圧電性半導体の光・運動変換を用いたマイクロマシンの遠隔駆動機構

本研究で提案した光電効果と圧電効果を組み合わせた遠隔駆動機構は、マイクロマシンにおいて、エネルギーの源とその伝達、およびマシン内での動力への変換をマイクロサイズのデバイスで行なうという問題を克服し、単独で自由に動き回る「トラベリングロボット」を実現し得る駆動機構として期待される。光電変換部の最適化を図るため、a-Si太陽電池の直列接続構造を作製し、アクチュエータとしてPVDFを選びこれを駆動することで特性を測定した。基板としてガラス基板及びSi基板を用いた。ガラス基板の場合は基板からの光入射、Si基板の場合は上部電極を透明とし上部からの光入射とする。上部、下部各電極は、透明の場合はITOあるいはZnOを、また不透明の場合は反射率を考慮しAl,Al/ITO/あるいはITO/Alを用いた。直列接続構造として、マスク蒸着による絶縁とワイアボンディングによる接続を用いたディスクリートモデルと、レーザアブレーションによる微細加工を用いた集積モデルを作製したが、集積モデルは各膜の作製条件と微細加工の条件の最適な組合せを見い出すまでに至らず、充分な数の直列接続構造が得られなかったので、主にディスクリートモデルで特性を測定した。直列接続の素子数の増加と共に、開放電圧はほぼ素子数に比例して増加し、ソ-ラシミュレータ(AM=1.5,100mW/cm^2)照射時に素子数24で最大15.9Vを得た。また短絡電流は、素子数20程度では若干減少するものの目立った変化は見られず、同じく素子数24で200μAを得た。ディスクリートモデルでは素子間の接続抵抗が比較的大きいが、集積モデルの加工プロセスの最適化により接続抵抗を減らすことができ、さらなる性能向上が期待される。また、チョッピング光照射によるPVDFアクチュエータの振動駆動を試み、アクチュエータの共振周波数に合わせたチョッピングにより複数のアクチュエータを選択的に駆動できることを確認した。負荷時の発生電圧は約250HzまでDCと変わらず、その後周波数の1/2乗に反比例して低下したが、素子数の増加によるカットオフ周波数の低下は見られなかった。このことから直列接続太陽電池が振動駆動の電源としても有効であることが示された。

本研究で提案した光電効果と圧電効果を組み合わせた遠隔駆動機構は、マイクロマシンにおいて、エネルギーの源とその伝達、およびマシン内での動力への変換をマイクロサイズのデバイスで行なうという問題を克服し、単独で自由に動き回る「トラベリングロボット」を実現し得る駆動機構として期待される。光電変換部の最適化を図るため、a-Si太陽電池の直列接続構造を作製し、アクチュエータとしてPVDFを選びこれを駆動することで特性を測定した。基板としてガラス基板及びSi基板を用いた。ガラス基板の場合は基板からの光入射、Si基板の場合は上部電極を透明とし上部からの光入射とする。上部、下部各電極は、透明の場合はITOあるいはZnOを、また不透明の場合は反射率を考慮しAl,Al/ITO/あるいはITO/Alを用いた。直列接続構造として、マスク蒸着による絶縁とワイアボンディングによる接続を用いたディスクリートモデルと、レーザアブレーションによる微細加工を用いた集積モデルを作製したが、集積モデルは各膜の作製条件と微細加工の条件の最適な組合せを見い出すまでに至らず、充分な数の直列接続構造が得られなかったので、主にディスクリートモデルで特性を測定した。直列接続の素子数の増加と共に、開放電圧はほぼ素子数に比例して増加し、ソ-ラシミュレータ(AM=1.5,100mW/cm^2)照射時に素子数24で最大15.9Vを得た。また短絡電流は、素子数20程度では若干減少するものの目立った変化は見られず、同じく素子数24で200μAを得た。ディスクリートモデルでは素子間の接続抵抗が比較的大きいが、集積モデルの加工プロセスの最適化により接続抵抗を減らすことができ、さらなる性能向上が期待される。また、チョッピング光照射によるPVDFアクチュエータの振動駆動を試み、アクチュエータの共振周波数に合わせたチョッピングにより複数のアクチュエータを選択的に駆動できることを確認した。負荷時の発生電圧は約250HzまでDCと変わらず、その後周波数の1/2乗に反比例して低下したが、素子数の増加によるカットオフ周波数の低下は見られなかった。このことから直列接続太陽電池が振動駆動の電源としても有効であることが示された。