WO2012108192A1 - 静電容量変化型発電素子 - Google Patents

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坂下　幸雄
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富士フイルム株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a power generation element that generates power by a change in capacitance between electrodes.
  • an electroactive polymer artificial muscle (EPAM) has been developed as an actuator using an electroactive polymer made of dielectric elastomer.
  • This electric field responsive polymer actuator converts electrical energy into mechanical energy, and is composed of two flexible electrodes and a dielectric elastomer sandwiched between the electrodes. Thus, the elastomer contracts in the thickness direction and expands in the surface direction.
  • Non-patent Document 1 Patent Documents 1 to 3, etc.
  • Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 disclose a power generation device using the above-mentioned EPAM.
  • Patent Documents 2 and 3 disclose dielectric rubber laminates to which a dielectric ceramic exhibiting a high dielectric constant is added in order to increase the dielectric constant of the dielectric elastomer.
  • Patent Document 4 discloses a composite member such as a fiber reinforced plastic, which is a composite member having a self-diagnostic function for inspecting a defect inside the member, with piezoelectric particles having polarization directions oriented.
  • a composite member composed of a synthetic fiber resin and a conductive fiber layer has been proposed.
  • the conductive fiber layer serves as an electrode and accumulates the charge of spontaneous polarization of the piezoelectric particles to form a capacitive sensor.
  • the composite member corresponds to the amount of change in capacitance. Current to be output from the conductive fiber layer. From this output signal, it is possible to diagnose distortion and damage occurring in the composite member.
  • Patent Documents 2 and 3 describe a dielectric material having a high dielectric constant in accordance with this idea. Particles are contained in the rubber layer.
  • the preferable conditions for the dielectric characteristics differ between the case of using as an actuator and the case of using as a power generation element, and the dielectric containing the high dielectric filler described in Patent Document 2 It was concluded that sufficient power generation efficiency could not always be obtained even when a rubber layer was used.
  • Patent Document 4 since the self-diagnosis type composite member only needs to obtain a power generation amount sufficient to function as a capacitive sensor, it has not been studied to improve the power generation amount as a power generation element. .
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a capacitance change type power generation element with high power generation efficiency.
  • the capacitance change type power generating element of the present invention includes a composite layer in which a plurality of ferroelectric particles are dispersed in a dielectric elastomer, A pair of electrodes arranged above and below the composite layer, and a pair of electrodes that expands and contracts according to the expansion and contraction of the composite layer,
  • the ferroelectric particles have crystal orientation in the composite and are oriented and dispersed in the dielectric elastomer so that the polarization axes of the plurality of ferroelectric particles are aligned, and the layer of the composite layer It is characterized by being polarized in the thickness direction.
  • orientation rate F is defined as an orientation rate F measured by the Lottgering method being 50% or more.
  • the orientation rate F is represented by the following formula (i).
  • F (%) (P ⁇ P 0 ) / (1 ⁇ P 0 ) ⁇ 100 (i)
  • P is the ratio of the total reflection intensity from the orientation plane to the total reflection intensity.
  • P is the sum ⁇ I (00l) of the reflection intensity I (00l) from the (00l) plane and the sum ⁇ I (hkl) of the reflection intensity I (hkl) from each crystal plane (hkl). ( ⁇ I (00l) / ⁇ I (hkl) ⁇ ).
  • P I (001) / [I (001) + I (100) + I (101) + I (110) + I (111)].
  • P 0 is P of a sample having a completely random orientation.
  • F 0%
  • F 100%.
  • the polarization axis that minimizes the relative dielectric constant of the ferroelectric particles is oriented substantially parallel to the layer thickness direction.
  • the relative permittivity of the ferroelectric particles in the polarization direction is less than 200.
  • the particle size of the ferroelectric particles is preferably 100 nm to 10 ⁇ m.
  • the Young's modulus of the dielectric elastomer is preferably 100 MPa or less, and more preferably 10 MPa or less.
  • the crystal structure of the ferroelectric particles is preferably a perovskite structure, a bismuth layer structure, or a tungsten bronze structure, and the ferroelectric particles are mainly composed of a perovskite oxide that does not contain lead. It is preferable. As such a perovskite oxide, a bismuth-containing perovskite oxide is preferable.
  • the electrostatic capacity change type power generating element of the present invention is such that the ferroelectric particles dispersed in the dielectric elastomer have crystal orientation and are oriented and dispersed so that the polarization axes of the plurality of ferroelectric particles are aligned. And polarized in the thickness direction of the composite layer. According to such a configuration, the remanent polarization value of each particle can be increased by the crystal orientation of each particle, and furthermore, since the polarization axes of a plurality of particles are aligned, the remanent polarization value ( Surface charge density) can be increased. In addition, since the power generation element can greatly change the distance between the electrodes due to the elasticity of the dielectric elastomer, the power generation amount can be improved.
  • the dielectric constant can be suppressed, so a larger power generation characteristic can be obtained. Can be achieved.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view in the thickness direction showing the configuration of a capacitance change power generating element according to an embodiment of the present invention.
  • Schematic cross-sectional view in the thickness direction showing the structure of a stacked power generation element that is an approximate model for explaining the principle of power generation
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a power generation element 1 according to an embodiment of the present invention, where A indicates a state before element compression (state A) and B indicates an element compression state (state B).
  • A indicates a state before element compression (state A)
  • B indicates an element compression state (state B).
  • the scales of the constituent elements of each part are appropriately changed and shown.
  • the power generating element 1 includes a composite layer 12 in which ferroelectric particles 11 are dispersed in a dielectric elastomer 10 and a pair of electrodes provided above and below the composite layer 12. And a pair of electrodes 21 and 22 that expands and contracts in accordance with the expansion and contraction.
  • the ferroelectric particles 11 have crystal orientation, are oriented and dispersed in the dielectric elastomer 10 so that the polarization axes of the plurality of ferroelectric particles 11 are aligned with each other, and the composite layer 12. It is polarized in the layer thickness direction.
  • the composite layer 12 Due to the presence of the orientationally polarized ferroelectric particles, the composite layer 12 has a very large surface charge density.
  • the ferroelectric particles are polarized in the ferroelectric particles. Therefore, it is not necessary to charge the initial electric energy.
  • the lower electrode 21 and the upper electrode 22 are electrically connected to a load (not shown), and the power generating element 1 changes the capacitance by changing the distance between the electrodes 21 and 22 to change the electric energy.
  • This is a capacitance change type power generation element to be generated.
  • the state B from the state A before the compressive force is applied to the power generation element 1 shown in FIG. 1A in the stacking direction to the state B from the state B before the compressive force shown in FIG.
  • the potential difference between the electrodes 21 and 22 is generated, and a function as a power generation element is obtained by taking out the change in the potential difference as electric power.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a power generation element of a stacked model for explaining the principle of power generation, where A indicates a state before element compression (state A) and B indicates an element compression state (state B).
  • A indicates a state before element compression (state A)
  • B indicates an element compression state (state B).
  • the power generation amount P in the element of the present invention is defined by the following formula (1), where f is the frequency at which the compressive force is applied between the electrodes.
  • q eA is the surface charge density of the elastomer in state A
  • q eB is the surface charge density of the elastomer after charge transfer that occurs after becoming compressed state B.
  • ⁇ V is the amount of change in potential difference when changing from state A to state B.
  • the amount of change in potential difference is the potential difference of the elastomer layer.
  • V eA is the potential of the elastomer side electrode in the state A
  • ⁇ V eB is the potential of the elastomer side electrode before the charge transfer in the compressed state B.
  • the charge density q eA electrostatically induced on the surface of the elastomer layer by dielectric polarization by the ferroelectric layer and the charge density q f on the surface of the ferroelectric layer can be expressed by the following formula (2).
  • the power generation amount P is expressed by the following expression (3).
  • A is the counter The area of the electrode to be used, ⁇ e is the relative permittivity of the elastomer, ⁇ f is the relative permittivity of the ferroelectric, and ⁇ 0 is the permittivity of the vacuum.
  • the thickness d eA in the state A of the elastomeric layer as the difference between the thickness d eB in state B (the amount of change in thickness) is large, it is also clear that the power generation amount increases.
  • the thickness d eA in the state A of the elastomeric layer, the difference between the thickness d eB in State B, with the thickness t B in the thickness t A and the state B in the state A of the composite layer of the power generating element shown in FIG. 1 It is equivalent to the difference.
  • the dielectric elastomer layer 11 has a small Young's modulus and can change the thickness greatly with respect to the force.
  • the Young's modulus is preferably 100 MPa or less, more preferably 10 MPa or less.
  • the external force is used to expand and contract the dielectric elastomer layer 11, and almost no external force is applied to the dielectric polarization layer made of a ferroelectric material, and the thickness hardly changes. Therefore, it is considered that the piezoelectricity hardly functions in the dielectric polarization layer.
  • the dielectric elastomer 10 has a small Young's modulus and a large thickness relative to the force because the electrostatic capacity is changed by greatly expanding and contracting the dielectric elastomer layer 10 (composite layer 12) in the thickness direction by an external force.
  • the Young's modulus is preferably 100 MPa or less, more preferably 10 MPa or less.
  • the external force (compressive force) applied to the element when the composite layer 12 is stretched flat is absorbed by the expansion of the dielectric elastomer 10, and almost no external force is applied to the ferroelectric particles, and the ferroelectric particles 11 are hardly deformed. Therefore, it is considered that the piezoelectricity hardly functions in the composite layer of the power generating element 1.
  • Examples of the material of the dielectric elastomer 10 include thermosetting elastomers such as acrylic rubber, acrylonitrile butadiene rubber, isoprene rubber, silicone rubber, and fluoro rubber, which are synthetic rubbers, or thermoplastic elastomers such as polystyrene, polyolefin, and polyurethane. Can be used.
  • thermosetting elastomers such as acrylic rubber, acrylonitrile butadiene rubber, isoprene rubber, silicone rubber, and fluoro rubber, which are synthetic rubbers
  • thermoplastic elastomers such as polystyrene, polyolefin, and polyurethane. Can be used.
  • the surface charge density of the composite layer 12 increases as the volume fraction of the ferroelectric particles 11 increases.
  • the volume fraction of the ferroelectric particles 11 is preferably about 10 to 60%.
  • the ferroelectric particles 11 have crystal orientation, are oriented and dispersed so that the polarization axes of the plurality of ferroelectric particles 11 are aligned, and can be polarized in the layer thickness direction of the composite layer 12.
  • the material is not particularly limited, and may be an organic ferroelectric material, an inorganic ferroelectric material, or a composite material thereof.
  • the ferroelectric particles 11 are preferably composed mainly of an inorganic ferroelectric material that can give a large remanent polarization value. From the viewpoint of heat resistance, an inorganic ferroelectric material is preferable, and a ferroelectric material having a higher Curie temperature is preferable.
  • the polarization axes in the crystal orientation of the ferroelectric particles 11 are aligned substantially parallel to the thickness direction.
  • Examples of the crystal structure of an inorganic ferroelectric that can give a large remanent polarization value (excellent ferroelectricity) include a perovskite structure, a bismuth layered structure, and a tungsten bronze structure, with a perovskite structure being preferred.
  • perovskite type oxides having excellent ferroelectricity lead-based perovskite type oxides are known, but from the viewpoint of environmental impact, those containing a perovskite type oxide containing no lead as a main component are preferable. The containing perovskite oxide is more preferable.
  • perovskite-type oxides include lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), lead zirconate, lead lanthanum titanate, lead lanthanum zirconate titanate, lead zirconium titanate titanate niobate.
  • Lead-containing compounds such as lead zirconium titanate nickel niobate and lead zirconium niobate titanate, and mixed crystals thereof;
  • the polarization axis parallel to the thickness direction is preferably the polarization axis that minimizes the dielectric constant when the polarization treatment is performed.
  • the ferroelectric particles are oriented so that the polarization axes with a large remanent polarization value and a low relative dielectric constant are aligned substantially parallel to the thickness direction, so that the surface charge density is high and the dielectric constant is small. It can be a composite layer.
  • the polarization axis having a large remanent polarization value and a small relative dielectric constant is, for example, in the perovskite structure, the ⁇ 001> direction (c-axis) for tetragonal crystals, the ⁇ 110> direction for orthorhombic crystals, rhombohedral Then, it is the ⁇ 111> direction.
  • the remanent polarization value is 10 ⁇ C / cm 2 or more and the relative dielectric constant is 400 or less, preferably less than 200, which is preferable.
  • the particle diameter of the ferroelectric particles is preferably about 100 nm to 10 ⁇ m.
  • the particle diameter is the maximum length of the particles. Since the ferroelectricity is lowered when the particle size is reduced, the particle size is preferably 100 nm or more. On the other hand, if the particle size becomes too large, the dielectric elastomer cannot follow the expansion and contraction and may be peeled off. Therefore, the particle size is preferably 10 ⁇ m or less.
  • the shape of the ferroelectric particles is not particularly limited as long as it is granular, and may be any shape such as a spherical shape, a plate shape, or a whisker shape.
  • Examples of the method for orienting and dispersing the ferroelectric particles in the dielectric elastomer include the following methods.
  • Plate-like ferroelectric particles (c-axis is the thickness direction of the plate) made of c-axis oriented crystals (tetragonal perovskite structure) are dispersed on the dielectric elastomer and applied to the electrode and cured.
  • the plate-like particles can be arranged so that the thickness direction thereof is perpendicular to the surface of the electrode.
  • ferroelectric particles having crystal orientation are dispersed in a dielectric elastomer and applied on an electrode, and then subjected to a polarization treatment in a semi-cured state in which the dielectric elastomer is not completely cured, the ferroelectric particles Since the ferroelectric particles move so that the direction of spontaneous polarization is aligned with the direction of the electric field, the particles can be oriented in the elastomer.
  • the polarization method of the ferroelectric particles in the composite layer is not particularly limited, and examples thereof include a corona discharge treatment in addition to a normal electrode polarization method. From the viewpoint of preventing characteristic deterioration due to depolarization, it is preferable that the coercive electric field value of the ferroelectric is higher. From the viewpoint of heat resistance and deterioration of characteristics due to depolarization, a higher Curie temperature is preferable.
  • the lower electrode 21 and the upper electrode 22 are not particularly limited as long as the lower electrode 21 and the upper electrode 22 are made of a conductive material that can expand and contract in accordance with the expansion and contraction of the composite layer 12 and can follow the change of the composite.
  • a conductive material in which a conductive filler is added to a base rubber such as silicon, modified silicon, acrylic, polychloroprene, polysulfide, polyurethane, and polyisobutyl.
  • a base rubber such as silicon, modified silicon, acrylic, polychloroprene, polysulfide, polyurethane, and polyisobutyl.
  • the conductive filler include carbon materials such as carbon fiber, carbon nanofiber (CNF), carbon nanotube (CNT), or ketjen black, acetylene black, or graphite, which are one type of conductive carbon black, or gold, silver, A metal material such as platinum is preferred.
  • the thicknesses of the lower electrode 21 and the upper electrode 22 are not particularly limited, and may be a minimum thickness for having sufficient conductivity for taking out a current generated by a change in potential difference between both electrodes.
  • the thickness can be determined by the electrical conductivity of the electrode material and the overall size of the power generating element 1, and is preferably, for example, 1 to 1000 ⁇ m in a natural state.
  • the electrostatic capacity change type power generating element 1 is configured as described above.
  • the manufacturing method of the power generation element 1 is not particularly limited as long as it has the above configuration.
  • the power generating element 1 uses a composite layer containing the ferroelectric particles 11 and uses the ferroelectric particles 11 having crystal orientation so that the polarization axes of many particles are aligned in the dielectric elastomer. Oriented and dispersed in the direction. Further, this polarization axis is a polarization axis having the smallest relative dielectric constant, and is oriented so as to be substantially parallel to the thickness direction. According to such a configuration, not only has a very large surface charge density but also a low dielectric constant, it is possible to obtain greater power generation characteristics.
  • the dielectric elastomer generally has a Young's modulus of several MPa to several tens of MPa and is greatly deformed by an external force, so that a large amount of power generation can be obtained. Furthermore, by using an electrode made of a conductive material that can be expanded and contracted according to the expansion and contraction of the composite layer 12 and can follow the change of the composite, a large amount of power generation can be achieved without inhibiting the deformation of the dielectric elastomer.
  • Patent Document 4 described in [Background Art], an epoxy resin is used as a synthetic resin, and this Young's modulus is very large as 2 to 5 GPa.
  • conductive fibers are generally not highly stretchable. Therefore, it is considered that the composite material described in Patent Document 4 cannot obtain a sufficiently large amount of deformation, and a large amount of power generation cannot be obtained.
  • the power generating element 1 having higher heat resistance and higher power generation efficiency than the resin material can be obtained.
  • Design changes The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without changing the gist of the invention.
  • a plurality of strip-like elements may be arranged on one substrate and connected in series or in parallel to constitute a power generation apparatus that improves the power generation amount.
  • the power generation element of the present invention can be used for power generation by natural energy such as wave power, hydraulic power, wind power, etc., power generation by walking of people embedded in shoes and floors, power generation by running of automobiles embedded in automobile tires, etc. It is.

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Abstract

【課題】発電効率の高い静電容量変化型の発電素子を得る。 【解決手段】発電素子（１）を、誘電エラストマー（１０）中に強誘電体粒子（１１）が分散されてなるコンポジット層（１２）と、コンポジット層（１２）の上下に配された一対の電極であって、該コンポジット層の伸縮に応じて伸縮する一対の電極（２１）、（２２）とを備えた構成とする。ここで、強誘電体粒子（１１）は結晶配向性を有すると共に、誘電エラストマー（１０）中に配向分散されており、かつ、コンポジット層（１２）の層厚方向に分極している。

Description

静電容量変化型発電素子
　本発明は、電極間の静電容量の変化により発電する発電素子に関するものである。
　従来、誘電エラストマーからなる電場応答性高分子を用いたアクチュエータとして電場応答性高分子型人工筋肉（Electroactive Polymer Artificial Muscle:EPAM)の開発がなされている。
　この電場応答性高分子アクチュエータは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するものであり、二つの柔軟な電極と該電極間に挟まれた誘電エラストマーから構成され、電極間に電位差を与えると、静電力によりエラストマーが厚さ方向に収縮し、面方向に伸張するものである。
　近年においては、この駆動動作を逆にして機械エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電システムとして用いる技術の開発がすすめられている（非特許文献１、特許文献１～３など）。
　非特許文献１および特許文献１には、上述のEPAMを用いた発電装置が開示されている。
　また、特許文献２および３には、誘電エラストマーの誘電率を高めるために高誘電率を示す誘電性セラミックスを添加した誘電性ゴム積層体が開示されている。
　一方、特許文献４には、繊維強化プラスチックなどの複合部材であって、部材内部の欠陥を被破壊検査するための自己診断機能を備えた複合部材として、分極方向を配向させた圧電性粒子を含む合繊樹脂と導電性繊維層とからなる複合部材が提案されている。この複合部材は、導電性繊維層が電極となり、圧電性粒子の自発分極の電荷を蓄積して静電容量型センサを構成し、振動が与えられたときに、静電容量の変化量に相応する電流を導電性繊維層から出力するものである。この出力信号から複合部材に発生している歪みや損傷を診断することができる。
特開２００８－１４１８４０号公報 特開２００８－５３５２７号公報 特開２００９－２３２６７７号公報 特開２００６－１３１７７６号公報
Seiki Chiba et al., Journal ofthe Japan Institute of Energy, 86, 743-747 (2007)
　従来より、人工筋肉アクチュエータとして使用する場合には、誘電性ゴム層の誘電率を高くする必要があることが知られており、特許文献２、３はこの思想に沿って高誘電率の誘電体粒子をゴム層中に含有させている。
　しかしながら、本発明者らの検討によると、アクチュエータとして用いる場合と発電素子として用いる場合とで、誘電特性についての好ましい条件が異なり、特許文献２に挙げられている高誘電性フィラーを含有する誘電性ゴム層を用いた場合であっても、必ずしも十分な発電効率を得ることができないとの結論が得られた。
　また、特許文献４においては、自己診断型の複合部材は、静電容量型センサとして機能するだけの発電量が得られればよいため、発電素子として発電量を向上させることについては検討されていない。
　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、発電効率の高い静電容量変化型の発電素子を提供することを目的とするものである。
　本発明の静電容量変化型の発電素子は、誘電エラストマー中に複数の強誘電体粒子が分散されてなるコンポジット層と、
　該コンポジット層の上下に配された一対の電極であって、該コンポジット層の伸縮に応じて伸縮する一対の電極とを備え、
　前記強誘電体粒子が、前記コンポジット中において結晶配向性を有すると共に、前記複数の強誘電体粒子の分極軸が揃うように前記誘電エラストマー中に配向分散されており、かつ、前記コンポジット層の層厚方向に分極していることを特徴とするものである。
　本明細書において、「結晶配向性を有する」とは、Ｌｏｔｇｅｒｌｉｎｇ法により測定される配向率Ｆが、５０％以上であることと定義する。
　配向率Ｆは、下記式（ｉ）で表される。
　Ｆ（％）＝（Ｐ－Ｐ０）／（１－Ｐ０）×１００・・・（ｉ）
　式（ｉ）中、Ｐは、配向面からの反射強度の合計と全反射強度の合計の比である。（００１）配向の場合、Ｐは、（００ｌ）面からの反射強度Ｉ（００ｌ）の合計ΣＩ（００ｌ）と、各結晶面（ｈｋｌ）からの反射強度Ｉ（ｈｋｌ）の合計ΣＩ（ｈｋｌ）との比（｛ΣＩ（００ｌ）／ΣＩ（ｈｋｌ）｝）である。例えば、ペロブスカイト結晶において（００１）配向の場合、Ｐ＝Ｉ（００１）／［Ｉ（００１）＋Ｉ（１００）＋Ｉ（１０１）＋Ｉ（１１０）＋Ｉ（１１１）］である。
　Ｐ０は、完全にランダムな配向をしている試料のＰである。
　完全にランダムな配向をしている場合（Ｐ＝Ｐ０）にはＦ＝０％であり、完全に配向をしている場合（Ｐ＝１）にはＦ＝１００％である。
　前記強誘電体粒子の比誘電率が最小となる分極軸が、前記層厚方向に略平行に配向していることが好ましい。
　また、前記強誘電体粒子の前記分極方向における比誘電率が２００未満であることが好ましい。
　前記強誘電体粒子の粒径は、１００ｎｍ～１０μｍであることが好ましい。
　前記誘電エラストマーのヤング率が１００ＭＰａ以下であることが好ましく、１０ＭＰａ以下であることがより好ましい。
　前記強誘電体粒子の結晶構造は、ペロブスカイト構造、ビスマス層状構造、タングステンブロンズ構造のいずれかであることが好ましく、前記強誘電体粒子としては、鉛を含まないペロブスカイト型酸化物を主成分とするものであることが好ましい。かかるペロブスカイト型酸化物としては、ビスマス含有ペロブスカイト型酸化物が好ましい。
　本発明の静電容量変化型の発電素子は、誘電エラストマー中に分散されている強誘電体粒子が結晶配向性を有すると共に、複数の強誘電体粒子の分極軸が揃うように配向分散されており、かつ、コンポジット層の層厚方向に分極している。かかる構成によれば、粒子毎の結晶配向性により各粒子の残留分極値を大きくさせることができ、さらに、複数の粒子の分極軸が揃っていることから、コンポジット層全体としての残留分極値（表面電荷密度）を大きくすることができる。また、本発電素子は、誘電エラストマーの弾性により、電極間の距離を大きく変化させることができるため、発電量を向上させることができる。
　また、さらに強誘電体粒子の比誘電率が最小となる分極軸が、コンポジット層の層厚方向に略平行に配向している場合、誘電率を抑制することができるので、より大きな発電特性を達成することができる。
本発明に係る一実施形態の静電容量変化型発電素子の構成を示す厚み方向概略断面図 発電原理を説明するための近似モデルである積層型発電素子の構成を示す厚み方向概略断面図
　図１を参照して、本発明の静電容量変化型発電素子について説明する。図１は本発明の一実施形態の発電素子１の概略断面図であり、Ａは素子圧縮前状態（状態Ａ）、Ｂは素子圧縮状態（状態Ｂ）を示している。視認しやすくするために各部の構成要素の縮尺は適宜変更して示してある。
　図１に示されるように、発電素子１は、誘電エラストマー１０中に強誘電体粒子１１が分散されてなるコンポジット層１２およびコンポジット層１２の上下に備えられた一対の電極であってコンポジット層１２の伸縮に応じて伸縮する一対の電極２１、２２とを備えている。発電素子１において、強誘電体粒子１１は、結晶配向性を有すると共に、複数の強誘電体粒子１１の分極軸が互いに揃うように誘電エラストマー１０中に配向分散されており、かつ、コンポジット層１２の層厚方向に分極している。
　この配向分極した強誘電体粒子の存在により、コンポジット層１２は、非常に大きな表面電荷密度を有するものとなっている。
　従来検討されている、人工筋肉発電素子においては、電極間に予め初期電気エネルギーをチャージさせる必要があるが、本発明の発電素子においては、コンポジット層が強誘電体粒子が分極処理されていることにより生じる表面電荷を有しているため、初期電気エネルギーのチャージをしなくてもよい。
　下部電極２１と上部電極２２とは、図示しない負荷に電気的に接続されており、本発電素子１は、電極２１、２２間の距離を変化させることにより静電容量を変化させて電気エネルギーを生じさせる静電容量変化型の発電素子である。コンポジット層１２により形成される静電場によって電極２１、２２に電荷が静電誘導された状態で、素子形状を変化させることにより、電荷分布に非対称性が生じ、これに伴い電極間の静電容量が変化し、これに伴い電極間に電位差が生じる。この電位差が０になるように電荷移動が生じ、外部回路（負荷）に流れる電流となる。
　図１のＡに示す発電素子１に積層方向に圧縮力が引加される前の状態Ａから同図のＢに示す圧縮力が引加された状態Ｂあるいは、その逆の状態Ｂから状態Ａへと変化することにより、両電極２１、２２間電位差が生じ、この電位差の変化を電力として取り出すことにより発電素子としての機能を奏する。なお、外圧（圧縮力）により厚みが変化するのはエラストマー層１０であり、強誘電体粒子１１の形状はほとんど変化しない。
　発電の原理について説明する。発電の原理は、強誘電体とエラストマーの物性値、変形量などの発電量への影響を定量的に見積もるため、コンポジット内の強誘電体粒子を一方の電極側に集め、図２に示すように、近似的にエラストマー層１０と強誘電体層１１との積層型のモデルとして計算する。図２は、発電原理を説明するための積層型モデルの発電素子の概略断面図であり、Ａは素子圧縮前状態（状態Ａ）、Ｂは素子圧縮状態（状態Ｂ）を示している。図２において、図１に示した素子と同等の要素には同一符号を付している。なお、コンポジット中のエラストマーと強誘電体粒子との体積分率により、近似モデルにおけるエラストマー層の厚み、強誘電体層の厚みは見積もることができる。
　電極間に圧縮力が引加される周波数をｆとしたとき、本発明の素子における発電量Ｐは、下記式（１）により定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ここで、ΔＱは、状態Ａから状態Ｂに変化した際に移動する電極表面における表面電荷密度であり、これはエラストマー層の表面電荷量の変化量で表わされる。すなわちΔＱ＝Δｑｅ＝ｑeB－ｑeAである。ここで、ｑeAは状態Aのエラストマーの表面電荷密度であり、ｑeBは圧縮状態Bとなった後に生じる電荷移動後のエラストマーの表面電荷密度である。
　ΔVは、状態Ａから状態Ｂに変化した際の電位差の変化量であり、ここでは、強誘電体層の厚みは変化しないものと看做せば、電位差の変化量は、エラストマー層の電位差の変化量と看做すことができ、ΔV≒ΔVe＝VeA－VeBで表わされる。ここでVeAは状態Aにおけるエラストマー側電極の電位、ΔVeBは圧縮状態Bの電荷移動前におけるエラストマー側電極の電位である。
　状態Aにおいて、強誘電体層による誘電分極によりエラストマー層表面に静電誘導されている電荷密度ｑｅAと強誘電体層表面の電荷密度ｑfとは、下記式（２）で表わすことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　上記関係式から、発電量Ｐは下記式（３）で表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 （ｄeAは状態Ａにおけるエラストマー層の厚み、ｄeBは状態Ｂにおけるエラストマー層の厚み、ｄｆは強誘電体層の厚み（これは状態Ａ、Ｂで変化しないものとしている。）Ａは対向する電極の面積、εeはエラストマーの比誘電率、εfは強誘電体の比誘電率、ε０は真空の誘電率である。）
　上記式（３）より、強誘電体１１としては、表面電荷密度ｑfが高く、比誘電率εfが小さい方がより高い発電量を得ることができ好ましいことが分かる。
　また、エラストマー層の状態Ａにおける厚みｄeAと、状態Ｂにおける厚みｄeBとの差（厚みの変化量）が大きいほど、発電量が大きくなることも明らかである。なお、エラストマー層の状態Ａにおける厚みｄeAと、状態Ｂにおける厚みｄeBとの差は、図１に示した発電素子のコンポジット層の状態Ａにおける厚みｔAと状態Ｂにおける厚みｔBとの差と等価である。
　上述の通り、外力によりを厚み方向に大きく伸縮させることで、静電容量を変化させていることから、誘電エラストマー層１１はヤング率が小さく、力に対し大きく厚みが変化できることが好ましく、特にはヤング率が１００ＭＰａ以下、さらには１０ＭＰａ以下であることが好ましい。なお、外力は誘電エラストマー層１１が伸縮するのに用いられ、強誘電体からなる誘電分極体層にはほとんど外力は加わらず、厚みの変化もほとんどない。したがって、誘電分極体層において、圧電性はほとんど機能していないと考えられる。
　上述の通り、外力により誘電エラストマー層１０（コンポジット層１２）を厚み方向に大きく伸縮させることで、静電容量を変化させていることから、誘電エラストマー１０はヤング率が小さく、力に対し大きく厚みが変化できるものであることが好ましく、特にはヤング率が１００ＭＰａ以下、さらには１０ＭＰａ以下であること好ましい。コンポジット層１２を平たく伸張させる際に素子に加えられる外力（圧縮力）は誘電エラストマー１０の伸張により吸収され、強誘電体粒子にはほとんど外力は加わらず強誘電体粒子１１の変形はほとんどない。したがって、本発電素子１のコンポジット層において、圧電性はほとんど機能していないと考えられる。
　誘電エラストマー１０の材料としては、例えば、合成ゴムであるアクリルゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、イソプレンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴムなどの熱硬化性エラストマー、あるいはポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリウレタン系などの熱可塑性エラストマーを用いることができる。
　コンポジット層１２は、強誘電体粒子１１の体積分率が大きいほど、表面電荷密度は大きくなる。一方で、強誘電体粒子１１の体積分率が大きすぎると、コンポジット層のヤング率が高くなり、かつ、耐久性が低くなる恐れがある。したがって、コンポジット層１２における強誘電体粒子１１の体積分率は１０～６０％程度であることが好ましい。
　強誘電体粒子１１は、結晶配向性を有すると共に、複数の強誘電体粒子１１の分極軸が揃うように配向分散されており、かつ、コンポジット層１２の層厚方向に分極しうるものであれば、特に材料に制限はなく、有機強誘電体であっても無機強誘電体であっても、それらの複合材料であっても構わない。
　しかしながら、より高い発電効率が得られることから、強誘電体粒子としては、より残留分極値の高い強誘電体材料を用いることが好ましい。そのため、強誘電体粒子１１としては、大きな残留分極値を与えうる無機強誘電体を主成分とすることが好ましい。また、耐熱性の観点からも無機強誘電体であることが好ましく、更にキュリー温度の高い強誘電体であることが好ましい。
　また、より大きな残留分極値を与えるためには、強誘電体粒子１１の結晶配向における分極軸が、厚み方向に略平行に揃っていることが好ましい。
　大きな残留分極値を与えうる（強誘電性の優れた）無機強誘電体の結晶構造としては、結晶構造が、ペロブスカイト構造、ビスマス層状構造、タングステンブロンズ構造が挙げられ、中でもペロブスカイト構造が好ましい。
　強誘電性の優れたペロブスカイト型酸化物としては、鉛系ペロブスカイト型酸化物が知られているが、環境負荷の観点から、鉛を含まないペロブスカイト型酸化物を主成分とするものが好ましく、ビスマス含有ペロブスカイト型酸化物がより好ましい。
　ペロブスカイト型酸化物の具体例としては、鉛系では、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系；
　非鉛系では、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム等、及びこれらの混晶系、下記一般式（ＰＸ）で表される組成を有するペロブスカイト型酸化物（不可避不純物を含んでもよい）等が挙げられる。
　（Ｂｉｘ，Ａ１－ｘ）（Ｂｙ，Ｃ１－ｙ）Ｏ３・・・（ＰＸ）
（式（ＰＸ）中、ＡはＰｂ以外の平均イオン価数が２価のＡサイト元素、Ｂは平均イオン価数が３価のＢサイト元素，Ｃは平均イオン価数が３価より大きいＢサイト元素であり、Ａ，ＢおよびＣは各々１種又は複数種の金属元素である。Ｏは酸素。Ｂ及びＣは互いに異なる組成である。０．６≦ｘ≦１．０、ｘ－０．２≦ｙ≦ｘ。Ａサイト元素の総モル数及びＢサイト元素の総モル数の、酸素原子のモル数に対する比は、それぞれ１：３が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１：３からずれてもよい。）
　一方、残留分極値が高くても、比誘電率が大きくなるとその発電量は小さくなる。したがって、厚み方向に平行となる分極軸は、分極処理した際の誘電率が最も小さくなる分極軸であることが好ましい。
　強誘電体粒子が、残留分極値が大きくかつ比誘電率が小さくなる分極軸が厚み方向に対して略平行に揃うように配向されていることにより、表面電荷密度が高く、かつ誘電率の小さなコンポジット層とすることができる。
　強誘電体において、残留分極値が大きく、かつ比誘電率が小さい分極軸は、例えば、ペロブスカイト構造では、正方晶では＜００１＞方向（ｃ軸）、斜方晶では＜１１０＞方向、菱面体では＜１１１＞方向である。
　例えば、ＰＺＴ等のペロブスカイト型酸化物のｃ軸配向においては、残留分極値が１０μＣ／ｃｍ２以上であり、且つ、比誘電率が４００以下、好ましくは２００未満とすることができ、好ましい。
　強誘電体粒子の粒径としては、１００ｎｍ～１０μｍ程度であることが好ましい。ここで、粒径は粒子の最大長とする。
　粒径が小さくなるとその強誘電性が低下することから粒径は１００ｎｍ以上であることが好ましい。一方、粒径が大きくなりすぎると、誘電エラストマーの伸縮に追随できず、剥離が生じる恐れがあるため、粒径は１０μｍ以下であることが好ましい。
　強誘電体粒子は粒状であればその形状に特段の制限はなく、球状、板状、ウィスカー状いかなる形状であってもよい。
　強誘電体粒子を誘電エラストマー中で配向分散させる方法としては、例えば、以下の方法がある。
　ｃ軸配向した結晶（正方晶ペロブスカイト構造）からなる板状の強誘電体粒子（ｃ軸が板の厚み方向）を、誘電エラストマー中に分散させた状態で、電極上に塗布して硬化させることにより、板状粒子の厚み方向が電極の面に垂直となるように配列させることができる。
　また、結晶配向性を有する強誘電体粒子を誘電エラストマーに分散させ、電極上に塗布した後、誘電エラストマーが完全に硬化していない半硬化状態で、分極処理を施すと、強誘電体粒子の自発分極の向きが電界の向きに揃うように、強誘電体粒子が動くため、エラストマー中において粒子を配向させることができる。
　コンポジット層の強誘電体粒子の分極方法としては、特に制限されず、通常の電極による分極方法のほか、コロナ放電処理等を挙げることができる。脱分極による特性劣化を防止する観点からは、強誘電体の抗電界値は高い方が好ましい。耐熱性の観点および脱分極による特性劣化の観点から、キュリー温度は高い方が好ましい。
　下部電極２１および上部電極２２は、コンポジット層１２の伸縮に応じて伸縮でき、コンポジットの変化に追随できる導電材料からなるものであれば、特に制限はない。
　具体的には、シリコン系、変成シリコン系、アクリル系、ポリクロ路プレン系、ポリサルファイド系、ポリウレタン系、ポリイソブチル系などのベースゴムに、導電性フィラーが添加された導電材料が挙げられる。
　導電性フィラーとしては、炭素繊維、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、あるいは導電性カーボンブラックの１種であるケッチェンブラックやアセチレンブラックまたは黒鉛などの炭素材料、または金、銀、白金などの金属材料が好適である。
　下部電極２１と上部電極２２の厚みは特に制限なく、両電極間の電位差の変化により発生した電流を取り出すに充分な導電性を有するための最低の厚みがあればよい。その厚みは電極材料の導電率や発電素子１全体の大きさによって決めることができ、例えば、自然状態で１～１０００μｍであることが好ましい。
　静電容量変化型の発電素子１は、以上のように構成されている。
　発電素子１は、上記構成を有していればその製造方法は特に限定されない。
　発電素子１は、コンポジット層として、強誘電体粒子１１を含むものを用い、かつこの強誘電体粒子１１として、結晶配向性を有するものを用い、誘電エラストマー中において多数の粒子の分極軸が揃う方向に配向分散されている。さらに、この分極軸は、比誘電率が最も小さくなる分極軸であり、厚み方向に略平行となるように配向している。かかる構成によれば、非常に大きな表面電荷密度を有するのみならず、低い誘電率を有するため、より大きな発電特性を得ることができる。また、誘電エラストマーは、一般にそのヤング率が数ＭＰａ～数十ＭＰａであり、外力により大きく変形するため、大きな発電量を得ることができる。さらには、コンポジット層１２の伸縮に応じて伸縮でき、コンポジットの変化に追随できる導電材料からなる電極を用いることにより、誘電エラストマーの変形を阻害することなく、大きな発電量を達成しうる。
　一方、[背景技術]において述べた特許文献４においては、合成樹脂はエポキシ樹脂が用いられており、このヤング率は２～５ＧＰａと非常に大きい。また、導電性繊維は一般に伸縮性が大きくない。そのため、特許文献４に記載の複合材料では十分に大きな変形量を得ることができず、大きな発電量が得られなかったものと考えられる。
　また、強誘電体として、ペロブスカイト型酸化物等の無機材料を用いた構成では、樹脂材料に比して高い耐熱性を有し、且つ、発電効率の高い発電素子１とすることができる。
「設計変更」
　本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない限りにおいて、種々変更することが可能である。
　例えば、複数の細片状の素子を一基板上に複数配置し、それらを直列あるいは並列接続して発電量を向上させた発電装置を構成してもよい。
　本発明の発電素子は、波力、水力、風力などの自然エネルギーによる発電をはじめ、靴や床に埋め込まれ人の歩行による発電、自動車のタイヤ等に埋め込まれ自動車の走行による発電などに利用可能である。

Claims (7)

  1. 　静電容量変化型の発電素子であって、
    　誘電エラストマー中に複数の強誘電体粒子が分散されてなるコンポジット層と、
    　該コンポジット層の上下に配された一対の電極であって、該コンポジット層の伸縮に応じて伸縮する一対の電極とを備え、
    　前記強誘電体粒子が、結晶配向性を有すると共に、前記複数の強誘電体粒子の分極軸が揃うように前記誘電エラストマー中に配向分散されており、かつ、前記コンポジット層の層厚方向に分極していることを特徴とする発電素子。
  2. 　前記強誘電体粒子の比誘電率が最小となる分極軸が、前記層厚方向に略平行に配向していることを特徴とする請求項１記載の発電素子。
  3. 　前記強誘電体粒子の前記分極方向における比誘電率が２００未満であることを特徴とする請求項１または２記載の発電素子。
  4. 　前記強誘電体粒子の粒径が１００ｎｍ～１０μｍであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の発電素子。
  5. 　前記誘電エラストマーのヤング率が１００ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の発電素子。
  6. 　前記強誘電体粒子の結晶構造がペロブスカイト構造、ビスマス層状構造、タングステンブロンズ構造のいずれかであることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の発電素子。
  7. 　前記強誘電体粒子が、鉛を含まないペロブスカイト型酸化物を主成分とすることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の発電素子。
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