JP2018068401A - エナジーハーベスティングによる発光デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
この他、エナジーハーベスティング技術で収穫された電力を用いて情報を送受信する通信システムが知られている(例えば、特許文献2を参照。)。また、圧電体を利用して振動エネルギーを電気エネルギーに変換するエナジーハーベストデバイスで、蓄電部に効率よく蓄電できるデバイスが知られている(例えば、特許文献3を参照。)。
生体埋め込みエレクトロニクスデバイスやIoTデバイスは、通常、間欠駆動であり、上記の太陽電池の特性である昇圧不要とエネルギー蓄積の仕組みと相性が良い。
特に、生体埋め込みエレクトロニクスデバイスは、オプトジェネティクス(光遺伝学)の分野、すなわち、遺伝子改変による生体細胞への光反応性を付与技術の分野に有用であり、生体内部を刺激するため、生体内で刺激光である青色光や紫外光を発生させる発光デバイスのニーズが高い。しかしながら、バイオ技術としてのオプトジェネティクスの発展に、生体内で刺激光を発生させる発光デバイスの技術が追いついていないのが現状である。
かかる状況に鑑みて、本発明は、光エネルギーを電力源とするエナジーハーベスティング技術で収穫された電力を用いて、生体内で刺激光を発生し得る発光デバイスを提供することを目的とする。
本発明の発光デバイスにおいて、発光手段で発光する光は、紫外光、青色光又は可視光であり、エナジーハーベストデバイスで受光する光は、赤外光であっても構わない。生体透過能を有する赤外光の光エネルギーを、エナジーハーベスティング技術で収穫し蓄電し、蓄電された電力を用いて、生体内で刺激光や可視光を発生できる。
一方の波長でベースとなる電力を供給し、もう一方の波長によって制御を行うのである。
偏光を利用することにより、同一波長の光を多重化し、あるいは分離して、2つの光ビームとして利用することができる。
光の強度を変調することにより、電力と同時に制御信号を供給することが可能である。また、光の強度を変調することにより、複雑な制御信号を送ることができる。
実装用基板の両面に実装されるケースとは、例えば1ミリ四方以下のサイズの小さな集積回路チップの裏面にキャパシタ、集積回路チップの表面に平面実装タイプの発光ダイオードが実装される。複数のフォトダイオードが、赤外領域の光(赤外線)を受光し電気信号に変換するもので、発光ダイオードが可視光を発光する場合は、この発光デバイスによって、赤外線駆動型光ビーコンデバイスを実現できる。
温度や湿度、照度、音などの環境データを計測対象とし、センシングする計測センサが、本発明の発光デバイスに搭載される。エナジーハーベストデバイスによって、環境光を含む可視光または赤外光を受光して電力を収穫し蓄電する。蓄電手段は、計測センサに間欠的に電力を供給し、計測センサが環境データを計測する。計測センサの出力値によって、発光手段の発光を制御することにより、無電源で無線式の環境センサを実現できる。
例えば、環境光で駆動した場合、光出力型のデータ送信の時間間隔によって、環境光強度のセンサとして利用することができる。また、温度センサを搭載することによって、デバイスの温度を外部機器(例えば、エアコンなど)から監視することができる。
1)蓄電手段の電圧レベルが第1の閾値電圧に達すると、発光手段に対して動作電圧を供給する機能
2)蓄電手段の電圧レベルが第2の閾値電圧まで下がると、発光手段に対して動作電圧を供給することを止め、蓄電手段に蓄電させる機能
例えば、上記1)の機能は、蓄電手段としてのキャパシタの電圧レベルが第1の閾値電圧に達すると、電力供給スイッチをONし、発光手段に対して動作電圧を供給することで実現できる。また、上記2)の機能は、キャパシタの電圧レベルが第2の閾値電圧まで下がると、電力供給スイッチをOFFして、再びキャパシタに電荷を貯蓄することで実現できる。
ここで、電源電圧判定手段を実現する回路としては、自己電源の電位の変化に対して出力状態が ヒステリシスを持って変化するシュミットトリガ(Schmitt trigger)を好適に用いることができる。
ここで、第1の電源電圧判定手段は、蓄電手段の電圧レベルが第1の閾値電圧に達すると、間欠駆動対象の発光手段に対して動作電圧を供給および第2の蓄電手段に蓄電する機能と、蓄電手段の電圧レベルが第2の閾値電圧まで下がると、発光手段に対して動作電圧を供給および第2の蓄電手段に蓄電することを止め、蓄電手段に蓄電させる機能を有する。また、第2の電源電圧判定手段は、第2の蓄電手段の電圧レベルが第3の閾値電圧に達すると、継続駆動対象の負荷回路に対して動作電圧を供給する機能と、第2の蓄電手段の電圧レベルが第4の閾値電圧まで下がると、継続駆動対象の負荷回路に対して動作電圧を供給することを止め、第2の蓄電手段に蓄電させる機能を有する。
第1及び第2の電源電圧判定手段と、第2の蓄電手段を備え、電源電圧判定手段を2段構成にすることにより、前段の第1の電源電圧判定手段から供給されるパルス電圧が、間欠駆動対象の発光手段に供給され、電力を消費する動作の頻度を適応的に調節することができる。また、後段の第2の電源電圧判定手段から供給される電圧が、継続駆動対象の負荷回路に供給され、内部状態の保持回路などの低消費電力の連続動作を可能とする。すなわち、電源電圧判定手段を2段構成にすることにより、低消費電力の連続動作(内部状態保持など)と、電力を消費する間欠動作(発光、送信、計測処理など)の組み合わせを実現することができる。
前段の第1の電源電圧判定手段から出力されるON信号を、発光手段の制御パルス(クロックなど)として供給できる。例えば、発光手段は、制御パルスが供給された際に、電力を消費する動作モードとなり、供給されていない場合には状態保持のみなどの電力を消費しない状態に移行するように設計することができる。
第1の閾値電圧 > 第2の閾値電圧 > 第3の閾値電圧 > 第4の閾値電圧
の関係を満たすことがより好ましい。
比較的に大きな電力を必要とする間欠駆動対象の発光手段を駆動すると、光で得られるエネルギーでは必要な電力がまかなうことが困難である。そのため、継続駆動対象の負荷回路の動作が不安定になる前に、間欠駆動対象の発光手段の動作を停止するのが好ましく、継続駆動対象の負荷回路の安定動作を維持しながら、次回、間欠駆動対象の発光手段を駆動するための充電を始めるのが合理的である。したがって、間欠駆動対象の発光手段に対して動作電圧を供給するのを停止する電圧レベルである第2の閾値電圧は、継続駆動対象の負荷回路に対して動作電圧を供給する電圧レベルである第3の閾値電圧よりも大きくする。
電圧源に直列接続されたダイオードを1個加えることにより、バイアス電圧供給手段の電圧の最大値は少し低下するが、電圧源の電圧が下がった際の電圧下降を限定することができる。
生体が反応せず、かつ、生体透過性がよい長波長の赤外光によって、デバイスに電力を供給し、生体内で刺激光(短波長の紫外光〜青色光)を発生することにより、生体の深部を刺激することができる。これにより、完全なワイヤレス状態で、生体内での刺激光発生デバイスを実現する。電力蓄積のメカニズムにより、刺激光より弱いパワーの赤外線で動作させることができる。本発明のオプトジェネティクス用生体内光刺激デバイスは、デバイスサイズが極めて小さく、例えば、1ミリ 角のデバイスを実現できる。
本発明のパネル型デバイスによれば、電源レスでワイヤレスのディスプレイやスクリーンを実現する。薄膜トランジスタ(TFT)や有機薄膜の技術にも、本発明のパネル型デバイスを適用できる。例えば、赤外レーザをレーザポインタデバイスによりスクリーンに照射するとその点だけが可視光で光るようなパネル型デバイスを無電源で実現することができる。
エナジーハーベストデバイス2は、フォトダイオード(PD)を複数直列したものを用いる。フォトダイオード(PD)は、太陽電池と同等のもので、1段につき開放電圧として最大約0.4Vの電圧が得られる。例えば、フォトダイオード(PD)を10個直列することで、4Vの電圧が得られる。蓄電手段5は、収穫した電力を蓄電するのに十分な大きさの容量のキャパシタC1を用いる。
図5に示すように、電源電圧判定部及びスイッチ部8は、電源電圧検出回路21と、バイアス電圧供給回路22と、電力供給スイッチ23から構成される。電源電圧検出回路21は、キャパシタC1の電圧レベルが第1の閾値電圧(VTH)に達すると、発光手段7に対して動作電圧を供給する。また、キャパシタC1の電圧レベルが第2の閾値電圧(VTL)まで下がると、発光手段7に対して動作電圧を供給することを止め、キャパシタC1に蓄電させる。
図6に示す電源電圧判定回路21は、シュミットトリガ回路の構成であり、キャパシタ電位Vinの変化に対して、電力供給スイッチ23への制御信号SWOUTの出力状態がヒステリシスを持って変化する。
一旦、スイッチ信号(SWout)がON状態になると、トランジスタMp5のゲート電位にGND電位が供給されるため、導通状態となる。トランジスタMp1に加えて、トランジスタMp4も、Vin−Vbpの電位差の大小に依存して定まるコンダクタンスを提供する。トランジスタMp1とトランジスタMp4は、並列接続であり、それらの合成コンダクタンスは大きくなる(並列抵抗が小さくなる)。そのため、中間電位をVinに引き寄せる力がより強くなる。
これにより、負荷であるLED部が必要とする電圧が得られるまで電荷をためてから、動作させることができる。また、得られる電力の範囲でLED部の駆動間隔が自動調整される。
なお、1回の電力供給スイッチのON/OFFによるパルスで供給できる電荷が決まっているので、その電圧、電流の条件下で動作を完結できるような負荷のLED部を選定する必要がある。
図8に示すように、照度が大きい場合は、キャパシタC1の電位が速く上昇するので、出力電圧VOUTのパルスの頻度が多くなり、これによりLED部の動作頻度は高くなる。また、照度が小さい場合は、キャパシタC1の電位が遅く上昇するので、出力電圧VOUTのパルスの頻度が少なくなり、これによりLED部の動作頻度は低くなる。つまり、パワーが必要となるLED部でも、低頻度であれば動作させることが可能になる。
実装した場合、電圧が低めになることを見越して、多めのフォトダイオード(PD)を直列接続して、エナジーハーベストデバイスとして設計するのがよい。なお、電磁波送電の場合、電界が弱いとアンテナ電圧も比例して低くなるので、本発明の発光デバイスのような動作は困難である。
図10に示すように、発光デバイスのキャパシタC1の電化蓄積は、光の累積強度に比例し、光の累積強度の時間的変化は、キャパシタC1に蓄えられるエネルギー量の時間的変化と一致する。このキャパシタC1の電位の時間的変化は、制御信号として利用することができる。
フォトダイオード(PD)3で受光した光エネルギーの電力を、キャパシタ6に蓄電し、平面実装LEDが、蓄電した電力を用いて、受光した光エネルギーより大きい光エネルギーのLED光10を間欠的に発光する。
1つの方法は、異なる波長の2つの光を照射し、発光デバイス1に電力と同時に制御信号を供給するものである(図12(1)を参照)。もう1つの方法は、1つの波長で偏光が異なる2つの光を照射し、発光デバイス1に電力と同時に制御信号を供給するものである(図12(2)を参照)。図12(1)では、一方の波長でベースとなる電力を供給し、もう一方の波長によって制御を行う。図12(2)では、同一波長の光を、偏光を利用することで多重化と分離化を行って、2つの光ビームとして利用する。
特定の波長を選択する機能は、各種の光学フィルタを搭載することによって容易に実現することができる。図12(1)において、制御を行う第2の波長の光は、単に駆動のきっかけ(トリガ)として利用することも可能である。また、上述のように、光の強度を変調することで、複雑な制御信号を送ることもできる。発光デバイスの自律動作だけでなく、外部トリガをきっかけとする動作を実現できる。
一方、2段構成では、後述するように、1段目から供給されるパルスが、電力を消費する動作の頻度を適応的に調節することができる。
1段構成と2段構成の何れにおいても、自動的に、得られる電力が消費電力になるような動作が生じさせる。
電源電圧判定部及びスイッチ部を2段直列(8a,8b)とすることで、低消費電力の連続動作(内部状態保持など)と、電力を消費する間欠動作(発光、送信、計測処理など)の組み合わせを実現することができる。
ここで、想定する動作では、第1の閾値電圧(Von1)と第2の閾値電圧(Voff1)は、間欠駆動対象の負荷回路を駆動するためのスイッチとなっており、比較的大きな電力を要する動作(LEDの発光や、センサの駆動など)に用いる。第1の閾値電圧(Von1)は、動作し始めの電圧で、第2の閾値電圧(Voff1)は動作停止(電力供給の停止)電圧である。光から得られる電力は、この2つの閾値電圧の間で駆動される間欠駆動対象の負荷回路で必要とされる電力より小さいことが想定されるため、光による発電では追いつかず、容量に貯めた電荷を吐き出しながら動作する。したがって、第1の閾値電圧(Von1)に達したら放電が始まって、第2の閾値電圧(Voff1)まで放電して、間欠駆動対象の負荷回路への供給をストップして充電を始めることになる。そのため、間欠駆動対象の負荷回路では、第1の閾値電圧(Von1)>第2の閾値電圧(Voff1)が成立する。
継続駆動対象の負荷回路は、第3の閾値電圧(Von2)で動作を開始し、光が十分に来ていれば、継続駆動対象の負荷回路を起動してもそのまま充電が進む(但し、充電速度は遅くなる。)。そして、光が減って、継続駆動対象の負荷回路すら動かせなくなった場合のために、動作停止するための閾値が、第4の閾値電圧(Voff2)である。第4の閾値電圧(Voff2)の電圧レベルは、実際のところ、光がなくなって全体動作が停止する場合に相当する。
継続駆動対象の負荷回路は、小さな電力消費で動作するが、一般に起動時に電力を余分に消費するため、充電して第3の閾値電圧(Von2)を越えて、負荷回路が起動したときには少し電圧がドロップする可能性がある。 そのため、無事に負荷回路を起動し、定常状態に落ち着かせる余裕を確保するため、負荷回路の起動をつかさどる第3の閾値電圧(Von2)を、停止をつかさどる第4の閾値電圧(Voff2)より大きくするほうが合理的である。
発光デバイスを光出力型ビーコンデバイスとして用いる場合は、1つの制御パルスで、LED部を1回動作(点灯)させることで、複数のパルスにわたってID(識別信号)を出力できる。その間、レジスタ値などは低消費電力モードで保持する。
まず、エナジーハーベストデバイスのフォトダイオード3が受光し、キャパシタC1の充電を始めるとキャパシタC1の電位V1が上昇する。1段目の電源電圧判定部及びスイッチ部8aにより、電位V1がVON1からVOFF1に下降する間、V2への電力供給、LED部7への制御パルス信号供給を行う。負荷であるLED部7が動作停止している間、キャパシタC2に充電を行う。
1段目の電源電圧判定部及びスイッチ部8bにより、キャパシタC2の電位V2がVON2まで到達すると、LED部7に電源供給を開始し、LED部7を駆動する。制御パルス信号は、LED部を駆動させるトリガとして使用する。キャパシタC2の電位V2が、VON2とVOFF2の間にある期間(VOFF2<V2<VON2)、LED部7に電源を供給する。キャパシタC2の電位V2が、VOFF2より下に下降するまで、LED部7に電源を供給する。キャパシタC2の電位V2が、VOFF2より下に下降すれば、LED部7への電源供給を停止する。
図15のグラフに示すように、バイパススイッチ11が設けられることにより、キャパシタC1とキャパシタC2は、エナジーハーベストデバイスのフォトダイオード3に対して、並列に接続された形となる。これにより、フォトダイオード3が受光し、キャパシタC1とC2は同時に同じように充電が行われ、キャパシタC1とC2の電位(V1とV2)は同時に同じように上昇する。
これにより、実施例3の2段構成の電源電圧判定部及びスイッチ部の場合と比べ、キャパシタC2の充電開始を早め、キャパシタC1の電位V1が1段目のON電圧に達するまでは、キャパシタC2の電位V2を同様に充電することができる。
図16と図17は、実施例6の発光デバイスの構造の一例を示している。図16に示すように、集積回路基板上には、エナジーハーベストデバイスを構成するフォトダイオード3が複数直列され搭載され、集積回路基板の裏面にキャパシタ6が積層され、集積回路基板の表面に平面実装型LED部(7a,7b)が積層される。集積回路基板のサイズは、1辺Lが1mm以下である。フォトダイオード3は、赤外線を受光し、赤外光のエネルギーの電力をキャパシタ6に蓄電する。LED部(7a,7b)はそれぞれが異なる波長域の可視光を発光する。例えば、青色光と緑色光である。発光デバイス1は、赤外線駆動型の可視光ビーコンとして利用できる。すなわち、赤外線の光を可視光に変換する波長変換デバイスとして活用できることになる。
更に、図17に示すように、集積回路基板の表面の空きスペースに、紫外線を吸収する平面実装型フォトダイオード(3a,3b)が積層されると、発光デバイスは、紫外線駆動型の可視光ビーコンとして利用できる。
発光デバイス1では、時間をかけて赤外光のエネルギーをキャパシタ6に蓄積を行うため、既存の生体内波長変換技術である二光子吸収などと異なり、大量のエネルギーを投入する必要がないといった利点がある。発光デバイス1では、LED部7bで赤外光を発光できる。この赤外光を変調して発光させることにより、データ信号として利用することができる。赤外光は、生体内を透過し、携帯端末装置32で受信される。赤外光の変調データから、データ信号を復元し、携帯端末装置32にデータを表示することも可能である。
バイオ分野、特に医療分野で、今後重要な技術となるオプトジェネティクスにおいて、新しいソリューションを提供することができる。
例えば、赤外線レーザビームを照射すると、その点だけが可視光で発光するスクリーン40を無電源で実現することができる。
2 エナジーハーベストデバイス
3,3a,3b フォトダイオード
4 逆流防止ダイオード
5 蓄電手段
6 キャパシタ
7 発光手段(LED部)
7a,7b LED部
8,8a,8b 電源電圧判定部及びスイッチ部
9 LED光用開口
10 LED光
11 バイパススイッチ
21 電源電圧検出回路
22 バイアス電圧供給回路
23 電力供給スイッチ
30 生体内部
31 赤外光照射用LED
32 携帯端末装置
40 スクリーン
C1,C2 キャパシタ
Claims (15)
- 受光した光エネルギーから電力を収穫するエナジーハーベストデバイスと、
収穫した電力を蓄電する蓄電手段と、
蓄電した電力を用いて、受光した光エネルギーより大きい光エネルギーの光を、間欠的に発光する発光手段、を備えたことを特徴とする発光デバイス。 - 前記発光手段で発光する光の波長は、
前記エナジーハーベストデバイスで受光する光の波長よりも短波長である、
ことを特徴とする請求項1に記載の発光デバイス。 - 前記発光手段で発光する光は、紫外光、青色光又は緑色光であり、
前記エナジーハーベストデバイスで受光する光は、赤色光又は赤外光である、
或は、
前記発光手段で発光する光は、紫外光、青色光又は可視光であり、
前記エナジーハーベストデバイスで受光する光は、赤外光である、
ことを特徴とする請求項1に記載の発光デバイス。 - 前記エナジーハーベストデバイスが受光する光の波長と異なる波長の光を、制御信号光として受光する受光手段を更に備え、
受光した制御信号光から得られる制御信号により、前記発光手段を制御する、
ことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の発光デバイス。 - 前記エナジーハーベストデバイスが受光する光の波長と同一波長の偏光を、制御信号光として受光する受光手段を更に備え、
受光した制御信号光から得られる制御信号により、前記発光手段を制御する、
ことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の発光デバイス。 - 前記エナジーハーベストデバイスが受光する光と同一波長または異なる波長の光強度を時間に依存して変化させた変調光を、制御信号光として受光する受光手段を更に備え、
受光した制御信号光から得られる制御信号により、前記発光手段を制御する、
ことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の発光デバイス。 - 前記エナジーハーベストデバイスは、実装用基板の表面上に複数のフォトダイオードが直列に接続されて集積化された集積回路チップであり、
前記蓄電手段としてキャパシタと、前記発光手段として平面実装タイプの発光ダイオードとが、前記実装用基板の片面、両面又は側面に実装された、
ことを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の発光デバイス。 - 計測対象をセンシングする計測センサを更に備え、
前記エナジーハーベストデバイスは、環境光を含む可視光または赤外光を受光して電力を収穫し、
前記蓄電手段は、前記計測センサに間欠的に電力を供給し、
前記計測センサの出力値によって、前記発光手段を制御する、
ことを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の発光デバイス。 - 上記間欠的に発光は、以下の機能を有する電源電圧判定手段により行われることを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載の発光デバイス:
1)前記蓄電手段の電圧レベルが第1の閾値電圧に達すると、前記発光手段に対して動作電圧を供給する機能、
2)前記蓄電手段の電圧レベルが第2の閾値電圧まで下がると、前記発光手段に対して動作電圧を供給することを止め、前記蓄電手段に蓄電させる機能。 - 上記間欠的に発光は、第1及び第2の電源電圧判定手段と、第2の蓄電手段とにより行われ、
第1の電源電圧判定手段は、
前記蓄電手段の電圧レベルが第1の閾値電圧に達すると、間欠駆動対象の前記発光手段に対して動作電圧を供給および第2の蓄電手段に蓄電する機能と、
前記蓄電手段の電圧レベルが第2の閾値電圧まで下がると、前記発光手段に対して動作電圧を供給および第2の蓄電手段に蓄電することを止め、前記蓄電手段に蓄電させる機能、
を有し、
第2の電源電圧判定手段は、
第2の蓄電手段の電圧レベルが第3の閾値電圧に達すると、継続駆動対象の負荷回路に対して動作電圧を供給する機能と、
第2の蓄電手段の電圧レベルが第4の閾値電圧まで下がると、前記負荷回路に対して動作電圧を供給することを止め、第2の蓄電手段に蓄電させる機能、
を有する、
ことを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載の発光デバイス。 - 上記の第1の電源電圧判定手段は、
前記蓄電手段の電圧レベルが第1の閾値電圧に達すると、制御信号をON状態に、
前記蓄電手段の電圧レベルが第2の閾値電圧まで下がると、制御信号をOFF状態にすることによるパルス信号を出力する機能を、更に有し、
前記バルス信号を前記発光手段の制御信号として用いる、
ことを特徴とする請求項10に記載の発光デバイス。 - 上記の第2の蓄電手段の蓄電容量は、前記蓄電手段の蓄電容量より大きく、
上記の第1乃至第4の閾値電圧は、
第1の閾値電圧 > 第2の閾値電圧 > 第3の閾値電圧 > 第4の閾値電圧
の関係を満たす、ことを特徴とする請求項10又は11に記載の発光デバイス。 - 上記の第1乃至第4の閾値電圧レベルを生成するバイアス電圧供給手段は、
複数のフォトダイオードが直列接続された電圧源と、該電圧源に直列接続されたダイオードと、前記電圧源と前記ダイオードの直列接続に対して並列接続されたキャパシタと、から成る、
ことを特徴とする請求項10〜12の何れかに記載の発光デバイス。 - 請求項3の発光デバイスが、体内埋め込み型マイクロチップに実装され、
生体外部から生体を透過する赤外光を受光し、生体内で紫外光乃至青色光を発光する、
ことを特徴とするオプトジェネティクス用生体内光刺激デバイス。 - 請求項1〜7の何れかの発光デバイスを、画素としてパネル状に並設し、
前記エナジーハーベストデバイスが受光できる光が、外部から照射されると、照射位置に配置された発光デバイスの前記発光手段が可視光を発光する、
ことを特徴とするパネル型デバイス。
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