JP2020202686A

JP2020202686A - 静電誘導型発電素子に使用される電極基板

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Publication number: JP2020202686A
Application number: JP2019109403A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　雄二; Yuji Suzuki; 雄二鈴木; 依然柳; Yiran Liu
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2020-12-17
Anticipated expiration: 2039-06-12
Also published as: JP7282365B2

Abstract

【課題】ＳＳＨＩ等の非線形電源管理回路を静電誘導型発電素子に適用するための静電誘導型発電素子に使用される電極基板を提供する。【解決手段】静電誘導型発電素子１０は、互いに対向した電荷保持基板１０ａと電極基板１０ｂとを含んで構成され、電極基板１０ｂは、電荷を保持する電荷保持基板１０ａの電荷保持面に対向し、電荷保持基板１０ａと相対運動しつつ電力抽出回路１２ａを介して負荷１６に供給する電力を発生する第１の電極１０ｃと、上記電荷保持面に対向し、電荷保持基板１０ａと相対運動しつつ電力抽出回路１２ａの開閉用スイッチ制御回路１２ｂを動作させるための電力を発生する、第１の電極１０ｃより小さな面積に形成された第２の電極１０ｄとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、静電誘導型発電素子に使用される電極基板に関する。

従来から、絶縁材料に電荷を注入したエレクトレットを使用した静電誘導型発電素子が提案されている。このような、エレクトレットを使用した静電誘導型発電素子は、電気エネルギーと運動エネルギーとの変換効率が高いことが知られている。例えば、下記特許文献１、２にも、エレクトレットを使用した静電誘導型発電素子が開示されている。

なお、静電誘導型発電素子は、互いに対向した電極の一方に電圧を印加し、電極を相対移動することによっても実現することができる。

このような静電誘導型発電素子は、圧電素子と同様に例えば環境発電（Energy Harvesting）等に適用することができる。圧電素子の場合、電力の回収効率を向上する試みがなされている。例えば下記非特許文献１には、ＳＳＨＩ（synchronized switching harvesting on inductor）を使用して圧電素子からの電力の回収効率を向上できることが開示されている。下記非特許文献２には、ＳＥＣＥ（synchronous electric charge extraction）を使用して圧電素子からの電力の回収効率を向上できることが開示されている。また、下記非特許文献３には、ＳＳＨＩ（synchronized switching harvesting on inductor）を使用して静電誘導型発電素子からの電力の回収効率を向上できることが開示されている。

しかし、静電誘導型発電素子では、圧電素子に比べて素子の静電容量が３桁程度小さく、出力電圧も１桁程度高いので、圧電素子向けのＳＳＨＩをそのまま適用すると損失が大きくなるという課題があった。特に、出力電圧が高いために、発振回路を制御するための信号を形成するスイッチ制御回路での消費電力が大きくなるという課題があった。しかしながら、静電誘導型発電素子に適用して寄生容量に基づく電力損失を効率よく低減し、電力の回収効率を向上する技術は提案されていない。

特開２００５−２２９７０７号公報特開２００７−３１２５５１号公報

E. Lefeuvre, A. Badel, C. Richard, L. Petit, D. Guyomar, A comparison between several vibration-powered piezoelectric generators for standalone systems, Sens. Actuators A 126 (2006) 405-416 E. Lefeuvre, A. Badel, C. Richard, D. Guyomar, Piezoelectric energy harvesting device optimization by synchronous electric charge extraction. J. Intell. Mater. Syst. Struct. Vol. 16, (2005), 865-876. Y. Liu, and Y. Suzuki,Self-powered SSHI for electret energy harvester"J. Phys.: Conf. Ser., Vol. 1052, (2018) 012022.

本発明の目的は、ＳＳＨＩ、ＳＥＣＥ等の非線形電源管理回路を静電誘導型発電素子に適用するための静電誘導型発電素子に使用される電極基板を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一実施形態は、運動エネルギーと電気エネルギーとを変換する静電誘導型発電素子に使用される電極基板であって、電荷を保持する電荷保持基板の電荷保持面に対向し、前記電荷保持基板と相対運動しつつ電力抽出回路を介して負荷に供給する電力を発生する第１の電極と、電荷を保持する電荷保持基板の電荷保持面に対向し、前記電荷保持基板と相対運動しつつ電力抽出回路の開閉用スイッチ制御回路を動作させるための電力を発生する、前記第１の電極より小さな面積に形成された第２の電極と、を備えることを特徴とする。

上記電極基板が円形であり、前記第１の電極が半径方向の外側に、前記第２の電極が半径方向の内側に、それぞれ放射形状に設けられていてもよい。

また、上記電極基板が円形であり、前記第１の電極と前記第２の電極の合計面積の半分を超える面積に前記第１の電極が、前記合計面積の半分を超えない面積に前記第２の電極が、それぞれ放射形状に設けられていてもよい。

また、上記電極基板と電荷保持基板との相対運動が回転運動であるのが好適である。

また、上記第１の電極と上記第２の電極とが細片状に形成されて互いに平行に配置され、前記第１の電極の総面積が前記第２の電極の総面積より大きいのが好適である。

また、上記電極基板と電荷保持基板との相対運動が、前記第１の電極及び前記第２の電極の長手方向に直交する方向に一次元の振動であるのが好適である。

本発明によれば、ＳＳＨＩ、ＳＥＣＥ等の非線形電源管理回路を静電誘導型発電素子に適用するための静電誘導型発電素子に使用される電極基板を提供できる。

実施形態にかかる電極基板を使用した静電誘導型発電素子を含んで構成された環境発電装置の例を示す図である。実施形態にかかるＳＳＨＩを使用した場合の非線形電源管理回路の動作の説明図である。実施形態にかかる電極基板の構成例を示す図である。実施形態にかかる円形の電荷保持基板と電極基板との組み合わせにより構成された静電誘導型発電素子の例を示す図である。実施形態にかかる静電誘導型発電素子の他の構成例の断面図である。実施形態にかかる静電誘導型発電素子における電極基板の変形例を示す図である。実施例及び比較例１、２の出力測定結果を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１には、実施形態にかかる電極基板を使用した静電誘導型発電素子を含んで構成された環境発電装置の例が示される。図１において、環境発電装置１００は、静電誘導型発電素子１０と非線形電源管理回路１２とを含んで構成されている。環境発電装置１００は、必要に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ１４を介して外部の負荷１６に接続される。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、適宜な整流器を含んで構成される。

静電誘導型発電素子１０は、互いに対向した電荷保持基板１０ａと電極基板１０ｂとを含んで構成されている。電荷保持基板１０ａは、その表面近傍領域に電荷を保持する機能を有し、例えばエレクトレットにより構成することができる。エレクトレットは、樹脂等の絶縁材料の表面付近に電荷（例えば、負電荷）を注入して形成される。絶縁材料への電荷の注入には、液体接触、コロナ放電、電子ビーム、軟Ｘ線等公知の方法を用いることができる。なお、電荷保持基板１０ａは、エレクトレットではなく、適宜な電源から電圧が印加された導体、例えば金属板等で形成されていてもよい。

上記電極基板１０ｂには、電荷保持基板１０ａの電荷保持面に対向して配置された第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄが形成されている。第１の電極１０ｃは、電荷保持基板１０ａの電荷を保持した面（以後、電荷保持面という）に対向し、電荷保持基板１０ａと相対運動しつつ負荷用電力（電力抽出回路１２ａを介して外部の負荷に供給する電力）を発生する。また、第２の電極１０ｄは、電荷保持基板１０ａの電荷保持面に対向し、電荷保持基板１０ａと相対運動しつつ非線形電源管理回路１２の制御用電力を発生する。第２の電極１０ｄは、第１の電極１０ｃより、上記電荷保持面に対向する面積が小さく形成されている。これは、非線形電源管理回路１２の制御用電力が負荷用電力より小さくてよいからであり、これにより電力損失（負荷に供給できない電力）を低減することができる。また、同時に、非線形電源管理回路１２のスイッチ制御回路１２ｂに供給される電圧が電力抽出回路１２ａに供給される電圧よりも低くなることにより、スイッチ制御回路１２ｂの消費電力を抑えることができる。

電荷保持基板１０ａと電極基板１０ｂとは、互いに相対運動するように構成されており、この結果、電荷保持基板１０ａと第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄとも相対運動するので、静電誘導により上述した負荷用電力及び制御用電力をそれぞれ発生することができる。ここで、相対運動は、電荷保持基板１０ａの電荷保持面に保持された電荷により、静電誘導に基づいて上記電極基板１０ｂの第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄに起電力を発生できる運動であれば限定されない。

非線形電源管理回路１２は、例えばＳＳＨＩ（synchronized switching harvesting on inductor）、ＳＥＣＥ（synchronous electric charge extraction）等を使用して構成することができ、発振回路の役割を果たす電力抽出回路１２ａと、第２の電極１０ｄの出力電圧に合わせて制御信号を生成するスイッチ制御回路１２ｂとを含み、電力抽出回路１２ａは、スイッチ制御回路１２ｂが生成した制御信号により開閉されるスイッチを有している。

電力抽出回路１２ａは、スイッチ制御回路１２ｂの制御により開閉動作を行い、静電誘導型発電素子１０に存在する寄生容量の影響を抑制して第１の電極１０ｃからの電力の回収効率を向上するように動作する。この場合、スイッチ制御回路１２ｂは、上記第２の電極１０ｄが発生する電圧のピークを検出して電力抽出回路１２ａのスイッチ開閉動作を制御する。従って、スイッチ制御回路１２ｂに供給される電圧のピークと電力抽出回路１２ａに供給される電圧のピークとは同期するように構成される。ＳＳＨＩの場合の非線形電源管理回路１２の動作は後述する。

上述した通り、静電誘導型発電素子１０の第１の電極１０ｃの出力電力は、必要に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ１４を介して外部の負荷１６に接続される。

図２には、ＳＳＨＩを使用した場合の非線形電源管理回路１２の動作の説明図が示される。図２において、本実施形態で用いたＳＳＨＩでは、第１の電極１０ｃからの出力電圧を、第２の電極１０ｄからの出力電圧を用いて制御し、静電誘導型発電素子１０に存在する寄生容量Ｃｐで消費される電力を抑制することよって電力の回収効率を向上する。第１の電極１０ｃからの出力電圧は交流であり、出力電圧が正の位相では、寄生容量Ｃｐの第１の電極１０ｃに直接接続された側は正に帯電される。ＳＳＨＩが動作しない（用いない）場合、出力電圧が負の位相に移行すると、正に帯電した寄生容量Ｃｐの第１の電極１０ｃに直接接続された側に負の電荷が流れ込むことによって電荷が消滅し、発電した電力が消費される。一方、ＳＳＨＩを用いた場合、第１の電極１０ｃからの出力電圧と同位相である第２の電極１０ｄからの出力電圧に合わせてスイッチ制御回路１２ｂを用いて、出力電圧の位相が正のピークに達した際に電力抽出回路１２ａ内のスイッチを閉じて内部の発振回路を動作させ、帯電した寄生容量Ｃｐの両端の電荷を反転させる。このことにより、第１の電極１０ｃからの出力電圧が負の位相に移行した際に、寄生容量Ｃｐの第１の電極１０ｃに直接接続された側が負に帯電していることから、負の電荷が流れ込むことがない。従って、発電した電力が寄生容量Ｃｐで失われることがなく、電力抽出回路１２ａを介して負荷１６で消費される。

図３（ａ）、（ｂ）には、電極基板１０ｂの構成例が示される。図３（ａ）、（ｂ）の例では、電極基板１０ｂに対向している電荷保持基板１０ａは省略されている。

図３（ａ）において、電極基板１０ｂは、円形基板であり、その中心から放射形状（扇形の一部）に第１の電極１０ｃと第２の電極１０ｄとがそれぞれ点対称に形成されている。この場合、第１の電極１０ｃが電極基板１０ｂの半径方向の外側に、第２の電極１０ｄが電極基板１０ｂの半径方向の内側に設けられており、第１の電極１０ｃの総面積が第２の電極１０ｄの総面積より大きく構成されている。この場合、円形である電極基板１０ｂの中心における第１の電極１０ｃと第２の電極１０ｄの角度（扇形の中心角）は同じでもよいし、異なっていてもよい。

また、電極基板１０ｂには、グランド電極１０ｅが第１の電極１０ｃの間に、グランド電極１０ｇが第２の電極１０ｄの間に放射状に、且つ点対称に形成されている。すなわち、グランド電極１０ｅと第１の電極１０ｃとが、電極基板１０ｂの円周方向に交互に形成され、グランド電極１０ｇと第２の電極１０ｄとが、電極基板１０ｂの円周方向に交互に形成されている。

図３（ａ）の例では、第１の電極１０ｃが８個、第２の電極１０ｄが８個それぞれ形成されており、第１の電極１０ｃ同士、第２の電極１０ｄ同士で電気的に接続されている。なお、第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄの数は８個に限定されず、適宜な数とすることができる。また、グランド電極１０ｅ同士及びグランド電極１０ｇ同士も電気的に接続されている。なお、第１の電極１０ｃとグランド電極１０ｅとの間に電力抽出回路１２ａが接続され、第２の電極１０ｄとグランド電極１０ｇとの間にスイッチ制御回路１２ｂが接続されている。

図３（ａ）に図示しないエレクトレット等を備える電荷保持基板１０ａも、円形基板であり、各第１の電極１０ｃと第２の電極１０ｄとを合わせた領域と略同一の扇形の領域に電荷を保持している。この電荷を保持した扇形の領域（電荷保持領域ということがある）は、電荷保持基板１０ａの円周方向に互いに離隔されて複数形成されており、例えば第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄと同数とすることができる。電荷保持基板１０ａは、その回転軸（中心を通る軸）が電極基板１０ｂの回転軸と一致し、この回転軸により回転することにより電荷保持基板１０ａと電極基板１０ｂとが相対運動する。この結果、電荷保持基板１０ａの電荷による静電誘導により第１の電極１０ｃと第２の電極１０ｄとに誘導起電力が発生する。この際、上記電荷保持領域の数が、上記第１の電極１０ｃと第２の電極１０ｄとを合わせた領域の数と同じであり、その平面形状も略同一であり、さらに、電荷保持領域、及び第１の電極１０ｃと第２の電極１０ｄが基板上に点対称に配置されているので、第１の電極１０ｃに発生する誘導起電力及び第２の電極１０ｄに発生する誘導起電力は、位相が同期している。このため、非線形電源管理回路１２内のスイッチの開閉を制御するためにスイッチ制御回路１２ｂに供給される電圧のピークと電力抽出回路１２ａに供給される電圧のピークとを同期することができる。

また、第１の電極１０ｃの総面積が第２の電極１０ｄの総面積より大きいので、外部の負荷１６には第１の電極１０ｃから電力抽出回路１２ａを介して大きな電力を供給でき、スイッチ制御回路１２ｂには第２の電極１０ｄから小さな電力が供給される。このため、スイッチ制御回路１２ｂで消費される電力を低減でき、電力の回収効率を向上できる。

次に、図３（ｂ）の例では、円形の電極基板１０ｂの周方向に放射形状の第１の電極１０ｃ、第２の電極１０ｄ及びグランド電極１０ｅ、１０ｇが配置されている。この場合、第１の電極１０ｃの数が第２の電極１０ｄの数より多く形成されている。この結果、第１の電極１０ｃと第２の電極１０ｄの合計面積の半分を超える面積に第１の電極１０ｃが設けられ、上記合計面積の半分を超えない面積に第２の電極１０ｄが設けられる。なお、第１の電極１０ｃと第２の電極１０ｄとを同一のグループとみなした場合、これらは点対称に配置されている。また、グランド電極１０ｅ、１０ｇも、同一のグループとみなした場合点対称に配置されている。

また、図３（ｂ）の例では、第１の電極１０ｃが６個、第２の電極１０ｄが２個それぞれ形成されているが、上記合計面積に対する各面積の割合が上記の条件を満たしていれば、第１の電極１０ｃと第２の電極１０ｄの数は適宜決定できる。なお、第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄが複数形成されている場合には、それぞれ電気的に接続する。また、グランド電極１０ｅ及びグランド電極１０ｇ同士もそれぞれ電気的に接続する。図３（ｂ）の場合も、図３（ａ）の場合と同様に、第１の電極１０ｃとグランド電極１０ｅとの間に電力抽出回路１２ａが接続され、第２の電極１０ｄとグランド電極１０ｇとの間にスイッチ制御回路１２ｂが接続されている。

図３（ｂ）の例でも、図示しないエレクトレット等を備える電荷保持基板１０ａが円形基板として構成されており、図３（ａ）の場合と同様に電荷保持基板１０ａが上記回転軸により回転することにより電荷保持基板１０ａと電極基板１０ｂとが相対運動する。この結果、電荷保持基板１０ａの電荷による静電誘導により第１の電極１０ｃと第２の電極１０ｄとに誘導起電力が発生する。この際、上記電荷保持領域の数が、上記第１の電極１０ｃと第２の電極１０ｄとを合わせた領域の数と同じであり、その平面形状も略同一であり、さらに、電荷保持領域、及び第１の電極１０ｃと第２の電極１０ｄのグループが基板上に点対称に配置されているので、第１の電極１０ｃに発生する誘導起電力及び第２の電極１０ｄに発生する誘導起電力は、位相が同期している。このため、非線形電源管理回路１２内のスイッチの開閉を制御するためにスイッチ制御回路１２ｂに供給される電圧のピークと電力抽出回路１２ａに供給される電圧のピークとを同期することができる。

図４には、円形の電荷保持基板１０ａと電極基板１０ｂとの組み合わせにより構成された静電誘導型発電素子１０の例が示される。図４において、電荷保持基板１０ａには、電極基板１０ｂとの対向面に、電荷保持基板１０ａの半径方向に伸びた放射形状のエレクトレット１０Ｅとガード電極Ｇとが、円周方向に交互に配列されている。なお、電荷保持基板１０ａには、エレクトレット１０Ｅの代わりに、適宜な電源から電圧が印加された導体を使用してもよい。

また、電極基板１０ｂには、電荷保持基板１０ａとの対向面に、図３（ａ）と同様の第１の電極１０ｃ、第２の電極１０ｄ及びグランド電極１０ｅ、１０ｇが形成されている。なお、作図上の関係で第２の電極１０ｄ及びグランド電極１０ｇは図示を省略している。また、第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄとしては、図３（ａ）ではなく、図３（ｂ）と同様の構成としてもよい。これらの第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄは、グランド電極１０ｅ、１０ｇとともに電極基板１０ｂの円周方向に交互に配列されて形成されており、第１の電極１０ｃとグランド電極１０ｅとの間に電力抽出回路１２ａが接続され、第２の電極１０ｄとグランド電極１０ｇとの間にスイッチ制御回路１２ｂが接続されている。図４の例では、第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄの数、及びこれに対応するエレクトレット１０Ｅの数が、図３（ａ）、（ｂ）よりも多くなっているが、これらの数は適宜決定することができる。

図４に示された静電誘導型発電素子１０では、電荷保持基板１０ａと電極基板１０ｂとの中心軸が共通にされており、電荷保持基板１０ａがローターとなって上記中心軸で回転する。また、電極基板１０ｂはステーターであり、電荷保持基板１０ａと電極基板１０ｂとが円周方向に相対運動して、第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄに誘導起電力が発生し、電力抽出回路１２ａ及びスイッチ制御回路１２ｂにそれぞれ供給される。

図５には、静電誘導型発電素子１０の他の構成例の断面図が示される。図５において、静電誘導型発電素子１０は、互いに対向し、矢印Ａで示される、対向面に平行な方向に相対運動する電荷保持基板１０ａと電極基板１０ｂとを備えている。電荷保持基板１０ａの対向面には、エレクトレット１０Ｅとガード電極１０Ｇとが、上記矢印Ａ方向に交互に配列されている。この場合、エレクトレット１０Ｅとガード電極１０Ｇとは、上記矢印Ａ方向と直交する方向に伸びる断面が矩形の直方体の形状（細片状）に形成されている。なお、電荷保持基板１０ａには、エレクトレット１０Ｅの代わりに、適宜な電源から電圧が印加された導体を使用してもよい。

電極基板１０ｂの対向面には、第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄが形成されている。また、第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄと交互に、すなわちこれらの各々に隣接してグランド電極１０ｅ、１０ｇも形成されている。第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄと、上記エレクトレット１０Ｅとは同じ平面形状であり、その配置におけるエレクトレット１０Ｅ同士及び第１の電極１０ｃ及び／または第２の電極１０ｄ同士の離間間隔が同じであり、さらに第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄの合計数がエレクトレット１０Ｅの数と同数である。

なお、図５の例でも、第１の電極１０ｃ同士、第２の電極１０ｄ同士が電気的に接続されている。また、グランド電極１０ｅ同士及びグランド電極１０ｇ同士も電気的に接続されている。また、第１の電極１０ｃとグランド電極１０ｅとの間に電力抽出回路１２ａが接続され、第２の電極１０ｄとグランド電極１０ｇとの間にスイッチ制御回路１２ｂが接続されている。

電荷保持基板１０ａと電極基板１０ｂとが矢印Ａ方向に相対運動することによりエレクトレット１０Ｅに基づく誘導起電力が第１の電極１０ｃとグランド電極１０ｅとの間、及び第２の電極１０ｄとグランド電極１０ｇとの間に発生し、それぞれ電力抽出回路１２ａ及びスイッチ制御回路１２ｂに供給される。この場合、電荷保持基板１０ａと電極基板１０ｂとの相対運動は、例えば電荷保持基板１０ａを矢印Ａ方向に振動させることにより実現することができる。また、電荷保持基板１０ａと電極基板１０ｂとを、対向面に平行（矢印Ａ方向）且つ反対方向に同時に平行移動させることにより、相対的に振動させてもよい。

この際、第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄと、上記エレクトレット１０Ｅとは同じ平面形状であり、その配置におけるエレクトレット１０Ｅ同士及び第１の電極１０ｃ及び／または第２の電極１０ｄ同士の離間間隔が同じであり、さらに第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄの合計数がエレクトレット１０Ｅの数と同数であるので、第１の電極１０ｃに発生する誘導起電力及び第２の電極１０ｄに発生する誘導起電力は、位相が同期している。このため、電力抽出回路１２ａの開閉を制御するためにスイッチ制御回路１２ｂに供給される電圧のピークと電力抽出回路１２ａに供給される電圧のピークとを同期することができる。

なお、図５の例では、第２の電極１０ｄが一つであるが、これには限定されず、第１の電極１０ｃの総面積が第２の電極１０ｄの総面積より大きいという関係を満たせば、第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄの数を適宜決定することができる。

図６（ａ）、（ｂ）には、図５に示された静電誘導型発電素子１０における電極基板１０ｂの変形例が示される。図６（ａ）の例では、細片状の第１の電極１０ｃとグランド電極１０ｅとが交互に且つ平行に形成され、細片状の第２の電極１０ｄとグランド電極１０ｇとが同様に交互に且つ平行に形成されている。第１の電極１０ｃと第２の電極１０ｄ及びグランド電極１０ｅとグランド電極１０ｇとは、図６（ａ）に示されるように、電極基板１０ｂの平面上で互いに対応する位置（図の横方向の同じ位置）で長手方向に延びている。ここで、各第１の電極１０ｃの長手方向の長さＬｃが、第２の電極１０ｄの長手方向の長さＬｄよりも長く形成されている。このため、第１の電極１０ｃの総面積が第２の電極１０ｄの総面積より大きくなっている。

また、図６（ｂ）の例では、第１の電極１０ｃの長手方向の長さＬｃと第２の電極１０ｄの長手方向の長さＬｄとが同じ長さに形成されており、第１の電極１０ｃの数が第２の電極１０ｄの数より多く形成されている。なお、グランド電極１０ｅ及びグランド電極１０ｇも、それぞれ第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄと交互に且つ平行に形成されている。

なお、図示しない電荷保持基板１０ａは、図５の場合と同様であり、電極基板１０ｂの第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄが形成された面にエレクトレットが対向するように配置され、電極基板１０ｂと相対運動するように構成されている。

以下、本発明の実施例を具体的に説明する。なお、以下の実施例は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。
実施例

図３（ｂ）に示される構成の電極基板１０ｂを使用した静電誘導型発電素子１０を含む環境発電装置１００により発電実験を行った。

実験に使用した電極基板１０ｂは、外径３８ｍｍ、内径１８ｍｍとした。また、第１の電極１０ｃ、第２の電極１０ｄの長さは、２０ｍｍ（３８−１８ｍｍ）とし、最内径（直径１８ｍｍ）で幅１８５μｍ、間隔５０μｍで電極基板１０ｂの円周方向に配列した。なお、最外径（直径３８ｍｍ）で幅３９０μｍ、間隔１０５μｍである。第１の電極１０ｃ（負荷用電力を発生）の数は１１５個、第２の電極１０ｄ（ＳＳＨＩの制御用電力を発生）の数は４個とした。なお、電極は１２０個径形成できるが、第一の電極１０ｃと第二の電極間１０ｄとの電気的干渉を抑えるため、一本分を抜いて間隔を空けてある。また、グランド電極１０ｅ、１０ｇも、それぞれ第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄと同形状で同数形成されている。また、各電極の厚さは２０μｍ以下とした。

一方、静電誘導型発電素子１０の電荷保持基板１０ａは、表面電位−８０７Ｖのエレクトレットにより構成した。このエレクトレットは、第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄと同形状であり、最内径で幅１８５μｍであり、エレクトレットと同形状に形成したガード電極Ｇとの間を５０μｍ離間して電荷保持基板１０ａの円周に沿って１２０個配置されている。

また、電極基板１０ｂに形成された第１の電極１０ｃ及び第２の電極１０ｄとエレクトレットの表面とは３００μｍ離間させて対向させ、エレクトレット（ローター）の回転数を１ｒｐｓとして相対運動させた。

以上のようにして構成した環境発電装置１００の出力の測定は、ＳＳＨＩの出力側に１００ＭΩの抵抗を接続し、ここに流れる電流から出力電圧を算出した。その際に使用した測定器（電流計）は、プログラマブル電流増幅器ＣＡ５３５０（（株）エヌエフ回路設計ブロック製）である。

また、比較例１として、ＳＳＨＩ（非線形電源管理回路１２）を使用しない環境発電装置１００、及び比較例２として、ＳＳＨＩのスイッチ制御回路１２ｂへの電力供給に、第２の電極１０ｄを使用せず、負荷用電力（第１の電極１０ｃ）を抵抗（負荷用１００ＭΩ、スイッチ制御回路１２ｂ用４．８ＭΩ）で分割する環境発電装置１００を形成して、実施例と同様に出力の測定を行った。

図７には、実施例及び比較例１、２の出力測定結果が示される。図７に示されるように、実施例の出力電力は、比較例１に対して２．６倍、比較例２に対して１．３３培となった。この結果、本実施例にかかる電極基板１０ｂの有効性が確認できた。

１０静電誘導型発電素子、１０ａ電荷保持基板、１０ｂ電極基板、１０ｃ第１の電極、１０ｄ第２の電極、１０ｅ、１０ｇグランド電極、１０Ｅエレクトレット、１０Ｇガード電極、１２非線形電源管理回路、１２ａ電力抽出回路、１２ｂスイッチ制御回路、１４ＤＣ／ＤＣコンバータ、１６負荷、１００環境発電装置。

Claims

運動エネルギーと電気エネルギーとを変換する静電誘導型発電素子に使用される電極基板であって、
電荷を保持する電荷保持基板の電荷保持面に対向し、前記電荷保持基板と相対運動しつつ電力抽出回路を介して負荷に供給する電力を発生する第１の電極と、
電荷を保持する電荷保持基板の電荷保持面に対向し、前記電荷保持基板と相対運動しつつ電力抽出回路の開閉用スイッチ制御回路を動作させるための電力を発生する、前記第１の電極より小さな面積に形成された第２の電極と、
を備える静電誘導型発電素子に使用される電極基板。
前記電極基板が円形であり、前記第１の電極が半径方向の外側に、前記第２の電極が半径方向の内側に、それぞれ放射形状に設けられている、請求項１に記載の静電誘導型発電素子に使用される電極基板。
前記電極基板が円形であり、前記第１の電極と前記第２の電極の合計面積の半分を超える面積に前記第１の電極が、前記合計面積の半分を超えない面積に前記第２の電極が、それぞれ放射形状に設けられている、請求項１に記載の静電誘導型発電素子に使用される電極基板。
前記電極基板と電荷保持基板との相対運動が回転運動である、請求項２または請求項３に記載の静電誘導型発電素子に使用される電極基板。
前記第１の電極と前記第２の電極とが細片状に形成されて互いに平行に配置され、前記第１の電極の総面積が前記第２の電極の総面積より大きい、請求項１に記載の静電誘導型発電素子に使用される電極基板。
前記電極基板と電荷保持基板との相対運動が、前記第１の電極及び前記第２の電極の長手方向に直交する方向に一次元の振動である、請求項５に記載の静電誘導型発電素子に使用される電極基板。