(57)【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から電力を取り出す電力取り出し回路であって、
前記エレクトレットに一端が導通接続され且つ前記導体に他端が導通接続された一次巻線と、該一次巻線に磁気結合された二次巻線とを有して所定の同調周波数に設定された第１段トランスと、該第１段トランスの後段に１段以上接続され且つ他のトランスとは異なる同調周波数に設定された１つ以上のトランスとを有するスタガ同調回路と、
前記スタガ同調回路の最後段のトランスの二次巻線の両端に接続された一対の入力端と一対の出力端を有する整流回路とを備えている
ことを特徴とする静電誘導型変換素子の電力取り出し回路。
【請求項２】
両端間の電圧の値が所定の耐電圧値以上となったときに導通状態となるシャントダイオードが、前記第１段トランスの一次巻線に対して並列接続されている
ことを特徴とする請求項１に記載の静電誘導型変換素子の電力取り出し回路。
【請求項３】
前記エレクトレットと前記導体との間に形成されるキャパシタンスと前記トランスの一次巻線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、可動基板の往復運動における所定の振動周波数の値と等しく設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の静電誘導型変換素子の電力取り出し回路。
【請求項４】
前記スタガ同調回路の各段のトランスによって形成される同調回路の同調周波数が、前記可動基板の往復運動の振動周波数の範囲内の周波数に設定されている
こと特徴とする請求項１に記載の静電誘導型変換素子の電力取り出し回路。
【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静電誘導型変換素子から高い効率で電力を取り出すことができる電力取り出し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１０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１１及び図１２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１３に示すような電力取り出し回路を使用していた。図１３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。
【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】
【０００９】
しかしながら、静電誘導型変換素子から出力される電気エネルギーは不規則な交流成分であり、その出力は容量生で抵抗値は非常に小さく（例えば、数ＭΩ）、これに対して直列接続された抵抗器３２，３３の値は高インピーダンスであるのでキャパシタンス成分も多く含まれる。このため、エレクトレット１１と導体１３間のキャパシタンスに対して、直列接続された抵抗器３２，３３のキャパシタ成分が並列接続されることになるので、電力の取り出し効率が非常に低下してしまう。さらに、ダイオード３５の後段に１００ｋΩ程度の抵抗器３４を接続して電流を流すようにしているので、ダイオード３５のカソード側インピーダンスが数ＭΩであるのに対しダイオード３５のアノード側のインピーダンスが１００ｋΩであるため、この抵抗器３４による損失が大きくなり、実用化が困難であるという問題点があった。
【００１０】
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、静電誘導型変換素子から効率よく電力を取り出すことが可能な電力取り出し回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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から電力を取り出す電力取り出し回路であって、前記エレクトレットに一端が導通接続され且つ前記導体に他端が導通接続された一次巻線と、該一次巻線に磁気結合された二次巻線とを有して所定の同調周波数に設定された第１段トランスと、該第１段トランスの後段に１段以上接続されて他のトランスとは異なる同調周波数に設定された１つ以上のトランスとを有するスタガ同調回路と、前記スタガ同調回路の最後段のトランスの二次巻線の両端に一対の入力端子が接続されるとともに一対の出力端子を有する整流回路とを備えている電力取り出し回路を提案する。
【００１２】
本発明の電力取り出し回路では、スタガ同調回路の各段のトランスのそれぞれによって同調回路が構成され、これらの同調回路の同調周波数はそれぞれ異なる周波数に設定されている。
【００１３】
静電誘導型変換素子のエレクトレットと導体の間に発生した交流電圧は、第１段トランスの一次巻線に印加され、この一次巻線に交流電流が流れる。この交流電流によって一次巻線には磁界が発生し、この磁界は二次巻線に交差する。これにより、二次巻線には磁気誘導によって電流が発生し、二次巻線の両端には一次巻線との巻き数比に応じた電圧の交流電力が発生する。このとき第１段トランスの二次巻線には第１段トランスによって形成される同調回路の同調周波数に一致する周波数の交流電力が最も効率良く出力される。また、後段の他のトランスの二次巻線には前段のトランスから出力された周波数の交流電力に加えて、このトランスによって形成される同調回路の同調周波数に一致する周波数の交流電力が出力される。したがって、最終段のトランスの二次巻線から出力される交流電力には、各トランスによって形成される同調回路の同調周波数に一致した周波数の交流電力成分の全てが含まれている。最終段のトランスの二次巻線に発生した交流電力は整流回路によって直流電力に変換されて出力される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の電力取り出し回路によれば、エレクトレットと導体との間のキャパシタンスに対してトランス一次巻線のリアクタンスが並列接続されているので、従来の抵抗器を使用したときに比べて電力損失を大幅に低減して二次巻線から交流電力を得ることができ、この交流電力を整流回路によって直流電力に変換して使用することができる。さらに、最終段のトランスの二次巻線から出力される交流電力には、各トランスによって形成される同調回路の同調周波数に一致した周波数の交流電力成分の全てが含まれるので、静電誘導型変換素子から出力される電気エネルギーの不規則な交流成分の多くを取り出すことができる。したがって、静電誘導型変換素子を電源として使用することの実用化が十分に可能になる。
【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もので、図１は本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子と電力取り出し回路との接続を示すブロック図、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。これらの図において、100は電力取り出し回路、200は静電誘導型変換素子である。
【００１７】
電力取り出し回路100は、スタガ同調回路110と、整流回路160、コンデンサ102及び抵抗器103から構成されている。
【００１８】
スタガ同調回路110は、３つのトランス120,130,140とコンデンサ111,113〜116とから構成されている。
【００１９】
トランス120の一次巻線121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。さらに、トランス120の二次巻線122の他端はコンデンサ111を介して入力端子101bに接続されている。また、トランス120の二次巻線122と並列にコンデンサ123が接続されている。コンデンサ123は浮遊容量を利用しても良い。コンデンサ111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120の一次巻線121と二次巻線122との間の直流を遮断する。
【００２０】
トランス130の一次巻線131の一端はコンデンサ113を介してトランス120の二次巻線122の一端に接続され、トランス130の一次巻線131の他端はコンデンサ114を介してトランス120の二次巻線122の他端に接続されている。また、トランス130の一次巻線131と並列にコンデンサ133が接続されるとともに二次巻線132と並列にコンデンサ134が接続されている。コンデンサ133,134は浮遊容量を利用しても良い。
【００２１】
トランス140の一次巻線141の一端はコンデンサ115を介してトランス130の二次巻線132の一端に接続され、トランス140の一次巻線141の他端はコンデンサ116を介してトランス130の二次巻線132の他端に接続されている。また、トランス140の一次巻線141と並列にコンデンサ143が接続されるとともに二次巻線142と並列にコンデンサ144が接続されている。コンデンサ143,144は浮遊容量を利用しても良い。
【００２２】
なお、本実施形態では、図８に示すように、第１段トランス120によって形成される同調回路の同調周波数f1が７０Ｈｚに設定され、第２段トランス130によって形成される同調回路の同調周波数f2が３０Ｈｚに設定され、第３段トランス140によって形成される同調回路の同調周波数f3が１５０Ｈｚに設定されている。これにより、静電誘導型変換素子200に加わる外力によって後述する可動基板230が行う往復運動の振動周波数範囲fbである１０Ｈｚ〜２００Ｈｚの範囲の運動エネルギーを電気エネルギーとして効率よく取り出すことができる。
【００２３】
また、各トランス120,130,140によって形成される同調回路のそれぞれの同調周波数は、各トランス120,130,140の巻線のインダクタンスと各巻線に並列接続されているコンデンサのキャパシタンスの値を調整することによって容易に任意の周波数に設定することができる。
【００２４】
コンデンサ113,114はトランス120の二次巻線122とトランス130の一次巻線131との間のアイソレーションのための設けられており、コンデンサ115,116はトランス130の二次巻線132とトランス140の一次巻線141との間のアイソレーションのために設けられている。なお、本実施形態ではトランス間のアイソレーションを行うためにコンデンサ113〜116を用いたが、ダイオードを用いてアイソレーションを行っても良い。また、トランス間のアイソレーションを行うためにダイオードを用いる場合は、損失の低減および取り出し可能電圧を低下させるために、順方向電圧が低い化合物系のダイオードを用いることが好ましい。
【００２５】
整流回路160は２つのダイオード161,162によって構成されている。ダイオード161のアノードはトランス140の二次巻線142の一端に接続れ、ダイオード161のカソードはダイオード162のカソードとコンデンサ102及び抵抗器103の一端と出力端子101cに接続されている。トランス140の二次巻線142の他端は、ダイオード162のアノードとコンデンサ102及び抵抗器103の他端と出力端子101dに接続されている。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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は、第１段トランス120の一次巻線121に印加され、この一次巻線121に交流電流が流れる。この交流電流によって一次巻線121には磁界が発生し、この磁界は二次巻線122に交差する。これにより、二次巻線122には磁気誘導によって電流が発生し、二次巻線122の両端には一次巻線121との巻き数比などに応じた電圧の交流電力が発生する。このとき第１段トランス120の二次巻線122には第１段トランス120によって形成される同調回路の同調周波数f1に一致する周波数の交流電力が最も効率良く出力される。
【００３３】
また、後段の他のトランス130,140の二次巻線132,142には前段のトランス120,130から出力された周波数の交流電力に加えて、このトランス130,140によって形成される同調回路の同調周波数f2,f3に一致する周波数の交流電力が出力される。したがって、最終段のトランス140の二次巻線142から出力される交流電力には、各トランス120,130,140によって形成される同調回路の同調周波数f1,f2,f3に一致した周波数の交流電力成分の全てが含まれている。最終段のトランス140の二次巻線142に発生した交流電力は整流回路160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。
【００３４】
なお、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。
【００３５】
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第１段トランス120の耐電圧以上になりトランス120を破壊することがないように、図９に示すように一次巻線121と並列にシャントダイオード104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104を設けることにより、シャントダイオード104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104が導通状態となってトランス120を保護する。
【００３６】
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】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態における静電誘導型変換素子と電力取り出し回路との接続を示すブロック図
【図２】本発明の一実施形態における電力取り出し回路を示す回路図
【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スタガ同調回路の周波数特性を示す図
【図９】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】従来例の静電誘導型変換素子を示す図
【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】
【００３８】
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…シャントダイオード、110…スタガ同調回路、111,113〜116…コンデンサ、120…トランス、121…一次巻線、122…二次巻線、130…トランス、131…一次巻線、132…二次巻線、140…トランス、141…一次巻線、142…二次巻線、160…整流回路、161,162…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…バネ。
【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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