JP2019193495A - Friction generator - Google Patents

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淑 杉山
Kiyoshi Sugiyama
淑 杉山
英美 中塚
Hidemi Nakatsuka
英美 中塚
チ 高
Chi Gao
チ 高
貫大 中西
Kanta Nakanishi
貫大 中西
ピエール ヴュートリッヒ
Wuethrich Pierre
ピエール ヴュートリッヒ
智弘 東
Tomohiro Azuma
智弘 東
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Abstract

To provide a friction generator exhibiting high generation performance by solving the following problem: a sufficient review has not been made with a point of view that increasing a potential difference increases a charge amount actually poured into an electrode even with the same charging amount, paying attention to that a friction charging layer has a function as a dielectric body which induces a potential difference to the electrode.SOLUTION: The friction generator includes charging members provided to face each other. At least one of the charging members includes an electrode, a dielectric layer and an outermost layer. The dielectric layer includes matrixes and particles. The dielectric constant of the particles is higher than that of the matrixes.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、摩擦発電機に関する。   The present invention relates to a friction generator.

近年、摩擦帯電型の発電機に関して検討がなされている。摩擦発電機は、2つの帯電体の摩擦時に発生する帯電電荷により生じる電位差を利用して外部負荷に電流を流す事で、電気エネルギーを発生させるものである。
摩擦発電機の出力は、摩擦により生じる帯電電荷量、及びその帯電電荷により電極間に発生する電位差により決定する。
帯電電荷量を増加する方法として、摩擦帯電層として複合化材料を用いる・積層化するなどの例が報告されている。特許文献1には、電極及び摩擦電気物質層の間に、シラン基やシラノール基を含む自己集合単層を設けることで、電極の表面特性を変更し、摩擦電気物質層との摩擦によって生成される電気エネルギーの量を増加させることが示されている。
また、非特許文献1には、摩擦帯電層にアルミナ粒子を含有させる事で、摩擦帯電層の帯電特性を改良することが示されている。
非特許文献2には、帯電層であるポリフッ化ビニリデン層の下に、ポリスチレン層及びカーボンナノチューブ層を挿入した構造を用いて摩擦発電を行い、電流量が増加したことが示されている。
In recent years, studies have been made on frictional charging generators. The friction generator generates electric energy by causing a current to flow to an external load using a potential difference generated by a charged charge generated during friction between two charged bodies.
The output of the friction generator is determined by the amount of charge generated by friction and the potential difference generated between the electrodes due to the charge.
As a method for increasing the amount of charged electric charge, there have been reported examples of using a composite material as a triboelectric charging layer or laminating. In Patent Document 1, a self-assembled monolayer containing a silane group or a silanol group is provided between an electrode and a triboelectric material layer, so that the surface characteristics of the electrode are changed and generated by friction with the triboelectric material layer. It has been shown to increase the amount of electrical energy.
Non-Patent Document 1 discloses that the charging characteristics of the triboelectric charging layer can be improved by incorporating alumina particles in the triboelectric charging layer.
Non-Patent Document 2 shows that triboelectric power generation was performed using a structure in which a polystyrene layer and a carbon nanotube layer were inserted under a polyvinylidene fluoride layer as a charging layer, and the amount of current increased.

特開2016−226276号公報JP, 2006-226276, A

Sequential Infiltration Synthesis of Doped Polymer Films with Tunable Electrical Properties for Efficient Triboelectric Nanogenerator Development, Advanced Materials, 2015, 27(33), pp 4938-4944Sequential Infiltration Synthesis of Doped Polymer Films with Tunable Electrical Properties for Efficient Triboelectric Nanogenerator Development, Advanced Materials, 2015, 27 (33), pp 4938-4944 Dynamic Behavior of the Triboelectric Charges and Structural Optimization of the Friction Layer for a Triboelectric Nanogenerator , ACS Nano ,2016,10(6),pp 6131-6138Dynamic Behavior of the Triboelectric Charges and Structural Optimization of the Friction Layer for a Triboelectric Nanogenerator, ACS Nano, 2016,10 (6), pp 6131-6138

いずれの先行技術も、摩擦帯電層の「帯電」という役割に着目し、その帯電量を増加する事に主眼を置いている。しかしながら、摩擦帯電層には電極に電位差を誘起する誘電体としての機能もあり、ここに着目して、同じ帯電量であっても、電位差を増やすことで実際に電極に流れ込む電荷量を増加するという観点での検討は十分になされていなかった。   Both prior arts focus on the role of “charging” of the triboelectric charging layer and focus on increasing the charge amount. However, the triboelectric charging layer also has a function as a dielectric that induces a potential difference in the electrode. Focusing on this, even if the charge amount is the same, increasing the potential difference increases the amount of charge that actually flows into the electrode. However, it has not been fully examined from the viewpoint of.

本発明者は、摩擦帯電層の誘電体としての役割に着目して検討した結果、摩擦発電機の少なくとも1つの帯電部材が誘電体層と最表層を有し、誘電体層はマトリクス及び粒子を有し、該粒子の比誘電率が該マトリクスの比誘電率より高いものであることで、摩擦発電機が高い発電能を示すことを見出した。
即ち、本発明の要旨は、以下に存する。
As a result of studying the role of the friction charging layer as a dielectric, the inventor has found that at least one charging member of the friction generator has a dielectric layer and an outermost layer, and the dielectric layer includes a matrix and particles. It has been found that the frictional generator exhibits a high power generation capability because the particles have a dielectric constant higher than that of the matrix.
That is, the gist of the present invention is as follows.

[1] 互いに対向するように設けられた帯電部材を含む摩擦発電機であって、
該帯電部材の少なくとも1つは、電極、誘電体層及び最表層を有し、
該誘電体層はマトリクス及び粒子を有し、該粒子の比誘電率が該マトリクスの比誘電率より高いものである、摩擦発電機。
[2]前記誘電体層の比誘電率(εDI)が5以上である、[1]に記載の摩擦発電機。
[3]前記誘電体層の膜厚をdDI、最表層の膜厚をdSfとすると、dSf/dDI<1である、[1]又は[2]に記載の摩擦発電機。
[4]dDIが、10μm以上500μm以下である、[1]〜[3]のいずれかに記載の摩擦発電機。
[5]dSfが、1μm以上100μm以下である、[1]〜[4]のいずれかに記載の摩擦発電機。
[6]前記誘電体層と前記最表層が同じポリマーを含むものである、[1]〜[5]のいずれかに記載の摩擦発電機。
[1] A friction generator including charging members provided to face each other,
At least one of the charging members has an electrode, a dielectric layer, and an outermost layer,
The dielectric layer has a matrix and particles, and the relative dielectric constant of the particles is higher than the relative dielectric constant of the matrix.
[2] The friction generator according to [1], wherein the dielectric layer has a relative dielectric constant (ε DI ) of 5 or more.
[3] the dielectric layer thickness of d DI of the the outermost layer of the film thickness and d Sf, a d Sf / d DI <1, friction generator according to [1] or [2].
[4] The friction generator according to any one of [1] to [3], wherein d DI is 10 μm or more and 500 μm or less.
[5] The frictional generator according to any one of [1] to [4], wherein d Sf is 1 μm or more and 100 μm or less.
[6] The friction generator according to any one of [1] to [5], wherein the dielectric layer and the outermost layer contain the same polymer.

本発明によれば、高い発電能を示す摩擦発電機が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the friction generator which shows high power generation capability is provided.

本発明は、互いに対向するように設けられた帯電部材を含む摩擦発電機であって、該帯電部材の少なくとも1つは、電極と、誘電体層及び最表層を有し、該誘電体層はマトリクス及び粒子を有し、該粒子の比誘電率が該マトリクスの比誘電率より高いことを特徴とする。   The present invention is a friction power generator including charging members provided so as to face each other, and at least one of the charging members includes an electrode, a dielectric layer, and an outermost layer, and the dielectric layer includes: It has a matrix and particles, and the dielectric constant of the particles is higher than the relative dielectric constant of the matrix.

本発明の第一実施形態に係る摩擦発電機の概略構成図である。It is a schematic structure figure of a friction generator concerning a first embodiment of the present invention. 他の実施形態による摩擦発電機の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the friction generator by other embodiment. 他の実施形態による摩擦発電機の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the friction generator by other embodiment.

以下に本発明について詳細に説明するが、以下の説明は、本発明の実施の形態の一例であり、本発明はその要旨を超えない限り、以下の記載内容に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変形して実施することができる。   The present invention will be described in detail below, but the following description is an example of an embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following description unless it exceeds the gist. The present invention can be arbitrarily modified and implemented without departing from the scope of the invention.

本発明は、互いに対向するように設けられた帯電部材を含む摩擦発電機であり、該帯電部材の少なくとも1つは、電極、誘電体層及び最表層を有し、該誘電体層はマトリクス及び粒子を有し、該粒子の比誘電率が該マトリクスの比誘電率より高いものである。   The present invention is a friction generator including a charging member provided so as to face each other, and at least one of the charging members includes an electrode, a dielectric layer, and an outermost layer, and the dielectric layer includes a matrix and a dielectric layer. Particles having a relative dielectric constant higher than that of the matrix.

本発明の帯電部材は、電極と誘電体層と最表層を有していれば特に限定はされないが、さらに他の層を有していてもよい。また、誘電体層に含まれるマトリクスが表面に偏在することで最表層となったものも、誘電体層と最表層を具備しているものとする。
また、最表層とは、該帯電部材に対向するように設けられたもう1つの帯電部材側の最表の層のことを差す。
互いに対向するように設けられた帯電部材は、摩擦発電を行う際に、それぞれ正負を帯びた帯電部材となる。電極と少なくとも1つの誘電体層と最表層を有する帯電部材は、正負のどちらであってもよい。
The charging member of the present invention is not particularly limited as long as it has an electrode, a dielectric layer and an outermost layer, but may further have other layers. Moreover, what became the outermost layer because the matrix contained in the dielectric layer is unevenly distributed on the surface also includes the dielectric layer and the outermost layer.
Further, the outermost layer refers to the outermost layer on the other charging member side provided so as to face the charging member.
The charging members provided so as to face each other become positive and negative charging members when performing frictional power generation. The charging member having the electrode, at least one dielectric layer, and the outermost layer may be positive or negative.

本発明の摩擦発電機が高い発電能を有する理由は定かではないが、以下が考えられる。
摩擦発電機は、電極と誘電体層からなる一組の帯電部材が対向した構造をしており、帯電部材の誘電体層の表面が接触と離反を繰り返す際に、その表面層が互いに反対の極性に帯電する。誘電体層が接触している時には正負の電荷が外部に形成する電場が打ち消し合うために、誘電体層よりも外側にある電極間の電位差は等しい。誘電体層同士が離れると、両電極間に電位差が生じる。両電極間を負荷抵抗を介して電気的に接続すると、この接続部を通って電荷が流れる。電荷は電極間の電位差がゼロになるまで流れ、この流れがすなわち電流となる。流れる電荷量は、誘電体層の表面に蓄積している電荷量よりも小さく、以下の式に従う。
The reason why the friction generator of the present invention has a high power generation capacity is not clear, but the following may be considered.
The friction generator has a structure in which a pair of charging members composed of an electrode and a dielectric layer face each other. When the surface of the dielectric layer of the charging member repeats contact and separation, the surface layers are opposite to each other. Charge to polarity. When the dielectric layers are in contact with each other, the electric fields formed by the positive and negative charges cancel each other, so the potential difference between the electrodes outside the dielectric layers is equal. When the dielectric layers are separated from each other, a potential difference is generated between both electrodes. When the two electrodes are electrically connected via a load resistor, charge flows through this connection. The electric charge flows until the potential difference between the electrodes becomes zero, and this flow becomes an electric current. The amount of charge flowing is smaller than the amount of charge accumulated on the surface of the dielectric layer, and follows the following equation.

Figure 2019193495
Figure 2019193495

ここで、σ‘は電極間を流れる電荷量(通電電荷量)、σは帯電部材の表面に蓄積している電荷量(帯電電荷量)、dは誘電体層間のギャップ、tpは正の誘電体層の膜厚、tnは負の誘電体層の膜厚、εrpは正の誘電体層の誘電率、εrnは負の誘電体層の誘電率である。すなわち、誘電体層の膜厚が薄く、誘電体層の誘電率が高い方が、誘電体層表面の電荷により電極に誘起される電場の強さが大きくなり、その結果、流れる電荷量が多くなる事を示している。したがって、誘電体層の誘電率は高い方が好ましいと考えられる。誘電体層の誘電率を高めるためには、誘電体層に誘電率の高い粒子を分散させる方法がある。
一方、我々が電場解析シミュレータPHOTO−VOLTを用いて計算した表面電位計算によると、高誘電率の層の中で誘電率に分布があると表面電位は不均一になり、誘電率の高い領域の近傍において表面電位が高くなる。このような局所的な高電位領域は、気中への放電の要因となる。気中への放電は、放電限界電圧を超えると起きるため、誘電率の高い領域近傍で放電がより起こりやすくなると考えられる。一方、電極上の高誘電率層の表面を誘電率の低い均一な最表層で覆うと、その表面電位は均一となり、気中への放電が抑制されると考えられる。
また、粒子が分散した誘電体層の表面は凹凸が大きいと考えられ、誘電体層同士が接触した際の接触面積の低下につながる。最表層の付与は、表面凹凸を平坦化することで接触面積を向上し、より効果的に帯電を起こすことにも寄与する。
さらに、粒子が分散した誘電体層は硬く、誘電体層同士が接触した際に変形する事が難しいと考えられるが、表面に最表層を有する場合には、これが変形する事で良好な接触界面を形成する事ができると考えられる。
Here, σ ′ is the amount of charge flowing between the electrodes (conducted charge amount), σ is the amount of charge accumulated on the surface of the charging member (charge amount), d is the gap between the dielectric layers, and t p is positive The film thickness of the dielectric layer, t n is the film thickness of the negative dielectric layer, ε rp is the dielectric constant of the positive dielectric layer, and ε rn is the dielectric constant of the negative dielectric layer. That is, the thinner the dielectric layer and the higher the dielectric constant of the dielectric layer, the greater the strength of the electric field induced on the electrode by the charge on the surface of the dielectric layer, resulting in a larger amount of charge flowing. It shows that. Therefore, it is considered that the dielectric layer should have a higher dielectric constant. In order to increase the dielectric constant of the dielectric layer, there is a method of dispersing particles having a high dielectric constant in the dielectric layer.
On the other hand, according to the surface potential calculation that we calculated using the electric field analysis simulator PHOTO-VOLT, if there is a distribution of dielectric constant in the high dielectric constant layer, the surface potential becomes non-uniform, The surface potential increases in the vicinity. Such a local high potential region causes a discharge into the air. Since discharge into the air occurs when the discharge limit voltage is exceeded, it is considered that discharge is more likely to occur near a region having a high dielectric constant. On the other hand, when the surface of the high dielectric constant layer on the electrode is covered with a uniform outermost layer having a low dielectric constant, the surface potential becomes uniform, and it is considered that discharge into the air is suppressed.
In addition, the surface of the dielectric layer in which the particles are dispersed is considered to have large irregularities, leading to a reduction in the contact area when the dielectric layers are in contact with each other. The provision of the outermost layer improves the contact area by flattening the surface irregularities and contributes to more effective charging.
Furthermore, the dielectric layer in which the particles are dispersed is hard, and it is considered difficult to be deformed when the dielectric layers come into contact with each other. It is thought that can be formed.

[誘電体層]
本発明の誘電体層は、マトリクス及び粒子を有する。該粒子は、比誘電率が該マトリクスの比誘電率より高いものである。本発明の誘電体層はマトリクス及び粒子以外の添加剤等を有していてもよい。
[Dielectric layer]
The dielectric layer of the present invention has a matrix and particles. The particles have a dielectric constant higher than that of the matrix. The dielectric layer of the present invention may have additives other than the matrix and particles.

マトリクスと粒子の比誘電率の比は特には限定されず、適宜調整することができる。
誘電体層中のマトリクス及び粒子の含有量及び含有比は特に限定されない。
マトリクスは、10体積%以上が好ましく、20体積%以上がより好ましく、90体積%以下が好ましく、80体積%以下がより好ましい。一方、粒子は、10体積%以上が好ましく、20体積%以上がより好ましく、90体積%以下が好ましく、80体積%以下がより好ましい。これらの範囲であることで、マトリクスにより膜の形状を維持しつつ、粒子による高誘電率化の効果を得る事ができる傾向にある。
The ratio of the relative dielectric constant between the matrix and the particles is not particularly limited and can be adjusted as appropriate.
The content and content ratio of the matrix and particles in the dielectric layer are not particularly limited.
The matrix is preferably 10% by volume or more, more preferably 20% by volume or more, preferably 90% by volume or less, and more preferably 80% by volume or less. On the other hand, the particles are preferably 10% by volume or more, more preferably 20% by volume or more, preferably 90% by volume or less, and more preferably 80% by volume or less. By being within these ranges, the effect of increasing the dielectric constant by particles tends to be obtained while maintaining the shape of the film by the matrix.

誘電体層の膜厚(dDI)は、好ましくは10μm以上であり、より好ましくは20μm以上である。また、好ましくは500μm以下であり、より好ましくは200μm以下である。上記上限値以下であることで、帯電電荷により電極に誘起される電場が維持され、発電量の減少を抑制できる傾向にある。また、上記下限値以上であることで、帯電電荷が拡散して電極に到達して消失すること及び電気的な短絡が発生することを抑制できる傾向にある。 The film thickness (d DI ) of the dielectric layer is preferably 10 μm or more, more preferably 20 μm or more. Moreover, Preferably it is 500 micrometers or less, More preferably, it is 200 micrometers or less. By being below the above upper limit value, the electric field induced in the electrode by the charged charge is maintained, and there is a tendency that the decrease in the amount of power generation can be suppressed. Moreover, it exists in the tendency which can suppress that an electrical charge spread | diffuses and reaches | attains and lose | disappears and an electrical short circuit generate | occur | produces because it is more than the said lower limit.

(粒子)
本発明の粒子は、具体的には酸化チタンや酸化亜鉛などの金属酸化物、チタン酸バリウムなどのセラミクスが挙げられる。
粒子の比誘電率は特に限定されないが、10以上であることが好ましく、30以上であることがより好ましい。また、上限はなく、高い方が好ましい。これらの範囲であることで、誘電率層が高誘電化し、電極に誘起される電場強度を高くすることができる傾向にある。
(particle)
Specific examples of the particles of the present invention include metal oxides such as titanium oxide and zinc oxide, and ceramics such as barium titanate.
The relative dielectric constant of the particles is not particularly limited, but is preferably 10 or more, and more preferably 30 or more. Moreover, there is no upper limit and the higher one is preferable. By being in these ranges, the dielectric constant layer tends to be highly dielectric, and the electric field strength induced in the electrode tends to be increased.

(マトリクス)
本発明のマトリクスは、粒子を分散する機能を有する。マトリクスは高誘電率の粒子を分散したフィルムや膜を形成できる材料であれば特に限定されないが、例えば各種のポリマーが挙げられる。具体的には、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素樹脂、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリエチレン・ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート(PET)などのポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリメチルメタクリレート(PMMA)などのアクリル樹脂、ナイロンなどのポリアミド樹脂、セルロースなどである。
また、マトリクスの比誘電率は特に限定されず、適宜調整することができる。
(Matrix)
The matrix of the present invention has a function of dispersing particles. The matrix is not particularly limited as long as it is a material capable of forming a film or film in which particles having a high dielectric constant are dispersed, and examples thereof include various polymers. Specifically, fluorine resins such as polydimethylsiloxane (PDMS) and polyvinylidene fluoride, polyolefins such as polyimide, polyvinyl chloride, polystyrene, and polyethylene / polypropylene, polyester resins such as polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate resin, and polymethyl Examples thereof include acrylic resins such as methacrylate (PMMA), polyamide resins such as nylon, and cellulose.
The relative dielectric constant of the matrix is not particularly limited and can be adjusted as appropriate.

(比誘電率)
本発明における誘電体層の比誘電(εDI)は、好ましくは5以上であり、より好ましくは8以上である。また、上限はなく高い方が好ましい。
比誘電率は、被測定材料の層の両面に電極を形成して平行平板キャパシタを作製し、キャパシタの電気容量Cを測定することで、以下の式から計算することができる。
C=ε0・εr・A/d
ここで、εrは比誘電率、ε0は真空の誘電率、Aはキャパシタの面積、dは被測定材料の層の膜厚である。キャパシタの電気容量は、LCRメータ、インピーダンスアナライザなどで測定する事が出来る。
(Relative permittivity)
The relative dielectric constant (ε DI ) of the dielectric layer in the present invention is preferably 5 or more, more preferably 8 or more. Moreover, there is no upper limit and the higher one is preferable.
The relative dielectric constant can be calculated from the following equation by forming electrodes on both sides of the layer of the material to be measured to produce a parallel plate capacitor and measuring the capacitance C of the capacitor.
C = ε 0 · ε r · A / d
Here, ε r is the relative dielectric constant, ε 0 is the vacuum dielectric constant, A is the area of the capacitor, and d is the thickness of the layer of the material to be measured. The capacitance of the capacitor can be measured with an LCR meter, impedance analyzer, or the like.

[最表層]
本発明における最表層とは、摩擦発電時に帯電体を摩擦させる面のことを表す。
本発明の最表層は、帯電性を有する材料であれば特に限定されないが、ポリマー、非金属物質等が挙げられる。具体的には、ポリマーでは、ポリジメチルシロキサン(PDMS)などのシリコーン樹脂;
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素樹脂;
ポリイミド;
ポリ塩化ビニル;
ポリスチレン;
ポリエチレン・ポリプロピレンなどのポリオレフィン;
ポリエチレンテレフタレート(PET)などのポリエステル樹脂;
ポリカーボネート樹脂;
ポリメチルメタクリレート(PMMA)などのアクリル樹脂;
ナイロンなどのポリアミド樹脂;
セルロース;が挙げられる。
また、非金属物質では、シリカやアルミナなどの酸化物などが挙げられる。
[Outermost layer]
The outermost layer in the present invention refers to a surface that rubs a charged body during frictional power generation.
The outermost layer of the present invention is not particularly limited as long as it is a chargeable material, and examples thereof include polymers and non-metallic substances. Specifically, for polymers, silicone resins such as polydimethylsiloxane (PDMS);
Fluororesins such as polytetrafluoroethylene (PTFE);
Polyimide;
PVC;
polystyrene;
Polyolefins such as polyethylene and polypropylene;
Polyester resins such as polyethylene terephthalate (PET);
Polycarbonate resin;
Acrylic resins such as polymethyl methacrylate (PMMA);
Polyamide resin such as nylon;
Cellulose.
Nonmetallic materials include oxides such as silica and alumina.

最表層の膜厚(dSf)は、好ましくは1μm以上であり、より好ましくは2μm以上である。また、好ましくは100μm以下であり、より好ましくは50μm以下である。上記上限値以下であることで、帯電電荷により電極に誘起される電場が大きくなり、発電量が維持、増大する傾向にある、また、上記下限値以上であることで、誘電体層の表面を均一に覆う事ができる傾向にある。 The film thickness (d Sf ) of the outermost layer is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more. Moreover, it is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less. By being below the upper limit value, the electric field induced on the electrode by the charged charge is increased, and the power generation tends to be maintained and increased, and by being above the lower limit value, the surface of the dielectric layer There is a tendency to cover evenly.

最表層は弾力があり、変形しやすい材料である事が好ましい。このような最表層は対向する誘電体層と接触した時に変形して接触面積を増加する事が出来、帯電量を向上に寄与する。最表層に用いる材料のヤング率は、好ましくは8GPa以下、より好ましくは5GPa以下である。   The outermost layer is preferably a material that is elastic and easily deforms. Such an outermost layer can be deformed when it comes into contact with the opposing dielectric layer to increase the contact area, thereby contributing to an improvement in charge amount. The Young's modulus of the material used for the outermost layer is preferably 8 GPa or less, more preferably 5 GPa or less.

最表層の比誘電率(εSf)は特に限定されないが、好ましくは1以上であり、より好ましくは1.5以上である。また、上限は特に限定されないが、好ましくは8以下であり、より好ましくは5以下である。最表層の比誘電率の測定方法は、誘電体層と同一である。 The relative dielectric constant (ε Sf ) of the outermost layer is not particularly limited, but is preferably 1 or more, more preferably 1.5 or more. Moreover, although an upper limit is not specifically limited, Preferably it is 8 or less, More preferably, it is 5 or less. The measurement method of the relative dielectric constant of the outermost layer is the same as that of the dielectric layer.

[誘電体層と最表層の組み合わせ]
誘電体層及び最表層の組み合わせは、本発明の効果を大きく損なわない範囲であれば特に限定されない。誘電体層上に直接最表層が製膜されている場合、両層が同じポリマーを含有すると、両層の密着性が高くなり、好ましい。
[Combination of dielectric layer and outermost layer]
The combination of the dielectric layer and the outermost layer is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not significantly impaired. In the case where the outermost layer is formed directly on the dielectric layer, it is preferable that both layers contain the same polymer because the adhesion between the two layers is increased.

誘電体層と最表層の膜厚の比は特に限定されないが、最表誘電体層の静電誘導効果がより向上することから、好ましくはdSf/dDI<1であり、より好ましくはdSf/dDI<0.2であることが好ましい。
また、誘電体層と最表層の比誘電率の関係も特に限定されないが、εDI>εSf であることが好ましい。
The ratio of the film thickness of the dielectric layer and the outermost layer is not particularly limited, but d Sf / d DI <1 and more preferably d because the electrostatic induction effect of the outermost dielectric layer is further improved. It is preferable that Sf / dDI <0.2.
Further, the relationship between the dielectric constant of the dielectric layer and the outermost layer is not particularly limited, but it is preferable that ε DI > ε Sf .

本発明の摩擦発電機が含有する帯電部材の少なくとも1つは、電極と、少なくとも1つの誘電体層と最表層を有すればよく、もう1方の帯電部材(以下、第2の帯電部材と表す場合がある。)は電極を有していれば特に限定されない。例えば、電極が誘電体層を兼ねていてもよく、電極と、少なくとも1つの誘電体層と最表層を有していてもよい。
第2の帯電部材における誘電体層の材料は、帯電性を有する材料であれば特に限定されないが、ポリマーや非金属物質等が挙げられる。
具体的には、ポリマーでは、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素樹脂、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリエチレン・ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート(PET)などのポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリメチルメタクリレート(PMMA)などのアクリル樹脂、ナイロンなどのポリアミド樹脂、セルロースが挙げられる。
非金属物質では、シリカやアルミナなどの酸化物などが挙げられる。
At least one of the charging members contained in the friction generator of the present invention may have an electrode, at least one dielectric layer, and an outermost layer, and the other charging member (hereinafter referred to as a second charging member). Is not particularly limited as long as it has electrodes. For example, the electrode may also serve as a dielectric layer, and may have an electrode, at least one dielectric layer, and an outermost layer.
The material of the dielectric layer in the second charging member is not particularly limited as long as it is a material having charging properties, and examples thereof include polymers and non-metallic substances.
Specifically, for polymers, fluororesins such as polydimethylsiloxane (PDMS) and polytetrafluoroethylene (PTFE), polyolefins such as polyimide, polyvinyl chloride, polystyrene, and polyethylene / polypropylene, and polyesters such as polyethylene terephthalate (PET). Examples thereof include resins, polycarbonate resins, acrylic resins such as polymethyl methacrylate (PMMA), polyamide resins such as nylon, and cellulose.
Nonmetallic materials include oxides such as silica and alumina.

[電極]
本発明の摩擦発電機が含有する電極は、高い電気導電性を有する材料であれば特に限定されず、好適に用いることができる。
例えば、アルミニウム、銅、銀、金、白金、鉄、クロム、モリブデン、インジウムなどの金属であり、それら金属の合金も用いることができる。高い電気導電性を有する物であれば、金属でなくとも構わない。例えば、ドープされたシリコンなどの半導体材料、酸化インジウムスズ(ITO)などの金属酸化物、PEDOT−PSSなどの導電性高分子も用いることができる。
[electrode]
The electrode contained in the friction generator of the present invention is not particularly limited as long as it is a material having high electrical conductivity, and can be suitably used.
For example, a metal such as aluminum, copper, silver, gold, platinum, iron, chromium, molybdenum, or indium, and alloys of these metals can also be used. As long as it has high electrical conductivity, it does not have to be a metal. For example, a semiconductor material such as doped silicon, a metal oxide such as indium tin oxide (ITO), or a conductive polymer such as PEDOT-PSS can be used.

[誘電体層の製造方法]
誘電体層は、高誘電率の粒子がマトリクス中に分散したフィルムまたは薄膜を形成する様々な方法により作製する事ができる。例えば、熱プレス・押し出し機・延伸などの工程、スピンコート・バーコート・ダイコートなどの溶液工程などである。
[Production method of dielectric layer]
The dielectric layer can be produced by various methods for forming a film or thin film in which high dielectric constant particles are dispersed in a matrix. For example, there are a hot press, an extruder, a stretching process, a solution process such as spin coating, bar coating, and die coating.

最表層は、誘電体層の上に薄膜を形成する様々な方法により作製する事ができる。例えば、スピンコート・バーコート・ダイコート等の溶液工程などが挙げられる。真空中で加熱する事で気化する材料であれば、真空蒸着などの物理的な蒸気蒸着工程で形成されてもよい。また、薄膜フィルムとして準備された最表層を、粘着層を介して誘電体層上に貼り合せることもできる。   The outermost layer can be produced by various methods for forming a thin film on the dielectric layer. For example, solution processes such as spin coating, bar coating, and die coating may be used. Any material that vaporizes by heating in vacuum may be formed by a physical vapor deposition process such as vacuum deposition. Moreover, the outermost layer prepared as a thin film can also be bonded on the dielectric layer via an adhesive layer.

[その他]
本発明の摩擦発電機における2つの帯電部材は、それぞれ電極と帯電層が、何らかの基板の上に形成された状態で提供されてもよい。この時、電極と帯電層は、電極を基板側にして、帯電する層を基板とは反対側に向けて基板上に形成される。各帯電部材は、粘着層を介して基板に貼り合されていてもよいし、基板上に直接製膜されていてもよい。基板には、ガラス・樹脂・金属・シリコンなどを用いることができる。基板が導電性を有する場合には、基板が帯電部材の電極を兼ねていてもよい。
[Other]
The two charging members in the friction generator of the present invention may be provided in a state where an electrode and a charging layer are formed on a certain substrate, respectively. At this time, the electrode and the charging layer are formed on the substrate with the electrode facing the substrate and the layer to be charged facing away from the substrate. Each charging member may be bonded to the substrate via an adhesive layer, or may be directly formed on the substrate. Glass, resin, metal, silicon, or the like can be used for the substrate. When the substrate has conductivity, the substrate may also serve as the electrode of the charging member.

以下、図を用いて、本発明の実施形態の例を示すが、本発明がこれらの形態に限定されるわけではない。   Hereinafter, although the example of embodiment of this invention is shown using a figure, this invention is not necessarily limited to these forms.

図1は一実施形態による摩擦発電機1の概略構成図である。
図1を参照すれば、摩擦発電機1は、第一電極111と、少なくとも一つの誘電体層112と最表層113を有する第一帯電部材110と、第一帯電部材と接触・離反を繰り返す事で反対の極性に帯電する第二帯電部材120を有する。第二帯電部材120は第二電極121と誘電体層122を有する。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a friction generator 1 according to an embodiment.
Referring to FIG. 1, the friction generator 1 repeats contact / separation with the first electrode 111, the first charging member 110 having at least one dielectric layer 112 and the outermost layer 113, and the first charging member. The second charging member 120 is charged to the opposite polarity. The second charging member 120 has a second electrode 121 and a dielectric layer 122.

図2は、他の実施形態による摩擦発電機の概略構成図である。図1の構成要素と実質的に同じである構成要素については説明を省略する。   FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a friction generator according to another embodiment. Description of components that are substantially the same as the components in FIG. 1 is omitted.

図2を参照すれば、摩擦発電機2は、第一電極211と、少なくとも一つの誘電体層212と最表層213を有する第一帯電部材210と、第一帯電部材と接触・離反を繰り返す事で反対の極性に帯電する第二帯電部材220を有する。第二帯電部材220は第二電極221が帯電層を兼ねている。   Referring to FIG. 2, the friction generator 2 repeats contact and separation with the first electrode 211, the first charging member 210 having at least one dielectric layer 212 and the outermost layer 213, and the first charging member. The second charging member 220 is charged to the opposite polarity. In the second charging member 220, the second electrode 221 also serves as a charging layer.

図3は、他の実施形態による摩擦発電機の概略構成図である。図3の構成要素と実質的に同じである構成要素については説明を省略する。   FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a friction generator according to another embodiment. Description of components that are substantially the same as the components in FIG. 3 is omitted.

図3を参照すれば、摩擦発電機3は、接触・離反を繰り返す事で互いに反対の極性に帯電する第一帯電部材310と第二帯電部材320を有する。第一帯電部材310は、第一電極311と、少なくとも一つの誘電体層312と最表層313を有する。第二帯電部材320は、第二電極312と、少なくとも一つの誘電体層322と最表層323を有する。   Referring to FIG. 3, the friction generator 3 includes a first charging member 310 and a second charging member 320 that are charged to opposite polarities by repeating contact and separation. The first charging member 310 includes a first electrode 311, at least one dielectric layer 312 and an outermost layer 313. The second charging member 320 includes a second electrode 312, at least one dielectric layer 322, and an outermost layer 323.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例により限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited by a following example, unless the summary is exceeded.

<膜厚の測定>
材料の誘電率を見積もる為には、誘電体層の膜厚の値が必要となる。また、摩擦発電機の出力は摩擦帯電層の膜厚に依存する為、異なる摩擦発電機の出力の良し悪しを比較するためにも膜厚の情報が必要となる。
層の膜厚は、電子マイクロメーター(アンリツ社製KG3001A)を用いて測定した。この装置の測定誤差は0.1μmであった。
<Measurement of film thickness>
In order to estimate the dielectric constant of the material, the value of the film thickness of the dielectric layer is required. In addition, since the output of the friction generator depends on the film thickness of the friction charging layer, information on the film thickness is also necessary to compare the output of different friction generators.
The film thickness of the layer was measured using an electronic micrometer (KG3001A manufactured by Anritsu). The measurement error of this apparatus was 0.1 μm.

(実施例1)
トルエン8.67g中に、PMMA2.17gを溶解して組成物1を調製した。チタン酸バリウム粒子19.5gを、10.84gの組成物1中に分散して組成物2を調製した。組成物2におけるPMMAとチタン酸バリウムの重量比は1:9である。基材として、PETフィルム上にアルミニウムが蒸着されたフィルムであるAlPETフィルムを用いた。AlPETフィルムのアルミニウムを、摩擦発電機を形成する際の電極として用いた。組成物2を、AlPETフィルムのアルミニウム上に、バーコーターにより塗布し、室温で1時間以上乾燥した。これにより、高誘電率粒子を含有する誘電体層としての層1を形成した。
次に、組成物1を、先のAlPETフィルム上の層1の上にバーコーターにより塗布し、室温で1時間以上乾燥する事で、最表層としての層2を形成した。このフィルムを25mm幅に裁断し、フィルムのAlPET側を、両面粘着テープを介して25mm×75mmのスライドガラス上に貼り付け、正帯電部材1を形成した。
厚さ100μmのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルムの片面に、アルミニウムを真空蒸着した。このアルミニウムは、摩擦発電機を形成する際のもう一方の電極として用いられる。このフィルムを25mm幅に裁断し、そのアルミニウム膜側を、両面粘着テープを介して25mm×75mmのスライドガラス上に貼り付け、負帯電部材1を形成した。
正帯電部材1の最表層側と負帯電部材1のPTFEフィルム側を、接触した時の接触面積が25mm×25mmとなるように対向させることで、接触・離反の繰り返しにより摩擦発電機として機能する、25mm2の発電面積を有する摩擦発電機1を形成した。
(Example 1)
Composition 1 was prepared by dissolving 2.17 g of PMMA in 8.67 g of toluene. A composition 2 was prepared by dispersing 19.5 g of barium titanate particles in 10.84 g of the composition 1. The weight ratio of PMMA to barium titanate in composition 2 is 1: 9. As a substrate, an AlPET film, which is a film in which aluminum is vapor-deposited on a PET film, was used. Aluminum of the AlPET film was used as an electrode when forming a friction generator. The composition 2 was applied onto aluminum of an AlPET film with a bar coater and dried at room temperature for 1 hour or more. Thereby, the layer 1 as a dielectric layer containing high dielectric constant particles was formed.
Next, the composition 1 was applied onto the layer 1 on the previous AlPET film with a bar coater and dried at room temperature for 1 hour or longer to form the layer 2 as the outermost layer. The film was cut to a width of 25 mm, and the AlPET side of the film was attached on a 25 mm × 75 mm slide glass via a double-sided adhesive tape to form the positive charging member 1.
Aluminum was vacuum-deposited on one side of a polytetrafluoroethylene (PTFE) film having a thickness of 100 μm. This aluminum is used as the other electrode in forming the friction generator. The film was cut to a width of 25 mm, and the aluminum film side was stuck on a 25 mm × 75 mm slide glass via a double-sided adhesive tape to form the negative charging member 1.
By making the outermost layer side of the positive charging member 1 and the PTFE film side of the negative charging member 1 face each other so that the contact area is 25 mm × 25 mm, it functions as a friction generator by repeated contact and separation. A friction generator 1 having a power generation area of 25 mm 2 was formed.

(比較例1)
実施例1における層1までを形成したAlPETフィルムのAlPET側を、両面粘着テープを介してスライドガラス上に貼り付け、正帯電部材2を形成した。この正帯電部材2と、実施例1に用いたものと同じ負帯電部材1とを、実施例1と同じように対向させることで、摩擦発電機2を形成した。
(Comparative Example 1)
The AlPET side of the AlPET film on which up to layer 1 in Example 1 was formed was attached on a slide glass via a double-sided adhesive tape to form a positive charging member 2. The positively charged member 2 and the same negatively charged member 1 as used in Example 1 were made to face each other in the same manner as in Example 1 to form the friction generator 2.

(比較例2)
比較例1における層1の代わりに、実施例1で用いた組成物2をバーコーターにて成膜した層2を用いた以外は比較例1と同様にして、正帯電部材3を形成した。この正帯電部材3と、実施例1に用いたものと同じ負帯電部材1を、実施例1と同じように対向させることで、摩擦発電機3を形成した。
(Comparative Example 2)
A positive charging member 3 was formed in the same manner as in Comparative Example 1 except that instead of the layer 1 in Comparative Example 1, the layer 2 in which the composition 2 used in Example 1 was formed with a bar coater was used. The positively charged member 3 and the same negatively charged member 1 as used in Example 1 were opposed to each other in the same manner as in Example 1 to form the friction generator 3.

<摩擦発電の電流値の測定>
負帯電部材のスライドガラス基板側を、リニアアクチュエータのヘッドに粘着テープで固定し、負帯電部材のフィルム側と正帯電部材の成形体を対向して設置した。リニアアクチュエータを往復運動させて、負帯電部材のフィルム表面と正帯電部材の成形体表面の接触・離反を繰り返した。この時、負帯電部材の電極と正帯電部材の電極の間に流れる電流を、エレクトロメータ(Keithley社 モデル6517)によって測定した。 エレクトロメータのアナログアウトプットをオシロスコープ(LeCroy社42Xs)に出力する事で電流の経時変化をモニターして、接触時のピーク電流を測定した。
<Measurement of current value of frictional power generation>
The slide glass substrate side of the negative charging member was fixed to the head of the linear actuator with an adhesive tape, and the film side of the negative charging member and the molded body of the positive charging member were placed facing each other. The linear actuator was reciprocated to repeat contact and separation between the film surface of the negative charging member and the surface of the molded body of the positive charging member. At this time, the current flowing between the electrode of the negative charging member and the electrode of the positive charging member was measured with an electrometer (Keithley model 6517). The change over time of the current was monitored by outputting the analog output of the electrometer to an oscilloscope (LeCroy 42Xs), and the peak current at the time of contact was measured.

<膜厚に関する補正係数の計算>
摩擦発電機の出力は摩擦帯電層の膜厚に依存する。摩擦発電層の膜厚が異なる摩擦発電機の出力を比較する為、膜厚差を考慮した電流の補正係数を計算した。各摩擦発電機の電流値に、対応する膜厚に対する補正係数を乗じて補正ピーク電流を計算した。この値を表1に示す。
<Calculation of film thickness correction coefficient>
The output of the friction generator depends on the film thickness of the friction charging layer. In order to compare the output of friction generators with different thicknesses of the frictional power generation layer, a current correction coefficient was calculated in consideration of the film thickness difference. The corrected peak current was calculated by multiplying the current value of each friction generator by the correction coefficient for the corresponding film thickness. This value is shown in Table 1.

<比誘電率の測定>
AlPETのアルミニウム電極の上に、実施例1で用いた組成物1、組成物2をそれぞれバーコーターにより塗布し、層1、層2を形成した。これらの塗布層の上に、アルミニウム電極を直径1cmの円状に真空蒸着して、平行平板キャパシタを作製した。平行平板キャパシタの電気容量を、インピーダンスアナライザ(Solatron社1296/1260)を用いて測定した。電気容量と膜厚から、以下の式に従って、層1または層2の比誘電率εrを見積もった。
C=ε0・εr・A/d
ここで、εrは比誘電率、ε0は真空の誘電率、Aはキャパシタの面積、dはフィルムの膜厚である。その結果、層1、層2の比誘電率はそれぞれ32.7、2.81であった。
<Measurement of relative permittivity>
On the AlPET aluminum electrode, the composition 1 and the composition 2 used in Example 1 were respectively applied by a bar coater to form layers 1 and 2. On these coating layers, an aluminum electrode was vacuum-deposited in a circular shape with a diameter of 1 cm to produce a parallel plate capacitor. The electric capacity of the parallel plate capacitor was measured using an impedance analyzer (Solatron 1296/1260). From the electric capacity and the film thickness, the relative dielectric constant εr of the layer 1 or the layer 2 was estimated according to the following formula.
C = ε 0 · ε r · A / d
Here, ε r is the relative dielectric constant, ε 0 is the vacuum dielectric constant, A is the area of the capacitor, and d is the film thickness. As a result, the relative dielectric constants of Layer 1 and Layer 2 were 32.7 and 2.81, respectively.

Figure 2019193495
Figure 2019193495

比較例1の誘電体層である層1よりも、比較例2の誘電体層である層2の方が誘電率が高い事から、比較例2の方が大きな電流値が期待される。しかしながら、表1において、比較例1に対して比較例2の方が低い電流値を示している。これは層2の表面凹凸の大きさや柔軟性の低さなどに起因して、摩擦発電時に負に帯電する帯電部材との接触面積が小さくなる事、及び層2に含有されるチタン酸バリウムがPMMAよりも高い吸湿性を有するために帯電電荷が消失しやすい事などが考えられる。
一方、層2を最表層に有する実施例1では、比較例1、2のいずれよりも高い電流値が得られていることが分かった。
Since the dielectric layer of the comparative example 2 has a higher dielectric constant than the layer 1 which is the dielectric layer of the comparative example 1, the comparative example 2 is expected to have a larger current value. However, in Table 1, the current value of Comparative Example 2 is lower than that of Comparative Example 1. This is because the contact area with the charging member that is negatively charged during frictional power generation is reduced due to the size of the surface unevenness of the layer 2 and the low flexibility, and the barium titanate contained in the layer 2 is reduced. It can be considered that the charged charge tends to disappear because it has higher hygroscopicity than PMMA.
On the other hand, in Example 1 which has the layer 2 in the outermost layer, it turned out that the electric current value higher than any of the comparative examples 1 and 2 is obtained.

1、2、3 摩擦発電機
10、20、30 電気的負荷
110、210、310 第一帯電部材
111、211、311 第一電極
112、212、312 誘電体層
113、213、313、323 最表層
120、220、320 第二帯電部材
121、221、321 第二電極
122、322 誘電体層
1, 2, 3 Friction generator
10, 20, 30 Electrical load 110, 210, 310 First charging member 111, 211, 311 First electrode 112, 212, 312 Dielectric layer 113, 213, 313, 323 Outermost layer 120, 220, 320 Second charging Member 121,221,321 Second electrode 122,322 Dielectric layer

Claims (6)

互いに対向するように設けられた帯電部材を含む摩擦発電機であって、
該帯電部材の少なくとも1つは、電極、誘電体層及び最表層を有し、
該誘電体層はマトリクス及び粒子を有し、該粒子の比誘電率が該マトリクスの比誘電率より高いものである、摩擦発電機。
A friction generator including charging members provided to face each other,
At least one of the charging members has an electrode, a dielectric layer, and an outermost layer,
The dielectric generator has a matrix and particles, and the relative dielectric constant of the particles is higher than the relative dielectric constant of the matrix.
前記誘電体層の比誘電率(εDI)が5以上である、請求項1に記載の摩擦発電機。 The frictional generator according to claim 1, wherein the dielectric layer has a relative dielectric constant (ε DI ) of 5 or more. 前記誘電体層の膜厚をdDI、最表層の膜厚をdSfとすると、dSf/dDI<1である、請求項1又は2に記載の摩擦発電機。 It said dielectric layer thickness of d DI of the the outermost layer of the film thickness and d Sf, a d Sf / d DI <1, friction generator according to claim 1 or 2. DIが、10μm以上500μm以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の摩擦発電機。 The frictional generator according to any one of claims 1 to 3, wherein d DI is 10 µm or more and 500 µm or less. Sfが、1μm以上100μm以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の摩擦発電機。 The frictional generator according to any one of claims 1 to 4, wherein d Sf is 1 µm or more and 100 µm or less. 前記誘電体層と前記最表層が同じポリマーを含むものである、請求項1〜5のいずれか1項に記載の摩擦発電機。 The friction generator according to any one of claims 1 to 5, wherein the dielectric layer and the outermost layer contain the same polymer.
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