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エレクトレット微小発電装置 コモンズ

国内特許コード P110004904
整理番号 P20070085
掲載日 2011年8月18日
出願番号 特願2007-270675
公開番号 特開2009-077614
登録番号 特許第5487493号
出願日 平成19年9月18日(2007.9.18)
公開日 平成21年4月9日(2009.4.9)
登録日 平成26年3月7日(2014.3.7)
発明者
  • 岡本 洋
  • 桑野 博喜
出願人
  • 国立大学法人東北大学
発明の名称 エレクトレット微小発電装置 コモンズ
発明の概要 【課題】超小型のエレクトレット機械電気エネルギー変換素子からの出力電力を効率よく整流し低損失に貯蔵するマイクロ振動発電装置を実現する。
【解決手段】本発明においては、一般に電圧および電流が微小なマイクロエレクトレット機械電気エネルギー変換素子の出力を効率よく整流して蓄積する方式を実現する。そのために、第一にエレクトレット機械電気エネルギー変換素子の出力と半導体整流回路の入力電圧レベルを整合させるために、エレクトレット機械電気エネルギー変換装置EC1、2、3の直列化ならびに、整流回路素子RD1、2およびそれらへの配線経路の極小化と整流回路の集積化による浮遊容量の極小化により高効率エネルギー伝達を実現する。第二に、電流の向きの情報を機械電気エネルギー変換素子から配線SLを介して伝送し、整流素子の制御に使用して更に効率的な整流動作を実現する。整流された電流はエネルギー貯蔵デバイスESに導かれる。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要



環境中の振動から発電する技術の歴史は古く、特筆すべき例としては自動巻き発電ウォッチがある(例えば、非特許文献1参照)。これは1センチメートル程度の規模の振動発電装置であり、扱う電圧電流はそれぞれ1V、1マイクロアンペア程度である。このような電力規模においては周知のダイオードによる半波整流によってコンデンサーへの充電が実用になる。





これをもとに複数のコンデンサーを半導体スイッチを使ってつなぎ変えることにより昇圧回路を形成して時計回路を駆動する方式が実用に供されている(例えば、非特許文献2参照)。また、整流回路そのものに関しては医療用インプラントデバイスや分散したセンサーノードのための発電に供する目的でダイオードの代わりにFET(Feild Effect Transistor)を使用した低損失の整流回路が周知である(例えば、特許文献1参照)。一方で、超低電力デバイス研究が進展する中で(例えば、非特許文献3参照)、低出力であるが超小型の振動発電装置の潜在的需要が発生し、特にエレクトレット機械電気エネルギー変換素子における研究が他のピエゾエレクトリック材料を用いた素子の研究などとともに進展している(例えば、非特許文献4参照)。





【非特許文献1】

本時計学会誌,No.120,1987年の第40~48ページ

【非特許文献2】

本時計学会誌,No.126,1988年の第28~40ページ

【非特許文献3】

ature、Vol,445,2007年の第745~748ページ

【非特許文献4】

roceedings of the 23rd Sensor Symposium,2006年の第521~524ページ





【特許文献1】

国特許第5,999,849号

産業上の利用分野


本発明は振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置に係り、特にMEMS(Micro Electromechanical Systems)技術に代表されるような技術によって製造される微小な発電装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
幅3mm以下の複数のエレクトレット膜ストライプを有する一辺1cm以下、共振周波数100Hz以上のマイクロ振動子と、
前記ストライプに対向する電極対を有し、
整流回路の半導体素子の動作に必要な0.2V以上の電圧を生成するために前記各電極対を3個以上直列接続した直列電極回路と、
該直列電極回路の一方の端を出力コンデンサーの一端と接続し、
整流回路の半導体素子の動作に必要な0.2V以上の電圧を生成し、かつ10メガオーム以上の高いゼロバイアスインピーダンスの整流回路に100Hz以上100kHz以下の周波数で電流を供給するために浮遊容量ひいては時定数を最小化するため前記直列電極回路の他方の端を前記整流回路の入力端子に5mm以下の距離で接続し、
前記整流回路の出力端子を前記出力コンデンサの他方の端と接続し、
前記電極間ギャップ面積と前記電極の面積との和に対する、前記電極間ギャップ面積の比が3%以上であることを特徴とするエレクトレット振動発電装置。

【請求項2】
請求項1に記載のエレクトレット振動発電装置において、
シリコン基板上に作成された前記電極対と、
前記整流回路として、前記シリコン基板上の5mm平方の面積内に作成された漏れ電流の小さな微小接合断面積のpn接合型あるいはショットキー型の2個または4個のダイオードと
を有することを特徴とするエレクトレット振動発電装置。

【請求項3】
請求項1から請求項2のいずれか1項に記載のエレクトレット振動発電機において、前記エレクトレット膜ストライプが前記マイクロ振動子の表面のうち2面以上に作成された前記マイクロ振動子を有することを特徴とするエレクトレット振動発電装置。

【請求項4】
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のエレクトレット振動発電機において、エレクトレット膜ストライプが酸化シリコン膜あるいはポリマー製エレクトレット材料で作成されていることを特徴とするエレクトレット振動発電装置。

【請求項5】
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の前記マイクロ振動子が反磁性材料および永久磁石との組み合わせにより反磁性浮上していることを特徴とするエレクトレット振動発電装置。

【請求項6】
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の前記マイクロ振動子上に作成された一個あるいは複数のFET制御エレクトレット膜ストライプと、
前記FET制御エレクトレット膜ストライプそれぞれに対向するFET制御電極対とを有し、前記FET制御電極対それぞれの片方を接地し、他方を5mm以下の距離でFETのゲート端子に接続し、
そのことによって前記整流回路中において前記FET素子が10pA以下の漏れ電流を有する整流素子として機能することを特徴とするエレクトレット振動発電装置。
国際特許分類(IPC)
画像

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JP2007270675thum.jpg
出願権利状態 登録
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