JP2015164379A - 発電装置 - Google Patents

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久史 石井
Hisashi Ishii
久史 石井
雄士 海野
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雄士 海野
彰裕 金澤
Akihiro Kanazawa
彰裕 金澤
拓弥 桑田
Takuya Kuwata
拓弥 桑田
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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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