JP6831106B2

JP6831106B2 - 発電体、発電装置及び圧力センサ

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Publication number: JP6831106B2
Application number: JP2017093274A
Authority: JP
Inventors: 谷　弘詞; 谷　　弘詞
Original assignee: Kansai University
Current assignee: Kansai University
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2021-02-17
Anticipated expiration: 2037-05-09
Also published as: JP2018191454A

Description

本発明は、発電体、発電装置及び圧力センサに関する。

従来から、接触帯電を利用した発電体が知られている。このような発電体としては、例えば特開２０１６−８８４７３号公報（特許文献１）に記載の発電体及び特表２０１６−５１０２０６号公報（特許文献２）に記載の発電体が知られている。

特許文献１に記載の発電体は、第１電極構造体と、第２電極構造体とを有している。第１電極構造体及び第２電極構造体は、帯電体を有している。第１電極構造体及び第２電極構造体は、帯電体が設けられている面が対向するように互いに離間して配置されている。特許文献１に記載の発電体は、外部から印加される圧力で第１電極構造体の帯電体と第２電極構造体の帯電体とが接触することにより、発電が行われる。

特許文献２に記載の発電体は、導電層と、摩擦層とを有している。導電層は、導電層の下面が摩擦層の上面と対向するように配置されている。特許文献２に記載の発電体においては、導電層の下面が摩擦層の上面上において相対的にスライドすることにより、発電が行われる。

特開２０１６−８８４７３号公報特表２０１６−５１０２０６号公報

特許文献１に記載の発電体においては、第１電極構造体と第２電極構造体とを離間して配置する必要があるため、発電体の構造が複雑となる。特許文献２に記載の発電体においては、導電層の下面を摩擦層の上面に対して相対的にスライド可能な構造を有する必要があるため、発電体の構造が複雑となる。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。具体的には、本発明は、構造をシンプル化させることが可能な発電体、発電装置及び圧力センサを提供するものである。

本発明の一態様に係る発電体は、第１面を有する第１部材と、第２面を有する第２部材とを備える。第１部材は、第１面を構成する第１絶縁膜を有する。第２部材は、第２面を構成し、かつ第１絶縁膜と接することにより第１絶縁膜と逆の極性に帯電する第２絶縁膜を有する。第１部材と前記第２部材とは、第１面と第２面とが対向して接するように配置される。第１部材及び第２部材が相対的に近づくように圧力が加わることにより、第１面と第２面との真実接触面積が変化する。本発明の一態様に係る発電体によると、発電体の構造をシンプル化させることができる。

上記の発電体において、第１部材は、第１絶縁膜に接する導電性の第１可撓部をさらに有していてもよい。第２部材は、第２絶縁膜に接する導電性の第２可撓部をさらに有していてもよい。第１可撓部の弾性率は、前記第１絶縁膜よりも低くてもよい。第２可撓部の弾性率は、第２絶縁膜よりも低くてもよい。第１面及び第２面の少なくとも一方には、凹凸が設けられる。

上記の発電体において、第１可撓部及び第２可撓部は、導電性のエラストマー又は表面が導電膜で被覆された絶縁性のエラストマーにより構成されていてもよい。

上記の発電体は、第１部材及び第２部材のうち、上方に位置する方に取り付けられるおもりをさらに備えていてもよい。この場合、発電量を上昇させることができる。

上記の発電体において、第１面及び第２面の少なくとも一方は、１００μｍ以上２ｍｍ以下の十点平均粗さを有していてもよい。この場合、発電量を上昇させることができる。

上記の発電体は、第３部材をさらに備えていてもよい。第３部材は、第１可撓部の第１絶縁膜とは反対側及び第２可撓部の第２絶縁膜とは反対側に取り付けられていてもよい。第３部材の弾性率は、第１可撓部及び第２可撓部よりも小さくてもよい。この場合、発電量を上昇させることができる。

上記の発電体において、第１部材は、導電性の第１繊維をさらに有していてもよい。第２部材は、導電性の第２繊維をさらに有していてもよい。第１繊維の外周面は、第１絶縁膜により被覆され、第２繊維の外周面は、第２絶縁膜により被覆されていてもよい。第１部材及び第２部材が相対的に近づくように圧力が加わることにより、第２部材が第１面に沿って変形することにより第１面と第２面との真実接触面積が変化してもよい。

上記の発電体においては、第１絶縁膜及び第２絶縁膜を構成する材料は、ポリメチルメタクリレート、ナイロン、ポリビニルアルコール、ポリエステル、ポリイソプチレン、ポリウレタン、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルブチラール、ポリクロロプレン、天然ゴム、ポリアクリロニトリル、ポリジフェノールカーボネート、塩化ポリエーテル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、ポリテトラフルオロエチレン、四フッ化エチレン及び六フッ化プロピレン共重合体からなる群から選択されてもよい。上記の発電体においては、第１絶縁膜及び第２絶縁膜を構成する材料は互いに異なっていてもよい。

上記の発電体においては、第１絶縁膜及び第２絶縁膜のうち正に帯電する方は、ダイヤモンドライクカーボン膜であってもよい。この場合、発電量の経時変化を抑制することができる。

上記の発電体においては、第１絶縁膜及び第２絶縁膜のうち負に帯電する方は、パーフルオロポリエーテル膜であってもよい。この場合、発電量の経時変化を抑制することができる。

上記の発電体においては、第１絶縁膜及び第２絶縁膜の少なくとも一方は、厚さが２０μｍ以下であってもよい。この場合、発電量を上昇させることができる。

本発明の一態様に係る発電装置は、上記の発電体を、複数備える。複数の発電体の各々は、第１部材から第２部材に向かう方向に沿って積層される。本発明の一態様に係る発電装置によると、シンプルな構造により発電量を増加させることができる。

本発明の一態様に係る圧力センサは、上記の発電体と、上記の発電体に接続される検知部とを備える。検知部は、発電体から出力される電流及び電圧の少なくとも一方を検知する。本発明の一態様に係る圧力センサによると、発電体に外部から印加される圧力を検知することができる。

本発明の一態様に係る発電体、発電装置及び圧力センサによると、構造をシンプル化することができる。

第１実施形態に係る発電体の断面図である。第１実施形態に係る発電体に外部から圧力が印加された状態を示す模式図である。第１面１ａの十点平均粗さを変化させた場合の発電量の変化を示すグラフである。厚さＴ１と第１実施形態に係る発電体の発電量との関係を示す模式的なグラフである。第２実施形態に係る発電体の断面図である。第２実施形態に係る発電体における発電量の時間変化を示す模式的なグラフである。第３実施形態に係る発電体の断面図である。第３実施形態に係る発電体における初期押し付け圧力と発電量との関係を示す模式的なグラフである。第４実施形態に係る発電体の断面図である。第４実施形態に係る発電体の発電回数と発電量との関係を示す模式的なグラフである。第５実施形態に係る発電体の上面図である。図１１のＸＩＩ−ＸＩＩにおける断面図である。第５実施形態に係る発電体に外部から圧力が印加された状態を示す模式図である。第６実施形態に係る発電装置の断面図である。第７実施形態に係る圧力センサの模式図である。

以下に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さないものとする。

（第１実施形態）
以下に、第１実施形態に係る発電体の構成について説明する。

図１は、第１実施形態に係る発電体の断面図である。図１に示すように、第１実施形態に係る発電体は、第１部材１と、第２部材２とを有している。第１部材１は、第１面１ａを有している。第２部材２は、第２面２ａを有している。

第１部材１は、第１絶縁膜１１を有している。第１絶縁膜１１は、第１部材１の第１面１ａを構成している。すなわち、第１絶縁膜１１は、第１部材１の最も第１面１ａ側に位置している。第２部材２は、第２絶縁膜２１を有している。第２絶縁膜２１は、第２部材２の第２面２ａを構成している。すなわち、第２絶縁膜２１は、第２部材２の最も第２面２ａ側に位置している。

第１絶縁膜１１は、第２絶縁膜２１と接することにより、第２絶縁膜２１と逆の極性に帯電する材料により構成されている。例えば、第１絶縁膜１１が第２絶縁膜２１との接触により正に帯電する場合、第２絶縁膜２１は、第１絶縁膜１１との接触により、負に帯電する。第１絶縁膜１１及び第２絶縁膜２１を構成する材料は、例えば、ポリメチルメタクリレート、ナイロン、ポリビニルアルコール、ポリエステル、ポリイソプチレン、ポリウレタン、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルブチラール、ポリクロロプレン、天然ゴム、ポリアクリロニトリル、ポリジフェノールカーボネート、塩化ポリエーテル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、ポリテトラフルオロエチレン、四フッ化エチレン及び六フッ化プロピレン共重合体からなる群から選択される。

第１絶縁膜１１を構成する材料と第２絶縁膜２１を構成する材料とは、互いに異なっている。第１絶縁膜１１を構成する材料は、帯電列上において、第２絶縁膜を構成する材料から離れた位置にあることが好ましい。

第１絶縁膜１１は厚さＴ１を有しており、第２絶縁膜２１は厚さＴ２を有している。厚さＴ１及び厚さＴ２の少なくとも一方は、２０μｍ以下であることが好ましい。厚さＴ１及び厚さＴ２の双方は、２０μｍ以下であることがさらに好ましい。

第１部材１と第２部材２とは、第１面１ａと第２面２ａとが対向して接するように配置されている。但し、第１面１ａ及び第２面２ａは、一部においては接しているが、全部においては接していない。第１部材１及び第２部材２が相対的に近づくように圧力（図２参照）が加えられることにより、第１面１ａと第２面２ａとの真実接触面積が変化する。なお、第１面１ａと第２面２ａとの接触は、例えばコの字型を有し、第１部材１及び第２部材２を挟持する挟持部材５により確保される。但し、第１面１ａと第２面２ａとの接触を確保するための構成は、これに限られるものではない。

第１部材１は、第１可撓部１２を有していてもよい。第１可撓部１２は、第１絶縁膜１１に接するように配置されている。より具体的には、第１可撓部１２は、第１絶縁膜１１の第１面１ａとは反対側の面に接して配置されている。第１可撓部１２は、可撓性を有している。すなわち、第１可撓部１２は、第１絶縁膜１１よりも弾性率が低い。第１可撓部１２を構成する材料は、エラストマーであることが好ましい。すなわち、第１可撓部１２を構成する材料は、ゴム弾性を有していることが好ましい。

第１可撓部１２は、導電性を有している。第１可撓部１２は、例えば導電性を有するエラストマーにより構成されている。第１可撓部１２は、表面が導電膜で被覆された絶縁性のエラストマーにより構成されていてもよい。絶縁性のエラストマーは、例えばニトリルゴム、シリコンゴムである。絶縁性のエラストマーの表面を被覆する導電膜を構成する材料は、例えばＡｇ（銀）、Ｃｕ（銅）である。

第１面１ａには、凹凸が設けられていてもよい。第１面１ａの十点平均粗さは、１００μｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。なお、第１面１ａの十点平均粗さは、ＪＩＳＢ０６０１：２００１にしたがって測定される。例えば、第１可撓部１２の第１絶縁膜１１側の面に凹凸が設けられることにより、第１面１ａの凹凸が形成されている。

第２部材２は、第２可撓部２２を有していてもよい。第２可撓部２２は、第２絶縁膜２１に接するように配置されている。より具体的には、第２可撓部２２は、第２絶縁膜２１の第２面２ａとは反対側の面に接して配置されている。第２可撓部２２は、可撓性を有している。すなわち、第２可撓部２２は、第２絶縁膜２１よりも弾性率が低い。第２可撓部２２を構成する材料は、エラストマーであることが好ましい。すなわち、第２可撓部２２を構成する材料は、ゴム弾性を有していることが好ましい。

第２可撓部２２は、導電性を有している。第２可撓部２２は、例えば導電性を有するエラストマーにより構成されている。第２可撓部２２は、表面が導電膜で被覆された絶縁性のエラストマーにより構成されていてもよい。絶縁性のエラストマーは、例えばニトリルゴム、シリコンゴムである。絶縁性のエラストマーの表面を被覆する導電膜を構成する材料は、例えばＡｇ、Ｃｕである。

なお、第１実施形態に係る発電体から電流を取り出す際、第１可撓部１２と第２可撓部２２とは、電気的に接続される。

第２面２ａには、凹凸が設けられていてもよい。第２面２ａの十点平均粗さは、１００μｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。なお、第２面２ａの十点平均粗さは、第１面１ａの十点平均粗さと同様の方法により測定される。例えば、第２可撓部２２の第２絶縁膜２１側の面に凹凸が設けられることにより、第２面２ａの凹凸が形成されている。

なお、第１面１ａ及び第２面２ａの十点平均粗さは、双方が１００μｍ以上２ｍｍ以下でなくてもよい。第１面１ａの十点平均粗さ及び第２面２ａの十点平均粗さのいずれか一方が、１００μｍ以上２ｍｍ以下であればよい。

以下に、第１実施形態に係る発電体の効果を説明する。
上記のとおり、第１面１ａ及び第２面２ａは、一部においては接しているが、全部においては接していない。そのため、第１部材１及び第２部材２が相対的に近づくように圧力が印加されていない状態においては（以下においては、第１状態という。）、第１可撓部１２及び第２可撓部２２に誘導される電荷量は相対的に小さい。

図２は、第１実施形態に係る発電体に外部から圧力が印加された状態を示す模式図である。図２に示すように、第１実施形態に係る発電体には、外部から、第１部材１及び第２部材２が相対的に近づくように圧力が印加される（この圧力が印加された状態を、以下においては、第２状態という。）。

上記のとおり、第１可撓部１２及び第２可撓部２２は、可撓性を有している。したがって、第１部材１及び第２部材２が相対的に近づくように圧力が印加されることにより、第１部材１及び第２部材２は、第１面１ａ及び第２面２ａの凹凸が平坦になるように変形する。その結果、第２状態においては、第１面１ａと第２面２ａとの真実接触面積が増加する。これに伴い、第２状態においては、第１可撓部１２及び第２可撓部２２に誘導される電荷量が相対的に増加する。

第１部材１及び第２部材２に対する圧力が除去されることにより、再び発電体は第１状態に戻る。すなわち、第１部材１及び第２部材２に対する圧力が除去されることにより、第１面１ａ及び第２面２ａの真実接触面積が減少する。その結果、第１可撓部１２及び第２可撓部２２に誘導される電荷量が再び相対的に減少する。そのため、第１可撓部１２と第２可撓部２２とが電気的に接続されている場合、第２状態において誘導された電荷が、第１可撓部１２と第２可撓部２２との間で移動し、第１可撓部１２と第２可撓部２２との間で電流が流れる。このように、第１実施形態に係る発電体によると、シンプルな構造により接触帯電による発電を行うことが可能となる。このような発電体の構造がシンプル化により、発電体の小型化、耐久性を向上及び製造コストを行うことが可能となる。

以下に、第１面１ａ及び第２面２ａの表面粗さの影響を評価した試験結果を説明する。この試験においては、第１可撓部１２として、５０ｍｍ×５０ｍｍのシリコンゴムの表面に、厚さ０．５μｍのＡｇを蒸着したものを用いた。第１絶縁膜１１として、厚さが７μｍのポリウレタンを用いた。第２可撓部２２として、５０ｍｍ×５０ｍｍのニトリルゴムの表面に厚さが７４μｍのＣｕ箔を接着したものを用いた。第２絶縁膜２１として、厚さが１２μｍのフッ素樹脂（ＦＥＰ）を用いた。

図３は、第１面１ａの十点平均粗さを変化させた場合の発電量の変化を示すグラフである。第１面１ａの十点平均粗さは、３０μｍから３ｍｍの範囲で変化させた。図３に示すように、第１面１ａの十点平均粗さが１００μｍから２ｍｍの範囲において発電量が立ち上がっていることが確認された。このように、第１実施形態に係る発電体においては、第１面１ａ及び第２面２ａの十点平均粗さの少なくとも一方を１００μｍ以上２ｍｍ以下とすることにより、発電量が増加することが実験的に確認された。

図４は、厚さＴ１と第１実施形態に係る発電体の発電量との関係を示す模式的なグラフである。図４においては、厚さＴ１が２０μｍである場合の第１実施形態に係る発電体の発電量を１として、発電量を相対的に表示してある。図４に示すように、第１実施形態に係る発電体の発電量は、厚さＴ１が小さくなるにしたがって増加する。特に、第１実施形態に係る発電体の発電量は、２０μｍ以下で急激に増加する。このように、厚さＴ１（厚さＴ２）を２０μｍ以下とすることにより、発電量の増加が実験的に確認された。

（第２実施形態）
以下に、第２実施形態に係る発電体を説明する。なお、以下においては、第１実施形態に係る発電体と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さないものとする。

図５は、第２実施形態に係る発電体の断面図である。図５に示すように、第２実施形態に係る発電体は、第１部材１と、第２部材２とを有している。第１部材１と第２部材２とは、第１面１ａと第２面２ａとが対向して接するように配置されている。第１面１ａと第２面２ａとの真実接触面積は、第１部材１及び第２部材２が相対的に近づくような圧力が加わることにより、変化する。

第１部材１は、第１絶縁膜１１と、第１可撓部１２とを有している。第２部材２は、第２絶縁膜２１と、第２可撓部２２とを有している。これらの点において、第２実施形態に係る発電体の構成は、第１実施形態に係る発電体の構成と共通している。

第２実施形態に係る発電体は、第３部材３をさらに有している。この点において、第２実施形態に係る発電体の構成は、第１実施形態に係る発電体の構成と異なっている。

第３部材３は、第１可撓部１２の第１絶縁膜１１とは反対側の面に取り付けられる。第３部材３は、第２可撓部２２の第２絶縁膜２１とは反対側の面に取り付けられていてもよい。すなわち、第３部材３は、第１可撓部１２の第１絶縁膜１１とは反対側の面及び第２可撓部２２の第２絶縁膜２１とは反対側の面の少なくとも一方に取り付けられていればよい。

第３部材３は、可撓性を有している。第３部材３は、弾性率が第１可撓部１２及び第２可撓部２２よりも小さい。第３部材３を構成する材料は、例えばニトリルゴムである。

第３部材３は、可撓性があり、第１可撓部１２及び第２可撓部２２よりも弾性率が低いため、第１可撓部１２及び第２可撓部２２よりも緩やかに変形する。第２実施形態に係る発電体においては、第３部材３が第１可撓部１２の第１絶縁膜１１とは反対側の面（第２可撓部２２の第２絶縁膜２１とは反対側の面）に取り付けられているため、第１状態から第２状態に移行するのに要する時間及び第２状態から第１状態に復元するのに要する時間が長くなる。すなわち、発電に寄与する時間が長くなる。したがって、第２実施形態に係る発電体によると、発電量を増加させることができる。

図６は、第２実施形態に係る発電体における発電量の時間変化を示す模式的なグラフである。なお、図６に示される試験においては、第１可撓部１２として、５０ｍｍ×５０ｍｍのニトリルゴムの表面に、厚さ７μｍのＡｇを蒸着したものを用いた。第１絶縁膜１１として、厚さが０．５μｍのポリウレタンを用いた。図６に示される試験においては、第２可撓部２２として、５０ｍｍ×５０ｍｍのニトリルゴムの表面に厚さが７４μｍのＣｕ箔を接着したものを用いた。第２絶縁膜２１として、厚さが１２μｍのフッ素樹脂（ＦＥＰ）を用いた。第３部材３として、第１可撓部１２の第１絶縁膜１１と反対側の面に、厚さが３ｍｍ、弾性率が３ＭＰａの低弾性ゴムシートが取り付けられた。第１部材１及び第２部材２が相対的に近づくような圧力は、発電体を靴のかかとで踏みつけることにより加えられた。図６中においては、比較例として、第３部材３が取り付けられていない場合の発電量が点線により示されている。

図６に示すように、第２実施形態に係る発電体においては、発電開始から発電終了までの時間（発電時間）が、比較例と比べて長くなっている。また、比較例における圧力印加１回あたりの発電量が０．３μＷであったのに対し、第２実施形態に係る発電体における圧力印加１回あたりの発電量は、６．１μＷまで上昇した。このように、第２実施形態に係る発電体によると、発電量が増加することが、実験的にも確認された。

（第３実施形態）
以下に、第３実施形態に係る発電体を説明する。なお、以下においては、第１実施形態に係る発電体と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さないものとする。

図７は、第３実施形態に係る発電体の断面図である。図７に示すように、第３実施形態に係る発電体は、第１部材１と、第２部材２とを有している。第１部材１と第２部材２とは、第１面１ａと第２面２ａとが対向して接するように配置されている。第１面１ａと第２面２ａとの真実接触面積は、第１部材１及び第２部材２が相対的に近づくような圧力が加わることにより、変化する。

第１部材１は、第１絶縁膜１１と、第１可撓部１２とを有している。第２部材２は、第２絶縁膜２１と、第２可撓部２２とを有している。これらの点において、第３実施形態に係る発電体の構成は、第１実施形態に係る発電体の構成と共通している。

第３実施形態に係る発電体は、おもり４を有している。この点において、第３実施形態に係る発電体は、第１実施形態に係る発電体と異なっている。

おもり４は、第１部材１及び第２部材２が相対的に近づくような圧力を印加するように配置される。より具体的には、おもり４は、第１部材１及び第２部材２のうち、上方（重力方向と反対方向）に位置する方に取り付けられている。図７の例においては、第２部材２が第１部材１の上方に位置し、おもり４は第２部材２に取り付けられている。

第３実施形態に係る発電体は、第１面１ａと第２面２ａとの間の真実接触面積の変化を利用することにより発電を行う。おもり４が設けられることで、第３実施形態に係る発電体には、第１部材１及び第２部材２が相対的に近づくような圧力が印加される（以下においては、この圧力を初期押し付け圧力という。）。初期押し付け圧力が大きいほど、外部から第３実施形態に係る発電体に加速度が作用した際、第１部材１及び第２部材２に作用する圧力が大きく変動する。そして、第１部材１及び第２部材２に作用する圧力の変動が大きくなるにしたがい、第１面１ａと第２面２ａとの真実接触面積の変動も大きくなる。したがって、第３実施形態に係る発電体によると、発電量を増加させることができる。

図８は、第３実施形態に係る発電体における初期押し付け圧力と発電量との関係を示す模式的なグラフである。図８に示される試験においては、第１可撓部１２として、５０ｍｍ×５０ｍｍのニトリルゴムの表面に、厚さ０．５μｍのＡｇを蒸着したものを用いた。第１絶縁膜１１として、厚さが７μｍのポリウレタンを用いた。図５に示される試験においては、第２可撓部２２として、５０ｍｍ×５０ｍｍのニトリルゴムの表面に厚さが７４μｍのＣｕ箔を接着したものを用いた。第２絶縁膜２１として、厚さが１２μｍのフッ素樹脂（ＦＥＰ）を用いた。

おもり４の重量は、初期押し付け圧力が１４．１ｋＰａ、２０．８ｋＰａ、３４．３ｋＰａ、４１．１ｋＰａ、４７．８ｋＰａ、５４．５ｋＰａとなるように設定された。図８に示される試験においては、第３実施形態に係る発電体は、周波数４０Ｈｚ、加速度２Ｇにて加振された。

図８に示されるように、第３実施形態に係る発電体の発電量は、初期押し付け圧力が増加するにしたがい、増加している。このように、第３実施形態に係る発電体によると発電量が増加することは、実験的にも確認された。

（第４実施形態）
以下に、第４実施形態に係る発電体を説明する。なお、以下においては、第１実施形態に係る発電体と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さないものとする。

図９は、第４実施形態に係る発電体の断面図である。図９に示すように、第４実施形態に係る発電体は、第１部材１と、第２部材２とを有している。第１部材１と第２部材２とは、第１面１ａと第２面２ａとが対向して接するように配置されている。第１面１ａと第２面２ａとの真実接触面積は、第１部材１及び第２部材２が相対的に近づくような圧力が加わることにより、変化する。

第１部材１は、第１絶縁膜１１と、第１可撓部１２とを有している。第２部材２は、第２絶縁膜２１と、第２可撓部２２とを有している。これらの点において、第４実施形態に係る発電体の構成は、第１実施形態に係る発電体の構成と共通している。

第４実施形態に係る発電体においては、第１絶縁膜１１及び第２絶縁膜２１のうち、正に帯電する方が、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜となっている。この点において、第４実施形態に係る発電体は、第１実施形態に係る発電装置と異なっている。第４実施形態に係る発電体においては、第１絶縁膜１１及び第２絶縁膜２１のうち、負に帯電する方が、パーフルオロポリエーテル膜であってもよい。

第１実施形態に係る発電体は、上記のとおり、第１面１ａと第２面２ａとの真実接触面積の変化を利用して発電を行うため、第１面１ａ及び第２面２ａに摩耗が生じる。そのため、第１実施形態に係る発電体においては、このような摩耗に伴い、発電量が経時劣化するおそれがある。

他方、第３実施形態に係る発電体においては、第１絶縁膜１１及び第２絶縁膜２１のうち、正に帯電する方が、ＤＬＣ膜となっている。ＤＬＣ膜は、高い硬度を有する。また、ＤＬＣ膜は、摩擦係数が低い。そのため、第３実施形態に係る発電体においては、第１面１ａ及び第２面２ａの摩耗に伴う発電量の経時劣化が生じにくい。

図１０は、第４実施形態に係る発電体の発電回数と発電量との関係を示す模式的なグラフである。なお、図１０に示される試験においては、第１可撓部１２として、５０ｍｍ×５０ｍｍのニトリルゴムの表面に、厚さ０．５μｍのＡｇを蒸着したものを用いた。第１絶縁膜１１としては、厚さが２μｍのＤＬＣ膜を用いた。図１０に示される試験においては、第２可撓部２２として、５０ｍｍ×５０ｍｍのニトリルゴムの表面に厚さが７４μｍのＣｕ箔を接着したものを用いた。第２絶縁膜２１としては、厚さが１２μｍのフッ素樹脂（ＦＥＰ）を用いた。図１０中においては、比較例として、第１絶縁膜１１としてポリウレタンを用いた場合の発電回数と発電量との関係が、点線により示されている。なお、図１０中において、相対発電量は、初回発電時の発電量を１００パーセントとして評価した。

図１０に示されるように、比較例においては、発電回数が増加するにしたがって、発電量が低下した。より具体的には、比較例においては、発電回数が６０万回以上の範囲内において、発電量が２０パーセント程度低下した。他方、第４実施形態に係る発電体においては、発電回数が増加しても、発電量の低下は特になかった。このように、第４実施形態に係る発電体によると、発電量の経時変化が抑制されることが、実験的にも確認された。

パーフルオロエーテル膜は、潤滑性が高い。そのため、第４実施形態に係る発電体において、第１絶縁膜１１及び第２絶縁膜２１のうち、負に帯電する方が、パーフルオロポリエーテル膜である場合も、第１面１ａ及び第２面２ａの摩耗に伴う発電量の経時劣化が生じにくい。

（第５実施形態）
以下に、第５実施形態に係る発電体を説明する。なお、以下においては、第１実施形態に係る発電体と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さないものとする。

図１１は、第５実施形態に係る発電体の平面図である。図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩにおける断面図である。図１１及び図１２に示すように、第５実施形態に係る発電体は、第１部材１と、第２部材２とを有している。第１部材１と第２部材２とは、第１面１ａと第２面２ａとが対向して接するように配置されている。第１面１ａと第２面２ａとの真実接触面積は、第１部材１及び第２部材２が相対的に近づくような圧力が加わることにより変化する。これらの点において、第５実施形態に係る発電体は、第１実施形態に係る発電体と共通している。

第５実施形態に係る発電体において、第１部材１及び第２部材２は、繊維状の部材である。第１部材１及び第２部材２は、織り込まれることにより、織物状になっている。これらの点において、第５実施形態に係る発電体は、第１実施形態に係る発電体と異なっている。なお、第５実施形態に係る発電体においては、繊維状の部材である第１部材１及び第２部材２の外周面が、第１面１ａ及び第２面２ａにそれぞれ対応している。

第５実施形態に係る発電体において、第１部材１は、第１繊維１３を有している。第１繊維１３は、導電性を有している。好ましくは、第１繊維１３は、可撓性を有している。第１繊維１３は、例えばＣｕ線、ステンレス鋼線である。第１繊維１３は、外周面１３ａを有している。外周面１３ａは、第１絶縁膜１１により被覆されている。第５実施形態に係る発電体において、第２部材２は、第２繊維２３を有している。第２繊維２３は、導電性を有している。好ましくは、第２繊維２３は、可撓性を有している。第２繊維２３は、例えばＣｕ線、ステンレス鋼線である。第２繊維２３は、外周面２３ａを有している。外周面２３ａは、第２絶縁膜２１により被覆されている。

図１３は、第５実施形態に係る発電体に外部から圧力が印加された状態を示す模式図である。図１３に示すように、第５実施形態に係る発電体に、第１部材１及び第２部材２が相対的に近づくような圧力が外部から加えられることにより、第２部材２（第１部材１）は、第１部材１の第１面１ａ（第２部材２の第２面２ａ）の形状に沿って変形する。これにより、第１面１ａと第２面２ａとの真実接触面積が変化する。そのため、第５実施形態に係る発電体においては、この第１面１ａと第２面２ａとの真実接触面積の変化に起因して、第１実施形態に係る発電体と同様に、シンプルな構造で発電を行うことができる。

第５実施形態に係る発電体の実施例として、第１部材１と第２部材２とを編み込んで３０ｍｍ×４０ｍｍの織物を準備した。なお、この実施例においては、第１絶縁膜１１は、厚さ３０μｍのポリエステルであり、第１繊維１３は、０．２ｍｍ径のＣｕ線であった。また、この実施例においては、第２絶縁膜２１は、厚さ３μｍのパーフルオロエーテルであり、第２繊維２３は、０．２ｍｍのステンレス鋼線であった。この織物全体をアルミニウム板で挟んで荷重を印加したところ、この織物から約０．４５Ｖの最大電圧を取り出すことができた。このように、第５実施形態に係る発電体によると、シンプルな構造で発電が可能であることが、実験的にも確認された。

（第６実施形態）
以下に、第６実施形態に係る発電装置を説明する。

図１４は、第６実施形態に係る発電装置の断面図である。図１４に示すように、第６実施形態に係る発電装置は、複数の第１部材１と、複数の第２部材２とを有している。第２部材２は、第１部材１の間に配置されている。第２面２ａは、第２部材２の両面に設けられている。第２部材２は、第２面２ａが第１面１ａと対向して接するように、第１部材１の間に配置されている。

このことを別の観点からいえば、第６実施形態に係る発電装置は、上記の第１実施形態ないし第５実施形態に係る発電体が、第１部材１から第２部材２に向かう方向に複数積層された構造を有している。

第６実施形態に係る発電装置によると、第１面１ａと第２面２ａとの真実接触面積が変化することによる発電が、複数箇所において行われる。そのため、第６実施形態に係る発電装置によると、発電量を増加させることができる。

（第７実施形態）
以下に、第６実施形態に係る圧力センサを説明する。

図１５は、第７実施形態に係る圧力センサの模式図である。図１５に示すように、第７実施形態に係る圧力センサは、発電体１００と、検知部２００とを有している。発電体１００は、第１実施形態ないし第５実施形態に係る発電体である。検知部２００は、発電体１００から出力される電流を検知する。なお、検知部２００は、発電体１００から出力される電圧を検知してもよい。検知部２００は、発電体１００に接続されている。より具体的には、検知部２００は、第１可撓部１２及び第２可撓部２２（又は第１繊維１３及び第２繊維２３）に接続されている。検知部２００としては、例えばオペアンプを用いたコンパレータ回路が用いられる。

上記のとおり、発電体１００に第１部材１及び第２部材２が相対的に近づくような圧力が外部から加わった場合、発電体１００は、電流及び電圧を出力する。そのため、この電流又は電圧を検知部２００で検知することにより、発電体１００に外部から印加された圧力を検知することができる。

以上のように、本発明の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

上記の各実施形態は、発電体、発電装置及び圧力センサに特に有利に適用される。

１第１部材、１ａ第１面、２第２部材、２ａ第２面、３第３部材、４おもり、５挟持部材、１１第１絶縁膜、１２第１可撓部、１３第１繊維、１３ａ外周面、２１第２絶縁膜、２２第２可撓部、２３第２繊維、２３ａ外周面、１００発電体、２００検知部、Ｔ１，Ｔ２厚さ。

Claims

第１面を有する第１部材と、
第２面を有する第２部材とを備え、
前記第１部材は、前記第１面を構成する第１絶縁膜を有し、
前記第２部材は、前記第２面を構成し、かつ前記第１絶縁膜と接することにより前記第１絶縁膜と逆の極性に帯電する第２絶縁膜を有し、
前記第１部材と前記第２部材とは、前記第１面と前記第２面とが対向して接するように配置され、
前記第１部材及び前記第２部材が相対的に近づくように圧力が加わることにより、前記第１面と前記第２面との真実接触面積が変化する、発電体。
前記第１部材は、前記第１絶縁膜に接する導電性の第１可撓部をさらに有し、
前記第２部材は、前記第２絶縁膜に接する導電性の第２可撓部をさらに有し、
前記第１可撓部の弾性率は、前記第１絶縁膜よりも低く、
前記第２可撓部の弾性率は、前記第２絶縁膜よりも低く、
前記第１面及び前記第２面の少なくとも一方には、凹凸が設けられる、請求項１に記載の発電体。
前記第１可撓部及び前記第２可撓部は、導電性のエラストマー又は表面が導電膜で被覆された絶縁性のエラストマーにより構成される、請求項２に記載の発電体。
前記第１部材及び前記第２部材のうち、上方に位置する方に取り付けられるおもりをさらに備える、請求項２又は３に記載の発電体。
前記第１面及び前記第２面の少なくとも一方は、１００μｍ以上２ｍｍ以下の十点平均粗さを有する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の発電体。
第３部材をさらに備え、
前記第３部材は、前記第１可撓部の前記第１絶縁膜とは反対側及び前記第２可撓部の前記第２絶縁膜とは反対側に取り付けられ、
前記第３部材の弾性率は、前記第１可撓部及び前記第２可撓部よりも小さい、請求項２〜５のいずれか１項記載の発電体。
前記第１部材は、導電性の第１繊維をさらに有し、
前記第２部材は、導電性の第２繊維をさらに有し、
前記第１繊維の外周面は、前記第１絶縁膜により被覆され、
前記第２繊維の外周面は、前記第２絶縁膜により被覆され、
前記第１部材及び前記第２部材が相対的に近づくように圧力が加わることにより、前記第２部材が前記第１面に沿って変形することにより前記第１面と前記第２面との真実接触面積が変化する、請求項１に記載の発電体。
前記第１絶縁膜及び前記第２絶縁膜を構成する材料は、ポリメチルメタクリレート、ナイロン、ポリビニルアルコール、ポリエステル、ポリイソプチレン、ポリウレタン、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルブチラール、ポリクロロプレン、天然ゴム、ポリアクリロニトリル、ポリジフェノールカーボネート、塩化ポリエーテル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、ポリテトラフルオロエチレン、四フッ化エチレン及び六フッ化プロピレン共重合体からなる群から選択され、
前記第１絶縁膜及び前記第２絶縁膜を構成する材料は、互いに異なる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発電体。
前記第１絶縁膜及び前記第２絶縁膜のうち正に帯電する方は、ダイヤモンドライクカーボン膜である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発電体。
前記第１絶縁膜及び前記第２絶縁膜のうち負に帯電する方は、パーフルオロポリエーテル膜である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発電体。
前記第１絶縁膜及び前記第２絶縁膜の少なくとも一方は、厚さが２０μｍ以下である、請求項１０に記載の発電体。
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の前記発電体を複数備え、
前記複数の前記発電体の各々は、前記第１部材から前記第２部材に向かう方向に沿って積層される、発電装置。
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の前記発電体と、
前記発電体に接続される検知部とを備え、
前記検知部は、前記発電体から出力される電流及び電圧の少なくとも一方を検知する、圧力センサ。