JP2022178894A

JP2022178894A - 自立型発電装置

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Publication number: JP2022178894A
Application number: JP2021086003A
Authority: JP
Inventors: 真人佐々木; Masato Sasaki
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-05-21
Filing date: 2021-05-21
Publication date: 2022-12-02

Abstract

【課題】完全に自立的なエネルギー源を利用し、かつ、小型が容易な自立型発電装置を提供すること。【解決手段】自立型発電装置１００は、固定部材２１，２２と、可動部材３０と、固定部材２１，２２と可動部材３０との間に組み込まれるカシミール素子ＫＤと、可動部材３０の振動を電力に変換するエネルギー変換部５０とを備え、カシミール素子ＫＤは、横カシミール力によって可動部材３０の振動を維持するように作用する。【選択図】図１

Description

本発明は、カシミール力を利用した自立型発電装置に関し、特に小型でエネルギー源を必要としない自立型発電装置に関する。

送配電が不要な自立型発電として、太陽光エネルギーを利用する太陽光発電、周囲から供給される光、振動、熱等を利用する環境発電等が知られている。しかしながらこれらの発電方法は、エネルギー源として不安定な自然エネルギー等を用いており、環境に依存して発電量が変動する。環境等に依存しない完全自立型発電は、将来の網羅的分散型発電時代を切り開くものである。なお、原子力発電は、実質的に完全自立型発電であるといえるが、設備規模が大きく、分散型の小型発電に向かない。

完全に自立的なエネルギー源を利用した発電方法として、量子ゆらぎによって陰陽のゆらぎである電子及び陽電子の対生成が生じる現象からエネルギーを取り出す装置の提案が公知となっている（特許文献１～３等）。特に特許文献１は、ゆらぎを物体の共振の形で取り出し、それを電気に変換することを提案するものであり、対向配置された一対の電極間に弾性体としてカーボン・ナノ・チューブを挟み、一対の電極間に生じるカシミール力の振動を圧電型のカンチレバーで取り出している。

しかしながら、微細なカンチレバーやカーボン・ナノ・チューブを多数組み込んだ小型の発電装置を簡易に作製することはできない。また、仕事に相当する力の作用する距離を稼ぐことは容易でない。

米国特許公開２０２０／０３２１５１４号米国特許７３７９２８６号米国特許公開２０２０／０３５８３７６号

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、完全に自立的なエネルギー源を利用し、かつ、小型が容易かつ実用に耐える規模のエネルギーを取り出せる自立型発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る自立型発電装置は、固定部材と可動部材との間に組み込まれるカシミール素子と、可動部材の振動を電力に変換するエネルギー変換部とを備え、カシミール素子は、横カシミール力によって可動部材の振動を維持するように作用する。ここで、横カシミール力は、カシミール素子を構成する導体要素本体が延びる方向に沿って発生する力を意味する。

上記自立型発電装置では、カシミール素子は、横カシミール力によって可動部材の振動を維持するように作用するので、カシミール素子を構成する一方の導体要素本体を、他方の導体要素本体に対して間隔を保ちつつ位置ずれさせる横変位のストロークを大きくすることができ、エネルギーの効率的な取り出しが可能になる。これにより、小型であっても発電量を大きくすることができる。なお、カシミール素子は、一対の導体板間に生じるカシミール力を用いるエネルギー素子であり、１９４８年にヘンドリック・カシミールが導いた原理を基礎とするものである。

本発明の具体的な側面によれば、上記自立型発電装置において、カシミール素子は、導電性を有する一対の平板状部材を対向配置した構造を有する。一対の平板状部材が近づくことで大きなカシミール力が発生する。

本発明の別の側面によれば、一対の平板状部材は、振動方向に周期的に形成された突起群をそれぞれ有し、突起群は、対向配置されている。この場合、可動部材が横カシミール力に平行な振動方向に振動し、安定した発電が可能になる。

本発明のさらに別の側面によれば、可動部材は、弾性部材を介して固定部材に支持されて横カシミール力に平行な振動方向に変位可能である。この場合、可動部材の振動が効率的なものとなる。

本発明のさらに別の側面によれば、カシミール素子を複数組み合わせて櫛歯型に配列した動力源アレイを備える。この場合、多数のカシミール素子を省スペースで多数集積することができる。

本発明のさらに別の側面によれば、カシミール素子は、配列方向に直交する振動方向にカシミール力を発生させる。

実施形態の自立型発電装置を説明する平面図である。（Ａ）は、カシミール素子の拡大平面図であり、（Ｂ）は、カシミール素子の別の例を説明する図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、カシミール素子の変形例を説明する部分拡大図である。カシミール素子ＫＤの別の変形例を説明する部分拡大図である。

以下、図１等を参照して、本発明の一実施形態である自立型発電装置について説明する。自立型発電装置１００は、量子電磁真空場のカシミール力を内的エネルギー源とする発電機であり、第１及び第２固定部材２１，２２と、可動部材３０と、カシミール駆動部４０と、エネルギー変換部５０とを備える。

第１及び第２固定部材２１，２２は、アンカー７１，７２に支持されて固定されている。可動部材３０は、ＸＺ面に沿って延びる矩形板状体であり、４つの細く薄い板状の弾性部材６１を介してアンカー７３，７４に支持され、Ｘ方向に可動な状態となっている。カシミール駆動部４０は、第１固定部材２１と可動部材３０の＋Ｘ側端との間に設けられた櫛歯状の第１駆動部４１と、第２固定部材２２と可動部材３０の－Ｘ側端との間に設けられた櫛歯状の第２駆動部４２とを含む。

第１駆動部４１は、第１固定部材２１に固定された平板状部材４１ａと、可動部材３０に固定された平板状部材４１ｂとを交互に配列した動力源アレイである。つまり、第１駆動部（動力源アレイ）４１は、一対の対向する平板状部材４１ａ，４１ｂからなるカシミール素子ＫＤをＺ方向に多数積層又は集積したものとなっている。また、第２駆動部４２は、第２固定部材２２に固定された平板状部材４２ａと、可動部材３０に固定された平板状部材４２ｂとを交互に配列した動力源アレイである。つまり、第２駆動部（動力源アレイ）４２は、一対の対向する平板状部材４２ａ，４２ｂからなるカシミール素子ＫＤをＺ方向に多数積層又は集積したものとなっている。カシミール素子ＫＤを構成する平板状部材４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂは、少なくとも表面において導電性を有し、電位が生じない状態となっている。つまり、平板状部材４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂの電極は、グランドにアースされている状態である。平板状部材４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂの表面に金属膜を形成することで表面の導電性を確保することができる。金属膜の形成方法としては、目的とする形状精度を実現できる各種成膜手法を用いることができる。平板状部材４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂは、積層方向であるＺ方向に垂直なＸＹ面に平行に延び、略同一形状を有する。平板状部材４１ａ，４１ｂは、Ｚ方向に等間隔で交互に配列され、平板状部材４２ａ，４２ｂは、Ｚ方向に等間隔で交互に配列されている。ただし、第１駆動部４１において、図面上で相対的に左側に配置される平板状部材４１ａと、これに対して図面上で右隣りに配置される平板状部材４１ｂとがカシミール素子ＫＤを構成し、図面上で相対的に右側に配置される平板状部材４１ａと、これに対して図面上で左隣りに配置される平板状部材４１ｂとは、比較的大きく離間し、カシミール素子ＫＤとして機能していない。カシミール素子ＫＤを構成する一対の平板状部材４１ａ，４１ｂの間隔は、例えば５～１００ｎｍ程度に設定される。また、第２駆動部４２において、図面上で相対的に右側に配置される平板状部材４２ａと、これに対して図面上で左隣りに配置される平板状部材４２ｂとがカシミール素子ＫＤを構成し、図面上で相対的に左側に配置される平板状部材４２ａと、これに対して図面上で右隣りに配置される平板状部材４２ｂとは、比較的大きく離間し、カシミール素子ＫＤとして機能していない。カシミール素子ＫＤを構成する一対の平板状部材４２ａ，４２ｂの間隔は、例えば５～１００ｎｍ程度に設定される。

第１固定部材２１は、ＸＹ平面に平行に延びる板バネ７１ａを介してアンカー７１に支持され、Ｚ方向に微動可能になっている。位置調整装置８１は、アンカー７１に固定されて第１固定部材２１をＺ方向に移動させることができ、アンカー７１に対する第１固定部材２１の位置をＺ方向に関して微調整することができる。この結果、第１駆動部４１を構成するカシミール素子ＫＤの一対の平板状部材４１ａ，４１ｂの間隔を増減調整することができる。第２固定部材２２は、ＸＹ平面に平行に延びる板バネ７２ａを介してアンカー７２に支持され、Ｚ方向に微動可能になっている。位置調整装置８２は、アンカー７２に固定されて第２固定部材２２をＺ方向に移動させることができ、アンカー７２に対する第２固定部材２２の位置をＺ方向に関して微調整することができる。この結果、第２駆動部４２を構成するカシミール素子ＫＤの一対の平板状部材４２ａ，４２ｂの間隔を増減調整することができる。位置調整装置８１，８２は、例えばピエゾ素子等で形成され、不図示の駆動回路によって所望の長さに伸縮させることができる。

４つの弾性部材６１は、ＸＹ面に平行に延びる一対の平面を有しＺ方向に細長く延びる平板であり、略同一形状を有する。弾性部材６１は、その形状に由来して撓み変形し、アンカー７３，７４を根元として、先端が±Ｘ方向に変位可能となっている。これにより、可動部材３０に対してＸ方向の外力を与えると、可動部材３０を外力に応じて近似的に１次関数で増加する変位量で変位させることができる。つまり、可動部材３０は、第１駆動部４１及び第２駆動部４２からの力を受けて±Ｘ方向に弾性的に往復振動可能になっている。

エネルギー変換部５０は、詳細な説明を省略するが、可動部材３０に固定されたコイル、磁性体等の電磁的要素と、自立型発電装置１００のケース９８に固定された電磁的要素と、整流回路とを有し、可動部材３０に固定された電磁的要素の変位によって起電力を生じさせ、直流電流を出力する。

以上において、アンカー７１，７２，７３，７４は、ケース９８の底板部９８ｂにアライメントして固定されている。また、第１及び第２固定部材２１，２２、可動部材３０、カシミール駆動部４０、及びアンカー７１，７２，７３，７４は、Ｓｉウェハ等を加工して一括して形成されたＭＥＭＳデバイス１００ａであり、減圧されたケース９８内に収納されている。このようなＭＥＭＳデバイス１００ａを含む自立型発電装置１００を櫛歯型マイクロアクチュエータと呼ぶ。

以上では、ケース９８の底板部９８ｂがアンカー７１，７２，７３，７４等に対して別体であるとしたが、底板部９８ｂを含めてＳｉウェハから形成することができ、ケース９８の天板（不図示）等をＳｉウェハの基板に固定することができる。

ＭＥＭＳデバイス１００ａ又は櫛歯型マイクロアクチュエータは、例えばＸ方向及びＺ方向に２次元的に配列することができる。また、櫛歯型マイクロアクチュエータは、Ｙ方向に多数積層することができる。

図２（Ａ）を参照して、カシミール素子ＫＤの一対の対向面１１，１２には、周期的に厚みを増減させる突起群１５，１６が形成されている。突起群１５，１６を構成する凸部１３，１４は、可動方向及び配列方向に対して垂直なＹ方向に関して一様に延び、可動方向に平行なＸ方向に関して正弦関数的に突起量が増減する。このようなカシミール素子ＫＤの場合、Ｘ方向に発生する横カシミール力を利用することができ、可動部材３０が共振する可動方向に関して強制的な横振動力を発生させることができる。つまり、カシミール素子ＫＤは、横カシミール力によって可動部材３０の振動を維持するように作用する。横カシミール力については、原子間力顕微鏡を用いて実測されている（Chen, et al., Phys. Rev. A66, 032113 (2002)参照）。図示のカシミール素子ＫＤの場合、横カシミール力Ｅｃは、一対の対向面１１，１２の間隔をｚとし、一対の対向面１１，１２のＸ方向に関する重なりをｘとし、凸部１３，１４の振幅量をＡ１，Ａ２とし、凸部１３，１４の周期をΛとして、

で与えられる。

図２（Ｂ）は、参考例であり、カシミール素子ＫＤの一対の対向面１１，１２を平面とした場合を示している。横カシミール力Ｅｃは、一対の対向面１１，１２の間隔をｚとし、一対の対向面１１，１２のＸ方向に関する重なりをｘとし、一対の対向面１１，１２のＹ方向の奥行幅をＬとして、

で与えられる。この場合、力が一定になって振動となりにくく、電力を有効に或いは効率的に取り出すことができない。

以下、具体例について説明する。ＭＥＭＳデバイス１００ａを構成する、第１及び第２固定部材２１，２２、可動部材３０、カシミール駆動部４０、及びアンカー７１，７２，７３，７４の厚み（Ｙ方向の奥行）は、すべて２５μｍとした。また、弾性部材６１は、長手方向であるＺ方向の長さが１０００μｍであり、Ｘ方向の厚みが４μｍである。なお、弾性部材６１のＹ方向の厚みは、記述のように２５μｍである。図２（Ａ）に示すようなカシミール素子ＫＤからなる櫛歯の総数は１００であるとした。カシミール素子ＫＤを構成する一対の対向面１１，１２を構成する突起群１５，１６が便宜上階段状の断面を有する金属導体の櫛歯であると仮定し、突起群１５，１６を構成する対向面１１，１２の間隔をベースラインで３０ｎｍかつ最近で１０ｎｍとし、凸部１３，１４の振幅量を１０ｎｍとし、凸部１３，１４の周期を４０ｎｍとし、対向面１１，１２の奥行を２５μｍとして計算とした場合、凸部１３，１４の１周期当たりに１０ナノ・ニュートンの横カシミール力の発生が期待される。その際の縦カシミール力は、相互間の横シフトが４分の１周期のとき凸部１３，１４の１周期当たりに３３ナノ・ニュートン程度となる。現実には、階段状とせず連続的に変化する形状（例えばサイン波状）とすることで滑らかな振動を生じさせるが、上記具体例のカシミール素子群を構成するカシミール素子ＫＤの総数が１００であり、カシミール素子ＫＤの振幅を一対の対向面１１，１２のＸ方向に関する初期の重なり２０μｍと同等とし、周波数を１０ＫＨｚとして、カシミール素子群から０．２μＷ程度の振動エネルギーを取り出すことができると見積もることができる。１つのカシミール素子群の規模が１ｍｍ程度であるとし、上記具体例のカシミール素子ＫＤを２次元配列すると、最大の効率で２０μＷ／ｃｍ^２程度、さらに多層の３次元配列にすると、必要な厚さを櫛歯の高さ２５μｍの倍である５０μｍとすると４ｍＷ／ｃｍ^３程度の振動エネルギーを取り出すことが見込まれる。

上記実施形態の自立型発電装置１００は、固定部材２１，２２と、可動部材３０と、固定部材２１，２２と可動部材３０との間に組み込まれて、同一方向にカシミール力を発生させ可動部材３０を振動させる多数のカシミール素子ＫＤと、可動部材３０の振動を電力に変換するエネルギー変換部５０とを備え、カシミール素子ＫＤは、横カシミール力によって可動部材３０の振動を維持するように作用する。この装置では、多数のカシミール素子ＫＤが同一方向に横カシミール力を発生させ可動部材５０を振動させることができる。また、カシミール素子ＫＤが集積され、振動周波数を大きくすることができるので、小型であっても発電量を大きくすることができる。

以上、実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、第１及び第２固定部材２１，２２、可動部材３０、カシミール駆動部４０等の形状や配置は単なる例示であり、集積度や用途に応じて様々な形状や配置を採用することができる。

図３（Ａ）は、カシミール素子ＫＤの変形例を説明する部分拡大図である。この場合、第１駆動部４１又は第２駆動部４２を構成するカシミール素子ＫＤの一対の対向面１１，１２には、２つの凸部１３，１４が形成されている。この場合、各対向面１１，１２に２つの凸部１３，１４が形成されているが、各対向面１１，１２に１つの凸部１３，１４を形成してもよい。凸部１３，１４の高さや幅は、可部材３０の質量、弾性部材６１の弾性率、エネルギー変換部５０の機構等を考慮して適宜設定することができる。

図３（Ｂ）に示すように、凸部１３，１４は矩形断面を有しＹ方向に延びる凸条であってもよい。

図示を省略するが、凸部１３，１４の繰り返し周期は、一方の対向面１１と他方の対向面１２とで異なってもよく、凸部１３，１４の高さも、一方の対向面１１と他方の対向面１２とで異なってもよい。

図４は、カシミール素子ＫＤの別の変形例を説明する部分拡大図である。この場合、固定部材１２０が、薄板状で、ケースの底板部９８ｂ上に固定され、薄板状の可動部材１３０が、固定部材１２０の上方に固定部材１２０に対向して配置されている。可動部材１３０は、弾性部材６１に支持されており、Ｘ方向に変位可能となっている。固定部材１２０の上側には、平板状部材１４１ａが層状に形成され、可動部材１３０の下側には、平板状部材１４１ｂが層状に形成されている。固定部材１２０の平板状部材１４１ａの対向面１１には、可動方向であるＸ方向に対して垂直なＺ方向に関して一様に延び、可動方向に平行なＸ方向に関して正弦関数的に突起量が増減する凸部１３が形成され突起群１５を構成している。可動部材１３０の平板状部材１４１ｂの対向面１２には、可動方向であるＸ方向に対して垂直なＺ方向に関して一様に延び、可動方向に平行なＸ方向に関して正弦関数的に突起量が増減する凸部１４が形成され突起群１６を構成している。この場合も、可動部材１３０がＸ方向に往復振動可能になっており、一対の平板状部材１４１ａ，１４１ｂを組み合わせることによって形成される一群のカシミール素子ＫＤは、±Ｘ方向の力である横カシミール力をそれぞれ発生し可動部材３０の振動を維持するように作用する。

以上では説明を省略したが、位置調整装置８１，８２の動作は、マイコンその他の集積制御回路によって制御されている。アンカー７１，７２に対する第１及び第２固定部材２１，２２の相対位置を検出する位置センサを設けることで、位置センサの出力を集積制御回路で処理させることができ、第１及び第２固定部材２１，２２の精密な位置制御が可能になる。集積制御回路には、エネルギー変換部５０の出力を監視させることもできる。

エネルギー変換部５０において、電磁誘導に限らず、圧電素子による電力変換、静電誘導等の各種手法を用いることができ、可動部材３０の振動に伴って回転軸を徐々に回転させ或いは静電気を徐々に蓄積することもできる。エネルギー変換部５０に付随して、バッテリーを設けることで、出力電流を安定させ消費電力の変動に対処するシステムとすることもできる。

自立型発電装置１００は、ＩＣチップ、マイクロ・ナノ機械等に付随させる内包電源として用いることができる。

１１，１２…対向面、１３，１４…凸部、１５，１６…突起群、２１，２２…固定部材、３０…可動部材、４０…カシミール駆動部、４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ…平板状部材、５０…エネルギー変換部、５０…可動部材、６１…弾性部材、７１，７２，７３，７４…アンカー、７１ａ，７２ａ…板バネ、８１，８２…位置調整装置、９８…ケース、１００…自立型発電装置、１００ａ…ＭＥＭＳデバイス、ＫＤ…カシミール素子

Claims

固定部材と可動部材との間に組み込まれるカシミール素子と、
前記可動部材の振動を電力に変換するエネルギー変換部とを備え、
前記カシミール素子は、横カシミール力によって前記可動部材の振動を維持するように作用する、自立型発電装置。
前記カシミール素子は、導電性を有する一対の平板状部材を対向配置した構造を有する、請求項１に記載の自立型発電装置。
前記一対の平板状部材は、前記振動方向に周期的に形成された突起群をそれぞれ有し、前記突起群は、対向配置されている、請求項２に記載の自立型発電装置。
前記可動部材は、弾性部材を介して前記固定部材に支持されて前記横カシミール力に平行な振動方向に変位可能である、請求項３に記載の自立型発電装置。
前記カシミール素子を複数組み合わせて櫛歯型に配列した動力源アレイを備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の自立型発電装置。
前記カシミール素子は、配列方向に直交する振動方向に前記カシミール力を発生させる、請求項５に記載の自立型発電装置。