JP5158427B2 - Power extraction circuit for electrostatic induction type conversion element - Google Patents

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Description

本発明は、振動などで外部から加わる力によって生ずる運動エネルギーを電気エネルギーに変換する静電誘導型変換素子から高い効率で電力を取り出すことができる電力取り出し回路に関するものである。   The present invention relates to an electric power extraction circuit that can extract electric power with high efficiency from an electrostatic induction conversion element that converts kinetic energy generated by externally applied force such as vibration into electric energy.

近年、環境を汚染しない電気エネルギーの生成技術の開発が注目されており、太陽光発電や風力発電などが実用化されている。このような技術開発において、他の電気エネルギーの生成技術として、振動などの外部から加わる力によって生ずる運動エネルギーを電気エネルギーに変換する静電誘導型変換素子の開発も進められている。   In recent years, attention has been paid to the development of electric energy generation technology that does not pollute the environment, and solar power generation, wind power generation, and the like have been put into practical use. In such technical development, development of an electrostatic induction conversion element that converts kinetic energy generated by externally applied force such as vibration into electric energy is also underway as another electric energy generation technique.

この静電誘導型変換素子に関しては、例えば、特開2006−180450号公報(特許文献1)に開示される静電誘導型変換素子、特開2007−312551号公報(特許文献2)に開示される静電誘導型変換素子が知られている。   The electrostatic induction conversion element is disclosed in, for example, an electrostatic induction conversion element disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-180450 (Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-31551 (Patent Document 2). An electrostatic induction conversion element is known.

特開2006−180450号公報(特許文献1)に開示される静電誘導型変換素子10は、図10に示すように、絶縁材料の表面付近に電荷を注入して形成されたエレクトレット11が、2つの導体12,13の間に位置して一方の導体12に電気的に接触して配置され、他方の導体13がエレクトレット11に対して所定の間隔をあけて対向し、導体13とエレクトレット11が相対的に運動して運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されている。これにより、2つの導体12、13を負荷14に電気的に接続し、例えば導体13を図における矢印方向に往復運動させると、エレクトレット11に注入された電荷(図では負電荷)により導体13に正電荷が静電誘導され、負荷14に電流が流れる。従って、上記構成の静電誘導型変換素子10が発電機として機能する。   As shown in FIG. 10, an electrostatic induction conversion element 10 disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2006-180450 (Patent Document 1) includes an electret 11 formed by injecting electric charges near the surface of an insulating material. Located between the two conductors 12 and 13 and arranged in electrical contact with one conductor 12, the other conductor 13 faces the electret 11 at a predetermined interval, and the conductor 13 and the electret 11. Are configured to relatively move and convert kinetic energy into electrical energy. As a result, when the two conductors 12 and 13 are electrically connected to the load 14 and the conductor 13 is reciprocated in the direction of the arrow in the figure, for example, the electric charge (negative charge in the figure) injected into the electret 11 A positive charge is electrostatically induced, and a current flows through the load 14. Therefore, the electrostatic induction conversion element 10 having the above configuration functions as a generator.

特開2007−312551号公報(特許文献2)に開示される静電誘導型変換素子は、対向する基板が互いに相対運動する際に、互いの距離を適正に維持することができるように改良を施したものである。すなわち、図11及び図12に示すように、2つの基板21,22が互いに対向して配置されており、各基板21,22の対向面上には、エレクトレット23と導体24とが形成されている。また、上記基板21,22は、対向面に平行な方向(図の矢印A、B方向)に相対運動し、エレクトレット23は、基板21,22の相対運動に伴い導体24に対して相対的に運動し、導体24に静電誘導による起電力を発生させる。このエレクトレット23と導体24とは、基板21,22間の距離を適正に維持するために、エレクトレット23と導体24とが対向して発生する吸引力と、エレクトレット23同士が対向して発生する反発力とが釣り合うように配置されている。   The electrostatic induction conversion element disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-31551 (Patent Document 2) has been improved so that the distance between the substrates can be properly maintained when the opposing substrates move relative to each other. It has been applied. That is, as shown in FIGS. 11 and 12, two substrates 21 and 22 are arranged to face each other, and electrets 23 and conductors 24 are formed on the opposing surfaces of the substrates 21 and 22. Yes. The substrates 21 and 22 move relative to each other in the direction parallel to the opposing surface (the directions of arrows A and B in the figure), and the electret 23 moves relative to the conductor 24 as the substrates 21 and 22 move relative to each other. The electromotive force is generated in the conductor 24 by electrostatic induction. In order to maintain the distance between the substrates 21 and 22 appropriately, the electret 23 and the conductor 24 are attracted by the electret 23 and the conductor 24 facing each other, and the repulsion generated by the electret 23 facing each other. It is arranged to balance the force.

このような静電誘導型変換素子から電力を取り出すときには、例えば図13に示すような電力取り出し回路を使用していた。図13において、30は電力取り出し回路で、1対の入力端子31a,31bと1対の出力端子31c,31dと、抵抗器32,33,34、ダイオード35から構成されている。   When taking out electric power from such an electrostatic induction type conversion element, for example, an electric power taking out circuit as shown in FIG. 13 has been used. In FIG. 13, reference numeral 30 denotes a power extraction circuit, which includes a pair of input terminals 31 a and 31 b, a pair of output terminals 31 c and 31 d, resistors 32, 33 and 34, and a diode 35.

入力端子31aは導体13に接続され、入力端子31bは導体12に接続されている。抵抗器32の一端は入力端子31aに接続され、抵抗器32の他端は抵抗器33を介して入力端子31bと出力端子31dに接続されている。また、抵抗器32の他端にはダイオード35のアノードが接続されている。ダイオード35のカソードは出力端子31cに接続されると共に抵抗器34を介して出力端子31dに接続されている。   The input terminal 31 a is connected to the conductor 13, and the input terminal 31 b is connected to the conductor 12. One end of the resistor 32 is connected to the input terminal 31a, and the other end of the resistor 32 is connected to the input terminal 31b and the output terminal 31d via the resistor 33. The other end of the resistor 32 is connected to the anode of a diode 35. The cathode of the diode 35 is connected to the output terminal 31 c and is connected to the output terminal 31 d via the resistor 34.

上記電力取り出し回路30では、導体13が往復運動することにより、エレクトレット11と導体13との間に例えば80Vの電圧を有する交流の静電気が発生し、直列接続された抵抗器32,33に電流が流れる。エレクトレット11と導体13との間に発生した電圧は直列接続した抵抗器32,33によって分圧され、例えば1V〜5V程度の電圧とされた後、ダイオード35によって整流される。なお、エレクトレット11と導体13との間の抵抗値は数MΩであるので直列接続した抵抗器32,33の合成抵抗値もほぼ同程度の値に設定されている。
特開2006−180450号公報 特開2007−312551号公報
In the power extraction circuit 30, alternating current static electricity having a voltage of, for example, 80 V is generated between the electret 11 and the conductor 13 due to the reciprocating motion of the conductor 13, and current is applied to the resistors 32 and 33 connected in series. Flowing. The voltage generated between the electret 11 and the conductor 13 is divided by resistors 32 and 33 connected in series, and is rectified by a diode 35 after being set to a voltage of about 1 V to 5 V, for example. Since the resistance value between the electret 11 and the conductor 13 is several MΩ, the combined resistance values of the resistors 32 and 33 connected in series are also set to substantially the same value.
JP 2006-180450 A JP 2007-31551 A

しかしながら、静電誘導型変換素子から出力される電気エネルギーは不規則な交流成分であり、その出力は容量生で抵抗値は非常に小さく(例えば、数MΩ)、これに対して直列接続された抵抗器32,33の値は高インピーダンスであるのでキャパシタンス成分も多く含まれる。このため、エレクトレット11と導体13間のキャパシタンスに対して、直列接続された抵抗器32,33のキャパシタ成分が並列接続されることになるので、電力の取り出し効率が非常に低下してしまう。さらに、ダイオード35の後段に100kΩ程度の抵抗器34を接続して電流を流すようにしているので、ダイオード35のカソード側インピーダンスが数MΩであるのに対しダイオード35のアノード側のインピーダンスが100kΩであるため、この抵抗器34による損失が大きくなり、実用化が困難であるという問題点があった。   However, the electrical energy output from the electrostatic induction conversion element is an irregular alternating current component, the output is capacitive and the resistance value is very small (for example, several MΩ), and this is connected in series. Since the values of the resistors 32 and 33 are high impedance, many capacitance components are included. For this reason, since the capacitor components of the resistors 32 and 33 connected in series are connected in parallel to the capacitance between the electret 11 and the conductor 13, the power extraction efficiency is greatly reduced. Further, since a resistor 34 of about 100 kΩ is connected to the subsequent stage of the diode 35 so that current flows, the impedance on the anode side of the diode 35 is 100 kΩ while the cathode side impedance of the diode 35 is several MΩ. For this reason, there is a problem that the loss due to the resistor 34 becomes large and it is difficult to put it to practical use.

本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、静電誘導型変換素子から効率よく電力を取り出すことが可能な電力取り出し回路を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a power extraction circuit capable of efficiently extracting electric power from an electrostatic induction conversion element.

本発明は前記目的を達成するために、所定間隔をあけて互いに対向し、対向面に対して平行な方向に相対運動可能な2つの基板と、少なくとも一方の基板の対向面の所定位置に形成されたエレクトレットと、該エレクトレットに対向する基板の表面にエレクトレットに対向する位置に形成された導体と、前記対向面に対して平行な所定直線方向に相対的な往復運動可能に前記基板を支持する支持手段とを有し、外部から加わる力によって前記2つの基板に生ずる相対運動の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する静電誘導型変換素子から電力を取り出す電力取り出し回路であって、前記エレクトレットに一端が導通接続され且つ前記導体に他端が導通接続された一次巻線と、該一次巻線に磁気結合された二次巻線とを有して所定の同調周波数に設定された第1段トランスと、該第1段トランスの後段に1段以上接続されて他のトランスとは異なる同調周波数に設定された1つ以上のトランスとを有するスタガ同調回路と、前記スタガ同調回路の最後段のトランスの二次巻線の両端に一対の入力端子が接続されるとともに一対の出力端子を有する整流回路とを備えている電力取り出し回路を提案する。   In order to achieve the above object, the present invention forms two substrates facing each other at a predetermined interval and capable of relative movement in a direction parallel to the facing surface, and at a predetermined position on the facing surface of at least one of the substrates. The electret, a conductor formed on the surface of the substrate facing the electret at a position facing the electret, and supporting the substrate so as to be capable of relative reciprocation in a predetermined linear direction parallel to the facing surface. A power extracting circuit for extracting electric power from an electrostatic induction conversion element that converts the kinetic energy of relative motion generated in the two substrates by an external force to be converted into electric energy and outputs the electric energy. A primary winding having one end conductively connected to the electret and the other end conductively connected to the conductor; and a secondary winding magnetically coupled to the primary winding. A stagger tuning circuit having a first stage transformer set to a tuning frequency and one or more transformers connected to one or more stages after the first stage transformer and set to a tuning frequency different from other transformers; A power extraction circuit including a pair of input terminals connected to both ends of the secondary winding of the last transformer of the stagger tuning circuit and a rectifier circuit having a pair of output terminals is proposed.

本発明の電力取り出し回路では、スタガ同調回路の各段のトランスのそれぞれによって同調回路が構成され、これらの同調回路の同調周波数はそれぞれ異なる周波数に設定されている。   In the power extraction circuit of the present invention, a tuning circuit is constituted by each of the transformers of each stage of the stagger tuning circuit, and the tuning frequencies of these tuning circuits are set to different frequencies.

静電誘導型変換素子のエレクトレットと導体の間に発生した交流電圧は、第1段トランスの一次巻線に印加され、この一次巻線に交流電流が流れる。この交流電流によって一次巻線には磁界が発生し、この磁界は二次巻線に交差する。これにより、二次巻線には磁気誘導によって電流が発生し、二次巻線の両端には一次巻線との巻き数比に応じた電圧の交流電力が発生する。このとき第1段トランスの二次巻線には第1段トランスによって形成される同調回路の同調周波数に一致する周波数の交流電力が最も効率良く出力される。また、後段の他のトランスの二次巻線には前段のトランスから出力された周波数の交流電力に加えて、このトランスによって形成される同調回路の同調周波数に一致する周波数の交流電力が出力される。したがって、最終段のトランスの二次巻線から出力される交流電力には、各トランスによって形成される同調回路の同調周波数に一致した周波数の交流電力成分の全てが含まれている。最終段のトランスの二次巻線に発生した交流電力は整流回路によって直流電力に変換されて出力される。   An alternating voltage generated between the electret and the conductor of the electrostatic induction conversion element is applied to the primary winding of the first stage transformer, and an alternating current flows through the primary winding. This alternating current generates a magnetic field in the primary winding, and this magnetic field crosses the secondary winding. As a result, a current is generated in the secondary winding by magnetic induction, and AC power having a voltage corresponding to the turn ratio with the primary winding is generated at both ends of the secondary winding. At this time, AC power having a frequency that matches the tuning frequency of the tuning circuit formed by the first stage transformer is most efficiently output to the secondary winding of the first stage transformer. In addition to the AC power of the frequency output from the previous transformer, AC power of a frequency that matches the tuning frequency of the tuning circuit formed by this transformer is output to the secondary winding of the other transformer in the subsequent stage. The Therefore, the AC power output from the secondary winding of the transformer at the final stage includes all AC power components having a frequency that matches the tuning frequency of the tuning circuit formed by each transformer. The AC power generated in the secondary winding of the final transformer is converted into DC power by the rectifier circuit and output.

本発明の電力取り出し回路によれば、エレクトレットと導体との間のキャパシタンスに対してトランス一次巻線のリアクタンスが並列接続されているので、従来の抵抗器を使用したときに比べて電力損失を大幅に低減して二次巻線から交流電力を得ることができ、この交流電力を整流回路によって直流電力に変換して使用することができる。さらに、最終段のトランスの二次巻線から出力される交流電力には、各トランスによって形成される同調回路の同調周波数に一致した周波数の交流電力成分の全てが含まれるので、静電誘導型変換素子から出力される電気エネルギーの不規則な交流成分の多くを取り出すことができる。したがって、静電誘導型変換素子を電源として使用することの実用化が十分に可能になる。   According to the power extraction circuit of the present invention, since the reactance of the transformer primary winding is connected in parallel to the capacitance between the electret and the conductor, the power loss is greatly increased as compared with the case where a conventional resistor is used. Thus, AC power can be obtained from the secondary winding, and this AC power can be converted into DC power by a rectifier circuit. Furthermore, since the AC power output from the secondary winding of the transformer at the final stage includes all of the AC power component having a frequency that matches the tuning frequency of the tuning circuit formed by each transformer, the electrostatic induction type Many irregular alternating current components of the electrical energy output from the conversion element can be extracted. Therefore, the practical application of using the electrostatic induction conversion element as a power supply is sufficiently possible.

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1乃至図7は本発明の一実施形態を示すもので、図1は本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子と電力取り出し回路との接続を示すブロック図、図2は本発明の一実施形態における電力取り出し回路を示す回路図、図3は本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子を示す透過斜視図、図4は本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子を示す要部分解斜視図、図5は本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子を示す平面図、図6は図5におけるA−A線矢視方向断面図、図7は本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子の電気系回路を示す図である。これらの図において、100は電力取り出し回路、200は静電誘導型変換素子である。   1 to 7 show an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a block diagram showing a connection between an electrostatic induction conversion element and a power extraction circuit in an embodiment of the present invention. FIG. FIG. 3 is a transparent perspective view showing an electrostatic induction conversion element in one embodiment of the present invention, and FIG. 4 is an electrostatic induction conversion in one embodiment of the present invention. FIG. 5 is a plan view showing an electrostatic induction conversion element according to an embodiment of the present invention, FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 5, and FIG. It is a figure which shows the electric system circuit of the electrostatic induction type conversion element in one Embodiment of invention. In these figures, 100 is a power extraction circuit, and 200 is an electrostatic induction conversion element.

電力取り出し回路100は、スタガ同調回路110と、整流回路160、コンデンサ102及び抵抗器103から構成されている。   The power extraction circuit 100 includes a stagger tuning circuit 110, a rectifier circuit 160, a capacitor 102, and a resistor 103.

スタガ同調回路110は、3つのトランス120,130,140とコンデンサ111,113〜116とから構成されている。   The stagger tuning circuit 110 includes three transformers 120, 130, and 140 and capacitors 111 and 113 to 116.

トランス120の一次巻線121の一端は入力端子101aを介して後述する静電誘導型変換素子200の導体221に接続され、トランス110の一次巻線111の他端は入力端子101bを介して静電誘導型変換素子200のエレクトレット231に接続されている。さらに、トランス120の二次巻線122の他端はコンデンサ111を介して入力端子101bに接続されている。また、トランス120の二次巻線122と並列にコンデンサ123が接続されている。コンデンサ123は浮遊容量を利用しても良い。コンデンサ111は、静電誘導型変換素子200の基準電位を電力取り出し回路100の基準電位と位置させるとともにトランス120の一次巻線121と二次巻線122との間の直流を遮断する。   One end of the primary winding 121 of the transformer 120 is connected to a conductor 221 of an electrostatic induction conversion element 200, which will be described later, via an input terminal 101a, and the other end of the primary winding 111 of the transformer 110 is statically connected via an input terminal 101b. It is connected to the electret 231 of the electric induction conversion element 200. Further, the other end of the secondary winding 122 of the transformer 120 is connected to the input terminal 101b via the capacitor 111. A capacitor 123 is connected in parallel with the secondary winding 122 of the transformer 120. The capacitor 123 may use a stray capacitance. Capacitor 111 positions the reference potential of electrostatic induction conversion element 200 as the reference potential of power extraction circuit 100 and blocks direct current between primary winding 121 and secondary winding 122 of transformer 120.

トランス130の一次巻線131の一端はコンデンサ113を介してトランス120の二次巻線122の一端に接続され、トランス130の一次巻線131の他端はコンデンサ114を介してトランス120の二次巻線122の他端に接続されている。また、トランス130の一次巻線131と並列にコンデンサ133が接続されるとともに二次巻線132と並列にコンデンサ134が接続されている。コンデンサ133,134は浮遊容量を利用しても良い。   One end of the primary winding 131 of the transformer 130 is connected to one end of the secondary winding 122 of the transformer 120 via the capacitor 113, and the other end of the primary winding 131 of the transformer 130 is connected to the secondary of the transformer 120 via the capacitor 114. The other end of the winding 122 is connected. In addition, a capacitor 133 is connected in parallel with the primary winding 131 of the transformer 130 and a capacitor 134 is connected in parallel with the secondary winding 132. The capacitors 133 and 134 may use stray capacitance.

トランス140の一次巻線141の一端はコンデンサ115を介してトランス130の二次巻線132の一端に接続され、トランス140の一次巻線141の他端はコンデンサ116を介してトランス130の二次巻線132の他端に接続されている。また、トランス140の一次巻線141と並列にコンデンサ143が接続されるとともに二次巻線142と並列にコンデンサ144が接続されている。コンデンサ143,144は浮遊容量を利用しても良い。   One end of the primary winding 141 of the transformer 140 is connected to one end of the secondary winding 132 of the transformer 130 via the capacitor 115, and the other end of the primary winding 141 of the transformer 140 is connected to the secondary winding of the transformer 130 via the capacitor 116. The other end of the winding 132 is connected. A capacitor 143 is connected in parallel with the primary winding 141 of the transformer 140 and a capacitor 144 is connected in parallel with the secondary winding 142. The capacitors 143 and 144 may use stray capacitance.

なお、本実施形態では、図8に示すように、第1段トランス120によって形成される同調回路の同調周波数f1が70Hzに設定され、第2段トランス130によって形成される同調回路の同調周波数f2が30Hzに設定され、第3段トランス140によって形成される同調回路の同調周波数f3が150Hzに設定されている。これにより、静電誘導型変換素子200に加わる外力によって後述する可動基板230が行う往復運動の振動周波数範囲fbである10Hz〜200Hzの範囲の運動エネルギーを電気エネルギーとして効率よく取り出すことができる。   In this embodiment, as shown in FIG. 8, the tuning frequency f1 of the tuning circuit formed by the first stage transformer 120 is set to 70 Hz, and the tuning frequency f2 of the tuning circuit formed by the second stage transformer 130 is set. Is set to 30 Hz, and the tuning frequency f3 of the tuning circuit formed by the third stage transformer 140 is set to 150 Hz. Thereby, the kinetic energy in the range of 10 Hz to 200 Hz, which is the vibration frequency range fb of the reciprocating motion performed by the movable substrate 230 described later by the external force applied to the electrostatic induction conversion element 200, can be efficiently extracted as electric energy.

また、各トランス120,130,140によって形成される同調回路のそれぞれの同調周波数は、各トランス120,130,140の巻線のインダクタンスと各巻線に並列接続されているコンデンサのキャパシタンスの値を調整することによって容易に任意の周波数に設定することができる。   Also, the tuning frequency of the tuning circuit formed by each transformer 120, 130, 140 can be easily adjusted to any frequency by adjusting the inductance value of the winding of each transformer 120, 130, 140 and the capacitance value of the capacitor connected in parallel to each winding. Can be set to

コンデンサ113,114はトランス120の二次巻線122とトランス130の一次巻線131との間のアイソレーションのための設けられており、コンデンサ115,116はトランス130の二次巻線132とトランス140の一次巻線141との間のアイソレーションのために設けられている。なお、本実施形態ではトランス間のアイソレーションを行うためにコンデンサ113〜116を用いたが、ダイオードを用いてアイソレーションを行っても良い。また、トランス間のアイソレーションを行うためにダイオードを用いる場合は、損失の低減および取り出し可能電圧を低下させるために、順方向電圧が低い化合物系のダイオードを用いることが好ましい。   Capacitors 113 and 114 are provided for isolation between the secondary winding 122 of the transformer 120 and the primary winding 131 of the transformer 130, and the capacitors 115 and 116 are the primary windings of the transformer 130 and the primary winding of the transformer 140. It is provided for isolation from the line 141. In this embodiment, the capacitors 113 to 116 are used to perform isolation between transformers, but isolation may be performed using a diode. Further, when a diode is used to perform isolation between transformers, it is preferable to use a compound diode having a low forward voltage in order to reduce loss and reduce a voltage that can be taken out.

整流回路160は2つのダイオード161,162によって構成されている。ダイオード161のアノードはトランス140の二次巻線142の一端に接続れ、ダイオード161のカソードはダイオード162のカソードとコンデンサ102及び抵抗器103の一端と出力端子101cに接続されている。トランス140の二次巻線142の他端は、ダイオード162のアノードとコンデンサ102及び抵抗器103の他端と出力端子101dに接続されている。   The rectifier circuit 160 includes two diodes 161 and 162. The anode of the diode 161 is connected to one end of the secondary winding 142 of the transformer 140, and the cathode of the diode 161 is connected to the cathode of the diode 162, the capacitor 102, one end of the resistor 103, and the output terminal 101c. The other end of the secondary winding 142 of the transformer 140 is connected to the anode of the diode 162, the capacitor 102, the other end of the resistor 103, and the output terminal 101d.

静電誘導型変換素子200は、その上面が正方形をなした直方体形状の筐体210を備え、筐体210の内部には固定基板220と可動基板230を有し、可動基板230は上面の一辺と平行な所定直線方向に往復運動可能なようにバネ251,252によって支持され、これらの固定基板220と可動基板230が相対的に往復運動することにより発電を行うものである。   The electrostatic induction conversion element 200 includes a rectangular parallelepiped housing 210 having a square upper surface. The housing 210 includes a fixed substrate 220 and a movable substrate 230, and the movable substrate 230 has one side of the upper surface. Are supported by springs 251 and 252 so as to be able to reciprocate in a predetermined linear direction parallel to the base plate, and the stationary substrate 220 and the movable substrate 230 reciprocate relatively to generate power.

固定基板220はその底面が筐体210の内部底面に固定されており、固定基板220の上面(対向面)には櫛歯形状の導体221が形成されている。この櫛歯形状の導体221は、その櫛歯が、可動基板230の可動方向(図3におけるC1方向)に直交するように形成されている。さらに、この導体221は、筐体210の外部底面に設けられた外部電極212に配線を介して電気的に接続されている。   The bottom surface of the fixed substrate 220 is fixed to the inner bottom surface of the casing 210, and a comb-shaped conductor 221 is formed on the upper surface (opposing surface) of the fixed substrate 220. The comb-shaped conductor 221 is formed so that the comb teeth are orthogonal to the movable direction of the movable substrate 230 (C1 direction in FIG. 3). Further, the conductor 221 is electrically connected to an external electrode 212 provided on the outer bottom surface of the casing 210 via a wiring.

可動基板230はその底面(対向面)が固定基板220の上面に対して所定の間隔をあけて平行に対向するようにベアリングボール241によって支えられている。また、可動基板230の底面(対向面)には櫛歯形状のエレクトレット231と、エレクトレット231に導電接続された導電体膜232が形成されている。この櫛歯形状のエレクトレット231は、その櫛歯が、可動基板230の可動方向(図3におけるC1方向)に直交するように形成されている。   The movable substrate 230 is supported by bearing balls 241 so that the bottom surface (opposing surface) faces the upper surface of the fixed substrate 220 in parallel with a predetermined interval. Further, a comb-shaped electret 231 and a conductor film 232 conductively connected to the electret 231 are formed on the bottom surface (opposing surface) of the movable substrate 230. The comb-shaped electret 231 is formed so that the comb teeth are orthogonal to the movable direction of the movable substrate 230 (C1 direction in FIG. 3).

さらに、可動基板230の上部には、可動方向C1に対して直交する方向に延びる支持部材241が設けられ、支持部材241の両端部の垂直片431bが可動基板230の対向する2つの辺に固定されている。また、支持部材241は導電体からなり、一方の垂直片431bが導電体膜232に導電接続されている。   Further, a support member 241 extending in a direction orthogonal to the movable direction C1 is provided on the upper portion of the movable substrate 230, and the vertical pieces 431b at both ends of the support member 241 are fixed to two opposing sides of the movable substrate 230. Has been. The support member 241 is made of a conductor, and one vertical piece 431b is conductively connected to the conductor film 232.

また、支持部材241の水平片431aの中央には2つのバネ251,252のそれぞれの一端が接続されている。これらのバネ251,252は、その伸縮方向が可動方向C1に一致するように配置されている。さらに、バネ251,252のそれぞれの他端は筐体210の内面に固定されている。また、支持部材241はバネ252に設けられた導電体からなる配線252aと配線を介して筐体210の外部底面に設けられた外部電極213に電気的に接続されている。本実施形態では、バネ251,252は菱形の各辺にプラスチックの薄い板バネを配置したパンタグラフ形状のバネを使用している。バネ251,251としてコイルバネやトーションバーを用いても良い。   One end of each of the two springs 251 and 252 is connected to the center of the horizontal piece 431a of the support member 241. These springs 251 and 252 are arranged so that the expansion and contraction direction thereof coincides with the movable direction C1. Further, the other ends of the springs 251 and 252 are fixed to the inner surface of the casing 210. The support member 241 is electrically connected to a wiring 252a made of a conductor provided on the spring 252 and an external electrode 213 provided on the outer bottom surface of the housing 210 via the wiring. In this embodiment, the springs 251 and 252 are pantograph-shaped springs in which thin plate springs of plastic are arranged on each side of the rhombus. A coil spring or a torsion bar may be used as the springs 251 and 251.

上記構成の静電誘導型変換素子200は、外部から振動などの力が加えられ、これによって可動基板230が可動方向C1に往復運動すると、櫛歯形状のエレクトレット231に注入された電荷(例えば負電荷)により、固定基板220の櫛歯形状の導体221に正電荷が静電誘導され、外部電極212,213から電力を取り出すことができる。従って、上記構成の静電誘導型変換素子200が発電機として機能する。   The electrostatic induction conversion element 200 having the above-described configuration is subjected to a force such as vibration from the outside, and when the movable substrate 230 reciprocates in the movable direction C1, the electric charge injected into the comb-shaped electret 231 (for example, negative) The positive charge is electrostatically induced in the comb-shaped conductor 221 of the fixed substrate 220 by the electric charge), and electric power can be taken out from the external electrodes 212 and 213. Therefore, the electrostatic induction conversion element 200 having the above configuration functions as a generator.

上記構成の電力取り出し回路100では、静電誘導型変換素子200のエレクトレット231と導体221の間に発生した交流電圧は、第1段トランス120の一次巻線121に印加され、この一次巻線121に交流電流が流れる。この交流電流によって一次巻線121には磁界が発生し、この磁界は二次巻線122に交差する。これにより、二次巻線122には磁気誘導によって電流が発生し、二次巻線122の両端には一次巻線121との巻き数比などに応じた電圧の交流電力が発生する。このとき第1段トランス120の二次巻線122には第1段トランス120によって形成される同調回路の同調周波数f1に一致する周波数の交流電力が最も効率良く出力される。   In the power extraction circuit 100 configured as described above, an AC voltage generated between the electret 231 and the conductor 221 of the electrostatic induction conversion element 200 is applied to the primary winding 121 of the first stage transformer 120, and this primary winding 121. AC current flows through This alternating current generates a magnetic field in the primary winding 121, and this magnetic field crosses the secondary winding 122. As a result, a current is generated in the secondary winding 122 by magnetic induction, and AC power having a voltage corresponding to the turn ratio with the primary winding 121 is generated at both ends of the secondary winding 122. At this time, AC power having a frequency that matches the tuning frequency f1 of the tuning circuit formed by the first stage transformer 120 is most efficiently output to the secondary winding 122 of the first stage transformer 120.

また、後段の他のトランス130,140の二次巻線132,142には前段のトランス120,130から出力された周波数の交流電力に加えて、このトランス130,140によって形成される同調回路の同調周波数f2,f3に一致する周波数の交流電力が出力される。したがって、最終段のトランス140の二次巻線142から出力される交流電力には、各トランス120,130,140によって形成される同調回路の同調周波数f1,f2,f3に一致した周波数の交流電力成分の全てが含まれている。最終段のトランス140の二次巻線142に発生した交流電力は整流回路160によって直流電力に変換されて出力端子101c,101dから出力される。   In addition, the secondary windings 132 and 142 of the other transformers 130 and 140 in the rear stage coincide with the tuning frequencies f2 and f3 of the tuning circuit formed by the transformers 130 and 140 in addition to the AC power of the frequency output from the transformers 120 and 130 in the previous stage. AC power with a frequency is output. Therefore, in the AC power output from the secondary winding 142 of the transformer 140 at the final stage, all of the AC power components having frequencies that match the tuning frequencies f1, f2, and f3 of the tuning circuit formed by the transformers 120, 130, and 140 are included. include. The AC power generated in the secondary winding 142 of the transformer 140 at the final stage is converted into DC power by the rectifier circuit 160 and output from the output terminals 101c and 101d.

なお、整流後の直流出力電圧は電圧値が不安定であるので、キャパシタなどを用いたチャージ回路によって直流電圧の安定化を行うことが好ましい。   Since the DC output voltage after rectification has an unstable voltage value, it is preferable to stabilize the DC voltage by a charge circuit using a capacitor or the like.

また、静電誘導型変換素子200にかかる外力が変動する場合、静電誘導型変換素子200から出力される電圧値が高くなりすぎて第1段トランス120の耐電圧以上になりトランス120を破壊することがないように、図9に示すように一次巻線121と並列にシャントダイオード104を設けることが好ましい。このようにシャントダイオード104を設けることにより、シャントダイオード104の耐電圧値以上の値の電圧が静電誘導型変換素子200から出力されたときシャントダイオード104が導通状態となってトランス120を保護する。   In addition, when the external force applied to the electrostatic induction conversion element 200 fluctuates, the voltage value output from the electrostatic induction conversion element 200 becomes too high and exceeds the withstand voltage of the first-stage transformer 120, thereby destroying the transformer 120. In order to avoid this, it is preferable to provide a shunt diode 104 in parallel with the primary winding 121 as shown in FIG. By providing the shunt diode 104 in this way, the shunt diode 104 becomes conductive when a voltage having a value equal to or higher than the withstand voltage value of the shunt diode 104 is output from the electrostatic induction conversion element 200, thereby protecting the transformer 120. .

なお、上記実施形態では導体221の形状とエレクトレット231の形状を櫛歯形状としたがこれに限定されることはない。   In the above embodiment, the shape of the conductor 221 and the shape of the electret 231 are comb-shaped, but the present invention is not limited to this.

本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子と電力取り出し回路との接続を示すブロック図The block diagram which shows the connection of the electrostatic induction type conversion element and electric power extraction circuit in one Embodiment of this invention 本発明の一実施形態における電力取り出し回路を示す回路図The circuit diagram which shows the electric power extraction circuit in one Embodiment of this invention 本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子を示す透過斜視図1 is a perspective view showing an electrostatic induction conversion element according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子を示す要部分解斜視図The principal part disassembled perspective view which shows the electrostatic induction type conversion element in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子を示す平面図The top view which shows the electrostatic induction type conversion element in one Embodiment of this invention 図5におけるA−A線矢視方向断面図AA arrow direction sectional view in FIG. 本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子の電気系回路を示す図The figure which shows the electric system circuit of the electrostatic induction type conversion element in one Embodiment of this invention 本発明の一実施形態におけるスタガ同調回路の周波数特性を示す図The figure which shows the frequency characteristic of the stagger tuning circuit in one Embodiment of this invention 本発明の一実施形態における電力取り出し回路の他の例を示す回路図The circuit diagram which shows the other example of the electric power extraction circuit in one Embodiment of this invention 従来例の静電誘導型変換素子を示す図The figure which shows the electrostatic induction type conversion element of a prior art example 従来例の静電誘導型変換素子を示す図The figure which shows the electrostatic induction type conversion element of a prior art example 従来例の静電誘導型変換素子を示す図The figure which shows the electrostatic induction type conversion element of a prior art example 従来例の電力取り出し回路を示す回路図Circuit diagram showing conventional power extraction circuit

符号の説明Explanation of symbols

100…電力取り出し回路、101a,101b…入力端子、101c,101d…出力端子、102…コンデンサ、103…抵抗器、104…シャントダイオード、110…スタガ同調回路、111,113〜116…コンデンサ、120…トランス、121…一次巻線、122…二次巻線、130…トランス、131…一次巻線、132…二次巻線、140…トランス、141…一次巻線、142…二次巻線、160…整流回路、161,162…ダイオード、200…静電誘導型変換素子、210…筐体、211…底面、212,213…外部電極、214…ベアリングボール、220…固定基板、221…導体、230…可動基板、231…エレクトレット、232…導電体膜、241…支持部材、251,252…バネ。   100 ... Power extraction circuit, 101a, 101b ... Input terminal, 101c, 101d ... Output terminal, 102 ... Capacitor, 103 ... Resistor, 104 ... Shunt diode, 110 ... Stagger tuning circuit, 111,113 to 116 ... Capacitor, 120 ... Transformer, 121 ... Primary winding, 122 ... Secondary winding, 130 ... Transformer, 131 ... Primary winding, 132 ... Secondary winding, 140 ... Transformer, 141 ... Primary winding, 142 ... Secondary winding, 160 ... Rectification Circuit, 161,162 ... Diode, 200 ... Static induction conversion element, 210 ... Case, 211 ... Bottom surface, 212,213 ... External electrode, 214 ... Bearing ball, 220 ... Fixed substrate, 221 ... Conductor, 230 ... Moving substrate, 231 ... Electret, 232 ... conductor film, 241 ... support member, 251,252 ... spring.

Claims (4)

所定間隔をあけて互いに対向し、対向面に対して平行な方向に相対運動可能な2つの基板と、少なくとも一方の基板の対向面の所定位置に形成されたエレクトレットと、該エレクトレットに対向する基板の表面にエレクトレットに対向する位置に形成された導体と、前記対向面に対して平行な所定直線方向に相対的な往復運動可能に前記基板を支持する支持手段とを有し、外部から加わる力によって前記2つの基板に生ずる相対運動の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する静電誘導型変換素子から電力を取り出す電力取り出し回路であって、
前記エレクトレットに一端が導通接続され且つ前記導体に他端が導通接続された一次巻線と、該一次巻線に磁気結合された二次巻線とを有して所定の同調周波数に設定された第1段トランスと、該第1段トランスの後段に1段以上接続され且つ他のトランスとは異なる同調周波数に設定された1つ以上のトランスとを有するスタガ同調回路と、
前記スタガ同調回路の最後段のトランスの二次巻線の両端に接続された一対の入力端と一対の出力端を有する整流回路とを備えている
ことを特徴とする静電誘導型変換素子の電力取り出し回路。
Two substrates that face each other at a predetermined interval and are capable of relative movement in a direction parallel to the opposite surface, an electret formed at a predetermined position on the opposite surface of at least one substrate, and a substrate that faces the electret Force applied from the outside, having a conductor formed on the surface of the substrate at a position facing the electret, and a support means for supporting the substrate so as to be capable of relative reciprocation in a predetermined linear direction parallel to the facing surface. A power extraction circuit for extracting electric power from an electrostatic induction conversion element that converts the kinetic energy of relative motion generated in the two substrates into electric energy and outputs the electric energy;
A primary winding having one end conductively connected to the electret and the other end conductively connected to the conductor, and a secondary winding magnetically coupled to the primary winding and set to a predetermined tuning frequency A stagger tuning circuit having a first stage transformer and one or more transformers connected to one or more stages after the first stage transformer and set to a tuning frequency different from other transformers;
An electrostatic induction conversion element comprising: a rectifier circuit having a pair of input ends connected to both ends of a secondary winding of a transformer at the last stage of the stagger tuning circuit; and a pair of output ends. Power extraction circuit.
両端間の電圧の値が所定の耐電圧値以上となったときに導通状態となるシャントダイオードが、前記第1段トランスの一次巻線に対して並列接続されている
ことを特徴とする請求項1に記載の静電誘導型変換素子の電力取り出し回路。
The shunt diode that becomes conductive when the value of the voltage between both ends exceeds a predetermined withstand voltage value is connected in parallel to the primary winding of the first-stage transformer. A power extraction circuit of the electrostatic induction conversion element according to 1.
前記エレクトレットと前記導体との間に形成されるキャパシタンスと前記トランスの一次巻線のリアクタンスによって構成される共振回路の共振周波数の値が、可動基板の往復運動における所定の振動周波数の値と等しく設定されている
ことを特徴とする請求項1に記載の静電誘導型変換素子の電力取り出し回路。
The value of the resonance frequency of the resonance circuit formed by the capacitance formed between the electret and the conductor and the reactance of the primary winding of the transformer is set equal to the value of the predetermined vibration frequency in the reciprocating motion of the movable substrate. The power extraction circuit of the electrostatic induction conversion device according to claim 1, wherein:
前記スタガ同調回路の各段のトランスによって形成される同調回路の同調周波数が、前記可動基板の往復運動の振動周波数の範囲内の周波数に設定されている
こと特徴とする請求項1に記載の静電誘導型変換素子の電力取り出し回路。
The static frequency according to claim 1, wherein a tuning frequency of a tuning circuit formed by a transformer of each stage of the stagger tuning circuit is set to a frequency within a range of a vibration frequency of a reciprocating motion of the movable substrate. A power extraction circuit for an electric induction type conversion element.
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