JP6162527B2 - Power generator - Google Patents

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Description

荷電粒子の運動に基づいて発電する発電装置に関する。   The present invention relates to a power generation device that generates power based on the movement of charged particles.

近年、地球環境に対する配慮、あるいは化石燃料の枯渇に対する心配から、化石燃料に代わるエネルギー源の確保が模索されている。このため、光や熱、電磁波、振動、人の動作などから微弱な電力を発電する、いわゆるエネルギー・ハーベスティング技術が注目されている。
この種のエネルギー・ハーベスティング技術の一つとして、従来、振動によって発電する圧電素子と、この圧電素子から得られた電力を整流する整流回路とを備えた発電装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
In recent years, due to consideration for the global environment or concerns about depletion of fossil fuels, efforts have been made to secure an energy source to replace fossil fuels. For this reason, so-called energy harvesting technology that generates weak electric power from light, heat, electromagnetic waves, vibration, human action, etc. has attracted attention.
As one of this type of energy harvesting technology, a power generation device including a piezoelectric element that generates electric power by vibration and a rectifier circuit that rectifies electric power obtained from the piezoelectric element is known (for example, Patent Document 1).

特開平09−211151号公報JP 09-2111151 A

ところで、この種の振動から得られる電力は微小であるため発電効率の向上が要望されている。しかしながら、従来の構成では、発電された電力は、整流回路を介して整流されることにより、損失が増大し、発電効率が低減するという問題があった。   By the way, since the electric power obtained from this kind of vibration is very small, it is desired to improve the power generation efficiency. However, in the conventional configuration, the generated power is rectified through a rectifier circuit, thereby increasing the loss and reducing the power generation efficiency.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、発電効率の向上を図った発電装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a power generator that improves power generation efficiency.

上記目的を達成するために、本発明は、荷電粒子が運動する運動領域内に配置される一対の電極と、前記電極に接続され、前記荷電粒子が当該電極間を移動する際の運動を電力として負荷に出力する出力回路とを備え、前記出力回路に前記負荷と直列に接続される開閉手段を備えるとともに、前記各電極の近傍に前記運動領域内を移動する前記荷電粒子の位置を観測する観測手段を備え、この観測手段が、前記荷電粒子の位置に応じて前記開閉手段を開閉することを特徴とする。   In order to achieve the above object, the present invention provides a pair of electrodes disposed in a motion region in which charged particles move, and the movement when the charged particles move between the electrodes connected to the electrodes. An output circuit that outputs to the load as the output circuit, and the output circuit includes opening / closing means connected in series with the load, and the position of the charged particles moving in the moving region is observed in the vicinity of each electrode Observation means is provided, and this observation means opens and closes the opening and closing means according to the position of the charged particles.

この構成において、前記出力回路は、互いに並列に接続され、第1の開閉手段及び第1の負荷を備える第1出力回路と、第2の開閉手段及び第2の負荷を備える第2出力回路とを備え、第1出力回路は、前記荷電粒子が一方の電極に接近した場合に、第1の開閉手段を閉じて第1の負荷に電力を出力し、第2出力回路は、前記荷電粒子が他方の電極に接近した場合に、第2の開閉手段を閉じて第2の負荷に電力を出力しても良い。
また、前記運動領域は、前記荷電粒子が収容される密閉容器であり、この密閉容器の両端部に前記電極が対向して配置されていても良い。
In this configuration, the output circuits are connected in parallel to each other, and include a first output circuit including a first switching means and a first load, and a second output circuit including a second switching means and a second load. The first output circuit closes the first opening / closing means and outputs power to the first load when the charged particles approach one electrode, and the second output circuit has the charged particles When approaching the other electrode, the second opening / closing means may be closed to output power to the second load.
Moreover, the said movement area | region is an airtight container in which the said charged particle is accommodated, The said electrode may be arrange | positioned facing both ends of this airtight container.

また、前記開閉手段は、トランジスタ素子で形成されていても良い。また、前記運動領域の外側から前記荷電粒子に振動を与える振動付与手段を備えても良い。また、前記荷電粒子は、100マイクロメートル以下の大きさに形成されていても良い。   The opening / closing means may be formed of a transistor element. Moreover, you may provide the vibration provision means which gives a vibration to the said charged particle from the outer side of the said movement area | region. The charged particles may be formed in a size of 100 micrometers or less.

本発明によれば、電極の近傍に配置された観測手段が、荷電粒子の位置に応じて出力回路に設けた開閉手段を開閉するため、荷電粒子の運動によって生じた電力を効率良く出力回路の負荷に出力させることができ、従って、発電効率の向上を図ることができる。   According to the present invention, the observation means arranged in the vicinity of the electrode opens and closes the opening / closing means provided in the output circuit according to the position of the charged particles, so that the electric power generated by the movement of the charged particles can be efficiently transferred to the output circuit. The load can be output, and therefore the power generation efficiency can be improved.

本実施形態にかかる発電装置を示す回路図である。It is a circuit diagram showing a power generator concerning this embodiment. 荷電粒子が一方の電極に接近した状態を示す図である。It is a figure which shows the state in which the charged particle approached one electrode. 荷電粒子が容器の略中央に戻った状態を示す図である。It is a figure which shows the state which the charged particle returned to the approximate center of the container. 荷電粒子が他方の電極に接近した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which the charged particle approached the other electrode. 荷電粒子が再び容器の略中央に戻った状態を示す図である。It is a figure which shows the state which the charged particle returned to the approximate center of the container again.

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本実施の形態にかかる発電装置を示す回路図である。
発電装置10は、図1に示すように、荷電粒子11を収容した容器(運動領域)12と、この容器12の長手方向に対向して配置される一対の電極13,14と、これら各電極13,14に接続され、荷電粒子11が当該電極13,14間を移動する際の運動を電力として出力する出力回路15とを備える。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a power generator according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the power generation device 10 includes a container (motion region) 12 that contains charged particles 11, a pair of electrodes 13 and 14 that are disposed to face the container 12 in the longitudinal direction, and each of these electrodes. 13 and 14, and an output circuit 15 that outputs the movement of the charged particles 11 between the electrodes 13 and 14 as electric power.

荷電粒子11は、例えば、直径が数マイクロメートル(μm)の大きさに形成された樹脂(ポリスチレン)製の粒子に正電荷を帯電させたものである。荷電粒子11は、容器12に伝達される振動により当該容器12内を自由に運動する。本構成では、荷電粒子11の大きさは、直径が100マイクロメートル以下に設定されることが望ましく、更には、30マイクロメートル以下に設定されることがより一層望ましい。
荷電粒子11が100マイクロメートル以下の大きさに設定されることにより、当該荷電粒子11は、容器12内に伝達される熱振動(熱揺らぎ)や音振動等の微細な振動によって容器12内を自由に運動可能となる。
The charged particles 11 are, for example, particles obtained by charging a resin (polystyrene) particle having a diameter of several micrometers (μm) with a positive charge. The charged particles 11 freely move in the container 12 by vibrations transmitted to the container 12. In this configuration, the size of the charged particles 11 is preferably set to a diameter of 100 micrometers or less, and more preferably set to 30 micrometers or less.
When the charged particle 11 is set to a size of 100 micrometers or less, the charged particle 11 is caused to move inside the container 12 by minute vibration such as thermal vibration (thermal fluctuation) or sound vibration transmitted into the container 12. You can exercise freely.

容器12は、断熱係数の小さい材料(いわゆる等温壁)で形成された筒状の密閉容器であり、容器12外部の微細な振動を荷電粒子11に伝達する。この容器12の長手方向の両端には、それぞれ電極13,14が対向して配置され、これら電極13,14間を荷電粒子が運動することに伴い、電極13,14間に起電力が生じる。   The container 12 is a cylindrical hermetic container formed of a material having a low heat insulation coefficient (so-called isothermal wall), and transmits fine vibrations outside the container 12 to the charged particles 11. Electrodes 13 and 14 are disposed opposite to each other in the longitudinal direction of the container 12, and an electromotive force is generated between the electrodes 13 and 14 as the charged particles move between the electrodes 13 and 14.

出力回路15は、上記した電極13,14に対して、互いに並列に接続される第1出力回路15Aと第2出力回路15Bとを備える。これら第1出力回路15A及び第2出力回路15Bは、相互に補完する役割を担い、第1出力回路15Aには、荷電粒子11が一方の電極13から他方の電極14へ移動する際の電力が出力され、第2出力回路15Bには、荷電粒子11が他方の電極14から一方の電極13へ移動する際の電力が出力される。これにより、片方の電極に電荷が偏って蓄積されることが防止されるため、荷電粒子11の往復運動を電力として効率良く出力することができる。
第1出力回路15A及び第2出力回路15Bは、同一の構成を備えるため、第1出力回路15Aについて説明し、第2出力回路15Bは同種の符号を付して説明を省略する。
The output circuit 15 includes a first output circuit 15A and a second output circuit 15B that are connected in parallel to the electrodes 13 and 14 described above. The first output circuit 15A and the second output circuit 15B play a role of complementing each other, and the electric power when the charged particles 11 move from one electrode 13 to the other electrode 14 is supplied to the first output circuit 15A. The electric power when the charged particles 11 move from the other electrode 14 to the one electrode 13 is output to the second output circuit 15B. This prevents the charge from being biased and accumulated on one of the electrodes, so that the reciprocating motion of the charged particles 11 can be efficiently output as electric power.
Since the first output circuit 15A and the second output circuit 15B have the same configuration, only the first output circuit 15A will be described, and the second output circuit 15B will be denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.

第1出力回路15Aには、電極13,14間に直列に接続されたLED(Light Emitting Diode)素子(第1の負荷)16Aと、このLED素子16Aに電力を出力するために開閉する状態記憶半導体スイッチ(第1の開閉手段)17Aとが設けられている。
本実施形態では、第1出力回路15Aでは、LED素子16Aは、一方の電極13と状態記憶半導体スイッチ17Aとの間に配置され、第2出力回路15Bでは、LED素子16B(第2の負荷)は、他方の電極14と状態記憶半導体スイッチ17B(第2の開閉手段)との間に配置される。
この状態記憶半導体スイッチ17A,17Bは、電極13,14間を移動する荷電粒子11の位置に応じて開閉されるとともに該開閉状態を保持する電気素子であり、本実施形態では、強誘電体メモリ(トランジスタ型FeRAM)が用いられている。
The first output circuit 15A has an LED (Light Emitting Diode) element (first load) 16A connected in series between the electrodes 13 and 14, and a state memory that opens and closes to output power to the LED element 16A. A semiconductor switch (first opening / closing means) 17A is provided.
In the present embodiment, in the first output circuit 15A, the LED element 16A is disposed between one electrode 13 and the state memory semiconductor switch 17A, and in the second output circuit 15B, the LED element 16B (second load). Is disposed between the other electrode 14 and the state memory semiconductor switch 17B (second opening / closing means).
The state storage semiconductor switches 17A and 17B are electric elements that are opened and closed according to the position of the charged particles 11 moving between the electrodes 13 and 14 and that hold the opened and closed state. In this embodiment, the ferroelectric memory is used. (Transistor type FeRAM) is used.

発電装置10は、容器12内の荷電粒子11の位置を観測するとともに、観測した荷電粒子11の位置に基づいて、状態記憶半導体スイッチ17Aの開閉を操作する観測部(観測手段)20を備える。
観測部20は、容器12内の上記電極13,14の近傍にそれぞれ配置される観測用電極21,22と、これら観測用電極21,22と状態記憶半導体スイッチ17Aとを接続する第1観測回路23Aと、該観測用電極21,22と状態記憶半導体スイッチ17Bとを接続する第2観測回路23Bとを備える。ここで、第1観測回路23A及び第2観測回路23Bは、同一の構成を備えるため、第1観測回路23Aについて説明し、第2観測回路23Bは同種の符号を付して説明を省略する。
The power generation apparatus 10 includes an observation unit (observation unit) 20 that observes the position of the charged particle 11 in the container 12 and operates the opening and closing of the state storage semiconductor switch 17A based on the observed position of the charged particle 11.
The observation unit 20 includes observation electrodes 21 and 22 disposed in the vicinity of the electrodes 13 and 14 in the container 12, respectively, and a first observation circuit that connects the observation electrodes 21 and 22 and the state memory semiconductor switch 17A. 23A and a second observation circuit 23B that connects the observation electrodes 21 and 22 and the state memory semiconductor switch 17B. Here, since the first observation circuit 23A and the second observation circuit 23B have the same configuration, the first observation circuit 23A will be described, and the second observation circuit 23B will be denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.

観測用電極21,22は、容器12と同様に環状(円筒状)に形成されている。観測用電極21は、容器12の長手方向における電極13の内側近傍に配置され、観測用電極22は、容器12の長手方向における電極14の内側近傍に配置される。
観測用電極21,22は、容器12内の電位変化を検知するものであり、この電位変化から容器12内の荷電粒子11の位置がわかるようになっている。
The observation electrodes 21 and 22 are formed in an annular shape (cylindrical shape) like the container 12. The observation electrode 21 is disposed near the inside of the electrode 13 in the longitudinal direction of the container 12, and the observation electrode 22 is disposed near the inside of the electrode 14 in the longitudinal direction of the container 12.
The observation electrodes 21 and 22 detect a potential change in the container 12, and the position of the charged particle 11 in the container 12 can be known from the potential change.

第1観測回路23Aは、観測用電極21,22が検知した電位変化に応じて開閉する半導体スイッチ24A,25Aと、これら半導体スイッチ24A,25Aに直列に接続されて第1観測回路23Aに電力を供給する電池26Aとを備える。
また、第1観測回路23Aは、半導体スイッチ24A,25Aの間に、該半導体スイッチ24A,25Aと直列に接続されるLED素子31A,32A(負荷)を備える。
半導体スイッチ24A,25Aは、それぞれ検知対象となる観測用電極21,22の電位に応じて開閉する電気素子であり、本実施形態では電界効果トランジスタが用いられている。具体的には、半導体スイッチ24A,25A(電界効果トランジスタ)の各ゲート端子に、それぞれ観測用電極21,22が接続され、ゲート電位に応じてドレイン、ソース間の導通が制御される。
The first observation circuit 23A includes semiconductor switches 24A and 25A that open and close according to potential changes detected by the observation electrodes 21 and 22, and are connected in series to the semiconductor switches 24A and 25A to supply power to the first observation circuit 23A. A battery 26A to be supplied.
The first observation circuit 23A includes LED elements 31A and 32A (loads) connected in series with the semiconductor switches 24A and 25A between the semiconductor switches 24A and 25A.
The semiconductor switches 24A and 25A are electric elements that open and close in accordance with the potentials of the observation electrodes 21 and 22 to be detected, and field effect transistors are used in this embodiment. Specifically, the observation electrodes 21 and 22 are connected to the gate terminals of the semiconductor switches 24A and 25A (field effect transistors), respectively, and conduction between the drain and the source is controlled according to the gate potential.

また、第1観測回路23Aは、LED素子31A,32Aの間から状態記憶半導体スイッチ17Aに延びる制御配線27Aを備え、半導体スイッチ24A,25Aのいずれかが閉じた場合に、電池26Aの電位が制御配線27Aを通じて、状態記憶半導体スイッチ17Aに印加され、当該状態記憶半導体スイッチ17Aが閉じられる。
この構成では、電池26Aは、状態記憶半導体スイッチ17Aを開閉する電位を与えるだけでなく、LED素子31A,32Aを点灯させる電源として機能する。
The first observation circuit 23A includes a control wiring 27A extending from between the LED elements 31A and 32A to the state storage semiconductor switch 17A. When one of the semiconductor switches 24A and 25A is closed, the potential of the battery 26A is controlled. The voltage is applied to the state memory semiconductor switch 17A through the wiring 27A, and the state memory semiconductor switch 17A is closed.
In this configuration, the battery 26A not only provides a potential for opening and closing the state storage semiconductor switch 17A, but also functions as a power source for lighting the LED elements 31A and 32A.

また、本構成では、発電装置10の出力回路15及び観測部20に設けられた半導体スイッチは、すべてトランジスタ素子で形成されている。スイッチング素子であるトランジスタ素子は、整流素子に比べて摩擦等の損失が少ないという特性を有するため、原理的に高い発電効率を達成することが可能となる。   Further, in this configuration, all the semiconductor switches provided in the output circuit 15 and the observation unit 20 of the power generation apparatus 10 are formed of transistor elements. Since the transistor element that is a switching element has a characteristic that loss such as friction is less than that of the rectifying element, it is possible in principle to achieve high power generation efficiency.

次に、発電装置10の動作について説明する。
図2〜図5は、荷電粒子11が容器12内を移動した際に出力回路15及び観測部20の動作を示した図であり、電流が流れた場合は実線で示し、電流が流れない場合は破線で示している。
まず、荷電粒子11が容器12内を、例えば、一方の電極13に向かって移動し、この電極13に達した場合、図2に示すように、観測用電極21の電位が高まるため、第1観測回路23Aにおける観測用電極21と接続された半導体スイッチ24Aが閉じる。これによって、電池26Aの電位が、半導体スイッチ24A、LED素子31A、及び制御配線27Aを通じて、状態記憶半導体スイッチ17Aに印加されるため、当該状態記憶半導体スイッチ17Aが閉じ、第1出力回路15Aが導通される。この場合、LED素子31Aには、電池26Aの電力が供給されるため、該LED素子31Aが点灯する。
また、第2観測回路23Bにおいても、観測用電極21の電位が高まるため、この観測用電極21と接続された半導体スイッチ24Bが閉じる。この場合、状態記憶半導体スイッチ17Bは、LED素子31Bを介して、電池26Bの負極(0V)と接続されるため、当該状態記憶半導体スイッチ17Bは開かれ、第2出力回路15Bの導通は解除される。
Next, operation | movement of the electric power generating apparatus 10 is demonstrated.
2 to 5 are diagrams showing the operation of the output circuit 15 and the observation unit 20 when the charged particle 11 moves in the container 12, where a solid line is shown when current flows, and a current does not flow. Is indicated by a broken line.
First, when the charged particle 11 moves inside the container 12 toward, for example, one electrode 13 and reaches this electrode 13, the potential of the observation electrode 21 increases as shown in FIG. The semiconductor switch 24A connected to the observation electrode 21 in the observation circuit 23A is closed. As a result, the potential of the battery 26A is applied to the state memory semiconductor switch 17A through the semiconductor switch 24A, the LED element 31A, and the control wiring 27A, so that the state memory semiconductor switch 17A is closed and the first output circuit 15A is turned on. Is done. In this case, since the power of the battery 26A is supplied to the LED element 31A, the LED element 31A is lit.
Also in the second observation circuit 23B, since the potential of the observation electrode 21 increases, the semiconductor switch 24B connected to the observation electrode 21 is closed. In this case, since the state memory semiconductor switch 17B is connected to the negative electrode (0V) of the battery 26B via the LED element 31B, the state memory semiconductor switch 17B is opened and the conduction of the second output circuit 15B is released. The

上記のように、状態記憶半導体スイッチ17Aは、開閉状態を保持する機能を有するため、図3に示すように、荷電粒子11が容器12内を、一方の電極13から他方の電極14に向かって移動し、荷電粒子11が観測用電極21から離間した場合であっても、状態記憶半導体スイッチ17Aは閉状態を保持する。このため、荷電粒子11が移動する運動によって生じる電力がLED素子16Aに供給され、このLED素子16Aが点灯する。
一方、荷電粒子11が観測用電極21から離間することにより、半導体スイッチ24Aが開くため、LED素子16Aは消灯する。
As described above, since the state memory semiconductor switch 17A has a function of maintaining the open / close state, as shown in FIG. 3, the charged particles 11 pass through the container 12 from one electrode 13 toward the other electrode 14. Even when the charged particle 11 moves and is separated from the observation electrode 21, the state memory semiconductor switch 17A maintains the closed state. For this reason, the electric power generated by the movement of the charged particles 11 is supplied to the LED element 16A, and the LED element 16A is turned on.
On the other hand, when the charged particles 11 are separated from the observation electrode 21, the semiconductor switch 24A is opened, and the LED element 16A is turned off.

続いて、荷電粒子11が他方の電極14に達した場合には、図4に示すように、観測用電極22の電位が高まるため、第1観測回路23Aにおける観測用電極22と接続された半導体スイッチ25Aが閉じる。この場合、半導体スイッチ25Aが閉じることにより、状態記憶半導体スイッチ17Aは、LED素子32Aを介して、電池26Aの負極(0V)と接続される。これにより、状態記憶半導体スイッチ17Aは開かれ、第1出力回路15Aの導通は解除されるとともに、LED素子32Aは、状態記憶半導体スイッチ17Aのゲート電位と電池26Aの負極電位との電位差が無くなる(0になる)まで点灯する。
これに対して、第2観測回路23Bにおいても、観測用電極22の電位が高まるため、この観測用電極22と接続された半導体スイッチ25Bが閉じる。これによって、電池26Bの電位が、半導体スイッチ25B、LED素子32B及び制御配線27Bを通じて、状態記憶半導体スイッチ17Bに印加されるため、当該状態記憶半導体スイッチ17Bが閉じ、第2出力回路15Bが導通される。この場合、LED素子32Bには、電池26Bの電力が供給されるため、該LED素子32Bが点灯する。
Subsequently, when the charged particle 11 reaches the other electrode 14, as shown in FIG. 4, the potential of the observation electrode 22 increases, so that the semiconductor connected to the observation electrode 22 in the first observation circuit 23A. The switch 25A is closed. In this case, when the semiconductor switch 25A is closed, the state memory semiconductor switch 17A is connected to the negative electrode (0 V) of the battery 26A via the LED element 32A. Thereby, the state memory semiconductor switch 17A is opened, the conduction of the first output circuit 15A is released, and the LED element 32A has no potential difference between the gate potential of the state memory semiconductor switch 17A and the negative potential of the battery 26A ( Until it reaches 0).
On the other hand, also in the second observation circuit 23B, the potential of the observation electrode 22 increases, so that the semiconductor switch 25B connected to the observation electrode 22 is closed. As a result, the potential of the battery 26B is applied to the state memory semiconductor switch 17B through the semiconductor switch 25B, the LED element 32B, and the control wiring 27B, so that the state memory semiconductor switch 17B is closed and the second output circuit 15B is turned on. The In this case, since the power of the battery 26B is supplied to the LED element 32B, the LED element 32B is lit.

そして、図5に示すように、荷電粒子11が容器12内を他方の電極14から一方の電極13に向かって移動し、荷電粒子11が観測用電極22から離間した場合であっても、状態記憶半導体スイッチ17Bは閉状態を保持する。このため、荷電粒子11が移動する運動によって生じる電力がLED素子16Bに供給され、このLED素子16Bが点灯する。
本構成では、荷電粒子11が熱振動等の振動に基づいて、往復運動を継続する限り、この運動に基づいて発電された電力がLED素子16AまたはLED素子16Bに供給される。
ここで、本構成にかかる発電装置10は、荷電粒子11の運動に基づいて発電が実行されるため、荷電粒子11がいつ電極13、14に到達するかが予測できず、電力の出力が不定となる。
本構成では、発電装置10が観測部20を備えるため、電力の出力が不定であっても、荷電粒子11が電極13、14に到達したか否かを観測部20が検出することができる。さらに、この観測部20が荷電粒子11の位置に応じて出力回路15に設けた状態記憶半導体スイッチ17A,17Bを開閉するため、荷電粒子11の運動によって生じた電力を効率良く出力回路15のLED素子16A,16Bに出力させることができ、従って、発電効率の向上を図ることができる。
また、本構成では、観測部20を構成する第1観測回路23A,第2観測回路23Bは、負荷としてのLED素子31A,31B,32A,32Bを備えるため、電池26A,26Bの消費電力は、LED素子31A,31B,32A,32Bの出力となる。このため、電池26A,26Bの消費電力が損失とはならないため、上記した発電装置10全体のエネルギー効率の向上を図ることができる。
As shown in FIG. 5, even when the charged particle 11 moves in the container 12 from the other electrode 14 toward the one electrode 13 and the charged particle 11 is separated from the observation electrode 22, The memory semiconductor switch 17B is kept closed. For this reason, the electric power generated by the movement of the charged particles 11 is supplied to the LED element 16B, and the LED element 16B is turned on.
In this configuration, as long as the charged particles 11 continue to reciprocate based on vibration such as thermal vibration, the power generated based on this motion is supplied to the LED element 16A or the LED element 16B.
Here, since the power generation apparatus 10 according to this configuration performs power generation based on the motion of the charged particles 11, it cannot predict when the charged particles 11 will reach the electrodes 13 and 14, and the power output is indefinite. It becomes.
In this configuration, since the power generation apparatus 10 includes the observation unit 20, the observation unit 20 can detect whether or not the charged particles 11 have reached the electrodes 13 and 14 even if the power output is indefinite. Further, since the observation unit 20 opens and closes the state storage semiconductor switches 17A and 17B provided in the output circuit 15 in accordance with the position of the charged particle 11, the power generated by the movement of the charged particle 11 is efficiently transferred to the LED of the output circuit 15. The power can be output to the elements 16A and 16B, and therefore the power generation efficiency can be improved.
Further, in this configuration, the first observation circuit 23A and the second observation circuit 23B that constitute the observation unit 20 include the LED elements 31A, 31B, 32A, and 32B as loads, so the power consumption of the batteries 26A and 26B is It becomes an output of LED element 31A, 31B, 32A, 32B. For this reason, since the power consumption of the batteries 26A and 26B does not become a loss, it is possible to improve the energy efficiency of the entire power generation apparatus 10 described above.

以上、説明したように、本実施形態によれば、荷電粒子11が運動する容器12内に配置される一対の電極13,14と、電極13,14に接続され、荷電粒子11が当該電極13,14間を移動する際の運動を電力としてLED素子16Aに出力する第1出力回路15Aとを備え、第1出力回路15AにLED素子16Aと直列に接続される状態記憶半導体スイッチ17Aを備えるとともに、前記各電極13,14の近傍に容器12内を移動する荷電粒子11の位置を観測する観測部20を備え、この観測部20が、荷電粒子11の位置に応じて状態記憶半導体スイッチ17Aを開閉するため、荷電粒子11の運動によって生じた電力を効率良く出力回路15のLED素子16Aに出力させることができ、従って、発電効率の向上を図ることができる。   As described above, according to the present embodiment, the charged particles 11 are connected to the pair of electrodes 13 and 14 disposed in the container 12 in which the charged particles 11 move and the electrodes 13 and 14, and the charged particles 11 are connected to the electrodes 13. , 14, and a first output circuit 15A that outputs the movement when moving between the LED elements 16A to the LED element 16A. The first output circuit 15A includes a state memory semiconductor switch 17A connected in series with the LED element 16A. The observation unit 20 for observing the position of the charged particle 11 moving in the container 12 is provided in the vicinity of each of the electrodes 13 and 14, and the observation unit 20 sets the state memory semiconductor switch 17 A according to the position of the charged particle 11. Since it opens and closes, the electric power generated by the movement of the charged particles 11 can be efficiently output to the LED element 16A of the output circuit 15, so that the power generation efficiency can be improved. Can.

また、本実施形態によれば、出力回路15は、電極13,14に互いに並列に接続され、状態記憶半導体スイッチ17A及びLED素子16Aを備える第1出力回路15Aと、状態記憶半導体スイッチ17B及びLED素子16Bを備える第2出力回路15Bとを備え、第1出力回路15Aは、荷電粒子11が一方の電極13に接近した場合に、状態記憶半導体スイッチ17Aを閉じてLED素子16Aに電力を出力し、第2出力回路15Bは、荷電粒子11が他方の電極14に接近した場合に、状態記憶半導体スイッチ17Bを閉じてLED素子16Bに電力を出力するため、片方の電極に電荷が偏って蓄積されることが防止され、荷電粒子11の往復運動を電力として効率良く出力することができる。   Further, according to the present embodiment, the output circuit 15 is connected to the electrodes 13 and 14 in parallel with each other, the first output circuit 15A including the state memory semiconductor switch 17A and the LED element 16A, the state memory semiconductor switch 17B and the LED. And the second output circuit 15B including the element 16B. When the charged particle 11 approaches the one electrode 13, the first output circuit 15A closes the state memory semiconductor switch 17A and outputs power to the LED element 16A. The second output circuit 15B closes the state memory semiconductor switch 17B and outputs power to the LED element 16B when the charged particle 11 approaches the other electrode 14, so that the charge is biased and accumulated on one electrode. Therefore, the reciprocating motion of the charged particles 11 can be efficiently output as electric power.

また、本実施形態によれば、容器12は、荷電粒子11が収容される密閉容器であり、この密閉容器の両端部に電極13,14が対向して配置されているため、荷電粒子11が容器12の外部に飛散することが防止され、電極13,14間における荷電粒子11の運動を電力として効率良く出力することができる。   Further, according to the present embodiment, the container 12 is a sealed container in which the charged particles 11 are accommodated, and the electrodes 13 and 14 are arranged to face both ends of the sealed container. It is possible to prevent scattering of the charged particles 11 between the electrodes 13 and 14 and to efficiently output the movement of the charged particles 11 as electric power.

また、本実施形態によれば、状態記憶半導体スイッチ17A,17B及び半導体スイッチ24A,25Aは、すべてスイッチング素子であるトランジスタ素子で形成されているため、整流素子に比べて摩擦等の損失を抑制することができ、高い発電効率を達成することが可能となる。   In addition, according to the present embodiment, since the state storage semiconductor switches 17A and 17B and the semiconductor switches 24A and 25A are all formed by transistor elements that are switching elements, losses such as friction are suppressed compared to the rectifier elements. And high power generation efficiency can be achieved.

また、本実施形態によれば、荷電粒子11は、100マイクロメートル以下の大きさに形成されているため、容器12内に伝達される熱振動(熱揺らぎ)や音振動等の微細な振動によって荷電粒子11を容器12内で自由に運動させることが可能となり、微細な振動による電力を出力させることができる。   In addition, according to the present embodiment, the charged particles 11 are formed to have a size of 100 micrometers or less, and therefore, due to fine vibrations such as thermal vibration (thermal fluctuation) and sound vibration transmitted into the container 12. It becomes possible to move the charged particles 11 freely in the container 12, and it is possible to output electric power due to minute vibrations.

以上、本発明を一実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記した実施形態では、容器12は、円筒形状の密閉容器を一例として説明したが、これに限るものでなく、一部が開放している容器であっても良い。また、本実施形態では、荷電粒子11として正電荷を帯電させたものを説明したが、負電荷を帯電させたものを用いることができることは勿論である。
また、本実施形態では、状態記憶半導体スイッチ17A,17Bとして、強誘電体メモリ(トランジスタ型FeRAM)を用いる構成を説明したが、これに限らず、電界効果トランジスタのゲート端子にコンデンサを接続した素子を替わりに用いることもできる。
また、本実施形態では、荷電粒子11は、容器12内に伝達される熱振動(熱揺らぎ)や音振動等の微細な振動によって運動する構成について説明したが、これに限るものではなく、例えば、容器12をその長手方向に往復して移動させることにより、容器12の外側から荷電粒子11に振動を与える振動付与手段(不図示)を備えても良い。
As mentioned above, although this invention was concretely demonstrated based on one Embodiment, this invention is not limited to the said embodiment, It can change in the range which does not deviate from the summary.
For example, in the above-described embodiment, the container 12 is described as an example of a cylindrical sealed container. However, the container 12 is not limited to this, and may be a partially opened container. Further, in the present embodiment, the charged particles 11 are described as having positive charges, but it is needless to say that negative charges can be used.
In the present embodiment, the configuration using the ferroelectric memory (transistor type FeRAM) as the state memory semiconductor switches 17A and 17B has been described. However, the present invention is not limited to this, and an element in which a capacitor is connected to the gate terminal of the field effect transistor. Can be used instead.
In the present embodiment, the charged particle 11 has been described with respect to a configuration that moves by minute vibration such as thermal vibration (thermal fluctuation) or sound vibration transmitted into the container 12, but the present invention is not limited to this. Further, a vibration applying means (not shown) that vibrates the charged particles 11 from the outside of the container 12 by moving the container 12 back and forth in the longitudinal direction may be provided.

10、50 発電装置
11 荷電粒子
12 容器(運動領域)
13、14 電極
15 出力回路
15A 第1出力回路
15B 第2出力回路
16A LED素子(第1の負荷)
16B LED素子(第2の負荷)
17A 状態記憶半導体スイッチ(第1の開閉手段)
17B 状態記憶半導体スイッチ(第2の開閉手段)
20 観測部(観測手段)
21、22 観測用電極
23A 第1観測回路
23B 第2観測回路
24A、24B、25A、25B 半導体スイッチ
26A、26B 電池
31A、31B、32A、32B LED素子
10, 50 Power generation device 11 Charged particle 12 Container (movement area)
13, 14 Electrode 15 Output circuit 15A First output circuit 15B Second output circuit 16A LED element (first load)
16B LED element (second load)
17A state memory semiconductor switch (first opening / closing means)
17B State memory semiconductor switch (second opening / closing means)
20 Observation section (observation means)
21, 22 Observation electrode 23A First observation circuit 23B Second observation circuit 24A, 24B, 25A, 25B Semiconductor switch 26A, 26B Battery 31A, 31B, 32A, 32B LED element

Claims (6)

荷電粒子が運動する運動領域内に配置される一対の電極と、前記電極に接続され、前記荷電粒子が当該電極間を移動する際の運動を電力として負荷に出力する出力回路とを備え、
前記出力回路に前記負荷と直列に接続される開閉手段を備えるとともに、前記各電極の近傍に前記運動領域内を移動する前記荷電粒子の位置を観測する観測手段を備え、この観測手段が、前記荷電粒子の位置に応じて前記開閉手段を開閉することを特徴とする発電装置。
A pair of electrodes arranged in a movement region where the charged particles move, and an output circuit connected to the electrodes and outputting the movement when the charged particles move between the electrodes to the load as electric power,
The output circuit includes an opening / closing means connected in series with the load, and an observation means for observing the position of the charged particle moving in the moving region in the vicinity of each electrode, the observation means, A power generation apparatus that opens and closes the opening / closing means according to a position of a charged particle.
前記出力回路は、互いに並列に接続され、第1の開閉手段及び第1の負荷を備える第1出力回路と、第2の開閉手段及び第2の負荷を備える第2出力回路とを備え、第1出力回路は、前記荷電粒子が一方の電極に接近した場合に、第1の開閉手段を閉じて第1の負荷に電力を出力し、第2出力回路は、前記荷電粒子が他方の電極に接近した場合に、第2の開閉手段を閉じて第2の負荷に電力を出力することを特徴とする請求項1に記載の発電装置。   The output circuit includes a first output circuit that is connected in parallel to each other and includes a first switching means and a first load, and a second output circuit that includes a second switching means and a second load, One output circuit closes the first opening / closing means and outputs power to the first load when the charged particles approach one electrode, and the second output circuit outputs the charged particles to the other electrode. 2. The power generator according to claim 1, wherein when approaching, the second opening / closing means is closed to output electric power to the second load. 前記運動領域は、前記荷電粒子が収容される密閉容器であり、この密閉容器の両端部に前記電極が対向して配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の発電装置。   The power generation device according to claim 1, wherein the movement region is a sealed container in which the charged particles are accommodated, and the electrodes are arranged to face both ends of the sealed container. 前記開閉手段は、トランジスタ素子で形成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の発電装置。   The power generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the opening / closing means is formed of a transistor element. 前記運動領域の外側から前記荷電粒子に振動を与える振動付与手段を備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の発電装置。   5. The power generation device according to claim 1, further comprising: a vibration applying unit that applies vibration to the charged particles from the outside of the movement region. 前記荷電粒子は、100マイクロメートル以下の大きさに形成されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の発電装置。   The power generation apparatus according to claim 1, wherein the charged particles are formed to have a size of 100 micrometers or less.
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