JP7308509B2

JP7308509B2 - 発電装置

Info

Publication number: JP7308509B2
Application number: JP2019025146A
Authority: JP
Inventors: 雄高大野; 正広松永
Original assignee: Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2019-02-15
Filing date: 2019-02-15
Publication date: 2023-07-14
Anticipated expiration: 2039-02-15
Also published as: JP2020137192A

Description

本開示は、発電装置に関する。

近年、人体や動物などの生体の皮膚に直接的に取り付け可能なウェアラブルデバイスの開発が進められている。デバイスの取り付け対象となる皮膚は、たいていの場合に曲面形状であり、動きに応じてその曲面形状が変化する。このような形状変化に追従可能とするため、例えば、伸縮可能なシート状の基材内に複数の配線層を形成し、配線層間の静電容量の変化を検出するタッチセンサが提案されている。

国際公開第２０１７／１１０４９０号公報

静電容量の変化を検出するためには、検出回路用の電源を必要とする。

本開示はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的の一つは、発電装置を提供することにある。

本開示のある態様の発電装置は、基材上に設けられる第１電極層と、基材上の第１電極層とは異なる位置に設けられる第２電極層と、第１電極層上および第２電極層上に設けられる誘電体層と、誘電体層上に設けられる発電面と、を備える。発電面は、発電面のうち第１電極層と重なる第１領域の帯電特性と、発電面のうち第２電極層と重なる第２領域の帯電特性とが異なるように構成される。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本開示の構成要素や表現を方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本開示の態様として有効である。

本開示によれば、発電装置を提供できる。

実施の形態に係る発電装置の構成を概略的に示す上面図である。図１の発電装置の構成を概略的に示す断面図である。図３（ａ）～（ｃ）は、発電装置の動作原理を概略的に示す図である。変形例に係る発電装置の構成を概略的に示す上面図である。

以下、図面を参照しながら、本開示を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

図１は、実施の形態に係る発電装置１２の構成を概略的に示す上面図である。発電装置１２は、電子機器１０に組み込まれ、電子機器１０の負荷１４に電力を供給する。電子機器１０は、発電装置１２と、負荷１４と、を備える。発電装置１２は、シート体２０と、第１電極層３０と、第２電極層３２と、発電面４０と、を備える。

第１電極層３０および第２電極層３２は、シート体２０の内部に埋め込まれている。第１電極層３０および第２電極層３２は、シート体２０の平面視（つまり、図１の上面視）において異なる位置に設けられ、互いに隣接するように設けられる。第１電極層３０および第２電極層３２の形状は特に問わないが、例えば矩形状である。

発電面４０は、シート体２０の表面に設けられ、第１電極層３０と重なる第１領域４２と、第２電極層３２と重なる第２領域４４とを有する。第１領域４２および第２領域４４のそれぞれは、帯電特性が互いに異なるように構成されている。発電面４０のうち第１領域４２および第２領域４４の少なくとも一方を指で触れると静電気が発生して帯電する。このとき、第１領域４２および第２領域４４が異なる態様で帯電すると、第１電極層３０と第２電極層３２の間に電位差が発生し、電位差に起因した電流が負荷１４に流れる。その結果、負荷１４は、発電面４０に指が触れることで生じる静電気を利用して駆動する。発電面４０は、負荷１４を駆動するための「操作面」ということもできる。

本実施の形態において、負荷１４として様々なデバイスを用いることができる。負荷１４の具体例として、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子、電波信号を出力するための渦巻状またはループ状のアンテナ素子、温度、湿度または圧力などの計測や特定の化学物質の検出のためのセンサ素子などが挙げられるが、これに限られるものではない。負荷１４は、発電した電力を直流化するための整流回路（例えばダイオード）を含んでもよい。

図２は、図１の発電装置１２の構成を概略的に示す断面図であり、図１のＡ－Ａ線断面を示す。

シート体２０は、基材２２と、誘電体層２４と、第１被覆層２６と、第２被覆層２８とを有する。基材２２および誘電体層２４は、シート状またはフィルム状の部材であり、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、オレフィン樹脂などで構成される。基材２２および誘電体層２４は、例えば、ジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）で構成することができる。

第１被覆層２６は、発電面４０のうち第１電極層３０と重なる第１領域４２に設けられる。第２被覆層２８は、発電面４０のうち第２電極層３２と重なる第２領域４４に設けられる。第１被覆層２６および第２被覆層２８のそれぞれは、互いに帯電特性が異なるように構成される。例えば、第１被覆層２６は相対的に負に帯電しやすい材料で構成され、第２被覆層２８は相対的に正に帯電しやすい材料で構成される。

本明細書において「帯電特性が異なる」とは、手のひらや指などの人間の皮膚、衣服または樹脂フィルムなどの絶縁体が接触して摩擦帯電が生じるときに、単位面積あたりの帯電量および帯電の正負の符号の少なくとも一方が異なることをいう。帯電特性を異ならせるためには、２種類の材料を摩擦させた時に正に帯電しやすい材料を上位とし、負に帯電しやすい材料を下位に並べた序列である「帯電列」において、序列の異なる材料を選択すればよい。特に、帯電列においてより離れた材料を選択することで、帯電特性の差をより大きくできる。

帯電列において負に帯電しやすい材料として、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）といったフッ素樹脂、ＰＤＭＳといったシリコーン樹脂、塩化ビニル、ポリエチレン、ポリスチレンなどを挙げることができる。一方、帯電列において正に帯電しやすい材料として、例えば、ガラス（ＳｉＯ_２）、ナイロンといったポリアミド、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）といったアクリル樹脂などを挙げることができる。

第１被覆層２６は、上述の負に帯電しやすい材料の薄膜で形成され、例えば、誘電体層２４上に設けられるＰＴＦＥの薄膜で構成される。第２被覆層２８は、上述の正に帯電しやすい材料の薄膜で形成され、例えば、誘電体層２４上に形成されるＳｉＯ_２膜や、末端基がアミノ基（ＮＨ_２）である分子の自己組織化単分子膜（ＳＡＭ；Self-Asssembled Monolayers）などで構成される。

第１被覆層２６および第２被覆層２８は、誘電体層２４の表面にプラズマ処理を施すことで形成されてもよい。プラズマ処理例として、酸素プラズマ、窒素プラズマ、フッ素や塩素）などのハロゲンを用いるプラズマなどが挙げられる。第１被覆層２６は、誘電体層２４の表面を四フッ化炭素（ＣＦ_４）のプラズマに曝すことにより形成されてもよい。これにより、第１被覆層２６として負に帯電しやすいフッ化物の被膜を形成できる。

シート体２０の全体の厚さｔ（ｔ１＋ｔ２）は、例えば２００μｍ～２ｍｍ程度であり、好ましくは５００μｍ～１ｍｍ程度である。基材２２の厚さｔ１は、５０μｍ～２００μｍ程度である。誘電体層２４の厚さｔ２は、１００μｍ～１ｍｍ程度であり、好ましくは２００μｍ～８００μｍ程度である。第１被覆層２６および第２被覆層２８被覆層２６の厚さは、１０ｎｍ～１０μｍ程度である。なお、シート体２０において、誘電体層２４の厚さｔ２を相対的に大きくすることで、第１電極層３０および第２電極層３２と発電面４０との間の静電容量を大きくし、操作時の発電量を大きくできる。

シート体２０は、例えば、伸縮性および可撓性を有するよう構成される。シート体２０は、曲面形状の物体表面に沿って配置したり、人体や動物などの生体の皮膚に直接的に貼り付けたりできるよう構成されてもよい。この場合、シート体２０は、発電面４０に沿う方向に二次元的に伸縮可能であって、その伸縮量が元のサイズの２０％以上、または３０％以上であることが好ましい。例えば、基材２２および誘電体層２４としてＰＤＭＳを用いることでこのような伸縮性を実現できる。

シート体２０は、伸縮性および柔軟性の少なくとも一方を有しなくてもよく、可撓性の低い硬い材料で構成されてもよい。例えば、基材２２が熱可塑性または熱硬化性の樹脂材料で構成されてもよく、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などで構成されてもよい。

第１電極層３０および第２電極層３２は、導電性材料で構成され、例えば導電性ポリマーやカーボナノチューブ（ＣＮＴ）の薄膜で構成することができる。第１電極層３０および第２電極層３２の厚さｔ４は、例えば１μｍ以下であり、好ましくは１０ｎｍ～１００ｎｍ程度である。第１電極層３０および第２電極層３２の厚さを薄くすることで、シート体２０の透明性を高めることができる。例えば、シート体２０の厚さ方向の可視光の透過率を５０％以上、好ましくは８０％以上とすることができる。

負荷１４は、第１電極層３０および第２電極層３２の上に設けられる。負荷１４は、第１電極層３０または第２電極層３２と電気的に接続される接続端子を有し、第１電極層３０または第２電極層３２と接続端子との間が銀ペーストなどの導電性接着剤により接続される。図示される例において、負荷１４は誘電体層２４の内部に埋め込まれているが、負荷１４は発電面４０において外部に露出するよう構成されてもよい。

つづいて、発電装置１２の製造方法について説明する。まず、基材２２を形成する。つづいて、基材２２の上に第１電極層３０および第２電極層３２を形成する。第１電極層３０および第２電極層３２は、例えばカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が分散された液体を塗布することで形成できる。第１電極層３０および第２電極層３２の形成範囲に開口を有するマスクを基材２２の上に配置し、マスクの上からＣＮＴをスプレーコーティングすることで、第１電極層３０および第２電極層３２を形成できる。均一なＣＮＴ薄膜を形成するため、基材２２の表面を事前に酸素プラズマなどで親水化する処理を施してもよい。

次に、第１電極層３０および第２電極層３２の上に負荷１４を配置し、銀ペーストなどの導電性接着剤で接続する。つづいて、基材２２、第１電極層３０、第２電極層３２および負荷１４の上に誘電体層２４を形成する。つづいて、誘電体層２４の表面である発電面４０のうち第１領域４２に第１被覆層２６を形成し、第２領域４４に第２被覆層２８を形成する。第１被覆層２６および第２被覆層２８は、誘電体層２４の表面に別の材料を設けることで形成されてもよいし、誘電体層２４の表面にプラズマ処理を施すことで形成されてもよい。これにより、図１に示される発電装置１２ができあがる。

図３（ａ）～（ｃ）は、発電装置１２の動作原理を概略的に示す図である。図３（ａ）は、操作のために発電面４０に指８０を最初に接触させた場合の動作を示しており、第１被覆層２６と第２被覆層２８の双方に指８０を接触させた状態を示している。第１被覆層２６は負に帯電しやすい材料で構成されるため、指８０の接触により負に帯電する。一方、第２被覆層２８は正に帯電しやすい材料で構成されるため、指８０の接触により正に帯電する。指８０が発電面４０に接触している状態では、発電面４０の近傍の電界強度が小さく、第１電極層３０および第２電極層３２は帯電していない。

図３（ｂ）は、図３（ａ）の後に発電面４０から指８０を離した場合の動作を示している。発電面４０から指８０を離すと発電面４０の近傍の電界強度が大きくなり、負に帯電している第１被覆層２６と対向する第１電極層３０が静電誘導により正に帯電しようとする。同様に、正に帯電している第２被覆層２８と対向する第２電極層３２が静電誘導により負に帯電しようとする。このとき、第１電極層３０および第２電極層３２は負荷１４を介して電気的に接続されているため、第２電極層３２から第１電極層３０に向けて電流Ｉ１が流れ、第１電極層３０が正に帯電し、第２電極層３２が負に帯電する。その結果、負荷１４は、電流Ｉ１が流れることによる電力を消費して駆動することができる。

図３（ｃ）は、図３（ｂ）の後に発電面４０に向けて指８０を近づける場合の動作を示している。発電面４０に指８０を近づけると発電面４０の近傍の電界強度が小さくなるため、第１被覆層２６の正の帯電量が低下し、第２被覆層２８の負の帯電量も低下しようとする。その結果、第１電極層３０から第２電極層３２に向けて電流Ｉ２が流れ、負荷１４は、電流Ｉ２が流れることによる電力を消費して駆動することができる。

なお、負荷１４を流れる電流Ｉ１，Ｉ２は、静電誘導によって過渡的に生じるパルス状のものであり、外部電源や電池などにより継続的に一定に供給される電流とは異なる。１回の指の操作で流れる電流Ｉ１，Ｉ２のパルス幅は、１００ミリ秒以下であり、例えば１ミリ秒～１０ミリ秒程度である。１回の操作で発生させることのできる発電量は、発電面４０に触れる指８０の面積に依存する。本発明者らの実験によれば、指先の面積に相当する約１ｃｍ^２の接触によって０．１５ｍＷ程度の電力を生じさせることができる。第１領域４２および第２領域４４に複数の指が触れるようにしたり、手のひら全体が接触するようにしたりする操作をすることで、１回の操作で発生する電力量を増やすことができる。

負荷１４は、第２電極層３２から第１電極層３０に向けて流れる第１電流Ｉ１および第１電極層３０から第２電極層３２に向けて流れる第２電流Ｉ２の双方に基づく電力を用いて駆動できる。負荷１４は、いずれか一方の電流に基づく電力のみを用いて駆動してもよい。例えば、負荷１４が極性を有するＬＥＤで構成される場合、ＬＥＤの順方向電流が流れる場合にのみ発光するよう構成され、例えば、指８０を発電面４０に近づける操作をした場合にのみ発光するように構成されてもよい。また、負荷１４として極性を逆にしたＬＥＤを並列接続することで、双方の電流Ｉ１，Ｉ２において少なくとも一つのＬＥＤが発光するように構成されてもよい。

本実施の形態によれば、第１被覆層２６と第２被覆層２８の帯電特性を異ならせることで、より好適な発電を実現できる。仮に、第１被覆層２６と第２被覆層２８の帯電特性が同じである場合、発電面４０に指８０が触れたときに第１被覆層２６と第２被覆層２８とがほぼ同じ態様で帯電するため、第１電極層３０と第２電極層３２の間に有意な電位差が発生せず、負荷１４の駆動に十分な電流が流れなくなってしまう。一方、本実施の形態によれば、発電面４０に指８０が触れたときに第１被覆層２６と第２被覆層２８とが異なる態様で帯電するため、第１電極層３０と第２電極層３２の間に有意な電位差を発生させることができ、駆動に十分な電流を負荷１４に与えることができる。特に、第１被覆層２６と第２被覆層２８の帯電特性の差を大きくすることで、発電量をより大きくして負荷１４を安定的に駆動させることができる。

図４は、変形例に係る発電装置１２の構成を概略的に示す上面図である。本変形例では、第１電極層３０および第２電極層３２のそれぞれが櫛歯状に形成されており、それぞれの櫛歯が互いに間挿するように構成される。第１電極層３０および第２電極層３２のそれぞれの櫛歯の幅ｗ１，ｗ２は、同程度となるように構成され、例えば０．１ｍｍ～１０ｍｍ程度であり、好ましくは０．５ｍｍ～２ｍｍ程度である。また、第１電極層３０と重なる第１被覆層および第２電極層３２と重なる第２被覆層も互いに間挿される櫛歯状に形成される。本変形例によれば、発電面４０の中央付近に指８０を接触させることで、第１被覆層２６に指８０が接触する第１面積と、第２被覆層２８に指８０が接触する第２面積とが同程度となるようにできる。

上述の実施の形態に係る発電装置１２では、第１領域４２のみ、または、第２領域４４のみに指８０が触れたとしても負荷１４を駆動できる。しかしながら、第１領域４２および第２領域４４の一方のみに指８０が触れる場合、第１領域４２および第２領域４４の他方では帯電が生じないため、第１領域４２および第２領域４４の双方に触れる場合に比べて電荷移動量が小さくなり、負荷１４を駆動するための発電量が小さくなってしまう。一方、本変形例によれば、指８０が触れる場所によらずに第１被覆層２６の帯電量と第２被覆層２８の帯電量とを均一化できるため、指８０が触れる場所に依存した発電量の変化を抑制できる。これにより、負荷１４をより安定的に駆動させることができる。

以上、本開示を実施の形態にもとづいて説明した。本開示は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態および変形例では、第１被覆層２６が負に帯電しやすい材料で構成され、第２被覆層２８が正に帯電しやすい材料で構成される場合について示した。さらなる変形例では、第１被覆層２６および第２被覆層２８の双方が帯電列において負に帯電しやすい材料で構成されてもよいし、逆に双方が帯電列において正に帯電しやすい材料で構成されてもよい。例えば、第１被覆層２６をＰＴＦＥなどのフッ素樹脂で構成し、第２被覆層２８をＰＤＭＳなどのシリコーン樹脂で構成してもよい。フッ素樹脂とシリコーン樹脂は、いずれも帯電列において負に帯電しやすい材料であるが、両者を比較した場合にはシリコーン樹脂よりもフッ素樹脂の方が負に帯電しやすい。そのため、両者の帯電特性の違いを利用して発電することが可能である。

上述の実施の形態および変形例では、第１被覆層２６および第２被覆層２８の双方を設ける場合について示した。さらなる変形例では、第１被覆層２６および第２被覆層２８の一方を設けなくてもよい。例えば、第１電極層３０と重なる第１領域４２のみに被覆層が設けられ、第２電極層３２と重なる第２領域４４には被覆層が設けられなくてもよい。つまり、第２領域４４において誘電体層２４が露出していてもよい。この場合、第１領域４２に設けられる被覆層と、第２領域４４にて露出する誘電体層２４との帯電特性が互いに異なるようにすればよい。例えば、第１領域４２にフッ素樹脂やポリアミドなどの被覆層を設ける一方で、第２領域４４においてＰＤＭＳで構成される誘電体層２４を露出させることで、第１領域４２と第２領域４４の帯電特性を異ならせることができる。

上述の実施の形態では、発電装置１２のシート体２０が平板状に形成される場合について示した。変形例においては、発電装置１２のシート体２０は平板形状に限られず、曲面を有するように構成されてもよいし、折れ曲がった部分を有するように構成されてもよい。例えば、発電装置１２のシート体２０が多面体や球体またはそれらの一部を構成するような立体形状を有してもよい。

上述の実施の形態では、発電装置１２の外形が矩形状となる場合について示した。変形例においては、発電装置１２の外形は問わず、円形や楕円形としてもよいし、三角形や六角形などの多角形としてもよいし、他の任意の形状としてもよい。同様に、第１電極層３０や第２電極層３２の形状が矩形状でなくてもよく、発電装置１２の外形と同様に任意の形状としてもよい。

シート体２０は、透明となるように構成されてもよいし、任意の色に着色されてもよい。例えば、第１領域４２および第２領域４４に異なる色が付されてもよいし、任意の文字や図形、模様などが印刷されてもよい。その他、発電装置１２の操作方法を表した印刷物の上に発電装置１２を配置することで、透明または半透明な発電装置１２の上から印刷物に記載された操作方法が見えるようにして使用してもよい。

１２…発電装置、１４…負荷、２０…シート体、２２…基材、２４…誘電体層、２６…第１被覆層、２８…第２被覆層、３０…第１電極層、３２…第２電極層、３４…送信部、４０…発電面、４２…第１領域、４４…第２領域。

Claims

基材上に設けられる第１電極層と、
前記基材上の前記第１電極層とは異なる位置に設けられる第２電極層と、
前記第１電極層上および前記第２電極層上に設けられる誘電体層と、
前記誘電体層上に設けられる発電面と、を備え、
前記誘電体層の前記第１電極層上の材料は、前記誘電体層の前記第２電極層上の材料と同じであり、
前記発電面は、前記発電面のうち前記第１電極層と重なる第１領域の帯電特性と、前記発電面のうち前記第２電極層と重なる第２領域の帯電特性とが異なるように構成されることを特徴とする発電装置。
前記発電面に触れる操作により生じる前記発電面の帯電によって前記第１電極層と前記第２電極層の間を過渡的に流れる電流を用いて、前記第１電極層と前記第２電極層の間に接続される負荷に電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記発電面の前記第１領域に前記誘電体層とは帯電特性の異なる被覆層が設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
前記被覆層は、前記誘電体層の表面にプラズマ処理を施すことにより形成されることを特徴とする請求項３に記載の発電装置。
前記発電面の前記第２領域に前記誘電体層および前記被覆層とは帯電特性の異なる別の被覆層が設けられることを特徴とする請求項３または４に記載の発電装置。
前記第１電極層および前記第２電極層のそれぞれは、互いに間挿し合う櫛歯形状を有し、
前記発電面の前記第１領域および前記第２領域のそれぞれは、前記第１電極層または前記第２電極層に対応する櫛歯形状を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の発電装置。