JP6590080B2 - 発電体、発電装置およびセンサ - Google Patents

Description

本発明は、圧電糸を用いた発電体、発電装置およびセンサに関する。

従来から、圧電体を利用した発電装置については、多数の提案がなされている（特許文献１）。例えば、特許文献１は、フィルム状の圧電体を備える。フィルム状の圧電体は衣類に装着されている。その衣類を着た人が動くことにより、圧電体は起電力を発生する。

特開２００２−２１８７６９号公報

しかし、特許文献１に示すようなフィルム状の圧電体が衣類に取り付けられている構造では、屈曲運動等を行う場合、フィルムによって、動きを制限されることが考えられる。また、フィルムの形状、硬さ等から、電荷の発生にばらつきが生じることが懸念される。これらによって、従来のフィルム状の圧電体を用いた構成では、発電効果が安定しない恐れがある。

そこで、本発明は安定した発電が可能な発電体を提供することを目的とする。

この発明の発電体は、導電性を有する第１芯材と、第１芯材に螺旋状に巻き付けられた第１圧電糸と、を有する第１導電糸を備え、第１導電糸を含む布状である。

この構成では、第１発電布に力が加わることにより、第１圧電糸は電荷を発生する。発生した電荷によって発電することができる。

また、この発明の発電体は、次の構成であることが好ましい。発電体は、導電性を有する第２芯材と、第２芯材に螺旋状に巻き付けられた第２圧電糸を有する第２導電糸を備え、第２導電糸を生地に含む布状である。この発電体は、第１導電糸を備える第１発電布と第２導電糸を備える第２発電布で形成されている。

この構成では、２層になることによって、第１圧電糸のみの構成の場合より、電位差がより効率的に生じる。よって、発電が効率的に行える。

また、この発明の発電体は、次の構成であってもよい。発電体は、第１芯材に対する第１圧電糸の巻き付け方向とは逆方向に、第２芯材に対し、第２圧電糸を巻き付けて形成されている。

この構成では、第１発電布と第２発電布は異なる電荷（逆極性の電荷）を発生する。よって、第１芯材と第２芯材との間で、電位差がより効率的に生じる。

また、この発電体は、次の構成であってもよい。発電体は、第１発電布と、同じ構成の第３圧電布を備えている。第１発電布と第３発電布とは、第２発電布を挟んで配置されている。

この構成では、発電がさらに効率的である。

この発明の発電装置は、発電体を構成している第１発電布と、第２発電布を備えており、第１発電布を構成する第１導電糸と、第２発電布を構成する第２導電糸が、蓄電部に接続されている。

この構成では、第１発電布、第２発電布の各導電糸が、蓄電部に接続されることにより、各発電布で発生した電荷の蓄電が可能になる。

また、この発明のセンサは、第１導電糸と、第１導電糸に接続した変位検出部を備える。

この構成では、第１発電体で発生する電荷によって、変位が検出される。

この発明によれば、安定して発電することができる。

この発明の第１の実施形態に係る発電体の概略を示した図である。 この発明の第１の実施形態に係る発電装置の構成を説明する斜視図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、圧電体を構成する導電糸を拡大し、加えた力による動作を説明する図である。 この発明の第２の実施形態に係る圧電装置の構成を説明する斜視図である。 人物が力を加えることにより、発電体へ働く力を説明する図である。 導電糸を網目状に構成する発電体を説明する図である。 ３層構造からなる発電体の断面図である。 衣類を構成する発電体を説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、タイヤの空気圧センサとして構成した発電体を説明する図である。 ヨットのマストを構成する発電体を説明する図である。 心臓へ発電体を貼り付けた場合のペースメーカーとの関連を説明する図である。

以下に、この発明の発電体、発電装置およびセンシング装置について、図面を参照しつつ説明する。

（第１の実施形態）
図１は、この発明の第１の実施形態に係る発電体の概略を示した図である。図２は、この発明の第１の実施形態に係る発電装置の構成を説明する斜視図である。

図１、図２に示すように、発電体１は布状であり、発電布１０と発電布２０で構成されている。発電布１０と発電布２０は近接し、重ね合わせられている。発電布１０が、発明の「第１発電布」に対応し、発電布２０が本発明の「第２発電布」に対応する。

発電布１０は、複数の導電糸１００を備えており、発電布１０は、導電糸１００と絶縁性の糸を布状に織り込む、もしくは編み込んだものである。言い換えれば、発電布１０は導電糸１００を生地に含んだものである。導電糸１００のそれぞれは、芯材１０１、圧電糸１０２を備えている。芯材１０１が本発明の「第１芯材」に対応し、圧電糸１０２が本発明の「第１圧電糸」に対応する。

図３（Ａ）及び（Ｂ）は、圧電体を構成する導電糸を拡大し、加えた力による動作を説明する図である。

芯材１０１は、導電性を有する線状である。圧電糸１０２は、長尺方向と幅方向とを有する帯状である。圧電糸１０２は、ポリ乳酸を主材料としている。圧電糸１０２は長尺方向に沿って延伸処理されている。導電糸１００は、芯材１０１に対し圧電糸１０２を左旋回方向へ螺旋状に巻かれてなる。図２と同様に、ポリ乳酸を含む導電糸１００に平行に上方向へ伸ばす力が加わると、導電糸１００の表面には負の電荷が発生する。よって、芯材１０１には正の電荷が発生する。

圧電糸１０２は芯材１０１に対し、左旋回方向へ螺旋状に巻かれている（以下、Ｓ糸と称する。）。この構成によって、圧電糸１０２の延伸方向は、芯材１０１の延びる方向（主線方向）に対して、所定の角度をなす。この角度は例えば略４５°であることが好ましい。例えば、この角度は、４５°±１０°であれば、４５°と同等の効果がある。さらに、この角度は、４５°±２２．５°であっても、ある程度の効果を得ることが出来る。

発電布２０は、複数の導電糸２００を備えており、発電布２０は、複数の導電糸２００と絶縁性の糸を布状に織り込む、もしくは編み込んだものである。言い換えれば、発電布１０と同様に、発電布２０は導電糸２００を生地に含んだものである。導電糸２００のそれぞれは、芯材２０１、圧電糸２０２を備えている。また、芯材２０１が本発明の「第２芯材」に対応し、圧電糸２０２が本発明の「第２圧電糸」に対応する。

芯材２０１は、導電性を有する線状である。圧電糸２０２は、長尺方向と幅方向とを有する帯状である。圧電糸２０２は、ポリ乳酸を主材料としている。圧電糸２０２は長尺方向に沿って延伸処理されている。導電糸２００は、芯材２０１に対し圧電糸２０２を右旋回方向へ螺旋状に巻かれてなる。図２と同様に、ポリ乳酸を含む導電糸２００に平行に上方向へ伸ばす力が加わると、導電糸２００の表面には正の電荷が発生する。よって、芯材２０１には負の電荷が発生する。

圧電糸２０２は芯材２０１に対し、右旋回方向へ螺旋状に巻かれている（以下、Ｚ糸と称する。）。この構成によって、圧電糸２０２の延伸方向は、芯材２０１の延びる方向（主線方向）に対して、所定の角度をなす。この角度は例えば略４５°であることが好ましい。例えば、この角度は、４５°±１０°であれば、４５°と同等の効果がある。さらに、この角度は、４５°±２２．５°であっても、ある程度の効果を得ることが出来る。

ここで、ポリ乳酸の圧電性について説明する。乳酸モノマーはキラリティ（対掌性）を有し、分子構造同士が重ね合わせることができない鏡像異性体を持つ。このような異性体は、Ｌ体、Ｄ体と呼ばれ、このＬ体が重合したものをＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）、Ｄ体が重合したものをＤ型ポリ乳酸（ＰＤＬＡ）と呼ぶ。前記Ｌ型ポリ乳酸は左巻螺旋構造を持ち、前記Ｄ型ポリ乳酸は右巻螺旋構造を持つ。

前記Ｌ型ポリ乳酸を例にとって説明すると、一軸延伸することにより、分子内にあるＣ＝Ｏ等の永久双極子を発生する分子群が外部からの電場の影響を受けて、僅かでも位置が変化することにより、圧電性が発現する。配向させた分子高次構造の特徴で圧電性を発現するＰＬＬＡは分極処理も不要であり、圧電定数の経年劣化もほとんどない。

図２の構成では、発電布１０の導電糸１００の主線方向と、発電布２０の導電糸１００の主線方向とは略平行である。

この構成において、発電布１０をＹ軸方向へ伸ばしたとする。各導電糸１００にはＹ軸方向へ伸びる力が加えられる。これにより、導電糸１００は表面に負の電荷が発生する。したがって、芯材１０１には正の電荷が発生する。この際、圧電糸１０２の延伸方向がＹ軸方向に対して、略４５°であれば、電荷量を大きくでき、より効果的に電荷が発生する。

この際、発電布２０も発電布１０と同時に同方向へ同時に伸びるので、導電糸２００は表面に正の電荷が発生する。したがって、芯材２０１には負の電荷が発生する。この際、圧電糸２０２の延伸方向がＹ軸方向に対して、略４５°であれば、電荷量を大きくでき、より効果的に電荷が発生する。よって、各導電糸１００、２００間で電位が発生し、発電が実現される。また、この角度は、４５°±１０°であれば、４５°と同等の効果がある。さらに、この角度は、４５°±２２．５°であっても、ある程度の効果を得ることが出来る。

なお、発電布１０と発電布２０は近接して、少なくとも対面するように配置されている。好ましくは平行に配置されている。

このような構成の発電布１０に対して、図２に示すように、蓄電部３０が接続される。具体的には、複数の導電糸１００は、配線導体１１０を介して、蓄電部３０に接続されている。複数の導電糸２００は、配線導体２１０を介して蓄電部３０に接続されている。この構成によって、発電布１０、発電布２０で生じた電荷を蓄電でき、発電装置が実現される。

そして、上記構成の発電布を用いることで、シート状の圧電膜を用いるよりも伸縮性が向上する。また、発電に寄与する伸縮方向の制限を受けにくい。これにより、発電効率を向上し安定した発電ができる。また、シート状の圧電膜では、両面に電極パターンを形成しなければならず、且つ、布地に縫い付ける等の作業を行わなければならない。しかしながら、本願の構成では、布地を形成する糸が発電体であり、構成が簡素で製造が容易である。

なお、導電糸に以下の繊維を組み合わせてもよい。組み合わせる繊維としては、綿や麻などの植物繊維、絹や毛などの動物繊維、またレーヨンやポリエステルなどの化学繊維を用いてもよい。このような組み合わせを用いれば、例えば衣類で使用する場合は、肌触りの良さとか繊維の強度を調整することが出来る。また、発生する電荷の量を調整することが出来る。

また、芯材１０１は、リボン状のＰＬＬＡフィルムを巻きつけられることによって、圧電糸表面に発生する電荷の極性を固定する（ＰＬＬＡ配向方向を固定する）ことが出来る。このように構成することで、少ない動きであっても効率良く蓄電することが出来る。

また、ＰＬＬＡフィルムと普通糸とを合わせてカバリングすることによって、風合いや肌触りを最適化することが出来る。

（第２の実施形態）
図４は、この発明の第２の実施形態に係る発電装置の構成を説明する第２実施形態の斜視図である。第２の実施形態に係る発電装置は、発電体２が第１の実施形態の発電体１と異なる。発電体２は発電布１０と発電布１５とで構成されている。発電布１０と発電布１５とは近接し、重ね合わせられている。発電布１０の導電糸１００と発電布１５の導電糸１００とでは、主線方向が略直交している。

発電布１０に含まれる圧電糸１０２は、ＰＬＬＡであり、発電布１５に含まれる圧電糸１０２はＰＤＬＡである。

発電布１０は、図２と同様に複数の導電糸１００を備えている。導電糸１００のそれぞれは、芯材１０１、圧電糸１０２を備えている。また、発電布１０は、導電糸１００と導電性を持つ糸を布状に織り込む、もしくは編み込んだものである。

また、発電布１５は、図２の発電布１０と同様に複数の導電糸１００を備えている。導電糸１００のそれぞれは、芯材１０１、圧電糸１０２を備えている。また、発電布１５は、導電糸１００と導電性を持つ糸を布状に織り込む、もしくは編み込んだものである。図２の場合と同様に発電布１０をＹ軸方向へ伸ばしたとする。各導電糸１００にＹ軸方向へ伸びる力が加えられる。これにより、導電糸１００は表面に負の電荷が発生する。したがって、発電布１０の芯材１０１には正の電荷が発生する。

この際、発電布１５は発電布１０と同方向へ同時に伸びず、直交する方向（Ｘ軸方向）へ縮む。よって、発電布１５を構成する導電糸１００には、正の電荷が発生する。したがって発電布１５の芯材１０１には、負の電荷が発生する。

したがって、発電布１０を構成する導電糸１００、発電布１５を構成する導電糸１００の間で電位が発生し、発電が実現される。

ここで、図２、図４の構成を例として、発電布１０と発電布１５の組み合わせと、発電布１０と発電布２０の組み合わせは、発電体１と発電体２を一方向に伸ばした場合、電荷が相殺されない方向に配置しておくことが好ましい。また、発電体は少なくとも１枚の発電布を備えていればよく、この場合、導電性を持つ糸等で構成されている布を組み合わせれば良い。

本実施形態の構成を用いれば、発電布１０と発電布１５の組み合わせと、発電布１０と発電布２０の組み合わせ、もしくは導電性を持つ糸で構成されている布は、衣類に応用することができる。なお、図５では、代表として発電布１０と発電布２０の組み合わせの場合を示す。

図５は、人物が力を加えることにより、発電体へ働く力を説明する図である。発電布１０と発電布２０を平行方向に組み合わせた布で衣類を構成する。前記衣類を人物が着用したイメージである。図５の例では、発電布１０を外側、発電布２０を内側に配置する。前記衣類を着用した人が腕を曲げることにより、発電布１０、発電布２０が伸ばされ、伸長もしくは収縮する力が加わる。

よって、発電布１０と発電布２０を積層することにより、発電布１０、発電布２０を同時に伸ばすと、一方に伸長する力、他方に収縮する力が加わることになる。結果、発電布１０の表面と発電布２０には逆の電荷が発生する。

本構成においても、蓄電部（図５には図示せず。）を接続し、発電布１０と発電布２０を伸ばすことにより発電が実現される。

図６は、導電糸を網目状に構成する発電体を説明する図である。この場合も、伸ばす力が加えると、導電糸１００、導電糸２００には、伸長もしくは収縮する力が加わり、電荷の差異が発生する。よって、蓄電部へは電荷が蓄えられる。導電糸を網目状とすることによって、導電糸の伸びる方向がより多様になる。したがって、効果的な発電が可能になる。

図７は、３層構造からなる発電体の断面図である。積層した状態で、同方向に伸ばす力を加えた場合、積層した発電布１０と発電布２０と発電布１０に、交互に逆の電荷が発生する。このように発電布の積層数を増加させることによって、発電効率をさらに向上できる。

図８は、衣類を構成する発電体を説明する図である。また、衣類４０の表面の一部を拡大したものを表面１０Ａとする。前記衣類４０を人物が着用し、運動する。前記衣類４０には人物の動きによって、伸長もしくは収縮する力が加えられる。これによって、複数の導電糸１００に電荷が生じ、発電が可能である。

例えば、本構成を用いたスポーツウェアや、サポーターを身に着け、体を動かした場合に発生する電荷を蓄えた蓄電部（図８には図示せず。）を備えることにより、筋肉、もしくは脂肪を刺激する装置への電源を供給することができる。よって、前記装置には、本来電源が必要であるが、体を動かすことによって電源を確保できるため、別途電源を備える必要が無くなる。

なお、上述の構成では、発電体で発生した電荷を蓄電する態様を示したが、センサに応用することができる。

図９は、（Ａ）及び（Ｂ）は、タイヤの空気圧センサとして構成した発電体を説明する図である。タイヤ５０の内部には、発電布１０、発電布２０を近接して平行する位置に取り付けられている。車が走行するとき、タイヤ５０が路面に接する部分は路面から圧力を受けて、タイヤ５０は変形する。タイヤ５０が、変形することにより、発電布１０、発電布２０には伸びる力が加わる。したがって、発電布１０の表面には負の電荷が発生する。同様に、発電布２０の表面には正の電荷が発生する。この電荷量はタイヤ５０の変形量に依存する。そして変形量は、空気圧に依存する。したがって、変位検出部５２で空気圧を検知することが可能となり、センサとして使用できる。

また、発生する電荷の大きさを見ることによって、空気圧を確認できる。具体的には、空気圧センサにアンテナを接続することで、外部から空気圧を知ることができる。さらに、発電布によって発生した電気の一部を使って発信することで、より遠くからでも空気圧を知ることができる。

また、走行時に発電した電気を補助電源として使用することができるため、車のバッテリーにかかる負荷を軽減できる。

特にＰＬＬＡの場合、ほかの圧電体を比較して、次の特徴を有する。ＰＬＬＡの圧電定数（圧電ｄ定数）は７〜１２ｐＣ／Ｎ程度で、ＰＺＴ等のセラミックスと比較すると非常に小さい。しかし、ＰＬＬＡは比誘電率が約２．５と非常に低く、圧電出力定数 (＝圧電ｇ定数、ｇ＝ｄ／εＴ)が大きな値となる。よって、センシング感度は高いことになる。

なお、図９では発電布１０、発電布２０を用いた態様を示したが、発電布１０と導電性の布との組み合わせ、発電布２０と導電性の布との組み合わせを用いてもよい。さらに、タイヤの布地に用いてもよい。

また、圧電出力定数で比較すると、圧電定数がＰＬＬＡの４倍以上あるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とほぼ同等である。よって、よりセンシング感度が高いセンサを実現することができる。

図１０は、ヨットのマストを構成する発電体を説明する図である。ヨット６０のセイル６１は、マスト６２に張られている。セイル６１が風を受け進む際、マスト６２を軸に伸ばす力が加えられる。マスト６２は発電体１によって形成されている。すなわち、発電布１０、発電布２０を近接するように平行に配置されている。このため、発電布１０と発電布２０の表面には逆の電荷が発生し、発電が実現される。

また、風を受けて発電する形態としては、図示しないエアコンおよび空気清浄機のフィルタとして、本発明の発電体を使用しても良い。網目の大きさを最適化することによって、フィルタとしての機能(通気)を保ちつつ、風によってフィルタに風があたり、テンションがかかるので発電することが出来る。

またエアコンや扇風機の吹出口の一部に配置しても良い。本件の技術を使って発電した電力を起動中の補助電力として使用することができる。また、蓄電部を備える態様であれば、起動時の電力に利用できる。これにより、省エネルギー化に寄与することができる。特に、エアコンや扇風機のような電力消費量が多い機器においては、より有効である。

図１１は、心臓へ発電体を貼り付けた場合のペースメーカーとの関連を説明する図である。発電体１には、蓄電部３０が接続されており、蓄電部３０にはペースメーカー７１が接続されている。心臓７０は心筋が動くことにより、発電布１０、発電布２０には伸ばす力が加えられる。よって、発電布１０の表面と発電布２０の表面には逆の電荷が発生し、発電が実現される。この構成により、蓄電部３０に蓄えられた電力をペースメーカーの電源又は補助電源として使用できる。

そして、発電布１０、発電布２０はポリ乳酸を主材料としており、ポリ乳酸は人体の中にも存在するため、人体にも安全である。

なお、上記の説明ではＰＬＬＡのみで構成した圧電布、もしくはＰＬＬＡとＰＤＬＡで構成した圧電布を用いた。しかし、ＰＤＬＡのみで構成した圧電布を用いても良い。なお、圧電繊維を全体的に配置しても良いし、部分的に配置しても良い。部分的に配置する場合は肩付近や肘付近など動く頻度が相対的に高い位置に配置すると効率よく発電することが出来る。

また、ＰＬＬＡ、ＰＤＬＡ以外の繊維である場合は、外力を加えることで、プラスの電荷、もしくはマイナスの電荷が発生する布であれば良い。

また、第１の圧電繊維は、主に第１圧電糸で形成されているが、部分的に第２圧電糸を含んでいても良い。このように構成することで、特性は、第１圧電糸のみで形成されているものと比較して多少劣化するが、肌触りや風合いを調整することができる。なお、第１の圧電繊維の中に第１圧電糸が占める割合が９０％以上であれば同等の効果が期待できる。

また、圧電布は、ＰＬＬＡで作成された圧電糸と、ＰＤＬＡで作成された圧電糸とを組み合わせて形成されていても良い。このように構成することで、電気的特性は、ＰＬＬＡで作成された圧電糸のみで形成した圧電布と、同じ効果が得られる。なお、圧電布は、Ｓ巻きの糸とＺ巻きの糸とを混在して作成されることによって、電気的特性を劣化させることなく肌触りや風合いを調整することが出来る。

１,２…発電体
１０…発電布
１０Ａ…表面
１５…発電布
２０…発電布
３０…蓄電部
４０…衣類
５０…タイヤ
５１…変位検出部
６０…ヨット
６１…セイル
６２…マスト
７０…心臓
７１…ペースメーカー
１００, ２００…導電糸
１０１,２０１…芯材
１０２,２０２…圧電糸
１１０,２１０…配線導体

Claims (5)

1. 第１導電糸を生地に含む第１発電布と、第２導電糸を生地に含む第２発電布と、を備え、
   前記第１導電糸は、
   導電性を有する第１芯材と、
   前記第１芯材に螺旋状に巻き付けられた第１圧電糸と、
   を備え、
   前記第１発電布と前記第２発電布は近接して対面するように配置されており、
   前記第２導電糸は、
   導電性を有する第２芯材と、
   前記第２芯材に螺旋状に巻き付けられた第２圧電糸とを、備え、
   前記第１芯材に対する前記第１圧電糸の巻き付け方向と、前記第２芯材に対する前記第２圧電糸の巻き付け方向とは、逆方向である、
   発電体。
2. 前記第１発電布と同じ構成の第３発電布を備え、
   前記第１発電布、前記第２発電布、および、前記第３発電布は、この順で積層されている、
   請求項１に記載の発電体。
3. 前記第１導電糸、および前記第２導電糸は、網目状に構成されている、請求項１に記載の発電体。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれに記載の発電体と、
   前記第１導電糸および前記第２導電糸に接続された蓄電部と、
   を備える、発電装置。
5. 請求項１に記載の発電体の前記第１導電糸と、
   前記第１導電糸に接続された変位検出部と、
   を備える、センサ。

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