JP2022118532A - Energy harvesting method, energy harvesting device, and electronic system - Google Patents

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Abstract

To provide an energy harvesting device that can harvest electric power from the environment by utilizing an electrically conductive liquid such as seawater, and an electronic system using the energy harvesting device.SOLUTION: An electronic system 11 comprises an energy harvesting device 3, and an electronic device 10. The energy harvesting device comprises a base substance 6 of which a gas region A is formed on part of a surface in contact with an electrically conductive liquid L, and a first electrode 1 and a second electrode 2 respectively made of two different metals that are arranged on the base substance to extend to both the gas region and the liquid. The gas region is produced above a water-repellent surface 9 provided on the base substance. In the gas region, electric power is supplied to the electronic device 10 by a potential difference generated between ends 1a and 2a of the two electrodes 1 and 2.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、身の回りにある微弱なエネルギーを電力に変換する環境発電（energy harvesting ）法及び同方法を利用した環境発電装置と、この環境発電装置を電源とする電子装置に係り、特に、電気伝導性を有する液体に浸漬した物体の表面に気体領域を形成し、この気体領域と液体の両方に跨るように種類の異なる２つの金属を設置して気体領域で発電することを特徴とする環境発電方法及び環境発電装置と、この環境発電装置を電源とする電子装置に関するものである。 The present invention relates to an energy harvesting method for converting weak energy around us into electric power, an energy harvesting device using the same method, and an electronic device powered by this energy harvesting device. Energy harvesting characterized in that a gas region is formed on the surface of an object immersed in a liquid having properties, two metals of different types are placed across both the gas region and the liquid, and electricity is generated in the gas region. A method and an energy harvesting device and an electronic device powered by the energy harvesting device.

環境発電とは、光、振動、熱、電磁波等、身の回りに種々の形態で存在する微弱なエネルギーを電力に変換する発電方法である。あらゆるものがネットにつながるＩｏＴ(Internet of Things ）の時代を迎え、データを得るための電子デバイスであるセンサを至る所に取り付ける必要性が生じている。センサを動作させるためには電源が必要であるが、小さなセンサを個々にコンセントに接続し、又は継続的な交換が必要な電池を各センサごとに設けることは、センサ数が膨大であることを考慮すると現実的とは言えない。そこで、本願発明者は、多数の小さなセンサに電力を供給するために環境発電法を利用するとの発想を得たが、身の回りにある微弱なエネルギーをどこから、またどのような手段・方法で収穫するかについて有用な技術を具体的に提示している例を本願発明者は知らない。 Energy harvesting is a power generation method that converts weak energy present in various forms around us, such as light, vibration, heat, and electromagnetic waves, into electric power. With the arrival of the age of IoT (Internet of Things) in which everything is connected to the Internet, there is a need to install sensors, which are electronic devices for obtaining data, everywhere. A power supply is required to operate the sensors, but connecting small sensors individually to an electrical outlet or providing a battery that needs to be continuously replaced for each sensor is an enormous number of sensors. Considering this, it cannot be said to be realistic. Therefore, the inventor of the present application came up with the idea of using the energy harvesting method to supply power to a large number of small sensors. The inventors of the present application do not know of any example that specifically presents a useful technique for this.

そこで、本願発明者は、環境発電法を利用して多数の電子デバイス（例えばセンサ等）に長期に亘って安定的に電力を供給する手段・方法について多角的に検討した。その結果、本願発明者は、例えば海水のような電気伝導性を有する液体を利用した環境発電法によって電力を取り出すことは用途として必要性が高く、また有望な技術的課題であるとも考えるに至ったが、そのような技術で実用性があるものは知られていないため、その後、さらに鋭意、研究を進めてきた。 Therefore, the inventors of the present application have made multifaceted studies on means and methods for stably supplying power to a large number of electronic devices (for example, sensors, etc.) over a long period of time using the energy harvesting method. As a result, the inventors of the present application have come to believe that the extraction of electric power by an energy harvesting method using an electrically conductive liquid such as seawater is highly necessary as an application, and is also a promising technical issue. However, since no such technology is known to have practical utility, he has continued his research since then.

本発明は、以上説明した本願発明者の環境発電に関する知見と研究に基づいてなされたものであり、海水のような電気伝導性を有する液体と空気の間に電極を配置して電力を取り出すことができる環境発電法と、同方法を好適に実行できる環境発電装置、さらにこのような環境発電装置を電源として有する電子装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made based on the above-described findings and research on energy harvesting by the inventor of the present application, and extracts electric power by placing an electrode between an electrically conductive liquid such as seawater and air. It is an object of the present invention to provide an energy harvesting method capable of performing the energy harvesting, an energy harvesting device capable of suitably executing the method, and an electronic device having such an energy harvesting device as a power source.

請求項１に記載された環境発電方法は、
電気伝導性を有する液体に接した物体の表面に気体領域を形成し、前記気体領域と前記液体の両方に跨がるように種類が異なる２つの金属を設置し、前記気体領域内において２つの前記金属の間に生じる電位差により電力を得ることを特徴としている。 The energy harvesting method according to claim 1 is characterized in that
A gas region is formed on the surface of an object that is in contact with an electrically conductive liquid, two metals of different types are placed so as to straddle both the gas region and the liquid, and two metals are placed in the gas region. It is characterized in that electric power is obtained from the potential difference generated between the metals.

請求項２に記載された環境発電方法は、請求項１記載の環境発電方法において、
前記物体の撥水性表面に前記気体領域を形成することを特徴としている。 The energy harvesting method according to claim 2 is the energy harvesting method according to claim 1,
The gas region is formed on the water-repellent surface of the object.

請求項３に記載された環境発電方法は、請求項１記載の環境発電方法において、
前記物体の表面に設けた凸部と前記凸部以外の前記物体の表面との境界部又は前記物体の表面に設けた凹部の底部の少なくとも何れか一方に前記気体領域を形成することを特徴としている。 The energy harvesting method according to claim 3 is the energy harvesting method according to claim 1,
The gas region is formed in at least one of a boundary portion between a convex portion provided on the surface of the object and a surface of the object other than the convex portion, or a bottom portion of a concave portion provided on the surface of the object. there is

請求項４に記載された環境発電装置は、
電気伝導性を有する液体に接した表面の一部に気体領域が形成される物体と、
前記物体に形成された前記気体領域と前記液体の両方に跨がるように前記物体に配置された種類が異なる２つの金属と、
を有し、
前記気体領域内において２つの前記金属の間に生じる電位差により電力を発生させることを特徴としている。 The energy harvesting device according to claim 4,
an object in which a gas region is formed on a portion of the surface in contact with an electrically conductive liquid;
two metals of different types arranged on the object so as to straddle both the gas region and the liquid formed on the object;
has
Electric power is generated by a potential difference between the two metals in the gas region.

請求項５に記載された環境発電装置は、請求項４記載の環境発電装置において、
前記気体領域が形成される前記物体の表面が撥水性表面であることを特徴としている。 The energy harvesting device according to claim 5 is the energy harvesting device according to claim 4,
A surface of the object on which the gas region is formed is a water-repellent surface.

請求項６に記載された環境発電装置は、請求項４記載の環境発電装置において、
前記物体の表面には凸部と凹部の少なくとも何れか一方が形成されており、
前記凸部と前記凸部以外の前記物体の表面との境界部又は前記凹部の底部の少なくとも何れか一方に前記気体領域が形成されることを特徴としている。 The energy harvesting device according to claim 6 is the energy harvesting device according to claim 4,
At least one of a convex portion and a concave portion is formed on the surface of the object,
The gas region is formed in at least one of a boundary portion between the convex portion and the surface of the object other than the convex portion, or a bottom portion of the concave portion.

請求項７に記載された環境発電装置は、
請求項４に記載の環境発電装置を複数有し、これらの環境発電装置を、並列接続と直列接続を含む接続態様群から選択した１以上の接続態様により電気的に接続したことを特徴としている。 The energy harvesting device according to claim 7,
A plurality of energy harvesting devices according to claim 4 are provided, and the energy harvesting devices are electrically connected by one or more connection modes selected from a group of connection modes including parallel connection and series connection. .

請求項８に記載された電子装置は、
請求項４乃至７の何れか一つに記載の環境発電装置と、
前記環境発電装置からの電力で機能する電子デバイスと、
を備えたことを特徴としている。 The electronic device according to claim 8,
an energy harvesting device according to any one of claims 4 to 7;
an electronic device that functions on power from the energy harvester;
It is characterized by having

請求項１に記載された環境発電方法によれば、液体と物体の間に形成された気体領域内では２つの金属間に電位差が生じるため、気体領域内の２つの金属間に負荷を接続すれば電力を得ることができる。 According to the energy harvesting method of claim 1, a potential difference is generated between the two metals in the gas region formed between the liquid and the object. power can be obtained.

請求項２に記載された環境発電方法によれば、前記物体の表面の少なくとも一部を撥水性表面とすれば、この撥水性表面に前記気体領域を形成することができる。 According to the energy harvesting method described in claim 2, if at least part of the surface of the object is a water-repellent surface, the gas region can be formed on this water-repellent surface.

請求項３に記載された環境発電方法によれば、前記物体の表面に凸部と凹部の少なくとも何れか一方を設ければ、凸部と前記物体の表面との境界部又は前記凹部の底部の少なくとも何れか一方に前記気体領域を形成することができる。 According to the energy harvesting method described in claim 3, if at least one of a convex portion and a concave portion is provided on the surface of the object, the boundary portion between the convex portion and the surface of the object or the bottom portion of the concave portion can be The gas region can be formed in at least one of them.

請求項４に記載された環境発電装置によれば、液体と物体の間に形成された気体領域内では２つの金属間に電位差が生じるため、気体領域内の２つの金属間に負荷を接続すれば電力を得ることができる。 According to the energy harvesting device of claim 4, a potential difference is generated between the two metals in the gas region formed between the liquid and the object. power can be obtained.

請求項５に記載された環境発電装置によれば、前記物体の表面の少なくとも一部に形成された撥水性表面に前記気体領域を形成することができる。 According to the energy harvesting device of claim 5, the gas region can be formed on a water-repellent surface formed on at least a part of the surface of the object.

請求項６に記載された環境発電装置によれば、凸部と前記物体の表面との境界部又は前記凹部の底部の少なくとも何れか一方に前記気体領域を形成することができる。 According to the energy harvesting device of claim 6, the gas region can be formed in at least one of the boundary portion between the convex portion and the surface of the object or the bottom portion of the concave portion.

請求項７に記載された環境発電装置によれば、請求項４に記載の複数個の環境発電装置を、並列接続又は直列接続して発電ユニットを構成し、複数の発電ユニットを並列接続又は直列接続することによって目的に応じた機能を有する発電装置を得ることができる。 According to the energy harvesting device described in claim 7, the plurality of energy harvesting devices described in claim 4 are connected in parallel or in series to form a power generation unit, and the plurality of power generation units are connected in parallel or in series. By connecting them, it is possible to obtain a power generator having a function according to the purpose.

請求項８に記載された電子装置によれば、電気伝導性を有する液体に接した環境発電装置によって電力を生成し、これによって電子デバイスを機能させることができる。例えば、電気伝導性を有する液体である海水を利用して環境発電ができるため、所望の機能を有するセンサや通信素子等の電子デバイスと、電子デバイスの電源として環境発電装置を一つのユニットに構成すれば、海水の存在下においてリアルタイムで情報収集を行い、収集した情報を送信する利便性の高いＩｏＴデバイスを実現することができる。さらに、この環境発電装置及び環境発電方法は、広く電気電子工学分野におけるデバイス作製の基礎技術に適用可能であるため、その用途はあらゆる分野に敷衍することが可能である。 According to the electronic device of claim 8, electric power is generated by the energy harvesting device in contact with the electrically conductive liquid, thereby enabling the electronic device to function. For example, since it is possible to generate energy by using seawater, which is a liquid with electrical conductivity, an electronic device such as a sensor or a communication element having a desired function and an energy harvesting device as a power supply for the electronic device can be configured in one unit. Then, it is possible to realize a highly convenient IoT device that collects information in real time in the presence of seawater and transmits the collected information. Furthermore, since this energy harvesting device and energy harvesting method can be widely applied to the basic technology of device fabrication in the field of electrical and electronic engineering, its application can be extended to all fields.

分図（ａ）は第１実施形態の電子装置の正面図であり、分図（ｂ）は同平面図である。Part (a) is a front view of the electronic device of the first embodiment, and part (b) is a plan view of the same. 分図（ａ）は第２実施形態の電子装置の正面図であり、分図（ｂ）は同平面図である。Part (a) is a front view of the electronic device of the second embodiment, and part (b) is a plan view of the same. 第３実施形態の電子装置の正面図である。It is a front view of the electronic device of 3rd Embodiment. 第４実施形態の電子装置の正面図である。It is a front view of the electronic device of 4th Embodiment. 第５実施形態の電子装置の断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of an electronic device according to a fifth embodiment; 第６実施形態の電子装置の断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of an electronic device according to a sixth embodiment; 第７実施形態の電子装置の断面図である。It is a sectional view of the electronic device of a 7th embodiment. 第８実施形態の電子装置の断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view of an electronic device according to an eighth embodiment;

以下、本発明の実施形態を図１～図８を参照して説明する。
図１は、第１実施形態の電子装置１１を、電気伝導性を有する液体Ｌに浸漬して使用している状態を示している。図中、液体Ｌの部分は薄墨（グレー着色）で示している。この電子装置１１は、物体に形成した撥水性表面を利用する環境発電装置を電源として備えている。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 8. FIG.
FIG. 1 shows a state in which the electronic device 11 of the first embodiment is immersed in an electrically conductive liquid L and used. In the figure, the part of the liquid L is indicated by light ink (colored in gray). This electronic device 11 is equipped with an energy harvesting device as a power source that utilizes a water-repellent surface formed on an object.

図１に示すように、この電子装置１１が有する環境発電装置３は、物体としての基体６と、基体６の上側の表面（以下、上面と称する。）に取り付けられた２つの電極（第１電極１と第２電極２）を有している。基体６は、絶縁性で、その内部と外部で電波による通信が可能である電波透過性を持つ材料で構成された矩形板である。また、基体６の上面の一部には、楕円形状の撥水加工された領域があるが、この撥水性を有する領域を撥水性表面９と称する。第１電極１と第２電極２は、互いに種類が異なる２つの金属から構成された矩形の棒状体であり、撥水性表面９と、それ以外の上面との間に跨がって配置され、基体６に固定されている。 As shown in FIG. 1, the energy harvesting device 3 of the electronic device 11 includes a substrate 6 as an object and two electrodes (first It has an electrode 1 and a second electrode 2). The substrate 6 is a rectangular plate made of a material having insulating properties and radio wave transmission that allows radio wave communication between the inside and outside of the substrate. A portion of the upper surface of the substrate 6 has an elliptical water-repellent area, and this water-repellent area is referred to as a water-repellent surface 9 . The first electrode 1 and the second electrode 2 are rectangular rod-shaped bodies made of two metals of different types, and are arranged across the water-repellent surface 9 and the other upper surface, It is fixed to the base 6 .

図１に示すように、この電子装置１１は、前記基体６の内部に電子デバイス１０を備えている。図１（ｂ）に示すように、撥水性表面９の側にある第１電極１と第２電極２の各一端部１ａ，２ａは、この電子デバイス１０に接続されている。この電子デバイス１０には、電子装置１１の外部の状態を検知するセンサと、センサによって検知された情報を外部に送信する通信素子が含まれる。この電子デバイス１０によれば、センサによって環境中の情報を検知し、これを直ちに送信して遠隔地で取得することができる。ただし、環境中に配置された電子装置１１を回収することが前提であるなら、電子デバイス１０としては一定の記憶機能を備えたセンサのみであっても情報の収集に不都合はない。 As shown in FIG. 1, this electronic device 11 has an electronic device 10 inside the base 6 . As shown in FIG. 1(b), one ends 1a and 2a of the first electrode 1 and the second electrode 2 on the side of the water-repellent surface 9 are connected to the electronic device 10. As shown in FIG. The electronic device 10 includes a sensor that detects the external state of the electronic device 11 and a communication element that transmits information detected by the sensor to the outside. According to this electronic device 10, information in the environment can be detected by the sensor, and the information can be immediately transmitted and obtained at a remote location. However, assuming that the electronic device 11 placed in the environment is to be collected, there is no problem in collecting information even if the electronic device 10 is only a sensor having a certain memory function.

図１に示すように電子装置１１の全体を電気伝導性を有する液体Ｌ（例えば海水）に浸漬するか、又は少なくとも電子装置１１の基体６の上面を前記液体Ｌに接触させると、基体６の上面の撥水性表面９の上には、空気の気泡が生成される。この気泡（空気）又は気泡の内部の空間を気体領域Ａと称する。基体６に気体領域Ａが生成された結果、第１電極１と第２電極２は、それぞれ気体領域Ａと液体Ｌの両方に跨がるように配置されることとなる。種類が異なる第１電極１と第２電極２の各一端部１ａ，２ａは気体領域Ａにあり、各他端部１ｂ，２ｂは電気伝導性を有する液体Ｌの中にあるので、気体領域Ａ内において第１電極１と第２電極２の各一端部間１ａ，２ａには電気化学的に電位差が生じる。このため、第１電極１と第２電極２の各一端部１ａ，２ａ間に接続された負荷である電子デバイス１０（センサ及び通信素子）は電力を得ることができる。 As shown in FIG. 1, when the entire electronic device 11 is immersed in an electrically conductive liquid L (for example, seawater), or at least the upper surface of the substrate 6 of the electronic device 11 is brought into contact with the liquid L, the substrate 6 is Air bubbles are generated above the upper water-repellent surface 9 . This bubble (air) or the space inside the bubble is called a gas region A. As a result of the generation of the gas region A on the substrate 6, the first electrode 1 and the second electrode 2 are arranged so as to straddle both the gas region A and the liquid L, respectively. The first electrode 1 and the second electrode 2 of different types have one end 1a and 2a in the gas region A, and the other end 1b and 2b are in the liquid L having electrical conductivity. An electrochemical potential difference is generated between the ends 1a and 2a of the first electrode 1 and the second electrode 2 inside. Therefore, the electronic device 10 (sensor and communication element), which is a load connected between the ends 1a and 2a of the first electrode 1 and the second electrode 2, can obtain power.

本実施形態の電子装置１１が有する環境発電装置３の構成乃至製造方法をより具体的に説明する。
まず、基体６を構成する絶縁性の材料としては、例えばＳｉ－Ｏ－Ｓｉ結合を含む固体化合物であるシリコーンゴムを用いることができる。 The configuration and manufacturing method of the energy harvesting device 3 included in the electronic device 11 of this embodiment will be described more specifically.
First, as the insulating material forming the substrate 6, for example, silicone rubber, which is a solid compound containing Si--O--Si bonds, can be used.

次に、シリコーンゴムからなる基体６を採用した場合、その上面の一部に撥水性表面９を発現させるためには、以下に説明するような光化学的な手法で微細隆起構造を形成することができる。そこで、本願発明者が行なった実験の結果に基づき、シリコーンゴムの基体６に撥水性表面９を発現させる光化学的な工程で採用しうる加工条件の範囲について、より具体的に説明する。 Next, when the substrate 6 made of silicone rubber is adopted, in order to express the water-repellent surface 9 on a part of the upper surface, it is possible to form a fine raised structure by a photochemical method as described below. can. Therefore, based on the results of experiments conducted by the inventors of the present application, the range of processing conditions that can be employed in the photochemical process for developing the water-repellent surface 9 on the silicone rubber substrate 6 will be described more specifically.

直径２．５μｍのシリカガラス製微小球をエタノールに分散させ、それをシリコーンゴムの基体６（厚さ２ｍｍ）の表面に滴下した。その後、自然乾燥をさせ、一部多層となった微小球を任意の手段で物理的に除去することにより、シリコーンゴムの基体６の表面に微小球を単層で整列させた。その試料に、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーを、単一パルスのフルエンス１０～５０ｍＪ／ｃｍ2 、パルス繰り返し周波数１～２０Ｈｚ、ショット数９００～３６００（照射時間１．５～６０ｍｉｎ）の範囲で照射した。その際、レーザーの光路（長さ８０ｍｍ）をＡｒあるいはＮ2 ガスでパージした。レーザー照射後、試料を１ｗｔ％のＨＦ水溶液中に浸漬し、さらにエタノール中での超音波洗浄を行って微小球を除去した。 Silica glass microspheres with a diameter of 2.5 μm were dispersed in ethanol and dropped onto the surface of a silicone rubber substrate 6 (thickness: 2 mm). After that, the microspheres were naturally dried, and the microspheres, which had partially become multi-layered, were physically removed by any means to align the microspheres in a single layer on the surface of the silicone rubber substrate 6 . The sample was irradiated with an ArF excimer laser with a wavelength of 193 nm at a single pulse fluence of 10 to 50 mJ/cm 2 , a pulse repetition frequency of 1 to 20 Hz, and a number of shots of 900 to 3600 (irradiation time of 1.5 to 60 min). . At that time, the laser optical path (length 80 mm) was purged with Ar or N 2 gas. After the laser irradiation, the sample was immersed in a 1 wt % HF aqueous solution and then subjected to ultrasonic cleaning in ethanol to remove microspheres.

シリコーンゴムの基体６に撥水性表面９を発現させる工程で採用しうる上述した一般的な加工条件において実施した加工条件の一例について説明する。
シリコーンゴムの基体６の表面に微小球を単層で整列させるまでは、上述した一般的な加工条件と同一である。その後、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーを、単一パルスのフルエンス１０ｍＪ／ｃｍ2 、パルス繰り返し周波数１Ｈｚ、ショット数１８００（照射時間３０ｍｉｎ）の範囲で照射した。レーザー照射後の後処理は上述した一般的な加工条件と同一である。 An example of the processing conditions carried out under the general processing conditions described above that can be employed in the step of developing the water-repellent surface 9 on the silicone rubber substrate 6 will be described.
The general processing conditions described above are the same until the microspheres are aligned in a monolayer on the surface of the silicone rubber substrate 6 . After that, an ArF excimer laser with a wavelength of 193 nm was irradiated with a single pulse fluence of 10 mJ/cm 2 , a pulse repetition frequency of 1 Hz, and 1800 shots (irradiation time of 30 minutes). Post-treatment after laser irradiation is the same as the general processing conditions described above.

上記条件で加工したシリコーンゴムの基体６の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。加工後、微小球を除去した後のシリコーンゴムの基体６の表面には、直径約１．５μｍ、高さ約１μｍの微細隆起構造が２．５μｍの間隔で形成されていることがわかった。これは、レーザー光が微小球のレンズ効果によりシリコーンゴムの表面上に集光され、主鎖構造の光開裂に伴う隆起が局所的に誘起されたものと考えられる。条件を変えて実験した結果、この隆起構造の直径ならびに高さは、フルエンス、パルス繰り返し周波数ならびにショット数により変化することも判明した。 The surface of the silicone rubber substrate 6 processed under the above conditions was observed with a scanning electron microscope (SEM). After processing, the surface of the silicone rubber substrate 6 from which the microspheres had been removed was found to have a fine protuberant structure with a diameter of about 1.5 μm and a height of about 1 μm formed at intervals of 2.5 μm. It is believed that this is because the laser light is focused on the surface of the silicone rubber by the lens effect of the microspheres, and local ridges are induced due to photocleavage of the main chain structure. As a result of experiments under different conditions, it was also found that the diameter and height of this protuberant structure changed with the fluence, pulse repetition frequency and number of shots.

上記条件で加工したシリコーンゴムの撥水性表面９の撥水性を評価するために、水との接触角を測定した。接触角の測定では、シリコーンゴムの基体６に形成した撥水性表面９に超純水１０μＬを滴下し、その真横から写真撮影をした。未照射のシリコーンゴムの基体６の表面では、接触角は約９０度であることがわかった。一方、先に説明した好ましい加工条件の一例、すなわちフルエンス１０ｍＪ／ｃｍ2 、パルス繰り返し周波数１Ｈｚ、ショット数１８００（照射時間３０ｍｉｎ）でレーザー照射を行なった場合、接触角が約１５５度となることがわかった。また、実験の結果によれば、この撥水性の発現は、概ねCassie-Baxter の式で説明できることも判明した。 In order to evaluate the water repellency of the water repellent surface 9 of the silicone rubber processed under the above conditions, the contact angle with water was measured. In the measurement of the contact angle, 10 μL of ultrapure water was dropped onto the water-repellent surface 9 formed on the base 6 of silicone rubber, and a photograph was taken from the side. On the surface of the non-irradiated silicone rubber substrate 6, the contact angle was found to be approximately 90 degrees. On the other hand, when laser irradiation is performed with an example of the preferable processing conditions described above, that is, a fluence of 10 mJ/cm 2 , a pulse repetition frequency of 1 Hz, and a number of shots of 1800 (irradiation time of 30 minutes), the contact angle can be about 155 degrees. all right. Further, according to the results of experiments, it was found that the development of this water repellency can be roughly explained by the Cassie-Baxter equation.

上記条件で加工したシリコーンゴムの基体６を水中に入れたところ、微細隆起構造が形成された撥水性表面９のみに、厚さ約０．５ｍｍの気体（空気）領域が自動的に形成されることが見出された。また、シリコーンゴムに撥水性表面９を形成する前述した加工条件の範囲内で、種々に数値を変えて複数の実験を行なった結果、上記加工条件の範囲内であれば、撥水性表面９の接触角は１４５度以上となり、基体６を液中に浸漬すれば気体領域Ａの生成が確実に行なわれることが分かった。なお、表面工学においては、一般的に接触角が１５０度以上の場合に「超撥水」の用語を使用しているため、本発明で必要な気体領域Ａを生成するための撥水性は超撥水性を含み、さらに超撥水性には入らない一定の範囲をも包含するものとなる。 When the silicone rubber substrate 6 processed under the above conditions is immersed in water, a gas (air) region with a thickness of about 0.5 mm is automatically formed only on the water-repellent surface 9 on which the fine protuberance structure is formed. It was found that In addition, as a result of conducting a plurality of experiments with various numerical values within the range of the above-described processing conditions for forming the water-repellent surface 9 on silicone rubber, it was found that the water-repellent surface 9 could be formed within the range of the processing conditions. The contact angle was 145 degrees or more, and it was found that the gas region A was reliably generated when the substrate 6 was immersed in the liquid. In surface engineering, the term "super water repellency" is generally used when the contact angle is 150 degrees or more. Including water repellency, it also includes a certain range that does not fall into super water repellency.

次に、以上のようにして撥水性表面９が形成されたシリコーンゴムの基体６に設けられる電極について、より具体的に説明する。
第１電極１と第２電極２を構成する種類が異なる金属としては、例えばアルミニウムと銅を採用することができる。具体的には、シリコーンゴムの上面に、細線状のアルミニウムおよび銅を、撥水性表面９の内と外に跨がって設置する。この環境発電装置３を、濃度３ｗｔ％のＮａＣｌ水溶液に浸漬すると、撥水性表面９には気体領域Ａが形成された。ここで細線状のアルミニウムおよび銅は、ＮａＣｌ水溶液と気体領域Ａの両方に跨るように配置されているため、気体領域Ａ内のアルミニウムの一端部と銅の一端部の両端間には約５００ｍＶの電圧が電気化学的に生じた。気体領域Ａ内のアルミニウムの一端部と、銅の一端部との間に負荷を接続すれば電力が得られ、当該電力によって負荷を作動、機能させることができる。 Next, the electrodes provided on the silicone rubber substrate 6 on which the water-repellent surface 9 is formed as described above will be described in more detail.
Aluminum and copper, for example, can be used as the different metals forming the first electrode 1 and the second electrode 2 . Specifically, fine lines of aluminum and copper are placed on the upper surface of the silicone rubber so as to straddle the inside and outside of the water-repellent surface 9 . When the energy harvesting device 3 was immersed in an aqueous NaCl solution having a concentration of 3 wt %, a gas region A was formed on the water-repellent surface 9 . Here, since the fine lines of aluminum and copper are arranged so as to straddle both the NaCl aqueous solution and the gas region A, there is a voltage of about 500 mV between both ends of one end of the aluminum and one end of the copper in the gas region A. A voltage was generated electrochemically. Connecting a load between one end of the aluminum and one end of the copper in the gas region A provides electrical power, which enables the load to operate and function.

電極を構成する２つの種類が異なる金属とは、各金属に固有の物性値である電極電位が異なるとの意味である。電極電位は、一般に標準電極電位からの±の差分を示すＶ値で表される。例えば海水に浸漬した場合の電極電位の値については測定結果が得られており、これは概ねイオン化傾向に一致する。 The two different kinds of metals constituting the electrode means that the electrode potential, which is a physical property value unique to each metal, is different. The electrode potential is generally represented by a V value that indicates the ± difference from the standard electrode potential. For example, measurement results have been obtained for electrode potential values when immersed in seawater, which generally agree with the ionization tendency.

第１実施形態では、シリコーンゴムに微細隆起構造を形成し必要な撥水性を発現させるための光源として波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーを用いたが、同様の工程において光源としてＮｄ：ＹＡＧレーザーの第４高調波（波長２６６ｎｍ）を用いることもできる。この場合も、シリコーンゴムの表面に、微小球の整列間隔に対応した凹凸構造が形成できた。また、シリコーンゴムに含まれる炭素の遊離に起因して撥水性表面９には変色が認められたので、電極を配置する際に位置決めの目安となる。 In the first embodiment, an ArF excimer laser with a wavelength of 193 nm was used as a light source for forming a fine protuberance structure in silicone rubber and developing the necessary water repellency. Harmonics (266 nm wavelength) can also be used. Also in this case, an uneven structure corresponding to the alignment intervals of the microspheres could be formed on the surface of the silicone rubber. Further, discoloration was observed on the water-repellent surface 9 due to liberation of carbon contained in the silicone rubber.

シリコーンゴムに微細隆起構造を形成するための光源は、一般的には波長が長いほど対象物に吸収されにくいため、微細隆起構造を形成することが困難になるとも考えられるが、例えば波長３８０～４００ｎｍ程度の紫外線光であっても、シリコーンゴムにカーボン粒子等のエネルギー吸収物質を混入しておけば、上述した２種類のレーザー利用の場合と同等の微細隆起構造をシリコーンゴムに形成することができる。 Generally speaking, the longer the wavelength of the light source used to form the micro-protrusion structure in silicone rubber, the less likely it is to be absorbed by the object. Even with ultraviolet light of about 400 nm, if an energy-absorbing material such as carbon particles is mixed into the silicone rubber, it is possible to form a fine raised structure in the silicone rubber, which is equivalent to the case of using the two types of lasers described above. can.

第１実施形態の電子装置１１によれば、海水を代表とする電気伝導性を有する液体Ｌ中での環境発電ができるため、組み込まれたセンサと通信素子は、外部からの電源の供給や電池がなくても、液体Ｌ存在下において、安定して長期間にわたってリアルタイムで情報収集を行い、収集した情報を送信することができる。このような電子装置１１は、ＩｏＴデバイスとして非常に有用である。さらに、この環境発電方法を利用した環境発電装置３は、広く電気電子工学分野におけるデバイス作製の基礎技術に適用可能であるため、その用途はあらゆる分野に敷衍することが可能である。 According to the electronic device 11 of the first embodiment, energy harvesting can be performed in the liquid L having electrical conductivity, typically seawater. Even without the presence of the liquid L, information can be stably collected in real time over a long period of time, and the collected information can be transmitted. Such an electronic device 11 is very useful as an IoT device. Furthermore, the energy harvesting device 3 using this energy harvesting method can be widely applied to the basic technology of device fabrication in the field of electrical and electronic engineering, so that its application can be extended to all fields.

図２は、第２実施形態の電子装置１２を示している。
第２実施形態は、基本的な構造が第１実施形態と共通しているので、共通の構成については図１において使用した第１実施形態の符号を図２に付して説明を省略し、構成が異なる部分を中心に説明する。 FIG. 2 shows the electronic device 12 of the second embodiment.
Since the basic structure of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, the same reference numerals as those of the first embodiment used in FIG. 1 are used in FIG. The parts with different configurations will be mainly described.

第２実施形態の第１電極１と第２電極２は、所定間隔をおいて基体６の撥水性表面９に垂直に設置されている。図２に示すように電子装置１２の全体を電気伝導性を有する液体Ｌ（例えば海水）に浸漬するか、又は少なくとも基体６の上面を前記液体Ｌに接触させると、撥水性表面９には気体領域Ａが生成され、第１電極１と第２電極２の各一端部１ａ，２ａ（下端部）は気体領域Ａ内にあり、同各他端部１ｂ，２ｂ（上端部）は液体Ｌ内に存在することとなり、第１実施形態と同様、気体領域Ａ内にある第１電極１と第２電極２の各一端部１ａ，２ａの間に電位差が生じる。このため、第１電極１と第２電極２の各一端部１ａ，２ａ間に接続された電子デバイス１０（センサ及び通信素子）は電力を得ることができる。 The first electrode 1 and the second electrode 2 of the second embodiment are placed vertically on the water-repellent surface 9 of the substrate 6 with a predetermined gap therebetween. As shown in FIG. 2, when the entire electronic device 12 is immersed in an electrically conductive liquid L (for example, seawater), or at least the upper surface of the substrate 6 is brought into contact with the liquid L, the water-repellent surface 9 is covered with gas. A region A is generated, one end 1a, 2a (lower end) of the first electrode 1 and the second electrode 2 is in the gas region A, and the other end 1b, 2b (upper end) is in the liquid L. As in the first embodiment, a potential difference is generated between the one ends 1a and 2a of the first electrode 1 and the second electrode 2 in the gas region A. As shown in FIG. Therefore, the electronic device 10 (sensor and communication element) connected between the ends 1a and 2a of the first electrode 1 and the second electrode 2 can obtain power.

図３は、複数個の第１実施形態の環境発電装置３を備えた第３実施形態の電子装置１３を、電気伝導性を有する液体Ｌに浸漬して使用している状態を示す正面図である。図３中、液体Ｌの部分は薄墨（グレー着色）で示している。第３実施形態の説明においては、第１実施形態と共通の構成については図１において使用した第１実施形態の符号を図３に付して説明を省略し、構成が異なる部分を中心に説明する。 FIG. 3 is a front view showing a state in which the electronic device 13 of the third embodiment provided with a plurality of the energy harvesting devices 3 of the first embodiment is immersed in an electrically conductive liquid L and used. be. In FIG. 3, the portion of the liquid L is indicated by light ink (colored in gray). In the description of the third embodiment, the reference numerals of the first embodiment used in FIG. 1 are attached to FIG. do.

図３に示すように、この電子装置１３では、３つの第１実施形態の環境発電装置３が、所定高さのスペーサ８を挟んで縦に重ねられている。最上段の環境発電装置３の基体６の上には、同形状のスペーサ８を挟んで基体６と同形状の上部基体６ａが取り付けられており、全体としてブロック状の外形をなしている。基体６と基体６の間にあるスペーサ８と、上部基体６ａと基体６の間にあるスペーサ８は、基体６の外周に沿って間隔をおいて配置されているため、基体６と基体６の間の２つの空間と、上部基体６ａと基体６の間の１つの空間は、電子装置１３の外側に連通している。従って、電子装置１３が液体Ｌ中に侵漬されれば、基体６と基体６の間の空間と、上部基体６ａと基体６の間の空間には液体Ｌが入ってくる。しかしながら、基体６には撥水性表面９が設けられているので、前記各空間が液体Ｌで完全に充満することはなく、基体６と基体６の間及び上部基体６ａと基体６の間には所定体積の気体領域Ａが形成される。 As shown in FIG. 3, in this electronic device 13, three energy harvesting devices 3 of the first embodiment are stacked vertically with a spacer 8 having a predetermined height interposed therebetween. An upper base 6a having the same shape as the base 6 is mounted on the base 6 of the energy harvesting device 3 on the top with a spacer 8 having the same shape interposed therebetween, and has a block-like outer shape as a whole. The spacers 8 between the substrates 6 and the spacers 8 between the upper substrate 6a and the substrate 6 are arranged along the outer circumference of the substrate 6 at intervals. The two spaces between and one space between the upper substrate 6 a and the substrate 6 communicate with the outside of the electronic device 13 . Therefore, when the electronic device 13 is immersed in the liquid L, the liquid L enters the space between the substrates 6 and the space between the upper substrates 6a and 6a. However, since the substrate 6 is provided with the water-repellent surface 9, the spaces are not completely filled with the liquid L, and the space between the substrates 6 and 6 and between the upper substrate 6a and the substrate 6 is not completely filled with the liquid L. A gas region A having a predetermined volume is formed.

図３に示すように、電子装置１３の３つの環境発電装置３は、直列に接続されている。すなわち、上段の環境発電装置３の第２電極２と中段の環境発電装置３の第１電極１が接続され、中段の環境発電装置３の第２電極２と下段の環境発電装置３の第１電極１が接続され、下段の第２電極２と上段の第１電極１が、上部基体６ａ内に埋め込まれた電子デバイス（センサと通信素子）１０に接続されている。第１電極１と第２電極２を接続する配線と、電子デバイス１０と第１電極１及び第２電極２を接続する配線は、基体６及び上部基体６ａを適宜貫通して引き回されている。 As shown in FIG. 3, the three energy harvesters 3 of the electronic device 13 are connected in series. That is, the second electrode 2 of the energy harvesting device 3 in the upper stage and the first electrode 1 of the energy harvesting device 3 in the middle stage are connected, and the second electrode 2 of the energy harvesting device 3 in the middle stage and the first electrode 1 of the energy harvesting device 3 in the lower stage are connected. An electrode 1 is connected, and a second electrode 2 in the lower stage and a first electrode 1 in the upper stage are connected to an electronic device (sensor and communication element) 10 embedded in the upper substrate 6a. The wiring that connects the first electrode 1 and the second electrode 2 and the wiring that connects the electronic device 10 with the first electrode 1 and the second electrode 2 are routed through the substrate 6 and the upper substrate 6a as appropriate. .

第３実施形態の電子装置１３によれば、第１及び第２実施形態に較べ、電子デバイス１０に供給する電圧を高くすることができる効果が得られる。 According to the electronic device 13 of the third embodiment, it is possible to obtain the effect of increasing the voltage supplied to the electronic device 10 as compared with the first and second embodiments.

なお、第３実施形態の電子装置１３が有する３つの環境発電装置３からなる発電ユニットを複数個用意し、これらを並列に接続して電子デバイス１０の電源とすることもできる。また、複数個のユニットを直列に接続して電子デバイス１０の電源とすることもできる。 It is also possible to prepare a plurality of power generation units each including the three energy harvesters 3 of the electronic device 13 of the third embodiment and connect them in parallel to serve as the power source of the electronic device 10 . Also, a plurality of units can be connected in series to serve as the power supply for the electronic device 10 .

図４は、複数個の第１実施形態の環境発電装置３を備えた第４実施形態の電子装置１４を、電気伝導性を有する液体Ｌに浸漬して使用している状態を示す正面図である。図４中、液体Ｌの部分は薄墨（グレー着色）で示している。第４実施形態の説明においては、第１実施形態及び第３実施形態と共通の構成については図１及び図３において使用した第１実施形態及び第３実施形態の符号を図４に付して説明を省略し、構成が異なる部分を中心に説明する。 FIG. 4 is a front view showing a state in which the electronic device 14 of the fourth embodiment provided with a plurality of the energy harvesting devices 3 of the first embodiment is immersed in an electrically conductive liquid L and used. be. In FIG. 4, the part of the liquid L is indicated by light ink (colored in gray). In the description of the fourth embodiment, the same reference numerals as those of the first and third embodiments used in FIGS. 1 and 3 are attached to FIG. The explanation will be omitted, and the explanation will focus on the parts with different configurations.

図４に示すように、この電子装置１４では、３つの第１実施形態の環境発電装置３が、所定高さのスペーサ８を挟んで縦に重ねられており、その構造は第３実施形態（図３参照）と同じである。 As shown in FIG. 4, in this electronic device 14, three energy harvesting devices 3 of the first embodiment are stacked vertically with spacers 8 of a predetermined height in between, and the structure is similar to that of the third embodiment ( 3).

図４に示すように、電子装置１４の３つの環境発電装置３は、並列に接続されている。すなわち、上段と中段と下段の環境発電装置３の各第１電極１は配線で接続されており、上段と中段と下段の環境発電装置３の各第２電極２は配線で接続されており、中段の第１電極１と第２電極２が上部基体６ａ内に埋め込まれた電子デバイス( センサと通信素子）１０に接続されている。第１電極１と第１電極１を接続する配線と、第２電極２と第２電極２を接続する配線と、電子デバイス１０と第１電極１及び第２電極２を接続する配線は、基体６及び上部基体６ａを適宜貫通して引き回されている。 As shown in FIG. 4, the three energy harvesters 3 of the electronic device 14 are connected in parallel. That is, the first electrodes 1 of the energy harvesting devices 3 in the upper, middle, and lower stages are connected by wiring, and the second electrodes 2 of the energy harvesting devices 3 in the upper, middle, and lower stages are connected by wiring, A first electrode 1 and a second electrode 2 in the middle are connected to an electronic device (sensor and communication element) 10 embedded in the upper substrate 6a. The wiring that connects the first electrode 1 and the first electrode 1, the wiring that connects the second electrode 2 and the second electrode 2, and the wiring that connects the electronic device 10 and the first electrode 1 and the second electrode 2 are formed by 6 and the upper base 6a as appropriate.

第４実施形態の電子装置１４によれば、３つのうちの一つ又は２つの環境発電装置３が故障しても、電子デバイス１０による機能を維持することができる効果が得られる。 According to the electronic device 14 of the fourth embodiment, even if one or two of the three energy harvesters 3 fail, it is possible to maintain the functions of the electronic device 10 .

なお、第４実施形態の電子装置１４が有する３つの環境発電装置３からなる発電ユニットを複数個用意し、これらを並列に接続して電子デバイス１０の電源とすることもできる。また、複数個の発電ユニットを直列に接続して電子デバイス１０の電源とすることもできる。 It is also possible to prepare a plurality of power generation units each including the three energy harvesting devices 3 of the electronic device 14 of the fourth embodiment and connect them in parallel as the power source of the electronic device 10 . Alternatively, a plurality of power generation units may be connected in series to serve as the power source for the electronic device 10 .

図５は、第５実施形態の電子装置１５を、電気伝導性を有する液体Ｌに浸漬して使用している状態を示す断面図である。図５中、液体Ｌの部分は薄墨（グレー着色）で示している。この電子装置１５は、第１～第４実施形態における環境発電装置３とは異なり、気体領域Ａを形成するために撥水性表面９を利用しておらず、基体７の表面に設けた凹部の底部に気体領域Ａを形成している。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in which the electronic device 15 of the fifth embodiment is immersed in an electrically conductive liquid L and used. In FIG. 5, the portion of the liquid L is indicated by light ink (colored in gray). Unlike the energy harvesting device 3 in the first to fourth embodiments, this electronic device 15 does not use the water-repellent surface 9 to form the gas region A, and the recess provided on the surface of the substrate 7 A gas region A is formed at the bottom.

図５に示すように、基体７の表面には凹部２０が形成されている。基体７の材質は特に限定しないが、対象となる液体Ｌに対する耐性と、絶縁性を有する材料が好ましい。凹部２０は円筒形であるが、その他の形状でもよい。凹部２０の内径と深さは、対象となる液体Ｌの表面張力との関係で、液体Ｌ中に浸漬した場合に凹部２０内が液体Ｌで充満することなく、所定容積の気体領域Ａが底部に形成される程度に設定すればよい。このような凹部２０は、公知のレーザー加工技術によって容易に形成できる。 As shown in FIG. 5, recesses 20 are formed in the surface of the substrate 7 . The material of the substrate 7 is not particularly limited, but a material having resistance to the target liquid L and insulating properties is preferable. The recess 20 is cylindrical, but other shapes are possible. The inner diameter and depth of the recess 20 are related to the surface tension of the target liquid L. When the recess 20 is immersed in the liquid L, the inside of the recess 20 is not filled with the liquid L. It is sufficient to set it to the extent that it is formed in Such recesses 20 can be easily formed by a known laser processing technique.

図５に示すように、凹部２０の内側面には、２つの電極（第１電極１と第２電極２）が取り付けられている。第１電極１と第２電極２は、互いに種類が異なる２つの金属から構成された矩形の棒状体である。第１電極１と第２電極２は、それぞれ気体領域Ａ内の底部に近接した位置から、凹部２０の開口から突出する位置まで連続しており、従って使用時には、気体領域Ａと液体Ｌの間に跨がって配置されることとなる。 As shown in FIG. 5, two electrodes (a first electrode 1 and a second electrode 2) are attached to the inner surface of the recess 20. As shown in FIG. The first electrode 1 and the second electrode 2 are rectangular rod-shaped bodies made of two metals of different types. The first electrode 1 and the second electrode 2 are each continuous from a position close to the bottom in the gas region A to a position protruding from the opening of the recess 20, and therefore, in use, between the gas region A and the liquid L. will be placed across the

図５に示すように、基体７の内部には電子デバイス１０（センサ及び通信素子）が埋め込まれており、気体領域Ａの内部にある第１電極１と第２電極２の各一端部１ａ，２ａが電子デバイス１０に接続されている。 As shown in FIG. 5, an electronic device 10 (sensor and communication element) is embedded inside the substrate 7, and one end portion 1a of each of the first electrode 1 and the second electrode 2 inside the gas region A; 2 a is connected to the electronic device 10 .

第５実施形態の電子装置１５は、液体Ｌに浸漬して使用する場合には、図５に示すように凹部２０の開口を上に向けてもよいし、図示はしないが下に向けてもよい。また、液体Ｌに浸漬して使用するのではなく、凹部２０が開口している基体７の表面が液体Ｌの表面に接触するように、電子装置１５の全体を液体Ｌの上に浮かべて使用することもできる。 When the electronic device 15 of the fifth embodiment is used by being immersed in the liquid L, the opening of the recess 20 may face upward as shown in FIG. good. Further, instead of being immersed in the liquid L, the entire electronic device 15 is floated on the liquid L so that the surface of the substrate 7 with the recesses 20 open is in contact with the surface of the liquid L. You can also

第５実施形態の電子装置１５によれば、撥水性表面９を加工する必要がなく、凹部２０を形成するというより簡単な工程で第１実施形態と同様の効果を得ることができる。 According to the electronic device 15 of the fifth embodiment, there is no need to process the water-repellent surface 9, and the same effects as those of the first embodiment can be obtained with a simpler step of forming the recesses 20. FIG.

図６は、第６実施形態の電子装置１６を、電気伝導性を有する液体Ｌの表面に接触させて使用している状態を示す断面図である。図６中、液体Ｌの部分は薄墨（グレー着色）で示している。この電子装置１６は、第１～第４実施形態における環境発電装置３とは異なり、気体領域Ａを形成するために撥水性表面９を利用しておらず、基体７の表面に設けた凸部２１の根元の周囲に気体領域Ａを形成している。 FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in which the electronic device 16 of the sixth embodiment is used in contact with the surface of the liquid L having electrical conductivity. In FIG. 6, the portion of the liquid L is indicated by light ink (colored in gray). Unlike the energy harvesting device 3 in the first to fourth embodiments, this electronic device 16 does not use the water-repellent surface 9 to form the gas region A, and the projections provided on the surface of the substrate 7 A gas region A is formed around the base of 21 .

図６に示すように、基体７の表面には凸部２１が形成されている。基体７の材質は特に限定しないが、対象となる液体Ｌに対する耐性と、絶縁性を有する材料であることが好ましい。凸部２１は基体７の表面に近い側が細く、基体７から離れた側が太い円錐台形であるが、根元が細いその他の形状でもよい。凸部２１の外径と高さは、対象となる液体Ｌの表面張力との関係で、次のような状況が得られる程度に設定する。すなわち、液体Ｌ中に浸漬した場合に、凸部２１以外の基体７の表面と凸部２１の根元との境界部が液体Ｌで充満することなく、当該部分に所定容積の気体領域Ａが形成される程度に設定する。このような凸部２１は、公知のレーザー加工技術によって容易に形成できる。 As shown in FIG. 6, convex portions 21 are formed on the surface of the substrate 7 . Although the material of the substrate 7 is not particularly limited, it is preferably a material having resistance to the target liquid L and insulating properties. The convex portion 21 has a truncated cone shape, which is narrower on the side closer to the surface of the base 7 and thicker on the side farther from the base 7, but may have another shape with a narrower base. The outer diameter and height of the projections 21 are set in relation to the surface tension of the target liquid L so that the following conditions can be obtained. That is, when immersed in the liquid L, the boundary between the surface of the substrate 7 other than the projections 21 and the roots of the projections 21 is not filled with the liquid L, and a gas region A having a predetermined volume is formed in the boundary. set to the extent that Such convex portions 21 can be easily formed by a known laser processing technique.

図６に示すように、凸部２１の根元に近い基体７の表面には、凸部２１を挟んで互いに反対側に、２つの電極（第１電極１と第２電極２）が取り付けられている。第１電極１と第２電極２は、互いに種類が異なる２つの金属から構成された矩形の棒状体である。第１電極１と第２電極２は、それぞれ気体領域Ａ内の凸部２１の根元に近接した位置から、離れた位置まで連続しており、従って使用時には、気体領域Ａと液体Ｌの間に跨がって配置されることとなる。 As shown in FIG. 6, two electrodes (a first electrode 1 and a second electrode 2) are attached to the surface of the substrate 7 near the base of the projection 21 on opposite sides of the projection 21. there is The first electrode 1 and the second electrode 2 are rectangular rod-shaped bodies made of two metals of different types. The first electrode 1 and the second electrode 2 are continuous from a position close to the base of the convex portion 21 in the gas region A to a distant position. It will be arranged across.

図６に示すように、大気中に露出している基体７の他の表面には電子デバイス１０（センサ及び通信素子）が取り付けられており、気体領域Ａの内部にある第１電極１と第２電極２の各一端部１ａ，２ａが、基体７を貫通する配線を介して電子デバイス１０に接続されている。 As shown in FIG. 6, electronic devices 10 (sensors and communication elements) are attached to the other surface of the substrate 7 exposed to the atmosphere, and the first electrode 1 and the first electrode 1 inside the gas region A are attached. One ends 1 a and 2 a of the two electrodes 2 are connected to the electronic device 10 via wiring that penetrates the substrate 7 .

第６実施形態の電子装置１６は、電子装置１６を液体Ｌの上に浮かべ、液体Ｌの表面から液内に向けて凸部２１が没入する状態で使用しているが、電子デバイス１０を耐水性の筐体で覆うか、又は電子デバイス１０を水密状態で基体７内に埋め込むこととすれば、電子装置１６の全体を液体Ｌに浸漬して使用することもできる。液体Ｌに浸漬して使用する場合には、凸部２１を上に向けてもよいし、下に向けてもよい。 The electronic device 16 of the sixth embodiment is used in a state in which the electronic device 16 floats on the liquid L and the projections 21 are immersed from the surface of the liquid L into the liquid. The electronic device 16 can be entirely immersed in the liquid L for use by covering it with a flexible housing or by embedding the electronic device 10 in the base 7 in a watertight state. When used by being immersed in the liquid L, the projections 21 may face upward or downward.

第６実施形態の電子装置１６によれば、撥水性表面９を加工する必要がなく、凸部２１を形成するというより簡単な工程で第１実施形態と同様の効果を得ることができる。 According to the electronic device 16 of the sixth embodiment, it is not necessary to process the water-repellent surface 9, and the same effects as those of the first embodiment can be obtained with a simpler step of forming the convex portions 21. FIG.

図７は、複数個の第５実施形態の環境発電装置４を備えた第７実施形態の電子装置１７を、電気伝導性を有する液体Ｌの表面に浮かべて使用している状態を示す断面図である。図７中、液体Ｌの部分は薄墨（グレー着色）で示している。第７実施形態の説明においては、第５実施形態と共通の構成については図５において使用した第５実施形態の符号を図７に付して説明を省略し、構成が異なる部分を中心に説明する。 FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state in which the electronic device 17 of the seventh embodiment provided with a plurality of the energy harvesting devices 4 of the fifth embodiment is floated on the surface of the electrically conductive liquid L and used. is. In FIG. 7, the portion of the liquid L is indicated by light ink (colored in gray). In the description of the seventh embodiment, the same reference numerals as those of the fifth embodiment in FIG. 5 are used in FIG. do.

図７に示すように、この電子装置１７では、第５実施形態の構造を有する３つの環境発電装置４が、共通の基体７に対して横に並ぶように作り込まれている。そして、これら３つの環境発電装置３は直列に接続されている。すなわち、左の環境発電装置３の第１電極１と中央の環境発電装置３の第２電極２が接続され、中央の環境発電装置３の第１電極１と右の環境発電装置３の第２電極２が接続され、左の環境発電装置３の第２電極２と右の環境発電装置３の第１電極１が、基体７の上側の表面に設けられた電子デバイス１０（センサと通信素子）に接続されている。第１電極１と第２電極２を接続する配線、第１電極１及び第２電極２と電子デバイス１０を接続する配線は、基体７を適宜貫通し、また基体７の表面に沿って引き回されている。 As shown in FIG. 7 , in this electronic device 17 , three energy harvesting devices 4 having the structure of the fifth embodiment are built so as to be horizontally aligned with respect to a common substrate 7 . These three energy harvesters 3 are connected in series. That is, the first electrode 1 of the left energy harvesting device 3 and the second electrode 2 of the center energy harvesting device 3 are connected, and the first electrode 1 of the center energy harvesting device 3 and the second electrode 2 of the right energy harvesting device 3 are connected. An electronic device 10 (sensor and communication element) to which an electrode 2 is connected and a second electrode 2 of the left energy harvesting device 3 and a first electrode 1 of the right energy harvesting device 3 are provided on the upper surface of a substrate 7. It is connected to the. The wiring that connects the first electrode 1 and the second electrode 2 and the wiring that connects the first electrode 1 and the second electrode 2 to the electronic device 10 pass through the substrate 7 as appropriate and are routed along the surface of the substrate 7 . It is

第７実施形態の電子装置１７は、図７に示すように液体Ｌに浮かべて使用するのでなく、第５実施形態（図５）と同様に液体Ｌ中に全体を浸漬して使用することもできる。この場合、電子デバイス１０は耐水性の筐体で覆うか、又は図５と同様に電子デバイス１０を水密状態で基体７内に埋め込むことが好ましい。また、凹部２０の開口は上向きでも下向きでも使用できる。 The electronic device 17 of the seventh embodiment can be used by immersing the whole in the liquid L as in the fifth embodiment (FIG. 5) instead of floating on the liquid L as shown in FIG. can. In this case, it is preferable to cover the electronic device 10 with a water-resistant housing, or to embed the electronic device 10 in the substrate 7 in a watertight manner as in FIG. Also, the opening of the recess 20 can be used facing upwards or downwards.

第７実施形態の電子装置１７によれば、第５実施形態に較べ、電子デバイス１０に供給する電圧を高くすることができる効果が得られる。 According to the electronic device 17 of the seventh embodiment, it is possible to increase the voltage supplied to the electronic device 10 as compared with the fifth embodiment.

なお、第７実施形態の電子装置１７が有する３個の環境発電装置３からなる発電ユニットを複数個用意し、これらを並列に接続して電子デバイス１０の電源とすることもできる。また、複数個の発電ユニットを直列に接続して電子デバイス１０の電源とすることもできる。 It is also possible to prepare a plurality of power generation units each including the three energy harvesters 3 of the electronic device 17 of the seventh embodiment and connect them in parallel to serve as the power source of the electronic device 10 . Alternatively, a plurality of power generation units may be connected in series to serve as the power source for the electronic device 10 .

また、第７実施形態の変形例として、図７において３つの環境発電装置３を並列に接続することもできる。また、並列に接続した３つの環境発電装置３からなる発電ユニットを複数用意し、これら複数の発電ユニットを直列又は並列に接続して電子デバイス１０に接続してもよい。 Also, as a modification of the seventh embodiment, three energy harvesters 3 can be connected in parallel in FIG. Alternatively, a plurality of power generation units each including three energy harvesting devices 3 connected in parallel may be prepared, and the plurality of power generation units may be connected in series or in parallel and connected to the electronic device 10 .

図８は、複数個の第６実施形態の環境発電装置５を備えた第８実施形態の電子装置１８を、電気伝導性を有する液体Ｌ中に浸漬して使用している状態を示す断面図である。図８中、液体Ｌの部分は薄墨（グレー着色）で示している。第８実施形態の説明においては、第６実施形態と共通の構成については図６において使用した第６実施形態の符号を図８に付して説明を省略し、構成が異なる部分を中心に説明する。 FIG. 8 is a cross-sectional view showing a state in which the electronic device 18 of the eighth embodiment provided with a plurality of the energy harvesting devices 5 of the sixth embodiment is immersed in an electrically conductive liquid L and used. is. In FIG. 8, the portion of the liquid L is indicated by light ink (colored in gray). In the description of the eighth embodiment, the same reference numerals as those of the sixth embodiment in FIG. 6 are used in FIG. do.

図８に示すように、この電子装置１８では、第６実施形態の構造を有する３つの環境発電装置５が、共通の基体７に対して横に並ぶように作り込まれている。そして、これら３つの環境発電装置５は直列に接続されている。すなわち、左の環境発電装置３の第１電極１と中央の環境発電装置３の第２電極２が接続され、中央の環境発電装置３の第１電極１と右の環境発電装置３の第２電極２が接続され、左の環境発電装置３の第２電極２と右の環境発電装置３の第１電極１が、基体７内に埋め込まれた電子デバイス１０（センサと通信素子）に接続されている。第１電極１と第２電極２を接続する配線と、第１電極１及び第２電極２と電子デバイス１０を接続する配線は、基体７を適宜貫通して引き回されている。 As shown in FIG. 8 , in this electronic device 18 , three energy harvesting devices 5 having the structure of the sixth embodiment are built so as to be horizontally aligned with respect to a common base 7 . These three energy harvesters 5 are connected in series. That is, the first electrode 1 of the left energy harvesting device 3 and the second electrode 2 of the center energy harvesting device 3 are connected, and the first electrode 1 of the center energy harvesting device 3 and the second electrode 2 of the right energy harvesting device 3 are connected. The electrodes 2 are connected, the second electrode 2 of the energy harvesting device 3 on the left and the first electrode 1 of the energy harvesting device 3 on the right are connected to an electronic device 10 (sensor and communication element) embedded in the substrate 7 . ing. Wiring that connects the first electrode 1 and the second electrode 2 and wiring that connects the first electrode 1 and the second electrode 2 to the electronic device 10 are routed through the substrate 7 as appropriate.

第８実施形態の電子装置１８は、図８に示すように液体Ｌ中に浸漬して使用するのでなく、第６実施形態（図６）と同様に、液体Ｌの上に浮かべ、液体Ｌの表面から液内に向けて凸部２１が没入する状態で使用することもできる。 The electronic device 18 of the eighth embodiment is not used by being immersed in the liquid L as shown in FIG. It can also be used in a state in which the projections 21 are immersed from the surface toward the inside of the liquid.

第８実施形態の電子装置１８によれば、第６実施形態に較べ、電子デバイス１０に供給する電圧を高くすることができる効果が得られる。 According to the electronic device 18 of the eighth embodiment, it is possible to increase the voltage supplied to the electronic device 10 as compared with the sixth embodiment.

なお、第８実施形態の電子装置１８が有する３個の環境発電装置３からなる電源ユニットを複数個用意し、これらを並列に接続して電子デバイス１０の電源とすることもできる。また、複数個の電源ユニットを直列に接続して電子デバイス１０の電源とすることもできる。 It is also possible to prepare a plurality of power supply units each including the three energy harvesters 3 included in the electronic device 18 of the eighth embodiment and connect them in parallel to serve as the power supply for the electronic device 10 . Alternatively, a plurality of power supply units may be connected in series to serve as the power supply for the electronic device 10 .

また、第８実施形態の変形例として、図８において３つの環境発電装置３を並列に接続することもできる。また、並列に接続した３つの環境発電装置３からなる電源ユニットを複数用意し、これら複数の電源ユニットを直列又は並列に接続して電子デバイス１０に接続してもよい。 Also, as a modification of the eighth embodiment, three energy harvesters 3 can be connected in parallel in FIG. Alternatively, a plurality of power supply units each having three energy harvesters 3 connected in parallel may be prepared, and these power supply units may be connected in series or in parallel to the electronic device 10 .

また、凹部２０により気体領域Ａを形成する第５実施形態及び第７実施形態と、凸部２１により気体領域Ａを形成する第６実施形態及び第８実施形態とを任意に組み合わせ、１以上の凹部２０と１以上の凸部２１を有する環境発電装置３又は電源ユニットを構成することもできる。 Further, the fifth embodiment and the seventh embodiment in which the gas region A is formed by the concave portion 20 and the sixth embodiment and the eighth embodiment in which the gas region A is formed by the convex portion 21 are arbitrarily combined, and one or more The energy harvesting device 3 or the power supply unit can also be configured with the concave portion 20 and one or more convex portions 21 .

以上説明したように、本発明によれば、海水等の電気伝導性を備えた環境内の液相中において、電気化学的な手法により、微弱ではあるが、継続的かつ安定的に電力を得ることができる。本発明が適用可能な電気伝導性を備えた液体Ｌとしては、典型的には前述した海水であるが、その他にも、湖沼水、河川水等も相応の電解質を含んでおり一定の電気伝導性を備えているため、電気化学的な条件が成立すれば、これらに対して本発明を適用することは可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, according to the present invention, electric power can be obtained continuously and stably, albeit weakly, by an electrochemical method in a liquid phase in an environment having electrical conductivity such as seawater. be able to. The liquid L having electrical conductivity to which the present invention can be applied is typically seawater as described above, but lake water, river water, etc. also contain appropriate electrolytes and have a certain level of electrical conductivity. Therefore, the present invention can be applied to these if electrochemical conditions are met.

本発明の用途としては、例えば海難救助において海上付近を飛行する飛行機やヘリコプターが、救助活動に必要な海流の向き及び速度、風向き及び風速を観測するのに有用である。あるいは、海洋における科学観測のために、電子デバイスとしてセンサと短距離通信素子を備えた電子装置を海中に浮遊させ、リアルタイムで情報を収集・処理する用途にも有用である。さらに、魚類の回遊ルートに関する情報をリアルタイムで収集・処理する用途にも有用である。このように、本願発明の環境発電装置及びこれを電源とした電子装置は、あらゆるＩｏＴ関連分野において必要不可欠な技術である。さらにまた、本発明によれば、海洋のような環境中の液相だけでなく、発汗機能を有する人間や動物の皮膚やその近傍、あるいは農業や林業において必要な情報をリアルタイムで収集・処理する目的にも適用可能であるなど、今後ＩｏＴ技術を利用して発展するあらゆる分野に多大に利用可能である。 As an application of the present invention, for example, airplanes and helicopters flying near the sea in sea rescue are useful for observing the direction and speed of ocean currents and the direction and speed of wind necessary for rescue operations. Alternatively, for scientific observation in the ocean, it is also useful for collecting and processing information in real time by suspending an electronic device equipped with a sensor and a short-range communication element as an electronic device in the sea. Furthermore, it is also useful for collecting and processing information on migration routes of fish in real time. Thus, the energy harvesting device of the present invention and the electronic device using it as a power source are essential technologies in all IoT-related fields. Furthermore, according to the present invention, it is possible to collect and process not only the liquid phase in the environment such as the ocean, but also the skin of humans and animals with perspiration function and the vicinity thereof, and information necessary in agriculture and forestry in real time. It can be applied to various purposes, and can be widely used in all fields that will develop using IoT technology in the future.

１…金属としての第１電極
２…金属としての第２電極
３，４，５…環境発電装置
６，７…物体としての基体
９…撥水性表面
１０…電子デバイス
１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７…電子装置
２０…凹部
２１…凸部
Ａ…気体領域
Ｌ…液体 REFERENCE SIGNS LIST 1 first electrode as metal 2 second electrode as metal 3, 4, 5 energy harvesting device 6, 7 substrate as object 9 water-repellent surface 10 electronic device 11, 12, 13, 14, DESCRIPTION OF SYMBOLS 15, 16, 17... Electronic device 20... Concave part 21... Convex part A... Gas area L... Liquid

請求項１に記載された環境発電方法は、
電気伝導性を有する液体に接した物体の表面に、前記物体と前記液体によって区画された気体領域を形成し、前記気体領域と前記液体の両方に跨がるように種類が異なる２つの金属を設置し、前記気体領域内において２つの前記金属の間に生じる電位差により電力を得ることを特徴としている。 The energy harvesting method according to claim 1 is characterized in that
A gas region partitioned by the object and the liquid is formed on the surface of an object that is in contact with an electrically conductive liquid, and two metals of different types are placed across both the gas region and the liquid. and is characterized in that it derives power from the potential difference created between the two metals in the gas region.

請求項４に記載された環境発電装置は、
電気伝導性を有する液体に少なくとも表面の一部が接触する物体であって、前記液体に接した表面の一部に、前記物体と前記液体によって区画された気体領域が形成される物体と、
前記物体に形成された前記気体領域と前記液体の両方に跨がるように前記物体に配置された種類が異なる２つの金属と、
を有し、
前記気体領域内において２つの前記金属の間に生じる電位差により電力を発生させることを特徴としている。
The energy harvesting device according to claim 4,
an object having at least a portion of its surface in contact with an electrically conductive liquid, wherein a portion of the surface in contact with the liquid forms a gas region defined by the object and the liquid ;
two metals of different types arranged on the object so as to straddle both the gas region and the liquid formed on the object;
has
Electric power is generated by a potential difference between the two metals in the gas region.

Claims (8)

電気伝導性を有する液体に接した物体の表面に気体領域を形成し、前記気体領域と前記液体の両方に跨がるように種類が異なる２つの金属を設置し、前記気体領域内において２つの前記金属の間に生じる電位差により電力を得ることを特徴とする環境発電方法。 A gas region is formed on the surface of an object that is in contact with an electrically conductive liquid, two metals of different types are placed so as to straddle both the gas region and the liquid, and two metals are placed in the gas region. An energy harvesting method, wherein electric power is obtained from a potential difference generated between said metals. 前記物体の撥水性表面に前記気体領域を形成することを特徴とする請求項１記載の環境発電方法。 2. The energy harvesting method according to claim 1, wherein said gas region is formed on a water-repellent surface of said object. 前記物体の表面に設けた凸部と前記凸部以外の前記物体の表面との境界部又は前記物体の表面に設けた凹部の底部の少なくとも何れか一方に前記気体領域を形成することを特徴とする請求項１記載の環境発電方法。 The gas region is formed in at least one of a boundary portion between a convex portion provided on the surface of the object and a surface of the object other than the convex portion, or a bottom portion of a concave portion provided on the surface of the object. The energy harvesting method according to claim 1. 電気伝導性を有する液体に接した表面の一部に気体領域が形成される物体と、
前記物体に形成された前記気体領域と前記液体の両方に跨がるように前記物体に配置された種類が異なる２つの金属と、
を有し、
前記気体領域内において２つの前記金属の間に生じる電位差により電力を発生させることを特徴とする環境発電装置。 an object in which a gas region is formed on a portion of the surface in contact with an electrically conductive liquid;
two metals of different types arranged on the object so as to straddle both the gas region and the liquid formed on the object;
has
An energy harvesting device, wherein electric power is generated by a potential difference between two metals in said gas region. 前記気体領域が形成される前記物体の表面が撥水性表面であることを特徴とする請求項４記載の環境発電装置。 5. The energy harvesting device according to claim 4, wherein the surface of said object on which said gas region is formed is a water-repellent surface. 前記物体の表面には凸部と凹部の少なくとも何れか一方が形成されており、
前記凸部と前記凸部以外の前記物体の表面との境界部又は前記凹部の底部の少なくとも何れか一方に前記気体領域が形成されることを特徴とする請求項４記載の環境発電装置。 At least one of a convex portion and a concave portion is formed on the surface of the object,
5. The energy harvesting device according to claim 4, wherein the gas region is formed in at least one of a boundary portion between the convex portion and the surface of the object other than the convex portion or a bottom portion of the concave portion. 請求項４に記載の環境発電装置を複数有し、これらの環境発電装置を、並列接続と直列接続を含む接続態様群から選択した１以上の接続態様により電気的に接続したことを特徴とする環境発電装置。 A plurality of energy harvesting devices according to claim 4 are provided, and the energy harvesting devices are electrically connected by one or more connection modes selected from a group of connection modes including parallel connection and series connection. energy harvester. 請求項４乃至７の何れか一つに記載の環境発電装置と、
前記環境発電装置からの電力で機能する電子デバイスと、
を備えたことを特徴とする電子装置。 an energy harvesting device according to any one of claims 4 to 7;
an electronic device that functions on power from the energy harvester;
An electronic device comprising:
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