WO2019216165A1 - 振動発電素子および振動発電装置 - Google Patents

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WO2019216165A1
WO2019216165A1 PCT/JP2019/016865 JP2019016865W WO2019216165A1 WO 2019216165 A1 WO2019216165 A1 WO 2019216165A1 JP 2019016865 W JP2019016865 W JP 2019016865W WO 2019216165 A1 WO2019216165 A1 WO 2019216165A1
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WO
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power generation
vibration
electret
electrode
intermediate electrode
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PCT/JP2019/016865
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English (en)
French (fr)
Inventor
年吉　洋
久幸 芦澤
將裕 森田
Original Assignee
国立大学法人 東京大学
株式会社鷺宮製作所
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/06—Influence generators
    • H02N1/08—Influence generators with conductive charge carrier, i.e. capacitor machines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
    • B81B3/0086—Electrical characteristics, e.g. reducing driving voltage, improving resistance to peak voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0145—Flexible holders
    • B81B2203/0163—Spring holders

Definitions

  • the present invention relates to a vibration power generation element and a vibration power generation apparatus.
  • a method of generating power from environmental vibrations using a vibration power generation element that is a MEMS (Microelectromechanical Systems) vibration element is known.
  • the vibration power generation element itself is an element that includes a piezoelectric element or a capacitance-type element and generates alternating-current power equal to the frequency when the element is vibrated at an environmental vibration frequency.
  • the electrostatic induction vibration power generation element generates power by using induced charges generated by a plurality of electrodes vibrating with each other (see, for example, Patent Document 1).
  • vibration energy of environmental vibration is weak, a vibration power generation element that converts environmental vibration into electric energy with high efficiency is required.
  • the vibration power generation element is arranged in a vibration power generation element that outputs AC power from an output line by vibration from outside, an intermediate electrode that is not connected to the output line, and is disposed to face the intermediate electrode.
  • a plurality of electret electrodes having electrets on at least a part of the surface facing the intermediate electrode, a holding portion for holding the intermediate electrodes and the plurality of electret electrodes so as to be capable of relative vibration, and the intermediate electrode;
  • a charge injector for injecting charges having characteristics opposite to those of the electrets formed on the surfaces of the plurality of electret electrodes.
  • the vibration power generation element according to the second aspect is the vibration power generation element according to the first aspect, wherein the direction of the relative vibration is preferably a direction parallel to the surface of the plurality of electret electrodes facing the intermediate electrode.
  • the vibration power generation element according to the third aspect is the vibration power generation element according to the second aspect, wherein the intermediate electrode moves in a first direction relative to the plurality of electret electrodes by the relative vibration.
  • the vibration power generation element according to a fourth aspect is the vibration power generation element according to any one of the first to third aspects, wherein the charge injector has a part of a circuit that receives power supplied from the vibration power generation element as the intermediate electrode. It is preferable to connect to.
  • a vibration power generation element is the vibration power generation element according to any one of the first to third aspects, wherein the charge injector includes a resistance element, and one end of the charge injector is connected to the intermediate electrode. The other end is preferably connected to at least one of the plurality of electret electrodes.
  • the vibration power generation element according to the sixth aspect includes a control member that controls injection of charges into the intermediate electrode by the charge injector.
  • the vibration power generation apparatus according to the seventh aspect includes the vibration power generation element according to any one of the first to sixth aspects and a power supply apparatus.
  • the energy of environmental vibration can be converted into electric energy with high efficiency.
  • FIG. 2A to 2C are diagrams showing charges induced in the electret electrode 11 and the intermediate electrode 12 at each relative position of the intermediate electrode 12 with respect to the electret electrode 11.
  • FIG. 3A to 3C are views showing electric charges induced in the electret electrode 11 and the intermediate electrode 12 at each relative position of the intermediate electrode 12 with respect to the electret electrode 11.
  • FIG. 3A to 3C are views showing electric charges induced in the electret electrode 11 and the intermediate electrode 12 at each relative position of the intermediate electrode 12 with respect to the electret electrode 11.
  • FIG. 5A is a top view of the vibration power generation element 10c
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of the BB cross section in FIG. 5A viewed from the ⁇ Y direction.
  • FIG. 5 The figure showing the structure of the vibration electric power generation apparatus 10b provided with the vibration electric power generation element 10e of the modification 5, and the vibration electric power generation element 10e.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a vibration power generation apparatus 100 including a vibration power generation element 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the vibration power generation device 100 includes the vibration power generation element 10 and a power supply device 40.
  • the capacitive vibration power generation element 10 includes a first electret electrode 11a, a second electret electrode 11b, and an intermediate electrode 12 disposed between the two electret electrodes 11a and 11b.
  • the first electret electrode 11a is fixed to the support frame 13, and an electret 15a having a negative charge is formed on the surface of the surface facing the intermediate electrode 12 as an example.
  • the second electret electrode 11b is also fixed to the support frame 13, and an electret 15b having a negative charge is formed on the surface of the surface facing the intermediate electrode 12 as an example.
  • the electrets 15a and 15b are formed, for example, by performing a known charging process described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-049557.
  • the electret 15a and the electret 15b are also collectively referred to as the electret 15.
  • the electrode in which the electret 15 is formed like the 1st electret electrode 11a and the 2nd electret electrode 11b is also called the electret electrode 11 collectively.
  • the intermediate electrode 12 is held by the support frame 13 via a holding portion 14 that is elastically deformed such as a spring. Therefore, when the vibration power generation element 10 including the support frame 13 vibrates in the X direction illustrated in FIG. 1 (vertical direction in FIG. 1), the intermediate electrode 12 becomes the first electret electrode 11a and It vibrates relatively in the X direction with respect to the second electret electrode 11b. Specifically, the electrostatic capacity (interelectrode facing area) between the intermediate electrode 12 and the first electret electrode 11a, and the electrostatic capacity (interelectrode facing area) between the intermediate electrode 12 and the second electret electrode 11b. ) And increase / decrease in the opposite phase, relative vibration between the electrodes accompanying the vibration of the intermediate electrode 12 occurs.
  • the power supply device 40 has a bridge-type full-wave rectifier circuit including four diodes D1 to D4.
  • the wiring Wa is connected to the anode of the diode D1 and the cathode of the diode D2, and the wiring Wb is connected to the anode of the diode D4 and the cathode of the diode D3.
  • the cathode of the diode D1 and the cathode of the diode D4 are connected to the first output terminal Vo1 of the power supply device 40, the anode of the diode D2 and the anode of the diode D3 are connected to the second output terminal Vo2 of the power supply device 40, It is maintained at ground potential.
  • One end of a charge injection wiring WI for injecting charges into the intermediate electrode 12 is connected to the intermediate electrode 12.
  • the other end of the charge injection wiring WI is connected to one end of the resistance element RI.
  • the other end of the resistance element RI is connected to the anode of the diode D2 and the anode of the diode D3 in the power supply device 40, that is, maintained at the ground potential.
  • the AC power generated by converting the vibration energy by the vibration power generation element 10 is output by the power supply device 40 as power having a ground potential at the second output terminal Vo2 and a positive potential at the first output terminal Vo1.
  • the power supply device 40 may include a voltage converter including a capacitor and a chopper type DC-DC converter, for example.
  • FIG. 2 (a) to 2 (c) show that when the intermediate electrode 12 vibrates (moves) in the X direction with respect to the first electret electrode 11a and the second electret electrode 11b, it is induced in each electrode at each relative position. Represents the state of charge.
  • FIG. 2A shows the state of charge when the intermediate electrode 12 is at an intermediate point of vibration (hereinafter also referred to as a neutral point). Since the + X side end of the intermediate electrode 12 faces the negative charge 16a of the electret 15a formed on the surface of the first electret electrode 11a, a positive charge 17a is induced in this portion. Since the end on the ⁇ X side of the intermediate electrode 12 faces the negative charge 16b of the electret 15b formed on the surface of the second electret electrode 11b, a positive charge 17b is induced in this portion.
  • FIG. 2A shows that no electromotive force is generated between the first electret electrode 11a and the second electret electrode 11b, and no charge transfer occurs.
  • the position of the intermediate electrode 12 in FIG. 2A is referred to as a neutral point, and the vibration power generation element 10 is referred to as being in a neutral state.
  • FIG. 2B shows a state in which the intermediate electrode 12 is relatively moved to the + X side as compared with FIG.
  • the area of the portion facing the intermediate electrode 12 in the surface of the first electret electrode 11a is increased compared to the state of FIG.
  • the positive charge 17a of the intermediate electrode 12 induced by the negative charge 16a of the electret 15a increases.
  • a part of the positive charge 18a induced in the first electret electrode 11a in the state of FIG. 2A becomes a surplus charge 19a.
  • the first electret electrode 11a is positively charged and the second electret electrode 11b is negatively charged.
  • Electric power can be generated by causing a current I1 to flow from the first electret electrode 11a to the second electret electrode 11b via the output circuit R by the electromotive force due to this charging.
  • the resistor R provided between the first electret electrode 11a and the second electret electrode 11b represents the power supply device 40 of FIG.
  • FIG. 2C shows a state in which the intermediate electrode 12 is relatively moved to the ⁇ X side as compared with FIG.
  • the surplus charge 19b is generated inside the second electret electrode 11b, and the positive charge to be induced inside the first electret electrode 11a is less.
  • An insufficient charge portion 20a which is an insufficient portion, is generated. Therefore, in the state of FIG. 2C, the first electret electrode 11a is negatively charged, and the second electret electrode 11b is positively charged. Electric power can be generated by causing a current I2 to flow from the second electret electrode 11b to the first electret electrode 11a by the electromotive force generated by the charging.
  • the intermediate electrode 12 may be held by the holding portion 14 while being insulated from the first electret electrode 11a, the second electret electrode 11b, the support frame 13, and the like, or the holding portion 14 itself is formed of an insulating material. May be.
  • the charge injection wiring WI does not inject charges into the intermediate electrode 12
  • the charge to be held in the intermediate electrode 12 is in the atmosphere when the environment where the vibration power generation element 10 is installed is humid.
  • discharge of the intermediate electrode 12 as described above and neutralization are collectively referred to as neutralization of the intermediate electrode 12.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the operation of the vibration power generation element 10 when the intermediate electrode 12 is neutralized. Similar to FIG. 2 described above, FIGS. 3A to 3C show that each of the relative positions when the intermediate electrode 12 vibrates (moves) in the X direction with respect to the first electret electrode 11a and the second electret electrode 11b. It represents the state of charge induced in each electrode at a position.
  • FIG. 3 based on the difference between the state shown in FIG. 3 and the state shown in FIG. 2 described above, the operation of the vibration power generation element 10 when the electric charge in the intermediate electrode 12 has been discharged will be described.
  • FIG. 3 (a) is a diagram corresponding to FIG. 2 (a), and shows a state of charge when the intermediate electrode 12 is at an intermediate point of vibration.
  • no positive charge is induced in the portion 21a facing the first electret electrode 11a and the portion 21b facing the second electret electrode 11b. Therefore, a positive charge 22a induced by the negative charge 16a of the electret 15a is generated inside the portion of the first electret electrode 11a facing the intermediate electrode 12.
  • a positive charge 22b induced by the negative charge 16a of the electret 15b is also generated inside the portion of the second electret electrode 11b facing the intermediate electrode 12.
  • FIG. 3B is a diagram corresponding to FIG. 2B and shows a state in which the intermediate electrode 12 is relatively moved to the + X side from the position shown in FIG.
  • FIG. 3C is a diagram corresponding to FIG. 2C, and shows a state in which the intermediate electrode 12 is relatively moved from the position shown in FIG. 3A to the ⁇ X side.
  • no charge is present in the intermediate electrode 12, so that the intermediate electrode 12 changes from the state of FIG. 3A to the state of FIG. 3B or FIG. Even if it moves to, the state of the electric charge in the 1st electret electrode 11a, the 2nd electret electrode 11b, and the intermediate electrode 12 does not change.
  • the charge is injected from the power supply device 40 to the intermediate electrode 12 using the charge injection wiring WI and the resistance element RI. It is said.
  • the charge injection wiring WI and the resistance element RI can be interpreted as the charge injector 30.
  • the vibration power generation element 10 in the intermediate electrode 12, the charge of the electret 15 of the electret electrode 11 facing the intermediate electrode 12 is attracted to the charge of the electret 15 from the power supply device 40 via the charge injector 30. Charges with opposite characteristics are injected. When negative charge regions are provided on the surfaces of the electret electrodes 11a and 11b, positive charges are injected into the intermediate electrode 12. By injecting positive charges from the charge injector 30, the vibration power generation element 10 can maintain a charge in the intermediate electrode 12 for a long period, that is, high power generation efficiency can be maintained for a long period. In an electret electrode having a positive charge and an intermediate electrode charged with a negative charge, negative charge is injected into the intermediate electrode.
  • the location where the charge injector 30 is connected is not limited to the anode of the diode D2 and the anode of the diode D3 in the power supply device 40 described above, but may be another location in the power supply device 40. However, even in the power supply device 40, the portion connected to the wiring Wa connected to the first electret electrode 11a or the wiring Wb connected to the second electret electrode 11b with a low electrical resistance is charged. It is not preferable to connect the injector 30. Therefore, the charge injector 30 may be connected to a portion in the power supply device 40 that is connected to the wiring Wa and the wiring Wb with a certain amount of electrical resistance.
  • the resistance element RI constituting the charge injector 30 can be omitted.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the vibration power generation element 10a of the first modification. Parts common to the vibration power generation element 10 of the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the vibration power generation element 10 a of Modification 1 has a plurality of electret electrodes 11 arranged in parallel, and an intermediate electrode 12 is arranged between each of the plurality of electret electrodes 11.
  • Each intermediate electrode 12 is held so as to be able to vibrate in the X direction in FIG. Similarly to the above-described embodiment, one end of a charge injection wiring WI (a part of the charge injector 30 of the above-described embodiment) for injecting charges into the intermediate electrode 12 is connected to each intermediate electrode 12. ing. Of each electret electrode 11, the first electret electrode 11a and the second electret electrode 11b are formed with an electret 15 on the side facing the intermediate electrode 12 as in the above-described embodiment.
  • the electret 15 is formed on both sides thereof.
  • a wiring Wa is connected to the first electret electrode 11a and the third electret electrode 11a1.
  • the wiring Wb is connected to the second electret electrode 11b and the fourth electret electrode 11b1.
  • the first electret electrode 11a and the third electret electrode 11a1 are arranged so as to be shifted in the + X direction with respect to the second electret electrode 11b and the fourth electret electrode 11b1.
  • the intermediate electrode 12 When the intermediate electrode 12 is relatively vibrated with the electret electrode 11 in the X direction, the first electret electrode 11a and the third electret electrode 11a1, the second electret electrode 11b and the fourth electret electrode 11b1 are Each charge is induced. Thus, power generation can be performed. Also in the first modification, since the charge injection wiring WI (one end of the charge injector 30) for injecting charges to the intermediate electrode 12 is connected, the vibration power generation element 10a prevents the neutral electrode 12 from being neutralized and can be used for a long time. It is possible to maintain high power generation efficiency over a wide range.
  • the charge injection wiring WI one end of the charge injector 30
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a vibration power generation element 10b according to the second modification. Parts common to the vibration power generation element 10 of the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • a plurality of electret electrodes 11 are arranged fixed to the inner side surface of the support frame 13a.
  • a plurality of intermediate electrodes 12a are held by a conductive support 25, and the support 25 is placed in the X direction in the figure with respect to the support frame 13a via an insulating holding portion 14a that is elastically deformed such as a spring. It is held so that it can vibrate.
  • a charge injection wiring WI is connected to the conductive support 25, and accordingly, charges are injected from the charge injection wiring WI through the conductive support 25 into the plurality of intermediate electrodes 12a.
  • Each of the plurality of intermediate electrodes 12a is disposed so as to face the first electret electrode 11a2 and the second electret electrode 11b2 with substantially the same area at the center position (neutral position) of vibration in the X direction of the support 25. ing. Therefore, when the support body 25 holding the intermediate electrode 12a vibrates in the X direction, the areas of the facing portions of the intermediate electrode 12a, the first electret electrode 11a2, and the second electret electrode 11b2 change. That is, the areas of the opposing portions increase or decrease in opposite directions, in other words, in opposite phases.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a vibration power generation element 10 c according to the third modification.
  • 6A is a top view of the vibration power generation element 10c
  • FIG. 6B is a cross-sectional view of the BB cross section in FIG. 6A viewed from the ⁇ Y direction.
  • Parts common to the vibration power generation element 10 of the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the vibration power generation element 10c of Modification 3 includes a plurality of electret electrodes 11 as in the vibration power generation element 10a of Modification 1 described above, and intermediate electrodes 12b1 to 12b3 are disposed between the plurality of electret electrodes 11, respectively. ing.
  • Each of the intermediate electrodes 12b1 to 12b3 is held so as to be able to swing in the X direction in the figure with the holding portion 14b as a center through a holding portion 14b that is elastically deformed, such as a thin metal plate.
  • the charge injection wiring WI is connected to the holding portion 14b. Therefore, charges are injected into the intermediate electrodes 12b1 to 12b3 by the charge injection wiring WI through the conductive holding portion 14b.
  • An insulating member is provided between the holding portion 14b and the support frame 13.
  • the first electret electrode 11a3 and the third electret electrode 11a4 connected to the wiring Wa are compared with the second electret electrode 11b3 and the fourth electret electrode 11b4 connected to the wiring Wb. They are displaced in the X direction. This state is shown in FIG.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view of the BB cross section in FIG. 6A viewed from the ⁇ Y direction. Therefore, the intermediate electrode 12b2 swinging upward (+ X direction) in the figure, and the intermediate electrode 12b2 The 4th electret electrode 11b4 in the back (+ Y direction) is shown.
  • the third electret electrode 11a4 indicated by the broken line is at -Y rather than the BB cross section in FIG. 6 (a), but is shown in FIG. 6 (b) for easy understanding. . As shown in FIG.
  • the area of the facing portion between the intermediate electrode 12b2, the third electret electrode 11a4, and the fourth electret electrode 11b4 Changes. That is, the areas of the opposing portions increase or decrease in opposite directions, in other words, in opposite phases.
  • an electric charge is induced in the 3rd electret electrode 11a4 and the 4th electret electrode 11b4, and electric power generation is performed.
  • electric power generation can be performed. Since charges are injected into the intermediate electrodes 12b1 to 12b3 by the charge injection wiring WI and neutralization is prevented, the vibration power generation element 10c can maintain high power generation efficiency over a long period of time.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the vibration power generation element 10d of the fourth modification. Parts common to the vibration power generation element 10 of the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the vibration power generation element 10d of Modification 4 between the first electret electrode 11a fixed to the support frame 13 and connected to the wiring Wa, and the second electret electrode 11b fixed to the support frame 13 and connected to the wiring Wb.
  • a first intermediate electrode 12c1, a fifth electret electrode 11c, and a second intermediate electrode 12c2 are arranged in this order from the first electret electrode 11a side.
  • Holding portions 14 that are elastically deformed such as springs are connected to both ends of the first intermediate electrode 12c1 and the second intermediate electrode 12c2.
  • One end of each holding portion 14 is connected to the support frame 13, and the other end is connected to a support frame extension 21 fixed to the support frame 13. Accordingly, the first intermediate electrode 12c1 and the second intermediate electrode 12c2 are held so as to be able to vibrate in the X direction in the figure with respect to the support frame 13.
  • a charge injection wiring WI is connected to each of the first intermediate electrode 12c1 and the second intermediate electrode 12c2.
  • the fifth electret electrode 11c is fixed to the support frame 13 by a holding mechanism (not shown).
  • the fifth electret electrode 11c is not wired with the wiring Wa, the wiring Wb, and other output lines, and the fifth electret electrode 11c is electrically floating. Since both surfaces of the fifth electret electrode 11c are opposed to the first intermediate electrode 12c1 and the second intermediate electrode 12c2, electrets 15c are formed on both surfaces.
  • the vibration power generation element 10d of the fourth modification the first intermediate electrode 12c1, the second intermediate electrode 12c2, and each electret electrode 11 are vibrated relative to each other in the X direction according to the above-described principle. Further, since charge is injected into the first intermediate electrode 12c1 and the second intermediate electrode 12c2 by the charge injection wiring WI and neutralization is prevented, the vibration power generation element 10d can maintain high power generation efficiency over a long period of time. it can.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the vibration power generation device 10 b according to the fifth modification and the vibration power generation device 100 b including the vibration power generation device 10 e. Since most of the configurations of the vibration power generation element 10e and the vibration power generation apparatus 100b of Modification 5 are the same as those of the vibration power generation element 10 and the vibration power generation apparatus 100 of the above-described embodiment, common portions are denoted by the same reference numerals. The description is omitted.
  • the vibration power generation element 10e of Modification 5 includes a charge injection wiring WI and a switching element TI such as a MOSFET as the charge injector 30b.
  • the power supply device 40a is provided with a voltage conversion circuit VC, and the output voltage of the voltage conversion circuit VC is monitored by a voltage detection integrated circuit VD.
  • the voltage detection integrated circuit VD sends a control signal to the switching element TI, and the switching element TI is turned on by this control signal. Thereby, charges are injected from the power supply device 40a into the intermediate electrode 12.
  • the voltage detection integrated circuit VD When the output voltage of the voltage conversion circuit VC exceeds a predetermined value, the voltage detection integrated circuit VD does not transmit a control signal to the switching element TI, and the switching element TI is cut off.
  • injection of electric charges to the intermediate electrode 12 can be controlled by switching control of conduction or interruption of the switching element TI.
  • the signal which monitors the voltage in the power supply device 40a is used as a control signal to the switching element TI which is a control member. Therefore, when the voltage in the power supply device 40a is lowered, that is, when the power generation efficiency of the vibration power generation element 10e is decreased, the electric power is injected into the intermediate electrode 12 to restore the power generation efficiency of the vibration power generation element 10e. it can.
  • the control signal to the switching element TI is not limited to a signal obtained by monitoring the voltage in the power supply device 40a. For example, a trigger signal generated at a predetermined interval by the timer circuit is used as a control signal to the switching element TI. You can also
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a vibration power generation element 10 f of Modification 6. Since most of the configuration of the vibration power generation element 10f of Modification 6 is the same as that of the vibration power generation element 10 of the above-described embodiment, common portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the vibration power generation element 10f of Modification 6 includes a charge injection wiring WI having one end connected to the intermediate electrode 12, and a resistance element having one end connected to the other end of the charge injection wiring WI and the other end connected to the wiring Wa. RI1 and a resistance element RI2 having one end connected to the other end of the charge injection wiring WI and the other end connected to the wiring Wb.
  • the charge injection wiring WI, the resistance element RI1, and the resistance element RI2 constitute a charge injector 30c.
  • the electric resistances of the resistance element RI1 and the resistance element RI2 have a sufficiently large resistance value compared to the resistance due to the load of the power supply device 40 connected to the vibration power generation element 10f.
  • connection method of the resistance element RI1 and the resistance element RI2 is not limited to the above-described embodiment.
  • the resistance element RI1 and the resistance element RI2 may be directly connected to the first electret electrode 11a and the second electret electrode 11b without using the wiring Wa and the wiring Wb, respectively.
  • one of the resistance elements RI1 and RI2 may be omitted, and charge may be injected into the intermediate electrode 12 from one of the first electret electrode 11a or the second electret electrode 11b.
  • the resistance elements RI1 and RI2 of the vibration power generation element 10f can be replaced with the switching element TI of the above-described modification 5, or the resistance elements RI1 and RI2 and the switching element TI can be arranged in series. Thereby, only when the voltage to generate
  • the electret electrode 11 is fixed to the support frame 13 and the intermediate electrode 12 vibrates or swings with respect to the support frame 13.
  • the configuration is not limited to this, and the intermediate electrode 12 may be fixed to the support frame 13 and the electret electrode 11 may vibrate or swing with respect to the support frame 13.
  • the direction of relative vibration between the intermediate electrode 12 and the electret electrode 11 is a direction parallel to the surface of the electret electrode 11 facing the intermediate electrode 12 (X direction).
  • the vibration direction is not limited to this direction.
  • the opposing distance between the electret electrode 11 and the intermediate electrode 12 is changed, and the capacitance of the capacitor formed by both electrodes is changed to induce charge. You can also generate electricity.
  • power generation efficiency can be further improved by setting the direction of relative vibration to a direction parallel to the surface of the electret electrode 11 facing the intermediate electrode 12.
  • the vibration power generation elements 10 and 10a to 10f of the embodiments and the modifications described above are intermediate vibration elements that are not connected to an output line in a vibration power generation element that outputs alternating current power from an output line by external vibration.
  • a holding portion 14 that holds the relative vibrations relative to each other, and a charge injector 30 that injects charges having opposite characteristics to the electrets 15 formed on the surfaces of the plurality of electret electrodes 11 to the intermediate electrode 12 are provided. .
  • the intermediate electrode 12 and the plurality of electret electrodes 11 vibrate relatively due to the vibration of the intermediate electrode 12.
  • neutralization of the intermediate electrode 12 can be prevented, and the energy of vibration in the environment where the vibration power generation elements 10, 10a to 10f are installed can be efficiently converted into electric energy over a long period of time. In other words, power generation efficiency can be improved.
  • the power generation efficiency can be further improved. Therefore, even a vibration power generation element having the same size as the conventional one can generate a larger amount of power.
  • the charge injector 30 is connected to the intermediate electrode 12 with a part of a circuit (power supply device 40) that receives power supplied from the vibration power generation elements 10, 10a to 10f. It can also be.
  • the charge injector 30 includes resistance elements RI1 and RI2, one end of the charge injector 30 is connected to the intermediate electrode 12, and the other end is at least one of the plurality of electret electrodes 11. It can also be set as the structure connected to one.
  • (6) In the above, it is also possible to employ a configuration having a control member (switching element TI) for controlling the injection of charges into the intermediate electrode 12 by the charge injector 30. With this configuration, charges can be injected into the intermediate electrode 12 by the charge injector 30 only when necessary.
  • the vibration power generation apparatuses 100, 100a, 100b described above include the vibration power generation elements 10, 10a to 10f of the above-described embodiments and modifications, and power supply apparatuses 40, 40a. With this configuration, it is possible to efficiently convert vibration energy of the environment where the vibration power generation apparatuses 100, 100a, and 100b are installed into electric energy. In other words, power generation efficiency can be improved.

Abstract

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と、中間電極と対向して配置され、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、中間電極と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、中間電極に、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、を備える。

Description

振動発電素子および振動発電装置
　本発明は、振動発電素子および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（Microelectromechanical 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。静電誘導型振動発電素子は、複数の電極が相互に振動することにより生じる誘導電荷により発電を行う（例えば、特許文献１参照）。
日本国特開２０１４－２２８２８３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素子が求められている。
　第１の態様による振動発電素子は、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、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、を備えている。
　第２の態様による振動発電素子は、第１の態様による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ことが好ましい。
　第３の態様による振動発電素子は、第２の態様による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ことが好ましい。
　第４の態様による振動発電素子は、第１から第３までのいずれかの態様による振動発電素子において、前記電荷注入器は、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ことが好ましい。
　第５の態様による振動発電素子は、第１から第３までのいずれかの態様による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ことが好ましい。
　第６の態様による振動発電素子は、第４または第５の態様による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ことが好ましい。
　第７の態様による振動発電装置は、第１から第６までのいずれかの態様による振動発電素子と、電源装置とを備えている。
　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。
本発明の実施形態の振動発電素子１０、および振動発電素子１０を備える振動発電装置１００の構成を表す図。 実施形態の振動発電素子１０の動作原理を説明する図。図２（ａ）～（ｃ）は、エレクトレット電極１１に対する中間電極１２の各相対位置におけるエレクトレット電極１１および中間電極１２に誘起される電荷を表す図。 中間電極１２が中性化した場合の動作の一態様を説明する図。図３（ａ）～（ｃ）は、エレクトレット電極１１に対する中間電極１２の各相対位置におけるエレクトレット電極１１および中間電極１２に誘起される電荷を表す図。 変形例１の振動発電素子１０ａを表す図。 変形例２の振動発電素子１０ｂを表す図。 変形例３の振動発電素子１０ｃを表す図。図５（ａ）は振動発電素子１０ｃの上面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）中のＢ－Ｂ断面を－Ｙ方向から見た断面図。 変形例４の振動発電素子１０ｄを表す図。 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の構成を表す図。 変形例６の振動発電素子１０ｆの構成を表す図。
　（実施形態）
　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１エレクトレット電極１１ａは、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１５ａが形成されている。
　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、１５ｂは、例えば、特開２０１４－０４９５５７号公報に記載される公知の帯電処理を施すことにより、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。
　中間電極１２は、バネ等の弾性変形する保持部１４を介して支持枠１３に保持されている。従って、支持枠１３を含む振動発電素子１０が図１中に図示したＸ方向（図１中の上下方向）に振動すると、保持部１４の弾性変形により、中間電極１２は第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方向に相対的に振動する。具体的には、中間電極１２と第１エレクトレット電極１１ａとの間の静電容量（電極間対向面積）と、中間電極１２と第２エレクトレット電極１１ｂとの間の静電容量（電極間対向面積）とが逆位相で増減するように、中間電極１２の振動に伴う電極間の相対振動が生じる。このように中間電極１２と２つのエレクトレット電極１１との間の静電容量が相互に逆位相で変動するので、互いに噛合する固定櫛歯電極と可動櫛歯電極を相対移動させた静電容量型振動発電素子に比べて、発電効率がよい。
　中間電極１２とエレクトレット電極１１との相対振動により、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、正または負の電荷、第１実施の形態では正の電荷が誘起され、交流電力が発電される。これらの電荷は、第１エレクトレット電極１１ａに接続された導電体の配線Ｗａ、および第２エレクトレット電極１１ｂに接続された導電体の配線Ｗｂにより、振動発電素子１０の外部に設けられた電源装置４０に送電される。
　電源装置４０は、４つのダイオードＤ１～Ｄ４を含むブリッジ方式の全波整流回路を有する。配線ＷａはダイオードＤ１のアノードとダイオードＤ２のカソードに接続され、配線ＷｂはダイオードＤ４のアノードとダイオードＤ３のカソードに接続されている。
　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。
　中間電極１２には、中間電極１２に電荷を注入するための電荷注入配線ＷＩの一端が接続されている。
　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。
　振動発電素子１０が振動のエネルギーを変換して生成した交流電力は、電源装置４０により、第２出力端Ｖｏ２に接地電位、第１出力端Ｖｏ１に正の電位を有する電力として出力される。
　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。
　以下、図２を参照して実施形態の振動発電素子１０を用いた振動発電装置１００の動作原理を説明する。
　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。
　図２（ａ）は、中間電極１２が、振動の中間点(以下、中立点とも呼ぶ)にある場合の電荷の状態を表わす。
　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。
　一方、第１エレクトレット電極１１ａ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１５ａによる負の電荷１６ａに誘起され、第１エレクトレット電極１１ａの内部に正の電荷１８ａ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）は、図２（ａ）に比べ、中間電極１２が＋Ｘ側に相対移動した状態を表す。
　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。
　一方、図２（ｂ）の状態では、図２（ａ）の状態に比べ、第２エレクトレット電極１１ｂの表面の中で、中間電極１２と対向する部分の面積が減少している。このため、エレクトレット１５ｂの負の電荷１６ｂに誘起される中間電極１２の正の電荷１７ｂが減少する。その結果、第２エレクトレット電極１１ｂの内部においては、エレクトレット１５ｂの負の電荷１６ｂに対して、誘起されるべき正の電荷が不足した部分である電荷不足部２０ｂが生じる。
　従って、図２（ｂ）の状態では、第１エレクトレット電極１１ａは正に帯電し、第２エレクトレット電極１１ｂは負に帯電する。この帯電による起電力により第１エレクトレット電極１１ａから出力回路Ｒを介して第２エレクトレット電極１１ｂに電流Ｉ１を流すことで、発電を行うことができる。ここで第１エレクトレット電極１１ａと第２エレクトレット電極１１ｂの間に設けられている抵抗Ｒは、図１の電源装置４０を表している。
　一方、図２（ｃ）は、図２（ａ）に比べ、中間電極１２が－Ｘ側に相対移動した状態を表す。図２（ｃ）の状態では、図２（ａ）の状態に比べ、第２エレクトレット電極１１ｂの内部に余剰電荷１９ｂが生じるとともに、第１エレクトレット電極１１ａの内部に誘起されるべき正の電荷が不足した部分である電荷不足部２０ａが生じる。
　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。
　なお、中間電極１２は、第１エレクトレット電極１１ａ、第２エレクトレット電極１１ｂ、支持枠１３などと絶縁した状態で保持部１４で保持しても良いし、保持部１４自体を絶縁性の材料で形成してもよい。
　ところで、電荷注入配線ＷＩにより中間電極１２に電荷の注入を行わないとすると、振動発電素子１０が設置された環境が多湿である場合などでは、中間電極１２に保持されるべき電荷が大気中の水蒸気またはイオンを介して放電される恐れ、または中間電極１２で本来誘起されるはずだった電荷が気体中のイオンと結合し、中性となってしまう恐れがある。本明細書では、中間電極１２が上記のように放電されること、および中性となることを、併せて中間電極１２の中性化と呼ぶ。
　図３は、中間電極１２に中性化した場合の、振動発電素子１０の動作を表す図である。上述の図２と同様に、図３（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。
　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（ａ）は、図２（ａ）に対応する図であり、中間電極１２が振動の中間点にある場合の電荷の状態を表わす。中間電極１２が放電されてしまった状態では、中間電極１２のうち、第１エレクトレット電極１１ａと対向する部分２１ａ、および第２エレクトレット電極１１ｂと対向する部分２１ｂに正の電荷は誘起されない。そのため、第１エレクトレット電極１１ａの中間電極１２と対向する部分の内部には、エレクトレット１５ａの負の電荷１６ａにより誘起された正の電荷２２ａが発生している。第２エレクトレット電極１１ｂの中間電極１２と対向する部分の内部にも、エレクトレット１５ｂの負の電荷１６ａにより誘起された正の電荷２２ｂが発生している。
　図３（ｂ）は、図２（ｂ）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。
　すなわち、図３に示すように中間電極１２が中性化した場合には、エレクトレット電極１１と中間電極１２が相対移動（振動）しても、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のいずれもおいても余剰電荷や電荷不足が発生せず、発電を行うことができない。
　そこで、実施形態の振動発電素子１０では、中間電極１２からの電荷の喪失を防止するために、電荷注入配線ＷＩおよび抵抗素子ＲＩを用いて、電源装置４０から中間電極１２に電荷を注入する構成としている。電荷注入配線ＷＩおよび抵抗素子ＲＩは、電荷注入器３０と解釈することができる。
　振動発電素子１０では、中間電極１２内には、中間電極１２と対向するエレクトレット電極１１のエレクトレット１５の電荷に誘引されて、電源装置４０から電荷注入器３０を介して、エレクトレット１５の電荷とは逆特性の電荷が注入される。エレクトレット電極１１ａ、１１ｂの表面に負の電荷領域が設けられている場合には中間電極１２に正の電荷が注入される。電荷注入器３０からの正電荷の注入により、振動発電素子１０は長期に渡って中間電極１２に電荷を維持することが可能となり、すなわち、高い発電効率を長期に渡って維持することができる。正電荷のエレクトレット電極と負電荷が帯電された中間電極では、中間電極には負の電荷が注入される。
　なお、電荷注入器３０を接続する箇所は、上述の電源装置４０内のダイオードＤ２のアノードおよびダイオードＤ３のアノードに限らず、電源装置４０内の他の場所であっても良い。ただし、電源装置４０内であっても、第１エレクトレット電極１１ａに接続される配線Ｗａ、または第２エレクトレット電極１１ｂに接続される配線Ｗｂに対して、低電気抵抗で接続されている部分に電荷注入器３０を接続することは、好ましくない。従って、電荷注入器３０は、電源装置４０内の、配線Ｗａおよび配線Ｗｂに対してそれぞれある程度の大きさの電気抵抗を持って接続されている部分に接続すればよい。
　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。
　（変形例１）
　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。
　各中間電極１２は、バネ等の弾性変形する保持部１４を介して、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、上述の実施形態と同様に、各中間電極１２には、中間電極１２に電荷を注入するための電荷注入配線ＷＩ（上述の実施形態の電荷注入器３０の一部）の一端が接続されている。
　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３エレクトレット電極１１ａ１および第４エレクトレット電極１１ｂ１は、それぞれその両側の面で中間電極１２と対向するため、共に、その両側の面にエレクトレット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。
　中間電極１２がＸ方向にエレクトレット電極１１と相対振動すると、上述の実施形態と同様に、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と、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、それぞれ電荷が誘起される。これにより発電を行うことができる。
　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。
　（変形例２）
　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。
　複数の中間電極１２ａのそれぞれは、支持体２５のＸ方向の振動の中心位置（中立位置）において、それぞれ第１エレクトレット電極１１ａ２および第２エレクトレット電極１１ｂ２と、ほぼ等しい面積で対向するように配置されている。従って、中間電極１２ａを保持する支持体２５がＸ方向に振動すると、それぞれの中間電極１２ａと第１エレクトレット電極１１ａ２および第２エレクトレット電極１１ｂ２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、上述の実施形態と同様に、第１エレクトレット電極１１ａ２および第２エレクトレット電極１１ｂ２に電荷が誘起され、発電が行われる。各第１エレクトレット電極１１ａ２には配線Ｗａが接続され、各第２エレクトレット電極１１ｂ２には配線Ｗｂが接続されており、配線Ｗａ、Ｗｂにより誘起された電荷を取り出すことができる。そして、中間電極１２ａ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１０ｂ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。
　（変形例３）
　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。
　変形例３の振動発電素子１０ｃは、上述の変形例１の振動発電素子１０ａと同様に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１２ｂ１～１２ｂ３が配置されている。
　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。
　一方、各エレクトレット電極１１については、配線Ｗａに接続される第１エレクトレット電極１１ａ３および第３エレクトレット電極１１ａ４が、配線Ｗｂに接続される第２エレクトレット電極１１ｂ３および第４エレクトレット電極１１ｂ４に対して、－Ｘ方向にずれて配置されている。この様子を図６（ｂ）に示す。
　図６（ｂ）は、図６（ａ）中のＢ－Ｂ断面を－Ｙ方向から見た断面図であるため、図中上方（＋Ｘ方向）に揺動した中間電極１２ｂ２と、中間電極１２ｂ２の奥（＋Ｙ方向）にある第４エレクトレット電極１１ｂ４とが示されている。なお、破線で示した第３エレクトレット電極１１ａ４は、図６（ａ）中のＢ－Ｂ断面よりも－Ｙにあるが、理解を容易にするために図６（ｂ）に示したものである。
　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、上述の実施形態と同様に、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に電荷が誘起され、発電が行われる。他の中間電極１２ｂ１、１２ｂ３と対向するエレクトレット電極１１についても同様である。
　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。
　（変形例４）
　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のそれぞれの両端にはバネ等の弾性変形する保持部１４が接続されている。それぞれの保持部１４の一端は支持枠１３に接続され、他端は支持枠１３に固定されている支持枠延長部２１に接続されている。従って、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。
　第５エレクトレット電極１１ｃは、不図示の保持機構により支持枠１３に固定される。第５エレクトレット電極１１ｃには、配線Ｗａ、配線Ｗｂおよびその他の出力線は配線されず、第５エレクトレット電極１１ｃは電気的に浮遊している。第５エレクトレット電極１１ｃは、その両面がそれぞれ第１中間電極１２ｃ１および第２中間電極１２ｃ２と対向するため、その両面にエレクトレット１５ｃが形成されている。
　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。
　（変形例５）
　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は、電荷注入器３０ｂとして、電荷注入配線ＷＩとＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子ＴＩとを備えている。電源装置４０ａには、電圧変換回路ＶＣが設けられ、電圧変換回路ＶＣの出力電圧は、電圧検出用集積回路ＶＤによりモニタされている。電圧検出用集積回路ＶＤは、電圧変換回路ＶＣの出力電圧が所定値を下回った場合にはスイッチング素子ＴＩに制御信号を送り、スイッチング素子ＴＩはこの制御信号により導通される。これにより、電源装置４０ａから中間電極１２に電荷が注入される。
　電圧変換回路ＶＣの出力電圧が所定値を上回る場合には、電圧検出用集積回路ＶＤはスイッチング素子ＴＩに制御信号を送信せず、スイッチング素子ＴＩは遮断状態となる。
　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。
　変形例５では、制御部材であるスイッチング素子ＴＩへの制御信号として、電源装置４０ａ内の電圧をモニタした信号を使用している。よって、電源装置４０ａ内の電圧が低下した場合、すなわち振動発電素子１０ｅの発電効率が低下した場合に、中間電極１２への電荷の注入を行い、振動発電素子１０ｅの発電効率を復活させることができる。
　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。
　（変形例６）
　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。
　変形例６の振動発電素子１０ｆは、一端が中間電極１２に接続されている電荷注入配線ＷＩと、一端が電荷注入配線ＷＩの他端に接続され他端が配線Ｗａに接続されている抵抗素子ＲＩ１と、一端が電荷注入配線ＷＩの他端に接続され他端が配線Ｗｂに接続されている抵抗素子ＲＩ２とを有している。電荷注入配線ＷＩ、抵抗素子ＲＩ１、および抵抗素子ＲＩ２が、電荷注入器３０ｃを構成している。
　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。
　変形例６の振動発電素子１０ｆにおいては、中間電極１２には、第１エレクトレット電極１１ａから抵抗素子ＲＩ１を介して、および第２エレクトレット電極１１ｂから抵抗素子ＲＩ２を介して、電荷が注入される。よって、中間電極１２内の電荷が放電により喪失することを防ぐことができ、振動発電素子１０ｆの高い発電効率を長期に渡って維持することができる。
　なお、抵抗素子ＲＩ１および抵抗素子ＲＩ２の接続方法は、上述の形態に限るものではない。例えば、抵抗素子ＲＩ１および抵抗素子ＲＩ２を、配線Ｗａおよび配線Ｗｂを介することなく、それぞれ直接第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に接続する構成としても良い。
　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、振動発電素子１０ｆの抵抗素子ＲＩ１、ＲＩ２を、上述の変形例５のスイッチング素子ＴＩで置き換える、または抵抗素子ＲＩ１、ＲＩ２とスイッチング素子ＴＩとを直列に配置することもできる。これにより、発電する電圧が低下した場合等に限り、エレクトレット電極１１から中間電極１２に電荷を注入する構成とすることもできる。
　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。
　以上で説明した実施形態および各変形例においては、エレクトレット電極１１が支持枠１３に固定され、中間電極１２が支持枠１３に対して振動または揺動する構成としている。しかし、この構成に限られるものではなく、中間電極１２が支持枠１３に固定され、エレクトレット電極１１が支持枠１３に対して振動または揺動する構成としてもよい。
　なお、実施形態および各変形例においては、中間電極１２とエレクトレット電極１１との相対振動の方向は、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（Ｘ方向）であるとしたが、振動方向はこの方向には限定されない。例えば、この対向する面に垂直な方向に振動させることによって、エレクトレット電極１１と中間電極１２との対向距離を変化させ、両電極が形成するコンデンサの静電容量を変化させることで、電荷を誘起させて発電することもできる。
　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。
　（実施形態および各変形例の効果）
（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。
（２）さらに、エレクトレット電極１１と中間電極１２との相対振動の方向を、複数の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、発電効率をさらに向上することができ、従来と同じ大きさの振動発電素子であっても、より大電力の発電を行うことができる。
（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。
（４）（１）～（３）において、電荷注入器３０を、振動発電素子１０、１０ａ～１０ｆから電力の供給を受ける回路（電源装置４０）の一部を、中間電極１２に接続する構成とすることもできる。
（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。
（７）以上で説明した振動発電装置１００、１００ａ、１００ｂは、以上の実施形態および各変形例の振動発電素子１０、１０ａ～１０ｆと、電源装置４０、４０ａを備えている。この構成により、振動発電装置１００、１００ａ、１００ｂが設置された環境の振動のエネルギーを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。
　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。
　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願２０１８年第９０１９６号（２０１８年５月８日出願）
　１００，１００ａ，１００ｂ…振動発電装置、１０，１０ａ～１０ｆ…振動発電素子、１１…エレクトレット電極、１１ａ…第１エレクトレット電極、１１ｂ…第２エレクトレット電極、１２，１２ａ…中間電極、１３，１３ａ…支持枠、１４，１４ａ…保持部、１５，１５ａ，１５ｂ…エレクトレット、３０，３０ａ～３０ｃ…電荷注入器、４０…電源回路、Ｄ１～Ｄ４…ダイオード、ＶＣ…電圧変換回路、ＶＤ…電圧検出用集積回路
 

Claims (7)

  1. 　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、を備える、振動発電素子。
  2. 　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。
  3. 　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。
  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素子において、
    　前記電荷注入器は、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。
  5. 　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。
  6. 　請求項４または請求項５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。
  7. 　請求項１から請求項６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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