JP2010028896A - Power synthesizing circuit - Google Patents

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JP2010028896A JP2008183770A JP2008183770A JP2010028896A JP 2010028896 A JP2010028896 A JP 2010028896A JP 2008183770 A JP2008183770 A JP 2008183770A JP 2008183770 A JP2008183770 A JP 2008183770A JP 2010028896 A JP2010028896 A JP 2010028896A
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Yasushi Hattori
泰 服部
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power synthesizing circuit that synthesizes power from multiple electrostatic induction transformation devices through power drawing circuits respectively provided therein and can efficiently output even low voltage with low loss. <P>SOLUTION: The power synthesizing circuit includes multiple FETs 311. The drain of each of the FETs is connected to the output terminal 101c of a corresponding power drawing circuit 100 and the source and gate of each of the FETs are connected to a resultant power output terminal 301a. Each FET 311 is set on only when power is being output from the power drawing circuit 100 connected thereto. Accordingly, when any electrostatic induction transformation device 200 or power drawing circuit 300 becomes faulty, the relevant FET 311 is turned off. As a result, the faulty circuit is disconnected from the resultant power output terminal 301a and it does not impose load. Further, since voltage drop in each FET 311 is 0.1 V to 0.3 V or so, the power drawing efficiency is improved as compared with that in the prior art. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

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複数の静電誘導型変換素子からそれぞれに設けられた電力取り出し回路を介して取り出した電力を合成して出力する電力合成回路に関するものである。   The present invention synthesizes and outputs electric power extracted from a plurality of electrostatic induction conversion elements that convert kinetic energy generated by externally applied force due to vibration or the like into electric energy via electric power extraction circuits provided respectively. The present invention relates to a power combining circuit.

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9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. 9, the electrostatic induction conversion element 10 disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-180450 (Patent Document 1) includes an electret 11 formed by injecting 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10及び図11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. 10 and 11, the two substrates 21 and 22 are arranged to face each other, and the electret 23 and the conductor 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12に示すような電力取り出し回路を使用していた。図12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. 12 has been used. In FIG. 12, reference numeral 30 denotes a power extraction circuit, which includes a pair of input terminals 31a and 31b, a pair of output terminals 31c and 31d, 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。   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 set to substantially the same value.

また、複数の静電誘導型変換素子から取り出した電力を合成するときは、複数の電力取り出し回路30の出力端子31c、31dを並列接続することによって合成した電力を取り出している。さらに、このように並列接続して電力を合成する場合、何れかの静電誘導型変換素子や電力取り出し回路30が故障したときに、この故障した静電誘導型変換素子や電力取り出し回路30が負荷になってしまうことがある。これを防止するためには、図13に示すように電力取り出し回路30毎にダイオード41を設け、ダイオード41のアノードを電力取り出し回路30の出力端子31cに接続し、ダイオード41のカソードをワイヤード接続した電力合成回路40を用いる。ここで、電力合成回路40の出力端子40aはダイオード41のカソードに接続され、電力合成回路40の出力端子40bは各電力取り出し回路30の出力端子31dに接続されている。このような電力合成回路40を用いることにより、故障した静電誘導型変換素子や電力取り出し回路30を負荷にすることがなく、効率よく電力を取り出すことができる。
特開2006−180450号公報 特開2007−312551号公報
Further, when combining the electric power extracted from the plurality of electrostatic induction conversion elements, the combined electric power is extracted by connecting the output terminals 31 c and 31 d of the plurality of electric power extraction circuits 30 in parallel. Further, in the case of synthesizing power by connecting in parallel as described above, when any of the electrostatic induction conversion element and the power extraction circuit 30 fails, the failed electrostatic induction conversion element and the power extraction circuit 30 It may become a load. In order to prevent this, a diode 41 is provided for each power extraction circuit 30 as shown in FIG. 13, the anode of the diode 41 is connected to the output terminal 31c of the power extraction circuit 30, and the cathode of the diode 41 is wired-connected. A power combining circuit 40 is used. Here, the output terminal 40 a of the power combining circuit 40 is connected to the cathode of the diode 41, and the output terminal 40 b of the power combining circuit 40 is connected to the output terminal 31 d of each power extraction circuit 30. By using such a power combining circuit 40, it is possible to efficiently extract electric power without using the failed electrostatic induction conversion element or the electric power extracting circuit 30 as a load.
JP 2006-180450 A JP 2007-31551 A

しかしながら、上記のようにダイオード41を用いた電力合成回路40を使用すると各ダイオード41の順方向電圧がシリコンダイオードの場合0.7Vであるため、この分の電圧降下を生じてしまい電力損失が大きくなる。さらに、電力取り出し回路30の出力電圧が0.7V以下のときは、電力合成回路40によって電力を取り出すことができないため、電力取り出し効率が悪化するという問題点があった。   However, when the power combining circuit 40 using the diodes 41 is used as described above, since the forward voltage of each diode 41 is 0.7 V in the case of a silicon diode, this voltage drop occurs and the power loss is large. Become. Furthermore, when the output voltage of the power extraction circuit 30 is 0.7 V or less, power cannot be extracted by the power combining circuit 40, and thus there is a problem that the power extraction efficiency is deteriorated.

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、複数の静電誘導型変換素子からそれぞれに設けられた電力取り出し回路を介して取り出した電力を合成して、低損失で且つ低電圧まで効率よく出力することができる電力合成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 its object is to synthesize power extracted from a plurality of electrostatic induction conversion elements via power extraction circuits provided respectively, An object of the present invention is to provide a power combining circuit that can output efficiently to a low voltage with low loss.

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と、該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とからなる電源素子モジュールを複数備えてなる電源ユニットの前記複数の電力取り出し回路のそれぞれから出力される電力を合成して取り出す電力合成回路であって、前記電力取り出し回路毎に設けられ、入力端子が前記電力取り出し回路の出力端子に接続されるとともに出力端子が合成電力出力端子に接続されている複数の電界効果トランジスタと、各電界効果トランジスタ毎に、電界効果トランジスタに接続されている電力取り出し回路から電界効果トランジスタに入力される電圧の値或いは該電界効果トランジスタから出力される電圧の値の何れか一方に基づいて、前記電界効果トランジスタに接続されている電力取り出し回路から電力が出力されているときだけ該電界効果トランジスタをオン状態にする制御手段と備えている電力合成回路を提案する。   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. An electrostatic induction conversion element that converts the kinetic energy of the relative motion generated in the two substrates by an external force to be converted into electric energy and outputs electric power from the electrostatic induction conversion element. Combines the power output from each of the plurality of power extraction circuits of a power supply unit comprising a plurality of power supply element modules each including a power extraction circuit A plurality of field effect transistors, each having an input terminal connected to an output terminal of the power extraction circuit and an output terminal connected to the combined power output terminal. And, for each field effect transistor, based on either the value of the voltage input to the field effect transistor from the power extraction circuit connected to the field effect transistor or the value of the voltage output from the field effect transistor. The present invention proposes a power combining circuit including control means for turning on the field effect transistor only when power is output from the power extraction circuit connected to the field effect transistor.

本発明の電力合成回路では、入力端子が電力取り出し回路の出力端子に接続され、出力端子が合成電力出力端子に接続されている複数の電界効果トランジスタを備え、各電界効果トランジスタは、この電界効果トランジスタに接続されている電力取り出し回路から電力が出力されているときだけオン状態に設定される。このため、何れかの静電誘導型変換素子や電力取り出し回路が故障したときは電力取り出し回路から電力が出力されないので電界効果トランジスタがオフ状態となり、この故障した静電誘導型変換素子や電力取り出し回路が合成電力出力端子から切り離され、これらが負荷になることがない。さらに、電界効果トランジスタにおける電圧降下は0.1Vから0.3V程度であるので、従来のダイオードを用いたときに比べて取り出せる最低電圧を低くできるため、電力取り出し効率が改善される。   The power combining circuit of the present invention includes a plurality of field effect transistors having an input terminal connected to the output terminal of the power extraction circuit and an output terminal connected to the combined power output terminal. Only when power is output from the power extraction circuit connected to the transistor, the transistor is turned on. For this reason, when any of the electrostatic induction conversion element or the power extraction circuit fails, no power is output from the power extraction circuit, so the field effect transistor is turned off. The circuit is disconnected from the combined power output terminal and these do not become a load. Furthermore, since the voltage drop in the field effect transistor is about 0.1 V to 0.3 V, the minimum voltage that can be taken out can be lowered as compared with the case where a conventional diode is used, and the power extraction efficiency is improved.

本発明の電力合成回路によれば、故障した静電誘導型変換素子や電力取り出し回路が負荷になることがないので、効率よく電力を取り出すことができる。さらに、電界効果トランジスタにおける電圧降下は0.1Vから0.3V程度の低い電圧であるため、従来のダイオードを用いたときに比べて取り出せる最低電圧を低くできるので、電力取り出し効率を大幅に改善することができる。   According to the power combining circuit of the present invention, the failed electrostatic induction conversion element or power extraction circuit does not become a load, so that it is possible to efficiently extract power. Furthermore, since the voltage drop in the field effect transistor is a low voltage of about 0.1 V to 0.3 V, the minimum voltage that can be taken out can be lowered compared with the case of using a conventional diode, so that the power extraction efficiency is greatly improved. be able to.

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図で、図1は本発明の一実施形態における電源ユニットの電気系回路を示すブロック図、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。   1 to 7 are diagrams showing an embodiment of the present invention, FIG. 1 is a block diagram showing an electric circuit of a power supply unit in the embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a power extraction in the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a transparent perspective view showing an electrostatic induction conversion element according to one embodiment of the present invention, and FIG. 4 is an exploded perspective view of a main part showing the electrostatic induction conversion element according to one embodiment of the present invention. 5 is a plan view showing an electrostatic induction conversion element according to one embodiment of the present invention, FIG. 6 is a sectional view taken along the line AA in FIG. 5, and FIG. 7 is a static diagram according to one embodiment of the present invention. It is a figure which shows the electric system circuit of an electric induction type conversion element.

本実施形態における電源ユニットは、図1に示すように複数の静電誘導型変換素子200と、静電誘導型変換素子200ごとにその出力側に接続された複数の電力取り出し回路100と、各電力取り出し回路100から出力される電力を合成して出力する電力合成回路300によって構成されている。   As shown in FIG. 1, the power supply unit according to the present embodiment includes a plurality of electrostatic induction conversion elements 200, a plurality of power extraction circuits 100 connected to the output side of each of the electrostatic induction conversion elements 200, The power combining circuit 300 is configured to combine and output the power output from the power extraction circuit 100.

電力合成回路300は、各電力取り出し回路100ごとに設けられた複数のNチャネル型電界効果トランジスタ(以下、FETと称する)311から構成されている。各FET311のドレインは対応する電力取り出し回路100の出力端子101cに接続され、FET311のソースは合成電力出力端子301aに接続されている。さらに、各FET311のゲートは自己のソース或いは合成電力出力端子301aに接続されている。また、各電力取り出し回路100の接地出力端子101dは、電力合成回路300の接地出力端子301bに接続されている。   The power combining circuit 300 is composed of a plurality of N-channel field effect transistors (hereinafter referred to as FETs) 311 provided for each power extraction circuit 100. The drain of each FET 311 is connected to the output terminal 101c of the corresponding power extraction circuit 100, and the source of the FET 311 is connected to the combined power output terminal 301a. Furthermore, the gate of each FET 311 is connected to its own source or combined power output terminal 301a. The ground output terminal 101d of each power extraction circuit 100 is connected to the ground output terminal 301b of the power combining circuit 300.

なお、本実施形態では、FET311として、エンハンスメント形 (enhancement type)=ノーマリーオフ形 (normally off type)のFET、すなわち、ゲート電圧をかけないときはチャネルが存在せずドレイン電流が流れないものを使用している。   In this embodiment, the FET 311 is an enhancement type = normally off type FET, i.e., a FET that does not have a channel and does not flow a drain current when no gate voltage is applied. I use it.

上記のNチャネル型FETは通常ゲート端子電圧がドレイン端子電圧よりも低いときにオン状態となる。このため、上記構成の電力合成回路300では FET311は、このFET311に接続されている電力取り出し回路100から電力が出力されているときはゲート電圧(ソース電圧)はドレイン電圧よりも0.1〜0.3V低くなるので、オン状態となり、電力取り出し回路100から出力される電力はFET311を通過し、他のFET311から出力された電力と合成されて合成電力出力端子301aから上位装置(図示せず)に出力される。なお、FETにおけるドレイン・ソース間の電圧降下は、シリコン系FETが0.3V程度であるのに対して、ガリウムヒ素等の化合物系FETは0.1V程度と低い電圧降下であるので、化合物系FETを用いることが好ましい。   The N-channel FET is normally turned on when the gate terminal voltage is lower than the drain terminal voltage. Therefore, in the power combining circuit 300 configured as described above, the FET 311 has a gate voltage (source voltage) of 0.1 to 0 higher than the drain voltage when power is output from the power extraction circuit 100 connected to the FET 311. .3V is lower, the power is turned on, and the power output from the power extraction circuit 100 passes through the FET 311 and is combined with the power output from the other FET 311 to be combined with the power output from the combined power output terminal 301a (not shown). Is output. The voltage drop between the drain and the source in the FET is about 0.3V for the silicon FET, whereas the voltage of the compound FET such as gallium arsenide is as low as about 0.1V. It is preferable to use an FET.

一方、静電誘導型変換素子200或いは電力取り出し回路100の何れかが故障して電力取り出し回路100から電力が出力されないときは、この電力取り出し回路100に接続されているFET311のドレイン電圧は0Vとなり、また、このFET311のゲート電圧(ソース電圧)は他のFET311のゲート電圧と同じであるので、故障した静電誘導型変換素子200或いは電力取り出し回路100の後段に接続されているFET311はオフ状態となり、このFET311によって電力取り出し回路100は合成電力出力端子301aから切り離される。   On the other hand, when either the electrostatic induction conversion element 200 or the power extraction circuit 100 fails and no power is output from the power extraction circuit 100, the drain voltage of the FET 311 connected to the power extraction circuit 100 is 0V. In addition, since the gate voltage (source voltage) of the FET 311 is the same as the gate voltage of the other FET 311, the FET 311 connected to the subsequent stage of the failed electrostatic induction conversion element 200 or the power extraction circuit 100 is turned off. Thus, the FET 311 disconnects the power extraction circuit 100 from the combined power output terminal 301a.

したがって、FET311に接続されている電力取り出し回路100から電力が出力されているときだけ、このFET311はオン状態に設定される。このため、何れかの静電誘導型変換素子200や電力取り出し回路100が故障したときは電力取り出し回路100から電力が出力されないのでFET311オフ状態となり、この故障した静電誘導型変換素子200や電力取り出し回路100が合成電力出力端子301aから切り離され、これらが負荷になることがない。さらに、FET311における電圧降下は0.1Vから0.3V程度であるので、従来のダイオードを用いたときに比べて取り出せる最低電圧を低くできるため、電力取り出し効率を改善することができる。   Therefore, the FET 311 is set to the ON state only when power is output from the power extraction circuit 100 connected to the FET 311. For this reason, when any of the electrostatic induction conversion element 200 and the power extraction circuit 100 fails, power is not output from the power extraction circuit 100, so the FET 311 is turned off, and the failed electrostatic induction conversion element 200 or power The extraction circuit 100 is disconnected from the combined power output terminal 301a, and these do not become a load. Furthermore, since the voltage drop in the FET 311 is about 0.1 V to 0.3 V, the minimum voltage that can be taken out can be lowered as compared with the case where a conventional diode is used, so that the power taking out efficiency can be improved.

なお、上記電力合成回路300の構成は本発明の一具体例であって、本発明が上記実施形態のみに限定されることはない。   Note that the configuration of the power combining circuit 300 is a specific example of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiment.

次に、本実施形態における静電誘導型変換素子200及び電力取り出し回路100の構成を説明する。図2乃至図8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。   Next, configurations of the electrostatic induction conversion element 200 and the power extraction circuit 100 in the present embodiment will be described. 2 to 8, reference numeral 100 denotes a power extraction circuit, and reference numeral 200 denotes an electrostatic induction conversion element.

電力取り出し回路100は、トランス110と、整流回路120、コンデンサ102,104、抵抗器103から構成されている。なお、本実施形態における整流回路120は2つのダイオード121,122によって構成されている。   The power extraction circuit 100 includes a transformer 110, a rectifier circuit 120, capacitors 102 and 104, and a resistor 103. Note that the rectifier circuit 120 in this embodiment includes two diodes 121 and 122.

トランス110の一次巻線111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。また、トランス110の二次巻線112の一端はダイオード121のアノードに接続れ、ダイオード121のカソードはダイオード122のカソードと抵抗器103及びコンデンサ104の一端と出力端子101cに接続されている。トランス110の二次巻線112の他端は、ダイオード122のアノードと抵抗器103及びコンデンサ104の他端と出力端子101dに接続されるとともにコンデンサ102を介して入力端子101bに接続されている。   One end of the primary winding 111 of the transformer 110 is connected to a conductor 221 of an electrostatic induction conversion element 200 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. One end of the secondary winding 112 of the transformer 110 is connected to the anode of the diode 121, and the cathode of the diode 121 is connected to the cathode of the diode 122, the resistor 103, one end of the capacitor 104, and the output terminal 101c. The other end of the secondary winding 112 of the transformer 110 is connected to the anode of the diode 122, the resistor 103, the other end of the capacitor 104, the output terminal 101d, and to the input terminal 101b via the capacitor 102.

コンデンサ102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110の一次巻線111と二次巻線112との間の直流を遮断する。   Capacitor 102 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 111 and secondary winding 112 of transformer 110.

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 the 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.

また、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が、トランス110の一次巻線111に印加され、この一次巻線111に交流電流が流れる。この交流電流によって一次巻線111には磁界が発生し、この磁界は二次巻線112に交差する。これにより、二次巻線112には磁気誘導によって電流が発生し、二次巻線112の両端には一次巻線111との巻き数比に応じた電圧の交流電力が発生する。トランス110の二次巻線112に発生した交流電力は整流回路120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 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 111 of the transformer 110, and the primary winding 111 AC current flows. This alternating current generates a magnetic field in the primary winding 111, and this magnetic field crosses the secondary winding 112. As a result, a current is generated in the secondary winding 112 by magnetic induction, and AC power having a voltage corresponding to the turn ratio with the primary winding 111 is generated at both ends of the secondary winding 112. The AC power generated in the secondary winding 112 of the transformer 110 is converted into DC power by the rectifier circuit 120 and output from the output terminals 101c and 101d.

なお、静電誘導型変換素子200から、さらに効率よく電力を取り出すには、エレクトレット231と導体221との間のキャパシタンスとトランス110の一次巻線111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230の往復運動の振動周波数の値と等しくなるようにすることが好ましい。   In order to extract electric power more efficiently from the electrostatic induction conversion element 200, the resonance frequency of the resonance circuit configured by the capacitance between the electret 231 and the conductor 221 and the reactance of the primary winding 111 of the transformer 110 is reduced. It is preferable that the value be equal to the value of the vibration frequency of the reciprocating motion of the movable substrate 230.

また、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。   Further, since the voltage value of the DC output voltage after rectification is unstable, the DC voltage is preferably stabilized 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トランス110の耐電圧以上になりトランス110を破壊することがないように、図8に示すように一次巻線111と並列にシャントダイオード105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105を設けることにより、シャントダイオード105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105が導通状態となってトランス110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 transformer 110, which may destroy the transformer 110. As shown in FIG. 8, it is preferable to provide a shunt diode 105 in parallel with the primary winding 111 as shown in FIG. By providing the shunt diode 105 in this way, the shunt diode 105 becomes conductive when the voltage having a value higher than the withstand voltage value of the shunt diode 105 is output from the electrostatic induction conversion element 200, thereby protecting the transformer 110. .

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電源ユニットの電気系回路を示すブロック図The block diagram which shows the electric system circuit of the power supply unit 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 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…コンデンサ、105…シャントダイオード、110…トランス、111…一次巻線、112…二次巻線、120…整流回路、121,122…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…コイルバネ、300…電力合成回路、301a,301b出力端子、311…電界効果トランジスタ。   100 ... Power extraction circuit, 101a, 101b ... Input terminal, 101c, 101d ... Output terminal, 102 ... Capacitor, 103 ... Resistor, 104 ... Capacitor, 105 ... Shunt diode, 110 ... Transformer, 111 ... Primary winding, 112 ... Secondary winding, 120 ... rectifier circuit, 121,122 ... diode, 200 ... static induction conversion element, 210 ... housing, 211 ... bottom surface, 212,213 ... external electrode, 214 ... bearing ball, 220 ... fixed substrate, 221 ... conductor , 230 ... movable substrate, 231 ... electret, 232 ... conductor film, 241 ... support member, 251, 252 ... coil spring, 300 ... power combining circuit, 301a, 301b output terminal, 311 ... field effect transistor.

Claims (3)

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と、該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とからなる電源素子モジュールを複数備えてなる電源ユニットの前記複数の電力取り出し回路のそれぞれから出力される電力を合成して取り出す電力合成回路であって、
前記電力取り出し回路毎に設けられ、入力端子が前記電力取り出し回路の出力端子に接続されるとともに出力端子が合成電力出力端子に接続されている複数の電界効果トランジスタと、
各電界効果トランジスタ毎に、電界効果トランジスタに接続されている電力取り出し回路から電界効果トランジスタに入力される電圧の値或いは該電界効果トランジスタから出力される電圧の値の何れか一方に基づいて、前記電界効果トランジスタに接続されている電力取り出し回路から電力が出力されているときだけ該電界効果トランジスタをオン状態にする制御手段と備えている
ことを特徴とする電力合成回路。
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 element module comprising: an electrostatic induction conversion element that converts the kinetic energy of relative motion generated on the two substrates into electric energy and outputs the electric energy; and a power extraction circuit that extracts electric power from the electrostatic induction conversion element. A power combining circuit that combines and outputs power output from each of the plurality of power extraction circuits of a plurality of power supply units,
A plurality of field effect transistors provided for each of the power extraction circuits, wherein an input terminal is connected to an output terminal of the power extraction circuit and an output terminal is connected to a combined power output terminal;
For each field effect transistor, based on either the value of the voltage input to the field effect transistor from the power extraction circuit connected to the field effect transistor or the value of the voltage output from the field effect transistor, A power combining circuit comprising: control means for turning on the field effect transistor only when power is output from the power extraction circuit connected to the field effect transistor.
前記電界効果トランジスタとしてNチャネル型電界効果トランジスタを備え、
前記制御手段は、前記合成電力出力端子に接続された前記Nチャネル型電界効果トランジスタのゲート端子からなる
ことを特徴とする請求項1に記載の電力合成回路。
An N-channel field effect transistor is provided as the field effect transistor,
The power combining circuit according to claim 1, wherein the control unit includes a gate terminal of the N-channel field effect transistor connected to the combined power output terminal.
前記電界効果トランジスタは化合物半導体からなることを特徴とする請求項1に記載の電力合成回路。   The power combining circuit according to claim 1, wherein the field effect transistor is made of a compound semiconductor.
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