JP2013541203A - 圧電ポリマー素子、圧電ポリマー素子の製造方法及び圧電ポリマー素子の製造装置 - Google Patents
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Abstract
中実な断面を有し、該断面は全体にわたって略均一な組成を有する繊維またはフィルムのような圧電ポリマー素子が記載される。上述の圧電ポリマー素子の製造方法が記載される。この圧電ポリマー素子の製造方法は、圧電ポリマー素子を形成する方法ポリマー材料を押し出すと同時的に前記ポリマー材料の押し出された領域を分極処理する工程を有している。顆粒供給材料からポリマー素子を押し出す押し出し機と、ポリマー素子の押し出しと同時的に前記ポリマー素子の押し出された領域を横断するように電界を印加する一対の電極とを備える上述の圧電ポリマー素子の製造装置が記載される。２つの導電層の間に挿入された上述の圧電ポリマー素子を有する圧電構造体が記載される。圧電構造体の２つの導電層がそれぞれ整流回路の各端子に接続された力学的エネルギーを電気的エネルギーに変換するシステムが記載される。
【選択図】 なし
【選択図】 なし
Description
本発明は、繊維(fibres)またはフィルム(films)のような圧電ポリマー素子(piezoelectric polymer elements)に関する。本発明はまた、圧電ポリマー素子の製造方法及び圧電ポリマー素子の製造装置に関する。本発明はさらに、導電層及び圧電ポリマー繊維を備える圧電構造物(piezoelectric constructs)並びに該圧電構造物を利用(incorporating)するエネルギー変換システムに関する。
圧電材料は、様々な用途に広く使用されている。成功が最小である圧電セラミック材料を使用して、圧電材料を発電分野に利用するための種々の試みが行われている。１９６９年に圧電性がポリマーに発見されて以来、種々の用途に基づく研究（application-based studies）が報告されている。約３５ｐＣ／Ｎの電荷変位係数（charge displacement coefficient）、即ち圧電定数ｄ３３を有するポリマーは、圧電材料の候補としてよく知られている。ポリマー及びポリマーブレンドは、薄いフィルム形状または繊維形状に簡単に溶融押し出しすることができる。ポリマー及びポリマーブレンドは、溶融温度が比較的低い（例えばポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride (PVDF))は１７５℃付近で溶融する）ので、セラミックよりも簡単に処理を行うことができる。高い圧電挙動（piezoelectric behaviour）を示す可塑性ポリマーの有用性は、再生可能エネルギー（renewable energy）への要求の高まりと相まって、圧電材料を使用する電気的エネルギーの生成が現在魅力的な選択肢となっている。
圧電材料としてのポリマーについての従来の研究として、薄膜またはバルクサンプルのの例の開発が報告されている。ポリマー繊維は、センサー、アクチュエータ及び環境発電（エナジースカベンジング（energy scavenging））装置のような種々の潜在用途（potential applications）を有している。繊維製品（textiles）のような２次元構造の形態、またはロープのような１次元構造の形態にポリマー繊維を用いると、新しい環境発電用途の潜在性が広がる。利用可能な環境発電用の繊維製品用途としては、電気的エネルギーを生成するために風、雨、潮及び波から機械的（力学的）エネルギーを得る構造体とすることができる。
従来の研究では、マクロ繊維複合材（macro-fibre composite (ＭＦＣ)）を使用して環境発電（エナジーハーベスティング（energy harvesting technique））技術の概念実証（proof of concept）が行われている。従来の研究で使用されるＭＦＣは、圧電性のチタン酸ジルコン酸鉛（（lead zirconate titanate）ＰＺＴ）繊維の複合材料であった。ＰＺＴ繊維は可塑性がないため、環境発電用圧電材料として使用するためには複合材料として製造する必要がある。その一方で、ポリマー繊維は可塑性を有しており、複合材料並びに２次元及び３次元複合構造の製造に用いることができる。そのためポリマー繊維は、特に圧電セラミックよりもコスト効率よく製造することができるのであれば、広い用途に使用することが可能となる。
従来の研究では、多層構造体（multi-layer construct）の圧電コポリマー繊維（piezoelectric copolymer fibre）を製造するために複数段階に及ぶ複雑な処理が行われている。しかしながらこの従来の製造方法は複雑であり、能率的な連続製造プロセス（streamlined continuous production process）にまとめることが容易ではない多くの処理ステージを必要とする。
そのため本発明の実施例の目的は、繊維またはフィルムのように単純な構造を有する改良した圧電ポリマー素子を提供することにある。本発明の実施例の他の目的は、圧電ポリマー素子を連続プロセスにより製造する改良された方法を提供することにある。本発明の実施例のさらなる目的は、本発明の改良した製造方法を用いる圧電ポリマー素子の製造装置を提供することにある。本発明の実施例のさらに他の目的は、機械的（力学的）エネルギーを電気的エネルギーに変換するために本発明の改良された圧電ポリマー素子を備える圧電構造体を提供すること、及び該圧電構造体を備える電力変換システムを提供することにある。
［発明の概要］
本発明の第１の態様によれば、ポリマー材料を押し出すのと同時的にポリマー材料の押し出された領域を分極処理する工程を有する圧電ポリマー素子の製造方法が提供される。
本発明の第１の態様によれば、ポリマー材料を押し出すのと同時的にポリマー材料の押し出された領域を分極処理する工程を有する圧電ポリマー素子の製造方法が提供される。
本発明によれば、押し出しと分極処理とが連続的に行われるので、製造処理を簡単にすることができる。
圧電ポリマー素子は繊維であることが好ましい。
あるいは圧電ポリマー素子はフィルムであることが好ましい。
圧電ポリマー素子は、ポリマー顆粒の供給材料から押し出されたものであることが好ましい。ポリマー顆粒は、ポリ（ビニリデンフルオライド）、ポリプロピレンまたはポリエチレンから形成することができる。ポリマー顆粒は、圧電セラミック粒子が分散されたポリマーから形成することができる。圧電セラミック粒子は、ＰＺＴまたはＰＭＴ−ＰＴとすることができる。
圧電ポリマー素子は、溶融押し出し機から押し出されたものであることが好ましい。溶融押し出し機は、フィードスクリューにおいて融点を超える第１の温度に圧電ポリマーを維持し、押し出しダイにおいて第１の温度よりも高い第２の温度に圧電ポリマーを維持してもよい。好ましい実施の形態においては、第１の温度は融点よりも２０度高い温度とすることができ、第２の温度はポリマーの融点よりも３０度高い温度とすることができる。
押し出された圧電ポリマー素子は、送風機で空冷することができる。圧電ポリマー素子の押し出された領域は、分極処理の前に１以上の冷却されたロールを越えて引き出してもよい。
圧電ポリマー素子の押し出された領域は、分極処理の前に１以上の加熱されたロールを越えて引き出してもよい。圧電ポリマー素子の押し出された領域は、ガラス転移温度よりも高く、溶融温度よりも低い温度に加熱されることが好ましい。押し出された領域は、６０乃至９０℃まで加熱してもよい。より好ましくは、押し出された領域は、約７０℃まで加熱される。
押し出された領域は、分極処理の前に押し出された領域が塑性的に伸張するように、降伏点を超える圧力下で引き出されることが好ましい。押し出された領域は、少なくとも２：１の伸張比になるように可塑的に伸張させてもよい。より好ましくは、伸張比は、少なくとも３：１である。より好ましくは、伸張比は、少なくとも４：１である。より好ましくは、伸張比は、約４：１である。押し出された領域は、押し出された後分極処理の前の厚みが押し出し前の厚みの４分の１の厚みになるように伸張することが有効である。
分極は、押し出された領域の両側から電界を印加することにより行われる。０．５ＭＶ／ｍ乃至１．５ＭＶ／ｍの電界を印加することが好ましい。１．０ＭＶ／ｍ乃至１．３ＭＶ／ｍの電界を印加することがより好ましい。一実施の形態においては、約１ＭＶ／ｍの電界を印加することができる。
本発明の第２の態様によれば、顆粒供給材料からポリマー素子を押し出す押し出し機と、ポリマー素子の押し出しと同時的にポリマー素子の押し出された領域の両側から電界を印加する一対の電極とを備える圧電ポリマー素子の製造装置が提供される。
押し出し機は溶融押し出し機であることが好ましい。溶融押し出し機は、フィードスクリューを顆粒供給材料の融点を超える第１の温度に維持し、押し出しダイを第１の温度よりも高い第２の温度に維持することが好ましい。好ましい実施の形態では、第１の温度を融点より約２０℃高くし、第２の温度を融点よりも約３０℃高くすることができる。圧電ポリマー素子の製造装置は、送風機を備えていることが好ましい。圧電ポリマー素子の製造装置は、複数の水冷ローラを備えたものとすることができる。圧電ポリマー素子の製造装置は、複数の加熱ローラを備えたものとすることができる。複数の加熱ローラは、ガラス転移点よりも高く顆粒供給材料の融点よりも低い温度に維持されることが好ましい。複数の加熱ローラの温度は、６０℃乃至９０℃あることが好ましい。複数の加熱ローラの温度は、７０℃乃至８０℃の間であることがより好ましい。複数の加熱ローラの温度は、約７５℃であることがより好ましい。電極は、０．５ＭＶ／ｍ乃至１．５ＭＶ／ｍの電界を押し出された領域に印加することが有効である。電極は、１．０ＭＶ／ｍ乃至１．３ＭＶ／ｍの電界を押し出された領域に印加することがより好ましい。一実施の形態においては、電極は、約１．０ＭＶ／ｍの電界を押し出された領域に印加するものとすることができる。電極は高圧電力供給装置に接続されていることが好ましい。
本発明の第２の態様は、要求または必要に応じて、本発明の第１の態様の任意の特徴を組み込むことができる。
本発明の第３の態様によれば、中実な断面を有し、該断面は全体にわたって略均一な組成である圧電ポリマー素子が提供される。
圧電ポリマー素子は、ポリ（ビニリデンフルオライド）、ポリプロピレンまたはポリエチレンから形成されていることが好ましい。圧電ポリマー素子は、圧電セラミック粒子が分散されたポリマーを有していてもよい。圧電セラミック粒子は、ＰＺＴまたはＰＭＴ−ＰＴとすることができる。
圧電ポリマー素子は繊維であることが有効である。あるいは圧電ポリマー素子はフィルムである。
本発明の第３の態様は、要求または必要に応じて、本発明の第１及び第２の態様の任意の特徴を組み込むことができる。
本発明の第４の態様によれば、２つの導電層と、この２つの導電層の間に挿入される１以上の圧電ポリマー素子とを備えた圧電構造体が提供される。
導電層は金属であることが有効である。導電層はアルミニウムであることが好ましい。一方または両方の導電層は、薄いシート、フィルムまたは箔であることが好ましい。１以上の圧電ポリマー素子は、複数の繊維を備えることが好ましい。あるいは１以上の圧電ポリマー素子は、少なくとも一つの薄いシートまたはフィルムを備えることができる。
本発明の第４の態様は、要求または必要に応じて、本発明の第１、第２及び第３の態様の任意の特徴を組み込むことができる。
本発明の第５の態様によれば、圧電構造体を備えて機械的（力学的）エネルギーを電気的エネルギーに変換するシステムであって、２つの導電層はそれぞれ、整流回路の各端子に接続されているエネルギー変換システムが提供される。
整流回路は、エネルギー蓄積装置に接続されていることが有利である。整流回路は、電気負荷に接続されていることが好ましい。
本発明の第５の態様によれば、要求または必要に応じて、本発明の第１、第２、第３及び第４の態様の任意の特徴を組み込むことができる。
本発明をより明確に理解できるように、図面を参照して本発明の実施の形態を例としてのみ説明する
図１には、原料の顆粒（raw material granules）から圧電ポリマー繊維またはフィルムを製造するプロセスを示す本発明の一実施の形態が示されている。図２には、この製造プロセスを連続的に実施する製造装置を示す本発明の他の実施の形態が示されている。この製造プロセスは、従来の公知の方法と比較した場合に、圧電ポリマー繊維を安価に及び／またはより短時間で製造する方法を可能にする。この製造プロセスでは、当業者によって理解され実施されているように、各段階での溶融押し出し温度、溶融押し出しされた繊維の冷却、ポリマー顆粒の供給割合並びに印加電圧、伸張比（降伏点を超える歪み）及び分極処理の際の温度のような分極パラメータの最適化が要求される。このような製造プロセスの一例について、各工程ごとに以下に詳細に説明する。分極化されたポリマー繊維は、機械的（力学的）刺激が繊維に付与されたときに、電圧を発生するために使用することができ、逆の場合も同様である。
本発明の好ましい実施の形態においては、繊維またはフィルムを押し出すために、高純度のポリマー顆粒が、溶融押出機のフィードスクリュードライブ（２）内の供給材料（１）として使用されている。スクリューの速度は、製造される繊維またはフィルムの最終的な直径に重要な役割を果たすので、慎重に選択されるべきである。供給材料のポリマーは、フィードスクリューに最も適しているので、顆粒形態であることが好ましい。粉末のような他の形態の供給材料では、フィードスクリューが頻繁に詰まることとなる。実施可能な一実施の形態では、厚さ２ｍｍの繊維を押し出すために、４ｍｍのモノフィラメント・ダイ（monofilament die）（３）を使用する。押し出し温度は、フィードスクリュー（２）の内部のポリマーの融点よりも２０℃高く維持され、繊維が押し出されるダイ（３）において３０℃高く維持される。押し出された繊維は次に、複数のローラを使用して前方で巻き取られるまでの間に、送風機（４）で空冷される。初期ステージのローラ（５，６）は、押し出された繊維のさらなる冷却を促進するように水冷されている。送風機の送風速度（air speed）及び水冷ローラの水流速（water flow rate）はいずれも、当業者に明白なように、繊維またはフィルムの冷却速度を決定するとともに、押し出された繊維の機械特性及び微細構造特性（mechanical and micro structural properties）を最適化するように調整される。特に、繊維／フィルムの厚みが増加した場合には、最適な冷却速度（cooling rate）を維持するために、送風速度及び水流速の一方または両方が増加させられることになる。
圧電分極（分極処理）は、押し出されたポリマーの圧電挙動（piezoelectric behaviour）を誘起するために必要とされる。好ましい実施の形態では、分極処理は、押し出しプロセスの下流で押し出しプロセスと同時的に、押し出された繊維またはフィルムを一対の帯電電極間に搬送することにより行われる。温度、歪み（降伏を超える伸長）及び電界の印加はそれぞれ、達成される分極処理の程度において重要な役割を果たす。例えば、ＰＶＤＦの顆粒から繊維またはフィルムを押し出す本発明の一実施の形態においては、温度７０℃、伸張比４：１で、約１ＭＶ／ｍの強度の電界を印加して分極することにより、最も高い分極電荷係数（polarisation charge coefficient）とすることができる。所望の温度が得られるようにサーモスタット制御の加熱コイル（thermostatically controlled heating coil）をそれぞれ有するローラ（７，８）を備えることにより、分極処理の温度を得るようにしてもよい。好ましい実施の形態においては、ポリマー繊維／フィルムが分極ステージの直前に複数のローラを通過する際に温度７０℃のポリマー繊維／フィルムが得られるように、複数のローラ（７，８）は、温度７５℃に維持される。一実施の形態においては、ポリマー繊維またはフィルムが２つの金属電極（９，１０）の間を通過するときに、高電圧電源（high voltage power supply）を使用してポリマー繊維またはフィルムの全体に１３ｋＶの電圧が印加される。ポリマー繊維またはポリマーフィルムは、巻き取りロール（winding rolls）の速度比を４：１に維持することにより、４：１の伸張率となるように、降伏点を超えて加圧される。４ｍｍのフィラメントを４：１の比で延伸した場合には、ポリマー構造体（１２）の最終的な直径は、４ｍｍからダイの出口点において２ｍｍまで小さくなる。厚さ４ｍｍのフィルムを伸張比４：１で伸張した場合には、フィルムの最終的な厚さは、４ｍｍからダイの出口点で１ｍｍまで減少する。これらのパラメータは、一例としてのみ与えられており、他のパラメータを適用することができる。さらに、適切なパラメータの任意の組み合わせとして、伸張比、分極温度及び印加電圧はそれぞれ、残りの他の２つの性質の一方または両方を変更することにより個別に変更することができる（例えば分極温度は、印加電圧の増加または伸張比の増加の一方または両方により、僅かな程度ではあるが低くすることができる。）。
このようなプロセスにより製造された繊維又はフィルムは、２つの電極層の間に組み込まれて圧電構造体を形成する。このような構造体は、使用時において、力学的エネルギーを電気的エネルギーに変換する。好ましい実施の形態においては、圧電ポリマー繊維（１２）は、電極（１３，１４）として作用する２つの薄いアルミニウムシートの間に組み込まれる。圧電ポリマー繊維は、上部電極（１３）が下部電極（１４）と接触しないようにぎっしりと詰められる。上部電極及び下部電極は、エネルギー発生ポリマー圧電素子（energy- generating polymer piezoelectric device）の正極及び負極として機能する。好ましい実施の形態では、４つのダイオード及びキャパシタを有するブリッジ整流器のような整流回路（１５）を使用して、変化する機械的刺激の下で圧電構造体により発生する種々の周波数の変動する電圧を整流して、より安定した直流電圧を出力する。整流された電圧出力は、１以上の電池またはスーパーキャパシタのような蓄電装置（１６）への供給、電気負荷に直接接続してオンラインでの使用、またはこれら両方に使用することができる。
上記実施の形態は例としてのみ記載されたものである。当業者にとって明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変形が可能である。
Claims (39)
- ポリマー材料を押し出すのと同時的に前記ポリマー材料の押し出された領域を分極処理する工程を有することを特徴とする圧電ポリマー素子の製造方法。
- 前記圧電ポリマー素子は繊維である請求項１に記載の圧電ポリマー素子の製造方法。
- 前記圧電ポリマー素子はフィルムである請求項１に記載の圧電ポリマー素子の製造方法。
- 前記圧電ポリマー素子は、ポリマー顆粒の供給材料から押し出されたものである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電ポリマー素子の製造方法。
- 前記ポリマー顆粒は、圧電セラミック粒子が分散されたポリマーである請求項４に記載の圧電ポリマー素子の製造方法。
- 前記圧電ポリマー素子は、溶融押し出し機から押し出されたものである請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電ポリマー素子の製造方法。
- 前記ポリマーは、前記押し出し機のフィードスクリューにおいて前記ポリマーの融点を超える第１の温度に維持され、かつ、前記押し出し機の押し出しダイにおいて第１の温度よりも高い第２の温度に維持されている請求項６に記載の圧電ポリマー素子の製造方法。
- 前記第１の温度は、前記ポリマーの融点よりもほぼ２０度高い請求項７に記載の圧電ポリマー素子の製造方法。
- 前記第２の温度は、前記ポリマーの融点よりもほぼ３０度高い請求項７または８に記載の圧電ポリマー素子の製造方法。
- 前記押し出された領域は、分極処理の前に１以上の加熱されたロールを越えて引き出される請求項１乃至９のいずれか１項に記載の圧電ポリマー素子の製造方法。
- 前記押し出された領域は、ガラス転移温度とポリマーの溶融温度との間の温度に加熱される請求項１０に記載の圧電ポリマー素子の製造方法。
- 前記押し出された領域は６０乃至９０℃まで加熱される請求項１０に記載の圧電ポリマー素子の製造方法。
- 前記押し出された領域は約７０℃まで加熱される請求項１２に記載の圧電ポリマー素子の製造方法。
- 前記押し出された領域は、分極処理の前に前記押し出された領域が塑性的に伸張するように、降伏点を超える圧力下で引き出される請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の圧電ポリマー素子の製造方法。
- 前記押し出された領域は少なくとも２：１の伸張比で可塑的に伸張されている請求項１４に記載の圧電ポリマー素子の製造方法。
- 前記伸張比は少なくとも３：１である請求項１５に記載の圧電ポリマー素子の製造方法。
- 前記伸張比は少なくとも４：１である請求項１６に記載の圧電ポリマー素子の製造方法。
- 前記伸張比は約４：１である請求項１７に記載の圧電ポリマー素子の製造方法。
- 前記分極は、前記押し出された領域の両側から０．５ＭＶ／ｍ乃至１．５ＭＶ／ｍの電界を印加することにより行われる請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の圧電ポリマー素子の製造方法。
- 圧電ポリマー素子の製造装置であって、
顆粒供給材料からポリマー素子を押し出す押し出し機と、
前記ポリマー素子の押し出しと同時的に前記ポリマー素子の押し出された領域を横断するように電界を印加する一対の電極とを備えることを特徴とする圧電ポリマー素子の製造装置。 - 前記押し出し機はフィードスクリュー及び押し出しダイを有する溶融押し出し機であり、
前記溶融押し出し機は、前記フィードスクリューを前記顆粒供給材料の融点を超える第１の温度に維持し、前記押し出しダイを第１の温度よりも高い第２の温度に維持する請求項２０に記載の圧電ポリマー素子の製造装置。 - 前記第１の温度は前記融点より約２０℃高く、前記第２の温度は前記融点よりも約３０℃高い請求項２２に記載の圧電ポリマー素子の製造装置。
- 前記圧電ポリマー素子の製造装置は、複数の加熱ローラを備えている請求項２０乃至２２のいずれか１項に記載の圧電ポリマー素子の製造装置。
- 前記複数の加熱ローラは、ガラス転移点よりも高く顆粒供給材料の融点よりも低い温度に維持されている請求項２３に記載の圧電ポリマー素子の製造装置。
- 前記複数の加熱ローラの温度は、６０℃乃至９０℃である請求項２４に記載の圧電ポリマー素子の製造装置。
- 前記複数の加熱ローラの温度は、７０℃乃至８０℃である請求項２５に記載の圧電ポリマー素子の製造装置。
- 前記ローラの温度は、約７５℃である請求項２６に記載の圧電ポリマー素子の製造装置。
- 前記電極は０．５ＭＶ／ｍ乃至１．５ＭＶ／ｍの電界を前記押し出された領域に印加する請求項２０乃至２７のいずれか１項に記載の圧電ポリマー素子の製造装置。
- 中実な断面を有し、該断面は全体にわたって略均一な組成である圧電ポリマー素子。
- 圧電セラミック粒子が分散したポリマーである請求項２９に記載の圧電ポリマー素子の製造装置。
- 前記圧電ポリマー素子は繊維である請求項２９または３０に記載の圧電ポリマー素子。
- 前記圧電ポリマー素子はフィルムである請求項２９または３０に記載の圧電ポリマー素子。
- １以上の圧電ポリマー素子を２つの導電層の間に１以上備える請求項２９乃至３２のいずれか１項に記載の圧電構造体。
- 一方または両方の前記導電層は、薄いシート、フィルムまたは箔である請求項３３に記載の圧電構造体。
- 前記１以上の圧電ポリマー素子は、複数の繊維を備える請求項３３または３４に記載の圧電構造体。
- 前記１以上の圧電ポリマー素子は、少なくとも一つの薄いシートまたはフィルムを備えている請求項３３または３４に記載の圧電構造体。
- 請求項３３乃至３６のいずれか１項に記載の圧電構造体を備えて力学的エネルギーを電気的エネルギーに変換するシステムであって、前記２つの導電層はそれぞれ、整流回路の各端子に接続されているエネルギー変換システム。
- 前記整流回路は、エネルギー蓄積装置に接続されている請求項３７に記載のエネルギー変換システム。
- 前記整流回路は、電気負荷に接続されている請求項３７または３８に記載のエネルギー変換システム。
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