JP2011045194A - 静電誘導型発電装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】互いに対向した状態を保ったまま、相対的に移動可能に構成された第1基板10及び第2基板20と、第1基板10に設けられるエレクトレット13と、第2基板20におけるエレクトレット13と対向する面側に設けられる第1電極21及び第2電極22と、を備え、エレクトレット13と第1電極21との間の静電容量、及びエレクトレット13と第2電極22との間の静電容量がそれぞれ変化することで電力が出力される静電誘導型発電装置100において、第1電極21と第2電極22との間には、これらの電極間の静電容量を低下せしめる構造が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
Pmax=σ2nA2πf÷[(εeε0/d)×((εeg/d)+1)]
となる。以下、この数式を式1と称する。
互いに対向した状態を保ったまま、相対的に移動可能に構成された第1基板及び第2基板と、
第1基板に設けられるエレクトレットと、
第2基板における前記エレクトレットと対向する面側に設けられる第1電極及び第2電極と、
を備え、
第1基板と第2基板の相対的な位置の変化に伴って、前記エレクトレットと第1電極との位置関係、及び前記エレクトレットと第2電極との位置関係がそれぞれ変化することによって、前記エレクトレットと第1電極との間の静電容量、及び前記エレクトレットと第2電極との間の静電容量がそれぞれ変化することで電力が出力される静電誘導型発電装置において、
第1電極と第2電極との間には、これらの電極間の静電容量を低下せしめる構造(第2基板上に単に第1電極と第2電極が設けられたのではなく、これらの電極間の静電容量を低下せしめるように何らかの工夫が施されている構造)が設けられていることを特徴とする。
<静電誘導型発電装置の全体構成>
図1を参照して、本発明の実施形態に係る静電誘導型発電装置の全体構成について説明する。ここで、図1(a)は本発明の実施例に係る静電誘導型発電装置全体の模式的断面図である。また、同図(b)は以下に説明する第2基板に係る構成の概略構成図である。なお、この図においては、第2基板を上面側から見た図に相当する。本発明の実施形態に係る静電誘導型発電装置100は、筐体110と、筐体110の内部に設けられる第1基板10及び第2基板20とを備えている。
図2及び図3を参照して、本発明の実施形態に係る静電誘導型発電装置の発電原理について説明する。
1との間の静電容量、及びエレクトレット13と第2電極22との間の静電容量がそれぞれ変化する。
図4及び図5を参照して、寄生容量に関して説明する。背景技術の中で説明したように、式1によれば、エレクトレットのピッチを小さくし、nを大きくすることによって、出力電力を高められるはずであるが、実際には、式1の通りに出力電圧を高めることはできない。これは、装置のいずれかの部位において発生する寄生容量が原因であると考えられていたが、どの部位に発生する寄生容量が発電効率を低下させる要因であるかは明らかにされていなかった。本発明者らは、誠意検討し、かつ試行を重ねた結果、第1電極21と第2電極22との間で発生する寄生容量が、発電効率を低下させる要因であることを突き止めた。
容量及び電気抵抗に相当し、C3,R3はそれぞれ第1電極21と第2電極22との間の静電容量及び電気抵抗に相当し、R4は負荷30における電気抵抗に相当する。なお、負荷30における電気抵抗R4によって、出力電力が消費される。
C3≒πεL÷log(D/a)
で表される。ただし、εは第1電極21と第2電極22との間の誘電率であり、Dは第1電極21と第2電極22との間の間隔であり、aは第1電極21及び第2電極22の膜厚の半分(1/2)であり、Lは第1電極21と第2電極22が相対する領域の全長である。(図1(b)に示す構成の場合には、一点鎖線部分の全長に相当する。)
図6を参照して、本発明の実施例1に係る静電容量を低下させる構造を説明する。本実施例においては、第2基板20における第1電極21と第2電極22との間の部分に貫通孔23aが設けられている。これにより、第1電極21と第2電極22との間には、大きな空間(空気または真空からなる領域)が形成される。したがって、これらの電極間の誘電率を低下させることができる。なお、例えば、第2基板20の材料として、比誘電率が4〜4.7のガラス基板を用いた場合、上記のような貫通孔23aを設けることによって、第1電極21と第2電極22との間の静電容量を1/4程度にすることが可能となる。
図7を参照して、本発明の実施例2に係る静電容量を低下させる構造を説明する。本実施例においては、第2基板20における第1電極21と第2電極22との間の部分に凹部が設けられている。図7(a)には、凹部23bが断面矩形の溝により構成された場合を示しており、同図(b)には、凹部23cが断面三角形の溝により構成された場合を示している。また、特に図示はしないが、凹部の断面形状は図示のものに限られず、例えば、凹部を構成する面は平面的なものに限らず、曲面部分を有するようにしてもよい。
C≒πεL÷log(D/a)
となる。なお、εは第1電極21と第2電極22との間の誘電率であり、Lは第1電極21と第2電極22が相対する領域の全長であり、aは第1電極21及び第2電極22の膜厚の半分(1/2)である。これに対して、凹部23cを設けた場合における静電容量C’とした場合に、断面三角形の凹部23cにおける頂点を挟んで左側の距離をD1,右側
の距離をD2とすると、近似的に、
C’≒πεL÷log((D1+D2)/a)=πε’÷log(D/a)
となる。これにより、第1電極21と第2電極22との間の誘電率を低下させることができることが分かる。このように、第1電極21と第2電極22との位置関係(距離)を変えなくても、凹部を設けることによって基板表面を通る距離が長くなることで、両電極間の誘電率を低下させることができる。
図8を参照して、本発明の実施例3に係る静電容量を低下させる構造を説明する。本実施例においては、第2基板20と第1電極21との間、及び第2基板20と第2電極22との間に、それぞれ第2基板20よりも比誘電率の低い材料からなる層23dが設けられている。
図9を参照して、本発明の実施例4に係る静電容量を低下させる構造を説明する。本実施例においては、第2基板20と第1電極21との間、及び第2基板20と第2電極22との間に、それぞれ第2基板20よりも比誘電率の低い材料からなる層23d1が設けられ、かつ第2基板20に凹部23b1が設けられている。すなわち、本実施例では、上述した実施例2における特徴的な構成と実施例3における特徴的な構成を組み合わせたものである。本実施例によれば、上記実施例2や実施例3に比べて、より一層、第1電極21と第2電極22との間の静電容量を低下させることが可能となることは言うまでもない。
図10を参照して、本発明の実施例5に係る静電容量を低下させる構造を説明する。本実施例においては、第2基板20側における第1基板10と対向する面側は、絶縁膜40によって覆われている。なお、本実施例における静電容量を低下させる構造として、図10(a)では上述した実施例1に示した構造を採用した場合を示し、同図(b)では実施例2に示した構造を採用した場合を示している。特に図示はしないが、実施例3や実施例4に示した構造を採用してもよいことは言うまでもない。
11 保持部材
12 バネ
13 エレクトレット
14 ガード電極
20 第2基板
21 第1電極
22 第2電極
23 静電容量低下構造
23a 貫通孔
23b,23b1,23c 凹部
23d,23d1 層
30 負荷
40 絶縁膜
100 静電誘導型発電装置
110 筐体
Claims (6)
- 互いに対向した状態を保ったまま、相対的に移動可能に構成された第1基板及び第2基板と、
第1基板に設けられるエレクトレットと、
第2基板における前記エレクトレットと対向する面側に設けられる第1電極及び第2電極と、
を備え、
第1基板と第2基板の相対的な位置の変化に伴って、前記エレクトレットと第1電極との位置関係、及び前記エレクトレットと第2電極との位置関係がそれぞれ変化することによって、前記エレクトレットと第1電極との間の静電容量、及び前記エレクトレットと第2電極との間の静電容量がそれぞれ変化することで電力が出力される静電誘導型発電装置において、
第1電極と第2電極との間には、これらの電極間の静電容量を低下せしめる構造が設けられていることを特徴とする静電誘導型発電装置。 - 前記静電容量を減少せしめる構造は、第1電極と第2電極との間に設けられた、これらの電極間の誘電率を低下せしめる構造であることを特徴とする請求項1に記載の静電誘導型発電装置。
- 第2基板における第1電極と第2電極との間の部分に貫通孔が設けられることによって、これらの電極間の誘電率が低下させられていることを特徴とする請求項2に記載の静電誘導型発電装置。
- 第2基板における第1電極と第2電極との間の部分に凹部が設けられることによって、これらの電極間の誘電率が低下させられていることを特徴とする請求項2に記載の静電誘導型発電装置。
- 第2基板と第1電極との間、及び第2基板と第2電極との間に、それぞれ第2基板よりも比誘電率の低い材料からなる層が設けられることによって、第1電極と第2電極との間の誘電率が低下させられていることを特徴とする請求項2,3または4に記載の静電誘導型発電装置。
- 第2基板側における第1基板と対向する面側は、絶縁膜によって覆われていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の静電誘導型発電装置。
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