光入射方向センサ

【課題】小型で正確な入射方向検出信号の出力が可能な太陽光入射方向センサを提供する。
【解決手段】上面から光が入射可能な円筒と、円筒の底部内側に配置された４つの受光素子と、円筒の上面中央に設けられた遮光マークと、各受光素子の出力を受けて入射光量を測定する入射光量測定手段と、その測定値を基に入射方向を判定する入射方向判定手段とを有し、円筒と遮光マークと受光素子は１ユニットのセンサ本体を構成していることを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光追尾装置などにおいて太陽光の入射方向を検出するため、その他の光の入射方向を検出するために用いられる光入射方向センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電装置には、太陽光追尾装置を取り付けて太陽光を追尾することにより、発電効率の向上を図っているものがある。そして、太陽光追尾装置は、一般的に、太陽光入射方向センサからの入射方向検出信号を用いて、追尾制御信号を生成し、方向変換機構を制御駆動している。
【０００３】
従来の太陽光入射方向センサには、発電用ソーラーパネルの一部をセンサ用受光素子として用いるもの（ａ）と、発電用ソーラーパネルとは別の入射光量検出用ソーラーパネルを用いるもの（ｂ）と、断面＋字形の所要高さの遮光板の底部にその遮光板によって４方向に区画された位置にフォトトランジスタなどの受光素子を配置してなるもの（ｃ）が知られている。
【０００４】
上記（ａ）の太陽光入射方向センサは、発電用ソーラーパネルの一部をセンサ用受光素子として用いるため、当然、発電装置の発電能力の低下を招く。従って、所要の発電力を確保するためには、パネルサイズを大型化する必要があり、小型化して携帯可能性が求められる発電装置には適合しない。また、上記（ｂ）の太陽光入射方向センサは、発電用とは別の入射光量検出用ソーラーパネルを使用するので、パネル全体の面積が大きくなり、大型化するため、同様に携帯用発電装置には適合しない。さらに、（ｃ）の太陽光入射方向センサは、断面＋字形の開放型の遮光板の底部に受光素子を配置してなるため、センサの感度が不安定であり、一義的な入射方向検出信号の出力が困難であるので、太陽光追尾装置の太陽光追尾制御を正確に行うことができない。従来技術には以上のような問題があった。
【特許文献１】特になし。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、正確で一義的な入射方向検出信号の出力が可能な光入射方向センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る太陽光入射方向センサは、上記目的を達成するため、少なくとも上面から光が入射可能な円筒と、その円筒の底部内側に、その円筒の中心において直交する二つの直線と前記円筒の中心を中心とする円との４つの交点に配置された受光素子と、前記円筒の開口面の中央に設けられ、前記４個の受光素子のうち最大で隣接する２個の受光素子を遮光可能な大きさを有する遮光マークと、各受光素子の出力を受けて４つの交点における入射光量を測定する入射光量測定手段と、その入射光量測定手段の出力値を基に入射方向を判定する入射方向判定手段とを有し、少なくとも前記円筒と前記マークと前記受光素子は１ユニットのセンサ本体を構成していることを特徴としている（請求項１）。
遮光マークは円筒の開口面の中央に設けられ、円筒の中心において直交する２つの直線と円筒の中心を中心とする円との交点に配置された４個の受光素子のうち最大で隣接する２個の受光素子を遮光可能な大きさを有するから、光の円筒に入射する方向により、（ａ）全ての受光素子が受光する状態、すなわち、マークの影が全ての受光素子に内接する状態、（ｂ）いずれの受光素子も受光しない状態、（ｃ）いずれか１個の受光素子が遮光される状態、すなわち、マークの影がいずれか１個の受光素子にできる状態、（ｄ）いずれかの隣接する２個の受光素子が遮光される状態が発生する。入射光量測定手段は、上記各状態における各受光素子の出力から各受光素子における入射光量を測定する。入射方向判定手段は、前記入射光量測定手段の出力値を基に入射方向を判定する。この判定結果は円筒の中心軸線が光入射方向と一致するように円筒の向きを変えることに利用することができる。
【０００７】
本発明の好ましい例では、円筒は透明材料で作られていることを特徴とする（請求項２）。
【０００８】
本発明のさらに好ましい例は、入射光量測定手段により測定された入射光量を比較して、入射方向を検出し、入射方向検出信号を出力するか、又はさらに、検出した入射方向に対応して円筒の中心軸線が太陽光の入射方向と一致するように円筒の向きを変えるべき方向を表す回動方向信号を出力する判定手段とを付加したことを特徴としている（請求項３）。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明によれば、遮光マークは４個の受光素子のうち最大で隣接する２個の受光素子を遮光可能な大きさを有するから、いずれか１個のみの受光素子が遮光される状態と、いずれかの隣接する２個の受光素子が遮光される状態を発生させることができるので、東西南北及びその中間の方向の入射方向を正確に検出することができる。また、入射方向判定信号を円筒の向きを光入射方向と一致するように変えるために利用することができる。さらに、小型化が可能であり、小型の太陽光追尾装置を製造することができる。
【００１０】
請求項２の発明によれば、円筒が透明材料で作られているので、円筒に入射した光は円筒を透過するため、円筒内壁面からの反射光が受光素子に入射することによる検出信頼度の低下を防止することができる。
【００１１】
請求項３の発明によれば、入射光量測定手段により測定された入射光量を比較して、入射方向を検出し、入射方向検出信号を出力するか、又はさらに、検出した入射方向に対応して円筒の中心軸線が太陽光の入射方向と一致するように円筒の向きを変えるべき方向を表す回動方向信号を出力する判定手段とを付加してあるので、本発明の太陽光入射方向センサをそのまま太陽光追尾装置に取り付けて太陽光追尾のための制御に使用することができる。従って、太陽光追尾装置を小型化し、携帯可能にすることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の実施の形態について、図面を用いながら説明する。図１は本発明に係る太陽光入射方向センサの斜視図、図２は同平面図、図３は図２のＸ−Ｘ線断面図、図４は主として判定回路の構成の一例を示す回路図、図５は４個の受光素子の受光状態と入射方向判定のための基準テーブル及び入射方向判定の関係を説明する説明図である。
【００１３】
本発明に係る太陽光入射方向センサＡは、図１ないし図３に示すように、少なくとも上面から光が入射可能な円筒１と、その円筒の底部内側に設けられた受光素子２1 ，２2 ，２3 ，２4 と、円筒の上面中央に設けられた遮光マーク３とを有している。
【００１４】
受光素子２1 ，２2 ，２3 ，２4 は、フォトトランジスタなどで構成され、それぞれ円筒の底面の中心を通る互いに直交する２直線と、その底面の中心を中心とする円筒の内周面に近い位置における円との４つの交点上に配設されている。
【００１５】
遮光マーク３は、遮光性能を有するならば、材料・材質の種類は不問であり、円筒１の上面中央に設ける手段も限定されない。好ましくは、合成樹脂又はガラスなどの透明円板３ａの中央に不透明塗料を円状に塗布し、又は不透明の布もしくはシールを貼り付けても良い。重要な点は、遮光マーク３が、４個の受光素子２1 ，２2 ，２3 ，２4 に外接し得る大きさで、かつ、任意の隣接する２個の受光素子を遮光可能な大きさを有する点である。すなわち、遮光マーク３の入射光により生じる影が４個の受光素子２1 ，２2 ，２3 ，２4 の中心に存在して、いずれの受光素子も遮光しない状態と、いずれか１個の受光素子のみを遮光する状態と、隣接する２個の受光素子を遮光する状態が発生するように遮光マークの大きさ及び受光素子の大きさと配置位置が設定されている。
【００１６】
円筒１の側面壁は、透明であることが望ましい。その理由の一つは、円筒に入射した光がその側面壁から反射して遮光マークの影が生じている受光素子を照射することを避けるためであり、もう一つの理由は、側面壁が不透明である場合は、夜明け時に太陽光が円筒の軸線に対して大きな角度で入射する場合に、その入射光の有無を検出することが困難であるが、側面壁を透明にすると、これが可能になるからである。つまり、夜明けを検知して、入射方向の検知が可能になる。
【００１７】
この太陽光入射方向センサＡは、円筒の上面中央に設けた遮光マークの影が受光素子２1 ，２2 ，２3 ，２4 のいずれに発生しているかを検出することにより、光の入射方向を検出するものであるから、円筒１の深さ（高さ）は、図３に示すように、円筒１の軸線方向を目測で太陽光が照射してくる方向に向けた場合に、その遮光マークの影が円筒１の底部上面にできる程度に設定されている。
【００１８】
各受光素子２1 ，２2 ，２3 ，２4 は、図３に例示するように、円筒１の底部下側に設けた容器４に取り付けられ、各受光素子２1 ，２2 ，２3 ，２4 が受光時に発生する電圧は、図３に好ましい一例として示すように、容器４内に備えられた判定回路５に与えられる。判定回路５は、図４に例示するように、入射光量測定回路５１−５４と比較回路５５とからなっている。入射光量測定回路５１−５４は、それぞれ、受光素子から入力する電圧が所定閾値以上のときに出力するものである。比較回路５５は、入射光量測定回路５１−５４の出力状態（有無）の組合せを、予め設定してある判定基準テーブルと比較し、いずれの判定基準テーブルと一致するかにより、例えば太陽光が円筒のいずれの方向から入射しているかを判定し、その判定結果に対応する入射方向判定信号ａを出力するようになっている。
【００１９】
太陽光入射方向センサＡは、受光素子２1 ，２2 ，２3 ，２4 の、円筒中心に対して互いに反対側に存在する任意の一組の受光素子を南北方位に、他の一組の受光素子を東西方位に合致させて用いられる。図２に示す例では、受光素子２1 ，２2 が西と北に、受光素子２3 ，２4 が東と南に対応付けされている。また、好ましい実施の形態においては、図２に例示するように、どの受光素子がいずれの方位に対応しているかを一目瞭然に示すため、各受光素子２1 ，２2 ，２3 ，２4 の付近に、西，北，東，南又はＷ，Ｎ，Ｅ，Ｓの文字が記載されていることが望ましい。この方位の表示は、各受光素子２1 ，２2 ，２3 ，２4 と判定回路との接続相手を間違うことを防止するためにも有効である。
【００２０】
図５は、比較回路５５で用いられる入射方向判定に用いられる判定基準テーブルの例を示す。同図上欄のＷ，Ｎ，Ｅ，Ｓは各方位の受光素子を示し、同表左端は受光状態番号をそれぞれ示し、同表中の●は受光なし、○は受光ありを示している。また、ａは、比較回路５５が判定結果として出力する光入射方向を表す入射方向判定信号である。
【００２１】
この発明の場合は、入射方向判定信号ａが、すなわち、円筒１の中心軸線が光入射方向と一致するように円筒を回動させるべき方向を意味している。
【００２２】
判定基準テーブルについてさらに説明すると、受光状態番号１は、全ての受光素子２1 ，２2 ，２3 ，２4 が太陽光を受けている状態、すなわち、センサの検出方向（円筒の軸線）と光入射方向と一致している場合である。したがって、この時の入射方向判定信号ａは、現在の円筒１の向きと一致することを表す“０”を出力する。例えば、受光状態番号２は、Ｗ方向の受光素子２1 のみが遮光マーク３により遮光されている状態である。したがって、この時の入射方向判定信号ａは入射方向がＥと判定していることを示している。
【００２３】
引き続き、上記太陽光入射方向センサＡの光入射方向判定結果を、太陽光追尾装置又はさらに太陽光発電装置の制御駆動に利用する例について説明する。
図６は太陽光追尾装置の構成を概念的に示す正面図、図７は太陽光追尾装置の具体的構成の一例を示す正面図、図８は同じく側面図、図９は太陽光追尾装置の具体的構成の他の例を示す正面図、図１０は同じく側面図である。
【００２４】
太陽光追尾装置Ｂは、概念的には、図６に示すように、太陽光入射方向センサＡを含み、円筒１を互いに直交する２軸Ｐ１，Ｐ２周りに所要方向に回動させる円筒回動機構１０と、太陽光入射方向センサＡの判定回路５が出力する入射方向判定信号ａに基づいて円筒回動機構１０を制御して、円筒１の中心軸線１ｃの向きが太陽光入射方向と一致するまで所定方向に回動させる制御部２０とを有している。
太陽光入射方向センサＡの円筒１と判定回路５は図３に示すように一体的に結合されたものでも良いし、判定回路５を円筒１から分離したものでも良い。制御部２０は好ましくは、円筒１の底部容器４内に判定回路５と一緒に収容すると、メンテナンスなどに有利である。
【００２５】
説明の便宜上、太陽光入射方向センサＡの判定回路５は回動方向信号を出力するものであるとする。円筒回動機構１０は、円筒１を互いに直交する２軸周りに回動するための第１モータＭ１と第２モータＭ２とで構成することができる。そして、制御部２０は、一例として、判定回路５がＮ方向回動方向信号を出力したときは第１モータＭ１に第１軸Ｐ１を正転させ、判定回路５がＳ方向回動方向信号を出力したときは第１モータＭ１に第１軸Ｐ１を逆転させるように、構成されている。また、制御部２０は、判定回路５がＷ方向回動方向信号を出力したときは第２モータＭ２に第２軸Ｐ２を正転させ、判定回路５がＥ方向回動方向信号を出力した時は第２モータＭ２に第２軸Ｐ２を逆転させるように、構成されている。
【００２６】
したがって、例えば、判定回路５が図５の基準テーブルの９番目の受光状態に対応するＮＥ方向回動方向信号を出力した場合は、制御部２０は第１モータＭ１に第１軸Ｐ１を正転させ、さらに、第２モータＭ２に第２軸Ｐ２を逆転させるように構成されている。
【００２７】
上記の円筒の所定方向の回転制御により円筒１内への太陽光の入射状態が変更され、全ての受光素子からの出力値が等しくなったことにより、円筒の向きが適正になったこと（受光状態１になったこと）が検知されて、円筒回動機構１０の回動制御が停止される。また、太陽の移動により入射方向が変わったときは、太陽光入射方向センサＡの判定回路５からの出力に応じて制御部２０が円筒回動機構１０を制御駆動するので、太陽光は常に追尾される。
【００２８】
図５の受光状態番号１１，１２に示されるような入射状態は、外部の反射体からの反射光が入射するなどの特別の場合以外には、現実的には発生しないと考えられるので、このような場合には、エラー発生と判断して、回動制御を行わないように構成することができる。また、図５の受光状態番号１０に示される全受光素子の出力が０である場合は、夜間か日中ならば曇天であると考えられるので、この場合も、エラー発生と判断して、回動制御を行わないように構成することができる。
夜明け時及び入射方向センサの軸心が太陽光の入射方向と一致した時には、円筒の向きにより４個の全ての受光素子が同じ受光状態になるが、受光素子の出力値に適切な閾値を設定することにより、そのいずれであるかを判別することが可能である。センサに時計を内蔵し、その内蔵時計の時刻信号を判別基準に用いることにより、夜明け時か入射方向センサが太陽光の入射方向と一致した時かの判別も可能である。
【００２９】
図７，図８に示した太陽光追尾装置の円筒回動機構１０Ａは、次のように構成されている。すなわち、円筒１の底部は下方に突出する円弧角１８０度の円弧面を有する蒲鉾型に形成され、その外周面の長手方向中央に円弧面に沿って延びる浅い溝が形成され、その溝の中に同円弧面に沿って延びる第１ギヤ（セクタギヤ）ｇ１が設けられている。そして、その円筒の底部は、円筒の底部凸面に合致する凹面を有する蒲鉾型のホルダ１１の凹面に嵌合され、ホルダ１１及び円筒底部の円弧の中心周りに回転自在に保持されている。また、ホルダ１１の長手方向中央に、そのホルダを上下方向に貫通する横孔が形成されている。ホルダ１１の側面に取付板１２を介して取り付けられている第１モータＭ１の回転軸に固着されている第２ギヤ（歯車）ｇ２の上部が前記ホルダの横孔から上方に突出され、かつ、円筒１の浅い溝に進入して第１ギヤｇ１と噛み合わされている。従って、制御部２０からの制御信号により第１モータＭ１が所定方向又は逆方向に回転されると、円筒１はホルダ１１の円弧中心、すなわち、第１軸Ｐ１を中心として回動可能である。
【００３０】
上面開口コ字形のベース１４の両立上り片１４ａの上部間に前記第１軸Ｐ１と直交する方向に延びる軸１３が回転自在に支持されている。すなわち、軸１３は前記第２軸Ｐ２に相当する。そして、軸１３には、第３ギヤ（歯車）ｇ３が固着され、ベース１４の上面に取り付けられた第２モータＭ２の回転軸に固着された第４ギヤ（歯車）ｇ４が第３ギヤｇ３に噛み合わされている。
従って、制御部２０からの制御信号により第２モータＭ２が所定方向又は逆方向に回転されると、円筒１は第２軸１３を中心として回動可能である。
【００３１】
図９及び図１０に示した太陽光追尾装置Ｂは、太陽光入射方向センサＡの下側に設けられたハウジング３０を有する。ハウジング３０の底部３１と中間仕切壁３２との間に制御部２０が収容され、中間仕切壁３２の上面に取り付けられた第２モータＭ2 の回転軸に固着されている第４ギヤｇ４が、ハウジングの軸受部を介して回転自在に支持されている第２軸Ｐ２に固着されている第３ギヤｇ３と噛み合わされている。
【００３２】
第２軸Ｐ２には、基板３３が固着され、その基板の第２軸Ｐ２と反対側にフレーム３４が上方に起立し、そのフレーム３４の上端部に第１軸Ｐ１が第２軸Ｐ２と直交する方向に貫通され、軸受を介して回動自在に支持されている。第１軸Ｐ１の両端には、太陽光入射方向センサＡの円筒１の底面から下方に延びる一対の支持板３５の下端部が固着されている。第１軸Ｐ１の一方の支持板３５を貫通した先端に、第１ギヤｇ１が固着され、その第１ギヤｇ１と、基板３３の上面に取り付けた第１モータＭ1 の回転軸に固着してある第２ギヤｇ２との間に歯付きベルト３６が掛け回されている。
【００３３】
上記構成により、制御部２０から判定回路５からの回動方向信号に対応する制御信号が第１モータＭ1 及び／又は第２モータＭ2 に与えられて、円筒１がその中心軸線が太陽光入射方向と合致するまで第１軸Ｐ１又は第２軸Ｐ２周りに回動されるようになっている。
【００３４】
図１１は太陽光発電装置Ｃの平面図である。ＳＰは既知のソーラーパネル、Ａはそのソーラーパネルの外周の一部に固着された図１の太陽光入射方向センサであり、Ｂは上述した太陽光追尾装置であり、その太陽光追尾装置Ｂに図７，８に示されたものを用いる場合は、ソーラーパネルＳＰの底面に図７に示された円筒１の蒲鉾型底部が付加され、その蒲鉾型底部が図７，８のホルダ１１に嵌合して保持され、回動機構１０Ａが用いられる。
【００３５】
また、太陽光追尾装置Ｂに図９，１０に示されたものを用いる場合は、図９，１０の支持板３６の上端部に、円筒１の代わりにソーラーパネルＳＰが接続される。
【００３６】
なお、上記太陽光発電装置が所期の太陽光発電装置として電力供給機能を発揮するためには、図１２に例示するような電気回路が付加される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る太陽光入射方向センサの斜視図。
【図２】同じく平面図。
【図３】図２のＸ−Ｘ線断面図。
【図４】主として判定回路の構成の一例を示す回路図。
【図５】受光素子の受光状態と入射方向判定のための基準テーブル及び入射方向判定信号の関係を説明する説明図。
【図６】太陽光追尾装置の構成を概念的に示す正面図。
【図７】太陽光追尾装置の具体的構成の一例を示す側面図。
【図８】同じく側面図。
【図９】太陽光追尾装置の具体的構成の他の例を示す正面図。
【図１０】同じく側面図。
【図１１】太陽光発電装置の平面図。
【図１２】太陽光発電装置の電気的構成の一例を示す回路図。
【符号の説明】
【００３８】
Ａ太陽光入射方向センサ
１円筒
２1 ，２2 ，２3 ，２4 受光素子
３遮光マーク
５判定回路
５１，５２，５３，５４入射光量測定回路
５５比較回路
ａ入射方向判定信号
Ｂ太陽光追尾装置
１０，１０Ａ，１０Ｂ回動機構
Ｐ１第１軸
Ｐ２第２軸
Ｍ１第１モータ
Ｍ２第２モータ
Ｃ太陽光発電装置

【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも上面から光が入射可能な円筒と、その円筒の底部内側に、その円筒の中心において直交する二つの直線と前記円筒の中心を中心とする円との４つの交点に配置された受光素子と、前記円筒の上面中央に設けられ、前記４個の受光素子のうち最大で隣接する２個の受光素子を遮光可能な大きさを有する遮光マークと、各受光素子の出力を受けて４つの交点における入射光量を測定する入射光量測定手段と、その入射光量測定手段の出力値を基に入射方向を判定する入射方向判定手段とを有し、少なくとも前記円筒と前記マークと前記受光素子は１ユニットのセンサ本体を構成していることを特徴とする光入射方向センサ。
【請求項２】
円筒は透明材料で作られていることを特徴とする請求項１に記載された光入射方向センサ。
【請求項３】
入射光量測定手段により測定された入射光量を比較して、入射方向を検出し、入射方向検出信号を出力するか、又はさらに、検出した入射方向に対応して円筒の中心軸線が太陽光の入射方向と一致するように円筒の向きを変えるべき方向を表す回動方向信号を出力する判定手段とを付加したことを特徴とする請求項１又は２に記載された光入射方向センサ。

【図１】