光導入装置、集光ユニット、及び集光装置
【課題】任意方位から大きな入射角で入射する太陽光をも効率よく導入できるようにした光導入装置、その導入した光を集光する集光ユニット、およびそれを備えた集光装置を構成する。
【解決手段】２つの平板プリズム１１，１２は、その全体で成す角度が、プリズムのウェッジ角αの開角方向に開角（傾斜）する関係となるように配置している。例えば、平板プリズム１１，１２のウェッジ角αだけ、後段側平板プリズム１２を前段側平板プリズム１１に対して傾斜していて、前段側平板プリズム１１の作用面ＥＳと後段側平板プリズム１２の平板面ＦＳとは平行関係にある。そのため、前段側平板プリズムの単位プリズムＰ１の平板面ＦＳに対して入射角φ１で入射した光は屈折角φ２で屈折し、作用面ＥＳから出射角φ３で出射する。この光は後段側平板プリズム１２の単位プリズムＰ２の平板面ＦＳに対して入射角φ３で入射する。
【解決手段】２つの平板プリズム１１，１２は、その全体で成す角度が、プリズムのウェッジ角αの開角方向に開角（傾斜）する関係となるように配置している。例えば、平板プリズム１１，１２のウェッジ角αだけ、後段側平板プリズム１２を前段側平板プリズム１１に対して傾斜していて、前段側平板プリズム１１の作用面ＥＳと後段側平板プリズム１２の平板面ＦＳとは平行関係にある。そのため、前段側平板プリズムの単位プリズムＰ１の平板面ＦＳに対して入射角φ１で入射した光は屈折角φ２で屈折し、作用面ＥＳから出射角φ３で出射する。この光は後段側平板プリズム１２の単位プリズムＰ２の平板面ＦＳに対して入射角φ３で入射する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、所定角度範囲内で入射する光を導入し集光する、光導入装置、集光ユニット、及び集光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光をエネルギー源として利用する場合、集光倍率を高めた方が一般に利用価値は高まる。
【０００３】
集光倍率を高めるためにはレンズや曲面鏡を用いる必要があるが、太陽の位置は変化するため、常に太陽と対峙した位置にレンズあるいは曲面鏡がくるように装置全体を回転させるか、レンズや曲面鏡に対して常に同じ角度で太陽光が入射するように、プリズムや平面鏡を使って光路を制御する必要がある。
【０００４】
これらの方法のうち、プリズムを使って光路を制御する方法は、屋根と屋根裏のスペースを利用して設置できること、面積いっぱいに設置しても他の装置の影響を受けずにすべての入射方向からの光を使えることから、一般家庭での利用に適した方法といえる。
【０００５】
通常のプリズムは大きくなるほど重くなり、材料コストも高くなるので、平板プリズムがよい。
平板プリズムを利用したものとして、特許文献１には、採光プリズムを水平面から所定角度傾斜させて配置した太陽光採光装置が開示されている。この採光プリズムは水平面に対して所定角度傾斜させて配置しているため、太陽の仰角が小さい（高度が低い）ときにも太陽光を比較的効率よく室内に導くことができる。
【０００６】
しかし、特許文献１の太陽光採光装置では、１枚の採光プリズムを用いているだけであるので光の屈折角が小さく、太陽光を一定の方向に導くことができず、所定位置に太陽光を集光できないという問題があった。
【０００７】
特許文献２には、２枚の平板プリズムを互いに平行に重ね、少なくとも一方の平板プリズムを平面内で回転させる太陽追尾装置が開示されている。この太陽追尾装置は、太陽光を一定方向に導くことができる。
【０００８】
図１は上記特許文献２に示されている太陽追尾装置の構成を示す図である。この太陽追尾装置は、図１（Ａ）に示すように、平板プリズム１，２を平行に配置している。
【特許文献１】特開平１１−１６７０８４号公報
【特許文献２】特開昭６１−１８０２１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献２に記載の太陽追尾装置は、平面を平行にして２枚のプリズムを重ねているため、１枚目の平板プリズムから出射した光が大きな角度で２枚目の平板プリズムに入射してしまう。図１（Ｂ）は、その様子を平板プリズムの単位プリズムを取り出して表した図である。１枚目のプリズムＰ１に入射角φ１で入射した光は屈折角φ２で屈折し、作用面（出射面）から出射角φ３で出射するが、２枚目のプリズムＰ２の平板面（入射面）は１枚目のプリズムＰ１の作用面（出射面）に対して、作用面の傾斜方向とは反対方向にプリズムの頂角（以下「ウェッジ角」という。）α分傾いている。そのため、１枚目のプリズムＰ１の出射面からの出射角φ３より２枚目のプリズムＰ２の平板面（入射面）への入射角が（φ３＋α）に大きくなってしてしまう。
【００１０】
したがって２枚目の平板プリズムによる屈折効果が小さくなり、低仰角の太陽光に関しては、平板プリズムで任意の方向に導くことができない、という問題がある。
【００１１】
すなわち、特許文献２にも記述されているように、ウェッジ角αを３０°としても、下部平板プリズムの垂直下方向へ送り出すことができる光は、上部平板プリズムへの入射角が４５．１°までの光だけに限られる。
【００１２】
ウェッジ角αを大きくすることや材料の屈折率を変えることで、すべての光をある方向に導くことができるが、これ以上ウェッジ角αを大きくしても、上部平板プリズムへ入射した光のうちプリズム非作用面に当たって所望の方向へ進めない光の割合が大きくなって、損失が大きくなる。また、平板プリズム用の材料として用いられる透明樹脂体の屈折率は１．５〜１．６程度までのものしか実用化されていないので、プリズムの屈折率をこれより大幅に高めることもできない。
【００１３】
そこで、この発明の目的は、任意方位から大きな入射角で入射する太陽光をも効率よく導入できるようにした光導入装置、その導入した光を集光する集光ユニット、およびそれを備えた集光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題を解決するために、この発明は次のように構成する。
（１）複数の平板プリズムを備えた光導入装置において、
前記複数の平板プリズムのうち、前段側と後段側の少なくとも２つの平板プリズムは、少なくとも一方の平板プリズムのプリズム面が他方の平板プリズムに対向し、且つ、前記一方の平板プリズムのウェッジ角の開角方向に他方の平板プリズムが相対的に開角する関係に配置され、当該２つの平板プリズムが回転可能に設けられたことを特徴とする。
【００１５】
この構成により、プリズムのウェッジ角を大きくすることなく、大きな入射角で入射する太陽光を一定の方向に導くことができる。そのため、低仰角から入射する太陽光も所定方向へ導入することができる。
【００１６】
（２）前記２つの平板プリズムは、例えば双方に共通の第１の回転軸を有し、前記２つの平板プリズムの一方は、前記第１の回転軸とは独立した第２の回転軸を有するものとする。
【００１７】
これにより、独自の回転軸で回転することにより、複数の平板プリズムによる等価的なウェッジ角が変化し、広い範囲（大きな立体角の範囲）から入射する太陽光を一定の方向に導くことができる。
【００１８】
（３）前記２つの平板プリズムの回転に関わらず、前記２つの平板プリズムの互いに対向する面は略平行な関係を維持するものとする。
これにより、前段の平板プリズムから出射する光の出射角と略等しい角度で、後段の平板プリズムに光が入射する。そのため、より大きな入射角の光についても所定方向へ導入できるようになる。
【００１９】
（４）前記２つの平板プリズムのうち、少なくとも一方の平板プリズムは、入射面に垂直な軸を回転軸として回転するものとする。
【００２０】
これにより、光の入射角を一定に保つことができるので、設計が容易になる。また、追尾の際の制御も容易となる。
【００２１】
（５）前記２つの平板プリズムを、それらの対向面を平行に配置した場合に必要なウェッジ角をαで表し、前記２つの平板プリズムのウェッジ角をそれぞれβで表した場合にβ＜αの関係にあり、且つ、対向面を平行に配置した場合より、プリズム面が他方の平板プリズムに対向する一方の平板プリズムのウェッジ角の開角方向に、他方の平板プリズムが開角する関係に配置されたものとする。
【００２２】
これにより、前段の平板プリズムから出射する角度よりも小さな角度または同等の角度で、後段の平板プリズムに入射させることができる。また、ウェッジ角が小さくなることから非作用面に入射する光の割合が小さくなり、全体に低損失化が図れる。
【００２３】
（６）前記２つの平板プリズムは、他方の平板プリズムに対向する一方の平板プリズムの面が平板面である場合にはその平板面が、他方の平板プリズムに対向する一方の平板プリズムの面がプリズム面である場合には、当該プリズム面から前記一方の平板プリズムのウェッジ角βの開角方向に所定の角度開角した面が、前記２つの平板プリズムの回転に関わらず、平行な関係を維持するものとする。
【００２４】
この構成により、平行な関係を維持した面をそれぞれの平板プリズムの出入射面と置き換えて考えることができるため、設計が容易となり、追尾の際の制御も容易となる。
【００２５】
（７）前記前段の平板プリズムと前記後段の平板プリズムのうち、少なくとも一方の平板プリズムの入射面を平面とする。
【００２６】
これにより、プリズム面の非作用面に光が入射することがないため、その分、損失が抑制できる。
【００２７】
（８）前記のいずれかの構成からなる光導入装置と、前記複数の平板プリズムのうち最後段から出射される光を集光する集光レンズとを備えて集光ユニットを構成する。
【００２８】
この構成により、集光された光を例えば光ダクト、光ファイバなどを通じて容易に搬送でき、搬送先でエネルギーとして利用可能となる。
【００２９】
（９）前記複数の平板プリズムのうち最後段に配置された平板プリズムは、その出射面が平面であり、当該平板プリズムの出射面に前記集光レンズを形成する。
【００３０】
この構成により、最後段に配置された平板プリズムの出射面に、フレネルレンズや片凸レンズ等のレンズを容易に密着形成することができる。これらのレンズを形成することで、平板プリズムから出射された光を一点に集めることができる。そのため、レンズを別途配置するよりも簡易な構造で形成でき、かつ損失が少ない。
【００３１】
（１０）前記集光ユニットを、前記複数の平板プリズムのうち初段の平板プリズムの入射面が略同一平面をなすように複数配置して集光装置を構成する。
【００３２】
これにより、各集光ユニットが他の集光ユニットへの入射光を遮蔽することなく、大面積の入射面を備えて、全体に高効率な集光装置が構成できる。
【発明の効果】
【００３３】
この発明によれば、プリズムのウェッジ角を大きくすることなく、大きな入射角で入射する太陽光を一定の方向に導くことができ、低仰角から入射する太陽光も所定方向へ導入することができ、追尾制御も容易となる。さらに全体に低損失化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
《第１の実施形態》
第１の実施形態に係る光導入装置について、図２〜図９を参照して説明する。
図２は第１の実施形態に係る光導入装置の主要部の構成を示す図である。図２（Ａ）は２つの平板プリズム１１，１２の配置関係、図２（Ｂ）はその単位プリズムの配置関係をそれぞれ示している。
【００３５】
図２（Ａ）において、太陽光は図における上方から入射し、下方へ導入される。前段側の平板プリズム１１と後段側の平板プリズム１２は、共に上面を平板面ＦＳ、下面をプリズム面ＰＳとしている。そして、２つの平板プリズム１１，１２は、その全体の成す角度が、プリズムのウェッジ角αの開角方向に相対的に開角（傾斜）する関係となるように配置している。この例では前段側平板プリズム１１のウェッジ角αの開角方向にウェッジ角αだけ、後段側平板プリズム１２を前段側平板プリズム１１に対して開角させている。すなわち、前段側平板プリズム１１の平板面ＦＳと後段側平板プリズム１２の平板面ＦＳとを傾斜させている。したがって、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、対向する面である、前段側平板プリズム１１の作用面ＥＳと後段側平板プリズム１２の平板面ＦＳとは平行関係にある。
【００３６】
そのため、図２（Ｂ）に示すように、前段側平板プリズムの単位プリズムＰ１の平板面ＦＳに対して入射角φ１で入射した光は屈折角φ２で屈折し、作用面ＥＳから出射角φ３で出射する。この光は後段側平板プリズム１２の単位プリズムＰ２の平板面ＦＳに対して入射角φ３で入射する。
【００３７】
図１（Ｂ）に示した例と比較すれば明らかなように、後段側の平板プリズム１２による屈折効果が小さくならず、入射角φ１が大きな（低仰角）の入射光に対しても所定方向に導入できる。そのため、より広い角度範囲に亘って適応可能となる。
【００３８】
また、図２に示した平板プリズム１２を、図２（Ａ）において平板面ＦＳに垂直な一点鎖線で示す回転軸で回転させれば、２つの平板プリズム１１，１２で偏向させる角度を広い範囲（立体角）に亘って任意に変化させることができる。この様子を図３に示す。
【００３９】
図３（Ａ）は、２つの平板プリズムの単位プリズムＰ１，Ｐ２を重ねたときのウェッジ角が最も大きく（＝２α）なる場合を示している。
図３（Ｂ）は、２つのプリズムＰ１，Ｐ２の合成によるウェッジ角が等価的に０になる場合について示している。
図３（Ｃ）は、図３（Ａ）と図３（Ｂ）の中間状態であり、プリズムＰ１，Ｐ２の合成による等価的なウェッジ角は０〜２αの範囲をとり得る。
【００４０】
なお、この例では図２（Ｂ）に示したように、前段側平板プリズム１１の下面と後段側平板プリズム１２の上面とが平行であるので、プリズムを透過する光線の軌跡を考察する場合にはその空気層は等価的に無視でき、図３の各図の右側に示すように、上下の単位プリズムを重ね合わせたものとして取り扱うことができる。
【００４１】
平板プリズム１１，１２の具体的な設計例は次のとおりである。
屈折率：１．５（アクリル樹脂）
形状：直径３００ｍｍの円板形（板厚：２ｍｍ）
ウェッジ角α＝２１゜
単位プリズムのピッチ：１ｍｍ
単位プリズムの高低差：０．３６ｍｍ
なお、上記プリズム面における非作用面ＮＳと平板面ＦＳとの成す角度γは、成形時の型離れを良好にするために、９０°より小さい８０°としている。
【００４２】
この条件でウェッジ角α=２１°にすぎないにも関わらず、図２（Ｂ）に示した入射角φ１が０〜９０°の範囲、すなわち全ての方向からの入射光について、後段側平板プリズム１２の作用面ＥＳの垂直軸方向へ導出することが可能となる。
【００４３】
なお、平板プリズム１１，１２の界面での屈折率差に伴う反射や、屈折に有効に寄与しない非作用面ＮＳに起因する損失は生じる。
【００４４】
図４は、２つの平板プリズム１１，１２を回転させる機構を備えた光導入装置１０１の断面図である。前段側平板プリズム１１を回転枠体２１に取り付けている。また、後段側平板プリズム１２を回転枠体２２に取り付けている。回転枠体２１はギア３１と噛合っていて、ギア３１はモータ４１によって回転する。同様に、回転枠体２２はギア３２と噛合っていて、ギア３２はモータ４２によって回転する。
【００４５】
平板プリズム１１，１２は、モータ４１の回転によって、前段側平板プリズム１１の平板面に垂直な中心軸を回転軸として回転する。また、後段側平板プリズム１２はモータ４２の回転によって、その平板面に垂直な中心軸を回転軸として回転する。一点鎖線で示すこの２つの回転軸はウェッジ角αと等しい角度をなす。
【００４６】
これにより２つの平板プリズム１１，１２同士の相対的な角度によって等価的なウェッジ角を制御し、且つ２つの平板プリズム１１，１２の全体の角度によって入射光の偏向方向（方位）を制御する。
【００４７】
この第１の実施形態によれば、後段側平板プリズム１２の回転軸が平板面の垂直軸と一致しているため、後段側平板プリズム１２の回転機構部を薄く構成できる。そのため装置全体を薄くできる。また、どちらの回転軸も平板面の垂直軸となるので、回転機構部の作製時に、プリズムの取付け・調整が簡単で、正常動作しているか否かの確認も容易にできる。
【００４８】
また、平板プリズム１１，１２を通常の肉厚プリズムとして考えた場合に、両プリズムの向かい合う面が常に平行な状態を保つため、両プリズムをどの方向に回転させれば所望の光路に調整できるかを計算しやすい。
【００４９】
なお、２つの平板プリズム１１，１２を後段側平板プリズム１２の入射面である平板面の垂直軸を回転軸として共に回転させ、且つ前段側平板プリズム１１をその出射面であるプリズム面の垂直軸を回転軸として独立に回転させる構造としてもよい。すなわち図４に示したものと主従関係を逆にしてもよい。
【００５０】
図５は、図４に示した光導入装置１０１を用いるとともに、その入射面側の構造をより具体的に表したものである。図５において、光導入装置１０１の前段側平板プリズム１１の平板面に対して平行にガラス（強化ガラス）板５２を配置し、そのガラス板５２と前段側平板プリズム１１の平板面との間に整合層５１を設けている。この整合層５１は、例えばガラス板５２と平板プリズム１１のそれぞれの屈折率に近似する、またはその中間的な屈折率を有する油状の屈折率整合液である。
【００５１】
このような構成により、前段側平板プリズム１１の平板面とガラス板５２との界面には常に整合層５１が満たされて空気層が入らないため、光路に対して界面の数を増すことなく光導入装置１０１の保護を行うことができる。
【００５２】
次に、図２〜図５で示したように、平板プリズムの平板面を入射面として用いる場合と、平板プリズムのプリズム面を入射面として用いる場合とについて、損失の違いを示す。
【００５３】
図６は、入射面側をプリズム面とした場合の入射角について示している。また図８は、入射面側を平板面とした場合の入射角について示している。ここで、破線で示す向きから入射する光については、平板プリズム１４を回転させて、図中実線の矢印で示す方向から入射する状態で用いる。入射面から実線の矢印で示す方向を正方向とすると、入射角は常に正の値となる。
【００５４】
図７は、入射面側をプリズム面とした場合の、入射角に対する透過率の関係について示す図であり、図９は、入射面側を平板面とした場合の、入射角に対する透過率の関係について示す図である。図７・図９はウェッジ角α＝２０°、非作用面と平板面とのなす角度γを８０°とした場合の光線透過率を表している。図７・図９において、（Ａ）は作用面を通過する割合について示し、（Ｂ）は界面反射を考慮し、且つ入射角による光強度を加味した加重平均をとった場合について示している。図７・図９の（Ａ）において、入射角が負の値の領域は太陽光の追尾には不要な（入射させない）角度範囲である。
【００５５】
図６・図７に示したように入射面がプリズム面であると、入射角が大きくなる程プリズム面の非作用面に入射する光が多くなって光透過率が低下してしまう。図７に図示したように、入射面がプリズム面である場合に、作用面に垂直な回転軸で回転させても、平均透過率は７５．６％である。
【００５６】
ところで、入射面をプリズム面にした場合は、光の入射範囲の中心方向と、作用面の垂直軸方向が一致するように平板プリズムを設置すると、広い角度範囲について入射光を平板プリズムに透過させることができる。しかし、例えば、前段側平板プリズムの入射面がプリズム面である集光ユニットを複数配置して集光装置を構成する場合を考えると、隣接する集光ユニットの影ができてしまうので、実際の平均透過率は６３．２％までにさらに低下してしまう。
【００５７】
これに対して、図８・図９に示したように入射面が平板面であると、広い角度範囲からの入射光が一旦平板プリズムを透過する。入射角の大きな入射光は非作用面を透過してしまう成分もあるが、作用面を透過する割合も比較的多い。そのため、入射面が平板面である場合の平均透過率は８０．９％である。
【００５８】
この場合には、複数の集光ユニットを近接配置しても、入射面が平板面であるので、各集光ユニットの前段側平板プリズムの入射面を平面状に配置することができる。そのため、隣接する集光ユニットの影ができることもなく、平均透過率の低下も少ない。
【００５９】
《第２の実施形態》
第２の実施形態に係る光導入装置について図１０・図１１を参照して説明する。
図１０は第２の実施形態に係る光導入装置の主要部の構成を示す断面図である。第１の実施形態では後段側平板プリズム１２の入射面が平板面側となるように配置したが、第２の実施形態では、図１０に示すように後段側平板プリズム１３のプリズム面ＰＳが入射面となるように配置している。
【００６０】
そして、この例では、平板プリズム１１，１３のウェッジ角の開角方向に、対向する平板プリズムが相対的に開角するようにしている。すなわち、前段側平板プリズム１１の平板面ＦＳと後段側平板プリズム１３の平板面ＦＳとを傾斜させている。したがって、対向する面である、前段側平板プリズム１１の作用面と後段側平板プリズムの作用面とを平行関係とすることができる。
【００６１】
図１０（Ｂ）は、前段側平板プリズム１１と後段側平板プリズム１３を回転させるための構造について示している。この図に示すように、前段側平板プリズム１１を回転枠体２１に取り付けている。後段側平板プリズム１３は回転枠体２３に取り付けている。回転枠体２１はギア３１と噛合っていて、ギア３１はモータ４１によって回転する。同様に、回転枠体２３はギア３３と噛合っていて、ギア３３はモータ４３によって回転する。
【００６２】
平板プリズム１１，１３は、モータ４１の回転によって、前段側平板プリズムの平板面に垂直な中心軸を回転軸として回転する。また、後段側平板プリズム１３はモータ４３の回転によって、そのプリズム面の作用面に垂直な中心軸を回転軸として回転する。一点鎖線で示すこの２つの回転軸はウェッジ角αと等しい角度をなす。
【００６３】
これにより２つの平板プリズム１１，１３同士の相対的な角度によって等価的なウェッジ角を制御し、且つ２つの平板プリズム１１，１３の全体の角度によって入射光の偏向方向（方位）を制御する。
【００６４】
なお、２つの平板プリズム１１，１３を後段側平板プリズム１３の入射面であるプリズム面の作用面に垂直な軸を回転軸として共に回転させ、且つ前段側平板プリズム１１をその出射面であるプリズム面の垂直軸を回転軸として独立に回転させる構造としてもよい。すなわち図１０（Ｂ）に示したものと主従関係を逆にしてもよい。
【００６５】
図１１は、図１０に示した光導入装置１０２を備え、さらに集光手段を備えて構成した集光ユニット２０１の構成を示す断面図である。
図１１において、後段側平板プリズム１３の下面（平板面側）にはフレネルレンズ１９を設けている。このフレネルレンズ１９の焦点ＦＰに光ファイバＯＦの受光部を配置している。光は後段側平板プリズム１３の平板面に対して垂直方向に出射されるので、これらの光はフレネルレンズ１９によって焦点ＦＰに集光されることになる。
【００６６】
なお、界面の数を減らすために、後段側平板プリズム１３の平板面とフレネルレンズ１９の平板面との間には整合層を設けるか、両者を一体に成形して空気層を介在させない。
【００６７】
このようにして焦点ＦＰに集光された光は光ファイバＯＦを通じて所定の箇所へ光エネルギーとして伝送される。
【００６８】
《第３の実施形態》
図１２（Ａ）は第３の実施形態に係る光導入装置１０３の主要部の断面図である。図１２（Ｂ）は、前段側平板プリズム１４と後段側平板プリズム１３を回転させるための構造について示している。
【００６９】
この第３の実施形態は、前段側平板プリズム１４及び後段側平板プリズム１３の両方について、入射面側をプリズム面とした例である。
図１２（Ｂ）に示すように、前段側平板プリズム１４を回転枠体２４に取り付けている。後段側平板プリズム１３は回転枠体２３に取り付けている。回転枠体２４はギア３４と噛合っていて、ギア３４はモータ４４によって回転する。同様に、回転枠体２３はギア３３と噛合っていて、ギア３３はモータ４３によって回転する。
【００７０】
この構成により、前段側平板プリズム１４はその出射面である平板面に対して垂直な軸を回転軸として回転し、後段側平板プリズム１３はそのプリズム面の作用面ＥＳに対して垂直な軸を回転軸として回転する。
【００７１】
なお、第１・第２の実施形態と同様に、前段側平板プリズム１４の入射面であるプリズム面の作用面ＥＳに垂直な軸で前段側平板プリズム１４及び後段側平板プリズム１３を回転させ、後段側平板プリズム１３の入射面であるプリズム面の作用面ＥＳに垂直な軸で後段側平板プリズム１３を回転させてもよい。
【００７２】
これにより２つの平板プリズム１４，１３同士の相対的な角度によって等価的なウェッジ角を制御し、且つ２つの平板プリズム１４，１３の全体の角度によって入射光の偏向方向（方位）を制御する。
【００７３】
《第４の実施形態》
図１３は第４の実施形態に係る光導入装置１０４の主要部の構成を示す断面図である。この例では、それぞれウェッジ角がβ１の前段側平板プリズム１５と後段側平板プリズム１６を用いている。前段側平板プリズム１５は出射面をプリズム面とし、後段側平板プリズム１６は入射面をプリズム面とし、２つの平板プリズム１５，１６は、対向する平板プリズム１５，１６のウェッジ角β１の傾斜方向に、角度２×（β１+β２）だけ開角した構造としている。
【００７４】
換言すると、２つのプリズムの作用面同士を平行に配置した場合に必要なウェッジ角をαで表し、た場合に、β１＜αであり、且つ、２つの平板プリズムの作用面同士を平行に配置した場合より、平板プリズムのウェッジ角β１の開角方向に、対向するプリズムが角度２×β２だけさらに開角するようにしている。
【００７５】
そして、それぞれの平板プリズム１５，１６は、それぞれウェッジ角β１のプリズムとウェッジ角β２の空気プリズムの合成プリズムと見なし、それらの空気プリズムの作用面同士を平行に対向させている。すなわち、平板プリズム１５，１６のプリズム面から、平板プリズム１５，１６のウェッジ角β１の開角方向に平板プリズム１５，１６がそれぞれ角度β２開角した面が平行となるようにしている。そして、両者は前段側平板プリズムの平板面の垂直軸を回転軸として回転し、且つ、後段側平板プリズム１６は、前記空気プリズム同士の対向する面（すなわち平板プリズム１６の作用面から、平板プリズム１６の開角方向にさらに角度β２だけ傾いた面）に垂直な軸を回転軸として回転する構造とする。
【００７６】
図１３（Ｂ）は、前段側平板プリズム１５と後段側平板プリズム１６を回転させるための構造について示している。この図に示すように、前段側平板プリズム１５を回転枠体２５に取り付けている。後段側平板プリズム１６は回転枠体２６に取り付けている。回転枠体２５はギア３５と噛合っていて、ギア３５はモータ４５によって回転する。同様に、回転枠体２６はギア３６と噛合っていて、ギア３６はモータ４６によって回転する。
【００７７】
平板プリズム１５，１６は、モータ４５の回転によって回転し、後段側平板プリズム１６はモータ４６の回転によっても回転する。一点鎖線で示すこの２つの回転軸は合成プリズムのウェッジ角（β１＋β２）と等しい角度をなす。
【００７８】
これにより２つの平板プリズム１５，１６同士の相対的な角度によって等価的なウェッジ角を制御し、且つ２つの平板プリズム１５，１６の全体の角度によって入射光の偏向方向（方位）を制御する。
【００７９】
第１〜第３の実施形態で示した２つの平板プリズムを用いて、対向する作用面同士が平行となるように配置した場合、全ての入射角の光を後段側平板プリズムの出射面の垂直方向に導出するためには、既に述べたように、プリズムのウェッジ角は２１゜必要であった。しかし、第４の実施形態では、後段側の平板プリズムの入射面が、出射面の傾斜方向に傾くように配置されているので、２つのプリズム１５，１６のウェッジ角β１は２０．４゜あれば、すべての方向からの入射光に対し（すなわち前段側平板プリズムに対する入射角が０〜９０°の範囲について）、後段側平板プリズムの出射面の垂直軸方向へ送り出すことが可能となる。但し、前記空気プリズムとの合成プリズムが占める角度β１＋β２＝２１．４゜となるので、後段側平板プリズムの回転機構部は、図１０に示した例よりもわずかに厚くなる。
【００８０】
このようにして平板プリズムのウェッジ角を小さくすれば、平板プリズムによる透過損失が少なくなる。
【００８１】
なお、同じ入射角の光を送り出す条件で、かつ平板プリズムの面積が同じである場合、β２が大きくなると、前段側平板プリズム１５は通るが後段側平板プリズム１６は通らない、ということによる損失は増えるが、上述のように平板プリズムのウェッジ角β１が小さくなる分だけ、光がプリズム面の非作用面に当たって所望の方向へ進まない割合は減る。β２がある程度の値までは、前者の損失増よりも後者の損失減の方が勝るため、総合効率は改善される。この理由により、第４の実施形態で示した光導入装置１０４の方が第２の実施形態で示した光導入装置１０２に比べてわずかに改善が見込まれる。
【００８２】
なお、第１の実施形態として図２に示したように、２つの平板プリズム１１，１２のプリズム面をともに出射面側にしたものに適用することもできる。この場合には、２つの対向面を平行に配置した場合より、平板プリズム１１のウェッジ角β１の開角方向に、平板プリズム１２が角度β２開角する。そして、平板プリズム１１のプリズム面の作用面から平板プリズム１１のウェッジ角β１の開角方向に角度β２開角した面と平板プリズム１２の平板面が平行となるように回転する。これによれば、β１＝１８〜１５゜，β２＝５〜１０゜の範囲で総合効率が１％程度の改善が見込まれる。その理由は、第２の実施形態のように、プリズム面同士が対向していて、２つの平板プリズム１１，１３が大きな角度を成している場合、その角度をさらに広げると、前段側平板プリズムは通るが後段側平板プリズムは通らない、ということによる損失が大きく増えるが、第１の実施形態のように、対向する２つの平板プリズムのうち一方の面のみがプリズム面であれば、２つの平板プリズムが成す角度がもともと大きくなく、その角度を広げても損失増加は少ないためである。
【００８３】
《第５の実施形態》
図１４は第５の実施形態に係る集光装置３０１の構成を示す断面図である。この集光装置３０１は住宅の南側に面した傾斜屋根に設けたものである。屋根の入射面にはガラス板５２を設け、その内側に図１１に示したものと同様の集光ユニット２０１Ａ〜２０１Ｄを設けている。但しこの図では断面内に４つの集光ユニット２０１Ａ〜２０１Ｄが現れているが、紙面に対して垂直方向（奥行き方向）にも配列形成されている。
【００８４】
このようにして複数の集光ユニットのそれぞれの複数の平板プリズムのうち初段の（前段の）平板プリズムの入射面がほぼ同一平面をなすように複数配置することによって、隣接する他の集光ユニットが入射光を遮蔽することなく、全体に高効率な集光装置が構成できる。
【００８５】
なお、図４に示したように、後段側平板プリズム１２の出射面がプリズム面である場合には、その平板面側（入射面側）にフレネルレンズを配置するか、両者を一体成形してもよい。さらには平板プリズムのプリズムパターンとフレネルレンズのパターンとの合成パターンを同一面に設けることによって両者を一体化してもよい。
【００８６】
また、以上に示した各実施形態ではいずれも２つの平板プリズムを備えたが、３つ以上の平板プリズムを備える場合には、対向する２つの平板プリズムについて本発明を同様に適用すればよい。
【００８７】
また、以上に示した各実施形態では、平板プリズムの対向する面または空気プリズムの対向する面が略平行になるように配置しているが、これに限られず、２つの平板プリズムの平板面が平行ではなく、ウェッジ角の開角方向に相対的に開角するように２つの平板プリズムが傾斜していればよい。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】特許文献２に示されている太陽追尾装置の構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る光導入装置の主要部の構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る光導入装置の偏向角の制御の例を示す図である。
【図４】２つの平板プリズム１１，１２を独立して回転させる機構を備えた光導入装置１０１の断面図である。
【図５】図４に示した光導入装置１０１を用いるとともに、その入射面側の構造をより具体的に表した図ある。
【図６】入射面側をプリズム面とした場合の入射角について示す図である。
【図７】入射面側をプリズム面とした場合の、入射角に対する透過率の関係を示す図である。
【図８】入射面側を平板面とした場合の入射角について示している。
【図９】入射面側を平板面とした場合の、入射角に対する透過率の関係を示す図である。
【図１０】第２の実施形態に係る光導入装置の主要部の構成を示す断面図である。
【図１１】図１０に示した光導入装置１０２を備え、さらに集光手段を備えて構成した集光ユニット２０１の断面図である。
【図１２】第３の実施形態に係る光導入装置１０３の主要部の構成を示す断面図である。
【図１３】第４の実施形態に係る光導入装置１０４の主要部の構成を示す断面図である。
【図１４】第５の実施形態に係る集光装置３０１の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８９】
１１…前段側平板プリズム
１２…後段側平板プリズム
１３…後段側平板プリズム
１４…前段側平板プリズム
１５…前段側平板プリズム
１６…後段側平板プリズム
１９…フレネルレンズ
２１〜２６…回転枠体
３１〜３６…ギア
４１〜４６…モータ
５１…整合層
５２…ガラス板
１０１〜１０４…光導入装置
２０１…集光ユニット
３０１…集光装置
ＥＳ…作用面
ＦＰ…焦点
ＦＳ…平板面
ＮＳ…非作用面
ＯＦ…光ファイバ
Ｐ１，Ｐ２…単位プリズム
ＰＳ…プリズム面
【技術分野】
【０００１】
この発明は、所定角度範囲内で入射する光を導入し集光する、光導入装置、集光ユニット、及び集光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光をエネルギー源として利用する場合、集光倍率を高めた方が一般に利用価値は高まる。
【０００３】
集光倍率を高めるためにはレンズや曲面鏡を用いる必要があるが、太陽の位置は変化するため、常に太陽と対峙した位置にレンズあるいは曲面鏡がくるように装置全体を回転させるか、レンズや曲面鏡に対して常に同じ角度で太陽光が入射するように、プリズムや平面鏡を使って光路を制御する必要がある。
【０００４】
これらの方法のうち、プリズムを使って光路を制御する方法は、屋根と屋根裏のスペースを利用して設置できること、面積いっぱいに設置しても他の装置の影響を受けずにすべての入射方向からの光を使えることから、一般家庭での利用に適した方法といえる。
【０００５】
通常のプリズムは大きくなるほど重くなり、材料コストも高くなるので、平板プリズムがよい。
平板プリズムを利用したものとして、特許文献１には、採光プリズムを水平面から所定角度傾斜させて配置した太陽光採光装置が開示されている。この採光プリズムは水平面に対して所定角度傾斜させて配置しているため、太陽の仰角が小さい（高度が低い）ときにも太陽光を比較的効率よく室内に導くことができる。
【０００６】
しかし、特許文献１の太陽光採光装置では、１枚の採光プリズムを用いているだけであるので光の屈折角が小さく、太陽光を一定の方向に導くことができず、所定位置に太陽光を集光できないという問題があった。
【０００７】
特許文献２には、２枚の平板プリズムを互いに平行に重ね、少なくとも一方の平板プリズムを平面内で回転させる太陽追尾装置が開示されている。この太陽追尾装置は、太陽光を一定方向に導くことができる。
【０００８】
図１は上記特許文献２に示されている太陽追尾装置の構成を示す図である。この太陽追尾装置は、図１（Ａ）に示すように、平板プリズム１，２を平行に配置している。
【特許文献１】特開平１１−１６７０８４号公報
【特許文献２】特開昭６１−１８０２１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献２に記載の太陽追尾装置は、平面を平行にして２枚のプリズムを重ねているため、１枚目の平板プリズムから出射した光が大きな角度で２枚目の平板プリズムに入射してしまう。図１（Ｂ）は、その様子を平板プリズムの単位プリズムを取り出して表した図である。１枚目のプリズムＰ１に入射角φ１で入射した光は屈折角φ２で屈折し、作用面（出射面）から出射角φ３で出射するが、２枚目のプリズムＰ２の平板面（入射面）は１枚目のプリズムＰ１の作用面（出射面）に対して、作用面の傾斜方向とは反対方向にプリズムの頂角（以下「ウェッジ角」という。）α分傾いている。そのため、１枚目のプリズムＰ１の出射面からの出射角φ３より２枚目のプリズムＰ２の平板面（入射面）への入射角が（φ３＋α）に大きくなってしてしまう。
【００１０】
したがって２枚目の平板プリズムによる屈折効果が小さくなり、低仰角の太陽光に関しては、平板プリズムで任意の方向に導くことができない、という問題がある。
【００１１】
すなわち、特許文献２にも記述されているように、ウェッジ角αを３０°としても、下部平板プリズムの垂直下方向へ送り出すことができる光は、上部平板プリズムへの入射角が４５．１°までの光だけに限られる。
【００１２】
ウェッジ角αを大きくすることや材料の屈折率を変えることで、すべての光をある方向に導くことができるが、これ以上ウェッジ角αを大きくしても、上部平板プリズムへ入射した光のうちプリズム非作用面に当たって所望の方向へ進めない光の割合が大きくなって、損失が大きくなる。また、平板プリズム用の材料として用いられる透明樹脂体の屈折率は１．５〜１．６程度までのものしか実用化されていないので、プリズムの屈折率をこれより大幅に高めることもできない。
【００１３】
そこで、この発明の目的は、任意方位から大きな入射角で入射する太陽光をも効率よく導入できるようにした光導入装置、その導入した光を集光する集光ユニット、およびそれを備えた集光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題を解決するために、この発明は次のように構成する。
（１）複数の平板プリズムを備えた光導入装置において、
前記複数の平板プリズムのうち、前段側と後段側の少なくとも２つの平板プリズムは、少なくとも一方の平板プリズムのプリズム面が他方の平板プリズムに対向し、且つ、前記一方の平板プリズムのウェッジ角の開角方向に他方の平板プリズムが相対的に開角する関係に配置され、当該２つの平板プリズムが回転可能に設けられたことを特徴とする。
【００１５】
この構成により、プリズムのウェッジ角を大きくすることなく、大きな入射角で入射する太陽光を一定の方向に導くことができる。そのため、低仰角から入射する太陽光も所定方向へ導入することができる。
【００１６】
（２）前記２つの平板プリズムは、例えば双方に共通の第１の回転軸を有し、前記２つの平板プリズムの一方は、前記第１の回転軸とは独立した第２の回転軸を有するものとする。
【００１７】
これにより、独自の回転軸で回転することにより、複数の平板プリズムによる等価的なウェッジ角が変化し、広い範囲（大きな立体角の範囲）から入射する太陽光を一定の方向に導くことができる。
【００１８】
（３）前記２つの平板プリズムの回転に関わらず、前記２つの平板プリズムの互いに対向する面は略平行な関係を維持するものとする。
これにより、前段の平板プリズムから出射する光の出射角と略等しい角度で、後段の平板プリズムに光が入射する。そのため、より大きな入射角の光についても所定方向へ導入できるようになる。
【００１９】
（４）前記２つの平板プリズムのうち、少なくとも一方の平板プリズムは、入射面に垂直な軸を回転軸として回転するものとする。
【００２０】
これにより、光の入射角を一定に保つことができるので、設計が容易になる。また、追尾の際の制御も容易となる。
【００２１】
（５）前記２つの平板プリズムを、それらの対向面を平行に配置した場合に必要なウェッジ角をαで表し、前記２つの平板プリズムのウェッジ角をそれぞれβで表した場合にβ＜αの関係にあり、且つ、対向面を平行に配置した場合より、プリズム面が他方の平板プリズムに対向する一方の平板プリズムのウェッジ角の開角方向に、他方の平板プリズムが開角する関係に配置されたものとする。
【００２２】
これにより、前段の平板プリズムから出射する角度よりも小さな角度または同等の角度で、後段の平板プリズムに入射させることができる。また、ウェッジ角が小さくなることから非作用面に入射する光の割合が小さくなり、全体に低損失化が図れる。
【００２３】
（６）前記２つの平板プリズムは、他方の平板プリズムに対向する一方の平板プリズムの面が平板面である場合にはその平板面が、他方の平板プリズムに対向する一方の平板プリズムの面がプリズム面である場合には、当該プリズム面から前記一方の平板プリズムのウェッジ角βの開角方向に所定の角度開角した面が、前記２つの平板プリズムの回転に関わらず、平行な関係を維持するものとする。
【００２４】
この構成により、平行な関係を維持した面をそれぞれの平板プリズムの出入射面と置き換えて考えることができるため、設計が容易となり、追尾の際の制御も容易となる。
【００２５】
（７）前記前段の平板プリズムと前記後段の平板プリズムのうち、少なくとも一方の平板プリズムの入射面を平面とする。
【００２６】
これにより、プリズム面の非作用面に光が入射することがないため、その分、損失が抑制できる。
【００２７】
（８）前記のいずれかの構成からなる光導入装置と、前記複数の平板プリズムのうち最後段から出射される光を集光する集光レンズとを備えて集光ユニットを構成する。
【００２８】
この構成により、集光された光を例えば光ダクト、光ファイバなどを通じて容易に搬送でき、搬送先でエネルギーとして利用可能となる。
【００２９】
（９）前記複数の平板プリズムのうち最後段に配置された平板プリズムは、その出射面が平面であり、当該平板プリズムの出射面に前記集光レンズを形成する。
【００３０】
この構成により、最後段に配置された平板プリズムの出射面に、フレネルレンズや片凸レンズ等のレンズを容易に密着形成することができる。これらのレンズを形成することで、平板プリズムから出射された光を一点に集めることができる。そのため、レンズを別途配置するよりも簡易な構造で形成でき、かつ損失が少ない。
【００３１】
（１０）前記集光ユニットを、前記複数の平板プリズムのうち初段の平板プリズムの入射面が略同一平面をなすように複数配置して集光装置を構成する。
【００３２】
これにより、各集光ユニットが他の集光ユニットへの入射光を遮蔽することなく、大面積の入射面を備えて、全体に高効率な集光装置が構成できる。
【発明の効果】
【００３３】
この発明によれば、プリズムのウェッジ角を大きくすることなく、大きな入射角で入射する太陽光を一定の方向に導くことができ、低仰角から入射する太陽光も所定方向へ導入することができ、追尾制御も容易となる。さらに全体に低損失化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
《第１の実施形態》
第１の実施形態に係る光導入装置について、図２〜図９を参照して説明する。
図２は第１の実施形態に係る光導入装置の主要部の構成を示す図である。図２（Ａ）は２つの平板プリズム１１，１２の配置関係、図２（Ｂ）はその単位プリズムの配置関係をそれぞれ示している。
【００３５】
図２（Ａ）において、太陽光は図における上方から入射し、下方へ導入される。前段側の平板プリズム１１と後段側の平板プリズム１２は、共に上面を平板面ＦＳ、下面をプリズム面ＰＳとしている。そして、２つの平板プリズム１１，１２は、その全体の成す角度が、プリズムのウェッジ角αの開角方向に相対的に開角（傾斜）する関係となるように配置している。この例では前段側平板プリズム１１のウェッジ角αの開角方向にウェッジ角αだけ、後段側平板プリズム１２を前段側平板プリズム１１に対して開角させている。すなわち、前段側平板プリズム１１の平板面ＦＳと後段側平板プリズム１２の平板面ＦＳとを傾斜させている。したがって、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、対向する面である、前段側平板プリズム１１の作用面ＥＳと後段側平板プリズム１２の平板面ＦＳとは平行関係にある。
【００３６】
そのため、図２（Ｂ）に示すように、前段側平板プリズムの単位プリズムＰ１の平板面ＦＳに対して入射角φ１で入射した光は屈折角φ２で屈折し、作用面ＥＳから出射角φ３で出射する。この光は後段側平板プリズム１２の単位プリズムＰ２の平板面ＦＳに対して入射角φ３で入射する。
【００３７】
図１（Ｂ）に示した例と比較すれば明らかなように、後段側の平板プリズム１２による屈折効果が小さくならず、入射角φ１が大きな（低仰角）の入射光に対しても所定方向に導入できる。そのため、より広い角度範囲に亘って適応可能となる。
【００３８】
また、図２に示した平板プリズム１２を、図２（Ａ）において平板面ＦＳに垂直な一点鎖線で示す回転軸で回転させれば、２つの平板プリズム１１，１２で偏向させる角度を広い範囲（立体角）に亘って任意に変化させることができる。この様子を図３に示す。
【００３９】
図３（Ａ）は、２つの平板プリズムの単位プリズムＰ１，Ｐ２を重ねたときのウェッジ角が最も大きく（＝２α）なる場合を示している。
図３（Ｂ）は、２つのプリズムＰ１，Ｐ２の合成によるウェッジ角が等価的に０になる場合について示している。
図３（Ｃ）は、図３（Ａ）と図３（Ｂ）の中間状態であり、プリズムＰ１，Ｐ２の合成による等価的なウェッジ角は０〜２αの範囲をとり得る。
【００４０】
なお、この例では図２（Ｂ）に示したように、前段側平板プリズム１１の下面と後段側平板プリズム１２の上面とが平行であるので、プリズムを透過する光線の軌跡を考察する場合にはその空気層は等価的に無視でき、図３の各図の右側に示すように、上下の単位プリズムを重ね合わせたものとして取り扱うことができる。
【００４１】
平板プリズム１１，１２の具体的な設計例は次のとおりである。
屈折率：１．５（アクリル樹脂）
形状：直径３００ｍｍの円板形（板厚：２ｍｍ）
ウェッジ角α＝２１゜
単位プリズムのピッチ：１ｍｍ
単位プリズムの高低差：０．３６ｍｍ
なお、上記プリズム面における非作用面ＮＳと平板面ＦＳとの成す角度γは、成形時の型離れを良好にするために、９０°より小さい８０°としている。
【００４２】
この条件でウェッジ角α=２１°にすぎないにも関わらず、図２（Ｂ）に示した入射角φ１が０〜９０°の範囲、すなわち全ての方向からの入射光について、後段側平板プリズム１２の作用面ＥＳの垂直軸方向へ導出することが可能となる。
【００４３】
なお、平板プリズム１１，１２の界面での屈折率差に伴う反射や、屈折に有効に寄与しない非作用面ＮＳに起因する損失は生じる。
【００４４】
図４は、２つの平板プリズム１１，１２を回転させる機構を備えた光導入装置１０１の断面図である。前段側平板プリズム１１を回転枠体２１に取り付けている。また、後段側平板プリズム１２を回転枠体２２に取り付けている。回転枠体２１はギア３１と噛合っていて、ギア３１はモータ４１によって回転する。同様に、回転枠体２２はギア３２と噛合っていて、ギア３２はモータ４２によって回転する。
【００４５】
平板プリズム１１，１２は、モータ４１の回転によって、前段側平板プリズム１１の平板面に垂直な中心軸を回転軸として回転する。また、後段側平板プリズム１２はモータ４２の回転によって、その平板面に垂直な中心軸を回転軸として回転する。一点鎖線で示すこの２つの回転軸はウェッジ角αと等しい角度をなす。
【００４６】
これにより２つの平板プリズム１１，１２同士の相対的な角度によって等価的なウェッジ角を制御し、且つ２つの平板プリズム１１，１２の全体の角度によって入射光の偏向方向（方位）を制御する。
【００４７】
この第１の実施形態によれば、後段側平板プリズム１２の回転軸が平板面の垂直軸と一致しているため、後段側平板プリズム１２の回転機構部を薄く構成できる。そのため装置全体を薄くできる。また、どちらの回転軸も平板面の垂直軸となるので、回転機構部の作製時に、プリズムの取付け・調整が簡単で、正常動作しているか否かの確認も容易にできる。
【００４８】
また、平板プリズム１１，１２を通常の肉厚プリズムとして考えた場合に、両プリズムの向かい合う面が常に平行な状態を保つため、両プリズムをどの方向に回転させれば所望の光路に調整できるかを計算しやすい。
【００４９】
なお、２つの平板プリズム１１，１２を後段側平板プリズム１２の入射面である平板面の垂直軸を回転軸として共に回転させ、且つ前段側平板プリズム１１をその出射面であるプリズム面の垂直軸を回転軸として独立に回転させる構造としてもよい。すなわち図４に示したものと主従関係を逆にしてもよい。
【００５０】
図５は、図４に示した光導入装置１０１を用いるとともに、その入射面側の構造をより具体的に表したものである。図５において、光導入装置１０１の前段側平板プリズム１１の平板面に対して平行にガラス（強化ガラス）板５２を配置し、そのガラス板５２と前段側平板プリズム１１の平板面との間に整合層５１を設けている。この整合層５１は、例えばガラス板５２と平板プリズム１１のそれぞれの屈折率に近似する、またはその中間的な屈折率を有する油状の屈折率整合液である。
【００５１】
このような構成により、前段側平板プリズム１１の平板面とガラス板５２との界面には常に整合層５１が満たされて空気層が入らないため、光路に対して界面の数を増すことなく光導入装置１０１の保護を行うことができる。
【００５２】
次に、図２〜図５で示したように、平板プリズムの平板面を入射面として用いる場合と、平板プリズムのプリズム面を入射面として用いる場合とについて、損失の違いを示す。
【００５３】
図６は、入射面側をプリズム面とした場合の入射角について示している。また図８は、入射面側を平板面とした場合の入射角について示している。ここで、破線で示す向きから入射する光については、平板プリズム１４を回転させて、図中実線の矢印で示す方向から入射する状態で用いる。入射面から実線の矢印で示す方向を正方向とすると、入射角は常に正の値となる。
【００５４】
図７は、入射面側をプリズム面とした場合の、入射角に対する透過率の関係について示す図であり、図９は、入射面側を平板面とした場合の、入射角に対する透過率の関係について示す図である。図７・図９はウェッジ角α＝２０°、非作用面と平板面とのなす角度γを８０°とした場合の光線透過率を表している。図７・図９において、（Ａ）は作用面を通過する割合について示し、（Ｂ）は界面反射を考慮し、且つ入射角による光強度を加味した加重平均をとった場合について示している。図７・図９の（Ａ）において、入射角が負の値の領域は太陽光の追尾には不要な（入射させない）角度範囲である。
【００５５】
図６・図７に示したように入射面がプリズム面であると、入射角が大きくなる程プリズム面の非作用面に入射する光が多くなって光透過率が低下してしまう。図７に図示したように、入射面がプリズム面である場合に、作用面に垂直な回転軸で回転させても、平均透過率は７５．６％である。
【００５６】
ところで、入射面をプリズム面にした場合は、光の入射範囲の中心方向と、作用面の垂直軸方向が一致するように平板プリズムを設置すると、広い角度範囲について入射光を平板プリズムに透過させることができる。しかし、例えば、前段側平板プリズムの入射面がプリズム面である集光ユニットを複数配置して集光装置を構成する場合を考えると、隣接する集光ユニットの影ができてしまうので、実際の平均透過率は６３．２％までにさらに低下してしまう。
【００５７】
これに対して、図８・図９に示したように入射面が平板面であると、広い角度範囲からの入射光が一旦平板プリズムを透過する。入射角の大きな入射光は非作用面を透過してしまう成分もあるが、作用面を透過する割合も比較的多い。そのため、入射面が平板面である場合の平均透過率は８０．９％である。
【００５８】
この場合には、複数の集光ユニットを近接配置しても、入射面が平板面であるので、各集光ユニットの前段側平板プリズムの入射面を平面状に配置することができる。そのため、隣接する集光ユニットの影ができることもなく、平均透過率の低下も少ない。
【００５９】
《第２の実施形態》
第２の実施形態に係る光導入装置について図１０・図１１を参照して説明する。
図１０は第２の実施形態に係る光導入装置の主要部の構成を示す断面図である。第１の実施形態では後段側平板プリズム１２の入射面が平板面側となるように配置したが、第２の実施形態では、図１０に示すように後段側平板プリズム１３のプリズム面ＰＳが入射面となるように配置している。
【００６０】
そして、この例では、平板プリズム１１，１３のウェッジ角の開角方向に、対向する平板プリズムが相対的に開角するようにしている。すなわち、前段側平板プリズム１１の平板面ＦＳと後段側平板プリズム１３の平板面ＦＳとを傾斜させている。したがって、対向する面である、前段側平板プリズム１１の作用面と後段側平板プリズムの作用面とを平行関係とすることができる。
【００６１】
図１０（Ｂ）は、前段側平板プリズム１１と後段側平板プリズム１３を回転させるための構造について示している。この図に示すように、前段側平板プリズム１１を回転枠体２１に取り付けている。後段側平板プリズム１３は回転枠体２３に取り付けている。回転枠体２１はギア３１と噛合っていて、ギア３１はモータ４１によって回転する。同様に、回転枠体２３はギア３３と噛合っていて、ギア３３はモータ４３によって回転する。
【００６２】
平板プリズム１１，１３は、モータ４１の回転によって、前段側平板プリズムの平板面に垂直な中心軸を回転軸として回転する。また、後段側平板プリズム１３はモータ４３の回転によって、そのプリズム面の作用面に垂直な中心軸を回転軸として回転する。一点鎖線で示すこの２つの回転軸はウェッジ角αと等しい角度をなす。
【００６３】
これにより２つの平板プリズム１１，１３同士の相対的な角度によって等価的なウェッジ角を制御し、且つ２つの平板プリズム１１，１３の全体の角度によって入射光の偏向方向（方位）を制御する。
【００６４】
なお、２つの平板プリズム１１，１３を後段側平板プリズム１３の入射面であるプリズム面の作用面に垂直な軸を回転軸として共に回転させ、且つ前段側平板プリズム１１をその出射面であるプリズム面の垂直軸を回転軸として独立に回転させる構造としてもよい。すなわち図１０（Ｂ）に示したものと主従関係を逆にしてもよい。
【００６５】
図１１は、図１０に示した光導入装置１０２を備え、さらに集光手段を備えて構成した集光ユニット２０１の構成を示す断面図である。
図１１において、後段側平板プリズム１３の下面（平板面側）にはフレネルレンズ１９を設けている。このフレネルレンズ１９の焦点ＦＰに光ファイバＯＦの受光部を配置している。光は後段側平板プリズム１３の平板面に対して垂直方向に出射されるので、これらの光はフレネルレンズ１９によって焦点ＦＰに集光されることになる。
【００６６】
なお、界面の数を減らすために、後段側平板プリズム１３の平板面とフレネルレンズ１９の平板面との間には整合層を設けるか、両者を一体に成形して空気層を介在させない。
【００６７】
このようにして焦点ＦＰに集光された光は光ファイバＯＦを通じて所定の箇所へ光エネルギーとして伝送される。
【００６８】
《第３の実施形態》
図１２（Ａ）は第３の実施形態に係る光導入装置１０３の主要部の断面図である。図１２（Ｂ）は、前段側平板プリズム１４と後段側平板プリズム１３を回転させるための構造について示している。
【００６９】
この第３の実施形態は、前段側平板プリズム１４及び後段側平板プリズム１３の両方について、入射面側をプリズム面とした例である。
図１２（Ｂ）に示すように、前段側平板プリズム１４を回転枠体２４に取り付けている。後段側平板プリズム１３は回転枠体２３に取り付けている。回転枠体２４はギア３４と噛合っていて、ギア３４はモータ４４によって回転する。同様に、回転枠体２３はギア３３と噛合っていて、ギア３３はモータ４３によって回転する。
【００７０】
この構成により、前段側平板プリズム１４はその出射面である平板面に対して垂直な軸を回転軸として回転し、後段側平板プリズム１３はそのプリズム面の作用面ＥＳに対して垂直な軸を回転軸として回転する。
【００７１】
なお、第１・第２の実施形態と同様に、前段側平板プリズム１４の入射面であるプリズム面の作用面ＥＳに垂直な軸で前段側平板プリズム１４及び後段側平板プリズム１３を回転させ、後段側平板プリズム１３の入射面であるプリズム面の作用面ＥＳに垂直な軸で後段側平板プリズム１３を回転させてもよい。
【００７２】
これにより２つの平板プリズム１４，１３同士の相対的な角度によって等価的なウェッジ角を制御し、且つ２つの平板プリズム１４，１３の全体の角度によって入射光の偏向方向（方位）を制御する。
【００７３】
《第４の実施形態》
図１３は第４の実施形態に係る光導入装置１０４の主要部の構成を示す断面図である。この例では、それぞれウェッジ角がβ１の前段側平板プリズム１５と後段側平板プリズム１６を用いている。前段側平板プリズム１５は出射面をプリズム面とし、後段側平板プリズム１６は入射面をプリズム面とし、２つの平板プリズム１５，１６は、対向する平板プリズム１５，１６のウェッジ角β１の傾斜方向に、角度２×（β１+β２）だけ開角した構造としている。
【００７４】
換言すると、２つのプリズムの作用面同士を平行に配置した場合に必要なウェッジ角をαで表し、た場合に、β１＜αであり、且つ、２つの平板プリズムの作用面同士を平行に配置した場合より、平板プリズムのウェッジ角β１の開角方向に、対向するプリズムが角度２×β２だけさらに開角するようにしている。
【００７５】
そして、それぞれの平板プリズム１５，１６は、それぞれウェッジ角β１のプリズムとウェッジ角β２の空気プリズムの合成プリズムと見なし、それらの空気プリズムの作用面同士を平行に対向させている。すなわち、平板プリズム１５，１６のプリズム面から、平板プリズム１５，１６のウェッジ角β１の開角方向に平板プリズム１５，１６がそれぞれ角度β２開角した面が平行となるようにしている。そして、両者は前段側平板プリズムの平板面の垂直軸を回転軸として回転し、且つ、後段側平板プリズム１６は、前記空気プリズム同士の対向する面（すなわち平板プリズム１６の作用面から、平板プリズム１６の開角方向にさらに角度β２だけ傾いた面）に垂直な軸を回転軸として回転する構造とする。
【００７６】
図１３（Ｂ）は、前段側平板プリズム１５と後段側平板プリズム１６を回転させるための構造について示している。この図に示すように、前段側平板プリズム１５を回転枠体２５に取り付けている。後段側平板プリズム１６は回転枠体２６に取り付けている。回転枠体２５はギア３５と噛合っていて、ギア３５はモータ４５によって回転する。同様に、回転枠体２６はギア３６と噛合っていて、ギア３６はモータ４６によって回転する。
【００７７】
平板プリズム１５，１６は、モータ４５の回転によって回転し、後段側平板プリズム１６はモータ４６の回転によっても回転する。一点鎖線で示すこの２つの回転軸は合成プリズムのウェッジ角（β１＋β２）と等しい角度をなす。
【００７８】
これにより２つの平板プリズム１５，１６同士の相対的な角度によって等価的なウェッジ角を制御し、且つ２つの平板プリズム１５，１６の全体の角度によって入射光の偏向方向（方位）を制御する。
【００７９】
第１〜第３の実施形態で示した２つの平板プリズムを用いて、対向する作用面同士が平行となるように配置した場合、全ての入射角の光を後段側平板プリズムの出射面の垂直方向に導出するためには、既に述べたように、プリズムのウェッジ角は２１゜必要であった。しかし、第４の実施形態では、後段側の平板プリズムの入射面が、出射面の傾斜方向に傾くように配置されているので、２つのプリズム１５，１６のウェッジ角β１は２０．４゜あれば、すべての方向からの入射光に対し（すなわち前段側平板プリズムに対する入射角が０〜９０°の範囲について）、後段側平板プリズムの出射面の垂直軸方向へ送り出すことが可能となる。但し、前記空気プリズムとの合成プリズムが占める角度β１＋β２＝２１．４゜となるので、後段側平板プリズムの回転機構部は、図１０に示した例よりもわずかに厚くなる。
【００８０】
このようにして平板プリズムのウェッジ角を小さくすれば、平板プリズムによる透過損失が少なくなる。
【００８１】
なお、同じ入射角の光を送り出す条件で、かつ平板プリズムの面積が同じである場合、β２が大きくなると、前段側平板プリズム１５は通るが後段側平板プリズム１６は通らない、ということによる損失は増えるが、上述のように平板プリズムのウェッジ角β１が小さくなる分だけ、光がプリズム面の非作用面に当たって所望の方向へ進まない割合は減る。β２がある程度の値までは、前者の損失増よりも後者の損失減の方が勝るため、総合効率は改善される。この理由により、第４の実施形態で示した光導入装置１０４の方が第２の実施形態で示した光導入装置１０２に比べてわずかに改善が見込まれる。
【００８２】
なお、第１の実施形態として図２に示したように、２つの平板プリズム１１，１２のプリズム面をともに出射面側にしたものに適用することもできる。この場合には、２つの対向面を平行に配置した場合より、平板プリズム１１のウェッジ角β１の開角方向に、平板プリズム１２が角度β２開角する。そして、平板プリズム１１のプリズム面の作用面から平板プリズム１１のウェッジ角β１の開角方向に角度β２開角した面と平板プリズム１２の平板面が平行となるように回転する。これによれば、β１＝１８〜１５゜，β２＝５〜１０゜の範囲で総合効率が１％程度の改善が見込まれる。その理由は、第２の実施形態のように、プリズム面同士が対向していて、２つの平板プリズム１１，１３が大きな角度を成している場合、その角度をさらに広げると、前段側平板プリズムは通るが後段側平板プリズムは通らない、ということによる損失が大きく増えるが、第１の実施形態のように、対向する２つの平板プリズムのうち一方の面のみがプリズム面であれば、２つの平板プリズムが成す角度がもともと大きくなく、その角度を広げても損失増加は少ないためである。
【００８３】
《第５の実施形態》
図１４は第５の実施形態に係る集光装置３０１の構成を示す断面図である。この集光装置３０１は住宅の南側に面した傾斜屋根に設けたものである。屋根の入射面にはガラス板５２を設け、その内側に図１１に示したものと同様の集光ユニット２０１Ａ〜２０１Ｄを設けている。但しこの図では断面内に４つの集光ユニット２０１Ａ〜２０１Ｄが現れているが、紙面に対して垂直方向（奥行き方向）にも配列形成されている。
【００８４】
このようにして複数の集光ユニットのそれぞれの複数の平板プリズムのうち初段の（前段の）平板プリズムの入射面がほぼ同一平面をなすように複数配置することによって、隣接する他の集光ユニットが入射光を遮蔽することなく、全体に高効率な集光装置が構成できる。
【００８５】
なお、図４に示したように、後段側平板プリズム１２の出射面がプリズム面である場合には、その平板面側（入射面側）にフレネルレンズを配置するか、両者を一体成形してもよい。さらには平板プリズムのプリズムパターンとフレネルレンズのパターンとの合成パターンを同一面に設けることによって両者を一体化してもよい。
【００８６】
また、以上に示した各実施形態ではいずれも２つの平板プリズムを備えたが、３つ以上の平板プリズムを備える場合には、対向する２つの平板プリズムについて本発明を同様に適用すればよい。
【００８７】
また、以上に示した各実施形態では、平板プリズムの対向する面または空気プリズムの対向する面が略平行になるように配置しているが、これに限られず、２つの平板プリズムの平板面が平行ではなく、ウェッジ角の開角方向に相対的に開角するように２つの平板プリズムが傾斜していればよい。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】特許文献２に示されている太陽追尾装置の構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る光導入装置の主要部の構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る光導入装置の偏向角の制御の例を示す図である。
【図４】２つの平板プリズム１１，１２を独立して回転させる機構を備えた光導入装置１０１の断面図である。
【図５】図４に示した光導入装置１０１を用いるとともに、その入射面側の構造をより具体的に表した図ある。
【図６】入射面側をプリズム面とした場合の入射角について示す図である。
【図７】入射面側をプリズム面とした場合の、入射角に対する透過率の関係を示す図である。
【図８】入射面側を平板面とした場合の入射角について示している。
【図９】入射面側を平板面とした場合の、入射角に対する透過率の関係を示す図である。
【図１０】第２の実施形態に係る光導入装置の主要部の構成を示す断面図である。
【図１１】図１０に示した光導入装置１０２を備え、さらに集光手段を備えて構成した集光ユニット２０１の断面図である。
【図１２】第３の実施形態に係る光導入装置１０３の主要部の構成を示す断面図である。
【図１３】第４の実施形態に係る光導入装置１０４の主要部の構成を示す断面図である。
【図１４】第５の実施形態に係る集光装置３０１の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８９】
１１…前段側平板プリズム
１２…後段側平板プリズム
１３…後段側平板プリズム
１４…前段側平板プリズム
１５…前段側平板プリズム
１６…後段側平板プリズム
１９…フレネルレンズ
２１〜２６…回転枠体
３１〜３６…ギア
４１〜４６…モータ
５１…整合層
５２…ガラス板
１０１〜１０４…光導入装置
２０１…集光ユニット
３０１…集光装置
ＥＳ…作用面
ＦＰ…焦点
ＦＳ…平板面
ＮＳ…非作用面
ＯＦ…光ファイバ
Ｐ１，Ｐ２…単位プリズム
ＰＳ…プリズム面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の平板プリズムを備えた光導入装置において、
前記複数の平板プリズムのうち、前段側と後段側の少なくとも２つの平板プリズムは、少なくとも一方の平板プリズムのプリズム面が他方の平板プリズムに対向し、且つ、前記一方の平板プリズムのウェッジ角の開角方向に他方の平板プリズムが相対的に開角する関係に配置され、当該２つの平板プリズムが回転可能に設けられたことを特徴とする光導入装置。
【請求項２】
前記２つの平板プリズムは、双方に共通の第１の回転軸を有し、前記２つの平板プリズムの一方は、前記第１の回転軸とは独立した第２の回転軸を有する、請求項１に記載の光導入装置。
【請求項３】
前記２つの平板プリズムの回転に関わらず、前記２つの平板プリズムの互いに対向する面は略平行な関係を維持する、請求項１または２に記載の光導入装置。
【請求項４】
前記２つの平板プリズムのうち、少なくとも一方の平板プリズムは、入射面に垂直な軸を回転軸として回転する、請求項３に記載の光導入装置。
【請求項５】
前記２つの平板プリズムを、それらの対向面を平行に配置した場合に必要なウェッジ角をαで表し、前記２つの平板プリズムのウェッジ角をそれぞれβで表した場合にβ＜αの関係にあり、且つ、対向面を平行に配置した場合より、プリズム面が他方の平板プリズムに対向する一方の平板プリズムのウェッジ角の開角方向に、他方の平板プリズムが開角する関係に配置された、請求項１または２に記載の光導入装置。
【請求項６】
前記２つの平板プリズムは、他方の平板プリズムに対向する一方の平板プリズムの面が平板面である場合にはその平板面が、他方の平板プリズムに対向する一方の平板プリズムの面がプリズム面である場合には、当該プリズム面から前記一方の平板プリズムのウェッジ角βの開角方向に所定の角度開角した面が、前記２つの平板プリズムの回転に関わらず、平行な関係を維持する、請求項５に記載の光導入装置。
【請求項７】
前記前段の平板プリズムと前記後段の平板プリズムのうち、少なくとも一方の平板プリズムの入射面が平面である、請求項１〜６のいずれかに記載の光導入装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の光導入装置と、前記複数の平板プリズムのうち最後段から出射される光を集光する集光レンズとを備えてなる集光ユニット。
【請求項９】
前記複数の平板プリズムのうち最後段に配置された平板プリズムは、その出射面が平面であり、当該平板プリズムの出射面に前記集光レンズを形成された、請求項８に記載の集光ユニット。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の集光ユニットが、前記複数の平板プリズムのうち初段の平板プリズムの入射面が略同一平面をなすように複数配置されてなる集光装置。
【請求項１】
複数の平板プリズムを備えた光導入装置において、
前記複数の平板プリズムのうち、前段側と後段側の少なくとも２つの平板プリズムは、少なくとも一方の平板プリズムのプリズム面が他方の平板プリズムに対向し、且つ、前記一方の平板プリズムのウェッジ角の開角方向に他方の平板プリズムが相対的に開角する関係に配置され、当該２つの平板プリズムが回転可能に設けられたことを特徴とする光導入装置。
【請求項２】
前記２つの平板プリズムは、双方に共通の第１の回転軸を有し、前記２つの平板プリズムの一方は、前記第１の回転軸とは独立した第２の回転軸を有する、請求項１に記載の光導入装置。
【請求項３】
前記２つの平板プリズムの回転に関わらず、前記２つの平板プリズムの互いに対向する面は略平行な関係を維持する、請求項１または２に記載の光導入装置。
【請求項４】
前記２つの平板プリズムのうち、少なくとも一方の平板プリズムは、入射面に垂直な軸を回転軸として回転する、請求項３に記載の光導入装置。
【請求項５】
前記２つの平板プリズムを、それらの対向面を平行に配置した場合に必要なウェッジ角をαで表し、前記２つの平板プリズムのウェッジ角をそれぞれβで表した場合にβ＜αの関係にあり、且つ、対向面を平行に配置した場合より、プリズム面が他方の平板プリズムに対向する一方の平板プリズムのウェッジ角の開角方向に、他方の平板プリズムが開角する関係に配置された、請求項１または２に記載の光導入装置。
【請求項６】
前記２つの平板プリズムは、他方の平板プリズムに対向する一方の平板プリズムの面が平板面である場合にはその平板面が、他方の平板プリズムに対向する一方の平板プリズムの面がプリズム面である場合には、当該プリズム面から前記一方の平板プリズムのウェッジ角βの開角方向に所定の角度開角した面が、前記２つの平板プリズムの回転に関わらず、平行な関係を維持する、請求項５に記載の光導入装置。
【請求項７】
前記前段の平板プリズムと前記後段の平板プリズムのうち、少なくとも一方の平板プリズムの入射面が平面である、請求項１〜６のいずれかに記載の光導入装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の光導入装置と、前記複数の平板プリズムのうち最後段から出射される光を集光する集光レンズとを備えてなる集光ユニット。
【請求項９】
前記複数の平板プリズムのうち最後段に配置された平板プリズムは、その出射面が平面であり、当該平板プリズムの出射面に前記集光レンズを形成された、請求項８に記載の集光ユニット。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の集光ユニットが、前記複数の平板プリズムのうち初段の平板プリズムの入射面が略同一平面をなすように複数配置されてなる集光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００９−２５８３７１（Ｐ２００９−２５８３７１Ａ）
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０６９９９（Ｐ２００８−１０６９９９）
【出願日】平成２０年４月１６日（２００８．４．１６）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月１６日（２００８．４．１６）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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