CN104396137A - 振动发电装置 - Google Patents

Abstract

高效地将利用了驻极体的振动发电装置的发电电力供应给电力供应负载。在振动发电装置中，具有：第一基板和第二基板，它们构成为能够在保持彼此相对的状态的同时通过外部振动而相对移动；驻极体组，其由在第一基板的一个面侧沿相对移动方向排列的多个驻极体构成；以及电极组，其包含在第二基板的与驻极体组相对的面侧沿相对移动方向排列的第一集电电极和第二集电电极。而且，第一集电电极和第二集电电极分别与电力供应负载电连接，该电力供应负载被供应由外部振动产生的发电电力，并具有比振动发电装置的内部阻抗低的阻抗。

Description

振动发电装置

技术领域

本发明涉及利用驻极体来通过外部振动进行发电的振动发电装置。

背景技术

当今的节能潮流使得不依赖化石燃料等的日常存在的环境能量受到关注。作为环境能量，基于太阳能或风力等的发电能量广为人知，作为具有不劣于此的能量密度的环境能量，可列举出日常环境中存在的振动能量。

因此，开发出利用这种振动能量进行发电的振动发电装置，在该发电装置中广泛利用了能够半永久性地保持电荷的驻极体(例如，参照专利文献1～3)。在该技术中，在利用驻极体的发电装置中，配置有为了发电而往复运动的彼此相对的一对可动基板，在各可动基板中，配置有驻极体和集电电极，该集电电极用于汇集因相对的基板上的驻极体的作用而产生的电荷。该一对集电电极分别经由供应发出的电力的负载电阻而接地。而且，由各可动基板汇集的电荷被汇总而经由整流电路供应给负载。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-161036号公报

专利文献2：日本特开2008-161040号公报

专利文献3：日本特开2009-219353号公报

发明内容

发明要解决的问题

在以往开发的利用驻极体的振动发电装置中，由于驻极体的采用，为了高效地利用集电电极汇集电荷，采用了上述电极结构。但是，在该现有技术中，对电荷从集电电极向负载的移动、即发电电力的高效供应没有进行记述。

另一方面，本申请人发现如下现象：在利用驻极体的振动发电装置中，在向负载供应由设置在可动基板上的集电电极汇集的电荷时，该电荷朝向电力供应负载的流动受到阻碍。该阻碍的程度越高，则意味着越难以将由振动发电装置发出的电力取出到外部，因此可以说，该电荷的流动的阻碍抑制了振动发电装置的实质的发电性能，从而是不优选的。

本发明是鉴于上述问题而完成的，目的在于提供如下振动发电装置：其能够高效地将利用驻极体的振动发电装置产生的发电电力供应给电力供应负载。

用于解决问题的手段

在本发明中，为了解决上述问题，在利用驻极体的振动发电装置中，采用了如下结构：在与驻极体相对的基板上设置汇集发电电力的一对集电电极，并且，使一对集电电极分别与电力供应负载相连，使电荷能够从各集电电极流入各个电力供应负载。此时，将电力供应负载的阻抗设定为低于振动发电装置的内部阻抗，由此，能够向电力供应负载进行高效的电力供应。

具体而言，本发明是振动发电装置，其具有：第一基板和第二基板，它们构成为能够在保持彼此相对的状态的同时，通过外部振动而相对移动；驻极体组，其由在所述第一基板的一个面侧沿所述相对移动方向排列的多个驻极体构成；以及电极组，其包含在所述第二基板的与所述驻极体组相对的面侧沿所述相对移动方向排列的第一集电电极和第二集电电极，其中，所述第一集电电极和所述第二集电电极分别与电力供应负载电连接，该电力供应负载被供应由外部振动产生的发电电力，并具有比所述振动发电装置的内部阻抗低的阻抗。

在本发明的振动发电装置中，利用能够半永久性地保持电荷的驻极体的性质，在能够相对移动的两个基板上设置的电极组与驻极体组之间的、与外部振动相应的电荷容量的变动被第一集电电极和第二集电电极取出而供应给电力供应负载。此处，在该振动发电装置中，构成为使第一集电电极和第二集电电极分别与电力供应负载相连，由此能够向电力供应负载供应由各集电电极汇集的电荷，不过通过本申请人的努力，发现集电电极上的电荷朝向电力供应负载的流动受到阻碍的现象。

在使第一集电电极和第二集电电极沿着第一基板和第二基板的相对移动方向排列的电极结构中，认为在电极与电极之间存在蓄积电荷的假想的电容部(寄生电容部)。在该寄生电容部中蓄积电荷的能力、即寄生电容被认为受彼此相邻的基板的侧面(侧方端面)的大小和基板之间的距离影响较大，在存在一定大小的寄生电容时，集电电极上的电荷的朝向电力供应负载的移动会受到阻碍，难以进行发电电力的高效的供应。而且，在该寄生电容部中蓄积的能量的量增加时，难以顺畅地进行针对电力供应负载的电力供应，由此，作为振动发电装置，针对电力供应负载的电力供应能力受到限制。

因此，在本发明的振动发电装置中，采用了如下结构：使第一集电电极和第二集电电极分别与具有比振动发电装置的内部阻抗低的阻抗的电力供应负载连接。本申请人通过自己的努力发现，通过采用这样的集电电极与电力供应负载的相关关系，能够减轻在第一集电电极与第二集电电极之间可能存在的寄生电容部的影响。即，以往，通常通过连接具有与振动发电装置的内部阻抗匹配的阻抗的负载来取出振动发电装置的发电电力。但是，本申请人发现，通过将与各集电电极连接的电力供应负载的阻抗设定为低于内部阻抗，其结果是，能够增加可从第一集电电极和第二集电电极这双方向电力供应负载供应的总电力量。

此外，关于与各集电电极相连的电力供应负载，只要适合于进行针对该负载的电力供应即可，可以使该电力供应负载接地，或者不接地。例如，如后述那样，在对来自上述振动发电装置的输出电压进行整流后供应给电力供应负载的情况下，根据其整流电路的方式，适当决定是否使该电力供应负载接地即可。

此处，在上述振动发电装置中，可以是，所述电力供应负载的阻抗被设定为在比所述振动发电装置的内部阻抗低的规定阻抗范围中，向与所述第一集电电极和所述第二集电电极分别连接的所述电力供应负载供应的发电电力量变为最大的、规定的高效率阻抗附近的值。这样，通过将电力供应负载的阻抗设定为规定的高效率阻抗附近的值，由此，与以往那样使集电电极连接至具有与振动发电装置的内部阻抗匹配的阻抗的负载的情况相比，能够更高效地向负载进行电力供应。此外，关于规定的高效率阻抗附近的值中的“附近”的程度，只要被认为是上述高效率的电力供应即可，可偏离规定的高效率阻抗。

此外，在上述的振动发电装置中，可以是，在与所述第一集电电极和所述第二集电电极分别连接的所述电力供应负载形成为同一电力供应负载的情况下，所述第一集电电极和所述第二集电电极经由同一整流电路与所述同一电力供应负载连接。这样，通过经由整流电路连接各集电电极与电力供应负载，能够适当地将来自各集电电极的输出合成后供应给电力供应负载。此外，作为整流电路，可以例示出全波整流电路。此外，作为整流电路，也可以利用中心抽头式全波整流电路，在该情况下，所述第一集电电极和所述第二集电电极可以分别经由单独形成的整流电路与各个所述电力供应负载连接。

此处，也可以是，替代上述那样使与所述第一集电电极和所述第二集电电极分别连接的所述电力供应负载形成为同一电力供应负载的方式，而构成为与所述第一集电电极电连接的所述电力供应负载和与所述第二集电电极电连接的所述电力供应负载彼此独立地接地，由此，将由各集电电极汇集的电力供应给各自相连的电力供应负载。

此外，在上述的振动发电装置中，所述电力供应负载只要是被供应发电电力的负载即可，可以是负载电阻或电容等，更具体而言，可以是蓄积被供应的发电电力的蓄电电路、将被供应的发电电力作为电源来实施规定的动作的负载电路(例如，搭载有用于检测规定的参数的传感器的电路或用于发送其检测参数的无线电路等)、对被供应的发电电力进行电压转换的电压转换电路中的任意一种、或任意组合它们而成的电路。

发明效果

能够高效地将利用驻极体的振动发电装置产生的发电电力供应给电力供应负载。

附图说明

图1是示出本发明的第一实施例的振动发电装置的概略结构的图。

图2是图1所示的振动发电装置的模型图。

图3是第一参考例的振动发电装置的模型图。

图4是示出在图2所示的振动发电装置中，使与第二集电电极连接的负载电阻的电阻值变化时由第一集电电极产生的电力供应量的推移的图。

图5是针对电力供应量而对图1所示的振动发电装置和参考例的振动发电装置进行比较的图。

图6是本发明的第二实施例的振动发电装置的模型图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的振动发电装置1进行说明。此外，以下实施方式的结构仅为例示，本发明不限于该实施方式的结构。

实施例1

图1示出了本发明的振动发电装置1的概略结构。此外，图1是沿纵截面即ZX平面剖切振动发电装置1时的剖视图。振动发电装置1具有收纳在未图示的壳体的内部的第一基板3和第二基板5。第一基板3和第二基板5构成为能够保持彼此相对的状态而相对移动。而且，在本实施例中，第二基板5被固定于壳体。与此相对，第一基板3使其两端分别通过弹簧与壳体相连，因此，第一基板3自身构成为通过从外部对振动发电装置1施加的外部振动而相对于壳体移动(振动)。此外，在图1中，第一基板3的振动方向由空心箭头示出。

此外，第一基板3与第二基板5构成为：能够在保持彼此相对的状态且彼此平行的状态、即相对的面的间隔保持固定的状态的同时相对移动。由此，如后述那样，能够利用第二基板5侧的一对集电电极6、7，将因第一基板3侧的驻极体2的作用而产生的电荷(发电电荷)汇集而供应给与各集电电极相连的负载电阻10、11。关于基于该驻极体2的作用的发电原理，由于是现有技术，因而在本说明书中省略其详细说明。此外，保持第一基板3与第二基板5之间的间隔的结构、即用于维持两者的顺畅的相对移动的结构对于提高上述发电的效率很重要，但由于其不涉及本发明的核心，因此，在本说明书中不再赘述。

此处，对第一基板3侧的结构进行说明。在第一基板3的与第二基板5相对的一面侧，将分别在导电体上形成的多个驻极体2和多个保护电极4配置为沿着第一基板3与第二基板5的相对移动方向(图中的振动方向)交替地排列。该多个驻极体2相当于本发明的驻极体组。虽然该多个驻极体2和多个保护电极4分别形成为梳状，各个驻极体2和各个保护电极4配置为嵌套状，但如上所述，由于图1是ZX剖视图，因此图示为驻极体2和保护电极4交替地配置。在本实施方式中，驻极体2构成为半永久性地保持负电荷。在这样驻极体2和保护电极4交替地排列的配置中，相对移动方向上的驻极体2的宽度和同样的相对移动方向上的保护电极4的宽度均为w3，相邻的驻极体2与保护电极4在相对移动方向上的间隔为d。

接下来，对第二基板5侧的结构进行说明。在第二基板5的与第一基板3相对的一面侧形成有包含一对电极(第一集电电极6和第二集电电极7)的电极组，所述一对电极汇集因驻极体2的作用产生的电荷而将该电荷的电力供应给负载电阻。具体而言，第一集电电极6和第二集电电极7以电绝缘的状态形成在第二基板5上，多个第一集电电极6通过布线L1汇总于端子6A，并经由端子10A与接地的负载电阻10连接。此外，多个第二集电电极7通过布线L2汇总于端子7A，并经由端子11A与接地的负载电阻11连接。

关于这样在第二基板5中形成的电极组，相对移动方向上的第一集电电极6的宽度w1与第二集电电极7的宽度w2被设定为相同。此外，适当设定第一集电电极6与第二集电电极7的间隔a，使得在第二基板5中由反复的一组电极排列形成的间距、即由第一集电电极6、第二集电电极7形成的间距成为与在第一基板3中由反复的一组排列形成的间距、即由驻极体2、保护电极4形成的间距相同的p。

根据图2和图3，对上述那样具有图1所示的结构的振动发电装置1的发电和针对负载电阻10、11的电力供应进行说明。图2是用于说明图1所示的第一集电电极6与第二集电电极7之间的寄生电容的振动发电装置1的模型图。此外，在图2中，针对与图1所示的振动发电装置1的构成要素相同的要素，标注与该构成要素相同的参照编号。此外，图3是用于与图2所示的振动发电装置1进行比较的参考例的振动发电装置的模型图。在图3所示的参考例中，与第一集电电极6、第二集电电极7相当的电极形成为第一集电电极600、第二集电电极700，但是，仅第一集电电极600与接受电力供应的负载电阻100相连，第二集电电极700直接接地。此外，与设置在与集电电极侧的基板相对的基板上的驻极体200和保护电极400相关的结构和与图2所示的驻极体2和保护电极4相关的结构相同。

这样，在图3所示的参考例中，仅由第一集电电极600汇集的电荷产生的电力被供应给负载电阻100，由第二集电电极700汇集的电荷只是在第二集电电极700与接地面之间往复。因此，在该参考例中，尽管集电电极存在两种，但实质向负载电阻100进行电力供应的集电电极只有第一集电电极600，因此，来自集电电极的电力供应没有效率。另一方面，在图2所示的振动发电装置1中，由第一集电电极6汇集的电荷被供应给负载电阻10，由第二集电电极7汇集的电荷被供应给负载电阻11，因此，在原理上，能够将两种集电电极均用于针对负载电阻的电力供应。

然而，无论是图2示出的振动发电装置1还是图3示出的参考例，在第二基板5侧形成的电极组中，在相邻的集电电极与集电电极之间存在作为假想的电容部的寄生电容部20、200，它们发挥阻碍来自电极的电荷的移动的作用。在原理上，该寄生电容部20等的电容(以下，简称作“寄生电容”)因相邻的电极的端面的形状、电极厚度、电极条数、电极长度、基板的相对介电常数、电极间隔等而发生并取决于这些因素。在图2所示的振动发电装置1中，存在于第一集电电极6与第二集电电极7之间的寄生电容部20的寄生电容为Cp。此外，在图3所示的参考例中，第一集电电极600与第二集电电极700的电极间隔、电极的端面的形状、大小与图2所示的例子相同，因此，存在于第一集电电极600与第二集电电极700之间的寄生电容部200的寄生电容也为Cp。

此处，本申请人发现，在图2所示的振动发电装置1中，虽然能够利用两个集电电极来进行电力供应，但由于存在于第一集电电极6与第二集电电极7之间的寄生电容部20，各集电电极向负载电阻进行的电力供应的程度根据与各集电电极相连的负载电阻的大小而变动，该变动给振动发电装置1的电力供应量带来影响。因此，根据图4，对该电力供应的程度的变动进行说明。此外，作为图4和后述的图5中的电力供应量的推移的前提的、向振动发电装置施加的振动的条件在本说明书中全部相同。

图4所示的曲线图(线L3)是示出如下推移情况的图：在图2所示的模型中，在将负载电阻10的电阻值(阻抗)设定为与图1所示的振动发电装置1的内部阻抗相同的15MΩ时，在使负载电阻11的电阻值在0～50MΩ的范围内变化的情况下，与负载电阻10相连的第一集电电极6向该负载电阻10的电力供应量的推移。此处，之所以将负载电阻10的电阻值设定为15MΩ，是基于以往的阻抗匹配的考虑。此外，通过图4所示的曲线图，能够理解到，在负载电阻11的电阻值为0Ω时，第一集电电极6的电力供应量变为最大，为约27μW，这相当于在图3所示的模型中将负载电阻100的电阻值设定为与该振动发电装置的内部阻抗同样为15MΩ的情况下的第一集电电极600的仅对负载电阻100的电力供应量，将该最大的电力供应量称作“单负载时最大电力供应量”。

此处，如图4所示，在负载电阻10的电阻值固定在15MΩ的状态下，随着负载电阻11的电阻值变大，第一集电电极6对负载电阻10的电力供应量下降。而且，在负载电阻11的电阻值与负载电阻10同样成为与振动发电装置1的内部阻抗相同的15MΩ时，第一集电电极6对负载电阻10的电力供应量为约13.5μW，为上述单负载时最大电力供应量的大约一半。因此，在该情况下，作为振动发电装置1的电力供应量的、由两个集电电极6、7产生的电力供应量的总量与上述单负载时最大电力供应量为相同程度。另一方面，在负载电阻11的电阻值为属于大于0Ω且小于与振动发电装置1的内部阻抗相同的15MΩ的范围(以下，称作“低阻抗范围”)的电阻值的情况下，第一集电电极6对负载电阻10的电力供应量为超过上述单负载时最大电力供应量的一半的供应量。

这样，在与第二集电电极7相连的负载电阻11的电阻值属于低阻抗范围的情况下，第一集电电极6的电力供应量较高的理由被认为是，由于负载电阻11的低阻抗化，电荷朝向第一集电电极6与第二集电电极7之间的寄生电容部20的流动受到抑制。因此认为，负载电阻11的电阻值越低，则寄生电容部20的影响、即从第一集电电极6向负载电阻10的电力供应(电荷的移动)的阻碍程度越小。

此处，考虑因上述的负载电阻的低阻抗化而使寄生电容部20造成的电力供应的阻碍程度减轻这点，在图5中示出了，在振动发电装置1中，在使负载电阻10、11的电阻值变动时，该电阻值与和该负载电阻相连的集电电极6、7的电力供应量之间的关联性，同样，示出了图3所示的振动发电装置中的负载电阻100的电阻值与集电电极600的电力供应量之间的关联性。具体而言，线L4表示在图2所示的振动发电装置1中使负载电阻10和负载电阻11的电阻值变化时的第一集电电极6的电力供应量的推移，线L5表示在图2所示的振动发电装置1中使负载电阻10和负载电阻11的电阻值变化时的第二集电电极7的电力供应量的推移，线L6表示在参考例的振动发电装置中使负载电阻100的电阻值变化时的第一集电电极600的电力供应量的推移。

此处，在各负载电阻的电阻值与作为图2所示的振动发电装置1和参考例的振动发电装置的内部阻抗的15MΩ相同的情况下，如线L4和线L5所示，第一集电电极6、第二集电电极7的电力供应量为约13.5μW，另一方面，如线L6所示，第一集电电极600的电力供应量为峰值的约27μW。因此，在该情况下，具有两个进行电力供应的集电电极(第一集电电极6、第二集电电极7)的振动发电装置1的电力供应量与实质只具有一个进行电力供应的集电电极的参考例的振动发电装置的电力供应量为相同程度。

另一方面，在各负载电阻的电阻值属于低阻抗范围(0Ω～15MΩ)的情况下，第一集电电极6、第二集电电极7的电力供应量为超过第一集电电极600的电力供应量的一半的值。因此，在该情况下，具有两个进行电力供应的集电电极的振动发电装置1的电力供应量超过实质只具有一个进行电力供应的集电电极的参考例的振动发电装置的电力供应量。换言之，在振动发电装置中，在向具有比其内部阻抗低的阻抗的负载供应电力的情况下，通过替代参考例的结构(即，进行电力供应的集电电极实质为一个的结构)而采用图2所示的结构(即，进行电力供应的集电电极为两个的振动发电装置1的结构)，能够提高作为振动发电装置的电力供应量。

此外，从另外的侧面来理解振动发电装置的电力供应能力。如上所述，在参考例的振动发电装置中，在负载电阻600的电阻值与该振动发电装置的内部阻抗为相同程度时，其电力供应量为作为峰值的约27μW，但在振动发电装置1中，在负载电阻6、7的电阻值为属于低阻抗范围的8MΩ附近的值时，其电力供应量为作为峰值的约16μW。因此，在振动发电装置1中，通过将负载电阻6、7的电阻值设为8MΩ附近的值，使得作为装置的总电力供应量为约32μW，与参考例的振动发电装置的总电力供应量相比，能够增加约20％左右，从而实现电力供应量的最大化。

实施例2

图6示出了本发明的振动发电装置1的第二实施例的模型结构。图6所示的模型结构与图2所示的模型结构的不同之处在于和与第一集电电极6和第二集电电极7相连的负载电阻相关的结构。具体而言，在图6所示的模型结构中，桥型全波整流电路9的两个输入端子分别与第一集电电极6与第二集电电极7相连，并且，在桥型全波整流电路9的输出端子之间，连接有负载电阻10’。因此，在图5所示的模型结构中，由第一集电电极6汇集的电荷产生的电力和由第二集电电极7汇集的电荷产生的电力经由桥型全波整流电路9合成而供应给公共的负载电阻10’。此外，第一集电电极6、第二集电电极7和驻极体2等的结构与图2所示的模型结构相同。

在这样构成的振动发电装置1中，也与图2所示的模型结构同样地，通过将负载电阻10’的电阻值设定为属于与振动发电装置1的内部阻抗相关联的低阻抗范围的值，能够实现振动发电装置1的电力供应量的提高和作为振动发电装置1的电力供应量的最大化。

＜变形例＞

在图6中，可以替代全波整流电路9而采用中心抽头式全波整流电路。此外，关于中心抽头式全波整流电路，由于是公知的技术，因而省略其结构的图示，在该情况下，在通过中心抽头式全波整流电路连接的电力供应负载中，分别设置有与来自第一集电电极6和第二集电电极7的正的合成输出连接的电力供应负载和与来自第一集电电极6和第二集电电极7的负的合成输出连接的电力供应负载。

＜其它实施例＞

在上述的振动发电装置1中，发电电力被供应给负载电阻10、11，但只要是能够利用振动发电装置1的发电电力的负载即可，可以采用各种方式的负载来作为电力供应负载。例如，也可以采用用于蓄积发电电力的电容器(蓄电电路)或对发电电力的电压进行转换的电压转换电路的方式来作为电力供应负载。此外，也可以采用对振动发电装置1的设置环境的环境参数(例如，温度、湿度或加速度等)进行检测的传感器的驱动电路(电源电路)或将检测出的其环境参数发送到外部服务器的发送电路(无论有线、无线)的方式来作为电力供应负载。

标号说明

1 振动发电装置

2 驻极体

3 第一基板

4 保护电极

5 第二基板

6 第一集电电极

7 第二集电电极

9 整流器

10、10’、11 负载电阻

20 寄生电容部

L1、L2 布线

Claims (9)

1.一种振动发电装置，其具有：

第一基板和第二基板，它们构成为能够在保持彼此相对的状态的同时，通过外部振动而相对移动；

驻极体组，其由在所述第一基板的一个面侧沿所述相对移动方向排列的多个驻极体构成；以及

电极组，其包含在所述第二基板的与所述驻极体组相对的面侧沿所述相对移动方向排列的第一集电电极和第二集电电极，其中，

所述第一集电电极和所述第二集电电极分别与电力供应负载电连接，该电力供应负载被供应由外部振动产生的发电电力，并具有比所述振动发电装置的内部阻抗低的阻抗。

2.根据权利要求1所述的振动发电装置，其中，

所述电力供应负载的阻抗被设定为在比所述振动发电装置的内部阻抗低的规定阻抗范围中，向与所述第一集电电极和所述第二集电电极分别连接的所述电力供应负载供应的发电电力量变为最大的、规定的高效率阻抗附近的值。

3.根据权利要求1或2所述的振动发电装置，其中，

伴随外部振动导致的所述第一基板与所述第二基板的相对移动，向与所述第一集电电极和所述第二集电电极分别连接的所述电力供应负载进行电力供应。

4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的振动发电装置，其中，

与所述第一集电电极和所述第二集电电极分别连接的所述电力供应负载形成为同一电力供应负载，

所述第一集电电极和所述第二集电电极经由同一整流电路与所述同一电力供应负载连接。

5.根据权利要求4所述的振动发电装置，其中，

所述整流电路是全波整流电路。

6.根据权利要求1～3中的任意一项所述的振动发电装置，其中，

所述第一集电电极和所述第二集电电极分别经由单独形成的整流电路与所述电力供应负载连接。

7.根据权利要求6所述的振动发电装置，其中，

所述整流电路是中心抽头式全波整流电路。

8.根据权利要求1～3中的任意一项所述的振动发电装置，其中，

与所述第一集电电极电连接的所述电力供应负载和与所述第二集电电极电连接的所述电力供应负载彼此独立地接地。

9.根据权利要求1～8中的任意一项所述的振动发电装置，其中，

所述电力供应负载是蓄积被供应的发电电力的蓄电电路、将被供应的发电电力作为电源来实施规定的动作的负载电路、对被供应的发电电力进行电压转换的电压转换电路中任意一种或它们的任意组合。