JP2012044747A - Electrostatic induction generation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エレクトレットと振動板とを有してなる静電誘導発電デバイスに関する。 The present invention relates to an electrostatic induction power generation device having an electret and a diaphragm.
日常的に存在する低周波の環境振動による微小な環境振動エネルギーを電力に変換するデバイスにおいて、櫛歯状に形成されたエレクトレットと、このエレクトレットと間隔をおいて対向するように配設される可動電極とを有し、可動電極をエレクトレットに対して水平に振動させ、可動電極に誘導される電荷の変化量を電流として取り出す静電誘導により発電する発電デバイスが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In a device that converts minute environmental vibration energy due to low-frequency environmental vibration that exists on a daily basis into electric power, an electret formed in a comb-like shape and a movable element arranged to face this electret with a gap There has been proposed a power generation device that generates power by electrostatic induction that includes an electrode, vibrates the movable electrode horizontally with respect to the electret, and extracts the amount of change in the charge induced in the movable electrode as a current (for example, Patent Documents) 1).
上述した特許文献1は、可動電極がエレクトレットに対して水平振動することから、可動電極の第1電極およびエレクトレット膜とが櫛歯状に形成されており、第1電極とエレクトレット膜とが対向する位置と、水平方向に離間する位置との間を相対移動させることによって発電する構造である。環境振動は低周波、微小振幅であること、静電誘導は交差面積に比例すること、から、第1電極およびエレクトレット膜は、小ピッチで多数の櫛歯状電極を形成しなければならない。
また、第1電極とエレクトレット膜とは、水平方向に対向する位置と離間する位置とに、正確に位置(形状)を規制することが求められる。
In
Further, it is required that the position (shape) of the first electrode and the electret film be accurately regulated between a position facing in the horizontal direction and a position separating from the position.
従って、可動電極の第1電極とエレクトレット膜との相対位置精度を高精度に管理しなければならない。しかし、可動電極は、エレクトレットとは別工程で製造し、組み立てることから可動電極の第1電極とエレクトレット膜との相対位置精度を高精度に形成することは困難であって、製造負荷が大きくなってしまうという課題がある。 Therefore, the relative positional accuracy between the first electrode of the movable electrode and the electret film must be managed with high accuracy. However, since the movable electrode is manufactured and assembled in a separate process from the electret, it is difficult to form the relative positional accuracy between the first electrode of the movable electrode and the electret film with high accuracy, and the manufacturing load increases. There is a problem that it ends up.
また、可動電極を振動させるために、可動電極の振動方向両端に弾性部(または弾性部材)を形成することから構造が複雑になると共に、環境振動に対する弾性部の振動追従性の制御が困難であるという課題を有する。 In addition, since the elastic portions (or elastic members) are formed at both ends in the vibration direction of the movable electrode in order to vibrate the movable electrode, the structure becomes complicated and it is difficult to control the vibration followability of the elastic portion with respect to environmental vibration. There is a problem of being.
さらに、可動電極とエレクトレット膜との間隔は数十μm程度であることから、環境振動に伴い厚さ方向に可動電極が変位した場合には、可動電極とエレクトレット膜とがすれて振動の負荷になることや、接触面が磨耗することが考えられる。 Further, since the distance between the movable electrode and the electret film is about several tens of μm, when the movable electrode is displaced in the thickness direction due to environmental vibration, the movable electrode and the electret film are rubbed to cause a vibration load. It is conceivable that the contact surface wears out.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]本適用例に係る静電誘導発電デバイスは、エレクトレットと、前記エレクトレットと間隙を有して対向するよう設けられ、周縁部の全周または一部が固定されると共に、中央部が前記エレクトレットに対して垂直方向に振動する振動板と、前記エレクトレットと前記振動板とを格納するケース部材と、が備えられていることを特徴とする。
なお、振動板はエレクトレットに対向する可動電極である。
Application Example 1 An electrostatic induction power generating device according to this application example is provided so as to be opposed to an electret with a gap from the electret, and the entire periphery or a part of the peripheral portion is fixed, and the central portion Is provided with a diaphragm that vibrates in a direction perpendicular to the electret, and a case member that stores the electret and the diaphragm.
The diaphragm is a movable electrode facing the electret.
このような構成によれば、振動板はエレクトレットに対して垂直方向に振動することから、水平方向に振動する従来技術のように、それぞれを櫛歯状の電極に成形する必要はなく、相互の対向面積(交差面積)と間隔が発電量を律する主要素となるため、構造および形状が簡単になり、それぞれの寸法管理も容易となる。よって、従来技術に比べ製造工数も低減可能である。 According to such a configuration, since the diaphragm vibrates in the vertical direction with respect to the electret, it is not necessary to form each into a comb-like electrode as in the prior art that vibrates in the horizontal direction. Since the opposing area (intersection area) and the interval are the main elements that govern the amount of power generation, the structure and shape are simplified, and the respective dimensions can be easily managed. Therefore, the number of manufacturing steps can be reduced as compared with the prior art.
また、上述した従来技術の可動電極に相当する振動板は、振動板自身に弾性があることから弾性部または弾性部材を形成する必要はなく、構造がより簡単になるほか、環境振動に対する振動追従性の制御も容易に行うことができる。 In addition, the diaphragm corresponding to the movable electrode of the prior art described above has elasticity in the diaphragm itself, so that it is not necessary to form an elastic part or an elastic member, the structure becomes simpler, and vibration follow-up to environmental vibration Sex control can also be easily performed.
さらに、本適用例の構造では、振動板とエレクトレットとは環境振動により接触しても、接触すること自体が負荷になることによる損失の発生がなく、また接触面の磨耗の発生も少ない。 Furthermore, in the structure of this application example, even if the diaphragm and the electret are in contact with each other due to environmental vibration, there is no loss due to the contact itself becoming a load, and the occurrence of wear on the contact surface is small.
[適用例2]上記適用例に係る静電誘導発電デバイスにおいて、前記エレクトレットが、前記振動板の振動方向の両面側に配設されていることが好ましい。 Application Example 2 In the electrostatic induction power generating device according to the application example described above, it is preferable that the electrets are disposed on both sides in the vibration direction of the diaphragm.
上述したように、振動板はエレクトレットに対して垂直方向に振動する。従って、振動板の振動方向両面側にエレクトレットを設けることにより、片側のみに配設する場合にくらべ、概ね2倍の発電効率を得ることができる。 As described above, the diaphragm vibrates in the direction perpendicular to the electret. Therefore, by providing electrets on both sides in the vibration direction of the diaphragm, it is possible to obtain approximately twice the power generation efficiency as compared with the case where the diaphragm is disposed only on one side.
[適用例3]上記適用例に係る静電誘導発電デバイスにおいて、少なくとも前記振動板の前記エレクトレットと対向する面に、絶縁膜が設けられていることが望ましい。 Application Example 3 In the electrostatic induction power generating device according to the application example described above, it is preferable that an insulating film is provided on at least a surface of the diaphragm facing the electret.
詳しくは実施の形態で説明するが、振動板をエレクトレットに近づけるほど発電量は大きくなる。しかし、振動板をエレクトレットに最大近づける(つまり、接触する位置)と、相互の静電気による吸着力(静電力)で振動が妨げられることがある。そこで、振動板のエレクトレットとの対向面に絶縁膜を設けることで、振動板とエレクトレットが直接接触することがなくなり、絶縁膜の厚さ分の間隙ができるため、静電力による振動への影響を減ずることができる。言い換えれば、振動板とエレクトレットが直接接触しない範囲で振動板の変位量を大きくできることから発電効率を高めることができるという効果がある。 Although details will be described in the embodiment, the power generation amount increases as the diaphragm is brought closer to the electret. However, if the diaphragm is brought close to the electret as much as possible (that is, the contact position), vibration may be hindered by the mutual attractive force (electrostatic force) due to static electricity. Therefore, by providing an insulating film on the surface of the diaphragm facing the electret, the diaphragm and electret are not in direct contact, and a gap corresponding to the thickness of the insulating film is created. Can be reduced. In other words, since the amount of displacement of the diaphragm can be increased in a range where the diaphragm and the electret do not directly contact, there is an effect that the power generation efficiency can be increased.
なお、振動板とエレクトレットの両対向面に同一材料からなる絶縁膜を設ければ、接触による帯電を防止することができる。 In addition, if an insulating film made of the same material is provided on both opposing surfaces of the diaphragm and the electret, charging due to contact can be prevented.
[適用例4]上記適用例に係る静電誘導発電デバイスにおいて、前記ケース部材の内部圧力が、大気圧よりも減圧されていることが望ましい。 Application Example 4 In the electrostatic induction power generating device according to the application example described above, it is desirable that the internal pressure of the case member is reduced to a pressure lower than the atmospheric pressure.
ケース部材の内部に空気が存在する場合、ダンピング現象(ポンピング現象ということがある)により、振動板の振動が妨げられることがある。そこで、ケース部材内部を減圧状態にしておくことによりダンピング現象を抑制することができる。よって、ケース部材内部を真空または真空に近い状態に減圧しておくことがより好ましい。 When air is present inside the case member, vibration of the diaphragm may be hindered by a damping phenomenon (sometimes called a pumping phenomenon). Therefore, the damping phenomenon can be suppressed by keeping the inside of the case member in a reduced pressure state. Therefore, it is more preferable to reduce the pressure inside the case member to a vacuum or a state close to vacuum.
[適用例5]上記適用例に係る静電誘導発電デバイスにおいて、前記振動板が振動により前記エレクトレットに当接したときの前記振動板の復元弾性力が、前記振動板と前記エレクトレットとの静電気による吸着力よりも大きいことが望ましい。 Application Example 5 In the electrostatic induction power generating device according to the application example described above, the restoring elastic force of the diaphragm when the diaphragm comes into contact with the electret due to vibration is due to static electricity between the diaphragm and the electret. It is desirable that it is larger than the adsorption force.
このような構成にすれば、振動板の振幅が大きくエレクトレットと接触する場合において、静電力により振動板が吸着されても復元弾性力により吸着が解除されることから振動板の振動は、環境振動に追従して振動することが可能となる。 With this configuration, when the diaphragm has a large amplitude and contacts the electret, even if the diaphragm is attracted by electrostatic force, the adsorption is released by the restoring elastic force. It is possible to vibrate following this.
[適用例6]上記適用例に係る静電誘導発電デバイスにおいて、前記振動板が、周縁部の固定部分と前記エレクトレットとの対向する中央部との間に、該中央部よりも剛性が小さい領域を有していることが望ましい。
ここで、中央部よりも剛性が小さい領域の構成方法としては、例えば、固定部分と中央部(対向面)との間に薄肉部を形成する方法、あるいは細い梁で接続する方法等を採用できる。
Application Example 6 In the electrostatic induction power generating device according to the application example described above, the diaphragm is a region having rigidity smaller than that of the central portion between the fixed portion of the peripheral portion and the central portion facing the electret. It is desirable to have
Here, as a configuration method of the region having a lower rigidity than the central portion, for example, a method of forming a thin portion between the fixed portion and the central portion (opposing surface) or a method of connecting with a thin beam can be adopted. .
このようにすれば、振動板を環境振動に追従しやすくすると共に、振動板とエレクトレットとの対向面を平行な状態に維持できるので、所定の対向面積が確保できることから発電効率を高めることができる。 In this way, the diaphragm can easily follow the environmental vibration, and the facing surfaces of the diaphragm and the electret can be maintained in a parallel state, so that a predetermined facing area can be ensured, so that power generation efficiency can be increased. .
[適用例7]上記適用例に係る静電誘導発電デバイスにおいて、前記振動板の前記エレクトレットと対向する中央部に錘部が形成されていることが望ましい。
なお、錘部としては、例えば、エレクトレットとの対向部を、その周囲よりも厚くすることで容易に形成可能である。
Application Example 7 In the electrostatic induction power generating device according to the application example described above, it is preferable that a weight portion is formed at a central portion of the diaphragm facing the electret.
In addition, as a weight part, it can be easily formed by making the opposing part with an electret thicker than the circumference | surroundings, for example.
このようにすれば、振動板の変位量を大きくできるため、帯電効率(つまり、発電効率)を高めることができる。 In this way, the amount of displacement of the diaphragm can be increased, so that charging efficiency (that is, power generation efficiency) can be increased.
[適用例8]上記適用例に係る静電誘導発電デバイスにおいて、前記振動板と前記エレクトレットとが、複数個アレイ状に配設されていることが望ましい。 Application Example 8 In the electrostatic induction power generating device according to the application example, it is preferable that a plurality of the diaphragms and the electrets are arranged in an array.
一つの振動板とエレクトレットの組み合わせを1素子としたとき、これを複数個の集合体とすることで、素子全体として大きな発電量を有する発電デバイスを実現できる。
なお、集合体としては、1素子を等間隔配置としてもランダム配置としてもよい。
When the combination of one diaphragm and electret is one element, a power generation device having a large power generation amount as a whole can be realized by forming a plurality of aggregates.
In addition, as an aggregate | assembly, it is good also as one element arrange | positioned at equal intervals or random arrangement | positioning.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下の説明で参照する図は図示の都合上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
(第1の実施形態)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In addition, the figure referred in the following description is a schematic diagram from which the vertical and horizontal scales of a member thru | or a part differ from an actual thing on account of illustration.
(First embodiment)
図1は、第1の実施形態に係る静電誘導発電デバイスの基本構成を示す断面図である。静電誘導発電デバイス1は、ケース部材を構成する上ケース10と下ケース20と、上ケース10と下ケース20との間に固定される振動板30と、上ケース10に設けられるエレクトレット60と、下ケース20に設けられるエレクトレット70とから構成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the basic configuration of the electrostatic induction power generating device according to the first embodiment. The electrostatic induction
上ケース10および下ケース20は、それぞれ凹部11,21を有するガラス製ケースであって、上ケース10の凹部内底面12には、上部電極40とエレクトレット60とが積層形成され、下ケース20の凹部内底面22には、下部電極50とエレクトレット70とが積層形成されている。
The
振動板30は、本実施形態では厚さ3μm程度の長方形Si基板からなり、長手方向の対向する端辺周縁が、上ケース10の縁部13と下ケース20の縁部23とによって固定されている。この固定は、陽極接合により行われ、凹部11,21によって形成されるケース内部の空間を外部の大気圧よりも減圧した状態で密閉封止している。なお、この空間は、真空または真空に近い状態であることがより望ましい。振動板30のエレクトレット60およびエレクトレット70それぞれと対向する面には、絶縁膜38,39が設けられている。なお、絶縁膜38,39は省略することができる。
In this embodiment, the
また、振動板30およびエレクトレット60,70は、ケース部材によって密閉固定する前に高温真空処理を行い表面の水分を除去することが望ましい。
Further, it is desirable that the
絶縁膜38とエレクトレット60表面との間隙寸法d1、絶縁膜39とエレクトレット70表面との間隙寸法d2は、本実施形態では50nmとしている。
In this embodiment, the gap dimension d1 between the insulating
なお、上ケース10と振動板30と下ケース20との接合方法として接着剤等を用いる場合には、接着剤の厚さの寸法変動により、間隙寸法d1、d2も変動して発電効率に影響がでる。本実施形態の間隙寸法は50nmとごく小さく、接着剤の厚さ変動を受けやすいため、本実施形態では、陽極接合法により接合している。
When an adhesive or the like is used as a joining method of the
次に、振動板30が振動したときの1状態について説明する。
図2は、振動板が振動により図示矢印方向に変位したときの状態を示す断面図である。図示した状態は、振動板30の絶縁膜39がエレクトレット70の表面に当接する直前まで変位した状態を例示している。振動板30が逆方向に変位する場合は、絶縁膜38がエレクトレット60の表面に当接する直前まで変位する。
Next, one state when the
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state when the diaphragm is displaced in the direction of the arrow shown by the vibration. The illustrated state illustrates a state in which the insulating
続いて、本実施形態による発電に係る回路について説明する。
図3は、本実施形態に係る回路構成の概略を示す回路図である。エレクトレット60とエレクトレット70はそれぞれ、上部電極40および下部電極50を介して接続され、振動板30との間に負荷抵抗Rが接続されている。負荷抵抗Rの一端は接地(GND)されており、他端は出力端子に接続されている。エレクトレット60と振動板30の間、エレクトレット70と振動板30の間ではコンデンサーが形成されていると考えられ、これらコンデンサーと負荷抵抗Rとは並列接続される。
Subsequently, a circuit relating to power generation according to the present embodiment will be described.
FIG. 3 is a circuit diagram showing an outline of a circuit configuration according to the present embodiment. The
振動板30が振動することによって、エレクトレット60,70と振動板30との間に電荷の移動が発生することで発電される。なお、発電された電力を蓄電する場合は、蓄電器100を負荷抵抗Rに並列接続する。
When the
次に、上述のように構成される静電誘導発電デバイス1の発電動作について説明する。本実施形態では、対向電極(可動電極)としての振動板30とエレクトレット60,70とを有している。ここで、絶縁膜38とエレクトレット60との間の間隙寸法(Gapと表すことがある)をd1、両者間の静電容量をC1、エレクトレット効果により発生する電位差をV1とする。また、絶縁膜39とエレクトレット70との間の間隙寸法(Gapと表すことがある)をd2、両者間の静電容量をC2、エレクトレット効果により発生する電位差をV2とすると、図3の回路に蓄えられる静電エネルギーUの合計は数式(1)によって表すことができる。
Next, the power generation operation of the electrostatic induction
ここで、C1,C2は静電容量であって、真空中の誘電率ε0、比誘電率ε、対向面積をSとすると、静電容量Ciは次式で表すことができる。 Here, C1 and C2 are capacitances, and the capacitance Ci can be expressed by the following equation, where the dielectric constant ε0 in vacuum, the relative dielectric constant ε, and the facing area are S.
ここで、V1=V2とすると、回路に蓄えられる静電エネルギーUは、次式で表すことができる。 Here, when V1 = V2, the electrostatic energy U stored in the circuit can be expressed by the following equation.
ここで、d1+d2=d(一定)とすると、静電エネルギーUは次式で表すことができる。 Here, if d1 + d2 = d (constant), the electrostatic energy U can be expressed by the following equation.
この数式(4)によれば、d1=d/2の場合に最小値となる。つまり、外部の振動によって振動板30が変位する際に、静電エネルギーが過剰になり、復元力で元(変位0)に戻る段階では静電エネルギーを放出する。言い換えると、振動板30が元に戻る過程において電荷の移動が生じる。この電荷を蓄電器100に移動させることにより電気を充電させることが可能となる。
According to Equation (4), the minimum value is obtained when d1 = d / 2. That is, when the
続いて、本実施形態による発電量について具体例をあげ説明する。
まず、本実施形態における静電誘導発電デバイス1の構成要素の諸元の1例を表1に表す。なお、表1に表す静電誘導発電デバイスは、図1に示すような最小の1素子を表しており、発電デバイスとして用いる場合には、必要とされる発電量に応じて1素子を複数個アレイ状に配置した集合体として用いる。
Subsequently, a specific example of the power generation amount according to the present embodiment will be described.
First, Table 1 shows an example of specifications of the components of the electrostatic induction
例えば、1素子の平面サイズを20μm×20μm、集合体の平面サイズを20mm×20mmの場合、1素子を等ピッチで配置すれば100個×100個=10,000個の集合体とすることが可能である。 For example, when the planar size of one element is 20 μm × 20 μm and the planar size of the aggregate is 20 mm × 20 mm, if one element is arranged at an equal pitch, 100 × 100 = 10,000 aggregates may be formed. Is possible.
表1の諸元を用いて1素子1振動当りの発電量を数式(4)を用いて計算すると、
6.09×10-9(J)の発電量が得られる。集合体としての発電デバイス全体の発電率(W)は、1素子1振動当りの発電量×周波数×素子数で算出することができる。従って、振動板30の振動周波数を10(Hz),アレイ状に配置される素子数を10,000個としたときの発電率は6.09×10-4(W)となる。
Using the specifications in Table 1, the power generation amount per vibration per element is calculated using Equation (4).
A power generation amount of 6.09 × 10 −9 (J) is obtained. The power generation rate (W) of the entire power generation device as an aggregate can be calculated by the amount of power generation per vibration per element × frequency × number of elements. Therefore, when the vibration frequency of the
なお、表1の中で、Gap寸法以外の諸元を共通としたとき、Gap寸法(d1とd2)の差によって発電率が大きく変動することが分かった。そこで、発電率とGap寸法の関係について説明する。
図4は、Gap寸法を25nm、50nm、100nm、150nmとしたときの振動板の振幅と発電率の関係を表すグラフである。横軸に振動板30の振幅量(nm)、縦軸に発電率(W)を表す。
In Table 1, it was found that when the specifications other than the Gap dimension were made common, the power generation rate greatly fluctuated depending on the difference between the Gap dimensions (d1 and d2). Therefore, the relationship between the power generation rate and the gap size will be described.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the amplitude of the diaphragm and the power generation rate when the gap dimension is 25 nm, 50 nm, 100 nm, and 150 nm. The horizontal axis represents the amplitude (nm) of the
図4から、表1に表す諸元のGap寸法が50nmの場合、発電率は概ね1.0×10-4(W)であり、Gap寸法が小さいほど、また振幅量が大きいほど発電率が高くなることが分かる。しかし、Gap寸法を小さくし、且つ振幅量を大きくすると振動板30とエレクトレット60、振動板30とエレクトレット70とが当接することが考えられる。振動板とエレクトレットが当接したとき静電力が最大となり振動板が静電気の吸着力(静電力)によって吸着され元の状態(変位0)に復帰しなくなることが考えられる。従って、振動板の弾性復元力を当接したときの静電力よりも大きくしておくことが求められる。そこで、弾性復元力と静電力の関係について説明する。
From FIG. 4, when the Gap dimension of the specifications shown in Table 1 is 50 nm, the power generation rate is approximately 1.0 × 10 −4 (W), and the power generation rate increases as the Gap dimension decreases and the amplitude amount increases. It turns out that it becomes high. However, it is conceivable that the
図5は、Gap寸法を変化させたときの振動板の厚さと、振動板のエレクトレットとの当接保持に必要な電圧(エレクトレット電位)の関係について表すグラフである。Gap寸法を25nm、50nm、100nmとする。横軸に振動板30の厚さ(μm)、縦軸に当接保持に必要な電圧(V)を表している。図5から、振動板30の厚さが厚くなるほど当接保持に必要な電圧は高くなることが分かる。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the thickness of the diaphragm when the gap size is changed and the voltage (electret potential) necessary for holding the diaphragm in contact with the electret. Gap dimensions are 25 nm, 50 nm, and 100 nm. The horizontal axis represents the thickness (μm) of the
表1に表す諸元のGap寸法は50nm、振動板30の厚さは3μmである。この条件における当接保持に必要な電圧は約600Vであって、エレクトレット電位500Vよりも高い。よって、振動板30はエレクトレットに当接した状態で保持されることなく復元する。同様に考えると、Gap寸法が25nmの場合の振動板の厚さは5μm、Gap寸法が100nmの場合の振動板の厚さは1.7μmにすればよいことが分かる。
The Gap dimension of the specifications shown in Table 1 is 50 nm, and the thickness of the
以上説明した構成によれば、振動板30はエレクトレット60,70に対して垂直方向に振動することから、水平方向に振動する従来技術のように、それぞれを櫛歯状の電極に成形する必要はなく、相互の対向面積(交差面積)とGap寸法が発電量を律する主要素となるため、構造および形状が簡単になり、それぞれの寸法管理も容易となる。よって、従来技術に比べ製造工数も低減可能である。また、櫛歯状電極よりも対向面積を広く取れるので発電効率が高くなるという効果がある。
According to the configuration described above, since the
また、前述した従来技術の可動電極に相当する振動板30は、振動板自身に弾性があることから弾性部や弾性部材を形成する必要はなく、構造がより簡単になるほか小型化が可能となり、環境振動に対する振動追従性の制御も容易に行うことができる。
In addition, since the
また、本実施形態の構造では、振動板30とエレクトレット60,70とが振動により当接しても、当接すること自体が負荷になることによる損失の発生がなく、また接触面の磨耗の発生も少ない。
Further, in the structure of the present embodiment, even if the
なお本実施形態では、振動板30の振動方向の両側にエレクトレット60、エレクトレット70を配設しているが、エレクトレット60またはエレクトレット70のいずれか一方を配設する構造も採用可能である。しかし、振動板はエレクトレットに対して垂直方向に振動するため、振動板の振動方向両面にエレクトレットを設けることにより、片側のみに配設する場合にくらべ、概ね2倍の発電量(発電効率)を得ることができる。
In the present embodiment, the
また、振動板30をエレクトレット60,70に近づけるほど発電量(発電率)は大きくなる。しかし、振動板30をエレクトレット60,70に最大近づける(つまり、当接する)と、静電力で振動板30が吸着されて振動が妨げられることがある。そこで、振動板30のエレクトレット60,70との対向面それぞれに絶縁膜38,39を設けることで、振動板30とエレクトレット60,70が直接接触することがなくなり、絶縁膜の厚さ分の間隙ができるため、静電力による振動への影響を減ずることができる。言い換えれば、振動板とエレクトレットが直接接触しない範囲で振動板の変位量を大きくできることから発電効率を高めることができる。さらに、絶縁膜38,39を同一材料とすれば、接触による帯電を防止することができる。
Further, the closer the
また、ケース部材(上ケース10、下ケース20)の内部圧力が、大気圧よりも減圧状態にしておくことによりダンピング現象を抑制することができ、振動効率を高めることができる。従って、ケース部材内部を真空または真空に近い状態に減圧しておくことがより好ましい。
Moreover, the damping phenomenon can be suppressed by increasing the internal pressure of the case members (the
また、振動板30が振動によりエレクトレット60,70に当接したとき、振動板の復元弾性力が、振動板30とエレクトレット60,70との間の静電力による吸着力よりも大きくすることで、振動板30静電力により吸着されても復元弾性力により吸着が解除されることから振動板30は、環境振動に追従して振動することが可能となる。
Further, when the
また、本実施形態の静電誘導発電デバイス1は、振動板30とエレクトレット60,70の構成を1素子として、この素子が複数個アレイ状に配設される発電デバイスである。従って、1素子としては微小サイズながら大きな発電量を有する静電誘導発電デバイスを実現できる。
In addition, the electrostatic induction
さらに、振動板30およびエレクトレット60,70は、ケース部材によって密閉固定する前に高温真空処理を行い表面の水分を除去する。このようにすることによって、振動板30とエレクトレット60,70が当接したときに、水分によって両者が吸着されることを防止できる。
Further, the
なお、振動板30の変位量を大きくすると発電量(発電率)を高めることができる。そこで、振動板30に周縁部の固定部分と、エレクトレット60,70との対向する中央部(対向面積を構成する部分)との間の接続部に、中央部よりも剛性が小さい領域を形成して変位量を大きくする振動板30の形状を変形例として提案する。
(変形例1)
In addition, if the displacement amount of the
(Modification 1)
まず、変形例1について図面を参照して説明する。前述した第1の実施形態では、振動板30の形状が同一厚さの長方形であることに対して変形例1は固定部分と中央部との間に薄肉部を形成していることに特徴を有する。振動板30以外の構成は図1で表す構成と共通のため説明を省略する。
図6は、変形例1に係る静電誘導発電デバイスを示す断面図である。振動板30は、上ケース10と下ケース20とで接合される固定部と、エレクトレット60,70との対向部としての中央部36の間の接続部に薄肉部33を形成している。薄肉部33は、他の部分よりも剛性が小さくなる。つまり弾性変形しやすくなる。
(変形例2)
First,
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an electrostatic induction power generating device according to the first modification. The
(Modification 2)
続いて、変形例2について図面を参照して説明する。変形例2は固定部分と中央部との間を梁で接続していることに特徴を有する。振動板30以外の構成は図1で表す構成と共通のため説明を省略する。
図7は、変形例2に係る静電誘導発電デバイスを示す平面図である。なお、上ケース10を透視した状態を図示している。
Subsequently, Modification 2 will be described with reference to the drawings. Modification 2 is characterized in that the fixed portion and the central portion are connected by a beam. The configuration other than the
FIG. 7 is a plan view showing an electrostatic induction power generating device according to the second modification. A state in which the
振動板30は、上ケース10と下ケース20とで接合される固定部34と、エレクトレット60,70との対向部としての中央部36の間を4本の梁35a〜35dで接続している。梁35a〜35dはそれぞれ、中央部36の4隅から同じ寸法で放射状に延在され、中央部36の中心が重心となるように形成される。なお、梁35a〜35dは中央部36と同一厚さである。また、エレクトレット60,70は、中央部36の平面積よりも大きくしておくことが望ましい。
The
上述した変形例1,2のような構成にすれば、振動板30が環境振動に対して追従しやすくなると共に、中央部36はほとんど変形しないため、振動板30とエレクトレット60,70との対向面を平行な状態に維持できるので、振動中において一定の対向面積が確保できることから発電効率を高めることができる。
(変形例3)
With the configuration as in the first and second modifications described above, the
(Modification 3)
次に、変形例3について図面を参照して説明する。変形例3は、エレクトレット60,70との対向する中央部に錘部が形成されていることを特徴とする。なお、振動板30以外の構成は図1と共通のため説明を省略する。
図8は、変形例3に係る静電誘導発電デバイスを示し、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A切断面を示す断面図である。なお、(a)は上ケース10を透視して図示している。図8(a),(b)において、振動板30のエレクトレット60と対向する中央部には錘部37が形成されている。
Next, Modification 3 will be described with reference to the drawings. Modification 3 is characterized in that a weight portion is formed in the central portion facing the
8A and 8B show an electrostatic induction power generating device according to Modification Example 3. FIG. 8A is a plan view and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. Note that (a) is illustrated through the
錘部37は、第1実施形態(図1、参照)よりも厚い振動板原料の上ケース10と下ケース20とで接合される固定部34と、エレクトレット60,70との対向部と、を接続する領域が上ケース10側から薄肉加工することで形成される。そして、この薄肉部分は錘部37の4隅から同じ寸法で放射状に延在される梁35a〜35dであって、錘部37の中心が重心となるように形成される。なお、梁35a〜35dの厚さは変形例2(図7、参照)と同等レベルとする。錘部37のエレクトレット60との対向面には絶縁膜38が形成され、エレクトレット70との対向面には絶縁膜39が形成されている。
The
なお、梁35a〜35dの薄肉加工は下ケース20側から行ってもよく、上ケース10側および下ケース20側から等寸法で加工すれば、振動板30の上下振動のバランスがとれるという利点を有する。また、エレクトレット60,70の平面積は錘部37の平面積よりも大きくすることが望ましい。また、振動板30の固定部34の厚さを梁35a〜35dと同じにする構成でもよい。また、錘部37とエレクトレット60、エレクトレット70との間隙寸法(Gap寸法)は等しく、錘部37のエレクトレットとの対向面には絶縁膜が形成される。
Note that the thinning of the
このように振動板30に錘部37を設けることによって、振動板30の変位量を大きくできるため、発電効率を高めることができる。
By providing the
なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、エレクトレット60,70と振動板30との対向面の形状は四角形に限らず、円形や多角形でもよい。また、発電デバイスとして1素子を複数個アレイ状に配設し静電誘導発電デバイスの集合体としたが、積み重ねる集合体としてもよい。
また、前述した構成は、発電デバイスに限らず、環境振動を検出する機械電気変換素子または静電誘導変換素子等に応用することが可能である。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes modifications and improvements as long as the object of the present invention can be achieved.
For example, the shape of the opposed surfaces of the
Further, the configuration described above can be applied not only to a power generation device but also to a mechanoelectric conversion element or an electrostatic induction conversion element that detects environmental vibration.
1…静電誘導発電デバイス、10…上ケース、20…下ケース、30…可動電極である振動板、38,39…絶縁膜、40…上部電極、50…下部電極、60,70…エレクトレット。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記エレクトレットと間隙を有して対向するよう設けられ、周縁部の全周または一部が固定されると共に、中央部が前記エレクトレットに対して垂直方向に振動する振動板と、
前記エレクトレットと前記振動板とを格納するケース部材と、
が備えられていることを特徴とする静電誘導発電デバイス。 Electrets,
A diaphragm that is provided so as to face the electret with a gap, and the entire periphery or a part of the peripheral edge is fixed, and the diaphragm vibrates in a direction perpendicular to the electret;
A case member for storing the electret and the diaphragm;
An electrostatic induction power generation device comprising:
前記エレクトレットが、前記振動板の振動方向の両面側に配設されていることを特徴とする静電誘導発電デバイス。 The electrostatic induction power generating device according to claim 1,
The electrostatic induction power generation device, wherein the electret is disposed on both sides of the vibration direction of the diaphragm.
少なくとも前記振動板の前記エレクトレットと対向する面に、絶縁膜が設けられていることを特徴とする静電誘導発電デバイス。 The electrostatic induction power generation device according to claim 1 or 2,
An electrostatic induction power generating device, wherein an insulating film is provided on at least a surface of the diaphragm facing the electret.
前記ケース部材の内部圧力が、大気圧よりも減圧されていることを特徴とする静電誘導発電デバイス。 The electrostatic induction power generating device according to claim 1,
An electrostatic induction power generation device, wherein an internal pressure of the case member is reduced from an atmospheric pressure.
前記振動板が振動により前記エレクトレットに当接したときの前記振動板の復元弾性力が、前記振動板と前記エレクトレットとの静電気による吸着力よりも大きいことを特徴とする静電誘導発電デバイス。 In the electrostatic induction power generation device according to any one of claims 1 to 4,
An electrostatic induction power generation device, wherein a restoring elastic force of the diaphragm when the diaphragm comes into contact with the electret by vibration is larger than an adsorption force due to static electricity between the diaphragm and the electret.
前記振動板が、周縁部の固定部分と前記エレクトレットとの対向する中央部との間に、該中央部よりも剛性が小さい領域を有していることを特徴とする静電誘導発電デバイス。 The electrostatic induction power generating device according to claim 1,
The electrostatic induction power generating device, wherein the diaphragm has a region having a smaller rigidity than the central portion between a fixed portion of a peripheral portion and a central portion facing the electret.
前記振動板の前記エレクトレットと対向する中央部に錘部が形成されていることを特徴とする静電誘導発電デバイス。 The electrostatic induction power generation device according to any one of claims 1 to 6,
An electrostatic induction power generation device, wherein a weight portion is formed at a central portion of the diaphragm facing the electret.
前記振動板と前記エレクトレットとが、複数個アレイ状に配設されていることを特徴とする静電誘導発電デバイス。 The electrostatic induction power generating device according to any one of claims 1 to 7,
An electrostatic induction power generation device, wherein a plurality of the diaphragms and the electrets are arranged in an array.
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015002607A (en) * | 2013-06-14 | 2015-01-05 | 株式会社ビスキャス | Vibration power generation body |
JP2015122922A (en) * | 2013-12-25 | 2015-07-02 | 株式会社ビスキャス | Vibration power generation body |
JP2018183049A (en) * | 2017-04-05 | 2018-11-15 | 株式会社トライフォース・マネジメント | Power generation element and power generation device |
JP2020061938A (en) * | 2015-09-02 | 2020-04-16 | 大日本印刷株式会社 | Power generation device and power generation method |
CN111049427A (en) * | 2018-10-15 | 2020-04-21 | 株式会社鹭宫制作所 | Vibration power generation element and vibration power generation device |
JP2020065438A (en) * | 2015-09-10 | 2020-04-23 | 大日本印刷株式会社 | Power generation device mounting structure and power generation method |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2003105167A2 (en) * | 2002-06-07 | 2003-12-18 | California Institute Of Technology | Electret generator apparatus and method |
WO2007125985A1 (en) * | 2006-04-27 | 2007-11-08 | National University Corporation Saitama University | Mechanical-electrical converting device and its manufacturing method |
WO2009125773A1 (en) * | 2008-04-07 | 2009-10-15 | 国立大学法人埼玉大学 | Electromechanical transducer, electromechanical transducer device, and fabrication method for same |
WO2010007735A1 (en) * | 2008-07-14 | 2010-01-21 | 株式会社村田製作所 | Piezoelectric power generation device |
JP2010068643A (en) * | 2008-09-11 | 2010-03-25 | Nippon Signal Co Ltd:The | Electrostatic induction type power generation device and method for manufacturing the same |
-
2010
- 2010-08-17 JP JP2010182124A patent/JP2012044747A/en not_active Withdrawn
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2003105167A2 (en) * | 2002-06-07 | 2003-12-18 | California Institute Of Technology | Electret generator apparatus and method |
JP2005529574A (en) * | 2002-06-07 | 2005-09-29 | カリフォルニア インスティテュート オブ テクノロジー | Electret power generation apparatus and method |
WO2007125985A1 (en) * | 2006-04-27 | 2007-11-08 | National University Corporation Saitama University | Mechanical-electrical converting device and its manufacturing method |
JP2007298297A (en) * | 2006-04-27 | 2007-11-15 | Saitama Univ | Machine electric conversion element and its manufacturing method |
EP2019298A1 (en) * | 2006-04-27 | 2009-01-28 | National University Corporation Saitama University | Mechanical-electrical converting device and its manufacturing method |
US20090202083A1 (en) * | 2006-04-27 | 2009-08-13 | National University Corporation Saitama University | Electro-mechanical transducer and manufacturing method of the same |
WO2009125773A1 (en) * | 2008-04-07 | 2009-10-15 | 国立大学法人埼玉大学 | Electromechanical transducer, electromechanical transducer device, and fabrication method for same |
WO2010007735A1 (en) * | 2008-07-14 | 2010-01-21 | 株式会社村田製作所 | Piezoelectric power generation device |
JP2010068643A (en) * | 2008-09-11 | 2010-03-25 | Nippon Signal Co Ltd:The | Electrostatic induction type power generation device and method for manufacturing the same |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015002607A (en) * | 2013-06-14 | 2015-01-05 | 株式会社ビスキャス | Vibration power generation body |
JP2015122922A (en) * | 2013-12-25 | 2015-07-02 | 株式会社ビスキャス | Vibration power generation body |
JP2020061938A (en) * | 2015-09-02 | 2020-04-16 | 大日本印刷株式会社 | Power generation device and power generation method |
JP2020065438A (en) * | 2015-09-10 | 2020-04-23 | 大日本印刷株式会社 | Power generation device mounting structure and power generation method |
JP2018183049A (en) * | 2017-04-05 | 2018-11-15 | 株式会社トライフォース・マネジメント | Power generation element and power generation device |
CN111049427A (en) * | 2018-10-15 | 2020-04-21 | 株式会社鹭宫制作所 | Vibration power generation element and vibration power generation device |
JP2020065322A (en) * | 2018-10-15 | 2020-04-23 | 株式会社鷺宮製作所 | Vibration power generation element and vibration power generation device |
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