(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を内部に収容する液体室と、
前記液体内に気泡を発生させるための気泡発生手段と、
自由端と固定端とを有し、前記気泡発生手段の上方に配置され、かつ前記気泡発生手段から発せられた気泡により変位が可能であり、前記変位によって弾性変形が可能な少なくとも一つ以上の圧電材料層から形成された弾性圧電板と、
前記圧電材料層に電気的に接続された一対の電極と、
を含むマイクロシステム用発電装置。
【請求項２】
前記液体室が、下壁と二つの側壁を有し、前記気泡発生手段が前記下壁の少なくとも一部を構成する、請求項１記載のマイクロシステム用発電装置。
【請求項３】
前記液体室が、さらに上壁を有し、前記上壁が放熱手段を含む、請求項２記載のマイクロシステム用発電装置。
【請求項４】
前記気泡発生手段が、熱源に連結された金属層である、請求項１〜３のいずれか１項記載のマイクロシステム用発電装置。
【請求項５】
前記下壁の前記金属層を除いた残りの部分が断熱材から構成されている、請求項４記載のマイクロシステム用発電装置。
【請求項６】
前記固定端が前記二つの側壁の一つに固定されている、請求項２〜５のいずれか１項記載のマイクロシステム用発電装置。
【請求項７】
前記二つの側壁が断熱材から構成されている、請求項２〜６のいずれか１項記載のマイクロシステム用発電装置。
【請求項８】
前記一対の電極に電気的に接続されている蓄電器をさらに含む、請求項１〜７のいずれか１項記載のマイクロシステム用発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、マイクロシステム用発電装置に関し、より詳細には、例えば、体熱程度の熱源を用いて液体に気泡を発生させ、この気泡の成長によるエネルギーを用いて発電を行うマイクロシステム用発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
体熱程度の熱源を利用するマイクロシステム用発電装置は、例えば血糖診断器機、血圧計測器、薬物投与器、人工臓器、マイクロ手術用ロボットなどのバイオメムス（ｂｉｏ−ＭＥＭＳ）機器の半永久的動力源として用いることができる。また、このような発電装置は、例えばＣＰＵで発生する熱を熱源とすることもできる。これにより、マイクロシステム用発電装置は、超小型の携帯用電子機器用冷却装置に使用できるほか、ＣＰＵの稼動により消費される電力を、その発生熱で再び発電することで電気再生産装置として使用することもできる。
【０００３】
現在進行中のマイクロエレクトロメカニカルシステム（Ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ：ＭＥＭＳ）型の発電装置に関する研究は、炭化水素系の液体燃料を燃焼させて電力を発生させる構造の研究と、熱電素子（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｄｅｖｉｃｅ）を用いる構造の研究と、燃料電池（ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）に関する研究とに大きく分けられ、主に学術団体などが主導して研究が進んでいる。
【０００４】
液体燃料の化学的エネルギーを用いる燃焼方式の発電構造に関する研究としては、直径が約１０ｍｍ、厚さが約３ｍｍ、重さが約１ｇ程度のサイズで、１時間当り７ｇの燃料を消費して１６Ｗの電力を発生させる容量を有するマイクロガスタービン、あるいは体積が約８ｍｍ３のマイクロ内燃機関などが開発中にある。
【０００５】
また、熱電素子を用いる発電構造は、材料の両端に温度差が与えられると起電力が発生するペルチェ（Ｐｅｌｔｉｅｒ）効果を用いるものである。幾つかの開発団体では、燃焼により得られる高熱を用いて熱電素子に温度差を付加して電力を発生させようとする試みを行っている。
【０００６】
燃料電池は、陽イオン交換膜を用いて水素と酸素から電気エネルギーを抽出し、副産物として水を生成する装置である。サイズ的には、ミクロスケールよりもむしろ大型装置で早くから実用化されてきたが、これをマイクロスケール用発電装置として応用しようとする研究が進んでいる。
【０００７】
しかしながら、このような研究はいずれも、まだ目に見える顕著な成果を得ていない状態であり、また実用化されても、大部分が高温の熱源を用いるものであり、その応用分野が制限される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題点を解決するために案出されたもので、低温の熱源を用いて発電できる装置を提供することを主目的とする。
【０００９】
本発明の第２の目的は、発電用燃料あるいはバッテリなどのように、動力源を周期的にあるいは頻繁に入れ替える必要がない発電装置を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した本発明の主目的、第２の目的および他の目的は、体熱程度の熱源を用いて液体に気泡を発生させ、この気泡の成長により弾性圧電板を変形させることにより電力を発生させる発電装置により達成できる。すなわち本発明は、液体を内部に収容する液体室と、前記液体内に気泡を発生させるための気泡発生手段と、自由端と固定端とを有し、前記気泡発生手段の上方に配置され、かつ前記気泡発生手段から発せられた気泡により変位が可能であり、前記変位によって弾性変形が可能な少なくとも一つ以上の圧電材料層から形成された弾性圧電板と、前記圧電材料層に電気的に接続された一対の電極と、を含むマイクロシステム用発電装置である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
【実施例】
以下に、添付された図面を参照して、本発明の好適な実施例による気泡を用いた発電装置について詳細に説明する。
【００１２】
図２ａは、本発明の好適な実施例による発電装置（１００）の側断面図を示す。気泡を発生させ、これを用いて発電するように構成される本発明の発電装置（１００）は液体室（２４）を含む。
【００１３】
液体室（２４）は、その内部に液体（１２）を収容するように、上壁、下壁と二つの側壁で構成されており、液体（１２）中には弾性圧電板（２０）が設けられている。液体室（２４）の下壁は断熱層（１８）と加熱層（１９）とで構成され、その側壁は第１側壁（２５）および第２側壁（２６）で構成される。
【００１４】
加熱層（１９）は、液体室（２４）内部の液体（１２）中で特定の部位に熱を供給して気泡（１６）を発生させるためのもので、本発明の好適な実施例では、金属からなっている。加熱層（１９）の上面は、液体室（２４）内部に露出するように形成され、液体（１２）に直接熱を伝達する。加熱層（１９）の下面は、別途の熱源（図示せず）に連結され、伝導、対流あるいは輻射のうちのいずれかの方法で熱源から熱が伝達される。本発明の好適な実施例によれば、熱源としては、人体の体温あるいはコンピュータシステムのＣＰＵの発熱を用いることができる。なお、加熱層には、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）などを使用することができる。
【００１５】
液体室（２４）内に収容される液体（１２）は、体温程度の温度が沸騰点となる液体が好ましい。例えば、沸騰点が約３０℃のＲ１４１Ｂ（ＣＨ３ＣＣＬＦ２）、沸騰点が約５６℃のＦＣ７２（Ｃ６Ｆ１４）等の液体が使用でき、またその沸騰点に応じて適切な液体が使用可能であることを、当業者は理解することができるであろう。
【００１６】
断熱層（１８）は断熱材料で構成され、液体室（２４）内部の液体（１２）の好ましくない部分に熱が伝達されることを防止する。
【００１７】
液体室（２４）の右側および左側の側壁を構成する第１側壁（２５）および第１側壁（２５）に対向する第２側壁（２６）は全て断熱材料で構成され、液体室（２４）と外部との熱交換を遮断する。第２側壁（２６）は弾性圧電板（２０）の一端を支持し固定している。これらの断熱材料としては、テフロン（登録商標）、ガラス、クオーツなどが例示できる。
【００１８】
弾性圧電板（２０）は、加熱層（１９）から発せられる熱により形成される気泡（１６）により、弾性変形して電力を発生する機能を有する。弾性圧電板（２０）は形状保持板（１５）と圧電材料層（１４）とで構成される。形状保持板（１５）は弾性圧電板（２０）の全体的な形状を保持するためのもので弾性を有する。したがって、変形後、本来の形状に戻るようになる。本発明の好適な実施例によれば、形状保持板（１５）の材質はシリコン（Ｓｉ）であることが好ましい。
【００１９】
形状保持板（１５）の上面には圧電材料層（１４）が形成されている。圧電材料層（１４）は圧電材料で形成され、変形に応じてその内部に応力が発生すると電位差を有するようになり、それにより電力を発生する機能を有する。圧電材料層（１４）は液体状態の圧電物質を形状保持板（１５）の上面に塗布して形成することができる。本発明の好適な実施例によれば、ＬＺＴ（Ｌｅａｄ  Ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ  Ｔｉｔａｎａｔｅ）等の圧電物質を使用することが好ましい。また、ＺｎＯ（Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）も使用可能である。
【００２０】
本発明の好適な実施例によれば、図１に示すように、弾性圧電板（２０）は第２側壁（２６）に固定される部分のベース部（２７）と、気泡（１６）と直接接触し得る作用部（２９）と、ベース部（２７）と作用部（２９）とを連結する連結部（２８）とに区分されている。
【００２１】
図２ａおよび図４に示すように、ベース部（２７）はその一部分が第２側壁（２６）に挿入されて固定される。ベース部（２７）の後方側の圧電材料層（１４）の上面および下面には各々電極（２２、２３）が取り付けられている。作用部（２９）に相当する形状保持板（１５）の下面は、直接気泡（１６）に接する部分であり、気泡（１６）の作用力を大きくするために、表面積を大きくするような形状が採用されている。連結部（２８）は、弾性圧電板（２０）の変形を容易にするために狭い幅を有するように構成され、ベース部（２７）と作用部（２９）との間を連結する。
【００２２】
一方、液体室（２４）の上部、即ち第１側壁（２５）および第２側壁（２６）の上側には上壁が設けられ、この上壁は放熱層（１０）で形成されている。放熱層（１０）は、加熱層（１９）の温度より低い温度を保つために冷熱源（図示せず）に連結されている。したがって、加熱層（１９）により発生され液体室中を上方に移動する気泡（１６）は、放熱層（１０）に隣接する部分で再び液体に相が変化する。放熱層に使用できる材料としては、アルミニウム、銅、シリコンが挙げられる。
【００２３】
図２ａから図２ｄを参照すると、本発明の好適な実施例による発電装置（１００）の作動は、次のように説明される。
【００２４】
図２ａに示す状態で、熱源（図示せず）から加熱層（１９）に熱が伝達されると、加熱層（１９）に隣接する液体（１２）が加熱され、気泡（１６）が発生する。気泡の発生量を多くするためには、液体の加熱温度はその沸騰温度であることが好ましい。その後、図２ｂに示すように、発生した気泡（１６）は成長し、弾性圧電板（２０）の作用部（２９）の下面に接するようになり、気泡（１６）の直径が増加する。この気泡の直径の増大と、それに伴う作用部への押し付け力の増大により、弾性圧電板（２０）は上方に変形する。このような変形過程で、一対の電極（２２、２３）の間には電位差が発生する。
【００２５】
このような弾性圧電板（２０）の変形は、図２ｃに示す状態で最大となり、電極（２２、２３）間の電位差が最大になる。このとき、弾性圧電板（２０）の作用部（２９）は傾斜した状態となっており、弾性圧電板（２０）の下側に位置していた気泡（１６）が移動し易くなり、その後、弾性圧電板（２０）を加圧していた気泡（１６）は、傾斜した弾性圧電板（２０）に沿って、上側に移動するようになる。
【００２６】
図２ｄに示すように、気泡（１６）による加圧力が消失すると、弾性圧電板（２０）はその弾性力により再び本来の形状に戻り、次の気泡（１６）の発生、成長により上述したような変形動作を再度繰り返す。結局、弾性圧電板（２０）は、所定の周期により、変形および回復動作を繰り返すようになる。
【００２７】
このようにして、周期的に電力が発生するので、図５に示すように、電極（２２、２３）を、配線（４１）を用いて蓄電器（４０）に電気的に接続して、電力が発生するごとに蓄電器（４０）に蓄電して使用することができる。このような蓄電器（４０）の使用は、より大きい電力が必要な場合に有用である。
【００２８】
図４に示す本発明の変形例では、多数の弾性圧電板（２０）が使用され、このような構成によれば、より大きい電力を発生することができる。この場合にも、別途に蓄電器（図示せず）を電気的に接続して、各弾性圧電板（２０）で発生する電力を集電して使用することが可能である。
【００２９】
一方、図３ａおよび図３ｂは、本発明者により行われた、気泡を用いた電力発生実験と関連したグラフを示す。図３ａは、時間経過による弾性圧電板（２０）の中心における変形量の変化を示すグラフであり、図３ｂは弾性圧電板（２０）に接触する気泡（１６）の接触面の半径の変化を示すグラフである。
【００３０】
図３ａを参照すると、０秒から約０．８秒近くまで弾性圧電板の曲り量が緩やかに上昇して最大値をとったのちに、変形量が急激に減少することがわかる。このグラフは、図２ａの状態から図２ｃの状態に至るまで、約０．８秒程度が必要であり、以後、図２ｄの状態に急激に変化することを十分に説明しており、約０．８２秒程度から、また次の変形サイクルが始まるということが十分にわかる。
【００３１】
図３ｂを参照すると、時間変化に伴う、気泡（１６）と弾性圧電板（２０）の作用部（２９）との接触面積の変化がわかる。約０．３秒から０．８秒の間で気泡（１６）はほぼ一定の大きさをとり、この期間に弾性圧電板（２０）に変形が発生する。なお、このときの気泡の半径は約２ｍｍよりやや小さい。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の発電装置は低温の熱源、例えば、体熱あるいはＣＰＵなどの発熱を利用して、例えば血糖診断器機、血圧計測器、薬物投与器、人工臓器、マイクロ手術用ロボットなどのようなバイオメムス（ｂｉｏ−ＭＥＭＳ）機器用の半永久的動力源として使用することができる。また、このような発電装置は、超小型の携帯用電子機器用冷却装置または電気再生産装置として使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による気泡を用いた発電装置に使用される弾性圧電板を示す平面図である。
【図２ａ】本発明による気泡を用いた発電装置の発電過程を示す側断面図であり、加熱層に隣接する液体に気泡が発生する状態を示す図である。
【図２ｂ】本発明による気泡を用いた発電装置の発電過程を示す側断面図であり、発生した気泡が成長し、弾性圧電板を変形させる状態を示す図である。
【図２ｃ】本発明による気泡を用いた発電装置の発電過程を示す側断面図であり、成長した気泡により、弾性圧電板の変形が最大となる状態を示す図である。
【図２ｄ】本発明による気泡を用いた発電装置の発電過程を示す側断面図であり、成長した気泡が消失し、弾性圧電板の変形が元に戻る状態を示す図である。
【図３ａ】時間経過に対する弾性圧電板中心部の変形量の変化を示すグラフである。
【図３ｂ】時間経過に対する弾性圧電板と接触する気泡の半径の変化を示すグラフである。
【図４】複数の弾性圧電板を備えた本発明の発電装置の断面平面図である。
【図５】図２に示す発電装置から発生した電力を貯蔵するために蓄電器を電気的に接続させた状態の概略図を示す図である。
【符号の説明】
１０：放熱層
１２：液体
１４：圧電材料層
１５：形状保持板
１６：気泡
１８：下壁断熱層
１９：加熱層
２０：弾性圧電板
２２：第１電極
２３：第２電極
２４：液体室
２５：第１側壁
２６：第２側壁
４０：蓄電器
４１：配線
【図１】
0003587840.tif 000002
【図２ａ】
0003587840.tif 000003
【図２ｂ】
0003587840.tif 000004
【図２ｃ】
0003587840.tif 000005
【図２ｄ】
0003587840.tif 000006
【図３ａ】
0003587840.tif 000007
【図３ｂ】
0003587840.tif 000008
【図４】
0003587840.tif 000009
【図５】
0003587840.tif 000010