(57)【要約】【課題】複数の静電誘導型変換素子からそれぞれに設けられた電力取り出し回路を介して取り出した電力を合成して、低損失で且つ低電圧まで効率よく出力することができる電力合成回路を提供する。【解決手段】ドレインが電力取り出し回路100の出力端子101cに接続され、ソース及びゲートが合成電力出力端子301aに接続されている複数のＦＥＴ311を備え、各ＦＥＴ311は、接続されている電力取り出し回路100から電力が出力されているときだけオン状態に設定されるため、何れかの静電誘導型変換素子200や電力取り出し回路300が故障したときはＦＥＴ311がオフ状態となって合成電力出力端子301aから故障回路が切り離され、これらが負荷になることがない。さらに、ＦＥＴ311における電圧降下は０．１Ｖから０．３Ｖ程度であるので、従来よりも電力取り出し効率が改善される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定間隔をあけて互いに対向し、対向面に対して平行な方向に相対運動可能な２つの基板と、少なくとも一方の基板の対向面の所定位置に形成されたエレクトレットと、該エレクトレットに対向する基板の表面にエレクトレットに対向する位置に形成された導体と、前記対向面に対して平行な所定直線方向に相対的な往復運動可能に前記基板を支持する支持手段とを有し、外部から加わる力によって前記２つの基板に生ずる相対運動の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する静電誘導型変換素子と、該静電誘導型変換素子から電力を取り出す電力取り出し回路とからなる電源素子モジュールを複数備えてなる電源ユニットの前記複数の電力取り出し回路のそれぞれから出力される電力を合成して取り出す電力合成回路であって、
前記電力取り出し回路毎に設けられ、入力端子が前記電力取り出し回路の出力端子に接続されるとともに出力端子が合成電力出力端子に接続されている複数の電界効果トランジスタと、
各電界効果トランジスタ毎に、電界効果トランジスタに接続されている電力取り出し回路から電界効果トランジスタに入力される電圧の値或いは該電界効果トランジスタから出力される電圧の値の何れか一方に基づいて、前記電界効果トランジスタに接続されている電力取り出し回路から電力が出力されているときだけ該電界効果トランジスタをオン状態にする制御手段と備えている
ことを特徴とする電力合成回路。
【請求項２】
前記電界効果トランジスタとしてＮチャネル型電界効果トランジスタを備え、
前記制御手段は、前記合成電力出力端子に接続された前記Ｎチャネル型電界効果トランジスタのゲート端子からなる
ことを特徴とする請求項１に記載の電力合成回路。
【請求項３】
前記電界効果トランジスタは化合物半導体からなることを特徴とする請求項１に記載の電力合成回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動などで外部から加わる力によって生ずる運動エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の静電誘導型変換素子からそれぞれに設けられた電力取り出し回路を介して取り出した電力を合成して出力する電力合成回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境を汚染しない電気エネルギーの生成技術の開発が注目されており、太陽光発電や風力発電などが実用化されている。このような技術開発において、他の電気エネルギーの生成技術として、振動などの外部から加わる力によって生ずる運動エネルギーを電気エネルギーに変換する静電誘導型変換素子の開発も進められている。
【０００３】
この静電誘導型変換素子に関しては、例えば、特開２００６−１８０４５０号公報（特許文献１）に開示される静電誘導型変換素子、特開２００７−３１２５５１号公報（特許文献２）に開示される静電誘導型変換素子が知られている。
【０００４】
特開２００６−１８０４５０号公報（特許文献１）に開示される静電誘導型変換素子１０は、図９に示すように、絶縁材料の表面付近に電荷を注入して形成されたエレクトレット１１が、２つの導体１２，１３の間に位置して一方の導体１２に電気的に接触して配置され、他方の導体１３がエレクトレット１１に対して所定の間隔をあけて対向し、導体１３とエレクトレット１１が相対的に運動して運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されている。これにより、２つの導体１２、１３を負荷１４に電気的に接続し、例えば導体１３を図における矢印方向に往復運動させると、エレクトレット１１に注入された電荷（図では負電荷）により導体１３に正電荷が静電誘導され、負荷１４に電流が流れる。従って、上記構成の静電誘導型変換素子１０が発電機として機能する。
【０００５】
特開２００７−３１２５５１号公報（特許文献２）に開示される静電誘導型変換素子は、対向する基板が互いに相対運動する際に、互いの距離を適正に維持することができるように改良を施したものである。すなわち、図１０及び図１１に示すように、２つの基板２１，２２が互いに対向して配置されており、各基板２１，２２の対向面上には、エレクトレット２３と導体２４とが形成されている。また、上記基板２１，２２は、対向面に平行な方向（図の矢印Ａ、Ｂ方向）に相対運動し、エレクトレット２３は、基板２１，２２の相対運動に伴い導体２４に対して相対的に運動し、導体２４に静電誘導による起電力を発生させる。このエレクトレット２３と導体２４とは、基板２１，２２間の距離を適正に維持するために、エレクトレット２３と導体２４とが対向して発生する吸引力と、エレクトレット２３同士が対向して発生する反発力とが釣り合うように配置されている。
【０００６】
このような静電誘導型変換素子から電力を取り出すときには、例えば図１２に示すような電力取り出し回路を使用していた。図１２において、３０は電力取り出し回路で、１対の入力端子３１ａ，３１ｂと１対の出力端子３１ｃ，３１ｄと、抵抗器３２，３３，３４、ダイオード３５から構成されている。
【０００７】
入力端子３１ａは導体１３に接続され、入力端子３１ｂは導体１２に接続されている。抵抗器３２の一端は入力端子３１ａに接続され、抵抗器３２の他端は抵抗器３３を介して入力端子３１ｂと出力端子３１ｄに接続されている。また、抵抗器３２の他端にはダイオード３５のアノードが接続されている。ダイオード３５のカソードは出力端子３１ｃに接続されると共に抵抗器３４を介して出力端子３１ｄに接続されている。
【０００８】
上記電力取り出し回路３０では、導体１３が往復運動することにより、エレクトレット１１と導体１３との間に例えば８０Ｖの電圧を有する交流の静電気が発生し、直列接続された抵抗器３２，３３に電流が流れる。エレクトレット１１と導体１３との間に発生した電圧は直列接続した抵抗器３２，３３によって分圧され、例えば１Ｖ〜５Ｖ程度の電圧とされた後、ダイオード３５によって整流される。なお、エレクトレット１１と導体１３との間の抵抗値は数ＭΩであるので直列接続した抵抗器３２，３３の合成抵抗値もほぼ同程度の値に設定されている。
【０００９】
また、複数の静電誘導型変換素子から取り出した電力を合成するときは、複数の電力取り出し回路３０の出力端子３１ｃ、３１ｄを並列接続することによって合成した電力を取り出している。さらに、このように並列接続して電力を合成する場合、何れかの静電誘導型変換素子や電力取り出し回路３０が故障したときに、この故障した静電誘導型変換素子や電力取り出し回路３０が負荷になってしまうことがある。これを防止するためには、図１３に示すように電力取り出し回路３０毎にダイオード４１を設け、ダイオード４１のアノードを電力取り出し回路３０の出力端子３１ｃに接続し、ダイオード４１のカソードをワイヤード接続した電力合成回路４０を用いる。ここで、電力合成回路４０の出力端子４０ａはダイオード４１のカソードに接続され、電力合成回路４０の出力端子４０ｂは各電力取り出し回路３０の出力端子３１ｄに接続されている。このような電力合成回路４０を用いることにより、故障した静電誘導型変換素子や電力取り出し回路３０を負荷にすることがなく、効率よく電力を取り出すことができる。
【特許文献１】特開２００６−１８０４５０号公報
【特許文献２】特開２００７−３１２５５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記のようにダイオード４１を用いた電力合成回路４０を使用すると各ダイオード４１の順方向電圧がシリコンダイオードの場合０．７Ｖであるため、この分の電圧降下を生じてしまい電力損失が大きくなる。さらに、電力取り出し回路３０の出力電圧が０．７Ｖ以下のときは、電力合成回路４０によって電力を取り出すことができないため、電力取り出し効率が悪化するという問題点があった。
【００１１】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数の静電誘導型変換素子からそれぞれに設けられた電力取り出し回路を介して取り出した電力を合成して、低損失で且つ低電圧まで効率よく出力することができる電力合成回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は前記目的を達成するために、所定間隔をあけて互いに対向し、対向面に対して平行な方向に相対運動可能な２つの基板と、少なくとも一方の基板の対向面の所定位置に形成されたエレクトレットと、該エレクトレットに対向する基板の表面にエレクトレットに対向する位置に形成された導体と、前記対向面に対して平行な所定直線方向に相対的な往復運動可能に前記基板を支持する支持手段とを有し、外部から加わる力によって前記２つの基板に生ずる相対運動の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する静電誘導型変換素子と、該静電誘導型変換素子から電力を取り出す電力取り出し回路とからなる電源素子モジュールを複数備えてなる電源ユニットの前記複数の電力取り出し回路のそれぞれから出力される電力を合成して取り出す電力合成回路であって、前記電力取り出し回路毎に設けられ、入力端子が前記電力取り出し回路の出力端子に接続されるとともに出力端子が合成電力出力端子に接続されている複数の電界効果トランジスタと、各電界効果トランジスタ毎に、電界効果トランジスタに接続されている電力取り出し回路から電界効果トランジスタに入力される電圧の値或いは該電界効果トランジスタから出力される電圧の値の何れか一方に基づいて、前記電界効果トランジスタに接続されている電力取り出し回路から電力が出力されているときだけ該電界効果トランジスタをオン状態にする制御手段と備えている電力合成回路を提案する。
【００１３】
本発明の電力合成回路では、入力端子が電力取り出し回路の出力端子に接続され、出力端子が合成電力出力端子に接続されている複数の電界効果トランジスタを備え、各電界効果トランジスタは、この電界効果トランジスタに接続されている電力取り出し回路から電力が出力されているときだけオン状態に設定される。このため、何れかの静電誘導型変換素子や電力取り出し回路が故障したときは電力取り出し回路から電力が出力されないので電界効果トランジスタがオフ状態となり、この故障した静電誘導型変換素子や電力取り出し回路が合成電力出力端子から切り離され、これらが負荷になることがない。さらに、電界効果トランジスタにおける電圧降下は０．１Ｖから０．３Ｖ程度であるので、従来のダイオードを用いたときに比べて取り出せる最低電圧を低くできるため、電力取り出し効率が改善される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の電力合成回路によれば、故障した静電誘導型変換素子や電力取り出し回路が負荷になることがないので、効率よく電力を取り出すことができる。さらに、電界効果トランジスタにおける電圧降下は０．１Ｖから０．３Ｖ程度の低い電圧であるため、従来のダイオードを用いたときに比べて取り出せる最低電圧を低くできるので、電力取り出し効率を大幅に改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
【００１６】
図１乃至図７は本発明の一実施形態を示す図で、図１は本発明の一実施形態における電源ユニットの電気系回路を示すブロック図、図２は本発明の一実施形態における電力取り出し回路を示す回路図、図３は本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子を示す透過斜視図、図４は本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子を示す要部分解斜視図、図５は本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子を示す平面図、図６は図５におけるＡ−Ａ線矢視方向断面図、図７は本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子の電気系回路を示す図である。
【００１７】
本実施形態における電源ユニットは、図１に示すように複数の静電誘導型変換素子200と、静電誘導型変換素子200ごとにその出力側に接続された複数の電力取り出し回路100と、各電力取り出し回路100から出力される電力を合成して出力する電力合成回路300によって構成されている。
【００１８】
電力合成回路300は、各電力取り出し回路100ごとに設けられた複数のＮチャネル型電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと称する）311から構成されている。各ＦＥＴ311のドレインは対応する電力取り出し回路100の出力端子101cに接続され、ＦＥＴ311のソースは合成電力出力端子301aに接続されている。さらに、各ＦＥＴ311のゲートは自己のソース或いは合成電力出力端子301aに接続されている。また、各電力取り出し回路100の接地出力端子101dは、電力合成回路300の接地出力端子301bに接続されている。
【００１９】
なお、本実施形態では、ＦＥＴ311として、エンハンスメント形 (enhancement type)＝ノーマリーオフ形 (normally off type)のＦＥＴ、すなわち、ゲート電圧をかけないときはチャネルが存在せずドレイン電流が流れないものを使用している。
【００２０】
上記のＮチャネル型ＦＥＴは通常ゲート端子電圧がドレイン端子電圧よりも低いときにオン状態となる。このため、上記構成の電力合成回路300では ＦＥＴ311は、このＦＥＴ311に接続されている電力取り出し回路100から電力が出力されているときはゲート電圧（ソース電圧）はドレイン電圧よりも０．１〜０．３Ｖ低くなるので、オン状態となり、電力取り出し回路100から出力される電力はＦＥＴ311を通過し、他のＦＥＴ311から出力された電力と合成されて合成電力出力端子301aから上位装置（図示せず）に出力される。なお、ＦＥＴにおけるドレイン・ソース間の電圧降下は、シリコン系ＦＥＴが０．３Ｖ程度であるのに対して、ガリウムヒ素等の化合物系ＦＥＴは０．１Ｖ程度と低い電圧降下であるので、化合物系ＦＥＴを用いることが好ましい。
【００２１】
一方、静電誘導型変換素子200或いは電力取り出し回路100の何れかが故障して電力取り出し回路100から電力が出力されないときは、この電力取り出し回路100に接続されているＦＥＴ311のドレイン電圧は０Ｖとなり、また、このＦＥＴ311のゲート電圧（ソース電圧）は他のＦＥＴ311のゲート電圧と同じであるので、故障した静電誘導型変換素子200或いは電力取り出し回路100の後段に接続されているＦＥＴ311はオフ状態となり、このＦＥＴ311によって電力取り出し回路100は合成電力出力端子301aから切り離される。
【００２２】
したがって、ＦＥＴ311に接続されている電力取り出し回路100から電力が出力されているときだけ、このＦＥＴ311はオン状態に設定される。このため、何れかの静電誘導型変換素子200や電力取り出し回路100が故障したときは電力取り出し回路100から電力が出力されないのでＦＥＴ311オフ状態となり、この故障した静電誘導型変換素子200や電力取り出し回路100が合成電力出力端子301aから切り離され、これらが負荷になることがない。さらに、ＦＥＴ311における電圧降下は０．１Ｖから０．３Ｖ程度であるので、従来のダイオードを用いたときに比べて取り出せる最低電圧を低くできるため、電力取り出し効率を改善することができる。
【００２３】
なお、上記電力合成回路300の構成は本発明の一具体例であって、本発明が上記実施形態のみに限定されることはない。
【００２４】
次に、本実施形態における静電誘導型変換素子200及び電力取り出し回路100の構成を説明する。図２乃至図８において、100は電力取り出し回路、200は静電誘導型変換素子である。
【００２５】
電力取り出し回路100は、トランス110と、整流回路120、コンデンサ102,104、抵抗器103から構成されている。なお、本実施形態における整流回路120は２つのダイオード121,122によって構成されている。
【００２６】
トランス110の一次巻線111の一端は入力端子101aを介して後述する静電誘導型変換素子200の導体221に接続され、トランス110の一次巻線111の他端は入力端子101bを介して静電誘導型変換素子200のエレクトレット231に接続されている。また、トランス110の二次巻線112の一端はダイオード121のアノードに接続れ、ダイオード121のカソードはダイオード122のカソードと抵抗器103及びコンデンサ104の一端と出力端子101cに接続されている。トランス110の二次巻線112の他端は、ダイオード122のアノードと抵抗器103及びコンデンサ104の他端と出力端子101dに接続されるとともにコンデンサ102を介して入力端子101bに接続されている。
【００２７】
コンデンサ102は、静電誘導型変換素子200の基準電位を電力取り出し回路100の基準電位と位置させるとともにトランス110の一次巻線111と二次巻線112との間の直流を遮断する。
【００２８】
静電誘導型変換素子200は、その上面が正方形をなした直方体形状の筐体210を備え、筐体210の内部には固定基板220と可動基板230を有し、可動基板230は上面の一辺と平行な所定直線方向に往復運動可能なようにバネ251,252によって支持され、これらの固定基板220と可動基板230が相対的に往復運動することにより発電を行うものである。
【００２９】
固定基板220はその底面が筐体210の内部底面に固定されており、固定基板220の上面（対向面）には櫛歯形状の導体221が形成されている。この櫛歯形状の導体221は、その櫛歯が、可動基板230の可動方向（図３におけるＣ１方向）に直交するように形成されている。さらに、この導体221は、筐体210の外部底面に設けられた外部電極212に配線を介して電気的に接続されている。
【００３０】
可動基板230はその底面（対向面）が固定基板220の上面に対して所定の間隔をあけて平行に対向するようにベアリングボール241によって支えられている。また、可動基板230の底面（対向面）には櫛歯形状のエレクトレット231と、エレクトレット231に導電接続された導電体膜232が形成されている。この櫛歯形状のエレクトレット231は、その櫛歯が、可動基板230の可動方向（図３におけるＣ１方向）に直交するように形成されている。
【００３１】
さらに、可動基板230の上部には、可動方向Ｃ１に対して直交する方向に延びる支持部材241が設けられ、支持部材241の両端部の垂直片431bが可動基板230の対向する２つの辺に固定されている。また、支持部材241は導電体からなり、一方の垂直片431bが導電体膜232に導電接続されている。
【００３２】
また、支持部材241の水平片431aの中央には２つのバネ251,252のそれぞれの一端が接続されている。これらのバネ251,252は、その伸縮方向が可動方向Ｃ１に一致するように配置されている。さらに、バネ251,252のそれぞれの他端は筐体210の内面に固定されている。また、支持部材241はバネ252に設けられた導電体からなる配線252aと配線を介して筐体210の外部底面に設けられた外部電極213に電気的に接続されている。本実施形態では、バネ251,252は菱形の各辺にプラスチックの薄い板バネを配置したパンタグラフ形状のバネを使用している。バネ251,251としてコイルバネやトーションバーを用いても良い。
【００３３】
上記構成の静電誘導型変換素子200は、外部から振動などの力が加えられ、これによって可動基板230が可動方向Ｃ１に往復運動すると、櫛歯形状のエレクトレット231に注入された電荷（例えば負電荷）により、固定基板220の櫛歯形状の導体221に正電荷が静電誘導され、外部電極212,213から電力を取り出すことができる。従って、上記構成の静電誘導型変換素子200が発電機として機能する。
【００３４】
また、上記構成の電力取り出し回路100では、静電誘導型変換素子200のエレクトレット231と導体221の間に発生した交流電圧が、トランス110の一次巻線111に印加され、この一次巻線111に交流電流が流れる。この交流電流によって一次巻線111には磁界が発生し、この磁界は二次巻線112に交差する。これにより、二次巻線112には磁気誘導によって電流が発生し、二次巻線112の両端には一次巻線111との巻き数比に応じた電圧の交流電力が発生する。トランス110の二次巻線112に発生した交流電力は整流回路120によって直流電力に変換されて出力端子101c,101dから出力される。
【００３５】
なお、静電誘導型変換素子200から、さらに効率よく電力を取り出すには、エレクトレット231と導体221との間のキャパシタンスとトランス110の一次巻線111のリアクタンスによって構成される共振回路の共振周波数の値が、可動基板230の往復運動の振動周波数の値と等しくなるようにすることが好ましい。
【００３６】
また、整流後の直流出力電圧は電圧値が不安定であるので、キャパシタなどを用いたチャージ回路によって直流電圧の安定化を行うことが好ましい。
【００３７】
また、静電誘導型変換素子200にかかる外力が変動する場合、静電誘導型変換素子200から出力される電圧値が高くなりすぎてトランス110の耐電圧以上になりトランス110を破壊することがないように、図８に示すように一次巻線111と並列にシャントダイオード105を設けることが好ましい。このようにシャントダイオード105を設けることにより、シャントダイオード105の耐電圧値以上の値の電圧が静電誘導型変換素子200から出力されたときシャントダイオード105が導通状態となってトランス110を保護する。
【００３８】
なお、上記実施形態では導体221の形状とエレクトレット231の形状を櫛歯形状としたがこれに限定されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態における電源ユニットの電気系回路を示すブロック図
【図２】本発明の一実施形態における電力取り出し回路示す回路図
【図３】本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子を示す透過斜視図
【図４】本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子を示す要部分解斜視図
【図５】本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子を示す平面図
【図６】図５におけるＡ−Ａ線矢視方向断面図
【図７】本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子の電気系回路を示す図
【図８】本発明の一実施形態における電力取り出し回路の他の例を示す回路図
【図９】従来例の静電誘導型変換素子を示す図
【図１０】従来例の静電誘導型変換素子を示す図
【図１１】従来例の静電誘導型変換素子を示す図
【図１２】従来例の電力取り出し回路を示す回路図
【図１３】従来例の電力取り出し回路を示す回路図
【符号の説明】
【００４０】
100…電力取り出し回路、101a,101b…入力端子、101c,101d…出力端子、102…コンデンサ、103…抵抗器、104…コンデンサ、105…シャントダイオード、110…トランス、111…一次巻線、112…二次巻線、120…整流回路、121,122…ダイオード、200…静電誘導型変換素子、210…筐体、211…底面、212,213…外部電極、214…ベアリングボール、220…固定基板、221…導体、230…可動基板、231…エレクトレット、232…導電体膜、241…支持部材、251,252…コイルバネ、300…電力合成回路、301a,301b出力端子、311…電界効果トランジスタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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