JPWO2012111494A1

JPWO2012111494A1 - 静電誘導型発電装置

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Publication number: JPWO2012111494A1
Application number: JP2012557903A
Authority: JP
Inventors: 哲也金川; 講平高橋
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2032-02-08
Also published as: WO2012111494A1; JP5644874B2

Abstract

小型化できると共に、安定した電力を得ることができる静電誘導型発電装置を提供する。下面に対向電極が振動方向に複数配列された上基板（３）と、上基板（３）に対して平行配置された下基板（２）との間には、可動基板（４）が介在する。可動基板（４）は、対向電極が対向する部位に、エレクトレット部材（４２）のチャージ領域が振動方向に複数配列され、振動方向に往復動可能にバネ部材（５）により支持される。上基板（３）及び可動基板（４）の間には、可動基板（４）の往復動に伴い振動方向に回転する上側球（７１，７２）が設けられている。可動基板（４）及び上基板（３）の間には、可動基板（４）の往復動に伴い振動方向に回転する下側球（６１，６２）が設けられている。可動基板（４）には、上側球（７１，７２）の一部を収容する上側溝部（４２５，４２６）及び下側球（６１，６２）の一部を収容する下側溝部（４２１，４２２）を形成する。

Description

本発明は、電荷保持材料を用いて、振動エネルギーを電力に変換する静電誘導型発電装置に関する。

近年、環境に配慮した観点から、熱又は振動等のエネルギーを電力に変換するエネルギーハーベスティング（環境発電）が注目されている。特許文献１には、振動エネルギーを電力に変換する発電装置が開示されている。

図１は特許文献１に記載の発電装置を示す図である。特許文献１に記載の発電装置は、複数のエレクトレット１０２を表面に有する基板１０１と、エレクトレット１０２に対向する対向電極１０６を表面に有する可動基板１０５を有している。可動基板１０５は、円柱状の可動部１０４により水平方向に往復運動するようになっている。

この可動部１０４は、所定位置から移動しても、磁石部１０３による誘引力により所定位置に戻るようになっている。可動基板１０５が往復運動すると、エレクトレット１０２に引き寄せられて対向電極１０６に電荷の変化が生じ、この電荷の変化を取り出すことにより発電が行える。

特開２００８−１１３５１７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発電装置において、可動基板１０５は水平方向の往復運動だけでなく、鉛直方向にも動く構成となっている。このため、エレクトレット１０２と対向電極１０６との間の距離が変位し、発電値が安定しないといった問題がある。

そこで、本発明の目的は、小型化できると共に、安定した電力を得ることができる静電誘導型発電装置を提供することにある。

本発明に係る静電誘導型発電装置は、一面に帯電部材又は導体の一方が所定方向に複数配列された第１基板と、該第１基板に対して平行配置され、前記一面に配列された前記帯電部材又は導体の一方が対向する部位に、前記帯電部材又は導体の他方が前記所定方向に複数配列された第２基板と、前記第２基板を前記所定方向に往復動可能に支持する復元力発生部材と、前記第１基板及び第２基板に挟まれ、前記第２基板の往復動に伴い前記所定方向に回転する複数の第１回転体と、前記第２基板が間に介在するように前記第１基板に対して平行配置された第３基板と、前記第２基板及び第３基板に挟まれ、前記第２基板の往復動に伴い前記所定方向に回転する複数の第２回転体と、を備え、前記第２基板は、前記第１基板に対向する面に形成され、前記第１回転体の一部を収容する複数の第１凹部、及び前記第２基板に対向する面に形成され、前記第２回転体の一部を収容する複数の第２凹部を有する。

この構成では、第１基板には帯電部材又は導体の一方が所定方向に複数配列されており、それに対向するように、所定方向に往復動可能な第２基板には、帯電部材又は導体の他方が所定方向に複数配列されている。この第２基板を所定方向に往復動（振動）させると、静電誘導による電荷が変動し、帯電部材及び導体の間で起電力が生じるようになっている。

起電力を生じさせるために振動させる第２基板は、第１基板及び第３基板との間に複数の第１回転体及び第２回転体を挟み込んでいる。このため、第２基板は、所定方向に往復動する際に、複数の第１回転体及び第２回転体により厚み方向に対する変動を無くすことができる。これにより、帯電部材及び導体の間の距離を一定にすることができ、より安定した発電が可能となる。

また、第２基板の厚み方向に対する変動を無くすための第１回転体及び第２回転体の一部を収容する第１凹部及び第２凹部を第２基板に形成することで、二つの回転体を備えることにより厚み方向に大きくなることを防止することができ、小型化を実現できる。

本発明に係る静電誘導型発電装置において、前記第１凹部及び第２凹部は、前記第２基板の厚み方向から見て重ならないよう形成されていることが好ましい。

この構成では、第２基板の厚みが第１凹部及び第２凹部により薄くなることはなく、第２基板の強度が低下しないようにできる。

本発明に係る静電誘導型発電装置において、前記第１凹部及び第２凹部は、前記第２基板の面方向から見て一部が重なるよう形成されていてもよい。

この構成では、第２基板を厚くすることなく、第１凹部及び第２凹部を深く形成でき、回転体が第１凹部及び第２凹部から飛び出すことを防止できる。

本発明に係る静電誘導型発電装置において、前記第１凹部は、深さが前記第１回転体の回転半径の０．３倍以上となるよう形成されている構成でもよい。

この構成では、第１回転体が回転時に第１凹部から飛び出しにくくすることができる。

本発明に係る静電誘導型発電装置において、前記第２凹部は、深さが前記第２回転体の回転半径の０．３倍以上となるよう形成されている構成でもよい。

この構成では、第２回転体が回転時に第２凹部から飛び出しにくくすることができる。

本発明によれば、静電誘導型発電装置を小型化できると共に、静電誘導型発電装置から安定した電力を得ることができる。

特許文献１に記載の発電装置を示す図実施形態に係る発電装置の概略上面図実施形態に係る発電装置の図２のIII―III線における断面図実施形態に係る発電装置の図２のIV―IV線における断面図実施形態に係る発電装置の図２のV―V線における断面図実施形態に係る発電装置が有する上基板の概略下面図チャージ領域および非チャージ領域の形成方法を説明する模式図下側溝部および上側溝部の深さの例を示す模式図発電装置における電荷の移動を模式的に示す図

図２は本実施形態に係る発電装置１の概略上面図である。図３は本実施形態に係る発電装置１の図２のIII―III線における断面図である。図４は本実施形態に係る発電装置１の図２のIＶ―IＶ線における断面図である。図５は本実施形態に係る発電装置１の図２のＶ―Ｖ線における断面図である。図６は本実施形態に係る発電装置１が有する上基板３の概略下面図である。なお、図６は発電装置１の上方からの透視図である。

本実施形態に係る発電装置１は、平行配置される略正方形状の下基板（第３基板）２および上基板（第１基板）３（図２では省略）を備えている。下基板２には、周縁に沿って四つの側面部２Ａが設けられており、上基板３は、これら四つの側面部２Ａに支持されるように設けられ、下基板２に対して平行配置されている。

下基板２、側面部２Ａおよび上基板３により、内部空間を有する直方体形状の筐体が構成されている。その内部空間には、下基板２および上基板３に対して平行となるよう可動基板（第２基板）４が設けられている。可動基板４は、略正方形状で板状の基礎部材４１と、基礎部材４１の一面の一部に積層されたエレクトレット部材４２とから構成されている。

基礎部材４１は、Ｓｉ，ガラスなどで形成されていてもよい。エレクトレット部材４２は、フッ素樹脂またはＳｉＯ_２などの無機材料からなり、直流電圧が加えられて電荷を帯びたチャージ領域４２Ａと、電荷を帯びていない非チャージ領域４２Ｂとが交互に配列された格子状に形成されている。すなわち、エレクトレット部材４２は帯電部材である。

なお、エレクトレット部材４２は、図示しない導体を介して基礎部材４１に積層される構成となる。

また、エレクトレット部材４２は、ＳｉＮ、ＡｌＮ、Ａｌ _２０_３などの保護層（図示せず）により覆われていてもよい。

ここで、エレクトレット部材４２にチャージ領域４２Ａおよび非チャージ領域４２Ｂを形成する方法について説明する。

図７はチャージ領域４２Ａおよび非チャージ領域４２Ｂの形成方法を説明する模式図である。図７に示すように、エレクトレット部材４２の一面に、メタルマスク４３を所定間隔で配置する。

そして、メタルマスク４３が配置されたエレクトレット部材４２をコロナ放電下に曝すことで、エレクトレット部材４２のメタルマスク４３が配置されていない部分と、メタルマスク４３とは電荷がチャージされることとなる。その後、メタルマスク４３を取り除く。

メタルマスク４３が配置されず、コロナ放電下に曝されることで電荷がチャージされたエレクトレット部材４２の領域がチャージ領域４２Ａとなる。また、メタルマスク４３が配置されていたために、電荷がチャージされなかったエレクトレット部材４２の領域が非チャージ領域４２Ｂとなる。

なお、以下では、チャージ領域４２Ａおよび非チャージ領域４２Ｂの配列方向を振動方向とする。振動方向は、図２の矢印Ａで示す紙面左右方向である。

可動基板４は、基礎部材４１が下基板２に対向し、エレクトレット部材４２が上基板３側に対向するように、四つのバネ部材５により支持されている。バネ部材５は、可動基板４を振動方向に往復動可能に支持している。可動基板４は、下基板２の略中央を基準位置としてバネ部材５により支持され、振動方向に移動してもバネ部材５の復元力、ここでは弾性力により基準位置に戻るようになっている。

なお、可動基板４を支持するバネ部材５は、板バネであってもよいし、つる巻バネであってもよい。また、可動基板４を支持するバネ部材５は、バネ以外に、磁石、ゴムなどの復元力の有する復元力発生部材であればよい。

可動基板４側となる上基板３の面（以下、下面という）には、振動方向に沿って対向電極３１，３２が交互に配列されている。対向電極３１，３２は、少なくともエレクトレット部材４２が対向する上基板３の下面の領域に、チャージ領域４２Ａの半分の配列間隔で形成されている。例えば、チャージ領域４２Ａが１１００μｍのピッチ幅で形成されている場合、対向電極３１，３２は５５０μｍのピッチ幅で形成される。対向電極３１，３２は導体である。

対向電極３１，３２は、図６に示すように、櫛形電極であって、互いに反対方向の向きに形成されている。さらに、対向電極３１，３２は、一方の対向電極の櫛歯（以下、電極指という）と他方の対向電極の電極指とが交互に配列され、かつ、交互に配列される電極指が、前記の通りチャージ領域４２Ａの半分の配列間隔となるように組み合わされている。

この対向電極３１，３２には、後に詳述するが、可動基板４が振動方向に移動することで、エレクトレット部材４２のチャージ領域４２Ａとの間に生じる静電誘導により電荷が生じる。対向電極３１，３２には、静電誘導により生じた電荷を取り出すための引き出し端子（図示せず）が接続されている。

可動基板４は、下基板２との間に下側球（第２回転体）６１，６２，６３，６４を挟み込んでおり、上基板３との間に上側球（第１回転体）７１，７２，７３，７４を挟み込んでいる。下側球６１，６２，６３，６４および上側球７１，７２，７３，７４は、同じ長さの径を有し、可動基板４の振動方向への移動に伴い回転するようになっている。これにより、可動基板４は、下側球６１，６２，６３，６４および上側球７１，７２，７３，７４により、振動方向に移動する際に、可動基板４の厚み方向に変位することが防止されている。

また、上基板３側となる基礎部材４１の面（以下、上面という）には、上側球７１，７２，７３，７４の一部が収容できる大きさを有する四つの上側溝部（第１凹部）４２５，４２６，４２７，４２８が形成されている。上側溝部４２５，４２６，４２７，４２８は、図２に示すように、開口部分が振動方向に長く延びた矩形状となり、図３に示すように、断面形状も矩形状となっている。

この上側溝部４２５，４２６，４２７，４２８は、基礎部材４１の四隅近傍に形成され、かつ、上側溝部４２５，４２８が基礎部材４１の中心点を挟んで点対称となり、上側溝部４２６，４２７が基礎部材４１の中心点を挟んで点対称となるように設けられている。

上基板３の下面には、基礎部材４１の上側溝部４２５，４２６，４２７，４２８と対向する位置に、上側溝部４２５，４２６，４２７，４２８と同形状の上基板側溝部３５，３６，３７，３８が形成されている。上基板側溝部３５，３６，３７，３８は、上側溝部４２５，４２６，４２７，４２８と同様に、上側球７１，７２，７３，７４の一部が収容可能な大きさを有している。

下基板２側となる基礎部材４１の面（以下、下面という）には、下側球６１，６２，６３，６４の一部が収容可能な大きさを有する四つの下側溝部（第２凹部）４２１，４２２，４２３，４２４が形成されている。下側溝部４２１，４２２，４２３，４２４は、図２に示すように、上側溝部４２５，４２６，４２７，４２８と同様の形状となっている。

下側溝部４２１，４２２，４２３，４２４は、振動方向に対して直交する方向に上側溝部４２５，４２６，４２７，４２８より内側となる位置に形成され、かつ、下側溝部４２１，４２４が基礎部材４１の中心点を挟んで点対称となり、上側溝部４２２，４２３が基礎部材４１の中心点を挟んで点対称となるように設けられている。

このように、可動基板４は、下側球６１，６２，６３，６４および上側球７１，７２，７３，７４により支持されることで、厚み方向に変動することなく、振動方向に移動可能となる。また、可動基板４は、下側球６１，６２，６３，６４および上側球７１，７２，７３，７４により、単に厚み方向に変動しないように支持されるだけでなく、振動方向に移動しやすいようになっている。

さらに、可動基板４の厚み方向における変動を防止するために下側球６１，６２，６３，６４および上側球７１，７２，７３，７４を設けても、上基板３および可動基板４に形成された溝部に球の一部が収容されるため、発電装置１が厚み方向に大きくなることを防止できる。

また、下側溝部４２１，４２２，４２３，４２４および上側溝部４２５，４２６，４２７，４２８は、図２および図３に示すように、可動基板４の厚み方向から見て、重ならないように形成されている。このため、下側溝部４２１，４２２，４２３，４２４および上側溝部４２５，４２６，４２７，４２８が同じ位置に形成されることで基礎部材４１が局所的に薄くなり、基礎部材４１の強度が低下するといった問題を回避できる。

なお、下側溝部４２１，４２２，４２３，４２４および上側溝部４２５，４２６，４２７，４２８の深さは、適宜変更可能である。図８は、下側溝部４２１，４２２，４２３，４２４および上側溝部４２５，４２６，４２７，４２８の深さの例を示す模式図である。

図８（ａ）に示すように、下側球６１，６２，６３，６４および上側球７１，７２，７３，７４の直径をＬとした場合、下側溝部４２１，４２２，４２３，４２４および上側溝部４２５，４２６，４２７，４２８は、溝の深さが球の半径以下のとき、球の中心から溝の底面に接触する点に引いた線と、球の中心から溝の側面に接触する点に引いた線との間の角度が４５°以上になる深さにすれば、球が溝を乗り越える力を小さくできる。溝の深さは少なくとも半径Ｌ／２の０．３倍以上、好ましくは１／３倍以上となるよう形成してもよい。

また、溝の深さが球の半径Ｌの２．０倍未満であれば、可動基板４の主面より球の一部が突出するため、上基板３または下基板２との摺動が容易になる。可動基板４の溝の位置に対応した上基板３または下基板２の表面の位置に突起を設ければ、溝の深さが球の半径Ｌの２．０倍以上としてもよく、半径Ｌの３．０倍以内が好ましい。

この場合、可動基板４の振動方向の移動時に、下側球６１，６２，６３，６４および上側球７１，７２，７３，７４が、下側溝部４２１，４２２，４２３，４２４および上側溝部４２５，４２６，４２７，４２８から飛び出し難くすることができる。この結果、可動基板４をより安定させて振動方向に移動させることができる。

また、図８（ｂ）に示すように、下側溝部４２１（４２２，４２３，４２４）と上側溝部４２５（４２６，４２７，４２８）とが、基礎部材４１の面方向において重なる深さに形成されていてもよい。この場合、直径Ｌの下側溝部４２１（４２２，４２３，４２４）および上側溝部４２５（４２６，４２７，４２８）は、それぞれの深さの和が基礎部材４１の厚み以上となるよう形成されていることがより好ましい。

この場合、基礎部材４１の厚みを大きくすることなく、基礎部材４１により深い溝を形成することができ、下側球６１（６２，６３，６４）および上側球７１（７２，７３，７４）が、下側溝部４２１（４２２，４２３，４２４）および上側溝部４２５（４２６，４２７，４２８）から飛び出し難くすることができる。

以下に、上述のように構成される発電装置１における発電方法について説明する。

図９は、発電装置１における電荷の移動を模式的に示す図である。図９は、負荷抵抗Ｒを介して対向電極３１，３２を接続した模式図である。

図９（ａ）に示すように、対向電極３１がチャージ領域４２Ａに対向するとき、対向電極３１には静電誘導により電荷が誘導される。そして、発電装置１に加速度が加わると、可動基板４が振動方向に振動する。

可動基板４が振動により移動し、対向電極３１が非チャージ領域４２Ｂに対向する位置に移動したとき、対向電極３２がチャージ領域４２Ａと対向することになるため、図９（ｂ）に示すように、対向電極３２に電荷が誘導される。

さらに、可動基板４が振動により移動すると、再び対向電極３１がチャージ領域４２Ａと対向し、対向電極３２は非チャージ領域４２Ｂと対向するため、図９（ｃ）に示すように、対向電極３１に電荷が誘導される。

上記動作を繰り返すことにより、負荷抵抗Ｒには、交流電流が流れるようになる。

上述のように可動基板４は、下側球６１，６２，６３，６４および上側球７１，７２，７３，７４により、厚み方向に変動することなく、振動方向に移動するため、可動基板４のエレクトレット部材４２と対向電極３１，３２との距離が変動することはない。このため、エレクトレット部材４２と対向電極３１，３２との間に生じる静電誘導をより安定させることができ、常に一定の電荷を取り出すことができる。なお、本実施形態では、可動基板４にエレクトレット部材４２を設け、上基板３に対向電極３１，３２を設けたが、可動基板４に対向電極３１，３２を設け、上基板３にエレクトレット部材４２を設けてもよい。

また、発電装置１から安定した電力を得るために設けた下側球６１，６２，６３，６４および上側球７１，７２，７３，７４は、上基板３および可動基板４に形成された溝部に一部が収容されることで、発電装置１が厚み方向に大きくなることを防止できる。

なお、発電装置１の具体的構成などは、適宜設計変更可能であり、上述の実施形態に記載された作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、上述の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

例えば、可動基板４を安定して摺動させるための上側球および下側球は、円柱形状であってもよい。この場合、振動方向に対して直交する方向が軸方向となるよう設置すればよい。四方八方に回転可能な球を用いた場合、可動基板４が振動方向に移動するときには振動方向に対して直交する方向に多少変動する可能性があるが、一方向（振動方向）にしか回転しない円柱形状とすることで、斯かる可能性を低減させることができる。

また、下側溝部４２１，４２２，４２３，４２４および上側溝部４２５，４２６，４２７，４２８の断面は矩形状としているが、上側球および下側球の円弧に沿った形状としてもよい。また、大きさは、上側球および下側球の一部が基礎部材４１から突出し、下基板２および上基板３と接すればよく、適宜変更可能である。

さらに、下基板２には、下側球６１，６２，６３，６４を収容する溝部を形成していないが、形成してもよい。また、下基板２および可動基板４の間に静電誘導を発生させるための、チャージ領域および対向電極を形成するようにしてもよい。

１−発電装置（静電誘導型発電装置）
２−下基板（第３基板）
３−上基板（第１基板）
４−可動基板（第２基板）
５−バネ部材（復元力発生部材）
６１，６２，６３，６４−下側球（第２回転体）
７１，７２，７３，７４−上側球（第１回転体）

Claims

一面に帯電部材又は導体の一方が所定方向に複数配列された第１基板と、
該第１基板に対して平行配置され、前記一面に配列された前記帯電部材又は導体の一方が対向する部位に、前記帯電部材又は導体の他方が前記所定方向に複数配列された第２基板と、
前記第２基板を前記所定方向に往復動可能に支持する復元力発生部材と、
前記第１基板及び第２基板に挟まれ、前記第２基板の往復動に伴い前記所定方向に回転する複数の第１回転体と、
前記第２基板が間に介在するように前記第１基板に対して平行配置された第３基板と、
前記第２基板及び第３基板に挟まれ、前記第２基板の往復動に伴い前記所定方向に回転する複数の第２回転体と、
を備え、
前記第２基板は、
前記第１基板に対向する面に形成され、前記第１回転体の一部を収容する複数の第１凹部、及び前記第２基板に対向する面に形成され、前記第２回転体の一部を収容する複数の第２凹部を有する
静電誘導型発電装置。
前記第１凹部及び第２凹部は、前記第２基板の厚み方向から見て重ならないよう形成されている、
請求項１に記載の静電誘導型発電装置。
前記第１凹部及び第２凹部は、前記第２基板の面方向から見て一部が重なるよう形成されている、
請求項２に記載の静電誘導型発電装置。
前記第１凹部は、深さが前記第１回転体の回転半径の０．３倍以上となるよう形成されている、
請求項２又は３に記載の静電誘導型発電装置。
前記第２凹部は、深さが前記第２回転体の回転半径の０．３倍以上となるよう形成されている、
請求項２から４の何れか一つに記載の静電誘導型発電装置。