JP2002078360A - 無索電力供給方法 - Google Patents
無索電力供給方法Info
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- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
- H02J50/30—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using light, e.g. lasers
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 エネルギー受信側の構造を簡単にすること。
【解決手段】 圧電性、強誘電性の機能性材料（圧電素
子及び光起電力素子）を用いたエネルギー変換素子（ト
ランスデューサー）体を具備するマイクロマシン等の微
小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に光及び熱によりエネ
ルギーを供給する。バイモルフ構造エネルギー変換素子
体は光及び熱エネルギーを受信して共振振動を起こし、
これを電力に変換して静電アクチュエータ等のアクチュ
エータを駆動させる。
子及び光起電力素子）を用いたエネルギー変換素子（ト
ランスデューサー）体を具備するマイクロマシン等の微
小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に光及び熱によりエネ
ルギーを供給する。バイモルフ構造エネルギー変換素子
体は光及び熱エネルギーを受信して共振振動を起こし、
これを電力に変換して静電アクチュエータ等のアクチュ
エータを駆動させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、遠隔からの光によ
る無索エネルギー供給方法に関し、とくにマイクロマシ
ン等のエネルギー変換素子に光を照射して、エネルギー
変換素子に高電圧である電力を供給する方法に関する。
る無索エネルギー供給方法に関し、とくにマイクロマシ
ン等のエネルギー変換素子に光を照射して、エネルギー
変換素子に高電圧である電力を供給する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年の半導体製造技術等の進展により、
センチメートル以下の微小寸法領域における種々のマイ
クロマシン（微小電気機械システム（ＭＥＭＳ，Micro
Electro Mechanical Systems），マイクロシステム
ともいわれている。）に関する研究開発及び試作提唱が
盛んに行われるようになってきている。これらのシステ
ムにおいてはサイズの微小化にも拘わらず、多数の機能
や要素が集積化しており複雑で、かつ高度な用途に利用
されている。このような中で、マイクロマシンを実用的
なものにするために、エネルギー供給法と駆動部（アク
チュエータ）への有効な電力供給が重要な開発要素にな
っている。
センチメートル以下の微小寸法領域における種々のマイ
クロマシン（微小電気機械システム（ＭＥＭＳ，Micro
Electro Mechanical Systems），マイクロシステム
ともいわれている。）に関する研究開発及び試作提唱が
盛んに行われるようになってきている。これらのシステ
ムにおいてはサイズの微小化にも拘わらず、多数の機能
や要素が集積化しており複雑で、かつ高度な用途に利用
されている。このような中で、マイクロマシンを実用的
なものにするために、エネルギー供給法と駆動部（アク
チュエータ）への有効な電力供給が重要な開発要素にな
っている。
【０００３】特に、人間のオペレータに比べてマイクロ
マシンの相対的な寸法が著しく小さくなると、これまで
に用いられてきた有索式の手法による電力供給法は不利
になってくる。具体的には、マシン本体の寸法に比べて
電線の寸法が大きくなり、マシンの駆動以外にこれら周
辺部の重量や摩擦が無視できなくなる。さらに、電線の
剛性や長さなどにより動作方向や駆動範囲にも制限が生
じることになる場合もある。
マシンの相対的な寸法が著しく小さくなると、これまで
に用いられてきた有索式の手法による電力供給法は不利
になってくる。具体的には、マシン本体の寸法に比べて
電線の寸法が大きくなり、マシンの駆動以外にこれら周
辺部の重量や摩擦が無視できなくなる。さらに、電線の
剛性や長さなどにより動作方向や駆動範囲にも制限が生
じることになる場合もある。
【０００４】遠隔からのマイクロマシン用無索電力供給
方法としては、光利用のものがあった。この供給方法で
は、エネルギー源としては、光線等の電磁波、マイクロ
波、音波等を、受信器としてアモルファスシリコン、シ
リコン単結晶等の太陽電池を使用している。また、固定
式、バッテリー搭載型自走式だけでなく、バッテリー無
搭載型のマイクロマシンについても提案がなされてい
る。
方法としては、光利用のものがあった。この供給方法で
は、エネルギー源としては、光線等の電磁波、マイクロ
波、音波等を、受信器としてアモルファスシリコン、シ
リコン単結晶等の太陽電池を使用している。また、固定
式、バッテリー搭載型自走式だけでなく、バッテリー無
搭載型のマイクロマシンについても提案がなされてい
る。
【０００５】無索式の電力供給システムは、太陽光・
太陽電池、マイクロ波・受光素子で構成されている。
また、有索式の手法は電気的、磁気的等数多く提案され
ている。図５（ａ）、（ｂ）に自走式（無索）を、図５
（ｃ）に固定式（有索）の電力供給システムのブロック
図を示す。
太陽電池、マイクロ波・受光素子で構成されている。
また、有索式の手法は電気的、磁気的等数多く提案され
ている。図５（ａ）、（ｂ）に自走式（無索）を、図５
（ｃ）に固定式（有索）の電力供給システムのブロック
図を示す。
【０００６】制御系はエネルギー源の役割をも担ってお
り、マイクロマシン本体にはエネルギー源を搭載してい
ない。この関係は図１（ａ），（ｂ）に示された通りで
ある。また、本体にはエネルギーの受信機能、変換機
能、出力機能があるが機能性素子の単体でこれらの機能
を担っており、デバイス化したものではない。さらに、
駆動部としては、静電アクチュエータ等の駆動機構を用
いている。
り、マイクロマシン本体にはエネルギー源を搭載してい
ない。この関係は図１（ａ），（ｂ）に示された通りで
ある。また、本体にはエネルギーの受信機能、変換機
能、出力機能があるが機能性素子の単体でこれらの機能
を担っており、デバイス化したものではない。さらに、
駆動部としては、静電アクチュエータ等の駆動機構を用
いている。
【０００７】例えば、特開平４−２４１００４号公報で
は、太陽光及び太陽電池をエネルギー源及び受信器とし
て用いる概念が提唱され、特開平６−４６５３９号公報
には、光線，マイクロ波，音波をエネルギー供給システ
ムとし、光起電力素子アモルファス太陽電池，モノシリ
ックマイクロ波ＩＣ，圧電材料とをそれぞれエネルギー
源の受信器として用いるものが記載されている。
は、太陽光及び太陽電池をエネルギー源及び受信器とし
て用いる概念が提唱され、特開平６−４６５３９号公報
には、光線，マイクロ波，音波をエネルギー供給システ
ムとし、光起電力素子アモルファス太陽電池，モノシリ
ックマイクロ波ＩＣ，圧電材料とをそれぞれエネルギー
源の受信器として用いるものが記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】太陽電池による発電で
は宇宙構造体等寸法の大きなものに対しては既に実用化
されている。しかし、発生電圧は単体としては（わず
か）１ボルト以下程度であり、高電圧を発生させること
はできないので、更に太陽電池の直列接続による集積化
が必要とされる。これらは、コスト高の要因となるとと
もに作製するデバイスシステムの複雑化へとつながる。
は宇宙構造体等寸法の大きなものに対しては既に実用化
されている。しかし、発生電圧は単体としては（わず
か）１ボルト以下程度であり、高電圧を発生させること
はできないので、更に太陽電池の直列接続による集積化
が必要とされる。これらは、コスト高の要因となるとと
もに作製するデバイスシステムの複雑化へとつながる。
【０００９】また、マイクロ波伝送により配管内駆動体
へエネルギーを伝送する技術は、既に考案されてきてい
る。しかし、マイクロ波の場合には伝送に適した伝搬モ
ードが特定のモード（ＴＥ１１）に限定される結果、配
管内の寸法に対応して周波数範囲が限られ、また、開放
系の空間や途中寸法の異なる管内においては使用できな
い等の問題点が指摘されており、実用的な段階へ達する
には今少しの改良を要すると考えられている。
へエネルギーを伝送する技術は、既に考案されてきてい
る。しかし、マイクロ波の場合には伝送に適した伝搬モ
ードが特定のモード（ＴＥ１１）に限定される結果、配
管内の寸法に対応して周波数範囲が限られ、また、開放
系の空間や途中寸法の異なる管内においては使用できな
い等の問題点が指摘されており、実用的な段階へ達する
には今少しの改良を要すると考えられている。
【００１０】更に、エネルギー伝送の対象が小さいもの
である場合には、有索による伝送方法は不向きである。
これは、寸法の微小化につれて相対的に電線の重量が大
きくなることや摩擦抵抗が増大することなどによる。
である場合には、有索による伝送方法は不向きである。
これは、寸法の微小化につれて相対的に電線の重量が大
きくなることや摩擦抵抗が増大することなどによる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、光エネルギー無索伝送の受信素子に、圧
電素子若しくは光起電力素子をエネルギートランスデュ
ーサ（変換素子）として使用し、その高電圧電力出力を
アクチュエータに供給する方法を提供する。特に、これ
らトランスデューサの電圧出力が高電圧であることを特
徴としている。
に、本発明は、光エネルギー無索伝送の受信素子に、圧
電素子若しくは光起電力素子をエネルギートランスデュ
ーサ（変換素子）として使用し、その高電圧電力出力を
アクチュエータに供給する方法を提供する。特に、これ
らトランスデューサの電圧出力が高電圧であることを特
徴としている。
【００１２】上記エネルギー変換素子の高電圧出力を高
電圧、小電流駆動の静電アクチュエータに供給する。
又、エネルギー変換素子をバイモルフ型にすることによ
りエネルギー変換素子を共振させて高電圧出力とし、静
電アクチュエータの制御に即応性を持たせるようにし
た。
電圧、小電流駆動の静電アクチュエータに供給する。
又、エネルギー変換素子をバイモルフ型にすることによ
りエネルギー変換素子を共振させて高電圧出力とし、静
電アクチュエータの制御に即応性を持たせるようにし
た。
【００１３】マイクロマシン等の微小電気機械システム
に対する無索電力供給に好都合である。このようなエネ
ルギー供給法を用いることによって、携帯用電子機器、
簡易型医療診断システム、開放系におけるマイクロマシ
ン（大気中，水中，真空中を含む）、環境モニタリング
マイクロマシン、生体内診断モニタリングマシン、配管
内メンテナンスマシンへのエネルギー供給を可能にする
ことができる。
に対する無索電力供給に好都合である。このようなエネ
ルギー供給法を用いることによって、携帯用電子機器、
簡易型医療診断システム、開放系におけるマイクロマシ
ン（大気中，水中，真空中を含む）、環境モニタリング
マイクロマシン、生体内診断モニタリングマシン、配管
内メンテナンスマシンへのエネルギー供給を可能にする
ことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明のエネルギー供給方法は、 光源として可視赤外域のレーザ等熱励起光源を、エ
ネルギー変換素子として光吸収による熱歪を生じる圧電
素子を使用し、又は 光源として光起電力用光源レーザ若しくは（紫外線
照射）ランプを、エネルギー変換素子として光起電力効
果を生じる光起電力素子を使用する用いるものである。 本発明のエネルギー変換素子に発生した出力は高電圧と
して取り出し、駆動部に供給される。
ネルギー変換素子として光吸収による熱歪を生じる圧電
素子を使用し、又は 光源として光起電力用光源レーザ若しくは（紫外線
照射）ランプを、エネルギー変換素子として光起電力効
果を生じる光起電力素子を使用する用いるものである。 本発明のエネルギー変換素子に発生した出力は高電圧と
して取り出し、駆動部に供給される。
【００１５】本発明に使用される熱歪を生じる圧電素子
は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ），チタン酸バリウ
ム，チタン酸鉛等の圧電性材料を用いた素子である。レ
ーザ光線等の指向性のある赤外又は可視域波長を出力す
ることができる光を圧電素子表面に照射して、圧電素子
に熱膨張を誘起する。これによって、圧電素子には周期
的な熱膨張による伸縮が起こり、電力が発生する。２枚
の圧電素子を自発分極方向が逆方向になるように貼合わ
せてバイモルフ構造にし、圧電素子の両面から加振し、
圧電素子の固有振動数に合うような周期の光を照射する
とバイモルフ構造が共振状態になり、高電圧誘起及び電
圧立ち上がりの効果が大となる。
は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ），チタン酸バリウ
ム，チタン酸鉛等の圧電性材料を用いた素子である。レ
ーザ光線等の指向性のある赤外又は可視域波長を出力す
ることができる光を圧電素子表面に照射して、圧電素子
に熱膨張を誘起する。これによって、圧電素子には周期
的な熱膨張による伸縮が起こり、電力が発生する。２枚
の圧電素子を自発分極方向が逆方向になるように貼合わ
せてバイモルフ構造にし、圧電素子の両面から加振し、
圧電素子の固有振動数に合うような周期の光を照射する
とバイモルフ構造が共振状態になり、高電圧誘起及び電
圧立ち上がりの効果が大となる。
【００１６】本発明に使用される光起電力素子は、チタ
ン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ），ニオブ酸リチ
ウム（ＬＮ），タンタル酸リチウム（ＬＴ）等の光起電
力機能材料を用いた素子である。光源としては紫外域の
波長を出力することのできるランプ又はレーザを用い、
光照射によって光起電力を誘起した後に、高電圧出力を
得る。この光起電力材料を用いると、上記の圧電素子同
様の出力を得ることができる。この種の素子からの電気
的出力は電圧が数キロボルトになることが確かめられて
おり、静電アクチュエータ等の高電圧、小電流に適した
駆動機構を接続することにより、効率的なマイクロマシ
ンを構成することが可能になる。
ン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ），ニオブ酸リチ
ウム（ＬＮ），タンタル酸リチウム（ＬＴ）等の光起電
力機能材料を用いた素子である。光源としては紫外域の
波長を出力することのできるランプ又はレーザを用い、
光照射によって光起電力を誘起した後に、高電圧出力を
得る。この光起電力材料を用いると、上記の圧電素子同
様の出力を得ることができる。この種の素子からの電気
的出力は電圧が数キロボルトになることが確かめられて
おり、静電アクチュエータ等の高電圧、小電流に適した
駆動機構を接続することにより、効率的なマイクロマシ
ンを構成することが可能になる。
【００１７】図１は本発明のエネルギー供給方法を実施
するシステムの概念ブロック図である。１は光・熱エネ
ルギーを制御可能に供給する光源制御系、２は光源制御
系１から照射される光／熱、３は圧電素子又は光起電力
素子のエネルギー変換素子、４はエネルギー変換素子３
が出力する電力を入力して機器を駆動する駆動部（機
構）を、５は制御系１により操作される駆動機器を表し
ている。駆動機器５として、バッテリー無搭載型の自走
式マイクロマシンが好ましい。本発明の圧電素子又は光
起電力素子は、受信部、変換部及び出力部を１素子単体
で構成する、微小エネルギートランスデューサを実現す
ることができる。
するシステムの概念ブロック図である。１は光・熱エネ
ルギーを制御可能に供給する光源制御系、２は光源制御
系１から照射される光／熱、３は圧電素子又は光起電力
素子のエネルギー変換素子、４はエネルギー変換素子３
が出力する電力を入力して機器を駆動する駆動部（機
構）を、５は制御系１により操作される駆動機器を表し
ている。駆動機器５として、バッテリー無搭載型の自走
式マイクロマシンが好ましい。本発明の圧電素子又は光
起電力素子は、受信部、変換部及び出力部を１素子単体
で構成する、微小エネルギートランスデューサを実現す
ることができる。
【００１８】図２は、エネルギー変換素子３の高電圧出
力を供給される駆動機構４として静電アクチュエータを
使用した本発明の一実施例を示している。図中、６は電
極、７，８は導線、９は櫛歯形静電アクチュエータ、１
０は静電アクチュエータの固定部、１１は同可動部、１
２は可動部８を支持するバネ等の支持部、１３は出力電
圧の極性を切り換える極性切換スイッチを、Ｐｓは自発
分極及び誘起された起電力の方向を表している。なお、
本明細書及び図面で同じ参照符号を付したものは同じも
の又は相当するものを意味している。
力を供給される駆動機構４として静電アクチュエータを
使用した本発明の一実施例を示している。図中、６は電
極、７，８は導線、９は櫛歯形静電アクチュエータ、１
０は静電アクチュエータの固定部、１１は同可動部、１
２は可動部８を支持するバネ等の支持部、１３は出力電
圧の極性を切り換える極性切換スイッチを、Ｐｓは自発
分極及び誘起された起電力の方向を表している。なお、
本明細書及び図面で同じ参照符号を付したものは同じも
の又は相当するものを意味している。
【００１９】トランスデューサ３の表面に光が照射され
るとＰｓ方向の起電力が誘起され、静電アクチュエータ
９の固定部７と可動部８との間に高電圧電力が印加され
て、可動部が例えば図の矢印方向に駆動される。可動部
１１の駆動時間は光の照射時間（パルス数）で、駆動方
向は極性切換スイッチ１３の切換えにより決められる。
静電アクチュエータ９の可動部１１の歯は固定部１０の
歯と歯との間を固定部の歯にくっつくことなく移動す
る。極性切換スイッチ１３はエネルギー変換素子として
光起電力素子を使用したときにのみ用いる。
るとＰｓ方向の起電力が誘起され、静電アクチュエータ
９の固定部７と可動部８との間に高電圧電力が印加され
て、可動部が例えば図の矢印方向に駆動される。可動部
１１の駆動時間は光の照射時間（パルス数）で、駆動方
向は極性切換スイッチ１３の切換えにより決められる。
静電アクチュエータ９の可動部１１の歯は固定部１０の
歯と歯との間を固定部の歯にくっつくことなく移動す
る。極性切換スイッチ１３はエネルギー変換素子として
光起電力素子を使用したときにのみ用いる。
【００２０】図３は、圧電素子をバイモルフ構造にし
て、素子の固有振動数に合うような周期の光２，２Ａを
圧電素子両面に照射させる本発明の他のエネルギー供給
方法を示す。図中の１５は２枚の圧電素子の共通電極を
表している。この方法では、圧電素子は速やかに共振状
態になる。また、圧電素子両面に照射する光２，２Ａに
位相差を持たせると好都合である。
て、素子の固有振動数に合うような周期の光２，２Ａを
圧電素子両面に照射させる本発明の他のエネルギー供給
方法を示す。図中の１５は２枚の圧電素子の共通電極を
表している。この方法では、圧電素子は速やかに共振状
態になる。また、圧電素子両面に照射する光２，２Ａに
位相差を持たせると好都合である。
【００２１】図４は本発明のエネルギー供給法をマイク
ロマシンに適用した概念図を示している。図中の１６は
レーザ等の光光源、１７はマイクロマシンを表してい
る。レーザ等の光光源１６は制御可能で、バイモルフ構
造のエネルギー変換素子１４にはレーザ光２，２Ａが両
変換素子表面に照射され、それぞれにＰｓ方向の起電力
を誘起し、マイクロマシン１７内の駆動機構に電力を供
給する。レーザ等の光光源１６の光供給を制御すること
によりマイクロマシンの駆動機構は操作される。
ロマシンに適用した概念図を示している。図中の１６は
レーザ等の光光源、１７はマイクロマシンを表してい
る。レーザ等の光光源１６は制御可能で、バイモルフ構
造のエネルギー変換素子１４にはレーザ光２，２Ａが両
変換素子表面に照射され、それぞれにＰｓ方向の起電力
を誘起し、マイクロマシン１７内の駆動機構に電力を供
給する。レーザ等の光光源１６の光供給を制御すること
によりマイクロマシンの駆動機構は操作される。
【００２２】
【発明の効果】本発明の特徴は、圧電性及び光起電力を
用いることで遠隔からのエネルギー伝送を可能にするも
ので、その際に上記の機能性素子を用いている点と開放
系における利用が可能となる。これによって、構造と機
能一体化することで全体のシステムが簡単化され、実用
化が容易となる。また、受光による熱及び光起電力の共
振を用いることで出力を増大させることができて、また
電力を取り出すこともできる。
用いることで遠隔からのエネルギー伝送を可能にするも
ので、その際に上記の機能性素子を用いている点と開放
系における利用が可能となる。これによって、構造と機
能一体化することで全体のシステムが簡単化され、実用
化が容易となる。また、受光による熱及び光起電力の共
振を用いることで出力を増大させることができて、また
電力を取り出すこともできる。
【００２３】本発明の方法による電気出力は電圧が大き
く、電流が小さいという特性があるために静電アクチュ
エータに駆動源としてメリットを有している。さらに、
本発明では太陽電池のようなデバイスを用いるのではな
く、セラミックス系の素子単体で受信装置を構成してい
る簡素なシステムを実現できる。
く、電流が小さいという特性があるために静電アクチュ
エータに駆動源としてメリットを有している。さらに、
本発明では太陽電池のようなデバイスを用いるのではな
く、セラミックス系の素子単体で受信装置を構成してい
る簡素なシステムを実現できる。
【図１】本発明の概要を説明するブロック概念図であ
る。
る。
【図２】本発明の実施例を示す図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す図である。
【図４】本発明をマイクロマシーンに使用した例を説明
する図である。
する図である。
【図５】従来のエネルギー供給法の概要を説明する図で
ある。
ある。
１ 光／熱エネルギー源 ２，２Ａ 光／熱 ３ エネルギー変換素子 ４ 駆動部（機構） ９ 静電アクチュエータ １３ 極性切換スイッチ １４ 圧電トランスデューサ（バイモルフ構造） １６ レーザ等の光源 １７ マイクロマシン Ps 自発分極及び誘起された起電力の方向
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 誠 茨城県つくば市並木１丁目２番地 工業技 術院機械技術研究所内
Claims (3)
- 【請求項１】 圧電素子若しくは光起電力素子のいずれ
かのエネルギートランスデューサにより光エネルギーを
高電圧な電気エネルギーに変換し、アクチュエータに高
電圧な電気エネルギーを供給することを特徴とする無索
電力供給方法。 - 【請求項２】 アクチュエータが静電アクチュエータで
あることを特徴とする請求項１の無索電力供給方法。 - 【請求項３】 エネルギー変換素子がバイモルフ型であ
ることを特徴とする請求項１又は請求項２の無索電力供
給方法。
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|---|---|---|---|
| JP2000255137A JP3448642B2 (ja) | 2000-08-25 | 2000-08-25 | 無索電力供給方法 |
| US09/935,719 US6635818B2 (en) | 2000-08-25 | 2001-08-24 | Wireless power supply method |
| EP01307240A EP1204191A3 (en) | 2000-08-25 | 2001-08-24 | Wireless power supply method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000255137A JP3448642B2 (ja) | 2000-08-25 | 2000-08-25 | 無索電力供給方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002078360A true JP2002078360A (ja) | 2002-03-15 |
| JP3448642B2 JP3448642B2 (ja) | 2003-09-22 |
Family
ID=18743975
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2000255137A Expired - Lifetime JP3448642B2 (ja) | 2000-08-25 | 2000-08-25 | 無索電力供給方法 |
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| US (1) | US6635818B2 (ja) |
| EP (1) | EP1204191A3 (ja) |
| JP (1) | JP3448642B2 (ja) |
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2000
- 2000-08-25 JP JP2000255137A patent/JP3448642B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
2001
- 2001-08-24 EP EP01307240A patent/EP1204191A3/en not_active Withdrawn
- 2001-08-24 US US09/935,719 patent/US6635818B2/en not_active Expired - Fee Related
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