JP5063816B2 - 振動発電器、振動発電装置、及び振動発電装置を搭載した電子機器と通信装置 - Google Patents
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Description
振動発電器10は、複数の導電性表面領域13を備えた第1の基板11と、複数のエレクトレット材料領域15を備えた第2の基板16とで構成される。第1の基板11と、第2の基板16とは、互いに所定の間隔を隔てて配置されている。エレクトレット材料領域15を含む第2の基板16は固定されている。導電性表面領域13を含む第1の基板11は固定構造17にバネ19を介して連結されている。バネ19は第1の基板11の両側面に接続されており、また、固定構造17に接続されている。このバネ19により第1の基板11は定位置に戻る(保持される)ことができ、或いは、第1の基板11は側方運動(例えば図の左右方向の運動)を行い、定位置に戻ることができる。この動きにより、エレクトレット材料領域15と、対向する導電性表面領域13との重なり面積の増減が生じ、導電性表面領域13に電荷の変化が生じる。振動発電器(静電誘導型振動発電器)10は、この電荷の変化を電気エネルギーとして取り出すことにより発電を行う。
すなわち、第1の基板から電気エネルギーを取り出すための配線が第1の基板の振動を阻害する場合がある問題、および第1の振動によりこの配線が経時変化し、断線する場合があるという問題があった。
またこのような振動発電器を含む振動発電装置と、振動発電装置を搭載した通信装置および電子機器とを提供することも目的とする。
図1は、本発明の実施の形態1に係る振動発電器100の断面図であり、図2は図1の振動発電器100の第1の基板102(図2(a))、及び第2の基板103L(図2(b))の上面図である。図1が示す断面は、図2のA−A断面に相当する。
第1の基板102の一方の面(図1では下面)には第1の電極107La、107Lb、107Lcが形成され、他方の面(図1では上面)には第3の電極107Ua、107Ub、107Ucが形成されている。
そして、第1の基板102の他方の面に対向する第3の基板103Uの主面(図1では下面)上には第4の電極106Ua、106Ub、106Ucが、それぞれ第3の電極107Ua、107Ub、107Ucに対向する位置に形成される。
また、第1の基板102の一方の面に対向する第2の基板103Lの主面上には第6の電極104La、104Lbがそれぞれ形成され、第1の基板102の他方の面に対向する第3の基板103Uの主面上には第8の電極104Ua、104Ubが形成される。
また、第1の電極107L(107La、107Lb、107Lc)の前記膜が保持する電荷の極性についても第5の電極105Lの前記膜が保持する電荷の極性と同じであることが好ましい。第1の電極107Lと第5の電極105Lとに同時に電荷を帯電させることができ、プロセスが簡便になるためである。
さらに同様に、第3の電極107U(107Ua、107Ub、107Uc)の前記膜が保持する電荷の極性についても第7の電極105Uおよび第8の電極104Uの前記膜が保持する電荷の極性と同じであることが好ましい。第3の電極107Uと第7の電極105Uと第8の電極104Uとに同時に電荷を帯電させることができ、プロセスが簡便になるためである。
このように第1の基板102を接地した場合では、リード線の接続位置により自由に配線を行うことができ、また、配線を別に作りこむことが可能となり、従来の振動発電器の可動に保持された基板からの配線に比べ配線を簡略化できる。さらに、リード線等のやわらかい配線であれば、振動を阻害することなく配線できるため、第1の基板102の振動を阻害しないという効果も得ることができる。
すなわち、第5の電極105La、105Lbと第6の電極104La、104Lbとの間に作用する静電力及び第7の電極105Ua、105Ubと第8の電極104Ua、104Ubとの間に作用する静電力により、第1の基板102はz軸方向の所定の位置に保持されるとともに、外力が作用しない時は、x軸方向および/またはy軸方向についても所定の位置に保持される。
この結果、第1の電極107L(107La、107Lb、107Lc)と第2の電極106L(106La、106Lb、106Lc)との重なり面積および第3の電極107U(107Ua、107Ub、107Uc)と第4の電極106U(106Ua、106Ub、106Uc)との重なり面積が変化することで振動発電器100は発電を行う。
図2(a)は第1の基板102の下面を示し、図2(b)は第2の基板103Lの上面を示す。
図2(a)に示すように第1の電極107L(図1の107La、107Lb、107Lcに対応)は、長手方向がy軸と平行に配置された短冊状の複数の電極からなり、この複数の電極は互いに電気的に接続して構成されている。図2(b)に示すように、同様に第2の電極106L(図1の106La、106Lb、106Lcに対応)もy軸と平行に配置された短冊状の複数の電極からなり、この複数の電極も互いに電気的に接続して構成されている。図2(a)、(b)では、簡単のため配線構造を図示していない。
同様に第2の基板103Lのy軸方向に延在する周辺部(端部)に沿って、2つの第6の電極104L(図1の104La、104Lbに対応)が配置されている。
そして、x軸方向において、第6の電極104Lが第5の電極105Lより外側になるよう配置されている。
同様に、以上に説明した第2の電極106Lの配置および第6の電極104Lの配置を、第3の基板103Uの下面における第4の電極106Uの配置および第8の電極104Uの配置にそれぞれ適用してもよい
このため、第1の基板102のy軸方向への変位を所定の範囲内に制限するために例えば第2の基板103Lのy軸方向の端部に突起を設ける等、拘束手段を設けるのが好ましい。
上述のように第5の電極105Lと第6の電極104Lとは、同じ極性の電荷を有していることから、その間に静電力による反発力(静電反発力)が作用している。同様に第7の電極105Uと第8の電極104Uとは、同じ極性の電荷を有していることから、その間に静電力による反発力が作用している。
x軸方向については第5の電極105Laと第6の電極104Laとの間および第7の電極105Uaと第8の電極104Uaとの間に作用する反発力(第1の基板102を図1の右方向に動かそうとする力)と、第5の電極105Lbと第6の電極104Lbとの間および第7の電極105Ubと第8の電極104Ubとの間に作用する反発力(第1の基板102を図1の左方向に動かそうとする力)とがバランスする位置で第1の基板102は留まる。
この復元力を利用して第1の基板102を第2の基板103Lおよび第3の基板103Uに対して相対的に変位させることで、第1の電極107La、107Lb、107Lcと第2の電極106La、106Lb、106Lcとの重なり面積および第3の電極107Ua、107Ub、107Ucと第4の電極106Ua、106Ub、106Ucとの重なり面積が増減する。
(1)低周波数の振動に対しても発電が可能
(2)機械的な信頼性の向上、及び機械的な損失が小さい
(3)出力電力が大きい
本実施の形態に示す振動発電器100では、従来構造にあるような機械的な弾性構造体を有していない。そのため、構造での弾性構造体の弾性歪みによる信頼性を確保するために、十分に余裕をもった設計を行うことによる小型化困難などの問題に対して、弾性的な疲労が発生する箇所が無い。その結果、バネ部での機械的な信頼性の確保、小型化及び大振幅での動作を行った場合の信頼性の確保が容易である。
また、シリコンおよびガラス等から成る基板と樹脂バネのような、全く異なる材料からなる部材を形成する必要がないことから構造およびプロセスが複雑でないという利点を有する。
このため、第3の電極107Uと第1の電極107Lとのうち、一方の電極の電位に対して他方の電極は、逆の電位を持つこととなる。このため、第1の基板102内において擬似GND面が存在することとなる。
本実施の形態に示す振動発電器では、上述のように2組の対向する電極を用いて(第1の電極107Lと第2の電極106L及び第3の電極107Uと第4の電極106U)、逆相の電圧として電気エネルギーを取り出すことができる。すなわち、第1の基板の片側のみに電極が形成された構成の従来の振動発電器と比較して、同じように第1の基板が1回振動する際に2倍の電力を得ることができる。
以下に、第1の実施形態に用いる電荷を保持した膜を含む電極(エレクトレット電極)の詳細を説明する。
図3は、第1の電極107La、107Lb、107Lc、第5の電極105La、105Lb、第6の電極104La、104Lb、第3の電極107Ua、107Ub、107Uc、第7の電極105Ua、105Ubおよび第8の電極104Ua、104Ubのいずれとしても用いることができるエレクトレット電極を示す断面図である。
第1の基板102上に導電体117aが形成される。導電体117aの上部には第1の絶縁体117b、電荷を保持した膜であるエレクトレット117cと第2の絶縁体117dが形成される。
また、エレクトレット117cは導電体117a全体に形成されてもよく、また短冊状の導電体117a上の一部にのみに配置されてもよいが、短冊状の導電体117aの一部に形成される方がプロセス、デバイス特性の安定性から好ましい。
なお、ここでいう高抵抗の基板とは、基板全体が抵抗率の高い基板だけでなく、低抵抗基板(例えば、低抵抗シリコン基板)の表面に酸化膜等の絶縁膜を形成したものも含み、後者を用いても前者と同様の効果が得られることは言うまでもない。
上述のように第1の電極107L、第5の電極105L、第6の電極104L、第3の電極107U、第7の電極105Uおよび第8の電極104Uは電荷を保持したエレクトレット膜を有したエレクトレット電極として構成される。
エレクトレット膜117cを構成するエレクトレット材料としては、ポリプロピレン、ポリエステルテレフタレート、ポリビニルクロライドなどの高分子材料、或いは酸化シリコンなどの無機材料を利用することができる。これらの中でも絶縁耐圧、耐熱性に優れた酸化シリコンを用いることが好ましい。
このように、第1の電極107Lと第3の電極107Uとを同じ極性にすることで、エレクトレット電極である第1の電極107L、第5の電極105L、第6の電極104L、第3の電極107U、第7の電極105Uおよび第8の電極104Uの全てが保持する電荷を同じ極性とすることができる。製造時に同時に電荷を帯電させることができ、プロセスを簡便にできるという利点がある。
(4)重なり面積の増減を一定にすることが可能
第2の電極106Lを静止した状態の第1の電極107Lに概ね対向する位置にのみ形成すると、第1の基板102が大振幅(大変位)で振動した場合、第1の電極107L(とりわけ端に位置する第1の電極107La、107Lc)と第2の電極106Lとが重ならない時間が増加し、重なり面積の増減量が低下するといった問題が発生する。
これは、第4の電極106Uを静止した状態の第3の電極107Uに概ね対向する位置にのみ形成し、第1の基板102が大振幅(大変位)で振動した場合も同じである。
第4の電極106Uを第3の電極107Uの領域よりも大きく形成(第3の電極107Uの外側にまで形成)した場合も、同様の効果が得られる。
そして、このように復元力を生ずる電極を第1の基板102の一方の側にだけ設けた実施形態も当然に本実施形態に含まれる。
図4は、本実施の形態の変形例に係る第1の基板122(図4(a))の下面および第2の基板123L(図4(b))を示す上面図である。
図2に示す第1の基板102では基板の周辺のうちy軸方向に延在する部分にのみ第5の電極105Lが配置されているのに対して、変形例である第1の基板122では、基板の端部(外周)に沿って全周に第5の電極(エレクトレット電極)125Lが配置されている点が異なる。
同様に第2の基板123Lもその端部(外周)に沿っての全周に第6の電極(エレクトレット電極)124Lが配置されている点が図2の第2の基板103Lと異なる。
図5は、本発明の実施の形態2に係る振動発電器200の断面図である。実施の形態1と異なる点は、第1の基板202と第2の基板203Lとの間および第1の基板202と第3の基板203Uとの間に突起体209La、209Lb、209Ua、209Ubが形成されている点である。
これにより実施の形態1と同様に第1の基板202の配線を省略または簡略化することが可能となる。
突起体209La、209L、b209Ua、209Ubにより、より確実にスティクションを回避することができる。
振動発電器200は、外部からの振動により第1の基板202が第2の基板203Lおよび第3の基板203Uに対して変位(図5中の矢印208方向)することで発電を行う。その際、第1の基板202は外部からの振動により変位した後、静電力により所定の位置に戻される。
第1の基板202が例えば図5の右方向に変位した場合、第5の電極205Lbと第4の電極204Lbとの間および第7の電極205Ubと第8の電極204Ubとの間に生ずる静電反発力の方が、第3の電極205Laと第4の電極204Laとの間および第7の電極205Uaと第8の電極204Uaとの間に生ずる静電反発力より強くなる。
一方、静電反発力のz軸方向の成分について考えれば、基板202をz軸方向に保持しようとする静電反発力が基板202の右側と左側で異なること意味する。すなわち、z軸方向の変位が不安定になる場合があることを示している。
すなわち、このように構成することで、以下のような効果を得ることができる。
(5)第1の基板をより安定に動作することができる。
本実施の形態の動作の説明でも示したように、第1の基板202を保持できるように突起体209La、209Lb、209Ua、209Ubを構成することにより、第1の基板202が変位した際に変位方向と変位と逆方向と間の静電力のアンバランスが生じても第1の基板202をより安定して動作させることが可能となる。
そして、この静電力のアンバランスにより第1の基板に傾きが生じると、上下方向の力のかかり方にもアンバランスが生じるため、アンバランスの補正が必要な場合がある。しかしながら、アンバランスを補正するために静電力を大きくすると、x軸方向の復元力が大きくなり過ぎて第1の基板が外部振動により十分に変位しないという問題が生じ得る。
また、突起体209La、209Lb、209Ua、209Ubは導電体を含んで形成されてもよく、この場合、第1の基板202上の電極と電気的に接続して電極取り出しに用いてもよい。例えば、第1の電極207La、207Lb、207Lcおよび/または第3の電極207Ua、207Ub、207Ucを接地するのに用いることも可能である。
図6は、本発明の実施の形態3における振動発電器300の断面図である。実施の形態1と異なる点は、第1の電極307La、307Lb、307Lcと第3の電極307Ua、307Ub、307Ucとの大きさが異なり、また第5の電極305La、305Lbおよび第6の電極304La、304Lbと第7の電極305Ua、305Ubおよび第8の電極304Ua、504Ubとの大きさが異なることである。
その他の構成は実施の形態1と同様である。
(6)着電量のアンバランスの補正
第1の電極307La、307Lb、307Lcと第5の電極305La、305Lbと第6の電極304La、304Lbはそれぞれ同じ極性の電荷を保持している。また、第3の電極307Ua、307Ub、307Ucと第7の電極305Ua、305Ubと第8の電極304Ua、304Ubとはそれぞれ同じ極性の電荷を保持している。一方、第1の電極307La、307Lb、307Lcと第5の電極305La、305Lbと第6の電極304La、304Lbが保持する電荷と、第3の電極307Ua、307Ub、307Ucと第7の電極305Ua、305Ubと第8の電極304Ua、304Ubが保持する電荷とは極性が異なる。
そこで、本実施の形態に示すように、第1の基板302に生じる静電力を同基板の上下の電極で実質的に等しくするように電極サイズ(電荷を保持するエレクトレットの体積)を変えることで、着電量のアンバランスの補正を行うことができ、また発電量のアンバランスも生じない。
図7は、本発明の実施の形態4に係る第3の基板403Uの上面図(図7(a))と、第3の基板403UのB−Bにおける断面図(図7(b))である。
図7において、第3の基板403Uは、周辺部に第8の電極404Uが形成されている。第3の基板403U上には、第4の電極406Uが形成される。より詳細には、図示していないが第3の電極と対向する位置に第4の電極406Ua、406Ub、406Ucが形成され、配線電極406Udにより電気的に接続される。このとき、外部との取り出しが第3の基板403Uの4つの角部のうち少なくとも1つにおいて行われるよう、第8の電極404Uの一部に切り欠きが設けられている。
ここで、第8の電極404Uは、図3と同様に導電体404aと、第1の絶縁体404b、電荷を保持したエレクトレット404c、第2の絶縁体404dにより構成される。
第3の基板403Uを含む振動発電器の動作については他の実施の形態と同様である。
(7)静電力によるバネ力への影響を小さくすることができる。
これにより、x軸方向、或いはy軸方向に第1の基板が変位しても第3の基板403Uの周辺部に沿って配置された第8の電極404Uによる静電力を損なうことなく元の位置に第1の基板を戻すことが可能となる。
図8は、本発明の実施の形態5に係る振動発電器500の断面図(図8(a))と、第1の基板502が変位した状態の振動発電器500の断面図(図8(b))である。
これにより実施の形態1と同様に第1の基板502の配線を省略または簡略化することが可能となる。
ここでは、簡単のため配線、及び突起体についての記載は省略している。
第1の基板502が振動して2つの支持体511の間を変位する際に第5の電極505La、505Lbは第6の電極504La、504Lbと重なりが発生しない(x軸方向において第5の電極505La、505Lbが第6の電極504La、504Lbより常に内側に位置する)ように形成される。つまり、第1の基板502の端面に設けられた領域の大きさ(x軸方向の長さ)は、第6の電極504La、504Lbの大きさ(x軸方向の長さ)よりも大きく形成される。
第1の基板502が振動して2つの支持体511の間を変位する際に第7の電極505Ua、505Ubは第8の電極504Ua、504Ubと重なりが発生しない(x軸方向において第7の電極505Ua、505Ubが第8の電極504Ua、504Ubより常に内側に位置する)ように形成される。つまり、第1の基板502の端面に設けられた領域の大きさ(x軸方向の長さ)は、第8の電極504Ua、504Ubの大きさ(x軸方向の長さ)よりも大きく形成される。
振動発電器500は、外部からの振動により第1の基板502が第2の基板503Lおよび第3の基板503Uに対して変位することで発電を行う。その際、第1の基板502は外部からの振動により変位するが、2つの支持体511の間で最大限に変位した場合でも、電荷を保持する膜を含む第5の電極505La、505Lbと第6の電極504La、504Lbとの重なり、及び第7の電極505Ua、505Ubと第8の電極504Ua、504Ubとの重なりが発生しないため、静電力により第1の基板502は変位とは逆方向の力を受ける。
すなわち、図8(b)に示すように第1の基板502の変位が最大になった場合でも第5の電極の端部と第6の電極の端部(図8(b)では第5の電極505Laの端部と第6の電極504Laの端部)のx方向の距離ΔdがΔd>0である。
同様に、第7の電極の端部と第8の電極の端部のx方向の距離ΔdもΔd>0である。
(8)低周波数領域における大振幅動作が可能
第5の電極505La、505Lbおよび第7の電極505Ua、505Ubは第1の基板502の端面から一定の領域を介して(一定の距離で)形成されており、実施の形態1から実施の形態4とは電極配置が異なる。前述の実施の形態では、静電力を確保するために、バネ力(静電力)を大きめに設定することで、第1の基板が空間の端面まで変位することを防ぐ必要があり、その結果、バネ力をある程度強くする必要がある。
そして、このように復元力を生ずる電極を第1の基板502の一方の側にだけ設けた実施形態も当然に本実施形態に含まれる。
図8に示す実施の形態では、第1の基板502の周辺部(端部近傍)に静電力を発生する領域を設けた。一方、図9に示す実施形態では、第5の電極555Lと第6の電極554La、554Lbをそれぞれ第1の基板502Aの下面の中央部(x軸方向の中央部)と第2の基板503LA上面の中央部に設け、さらに第7の電極555Uと第8の電極554Ua、554Ubをそれぞれ第1の基板502Aの上面の中央部(x軸方向の中央部)と第3の基板503UA下面の中央部に設けている。
このような実施形態も本実施の形態に含まれる。
さらに図9の実施形態では第5の電極555Lおよび第7の電極555Uの個数をそれぞれ1個にすることが可能であるという利点を有する。
なお、必要に応じて複数個の第3の電極555Lおよび/または第7の電極555Uを基板502Aの中央部に配置してもよい。
そして、このように復元力を生ずる電極を第1の基板502Aの一方の側にだけ設けた実施形態も当然に本実施形態に含まれる。
図10は、本発明の実施の形態6に係る振動発電器100Aの断面図であり、図10(a)は第1の基板102が所定の位置に保持されている状態を示し、図10(b)は第1の基板102が振動して所定の位置から変位した状態を示す。図11は図10に示す振動発電器100Aの発電に寄与する部分の断面図であり、図10で記載を省略した配線を示す。
実施の形態1がエレクトレット電極間に生じる静電力を用いて(静電バネにより)第1の基板102を支持していたのに対し、本実施の形態は、弾性バネ132L、132Rを用いて第1の基板102を支持している点が実施形態1と異なる。
支持体131L、132Lは図10(a)、(b)に示すように必要に応じて第2の基板103Lと第3の基板103Uとを接続してもよい。
本実施の形態に係る振動発電器100Aのこれ以外の構成は、実施の形態1に係る振動発電器100と同じである。
従って、実施形態1と異なる部分を中心に説明する。
すなわち、実施形態1(実施形態2〜5も同様)では、振動した第1の基板を所定の位置に戻す復元力を発生する復元力発生部材として、同じ極性の電荷を有する複数のエレクトレット電極(第5〜第8の電極)を用いたが、本実施形態では弾性バネ132L、132Rを用いている。
上述のように外部から作用(振動)により第1の基板102が変位する。そして、弾性バネ132L、132Rにより所望の位置に戻る方向に変位する動作を行う。
より詳細には、図10(b)に示すように第1の基板102が左方向に変位すると、弾性バネ132Lはx軸方向に圧縮されるため、元の形状に戻ろうとし、この結果、第1の基板に復元力(図10(b)の右方向の力)を与える。一方、弾性バネ132Lは、第1の基板102が左方向に変位するとx軸方向に引っ張られるため、元の形状に戻ろうとし、この結果、第1の基板に復元力(図10(b)の右方向の力)を与える。
従って、第1の基板102に外力が作用している間は、第1の基板102は振動を継続する。一方、外力が作用しなくなると、第1の基板102の振動は減衰し、図10(a)に示すように弾性バネ132Lから第1の基板102に加わる力と弾性バネ132Rから第1の基板102に加わる力がバランスする所定の位置で停止する。
このように、第1の基板102が変位(振動)を行うことにより、実施の形態1で示した振動発電器100と同様に、第1の電極107L(107La、107Lb、107Lc)と第2の電極106L(106La、106Lb、106Lc)との重なり面積および第3の電極107U(107Ua、107Ub、107Uc)と第4の電極106U(106Ua、106Ub、106Uc)との重なり面積が変化することで振動発電器100Aは発電を行う。
なお、好ましくは、リード線等のやわらかい配線などを用いて第1の基板102からGNDを引き出し接地する構成としてもよい。これは、擬似GND面を形成するだけでなく、基準電位(GND)へ第1の基板102を接地することで、取り出す電位の安定がよりいっそう図れるからである。
第3の電極107Uを超えた領域にまで第4の電極113Uを形成することが好ましいこと、およびより好ましくは、第1の基板102の振動限界(振動により変位可能な範囲)まで第4の電極106Uを形成することも実施の形態1と同様である。
さらに、第1の基板102の表面(主面)の形状は、正方形だけでなく、矩形であっても、或いは他の形状であってもよいことは言うまでもない。
次に本実施の形態に係る変形例を示す。
図12は、本変形例に係る第1の電極(エレクトレット電極)107Laと第3の電極(エレクトレット電極)107Uaの断面を示す図である。
図12では、1つの第1の電極(第1の電極107La)のみを示しているが、他の第1の電極(第1の電極107Lb、107Lc)も同じ構成を有する。同様に図12に示さない他の第3の電極(第2の電極107Ub、107Uc)も図12に示す第3の電極107Uaと同じ構成を有する。
このようにエレクトレット(エレクトレット電極)の厚みを異ならせることで第1の電極107Laと第3の電極107Uaの表面電位の絶対値を一致させることが可能となる。
さらに、振動により可動基板が振動して発電を行う場合、負に帯電したエレクトレットと正に帯電したエレクトレットとの間で電荷が移動し、あたかもアースされた配線から電荷がそれぞれ供給されるように動作することとなる。したがって、配線によりアースに接続しなくても、常に可動基板の電位をGNDとすることが可能となる。
さらに、可動基板上に熱酸化膜等の絶縁膜を形成した上にエレクトレットを形成しても同様の効果があることは言うまでもない。
なお、本変形例では、上述のように第1の基板として、低抵抗の基板を用いた例を示したが、発電部のインピーダンスに対して基板の抵抗が小さければ同様の効果を得ることが出来る。
図13は、本発明の実施の形態7に係る振動発電器200Aの断面図である。図5に示した実施の形態2に係る振動発電器200の断面構造と異なる点は、振動した第1の基板202を所定の位置に戻す復元力を発生する復元力発生部材として、実施形態2では、同じ極性の電荷を有する第5の電極205La、205Lbと第6の電極204La、204Lbおよび第7の電極205Ua、205Ubと第8の電極204Ua、204Ubを用いているのに対して、本実施形態では弾性バネ232L、232Rを用いていることである。
この点を除くと振動発電器200Aの構成は、振動発電器200の構成と同じである。
また、必要に応じて、実施の形態6に示した支持体131L、132Lを配置して、弾性バネ232L、232Rのそれぞれの一端を固定してもよい。
図14は、本発明の実施の形態8に係る振動発電器500Aの断面図であり、図14(a)は第1の基板502が所定の位置に保持されている状態を示し、図14(b)は第1の基板502が図の左方向に最大の変位を行った状態を示す。
この点を除くと振動発電器500Aの構成は、振動発電器500の構成と同じである。
このため、より強い復元力を第1の基板502に作用させることができる。
(8)第1の基板の側壁への衝突回避
図15は、本発明の実施の形態9に係るエレクトレットの断面図であり、実施の形態1から実施の形態8に係る振動発電器で用いられるエレクトレット電極の第1の電極、第3の電極、第5の電極、第6の電極、第7の電極および第8の電極のいずれとしても用いることができる。
第1の電極107L(107La、107Lb、107Lc)、第3の電極107U(107Ua、107Ub、107Uc)を例として説明するが、他の電極の場合もそれぞれ対応する基板上に同じ構成を有することが可能であることは言うまでもない。
このように、エレクトレット117cの厚みを保持電荷の極性により変えることで、極性によらずエレクトレット117cUとエレクトレット117cLの表面電位の絶対値を同じにすることが可能となる。
また、エレクトレット117c(117cL、117cU)は導電体117a全体に形成されてもよく、また短冊状の導電体117a上の一部にのみに配置されてもよいが、短冊状の導電体117aの一部に形成される方がプロセス、デバイス特性の安定性から好ましい。
なお、ここでいう高抵抗の基板とは、基板全体の抵抗率の高い基板だけでなく、低抵抗基板(例えば、低抵抗シリコン基板)の表面に酸化膜等の絶縁膜を形成したものも含み、後者を用いても前者と同様の効果が得られることは言うまでもない。
表面電位の測定について、図16を用いて説明を行う。導電体107aを測定基準電位としてGNDにアースする。このとき、表面電位計30の測定基準電位も同様にGNDにアースして測定を行う。図16に示すように、導電体107aと表面電位計30の測定基準電位とを共通のGNDにすることで高い精度を得ることができる。
好ましい表面電位計30としては、例えば、Trek社製等の接触式表面電位計がある。非接触式の表面電位計も用いることができる。
表1では、負電荷の絶対値を1とした値を示す。エレクトレット107cとしてシリコン酸化膜を用いた。表1の結果から、同一の材料から成り、同一の膜厚を有するエレクトレットを第1の電極107Lと第3の電極107Uに用いると、正電荷と負電荷で電荷の保持に差が生じることが判る。
さらに、振動により可動基板が振動して発電を行う場合、負に帯電したエレクトレット、正に帯電したエレクトレット間で電荷が移動し、あたかもアースされた配線から電荷がそれぞれ供給されるように動作することとなる。したがって、配線によりアースに接続しなくても、常に可動基板の電位をGNDとすることが可能となる。
さらに、このように形成したエレクトレットでは、実施の形態1から8で述べた効果を得ることができることは言うまでもない。
上述のように第1の電極、第3の電極、第5の電極、第6の電極、第7の電極および第8の電極は電荷を保持したエレクトレット膜を有したエレクトレット電極として構成される。
エレクトレット膜107cを構成するエレクトレット材料としては、ポリプロピレン、ポリエステルテレフタレート、ポリビニルクロライドなどの高分子材料、或いは酸化シリコンなどの無機材料を利用することができる。これらの中でも絶縁耐圧、耐熱性に優れた酸化シリコンを用いることが好ましい。
本発明の実施の形態10として、振動発電装置を説明する。
図17は、本実施の形態に係る振動発電装置600のブロック図である。図17示す振動発電器601は、実施の形態1〜実施の形態9で示された振動発電器のいずれか1つである。
図18は振動発電装置600の各部の電圧波形を示しており、図18(a)は、振動発電器601の出力電圧波形である。本実施の形態では簡単のため、第1の基板の変位方向が変わるところでも発電は効率よく行われていると仮定し、振動による重なり面積の増減により正弦波電圧が出力されるとしている。ここで、振動発電器601の出力電圧は、第1の基板の振動振幅、第1の基板、第3の基板間のギャップ、エレクトレット膜の保持電荷量、及び振動発電器601から見た外部インピーダンスの大きさなどにより電圧振幅Vgは異なる。振動発電器601から出力された交流電圧は、整流回路602により直流電圧VDC1に変換される(図18(b))。VDC1は、振動発電装置600の出力電圧レベルVDC2まで電圧変換回路603で電圧変換される。出力切替回路604の動作は、振動発電装置600からの電圧出力が必要ないときは、電圧制御回路606には出力を行わず、蓄電回路605に発電された電力を蓄える、また、振動発電装置600からの電圧出力が必要であり、発電量が小さい時、蓄電回路605に蓄えられた電力を出力するように切替を行う。出力切替回路604からの出力は、電圧制御回路606により所望の出力電圧VOUTに制御されて出力が行われる(図18(c))。
出力電圧は一定とすることが可能となる。例として1.8Vの出力を行う場合について説明を行うと、VDC2を1.8Vに設定した場合、振動発電器の出力電圧が減少すると、振動発電器600の出力電圧も減少するが、例えば、VDC2を2Vに設定しておけば、0.2Vの電圧減少に対しても十分に制御が可能となるなど、利用上の効果は大きい。
図19において、振動発電器610は、実施の形態1〜実施の形態9のいずれかに示された振動発電器である。
振動発電装置610は、振動発電器611、整流回路612、電圧変換回路613、出力制御回路614、蓄電回路615および電圧制御回路616からなる。振動発電器611から出力された交流電圧は、整流回路612により直流電圧に変換される。直流電圧は、電圧変換回路613に入力され、振動発電装置610の電圧制御可能な電圧レベルに電圧変換し、変換された電圧は、電圧制御回路606で所望の電圧となるよう制御され蓄電回路615に入力される。出力制御回路614では、蓄電回路615に蓄えられた電力を負荷の状態に合わせて出力制御を行う。
振動発電装置610の動作は、振動発電装置600のそれと概略同様であるが、電圧制御回路616の出力電圧は、蓄電回路615への最適な電圧に制御するように設定を行う。また、出力制御回路614は、負荷の状態に合わせて振動発電装置610からの出力を制御する。
図20は、自動車に搭載されるタイヤ空気圧モニタリングシステムで使用される通信装置700のブロック図である。図20において、発電装置701は実施の形態10で示された振動発電装置を示す。
圧力センサ704、処理部705、通信部706が動作するために必要な電力を、電源制御部703により発電装置701、或いは電池702から供給を行う。圧力センサ704は、タイヤの空気圧を測定し、測定結果を電圧信号に変換して処理部705へ入力する。処理部705で処理された信号は、通信部706へ入力され高周波信号としてアンテナ707から伝搬される。
図21は、おもちゃなどに搭載される音の出る電子機器800のブロック図である。図21において、発電装置801は実施の形態6で示された振動発電装置を示す。
図21において、電子機器800は、振動により発電を行う発電装置801、通信装置の主電源、或いは発電装置801のサブ電源としての電池802、発電装置801からの出力と電池802からの出力を切り替えて回路部に供給する電源制御部803と、外部からの応答(例えば、ボタンプッシュ、傾きなど)を検出するセンサ804、センサからの出力を処理し、通信部に伝える処理部805、処理部805からの入力信号によりスピーカー807へ伝える制御部806と、スピーカー807からなる。
センサ804、処理部805、制御部806が動作するために必要な電力を、電源制御部803により発電装置801、或いは電池802から供給を行う。センサ804は、外部からの応答を検出し、検出結果を処理部805へ入力する。処理部805で処理された信号が所望の値を超えると、制御部806へ入力されスピーカー807から音を出力する。
また、本実施の形態では、振動発電装置と電池との併用を行う例を示したが、振動発電装置からの出力電力が圧力センサ、処理部、通信部等の回路で消費する電力、通信に必要な電力を十分にまかなうことができれば振動発電装置のみでもかまわない。その場合、電池、及び電源制御部が不要となり機器の小型化といった点で有効である。
102 第1の基板
103L 第2の基板
103U 第3の基板
107La、107Lb、107Lc 第1の電極
106La、106Lb、106Lc 第2の電極
107Ua、107Ub、107Uc 第3の電極
106Ua、106Ub、106Uc 第4の電極
105La、105Lb 第5の電極
104La、104Lb 第6の電極
105Ua、105Ub 第7の電極
104Ua、104Ub 第8の電極
108 振動方向
209Ua、209La、209Ub、209Lb 突起体
600 振動発電装置
700 通信装置
800 電子機器
Claims (19)
- 第1の基板と、
前記第1の基板の下面に配置され、電荷を保持した膜を含む第1の電極と、
前記第1の基板から離間し、かつ前記第1の基板の下面に対向して配置された第2の基板と、
前記第1の電極と対向するように前記第2の基板の上面に配置された第2の電極と、
前記第1の基板の上面に配置され、電荷を保持した膜を含む第3の電極と、
前記第1の基板から離間し、かつ前記第1の基板の上面に対向して配置された第3の基板と、
前記第3の電極と対向するように前記第3の基板の下面に配置された第4の電極と、
を含み、
前記第1の電極が有する前記電荷を保持する膜と、前記第3の電極が有する前記電荷を保持する膜とが、異なる極性の電荷を保持し、
前記第1の基板に外力が作用しないときは前記第1の基板を所定の位置に保持し、前記第1の基板に外力が作用して前記第1の基板が前記第2の基板に対して移動したときは前記第1の基板を前記所定の位置に戻す復元力を与える、復元力発生部材を更に含み、
前記第1の電極および前記第3の電極は、それぞれ、前記前記第1の基板が前記第2の基板に対して移動する方向に沿って複数配置されていることを特徴とする振動発電器。 - 前記第1の電極および前記第3の電極は、それぞれ、前記第1の基板側より順に積層された導電体、絶縁体および前記電荷を保持した膜を有することを特徴と請求項1に記載の振動発電器。
- 前記復元力発生部材が、
前記第1の基板の下面に配置され、電荷を保持した膜を含む第5の電極と、
前記第2の基板の上面に配置され、電荷を保持した膜を含み、前記第5の電極との間に静電力を生ずるように配置された第6の電極と、
を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の振動発電器。 - 前記第5の電極が有する前記電荷を保持する膜と、前記第6の電極が有する前記電荷保持する膜とが、同じ極性の電荷を保持していることを特徴とする請求項3に記載の振動発電器。
- 前記復元力発生部材が、
前記第1の基板の上面に配置され、電荷を保持した膜を含む第7の電極と、
前記第3の基板の下面に配置され、電荷を保持した膜を含み、前記第7の電極との間に静電力を生ずるように配置された第8の電極と、
を含むことを特徴とする請求項3または4に記載の振動発電器。 - 前記第7の電極が有する前記電荷を保持する膜と、前記第8の電極が有する前記電荷保持する膜とが、同じ極性の電荷を保持していることを特徴とする請求項5に記載の振動発電器。
- 前記第5の電極が前記第1の基板の端面近傍に配置され、前記第6の電極が前記第2の基板の端面近傍で、かつ前記第1の基板が前記振動をしても前記第5の電極と前記第6の電極とが重ならない位置に配置され、
前記第7の電極が前記第1の基板の端面近傍に配置され、前記第8の電極が前記第3の基板の端面近傍で、かつ前記第1の基板が前記振動をしても前記第7の電極と前記第8の電極とが重ならない位置に配置されていることを特徴とする請求項5または6に記載の振動発電器。 - 前記第5の電極が前記第1の基板の中央部に配置され、前記第6の電極が前記第2の基板の中央部で、かつ前記第1の基板が前記振動をしても前記第5の電極と前記第6の電極とが重ならない位置に配置され、
前記第7の電極が前記第1の基板の中央部に配置され、前記第8の電極が前記第3の基板の中央部で、かつ前記第1の基板が前記振動をしても前記第7の電極と前記第8の電極とが重ならない位置に配置されていることを特徴とする請求項5または6に記載の振動発電器。 - 前記第6の電極が前記第2の基板の外周に沿って形成され、前記第2の電極が前記第6の電極の内側に形成され前記第6の電極に設けた切欠き部を通り外部と電気的に接続され、
前記第8の電極が前記第3の基板の外周に沿って形成され、前記第4の電極が前記第8の電極の内側に形成され前記第8の電極に設けた切欠き部を通り外部と電気的に接続されていること特徴とする請求項5または6に記載の振動発電器。 - 前記第1の電極の前記電荷を保持した膜と前記第3の電極の前記電荷を保持した膜とが異なる厚さを有することを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の振動発電器。
- 前記復元力発生部材が、前記第1の基材に接続された弾性バネを含むことを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の振動発電器。
- 一端が前記第2の基板または前記第3の基板に固定され、他端が前記第1の基板と接触可能な突起体を含むことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の振動発電器。
- 請求項1〜12のいずれか1項に記載の振動発電器と、
前記振動発電器からの交流出力電圧を整流して直流電圧に変換する整流回路と、
を含むことを特徴とする振動発電装置。 - 前記整流回路から出力された直流電圧を所望の電圧レベルに変換を行う電圧変換回路と、
前記振動発電装置からの出力が不要な場合、振動発電器により発電された電力を蓄える蓄電回路と、
前記電圧変換回路、或いは前記蓄電回路からの出力電圧を所定の電圧に制御する電圧制御回路と、
前記電圧変換回路の出力を蓄電回路、或いは電圧制御回路に切り替える出力切替回路と、
を更に含むことを特徴とする請求項13に記載の振動発電装置。 - 前記電圧変換回路からの出力電圧が、前記振動発電回路の出力電圧よりも高く設定されていることを特徴とする請求項14に記載の振動発電装置。
- 請求項13〜15のいずれか1項に記載の振動発電装置を用いた通信装置。
- 請求項1〜12のいずれか1項に記載の振動発電器と電池とを有することを特徴とする通信装置。
- 請求項13〜15のいずれか1項に記載の発電装置を用いた電子機器。
- 請求項1〜12のいずれか1項に記載の振動発電器と電池とを有することを特徴とする電子機器。
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