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JP2013198314A - 振動発電器 - Google Patents

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JP2013198314A
JP2013198314A JP2012063724A JP2012063724A JP2013198314A JP 2013198314 A JP2013198314 A JP 2013198314A JP 2012063724 A JP2012063724 A JP 2012063724A JP 2012063724 A JP2012063724 A JP 2012063724A JP 2013198314 A JP2013198314 A JP 2013198314A
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JP2012063724A
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Takehiko Yamakawa
岳彦 山川
Hiroshi Nakatsuka
宏 中塚
Keiji Onishi
慶治 大西
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Panasonic Corp
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Panasonic Corp
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Abstract

【課題】振動発電器の出力電流の増大及び電極間の隙間変化による容量変化の均整化を図る。
【解決手段】第1の基板(101)と振動体(103)とに、第1の隙間(g1)を隔てて対向するよう第1の固定電極(102)及び第1のエレクトレット電極(105)が設けられ、第1の基板(101)と振動体(103)との間に第1のばね(104)が介在し、第1のエレクトレット電極(105)に正又は負の電荷が注入され、振動体(103)に対し第1の基板配置側とは反対側に第2の基板(106)が配置され、第2の基板(106)と振動体(103)とに、第2の隙間(g2)を隔てて対向するよう第2の固定電極(107)及び第2のエレクトレット電極(109)が設けられ、第2の基板(106)と振動体(103)との間に、第2のばね(108)が介在し、第2のエレクトレット電極(109)に負電荷又は正電荷が注入され、第1の基板(101)と第2の基板(106)とは、同一の整流回路(110)に接続されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、環境振動エネルギーを電力に変換する、エレクトレット材料静電誘導型の振動発電器に関するものである。
近年、環境に広く存在するエネルギーから電力を取り出し、小電力の電子機器に利用する環境発電が注目されている。この環境発電として、太陽光発電をはじめ、熱電発電、磁石とコイルの電磁誘導による発電、及び振動発電などがある。前記振動発電を行う振動発電器は、人体や車両や機械などの振動エネルギーを用いている。前記振動発電器の一般的な構造は、固定電極とエレクトレット電極とが隙間を隔てて対向配置され、振動体に一方の電極が設けられており、前記エレクトレット電極に半永久的に電荷が注入されている。前記振動体が振動することにより、前記両電極間の隙間(距離)が増減し、両電極間の容量変化を用いて誘導電荷が変化し、電流が生じる。これにより負荷にかかる電圧が発生し、電力を取り出すことができる。
図7は従来の振動発電器の縦断面図である。この図7において、基板201に固定電極202が設けられ、振動体203にエレクトレット電極204が設けられている。固定電極202とエレクトレット電極204とは、隙間gを隔てて対向している。振動体203は、複数のばね205を介して基板201に接続している。振動体203が、隙間gの増減方向(Z1Z2方向)に振動することにより、両電極202、204間の隙間(距離)gが増減し、ばね205が伸縮する。
エレクトレット電極204にプラスの電荷が注入されている場合、エレクトレット電極204が固定電極202に接近したときに、固定電極202にマイナスの誘導電荷が流入する。つまり固定電極202から電流が流出する。反対に、エレクトレット電極204が固定電極202から遠ざかったときに、固定電極202からマイナスの誘導電荷が流出する。つまり固定電極202に電流が流入する。このような誘導電荷の流入及び流出により発生する電流は、整流回路206で整流される。そして、電流変化を負荷207で受けることにより、負荷207に電圧が発生し、発電する。(特許文献1参照)
固定電極202とエレクトレット電極204との間の容量Cは、C=ε0×A/gで表される。記号gは固定電極202とエレクトレット電極204との隙間であり、記号ε0は真空の誘電率であり、記号Aは電極面積である。前記式から、隙間gと容量Cとは、図8に示すように、反比例の関係となることが分かる。
発電中、エレクトレット電極204と固定電極202には静電力が発生するが、振動体203の振動は、ばね205の単振動動作と略一致する。図9の曲線210(g)は、図7の振動発電器における隙間gの時間変化を示しており、前記曲線210(g)は正弦波となる。
特開2007−221991号公報
しかしながら、図7の従来例のように、振動体203の片側のみにばね205及びエレクトレット電極204を配置し、振動体203の振動がばね205の単振動動作と略一致する構造では、次のような課題がある。
図9は、隙間gの時間変化(曲線210(g))と共に、容量Cの時間変化(曲線211(C))も示している。隙間gが狭いとき(減少しているとき)には容量変化が急となり、隙間gが広いとき(増加しているとき)には、容量変化が緩やかとなっている。つまり、容量Cの中心値をCc、最大容量値をCmax、最小容量値をCminとしたとき、容量Cが中心値Ccから最大容量値Cmaxまで増加し、続いて、中心値Ccに戻るまでの期間T1は、容量Cの1周期T2の半周期を大きく下回る。これにより、容量Cの変化曲線211(C)は不均整な波形となる。また、容量変化に対応して誘導電荷が流出入し、負荷207にかかる電圧が変化するので、電圧変化も不均整な波形となり、発電波形が乱れ、発電効率が劣化する。
前記発電波形の乱れに対し、整流回路206で整流した後の交流電圧を、負荷207と並列に配置した平滑コンデンサで平滑化しているが、不均整な波形を平滑化すると、リプルの大きい直流電圧となり、発電効率の低下は避けられない。
[発明の目的]
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、発電量を増大させ、かつ、電極間の隙間変化による容量変化の不均整な波形変化を低減し、発電効率を改善できる振動発電器を提供することを目的とする。
本発明に係る振動発電器は、第1の固定電極と第1のエレクトレット電極とが、第1の隙間を隔てて対向するよう、第1の基板と振動体とにそれぞれ設けられ、前記第1の基板と前記振動体との間に、第1のばねが伸縮可能に介在し、前記第1のエレクトレット電極に負電荷又は正電荷が注入され、前記第1の隙間が増減する方向に前記振動体が振動し、発電する振動発電器において、前記振動体に対し前記第1の基板配置側とは反対側に第2の基板が配置され、第2の固定電極と第2のエレクトレット電極とが、第2の隙間を隔てて対向するよう、前記第2の基板と前記振動体とにそれぞれ設けられ、前記第2の基板と前記振動体との間に、第2のばねが伸縮可能に介在し、前記第2のエレクトレット電極に負電荷又は正電荷が注入され、前記第1の基板と前記第2の基板とは、同一の整流回路に接続されている。
本発明は、上記構成に加え、次の構成をとることができる。
(a)前記第1の固定電極及び前記第2の固定電極からの電流が、同一位相となるように前記第1の固定電極と第2の固定電極が前記整流器に接続されている。
(b)前記第1のばねのばね定数と前記第2のばねのばね定数が等しい。
(c)前記第1の固定電極の面積と前記第2の固定電極の面積とが等しい。
本発明によれば、一つの振動体の表裏両面を利用して2箇所で発電するので、振動体を増やすことなく、発電量を増やすことができる。しかも、2箇所で発電した電流を共通の整流器に流すことにより、隙間の変化による容量変化の不均一性を改善し、発電効率を改善できる振動発電器を実現することができる。
本発明の第1の実施の形態に係る振動発電器であって、振動体が下方に移動中の縦断面図である。 本発明の第1の実施の形態に係る振動発電器であって、振動体が上方に移動中の縦断面図である。 本発明の第1の実施の形態に係る振動発電器における第1の隙間と第1の容量の時間特性図である。 本発明の第1の実施の形態に係る振動発電器における第2の隙間と第2の容量の時間特性図である。 本発明の第1の実施の形態に係る振動発電器の見かけ上の合成容量変化を示す図である。 本発明の第2の実施の形態に係る振動発電器であって、振動体が下方に移動中の縦断面図である。 従来の振動発電器の縦断面図である。 従来の振動発電器の隙間による容量変化特性図である。 従来の振動発電器の隙間と容量の時間特性図である。
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る振動発電器であって、振動体が下方に移動中の縦断面図である。図2は、図1と同じ振動発電器であって、振動体が上方に移動中の縦断面図である。
図1において、振動発電器は、第1の基板101と、第1の基板101に上方から対向する第2の基板106と、第1の基板101と第2の基板106との間に配置された振動体103と、を有している。
第1の基板101の上面には第1の固定電極102が設けられている。第1の固定電極102に対し第1の隙間g1を隔てて上方から対向するよう、振動体103の下面に第1のエレクトレット電極105が設けられている。第1の基板101と振動体103との間には、第1の隙間g1の増減方向(Z1Z2方向)に伸縮自在に第1のばね104が介在している。第1のばね104の上下端部は、振動体103及び第1の基板101に連結されている。第1のばね104として、第1の実施の形態ではコイルばねが備えられているが、金属板あるいは樹脂板などを撓ませた板ばねを利用することもできる。
第2の基板106の下面には第2の固定電極107が設けられている。第2の固定電極107に対し第2の隙間g2を隔てて下方から対向するよう、振動体103の上面に第2のエレクトレット電極109が設けられている。第2の基板106と振動体103との間には、第2の隙間g2の増減方向(Z1Z2方向)に伸縮自在に第2のばね108が介在している。第2のばね108の上下端部は、第2の基板106及び振動体103に連結されている。第2のばね108として、コイルばねが備えられているが、金属板あるいは樹脂板などを撓ませた板ばねを利用することもできる。
第1の基板101、第2の基板106及び振動体103は、シリコン又はガラスなどでできている。第1の固定電極102及び第2の固定電極107は、ポリシリコンなどでできている。第1のエレクトレット電極105及び第2のエレクトレット電極109は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などでできている。第1のエレクトレット電極105及び第2のエレクトレット電極109には、予めマイナスの電荷が注入されており、両エレクトレット電極105、109はマイナス電荷を半永久的に保持している。
第1の固定電極102及び第2の固定電極107は同一の整流回路110に接続されている。整流回路110は、4個のダイオード110a、110b、110c、110dにより構成されたブリッジ回路である。第1の固定電極102は、ダイオード110cとダイオード110b間に接続され、第2の固定電極107は、ダイオード110aとダイオード110d間に接続されている。整流回路110は、さらに負荷111の両端と接続されている。具体的には、ダイオード110aとダイオード110cとの間と、ダイオード110bとダイオード110dとの間に、負荷111の両端が接続されている。また、振動体103と負荷111の一端は、グランド電位に接地されている。
第1のばね104と第2のばね108とは、振動体103を介して直列状態に接続されている。したがって、振動体103は、第1のばね104と第2のばね108の合成ばね係数k3に基づき振動する。すなわち、第1のばね104のばね定数と第2のばね108のばね定数を、それぞれk1とk2とした場合、合成ばね係数k3は、k3=k1×k2/(k1+k2)で表され、この合成ばね定数k3に基づき、振動体103が単振動運動を行う。
振動体103の上下で発生する電流の重畳を考慮し、第1の実施の形態では、第1のばね104のばね定数k1と第2のばね108のばね定数k2を同一にしている。これにより、第1の隙間g1の変化分と第2の隙間g2の変化分が同一になり、振動体103の変位が、上下に均整のとれた形状となる。
第1の実施の形態では、第1の固定電極102の面積と、第2の固定電極107の面積とを同一としている。さらに、第1のエレクトレット電極105の面積と、第2のエレクトレット極109の面積と、を同一としている。これにより、前記第1及び第2のばね104、108のばね定数を同一とした場合と同様、振動体103の上下での第1の容量C1及び第2の容量C2の変化を、均整のとれたものとしている。
また、第1の実施の形態では、第1の固定電極102の面積と第1のエレクトレット電極105の面積とを略同一とし。第2の固定電極107の面積と第2のエレクトレット電極109の面積とを略同一としている。なお、振動体103の水平方向のずれを考慮する場合には、第1及び第2の固定電極102、107の面積を、それぞれ振動体103側の第1及び第2のエレクトレット電極105、109の面積よりも、大きくすることができる。
振動体103が上下に振動した場合、第1の隙間g1は、振動体103の単振動動作により、図3の変化曲線131のように変化する。この第1の隙間g1の変化に伴い、第1のエレクトレット電極105と第1の固定電極102で形成される第1の容量C1が、変化曲線132のように変化する。
一方、第2の隙間g2は、振動体103の単振動動作により、図4の変化曲線135のように変化する。この第2の隙間g2の変化に伴い、第2のエレクトレット電極109と第2の固定電極107とで形成される第2の容量C2が、変化曲線136のように変化する。
第1のばね104が伸張しているときには第2のばね108は収縮し、第1のばね104が収縮しているときには第2のばね108は伸張する。これに基づき、図4の第2の隙間g2の変化曲線135は、図3の第1の隙間g1の変化曲線131に対して半波長ずれることになる。同様に、第2の固定電極107と第2のエレクトレット電極109との間の第2の容量C2の変化曲線136も、第1の固定電極102と第1のエレクトレット電極105との間の第1の容量C1の変化曲線132に対し、半波長ずれることになる。
このように構成された本発明の第1の実施の形態に係る振動発電器の動作について説明する。
図1のように、振動体103が下方(Z1方向)に移動している場合、マイナスの電荷が注入された第1のエレクトレット電極105が第1の固定電極102に接近し、隙間g1が縮小する。これにより、第1の固定電極102にプラスの誘導電荷が流入する。つまり電流が流入する。一方、振動体103の上側では、マイナスの電荷が注入された第2のエレクトレット電極109が第2の固定電極107から遠ざかり、第2の隙間g2が拡大する。第2の固定電極107には、前段階の動作で、第2のエレクトレット電極109が接近したときにプラスの電荷が蓄えられている。したがって、この蓄えられていたプラスの誘導電荷が第2の固定電極107から流出する。つまり電流が流出する。
第2の固定電極107から流出した電流は、図1に矢印で示すように、整流回路110のダイオード110a、負荷111及びダイオード110bを順に流れる。そして、プラスの誘導電荷が第1の固定電極102に流入する。
一方、図2のように、振動体103が上方に移動している場合、マイナスの電荷が注入された第2のエレクトレット電極109が第2の固定電極107に接近し、第2の隙間g2が縮小する。これにより、第2の固定電極107にはプラスの誘導電荷が流入する。つまり電流が流入する。一方振動体103の下側では、マイナスの電荷が注入された第1のエレクトレット電極105が第1の固定電極102から遠ざかり、第1の隙間g1が拡大する。第1の固定電極102には、前段階の動作(図1の動作)で第1のエレクトレット電極105が接近したときにプラスの電荷が蓄えられている。したがって、この蓄えられていたプラスの誘導電荷が第1の固定電極102から流出する。つまり電流が流出する。
第1の固定電極102から流出した電流は、図2に矢印で示すように、整流回路110のダイオード110c、負荷111、ダイオード110dを順に流れる、そして、プラスの誘導電荷は第2の固定電極107に流入する。
このように、振動体103の上下方向の振動により発生した上下の各誘導電流は、整流回路110によって整流され、負荷111には常に同じ方向に電流が流れ、これにより負荷111には電圧が発生し発電する。
第1のエレクトレット電極105と第1の固定電極102との間の第1の容量をC1(図3参照)とすると、第1の固定電極102から発生する誘導電流は、第1の容量C1の時間に対する変化曲線132に応じて発生する。
同様に第2のエレクトレット電極109と第2の固定電極107との間の第2の容量をC2(図4参照)とすると、第2の固定電極107から発生する誘導電流は、第2の容量C2の時間に対する変化曲線136に応じて発生する。
図3及び図4に示すように、第1の容量C1の変化曲線132及び第2の容量C2の変化曲線136、つまり電流変化は、それぞれ不均整な波形となっている。しかし、両電流を共通の整流回路110にて合成し、負荷111より取り出すことにより、図5に示すように、見かけ上の合成した容量C3の変化は、変化曲線141のようになる。すなわち、1周期つまり1波長142における前半半波長142aと後半半波長142bの波形が、均整がとれた対称的な形状になる。これにより出力電流及び出力電圧も均整がとれ、さらには発電効率が向上する。
また整流回路110で整流後交流電圧を負荷111と並列に配置した平滑コンデンサで平滑化すると、このとき均整な電圧波形の平滑化により、リプルが小さくなり、発電効率が向上する。
また従来例のような振動体の片側のみを利用した発電に比べ、第1の固定電極102からの電流と第2の固定電極107からの電流とを合成するので、出力電流も増大し、発電効率が向上する。
[第2の実施の形態]
図6は、本発明の第2の実施の形態に係る振動発電器の縦断面図であって、振動体103が下方に移動中の縦断面図である。図1と同じ構成要素には同じ符号を用い、説明を省略する。
第1の実施の形態と異なる点は、第1のばね104及び第2のばね108として、ゴムあるいは樹脂等よりなる高反発弾性材料の塊を使用している。
また、第2の実施の形態では、第1の基板101と第2の基板106の間に、角筒状のスペーサー112が配置されている。このスペーサー112と、第1の基板101と、第2の基板106とで、密閉された振動体収納空間S1を構成している。すなわち、振動体収納空間S1は、外気が混入することのない気密封止されている。これにより、第1のエレクトレット電極105及び第2のエレクトレット電極109へのダメージ、つまり電荷の脱離を防ぐことが可能となる。尚、封止構造については、第2の実施の形態の構造に限るものではない。
第2の実施の形態によると、第1及び第2のばね104、108として、コイルばねや板ばねを用いる場合に比べ、図6のようにゴムなどの弾性体の塊を利用しているので、組み付けが容易である。また、部品コストを下げることができる。
[その他の実施の形態]
(1)第1及び第2の基板101、106に第1及び第2のエレクトレット電極105、109を備え、振動体103に第1及び第2の固定電極102、107を備える構造とすることも可能である。
(2)第1及び第2の基板101、106、振動体103、第1及び第2の固定電極102、107並びに第1及び第2のエレクトレット電極105、109を構成する材料は、前記実施の形態で挙げたものには限定されない。たとえば、第1の基板101、第2の基板106及び振動体103を、樹脂基板や金属ブロックで構成することも可能である。第1の固定電極102及び第2の固定電極107はアルミや銅などの導電性材料でもよい。第1のエレクトレット電極105及び第2のエレクトレット電極109は有機系のエレクトレット材料でもよい。
(3)第1のエレクトレット電極105及び第2のエレクトレット電極109に注入する電荷は、マイナスの電荷には限らず、プラスの電荷でも可能である。プラスの電荷を注入した場合には、マイナスの電荷を注入した場合と、誘導電荷の極性が異なり、電流方向が逆となるが、同様の効果が得られることは言うまでもない。
(4)第1及び第2の実施の形態では、第1及び第2の固定電極102、107並びに第1及び第2のエレクトレット電極105、109が、水平姿勢に配置されているが、本発明は、このような構造に限定されない。たとえば、第1及び第2の固定電極並びに第1及び第2のエレクトレット電極を、鉛直姿勢に配置した構造や、水平面に対して任意の角度で傾斜した姿勢で配置する構造なども、本発明に含まれる。
(5)前記実施の形態では、整流回路110をブリッジ回路とし、負荷111の両端と、第1及び第2の固定電極102、107にそれぞれ接続した構成としたが、このような整流回路に限るものではなく、他方式を採用することもできる。
(6)整流回路110への引き出し配線や、振動体103の接地する引き出し配線は、図は結線イメージで記載しているが、実際は、基板上の配線電極や基板貫通電極などを配置して接続することは言うまでもない。
(7)図1に示す第1のエレクトレット電極105及び第2のエレクトレット電極109から振動体103に電荷が流出しないように、第1のエレクトレット電極105及び第2のエレクトレット電極109と、振動体103とを、酸化膜などを介して絶縁することができる。同様に第1の基板101と第1の固定電極102の間並びに第2の基板106と第2の固定電極107の間も、酸化膜などを介して絶縁することができる。
(8)図1では、振動体103を接地接続される構成としたが、第1のエレクトレット電極105や第2のエレクトレット電極109の下部に同程度のサイズの電極を備え、該電極が接地接続する構成であってもよい。
(9)前記実施の形態では、第1の固定電極102の面積と第2の固定電極107の面積とを同一としているが、必ずしも同一でなくとも良い。ただし、電流の重畳を考慮すると同一サイズであることが望ましいのである。
(10)振動体103の振動方向(Z1Z2方向)と垂直となる水平方向へのずれに対応するため、前述のように、第1の固定電極102は第1のエレクトレット電極105より大きく、第2の固定電極107は第2のエレクトレット電極109より大きいことが望ましい。
もしくは、振動体103の振動方向と垂直となる水平方向へのずれに対応するため、第1の固定電極102は第1のエレクトレット電極105より小さく、第2の固定電極107は第2のエレクトレット電極109より小さくしてもよい。
(11)前記実施の形態では、第1のばね104のばね定数と第2のばね108のばね定数を略同一にしているが、本発明は、第1のばね104のばね定数と第2のばね108のばね定数が異なる構成も含んでいる。
本発明にかかる振動発電器は、様々な外界の振動エネルギーに応用可能である。
101 第1の基板
102 第1の固定電極
103 振動体
104 第1のばね
105 第1のエレクトレット電極
106 第2の基板
107 第2の固定電極
108 第2のばね
109 第2のエレクトレット電極
110 整流回路
111 負荷
112 スペーサー
131 第1の固定電極と第1のエレクトレット電極の第1の隙間g1の変化曲線(時間変化)
132 第1の固定電極と第1のエレクトレット電極の第1の容量C1の変化曲線(時間変化)
135 第2の固定電極と第2のエレクトレット電極の第2の隙間g2の変化曲線(時間変化)
136 第2の固定電極と第2のエレクトレット電極の第2の容量C2の変化曲線(時間変化)
141 見かけ上の合成容量変化曲線
142 見かけ上の合成容量の1周期
S1 振動体収納空間

Claims (4)

  1. 第1の固定電極と第1のエレクトレット電極とが、第1の隙間を隔てて対向するよう、第1の基板と振動体とにそれぞれ設けられ、前記第1の基板と前記振動体との間に、第1のばねが伸縮可能に介在し、前記第1のエレクトレット電極に負電荷又は正電荷が注入され、前記第1の隙間が増減する方向に前記振動体が振動し、発電する振動発電器において、
    前記振動体に対し前記第1の基板配置側とは反対側に第2の基板が配置され、
    第2の固定電極と第2のエレクトレット電極とが、第2の隙間を隔てて対向するよう、前記第2の基板と前記振動体とにそれぞれ設けられ、
    前記第2の基板と前記振動体との間に、第2のばねが伸縮可能に介在し、
    前記第2のエレクトレット電極に負電荷又は正電荷が注入され、
    前記第1の基板と前記第2の基板とは、同一の整流回路に接続されている振動発電器。
  2. 前記第1の固定電極及び前記第2の固定電極からの電流が、同一位相となるように前記第1の固定電極と第2の固定電極が前記整流器に接続されている、請求項1に記載の振動発電器。
  3. 前記第1のばねのばね定数と前記第2のばねのばね定数が等しい請求項1又は2に記載の振動発電器。
  4. 前記第1の固定電極の面積と前記第2の固定電極の面積とが等しい請求項1乃至3のいずれか一項に記載の振動発電器。
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