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エナジーハーベスティングによる発光デバイス UPDATE

国内特許コード P180015095
整理番号 S2016-1194-N0
掲載日 2018年6月20日
出願番号 特願2016-208459
公開番号 特開2018-068401
出願日 平成28年10月25日(2016.10.25)
公開日 平成30年5月10日(2018.5.10)
発明者
  • 徳田 崇
  • 太田 淳
  • 笹川 清隆
  • 野田 俊彦
  • 竹原 宏明
出願人
  • 国立大学法人 奈良先端科学技術大学院大学
発明の名称 エナジーハーベスティングによる発光デバイス UPDATE
発明の概要 【課題】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。
【解決手段】発光デバイス1は、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(フォトダイオード3)と、収穫した電力を蓄電する蓄電手段(キャパシタ6)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(LED部7a,7b)を備える。発光デバイス1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、生体内で刺激光(青色光など)を発光することにより、オプトジェネティクス用生体内光刺激デバイスを実現する。
【選択図】図18
従来技術、競合技術の概要


近年、電子デバイスを動作させるための電力を、周囲の光や熱、震動などから得られる弱い電力を、蓄積や最適化の仕組みによって得る技術が広く研究されており、エナジーハーベスティング技術と総称されている。エナジーハーベスティングは、太陽光や周囲の照明光、振動、熱などのエネルギーを採取して電力を得る技術であり、周囲の使用されずに捨てられている僅かなエネルギーを拾い集めて使用する。エナジーハーベスティングは、発電の仕組みと動作原理の違いによって、幾つかに分類されるが、その中で、太陽光や白熱灯、蛍光灯、LED(発光ダイオード)等の照明からの光エネルギーを採取して電力を得て、得られた電力を蓄積し、充分に電力が蓄積されたら負荷デバイスを一定時間動作させるという光発電の仕組みがある。



エナジーハーベスティングに関する技術として、例えば、周囲環境のエネルギー源からエネルギーを採取するエナジーハーベストデバイスから、電力を蓄積する蓄電デバイスや負荷デバイスへのエネルギー伝送の効率を改善する回路構造や方法が知られている(例えば、特許文献1を参照。)。
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。)。



一方、生体埋め込みエレクトロニクスデバイスやIoT(Internet of Things)デバイスにおいては、極めて小さいサイズで、エネルギーを外部から受信して、駆動電力を供給する必要がある。しかしながら、従来から知られた電磁波による電力供給の場合、アンテナサイズ(巻数)が発生電圧に結びつくので、超小型には向かず、また昇圧の仕組みが必要であるといった問題があった。なお、光による電力供給(例えば、太陽電池)の場合、電流が小さくなることを許容できれば小型でも高い電圧を得やすいことが知られている。
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。

産業上の利用分野


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、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デバイスに関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
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。

【請求項2】
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。

【請求項3】
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。

【請求項4】
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。

【請求項5】
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。

【請求項6】
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。

【請求項7】
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。

【請求項8】
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。

【請求項9】
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。

【請求項10】
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。

【請求項11】
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。

【請求項12】
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。

【請求項13】
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14】
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15】
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。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2016208459thum.jpg
出願権利状態 公開
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