JP6746901B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電装置に関する。

近年、道路や橋、建築物などの構造体の振動や、トラック等の自動車や鉄道車両などの走行体の振動などによる振動エネルギーを有効利用する試みがなされている。
このような環境的な振動エネルギーを有効利用する方法としては、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する方法がある。
発電方式としては、圧電素子を利用する方法、静電誘導を利用する方法、電磁誘導を利用する方法などが知られている。

特許文献１には、電磁誘導方式の発電装置が開示されている。出力電力の正味の増加を電気的調整により実現することを目的に、２つの磁心が、軸に沿って中心位置に対し共振周波数で相対的に振動可能なようにバイアス素子によりマウントされており、これにより、コイルアセンブリに結合された磁束の変化を引き起こしてコイルアセンブリ内に電位を発生させる構成となっている。
特許文献１に記載の発電装置は共振周波数調節器を備えており、最大出力電力が得られるように電気的に共振周波数を調整するようになっている。

環境的な振動エネルギーの一例として、例えば、トラックの荷台の振動を利用して発電することが考えられる。この場合、振動源としては、エンジンによる振動、走行中の路面の凹凸による振動、加速時やブレーキ操作、ハンドル操作などの運転操作による加速度による負荷などが挙げられる。
大型トラックの荷台の振動周波数の分布をグラフに表した場合、図１８（http://www.jsae.or.jp/~dat1/mr/motor35/06.pdf1の図５）に示すように、単一の周波数を有するスペクトルであることは少なく、低周波領域の振動で且つワイドバンドに分布している。図１８においてＰＳＤは（Power spectrum Density）の略である。

特許文献１の発電装置では共振周波数調節器を備えているものの、環境振動の全ての周波数帯に対応させることは難しく、調整範囲が振動周波数の分布から大きくずれている場合には振動周波数の一部しか利用できず、効率の良い発電が困難になる。
また、共振周波数調節器の存在自体がコストアップの要因となる。さらに、電磁誘導方式では発電出力が移動速度の２乗に比例するため、トラックの荷台の振動等のように低周波領域での効率の良い発電はあまり期待できない。

本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、共振周波数の調節を要することなく環境的な振動の全ての周波数帯で効率良く発電できる発電装置の提供を、その主な目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の発電装置は、可撓性を有し、変形により発電が可能な素子と、前記素子の少なくとも１箇所を支持する支持部材と、を備え、前記素子は、振動を受けた際に、曲がり変形、捻り変形、あるいはこれらの複合的変形が可能である。

本発明によれば、共振周波数の調節を要することなく環境的な振動の全ての周波数帯で効率良く発電できる発電装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る発電装置を示す図で、（ａ）は振動を受けない状態の斜視図、（ｂ）は振動で変形した状態を示す図である。 図１（ａ）のＡ−Ａ線での一部の概要断面図で、（ａ）は振動を受けない状態の図、（ｂ）は振動で変形した状態の図である。 第２の実施形態に係る発電装置の振動を受けない状態の斜視図である。 図３のＢ−Ｂ線での断面図である。 表面改質処理、及び不活性化処理を行った中間層（シリコーンゴム）のＸＰＳ測定結果を示す特性図である。 図５で測定した中間層のＳｉ２ｐ結合エネルギーの厚み方向の変化を示すグラフである。 未処理の中間層（シリコーンゴム）のＸＰＳ測定結果を示す特性図である。 図７で測定した中間層のＳｉ２ｐ結合エネルギーの厚み方向の変化を示すグラフである。 表面改質処理、及び不活性化処理を行った中間層を有する素子の特性を説明するための断面模式図である。 第２の実施形態に係る発電装置の振動を受けた状態の斜視図である。 素子の支持構成の変形例を示す斜視図である。 素子の支持構成の変形例を示す斜視図である。 素子の支持構成の変形例を示す斜視図である。 各支持構成における発電量の違いを示すグラフである。 両端吊るし構成の発電装置の周波数特性を示す図である。 本発明に係る発電装置の使用形態の一例を示す発電パッケージの分解斜視図である。 使用状態を示す斜視図である。 大型トラックの荷台振動の周波数特性を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。
図１及び図２に基づいて第１の実施形態を説明する。図１（ａ）に示すように、本実施形態に係る発電装置１は、可撓性を有し、薄肉で平板形状の素子２と、素子２をその上端部の１箇所で吊り下げた状態に支持する支持部材としての変形可能な可変支持部材３とを有している。可変支持部材３は、柔軟性を有する紐材でループ状に形成されており、素子２の変形に伴って可変支持部材３自体も捻り等の変形や変位が可能となっている。

素子２は、可撓性を有し、変形によって発電が可能な素子本体４と、柔軟性を有し、素子本体４の外面全体を覆うカバー部材５とから構成されている。
カバー部材５は、厚さ７５μｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂のフィルムを２枚重ね状態にして素子本体４を覆うようにラミネート加工したものである。カバー部材５の上端部の接着部位には小さな穴６が開けられており、穴６に可変支持部材３が通されている。
穴６は必ずしも必要ではなく、柔軟性又は弾性を有する紐状の可変支持部材の一端を素子本体４に接合するだけの支持構成でもよい。この場合にも素子２の変形及び支持部材の追随変形が容易に得られる。カバー部材５の材質、厚さは上記に限定されない。

本実施形態における発電装置１は、上記のように、素子２を上端部の一点で吊り下げた構成を有している。可変支持部材３の上端側が何等かの固定部材に固定された状態で振動が生じると、振動は可変支持部材３を介して素子２に伝達され、素子２は振動により揺れる。
揺れ方向は、基本的には、矢印Ｚで示す上下方向（重力方向）や、これに交差する左右方向（矢印Ｘ方向）、前後方向（矢印Ｙ方向）である。

素子２と可変支持部材３とは点接触状態の関係にあり、可変支持部材３自体も柔軟性を有する材料で形成されているため、可変支持部材３に対して素子２は上下方向を除いて殆ど拘束されない状態で支持されている。
素子２が振動を受けると、素子２は可撓性を有しているため、図１（ｂ）に示すように振動により揺れ、曲がり変形、捻り変形、あるいはこれらが混在した複合的変形が生じる。素子２の変形に伴い、可変支持部材３も変形するため、固定支持に比べて素子２の変形が大きくなる。

「可撓性」は、変形後に復元力で元に戻る復元性も含む概念である。素子２が振動で変形した場合、その変形により発電が生じ、その変形が元に戻るときの変形でもまた発電が生じる。
振動を受けている間、変形及びその戻り変形による発電が繰り返されることになる。
発電の構成、原理を図２に基づいて具体的に説明する。

図２は、図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面の一部を示している。図２（ａ）に示すように、素子本体４は、可撓性を有する非導電性の基材７、８と、基材７、８にそれぞれ対向するように配置されたエレクトレット電極９、金属電極１０と、を有している。
エレクトレット電極９は半永久的に電荷を保持するように電荷を注入されたエレクトレット誘電体で構成されている。

基材７、８間には、エレクトレット電極９と金属電極１０との間に間隔を形成するスペーサが設けられている。
素子２が変形すると、図２（ｂ）に示すように、電極間距離が狭まったり、対向する電極幅（重なり面積）が変化することで、静電誘導の原理により発電する。各金属電極１０を導線で接続することにより電気を取り出すことができる。
本実施形態では基材７、８に電極を配置する構成としたが、カバー部材５自体を基材として配置するようにしてもよい。

図３乃至図１０に第２の実施形態を示す。上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、既にした構成上及び機能上の説明は適宜省略して要部のみ説明する。
図３に示すように、本実施形態に係る水平配置型の発電装置１５は、可撓性を有する薄肉で平板状の素子１６と、素子１６の一端部（右側端部）を吊り下げた状態に支持する可変支持部材３と、素子１６の他端部（左側端部）を一定の面積を挟むように支持する固定支持部材１７とを有している。従って、素子１６は空中で浮いた状態に支持される。
素子１６は、可撓性を有し、変形によって発電が可能な圧電素子としての素子本体１８と、カバー部材５とから構成されている。

素子本体１８は、図３のＢ−Ｂ線での断面図である図４に示すように、第１の電極１９と、中間層２０と、第２の電極２１とをこの順序で積層してなる。
本実施形態では、金属電極である第１の電極１９と第２の電極２１には、導電布Sui-10-70（セーレン株式会社）を使用しているが、以下のようにこれに限定されない。

本実施形態に係る素子本体１８は、圧電効果に準じた特性を利用したものであり、中間層２０の第１の電極側と第２の電極側とは同じ変形付与力に対する変形の度合いが異なり、この特性により発電する。以下に前記特性を発現させるための材質等の詳細を説明する。

［第１の電極、及び第２の電極］
第１の電極、及び第２の電極の材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
第１の電極、及び第２の電極において、その材質、形状、大きさ、構造は、同じであってもよいし、異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。
第１の電極、及び第２の電極の材質としては、例えば、金属、炭素系導電材料、導電性ゴム組成物などが挙げられる。

金属としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ステンレス、タンタル、ニッケル、リン青銅などが挙げられる。炭素系導電材料としては、例えば、カーボンナノチューブ、炭素繊維、黒鉛などが挙げられる。導電性ゴム組成物としては、例えば、導電性フィラーと、ゴムとを含有する組成物などが挙げられる。
前記導電性フィラーとしては、例えば、炭素材料（例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンファイバー（ＣＦ）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェンなど）、金属フィラー（金、銀、白金、銅、アルミニウム、ニッケルなど）、導電性高分子材料（ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、及びポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、又は、これら誘導体にアニオン若しくはカチオンに代表されるドーパントを添加したものなど）、イオン液体などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、変性シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、ポリサルファイドゴム、ウレタンゴム、イソブチルゴム、フロロシリコーンゴム、エチレンゴム、天然ゴム（ラテックス）、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴムなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
第１の電極の形状、及び第２の電極の形状としては、例えば、薄膜などが挙げられる。第１の電極の構造、及び第２の電極の構造としては、例えば、織物、不織布、編物、メッシュ、スポンジ、繊維状の炭素材料が重なって形成された不織布であってもよい。

前記電極の平均厚みは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、導電性及び可撓性の点から、０．０１μｍ〜１ｍｍが好ましく、０．１μｍ〜５００μｍがより好ましい。前記平均厚みが、０．０１μｍ以上であると、機械的強度が適正であり、導電性が向上する。また、前記平均厚みが、１ｍｍ以下であると、素子が変形可能であり、発電性能が良好である。

［中間層］
中間層は、可撓性を有する。
中間層においては、以下の条件（１）及び条件（２）の少なくともいずれかを満たす。
条件（１）：中間層の面に対して直交する方向から中間層が加圧された際に、中間層における第１の電極側の変形量と、中間層における第２の電極側の変形量とが、異なる。
条件（２）：中間層の第１の電極側における１０μｍ押し込み時のユニバーサル硬度（Ｈ１）と、中間層の第２の電極側における１０μｍ押し込み時のユニバーサル硬度（Ｈ２）とが、異なる。

中間層においては、以上のように、両面での変形量、又は硬度が異なることにより、大きな発電量を得ることができる。
本発明において、変形量とは、以下の条件で中間層を押し付けた際の、圧子の最大押し込み深さである。

{測定条件}
測定機：フィッシャー社製、超微小硬度計ＷＩＮ−ＨＵＤ
圧子：対面角度１３６°の四角錐ダイヤモンド圧子
初期荷重：０．０２ｍＮ
最大荷重：１ｍＮ
初期荷重から最大荷重までの荷重増加時間：１０秒間

ユニバーサル硬度は、以下の方法により求められる。
{測定条件}
測定機：フィッシャー社製、超微小硬度計ＷＩＮ−ＨＵＤ
圧子：対面角度１３６°の四角錐ダイヤモンド圧子
押し込み深さ：１０μｍ
初期荷重：０．０２ｍＮ
最大荷重：１００ｍＮ
初期荷重から最大荷重までの荷重増加時間：５０秒間

ユニバーサル硬度（Ｈ１）と、ユニバーサル硬度（Ｈ２）との比（Ｈ１／Ｈ２）としては、１．０１以上が好ましく、１．０７以上がより好ましく、１．１３以上が特に好ましい。比（Ｈ１／Ｈ２）の上限値としては、特に制限はなく、例えば、使用状態において要求される可撓性の程度、使用状態における負荷等により適宜選択されるが、１．７０以下が好ましい。ここで、Ｈ１は、相対的に硬い面のユニバーサル硬度であり、Ｈ２は、相対的に柔らかい面のユニバーサル硬度である。

中間層の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、
例えば、ゴム、ゴム組成物などが挙げられる。ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、天然ゴム（ラテックス）、ウレタンゴム、フッ素ゴム、エチレンプロピレンゴムなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。これらの中でも、シリコーンゴムが好ましい。
前記シリコーンゴムとしては、オルガノポリシロキサン結合を有するゴムであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。

前記シリコーンゴムとしては、例えば、ジメチルシリコーンゴム、メチルフェニルシリコーンゴム、変性シリコーンゴム（例えば、アクリル変性、アルキッド変性、エステル変性、エポキシ変性）などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
前記ゴム組成物としては、例えば、フィラーと前記ゴムとを含有する組成物などが挙げられる。これらの中でも、前記シリコーンゴムを含有するシリコーンゴム組成物は発電性能が高いため好ましい。

前記フィラーとしては、例えば、有機フィラー、無機フィラー、有機無機複合フィラーなどが挙げられる。前記有機フィラーとしては、有機化合物であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記有機フィラーとしては、例えば、アクリル微粒子、ポリスチレン微粒子、メラミン微粒子、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂微粒子、シリコーンパウダー（シリコーンレジンパウダー、シリコーンゴムパウダー、シリコーン複合パウダー）、ゴム粉末、木粉、パルプ、デンプンなどが挙げられる。

前記無機フィラーとしては、無機化合物であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。前記無機フィラーとしては、例えば、酸化物、水酸化物、炭酸塩、硫酸塩、ケイ酸塩、窒化物、炭素類、金属、又はその他の化合物などが挙げられる。
前記酸化物としては、例えば、シリカ、珪藻土、アルミナ、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化鉄、酸化マグネシウムなどが挙げられる。前記水酸化物としては、例えば、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウムなどが挙げられる。

前記炭酸塩としては、例えば、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、ハイドロタルサイトなどが挙げられる。前記硫酸塩としては、例えば、硫酸アルミニウム、硫酸カルシウム、硫酸バリウムなどが挙げられる。
前記ケイ酸塩としては、例えば、ケイ酸カルシウム（ウォラストナイト、ゾノトライト）、ケイ酸ジルコン、カオリン、タルク、マイカ、ゼオライト、パーライト、ベントナイト、モンモロナイト、セリサイト、活性白土、ガラス、中空ガラスビーズなどが挙げられる。前記窒化物としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素などが挙げられる。
前記炭素類としては、例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレン（誘導体を含む）、グラフェンなどが挙げられる。

前記金属としては、例えば、金、銀、白金、銅、鉄、アルミニウム、ニッケルなどが挙げられる。前記その他の化合物としては、例えば、チタン酸カリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ジルコン酸鉛、炭化ケイ素、硫化モリブテン、などが挙げられる。なお、前記無機フィラーは、表面処理をしていてもよい。
前記有機無機複合フィラーとしては、有機化合物と無機化合物とを分子レベルで組み合わせた化合物であれば特に制限されずに用いることができる。前記有機無機複合フィラーとしては、例えば、シリカ・アクリル複合微粒子、シルセスキオキサンなどが挙げられる。

前記フィラーの平均粒径は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、０．０１μｍ〜３０μｍが好ましく、０．１μｍ〜１０μｍがより好ましい。前記平均粒径が、０．０１μｍ以上であると、発電性能が向上することがある。また、前記平均粒径が、３０μｍ以下であると、中間層が変形可能であり、発電性能の増加を図ることができる。
前記平均粒径は、公知の粒度分布測定装置、例えば、マイクロトラックＨＲＡ（日機装株式会社製）などを用いて、公知の方法に従って測定することができる。

前記フィラーの含有量は、ゴム１００質量部に対して、０．１質量部〜１００質量部が好ましく、１質量部〜５０質量部がより好ましい。前記含有量が、０．１質量部以上であると、発電性能が向上することがある。また、前記含有量が、１００質量部以下であると、中間層が変形可能であり、発電性能の増加を図ることができる。
前記その他の成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば添加剤などが挙げられる。前記その他の成分の含有量は、本発明の目的を損なわない程度で適宜選定することができる。

前記添加剤としては、例えば、架橋剤、劣化防止剤、耐熱剤、着色剤などが挙げられる。
前記中間層を構成する材料の調製方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記ゴム組成物の調製方法としては、前記ゴム及び前記フィラー、更に必要に応じて前記その他の成分を混合し、混錬分散することにより調製することができる。
前記中間層の形成方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記ゴム組成物の薄膜の形成方法としては、前記ゴム組成物を、基材上にブレード塗装、ダイ塗装、ディップ塗装などで塗布し、その後、熱や電子線などで硬化する方法が挙げられる。

中間層の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、変形追従性の点から、１μｍ〜１０ｍｍが好ましく、２０μｍ〜１ｍｍがより好ましい。また、平均厚みが、好ましい範囲内であると、成膜性が確保でき、かつ変形を阻害することもないため、良好な発電を行うことができる。

中間層は、絶縁性であることが好ましい。絶縁性としては、１０^８Ωｃｍ以上の体積抵抗率を持つことが好ましく、１０^１０Ωｃｍ以上の体積抵抗率を持つことがより好ましい。中間層は、複層構造であってもよい。

（表面改質処理、及び不活性化処理）
中間層において、両面での変形量、又は硬度を異ならせる方法としては、例えば、表面改質処理、不活性化処理などが挙げられる。これらの処理は、両方を行ってもよいし、片方のみを行ってもよい。

＜表面改質処理＞
表面改質処理としては、例えば、プラズマ処理、コロナ放電処理、電子線照射処理、紫外線照射処理、オゾン処理、放射線（Ｘ線、α線、β線、γ線、中性子線）照射処理などが挙げられる。これらの処理の中でも、処理スピードの点から、プラズマ処理、コロナ放電処理、電子線照射処理が好ましいが、ある程度の照射エネルギーを有し、材料を改質しうるものであれば、これらに限定されない。

《プラズマ処理》
プラズマ処理の場合、プラズマ発生装置としては、例えば、平行平板型、容量結合型、誘導結合型のほか、大気圧プラズマ装置でも可能である。耐久性の観点から、減圧プラズマ処理が好ましい。
プラズマ処理における反応圧力としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、０．０５Ｐａ〜１００Ｐａが好ましく、１Ｐａ〜２０Ｐａがより好ましい。
プラズマ処理における反応雰囲気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、不活性ガス、希ガス、酸素などのガスが有効であるが、効果の持続性においてアルゴンが好ましい。

その際、酸素分圧を５，０００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。反応雰囲気における酸素分圧が、５，０００ｐｐｍ以下であると、オゾンの発生を抑制でき、オゾン処理装置の使用を控えることができる。
プラズマ処理における照射電力量は、（出力×照射時間）により規定される。前記照射電力量としては、５Ｗｈ〜２００Ｗｈが好ましく、１０Ｗｈ〜５０Ｗｈがより好ましい。照射電力量が、好ましい範囲内であると、中間層に発電機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。

《コロナ放電処理》
コロナ放電処理における印加エネルギー（積算エネルギー）としては、６Ｊ／ｃｍ^２〜３００Ｊ／ｃｍ^２が好ましく、１２Ｊ／ｃｍ^２〜６０Ｊ／ｃｍ^２がより好ましい。印加エネルギーが、好ましい範囲内であると、中間層に発電機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。

《電子線照射処理》
電子線照射処理における照射量としては、１ｋＧｙ以上が好ましく、３００ｋＧｙ〜１０ＭＧｙがより好ましい。照射量が、好ましい範囲内であると、中間層に発電機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。
電子線照射処理における反応雰囲気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、アルゴン、ネオン、ヘリウム、窒素等の不活性ガスが充填し酸素分圧を５，０００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。反応雰囲気における酸素分圧が、５，０００ｐｐｍ以下であると、オゾンの発生を抑制でき、オゾン処理装置の使用を控えることができる。

《紫外線照射処理》
紫外線照射処理における紫外線としては、波長３６５ｎｍ以下で２００ｎｍ以上が好ましく、波長３２０ｎｍ以下で２４０ｎｍ以上がより好ましい。
紫外線照射処理における積算光量としては、５Ｊ／ｃｍ^２〜５００Ｊ／ｃｍ^２が好ましく、５０Ｊ／ｃｍ^２〜４００Ｊ／ｃｍ^２がより好ましい。積算光量が、好ましい範囲内であると、中間層に発電機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。

紫外線照射処理における反応雰囲気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、アルゴン、ネオン、ヘリウム、窒素等の不活性ガスが充填し酸素分圧を５，０００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。反応雰囲気における酸素分圧が、５，０００ｐｐｍ以下であると、オゾンの発生を抑制でき、オゾン処理装置の使用を控えることができる。

従来技術として、プラズマ処理、コロナ放電処理、紫外線照射処理、電子線照射処理などにより励起又は酸化させることで活性基を形成し、層間接着力を高めることが提案されている。しかし、その技術は、層間への適用に限定され、最表面への適用はむしろ離型性を低下させるため好ましくないことがわかっている。また、反応を酸素リッチな状態下で行い、効果的に反応活性基（水酸基）を導入している。そのため、そのような従来技術は、本発明の前記表面改質処理とは本質が異なる。

本発明の前記表面改質処理は、酸素が少なく減圧された反応環境による処理（例えば、プラズマ処理）のため、表面の再架橋及び結合を促し、例えば、「結合エネルギーの高いＳｉ−Ｏ結合の増加」に起因して耐久性が向上する。
さらに加えて「架橋密度向上による緻密化」に起因して離型性が向上すると考えられる。なお、本発明においても一部活性基は形成されてしまうが、後述するカップリング剤や風乾処理にて、活性基を不活性化させている。

＜不活性化処理＞
中間層の表面は、各種材料を用いて、適宜不活性化処理が施されてもよい。
不活性化処理としては、中間層の表面を不活性化させる処理であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、不活性化剤を前記中間層の表面に付与する処理が挙げられる。不活性化とは、プラズマ処理、コロナ放電処理、紫外線照射処理、電子線照射処理などによる励起又は酸化によって発生した活性基（例えば、−ＯＨなど）を不活性化剤と反応させて、中間層の表面の活性度を下げることで、中間層の表面を、化学反応を起こしにくい性質に変化させることを意味する。

不活性化剤としては、例えば、非晶質樹脂、カップリング剤などが挙げられる。非晶質樹脂としては、例えば、主鎖にパーフルオロポリエーテル構造を有する樹脂などが挙げられる。
カップリング剤としては、例えば、金属アルコキシド、金属アルコキシドを含む溶液などが挙げられる。

金属アルコキシドとしては、例えば、下記一般式（１）で表される化合物や、重合度２〜１０程度のそれらの部分加水分解重縮合物又はそれらの混合物などが挙げられる。
Ｒ^１ _{（４−ｎ）}Ｓｉ（ＯＲ^２）_ｎ・・・一般式（１）
ただし、一般式（１）中、Ｒ^１及びＲ^２は、それぞれ独立に、炭素数１〜１０の直鎖状又は分枝状のアルキル基、アルキルポリエーテル鎖、及びアリール基のいずれかを表す。ｎは、２〜４の整数を表す。

不活性化処理は、例えば、ゴムなどの中間層前駆体に前記表面改質処理を行った後に、中間層前駆体の表面に不活性化剤を塗布又はディッピング等により含浸させることによって行うことができる。
中間層前駆体としてシリコーンゴムを用いた場合は、前記表面改質処理を行った後に、空気中に静置して風乾することにより、失活させてもよい。

中間層の厚み方向における酸素濃度のプロファイルは、極大値を有することが好ましい。中間層の厚み方向における炭素濃度のプロファイルは、極小値を有することが好ましい。
中間層において、酸素濃度のプロファイルが極大値を示す位置と、炭素濃度のプロファイルが極小値を示す位置とは、一致することがより好ましい。
酸素濃度のプロファイル、及び炭素濃度のプロファイルは、Ｘ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）によって求めることができる。
測定方法は、例えば、以下の方法が挙げられる。

{測定方法}
測定装置：Ｕｌｖａｃ−ＰＨＩ ＱｕａｎｔｅｒａＳＸＭ、アルバック・ファイ株式会社製
測定光源：Ａｌ（ｍｏｎｏ）
測定出力：１００μｍφ、２５．１Ｗ
測定領域：５００μｍ×３００μｍ
パスエネルギー：５５ｅＶ（ｎａｒｒｏｗ ｓｃａｎ）
エネルギーｓｔｅｐ：０．１ｅＶ（ｎａｒｒｏｗ ｓｃａｎ）
相対感度係数：ＰＨＩの相対感度係数を使用
スパッタ源：Ｃ６０クラスターイオン
Ｉｏｎ Ｇｕｎ 出力：１０ ｋＶ、１０ ｎＡ
Ｒａｓｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ：（Ｘ＝０．５，Ｙ＝２．０）ｍｍ
スパッタレート：０．９ｎｍ／ｍｉｎ（ＳｉＯ_２換算）
ＸＰＳでは、光電子効果により飛び出す電子を捕捉することにより、測定対象物中の原子の存在濃度比や結合状態を知ることができる。

シリコーンゴムは、シロキサン結合を有し、主成分がＳｉ、Ｏ、及びＣである。そのため、中間層において、その材質としてシリコーンゴムを用いた場合、ＸＰＳのワイドスキャンスペクトルを測定し、各元素の相対ピーク強度比から、表層から内部に存在する各原子（Ｓｉ、Ｏ、及びＣ）の深さ方向の存在濃度比（ａｔｏｍｉｃ％）を求めることができる。その一例を図５に示す。
図５は、シリコーンゴムを用い、更に前記表面改質処理（プラズマ処理）及び前記不活性処理を行って得られた中間層のサンプルである。図５において、横軸は表面から内部方向への分析深さであり、縦軸は存在濃度比である。

更に、シリコーンゴムの場合、Ｓｉの２ｐ軌道の電子が飛び出すエネルギーを測定することにより、ケイ素に結合している元素及び結合状態を知ることができる。そこで、Ｓｉの結合状態を示すＳｉ２ｐ軌道におけるナロースキャンスペクトルからピーク分離を行い、化学結合状態を求めた。
その結果を図６に示す。図６の測定対象は、図５の測定に用いたサンプルである。図６において、横軸は結合エネルギーであり、縦軸は強度比である。また、下から上に向かっては深さ方向での測定スペクトルを示している。
一般に、ピークシフトの量は結合状態に依存することが知られており、本件に関するシリコーンゴムの場合、Ｓｉ２ｐ軌道において高エネルギー側にピークがシフトするということは、Ｓｉに結合している酸素の数が増えていることを示す。

これによれば、シリコーンゴムにおいて、表面改質処理及び不活性化処理を行うと、表層から内部に向かって酸素が多くなり極大値を持ち、また炭素が減少し極小値を持つ。さらに深さ方向に分析をすすめると酸素が減少して炭素が増加し、ほぼ未処理のシリコーンゴムと同等の原子存在濃度となる。
さらに図５のαの位置で検出された酸素の極大値は、Ｓｉ２ｐ結合エネルギーシフトが高エネルギー側にシフトすることと一致（図６のαの位置）しており、酸素増加がＳｉに結合した酸素の数に起因することが示されている。

未処理のシリコーンゴムについて同様の分析をした結果を、図７及び図８に示す。
図７には、図５にみられたような酸素濃度の極大値、及び炭素濃度の極小値は見られない。更に、図８より、Ｓｉ２ｐ結合エネルギーシフトが高エネルギー側にシフトする様子もみられないことから、Ｓｉに結合した酸素の数も変化していないことが確認された。

以上のように、カップリング剤等の不活性化剤を中間層の表面に塗布又はディッピングして浸透させることにより、不活性化剤が中間層に染み込んでいく。カップリング剤が、一般式（１）で表される化合物などの場合、中間層においては、ポリオルガノシロキサンが濃度分布をもって存在するようになり、この分布はポリオルガノシロキサンに含まれる酸素原子が深さ方向に極大値を有するような分布となる。
結果として、中間層は、３つ〜４つの酸素原子と結合したケイ素原子を有するポリオルガノシロキサンを含有することとなる。

なお、不活性化処理の方法としては、ディッピング工法に限らない。例えば、ポリオルガノシロキサンに含まれる酸素原子が、中間層の深さ方向（厚み方向）に極大値を有するような分布を実現できればよく、プラズマＣＶＤ、ＰＶＤ、スパッタリング、真空蒸着、燃焼化学気相蒸着などの方法でもよい。

中間層は、静置状態において初期表面電位を持つ必要はない。なお、静置状態における初期表面電位は、以下の測定条件で測定できる。ここで、初期表面電位を持たないとは、下記測定条件で測定した際に、±１０Ｖ以下を意味する。

{測定条件}
前処理：温度３０℃相対湿度４０％雰囲気に２４ｈ静置後、除電を６０ｓｅｃ（Ｋｅｙｅｎｃｅ製のＳＪ−Ｆ３００を使用）
装置：Ｔｒｅｃｋ Ｍｏｄｅｌ３４４
測定プローブ：６０００Ｂ−７Ｃ
測定距離：２ｍｍ
測定スポット径：直径１０ｍｍ

本実施形態の素子においては、摩擦帯電に似たメカニズムでの帯電と、内部電荷留保による表面電位差の発生とが、中間層の両面の硬度差に基づく変形量の差に起因して静電容量の偏りを生み出すことにより、電荷が移動して発電すると推測される。
素子は、中間層と、第１の電極及び第２の電極の少なくともいずれかとの間に空間を有することが好ましい。そうすることにより、発電量を増やすことができる。
前記空間を設ける方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、中間層と、第１の電極及び第２の電極の少なくともいずれかとの間にスペーサを配置する方法などが挙げられる。

前記スペーサとしては、その材質、形態、形状、大きさなどについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。前記スペーサの材質としては、例えば、高分子材料、ゴム、金属、導電性高分子材料、導電性ゴム組成物などが挙げられる。
前記高分子材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。
前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、変性シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、ポリサルファイドゴム、ウレタンゴム、イソブチルゴム、フロロシリコーンゴム、エチレンゴム、天然ゴム（ラテックス）などが挙げられる。

前記金属としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ステンレス、タンタル、ニッケル、リン青銅などが挙げられる。前記導電性高分子材料としては、例えば、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリンなどが挙げられる。前記導電性ゴム組成物としては、例えば、導電性フィラーとゴムとを含有する組成物などが挙げられる。前記導電性フィラーとしては、例えば、炭素材料（例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、グラフェンなど）、金属（例えば、金、銀、白金、銅、鉄、アルミニウム、ニッケルなど、導電性高分子材料（例えば、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、及びポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、又は、これら誘導体にアニオン若しくはカチオンに代表されるドーパントを添加したものなど）、イオン液体などが挙げられる。

前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、変性シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、ポリサルファイドゴム、ウレタンゴム、イソブチルゴム、フロロシリコーンゴム、エチレンゴム、天然ゴム（ラテックス）などが挙げられる。
前記スペーサの形態としては、例えば、シート、フィルム、織布、不織布、メッシュ、スポンジなどが挙げられる。前記スペーサの形状、大きさ、厚み、設置場所は、素子の構造に応じて適宜選択することができる。

図９に示すように、第１の電極をａ、中間層をｂ、第２の電極をｃと表示すると、中間層ｂの第１の電極ａ側に上記表面改質処理又は不活性化処理を行った場合、中間層ｂの第１の電極ａ側が第２の電極ｃ側よりも硬くなり、ユニバーサル硬度についてＨ１＞Ｈ２となる。
これにより、同じ変形付与力である加圧力Ｆが第１の電極ａ側と第２の電極ｃ側に作用した場合、中間層ｂの第１の電極ａ側の変形の度合いが、第２の電極ｃ側よりも小さくなる。

［支持部材］
支持部材の材質、形状、大きさ、厚さ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記支持部材の材質としては、例えば、高分子材料、ゴム、金属などが挙げられる。
前記高分子材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂、セルロースなどが挙げられる。

前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリル、ポリサルファイドゴム、天然ゴム（ラテックス）などが挙げられる。
金属としては、例えば、アルミニウム、ステンレス、鉄、銅、硬鋼、シリコンクロム鋼、リン青銅、ピアノ線などが挙げられる。
支持部材の形状としては、例えば、紐状、ループ状、バネ形状、平板形状、ブロック形状などが挙げられる。

［カバー部材］
カバー部材の材質、形状、大きさ、厚さ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。前記カバー材の材質としては、例えば、高分子材料、ゴムなどが挙げられる。
前記高分子材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。
前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリル、ポリサルファイドゴム、天然ゴム（ラテックス）などが挙げられる。

本実施形態に係る素子１６は、図３に示すように素子１６全体が宙に浮いた状態で支持されているため、図１０に示すように、縦揺れの振動を多く受けることができる。
すなわち、素子１６はその平面部が振動源の振動方向（Ｚ方向）に対して交差（直交）するように支持されている。
表１（日通総合研究所の調査によるデータ）に示すように、例えばトラック輸送においてはＺ方向（表１の上下方向）の振動（縦揺れ）が大きい。

この縦揺れの方向に対して素子１６の平面部が直交するように支持すれば、素子１６が大きく揺れ、曲がり変形や捻り変形、あるいはこれらの複合的変形が生じ、発電量が大きくなる。他構成との発電量の比較結果を図１４に「片端固定」の表示で示す。
振動実験は、４隅の下端がコイルバネで支持された矩形のサンプル台の上面に加振プローブを当ててサンプル台を上下に振動させる構成の振動試験機を用い、サンプル台の上に発電装置を載せて行った。

実験条件は、下記の通りである。加振プローブとサンプル台とが接触する点をゼロ点とする。
変位：３．５ｍｍ（±１．７５ｍｍ）
周波数：１５Ｈｚ
加速度：３Ｇ

図１１に示すように、素子１６の両端を固定支持部材１７で支持した「両端固定」の発電装置２２としてもよい。
この場合には固定支持部材１７により両端部の一部が面をもって拘束されるので、紐状の可変支持部材３による支持に比べて素子１６の変形量が低下するため、図１４に示すように発電量も低下する。
図１４から明らかなように、図１で示した「吊り下げ」構成では、素子２が縦揺れ方向（Ｚ方向）に平行となっているため、振動による変形の度合いが小さく、発電量は最も少ない。

図１２に示すように、素子１６を両端の２箇所で可変支持部材３により宙吊り状態に支持した「両端吊るし」構成の発電装置２３としてもよい。
この場合、素子１６の両端共に拘束力の小さい支持となるため、振動による素子１６の変形量が大きく、図１４に示すように、発電量も多くなる。
このときトラックの振動と同等の上下方向に０．９Ｇ程度の振動を加えた時の周波数特性を図１５に示す。

図１５での実験は、上記振動試験機で下記条件の下、周波数のみを変更している。加振プローブとサンプル台とが接触する点をゼロ点とする。
変位：１．４ｍｍ（±０．７ｍｍ）
周波数：（５Ｈｚ、１０Ｈｚ、２０Ｈｚ、３０Ｈｚ、４０Ｈｚ、５０Ｈｚ）
加速度：０．９Ｇ

図１５から、１０Ｈｚ〜３０Ｈｚ程度まで発電することがわかる。また、４０Ｈｚ以上でも１Ｖ程度の発電は行われている。
従来のこの種の発電装置では、共振周波数から少しでもずれると極端に発電量が低下するが、図１５に示すように、本実施形態の発電装置では周波数が変化した場合の発電量の変化の勾配が緩やかである。

図１８に示すように、トラックの荷台の振動は３０Ｈｚ以下の振動であるので、トラックの荷台を振動源とした場合、本発明に係る発電装置によれば振動を無駄なく発電に利用することができる。
すなわち、本発明の発電装置によれば、特許文献１に記載の発電装置のように共振周波数を調節することなくトラックの荷台の振動周波数のほぼ全域に亘って発電することができる。

また、図１２等から明らかなように、本発明によれば、特許文献１の電磁誘導方式の発電装置等のような複雑な構成を要することなく、簡単な平面形状で低周波領域でも効率的に発電を行うことができる。このため、環境振動が生じる様々な場面で容易に使用できる利点を有している。
図１３に示すように、紐状の可変支持部材３に代えて、素子１６の両端を弾性部材としてのコイルバネ２４で支持した両端吊るしタイプの発電装置２５としてもよい。可変支持部材３は１本のゴム紐でもよい。

図１２等に示すように、素子を宙吊りにする場合の張り具合は、張り過ぎると発電量が少なくなることが実験により確認されている。ある程度たるみをもった状態で水平に吊る構成が、素子の変形（波打つ度合い）が大きくなり、発電量も多くなる。
振動の大きさや種類に応じて可変支持部材の材質を変えたり、張り度合い（張力）を調整できるようにすれば、発電効率を高めることができる。

本発明における可変支持部材による支持は、素子が支持部材から離れるのを繋ぎ留める係留の意味を含む概念である。
従って、支持部材で繋がれた状態で振動面に自重で面接触状態で載置され、当該振動面の振動で揺れて変形するような状況でも発電が可能となる。

上記各実施形態では、素子又は素子本体にエレクトレット電極を用いたもの、圧電効果に準じた特性を有する中間層（発電ゴム）を備えた素子本体１８を用いた例を示したが、本発明はこれに限定されない。素子又は素子本体が圧電効果の特性を有するＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）を備えたものなどを用いてもよい。

図１６及び図１７に基づいて、本発明に係る発電装置の使用形態の一例について述べる。図１２で示した両端吊るしタイプの発電装置２３で、トラックの荷台における振動を利用する例である。
図１６に示すように、発電パッケージ２６は、上プレート２７、中プレート２８、下プレート２９を重ねて接合した構成を有している。中プレート２８には４つの矩形状の空間部３０が形成されており、これらの空間部３０にはそれぞれ独立して発電装置２３が素子変形可能に宙吊り状態で設置されている。

発電パッケージ２６は、図１７に示すように、例えば、トラックの荷台に荷物３１を載せた状態で積載されるパレット３２の上面に設置される。
トラックの走行時の荷台の振動がパレット３２を介して発電装置２３に伝わり、素子１６が変形して発電がなされる。
発電パッケージ２６は荷台に直に置いてもよく、トラックの荷台の屋根に設置してもよい。要するに振動が得られる場所であればどこでもよい。
発電パッケージ２６で得られた電気は、例えばトラックの荷物収容庫内の温度を検知する温度センサの電力源としたり、発電パッケージ２６内に一体に配置され、あるいは発電パッケージ２６と共に積まれる蓄電体に充電するようにしてもよい。

振動を利用した発電であるので、太陽光発電のように天候に左右されない。
発電パッケージ２６の筐体（プレート）は、荷物等が載る場合にはその重みで変形しない材料、例えばアルミニウム等で形成される。発電パッケージ２６は常設的にパレット３２に一体に固定してもよい。
本実施形態ではトラックの荷台を振動源とする使用形態を例示したが、本発明の使用形態はこれに限定されず、上述した環境的振動を利用することができる種々の場面で使用することができる。

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

１ 発電装置
２、１６ 素子
３、１７、２４ 支持部材
４、１８ 素子本体
９ エレクトレット電極
１０ 金属電極
１９ 第１の電極
２０ 中間層
２１ 第２の電極

特表２０１１−５１７２７７号公報

Claims (8)

1. 可撓性を有し、変形により発電が可能な素子と、
   前記素子の少なくとも１箇所を支持する支持部材と、
   を備え、
   前記素子は、振動を受けた際に、曲がり変形、捻り変形、あるいはこれらの複合的変形が可能であり、
   前記素子は、第１の電極と、中間層と、第２の電極とをこの順序で積層してなり、前記中間層は可撓性を有し、前記中間層の第１の電極側と第２の電極側とは同じ変形付与力に対する変形の度合いが異なるものである発電装置。
2. 請求項１に記載の発電装置において、
   前記支持部材は前記素子を空間で浮いた状態に支持する発電装置。
3. 請求項１又は２に記載の発電装置において、
   前記素子が、素子本体と、前記素子本体を覆うカバー部材とで構成され、前記カバー部材が前記支持部材に支持されている発電装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の発電装置において、
   前記支持部材が、前記素子が変形したときにこれに伴って変形する材質又は構成を有している発電装置。
5. 請求項４に記載の発電装置において、
   前記支持部材が、紐状ないしループ状をなす発電装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の発電装置において、
   前記素子が平板形状を有している発電装置。
7. 請求項６に記載の発電装置において、
   前記素子が、その平面部が振動方向に対して交差するように少なくとも２箇所で宙吊り状態に支持されている発電装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の発電装置において、
   前記素子又は素子本体が、圧電効果又は圧電効果に準じた特性を利用したものである発電装置。

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