JP7443226B2 - 発電素子、及び、発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電素子、及び、発電装置に関する。

櫛歯部分をそれぞれ有する２つの固定電極及び２つの可動電極を備える振動発電素子が知られている（特許文献１）。

特開２０１９－１９８１６１号公報

特許文献１に記載の振動発電素子では、固定電極と可動電極とが対向する部分の面積の変化によってエレクトレットによる誘導電荷が変化し、固定電極と可動電極との間の電位差が変化して起電力が発生することで発電が行われる。従来から、効率良く発電を行うことが求められている。

本発明の第１の態様によると、発電素子は、振動により発電する発電素子であって、第１電極及び第２電極と、前記第２電極と電気的に接続され前記第１電極に対向する第３電極と、前記第３電極と電気的に接続されずに前記第３電極に相対的に固定され、かつ前記第１電極と電気的に接続され前記第２電極に対向する第４電極とを有し、前記第１電極及び前記第２電極の間に設けられる部材と、前記第１電極及び前記第３電極のうちの一方と、前記第２電極及び前記第４電極のうちの一方とに設けられるエレクトレットと、を備える。
本発明の第２の態様によると、発電装置は、第１の態様による発電素子と、前記第１電極及び前記第４電極に電気的に接続される電極と、前記第２電極及び前記第３電極に電気的に接続される電極とを有する整流部を備える。
本発明の第３の態様によると、発電素子は、振動により発電する発電素子であって、第１電極及び前記第１電極と電気的に接続される第２電極と、前記第１電極に対向する第３電極と、前記第３電極に相対的に固定され、かつ前記第３電極と電気的に接続され前記第２電極に対向する第４電極とを有し、前記第１電極及び前記第２電極の間に設けられる部材と、前記第１電極及び前記第３電極のうちの一方と、前記第２電極及び前記第４電極のうちの一方とに設けられるエレクトレットと、を備える。
本発明の第４の態様によると、発電装置は、第３の態様による発電素子と、前記第１電極及び前記第２電極に電気的に接続される電極と、前記第３電極及び前記第４電極に電気的に接続される電極とを有する整流部を備える。

本発明によれば、効率良く発電を行うことができる。

実施の形態に係る発電装置の構成例を示す図である。 実施の形態に係る発電素子の構成例を示す図である。 実施の形態に係る発電装置の動作の一例を説明するための図である。 実施の形態に係る発電装置により行われる処理を説明するための図である。 変形例に係る発電装置の構成例を示す図である。

（実施の形態）
図面を参照して、実施の形態に係る発電装置について説明する。図１は、実施の形態に係る発電装置の構成例を示す図である。発電装置（振動発電装置）１は、発電素子１０と、変換部２０と、第１出力部２５と、第２出力部２６とを備え、振動を利用して発電を行う。発電装置１は、静電方式の発電装置であり、環境の振動のエネルギーを採取して電力を得る技術（エナジーハーベスティング）として利用可能である。

図２は、実施の形態に係る発電素子の構成例を示す図である。発電素子（振動発電素子）１０は、支持枠（支持部材）１１と、可動部１２と、保持部１８とを備える。振動発電素子１０は、例えば、シリコン基板やＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を基材として用い、ＭＥＭＳ技術を利用して製造される。

支持枠（ベース）１１は、電極１６ａ及び電極１６ｂを有する。電極１６ａ及び電極１６ｂは、支持枠１１に対して固定して保持された電極であるともいえる。電極１６ａと電極１６ｂは、可動部１２を挟んで、紙面上下方向（Ｘ軸方向）に並んで配置される。以下の説明では、固定された電極１６ａ、電極１６ｂを、それぞれ第１固定電極１６ａ、第２固定電極１６ｂと称する。なお、図１、図２の座標軸に示すように、Ｘ軸に直交する紙面右方向をＹ軸プラス方向とする。他の図において、図１、図２の座標軸を基準として、それぞれの図の向きが分かるように座標軸を表示する場合もある。

可動部１２は、電極１３ａと、電極１３ｂと、絶縁部１５とを有する。電極１３ａと電極１３ｂとは、絶縁部１５を介して互いに固定される。電極１３ａと電極１３ｂとは、絶縁部１５により支持され、相対的に固定された状態となる。絶縁部１５は、絶縁材料により構成される絶縁層である。電極１３ａ及び電極１３ｂは、絶縁部１５によって分離して設けられ、分割された電極ともいえる。

可動部１２は、支持枠１１内において電極１３ａと電極１３ｂと絶縁部１５がＸ軸方向に移動可能に構成される。電極１３ａ、電極１３ｂ、及び絶縁部１５は、振動発電素子１０に振動が加えられると、一体的に振動する。以下の説明では、電極１３ａ、電極１３ｂを、それぞれ第１可動電極１３ａ、第２可動電極１３ｂと称する。第１可動電極１３ａと第１固定電極１６ａとは、互いに対向して配置され、相対的に移動可能である。また、第２可動電極１３ｂと第２固定電極１６ｂも、互いに対向して配置され、相対的に移動可能である。

第１固定電極１６ａ、第２固定電極１６ｂ、第１可動電極１３ａ、及び第２可動電極１３ｂは、それぞれ、櫛歯形状となる部分（櫛歯部分）を有し、櫛歯状の電極となる。第１固定電極１６ａの櫛歯部分１７ａと、第１可動電極１３ａの櫛歯部分１４ａとは、噛み合うように形成される。また、第２固定電極１６ｂの櫛歯部分１７ｂと、第２可動電極１３ｂの櫛歯部分１４ｂも、噛み合うように形成される。なお、第１固定電極１６ａ、第２固定電極１６ｂ、第１可動電極１３ａ、及び第２可動電極１３ｂに設けられる櫛歯の数及び配置は、図示した例に限られない。

第１固定電極１６ａのうち、第１可動電極１３ａと対向する面の表面近傍には、エレクトレットが形成される。第２固定電極１６ｂのうち、第２可動電極１３ｂと対向する面の表面近傍にも、エレクトレットが形成される。第１固定電極１６ａの櫛歯部分１７ａ、及び第２固定電極１６ｂの櫛歯部分１７ｂには、固定電荷を有するエレクトレットが設けられる。櫛歯部分１７ａ及び櫛歯部分１７ｂの各々には、例えば、負の固定電荷を有する酸化膜がエレクトレット膜（層）として形成される。第１固定電極１６ａ及び第２固定電極１６ｂは、それぞれ、エレクトレット化された電極となり、半永久的に帯電する。なお、図中に記号「－」で模式的に示すように、第１固定電極１６ａ及び第２固定電極１６ｂは、それぞれ、全体としては負に帯電した状態となる。

第１固定電極１６ａと第１可動電極１３ａとの間には、容量（静電容量）が形成される。また、第２固定電極１６ｂと第２可動電極１３ｂとの間にも、静電容量が形成される。なお、第１固定電極１６ａ及び第２固定電極１６ｂに、正電荷を有するエレクトレットを設けるようにしてもよい。また、第１可動電極１３ａ及び第２可動電極１３ｂに、正電荷又は負電荷を有するエレクトレットを設けるようにしてもよい。

保持部１８は、弾性を有するように構成され、可動部１２を保持（支持）する。保持部１８は、例えば、第１固定電極１６ａ、第２固定電極１６ｂ、第１可動電極１３ａ、及び第２可動電極１３ｂと同じ材料（例えばシリコン）を用いて、可撓性を有するように形成される。可動部１２は、保持部１８によって弾性的に支持された状態となり、Ｘ軸方向に移動（振動）可能となる。なお、保持部１８は、金属材料を用いて構成されてもよいし、可撓性を有する他の材料を用いて構成されてもよい。

振動発電素子１０は、振動発電素子１０から電力が供給されて動作する部品（回路）と接続可能である。振動発電素子１０には、振動発電素子１０により発電された交流を直流に変換する変換部、蓄電部（コンデンサ、バッテリ等）、及び、電圧を変圧する変圧部（降圧回路、昇圧回路等）などが接続され得る。図１に示す例では、振動発電素子１０は、変換部２０と、蓄電部３０と、変圧部４０とに電気的に接続される。

振動発電素子１０に外部から振動が与えられると、保持部１８に撓み（弾性変形）が生じ、可動部１２はＸ軸方向に振動すると共に、第１可動電極１３ａ及び第２可動電極１３ｂの変位が生じる。第１可動電極１３ａ及び第２可動電極１３ｂが第１固定電極１６ａ及び第２固定電極１６ｂに対して振動することによって、第１可動電極１３ａと第１固定電極１６ａとの位置関係が変化し、第２可動電極１３ｂと第２固定電極１６ｂとの位置関係も変化する。可動部１２のＸ方向の移動に伴って、第１可動電極１３ａの櫛歯部分１４ａは、第１固定電極１６ａの櫛歯部分１７ａに対してＸ方向に離間及び近接する。また、第２可動電極１３ｂの櫛歯部分１４ｂは、第２固定電極１６ｂの櫛歯部分１７ｂに対してＸ方向に離間及び近接する。

第１可動電極１３ａの位置が変化することで、第１可動電極１３ａと第１固定電極１６ａとの間隔（距離）が変化し、第１可動電極１３ａの櫛歯部分１４ａにおける第１固定電極１６ａの櫛歯部分１７ａに対向する領域の面積が変化する。この面積の変化に応じて、第１可動電極１３ａ及び第１固定電極１６ａによる静電容量（の大きさ）が変化し、第１固定電極１６ａのエレクトレットによって第１可動電極１３ａにおいて誘導される電荷量が変化する。この場合、第１固定電極１６ａと第１固定電極１６ａに電気的に接続された外部の回路との間で、電荷の移動が生じる。図１及び図２に示す接続部分（配線、端子等）Ｗ１において電荷の移動が生じ、第１固定電極１６ａ及び外部回路間で電流が生じる。

また、第２可動電極１３ｂの位置が変化することで、第２可動電極１３ｂと第２固定電極１６ｂとの間隔が変化し、第２可動電極１３ｂの櫛歯部分１４ｂにおける第２固定電極１６ｂの櫛歯部分１７ｂに対向する領域の面積が変化する。この面積の変化に応じて、第２可動電極１３ｂ及び第２固定電極１６ｂによる静電容量が変化し、第２固定電極１６ｂのエレクトレットによって第２可動電極１３ｂにおいて誘導される電荷量が変化する。この場合、第２固定電極１６ｂと第２固定電極１６ｂに電気的に接続された外部回路との間で、電荷の移動が生じる。図１及び図２に示す接続部分（配線、端子等）Ｗ２において電荷の移動が生じ、第２固定電極１６ｂ及び外部回路間で電流が生じる。

第１可動電極１３ａ及び第１固定電極１６ａ間の静電容量と、第２可動電極１３ｂ及び第２固定電極１６ｂ間の静電容量は、逆位相で変化する。第１可動電極１３ａ及び第１固定電極１６ａ間の静電容量が変動することで、第１固定電極１６ａ及び外部回路間において交流電流が流れ、発電が行われる。また、第２可動電極１３ｂ及び第２固定電極１６ｂ間の静電容量が変動することで、第２固定電極１６ｂ及び外部回路間に交流電流が流れ、発電が行われる。

このように、本実施の形態に係る発電装置１では、振動に起因して生じる静電容量の変化を利用して、交流電力を生成することができる。振動発電素子１０は、第１可動電極１３ａ及び第１固定電極１６ａ間と、第２可動電極１３ｂ及び第２固定電極１６ｂ間の各々で発電を行うため、発電量を増加させることができる。振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することが可能となり、発電効率を向上させることができる。

図１に示す変換部２０は、２つの整流部（整流素子）２１を含んで構成され、交流を直流に変換する機能を有する。変換部２０は、交流を直流に変換する整流回路２０である。２つの整流部２１（第１整流部２１ａ、第２整流部２１ｂ）は、それぞれ、ダイオードによって構成される。変換部２０は、第１出力部２５と第２出力部２６との間に設けられ、振動発電素子１０に電気的に接続される。変換部２０は、振動発電素子１０からの交流電流（電圧）を直流に変換する。なお、整流部２１は、ＭＯＳトランジスタを用いて構成してもよいし、バイポーラトランジスタを用いて構成してもよい。

第１出力部２５及び第２出力部２６は、振動発電素子１０による発電によって得られる電圧（電流）が出力される部分（配線、端子等）である。第１出力部２５及び第２出力部２６を介して、発電装置１の外部（図１では蓄電部３０、変圧部４０）に電力が供給される。なお、図１に示すように、第２出力部２６及び配線Ｗ２は、接地線（グランド線）に接続される。第２出力部２６及び配線Ｗ２の電位は、第１出力部２５及び配線Ｗ１の各々の電位に対する基準電位（接地電位）となる。

蓄電部３０は、第１出力部２５と第２出力部２６との間に設けられ、振動発電素子１０により生成された電力が供給される。蓄電部３０は、振動発電素子１０により発電された電力によって充電され、電力を蓄電（蓄積）する。図１に示す例では、蓄電部３０は、コンデンサＣを含んで構成される。コンデンサＣの一端は、第１出力部２５に接続され、発電により得られた電位が与えられる。コンデンサＣの他端は、第２出力部２６及び配線Ｗ２に接続され、基準電位が与えられる。蓄電部３０は、振動発電素子１０により出力される電圧を平滑する平滑部でもある。なお、発電装置１は、蓄電部３０を含んで構成されてもよい。

変圧部４０は、第１出力部２５及び第２出力部２６を介して入力される電圧を変圧して出力する。変圧部（変圧回路）４０は、実使用時に振動発電素子１０と組み合わせて用いられる部品であり、実使用時に負荷として動作する。変圧部４０は、例えば降圧回路であり、ＤＣ－ＤＣコンバータ等により構成される。降圧回路４０は、コンデンサＣの電圧を降圧した電圧を出力可能である。変圧部４０として用いる部品は、振動発電素子１０から出力される電圧及び電流の大きさ等を考慮して選定される。なお、発電装置１は、変圧部４０を含んで構成されてもよい。

図１に示す例では、第１整流部２１ａは、ダイオードＤ１を用いて構成される。ダイオードＤ１の一方の電極であるアノード（端子）は、振動発電素子１０の第１固定電極１６ａ及び第２可動電極１３ｂに電気的に接続される。第１固定電極１６ａと第２可動電極１３ｂは、共に配線Ｗ１に電気的に接続され、互いに電気的に接続される。また、ダイオードＤ１のアノードは、第２整流部２１ｂにも電気的に接続される。

ダイオードＤ１の他方の電極であるカソード（端子）は、振動発電素子１０の第２固定電極１６ｂ及び第１可動電極１３ａに電気的に接続される。第２固定電極１６ｂと第１可動電極１３ａは、共に配線Ｗ２に電気的に接続され、互いに電気的に接続される。また、ダイオードＤ１のカソードは、第２出力部２６を介して、コンデンサＣの他端及び変圧部４０に接続される。ダイオードＤ１のカソードの電位は、接地電位となる。

第２整流部２１ｂは、ダイオードＤ２を用いて構成される。ダイオードＤ２のカソードは、振動発電素子１０の第１固定電極１６ａ及び第２可動電極１３ｂに電気的に接続される。また、ダイオードＤ２のカソードは、第１整流部２１ａにも電気的に接続される。ダイオードＤ２のアノードは、第１出力部２５を介して、コンデンサＣの一端及び変圧部４０に接続される。

このように、本実施の形態に係る発電装置１は、互いに電気的に分離された第１可動電極１３ａ及び第２可動電極１３ｂを有する。第１固定電極１６ａと第２可動電極１３ｂとが電気的に接続され、第２固定電極１６ｂと第１可動電極１３ａとが電気的に接続される。第１固定電極１６ａ及び第１可動電極１３ａの第１の対（組）と、第２固定電極１６ｂ及び第２可動電極１３ｂの第２の対とが、並列接続された状態となる。

図３は、実施の形態に係る発電装置の動作の一例を説明するための図である。図３（ａ）、（ｂ）では、可動部１２が第１固定電極１６ａ及び第２固定電極１６ｂに対してＸ方向に振動する場合に、発電装置１において発生する電流を模式的に示している。図３（ａ）は可動部１２が＋Ｘ方向に移動する場合を示し、図３（ｂ）は可動部１２が－Ｘ方向に移動する場合を示している。

図３（ａ）に示す状態では、可動部１２の＋Ｘ方向の移動に伴って、第１可動電極１３ａの櫛歯部分１４ａと第１固定電極１６ａの櫛歯部分１７ａとが対向する部分の面積は大きくなる。また、第２可動電極１３ｂの櫛歯部分１４ｂと第２固定電極１６ｂの櫛歯部分１７ｂとが対向する部分の面積は小さくなる。このため、第１可動電極１３ａと第１固定電極１６ａとの静電容量は大きくなり、第２可動電極１３ｂと第２固定電極１６ｂとの静電容量が小さくなる。

第１可動電極１３ａ及び第１固定電極１６ａ間の静電容量が増加するため、第１固定電極１６ａのエレクトレットによって第１可動電極１３ａにおいて誘起される正電荷の量が増加する。また、第２可動電極１３ｂ及び第２固定電極１６ｂ間の静電容量が減少するため、第２固定電極１６ｂのエレクトレットによって第２可動電極１３ｂにおいて誘起される正電荷の量が減少する。このとき、配線Ｗ１及び配線Ｗ２を介して、第２固定電極１６ｂ及び第１可動電極１３ａから第１固定電極１６ａ及び第２可動電極１３ｂに向かって負電荷（電子）が移動しようとし、第１整流部２１ａのダイオードＤ１がオン状態（順バイアス状態）となる。第２整流部２１ｂのダイオードＤ２は、オフ状態（逆バイアス状態）となる。第１整流部２１ａがオン状態となることで、図３（ａ）において白抜き矢印で示すように電流が流れる。

一方、図３（ｂ）に示す状態では、可動部１２の－Ｘ方向の移動に伴って、第１可動電極１３ａの櫛歯部分１４ａと第１固定電極１６ａの櫛歯部分１７ａとが対向する部分の面積は小さくなり、第２可動電極１３ｂの櫛歯部分１４ｂと第２固定電極１６ｂの櫛歯部分１７ｂとが対向する部分の面積は大きくなる。このため、第１可動電極１３ａと第１固定電極１６ａとの静電容量は小さくなり、第２可動電極１３ｂと第２固定電極１６ｂとの静電容量が大きくなる。

第１可動電極１３ａ及び第１固定電極１６ａ間の静電容量が減少するため、第１可動電極１３ａにおいて誘起される正電荷の量が減少する。また、第２可動電極１３ｂ及び第２固定電極１６ｂ間の静電容量が増加するため、第２可動電極１３ｂにおいて誘起される正電荷の量が増加する。このとき、配線Ｗ１を介して、第１固定電極１６ａ及び第２可動電極１３ｂから、第１出力部２５に接続されるコンデンサＣの一端及び変圧部４０側に向かって負電荷が移動しようとし、第２整流部２１ｂがオン状態となる。また、配線Ｗ２を介して、第２出力部２６に接続されるコンデンサＣの他端及び変圧部４０側から、第２固定電極１６ｂ及び第１可動電極１３ａに向かって負電荷の移動が生じる。第１整流部２１ａは、オフ状態となる。

この図３（ｂ）の場合、図中の白抜き矢印で示すように電流が流れる。第１出力部２５及び第２出力部２６間には、第１可動電極１３ａ及び第１固定電極１６ａ間の静電容量の変化に応じた電流と、第２可動電極１３ｂ及び第２固定電極１６ｂ間の静電容量の変化に応じた電流とが流れる。第１固定電極１６ａ及び第１可動電極１３ａの第１の対による発電により得られる電流と、第２固定電極１６ｂ及び第２可動電極１３ｂの第２の対による発電により得られる電流とが合わさった電流が、出力されることになる。

このように、本実施の形態に係る発電装置１は、互いに並列接続された２つの電極対による発電によって得られた電流及び電圧を出力する。このため、本実施の形態では、第１可動電極１３ａと第２可動電極１３ｂとが電気的に分離されていない場合と比較して、略２倍の大きさの電流を変圧部４０に供給することが可能となる。また、第１の対と第２の対とが直列接続されている場合と比較して、略半分の大きさの電圧を変圧部４０に供給可能となる。

振動発電素子１０から出力される電圧が高すぎると、後段の変圧部４０として高耐圧の部品が必要となり、部品の選定が困難となってしまう。また、部品が高額となり、発電装置１の製造コストが増大するおそれがある。一方、本実施の形態では、上述のように、振動発電素子１０から出力される電圧を低下させ、後段の回路に入力される電圧を低下させることができる。このため、後段の回路として用いる部品の選定が困難となってしまうことを回避することが可能となる。また、発電装置１の製造コストが増大することを防ぐことができる。

図４は、実施の形態に係る発電装置により行われる処理を説明するための図である。図４では、同一の時間軸に、可動部１２の振幅ｘ（図４（ａ））と、第１出力部２５の電圧Ｖｏ（図４（ｂ））とを示している。図４（ａ）において、縦軸は、可動部１２のＸ軸方向の振幅（移動量）を示している。図４（ｂ）において、縦軸は、電圧の大きさを示している。電圧Ｖｏは、第１出力部２５を介して、コンデンサＣの一端及び変圧部４０に加わる電圧である。

図３（ａ）及び（ｂ）を用いて上述したように、発電装置１では、可動部１２の振幅ｘが正の値となる場合、即ち可動部１２が＋Ｘ方向に移動する場合と、可動部１２の振幅ｘが負の値となる場合、即ち可動部１２が－Ｘ方向に移動する場合とで、電流の方向が変わる交流電流が生じる。可動部１２が＋Ｘ方向に移動した場合は、ダイオードＤ１はオン状態となり、ダイオードＤ２はオフ状態となる。可動部１２が－Ｘ方向に移動した場合には、ダイオードＤ１はオフ状態となり、ダイオードＤ２はオン状態となる。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間において、可動部１２の＋Ｘ方向の移動に伴って、ダイオードＤ１がオン状態となり、ダイオードＤ２がオフ状態となる。この場合、ダイオードＤ１を介して、第１固定電極１６ａ及び第２可動電極１３ｂ側から第２固定電極１６ｂ及び第１可動電極１３ａ側へと電流が流れる。

時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間において、可動部１２の－Ｘ方向の移動に伴って、ダイオードＤ２がオン状態となり、ダイオードＤ１はオフ状態となる。この場合、ダイオードＤ２及び第１出力部２５及び第２出力部２６を経由して、第２固定電極１６ｂ及び第１可動電極１３ａ側から第１固定電極１６ａ及び第２可動電極１３ｂ側へと電流が流れる。第１可動電極１３ａ及び第１固定電極１６ａによる発電によって得られる電流と、第２可動電極１３ｂ及び第２固定電極１６ｂによる発電によって得られる電流とを合わせた電流が、蓄電部３０及び変圧部４０に出力される。これにより、コンデンサＣへの充電が行われ、図４（ｂ）において太線で示すように、電圧Ｖｏの値（レベル）が大きくなる。なお、図４に示す例では、電圧Ｖｏは負の値となる。

時刻ｔ３～時刻ｔ４の期間では、時刻ｔ１～時刻ｔ２の期間の場合と同様に、可動部１２の＋Ｘ方向の移動に応じて、発電装置１において電流が流れる。この場合、上述したように、ダイオードＤ２はオフ状態となる。このため、コンデンサＣに蓄積された電荷が保持され、電圧Ｖｏの低下を抑制することができる。

時刻ｔ４～時刻ｔ５の期間では、時刻ｔ２～時刻ｔ３の期間の場合と同様に、可動部１２の－Ｘ方向の移動に応じて、発電装置１において電流が流れる。この場合、コンデンサＣへの充電が行われて、電圧Ｖｏの値が大きくなる。変圧部４０には、振動発電素子１０の発電によって充電されたコンデンサＣの電圧Ｖｏが供給される。

このように、本実施の形態に係る発電装置１は、第１固定電極１６ａ及び第１可動電極１３ａの第１の対と、第２固定電極１６ｂ及び第２可動電極１３ｂの第２の対とによって発電を行う。このため、発電装置１は、効率良く発電を行うことができる。また、電気的に並列接続された２つの電極対によって発電を行うため、発電装置１の外部に供給する電圧を低下させると共に、発電装置１の外部に供給する電流を増加させることができる。振動発電素子１０から出力される電圧と電流との比、即ちインピーダンス（出力インピーダンス）を低減させることができる。このため、変圧部４０として用いる部品の選定が困難となることを回避することが可能となる。

また、本実施の形態に係る発電装置１では、２つのダイオードＤ１、Ｄ２によって整流を行う。このため、多数のダイオードを用いて整流を行う場合と比較して、ダイオードにおける電力の損失を抑制し、発電効率を向上させることができる。また、発電装置１の製造コストが増大することを防ぐことができる。

なお、上記では、変換部２０の構成例について説明したが、あくまでも一例であって、変換部（整流回路）２０の構成は、上述した例に限られない。変換部２０の構成は、適宜変更可能であり、例えば、３つ以上のダイオードを有する構成にしてもよい。変換部２０として、４つのダイオードをブリッジ型に配置した整流回路を用いてもよい。

上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）発電素子（振動発電素子１０）は、振動により発電する発電素子であって、第１電極（第１固定電極１６ａ）及び第２電極（第２固定電極１６ｂ）と、第２電極と電気的に接続され第１電極に対向する第３電極（第１可動電極１３ａ）と、第３電極と電気的に接続されずに第３電極に相対的に固定され、かつ第１電極と電気的に接続され第２電極に対向する第４電極（第２可動電極１３ｂ）とを有し、第１電極及び第２電極の間に設けられる部材（可動部１２）と、第１電極及び第３電極のうちの一方と、第２電極及び第４電極のうちの一方とに設けられるエレクトレットと、を備える。このようにしたので、本実施の形態に係る振動発電素子１０は、効率良く発電を行うことができる。また、並列接続された２つの電極対によって発電を行うため、出力インピーダンスを低減させることができる。これにより、振動発電素子１０に接続する部品の選定が困難となることを回避することができる。

（２）発電装置１は、発電素子（振動発電素子１０）と、発電素子により発電された交流を直流に変換する変換部２０とを備える。変換部２０は、第１電極及び第４電極に電気的に接続される電極（アノード）と第２電極及び第３電極に電気的に接続される電極（カソード）とを有する第１整流部２１ａと、第１電極及び第４電極に電気的に接続される電極（カソード）と出力部（第１出力部２５）に電気的に接続される電極（アノード）とを有する第２整流部２１ｂとを備える。本実施の形態に係る発電装置１は、２つのダイオードによって整流を行うため、多数のダイオードによって整流を行う場合と比較して、発電装置１内における電力の損失を抑制し、発電効率を向上させることができる。また、発電装置１の製造コストが増大することを防ぐことができる。

以下では、図面を参照して、変形例について説明する。なお、図中、上述した実施の形態と同一もしくは相当部分には、同一の参照番号を付し、上述した実施の形態との相違点を主に説明する。

図５は、変形例に係る発電装置の構成例を示す図である。図５に示す例では、変換部２０のダイオードＤ１のアノードは、振動発電素子１０の第１固定電極１６ａ及び第２固定電極１６ｂに電気的に接続される。第１固定電極１６ａと第２固定電極１６ｂは、共に配線Ｗ１に電気的に接続され、互いに電気的に接続される。ダイオードＤ１のカソードは、振動発電素子１０の第１可動電極１３ａ及び第２可動電極１３ｂに電気的に接続される。第１可動電極１３ａと第２可動電極１３ｂは、共に配線Ｗ２に電気的に接続され、互いに電気的に接続される。変換部２０のダイオードＤ２のカソードは、第１固定電極１６ａ、第２固定電極１６ｂ、及びダイオードＤ１のアノードに電気的に接続される。

また、本変形例では、第１固定電極１６ａ及び第２可動電極１３ｂは、それぞれ、負電荷を有するエレクトレットが設けられ、エレクトレット化された電極となる。なお、第１固定電極１６ａ及び第２可動電極１３ｂに、正電荷を有するエレクトレットを設けるようにしてもよい。第２固定電極１６ｂ及び第１可動電極１３ａに、正電荷又は負電荷を有するエレクトレットを設けるようにしてもよい。

本変形例の場合も、第１固定電極１６ａ及び第１可動電極１３ａの第１の対と、第２固定電極１６ｂ及び第２可動電極１３ｂの第２の対とが、並列接続された状態となる。発電装置１は、電気的に並列接続された２つの電極対によって発電を行うことができ、発電装置１の外部に供給する電圧を低下させることができる。このため、出力インピーダンスを低減させることができ、振動発電素子１０に接続する部品の選定が困難となることを防ぐことができる。

上記では、種々の実施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。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。

１…発電装置、１０…発電素子、１２…可動部、１３ａ…第１可動電極、１３ｂ…第２可動電極、１５…絶縁部、１６ａ…第１固定電極、１６ｂ…第２固定電極、２０…変換部、２１ａ…第１整流部、２１ｂ…第２整流部、２５…第１出力部、２６…第２出力部、３０…蓄電部、４０…変圧部

Claims (9)

1. 振動により発電する発電素子であって、
   第１電極及び第２電極と、
   前記第２電極と電気的に接続され前記第１電極に対向する第３電極と、前記第３電極と電気的に接続されずに前記第３電極に相対的に固定され、かつ前記第１電極と電気的に接続され前記第２電極に対向する第４電極とを有し、前記第１電極及び前記第２電極の間に設けられる部材と、
   前記第１電極及び前記第３電極のうちの一方と、前記第２電極及び前記第４電極のうちの一方とに設けられるエレクトレットと、
   を備え、
   前記第１電極と前記第３電極との間の静電容量と、前記第２電極と前記第４電極との間の静電容量とは逆位相で変化する発電素子。
2. 請求項１に記載の発電素子において、
   前記第４電極は、前記第３電極に絶縁部を介して固定される発電素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の発電素子において、
   前記部材は、第１電極及び第２電極に対して移動可能な可動部である発電素子。
4. 請求項３に記載の発電素子において、
   前記可動部は、外部から振動が与えられると、前記第１電極及び前記第２電極の間において振動し、
   前記可動部が振動する場合、前記第１電極及び前記第３電極により発電し、前記第２電極及び前記第４電極により発電する発電素子。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の発電素子と、
   前記第１電極及び前記第４電極に電気的に接続される電極と、前記第２電極及び前記第３電極に電気的に接続される電極とを有する整流部を備える発電装置。
6. 請求項５に記載の発電装置において、
   前記整流部は、前記第１電極及び前記第３電極と前記第２電極及び前記第４電極により発電される交流を整流する発電装置。
7. 請求項６に記載の発電装置において、
   前記整流部は、ダイオードである発電装置。
8. 振動により発電する発電素子であって、
   第１電極及び前記第１電極と電気的に接続される第２電極と、
   前記第１電極に対向する第３電極と、前記第３電極に相対的に固定され、かつ前記第３電極と電気的に接続され前記第２電極に対向する第４電極とを有し、前記第１電極及び前記第２電極の間に設けられる部材と、
   前記第１電極及び前記第３電極のうちの一方と、前記第２電極及び前記第４電極のうちの一方とに設けられるエレクトレットと、
   を備え、
   前記第１電極及び前記第２電極は同じ配線を介して外部回路に接続され、
   前記第１電極と前記第３電極との間の静電容量と、前記第２電極と前記第４電極との間の静電容量とは逆位相で変化する発電素子。
9. 請求項８に記載の発電素子と、
   前記第１電極及び前記第２電極に電気的に接続される電極と、前記第３電極及び前記第４電極に電気的に接続される電極とを有する整流部を備える発電装置。

Images