(57)【要約】【課題】空中を直線的に伝搬してくる光等のエネルギー媒体について、その強度計測と発生源の方位計測を広い視野角の範囲で高精度に行うことができ、追尾機能を容易に付加することが可能な方位センサ装置を提供する。【解決手段】空中を直線的に伝搬するエネルギー媒体が入射する、平らな検出面Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を有する。入力したエネルギー媒体を電気信号に変換する複数のフォトダイオード１８，２０，２２，２４，２６と、エネルギー媒体を少なくとも三つの検出面Ｓ０，Ｓ１，Ｓ３で同時に受ける向きに立体配置されたセンサモジュール１２を備える。フォトダイオード１８，２０，２２，２４，２６から出力された電気信号のうち、少なくとも三つに基づいて、エネルギー媒体の強度情報及び発生源の方位情報を出力する電気信号処理部１４を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空中を直線的に伝搬するエネルギー媒体が入射する平らな検出面が設けられ、入力したエネルギー媒体を電気信号に変換する複数のセンサ素子と、
前記複数のセンサ素子が、前記検出面の法線が互いに非平行の位置であって、前記エネルギー媒体を、少なくとも三つの前記検出面で同時に受ける向きに立体配置されたセンサモジュールと、
各センサ素子から出力された前記電気信号のうち少なくとも三つに基づいて、前記エネルギー媒体の強度情報及び発生源の方位情報を出力する電気信号処理部とを備えたことを特徴とする方位センサ装置。
【請求項２】
前記センサモジュールは、五つの前記センサ素子を備え、各センサ素子の前記検出面は、四角錐台の上底面とその側方に位置した四つの斜平面に外向きに各々配置され、
前記電気信号処理部は、少なくとも前記上底面側に配置された前記センサ素子が出力する電気信号に基づいて方位情報を出力可能としたことを特徴とする請求項１記載の方位センサ装置。
【請求項３】
前記エネルギー媒体は光であって、前記センサ素子は光検出素子であることを特徴とする請求項１または２記載の方位センサ装置
【請求項４】
前記電気信号処理部の出力に基づいて制御対象物の方位角および仰角を駆動制御する追尾制御部を備えたことを特徴とする請求項１乃至３記載の方位センサ装置。
【請求項５】
前記追尾制御部は、前記電気信号処理部が出力する前記エネルギー媒体の強度情報が、所定の値になるように、前記制御対象物の方位角および仰角を駆動制御することを特徴とする請求項４記載の方位センサ装置
【請求項６】
前記センサモジュールは、前記制御対象物に取り付けられ、前記制御対象物と一体に変位することを特徴とする請求項５記載の方位センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、空中を直線的に伝搬する光等のエネルギー媒体の発生源の方位等を計測し、または、発生源の方位に制御対象物を追尾させる方位センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
可視光線、紫外線、赤外線等、空中を直線的に伝搬してくるエネルギー媒体を受けて、その強度や発生源の方位を検出する技術は、多くの用途に用いられている。例えば、太陽光発電の分野において、発電効率が最も高い状態にするため、太陽光を光センサ等で受光することによって太陽の方位を観測し、ソーラーパネルの受光面の向きを、太陽光に対して垂直な向きに可変調整する太陽追尾システム等がある。
【０００３】
従来の太陽光追尾システムとしては、例えば特許文献１に開示されているように、太陽光を光学系によりスポット状に結像させ、そのスポット像を４分割フォトダイオードに入力させてその出力信号を、所定の方法で信号処理し、太陽光の結像スポット像がリニア捕捉領域以外の飽和領域等に入った場合に、太陽光追尾の制御動作を高速にすることが可能な太陽追尾センサの信号処理方法が提案されている。
【０００４】
また、特許文献２に開示されているように、透光性を有し且つ非透明なカバーで形成された略四角錐状部分を、底面の対角線に沿って鉛直方向に直立する境界面によって４つのエリアに区分し、各エリア内に光検出センサが配置され、各境界面に遮光板が設けられた太陽追尾装置が提案されている。この太陽追尾装置は、地表面に対する太陽位置の仰角が変化したときに、遮光板による影の影響で、互いに対向する一対の光検出センサへの入射光量が相補的に増減する現象を利用し、当該一対の光検出センサへの入射光量の差を一定に保つように制御対象物の向きを駆動制御するものである。
【特許文献１】特開平５−１２６５６３号公報
【特許文献２】特開２００４−１４６７４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の太陽追尾センサの信号処理方法にあっては、受光部の視野角が±０．２５ｄｅｇ程度と非常に狭く、また光源が視野角から外れた場合に自らそれを探す機能を有していないため、天体望遠鏡など、特定の分野に用途が限定されるものであった。また、光源が位置する方位を計測する機能は備えていない。
【０００６】
また、特許文献２の太陽追尾装置にあっては、光検出センサの指向性をなくすため、太陽光を一旦非透明のカバーで受け、そのカバーを通過した散乱光を光検出センサに入射させる構造であるため、カバーを通過する際に太陽光が減衰してしまい、太陽光の強度を正確に計測することができないものであった。また、入射光の強度が弱い場合には、ほとんど太陽を追尾することができないものであった。また、太陽が位置する方位を計測する機能は備えていない。
【０００７】
この発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、空中を直線的に伝搬してくる光等のエネルギー媒体について、その強度計測や発生源の方位計測を広い視野角の範囲で高精度に行うことができ、追尾機能を容易に付加することが可能な方位センサ装置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】
【０００８】
この発明は、太陽光等の空中を直線的に伝搬するエネルギー媒体が入射する平らな検出面が設けられ、入力したエネルギー媒体を電気信号に変換する複数のセンサ素子と、前記複数のセンサ素子が、前記検出面の法線が互いに非平行の位置であって、前記エネルギー媒体を、少なくとも三つの前記検出面で同時に受ける向きに立体配置されたセンサモジュールと、各センサ素子から出力された前記電気信号のうち少なくとも三つに基づいて、前記エネルギー媒体の強度情報及び発生源の方位情報を出力する電気信号処理部とを備えた方位センサ装置である。
【０００９】
さらに、前記センサモジュールは、五つの前記センサ素子を備え、各センサ素子の前記検出面は、四角錐台の上底面とその側方に位置した四つの斜平面に外向きに各々配置され、前記電気信号処理部は、少なくとも前記上底面側に配置された前記センサ素子が出力する電気信号に基づいて方位情報を出力可能とした方位センサ装置である。特に、前記エネルギー媒体は光であって、前記センサ素子は光検出素子である。
【００１０】
さらに、前記電気信号処理部の出力に基づいて制御対象物の方位角および仰角を駆動制御する追尾制御部を備えるものである。前記追尾制御部は、前記電気信号処理部が出力する前記被検出信号の強度情報が、所定の値になるように、前記制御対象物の方位角および仰角を駆動制御することができるものである。また、前記センサモジュールは、前記制御対象物に取り付けられ、前記制御対象物と一体に変位するものでもよい。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の方位センサ装置によれば、エネルギー媒体が空中を直線的に伝搬してくる可視光線・紫外線・赤外線、その他指向性の高い電磁波や放射線等であって、検出面に入射すると、入射角と強度とがＬａｍｂｅｒｔの法則に従う関係、又はそれに類似する関係を示すものであれば、エネルギー媒体の強度計測および発生源の方位計測を同時に行うことができる。また、簡単な構造でありながら、広い視野角で、高精度の計測を行うことができる。
【００１２】
また、上記のように測定原理が単純であることから、エネルギー媒体の強度及び方位とセンサ素子が出力する電気信号との関係は、比較的簡単な理論式でほぼ正確に表現することができる。従って、所望の性能を一律に作り込むことが容易であり、装置の大量生産に適している。
【００１３】
さらに、本発明の方位センサ装置のセンサモジュールは、小型でコンパクトに構成することができるので、設置方法についての自由度が大きく、制御対象物の形態や性質に合わせて、様々な制御方式の追尾システムを構築することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明の第一実施形態の方位センサ装置１０について、図１〜図７に基づいて説明する。第一の実施形態の方位センサ装置１０は、エネルギー媒体としての太陽光の強度及び太陽の方位を計測する装置である。方位センサ装置１０は、図１に示すように、受光した太陽光の強度に基づいて電気信号を出力する複数のフォトダイオードを有するセンサモジュール１２と、センサモジュール１２が出力する電気信号に基づいて、太陽光の強度情報及び太陽の方位情報を出力する電気信号処理部１４とを備えている。
【００１５】
センサモジュール１２は、図２に示すように、四角錐台状の本体１６と、本体１６の所定の面に取り付けられた５つのセンサ素子であるフォトダイオード１８，２０，２２，２４，２６を備えている。本体１６は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、略円形の設置面である下底面１６ａと、下底面１６ａと互いに平行な面であって、下底面１６ａの中心を通る法線（以下、Ｚ軸）に対して回転対称に四角形の上底面１６ｂを備えている。さらに、下底面１６ａに対して傾斜角δを有し、Ｚ軸を挟んで互いに対称に位置した２組の斜平面１６ｃが設けられている。なお、この実施形態のセンサモジュール１２では、各傾斜角δは、一律４５ｄｅｇに設定されている。
【００１６】
フォトダイオード１８は、薄型の直方体の外形を有し、表面側の中央部には、被検出信号である太陽光を受光する検出面Ｓ０が、例えば約６ｍｍ×約６ｍｍのサイズに形成されている。このフォトダイオード１８は、可視光から赤外線領域までの範囲を検出可能な一般的なシリコン・フォトダイオードである。検出面Ｓ１で受光した光と、発生する電流は、式（１）の関係式で表される。
【数１】
2009210280.tif 000003
【００１７】
ここで、Ｌｉは受光した光強度、Ｉｏは発生電流、Ｓは感度である。他のフォトダイオード２０，２２，２４，２６は、フォトダイオード１８と同一のものであり、各々検出面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が設けられている。
【００１８】
上記フォトダイオード１８は、本体１６の上底面１６ｂに配置され、その検出面Ｓ０が上底面１６ｂに対して平行な向きになるよう取り付けられている。また、フォトダイオード２０は、一の斜平面１６ｃに配置され、検出面Ｓ１がその斜平面１６ｃに対して平行な向きになるよう取り付けられている。フォトダイオード２２は、フォトダイオード２０とＺ軸を挟んで対向する斜平面１６ｃに配置され、検出面Ｓ２がその斜平面１６ｃに対して平行な向きになるよう取り付けられている。フォトダイオード２４，２６も、残る２つの斜平面１６ｃに各々配置され、上記と同様の方法で取り付けられている。そして、各フォトダイオードには、図示しない出力ケーブルが取り付けられ、受光した太陽光の強度に応じて発生する各電流信号を、後段の電気信号処理部１４に向けて出力可能に構成されている。ここで、図３（ａ）に示すように、Ｓ２，Ｓ０，Ｓ１の順に並ぶ方向をＸ軸、Ｓ４，Ｓ０，Ｓ３の順番に並ぶ方向をＹ軸と定義する。
【００１９】
電気信号処理部１４は、図１、図４に示すように、各フォトダイオード１８，２０，２２，２４，２６の出力に各々接続された５つの電流／電圧変換器２８（以下、Ｉ／Ｖ変換器２８）と、各Ｉ／Ｖ変換器２８の出力に接続され、所定の演算処理を行う演算部３２ｂが設けられた信号出力部３０とを備えている。Ｉ／Ｖ変換器２８は、周知のアナログ増幅回路で構成されている。被検出信号の太陽光は、強度や方位の変化が緩慢であることから、アナログ増幅回路の応答特性はさほど高速である必要ない。ここでは、微弱な太陽光であっても検出できるよう、利得を高く設定しつつ、低雑音化と回路の安定度向上を図る観点から、周波数帯域は数十Ｈｚ程度に抑えるよう設定することが望ましい。
【００２０】
信号出力部３０は、図４に示すように、Ｉ／Ｖ変換器２８が出力する各電圧信号をそのまま外部に出力するほか、信号選択ブロック３２ａと計算ブロック３２ｂとで構成され、各電圧信号に基づいて所定の演算処理を行って、太陽光の強度情報Ｌと太陽の方位情報θ，φを出力する演算部３２を備えている。なお、信号選択ブロック３２ａと計算ブロック３２ｂの詳細な機能については、方位センサ装置１０の動作説明の中で詳しく述べる。
【００２１】
次に、センサモジュール１２が太陽光を受光検知する原理について、図５〜図７に基づいて説明する。図５に示すように、光源Ｐが強度Ｌの光を照射し、受光面Ｍ１において強度Ｌｉｎの光を受光しているモデルを想定する。この場合、光源Ｐの仰角をφとすると、式（２）に示すＬａｍｂｅｒｔの法則が成り立つ。
【数２】
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方位センサ装置１０は、このＬａｍｂｅｒｔの法則に基づく検出量の指向性を利用して、太陽の方位等を検出しようとするものである。
【００２２】
図３に示すように、センサモジュール１２に設けられた検出面Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、各検出面の法線が互いに異なる向きとなるよう配置されているため、一定の太陽光Ｌが照射されたとき、各検出面Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が受光する光強度Ｌ０、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は、各々異なる値となる。図５、図６に示すように、水平面をＸＹ平面として、光源である点Ｐからの太陽光Ｌの方位角をθ、検出面の傾斜角をδとすると、受光面Ｍ１において強度Ｌｉｎは、式（２）に座標軸変換を行い、Ｌａｍｂｅｒｔの法則により方位角θ，仰角φと傾斜角δを用いて、以下の式（３）で表される。この展開は、数学的に既知のものであるので、展開途中の式は省略する。
【数３】
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【００２３】
この実施形態では、式の簡略化のため、各検出面Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が受光する光強度Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４について、検出面１６ｃの傾斜角δは、各々絶対値が一律４５ｄｅｇ＝π／４としている。そして、光源Ｐの位置を図６に示す極座標系（方位角θ、仰角φ）で定義すると、光強度Ｌ０、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は、式（３）を基に以下の各式で表される。
【００２４】
まず、検出面Ｓ０では、水平であるのでδ=0を入れると、以下の式（４）で表される。
【数４】
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検出面Ｓ１は、水平な検出面Ｓ０面に対してδ＝−π／４傾斜しているので、
【数５】
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となる。
【００２５】
検出面Ｓ２は、検出面Ｓ１に対して方位角θが１８０ｄｅｇ＝π回転していると言え、水平面に対しては検出面Ｓ１と同様にδ＝−π／４傾斜していることになるので、
【数６】
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となる。
【００２６】
さらに、検出面Ｓ３は、検出面Ｓ１に対して方位角θが９０ｄｅｇ＝π／２回転していると言え、水平面に対しては検出面Ｓ１と同様にδ＝−π／４傾斜しているので、
【数７】
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となる。
【００２７】
さらに、検出面Ｓ４は、検出面Ｓ１に対して方位角θが−９０ｄｅｇ＝−π／２回転しており、水平面に対しては検出面Ｓ１と同様にδ＝−π／４傾斜しているので、
【数８】
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となる。
【００２８】
なお、式（３）〜（８）は、変数の正負を考慮した一般式であるが、センサモジュール１２の実際の構造にあっては、太陽光が見える側からしか受光することができない。従って、太陽光が各検出面の表面側に入射可能な方位角θ及び仰角φの範囲にある場合においては、光強度Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は式（４）〜（８）に従って各々観測されるが、それ以外の方位角θ及び仰角φの範囲にある場合は、光強度は観測されない。
【００２９】
例えば、図７（ａ）（ｂ）に示すように、光源である太陽が、地表面Ｍ２上に形成された半球面Ｍ３上を変位し、センサモジュール１２は、半球面Ｍ３の中点の位置に、下底面１６ａを地表面Ｍ２側向けて設置されているモデルを想定する。例えば、光源が太陽Ｐａである場合、太陽Ｐａの仰角φａはセンサモジュール１２の斜平面１６ｃの傾斜角δよりも大きいため、太陽Ｐａの方位角θによらず、すべての検出面Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４において、式（４）〜（８）に従って光強度Ｌａ０，Ｌａ１，Ｌａ２，Ｌａ３，Ｌａ４が観測される。
【００３０】
一方、光源が太陽Ｐｂである場合、太陽Ｐｂの仰角φｂはセンサモジュール１２の斜平面１６ｃの傾斜角δよりも小さいため、検出面Ｓ０，Ｓ１，Ｓ４では、式（４）〜（８）に従って光強度Ｌｂ０，Ｌｂ１，Ｌｂ４が観測されるが、検出面Ｓ３，Ｓ４にあっては、太陽Ｐｂの方位角θ上の位置関係により、光強度は観測されず、光強度ゼロとして出力される。
【００３１】
このように、太陽の仰角φが斜平面１６ｃの傾斜角δよりも小さい範囲では、検出面Ｓ０と、検出面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の中のいずれか一つまたは二つの検出面のみで、光強度が観測されることになる。そして、その二つの検出面がＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の中のいずれであるかは、方位角θの値によって決まる。一方、検出面Ｓ０は、方向角θによらず、理論的には光強度は常に観測されることになる。
【００３２】
以上説明した太陽光を受光する原理に基づいて、方位センサ装置１０の動作を説明する。図７に示すように、半球面Ｍ３の任意の位置に存在する太陽が、光強度Ｌの太陽光を照射すると、各フォトダイオードの検出面Ｓ０、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４には、それぞれ光強度Ｌ０、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の太陽光が入射する。そして、各フォトダイオードに入射した各光強度は、式（１）に示すように、感度Ｓをもって電流信号Ｉ(S0)、Ｉ(S1)、Ｉ(S2)、Ｉ(S3)、Ｉ(S4)に変換される。さらに、これらの電流信号は、Ｉ／Ｖ変換器２８に設定された利得Ｋをもって電圧信号Ｖ(S0)、Ｖ(S1)、Ｖ(S2)、Ｖ(S3)、Ｖ(S4)に変換される。ここで、各電圧信号と太陽光Ｌとの関係をまとめると、以下の式に表される
【００３３】
【数９】
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【数１０】
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【数１１】
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【数１２】
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【数１３】
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【００３４】
これらの電圧信号は、後段の信号出力部３０に入力される。信号出力部３０は、図４に示すように、各電圧信号をそのまま外部に出力するほか、演算部３０で演算処理を行い、太陽光の強度情報Ｌ、太陽の方位情報である方位角θと仰角φを算出する。
【００３５】
式（９）〜（１３）から分かるように、未知の変数はＬ，θ，φの３つである。従って、測定された電圧信号Ｖ(S0)、Ｖ(S1)、Ｖ(S2)、Ｖ(S3)、Ｖ(S4)の中から３つを選択し、どの検出面の電圧値なのかを踏まえて上記連立方程式を解けば、Ｌ，θ，φを求めることができる。すなわち、計算ブロック３２ｂでは、選択された３つの電圧信号に基づいて、太陽光の強度情報Ｌ、太陽の方位情報θ，φを算出する処理が行われる。
【００３６】
計算ブロック３２ｂに入力される３つの電圧信号のうち、１つは、太陽の位置によらず常に太陽光を受光している検出面Ｓ０の電圧信号Ｖ(S0)である。そして、残りの２つは、信号選択ブロック３２ａによって、電圧信号Ｖ(S1)、Ｖ(S2)、Ｖ(S3)、Ｖ(S4)の中から、電圧値の大きなもの２つ（Ｖmax1，Ｖmax2）が選択される。上述したように、太陽の仰角φがセンサモジュール１２の傾斜角δよりも小さい場合であっても、検出面Ｓ１〜Ｓ４のうちの少なくとも２つの検出面で太陽光が受光されているので、電圧値の大きなもの２つを選択すれば、それを抽出することができる。また、太陽の仰角φがセンサモジュール１２の傾斜角δよりも大きい場合には、検出面Ｓ１〜Ｓ４の全ての検出面で太陽光が受光されているが、受光強度の大きな検出面から得られた電圧値を選択すれば、より誤差の少ない高精度な解析を行うことができる。
【００３７】
例えば、図７に示すように、太陽Ｐｂが太陽光Ｌを照射している場合、計算ブロック３２ｂに入力される３つの電圧信号は、Ｖ(S0)，Ｖ(S1)，Ｖ(S4)が選択される。計算ブロック３２ｂには、式（９）（１０）（１３）に基づいて演算する場合の計算式があらかじめ設定されており、電圧信号Ｖ(S0)，Ｖ(S1)，Ｖ(S4)はその計算式に代入され、太陽光の強度情報Ｌ、太陽の方位情報θ，仰角φを演算し、演算結果を外部に出力する。このように、太陽が半球面Ｍ３の任意の位置にあっても、上記の方法で３つの電圧信号を選択し、あらかじめ計算ブロック３２ｂに設定されている計算式から、該当するものを自動的に選択し、太陽光の強度情報Ｌ、太陽の方位情報θ，仰角φを演算し、演算結果を外部に出力する動作が行われる。
【００３８】
なお、式（４）〜（８）、および式（９）〜（１３）は、各検出面１６ｃの傾斜角δが一律４５ｄｅｇであるときに成立する式であるが、傾斜角δが４５ｄｅｇ以外に設定された場合には、既知の定数δを含んだ新たな式が成立するが、上記と同様の動作に基づいて、太陽光の強度情報Ｌ、太陽の方位情報θ，仰角φを算出することが可能であることは言うまでもない。
【００３９】
以上説明した方位センサ装置１０によれば、太陽光を検出面で受光することによって、太陽光の強度情報Ｌ、太陽の方位情報θ，仰角φの計測を同時に行うことができる。また、簡単な構造でありながら、半球面という広い視野角の計測が可能である。
【００４０】
また、光の入射角度に対するフォトダイオードの指向性を積極的に利用した方式であり、太陽光は、散乱板や反射板等を介すことなく直接的に検出面に入射するため、計測誤差の発生要因が少なく、微弱な太陽光であっても精度の高い計測が可能である。
【００４１】
また、上記のように測定原理が単純であることから、電圧信号を太陽光の強度等に換算するため演算プログラムは簡単な理論式に基づいて定義できるので、一律に所望の計測性能を作り込むことができ、装置の大量生産に適している。
【００４２】
次に、この発明の第二の実施形態である方位センサ装置４０について、図８に基づいて説明する。なお、上記方位センサ装置１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。図８は、方位センサ装置４０と太陽光発電装置４２とを組み合わせて構成された太陽光発電システムである。太陽光発電装置４２は、太陽電池セルが敷き詰められたソーラーパネル４４を有し、その受光面は太陽光に向けて上向きに配置され、基台４６上面に垂直に立設された支柱４８の上端に支持されている。そして、基台４６の内部には、支柱４８を回転自在に駆動する方位角可変アクチュエータ５０が設けられ、さらに、支柱４８上端には、ソーラーパネル４４の受光面を、仰角方向に揺動自在に駆動する仰角可変アクチュエータ５２が設けられている。
【００４３】
一方、方位センサ装置４０は、地表面Ｍ２に設置されたセンサモジュール１２と、電気信号処理部１４とを備え、さらに、方位角可変アクチュエータ５０及び仰角可変アクチュエータ５２を駆動する駆動信号を出力する追尾制御部５４を備えている。
【００４４】
このように構成された太陽光発電システムにおいては、信号処理部１４は、方位センサ装置１０と同様に、センサモジュール１２が受光した太陽光Ｌに基づいて太陽の方位情報（方位角θ，仰角φ）を出力し、追尾制御部４２は、その方位情報に基づいて、各アクチュエータの駆動信号を出力する。そして、方位角可変アクチュエータ５０及び仰角可変アクチュエータ５２は、追尾制御部４２が出力する駆動信号に基づいてソーラーパネル４４を変位させ、ソーラーパネル４４の受光面は、常に太陽光を垂直に受光する方向に追尾する。
【００４５】
次に、この発明の第三の実施形態である方位センサ装置６０について、図９に基づいて説明する。なお、上記方位センサ装置４０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の方位センサ装置６０は、図９に示すように、太陽光発電装置４２のセンサモジュール１２が、ソーラーパネル４４の受光面に設置されて太陽光発電システムを構成しているものである。さらに、上記と同様の方位角可変アクチュエータ５０及び仰角可変アクチュエータ５２を駆動する駆動信号を出力する追尾制御部６２を備えている。
【００４６】
この構成の太陽光発電システムにおいては、信号処理部１４は、方位センサ装置１０と同様に、センサモジュール１２が受光した太陽光Ｌに基づいて太陽光の強度情報であるＶ(S0)〜Ｖ(S4)を出力する。追尾制御部６２は、その強度情報に基づいて各アクチュエータの駆動信号を算出する。
【００４７】
追尾制御部６２の駆動信号を算出する算出方法は、図１０のフローチャートに示すように、ステップＳＰ１０でサンプリングした電圧信号Ｖ(S0)、Ｖ(S1)、Ｖ(S2)、Ｖ(S3)、Ｖ(S4)に基づき、ステップＳＰ１２，ＳＰ１４で偏差Ｅｘ，Ｅｙを算出する。偏差Ｅｘは、Ｙ軸方向に一列に配置された検出面Ｓ０，Ｓ３，Ｓ４から得られた電圧信号を用い、Ｖ(S3)とＶ(S4)の差を求め、さらにＶ(S0)で除算することによって規格化した数値である。同様に、偏差Ｅｙは、Ｘ軸方向に一列に配置された検出面Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２から得られた電圧信号を用い、Ｖ(S1)とＶ(S2)の差を求め、さらにＶ(S0)で除算することによって規格化した数値である。
【００４８】
ステップＳＰ１６では、偏差Ｅｘ，Ｅｙを、あらかじめ設定された目標値ゼロにするため、ソーラーパネル１２を変位させなければならない方位角変位量Δθおよび仰角変位量Δφを算出する。そして、ステップＳＰ１８は、方位角変位量Δθおよび仰角変位量Δφに基づき、方位角可変アクチュエータ５０及び仰角可変アクチュエータ５２を駆動する駆動信号を出力する。
【００４９】
センサモジュール１２の各検出面１６ｃは、ソーラーパネル４４の受光面に対して一定の傾斜角δでそれぞれ設置されているため、偏差Ｅｘ，Ｅｙがゼロになったときが、ソーラーパネル４４の受光面が太陽光に対して垂直な向きになっているといえる。従って、ステップＳＰ１０〜ＳＰ１８を繰り返すことによって、ソーラーパネル４４の受光面は、常に太陽光を垂直に受光する方向に追尾する。
【００５０】
なお、上記傾斜角δが各検出面１６ｃ毎に異なる場合は、ソーラーパネル４４の受光面が太陽光に対して垂直な向きになったときの偏差Ｅｘ，Ｅｙの値を目標値として設定しておけば、同様の動作を行うことができる。また、偏差Ｅｘ，Ｅｙは規格化された数値なので、偏差Ｅｘ，Ｅｙの目標値は、太陽光Ｌの強度の変化に応じて変更する必要はない。また、偏差Ｅｘ，Ｅｙは、ソーラーパネル４４の受光面と平行な向きに配置されている検出面Ｓ０に基づく電圧信号Ｖ(S0)を基準として規格化されているので、仰角φと偏差ＥｘおよびＥｙの間に、ほぼ直線的な関係が得られる。従って、ソーラーパネル４４の追尾動作の制御特性を、高速に、かつ高い安定度に設定することが容易である。
【００５１】
以上説明したように、本発明の方位センサ装置は、センサモジュールを小型でコンパクトに構成できるので、センサモジュールを地表面に固定設置したり、制御対象物の追尾部分（例えばソーラーパネルの受光面）に設置したりするなど、設置方法についての自由度が高い。従って、制御対象物の形態や性質に合わせて、様々な制御方式の追尾システムを構築することが可能である。
【００５２】
なお、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、検出する光等のエネルギー媒体は、センサ素子の検出面に入射すると、入射角と強度とがＬａｍｂｅｒｔの法則に従う関係、又はそれに類似する関係を示すものであれば、可視光線・紫外線・赤外線、その他指向性の高い電磁波や放射線等であってもよく、センサ素子は、当該エネルギー媒体に適したセンサ素子を適宜選択すればよい。また、発生源が位置する方位が所定の範囲に限定される場合には、センサ素子の数を、少なくとも３つのセンサ素子で同時にエネルギー媒体を検知できる数まで減らしてもよい。また、全球面の視野角を備える光方位センサ装置を構成する場合であれば、半球面の視野角もつセンサモジュール１２を上下対称に２組み合わせて検知し、一の信号出力部で演算処理等を行うようにしてもよい。
【００５３】
また、センサモジュールは、必ずしも独立した本体を備えている必要はなく、例えば、所定の構造物や制御対象物の筐体等の表面にセンサ素子を取り付けて構成してもよい。
【００５４】
また、電気信号処理部１４は、センサ素子が出力する電気信号を、所望の電気信号等に変換して出力する機能を有するものであればよく、出力する信号の種類や信号変換方法は適宜設定することができる。
【００５５】
また、追尾制御部５４は、制御対象物の種類や性質に応じて駆動信号を生成する機能を有しており、制御対象物の種類等は限定しない。
【実施例１】
【００５６】
次に、上述の方位センサ装置１０を用いて、所定の光源から照射された光を電圧信号Ｖ(S0)、Ｖ(S1)、Ｖ(S2)、Ｖ(S3)、Ｖ(S4)に変換した実験結果を、図１１〜１４に基づいて説明する。実験モデルは、図１１に示すように、光源Ｐは、半球面Ｍ３上であって、方位角θ＝９０ｄｅｇ，２７０ｄｅｇ、仰角φ＝０〜１８０ｄｅｇの軌跡を移動する。そして、光源Ｐが照射する光Ｌを、半球面Ｍ３の中心であって、ＸＹ軸の原点位置の地表面Ｍ２に設置されたセンサモジュール１２を用いて観測する、というもでるである。なお、センサモジュール１２は、フォトダイオード１８，２０，２２，２４，２６が取り付けられ、検出面Ｓ０〜Ｓ４を備えているが、Ｘ軸上に配置された検出面Ｓ１，Ｓ２は、この実験で使用していないので図示していない。
【００５７】
各フォトダイオードは、約６ｍｍ×約６ｍｍのサイズに形成された、市販のシリコン・フォトダイオードダイオードである。可視光から赤外線領域までの範囲を検出可能で、受光した光の強度を電流信号に変換して出力する機能を備えている。
【００５８】
Ｉ／Ｖ変換器２８は、図１２に示すように、オペアンプ、抵抗、コンデンサで構成された周知のアナログ増幅回路であって、検出面Ｓ０の電流信号Ｉ(0)が同軸ケーブル６４を介して入力されると、所定の利得をもって電圧信号に変換し、出力する。ここでは、帰還回路の時定数は約３０ｍｓｅｃ、周波数帯域は約５０Ｈｚ、総合電流利得２００ｍＶ／μＡ、最大入力電流５０μＡに設定されている。他の検出面に接続されているＩ／Ｖ変換器２８も、同一のものである。
【００５９】
光源Ｐから所定強度の光を照射したとき、検出面Ｓ０を介して得られた電圧信号Ｖ(S0)の特性を図１３に示す。グラフの縦軸は、仰角φ＝９０ｄｅｇのとき電圧値を１とした規格化出力である。検出面Ｓ０は、地表面Ｍ２に対して平行に設置されているため、光源Ｐが仰角φ＝９０ｄｅｇの位置にあるときにＶ(S0)は最大値を示している。計算値と測定値を比較すると、仰角φ＝０〜１８０ｄｅｇの範囲でほぼ一致した。なお、仰角φ＝３０ｄｅｇ以下、および、仰角φ＝１５０ｄｅｇ以上の範囲でやや測定誤差がみられるが、太陽光発電における太陽光追尾の用途にあっては、問題にならないレベルである。
【００６０】
次に、光源の光強度Ｌに約３倍の比率で強弱をもたせ、それぞれの強度で各電圧信号を測定した。図１４に、電圧信号Ｖ(S0)，Ｖ(S3)，Ｖ(S4)の測定値を示す。光強度の強弱によって、各検出面を介して得られた電圧信号は、それぞれ約３倍の差が生じた。光源Ｐが仰角φ＝４５ｄｅｇ，１３５ｄｅｇの位置にあるときに、Ｖ(S3)，Ｖ(S4)はそれぞれ最大値を示している。これは、検出面Ｓ３，Ｓ４が、地表面Ｍ２に対して傾斜角δ＝４５ｄｅｇの角度をもって設置されているためである。また、光源Ｐが仰角φ＝０〜４５ｄｅｇの範囲にあるときは、検出面Ｓ４に光が入射しないため、電圧信号Ｖ(S4)は、ほとんど発生していない。同様に、光源Ｐが仰角φ＝１３５〜１８０ｄｅｇの範囲にあるときは、検出面Ｓ３に光が入射しないため、電圧信号Ｖ(S3)は、ほとんど発生していない。
【００６１】
さらに、上述の実施形態の方位センサ装置６０における追尾制御部６２の動作を検証するため、各電圧信号の測定値に基づいて偏差Ｅｘを算出した。その結果、図１５に示すように、偏差Ｅｘと仰角変位量Δφの間にほぼ直線的な関係が得られた。従って、ソーラーパネル追尾動作の制御を行う場合、太陽の仰角φに応じて制御利得を補正する等しなくとも、単純な制御手法を用いて、高速で安定度の高い追尾動作を実現することができる。また、光強度Ｌに強弱があっても、偏差Ｅｘと仰角変位量Δφの直線的な関係は一致した。従って、ソーラーパネル追尾動作の制御を行う場合、晴れた日と曇りの日で太陽光の強度が変動しても、常に一定の追尾動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】この発明の第一の実施形態の方位センサ装置を示すブロック図である。
【図２】この実施形態のセンサモジュールの斜視図である。
【図３】この実施形態のセンサモジュールの平面図（ａ）と側面図（ｂ）である。
【図４】この実施形態の信号出力部の内部を示すブロック図である。
【図５】光源から受光面Ｍ１に光が照射する様子を示す斜視図である。
【図６】光源の位置等を定義する極座標系を示す図である。
【図７】この実施形態のセンサモジュールが太陽光を受光する原理を説明する平面図（ａ）とＡ−Ａ断面図（ｂ）である。
【図８】この発明の第二の実施形態の方位センサ装置を用いて構成された太陽光発電システムを示す全体図である。
【図９】この発明の第三の実施形態の方位センサ装置を用いて構成された太陽光発電システムを示す全体図である。（ａ）と、
【図１０】第三の実施形態の方位センサ装置を用いて構成された太陽光発電システムの追尾制御部の動作を示すフローチャートである。
【図１１】この発明の一実施例の実験方法を説明する側面図である。
【図１２】この実施例のＩ/Ｖ変換器の回路図である。
【図１３】この実施例の電圧信号Ｖ(S0)と仰角φとの関係を示すグラフである。
【図１４】この実施例の電圧信号Ｖ(S0)，Ｖ(S3)，Ｖ(S4)と仰角φとの関係を示すグラフである。
【図１５】この実施例において、電圧信号の偏差Ｅｘと仰角φとの関係を、光強度の強い場合と弱い場合の各々について示すグラフである。
【符号の説明】
【００６３】
１０，４０，６０  方位センサ装置
１２  センサモジュール
１４  電気信号処理部
１８，２０，２２，２４，２６  フォトダイオード
３０  信号出力部
３２  演算部
４４  ソーラーパネル
５０  方位角可変アクチュエータ
５２  仰角可変アクチュエータ
５４，６２  追尾制御部
Ｐ  光源（太陽）
Ｌ，Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４  光強度
Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４  検出面
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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