JPWO2017154286A1 - 素子、セル及び発電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この圧電素子は、例えば振動等の外力によって圧電素子に歪が加わる際に、圧電素子の表面に電荷が誘起される現象を利用している。
図1は、本実施形態に係る素子の模式的断面である。素子1は、互いに対向する第1の電極2及び第2の電極3と、第1及び第2の電極2,3間に配置され、ゴムまたはゴム組成物で形成された中間層4とを有している。
[第1の電極、及び第2の電極]
第1の電極2、及び第2の電極3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2、及び第2の電極3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2、及び第2の電極3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、導電性高分子、酸化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。
第1の電極2の形状、及び第2の電極3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2の構造、及び第2の電極3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。
中間層4は、可撓性を有する。
中間層4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4の面に対して直交する方向から中間層4が加圧された際に、中間層4における第1の電極2側(一方側)の変形量と、中間層4における第2の電極3側(他方側)の変形量とが、異なる。
条件(2):中間層4の第1の電極2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4の第2の電極3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。
本発明において、変形量とは、以下の条件で中間層4を押し付けた際の、圧子の最大押し込み深さである。
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
{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
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、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4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4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。
前記中間層4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る。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4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る。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4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。
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4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。
コロナ放電処理における印加エネルギー(積算エネルギー)としては、6J/cm2〜300J/cm2が好ましく、12J/cm2〜60J/cm2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4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4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/cm2〜500J/cm2が好ましく、50J/cm2〜400J/cm2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4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。
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。
中間層4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4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4の表面に付与する処理が挙げられる。不活性化とは、中間層4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。この変化は、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4の表面の活性度を下げることで得られる。
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。
R1 (4−n)Si(OR2)n・・・一般式(1)
ただし、一般式(1)中、R1及びR2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。
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4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(SiO2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。
図2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4のサンプルである。図2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。
その結果を図3に示す。図3の測定対象は、図2の測定に用いたサンプルである。図3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。
さらに図2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3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。
図4には、図2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5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。
結果として、中間層4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。
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
素子1は、中間層4と、第1の電極2及び第2の電極3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4と、第1の電極2及び第2の電極3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、多硫化ゴム、ウレタンゴム、ブチルゴム、フロロシリコーンゴム、天然ゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ポリイソブチレン、変成シリコーンなどが挙げられる。
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。
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。
素子1は、図7に示すように、一対の電極としての第1及び第2の電極2,3と、第1の電極2と第2の電極3との間に配置され、変形性を備えた中間層4と、動作確認のための検知手段たるLED30と、整流回路40と、を有している。
素子1はまた、第1の電極2と、第2の電極3と、中間層4とを覆うように形成された外装部材たるPETフィルム50を有している。
中間層4に用いるシリコーンゴム部材は、シリコーンゴム(信越化学製、KE−1603)を用いており、膜厚は約100±10μmである。すなわち、中間層4は、ケイ素化合物を材料として含んでいる。
シリコーンゴム部材は、材料となるシリコーンゴムをブレード塗装し、30分、120℃で高温焼成した後、印加電圧100V、積算エネルギー500J/cm2でコロナ放電処理を行い、縦20mm、横50mmの矩形状に加工したものである。
なおここでは中間層4は、ケイ素化合物を材料として含むゴムまたはゴム組成物であるとしたが、かかる構成に限定されるものではなく、ケイ素化合物を材料として含み、変形性を備えるものであれば良い。かかる変形性とは、可撓性及びゴム弾性を含み、より詳しくは使用者が印加する外力によって変形する程度の変形性を示している。
LED30は、図7に示すように整流回路40と結線されて、整流回路40の通電を検知して点灯する。なお、以降の説明において、素子1の電極間に生じる電圧または中間層4の上下面間の電圧を測定する必要があるときには、LED30の接続された位置にオシロスコープなどの電圧計を配置すると良い。
第1の電極2と、第2の電極3と、中間層4とは、図8Aに示すように何れも外装部材としてのPETフィルム50に覆われて、封止部51によって封止されている。このように一対の電極2,3と、中間層4とが外装部材によって覆われ、パッケージングされた状態を指して、特に「セル状」との文言を用いる。すなわち、素子1は、図7に示す態様で保持されるとき、素子1と整流回路40とが一体に形成されたセルとしての機能を有している。また、素子1を図8Bに示すように連結して並べて配置し、1つの発電素子としても良い。
第2の電極3は、連続した帯状の電極であり、中間層4と当接して配置されている。
なお、第1の電極2または第2の電極3と、中間層4と、の間には、スペーサーなどを配置しても良い。かかる構成によれば、中間層4が後述するように剥離帯電が生じやすくなることにより、素子1の圧電効果が向上する。
実施例1におけるプラズマ処理の代わりに、UV照射ランプ(ヴィルヴァー・ルーマット社製VL−215.C)を用いて、波長254nm、積算光量300J/cm2、酸素分圧5000ppm以下の窒素雰囲気下の条件で照射処理を行い、実施例1と同様に素子を作成した。
実施例1におけるプラズマ処理の代わりに、電子線照射(浜松ホトニクス社製ライン照射型低エネルギー電子線照射源)を用いて、照射量1MGy、酸素分圧5000ppm以下の窒素雰囲気下の条件で照射処理を行い、実施例1と同様に素子を作成した。
第1の電極2と第2の電極3との固定構造について、図9Aおよび図9Bに示すように、固定層70が第1の電極2と第2の電極3との間に位置し、第1の電極2と第2の電極3とを互いに接着している。
かかる構成により、素子1を屈曲させたときに、第1の電極2または第2の電極3と、中間層4とが互いに滑り移動、言い換えると摺動する。あるいは、この構成例は、第1の電極2とPETフィルム50とをそれぞれ接着し、同様に第2の電極3とPETフィルム50とを接着して、屈曲時の曲率による移動距離d1の違いで滑り移動する図10Aおよび図10Bのような構成であっても良い。
中間層4のシリコーンゴム部材としてゴム(東レ製ダウコーニングDY35−2147)を用いたものである。当該ゴムは、酸化鉄を材料として含んでおり、したがって表面処理によって生じるケイ素化合物由来の不対電子の他に、酸化鉄由来の不対電子をも構造中に有している。
金属被覆ピエゾフィルムシート(東京センサー製200×280×110CuNi)を縦20mm横50mmに切り出し、実施例1における第1の電極2と第2の電極3の金属部分をすべてエッチングで取り除き、上下の電極を図8Aおよび図8Bに示すように結線して素子を作成した。
すなわち、本実施形態では、ピエゾフィルムシートに被覆されているCuNi膜を電極として用いている。
比較例1と同様の金属被覆ピエゾフィルムシートを塩化第2鉄水溶液(サンハヤト製H−200A)で上下ともすべてエッチングした。これを実施例1のシリコーンゴム部材の代わりに入れ、素子を作成した。
実施例1のシリコーンゴムで、表面処理をしないものを使用して素子を作成した。
実施例1と同様の構成について、ポリプロピレン(PP)フィルムを、コロナ放電によって全体を略均一に帯電処理を行った部材を縦20mm横50mmに切り分けて中間層4として用いた。コロナ帯電器はコロナ針と電極とが対向配置され、直流高圧電源装置(HAR−20R5;松定プレシジョン製)により、放電が可能となっており、更にコロナ針と電極間にグリッドが配置されている。グリッドには直流高圧電源装置とは異なるグリッド用電源から電圧を印加できる。下記に示す放電条件で帯電(エレクトレット化)した薄膜を中間層4として用いて素子を作成した。
[帯電条件]
コロナ針電圧:−10kV
グリッド電圧:−1kV
なお、ポリプロピレンを用いた中間層4の両表面間の電位差は約200Vであった。
厚さ100μmのポリプロピレン(PP)フィルム全体を、比較例4と同様に、コロナ放電によって略均一に帯電処理を行ったものを用いた。なお、中間層4の両表面間の電位差は、比較例4と同様に約200Vであった。
比較例4と同様に縦20mm横50mmとし、実施例1のシリコーンゴム部材の代わりに入れ、第1の電極2と当接する側の面に、接着剤を約10mmの等間隔でマスクパターンを用いて直径約1mm、厚み100μmのドット状に配列塗布することによって、第1の電極2と中間層4とを部分的にポイント接着した。
また、耐久性能でみた場合、実施例1、2、3、4、5と比較例5を比較するとポイント接着構造を持ったものは、破壊耐久性が小さい。
実施例3と比較例3とを比較すると、同じシリコーンゴムであっても不対電子のないものは、発電性能がよくないことが分かる。すなわち、シリコーンゴム部材を表面処理することで、後述するように不対電子が安定的に維持されて発電性向上に寄与していると考えられる。
素子1の発電性能を図11に示す振動評価機を用いて測定する。
振動評価機は、ファンクションジェネレータSG−4105(岩崎通信社製)と、振動試験機MES151(Mitsutoyo製)と、が組み合わせて構成され、加振ヘッド部500が上下動するときの素子1の両面の電圧波形によって評価を行う。
加振ヘッド部500にセル状に形成した発電素子1を水平に固定し、振動幅5mm、振動周波数10Hzにて加振した。
また、評価の基準としては、同様に測定した比較例1の電圧のp−p値を1として規格化し、5倍以上のものを良好な成績と判定し、判定欄に○で表記した。
以上の測定について、5サンプルの平均値をとるとともに、往復1万回の耐久試験を行い、減少率が大きかった比較例2については、初期値から10%減になった回数を「回数」として示した。
セル状に形成した素子1の曲げ耐久性能を測定するために、卓上型耐久試験機TCDM111LH(ユアサシステム機器製)を用いて図12Aおよび図12Bに示すように、90°の屈曲試験を行った。
R30の治具の中間にサンプルを設置し、毎分10往復、1000回の耐久試験を行い、電圧のp−p値の測定を行った。
評価1と同様に、初期値から10%減になったものは、その回数を回数の欄に記載した。
中間層4の材料評価試験として、XバンドESR測定装置EMX−nano(Bruker製)を用いて測定した。かかる測定結果について、環境温度が室温の場合の測定結果T1を破線で、環境温度が−150℃の場合の測定結果T2を実線で、それぞれ図13Aに示した。同様に、比較例3の中間層4を用いてESR測定を行った結果について図13Bに示した。
ESR信号は、不対電子のスピンの遷移に伴うマイクロ波(周波数9.4GHz、波長3cm程度の電磁波:Xバンド)の吸収による共鳴現象を観測するものであるから、ESR信号が検出されることは、試料内に不対電子が存在することを意味している。言い換えると、横軸g値に取ったときの測定波形のピークが検出されることは、不対電子が検出されたことと等しい。
また、測定結果T1、T2に表示されるESR信号のピーク値gA、gBは、何れも、石英ガラス中の欠損で測定されるE’センターg⊥(=2.0014)と、E’センターg‖(=2.0004)によく一致している。
このことは、表面処理によってシリコーンゴム中に酸素Oの欠損が生じ、当該欠損位置に不対電子が形成されていることを示していると考えられる。
したがって、本実施形態における中間層4が測定結果T1において、g値2.004〜1.998の間に2つのピークを有することは、中間層4の厚み方向に、異方性を有していることを示していると考えられる。
一般に、−150℃での低温測定では、電子の熱運動や緩和時間の影響が小さくなるため、ESR信号の感度が向上し、室温環境では見ることの難しいESR信号が測定される。
測定結果T2において、測定結果T1には検出されていないピーク値gCは、過酸化ラジカルを示すものであると考えられる。
また、測定結果T2から明らかなように、本実施形態における中間層4は、「電子スピン共鳴装置を用いて−150℃において測定されるとき、g値2.070〜2.001の間に少なくとも1つのピークを有し」ている。
図10Aは、図1に示した素子1が、外力によって撓められた場合の動作について示す模式図である。
素子1の変形によって、第1の電極2または第2の電極3が中間層4の表面に当接し、離間するあるいは摺動することで、電極部分の金属と、中間層4との間の表面仕事関数差によって、電子の移動が生じる。
特に、中間層4がゴム弾性を有する場合には、かかる変形による当接と離間とが繰り返し生じやすく、大きな帯電量を得られる。
かかる帯電によって、中間層4がコンデンサのような役割を果たし、V=Q/C=(Q×Δd)/(ε×A)の起電力が生じる。なお、ここでVは第1の電極2と第2の電極3との間に生じる起電力、εは誘電率、Aは素子1の面積、Δdは変位量をそれぞれ示している。
かかる構成により素子1は、外力による変形を電気的なエネルギーへと変換する発電素子として機能している。
ところで、このような変形については、素子1の厚さ方向への変位のみならず、第1の電極2あるいは第2の電極3の一方と、中間層4とが摺動するような変形であっても良い。すなわち、素子1が外力により屈曲したときに、曲率によって生じる移動距離d1の違いにより、一対の電極の少なくとも一方と、中間層4とが摺動する変形であっても良い。
かかる構成により、素子1が外力によって屈曲したときにも、素子1は外力による変形を電気的なエネルギーへと変換する発電素子として機能する。
かかる構成により、素子1が外力によって屈曲したときにも、素子1は外力による変形を電気的なエネルギーへと変換する発電素子として機能する。
かかる構成により、素子1が外力によって屈曲したときにも、素子1は外力による変形を繰り返し電気的なエネルギーへと変換するから、持続的に発電可能な発電装置としての機能を有する。
本発明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、本発明の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
2 一対の電極(第1の電極)
3 一対の電極(第2の電極)
4 中間層
40 整流回路
50 外装部材(PETフィルム)
51 封止部
70 固定構造(固定層)
Claims (9)
- 一対の電極と、
前記一対の電極の間に配置され、不対電子を有するケイ素化合物を材料として含む変形性を備えた中間層と、
を、有することを特徴とする素子。 - 請求項1に記載の素子であって、
前記中間層が不対電子を持つ粒子を含むことを特徴とする素子。 - 請求項1に記載の素子であって、
前記中間層は、ゴム弾性を有することを特徴とする素子。 - 請求項1に記載の素子であって、
前記中間層は、電子スピン共鳴(ESR)装置を用いて測定されるとき、g値2.004〜1.998の間に少なくとも1つのピークを有することを特徴とする素子。 - 請求項1に記載の素子であって、
前記中間層は、電子スピン共鳴(ESR)装置を用いて−150℃の環境温度下で測定されるとき、g値2.070〜2.001の間に少なくとも1つのピークを持つことを特徴とする素子。 - 請求項1に記載の素子であって、
前記一対の電極の一部は、当該電極間で絶縁性を有したまま固定する固定構造を有し、
前記固定構造は、前記素子が外力により屈曲したときに、曲率によって生じる移動距離の違いにより、前記一対の電極の少なくとも一方と、前記中間層とが摺動するように前記一対の電極を固定することを特徴とする素子。 - 請求項1に記載の素子と、
前記一対の電極と前記中間層とを覆う可撓性のある外装部材と、
を有するセル。 - 請求項7に記載のセルであって、
前記外装部材と前記電極の少なくとも一部を固定するための固定構造を有し、
前記固定構造は、当該セルが外力により屈曲したときに曲率によって生じる移動距離の違いにより、前記一対の電極の少なくとも一方と、前記中間層とが摺動するように前記一対の電極と前記外装部材とを固定することを特徴とするセル。 - 請求項7に記載のセルと、
整流回路とを有し、外力に対して復元力を有することを特徴とする発電装置。
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