JP2009095181A - 静電誘導型発電装置とそれを用いた発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、変換効率が安定して常に一定の出力を得られる静電誘導型発電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】第一の電極１２と、一部にエレクトレット１７を形成した第二の電極１５を一定の間隔で対向配置し、これら第一、第二の電極１２、１５を相対的に移動させて、前記エレクトレット１７と第一の電極１２を交差させることにより、前記第一、第二の電極１２、１５間に交流電圧を発生させるものであって、前記第一の電極１２は、その一部に電子放出部１８を備え、この電子放出部１８からエレクトレット１７へ一定時間毎に電子を注入することで、前記エレクトレット１７に蓄積される電荷を一定に保った。
【選択図】図１

Description

本発明は、エレクトレットを利用した静電誘導型発電装置とそれを用いた発電方法に関するものである。

構造が比較的簡単でありながらエネルギーの変換効率が高い発電装置として、エレクトレットを用いた静電誘導型の発電装置が提案されている。

図７にエレクトレットを用いた静電誘導型発電装置の一例を示す。エレクトレット１は、ポリテトラフルオロエチレンやテフロン（登録商標）などのフッ素系樹脂あるいは酸化ケイ素などの絶縁性材料に、コロナ放電などを利用して電荷を注入したものである。このエレクトレット１を第一の電極２上に形成し、このエレクトレット１と略平行になるように第二の電極３を設ける。そしてこれら第一の電極２または第二の電極３を相対運動させることにより、エレクトレット１と重なる第二の電極３の表面に静電誘導による電荷を誘起させる。この誘起した電荷により、第一、第二の電極２、３に接続された外部負荷である抵抗体４には電圧が印加されて電流Ｉが流れるものである。尚、この第二の電極３に所定のパターンを設け、往復運動あるいは回転運動させることで、エレクトレット１と第二の電極３との重なり面積を連続かつ周期的に変化させ、抵抗体４の両端には交流電圧を発生させることができる。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１、特許文献２が知られている。
特開２００６−１８０４５０号公報 特開昭６３−２８２８０号公報

通常、エレクトレット１は、材料となる絶縁性樹脂を電荷取出し電極である第一の電極２上に、所定の形状や厚みで形成した後に電荷を注入するものである。注入された電荷は、エレクトレット１の主表面に蓄積されるわけであるが、この表面に大気中の水分が吸着されることにより電荷が消失する。このように蓄積された電荷が消失することで、第二の電極３への静電誘導の効率が徐々に低下するという課題があった。

そこで本発明は、静電誘導の効率を安定化させることを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、静電誘導型の発電方法に関するものであり、第一の電極と、一部にエレクトレットを形成した第二の電極を一定の間隔で対向配置し、これら第一、第二の電極を相対的に移動させて、前記エレクトレットと第一の電極を交差させることにより、前記第一、第二の電極間に交流電圧を発生させる。そして前記第一の電極は、その一部に電子放出部を備え、この電子放出部からエレクトレットへ一定時間毎に電子を注入することで、前記エレクトレットに蓄積される電荷を一定に保つものである。

本発明に係る静電誘導型発電装置とそれを用いた発電方法によれば、エレクトレットに対向して略平行に配置した第一の電極の一部に、エレクトレットに電荷を再注入するための電子放出部を設けており、この電子放出部から、一定時間経過毎に電子を放出することで、エレクトレットに電荷を再注入するものである。このように、一定時間経過毎にエレクトレットへ電荷を再注入することで常に一定の電荷密度を保つことができ、その結果、静電誘導の効率が安定し常に一定の出力を得ることできる作用効果を奏する。

以下に本発明の詳細を、図を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態における静電誘導型発電装置の断面図である。

本実施の形態における静電誘導型発電装置は、大きく三つの部分、すなわち固定電極部５と、この固定電極部５と一定の間隔で略平行に配置され、この固定電極部５に対向する面にエレクトレット１７を形成した可動電極部７と、これら固定電極部５と可動電極部７に接続された外部負荷回路８とで構成されている。

まず固定電極部５について説明する。下方より、シリコンなどからなる支持基板９と、この支持基板９上に設けられた電荷供給用電極１０と、この電荷供給用電極１０を覆うように形成された絶縁層１１と、この絶縁層１１上に形成した第一の電極１２およびスペーサ１３とから構成されている。絶縁層１１は、スパッタや印刷塗布などを用いてガラスや樹脂材料を直接支持基板９および電荷供給用電極１０上に形成してもよいし、ガラス基板、樹脂基板などを別体で形成した後、接着剤などを介して接着固定してもよい。尚、電荷供給用電極１０の一部は、支持基板９の一部から外部取出し電極１０ａとして露出させている。

絶縁層１１の一部には、一定の幅で底面から電荷供給用電極１０が露出するように貫通孔１４が設けられている。図２は、図１のＡ−ＡＡ矢視図であり、固定電極部５を上方より見た図である。貫通孔１４は上方より見たとき、矩形の開口部を有しており、この貫通孔１４を除き、絶縁層１１の表面には第一の電極１２が形成されて、スペーサの外方の取出し電極１２ａへ接続されている。

次に可動電極部７について説明する。可動電極部７は、導電体またはシリコンや樹脂などの絶縁体上に導電層を形成した第二の電極１５と、この第二の電極１５の周囲に配置され、第二の電極１５を固定電極部５に略平行に振動あるいは往復運動可能に支持する弾性体部１６と、この第二の電極１５の表面、すなわち第一の電極１２と対向する面に配置されたエレクトレット１７とで構成されている。

このエレクトレット１７は、後に説明する電子放出部１８あるいは、別工程により予め電子を注入されており、その表面に電荷が蓄積されている。外部から振動が加えられることにより、弾性体部１６に支持された第二の電極１５は一定方向（左右方向）に振動して、エレクトレット１７は第一の電極１２上を一定の周期で往復運動しながら交差するものである。

エレクトレット１７と交差した第一の電極１２上には、静電誘導により電荷が誘起される。第一の電極１２と第二の電極１５とを外部へ取出し、外部負荷である抵抗体１９に接続することで、この誘起された電荷により抵抗体１９の両端に電圧が印加されて電流Ｉが流れる。このようにしてエレクトレット１７の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するわけであるが、抵抗体１９にかかる電圧は、エレクトレット１７と第一の電極１２とが交差する重なり面積に依存する。そのため、第二の電極１５を往復運動させることにより、往復運動の周期で交流電圧が生じるものである。

ここで、本発明のポイントである電子放出部１８について説明する。

図３は、電子放出部１８を説明する概略図であり、図１のＢ部の拡大図である。絶縁層１１の一部に矩形の開口部を有する貫通孔１４が設けられており、この貫通孔１４の底面には電荷供給用電極１０を露出させている。また、貫通孔１４の周りの絶縁層１１上には第一の電極１２が設けられており、これら電荷供給用電極１０と、貫通孔１４と、この貫通孔１４の周囲の第一の電極１２とで電子放出部１８を固定電極部５の一部として構成している。この電子放出部１８は、外部取出し電極１０ａを介して、第一の電極１２と電荷供給用電極１０間に電圧を印加することで、貫通孔１４の底部から露出した電荷供給用電極１０の表面から電子を放出、加速させ、対向して設けられているエレクトレット１７へ電子を注入するものである。この電子放出部１８により、一定時間毎に、あるいは、出力電圧の変動などをモニタして、出力が一定値以下となったときに、エレクトレット１７へ電子を再注入する。こうすることにより、エレクトレット１７は常に一定の電荷密度を維持することができ、その結果、周囲を真空や減圧した不活性ガスなどで置換した場合はもちろんのこと、それらへ置換しない場合であっても、変換効率が安定して常に一定の出力を得ることができるものである。

尚、電荷供給用電極１０としては、タングステンなどの高融点金属や、シリコン、カーボン、ＬａＢ₆などを用いる。また、露出させている電荷供給用電極１０の表面は平坦でも良いが、円錐形状や角錐形状などからなる凸部２０を設けることにより電界を集中させ、低電圧で電子を放出させることができる。

また、絶縁層１１は電子放出が起こる電圧に耐える必要があるため、その厚みは絶縁層１１の絶縁破壊強度や周囲の圧力、電荷供給用電極１０の形状により決定するが、第一の電極１２とエレクトレット１７との間隔より大きいことが望ましい。

また、抵抗体１９を最適に選んだときの最大電力Ｐは、

となることが知られている。ここで、Ａはエレクトレット１７と第一の電極１２との最大重なり面積、σは電荷密度、ｄはエレクトレット１７の厚みまたは、エレクトレット１７と第一の電極１２との間隔、εはエレクトレット１７の誘電率またはエレクトレット１７と第一の電極間１２の誘電率をそれぞれ示している。この式から出力は、エレクトレット１７の電荷密度の二乗に比例し、エレクトレット１７の厚みが大きく、エレクトレット１７と第一の電極１２との間隔が小さくなるほど大きくなることがわかる。

本実施の形態では、エレクトレット１７の材料としてフッ素系樹脂などを用いているが、所望の出力を得るために、その厚みを１０〜１００ミクロンとし、スペーサ１３の厚みを制御することにより、エレクトレット１７と第一の電極１２との間隔を１０ミクロン以下としている。

ここで重要なのは、エレクトレット１７を形成した第二の電極１５を支持している弾性体部１６である。エレクトレット１７の出力、すなわち変換効率を安定化させるためには、エレクトレット１７を形成した第二の電極１５を捩れなく往復運動させることで、第一の電極１２に対して略平行であるとともに重なり面積を大きく、かつ安定化させる必要がある。そのため、本実施の形態では、図４に示す図１の上面図のように、弾性体部１６を、一定の幅で折り返した略Ｓ字形状の折り返し構造とすることで往復運動の移動量を大きくするとともに、この弾性体部１６の断面を、その幅に対して概ね三倍以上の厚みとした。こうすることにより、第二の電極１５は、往復運動時に捩れることがなく、エレクトレット１７と第一の電極１２との間隔を一定に保つことができ、その結果、安定した変換効率で常に一定の出力を得ることができる。

また、本実施の形態では、可動電極部７の駆動源として、人体の歩行時における振動の利用を想定している。一般的に歩行時の振動周波数は、数Ｈｚから数１０Ｈｚと低いため、弾性体部１６の形状をこの低周波領域で共振する構造に設計しておくことで、わずかな振動で大きな出力を取り出すことができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の別の実施の形態について図を用いて説明する。

図５は、本発明の別の実施の形態における静電誘導型発電装置を説明する断面図である。ここでは、実施の形態１と同じ箇所に関しては説明を簡略化し、相違点のみを説明する。

実施の形態１との相違点は、第二のスペーサ２１を介して可動電極部７上に上蓋２２を設けることにより、エレクトレット１７を形成した可動電極部７、電子放出部１８等を含む内部の空間を、真空雰囲気や窒素、あるいはヘリウムやアルゴンなどの不活性雰囲気で封止した点である。このように内部を封止することにより、圧力や封止ガス種を制御し電子放出部１８の効率を上げて、より低電圧で電子を放出させることができる。

（実施の形態３）
以下、本発明の別の実施の形態について図を用いて説明する。

図６は、本発明の別の実施の形態における静電誘導型発電装置を説明する断面図である。ここでは、他の実施の形態と同じ箇所に関しては説明を簡略化し、相違点のみを説明する。

実施の形態２との相違点は、第二の電極１５を固定とし、第一の電極１０および電子放出部１８を可動とした点である。このような構成とすることで、スペーサ１３等の部品を削減することができるとともに、電荷供給用電極１０および第一の電極１２により、弾性体部１６の剛性を上げて振動時の捩れなどを低減させることができる。

上述したように、本発明の静電誘導型発電装置とそれを用いた発電方法によれば、エレクトレットの電荷密度を一定に維持することができるので、安定した変換効率で常に一定の出力を得ることができる。

本発明に係る静電誘導型発電装置とそれを用いた発電方法によれば、エレクトレットに対向して略平行に配置した第一の電極の一部に、エレクトレットに電荷を再注入するための電子放出部を設けており、この電子放出部から、一定時間経過毎に電子を放出することで、エレクトレットに電荷を再注入するものである。このように、一定時間経過毎にエレクトレットへ電荷を再注入することで常に一定の電荷密度を保つことができ、その結果、静電誘導の効率が安定し常に一定の出力を得ることができる作用効果を奏するので、エレクトレットを利用した静電誘導型発電装置とそれを用いた発電方法に有用である。

本発明の一実施の形態を説明する静電誘導型発電装置の要部断面図 図１における固定電極部の上面図 図１のＢ部の拡大図であり、電子放出部の詳細を説明する概略図 図１の上面図 本発明の別の実施の形態を説明する静電誘導型発電装置の要部断面図 本発明の別の実施の形態を説明する静電誘導型発電装置の要部断面図 従来の静電誘導型発電装置の構成を説明する断面図

符号の説明

５ 固定電極部
７ 可動電極部
１０ 電荷供給用電極
１１ 絶縁層
１２ 第一の電極
１４ 貫通孔
１５ 第二の電極
１６ 弾性体部
１７ エレクトレット
１８ 電子放出部
１９ 外部負荷（抵抗体）
２０ 凸部

Claims (5)

1. 第一の電極と、一部にエレクトレットを形成した第二の電極を一定の間隔で対向配置し、これら第一、第二の電極を相対的に移動させて、前記エレクトレットと第一の電極を交差させることにより、前記第一、第二の電極間に交流電圧を発生させるものであって、前記第一の電極は、その一部に電子放出部を備え、この電子放出部からエレクトレットへ一定時間毎に電子を注入することで、前記エレクトレットに蓄積される電荷を一定に保つことを特徴とする静電誘導型の発電方法。
2. 支持基板と、この支持基板の表面に形成されて、表面に第一の電極が設けられた絶縁層とからなる固定電極部と、この固定電極部に対向して配置されて、弾性体部で支持されることで前記第一の電極に略平行に移動可能な第二の電極と、この第二の電極上に設けられて、前記第一の電極と一定の間隔で対向するように配置されたエレクトレットと、前記第一、第二の電極に接続された外部負荷とからなり、前記第一の電極とエレクトレットを交差させてその重なり面積を変化させることで、前記外部負荷に交流電圧を発生させるものであって、前記固定電極部は、その一部に対向するエレクトレットに電子を注入するための電子放出部を設けた静電誘導型発電装置。
3. 電子放出部は、絶縁層の一部に設けた貫通孔と、この貫通孔周辺の第一の電極と、前記貫通孔の底面から露出させた電荷供給用電極と、この電荷供給用電極と前記第一の電極とに接続された電源とからなる請求項２に記載の静電誘導型発電装置。
4. 絶縁層を介して第一の電極と電荷供給用電極とを略平行に設けた請求項３に記載の静電誘導型発電装置。
5. 貫通孔の底面から露出させた電荷供給用電極の表面に凸部を設けた請求項４に記載の静電誘導型発電装置。

Images