JP2016004247A

JP2016004247A - 光貯蔵装置

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Publication number: JP2016004247A
Application number: JP2014126604A
Authority: JP
Inventors: 松本　貴裕; Takahiro Matsumoto; 貴裕松本; 愛子平澤; Aiko Hirasawa; 山口　雄一郎; Yuichiro Yamaguchi; 雄一郎山口
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2014-06-19
Filing date: 2014-06-19
Publication date: 2016-01-12

Abstract

【課題】太陽光エネルギーを貯蔵する光貯蔵装置を提供する。
【解決手段】光貯蔵装置は、外部から光を集める集光器からの光を伝播する光ファイバと、各々が回転軸の周りで回転対称な側面を有する光透過性誘電体から形成された複数の微小回転体であって、各々の側面にて光ファイバとエバネッセント結合を生じるように光ファイバに沿って配置されかつ該エバネッセント結合により光ファイバから複数の微小回転体の各々へ誘導された光が内部にウィスパリングギャラリーモードで閉じ込められる複数の微小回転体と、光ファイバと各微小回転体の間のエバネッセント結合を制御する制御部と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギーを貯蔵する貯蔵装置、特に太陽光エネルギーを貯蔵する光貯蔵装置に関する。

特許文献１に記載されているように、太陽光発電システムにおいては、ソーラーパネルなどの発電装置とＬｉイオン２次電池などの蓄電装置が組み合わされている。

現在の太陽光発電システムには、エネルギー密度が高く、重くて嵩張らないで、より軽く、よりコンパクトな蓄電装置が求められている。

特開２０１２−１５２０９３号公報特開２００８−１５８１４８号公報

たとえば、蓄電装置に用いられているＬｉイオン２次電池は、電解液中でＬｉイオンの移動を伴うため、充放電を繰り返すと劣化しやすい。Ｌｉイオン２次電池は化学反応を利用しているため、大量のエネルギーを貯めるためには大きな面積や体積が必要である。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その課題の一例として、小型化可能である太陽光エネルギーを貯蔵する光貯蔵装置を提供することが挙げられる。

本発明に係る光貯蔵装置は、
外部から光を集める集光器と、
前記集光器からの光を伝播する光ファイバと、
各々が回転軸の周りで回転対称な側面を有する光透過性誘電体から形成された複数の微小回転体であって、各々の前記側面にて前記光ファイバとエバネッセント結合を生じるように前記光ファイバに沿って配置されかつエバネッセント結合により前記光ファイバから前記複数の微小回転体の各々へ誘導された光が内部にウィスパリングギャラリーモードで閉じ込められる前記複数の微小回転体と、
前記光ファイバと前記複数の微小回転体の各々との間のエバネッセント結合を制御する制御部と、を備えているものである。

光はＢｏｓｏｎ的性質を有するため、同一の量子状態に同じ量子数の光子を幾つでも占有することができる。この素粒子的性質を利用すると、光波の重ね合わせの結果、非常に微小な空間に大きなエネルギー密度を実現することが可能となる。例えば、１ｍｍ³当たりの体積に１０００Ｗｈ以上のエネルギーを詰め込むことが可能となる。

そこで、本発明では、微小空間に光波を重ね合わせて光エネルギーを詰め込む手法として、光波が物質界面で全反射した場合に反対側の透過側物質内部に浸透して発生したエバネッセント波（近接場光）の結合（エバネッセント結合）と、微小回転体のウィスパリングギャラリーモード（Whispering Gallery Mode、以下、ＷＧモードともいう）とを利用する。エバネッセント結合とは、光ファイバと微小回転体の隣り合う近接場光の光学モード共鳴結合状態を生じさせ、光ファイバから微小回転体へ又は微小回転体から光ファイバへ光を誘導する現象を指す。ＷＧモードとは、屈折率が周囲より大なる材料からなる微小回転体内部において、光が境界面に浅い角度で入射する場合に内側の表面で全反射し、全反射を繰り返しながら微小回転体内に閉じ込められ、１周回ってきた後の元の光と同じ位相をもつ光と共振する現象を指す。

図１は本発明の実施例１である光貯蔵装置を含む蓄電装置を示す概略構成図である。図２は、本発明の実施例１に係るエネルギーを光として貯蔵して、使用する際に光電変換することにより電気を得るような蓄電装置を示す概略斜視図である。図３は、本発明の実施例に係る集光部のプリズムを示す概略側面図である。図４は、本発明の実施例である光貯蔵装置に含まれる微小回転体の形状を表す概略側面図である。図５は、本発明の実施例２である光貯蔵装置を含む蓄電装置を示す概略構成図である。図６は、実施例２である光貯蔵装置を含む蓄電装置を示す概略斜視図である。図７は、実施例３である光貯蔵装置を含む蓄電装置を示す概略構成図である。図８は、実施例３である光貯蔵装置を含む蓄電装置を示す概略斜視図である。図９は、実施例３である光貯蔵装置における光ファイバ及び微小回転体の関係を示す光ファイバの伸長方向に対して垂直な方向に沿った概略部分横断面図である。図１０は、実施例３である光貯蔵装置における変形例の光ファイバ及び微小回転体の関係を示す光ファイバの伸長方向に対して垂直な方向に沿った概略部分横断面図である。図１１は、実施例４である光貯蔵装置を含む蓄電装置を示す概略構成図である。図１２は、実施例５である光貯蔵装置を含む蓄電装置を示す概略構成図である。図１３は、実施例６である光貯蔵装置を含む蓄電装置を示す概略構成図である。図１４は、実施例７である光貯蔵装置を含む蓄電装置を示す概略構成図である。図１５は、本発明の実施例に係る光ファイバと微小回転体の関係を示す光ファイバの伸長方向に沿った概略縦断面図である。図１６は、本発明の実施例に係る集光部の例を示す概略斜視図である。

以下、本発明の実施例を、添付図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明の実施例１である光貯蔵装置を含む蓄電装置を示す概略構成図である。

図２は、エネルギーを光として貯蔵して、使用する際に光電変換することにより電気を得るような蓄電装置を示す概略斜視図である。

図１に示すように、蓄電装置１０において、集光器１１は太陽光を集める集光部１１ａと該集光部からの太陽光を伝搬させる光ファイバケーブルの入力カップリング用のＳＭＡ（Sub Miniature Type A）コネクタなどのカプラ１１ｂとを含む。入力光ファイバ１２は集光器１１から入力される光を伝搬する。微小回転体１３−１〜１３−ｎ（以下、微小回転体１３ともいう）の各々は、入力光ファイバ１２との間にエバネッセント結合が生じ得るように配置されている。出力光ファイバ１４は微小回転体１３との間にエバネッセント結合が生じ得るように配置されている。光電変換素子１５は出力光ファイバ１４から伝搬された光を電気に変換する。制御部１６は微小回転体１３と光ファイバ１２，１４との間の相対距離を調整してエバネッセント結合を制御する。

図２に示すように、カップラ１１ｂ、入力光ファイバ１２、微小回転体１３、出力光ファイバ１４及び光電変換素子１５は、ベース１０ａ上に設けられている。

図３は、図２のカップラ１１ｂに光ファイバケーブルを介し接続される集光部１１ａのプリズム１１Ｐを示す。上部プリズム１１Ｐ１の直下の下部プリズム１１Ｐ２上に複数の微小球１１ＳＰを配置し、太陽光は上部プリズム１１Ｐ１を介して複数の微小球１１ＳＰに照射されることにより、近接場光の光学モード共振結合状態を生じさせることが可能であり、微小球１１ＳＰに光を誘導することができる。かかる微小球への光の誘導は、微小球−プリズム間の距離や直径を種々変えた微小球の量を調節して誘導される光の周波数を選択ですることができる。誘導された光は、下部プリズム１１Ｐ２を介して光ファイバケーブル（図示せず）に入射される。なお、上下部プリズム間の微小球１１ＳＰを設けずに上下部プリズムだけも集光部１１ａを構成することができる。

さらに、集光部１１ａは、下部プリズム１１Ｐ２の代わりに透明導波板（図示せず）を上部プリズム１１Ｐ１の直下に設けて、透明導波板から光ファイバケーブルを介しカップラ１１ｂに光接続されてもよい。

図２に示すように、透明な微小回転体１３は、互いに平行な入力光ファイバ１２と出力光ファイバ１４との間に離間して配置されている。微小回転体１３の各々は制御部１６のアクチュエータ部１６ａに固定されている。アクチュエータ部１６ａは、入力光ファイバ１２と出力光ファイバ１４が存在する平面における光ファイバ１２，１４の間にて、微小回転体１３が光ファイバ１２，１４の伸長方向に対して垂直な方向に変位するように構成されている。

微小回転体１３と光ファイバ１２，１４との間で光をエバネッセント結合させる（オン状態）場合、光ファイバ１２，１４と微小回転体１３との距離はエバネッセント結合を生じるためのオン状態の条件、例えば１０μｍ以下に維持される。エバネッセント結合させない（オフ状態）場合、微小回転体１３は光ファイバ１２，１４から例えば１０μｍを超えて離される。

例えば、エバネッセント結合は入力光ファイバ１２から微小回転体１３に誘導される光のトンネル効果として表わされる。よってエバネッセント結合は入力光ファイバ１２と微小回転体１３との光学距離が近づけば近づく程大きくなる。このとき、微小回転体１３から入力光ファイバ１２へのエバネッセント結合の程度も大きくなるので、微小回転体１３から入力光ファイバ１２へ光の逆戻り過程も存在する。この場合、入力光ファイバ１２の光が微小回転体１３のＷＧモードへほぼ損失なく変換される条件は、微小回転体１３内の光の吸収、散乱損失係数、微小回転体１３との光学距離を最適化することによって得られる。エバネッセント結合については例えば特許文献１に記載されている。

光ファイバ１２，１４のエバネッセント結合のオン状態及びオフ状態（以下、オンオフ状態という）の選択制御は、アクチュエータ部１６ａを含む制御部１６によって行われる。

アクチュエータ部１６ａはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）などを使用して構成されている。制御部１６の本体からの電気的信号により、アクチュエータ部１６ａが駆動され、アクチュエータ部１６ａが微小回転体１３と共に移動して、機械的に微小回転体−光ファイバ間の距離を変える。近接場光が生じるためには光ファイバと微小回転体間の距離が重要であるため、制御部１６が当該距離を制御することによりエバネッセント結合のオンオフ状態を制御する。

微小回転体１３はＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＭｇＦ₂などの光透過性誘電体材料やＳｉで構成されている。微小回転体１３の各々はその回転軸の周りで回転対称な側面を有する。微小回転体１３は、光ファイバに近接する側面（エバネッセント結合部）で直径１〜１００μｍ好ましくは５０〜１００μｍを有する。

図４（ａ）〜（ｃ）は、光ファイバ１２，１４とエバネッセント結合する微小回転体１３の形状を表す概略側面図である。

図４（ａ）に示す微小回転体１３はトロイド形状の微小トロイド１３ａであり、微小トロイド１３ａの中心が円錐台形ポスト１３Ｐの上に固定されている。微小トロイド１３ａの外周の側面がエバネッセント結合部となっている。

図４（ｂ）に示す微小回転体１３は球形状をしており、球の赤道面の側面がエバネッセント結合部となっている。

図４（ｃ）に示す微小回転体１３は、樽形状に形成されている。

これら微小回転体１３の側面の光ファイバ１２，１４に最も近い部分が、光ファイバ１２，１４とそれぞれエバネッセント結合する。

微小回転体１３はＣＶＤ、リソグラフィー、エッチング、機械的研磨加工、液相成長、自由落下作製手法、冷却用液体落下法、金型を利用したナノ加工・研磨、３次元印刷（３Ｄプロッ夕ー）などの手法により作製できる。

球形状微小回転体１３は、真球度が高くかつ表面粗さが非常に小さくなるように作成される。これによりＷＧモードの光が外に漏れるのを防いでおり、微小回転体１３に光が長時間貯蔵できる。特に、真球度並びに表面粗さは微小回転体１３内のＷＧモード光損失と密接に関連しており、光閉じ込め時間を左右する重要なパラメーターとなる。

微小回転体１３用の石英ガラスの材料は、融解法などの手法で精錬されたものである。微小回転体１３用の石英ガラスは、光ファイバなどを作製する際に用いるＣＶＤ法などを用い、ＳｉやＳｉＯ₂以外の不純物並びに欠陥を除去したものが好適である。これにより、光が微小回転体１３へ不純物が存在するために光吸収されるのを防ぎ、微小回転体１３に光が長時間貯蔵できる。

図１，２に示す光電変換素子１５には、８００ｎｍの波長で例えば８０％以上の光電変換量子効率を有するＳｉフォトダイオードなどからなる光電変換パネルが使用される。

出力光ファイバ１４から光電変換素子１５へ光を導光する際は、出力光ファイバ１４と光電変換素子１５との間に導光板１５ａ（又はレンズなど）を用いて、光電変換素子１５の全面に光が入射されるようにする。

光電変換素子１５は出力光ファイバ１４の両端に設けてあるが、光伝搬方向の片方端だけに光電変換素子を設けてもよい。両端の光電変換素子１５の一方はレイリー散乱光など逆進する光をも光電変換する。

光電変換素子１５の数を変更することによってアプリケーンョンの電圧に合わせることが可能である。電圧はＶ（電圧）＝Ｎ（光電変換素子の数）×Ｖｃ（光電変換素子の禁制帯幅）にて制御される。この際、複数の光電変換素子を用いてより大きな電圧を生み出す場合、素子を直列に接続する。この場合、電流マッチングを必要とするため、光電変換素子１５に入力される光強度は同じにすることが好ましい。上記の電流マッチングの問題を回避するためには、例えば、光電変換素子から出力された電圧を増幅器などを用いて増幅することによって所望の電圧へと変換してもよい。この際、増幅器の電源として光電変換素子からの電圧を利用してオペアンプ・ＦＥＴなどを駆動させ、抵抗値などにより増倍率を調節することにより、所望の電圧を得るようにする。

実施例１の光貯蔵装置を含む蓄電装置の動作を説明する。

図１に示すように、入力状態の場合、集光器１１からの太陽光は入力光ファイバ１２を伝搬し、例えば入力光ファイバ１２付近に配置された微小回転体１３−１に対して、エバネッセント結合にて微小回転体１３に誘導される（微小回転体１３−１が入力光ファイバ１２に対してオン状態で出力光ファイバ１４に対してオフ状態である）。

貯蔵状態の場合、例えば微小回転体１３−２の内部にて、誘導された光はＷＧモードの原理に基づき周回し続け（微小回転体１３−２は入力光ファイバ１２に対してオフ状態で出力光ファイバ１４でもオフ状態である）、微小回転体１３−２内に貯蔵される。

出力状態の場合、微小回転体内に貯蔵された光は、電力が必要な際に、例えば微小回転体１３−３から取り出され（微小回転体１３−３が入力光ファイバ１２に対してオフ状態で出力光ファイバ１４に対してオン状態である）、出力光ファイバ１４を伝搬して光電変換素子１５に入射され、これにより光エネルギーが電気エネルギーへと変換される。微小回転体１３−１，１３−２，１３−３の変位は図２に示す制御部１６及びアクチュエータ部１６ａにより制御される。

制御部１６は、集光器１１からの太陽光を貯蔵する際に、アクチュエータ部１６ａをパルス駆動して、微小回転体１３−１〜１３−ｎの１以上（例えば、全体の1/2，1/3，1/4などと群に分けて）を入力光ファイバ１２のみとのエバネッセント結合を順次オン状態として、微小回転体１３−１〜１３−ｎへ均一に光を誘導し閉じ込める。制御部１６は、微小回転体又はその群（微小回転体群）毎に一定エネルギー以上の光を貯め、順次、次の微小回転体又は微小回転体群へ光を貯蔵する、貯蔵切り換え操作を行う。

制御部１６は、貯蔵した光を出力して電力を得る放出の際に、アクチュエータ部１６ａをパルス駆動して、光を貯蔵した微小回転体１３−１〜１３−ｎの１以上（例えば、全体の1/2，1/3，1/4などと群に分けて）を出力光ファイバ１４のみとのエバネッセント結合を順次オン状態として、微小回転体１３−１〜１３−ｎから光を順次出力光ファイバ１４へ誘導する。制御部１６は、当該誘導を微小回転体の群毎に分けて連続して行う、誘導切り換え操作を実行する。この場合、微小回転体の個体数の少ない群から光を順次誘導すれば長い時間にわたりエネルギーが取り出せ、微小回転体の個体数の多い群から光を順次誘導すれば短い時間でエネルギーが取り出せる。

制御部１６は、光の貯蔵及び放出の場合において、複数（ｎ個）の微小回転体１３を複数（ｍ個＜ｎ個）の微小回転体群に分けて、各々の微小回転体群毎では同時にエバネッセント結合を制御するものの、制御部１６は、個々の微小回転体群の単位でエバネッセント結合を異なるタイミングで独立に制御する。これによって、貯蔵時には装置への均一な光の貯蔵を可能とし、放出時には光貯蔵装置からの単位時間あたりに取り出すエネルギーのダイナミックレンジを大きく取ることができる。

上記の実施例によれば、光は体積がないため、微小回転体１３には原理的にはいくらでも光を貯め込むことが可能である。よって、微小回転体内の極めて小さな領域に大量のエネルギー貯蔵が可能となる。現状のスマートホンなどに使用されている一般的なＬｉイオン２次電池の大きさは１００００ｍｍ³程度であるのに対して、上記の実施例によれば、例えば、８０ｍｍ³程度の大きさで同じ容量を蓄えることが可能である。

現在Ｌｉイオン電池が使用されているスマートホン、ノートＰＣ、電気自動車などのすべての製品に上記の実施例は適用可能である。

また、カプラ及び光ファイバを主部品として構成できるので、製造コストを低減できると共に、光貯蔵装置の構成が小型化できる。

図５は本発明の実施例２である光貯蔵装置を含む蓄電装置を示す概略構成図である。図６は、当該蓄電装置を示す概略斜視図である。

実施例２である光貯蔵装置は、実施例１における出力光ファイバ１４を省いて入出力兼用の光ファイバ２１を用いた以外、実施例１と同様である。実施例１と同様な部分の説明は省略して、実施例１と異なる実施例２の特徴を説明する。

図５に示すように、光ファイバ２１は集光器１１から出力される光を伝搬すると共に、微小回転体１３−１〜１３−ｎの１以上との間にエバネッセント結合が生じ得るように配置されている。光電変換素子１５は光ファイバ２１から伝搬された光を電気に変換する。制御部１６は微小回転体１３と光ファイバ２１との間の相対距離を調整してエバネッセント結合を制御する。

図６に示すように、ベース１０ａ上に光ファイバ２１と微小回転体１３−１〜１３−ｎの群とが離間して平行に配置されている。微小回転体の各々は制御部１６のアクチュエータ部１６ａに固定されている。アクチュエータ部１６ａは、光ファイバ２１と微小回転体１３−１〜１３−ｎの群とが存在する平面にて、微小回転体１３が光ファイバ２１の伸長方向に対して垂直な方向に変位するように構成されている。

実施例２の光貯蔵装置を含む蓄電装置の動作を説明する。

図５に示すように、入力状態の場合、集光器１１からの太陽光は光ファイバ２１を伝搬し、例えば微小回転体１３−１に対して、エバネッセント結合にて微小回転体１３に誘導される（微小回転体１３−１が光ファイバ２１に対してオン状態である）。

貯蔵状態の場合、例えば微小回転体１３−２の内部にて、誘導された光はＷＧモードの原理に基づき周回し続け（微小回転体１３−２は光ファイバ２１に対してオフ状態である）、微小回転体１３−２内に貯蔵される。

出力状態の場合、微小回転体内に貯蔵された光は、電力が必要な際に、例えば微小回転体１３−３から取り出され（微小回転体１３−３が光ファイバ２１に対してオン状態である）、光ファイバ２１を伝搬して光電変換素子１５に入射され、これにより光エネルギーが電気エネルギーへと変換される。微小回転体１３−１，１３−２，１３−３の変位は図６に示す制御部１６及びアクチュエータ部１６ａにより制御される。

よって、実施例２によれば、実施例１の出力光ファイバ１４がないので、部品点数の減少により製造が容易になる。

図７は本発明の実施例３である光貯蔵装置を含む蓄電装置を示す概略構成図である。図８は実施例３の光貯蔵装置を含む蓄電装置を示す概略斜視図である。実施例３の光貯蔵装置は、実施例２におけるＭＥＭＳによるアクチュエータ部１６ａに代えて、微小回転体１３と入出力兼用の光ファイバ２１の間に張り付けた微小回転体１３毎の電気光学素子１７を用いて微小回転体１３を移動させない構成にした以外、実施例２と同様である。実施例２と同様な部分の説明は省略して、実施例２と異なる実施例３の特徴を説明する。

図８に示すように、入力光ファイバ１２は、ベース１０ａに形成されたＶ字断面の溝の傾斜面に沿って延在している。複数の微小回転体１３は光ファイバ２１に沿ってそれぞれ電気光学素子１７を介して光ファイバ２１の側面に張り付けられている。複数の微小回転体１３は、光ファイバ２１の軸線で直交する２つの平面で切られた光ファイバ２１の側面に２筋の群として配置されている。

図９の光ファイバ２１の断面図に示すように、複数の微小回転体１３は、光ファイバ２１との間に電気光学素子１７を介してエバネッセント結合が生じ得るように配置されている。複数の微小回転体１３は、ベース１０ａに形成されたＶ字断面の溝の傾斜面に接している。

光ファイバ２１内の光が微小回転体１３のＷＧモードへほぼ損失なく変換される条件は、微小回転体１３との光学距離を最適化することによって得られる。本実施例では微小回転体１３と光ファイバ２１のエバネッセント結合のオンオフ状態の選択制御は、電気光学素子１７を含む制御部１６によって行われる。

電気光学素子１７は電気光学結晶などを使用して構成されている。電気光学素子１７はＬｉＮＯ₃やＺｎＯ、ＬｉＴａＯ₃などの印加電圧で屈折率が変化する電気光学効果を有する材料の膜であって、制御部１６からの電圧を印加するアノードとカソード（図示せず）が当該膜に付加されて構成されている。

制御部１６は、選択した微小回転体１３の電気光学素子１７に対し所定の電圧を加え、その屈折率を変化させることによって、光ファイバ−電気光学素子間でエバネッセント結合が起こり得る所望の最適光路長を電気光学素子１７に与える。すなわち、電気光学素子１７への印加電圧を制御部１６で制御することにより、それぞれの電気光学素子１７の屈折率を変化させて、光ファイバ２１と微小回転体１３との光学距離を最適化して、エバネッセント結合のオンオフ状態を制御する。

実施例３の光貯蔵装置を含む蓄電装置の動作を説明する。

図７に示すように、集光器１１からの太陽光は光ファイバ２１を伝搬し、例えば制御部１６が電気光学素子１７ａの屈折率を減少させて入力状態とする場合、光ファイバ２１と微小回転体１３−１とのエバネッセント結合にて微小回転体１３に誘導される（微小回転体１３−１が光ファイバ２１に対してオン状態である）。

例えば、当該誘導後で制御部１６が電気光学素子１７ｂの屈折率を増加させ元に戻して貯蔵状態とする場合、誘導された光は微小回転体１３−２の内部をＷＧモードの原理に基づき周回し続け（微小回転体１３−２は光ファイバ２１に対してオフ状態である）、微小回転体１３−２内に貯蔵される。

出力状態の場合、微小回転体内に貯蔵された光は、電力が必要な際に、例えば制御部１６が電気光学素子１７ｃの屈折率を減少させて、微小回転体１３−３から取り出され（微小回転体１３−３が光ファイバ２１に対してオン状態である）、光ファイバ２１を伝搬して光電変換素子１５に入射され、これにより光エネルギーが電気エネルギーへと変換される。

ここで電気光学素子１７の屈折率変化Δｎは、印加電界強度Ｖ／ｄ（ｄはアノードカソード距離）に比例し、比例係数をαとしてΔｎ＝αＶ／ｄと記載することができる。印加電圧による屈折率ｎ及び屈折率変化Δｎと微小回転体−光ファイバの光学的距離Ｌとの関係は、Ｌ＝（ｎ＋Δｎ）＊Ｄ（ただし、Ｄは物理的距離を示す）で表される。制御部１６が電気光学素子１７へ電気信号を送ることにより、特定の微小回転体１３にのみ近接場光を生じさせることが可能である。

なお、図１０の光ファイバ２１の断面図に示すように、実施例３の変形例として複数の微小回転体１３が入力光ファイバ１２の全周囲にその伸長方向に沿って配置されるように構成することもできる。

よって、実施例３によれば、機械的に可動部品が極めて少なくなるので、部品点数の減少により製造が容易になるだけでなく、装置の安定性及び耐久性が向上する。

図１１は実施例４の光貯蔵装置を含む蓄電装置を示す概略構成図である。実施例４の光貯蔵装置は、実施例２における微小回転体１３のそれぞれを動かすアクチュエータ部１６ａに代えて、複数の圧電素子１８を用いて、微小回転体１３のそれぞれに対応する入出力兼用の光ファイバ２１の部分を曲げて微小回転体−光ファイバ間の距離を変化させる以外、実施例２と同様である。実施例２と同様な部分の説明は省略して、実施例２と異なる実施例４の特徴を説明する。

すべての複数の微小回転体１３は所定ピッチで直線状に一列にベース（図示せず）上に固定される。複数の圧電素子１８は光ファイバ２１の側面に伸長方向に上記所定ピッチで直線状に一列に張り付けられる。光ファイバ２１は、圧電素子１８が光ファイバ２１を挟んで微小回転体１３と一対一に対応するように、圧電素子１８を介在させてベースに固定される。

実施例４の光貯蔵装置を含む蓄電装置の動作を説明する。

図１１に示すように、集光器１１からの太陽光は光ファイバ２１を伝搬し、例えば制御部１６が圧電素子１８（状態Ａ）を駆動し光ファイバ２１の微小回転体１３−１に対向する部分を微小回転体１３−１に近づけて入力状態とする場合、光ファイバ２１と微小回転体１３−１とのエバネッセント結合にて微小回転体１３に誘導される（微小回転体１３−１が光ファイバ２１に対してオン状態である）。

例えば、当該誘導後で制御部１６が圧電素子１８（状態Ｂ）を非駆動として光ファイバを元に戻して貯蔵状態とする場合、誘導された光は微小回転体１３−２の内部をＷＧモードの原理に基づき周回し続け（微小回転体１３−２は光ファイバ２１に対してオフ状態である）、微小回転体１３−２内に貯蔵される。

出力状態の場合、微小回転体内に貯蔵された光は、電力が必要な際に、例えば制御部１６が圧電素子１８（状態Ｃ）を駆動し光ファイバ２１の微小回転体１３−１に対向する部分を微小回転体１３−１に近づけた時、エバネッセント結合により微小回転体１３−３から取り出され（微小回転体１３−３が光ファイバ２１に対してオン状態である）、光ファイバ２１を伝搬して光電変換素子１５に入射され、これにより光エネルギーが電気エネルギーへと変換される。

図１２は実施例５の光貯蔵装置を含む蓄電装置を示す概略構成図である。

実施例５の光貯蔵装置は、実施例４における光ファイバ２１を挟んで微小回転体１３と一対一に対応する圧電素子１８を設けた光ファイバの組立体に代えて、複数の微小回転体１３（微小回転体群）と多対一に対応する１つの圧電素子１８を設けた光ファイバの組立体を複数用いたものである。例えば図示するように、蓄電装置は、３つの微小回転体群１３ａ，１３ｂ，１３ｃに対応する３つの入出力兼用の光ファイバ２１ａ，２１ｂ，２１ｃを備えることができる。

光電変換素子１５ａが結合された光ファイバ２１ａについて、複数の微小回転体１３（微小回転体群１３ａ）は所定ピッチで直線状に一列にベース（図示せず）上に固定される。１つの圧電素子１８は光ファイバ２１ａの側面に伸長方向に直線状に張り付けられている。光ファイバ２１ａは、圧電素子１８が光ファイバ２１を挟んで複数の微小回転体１３と一対多に対応し一列の微小回転体群１３ａと平行になるように、１つの圧電素子１８を介在させてベースに固定される。

光ファイバ２１ａの圧電素子１８は、制御部１６により駆動されるとき、光ファイバ２１ａの圧電素子に亘る長さ部分を一様に微小回転体群１３ａへ同時に押圧する。すなわち、制御部１６は、微小回転体群１３ａに含まれる複数の微小回転体群１３を光ファイバ２１ａに同時にエバネッセント結合させる。

光電変換素子１５ｂ，１５ｃがそれぞれ結合された入出力兼用の光ファイバ２１ｂ，２１ｃについても、光ファイバ２１ａと同様に構成され、駆動される。

実施例５の蓄電装置において、制御部１６は、複数の微小回転体１３を３つの微小回転体群１３ａ，１３ｂ，１３ｃに分けて、各々の微小回転体群毎では同時にエバネッセント結合を制御するが、制御部１６は、微小回転体群の単位でエバネッセント結合を異なるタイミングで独立に制御する。

実施例５の光貯蔵装置を含む蓄電装置の動作を説明する。

図１２に示すように、集光器１１から分岐された太陽光は光ファイバ２１ａ，２１ｂ，２１ｃを伝搬する。例えば制御部１６が光ファイバ２１ａの圧電素子１８を駆動し光ファイバ２１ａ全体（状態Ａ）を微小回転体群１３ａに近づけて入力状態とする場合、光ファイバ２１ａと微小回転体群１３ａとのエバネッセント結合にて光は各微小回転体１３に誘導される（微小回転体群１３ａが光ファイバ２１ａに対してオン状態である）。この場合、微小回転体群１３ａ例えば球体群はそれらの直径に分布を持たせることができる。すなわち、複数の微小回転体１３は、集光器１１からの太陽光のスペクトルに含まれる複数の波長に対応して自体の回転軸から回転対称の側面までの距離がそれぞれ異なるように形成されていてもよい。半径に関して分布を有する複数の微小回転体１３を１つの光ファイバに対応させれば、複数の波長の光の貯蔵に対応できる。

例えば、当該誘導後の光ファイバ２１ｂで制御部１６が圧電素子１８を非駆動として光ファイバ２１ｂ（状態Ｂ）を元に戻して貯蔵状態とする場合、誘導された光は各微小回転体１３の内部をＷＧモードの原理に基づき周回し続け（微小回転体群１３ｂは光ファイバ２１ｂに対してオフ状態である）、各微小回転体１３内に貯蔵される。

出力状態の場合、光ファイバ２１ｃにて微小回転体内に貯蔵された光は、電力が必要な際に、例えば制御部１６が光ファイバ２１ｃの圧電素子１８を駆動し光ファイバ２１ｃ（状態Ｃ）を再び微小回転体群１３ｃに近づけた時、エバネッセント結合により各微小回転体１３から取り出され（微小回転体群１３ｃが光ファイバ２１ｃに対してオン状態である）、光ファイバ２１ｃを伝搬して光電変換素子１５ｃに入射され、これにより光エネルギーが電気エネルギーへと変換される。

よって、本実施例では、ｍ個の入出力兼用の光ファイバ毎にｎ個の微小回転体を設けた場合、制御部１６がｍ×ｎ個の微小回転体１３をｍ個の微小回転体群に分けて、各々の微小回転体群毎（すなわち光ファイバ毎）で同時にエバネッセント結合を制御して、個々の微小回転体群の単位でエバネッセント結合を任意のタイミングで選択的に制御することができる。制御部１６が任意の微小回転体群を選択することによって、電力が必要な際に、光貯蔵装置から任意の供給時間で任意の光エネルギーを取り出すことができる。

図１３は、実施例６である光貯蔵装置を含む蓄電装置を示す概略構成図である。実施例６である光貯蔵装置は、実施例１における出力光ファイバ１４に、これから分岐するファイバ導波路部１４ａを追加した以外、実施例１と同様である。実施例１と同様な部分の説明は省略して、実施例１と異なる実施例６の特徴を説明する。

ファイバ導波路部１４ａは、微小回転体１３の群と光電変換素子１５との間の出力光ファイバ１４から分岐している。

実施例６のファイバ導波路部１４ａによって、携帯電話のバックライトや照明など、現在、電気を光として利用しているような場合は貯蔵した光をそのまま使用できるようになる。

変形例として、ファイバ導波路部１４ａの先端に所定の蛍光体が配置されてもよく、貯蔵した光を変換してバックライトや照明など白色光として使用することも可能である。

なお、実施例６のファイバ導波路部１４ａは実施例２などに用いられる入出力兼用の光ファイバ２１にも適用可能である。

図１４は、実施例７である光貯蔵装置を含む蓄電装置を示す概略斜視図である。実施例７は、太陽光をＲＧＢの３つのスペクトル帯域に分ける分光集光器１１ＲＧＢを用意し、当該分光集光器からの出力のそれぞれのスペクトル帯域に対応させた、入力光ファイバ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂと出力光ファイバ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂと該スペクトル帯域に適合する特性を有する光電変換素子１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂとを、実施例１と同様に組み合わせたものである。実施例７のスペクトル帯域ごとの組み合わせは実施例１と同様であるので、実施例１と異なる実施例７の特徴を説明する。

実施例７では、ＲＧＢの３つの出力光ファイバ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂに共通に接続された分岐するファイバ導波路部１４ＲＧＢが追加されている。

実施例７によれば、太陽光からのＲＧＢのスペクトル帯域の３色光を混ぜることにより合成スペクトルは太陽光スペクトルに近づいた白色を得ることができる。

上記のいずれの実施例における入出力用の光ファイバ１２，１４は、図１５に示す概略断面図に示すように、微小回転体の付近（代表として微小回転体１３−１，１３−２を示す）で近接場光が生じ易いように、当該付近で細くなるようにテーパー状に加工されている。光ファイバ１２，１４のテーパー部は数μｍの直径を有し、テーパー部が各微小回転体の側面付近に近接している。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。例えば、微小回転体の数、微小回転体群の数や光ファイバの数は、上記の実施例に限定されない。

上記の実施例のいずれにおいても、集光器の集光部は、プリズムに限定されず、例えば、図１６に示すように、太陽光を取り入れる底辺部に開口があり内面が鏡面となっているコーンミラー３１と該ミラーの頂点部に接続された集光カプラ３２とからなるものでもよい。

また、上記の実施例のいずれにおいても、微小回転体との近接場相互作用を行うため光ファイバ全体がクラッド層の無いコアのみを有するものが使用されるが、当該近接場相互作用の領域のみにクラッド層のない部分を設け、そのほかの部分はクラッド層を有している光ファイバを用いても良い。これにより、クラッド層を有している部分は破損に強い、曲げ部分生じる光散乱、損失（漏れ光）を防止することができる、などの効果が得られる。

さらに、上記の実施例のいずれにおいても、光を光ファイバの入光端側から出光端側に進行させるが、その際、光ファイバの出光端側から入光端側に逆行する光も存在する。このような逆行する光を阻止する一方向性を保証する構造、例えばフォトニック結晶光ファイバ、光ファイバアイソレータ、光ファイバファラデー回転ミラーなどを用いることができる。

上記の実施例のいずれにおいても、光を閉じ込める微小回転体及び光ファイバなどの動作に化学反応を用いないものを主部品として構成できるので、製造コストを低減できると共に、太陽光エネルギーを貯蔵する小型化可能な光貯蔵装置を提供することができる。

１０蓄電装置
１０ａベース
１１集光器
１２入力光ファイバ
１３、１３−１〜１３−ｎ微小回転体
１３ａ微小トロイド
１３Ｐ円錐台形ポスト
１４出力光ファイバ
１５光電変換素子
１５ａ導光板
１６制御部
１６ａアクチュエータ部
１７電気光学素子
１４ａ、１４ＲＧＢファイバ導波路部
１８圧電素子
２１入出力兼用の光ファイバ

Claims

外部から光を集める集光器と、
前記集光器からの光を伝播する光ファイバと、
各々が回転軸の周りで回転対称な側面を有する光透過性誘電体から形成された複数の微小回転体であって、各々の前記側面にて前記光ファイバとエバネッセント結合を生じるように前記光ファイバに沿って配置されかつエバネッセント結合により前記光ファイバから前記複数の微小回転体の各々へ誘導された光が内部にウィスパリングギャラリーモードで閉じ込められる前記複数の微小回転体と、
前記光ファイバと前記複数の微小回転体の各々との間のエバネッセント結合を制御する制御部と、を有することを特徴とする光貯蔵装置。
前記複数の微小回転体の各々は微小球又は微小トロイドであることを特徴とする請求項１に記載の光貯蔵装置。
前記複数の微小回転体は、前記集光器からの光のスペクトルに含まれる複数の波長に対応して回転軸から回転対称の前記側面までの距離がそれぞれ異なるように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光貯蔵装置。
前記光ファイバは、前記複数の微小回転体から出力される光を伝播する出力光ファイバとしても機能することを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１に記載の光貯蔵装置。
前記複数の微小回転体とエバネッセント結合を生じるように配置されかつ前記複数の微小回転体から出力される光を伝播する出力光ファイバを更に備え、前記制御部は前記出力光ファイバと前記複数の微小回転体の各々との間のエバネッセント結合を制御することを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１に記載の光貯蔵装置。
前記光ファイバからの前記複数の微小回転体から出力される光を電気へ変換する光電変換部を更に備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の光貯蔵装置。
前記光電変換部は、前記複数の微小回転体から出力される光のスペクトル帯域に合わせた特性を有することを特徴とする請求項６に記載の光貯蔵装置。
前記制御部は、前記複数の微小回転体を複数の微小回転体群に分けて、前記複数の微小回転体群の各々毎に含まれる前記複数の微小回転体の前記エバネッセント結合を同時に制御すると共に、前記エバネッセント結合を個々の微小回転体群の単位で独立にかつ異なるタイミングで制御することを特徴とする請求項６に記載の光貯蔵装置。
前記複数の微小回転体群に対応する数の前記光ファイバ又は前記出力光ファイバを備えたことを特徴とする請求項８に記載の光貯蔵装置。