JP4338751B2

JP4338751B2 - 静電動作装置

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Publication number: JP4338751B2
Application number: JP2007294782A
Authority: JP
Inventors: 誠泉; 勝司馬渕
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2009-10-07
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Description

本発明は、静電動作装置に関し、特に、エレクトレット部材を備える静電動作装置に関する。

従来、エレクトレット部材を備える静電誘導型発電装置などの静電動作装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、電極が所定の間隔を隔てて複数形成された第１基板と、電荷保持材料であるエレクトレット膜が所定の間隔を隔てて複数形成された第２基板とを備える発電機（静電誘導型発電装置）が開示されている。この第１および第２基板は、互いに所定の距離を隔てて対向するように設けられているとともに、負荷を介して互いに電気的に接続されている。また、上記特許文献１に開示された静電誘導型発電装置では、第１および第２基板を互いに相対的に振動させることにより、電極と対向する領域に位置するエレクトレット膜の面積を増減させることによって、エレクトレット膜に蓄積された電荷により電極に誘導される電荷量を変化させて、その変化分を電流として負荷に対して出力（発電）するように構成されている。

特開２００６−１８０４５０号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された従来の発電機では、第１基板および第２基板を振動させる場合、第１基板と第２基板とが負荷を介して互いに電気的に接続されている分、互いの基板に対する相対的な移動量が制限される。このため、電極に対して移動するエレクトレット膜の面積の増減が制限されるので、発電機の発電効率を向上させるのが困難であるという問題点がある。つまり、従来では、発電機などの静電動作装置において、運動エネルギと電気エネルギとの変換効率を向上させることが困難であるという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、運動エネルギと電気エネルギとの変換効率を向上させることが可能な静電動作装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面における静電動作装置は、第１電極および第２電極を含み、第１電極および第２電極が少なくとも基板上で互いに電気的に分離された状態で設置される第１基板と、エレクトレット部材を含む第２基板とを備え、第１基板および第２基板は、間隔を隔てて対向するように設けられるとともに、互いに相対的に移動可能なように構成され、第１電極および第２電極の少なくとも一方は、エレクトレット部材と容量結合するように構成されている。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明では、本発明による静電動作装置の一例として、エレクトレット部材を備える静電誘導型発電装置について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による静電誘導型発電装置の構造を示した断面図である。図２〜図５は、図１に示した第１実施形態による静電誘導型発電装置を説明するための図である。まず、図１〜図５を参照して、本発明の第１実施形態による静電誘導型発電装置１の構造について説明する。

この第１実施形態による静電誘導型発電装置１は、図１に示すように、収納部１０ａが形成された下側筐体１０と、収納部１０ａを塞ぐように下側筐体１０の上面に取り付けられた上側筐体２０と、ブリッジ整流回路３０（図４参照）とを備えている。また、静電誘導型発電装置１には、静電誘導型発電装置１によって駆動される負荷２（図４参照）が接続されている。

また、静電誘導型発電装置１の下側筐体１０の収納部１０ａには、図１および図２に示すように、一対のバネ部材１１（図２参照）と、一対のバネ部材１１によりＸ方向（図２参照）に移動可能に構成されたガラスまたはシリコン基板などからなる可動基板１２と、可動基板１２をガイドするためのガイド部１３と、可動基板１２の位置を規制するためのスペーサ１４および１５（図１参照）とが設けられている。バネ部材１１は、それぞれ、収納部１０ａのＸ方向の内側面と可動基板１２との間に配置されている。また、可動基板１２は、約６００μｍの厚みを有する。ガイド部１３およびスペーサ１４は、収納部１０ａの矢印Ｙ方向の内側面に沿ってＸ方向に延びるように設けられている。また、ガイド部１３は、収納部１０ａの底面に設けられている。また、スペーサ１４は、可動基板１２のＹ方向の位置を規制する機能を有するとともに、ガイド部１３上に設けられている。スペーサ１５は、可動基板１２のＺ方向（図１参照）の位置を規制する機能を有する。

静電誘導型発電装置１の上側筐体２０は、図１に示すように、可動基板１２と対向するように設けられたガラスまたはシリコン基板などからなる固定基板２１（図３参照）と、可動基板１２をガイドするためのガイド部２２とを含んでいる。固定基板２１には、スペーサ１５と対応する領域に、可動基板１２のＺ方向の位置を規制する機能を有するスペーサ２３が設けられている。これにより、可動基板１２と固定基板２１とが所定の間隔を隔てて配置されるように構成されている。また、ガイド部２２は、ガイド部１３と対向するように、収納部１０ａのＹ方向の内側面に沿ってＸ方向（図２参照）に延びるように設けられている。

ここで、第１実施形態では、図２および図４に示すように、下側筐体１０に設けられた可動基板１２の固定基板２１側の主表面１２ａの全面にわたって、エレクトレット部材１２１が形成されている。エレクトレット部材１２１は、約２．４μｍの厚みを有するとともに、熱酸化法により形成されたＳｉＯ_２からなる。また、エレクトレット部材１２１には、後述する絶縁膜１２２が形成されていない領域に対応する領域（電荷保持部１２１ａ）に負電荷が蓄積されている。なお、電荷保持部１２１ａは、本発明の「第３電極」の一例である。

また、エレクトレット部材１２１の主表面上には、図４に示すように、Ｘ方向に所定の間隔（たとえば、約１ｍｍ）を隔てて複数の絶縁膜１２２が形成されている。この絶縁膜１２２は、ＨＤＰ−ＣＶＤ（ＨｉｇｈＤｅｎｓｉｔｙＰｌａｓｍａＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成されたＳｉＯ_２からなる。また、絶縁膜１２２は、約１ｍｍの幅と、約２μｍの厚みとを有する。また、絶縁膜１２２は、後述する導電層１２３をエレクトレット部材１２１と離間させるために設けられており、エレクトレット部材１２１に蓄積された負電荷が導電層１２３に流出するのを抑制する機能を有する。なお、導電層１２３は、本発明の「第４電極」の一例である。

また、第１実施形態では、複数の絶縁膜１２２上には、それぞれ、Ａｌなどからなる導電層１２３が形成されている。この導電層１２３は、約０．３μｍの厚みを有する。また、複数の導電層１２３は、それぞれ、連結部１２３ａ（図２参照）により連結されるとともに、連結部１２３ａの部分は接地されている。また、エレクトレット部材１２１の主表面上には、絶縁膜１２２および導電層１２３を覆うように電荷流出抑制膜１２４が形成されている。この電荷流出抑制膜１２４は、約０．３μｍの厚みを有するとともに、ＭＳＱ（ＭｅｔｈｙｌＳｉｌｓｅｓＱｕｉｏｘａｎｅ：メチルシルセスキオキサン）などからなる。また、電荷流出抑制膜１２４は、エレクトレット部材１２１に蓄積された負電荷が表面から流出するのを抑制するために設けられている。また、電荷流出抑制膜１２４は、後述する集電電極２１１および２１２の表面（下面）から距離Ｄ（たとえば、約３０μｍ）を隔てて配置されている。

また、第１実施形態では、図３に示すように、固定基板２１の可動基板１２側の主表面２１ａ（図４参照）には、ＡｌまたはＴｉなどからなる平面的に見て櫛形状を有する集電電極２１１および２１２が形成されている。なお、固定基板２１は、本発明の「第１基板」の一例である。集電電極２１１は、Ｘ方向に所定の間隔を隔てて、Ｙ方向に延びるように形成された複数の集電部２１１ａと、複数の集電部２１１ａの一方端部を連結するとともに、Ｘ方向に延びるように形成された連結部２１１ｂとを有する。なお、集電電極２１１は、本発明の「第１電極」の一例であり、集電部２１１ａは、本発明の「第１電極部」の一例である。また、この集電部２１１ａは、図４に示すように、約１００μｍ〜約１０００μｍの幅Ｗ１と、約３μｍ〜約５μｍの厚みとを有する。また、集電電極２１２は、Ｘ方向に所定の間隔を隔てて、Ｙ方向に延びるように形成された複数の集電部２１２ａと、複数の集電部２１２ａを集電電極２１１の連結部２１１ｂ側と反対側の一方端部で連結するとともに、Ｘ方向に延びるように形成された連結部２１２ｂとを有する。なお、集電電極２１２は、本発明の「第２電極」の一例であり、集電部２１２ａは、本発明の「第２電極部」の一例である。また、この集電部２１２ａは、図１２に示すように、約１００μｍ〜約１０００μｍの幅Ｗ２と、約３μｍ〜約５μｍの厚みとを有する。また、集電電極２１１の集電部２１１ａと集電電極２１２の集電部２１２ａとは、約１０μｍ〜約１００μｍの間隔Ｌ１を隔てて交互に設けられている。

また、ブリッジ整流回路３０は、図４に示すように、発電された電力を整流するために設けられているとともに、配線４１を介して固定基板２１の集電電極２１１と電気的に接続されている。また、ブリッジ整流回路３０は、配線４０を介して、固定基板２１の集電電極２１２と電気的に接続されている。また、ブリッジ整流回路３０には、静電誘導型発電装置１によって発電された電力により駆動される負荷２が配線４２および４３を介して接続されている。また、負荷２は、接地されている。

また、ブリッジ整流回路３０は、４つのダイオード３１〜３４を含んでいる。具体的には、ダイオード３１のアノードは、ダイオード３４のカソードと接続されているとともに、配線４１と接続されている。また、ダイオード３１のカソードは、ダイオード３３のカソードと接続されているとともに、配線４２を介して負荷２と接続されている。また、ダイオード３２のアノードは、ダイオード３４のアノードと接続されているとともに、配線４３を介して負荷２と接続されている。また、ダイオード３２のカソードは、ダイオード３３のアノードと接続されているとともに、配線４０と接続されている。また、ダイオード３３は、アノードが配線４０と接続されているとともに、カソードが配線４２を介して負荷２と接続されている。また、ダイオード３４は、アノードが配線４３を介して負荷２と接続されているとともに、カソードが配線４１と接続されている。

ここで、第１実施形態では、静電誘導型発電装置１は、図４に示すように、固定基板２１の集電部２１１ａが可動基板１２の導電層１２３と対応する領域に位置する場合には、固定基板２１の集電部２１２ａが可動基板１２の導電層１２３が形成されていない領域（エレクトレット部材１２１の部分（電荷保持部１２１ａ））と対応する領域に位置するように構成されている。また、この際、固定基板２１の集電部２１２ａには、対向する位置にある電荷保持部１２１ａに保持されている負電荷によって正電荷が誘導されるとともに、正電荷が誘導された集電部２１２ａと負電荷が保持された電荷保持部１２１ａとの間で容量結合されるように構成されている。一方で、固定基板２１の集電部２１１ａには、集電部２１１ａと負荷２および整流回路３０を介して接続された集電部２１２ａに誘導された正電荷により、負電荷が誘導される。そして、負電荷が誘導された集電部２１１ａと接地された導電層１２３との間で容量結合されるように構成されている。

また、第１実施形態では、静電誘導型発電装置１は、図５に示すように、固定基板２１の集電部２１１ａが可動基板１２の導電層１２３が形成されていない領域（電荷保持部１２１ａ）と対応する領域に位置する場合には、固定基板２１の集電部２１２ａが可動基板１２の導電層１２３と対応する領域に位置するように構成されている。また、この際、固定基板２１の集電部２１１ａには、対向する位置にある電荷保持部１２１ａに保持されている負電荷によって正電荷が誘導されるとともに、正電荷が誘導された集電部２１１ａと負電荷が保持された電荷保持部１２１ａとの間で容量結合されるように構成されている。一方、固定基板２１の集電部２１２ａには、集電部２１２ａと負荷２および整流回路３０を介して接続された集電部２１１ａに誘導された正電荷により、負電荷が誘導される。そして、負電荷が誘導された集電部２１２ａと接地された導電層１２３との間で容量結合されるように構成されている。

次に、図４および図５を参照して、本発明の第１実施形態による静電誘導型発電装置１の発電動作について説明する。

まず、図４に示すように、可動基板１２の電荷保持部１２１ａと固定基板２１の集電部２１２ａとが対向するとともに、可動基板１２の導電層１２３と固定基板２１の集電部２１１ａとが対向する際、固定基板２１の集電部２１２ａに正電荷が誘導されるとともに、固定基板２１の集電部２１１ａに負電荷が誘導される。このとき、電荷保持部１２１ａと集電部２１２ａとが容量結合される。つまり、電荷保持部１２１ａと集電部２１２ａとの間にキャパシタが形成されることにより、集電部２１２ａに誘導された正電荷の電位が定まる。また、同様に、導電層１２３と集電部２１１ａとが容量結合されることにより、導電層１２３と集電部２１１ａとの間にキャパシタが形成されるので、集電部２１１ａに誘導された負電荷の電位が定まる。以上により、集電部２１２ａおよび２１１ａ間に電位差が発生し、集電部２１２ａからブリッジ整流回路３０に対して矢印Ａ方向の電流が流れる。そして、整流が行われて負荷２に矢印Ｂ方向の電流が出力される。具体的には、ダイオード３３、配線４２、負荷２、配線４３およびダイオード３４の順に電流が流れる。

その後、図５に示すように、可動基板１２が移動すると、可動基板１２の電荷保持部１２１ａと固定基板２１の集電部２１１ａとが対向するとともに、可動基板１２の導電層１２３と固定基板２１の集電部２１２ａとが対向する。この際、固定基板２１の集電部２１１ａに正電荷が誘導されるとともに、固定基板２１の集電部２１２ａに負電荷が誘導される。そして、電荷保持部１２１ａと集電部２１１ａとが容量結合されるとともに、導電層１２３と集電部２１２ａとが容量結合される。これにより、上記と同様に、集電部２１１ａに誘導された正電荷の電位が定まるとともに、集電部２１２ａに誘導された負電荷の電位が定まることにより、集電部２１１ａおよび２１２ａ間に電位差が発生する。そして、集電部２１１ａからブリッジ整流回路３０に対して矢印Ｃ方向の電流が流れる。そして、ブリッジ整流回路３０により整流が行われて負荷２に矢印Ｂ方向の電流が出力される。具体的には、ダイオード３１、配線４２、負荷２、配線４３およびダイオード３２の順に電流が流れる。

また、上記動作が繰り返し行われることにより、発電が継続して行われる。

第１実施形態では、上記のように、可動基板１２および固定基板２１を間隔を隔てて対向するとともに互いに相対的に移動可能なように構成し、集電電極２１１の集電部２１１ａおよび集電電極２１２の集電部２１２ａの少なくとも一方が、エレクトレット部材１２１と容量結合するように構成することによって、エレクトレット部材１２１が形成された可動基板１２側と集電電極２１１および２１２が形成された固定基板２１側とを接続させることなく、集電部２１１ａおよび集電部２１２ａの電位を定めることができる。したがって、負荷２を介して互いに接続された集電部２１１ａおよび集電部２１２ａ間の電位差を定めることができるので、負荷２に対して電流を出力させることができる。すなわち、可動基板１２および固定基板２１間を配線により接続することなく、負荷２に電流を供給することができる。その結果、可動基板１２および固定基板２１間が分離していることにより、固定基板２１の集電電極２１１および２１２に対して移動可能なエレクトレット部材１２１の面積が大きくなるので、その分、静電誘導型発電機１の発電効率を向上させることができる。これにより、運動エネルギと電気エネルギとの変換効率を向上させることができる。

また、第１実施形態では、集電電極２１１および２１２を櫛型状に形成するとともに集電部２１１ａおよび２１２ａを交互に配置することによって、容易に、固定基板２１の集電部２１１ａと対向する領域に位置する可動基板１２のエレクトレット部材１２１の面積を増加(減少)させながら、固定基板２１の集電部２１２ａと対向する領域に位置する可動基板１２のエレクトレット部材１２１の面積を減少（増加）させることができる。

また、第１実施形態では、所定の間隔を隔てて導電層１２３を形成することによって、エレクトレット部材１２１の電荷保持部１２１ａに蓄積された負電荷がエレクトレット部材１２１の導電層１２３と対応する部分に移動する場合にも、その移動した負電荷により導電層１２３と対応する領域（集電部２１１ａまたは２１２ａが位置する領域）が影響を受けるのを抑制することができる。これにより、導電層１２３が形成された領域と対応する領域と、導電層１２３が形成されていない電荷保持部１２１ａと対応する領域との間に容易に電位差を発生させることができる。

また、第１実施形態では、集電部２１１ａが導電層１２３と対応する領域に位置する場合、集電部２１２ａがエレクトレット部材１２１の電荷保持部１２１ａと対応する領域に位置するとともに、集電部２１２ａが導電層１２３と対応する領域に位置する場合、集電部２１１ａがエレクトレット部材１２１の電荷保持部１２１ａと対応する領域に位置するように構成することによって、振動により可動基板１２および固定基板２１を相対的に移動させることにより、容易に、固定基板２１の集電部２１１ａおよび２１２ａと対向する領域に位置するエレクトレット部材１２１の電荷保持部１２１ａの面積を増減させて発電することができる。

また、第１実施形態では、集電部２１１ａが導電層１２３と対応する領域に位置する場合、集電部２１１ａと導電層１２３とが容量結合されるとともに、集電部２１２ａとエレクトレット部材１２１の電荷保持部１２１ａとが容量結合され、集電部２１２ａが導電層１２３と対応する領域に位置する場合、集電部２１２ａと導電層１２３とが容量結合されるとともに集電部２１１ａとエレクトレット部材１２１の電荷保持部１２１ａとが容量結合されるように構成することによって、集電部２１１ａおよび２１２ａは、導電層１２３および電荷保持部１２１ａのいずれか一方と容量結合されるので、確実に、集電部２１１ａおよび２１２ａの電位が定められる。これにより、集電部２１１ａおよび２１２ａの電位差が定められるので、確実に負荷２に電流を供給することができる。

また、第１実施形態では、エレクトレット部材１２１の主表面上に電荷流出抑制膜１２４を設けることによって、エレクトレット部材１２１の電位が低下するのを抑制することができるので、静電誘導型発電装置１の発電効率が低下するのを抑制することができる。

次に、上記第１実施形態の固定基板２１に集電電極２１１および２１２を形成した効果を確認するために行った実験について説明する。この実験では、上記第１実施形態に対応する実施例による静電誘導型発電装置と、比較例による静電誘導型発電装置とを作製した。実施例による静電誘導型発電装置では、集電部２１１ａの幅Ｗ１および集電部２１２ａの幅Ｗ２を１ｍｍにするとともに、集電部２１１ａおよび２１２ａの間隔Ｌ１を３０μｍにした。また、比較例による静電誘導型発電装置では、固定基板２１に集電電極２１１のみを形成したこと以外は、上記実施例による静電誘導型発電装置と同様である。そして、振幅（Ｘ方向の移動量）：１ｍｍ、周波数：３０Ｈｚ、測定面積：４ｃｍ^２、エレクトレット部材１２１の表面電位：−２７２Ｖの条件下で、実施例による静電誘導型発電装置および比較例による静電誘導型発電装置の単位面積当たりの発電量を測定した。

上記測定を４回行い、その平均は、実施例による静電誘導型発電装置では、５．２５μＷ／ｃｍ^２であり、比較例による静電誘導型発電装置では、２．５１μＷ／ｃｍ^２であった。上記測定結果から、固定基板２１に集電電極２１１および２１２を形成した実施例による静電誘導型発電装置は、固定基板２１に集電電極２１１のみを形成した比較例による静電誘導型発電装置に比べて、発電量が約２．１倍になることが判明した。

次に、固定基板２１に形成した集電部２１１ａおよび２１２ａの間隔Ｌ１の影響を確認するために行ったシミュレーションについて説明する。このシミュレーションでは、集電部２１１ａの幅Ｗ１および２１２ａの幅Ｗ２を１ｍｍに設定するとともに、集電部２１１ａおよび２１２ａの全体の幅を１０ｍｍに設定した。また、導電層１２３の幅を１ｍｍに設定するとともに、導電層１２３の間隔を１ｍｍに設定した。そして、集電部２１１ａおよび２１２ａの間隔Ｌ１と、発電量との関係を計算した。その結果を図６に示す。

図６に示したシミュレーション結果より、間隔Ｌ１が５０μｍのときに発電量が最大であった。すなわち、間隔Ｌ１が集電部２１１ａの幅Ｗ１および集電部２１２ａの幅Ｗ２の１／２０（＝５０μｍ／１ｍｍ）のときに発電量が最大になることが判明した。また、発電量のピーク値の７５％以上の発電量を確保するために、間隔Ｌ１は、１０μｍ〜１００μｍが好ましいと考えられる。つまり、間隔Ｌ１が集電部２１１ａの幅Ｗ１および集電部２１２ａの幅Ｗ２に対して１／１００（＝１０μｍ／１ｍｍ）〜１／１０（＝１００μｍ／１ｍｍ）であることが好ましいことが判明した。

（第２実施形態）
図７〜図９は、本発明の第２実施形態による静電誘導型発電装置を示した図である。第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、可動基板３１０の主表面３１０ａ上に櫛歯状に形成されたエレクトレット部材３１２およびガード電極３１３を形成した静電誘導型発電装置３００の構成について説明する。

この第２実施形態による静電誘導型発電装置３００では、図７および図８に示すように、ガラスまたはシリコン基板などからなる可動基板３１０の固定基板２１側の主表面３１０ａに、ＡｌまたはＴｉなどからなる平面的に見て櫛形状を有する電極３１１が形成されている。なお、可動基板１２は、本発明の「第２基板」の一例である。この電極３１１は、矢印Ｘ方向に所定の間隔を隔てて、Ｙ方向に延びるように形成された複数の電極部３１１ａと、複数の電極部３１１ａの一方端部を連結するとともに、Ｘ方向に延びるように形成された連結部３１１ｂとを有する。また、この電極部３１１ａは、約１００μｍ〜約１０００μｍの幅と、約３μｍ〜約５μｍの厚みとを有する。

また、第２実施形態では、電極３１１の電極部３１１ａ上には、図７および図８に示すように、電極部３１１ａと対応する領域に、ＳｉＯ_２からなるエレクトレット部材３１２が形成されている。具体的には、エレクトレット部材３１２は、矢印Ｘ方向に所定の間隔を隔てて、矢印Ｙ方向に延びるように複数形成されている。また、このエレクトレット部材３１２は、負電荷が蓄積されているとともに、約１００μｍ〜約１０００μｍの幅と、約３μｍ〜約５μｍの厚みとを有する。なお、エレクトレット部材３１２は、本発明の「第３電極」の一例である。

また、第２実施形態では、可動基板３１０の固定基板２１側の主表面３１０ａには、図７および図８に示すように、ＡｌまたはＴｉなどからなる平面的に見て櫛形状を有するガード電極３１３が形成されている。このガード電極３１３は、Ｘ方向に所定の間隔を隔てて、Ｙ方向に延びるように形成された複数のガード電極部３１３ａと、複数のガード電極部３１３ａを電極３１１の連結部３１１ｂ側と反対側の一方端部で連結するとともに、Ｘ方向に延びるように形成された連結部３１３ｂとを有する。また、このガード電極部３１３ａは、電極３１１の電極部３１１ａ間に設けられているとともに、約１００μｍ〜約１０００μｍの幅と、エレクトレット部材３１２の上面の高さよりも大きい高さとを有する。また、電極３１１の電極部３１１ａとガード電極３１３のガード電極部３１３ａとは、約１０μｍ〜約１００μｍの間隔Ｌ２を隔てて設けられている。また、電極３１１の電極部３１１ａおよびガード電極３１３のガード電極部３１３ａは、０Ｖに接地されている。なお、ガード電極部３１３ａは、本発明の「第４電極」の一例である。

また、第２実施形態では、図８に示すように、可動基板３１０のエレクトレット部材３１２が固定基板２１の集電部２１１ａと対向する領域に位置する場合には、可動基板３１０のガード電極部３１３ａが固定基板２１の集電部２１２ａと対向する領域に位置するように構成されている。この際、固定基板２１の集電部２１１ａには、対向する位置にあるエレクトレット部材３１２に保持されている負電荷によって正電荷が誘導されるとともに、正電荷が誘導された集電部２１１ａと負電荷が保持されたエレクトレット部材３１２との間で容量結合されるように構成されている。一方、固定基板２１の集電部２１２ａには、集電部２１２ａと負荷２および整流回路３０を介して接続された集電部２１１ａに誘導された正電荷により、負電荷が誘導される。そして、負電荷が誘導された集電部２１２ａと接地されたガード電極部３１３ａとの間で容量結合されるように構成されている。

また、図９に示すように、可動基板３１０のエレクトレット部材３１２が固定基板２１の集電部２１２ａと対向する領域に位置する場合には、可動基板１２のガード電極部３１３ａが固定基板２１の集電部２１１ａと対向する領域に位置するように構成されている。また、この際、固定基板２１の集電部２１２ａには、対向する位置にあるエレクトレット部材３１２に保持されている負電荷によって正電荷が誘導されるとともに、正電荷が誘導された集電部２１２ａと負電荷が保持されたエレクトレット部材３１２との間で容量結合されるように構成されている。一方で、固定基板２１の集電部２１１ａには、集電部２１１ａと負荷２および整流回路３０を介して接続された集電部２１２ａに誘導された正電荷により、負電荷が誘導される。そして、負電荷が誘導された集電部２１１ａと接地されたガード電極部３１３ａとの間で容量結合されるように構成されている。

なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

次に、図８および図９を参照して、第２実施形態による静電誘導型発電装置３００の発電動作について説明する。

まず、図８に示すように、可動基板３１０のエレクトレット部材３１２と固定基板２１の集電部２１１ａとが対向するとともに、可動基板３１０のガード電極部３１３ａと固定基板２１の集電部２１２ａとが対向する際、固定基板２１の集電部２１１ａに正電荷が誘導されるとともに、固定基板２１の集電部２１２ａに負電荷が誘導される。このとき、エレクトレット部材３１２と集電部２１１ａとが容量結合されるとともに、ガード電極部３１３ａと集電部２１２ａとが容量結合される。つまり、エレクトレット部材３１２と集電部２１１ａとの間にキャパシタが形成されることにより、集電部２１１ａに誘導された正電荷の電位が定まる。また、同様に、ガード電極部３１３ａと集電部２１２ａとの間にキャパシタが形成されるので、集電部２１２ａに誘導された負の電位が定まる。以上により、集電部２１２ａおよび２１１ａ間に電位差が発生することにより、集電部２１１ａからブリッジ整流回路３０に対して矢印Ｃ方向の電流が流れる。そして、整流が行われて負荷２に矢印Ｂ方向の電流が出力される。具体的には、ダイオード３１、配線４２、負荷２、配線４３およびダイオード３２の順に電流が流れる。

その後、図９に示すように、可動基板３１０のエレクトレット部材３１２と固定基板２１の集電部２１２ａとが対向するとともに、可動基板３１０のガード電極部３１３ａと固定基板２１の集電部２１１ａとが対向する。この際、固定基板２１の集電部２１２ａに正電荷が誘導されるとともに、固定基板２１の集電部２１１ａに負電荷が誘導される。そして、エレクトレット部材３１２と集電部２１２ａとが容量結合されるとともに、ガード電極部３１３ａと集電部２１１ａとが容量結合される。これにより、上記と同様に、集電部２１２ａに誘導された正電荷の電位が定まるとともに、集電部２１１ａに誘導された負電荷の電位が定まり、集電部２１２ａおよび２１１ａ間に電位差が発生する。そして、集電部２１２ａからブリッジ整流回路３０に対して矢印Ａ方向の電流が流れるとともに、ブリッジ整流回路３０により整流が行われて負荷２に矢印Ｂ方向の電流が供給される。具体的には、ダイオード３３、配線４２、負荷２、配線４３およびダイオード３４の順に電流が流れる。

第２実施形態では、上記のように、可動基板３１０にエレクトレット部材３１２およびガード電極３１３を形成する場合であっても、可動基板３１０のエレクトレット部材３１２およびガード電極３１３のガード電極部３１３ａと、固定基板２１の集電部２１１ａおよび２１２ａとを容量結合させることができるので、固定基板２１および可動基板３１０間を配線することなく、負荷２に電流を供給することができる。

また、第２実施形態では、エレクトレット部材３１２間にガード電極部３１３ａを設けることによって、エレクトレット部材３１２と対向する領域とガード電極部３１３ａと対向する領域との電位差を大きくすることができるので、可動基板３１０が振動した場合に、固定基板２１の集電部２１１ａおよび２１２ａに誘導される電荷の量を大きくすることができる。これによっても、静電誘導型発電装置３００の発電効率を向上させることができる。

また、第２実施形態では、ガード電極部３１３ａの高さをエレクトレット部材３１２の上面の高さよりも大きくすることによって、エレクトレット部材３１２と対向する領域とガード電極部３１３ａと対向する領域との電位差をより大きくすることができる。

また、第２実施形態のその他の効果は第１実施形態と同様である。

（第３実施形態）
図１０〜図１２は、本発明の第３実施形態による静電誘導型発電装置を示した図である。第３実施形態では、負電荷が蓄積されたエレクトレット部材３１２およびガード電極部３１３ａが形成された第２実施形態と異なり、可動基板３６０の主表面３６０ａ上に、負電荷が蓄積されたエレクトレット部材３１２および正電荷が蓄積されたエレクトレット部材３６２が形成された静電誘導型発電装置３５０の構成について説明する。

この第３実施形態による静電誘導型発電装置３５０では、図１０および図１１に示すように、ガラスまたはシリコン基板などからなる可動基板３６０の固定基板２１側の主表面３６０ａに、櫛形状を有する電極３１１が形成されている。また、電極３１１の電極部３１１ａ上には、電極部３１１ａと対応する領域に、負電荷が蓄積されたエレクトレット部材３１２が形成されている。なお、可動基板３６０は、本発明の「第２基板」の一例である。

また、第３実施形態では、可動基板３６０の固定基板２１側の主表面３６０ａには、ＡｌまたはＴｉなどからなる平面的に見て櫛形状を有する電極３６１が形成されている。この電極３６１は、Ｘ方向に所定の間隔を隔てて、Ｙ方向に延びるように形成された複数の電極部３６１ａと、複数の電極部３６１ａを電極３１１の連結部３１１ｂ側と反対側の一方端部で連結するとともに、Ｘ方向に延びるように形成された連結部３６１ｂとを有する。また、この電極部３６１ａは、電極３１１の電極部３１１ａ間に設けられているとともに、約１００μｍ〜約１０００μｍの幅と、約３μｍ〜約５μｍの厚みとを有する。また、電極３１１の電極部３１１ａと電極３６１の電極部３６１ａとは、約１０μｍ〜約１００μｍの間隔Ｌ３を隔てて設けられている。また、電極３１１の電極部３１１ａおよび電極３６１の電極部３６１ａは、接地されている。

また、第３実施形態では、電極３６１の電極部３６１ａ上には、電極部３６１ａと対応する領域に、ＳｉＯ_２からなるエレクトレット部材３６２が形成されている。具体的には、エレクトレット部材３６２は、Ｘ方向に所定の間隔を隔てて、Ｙ方向に延びるように複数形成されている。また、このエレクトレット部材３６２は、正電荷が蓄積されているとともに、約１００μｍ〜約１０００μｍの幅と、約３μｍ〜約５μｍの厚みとを有する。

また、第３実施形態では、図１１に示すように、可動基板３６０のエレクトレット部材３１２が固定基板２１の集電部２１１ａと対向する領域に位置する場合には、可動基板３６０のエレクトレット部材３６２が固定基板２１の集電部２１２ａと対向する領域に位置するとともに、図１２に示すように、可動基板３６０のエレクトレット部材３１２が固定基板２１の集電部２１２ａと対向する領域に位置する場合には、可動基板３６０のエレクトレット部材３６２が固定基板２１の集電部２１１ａと対向する領域に位置するように構成されている。また、この際、固定基板２１の集電部２１１ａには、対向する位置にあるエレクトレット部材３１２に保持されている負電荷によって正電荷が誘導されるとともに、正電荷が誘導された集電部２１１ａと負電荷が保持されたエレクトレット部材３１２との間で容量結合されるように構成されている。一方、固定基板２１の集電部２１２ａには、対向する位置にあるエレクトレット部材３６２に保持されている正電荷によって負電荷が誘導されるとともに、負電荷が誘導された集電部２１２ａと正電荷が保持されたエレクトレット部材３６２との間で容量結合されるように構成されている。

なお、第３実施形態のその他の構成は、上記第２実施形態と同様である。

次に、図１１および図１２を参照して、第３実施形態による静電誘導型発電装置３５０の発電動作について説明する。

まず、図１１に示すように、可動基板３６０のエレクトレット部材３１２と固定基板２１の集電部２１１ａとが対向するとともに、可動基板３６０のエレクトレット部材３６２と固定基板２１の集電部２１２ａとが対向する際、固定基板２１の集電部２１１ａに正電荷が誘導されるとともに、固定基板２１の集電部２１２ａに負電荷が誘導される。このとき、エレクトレット部材３１２と集電部２１１ａとが容量結合されるとともに、エレクトレット部材３６２と集電部２１２ａとが容量結合される。つまり、エレクトレット部材３１２と集電部２１１ａとの間にキャパシタが形成されることにより、集電部２１１ａに誘導された正電荷の電位が定まる。また、同様に、エレクトレット部材３６２と集電部２１２ａとの間にキャパシタが形成されるので、集電部２１２ａに誘導された負の電位が定まる。以上により、集電部２１１ａおよび２１２ａ間に電位差が発生することにより、集電部２１１ａからブリッジ整流回路３０に対して矢印Ｃ方向の電流が流れる。そして、整流が行われて負荷２に矢印Ｂ方向の電流が出力される。具体的には、ダイオード３１、配線４２、負荷２、配線４３およびダイオード３２の順に電流が流れる。

その後、図１２に示すように、可動基板３６０のエレクトレット部材３１２と固定基板２１の集電部２１２ａとが対向するとともに、可動基板３６０のエレクトレット部材３６２と固定基板２１の集電部２１１ａとが対向する。この際、固定基板２１の集電部２１２ａに正電荷が誘導されるとともに、固定基板２１の集電部２１１ａに負電荷が誘導される。そして、エレクトレット部材３１２と集電部２１２ａとが容量結合されるとともに、エレクトレット部材３６２と集電部２１１ａとが容量結合される。これにより、上記と同様に、集電部２１２ａに誘導された正電荷の電位が定まるとともに、集電部２１１ａに誘導された負電荷の電位が定まり、集電部２１２ａおよび２１１ａ間に電位差が発生する。そして、集電部２１２ａからブリッジ整流回路３０に対して矢印Ａ方向の電流が流れるとともに、ブリッジ整流回路３０により整流が行われて負荷２に矢印Ｂ方向の電流が出力される。具体的には、ダイオード３３、配線４２、負荷２、配線４３およびダイオード３４の順に電流が流れる。

第３実施形態では、上記のように、可動基板３６０に負電荷が蓄積されたエレクトレット部材３１２および正電荷が蓄積されたエレクトレット部材３６２を形成する場合であっても、可動基板３６０のエレクトレット部材３１２およびエレクトレット部材３６２と、固定基板２１の集電部２１１ａおよび２１２ａとを容量結合させることができるので、固定基板２１および可動基板３６０間を配線することなく、負荷２に電流を供給することができる。

また、第３実施形態では、負電荷が蓄積されたエレクトレット部材３１２間に正電荷が蓄積されたエレクトレット部材３６２を設けることによって、エレクトレット部材３１２と対向する領域とエレクトレット部材３６２と対向する領域との電位差をより大きくすることができるので、可動基板３６０が振動した場合に、固定基板２１の集電部２１１ａおよび２１２ａに誘導される電荷の量をより大きくすることができるので、静電誘導型発電装置３５０の発電効率をより向上させることができる。

第３実施形態のその他の効果は、第１実施形態と同様である。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記第１〜第３実施形態では、ＳｉＯ_２からなるエレクトレット部材を用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）およびポリエチレン（ＰＥ）などの有機高分子化合物またはＳｉＮなどのシリコン化合物からなるエレクトレット部材を用いてもよい。なお、ポリテトラフルオロエチレンとしては、テフロン（登録商標）およびサイトップ（登録商標）などがある。

また、上記第１〜第３実施形態では、静電動作装置の一例として静電誘導型発電装置を示したが、本発明はこれに限らず、エレクトレット部材を含む静電誘導型変換装置であれば、静電誘導型アクチュエータなどのその他の静電誘導型変換装置にも適用可能である。

また、上記第１〜第３実施形態では、集電電極を櫛状に形成するとともに、エレクトレット部材を電極の電極部上に形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、集電電極の集電部とエレクトレット部材とを、振動により対向する面積が変化する形状であれば他の形状に形成してもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、本発明の回路部としてブリッジ整流回路３０設ける例を示したが、本発明はこれに限らず、ブリッジ整流回路とＤＣ−ＤＣコンバータとからなる回路部を設けてもよいし、ＤＣ−ＤＣコンバータのみからなる回路部を設けてもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、可動基板に負電荷が蓄積されたエレクトレット部材を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、固定基板に正電荷が蓄積されたエレクトレット部材を形成してもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、可動基板にエレクトレット部材を形成するとともに、固定基板に集電電極を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、可動基板に集電電極を形成するとともに、固定基板にエレクトレット部材を形成してもよい。

本発明の第１実施形態による静電誘導型発電装置の構造を示した断面図である。図１に示した第１実施形態による静電誘導型発電装置の下側筐体の構造を示した平面図である。図１に示した第１実施形態による静電誘導型発電装置の固定基板の構造を示した平面図である。図１に示した第１実施形態による静電誘導型発電装置の構成を示した概略図である。図１に示した第１実施形態による静電誘導型発電装置の構成を示した概略図である。シミュレーションによって求めた、集電部の間隔と、発電量との関係を示したグラフである。本発明の第２実施形態による静電誘導型発電装置の可動基板の構成を示した概略図である。図７に示した第２実施形態による静電誘導型発電装置の構成を示した概略図である。図７に示した第２実施形態による静電誘導型発電装置の構成を示した概略図である。本発明の第３実施形態による静電誘導型発電装置の可動基板の構成を示した概略図である。図１０に示した第３実施形態による静電誘導型発電装置の構成を示した概略図である。図１０に示した第３実施形態による静電誘導型発電装置の構成を示した概略図である。

符号の説明

１、３００、３５０静電誘導型発電装置（静電動作装置）
１２、３１０、３６０可動基板（第２基板）
１２１、３１２エレクトレット部材（第３電極）
３６２エレクトレット部材（第４電極）
２１固定基板（第１基板）
２１１集電電極（第１電極）
２１１ａ集電部（第１電極部）
２１２集電電極（第２電極）
２１２ａ集電部（第２電極部）
１２３導電層（第４電極）
１２４電荷流出抑制膜
３１３ａガード電極部（第４電極）

Claims

第１電極および第２電極を含み、前記第１電極および前記第２電極が少なくとも基板上で互いに電気的に分離された状態で設置される第１基板と、
エレクトレット部材からなる第３電極および導電層からなる第４電極を含む第２基板とを備え、
前記第１基板および前記第２基板は、間隔を隔てて対向するように設けられるとともに、互いに相対的に移動可能なように構成され、
前記第１電極および前記第２電極は、前記第３電極および前記第４電極の少なくとも一方と容量結合するように構成されている、静電動作装置。
前記第１基板において、
前記第１電極は、間隔を隔てて形成された複数の第１電極部を含み、
前記第２電極は、前記第１電極部の間に形成された複数の第２電極部を含み、
前記第２基板において、
前記第３電極は、間隔を隔てて形成された複数の第３電極部を含み、
前記第４電極は、前記第３電極部の間に形成された複数の第４電極部を含む、請求項１に記載の静電動作装置。
前記第１電極が前記第３電極と対応する領域に位置する場合、前記第２電極が前記第４電極と対応する領域に位置するとともに、前記第２電極が前記第３電極と対応する領域に位置する場合、前記第１電極が前記第４電極と対応する領域に位置するように構成されている、請求項２に記載の静電動作装置。
前記第１電極が前記第３電極と対応する領域に位置する場合、前記第１電極と前記第３電極とが容量結合されるとともに、前記第２電極と前記第４電極とが容量結合され、前記第２電極が前記第３電極と対応する領域に位置する場合、前記第２電極と前記第３電極とが容量結合されるとともに、前記第１電極と前記第４電極とが容量結合されるように構成されている、請求項３に記載の静電動作装置。
前記第２基板の主表面にはエレクレット部材が形成されており、前記エレクトレット部材の主表面上には絶縁膜を介して導電層が形成された領域があり、前記導電層が前記第４電極であり、前記導電層が形成された領域以外の前記エレクトレット部材が前記第３電極である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の静電動作装置。
前記エレクトレット部材の主表面上には、前記絶縁膜および前記導電層を覆うように電荷流出抑制膜が形成されている、請求項５に記載の静電動作装置。