集光モジュールおよびこれを用いた集光ユニット
【課題】従来の集光モジュールは、太陽光の集光効率、特に太陽の日周運動に対する集光効率に関して改善する余地がある。
【解決手段】光入射面部１４およびその反対側に位置する裏面部１５ならびに光出射面部１６を有する導光部材１１と、この導光部材１１の裏面部１５に対して隙間を隔てて対向するように配され、かつ裏面部１５から出射した光を裏面部１５から再び導光部材１１内に入射させる光反射部材１２とを具えた本発明による集光モジュール１０は、光入射面部１４および裏面部１５の少なくとも一方が、相互に逆向きに傾斜する一対の傾斜面１５ａと、これら一対の傾斜面１５ａによって画成される稜部１５ｂとを含み、導光部材１１の厚みを第１の方向に沿って光出射面部１６側ほど厚く、かつ第２の方向に沿って稜部１５ｂから離れるほど薄く設定し、裏面部１５と光反射部材１２との間の間隔を第１の方向に沿って光出射面部１６側ほど広がるように設定した。
【解決手段】光入射面部１４およびその反対側に位置する裏面部１５ならびに光出射面部１６を有する導光部材１１と、この導光部材１１の裏面部１５に対して隙間を隔てて対向するように配され、かつ裏面部１５から出射した光を裏面部１５から再び導光部材１１内に入射させる光反射部材１２とを具えた本発明による集光モジュール１０は、光入射面部１４および裏面部１５の少なくとも一方が、相互に逆向きに傾斜する一対の傾斜面１５ａと、これら一対の傾斜面１５ａによって画成される稜部１５ｂとを含み、導光部材１１の厚みを第１の方向に沿って光出射面部１６側ほど厚く、かつ第２の方向に沿って稜部１５ｂから離れるほど薄く設定し、裏面部１５と光反射部材１２との間の間隔を第１の方向に沿って光出射面部１６側ほど広がるように設定した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光などの光エネルギーを集める集光モジュールおよびこの集光モジュールを用いた集光ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光の光エネルギーを電力に変換する太陽光発電装置においては、光電変換素子の変換効率を高めることはもちろん、できるだけ効率よく光エネルギーを光電変換素子に導くことができるようにすることが望まれる。このため、太陽の日周運動に追従する太陽追尾装置を用いて受光面が常に太陽を向くようにしたり、この受光面全体に光電変換素子を配したりすることも行われている。
【０００３】
しかしながら、高価な太陽追尾装置を用いたり、太陽光の受光面全体に高価な光電変換素子を配することは、何れも設備コストの上昇につながり、太陽光発電装置の普及を妨げる要因の一つとなる。そこで、受光面を太陽の日周運動に対して固定する一方、太陽光の光エネルギーを集光状態で光電変換素子に導くことによって、高価な光電変換素子の使用量を抑えると同時に設備の簡便化を企図した太陽光発電装置が提案されている。このような太陽光発電装置においては、効率よく太陽光を集光してこれを光電変換素子に導くため、例えば特許文献１や特許文献２などで開示されたような集光モジュールが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２１８５４０号公報
【特許文献２】特開２００７−２７４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１，２に開示された集光モジュールに関し、太陽光の集光効率、特に太陽の日周運動に対する集光効率をさらに改善する余地がある。
【０００６】
本発明の目的は、固定状態で配した場合であっても、太陽の日周運動に対する集光効率を従来のものよりも高めることができる集光モジュールおよびこの集光モジュールを用いた集光ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の形態は、第１の方向とこの第１の方向に対して交差する第２の方向とに沿って延在する光入射面部と、この光入射面部の反対側に位置し、かつ前記第１および第２の方向に沿って延在する裏面部と、前記第１の方向に沿った一端側に位置し、かつ前記第１および第２の方向に対して交差する第３の方向と前記第２の方向とに沿って延在する光出射面部とを有する導光部材と、この導光部材の前記裏面部に対して隙間を隔てて対向するように配され、前記裏面部から出射した光を当該裏面部から再び前記導光部材内に入射させる光反射部材とを具え、前記導光部材の光入射面部および前記裏面部の少なくとも一方は、前記第１の方向に対して直交する面内で相互に逆向きに傾斜する一対の傾斜面と、これら一対の傾斜面によって画成され、かつ前記第１の方向に沿って延在する稜部とを含み、前記導光部材の厚みは、前記第１の方向に沿って前記光出射面部側ほど厚く設定され、かつ前記第２の方向に沿って前記稜部から離れるほど薄く設定され、前記導光部材の裏面部と前記光反射部材との間の間隔は、前記第１の方向に沿って前記光出射面部側ほど広がるように設定されていることを特徴とする集光モジュールにある。
【０００８】
本発明においては、光入射面部から導光部材内に入射した光がその裏面部と光入射面部との間を全反射しながら導光部材内を伝播し、光出射端面部から導光部材の外へと出射する。導光部材内を伝播する光の一部が裏面部から導光部材の外に出射した場合、この光は光反射部材によって再び裏面部から導光部材内に導かれ、再度光入射面部と裏面部との間で全反射を繰り返し、光出射端面部に向けて導光部材内を伝播する。光入射面部から導光部材内に入射した光は、最終的に光出射端面部から導光部材の外へとすべて出射する。一対の傾斜面は、ここで全反射する光を稜部側に偏向させ、稜部近傍ほど光エネルギーの密度を高める。
【０００９】
本発明の第１の形態による集光モジュールにおいて、一対の傾斜面およびその稜部を導光部材の裏面部に形成し、導光部材の裏面部と光反射部材との間の間隔を第２の方向に沿って稜部から離れるほど狭まるように設定することが好ましい。
【００１０】
導光部材の光入射面部を覆い、波長選択透過性を持つフィルタをさらに具えることができる。
【００１１】
導光部材が光出射面部の反対側に位置し、かつ第１の方向とこの第１の方向に対して交差する第２の方向とに沿って延在する光反射面部をさらに有するものであってよい。
【００１２】
本発明の第２の形態は、上述した本発明の第１の形態による複数の集光モジュールと、これら複数の集光モジュールを囲むように配される光誘導部材とを具え、前記集光モジュールを構成する個々の前記導光部材の光入射面部の輪郭形状がそれぞれ扇形をなすと共に前記光出射面部が円弧面となり、これらが点対称に配されて全体として円形となっており、前記光誘導部材は、前記導光部材の光出射面部に沿って環状に巻回された少なくとも１本の光ファイバと、この光ファイバと前記導光部材の光出射面部との間に配されて前記導光部材の光出射面部から出射する光を前記光ファイバの外周からこの光ファイバ内へと誘導するための光案内ブロックとを有することを特徴とする集光ユニットにある。
【００１３】
本発明においては、個々の導光部材の光入射面部から導光部材内に入射した光がその裏面部と光入射面部との間を全反射しながら全体として集光ユニットの径方向外側へと導光部材内を伝搬する。個々の導光部材の光入射面部から導光部材内に入射した光は、最終的に集光ユニットの外周縁に位置する個々の導光部材の出射端面部から導光部材の外へと出射し、ここから光誘導部材を介して光ファイバ内へと導かれる。
【００１４】
本発明の第３の形態は、円柱状の光入射面部を有する光誘導部材と、この光誘導部材を囲むように配される請求項５に記載の複数の集光モジュールとを具え、これら集光モジュールを構成する個々の前記導光部材の光入射面部の輪郭形状がそれぞれ扇形状をなし、個々の前記導光部材の前記光入射面部が前記光誘導部材の光入射面部に密着すると共に光反射面部が円弧面となり、これら前記光誘導部材を中心として点対称に配され、全体として環状となっていることを特徴とする集光ユニットにある。
【００１５】
本発明においては、個々の導光部材の光入射面部から導光部材内に入射した光がその裏面部と光入射面部との間を全反射しながら全体として集光ユニットの径方向内側へと導光部材内を伝搬する。個々の導光部材の光入射面部から導光部材内に入射した光は、最終的に集光ユニットの内周側に位置する個々の導光部材の出射端面部から導光部材の外へと出射し、ここから光誘導部材へと導かれる。
【００１６】
本発明の第３の形態による集光ユニットにおいて、光誘導部材がその長手方向一端部に円錐状に窪んだ光反射面を有するものであってよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の集光モジュールによると、相対的に広い面積を持つ導光部材の光入射面部から導光部材内に入射した光を稜線部に沿って相対的に狭い面積を持つ光出射面部側へと集光状態で伝播させることができる。この結果、光入射面部から導光部材内に入射した光を光出射面部から導光部材の外側へ効率よく出射させることができる。
【００１８】
一対の傾斜面およびその稜部を導光部材の裏面部に形成し、この裏面部と光反射部材との間の間隔を第２の方向に沿って稜部から離れるほど狭まるように設定した場合、光反射部材により再び導光部材内に入射する光を稜部近傍へと収束させることができる。
【００１９】
導光部材の光入射面部を覆い、波長選択透過性を持つフィルタをさらに具えた場合、導光部材や光反射部材などの劣化をもたらす有害な電磁波を遮断することができる。
【００２０】
導光部材が光出射面部の反対側に位置し、かつ第１の方向とこの第１の方向に対して交差する第２の方向とに沿って延在する光反射面部をさらに有する場合、導光部材内を伝播して光反射面部に達した光が導光部材の外に漏洩するのを未然に防止することができる。この結果、光反射面部にて反射した光を効率よく光出射面部側へと導くことが可能となる。
【００２１】
本発明の第２の形態の集光ユニットによると、個々の導光部材の光入射面部から導光部材内に入射した光を集光ユニットの径方向外側へと導光部材内を伝搬させることができる。この結果、各導光部材内を伝播する光を集光ユニットの外周縁に位置する個々の導光部材の出射端面部から導光部材の外へと放射状に出射させ、ここから光誘導部材を介して光ファイバ内へと導くことができる。
【００２２】
本発明の集光ユニットによると、個々の導光部材の光入射面部から導光部材内に入射した光を集光ユニットの径方向内側へと導光部材内を伝搬させることができる。この結果、各導光部材内を伝播する光を集光ユニットの中央側に位置する個々の導光部材の出射端面部から光誘導部材へと導くことができる。
【００２３】
光誘導部材がその長手方向一端部に円錐状に窪んだ光反射面を有する場合、この光誘導部材に入射光をその長手方向他端部に向けて反射させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による集光モジュールの一実施形態の外観を分解状態で表す立体投影図である。
【図２】図１に示した実施形態における導光部材の稜部に沿った断面図である。
【図３】図２中のIII−III矢視断面図である。
【図４】図１に示した実施形態の平面図である。
【図５】本発明による集光ユニットの一実施形態の外観を表す平面図である。
【図６】図５に示した実施形態における集光ユニットの対称軸に沿った一部抽出拡大断面図である。
【図７】図５に示した実施形態における集光ユニットの一部抽出拡大平面図である。
【図８】本発明による集光ユニットの他の実施形態の外観を表す平面図であり、光反射部材を取り外した状態を示す。
【図９】図８に示した実施形態における集光ユニットの対称軸に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明を太陽光集光装置に応用した実施形態について、図１〜図９を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はこのような実施形態のみに限らず、必要に応じてこれらをさらに組み合わせたり、本発明の精神に帰属する他の任意の技術にも応用することができる。
【００２６】
本発明による集光モジュールの一実施形態の外観を分解状態で図１に示し、その平面形状を図２に示し、そのIII−III矢視断面形状を図３に示し、図２中のIV−IV矢視断面形状を図４にそれぞれ示す。
【００２７】
本実施形態における集光モジュール１０は、光学的に透明な導光部材１１と、アルミニウムなどの金属板から作成される光反射部材１２と、光電変換器１３とを具えている。導光部材１１としては、屈折率ｎが１.４９のＰＭＭＡ(ポリメチルメタクリレート)の他に、ｎ＝１.５３のＣＯＰ(シクロオレフィンポリマー)や、ｎ＝１.５９のＰＣ(ポリカーボネート)，ｎ＝１.５１程度のガラスなどを採用し得るが、耐光性や成形性あるいは加工性に優れたものであることが好ましいと言えよう。
【００２８】
導光部材１１は、矩形の平坦な光入射面部１４と、この光入射面部１４の反対側に位置する裏面部１５と、光出射面部１６と、この光出射面部１６の反対側に位置する光反射面部１７と、一対の側端面部１８とを有する。光入射面部１４は、第１の方向（図２中、左右方向）とこの第１の方向に対して交差する第２の方向（図２中、上下方向）とに沿って延在する。裏面部１５は、第１および第２の方向に沿って延在する。光出射面部１６は、第１の方向に沿った一端側に位置し、第１および第２の方向に対して交差する第３の方向（図３中、上下方向）と第２の方向とに沿って延在する。光反射面部１７は、第１の方向とこの第１の方向に対して交差する第２の方向とに沿って延在する。一対の側端面部１８は、第１の方向と第３の方向とに沿って延在し、第２の方向に関して相互に反対側に位置する。
【００２９】
なお、本実施形態では、光入射端面部１４を平坦な面としたが、全体を凸状に湾曲させたり、微小な凸レンズが整列するマイクロレンズアレイをその表面に一体的に形成することも有効である。また、光反射面部１７や一対の側端面部１８を省略する、つまり第３の方向に沿った光反射面部１７および一対の側端面部１８の高さ寸法を実質的に０に設定することができる。また、第３の方向に沿った一対の側端面部１８の高さ寸法を第１の方向に沿って光出射面部１６側ほど大きくなるように設定することも可能である。
【００３０】
本実施形態における導光部材１１の裏面部１５は、第１の方向に対して直交する面内で相互に逆向きに傾斜する一対の傾斜面１５ａと、これら一対の傾斜面１５ａによって画成され、かつ第１の方向に沿って延在する稜部１５ｂとで画成されている。光入射面部１４に対する一対の傾斜面１５ａの傾斜角αは、相互に逆向きで等しく設定されており、つまり、第３の方向に沿った導光部材１１の厚みは、第２の方向に沿って稜部１５ｂから離れるほど薄く設定されている。また、導光部材１１の一対の側端面部１８から稜部１５ｂまでの距離は、相互に等しく設定されている。なお、光反射面部１７の高さ寸法を実質的に０に設定した場合、光入射面部１４に対する一対の傾斜面１５ａの傾斜角αは、第１の方向に沿って光出射面部１６側ほど大きく設定され、本実施形態では０度から連続的に変化している。このため、傾斜面１５ａが第１の方向に沿ってねじれた湾曲面となることに注意されたい。これら一対の傾斜面１５ａおよび稜部１５ｂを導光部材１１の光入射面部１４に形成することも可能である。この場合、導光部材１１の裏面部１５が平坦面であっても、あるいは上述したような一対の傾斜面１５ａと稜部１５ｂとを有するものであってもかまわない。
【００３１】
第３の方向に沿った導光部材１１の厚みは、第１の方向に沿って光出射面部１６側ほど厚く設定されており、稜部１５ｂは導光部材１１の光入射面部１４に対して角度βにて傾斜している。従って、導光部材１１内を伝播して一対の傾斜面１５ａにて全反射する光Ｌは、ここに入射する光よりも基本的に光出射面部１６側に向けて全反射すると同時に光入射面部１４から離れる方向に全反射することとなる。
【００３２】
本実施形態における導光部材１１の光入射面部１４の表面には、導光部材１１の光入射面部１４を覆う波長選択透過性を持つ多層膜１４ａが本発明におけるフィルタとして形成されている。この多層膜１４ａは、導光部材１１の劣化を早める紫外線や赤外線などを反射する機能を有していればよい。この多層膜１４ａに代えて矩形の板状をなす光学フィルタを導光部材１１の光入射面部１４を覆うように配することも可能であり、任意の所望の波長に対する選択透過性を有していることが好ましい。
【００３３】
光反射部材１２は、導光部材１１の裏面部１５，光反射面部１７，側端面部１８に対してそれぞれ隙間を隔てて対向するように配され、導光部材１１の光入射面部１４以外から出射した光を再び導光部材１１内に入射させる機能を有する。このため、導光部材１１と対向する光反射部材１２の表面１２ａは光学的な反射面となる鏡面であることが好ましい。導光部材１１の裏面部１５と光反射部材１２との間の第２の方向に沿った間隔は、第１の方向に沿って光出射面部１６側ほど広がるように設定されている。また、この間隔は、第２の方向に沿って稜部１５ｂから離れるほど狭まるようにも設定されている。光反射部材１２の表面１２ａの傾斜は、導光部材１１の傾斜面１５ａの傾斜よりも全体的に１０度以下の範囲で急勾配に設定されている。従って、光反射部材１２にて反射する光は、ここに入射した光よりも基本的に光出射面部１６側に向けて反射すると同時に光入射面部１４から離れる方向に反射することとなる。
【００３４】
光電変換器１３は、導光部材１１と光反射部材１２との間の空隙を塞ぐように、導光部材１１の光出射面部１６に対して密着状態で配される。本実施形態では光電変換器１３の表面１３ａを矩形にしているが、第１の方向に沿った一端側の導光部材１１および光反射部材１２で形成される輪郭形状に対応した略三角形状であってもよい。この光電変換器１３は、シリコン系や化合物系あるいは有機系などの一般的に太陽電池と呼称されるものであり、光エネルギーを電気エネルギーに変換する機能を有する。この光電変換器１３の熱的劣化を防止するため、放熱機構や冷却機構などを一体的に組み込むことも可能である。
【００３５】
このような集光モジュール１０において太陽光を取り込む場合、理想的には春分点および秋分点における太陽の南中位置に対して導光部材１１の光入射面部１４が正対するように、地面または建物に対して集光モジュール１０を傾斜状態で設置することが好ましい。しかしながら、周囲の建物の状況や設置の容易性などを考慮して導光部材１１の光入射面部１４が地面に対して水平となるように設置したり、あるいは導光部材１１の入射端面が地面に対して垂直となるように設置したりすることも可能である。導光部材１１の光入射面部１４を地面に対して水平に設置する場合、第１の方向が南北方向となり、かつ光電変換器１３が北側に位置するように集光モジュール１０の向きを設定することが好ましい。また、導光部材１１の光入射面部１４を地面に対して垂直に設置する場合、導光部材１１の光入射面部１４を南に向け、かつ光電変換器１３が下側となるように集光モジュール１０の向きを設定することが好ましい。何れの場合においても、導光部材１１の光入射面部１４から導光部材１１内に入射した光が光出射面部１６へと伝播しやすくなるように、導光部材１１の姿勢および向きを設定することが有効である。
【００３６】
導光部材１１を構成する材料の屈折率をｎとした場合、平坦な光入射面部１４から導光部材１１内に入射する太陽光線Ｌのうち、裏面部１５や光反射面部１７，側端面部１８に対して全反射臨界角以内で進行する光は、全反射を起して導光部材１１内を伝播する。そして、光入射面部１４に対して全反射臨界角以内で入射する光も同様に、ここで全反射を起して導光部材１１内を再び伝播する。これに対し、全反射臨界角を越える光のうち、光入射面部１４から導光部材１１の外に出射する以外の光は、光反射部材１２に向けて導光部材１１の外に出射し、光反射部材１２の表面１２ａで反射して再び裏面部１５や光反射面部１７，側端面部１８から導光部材１１の内部に入射することとなる。このようにして、光入射面部１４から導光部材１１の内部に入射した光の大部分は、最終的に光出射面部１６から導光部材１１の外側へと出射し、つまり光電変換器１３へと導かれて電気エネルギーに変換され、電力として供される。ここで、光電変換器１３の表面１３ａの面積が導光部材１１の光入射面部１４の面積に対して充分に小さいことに注意すべきである。つまり、導光部材１１はその光入射面部１４から導光部材１１内に入射した光を集光状態で光出射面部１６に導くものであり、高価な光電変換器１３の使用量を削減して製造コストを低減させることができる。
【００３７】
上述したような集光モジュール１０を多数用意してこれらを整列状態で配置すると共に個々の光電変換器１３を電気的に接続した集光ユニットとして用いることも可能である。
【００３８】
導光部材１１の光入射面部１４の輪郭形状は矩形に限らず、任意の形状にすることが可能である。例えば、二等辺三角形や円の一部を切り取った扇形にすることができ、これらを組み合わせて全体として円形の集光ユニットを構成することも可能である。このような本発明による集光ユニットの一実施形態の平面形状を図５に示し、その一部を抽出拡大して図６に示し、そのVII−VII矢視断面形状を図７に示すが、先の実施形態と同一機能の要素には、これと同一符号を記すに止め、重複する説明を省略する。
【００３９】
本実施形態における集光ユニット２０は、複数の集光モジュール１０と、これら複数の集光モジュール１０を囲むように配される光誘導部材２１とを具える。集光モジュール１０を構成する個々の導光部材１１の光入射面部１４の輪郭形状は、その光反射面部１７が線状に収束すると共に光出射面部１６が円弧面となった扇形をなす。これら扇形をなす導光部材１１の一対の側端面部１８が相互に接合して全体として円形となっている。つまり、個々の導光部材１１は、集光ユニット２０の平面形状に関し、これらの光反射面部１７を中心として点対称に配された状態となっており、本実施形態では個々の導光部材１１を接合することなく、一体成形によってこれらを円形に形成している。裏面部１５に形成された稜部１５ｂは、集光モジュール１０の中心、つまり対称軸線となる光反射面部１７から径方向外側の円弧状をなす光出射面部１６に向けて延在し、光出射面部１６は集光モジュール１０の外周面を画成する。
【００４０】
光誘導部材２１は、導光部材１１の光出射面部１６に沿ってこれを囲むように環状に巻回された少なくとも１本の光ファイバ２２と、この光ファイバ２２と導光部材１１の光出射面部１６との間に配された光案内ブロック２３とを有する。この光案内ブロック２３は、導光部材１１の光出射面部１６から出射する光を光ファイバ２２の外周からこの光ファイバ２２内へと誘導するためのものである。光ファイバ２２は、コア部２２ａと、このコア部２２ａよりも低屈折率のクラッド部２２ｂとを有する一般的なものであってよく、クラッド部２２ｂと同程度の屈折率を有するモールド材２４にて全体の断面がほぼ矩形に成形されている。図示しない光ファイバ２２の端部は、この集光ユニット２０から引き出されて図示しないエネルギー回収手段、例えば光電変換器やレーザー発振器などに接続している。この場合、光ファイバ２２を光増幅器またはレーザー共振器として利用することも可能である。光増幅器として用いる場合には、その一端側から微弱なシード光を導入させることにより、その他端側から高出力のエネルギービームを取り出すことが可能となる。その詳細については特開平１０−１３５５４８号公報などで周知である。また、レーザー共振器として用いる場合、光ファイバ２２の両端面に所定の反射率を持たせて全体を共振器として機能させるか、あるいは発振閾値を低くするために光ファイバの両端にＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）と呼称される共振器を接続する形態を採用することができる。このような光ファイバレーザーに関する技術は、例えば特開平１１−２３８９２８号公報などで周知である。
【００４１】
光案内ブロック２３は、導光部材１１の光反射面部１７（対称軸線）と稜部１５ｂとを含む面に対して対称な形状を有する。この光案内ブロック２３は、光学的に透明な材料にて形成され、かつ導光部材１１と同程度の屈折率を有し、モールド材２４と同じ屈折率であってよい。本実施形態における光案内ブロック２３は、光導入面部２３ａと、光誘導面部２３ｂと、傾斜面部２３ｃとを有する。光導入面部２３ａは、内周側が導光部材１１の光出射面部１６に接合され、光誘導面部２３ｂは、外周側が光ファイバ２２のモールド材２４の内周面に接合される。傾斜面部２３ｃは、この光案内ブロック２３内を伝播する光を円周方向に全反射させるための機能を有する。従って、隣接する傾斜面部２３ｃと光ファイバ２２のモールド材２４の内周面との間には略三角柱状をなす空隙２５が形成され、本実施形態ではここを空気層としている。光案内ブロック２３の屈折率をｎとした場合、本実施形態では隣接する傾斜面部２３ｃのなす角γをπ−２sin-1(１/ｎ)よりも小さく設定することが有効である。
【００４２】
なお、上述したような光誘導部材２１に代えて集光モジュール１０の外周面を覆うようにこれを取り囲む環状の光電変換器を採用することも可能である。
【００４３】
本実施形態における光反射部材１２は、その外周側が光ファイバ２２を囲み、光案内ブロック２３の上面側を覆う内フランジ部１２ｂを有する。これによって、光案内ブロック２３やモールド材２４から外部に漏洩する光を再び光案内ブロック２３およびモールド材２４に戻して最終的に光ファイバ２２へと導くことができ、光の損失が少なくなるように配慮している。
【００４４】
本実施形態のような円形の集光ユニット２０は、稜部１５ｂが放射状となった全方向性を有しているため、先の実施形態のものよりも設置の向きなどに神経質になる必要はない。しかしながら、光入射面部１４が太陽光線に対して垂直となる状態が最も長くなるように配することが基本的に好ましいと言える。従って、光入射面部１４から導光部材１１内に入射した光は、光出射面部１６から光誘導部材２１の光案内ブロック２３に入り、ここから光誘導面部２３ｂおよびモールド材２４を介して光ファイバ２２のコア部２２ａへと導かれるようになっている。
【００４５】
上述した本実施形態では、導光部材１１の径方向外側に入射光を導くようにしたが、逆に導光部材１１の径方向内側に入射光を導くことも可能である。このような本発明による集光ユニット２０の他の実施形態の平面形状を図８に示し、そのIX−IX矢視断面構造を図９に示すが、先の実施形態と同一機能の要素には、これと同一符号を記すに止め、重複する説明を省略する。
【００４６】
本実施形態における集光ユニット２０は、円柱状の光導入面部２１ａを有する光誘導部材２１と、この光誘導部材２１を囲むように配される複数の集光モジュール１０とを具えている。これら集光モジュール１０を構成する個々の導光部材１１の光入射面部１４の輪郭形状はそれぞれ扇形状をなし、光誘導部材２１の光導入面部２１ａに密着する凹円弧状の光出射面部１６と、その反対側の凸円弧状をなす光反射面部１７とを有する。複数の導光部材１１の隣接する一対の側端面部１８が相互に接合して全体として環状をなし、稜部１５ｂは光誘導部材２１を中心として放射状に形成された状態となっている。従って、個々の導光部材１１は、光誘導部材２１を中心として点対称に配され、全体として環状となっている。本実施形態においても、先の実施形態と同様に、個々の導光部材１１を接合することなく、一体成形によってこれらを環状に形成している。
【００４７】
光誘導部材２１は、その長手方向一端部に円錐状に窪んだ光反射面部２１ｂを有し、この光反射面部２１ｂを覆う円錐状の光反射部材２６が光反射面部２１ｂとの間に隙間２７を形成するように配されている。光反射面部２１ｂと対向する光反射部材２６の表面（内側面）２６ａは、全反射せずに光反射面部２１ｂから出射した光を再び光反射面部２１ｂから光誘導部材２１内に反射させるような鏡面に形成されており、先の光反射部材１２と同様な機能を有する。光誘導部材２１の光反射面部２１ｂの中心角δは、光誘導部材２１の屈折率をｎとした場合、２sin-1(１/ｎ)よりも大きいことが好ましい。なお、光反射部材２６の内側面２６ａの中心角は、これよりもさらに大きくすることが有効である。光反射面部２１ｂは、光導入面部２１ａから入射した光を光誘導部材２１の長手方向他端部側へと全反射させる機能を有する。
【００４８】
光誘導部材２１の長手方向他端部には、レーザー発振器２８が一体的に接合されている。このレーザー発振器２８は、レーザー媒質２８ａと、このレーザー媒質２８ａの両端面に形成された一対の反射膜２８ｂとを有し、これら一対の反射膜２８ｂの間のレーザー媒質２８ａ内にて反射を繰り返す光のエネルギーを増幅させることができる。
【００４９】
従って、光入射面部１４から導光部材１１内に入射した光は、導光部材１１の光出射面部１６から光誘導部材２１へと導かれる。そして、レーザー発振器２８にて増幅されたレーザー光がその先端部側の反射膜２８ｂを通過して放射され、これを産業的に利用することが可能となる。
【００５０】
なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 集光モジュール
１１ 導光部材
１２ 光反射部材
１２ａ 表面
１２ｂ 内フランジ部
１３ 光電変換器
１３ａ 表面
１４ 光入射面部
１４ａ 多層膜
１５ 裏面部
１５ａ 傾斜面
１５ｂ 稜部
１６ 光出射面部
１７ 光反射面部
１８ 側端面部
２０ 集光ユニット
２１ 光誘導部材
２１ａ 光導入面部
２１ｂ 光反射面部
２２ 光ファイバ
２２ａ コア部
２２ｂ クラッド部
２３ 光案内ブロック
２３ａ 光導入面部
２３ｂ 光誘導面部
２３ｃ 傾斜面部
２４ モールド材
２５ 空隙
２６ 光反射部材
２６ａ 内側面
２７ 隙間
２８ レーザー発振器
２８ａ レーザー媒質
２８ｂ 反射膜
Ｌ 光
α 光入射面部に対する傾斜面の傾斜角
β 光入射面部に対する稜部のなす角
γ 隣接する傾斜面部のなす角
δ 光反射面部の中心角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光などの光エネルギーを集める集光モジュールおよびこの集光モジュールを用いた集光ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光の光エネルギーを電力に変換する太陽光発電装置においては、光電変換素子の変換効率を高めることはもちろん、できるだけ効率よく光エネルギーを光電変換素子に導くことができるようにすることが望まれる。このため、太陽の日周運動に追従する太陽追尾装置を用いて受光面が常に太陽を向くようにしたり、この受光面全体に光電変換素子を配したりすることも行われている。
【０００３】
しかしながら、高価な太陽追尾装置を用いたり、太陽光の受光面全体に高価な光電変換素子を配することは、何れも設備コストの上昇につながり、太陽光発電装置の普及を妨げる要因の一つとなる。そこで、受光面を太陽の日周運動に対して固定する一方、太陽光の光エネルギーを集光状態で光電変換素子に導くことによって、高価な光電変換素子の使用量を抑えると同時に設備の簡便化を企図した太陽光発電装置が提案されている。このような太陽光発電装置においては、効率よく太陽光を集光してこれを光電変換素子に導くため、例えば特許文献１や特許文献２などで開示されたような集光モジュールが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２１８５４０号公報
【特許文献２】特開２００７−２７４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１，２に開示された集光モジュールに関し、太陽光の集光効率、特に太陽の日周運動に対する集光効率をさらに改善する余地がある。
【０００６】
本発明の目的は、固定状態で配した場合であっても、太陽の日周運動に対する集光効率を従来のものよりも高めることができる集光モジュールおよびこの集光モジュールを用いた集光ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の形態は、第１の方向とこの第１の方向に対して交差する第２の方向とに沿って延在する光入射面部と、この光入射面部の反対側に位置し、かつ前記第１および第２の方向に沿って延在する裏面部と、前記第１の方向に沿った一端側に位置し、かつ前記第１および第２の方向に対して交差する第３の方向と前記第２の方向とに沿って延在する光出射面部とを有する導光部材と、この導光部材の前記裏面部に対して隙間を隔てて対向するように配され、前記裏面部から出射した光を当該裏面部から再び前記導光部材内に入射させる光反射部材とを具え、前記導光部材の光入射面部および前記裏面部の少なくとも一方は、前記第１の方向に対して直交する面内で相互に逆向きに傾斜する一対の傾斜面と、これら一対の傾斜面によって画成され、かつ前記第１の方向に沿って延在する稜部とを含み、前記導光部材の厚みは、前記第１の方向に沿って前記光出射面部側ほど厚く設定され、かつ前記第２の方向に沿って前記稜部から離れるほど薄く設定され、前記導光部材の裏面部と前記光反射部材との間の間隔は、前記第１の方向に沿って前記光出射面部側ほど広がるように設定されていることを特徴とする集光モジュールにある。
【０００８】
本発明においては、光入射面部から導光部材内に入射した光がその裏面部と光入射面部との間を全反射しながら導光部材内を伝播し、光出射端面部から導光部材の外へと出射する。導光部材内を伝播する光の一部が裏面部から導光部材の外に出射した場合、この光は光反射部材によって再び裏面部から導光部材内に導かれ、再度光入射面部と裏面部との間で全反射を繰り返し、光出射端面部に向けて導光部材内を伝播する。光入射面部から導光部材内に入射した光は、最終的に光出射端面部から導光部材の外へとすべて出射する。一対の傾斜面は、ここで全反射する光を稜部側に偏向させ、稜部近傍ほど光エネルギーの密度を高める。
【０００９】
本発明の第１の形態による集光モジュールにおいて、一対の傾斜面およびその稜部を導光部材の裏面部に形成し、導光部材の裏面部と光反射部材との間の間隔を第２の方向に沿って稜部から離れるほど狭まるように設定することが好ましい。
【００１０】
導光部材の光入射面部を覆い、波長選択透過性を持つフィルタをさらに具えることができる。
【００１１】
導光部材が光出射面部の反対側に位置し、かつ第１の方向とこの第１の方向に対して交差する第２の方向とに沿って延在する光反射面部をさらに有するものであってよい。
【００１２】
本発明の第２の形態は、上述した本発明の第１の形態による複数の集光モジュールと、これら複数の集光モジュールを囲むように配される光誘導部材とを具え、前記集光モジュールを構成する個々の前記導光部材の光入射面部の輪郭形状がそれぞれ扇形をなすと共に前記光出射面部が円弧面となり、これらが点対称に配されて全体として円形となっており、前記光誘導部材は、前記導光部材の光出射面部に沿って環状に巻回された少なくとも１本の光ファイバと、この光ファイバと前記導光部材の光出射面部との間に配されて前記導光部材の光出射面部から出射する光を前記光ファイバの外周からこの光ファイバ内へと誘導するための光案内ブロックとを有することを特徴とする集光ユニットにある。
【００１３】
本発明においては、個々の導光部材の光入射面部から導光部材内に入射した光がその裏面部と光入射面部との間を全反射しながら全体として集光ユニットの径方向外側へと導光部材内を伝搬する。個々の導光部材の光入射面部から導光部材内に入射した光は、最終的に集光ユニットの外周縁に位置する個々の導光部材の出射端面部から導光部材の外へと出射し、ここから光誘導部材を介して光ファイバ内へと導かれる。
【００１４】
本発明の第３の形態は、円柱状の光入射面部を有する光誘導部材と、この光誘導部材を囲むように配される請求項５に記載の複数の集光モジュールとを具え、これら集光モジュールを構成する個々の前記導光部材の光入射面部の輪郭形状がそれぞれ扇形状をなし、個々の前記導光部材の前記光入射面部が前記光誘導部材の光入射面部に密着すると共に光反射面部が円弧面となり、これら前記光誘導部材を中心として点対称に配され、全体として環状となっていることを特徴とする集光ユニットにある。
【００１５】
本発明においては、個々の導光部材の光入射面部から導光部材内に入射した光がその裏面部と光入射面部との間を全反射しながら全体として集光ユニットの径方向内側へと導光部材内を伝搬する。個々の導光部材の光入射面部から導光部材内に入射した光は、最終的に集光ユニットの内周側に位置する個々の導光部材の出射端面部から導光部材の外へと出射し、ここから光誘導部材へと導かれる。
【００１６】
本発明の第３の形態による集光ユニットにおいて、光誘導部材がその長手方向一端部に円錐状に窪んだ光反射面を有するものであってよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の集光モジュールによると、相対的に広い面積を持つ導光部材の光入射面部から導光部材内に入射した光を稜線部に沿って相対的に狭い面積を持つ光出射面部側へと集光状態で伝播させることができる。この結果、光入射面部から導光部材内に入射した光を光出射面部から導光部材の外側へ効率よく出射させることができる。
【００１８】
一対の傾斜面およびその稜部を導光部材の裏面部に形成し、この裏面部と光反射部材との間の間隔を第２の方向に沿って稜部から離れるほど狭まるように設定した場合、光反射部材により再び導光部材内に入射する光を稜部近傍へと収束させることができる。
【００１９】
導光部材の光入射面部を覆い、波長選択透過性を持つフィルタをさらに具えた場合、導光部材や光反射部材などの劣化をもたらす有害な電磁波を遮断することができる。
【００２０】
導光部材が光出射面部の反対側に位置し、かつ第１の方向とこの第１の方向に対して交差する第２の方向とに沿って延在する光反射面部をさらに有する場合、導光部材内を伝播して光反射面部に達した光が導光部材の外に漏洩するのを未然に防止することができる。この結果、光反射面部にて反射した光を効率よく光出射面部側へと導くことが可能となる。
【００２１】
本発明の第２の形態の集光ユニットによると、個々の導光部材の光入射面部から導光部材内に入射した光を集光ユニットの径方向外側へと導光部材内を伝搬させることができる。この結果、各導光部材内を伝播する光を集光ユニットの外周縁に位置する個々の導光部材の出射端面部から導光部材の外へと放射状に出射させ、ここから光誘導部材を介して光ファイバ内へと導くことができる。
【００２２】
本発明の集光ユニットによると、個々の導光部材の光入射面部から導光部材内に入射した光を集光ユニットの径方向内側へと導光部材内を伝搬させることができる。この結果、各導光部材内を伝播する光を集光ユニットの中央側に位置する個々の導光部材の出射端面部から光誘導部材へと導くことができる。
【００２３】
光誘導部材がその長手方向一端部に円錐状に窪んだ光反射面を有する場合、この光誘導部材に入射光をその長手方向他端部に向けて反射させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による集光モジュールの一実施形態の外観を分解状態で表す立体投影図である。
【図２】図１に示した実施形態における導光部材の稜部に沿った断面図である。
【図３】図２中のIII−III矢視断面図である。
【図４】図１に示した実施形態の平面図である。
【図５】本発明による集光ユニットの一実施形態の外観を表す平面図である。
【図６】図５に示した実施形態における集光ユニットの対称軸に沿った一部抽出拡大断面図である。
【図７】図５に示した実施形態における集光ユニットの一部抽出拡大平面図である。
【図８】本発明による集光ユニットの他の実施形態の外観を表す平面図であり、光反射部材を取り外した状態を示す。
【図９】図８に示した実施形態における集光ユニットの対称軸に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明を太陽光集光装置に応用した実施形態について、図１〜図９を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はこのような実施形態のみに限らず、必要に応じてこれらをさらに組み合わせたり、本発明の精神に帰属する他の任意の技術にも応用することができる。
【００２６】
本発明による集光モジュールの一実施形態の外観を分解状態で図１に示し、その平面形状を図２に示し、そのIII−III矢視断面形状を図３に示し、図２中のIV−IV矢視断面形状を図４にそれぞれ示す。
【００２７】
本実施形態における集光モジュール１０は、光学的に透明な導光部材１１と、アルミニウムなどの金属板から作成される光反射部材１２と、光電変換器１３とを具えている。導光部材１１としては、屈折率ｎが１.４９のＰＭＭＡ(ポリメチルメタクリレート)の他に、ｎ＝１.５３のＣＯＰ(シクロオレフィンポリマー)や、ｎ＝１.５９のＰＣ(ポリカーボネート)，ｎ＝１.５１程度のガラスなどを採用し得るが、耐光性や成形性あるいは加工性に優れたものであることが好ましいと言えよう。
【００２８】
導光部材１１は、矩形の平坦な光入射面部１４と、この光入射面部１４の反対側に位置する裏面部１５と、光出射面部１６と、この光出射面部１６の反対側に位置する光反射面部１７と、一対の側端面部１８とを有する。光入射面部１４は、第１の方向（図２中、左右方向）とこの第１の方向に対して交差する第２の方向（図２中、上下方向）とに沿って延在する。裏面部１５は、第１および第２の方向に沿って延在する。光出射面部１６は、第１の方向に沿った一端側に位置し、第１および第２の方向に対して交差する第３の方向（図３中、上下方向）と第２の方向とに沿って延在する。光反射面部１７は、第１の方向とこの第１の方向に対して交差する第２の方向とに沿って延在する。一対の側端面部１８は、第１の方向と第３の方向とに沿って延在し、第２の方向に関して相互に反対側に位置する。
【００２９】
なお、本実施形態では、光入射端面部１４を平坦な面としたが、全体を凸状に湾曲させたり、微小な凸レンズが整列するマイクロレンズアレイをその表面に一体的に形成することも有効である。また、光反射面部１７や一対の側端面部１８を省略する、つまり第３の方向に沿った光反射面部１７および一対の側端面部１８の高さ寸法を実質的に０に設定することができる。また、第３の方向に沿った一対の側端面部１８の高さ寸法を第１の方向に沿って光出射面部１６側ほど大きくなるように設定することも可能である。
【００３０】
本実施形態における導光部材１１の裏面部１５は、第１の方向に対して直交する面内で相互に逆向きに傾斜する一対の傾斜面１５ａと、これら一対の傾斜面１５ａによって画成され、かつ第１の方向に沿って延在する稜部１５ｂとで画成されている。光入射面部１４に対する一対の傾斜面１５ａの傾斜角αは、相互に逆向きで等しく設定されており、つまり、第３の方向に沿った導光部材１１の厚みは、第２の方向に沿って稜部１５ｂから離れるほど薄く設定されている。また、導光部材１１の一対の側端面部１８から稜部１５ｂまでの距離は、相互に等しく設定されている。なお、光反射面部１７の高さ寸法を実質的に０に設定した場合、光入射面部１４に対する一対の傾斜面１５ａの傾斜角αは、第１の方向に沿って光出射面部１６側ほど大きく設定され、本実施形態では０度から連続的に変化している。このため、傾斜面１５ａが第１の方向に沿ってねじれた湾曲面となることに注意されたい。これら一対の傾斜面１５ａおよび稜部１５ｂを導光部材１１の光入射面部１４に形成することも可能である。この場合、導光部材１１の裏面部１５が平坦面であっても、あるいは上述したような一対の傾斜面１５ａと稜部１５ｂとを有するものであってもかまわない。
【００３１】
第３の方向に沿った導光部材１１の厚みは、第１の方向に沿って光出射面部１６側ほど厚く設定されており、稜部１５ｂは導光部材１１の光入射面部１４に対して角度βにて傾斜している。従って、導光部材１１内を伝播して一対の傾斜面１５ａにて全反射する光Ｌは、ここに入射する光よりも基本的に光出射面部１６側に向けて全反射すると同時に光入射面部１４から離れる方向に全反射することとなる。
【００３２】
本実施形態における導光部材１１の光入射面部１４の表面には、導光部材１１の光入射面部１４を覆う波長選択透過性を持つ多層膜１４ａが本発明におけるフィルタとして形成されている。この多層膜１４ａは、導光部材１１の劣化を早める紫外線や赤外線などを反射する機能を有していればよい。この多層膜１４ａに代えて矩形の板状をなす光学フィルタを導光部材１１の光入射面部１４を覆うように配することも可能であり、任意の所望の波長に対する選択透過性を有していることが好ましい。
【００３３】
光反射部材１２は、導光部材１１の裏面部１５，光反射面部１７，側端面部１８に対してそれぞれ隙間を隔てて対向するように配され、導光部材１１の光入射面部１４以外から出射した光を再び導光部材１１内に入射させる機能を有する。このため、導光部材１１と対向する光反射部材１２の表面１２ａは光学的な反射面となる鏡面であることが好ましい。導光部材１１の裏面部１５と光反射部材１２との間の第２の方向に沿った間隔は、第１の方向に沿って光出射面部１６側ほど広がるように設定されている。また、この間隔は、第２の方向に沿って稜部１５ｂから離れるほど狭まるようにも設定されている。光反射部材１２の表面１２ａの傾斜は、導光部材１１の傾斜面１５ａの傾斜よりも全体的に１０度以下の範囲で急勾配に設定されている。従って、光反射部材１２にて反射する光は、ここに入射した光よりも基本的に光出射面部１６側に向けて反射すると同時に光入射面部１４から離れる方向に反射することとなる。
【００３４】
光電変換器１３は、導光部材１１と光反射部材１２との間の空隙を塞ぐように、導光部材１１の光出射面部１６に対して密着状態で配される。本実施形態では光電変換器１３の表面１３ａを矩形にしているが、第１の方向に沿った一端側の導光部材１１および光反射部材１２で形成される輪郭形状に対応した略三角形状であってもよい。この光電変換器１３は、シリコン系や化合物系あるいは有機系などの一般的に太陽電池と呼称されるものであり、光エネルギーを電気エネルギーに変換する機能を有する。この光電変換器１３の熱的劣化を防止するため、放熱機構や冷却機構などを一体的に組み込むことも可能である。
【００３５】
このような集光モジュール１０において太陽光を取り込む場合、理想的には春分点および秋分点における太陽の南中位置に対して導光部材１１の光入射面部１４が正対するように、地面または建物に対して集光モジュール１０を傾斜状態で設置することが好ましい。しかしながら、周囲の建物の状況や設置の容易性などを考慮して導光部材１１の光入射面部１４が地面に対して水平となるように設置したり、あるいは導光部材１１の入射端面が地面に対して垂直となるように設置したりすることも可能である。導光部材１１の光入射面部１４を地面に対して水平に設置する場合、第１の方向が南北方向となり、かつ光電変換器１３が北側に位置するように集光モジュール１０の向きを設定することが好ましい。また、導光部材１１の光入射面部１４を地面に対して垂直に設置する場合、導光部材１１の光入射面部１４を南に向け、かつ光電変換器１３が下側となるように集光モジュール１０の向きを設定することが好ましい。何れの場合においても、導光部材１１の光入射面部１４から導光部材１１内に入射した光が光出射面部１６へと伝播しやすくなるように、導光部材１１の姿勢および向きを設定することが有効である。
【００３６】
導光部材１１を構成する材料の屈折率をｎとした場合、平坦な光入射面部１４から導光部材１１内に入射する太陽光線Ｌのうち、裏面部１５や光反射面部１７，側端面部１８に対して全反射臨界角以内で進行する光は、全反射を起して導光部材１１内を伝播する。そして、光入射面部１４に対して全反射臨界角以内で入射する光も同様に、ここで全反射を起して導光部材１１内を再び伝播する。これに対し、全反射臨界角を越える光のうち、光入射面部１４から導光部材１１の外に出射する以外の光は、光反射部材１２に向けて導光部材１１の外に出射し、光反射部材１２の表面１２ａで反射して再び裏面部１５や光反射面部１７，側端面部１８から導光部材１１の内部に入射することとなる。このようにして、光入射面部１４から導光部材１１の内部に入射した光の大部分は、最終的に光出射面部１６から導光部材１１の外側へと出射し、つまり光電変換器１３へと導かれて電気エネルギーに変換され、電力として供される。ここで、光電変換器１３の表面１３ａの面積が導光部材１１の光入射面部１４の面積に対して充分に小さいことに注意すべきである。つまり、導光部材１１はその光入射面部１４から導光部材１１内に入射した光を集光状態で光出射面部１６に導くものであり、高価な光電変換器１３の使用量を削減して製造コストを低減させることができる。
【００３７】
上述したような集光モジュール１０を多数用意してこれらを整列状態で配置すると共に個々の光電変換器１３を電気的に接続した集光ユニットとして用いることも可能である。
【００３８】
導光部材１１の光入射面部１４の輪郭形状は矩形に限らず、任意の形状にすることが可能である。例えば、二等辺三角形や円の一部を切り取った扇形にすることができ、これらを組み合わせて全体として円形の集光ユニットを構成することも可能である。このような本発明による集光ユニットの一実施形態の平面形状を図５に示し、その一部を抽出拡大して図６に示し、そのVII−VII矢視断面形状を図７に示すが、先の実施形態と同一機能の要素には、これと同一符号を記すに止め、重複する説明を省略する。
【００３９】
本実施形態における集光ユニット２０は、複数の集光モジュール１０と、これら複数の集光モジュール１０を囲むように配される光誘導部材２１とを具える。集光モジュール１０を構成する個々の導光部材１１の光入射面部１４の輪郭形状は、その光反射面部１７が線状に収束すると共に光出射面部１６が円弧面となった扇形をなす。これら扇形をなす導光部材１１の一対の側端面部１８が相互に接合して全体として円形となっている。つまり、個々の導光部材１１は、集光ユニット２０の平面形状に関し、これらの光反射面部１７を中心として点対称に配された状態となっており、本実施形態では個々の導光部材１１を接合することなく、一体成形によってこれらを円形に形成している。裏面部１５に形成された稜部１５ｂは、集光モジュール１０の中心、つまり対称軸線となる光反射面部１７から径方向外側の円弧状をなす光出射面部１６に向けて延在し、光出射面部１６は集光モジュール１０の外周面を画成する。
【００４０】
光誘導部材２１は、導光部材１１の光出射面部１６に沿ってこれを囲むように環状に巻回された少なくとも１本の光ファイバ２２と、この光ファイバ２２と導光部材１１の光出射面部１６との間に配された光案内ブロック２３とを有する。この光案内ブロック２３は、導光部材１１の光出射面部１６から出射する光を光ファイバ２２の外周からこの光ファイバ２２内へと誘導するためのものである。光ファイバ２２は、コア部２２ａと、このコア部２２ａよりも低屈折率のクラッド部２２ｂとを有する一般的なものであってよく、クラッド部２２ｂと同程度の屈折率を有するモールド材２４にて全体の断面がほぼ矩形に成形されている。図示しない光ファイバ２２の端部は、この集光ユニット２０から引き出されて図示しないエネルギー回収手段、例えば光電変換器やレーザー発振器などに接続している。この場合、光ファイバ２２を光増幅器またはレーザー共振器として利用することも可能である。光増幅器として用いる場合には、その一端側から微弱なシード光を導入させることにより、その他端側から高出力のエネルギービームを取り出すことが可能となる。その詳細については特開平１０−１３５５４８号公報などで周知である。また、レーザー共振器として用いる場合、光ファイバ２２の両端面に所定の反射率を持たせて全体を共振器として機能させるか、あるいは発振閾値を低くするために光ファイバの両端にＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）と呼称される共振器を接続する形態を採用することができる。このような光ファイバレーザーに関する技術は、例えば特開平１１−２３８９２８号公報などで周知である。
【００４１】
光案内ブロック２３は、導光部材１１の光反射面部１７（対称軸線）と稜部１５ｂとを含む面に対して対称な形状を有する。この光案内ブロック２３は、光学的に透明な材料にて形成され、かつ導光部材１１と同程度の屈折率を有し、モールド材２４と同じ屈折率であってよい。本実施形態における光案内ブロック２３は、光導入面部２３ａと、光誘導面部２３ｂと、傾斜面部２３ｃとを有する。光導入面部２３ａは、内周側が導光部材１１の光出射面部１６に接合され、光誘導面部２３ｂは、外周側が光ファイバ２２のモールド材２４の内周面に接合される。傾斜面部２３ｃは、この光案内ブロック２３内を伝播する光を円周方向に全反射させるための機能を有する。従って、隣接する傾斜面部２３ｃと光ファイバ２２のモールド材２４の内周面との間には略三角柱状をなす空隙２５が形成され、本実施形態ではここを空気層としている。光案内ブロック２３の屈折率をｎとした場合、本実施形態では隣接する傾斜面部２３ｃのなす角γをπ−２sin-1(１/ｎ)よりも小さく設定することが有効である。
【００４２】
なお、上述したような光誘導部材２１に代えて集光モジュール１０の外周面を覆うようにこれを取り囲む環状の光電変換器を採用することも可能である。
【００４３】
本実施形態における光反射部材１２は、その外周側が光ファイバ２２を囲み、光案内ブロック２３の上面側を覆う内フランジ部１２ｂを有する。これによって、光案内ブロック２３やモールド材２４から外部に漏洩する光を再び光案内ブロック２３およびモールド材２４に戻して最終的に光ファイバ２２へと導くことができ、光の損失が少なくなるように配慮している。
【００４４】
本実施形態のような円形の集光ユニット２０は、稜部１５ｂが放射状となった全方向性を有しているため、先の実施形態のものよりも設置の向きなどに神経質になる必要はない。しかしながら、光入射面部１４が太陽光線に対して垂直となる状態が最も長くなるように配することが基本的に好ましいと言える。従って、光入射面部１４から導光部材１１内に入射した光は、光出射面部１６から光誘導部材２１の光案内ブロック２３に入り、ここから光誘導面部２３ｂおよびモールド材２４を介して光ファイバ２２のコア部２２ａへと導かれるようになっている。
【００４５】
上述した本実施形態では、導光部材１１の径方向外側に入射光を導くようにしたが、逆に導光部材１１の径方向内側に入射光を導くことも可能である。このような本発明による集光ユニット２０の他の実施形態の平面形状を図８に示し、そのIX−IX矢視断面構造を図９に示すが、先の実施形態と同一機能の要素には、これと同一符号を記すに止め、重複する説明を省略する。
【００４６】
本実施形態における集光ユニット２０は、円柱状の光導入面部２１ａを有する光誘導部材２１と、この光誘導部材２１を囲むように配される複数の集光モジュール１０とを具えている。これら集光モジュール１０を構成する個々の導光部材１１の光入射面部１４の輪郭形状はそれぞれ扇形状をなし、光誘導部材２１の光導入面部２１ａに密着する凹円弧状の光出射面部１６と、その反対側の凸円弧状をなす光反射面部１７とを有する。複数の導光部材１１の隣接する一対の側端面部１８が相互に接合して全体として環状をなし、稜部１５ｂは光誘導部材２１を中心として放射状に形成された状態となっている。従って、個々の導光部材１１は、光誘導部材２１を中心として点対称に配され、全体として環状となっている。本実施形態においても、先の実施形態と同様に、個々の導光部材１１を接合することなく、一体成形によってこれらを環状に形成している。
【００４７】
光誘導部材２１は、その長手方向一端部に円錐状に窪んだ光反射面部２１ｂを有し、この光反射面部２１ｂを覆う円錐状の光反射部材２６が光反射面部２１ｂとの間に隙間２７を形成するように配されている。光反射面部２１ｂと対向する光反射部材２６の表面（内側面）２６ａは、全反射せずに光反射面部２１ｂから出射した光を再び光反射面部２１ｂから光誘導部材２１内に反射させるような鏡面に形成されており、先の光反射部材１２と同様な機能を有する。光誘導部材２１の光反射面部２１ｂの中心角δは、光誘導部材２１の屈折率をｎとした場合、２sin-1(１/ｎ)よりも大きいことが好ましい。なお、光反射部材２６の内側面２６ａの中心角は、これよりもさらに大きくすることが有効である。光反射面部２１ｂは、光導入面部２１ａから入射した光を光誘導部材２１の長手方向他端部側へと全反射させる機能を有する。
【００４８】
光誘導部材２１の長手方向他端部には、レーザー発振器２８が一体的に接合されている。このレーザー発振器２８は、レーザー媒質２８ａと、このレーザー媒質２８ａの両端面に形成された一対の反射膜２８ｂとを有し、これら一対の反射膜２８ｂの間のレーザー媒質２８ａ内にて反射を繰り返す光のエネルギーを増幅させることができる。
【００４９】
従って、光入射面部１４から導光部材１１内に入射した光は、導光部材１１の光出射面部１６から光誘導部材２１へと導かれる。そして、レーザー発振器２８にて増幅されたレーザー光がその先端部側の反射膜２８ｂを通過して放射され、これを産業的に利用することが可能となる。
【００５０】
なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 集光モジュール
１１ 導光部材
１２ 光反射部材
１２ａ 表面
１２ｂ 内フランジ部
１３ 光電変換器
１３ａ 表面
１４ 光入射面部
１４ａ 多層膜
１５ 裏面部
１５ａ 傾斜面
１５ｂ 稜部
１６ 光出射面部
１７ 光反射面部
１８ 側端面部
２０ 集光ユニット
２１ 光誘導部材
２１ａ 光導入面部
２１ｂ 光反射面部
２２ 光ファイバ
２２ａ コア部
２２ｂ クラッド部
２３ 光案内ブロック
２３ａ 光導入面部
２３ｂ 光誘導面部
２３ｃ 傾斜面部
２４ モールド材
２５ 空隙
２６ 光反射部材
２６ａ 内側面
２７ 隙間
２８ レーザー発振器
２８ａ レーザー媒質
２８ｂ 反射膜
Ｌ 光
α 光入射面部に対する傾斜面の傾斜角
β 光入射面部に対する稜部のなす角
γ 隣接する傾斜面部のなす角
δ 光反射面部の中心角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向とこの第１の方向に対して交差する第２の方向とに沿って延在する光入射面部と、この光入射面部の反対側に位置し、かつ前記第１および第２の方向に沿って延在する裏面部と、前記第１の方向に沿った一端側に位置し、かつ前記第１および第２の方向に対して交差する第３の方向と前記第２の方向とに沿って延在する光出射面部とを有する導光部材と、
この導光部材の前記裏面部に対して隙間を隔てて対向するように配され、前記裏面部から出射した光を当該裏面部から再び前記導光部材内に入射させる光反射部材と
を具え、前記導光部材の光入射面部および前記裏面部の少なくとも一方は、前記第１の方向に対して直交する面内で相互に逆向きに傾斜する一対の傾斜面と、これら一対の傾斜面によって画成され、かつ前記第１の方向に沿って延在する稜部とを含み、
前記導光部材の厚みは、前記第１の方向に沿って前記光出射面部側ほど厚く設定され、かつ前記第２の方向に沿って前記稜部から離れるほど薄く設定され、
前記導光部材の裏面部と前記光反射部材との間の間隔は、前記第１の方向に沿って前記光出射面部側ほど広がるように設定されていることを特徴とする集光モジュール。
【請求項２】
前記一対の傾斜面およびその稜部が前記導光部材の裏面部に形成され、前記導光部材の裏面部と前記光反射部材との間の間隔は、前記第２の方向に沿って前記稜部から離れるほど狭まるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の集光モジュール。
【請求項３】
前記導光部材の光入射面部を覆い、波長選択透過性を持つフィルタをさらに具えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の集光モジュール。
【請求項４】
前記導光部材は、前記光出射面部の反対側に位置し、かつ第１の方向とこの第１の方向に対して交差する第２の方向とに沿って延在する光反射面部をさらに有することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の集光モジュール。
【請求項５】
請求項１から３の何れかに記載の複数の集光モジュールと、
これら複数の集光モジュールを囲むように配される光誘導部材と
を具え、前記集光モジュールを構成する個々の前記導光部材の光入射面部の輪郭形状がそれぞれ扇形をなすと共に前記光出射面部が円弧面となり、これらが点対称に配されて全体として円形となっており、
前記光誘導部材は、前記導光部材の光出射面部に沿って環状に巻回された少なくとも１本の光ファイバと、この光ファイバと前記導光部材の光出射面部との間に配されて前記導光部材の光出射面部から出射する光を前記光ファイバの外周からこの光ファイバ内へと誘導するための光案内ブロックとを有することを特徴とする集光ユニット。
【請求項６】
円柱状の光入射面部を有する光誘導部材と、
この光誘導部材を囲むように配される請求項４に記載の複数の集光モジュールと
を具え、これら集光モジュールを構成する個々の前記導光部材の光入射面部の輪郭形状がそれぞれ扇形状をなし、個々の前記導光部材の前記光入射面部が前記光誘導部材の光入射面部に密着すると共に光反射面部が円弧面となり、これら前記光誘導部材を中心として点対称に配され、全体として環状となっていることを特徴とする集光ユニット。
【請求項７】
前記光誘導部材は、その長手方向一端部に円錐状に窪んだ光反射面を有することを特徴とする請求項６に記載の集光ユニット。
【請求項１】
第１の方向とこの第１の方向に対して交差する第２の方向とに沿って延在する光入射面部と、この光入射面部の反対側に位置し、かつ前記第１および第２の方向に沿って延在する裏面部と、前記第１の方向に沿った一端側に位置し、かつ前記第１および第２の方向に対して交差する第３の方向と前記第２の方向とに沿って延在する光出射面部とを有する導光部材と、
この導光部材の前記裏面部に対して隙間を隔てて対向するように配され、前記裏面部から出射した光を当該裏面部から再び前記導光部材内に入射させる光反射部材と
を具え、前記導光部材の光入射面部および前記裏面部の少なくとも一方は、前記第１の方向に対して直交する面内で相互に逆向きに傾斜する一対の傾斜面と、これら一対の傾斜面によって画成され、かつ前記第１の方向に沿って延在する稜部とを含み、
前記導光部材の厚みは、前記第１の方向に沿って前記光出射面部側ほど厚く設定され、かつ前記第２の方向に沿って前記稜部から離れるほど薄く設定され、
前記導光部材の裏面部と前記光反射部材との間の間隔は、前記第１の方向に沿って前記光出射面部側ほど広がるように設定されていることを特徴とする集光モジュール。
【請求項２】
前記一対の傾斜面およびその稜部が前記導光部材の裏面部に形成され、前記導光部材の裏面部と前記光反射部材との間の間隔は、前記第２の方向に沿って前記稜部から離れるほど狭まるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の集光モジュール。
【請求項３】
前記導光部材の光入射面部を覆い、波長選択透過性を持つフィルタをさらに具えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の集光モジュール。
【請求項４】
前記導光部材は、前記光出射面部の反対側に位置し、かつ第１の方向とこの第１の方向に対して交差する第２の方向とに沿って延在する光反射面部をさらに有することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の集光モジュール。
【請求項５】
請求項１から３の何れかに記載の複数の集光モジュールと、
これら複数の集光モジュールを囲むように配される光誘導部材と
を具え、前記集光モジュールを構成する個々の前記導光部材の光入射面部の輪郭形状がそれぞれ扇形をなすと共に前記光出射面部が円弧面となり、これらが点対称に配されて全体として円形となっており、
前記光誘導部材は、前記導光部材の光出射面部に沿って環状に巻回された少なくとも１本の光ファイバと、この光ファイバと前記導光部材の光出射面部との間に配されて前記導光部材の光出射面部から出射する光を前記光ファイバの外周からこの光ファイバ内へと誘導するための光案内ブロックとを有することを特徴とする集光ユニット。
【請求項６】
円柱状の光入射面部を有する光誘導部材と、
この光誘導部材を囲むように配される請求項４に記載の複数の集光モジュールと
を具え、これら集光モジュールを構成する個々の前記導光部材の光入射面部の輪郭形状がそれぞれ扇形状をなし、個々の前記導光部材の前記光入射面部が前記光誘導部材の光入射面部に密着すると共に光反射面部が円弧面となり、これら前記光誘導部材を中心として点対称に配され、全体として環状となっていることを特徴とする集光ユニット。
【請求項７】
前記光誘導部材は、その長手方向一端部に円錐状に窪んだ光反射面を有することを特徴とする請求項６に記載の集光ユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−５９３２３（Ｐ２０１１−５９３２３Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０８２５６（Ｐ２００９−２０８２５６）
【出願日】平成２１年９月９日（２００９．９．９）
【出願人】（５１０１８３１８７）ライツ・アドバンスト・テクノロジー株式会社 (4)
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月９日（２００９．９．９）
【出願人】（５１０１８３１８７）ライツ・アドバンスト・テクノロジー株式会社 (4)
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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