(57)【要約】【課題】全てがガラス製のカバーガラス付きフレネルレンズを有する、太陽電池装置等の集光装置を提供する。【解決手段】カバーガラスと、第１面および裏面の凹凸面を有し、カバーガラスの一面に第１面を直接接触して一体化される、ガラス製のフレネルレンズと、フレネルレンズに対面して、前記フレネルレンズと離間して配置される、受光素子とを備えることにより、前記課題を解決する。【選択図】図１
2012212696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と前記第１面に対向する第２面とを有するガラス基板を備えたフレネルレンズ構造体であって、
前記ガラス基板の前記第１面には、断面が凹凸形状である複数の同心的な輪帯状レンズが形成されていることを特徴とするフレネルレンズ構造体。
【請求項２】
ガラス基板と、前記ガラス基板上に設けられるガラス製のフレネルレンズとを備えたフレネルレンズ構造体であって、
前記フレネルレンズは、断面が凹凸形状である複数の同心的な輪帯状レンズが形成された第１面と前記第１面に対向し前記第１面よりも平滑な第２面とを有し、前記第２面は前記ガラス基板に対面していることを特徴とするフレネルレンズ構造体。
【請求項３】
光が入射される第１面と前記光が出射される第２面とを有するカバーガラスと、
前記カバーガラスの前記第２面上に設けられ、断面が凹凸形状である複数の同心的な輪帯状レンズが形成された第３面と前記第１面に対向し前記第３面よりも平滑な第４面とを有し、前記第４面が前記カバーガラスの前記第２面に対面するガラス製のフレネルレンズと、
前記フレネルレンズに対面して、前記フレネルレンズと離間して配置される受光素子とを備えたことを特徴とする集光装置。
【請求項４】
前記受光素子が太陽電池セルである請求項３に記載の集光装置。
【請求項５】
前記フレネルレンズは、前記凹凸の凸部の光軸方向の高さが均一である請求項３または４に記載の集光装置。
【請求項６】
断面が凹凸形状である複数の同心的な輪帯状レンズが形成された第１面と前記第１面に対向する第２面とを有するカバーガラスと、
前記カバーガラスの前記第１面に対面して、前記カバーガラスと離間して配置される受光素子とを備えたことを特徴とする集光装置。
【請求項７】
カバーガラスと、
第１面およびこの第１面の裏面の凹凸面を有し、前記カバーガラスの一面に前記第１面を直接接触して一体化される、ガラス製のフレネルレンズとを有することを特徴とするカバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズ。
【請求項８】
カバーガラスの表面に、前記カバーガラスの軟化点よりも低い軟化点を有するガラスフリットとバインダとを含むペーストを塗布して塗膜を形成する工程と、
前記バインダが軟化する第１の温度で、前記塗膜の表面に凹凸が形成された成形型を押し当てて離し、前記塗膜の前記表面に凹凸を形成する工程と、
前記第１の温度よりも高い第２の温度で、前記塗膜中の前記バインダを除去する工程と、
前記第２の温度よりも低い第３の温度で、前記ガラスフリット融着させる工程とを有することを特徴とするカバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池装置等のフレネルレンズを利用して受光素子に集光する集光装置に関し、詳しくは、全てがガラス製のフレネルレンズ構造体、全てがガラス製のカバーガラス付きフレネルレンズ、および、これを用いることにより、小型化を可能にした集光装置、ならびに、カバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光エネルギーを、高い効率で電気エネルギーに変換させるための太陽電池装置として、集光型の太陽電池装置が知られている。
この集光型の太陽電池装置は、特許文献１等に示されるように、集光レンズで集光した光を太陽電池セルに入射し、電気エネルギーに変換するものである。
【０００３】
このような集光型の太陽電池装置においては、集光レンズとして、フレネルレンズが利用されている。
ここで、特許文献１にも示されるように、従来、太陽電池装置に用いられるフレネルレンズは、樹脂製である。フレネルレンズは、入射した光の進行方向を変化させるための凹凸が形成される面を有している。そして、フレネルレンズのその面と対向する平滑な面とカバーガラスとを接着剤を用いて接合している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３３２５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、樹脂製のフレネルレンズの屈折率は、一般的に、１．４〜１．６程度であり、低い。そのため、フレネルレンズから光を集光させる位置（太陽電池セルまでの距離）を十分に確保する必要がある。そのため、装置に厚みが必要となり、結果として、太陽光装置自体が大きくなってしまうという問題点がある。
【０００６】
本発明は、以上説明した従来の実情を鑑みて提案されたものであり、太陽電池装置等に利用した際に、厚さを薄くして小型化を図ることができるフレネルレンズ構造体、集光装置、太陽電池装置用のカバーガラス付きフレネルレンズ、および、このフレネルレンズの製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明のフレネルレンズ構造体は、第１面と前記第１面に対向する第２面とを有するガラス基板を備えたフレネルレンズ構造体であって、前記ガラス基板の前記第１面には、断面が凹凸形状である複数の同心的な輪帯状レンズが形成されていることを特徴とするフレネルレンズ構造体を提供する。
【０００８】
また、本発明のフレネルレンズ構造体の別の態様は、ガラス基板と、前記ガラス基板上に設けられるガラス製のフレネルレンズとを備えたフレネルレンズ構造体であって、前記フレネルレンズは、断面が凹凸形状である複数の同心的な輪帯状レンズが形成された第１面と前記第１面に対向し前記第１面よりも平滑な第２面とを有し、前記第２面は前記ガラス基板に対面していることを特徴とするフレネルレンズ構造体を提供する。
【０００９】
また、本発明の集光装置は、光が入射される第１面と前記光が出射される第２面とを有するカバーガラスと、前記カバーガラスの前記第２面上に設けられ、断面が凹凸形状である複数の同心的な輪帯状レンズが形成された第３面と前記第１面に対向し前記第３面よりも平滑な第４面とを有し、前記第４面が前記カバーガラスの前記第２面に対面するガラス製のフレネルレンズと、前記フレネルレンズに対面して、前記フレネルレンズと離間して配置される受光素子とを備えたことを特徴とする集光装置を提供する。
【００１０】
このような本発明の集光装置において、前記受光素子が太陽電池セルであるのが好ましく、また、前記フレネルレンズは、前記凹凸の凸部の光軸方向の高さが均一であるのが好ましい。
【００１１】
また、本発明の集光装置の別の態様は、断面が凹凸形状である複数の同心的な輪帯状レンズが形成された第１面と前記第１面に対向する第２面とを有するカバーガラスと、
前記カバーガラスの前記第１面に対面して、前記カバーガラスと離間して配置される受光素子とを備えたことを特徴とする集光装置を提供する。
【００１２】
また、本発明のカバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズは、第１面およびこの第１面の裏面の凹凸面を有し、前記カバーガラスの一面に前記第１面を直接接触して一体化される、ガラス製のフレネルレンズとを有することを特徴とするカバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズを提供する。
【００１３】
さらに、本発明のカバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズの製造方法は、カバーガラスの表面に、前記カバーガラスの軟化点よりも低い軟化点を有するガラスフリットとバインダとを含むペーストを塗布して塗膜を形成する工程と、前記バインダが軟化する第１の温度で、前記塗膜の表面に凹凸が形成された成形型を押し当てて離し、前記塗膜の前記表面に凹凸を形成する工程と、前記第１の温度よりも高い第２の温度で、前記塗膜中の前記バインダを除去する工程と、前記第２の温度よりも低い第３の温度で、前記ガラスフリット融着させる工程とを有することを特徴とするカバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
上記構成を有する本発明によれば、焦点距離を大幅に短くし、小型の装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の集光装置にかかる太陽電池装置の一例を概念的に示す図である。
【図２】図１に示す太陽電池装置に用いられるフレネルレンズ構造体の一例を概念的に示す図で、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ線の断面図である。
【図３】フレネルレンズ構造体の別の例を概念的に示す図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｅ）は、本発明の製造方法の一例を説明するための概念図である。
【図５】図４に示す製造方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の集光装置、カバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズ、および、このフレネルレンズの製造方法について、添付の図を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
図１に、本発明の集光装置を太陽電池装置に利用した一例を概念的に示す。
図１に示す太陽電池装置１０は、光を集光して太陽電池セル１２に入射する、集光型の太陽電池装置であって、基本的に、太陽電池セル１２と、ハウジング１４と、フレネルレンズ構造体１６とを有して構成される。なお、本発明の太陽電池装置１０は、これ以外にも、公知の太陽電池装置が有する各種の部材を有してもよいのは言うまでもない。
このような太陽電池装置１０は、例えば、一次元的もしくは二次元的に配列されて、発電装置（発電設備）として利用される。
【００１８】
太陽電池セル１２は、光を受光して、光エネルギーを電気エネルギーに変換する。
本発明において、太陽電池セル１２には、特に限定は無く、例えばＳｉ、ＧａＡｓ、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｄＴｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓＰ、Ｇｅなど公知の太陽電池セルが、各種、利用可能である。また、その構造は、単一接合型セル、モノリシック多接合型セル、波長感度領域の異なる種々の太陽電池セルを接続したメカニカルスタック型など種々の形態の構造を適用することが可能である。
【００１９】
なお、本発明において、受光素子は、太陽電池セルに限定はされず、例えば、光熱変換素子等、光を受光して光エネルギーを何らかのエネルギーに変換する素子が、各種、利用可能である。
【００２０】
ハウジング１４は、太陽電池装置１０の外枠を構成する筐体である。
図示例において、ハウジング１４は、上面が開放する正四角柱状の筐体であり、底面の中央部に太陽電池セル１２が固定され、開放面である上面にフレネルレンズ構造体１６が組み込まれ、支持／固定される。
本発明において、ハウジング１４は、通常の太陽電池装置と同様、十分な耐熱性および強度を有する各種の板材等で構成すればよい。また、太陽電池セル１２およびフレネルレンズ構造体１６を所定位置に保持できるものであれば、ハウジング１４は、板材ではなく、棒状物等で構成されたフレーム状であってもよく、板材と棒状物とを併用するものであってもよい。
【００２１】
フレネルレンズ構造体１６は、前述のように、正四角柱状のハウジング１４の上面開放面に固定される。そして、入射した光を集光し、ハウジング１４の底面中央に固定された太陽電池セル１２に入射する。ここで、フレネルレンズ構造体１６は、図２に概念的に示すように、正方形状のカバーガラス１８と、サーキュラー型のフレネルレンズ２０とからなるものである。
なお、図２（Ａ）は、上面図（フレネルレンズ２０の光軸方向の光入射面側から見た図）である。図２（Ｂ）は、図１と同じ方向から見た、図２（Ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【００２２】
本発明において、カバーガラス１８およびフレネルレンズ２０は、共に、ガラス製であり、かつ、両者は、接着剤層等を介すことなく（接着剤等を用いずに）、直接、接触して形成されている。ここで、カバーガラス１８とフレネルレンズ２０とが樹脂製の接着剤を介さずに接合されていることを「一体化されている」という。
すなわち、このフレネルレンズ構造体１６は、本発明のカバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズである。
【００２３】
カバーガラス１８は、フレネルレンズ２０の光入射面を覆って配置されることにより、フレネルレンズ２０に、雨や、空気中の埃やゴミ等が、直接、接触するのを防止すると共に、フレネルレンズ２０を支持する基板としても作用するものである。
【００２４】
図示例において、カバーガラス１８は、平板状の板ガラスである。
本発明において、カバーガラス１８の形成材料には、特に限定はなく、各種のガラス材料が、全て利用可能である。一例として、ソーダライムシリケートガラス、アルミノシリケートガラス、ボレートガラス、リチウムアルミノシリケートガラス、石英ガラス、ホウ珪酸ガラス基板、無アルカリガラス基板等が例示される。
カバーガラス１８は、光学部品（光学素子）であるフレネルレンズ構造体１６を構成するものである。従って、カバーガラス１８は、透明性が高く、光学特性に優れたガラスで形成されるのが好ましい。特に、高い光透過性を考慮すると、ソーダライムシリケートガラス、ソーダライムシリケートガラスの鉄分量を少なくした、所謂高透過ガラス等のガラスは、好適に利用される。
【００２５】
また、カバーガラス１８は、必要に応じて、強化されていても良く、更にはフレネルレンズ２０を形成した後に、ガラス性構造体１０全体を強化してもよい。
【００２６】
本発明において、カバーガラス１８の厚さにも、特に限定はなく、フレネルレンズ構造体１６に要求される強度等に応じて、適宜、選択すればよいが、１．５〜４．５ｍｍであるのが好ましい。
カバーガラス１８の厚さを、上記範囲とすることにより、強度と軽さを両立できる点で好ましい。
【００２７】
フレネルレンズ２０は、厚さを減らすためにいくつかの同心的な輪帯状レンズで構成されたレンズであり、凹凸形状の断面を有する。図示例は、いわゆるサーキュラーフレネルレンズである。図２（Ｂ）に示されるように、フレネルレンズは、中央部に半円状の中央突起部と、その中央突起部の両側に位置するのこぎりの歯状の複数の周辺突起部とから構成される。ここで、周辺突起部は、直角三角形の形状をし、中央突起部から離れるほど、斜面の傾斜が急になるように形成されている。
【００２８】
本発明においては、カバーガラス１８のみならず、フレネルレンズ２０もガラス製である。カバーガラス１８の下面（太陽電池セル１２側の面）と、フレネルレンズ２０の平面側とを、直接、接合して、フレネルレンズ構造体１６が構成される。
本発明は、このような構成を有することにより、樹脂で成形してなる従来のフレネルレンズに比して、各種の利点を有する。
【００２９】
従来の太陽電池装置で用いられる樹脂製フレネルレンズの屈折率は、一般的に、１．４〜１．６程度であるため、樹脂製のフレネルレンズは、焦点距離が長い。そのため、光を効率よく集光するためには、フレネルレンズから太陽電池セルまでの距離を長く取る必要がある。そのため、太陽電池装置の厚さ（光の入射方向）が厚くなり、結果として、これにより、太陽電池装置が大型化してしまう。また、一般的に、太陽電池装置は地面からの距離が高いところに設置される。そのため、太陽電池装置が大きいと、落下防止のために、設置の工数増、コスト増等が避けられない。
しかしながら、本発明の太陽電池装置によれば、樹脂よりも屈折率の高いガラス製のフレネルレンズを用いることにより、従来の太陽電池装置に比べて、太陽電池セルまでの距離を短くすることができる。そのため、従来の太陽電池装置に比べて、本発明の太陽電池装置は薄くなり、小型化になることができる。また、太陽電池装置が小型化になるため、その設置工数は、従来の太陽電池装置に比べて、少なくすることができ、結果としてコストが低減できる。
また、従来の太陽電池装置に用いられる樹脂製のフレネルレンズは、時間とともに着色し、これにより、集光能力が低下する。
しかしながら、本発明の太陽電池装置によれば、ガラス製のフレネルレンズを用いることにより、従来の太陽電池装置に比べて、時間とともに着色する可能性が低い。そのため、従来の太陽電池装置に比べて、高い集光能力を維持できる。
また、従来の太陽電池装置で用いられる樹脂製のフレネルレンズは、カバーガラスと樹脂製の接着剤を介して接合される。そのため、樹脂製の接着剤そのものにより、光学的な損失が生じ、結果として集光効率が低下する。また、樹脂は、熱膨張係数が大きいため、日中の日差し等によって加熱され、膨張する。すなわち、樹脂製のフレネルレンズは、寸法安定性が悪く、熱膨張や収縮によって焦点位置が変動して、集光効率が低下する。また、樹脂は、吸湿し易く、吸湿による変形や、屈折率の変化によっても、集光効率が低下する。加えて、ガラス製のカバーガラスと、樹脂製のフレネルレンズでは、熱膨張係数が大幅に異なるので、日中の日差し等によって加熱／膨張した際に、この熱膨張係数の差によって、フレネルレンズとカバーガラスとが剥離する場合もある。
しかしながら、本発明の太陽電池装置によれば、カバーガラスとガラス製のフレネルレンズの接合に樹脂製の接着剤を用いらないため、光学的な損失がなく、高い集光効率を有する。さらに、本発明の太陽電池装置によれば、カバーガラスとフレネルレンズとの熱膨張係数差はほぼないと考えてよいので、剥離の問題がないため、長期使用における信頼性も高い。
【００３０】
本発明において、フレネルレンズ２０の形成材料には、特に限定はなく、各種のガラス材料が、全て利用可能である。
一例として、ＳｉＯ2―Ｂ2Ｏ3−Ａｌ2Ｏ3系、ＳｉＯ2―Ｂ2Ｏ3―Ｂｉ2Ｏ3系、Ｂ2Ｏ3―ＺｎＯ―Ｂｉ2Ｏ3系、ＳｉＯ2―Ｂ2Ｏ3―ＺｎＯ系、ＳｉＯ2―ＢａＯ―Ｂ2Ｏ3系、Ｂ2Ｏ3―ＢａＯ―ＺｎＯ系、ＳｎＯ―ＺｎＯ―Ｐ2Ｏ5系、Ｂ2Ｏ3−ＺｎＯ−Ｌａ2Ｏ3系、Ｐ2Ｏ5−Ｂ2Ｏ3−Ｒ’2Ｏ−Ｒ”Ｏ−ＴｉＯ2−Ｎｂ2Ｏ5−ＷＯ3−Ｂｉ2Ｏ3系、ＴｅＯ2−ＺｎＯ系、Ｂ2Ｏ3−Ｂｉ2Ｏ3系、ＳｉＯ2―Ｂｉ2Ｏ3系、ＳｉＯ2−ＺｎＯ系、Ｂ2Ｏ3−ＺｎＯ系、Ｐ2Ｏ5−ＺｎＯ系、ＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3系、Ｂｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3、Ｂｉ2Ｏ3−ＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系、Ｂｉ2Ｏ3−ＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3系、Ｐ2Ｏ5−Ｎｂ2Ｏ5−ＴｉＯ2−Ｒ’2Ｏ系、ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ｒ’2Ｏ−Ｒ”Ｏ系、ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−Ｎｂ2Ｏ5−Ｒ’2Ｏ系、Ｐ2Ｏ5−Ｒ’2Ｏ−Ｒ”Ｏ系、ＳｉＯ2−Ｂｉ2Ｏ3−Ｒ’2Ｏ系、ＳｉＯ2−Ｂｉ2Ｏ3−ＢａＯ系、ＳｉＯ2−Ｂｉ2Ｏ3−Ｌａ2Ｏ3−Ｒ”Ｏ系等の各種のガラスが好適に例示される。なお、上記式において、Ｒ’はアルカリ金属元素、Ｒ”はアルカリ土類金属元素を、それぞれ示す。
【００３１】
なお、熱膨張によるストレスや、このストレスに起因する剥離等を、より確実に防止するために、フレネルレンズ２０の熱膨張係数は、カバーガラス１８に近いのが好ましい。
例えば、カバーガラス１８としてソーダライムガラス（熱膨張係数８０〜９０×１０-7／℃）を用いる場合には、熱膨張係数が５０〜１００×１０-7／℃のガラスからなるフレネルレンズが好ましい。
【００３２】
本発明において、フレネルレンズ２０は、いわゆるサーキュラーフレネルレンズであるが、本発明は、これに限定はされず、太陽電池装置等の集光装置に利用されるフレネルレンズが、各種、利用可能である。
また、フレネルレンズの凹凸の形状や幅（光軸方向と直交する方向の幅（ピッチ））など、フレネルレンズの構成や形状には、特に限定はなく、要求される集光特性等に応じた、各種のフレネルレンズの構成が、全て、利用可能である。
【００３３】
ここで、フレネルレンズには、２つのタイプが有る。１つのタイプは、図２（Ｂ）に矢印ｈで示す、レンズを構成する凹凸の高さ（光軸方向の高さ）を一定として、この凹凸の幅を、中心から外方向に向けて、順次、変更していく構成である。他のタイプは、レンズを構成する凹凸の幅は一定として、凹凸の高さを、中心から外方向に向けて、順次、変更していく構成である。
ここで、前者の構成の場合、水平方向のプリズムピッチを一定にすると、周辺に行くほど高さが高くなり、後述する本発明の製造方法において、ペーストによる塗膜の厚さを厚くする必要が生じ、その結果、ペーストの材料コストが高くなってしまう欠点がある。これに対し、後者の高さを一定にするほうが、ペーストによる塗膜の膜厚が抑えられ、ペーストの材料コストを下げることができる。しかし、プリズムピッチが細かくなり、個々のプリズム加工時の有効面形状エラーがプリズム数だけ積算されてトータルの集光ロスになることが考えられる。
本発明は、いずれの構成も、利用可能であるが、作製が容易である、成形性が良好で、高精度なフレネルレンズが作製可能である、レンズ層の厚さを薄くして材料コストが低減できる等の点で、凹凸の高さを一定とし、幅を、順次、変更する構成を採用している。
【００３４】
また、本発明のフレネルレンズ構造体１６は、後述する本発明の製造方法で、好適に製造することができる。
ここで、この製造方法によれば、大型のフレネルレンズ構造体１６を、容易に製造することができる。すなわち、本発明は、太陽電池装置等の集光装置の大型化に、容易に対応することが可能である。また、本発明によれば、フレネルレンズ２０の熱膨張が少ないので、この点でも、大型化に容易に対応できる。
以上の点を考慮すると、本発明においては、本発明の効果を好適に発現できる等の点で、フレネルレンズ構造体１６の大きさ（光軸と直交する方向の長さ）を、１０ｃｍ以上とするのが好ましい。
【００３５】
図示例のフレネルレンズ構造体１６は、カバーガラス１８とフレネルレンズ２０とを、直接、接触した状態で一体化したものであるが、本発明は、これ以外にも、図３に一例を概念的に示すように、カバーガラスの表面にフレネルレンズが形成されたフレネルレンズ構造体２４であってもよい。
すなわち、この構成においては、カバーガラスの太陽電池セル１４側の面に、フレネルレンズとなる凹凸が形成された状態となる。言い換えれば、この構成では、カバーガラスが、フレネルレンズを兼ねた構成となる。
【００３６】
このような、フレネルレンズ構造体２４は、カバーガラスとフレネルレンズの屈折率が同じ場合は、その界面での光反射によるロスが発生しない、カバーガラスとフレネルレンズの熱膨張係数の違いによるストレスが発生しない等の点で、好適である。なお、カバーガラスとフレネルレンズの屈折率に差が有る場合には、その分だけ、界面反射ロスが発生するが、空気と材料による反射率の差よりはかなり小さいので、好適である。
【００３７】
以下、図４（Ａ）〜（Ｅ）、および、図５のフローチャートを用いて、フレネルレンズ構造体１６の製造方法の一例を示す。
本発明のフレネルレンズ構造体の製造方法は、カバーガラス１８に、カバーガラス１８よりも軟化点の低いガラスのフリットとバインダーとを含むペーストを塗布する。なお、塗布により得られた塗膜は、必要に応じて乾燥してもよい。次に、塗膜に、第１の温度で成形型をプレスして成形型の形状を転写させる。次に、転写された塗膜に対し、第１の温度よりも高温の第２の温度で脱バインダーを行う。次に、第２の温度よりも高温で、かつ、カバーガラス１８の軟化点よりも低温の第３の温度で焼成を行なって、ガラスフリットの融着を行う。よって、以上の工程により、フレネルレンズ構造体１６を作製するものである。
【００３８】
以下、本発明のフレネルレンズ構造体の製造方法を具体的に説明する。
初めに、図４（Ａ）に示すように、カバーガラス１８を準備する。
【００３９】
他方で、フレネルレンズ２０となるガラスフリットペースト（以下、ペーストとする）を調製する。このペーストは、少なくとも、ガラスフリット（ガラスの微粒子）と、バインダとを混合（混練）し、バインダ中にガラスフリットを分散してなるペーストである。
【００４０】
ガラスフリット（すなわち、フレネルレンズ２０となるガラス）は、カバーガラス１８よりも軟化点が低いガラスであるのが好ましく、特に、カバーガラス１８の軟化点よりも５０℃以上低いガラスからなるガラスフリットであるのが好ましい。すなわち、本発明においては、フレネルレンズ２０は、カバーガラス１８の軟化点よりも低い軟化点を有する材料で形成されるのが好ましい。
ガラスフリットの軟化点が、カバーガラス１８の軟化点よりも低く、特に、５０℃以上低ければ、後述する焼成工程において、カバーガラス１８が熱変形することを好適に防止して、フレネルレンズ２０となるガラスフリットの融着を行うことが出来る。例えば、カバーガラス１８がソーダライムガラスである場合、軟化点が７３０℃付近なので、ガラスフリットの軟化点は６８０℃以下であるのが好ましい。
【００４１】
なお、ガラスフリットは、カバーガラスの形成材料と同じガラスを用いてもよい。
これにより、図３に示すような、カバーガラスにフレネルレンズが形成された、フレネルレンズ構造体２４を得ることができる。
【００４２】
一方で、ガラスフリットの軟化点は、ペーストに含まれるバインダの分解温度よりも高温であるのが好ましい。バインダーの種類によっても異なるが、特に、ガラスフリットの軟化点は、３５０℃以上であることが好ましい。
このような軟化点を有するガラスフリットを用いることにより、後述する第２の温度による脱バインダー工程において、脱バインダーとガラスの融着が同時に起こることを、好適に防止できる。
【００４３】
なお、ガラスフリットは、軟化点付近の温度領域における温度変化に対する粘度変化が小さい方が好ましい。
この粘度変化が小さいと、後述する第３の温度によるガラスフリットの焼結工程における形状の崩れを小さくすることができ、微細な形状を有するガラス製構造体を、より高精度に作製することができる。
【００４４】
ガラスフリットの平均粒子径は１０μｍ以下であるのが好ましい。
ガラスフリットの平均粒子径を１０μｍ以下とすることにより、ガラスフリットペーストを塗布／乾燥して形成された塗膜の表面粗度が大きくなるのを防止して、後述するプレス工程における成形型の形状の転写を、より確実に行なうことが可能となり、さらに、成形型の破損を、より確実に防止できる。
なお、粒子径の下限には特に限定は無いが、ガラスフリットを作製する際におけるガラス粉砕のコストを考慮すると、０．５μｍ程度以上が好ましい。
【００４５】
前述のように、（ガラスフリット）ペーストは、少なくともガラスフリットと、バインダとを混合してなるペーストである。
本発明において、バインダーは、ペーストをカバーガラス１８上に保持し、後述するプレス工程においてガラスフリットがカバーガラス１８から剥がれないようガラスとの密着性を発現する役割、および、プレス工程において、ペーストを塗布して形成された塗膜の硬さを調整し、成形型の形状転写性を向上させる役割を果たす。
【００４６】
バインダ（バインダ樹脂）には、特に限定はなく、各種の樹脂が利用可能である。
一例として、ニトロセルロース、アセチルセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース等のセルロース系高分子、天然ゴム、ポリブタジエンゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴム、イソプレン系合成ゴム、環化ゴム等の天然高分子や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリ酢酸ビニル、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアクリルニトリル、ポリ塩化ビニル、ポリアミド、ポリウレタン等の合成高分子等が例示される。
これらの樹脂は、単独で用いてもよく、あるいは、混合または共重合体として用いてもよい。
【００４７】
この製造方法において、ペースト中のガラスフリットの含有率には、特に限定は無いが、２０〜９０ｗｔ％であるのが好ましい。
ペースト中におけるガラスフリットの含有率を２０ｗｔ％以上とすることにより、１回のペーストの塗布で、十分な膜厚を確保することができ、所望の膜厚を得るために複数回の塗布を行なうことによるコストアップを抑制できる。他方、ペースト中におけるガラスフリットの含有率を９０ｗｔ％以下とすることにより、ペーストの粘度が高くなり過ぎることを防止して、好適に、ペーストに均一に塗布することが可能となる。またガラスフリットの含有率を９０ｗｔ％以下とすることにより、ペースト中におけるバインダの量も十分に確保でき、これにより、十分なカバーガラス１８と塗膜との密着性を得ることができる。
上記の点を考慮すると、ペースト中におけるガラスフリットの含有率は、より好ましくは、５０〜８０ｗｔ％である。
【００４８】
他方、この製造方法で用いるペーストにおいて、バインダーの含有量にも、特に限定はないが、フリット１００重量部に対し、バインダーが１〜５０重量部が好ましい。
フリット１００重量部に対し、バインダを１重量部以上とすることにより、カバーガラス１８と塗膜との密着性を十分に確保することができる。また、フリット１００重量部に対し、バインダを５０重量部以下とすることにより、後述するプレス工程における塗膜の剛性を十分に得ることができ、成形型への塗膜の付着等も防止できる。また、バインダを５０重量部以下とすることにより、脱バインダ工程によって生じる空隙を少なくでき、その後のガラスフリットの焼成工程における形状変化を小さくして、フレネルレンズ２０の形状の制御を、より高精度に行なうことができる。
上記の点を考慮すると、ペースト中におけるバインダの量は、より好ましくは、ガラスフリット１００重量部に対して、５〜３０重量部である。
【００４９】
なお、ペーストには、このような成分以外に、ペーストの粘度調整や、ガラスへの塗布性を向上させるために、必要に応じて溶剤を含んでいても良い。溶剤としては、トルエン、キシレンテトラリン等の炭化水素系、メタノール、エタノール等のアルコール系、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン系、酢酸メチル、酢酸エチル等のエステル系、エチレングリコール系、ジエチレングリコール系の各溶剤などが使用できる。
さらに、ペーストには、塗布性を向上させるための界面活性剤や、塗膜の硬さを調整するための可塑剤等を、必要に応じて添加しても良い。
【００５０】
ペーストの調製方法には、特に限定はなく、例えば、ガラスフリットおよびバインダ、あるいはさらに溶剤等のそれ以外の必要な成分を、混合装置や混練装置に所定量投入し、ガラスフリットが均一に分散するように、十分に混合（混練）すればよい。
【００５１】
このようにしてペーストを調製したら、図４（Ｂ）に示すように、ペーストをカバーガラス１８の表面に塗布する。
本発明の製造方法において、ペーストの塗布方法には、特に限定は無く、公知の塗布方法が、各種、利用可能である。
一例として、ローラー塗布、手塗り、刷毛塗り、スピンコート、ディップコート、スクリーン印刷、カーテンフロー、バーコート、ダイコート、グラビアコート、マイクログラビアコート、リバースコート、ロールコート、フローコート、スプレーコート等の塗布方法が例示される。
これらのうち、大面積塗布が容易であり、また、１回の塗布で十分な厚膜が得られる等理由から、ダイコートやスクリーン印刷が、好ましく利用される。
【００５２】
なお、ペーストの塗布厚は、形成するフレネルレンズ２０の形状高さ、後述する成形型で形成するフレネルレンズ２０の凹凸の形状等に応じて、適宜、設定すればよい。
【００５３】
さらに、図４（Ｂ）に示すように、ペーストをカバーガラス１８の表面に塗布したら、必要に応じて、塗膜（すなわちペースト）を乾燥して、塗膜３０とする。
ペーストの乾燥方法には、特に限定はなく、例えば、ペーストが塗布されたカバーガラス１８をオーブンで加熱する方法、ＵＶ照射する方法等を用いることができる。
なお、加熱によりペーストの塗膜を乾燥させる場合は、バインダーが変質しない程度の温度で加熱することが好ましい。具体的には、大気中において８０〜２００℃の温度で、５〜６０分間の加熱であるのが好ましい。
【００５４】
また、塗膜の乾燥を行なうと、塗膜３０の層厚は、ペーストの塗布厚よりも薄くなるので、この際には、乾燥後に得られる塗膜３０の層厚を考慮して、前述のペーストの塗布厚を設定するのが好ましい。
【００５５】
このようにして塗膜３０をカバーガラス１８の表面に形成したら、次いで、塗膜３０を加熱して、第１の温度とする。
なお、塗膜３０の加熱方法には、特に限定はなく、公知の方法が、各種利用可能である。この点に関しては、以下の第２の温度および第３の温度への加熱も同様である。
【００５６】
第１の温度には、特に限定はなく、塗膜３０のバインダが軟化して、成形型３２によるプレス成形が可能となる温度を、バインダの種類等に応じて、適宜、設定すればよいが、１００〜２００℃とするのが好ましい。
後述するように、本発明においては、この塗膜３０を第１の温度にして、成形型３２でプレスすることにより、塗膜３０を所定の形状に成形する。ここで、第１の温度を１００℃以上とすることにより、多くのペーストで、ペースト層を十分に軟化することができ、正確な成形を行なうことが可能となる。また、第１の温度を２００℃以下とすることにより、温度が高すぎることに起因するバインダーの軟化し過ぎを抑制して、これに起因する成形型への付着や、加熱し過ぎによるバインダーの分解や変質を、好適に防止することができる。
【００５７】
塗膜３０を第１の温度としたら、図４（Ｃ）〜図４（Ｄ）に示すように、形成するフレネルレンズ２０の凹凸面の形状に応じた凹凸が形成された押圧面を有する成形型３２によって、塗膜３０をプレス（押圧）して、次いで、図４（Ｄ）〜図４（Ｅ）に示すように、成形型３２を塗膜３０から取り外す。
これにより、塗膜３０に成形型３２の形状を転写して、フレネルレンズ２０の凹凸面に応じた所定の形状に成形することができる。
【００５８】
ここで、本発明においては、カバーガラス１８を用いず、平面状の成形台に、カバーガラスの厚さを加味した厚さの塗膜３０を形成し、さらに、フレネルレンズのみならず、カバーガラスも含む形状を有する成形型３２を用いて、塗膜３０のプレスを行なって、図４（Ｅ）に示すように、塗膜３０に成形型３２の形状を転写して、カバーガラスとフレネルレンズとを有する、所定の形状に成形してもよい。
これにより、図３に示すような、カバーガラスにフレネルレンズが形成された、フレネルレンズ構造体２４を得ることができる。
【００５９】
本発明の製造方法においては、バルクガラスを直接成形するのではなく、より柔らかい塗膜３０をプレス成形することで、プレスの温度や圧力を低く抑え、プレス条件をマイルド（穏やか）にすることができるので、高価なプレス金型の損耗を殆ど無くして長寿命とすることができ、低コストで、ガラス製構造体を作製することが可能となる。しかも、柔らかい塗膜３０を、比較的、低温かつ低圧力でプレス成形するので、非常に微細な成形を行なうことができ、微細な凹凸を有するフレネルレンズやレンチキュエラーレンズ等の光学部材の製造に、好適である。
また、塗膜３０の成形性や、塗膜３０と成形型３２との離型性（剥離性）を、ペーストに含有させるバインダーで制御することができ、ガラスフリットの材料特性には依存しないので、ガラスフリットの材料選択範囲が広い。
【００６０】
成形型３２の形成材料には、特に限定はなく、所望の寸法精度を付与することができ、塗膜３０のプレスによる変形が少なく必要な精度を維持することができ、かつ、プレス時の温度により軟化や変質をしない材料であれば、各種のものが利用可能である。
例えば、金属、セラミックス等が使用できる。具体的には、金属型の材質としてはニッケルや焼き入れ鋼、その他、セラミック焼成品のプレス成形型に使用される各種のものが例示される。また、セラミック型の材質としては、窒化珪素、アルミナ、ジルコニア等がある。
【００６１】
ここで、図４に示す例では、成形型３２として、平面型（スタンプ型）を例示しているが、本発明においては、連続的に成形を行なうことができるロール型の成形型も、好適に利用可能である。
ロール型の場合は成形型の荷重が線状に集中してかかるため、少ない荷重で良好に形状転写でき、かつ、離型も容易である。その反面、ロール型の場合は成形型は、例えば、サーキュラーフレネルレンズのような複雑な２次元加工が難しい。
他方、平面型の成形型の場合、面全体に荷重をかける必要があり、プレス面積に応じてより多くの荷重を必要とし、且つロール型に比べ離型がし難い。その反面、２次元の型加工が容易である。
従って、成形型３２は、目的とするフレネルレンズ２０の形状に応じて、ロール型あるいは平面型を、適宜、選択して使用すればよい。
【００６２】
なお、本発明の製造方法においては、後述する第２の温度での脱バインダ工程において成形した塗膜３０からバインダが抜け、さらに、第３の温度での焼成工程において、塗膜３０内に存在する空隙、および、脱バインダーによって生じた空隙を埋めるようにフリットが融着する。
そのため、成形型３２で成形した塗膜３０全体では、体積収縮が避けられない。従って、塗膜３０をプレス成形する成形型３２は、その収縮を織り込んで、金型の形状を設計することが必要である。
【００６３】
成形型３２によるプレス圧力は、ペーストの材料によっても異なるが、１０〜８０ＭＰａであるのが好ましい。
プレス圧力を１０ＭＰａとすることにより、成形型３２の形状を確実にペースト層に転写することができ、すなわち、十分な成形型形状の転写性を得ることができる。また、プレス圧力を８０ＭＰａ以下とすることにより、圧力が高すぎることに起因するカバーガラス１８や成形型３２の破損を好適に防止できる。上記の点を考慮すると、成形型３２によるプレス圧力は、より好ましくは、１０〜５０ＭＰａである。
なお、成形型３２による塗膜３０のプレス時間にも、特に限定は無いが、１０〜１２０秒が好ましい。
【００６４】
このようにして、成形型３２によって塗膜３０をプレスして成形したら、次いで、ペースト層を、第１の温度よりも高温の第２の温度にして、塗膜３０からバインダを除去する、脱バインダを行なう。
【００６５】
第２の温度すなわち脱バインダー温度はバインダの種類に応じて、適宜、設定すればよいが、３００℃〜５００℃であるのが好ましい。また、脱バインダ時間（塗膜３０を第２の温度に保つ時間）は、バインダの種類やペースト中のバインダの量によっても異なるが、５〜６０分が好ましい。
なお、第２の温度による脱バインダは、バインダの酸化分解を進めるため、大気雰囲気中で行なうのが好ましい。
【００６６】
このようにして、脱バインダを行なったら、次いで、第２の温度よりも高温で、かつ、カバーガラス１８の軟化点よりも低温の第３の温度で、焼成を行い、ガラスフリットを融着して、フレネルレンズ２０を完成させ、さらに、カバーガラス１８とフレネルレンズ２０とを融着して、フレネルレンズ構造体１６を完成する。
【００６７】
第３の温度すなわち焼成温度は、使用するガラスフリットに応じて、適宜、設定すればよいが、３５０〜６５０℃で行うのが好ましい。
また、焼成雰囲気は大気下でも構わないが、フリット膜中に存在する気泡を積極的に膜外に排出するために、減圧下で焼成するのが、より好ましい。
これにより、フレネルレンズ２０中に気泡が存在しなくなり、より透明性の高い膜を得ることが出来る。
【００６８】
本発明の製造方法においては、バインダーが分解する第２の温度まで塗膜３０を加熱して、一定時間保持して脱バインダー処理を行い、その後、さらに、ガラスフリットの融着が起こる第３の温度まで加熱して、一定時間保持して焼成を行い、ガラスフリットの融着を行うことが好ましい。
しかしながら、本発明は、これに限定はされず、例えばバインダが分解し易い物である場合などは、第１の温度による塗膜３０の成形終了後、第１の温度から、第３の温度まで、漸次（あるいは段階的に）、塗膜３０の温度を上昇していき、ガラスフリットの融着が起こる第３の温度まで加熱する途中で、脱バインダーを終了させる方法も、好適に利用可能である。すなわち、この際には、第２の温度は一定温度ではなく、第１の温度超で、第３の温度未満の昇温中の温度が、第２の温度となる。
【００６９】
このような本発明の製造方法は、バルクのガラスを直接プレス成形するのではなく、より柔らかい（ガラスフリット）塗膜３０をプレスして、成形を行なうので、低コストで、材料および形状の選択自由度が高く、大面積化も容易であり、微細な凹凸の成形も可能である。
【００７０】
以上、本発明のフレネルレンズ構造体、集光装置、カバーガラス付き太陽電池用フレネルレンズ、および、その製造方法について詳細に説明したが、本発明は、上述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行なってもよいのは、もちろんである。
【実施例】
【００７１】
以下、本発明の具体的実施例を挙げ、本発明を、より詳細に説明する。本発明はこれらに限られるものではない。
【００７２】
［実施例１］
＜１．塗膜の形成＞
まず、バインダーであるブチラール樹脂（積水化学株式会社製エスレックＢＬ−１Ｈ）を１５重量部、ブチルカルビトールアセテート８５重量部に溶解し、バインダー溶液を作製した。
続いて、この上記バインダー溶液１００重量部と、ガラスフリット（ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−ＺｎＯ系ガラス、熱膨張係数８５±５×１０-7／℃、軟化点６５０℃、屈折率１．７２）１００重量部とを混合して攪拌し、（ガラスフリット）ペーストを調製した。
【００７３】
カバーガラス１８として、板厚２５０ｍｍ角のソーダライムガラスを用意した。
このカバーガラス１８に、マスク厚２００μｍのメタルマスクを用い、スクリーン印刷法によって、調製したペーストを塗布した。その後、ペーストを塗布した基板ガラスを、乾燥機に入れて、１８０℃で４０分乾燥することにより、厚さが１５０μｍの塗膜３０が形成されたカバーガラス１８を得た。
【００７４】
＜２．プレス＞
上記塗膜３０が形成されたカバーガラス１８を、定盤を２００℃に加熱したプレス機にセットし、塗膜の上に、サーキュラーフレネルレンズに対応する凹凸が形成された平面状の成形型（ニッケル製、サイズ２５０ｍｍ角、レンズ高さ１００μｍ）を乗せ、基板ガラスにかかる圧力が３５ＭＰａになるようにして６０秒間プレスした。
その後、成形型を離型し、成形型の形状（すなわちフレネルレンズ２０）が転写された塗膜３０を得た。この塗膜３０の形状高さを測定したところ、１００μｍであり、成形型の形状が精度良く転写されていた。なお、形状高さは塗膜の断面をＳＥＭ観察することにより測定した。
【００７５】
＜３．焼成＞
成形型の形状が転写された塗膜３０が形成されたカバーガラス１８を、焼成炉に入れ、大気雰囲気中で１０℃／分の昇温速度で４５０℃まで昇温し、４５０℃で９０分保持して、脱バインダーを行った。
その後、焼成炉内を１Ｐａに減圧し１０℃／分の昇温速度で６００℃まで昇温、６００℃で３０分保持することで焼成して、ガラスフリットの融着を行い、図２に示されるような、カバーガラス１８とフレネルレンズ２０とが、直接、接合されたフレネルレンズ構造体１６を得た。
【００７６】
＜４．評価＞
得られたフレネルレンズ構造体１６の焦点距離を、以下の手法により測定した。すなわち、フレネルレンズの中心部の延長線上に照度計を設置し、フレネルレンズの非レンズ面から平行光を照射、集光した光の照度を測定した。フレネルレンズと照度計の距離を変えて、照度が最も高いときの両者の距離を焦点距離とした。
その結果、焦点距離は、約２４５ｍｍであった。
全く同じ構成で、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート  屈折率１．５）製のフレネルレンズを、同じカバーガラス１８に接着してなる、フレネルレンズ構造体について、焦点距離をシミュレーションした。
その結果、焦点距離は、約３６０ｍｍであった。すなわち、本発明のフレネルレンズ構造体１６は、ＰＭＭＡ製のフレネルレンズを用いる同構成の構造体に比して、焦点距離を、約７割にすることができる。
以上の結果より、本発明の効果は、明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、特に、集光型の太陽電池装置に好適に利用可能である。
【符号の説明】
【００７８】
１０  太陽電池装置
１２  太陽電池セル
１４  ハウジング
１６、２４  フレネルレンズ構造体
１８  カバーガラス
２０  フレネルレンズ
３０  塗膜
３２  成形型
【図１】
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【図２】
2012212696.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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