(57)【要約】【課題】季節または時間帯による採光効率の変動を効果的に抑制することができる太陽光採光システムを提供する。【解決手段】太陽光採光システム１は、光を採光する凹レンズ部１３を有する採光手段１０を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を採光する凹レンズ部を有する採光手段を備える、太陽光採光システム。
【請求項２】
前記採光手段に接続されて前記採光手段からの光を受ける導光手段をさらに備え、
前記導光手段は、少なくとも前記採光手段に接続する側の端部において、所定の第１方向と平行な光路を画成する、請求項１に記載の太陽光採光システム。
【請求項３】
前記採光手段は、一の時間に前記凹レンズ部の一の位置に入射した光の進行方向と、別の時間に前記凹レンズ部の別の位置に入射した光の進行方向とを、前記第１方向となるように変化させる、請求項２に記載の太陽光採光システム。
【請求項４】
前記採光手段は、前記凹レンズ部と前記導光路との間に、複数の単位プリズムからなるプリズムアレイを、さらに有し、
前記凹レンズ部は、一の時間に当該凹レンズ部の一の位置に入射した光の進行方向と、別の時間に当該凹レンズ部の別の位置に入射した光の進行方向とを、第２方向となるように変化させ、
前記プリズムアレイは、前記凹レンズ部からの前記第２方向に進む光の進行方向を前記第１方向に変化させる、請求項２に記載の太陽光採光システム。
【請求項５】
前記採光手段は、光学シートを有し、
前記光学シートの入光側の面に前記凹レンズ部が設けられ、
前記光学シートの出光側の面に前記プリズムアレイが設けられている、請求項４に記載の太陽光採光システム。
【請求項６】
前記凹レンズ部は、フレネルレンズである、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の太陽光採光システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光を採光する太陽光採光システムに係り、季節や時間帯による採光効率の変動を効果的に抑制することができる太陽光採光システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１及び２に開示されているように、太陽光を採光して当該光を所定の領域に導光する太陽光採光システムの開発が進められている。太陽光採光システムは、例えば、屋根に設置された採光手段と、採光手段で採光された太陽光を室内に導光する導光手段と、を有したシステムとして、室内の照明に用いられる。このような太陽光採光システムは、ＣＯ２の削減に寄与し、また直接的に省エネルギーを実現することができるシステムとして、注目を浴びている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１８９２８０
【特許文献２】特開２０１３−１１６７０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、太陽の位置は、時間帯および季節に応じて変化する。すなわち、太陽光採光システムへ入射する際の太陽光の入射方向は、時間帯および季節に応じて変化する。特許文献１及び特許文献２は、採光効率の改善を課題としているが、太陽光の入射方向の変化については全く対処されていない。また、太陽光採光システムの採光手段の位置または向きを太陽の位置に応じて可動とすることにより、時間帯および季節に依存せずに採光効率を安定させ得るとも考えられる。しかしながら、太陽光採光システムの採光手段を可動式にすると、採光手段が複雑化し且つ採光手段の製造コスト及び維持コストが増大してしまう。また、太陽光を室内照明として利用する太陽光採光システムにおいては、採光手段の可動に動力を必要とすること自体が、省エネルギーの観点からなじまない。
【０００５】
本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、季節または時間帯による採光効率の変動を効果的に抑制することができる太陽光採光システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による太陽光採光システムは、光を採光する凹レンズ部を有する採光手段を備える。
【０００７】
本発明による太陽光採光システムにおいて、前記採光手段に接続されて前記採光手段からの光を受ける導光手段をさらに備え、前記導光手段は、少なくとも前記採光手段に接続する側の端部において、所定の第１方向と平行な光路を画成してもよい。
【０００８】
本発明による太陽光採光システムにおいて、前記採光手段は、一の時間に前記凹レンズ部の一の位置に入射した光の進行方向と、別の時間に前記凹レンズ部の別の位置に入射した光の進行方向とを、前記第１方向となるように変化させてもよい。
【０００９】
本発明による太陽光採光システムにおいて、前記採光手段は、前記凹レンズ部と前記導光路との間に、複数の単位プリズムからなるプリズムアレイを、さらに有し、
前記凹レンズ部は、一の時間に当該凹レンズ部の一の位置に入射した光の進行方向と、別の時間に当該凹レンズ部の別の位置に入射した光の進行方向とを、第２方向となるように変化させ、
前記プリズムアレイは、前記凹レンズ部からの前記第２方向に進む光の進行方向を前記第１方向に変化させてもよい。
【００１０】
本発明による太陽光採光システムにおいて、前記採光手段は、光学シートを有し、前記光学シートの入光側の面に前記凹レンズ部が設けられ、前記光学シートの出光側の面に前記プリズムアレイが設けられていてもよい。
【００１１】
本発明による太陽光採光システムにおいて、前記凹レンズ部は、フレネルレンズであってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、季節又は時間帯による採光効率の変動を効果的に抑制することができる。したがって、本発明による太陽光採光システムによって採光された太陽光を利用することにより、省エネルギー及びＣＯ２の削減に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態による太陽光採光システムが取り付けられた建物を模式的に示す縦断面図である。
【図２】図２は、図１に示す太陽光採光システムの要部を示す概略図である。
【図３】図３は、図２に示す太陽光採光システムの採光手段を示す断面図である。
【図４】図４は、図２に対応する図であって、凹レンズ部がレンズの一部からなる例を示す概略図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施の形態による太陽光採光システムの要部を示す概略図である。
【図６】図６は、図５に示す太陽光採光システムの採光手段を示す断面図である。
【図７】図７は、図６に対応する図であって、図５に示す採光手段の一変形例を示す断面図である。
【図８】図８は、図５に対応する図であって、採光手段の他の変形例を示す断面図である。
【図９】図９は、図６に対応する図であって、図８に示す採光手段を拡大して示す断面図である。
【図１０】図１０は、図８に対応する図であって、太陽光採光システムの一実施例を説明するための図である。
【図１１】図１１は、図９に対応する図であって、太陽光採光システムの一実施例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図１〜図１０においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。
【００１５】
≪第１の実施の形態≫
図１〜図３は、本発明による第１の実施の形態を説明するための図である。このうち、図１は、太陽光採光システムが取り付けられた建物を模式的に示す縦断面図である。
【００１６】
図１に示すように、太陽光採光システム１０は、光を採光する凹レンズ１２を有する採光手段１０と、採光手段１０に接続されて採光手段１０からの光を受ける導光手段３０と、を備えている。以下に説明する例では、採光手段１０が建物９０の屋根９１に取り付けられ、採光手段１０で採光された光が建物９０内の部屋９５に導光手段３０を介して導かれるようになっている。
【００１７】
先ず、導光手段３０について説明する。図１に示すように、導光手段３０は、少なくとも採光手段１０に接続する側の端部において、第１方向ｄ１と平行な光路を画成する。具体的な構成として、導光手段３０は、採光手段１０に接続されて第１方向ｄ１に直線状に延びる導光路３１と、導光路３１から天井９３まで延びる接続路３２と、を有している。導光路３１の一端部は、採光手段１０の周りを取り囲み、導光路３１の他端部は、接続路３２に接続している。接続路３２は、曲線状または折れ線状の経路を延びて部屋９５に繋がっている。
【００１８】
このような導光路３１及び接続路３２は、中空の筒状部材で構成され得る。筒状部材の内面は、光を反射する機能、好ましくは、光を正反射、すなわち鏡面反射する機能を有し、これにより、内部を通る光がその内面で反射して案内される。このような筒状部材は、一例として、銀等の高反射率材料によって内面をコートされた金属製板材を用いて作製されたダクトとすることができる。
【００１９】
また、図１に示す例では、部屋９５に接続する接続路３２の端部に、拡散板９６が設置されている。拡散板９６によれば、部屋９５内をむらなく照明することが可能となる。もっとも、接続路３２の端部に拡散板９６が設置されていなくてもよく、導光手段３０内を導光された光が接続路３２の端部から直接的に射出してもよい。
【００２０】
次に、採光手段１０について図２及び図３を参照して説明する。図２は、太陽光採光システム１の要部を示す概略図であり、図３は、採光手段１０を示す断面図である。図２及び図３に示すように、採光手段１０は、第１光学シート１１を有している。第１光学シート１１は、シート状の本体部１２と、本体部１２の出光側の面１２ｂに配置された凹レンズ部１３と、を有している。
【００２１】
この第１光学シート１１の出光側の面は、凹レンズ部１３によって形成されている。一方、第１光学シート１１の入光側の面は、本体部１２の入光側の面１２ａによって形成され、図示された実施の形態では平滑面として形成されている。
【００２２】
なお、本明細書における「平滑」とは、光学的な意味合いでの平滑を意味するものである。すなわち、ここでは、或る程度の割合の可視光帯域の透過光が、スネルの法則を満たしながら屈折するようになる程度を意味している。したがって、例えば、本体部１２の入光側の面１２ａの十点平均粗さＲｚ（ＪＩＳＢ０６０１）が最短の可視光波長（０．３８μｍ）以下となっていれば、十分、平滑に該当する。
【００２３】
本実施の形態の第１光学シート１１は、凹レンズ部１３の光軸Ｘが導光路３１の長手方向である第１方向ｄ１に平行となるように設置されている。そして、太陽光は、第１光学シート１１の入光側の全面に平行光束として入射し、凹レンズ部１３で屈折して発散光として導光手段３０内に向かって進んでいく。
【００２４】
ところで、凹レンズではなく凸レンズを用いて採光手段を形成することも考えられる。この場合、太陽からの光は、凸レンズで屈折して導光手段内の一領域に集光する。しかしながら、この導光手段内の光が集光した領域に、光のエネルギーによる高い熱負荷がかかり、当該領域付近の導光手段が損傷してしまう可能性がある。導光手段が損傷すると、光を導光する機能が著しく低下し、結果として光の採光効率を大幅に低減させてしまう。
【００２５】
一方、本実施の形態では、採光手段１０は凹レンズ部１３を採用し、太陽からの光は、凹レンズ部１３で屈折して発散光として導光手段３０内に向かって進む。太陽からの光が、発散光として導光手段３０内を進んでいくため、導光手段３０内の一領域に集光することがない。このため、導光手段３０が、光のエネルギーによって損傷するということを効果的に防止することができる。
【００２６】
なお、凹レンズ部１３は、明確な焦点を有する完全なレンズ形状である必要はなく、太陽からの光を概ね発散光として射出可能な範囲内において、凹レンズ部１３の形状及びその形状から得られる光学特性を適宜変更してもよい。
【００２７】
さて、凹レンズ部１３の表面の傾きは面内で連続的に変化し、凹レンズ部１３の各位置で、入射する光に対して異なる光学作用を提供することができる。本実施の形態では、凹レンズ部１３の表面の傾きを適切に設定することにより、少なくとも、凹レンズ部１３は、一の時間に凹レンズ部１３の一の位置に入射した光の進行方向と、別の時間に凹レンズ部１３の別の位置に入射した光の進行方向とを、第１方向ｄ１となるように変化させるようになっている。好ましくは、太陽からの光が凹レンズ部１３に入射し得る任意の時間帯に、凹レンズ部１３のいずれかの位置に入射した光を、第１方向ｄ１に向かって透過させるようになっている。つまり、好ましくは、太陽からの光が凹レンズ部１３に入射し得る任意の時間において、凹レンズ部１３から射出した発散光は、第１方向ｄ１に向かう光を含んでいる。
【００２８】
このような光学作用を及ぼす凹レンズ部１３は、一例として次のようにして決定される。上述したように、第１光学シート１１は、凹レンズ部１３の光軸Ｘが導光路３１の長手方向である第１方向ｄ１と平行となるように設置されている。一方、図２に示すように、凹レンズ部１３の焦点Ｆに向かう各光Ｌ１〜３は、周知の通り、凹レンズ部１３で屈折して光軸Ｘと平行な方向に進んでいく。従って、所定の入射方向から凹レンズ部１３の各位置に入射する光のうち、焦点Ｆに向かって凹レンズ部１３の各位置に入射した光Ｌ１〜３は、凹レンズ部１３で屈折して、光軸Ｘと平行な第１方向ｄ１に進むようになる。つまり、一の時間に凹レンズ部１３に入射する光及び別の時間に凹レンズ部１３に入射する光、好ましくは任意の時間に凹レンズ部１３に入射した光が、焦点Ｆに向かう光を含むように、凹レンズ部１３の表面の傾きや大きさを決定すればよい。
【００２９】
図３に示す例では、凹レンズ部１３は、フレネルレンズからなる。なお、上述したように、太陽からの光が凹レンズ部１３に入射し得る任意の時間に凹レンズ部１３に入射した光が、焦点Ｆに向かう光を含むならば、図４に示すように、凹レンズ部１３は、フレネルレンズの一部であってもよい。
【００３０】
図３に示すように、凹レンズ部１３は、具体的には、複数のレンズ面１４と、隣り合う二つのレンズ面１４を接続するライズ面１５と、を含んでいる。なお、以下の説明では、凹レンズ部１３がサーキュラフレネルレンズからなる例を用いて説明するが、凹レンズ部１３がリニアフレネルレンズからなってもよい。
【００３１】
図示されたフレネルレンズは、複数のレンズ面１４の組み合わせによって、光軸Ｘを持つ凹レンズと同様のレンズ作用を発揮することを期待されている。各レンズ面１４は、環状の形状を有し、複数のレンズ面１４が、光軸Ｘを中心として同心円状に配列されている。つまり、光軸Ｘを含む任意の断面において、複数のレンズ面１４は、光軸Ｘから第１配列方向Ｐ１に沿って順に配列されている。
【００３２】
図３に示すように、各レンズ面１４が第１光学シート１１のシート面１１ｃとなす角度をレンズ角αとすると、光軸Ｘから、より離間して配置されたレンズ面１４の方が、レンズ角αが大きくなっていく。したがって、凹レンズ１２の光軸Ｘは、レンズ角αの大きさが最も小さくなる位置を通過している。
【００３３】
なお、本明細書において、「シート面（フィルム面、板面）」とは、対象となるシート状の部材を全体的かつ大局的に見た場合において対象となるシート状部材の平面方向と一致する面のことを指す。本実施の形態では、第１光学シート１１のシート面１１ｃと、本体部１２の入光側の面１２ａとは、平行になっている。また、第１光学シート１１のシート面１１ｃの法線方向ｎｄは、凹レンズ１２の光軸Ｘの延びる方向と平行である。
【００３４】
また、光軸Ｘの延びる方向における各レンズ面１４の寸法を高さｈとすると、配列方向Ｐ１に沿って光軸Ｘから、より離間して配置されたレンズ面１４の方が、高さｈが高くなっていく。また、図示する例では、レンズ面１４の第１配列方向Ｐ１におけるピッチＰは、一定となっている。
【００３５】
また、図３に示すように、隣り合う二つのレンズ面１４の間には、ライズ面１５が配置されている。各ライズ面１５は、法線方向ｎｄに沿って延びている。なお、ライズ面１５は、通常、光のレンズ作用を期待されていない面である。
【００３６】
次に、以上のような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。なお、以下の説明では、凹レンズ部１３の光軸Ｘが鉛直方向及び水平方向の両方に対して傾斜した状態で、採光手段１０が屋根９１に設置されている例を用いて説明する。
【００３７】
先ず、図２に示すように、朝または夕方の時間帯には、光軸Ｘに対して鉛直下方側に傾斜した方向から、太陽光Ｌ１が、平行光束として、採光手段１０の第１光学シート１１の入光側の全面に入射する。一方、正午の時間帯には、光軸Ｘに対して鉛直上方側に傾斜した方向から、太陽光Ｌ２が、平行光束として、第１光学シート１１に入射し、朝夕と正午との間の時間帯には、光軸Ｘにある程度沿った方向から、太陽光Ｌ３が、平行光束として、第１光学シート１１に入射する。各時間帯に第１光学シート１１に入射した太陽からの光Ｌ１〜Ｌ３は、凹レンズ部１３で屈折して発散光として導光手段３０内に向かって進んでいく。
【００３８】
導光手段３０内に向かって進む発散光は、指向性が低く、広範囲に亘って拡がっていく。とりわけ、本実施の形態では、凹レンズ部１３は、太陽からの光が凹レンズ部１３に入射し得る任意の時間に凹レンズ部１３のいずれかの位置に入射した光を、光軸Ｘと平行な第１方向ｄ１に向けて進めるようになっているため、任意の時間に凹レンズ部１３のいずれかの位置に入射した太陽からの光Ｌ１〜Ｌ３は、第１方向ｄ１に向かって進んでいくことになる。屈折して凹レンズ部１３を透過し第１方向ｄ１に向かう光は、導光路３１の内面で反射することなく導光路３１内を進んでいく。このような光は、反射損失の影響を受けることがないため光量を低減させることなく、第１方向ｄ１と平行に延びる導光路３１を通過することができる。
【００３９】
一方、導光路３１内を第１方向ｄ１に対して傾斜した方向に向かって進む光は、導光路３１の内面で反射しながら導光路３１内を進んでいく。この光は、反射する度に光量の一部を失いながら、導光路３１を通過することになる。
【００４０】
これら導光路３１を通過した光は、接続路３２内に進入し、接続路３２の内面で反射しながら案内される。この光が、接続路３２の端部に設置された拡散板９６まで到達すると、拡散板９６から部屋９５内に拡散光として照射させられる。これにより、部屋９５内をむらなく照明することができる。
【００４１】
以上のように、本実施の形態によれば、凹レンズ部１３の表面の傾きを適切に設定することにより、凹レンズ部１３は、一の時間に凹レンズ部１３の一の位置に入射した光の進行方向と、別の時間に凹レンズ部１３の別の位置に入射した光の進行方向とを、導光路３１の長手方向である第１方向ｄ１となるように変化させるようになっている。第１方向ｄ１に向かって進む光は、導光路３１の内面で反射することなく導光路３１内を進み、光量を損失させることなく、導光路３１を通過することができる。このため、上記一の時間を含む一の時間帯と、上記別の時間を含む別の時間帯と、において、光の採光効率をある程度維持することができる。
【００４２】
さらに、凹レンズ部１３の表面の傾きを適切に設定することにより、時間帯や季節の変化に応じて凹レンズ部１３に入射する太陽からの光の入射方向が変化しても、凹レンズ部１３から導光手段３０内に向けて射出された発散光は、導光路３１の長手方向である第１方向ｄ１に向かう光を含むことができる。導光路３１内を導光路３１の長手方向である第１方向ｄ１に向かう光は、導光路３１の内面で反射することなく導光路３１内を進み、光量を損失することなく、導光路３１を通過することができる。従って、時間帯や季節の変化に応じて凹レンズ部１３に入射する太陽からの光の入射方向が変化しても、部屋９５に取り込む光の採光効率をある程度安定させることができる。
【００４３】
また、以上のことから、本実施の形態による太陽光採光システム１によれば、季節や時間帯による採光効率の変動を効果的に抑制することができ、これにより、一年を通して安定した光量の太陽光を採光することができる。すなわち、従来におけるこの種の太陽光採光システム１が抱えていた問題を取り除くことにより、太陽光採光システム１の普及を通じて、省エネルギー及びＣＯ２削減に大いに寄与することが可能となる。また、採光手段１０を可動式にする必要がなく、構造の複雑化を回避することができる。
【００４４】
また、本実施の形態によれば、光を採光する凹レンズ部１３を有する採光手段１０を備えているため、採光手段１０の凹レンズ部１３に入射する太陽からの光Ｌ１〜３は、凹レンズ部１３で屈折して発散光として導光手段３０内に向かって進んでいく。導光手段３０内に向かう発散光は、指向性が低く、広範囲に亘って拡がっていくため、導光手段３０内の一点に集光することがない。このため、導光手段３０が光のエネルギーによって損傷するということを防止することができる。
【００４５】
また、本実施の形態によれば、採光手段１０の凹レンズ部１３は、フレネルレンズからなる。この場合、凹レンズ部１３の厚みを薄くすることができるため、採光手段１０が軽量となり、採光手段１０を容易に設置することができる。
【００４６】
≪第２の実施の形態≫
次に、図５及び図６を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。図５は、本発明の第２の実施の形態による太陽光採光システム１の要部を示す概略図であり、図６は、図５に示す太陽光採光システム１の採光手段１０を示す断面図である。図５及び図６を参照して説明する第２の実施の形態は、採光手段１０が、凹レンズ部１３と導光路３１との間に第１プリズムアレイ２３をさらに有する点で異なるが、その他の構成は、第１の実施形態と同様に構成することができる。第２の実施の形態に関する以下の説明および以下の説明で用いる図面では、上述した第１の実施の形態と同様に構成され得る部分について、上述の第１の実施の形態における対応する部分に対して用いた符号と同一の符号を用いることとし、重複する説明を省略する。
【００４７】
図５及び図６に示すように、太陽光採光システム１０は、光を採光する凹レンズ１２を有する採光手段１０と、採光手段１０に接続されて採光手段１０からの光を受ける導光手段３０と、を備えている。以下に説明する例では、図１に示す第１の実施の形態と同様に、採光手段１０が建物９０の屋根９１に取り付けられ、採光手段１０で採光された光が建物９０内の部屋９５に導光手段３０を介して導かれるようになっている。
【００４８】
図５及び図６に示すように、第１光学シート１１は、シート状の本体部１２と、本体部１２の出光側の面１２ｂに配置された凹レンズ部１３と、を有している。第１光学シート１１は、凹レンズ部１３の光軸Ｘが導光路３１の長手方向である第１方向ｄ１に対して傾斜した状態で、導光路３１と間隔を空けて設置されている。
【００４９】
本実施の形態では、凹レンズ部１３は、少なくとも、一の時間に凹レンズ部１３の一の位置に入射した光の進行方向と、別の時間に凹レンズ部１３の別の位置に入射した光の進行方向とを、光軸Ｘの延びる第２方向ｄ２となるように変化させるようになっている。好ましくは、太陽からの光が凹レンズ部１３に入射し得る任意の時間に凹レンズ部１３のいずれかの位置に入射した光を、光軸Ｘの延びる第２方向ｄ２に向かって透過させるようになっている。つまり、好ましくは、太陽からの光が凹レンズ部１３に入射し得る任意の時間において、凹レンズ部１３から射出した発散光は、第２方向ｄ２に向かう光を含んでいる。
【００５０】
また、採光手段１０は、凹レンズ部１３と導光路３１との間に第２光学シート２１を有している。第２光学シート２１は、第１光学シート１１と間隔を空けて配置され、第２光学シート２１のシート面２１ｃは、第１光学シート１１のシート面１１ｃと平行になっている。もっとも、第２光学シート２１のシート面２１ｃは、第１光学シート１１のシート面１１ｃに対して傾斜していてもよい。また、図示する例では、第２光学シート２１は、第２光学シート２１のシート面２１ｃが導光路３１の長手方向である第１方向ｄ１に対して傾斜した状態で、導光路３１に接続されている。
【００５１】
図６に示すように、採光手段１０の第２光学シート２１は、シート状の本体部２２と、本体部２２の出光側の面２２ｂ上に配置された第１プリズムアレイ２３と、を有している。第１プリズムアレイ２３は、第１光学シート１１の凹レンズ部１３からの光を導光路３１内に向けて偏向させるようになっている。本実施の形態では、第１プリズムアレイ２３は、第１光学シート１１の凹レンズ部１３からの第２方向ｄ２に向かう光の進行方向を、導光路３１の長手方向である第１方向ｄ１に向けて変化させるようになっている。
【００５２】
上述したように、凹レンズ部１３は、少なくとも、一の時間に凹レンズ部１３の一の位置に入射した光の進行方向と、別の時間に凹レンズ部１３の別の位置に入射した光の進行方向とを、第２方向ｄ２と平行となるように変化させるようになっており、第１プリズムアレイ２３は、凹レンズ部１３で屈折して第２方向ｄ２に進み出る光の進行方向を、導光路３１の長手方向である第１方向ｄ１に変化させるようになっている。これにより、採光手段１０は、一の時間に凹レンズ部１３の一の位置に入射した光の進行方向と、別の時間に凹レンズ部１３の別の位置に入射した光の進行方向とを、導光路３１の長手方向である第１方向ｄ１に変化させることができる。
【００５３】
第１プリズムアレイ２３は、第２配列方向Ｐ２に沿って配列された複数の第１単位プリズム２４からなる。
【００５４】
第１プリズムアレイ２３をなす各第１単位プリズム２４は、本体部２２の出光側の面２２ｂ上において、第２配列方向Ｐ２に直交する方向に直線状に延びている。また、各第１単位プリズム２４は、本体部２２の出光側の面２２ｂから、当該面２２ｂから離間するにつれて先細になるように突出している。図６に示すように、第１単位プリズム２４は、その長手方向に直交する断面（つまり第２配列方向Ｐ２に直交する断面）において、三角形形状の断面形状を有している。すなわち、各第１単位プリズム２４は、第２配列方向Ｐ２に沿って一方の側に位置する第１面２４ａと、第２配列方向Ｐ２に沿って他方の側に位置する第２面２４ｂと、を有している。図示する例では、第１面２４ａが第２光学シート２１のシート面２１ｃに対してなす角度は、第２面２４ｂが第２光学シート２１のシート面２１ｃに対してなす角度よりも小さい。そして、第１面２４ａが、第２方向ｄ２に沿って入射した光を導光路３１の長手方向となる第１方向ｄ１に向けて偏向させる屈折面として期待されている。
【００５５】
第１単位プリズム２４は、本体部２２上に隙間無く配列され、第２光学シート２１の出光側の面は、第１単位プリズム２４によって形成されている。一方、第２光学シート２１の入光側の面は、本体部２２の入光側の面２２ａによって形成され、図示された実施の形態では平滑面として形成されている。
【００５６】
なお、本明細書における「単位プリズム」とは、屈折や反射等の光学的作用を光に及ぼして、当該光の進行方向を変化させる機能を有した要素のことを意味し、呼称の違いのみに基づいて、「単位レンズ」、「単位要素」、「単位形状要素」及び「単位光学要素」といった要素から区別されるものではない。
【００５７】
次に、以上のような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００５８】
図５に示すように、朝または夕方の時間帯には、光軸Ｘに対して鉛直下方側に傾斜した方向から、太陽光Ｌ１１が、平行光束として、採光手段１０の第１光学シート１１の入光側の全面に入射する。一方、正午の時間帯には、光軸Ｘ光軸Ｘに対して鉛直上方側に傾斜した方向から、太陽光Ｌ１２が、平行光束として、第１光学シート１１に入射し、朝夕と正午との間の時間帯には、光軸Ｘにある程度沿った方向から、太陽光Ｌ１３が、平行光束として、第１光学シート１１に入射する。各時間帯に第１光学シート１１に入射した太陽からの光Ｌ１１〜Ｌ１３は、凹レンズ部１３で屈折して発散光として第２光学シート２１に向かって進んでいく。
【００５９】
第２光学シート２１に向かう発散光は、指向性が低く、広範囲に亘って拡がっていく。とりわけ、本実施の形態では、凹レンズ部１３は、太陽からの光が凹レンズ部１３に入射し得る任意の時間に凹レンズ部１３のいずれかの位置に入射した光を、光軸Ｘの延びる第２方向ｄ２に向かって屈折させるようになっているため、任意の時間に凹レンズ部１３のいずれかの位置に入射した太陽からの光Ｌ１１〜Ｌ１３は、光軸Ｘの延びる第２方向ｄ２に向かって進んでいくことになる。
【００６０】
凹レンズ部１３を透過した光は、第２光学シート２１の入光側の面に入射し、第１プリズムアレイ２３によって偏向させられて導光路３１内に向かって進む。とりわけ、凹レンズ部１３を透過して第２方向ｄ２に向かう光は、第２光学シート２１の第１プリズムアレイ２３によって、導光路３１の長手方向である第１向ｄ１に向けて進行方向を曲げられる。
【００６１】
導光路３１内を第１方向ｄ１に進む光は、導光路３１の内面で反射することなく導光路３１内を進んでいく。このような光は、反射損失の影響を受けることがないため光量を低減させることなく、第１方向ｄ１と平行に延びる導光路３１を通過することができる。
【００６２】
一方、第１プリズムアレイ２３を透過して第１方向ｄ１に対して傾斜した方向に向かう光は、導光路３１の内面で反射しながら導光路３１内を進んでいく。この光は、反射する度に光量の一部を失いながら、導光路３１を通過することになる。
【００６３】
これら導光路３１を通過した光は、接続路３２内に進入し、接続路３２の内面で反射しながら案内される。この光が、接続路３２の端部に設置された拡散板９６まで到達すると、拡散板９６から部屋９５内に拡散光として照射させられる。
【００６４】
以上のように、本実施の形態によれば、凹レンズ部１３の表面の傾きを適切に設定することにより、凹レンズ部１３は、一の時間に当該凹レンズ部１３の一の位置に入射した光の進行方向と、別の時間に当該凹レンズ部１３の別の位置に入射した光の進行方向とを、第２方向ｄ２となるように変化させ、第１プリズムアレイ２３は、凹レンズ部１３からの第２方向ｄ２に進む光の進行方向を、導光路３１の長手方向である第１方向ｄ１に変化させるようになっている。第１方向ｄ１に向かって進む光は、導光路３１の内面で反射することなく導光路３１内を進み、光量を損失させることなく、導光路３１を通過することができる。このため、上記一の時間を含む一の時間帯と、上記別の時間を含む別の時間帯と、において、光の採光効率をある程度維持することができる。
【００６５】
さらに、凹レンズ部１３の表面の傾き及び第１プリズムアレイ２３の角度を適切に設定することにより、時間帯や季節の変化に応じて凹レンズ部１３に入射する太陽からの光の入射方向が変化しても、凹レンズ部１３から第１プリズムアレイ２３を介して導光路３１内に向かって進む発散光は、導光路３１の長手方向である第１方向ｄ１に向かう光を含むことができる。導光路３１内を第１方向ｄ１に向かって進む光は、導光路３１の内面で反射することなく導光路３１内を進み、光量を損失させることなく、導光路３１を通過することができる。従って、時間帯や季節の変化に応じて凹レンズ部１３に入射する太陽からの光の入射方向が変化しても、部屋９５に取り込む光の採光効率をある程度安定させることができる。
【００６６】
また、本実施の形態によれば、光を採光する凹レンズ部１３を有する採光手段１０を備えているため、採光手段１０の凹レンズ部１３に入射する太陽からの光Ｌ１１〜１３は、凹レンズ部１３で屈折して発散光として第１プリズムアレイ２３を介して導光路３１内に向かって進んでいく。導光路３１内に向かう発散光は、指向性が低く、広範囲に亘って拡がっていくため、導光路３１内の一点に集光することがない。このため、導光手段３０の導光路３１が光のエネルギーによって損傷するということを防止することができる。
【００６７】
また、本実施の形態によれば、第１プリズムアレイ２３は、凹レンズ部１３からの光を導光路３１内に向けて偏向させるようになっている。この場合、凹レンズ部１３での屈折によって光の進行方向を導光路３１の長手方向である第１方向ｄ１に直接曲げなくても、第１プリズムアレイ２３を介して第１方向ｄ１に曲げることができる。これにより、太陽光採光システム１の設置の自由度を高めることができ、建物９０の形状や屋根９１の設置スペース等にも柔軟に対応することができる。
【００６８】
≪変形例≫
なお、上述した第２の実施の形態に対して様々な変更を加えることが可能である。以下、図面を参照しながら、変形の一例について説明する。以下の説明および以下の説明で用いる図面では、上述した第２の実施の形態と同様に構成され得る部分について、上述の実施の形態における対応する部分に対して用いた符号と同一の符号を用いることとし、重複する説明を省略する。
【００６９】
上述した第２の実施の形態では、図５に示すように、採光手段１０が、凹レンズ部１３を含む第１光学シート１１と、第１プリズムアレイ２３を有する第２光学シート２１と、を有する例を示したが、採光手段１０の構成は、上述した構成に限定されない。図７に、採光手段１０の他の構成例を示す。図７に示す例では、採光手段１０は、光学シート１１１を有し、光学シート１１１の入光側の面１１１ａに凹レンズ部１３が設けられ、光学シート１１１の出光側の面１１１ｂに第１プリズムアレイ２３が設けられている。
【００７０】
図７に示すように、具体的な構成として、光学シート１１１は、シート状の本体部１１２を有している。本体部１１２の入光側の面１１２ａに凹レンズ部１３が配置され、本体部１２の出光側の面１１２ｂに第１プリズムアレイ２３が配置されている。
【００７１】
このような形態によれば、凹レンズ部１３及び第１プリズムアレイ２３を単一の光学シート１１１に設けることができるため、採光手段１０をコンパクトに構成することができ、設置スペースの点で優れている。
【００７２】
また、上述した第２の実施の形態において、採光手段１０が、凹レンズ部１３と第１プリズムアレイ２３との間に第２プリズムアレイ２６をさらに有していてもよい。図８及び図９に、採光手段１０が第２プリズムアレイ２６をさらに有した例を示す。
【００７３】
図８及び図９に示す例では、第１光学シート１１は、凹レンズ部１３の光軸Ｘが導光路３１の長手方向である第１方向ｄ１に対して傾斜した状態で、導光路３１と間隔を空けて設置されている。一方、第２光学シート２１は、第１光学シート１１と間隔を空けて設置され、第２光学シート２１のシート面２１ｃが第１光学シート１１のシート面１１ｃに対して傾斜している。また、第２光学シート２１のシート面２１ｃが導光路３１の長手方向である第１方向ｄ１に対して傾斜した状態で、第２光学シート２１は導光路３１に接続されている。
【００７４】
図８に示すように、第２光学シート２１の本体部２２の入光側の面２２ａ上に、第２プリズムアレイ２６が配置されている。第２プリズムアレイ２６は、第１プリズムアレイ２３と協働して、凹レンズ部１３からの光を偏向させて導光路３１に向けるようになっている。本実施の形態では、第２プリズムアレイ２６は、第１光学シート１１の凹レンズ部１３から、その光軸Ｘと平行な第２方向ｄ２に向けて進み出た光を、第１プリズムアレイ２３に向けて偏向させ、第１プリズムアレイ２３は、第２プリズムアレイ２６からの光を、導光路３１の長手方向である第１方向ｄ１に向けて偏向させるようになっている。
【００７５】
図９に示すように、本体部２２の入光側の面２２ａ上に配置された第２プリズムアレイ２６は、第３配列方向Ｐ３に沿って配列された複数の第２単位プリズム２７からなる。本実施の形態では、第２単位プリズム２７の第３配列方向Ｐ３は、第１単位プリズム２４の第２配列方向Ｐ２と平行になっている。
【００７６】
第２プリズムアレイ２６をなす各第２単位プリズム２７は、本体部２２の入光側の面２２ａ上において、第３配列方向Ｐ３に直交する方向に直線状に延びている。また、各第２単位プリズム２７は、本体部２２の入光側の面２２ａから、当該面２２ａから離間するにつれて先細になるように突出している。図９に示すように、第２単位プリズム２７は、その長手方向に直交する断面（つまり第３配列方向Ｐ３に直交する断面）において、三角形形状の断面形状を有している。すなわち、各第２単位プリズム２７は、第３配列方向Ｐ３に沿って一方の側に位置する第１面２７ａと、第３配列方向Ｐ３に沿って他方の側に位置する第２面２７ｂと、を有している。図示する例では、第１面２７ａが第２光学シート２１のシート面２１ｃに対してなす角度は、第２面２７ｂが第２光学シート２１のシート面２１ｃに対してなす角度よりも小さい。そして、第１面２７ａが、第２方向ｄ２に沿って第１プリズムアレイ２３に入射し当該第１プリズムアレイ２３で偏向された光を、導光路３１の長手方向となる第１方向ｄ１に向けて偏向させる屈折面として期待されている。
【００７７】
このような形態によれば、凹レンズ部１３を透過した光Ｌ２１〜Ｌ２３は、第２光学シート２１の第２プリズムアレイ２６に入射し、第２プリズムアレイ２６によって偏向させられて第１プリズムアレイ２３に向かう。第１プリズムアレイ２３に入射した光は、第１プリズムアレイ２３によって導光路３１内に向けて偏向させられる。つまり、凹レンズ部１３からの光の進行方向を、第１プリズムアレイ２３及び第２プリズムアレイ２６によってそれぞれ変化させることにより、当該光を導光路３１内に向けて大きく曲げることができる。
【００７８】
ここで、本件発明者が行ったシミュレーション結果及び実験結果の一部として、以下のシミュレーション結果を説明する。
【００７９】
まず、図１０及び図１１に、シミュレーション対象とした太陽光採光システム１のモデルを示す。このシミュレーションモデルでは、図８及び図９を参照して説明した太陽光採光システム１の構成と同一の構成とした。図１０及び図１１は、それぞれ図８及び図９に対応する図であり、モデルの寸法の一部を示している。
【００８０】
採光手段１０に関して、第１光学シート１１における凹レンズ部１３の焦点距離を５０ｃｍとし、凹レンズ部１３のレンズ面１４の第１配列方向Ｐ１への配列ピッチＰを０．２ｍｍとした。第１光学シート１１は、ポリメタクリル酸メチル樹脂からなる厚み４ｍｍの基材の表面に、屈折率１．５５の紫外線硬化型樹脂を賦型することにより作製したものとした。作製された第１光学シート１１のサイズは、第１配列方向Ｐ１の寸法が７７．７ｃｍであり、第１配列方向Ｐ１に直交する方向の寸法が７７．７ｃｍであった。
【００８１】
一方、第２光学シート２１における第１単位プリズム２４の第２配列方向Ｐ２及び第２単位プリズム２７の第３配列方向Ｐ３への配列ピッチは、共に０．２ｍｍとした。また、図１１に示すように、第１単位プリズム２４の第１面２４ａが第２光学シート２１のシート面２１ｃに対してなす角度を３３．３°とし、第１単位プリズム２４の第２面２４ｂが第２光学シート２１のシート面２１ｃに対してなす角度を９０°とした。同様に、第２単位プリズム２７の第１面２７ａが第２光学シート２１のシート面２１ｃに対してなす角度を３３．３°とし、第２単位プリズム２７の第２面２７ｂが第２光学シート２１のシート面２１ｃに対してなす角度を９０°とした。第２光学シート２１は、真鍮板をダイヤモンドバイトにて切削して作製した金型を用いて、ポリメタクリル酸メチル樹脂からなる厚み４ｍｍの基材の表面に、屈折率１．５５の紫外線硬化型樹脂を賦型することにより作製したものとした。作製された第２光学シート２１のサイズは、第２配列方向Ｐ２の寸法が８５．７ｃｍであり、第２配列方向Ｐ２に直交する方向（第１単位プリズム２４の長手方向）の寸法が７７．７ｃｍであった。
【００８２】
導光手段３０に関して、図１０に示すように、導光手段３０の導光路３１は、当該導光路３１の長手方向である第１方向ｄ１が鉛直方向を向くように設置した。導光路３１の長手方向である第１方向ｄ１の長さは、３００ｃｍとし、第１方向ｄ１に直交する断面における導光路３１の形状は、一辺が７７．７ｃｍからなる中空の正方形からなる。また、導光路３１の反射率は９５％とした。
【００８３】
そして、導光路３１の上方側の端部を覆うように、採光手段１０の第２光学シート２１を配置した。第２光学シート２１の鉛直方向に対する傾斜角度は、６５°であった。また、第２光学シート２１の下端と第１光学シート１１の下端との間に、４ｍｍのスペースを設けて、第１光学シート１１を配置した。第１光学シート１１の鉛直方向に対する傾斜角度は、４０°であった。
【００８４】
以上のモデルに対して、太陽光が鉛直方向に対して１２．２°〜８７．９°の角度から凹レンズ部１３に入射する、という条件で採光効率をシミュレーションした。ここで採光効率とは、太陽から第１光学シート１１に直接入射する入射光の光量に対する、当該入射光のうち導光路３１を通過する光の光量の割合とした。
【００８５】
シミュレーション結果によれば、本モデルは、採光手段を設けていない太陽光採光システムに比べて、季節又は時間帯による採光効率の変動を３０％低減することができた。したがって、本モデルによれば、採光効率の低い時間帯において、太陽光採光システム１以外の照明手段を用いる必要を無くすことができる。また、屋外と異なる明暗が生じることによる違和感をなくすことができる。また、太陽光採光システム１によって採光された太陽光を利用することにより、省エネルギー及びＣＯ２の削減に貢献することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１    太陽光採光システム
１０  採光手段
１１  第１光学シート
１１ｃ  シート面
１３  凹レンズ部
１４  レンズ面
１５  ライズ面
１１１  光学シート
１１１ａ  入光側の面
１１１ｂ  出光側の面
１１２  本体部
２１  第２光学シート
２１ｃ  シート面
２３  第１プリズムアレイ
２４  第１単位プリズム
２６  第２プリズムアレイ
２７  第２単位プリズム
３０  導光手段
３１  導光路
３２  接続路
ｄ１  第１方向
ｄ２  第２方向
Ｐ１  第１配列方向
Ｐ２  第２配列方向
Ｐ３  第３配列方向
Ｘ    光軸
【図１】
2015005453.tif 000003
【図２】
2015005453.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2015005453.tif 000008
【図７】
2015005453.tif 000009
【図８】
2015005453.tif 000010
【図９】
2015005453.tif 000011
【図１０】
2015005453.tif 000012
【図１１】
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