関西大学システム理工学部 機械工学科

ロボット・マイクロシステム研究室

エレクトレット振動発電デバイス


振動発電デバイス

ユビキタスセンサーネットワークや携帯情報通信機器等の低消費電力バッテリとして,振動型の発電デバイスが有効です.これは人間の動きや機械の振動等,無駄になっている機械エネルギを拾って電気エネルギに変換するものです.エレクトレットという半永久的に電荷を蓄えられる材料を用いて,様々な静電型振動発電デバイスの研究報告がなされています.これらはプルーフマスの振動に伴う静電容量の変化を利用していますが,極板間の誘電体としては空気や真空(比誘電率 は1)が用いられています.もしこの極板間の材質を強誘電体,例えばPZTやBaTiO3( 比誘電率は1,000以上)に変更できたならば,より大きな電力を取り出すことが期待できます.

われわれは有機材料であるフッ素系ポリマー(CYTOP,AGC旭ガラス)を用いて高性能なエレクトレットを作製することに取り組んでいます.まず,水平方向の振動を利用するタイプのデバイスを開発しました.極板間のフリンジ電界(水な電極間の脇方向に生じる電界)の強さが,強誘電体に設けられた溝との相対位置関係が振動により変化することに伴い変動し,極板間の静電容量が変化することを用いています.次に,鉛直方向の振動を利用するタイプのデバイスを開発しました.このデバイスは数10マイクロワットの高い出力を実現できます.強誘電体(絶縁体)がエレクトレットと対向電極との間の放電を防ぐため,プルーフマスとエレクトレットとの間のギャップを限りなくゼロに近づけることができ,接触させることも可能です.極小ギャップは大きな静電容量変化を可能にし,大きな発電を可能にします.横方向タイプとは異なり,櫛歯状にエレクトレットをパターニングする必要が無いため,高くて安定したエレクトレットの表面電位を実現できます.またプルーフマスとエレクトレットとのアライメントが不要なため,製造工程の簡単化,低コスト化が実現できます.さらに,対向電極側の配線を省略しても発電が可能であり,パッケージングの容易化,電磁ノイズの低減化が期待できます.

フリンジ電界を用いた振動発電デバイス

T. Takahashi et al., "ELECTRET ENERGY HARVESTING BASED ON FRINGE ELECTRICAL FIELD CHANGE INSIDE TRENCHED FERROELECTRIC", MEMS 2011, Cancun, MEXICO, January 23-27, 2011

harvester_lateral

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harvester_vertical

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harvester_electret

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