には、プラスチック光ファイバーに接続するための円柱１３をつけている。
太陽光は、平行光線とみなせるから、光線１４で示すように、半球面１０の周辺部に入射した太陽光は、Ａで示す浅い場所に焦点を結ぶ。それに対して、半球面１０の中央部に入射した太陽光は、ＧやＨで示す深い場所に焦点を結ぶ。このように、半球面１０への入射場所によって、焦点は、ＡからＨまで連続的に変わる。つまり、この球円錐レンズの焦点は、光軸方向に長く分布していることがわかる。このため、ほぼ1点に集光する焦点を持つ通常のレンズよりも、太陽光の熱の局所集中を分散することができる。
【００２５】
また、円錐形状１１の役目は、焦点に集まった光をプラスチック光ファイバーに効率良く入れるために形状を焦点近傍に絞るためであるが、半球面で絞る方法や楕円曲面で絞る方法よりも該円錐面１１で絞る方法が最も効率が良くなる。その理由は、太陽光のうち１３の円柱部の入り口に入りきれない光や、雲や建物で散乱された光が、半球面１０に入射して、円錐面１１の傾斜壁に当って散乱した場合、円柱部１３の入り口に対する開口角が、円錐面１１が最も大きくなるからである。
【００２６】
図２は、該球円錐レンズ１を行列状に配列してパネル２０にしたものである。板２１に該球円錐レンズ１が安定に配置される穴を開け、白色のシリコンゴムなどで接着固定している。板２１の材質は、Ａｌ板や耐候性のあるプラスチック板など軽くて丈夫なものが良い。
該球円錐レンズ１の数はレンズ径に依存し、レンズ径は太陽光の集光熱に依存する。太陽光の集光熱が、プラスチック光ファイバーが使用可能となる温度範囲内であるためには、該球円錐レンズ１の直径は、４０ｍｍ以下（好ましくは３０ｍｍ以下）であることが必要である。本実施例では、直径２９ｍｍとしている。その場合、レンズの数は１２０個の使用で、ほぼ６畳の広さの部屋を照明できる光量が太陽から得ることができる。図２では１２１個（１１行１１列）としている。
【００２７】
図３は、太陽光集光装置の第1の実施例で、前記パネル２０を使用して、太陽光追尾も考慮した太陽光集光装置３０を示したものである。パネル２０からの接続は、前記球円錐レンズ１の円柱部１３を直径３ｍｍとし、ここに直径が３ｍｍのプラスチック光ファイバー３１を光軸を一致させて接着し、補強のために熱収縮パイプで円柱部１３とプラスチック光ファイバー３１の両方を圧縮保持している。各球円錐レンズ１から接続したプラスチック光ファイバー３１は、総数１２１本で、これを内部が空いた1辺が４６ｍｍの四角柱パイプ（肉厚は２ｍｍ）３２の入り口３２ａから入れている。四角柱パイプ３２は、途中３２ｂで直角に曲げられ、そこから約５８０ｍｍの長さを持つ。その途中で２ヶ所、深溝玉軸受け３３を取り付け、四角柱パイプ３２ｃの中心軸の回りに自由に回転（第１の回転）できるようにしている。第１の深溝玉軸受け部３３ａには、ステッピングモーター３５が取り付けられ、該ステッピングモータの回転軸には、ギア３９が取り付けられ、前記四角柱パイプ３２ｃを回転（第1の回転）するように該四角柱パイプ３２ｃに固定された大型ギア３７に噛み合っている。第２の深溝玉軸受け部３３ｂには、そこを中心として、前記四角柱パイプ３２ｃの中心軸と直角方向に回転軸を持つような回転（第２の回転）ができるように、第３の深溝玉軸受け３４（両側に1対）が取り付けられ、そこを固定できるように取り付け部３８が形成されている。第１の深溝玉軸受け部３３ａには、第２の回転をするための滑車３６も取り付けられており、これにより、（図示していないが）手動でも自動でも対応することができる。
【００２８】
第１の回転の軸方向を北極星の方向に向けて取り付けることにより、第１の回転は日周運動に対応し、太陽光を追尾することができる。また、第２の回転は、季節による太陽の位置補正ができるようになる。太陽光は、前記複数の球円錐レンズ１で集光され、その光は複数のプラスチック光ファイバー３１で伝送され、束になって四角柱パイプ３２内を通って屋内に伝送される。
【００２９】
図４は、図３とほぼ同じ構成の太陽光集光装置の第２の実施例を示したものである。プラスチック光ファイバー４１は、前記球円錐レンズ１の円柱部１３から四角柱パイプ４２の入り口４２ａまでをつなぐ部分でしか用いられていない。四角柱パイプ４２は、光ダクトを構成し、内部の四方の壁面は反射率の高い反射鏡で構成されている。それ以外は、図３の太陽光集光装置３０と同じである。この構成にすることにより、コストを低減することができる。また、前記プラスチック光ファイバー４１は、直径が３ｍｍのアクリル棒で代用することができる。アクリル棒はクラッド層がなく、内部には微小の気泡が存在して光の減衰を促進するが、反面、微小の気泡があるために、該アクリル棒の側面に太陽光が当るとアクリル棒内部に光を取り込むことができ、減衰分を補充する作用がある。そのため安価な該アクリル棒を用いることも低コスト化に有効な手段である。
【００３０】
図５は、太陽光集光照明装置の一実施例を示したものである。図５（ａ）で示すように、太陽光集光装置３０は、南側の２階の庇に取り付けられている。太陽光集光装置３０で集光された光は、プラスチック光ファイバー３１から、屋内に配管された光ダクト５１の中に、受け渡し部５０で受け渡される。屋内の光ダクト５１は、例えば、北側の２階と1階の部屋まで配管されていて、各部屋の天井の照明装置５２に接続されている。光ダクトの分光部５３には、図５（ｂ）で示すように、光の進む方向を変えるための鏡５４があり、鏡５４を下に倒した場合は、北側２階の部屋に光が伝送される。４５度に起こした場合は、1階の部屋に光が伝送される。光量が多い場合には、０度から４５度の範囲で任意の角度にして、両方の部屋に光を伝送することもできる。
光ダクト５１の変わりに、プラスチック光ファイバー３１を延長して伝送しても良いのであるが、多数の光ファイバーを用いるために、取り扱いもかなり面倒で、コストも高くなるために、屋内は光ダクトの方が好ましい。
受け渡し部５０は、図５（ｃ）で示すように、光ダクト５１の口広になった入光部５５から、太陽光集光装置３０のプラスチック光ファイバー３１の束５６が、ある一定の長さだけ入り込み、光を受け渡している。入光部を口広にする理由は、季節の太陽の高さの補正運動を容易にできるようにするためである。
【００３１】
図６は、各部屋に取り付けられている光の取り出し口６１を持つ照明装置５２を示している。太陽光は、雲に出入りするために光量が常に変化する。そのために、光量を一定に保つためには、減った分を補うための補助照明が必要になる。太陽光利用のエコ照明とするためには、補助照明として、消費電力の少ないＬＥＤ６０を用いたＬＥＤ照明が好ましい。ＬＥＤ６０の光量は、太陽光をモニターしておき、太陽光が減った分だけＬＥＤを光らせ補充するように制御する。
【符号の説明】
【００３２】
１    球円錐レンズ
１０  半球面
１１  円錐面
１２  円柱
１３  円柱部
１４  光線
２０  パネル
２１  板
３０，４０  太陽光集光装置
３１，４１  プラスチック光ファイバー
３２  四角柱パイプ
３３，３４  深溝玉軸受け
３５  ステッピングモータ
３６  滑車
３７，３９  ギア
３８  取り付け部
４２  光ダクト
５０  光ダクトの受け渡し部
５１  屋内の光ダクト
５２  照明装置
５３  分光部
５４  鏡
５５  入光部
５６  プラスチック光ファイバーの束
６０  ＬＥＤ
６１  光の取り出し口
【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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【図６】
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【図７】
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