JP2015220836A - 発電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、発電装置の第1構成例を示す模式図(横方向から見た断面図)である。第1構成例の発電装置10は、誘電体11と、エレクトレット12と、下部電極13と、抵抗14と、上部電極15と、基板16と、空隙層17とを有する。なお、図1の上段には、発電装置10の第1状態(誘電体11とエレクトレット12とが離間した状態)が描写されており、図1の下段には、発電装置10の第2状態(誘電体11とエレクトレット12とが接近した状態)が描写されている。
図2は、発電装置10の等価回路図である。なお、符号C1はエレクトレット12の静電容量(固定値)を示しており、符号C2は誘電体11の静電容量(固定値)を示しており、符号C3は空隙層17の静電容量(可変値)を示しており、符号C4は誘電体11と空隙層17の直列合成容量(C4=C2×C3/(C2+C3))を示している。また、符号Rは抵抗14の抵抗値(固定値)を示している。
Q=Q1+Q2 … (1)
V=Q1/C1=Q2/C4 … (2)
Q1=Q×C1/(C1+C4) … (3)
i=Q1’={Q×C1×(C1+C4)−1)}’
=Q×C1×{(C1+C4)−1}’
=Q×C1×{−(C1+C4)−2}×C4’ … (4)
C4=(C2−1+C3−1)−1 … (5)
C4’={(C2−1+C3−1)−1}’
={(C3/C2+1)−2}×C3’ … (6)
C3=ε0×εr×S×{X0+A×sin(ω×t)}−1 … (7)
C3’=−ε0×εr×S×A×ω×cos(ω×t)
×{X0+A×sin(ω×t)}−2 … (8)
V2=i×R … (9)
P=I2×R=T−1×∫0 Ti2dt×R … (10)
[測定系]
図3は、発電実験に用いた測定系の概略図である。今回の発電実験に用いられた測定系Xは、誘電体X1と、アルミ板X2と、電磁式加振機X3と、試料X4と、アルミ板X5と、3軸ステージX6と、土台X7と、同軸ケーブルX8と、同軸ケーブルX9と、シールドケースX10と、同軸ケーブルX11と、ローパスフィルタX12と、同軸ケーブルX13と、オシロスコープX14と、を含む。
測定系Xを用いた実験手順は次の通りである。ステップS1では、試料X4のエレクトレットに対して図4で示したコロナ放電装置Yを用いて所定の条件(コロナ放電電圧:10kV,0.1mA、グリッド電圧1.5kV)で電荷の注入を行う。なお、図4において、符号X41、X42、X43は、それぞれ、試料Xを形成する構成要素(エレクトレット、下部電極、基板)を示している。また、符号Y1〜Y4は、それぞれ、コロナ放電装置Yを形成する構成要素(グリッド、放電電極針、グリッド用電源、直流高圧電源)を示している。ステップS2では、試料X4の表面電位を測定する。ステップS3では、測定系Xに試料X4を接続する。ステップS4では、誘電体X1を電磁式加振機X3によって振動させる。ステップS5では、誘電体X1と試料X4との接近/離間に応じて生じる出力電圧Vmの波形をオシロスコープで観察する。ステップS6では、可変抵抗Rvの抵抗値を変更しながらステップS4〜ステップS6を繰り返す。ステップS7では、得られた出力電圧Vmに基づいて発電装置10の発電電力Pを算出する。
Vms=T−1×∫0 TVmdt … (11)
VL=Vms×(R+Rv)/R … (12)
P=VL2/(R+Rv) … (13)
まず、試料X4の表面電位測定結果について説明する。ステップS1の電荷注入後における試料X4表面の平均電位は、約−525Vとなっていた。
図10は、発電装置の第2構成例を示す模式図である。第2構成例の発電装置10は、第1構成例とほぼ同様の構成であり、誘電体11の上面側に設けられていた上部電極15が取り除かれた点に特徴を有している。すなわち、第2構成例の発電装置10は、誘電体11に何ら電極が接続されていない構成である言える。別の見方をすれば、第2構成例の発電装置10は、誘電体11を含む可動部の全体が電気的にフローティング状態(何らかの電位点に接続されていない状態)とされた構成であるとも言える。なお、誘電体11を含む可動部の全体は、例えば絶縁体(絶縁性のバネなど)で保持するとよい。
図11は、発電装置の第3構成例を示す模式図である。第3構成例の発電装置10は、第1構成例とほぼ同様の構成であり、誘電体11の上面側に電気的にフローティング状態の金属体18が形成されている点に特徴を有している。金属体18は、何らかの電位点(接地端)に接続されることを意図した上部電極15とは異なり、電気的にフローティング状態とされた金属製の部材である。従って、第3構成例の発電装置10は、誘電体11を含む可動部の全体が電気的にフローティング状態とされた構成であるという点で、先の第2構成例と共通する。なお、金属体18は、板状であっても膜状であっても構わない。
図12は、発電装置の第1パッケージング例を示す模式図(横方向から見た断面図)である。第1パッケージング例の発電装置20は、基板21と、下部電極22と、エレクトレット23と、誘電体24(誘電体、電極、重錘が一体となったもの)と、パッケージ25と、接着剤26と、ワイヤ27と、を有する。なお、以下の説明において、誘電体24に接続される上部電極の有無は問わない。
図20は、誘電体の第1ガイド例を示す模式図(上面図及び横方向からの断面図)である。第1ガイド例の振動装置20において、誘電体24及びパッケージ25は、発電装置20を平面視したときに、各々の外縁ないし内縁が円形状となるように形成されている。誘電体24は、パッケージ25の内壁との間にボール部材38(鋼球)を挟み込んだ形で収納されている。ボール部材38は、発電装置20を平面視したときに、誘電体24の外縁周(パッケージ25の内縁周)を4等分する位置に各々設けられている。誘電体24には、ボール部材38の当接位置にそれぞれ上下方向のレール溝24aが形成されている。一方、パッケージ25の内壁には、ボール部材38の当接位置にそれぞれ凹状の球受部25aが形成されている。このような構成とすることにより、誘電体24の上下動を阻害することなく、パッケージ25の内側面と誘電体24との接触を防止することができる。
次に、誘電体側に電極を設けない構成(図10の第2構成例を参照)を採用する上で、有益となるグランドリングについて説明する。図22は、グランドリングの第1適用例を示す模式図(横方向からの断面図)である。なお、図中の矢印は電気力線を示している。第1適用例の発電装置40は、誘電体41と、エレクトレット42と、下部電極43と、抵抗44と、グランドリング45と、を有する。グランドリング45は、所定の距離を隔ててエレクトレット42と下部電極43の周囲を取り囲むように形成された導電部材(例えばアルミニウム)である。なお、グランドリング45は接地端に直接接続されている。
図24は、誘電体の形状と下部電極の形状との組合わせ例を示す模式図である。本例の発電装置50は、誘電体51と、エレクトレット52と、下部電極53と、基板54と、を有する。
図28は、3軸化を実現するための第1構造を示す模式図である。第1構造の発電装置60は、誘電体61と、エレクトレット62と、下部電極63と、を有する。誘電体61には、凸部61aが複数形成されており、エレクトレット62には、所定の隙間を設けて凸部61aが嵌合される凹部62aが複数形成されている。また、図28では描写されていないが、発電装置60は、紙面の奥行方向にも同様の構造を有する。このような構造を採用することにより、誘電体61が紙面の上下方向に振動する場合であっても、誘電体61が紙面の左右方向に振動する場合であっても、或いは、誘電体61が紙面の奥行方向に振動する場合であっても、誘電体61とエレクトレット62とのギャップ距離が変化するので、効率よく発電を行うことが可能となる。
図32は、誘電体の比誘電率と発電量との関係を示すグラフである。図32の横軸は誘電体の比誘電率εrを示しており、図32の縦軸は発電量P[%](比誘電率εrが無限大である場合の発電量で規格化)を示している。なお、本グラフは、エレクトレットの比誘電率が2、エレクトレットの膜厚が5μm、誘電体の振動の振幅が20μm、誘電体がエレクトレットに最接近したときの空隙層(空気層)の厚み(ギャップ距離)が1μm、という仮定条件の下で、先出の(3)式〜(9)式を用いて得られた演算結果を示すものである。ただし、図中の各発電電力は、誘電体の比誘電率εrが無限大である場合の発電量を100%として規格化している。また、図32の丸シンボル、四角シンボル、及び、菱形シンボルは、それぞれ、誘電体の厚みが0.01mm、0.1mm、及び、1mmであるときの演算結果を示している。
最も有望である材料は、チタン酸バリウム(BaTiO3,BTO)である。使用温度(0〜100℃程度を想定)における比誘電率は約1000であり、上記の条件を満たしている。比較的安価でかつ非鉛であるため環境負荷も小さいので、製品化の際にも有利である。120℃以上の環境下では比誘電率が落ちる。また、動作周波数が100kHz以上の場合もやはり比誘電率が低下する。ただし、想定する動作周波数は1〜数百Hzなので、本デバイスに関して上記特徴は欠点にならない。唯一の問題は強誘電体である為に、誘電特性にヒステリシスがある点である。
図33は、これまでに説明してきた発電装置の第1変形例を示す模式図である。第1変形例の発電装置100は、可動マス101と、ばね部材102と、誘電体103と、エレクトレット104と、ガラス基板105と、反発部材106aと、パッケージ110と、を有し、誘電体103とエレクトレット104との距離が変化することによって発電を行う振動型発電装置である。
各種センサや無線機器(例えば、ZigBee[登録商標]・300MHz帯特定小電力無線機器)用の電源として、上記の発電装置を適用することにより、無線センサや無線センサネットワークによるユビキタス環境を構築することができる。すなわち、各種のセンサや無線装置の電源配線が不要となるので、各々の機器を分散配置して、ネットワーク内での情報連携を実現することが可能となる。
なお、本発明の構成は、上記実施形態ないし変形例のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
11 誘電体
12 エレクトレット
13 下部電極
14 抵抗
15 上部電極
16 基板
17 空隙層
18 金属体
20 発電装置
21 基板
22 下部電極
23 エレクトレット
24 誘電体(誘電体、電極、重錘が一体となったもの)
24a レール溝
25 パッケージ
25a 球受部
25b レール溝
26 接着剤
27 ワイヤ
31〜34 弾性部材
35a、35b、36a、36b 磁石
37 ストッパ
38 ボール部材
39 レール部材
40 発電装置
41 誘電体
42 エレクトレット
43 下部電極
44 抵抗
45 グランドリング
50 発電装置
51 誘電体
52 エレクトレット
53 下部電極
54 基板
60 発電装置
61 誘電体
61a 凸部
62 エレクトレット
62a 凹部
63 下部電極
70、80、90 発電装置
71、81、91 誘電体
72、82、92 エレクトレット
73、83、93 下部電極
74、84、94 抵抗
100 発電装置
101 可動マス
102 ばね部材(マス支持部材)
103 誘電体
104 エレクトレット
105 ガラス基板
106a 反発部材(エレクトレット支持部材)
106b ばね部材(エレクトレット支持部材)
107 磁石
110 パッケージ
X1 誘電体
X2 アルミ板
X3 電磁式加振機
X4 試料
X41 エレクトレット
X42 下部電極
X43 基板
X5 アルミ板
X6 3軸ステージ
X7 土台
X8 同軸ケーブル
X9 同軸ケーブル
X10 シールドケース
X10a 第1コネクタ
X10b 第2コネクタ
X11 同軸ケーブル
X12 ローパスフィルタ
X13 同軸ケーブル
X14 オシロスコープ
Rv、R ロード抵抗
Y コロナ放電装置
Y1 グリッド
Y2 放電電極針
Y3 グリッド用電源
Y4 直流高圧電源
Claims (10)
- 可動マスとなる誘電体と、電荷を保持するエレクトレットと、を有し、前記誘電体と前記エレクトレットとの距離が変化することによって発電を行う発電装置であって、
前記エレクトレットを弾性的に支持するエレクトレット支持部材をさらに有することを特徴とする発電装置。 - 前記エレクトレット支持部材は、所定の反発係数を持つ反発部材を含むことを特徴とする請求項1に記載の発電装置。
- 前記反発係数は0.3以上であることを特徴とする請求項2に記載の発電装置。
- 前記反発部材は、ゲルまたはこれよりも反発係数の高い高反発材料によって形成されていることを特徴とする請求項3に記載の発電装置。
- 前記誘電体と前記エレクトレットとを離間させるように互いに反発し合う磁石をさらに有することを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の発電装置。
- 前記磁石は、その表面が前記誘電体及び前記エレクトレットの表面とそれぞれ面一となるように形成されていることを特徴とする請求項5に記載の発電装置。
- 前記エレクトレット支持部材は、所定のばね定数を持つばね部材を含むことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の発電装置。
- 前記ばね定数は0.5〜50N/mmであることを特徴とする請求項7に記載の発電装置。
- 前記可動マスを弾性的に支持するマス支持部材をさらに有することを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の発電装置。
- 前記誘電体と前記エレクトレットを収納するパッケージをさらに有することを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載の発電装置。
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