(57)【要約】【課題】採光口から採り入れた太陽光を効率よくかつ均一化して放光口から放射することができる光ダクト装置を提供する。【解決手段】光ダクト装置１００は、太陽光を採り入れる採光部１と、採光部１から採り入れた光を室内に放射する放光部２と、採光部１と放光部２との間に光が伝搬する通路ＰＡを形成するダクト部３と、ダクト部３内の通路ＰＡに配置された透光性を有する光学部材１０とを備える。光学部材１０は、光学部材１０の表面に均一に形成された複数のレンズ部１１を有し、入射する光を一定の指向性をもって拡散させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を採り入れる採光部と、
前記採光部から採り入れた光を室内に放射する放光部と、
前記採光部と前記放光部との間に光が伝搬する通路を形成するダクト部と、
前記通路中に配置された透光性を有する光学部材と、を備え、
前記光学部材は、少なくとも一方の表面に複数のレンズ部を有し、当該光学部材に入射する光を指向性をもって拡散させる、光ダクト装置。
【請求項２】
前記複数のレンズ部は、それぞれ曲面部を有する請求項１に記載の光ダクト装置。
【請求項３】
前記光学部材は、光の拡散特性をガウシアン分布で表したとき、ガウシアン角度が０°より大きくかつ１５°以下である請求項１または２に記載の光ダクト装置。
【請求項４】
前記光学部材は、前記採光部から前記放光部に到る光路の中間地点よりも前記採光部側に配置されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ダクト装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、採光部から取り込まれた太陽光を建物の内部に導く光ダクト装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
採光部から採り込まれた太陽光を、光ダクトを介して放光部に導き、放光部を介して室内に放射することで、室内を照明するようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１記載の装置は、光ダクト内における光の密度の均一化を図るため、光ダクト内に、光ダクトの長手方向に平行な反射面を有する反射材を設けるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１４８５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、光エネルギーは、光が反射する度に減衰する。したがって、光ダクト内に反射材を設けて光の密度の均一化を図るようにしたのでは、太陽光を効率よく建物の内部に導くことができない。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、採光部から採り入れた太陽光を効率よくかつ均一化して放光部から放射することができる光ダクト装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様である光ダクト装置は、太陽光を採り入れる採光部と、採光部から採り入れた光を室内に放射する放光部と、採光部と放光部との間に光が伝搬する通路を形成するダクト部と、ダクト部内の通路に配置された透光性を有する光学部材と、を備え、光学部材は、光学部材の表面に均一に形成された複数のレンズ部を有し、入射する光を一定の指向性をもって拡散させる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ダクト部内の通路に透光性を有する光学部材を配置し、この光学部材を、表面に均一に形成された複数のレンズ部を有し、入射光を一定の指向性をもって拡散させる光学部材として構成した。これにより採光部から採り入れた太陽光を効率よくかつ均一化して、放光部から光を放射することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る光ダクト装置の構成を示す斜視図。
【図２】図１の変形例を示す図。
【図３Ａ】本発明の実施形態に係る光ダクト装置を構成する光学部材の表面形状を示す図。
【図３Ｂ】図３ＡのＢ−Ｂ線に沿った断面図。
【図４】各種光学部材に平行光を入力したときの出射面における光の拡散特性を示す図。
【図５】プリズムフィルムの構成を示す斜視図。
【図６Ａ】照度測定試験を行う実験装置の構成を示す図。
【図６Ｂ】照度測定試験における照度の測定位置を示す図。
【図７】ガウシアン角度に基づいて放光部の照度および照度の均一性をシミュレーションにより求めた結果を示す図。
【図８】レンズ部の形状を変更した場合のシミュレーション結果を示す図。
【図９Ａ】屈曲タイプの光ダクト装置において光学部材の配置を変更した場合の照度についてのシミュレーション結果を示す図。
【図９Ｂ】屈曲タイプの光ダクト装置において光学部材の配置を変更した場合の照度の均一性についてのシミュレーション結果を示す図。
【図１０Ａ】ストレートタイプの光ダクト装置において光学部材の配置を変更した場合の照度についてのシミュレーション結果を示す図。
【図１０Ｂ】ストレートタイプの光ダクト装置において光学部材の配置を変更した場合の照度の均一性についてのシミュレーション結果を示す図。
【図１１Ａ】レンズ部の曲率半径をパラメータとしたシミュレーション結果を示す図。
【図１１Ｂ】レンズ部のピッチをパラメータとしたシミュレーション結果を示す図。
【図１２】シミュレーションの元となるレンズモデルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図１〜図１２を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る光ダクト装置１００の全体構成を示す斜視図であり、図２は、図１の変形例を示す図である。光ダクト装置１００は、屋外の自然光（太陽光）を室内に導いて室内を照明するものであり、ビルや一般家屋等の建物の屋上や屋根等に設置される。
【００１０】
図１，２に示すように、光ダクト装置１００は、太陽光ＳＬを採り入れる採光部１と、採光部１から採り入れた光を室内に放射する放光部２と、採光部１と放光部２との間に光が伝搬する通路ＰＡを形成するダクト部３と、通路ＰＡに配置された透光性を有する光学部材１０とを備える。なお、光学部材１０は、通常、通路ＰＡに対し垂直な面に配置され、採光部１より採り入れた光は、途中、光学部材１０を通過して、放光部２から放出される。
【００１１】
ダクト部３は、断面矩形状を呈する複数のダクト３ａの端部を繋ぎ合わせて形成される。図１では、鉛直方向に配置された複数のダクト３ａの端部が接合され、ダクト部３は、全体がストレート形状を呈する。図２では、鉛直方向および水平方向に配置された複数のダクト３ａの端部が接合され、ダクト部３は屈曲形状を呈する。
【００１２】
最上部に位置するダクト３ａの上端部には、所定方向（例えば南の方向）に向けて斜めに略矩形状の開口部３ｂが設けられ、この開口部３ｂに採光部１が形成されている。最下部に位置するダクト３ａの底面には、下方に向けて略矩形状の開口部３ｃが設けられ、この開口部３ｃに放光部２が形成されている。採光部１と放光部２とは、透光性を有する材質、例えば透明な材質によって構成されたカバー４ａ，４ｂをそれぞれ有する。カバー４ａ，４ｂは、開口部３ｂ，３ｃを塞ぎ、ダクト部３内の通路ＰＡは密閉されている。
【００１３】
ダクト部３の内壁面は、通常、反射材で構成されている。反射材は、アルミ蒸着や銀蒸着により形成された高反射材料を用いることができる。特に限定されないが、例えば、多数の薄膜を積層してなり、金属成分を使用することなく可視光線領域の光を効率的に反射するように構成される。この反射材は、金属や鏡よりも高い反射率（例えば９９％の反射率）を有する。このため、採光部１からの光は、光ダクト３内で反射を繰り返し、かつ、減衰を抑えながら進行し、放光部２に到る。
【００１４】
ところで、光ダクト装置１００には、室内を効率よく照明するために、光がダクト部３を伝播する際のエネルギー損失、すなわち直進方向に入力した光に対する直進方向における光の出力低下（照度低下）の割合を抑える機能（損失低減機能）が要求される。さらに、室内から見たときの放光部２の明るさを均一化して室内を均一に照明するために、ダクト部３内における光の密度を均一化する機能（均一化機能）が要求される。
【００１５】
この点に関し、例えば通路ＰＡに反射板を配置したのでは、反射板で光が反射する際の減衰量が大きく、損失低減機能が損なわれる。また、通路ＰＡに単なる拡散板を配置した場合には、直進方向の光の出力が低下するため、この場合も損失低減機能が損なわれる。そこで、本実施形態では、損失低減機能と均一化機能とをバランスよく満足させるために、ダクト部３に配置する光学部材１０を以下のように構成する。
【００１６】
光学部材１０は、板厚が３．２ｍｍのガラス材等の透明部材であり、通路ＰＡの断面を略塞ぐように通路ＰＡに対して垂直に配置される。ヘーズメーターを用いて測定された光学部材１０の光学特性を表１に示す。ヘーズメーターは、日本電色工業社製ＮＤＨ５０００Ｗであり、光源光を光学部材１０の一方の面（レンズアレイ面）より入射し、試験体の任意の２点（Position１，Position２）のヘーズ（曇り度）および光の透過率(Transmission）を測定し、それらの平均を求めた。なお、「Diffuse Transmission」は拡散透過率であり、「Parallel Transmission」は平行線透過率である。
【表１】
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【００１７】
光学部材１０の一方の表面にはエンボス加工が施され、略全域にわたり微小の凹凸が形成されている。図３Ａは、エンボス加工が施された光学部材１０の表面の模様を模式的に示す平面図であり、図３Ｂは図３ＡのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図３Ａ，図３Ｂに示すように、光学部材１０の表面には、互いに同一形状の凹状の複数のレンズ部１１が表面全域にわたり例えば千鳥状に略均一に形成されている。すなわち、光学部材１０の一表面にはレンズアレイが形成されている。
【００１８】
各レンズ部１１は、所定の曲率半径Ｒにより円弧状に形成され、隣り合うレンズ部１１，１１同士は滑らかな曲面により接続されている。隣り合うレンズ部１１，１１間のピッチＰは例えば６００μｍであり、レンズ部１１の底面から頂部までの高さＨは例えば６０μｍである。なお、レンズ部を凹状ではなく凸状に構成してもよい。図３Ｂでは、光学部材１０の他方の表面を平坦面としているが、他方の表面にもエンボス加工を施してレンズ部１１を形成してもよい。すなわち、光学部材１０の両側にレンズアレイを形成してもよい。
【００１９】
図４は、実験によって得られた、各種光学部材に平行光を入力したときの出射面における光の拡散特性を示す図、すなわち光がどの方向にどの程度の強さで拡散するかを示す図であり、横軸は、光の拡散角度を、縦軸は、光の強度の最大値を１としたときの光の強度の割合を示す。図中、特性Ａは、光学部材を配置しないで得られた特性、特性Ｂ，Ｃは、それぞれレンズ部１１を光の入射側および出射側に向けて光学部材１０を配置したときの光学部材１０の特性、特性Ｄは、光学部材１０のレンズ部１１をレンズアレイとして構成した場合の特性、特性Ｅは、光拡散フィルム（住友３Ｍ社製；商品名３６３５−７０）の特性、特性Ｆは、アクリル板の特性、特性Ｇ，Ｈは、それぞれポリエステルの表面に９０°頂角のアクリル樹脂のプリズムパターンを均一に精密成形した光学プリズムフィルム（住友３Ｍ社製；商品名ＢＥＦ）の特性である。なお、図５に示すように、プリズムフィルムは横方向（Ｘ方向）と縦方向（Ｙ方向）とで形状が異なるため、図４では横方向の拡散特性（特性Ｇ）と縦方向の拡散特性（特性Ｈ）とをそれぞれ示している。光学部材を配置しない特性Ａを、拡散角度０°の基準とする。
【００２０】
図４に示すように、レンズアレイが形成された光学部材１０の特性Ｂ，Ｃ，Ｄは、拡散角度が狭く（１０°程度）、光学部材１０は指向性をもった光学部材といえる。これに対し、拡散フィルムとアクリル板の特性Ｅ，Ｆは拡散角度が広く（６０°〜９０°程度）、これらは指向性をもたない拡散板といえる。また、プリズムフィルムの特性Ｇ，Ｈは、縦方向と横方向とで大きく異なる。したがって、プリズムフィルムは、特定方向に強い指向性を示す、不均一な指向性をもった光学部材といえる。
【００２１】
本実施形態の光学部材１０は、曲面状のレンズ部１１が全域にわたり均一に形成されている。このため、光学部材１０を光が透過すると、光はレンズ部１１により屈折し、拡散する。このとき、図４に示すように、光は、ある程度の指向性をもって狭い範囲で拡散する。すなわち、弱い指向性をもって拡散する。このため、光学部材１０を透過する際の直進方向における照度低下の割合が指向性をもたない光学散板（特性Ｅ，Ｆ）および不均一な指向性をもった光学部材（特性Ｇ，Ｈ）と比べて小さく、ダクト部３内の光を効率よく均一化することができる。この点を、照度測定試験により検証した。以下、この点について説明する。
【００２２】
図６Ａは、照度測定試験を行う実験装置の構成を示す図である。断面が１００ｍｍ×１００ｍｍの角型を呈するＬ字状のダクト部３の入口側位置Ａおよび出口側位置Ｂのいずれか一方または両方に種々の光学部材を配置し、採光部１に向けて光源５から光を当てて放光部２における照度（ｌｘ）を測定した。光源５は、株式会社遠藤照明製（品番：ＥＲ３１４９Ｓ２３Ｗ  ナチュラルホワイト）を用いた。図６Ｂに示すように、照度は、放光部２に配置したアクリル板（透過率５８％）の中央（ａ地点）と角部近傍（ｂ地点、ｃ地点）の計３箇所で測定した。なお、図６Ａ、図６Ｂには、各部の寸法（単位はｍｍ）を併せて示す。実験はそれぞれ３回行い、平均値を取得した。
【００２３】
実験結果を表２に示す。
【表２】
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【００２４】
図中、実施例１、実施例２、および実施例３はそれぞれ光学部材１０をダクト部３のＡ位置、Ｂ位置、およびＡ位置とＢ位置の両方に配置した場合の結果である。比較例１は、光学部材を配置しない場合の結果、比較例２は、プリズムフィルムをＡ位置とＢ位置の両方に配置した場合の結果、比較例３、比較例４、および比較例５はそれぞれ光拡散フィルム（住友３Ｍ社製；商品名３６３５−３０）をＡ位置、Ｂ位置、およびＡ位置とＢ位置の両方に配置した場合の結果、比較例６はＡ位置にアクリル板を配置した場合の結果である。照度は、最も高いａ地点の照度で代表した。照度のばらつき（照度の均一性）は、ｂ地点の照度とｃ地点の照度の平均を、ａ地点の照度で除算することにより取得した。
【００２５】
表２から明らかなように、実施例１〜３では、照度が高く、照度の均一性も高い。これに対し、比較例１では、照度の均一性が低く、比較例２〜６では照度が低い。これより、本実施形態のように、入射する光を一定の弱い指向性をもって拡散する光学部材１０をダクト部３に配置することにより、損失低減機能と均一化機能とをバランスよく満たすことが検証できた。
【００２６】
図４における光の拡散特性は、ガウシアン分布を用いることにより表すことができる。すなわち、レンズアレイが形成された光学部材１０の特性Ｂ〜Ｄのガウシアン角度は５°近傍であり、特性Ｅ〜Ｇのガウシアン角度は３０°より大きい。図７は、ガウシアン角度に基づいて放光口２の照度および照度の均一性をシミュレーションした結果を示す図である。図中、実線は放光口２の中央部の照度を、点線は照度の均一性を示す。なお、図７は、ストレートタイプの光ダクト装置１００（図１）を対象にしたシミュレーション結果である。
【００２７】
図７に示すように、ガウシアン角度が５°において照度が最大となり、照度の均一性も最大である。これより、シミュレーション結果が実験結果（表２）に良好に対応していることがわかる。図７では、ガウシアン角度が１５°において照度（実線）の変曲点が存在する。したがって、照度（実線）と照度の均一性（点線）のバランスを考慮すると、ダクト部３に配置する光学部材１０として、少なくともガウシアン角度が０°より大きく１５°以下となるような拡散特性を有する光学部材を用いることが好ましい。なお、ガウシアン角度が０°の場合は、通路ＰＡに拡散特性を有する光学部材を配置しない場合であり、通路ＰＡに拡散特性を有する光学部材を配置すると、ガウシアン角度は０°より大きくなる。
【００２８】
図８は、ガウシアン角度が０°と５°の場合、ガラス板の表面に９０°頂角の凸部を形成した場合（比較例７）および１２０°頂角の凸部を形成した場合（比較例８）の照度（実線）と照度の均一性（点線）についてのシミュレーション結果を示す図である。図８に示すように、比較例７，８においては、ガウシアン角度が５°のものに比べ照度の均一性が低い。これは、比較例７，８の凸部は曲面ではなくプリズム形状であるため、指向性が強く、照度のばらつきが大きくなるためである。
【００２９】
次に、光学部材１０の最適な配置について説明する。図９Ａ，図９Ｂは、屈曲タイプの光ダクト装置１００（図２）において、光学部材１０の配置を種々変更した場合の放光口２における照度と照度の均一性についてのシミュレーション結果を示す図であり、図１０Ａ，図１０Ｂは、ストレートタイプの光ダクト装置１００（図１）において、光学部材１０の配置を種々変更した場合の放光口２おける照度と照度の均一性についてのシミュレーション結果を示す図である。図中、Ａ１，Ａ２，・・は、図１，２の位置Ｐ１，位置Ｐ２，・・にそれぞれ光学部材１０を配置した場合の結果であり、Ａ１２，Ａ１２３，・・は、位置Ｐ１と位置Ｐ２、位置Ｐ１と位置Ｐ２と位置Ｐ３，・・にそれぞれ光学部材１０を配置した場合の結果である。なお、Ａ０は光学部材１０を配置しない場合の結果である。
【００３０】
図９Ａ，図１０Ａに示すように、屈曲タイプとストレートタイプのいずれの光ダクト装置１００においても、光学部材１０の枚数が増えると、照度が低下する。また、図９Ｂ，図１０Ｂに示すように、屈曲タイプとストレートタイプのいずれの光ダクト装置１００においても、光学部材１０の枚数を増やしたからといって照度の均一性が向上するものではない。また、１枚の光学部材１０を配置するときは、採光部２に近いほど照度の均一性が向上する。これより、１枚または２枚の光学部材１０を採光部２の近く、少なくとも採光部１から放光部２に到る光路の中間地点よりも採光部１側に配置することが好ましい。
【００３１】
次に、レンズ部１１の最適形状について説明する。図１１Ａ、図１１Ｂは、図１２に示すように千鳥状に配置された凸状のレンズ部１１のモデルに対して行った照度（実線）と照度の均一性（点線）についてのシミュレーション結果を示す図である。とくに、図１１Ａは、隣り合うレンズ部１１，１１の間隔（ピッチＰ）と基準面からレンズ部１１の頂部までの高さＨとを所定値（Ｐ＝１０，Ｈ＝１）に固定し、レンズ部１１の曲率半径Ｒをパラメータとしたシミュレーション結果であり、図１１Ｂは、レンズ部１１の高さＨと曲率半径Ｒとを所定値（Ｈ＝１，Ｒ＝１０）に固定し、ピッチＰをパラメータとしたシミュレーション結果である。
【００３２】
ピッチＰと高さＨを一定とした場合、曲率Ｒが大きくなるにつれてレンズ部１１の充填率が高まり、光を屈折する斜面が増える。このため、図１１Ａに示すように、曲率Ｒの増加に伴い、照度が高くなるとともに、照度の均一性が改善される。しかし、曲率Ｒが所定値を超えると、隣り合うレンズ部１１，１１同士が干渉し始めるため、照度および照度の均一性が悪化する。一方、図１１Ｂに示すように、ピッチＰが増加すると、レンズ部１１の充填率が下がるため、照度および照度の均一性が低下する。この結果より、隣り合うレンズ部１１，１１同士が干渉しない程度に、レンズ部１１の充填率を高めることが好ましい。
【００３３】
本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）光ダクト装置１００は、太陽光を採り入れる採光部１と、採光部１から採り入れた光を室内に放射する放光部２と、採光部１と放光部２との間に光が伝搬する通路ＰＡを形成するダクト部３と、ダクト部３内の通路ＰＡに配置された透光性を有する光学部材１０とを備え、光学部材１０を、光学部材１０の表面に均一に形成された複数のレンズ部１１を有する指向性をもった光学部材として構成した。これにより採光部１から採り入れた太陽光が光学部材１０を介して狭い範囲で拡散し、効率よくかつ均一化して放光部２から光を放射することができる。
【００３４】
（２）複数のレンズ部１１を、それぞれ曲面状に形成することにより、直線状のプリズムとして構成した場合に比べ、指向性が強くなりすぎず（図８）、照度と照度の均一性をともに向上することができる。
【００３５】
（３）光の拡散特性をガウシアン分布で表したときに、ガウシアン角度が０°より大きくかつ１５°以下となるように光学部材１０を構成すると（図７）、照度と照度の均一性の両方をバランスよく向上することができる。
【００３６】
（４）光学部材１０を、採光部１から放光部２に到る光路の中間地点よりも採光部１側に配置すると、ストレート形状および屈曲形状のいずれのタイプの光ダクト装置１００においても、照度と照度の均一性を高めることができる（図９Ａ，図９Ｂ，図１０Ａ，図１０Ｂ）。
【００３７】
なお、上記実施形態では、光学部材１０の表面に複数のレンズ部１１を千鳥状に配置したが、光学部材１０の表面にレンズ部１１が均一に配置されるのであれば、レンズ部１１の配置はこれに限らない。例えば、複数のレンズ部１１を格子状に配置してもよい。レンズ部１１は曲面状に構成するのが好ましいが、指向性をもった拡散ができる光学部材として構成されるのであれば、レンズ部１１は曲面状でなくてもよい。
【００３８】
上記実施形態において、太陽光を採り入れる採光部１の構成、採光部１から採り入れた光を室内に放射する放光部２の構成、および採光部１と放光部２の間に光が伝搬する通路ＰＡを形成する光ダクト３の構成も上述したものに限らず、光ダクト装置が設置される建物の構造に合わせて変形することができる。例えばＬ字形状にダクト部３を構成してもよい。単一の放光部２をダクト部３の端部に設けたが、例えば複数の放光部２を通路ＰＡの長さ方向に沿って設けてもよい。
【００３９】
以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態および変形例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。すなわち、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１    採光部
２    放光部
３    ダクト部
１０    光学部材
１１    レンズ部
１００    光ダクト装置
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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