JP2022060013A - Power generation element, power generation device, electronic apparatus, and power generation method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明の実施形態は、発電素子、発電装置、電子機器、及び発電方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to power generation elements, power generation devices, electronic devices, and power generation methods.
近年、熱エネルギーを利用して電気エネルギーを生成する熱電素子等の発電素子の開発が盛んに行われている。特許文献1~3には、仕事関数差を有する電極間に発生する、絶対温度による電子放出現象を利用した熱電素子が開示されている。このような熱電素子は、電極間の温度差(ゼーベック効果)を利用した熱電素子に比較して、電極間の温度差が小さい場合又は温度差が無い場合であっても発電可能である。このため、電極間仕事関数差を利用した発電素子は、電極間温度差を利用した発電素子と比較して、より様々な用途への利用が期待されている。
In recent years, power generation elements such as thermoelectric elements that generate electric energy by using thermal energy have been actively developed.
特許文献1~3は、仕事関数の異なる2枚の金属あるいは半導体電極、及び電極間を埋めるナノ粒子を含んだ溶媒から構成される。両方の電極からは、熱電子が放出される。電極間ギャップが近づき、電子のやりとりができるようになると、電子は、接触したナノ粒子同士間でのトンネリングあるいはホッピングによって、反対側の電極方向へ移動し、相手側の電極に移る。これにより、2枚の電極間に電流を流すことができる。
しかしながら、接触したナノ粒子同士間でのトンネリングあるいはホッピングのみを利用した特許文献1~3では、発電効率を向上させ難い、という事情がある。
However, there is a situation that it is difficult to improve the power generation efficiency in
この発明の実施形態は、発電効率の更なる向上が可能な発電素子、発電装置、電子機器、及び発電方法を提供する。 An embodiment of the present invention provides a power generation element, a power generation device, an electronic device, and a power generation method capable of further improving the power generation efficiency.
この発明の第1態様に係る発電素子は、電極間仕事関数差を利用した発電素子であって、第1電極と、前記第1電極と仕事関数が異なる第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に磁界を発生させる磁界発生機構と、前記第1電極と前記第2電極との間を移動可能であり、少なくとも前記第1電極から放出された電子を受け取り、受け取った前記電子を前記第2電極へ受け渡すナノ粒子と、を備え、前記ナノ粒子は、磁性体であることを特徴とする。 The power generation element according to the first aspect of the present invention is a power generation element utilizing the difference in work function between electrodes, and includes a first electrode, a second electrode having a work function different from that of the first electrode, and the first electrode. A magnetic field generation mechanism that generates a magnetic field between the second electrode and a mechanism that can move between the first electrode and the second electrode, and at least receives and receives electrons emitted from the first electrode. It comprises nanoparticles that transfer the electrons to the second electrode, and the nanoparticles are characterized by being a magnetic material.
この発明の第2態様に係る発電素子は、第1態様において、前記第2電極は、前記第1電極よりも仕事関数が小さく、前記電子を受け取った前記ナノ粒子を、仕事関数が大きい前記第1電極から前記第2電極へ向けて移動させることを特徴とする。 In the first aspect of the power generation element according to the second aspect of the present invention, the second electrode has a smaller work function than the first electrode, and the nanoparticles that have received the electrons have a larger work function. It is characterized in that it is moved from one electrode to the second electrode.
この発明の第3態様に係る発電素子は、第1態様又は第2態様において、前記第1電極と前記第2電極との間に、流体で満たされたギャップを、さらに備え、前記ナノ粒子は、前記流体中に分散されていることを特徴とする。 The power generation element according to the third aspect of the present invention further comprises, in the first or second aspect, a fluid-filled gap between the first electrode and the second electrode, wherein the nanoparticles. , It is characterized in that it is dispersed in the fluid.
この発明の第4態様に係る発電素子は、第3態様において、前記電子を受け取って電気的に負の状態となった前記ナノ粒子を、前記第1電極を低電位、前記第2電極を高電位とする電界によって前記第2電極へ向けてドリフトさせることを特徴とする。 In the third aspect, the power generation element according to the fourth aspect of the present invention has the nanoparticles in an electrically negative state after receiving the electrons, the first electrode has a low potential, and the second electrode has a high potential. It is characterized in that it drifts toward the second electrode by an electric field as an electric potential.
この発明の第5態様に係る発電素子は、第4態様において、前記電子を前記第2電極へ受け渡して電気的に中性の状態となった前記ナノ粒子を、前記第1電極と前記第2電極との間の磁界によって前記第1電極へ向けてドリフトさせることを特徴とする。 In the fourth aspect of the power generation element according to the fifth aspect of the present invention, the nanoparticles that have become electrically neutral by passing the electrons to the second electrode are transferred to the first electrode and the second electrode. It is characterized in that it drifts toward the first electrode by a magnetic field between the electrodes.
この発明の第6態様に係る発電素子は、第5態様において、前記ナノ粒子に印加される電界による力は、前記ナノ粒子に作用する前記磁界による力よりも大きいことを特徴とする。 The power generation element according to the sixth aspect of the present invention is characterized in that, in the fifth aspect, the force due to the electric field applied to the nanoparticles is larger than the force due to the magnetic field acting on the nanoparticles.
この発明の第7態様に係る発電素子は、第4態様~第6態様のいずれか1つにおいて、前記ギャップは、3μm以下の有限値であることを特徴とする。 The power generation element according to the seventh aspect of the present invention is characterized in that, in any one of the fourth to sixth aspects, the gap has a finite value of 3 μm or less.
この発明の第8態様に係る発電装置は、第1態様の発電素子と、前記第1電極と電気的に接続された第1配線と、前記第2電極と電気的に接続された第2配線と、を備えることを特徴とする。 The power generation device according to the eighth aspect of the present invention includes the power generation element of the first aspect, the first wiring electrically connected to the first electrode, and the second wiring electrically connected to the second electrode. It is characterized by having and.
この発明の第9態様に係る電子機器は、第1態様の発電素子と、前記発電素子を電源に用いて駆動する電子部品とを備えることを特徴とする。 The electronic device according to the ninth aspect of the present invention is characterized by including the power generation element of the first aspect and an electronic component driven by using the power generation element as a power source.
この発明の第10態様に係る発電方法は、電極間仕事関数差を利用した発電素子の発電方法であって、前記発電素子は、第1電極と、前記第1電極と仕事関数が異なる第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に磁界を発生させる磁界発生機構と、前記第1電極と前記第2電極との間を移動可能であり、前記第1電極及び前記第2電極から放出された電子を受け取り、受け取った前記電子を前記第2電極へ受け渡すナノ粒子と、を備え、前記電子を受け取って電気的に負の状態となった前記ナノ粒子を、前記第1電極を低電位、前記第2電極を高電位とする電界によって、前記第2電極へ向けてドリフトさせ、前記電子を前記第2電極へ受け渡して電気的に中性の状態となった前記ナノ粒子を、前記第1電極と前記第2電極との間の磁界によって前記第1電極へ向けてドリフトさせることを特徴とする。 The power generation method according to the tenth aspect of the present invention is a power generation method of a power generation element using a work function difference between electrodes, and the power generation element has a first electrode and a second electrode having a different work function from the first electrode. The electrode, a magnetic field generation mechanism for generating a magnetic field between the first electrode and the second electrode, and a movable mechanism between the first electrode and the second electrode, the first electrode and the first electrode can be moved. The nanoparticles comprising the nanoparticles that receive the electrons emitted from the two electrodes and transfer the received electrons to the second electrode, and the nanoparticles that have received the electrons and are in an electrically negative state, are said to be the first. The nano is electrically neutral by drifting toward the second electrode by an electric field having a low potential for one electrode and a high potential for the second electrode, and passing the electrons to the second electrode. It is characterized in that particles are drifted toward the first electrode by a magnetic field between the first electrode and the second electrode.
第1態様に係る発電素子によれば、第1電極と第2電極との間に磁界を発生させる磁界発生機構を設け、ナノ粒子を磁性体とする。したがって、少なくとも第1電極から放出された電子を受け取り、受け取った電子を第2電極へ受け渡すナノ粒子を、電子を第2電極へ受け渡した後、第1電極の側に引き戻すことができる。このため、有限個数であるナノ粒子を用いた連続的な電子の移動を効率良く行うことができる。したがって、例えば接触したナノ粒子同士間でのトンネリングあるいはホッピングのみを利用した発電電子と比較して、発電効率の更なる向上が可能となる。 According to the power generation element according to the first aspect, a magnetic field generation mechanism for generating a magnetic field is provided between the first electrode and the second electrode, and the nanoparticles are made of a magnetic material. Therefore, nanoparticles that receive at least the electrons emitted from the first electrode and transfer the received electrons to the second electrode can be pulled back to the side of the first electrode after the electrons are transferred to the second electrode. Therefore, continuous electron movement using a finite number of nanoparticles can be efficiently performed. Therefore, it is possible to further improve the power generation efficiency as compared with the power generation electrons using only tunneling or hopping between the nanoparticles that are in contact with each other, for example.
第2態様に係る発電素子によれば、電子を受け取ったナノ粒子が、第2電極へ向けてさらに移動する。したがって、例えば接触したナノ粒子同士間でのトンネリングあるいはホッピングのみを利用した発電電子と比較して、発電効率の更なる向上が可能となる。また、第2電極は、第1電極よりも仕事関数が小さい。このようなナノ粒子の挙動は、第1電極と第2電極との間の距離を狭めれば狭めるほど、顕著に現れる。したがって、発電素子の微細化に有利、という利点を得ることができる。 According to the power generation element according to the second aspect, the nanoparticles that have received the electrons further move toward the second electrode. Therefore, it is possible to further improve the power generation efficiency as compared with the power generation electrons using only tunneling or hopping between the nanoparticles that are in contact with each other, for example. Further, the second electrode has a smaller work function than the first electrode. The behavior of such nanoparticles becomes more remarkable as the distance between the first electrode and the second electrode is narrowed. Therefore, it is possible to obtain an advantage that it is advantageous for miniaturization of the power generation element.
第3態様に係る発電素子によれば、第1電極と第2電極との間に、ギャップを、さらに備えている。そして、ナノ粒子は、溶媒中に分散されている。したがって、ナノ粒子を、第1電極と第2電極との間を移動させることが可能となる。 According to the power generation element according to the third aspect, a gap is further provided between the first electrode and the second electrode. The nanoparticles are then dispersed in the solvent. Therefore, the nanoparticles can be moved between the first electrode and the second electrode.
第4態様に係る発電素子によれば、第1電極を低電位とし、第2電極を高電位とする電界が生ずる。したがって、電子を受け取って電気的に負の状態となったナノ粒子を、第2電極へ向けてドリフトさせることが可能となる。 According to the power generation element according to the fourth aspect, an electric field is generated in which the first electrode has a low potential and the second electrode has a high potential. Therefore, the nanoparticles that have received electrons and are in an electrically negative state can be drifted toward the second electrode.
第5態様に係る発電素子によれば、電気的に中性の状態となったナノ粒子を、第1電極へ向けてドリフトさせる。このため、電子を受け取って第2電極へ向けて移動したナノ粒子に、再度電子を受け取らせることが可能となる。したがって、有限個数であるナノ粒子を用いた連続的な電子の移動が実現可能となる。 According to the power generation element according to the fifth aspect, the nanoparticles in the electrically neutral state are drifted toward the first electrode. Therefore, the nanoparticles that have received the electrons and moved toward the second electrode can receive the electrons again. Therefore, continuous electron movement using a finite number of nanoparticles becomes feasible.
第6態様に係る発電素子によれば、ナノ粒子に印加される電界による力は、前記ナノ粒子に作用する前記磁界による力よりも大きい。このため、電子を受け取って電気的に負の状態となったナノ粒子は、第2電極へ向けてドリフトさせやすくなり、電子を受け渡して電気的に中性となったナノ粒子は、第1電極へ向けてドリフトさせやすくなる。 According to the power generation element according to the sixth aspect, the force due to the electric field applied to the nanoparticles is larger than the force due to the magnetic field acting on the nanoparticles. For this reason, nanoparticles that have received electrons and are in an electrically negative state are likely to drift toward the second electrode, and nanoparticles that have passed electrons and become electrically neutral are likely to drift toward the first electrode. It becomes easier to drift toward.
第7態様に係る発電素子によれば、ギャップは、3μm以下とする。これにより、電子を受け取ったナノ粒子が第1電極から第2電極へ向けて移動する現象を、顕著に生じさせることが可能となる。したがって、発電素子の発電効率を、さらに高めることができる。 According to the power generation element according to the seventh aspect, the gap is 3 μm or less. This makes it possible to remarkably cause the phenomenon that the nanoparticles that have received the electrons move from the first electrode to the second electrode. Therefore, the power generation efficiency of the power generation element can be further increased.
第8態様に係る発電装置によれば、発電効率の更なる向上が可能となる発電装置を得ることができる。 According to the power generation device according to the eighth aspect, it is possible to obtain a power generation device capable of further improving the power generation efficiency.
第9態様に係る電子機器によれば、発電効率の更なる向上が可能となる電子機器を得ることができる。 According to the electronic device according to the ninth aspect, it is possible to obtain an electronic device capable of further improving the power generation efficiency.
第10態様に係る発電方法によれば、発電効率の更なる向上が可能となる発電方法を得ることができる。 According to the power generation method according to the tenth aspect, it is possible to obtain a power generation method capable of further improving the power generation efficiency.
以下、この発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。各図において、共通する部分については共通する参照符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, common reference numerals are given to common parts, and duplicate explanations are omitted.
(発電装置)
図1は、一実施形態に係る発電素子を含む発電装置の一例を示す模式断面図である。図2~図6は、一実施形態に係る発電素子の一例を示す模式断面図である。図7は、一実施形態に係る発電素子を含む発電装置の一例を示す模式断面図である。
(Power generation device)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a power generation device including a power generation element according to an embodiment. 2 to 6 are schematic cross-sectional views showing an example of a power generation element according to an embodiment. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an example of a power generation device including a power generation element according to an embodiment.
図1に示すように、発電装置100は、発電素子1と、第1外部端子101と、第2外部端子102と、を含む。発電素子1は、負荷Rの両端間に電気的に接続される。発電素子1は、電極間仕事関数差を利用するものである。発電素子1を含む発電装置100は、例えば、図示せぬ熱源に搭載又は設置され、熱源の熱エネルギーを元として、発電素子1が発生させた電気エネルギーを、第1外部端子101及び第2外部端子102を介して負荷Rへ出力する。負荷Rの一端は、第1外部配線111を介して第1外部端子101と電気的に接続される。負荷Rの他端は、第2外部配線112を介して第2外部端子102と電気的に接続される。負荷Rは、例えば電気的な機器を示している。負荷Rは、発電装置100を主電源又は補助電源に用いて駆動される。
As shown in FIG. 1, the
発電素子1の熱源としては、例えば、CPU(Central Processing Unit)等の電子デバイス又は電子部品、LED(Light Emitting Diode)等の発光素子、自動車等のエンジン、工場の生産設備、人体、太陽光、環境温度等を利用することができる。例えば、電子デバイス、電子部品、発光素子、エンジン、生産設備等は人工熱源である。人体、太陽光、環境温度等は自然熱源である。発電装置100は、例えばIoT(Internet of Things)デバイス及びウェアラブル機器等のモバイル機器や自立型センサ端末の内部に設けることができ、電池の代替又は補助として用いることができる。さらに、発電装置100は、太陽光発電等のような、より大型の発電装置への応用も可能である。
Examples of the heat source of the
(発電素子)
図1~図8に示すように、発電素子1は、第1電極11と、第2電極12と、ギャップGと、溶媒13と、ナノ粒子14と、磁界発生機構15と、を含む。発電素子1は、例えば絶縁性のパッケージ16によって被覆されている。
(Power generation element)
As shown in FIGS. 1 to 8, the
第1電極11は、第1仕事関数を有する。第2電極12は、第1仕事関数とは異なる第2仕事関数を有する。この実施形態では、第1仕事関数の値は、第2仕事関数の値よりも大きい例を示している。発電素子1は、第1電極11は仕事関数が大きく(WF大)、第2電極12は仕事関数が小さい(WF小)という関係を有する。第1電極11及び第2電極12の材料は、例えば、以下に示す金属から選ぶことができる。
白金(Pt)
タングステン(W)
アルミニウム(Al)
チタン(Ti)
ニオブ(Nb)
モリブデン(Mo)
タンタル(Ta)
レニウム(Re)
The
Platinum (Pt)
Tungsten (W)
Aluminum (Al)
Titanium (Ti)
Niobium (Nb)
Molybdenum (Mo)
Tantalum (Ta)
Rhenium (Re)
熱電素子1では、第1電極11と第2電極12との間に仕事関数差が生じればよい。したがって、第1電極11及び第2電極12の材料には、上記以外の金属を選ぶことが可能である。また、第1電極11及び第2電極12の材料には、上記金属の他、合金、金属間化合物、及び金属化合物を選ぶことも可能である。金属化合物は、金属元素と非金属元素とが化合したものである。金属化合物の例としては、例えば六ホウ化ランタン(LaB6)を挙げることができる。
In the
第1電極11及び第2電極12の材料として、非金属導電物を選ぶことも可能である。非金属導電物の例としては、シリコン(Si:例えばp型Si、あるいはn型Si)、及びグラフェン等のカーボン系材料等を挙げることができる。
It is also possible to select a non-metal conductive material as the material of the
ギャップGは、第1電極11と第2電極12との間に設けられている。溶媒13は、ギャップGの内部を満たす。溶媒14には、例えば、沸点が60℃以上の液体を用いることができる。このため、室温(例えば15℃~35℃)以上の環境下において、熱電素子1を用いた場合であっても、溶媒14の気化を抑制することができる。これにより、溶媒14の気化に伴う熱電素子1の劣化を抑制することができる。液体の例としては、有機溶媒及び水の少なくとも1つを選ぶことができる。有機溶媒の例としては、メタノール、エタノール、トルエン、キシレン、テトラデカン、アルカンチオール等を挙げることができる。なお、溶媒14は、電気的抵抗値が高く、絶縁性である液体がよい。
The gap G is provided between the
ナノ粒子14は、第1電極11と第2電極12との間を移動可能なように、溶媒13中に分散されている。ナノ粒子14は、第1電極11及び第2電極12から放出された電子eを受け取り、受け取った電子eを第2電極12へ受け渡す。ナノ粒子14の粒子径は、ギャップGの内部において、第1電極11と第2電極12との間を移動可能な範囲とされる。また、ナノ粒子の配合量についても、ギャップGの内部において、第1電極11と第2電極12との間を移動可能な範囲とされる。
The
ナノ粒子14は、磁性体である。磁性体は、例えば、常磁性体及び強磁性体を挙げることができる。ナノ粒子14の仕事関数の値は、例えば、第1電極11の第1仕事関数の値と、第2電極12の第2仕事関数の値との間にある。例えば、ナノ粒子14の仕事関数の値は、3.0eV以上5.5eV以下の範囲とされる。
The
なお、発電素子1によれば、ナノ粒子14の仕事関数の値は、第1仕事関数の値及び第2仕事関数の値より低くても、反対にナノ粒子14の仕事関数の値が第1仕事関数の値及び第2仕事関数の値より高くても発電することが可能である。
According to the
ナノ粒子14の材料の例としては、鉄族遷移金属を含むものを挙げることができる。例えば、
鉄(Fe)
ニッケル(Ni)
コバルト(Co)
パーマロイ(FeNi)
コバルト-鉄合金(FeCo)
ステンレス(Fe-Cr-C)
ホイッスラー合金(Cu2MnAl)
マグネタイト(Fe3O4)
ガドリニウム(Gd)
等である。ナノ粒子14の表面には、例えば絶縁物がコーティングされていても良い。コーティング材料の例としては、絶縁性金属化合物及び絶縁性有機化合物の少なくとも1つを選ぶことができる。絶縁性金属化合物の例としては、例えば、シリコン酸化物及びアルミナ等を挙げることができる。絶縁性有機化合物の例としては、アルカンチオール(例えばドデカンチオール)等を挙げることができる。
Examples of the material of the
Iron (Fe)
Nickel (Ni)
Cobalt (Co)
Permalloy (FeNi)
Cobalt-iron alloy (FeCo)
Stainless steel (Fe-Cr-C)
Whistler alloy (Cu 2 MnAl)
Magnetite (Fe 3 O 4 )
Gadolinium (Gd)
And so on. The surface of the
ここで、「ナノ粒子」とは、複数の粒子を含んだものを示し、例えば2種類以上の粒子を含んでもよい。ナノ粒子14は、例えば2nm以上100nm以下の粒子径を有する粒子を含む。ナノ粒子141は、例えば、平均粒径(例えばD50)が3nm以上100nm以下の粒子径を有する粒子を含んでもよい。平均粒径は、例えば粒度分布計測器を用いることで、測定することができる。粒度分布計測器としては、例えば、レーザー回折散乱法を用いた粒度分布計測器(例えばMicrotracBEL製Nanotrac WaveII-EX150等)を用いればよい。
Here, the “nanoparticle” refers to a particle containing a plurality of particles, and may include, for example, two or more types of particles. The
また、「仕事関数」とは、固体内にある電子を真空中に取出すために必要な最小限のエネルギーを示す。仕事関数は、例えば、紫外光電子分光法(UPS:Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)、X線光電子分光法(XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy)やオージェ電子分光法(AES:Auger Electron Spectroscopy)を用いて測定することができる。 Further, the "work function" indicates the minimum energy required to take out the electrons in the solid into a vacuum. The work function shall be measured using, for example, Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (UPS), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) or Auger Electron Spectroscopy (AES). Can be done.
(発電方法)
図2に示すように、ナノ粒子14は、溶媒13の中で、磁界発生機構15により、第1電極11側に引き付けられている。磁界発生機構15として、磁界を発生させる公知の機構が用いられ、例えばマグネットやコイル等が用いられる。磁界発生機構15は、例えばヘルムホルツコイルや電磁石等による直流磁場を発生させる機構のほか、電磁石等による直流バイアスのかかった交流磁場を発生させる機構を示してもよい。ナノ粒子14の一部は、第1電極11の表面と接触する。なお、図2では、ナノ粒子14のうち、第1電極11の表面と接触したもののみを例示している。
(Power generation method)
As shown in FIG. 2, the
発電装置100のスイッチをオンさせると、図3に示すように、第1電極11から放出された電子e(熱電子)が、例えばトンネリングにより、第1電極11と接触したナノ粒子14中に移動する。このようにして、ナノ粒子14は、少なくとも第1電極11から放出された電子eを受け取る。電子eを受け取ったナノ粒子14は、電気的に負の状態となる(ナノ粒子14が負に帯電する)。
When the switch of the
したがって、第1電極11の側の電位が下がり、結果として、第1電極11を低電位、第2電極12を高電位とする電界が発生する。
Therefore, the potential on the side of the
次に、図4に示すように、電子eを受け取って電気的に負の状態となったナノ粒子14は、上記電界によって、第2電極12へ向けてドリフトする。ドリフトしたナノ粒子14は、第2電極12と接触する。
Next, as shown in FIG. 4, the
次に、図5に示すように、第2電極12と接触しているナノ粒子14中の電子eは、例えばトンネリングにより、第2電極12と接触したナノ粒子14中に移動する。このようにして、ナノ粒子14は、受け取った電子eを第2電極12へ受け渡す。電子eを第2電極12へ受け渡して電気的に中性の状態となったナノ粒子14は、電気的に中性の状態となる。
Next, as shown in FIG. 5, the electron e in the
次に、図6に示すように、電気的に中性の状態となったナノ粒子14は、第2電極12から離れ、磁界発生機構15による磁界により、第1電極11側に引き戻される。この結果、ナノ粒子14は、図3~図6に示したような挙動を繰り返すようになり、発電素子1内において、有限個数であるナノ粒子14を用いた連続的な電子eの移動が実現可能となる。
Next, as shown in FIG. 6, the
このように、発電素子1は、電子eを受け取ったナノ粒子14を、第1電極11から第2電極12へ向けて移動させることで発電する。これにより、図7に示すように、負荷Rに電流を流すことができ、発電装置100として利用することができる。
In this way, the
また、発電素子1では、仕事関数が大きい第1電極11から電子eを受け取ったナノ粒子12は、仕事関数が小さい第2電極12へ向けて移動する。このようなナノ粒子14の挙動は、第1電極と第2電極との間の距離を狭めれば狭めるほど、顕著に現れる。本願発明者らによる試験では、ギャップGの幅は、3μm以下とすると、電子を受け取ったナノ粒子14が第1電極11から第2電極12へ向けて移動する現象が、顕著に現れ始めることが確認された。したがって、ギャップGの幅は、3μm以下とすることで、発電素子1の発電効率を、さらに高めることができる。
Further, in the
このように、電子eを受け取ったナノ粒子14を、仕事関数が大きい第1電極11から仕事関数が小さい第2電極12へ向けて移動させる発電素子1は、ギャップGの幅は、3μm以下とし、さらにギャップGの幅を狭くしていくに連れて、発電効率が高まる傾向を持つ。このため、発電素子1は、発電素子1及び発電装置100の微細化及び小型化にも有効である。
In this way, the
(電子機器)
上述した一実施形態において説明した発電素子1を含む発電装置100は、例えば電子機器に搭載することが可能である。以下、電子機器の実施形態のいくつかを説明する。
(Electronics)
The
図8(a)~図8(h)は、一実施形態に係る発電素子を備えた電子機器の例を示す模式ブロック図である。 8 (a) to 8 (h) are schematic block diagrams showing an example of an electronic device provided with a power generation element according to an embodiment.
図8(a)に示すように、電子機器(エレクトリックプロダクト)500は、電子部品(エレクトロニックコンポーネント)501と、主電源502と、補助電源503と、を備えている。電子機器500及び電子部品501のそれぞれは、電気的な機器(エレクトリカルデバイス)である。
As shown in FIG. 8A, the electronic device (electric product) 500 includes an electronic component (electronic component) 501, a
電子部品501は、主電源502を電源に用いて駆動される。電子部品501の例としては、例えば、CPU、モーター、センサ端末、及び照明等を挙げることができる。電子部品501が、例えばCPUである場合、電子機器500には、内蔵されたマスター(CPU)によって制御可能な電子機器が含まれる。電子部品501が、例えば、モーター、センサ端末、及び照明等の少なくとも1つを含む場合、電子機器500には、外部にあるマスター、あるいは人によって制御可能な電子機器が含まれる。
The
主電源502は、例えば電池である。電池には、充電可能な電池も含まれる。主電源502のプラス端子(+)は、電子部品501のVcc端子(Vcc)と電気的に接続される。主電源502のマイナス端子(-)は、電子部品501のGND端子(GND)と電気的に接続される。
The
補助電源503は、発電素子1である。発電素子1は、電子部品501のGND端子(GND)と又はGND端子(GND)とマイナス端子(-)とを接続する配線との間に電気的に接続される。
The
電子機器500において、発電装置100は、例えば主電源502と併用され、主電源502をアシストするための電源や、主電源502の容量が切れた場合、主電源502をバックアップするための電源として使うことができる。主電源502が充電可能な電池である場合には、補助電源503は、さらに、電池を充電するための電源としても使うことができる。
In the
図8(b)に示すように、主電源502は、発電素子1とされてもよい。発電素子100は、電子部品501のGND端子(GND)と、電子部品501のVcc端子(Vcc)との間に電気的に接続される。図8(b)に示す電子機器500は、主電源502として使用される発電素子1と、発電素子1を用いて駆動されることが可能な電子部品501と、を備えている。発電素子1は、独立した電源(例えばオフグリッド電源)である。このため、電子機器500は、例えば自立型(スタンドアローン型)にできる。しかも、発電素子1は、環境発電型(エナジーハーベスト型)である。図8(b)に示す電子機器500は、電池の交換が不要である。
As shown in FIG. 8B, the
図8(c)に示すように、電子部品501が発電素子1を備えていてもよい。発電素子1は、例えば、回路基板(図示は省略する)のGND配線とVcc配線との間に電気的に接続される。この場合、発電素子1は、電子部品501の、例えば補助電源503として使うことができる。
As shown in FIG. 8C, the
図8(d)に示すように、電子部品501が発電素子1を備えている場合、発電素子1は、電子部品501の、例えば主電源502として使うことができる。
As shown in FIG. 8D, when the
図8(e)~図8(h)のそれぞれに示すように、電子機器500は、発電素子1を含む発電装置100を備えていてもよい。
As shown in each of FIGS. 8 (e) to 8 (h), the
また、図8(d)に示した実施形態は、電子部品501が主電源502として使用される発電素子1を備えている。同様に、図8(h)に示した実施形態は、電子部品501が主電源として使用される発電装置100を備えている。これらの実施形態では、電子部品501が、独立した電源を持つ。このため、電子部品501を、例えば自立型とすることができる。自立型の電子部品501は、例えば、複数の電子部品を含み、かつ、少なくとも1つの電子部品が別の電子部品と離れているような電子機器に有効に用いることができる。そのような電子機器500の例は、センサである。センサは、センサ端末(スレーブ)と、センサ端末から離れたコントローラ(マスター)と、を備えている。センサ端末及びコントローラのそれぞれは、電子部品501である。センサ端末が、発電素子1又は発電装置100を備えていれば、自立型のセンサ端末となり、有線での電力供給の必要がない。発電装置100又は発電装置101は環境発電型であるので、電池の交換も不要である。センサ端末は、電子機器500の1つと見なすこともできる。電子機器500と見なされるセンサ端末には、センサのセンサ端末に加えて、例えば、IoTワイヤレスタグ等が、さらに含まれる。
Further, the embodiment shown in FIG. 8D includes a
図8(a)~図8(h)のそれぞれに示した実施形態において共通することは、電子機器500は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子1と、発電素子1を電源に用いて駆動されることが可能な電子部品501と、を含むことである。
What is common to the embodiments shown in FIGS. 8 (a) to 8 (h) is that the
電子機器500は、独立した電源を備えた自律型(オートノマス型)であってもよい。自律型の電子機器の例は、例えばロボット等を挙げることができる。さらに、発電素子1又は発電装置100を備えた電子部品501は、独立した電源を備えた自律型であってもよい。自律型の電子部品の例は、例えば可動センサ端末等を挙げることができる。
The
以上、この発明の一実施形態を説明したが、一実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、この発明の実施形態は、上記一実施形態が唯一のものでもない。この発明は、上記一実施形態の他、様々な新規な形態で実施することができる。したがって、上記一実施形態のそれぞれは、この発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更が可能である。このような新規な形態や変形は、この発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明、及び特許請求の範囲に記載された発明の均等物の範囲に含まれる。 Although one embodiment of the present invention has been described above, one embodiment is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. Moreover, the above-mentioned one embodiment is not the only embodiment of the present invention. The present invention can be implemented in various novel embodiments in addition to the above embodiment. Therefore, each of the above embodiments can be omitted, replaced, or changed in various ways without departing from the gist of the present invention. Such novel forms and modifications are included in the scope and gist of the present invention, as well as in the scope of the invention described in the claims and the equivalent of the invention described in the claims.
1 :発電素子
11 :第1電極
12 :第2電極
13 :溶媒
14 :ナノ粒子
15 :磁界発生機構
16 :パッケージ
100:発電装置
101:第1外部端子
102:第2外部端子
500:電子機器
501:電子部品
502:主電源
503:補助電源
R :負荷
G :ギャップ
e :電子
1: Power generation element 11: First electrode 12: Second electrode 13: Solvent 14: Nanoparticle 15: Magnetic field generation mechanism 16: Package 100: Power generation device 101: First external terminal 102: Second external terminal 500: Electronic device 501 : Electronic component 502: Main power source 503: Auxiliary power source R: Load G: Gap e: Electronic
この発明の第1態様に係る発電素子は、電極間仕事関数差を利用した発電素子であって、第1電極と、前記第1電極よりも仕事関数が小さい第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に磁界を発生させる磁界発生機構と、前記第1電極と前記第2電極との間を移動可能であり、少なくとも前記第1電極から放出された電子を受け取り、受け取った前記電子を前記第2電極へ受け渡すナノ粒子と、前記第1電極と前記第2電極との間に設けられ、流体で満たされたギャップと、を備え、前記ナノ粒子は、前記流体中に分散された磁性体であり、前記電子を受け取った前記ナノ粒子を、前記第1電極から前記第2電極へ移動させ、前記電子を受け取って電気的に負の状態となった前記ナノ粒子を、前記第1電極を低電位、前記第2電極を高電位とする電界によって前記第2電極へ向けてドリフトさせ、前記電子を前記第2電極へ受け渡して電気的に中性の状態となった前記ナノ粒子を、前記第1電極と前記第2電極との間の磁界によって前記第1電極へ向けてドリフトさせることを特徴とする。 The power generation element according to the first aspect of the present invention is a power generation element utilizing the work function difference between electrodes, and is a first electrode, a second electrode having a work function smaller than that of the first electrode, and the first electrode. A magnetic field generation mechanism that generates a magnetic field between the second electrode and the second electrode, and a mechanism that can move between the first electrode and the second electrode, and receives and receives at least electrons emitted from the first electrode. The nanoparticles are provided with nanoparticles that transfer the electrons to the second electrode , and a gap provided between the first electrode and the second electrode and filled with a fluid, and the nanoparticles are contained in the fluid. It is a magnetic material dispersed in the above, and the nanoparticles that have received the electrons are moved from the first electrode to the second electrode, and the electrons are received and the nanoparticles are in an electrically negative state. Is drifted toward the second electrode by an electric field having the first electrode at a low potential and the second electrode at a high potential, and the electrons are transferred to the second electrode to be in an electrically neutral state. It is characterized in that the nanoparticles are drifted toward the first electrode by a magnetic field between the first electrode and the second electrode .
この発明の第2態様に係る発電素子は、第1態様において、前記ナノ粒子に印加される電界による力は、前記ナノ粒子に作用する前記磁界による力よりも大きいことを特徴とする。 The power generation element according to the second aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the force due to the electric field applied to the nanoparticles is larger than the force due to the magnetic field acting on the nanoparticles.
この発明の第3態様に係る発電素子は、第1態様又は第2態様において、前記ギャップは、3μm以下の有限値であることを特徴とする。 The power generation element according to the third aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect or the second aspect , the gap has a finite value of 3 μm or less.
この発明の第4態様に係る発電装置は、第1態様の発電素子と、前記第1電極と電気的に接続された第1配線と、前記第2電極と電気的に接続された第2配線と、を備えることを特徴とする。 The power generation device according to the fourth aspect of the present invention includes the power generation element of the first aspect, the first wiring electrically connected to the first electrode, and the second wiring electrically connected to the second electrode. It is characterized by having and.
この発明の第5態様に係る電子機器は、第1態様の発電素子と、前記発電素子を電源に用いて駆動する電子部品とを備えることを特徴とする。 The electronic device according to the fifth aspect of the present invention is characterized by including the power generation element of the first aspect and an electronic component driven by using the power generation element as a power source.
この発明の第6態様に係る発電方法は、電極間仕事関数差を利用した発電素子の発電方法であって、前記発電素子は、第1電極と、前記第1電極と仕事関数が異なる第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に磁界を発生させる磁界発生機構と、前記第1電極と前記第2電極との間を移動可能であり、前記第1電極及び前記第2電極から放出された電子を受け取り、受け取った前記電子を前記第2電極へ受け渡すナノ粒子と、を備え、前記電子を受け取って電気的に負の状態となった前記ナノ粒子を、前記第1電極を低電位、前記第2電極を高電位とする電界によって、前記第2電極へ向けてドリフトさせ、前記電子を前記第2電極へ受け渡して電気的に中性の状態となった前記ナノ粒子を、前記第1電極と前記第2電極との間の磁界によって前記第1電極へ向けてドリフトさせることを特徴とする。 The power generation method according to the sixth aspect of the present invention is a power generation method of a power generation element using a work function difference between electrodes, and the power generation element has a first electrode and a second electrode having a different work function from the first electrode. The electrode, a magnetic field generation mechanism for generating a magnetic field between the first electrode and the second electrode, and a movable mechanism between the first electrode and the second electrode, the first electrode and the first electrode can be moved. The nanoparticles comprising the nanoparticles that receive the electrons emitted from the two electrodes and transfer the received electrons to the second electrode, and the nanoparticles that have received the electrons and are in an electrically negative state, are said to be the first. The nano is electrically neutral by drifting toward the second electrode by an electric field having a low potential for one electrode and a high potential for the second electrode, and passing the electrons to the second electrode. It is characterized in that particles are drifted toward the first electrode by a magnetic field between the first electrode and the second electrode.
また、第1態様に係る発電素子によれば、電子を受け取ったナノ粒子が、第2電極へ向けてさらに移動する。したがって、例えば接触したナノ粒子同士間でのトンネリングあるいはホッピングのみを利用した発電電子と比較して、発電効率の更なる向上が可能となる。また、第2電極は、第1電極よりも仕事関数が小さい。このようなナノ粒子の挙動は、第1電極と第2電極との間の距離を狭めれば狭めるほど、顕著に現れる。したがって、発電素子の微細化に有利、という利点を得ることができる。 Further , according to the power generation element according to the first aspect, the nanoparticles that have received the electrons further move toward the second electrode. Therefore, it is possible to further improve the power generation efficiency as compared with the power generation electrons using only tunneling or hopping between the nanoparticles that are in contact with each other, for example. Further, the second electrode has a smaller work function than the first electrode. The behavior of such nanoparticles becomes more remarkable as the distance between the first electrode and the second electrode is narrowed. Therefore, it is possible to obtain an advantage that it is advantageous for miniaturization of the power generation element.
また、第1態様に係る発電素子によれば、第1電極と第2電極との間に設けられた、ギャップを備えている。そして、ナノ粒子は、溶媒中に分散されている。したがって、ナノ粒子を、第1電極と第2電極との間を移動させることが可能となる。 Further , according to the power generation element according to the first aspect, a gap provided between the first electrode and the second electrode is provided . The nanoparticles are then dispersed in the solvent. Therefore, the nanoparticles can be moved between the first electrode and the second electrode.
また、第1態様に係る発電素子によれば、第1電極を低電位とし、第2電極を高電位とする電界が生ずる。したがって、電子を受け取って電気的に負の状態となったナノ粒子を、第2電極へ向けてドリフトさせることが可能となる。 Further , according to the power generation element according to the first aspect, an electric field is generated in which the first electrode has a low potential and the second electrode has a high potential. Therefore, the nanoparticles that have received electrons and are in an electrically negative state can be drifted toward the second electrode.
また、第1態様に係る発電素子によれば、電気的に中性の状態となったナノ粒子を、第1電極へ向けてドリフトさせる。このため、電子を受け取って第2電極へ向けて移動したナノ粒子に、再度電子を受け取らせることが可能となる。したがって、有限個数であるナノ粒子を用いた連続的な電子の移動が実現可能となる。 Further , according to the power generation element according to the first aspect, the nanoparticles in the electrically neutral state are drifted toward the first electrode. Therefore, the nanoparticles that have received the electrons and moved toward the second electrode can receive the electrons again. Therefore, continuous electron movement using a finite number of nanoparticles becomes feasible.
第2態様に係る発電素子によれば、ナノ粒子に印加される電界による力は、前記ナノ粒子に作用する前記磁界による力よりも大きい。このため、電子を受け取って電気的に負の状態となったナノ粒子は、第2電極へ向けてドリフトさせやすくなり、電子を受け渡して電気的に中性となったナノ粒子は、第1電極へ向けてドリフトさせやすくなる。 According to the power generation element according to the second aspect, the force due to the electric field applied to the nanoparticles is larger than the force due to the magnetic field acting on the nanoparticles. For this reason, nanoparticles that have received electrons and are in an electrically negative state are likely to drift toward the second electrode, and nanoparticles that have passed electrons and become electrically neutral are likely to drift toward the first electrode. It becomes easier to drift toward.
第3態様に係る発電素子によれば、ギャップは、3μm以下とする。これにより、電子を受け取ったナノ粒子が第1電極から第2電極へ向けて移動する現象を、顕著に生じさせることが可能となる。したがって、発電素子の発電効率を、さらに高めることができる。 According to the power generation element according to the third aspect, the gap is 3 μm or less. This makes it possible to remarkably cause the phenomenon that the nanoparticles that have received the electrons move from the first electrode to the second electrode. Therefore, the power generation efficiency of the power generation element can be further increased.
第4態様に係る発電装置によれば、発電効率の更なる向上が可能となる発電装置を得る
ことができる。
According to the power generation device according to the fourth aspect, it is possible to obtain a power generation device capable of further improving the power generation efficiency.
第5態様に係る電子機器によれば、発電効率の更なる向上が可能となる電子機器を得る
ことができる。
According to the electronic device according to the fifth aspect, it is possible to obtain an electronic device capable of further improving the power generation efficiency.
第6態様に係る発電方法によれば、発電効率の更なる向上が可能となる発電方法を得
ることができる。
According to the power generation method according to the sixth aspect, it is possible to obtain a power generation method capable of further improving the power generation efficiency.
Claims (10)
第1電極と、
前記第1電極と仕事関数が異なる第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に磁界を発生させる磁界発生機構と、
前記第1電極と前記第2電極との間を移動可能であり、少なくとも前記第1電極から放出された電子を受け取り、受け取った前記電子を前記第2電極へ受け渡すナノ粒子と、
を備え、
前記ナノ粒子は、磁性体であること
を特徴とする発電素子。 It is a power generation element that utilizes the work function difference between electrodes.
With the first electrode
The second electrode, which has a different work function from the first electrode,
A magnetic field generation mechanism that generates a magnetic field between the first electrode and the second electrode,
Nanoparticles that are movable between the first electrode and the second electrode, receive at least the electrons emitted from the first electrode, and transfer the received electrons to the second electrode.
Equipped with
The nanoparticles are a power generation element characterized by being a magnetic material.
前記電子を受け取った前記ナノ粒子を、仕事関数が大きい前記第1電極から前記第2電極へ向けて移動させること
を特徴とする請求項1に記載の発電素子。 The second electrode has a smaller work function than the first electrode.
The power generation element according to claim 1, wherein the nanoparticles that have received the electrons are moved from the first electrode having a large work function toward the second electrode.
前記ナノ粒子は、前記流体中に分散されていること
を特徴とする請求項1又は2に記載の発電素子。 A fluid-filled gap is further provided between the first electrode and the second electrode.
The power generation element according to claim 1 or 2, wherein the nanoparticles are dispersed in the fluid.
を特徴とする請求項3記載の発電素子。 It is characterized in that the nanoparticles, which have received the electrons and are in an electrically negative state, are drifted toward the second electrode by an electric field having the first electrode at a low potential and the second electrode at a high potential. The power generation element according to claim 3.
を特徴とする請求項4記載の発電素子。 To transfer the electrons to the second electrode and cause the nanoparticles in an electrically neutral state to drift toward the first electrode by a magnetic field between the first electrode and the second electrode. 4. The power generation element according to claim 4.
を特徴とする請求項5記載の発電素子。 The power generation element according to claim 5, wherein the force due to the electric field applied to the nanoparticles is larger than the force due to the magnetic field acting on the nanoparticles.
を特徴とする請求項4~6のいずれか1つに記載の発電素子。 The power generation element according to any one of claims 4 to 6, wherein the gap has a finite value of 3 μm or less.
前記第1電極と電気的に接続された第1配線と、
前記第2電極と電気的に接続された第2配線と、
を備えること
を特徴とする発電装置。 The power generation element according to claim 1 and
The first wiring electrically connected to the first electrode and
The second wiring electrically connected to the second electrode and
A power generation device characterized by being equipped with.
前記発電素子を電源に用いて駆動する電子部品と
を備えることを特徴とする電子機器。 The power generation element according to claim 1 and
An electronic device including electronic components that are driven by using the power generation element as a power source.
前記発電素子は、
第1電極と、
前記第1電極と仕事関数が異なる第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に磁界を発生させる磁界発生機構と、
前記第1電極と前記第2電極との間を移動可能であり、前記第1電極及び前記第2電極から放出された電子を受け取り、受け取った前記電子を前記第2電極へ受け渡すナノ粒子と、
を備え、
前記電子を受け取って電気的に負の状態となった前記ナノ粒子を、前記第1電極を低電位、前記第2電極を高電位とする電界によって、前記第2電極へ向けてドリフトさせ、
前記電子を前記第2電極へ受け渡して電気的に中性の状態となった前記ナノ粒子を、前記第1電極と前記第2電極との間の磁界によって前記第1電極へ向けてドリフトさせること
を特徴とする発電方法。 It is a power generation method of a power generation element using the work function difference between electrodes.
The power generation element is
With the first electrode
The second electrode, which has a different work function from the first electrode,
A magnetic field generation mechanism that generates a magnetic field between the first electrode and the second electrode,
Nanoparticles that are movable between the first electrode and the second electrode, receive electrons emitted from the first electrode and the second electrode, and transfer the received electrons to the second electrode. ,
Equipped with
The nanoparticles, which have received the electrons and are in an electrically negative state, are drifted toward the second electrode by an electric field having the first electrode at a low potential and the second electrode at a high potential.
To transfer the electrons to the second electrode and cause the nanoparticles in an electrically neutral state to drift toward the first electrode by a magnetic field between the first electrode and the second electrode. A power generation method characterized by.
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