JP2015164379A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電装置の信頼性を改善する。【解決手段】発電装置２０は、第１電極２２および第２電極２８を備える。第１電極２２は、積層されたエレクトレット層２６および圧電層２４を含み、変形可能となっている。第２電極２８は、第１電極２２と対向して、相対的に可動に設けられた導電性基材を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、発電装置に関する。

近年の省エネ化の要請から、光、熱、振動などの再生可能エネルギー（環境エネルギーともいう）が注目されており、それらを有効利用するためのエネルギーハーベスト素子（環境発電素子とも称される）の開発が進められている。

たとえばビルや家屋の外壁、屋根、窓に発電装置を設置しておくと、風から受ける力により発電することができる。あるいは発電装置を床に設置すれば、人間の歩行に応じて発電させることができる。あるいは、発電装置には、力や振動のセンサとしての用途も期待されている。

こうした環境発電素子のひとつとして、環境振動により発電するエレクトレット発電装置の開発が進められている。図１は、エレクトレット発電装置の断面図である。エレクトレット発電装置１０は、エレクトレット電極１２と、対向する金属電極１４のペアで構成される。エレクトレット電極１２は、強い誘電性を有する絶縁体に電界を印加し、その結果生ずる恒久的あるいは半恒久的な電気分極により帯電が保たれる物質である。エレクトレット電極１２と金属電極１４が正対していると、静電誘導により金属電極１４にエレクトレット電極１２と同量の逆極性の誘導電荷が蓄えられる。この状態で、振動によって、エレクトレット電極１２と金属電極１４のオーバーラップ面積が変化すると、それに応じた電気信号を外部に取り出すことができる。

特許第４８６８４７５号公報 特開２０１３−７７６４６号公報 特開平１０−１７３４７４号公報

エレクトレット発電装置１０を広く普及させるためには、信頼性を高める必要がある。本発明者らが図１の構造を有するエレクトレット発電装置１０について検討したところ、以下の課題を認識するに至った。

エレクトレット発電装置１０を、高層ビルや橋脚、車や電車等の移動手段など、非常に大きな振動や外力にさらされる環境に設置した場合、エレクトレット発電装置１０に非常に強い衝撃が加わる可能性がある。このときに、エレクトレット電極１２が金属電極１４と接触すると、エレクトレット電極１２の恒久的な電荷が失われ、発電機能が発揮できなくなる。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、発電装置の信頼性の改善にある。

本発明のある態様は、発電装置に関する。発電装置は、積層されたエレクトレット層および圧電層を含み、変形可能な第１電極と、第１電極と対向して相対的に可動に設けられた導電性基材を含む第２電極と、を備える。

この態様によると、エレクトレット層と導電性基材の相互作用による発電機能と、圧電層と導電性基材の相互作用による発電機能の両方が発揮されうるため、発電効率を高めることができる。加えて、エレクトレット層と他の部材とのショートによってエレクトレット層の帯電が失われたとしても、その後、圧電層の変形により発生する電界によってエレクトレット層を再チャージし、発電能力を回復させることができる。したがって発電装置の信頼性を高めることができる。なお本明細書において発電装置とは、それから取り出された電力が他の電気回路において利用されるものに限定されず、単なるセンサも含まれる。

ある態様において発電装置は、第１電極および第２電極の間隔が可変に構成されてもよい。
従来のエレクトレット発電装置では、エレクトレット電極と金属電極の接触による故障を防ぐため、それらの間隔は固定されていた。これに対して、本発明では、エレクトレット層と導電性基材が接触したとしても、エレクトレット層の再チャージ可能であるため、接触のおそれを許容しつつ第１電極と第２電極の間隔を可変にすることができ、発電効率を高めることができる。

ある態様において発電装置は、第１電極と第２電極のオーバーラップ面積が可変に構成されてもよい。

第１電極と第２電極の間には、誘電体層が設けられてもよい。第１電極と第２電極の間には、誘電率が１より大きいガスが充填されてもよい。
これらにより、第１電極と第２電極が形成する容量が大きくなるため、大きな電力を取り出すことが可能となる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、発電装置の発電効率および信頼性を高めることができる。

エレクトレット発電装置の断面図である。 実施の形態に係る発電装置の断面図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、図２の発電装置の第１〜第３の発電モードを示す図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、発電装置におけるエレクトレット層の再チャージ動作を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図２は、実施の形態に係る発電装置２０の断面図である。発電装置２０は、第１電極２２および第２電極２８を備える。
第１電極２２は、導電性基材２３、エレクトレット層２６および圧電層２４を含む。圧電層２４およびエレクトレット層２６は、導電性基材２３の両面にそれぞれ形成される。この導電性基材２３から信号を取り出すためのリードが引き出されている。ただし本発明において、エレクトレット層２６、導電性基材２３、圧電層２４の積層の順序はこれには限定されない。

エレクトレット層２６の材料としてはたとえば、アクリル樹脂やナイロンなどの合成ポリマー、ポリエステルフィルム、ポリプロピレン（ＰＰ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などが例示されるが、本発明において特に限定されない。

また圧電層２４の材料は特に限定されず、たとえば有機系の圧電膜やセラミック系の圧電膜を用いることができる。また圧電層２４の形成方法も特に限定されない。有機系の圧電膜を採用する場合、塗装を利用した形成方法が好適である。

第２電極２８は、第１電極２２と対向して相対的に可動な態様で設けられる。
具体的には、発電装置２０は、第１電極２２および第２電極２８の間隔が可変に構成される。言い換えれば、第１電極２２と第２電極２８は、垂直方向に可動となっている。加えて発電装置２０は、第１電極２２と第２電極２８のオーバーラップ面積が可変に構成される。言い換えれば、第１電極２２と第２電極２８は水平方向に相対的に可動となっている。本実施の形態では、説明の簡潔化、理解の容易化のため、第１電極２２側が固定され、第２電極２８が可動である場合を説明する。

以上が発電装置２０の構成である。続いてその動作を説明する。
はじめに、発電装置２０の発電動作を説明する。発電装置２０は、異なる複数のモードによって発電可能である。
図３（ａ）〜（ｃ）は、図２の発電装置２０の第１〜第３の発電モードを示す図である。

図３（ａ）に示す第１の発電モードでは、第１電極２２と第２電極２８のオーバーラップ面積Ｓが変化することにより電気信号が取り出される。第１電極２２と第２電極２８のギャップの距離をｄ、ギャップの誘電率をεとするとき、第１電極２２と第２電極２８が形成するキャパシタの容量Ｃは、以下の式で与えられる。
Ｃ＝ε×Ｓ／ｄ

第１電極２２と第２電極２８が正対した初期状態でのオーバーラップ面積をＳ０、第２電極２８の変位後のオーバーラップ面積をＳ１とすると、第１電極２２と第２電極２８により形成されるキャパシタの容量値の変化量ΔＣは、ΔＳ＝Ｓ１−Ｓ０として、以下の式で与えられる。
ΔＣ＝ε×ΔＳ／ｄ
キャパシタの容量Ｃ、電極間電圧Ｖ、蓄積電荷量Ｑには、
Ｖ＝Ｑ／Ｃ
の関係が成り立つ。したがって第１の発電モードでは、オーバーラップ面積の変化ΔＳに応じた電気信号を取り出すことができる。

図３（ｂ）に示す第２の発電モードでは、第１電極２２と第２電極２８の電極間距離ｄが変化することにより電気信号が取り出される。第１電極２２と第２電極２８の初期状態の距離をｄ０、第２電極２８の変位後の距離をｄ１とすると、キャパシタの容量値の変化量ΔＣは、Δｄ＝ｄ１−ｄ０として、以下の式で与えられる。
ΔＣ＝ε×Ｓ／Δｄ
したがって、第２の発電モードでは、電極間距離ｄの変化Δｄに応じた電気信号を取り出すことができる。なお、第１電極２２および第２電極２８は、互いに離れる方向、近づく方向の両方に変位可能としてもよいし、いずれか一方としてもよい。

図３（ｃ）に示す第３の発電モードでは、第１電極２２が変形することにより、圧電効果により圧電膜に表面電荷が発生し、表面電荷に応じて第２電極２８側が帯電することにより、電気信号が取り出される。なお、図３（ｃ）では、理解の容易化のため、エレクトレット層２６の分極による表面電荷は省略しており、圧電層２４の表面電荷のみを示している。当然のことながら、図３（ｃ）のように第１電極２２が変形する場合、第２電極２８と第１電極２２の距離ｄも変化するため、第２の発電モードによる電気信号も同時に取り出されることとなる。

以上が発電装置２０の発電動作である。続いて、発電装置２０におけるエレクトレット層の再チャージ動作を説明する。

図４（ａ）、（ｂ）は、発電装置２０におけるエレクトレット層の再チャージ動作を示す図である。図４（ａ）は、エレクトレット層２６が他の部材とショートしたことにより、帯電性が失われた状態を示す。図４（ｂ）に示すように、第１電極２２が変形すると、圧電効果により圧電層２４に表面電荷が発生する。この表面電荷によりエレクトレット層２６に電界Ｅが印加され、エレクトレット層２６に再び電気分極が誘起される。これにより、エレクトレット層２６を再チャージすることができる。

以下、発電装置２０により奏される効果を説明する。

効果１． 発電装置２０によれば、エレクトレット層２６と第２電極２８の導電性基材の相互作用による発電機能（第１モード、第２モード）と、圧電層２４と第２電極２８の導電性基材の相互作用による発電機能（第３モード）の両方が発揮されうる。これにより、単位面積あたりの発電量を増大でき、すなわち発電効率を高めることができる。

効果２． エレクトレット層２６と他の部材とのショートによってエレクトレット層２６の帯電が失われたとしても、その後、圧電層２４の変形により発生する電界によってエレクトレット層２６に電気分極を誘起することができるため、発電能力を回復させることができる。したがって発電装置の信頼性を高めることができる。

効果３． 効果２と関連して、発電装置２０においては、仮にエレクトレット層２６と第２電極２８が接触したとしても、圧電層２４によりエレクトレット層２６を再チャージできる。したがって従来のエレクトレット発電装置のようにエレクトレット電極と金属電極の間隔ｄは固定する必要がなく、それらの間隔ｄを積極的に可変とすることで、従来不可能であった第２の発電モードによる発電することが可能となる。

第１の発電モードと第２の発電モードを比較すると、同じ容量変化を発生させるために必要な第２電極２８の変位量は、第２の発電モードの方が格段に小さくて足り、言い換えれば、同じ変位を与えたときの容量変化は、第２の発電モードの方が格段に大きい。したがって図２の発電装置２０によれば、第１の発電モードのみで発電可能な従来の発電装置よりも格段に大きな電力を取り出すことができる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（変形例１）
実施の形態では、第１電極２２が固定され、第２電極２８が可動である場合を説明したが、第２電極２８を固定し、第１電極２２を可動としてもよい。あるいは第１電極２２、第２電極２８の双方を可動としてもよい。

（変形例２）
変形例において、第１電極２２と第２電極２８の間に、誘電体層を挿入してもよい。これにより、第１電極２２と第２電極２８の間の誘電率εを高めることができ、同じ変位が生じたときの容量の変化量ΔＣを増大し、発電量を増大できる。

あるいは、第１電極２２と第２電極２８の間に、誘電率εが１より大きいガスを充填してもよい。誘電体層を挿入する場合、第１電極２２の変形や、第１電極２２、第２電極２８の変位が妨げられるおそれがあるが、ガスであれば、そのような問題を解決できる。

（変形例３）
実施の形態では、発電装置２０を発電用途に使用する場合を説明したが、発電装置２０をセンサとして用いてもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０…エレクトレット発電装置、１２…エレクトレット電極、１４…金属電極、２０…発電装置、２２…第１電極、２３…導電性基材、２４…圧電層、２６…エレクトレット層、２８…第２電極。

Claims (5)

1. 積層されたエレクトレット層および圧電層を含み、変形可能な第１電極と、
   前記第１電極と対向して、相対的に可動に設けられた導電性基材を含む第２電極と、
   を備えることを特徴とする発電装置。
2. 前記第１電極および前記第２電極の間隔が可変に構成されることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記第１電極と前記第２電極のオーバーラップ面積が可変に構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
4. 前記第１電極と前記第２電極の間には、誘電体層が設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発電装置。
5. 前記第１電極と前記第２電極の間には、誘電率が１より大きいガスが充填されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発電装置。

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