WO2020022453A1 - 摩擦発電装置 - Google Patents

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WO2020022453A1
WO2020022453A1 PCT/JP2019/029279 JP2019029279W WO2020022453A1 WO 2020022453 A1 WO2020022453 A1 WO 2020022453A1 JP 2019029279 W JP2019029279 W JP 2019029279W WO 2020022453 A1 WO2020022453 A1 WO 2020022453A1
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WO
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charged body
dlc
friction
power generation
charged
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/029279
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English (en)
French (fr)
Inventor
▲ジュン▼豪 崔
清水　純
ウェハン チェン
Original Assignee
国立大学法人東京大学
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04—Friction generators

Definitions

  • the present invention relates to a friction power generation device that generates power by causing a plurality of charged bodies to friction with each other.
  • a friction power generation device is a device that generates power by causing a plurality of charged bodies to rub against each other.
  • the friction power generation device has an advantage that it can be reduced in size as compared with a power generation device of another power generation system, and can be manufactured at a lower cost than a storage battery. Taking advantage of these advantages, friction power generation devices have recently been used as power sources for mobile devices (portable devices) and wearable devices (devices that can be worn on the body).
  • a frictional power generation device disclosed in Patent Document 1 (a device shown in FIG. 8 of the same document) includes a first energy generation layer (first charged body) provided on a first electrode and a second energy generation layer provided on a second electrode. And a contact / separation type in which electrical energy is generated by contact / separation between the first energy generation layer and the second energy generation layer.
  • a friction power generation device disclosed in Patent Document 2 (device shown in FIG. 1 of the document) includes a first friction layer (first charged body) provided with a conductive element and a first friction layer provided with a conductive element. And a second friction layer (second charged body). The first friction layer and the second friction layer slide relative to each other in a state of being in contact with each other, and generate frictional power by the slide. .
  • JP 2016-208816 A JP-T-2016-510205
  • the present invention provides a friction power generation device that generates power by causing a plurality of charged bodies to rub against each other, (a) increasing the durability of the charged body against abrasion, and (b) suppressing energy loss due to friction of the charged body. To increase power generation efficiency.
  • the present invention is a friction power generation device that generates power by causing a first charged body and a second charged body to friction with each other, wherein the first charged body includes the second charged body and the second charged body.
  • the portion where the friction is performed between the two is formed of an amorphous carbon film.
  • the first charged body since the portion of the first charged body where friction occurs between the first charged body and the second charged body is made of the amorphous carbon film, the first charged body has an amorphous structure having low friction. Since the carbonaceous film rubs with the second charged body, it is possible to suppress the generation of a strong frictional force between the first charged body and the second charged body. For this reason, it is possible to prevent the first charged body and the second charged body from being worn out by the frictional force, and it is possible to increase the durability of the first charged body and the second charged body against wear.
  • the portion of the first charged body where friction occurs with the second charged body is formed of the amorphous carbon film, the first charged body has low frictional property. Since the amorphous carbon film rubs against the second charged body, it is possible to suppress the generation of a strong frictional force between the first charged body and the second charged body. As a result, it is possible to suppress the generation of energy other than electric energy due to the frictional force, and it is possible to suppress the energy loss and increase the power generation efficiency.
  • the amorphous carbon film in the first charged body, may be DLC.
  • DLC film having characteristics closer to diamond than graphite among the amorphous carbon films
  • the property of diamond, which is low in conductivity and high in charging performance, is effectively used, and power generation efficiency is improved.
  • the wear durability of the first and second charged bodies can be stably maintained at a high level by utilizing the characteristic of the DLC that the friction coefficient is stabilized while the friction coefficient is small.
  • the second charged body is formed of DLC, and the friction is performed between the DLC forming the first charged body and the DLC forming the second charged body,
  • the structural formula of the DLC forming the first charged body and the structural formula of the DLC forming the second charged body may be different from each other.
  • friction occurs between the DLC forming the first charged body and the DLC forming the second charged body, so that only one of the first and second charged bodies is formed of DLC.
  • the advantages of the DLC can be fully enjoyed as compared with the case where the DLC is performed.
  • the structural formula of DLC forming the first charged body and the structural formula of DLC forming the second charged body include elements other than carbon and different from each other. May be. This makes it possible to greatly differ the tendency of the DLC forming the first charged body and the DLC forming the second charged body to exhibit electric charge, thereby further enhancing the frictional power generation effect of the first charged body and the second charged body. be able to.
  • the first charged body may be configured to perform the friction with the second charged body by sliding on a surface of the second charged body. . This makes it possible to realize high power generation efficiency by sliding the first charged body, taking advantage of the advantage that the amorphous carbon film can prevent wear of both charged bodies due to friction between the first charged body and the second charged body. It will be easier.
  • a friction power generation device that generates electric power by causing a plurality of charged bodies to friction with each other, (a) the durability of the charged body against abrasion is increased, and (b) the friction of the charged body is increased. It is possible to increase power generation efficiency by keeping energy loss low.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a first embodiment of a friction power generation device according to the present invention.
  • 2 is a graph showing a result of a test example of the friction power generation device shown in FIG. 1.
  • 2 is a table showing film forming conditions for forming a DLC on a charged body in a test example of the friction power generation device shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is an overall configuration diagram showing a second embodiment of the friction power generation device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram and a table showing test conditions for evaluating friction characteristics of various charged pairs shown in FIG. 2.
  • 3 is a graph and a table showing the results of friction evaluation of various charged pairs shown in FIG. 2.
  • FIG. 5 is a diagram and a table showing test conditions in the friction power generation device shown in FIG. 4.
  • 8 is a graph showing a result of the friction power generation test shown in FIG. 7.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a first embodiment of a friction power generation device according to the present invention.
  • the friction power generation device 1 is a power generation device that generates electric power by causing a plurality of charged bodies to friction with each other, and is a contact / separation type power generation device.
  • the friction power generation device 1 includes a first charged body 2, a second charged body 3 capable of performing friction with the first charged body 2, and a first charged body 2 driven by driving the first charged body 2.
  • driving unit for performing friction between the first and second charging members 3
  • a conductor 5 for electrically connecting the first and second charging members 2 and 3
  • a circuit element 6 provided on the conductor 5.
  • the first charger 2 includes an aluminum plate 2a as a conductor, an amorphous carbon film 2b formed on the aluminum plate 2a, and a first electrode 2c formed of a conductor such as copper or gold.
  • the amorphous carbon film 2 b is formed in a portion of the first charged body 2 where friction occurs with the second charged body 3.
  • a plate-like member made of a metal other than aluminum, glass, polymer, ceramic or the like may be provided.
  • only the amorphous carbon film 2b and the first electrode 2c may be provided without providing the aluminum plate 2a.
  • the second charging member 3 is composed of an aluminum plate 3a as a conductor, a resin film 3b formed on the aluminum plate 3a, and a second electrode 3c made of a conductor such as copper or gold.
  • the resin film 3b is formed in a portion of the second charged body 3 where friction occurs with the first charged body 2.
  • a plate member made of a metal other than aluminum, glass, polymer, ceramic, or the like may be provided instead of the aluminum plate 3a.
  • only the resin film 3b and the second electrode 3c may be provided without providing the aluminum plate 3a.
  • only the aluminum plate 3a and the second electrode 3c may be provided without providing the resin film 3b.
  • the amorphous carbon film 2b is a film containing both a diamond crystal structure and a graphite structure in a molecule.
  • the diamond crystal structure is a molecular structure formed into a regular tetrahedron including carbon atoms having sp 3 hybrid orbitals (carbon atoms having sp 3 bonds).
  • the graphite structure is a molecular structure formed in a regular hexagonal plane layer by carbon atoms having sp 2 hybrid orbitals (carbon atoms having sp 2 bonds).
  • the amorphous carbon film 2b has low friction, abrasion resistance, high hardness, mold release, corrosion resistance, and controllability of electric resistivity.
  • the resin film 3b is a film formed of a resin, for example, Kapton (registered trademark), Teflon (registered trademark), PMMA, or the like.
  • DLC diamond-like carbon
  • the DLC is an amorphous carbon film having characteristics closer to diamond than to graphite.
  • DLC H-DLC, F-DLC, Si-DLC, Me-DLC, B-DLC, Cl-DLC
  • H-DLC is a DLC in which a molecule contains a hydrogen atom.
  • F-DLC is a DLC in which a molecule contains a fluorine atom.
  • Si-DLC is a DLC containing a silicon atom in a molecule.
  • Me-DLC is a DLC in which a molecule contains a metal atom.
  • B-DLC is a DLC in which a molecule contains a boron atom.
  • Cl-DLC is a DLC containing a chlorine atom in the molecule.
  • the solenoid 4 is connected to the aluminum plate 2a of the first charging member 2 to cause friction between the first charging member 2 and the second charging member 3, and connects the first charging member 2 to the second charging member 3. Press toward.
  • a unit other than the solenoid 4 can be provided. Further, if friction between the first charging member 2 and the second charging member 3 is possible, a driving unit such as the solenoid 4 may not be provided.
  • the circuit element 6 is arranged such that one end and the other end of the conducting wire 5 are connected to each other.
  • an appropriate load or device for extracting power is normally used. Further, when testing the power generation efficiency of the friction power generation device 1, an ammeter or a voltmeter can be provided as the circuit element 6. Further, if power can be taken out without providing the circuit element 6, the circuit element 6 does not need to be provided.
  • the first charged body 2 is pressed toward the second charged body 3 by operating the solenoid 4.
  • the first charged body 2 and the second charged body 3 come into contact with each other, and the contact surface of one of the first charged body 2 and the second charged body 3 (in the present embodiment, the amorphous carbon film 2b or The resin film 3b) is charged with a positive charge, and the other contact surface (in the present embodiment, the amorphous carbon film 2b or the resin film 3b) is charged with a negative charge.
  • the charging sequence is one in which various charged materials having different materials are arranged on the basis of the tendency of positive and negative charges. For example, when the amorphous carbon film 2b has a higher tendency to express positive charges than the resin film 3b (when the resin film 3b has a higher tendency to express negative charges than the amorphous carbon film 2b), the amorphous carbon film 2b A positive charge is charged and a negative charge is charged on the resin film 3b.
  • the first charged member 2 is separated from the second charged member 3 by operating the solenoid 4.
  • the first charged body 2 in order to maintain the balance of the charge inside, the first charged body 2 is opposite to the charged side (in this embodiment, the amorphous carbon film 2 b) (in the present embodiment, the amorphous carbon film 2 b).
  • the first electrode 2c) is charged with a charge (a charge having a sign different from that of the charge charged in the amorphous carbon film 2b).
  • the second charged body 3 in order to maintain the balance of the charge inside, the side opposite to the charged side (the resin film 3 b in this embodiment) in the second charged body 3 (the second electrode in this embodiment).
  • 3c) is charged with a charge (a charge having a sign different from the charge charged on the resin film 3b).
  • FIG. 1 shows that a current i flows from the second electrode 3c to the first electrode 2c.
  • the current i flows from the second electrode 3c to the first electrode 2c through the conducting wire 5.
  • the current i flowing through the conductor 5 passes through the circuit element 6.
  • FIG. 2 is a graph showing the results of a test example of the friction power generator shown in FIG.
  • the graph shown in FIG. 2 shows various protective films as (or instead of) the amorphous carbon film 2b and the resin film 3b in the device in which an ammeter is installed as the circuit element 6 in the friction power generation device 1 shown in FIG. 2 shows the amount of power generated by a friction power generation test apparatus using (or not using a protective film).
  • FIG. 2 shows the magnitude of the current detected by the ammeter of the friction power generation test device.
  • FIG. 2 shows the magnitude of the current detected by the ammeter of the friction power generation test device.
  • the horizontal axis indicates the type of the first charged body 2 and the vertical axis indicates the amount of power generated by the friction power generation test device.
  • the type of the second charged body 3 is shown in the order of ⁇ below the horizontal axis.
  • Kapton, Teflon, PMMA, H-DLC, F-DLC, and Si-DLC were used as materials for the films formed on the first and second charged bodies, respectively.
  • Kapton, Teflon, and PMMA are resin films that have been conventionally used.
  • H-DLC, F-DLC, and Si-DLC are used as DLC of an amorphous carbon film.
  • Al shown in the same figure Al shown on the horizontal axis in the figure, Al shown below the horizontal axis) means that the first charged body and / or the second charged body is made of aluminum and the first charged body is made of aluminum. 9 shows data obtained when friction was performed without forming a protective film on the body and / or the second charged body.
  • FIG. 3 is a table showing film forming conditions for forming a DLC on a charged body in the test example of the friction power generation device shown in FIG. 1, and more specifically, a table showing film forming conditions in a bipolar PBIID method.
  • the bipolar PBIID method is a method in which a positive voltage and a negative voltage (pulse voltage) are applied to electrodes provided inside a chamber to generate plasma inside the chamber, and a film forming gas is passed through the plasma. This is a method of generating ions from a film forming gas.
  • the film forming gas includes toluene (C 6 H 5 CH 3 ) for the production of H-DLC, hexafluorobenzene (C 6 F 6 ) for the production of F-DLC, and tetramethylfuran for the production of Si-DLC. (Si (CH 3 ) 4 ) was used. In manufacturing these, a pulse voltage of 4000 Hz was applied. Further, the positive voltage was 1.5 kV, and the negative voltage was any one of -3.0 kV, -5.0 kV, and -7.0 kV. Further, the pressure during film formation was 0.4 Pa. Then, the film formation time was 2 h or 4 h.
  • the DLC formed on the first charged body and the second charged body may be formed.
  • H-DLC, F-DLC, and Si-DLC are different from each other, friction power generation can be realized. That is, if the DLC forming the first charged body and the DLC forming the second charged body include elements other than carbon in their structural formulas which are different from each other (that is, these DLCs have different structural formulas). ), Friction power generation can be performed.
  • the portion of the first charged body 2 where friction occurs with the second charged body 3 is constituted by the amorphous carbon film 2b.
  • the amorphous carbon film 2b having a low friction property in the first charged body 2 rubs with the second charged body 3, so that the first carbonized body 2 and the second charged body 3 have strong friction.
  • the generation of frictional force can be suppressed. For this reason, it is possible to prevent the first charging member 2 and the second charging member 3 from being worn by the frictional force, and it is possible to enhance the durability of the first charging member 2 and the second charging member 3 against abrasion. it can.
  • the portion of the first charged body 2 where friction occurs with the second charged body 3 is constituted by the amorphous carbon film 2b.
  • the amorphous carbon film 2b having low friction in the first charged body 2 rubs with the second charged body 3, a strong frictional force is generated between the first charged body 2 and the second charged body 3. This can be suppressed.
  • the portion of the first charged body 2 where friction occurs with the second charged body 3 is constituted by the amorphous carbon film 2b.
  • the amorphous carbon film 2b has high hardness, it is possible to prevent the film (amorphous carbon film 2b) itself from being worn out due to friction between the first charger 2 and the second charger 3. .
  • the amorphous carbon film 2b in the first charging member 2 may be a DLC.
  • DLC film having characteristics closer to diamond than graphite among amorphous carbon films
  • the wear durability of the first charging member 2 and the second charging member 3 can be stably maintained at a high level by utilizing the characteristic of the DLC that the friction coefficient is stabilized while the friction coefficient is small.
  • DLC is formed instead of the resin film 3b as the second charged body 3, and the DLC (amorphous carbon film 2b) constituting the first charged body 2 and the second charged body 3 are formed. Friction occurs between the DLC and the structural formula of the DLC forming the first charged body 2 and the structural formula of the DLC forming the second charged body 3 may be different from each other. As described above, friction occurs between the DLC forming the first charging member 2 and the DLC forming the second charging member 3, so that only one of the first charging member 2 and the second charging member 3 is provided. Can be fully enjoyed in comparison with the case where is configured by DLC.
  • the structural formula of the DLC forming the first charged body 2 and the structural formula of the DLC forming the second charged body 3 are different from each other, the tendency of the DLC to express electric charges is changed, and the first and second DLCs have different tendencies. The effect of frictional power generation between the charged body 2 and the second charged body 3 can be enhanced.
  • the structural formula of the DLC constituting the first charged body 2 and the structural formula of the DLC constituting the second charged body 3 include elements other than carbon and different from each other. It may be. Thereby, the tendency of the DLC forming the first charged body 2 and the DLC forming the second charged body 3 to have a significantly different tendency to express electric charges can be obtained, and the frictional power generation by the first charged body 2 and the second charged body 3 can be achieved. The effect can be further enhanced.
  • FIG. 4 is an overall configuration diagram showing a second embodiment of the friction power generation device according to the present invention.
  • the friction power generation device 11 is a power generation device that generates power by causing a plurality of charged bodies to rub against each other, and is a side-slip type power generation device.
  • the friction power generation device 11 includes a first charged body 12, a second charged body 13 and a third charged body 14, which are configured to perform friction with the first charged body 12, a second charged body 13 and a third charged body 13.
  • the semiconductor device includes a substrate 15 on which the third charged body 14 is mounted, a conductive wire 16 for electrically connecting the second charged body 13 and the third charged body 14, and a circuit element 17 provided on the conductive wire 16.
  • the first charging member 12 is slidable on the surfaces of the second charging member 13 and the third charging member 14. Further, a portion of the first charging member 12 where friction occurs between the second charging member 13 and the third charging member 14 is formed of an amorphous carbon film (not shown).
  • the friction power generation device 11 includes a drive unit (not shown) for sliding the first charged body 12.
  • the drive unit can slide the first charged body 12 at various speeds.
  • the first charging member 12 is driven by the drive unit so that the measured value of the ammeter provided in the circuit element 17 becomes a desired value (so that a desired power generation amount is obtained by the friction power generation device 11). Can be.
  • the operation of the friction power generator 11 shown in FIG. 4 will be described.
  • the first charged body 12 is disposed so as to be in contact with (and straddle) both upper surfaces (both surfaces) of the second charged body 13 and the third charged body 14.
  • the first charging member 12 is moved to the second charging member 13 side by reciprocating sliding or rotational sliding by the driving unit.
  • the first charging member 12 is moved to the third charging member 14 by reciprocating sliding or rotational sliding by the driving unit.
  • the electric charge moves in the first charged body 12, the second charged body 13, and the third charged body 14, so that the frictional power generation device 11 generates power.
  • the second and third charged bodies 13 and 14 attached to the substrate 15 are also rotated.
  • the friction between the charged bodies 12 to 14 is also generated by the rotation of the second charged body 13 and the third charged body 14, and the movement of the charges in the charged bodies 12 to 14 is promoted.
  • the power generation efficiency of the friction power generation device 11 is increased.
  • FIG. 5 is a diagram and a table showing test conditions in a friction power generation test example of the friction power generation device shown in FIG. 4, (a) is a schematic diagram showing the friction power generation test device, and (b) is a friction power generation test condition.
  • FIG. 4 is a diagram and a table showing test conditions in a friction power generation test example of the friction power generation device shown in FIG. 4, (a) is a schematic diagram showing the friction power generation test device, and (b) is a friction power generation test condition.
  • a friction power generation test apparatus 101 includes a mounting table 102, a substrate 103 rotating on the upper surface of the mounting table 102 (corresponding to the first charged body 12 shown in FIG. 4), and a substrate 103. And a ball 104 to be pressed (corresponding to the second charged body 13 and the third charged body 14 shown in FIG. 4).
  • the friction power generation test apparatus 101 performs ball-on-disk type rotational friction (Ball-on-Disk Mode Rotating), and the load of the ball 104 is 0. 98N.
  • the rotation radius (Rotate Radius) of the substrate 103 was set to 3 mm.
  • the rotation speed (Speed) of the substrate 103 was set to 60 rpm.
  • Kapton or DLC was used as a test material (Tested @ Material) constituting the substrate 103.
  • the friction environment (Atmosphere) was set to the air (Air), and the humidity (Humidity) in the friction environment was set to the indoor humidity (RH).
  • the temperature (Temperature) in the friction environment was room temperature (RT).
  • the ball 104 was made of aluminum. DLC was generated by a bipolar PBIID method.
  • FIG. 6 is a graph and a table showing the results of a friction power generation test example of the friction power generation device shown in FIG.
  • FIG. 6A is a graph showing the friction coefficient (vertical axis) of the substrate 103 with respect to the sliding cycle (horizontal axis).
  • FIG. 6B is a table that briefly shows the graph shown in FIG.
  • the substrate 103 is composed of Kapton, a substrate in which Si-DLC is formed on the surface of Kapton (Kapton coated with Si-DLC), an H-DLC (H-DLC) obtained with a negative voltage of 1 kV and a film formation time of 2 hours.
  • H-DLC H-DLC -1 kV6h
  • Si-DLC Si-DLC -3 kV3h
  • the coefficient of friction of the substrate 103 could be suppressed to a smaller value in either case of using H-DLC or Si-DLC than in the case of using Kapton. Further, the friction coefficient of the substrate 103 could be reduced by using the substrate 103 itself as DLC, rather than forming DLC (Si-DLC) on Kapton. Further, in the case where DLC is used for the substrate 103, in any case, the friction coefficient of the substrate 103 does not suddenly increase in a short time, and is stable even after a lapse of time (even when the sliding cycle increases). As a result, the coefficient of friction could be kept small.
  • FIG. 7A and 7B are a diagram and a table showing test conditions in the friction power generation device shown in FIG. 4, wherein FIG. 7A is a schematic diagram showing the friction power generation test device, and FIG. 7B is a table showing the friction power generation test conditions. .
  • the frictional power generation test device 201 shown in FIG. 7A corresponds to the frictional power generation device 11 shown in FIG.
  • the load was set to 9.8 N
  • the rotating frequency of the substrate 205 was set to 10 Hz
  • the test time was set to 3 hours.
  • This load presses the first charged body 202 against the second charged body 203 and the third charged body 204.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • As the first charging member 202 an aluminum plate alone, or an aluminum plate having H-DLC formed on its surface was used.
  • the friction environment (Atmosphere) was set to the air (Air), the humidity (Humidity) in the friction environment was set to the indoor humidity (RH), and the temperature (Temperature) in the friction environment was set to room temperature (RT). Under these conditions, the magnitude of a current (output current) generated by friction between the first charged body 202, the second charged body 203, and the third charged body 204 was measured.
  • the negative pulse voltage (Negative Pulse Voltage) was set to -3.0 kV by using the bipolar PBIID method.
  • FIG. 8 is a graph showing the results of the friction power generation test shown in FIG.
  • Al / PTFE shows the result of friction between the PTFE constituting the second charged body 203 and the third charged body 204 and the aluminum constituting the first charged body 202.
  • H-DLC / PTFE shows the result of friction between PTFE forming the second charged body 203 and the third charged body 204 and H-DLC forming the first charged body 202.
  • the horizontal axis represents the rotation time (min) of the substrate 105
  • the vertical axis represents the output current ( ⁇ A) of the frictional power generation test device 201. This rotation time corresponds to the test time.
  • ⁇ A output current
  • the magnitude of the output current can be stabilized at about 1 ⁇ A over the entire 180 minutes as compared with the case where Al is rubbed with PTFE. That is, in the friction power generation test apparatus 201 (FIG. 7), when the H-DLC is rubbed with the PTFE, the H-DLC and the PTFE can suppress the wear due to the frictional force and the frictional heat, and the power generation (output) for a long time. Current) can be stabilized within a predetermined range.
  • the first charged body 12 slides on the surface of the second charged body 13 (the third charged body 14), and thereby the second It is configured to perform friction between the charged body 13 (third charged body 14).
  • High power generation efficiency can be realized by sliding. In particular, even if the first charged body 12 is slid at high speed, the wear of the charged body 12-14 can be prevented, so that the first charged body 12 can be slid at high speed to achieve high power generation efficiency. it can.
  • the second embodiment has a configuration in which the first charged body 12 is rubbed with the second charged body 13 (the third charged body 14) by sliding the first charged body 12 so as to slide sideways. It is also possible to adopt a configuration in which the first charged body 12 is rubbed with the second charged body (third charged body 14) by sliding the first charged body 12 to rotate.
  • the friction power generation devices 1 and 11 can be built in a mobile device, a wearable device, and an Internet of Things (IoT). Further, the friction power generation device 11 can be installed between a rotating shaft and a bearing in a spinner. Thereby, the user of the spinner can operate the handle or the like to rotate the rotating shaft to perform frictional power generation.
  • IoT Internet of Things

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Electrostatic Charge, Transfer And Separation In Electrography (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Abstract

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、摩耗に対する帯電体の耐久性を高め、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。　摩擦発電装置１は、第１帯電体２と第２帯電体３とを互いに摩擦させることで発電を行う。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は非晶質炭素膜２ｂにより構成されている。第１帯電体２において、非晶質炭素膜２ｂはＤＬＣであってもよい。

Description

摩擦発電装置
　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、ｓｐ３混成軌道を有する炭素原子（ｓｐ３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、ｓｐ２混成軌道を有する炭素原子（ｓｐ２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（Ｃ６Ｈ５ＣＨ３）、Ｆ－ＤＬＣの製造にはヘキサフルオロベンゼン（Ｃ６Ｆ６）、Ｓｉ－ＤＬＣの製造にはテトラメチルフラン（Ｓｉ（ＣＨ３）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 (5)

  1. 　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いることを特徴とする摩擦発電装置。
  2. 　前記第１帯電体において、前記非晶質炭素膜はＤＬＣであることを特徴とする請求項１に記載の摩擦発電装置。
  3. 　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請求項２に記載の摩擦発電装置。
  4. 　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３に記載の摩擦発電装置。
  5. 　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乃至４のいずれか１項に記載の摩擦発電装置。
    　
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