发电元件以及发电装置

技术领域

本发明涉及发电元件以及发电装置。

背景技术

已知具备分别具有梳齿部分的2个固定电极以及2个可动电极的振动发电元件(专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2019-198161号公报

发明内容

发明要解决的课题

在专利文献1所记载的振动发电元件中，因固定电极与可动电极对置的部分的面积的变化，驻极体的感应电荷变化，固定电极与可动电极之间的电位差变化而产生电动势，由此，进行发电。一直以来，要求高效地进行发电。

用于解决课题的手段

根据本发明的第一方式，发电元件是通过振动进行发电的发电元件，具有：第一电极和第二电极；部件，其设置于所述第一电极和所述第二电极之间，具有与所述第二电极电连接且与所述第一电极对置的第三电极、不与所述第三电极电连接而相对地固定于所述第三电极且与所述第一电极电连接并与所述第二电极对置的第四电极；以及驻极体，其设置于所述第一电极及所述第三电极中的一个和所述第二电极及所述第四电极中的一个。

根据本发明的第二方式，发电装置具有：第一方式的发电元件；以及整流部，其具有与所述第一电极以及所述第四电极电连接的电极、与所述第二电极以及所述第三电极电连接的电极。

根据本发明的第三方式，发电元件是通过振动进行发电的发电元件，具有：第一电极和与所述第一电极电连接的第二电极；部件，其设置于所述第一电极和所述第二电极之间，具有与所述第一电极对置的第三电极、相对地固定于所述第三电极且与所述第三电极电连接并与所述第二电极对置的第四电极；以及驻极体，其设置于所述第一电极及所述第三电极中的一个和所述第二电极及所述第四电极中的一个。

根据本发明的第四方式，发电装置具有：第三方式的发电元件；以及整流部，其具有与所述第一电极及所述第二电极电连接的电极、与所述第三电极及所述第四电极电连接的电极。

发明效果

根据本发明，能够高效地进行发电。

附图说明

图1是表示实施方式的发电装置的结构例的图。

图2是表示实施方式的发电元件的结构例的图。

图3A是用于对实施方式的发电装置的动作的一例进行说明的图。

图3B是用于对实施方式的发电装置的动作的一例进行说明的图。

图4是用于对由实施方式的发电装置进行的处理进行说明的图。

图5是表示变形例的发电装置的结构例的图。

具体实施方式

(实施方式)

参照附图，对实施方式的发电装置进行说明。图1是表示实施方式的发电装置的结构例的图。发电装置(振动发电装置)1具有：发电元件10、转换部20、第一输出部25以及第二输出部26，利用振动进行发电。发电装置1是静电方式的发电装置，能够用作采集环境的振动的能量而得到电力的技术(能量收集)。

图2是表示实施方式的发电元件的结构例的图。发电元件(振动发电元件)10具有：支承框(支承部件)11、可动部12以及保持部18。振动发电元件10例如使用硅基板、SOI(Silicon On Insulator)基板作为基材，利用MEMS技术来制造。

支承框(基座)11具有电极16a和电极16b。电极16a和电极16b也可以说是固定并保持于支承框11的电极。电极16a和电极16b隔着可动部12在纸面上下方向(X轴方向)上排列地配置。在以下的说明中，将固定的电极16a、电极16b分别称为第一固定电极16a、第二固定电极16b。此外，如图1、图2的坐标轴所示，将与X轴正交的纸面右方向设为Y轴正方向。在其他图中，有时也以图1、图2的坐标轴为基准，以使各个图的朝向清楚的方式显示坐标轴。

可动部12具有：电极13a、电极13b以及绝缘部15。电极13a和电极13b经由绝缘部15彼此固定。电极13a和电极13b由绝缘部15支承，为相对固定的状态。绝缘部15是由绝缘材料构成的绝缘层。电极13a和电极13b因绝缘部15而分离地设置，也可以说是被分割的电极。

可动部12构成为电极13a、电极13b和绝缘部15能够在支承框11内沿X轴方向移动。电极13a、电极13b及绝缘部15在振动发电元件10被施加振动时一体地振动。在以下的说明中，将电极13a、电极13b分别称为第一可动电极13a、第二可动电极13b。第一可动电极13a和第一固定电极16a相互对置地配置，能够相对移动。另外，第二可动电极13b和第二固定电极16b也相互对置地配置，能够相对移动。

第一固定电极16a、第二固定电极16b、第一可动电极13a以及第二可动电极13b分别具有成为梳齿形状的部分(梳齿部分)，成为梳齿状的电极。第一固定电极16a的梳齿部分17a与第一可动电极13a的梳齿部分14a以啮合的方式形成。另外，第二固定电极16b的梳齿部分17b和第二可动电极13b的梳齿部分14b也以啮合的方式形成。此外，设置于第一固定电极16a、第二固定电极16b、第一可动电极13a以及第二可动电极13b的梳齿的数量以及配置不限于图示的例子。

在第一固定电极16a中的与第一可动电极13a对置的面的表面附近形成驻极体。在第二固定电极16b中的与第二可动电极13b对置的面的表面附近也形成驻极体。在第一固定电极16a的梳齿部分17a以及第二固定电极16b的梳齿部分17b设置具有固定电荷的驻极体。在梳齿部分17a以及梳齿部分17b的每一个例如形成具有负的固定电荷的氧化膜作为驻极体膜(层)。第一固定电极16a以及第二固定电极16b分别为进行了驻极体化的电极，半永久地带电。此外，如图中记号“-”所示意性地表示的那样，第一固定电极16a以及第二固定电极16b分别为整体带负电的状态。

在第一固定电极16a与第一可动电极13a之间形成电容(静电电容)。另外，在第二固定电极16b与第二可动电极13b之间也形成静电电容。此外，也可以在第一固定电极16a以及第二固定电极16b设置具有正电荷的驻极体。另外，也可以在第一可动电极13a以及第二可动电极13b设置具有正电荷或负电荷的驻极体。

保持部18构成为具有弹性，保持(支承)可动部12。保持部18例如使用与第一固定电极16a、第二固定电极16b、第一可动电极13a以及第二可动电极13b相同的材料(例如硅)，以具有挠性的方式形成。可动部12为被保持部18弹性地支承的状态，能够沿X轴方向移动(振动)。此外，保持部18可以使用金属材料构成，也可以使用具有挠性的其他材料构成。

振动发电元件10能够与被从振动发电元件10供给电力而进行动作的部件(电路)连接。振动发电元件10能够与将由振动发电元件10发电的交流转换为直流的转换部、蓄电部(电容器、电池等)、以及对电压进行变压的变压部(降压电路、升压电路等)等连接。在图1所示的例子中，振动发电元件10与转换部20、蓄电部30以及变压部40电连接。

当从外部向振动发电元件10施加振动时，在保持部18产生挠曲(弹性变形)，可动部12沿X轴方向振动，并且产生第一可动电极13a以及第二可动电极13b的位移。第一可动电极13a以及第二可动电极13b相对于第一固定电极16a以及第二固定电极16b振动，由此，第一可动电极13a与第一固定电极16a的位置关系变化，第二可动电极13b与第二固定电极16b的位置关系也变化。随着可动部12在X方向的移动，第一可动电极13a的梳齿部分14a相对于第一固定电极16a的梳齿部分17a沿X方向分离以及接近。另外，第二可动电极13b的梳齿部分14b相对于第二固定电极16b的梳齿部分17b沿X方向分离以及接近。

第一可动电极13a的位置变化，由此，第一可动电极13a与第一固定电极16a的间隔(距离)变化，第一可动电极13a的梳齿部分14a中的与第一固定电极16a的梳齿部分17a对置的区域的面积变化。根据该面积的变化，第一可动电极13a以及第一固定电极16a的静电电容(的大小)变化，因第一固定电极16a的驻极体在第一可动电极13a中感应的电荷量变化。该情况下，在第一固定电极16a和与第一固定电极16a电连接的外部的电路之间产生电荷的移动。在图1以及图2所示的连接部分(布线、端子等)W1中产生电荷的移动，在第一固定电极16a以及外部电路间产生电流。

另外，第二可动电极13b的位置变化，由此，第二可动电极13b与第二固定电极16b的间隔变化，第二可动电极13b的梳齿部分14b中的与第二固定电极16b的梳齿部分17b对置的区域的面积变化。根据该面积的变化，第二可动电极13b以及第二固定电极16b的静电电容变化，因第二固定电极16b的驻极体在第二可动电极13b中感应的电荷量变化。该情况下，在第二固定电极16b和与第二固定电极16b电连接的外部电路之间产生电荷的移动。在图1和图2所示的连接部分(布线、端子等)W2中产生电荷的移动，在第二固定电极16b和外部电路间产生电流。

第一可动电极13a及第一固定电极16a间的静电电容和第二可动电极13b及第二固定电极16b间的静电电容以相反相位变化。第一可动电极13a及第一固定电极16a间的静电电容变动，由此，在第一固定电极16a及外部电路间流过交流电流，进行发电。另外，第二可动电极13b及第二固定电极16b间的静电电容变动，由此，在第二固定电极16b及外部电路间流过交流电流，进行发电。

这样，在本实施方式的发电装置1中，能够利用因振动而产生的静电电容的变化来生成交流电力。振动发电元件10在第一可动电极13a及第一固定电极16a间、以及第二可动电极13b及第二固定电极16b间分别进行发电，因此，能够使发电量增加。能够将振动能量高效地转换为电能，能够提高发电效率。

图1所示的转换部20构成为包含2个整流部(整流元件)21，具有将交流转换为直流的功能。转换部20是将交流转换为直流的整流电路。2个整流部21(第一整流部21a、第二整流部21b)分别由二极管构成。转换部20设置在第一输出部25与第二输出部26之间，与振动发电元件10电连接。转换部20将来自振动发电元件10的交流电流(电压)转换为直流。此外，整流部21可以使用MOS晶体管构成，也可以使用双极晶体管构成。

第一输出部25和第二输出部26是输出通过振动发电元件10的发电而得到的电压(电流)的部分(布线、端子等)。经由第一输出部25以及第二输出部26向发电装置1的外部(在图1中为蓄电部30、变压部40)供给电力。此外，如图1所示，第二输出部26以及布线W2与接地线(地线)连接。第二输出部26以及布线W2的电位为相对于第一输出部25以及布线W1各自的电位的基准电位(接地电位)。

蓄电部30设置在第一输出部25与第二输出部26之间，被供给由振动发电元件10生成的电力。蓄电部30通过由振动发电元件10发电的电力而被充电，对电力进行蓄电(蓄积)。在图1所示的例子中，蓄电部30构成为包含电容器C。电容器C的一端与第一输出部25连接，被赋予通过发电而得的电位。电容器C的另一端与第二输出部26和布线W2连接，被赋予基准电位。蓄电部30也是使由振动发电元件10输出的电压平滑的平滑部。此外，发电装置1也可以构成为包含蓄电部30。

变压部40对经由第一输出部25以及第二输出部26输入的电压进行变压并输出。变压部(变压电路)40是在实际使用时与振动发电元件10组合使用的部件，在实际使用时作为负载进行动作。变压部40例如是降压电路，由DC-DC转换器等构成。降压电路能够输出对电容器C的电压进行了降压的电压。作为变压部40使用的部件考虑从振动发电元件10输出的电压以及电流的大小等来选定。此外，发电装置1也可以构成为包含变压部40。

在图1所示的例子中，第一整流部21a使用二极管D1构成。二极管D1的一个电极即阳极(端子)与振动发电元件10的第一固定电极16a和第二可动电极13b电连接。第一固定电极16a和第二可动电极13b都与布线W1电连接，相互电连接。另外，二极管D1的阳极也与第二整流部21b电连接。

二极管D1的另一个电极即阴极(端子)与振动发电元件10的第二固定电极16b和第一可动电极13a电连接。第二固定电极16b和第一可动电极13a都与布线W2电连接，相互电连接。另外，二极管D1的阴极经由第二输出部26与电容器C的另一端以及变压部40连接。二极管D1的阴极的电位为接地电位。

第二整流部21b使用二极管D2构成。二极管D2的阴极与振动发电元件10的第一固定电极16a和第二可动电极13b电连接。另外，二极管D2的阴极也与第一整流部21a电连接。二极管D2的阳极经由第一输出部25与电容器C的一端以及变压部40连接。

这样，本实施方式的发电装置1具有相互电分离的第一可动电极13a及第二可动电极13b。第一固定电极16a与第二可动电极13b电连接，第二固定电极16b与第一可动电极13a电连接。第一固定电极16a和第一可动电极13a的第一对(组)与第二固定电极16b和第二可动电极13b的第二对为并联连接的状态。

图3A以及图3B是用于对实施方式的发电装置的动作的一例进行说明的图。在图3A以及图3B中，示意性地示出了在可动部12相对于第一固定电极16a和第二固定电极16b沿X方向振动的情况下在发电装置1中产生的电流。图3A表示可动部12沿+X方向移动的情况，图3B表示可动部12沿-X方向移动的情况。

在图3A所示的状态下，随着可动部12在+X方向的移动，第一可动电极13a的梳齿部分14a与第一固定电极16a的梳齿部分17a对置的部分的面积变大。另外，第二可动电极13b的梳齿部分14b与第二固定电极16b的梳齿部分17b对置的部分的面积变小。因此，第一可动电极13a与第一固定电极16a的静电电容变大，第二可动电极13b与第二固定电极16b的静电电容变小。

第一可动电极13a和第一固定电极16a间的静电电容增加，因此，因第一固定电极16a的驻极体在第一可动电极13a中感应的正电荷的量增加。另外，第二可动电极13b和第二固定电极16b间的静电电容减少，因此，因第二固定电极16b的驻极体在第二可动电极13b中感应的正电荷的量减少。此时，经由布线W1以及布线W2，负电荷(电子)欲从第二固定电极16b以及第一可动电极13a朝向第一固定电极16a以及第二可动电极13b移动，第一整流部21a的二极管D1为导通状态(正向偏置状态)。第二整流部21b的二极管D2为截止状态(反向偏置状态)。第一整流部21a为接通状态，由此，如图3A中空心箭头所示，流过电流。

另一方面，在图3B所示的状态下，随着可动部12在-X方向的移动，第一可动电极13a的梳齿部分14a与第一固定电极16a的梳齿部分17a对置的部分的面积变小，第二可动电极13b的梳齿部分14b与第二固定电极16b的梳齿部分17b对置的部分的面积变大。因此，第一可动电极13a与第一固定电极16a的静电电容变小，第二可动电极13b与第二固定电极16b的静电电容变大。

第一可动电极13a和第一固定电极16a间的静电电容减少，因此，在第一可动电极13a中感应的正电荷的量减少。另外，第二可动电极13b和第二固定电极16b间的静电电容增加，因此，在第二可动电极13b中感应的正电荷的量增加。此时，经由布线W1，负电荷欲从第一固定电极16a以及第二可动电极13b朝向与第一输出部25连接的电容器C的一端以及变压部40侧移动，第二整流部21b为接通状态。另外，经由布线W2，从与第二输出部26连接的电容器C的另一端以及变压部40侧朝向第二固定电极16b以及第一可动电极13a产生负电荷的移动。第一整流部21a为断开状态。

该图3B的情况下，如图中的空心箭头所示流过电流。在第一输出部25和第二输出部26间，流过与第一可动电极13a和第一固定电极16a间的静电电容的变化对应的电流、以及与第二可动电极13b和第二固定电极16b间的静电电容的变化对应的电流。输出由第一固定电极16a和第一可动电极13a的第一对的发电而得的电流、由第二固定电极16b和第二可动电极13b的第二对的发电而得的电流合并后的电流。

这样，本实施方式的发电装置1输出通过相互并联连接的2个电极对的发电而得的电流和电压。因此，在本实施方式中，与第一可动电极13a和第二可动电极13b没有电分离的情况相比，能够向变压部40供给大致2倍大小的电流。另外，与第一对和第二对串联连接的情况相比，能够向变压部40供给大致一半大小的电压。

若从振动发电元件10输出的电压过高，则作为后级的变压部40需要高耐压的部件，部件的选定变得困难。另外，部件变得昂贵，发电装置1的制造成本可能增大。另一方面，在本实施方式中，如上所述，能够使从振动发电元件10输出的电压降低，使输入到后级的电路的电压降低。因此，能够避免作为后级的电路使用的部件的选定变得困难。另外，能够防止发电装置1的制造成本增大。

图4是用于对由实施方式的发电装置进行的处理进行说明的图。在图4中，在同一时间轴表示可动部12的振幅x(图4的(a))和第一输出部25的电压Vo(图4的(b))。在图4的(a)中，纵轴表示可动部12的X轴方向的振幅(移动量)。在图4的(b)中，纵轴表示电压的大小。电压Vo是经由第一输出部25施加到电容器C的一端以及变压部40的电压。

如使用图3A和图3B所述，在发电装置1中，在可动部12的振幅x为正值的情况下，即在可动部12沿+X方向移动的情况下和在可动部12的振幅x为负值的情况下，即在可动部12沿-X方向移动的情况下，产生电流的方向改变的交流电流。在可动部12沿+X方向移动的情况下，二极管D1为导通状态，二极管D2为截止状态。在可动部12沿-X方向移动的情况下，二极管D1为截止状态，二极管D2为导通状态。

在图4的(a)以及图4的(b)所示的从时刻t1到时刻t2的期间，随着可动部12在+X方向的移动，二极管D1为导通状态，二极管D2为截止状态。该情况下，经由二极管D1，从第一固定电极16a以及第二可动电极13b侧向第二固定电极16b以及第一可动电极13a侧流过电流。

在从时刻t2到时刻t3的期间，随着可动部12在-X方向的移动，二极管D2为导通状态，二极管D1为截止状态。该情况下，经由二极管D2、第一输出部25以及第二输出部26，从第二固定电极16b以及第一可动电极13a侧向第一固定电极16a以及第二可动电极13b侧流过电流。将通过第一可动电极13a以及第一固定电极16a的发电而得的电流和通过第二可动电极13b以及第二固定电极16b的发电而得的电流合并而得的电流输出到蓄电部30以及变压部40。由此，进行对电容器C的充电，如图4的(b)中粗线所示，电压Vo的值(电平)变大。此外，在图4所示的例子中，电压Vo为负值。

在时刻t3～时刻t4的期间，与时刻t1～时刻t2的期间的情况同样地，根据可动部12在+X方向的移动，在发电装置1中流过电流。该情况下，如上所述，二极管D2为截止状态。因此，电容器C中蓄积的电荷得以保持，能够抑制电压Vo的降低。

在时刻t4～时刻t5的期间，与时刻t2～时刻t3的期间的情况同样地，根据可动部12在-X方向的移动，在发电装置1中流过电流。该情况下，进行对电容器C的充电，电压Vo的值变大。向变压部40供给通过振动发电元件10的发电而被充电的电容器C的电压Vo。

这样，本实施方式的发电装置1通过第一固定电极16a和第一可动电极13a的第一对、以及第二固定电极16b和第二可动电极13b的第二对进行发电。因此，发电装置1能够高效地进行发电。另外，通过电并联连接的2个电极对进行发电，因此，能够使向发电装置1的外部供给的电压降低，并且能够使向发电装置1的外部供给的电流增加。能够降低从振动发电元件10输出的电压与电流之比，即阻抗(输出阻抗)。因此，能够避免作为变压部40使用的部件的选定变得困难。

另外，在本实施方式的发电装置1中，通过2个二极管D1、D2进行整流。因此，与使用多个二极管进行整流的情况相比，能够抑制二极管中的电力的损失，能够提高发电效率。另外，能够防止发电装置1的制造成本增大。

此外，在上述中，对转换部20的结构例进行了说明，但只不过是一例，转换部(整流电路)20的结构不限于上述的例子。转换部20的结构能够适当变更，例如，也可以是具有3个以上的二极管的结构。作为转换部20，也可以使用将4个二极管配置成桥型的整流电路。

根据上述的实施方式，能够获得以下的作用效果。

(1)发电元件(振动发电元件10)是通过振动进行发电的发电元件，具有：第一电极(第一固定电极16a)和第二电极(第二固定电极16b)；部件(可动部12)，其设置于第一电极和第二电极之间，具有与第二电极电连接且与第一电极对置的第三电极(第一可动电极13a)、和不与第三电极电连接而相对性地固定于第三电极且与第一电极电连接并与第二电极对置的第四电极(第二可动电极13b)；以及驻极体，其设置于第一电极和第三电极中的一个、以及第二电极和第四电极中的一个。因此，本实施方式的振动发电元件10能够高效地进行发电。另外，通过并联连接的2个电极对进行发电，因此，能够降低输出阻抗。由此，能够避免与振动发电元件10连接的部件的选定变得困难。

(2)发电装置1具有发电元件(振动发电元件10)和将由发电元件发电的交流转换为直流的转换部20。转换部20具有：第一整流部21a，其具有与第一电极以及第四电极电连接的电极(阳极)和与第二电极以及第三电极电连接的电极(阴极)；以及第二整流部21b，其具有与第一电极以及第四电极电连接的电极(阴极)和与输出部(第一输出部25)电连接的电极(阳极)。本实施方式的发电装置1通过2个二极管进行整流，因此，与通过多个二极管进行整流的情况相比，能够抑制发电装置1内的电力的损失，能够提高发电效率。另外，能够防止发电装置1的制造成本增大。

以下，参照附图对变形例进行说明。此外，图中，对与上述的实施方式相同或相当的部分标注相同的参照编号，主要对与上述的实施方式的不同点进行说明。

图5是表示变形例的发电装置的结构例的图。在图5所示的例子中，转换部20的二极管D1的阳极与振动发电元件10的第一固定电极16a以及第二固定电极16b电连接。第一固定电极16a和第二固定电极16b都与布线W1电连接，相互电连接。二极管D1的阴极与振动发电元件10的第一可动电极13a和第二可动电极13b电连接。第一可动电极13a和第二可动电极13b都与布线W2电连接，相互电连接。转换部20的二极管D2的阴极与第一固定电极16a、第二固定电极16b以及二极管D1的阳极电连接。

另外，在本变形例中，第一固定电极16a以及第二可动电极13b分别设置具有负电荷的驻极体，为进行了驻极体化的电极。此外，也可以在第一固定电极16a以及第二可动电极13b设置具有正电荷的驻极体。也可以在第二固定电极16b以及第一可动电极13a设置具有正电荷或者负电荷的驻极体。

在本变形例的情况下，第一固定电极16a和第一可动电极13a的第一对与第二固定电极16b和第二可动电极13b的第二对也为并联连接的状态。发电装置1能够通过电并联连接的2个电极对进行发电，能够降低向发电装置1的外部供给的电压。因此，能够降低输出阻抗，能够防止与振动发电元件10连接的部件的选定变得困难。

以上，对各种实施方式及变形例进行了说明，但本发明并不限定于这些内容。在本发明的技术思想的范围内考虑的其他方式也包含在本发明的范围内。

符号说明

1 发电装置

10 发电元件

12 可动部

13a 第一可动电极

13b 第二可动电极

15 绝缘部

16a 第一固定电极

16b 第二固定电极

20 转换部

21a 第一整流部

21b 第二整流部

25 第一输出部

26 第二输出部

30 蓄电部

40 变压部。