JP3581299B2 - アンテナ光起電力素子一体化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンテナと、アンテナに付随する回路を動作させるための電力を発生する発電素子を一体化した装置に関する。特に、発電素子として光起電力素子(太陽電池)を用い、アンテナと光起電力素子を一体化した装置に関する。
【0002】
なお、本明細書では、光起電力素子に光起電力を生じさせる赤外線、可視光線、紫外線などを総称して「光」という。
【0003】
【従来の技術】
例えばローカル位置情報システムでは、そのサービスエリアに配置されるマーカからの送信情報により、ユーザの位置を検出したり、ユーザが要求する情報を提供するサービスを行う。ここで、マーカは、サービスエリア内に適当な間隔で配置され、連続的または断続的に電波を送信する。このマーカの電源として、商用電力を用いると別途電力用の配線が必要になり、電池を用いると一定期間ごとに交換が必要になり、システム全体のメンテナンスコストが高くなる。そこで、マーカの自律動作を可能とするために、光起電力素子(太陽電池)と蓄電池を組み合わせた電源を用いてメンテナンスフリーにすることが考えられている。さらに、マーカに用いられるアンテナと光起電力素子(太陽電池)を一体化および小型化することが求められている。
【0004】
図4は、アンテナの構成例を示す。ここでは、マイクロストリップアンテナの一つであるパッチアンテナの構成を示す。図4(1) は斜投影図、図4(2) は中央部における断面図である。
【0005】
図において、アンテナは、放射板11および地板12を形成する導体電極と、それらを保持したり特性を調整するために用いられる誘電体基板13により構成される。ここで、導体電極には主に銅やアルミニウムのような金属が用いられるが、これらは赤外線、可視光線、紫外線すべてに対して不透明であり、通常の状態でこれらの光を透過させることができない。また、誘電体基板には、ガラスエポキシ、テフロン系誘電体、セラミックスなどが用いられるが、これらも同様に赤外線、可視光線、紫外線すべてに対して不透明である。
【0006】
図5は、光起電力素子の構成例を示す。図5(1) は斜投影図、図5(2) は中央部における断面図である。図において、光起電力素子は、光起電能部21の両面に電極22,23を形成し、基板24上に配置した構成である。この光起電能部21には、可視光線に対して光起電力を生じさせる多結晶シリコンやアモルファスシリコンなどの薄膜が用いられる。また、光起電能部21の上面の電極22には、光を透過する透明導電膜が用いられる。このような透明導電膜には、低い抵抗率と高い可視光透過率を同時に満たす特性が要求され、例えばインジウム・すず酸化物(ITO:Indium Tin Oxide)膜などが一般的に用いられている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
図4に示すアンテナおよび図5に示す光起電力素子を組み合わせ、アンテナに付随する回路を動作させるための電力を光起電力素子で発生させて自律動作を可能とする装置を構成する場合には、アンテナの放射パターンなどの特性と光起電力素子の起電力特性が相互に影響を与えないように配置上の工夫が必要となる。特に、従来のアンテナは光を透過しないので、その影によって光起電力素子の起電力が低下しないように、光の入射方向に対して両者を重ねて配置することはできない。そのため、両者を平面的に配置せざるをえず、その結果として占有面積が大きくなって装置の小型化が阻害される問題点があった。
【0008】
本発明は、アンテナと光起電力素子を重ねて配置可能とし、占有面積の小型化を達成することができるアンテナ光起電力素子一体化装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明のアンテナ光起電力素子一体化装置は、パッチアンテナを形成する導体電極および誘電体基板として光を透過できるものを用い、パッチアンテナを透過した光により光起電力素子が発電できるように重ねて配置することを特徴とする。これにより占有面積が小さくなり、小型化することができる。
【0010】
なお、光を透過する導体電極としては、光起電力素子に光起電力を生じさせる光に対して透明な導体、半透明な導体、多数の貫通孔を設けた不透明導体、これらの組合せを用いる。また、光を透過する誘電体基板としては、光起電力素子に光起電力を生じさせる光に対して透明な誘電体を用いる。
【0011】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態を示す。図1(1) は斜投影図、図1(2) は中央部における断面図である。ここでは、光が上方から下方に向かって入射するものとする。
【0012】
図において、アンテナ1は、放射板11および地板12を形成する導体電極と誘電体基板13により構成される。光起電力素子2は、光起電能部21の両面に電極22,23を形成し、基板24上に配置した構成である。本実施形態は、アンテナ1として光起電力素子2に光起電力を生じさせる光に対して透明な材料を用い、アンテナ1と光起電力素子2を所定の空隙3を介して重ねて配置した構成を特徴とする。空隙3は、信号周波数に応じて例えば数mm〜数cmの範囲に設定されるが、アンテナ1の地板12と光起電力素子2の上面の電極22が電気的に短絡しない構造であれば接触していてもよい。このような構造としては、地板12または電極22の少なくとも一方の表面に薄膜絶縁体を形成すればよい。
【0013】
ここで、光起電能部21として、可視光線に対して光起電力を生じさせる多結晶シリコンやアモルファスシリコンなどの薄膜を用いた場合には、アンテナ1の放射板11および地板12を形成する導体電極として、可視光線に対して透明なITO膜などを用い、誘電体基板13として可視光線に対して透明なサファイヤ、石英ガラスなどを用いる。このようなガラス板の両面にITO膜で電極を形成してアンテナ1とした場合には、ITOの製造条件によって異なるが、太陽光の60%〜90%程度がこのアンテナ1を透過して光起電力素子2に到達し、アンテナに付随する回路を動作させるために必要な電力を発生することができる。
【0014】
本実施形態では、アンテナ1として、透明な誘電体基板13の下面の全面を覆う透明導体を地板12として用い、上面にパターン形成した透明導体を放射板11として用いた1つのパッチアンテナを示したが、一般的なマイクロストリップアンテナのパターンや複数のアンテナを形成してもよい。また、光起電能部21が可視光線以外の赤外線や紫外線に対して光起電力を生じさせる構造であれば、赤外線や紫外線に対してそれぞれ透明な材料でアンテナ1を構成する。
【0015】
(第2の実施形態)
図2は、本発明の第2の実施形態を示す。図2(1) は斜投影図、図2(2) は中央部における断面図である。ここでは、光が上方から下方に向かって入射するものとする。
【0016】
本実施形態の特徴は、図1に示す第1の実施形態の構成において、アンテナ1の放射板11および地板12を形成する導体電極の少なくとも一方に、光起電力素子2に光起電力を生じさせる光に対して半透明な材料を用いたところにある。その他の構成は、第1の実施形態と同様である。ここで、例えば可視光線に対して半透明な導体としては、例えば厚さ 100nm以下に堆積したクロムやアルミニウムなどの金属を用いることができる。
【0017】
すなわち、本実施形態では、光起電力素子2として、例えば可視光線に対して光起電力を生じさせる多結晶シリコンやアモルファスシリコンなどの薄膜を用いた場合には、アンテナ1として可視光線に対して透明なガラス板の両面に半透明な導体で電極を形成する。これにより、太陽光がこのアンテナ1を透過して光起電力素子2に到達し、アンテナに付随する回路を動作させるために必要な電力を発生することができる。また、光起電力素子2が可視光線以外の赤外線や紫外線に対して光起電力を生じさせる構造であれば、赤外線や紫外線に対してそれぞれ半透明な材料でアンテナ1の電極を構成する。
【0018】
(第3の実施形態)
図3は、本発明の第3の実施形態を示す。図3(1) は斜投影図、図3(2) は中央部における断面図である。ここでは、光が上方から下方に向かって入射するものとする。
【0019】
本実施形態の特徴は、図1に示す第1の実施形態の構成において、アンテナ1の放射板11および地板12を形成する導体電極の少なくとも一方に、光起電力素子2に光起電力を生じさせる光に対して不透明な材料に例えばメッシュ状に多数の貫通孔を設けたものを用いたところにある。その他の構成は、第1の実施形態と同様である。
【0020】
ここで、不透明な導体として例えばアルミニウム、銅、クロムなどの金属を用いてアンテナ1の電極を形成しても、メッシュ状に多数の貫通孔を設けることにより例えば80%程度の光を透過させることは可能である。これにより、太陽光がこのアンテナ1を透過して光起電力素子2に到達し、アンテナに付随する回路を動作させるために必要な電力を発生することができる。
【0021】
また、金属電極にあけた貫通孔の部分に、第1の実施形態で用いた透明導体、あるいは第2の実施形態で用いた半透明導体を埋め込んだものを用いてもよい。この場合には、貫通孔を完全な空隙とするよりは、導体としての特性を改善することができる。
【0022】
なお、アンテナ1の放射板11および地板12を形成する導体電極は、光起電力素子2に光起電力を生じさせる光に対して、一方が第2の実施形態で用いた半透明導体を用い、他方が第3の実施形態で用いた不透明な材料に多数の貫通孔を設けたものを用いてもよい。
【0023】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のアンテナ光起電力素子一体化装置は、アンテナを形成する導体電極および誘電体基板として光を透過できるものを用い、アンテナを透過した光により光起電力素子が発電できるように配置することにより、アンテナとアンテナに付随する回路を動作させるための電力を発生する光起電力素子を縦積みで一体化することができる。これにより、自律動作可能な装置(例えばローカル位置情報システムにおけるマーカ)の占有面積を小さくし、小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示す図。
【図2】本発明の第2の実施形態を示す図。
【図3】本発明の第3の実施形態を示す図。
【図4】アンテナの構成例を示す図。
【図5】光起電力素子の構成例を示す図。
【符号の説明】
1 アンテナ
2 光起電力素子
3 空隙
11 放射板
12 地板
13 誘電体基板
21 光起電能部
22,23 電極
24 基板
Claims (5)
- 光起電力素子に光起電力を生じさせる光を透過する材料または構造によるアンテナと、
前記アンテナの下に配置され、前記アンテナを透過した光により前記アンテナに付随する回路を動作させるための電力を発生する光起電力素子とを備え、
前記光起電力素子は、光起電能部およびその両面に形成される電極を基板上に配置した構成であり、
前記アンテナは、誘電体基板の上面および下面にそれぞれ放射板および地板を形成する導体電極を配置し、当該地板を形成する導体電極が前記光起電力素子の上面電極に絶縁体を介して接触するかまたは空隙を介して対向するように配置した構造のパッチアンテナであり、
前記放射板を形成する導体電極、前記誘電体基板および前記地板を形成する導体電極として、前記光起電力素子に光起電力を生じさせる光に対して透明な材料を用いた構成である
ことを特徴とするアンテナ光起電力素子一体化装置。 - 請求項1記載のアンテナ光起電力素子一体化装置において、
前記アンテナの放射板および地板を形成する導体電極の少なくとも一方は、前記光起電力素子に光起電力を生じさせる光に対して透明な材料に代わり、半透明な材料を用いた構成である
ことを特徴とするアンテナ光起電力素子一体化装置。 - 請求項1記載のアンテナ光起電力素子一体化装置において、
前記アンテナの放射板および地板を形成する導体電極の少なくとも一方は、前記光起電力素子に光起電力を生じさせる光に対して透明な材料に代わり、不透明な材料に多数の貫通孔を設けた構成である
ことを特徴とするアンテナ光起電力素子一体化装置。 - 請求項1記載のアンテナ光起電力素子一体化装置において、
前記アンテナの放射板および地板を形成する導体電極は、前記光起電力素子に光起電力を生じさせる光に対して透明な材料に代わり、一方の導体電極は前記光起電力素子に光起電力を生じさせる光に対して半透明な材料を用い、他方の導体電極は不透明な材料に多数の貫通孔を設けた構成である
ことを特徴とするアンテナ光起電力素子一体化装置。 - 請求項3または請求項4に記載のアンテナ光起電力素子一体化装置において、
前記アンテナの放射板および地板を形成する導体電極は、前記光起電力素子に光起電力を生じさせる光に対して不透明な材料に設けた多数の貫通孔に、この光に対して透明または半透明な導体を埋め込んだ構成である
ことを特徴とするアンテナ光起電力素子一体化装置。
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