JP5691080B2 - 振動発電体およびその製造方法と発電方法 - Google Patents
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Description
また、スペーサの厚み分だけ、エレクトレット誘電体と電極との隙間を保持することが容易に可能となる。したがって、外力に応じて、より確実にエレクトレット誘電体と電極との距離を変化させることができる。
第3の発明は、一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられ、表面と裏面との電位差が200V〜600Vに帯電処理され、電荷を保持したエレクトレット誘電体と、を具備する振動発電体を用い、前記エレクトレット誘電体は内部に空孔を有する多孔質材で構成された可撓性を有するものであり、少なくとも一方の前記電極と前記エレクトレット誘電体との間には、互いに接合されない非接合部が形成され、外力が付与された際、前記非接合部の少なくとも一部において、前記エレクトレット誘電体と、少なくとも一方の前記電極との距離が変化可能であり、前記エレクトレット誘電体と少なくとも一方の前記電極との間には、部分的にスペーサが設けられ、少なくとも一部の前記スペーサを介して、前記エレクトレット誘電体と前記電極とが接合され、前記スペーサ以外の部位が、前記非接合部となり、前記スペーサの厚さは30μm〜100μmであり、外力が付与された際、一対の前記電極の少なくとの一方と前記エレクトレット誘電体との距離が、少なくとも一部において変化可能であり、前記電極の変形によって、前記エレクトレット誘電体と前記電極とが接触と剥離とを繰り返して発電することを特徴とする振動発電体による発電方法である。
以下、本発明の実施の形態にかかる振動発電体1について説明する。図1(a)に示すように、振動発電体1は、主にエレクトレット誘電体3、電極5a、5b、スペーサ7等から構成される。
次に、振動発電体1の発電機構について説明する。図3は図1のA部拡大図である。図3(a)に示すように、例えば定常状態(外力が付与されていない状態。以下同様。)では、電極5bとエレクトレット誘電体3との間には、非接合部9においてスペーサ7の厚みに応じたギャップ長Bが形成される。この状態から、図3(b)に示すように、外力Cが振動発電体1の厚さ方向に付与されると、電極5b(およびエレクトレット誘電体3)が変形する。この際、ギャップ長Bの変化が付与されると、電極5bとエレクトレット誘電体3とが接触部11で接触する。
次に、他の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において、振動発電体1と同様の機能を奏する構成については図1等と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
次に、さらに他の実施の形態にかかる振動発電体40について説明する。図5に示すように、ケーブル状である振動発電体40は、主に、中心電極41、エレクトレット誘電体3、外部電極43、被覆部45等から構成される。
次に、振動発電体40の発電機構について説明する。図7(a)に示すように、例えば定常状態(外力が付与されていない状態。以下同様。)では、中心電極41と外部電極43との間には、エレクトレット誘電体3の厚み分の距離が保たれている。
前述のように、本発明の振動発電体40は、外力による変形に応じて発電を行うことができる。したがって、振動発電体40は、容易に変形するものであることが望ましい。このため、図9(a)に示すように、中空の中心電極41を有する振動発電体40aを用いても良い。振動発電体40aでは、中心電極41の内部に空間47が形成されているため、外力による振動発電体40aの断面の変形が容易である。
次に、振動発電体40の製造方法について説明する。エレクトレット誘電体3は、中心電極41の外周に絶縁性の発泡プラスチックまたは発泡ゴムを押し出し被覆して形成することができる。絶縁性の発泡プラスチックまたは発泡ゴムであるエレクトレット誘電体3の基材を押し出し被覆後、さらに外周に外部電極43を形成し、前記外部電極43の外周に被覆部45を押し出し被覆すればよい。その後、中心電極41と外部電極43との間に直流電圧を付与し、エレクトレット誘電体3の帯電処理を行えばよい。
この場合、図10(a)に示すように、樹脂テープ51が、互いの端部同士がラップするように螺旋状に巻きつけられてもよい(ラップ巻き)。また、図10(b)に示すように、樹脂テープ51同士が、互いの端部間にギャップが形成されるように空隙6を空けて螺旋状に巻きつけられても良い(ギャップ巻き)。
多孔質な材質からなる樹脂テープ51を用いる場合は、図10(c)に示すように、樹脂テープ51が互いの端部にラップ部やギャップ部が形成されないように隙間なく突き合わされて螺旋状に巻きつけられても良い(突き合わせ巻き)。また、中心導体に樹脂テープを縦添えして1層または複数層巻いてもよい。
図11は、振動発電体40の変形と発電出力電圧との関係を評価した結果を示す図であり、横軸が時間、縦軸が発電出力電圧である。なお、振動発電体40としては、中心電極41に直径1mmの銅線を用い、エレクトレット誘電体3は、厚さ約1mmの発泡ポリプロピレンを中心電極上に押し出し被覆して設けた。外部電極43には、錫メッキ銅編組線を用い、被覆部45としては厚さ約0.5mmのポリ塩化ビニルを用いた。なお、エレクトレット誘電体3には、発泡ポリプロピレンの他に、発泡ポリエチレン、発泡ポリ塩化ビニル、発泡シリコーンゴム、発泡エチレンプロピレンゴムを厚さ約1mmで中心電極41上に押し出して、同一構成とした振動発電体40についても同様に評価した。
次に、本発明にかかる振動発電体1、1a、30、30a、40、40a、40bで発電した発電出力を蓄電する方法について説明する。図12に示すように、振動発電装置60は、振動発電体1、整流回路67、蓄電回路69等から構成される。なお、図12では、振動発電体1を用いる例について説明するが、振動発電体1a、30、30a、40、40a、40bに対しても同様に適用することができる。
実施例1は、振動発電体30(図4(a))に示す構造とした。振動発電体のサイズは、約100mm×約100mm×約0.5mmとした。また、電極は、導体層として厚さ12μmのアルミニウム箔を用い、樹脂層として厚さ100μmのPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルムを用い、それら熱溶着によって接合したものを用いた。エレクトレット誘電体としては、厚さ100μmの発泡ポリプロピレンフィルムを用い、発泡ポリプロピレンフィルム全体に対してコロナ放電によって均一に帯電処理を行った。なお、エレクトレット誘電体の両表面間の電位差は約200Vであった。
実施例2は、実施例1と略同様であるが、振動発電体30a(図4(b))に示す構造とした。振動発電体のサイズは、約100mm×約100mm×約0.4mmとした。また、電極およびエレクトレット誘電体は実施例1と同様である。なお、一方の電極のアルミニウム箔面は、エレクトレット誘電体と加熱融着によって全面接着されている。他方の電極とエレクトレット誘電体とは、実施例1と同様にして、ドット状に接着剤を塗布してスペーサを形成した。
比較例1は、実施例1と略同様であるが、エレクトレット誘電体として多孔質材ではない厚さ100μmのポリプロピレンフィルムを用いた。
比較例2は、実施例2と略同様であるが、エレクトレット誘電体として多孔質材ではない厚さ100μmのポリプロピレンフィルムを用いた。
比較例3は、実施例2と略同様であるが、両面の電極をエレクトレット誘電体の全面に接着した。すなわち、両側のいずれの電極に対しても非接合部を形成せずに電極とエレクトレット誘電体の全面を接着した。
比較例4は、実施例2と略同様であるが、エレクトレット誘電体として多孔質材ではない厚さ100μmのポリプロピレンフィルムを用いるとともに、両面の電極をエレクトレット誘電体の全面に接着した。すなわち、両側のいずれの電極に対しても非接合部を形成せずに電極とエレクトレット誘電体の全面を接着した。
次に、振動発電体40(図5)に示す振動発電体について評価した。実施例3は、中心電極に、直径1mmの銅線を用い、エレクトレット誘電体としては、厚さ約1mmの発泡ポリプロピレンを中心電極上に押し出し被覆して設けた。外部電極には、錫メッキ銅編組線を用い、被覆部としては厚さ約0.5mmのポリ塩化ビニルを用いた。
実施例4は、実施例3と略同様であるが、エレクトレット誘電体を押出成形せずに、発泡ポリプロピレン製の絶縁テープ(厚さ約100μm、幅約5mm)を多層に螺旋状にラップ巻きして、厚さ約1mmとした。その他の構成および帯電処理の方法は、実施例3と同様である。
比較例5は、実施例3と略同様であるが、中心電極上に、多孔質材ではないポリプロピレンを押し出し被覆してエレクトレット誘電体を設けた。その他の構成は、実施例3と同様である。
比較例6は、実施例4と略同様であるが、エレクトレット誘電体として、多孔質材ではないポリプロピレン製の絶縁テープ(厚さ約100μm、幅約5mm)を多層に螺旋状にラップ巻きして、厚さ約1mmとした。その他の構成および帯電処理の方法は、実施例4と同様である。
次に、振動発電体40(図5)に示す振動発電体について、他のエレクトレット誘電体の帯電処理方法および振動発電体の製造方法を施した振動発電体について評価した。実施例5の振動発電体の構成、構造は、実施例3と略同様である。実施例5は、中心電極にエレクトレット誘電体として発泡ポリプロピレンを押出成形した後、前記発泡ポリプロピレンの外周に隙間をあけて配置されたコロナ放電装置によって、前記発泡ポリプロピレンの表面電位を−4kV(中心電極の電位を基準)までおおよそ均一に帯電させてエレクトレット誘電体を形成した。その後、外部電極である錫メッキ銅編組線、被覆部であるポリ塩化ビニルを順次被覆して振動発電体を完成させた。
実施例6は、実施例5と略同様であるが、エレクトレット誘電体を押出成形せずに、発泡ポリプロピレン製の絶縁テープ(厚さ約100μm、幅約5mm)を多層に螺旋状にラップ巻きして、厚さ約1mmのエレクトレット誘電体を形成した。その他の構成、エレクトレット誘電体の帯電処理方法および振動発電体の製造方法は、実施例5と同様である。
比較例7は、実施例5と略同様であるが、エレクトレット誘電体として、多孔質材ではないポリプロピレンを、中心電極上に押し出し被覆して設けた。その他の構成、エレクトレット誘電体の帯電処理方法および振動発電体の製造方法は、実施例5と同様である。
比較例8は、実施例6と略同様であるが、エレクトレット誘電体として、多孔質材ではないポリプロピレン製の絶縁テープ(厚さ約100μm、幅約5mm)を多層に螺旋状にラップ巻きして、厚さ約1mmとした。その他の構成、エレクトレット誘電体の帯電処理方法および振動発電体の製造方法は、実施例6と同様である。
3………エレクトレット誘電体
4………空孔
5a、5b、31a、31b………電極
6………空隙
7………スペーサ
9………非接合部
33………導体層
35………樹脂層
41………中心電極
43………外部電極
45………被覆部
47………空間
49………弾性体
51………樹脂テープ
60………振動発電装置
61………ダイオード
63………蓄電部
65………スイッチ
67………整流回路
69………蓄電回路
Claims (4)
- 一対の電極と、
前記一対の電極の間に設けられ、表面と裏面との電位差が200V〜600Vに帯電処理され、電荷を保持したエレクトレット誘電体と、
を具備し、
前記エレクトレット誘電体は内部に空孔を有する多孔質材で構成された可撓性を有するものであり、
少なくとも一方の前記電極と前記エレクトレット誘電体との間には、互いに接合されない非接合部が形成され、
外力が付与された際、前記非接合部の少なくとも一部において、前記エレクトレット誘電体と、少なくとも一方の前記電極との距離が変化可能であり、
前記エレクトレット誘電体と少なくとも一方の前記電極との間には、部分的にスペーサが設けられ、少なくとも一部の前記スペーサを介して、前記エレクトレット誘電体と前記電極とが接合され、前記スペーサ以外の部位が、前記非接合部となり、
前記スペーサの厚さは30μm〜100μmであり、
外力が付与された際、一対の前記電極の少なくとの一方と前記エレクトレット誘電体との距離が、少なくとも一部において変化可能であり、
前記電極の変形によって、前記エレクトレット誘電体と前記電極とが接触と剥離とを繰り返すことを特徴とする振動発電体。 - 一対の電極と、
前記一対の電極の間に設けられ、電荷を保持したエレクトレット誘電体と、
を具備し、
前記一対の電極の一方は中心電極であり、他方は外部電極であり、
前記エレクトレット誘電体は、前記中心電極の外周に設けられ、前記外部電極は、前記エレクトレット誘電体の外周に設けられ、
前記外部電極の外周が被覆部で被覆され、
前記エレクトレット誘電体は内部に空孔を有する多孔質材で構成された可撓性を有するものであり、
外力が付与された際、一対の前記電極の少なくとの一方と前記エレクトレット誘電体との距離が、少なくとも一部において変化可能であり、
前記電極の変形によって、前記エレクトレット誘電体と前記電極とが接触と剥離とを繰り返すことを特徴とする振動発電体。 - 振動発電体の製造方法であって、
一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられ、内部に空孔を有する多孔質材であるエレクトレット誘電体と、を具備し、少なくとも一方の前記電極と前記エレクトレット誘電体との間には互いに接合されない非接合部を有し、前記非接合部の少なくとも一部には空隙を有し、前記エレクトレット誘電体と少なくとも一方の前記電極との間には、部分的に厚さは30μm〜100μmのスペーサが設けられ、少なくとも一部の前記スペーサを介して、前記エレクトレット誘電体と前記電極とが接合され、前記スペーサ以外の部位が、前記非接合部となり、前記エレクトレット誘電体と少なくとも一方の前記電極との距離は、前記電極の変形によって前記エレクトレット誘電体と前記電極とが接触と剥離とを繰り返す距離である振動発電体素材を用い、
前記一対の電極の間に電圧を付与し、前記空孔の内部あるいは前記空隙の内部で放電を生じさせることで、前記エレクトレット誘電体を表面と裏面との電位差が200V〜600Vに帯電させることを特徴とする振動発電体の製造方法。 - 一対の電極と、
前記一対の電極の間に設けられ、表面と裏面との電位差が200V〜600Vに帯電処理され、電荷を保持したエレクトレット誘電体と、
を具備する振動発電体を用い、
前記エレクトレット誘電体は内部に空孔を有する多孔質材で構成された可撓性を有するものであり、
少なくとも一方の前記電極と前記エレクトレット誘電体との間には、互いに接合されない非接合部が形成され、
外力が付与された際、前記非接合部の少なくとも一部において、前記エレクトレット誘電体と、少なくとも一方の前記電極との距離が変化可能であり、
前記エレクトレット誘電体と少なくとも一方の前記電極との間には、部分的にスペーサが設けられ、少なくとも一部の前記スペーサを介して、前記エレクトレット誘電体と前記電極とが接合され、前記スペーサ以外の部位が、前記非接合部となり、
前記スペーサの厚さは30μm〜100μmであり、
外力が付与された際、一対の前記電極の少なくとの一方と前記エレクトレット誘電体との距離が、少なくとも一部において変化可能であり、
前記電極の変形によって、前記エレクトレット誘電体と前記電極とが接触と剥離とを繰り返して発電することを特徴とする振動発電体による発電方法。
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