JP2017161692A - 光制御シート - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態において、形状、幾何学的条件を特定する用語、例えば、平行、直交、方向、向き等の用語については、その用語の厳密な意味に加えて、同様の光学的機能を奏し、ほぼ平行、直交等とみなせる程度の範囲、概ねその方向及び向きとみなせる範囲を含む。
図1は、第1実施形態の光制御シート1及び窓ガラス2の周辺を示す図である。図2は、光制御シート1及び窓ガラス2を室内側から見たときの概略図である。図3は、第1実施形態における光制御シート1の構成を説明する図である。
基材10は、光制御シート1の背面側(−Y側)に設けられたシート状の部材である。基材10は、例えば、光透過性の高いPET等のポリエステル樹脂、アクリル樹脂、スチレン樹脂、アクリルスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、脂環式ポリオレフィン樹脂等により形成される。
多面プリズム20は、図3に示すように、Z−Y平面における断面形状において、基準面21と、下側反射面22と、上側出射面23と、上側反射面24と、を備える。
基準面21は、多面プリズム20の最も背面側(−Y側)に位置する面である。多面プリズム20は、基準面21において、接合層3を介して窓ガラス2に接合される(図1参照)。
第1出射面23aの延長線LH1と基材10の垂線PHとの交差する角度βは、上側反射面24(後述)と基材10の第1面10aとが接する位置(点P1)から、基材10の垂線PH上における多面プリズム20の頂点Tとを結ぶ線分LH2と、基材10の垂線PHとが交差する角度θ以上且つ40°以下の角度に設定される。
上側反射面24と基材10の垂線PHとが交差する角度γは、第1出射面23aの延長線LH1と基材10の垂線PHとの交差する角度β以上となるように設定される。角度γが角度β未満であると、上側反射面24で全反射した光のほとんどが下側反射面22に入射しなくなる(下側反射面22を外れる)ためである。
0.7S<J<0.9S・・・(1)
ここで、係数S=P×tan(π/2−2α−arc・sin(1/n))
但し、
P:多面プリズム20のピッチ
n:多面プリズム20を構成する材料の屈折率
π/4−(α+arc・sin(1/n))/2
<γ<
π/4−(α+arc・sin(1/n)−arc・sin(sin(π/12)/n))/2
・・・(2)
以下、基準面21の垂線PH1に対して、光Lが0〜15°の範囲で入射し、且つ下側反射面22の角度αを0〜12°とした場合に、角度γが最適となる範囲について説明する。なお、ここでは、理解を容易にするため、基準面21の垂線PH1に対する光Lの入射角を、窓ガラス2の垂線に対する光Lの入射角とみなして説明する。
下側反射面22の角度αが0°を超える場合、光Lの入射角Fは、F=π/2−D−αとなる。ここに、D=(γ+C)、C=γ−Bを代入すると、F=π/2−2γ+B−αとなる。したがって、入射角F=π/2−2γ+B−α>arc・sin(1/n)となるように角度γを設定すれば、下側反射面22において、光Lを上向きに反射させることができる。上述した入射角Fの式は、更に以下のように展開できる。
π/4−γ+B/2−α/2>arc・sin(1/n)/2・・・(3)
γ<π/4+(sinA/n)/2−α/2−arc・sin(1/n)/2・・・(4)
ここで、光Lの入射角A(sinA)を、例えば15°(π/12)とすると、式(4)は、以下のような式(5)で表される。
γ<π/4−(α+arc・sin(1/n)−arc・sin(sin(π/12)/n))/2・・・(5)
なお、光Lの入射角Aが0°であれば、式(4)は、以下のような式(6)で表される。
γ<π/4−(α+arc・sin(1/n)/2・・・(6)
一方、下側反射面22の角度αが0°の場合、光Lの入射角Eは、E=π/2−Dとなる。ここに、D=(γ+C)、C=γ−Bを代入すると、E=π/2−2γとなる。したがって、入射角F=π/2−2γ+B>arc・sin(1/n)となるように角度γを設定すれば、下側反射面22において、光Lを上向きに反射させることができることになる。上述した入射角Eの式は、更に以下のように展開できる。
π/4−γ+B/2>arc・sin(1/n)/2・・・(7)
γ<π/4+(sinA/n)/2−α/2−arc・sin(1/n)/2・・・(8)
γ<π/4−(α+arc・sin(1/n)−arc・sin(sin(π/12)/n))/2・・・(9)
また、光Lの入射角A(sinA)が0°であれば、出射角Bがゼロになるため、式(8)は、以下のような式(10)で表される。
γ>π/4−(α+arc・sin(1/n)/2・・・(10)
上記式(10)は、角度γを規定した式(2)の下限に相当する。
図1に示すように、太陽SNから入射した光のうち、多面プリズム20の下側反射面22に対して、入射角が臨界角以上となる光L1は、下側反射面22で全反射して、第1出射面23a又は第2出射面23bから上向きに出射する。一方、太陽SNから入射した光のうち、入射角A(sinA)が0〜15°となる範囲で入射した光L2は、上側反射面24で全反射して、下側反射面22に対して臨界角以上の入射角で入射する。この光L2は、下側反射面22で全反射して、第1出射面23a又は第2出射面23bから上向きに出射する。また、多面プリズム20の下側反射面22に対して、入射角が臨界角未満となる光L3は、下側反射面22と空気との境界面で屈折し、下側反射面22から下向きに出射する。
次に、多面プリズムの形状が相違する複数の光制御シート(実施例、比較例1〜3)を作製し、採光量の評価を行った結果について説明する。図5は、比較例1における光制御シート1Bの構成を説明する図である。図6は、比較例2における光制御シート1Cの構成を説明する図である。図7は、比較例3における光制御シート1Dの構成を説明する図である。図5〜図7では、上述した実施形態と同等の構成要件には同一符号を付し、異なる構成要件については、符号に続いて「B」等の記号を付している。
なお、実施例及び比較例1〜3において、多面プリズムの底辺の長さBは同一とする。また、実施例及び比較例1〜3において、多面プリズムのX方向(図2参照)の長さ、多面プリズムの配列数、基材10の大きさ、厚み等は、すべて同一とする。
実施例として、上述した実施形態(図1〜図3参照)の構成による多面プリズム20を備えた光制御シート1を作製した。実施例の光制御シート1において、多面プリズムは、以下の形状に設定した。
アスペクト比(H/B)=2
角度α=8°
角度β=31.5°
角度γ=23°
ピッチP=100μm
比較例1として、図5に示すように、上側反射面24の無い形状に構成された多面プリズム20Bを備えた光制御シート1Bを作製した。比較例1の多面プリズム20Bでは、実施例の上側反射面24の代わりに、上側出射面25が基材10に接している。比較例1の光制御シート1Bにおいて、多面プリズム20Bは、以下の形状に設定した。比較例1における角度γは、上側出射面25と基材10の垂線PHとが交差する角度である。
アスペクト比=2.47
角度α=8°
角度β=31.5°
角度γ=5.97°
ピッチP=100μm
比較例1の光制御シート1Bは、多面プリズム20Bのアスペクト比(H/B)において、実施形態で説明した上限値2.2を超えている。また、比較例1の光制御シート1Bは、角度γにおいて、実施形態の式(2)に示す下限値(π/4−(α+arc・sin(1/n))/2)未満である。
比較例2として、図6に示すように、上側反射面24の無い形状に構成された多面プリズム20Cを備え、且つ多面プリズム20C間に平坦部Fが形成された光制御シート1Cを作製した。比較例2の光制御シート1Cにおいて、多面プリズム20Cは、以下の形状に設定した。
アスペクト比(H/B)=2.47
角度α=8°
角度β=31.5°
角度γ=5.97°
ピッチP=122μm
比較例2の光制御シート1Cは、比較例1の光制御シート1Bにおいて、ピッチPのみが異なる。比較例2の光制御シート1Cにおいて、隣接する多面プリズム20C間には、22μmの平坦部Fが形成されている。
比較例3として、図7に示すように、台形状の多面プリズム20Dを備えた光制御シート1Dを作製した。比較例3の多面プリズム20Dは、比較例1及び2と同じく、上側反射面24の代わりに、上側出射面25が基材10に接している。比較例3では、台形状の上底の延長線が上側出射面25の延長線LH1となる。比較例3の光制御シート1Dにおいて、多面プリズム20Dは、以下の形状に設定した。
アスペクト比(H/B)=2
角度α=8°
角度β=90°
角度γ=8°
ピッチP=100μm
比較例3の光制御シート1Dは、角度βにおいて、実施形態で説明した上限値(40°)を超えている。また、比較例3の光制御シート1Dは、角度γにおいて、実施形態の式(2)に示す下限値(π/4−(α+arc・sin(1/n))/2)未満である。
図8は、実施例及び比較例1〜3の光制御シートにおける採光量の評価結果を説明する図である。ここでは、実施例及び比較例1〜3の光制御シートを、同一の大きさ、厚みの窓ガラスに貼り付け、窓ガラスの垂線に対する光の入射角を15°、30°、45°、80°に設定し、それぞれの角度において、水平よりも上向きに採光された光量を採光量として測定した。
図8に示すように、実施例の光制御シート1は、いずれの入射角においても、大きな数値の採光量が得られた。とくに、実施例の光制御シート1は、総採光量及び最小採光量において、いずれも比較例1〜3を上回り、全体としてより大きな採光量が得られたことが確認された。
図9は、第2実施形態の光制御シート1Aを説明する図である。第2実施形態の光制御シート1Aの基本的な構成は、第1実施形態の光制御シート1と同じである(図1参照)。第2実施形態の光制御シート1Aでは、上述した第1実施形態と同等の構成要件に同一符号を付し、異なる構成要件については、符号に続いて「A」の記号を付している。
第2実施形態のように、多面プリズム20Aの上側出射面23Aを1つの面により構成した場合でも、角度α、角度β、角度γ及びアスペクト比を第1実施形態と同じ範囲に設定することにより、従来の光制御シートに比べてより大きな採光量を得ることができる。
(1)上述した実施形態では、光制御シート1に配列される各多面プリズム20の角度α、角度β、角度γ及びアスペクト比をすべて同じとした例について説明した。これに限らず、角度α、角度β、角度γ及びアスペクト比は、先に説明した望ましい範囲内であれば、配列されるそれぞれの多面プリズム20毎に異なってもよい。例えば、多面プリズム20のアスペクト比を、光制御シート1が配列される方向(Z方向)において、上から下に順に大きくしてもよいし、上から下に順に大きくしてもよい。その場合、多面プリズム20を、それぞれ異なるピッチで配列してもよい。
(4)上述した実施形態において、光制御シート1を貼り付ける対象は、住宅、オフィスビル等の窓ガラスに限らず、自動車、船舶、航空機、鉄道車両等に用いられるガラスであってもよい。
10 基材
10a 第1面
10b 第2面
20、20A 多面プリズム
22 下側反射面
23、23A 上側出射面
23a 第1出射面
23b 第2出射面
24 上側反射面
Claims (9)
- 第1面及び前記第1面とは反対側の第2面を有するシート状の基材と、前記基材の第1面に沿ってストライプ状に設けられた複数の多面プリズムとを備え、前記基材が略鉛直に配置される光制御シートであって、
前記多面プリズムは、
前記基材が略鉛直に配置された状態で、入射角が臨界角以上の光を上向きに反射する下側反射面と、
前記基材が略鉛直に配置された状態で、前記下側反射面で反射された光を上向きに出射する上側出射面と、
前記基材が略鉛直に配置された状態で、入射角が臨界角以上の光を前記下側反射面の側に反射する上側反射面と、を備えること、
を特徴とする光制御シート。 - 請求項1に記載の光制御シートであって、
前記上側反射面と前記基材の垂線とが交差する角度γは、前記上側出射面の延長線と前記基材の垂線とが交差する角度βよりも大きいこと、
を特徴とする光制御シート。 - 請求項1又は請求項2に記載の光制御シートであって、
前記上側出射面は、
第1出射面及び第2出射面を備えること、
を特徴とする光制御シート。 - 請求項3に記載の光制御シートであって、
前記第1出射面及び第2出射面は、前記上側反射面と前記多面プリズムの前記基材の垂線上における頂点との間において外側に凸状であること、
を特徴とする光制御シート。 - 請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の光制御シートであって、
前記下側反射面と前記基材の垂線との交差する角度αは、0°<α<12°の範囲であること、
を特徴とする光制御シート。 - 請求項5に記載の光制御シートであって、
前記上側反射面と隣接する前記上側出射面とが接する位置から前記基材の第1面までの距離Jは、
係数S=P×tan(π/2−2α−arc・sin(1/n))
但し、
P:多面プリズムの配列ピッチ
n:多面プリズムを構成する材料の屈折率
とした場合に、0.7S<J<0.9Sの範囲であること、
を特徴とする光制御シート。 - 請求項5又は請求項6に記載の光制御シートであって、
前記角度γは、
π/4−(α+arc・sin(1/n))/2
<γ<
π/4−(α+arc・sin(1/n)−arc・sin(sin(π/12)/n))/2
の範囲であること、
を特徴とする光制御シート。 - 請求項2から請求項7までのいずれか1項に記載の光制御シートであって、
前記角度βは、
前記上側反射面と前記基材の第1面とが接する位置から前記基材の垂線上における前記多面プリズムの頂点までを結ぶ線分と、前記基材の垂線とが交差する角度θ以上且つ40°以下であること、
を特徴とする光制御シート。 - 請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載の光制御シートであって、
前記多面プリズムの前記基材の垂線上における頂点から前記基材の第1面までの距離Hと、前記多面プリズムが前記基材の第1面と接する底辺の長さBとの比率H/Bは、1.8〜2.2であること、
を特徴とする光制御シート。
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