JP2018088780A - 振動発電素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】振動発電素子は、第1の電極と、第1の電極に対して所定の方向に沿って移動する第2の電極と、第3の電極と、第3の電極に対して所定の方向に沿って移動する第4の電極と、第2の電極と第4の電極とを前記所定の方向に沿って移動可能に支持する支持部と、を備え、第1の電極と第3の電極とは、所定の方向に沿って配置され、第1の電極と第2の電極との対向面の少なくとも一方と、第3の電極と第4の電極との対向面の少なくとも一方とが帯電され、支持部は、第1の電極と第2の電極による静電力と、第3の電極と第4の電極による静電力とが所定の方向に沿って釣り合った状態で、第2の電極と第4の電極とを支持する。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の一実施の形態に係る振動発電素子1の概略構成を示す平面図である。 振動発電素子1は、たとえばSOI(Silicon On Insulator)基板を用いて、一般的なMEMS加工技術により形成される。SOI基板は、たとえばハンドル層が形成される下部Si層と、BOX層が形成されるSiO2層と、デバイス層が形成される上部Si層とを重ねて構成されている。
振動発電素子1は、ベース2と、固定電極3aおよび3bと、可動電極4aおよび4bと、可動部5と、弾性支持部6とを備えている。振動発電素子1には、負荷9が接続されている。
なお、以下の説明では、図1に示すように設定したX軸、Y軸、Z軸からなる直交座標系を用いるものとする。
固定電極3a、3bおよび可動電極4a、4bは、それぞれ櫛歯構造を有している。固定電極3aには複数の櫛歯30aが形成され、可動電極4aには複数の櫛歯40aが形成されている。固定電極3aと可動電極4aとは、振動発電素子1のX方向−側にて櫛歯30aと櫛歯40aとが互いに歯合するように配置されている。同様に、固定電極3bには複数の櫛歯30bが形成され、可動電極4bには複数の櫛歯40bが形成されている。固定電極3bと可動電極4bとは、振動発電素子1のX方向+側にて櫛歯30bと櫛歯40bとが互いに歯合するように配置されている。
なお、弾性支持部6は、図2に示すように、1個の平板形状の部材により形成されるものに限定されず、複数個の平板形状の部材により形成されてもよい。弾性支持部6として、たとえば特許5551914号明細書に記載された構造を適用することもできる。
また、弾性支持部6は平板形状であるもの、すなわちZX平面での断面が矩形であるものに限定されず、楕円形状や多角形状でもよい。この場合、弾性支持部6の断面のX方向の最大の長さがZ方向の長さよりも小さくなるように形成することにより、X方向の支持剛性を他の方向の支持剛性よりも小さくすることができる。
なお、帯電電圧は厳密に同一であるものに限定されず、上述したように可動部5に働く静電力が釣り合った状態、すなわち振動中心位置が弾性支持部6の安定点位置に位置することが実現できる帯電電力であればよい。また、エレクトレットを形成する方法の一例として、たとえば公知の特開2016−149914号公報に記載されているように、櫛歯構造表面に酸化膜を製膜し高温バイアス処理を施す方法等を用いることができる。もちろん上記の方法に限定されるものではなく、例えば特許5551914号明細書等に開示の各種の方法を適用させることができる。
図3は、図1に示す振動発電素子1の構成に対応する等価回路図である。この等価回路を用いることにより、可動部5がX方向に沿って振動している場合の可動部5の運動方程式を以下の式(1)のように表すことができる。
なお、mは可動部5の質量、Xは振動発電素子1内における可動部5の固定部(たとえば固定電極3a、3b)に対する相対変位、Xoutは振動発電素子1の外部振動の変位、rfは空気や機械の摩擦によるダンピング係数、VLおよびVRは固定電極3a、3bで発生する電圧、V0は固定電極3a、3bでのエレクトレット帯電電圧である。また、Aはエレクトレットによる強さの量を示す力係数であり、以下の式(2)により表すことができる。
なお、nは櫛歯30aまたは40aの歯数、ε0は真空の誘電率、bは櫛歯30a、40aの厚さ(Z方向の長さ)、V0はエレクトレット帯電電圧、gは櫛歯30aおよび櫛歯40a間の間隔である。力係数Aの値を変更する、すなわちエレクトレットによる効果の強さを変更するためには、式(2)に示す、櫛歯30aおよび40a間の間隔gと、エレクトレット帯電電圧V0との少なくとも一方を変更すれば良い。たとえば、間隔gを小さくする、または、帯電電圧V0を大きくする、またはその両方を行うことにより、力係数Aを大きな値に変更することができる。
なお、C0は可動電極4aまたは4bの静電容量であり、ω0は可動部5の共振角振動数、すなわち可動電極4aまたは4bの共振角振動数である。静電容量C0は、固定電極と可動電極とが対向するときのX方向の長さをwとし、浮遊容量をC1として、C0=C1+(2nε0bw/g)のように表され、共振角振動数ω0は、ω0={(k+A2/C0)/m}1/2のように表される。式(3)は、固定電極および可動電極の静電容量と負荷9による放電との時定数が、可動部5の振動の時定数と一致する場合に、負荷9が有し得る抵抗値を最適値Rとして設定されていることを表す。
力係数Aの値を大きくする程、上記式(6)のうち発電効率EHである{1/(1+C0k/(A2QM))}の値は1に近い値になり、機械的ダンピングの影響を無視することが可能となる。すなわち、力係数Aの値を大きな値に設定することにより、機械的ダンピングを増加させることなくQ値を低い値に設定でき、機械的ダンピングの増加による損失を抑制して発電特性を向上させることができる。本実施の形態の場合では、力係数Aの値を大きく設定することにより、電気的ダンピングによる効果を機械的ダンピングによる効果に対して上回る構成とすることができるので、振動発電素子1による発電効率を大きくさせることができる。
エレクトレット帯電電圧V0=300[V]。
力係数A=13.5[μC/m]。
負荷9の最適値R=18.37[MΩ]。
加速度24.6[m/s2]。
Q値=7.9。
エレクトレット帯電電圧V0=50[V]。
力係数A=2.25[μC/m]。
負荷9の最適値R=19.62[MΩ]。
加速度0.685[m/s2]。
Q値=250。
(1)固定電極3aと可動電極4aの対向面の少なくとも一方と、固定電極3bと可動電極4bとの対向面の少なくとも一方とが帯電される。弾性支持部6は、固定電極3aと可動電極4aとによる静電力と、固定電極3bと可動電極4bとによる静電力とがX方向に沿って釣り合った状態で、可動電極4a、4bを支持する。
本実施の形態においては、上述したシミュレーションの第1の条件の場合のように、力係数Aを大きな値に設定している。すなわち、式(2)におけるエレクトレット帯電電圧V0を大きな値にし、櫛歯30aと櫛歯40aとの間隔gが小さくなるように振動発電素子1を作成する。
また、静電力が釣り合った状態で可動部5が弾性支持部6に支持されていることにより、加振によって可動部5に作用する力がエレクトレットの静電力に応じた所定の力を超えない場合でも、可動部5は、振動中心位置において、微小な外部振動によって振動を開始することができる。特に、外部振動が共振周波数と一致している場合には、可動部5を共振によって大きく振動させることが可能になる。すなわち、振動発電素子1に加わる外部振動が微小な場合であっても発電を行うことが可能になる。
また、従来の発電素子がインパルス状の環境振動に対応するものであるのに対し、本実施の形態の振動発電素子1は微弱な正弦波的な環境振動、たとえば、ポンプやファン等の微弱振動をも検出できる。この場合の周波数は負荷によって変動するので、ワイドバンドな特性を有する本実施の形態の振動発電素子1を好適に用いることができる。
また、エレクトレット帯電電圧V0を調整して、力係数Aの値を変更することにより、外部振動の周波数に合わせた共振周波数を有する振動発電素子1を製造することができる。
4a、4b…可動電極、5…可動部、6…弾性支持部、
9…負荷、30a、30b…櫛歯、40a、40b…櫛歯
Claims (4)
- 第1の電極と、
前記第1の電極に対して所定の方向に沿って移動する第2の電極と、
第3の電極と、
前記第3の電極に対して前記所定の方向に沿って移動する第4の電極と、
前記第2の電極と前記第4の電極とを前記所定の方向に沿って移動可能に支持する支持部と、を備え、
前記第1の電極と前記第3の電極とは、前記所定の方向に沿って配置され、
前記第1の電極と前記第2の電極との対向面の少なくとも一方と、前記第3の電極と前記第4の電極との対向面の少なくとも一方とが帯電され、
前記支持部は、前記第1の電極と前記第2の電極による静電力と、前記第3の電極と前記第4の電極による静電力とが前記所定の方向に沿って釣り合った状態で、前記第2の電極と前記第4の電極とを支持する振動発電素子。 - 請求項1に記載の振動発電素子において、
前記第2の電極と前記第4の電極とを支持する前記支持部が有する支持剛性のうち、前記所定の方向に沿った支持剛性は前記所定の方向とは異なる方向に沿った支持剛性よりも小さい振動発電素子。 - 請求項1または2に記載の振動発電素子において、
前記第1の電極と前記第3の電極とに接続された負荷をさらに備え、
前記負荷は、前記第1の電極と前記第2の電極との相対的な変位により変化した静電容量による発電と、前記第3の電極と前記第4の電極との相対的な変位により変化した静電容量による発電とから得られる電力によって駆動する振動発電素子。 - 請求項3に記載の振動発電素子において、
前記負荷は、前記第2の電極または第4の電極における静電容量C0と、前記第2の電極または第4の電極の共振角振動数ω0とが以下の式(1)を満たす値Rを有する振動発電素子。
R=2/(C0ω0) …(1)
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