JP2018050455A - 振動発電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化および発電量向上を図った振動発電素子を提供する。【解決手段】振動発電素子１は、固定電極１１と、固定電極に対して対向配置され、固定電極に対して移動可能な可動電極１２と、対向配置された固定電極と可動電極との間に介在するように設けられたイオン液体１３と、を備える。外部からの振動による可動電極の移動により、固定電極とイオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層１６ａ、および可動電極とイオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層の、少なくとも一方の面積が変化することによって発電を行う。【選択図】図３

Description

本発明は、イオン液体を用いた振動発電素子に関する。

従来、環境中の振動により発電するデバイス（エナジーハーベスター）として、エレクトレットを用いるのが有効であり、多くの研究、開発がされている。振動発電デバイスは、自立型の各種センサの電源として、また、その自立型センサ信号の無線通信用デバイスの電源として利用することが主な目的であるため、小型で、かつ大きな発電量（μＷ〜ｍＷレンジ）が必要とされる。例えば、特許文献１に記載の振動発電素子では、エレクトレットが形成された電極に対して振動電極を振動させることにより、発電を行う構成としている。

日本国特開２０１１−３６０８９号公報

しかしながら、上述した振動発電素子では電極間距離がμｍオーダーであるため、エレクトレットを使用した場合であっても発電量が小さく、デバイスサイズの小型化、発電量の向上に対して課題となっていた。

本発明の第１の態様によると、振動発電素子は、固定電極と、固定電極に対して対向配置され、固定電極に対して移動可能な可動電極と、対向配置された固定電極と可動電極との間に介在するように設けられたイオン液体と、を備え、外部からの振動による可動電極の移動により、固定電極とイオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層、および可動電極とイオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層の、少なくとも一方の面積が変化することによって発電を行う。
本発明の第２の態様によると、第１の態様の振動発電素子において、可動電極は、固定電極との間隔が変化する方向に移動可能であり、外部からの振動による可動電極の移動により、固定電極とイオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層、および可動電極とイオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層の面積がそれぞれ変化することが好ましい。
本発明の第３の態様によると、第２の態様の振動発電素子において、互いに対向する固定電極および可動電極の一方はエレクトレット電極であり、エレクトレット電極の表面電位はイオン液体の電位窓の範囲内に設定されていることが好ましい。
本発明の第４の態様によると、第２の態様の振動発電素子において、電気二重層は、固定電極および可動電極とイオン液体との接触領域に生じる界面動電現象により形成されたものであることが好ましい。
本発明の第５の態様によると、第２乃至４のいずれか一態様の振動発電素子において、可動電極は、該可動電極の表面側に設けられた表面側電極と、可動電極の裏面側に設けられた裏面側電極とを有し、固定電極は、表面側電極に対して対向配置された第１電極と裏面側電極に対して対向配置された第２電極とを有し、イオン液体は、第１電極と表面側電極との間、および、第２電極と裏面側電極との間にそれぞれ介在するように設けられていることが好ましい。
本発明の第６の態様によると、第１の態様の振動発電素子において、可動電極は、固定電極との間隔を一定に保持した状態でスライド移動可能であり、外部からの振動による可動電極のスライド移動により、可動電極とイオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層の面積が変化することが好ましい。
本発明の第７の態様によると、第６の態様の振動発電素子において、可動電極は、可動基板と、可動基板の固定電極と対向する面に設けられ、表面電位がイオン液体の電位窓の範囲内に設定されているエレクトレット電極とを有し、可動電極のスライド移動により、エレクトレット電極とイオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層の面積が変化することが好ましい。
本発明の第８の態様によると、第７の態様の振動発電素子において、可動電極は、可動基板の表面に設けられた第１エレクトレット電極と、可動基板の裏面に設けられた第２エレクトレット電極とを有し、固定電極は、可動基板の表面に対して対向配置された第１電極と可動基板の裏面に対して対向配置された第２電極とを有し、イオン液体は、第１電極と可動基板の表面との間、および、第２電極と可動基板の裏面との間にそれぞれ介在するように設けられていることが好ましい。

本発明によれば、振動発電素子の小型化および発電量向上を図ることができる。

図１は、本発明に係る振動発電素子の第１の実施の形態を示す断面図である。 図２は、図１に示す振動発電素子の要部を示す模式図である。 図３は、第１の実施の形態における発電動作を説明する図である。 図４は、第２の実施の形態の振動発電素子の概略構成を示す図である。 図５は、図４に示す振動発電素子の要部を示す模式図である。 図６は、第２の実施の形態における発電動作を説明する図である。 図７は、第３の実施の形態を説明する図である。 図８は、第４の実施の形態の振動発電素子の概略構成を示す図である。 図９は、第４の実施形態における発電動作を説明する図である。 図１０は、第２の実施の形態において、電極側が振動する場合の構成を示す図である。 図１１は、第４の実施の形態の変形例を示す図である。 図１２は、第５の実施の形態における振動発電素子１の断面図を示す図である。 図１３は、可動基板４２の表裏面を示す図である。 図１４は、第５の実施の形態における発電動作を説明する図である。

−第１の実施の形態−
図１は、本発明による振動発電素子の第１の実施の形態を説明する図である。図１（ａ）は振動発電素子１の断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。振動発電素子１は、固定電極１１と可動基板１２とイオン液体１３（ionic liquid）とを備えている。イオン液体１３は、固定電極１１と可動基板１２との間に介在するように設けられている。固定電極１１は振動発電素子１に設けられた容器の底板を兼ねており、この固定電極１１と絶縁材料で形成された円筒部２および天板３とで容器が構成されている。

上述した可動基板１２とイオン液体１３は容器内に納められている。可動基板１２は図１（ａ）において上下方向に移動可能に設けられており、リング状のストッパ４ａ，４ｂにより上下方向の可動範囲Ｌが規定されている。容器内の気体は可動基板１２の移動に対して妨げとなるので、容器内は真空状態に保たれているのが好ましい。円板状の可動基板１２は、支持基板１２１と、支持基板１２１の下面（固定電極１１に対向する面）に設けられたエレクトレット１２２とを備えている。

エレクトレット１２２は、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の誘電体膜にコロナ放電等によりプラス電荷（またはマイナス電荷）を帯電させてエレクトレット化したものである。すなわち、エレクトレット１２２が形成された可動基板１２は可動電極として機能する。

一方、固定電極１１のイオン液体１３と接触する面は撥水性に優れているのが好ましく、例えば、電極材料として金（Ａｕ）を用いるのが好ましい。また、可動基板１２が上下動した際の摺動面である円筒部内面と支持基板１２１の外周面には、摩擦係数の低い材料（例えば、ＰＴＦＥ等）を形成するのが好ましい。

可動基板１２と固定電極１１との間に設けられたイオン液体１３は、エレクトレット１２２と固定電極１１とに接触している。本実施形態では、エレクトレット１２２はプラスに帯電しており、イオン液体１３のマイナスイオンがエレクトレット方向に移動し、プラスイオンが固定電極１１方向に移動する。その結果、エレクトレット１２２とイオン液体１３との界面を挟んで電気二重層１６ｂが形成され、固定電極１１とイオン液体１３との界面を挟んで電気二重層１６ａが形成される。イオン液体１３には種々のものを使用することができるが、本実施の形態では、一例として１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロ硼酸塩を使用している。

図２は、振動発電素子１の要部を示す模式図である。負荷１４は固定電極１１に接続されている。可動基板１２の電位は、固定電極１１に対してエレクトレット電圧（エレクトレット１２２の表面電位）だけ高くなっている。イオン液体１３はプラスイオンとマイナスイオンのみから成る有機液体の一種であり、常温では蒸気圧が非常に低くほとんど蒸発しない。また、粘性は、３０〜５００［Ｐａ・ｓ］程度である。イオン液体１３はイオンのみから構成されるので良伝導性であるが、電位窓が広く電気的安定性が高い。電位窓とは、電解液中で実質的に電流が流れない電位領域のことであり、上述したイオン液体１３では±１〜３［Ｖ］程度の電位窓を有する。

上述したエレクトレット１２２の電圧（表面電位）は、イオン液体１３の電位窓の範囲内で設定される。なお、振動発電素子の発電能力の点から、エレクトレット１２２の電圧は、電位窓の範囲内において可能な限り大きな値に設定するのが好ましい。以下では、エレクトレット１２２によってイオン液体１３に印加される電圧を、バイアス電圧と呼ぶことにする。

エレクトレット１２２と固定電極１１との間に設けられたイオン液体１３のマイナスイオンは、エレクトレット１２２によって形成される電場によってエレクトレット１２２の方向に引き寄せられる。その結果、上述したようにエレクトレット１２２とイオン液体１３との界面を挟んで電気二重層１６ｂが形成される。一方、固定電極１１とイオン液体１３との接触領域においては、イオン液体１３のプラスイオンが固定電極１１側に移動し、そのプラスイオンと固定電極１１側に静電誘導されたマイナス電荷とにより電気二重層１６ａが形成される。イオン液体１３の種類にも依存するが、電気二重層の厚さは１［ｎｍ］程度である。また、電気二重層に交流電圧を印加した際の静電容量は、一般に、実験上０．１Ｈｚ〜１ＭＨｚの範囲において１０［μＦ／ｃｍ^２］〜０．２［μＦ／ｃｍ^２］程度であることが知られている。

図１に示すように、振動発電素子１の可動基板１２は、固定電極１１と可動基板１２との間隔ｄが変化する方向に移動可能に構成されている。外部からの振動（以下、外乱と呼ぶ）により振動発電素子１の容器が振動すると（特に、軸方向に振動すると）、固定電極１１に対して可動基板１２が図示上下方向に振動する。例えば、後述する図３のように、可動基板１２は間隔ｄがｄ０〜ｄ０／２の範囲で上下動することができる。この可動範囲は、図１に示したストッパ４ａ，４ｂの位置によって設定することができる。

次に、振動発電素子１の動作について説明する。従来の振動発電素子は、電極間（例えば、金属電極とエレクトレット電極との間）の静電容量の変化を利用するものであるが、本実施の形態の振動発電素子１は、可動基板１２の振動によるイオン液体１３の接触面積変化（すなわち、電気二重層の面積変化）によって発電を行うところに特徴がある。

電気二重層の単位面積当たりの静電容量は上述したようにバイアス電圧や振動周波数によって変化するが、イオン液体１３に対する上記バイアス電圧が電位窓の範囲で、振動周波数が０．１Ｈｚであるとすると、１［ｃｍ^２］当たりの静電容量は１０［μＦ／ｃｍ^２］程度となる。すなわち、電気二重層１６ａ，１６ｂの面積が１［ｃｍ^２］である場合には、電気二重層１６ａ，１６ｂが介在している部分の静電容量は１０［μＦ］＝１×１０^−５［Ｆ］程度となる。電気二重層１６ａ，１６ｂの電圧を１［Ｖ］とすると、電荷の量（帯電量）は１×１０^−５［Ｃ］となる。

一方、エレクトレット電極を用いた従来の振動発電素子の場合、エレクトレット電極および金属電極の対向面積を１［ｃｍ^２］、電極間隔を１０〜１００［μｍ］程度とすると、電極間の静電容量Ｃ（Ｃ＝ε_０×（面積）／（間隔））は、８．８５×１０^−１２［Ｆ］〜８．８５×１０^−１１［Ｆ］となる。エレクトレット電極の電圧を２００［Ｖ］とすれば、帯電量は１．７７×１０^−９〜１．７７×１０^−１０［Ｃ］となる。ただし、真空の誘電率ε_０を、ε_０≒８．８５×１０^−１２［Ｆ／ｍ］とした。

このように、本実施の形態の場合には電気二重層に与える電圧が１［Ｖ］程度と低いにもかかわらず、電極における帯電量が従来のエレクトレットを用いた振動発電素子に比べて１万倍から１０万倍と非常に大きい。これは、層厚さ（以下では、符号ｄeで表す）がｎｍオーダーの電気二重層を用いていることに起因する。本実施の形態では、このように大きな静電容量を有する電気二重層の面積変化によって発電を行う構成であるため、後述するように従来の振動発電素子に比べて桁違いに大きな発電量を得ることができる。

なお、図２に示すように、固定電極１１と可動基板１２との隙間は、イオン液体１３が介在する領域と単なる空間（本実施の形態の場合は真空）の領域とがあり、イオン液体１３が介在しない領域においても静電容量を有している。例えば、イオン液体１３が介在せずに単に一対の電極（面積は１［ｃｍ^２］とする）がｄ＝１［ｍｍ］で対向している場合、静電容量Ｃは、Ｃ＝ε_０×１×１０^−４［ｍ^２］／１×１０^−３［ｍ］≒８．８５×１０^−１３［Ｆ］となる。

一方、上述したように、電気二重層１６ａ，１６ｂの面積が１［ｃｍ^２］の場合には、電気二重層１６ａ，１６ｂが介在している部分の静電容量は１０［μＦ］＝１×１０^−５［Ｆ］程度となる。そのため、イオン液体１３が介在していない領域の静電容量は、電気二重層１６ａ，１６ｂの静電容量の１／１０^７程度と非常に小さなものとなる。

よって、以下の振動発電素子１の動作説明においては、イオン液体１３が介在しない領域の静電容量をゼロとみなし、電気二重層キャパシタが直列接続されているものとして考える。このように、振動発電素子１においては、実質的に、電気二重層１６ａ，１６ｂの面積変化による静電容量の変化によって発電が行われる。

図３は、振動発電素子１の動作を説明する模式図である。図３（ａ）は間隔ｄが最も大きくなったｄ＝ｄ０の場合（図２と同様）を示し、図３（ｂ）は間隔ｄが最も小さくなったｄ＝ｄ０／２の場合を示す。図３（ａ）の場合と図３（ｂ）の場合とではイオン液体１３の体積は同じなので、図３（ａ）におけるエレクトレット１２２とイオン液体１３との接触面積、および固定電極１１とイオン液体１３との接触面積をＳ０とすると、図３（ｂ）における各接触面積は２Ｓ０となる。すなわち、図３（ｂ）における電気二重層１６ａの面積は２倍に増加し、静電容量が２倍になる。

その結果、図３（ａ）の状態から可動基板１２が固定電極方向に移動すると、ＧＮＤ側からマイナス電荷が固定電極１１に移動し、負荷１４には図３（ｂ）の矢印方向に電流Ｉが流れる。逆に、図３（ｂ）の状態から可動基板１２が図示上方に移動すると、マイナス電荷が固定電極１１からＧＮＤ側へと移動し、負荷１４には図３（ａ）の矢印方向に電流Ｉが流れる。

図３（ａ）における電気二重層１６ａの面積を０．５［ｃｍ^２］、図３（ｂ）における電気二重層１６ａの面積を１［ｃｍ^２］とすると、電気二重層１６ａの静電容量は５［μＦ］から１０［μＦ］に増加する。例えば、電気二重層１６ａにおける電位差を１Ｖと仮定した場合、５［μＣ］の電荷が負荷１４を通過することになる。図３（ａ）の状態から図３（ｂ）の状態への変化に要した時間を０．０５［sec］とすれば（これは、２０Ｈｚの振動に対応する）、１００［μＡ］の電流が負荷１４に流れることになる。上述したように、隙間寸法ｄがｄ０→ｄ０／２のように減少すると固定電極１１からＧＮＤへ電流が流れ、逆にｄ０／２→ｄ０のように増加するとＧＮＤから固定電極１１へ電流が流れる。すなわち、外乱により可動基板１２が上下に振動すると、交流電流が負荷１４に流れる。

なお、図２，３の説明では、振動発電素子１で発電された電力を電流として取り出す場合について説明したが、電圧として取り出すような負荷接続構成としても良い。振動発電素子１が開回路の状態で可動基板１２が振動すると、支持基板１２１と固定電極１１との間の電位差が変化するので、この電位差の変化を利用する。

例えば、固定電極１１とエレクトレット１２２との間隔（以下では、電極間隔と呼ぶ）がｄ０→ｄ１のように変化し、イオン液体１３と固定電極１１との接触面積、すなわち電気二重層１６ａ，１６ｂの面積がＳ０→Ｓ１のように変化した場合を考える。各電気二重層１６ａ，１６ｂの静電容量をＣ、電気二重層１６ａ，１６ｂにおける電位差、面積、厚さをＶe，Ｓ，ｄeとし、固定電極１１の帯電量をＱとすると、Ｑ＝ＣＶe、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄeが成り立つ。２つの式からＳ・Ｖe＝Ｑ・ｄe／εと表せるが、ここでＱおよび電気二重層の厚さｄeは変化しないので、電極間隔ｄ０における電位差Ｖe０と電極間隔ｄ１における電位差Ｖe１との間には、Ｓ０・Ｖe０＝Ｓ１・Ｖe１が成り立つ。すなわち、電極間隔ｄ１における電気二重層１６ａ，１６ｂの電位差Ｖe１は、Ｖe１＝（Ｓ０／Ｓ１）・Ｖe０のように変化する。

ところで、従来のように電極間の静電容量を利用する振動発電素子の場合、例えば、前述したように面積が１［ｃｍ^２］で間隔が１［ｍｍ］のキャパシタを考えた場合、間隔が１［ｍｍ］から０．５［ｍｍ］に変化すると、静電容量は８．８５×１０^−１３［Ｆ］からその２倍に増えるので、静電容量の変化ΔＣはΔＣ＝８．８５×１０^−１３［Ｆ］となる。例えば、電圧２００Ｖのエレクトレットを用いた場合、電極の電荷量の変化は１．７７×１０^−１０［Ｃ］＝１．７７×１０^−４［μＣ］となる。これは、本実施の形態の場合の５［μＣ］（ただし、電気二重層１６ａにおける電位差を１Ｖと仮定する）の約１／１００００である。

このように、本実施の形態の振動発電素子では、イオン液体による電気二重層の静電容量を利用することによって桁違いに大きな発電量を得ることができる。電気二重層の静電容量は、一般的なキャパシタの静電容量に比べて非常に大きい。そのため、小さな変位でより大きな電力を得ることができると共に、振動発電素子の小型化を図ることができる。また、外乱による可動基板１２と固定電極１１との間隔の変化により電気二重層の面積を変化させているので、少ない変位によって大きな面積変化を得ることができ、振動発電素子１のさらなる小型化を図ることができる。

従来の振動発電素子の場合、特許文献１に記載の振動発電素子のように、質量が比較的に大きな可動部を、ばね定数の非常に小さな弾性支持部で可動可能に支持する構成が一般的である。それは、振動発電素子に対する外部からの振動として歩行時の振動や橋の振動等が用いられるため、振動の周波数が数Ｈｚ〜数十Ｈｚ程度であることに起因している。このような低周波数において共振可能なように、可動部を非常に弱い弾性支持部で支持する構造が採用されている。そのため、従来の振動発電素子は、弾性支持部が壊れやすいという欠点があった。また、共振を利用しているので利用可能な帯域が狭いという欠点もあった。

このような理由から、本実施の形態では図１に示すような摺動構造を採用することで、可動基板１２が自由に振動できる構成としている。その結果、外部振動の周波数によらず、発電を効率良く行うことができる。もちろん、本実施の形態の振動発電素子の場合も、可動基板１２を弾性支持部により支持する構造を採用することは可能である。

なお、本実施の形態では、イオン液体１３との接触面積を変化させて発電を行うので、接触面積変化を効果的に行わせるためには、イオン液体１３との接触面、特に固定電極１１の接触面における撥水性が重要である。電極材料として金を用いた場合には撥水性に優れているので撥水処理（例えば、撥水性膜の形成）は必要とされないが、電極材料の種類によっては撥水処理が必要となる。ただし、撥水性膜を形成した場合、電気二重層の層厚さ（上述したＣ＝ε・Ｓ／ｄｅにおけるｄｅ）が大きくなり静電容量の低下を招くので、膜厚は可能な限り薄い方が好ましい。例えば、撥水性の単分子膜を用いるのが好ましい。

なお、上述した実施の形態では容器の形状を円筒とし、固定電極１１や可動基板１２を円板状としているが、これらの形状に限定されるものではない。例えば、固定電極１１や可動基板１２を矩形状としても良い。また、可動基板１２は摺動構造により上下に移動する構成としたが、電極側が振動する構成でも良い。

動作原理を説明する図２では、固定電極１１に負荷１４を直接接続する構成としたが、振動発電素子１の出力側に整流回路や蓄電部等を設けて発電装置を構成するようにしても良い。

−第２の実施の形態−
図４〜６は、本発明の第２の実施の形態を説明する図である。図４は振動発電素子１の概略構成を示す図であり、図１（ａ）の場合と同様の断面形状を示したものである。なお、以下では図１に示す構成と異なる部分を中心に説明する。

本実施形態における可動基板２２は、支持基板２２１の表裏面にエレクトレット２２２ａ，２２２ｂが形成されている。エレクトレット２２２ａに対向するように第１の固定電極１１ａが配置され、エレクトレット２２２ｂに対向するように第２の固定電極１１ｂが配置されている。エレクトレット２２２ａと固定電極１１ａとの隙間にはイオン液体１３ａが介在しており、エレクトレット２２２ｂと固定電極１１ｂとの隙間にはイオン液体１３ｂが介在している。

可動基板２２は固定電極１１ａ，１１ｂの間を図示上下方向に移動可能に構成されており、可動範囲２Ｌはストッパ４ａ，４ｂによって設定される。図４に示す例では、可動基板２２が可動範囲の中央位置にある場合を示している。円筒部２と、円筒部２の下部開口に取り付けられた固定電極１１ａと、円筒部２の上部開口に取り付けられた固定電極１１ｂとにより、容器が構成されている。第１の実施の形態の場合と同様、容器内は真空状態とされる。

図５は、振動発電素子１の要部を示す模式図である。図５は電流を取り出す場合の負荷接続構成を示したものであり、負荷１４は固定電極１１ａと固定電極１１ｂとの間に接続され、固定電極１１ａはＧＮＤ電位とされている。各エレクトレット２２２ａ，２２２ｂはプラスに帯電している。そのため、第１の実施の形態の場合と同様に、イオン液体１３ａと固定電極１１ａおよびエレクトレット２２２ａとの界面、および、イオン液体１３ｂと固定電極１１ｂおよびエレクトレット２２２ｂとの界面には、それぞれ電気二重層が形成される。ここでは、イオン液体１３ａと固定電極１１ａとの間の電気二重層を符号１６ａで表し、イオン液体１３ｂと固定電極１１ｂとの間の電気二重層を符号１６ｂで表すことにする。また、イオン液体１３ａ，１３ｂとエレクトレット２２２ａ，２２２ｂとの界面に形成される電気二重層を符号１６ｃ，１６ｄで表す。

図６は、可動基板２２が振動した場合に負荷１４に流れる電流を説明する図である。図６（ａ）は可動基板２２が可動範囲の下端に移動した場合を示す。このとき、エレクトレット２２２ａと固定電極１１ａとの間隔がｄ０／２となり、可動電極１１ｂとエレクトレット２２２ｂとの間隔がｄ０となるように設定されている。一方、図６（ｂ）は可動基板２２が可動範囲の上端に移動した場合を示す。エレクトレット２２２ａと固定電極１１ａとの間隔はｄ０となり、可動電極１１ｂとエレクトレット２２２ｂとの間隔はｄ０／２となる。

イオン液体１３ａ，１３ｂの体積は同一（＝ｄ０×Ｓ０）であり、図６（ａ）の場合には、イオン液体１３ｂと固定電極１１ｂおよびエレクトレット２２２ｂとの接触面積はそれぞれＳ０、イオン液体１３ａと固定電極１１ａおよびエレクトレット２２２ａとの接触面積はそれぞれ２Ｓ０になっている。そのため、電気二重層１６ｂの静電容量をＣ０とすると、電気二重層１６ａの静電容量は２Ｃ０となる。一方、図６（ｂ）に示す状態では、イオン液体１３ｂと固定電極１１ｂおよびエレクトレット２２２ｂとの接触面積はそれぞれ２Ｓ０となり、イオン液体１３ａと固定電極１１ａおよびエレクトレット２２２ａとの接触面積はそれぞれＳ０となる。

この場合、電気二重層の静電容量は接触面積に比例するので、図６（ａ）の状態から可動基板２２が固定電極１１ｂ側に移動して図６（ｂ）に示す状態になると、電気二重層１６ａの静電容量は２Ｃ０→Ｃ０のように変化し、電気二重層１６ｂの静電容量はＣ０→２Ｃ０のように変化する。その結果、固定電極１１ａから固定電極１１ｂにマイナス電荷が移動し、負荷１４には図６（ｂ）の矢印方向に電流Ｉが流れる。

逆に、図６（ｂ）の状態から可動基板２２が固定電極１１ａ側に移動して図６（ａ）に示す状態になると、電気二重層１６ａの静電容量はＣ０→２Ｃ０のように変化し、電気二重層１６ｂの静電容量は２Ｃ０→Ｃ０のように変化する。その結果、固定電極１１ｂから固定電極１１ａにマイナス電荷が移動し、負荷１４には図６（ａ）の矢印方向に電流Ｉが流れる。

ここで、開回路状態を考えると、可動基板２２と固定電極１１ａとの間の電位差、および、可動基板２２と固定電極１１ｂとの間の電位差は、図２に示した可動基板１２と固定電極１１との関係と同様となっている。ただし、それぞれの電位は互いの位相が１８０度ずれているので、固定電極１１ａと固定電極１１ｂとの間の電位差は図３に示す構成の２倍となる。

このように、本実施の形態の場合に得られる発電のパワー（電力）は、図１に示す第１の実施の形態の場合に比べて２倍になることが分かる。

なお、本実施の形態の場合も発電された電力を電流として出力しているが、電圧を取り出すような構成としても良い。その場合、第１の実施の形態で説明した場合と同様の動作となり、ここでは説明を省略する。また、上述した実施の形態では容器の形状を円筒とし、固定電極１１ａ，１１ｂや可動基板２２を円板状としているが、これらの形状に限定されるものではない。さらにまた、可動基板２２は摺動構造により上下に移動する構成としたが、例えば、可動基板２２を弾性体で支持する構成としても構わない。

また、図１０のようにエレクトレット側でなく電極側が振動する構成としても良い。図１０に示す例では、固定電極として機能する一対のエレクトレット２２２ａ，２２２ｂの間に、可動電極１０を上下方向に移動可能に配置する構成としている。エレクトレット２２２ａ，２２２ｂは、可動電極１０と対向する面が帯電するようにエレクトレット化されている。可動電極１０は、金等で構成される電極１０１ａ，１０１ｂの間に絶縁基板１０２を挟持した構造を有している。電極１０１ａはエレクトレット２２２ａと対向し、電極１０１ｂはエレクトレット２２２ｂと対向している。

負荷１４は、電極１０１ａと電極１０１ｂとの間に接続される。例えば、可動電極１０がエレクトレット２２２ａ方向に移動すると、電極１０１ａとイオン液体１３ａとの接触面積が増加して、電極１０１ｂとイオン液体１３ｂとの接触面積が減少する。その結果、マイナス電荷が負荷１４を介して電極１０１ｂから電極１０１ａへ移動し、負荷１４には図示上方向に電流Ｉが流れることになる。逆に、可動電極１０がエレクトレット２２２ｂ方向に移動すると、マイナス電荷が電極１０１ａから電極１０１ｂへ移動し、負荷１４には図示下方向に電流が流れる。

−第３の実施の形態−
図７は本発明の第３の実施の形態を説明する図であり、振動発電素子１の要部を示す模式図である。上述した第１の実施の形態では、図２に示したようにイオン液体１３と固定電極１１との接触領域に電気二重層１６ａを形成するために、エレクトレット１２２を用いた。本実施の形態では、エレクトレット１２２が形成された可動基板１２に代えて、外部電源によりバイアス電圧Ｖddが印加された可動電極３２を用いる構成とした。

可動電極３２にバイアス電圧Ｖddを印加すると、図７（ａ）に示すように、イオン液体１３のマイナスイオンが可動電極側に引き寄せられ、プラスイオンが固定電極側に引き寄せられる。その結果、固定電極１１および可動電極３２とイオン液体１３との界面に電気二重層１６ａ，１６ｂが形成される。バイアス電圧Ｖddを第１の実施の形態におけるエレクトレット１２２の電圧（表面電位）と同一とすれば、図２に示す場合と同様の電気二重層１６ａ，１６ｂが形成されることになる。図７（ｂ）に示すように固定電極１１と可動電極３２との間隔をｄ０／２に減少させると、電気二重層１６ａ，１６ｂの面積は２倍になり、それらの静電容量も２倍になることは、第１の実施の形態と同様である。

また、電源が接続された電極を上下に移動させる代わりに、負荷が接続された電極を上下に移動させる構成としても良い。ところで、金属電極とイオン液体との界面には界面動電現象により電気二重層が形成されることが知られている。例えば、金属電極に金を用いた場合には、数十［ｍＶ］程度の界面動電位が発生する。そのため、上述したエレクトレットや外部電源を用いる場合に比べて電圧は小さくなるが、それに応じた電気二重層が金属電極とイオン液体との界面に発生する。そのため、界面動電位を利用して上述した実施の形態と同様の振動発電素子を構成することができる。

−第４の実施の形態−
図８，９は、本発明の第４の実施形態を示す図である。上述した第１〜第３の実施の形態では、隙間にイオン液体１３を保持した一対の基板の間隔を変化させることによって、イオン液体と基板との接触面積（すなわち、電気二重層の面積）を変化させ、発電を行うようにした。本実施の形態では、エレクトレットが形成された可動基板を、イオン液体との接触面に対して平行にスライド移動させることにより、電気二重層の面積を変化させるようにした。

図８は、振動発電素子１の概略構成を示す図である。図８（ａ）は振動発電素子１の断面図であり、図８（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。振動発電素子１は、一対の固定電極１１ａ，１１ｂと、それらの間に配置された可動基板４２とを備えている。固定電極１１ａは、枠部材４３ａの孔４３０に嵌め込まれるように枠部材４３ａに固定されている。固定電極１１ｂは、枠部材４３ｂの孔４３１に嵌め込まれるように枠部材４３ｂに固定されている。孔４３０と孔４３１とは対向している。

枠部材４３ａ，４３ｂの可動基板４２に対向する面には、ボール４３２がそれぞれ設けられている。図８（ｂ）に示すように、ボール４３２は孔４３０，４３１の中心軸を中心とする円周上に複数配置されている。可動基板４２は、枠部材４３ａに設けられたボール４３２と枠部材４３ｂに設けられたボール４３２との間に挟持されるように配置されている。枠部材４３ａ，４３ｂは絶縁材料で形成される。また、ボール４３２についても絶縁材料（例えば、セラミックボール等）で形成するのが好ましい。

固定電極１１ａが嵌め込まれた孔４３０にはイオン液体１３ａが充填されており、イオン液体１３ａは固定電極１１ａと可動基板４２との間に介在する。同様に、固定電極１１ｂが嵌め込まれた孔４３１にはイオン液体１３ｂが充填されており、イオン液体１３ｂは固定電極１１ｂと可動基板４２との間に介在する。

円板状の可動基板４２は、支持基板４２１の表裏面に誘電体部材４２２ａ，４２２ｂを設けたものである。誘電体部材４２２ａ、４２２ｂは、それらの中央の円形領域Ｒのみが帯電処理によりエレクトレット化されている。すなわち、円形領域Ｒの誘電体部材４２２ａ，４２２ｂはエレクトレットとして機能する。以下では、円形領域ＲをエレクトレットＲと呼ぶことにする。本実施形態では、エレクトレット（円形領域）Ｒは孔４３０，４３１の断面形状とほぼ同一に設定されている。

可動基板４２、固定電極１１ａが設けられた枠部材４３ａ、および固定電極１１ｂが設けられた枠部材４３ｂは、円筒部４４０、円筒部４４０の上開口に設けられた天板４４１、および円筒部４４０の下開口に設けられた底板４４２から構成される容器内に収納されている。固定電極１１ａの下端面は、底板４４２の中央部に形成された孔から外部に露出している。固定電極１１ｂの上端面は、天板４４１の中央に形成された孔から外部に露出している。枠部材４３ａは、円筒部４４０または底板４４２に固定されている。枠部材４３ｂは、円筒部４４０または天板４４１に固定されている。そのため、容器に外部振動が加わると、可動基板４２は枠部材４３ａ，４３ｂに対して左右方向にスライド移動する。なお、可動基板４２の振動を妨げないように、容器内は真空とされるのが好ましい。

図９は、第４の実施形態における発電動作を説明する図である。上述したように、可動基板４２は、支持基板４２１の表裏面に誘電体部材４２２ａ，４２２ｂが形成されたものである。誘電体部材４２２ａ，４２２ｂの中央領域がプラスに帯電されたエレクトレットＲとなっている。

図９（ａ）に示すように可動基板４２が中央に位置しているときには、エレクトレットＲがイオン液体１３ａ，１３ｂの部分に対向する。この場合には、エレクトレットＲとイオン液体１３ａ，１３ｂとの界面を挟んで電気二重層１６ａ，１６ｂが形成される。また、固定電極１１ａとイオン液体１３ａとの界面を挟んで電気二重層１６ｃが形成され、固定電極１１ｂとイオン液体１３ｂとの界面を挟んで電気二重層１６ｄが形成される。この状態から図９（ｂ）に示すように可動基板４２が左方向にスライド移動するとエレクトレットＲも左側に移動し、イオン液体１３ａ，１３ｂに接触するエレクトレットＲの面積が減少する。そのため、電気二重層１６ａ〜１６ｄの面積が減少し、電気二重層１６ａ〜１６ｄの静電容量が減少する。その結果、固定電極１１ａ，１１ｂのマイナス電荷がＧＮＤ側に移動して、負荷１４に矢印で示すような電流Ｉが流れる。逆に、図９（ｂ）の状態から図９（ａ）に示す状態となるように可動基板４２がスライド移動すると、負荷１４には図９（ｂ）の矢印方向とは逆方向の電流が流れることになる。

上述した第４の実施形態では、スライド移動する可動基板４２の上下両方に固定電極１１ａ，１１ｂを配置したが、可動基板４２の一方の側にのみ固定電極を設ける構成としても良い。ただし、可動基板４２の上下両方に固定電極１１ａ，１１ｂを配置する構成の場合には、片側のみに固定電極を配置する構成に比べて２倍の電流を得ることができる。

また、図１１に示すように、固定電極１１ａ，１１ｂの位置にエレクトレット５２２ａ，５２２ｂをそれぞれ配置し、可動基板５２の円形領域Ｒ（凹部になっている）に電極１１ａ，１１ｂを配置するようにしても良いし、エレクトレット５２２ａ，５２２ｂの代わりにバイアス電圧が印加された電極を配置するようにしても良い。図１１において、電極１１ａ，１１ｂは絶縁性の支持基板５２０の表裏面に設けられている。

また、固定電極１１ａ，１１ｂおよびエレクトレットＲは円形でなくても良く、例えば、矩形状のエレクトレットが矩形状の固定電極に対して、矩形の辺に対して垂直方向にスライド移動する構成であっても良い。

−第５の実施の形態−
図１２〜１４は、本発明の第５の実施の形態を示す図である。図１２は振動発電素子１の断面図であり、図１３は、可動基板４２の表裏面を示す図である。第５の実施の形態は、可動基板４２の表裏面に設けられた誘電体部材４２２ａ，４２２ｂのエレクトレット化領域の形態が第４の実施の形態と異なる。その他の構成については第４の実施の形態と同様であり、説明を省略する。

上述した第４の実施の形態では、図８に示すように誘電体部材４２２ａ，４２２ｂのいずれも中央領域Ｒをエレクトレット化した。しかし、第５の実施の形態では、図１２，１３に示すように、誘電体部材４２２ａについては中央領域Ｒ（半径ｒの領域）をエレクトレット化しているが、誘電体部材４２２ｂについては、中央領域Ｒの外側の領域Ｒ１（半径ｒ〜２ｒの領域）をエレクトレット化している。

図１４は、発電動作を説明する図である。図１４（ａ）に示すように可動基板４２が中央位置にある場合には、可動基板４２の中央領域Ｒが固定電極１１ａ，１１ｂ（すなわち、イオン液体１３ａ，１３ｂ）と対向している。この場合、誘電体部材４２２ａのエレクトレット化された領域とイオン液体１３ａとの接触領域には電気二重層１６ａが形成され、固定電極１１ａとイオン液体１３ａとの接触領域には電気二重層１６ｃが形成される。この場合の電気二重層１６ａ，１６ｃの面積は領域Ｒの面積と同一となる。

次いで、図１４（ｂ）に示すように可動基板４２が図示左方向に移動すると、誘電体部材４２２ａのエレクトレット化された領域Ｒの、固定電極１１ａと対向する部分の面積が減少する。その結果、電気二重層１６ａ，１６ｃの面積も減少する。一方、誘電体部材４２２ａに関しては、エレクトレット化された領域Ｒ１の一部が固定電極１１ｂと対向するようになる。その結果、誘電体部材４２２ｂのエレクトレット化された領域Ｒ１とイオン液体１３ｂとの接触領域には電気二重層１６ｂが形成され、それに対応するように、固定電極１１ｂとイオン液体１３ｂとの接触領域には電気二重層１６ｄが形成される。すなわち、イオン液体１３ｂ側においては電気二重層の面積が増加する。その結果、負荷１４には矢印方向に電流が流れることになる。

図１４（ｂ）に示す状態から可動基板４２が図示右方向に移動すると、電気二重層１６ａ，１６ｃの面積が増加し、電気二重層１６ｂ，１６ｄの面積が減少する。そのため、負荷１４に流れる電流の向きは、図１４（ｂ）の場合とは逆向きになる。その後、可動基板４２が図１４（ａ）に示す状態まで移動し、さらに右側に移動すると図１４（ｂ）を左右反転したような状態となり、負荷１４に流れる電流の向きは図１４（ｂ）の場合と同じとなる。このように、可動基板４２が図１４（ａ）の状態から左右に振動すると、負荷１４には交流電流が流れる。

以上説明したように、本発明による振動発電素子においては、図１，２に示すように、固定電極１１と、固定電極１１に対して対向配置され、固定電極１１との間隔が変化する方向（図示上下方向）に移動可能な可動基板１２と、対向配置された固定電極１１と可動基板１２との間に介在するように設けられたイオン液体１３と、を備える。

図３に示すように外乱により可動基板１２が移動すると、固定電極１１とイオン液体１３との界面を挟んで形成される電気二重層１６ａ、および可動基板１２のエレクトレット１２２とイオン液体１３との界面を挟んで形成される電気二重層１６ｂの面積がそれぞれ変化する。その結果、電気二重層１６ａの静電容量が変化し、固定電極１１に接続された負荷１４に電流が流れる。

電気二重層の厚さはｎｍオーダーと、従来の振動発電素子の電極間距離に比べ桁違いに小さいため、可動基板１２の振動に伴う静電容量変化も桁違いに大きくなる。その結果、従来の振動発電素子に比べて非常に大きな発電量を得ることができ、振動発電素子の小型化を図ることができる。また、固定電極１１とエレクトレット１２２との間隔の変化で電気二重層の面積変化を生じさせるようにしているので、可動基板１２の僅かな変化により大きな面積変化を生じさせることが可能となる。

なお、エレクトレット１２２の表面電位はイオン液体１３の電位窓の範囲内に設定されるので、イオン液体１３に電流が流れることなく電気二重層１６ａ，１６ｂを安定的に形成することができる。

なお、電気二重層１６ａ，１６ｂの形成方法としては、上述したようにエレクトレット１２２を用いても良いし、界面動電現象により生じる電気二重層を利用しても良いし、図７に示したように電圧源を設けて可動電極にバイアス電圧を印加して電気二重層を形成するようにしても良い。バイアス電圧は、上述した電位窓の範囲内に設定される。

さらに、図４に示すように、可動基板２２は、その表裏面に表面側電極としてのエレクトレット２２２ｂと裏面側電極としてのエレクトレット２２２ａとを有し、エレクトレット２２２ｂに対して対向配置された固定電極１１ｂとエレクトレット２２２ａに対して対向配置された固定電極１１ａとを有するような構成としても良い。その場合、固定電極１１ｂとエレクトレット２２２ｂとの間にイオン液体１３ｂを介在させると共に、固定電極１１ａとエレクトレット２２２ａとの間にそイオン液体１３ａを介在させるようにする。その結果、固定電極１１ａと固定電極１１ｂとの間の電圧変化は、図２に示すように固定電極１１が一つの場合に比べて２倍となる。

また、図８，９に示すように、固定電極１１ａ，１１ｂと可動基板４２との間にイオン液体１３ａ，１３ｂを介在させ、固定電極１１ａ，１１ｂに対して可動基板４２をスライド移動させるようにしても良い。可動基板４２がスライド移動すると、可動基板４２の表裏面に設けられた誘電体部材４２２ａ，４２２ｂのエレクトレット化された領域Ｒとイオン液体１３ａ，１３ｂとの接触面積が変化し、固定電極１１ａ，１１ｂとイオン液体１３ａ，１３ｂとの界面を挟んで形成される電気二重層１６ｂの面積が変化する。

上述した各実施形態は、それぞれ組み合わせて用いても良い。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。なお、上述した各実施形態は振動発電素子の形態で説明してきたが、ここで示されたイオン液体を用いた電気二重層による大きな容量のキャパシタは、容量の大きな蓄電素子として利用することができる。例えば、電力の使用が必要なときまで、外部からの振動で発生した電荷を蓄積しておく目的で、この蓄電素子を利用することが可能である。蓄電素子も発電素子と類似の材料と構造で構成できるため、発電と蓄電の両機能を兼ねたデバイスを容易に作ることが可能である。

次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１４年第３６５０７号（２０１４年２月２７日出願）

１…振動発電素子、４ａ，４ｂ…ストッパ、１０，３２…可動電極、１１，１１ａ，１１ｂ…固定電極、１２，２２，４２，５２…可動基板、１３，１３ａ，１３ｂ…イオン液体、１４…負荷、１６ａ〜１６ｄ…電気二重層、１２１，２２１…支持基板、１２２，２２２ａ，２２２ｂ，５２２ａ，５２２ｂ…エレクトレット

本発明の第１の態様によると、振動発電素子は、固定電極と、固定電極に対して対向配置され、固定電極に対して移動可能な可動電極と、対向配置された固定電極と可動電極との間に介在するように設けられたイオン液体と、を備え、互いに対向する固定電極および可動電極の一方はエレクトレット電極であり、エレクトレット電極の表面電位はイオン液体の電位窓の範囲内に設定されており、外部からの振動による可動電極の移動により、固定電極とイオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層、および可動電極とイオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層の、少なくとも一方の面積が変化することによって発電を行う。
本発明の第２の態様によると、第１の態様の振動発電素子において、可動電極は、固定電極との間隔が変化する方向に移動可能であり、外部からの振動による可動電極の移動により、固定電極とイオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層、および可動電極とイオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層の面積がそれぞれ変化することが好ましい。
本発明の第３の態様によると、第２の態様の振動発電素子において、電気二重層は、固定電極および可動電極とイオン液体との接触領域に生じる界面動電現象により形成されたものであることが好ましい。
本発明の第４の態様によると、第２または３の態様の振動発電素子において、可動電極は、該可動電極の表面側に設けられた表面側電極と、可動電極の裏面側に設けられた裏面側電極とを有し、固定電極は、表面側電極に対して対向配置された第１電極と裏面側電極に対して対向配置された第２電極とを有し、イオン液体は、第１電極と表面側電極との間、および、第２電極と裏面側電極との間にそれぞれ介在するように設けられていることが好ましい。
本発明の第５の態様によると、第１の態様の振動発電素子において、可動電極は、固定電極との間隔を一定に保持した状態でスライド移動可能であり、外部からの振動による可動電極のスライド移動により、可動電極とイオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層の面積が変化することが好ましい。
本発明の第６の態様によると、第５の態様の振動発電素子において、可動電極は、可動基板と、可動基板の固定電極と対向する面に設けられ、表面電位がイオン液体の電位窓の範囲内に設定されているエレクトレット電極とを有し、可動電極のスライド移動により、エレクトレット電極とイオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層の面積が変化することが好ましい。
本発明の第７の態様によると、第６の態様の振動発電素子において、可動電極は、可動基板の表面に設けられた第１エレクトレット電極と、可動基板の裏面に設けられた第２エレクトレット電極とを有し、固定電極は、可動基板の表面に対して対向配置された第１電極と可動基板の裏面に対して対向配置された第２電極とを有し、イオン液体は、第１電極と可動基板の表面との間、および、第２電極と可動基板の裏面との間にそれぞれ介在するように設けられていることが好ましい。

Claims (8)

1. 固定電極と、
   前記固定電極に対して対向配置され、前記固定電極に対して移動可能な可動電極と、
   対向配置された前記固定電極と前記可動電極との間に介在するように設けられたイオン液体と、を備え、
   外部からの振動による前記可動電極の移動により、前記固定電極と前記イオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層、および前記可動電極と前記イオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層の、少なくとも一方の面積が変化することによって発電を行う、振動発電素子。
2. 請求項１に記載の振動発電素子において、
   前記可動電極は、前記固定電極との間隔が変化する方向に移動可能であり、
   外部からの振動による前記可動電極の移動により、前記固定電極と前記イオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層、および前記可動電極と前記イオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層の面積がそれぞれ変化する、振動発電素子。
3. 請求項２に記載の振動発電素子において、
   互いに対向する前記固定電極および前記可動電極の一方はエレクトレット電極であり、
   前記エレクトレット電極の表面電位は前記イオン液体の電位窓の範囲内に設定されている振動発電素子。
4. 請求項２に記載の振動発電素子において、
   前記電気二重層は、前記固定電極および前記可動電極と前記イオン液体との接触領域に生じる界面動電現象により形成されたものである振動発電素子。
5. 請求項２乃至４のいずれか一項に記載の振動発電素子において、
   前記可動電極は、該可動電極の表面側に設けられた表面側電極と、前記可動電極の裏面側に設けられた裏面側電極とを有し、
   前記固定電極は、前記表面側電極に対して対向配置された第１電極と前記裏面側電極に対して対向配置された第２電極とを有し、
   前記イオン液体は、前記第１電極と前記表面側電極との間、および、前記第２電極と前記裏面側電極との間にそれぞれ介在するように設けられている振動発電素子。
6. 請求項１に記載の振動発電素子において、
   前記可動電極は、前記固定電極との間隔を一定に保持した状態でスライド移動可能であり、
   外部からの振動による前記可動電極のスライド移動により、前記可動電極と前記イオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層の面積が変化する、振動発電素子。
7. 請求項６に記載の振動発電素子において、
   前記可動電極は、
   可動基板と、
   前記可動基板の前記固定電極と対向する面に設けられ、表面電位が前記イオン液体の電位窓の範囲内に設定されているエレクトレット電極とを有し、
   前記可動電極のスライド移動により、前記エレクトレット電極と前記イオン液体との界面を挟んで形成される電気二重層の面積が変化する振動発電素子。
8. 請求項７に記載の振動発電素子において、
   前記可動電極は、前記可動基板の表面に設けられた第１エレクトレット電極と、前記可動基板の裏面に設けられた第２エレクトレット電極とを有し、
   前記固定電極は、前記可動基板の表面に対して対向配置された第１電極と前記可動基板の裏面に対して対向配置された第２電極とを有し、
   前記イオン液体は、前記第１電極と前記可動基板の表面との間、および、前記第２電極と前記可動基板の裏面との間にそれぞれ介在するように設けられている振動発電素子。

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