JPWO2017090727A1

JPWO2017090727A1 - 静電誘導型発電素子

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Publication number: JPWO2017090727A1
Application number: JP2017552726A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　雄二; 雄二鈴木; 隆史加藤
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2015-11-25
Filing date: 2016-11-25
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2036-11-25
Also published as: JP6709232B2; US10855204B2; EP3396843A4; EP3396843A1; WO2017090727A1; US20190020287A1

Abstract

【課題】誘導起電力が発生する電極間の寄生容量を抑制しつつ発電電力量を増大できる静電誘導型発電素子を提供する。
【解決手段】互いに対向し、対向面に平行な方向に相対運動する基板１０ａ、１０ｂと、基板１０ａ、１０ｂの各対向面に形成された電荷保持部１２及び導体１４ａ、１４ｂと、上記対向する基板１０ａ、１０ｂ間及び電荷保持部１２と導体１４ａ、１４ｂとの間に介在する、上記対向面に平行な方向の比誘電率より対向面に直交する方向の比誘電率が大きい異方性誘電率を有する物質と、を備える静電誘導型発電素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電誘導型発電素子に関する。

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。

以上に述べた静電誘導型発電素子においては、電極間に誘電体を介在させて比誘電率を増大させることにより発電量（誘導起電力）を増大させることができる。

特開２００５−２２９７０７号公報特開２００７−３１２５５１号公報

しかし、電極間の比誘電率を増大させると、誘導起電力が発生する電極（エレクトレットに対向する電極）間の寄生容量も増大するため、発電ロスが増加して、十分な発電電力量を得ることができないという問題があった。

本発明の目的は、誘導起電力が発生する電極間の寄生容量を抑制しつつ発電電力量を増大できる静電誘導型発電素子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であって、互いに対向し、対向面に平行な方向に相対運動する基板と、前記基板の各対向面に形成された電荷保持部及び導体と、前記対向する基板間及び前記電荷保持部と導体との間に介在する、前記対向面に平行な方向の比誘電率より前記対向面に直交する方向の比誘電率が大きい異方性誘電率を有する物質と、を備えることを特徴とする。

ここで、上記異方性誘電率を有する物質は液晶であるのが好適である。

また、上記電荷保持部はエレクトレット、または電源に接続された電極であるのが好適である。

本発明によれば、誘導起電力が発生する電極間の寄生容量を抑制しつつ発電電力量を増大できる静電誘導型発電素子を実現できる。

実施形態にかかる静電誘導型発電素子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の変形例の断面図である。実施形態にかかる静電誘導型発電素子の基板間に異方誘電体を介在させた場合の模式図である。実施形態にかかる静電誘導型発電素子の他の変形例の斜視図である。基板間に介在させる誘電体を変更した場合の、静電誘導型発電素子から外部に取り出せる電力の変化の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、実施形態にかかる静電誘導型発電素子の構成例の断面図が示される。図１において、静電誘導型発電素子は、互いに対向し、対向面に平行な方向に相対運動する基板１０ａ、１０ｂを備えており、基板１０ａ、１０ｂの各対向面には、基板１０ａ側に電荷保持部１２が、基板１０ｂ側に導体１４ａ、１４ｂが形成されている。基板１０ａ、１０ｂの相対運動は、例えば基板１０ａを図１の矢印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、基板１０ａ、１０ｂ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。

電荷保持部１２は、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、バック・ライテッド・サイラトロン等公知の方法を用いることができる。なお、図１の例では、電荷保持部１２が板状に構成されているが、上記導体１４ａ、１４ｂとの間で電場を形成できる形状であれば限定されない。

また、導体１４ａ、１４ｂは、基板１０ａ、１０ｂの相対運動に応じて電荷保持部１２に保持される電荷に基づく静電誘導により誘導起電力が発生する部材である。

一般に、静電誘導型発電素子の理論出力（発電量）Ｐは、以下の式により表される。

ここで、σは電荷保持部１２（エレクトレット）の表面電荷密度、Ｖｓは電荷保持部１２の表面電位、ｄは電荷保持部１２の厚さ、ε_２は電荷保持部１２の比誘電率、ｇは電荷保持部１２と導体１４ａ、１４ｂとの距離、ε_１は電荷保持部１２と導体１４ａ、１４ｂとの間隙の比誘電率、Ａ_０は電荷保持部１２の面積、ｆは電荷保持部１２の往復運動（振動）の周波数である。また、ε_０は真空中の誘電率である。

導体１４ａ、１４ｂに効率的に静電誘導を生じさせる（発電させる）ために、電荷保持部１２と導体１４ａ、１４ｂとの間の距離ｇ（基板１０ａ、１０ｂの対向面に直交する方向の距離）は１００μｍ以下とするのが好適である。導体１４ａ、１４ｂに生成した誘導起電力は、負荷１８により外部に電力として取り出すことができる。

上記式（１）より、比誘電率ε_１を大きくする、すなわち電荷保持部１２と導体１４ａ、１４ｂとの間隙に比誘電率の高い誘電体を介在させれば発電量Ｐが増大し、負荷１８により外部に取り出せる電力を増大させることが可能であることがわかる。

しかし、上記導体１４ａ、１４ｂの間には、寄生容量が存在する。この寄生容量のために、本来上記負荷１８から取り出される電力の一部が寄生容量で消費され、発電効率を低下（外部に取り出せる電力を低減）させる。電荷保持部１２と導体１４ａ、１４ｂとの間隙に上記誘電体を介在させると寄生容量も大きくなり、発電量Ｐが増大しても寄生容量で消費される電力も増加するので、外部に取り出せる電力を十分に増大させることができない。

そこで、本実施形態にかかる静電誘導型発電素子では、上記対向する基板１０ａ、１０ｂ間に、対向面に平行な方向の比誘電率より対向面に直交する方向の比誘電率が大きい異方性誘電率を有する物質（以後、異方誘電体という）１６を介在させている。ここで、対向する基板１０ａ、１０ｂ間とは、対向する基板１０ａ、１０ｂ間及び電荷保持部１２と導体１４ａ、１４ｂとの間の領域をいう。

異方誘電体１６を使用することにより、電荷保持部１２と導体１４ａ、１４ｂとの間隙の上記対向面に直交する方向の比誘電率ε_１（以後ε_‖ということがある。）を大きくするとともに、導体１４ａ、１４ｂ間の寄生容量の増加を、上記比誘電率ε_１の増加に比べて相対的に低く抑えることができる。上記対向面に平行な方向の比誘電率（以後ε_⊥という。）が上記比誘電率ε_‖より小さいからである。これにより、電荷保持部１２と導体１４ａ、１４ｂとの間の誘導起電力の増加に比べ、寄生容量で消費される電力の増加を抑制でき、本実施形態に係る静電誘導型発電素子から外部に取り出せる電力を増大させることができる。

上記異方誘電体１６としては、比誘電率に異方性が存在する物質であれば使用することができ、例えば、ネマチック液晶、スメクティック液晶、カラムナー液晶等が挙げられる。

なお、図１の例では、基板１０ａに一つの電荷保持部１２が、基板１０ｂに二つの導体１４ａ、１４ｂが形成されているが、基板１０ａ、１０ｂに形成される電荷保持部及び導体の数の組合せは図１の例に限定されず、導体に誘導起電力が発生する組合せであれば任意の数とすることができる。

図２には、実施形態にかかる静電誘導型発電素子の変形例の断面図が示され、図１と同一要素には同一符号を付す。図２において、図１と異なる点は、電荷保持部１２がエレクトレットではなく、電源２０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る点である。また、基板１０ａには、電荷保持部１２に隣接して、接地されたＧＮＤ電極１３が形成されている。なお、ＧＮＤ電極１３を設ける代わりに、図１と同様に、電荷保持部１２の隣には電極を形成しない構成としてもよい。図２に示された構成によっても、基板１０ａ、１０ｂの相対運動に応じて電荷保持部１２に保持された電荷により導体１４ａ、１４ｂとの間で静電誘導が生じ、導体１４ａ、１４ｂに誘導起電力を生じさせることができる。

なお、図２の例でも、基板１０ａに一つの電荷保持部１２が、基板１０ｂに二つの導体１４ａ、１４ｂが形成されているが、基板１０ａ、１０ｂに形成される電荷保持部及び導体の数の組合せは図２の例に限定されず、導体に誘導起電力が発生する組合せであれば任意の数とすることができる。

図３（ａ）、（ｂ）には、実施形態にかかる静電誘導型発電素子の基板１０ａ、１０ｂ間に異方誘電体１６を介在させた場合の模式図が示される。図３（ａ）が、異方誘電体１６を介在させた静電誘導型発電素子の断面図であり、図３（ｂ）が図３（ａ）の部分拡大図である。なお、図３（ａ）、（ｂ）の例では、図２に示された構成の静電誘導型発電素子を用いて説明しているが、図１に示された構成の静電誘導型発電素子でも、同様に説明することができる。

図３（ａ）において、電源２０から電圧が印加されて電荷保持部１２に保持された電荷により、電荷保持部１２と導体１４ａ、１４ｂとの間に電場Ｅが発生すると、ネマチック液晶等で構成される異方誘電体１６が当該電場Ｅの方向に整列する。電場Ｅの方向に整列とは、図３（ａ）に示されるように、電場Ｅの方向、すなわち基板１０ａ、１０ｂの対向面に直交する方向に液晶の長軸が配向することをいう。

図３（ｂ）に示されるように、異方誘電体１６を構成するネマチック液晶等は、液晶の長軸方向の比誘電率ε_‖（式（１）におけるε_１）が、液晶の短軸方向の比誘電率ε_⊥よりも大きい。図３（ｂ）では、ε_‖を表す矢印の長さを、ε_⊥を表す矢印の長さより長くしてε_‖＞ε_⊥であることを示している。

また、図３（ｂ）には、導体１４ａ、１４ｂ間の寄生容量が示されており、基板１０ｂの内部に生じる寄生容量をＣｐ_１とし、電荷保持部１２と導体１４ａ、１４ｂとの間の空間（導体１４ａ、１４ｂに対して基板１０ｂとは反対側の空間）に生じる寄生容量をＣｐ_２としている。

上述したように、異方誘電体１６を構成する液晶は、長軸方向が電場Ｅの方向に整列するので、電荷保持部１２に電荷が保持されている限り、液晶の長軸方向が基板１０ａ、１０ｂの対向面に直交する方向となるように整列し、上記対向面に平行な方向の比誘電率（ε_⊥）より対向面に直交する方向の比誘電率（ε_‖）が大きくなる。

このように、異方誘電体１６の比誘電率が、上記対向面に平行な方向より対向面に直交する方向の方が大きくなるので、導体１４ａ、１４ｂ間の寄生容量のうち、電荷保持部１２と導体１４ａ、１４ｂとの間の空間側の寄生容量Ｃｐ_２が大きくなることを抑制することができる。この結果、電荷保持部１２と導体１４ａ、１４ｂとの間隙の上記対向面に直交する方向の比誘電率が液晶の長軸方向の比誘電率ε_‖となって、液晶の短軸方向の比誘電率ε_⊥となっている対向面に平行な方向の比誘電率より大きくなり、上記寄生容量Ｃｐ_２の増大を抑制できる。この結果、基板１０ａを矢印Ａ方向に振動させた際に外部に取り出せる電力量を増大させることができる。

図４には、実施形態にかかる静電誘導型発電素子の他の変形例の斜視図が示され、図１と同一要素には同一符号を付す。図４において、互いに対向するローター２２及びステーター２４の対向面には、ローター２２側にエレクトレットで構成された電荷保持部１２が放射状に複数形成され、ステーター２４側に導体１４が放射状に複数形成されている。ローター２２は、回転軸２６を中心として回転する。また、複数の電荷保持部１２及び導体１４は、上記回転軸２６を中心として放射状に配置されている。この結果、ローター２２が回転することにより、電荷保持部１２と導体１４とが相対運動し、静電誘導により導体１４に誘導起電力が発生する。発生した電力は、図示しない負荷により外部に取り出される。

図５には、基板１０ａ、１０ｂ間に介在させる誘電体を変更した場合の、静電誘導型発電素子から外部に取り出せる電力の変化の測定結果が示される。図５において、横軸に負荷１８の抵抗値が示され、縦軸に負荷１８により取り出される出力電力値が示される。なお、図５の測定は、図２または図３に示された静電誘導型発電素子おいて、電源２０から電荷保持部１２に印加される電圧が−５００Ｖであり、基板１０ａ（電荷保持部１２）の振動の周波数が１０Ｈｚとして行ったものである。

また、板状に形成された電荷保持部１２及び導体１４ａ、１４ｂの互いに対向する面の大きさは２ｃｍ×２ｃｍ、図２または図３に示された矢印Ａ方向の電荷保持部１２及び導体１４ａ、１４ｂの幅は０．５ｍｍ、電荷保持部１２とＧＮＤ電極１３との間隔及び導体１４ａ、１４ｂの間隔は１ｍｍ、電荷保持部１２及び導体１４ａ、１４ｂの互いに対向する面の間隔（空隙の間隔）は０．１ｍｍ、基板１０ａの矢印Ａ方向における振幅は１ｍｍとした。

図５に示されるように、上記誘電体が空気の場合（図５にＡｉｒと表記）には、出力電力の最高値Ｐmaxが、負荷抵抗７０．５ＭΩのときに４．４μＷであった。また、上記誘電体が、比誘電率に異方性がない（等方性である）フッ素系不活性液体フロリナートＦＣ−３２８３（スリーエムジャパン株式会社製）の場合（図５にＦＣ−３２８３と表記）には、負荷抵抗５５．５ＭΩのときにＰmaxが１３．３μＷであり、空気の場合より向上したが、出力電力の増加量は大きくはなかった。

これらに対して、上記誘電体を、比誘電率に異方性がある異方誘電体１６としてのネマチック液晶５ＣＢとした場合（図５にＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌと表記）には、負荷抵抗１５．５ＭΩのときにＰmaxが４４３μＷまで増加した。従って、基板１０ａ、１０ｂ間に介在させる誘電体として異方誘電体１６を使用することにより、静電誘導型発電素子から外部に取り出せる電力を大幅に増加させることができることがわかる。

１０ａ、１０ｂ基板、１２電荷保持部、１３ＧＮＤ電極、１４、１４ａ、１４ｂ導体、１６異方誘電体、１８負荷、２０電源、２２ローター、２４ステーター、２６回転軸。

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であって、
互いに対向し、対向面に平行な方向に相対運動する基板と、
前記基板の各対向面に形成された電荷保持部及び導体と、
前記対向する基板間及び前記電荷保持部と導体との間に介在する、前記対向面に平行な方向の比誘電率より前記対向面に直交する方向の比誘電率が大きい異方性誘電率を有する物質と、
を備える静電誘導型発電素子。
前記異方性誘電率を有する物質が液晶である請求項１に記載の静電誘導型発電素子。
前記電荷保持部がエレクトレットである請求項１又は請求項２に記載の静電誘導型発電素子。
前記電荷保持部が、電源に接続された電極である請求項１又は請求項２に記載の静電誘導型変換素子。