JP6927527B2 - 振動発電素子および振動発電装置 - Google Patents
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Description
本発明の第2の態様による振動発電装置は、第1の態様による振動発電素子振動発電素子と、電源装置とを備えている。
以下、図を参照して本発明の実施形態について説明する。図1は、本発明の実施形態の振動発電素子10を備える振動発電装置100を表す図である。振動発電装置100は、振動発電素子10と、電源装置40とを有する。静電容量型の振動発電素子10は、第1エレクトレット電極11aと、第2エレクトレット電極11bと、これら2つエレクトレット電極11a,11bの間に配置される中間電極12とを有している。
第2エレクトレット電極11bも、支持枠13に固定されているとともに、中間電極12と対向する面の表面に、一例として負電荷のエレクトレット15bが形成されている。
エレクトレット15aとエレクトレット15bとを、併せてエレクトレット15とも呼ぶ。
また、第1エレクトレット電極11aと第2エレクトレット電極11bのようにエレクトレット15が形成されている電極を、併せてエレクトレット電極11とも呼ぶ。
ダイオードD1のカソードとダイオードD4のカソードは、電源装置40の第1出力端Vo1に接続され、ダイオードD2のアノードとダイオードD3のアノードは、電源装置40の第2出力端Vo2に接続されるとともに、接地電位に維持されている。
電荷注入配線WIの他端は抵抗素子RIの一端に接続されている。抵抗素子RIの他端は、電源装置40内のダイオードD2のアノード、およびダイオードD3のアノードに接続され、すなわち接地電位に維持されている。
なお、電源装置40は、例えばコンデンサや、チョッパ型のDC−DCコンバータを含む電圧変換器を備えていても良い。
図2(a)〜(c)は、中間電極12が第1エレクトレット電極11aおよび第2エレクトレット電極11bに対してX方向に振動(移動)する際に、各相対位置において各電極内に誘起される電荷の状態を表わしている。
中間電極12の+X側の端部は、第1エレクトレット電極11aの表面に形成されているエレクトレット15aの負の電荷16aと対向するため、この部分には正の電荷17aが誘起されている。
中間電極12の−X側の端部は、第2エレクトレット電極11bの表面に形成されているエレクトレット15bの負の電荷16bと対向するため、この部分には正の電荷17bが誘起されている。
第2エレクトレット電極11bのうち、中間電極12と対向しない部分では、エレクトレット15bによる負の電荷16bに誘起され、第2エレクトレット電極11bの内部に正の電荷18bが誘起されている。
以上説明した図2(a)は、第1エレクトレット電極11aと第2エレクトレット電極11bとの間で起電力は発生せず電荷の移動は起きていないことを示している。この意味で図2(a)の中間電極12の位置を中立点と呼び、振動発電素子10は中立状態にあると呼ぶ。
図2(b)の状態では、図2(a)の状態に比べ、第1エレクトレット電極11aの表面の中で、中間電極12と対向する部分の面積が増加している。このため、エレクトレット15aの負の電荷16aに誘起される中間電極12の正の電荷17aが増大する。その結果、図2(a)の状態において第1エレクトレット電極11aの内部に誘起されていた正の電荷18aの一部は、余剰電荷19aとなる。
従って、図2(c)の状態では、第1エレクトレット電極11aは負に帯電し、第2エレクトレット電極11bは正に帯電する。この帯電による起電力により第2エレクトレット電極11bから第1エレクトレット電極11aに電流I2を流すことで、発電を行うことができる。
以下、図3の状態と上述の図2に示した状態との差異に基づいて、中間電極12内の電荷が放電されてしまった場合の振動発電素子10の動作を説明する。
図3(c)は、図2(c)に対応する図であり、中間電極12が図3(a)に示した位置から−X側に相対移動した状態を表す。
図2に示した場合と異なり、図3の場合には中間電極12に電荷が存在しないため、中間電極12が図3(a)の状態から図3(b)または図3(c)の状態に移動しても、第1エレクトレット電極11a、第2エレクトレット電極11b、および中間電極12内の電荷の状態は、変化しない。
なお、電荷注入器30を構成する抵抗素子RIは省略することもできる。
図4は、変形例1の振動発電素子10aを表す図である。上述の実施形態の振動発電素子10との共通部分については、同一の符号を付して、説明を省略する。
変形例1の振動発電素子10aは、平行に配置される複数のエレクトレット電極11を有し、複数のエレクトレット電極11のそれぞれの間に中間電極12が配置されている。
各エレクトレット電極11のうち、第1エレクトレット電極11aおよび第2エレクトレット電極11bには、上述の実施形態と同様に中間電極12と対向する側に、エレクトレット15が形成されている。
第1エレクトレット電極11aおよび第3エレクトレット電極11a1には、配線Waが接続されている。一方、第2エレクトレット電極11bおよび第4エレクトレット電極11b1には、配線Wbが接続されている。
そして、第1エレクトレット電極11aおよび第3エレクトレット電極11a1は、第2エレクトレット電極11bおよび第4エレクトレット電極11b1に対して、+X方向にずれて配置されている。
変形例1においても、中間電極12に電荷を注入する電荷注入配線WI(電荷注入器30の一端)が接続されているので、振動発電素子10aは中間電極12の中性化を防ぎ、長期間にわたって高い発電効率を維持することができる。
図5は、変形例2の振動発電素子10bを表す図である。上述の実施形態の振動発電素子10との共通部分については、同一の符号を付して、説明を省略する。
変形例2の振動発電素子10bでは、複数のエレクトレット電極11が支持枠13aの内側面に固定して配置されている。そして、複数の中間電極12aが導電性の支持体25に保持され、支持体25はバネ等の弾性変形する絶縁性の保持部14aを介して、支持枠13aに対して図中のX方向に振動可能に保持されている。導電性の支持体25には、電荷注入配線WIが接続されており、従って、複数の中間電極12aには導電性の支持体25を介して電荷注入配線WIから電荷が注入される。
図6は、変形例3の振動発電素子10cを表す図である。図6(a)は振動発電素子10cの上面図を表し、図6(b)は、図6(a)中のB−B断面を−Y方向から見た断面図を表す。上述の実施形態の振動発電素子10との共通部分については、同一の符号を付して、説明を省略する。
各中間電極12b1〜12b3は、金属薄板等の弾性変形する保持部14bを介して、保持部14bを概ね中心として図中のX方向に揺動可能に保持されている。保持部14bには電荷注入配線WIが接続され、従って、中間電極12b1〜12b3には導電性の保持部14bを介して電荷注入配線WIにより電荷が注入される。保持部14bと支持枠13の間には絶縁部材を設ける。
図6(b)に示したとおり、X方向の振動により中間電極12b2がX方向に揺動(振動)すると、中間電極12b2と第3エレクトレット電極11a4および第4エレクトレット電極11b4との対向部分の面積が変化する。すなわち、対向部分の面積が互いに逆方向に、換言すると逆位相で増減する。
これにより、発電を行うことができる。そして、中間電極12b1〜12b3には電荷注入配線WIにより電荷が注入され中性化が防止されるので、振動発電素子10cは、長期間にわたって高い発電効率を維持することができる。
図7は、変形例4の振動発電素子10dを表す図である。上述の実施形態の振動発電素子10との共通部分については、同一の符号を付して、説明を省略する。
変形例4の振動発電素子10dでは、支持枠13に固定され配線Waが接続される第1エレクトレット電極11aと、支持枠13に固定され配線Wbが接続される第2エレクトレット電極11bとの間に、第1エレクトレット電極11a側から順に、第1中間電極12c1、第5エレクトレット電極11c、第2中間電極12c2が配置されている。
第1中間電極12c1および第2中間電極12c2は、支持枠13に対して図中のX方向に振動可能に保持されている。
そして、第1中間電極12c1および第2中間電極12c2のそれぞれには、電荷注入配線WIが接続されている。
変形例4の振動発電素子10dにおいても、上述の原理により、第1中間電極12c1および第2中間電極12c2と各エレクトレット電極11とがX方向に相対振動することにより発電が行われる。そして、第1中間電極12c1および第2中間電極12c2には電荷注入配線WIにより電荷が注入され中性化が防止されるので、振動発電素子10dは、長期間にわたって高い発電効率を維持することができる。
図8は、変形例5の振動発電素子10e、および振動発電素子10eを備える振動発電装置100bを表す図である。
変形例5の振動発電素子10eおよび振動発電装置100bは、その大部分の構成は上述の実施形態の振動発電素子10および振動発電装置100と同様であるため、共通部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
変形例5の振動発電素子10eにおいては、スイッチング素子TIの導通または遮断の切替制御により、中間電極12への電荷の注入を制御することができる。
なお、スイッチング素子TIへの制御信号は、電源装置40a内の電圧をモニタした信号に限られるわけではなく、例えばタイマー回路が所定間隔毎に発生するトリガー信号をスイッチング素子TIへの制御信号として使用することもできる。
図9は、変形例6の振動発電素子10fを表す図である。
変形例6の振動発電素子10fは、その大部分の構成は上述の実施形態の振動発電素子10と同様であるため、共通部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
なお、抵抗素子RI1および抵抗素子RI2が有する電気抵抗は、振動発電素子10fに接続される電源装置40の負荷による抵抗に比べて、十分大きな抵抗値を有する構成とする。
あるいは、抵抗素子RI1、RI2の一方を省略し、第1エレクトレット電極11aまたは第2エレクトレット電極11bの一方から、中間電極12に電荷を注入する構成としても良い。
また、これらの変形例5および変形例6に含まれる電荷注入器30、30a、30bを、上述の変形例1から変形例4の振動発電素子10、10a〜10dに適用して、中間電極12、12a、12bに電荷を注入することもできる。
ただし、相対振動の方向を、エレクトレット電極11の中間電極12と対向する面に平行な方向とすることで、発電効率を一層向上させることができる。
(1)以上で説明した実施形態および各変形例の振動発電素子10、10a〜10fは、外部からの振動により交流電力を出力線から出力する振動発電素子において、出力線に接続されていない中間電極12と、中間電極12と対向して配置され、中間電極12と対向する面の表面の少なくとも一部にエレクトレット15を有する複数のエレクトレット電極11と、中間電極12と複数のエレクトレット電極11とを互いに相対振動自在に保持する保持部14と、中間電極12に、複数のエレクトレット電極11の表面に形成されているエレクトレット15とは逆特性の電荷を注入する電荷注入器30と、を備えている。実施形態では、中間電極12の振動により、中間電極12と複数のエレクトレット電極11とが相対的に振動する。
この構成により、中間電極12の中性化を防ぐことができ、振動発電素子10、10a〜10fが設置された環境の振動のエネルギーを、長期にわたって効率良く電気エネルギーに変換することができる。言い換えれば、発電効率を向上することができる。
(3)(2)において、中間電極12が複数のエレクトレット電極11に対して相対的に第1の向きに移動すると、複数のエレクトレット電極11のうちの1つと中間電極12との対向部の面積が増加し、複数のエレクトレット電極11のうちの他の1つと中間電極12との対向部の面積が減少し、第1の向きとは異なる第2の向きに移動すると、対向部の面積は第1の向きの移動の場合とは逆に増減する構成とすることで、発電効率をさらに向上することができる。
(5)(1)〜(3)において、電荷注入器30を、抵抗素子RI1、RI2を含み、電荷注入器30の一端が中間電極12に接続され、他端が複数のエレクトレット電極11の少なくとも1つに接続されている構成とすることもできる。
(6)以上において、さらに電荷注入器30による中間電極12への電荷の注入を制御する制御部材(スイッチング素子TI)を有する構成とすることもできる。この構成により、必要なときにだけ、電荷注入器30により中間電極12に電荷を注入することができる。
Claims (6)
- 外部からの振動により交流電力を出力線から出力する振動発電素子において、
前記出力線に接続されていない中間電極と、
前記中間電極と対向して配置され、前記中間電極と対向する面の表面の少なくとも一部にエレクトレットを有する複数のエレクトレット電極と、
前記中間電極と前記複数のエレクトレット電極とを互いに相対振動自在に保持する保持部と、
前記中間電極に、前記複数のエレクトレット電極の表面に形成されているエレクトレットとは逆特性の電荷を注入する電荷注入器と、を備え、
前記電荷注入器は、前記振動発電素子から電力の供給を受ける回路の一部を前記中間電極に接続する、振動発電素子。 - 請求項1に記載の振動発電素子において、
前記相対振動の方向は、前記複数のエレクトレット電極の前記中間電極と対向する前記面に平行な方向である、振動発電素子。 - 請求項2に記載の振動発電素子において、
前記相対振動により前記中間電極が前記複数のエレクトレット電極に対して相対的に第1の向きに移動すると、前記複数のエレクトレット電極のうちの1つと前記中間電極との対向部の面積が増加し、前記複数のエレクトレット電極のうちの他の1つと前記中間電極との対向部の面積が減少し、前記第1の向きとは異なる第2の向きに移動すると、前記対向部の面積は前記第1の向きの移動の場合とは逆に増減する、振動発電素子。 - 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素子において、
前記電荷注入器は抵抗素子を含み、前記電荷注入器の一端が前記中間電極に接続され、他端が前記複数のエレクトレット電極の少なくとも1つに接続されている、振動発電素子。 - 請求項4に記載の振動発電素子において、
前記電荷注入器による前記中間電極への電荷の注入を制御する制御部材を有する、振動発電素子。 - 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の振動発電素子と、
電源装置とを備える、振動発電装置。
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