JP5273353B2 - 静電誘導型変換素子の電力取り出し回路 - Google Patents

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。

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。

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。

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８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。

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９及び図１０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。

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１１に示すような電力取り出し回路を使用していた。図１１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。

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。

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

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。

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。

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するトランスと、前記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、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の振動周波数の値と等しく設定されている電力取り出し回路を提案する。

本発明の電力取り出し回路では、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が、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。

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。

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。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。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。

図１乃至図６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電力取り出し回路を示す回路図、図２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要部分解斜視図、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平面図、図５は図４におけるＡ−Ａ線矢視方向断面図、図６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。

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。

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。

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。

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。

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２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。

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２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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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７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。

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。

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 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 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 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４におけるＡ−Ａ線矢視方向断面図 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 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 従来例の静電誘導型変換素子を示す図 従来例の静電誘導型変換素子を示す図 従来例の静電誘導型変換素子を示す図 従来例の電力取り出し回路を示す回路図

符号の説明

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。

Claims (2)

1. 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するトランスと、
   前記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、
   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
   ことを特徴とする静電誘導型変換素子の電力取り出し回路。
2. 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。

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