JP2012044823A - 静電誘導発電デバイス、静電誘導発電機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電極の相対的な移動を安定化させ、効率よく安定した電力を供給する静電誘導発電デバイス、および静電誘導発電機器を提供する。
【解決手段】一方の面にエレクトレット電極を備える第１固定電極基板および第２固定電極基板と、可動電極と、前記可動電極と離間して形成される保持枠と、前記可動電極の可動方向に直交する方向に、前記可動電極の対向する２辺と前記保持枠とを繋ぐ少なくとも１対の電極支持梁と、を備える可動電極基板と、を備え、前記第１固定電極基板の前記エレクトレット電極と前記第２固定電極基板の前記エレクトレット電極と、を対向配置させ、前記可動電極と、前記第１固定電極基板および前記第２固定電極基板の前記エレクトレット電極と、を対向配置させ、前記可動電極基板を前記第１固定電極基板と前記第２固定電極基板とにより挟持、固着する静電誘導発電デバイス。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電誘導発電デバイスおよび静電誘導発電機器に関する。

近年の環境問題に対応して、自然エネルギーを利用した発電、例えば太陽光、風力を利用した発電が広く普及し始めてきている。しかし、太陽光、風力共に設置するための条件、すなわち太陽光が遮られない、安定した風が吹いている、という環境に依存せざるを得ないものであった。これに対して、環境振動を電力に変える方式が注目されている。その方式としては、電磁誘導や圧電を利用するものがあり、特に電磁誘導を用いた静電方式は、単純な構造で小型化、低コスト化が可能な技術である。

静電方式による発電の原理は、略永久的に表面電荷を保持するエレクトレットを備える基板を一方の基板とし、対向する他方の基板に電極を設け、基板を相対的に移動する（ずれる）ように移動させることでエレクトレットと対向する電極との対向面積を変化させ、電極に生じる誘電電荷の変化を電力として取り出し、発電するものである（特許文献１）。

この静電方式による発電では、エレクトレットが持つ電荷と対向する電極に生じる誘電電荷によって電極間に引き合う方向のクーロン力が働き、僅かな隙間で対向する電極が接触し、相対移動を妨げたり、相対移動方向とは異なる移動（挙動）を生じ効率よい発電が困難となったりしてしまう。そこで、相対移動を抑制するガードやストッパーを備える静電誘導発電が提案されている（特許文献２）。

特許第４３３８７４５号公報 ＷＯ第０８／０２６４０７号パンフレット

しかし、上述の特許文献２であってもガードと電極との接触によって電極間の正常な相対移動が阻害され、不安定な発電となってしまっていた。

そこで、電極の相対的な移動を安定化させ、効率よく安定した電力を供給する静電誘導発電デバイス、および静電誘導発電機器を提供する。

本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。

〔適用例１〕本適用例による静電誘導発電デバイスは、一方の面にエレクトレット電極を備える第１固定電極基板および第２固定電極基板と、可動電極と、前記可動電極と離間して形成される保持枠と、前記可動電極の可動方向に直交する方向に、前記可動電極の対向する２辺と前記保持枠とを繋ぐ少なくとも１対の電極支持梁と、を備える可動電極基板と、を備え、前記第１固定電極基板の前記エレクトレット電極と前記第２固定電極基板の前記エレクトレット電極と、を対向配置させ、前記可動電極と、前記第１固定電極基板および前記第２固定電極基板の前記エレクトレット電極と、を対向配置させ、前記可動電極基板を前記第１固定電極基板と前記第２固定電極基板とにより挟持、固着することを特徴とする。

上述の適用例によれば、可動電極基板に備える可動電極の可動方向に直交する方向に配置させた少なくとも１対の電極支持梁によって、可動電極の可動方向以外の挙動を抑制し、発電効率を損なうことが無い。また、可動電極基板を、エレクトレット電極を備える第１固定電極基板と第２固定電極基板により、エレクトレット電極を対向配置し挟持することで、可動電極に静電誘導される電荷量を多くすることができ、発電量を増大させることができる。

〔適用例２〕上述の適用例において、前記電極支持梁は前記可動電極より延出され前記保持枠への接続部までの前記梁長さＬに平面視で直交する方向の梁幅Ｗと、梁厚さＴと、が次の関係にあることを特徴とする。
Ｗ／Ｔ≦０．１

上述の適用例によれば、可動電極の振動方向に鉛直する方向の変位を抑制することができる。従って、付加された振動の電気への変換ロスが少なく、高効率の静電誘導発電デバイスを得ることができる。

〔適用例３〕上述の適用例において、前記可動電極は、前記可動電極の可動方向に直交する方向に延伸された複数の電極指と、前記複数の電極指の両端に接続する電極指梁と、により形成され、前記電極支持梁は前記電極指梁から延伸され、前記第１固定電極基板および前記第２固定電極基板の前記エレクトレット電極は、前記可動電極の前記複数の電極指に対向して複数のエレクトレット電極指により形成されていることを特徴とする。

上述の適用例によれば、複数の電極指とすることで、付加される振動の振幅内でエレクトレット電極指と可動電極の電極指との平面視での重なりの変化量を大きくすることが可能となり、より多くの電気を発電することが可能となる。

〔適用例４〕上述の適用例において、前記可動電極を少なくとも２以上備え、少なくとも２個の前記可動電極は、可動方向が直交するように配置されることを特徴とする。

上述の適用例によれば、付加される振動方向に拠らず、発電することが可能な静電誘導発電デバイスを得ることができる。

〔適用例５〕上述の適用例の静電誘導発電デバイスを用いた静電誘導発電機器。

上述の適用例によれば、外部から付加される振動を効率よく電気に変換し発電する静電誘導発電機器を得ることができる。

第１実施形態に係る静電誘導発電デバイスの外観斜視図。 第１実施形態に係る静電誘導発電デバイスの分解状態での外観斜視図。 第１実施形態に係る静電誘導発電デバイスの図２に示すＡ−Ａ´部の断面図。 第１実施形態に係る静電誘導発電デバイスの断面図であり、（ａ）は図２に示すＢ−Ｂ´部の断面図、（ｂ）はＣ−Ｃ´部の断面図。 第１実施形態に係る静電誘導発電デバイスを説明する、（ａ）は第３基板の概略平面図、（ｂ）は図１に示すＤ面部の断面の模式図、（ｃ）（ｄ）は静電誘導を説明する（ｂ）に示すＥ部の拡大模式図。 第１実施形態に係る静電誘導発電デバイスの電極支持梁の動作を説明する模式図。 第１実施形態に係る静電誘導発電デバイスの電極支持梁の部分拡大図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＦ−Ｆ´部の断面図。 第２実施形態に係る静電誘導発電デバイスの概略斜視図。 第３実施形態に係る静電誘導発電機器を示すブロック図。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は本実施形態に係る静電誘導発電デバイスを示す外観斜視図である。図１に示す静電誘導発電デバイス１００は、後述する固定電極上のエレクトレットを備える第１固定電極基板としての第１基板１０と、固定電極上のエレクトレットを備える第２固定電極基板としての第２基板２０とによって、可動部を備える可動基板３０を挟むように第１基板１０、可動基板３０、第２基板２０とが積層されている。

図２は、図１に示す静電誘導発電デバイス１００を分解した状態の外観斜視図である。第１基板１０はガラス基板であり、例えばホウケイ酸ガラスなどが好適に用いられる。第１基板１０の一方の面１１（以降、電極形成面１１という）に凹部１２を備え、凹部１２の底面１２ａに金属膜、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｗなど、による固定電極１３が形成されている。固定電極１３は、図示Ｙ方向に延在する固定電極指１３ａが所定の間隔で複数形成されている。更に、固定電極指１３ａの両端、もしくは一方の端部を接続する固定電極指１３ａに直交する方向（Ｘ方向）に延在する接続電極１３ｂが形成され、更に、電極形成面１１に形成された外部接続電極１３ｃと接続電極１３ｂとは接続されている。

第１基板１０は、略矩形の外形状を有するが一部に切り欠き部１０ａを備える。切り欠き部１０ａは後述する可動基板３０に備える外部接続端子を露出させるためである。第２基板２０は、上述のように構成される第１基板１０と共通の構成により形成されており、図示しないが可動基板３０に対向する面側に第１基板１０の電極形成面１１に形成されている凹部１２、固定電極１３と同じ構成が形成されている。

図３は、図２における第１基板１０をＡ−Ａ´方向に見た拡大断面図である。第１基板１０に形成された固定電極指１３ａには更に、エレクトレット電極指１４が形成されている。エレクトレット電極指１４には常に表面に電荷を保有するもので、公知の手法により形成することができる。エレクトレット電極指１４は、Ｙ方向に延在する固定電極指１３ａ上に形成され、固定電極指１３ａ表面部以外の部位にはエレクトレット電極指１４は形成されない。但し、固定電極指１３ａに直交しＸ方向に延在する接続電極１３ｂ上に形成されても良い。

可動基板３０について説明する。可動基板３０は単結晶シリコン基板から形成され外形は略矩形に形成されている。外形に沿って枠状に可動電極保持枠３１が形成され、可動電極保持枠３１の１辺側３１ａの外形部には、第１基板１０の外部接続電極１３ｃに対応する位置に切り欠き部３０ａと、第２基板２０の図示されない外部接続電極に対応する位置に切り欠き部３０ｂと、が形成されている。

図４（ａ）は、可動基板３０の図２に示すＢ−Ｂ´方向の断面図、および図４（ｂ）はＣ−Ｃ´方向の断面図である。可動電極保持枠３１の内側には、可動電極保持枠３１と離間して、外形が矩形の可動電極３２が形成されている。可動電極３２は図示Ｙ方向に延在する複数の可動電極指３２ａと、可動電極指３２ａの両端に繋がり、可動電極指３２ａに直交する方向（Ｘ方向）に延在する電極指梁３２ｂを備えている。本実施形態においては、可動電極指３２ａの延在方向に直交する方向（Ｘ方向）に可動電極３２が振動（可動）し、可動電極指３２ａに対向配置される上述の第１基板１０に形成されたエレクトレット電極指１４、および図示されない第２基板２０に形成されたエレクトレット電極指との対向面積の変化によって発電する。なお、上述では複数の可動電極指３２ａにより説明したが、１本の可動電極指３２ａ、すなわち可動電極３２の平板を電極指として構成しても良い。

可動電極３２の振動方向に平行する可動電極３２の外辺３２ｃ、３２ｄと、可動電極３２の外辺３２ｃ、３２ｄに対向する可動電極保持枠３１の内周部３１ｂ、３１ｃと、を繋ぐ少なくとも１対（２本）の電極支持梁３３が外辺３２ｃ、３２ｄそれぞれに形成されている。すなわち、可動電極保持枠３１に可動電極３２は、電極支持梁３３によって保持されている。

また、可動基板３０の基板面のどちらか一方の面、もしくは両面の、第１基板１０の切り欠き部１０ａに対応する位置の表面に外部接続部３５を備えている。外部接続部３５は金属膜、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｗなどの薄膜を蒸着法、あるいはスパッタリング法などによって形成され、回路基板などとの接続端子となる。

上述の第１基板１０と可動基板３０と第２基板２０とを、順に積層し、各基板の接合部、すなわち可動基板３０の可動電極保持枠３１を介して、気密接合され静電誘導発電デバイス１００が得られる。接合方法としては、例えば公知の陽極接合が好適である。また、静電誘導発電デバイス１００の内部は真空に気密され、可動電極３２の動作を空気などの気体によって妨げられることが無い。

本実施形態に係る静電誘導発電デバイス１００の動作について、説明する。図５は、静電誘導発電デバイス１００の動作を説明する概念図であり、（ａ）は可動基板３０の概略平面図、（ｂ）は可動基板３０のＣ−Ｃ´断面を含む図１に示す静電誘導発電デバイス１００のＤ面部の断面図、（ｃ）（ｄ）は（ｂ）に示すＥ部の拡大図である。

図５（ａ）に示すように、本実施形態の静電誘導発電デバイス１００は可動基板３０の可動電極３２が図示するＰ方向の振動によって起きる電荷の移動により、発電させるものである。図５（ｂ）に示すように第１基板１０および第２基板２０には、可動基板３０の可動電極３２を形成する可動電極指３２ａに対向して、固定電極指１３ａと、固定電極指１３ａの表面に形成されたエレクトレット電極指１４とが配置される。図５（ｂ）の可動電極３２が静止した状態において、図５（ｃ）に示すように、エレクトレット電極指１４の表面には常に電荷を保持している。本例ではエレクトレット電極指１４の表面には、マイナス電荷を保持する例で説明するが、プラス電荷を保持するエレクトレットであっても良い。その場合、可動電極指３２ａにはマイナスの電荷が誘電、保持される。

エレクトレット電極指１４の表面に保持されたマイナス電荷ｅ^‐によって、可動電極３２の可動電極指３２ａの表面にはプラス電荷ｅ⁺が静電誘導により帯電する。この状態から可動電極が図５（ｄ）に示すように、振動によってｐ方向に移動すると可動電極指３２ａとエレクトレット電極指１４との平面視の重なりＭが減少し、可動電極指３２ａが保持したプラス電荷ｅ⁺は、図５（ｂ）に示す電源装置４０に移動する、すなわち発電する。

このように可動電極３２が振動することによって、図５（ｃ）の状態で可動電極指３２ｅに静電誘導によりプラス電荷ｅ⁺を帯電し、図５（ｄ）に示すｐ方向へ移動し電荷を放出し、図５（ｃ）の状態に戻りプラス電荷ｅ⁺を帯電し、図示しない状態の図５（ｄ）に示すｐ方向と反対の方向に可動電極３２が移動し電荷を放出し、そして図５（ｃ）の状態に戻ることを繰り返し、電気を発生させるものである。

可動電極３２を安定して振動させるため、可動電極保持枠３１と可動電極３２とを繋ぐ電極支持梁３３が設けられている。図６は電極支持梁３３の挙動を説明する可動基板３０を模式的に示す概念図を用いて説明する。図６（ａ）は、可動電極３２の停止状態位置を示している。この状態から静電誘導発電デバイス１００に振動が与えられ、たとえば可動電極３２が図６（ｂ）に示す矢印ｐ方向に移動した場合、電極支持梁３３と可動電極３２と可動電極保持枠３１とで形成される矩形部（図示、ハッチング部）は、図６（ａ）の長方形から図６（ｂ）に示すように平行四辺形に変形する。また、同様に図６（ｃ）に示す矢印ｐ´方向に可動電極３２が移動した場合でも、平行四辺形に変形する。このことは、可動電極３２を正確に可動電極指３２ａの延在方向に対して直交する振動方向のｐおよびｐ´方向に平行移動することを示している。すなわち、正確にｐおよびｐ´方向の振動をさせることができ、ｐおよびｐ´以外の方向への振動成分を発生させない。

本実施形態に係る静電誘導発電デバイス１００において、発電効率を低下させたり、発電量にバラツキを生じさせたりする原因の一つとなる、可動電極指３２ａとエレクトレット電極指１４との、平面視における重なりのねじれを確実に抑制することが可能となり、高品質の発電デバイスを得ることができる。

上述の通り、電極支持梁３３は可動電極３２を正確な振動方向に維持するものであり、次の条件で設定されている。図７は電極支持梁３３の部分拡大図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＦ−Ｆ´部の断面図である。電極支持梁３３の梁長さをＬ、梁幅をＷ、梁厚さをＴとする。

梁長さＬは、可動電極３２に加わる環境振動（外部振動）に対して共振する共振周波数、及び可動電極３２の振動の振幅の設計値より決定される。図５（ｄ）で説明した可動電極３２が振動により移動しても平面視での重なりＭが確保できる移動量、すなわち共振周波数によって振動する振幅から可動電極指３２ａの梁長さＬが設計される。

これに対して、電極支持梁３３の梁幅Ｗと梁厚さＴは、図５（ａ）に示す振動方向Ｐに対して図面鉛直方向、すなわち可動電極３２の厚さ方向の振動成分（以下、可動鉛直方向成分という）を極力小さくするように決定される。ここで、振動方向Ｐの振動成分と可動鉛直方向成分とは、電極支持梁３３の梁幅Ｗ方向のばね定数（以下、横方向ばね定数という）と、梁厚みＴ方向のばね定数（以下、縦方向ばね定数という）によって対比することができる。

縦方向、横方向ばね定数は次式によって求められる。なお、次式は本実施形態に係る静電誘導発電デバイス１００が備える４本の電極支持梁３３を合成したものである。

上記（式１）、（式２）よりｋ_V／ｋ_H≦０．０１、すなわち電極支持梁３３の振動方向Ｐの変位量に対して、可動鉛直方向成分の変位量を１％以下にすることが好ましい。このことから、Ｗ／Ｔ≦０．１であることが好ましい。

得られた梁幅Ｗと梁厚みＴと、上述の可動電極３２の共振周波数と振幅の設定値より、次式によって梁長さＬを求めることができる。

（第２実施形態）
本願発明の第２実施形態を、図８に示す。図８に示す静電誘導発電デバイス２００は、第１実施形態と同様に可動基板２３０と、可動基板２３０を挟持するように配置される第１基板２１０と、第２基板２２０と、を備える。可動基板２３０は外形に沿って枠状に可動電極保持枠２３１が形成されている。可動電極保持枠２３１には可動電極２３２Ａおよび２３２Ｂが、電極支持梁２３３ａ、２３３ｂによって繋がれている。可動電極２３２Ａ、２３２Ｂに備える可動電極指２３２ａ、２３２ｂの延在方向は互いに直交する方向、図示において、可動電極指２３２ａはＹ方向に、可動電極指２３２ｂはＸ方向、に形成されている。

可動基板２３０を挟持する第１基板２１０には、可動基板２３０に備える可動電極２３２Ａの可動電極指２３２ａ、および可動電極２３２Ｂの可動電極指２３２ｂに対向配置されるようにエレクトレット電極指２１４Ａ，２１４Ｂを備え、固定電極２１３によって、外部接続電極２１３ａに電気的に接続される。

同様に第２基板２２０にも、可動基板２３０に備える可動電極２３２Ａの可動電極指２３２ａ、および可動電極２３２Ｂの可動電極指２３２ｂに対向配置されるようにエレクトレット電極指２２４Ａ，２２４Ｂを備え、固定電極２２３によって、外部接続電極２２３ａに電気的に接続される。

これら第１基板２１０、可動基板２３０、第２基板２２０が、図８に図示する向きで、順次第１基板２１０、可動基板２３０、第２基板２２０の順に積層され、可動基板２３０の可動電極保持枠２３１を介して気密接合され、静電誘導発電デバイス２００に形成される。

この静電誘導発電デバイス２００は、図８に示すように可動電極指２３２ａと２３２ｂが互いに直交する方向に延在していることで、図示振動方向Ｑに対して可動電極２３２Ａによって静電誘導発電が行われ、振動方向Ｑに直交する図示振動方向Ｒに対して可動電極２３２Ｂによって静電誘導発電が行われる。すなわち、本実施形態の静電誘導発電デバイス２００を用いることにより、可動基板２３０の平面方向におけるあらゆる方向の振動が付加されても、振動方向ＱおよびＰの振動成分に分解され、静電誘導発電を可能とする。よって、汎用性が高く、様々な振動方向にも対応可能な静電誘導発電デバイスを得ることができる。

（第３実施形態）
本願発明の第３実施形態として第１実施形態に係る静電誘導発電デバイスを用いた静電誘導発電器について説明する。図９は第２実施形態に係る静電誘導発電器１０００を示すブロック図である。静電誘導発電器１０００が、静電誘導発電デバイス１００と電源制御部３００と、充電部４００とを備え、発電した電気を駆動対象となる駆動装置５００へ供給する。

静電誘導発電デバイス１００によって発電された電気は、不規則な電流として取り出される。この不規則な電流を電源制御部３００は、安定した電力に変換し駆動装置５００へ供給する。また、駆動装置５００へ電気の供給が不要な場合には、充電部４００へ電気を供給し、図示しない充電装置を充電する。充電された電気は、駆動装置５００への安定した電気の供給のために、電源制御部３００において静電誘導発電デバイス１００からの電気と合わせて、安定電力を形成するために用いられる。

駆動装置５００は特に限定されないが、例えば加速度センサーの場合、本実施形態の静電誘導発電器は駆動電源として好適に用いることができる。すなわち、電源確保の困難な遠隔地にセンサーを設置する場合でも、加速度センサーが検出する加速度（振動）領域に共振する静電誘導発電器１０００を備えることで、特別な電源設置工事を必要とせずにセンサーの駆動電源の供給、検出結果のワイヤレス通信による基地局へのデータ送信器への電源供給などを簡単な機器で可能とする。

実施例として、図７に示す梁幅Ｗ、梁厚さＴ、梁長さＬを以下の水準で比較した。
水準１：Ｗ＝１００μｍ、Ｔ＝１００μｍ
水準２：Ｗ＝１０μｍ、Ｔ＝１００μｍ
水準３：Ｗ＝５μｍ、Ｔ＝１００μｍ
水準４：Ｗ＝１μｍ、Ｔ＝１００μｍ

各水準におけるｋ_V／ｋ_Hを求めると。
水準１：ｋ_V1／ｋ_H1＝１．０
水準２：ｋ_V2／ｋ_H2＝０．０１
水準３：ｋ_V3／ｋ_H3＝０．００２５
水準４：ｋ_V4／ｋ_H4＝０．０００１
となり、電極支持梁の振動方向に対する鉛直方向の変位量が１％以下となる水準２、すなわちＷ／Ｔ＝０．１が好適であることが分かった。そして梁長さＬ＝１６７０μｍが求められた。

１０…第１基板、１１…電極形成面、１２…凹部、１３…固定電極、１４…エレクトレット電極指、２０…第２基板、３０…第３基板、３１…稼動電極保持枠、３２…可動電極、３３…電極支持梁、１００…静電誘導発電デバイス。

Claims (5)

1. 一方の面にエレクトレット電極を備える第１固定電極基板および第２固定電極基板と、
   可動電極と、前記可動電極と離間して形成される保持枠と、前記可動電極の可動方向に直交する方向に、前記可動電極の対向する２辺と前記保持枠とを繋ぐ少なくとも１対の電極支持梁と、を備える可動電極基板と、を備え、
   前記第１固定電極基板の前記エレクトレット電極と前記第２固定電極基板の前記エレクトレット電極と、を対向配置させ、
   前記可動電極と、前記第１固定電極基板および前記第２固定電極基板の前記エレクトレット電極と、を対向配置させ、前記可動電極基板を前記第１固定電極基板と前記第２固定電極基板とにより挟持、固着する、
   ことを特徴とする静電誘導発電デバイス。
2. 前記電極支持梁は前記可動電極より延出され前記保持枠への接続部までの前記梁長さＬに平面視で直交する方向の梁幅Ｗと、梁厚さＴと、が次の関係にある、
   ことを特徴とする請求項１に記載の静電誘導発電デバイス。
   Ｗ／Ｔ≦０．１
3. 前記可動電極は、前記可動電極の可動方向に直交する方向に延伸された複数の電極指と、前記複数の電極指の両端に接続する電極指梁と、により形成され、
   前記電極支持梁は前記電極指梁から延伸され、
   前記第１固定電極基板および前記第２固定電極基板の前記エレクトレット電極は、前記可動電極の前記複数の電極指に対向して複数のエレクトレット電極指により形成され、ている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の静電誘導発電デバイス。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の前記可動電極を少なくとも２以上備え、少なくとも２個の前記可動電極は、可動方向が直交するように配置される、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の静電誘導発電デバイス。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の静電誘導発電デバイスを用いた静電誘導発電機器。

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