JP7086414B2

JP7086414B2 - 摩擦発電装置

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Publication number: JP7086414B2
Application number: JP2020532480A
Authority: JP
Inventors: ▲ジュン▼豪崔; 純清水; ウェハンチェン
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2018-07-25
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2022-06-20
Anticipated expiration: 2039-07-25
Also published as: JPWO2020022453A1; WO2020022453A1

Description

本発明は、複数の帯電体を互いに摩擦させることで発電を行う摩擦発電装置に関するものである。

摩擦発電装置とは、複数の帯電体を互いに摩擦させることで発電を行う装置である。摩擦発電装置は、他の発電方式の発電装置に比較して小型化することができ、また、蓄電池に比較して低コストで製造することができる利点を有する。摩擦発電装置は、これらの利点を活かし、近年ではモバイル装置（持ち運び可能な装置）及びウェアラブル装置（身体に身に付けることが可能な装置）の電源として使用されている。

摩擦発電装置には、接触・離隔型と摺動型とが存在している。例えば、特許文献１に示される摩擦発電装置（同文献の図８に示される装置）は、第１電極に設けられた第１エネルギー発生層（第１帯電体）と、第２電極に設けられた第２エネルギー発生層（第２帯電体）とを備え、第１エネルギー発生層と第２エネルギー発生層との接触・離隔により電気エネルギーを発生させる接触・離隔型である。さらに、特許文献２に示される摩擦発電装置（同文献の図１に示される装置）は、導電素子が設けられた第１の摩擦層（第１帯電体）と、導電素子が設けられた第２の摩擦層（第２帯電体）とを備え、第１の摩擦層と第２の摩擦層とが互いに接触した状態で相対的にスライドし、このスライドによる摩擦発電を行う摺動型である。

特開２０１６－２０８８１６号公報特表２０１６－５１０２０５号公報

しかし、上記特許文献１及び２に記載の発明では、第１帯電体及び第２帯電体の摩擦により両帯電体が摩耗するおそれがあり、当該摩耗に対する帯電体の耐久性を高める必要がある。さらに、上記特許文献１及び２に記載の発明では、両帯電体間の摩擦によりエネルギー損失（当該摩擦により生じたエネルギーが電気エネルギー以外のエネルギーに変換されること）が生じるため、当該摩擦によるエネルギー損失を低く抑えて発電効率を高める必要がある。

そこで、本発明は、複数の帯電体を互いに摩擦させることで発電を行う摩擦発電装置において、（ａ）摩耗に対する帯電体の耐久性を高め、（ｂ）帯電体の摩擦によるエネルギー損失を低く抑えて発電効率を高めることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、第１帯電体と第２帯電体とを互いに摩擦させることで発電を行う摩擦発電装置であって、前記第１帯電体において、前記第２帯電体との間で前記摩擦が行われる部分が非晶質炭素膜により構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１帯電体において第２帯電体との間で摩擦が行われる部分が非晶質炭素膜により構成されていることで、第１帯電体において低摩擦性を有する非晶質炭素膜が第２帯電体と摩擦するため、第１帯電体と第２帯電体との間で強い摩擦力が生じるのを抑制することができる。このため、当該摩擦力により第１帯電体及び第２帯電体に摩耗が生じるのを防止することができ、摩耗に対する第１帯電体及び第２帯電体の耐久性を高めることができる。

また、本発明によれば、第１帯電体において第２帯電体との間で摩擦が行われる部分が非晶質炭素膜により構成されていることで、第１帯電体において低摩擦性を有する非晶質炭素膜が第２帯電体と摩擦するため、第１帯電体と第２帯電体との間で強い摩擦力が生じるのを抑制することができる。これにより、当該摩擦力により電気エネルギー以外のエネルギーが生じるのを抑制することができ、エネルギー損失を低く抑えて発電効率を高めることができる。

さらに、上記摩擦発電装置は、前記第１帯電体において、前記非晶質炭素膜がＤＬＣであってもよい。このように、非晶質炭素膜の中でも黒鉛よりダイヤモンドに近い特性を有する膜（ＤＬＣ）を使用することで、導電性が低いため帯電性能が高いというダイヤモンドの性質を有効に利用し、発電効率をさらに高めることができる。さらに、摩擦されている間において摩擦係数が小さい状態で安定するというＤＬＣの特性を活かし、第１帯電体及び第２帯電体の摩耗耐久性を安定して高く維持することができる。

さらに、上記摩擦発電装置において、前記第２帯電体はＤＬＣで構成されており、前記第１帯電体を構成するＤＬＣと前記第２帯電体を構成するＤＬＣとの間で前記摩擦が行われ、前記第１帯電体を構成するＤＬＣの構造式と前記第２帯電体を構成するＤＬＣの構造式とは、互いに異なっていてもよい。このように、第１帯電体を構成するＤＬＣと第２帯電体を構成するＤＬＣとの間で摩擦が行われることで、第１帯電体及び第２帯電体のいずれか一方のみをＤＬＣで構成する場合に比較して、ＤＬＣの利点を十分に享受することができる。その上で、第１帯電体を構成するＤＬＣの構造式と第２帯電体を構成するＤＬＣの構造式とが互いに異なっていることで、これらＤＬＣの電荷発現傾向を異ならせて第１帯電体と第２帯電体との間の摩擦発電効果を高めることができる。

また、上記摩擦発電装置において、前記第１帯電体を構成するＤＬＣの構造式と前記第２帯電体を構成するＤＬＣの構造式には、炭素以外の元素であって互いに異なるものがそれぞれ含まれていてもよい。これにより、第１帯電体を構成するＤＬＣと第２帯電体を構成するＤＬＣとの電荷発現傾向を大きく異ならせることができ、第１帯電体と第２帯電体とによる摩擦発電効果をさらに高めることができる。

また、上記摩擦発電装置において、前記第１帯電体は、前記第２帯電体の表面上を摺動することで、前記第２帯電体との間で前記摩擦を行う構成とされていてもよい。これにより、第１帯電体と第２帯電体との摩擦による両帯電体の摩耗を非晶質炭素膜により防止できる利点を活かし、第１帯電体の摺動により高い発電効率を実現することが容易となる。

以上のように、本発明によれば、複数の帯電体を互いに摩擦させることで発電を行う摩擦発電装置において、（ａ）摩耗に対する帯電体の耐久性を高め、（ｂ）帯電体の摩擦によるエネルギー損失を低く抑えて発電効率を高めることができる。

本発明に係る摩擦発電装置の第１実施形態を示す全体構成図である。図１に示す摩擦発電装置の試験例における結果を示すグラフである。図１に示す摩擦発電装置の試験例において帯電体にＤＬＣを形成するための成膜条件を示す表である。本発明に係る摩擦発電装置の第２実施形態を示す全体構成図である。図２に示す種々の帯電ペアーの摩擦特性を評価するための試験条件を示す図及び表である。図２に示す種々の帯電ペアーの摩擦評価における結果を示すグラフ及び表である。図４に示す摩擦発電装置における試験条件を示す図及び表である。図７に示す摩擦発電試験における結果を示すグラフである。

次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、本発明に係る摩擦発電装置の第１実施形態について説明する。図１は、本発明に係る摩擦発電装置の第１実施形態を示す全体構成図である。同図に示すように、摩擦発電装置１は、複数の帯電体を互いに摩擦させて発電を行う発電装置であり、接触・離隔型の発電装置である。この摩擦発電装置１は、第１帯電体２と、第１帯電体２に対して摩擦を行うことが可能な第２帯電体３と、第１帯電体２を駆動して第１帯電体２及び第２帯電体３間の摩擦を行うソレノイド４（駆動部）と、第１帯電体２と第２帯電体３とを電気的に連結する導線５と、導線５に設けられた回路素子６とを備える。

第１帯電体２は、導体としてのアルミニウム板２ａと、アルミニウム板２ａに形成された非晶質炭素膜２ｂと、銅又は金等の導体で構成された第１電極２ｃとで構成されている。ここで、非晶質炭素膜２ｂは、第１帯電体２において第２帯電体３との間で摩擦が行われる部分に形成される。また、アルミニウム板２ａに代えて、アルミニウム以外の金属、ガラス、ポリマー、セラミックなどで構成された板状部材を設けてもよい。さらに、アルミニウム板２ａを設けず、非晶質炭素膜２ｂと第１電極２ｃとのみを設けてもよい。

第２帯電体３は、導体としてのアルミニウム板３ａと、アルミニウム板３ａに形成された樹脂膜３ｂと、銅又は金等の導体で構成された第２電極３ｃとで構成されている。ここで、樹脂膜３ｂは、第２帯電体３において第１帯電体２との間で摩擦が行われる部分に形成される。また、アルミニウム板３ａに代えて、アルミニウム以外の金属、ガラス、ポリマー、セラミックなどで構成された板状部材を設けてもよい。さらに、アルミニウム板３ａを設けず、樹脂膜３ｂと第２電極３ｃとのみを設けてもよい。また、樹脂膜３ｂを設けず、アルミニウム板３ａと第２電極３ｃとのみを設けてもよい。

また、非晶質炭素膜２ｂは、分子中にダイヤモンド結晶構造と黒鉛構造との両方を含む膜である。ここで、ダイヤモンド結晶構造とは、ｓｐ^３混成軌道を有する炭素原子（ｓｐ^３結合がなされた炭素原子）を含み正四面体に形成された分子構造である。また、黒鉛構造とは、ｓｐ^２混成軌道を有する炭素原子（ｓｐ^２結合がなされた炭素原子）により正六角形状の平面層に形成された分子構造である。非晶質炭素膜２ｂは、低摩擦性、耐摩耗性、高硬度性、離型性、耐腐食性、電気抵抗率の制御性を有している。また、樹脂膜３ｂは、樹脂で形成された膜であり、例えば、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）、ＰＭＭＡなどである。

非晶質炭素膜２ｂには、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）を使用するのが好ましい。ここで、ＤＬＣとは、非晶質炭素膜のうち、黒鉛よりもダイヤモンドに近い特性を有するものである。ＤＬＣとしては、Ｈ－ＤＬＣ、Ｆ－ＤＬＣ、Ｓｉ－ＤＬＣ、Ｍｅ－ＤＬＣ、Ｂ－ＤＬＣ、Ｃｌ－ＤＬＣを使用することができる。ここで、Ｈ－ＤＬＣとは、分子中に水素原子が含まれるＤＬＣである。また、Ｆ－ＤＬＣとは、分子中にフッ素原子が含まれるＤＬＣである。さらに、Ｓｉ－ＤＬＣとは、分子中にケイ素原子が含まれるＤＬＣである。また、Ｍｅ－ＤＬＣとは、分子中に金属原子が含まれるＤＬＣである。また、Ｂ－ＤＬＣとは、分子中にホウ素原子が含まれるＤＬＣである。さらに、Ｃｌ－ＤＬＣとは、分子中に塩素原子が含まれるＤＬＣである。

ソレノイド４は、第１帯電体２と第２帯電体３との間の摩擦を行うために、第１帯電体２のアルミニウム板２ａに接続されて第１帯電体２を第２帯電体３に向けて押圧する。なお、上記摩擦を行うことができる駆動部であれば、ソレノイド４以外のものを設置することもできる。また、第１帯電体２及び第２帯電体３の間の摩擦が可能であれば、ソレノイド４などの駆動部を設けなくてもよい。

回路素子６は、導線５の一端と他端とがそれぞれ接続されて配置される。回路素子６としては、通常は電力を取り出すのに適宜な負荷又は機器が使用される。さらに、摩擦発電装置１の発電効率について試験する場合には、回路素子６として電流計又は電圧計を設置することができる。また、回路素子６を設けなくても電力を取り出すことができるのであれば、回路素子６を設置しなくてもよい。

次に、図１に示す摩擦発電装置１の動作について詳細に説明する。

まず、ソレノイド４を操作して第１帯電体２を第２帯電体３に向けて押圧する。これにより、第１帯電体２と第２帯電体３とが接触し、第１帯電体２と第２帯電体３とのいずれか一方の接触表面（本実施形態では非晶質炭素膜２ｂ又は樹脂膜３ｂ）に正電荷が帯電すると共に、他方の接触表面（本実施形態では非晶質炭素膜２ｂ又は樹脂膜３ｂ）に負電荷が帯電する。

ここで、非晶質炭素膜２ｂと樹脂膜３ｂとのいずれに正電荷及び負電荷が帯電するかは、帯電列によって定まる。帯電列とは、材質の異なる様々な帯電体を正電荷及び負電荷の帯電傾向に基づいて並べたものである。例えば、非晶質炭素膜２ｂが樹脂膜３ｂより正電荷の発現傾向が高い場合（樹脂膜３ｂが非晶質炭素膜２ｂより負電荷の発現傾向が高い場合）、非晶質炭素膜２ｂに正電荷が帯電すると共に樹脂膜３ｂに負電荷が帯電する。

次に、ソレノイド４を操作して第１帯電体２を第２帯電体３から離隔させる。これにより、第１帯電体２において、内部における電荷の釣り合いを保つために、第１帯電体２において電荷が帯電した側（本実施形態では非晶質炭素膜２ｂ）の反対側（本実施形態では第１電極２ｃ）に電荷（非晶質炭素膜２ｂで帯電した電荷と異なる符号を持つ電荷）が帯電する。一方、第２帯電体３において、内部における電荷の釣り合いを保つために、第２帯電体３において電荷が帯電した側（本実施形態では樹脂膜３ｂ）の反対側（本実施形態では第２電極３ｃ）に電荷（樹脂膜３ｂで帯電した電荷と異なる符号を持つ電荷）が帯電する。

これにより、正電荷が帯電している電極から負電荷が帯電している電極に向けて電流が流れる。図１においては、第２電極３ｃから第１電極２ｃへ電流ｉが流れることを示した。この場合、電流ｉは、第２電極３ｃから導線５を通って第１電極２ｃに流れる。また、導線５を流れる電流ｉは回路素子６を通過する。

次に、本発明に係る摩擦発電装置の第１実施形態における試験例について説明する。図２は、図１に示す摩擦発電装置の試験例における結果を示すグラフである。図２に示すグラフは、図１に示す摩擦発電装置１において回路素子６として電流計を設置した装置において、非晶質炭素膜２ｂ及び樹脂膜３ｂとして（又は、に代えて）様々な保護膜を使用した（又は、保護膜を使用しない）摩擦発電試験装置の発電量を示している。具体的には、図２は、上記摩擦発電試験装置の電流計で検出された電流の大きさを示している。図２に示すグラフにおいて、横軸は第１帯電体２の種類を示しており、縦軸は上記摩擦発電試験装置の発電量を示している。また、各種類の第１帯電体２の領域において、横軸の下方に示された□の順序で第２帯電体３の種類が示されている。

第１帯電体及び第２帯電体に形成された膜の材質としては、Ｋａｐｔｏｎ、Ｔｅｆｌｏｎ、ＰＭＭＡ、Ｈ－ＤＬＣ、Ｆ－ＤＬＣ、Ｓｉ－ＤＬＣをそれぞれ使用した。ここで、Ｋａｐｔｏｎ、Ｔｅｆｌｏｎ、ＰＭＭＡは従来から使用されていた樹脂膜である。また、Ｈ－ＤＬＣ、Ｆ－ＤＬＣ、Ｓｉ－ＤＬＣは、非晶質炭素膜のＤＬＣとして使用するものである。さらに、同図に示すＡｌ（同図横軸に示されるＡｌ、当該横軸下方に示される□Ａｌ）とは、第１帯電体又は／及び第２帯電体をアルミニウムで構成すると共に第１帯電体又は／及び第２帯電体に保護膜を形成しないで摩擦を行った場合のデータを示すものである。

ここで、第１帯電体及び第２帯電体へのＤＬＣの成膜は、図３に示すように行った。図３は、図１に示す摩擦発電装置の試験例において帯電体にＤＬＣを形成するための成膜条件を示す表であり、具体的にはバイポーラＰＢIIＤ法における成膜条件を示す表である。ここで、バイポーラＰＢIIＤ法とは、チャンバの内部に設けた電極に正電圧及び負電圧（パルス電圧）を印加してチャンバの内部にプラズマを発生させ、このプラズマに成膜ガスを通過させることで成膜ガスからイオンを発生させる方法である。

成膜ガスには、Ｈ－ＤＬＣの製造にはトルエン（Ｃ_６Ｈ_５ＣＨ_３）、Ｆ－ＤＬＣの製造にはヘキサフルオロベンゼン（Ｃ_６Ｆ_６）、Ｓｉ－ＤＬＣの製造にはテトラメチルフラン（Ｓｉ（ＣＨ_３）_４）を使用した。また、これらの製造にあたっては４０００Ｈｚのパルス電圧を印加した。さらに、正電圧は１．５ｋＶであり、負電圧は、－３．０ｋＶ、－５．０ｋＶ、－７．０ｋＶのいずれかとした。さらに、膜形成時の圧力は０．４Ｐａとした。そして、膜形成時間は２ｈ又は４ｈとした。

図２に示すように、第１帯電体及び第２帯電体のいずれか一方にＤＬＣを形成すると共に他方に樹脂膜を形成した場合、どのような樹脂膜（Ｋａｐｔｏｎ、Ｔｅｆｌｏｎ、ＰＭＭＡ）を形成すると共にどのようなＤＬＣ（Ｈ－ＤＬＣ、Ｆ－ＤＬＣ、Ｓｉ－ＤＬＣ）を形成しても、電流の計測値が１００ｎＡを超える結果（十分な発電量が得られるという結果）を示している。特に、第１帯電体及び第２帯電体の一方にＤＬＣを形成すると共に他方にＴｅｆｌｏｎを形成する場合は、これら帯電体の両方に樹脂膜を形成する場合に、又は、これら帯電体の一方に樹脂膜を形成すると共に他方に保護膜を形成しない（他方がＡｌである）場合に比較して、高い発電量を実現することができる。

さらに、図２に示されるように、第１帯電体と第２帯電体との両方に保護膜としてＤＬＣを形成する場合であっても、第１帯電体及び第２帯電体に形成されるＤＬＣが、Ｈ－ＤＬＣ、Ｆ－ＤＬＣ、Ｓｉ－ＤＬＣのうち互いに異なるものであれば、摩擦発電を実現することができる。つまり、第１帯電体を構成するＤＬＣと第２帯電体を構成するＤＬＣとが、それらの構造式において炭素以外の元素であって互いに異なるものが含まれれば（すなわち、これらＤＬＣが異なる構造式を有すれば）、摩擦発電を行うことができる。

以上のように、本発明に係る摩擦発電装置の第１実施形態によれば、第１帯電体２において第２帯電体３との間で摩擦が行われる部分が非晶質炭素膜２ｂにより構成されていることで、第１帯電体２において低摩擦性を有する非晶質炭素膜２ｂが第２帯電体３と摩擦するため、第１帯電体２と第２帯電体３との間で強い摩擦力が生じるのを抑制することができる。このため、当該摩擦力により第１帯電体２及び第２帯電体３に摩耗が生じるのを防止することができ、摩耗に対する第１帯電体２及び第２帯電体３の耐久性を高めることができる。

また、本発明に係る摩擦発電装置の第１実施形態によれば、第１帯電体２において第２帯電体３との間で摩擦が行われる部分が非晶質炭素膜２ｂにより構成されていることで、第１帯電体２において低摩擦性を有する非晶質炭素膜２ｂが第２帯電体３と摩擦するため、第１帯電体２と第２帯電体３との間で強い摩擦力が生じるのを抑制することができる。これにより、当該摩擦力により電気エネルギー以外のエネルギーが生じるのを抑制することができ、エネルギー損失を低く抑えて発電効率を高めることができる。

さらに、本発明に係る摩擦発電装置の第１実施形態によれば、第１帯電体２において第２帯電体３との間で摩擦が行われる部分が非晶質炭素膜２ｂにより構成されていることで、非晶質炭素膜が薄膜に形成されるという特性を利用し、第１帯電体２への膜形成に伴う摩擦発電装置１の小型化が可能である。また、非晶質炭素膜２ｂは高硬度性を有するため、第１帯電体２及び第２帯電体３の摩擦により膜（非晶質炭素膜２ｂ）そのものが摩耗するのも防止することができる。

さらに、上記第１実施形態において、第１帯電体２において非晶質炭素膜２ｂがＤＬＣであってもよい。このように、非晶質炭素膜の中でも黒鉛よりダイヤモンドに近い特性を有する膜（ＤＬＣ）を使用することで、導電性が低いため帯電性能が高くなることが可能というダイヤモンドの性質を有効に利用し、発電効率をさらに高めることができる。さらに、摩擦されている間において摩擦係数が小さい状態で安定するというＤＬＣの特性を活かし、第１帯電体２及び第２帯電体３の摩耗耐久性を安定して高く維持することができる。

また、上記第１実施形態において、第２帯電体３は樹脂膜３ｂに代えてＤＬＣが形成され、第１帯電体２を構成するＤＬＣ（非晶質炭素膜２ｂ）と第２帯電体３を構成するＤＬＣとの間で摩擦が行われ、第１帯電体２を構成するＤＬＣの構造式と第２帯電体３を構成するＤＬＣの構造式とが互いに異なっていてもよい。このように、第１帯電体２を構成するＤＬＣと第２帯電体３を構成するＤＬＣとの間で摩擦が行われることで、第１帯電体２及び第２帯電体３のいずれか一方のみをＤＬＣで構成する場合に比較して、ＤＬＣの利点を十分に享受することができる。その上で、第１帯電体２を構成するＤＬＣの構造式と第２帯電体３を構成するＤＬＣの構造式とが互いに異なっていることで、これらＤＬＣの電荷発現傾向を異ならせて第１帯電体２と第２帯電体３との間の摩擦発電効果を高めることができる。

また、上記第１実施形態において、第１帯電体２を構成するＤＬＣの構造式と第２帯電体３を構成するＤＬＣの構造式には、炭素以外の元素であって互いに異なるものがそれぞれ含まれていてもよい。これにより、第１帯電体２を構成するＤＬＣと第２帯電体３を構成するＤＬＣとの電荷発現傾向を大きく異ならせることができ、第１帯電体２と第２帯電体３とによる摩擦発電効果をさらに高めることができる。

次に、本発明に係る摩擦発電装置の第２実施形態について説明する。なお、以下で説明する事項以外の事項、および図示する以外の事項については、第１実施形態と同じである。

図４は、本発明に係る摩擦発電装置の第２実施形態を示す全体構成図である。同図に示すように、摩擦発電装置１１は、複数の帯電体を互いに摩擦させることで発電を行う発電装置であり、横滑り型の発電装置である。この摩擦発電装置１１は、第１帯電体１２と、第１帯電体１２に対して摩擦を行う構成とされている第２帯電体１３及び第３帯電体１４と、第２帯電体１３及び第３帯電体１４が載置される基板１５と、第２帯電体１３と第３帯電体１４とを電気的に連結する導線１６と、導線１６に設けられた回路素子１７とを備える。

第１帯電体１２は、第２帯電体１３及び第３帯電体１４の表面上を摺動可能である。また、第１帯電体１２における、第２帯電体１３及び第３帯電体１４との間で摩擦が行われる部分は、非晶質炭素膜（図示せず）により構成されている。

さらに、摩擦発電装置１１は、第１帯電体１２を摺動させる駆動部（図示せず）を備えている。ここで、駆動部は、第１帯電体１２を様々な速さで摺動させることができる。例えば、回路素子１７に設けた電流計の計測値が所望の値になるように（摩擦発電装置１１で所望の発電量が得られるように）、駆動部により第１帯電体１２を駆動することができる。

次に、図４に示す摩擦発電装置１１の動作について説明する。ここで、第１帯電体１２は、第２帯電体１３と第３帯電体１４との両者上面（両者表面）に接するように（両者にまたがるように）配置されている。まず、駆動部により第１帯電体１２を往復摺動または回転摺動させて第２帯電体１３側に移動させる。次に、駆動部により第１帯電体１２を往復摺動または回転摺動させて第３帯電体１４側に移動させる。これらにより、第１帯電体１２、第２帯電体１３及び第３帯電体１４において電荷が移動することで、摩擦発電装置１１で発電が行われる。

一方、駆動部により基板１５を回転させることにより、基板１５に取り付けられた第２帯電体１３及び第３帯電体１４も回転させる。このようにして、第２帯電体１３及び第３帯電体１４の回転によっても帯電体１２～１４同士の摩擦を発生させ、帯電体１２～１４における電荷の移動を促進する。これにより、摩擦発電装置１１における発電効率を高める。

さらに、本発明に係る摩擦発電装置の第２実施形態における試験例について説明する。

図５は、図４に示す摩擦発電装置の摩擦発電試験例における試験条件を示す図及び表であり、（ａ）は摩擦発電試験装置を示す概略図であり、（ｂ）は摩擦発電試験条件を示す表である。

同図（ａ）に示すように、摩擦発電試験装置１０１は、載置台１０２と、載置台１０２の上面で回転する基板１０３（図４に示す第１帯電体１２に相当）と、基板１０３に押しつけられるボール１０４（図４に示す第２帯電体１３及び第３帯電体１４に相当）とを備えている。

ここで、同図（ｂ）に示すように、摩擦発電試験装置１０１は、ボールオンディスク型回転摩擦（Ball-on-Disk Mode Rotating）を行うものとし、ボール１０４の荷重(Load)は０．９８Ｎとした。また、基板１０３の回転半径（Rotate Radius）を３ｍｍとした。さらに、基板１０３の回転速度(Speed)は６０ｒｐｍとした。また、基板１０３を構成する試験材料（Tested Material）にはＫａｐｔｏｎ又はＤＬＣを使用した。さらに、摩擦環境（Atmosphere）は大気（Air）とすると共に、摩擦環境における湿度（Humidity）は室内湿度（RH）とした。また、摩擦環境における温度（Temperature）は室温（RT）とした。さらに、ボール１０４はアルミニウム製であった。また、ＤＬＣは、バイポーラＰＢIIＤ法により生成した。

図６は、図４に示す摩擦発電装置の摩擦発電試験例における結果を示すグラフ及び表である。図６（ａ）は、摺動サイクル（横軸）に対する基板１０３の摩擦係数（縦軸）を示すグラフである。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すグラフを簡潔に示した表である。これらの図において、基板１０３には、Ｋａｐｔｏｎ、Ｋａｐｔｏｎ表面にＳｉ－ＤＬＣを形成したもの（Kapton coated with Si-DLC）、負電圧１ｋＶかつ成膜時間２ｈで得られたＨ－ＤＬＣ（H-DLC -1kV2h）、負電圧１ｋＶかつ成膜時間６ｈで得られたＨ－ＤＬＣ（H-DLC -1kV6h）、負電圧３ｋＶかつ成膜時間３ｈで得られたＳｉ－ＤＬＣ（Si-DLC -3kV3h）のいずれかとした。

図６に示されるように、Ｈ－ＤＬＣ及びＳｉ－ＤＬＣのいずれを使用する場合であっても、Ｋａｐｔｏｎを使用する場合に比較して基板１０３の摩擦係数を小さく抑えることができた。さらに、ＫａｐｔｏｎにＤＬＣ（Ｓｉ－ＤＬＣ）を形成するよりも、基板１０３そのものをＤＬＣとした方が基板１０３の摩擦係数を小さくすることができた。また、基板１０３にＤＬＣを使用する場合は、いずれの場合であっても微小時間に基板１０３の摩擦係数が急上昇することなく、時間が経過しても（摺動サイクルが増加しても）安定して摩擦係数を小さく抑えることができた。

図７は、図４に示す摩擦発電装置における試験条件を示す図及び表であり、（ａ）は摩擦発電試験装置を示す概略図であり、（ｂ）は摩擦発電試験条件を示す表である。なお、図７（ａ）に示す摩擦発電試験装置２０１は、図４に示す摩擦発電装置１１に対応するものである。

摩擦発電試験装置２０１において、荷重(Load)を９．８Ｎとし、基板２０５の回転周波数(Rotating frequency)を１０Ｈｚとし、試験時間(Time)を３ｈとした。この荷重は、第１帯電体２０２を第２帯電体２０３及び第３帯電体２０４に押しつけるものである。第２帯電体２０３及び第３帯電体２０４には、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を使用した。第１帯電体２０２には、アルミニウム板単体、又は、アルミニウム板の表面にＨ－ＤＬＣを形成したものを使用した。摩擦環境（Atmosphere）を大気（Air）とし、摩擦環境における湿度（Humidity）を室内湿度（RH）とし、摩擦環境における温度（Temperature）を室温（RT）とした。このような条件で、第１帯電体２０２、第２帯電体２０３及び第３帯電体２０４同士の摩擦により発生した電流（出力電流）の大きさを測定した。なお、Ｈ－ＤＬＣの形成には、バイポーラＰＢIIＤ法を使用して負パルス電圧(Negative Pulse Voltage)を－３．０ｋＶとした。

図８は、図７に示す摩擦発電試験における結果を示すグラフである。図８において、Al/PTFEは、第２帯電体２０３及び第３帯電体２０４を構成するＰＴＦＥと第１帯電体２０２を構成するアルミニウムとを摩擦させた結果を示している。H-DLC/PTFEは、第２帯電体２０３及び第３帯電体２０４を構成するＰＴＦＥと第１帯電体２０２を構成するＨ－ＤＬＣとを摩擦させた結果を示している。図８に示すグラフにおいて、横軸は基板１０５の回転時間（min）を示しており、縦軸は摩擦発電試験装置２０１の出力電流（μＡ）を示している。この回転時間が試験時間に相当する。図８に示すように、Ｈ－ＤＬＣをＰＴＦＥと摩擦させると、ＡｌをＰＴＦＥと摩擦させる場合に比較して、１８０分間全体にわたって出力電流の大きさを１μＡ程度に安定させることができる。つまり、摩擦発電試験装置２０１（図７）において、Ｈ－ＤＬＣをＰＴＦＥと摩擦させると、Ｈ－ＤＬＣ及びＰＴＦＥにおいて摩擦力及び摩擦熱による摩耗を抑制することができ、長時間において発電量（出力電流）を所定範囲内に安定させることができる。

以上により、本発明に係る摩擦発電装置の第２実施形態によれば、第１帯電体１２は、第２帯電体１３（第３帯電体１４）の表面上を摺動することで、第２帯電体１３（第３帯電体１４）との間で摩擦を行う構成とされている。これにより、第１帯電体１２と第２帯電体１３（第３帯電体１４）との摩擦による帯電体１２－１４の摩耗を非晶質炭素膜により防止できる利点を活かし、第１帯電体１２の摺動により高い発電効率を実現することができる。特に、第１帯電体１２を高速で摺動させても帯電体１２－１４の摩耗を防止することができるため、第１帯電体１２を高速で摺動させて高い発電効率を実現することができる。

なお、上記第２実施形態は、第１帯電体１２を横滑りするように摺動させることで第１帯電体１２を第２帯電体１３（第３帯電体１４）と摩擦させる構成であるが、第１帯電体１２を回転するように摺動させることで第１帯電体１２を第２帯電体（第３帯電体１４）と摩擦させる構成とすることもできる。

なお、上記両実施形態に係る摩擦発電装置１、１１は、モバイル装置、ウェアラブル装置及びＩｏＴ（Internet of Things）に内蔵することができる。また、上記摩擦発電装置１１は、スピナーにおける回転軸と軸受との間に設置することができる。これにより、スピナーの利用者は、ハンドルなどを操作して回転軸を回転させて摩擦発電を行うことが可能になる。

１摩擦発電装置
２第１帯電体
２ａアルミニウム板
２ｂ非晶質炭素膜
２ｃ第１電極
３第２帯電体
３ａアルミニウム板
３ｂ樹脂膜
３ｃ第２電極
４ソレノイド
５導線
６回路素子
１１摩擦発電装置
１２第１帯電体
１３第２帯電体
１４第３帯電体
１５基板
１６導線
１７回路素子
１０１摩擦発電試験装置
１０２載置台
１０３基板
１０４ボール
２０１摩擦発電試験装置
２０２第１帯電体（Ｈ－ＤＬＣまたはＡｌ）
２０３第２帯電体（ＰＴＦＥ）
２０４第３帯電体（ＰＴＦＥ）
２０５基板

Claims

第１帯電体と第２帯電体とを互いに摩擦させることで発電を行う摩擦発電装置であって、
前記第１帯電体において、前記第２帯電体との間で前記摩擦が行われる部分は非晶質炭素膜により構成されており、
前記第１帯電体において、前記非晶質炭素膜はＤＬＣであり、
前記第２帯電体はＤＬＣで構成されており、
前記第１帯電体を構成するＤＬＣと前記第２帯電体を構成するＤＬＣとの間で前記摩擦が行われ、
前記第１帯電体を構成するＤＬＣの構造式と前記第２帯電体を構成するＤＬＣの構造式とは、互いに異なることを特徴とする摩擦発電装置。
前記第１帯電体を構成するＤＬＣの構造式と前記第２帯電体を構成するＤＬＣの構造式には、炭素以外の元素であって互いに異なるものがそれぞれ含まれていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦発電装置。
前記第１帯電体は、前記第２帯電体の表面上を摺動することで、前記第２帯電体との間で前記摩擦を行う構成とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦発電装置。