JP7488566B2

JP7488566B2 - 静電発電装置

Info

Publication number: JP7488566B2
Application number: JP2020200359A
Authority: JP
Inventors: 敬二實吉; 誠伊藤; 一雄奥田
Original assignee: Strawb Inc
Current assignee: Strawb Inc
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2024-05-22
Anticipated expiration: 2040-12-02
Also published as: JP2022088100A

Description

特許法第３０条第２項適用（１）令和２年１０月２０日新技術開発助成の申請にて公開（２）令和２年１０月２９日ＪＶＡ２０２１の申請にて公開

本発明は、静電発電素子を発電素子として利用した静電発電装置に関する。

従来、複数の電極を積層して構成された誘電エラストマーを発電素子として用いた発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の発電装置では、電圧を印加して内部に静電力を発生させた状態の誘電エラストマーを外力で伸長させ、伸長させた際に増加する静電エネルギーを電力として取り出していた。

特開２０１８－１９４９０号公報

誘電エラストマーを用いた発電素子は、シート状の誘電エラストマーの両面に柔軟な電極を配置した構造をしており、外力による誘電エラストマーの面方向の伸長または収縮に応じた電極間距離と電極断面積の変化を利用して発電している。すなわち、電極間距離は誘電エラストマーのバネ特性に起因する誘電エラストマーのバネ力と外力との釣り合いで決まる。一般に、エラストマーは線形なバネ特性を有するため、誘電エラストマーは外力の大きさに略比例して伸長および収縮をする。

したがって、従来の技術による発電装置では、大きな発電量を得るには外力による誘電エラストマーの変形量が大きい、すなわち柔らかい誘電エラストマーを用いることが望ましいと推察される。しかしながら、柔らかすぎる誘電エラストマーを用いた場合は外力で破損してしまう恐れがあった。一方で、発電素子として硬すぎる誘電エラストマーを用いた場合は発電量が小さい。以上のように、誘電エラストマーを用いた発電素子の発電量の大きさと発電素子の堅牢性はトレードオフの関係にあった。

同様に、誘電エラストマーを用いた発電素子は外力によりエラストマーのみならず電極も変形する構造が一般に採用される。しかしながら、振動を繰り返す発電用途において、繰り返しの変形により発生する電極内の繰返し応力により電極の劣化が発生する。すなわち、大きな発電量を得るには電極も大変形する必要があるが、これは材料劣化を加速させる。したがって、エラストマーと同様、電極においても発電量の大きさと発電素子の堅牢性のトレードオフが発生していた。

本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、破損し難く高効率な静電発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、静電発電装置において、導体と前記導体の両面を絶縁保護する絶縁体とからなる複数の電極フィルムを積層して構成された複数の層を有する静電発電素子を備え、前記層の各々は、互いに対向する前記電極フィルムどうしの少なくとも一部が隙間を空けて対向するように構成され、前記静電発電素子は、前記電極フィルムの積層方向に外力により伸縮変形可能であり、前記層の各々は、前記電極フィルムの電極間距離の増加に応じて、電極間距離の増加に抗する弾性力が非線形的に増加することを特徴とする。

この場合において、前記電極フィルムは、対向する別の前記電極フィルムに接合した接合領域と接合していない非接合領域とを有し、前記接合領域と前記非接合領域とは波状パターンを有し、複数の前記電極フィルムは、第１の電極フィルムと、前記第１の電極フィルムに対向する第２の電極フィルムと、前記第２の電極フィルムに対向する第３の電極フィルムとが、前記第１の電極フィルムと前記第２の電極フィルムとの接合領域と、前記第２の電極フィルムと前記第３の電極フィルムとの接合領域とが前記積層方向に互いに重ならないように積層されていてもよい。前記静電発電素子の複数の前記電極フィルムは、前記静電発電素子の前記積層方向の一方の側に隣接する前記電極フィルムに接合されるための複数の第１接合領域であって、ストライプ状にそれぞれ平行に延在する、第１接合領域と、他方の側に隣接する前記電極に接合されるための複数の第２接合領域であって、前記第１接合領域に平行、かつ、隣り合う前記第１接合領域どうしの間にそれぞれ配列された、第２接合領域とを有する第４の電極フィルムと、前記第４の電極フィルムに接合された第５の電極フィルムとからなり、前記静電発電素子は、接合された前記第４の電極フィルムと前記第５の電極フィルムとの電極ペアを積層した構造を有し、隣り合う前記電極ペアは、一方の前記電極ペアの前記第１接合領域及び前記第２接合領域と、他方の前記電極ペアの前記第１接合領域及び前記第２接合領域とが直交するように積層されていてもよい。前記静電発電素子は、２枚のリボン状の前記電極フィルムを互いに直交する方向に交互に折り重ねた構造を有していてもよい。一方の前記電極フィルムは他方の前記電極フィルムと対向する領域に位置する電極部と前記電極部を連結するヒンジ部とを有し、前記電極部の前記絶縁体の厚さｔ１は、前記ヒンジ部の前記絶縁体の厚さｔ２よりも厚くてもよい。前記静電発電素子は、電極間距離の増加量の２乗以上に比例して弾性力が増加してもよい。前記静電発電素子に初期電圧を印加する電圧印加手段と前記静電発電素子に電気的に直列に接続されたインダクタと、を備えていてもよい。前記静電発電素子と、インダクタと、前記静電発電素子に初期電圧を印加するバッテリとを備え、前記静電発電素子と前記インダクタと前記バッテリとは電気的に直列に接続されていてもよい。前記静電発電素子の静電容量Ｃと、前記インダクタのインダクタンスＬと、前記静電発電素子を含む発電部の振動角周波数ωとの間に、

の関係があってもよい。前記インダクタのインダクタンスＬを可変にするインダクタンス制御装置をさらに備え、前記インダクタンス制御装置は、外力による前記静電発電素子の振動の位相に対して、前記静電発電素子に印加される電圧位相が進んでいる場合は前記インダクタンスＬを増やし、前記静電発電素子に印加される電圧位相が遅れている場合は前記インダクタンスＬを減らしてもよい。前記静電発電素子は、前記インダクタが組み込まれた変圧器を介して整流回路に接続されており、前記変圧器は、前記静電発電素子側で生じた交流の電力を、前記整流回路側で直流の電力に変換してもよい。

本発明では、従来技術ではトレードオフであった大きな発電量と堅牢性の両立を可能にし、破損し難く高効率な静電発電装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る静電発電素子の斜視図を示す。電極フィルムの斜視図を示す。静電発電素子の各層の静電力と弾性力との関係のグラフを示す。静電発電素子による発電サイクルの各状態を模式的に示す。図３の静電発電素子の各状態に対応する表を示す。本発明の第２の実施形態に係る静電発電素子を示す。静電発電装素子が収縮した状態を示す。静電発電素子が伸長した状態を示す。本発明の第３の実施形態に係る静電発電素子を示す。本発明の第４の実施形態に係る静電発電装置の回路図を示す。図１０の静電発電装置による発電の様子を示すシミュレーション結果を示す。本発明の第５の実施形態に係る静電発電装置の回路図を示す。図１２の静電発電装置による発電の様子を示すシミュレーション結果を示す。本発明の第６の実施形態に係る静電発電装置の制御に係るフローチャートを示す。本発明の第６の実施形態に係る静電発電素子の変位波形と電圧波形との位相の関係性に係る波形図を示す。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る静電発電素子の斜視図を示し、図２は、電極フィルムの斜視図を示し、図３は、静電発電素子の各層の静電力と弾性力との関係のグラフを示す。図２において、図２（ａ）は、均一な厚さの電極フィルムの斜視図を示し、図２（ｂ）は、凹凸を有する電極フィルムの斜視図を示す。また、図３において、横軸は電極間距離ｄを示し、縦軸は発生力Ｆを示している。

本実施形態に係る静電発電装置１００（図１０参照）の静電発電素子１０は、図１に示すように、複数の電極フィルム６０を積層した構造を有している。電極フィルム６０は、図２（ａ）に示すように、絶縁体６１と導体６２とからなり、導体６２の両面が絶縁体６１により絶縁保護された構造をしたフィルムである。図１に示すように、電極フィルム６０を積層することで、静電発電素子１０は対向する電極フィルム６０どうしの間に隙間を空けることが可能な複数の層１３を有した構造をなす。積層された複数の層１３は、２枚の電極フィルム６０を折り重ねることで形成されてもよく、２枚以上の異なる電極フィルム６０を部分的に接合しながら、順次重ねることで形成されてもよい。また、２枚の電極フィルム６０を折り重ねることで層１３を形成する場合においても、電極フィルム６０を部分的に接合しながら、順次折り重ねてもよい。

本実施形態に係る電極フィルム６０は、図２（ａ）に示すように、電極部１１とヒンジ部１４と厚さは等しいが、図２（ｂ）に示すように、電極フィルム６０の電極部１１の厚さはヒンジ部１４の厚さよりも厚くてもよい。電極部１１の厚さをヒンジ部１４の厚さよりも厚くすることにより、電極部１１とヒンジ部１４との厚さを等しくした構造に比べて電極部１１の変形がより小さくなるため、発電素子１０のバネ特性はより非線形になる。

複数の層１３の各々は、図１に示すように、弾性体であるヒンジ部１４を備えている。本実施形態に係る静電発電素子１０の電極フィルム６０は、異なる電極フィルム６０と対向する領域に位置する電極部１１と前記電極部を連結するヒンジ部１４とから構成されている。静電発電素子１０が外力によって積層方向に伸縮するとき、電極部１１は対向する他の電極部１１と接触することで変形量が小さく、他の部分との接触がないヒンジ部１４が主に変形する。

ヒンジ部１４は略Ｃ字型の状態、すなわち静電発電素子１０が収縮した状態から外力により伸ばされる状態では、薄いフィルムの曲げ変形になるため容易に変形する。一方で、積層方向にヒンジ部１４が伸びきった状態、すなわち静電発電素子１０が伸長した状態では、ヒンジ部１４の変形モードはフィルムの引張変形にシフトし、外力を付与しても積層方向には伸びにくくなる。したがって、本実施形態に係る発電素子１０の場合、図３に示すように、電極間距離ｄの増加に応じて、外力に抗するヒンジ部１４の弾性力が急激に増加する、すなわち非線形的に増加するようになっている。ここで、電極間距離ｄは、対向する電極部１１間の空隙の距離である。これは言い換えると、発電素子１０の電極間距離ｄの増加に応じて、発電素子１０または層１３のバネ定数が増加し、非線形なバネ特性を示すということになる。

複数の層１３が積層された発電素子１０は、各層１３でのバネ定数などのわずかなばらつきによって、全ての層の電極間距離ｄが同じタイミングで広がるわけではなく、一部の層１３が伸縮しやすい。一部の層１３だけが伸び続けると、その層１３に大きな応力が発生し、結果として発電素子１０が破損してしまうリスクが高まる。このため、各層１３において理想的な特性は、設計範囲内のある領域までは外力により電極間距離ｄが広がり易く、それを超えた過負荷領域では電極間距離ｄが広がり難いことである。

静電発電素子１０の各層１３は、図３に示すように、電極間距離ｄの略２乗に反比例するように静電力Ａが減少する一方、電極間距離ｄの増加量に対して非線形的に弾性力Ｂが増加するように設けられている。これにより、各層１３は、電極間距離ｄが増加し始めたときは静電力Ａが急激に減少するとともに弾性力Ｂは徐々に増加し、電極間距離ｄが点Ｃに到達したときに静電力Ａと弾性力Ｂとが同じ大きさになり、電極間距離ｄが点Ｃを越えると静電力Ａと弾性力Ｂとの大きさが逆転する。このとき、静電力Ａが徐々に減少するとともに弾性力Ｂは急激に増加する。すなわち、各層１３は、電極間距離ｄが点Ｃに到達するまでは電極間距離ｄの増加とともに広がり易いことにより電極間距離ｄは高応答で変位し、電極間距離ｄが点Ｃを越えると電極間距離ｄの増加とともに広がり難くなる。

図４は、静電発電素子による発電サイクルの各状態を模式的に示しており、図５は、図４の静電発電素子の各状態に対応する表を示している。

静電発電素子１０を用いて発電する際には、図４の（１）に示すように、先ず、静電発電素子１０が収縮した状態、すなわち各層１３の電極間距離ｄが狭まっている状態、かつ、電圧が印可されていない状態にする。ここで、図５に示すように、収縮時の静電容量をＣ_１としている。

次に、図４の（２）に示すように、静電発電素子１０が収縮した状態で各層１３の電極部１１間に電圧Ｖ_１を印加し、静電発電素子１０に電荷を溜める。

静電発電素子１０に電荷を溜めた後、図４の（３）に示すように、静電発電素子１０を外力で引っ張って伸長状態にする、すなわち各層１３の電極間距離が広がった状態にする。このとき、図５に示すように、静電容量はＣ_１からＣ_２に減少する一方、静電発電素子１０の電圧はＶ_１からＶ_２に昇圧され、静電エネルギーが増加する。

静電エネルギーが増加した状態において、図４の（４）に示すように、静電発電素子１０が伸長した状態のまま、静電発電素子１０を負荷部に接続することで、静電発電素子１０は放電し、電力を負荷部に供給する。このとき、負荷部に供給される電力は、図５に示すように、

となる。

静電発電素子１０を放電させた後、図４の（５）に示すように、静電発電素子１０に溜められた電荷がゼロになった状態、または図４の（２）の状態よりも少なくなった状態で、外力により静電発電素子１０を収縮した状態、すなわち図４の（１）の状態に戻す。なお、静電発電素子１０を収縮する際には、付与された外力は静電発電素子１０に対しては仕事をしていない。

以上の発電サイクルは各層１３で行われるため、静電発電素子１０の発電量は積層数に比例して増加すると一般には考えられるが、実際は積層数に単純比例でないことを発明者らは明らかにした。具体的には、静電発電素子１０は、電極間距離ｄが図３の点Ｃに到達するまで伸長していないときは、全ての層１３が均一に伸長する場合よりも一部の層１３のみが伸長した場合の発電量の方が大きくなる一方、電極間距離ｄが点Ｃを越えるまで伸長したときは、全ての層１３が均一に伸長した場合の方が一部の層１３のみが伸長した場合よりも静電発電素子１０が破損し難いことを発明者らは発見した。また、本実施形態に係る静電発電素子１０がこれらの特性をみたす構造であることを発明者らは発見した。

先述の通り、複数の層１３が積層された発電素子１０は、各層１３でのバネ定数などのわずかなばらつきによって、全ての層の電極間距離ｄが同じタイミングで広がるわけではなく、一部の層１３が伸縮しやすい。静電発電素子１０の複数の層１３の電極部１１間に印加された電圧は各層１３で等しいため、図４の（３）に示すように静電発電素子１０を外力で引っ張って伸長状態にした際に、電極間距離が広がった一部の層１３の静電エネルギーが増加するだけでなく、残りの電極間距離が狭まったままの層１３では静電容量が減少することなく電圧の２乗に比例して静電エネルギーが増加する。したがって、電極間距離が広がった一部の層１３よりも、電極間距離が狭まったままの層１３の方が発電量が大きいため、全ての層１３が均一に伸長する場合よりも一部の層１３のみが伸長した場合の発電量の方が大きくなる。

また、図４の（３）に示すように静電発電素子１０を外力で引っ張って伸長状態にした際に、電極間距離が広がった一部の層１３の静電引力は電圧の増加率よりも電極間距離の増加率の方が大きいため減少する。一方で、残りの電極間距離が狭まったままの層１３の静電引力は電圧の増加に伴い、電圧の２乗に比例して増加する。したがって、各層１３の弾性力を無視すると、電極間距離が広がった一部の層１３は外力によりより広がりやすくなり、電極間距離が狭まったままの層１３は外力に対してより変位しにくくなる。各層１３の弾性力が小さい場合も同様の議論ができ、各層１３の弾性力が小さい場合は、電極間距離が広がった一部の層１３が外力によって広がりすぎて破損するリスクが生じる。

したがって、例えば従来の誘電エラストマーをそのまま積層して発電素子として利用する場合、全てのエラストマー層が変位することで得られるはずの最大ストロークで発電させようとすると発電素子が破損する恐れがあるため、最大ストロークよりも狭い範囲で使用する必要が生じ、その分発電量は減少する。

一方、本実施形態に係る静電発電素子１０は、非線形なバネ特性を有しているため、他の層１３よりも先に電極間距離ｄが広がった層１３は、電極間距離ｄが点Ｃを越えると急激に電極間距離ｄが広がり難くなる。これにより、電極間距離ｄが広がるのがより遅かった別の層１３は、先に電極間距離ｄが広がった層１３に電極間距離ｄの広がりが追いつくようになっている。すなわち、静電発電素子１０は、各層１３の電極間距離ｄが点Ｃを越えた後におおよそ同じ大きさになるようになっている。

以上により、静電発電装置１００は、導体６２と導体６２の両面を絶縁保護する絶縁体６１とからなる複数の電極フィルム６０を積層して構成された複数の層１３を有する静電発電素子１０を備え、層１３の各々は、互いに対向する電極フィルム６０どうしの少なくとも一部が隙間を空けて対向するように構成され、静電発電素子１０は、電極フィルム６０の積層方向に外力により伸縮変形可能であり、層１３の各々は、電極フィルム６０の電極間距離ｄの増加に応じて、電極間距離ｄの増加に抗する弾性力が非線形的に増加する。これにより、静電発電装置１００は、従来技術によるものには無い特徴を有しており、外力として、各層１３の電極間距離ｄが点Ｃを越えないストローク量の小さな振動が付与された場合には、一部の層１３のみが伸縮するため、発電量を多くすることができる。一方、静電発電装置１００は、外力として、各層１３の電極間距離ｄが点Ｃを越えるストロークの大きな振動が付与された場合には、全ての層が伸縮するため、発電量が向上するとともに静電発電素子１０の一部の層１３のみが広がり過ぎて破損してしまうリスクを低下させることができる。

特に各層１３の弾性力が電極間距離ｄの２乗以上に比例して増加するバネ特性になるように設計することで、電極間距離ｄの増加に対して、十分な変化量で弾性力が増加するため、各層１３の電極間距離ｄのばらつきなど各層１３の製造誤差が大きい場合でも、先述の発電量の向上や破損リスクの低下などを実現することが可能であり、堅牢性を向上できる。

加えて、従来の誘電エラストマーを用いた発電素子では、エラストマーの変形に伴い電極部も変形し、電極部の繰返し変形による疲労破壊のリスクもあった。さらには、繰返し変形による恒久的な電極部の変形やクリープが生じやすく、局所的な導体の亀裂、剥離や、電圧印加時の電界集中などが発生し、静電エネルギーの低下や絶縁破壊の恐れがあった。

これに対して、本実施形態に係る静電発電素子１０は、電極部１１の変形はほぼ無い。ヒンジ部１４は電極間距離ｄの伸縮に伴い変形するが、ヒンジ部１４の長さに対して電極間距離ｄは短いため、ヒンジ部１４の局所的な変形量は小さい。このため、繰返し伸縮させても、繰返し変形による疲労の蓄積は小さく、変形に伴う恒久的な変形は発生しない。また、絶縁体６１と導体６２はエラストマーなどの柔軟材料である必要はなく、クリープが生じにくい材料を選定することは容易に可能である。以上により、本実施形態に係る静電発電素子１０の電極部１１およびヒンジ部１４は、いずれも繰返し変形に対して堅牢であり、静電発電素子１０の長寿命化が可能である。

次に、第２実施形態に係る静電発電素子について説明する。なお、第１の実施形態と同じ点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。

図６は、本発明の第２実施形態に係る静電発電素子を示し、図７は、静電発電装素子が収縮した状態を示し、図８は、静電発電素子が伸長した状態を示している。図７において、図７（ａ）は、収縮した静電発電素子の斜視図を示し、図７（ｂ）は、収縮した静電発電素子の展開図を示している。また、図８において、図８（ａ）は、伸長した静電発電素子の斜視図を示し、図８（ｂ）は、伸長した静電発電素子の展開図を示している。なお、図７乃至８は、理解を容易にするべく静電発電素子を模式的に示しており、実際の接合領域等はほとんど厚さを有していない。

本実施形態の電極フィルム（第４の電極フィルム）２１１は、静電発電素子２１０の積層方向の一方の側に隣接する電極フィルム（第５の電極フィルム）２１２に接合されるための複数の第１接合領域２１３であって、ストライプ状にそれぞれ平行に延在する、第１接合領域２１３と、他方の側に隣接する電極フィルム２１２に接合されるための複数の第２接合領域２１４であって、第１接合領域２１３に平行、かつ、隣り合う第１接合領域２１３どうしの間にそれぞれ配列された、第２接合領域２１４とを有する。本実施形態の静電発電素子２１０は、交互に積層した電極フィルム２１１と電極フィルム２１２とからなる。静電発電素子２１０は、接合された電極フィルム２１１と電極フィルム２１２の電極ペア２１５を積層した構造を有し、隣り合う電極ペア２１５は、一方の電極ペア２１５の第１接合領域２１３及び第２接合領域２１４と、他方の電極ペア２１５の第１接合領域２１３及び第２接合領域２１４とが直交するように積層されている。このとき、電極フィルム２１１どうし、または電極フィルム２１２どうしは第１の実施形態のヒンジ部１４のような構造で連結されていてもよく、互いに独立していてもよい。本実施形態の静電発電素子２１０は、以上のような電極フィルム２１１、２１２を複数接合することで形成される積層された複数の層１３を有している。

電極フィルム２１１において、図７に示すように、第１接合領域２１３どうし及び第２接合領域２１４どうしは互いに重ならないように配置されており、電極フィルム２１１はストライプ状の非接合領域２１６を有する。一方で、電極フィルム２１２の第１接合領域２１３と第２接合領域２１４との少なくとも一部は積層方向に重なっている。本実施形態では、図８に示すように、外力によって各層１３の電極間距離ｄが広がる際に、電極フィルム２１１の非接合領域２１６が変形してヒンジ部として機能し、層１３に弾性力を発生させる。一方で、電極フィルム２１２にはヒンジ部として機能する領域が存在しない。これにより電極フィルム２１１は電極フィルム２１２に拘束されることで、ヒンジ部２１７はわずかな曲げ変形のみ許容され、ヒンジ部である非接合領域２１６の変形量を増やそうとすると引っ張り変形に変形モードがシフトし、ヒンジ部である非接合領域２１６の弾性力は急激に増加する。

これにより、各層１３は、電極間距離ｄの略２乗に反比例するように静電力が減少する一方、電極間距離ｄの増加量に対して非線形的に弾性力が増加するように設けられている。これにより、各層１３は、電極間距離ｄが増加し始めたときは静電力が急激に減少するとともに弾性力は徐々に増加し、電極間距離ｄがさらに広がると静電力と弾性力との大きさが逆転し、静電力が徐々に減少するとともに弾性力は急激に増加する。

以上より、本実施形態の静電発電素子２１０は、ストローク量の小さな振動が付与された場合には、一部の層１３のみが伸縮するため、発電量を多くすることができる。一方、ストローク量の大きな振動が付与された場合には、全ての層が伸縮するため、発電量が向上するとともに静電発電素子２１０の一部の層１３のみが広がり過ぎて破損してしまうリスクを低下させることができる。

次に、第３実施形態に係る静電発電素子について説明する。なお、第１、第２の実施形態と同じ点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。

図９は、本発明の第３実施形態に係る静電発電素子の電極フィルムの一部を示している。図９において、図９（ａ）は、電極フィルムの上面図を示し、図９（ｂ）は、電極フィルムの断面図を示している。なお、図９（ｂ）は、理解を容易にするべく静電発電素子を模式的に示しており、実際の接合領域等はほとんど厚さを有していない。

本実施形態の静電発電素子１１０の電極フィルム１１１は、図９に示すように、電極フィルム１１１と同様の構成を有して対向する他の電極フィルム１１１（不図示）と接合した接合領域１１２と接合していない非接合領域１１３とを有し、接合領域１１２と非接合領域１１３とは略波状のパターンを有している。

非接合領域１１３は、第２実施形態に係る非接合領域２１６（図６参照）と同様の作用を静電発電素子１１０にもたらし、非接合領域１１３の変形量を増やそうとすると引っ張り変形に変形モードがシフトし、ヒンジ部である非接合領域１１３の弾性力は急激に増加する。すなわち、本実施形態に係る静電発電素子１１０は、伸長する際に、図８に示す第２実施形態に係る静電発電素子２１０が伸長する場合と同様に、非接合領域１１３がたわむようになっている。

静電発電素子１１０は、第１の電極フィルム１１１と、第１の電極フィルム１１１に対向する第２の電極フィルム１１１と、第２の電極フィルム１１１と対向する第３の電極フィルム１１１とが、第１の電極フィルム１１１と第２の電極フィルム１１１との接合領域１１２と、第２の電極フィルム１１１と第３の電極フィルム１１１との接合領域１１２とが積層方向に互いに重ならないように構成されている。このとき、第１の電極フィルム１１１と第３の電極フィルム１１１とは第１の実施形態のヒンジ部１４のような構造で連結していてもよいし、互いに独立していてもよい。本実施形態の静電発電素子１１０は、以上のような電極フィルム１１１を複数接合することで、第１実施形態及び第２実施形態に係る複数の層１３と同様の複数の層が形成されている。

本実施形態では、外力によって各層の電極間距離ｄが広がる際に、非接合領域１１３が変形してヒンジ部として機能し、各層に弾性力を発生させる。波状に成形されたヒンジ部は連続して連なった皿バネのような変形をする。これにより、各層は電極間距離ｄの略２乗に反比例するように静電力が減少する一方、電極間距離ｄの増加量に対して非線形的に弾性力が増加するように設けられている。これにより、各層は、電極間距離ｄが増加し始めたときは静電力が急激に減少するとともに弾性力は徐々に増加し、電極間距離ｄがさらに広がると静電力と弾性力との大きさが逆転し、静電力が徐々に減少するとともに弾性力は急激に増加する。

以上により、本実施形態の静電発電素子１１０は、ストローク量の小さな振動が付与された場合には、一部の層１３のみが伸縮するため、発電量を多くすることができる。一方、ストローク量の大きな振動が付与された場合には、全ての層が伸縮するため、発電量が向上するとともに静電発電素子１１０の一部の層のみが広がり過ぎて破損してしまうリスクを低下させることができる。

次に、第４の実施形態に係る静電発電装置について説明する。なお、第１乃至第３のいずれかの実施形態と同じ点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。

図１０は、本発明の第４の実施形態に係る静電発電装置の回路図を示し、図１１は、図１０の静電発電装置による発電の様子を示すシミュレーション結果を示している。

本実施形態に係る静電発電装置１００は、図１０に示すように、静電発電素子３１０と、インダクタ３３０とを備えている第１回路３００で構成されている。静電発電素子３１０と、インダクタ３３０とは電気的に直列に接続されている。また、図示していないが、静電発電素子３１０に初期電圧を印加するバッテリ等の電圧印加手段を有している。静電発電素子３１０は、第１乃至第３の実施形態で示した静電発電素子のいずれかである。

静電発電素子の静電容量Ｃと、前記インダクタのインダクタンスＬと、前記静電発電素子を含む発電部の振動角周波数ωとの間に、

の関係を有している。

静電発電素子３１０が収縮した状態、かつ電圧が印可されていない状態から、電圧印加手段を用いて、静電発電素子３１０に初期電圧を印加した状態にしておく。静電発電素子３１０に電荷を溜めた後、外力が静電発電素子３１０に加わる直前または直後に電圧印加手段を電気的に切り離す。これにより、外力によって静電発電素子３１０が引っ張られて伸長状態になると、静電発電素子３１０の電圧は昇圧され、静電エネルギーが増加する。

静電発電素子３１０の静電エネルギーが増加すると同時に、静電発電素子３１０に蓄えられた電荷が、直列に接続されたインダクタ３３０に電流となって流れ始める。静電発電素子３１０は電気回路的にはコンデンサと同じであることから、静電発電素子３１０とインダクタ３３０との直列回路は、直列のＬＣ回路と同じである。したがって、静電発電素子３１０から供給された静電エネルギーはインダクタ３３０で磁気エネルギーに変換され、さらにインダクタ３３０で変換された磁気エネルギーは、静電発電素子３１０で再び静電エネルギーに変換される。すなわち、発電された電力は第１回路３００内でエネルギーとしての形態を変えながら保存される。そして、エネルギーの取り出しが必要なときにインダクタ３３０から電力を取り出すことができる。

外力が連続して静電発電素子３１０に加わる場合、静電発電装置１００の振動角周波数ωを静電発電素子３１０とインダクタ３３０とによるＬＣ回路の共振角周波数の２倍にすることで、連続的に発電することが可能である。静電発電装置１００による発電のシミュレーション結果は、図１１に示すようになる。図１１の横軸は時刻で、外力によって静電発電素子３１０を引っ張り始めた時刻を０としている。縦軸は静電発電素子３１０に蓄えられた電荷量と電流値を示し、グラフの実線は静電発電素子３１０に蓄えられた電荷量、グラフの破線はインダクタ３３０から静電発電素子３１０に流入する向きを正とした電流量を示す。本シミュレーションでは、周期的な外力により静電発電素子３１０の静電容量が正弦波状に時間変化すると仮定した。また、外力の周波数、すなわち静電発電装置１００の振動角周波数ωは、静電発電素子３１０とインダクタ３３０によるＬＣ回路の共振角周波数の２倍値の９６％の値であると仮定した。回路の電気抵抗成分も考慮している。

解析結果から、静電発電装置１００の振動角周波数ωと、静電発電素子３１０とインダクタ３３０によるＬＣ回路の共振角周波数の２倍の値がわずかにずれていても、連続的に電流量が増加し、連続的に発電されていることが明らかとなった。静電発電装置１００の振動角周波数ωとＬＣ回路の共振角周波数の２倍値とが等しい場合は、より顕著な電流の増副作用が発現し、より効率的に発電をすることができる。

解析の結果、静電発電素子３１０とインダクタ３３０とによるＬＣ回路の共振角周波数の２倍値に対して、静電発電装置１００の振動角周波数ωが±５％以内であれば、効率的に連続的な発電をすることができることが明らかとなった。

次に、第５の実施形態に係る静電発電装置について説明する。なお、第１乃至第４のいずれかの実施形態と同じ点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。

図１２は、本発明の第５の実施形態に係る静電発電装置の回路図を示し、図１３は、図１２の静電発電装置による発電の様子を示すシミュレーション結果を示している。

本実施形態に係る静電発電装置１００は、図１２に示すように、静電発電素子３１０と、インダクタ３３０とバッテリ３２０とを備えている第１回路３００で構成されている。静電発電素子３１０と、インダクタ３３０と、バッテリ３２０とは電気的に直列に接続されている。静電発電素子３１０は、第１乃至第３の実施形態で示した静電発電素子のいずれかである。

静電発電素子３１０を収縮した状態、かつ電圧が印可されていない状態で第１回路３００を構成すると、静電発電素子３１０にバッテリ３２０から電荷が供給され、静電発電素子３１０は初期電圧が印加された状態になる。この状態では、外力が加わらない状態では、バッテリ３２０の電圧と静電発電素子３１０の電圧とが等しいため、第１回路３００には電流が流れない。外力が加わると、外力によって静電発電素子３１０が引っ張られて伸長状態になり、静電発電素子３１０の電圧は昇圧され、静電エネルギーが増加する。

静電発電素子３１０の静電エネルギーが増加すると同時に、第１回路３００内でＬＣ共振によるエネルギーの変換が生じる。第１回路３００にはバッテリ３２０も電気的に直列に接続されているが、バッテリ３２０は直流電圧を印加するのみで、ＬＣ共振には寄与しない。したがって、発電された電力は、第４の実施形態と同様、第１回路３００内でエネルギーとしての形態を変えながら保存される。そして、エネルギーの取り出しが必要なときにインダクタ３３０から電力を取り出すことができる。本実施形態では、第４の実施形態で述べた静電発電素子３１０に初期電圧を印加する電圧印加が、直列に接続されたバッテリ３２０で代替できており、また、外力が加わるタイミングでバッテリ３２０を切り離すことも不要であるため、静電発電装置１００のシステム構成を簡単にすることができる。

外力が連続して静電発電素子３１０に加わる場合、静電発電装置１００の振動角周波数ωを静電発電素子３１０とインダクタ３３０とによるＬＣ回路の共振角周波数の２倍にすることで、連続的に発電することが可能である。静電発電装置１００による発電のシミュレーション結果は、図１３に示すようになる。図１３の横軸は時刻で、外力によって静電発電素子３１０を引っ張り始めた時刻を０としている。縦軸は静電発電素子３１０に蓄えられた電荷量と電流値を示し、グラフの実線は静電発電素子３１０に蓄えられた電荷量、グラフの破線はインダクタ３３０から静電発電素子３１０に流入する向きを正とした電流量を示す。本シミュレーションでは、周期的な外力により静電発電素子３１０の静電容量が正弦波状に時間変化すると仮定した。また、外力の周波数、すなわち静電発電装置１００の振動角周波数ωは、静電発電素子３１０とインダクタ３３０とによるＬＣ回路の共振角周波数の２倍値の９６％の値であると仮定した。回路の電気抵抗成分も考慮している。

解析結果から、静電発電装置１００の振動角周波数ωと、静電発電素子３１０とインダクタ３３０とによるＬＣ回路の共振角周波数の２倍の値がわずかにずれていても、連続的に電流量が増加し、連続的に発電されていることが明らかとなった。静電発電装置１００の振動角周波数ωとＬＣ回路の共振角周波数の２倍値とが等しい場合は、より顕著な電流の増副作用が発現し、より効率的に発電をすることができる。なお、バッテリ３２０が第１回路３００に接続されているため、電荷量にオフセットがかかっている点が、第４の実施形態と異なる。

次に、第６の実施形態に係る静電発電装置について説明する。なお、第１乃至第５のいずれかの実施形態と同じ点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。

図１４は、本発明の第６の実施形態に係る静電発電装置の制御に係るフローチャートを示している。
本実施形に係る静電発電装置１００のインダクタ３３０は、インダクタンスＬが可変である。このため、静電発電装置１００の振動の位相と、静電発電素子３１０とインダクタ３３０とによるＬＣ回路の共振の位相とがずれている場合に、インダクタ３３０のインダクタンスＬを変えることで、ＬＣ回路の共振の位相を静電発電装置１００の振動の位相に合わせることができる。

以下、図１４を参照し、静電発電装置１００のインダクタンス制御装置による、外力による前記静電発電素子の振動の位相に対しとＬＣ回路の共振角周波数との位相の調節方法について説明する。

静電発電装置１００による発電が開始すると、先ず、インダクタンス制御装置は、静電発電装置１００の振動角周波数ωとＬＣ回路の共振角周波数との位相が合っているか否かを判断する（ステップＳ１）。

ステップＳ１において、インダクタンス制御装置は、静電発電装置１００の振動角周波数ωとＬＣ回路の共振角周波数との位相が合っていると判断すると（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、一連の処理を終了し、再びステップＳ１の処理から一連の処理を開始する。

一方、ステップＳ１において、インダクタンス制御装置は、静電発電装置１００の振動角周波数ωとＬＣ回路の共振角周波数との位相が合っていないと判断すると（ステップＳ１：Ｎｏ）、振動の位相が進んでいるか否かを判断する（ステップＳ２）。

ステップＳ２において、インダクタンス制御装置は、振動の位相が遅れている、すなわち進んでいないと判断すると（ステップＳ２：Ｎｏ）、インダクタンスＬを減らし（ステップＳ３）、ステップＳ１から一連の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ２において、インダクタンス制御装置は、振動の位相が進んでいると判断すると（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、インダクタンスＬを増やし（ステップＳ４）、ステップＳ１から一連の処理を繰り返す。

以上の処理により、静電発電装置１００は、静電発電装置１００の振動角周波数ωとＬＣ回路の共振角周波数との位相を調節して一致させることができるようになっている。

図１５は、本発明の第６の実施形態に係る静電発電素子の変位波形と電圧波形との位相の関係性を示す波形図である。図１５（ａ）は静電発電装置１００の振動の位相と、ＬＣ回路の共振の位相が合っている場合を示し、図１５（ｂ）は静電発電装置１００の振動の位相が、ＬＣ回路の共振の位相より遅れている場合を示し、図１５（ｃ）は静電発電装置１００の振動の位相が、ＬＣ回路の共振の位相より進んでいる場合を示す。実線の波形Ｗ１は、静電発電素子３１０の積層方向の変位を示し、破線Ｗ２は静電発電素子３１０に印加されている電圧をそれぞれ示す。各波形の横軸は時間である。静電発電装置１００の振動の位相と、ＬＣ回路の共振の位相が合っている場合は、静電発電素子３１０に印加されている電圧の極大と極小との両方のピークの位置と、静電発電素子３１０の積層方向の変位の極大の位置が一致している。すなわち、静電発電素子３１０に印加されている電圧の絶対値が増加するタイミングと、静電発電素子３１０の積層方向の変位が増加する（静電発電素子３１０の積層方向の長さが伸長する）タイミングが一致している。この位相が合っている状態に対して、静電発電装置１００の振動の位相と、ＬＣ回路の共振の位相がずれると、その分発電量が低下する。

静電発電装置１００の振動の位相がＬＣ回路の共振の位相より遅れている場合は、大きな発電量を得るためにはＬＣ共振の角周波数を一時的に小さくする必要がある。すなわち、ＬＣ共振の波長を一時的に長くすることで、ＬＣ共振の周期を伸ばし、ＬＣ共振の位相と静電発電装置１００の振動の位相とを一致させることが可能である。ＬＣ共振の角周波数を小さくするには、インダクタ３３０のインダクタンスＬを大きくすればよい。

同様に、静電発電装置１００の振動の位相がＬＣ回路の共振の位相より進んでいる場合は、大きな発電量を得るためにはＬＣ共振の角周波数を一時的に大きくする必要がある。すなわち、ＬＣ共振の波長を一時的に短くすることで、ＬＣ共振の周期を狭め、ＬＣ共振の位相と静電発電装置１００の振動の位相とを一致させることが可能である。ＬＣ共振の角周波数を大きくするには、インダクタ３３０のインダクタンスＬを小さくすればよい。

以上で述べたようなインダクタ３３０のインダクタンスＬを制御するために、本実施形に係る静電発電装置１００はインダクタンスＬを制御する制御フローを実行することができる。静電発電装置１００の振動と、ＬＣ回路の共振が生じた際に、まず、静電発電装置１００の振動とＬＣ回路の共振の位相が合っているかを確認する。もし、静電発電装置１００の振動とＬＣ回路の共振との位相が合っている場合は、そのまま発電を続ける。もし、静電発電装置１００の振動とＬＣ回路の共振との位相が合っていない場合は、静電発電装置１００の振動の位相がＬＣ回路の共振の位相に対して進んでいるかをチェックする。静電発電装置１００の振動の位相がＬＣ回路の共振の位相に対して進んでいる場合は、インダクタンスＬを増やす。静電発電装置１００の振動の位相がＬＣ回路の共振の位相に対して遅れている場合は、インダクタンスＬを減らす。

以上の制御をループで繰り返すことで、静電発電装置１００の振動とＬＣ回路の共振との位相を合致させることが可能である。これにより、静電発電装置１００の発電量を向上し、効率的な発電をすることが可能である。

また、それぞれの位相は、第１回路３００を流れる電流や静電発電素子３１０またはインダクタ３３０に印加される電圧の測定や、そこから導かれる静電発電素子３１０の静電容量を推定することで静電発電素子３１０の長さや電極間距離を推定することで算定できる。

次に、第７の実施形態に係る静電発電装置について説明する。なお、第１乃至第６の実施形態のいずれかと同じ点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。

本発明の第７の実施形態では、第４乃至第６の実施形態のいずれかで用いた第１回路３００のインダクタ３３０が変圧器の一方のインダクタであり、他方のインダクタ４１０と整流回路４２０とが第２回路４００を構成している。すなわち、静電発電素子３１０は、インダクタ３３０が組み込まれた変圧器を介して整流回路４２０に接続されており、変圧器は、静電発電素子３１０側で生じた交流の電力を、整流回路４２０側で直流の電力に変換する。整流回路４２０は図７または図９に示すように４つのダイオード４２１とコンデンサ４３０とにより構成される。ここでは整流回路４２０として、一般的な構成を示したが、交流成分を直流成分に変換することが可能な別の整流回路を用いてもよい。整流回路４２０は負荷部５０である蓄電池やＤＣ／ＡＣインバータや電力系統等に接続されるための一対の端子部４４０，４５０を備えている。

本実施形態を用いることで、第１回路３００のインダクタ３３０を変圧器の一部として利用することができ、簡易な回路構成により交流で発電された電力を直流電力に変換することができる。

以上、実施形態に基づいて本発明を説明してきたが、本発明はこれに限定されない。

１０…静電発電素子
１１…電極部
１３…層
１４…ヒンジ部
５０…負荷部
６０…電極フィルム
６１…絶縁体
６２…導体
１００…静電発電装置
１１０…静電発電素子
１１１…電極フィルム（第１の電極フィルム、第２の電極フィルム、第３の電極フィルム）
１１２…接合領域
１１３…非接合領域
１１５…ヒンジ部
２１０…静電発電素子
２１１…電極フィルム（第４の電極フィルム）
２１２…電極フィルム（第５の電極フィルム）
２１３…第１接合領域
２１４…第２接合領域
２１５…電極ペア
２１６…非接合領域
２１７…ヒンジ部
３００…第１回路
３１０…静電発電素子
３２０…バッテリ
３３０…インダクタ
４００…第２回路
４１０…インダクタ
４２０…整流回路
４２１…ダイオード
４３０…コンデンサ
４４０…端子部
４５０…端子部

Claims

静電発電装置において、
導体と前記導体の両面を絶縁保護する絶縁体とからなる複数の電極フィルムを積層して構成された複数の層を有する静電発電素子を備え、
前記層の各々は、互いに対向する前記電極フィルムどうしの少なくとも一部が隙間を空けて対向するように構成され、
前記静電発電素子は、前記電極フィルムの積層方向に外力により伸縮変形可能であり、
前記層の各々は、前記電極フィルムの電極間距離の増加に応じて、電極間距離の増加に抗する弾性力が非線形的に増加することを特徴とする、静電発電装置。
請求項１に記載の静電発電装置において、
前記電極フィルムは、対向する別の前記電極フィルムに接合した接合領域と接合していない非接合領域とを有し、前記接合領域と前記非接合領域とは波状パターンを有し、
複数の前記電極フィルムは、第１の電極フィルムと、前記第１の電極フィルムに対向する第２の電極フィルムと、前記第２の電極フィルムに対向する第３の電極フィルムとが、前記第１の電極フィルムと前記第２の電極フィルムとの接合領域と、前記第２の電極フィルムと前記第３の電極フィルムとの接合領域とが前記積層方向に互いに重ならないように積層されたことを特徴とする、静電発電装置。
請求項１に記載の静電発電装置において、
前記静電発電素子の複数の前記電極フィルムは、
前記静電発電素子の前記積層方向の一方の側に隣接する前記電極フィルムに接合されるための複数の第１接合領域であって、ストライプ状にそれぞれ平行に延在する、第１接合領域と、他方の側に隣接する前記電極に接合されるための複数の第２接合領域であって、前記第１接合領域に平行、かつ、隣り合う前記第１接合領域どうしの間にそれぞれ配列された、第２接合領域とを有する第４の電極フィルムと、
前記第４の電極フィルムに接合された第５の電極フィルムとからなり、
前記静電発電素子は、接合された前記第４の電極フィルムと前記第５の電極フィルムとの電極ペアを積層した構造を有し、
隣り合う前記電極ペアは、一方の前記電極ペアの前記第１接合領域及び前記第２接合領域と、他方の前記電極ペアの前記第１接合領域及び前記第２接合領域とが直交するように積層された、静電発電装置。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電発電装置において、前記静電発電素子は、２枚のリボン状の前記電極フィルムを互いに直交する方向に交互に折り重ねた構造を有することを特徴とする、静電発電装置。
請求項４に記載の静電発電装置において、一方の前記電極フィルムは他方の前記電極フィルムと対向する領域に位置する電極部と前記電極部を連結するヒンジ部とを有し、前記電極部の前記絶縁体の厚さｔ１は、前記ヒンジ部の前記絶縁体の厚さｔ２よりも厚いことを特徴とする、静電発電装置。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の静電発電装置において、前記静電発電素子は、電極間距離の増加量の２乗以上に比例して弾性力が増加することを特徴とする、静電発電装置。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の静電発電装置において、
前記静電発電素子に初期電圧を印加する電圧印加手段と
前記静電発電素子に電気的に直列に接続されたインダクタと、を備えたことを特徴とする、静電発電装置。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の静電発電装置において、
前記静電発電素子と、インダクタと、前記静電発電素子に初期電圧を印加するバッテリとを備え、
前記静電発電素子と前記インダクタと前記バッテリとは電気的に直列に接続されたことを特徴とする、静電発電装置。
請求項７または８に記載の静電発電装置において、前記静電発電素子の静電容量Ｃと、前記インダクタのインダクタンスＬと、前記静電発電素子を含む発電部の振動角周波数ωとの間に、

の関係があることを特徴とする、静電発電装置。
請求項７乃至９のいずれか１項に記載の静電発電装置において、
前記インダクタのインダクタンスＬを可変にするインダクタンス制御装置をさらに備え、前記インダクタンス制御装置は、外力による前記静電発電素子の振動の位相に対して、前記静電発電素子に印加される電圧位相が進んでいる場合は前記インダクタンスＬを増やし、前記静電発電素子に印加される電圧位相が遅れている場合は前記インダクタンスＬを減らすことを特徴とする、静電発電装置。
請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の静電発電装置において、
前記静電発電素子は、前記インダクタが組み込まれた変圧器を介して整流回路に接続されており、前記変圧器は、前記静電発電素子側で生じた交流の電力を、前記整流回路側で直流の電力に変換することを特徴とする、静電発電装置。