JP2018064012A - 素子 - Google Patents

Abstract

【課題】同等の発電をする複数の素子が段階的に発電することで安定した出力を得る。【解決手段】本発明に係る素子２００は、加圧することで発電する２以上の整数個の素子２０１，２０２，２０３が積層されたものであって、素子が加圧方向と垂直方向に変形可能であり、各素子の基材１０１Ａ、１０１Ｂ、１０３Ｃ、１０５Ａ、１０５Ｂ、１０５Ｃの長さが、１方向に順に短く形成されていて、加圧により、段階的に変形して発電することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、素子に関する。

近年、機械的な付加圧力を電力に変換する圧電発電（素子）を利用した圧電発電装置が開発されている。このような圧電発電装置には、直接外力を加えることで圧電素子を変形させて起電力を得るものや、風力等の力を間接的に圧電素子に加えることで圧電素子を変形させて起電力を得るものがあり、起電力を電荷としてコンデンサ等の蓄電素子を備えた蓄電部に蓄積してしる。特許文献１には、長さ違いで複数積層された素子が多段的に変形することにより発電時間を延ばす発電素子が開示されている。

特許文献１の発電素子は、多段的に発電させて発電時間を延ばしているが、複数の素子のうち、ある素子に対し、別な素子が遅れて負荷を受ける形状であるため、それぞれ変形の仕方が異なり、ある素子に対し別な素子での発電が小さくなってしまい、安定した出力を得るのが難しい。
本発明は、同等の発電をする複数の素子が段階的に発電することで、安定した出力を得ることを、その目的とする。

本発明は、加圧することで発電する２以上の整数個の素子が積層された素子であって、素子が加圧方向と垂直方向に変形可能であり、各素子の基材の長さが、１方向に順に短く形成されていて、加圧により、段階的に変形して発電することを特徴としている。

本発明によれば、積載された素子の出力電圧に変動が起き難くなり、安定した出力を得ることができる。

本発明の実施形態に係る素子の基本構造を説明する図。 本発明の第１の実施形態に係る素子の構造を説明する図。 （ａ）〜（ｅ）は、第１の実施形態に係る素子の変形を時間経過とともに説明した図。 本発明の第２の実施形態に係る素子の構成を説明する図。 特定の材料を用いた素子の発電時の波形を示したグラフ。 （ａ）、（ｂ）は、特定の材料を用いた素子の異なる構造を説明する図。 素子の発電時の波形を示したグラフ。 （ａ）、（ｂ）は、素子の発電量の測定方法の一例を説明する図。

以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて説明する。実施形態において、同一機能や同一構成を有するものには同一の符号を付し、重複説明は適宜省略する。図面は一部構成の理解を助けるために部分的に省略する場合もある。
本発明に係る実施形態に係る素子は、外力を電力に変換する素子であって、同形状で積層された複数の素子が段階的変形することで、各層の素子の発電する電圧を等しく、発電出力を安定して持続可能としたものである。なお、本実施形態において、素子とは発電素子（積層素子）として説明するが、このような形態に限定するものではない。

図１は、本実施形態に係る素子としての発電素子１００の構造を示す図である。図１において、発電素子１００は、第一基板１０１、第一電極１０２、中間層１０３、第二電極１０４、第二基板１０５を備えている。第一電極１０２、中間層１０３、第二電極１０４は、第一基板１０１と第二基板１０５の間に積層されて配置されている。つまり、第一電極１０２の一方の面は第一基板１０１の一方の面に接合され、第一電極１０２の他方の面は中間層１０３の一方の面に接合されている。第二電極１０４の一方の面は中間層１０３の他方の面に接合され、第二電極１０４の他方の面は第二基板１０５の一方の面に接合されている。すなわち、本実施形態に係る発電素子１００は、第一基板１０１、第一電極１０２、中間層１０３、第二電極１０４、第二基板１０５が積層されて構成されている。

第一基板１０１、及び第二基板１０５は、発電素子１００の基材であり、その材質としては、例えば、高分子材料などが挙げられる。高分子材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。
第一電極１０２、及び第二電極１０４の材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。第一電極１０２、及び第二電極１０４において、その材質、形状、大きさ、構造は、同じであってもよいし、異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。

第一電極１０２、及び第二電極１０４の材質としては、例えば、金属、炭素系導電材料、導電性ゴム組成物、導電性高分子、酸化物などが挙げられる。
金属としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ステンレス、タンタル、ニッケル、リン青銅などが挙げられる。炭素系導電材料としては、例えば、カーボンナノチューブ、炭素繊維、黒鉛などが挙げられる。導電性ゴム組成物としては、例えば、導電性フィラーと、ゴムとを含有する組成物などが挙げられる。導電性高分子としては、例えば、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）、ポリピロール、ポリアニリンなどが挙げられる。酸化物としては、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化インジウム・酸化亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛などが挙げられる。
前記導電性フィラーとしては、例えば、炭素材料（例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンファイバー（ＣＦ）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェンなど）、金属フィラー（金、銀、白金、銅、アルミニウム、ニッケルなど）、導電性高分子材料（ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、及びポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、又は、これら誘導体にアニオン若しくはカチオンに代表されるドーパントを添加したものなど）、イオン液体などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、多硫化ゴム、ウレタンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ポリイソブチレン、変成シリコーンなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

第一電極１０２の形状、及び第二電極１０４の形状としては、例えば、薄膜などが挙げられる。第一電極１０２の構造、及び第二電極１０４の構造としては、例えば、織物、不織布、編物、メッシュ、スポンジ、繊維状の炭素材料が重なって形成された不織布であってもよい。
第一電極１０２、及び第二電極１０４の平均厚みは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、導電性及び可撓性の点から、０．０１μｍ〜１ｍｍが好ましく、０．１μｍ〜５００μｍがより好ましい。このように平均厚みが、０．０１μｍ以上であると、機械的強度が適正であり、導電性が向上する。また、このように平均厚みが、１ｍｍ以下であると、発電素子１００が変形可能であり、発電性能が良好である。

中間層１０３は外力により変形すると発電する材料であり、例えば圧電素子（セラミックスやポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などがある）や特開２０１６−１０３９６７号公報に記載の素子や、第一電極１０２及び第二電極１０４との仕事関数差により摩擦帯電する材料を用いてもよい。たとえば、電極である金属と帯電列で離れている塩化ビニルなどがある。中間層１０３の材料は、これらに限定するものではなく、外力により変形が加わると発電する材料もしくは素子であればよい。また、中間層１０３の材料が、セラミックスなどの硬い材料の場合、変形により折れたり、割れたりして破損してしまうことが想定されるので、可撓性のある材料の方が適している。
つまり、中間層１０３の第一電極側と第二電極側とは同じ変形付与力に対する変形の度合いが異なるように構成されている。

第一基板１０１と第一電極１０２は互いの対向する面が接着され、第二基板１０５と第二電極１０４は互いの対向する面が接着されている。中間層１０３と第一電極１０２は、圧電素子など、接触帯電、剥離帯電を用いた発電方式の場合でなければ互いの対向する面が接着されており、接触帯電、剥離帯電を用いた発電方式の場合であれば接着はされない。中間層１０３と第二電極１０４は、互いの対向する面が接着されている。なおここでいう接着は、接着剤等による接着のみを示すものではなく、クーロン力などの物理現象などにより貼りついた状態も含んでいる。

（第１の実施形態）
図２は、図１に示した発電素子１００を用いて作製された素子としての積層素子である発電素子２００の構成を示す図である。図２では、発電素子１００に相当する素子２０１、２０２、２０３を３つ用いて３層構造の積層素子とした発電素子２００を示すが、発電素子２００の層構造としては３層に限定するものではなく、２以上の整数層の素子を有する発電素子２００であればよい。なお、図２の説明では、素子２０１を第一層素子２０１とし、素子２０２を第二層素子２０２とし、素子２０３を第三層素子２０３とする。発電素子２００は、第一層素子２０１から第三層素子２０３が並列配置されて積層されているが、互いに接着はされておらず、独立して変形可能に構成されている。第一層素子２０１から第三層素子２０３は、それぞれ変形することで発電するが、同一の力が加わり、同一の変形（変形率）が行われることで、同一の電圧が出力されるように構成されている。

図２に示す構成は、本実施形態の最小限の構成を示すものであり、実際に変形を起こすために、発電素子２００を構成する第一層素子２０１から第三層素子２０３をそれぞれ支持する構造がある。例えば外圧の方向を図２の上下方向とした場合、上下方向より第一層素子２０１〜第三層素子２０３をそれぞれ支持するための部材である板で挟む、第一層素子２０１〜第三層素子２０３の変形を阻害しない範囲で全体をカバー材等で覆うことで、支持構造を構成することができる。あるいは、加圧により長さ違いの第一層素子２０１〜第三層素子２０３の端部が床や壁等に触れるような場所に設置することで支持構造を構成してもよい。

発電素子２００は、第一層素子２０１に比べ、第二層素子２０２は短く、さらに第三層素子２０３は第二層素子２０２より短く形成されている。すなわち、第一層素子２０１〜第三層素子２０３と発電素子１００との違いは、第一基板と第二基板の長さが異なっている。第一層素子２０１に用いている第一基板１０１Ａと第二基板１０５Ａは同一の長さである。第二層素子２０２に用いている第一基板１０１Ｂと第二基板１０５Ｂは同一の長さであるが、第一基板１０１Ａと第二基板１０５Ａよりも短く設定されている。第三層素子２０３に用いている第一基板１０１Ｃと第二基板１０５Ｃは同一の長さであるが、第一基板１０１Ｂと第二基板１０５Ｂよりも短く設定されている。第一層素子２０１〜第三層素子２０３は、それぞれ第一基板１０１Ａ〜１０１Ｃと第二基板１０５Ａ〜１０５が、一方の端部側で揃えて積層配置されている。また、第一層素子２０１〜第三層素子２０３で用いている第一電極１０２Ａ〜１０２Ｃ、中間層１０３Ａ〜１０３Ｃ、第二電極１０４Ａ〜１０４Ｃは同一の長さであり、その中心が同一中心線Ｚ上に位置するように配置されている。すなわち、発電素子２００は、第一基板１０１Ａ〜１０１Ｃと第二基板１０５Ａ〜１０５Ｃの長さが異なるので、第一層素子２０１〜第三層素子２０３の外観形状は異なっているが、発電に寄与する第一電極１０２Ａ〜１０２Ｃ、中間層１０３Ａ〜１０３Ｃ、第二電極１０４Ａ〜１０４Ｃは同一の長さであり、同形状とされている。つまり、発電素子２００は、第一層素子２０１から第三層素子２０３に向かって層が進むにつれて、層素子が短くなるように構成されている。

次に、このような発電素子２００の変形について説明する。図３（ａ）〜（ｅ）は、発電素子２００の変形を時間経過とともに示した図である。図３（ａ）は変形前の状態を示している。この変形前の状態に対して、図３（ｂ）に示すように、外力２０４が発電素子２００の端部側から加わると、図３（ａ）の状態から図３（ｂ）のように発電素子２００が変形する。この例では、第一基板１０１Ａに向かって凸形状となる方向に変形する。つまり、最も長い第一層素子２０１のみが外力２０４により、湾曲するように変形するので、外力２０４に対して垂直方向に第一層素子２０１の変形が生じる。このとき、第一層素子２０１の長さは短くなる。また、変形した第一層素子２０１は変形により発電する。さらに外力２０４が加わると、図３（ｂ）の状態から図３（ｃ）のように第二層素子２０２も、第一層素子２０１と同様に外力２０４に対して垂直方向に変形し、第二層素子２０２が発電する。図３（ｃ）よりさらに外力２０４が加わると、図３（ｃ）の状態から図３（ｄ）のよう第三層素子２０３も外力２０４に対して垂直方向に変形して発電する。

このように、発電素子２００を構成する第一層素子２０１から第三層素子２０３の、外力が加わる方向への長さを異ならせることで、第一層素子２０１から第三層素子２０３に向かって段階的に各層素子（各素子）が変形することで発電するタイミングをずらすことができる。このため、発電素子２００から出力される電圧を持続させることができ、安定した出力を得ることができる。また、発電素子２００は、最終的には図３（ｅ）に示すように、第一層素子２０１から第三層素子２０３までの全ての素子が、第一層素子２０１の第一基板１０１Ａ側に向かって凸形状になり、各素子が同形状まで変形するので、素子間の発電量を同等にすることができる。このため、発電素子２００を高周波数の電流を通しやすいをコンデンサ等の蓄電素子を備えた充電部に接続して充電に使用とした場合でも、効率よく充電することができる。

また、接触帯電、剥離帯電により発電する中間層１０３Ａ〜１０３Ｃであれば、第一基板１０１Ａ〜１０１Ｃは、第二基板１０５Ａ〜１０５Ｃよりも長くすることで、外力２０４が加わると、第一基板１０１Ａ〜１０１Ｃは変形し、第一電極１０２Ａ〜１０２Ｃと中間層１０３Ａ〜１０３Ｃの間で、それぞれ剥離帯電が発生して発電する。さらに、図３（ｄ）よりも強い外圧が加わり変形が進むと、図３（ｅ）に示すように第三層素子２０３が変形する。この途中の過程は、第三層素子２０３、第二層素子２０２、第一層素子２０１の順で、第一電極１０２Ｃから１０２Ａと中間層１０３Ｃから１０３Ａ間で接触帯電が発生する。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態の構成を示す。本実施形態に係る素子としての発電素子３００は、素子（層素子）としての第一層素子３０１、第二層素子３０２、第三層素子３０３を備えている。第一層素子３０１〜第三層素子３０３は、第一電極１０２Ａ〜１０２Ｃ、中間層１０３Ａ〜１０３Ｃ、第二電極１０４Ａ〜１０４Ｃを積層した状態で備えている。この発電素子３００の構成では、第一層素子３０１〜第三層素子３０３を構成する第一基板と第二基板を部分的に共通化している。すなわち、第一層素子３０１〜第三層素子３０３の三層で構成された発電素子３００において、中間層となる第二層素子３０２の第一基板３０１Ｂは、前層であり第二層素子３０２と隣接する第一層素子３０１の第二基板３０５Ａと共通な基板３００Ａとされている。第二層素子３０２の第二基板３０５Ｂは、後層となる第三層素子３０３の第一基板３０１Ｃと共通の基板３００Ｂとされている。つまり、図４の左から２番目の共通な基板３００Ａは、第一層素子３０１の第二基板３０５Ａであり、第二層素子３０２の第一基板３０１Ｂということになる。図４の左から３番目の基板３００Ｂは、第一層素子３０１の第一基板３０１Ｃであり、第二層素子３０２の第二基板３０５Ｂということになる。

このように複数の素子（第一層素子３０１、第二層素子３０２、第三層素子３０３）で構成された発電素子３００のように、基板を共通にすることにより、発電素子３００（積層素子）の膜厚を薄くするこができ、より弱い力で発電させることが可能となるだけでなく、より多くの層素子（素子）を積層することができるようになる。この結果、より安定した発電が可能になることで、充電部を充電することができるとともに、コスト削減にもなる。

図５は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を用いた素子としての発光素子の発電時の波形を示したグラフを示す。発電素子の構造は、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、第二層素子以降の素子の第一基板４０１Ｂ、５０１Ｂおよび５０１Ｃを前層である第一層素子の第二基板５０５Ａ、５０５Ｂと共通な基板４００Ａ、４００Ｂおよび共通な基板５００Ａ、５００Ｂとしたものである。発電素子としては、図６（ａ）に示した長さの違う第一層素子４０１、第二層素子４０２、第三層素子４０３の素子構造の発電素子４００と、図６（ｂ）に示した第一層素子５０１、第二層素子５０２、第三層素子５０３ともに長さが同じ素子構造の発電素子５００の２つを作成した。ここでは、発電素子４００を便宜的に積層素子１とし、発電素子５００を積層素子２とする。
図６（ａ）に示した発電素子４００（積層素子１）の各中間層と各第一電極及び各第二電極の大きさは、それぞれ縦４０ｍｍ横５０ｍｍで、第一層素子２０１の第一基板２０１Ａと第二基板２０５Ｂは縦８０ｍｍ横１００ｍｍであり、以下第二層素子２０２、第三層素子２０３と縦の長さが１ｍｍずつ短くした。図６（ｂ）に示した発電素子５００（積層素子２）は、各中間層と各第一電極と各第二電極の大きさが、縦４０ｍｍ横５０ｍｍで、それぞれの第一基板と第二基板の大きさが縦８０ｍｍ、横１００ｍｍの層素子を３層積層した。図６（ｂ）では、これら三層の素子を第一層素子５０１、第二層素子５０２、第三層素子５０３とする。

測定方法は、図８（ａ）に示すように、発電素子４００，５００（積層素子１、２）の変形をさせるために、板７０１，７０２で挟んで外力４０４を０．８秒で、図８（ｂ）に示す板７０１，７０２の間の距離Ｒが３０ｍｍなるように加えた時の電圧をオシロスコープで測定した。図８（ａ）、図８（ｂ）は、発電素子４００（積層素子１）の測定を示す図であるが、発電素子５００（積層素子２）の場合も同様に測定する。
オシロスコープはＴＰＳ２０２４を用いプローブはＴＰＰ０２０１（入力インピーダンス１０Ｍ）を用いた。発電した出力は直接オシロスコープのプローブに入力して測定した。
波形Ａは発電素子４００（積層素子１）の発電波形を示し、波形Ｂは発電素子５００（積層素子２）の発電波形を示す。長さの違う素子で構成された発電素子４００（積層素子１）の波形Ａは、長さの同じ素子で構成された発電素子５００（積層素子２）の波形Ｂと比べて発電時間が長いことが分かる。このように素子の長さを変えて発電を段階的に起こすことで、より安定した出力が得られることが分かる。

図７は、特開２０１６−１０３９６７号公報に記載の素子の中間層を用いて作製した積層素子（発電素子）３，４の発電グラフを示す。特開２０１６−１０３９６７号公報に記載の素子の中間層は素子構造により、圧電素子に準じた出力をするが、本実施形態では、接触帯電、剥離帯電を主に用いて発電をさせている。積層素子３，４の構造は、第二層素子以降の素子の第一基板は前層の第二基板と共通の構造である。積層素子３は図６（ａ）と同様に各層の長さの違うものとして構成し、積層素子４は図６（ｂ）と同様に各層の素子の長さが同じものとして構成した。
積層素子３は、中間層の大きさが縦７０ｍｍ、横１０５ｍｍで、電極が縦６５ｍｍ、横１００ｍｍであり、第一層素子の基板は縦１００ｍｍ横１１０ｍｍであり、以下第二層素子、第三層素子、第四層素子、第五層素子と縦の長さが１ｍｍずつ短くした。積層素子４は、中間層の大きさが縦７０ｍｍ、横１０５ｍｍで、電極が縦６５ｍｍ、横１００ｍｍであり、基板の大きさが縦１００ｍｍ、横１１０ｍｍの素子を５層積層した。

測定方法は、図８（ａ）、図８（ｂ）と同様に、素子を変形させるために、板（７０１，７０２）で挟んで外力４０４を１．６秒で、板７０１，７０２の間の距離Ｒが４０ｍｍになるように加えた時の電圧をオシロスコープで測定した。図８（ａ）、図８（ｂ）は積層素子３の測定を示す図であるが、積層素子４の場合も同様に測定する。
オシロスコープはＴＰＳ２０２４を用いプローブはＰ５１５０（入力インピーダンス４０Ｍ）を用いた。発電した出力は直接オシロスコープのプローブに入力して測定した。
波形Ｃは積層素子３の発電波形を示し、波形Ｄは積層素子４の発電波形を示す。長さの違う素子で構成された積層素子３の波形Ｃは、長さの同じ素子で構成された積層素子４の波形Ｄとくらべ発電時間が長いことが分かる。このように素子の長さを変えて発電を段階的に起こすことで、より安定した出力が得られることが分かる。図５の波形と比較すると、接触帯電、剥離帯電による発電を行うものでは効果がより大きくなる。
このように、長さ違いの素子が段階的に変形することで、長時間の出力を得られるようになってことで、より短時間で充電部を充電することができる。

以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

２０１，３０１，４０１，５０１ 素子（第一層素子）
２０２，３０２，４０２，５０２ 素子（第二層素子）
２０３，３０３，４０３，５０３ 素子（第三層素子）
２００，３００，４００，５００ 素子（発電素子）
１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ 基材（第一基板）
１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ 電極（第一電極）
１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ 中間層
１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ 電極（第二電極）
１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ 基材（第二基板）
３００Ａ，３００Ｂ 共通な基板
４００Ａ，４００Ｂ 共通な基板
５００Ａ，５００Ｂ 共通な基板

特許第４８９２０７９号公報

Claims (4)

1. 加圧することで発電する２以上の整数個の素子が積層された素子であって、
   前記素子が加圧方向と垂直方向に変形可能であり、各素子の基材の長さが、１方向に順に短く形成されていて、加圧により、段階的に変形して発電することを特徴とする素子。
2. 前記素子は、電極と、前記電極と接触する中間層を有し、
   前記中間層は、前記電極との接触帯電または剥離帯電により発電することを特徴とする請求項１に記載の素子。
3. 前記素子は、第一電極と、第二電極と、前記第一電極と第二電極の間に配置され前記第一電極と前記第二電極とに接触する中間層を有し、前記第一電極、前記中間層および前記第二電極はこの順序で積層されていて、
   前記中間層は可撓性を有し、前記中間層の第一電極側と第二電極側とは同じ変形付与力に対する変形の度合いが異なる請求項１に記載の素子。
4. 前記複数の素子のうち、第一層素子と隣接された第二層素子以降の素子の第一基板は、前記第二層素子よりも一層上の層素子の第二基板と共通な基板となるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の素子。

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