CN107251401B - 振动发电元件 - Google Patents

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Abstract

振动发电元件具备：一对电极，其相互相对地配置，且至少任意一方能移动；以及离子凝胶，其被设为介于一对电极之间，使离子液体凝胶化而形成，电极通过来自外部的振动而在一对电极的间隔变化的方向上移动，由此隔着电极与离子凝胶的界面而形成的双电层的面积变化，从而进行发电。

Description

振动发电元件
技术领域
本发明涉及一种使用将离子液体凝胶化而得到的离子凝胶的振动发电元件。
背景技术
以往，作为通过环境中的振动进行发电的装置(能量采集器)，有效的是使用驻极体的发电装置，对此进行了很多的研究、开发。振动发电装置的主要目的是用作独立式的各种传感器的电源，或者用作该独立式传感器信号的无线通信用装置的电源，因此需要小型化且大发电量(μW～mW范围)。例如，在专利文献1记载的振动发电元件中，使振动电极相对于形成了驻极体的电极振动而进行发电。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-36089号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在上述的振动发电元件中电极间距离为μm级，因此即使在使用了驻极体的情况下发电量也小，装置尺寸的小型化以及提高发电量成为课题。
用于解决课题的手段
根据本发明的第1方式，振动发电元件具备：一对电极，其相互相对地配置，且至少任意一方能移动；以及离子凝胶，其被设为介于一对电极之间，使离子液体凝胶化而形成，电极通过来自外部的振动而在一对电极的间隔变化的方向上移动，由此隔着电极与离子凝胶的界面而形成的双电层的面积变化，从而进行发电。
根据本发明的第2方式，在第1方式的振动发电元件中，相互相对的一对电极的一方为驻极体电极，将驻极体电极的表面电位设定为，在离子凝胶与驻极体电极接触时双电层的电压成为离子凝胶的电位窗的范围内。
根据本发明的第3方式，在第1方式的振动发电元件中，双电层是通过在一对电极与离子凝胶的接触区域中产生的界面动电现象而形成的双电层。
根据本发明的第4方式，在第1方式的振动发电元件中，离子凝胶是使用具有聚合基团的离子液体而形成的离子凝胶。
根据本发明的第5方式，在第1方式的振动发电元件中，离子凝胶是使用具有聚合基团的聚合物和离子液体而形成的离子凝胶。
根据本发明的第6方式，在第1方式的振动发电元件中，离子凝胶是使用固体状态的离子液体而形成的离子凝胶。
根据本发明的第7方式，在第4至第6方式中的任意一方式的振动发电元件中，在离子凝胶的与一对电极中的至少一方接触的一侧形成并维持了阴离子层或阳离子层，在一对电极中的至少一方与离子凝胶的阴离子层或阳离子层的接触区域中形成双电层。
根据本发明的第8方式，在第1至第7方式中的任意一方式的振动发电元件中，一对电极为固定电极以及在与固定电极之间的间隔变化的方向上能够移动的可动电极，可动电极具有在该可动电极的表面侧设置的表面侧电极以及在可动电极的背面侧设置的背面侧电极，固定电极具有与表面侧电极相对地配置的第1电极以及与背面侧电极相对地配置的第2电极，将离子凝胶设为分别介于第1电极与表面侧电极之间以及第2电极与背面侧电极之间。
发明效果
根据本发明，能够谋求振动发电元件的小型化以及发电量的提高。
附图说明
图1是表示本发明的振动发电元件的第1实施方式的截面图。
图2是表示图1所示的振动发电元件的主要部件的示意图。
图3是说明第1实施方式的发电动作的图。
图4是表示第2实施方式的振动发电元件的概要结构的图。
图5是表示图4所示的振动发电元件的主要部分的示意图。
图6是说明第2实施方式的发电动作的图。
图7是说明第3实施方式的图。
图8是表示在第2实施方式中电极侧进行振动时的结构的图。
图9是说明第4实施方式的图。
具体实施方式
第1实施方式
图1是说明本发明的振动发电元件的第1实施方式的图。图1(a)是振动发电元件1的截面图，图1(b)是图1(a)的A-A截面图。振动发电元件1具备固定电极11、可动基板12以及离子凝胶13。离子凝胶13是将离子液体(ionic liquid)凝胶化而得到的，被设置成介于固定电极11与可动基板12之间。固定电极11兼作设在振动发电元件1中的容器的底板，通过该固定电极11和由绝缘材料形成的圆筒部2以及顶板3构成容器。
上述的可动基板12和离子凝胶13被收纳在容器内。可动基板12在图1(a)中被设成能够在上下方向上移动，并通过环状的限位件4a、4b规定了上下方向的可动范围L。另外，能够通过离子凝胶13的弹力规定可动基板12的下方的可动范围，因此可以省略下侧的限位件4a。容器内的气体妨碍可动基板12的移动，因此优选将容器内保持真空状态。圆板状的可动基板12具备支撑基板121和设于支撑基板121的下表面(与固定电极11相对的面)的驻极体122。
驻极体122是在电介质中固定了单极性电荷的部件。例如，通过电晕放电等使聚丙烯(PP)或聚四氟乙烯(PTFE)等电介质薄膜带正电荷(或负电荷)而驻极体化。即，形成有驻极体122的可动基板12作为可动电极发挥作用。
固定电极11的与离子液体13接触的面例如优选使用金(Au)作为电极材料。此外，优选在作为可动基板12上下移动时的滑动面的圆筒部内面与支撑基板121的外周面形成摩擦系数低的材料(例如PTFE等)。
设于可动基板12与固定电极11之间的离子凝胶13与驻极体122和固定电极11接触。在本实施方式中，驻极体122带正电，在离子凝胶13与驻极体122的接触面，离子凝胶13的负离子向驻极体方向移动。于是，与之相应的量的离子凝胶13的正离子向固定电极11方向移动。结构，隔着驻极体122与离子凝胶13的界面形成双电层16b，在与该双电层16b相反一侧的位置隔着固定电极11与离子凝胶13的界面形成双电层16a。
另外，对于离子凝胶13可以使用各种物质。例如，作成在任意的离子液体中混合了单体，溶剂，粘合剂等的混合液，并将该混合液用注射器等滴下，来生成直径约2.5mm左右的半球状的液块。在将如此生成的液块用烤箱等加热而使溶剂挥发后，通过照射紫外线等方法使其硬化，从而使离子液体凝胶化。可以将其用作离子凝胶13。除此以外，只要是能够使离子液体凝胶化的物质，可以将任何物质用作离子凝胶13。
图2是表示振动发电元件1的主要部分的示意图。负载14与固定电极11连接。可动基板12的电位相对于固定电极11高驻极体电压(驻极体122的表面电位)。离子凝胶13是在仅由正离子和负离子构成的有机液体中混合了聚合物而凝胶化的离子凝胶的一种。离子凝胶13的导电性良好，但是电位窗宽，电稳定性高。电位窗是指在电解液中实质上不流动电流的电位区域。
设定上述驻极体122的电压(表面电位)，使得在离子凝胶13接触驻极体122时，向离子凝胶13的双电层16a、16b施加的电压成为离子凝胶13的电位窗的范围内。另外，从振动发电元件的发电能力这点出发，优选将驻极体122的电压设定为在电位窗的范围内尽可能大的值。以下，将通过驻极体122对离子凝胶13施加的电压称作偏置电压。
设置在驻极体122与固定电极11之间的离子凝胶13的负离子通过由驻极体122形成的电场而向驻极体122的方向被吸引。结果，如上所述，隔着驻极体122与离子凝胶13的界面形成双电层16b。另一方面，在固定电极11与离子凝胶13的接触区域，离子凝胶13的正离子按照与形成双电层16b的负离子相对应的量向固定电极11侧移动，通过该正离子以及在固定电极11侧静电感应的负电荷形成双电层16a。虽然还取决于离子凝胶13的种类，但是双电层的厚度为l[nm]左右。此外，已知在向双电层施加了交流电压时的静电电容通常，实验上在0.1Hz～IMHz的范围内为10[μF/cm2]～0.2[μF/cm2]左右。
如图2所示，振动发电元件1的可动基板12构成为能够在固定电极11和可动基板12的间隔d变化的方向上移动。当由于来自外部的振动(以下称为干扰)振动发电元件1的容器进行振动时(尤其在轴向上振动时)，可动基板12相对于固定电极11在图示上下方向上振动。例如，如后述的图3那样，可动基板12可在间隔d为d0～d1的范围内上下移动。可以根据图1所示的限位件4a、4b的位置、离子凝胶13的弹性、形状等设定该可动范围。
接着，对振动发电元件1的动作进行说明。以往的振动发电元件利用电极间(例如，金属电极和驻极体电极之间)的静电电容的变化进行发电，但本实施方式的振动发电元件1的特征为通过可动基板12的振动引起的离子凝胶13的接触面积变化(即，双电层的面积变化)进行发电。
如上所述，双电层的单位面积的静电电容根据偏置电压、振动频率而变化，但是在使对于离子凝胶13的上述偏置电压在电位窗的范围内，且振动频率为0.1Hz时，每1[cm2]的静电电容成为10[μF/cm2]左右。即，在双电层16a、16b的面积为1[cm2]的情况下，双电层16a、16b所介于的部分的静电电容为10[μF]＝1×10－5[F]左右。若使双电层16a、16b的电压为1[V]时，电荷的量(带电量)为1×10－5[C]。
另一方面，在使用了驻极体电极的以往的振动发电元件的情况下，当使驻极体电极以及金属电极的相对面积为1[cm2]，使电极间隔为10～100[μm]左右时，电极间的静电电容C(C＝ε0×(面积)/(间隔))为8.85×10－12[F]～8.85×10－11[F]。若将驻极体电极的电压设为200[V]，则带电量为1.77×10－9～1.77×10－10[C]。在此，将真空的电容率ε0设为ε0≈8.85×10－12[F/m]。
这样，在本实施方式的情况下，即便向双电层施加的电压低为1[V]左右，电极的带电量与现有的使用驻极体的振动发电元件相比为1万倍至10万倍非常大。这是由于使用了层厚度(以下用符号de表示)为nm级的双电层。在本实施方式中，如此通过具有大静电电容的双电层的面积变化进行发电，因此如同以下所述与以往的振动发电元件相比能够获得不同数量级的大的发电量。
此外，在本实施方式中，在可动基板12和固定电极11之间不是直接使用离子液体，而是设置将离子液体凝胶化后的离子凝胶13。因此，与直接使用离子液体的情况下相比，在可动基板12振动时，不会受到可动基板12以及固定电极11中的离子液体的浸润性的影响，能够使这些电极与离子凝胶13的接触面积切实地变化。并且，在使用了离子液体的情况下，有时因静电吸附(ESA：Electrostatic Attraction)离子液体吸附在可动基板12、固定电极11。因此，即使通过可动基板12的振动可动基板12与固定电极11之间分离，有时这些电极与离子凝胶13的接触面积不会按预期的那样进行变化。另一方面，在本实施方式中，能够通过离子凝胶13的弹力(复原力)克服静电吸附，因此不会产生上述那样的问题，能够使可动基板12以及固定电极11与离子凝胶13的接触面积按照预期发生变化。
另外，如图2所示，固定电极11与可动基板12的间隙具有离子凝胶13所在的区域和单纯的空间(本实施方式的情况下为真空)的区域，在离子液体13不存在的区域中，也具有静电电容。例如，在不存在离子凝胶13而只是一对电极(将面积设为1[cm2])以d＝1[mm]相对的情况下，静电电容C成为C＝ε0×1×10－4[m2]/1×10－3[m]≈8.85×10－13[F]。
另一方面，如上所述，在双电层16a、16b的面积为1[cm2]的情况下，双电层16a、16b存在的部分的静电电容为10[μF]＝1×10－5[F]左右。因此，离子凝胶13不存在的区域的静电电容为双电层16a、16b的静电电容的1/107左右而非常小。
因此，在以下的振动发电元件1的动作说明中，考虑将离子凝胶13不存在的区域的静电电容设为零，将双电层电容器串联连接。这样，在振动发电元件1中，实质上通过由双电层16a、16b的面积变化而引起的静电电容的变化来进行发电。
图3是表示振动发电元件1的动作的示意图。图3(a)表示间隔d为最大的d＝d0的情况(与图2相同)，图3(b)表示间隔d最小的d＝d1的情况。在此，将图3(a)中的通过驻极体122与离子凝胶13的接触而形成的双电层16a的面积以及与之对应的固定电极11与离子凝胶13的接触面中的双电层16b的面积表示为S0。此外，此外，将图3(b)中的双电层16a、16b的面积表示为S1。在图3(b)中，通过可动基板12以及固定电极11在上下方向上将离子凝胶13压塌，由此驻极体122和离子凝胶13的接触面积变宽。因此，可知与图3(a)相比双电层16a、16b的面积变大，成为S1＞S0。因此，在图3(b)的状态下，与图3(a)相比静电电容增加。
结果，当从图3(a)的状态开始可动基板12向固定电极方向移动时，负电荷从GND侧向固定电极11移动，在负载14中沿图3(b)的箭头方向流过电流I。相反，当可动基板12从图3(b)的状态向图示上方移动时，负电荷从固定电极11向GND侧移动，在负载14中沿图3(a)的箭头方向流过电流I。
在将图3(a)中的双电层16a的面积设为0.5[cm2]，将图3(b)中的双电层16a的面积设为1[cm2]时，双电层16a的静电电容从5[μF]增加至10[μF]。例如，在将双电层16a的电位差假定为1V时，5[μC]的电荷经过负载14。若将从图3(a)的状态变化为图3(b)的状态所需要的时间设为0.05[sec](这对应于20Hz的振动)，则在负载14中流过100[μA]的电流。如上所述，当间隙尺寸d以d0→d1的方式减小时，从固定电极11向GND流过电流，相反，当间隙尺寸以d1→d0的方式增大时，从GND向固定电极11流过电流。即，当由于干扰可动基板12上下振动时，负载14中流过交流电流。
在图2、3的说明中，说明了将振动发电元件进行发电而得到的电力作为电流来取出的情况，但是也可以设为作为电压取出的负载连接结构。振动发电元件1当可动基板12在开路的状态下进行振动时，因为支撑基板121与固定电极11之间的电位差变化，所以利用该电位差的变化。
例如，考虑如下情况：固定电极11与驻极体122的间隔(以下称为电极间隔)以d0→d1的方式变化，且离子凝胶13与可动基板12的接触面积，即双电层16a，16b的面积以S0→S1的方式变化。在将各双电层16a、16b的静电电容设为C，将双电层16a、16b中的电位差、面积、厚度设为Ve、S、de，将固定电极11的带电量设为Q时，Q＝CVe、C＝ε·S/de成立。根据两个式子表示成S·Ve＝Q·de/ε，在此，Q以及双电层的厚度de不变化，因此在电极间隔d0的电位差Ve0与电极间隔d1的电位差Ve1之间，S0·Ve0＝S1·Ve1成立。即，电极间隔d1的双电层16a、16b的电位差Vel以Ve1＝(S0/S1)·Ve0的方式变化。
然而，在如以往那样利用了电极间的静电电容的振动发电元件的情况下，例如，如上所述在考虑了面积为1[cm2]且间隔为1[mm]的电容器的情况下，当间隔从1[mm]变化为0.5[mm]时，静电电容从8.85×10－13[F]增加至其2倍，因此静电电容的变化ΔC成为ΔC＝8.85×10－13[F]。例如，在使用了电压200V的驻极体的情况下，电极的电荷量的变化为1.77×10－10[C]＝1.77×10－4[μC]。这是本实施方式时的5[μC](在此，假定双电层16a中的电位差为1V)的约1/10000。
这样，在本实施方式的振动发电元件中，通过利用基于离子凝胶的双电层的静电电容能够获得不同数量级的大的发电量。与一般的电容器的静电电容相比，双电层的静电电容非常大。因此，能够通过小的位移得到更大的电力，并且能够谋求振动发电元件的小型化。此外，通过干扰引起的可动基板12与固定电极11之间的间隔的变化使双电层的面积变化，因此能够通过小的位移得到大的面积变化，能够谋求振动发电元件1的进一步的小型化。
在以往的振动发电元件的情况下，如专利文献1所记载的振动发电元件那样，一般是通过弹簧常数非常小的弹性支撑部可动地支撑质量较大的可动部的结构。其原因在于作为针对振动发电元件的来自外部的振动使用步行时的振动或桥的振动等，因此振动频率为数Hz～数十Hz程度。采用以非常弱的弹性支撑部支撑可动部的结构，使得在这样的低频下能够发生共振。因此，以往的振动发电元件存在弹性支撑部容易损坏的缺点。此外，由于利用共振还存在可利用的带宽窄的缺点。
根据这样的理由，在本实施方式中，通过采用图1所示的滑动结构构成为可动基板12可自由地振动。因为能够容易地调整离子凝胶的硬度，因此例如通过使其变得非常软，即使外部振动为低频也能够有效地发电。此外，不仅可以调整离子凝胶的硬度，例如还可以使离子凝胶成为中空结构等而使其容易变形。这样，不取决于共振，因此与外部振动的频率无关，能够有效地进行发电。当然，在本实施方式的振动发电元件的情况下，也能够采用通过弹性支撑部支撑可动基板12的结构。
另外，在本实施方式中使容器的形状为圆筒，将固定电极11、可动基板12设为圆板状，但并不限定于这些形状。例如，可以使固定电极11、可动基板12为矩形。此外，可动基板12采用通过滑动构造上下移动的结构，但也可以是电极侧进行振动的结构。并且，也可以使固定电极11和可动基板12双方能够移动。
在说明动作原理的图2中，构成为将负载14直接与固定电极11连接，但是也可以在振动发电元件1的输出侧设置整流电路、蓄电部等来构成发电装置。
第2实施方式
图4～6是说明本发明的第2实施方式的图。图4是表示振动发电元件1的概要结构的图，表示与图1(a)的情况相同的截面形状。另外，以下将与图1所示的结构不同的部分作为中心来进行说明。
本实施方式的可动基板22在支撑基板221的正反面形成有驻极体222a、222b。以与驻极体222a相对的方式配置有第1固定电极11a，以与驻极体222b相对的方式配置有第2固定电极11b。离子凝胶13a介于驻极体222a与固定电极11a的间隙中，离子凝胶13b介于驻极体222b与固定电极11b的间隙中。
可动基板22构成为可在固定电极11a，11b之间在图示上下方向上移动，通过限位件4a、4b设定可动范围2L。另外，与第1实施方式同样地，可以通过离子凝胶13a、13b的弹力规定可动基板22的可动范围，因此也可以省略限位件4a、4b。在图4所示的示例中，示出了可动基板22位于可动范围的中央位置的情况。通过圆筒部2、安装在圆筒部2的下部开口的固定电极11a、以及安装在圆筒部2的上部开口的固定电极11b构成了容器。与第1实施方式的情况同样地，使容器内为真空状态。
图5是表示振动发电元件1的主要部分的示意图。图5表示取出电流时的负载连接结构，负载14被连接在固定电极11a与固定电极11b之间，使固定电极11a为GND电位。各驻极体222a、222b带正电。因此，与第1实施方式的情况同样地，在离子凝胶13a与固定电极11a以及驻极体222a的界面、以及离子凝胶13b与固定电极11b以及驻极体222b的界面分别形成双电层。在此，用符号16a表示离子凝胶13a与固定电极11a之间的双电层，用符号16b表示离子凝胶13b与固定电极11b之间的双电层。此外，用符号16c、16d表示在离子凝胶13a、13b与驻极体222a、222b的界面形成的双电层。
图6是说明在可动基板22振动的情况下在负载14中流动的电流的图。图6(a)表示可动基板22移动至可动范围的下端的情况。此时，设定为驻极体222a和固定电极11a的间隔为d1，驻极体222b和固定电极11b的间隔为d0。此外，根据驻极体222a与离子凝胶13a的接触面积进行设定使得在固定电极11a与离子凝胶13a的接触面形成的双电层16a的面积成为S0，根据驻极体222b与离子凝胶13b的接触面积进行设定使得在固定电极11b与离子凝胶13b的接触面形成的双电层16b的面积成为S1。另一方面，图6(b)表示可动基板22移动至可动范围的上端的情况。此时，驻极体222a与固定电极11a的间隔成为d0，可动电极11b与驻极体222b的间隔成为d1。此外，双电层16a的面积为S1，双电层16b的面积为S0。
在该情况下，当可动基板22从图6(a)的状态向固定电极11b侧移动而成为图6(b)所示的状态时，双电层16a的静电电容减少，双电层16b的静电电容增加。结果，负电荷从固定电极11a向固定电极11b移动，在负载14中沿图6(b)的箭头方向流过电流I。
相反，当可动基板22从图6(b)的状态向固定电极11a侧移动而成为图6(a)所示的状态时，双电层16a的静电电容增加，双电层16b的静电电容减少。结果，负电荷从固定电极11b向固定电极11a移动，在负载14中沿图6(a)的箭头方向流过电流I。
在此，当考虑开路状态时，可动基板22与固定电极11a之间的电位差、以及可动基板22与固定电极11b之间的电位差成为与图2所示的可动基板12与固定电极11之间的关系相同。然而，各个电位相互的相位偏移180度，因此固定电极11a与固定电极11b之间的电位差成为图3所示的结构的2倍。
这样，可知在本实施方式的情况下得到的发电功率(电力)为图1所示的第1实施方式的情况的2倍。
另外，本实施方式的情况也将所发电的电力作为电流而输出，但也可以设为取出电压的结构。在该情况下，成为与在第1实施方式中说明的情况相同的动作，在此省略说明。此外，在上述的实施方式中，将容器的形状设为圆筒，将固定电极11a、11b、可动基板22设为圆板状，但并不限于这些形状。此外，将可动基板22设为通过滑动构造而上下移动的结构，但例如也可以设为通过弹性体支撑可动基板22的结构。
此外，也可以如图8所示设为电极侧进行振动，而不是驻极体侧振动的结构。在图10所示的示例中，在作为固定电极而发挥作用的一对驻极体222a、222b之间，使可动电极10能够在上下方向上移动。使驻极体222a、222b驻极体化为与可动电极10相对的面带电。可动电极10具有在由金等构成的电极101a、101b之间夹持绝缘基板102的构造。电极101a与驻极体222a相对，电极101b与驻极体222b相对。
负载14被连接在电极101a与电极101b之间。例如，当可动电极10向驻极体222a方向移动时，电极101a与离子凝胶13a的接触面积增加，电极101b与离子凝胶13b的接触面积减少。结果，负电荷经由负载14从电极101b向电极101a移动，在负载14中向图示上方流过电流I。相反，当可动电极10向驻极体222b方向移动时，负电荷从电极101a向电极101b移动，在负载14中向图示下方流过电流。
第3实施方式
图7是说明本发明的第3实施方式的图，是表示振动发电元件1的主要部分的示意图。在上述的第1实施方式中，如图2所示，为了在离子凝胶13与固定电极11的接触区域形成双电层16a，使用了驻极体122。在本实施方式中，使用通过外部电源施加了偏置电压Vdd的可动电极32来代替形成了驻极体122的可动基板12。
如图7(a)所示，当向可动电极32施加偏置电压Vdd时，离子凝胶13的负离子被吸引至可动电极侧，正离子被吸引至固定电极侧。结果，在固定电极11以及可动电极32与离子凝胶13的界面形成双电层16a、16b。若使偏置电压Vdd与第1实施方式中的驻极体122的电压(表面电位)相同，则形成与图2所示的情况相同的双电层16a、16b。如图7(b)所示，当使固定电极11与可动电极32的间隔减少至d1时，双电层16a、16b的面积变大，静电电容也增加，这与第1实施方式相同。
此外，也可以构成为使连接了负载的电极上下移动来代替使连接了电源的电极上下移动。并且，也可以构成为一边改变双方电极之间的距离，一边使双方电极上下移动。已知在金属电极与离子凝胶的界面通过界面动电现象形成双电层。例如，在对金属电极使用金的情况下，产生数十[mV]程度的界面电位差。因此，虽然与使用上述的驻极体、外部电源的情况相比，电压变小，但是在金属电极与离子凝胶的界面产生与之相对应的双电层。因此，能够利用界面电位差来构成与上述的实施方式相同的振动发电元件。
第4实施方式
图9是说明本发明的第4实施方式的图，是表示振动发电元件1的主要部分的示意图。在上述的第3实施方式中，如图7所示，构成为使用通过外部电源施加了偏置电压Vdd的可动电极32。在本实施方式中，构成为通过使用将阴离子和阳离子固定化的离子凝胶13c，来使用不施加偏置电压的可动电极42。
如图9所示，在离子凝胶13c中，在与可动电极42接触的上面侧，形成并维持了具有负电荷的阴离子的层(阴离子层)。另一方面，在与固定电极11接触的下面侧，形成并维持了具有正电荷的阳离子的层(阳离子层)。在离子凝胶13c中，在不施加电压的稳定状态下保持这些阴离子层和阳离子层。
另外，对于如上所述将阴离子和阳离子固定化的离子凝胶13c，能够使用各种物质。例如，通过向构成特定离子液体的阳离子或阴离子中导入聚合基团，生成通过具有聚合基团的离子液体的聚合而形成的高分子化合物。将这样的高分子化合物称为聚合性离子液体，聚离子液体，高分子化离子液体等，已知各种高分子化合物。在生成这样的高分子化合物时，使用ITO等透明电极，一边施加预定电压一边使其硬化。于是，在停止施加电压后，在与正电极接触的一侧形成并维持阴离子层，在与负电极接触的一侧形成并维持阳离子层的状态下，能够使离子液体凝胶化。能够将其作为离子凝胶13c使用。或者，也可以使用具有聚合基团的聚合物和离子液体，通过与上述同样的工序，在形成并维持阴离子层和阳离子层的状态下使离子液体凝胶化，从而形成离子凝胶13c。在该情况下，只要能够通过聚合物的聚合反应将阴离子和阳离子固定化，则能够使用任意的离子液体。或者，也可以通过在振动发电元件1的动作环境下使用固体状态的离子液体来形成离子凝胶13c，该离子凝胶13c形成并维持了阴离子层和阳离子层。具体来说，一边向熔点比振动发电元件1的使用温度高的离子液体施加预定电压，一边使该温度从熔点以上冷却至熔点以下，由此使离子液体凝固。如此，使阴离子和阳离子固定化，由此能够作成形成并维持了阴离子层和阳离子层的离子凝胶13c。在该情况下，可以使用在聚合物内将离子液体以固定状态固定化的物质来形成离子凝胶13c。除此以外，只要是在使阴离子和阳离子固定化的状态下使离子液体凝胶化的物质，可以将任何物质作为离子凝胶13c使用。
当离子凝胶13c接触可动电极42以及固定电极11时，如图9(a)所示，在可动电极42侧正电荷被吸引至离子凝胶13c的阴离子层，在固定电极11侧负电荷被吸引至离子凝胶13c的阳离子层。结果，在固定电极11以及可动电极42与离子凝胶13c的界面形成双电层16a、16b。若使此时的固定电极11与可动电极42之间的电位差成为与第3实施方式的偏置电压Vdd相同，则形成与图7(a)的情况相同的双电层16a、16b。如图9(b)所示，当使固定电极11与可动电极42的间隔减少至d1时，双电层16a、16b的面积变大，静电电容也增加，这与第3实施方式相同。
结果，当可动电极42从图9(a)的状态向固定电极11的方向移动时，正电荷从固定电极11经由负载14移动至可动电极42，并且负电荷从可动电极42经由负载14移动至固定电极11。由此，在负载14中向图9(b)的箭头方向流过电流I。相反，当可动电极42从图9(b)的状态向图示上方移动时，正电荷从可动电极42经由负载14移动至固定电极11，并且负电荷从固定电极11经由负载14移动至可动电极42。由此，在负载14中向图9(a)的箭头方向流过电流I。
如以上说明的那样，在本实施方式的振动发电元件中，通过利用将阴离子和阳离子固定化的离子凝胶13c，可在可动电极42侧形成并维持阴离子层，在固定电极11侧形成并维持阳离子层。结果，即使不使用第1、第2实施方式的驻极体、第3实施方式的施加了偏置电压的电极，也能够在离子凝胶13c与可动电极42以及固定电极11之间分别形成双电层。
另外，与图9相反，也可以在可动电极42侧形成并维持阳离子层，在固定电极11侧形成并维持阴离子层。此外，当仅在与可动电极42以及固定电极11中的任意一方接触的一侧形成并维持了阴离子层或阳离子层的情况下，与图9中说明的相同，能够与可动电极42的移动对应地在负载14中流过电流I。即，在本实施方式的振动发电元件中，在离子凝胶13c，在与相互相对配置的一对可动电极42以及固定电极11中的至少一方接触的一侧，形成并维持阴离子层或阳离子层即可。因此，在离子凝胶13c，只要将阴离子和阳离子中的至少一方固定化即可。并且，可以一边改变双方电极之间的距离一边使双方电极上下移动。
如以上说明的那样，在本发明的振动发电元件中，如图1、图2所示，具备构成相互相对配置且至少任意一方可移动的一对电极的固定电极11和可动基板12、以及被设置成介于固定电极11与可动基板12之间使离子液体凝胶化的离子凝胶13。
如图3所示当由于干扰可动基板12移动时，隔着固定电极11与离子凝胶13的界面而形成的双电层16a以及隔着可动基板12的驻极体122与离子凝胶13的界面而形成的双电层16b的面积各自变化。结果，双电层16a的静电电容变化，在与固定电极11连接的负载14中流过电流。
双电层的厚度为nm级，数量级不同地小于现有的振动发电元件的电极间距离，因此与可动基板12振动相伴随的静电电容变化也数量级不同地大于现有的振动发电元件。结果，与现有的振动发电元件相比能够得到非常大的发电量，能够谋求振动发电元件的小型化。此外，通过固定电极11与驻极体122的间隔的变化而产生双电层的面积变化，因此通过可动基板12的稍微的变化能够产生大的面积变化。
另外，设定驻极体122的表面电位，使得离子凝胶13接触驻极体122时的双电层16a、16b的电压成为离子凝胶13的电位窗的范围内，因此不会在离子凝胶13中流过电流，能够稳定地形成双电层16a、16b。
另外，作为双电层16a、16b的形成方法，既可以如上所述使用驻极体122，也可以利用通过界面动电现象产生的双电层，还可以如图7那样设置电压源向可动电极施加偏置电压来形成双电层。将偏置电压设定在上述的电位窗的范围内。此外，还可以如图9所示的那样，通过使用将阴离子和阳离子中的至少一方固定化的离子凝胶13c，在至少一方的电极与离子凝胶13c的阴离子层或阳离子层的接触区域形成双电层。
并且，如图4所示，可以构成为可动基板22在其表面和背面具有作为表面侧电极的驻极体222b和作为背面侧电极的驻极体222a，并且具有与驻极体222b相对配置的固定电极11b和与驻极体222a相对配置的固定电极11a。在该情况下，使离子凝胶13b介于固定电极11b与驻极体222b之间，并且使离子凝胶13a介于固定电极11a和驻极体222a之间。结果，固定电极11a与固定电极11b之间的电压变化是图2所示的固定电极11为1个时的2倍。
上述的各实施方式可以分别单独使用或者也可以组合使用。这是因为能够单独或协作地实现各实施方式的效果。此外，只要不有损本发明的特征，则本发明并不限于上述实施方式。另外，以振动发电元件的方式对上述的各实施方式进行了说明，但是也可以将在此所示的通过使用了离子凝胶的双电层而得到的大电容的电容器作为电容大的蓄电元件来使用。例如，以在需要使用电力之前积蓄通过来自外部的振动而产生的电荷为目的，可利用该蓄电元件。蓄电元件能够通过与发电元件类似的材料和结构来构成，因此能够容易地制作兼具发电和蓄电这两个功能的装置。
在此作为参考加入了以下的优先权基础申请的公开内容。
日本专利申请2015年第6690号(2015年1月16日申请)。
符号说明
1振动发电元件；4a、4b限位件；10、32、42可动电极；11、11a、11b固定电极；12、22可动基板；13、13a、13b、13c离子凝胶；14负载；16a～16d双电层；121、221支撑基板；122、222a、222b驻极体。

Claims (7)

1.一种振动发电元件，其特征在于，具备：
固定电极；
可动电极，其相对于上述固定电极相对地配置，且相对于上述固定电极能够移动；以及
离子凝胶，其被设为介于上述固定电极和上述可动电极之间，使离子液体凝胶化而形成，
上述可动电极通过来自外部的振动而在上述固定电极和上述可动电极的间隔变化的方向上移动，由此上述可动电极与上述离子凝胶之间的接触面积变化，在上述固定电极与上述离子凝胶的界面的两侧形成的双电层以及在上述可动电极与上述离子凝胶的界面的两侧形成的双电层的面积变化，从而进行发电；
其中，相互相对的上述固定电极和上述可动电极的一方为驻极体电极，
将上述驻极体电极的表面电位设定为，在上述离子凝胶与上述驻极体电极接触时上述双电层的电压成为上述离子凝胶的电位窗的范围内。
2.根据权利要求1所述的振动发电元件，其特征在于，
上述双电层是通过在上述固定电极和上述可动电极与上述离子凝胶的接触区域中产生的界面动电现象而形成的双电层。
3.根据权利要求1所述的振动发电元件，其特征在于，
上述离子凝胶是使用具有聚合基团的上述离子液体而形成的离子凝胶。
4.根据权利要求1所述的振动发电元件，其特征在于，
上述离子凝胶是使用具有聚合基团的聚合物和上述离子液体而形成的离子凝胶。
5.根据权利要求1所述的振动发电元件，其特征在于，
上述离子凝胶是使用固体状态的上述离子液体而形成的离子凝胶。
6.根据权利要求3至5中的任意一项所述的振动发电元件，其特征在于，
在上述离子凝胶的与上述固定电极和上述可动电极中的至少一方接触的一侧形成并维持了阴离子层或阳离子层，
在上述固定电极和上述可动电极中的至少一方与上述离子凝胶的上述阴离子层或上述阳离子层的接触区域中形成上述双电层。
7.根据权利要求1至5中的任意一项所述的振动发电元件，其特征在于，
上述可动电极具有在该可动电极的表面侧设置的表面侧电极以及在上述可动电极的背面侧设置的背面侧电极，
上述固定电极具有与上述表面侧电极相对地配置的第1电极以及与上述背面侧电极相对地配置的第2电极，
将上述离子凝胶设为分别介于上述第1电极与上述表面侧电极之间以及上述第2电极与上述背面侧电极之间。
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