JP2010268621A - Electric-field responsive polymer with improved power-generation efficiency and durability - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、誘電エラストマーを主成分とする電場応答性高分子（Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ）に関するものであって、さらに詳しくは、発電用に用いる電場応答性高分子に関するものである。 The present invention relates to an electric field responsive polymer mainly composed of a dielectric elastomer, and more particularly to an electric field responsive polymer used for power generation.
過去十数年間、誘電エラストマーからなる電場応答性高分子の研究は、アクチュエータに焦点を当てたものがほとんどであった。この誘電エラストマーは、強い電場の中に置くと、電場の方向に収縮し、電場と垂直な方向に膨張する。これは、クーロン力によるものである。 In the past decade, most researches on electric field responsive polymers made of dielectric elastomers have focused on actuators. When placed in a strong electric field, the dielectric elastomer contracts in the direction of the electric field and expands in a direction perpendicular to the electric field. This is due to the Coulomb force.
したがって、誘電エラストマーを帯電した２枚の柔軟な電極間に挟むことによって、ゴムのような弾性を持つコンデンサーが構成される。これに電圧をかけると、一方の電極にはプラスの電荷が、反対側の電極にはマイナスの電荷が蓄えられる。その結果、電極間に引力が生じ、この力によって誘電エラストマーが押しつぶされ、面方向に膨張する。この変化をロボットなどのアクチュエータとして用いることが注目を集めている（例えば、特許文献１、２参照）。 Therefore, a capacitor having elasticity like rubber is formed by sandwiching a dielectric elastomer between two charged flexible electrodes. When a voltage is applied to this, a positive charge is stored in one electrode and a negative charge is stored in the opposite electrode. As a result, an attractive force is generated between the electrodes, and the dielectric elastomer is crushed by this force and expands in the surface direction. The use of this change as an actuator for a robot or the like has attracted attention (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
一方、本発明者らは、この素材が発電においても顕著な性能を有するという新規な着想を得て、鋭意研究開発を行ったところ、発電機や太陽電池などの既存の発電手法では実現が難しい低周波数帯（例えば、０．３Ｈｚ）や非定周波振動（周期が定まっていない振動）、高負荷、高ストロークなどの条件下においても利用可能な発電装置の開発に成功した（例えば、特許文献３参照）。 On the other hand, the present inventors obtained a novel idea that this material has remarkable performance in power generation and conducted earnest research and development, and it is difficult to realize it by existing power generation methods such as generators and solar cells. We have succeeded in developing a power generator that can be used even under conditions such as low frequency bands (eg, 0.3 Hz), non-constant frequency vibrations (vibrations with no fixed period), high loads, and high strokes (eg, patent documents). 3).
ところが、従来の電場応答性高分子の電極には、導電性フィラーとして、通常のカーボンブラックが用いられており、このようなカーボンブラックを主要な導電性フィラーとして用いた電極の場合、３次元のネットワーク構造である、いわゆるパーコレーション構造を形成し、導電性を向上させるため、その厚みは、ある程度の厚さが必要であった。 However, ordinary carbon black is used as a conductive filler in the conventional electric field responsive polymer electrode. In the case of an electrode using such carbon black as a main conductive filler, a three-dimensional electrode is used. In order to improve the conductivity by forming a so-called percolation structure which is a network structure, a certain degree of thickness is required.
一方、導電性フィラーを用いた電極の場合、その厚さが厚くなるほど、導電性や放電特性などを均等にすることが難しく、電場応答性高分子を伸縮させ、形状を変化させることにより、導電性や放電特性の不均等性は、さらに顕著になるという課題があった。 On the other hand, in the case of an electrode using a conductive filler, as the thickness increases, it becomes more difficult to equalize the conductivity and discharge characteristics, etc., and the electric field responsive polymer is expanded and contracted to change the shape. There is a problem that the non-uniformity of the discharge characteristics and the discharge characteristics becomes more remarkable.
この電極特性の不均等性は、電場の不均等性を生じる原因となり、結果的に素材の持つ絶縁耐電圧より低い電圧で絶縁破壊を起こすことで電場応答性高分子の破損につながっていた。 This non-uniformity of the electrode characteristics causes the non-uniformity of the electric field, resulting in the breakdown of the electric field responsive polymer by causing the dielectric breakdown at a voltage lower than the dielectric strength voltage of the material.
また、シリコンやアクリルなどのエラストマーを用いた誘電性の膜は、一般に、膜の内部に膜厚や架橋構造の不均等などの欠陥が存在しており、素材の持つ絶縁耐電圧より低い電圧で、部分的な絶縁破壊が起きる。あるいは、膜の表面に埃が付着することにより電場の集中が発生し、部分的な絶縁破壊が起きる。そのような絶縁破壊により、エラストマーに大きな破損が発生し、電場応答性高分子の耐久性を低下させていた。 Also, dielectric films using elastomers such as silicon and acrylic generally have defects such as uneven film thickness and cross-linked structure inside the film, and the voltage is lower than the insulation withstand voltage of the material. Partial dielectric breakdown occurs. Alternatively, dust is attached to the surface of the film, resulting in electric field concentration and partial breakdown. Due to such dielectric breakdown, the elastomer was greatly damaged, and the durability of the electric field responsive polymer was lowered.
これらの原因で膜が破損することを防ぐため、特許文献３に開示した発電装置においては、素材の持つ絶縁耐電圧より低い電圧で動作させていた。すなわち、この発電装置は、電場応答性高分子を用いて実用的レベルの起電力を得ることに成功した点で各方面から高い評価を受けているが、その一方で、絶縁耐電圧の低下は、印加可能なバイアス電圧の最大電圧を低下させ、その結果、発電効率を低下させる原因となっていた。さらに、発電効率が低下する結果、必要とされる発電量を賄うためには、電場応答性高分子の動作回数（伸張収縮回数）及び／又は変位（ストローク）を多くする必要があるが、このことが電場応答性高分子の疲労劣化を早め寿命を短くする原因になっていた。 In order to prevent the film from being damaged due to these causes, the power generation device disclosed in Patent Document 3 is operated at a voltage lower than the insulation withstand voltage of the material. In other words, this power generation device has received high evaluation from various points in that it has succeeded in obtaining an electromotive force at a practical level using an electric field responsive polymer. The maximum voltage of the bias voltage that can be applied is lowered, and as a result, the power generation efficiency is lowered. Furthermore, as a result of the reduction in power generation efficiency, it is necessary to increase the number of operations (stretching / shrinking) and / or displacement (stroke) of the electric field responsive polymer in order to cover the required amount of power generation. This has caused the fatigue deterioration of the electric field responsive polymer and shortened its life.
また、電場応答性高分子の耐久性は、主材となるエラストマーの性質で大きく左右される。電場応答性高分子を用いた発電では、シリコンやアクリルなどのエラストマーの膜を誘電膜として使用しており、膜の内部に存在する膜厚や架橋構造の不均等や繰り返し伸縮されることにより生じる機械的なダメージや物性的な劣化により、耐久性を向上させることが困難であった。 Further, the durability of the electric field responsive polymer greatly depends on the properties of the elastomer as the main material. Power generation using an electric field responsive polymer uses an elastomeric film such as silicon or acrylic as a dielectric film, which is caused by uneven film thickness or cross-linking structure existing inside the film or repeated expansion and contraction. It was difficult to improve durability due to mechanical damage and deterioration of physical properties.
以上のように、電場応答性高分子を用いた発電において、発電効率を高めるためには、バイアス電圧を上げる必要があり、一方、バイアス電圧を上げると、絶縁破壊を起こし耐久性が低下するというように、発電効率と耐久性にはトレードオフの関係があった。電場応答性高分子を用いた発電を実用化するためには、発電効率と耐久性の両方を向上させることが嘱望されていた。 As described above, in power generation using an electric field responsive polymer, in order to increase power generation efficiency, it is necessary to increase the bias voltage. On the other hand, when the bias voltage is increased, dielectric breakdown occurs and durability is reduced. Thus, there was a trade-off relationship between power generation efficiency and durability. In order to put power generation using an electric field responsive polymer into practical use, it was desired to improve both power generation efficiency and durability.
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、発電効率及び耐久性が改善された電場応答性高分子を提供することにある。 Therefore, a technical problem to be solved by the present invention, that is, an object of the present invention is to provide an electric field responsive polymer having improved power generation efficiency and durability.
本発明者らが鋭意研究を行った結果、電場応答性高分子の導電性フィラーにカーボンナノチューブを含有させること及び膜の機械的強度を高めること並びに電極の端部近傍で発生する電場集中（エッジ効果）への対策を講ずるが前記課題の解決に有効であるという全く新しい知見を得て、この知見に基づき本発明を完成するに到った。 As a result of intensive studies by the present inventors, inclusion of carbon nanotubes in a conductive filler of an electric field responsive polymer, enhancement of mechanical strength of the film, and electric field concentration (edge) generated near the end of the electrode While taking measures against (effects), we have obtained a completely new knowledge that it is effective in solving the above-mentioned problems, and have completed the present invention based on this knowledge.
まず、本請求項１に係る発明は、２つの柔軟な電極によって挟まれたエラストマー膜から構成され伸縮動作により起電力を生じる電場応答性高分子において、前記電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有していることによって、上記の課題を解決するものである。 First, the invention according to claim 1 is an electric field responsive polymer composed of an elastomer film sandwiched between two flexible electrodes and generating an electromotive force by an expansion and contraction operation. The electrode contains carbon nanotubes as a conductive filler. By doing so, the above-mentioned problems are solved.
ここで、本発明におけるカーボンナノチューブとは、炭素によって作られる六員環ネットワーク（グラフェンシート）が単層のシングルウォールナノチューブ（ＳＷＮＴ）と多層のマルチウォールナノチューブ（ＭＷＮＴ）との双方を含んだ広義のカーボンナノチューブを意味している。 Here, the carbon nanotube in the present invention is a broad sense in which a six-membered ring network (graphene sheet) made of carbon includes both a single-wall single-wall nanotube (SWNT) and a multi-wall multi-wall nanotube (MWNT). It means carbon nanotube.
そして、本請求項２に係る発明は、請求項１に係る電場応答性高分子において、前記エラストマー膜と電極との間に補強膜が設けられていることによって、前記課題をさらに解決したものである。 The invention according to claim 2 further solves the problem by providing a reinforcing film between the elastomer film and the electrode in the electric field responsive polymer according to claim 1. is there.
また、本請求項３に係る発明は、請求項２に係る電場応答性高分子において、前記補強膜が、エラストマー膜の端部近傍において肉厚に形成されていることによって、前記課題をさらに解決したものである。 Further, the invention according to claim 3 further solves the above-mentioned problem in the electric field responsive polymer according to claim 2 in which the reinforcing film is formed thick in the vicinity of the end of the elastomer film. It is a thing.
また、本請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに係る電場応答性高分子において、前記電極間にバイアス電圧として高電圧を印加することによって、前記課題をさらに解決したものである。 The invention according to claim 4 further solves the above problem by applying a high voltage as a bias voltage between the electrodes in the electric field responsive polymer according to any one of claims 1 to 3. It is a thing.
ここで、「高電圧」とは、具体的に何Ｖ以上と定義されるものではなく、電極の導電性フィラーが主としてカーボンブラックからなりカーボンナノチューブを含有していない従来の電場応答性高分子に印加することができるバイアス電圧に比べて高い電圧であるということを意味している。 Here, “high voltage” is not specifically defined as a voltage of V or more, but is a conventional electric field responsive polymer in which the conductive filler of the electrode is mainly made of carbon black and does not contain carbon nanotubes. This means that the voltage is higher than the bias voltage that can be applied.
なお、本発明における電場応答性高分子とは、誘電エラストマーを主たる構成要素としてクーロン力によって機械的変形から起電力を得たり、逆に電位差を与えることにより機械的な駆動力が得られるエレクトロアクティブポリマー（ＥＡＰ）の総称を意味しており、例えば、米国のカリフォルニア州に本拠を構えるＳＲＩインターナショナルで開発されたアクリル系樹脂やシリコーン系樹脂などからなるゴム状の薄い高分子（誘電体）を伸び縮み可能な柔軟な電極で挟んだ構造をしたＥＰＡＭ（イーパム：Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｍｕｓｃｌｅ）という商品名で提供されているものなどがある。 The electric field responsive polymer in the present invention is an electroactive material in which an electromotive force is obtained from a mechanical deformation by a Coulomb force with a dielectric elastomer as a main component, or a mechanical driving force is obtained by applying a potential difference. This is a general term for polymer (EAP). For example, a thin rubbery polymer (dielectric) made of acrylic resin or silicone resin developed at SRI International, based in California, USA, is stretched. There is an EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscular) that has a structure sandwiched between flexible contractible electrodes.
本請求項１に係る電場応答性高分子によれば、２つの柔軟な電極によって挟まれたエラストマー膜から構成され伸縮動作により起電力を生じ、電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有していることによって、導電性フィラー間の導電特性や放電特性が向上する。その結果、電極の厚さを、従来よりも薄くすることができ、電極の伸縮動作により生じる膜内の電場の不均等を減少させ、結果的に絶縁破壊を減少させ電場応答性高分子の耐久性を向上させることができるとともに、バイアス電圧の高電圧化を実現することができる。 According to the electric field responsive polymer according to the first aspect of the present invention, the electromotive force is generated by an expansion and contraction operation which is composed of an elastomer film sandwiched between two flexible electrodes, and the electrodes contain carbon nanotubes as conductive fillers. As a result, the conductive characteristics and discharge characteristics between the conductive fillers are improved. As a result, the thickness of the electrode can be made thinner than before, reducing the non-uniformity of the electric field in the film caused by the expansion and contraction of the electrode, resulting in a reduction in dielectric breakdown and the durability of the electric field responsive polymer. In addition, the bias voltage can be increased.
また、電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有していることによって、エラストマーの膜厚や架橋構造の不均等などの欠陥により生じる絶縁破壊が引き起こす膜の欠陥を、大きな欠陥に波及する前に電気アークによって局所化された絶縁層を形成させる、いわゆる自己修復機能が発揮され、大きな破損につながる前に絶縁破壊が解消され、結果的に、電場応答性高分子の耐久性を向上させることができる。この自己修復機能と呼ばれる現象は、はじめに絶縁破壊された部分を中心に円形に広がり、アークにより絶縁部を形成するものであって、電場応答性高分子の基本的な欠陥、例えば、膜厚の不均等、架橋構造の不均等、膜に付着している埃などに起因する絶縁破壊が大きな欠陥に波及するのを効果的に抑制する。そのため、電場応答性高分子の絶縁耐電圧を高めるのに絶大な高価を奏する。 In addition, since the electrode contains carbon nanotubes as conductive fillers, the film defects caused by dielectric breakdown caused by defects such as the film thickness of the elastomer and the unevenness of the cross-linked structure are The so-called self-healing function that forms a localized insulating layer by the arc is exhibited, and the dielectric breakdown is eliminated before leading to major damage, and as a result, the durability of the electric field responsive polymer can be improved. . This phenomenon called the self-healing function spreads in a circle around the first dielectric breakdown part and forms an insulating part by an arc. Basic defects of the electric field responsive polymer, for example, film thickness It effectively suppresses the occurrence of dielectric breakdown due to non-uniformity, non-uniform cross-linking structure, dust adhering to the film, etc. to a large defect. Therefore, it is extremely expensive to increase the withstand voltage of the electric field responsive polymer.
さらに、自己修復機能により絶縁耐電圧が上昇するため、従来よりも高いバイアス電圧を電場応答性高分子に印加することができ、発電効率の飛躍的な向上が実現できる。 Furthermore, since the withstand voltage increases due to the self-repair function, a higher bias voltage than before can be applied to the electric field responsive polymer, and the power generation efficiency can be dramatically improved.
すなわち、電場応答性高分子の発生エネルギーと印加電圧との間には、Ｅ：発生エネルギー（Ｊ）、Ｃ１：変形後の静電容量（Ｆ）、Ｃ２：変形前の静電容量（Ｆ）、Ｖｂ：バイアス電圧（Ｖ）とすると、Ｅ＝０．５Ｃ１Ｖｂ ２（Ｃ１／Ｃ２ー１）という関係が成立するので、バイアス電圧を上昇させることができることにより、発電エネルギーＥは、バイアス電圧Ｖｂの二乗に比例して増大するので従来よりきわめて効率の良い発電が可能になる。 That is, between the generated energy of the electric field responsive polymer and the applied voltage, E: generated energy (J), C 1 : capacitance after deformation (F), C 2 : capacitance before deformation ( F), V b: When the bias voltage (V), and the relation of E = 0.5C 1 V b 2 ( C 1 / C 2 -1) is satisfied, by which it is possible to increase the bias voltage, the generator Since the energy E increases in proportion to the square of the bias voltage Vb , it is possible to generate power that is much more efficient than before.
また、電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有していることにより、導電性、放電特性が向上し、電極を薄くすることができ、電場応答性高分子の軽量化などが実現できる。 In addition, since the electrode contains carbon nanotubes as the conductive filler, the conductivity and discharge characteristics are improved, the electrode can be thinned, and the electric field-responsive polymer can be reduced in weight.
次に、本請求項２に係る電場応答性高分子によれば、請求項１に係る電場応答性高分子において、エラストマー膜と電極との間に補強膜が設けられていることにより、電場応答性高分子の機械的強度が増加するので、電場応答性高分子の耐久性が格段に向上する。 Next, according to the electric field responsive polymer according to claim 2, the electric field responsive polymer according to claim 1 is provided with a reinforcing film between the elastomer film and the electrode. Since the mechanical strength of the conductive polymer increases, the durability of the electric field responsive polymer is significantly improved.
さらに、本請求項３に係る電場応答性高分子によれば、請求項２に係る電場応答性高分子において、補強膜が、エラストマー膜の端部近傍において肉厚に形成されていることによって、電極の縁端部において電場集中が起こり、絶縁破壊が起きやすいと言う、いわゆるエッジ効果（ｅｄｇｅ ｅｆｆｅｃｔ）による放電現象を効果的に防止し、エラストマー膜の破損を防止することができるとともに、バイアス電圧を高くすることができ、結果として発電効率及び耐久性が格段に向上する。ここで、電場応答性高分子の具体的なバイアス電圧は、膜の材質、膜厚などによって異なるが、例えば、バイアス電圧が４０００ＶのＥＰＡＭと対比した場合、本発明によれば、バイアス電圧を２０００Ｖ以上引き上げることが可能である。 Furthermore, according to the electric field responsive polymer according to claim 3, in the electric field responsive polymer according to claim 2, the reinforcing film is formed thick in the vicinity of the end of the elastomer film. Electric field concentration occurs at the edge of the electrode, and it is possible to effectively prevent a discharge phenomenon due to the so-called edge effect that dielectric breakdown is likely to occur. As a result, power generation efficiency and durability are greatly improved. Here, the specific bias voltage of the electric field responsive polymer varies depending on the material and thickness of the film. For example, when compared with EPAM having a bias voltage of 4000 V, according to the present invention, the bias voltage is set to 2000 V. It can be raised above.
また、本請求項４に係る電場応答性高分子によれば、請求項１乃至請求項３のいずれかに係る電場応答性高分子において、電極間にバイアス電圧として高電圧を印加することにより、前述の説明のとおり、従来より効率の良い発電が可能になる。その結果、同じ発電量を得るのに必要な変位（ストローク）を小さくすることができ、又、動作回数（伸張収縮回数）を少なくできることから電場応答性高分子の疲労劣化を抑制でき、耐久性が飛躍的に向上する。 Moreover, according to the electric field responsive polymer according to claim 4, in the electric field responsive polymer according to any one of claims 1 to 3, by applying a high voltage as a bias voltage between the electrodes, As described above, it is possible to generate power more efficiently than before. As a result, the displacement (stroke) required to obtain the same amount of power generation can be reduced, and the number of operations (number of expansion and contraction) can be reduced. Will improve dramatically.
本発明の電場応答性高分子は、２つの柔軟な電極によって挟まれたエラストマー膜から構成され伸縮動作により起電力を生じ、電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有しているものであって、発電効率及び耐久性が改善されたものであれば、その具体的な実施の態様は、如何なるものであっても何ら構わない。 The electric field responsive polymer of the present invention is composed of an elastomer film sandwiched between two flexible electrodes, generates an electromotive force by an expansion and contraction operation, and the electrode contains carbon nanotubes as a conductive filler, As long as the power generation efficiency and durability are improved, any specific embodiment may be used.
なお、電場応答性高分子から起電力を得るための具体的な回路構成については、前述した特許文献３に詳述しているので、ここでは説明を割愛する。 Note that a specific circuit configuration for obtaining an electromotive force from the electric field responsive polymer is described in detail in the above-described Patent Document 3, and thus the description thereof is omitted here.
本発明の実施例１を図１に基づいて説明する。ここで、図１は、本発明の実施例１である電場応答性高分子の断面図である。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Here, FIG. 1 is a cross-sectional view of an electric field responsive polymer which is Example 1 of the present invention.
本発明の実施例１の電場応答性高分子１００は、図１に示すように、シリコンやアクリルなどのエラストマー膜１２０の両面に、伸び縮み可能な電極１４０を接着している。さらに、この電極に導電性フィラーとして単層カーボンナノチューブなどのカーボンナノチューブ１５０を分散させている。
As shown in FIG. 1, the electric field
カーボンナノチューブ１５０を電極に分散させる方法としては、例えば、カーボンナノチューブと界面活性剤である例えばドデシルベンゼンスルフォン酸ナトリウム（ＳＤＳ）との混合物に蒸留水を加え、３０分以上超音波振動を加える方法などを採用することが出来る。膜の成膜には、例えば、クラス１００（1立方フィートあたりの空気に、粒径０．５μｍ以上の塵埃の粒子個数が１００以下）と呼ばれるようなロークラスのクリーンルーム中で行い、膜中あるいは膜表面に塵や埃が混入したり付着したりするのを防止するとともに、雰囲気温度の制御を行うことにより均質な膜を成膜する。
Examples of the method for dispersing the
このような構成をとることにより、導電性フィラー間の導電特性が向上し、その結果、電極の厚さを従来より薄くすることができ、電極変形の違いにより生じる電場の不均等が減少し、結果的に絶縁破壊が減少し、電場応答性高分子の耐久性が向上する。 By taking such a configuration, the conductive characteristics between the conductive fillers are improved, and as a result, the thickness of the electrode can be made thinner than before, and the electric field non-uniformity caused by the difference in electrode deformation is reduced, As a result, dielectric breakdown is reduced and durability of the electric field responsive polymer is improved.
また、エラストマーの膜厚や架橋構造の不均等などの欠陥により生じる絶縁破壊が引き起こす膜の欠損や、電極組成の不均等により生じる電場の集中が引き起こす電極の局所的絶縁破壊が大きな欠損につながる前に絶縁層を形成させる、いわゆる自己修復機能が発揮されることにより、大きな欠損につながる前に絶縁破壊が解消される。その結果、電場応答性高分子の耐久性が格段に向上する。 In addition, loss of film caused by dielectric breakdown caused by defects such as non-uniformity of elastomer film thickness and cross-linked structure, and local breakdown of electrodes caused by concentration of electric field caused by non-uniformity of electrode composition lead to large defects. By exhibiting a so-called self-repairing function that forms an insulating layer, dielectric breakdown is eliminated before leading to a large defect. As a result, the durability of the electric field responsive polymer is significantly improved.
さらに、絶縁耐電圧が上昇することにより、電場応答性高分子へのバイアス電圧を上げることができる。 Furthermore, the bias voltage to the electric field responsive polymer can be increased by increasing the dielectric strength voltage.
電場応答性高分子の発生エネルギーとバイアス電圧との間には、Ｅ：発生エネルギー（Ｊ）、Ｃ１：変形後の静電容量（Ｆ）、Ｃ２：変形前の静電容量（Ｆ）、Ｖｂ：バイアス電圧（Ｖ）とすると、
Ｅ＝０．５Ｃ１Ｖｂ ２（Ｃ１／Ｃ２ー１）
という関係が成立するので、バイアス電圧Ｖｂを上昇させることができることにより、発生エネルギーＥは、バイアス電圧Ｖｂの二乗に比例して増大するため、従来より格段に効率の良い発電が可能になる。
Between the generated energy of the electric field responsive polymer and the bias voltage, E: generated energy (J), C 1 : capacitance after deformation (F), C 2 : capacitance before deformation (F) , V b : Bias voltage (V)
E = 0.5C 1 V b 2 ( C 1 / C 2 -1)
Therefore, since the bias voltage V b can be increased, the generated energy E increases in proportion to the square of the bias voltage V b , so that power generation that is much more efficient than before is possible. .
本発明の実施例２を図２に基づいて説明する。ここで、図２は、本発明の実施例２である電場応答性高分子の断面図である。 A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Here, FIG. 2 is a cross-sectional view of an electric field responsive polymer which is Embodiment 2 of the present invention.
本発明の実施例２の電場応答性高分子２００は、図２に示すように、シリコンやアクリルなどのエラストマー膜２２０の両面に、補強膜２３０としてネオプレーンゴムなどのエラストマーを薄くコーティングしている。この時、補強膜２３０をエラストマー膜２２０の縁端部近傍において肉厚に形成する。
As shown in FIG. 2, the electric field
このような構成にすることにより、電極の縁端部において電界の集中が起こり、絶縁破壊が起きやすいと言う、いわゆるエッジ効果による放電現象を効果的に防止し、エラストマー膜２２０の破損を防止することができるとともに、バイアス電圧をさらに高くすることができ、結果として発電効率のより一層の向上を実現することができる。
By adopting such a configuration, the electric field is concentrated at the edge of the electrode, so that the discharge phenomenon due to the so-called edge effect that the dielectric breakdown is likely to occur is effectively prevented, and the
次に、前述した本発明の電場応答性高分子を伸縮させるための使用形態について説明する。 Next, the use form for expanding and contracting the electric field responsive polymer of the present invention described above will be described.
（本発明の電場応答性高分子の第１使用形態：平面タイプ）
図３は、電場応答性高分子３００を機械的エネルギーを伝達するための構造部３６０と構造部の固定部３５０との間に平面状に張架して使用する、いわゆる平面タイプの使用形態を示している。
(First usage pattern of electric field responsive polymer of the present invention: plane type)
FIG. 3 shows a so-called plane type usage form in which the electric field
このタイプは、構造部３６０と固定部３５０との距離を変化させることにより電場応答性高分子３００を伸縮させて膜の両面に配設されている２枚の電極３４０間に起電力を発生させる。なお、図３において、符号３２０及び３３０で示した部材は、電場応答性高分子３００の主材であるエラストマー膜と補強膜とを示している。
In this type, an electromotive force is generated between the two
（本発明の電場応答性高分子の第２使用形態：ダイアフラムタイプ）
図４は、電場応答性高分子４００を円周状の構造部の固定部４５０と中心に置かれた円形の構造部４６０との間に張架して使用する、いわゆるダイアフラムタイプの使用形態を示している。このタイプは、固定部４５０と構造部４６０との相対的な位置関係を変化させることにより電場応答性高分子４００を伸縮させて膜の両面に配設されている２枚の電極４４０間に起電力を発生させる。なお、図４において、符号４２０及び４３０で示した部材は、電場応答性高分子４００の主材であるエラストマー膜と補強膜を示している。
(Second usage pattern of the electric field responsive polymer of the present invention: diaphragm type)
FIG. 4 shows a so-called diaphragm type usage form in which the electric field
（本発明の電場応答性高分子の第３使用形態：ロールタイプ）
図５は、電場応答性高分子５００を離間して配設された円柱状の構造部５６０と構造部の固定部５５０との間に円筒状に張架して使用する、いわゆるロールタイプの使用形態を示している。このタイプは、固定部５５０と構造部５６０との距離を変化させることにより電場応答性高分子５００を伸縮させて膜の両面に配設されている２枚の電極５４０間に起電力を発生させる。なお、図５において、符号５２０及び５３０で示した部材は、電場応答性高分子５００の主材であるエラストマー膜と補強膜を示している。
(Third usage pattern of the electric field responsive polymer of the present invention: roll type)
FIG. 5 shows the use of a so-called roll type in which the electric field
電場応答性高分子は、折ったり、丸めたり、どのような形にもすることが可能なため、前述のように、多様な形状を有した発電装置を製作することが可能である。 Since the electric field responsive polymer can be folded, rounded, or formed into any shape, it is possible to manufacture power generation devices having various shapes as described above.
以上のように、本発明の電場応答性高分子によれば、電極に導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有させた薄い電極と、膜の機械的強度を高める補強膜と、電極の端部近傍で発生する電場集中（エッジ効果）に対する対策との相乗効果により、膜の絶縁耐電圧が向上し、それに伴うバイアス電圧の上昇により発電効率が向上し、さらには、発電効率の向上の結果、必要とされる変位（ストローク）及び動作回数（伸張収縮回数）が低減することによって膜の耐久性が向上し、加えて、膜の機械的強度も上げられるなど、各々の要素技術からは予見しがたい絶大な効果が奏される。 As described above, according to the electric field responsive polymer of the present invention, a thin electrode containing carbon nanotubes as a conductive filler in the electrode, a reinforcing film that increases the mechanical strength of the film, and the vicinity of the end of the electrode As a result of the synergistic effect with countermeasures against the generated electric field concentration (edge effect), the dielectric breakdown voltage of the film is improved, and the power generation efficiency is improved due to the accompanying increase in bias voltage. It is hard to foresee from each elemental technology that the durability of the membrane is improved by reducing the displacement (stroke) and the number of operations (stretching / shrinking) and the mechanical strength of the membrane is increased. Great effect is produced.
本発明の電場応答性高分子は、簡単な構成で、メンテナンスもほとんど必要なく、遅いストロークで発電するさまざまな条件下及びさまざまな分野で利用可能である発電手段を提供するものであって、波力、水力、風力などの自然エネルギーによる発電をはじめ、例えば、電気・電子機器制御用ワイヤレスリモコンの電源スイッチ一体型電源、電気・電子機器の操作に伴う運動エネルギーによる発電装置、携帯電子機器に接続されたストラップの形状変化を利用した発電装置、樹木の幹や枝の揺れを利用した発電装置、排ガスなどの気体圧力を用いた発電装置、排水などの水圧を用いた発電装置、乗り物が走行する時に生じる振動や衝撃により発電する装置、非常用電源として人力によって発電する装置、トンネル内などの狭い空間で生じる圧力変化により発電する装置、衣類に設置することにより人や動物の動きで発電する装置など、その産業上の利用可能性は、きわめて高い。 The electric field responsive polymer of the present invention provides a power generation means that can be used in various conditions and various fields for generating electric power with a slow stroke with a simple configuration and little maintenance. Power generation using natural energy such as power, hydropower, wind power, etc., for example, power switch integrated power source for wireless remote control for controlling electric and electronic devices, power generation device using kinetic energy associated with operation of electric and electronic devices, and connection to portable electronic devices A power generator using the shape change of the strap, a power generator using a swing of a tree trunk or a branch, a power generator using a gas pressure such as exhaust gas, a power generator using a water pressure such as drainage, and a vehicle travel Occurring in a narrow space such as a device that generates power by vibration or shock that occurs occasionally, a device that generates power by human power as an emergency power source, or inside a tunnel Apparatus for generating power by the force changes, such as an apparatus for power generation by the movement of people and animals by placing the garment, the availability of its industry is extremely high.
１００、２００、３００、４００、５００ ・・・ 電場応答性高分子
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０ ・・・ エラストマー膜
２３０、３３０、４３０、５３０ ・・・ 補助膜
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０ ・・・ 電極
３５０、４５０、５５０ ・・・ 固定部
３６０、４６０、５６０ ・・・ 構造部
100, 200, 300, 400, 500 ... Electric field
Claims (4)
前記電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有していることを特徴とする電場応答性高分子。 In an electric field responsive polymer composed of an elastomer film sandwiched between two flexible electrodes and generating an electromotive force by an expansion and contraction operation,
An electric field responsive polymer, wherein the electrode contains a carbon nanotube as a conductive filler.
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