JPH0645630A

JPH0645630A - マイクロマシン

Info

Publication number: JPH0645630A
Application number: JP4196857A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Sano; 景一佐野; Satoshi Ishida; 聡石田; Ikurou Nakane; 育朗中根; Koji Nishio; 晃治西尾
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1992-07-23
Filing date: 1992-07-23
Publication date: 1994-02-18
Anticipated expiration: 2018-05-19
Also published as: JP3407903B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光起電力素子及び内部回路の温度上昇を緩和
すると同時に、電力不足の生じる虞れのないマイクロマ
シンを提供する。【構成】所定の機能動作を実行するための内部回路系
５を内蔵したマイクロマシンであって、マシン本体の外
周面を光起電力素子３によって覆うと共に、マシン本体
の内部には、化学電池４を光起電力素子３の裏面と背中
合せに配置して、光起電力素子３及び化学電池４の起電
力を前記内部回路系５へ供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、数ミリメートル、或い
はそれ以下の大きさの微小機械であるマイクロマシンに
関し、特にマシン外部から照射される光エネルギーによ
って電力が賄われる無索方式のマイクロマシンに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、マイクロマシンと称して数ミリメ
ートル、或いはそれ以下の大きさの微小機械が提案さ
れ、実用化を目指して様々な研究開発が為されている。
斯種マイクロマシンの駆動方式として、各種アクチュエ
ータを具えたマシンユニットに対して外部からケーブル
を介してエネルギー(電力)及び制御信号を供給する有索
方式と、マシンユニット内に蓄電池等のエネルギー源を
具えて外部からは無線で制御信号のみを供給する無索方
式とが知られている。

【０００３】有索方式の場合はエネルギー源がマシンユ
ニットの外部にあるためにユニット自体を小形化出来る
と共に、駆動エネルギー量に制限を受けないので、マイ
クロマシンの設計の自由度が大きい利点がある。しかし
その反面、エネルギー供給の為のケーブルが不可欠であ
るので、マシンユニットの動作範囲や動きに制約があ
る。

【０００４】一方、無索方式の場合、マシンユニットの
動きに制限はなくなるが、マシンユニットを駆動するた
めのエネルギー源をユニットに搭載しなければならない
ので、マシン全体の大きさや重量が増し、マイクロマシ
ン本来の機能を損う欠点がある。

【０００５】そこで、無索方式のマイクロマシンにおい
て、エネルギー源をマシンユニットには搭載せず、エネ
ルギー線である光線をマシンユニットへ照射することに
よって、エネルギーの供給を外部から無索で行なう方式
が検討されている(例えば特願平３−７２４３号)。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この場合、マイクロマ
シンの表面には、外部から照射される光線を電力に変換
する太陽電池等の光起電力素子が配設される。

【０００７】ところが、一般に、光起電力素子の電力変
換効率は低く、現状では高々２０〜３０％程度である。
特にマイクロマシンにおいては、可能な限りの小形化が
図られているから、光起電力素子を配設すべき表面の面
積も限られたものとなり、マイクロマシンが発揮すべき
機能動作の負荷が大きくなった場合、光起電力素子の起
電力だけでは電力不足が生じる虞れがある。又、マイク
ロマシンが光線の到達しない箇所を通過する際、一時的
に停電状態となる。

【０００８】更に又、光起電力素子にて電力に変換され
なかった大部分の光エネルギーは熱となり、光起電力素
子の温度上昇を招来するばかりでなく、マイクロマシン
本来の機能動作を実行するための内部回路をも加熱する
ことになる。光起電力素子の温度上昇は電力変換効率の
低下を来し、内部回路の温度上昇は回路の誤動作を招来
する問題がある。

【０００９】本発明の目的は、光起電力素子及び内部回
路の温度上昇を緩和すると同時に、電力不足の生じる虞
れのないマイクロマシンを提供することである。

【００１０】

【課題を解決する為の手段】本発明に係るマイクロマシ
ン(１)は、図１に示す如く、所定の機能動作を実行する
ための回路系(５)を内蔵し、マシン本体の外周面を光起
電力素子(３)によって覆うと共に、マシン本体の内部に
は、化学電池(４)を光起電力素子(３)の裏面と背中合せ
に配置して、光起電力素子(３)及び化学電池(４)の起電
力を前記回路系(５)へ供給するものである。

【００１１】化学電池(４)として２次電池を用いれば、
光起電力素子(３)の起電力によって化学電池(４)を充電
することが可能である。

【００１２】

【作用】マイクロマシン(１)表面の光起電力素子(３)に
対して太陽光やレーザ光等の光線が照射されると、光起
電力素子(３)からは起電力が発生し、該起電力は内部回
路系(５)へ供給される。又、化学電池(４)は放電によっ
て内部回路系(５)へ電力を供給する。尚、化学電池(４)
として２次電池を用いれば、低負荷時の余剰電力は化学
電池(４)に蓄えられ、例えば光線の照射が途絶えたとき
等に、該化学電池(４)を放電させることによって、必要
な電力を賄うことが出来る。

【００１３】光起電力素子(３)は光線の照射によって熱
を発生するが、光起電力素子(３)の背面には化学電池
(４)が密接して配置されているから、光起電力素子(３)
から発生する熱は化学電池(４)へ伝達され、該化学電池
(４)の熱容量によって吸収される。従って、光起電力素
子(３)の温度上昇は、化学電池(４)が配置されていない
従来に比べて緩和されることになる。

【００１４】又、光起電力素子(３)の発生熱は化学電池
(４)によって遮断され、内部回路系(５)には殆ど伝わら
ないから、内部回路系(５)の温度上昇も抑制されるので
ある。

【００１５】ところで、化学電池は一般に、温度上昇に
伴って正極利用率が向上することが知られている。従っ
て、光起電力素子(３)の発生熱を受けて化学電池(４)の
温度が上昇することにより、該化学電池(４)の放電時間
が伸び、長時間に亘って光線の照射が途絶えた場合に
も、該化学電池(４)の放電による電力供給を継続するこ
とが出来る。

【００１６】

【発明の効果】本発明に係るマイクロマシンによれば、
化学電池の配置によって、光起電力素子及び内部回路の
温度上昇が緩和されると共に、電力の安定供給を図るこ
とが出来、従来の回路誤動作及び電力不足の問題が一挙
に解決される。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき、図面に沿っ
て詳述する。図１に示す如く、本発明のマイクロマシン
(１)は、直径が略５〜１０ｍｍ程度の管(９)内に装入さ
れて、管(９)内壁へ向けて突設した複数本の駆動脚(２)
及びマイクロマシン(１)本体の伸縮によって前進、後退
移動を行なうものである。

【００１８】外部から照射すべきエネルギー線としては
レーザ光線が使用され、マイクロマシン(１)の表面は、
レーザ光線の光エネルギーを電力に変換する多数の光起
電力素子(３)によって覆われている。

【００１９】光起電力素子(３)は図２に示す如きａ−Ｓ
ｉ太陽電池であって、透明絶縁基板(37)上に、透明電極
(35)、ａ−Ｓｉ層(31)及びアルミニウム製の裏面電極(3
6)を積層したものである。ａ−Ｓｉ層(31)は、厚さ略１
５０オングストロームのｐ層(32)、厚さ略５０００〜１
００００オングストロームのｉ層(33)、及び厚さ略５０
０オングストロームのｎ層(34)からなる周知の接合構造
を有している。尚、透明電極(35)上にはアルミニウム製
の端子片(38)が形成され、該端子片(38)にプラス出力、
前記裏面電極(36)にマイナス出力が得られる。

【００２０】上記光起電力素子(３)によれば、例えば入
射レーザ光強度が１ｍＷ／ｍｍ²、受光面積が５０ｍ
ｍ²、変換効率が３０％の場合、１５ｍＷ程度の起電力
が得られることになる。

【００２１】光起電力素子(３)の背面には化学電池(４)
が密接して配置されている。化学電池(４)は厚さ１ｍｍ
程度の平板型のリチウム２次電池であって、図２の如く
電解質層(43)を挟んで両側に負極層(42)及び正極層(44)
を配置すると共に、これらを負極缶(41)及び正極缶(45)
によって挟み込み、負極缶(41)と正極缶(45)を絶縁体(4
6)(46)によって連結し、密閉構造としている。

【００２２】負極層(42)はリチウム或いはリチウム合金
からなり、正極層(44)は、活性質としてのマンガン酸化
物に対してアセチレンブラック導電剤とフッ素樹脂結着
剤を８０：１０：１０(重量比)の割合で混合し、成型し
たものである。

【００２３】又、電解質層(43)は、ポリエチレンオキサ
イド中にリチウム塩としてのＬiＣlＯ₄を添加した固体
高分子リチウムイオン導電体によって構成され、負極缶
(41)及び正極缶(45)はステンレス鋼製である。

【００２４】尚、前記電解質層(43)のＬiＣlＯ₄の替り
に、ＬiＢＦ₄、ＬiＣＦ₃ＳＯ₃等の種々のリチウム塩を
用いることが可能であり、ポリエチレンオキサイドの替
りに、ポリエステル、ポリイミン等が使用可能である。

【００２５】又、電解質層(43)は固体に限らず、プロピ
レンカーボネート、エチレンカーボネート等の電解液を
採用することも可能であり、更には、これらの電解液中
にポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル等
の可塑材を添加してゲル化した電解質を用いることも出
来る。

【００２６】上記光起電力素子(３)及び化学電池(４)は
図３に示す如く電気接続されて、電力供給系が構成され
る。光起電力素子(３)からの電流は、逆流防止ダイオー
ド(６)及び電流制限抵抗(７)を経て、前記内部回路等の
負荷(11)へ供給されると共に、化学電池(４)へ供給さ
れ、余剰電力によって化学電池(４)が充電されることに
なる。

【００２７】マイクロマシン(１)の自走機構として、図
７に示す如く、マシン本体を伸縮可能な前本体(１ａ)と
後本体(１ｂ)とから構成し、前本体(１ａ)及び後本体
(１ｂ)の外周面には、夫々複数本の伸縮可能な前駆動脚
(２ａ)と後駆動脚(２ｂ)を突設している。

【００２８】上記本体及び駆動脚の伸縮駆動機構として
は、図６に示す積層型圧電アクチュエータ(８)が採用出
来る。積層型圧電アクチュエータ(８)は、圧電セラミッ
クス片(81)を挟んで両側に、正電極(82)及び負電極(83)
を対向配備して構成され、両電極(82)(83)間へ所定電圧
Ｖｄを印加することによって、圧電セラミックス片(81)
が鎖線の如く伸縮するものである。尚、積層型圧電アク
チュエータ(８)は図３の負荷(11)として電力供給系に組
み込まれる。

【００２９】マイクロマシン(１)の前進移動の際には、
図７(ａ)の如く前本体(１ａ)と後本体(１ｂ)が互いに縮
んでおり、且つ前駆動脚(２ａ)と後駆動脚(２ｂ)が突出
して先端部が管(９)内壁に圧接された状態から、図７
(ｂ)の如く前駆動脚(２ａ)を縮め、更に前本体(１ａ)を
前方へ伸ばす。

【００３０】次に、図７(ｃ)の如く前駆動脚(２ａ)を伸
ばして先端部を管(９)内壁に圧接せしめ、更に後駆動脚
(２ｂ)を縮めた状態で、後本体(１ｂ)を前本体(１ａ)側
へ縮める。その後、後駆動脚(２ｂ)を伸ばして図７(ａ)
の状態へ戻るのである。

【００３１】以上の行程によって、マイクロマシン(１)
は前本体(１ａ)と後本体(１ｂ)の伸縮量Ｌだけ前進する
ことになり、この行程を繰り返すことによって、前進を
続けることが出来る。同様にして後退移動も可能であ
る。

【００３２】上記マイクロマシン(１)においては、光起
電力素子(３)が発生する熱は、直接に化学電池(４)へ伝
わり、化学電池(４)の熱容量によって光起電力素子(３)
の温度上昇が抑制されることになる。

【００３３】図４は、上記光起電力素子(３)を構成する
ａ−Ｓｉ太陽電池の電流−電圧特性を示している。この
グラフから明らかな様に、温度の上昇に伴って、負荷を
零としたときの短絡電流Ｉscは増加するが、それ以上に
開放電圧Ｖocが大幅に減少し、変換効率が低下すること
になる。例えば温度が１℃上昇すると、変換効率は０.
２〜０.３％低下する。従って、光起電力素子(３)は出
来だけ低温で動作させることが望ましい。

【００３４】一方、図５は、上記化学電池(４)の放電特
性を示している。このグラフから明らかな様に、一定電
流値における正極利用率は、放電温度の上昇に伴って増
大することになる。これは、電解質中或いは正極活性物
質中のイオン移動速度が、温度上昇に伴って速くなるた
めと考えられる。

【００３５】上記正極利用率の増大は、化学電池(４)の
放電時間が長くなることを意味してから、光起電力素子
(３)による発電が長時間に亘って途絶えた場合にも、化
学電池(４)の放電によって、必要な電力が賄われるので
ある。

【００３６】又、化学電池(４)の充電に際しても、温度
上昇によって充電時間が短縮されることになり、２次電
池としての機能を充分に発揮せしめることが出来る。

【００３７】上記マイクロマシン(１)においては、光起
電力素子(３)から発生する熱が化学電池(４)へ伝達さ
れ、該化学電池(４)の温度を上昇させるから、化学電池
(４)の熱容量によって光起電力素子(３)の温度上昇が緩
和されるばかりでなく、化学電池(４)の放電特性も改善
される。従って、光起電力素子(３)単体、或いは光起電
力素子(３)と化学電池(４)とを互いに離して配置した電
力供給系に比べ、変換効率及び安定度の高い電力供給を
実現出来る。

【００３８】然も、光起電力素子(３)の発生熱は化学電
池(４)によって遮断され、内部回路系(５)には殆ど伝わ
らないから、内部回路系(５)の温度上昇が抑制され、内
部回路系(５)の誤動作を防止することが出来る。

【００３９】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは
勿論である。

【００４０】例えば光起電力素子(３)としては単結晶Ｓ
ｉ太陽電池を用いることも可能である。又、化学電池
(４)は２次電池に限らず、１次電池によって構成するこ
とが可能であり、この場合も上記同様に放電特性が改善
される効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るマイクロマシンの一部破断斜視図
である。

【図２】光起電力素子及び化学電池の拡大断面図であ
る。

【図３】電力供給系の等価回路図である。

【図４】光起電力素子の特性を示すグラフである。

【図５】化学電池の特性を示すグラフである。

【図６】圧電アクチュエータの概略構成を示す正面図で
ある。

【図７】マイクロマシンの自走動作を示す一連の側面図
である。

【符号の説明】

(１) マイクロマシン (２) 駆動脚 (３) 光起電力素子 (４) 化学電池 (５) 内部回路系 (９) 管

フロントページの続き (72)発明者西尾晃治大阪府守口市京阪本通２丁目18番地三洋電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の機能動作を実行するための回路系
(５)を内蔵したマイクロマシンであって、マシン本体の
外周面を光起電力素子(３)によって覆うと共に、マシン
本体の内部には、化学電池(４)を光起電力素子(３)の裏
面と背中合せに配置して、光起電力素子(３)及び化学電
池(４)の起電力を前記回路系(５)へ供給することを特徴
とするマイクロマシン。
【請求項２】化学電池(４)は２次電池であって、光起
電力素子(３)の起電力によって化学電池(４)が充電され
る請求項１に記載のマイクロマシン。