JP2011078199A - 静電誘導型発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率の高い静電誘導型発電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の静電誘導型発電装置は、絶縁体からなる筒状の管状部材を備え、前記管状部材の内面または外面に形成されている第１の電極と、前記管状部材の内面または外面の、前記第１の電極と対向した位置に形成されている第２の電極と、前記管状部材の内部に移動可能に設けられている、少なくとも一部が固形状金属からなる可動部材とを備え、前記第２の電極には、エレクトレット部が前記第１の電極と対向する面の一部に設けられ、前記可動部材には、移動する方向と同一方向に延びる貫通孔が設けられており、前記可動部材の移動によって前記エレクトレット部と面している前記可動部材の表面積が変化することが可能な長さを、前記管状部材が有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エレクトレットを利用した静電誘導型発電装置に関する。

従来、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置として、構造が比較的簡単でありながらエネルギー変換効率が高い、エレクトレットを用いた静電誘導型の発電装置が提案されている。

特許文献１で示されているエレクトレット膜を備えた静電誘導型変換素子は、可動電極と、固定電極と、固定電極に形成されたフッ素系樹脂材料等からなる電荷保持材料であるエレクトレット膜とによって構成されている。この静電誘導型変換素子は、可動電極を振動させることで、エレクトレット膜に帯電された電荷により可動電極に誘導される電荷量を変化させて、可動電極の運動エネルギーを電圧変化として得ることができる。つまり運動エネルギーを電気エネルギーに変換することで発電するように構成されている。しかしながら、この静電誘導型変換素子は可動電極部を振動させるため、可動電極部に接続されている電気配線の信頼性が低くなってしまうことが問題であった。

そこで、特許文献２及び特許文献３では、エレクトレットを設けた電極と、対向する電極との間に設けた固体誘電体や流体を可動物として、電極間領域と電極間外領域との間を行き来させることで、電極間の電気容量を変化させ、その電気容量変化分を出力するように構成している。特許文献３で提案されている流体とは、液体、液体金属、蒸気、誘電体ビード、金属ビード、もしくはそれらの混合物である。

特開２００６−１８０４５０号公報 特表２００５−５２９５７４号公報 特表２００８−５０７２５０号公報

しかしながら、特許文献２及び特許文献３で示される固体誘電体や流体の移動に起因する容量変化による発電装置では、以下のような問題があり、信頼性が低く、また得られる可動物の運動エネルギーが低いため、電極間の電気容量の変化が生じにくく、電気エネルギーの発電の効率がよくなかった。
１．液体（金属）、蒸気からなる流体では、液体あるいは蒸気であるが故に封止技術が重要となり、振動発電する時の動作信頼性が低い。また、外部振動からの力の伝達効率が低く得られる移動速度が低いため、得られる運動エネルギーも低い。また、特許文献３では、液体金属を用いる場合に水銀が好適とされているが、水銀は人体への悪影響が懸念されるため、実際に使用することは困難である。
２．誘電体ビード、もしくは金属ビードからなる流体では、ビード群の移動の際に、互いの接触によって破損が生じるために形状が変化してしまい、長期使用において一定した出力が得られない。また、ビード群流体は移動の際に地球重力の影響を強く受けるため、例えば、移動方向を重力に対して垂直とした場合、エレクトレットと電極との間にビード群が高密度に満たされる状態と満たされていない状態とを繰り返し生じさせることは困難であり、その結果、電気容量の大きな変化は得られない。
３．固体誘電体では、振動による衝撃により割れ、欠け等が起こりやすく、長期使用では安定した出力が得られない。また、一般的に質量が小さいため、得られる運動エネルギーは低い。

本発明は、上述した課題を解決した、信頼性が高く、発電の効率が良い静電誘導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に、本発明の請求項１に係る発明の静電誘導型発電装置は、絶縁体からなる筒状の管状部材を備え、前記管状部材の内部に移動可能に設けられている、少なくとも一部が固形状金属からなる可動部材と、前記管状部材に形成されている第１の電極と、前記可動部材が移動する前記管状部材内の空間を挟んで、前記第１の電極と対向した位置の前記管状部材に形成されている第２の電極とを備え、エレクトレット部が、前記第２の電極における前記第１の電極と対向する面の一部に設けられ、前記可動部材には、移動する方向と同一方向に延びる貫通孔が設けられており、前記可動部材の移動によって前記エレクトレット部と面している前記可動部材の表面積が変化することが可能な前記移動方向の長さを、前記管状部材が有することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る発明の静電誘導型発電装置は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記管状部材の前記移動方向の両端には、移動規制部が設けられており、前記可動部材は、前記管状部材の内部に往復移動可能に設けられていることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る発明の静電誘導型発電装置は、請求項２に記載の発明の構成に加え、前記移動規制部の内面側には、弾力性のある緩衝体が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係る発明の静電誘導型発電装置は、請求項１乃至３に記載の発明の構成に加え、前記管状部材と前記可動部材とは、同じ断面形状であることを特徴とする。

また、本発明の請求項５に係る発明の静電誘導型発電装置は、請求項１乃至４の記載の発明の構成に加え、前記可動部材は、固形状金属と絶縁体とが移動方向に交互に積層されることによって構成され、そのうち少なくとも２層が前記固形状金属であり、前記エレクトレット部は、エレクトレットが形成されている箇所と形成されていない箇所とが前記可動部材の移動方向に交互に形成され、そのうち少なくとも２箇所はエレクトレットが形成されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明の静電誘導型発電装置は、絶縁体からなる筒状の管状部材を備え、前記管状部材の内部に移動可能に設けられている、少なくとも一部が固形状金属からなる可動部材と、前記管状部材に形成されている第１の電極と、前記可動部材が移動する前記管状部材内の空間を挟んで、前記第１の電極と対向した位置の前記管状部材に形成されている第２の電極とを備え、エレクトレット部が、前記第２の電極における前記第１の電極と対向する面の一部に設けられ、前記可動部材には、移動する方向と同一方向に延びる貫通孔が設けられており、前記可動部材の移動によって前記エレクトレット部と面している前記可動部材の表面積が変化することが可能な前記移動方向の長さを、前記管状部材が有している。本発明は可動部材が固形状金属であり、前記可動部材に前記貫通孔が設けられているため、高い運動エネルギーが得られ、耐久性に富んだ静電誘導型発電装置を安価に得ることができる。

請求項２に係る発明の静電誘導型発電装置は、請求項１に記載の発明の効果に加え、前記管状部材の前記移動方向の両端には、移動規制部が設けられており、前記可動部材は、前記管状部材の内部に往復移動可能に設けられている。前記可動部材が前記管状部材の内部を往復運動することにより、より効率的に運動エネルギーを得ることができ、ひいては電気エネルギーをより効率的に得ることができる。

請求項３に係る発明の静電誘導型発電装置は、請求項２に記載の発明の効果に加え、前記移動規制部の内面側に、弾力性のある緩衝体が設けられていることにより、可動部材である固形状金属の破損を防止することができる。

請求項４に係る発明の静電誘導型発電装置は、請求項１乃至３に記載の発明の効果に加え、前記管状部材と前記可動部材とが、同じ断面形状であることにより、可動部材と前記第１の電極及び前記第２の電極との間の距離をより短くすることが可能となり、より発電効率を上げることができる。

請求項５に係る発明の静電誘導型発電装置は、請求項１乃至４に記載の発明の効果に加え、前記可動部材は、固形状金属と絶縁体とが移動方向に交互に積層されることによって構成され、そのうち少なくとも２層が前記固形状金属であり、前記エレクトレット部は、エレクトレットが形成されている箇所と形成されていない箇所が交互に形成され、そのうち少なくとも２箇所はエレクトレットが形成されていることにより、可動部材の小さな動きで複数箇所にて同時に電気容量変化が発生するため、発電効率を向上させることができる。

第１実施形態の静電誘導型発電装置の縦断正面図である。 図１に示す第１実施形態の静電誘導型発電装置のＡ−Ａ’線における矢視方向断面図である。 第２実施形態の静電誘導型発電装置の縦断正面図である。 図３に示す第２実施形態の静電誘導型発電装置のＢ−Ｂ’線における矢視方向断面図である。 図３に示す第２実施形態の静電誘導型発電装置のＣ−Ｃ’線における矢視方向断面図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の静電誘導型発電装置について、図面を参照して説明する。図１は、第１実施形態の静電誘導型発電装置１の縦断正面図である。図２は、図１に示す第１実施形態の静電誘導型発電装置のＡ−Ａ’線における矢視方向断面図である。なお、以降の説明では、図面上側を上方、その反対方向を下方と定義して説明する。

静電誘導型発電装置１は、図１乃至図２に示す通り、管状部材２と、管状部材２の内面の一部に設けられている第１の電極３と、第１の電極３と対向して管状部材２の外面に設けられている、一部にエレクトレット部７が形成されている第２の電極５と、管状部材２内を長手方向に自在に移動することのできる可動部材９とから構成されている。

管状部材２は、アクリル樹脂からなる四角筒形状であり、その内部には空間２ａが、管状部材２の長手方向端部が開放されて設けられている。管状部材２の長さは、その内部の空間２ａにおいて可動部材９が移動した際に、エレクトレット部７と面している可動部材９の表面積が変化することが可能な長さである。管状部材２の長手方向の開放端部２ｂ、２ｃには、移動規制部１２ｂ、１２ｃが管状部材２に接着されて設けられている。移動規制部１２ｂ、１２ｃは、空間２ａから可動部材９が出ないように、開放端部２ｂ、２ｃを塞ぐように設けられている。図１、図２の例では、移動規制部１２ｂ、１２ｃとして平板状の部材が設けられており、空間２ａは完全に密閉されている。移動規制部１２ｂ、１２ｃはアクリル樹脂にて構成されている。

なお、本実施形態では、管状部材２は四角筒形状にて例示したが、この形状には限定されず、例えば、円筒形状、楕円筒形状、その他の多角筒形状であってもよい。また、開放端部２ｂ、２ｃは移動規制部１２ｂ、１２ｃにて完全密閉するとしたが、可動部材９が空間２ａから出ないように移動を規制できれば必ずしも完全に密閉する必要はなく、例えば格子状のものであってもよい。

移動規制部１２ｂ、１２ｃの内面には略直方体形状を有する緩衝体１７ｂ、１７ｃが管状部材２、移動規制部１２ｂ、１２ｃに接着されて設けられている。緩衝体１７ｂ、１７ｃは、弾力性のある物質により形成されており、その材質の例としては、イソプレンゴム、ニトリルゴム、ブタジエンゴム等が挙げられる。

第１の電極３は、管状部材２の下側面の内面に接着、固定されて設けられている。本実施例では、第１の電極３は、低抵抗ステンレス板にて形成されている。第１の電極３は、管状部材２に形成されている図示しない孔を通して管状部材２の外部に延出している配線２０と接続されている。第１の電極３の材質は、低抵抗ステンレス板以外では、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ等の金属でも、樹脂等の絶縁性基材に上述した金属の薄膜を形成したものでもよい。

第２の電極５は、管状部材２の、第１の電極３が形成されている面と対向している面の外面の、長手方向の中央に位置して形成されている。本実施例では、第２の電極５は、Ａｌフィルムにて形成されている。第２の電極５は、Ａｌフィルム以外では、Ｔｉ、Ｃｒ等の金属やステンレスの一体物でもよく、また樹脂等の絶縁性基材に上述した金属の薄膜を形成したものでもよい。

エレクトレット部７は、第２の電極５の、管状部材２に面した側に形成されている。本実施例では、エレクトレット部７はフッ素系樹脂の膜として形成されている。このエレクトレット部７は、第２の電極５を形成しているＡｌフィルムに対し、ディップ法にてフッ素系樹脂膜を塗布した後、熱処理して膜形成し、この膜に対しコロナ放電により電子が注入されている。エレクトレット部７は、約−１００〜−２０００Ｖの電位に調整されている。

なお、第２の電極５及びエレクトレット部７は、管状部材２の外面に、絶縁性テープ１３にて固定されている。この絶縁性テープ１３には図示しない孔が設けられており、その孔を通して、第２の電極５に配線２０が接続されている。

可動部材９は、低抵抗ステンレスからなる固形状金属によって形成された四角柱である。可動部材は、管状部材２内の空間２ａに対して、断面方向の大きさをほぼ同じに形成されており、空間２ａの長手方向にのみ自在に移動する。

なお、可動部材９の形状は四角柱にて例示したが、この形状には限定されない。ただし、管状部材２内部の空間２ａと同じ断面形状を有することが望ましい。

また、可動部材９には、移動方向に延びる貫通孔１５が設けられている。貫通孔１５は四角形の断面形状をなす。なお、貫通孔の断面形状は四角形には限定されず、任意の形状をとることができる。

次に、本実施形態の静電誘導型発電装置１の動作を説明する。まず、本実施形態の静電誘導型発電装置１を管状部材２の長手方向に振動させる。振動させたことにより静電誘導型発電装置１に加えられた力は、可動部材９の運動エネルギーとして伝達される。可動部材９は、加えられた力と管状部材２との摩擦力、気体からの抵抗力などから得られる総合的な力によって与えられる速度で、空間２ａ内を長手方向に往復移動し、第１の電極３と第２の電極５の間の空間に出入りする。第１の電極３と第２の電極５との間の空間には、エレクトレット部７の帯電による電場が形成されている。可動部材９がこの電場に進入し、エレクトレット部７に面する可動部材９の面積が増大した際には、電極間の電気容量が増加する。更に可動部材９が移動して、上述した電場から抜出し、エレクトレット部７に面する可動部材９の面積が減少すると、電極間の電気容量が減少する。静電誘導型発電装置１を振動させることにより、可動部材９が第１の電極３と第２の電極５との間の空間への出入りを繰り返し、そのことで、第１の電極３と第２の電極５の間に形成されている電場の電気容量は上昇と降下を繰り返し、交番電流を得ることができる。第１の電極３及び第２の電極５を外部負荷（配線２０）に結線することで、電気エネルギーを取り出すことができる。

本実施例の静電誘導型発電装置１は、上述した通り、第１の電極３と第２の電極５に設けられたエレクトレット部７との間の空間に可動部材９を移動させることによる電場の容量変化を発電の出力に利用しているため、可動部材９に配線を結線する必要がないので、配線部が移動することがなく、よって高い信頼性が得られる。

また、本実施例の静電誘導型発電装置１は、可動部材９が固形状金属で形成されている。流体と比較して外部の力の伝達効率が良いため、移動速度が高くなり、得られる電気エネルギーの変換元になる運動エネルギーが高い。さらに発電のための容量変化に固形状金属からなる可動部材の移動を利用するため、流体や固形状誘電体可動部材と比較して、大きな電気容量の変化が得られる。また、固形状の金属は一般に良好な延性・展性を示すため、固形状の誘電体と比較して、振動衝撃による割れ・欠けに対する耐性が高く、耐久性に優れている。さらに、液体、液体金属、蒸気を可動部材に使用する場合と比べ、高度な封止技術を必要としないため、安価に発電装置を得ることができる。

さらに可動部材９が貫通孔１５を備えることから、貫通孔１５が通気口になり、移動による空気の抵抗を減少することができるため、高い速度が得られ、得られる電気エネルギーの変換元になる運動エネルギーが高くなる。これは本実施例のように可動部材９が管状部材２のような閉じた空間にある場合には特に有効である。

また、本実施例の静電誘導型発電装置１は、可動部材９の断面形状が管状部材２と同じであることから、可動部材９を、第１の電極３や第２の電極５に一層近付けることが可能となる。エレクトレット部７と可動部材９との間の距離が近ければ近い程、電極間の電気容量が増大する。そのため、可動部材９が電極間の電場に進入した際の電極間の電気容量の変化量をより大きくすることが可能となり、より発電効率を高めることができる。

また、本実施例の静電誘導型発電装置１は、管状部材２の両端部に弾力性のある緩衝体１７ｂ、１７ｃが設けられていることにより、可動部材９と移動規制部１２ｂ、１２ｃの接触による破損を防止することができる。

なお、管状部材２内の空間２ａの長手方向の長さ、特に緩衝体１７ｂ、１７ｃの端面から第二の電極５の端部までの長さは、可動部材９と同じ、もしくはやや大きく設定することが好ましい。この場合、第１の電極３と第２の電極５との間の空間の電気容量の変化量が最大となり、最も効率よく発電を行うことが可能となる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態の静電誘導型発電装置について、図面を参照して説明する。図３は第２実施形態の静電誘導型発電装置の縦断面図である。図４は図３に示す第２実施形態の静電誘導型発電装置のＢ−Ｂ’線における矢視方向断面図である。また、図５は図３に示す第２実施形態の静電誘導型発電装置のＣ−Ｃ’線における矢視方向断面図である。

第２の実施形態の静電誘導型発電装置１００は図３乃至図５に示す通り、管状部材２と、管状部材２の内面の一部に設けられている第１の電極３と、第１の電極３と対向して管状部材２の外面に設けられている、一部にエレクトレット部１０７が形成されている第２の電極１０５と、管状部材２内を自在に移動することのできる可動部材１０９とから構成されている。第１実施形態の静電誘導型発電装置１と比べ、エレクトレット部１０７及び可動部材１０９の構成が異なっている。以降の説明は、第１実施形態と異なる点についてのみ行い、第１実施形態と同様の点については、同様の符号を付し、説明を省略する。

エレクトレット部１０７は、第２の電極１０５の、管状部材２に面した側に設けられている。エレクトレット部１０７は、エレクトレット１１７を、長手方向に間隔をおいて３箇所設けて形成される。エレクトレット１１７の材質、形成方法は第１実施形態のエレクトレット部７と同一であるため、記載を省略する。

可動部材１０９は、第１実施形態の可動部材９を移動方向に分断した形状である固形状金属部１１９と、同様の形状かつ同様の大きさの絶縁体からなる絶縁部１２９とを移動方向に交互に積層させることで形成される。また、可動部材１０９には移動方向に延びる貫通孔１１５が設けられている。本実施例では、積層数は固形状金属部１１９が３層、絶縁部１２９が２層であり、可動部材１０９の移動方向（長手方向）の全長は第１実施形態の可動部材９と同様である。絶縁体１２９にはアクリル樹脂を用いた。

本実施例の静電誘導型発電装置１００の動作は、第１実施形態と同様である。ただし、可動部材１０９の移動方向に固形状金属部１１９と絶縁部１２９とが交互に積層され、かつエレクトレット部１０７が少なくとも２つのエレクトレット１１７が、管状部材２の長手方向に間隔をおいて設けられていることにより、第１の電極３と第２の電極１０５との間に複数の電場が形成され、そこに複数の固形状金属が出入りすることが可能になる。そのことにより、可動部材の小さな動きで複数箇所にて同時に電気容量変化が発生するため、発電効率を向上させることができる。よって、第一の実施形態と異なり、管状部材２内の空間２ａの長手方向の長さの中で緩衝体１７ｂ、１７ｃの端面から第二の電極１０５の端部までの長さを、可動部材１０９よりも小さく設定することも可能である。また、可動物が金属と樹脂の積層なので振動による衝撃耐性も高く、信頼性の高い発電装置となる。

なお、エレクトレット部１０７を形成する３箇所のエレクトレット１１７の幅及び間隔と、可動部材１０９を形成する３つの固形状金属１１９の幅（厚さ）及び間隔とが同じであると、複数箇所での電気容量変化が同期して発生し、より効率のよい発電ができるため、より望ましい。

なお、本発明は、詳述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えてもよい。例えば、第１の電極３は管状部材２の内面ではなく、管状部材２の外面や内部に形成されていてもよい。また、第２の電極５、１０５は管状部材２の外面ではなく、内面にあってもよい。これらの電極の位置の組合せがいずれの組み合わせてあっても、可動部材９、１０９が移動することにより、電極間の電気容量は変化し、電気エネルギーを取り出すことが可能である。

１ 静電誘導型発電装置
２ 管状部材
３ 第１の電極
５ 第２の電極
７ エレクトレット部
９ 可動部材
１２ｂ、１２ｃ 移動規制部
１５ 貫通孔
１００ 第２実施形態の静電誘導型発電装置
１０５ 第２の電極
１０７ エレクトレット部
１０９ 可動部材
１１７ エレクトレット
１１９ 固形状金属部
１２９ 絶縁部

Claims (5)

1. 絶縁体からなる筒状の管状部材を備え、
   前記管状部材の内部に移動可能に設けられている、少なくとも一部が固形状金属からなる可動部材と、
   前記管状部材に形成されている第１の電極と、
   前記可動部材が移動する前記管状部材内の空間を挟んで、前記第１の電極と対向した位置の前記管状部材に形成されている第２の電極と、
   を備え、
   エレクトレット部が、前記第２の電極における前記第１の電極と対向する面の一部に設けられ、
   前記可動部材には、移動する方向と同一方向に延びる貫通孔が設けられており、
   前記可動部材の移動によって前記エレクトレット部と面している前記可動部材の表面積が変化することが可能な前記移動方向の長さを、前記管状部材が有することを特徴とする静電誘導型発電装置。
2. 前記管状部材の前記移動方向の両端には、移動規制部が設けられており、前記可動部材は、前記管状部材の内部に往復移動可能に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の静電誘導型発電装置。
3. 前記移動規制部の内面側には、弾力性のある緩衝体が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の静電誘導型発電装置。
4. 前記管状部材と前記可動部材とは、同じ断面形状であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の静電誘導型発電装置。
5. 前記可動部材は、固形状金属と絶縁体とが移動方向に交互に積層されることによって構成され、そのうち少なくとも２層が前記固形状金属であり、
   前記エレクトレット部は、エレクトレットが形成されている箇所と形成されていない箇所とが前記可動部材の移動方向に交互に形成され、そのうち少なくとも２箇所はエレクトレットが形成されていることを特徴とする請求項１乃至４に記載の静電誘導型発電装置。