JP6237991B2 - 太陽電池複合型表示体 - Google Patents

Description

本発明は、情報を表示する表示体の表面に太陽電池が設置された太陽電池複合型発光装置、及び、それに使用される表示用モジュールに関する。

広告掲示用の看板、交通標識用の看板、建造物の意匠性外壁を始めとする図柄表示用の看板や外壁に太陽電池を併設することで、元来の情報表示機能に加えて発電機能を付与した太陽電池複合型看板の開発が進められている。近年、再生可能エネルギーの利用が重要視される中で、太陽光発電のための太陽電池の設置数が大幅に増加している。太陽電池の設置形態は、系統電源用としてはメガソーラー等の集積型太陽光発電所、自家発電用としては建造物の屋上スペースを利用した屋根置き型太陽電池が最も普及している。これらの設置形態は、発電量を最大化することを目的としているため、太陽電池への太陽光照射を遮る障害物がない専用スペースを設ける設置形態となっている。

一方、生活環境の中での利用頻度をさらに拡大して太陽光発電の利用価値を高めるためには、専用スペースを設けるという制約に捉われずに、設置形態の選択肢を増やすことが重要である。例えば、広告掲示用の看板、交通標識用の看板、建造物の意匠性外壁などと太陽電池を一体化して併設することで、生活環境の中で太陽電池を設置すること可能な場所を拡大することができる。生活環境の身近な場所に自立した発電システムが設置できるようになることで、その電力を使用する新しい電子機器の開発も促進される。

特許文献１には、装飾領域（図柄表示部）と太陽電池受光部（発電部）が同一平面にパターニングされて併置されている太陽電池複合型看板に、太陽光などの外光の所定割合を装飾領域と太陽電池受光部にそれぞれ振り分けるための光学部材を組み合わせることで、装飾領域の視認性と太陽電池での発電を両立する技術が開示されている。さらに、この特許文献１では、この光学部材に指向性を持たせることで、太陽電池複合型看板と観察者との位置関係が所定の関係になっている場合に、適切に装飾領域の視認性と太陽電池での発電が両立できるように工夫されている。例示はしないが、特許文献１以外にも図柄表示部と発電部に外光を振り分ける割合を調整することで、図柄表示部の視認性と発電部での発電量を両立する技術が開発されている。

特許第４０８６２０６号公報

しかし、特許文献１を始めとするこれら技術は、必ず外光の一定割合を図柄表示部に振り分ける光学設計にしなければ、図柄表示部からの反射光が無くなるために図柄を視認することができなくなる。図１には、従来の太陽電池複合型表示体の構成を示す断面図が示されている。この太陽電池複合型表示体は、太陽電池１２の表面に画像表示層が設けられている。画像表示層は、外部から太陽電池複合型表示体を眺めたときに視認可能な図柄を形成する層であって、インクなどで着色された画像領域２２と、外光を太陽電池１２側に透過させる光透過領域２２ａを有している。

また、この太陽電池複合型表示体には、太陽光や室内光などの外光を集光する集光レンズ１１が設けられている。この集光レンズ１１は、外光を太陽電池１２に集光させることで、太陽電池１２による発電量の向上を図っている。また、集光レンズ１１は、外光の何割かを画像領域２２に集光させることで、外部から図柄を視認可能とさせている。このように従来の太陽電池複合型表示体は、集光レンズ１１を使用して、太陽電池１２が光透過領域２２ａによって露出した領域と、画像領域２２に外光を振り分けることで、発電量と視認性を両立させていた。したがって、太陽電池複合型表示体の全体面積に照射される外光の全て、あるいは、高い割合を太陽電池１２に入射させることはできず、画像表示領域２２を有さない場合と比較して発電量が低下してしまうことが考えられる。

本発明は、このような課題を解決するものであって、そのため、以下の構成要件を有することを特徴としている。
本発明に係る太陽電池複合型表示体は、
集光レンズと、光学部材と、画像表示層と、太陽電池が順に積層され、
前記画像表示層は、画像領域と光透過領域とを有し、
前記集光レンズは、入射する外光を前記光透過領域を介して前記太陽電池に集光させ、
前記光学部材は、前記太陽電池で反射した外光を前記画像領域に入射させる。

さらに本発明に係る太陽電池複合型表示体において、
前記光学部材は、前記太陽電池で反射された外光を前記画像領域側に反射させる。

さらに本発明に係る太陽電池複合型表示体において、
前記光学部材は、前記太陽電池で反射された外光を前記画像領域側に散乱させる。

さらに本発明に係る太陽電池複合型表示体は、
前記集光レンズから出射される外光を前記太陽電池に対して偏らせて入射させる方向調整素子を備えている。

さらに本発明に係る太陽電池複合型表示体において、
前記集光レンズは、入射する外光を前記太陽電池に対して偏らさせて入射させる方向調整機能を有する。

本発明では、太陽電池複合型表示体に照射される外光の全て、あるいは、高い割合を集光レンズによって太陽電池１２に集光することが可能である。これにより、太陽電池への外光の入射量を大きく確保できるため、太陽電池での発電量を高めることができる。また、光学部材によって、太陽電池の表面で反射した光の一部を画像領域に入射させることで、画像領域によって形成される図柄の視認性を一定の水準で確保することができる。したがって、太陽電池によって発電を行うとともに、図柄を表示する太陽電池複合型表示体において、その発電量と視認性を高い水準で両立できる効果が得られる。

従来の太陽電池複合型表示体の構成を示す断面図 本発明の実施形態に係る太陽電池複合型表示体の構成を示す断面図 本発明の他の実施形態に係る太陽電池複合型表示体の構成を示す模式断面図 本発明の他の実施形態に係る太陽電池複合型表示体の構成を示す模式断面図 本発明の他の実施形態に係る太陽電池複合型表示体の構成を示す模式断面図 本発明の他の実施形態に係る太陽電池複合型表示体の構成を示す模式断面図

図２は、本発明の実施形態に係る太陽電池複合型表示体の構成を示す断面図である。この図は、太陽電池複合型表示体の微細な一部を示したものであり、実際の太陽電池複合型表示体は、これらの構成を多数有して構成される。図１の従来の太陽電池複合型表示体で説明したのと同様、太陽電池１２の表面には、画像表示層が設けられている。画像表示層は、着色された画像領域２２と、隣接した画像領域２２間であって、太陽電池１２側に外光を透過させる光透過領域２２ａを有している。画像表示層は、この画像領域２２と光透過領域２２ａを含んだフィルムなどで構成してもよいし、インク等によって、太陽電池１２側などに画像領域２２を形成（印刷）することとしてもよい。この画像表示層を設けたことで、外部から太陽電池複合型表示体を眺めたときに、図柄を視認することが可能となる。

太陽電池複合型表示体には、図１と同様、太陽光や室内光などの外光を集光する集光レンズ１１が設けられている。本実施形態では、この集光レンズ１１は、その光軸中心が光透過領域２２ａ、すなわち、太陽電池１２が露出した部分を貫くように配置している。集光レンズ１１に入射した全外光、あるいは、外光の殆どを光通過領域２２ａに入射させることで、高い発電量を実現することが可能となっている。

本実施形態では、集光レンズ１１と画像表示層との間に、反射レンズ１３（本発明における「光学部材」）が配置されている。反射レンズ１３の周囲（集光レンズと画像表示層の間）は、光学的に透明な媒質からなる中間部材で満たされている。本実施形態の反射レンズ１３は、反射レンズ１３の周囲の媒質（中間部材）と異なる屈折率を有することで、その下面において反射面１３ａを形成している。なお、本実施形態の反射レンズ１３は、集光レンズ１１側に頂部を有し、太陽電池１２の方向へ傾斜する傾斜面を有している。このような集光レンズ１１の形状を採用したことで、集光レンズ１１から太陽電池１２上へ集光する外光の光路を阻害しないような形態となっている。図３〜図５で説明する他の実施形態における光学部材についても同様の形状を有している。太陽電池１２で反射した外光は、この反射面１３ａにて反射され、画像表示層の画像領域２２に入射する。複数の画像領域２２で反射した外光は、画像反射光として太陽電池複合型表示体から出射され、観察者に対して図柄を視認可能とする。

このように本実施形態の太陽電池複合型表示体では、外部から入射された外光（一次光）の全て、あるいは高い割合を光透過領域２２ａにて露出した太陽電池１２部分に入射させることで、高い発電量を実現可能としている。さらに、太陽電池１２部分で反射された外光（二次光）を、反射レンズ１３などの光学部材にて、画像領域２２に入射させ、従来は、使用されること無く外部に射出されていた外光を画像反射光として利用し、視認性の高い図柄を提供することを可能としている。

本実施形態の太陽電池複合表示装置の製作方法について、その一例を説明する。まず、市販の太陽電池１２上に、所定の図柄が表示されているシート状の画像表示層を熱硬化性樹脂により接着した。この画像表示層には、画像領域２２と光透過領域２２ａが形成されている。

次に、画像表示層の画像領域２２のパターンに対応したピッチ（間隔）で所定のレンズ形状を形成するための突起（凸部）を有した賦形型ロールを準備する。その賦形型ロール
にエポキシアクリレート系の紫外線硬化型樹脂を供給装置から供給し、その樹脂を賦形型ロールとの間に挟むように厚さ１８８μｍのＰＥＴフィルムをニップロールで押し当てながら貼り合わせた後、そのＰＥＴフィルム側から紫外線を照射して紫外線硬化型樹脂を硬化させて屈折率１．５５（波長５４０ｎｍで測定）の中間部材を形成した。

硬化した中間部材を賦形型ロールから剥がした後、その中間部材上にウレタンアクリレート系の紫外線硬化型樹脂を供給装置から供給すると共にドクターで余分な樹脂を掻き落とすことにより、樹脂を略レンズ形状の溝に充填した。引き続いて、ＰＥＴフィルム側から紫外線を照射して紫外線硬化型樹脂を硬化させて屈折率１．４８（波長５４０ｎｍで測定）の反射レンズ１３を形成して第１反射レンズシートを作製した。次に、第１反射レンズシートと同じ製造方法で所定のレンズ形状だけが異なるように第２反射レンズシートを作製した。第１反射レンズシートと第２反射レンズシートを接合することで、図２に示す反射レンズ１３を形成することが可能となる。

次に、太陽電池１２のパターンに対応したピッチで集光レンズ１１の形状を形成するための突起（凸部）を有した賦形型ロールを準備し、その賦形型ロールにエポキシアクリレート系の紫外線硬化型樹脂を供給装置から供給し、その樹脂を賦形型ロールとの間に挟むように厚さ１８８μｍのＰＥＴフィルムをニップロールで押し当てながら貼り合わせた後、そのＰＥＴフィルム側から紫外線を照射して紫外線硬化型樹脂を硬化させ集光レンズシートを作製した。

次に、アモルファスシリコン太陽電池上に接着した表示層の上に、第１反射レンズシートと第２反射レンズシートと集光レンズシートを、図２のような配置で重ね合わせて熱硬化性樹脂で張り合わせることで太陽電池複合型表示体を作製した。

図３〜図６には、本発明の他の実施形態に係る太陽電池複合型表示体の構成を示す模式断面図が示されている。図２で説明した太陽電池複合型表示体において、太陽電池１２で反射された外光を画像領域に入射させる光学部材には、周囲の媒質と屈折率の異なる媒質で形成された反射レンズ１３を使用したが、この光学部材には、各種形態を採用することが可能である。

図３に示される太陽電池複合型表示体は、光学部材としてプリズム１３Ａを使用した形態である。このプリズム１３Ａ内には、入射した光を反射あるいは散乱させる光学材料が埋め込まれており、プリズム１３Ａに入射した光を画像領域２２側に入射させることとしている。このような形態では、プリズム１３Ａは、光透過機能も有するため、内において、光を透過するため、画像領域２２で反射された外光（画像反射光）は、プリズム１３Ａ内を通過して外部へと射出することも可能であり、太陽電池複合型表示体の略全面から画像反射光を射出することが可能となる。

図４は、図３で説明した太陽電池複合型表示体と同様、光学部材にプリズム１３Ａを使用した形態となっている。本実施形態では、集光レンズ１１の前段に方向調整素子１４が設けられている。この方向調整素子は、プリズムなどで形成され、入射する外光を所定方向に傾斜させる光学素子である。方向調整素子１４によって傾斜された外光は、集光レンズ１１にて集光される際、所定方向（図では右方）に偏って入射する。光学部材としてのプリズム１３Ａは、この偏って入射する外光を避けるような位置、形状で配置される。したがって、図４の形態では、図３のプリズム１３Ａを二等分したような形状とすることで、プリズム１３Ａの占める割合を削減し、太陽電池複合型表示体を正面から見たときのプリズム１３Ａの面積を抑えることが可能となり、提供する図柄の視認性向上を図ることが可能となる。

図５は、図４で説明した外光を偏らせて入射させるための別形態である。図５に示される太陽電池複合型表示体では、方向調整素子１４を別途追加することで、前述したように入射光を偏らせることとしていたが、本実施形態では、集光レンズ１１に、光軸中心がずれた軸ずらしレンズを使用することで、太陽電池１２側に外光を偏らせて入射させている。この図５の実施形態においても、太陽電池複合型表示体中、プリズム１３Ａの占める割合を抑制し、図柄の視認性向上を図ることが可能となる。

図４、図５では、光学部材としてプリズム１３Ａを使用した場合について説明したが、外光を偏らせて入射させる形態は、プリズム１３Ａのみならず、図２で説明した反射レンズ１３など各種形態の光学部材について適用することが可能である。

図６には、他の形態の光学部材１３を使用した太陽電池複合型表示体が示されている。図２の場合、周囲の媒質（中間部材）と異なる屈折率を有する反射レンズ１３を使用することで、反射面１３ａを形成することとしていたが、本実施形態では、中間部材内に金属膜あるいは誘電体膜などの反射体１３Ｂを設けることで、太陽電池１２の反射光を画像領域２２に入射させる形態となっている。このような形態においても、図２で説明した太陽電池複合型表示体と同様、太陽電池１２による反射光にて、図柄を視認するための画像反射光を形成し、発電量と図柄の視認性を高い水準で両立させることが可能となっている。

なお、本発明は、集光レンズ１１と、光学部材１３が積層された表示用モジュールとして提供することも可能である。このように提供された表示用モジュールは、画像表示層（画像領域２２、光透過領域２２ａ）と、太陽電池ユニット１２が積層された太陽電池モジュールと接合され、上述した各種実施形態のような太陽電池複合型表示体として機能することが可能となる。表示用モジュールと太陽電池モジュールの接合は、太陽電池モジュール側の光透領域２２ａと、表示用モジュール側の集光レンズ１１について、両者のピッチと位置合わせを適切に行うことが重要である。

なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１１…集光レンズ
１２…画像領域
１２…太陽電池
１３…反射レンズ（光学部材）
１３Ａ…プリズム（光学部材）
１３Ｂ…反射体（光学部材）
２２…画像領域

Claims (5)

1. 集光レンズと、光学部材と、画像表示層と、太陽電池が順に積層され、
   前記画像表示層は、画像領域と光透過領域とを有し、
   前記集光レンズは、入射する外光を前記光透過領域を介して前記太陽電池に集光させ、
   前記光学部材は、前記太陽電池で反射した外光を前記画像領域に入射させる
   太陽電池複合型表示体。
2. 前記光学部材は、前記太陽電池で反射された外光を前記画像領域側に反射させる
   請求項１に記載の太陽電池複合型表示体。
3. 前記光学部材は、前記太陽電池で反射された外光を前記画像領域側に散乱させる
   請求項１に記載の太陽電池複合型表示体。
4. 前記集光レンズから出射される外光を前記太陽電池に対して偏らせて入射させる方向調
   整素子を備えた
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載の太陽電池複合型表示体。
5. 前記集光レンズは、入射する外光を前記太陽電池に対して偏らさせて入射させる方向調
   整機能を有する
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載の太陽電池複合型表示体。

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