東大ら,浮遊可能なLED発光体を開発

東京大学と慶應義塾大学の研究グループは,手で触れる空中ディスプレー向けに3次元空間を飛び回るLED内蔵のミリメートルサイズの発光体を作製することに成功した(ニュースリリース)。

空中に3次元映像を投影する空中ディスプレーは,ディスプレーの究極の姿として近年さまざまな方式の研究開発が進められている。これまでは鏡を利用した光学方式が主流で,3次元映像を手で触れない点が,視聴者がリアルな体験をする上での課題だった。

そこで3次元空間中を自由に移動でき,自ら発光し,そして手で触れるという3つの要件を備えたミリメートルサイズの極小発光素子を開発し,蛍のように光ることからゲンジボタルの学名より「Luciola(ルシオラ)」と名付けた。

ルシオラを実現するためには,物体の空中浮遊・移動技術と,浮遊したLEDへのエネルギー供給技術の2つが必要になる。今回,物体の空中浮遊・移動技術として超音波集束ビームを用い,エネルギー供給技術として無線給電を用いた。

人間の耳には聞こえない40キロヘルツの超音波スピーカーを17個×17個の2次元格子状に並べた17㎝四方の超音波アレーを2台,20㎝距離を離して対向して設置し,各超音波スピーカーを駆動する電気信号の位相を制御することにより2台の超音波アレーの間の空間の1点に超音波ビームの焦点を集める。

この超音波ビームの焦点に物体を差し入れると,物体が空中浮遊する。さらに,超音波スピーカーの位相を制御して超音波ビームの焦点を動かすと,物体をミリメートル単位の高精度で空中を移動させることができる。

超音波で浮遊させる物体は,小型かつ軽量である必要があるため,従来は直径数㎜以下で,発泡スチロール球のようにごく軽く,電子回路を持たない物体に制限されていた。浮遊物体を発光させるために電池を搭載すると,大きく,重たくなってしまうため,超音波で物体を浮遊させることができないという課題があった。

今回,無線給電による電池の不要化とLED点灯に必要な電子回路の専用IC化の2点の工夫により小型・軽量化を実現し,直径4ミリメートルの半球形状で,重さ16ミリグラムの空中移動する発光体の作製に成功した。この「空中移動する小型電子回路内蔵発光体」の実現は,世界初の成果。

エネルギー供給は,発光体の近くに設置した直径31㎜の給電用コイルから,発光体に内蔵されたフレキシブルプリント基板上に形成した受電用コイルに対して,12.3メガヘルツの磁界共振結合型の無線給電により行なった。無線給電では送受電コイルの位置関係で値が大きく変動する交流電圧を,LED点灯に必要な約3ボルトの直流電圧へと整流・電圧調整する必要がある。

これを市販の汎用ICを組み合わせて実現した場合,回路が大型化し,超音波で物体が浮遊しないという問題があったが,今回新規に開発した1㎜四方のICチップに全ての電源回路を集約することで,小型・軽量化に成功した。

ルシオラの特長を生かし,手で触れる空中ディスプレーの実現に向けた発光画素のデモとして,空中移動と無線給電をオンオフするタイミングを合わせて制御することにより,空中の位置に応じてLEDを点灯・消灯し,3次元空間内に文字や図形を表示したり,読者の視線の動きに合わせて本の上の空中を移動するマイクロ読書灯を可能にした。

今後は,空中ディスプレーの表現力をより高めるために,発光物体の個数を増やすことによる発光画素の多点化に取り組む予定。さらに,空中移動する小型電子物体に対してセンサー,アクチュエーター,無線通信機能などを追加することにより,空中移動可能な小型のセンサーノードとしてIoT分野へ展開する研究に取り組んでいく。

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