CN102474203B - 静电感应型发电装置 - Google Patents
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
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Abstract
本发明提供一种提高发电效率的静电感应型发电装置。静电感应型发电装置(100)具有：第1基板(10)和第2基板(20)，它们构成为在保持彼此相对的状态的同时能够相对移动；驻极体(13)，其设置在第1基板(10)上；以及第1电极(21)和第2电极(22)，它们设置在第2基板(20)的与驻极体(13)相对的面一侧，该静电感应型发电装置通过驻极体(13)与第1电极(21)之间的静电电容以及驻极体(13)与第2电极(22)之间的静电电容分别发生变化，来输出电力，其特征在于，在第1电极(21)与第2电极(22)之间设置有使这些电极之间的静电电容减小的结构。
Description
技术领域
本发明涉及静电感应型发电装置。
背景技术
以往公知有如下的静电感应型发电装置，该静电感应型发电装置具有一对基板，这一对基板构成为在保持彼此相对的状态下能够相对移动，在一对基板中的一个基板上并列地配置有多个驻极体，在另一个基板上并列地配置有以一对电极为一组的多组电极。根据该装置，通过一对基板的相对移动，一对电极中的一个电极与驻极体之间的静电电容以及另一个电极与驻极体之间的静电电容分别发生变化，因此该变化量输出为电力。
这里，一对电极均是由同一材料构成的同一结构，并且在使一对基板以固定振动频率f振动的方式相对移动(往返移动)的情况下，根据Boland等，最大输出电力Pmax为：Pmax＝σ2nA2πf÷[(εeε0/d)×((εeg/d)+1)]。以下，将该算式称为式1。
其中，σ为一对电极的表面电荷密度，n为“一对基板的振幅÷驻极体的间距”，A为驻极体与电极相互重叠的最大面积，εe为驻极体的相对介电常数，d为驻极体的厚度，ε0为真空介电常数，g为一对基板的间隔。
根据式1，为了提高输出电力，增大n即可。即，增大一对基板的振幅，或者减小驻极体的间距即可。但是，在要求装置小型化的情况下，增大一对基板的振幅存在极限。在这种情况下，通过减小驻极体的间距，根据式1，能够增大输出电力。
但实际上已经确认的是，即使减小驻极体的间距也无法按照计算式那样增大输出电力。作为其原因报告了以下情况：在装置的某部位中产生了寄生电容，该寄生电容是使发电效率降低的原因(参照非专利文献1)。但是，尚未明确哪个部位的寄生电容是使发电效率降低的原因。
另外，作为关联技术，有专利文献1-3所公开的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-161036号公报
专利文献2：日本特开2009-77614号公报
专利文献3：日本特开2008-252847号公报
非专利文献
非专利文献1：T.Tsutsumino，Y.suzuki，N.kasagi，K.Kashiwagi，and Y.Morizawa“Micro Seismic Electret Generator for Energy Harvesting”The Sixth InternationalWorkshop and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications；Power MEMS2006，November 29-December1，2006，Berkeley，U.S.A
发明内容
发明所要解决的问题
本发明的目的在于，提供一种提高发电效率的静电感应型发电装置。
用于解决问题的手段
本发明的发明者们潜心研究并反复实验，结果查明了作为降低发电效率的主要原因的寄生电容的发生部位。根据一般的技术常识性见解，在一对基板之间的某部位产生寄生电容，这被认为是降低发电效率的主要原因。另一方面，在同一基板上设置的电极之间，通常还利用薄膜来构成电极，即使在这些电极之间产生了寄生电容，也被认为可以忽视。但是，本发明的发明者们却查明了这些电极之间产生的寄生电容是使发电效率下降的主要原因。
因此，本发明采用使相关电极间的静电电容降低的结构。
具体说来，本发明的静电感应型发电装置具有：
第1基板和第2基板，它们构成为在保持彼此相对的状态的同时能够相对移动；
驻极体，其设置在第1基板上；以及
第1电极和第2电极，它们设置在第2基板的与所述驻极体相对的面一侧，
随着第1基板与第2基板之间的相对位置的变化，所述驻极体与第1电极之间的位置关系以及所述驻极体与第2电极之间的位置关系分别发生变化，由此所述驻极体与第1电极之间的静电电容以及所述驻极体与第2电极之间的静电电容分别发生变化，从而输出电力，其特征在于，
在第1电极与第2电极之间设置有使这些电极之间的静电电容减小的结构(在第2基板上不仅仅只设置第1电极和第2电极，还有反复研究以使这些电极之间的静电电容减小的结构)。
根据本发明，在第1电极与第2电极之间设置有降低这些电极之间的静电电容的结构，因此能够降低在这些电极之间产生的寄生电容。因此，能提高发电效率。
为了降低电极间的静电电容，可以考虑增加电极间的距离，或者降低电极间的介电常数。但是，在实现装置小型化等的情况下，使电极间的距离增加存在极限。
因此，使所述静电电容减小的结构可以是设置在第1电极与第2电极之间的、使这些电极之间的介电常数降低的结构。
这里，作为降低电极之间的介电常数的结构可以采用以下结构。
即，采用以下结构：在第2基板的第1电极与第2电极之间的部分设置有贯通孔，由此降低这些电极之间的介电常数。
此外，也可以采用以下结构：在第2基板的第1电极与第2电极之间的部分设置有凹部，由此降低这些电极之间的介电常数。
进而，还可以采用以下结构：在第2基板与第1电极之间以及第2基板与第2电极之间，分别设置有由相对介电常数比第2基板低的材料构成的层，由此降低第1电极与第2电极之间的介电常数。另外，该结构也可以与上述两个结构组合。
另外，还优选第2基板侧的与第1基板相对的面一侧被绝缘膜覆盖。由此，能够抑制从驻极体放电。
发明的效果
如以上说明的那样，根据本发明能提高发电效率。
附图说明
图1是本发明实施方式的静电感应型发电装置的概略结构图。
图2是说明本发明实施方式的静电感应型发电装置的发电原理的图。
图3是示出本发明实施方式的静电感应型发电装置的输出电压的图。
图4是说明静电感应型发电装置中产生寄生电容的图。
图5是静电感应型发电装置中产生了寄生电容时的等价电路图。
图6是示出本发明实施例1的降低静电电容的结构的示意性剖视图。
图7是示出本发明实施例2的降低静电电容的结构的示意性剖视图。
图8是示出本发明实施例3的降低静电电容的结构的示意性剖视图。
图9是示出本发明实施例4的降低静电电容的结构的示意性剖视图。
图10是示出本发明实施例5的降低静电电容的结构的示意性剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图示意地详细说明用于实施本发明的方式。其中，对于在以下实施方式及实施例中记载的构成部件的尺寸、材质、形状及其相对配置等，只要不做特定的描述，则本发明的范围不限于此。
(实施方式)
<静电感应型发电装置的整体结构>
参照图1说明本发明实施方式的静电感应型发电装置的整体结构。这里，图1(a)是本发明实施例的静电感应型发电装置整体的示意性剖视图。此外，图2(b)是以下说明的关于第2基板的结构的概略结构图。其中，该图相当于从上表面一侧观察第2基板而得到的图。本发明实施方式的静电感应型发电装置100具备框体110、设置在框体110内部的第1基板10和第2基板20。
第1基板10由保持部件11保持。该保持部件11的一端固定于框体110的内壁面侧，另一端由固定于保持部件11的一对弹簧12支撑。由此，保持部件11可以在图1(a)中的左右方向上移动(振动)，第1基板10也与保持部件11一起移动(振动)。
第1基板10与第2基板20配置成彼此相对。第1基板10构成为在保持与第2基板20相对的状态的同时进行移动。即，第1基板10和第2基板20构成为在保持彼此相对的状态的同时能够相对移动。另外，在本实施方式中示出了构成为第1基板10能移动的情况，但也可以构成为第2基板20能移动，也可以构成为两者都能移动。
在第1基板10的与第2基板20的相对面一侧，交替并列地配置有分别形成在导体上的多个驻极体13以及均接地的多个屏蔽电极(guard electrode)14。在本实施方式中，驻极体13构成为半永久地保持负电荷。
此外，在第2基板20的与第1基板10的相对面一侧，并列地配置有以一对电极(称为第1电极21和第2电极22)为一组的多组电极。各组所具备的多个第1电极21相互电连接，并且多个第2电极22也电连接。在本实施方式中，通过采用梳齿状电极，将多个第1电极21和第2电极22分别电连接(参照图1(b))。并且，经由与多个第1电极21电连接的第1电极片21a以及与多个第2电极22电连接的第2电极片(electrode pad) 21b，与负荷30电连接，该负荷30被供给通过发电得到的电力。
而且，在本实施方式的静电感应型发电装置100中，在第1电极21与第2电极22之间，设置有使这些电极间的静电电容降低的结构(以下称为降低静电电容的结构23)。
<静电感应型发电装置的发电原理>
参照图2和图3说明本发明实施方式的静电感应型发电装置的发电原理。
由于第1基板10的移动，第1基板10与第2基板20的相对位置关系发生变化。伴随于此，驻极体13与第1电极21之间的位置关系以及驻极体13与第2电极22之间的位置关系也分别变化。图2(a)示出了驻极体13的整个表面与第1电极21的整个表面相对的状态，即，驻极体13与第2电极22完全不相对的状态。图2(b)示出了驻极体13与第1电极21完全不相对的状态，即，驻极体13的一部分与第2电极22的一部分相对的状态。图2(c)示出了驻极体13的整个表面与第2电极22的整个表面相对的状态，即，驻极体13与第1电极21完全不相对的状态。
在图2(a)所示的状态下，驻极体13与第1电极21之间的静电电容最大。此时，还会存在驻极体13与第2电极22之间的静电电容。并且，在图2(c)所示的状态下，驻极体13与第2电极22之间的静电电容最大。此时，还会存在驻极体13与第1电极21之间的静电电容。这样，通过第1基板10的移动，驻极体13与第1电极21之间的静电电容以及驻极体13与第2电极22之间的静电电容分别发生变化。
图2(b)示出了从图2(a)所示的状态向图2(c)所示的状态过渡的中途状态。在该过渡过程中，驻极体13与第1电极21之间的静电电容降低，驻极体13与第2电极22之间的静电电容上升。因此，由于第1电极21和第2电极22经由负荷30电连接，因此正电荷从第1电极21向第2电极22移动，由此产生电力。
图3示出在图2(a)所示的状态与图2(c)所示的状态以一定周期交替变动(第1基板10以一定周期振动(往返移动))的情况下，输出电压V相对于经过时间t的变动的曲线图。图中，t1相当于图2(a)所示状态的时刻，t2相当于图2(c)所示状态的时刻。
这里，如图3所示，优选输出电压描绘以高电压和低电压的中心为0(V)的曲线，以得到稳定的输出电压。在本实施方式中，通过设置屏蔽电极14，可以使输出电压的高电压和低电压的中心为0(V)。即，例如如图2(a)所示，在驻极体13与第1电极21相对、并且接地的屏蔽电极14与第2电极22相对的状态下，根据基尔霍夫法则，第2电极22的电位为0(V)。在图2(c)的状态中，成为第1电极21与屏蔽电极14(该图中省略)相对的状态，第1电极21的电位为0(V)。因此，可以得到如图3所示的输出电压的曲线，能得到稳定的输出电压。
<寄生电容>
参照图4和图5，说明寄生电容。如在背景技术中说明的那样，根据式1，通过缩小驻极体的间距并增大n应该能提高输出电力，但实际上并不能如式1那样提高输出电压。其原因是由于装置的某部位中产生的寄生电容，但尚未知晓是哪个部位产生的寄生电容是使发电效率降低的主要原因。本发明的发明者们潜心研究并反复实验，结果查明了在第1电极21与第2电极22之间产生的寄生电容是使发电效率降低的主要原因。
即，根据一般技术常识性见解，由于静电感应型发电装置中设置在第2基板20上的第1电极21和第2电极22由厚度较薄(例如1μm以下)的膜构成，因此即使在这些电极之间产生了寄生电容，也被认为可以忽视。但发现，实际上该寄生电容是使发电效率降低的主要原因。
在图4中示出了在不具备降低静电电容的结构23的现有结构中，驻极体13与第1电极21相对并且屏蔽电极14与第2电极22相对的状态。如该图4中箭头P所示的那样，设想电荷如下分布：在第1电极21的靠第2电极22侧的侧面上聚集负电荷，在第2电极22的靠第1电极21侧的侧面上聚集正电荷。
图5示出了图4所示状态的静电感应型发电装置的等价电路图。图中，C1和R1分别相当于驻极体13与第1电极21之间的静电电容和电阻，C2和R2分别相当于驻极体13与第2电极22之间的静电电容和电阻，C3和R3分别相当于第1电极21与第2电极22之间的静电电容和电阻，R4相当于负荷30的电阻。另外，输出电力由负荷30中的电阻R4消耗。
根据该等价电路图可知，静电电容C3越大，被电阻R4消耗的电力越小。即，发电效率降低。
作为一例，在设电极尺寸(如上述图1(b)所示，与配置有多个电极的区域Z相当的部分的横向和纵向的长度)为20×20mm、电极的线宽(图4中第1电极21和第2电极22的左右方向的距离)为300μm、第1电极21与第2电极22之间的间隔为20μm、第1电极21和第2电极22的膜厚为0.4μm、第1基板10与第2基板20之间的间隔为100μm、第2基板20的相对介电常数为4.7的静电感应型发电装置中，测定图4所示的状态下各部分的静电电容。
作为测定结果，驻极体13与第1电极21之间的静电电容(相当于上述的C1)是20pF，驻极体13与第2电极22之间的静电电容(相当于上述的C2)是15.8pF，第1电极21与第2电极22之间的静电电容(相当于上述的C3)是75pF。
因此，ΔC＝20pF-15.8pF＝4.2pF，ΔC/20pF＝0.21，可知，相对于根据上述式1求出的发电量，仅取出21％的电力。
这里，在本实施方式中，如上所述在第1电极21与第2电极22之间设置降低静电电容的结构23。由此，可以降低作为使发电效率降低的主要原因的寄生电容的静电电容C3，能够提高发电效率。
这里，静电电容C3用来表示。其中，ε为第1电极21与第2电极22之间的介电常数，D为第1电极21与第2电极22之间的间隔，a为第1电极21和第2电极22的膜厚的一半(1/2)，L为第1电极21和第2电极22相对的区域的全长(在图1(b)所示结构的情况下，相当于单点划线部分的全长)。
根据该式可知，为了降低作为寄生电容的静电电容C3，使第1电极21与第2电极22之间的介电常数ε降低，或者扩大第1电极21与第2电极22之间的间隔即可。但是在后者的情况下，在上述式1中，若设一对基板的振幅为恒定，由于n变小，因此意义不大。此外，在要求装置小型化的情况下，扩大第1电极21与第2电极22之间的间隔毕竟存在极限。因此，作为降低静电电容的结构23，优选采用使第1电极21与第2电极22之间的介电常数ε降低的结构。
这里，随着存在于连接第1电极21和第2电极22的区域上的物体的相对介电常数越低，第1电极21与第2电极22之间的介电常数ε越低。此外，在连接第1电极21和第2电极22的区域上，存在由空气或真空构成的空间，该空间越大，则上述介电常数ε越低。以下说明几个用于实现这些方式的具体实施例。
(实施例1)
参照图6说明本发明实施例1的降低静电电容的结构。在本实施例中，在第2基板20的第1电极21与第2电极22之间的部分设置有贯通孔23a。由此，在第1电极21与第2电极22之间形成较大的空间(由空气或真空形成的区域)。因此，能使这些电极间的介电常数降低。另外，例如在使用相对介电常数为4～4.7的玻璃基板作为第2基板20的材料的情况下，通过设置上述的贯通孔23a，可以使第1电极21与第2电极22之间的静电电容为1/4左右。
简单说明如以上结构的第2基板20的降低静电电容的结构的制造方法。首先，在第2基板20上形成金属电极(相当于第1电极和第2电极)。在硅制基板的情况下，在表面形成氧化膜等绝缘性较高的膜，在该膜上形成金属电极。在玻璃基板的情况下，在玻璃表面直接形成金属电极。使用铝、金或铜等导电性高的材料作为金属电极的材料，利用蒸镀及溅射等在基板上形成金属膜，通过光刻形成图案。之后形成贯通孔23a。其中，在硅基板的情况下，可以借助于使用KOH及TMAH的湿式蚀刻或干式蚀刻等形成贯通孔23a，在玻璃基板的情况下，可以利用干式蚀刻、喷射、激光加工及基于HF的湿式蚀刻等形成贯通孔23a。
(实施例2)
参照图7说明本发明实施例2的降低静电电容的结构。在本实施例中，在第2基板20的第1电极21与第2电极22之间的部分设置有凹部。在图7(a)中示出了利用截面为矩形的槽构成凹部23b的情况，在图7(b)中示出了利用截面为三角形的槽构成凹部23c的情况。此外，虽未图示，但凹部的截面形状不限于图示，例如构成凹部的面不限于平面，也可以具有曲面部分。
在本实施例中，也与上述实施例1的情况相同，在第1电极21与第2电极22之间形成空间(由空气或真空形成的区域)。其中，在实施例1的情况下，在第1电极21与第2电极22之间形成较大的空间，与此相对，在本实施例的情况下，由于在离开电极的位置处存在基板，因此与实施例1的情况相比，在第1电极21与第2电极22之间形成的空间较小。但是，与没有设置凹部的情况相比，可以在第1电极21与第2电极22之间形成较大的空间。因此，可以降低这些电极间的介电常数。另外，第2基板20的降低静电电容的结构的制造方法与实施例1的情况相同。
根据本实施例，形成不到贯通孔程度的凹部即可，因此与实施例1的情况相比，能低价地制造降低静电电容的结构。另外，在使用相对介电常数为4～4.7的玻璃基板作为第2基板20的材料的情况下，通过设置如上述的凹部23b、23c，可以使第1电极21与第2电极22之间的静电电容为1/2左右。这里，针对能通过设置凹部来降低介电常数的理由，以图7(b)所示的结构为例进一步详细说明。如图7(b)所示，设第1电极21与第2电极22之间的距离为D，设凹部23c的两个倾斜面的宽度分别为D1、D2。没有凹部23c时的静电电容C近似为其中ε是第1电极21与第2电极22之间的介电常数，L是第1电极21与第2电极22相对的区域的全长，a是第1电极21和第2电极22的膜厚的一半(1/2)。与此相对，在将设置有凹部23c时的静电电容设为C’的情况下，当将夹持截面为三角形的凹部23c的顶点的左侧距离设为D1，右侧距离设为D2时，近似为 由此可知，能降低第1电极21与第2电极22之间的介电常数。像这样，即使不改变第1电极21与第2电极22之间的位置关系(距离)，利用设置凹部而使通过基板表面的距离变长，能降低两个电极之间的介电常数。
(实施例3)
参照图8说明本发明实施例3的降低静电电容的结构。在本实施例中，在第2基板20与第1电极21之间以及第2基板20与第2电极22之间分别设置由相对介电常数比第2基板20低的材料构成的层23d。
在本实施例中，结构上与上述实施例2的情况相同，在第2基板20的第1电极21与第2电极22之间的部分形成凹部(截面为矩形的槽)，因此可以在第1电极21与第2电极22之间形成较大的空间。此外，在第2基板20与第1电极21之间以及第2基板20与第2电极22之间分别夹杂有由相对介电常数比第2基板20低的材料构成的层23d。因此，能降低第1电极21与第2电极22之间的介电常数。
简单说明如上述构成的第2基板20的降低静电电容的结构的制造方法。首先，通过CVD或涂敷(旋涂、浸泡法等)，用相对介电常数较低的材料(氟树脂、聚对二甲苯及、层间绝缘材料等)在第2基板20上形成层(膜)。然后，在该层上形成金属电极。之后，通过干式蚀刻(氧气灰化(O2 ashing)等)、喷射、使用金属模的热转印等，形成凹部。另外，在图示的例子中作为凹部示出了截面为矩形的槽的情况，但也可以是截面为三角形的槽。此外，虽未做图示，但凹部的截面形状不限于图示，例如构成凹部的面不限于平面，也可以具有曲面部分。
根据本实施例，不需要在基板上形成贯通孔，因此与实施例1的情况相比，能低价地制造第2基板20的降低静电电容的结构。另外，在使用相对介电常数为4～4.7的玻璃基板作为第2基板20的材料的情况下，通过夹有上述的层23d，能使第1电极21与第2电极22之间的静电电容为1/2左右。
作为一例，与参照上述图4说明的情况同样，在设电极尺寸(如上述图1(b)所示，与配置有多个电极的区域Z相当的部分的横向纵向的长度)为20×20mm、电极的线宽(图8中第1电极21和第2电极22的左右方向的距离)为300μm、第1电极21与第2电极22之间的间隔为20μm、第1电极21和第2电极22的膜厚为0.4μm、第1基板10与第2基板20之间的间隔为100μm、由氟树脂构成的层23d的厚度为15μm、第2基板20的相对介电常数为4.7的静电感应型发电装置中，测定各部分的静电电容。
作为测定的结果，驻极体13与第1电极21之间的静电电容(相当于上述C1)为20pF，驻极体13与第2电极22之间的静电电容(相当于上述C2)为13.4pF，第1电极21与第2电极22之间的静电电容(相当于上述C3)为41pF。
因此，ΔC＝20pF-13.4pF＝6.6pF，ΔC/20pF＝0.33，可知相对于根据上述式1求出的发电量，取出了33％的电力。
(实施例4)
参照图9说明本发明实施例4的降低静电电容的结构。在本实施例中，在第2基板20与第1电极21之间以及第2基板20与第2电极22之间，分别设置由相对介电常数比第2基板20低的材料构成的层23d1，并且在第2基板20上设置凹部23b1。即，本实施例是组合上述实施例2的特征结构和实施例3的特征结构而得到的结构。根据本实施例，与上述实施例2和实施例3相比，显然能进一步降低第1电极21与第2电极22之间的静电电容。
(实施例5)
参照图10说明本发明实施例5的降低静电电容的结构。在本实施例中，第2基板20侧的与第1基板10相对的面一侧被绝缘膜40覆盖。另外，作为本实施例的降低静电电容的结构，图10(a)示出了采用上述实施例1所示结构的情况，图10(b)示出了采用上述实施例2所示结构的情况。虽未做图示，显然也可以采用实施例3或实施例4所示结构。
根据本实施例，由于第2基板20侧的与第1基板10相对的面一侧被绝缘膜40覆盖，因此能抑制从驻极体13的放电。
标号说明
10第1基板
11保持部件
12弹簧
13驻极体
14屏蔽电极
20第2基板
21第1电极
22第2电极
23降低静电电容的结构
23a贯通孔
23b、23b1、23c凹部
23d、23d1层
30负荷
40绝缘膜
100静电感应型发电装置
110框体
Claims (3)
1.一种静电感应型发电装置，该静电感应型发电装置具有：
第1基板和第2基板，它们构成为在保持彼此相对的状态的同时能够相对移动；
驻极体，其设置在第1基板上；以及
第1电极和第2电极，它们设置在第2基板的与所述驻极体相对的面一侧，
随着第1基板与第2基板之间的相对位置的变化，所述驻极体与第1电极之间的位置关系以及所述驻极体与第2电极之间的位置关系分别发生变化，由此所述驻极体与第1电极之间的静电电容以及所述驻极体与第2电极之间的静电电容分别发生变化，从而输出电力，其特征在于，
在第1电极与第2电极之间设置有使这些电极之间的静电电容减小的结构，
使所述静电电容减小的结构是设置在第1电极与第2电极之间的、使这些电极之间的介电常数降低的结构，
在第2基板的第1电极与第2电极之间的部分设置有贯通孔或者凹部，由此降低这些电极之间的介电常数。
2.根据权利要求1所述的静电感应型发电装置，其特征在于，
在第2基板与第1电极之间以及第2基板与第2电极之间，分别设置有由相对介电常数比第2基板低的材料构成的层，由此降低第1电极与第2电极之间的介电常数。
3.根据权利要求1所述的静电感应型发电装置，其特征在于，
第2基板侧的与第1基板相对的面一侧被绝缘膜覆盖。
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