(57)【要約】  夏至の太陽の南中高度がθＳである場所で使用される窓ガラスであって、ガラス板内部に回折格子が形成されており、その回折格子の格子面とガラス板の面の垂線とのなす角度が、窓ガラスの屈折率をｎとして、［ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ）＋ｓｉｎ−１（１／ｎ）］／２以上、［ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ）＋９０°＋ｓｉｎ−１（１／ｎ）］／２以下である窓ガラス。【特許請求の範囲】
【請求項１】
夏至の太陽の南中高度がθＳである場所で使用される窓ガラスであって、ガラス板内部に回折格子が形成されており、その回折格子の格子面とガラス板の面の垂線とのなす角度（単位：°）が、窓ガラスの屈折率をｎとして、［ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ）＋ｓｉｎ−１（１／ｎ）］／２以上、［ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ）＋９０°＋ｓｉｎ−１（１／ｎ）］／２以下である窓ガラス。
【請求項２】
回折格子がガラス板の一方の面に到達するものである請求項１に記載の窓ガラス。
【請求項３】
回折格子の回折波長域が８００〜２１００ｎｍである請求項１または２に記載の窓ガラス。
【請求項４】
回折格子の格子間隔（単位：μｍ）が、φｍｉｎを［ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ）＋ｓｉｎ−１（１／ｎ）］／２、φｍａｘを［（ｓｉｎ−１θＳ）／ｎ＋９０°＋ｓｉｎ−１（１／ｎ）］／２として、０．８／［２ｎ・ｃｏｓ（９０°−φｍｉｎ＋ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ））］以上、２．１／［２ｎ・ｃｏｓ（９０°−φｍａｘ＋ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ））］以下である請求項１、２または３に記載の窓ガラス。
【請求項５】
回折格子の、ガラス板の面に垂直な方向の厚み（単位：μｍ）が、φｍｉｎを［ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ）＋ｓｉｎ−１（１／ｎ）］／２、φｍａｘを［（ｓｉｎ−１θＳ）／ｎ＋９０°＋ｓｉｎ−１（１／ｎ）］／２、回折格子の格子面の屈折率とｎとの差の絶対値をΔｎとして、［ｎ＋０．４×［ｃｏｓ（２φｍａｘ−ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ））×ｃｏｓ（ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ））］１／２（Δｎ／２）−１］以上、［ｎ＋１．０５×［ｃｏｓ（２φｍｉｎ−ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ））×ｃｏｓ（ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ））］１／２（Δｎ／２）−１］以下である請求項１、２、３または４に記載の窓ガラス。
【請求項６】
格子面の屈折率が（ｎ＋０．０００１）以上または（ｎ−０．０００１）以下である請求項１〜５のいずれかに記載の窓ガラス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
新規な窓ガラスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、建築物の窓ガラスにおいて、赤外線透過による室内の温度上昇を防ぐためにいくつかの方法が実用化されている。たとえば特公昭６３−３２７３６号公報および特開平５−２１３６３０号公報に示されるものは、ガラス表面に金属や金属酸化物、誘電体の薄膜をコーティングして赤外線の透過量をコントロールし温度上昇を防ぐものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、太陽は夏と冬で、あるいは南中時と日没時ではその高度が大きく異なる。上述の方法の場合、透過量をコントロールしたい太陽光の波長域が固定されるため、たとえば夏季に赤外線の取り込みを遮断したい場合と冬季に赤外線を効果的に取り込みたい場合とを両立することが不可能である。
また、ガラス表面に金属や金属酸化物の薄膜をコーティングしたものは、金属薄膜が電波を透過しないため室内で携帯電話が使用できなくなるといった問題や干渉色が現れるという視覚上の問題もあった。
本発明はこのような問題を解決できる窓ガラスの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、夏至の太陽の南中高度がθＳである場所で使用される窓ガラスであって、ガラス板内部に回折格子が形成されており、その回折格子の格子面とガラス板の面の垂線とのなす角度φが、窓ガラスの屈折率をｎとして、［ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ）＋ｓｉｎ−１（１／ｎ）］／２以上、［ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ）＋９０°＋ｓｉｎ−１（１／ｎ）］／２以下である窓ガラスを提供する。【０００５】
また、本発明は回折格子がガラス板の一方の面に到達するものである前記窓ガラスを提供する。
また、本発明は回折格子の回折波長域が８００〜２１００ｎｍである前記窓ガラスを提供する。
また、本発明は回折格子の、ガラス板の面に垂直な方向の厚み（単位：μｍ）が、φｍｉｎを［ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ）＋ｓｉｎ−１（１／ｎ）］／２、φｍａｘを［（ｓｉｎ−１θＳ）／ｎ＋９０°＋ｓｉｎ−１（１／ｎ）］／２、回折格子の格子面の屈折率とｎとの差の絶対値をΔｎとして、［ｎ＋０．４×［ｃｏｓ（２φｍａｘ−ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ））×ｃｏｓ（ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ））］１／２（Δｎ／２）−１］以上、［ｎ＋１．０５×［ｃｏｓ（２φｍｉｎ−ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ））×ｃｏｓ（ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ））］１／２（Δｎ／２）−１］以下である前記窓ガラスを提供する。【０００６】
なお、この窓ガラスにおける回折格子がガラス板の一方の面に到達するものである場合には、格子面の前記厚みはその一方の面からの回折格子の格子面が形成されている深さである。
【発明の効果】
【０００７】
夏季に赤外線の取り込みを遮断したい場合と冬季に赤外線を効果的に取り込みたい場合とを両立することが可能となり、エアコン等に使われる電力使用量を低減できる。また、電波透過性も良好なため、室内での携帯電話の使用も可能となる。さらに、干渉色がないため無色透明な窓ガラスが実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】冬至の南中時太陽光が、回折格子がガラス板の一方の面に到達している本発明の窓ガラスに入射し、透過する様子を示す概念図である。
【図２】夏至の南中時太陽光が、回折格子がガラス板の一方の面に到達している本発明の窓ガラスに入射し、そのうちの特定波長の光が回折され、その他の波長の光が透過する様子を示す概念図である。
【符号の説明】
【０００９】
１：ガラス板
２：格子面（回折面）
１０：窓ガラス
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は冬至の南中時太陽光が、図２は夏至の南中時太陽光がそれぞれ本発明の窓ガラスに入射したときの様子を示す概念図（断面図）である。以下ではガラス板内部の回折格子がガラス板の一方の面に到達しているこれらの図を用いて説明するが、本発明はこのようなものに限定されない。
θＷ、θＳはそれぞれ冬至、夏至の太陽の南中高度、１０は本発明の窓ガラスである。
窓ガラス１０のガラス板１には複数の格子面（回折面）２が格子間隔ｄで平行に形成されてなる回折格子が形成されている。【００１１】
図１では窓ガラス１０に入射した入射角度がθＷである冬至の南中時太陽光が回折格子で回折されることなく窓ガラス１０を透過する様子を示す。図１中の波長λの光とは図２について説明する波長λの光に同じである。【００１２】
図２では窓ガラス１０に入射した入射角度がθＳである夏至の南中時太陽光のうちの波長λの光が回折格子によって回折され、その他の波長の光は回折格子で回折されることなく窓ガラス１０を透過する様子を示す。図２についてさらに説明する。【００１３】
ガラス板１に入射した太陽光は、窓ガラス１０の屈折率すなわちガラス板１の屈折率をｎとしてｓｉｎθＳ＝ｎ・ｓｉｎαを満たす角度α＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ）の方向に進み、格子面（回折面）２に到達する。
格子面２に到達した光のうち、ブラッグ条件を満たす波長λの光のみ回折角度βの方向へ回折される。
格子面２が太陽光の入射する面の垂線となす角度φ（単位：°）とα、βの間には次式の関係が成立する。
φ＝（α＋β）／２。
ガラス板１の臨界角をγ＝ｓｉｎ−１（１／ｎ）として、φは［ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ）＋γ］／２以上、［ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ）＋９０°＋γ］／２以下であるので、βはγ以上（γ＋９０°）以下である。したがって前記回折された光はガラス板１中に閉じ込められる。なお、たとえばｎが１．５の場合、γは約４１．８°である。【００１４】
格子面２に到達した光のうち、波長がλではない光は回折されることなく窓ガラス１０を透過する。【００１５】
λが８００〜２１００ｎｍの範囲（赤外線の範囲）にある場合、典型的にはλが８００〜１４００ｎｍの範囲にある場合において、窓ガラス１０が冬至と夏至において図１、図２に示すように作用すれば、夏季には室温上昇の原因となる赤外線が有効に遮断され、冬季にはこれら赤外線を室内に有効に取り込むことが可能になる。【００１６】
格子間隔ｄ（単位：μｍ）は次式によって表される。
ｄ＝λ／［２ｎ・ｃｏｓ（９０°−φ＋ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ））］。
ｄは典型的には、φｍｉｎを［ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ）＋ｓｉｎ−１（１／ｎ）］／２、φｍａｘを［（ｓｉｎ−１θＳ）／ｎ＋９０°＋ｓｉｎ−１（１／ｎ）］／２として、０．８／［２ｎ・ｃｏｓ（９０°−φｍｉｎ＋ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ））］以上、２．１／［２ｎ・ｃｏｓ（９０°−φｍａｘ＋ｓｉｎ−１（ｓｉｎθＳ／ｎ））］以下である。【００１７】
たとえば、北緯３５度の地点で夏至に１１００ｎｍの光を遮断したい場合は、太陽の南中高度は７８°であるため屈折率１．５のガラスを用いた場合のαは４０．７°、φは、４１．３°以上８６．３°以下とされる。φが４１．３°、８６．３°の場合、ｄはそれぞれ３７．５μｍ、０．５μｍとされる。【００１８】
格子面の屈折率ｎ’は典型的には（ｎ＋０．０００１）以上であり、また（ｎ＋０．１）以下であるか、または、（ｎ−０．１）以上であり、また（ｎ−０．０００１）以下である。【００１９】
回折効率を高くするためには、太陽光の入射する面から形成されている格子面２の形成厚み（深さ）すなわち回折格子の厚み（単位：μｍ）をｔとして、｜ｎ’−ｎ｜すなわちΔｎがλ・ｃｏｓ（２φ−ｎ−１・ｓｉｎθＳ）１／２・ｃｏｓ（ｎ−１・ｓｉｎθＳ）／ｔであること、または、ｔがλ・ｃｏｓ（２φ−ｎ−１・ｓｉｎθＳ）１／２・ｃｏｓ（ｎ−１・ｓｉｎθＳ）／Δｎであることが好ましい。【００２０】
本発明における回折格子は透過型回折格子であるので、ブラッグ角にもよるが一般的に回折波長域は広い。たとえば、格子面２の屈折率ｎ’や格子面２の形成厚みｔ等を制御することにより、または、格子間隔ｄを一定ではなく故意に乱したチャープド格子とすることにより、ブラッグ回折波長λに対し±３００ｎｍ程度の回折波長幅を持たせることが可能である。たとえば、Δｎが０．０２３、ｔが１８．４μｍとなるようにすれば、夏至の太陽光の波長８００ｎｍから１４００ｎｍの波長の光を室内に取り込まないようにでき、室内の温度上昇を抑制できる。【００２１】
以上で述べたような窓ガラス１０を用いれば、図１に示すように冬至の南中時太陽光のうちの波長が８００〜２１００ｎｍの光（波長λの光）が回折格子で回折されることなく窓ガラス１０を透過するようにできる。【００２２】
たとえば、φが４１．３°、ｄが３７．５μｍである場合、北緯３５度の地点で冬至の南中時太陽光が入射した場合、その南中高度θＷは３２°であり、回折される光の波長は３９５８ｎｍである。回折波長幅が±３００ｎｍである場合、波長λの光、特には８００〜１８００ｎｍの光は窓ガラス１０を透過し、室温上昇に寄与する。【００２３】
次に、本発明の窓ガラスの典型的な製造方法について説明する。
本発明の窓ガラスは通常、パルスレーザ光等のガラスへの照射によってその照射された部分の屈折率が変化する現象（光誘起屈折率変化）を利用して製造される。【００２４】
この現象は、紫外域に固有吸収を持つ酸素欠陥が存在しているガラスに、その吸収波長のレーザ光を照射するとその酸素欠陥の一部が構造変化して起こるものであると考えられている。
なお、多光子吸収過程を利用する場合はレーザー光の波長をガラスの紫外線吸収波長に合わせる必要はない。【００２５】
ガラス内部に屈折率変化部分を形成し回折格子を形成する方法としては、レーザ光線を二つに分けてガラスの同一箇所に同時に照射する干渉方式、レーザ光線を対物レンズ等で絞りガウシアンビームで走査する方式、回折光学素子やアクシコン光学系を用いて変形ビームで走査する方式等が挙げられる。また、回折光学素子やビームスプリッター等を用いて一つのビームを複数に分けて照射すれば、加工時間を短縮することが可能になる。【００２６】
レーザ光線をガウシアンビームで走査する方式においては、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、ｆθレンズ等を用いた光学系が一般的に用いられるが、レーザ光線が照射されるガラスの方を連続的に移動させてもよい。
このようなガラスとしては、Ｐ、Ｃｅ、Ｇｅ等を添加したシリカガラスが典型的である。【００２７】
レーザ光としては、ガラスの種類によっても異なるが、光誘起屈折率変化を起こすためには、集光点において１０５Ｗ/ｃｍ２以上のピークパワー強度を持つことが好ましい。ピークパワー強度は、１パルス当たりの出力エネルギー（J）／パルス幅（秒）の比で表されるピーク出力（Ｗ）を照射単位面積当たりで表したものである。ピークパワー強度が高いほど光誘起屈折率変化が促進され回折格子を容易に作製できるが、そのような大きなエネルギー量のレーザ光は容易には得られない。したがって、パルス幅を狭くしてピーク出力を高くしたパルスレーザを使用することが一般的である。回折格子を滑らかな構造にしたい場合、パルスレーザの繰り返し周波数は１０ｋＨｚ以上とすることが好ましい。【００２８】
次に、φが４１．３°、ｄが３７．５μｍである本発明の窓ガラスの製造方法を例示する。
質量百分率表示組成がＳｉＯ２：９５％、ＧｅＯ２：５％であるガラスに、パルスレーザを照射する。
パルスレーザ光としては、波長３５５ｎｍ、パルス幅３０ナノ秒、繰返し周波数６０ｋＨｚ、平均出力１０ＷのＮｄ−ＹＡＧレーザ３倍高調波が例示される。
照射するレーザビームは、半頂角７７．５°の円錐形状レンズを用いて軸状ビームに変換する。
ガラス内部に臨界角以上の傾きで入射させるため、ガラス面上に頂角４１．３°のガラスブロックを屈折率マッチング液を介して置き、その斜辺に垂直な方向から前記軸状ビームを照射する。【００２９】
軸状ビームをガラス表面からその内部に入射させると、照射された部分の屈折率が増大する。
軸状ビームを照射しながら、ガラスを連続的に一方向に移動し面状の屈折率変化部を形成した。次に、軸状ビームの照射を止めて、先に移動させた方向と垂直な方向へガラスを４９．９μｍ移動させ、さきほど形成した面状の屈折率変化部と平行な方向へ再びガラスを移動させながら軸状ビームを照射する。
このような動作を１００回繰返し、１００の格子面からなり、φが４１．３°、ｄが３７．５μｍである回折格子を有する本発明の窓ガラスが得られる。【００３０】
また、ソーダライムガラスに波長８００ｎｍ、パルス幅１００フェムト秒、繰返し周波数１ＫＨz、平均出力１Ｗの再生増幅Ｔｉ:Ｓａフェムト秒レーザを照射して本発明の窓ガラスを製造できる。すなわち、ガラス面上に頂角９０°の合成石英製二等辺三角形プリズムを屈折率マッチング液を介して置き、その辺に垂直な方向から焦点距離５０ｍｍのレンズで集光したレーザ光を照射する。ビームを照射しながら、ガラスを連続的に一方向に２０ｍｍ／ｓの速度で移動し面状の屈折率変化部（回折格子の格子面となるもの）を形成する。次に、ビームの照射を止めて、先に移動させた方向と垂直な方向へガラスを２．５μｍ移動させ、先に形成した面状の屈折率変化部と平行な方向へ再びガラスを移動させながらビームを照射する。このような動作を１００回繰返し、１００の格子面からなり、φが４５°、ｄが３５μｍである回折格子を有する本発明の窓ガラスが得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
建築物の窓ガラスに利用できる。
なお、２００５年６月１７日に出願された日本特許出願２００５−１７７９３９号の明細書、特許請求の範囲、図面および要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
【図１】
2006134983.tif 000002
【図２】
2006134983.tif 000003
【国際調査報告】
2006134983.tif 000004
2006134983.tif 000005
2006134983.tif 000006