JP6792249B2 - 振動発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動発電装置に関する。

環境振動からエネルギーを収穫するエナジーハーベスティング技術の一つとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）振動素子である振動発電素子を用いて環境振動から発電を行う手法が知られている。振動発電素子自体は、圧電素子や静電容量型素子を備え、それを環境振動の周波数で振動させると、その周波数に等しい交流の電力を発生する素子である。そこで、振動発電素子と、振動発電素子が発生した交流電力を利用に適した電圧の直流または交流に変換する電源回路とを組み合わせた振動発電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１においては、静電容量型の振動発電素子が発電した交流電力の整流（交流から直流への変換）には、整流回路として一般的な二相全波整流回路が用いられている。

特開２０１３−１７２５２３号公報

環境振動の振動エネルギーは微弱であるため、環境振動を高い効率で電気エネルギーに変換する振動発電装置が求められている。

本発明の第１の態様による振動発電装置は、第１電極と、前記第１電極に対向する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の少なくとも一方を相対移動自在に保持する保持部と、第１整流素子と出力部を含み、前記第１電極および前記第２電極に電気的に接続され、前記第１電極から前記第２電極に向けて流れる電流を前記出力部に流すとともに、前記第２電極から前記第１電極に向けて流れる電流を遮断する半波整流器と、前記第１電極および前記第２電極に電気的に接続され、前記第２電極から前記第１電極に向けて流れる電流を前記出力部を通さずに流し、前記第１電極から前記第２電極に向けて流れる電流を遮断する第２整流素子と、を備えるともに、前記第２電極は前記第１電極と対向する面の表面に負に帯電したエレクトレットを有するか、または、前記第１電極は前記第２電極と対向する面の表面に正に帯電したエレクトレットを有する。

本発明によれば、環境振動のエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換することができる。

本発明の第１実施形態の振動発電装置１００の概略構成を示す模式図。 第１実施形態の振動発電装置の動作原理の概略を説明する図。 第１実施形態の振動発電装置の動作原理の概略を説明する図。 変形例１の振動発電装置１００ａの概略構成を示す模式図。 本発明の第２実施形態の振動発電装置１００ｂの概略構成を示す模式図。 変形例２の振動発電装置１００ｃの概略構成を示す模式図。

（第１実施形態）
以下、図を参照して本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態の振動発電装置の概略構成を示す模式図である。振動発電装置１００は、環境振動により交流電力を発電する振動発電素子１０と、発電した交流電力を電源として取り出す半波整流器４０とを備える。
静電容量型の振動発電素子１０は、一例として可動電極である第１電極１１と、一例として固定電極である第２電極１２を有している。第１電極１１は一例として２本の櫛歯部分２１を有する櫛歯電極であり、第２電極１２は一例として３本の櫛歯部分２２を有する櫛歯電極である。

第１電極１１の櫛歯部分２１と第２電極１２の櫛歯部分２２は、図中のＺ方向に所定の厚さ有しており、かつ、それらが噛合する部分において互いに他方の電極に対向している。
第１電極１１および第２電極１２は、たとえばシリコンを基材としたＭＥＭＳ構造体として製造することができる。
第２電極１２の櫛歯部分２２のうち、第１電極１１の櫛歯部分２１と対向する面の表面の領域２５には、公知の帯電処理（例えば、特開２０１４−０４９５５７号公報に記載の帯電処理）を施すことにより、負の電荷を有するエレクトレットが形成されている。

エレクトレット化により第２電極１２の櫛歯部分２２が半永久的に帯電する。この結果、エレクトレット化された電極と対向する第１電極１１の櫛歯部分２１には、エレクトレット化された電極とは逆特性の、すなわち正の誘導電荷が誘起される。
なお、固定電極または可動電極の表面がシリコンでない場合には、帯電処理を施す前に表面に多結晶シリコンや非晶質シリコンを成膜しておくとよい。

第２電極１２は絶縁性の支持枠１３により固定的に保持されている。
一方、第１電極１１は、保持部１４（電極保持部１４ａ、連結部１４ｂ、固定部１４ｃ）により、支持枠１３に対して図中の上下方向（Ｘ方向）に振動するように保持されている。保持部１４は、第１電極１１を保持する電極保持部１４ａと、支持枠１３に固定されている固定部１４ｃと、電極保持部１４ａと固定部１４ｃをつなぐ、可撓性を有する連結部１４ｂから構成されている。

連結部１４ｂは、図１中のＸ方向の厚さが薄く、Ｚ方向の厚さが厚い、金属等の可撓性材料からなる薄片である。支持枠１３に外部から振動が加わると、図中の電極保持部１４ａの左右に設けられている２つの連結部１４ｂが撓むことにより、電極保持部１４ａは支持枠１３に対してＸ方向に振動する。この結果、電極保持部１４ａに保持された第１電極１１は、支持枠１３に固定されている第２電極１２に対して、Ｘ方向に振動する構成となっている。

第１電極１１と第２電極１２とのＸ方向への振動に伴い、第１電極１１の櫛歯部分２１と第２電極１２の櫛歯部分２２が対向する面の面積が増減する。その結果、第１電極１１と第２電極１２とが対向する部分の面積が変化し、エレクトレットによる誘導電荷も変化し、第１電極１１と第２電極１２との間の電位差が変化して起電力が発生することで、振動発電素子１０による発電が行われる。
本明細書では、電気素子と他の電気素子とを、金属や半導体を含む導体の配線により電導性を持って接合することを、電気的に接続するという。

後述するように、振動発電素子１０は、振動発電装置１００が設置された環境の振動のエネルギーを電気エネルギーに変換して、交流電力を発生する。
第２電極１２には、第１整流素子であるダイオードＤ１のカソードおよび第２整流素子であるダイオードＤ２のアノードが電気的に接続されている。一方、第１電極１１にはダイオードＤ２のカソードが電気的に接続されている。
そして、第１整流素子であるダイオードＤ１のアノードには、コンデンサＣ１および電圧変換器ＶＣを含む出力部３０の入力側の一端Ｖｉ１が電気的に接続され、出力部３０の入力側の他端Ｖｉ２は、ダイオードＤ２のカソードおよび第１電極１１に電気的に接続されている。第１電極１１の電位は接地電位となっている。

これにより、振動発電素子１０が発電する交流電力のうち、第１電極１１が正電位、第２電極１２が負電位となる場合、ダイオードＤ１は順バイアスされるため、第１電極１１から第２電極１２に流れる電流はダイオードＤ１を通り、コンデンサＣ１を充電する。出力部３０の入力端Ｖｉ１とＶｉ２との間の充電電圧が電圧変換器ＶＣにより変圧され、出力部３０の出力側の一端Ｖｏ１および出力側の他端Ｖｏ２から、外部の電子機器や充電装置に出力される。
電圧変換器ＶＣは、例えばチョッパ型のＤＣ−ＤＣコンバータを用いることができる。
第１電極１１が正電位、第２電極１２が負電位の場合、ダイオードＤ２は逆バイアスされるためダイオードＤ２を通って第２電極１２に電流は流れない。すなわち、第１電極１１から第２電極１２への電流は、ダイオードＤ２により遮断される。

一方、振動発電素子１０が発電する交流電力のうち、第１電極１１が負電位、第２電極１２が正電位となる場合は、ダイオードＤ２は順バイアスされ、電流は第２電極１２から第１電極１１に向けて流れる。この電流の方向はダイオードＤ２の順方向電流の方向であるため、ダイオードＤ２の電気抵抗がほとんどゼロとなる。第１電極１１が負電位、第２電極１２が正電位となる場合は、ダイオードＤ１は逆バイアスされるため、出力部３０には電流は流れない。
ダイオードＤ１と出力部３０は、半波整流器４０を構成している。

すなわち、第１実施形態においては、振動発電素子１０が発電する交流電力のうち、第１電極１１から第２電極１２に向かって流れる電流のみを出力部３０から取り出し、第２電極１２から第１電極１１に向う方向の電流は、整流素子であるダイオードＤ２によりほぼ無抵抗（無負荷）で第２電極１２から第１電極１１に流すことに特徴がある。
この構成により、第１実施形態の振動発電装置１００は、後述する原理でエレクトレット化された第２電極１２が負電位、第１電極１１が正電位となる振動状態において、第１電極１１と第２電極１２間の電場を弱めないようにでき、従来の振動発電装置に比べて、より高い効率で、環境振動のエネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

図２は、振動発電素子１０の動作原理の概略を表す図である。以下、図２を参照して第１実施形態の振動発電装置１００のエネルギー変換効率が高い理由を説明する。
図２（ａ）〜（ｃ）は、図１に示した第１電極１１の櫛歯部分２１と第２電極１２の櫛歯部分２２が、図１中のＸ方向に相対移動する様子を示す図である。図２の説明においては、簡略化のために第１電極１１の櫛歯部分２１を第１電極２１と呼び、第２電極１２の櫛歯部分２２を第２電極２２と呼ぶ。

図２（ａ）は、第１電極２１と第２電極２２とが所定の部分において対向している状態を示す図である。第１電極２１と対向する第２電極２２の表面の領域２５には、負電荷６０が帯電されたエレクトレットが形成されている。
この負電荷６０に誘起され、第２電極２２と対向する第１電極２１の表面には、正の電荷６２が誘起されている。一方、第２電極２２のうち、第１電極２１と対向しない部分では領域２５の負電荷６０に誘起されて、第２電極２２の内部に正の電荷６１が誘起されている。

第１電極２１に誘起された正の電荷６２と第２電極２２の表面のエレクトレットによる負電荷６０は、第１電極２１と第２電極２２との対向部に電場Ｅ０を形成する。
図２（ａ）中の抵抗Ｒは、振動発電素子１０が接続される電源回路および負荷を抵抗として表したものである。電場Ｅ０中で、振動発電素子１０が振動した場合、第１電極と第２電極間の静電容量変化に伴って発生した電圧が抵抗Ｒには印加されている。図２（ｂ）、（ｃ）に示す例では、第１電極２１と第２電極２２の振動に伴い、振動発電素子１０の出力電圧は図２（ａ）に示す例に比べて、増減する。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した状態から第１電極２１と第２電極２２とがＸ方向に相対移動し、第１電極２１と第２電極２２とが対向する部分の面積が、図２（ａ）に示した状態よりも減少した場合を示している。
図２（ｂ）に示した状態では、図２（ａ）に示した状態に比べ、第２電極２２の表面の負電荷６０により誘起されていた第１電極２１表面の正の電荷６２は減少し、負電荷６０により誘起されていた第２電極２２内の正の電荷６１は増加する。

そのため、電極の振動により図２（ａ）の状態から図２（ｂ）の状態に変化する際には、図２（ａ）において第１電極２１に誘起されていた正の電荷６２の一部は、電流Ｉ１となって抵抗Ｒを経由して第１電極２１から第２電極２２に移動しようとする（正確には、電子が第２電極２２から第１電極２１に移動しようとする）。このため、第１電極２１は第２電極２２に対して正の電位となる。

しかし、この電荷の移動は、抵抗Ｒの電気抵抗により阻害されるため、第１電極２１には正の残留電荷６４が残留し、一方の第２電極２２内の負電荷６０と対向する部分の一部には、正の電荷の欠損部６３が生じる。この正の残留電荷６４と正の電荷の欠損部６３は、第１電極２１と第２電極２２との対向部の電場Ｅ１を、図２（ａ）の場合の電場Ｅ０に比較して、強めることになる。

図２（ｃ）は、図２（ａ）に示した状態から第１電極２１と第２電極２２とがＸ方向に相対移動し、第１電極２１と第２電極２２とが対向する部分の面積が、図２（ａ）に示した状態よりも増大した場合を示している。
図２（ｃ）に示した状態では、図２（ａ）に示した状態に比べ、負電荷６０により誘起される第１電極２１表面の正の電荷６２も増大し、負電荷６０により誘起されていた第２電極２２内の正の電荷６１は減少する。

そのため、電極の振動により図２（ａ）の状態から図２（ｃ）の状態に変化する際には、図２（ａ）において第２電極２２に誘起されていた正の電荷６１の一部は、電流Ｉ２となって抵抗Ｒを経由して第２電極２２から第１電極２１に移動しようとする（正確には、電子が第１電極２１から第２電極２２に移動しようとする）。このため、第１電極２１は第２電極２２に対して負の電位となる。

しかし、この電荷の移動は、抵抗Ｒの電気抵抗により阻害されるため、第２電極２２には正の残留電荷６５が残留し、一方の負電荷６０と対向する部分の第１電極２１内の一部には、正の電荷の欠損部６６が生じる。この正の残留電荷６５と正の電荷の欠損部６６は、第１電極２１と第２電極２２との対向部の電場Ｅ２を、図２（ａ）の場合の電場Ｅ０に比較して、弱めることになる。

このように電場Ｅ２が弱まった状態では振動発電素子１０の発電効率が低下する。よって、電場Ｅ２が弱まった状態で振動発電素子１０から電力を取り出すと、電気的ダンピングが減少し、機械的エネルギーから電気的エネルギーへの変換速度が遅くなるために、可動電極である第２電極２２に蓄積されている環境振動のエネルギー（運動エネルギー）が、電気エネルギーに効率良く変換されずに、浪費されてしまうことになる。

第１実施形態においては、図１に示したように、第１電極１１が第２電極１２に対して負の電位となる場合には、電流は、第２整流素子であるダイオードＤ２の順方向に流れる。ダイオードＤ２の順方向抵抗は逆方向抵抗に比べて格段に小さいので、第２電極１２から第１電極１１に電流が流れるときの回路損失も小さい。その結果、図２に示すダイオードＤ２を設けた実施形態の回路では、図２(ａ)から図２(ｃ)に示すように第１電極２１と第２電極２２が相対移動したときの電場Ｅ２ｄは、図２(ｃ)に例示する回路での電場Ｅ２よりも大きくなる。

一見すると、第２電極１２から第１電極２１にダイオードＤ２を通して電流を流すことにより発電された電気エネルギーを浪費しているようにも思える。しかし、ダイオードＤ２の順方向電流への電気抵抗は実質的にゼロであり、また、流れる電流の総量は第１電極１１および第２電極１２に誘起される電荷の量であり上限が決まっていることから、損失する電気エネルギーの量ΔＥＧ２、すなわち（抵抗）×（電流）×（電流）の量も僅かである。

図３は、第１実施形態の振動発電装置１００による出力と、従来の全波整流素子を使用した振動発電装置の出力とを比較した図である。
図３（ａ）は、第１実施形態の振動発電装置１００による発電出力（電力）Ｐ１と時間ｔ（横軸）の関係を示す図であり、図３（ｂ）は、従来の全波整流素子を使用した振動発電装置の発電出力（電力）Ｐ２と時間ｔ（横軸）の関係を示す図である。両図の縦軸は、出力電力Ｐである。

従来の例えばダイオードブリッジ型の全波整流素子を使用した場合、電極の相対振動に伴い振動発電素子の第１電極と第２電極の間に誘起された正弦波状の電力（電圧）は、全波整流素子により負の電圧が正に反転され、概ね正弦波の絶対値に等しい電力Ｐ２が出力される。電力Ｐ２の時間変化の隣り合うピーク間の時間は、振動発電素子の振動の周期の半分である。

一方、図３（ａ）に示した第１実施形態の振動発電装置１００による出力Ｐ１は、第１電極１１と第２電極１２の間に誘起された正弦波状の電力（電圧）のうち、第１電極１１が正の電位、第２電極１２が負の電位に誘起された状態のみが出力される。すなわち、正弦波状の電力（電圧）のうちの正（または負）の部分のみが出力されるので、従来の全波整流素子を使用した場合の出力Ｐ２に比べて、ピークの数は半分になる。

しかし、振動発電素子の場合、外部から加えられる振動のエネルギーは、空気抵抗や摩擦として失われる機械エネルギーと、振動発電素子に発電される電気エネルギーの和に等しい。よって、外部から加えられる振動のエネルギー、および失われる機械エネルギーが等しければ、取り出せる電気エネルギーの総量は電気エネルギーを取り出す回数（頻度）に関係なく、一定となる。

このため、第１実施形態の振動発電装置１００による出力Ｐ１は、１つのピークの大きさ（電力）が、従来の出力Ｐ２の１つのピークに比べて大きくなる。そして、上述の電場Ｅ２の弱体化を考慮しない場合には、第１実施形態の振動発電装置１００の出力電力の時間平均Ｐ１０と、従来の全波整流素子を使用した装置の出力電力の時間平均Ｐ２０は等しくなる。
そして、上述の電場Ｅ２の弱体化を考慮すれば、従来の全波整流素子を使用した装置では、電場Ｅ２の弱体化が避けられず発電効率が低下するので、第１実施形態の振動発電装置１００の出力電力の時間平均Ｐ１０は、従来の全波整流素子を使用した装置の時間平均を上回ることになる。

以上説明したように、ダイオードＤ２を設けた発電回路では、第１電極１１と第２電極１２との対向部の電場は、たとえば、図２(ｃ)に示す電場Ｅ２よりも高い電場Ｅ２ｄとなる。高い電場Ｅ２ｄになることで、電気的ダンピングが増加する。電気的ダンピングが増加することで機械的ダンピングの損失の影響が小さくなり、振動発電素子１０の発電効率を向上させることができる。
よって、第１実施形態の振動発電装置１００では、従来の装置に比べて高い効率で、環境振動のエネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

以上で説明した第１施形態においては、第１電極１１を可動電極、第２電極１２を固定電極としているが、この構成に限られるものではない。すなわち、第１電極１１を固定電極、第２電極１２を可動電極としても良い。
また、半波整流器４０内で、ダイオードＤ１を第２電極１２側に、出力部３０を第１電極１１側に配置しているが、逆に、出力部３０を第２電極１２側に、ダイオードＤ１を第１電極１１側に配置してもよい。

第１実施形態の振動発電装置１００の動作をまとめると以下のとおりである。
第１実施形態の振動発電装置では、半波整流器４０はダイオード（第１整流素子）Ｄ１とＤＣ−ＤＣコンバータ（出力部）３０を含み、第２電極１２には負電荷６０が帯電されたエレクトレットが設けられ、第１電極１１にはエレクトレットが設けられていない。ダイオードＤ１は、エレクトレットを持たない第１電極１１から負電荷６０が帯電されたエレクトレットを有する第２電極１２へ流れる電流により順バイアスされるような向きで第１電極１１と第２電極１２間に配設される。ダイオードＤ２は、第２電極１２から第１電極１１へ流れる電流により順バイアスされるような向きで、かつ、第１電極１１と第２電極１２間にダイオードＤ１と並列に配設される。

第１電極１１と第２電極１２の対向面積の変化に応じて、対向する第２電極１２のエレクトレットの負電荷６０で誘起されている第１電極１１の正の電荷６２が減少し、第２電極１２の正の電荷６１が増える場合、図２（ｂ）に示すように、ダイオードＤ１の順方向に第１電極１１から第２電極１２の方向に電流Ｉ１が流れ、コンデンサＣ１が充電される。
一方、第１電極１１と第２電極１２の対向面積の変化に応じて、第２電極１２のエレクトレットの負電荷６０で誘起されている第１電極１１の正の電荷６２が増加し、第２電極１２の正の電荷６１が減少する場合、図２（ｃ）に示すように、ダイオードＤ２の順方向に第２電極１２から第１電極１１の方向に電流Ｉ２が流れる。しかし、ダイオードＤ２は出力部３０に接続されていないから、このときの電流Ｉ２は出力に供せず、むしろ第２電極１２から第１電極１１へ正の電荷が移動する。そのため、ダイオードＤ２を設けずダイオードＤ１だけの回路構成で発生する電場Ｅ２に比べて高い電場Ｅ２ｄとすることができ、振動発電装置の変換効率を向上することができる。

（変形例１）
図４を参照して、変形例１の振動発電装置１００ａについて説明する。なお、上述の第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
変形例１の振動発電装置１００ａが有する振動発電素子１０ａは、エレクトレットが形成されていない第１電極１１が固定電極、負電荷のエレクトレットが形成されている第２電極１２が可動電極となっている点で、上述の第１実施形態と異なる。

固定電極である第１電極１１は、絶縁性の支持枠１３により固定的に保持されている。
一方、可動電極である第２電極１２は、保持部１４により、支持枠１３に対して図中の上下方向（Ｘ方向）に振動するように保持されている。第２電極１２の櫛歯部分２２のうち、第１電極１１の櫛歯部分２１と対向する面の表面の領域２５には、負の電荷を有するエレクトレットが形成されている。

変形例１においては、第１電極１１には第１整流素子であるダイオードＤ１ａのアノードおよび第２整流素子であるダイオードＤ２ａのカソードが電気的に接続されている。一方、第２電極１２には、ダイオードＤ２ａのアノードが電気的に接続されている。ダイオードＤ１ａのカソードには、コンデンサＣ１および電圧変換器ＶＣを含む出力部３０の入力側の一端Ｖｉ１が電気的に接続され、出力部３０の入力側の他端Ｖｉ２は、ダイオードＤ２ａのアノードおよび第２電極１２に電気的に接続されている。

これにより、上述の第１実施形態と同様に、振動発電素子１０が発電する交流電力のうち、第１電極１１が負電位、第２電極１２が正電位となる場合は、ダイオードＤ２ａは順バイアスされ、電流は第２電極１２から第１電極１１に向けてダイオードＤ２ａを流れる。この場合には、ダイオードＤ１ａは逆バイアスされるため、出力部３０には電流は流れない。一方、第１電極１１が正電位、第２電極１２が負電位となる場合は、電流は第１電極１１から第２電極１２に向けてダイオードＤ１ａおよび出力部３０を通って流れ、ダイオードＤ２ａは順バイアスされるためダイオードＤ２ａには電流は流れない。
ダイオードＤ１ａと出力部３０は、半波整流器４０ａを構成している。

従って、変形例１においても、上述の第１実施形態と同様に、エレクトレット化された第２電極１２が負電位、第１電極１１が正電位となる振動状態において、第１電極１１と第２電極１２間の電場を弱めないようにできる。従って、従来の振動発電装置に比べて、より高い効率で、環境振動のエネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

以上の第１実施形態および変形例１においては、いずれも第１電極１１と対向する第２電極１２の表面に負の電荷のエレクトレットを形成するものとしたが、これに限らず、第２電極１２と対向する第１電極１１の表面に正の電荷のエレクトレットを形成する構成としてもよい。
この場合にも、上述のように、第１電極１１と第２電極１２の間の電場Ｅ２が弱まった状態で振動発電素子１０から電力を取り出すことを防止でき、発電効率を向上することができる。
なお、第１電極１１に正のエレクトレットを形成し、かつ第２電極１２に負のエレクトレットを形成しても良い。

（第１実施形態および変形例１の効果）
（１）以上の第１実施形態および変形例１の振動発電装置１００、１００ａは、第１電極１１と、第１電極１１に対向する第２電極１２と、第１電極１１と第２電極１２の少なくとも一方を相対移動自在に保持する保持部１４と、第１電極１１から第２電極１２に向けて流れる電流を出力部３０に流す半波整流器４０と、第２電極１２から第１電極１１に向けて流れる電流を流し第１電極１１から第２電極１２に向けて流れる電流を遮断するダイオード（第２整流素子）Ｄ２とを備えるともに、第１電極１１は第２電極１２と対向する面の表面に正に帯電したエレクトレットを有しいている、または、第２電極１２は第１電極１１と対向する面の表面に負に帯電したエレクトレットを有している。
この構成により、環境振動を高い効率で電気エネルギーに変化する振動発電装置を実現することができる。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態の振動発電装置１００ｂの概略構成を示す模式図である。なお、上述の第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
第２実施形態の振動発電装置１００ｂが有する振動発電素子１０ｂは、エレクトレットが形成されている電極と形成されていない電極との対を２対有しており、かつ第１整流素子および第２整流素子をそれぞれ２つ有している点で、上述の第１実施形態と異なる。

２つの固定電極である第２電極１２ａおよび第２電極１２ｂは、それぞれ支持枠１３の＋Ｘ側および−Ｘ側の端部の内側に固定されている。一方、２つの可動電極である第１電極１１ａおよび第１電極１１ｂは、保持部１４を構成する電極保持部１４ａのそれぞれ＋Ｘ側および−Ｘ側に設置されている。従って、上述の第１実施形態と同様に、外部からの振動により保持部１４が振動すると、第１電極１１ａ、１１ｂは、第２電極１２ａ、１２ｂに対して、Ｘ方向に振動する。第２電極１２ａ、１２ｂのそれぞれの櫛歯部分２２ａ、２２ｂのうち、第１電極１１ａ、１１ｂの櫛歯部分２１ａ、２１ｂと対向する面の表面の領域２５ａ、２５ｂには、負の電荷を有するエレクトレットが形成されている。

振動発電素子１０ｂにおいては、支持枠１３は２つの第１電極１１ａ、１１ｂを一体的に保持する第１保持部と解釈することができる。電極保持部１４ａは、２つの第２電極１２ａ、１２ｂを一体的に保持する第２保持部と解釈することができる。連結部１４ｂは、２つの第１電極１１ａ、１１ｂと２つの第２電極１２ａ、１２ｂとを相対移動自在とする相対移動部と解釈することができる。

第２実施形態においても、上述の第１実施形態と同様に、各電極には、整流素子であるダイオードと出力部３０が所定の関係を持って接続される。一方の第２電極１２ａには第１整流素子であるダイオードＤ１ｃのカソードおよび第２整流素子であるダイオードＤ２ｃのアノードが電気的に接続されている。他方の第２電極１２ｂには第１整流素子であるダイオードＤ１ｄのカソードおよび第２整流素子であるダイオードＤ２ｄのアノードが電気的に接続されている。
ダイオードＤ１ｃおよびダイオードＤ１ｄのアノードには、共に、コンデンサＣ１および電圧変換器ＶＣを含む出力部３０の入力側の一端Ｖｉ１が電気的に接続されている。

２つの第１電極１１ａ、第１電極１１ｂは、電気的に接続されている。そして、２つの第１電極１１ａ、第１電極１１ｂには、第２整流素子であるダイオードＤ２ｃおよびＤ２ｄのカソード、および出力部３０の入力側の他端Ｖｉ２が電気的に接続されている。２つの第１電極１１ａ、第１電極１１ｂの電位は接地電位となっている。

なお、第１電極１１ａと第１電極１１ｂは、ともに保持部１４に保持され一体となってＸ方向に振動する。従って、振動の各位相において、第１電極１１ａと第２電極１２ａが対向する面積が増大するときには、第１電極１１ｂと第２電極１２ｂが対向する面積は減少する。従って、共通の接地電位である第２電極１２ａおよび第２電極１２ｂの電位に対し、第１電極１１ａと第１電極１１ｂの電位は、位相が反転したものとなる。

第２実施形態の構成は、上述の第１実施形態の振動発電装置１００のうち、振動発電素子１０、第１整流素子であるダイオードＤ１、および第２整流素子であるダイオードＤ２を、並列に２つ配置した構成とも考えられる。この並列の配置において、保持部１４および出力部３０はそれぞれ１つのみの配置であり、並列された２つの構成の共通部分となっている。

よって、ダイオードＤ１ｃ、Ｄ１ｄ、およびダイオードＤ２ｃ、Ｄ２ｄの整流特性により、第２実施形態においても、上述の第１実施形態と同様に、エレクトレット化された第２電極１２が負電位、第１電極１１が正電位となる振動状態において、第１電極１１と第２電極１２間の電場を弱めないようにできる。従って、従来の振動発電装置に比べて、より高い効率で、環境振動のエネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
さらに、変形例２の振動発電素子１０ｂは、２つの振動発電素子が並列に配置された構成となっているため、一層高い効率で、環境振動のエネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
ダイオードＤ１ｃと出力部３０、およびダイオードＤ１ｄと出力部３０は、それぞれ半波整流器４０ｂを構成している。

なお、上述の説明では、第１電極１１ａ、１１ｂは、分離された２つの電極からなるものとしているが、第１電極１１ａ、１１ｂを一体的な１つの電極として形成することもできる。すなわち、図５中の第１電極１１ａ、１１ｂを連続的な１つの電極とし、保持部１４は、その上面または周囲から一体化されている第１電極を保持する構成としても良い。この場合には、第１電極１１ａ、１１ｂの形成工程が簡素化される効果がある。

（変形例２）
図６を参照して、変形例２の振動発電装置１００ｃについて説明する。なお、上述の第１実施形態、第２実施形態または変形例１と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
変形例２の振動発電装置１００ｃは、上述の第２実施形態の振動発電素子１０ｂとほぼ同様な構成であるが、負の電荷のエレクトレットが形成されている第２電極１２ａ、１２ｂが可動電極となっている点、および、ダイオードＤ１ｅ、Ｄ１ｆ、Ｄ２ｅ、Ｄ２ｆのカソード・アノードの向きが逆になっている点で、第２実施形態の振動発電素子１０ｂと異なる。

２つの固定電極である第１電極１１ａおよび第１電極１１ｂは、それぞれ支持枠１３の＋Ｘ側および−Ｘ側の端部の内側に固定されている。一方、２つの可動電極である第２電極１２ａおよび第２電極１２ｂは、保持部１４を構成する電極保持部１４ａのそれぞれ＋Ｘ側および−Ｘ側に設置されている。従って、上述の第２実施形態と同様に、外部からの振動により保持部１４が振動すると、第１電極１１ａ、１１ｂは、第２電極１２ａ、１２ｂに対して、相対的にＸ方向に振動する。第２電極１２ａ、１２ｂのそれぞれの櫛歯部分２２ａ、２２ｂのうち、第１電極１１ａ、１１ｂの櫛歯部分２１ａ、２１ｂと対向する面の表面の領域２５ａ、２５ｂには、負の電荷を有するエレクトレットが形成されている。

変形例２においても、上述の第２実施形態と同様に、各電極には、整流素子であるダイオードと出力部３０が所定の関係を持って接続される。一方の第１電極１１ａには第１整流素子であるダイオードＤ１ｅのアノードおよび第２整流素子であるダイオードＤ２ｅのカソードが電気的に接続されている。他方の第１電極１１ｂには第１整流素子であるダイオードＤ１ｆのアノードおよび第２整流素子であるダイオードＤ２ｆのカソードが電気的に接続されている。
ダイオードＤ１ｅおよびダイオードＤ１ｆのカソードには、共に、コンデンサＣ１および電圧変換器ＶＣを含む出力部３０の入力側の一端Ｖｉ１が電気的に接続されている。

２つの第２電極１２ａ、第２電極１２ｂは、電気的に接続されている。そして、２つの第２電極１２ａ、第２電極１２ｂには、第２整流素子であるダイオードＤ２ｅおよびＤ２ｆのアノード、および出力部３０の入力側の他端Ｖｉ２が電気的に接続されている。２つの第２電極１２ａ、第２電極１２ｂの電位は接地電位となっている。
変形例２においても、上述の第２実施形態と同様に、共通の接地電位である第１電極１１ａおよび第１電極１１ｂの電位に対し、第２電極１２ａと第２電極１２ｂの電位は、位相が反転したものとなる。

変形例２の構成は、上述の変形例１の振動発電装置１００ａのうち、振動発電素子１０ａ、第１整流素子であるダイオードＤ１ａ、および第２整流素子であるダイオードＤ２ａを、並列に２つ配置した構成とも考えられる。この並列の配置において、保持部１４および出力部３０はそれぞれ１つのみの配置であり、並列された２つの構成の共通部分となっている。

従って、ダイオードＤ１ｅ、Ｄ１ｆ、およびダイオードＤ２ｅ、Ｄ２ｆの整流特性により、変形例２においても、上述の第１実施形態および変形例１と同様に、エレクトレット化された第２電極１２が負電位、第１電極１１が正電位となる振動状態において、第１電極１１と第２電極１２間の電場を弱めないようにできる。従って、従来の振動発電装置に比べて、より高い効率で、環境振動のエネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
さらに、変形例２の振動発電素子１０ｂは、２つの振動発電素子が並列に配置された構成となっているため、一層高い効率で、環境振動のエネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

ダイオードＤ１ｅと出力部３０、およびダイオードＤ１ｆと出力部３０のは、それぞれ半波整流器４０ｃを構成している。
なお、上述の第２実施例と同様に、第２電極１２ａ、１２ｂを一体的な１つの電極として形成することもできる。この場合には、保持部１４は、一体的な第２電極をその上面または周囲から保持する構成とすることができる。この場合には、第２電極１２ａ、１２ｂの形成工程が簡素化される効果がある。

以上において、第２実施形態では２つの第１電極１１ａ、１１ｂが、変形例２では２つの第２電極１２ａ、１２ｂが、それぞれ１つの電極保持部１４ａにより一体的に保持されるとしたが、これに限るものではない。すなわち、電極保持部１４ａを含む保持部１４をＸ方向に離れて２個設け、それぞれの保持部１４が、２つの電極のうちのぞれぞれの電極を保持する構成としても良い。
なお、２つの電極（第１電極１１ａ、１１ｂ、または第２電極１２ａ、１２ｂ）を１つの電極保持部１４ａにより一体的に保持する構成は、振動発電素子１０ｂ、１０ｃが小型化できる点で優れている。

以上の第２実施形態および変形例２においても、第１電極１１と対向する第２電極１２の表面に負の電荷のエレクトレットを形成する構成に限らず、これに限らず、第２電極１２と対向する第１電極１１の表面に正のエレクトレットを形成する構成としてもよい。
この場合にも、上述のように、第１電極１１と第２電極１２の間の電場Ｅ２が弱まった状態で振動発電素子１０から電力を取り出すことを防止でき、発電効率を向上することができる。
なお、第１電極１１に正のエレクトレットを形成し、かつ第２電極１２に負のエレクトレットを形成しても良い。

（第２実施形態および変形例２の効果）
（２）以上の第２実施形態および変形例２の振動発電装置１００ｂ、１００ｃは、
第１実施形態の振動発電装置１００の構成に加えて、２つの第１電極１１ａ、１１ｂ、２つの第２電極１２ａ、１２ｂ、２つの第１整流素子（ダイオード）Ｄ１ｃ、Ｄ１ｄ、Ｄ１ｅ、Ｄ１ｆ、および２つの第２整流素子（ダイオード）Ｄ２ｃ、Ｄ２ｄ、Ｄ２ｅ、Ｄ２ｆを有している。
そして、２つの第１電極１１ａ、１１ｂまたは２つの第２電極１２ａ、１２ｂのうち一方は、電気的に接続されているとともに、２つの第２整流素子Ｄ２ｃ、Ｄ２ｄ、Ｄ２ｅ、Ｄ２ｆのぞれぞれの一端が電気的に接続されている。
さらに、２つの第１電極１１ａ、１１ｂまたは２つの第２電極１２ａ、１２ｂのうち他方は、２つの第２整流素子Ｄ２ｃ、Ｄ２ｄ、Ｄ２ｅ、Ｄ２ｆのそれぞれの他端が電気的に接続され、かつ、２つの第１整流素子Ｄ１ｃ、Ｄ１ｄ、Ｄ１ｅ、Ｄ１ｆのそれぞれの一端が電気的に接続されている。
この構成により、環境振動をさらに高い効率で電気エネルギーに変化する振動発電装置を実現することができる。

（３）さらに、（２）において、保持部１４は、２つの第１電極１１ａ、１１ｂを一体的に保持する第１保持部（支持枠）１３と、２つの第２電極１２ａ、１２ｂを一体的に保持する第２保持部（電極保持部）１４ａと、２つの第１電極１１ａ、１１ｂと２つの第２電極１２ａ、１２ｂとを相対移動自在とする相対移動部（連結部）１４ｂとを有する構成とすることもでき、この場合には振動発電素子１０ｂの小型化が実現できる。

以上の、各実施形態および各変形例のいずれにおいても、エレクトレットを形成する領域２５は、第２電極１２の表面のうちの第１電極１１と対向する部分の全てではなく、一部であってもよい。
また、第１電極１１および第２電極１２の各櫛歯部分２１、２２の本数は、上記の本数に限られるものではなく、何本の櫛歯部分を有していても良い。また、第１電極１１および第２電極１２の形状についても、上述の櫛歯電極に限られることはなく、相互に対向して配置される平行平板型電極であっても良い。

また、ダイオードＤ１およびダイオードＤ２は、複数のダイオードを直列に接続して耐圧を向上させたものを用いても良い。また、第１整流素子および第２整流素子は、ダイオードに限らず、例えば２極管や、スピントロニクス整流作用により整流を行うスピントロニクス整流素子等の他の電気素子を用いることもできる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、各実施形態および変形例は、それぞれ単独で適用しても良いし、組み合わせて用いても良い。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…振動発電装置、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…振動発電素子、１１，１１ａ，１１ｂ…第１電極、１２，１２ａ，１２ｂ…第２電極、１３…支持枠、１４…保持部、Ｄ１，Ｄ１ａ，Ｄ１ｃ，Ｄ１ｄ，Ｄ１ｅ，Ｄ１ｆ…第１整流素子（ダイオード）、Ｄ２，Ｄ２ａ，Ｄ２ｃ，Ｄ２ｄ，Ｄ２ｅ，Ｄ２ｆ…第２整流素子（ダイオード）、Ｃ１…コンデンサ、ＶＣ…電圧変換回路、３０…出力部、４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ…半波整流器

Claims (5)

1. 第１電極と、
   前記第１電極に対向する第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極の少なくとも一方を相対移動自在に保持する保持部と、
   第１整流素子と出力部を含み、前記第１電極および前記第２電極に電気的に接続され、前記第１電極から前記第２電極に向けて流れる電流を前記出力部に流すとともに、前記第２電極から前記第１電極に向けて流れる電流を遮断する半波整流器と、
   前記第１電極および前記第２電極に電気的に接続され、前記第２電極から前記第１電極に向けて流れる電流を前記出力部を通さずに流し、前記第１電極から前記第２電極に向けて流れる電流を遮断する第２整流素子と、を備えるともに、
   前記第１電極は前記第２電極と対向する面の表面に正に帯電したエレクトレットを有する、または、前記第２電極は前記第１電極と対向する面の表面に負に帯電したエレクトレットを有する、振動発電装置。
2. 請求項１に記載の振動発電装置において、
   前記第１電極、前記第２電極、前記第１整流素子、および前記第２整流素子を、それぞれ２つ有するとともに、
   前記２つの第１電極または前記２つの第２電極のうち一方は、電気的に接続されているとともに、前記２つの第２整流素子のぞれぞれの一端が電気的に接続され、
   前記２つの第１電極または前記２つの第２電極のうち前記一方とは異なる他方は、前記２つの第２整流素子のそれぞれの前記一端とは異なる他端が電気的に接続され、かつ、前記２つの第１整流素子のそれぞれの一端が電気的に接続されている、振動発電装置。
3. 請求項２に記載の振動発電装置において、
   前記保持部は、
   前記２つの第１電極を一体的に保持する第１保持部と、
   前記２つの第２電極を一体的に保持する第２保持部と、
   前記２つの第１電極と前記２つの第２電極とを相対移動自在とする相対移動部とを有する、振動発電装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の振動発電装置において、
   前記出力部は、コンデンサと、前記コンデンサに並列に配置された電圧変換回路を含む、振動発電装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の振動発電装置において、
   前記第１整流素子または前記第２整流素子の少なくとも一方はダイオードである、振動発電装置。

Images