KR20120082923A - 정전유도형 발전 장치 - Google Patents

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KR20120082923A
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켄지 사쿠라이
와타루 오카다
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오므론 가부시키가이샤
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Abstract

한 쌍의 기판의 대향면 사이의 거리의 정밀도를 용이하게 높일 수 있는 정전유도형 발전 장치를 제공한다. 제 1 기판(120)과 제 2 기판(130)의 대향면 사이의 거리를 일정하게 하기 위한 구형상 부재(151)를 구비함과 함께, 몸체(110)에는, 제 2 기판(130)에서의 제 1 기판(120)에 대한 대향면측이 고정되고, 또한 제 2 기판(130)에서의 상기 대향면에 대한 수직 방향의 위치 결정 기준이 되는 제 1 기준면(111)과, 구형상 부재(151)가 활주 가능한 상태로 접촉하고, 또한 구형상 부재(151)에서의 상기 대향면에 대한 수직 방향의 위치 결정 기준이 되는 제 2 기준면(112a)이 마련되어 있고, 구형상 부재(151)는, 제 1 기판(120)에서의 제 2 기판(130)에 대한 대향면측에 대해 활주 가능한 상태로 접촉하고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

정전유도형 발전 장치{ELECTROSTATIC INDUCTION POWER GENERATOR}
본 발명은, 환경 진동을 이용하여 발전시키는 진동 발전 장치 등으로서 이용할 수 있는 정전유도형 발전 장치에 관한 것이다.
종래, 서로 대향한 상태를 유지한 채로, 상대적으로 이동 가능하게 구성된 한 쌍의 기판을 구비하고, 한 쌍의 기판의 한쪽에 복수의 일렉트릿이 나열하여 배치되고, 다른쪽에 한 쌍의 전극을 1조(組)로 하는 복수조의 전극이 나열하여 배치된 정전유도형 발전 장치가 알려져 있다. 이러한 장치에 의하면, 한 쌍의 기판의 상대적인 이동에 의해, 한 쌍의 전극 중의 한쪽의 전극과 일렉트릿 사이의 정전 용량과, 다른쪽의 전극과 일렉트릿 사이의 정전 용량이 각각 변화하기 때문에, 그 변화분이 전력으로서 출력된다.
이러한 정전유도형 발전 장치에서는, 한 쌍의 기판의 대향하는 방향에서의 일렉트릿과 한 쌍의 전극 사이의 간격이, 발전 성능에 크게 영향을 준다. 그 때문에, 이 간격의 정밀도를 높이는 것이 발전 성능을 향상시키기 위해 중요해진다. 그래서, 종래, 한 쌍의 기판 중의 한쪽을 지지하는 지지 부재와, 다른쪽을 지지하는 지지 부재 사이의 간격을 조정하는 부재를 구비한 기술이 알려져 있다(특허 문헌 1 참조).
이러한 기술에 관해 도 12를 참조하여 설명한다. 도 12는 종래예에 관한 정전유도형 발전 장치의 모식적 단면도이다. 이 정전유도형 발전 장치(200)는, 한 쌍의 기판(각각, 제 1 기판(220), 제 2 기판(230)이라고 칭한다)을 구비하고 있다. 제 1 기판(220)에는 복수의 일렉트릿이 나열하여 배치되고, 제 2 기판(230)에는 한 쌍의 전극을 1조로 하는 복수조의 전극이 나열하여 배치되어 있다. 그리고, 제 1 기판(220)은 제 1 지지 부재(211)측에 지지되어 있고, 제 2 기판(230)은 제 2 지지 부재(212)에 지지되어 있다. 또한, 제 1 기판(220)은 기판 표면에 대해 평행한 방향으로 이동 가능하게 구성되어 있고, 제 1 기판(220)과 제 2 기판(230)이 서로 대향한 상태를 유지한 채로, 이러한 상대적인 이동을 가능하게 하고 있다.
그리고, 이 정전유도형 발전 장치(200)에서는, 제 1 지지 부재(211)와, 제 2 지지 부재(212)에 고정된 제 2 기판(230) 사이의 간격을 조정하기 위한 조정 부재(240)가 마련되어 있다. 이 기술에 의하면, 제 1 지지 부재(211)와, 제 2 지지 부재(212)에 고정된 제 2 기판(230)의 사이에 조정 부재(240)가 배치된 상태에서, 볼트(250)에 의해, 이들이 고정됨에 의해, 상기한 간격이 조정되도록 구성되어 있다.
그렇지만, 상기한 바와 같이, 발전 성능에 영향을 주는 것은, 한 쌍의 기판의 대향하는 방향에서의 일렉트릿과 한 쌍의 전극 사이의 간격이다. 일렉트릿의 두께의 편차와, 한 쌍의 전극의 두께의 편차를 무시할 수 있다고 하면, 한 쌍의 기판의 대향면 사이의 거리가 발전 성능에 영향을 주게 된다.
그 때문에, 상기한 종래예의 경우에는, 발전 성능에 영향을 주는 간격으로의 오차 전파가 크다는 문제가 있다. 즉, 상기한 종래예에서는, 제 1 지지 부재(211)와, 제 2 기판(230) 사이의 간격이 조정된다. 따라서, 제 1 기판(220)과 제 2 기판(230)과의 대향면 사이의 거리의 정밀도에 영향을 주는 치수 오차는, 조정 부재(240)의 치수 오차와, 제 1 지지 부재(211)의 치수 오차와, 제 1 기판(220)의 두께의 치수 오차이다.
여기서, 정전유도형 발전 장치에서는, 한 쌍의 기판의 대향하는 방향에서의 일렉트릿과 한 쌍의 전극 사이의 간격은, 예를 들면 70㎛ 정도이고, 한 쌍의 기판의 대향면 사이의 거리는 예를 들면 85㎛ 정도가 된다. 한편, 일렉트릿 등이 형성된 유리 기판의 두께에 관해서는, 일반적으로, 소망하는 두께에 대해 공차가 ±50㎛가 된다.
따라서 상기한 종래예의 경우에는, 제 1 기판(220)의 두께의 치수 오차가, 한 쌍의 기판의 대향면 사이의 거리의 정밀도에 영향을 주어 버리기 때문에, 당해 거리의 조정에 수고가 들게 된다. 즉, 예를 들면, 조정 부재(240)의 길이가 다른 것을 다수 종류 준비하여야 하든지, 제품마다, 조정 부재(240)의 길이를 조정하여야 하게 되어 버린다.
특허 문헌 1 : 일본 특개2009-148124호
비특허 문헌 1 : J. Boland, Y. H. Chao, Y. Su uki, Y. C. Tai, Proc. 16th IEEE Int. Conf. MEMS 2003, pp. 538-541
본 발명의 목적은, 한 쌍의 기판의 대향면 사이의 거리의 정밀도를 용이하게 높일 수 있는 정전유도형 발전 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이하의 수단을 채용하였다.
즉, 본 발명의 정전유도형 발전 장치는,
서로 대향한 상태를 유지한 채로, 상대적으로 이동 가능하게 구성된 제 1 기판 및 제 2 기판과,
제 1 기판에 마련되는 일렉트릿과,
제 2 기판에 있어서 상기 일렉트릿과 대향하는 면측에 마련되는 제 1 전극 및 제 2 전극과,
제 1 기판과 제 2 기판을 수납하는 몸체
를 구비하고,
제 1 기판과 제 2 기판의 상대적인 위치의 변화에 수반하여, 상기 일렉트릿과 제 1 전극의 위치 관계, 및 상기 일렉트릿과 제 2 전극의 위치 관계가 각각 변화함에 의해, 상기 일렉트릿과 제 1 전극 사이의 정전 용량, 및 상기 일렉트릿과 제 2 전극 사이의 정전 용량이 각각 변화함으로써 전력이 출력되는 정전유도형 발전 장치에 있어서,
제 1 기판과 제 2 기판의 대향면 사이의 거리를 일정하게 하기 위한 규정 부재를 구비함과 함께,
상기 몸체에는,
제 1 기판과 제 2 기판중의 한쪽의 기판에서의 다른쪽의 기판에 대한 대향면측이 고정되고, 또한 그 한쪽의 기판에서의 상기 대향면에 대한 수직 방향의 위치 결정 기준이 되는 제 1 기준면과,
상기 규정 부재가 활주 가능한 상태로 접촉하고, 또한 그 규정 부재에서의 상기 대향면에 대한 수직 방향의 위치 결정 기준이 되는 제 2 기준면이 마련되어 있고,
상기 규정 부재는, 상기 다른쪽의 기판에서의 상기 한쪽의 기판에 대한 대향면측에 대해 활주 가능한 상태로 접촉하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 제 1 기판과 제 2 기판과의 대향면 사이의 거리의 정밀도에 영향을 주는 치수 오차를, 규정 부재의 치수 오차와 몸체의 치수 오차만으로 할 수 있다. 이에 의해, 제 1 기판과 제 2 기판과의 대향면 사이의 거리에 대해, 기판의 두께의 치수 오차의 영향을 없앨 수 있다.
상기 규정 부재는, 상기 다른쪽의 기판의 이동에 연동하여 회전하는 회전 부재라면 좋다.
이에 의해, 제 1 기판과 제 2 기판의 대향면 사이의 거리를 일정하게 유지하면서, 이동하는 측의 기판(다른쪽의 기판)의 이동을 원활히 행하게 할 수 있다.
상기 회전 부재는, 구형상(球狀) 부재라도 좋고, 롤러라도 좋다.
상기 몸체에는, 상기 회전 부재가 전동(轉動) 가능해지도록 그 회전 부재를
안내하는 가이드 홈이 마련되어 있고, 그 가이드 홈의 저면(底面)이 상기 제 2 기준면이라고 좋다.
이에 의해, 규정 부재(회전 부재)의 활주 저항을 경감할 수 있다.
상기 한쪽의 기판은, 상기 대향면에 대한 수직 방향으로 보아 사각형이고, 상기 제 1 기준면은, 그 한쪽의 기판의 4구석(우(隅)에 각각 마련되어 있어도 좋다.
이에 의해, 한쪽의 기판은 안정적으로 지지된다.
또한, 상기 각 구성은, 가능한 한 조합시켜서 채용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 한 쌍의 기판의 대향면 사이의 거리의 정밀도를 용이하게 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 관한 정전유도형 발전 장치의 모식적 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 관한 정전유도형 발전 장치의 모식적 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 관한 정전유도형 발전 장치의 주요부의 모식적 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 관한 정전유도형 발전 장치의 모식적 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 관한 정전유도형 발전 장치의 발전 원리를 설명하는 도면.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 관한 정전유도형 발전 장치의 출력 전압을 도시하는 도면.
도 7은 전극 간격과 발전량의 비의 관계를 도시하는 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예 2에 관한 정전유도형 발전 장치의 모식적 단면도.
도 9는 본 발명의 실시예 2에 관한 정전유도형 발전 장치의 부분 확대 단면도.
도 10은 본 발명의 실시예 3에 관한 정전유도형 발전 장치의 모식적 단면도.
도 11은 본 발명의 실시예 3에 관한 정전유도형 발전 장치의 모식적 단면도.
도 12는 종래예에 관한 정전유도형 발전 장치의 모식적 단면도.
이하에 도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 형태를, 실시예에 의거하여 예시적으로 상세하게 설명한다. 단, 이 실시예에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대 배치 등은, 특히 특정적인 기재가 없는 한은, 본 발명의 범위를 그들만으로 한정하는 취지의 것은 아니다.
(실시예 1)
도 1 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 실시예 1에 관한 정전유도형 발전 장치에 관해 설명한다.
<정전유도형 발전 장치의 전체 구성>
특히, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예 1에 관한 정전유도형 발전 장치의 전체 구성을 설명한다. 도 1은 본 실시예에 관한 정전유도형 발전 장치에서의 모식적 단면도이고, 장치내부를 윗면측에서 본 도면이다. 도 2는 본 실시예에 관한 정전유도형 발전 장치에서의 모식적 단면도이고, 도 1에서의 AA 단면에 상당하는 도면이다. 도 3은 본 실시예에 관한 정전유도형 발전 장치의 주요부의 모식적 단면도이고, 도 1에서의 BB 단면(몸체 등을 제외하는)에 상당하는 도면이다. 도 4는 본 실시예에 관한 정전유도형 발전 장치에서의 모식적 단면도이고, 도 1에서의 CC 단면에 상당하는 도면이다.
본 실시예에 관한 정전유도형 발전 장치(100)는, 몸체(110)와, 몸체(110)의 내부에 수납되는 제 1 기판(120) 및 제 2 기판(130)을 구비하고 있다. 제 1 기판(120)과, 제 2 기판(130)은, 서로 대향한 상태를 유지한 채로, 상대적으로 이동 가능하게 구성되어 있다.
제 1 기판(120)은, 수지 재료 등에 의해 구성되는 베이스 기판(121)과, 베이스 기판(121)상에 마련되는 유리 기판(122)을 구비하고 있다. 제 2 기판(130)도 마찬가지로, 수지 재료 등에 의해 구성되는 베이스 기판(131)과, 베이스 기판(131)상에 마련되는 유리 기판(132)를 구비하고 있다.
그리고, 제 1 기판(120)에서의 제 2 기판(130)과의 대향면측, 즉, 유리 기판(122)의 표면에는, 각각 도전체상(上)에 형성된 복수의 일렉트릿(123)과, 모두 접지된 복수의 가드 전극(124)이, 교대로 나열하도록 배치되어 있다(도 3 참조). 그리고, 도 2 및 도 4에서는, 일렉트릿(123) 및 가드 전극(124)은 생략하고 있다. 본 실시 형태에서는, 일렉트릿(123)은 마이너스의 전하를 반영구적으로 유지하도록 구성되어 있다.
또한, 제 2 기판(130)에서의 제 1 기판(120)과의 대향면측, 즉, 유리 기판(132)의 표면에는, 한 쌍의 전극(제 1 전극(133)과 제 2 전극(134)이라고 칭한다)을 1조로 하는 복수조의 전극이 나열하여 배치되어 있다(도 3 참조). 그리고, 도 2에서는, 제 1 전극(133) 및 제 2 전극(134)은 생략하고 있다. 각 조에 구비된 복수의 제 1 전극(133)은 서로 전기적으로 접속되어 있고, 또한 복수의 제 2 전극(134)도 전기적으로 접속되어 있다.
그리고, 본 실시예에서는, 제 2 기판(130)은 몸체(110)에 고정되어 있다. 이에 대해, 제 1 기판(120)은, 그 양단이 각각 스프링(141, 142)에 의해 고정되어 있고, 몸체(110)에 대해, 이동(진동)하도록 구성되어 있다. 이에 의해, 제 1 기판(120)과, 제 2 기판(130)은, 서로 대향한 상태를 유지한 채로, 상대적으로 이동 가능하게 구성되어 있다. 그리고, 복수의 일렉트릿(123) 및 가드 전극(124)은, 제 1 기판(120)과 제 2 기판(130)의 상대적인 이동 방향에 대해 교대로 나열하도록 구성되어 있다. 또한, 제 1 전극(133)과 제 2 전극(134)은, 제 1 기판(120)과 제 2 기판(130)의 상대적인 이동 방향에 대해 교대로 나열하도록 구성되어 있다.
또한, 제 1 기판(120)과 제 2 기판(130)은, 서로 대향한 상태에서, 또한 서로 평행한 상태를 유지한 채로, 즉 대향하는 면의 간격이 일정한 상태를 유지한 채로, 상대적으로 이동 가능하게 구성되어 있다. 여기서, 배경 기술중에서도 설명한 바와 같이, 한 쌍의 기판의 대향하는 방향에서의 일렉트릿과 한 쌍의 전극 사이의 간격의 정밀도를 높이는 것이 발전 성능을 향상시키기 위해 중요해진다. 일반적으로, 일렉트릿(123)이나 각종 전극의 두께의 정밀도를 높게 하는 것은 용이하기 때문에, 한 쌍의 기판의 대향면 사이의 거리를 여하히 높이는지가 중요하다. 그래서, 본 실시예에 관한 정전유도형 발전 장치(100)에서는, 제 1 기판(120)과 제 2 기판(130)의 대향면 사이의 거리의 정밀도를 용이하게 높일 수 있도록 구성하고 있다. 이하, 제 1 기판(120)과 제 2 기판(130)의 위치 결정에 관해 상세히 설명한다.
<제 1 기판과 제 2 기판의 위치 결정>
이하의 설명에서, 제 1 기판(120)과 제 2 기판(130)의 대향면에 대한 수직 방향을, 설명의 편의상, 대향 방향이라고 칭한다. 또한, 당해 대향 방향은, 도 1에서는 지면(紙面)에 수직한 방향에 상당하고, 도 2 내지 도 4에서는 도면 중 상하 방향에 상당한다.
또한, 제 1 기판(120) 및 제 2 기판(130)은, 모두 대향 방향에 보아, 사각형의 기판이다.
본 실시예에 관한 정전유도형 발전 장치(100)는, 제 1 기판(120)과 제 2 기판(130)의 대향면 사이의 거리를 일정하게 하기 위해, 규정 부재로서의 회전 부재인 구형상 부재(151)가 마련되어 있다. 이 구형상 부재(151)의 구체적인 예로서는, 강구(鋼球)(금속제의 구슬(球))나 세라믹제의 구슬을 들 수 있다.
그리고, 본 실시예에 관한 몸체(110)에는, 제 2 기판(130)이 고정됨과 함께, 이 제 2 기판(130)의 위치 결정 기준이 되는 제 1 기준면(111)이 마련되어 있다. 이 제 1 기준면(111)은, 제 2 기판(130)의 4구석을 위치 결정한 상태로 지지하기 위해, 4개소에 마련되어 있다. 제 2 기판(130)을 몸체(110)에 고정하는 경우에는, 제 2 기판(130)에서의 제 1 기판(120)에 대한 대향면측(즉 유리 기판(132))의 4구석을, 4개소의 제 1 기준면(111)에 밀착시킨 상태에서 고정한다. 이에 의해, 제 2 기판(130)에서의 대향 방향의 위치 결정이 이루어진다. 그리고, 구체적인 고정 방법에 관해서는, 접착이나 나사 체결 등, 알맞은 공지 기술을 채용할 수 있다.
또한, 몸체(110)에는, 구형상 부재(151)가 활주 가능하면서 전동 가능한 상태로, 구형상 부재(151)를 안내하는 가이드 홈(112)이 마련되어 있다. 이 가이드 홈(112)은, 제 1 기판(120)의 이동 방향의 양측 및 전후의 4개소에 마련되어 있다. 또한, 이들 4개소의 가이드 홈(112)은, 모두 제 1 기판(120)의 이동 방향으로 늘어나도록 마련되어 있다. 그리고, 이들 4개소의 가이드 홈(112)에, 각각 1개씩 구형상 부재(151)가 배치된다. 각각의 구형상 부재(151)는, 가이드 홈(112)의 저면에 활주하면서 전동하도록 구성되어 있다. 이에 의해, 구형상 부재(151)의 대향 방향에서의 위치 결정이 이루어져 있다. 즉, 가이드 홈(112)의 저면이, 구형상 부재(151)의 대향 방향에서의 위치 결정 기준이 되는 제 2 기준면(112a)으로 되어 있다. 또한, 가이드 홈(112)의 홈 폭은, 구형상 부재(151)의 전동을 방해하지 않도록, 구형상 부재(151)의 지름에 대해, 소정의 클리어런스(clearance)만큼 넓어지도록 구성되어 있다.
이와 같이 4개소의 가이드 홈(112)에 각각 배치된 4개의 구형상 부재(151)에 접촉하도록, 제 1 기판(120)이 마련되어 있다. 제 1 기판(120)에서는, 제 2 기판(130)에 대한 대향면측(즉 유리 기판(122))이, 4개의 구형상 부재(151)에 대해 활주 가능한 상태로 접촉하고 있다. 이에 의해, 제 1 기판(120)의 이동에 연동하여, 4개의 구형상 부재(151)는, 각각이 배치되어 있는 가이드 홈(112) 내에서, 가이드 홈(112)에 따라 전동한다.
이상과 같은 구성에 의해, 제 1 기판(120)과 제 2 기판(130)의 대향면 사이의 거리의 정밀도가 높아져 있다. 또한, 제 1 기판(120)이 이동(진동)하는 경우에는, 제 1 기판(120)과 제 2 기판(130)은, 서로 대향한 상태에서, 또한 서로 평행한 상태를 유지한 채로, 즉 대향하는 면의 간격이 일정한 상태를 유지한 채로, 상대적으로 이동한다.
<발전 원리>
도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예에 관한 정전유도형 발전 장치의 발전 원리에 관해 설명한다. 또한, 도 5는 제 1 기판(120)과 제 2 기판(130)에 관해 간이하게 도시한 것으로, 설명의 편의상, 일렉트릿(123), 가드 전극(124), 제 1 전극(133) 및 제 2 전극(134)은, 1개씩만 나타내고 있다.
제 1 기판(120)이 이동함에 의해, 제 1 기판(120)과 제 2 기판(130)의 상대적인 위치 관계가 변화한다. 이에 수반하여, 일렉트릿(123)과 제 1 전극(133)의 위치 관계, 및 일렉트릿(123)과 제 2 전극(134)의 위치 관계도 각각 변화한다. 도 5의 (a)는 일렉트릿(123)의 전면(全面)과, 제 1 전극(133)의 전면이 대향한 상태이고, 일렉트릿(123)과 제 2 전극(134)은 전혀 대향하지 않은 상태를 나타내고 있다. 도 5의 (b)는 일렉트릿(123)과 제 1 전극(133)은 전혀 대향하지 않은 상태로서, 일렉트릿(123)의 일부와 제 2 전극(134)의 일부가 대향한 상태를 나타내고 있다. 도 5의 (c)는 일렉트릿(123)의 전면과, 제 2 전극(134)의 전면이 대향한 상태이고, 일렉트릿(123)과 제 1 전극(133)은 전혀 대향하지 않은 상태를 나타내고 있다.
도 5의 (a)에 도시하는 상태에서는, 일렉트릿(123)과 제 1 전극(133) 사이의 정전 용량이 최대가 된다. 이 때, 일렉트릿(123)과 제 2 전극(134) 사이의 정전 용량도 존재할 수 있다. 그리고, 도 5의 (c)에 도시하는 상태에서는, 일렉트릿(123)과 제 2 전극(134) 사이의 정전 용량이 최대가 된다. 이 때, 일렉트릿(123)과 제 1 전극(133)의 사이의 정전 용량도 존재할 수 있다. 이와 같이, 제 1 기판(120)의 이동에 의해, 일렉트릿(123)과 제 1 전극(133) 사이의 정전 용량, 및 일렉트릿(123)과 제 2 전극(134) 사이의 정전 용량이 각각 변화한다.
도 5의 (b)는, 도 5의 (a)에 도시하는 상태로부터 도 5의 (c)에 도시하는 상태로 이행하는 도중의 상태를 나타내고 있다. 이 이행의 과정에서는, 일렉트릿(123)과 제 1 전극(133) 사이의 정전 용량은 저하되고, 일렉트릿(123)과 제 2 전극(134) 사이의 정전 용량은 상승한다. 따라서 제 1 전극(133)과 제 2 전극(134)은, 부하(160)를 통하여 전기적으로 연결되어 있기 때문에, 제 1 전극(133)으로부터 제 2 전극(134)을 향하여, 플러스의 전하가 이동한다. 이와 같이 하여 전력이 발생한다.
도 5의 (a)에 도시하는 상태와 도 5의 (c)에 도시하는 상태가 교대로 일정한 주기로 변동하는(제 1 기판(120)이 일정한 주기로 진동하는(왕복 이동하는)) 경우에 있어서의 경과 시간(t)에 대한 출력 전압(V)의 변동을 나타낸던 그래프를 도 6에 도시한다. 도면 중, t1은 도 5의 (a)에 도시하는 상태일 때에 상당하고, t2는 도 5의 (c)에 도시하는 상태일 때에 상당한다.
여기서, 이 도 6에 도시하는 바와 같이, 안정된 출력 전압을 얻을 수 있도록, 출력 전압은 고전압과 저전압의 중심이 0(V)가 되는 커브를 그리는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는, 가드 전극(124)을 마련함에 의해, 출력 전압의 고전압과 저전압의 중심을 0(V)로 하는 것을 가능하게 하고 있다. 즉, 예를 들면, 도 5의 (a)에 도시하는 바와 같이, 일렉트릿(123)과 제 1 전극(133)이 대향하고, 또한 접지된 가드 전극(124)과 제 2 전극(134)이 대향한 상태에서는, 키르히호의 법칙에 의해, 제 2 전극(134)의 전위는 0(V)가 된다. 도 5의 (c)에 도시하는 상태에서는, 제 1 전극(133)과 가드 전극(124)(이 도면에서는 생략하고 있다)이 대향한 상태가 되고, 제 1 전극(133)의 전위는 0(V)가 된다. 따라서 도 6에 도시하는 바와 같은 출력 전압의 커브를 얻을 수 있고, 안정된 출력 전압을 얻을 수 있다. 그리고, 가드 전극에 관해서는, 접지시키지 않는 구성을 채용하는 것도 가능하다. 가드 전극을 접지시키지 않는 경우에도, 제 1 전극이나 제 2 전극의 사이에서 정전 용량을 형성하기 때문에, 가드 전극을 마련하지 않은 경우에 비하여, 전압(발전량)을 안정시킬 수 있다. 단, 가드 전극을 접지시킨 편이, 상기한 바와 같이, 고전압과 저전압의 중심을 0(V)로 할 수 있기 때문에, 보다 한층, 전압(발전량)을 안정시킬 수 있다.
<본 실시예의 우수한 점>
본 실시예에 관한 정전유도형 발전 장치(100)에 의하면, 제 1 기판(120)과 제 2 기판(130)과의 대향면 사이의 거리의 정밀도에 영향을 주는 치수 오차를, 규정 부재인 구형상 부재(151)의 치수 오차와 몸체(110)의 치수 오차만으로 할 수 있다. 이에 의해, 제 1 기판(120)과 제 2 기판(120)과의 대향면 사이의 거리에 대해, 기판의 두께의 치수 오차의 영향을 없앨 수 있다.
수지 성형 등에 의해 얻어지는 몸체(110)나, 강구 등에 의해 구성되는 구형상 부재(151)는 치수 정밀도를 높게할 수 있다. 예를 들면, 수지 성형에 의해 몸체(110)를 제작하는 경우, 제 1 기준면(111)과 제 2 기준면(112a) 사이의 대향 방향의 거리는, 소망하는 치수에 대해 공차를 ±8㎛로 할 수 있다. 또한, 구형상 부재(151)로서 강구를 채용한 경우에는, 그 공차를 ±1㎛ 이하로 할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 관한 정전유도형 발전 장치(100)에 의하면, 제 1 기판(120)과 제 2 기판(130)의 대향면 사이의 거리의 정밀도에 영향을 주는 치수 오차는, 좀많게 어림잡아도 ±10㎛ 이하로 할 수 있다.
이에 대해, 제 1 기판(120)에 구비되는 유리 기판(122)나 제 2 기판(130)에 구비되는 유리 기판(132)은, 소망하는 치수(두께)에 대해 공차가 ±50㎛이다. 정전유도형 발전 장치(100)에서는, 대향 방향에서의 일렉트릿(123)과 제 1 전극(133) 및 제 2 전극(134) 사이의 간격은, 예를 들면 70㎛ 정도이고, 제 1 기판(120)과 제 2 기판(130)의 대향면 사이의 거리는 예를 들면 85㎛ 정도가 된다. 따라서, 본 실시예에 의해, 제 1 기판(120)과 제 2 기판(120)의 대향면 사이의 거리에 대해, 기판의 두께의 치수 오차의 영향을 없앨 수 있음으로써, 당해 거리의 정밀도를 높이는 것이 가능해진다.
이 점에 관해, 도 7을 참조하여, 더욱 상세하게 설명한다. 도 7은 상하 기판의 전극 간격(본 실시예에서는, 일렉트릿(123)과 제 1 전극(133) 및 제 2 전극(134) 사이의 대향 방향의 거리에 상당)과, 발전량비와의 관계를 나타낸 것이다. 그리고, 발전량비는, 상하 기판의 전극 간격이 65㎛일 때의 발전량을 1로 한 비(比)이다.
예를 들면, 상하 기판의 전극 간격을 70㎛로 설정한 경우, 유리 기판의 치수 오차(±50㎛)가 영향을 주면, 그래프 중 Y로 나타내는 범위에서 몇가가 생기기 때문에, 발전량비는 안정되지 않는다. 따라서, 기판 간격의 조정이 대단한 것으로 된다. 이에 대해, 본 실시예와 같이, 제 1 기판(120)과 제 2 기판(130)의 대향면 사이의 거리의 정밀도에 영향을 주는 치수 오차는 ±10㎛ 이하로 할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 경우에는, 오차를, 그래프중 X로 나타내는 범위로 할 수 있고, 발전량비를 안정시킬 수 있다. 따라서, 종래예의 경우와 같이, 조정 부재(240)의 길이가 다른 것을 다수 종류 준비하여야 하든지, 제품마다, 조정 부재(240)의 길이를 조정하여야 하는 일은 없다.
또한, 한 쌍의 기판의 간격과, 발전량과의 관계에 관해 간단히 설명한다. 한 쌍의 전극이 모두 동일재료로 이루어지는 동일한 구성이고, 또한, 한 쌍의 기판이 일정한 진동 주파수(f)로 진동하도록 상대적인 이동(왕복 이동)을 한 경우, Boland 들에 의하면, 최대 출력 전력(Pmax)은,
Pmax=σ2nAf÷[2(εeε0/d)×((εeg/d)+1)]
이 된다. 그리고, σ는 일렉트릿의 표면 전하 밀도, n은 [한 쌍의 기판의 진폭÷일렉트릿의 피치], A는 일렉트릿과 전극이 겹치는 최대 면적, εe는 일렉트릿의 비유전율, d는 일렉트릿의 두께, ε0는 진공의 유전율, g는 일렉트릿 표면과 대향 전극 표면과의 간격이다(비특허 문헌 1 참조).
또한, 본 실시예에서는, 제 1 기판(120)의 이동에 연동하여, 구형상 부재(151)가 가이드 홈(112)의 저면인 제 2 기준면(112a)상을 구르도록 구성되어 있다. 따라서, 제 1 기판(120)과 구형상 부재(151)의 사이, 및 구형상 부재(151)와 제 2 기준면(112a)의 사이에서의 활주 저항을 가급적 작게 할 수 있고, 제 1 기판(120)을 원활히 이동시킬 수 있다. 이에 의해, 작은 진동으로도 제 1 기판(120)은 이동(진동)하기 때문에, 발전 효율을 높일 수 있다.
또한, 제 2 기판(130)을 4구석에서 고정한 구성을 채용하고 있기 때문에, 발전을 행하게 하기 위한 영역(제 1 전극(133) 및 제 2 전극(134)이 마련되어 있는 영역)에의 영향을 억제하면서, 제 2 기판(130)을 안정적으로 지지할 수 있다.
(실시예 2)
도 8 및 도 9에는, 본 발명의 실시예 2가 도시되여 있다. 상기 실시예 1에서는, 규정 부재로서의 회전 부재인 구형상 부재가 가이드 홈에 따라 전동하는 구성을 나타내었지만, 본 실시예에서는, 구형상 부재는 일정한 위치에서 회전하고, 전동하지 않은 경우의 구성을 나타낸다. 기타의 구성 및 작용에 관해서는 실시예 1과 동일하기 때문에, 동일한 구성 부분에 관해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다.
도 8은 본 실시예에 관한 정전유도형 발전 장치에서의 모식적 단면도이고, 장치 내부를 윗면측에서 본 도면이다. 도 9는 본 실시예에 관한 정전유도형 발전 장치에서의 구형상 부재의 부근의 확대 단면도이고, 제 1 기판(120)의 이동 방향에 평행한 단면을 나타내고 있다.
본 실시예에 관한 몸체(110)에는, 구형상 부재(151)가 활주 가능한 상태로, 구형상 부재(151)의 위치 결정을 행한 위치 결정 구멍(113)이 마련되어 있다. 이 위치 결정 구멍(113)은, 제 1 기판(120)의 이동 방향의 양측 및 전후의 4개소에 마련되어 있다. 그리고, 이들 4개소의 위치 결정 구멍(113)에, 각각 1개씩 구형상 부재(151)가 배치된다. 각각의 구형상 부재(151)는, 위치 결정 구멍(113)의 저면에 활주하도록 구성되어 있다. 이에 의해, 구형상 부재(151)의 대향 방향에서의 위치 결정이 이루어져 있다. 즉, 위치 결정 구멍(113)의 저면이, 구형상 부재(151)의 대향 방향에서의 위치 결정 기준이 되는 제 2 기준면(113a)으로 되어 있다. 또한, 위치 결정 구멍(113)의 전후 방향(제 1 기판(120)의 이동 방향)의 거리 및 폭은, 구형상 부재(151)의 회전을 방해하지 않도록, 구형상 부재(151)의 지름에 대해, 소정의 클리어런스분만큼 넓게 되도록 구성되어 있다.
이와 같이 4개소의 위치 결정 구멍(113)에 각각 배치된 4개의 구형상 부재(151)에 접촉하도록, 제 1 기판(120)이 마련되어 있다. 제 1 기판(120)에서는, 제 2 기판(130)에 대한 대향면측(즉 유리 기판(122))이, 4개의 구형상 부재(151)에 대해 활주 가능한 상태로 접촉하고 있다. 이에 의해, 제 1 기판(120)의 이동에 연동하여, 4개의 구형상 부재(151)는, 각각이 배치되어 있는 위치 결정 구멍(113) 내에 회전한다.
이상과 같이, 상기 실시예 1에서는 구형상 부재(151)가 전동하는데 대해 본 실시예에서는 구형상 부재가 회전할 뿐인 점을 제외하고, 본 실시예에 관한 정전유도형 발전 장치(100)의 경우에도, 상기 실시예 1의 경우와 같은 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 실시예 1의 경우에는, 4개의 구형상 부재(151)에 의한 제 1 기판(120)에 대한 지지하는 위치가 변화할 수 있음에 대해, 본 실시예의 경우에는 변화하지 않기 때문에, 보다 안정적인 지지가 가능하다는 이점이 있다. 또한, 위치 결정 기준이 되는 제 2 기준면에 관해서는, 치수 정밀도를 높일 필요가 있다. 그 때문에, 상기 실시예 1과 같이 홈의 저면을 제 2 기준면으로 하는 경우에 비하여, 구멍의 저면을 제 2 기준면으로 하는 편이, 제 2 기준면의 사이즈를 작게 할 수 있기 때문에, 치수 정밀도를 보다 높여진다는 이점이 있다. 특히, 몸체를 수지 성형에 의해 제작하는 경우에는, 휘어짐의 영향도 고려하여야 하기 때문에, 구멍의 저면을 제 2 기준면으로 하는 편이, 제작이 용이해진다. 또한, 패인 부분의 영역이, 홈보다도 구멍쪽이 좁기 때문에, 몸체의 강도도 구멍의 경우인 쪽이 강하다는 이점도 있다. 또한, 조립시에 있어서, 홈에 구형상 부재를 배치하였을 뿐의 상태에서는 구형상 부재가 홈 내를 굴러버리는 것에 대해, 구멍에 구형상 부재를 배치한 경우에는 구형상 부재는 구르지 않기 때문에, 본 실시예의 경우의 쪽이, 조립 작업이 용이해지는 이점도 있다.
(실시예 3)
도 10 및 도 11에는, 본 발명의 실시예 3이 도시되여 있다. 상기 실시예 1에서는, 규정 부재로서의 회전 부재가 구형상 부재인 경우를 나타내였지만, 본 실시예에서는, 회전 부재가 롤러인 경우를 나타낸다. 기타의 구성 및 작용에 관해서는 실시예 1과 동일하기 때문에, 동일한 구성 부분에 관해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다.
도 10은 본 실시예에 관한 정전유도형 발전 장치에서의 모식적 단면도이고, 장치 내부를 윗면측에서 본 도면이다. 도 11은 본 실시예에 관한 정전유도형 발전 장치에서의 모식적 단면도이고, 도 10에서의 AA 단면에 상당하는 도면이다.
본 실시예에서는, 가이드 홈(112)에 배치된 규정 부재로서의 회전 부재가 롤러(152)이다. 이와 같이, 회전 부재가 구형상 부재 롤러인 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에 도시하는 구성과 동일하다.
또한, 롤러(152)의 소재로서는, 금속이나 세라믹을 알맞게 채용할 수 있다. 또한, 가이드 홈(112)의 홈 폭은, 롤러(152)의 전동을 방해하지 않고, 또한 롤러(152)의 스큐를 억제할 수 있는 정도에, 구형상 부재(151)의 지름에 대해, 소정의 클리어런스만큼 넓게 되도록 구성되어 있다.
이상과 같이 구성된 본 실시예에 관한 정전유도형 발전 장치(100)의 경우에도, 상기 실시예 1의 경우와 같은 효과를 얻을 수 있음은 말할 필요도 없다. 또한, 회전 부재로서 롤러를 이용하는 경우에서도, 상기 실시예 2의 경우와 마찬가지로, 위치 결정 구멍 내에 위치 결정시키는 구성을 채용하여도 좋다.
(기타)
상기 실시예에서는, 제 1 기판(120)을 몸체(110)에 대해 가동(可動)하게 구성하고, 제 2 기판(130)을 몸체(110)에 대해 고정시키는 구성을 채용함으로써, 제 1 기판과 제 2 기판이 상대적으로 왕복 이동하는 경우를 나타내였다. 이것은, 제 2 기판에는 전력을 취출하기 위한 배선이 전기적으로 접속되기 때문에, 제 2 기판은 고정되는 편이 바람직하다는 관점에 의한 것이다. 단, 반드시, 제 2 기판을 고정시킬 필요는 없다. 따라서, 제 1 기판을 몸체(110)에 고정하고, 제 2 기판이 몸체(110)에 대해 이동함으로써, 제 1 기판과 제 2 기판이 상대적으로 왕복 이동하도록 하여도 좋다. 또한, 제 1 기판과 제 2 기판의 모두가, 몸체(110)에 대해 이동 가능하게 구성함으로써, 제 1 기판과 제 2 기판이 상대적으로 왕복 이동하도록 하여도 좋다.
100 : 정전유도형 발전 장치 110 : 몸체
111 : 제 1 기준면 112 : 가이드 홈
112a : 제 2 기준면 113 : 위치 결정 구멍
113a : 제 2 기준면 120 : 제 1 기판
121 : 베이스 기판 122 : 유리 기판
123 : 일렉트릿 124 : 가드 전극
130 : 제 2 기판 131 : 베이스 기판
132 : 유리 기판 133 : 제 1 전극
134 : 제 2 전극 141, 142 : 스프링
151 : 구형상 부재 152 : 롤러
160 : 부하

Claims (6)

  1. 서로 대향한 상태를 유지한 채로, 상대적으로 이동 가능하게 구성된 제 1 기판 및 제 2 기판과,
    제 1 기판에 마련되는 일렉트릿과,
    제 2 기판에서의 상기 일렉트릿과 대향하는 면측에 마련되는 제 1 전극 및 제 2 전극과,
    제 1 기판과 제 2 기판을 수납하는 몸체
    를 구비하고,
    제 1 기판과 제 2 기판의 상대적인 위치의 변화에 수반하여, 상기 일렉트릿과 제 1 전극의 위치 관계, 및 상기 일렉트릿과 제 2 전극의 위치 관계가 각각 변화함에 의해, 상기 일렉트릿과 제 1 전극 사이의 정전 용량, 및 상기 일렉트릿과 제 2 전극 사이의 정전 용량이 각각 변화함으로써 전력이 출력되는 정전유도형 발전 장치에 있어서,
    제 1 기판과 제 2 기판의 대향면 사이의 거리를 일정하게 하기 위한 규정 부재를 구비함과 함께,
    상기 몸체에는,
    제 1 기판과 제 2 기판중의 한쪽의 기판에서의 다른쪽의 기판에 대한 대향면측이 고정되고, 또한 그 한쪽의 기판에서의 상기 대향면에 대한 수직 방향의 위치 결정 기준이 되는 제 1 기준면과,
    상기 규정 부재가 활주 가능한 상태로 접촉하고, 또한 그 규정 부재에서의 상기 대향면에 대한 수직 방향의 위치 결정 기준이 되는 제 2 기준면이 마련되어 있고,
    상기 규정 부재는, 상기 다른쪽의 기판에서의 상기 한쪽의 기판에 대한 대향면측에 대해 활주 가능한 상태로 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 정전유도형 발전 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 규정 부재는, 상기 다른쪽의 기판의 이동에 연동하여 회전하는 회전 부재인 것을 특징으로 하는 정전유도형 발전 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 회전 부재는 구형상 부재인 것을 특징으로 하는 정전유도형 발전 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 회전 부재는 롤러인 것을 특징으로 하는 정전유도형 발전 장치.
  5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몸체에는, 상기 회전 부재가 전동 가능하게 되도록 그 회전 부재를 안내하는 가이드 홈이 마련되어 있고, 그 가이드 홈의 저면이 상기 제 2 기준면인 것을 특징으로 하는 정전유도형 발전 장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 한쪽의 기판은, 상기 대향면에 대한 수직 방향으로 보아 사각형이고, 상기 제 1 기준면은, 그 한쪽의 기판의 4구석에 각각 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 정전유도형 발전 장치.
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