(57)【要約】【課題】摺動部の摩擦により生じる摩擦損失の少なくとも一部を電気エネルギーとして取り出すことで摩擦損失が低減された摩擦発電システムを提供する。【解決手段】少なくとも、摺動面である第１表面、又は第１表面から深さ１ｍｍ以下の領域に、Ｎ型の半導体又は半金属を有する第１摺動体と、第１摺動体の第１表面との間で摺動界面を形成する摺動面である第２表面、又は第２表面から深さ１ｍｍ以下の領域に、Ｐ型の半導体又は半金属を有する第２摺動体と、第１摺動体の非摺動面の上に配置された第１導電性材料と、第２摺動体の非摺動面の上に配置された第２導電性材料と、を備え、第１導電性材料及び第２導電性材料が電気的に接続され、摺動時に生じる摩擦により生じる起電力又は起電流を取り出す、摩擦発電システムである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、摺動面である第１表面、又は前記第１表面から深さ１ｍｍ以下の領域に、Ｎ型の半導体又は半金属を有する第１摺動体と、
前記第１摺動体の前記第１表面との間で摺動界面を形成する摺動面である第２表面、又は前記第２表面から深さ１ｍｍ以下の領域に、Ｐ型の半導体又は半金属を有する第２摺動体と、
前記第１摺動体の非摺動面の上に配置された第１導電性材料と、
前記第２摺動体の非摺動面の上に配置された第２導電性材料と、
を備え、
前記第１導電性材料及び前記第２導電性材料が電気的に接続され、摺動時に生じる摩擦により生じる起電力又は起電流を取り出す、摩擦発電システム。
【請求項２】
前記第１導電性材料及び前記第２導電性材料は、金属導電体である請求項１に記載の摩擦発電システム。
【請求項３】
前記第１導電性材料は、前記第１摺動体の前記第１表面を有する側とは反対側の表面である非摺動面に配置され、かつ、前記第２導電性材料は、前記第２摺動体の前記第２表面を有する側とは反対側の表面である非摺動面に配置されている、請求項１又は請求項２に記載の摩擦発電システム。
【請求項４】
非摺動面に配置された前記第１導電性材料及び前記第２導電性材料は、第１摺動体又は第２摺動体のそれぞれの摺動界面における見掛けの摺動面積の５０％以上の面積領域に配置されている、請求項３に記載の摩擦発電システム。
【請求項５】
前記第１摺動体及び前記第２摺動体における半導体及び半金属は、Ｐｂを含有しない請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の摩擦発電システム。
【請求項６】
摺動停止直前の起電力が、摺動停止から１秒経過時点での起電力の１．２倍以上である請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の摩擦発電システム。
【請求項７】
前記第１摺動体及び前記第２摺動体における半導体及び半金属は、１．０ｅＶ以下のバンドギャップを有する、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の摩擦発電システム。
【請求項８】
前記第１摺動体におけるＮ型の半導体又は半金属が、Ｂｉ２Ｔｅ３であり、かつ、前記第２摺動体におけるＰ型の半導体又は半金属が、Ｂｉ０．３Ｓｂ１．７Ｔｅ３である請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の摩擦発電システム。
【請求項９】
前記第１摺動体におけるＮ型の半導体又は半金属が、リン原子ドープシリコンであり、かつ、前記第２摺動体におけるＰ型の半導体又は半金属が、ホウ素原子ドープシリコンである請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の摩擦発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電気エネルギーを回収する手段として、外圧を加えて変形させた際の圧電効果を利用する技術、摩擦時の帯電（静電気）を利用する技術、及び摩擦時の熱エネルギーを利用する技術等が知られている。
【０００３】
物体同士が接触して相対運動する際には必ず摩擦が発生し、摩擦による運動エネルギー損失（以下、摩擦による運動エネルギー損失を「摩擦損失」と記す。）が生じる。
互いに摺動する部分又は一定の動作を行う部材等を備えた装置又はシステムでは、発生する摩擦損失は少なくなく、この摩擦損失は、通常はそのまま棄てられ、利用されるに至っていないのが実状である。例えば、乗用車については、燃料エネルギーの２８％がブレーキ損失を除く摩擦損失に使われているとの試算が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
そのため、従来、摩擦損失を低減する技術の一つとして、潤滑油の使用又は表面処理などによる低摩擦化が提案され、種々の検討がなされてきた。
【０００５】
一方、摩擦時の熱エネルギーを利用する技術の一例として、熱電変換素子を用い、摩擦時の熱を利用して発電する技術に関する提案がある。
具体的には、回転体に取り付けられたロータ部材と、回転体の回転を制動する摺動部材と、摺動部材をロータ部材の方向に移動させる移動部材とを備え、前記ロータ部材および前記摺動部材のうちの少なくとも一方に熱電変換素子が設けられ、摺動部材本体を移動部材に取り付ける介在部材とを備え、介在部材側に熱電変換素子が配置され、前記ロータ部材側の面と熱電変換素子との間に伝熱部材が設けられたことを特徴とする制動装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の制動装置は、自動車用摩擦ブレーキにおけるディスクローターとパッドとの間の摩擦により生じた摩擦熱により、システム内に設置された熱電素子の一方の表面を加熱し、熱電素子に温度差をつけることでゼーベック効果により発電するものである。実施例には、パッド摺動部を熱電変換素子で構成し、ディスクローターで摩擦するものも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５０９９２５９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Kenneth Holmberg, Peter Andersson and Ali Erdemir: “Global energy consumption due to friction in passenger cars”, Tribology International 47 (2012) 221-234.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来から検討されている潤滑油の使用又は表面処理等による低摩擦化によっては、ある程度の摩擦の低減は図られても、摩擦の顕著な低下及び排除までは期待できない。そのため、依然として、一定量の摩擦損失が発生することを前提として捉えておかなければならない状況にある。
【０００９】
ブレーキ損失のような、運動エネルギーを摩擦の熱エネルギーに変換するという目的で意図的に生じさせる摩擦損失については、その性質上低摩擦化による低減は難しい。
【００１０】
一方、上記の特許文献１に記載された制動装置では、ディスクローターとパッドとのいずれかに熱電素子を設けて摺動させ、摺動時の熱エネルギーからゼーベック効果のみを利用して発電するため、摩擦損失を十分に回収し得るものではなく、結果、発電効率が低いという課題がある。
かかる課題が解決される技術が確立されれば、摩擦力センサーとしての利用可能性が高まると推察される。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みたものである。
本発明は、摺動部の摩擦により生じる摩擦損失の少なくとも一部を電気エネルギーとして取り出すことで摩擦損失が低減された摩擦発電システムを提供することを目的とし、この目的を解決することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
課題を解決するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。
本発明の一実施形態に係る摩擦発電システムは、
＜１＞  少なくとも、摺動面である第１表面、又は前記第１表面から深さ１ｍｍ以下の領域に、Ｎ型の半導体又は半金属を有する第１摺動体と、
前記第１摺動体の前記第１表面との間で摺動界面を形成する摺動面である第２表面、又は前記第２表面から深さ１ｍｍ以下の領域に、Ｐ型の半導体又は半金属を有する第２摺動体と、
前記第１摺動体の非摺動面の上に配置された第１導電性材料と、
前記第２摺動体の非摺動面の上に配置された第２導電性材料と、
を備え、
前記第１導電性材料及び前記第２導電性材料が電気的に接続され、摺動時に生じる摩擦により生じる起電力又は起電流を取り出す、摩擦発電システムである。
【００１３】
本発明の一実施形態に係る摩擦発電システムは、互いに摺動し合う２つの摺導体の摺動界面では、摩擦が生じ、摩擦により熱エネルギーが発生すると共に、摺動界面（摺動体の表面）近傍において摩擦に起因して発生した電気エネルギー（起電力及び起電流）を取り出すことで、熱エネルギーからゼーベック効果のみを利用して発電する場合に比べ、摩擦損失の少なくとも一部を電気エネルギーとして回収した分の損失低減効果が得られる。
【００１４】
＜２＞  前記第１導電性材料及び前記第２導電性材料は、金属導電体である前記＜１＞に記載の摩擦発電システムである。
＜３＞  前記第１導電性材料は、前記第１摺動体の前記第１表面を有する側とは反対側の表面である非摺動面に配置され、かつ、前記第２導電性材料は、前記第２摺動体の前記第２表面を有する側とは反対側の表面である非摺動面に配置されている、前記＜１＞又は前記＜２＞に記載の摩擦発電システムである。
＜４＞  非摺動面に配置された前記第１導電性材料及び前記第２導電性材料は、第１摺動体又は第２摺動体のそれぞれの摺動界面における見掛けの摺動面積の５０％以上の面積領域に配置されている、前記＜３＞に記載の摩擦発電システムである。
＜５＞  前記第１摺動体及び前記第２摺動体における半導体及び半金属は、Ｐｂを含有しない前記＜１＞〜前記＜４＞のいずれか１つに記載の摩擦発電システムである。
＜６＞  摺動停止直前の起電力が、摺動停止から１秒経過時点での起電力の１．２倍以上である前記＜１＞〜前記＜５＞のいずれか１つに記載の摩擦発電システムである。
＜７＞  前記第１摺動体及び前記第２摺動体における半導体及び半金属は、１．０ｅＶ以下のバンドギャップを有する、前記＜１＞〜前記＜６＞のいずれか１つに記載の摩擦発電システムである。
＜８＞  前記第１摺動体におけるＮ型の半導体又は半金属が、Ｂｉ２Ｔｅ３であり、かつ、前記第２摺動体におけるＰ型の半導体又は半金属が、Ｂｉ０．３Ｓｂ１．７Ｔｅ３である前記＜１＞〜前記＜７＞のいずれか１つに記載の摩擦発電システムである。
＜９＞  前記第１摺動体におけるＮ型の半導体又は半金属が、リン原子ドープシリコンであり、かつ、前記第２摺動体におけるＰ型の半導体又は半金属が、ホウ素原子ドープシリコンである前記＜１＞〜前記＜７＞のいずれか１つに記載の摩擦発電システムである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、摺動部の摩擦により生じる摩擦損失の少なくとも一部を電気エネルギーとして取り出すことで摩擦損失が低減された摩擦発電システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る摩擦発電システムの構成を示す概略構成図である。
【図２】摺動界面の状態を模式的に示す概略断面図である。
【図３】図２における摺動界面の状態を模式的に表した概略断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る摩擦発電システムの摺動部の構造を示す概略斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る摩擦発電システムの摺動部における電圧値及び電流値を測定するための回路図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る摩擦発電システムの第１摺動体に熱電対が取り付けられている状態を説明するための説明図である。
【図７】摺動による摩擦時及び摩擦停止後における摩擦力及び起電力の変化を示すグラフである。
【図８】図７の波線で囲まれた時間帯の摩擦力及び起電力の変化を拡大して示すグラフである。
【図９】摩擦停止前後での起電力及び第１摺動体の温度の変化を示すグラフである。
【図１０】第１摺動体の内部温度（実測値）から推定される摺動面の表面温度を示すグラフである。
【図１１】摩擦発電現象による起電力発生のイメージ図である。
【図１２】摩擦起電力と単位時間当たりの摩擦エネルギーとの関係を示す関係図である。
【図１３】ＰドープＳｉ及びＢドープＳｉの組み合わせ（Ｓｉ系試験片２）とノンドープＳｉ同士の組み合わせとにおける起電力を対比して示すグラフである。
【図１４】ＰドープＳｉ及びＢドープＳｉの組み合わせ（Ｓｉ系試験片２）とノンドープＳｉ同士の組み合わせとにおける起電力を対比して示すグラフである。
【図１５】ＢｉＴｅ系試験片１及びＳｉ系試験片２の起電力と摩擦エネルギーの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の摩擦発電システムの実施形態を具体的に説明する。但し、本発明においては、以下に示す実施形態に制限されるものではない。
【００１８】
本発明の一実施形態に係る摩擦発電システムを図１〜図４を参照して説明する。ここで説明する一実施形態では、第１摺動体にＮ型の半導体又は半金属の一例であるＢｉ２Ｔｅ３を用い、第２摺動体にＰ型の半導体又は半金属の一例であるＢｉ０．３Ｓｂ１．７Ｔｅ３を用いている。
【００１９】
本発明の一実施形態に係る摩擦発電システム１０は、図１に示すように、互いに摺動し合う第１摺動体１２及び第２摺動体１４と、第１摺動体１２及び第２摺動体１４を図示しない導電性材料である金属導電板を介して電気的に接続する接続配線１６と、を備え、第１摺動体１２及び第２摺動体１４は、互いが接する摺動界面の近傍において摩擦により起電力及び起電流を発生し、発生した起電力又は起電流を接続配線を通じて取り出すことができるようになっている。
【００２０】
本発明の摩擦発電システムは、半導体又は半金属を用いて形成された摺動体をそれぞれの摺動面で摺動させた際、摩擦発電現象を利用して運動エネルギーの一部を電気エネルギーへ変換し、互いに摺動される複数の摺動体間を電気的に繋ぐ電気回路を付設することで、摺動面近傍で発生する電気エネルギーを取り出す発電システムである。
摩擦発電現象とは、従来知られていない物理現象であり、摺動時の摩擦で生じる熱に起因する現象とは異なり、固体同士が摩擦された際、固体が持つ運動エネルギーの一部が摩擦を介して電気エネルギーに直接変換される現象である。
なお、直接変換とは，運動エネルギーが熱エネルギーへの変換を経ずに電気エネルギーに変換されることを意味する。
即ち、互いに摺動する摺動材間では、摺動面における原子群において、化学結合の生成、せん断、破断が繰り返され、これにより生ずる摩擦エネルギーによって原子の電子状態が励起される。摺動面にバンドギャップを有する半導体や半金属を用いた場合、バンドギャップ以上の電子励起を生じた際、起電力又は起電流が発生する。したがって、摺動停止後の熱電効果で得られる起電力に対し、摺動停止前、つまり摺動時には摺動停止後に比べて高い起電力が得られる。このことから、摩擦発電現象が存在すると考えられる。
この摩擦発電現象は、固体材料として半導体又は半金属を用いた場合に生じると考えられ、光エネルギーにおける光起電力効果又は熱エネルギーにおけるゼーベック効果に相当する別の現象であると推察される。
【００２１】
更に、図２を参照して具体的に説明する。
摩擦発電現象は、互いに摺動する複数の摺動体間の摺動界面における、化学結合の形成、その後のせん断による化学結合の破断、及び破断領域の原子における電子励起が生じ、摺動界面近傍において伝導電子の濃度勾配が発生する。濃度勾配ができることで、摺動、即ち摩擦に起因した起電力の発生が起きるものと推察される。
つまり、摺動界面（即ち、摺動体の表面）で生じた摩擦エネルギーが摺動体の内部で熱に変わる前に、摺動体の表面で電子系にエネルギーが与えられることで、高効率なエネルギー変換が実現される。
【００２２】
上記の過程を図２及び図３に示す模式図を参照して説明する。図３は、図２における摺動界面の状態を原子レベルで模式的に表した概略断面図である。
相対運動する２つの摺動体の最表面には、図２のように、小さくともナノスケール以上の凹凸が存在し、凸部同士で接触する真実接触面が存在する。真実接触した表面間では、原子同士の間に化学結合（共有結合、金属結合など）が形成される。
そして、図３に示すように、２つの摺動体のうち、例えば一方の摺動体（例えば図２中の上側の原子列）が摺動移動した場合、結合されている相手側の原子（例えば図２中の下側の原子列）も引っ張られ、結合している原子同士にエネルギーが蓄積されることになる。原子に蓄積されたエネルギーは、その原子内の電子のエネルギーの状態に影響を与えるものと考えられる。ここで、互いに摺動する摺動体の摺動面が半導体又は半金属である場合、摺動面の原子に与えられるエネルギーがバンドギャップ以上となると、価電子帯の電子が伝導帯に励起されて伝導電子となる。これにより、図３のように、摺動体の摺動面から内部側に向かって伝導電子の濃度勾配が形成されることになる。
このように伝導電子の濃度勾配が形成されることで、摺動時の摩擦に起因した起電力が生ずる。また、一方の摺動体の表面が更に移動することで原子間の結合は破断し、電子も自由に移動できるようになる結果、電流が発生すると考えられる。上記したような原子の結合から破断に至る過程は、摺動中の摺動体の表面において繰り返される。
上記のように、摩擦発電効果は熱エネルギーへの変換を介していないため、ゼーベック効果に対して、温度差がなくとも発電可能との特徴を有する。
上記した摩擦発電現象は、摺動体の表面近傍、つまり表面及び表面から内部方向の深さ１ｍｍ以下の領域において生じる特有の現象であると考えられる。
【００２３】
摩擦発電現象では、与えられた摩擦エネルギーの全てが電気エネルギーに変換されるわけではなく、残りは熱エネルギーに変換される。半導体及び半金属は、温度差によってゼーベック効果を生じる材料であるため、熱エネルギーに変換された後もゼーベック効果により電気エネルギーとして回収することができる。すなわち、運動エネルギーが摩擦により熱エネルギーへと散逸する過程において、摩擦由来の摩擦発電効果と熱由来のゼーベック効果による２種類の電気エネルギーへの変換を有する。
そのため、本発明の摩擦発電システムでは、従来より知られている熱発電よりも高い電気エネルギー変換効率を得ることができる。具体的には、摩擦発電現象と例えば既述の低摩擦化とを組み合わせることで、低摩擦の摺動面で生じた摩擦損失の一部を回収することができ、従来以上に摩擦損失を低減することが可能になる。したがって、本発明の摩擦発電システムは、エネルギー回収システムとして好適である。
加えて、摩擦発電現象により生じる電気エネルギーは、与えられた摩擦エネルギーに比例して生じるため、エネルギー回収システムとしてのみならず、摩擦の大きさを定量的に検出するための摩擦力センサーとしても利用することができる。
【００２４】
第１摺動体１２及び第２摺動体１４を含む摺動部を具体的に図４に示す。
図４に示すように、第１摺動体１２及び第２摺動体１４は、摺動面で接するように重ねられており、第１摺動体１２及び第２摺動体１４のそれぞれの摺動面と反対側の非摺動面には、それぞれ金属導電板１８、１９が備えられている。金属導電板１８、１９は、接続配線１６により電気的に接続されている。
【００２５】
第１摺動体１２は、Ｎ型半導体であるＢｉ２Ｔｅ３で形成されており、直径φ５０ｍｍ、厚み（ｔ；高さ）２０ｍｍの円柱形状に成形されている。第１摺動体１２の摺動面の組成は、Ｂｉ２Ｔｅ３である。
【００２６】
第２摺動体１４は、Ｐ型半導体であるＢｉ０．３Ｓｂ１．７Ｔｅ３で形成されており、直径φ５０ｍｍ、厚み（ｔ；高さ）２０ｍｍの円柱形状に成形されている。第２摺動体１４の摺動面の組成は、Ｂｉ０．３Ｓｂ１．７Ｔｅ３である。
そして、第１摺動体１２と当接する第２摺動体１４は、不図示のモータにより矢印で示す周方向に定速回転されるように構成されている。回転させた際は、摺動面で摩擦が生じ、摩擦に応じた電気エネルギーを回収することができる。
【００２７】
第１摺動体及び第２摺動体の直径及び高さ（厚み）は、特に制限なく適宜選択することができるが、摺動体の高さ（厚み）については、発電による電力エネルギーの回収という観点からは、低い（薄い）ことが好ましい。この場合は、電気エネルギーの回収効率の観点から、金属導電板は、摺動体の摺動面と反対側の表面に配置されていることが好ましい。
一方、熱電効率を高める観点からは、第１摺動体及び第２摺動体の高さ（厚み）は、高い（厚い）方が好ましい。
したがって、第１摺動体及び第２摺動体の形状は、形状及び材料に応じて、発電による電力エネルギーの回収効率及び熱電効率のバランスを図る観点から、直径及び高さ（厚み）を選択することが好ましい。
【００２８】
第１摺動体及び第２摺動体は、少なくとも、摺動面である表面、又は摺動面である表面から深さ１ｍｍ以下の領域を、Ｎ型の半導体又は半金属を含む組成とする。即ち、摺動面又は摺動面の近傍における摺動体の組成を、Ｎ型の半導体又は半金属とする。
これにより、相手方の第２摺動体との間の摺動界面で良好な電気エネルギーを得ることができる。
【００２９】
第１摺動体におけるＮ型の半導体又は半金属は、摺動材からの摩耗粉の排出を考慮すると、Ｐｂを含有しない半導体及び半金属であることが好ましい。ここで、「Ｐｂを含有しない」とは、半導体又は半金属中に含有されるＰｂの含有量が、半導体又は半金属の質量に対して０．１質量％未満であることを指し、好ましくは実質的にＰｂを含有しないこと、即ち０．０１質量％未満であることをいう。
【００３０】
Ｎ型の半導体又は半金属としては、１．０ｅＶ以下のバンドギャップを有する半導体又は半金属が好ましい。バンドギャップが１．０ｅＶ以下であると、小さなエネルギーで摩擦起電力が得られる点で好ましい。
なお、バンドギャップは、例えば反射電子エネルギー損失分光によるスペクトル測定により求まる値である。
中でも、Ｎ型の半導体又は半金属としては、例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３、リン原子（Ｐ）ドープシリコン、アンチモン（Ｓｂ）ドープシリコン、Ｆｅ１．９８Ｖ１．０２Ａｌ等のＦｅ２ＶＡｌ系ホイスラー化合物などが挙げられる。
【００３１】
第２摺動体におけるＰ型の半導体又は半金属は、摺動材からの摩耗粉の排出を考慮すると、Ｐｂを含有しない半導体及び半金属であることが好ましい。「Ｐｂを含有しない」ことについては、既述の第１摺動体における場合と同様であるので、ここでの説明は省略する。
【００３２】
Ｐ型の半導体又は半金属としては、１．０ｅＶ以下のバンドギャップを有する半導体又は半金属が好ましい。バンドギャップが１．０ｅＶ以下であると、小さなエネルギーで摩擦起電力が得られる点で好ましい。
中でも、Ｐ型の半導体又は半金属としては、例えば、Ｂｉ０．３Ｓｂ１．７Ｔｅ３、ホウ素原子ドープシリコン、アルミニウム原子ドープシリコン、カリウム原子ドープシリコン、Ｆｅ２．０４Ｖ０．９６Ａｌ等のＦｅ２ＶＡｌ系ホイスラー化合物などが挙げられる。
【００３３】
Ｎ型又はＰ型の半導体又は半金属としては、上記した材料に限られず、例えば、ＢｉＳｂ、Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９、ＣｏＳｂ、Ｃｕ２Ｓｅ、Ａｇ２Ｓｅ、ＭｏＳｉ２、Ａｇ２Ｓ３等の化合物、並びに、窒化物半導体、酸化物半導体、アモルファス半導体、有機半導体（例えば、Ｐ型半導体としてブレン・ペンタセン等のアセン化合物、ジナフトチエノチオフェン（DNTT）・ベンゾチエノベンゾチオフェン（BTBT）等のヘテロアセン化合物、オリゴチオフェン、ポルフィリン、及びポリ（３−アルキルチオフェン）等；Ｎ型半導体としてペリレンジイミド（PTCDI）、テトラシアノキノジメタン（TCNQ）、フラーレン類、Ｘ２ＹＺの化学組成を有するホイスラー化合物等）などのＰ型もしくはＮ型の半導体又は半金属を挙げることができる。また、上市されている市販品を用いてもよく、市販品の例としては、Ａｌｄｒｉｃｈ社の熱電材料等が挙げられる。
【００３４】
接続配線１６は、図１に示されるように、第１摺動体１２と第２摺動体１４との間を電気的に接続する。これにより、摩擦界面で生じた電気エネルギーを回収する。
ここで、図１には、第１摺動体１２及び第２摺動体１４のそれぞれの摺動面と反対側の面において接続配線１６が接続された場合を示したが、本発明はこの態様に限られず、各摺動体において、摺動面以外の非摺動面であればいずれの領域に接続されてもよい。接続配線の摺動体への接続位置は、電気エネルギーが生じる摺動界面からの距離が近いという観点からは、摺動体の摺動面と反対側の表面に接続されていることが好ましい。
【００３５】
第１摺動体１２及び第２摺動体１４には、導電性材料として、金属導電体である金属導電板１８、１９が取り付けられている。金属導電板を介して接続配線１６が接続されることで電気回路が形成されており、摺動時に発生する摩擦による電気エネルギーを回収することができる。
導電性材料としては、導電性を有する材料であればよく、例えば、金属（合金を含む）、及び導電性樹脂等を用いることができる。
導電性とは、電気伝導率が１０３［Ω−１・ｍ−１］以上であることをいう。
金属としては、特に制限はなく、鉄、銅、白金、銀、亜鉛もしくは金、又はこれらを含む合金等のいずれでもよい。
導電性樹脂としては、例えば、カーボン等の導電性材料を含有するナイロン及びポリアミド等の樹脂複合材などが挙げられる。
【００３６】
金属導電板１８、１９は、摺動面１２ａと摺動面１４ａとからなる摺動界面の全面が摺動面となっており、摺動面の摺動面積に対して８１％の面積領域を占めている。
即ち、金属導電体は、第１摺動体１２又は第２摺動体１４のそれぞれの摺動界面における見掛けの摺動面積の５０％以上の面積領域に配置されていることが好ましい。このように、非摺動面内における広範囲に亘って金属伝導体が配置されていることで、電気エネルギー（起電力及び起電流）の損失が抑えられ、回収効率が向上する。中でも、見掛けの摺動面積の７０％以上がより好ましく、８０％以上がさらに好ましい。
なお、見掛けの摺動面積とは、幾何学的外観によって決まる摺動部の面積をいい、摺動時に実際に接触する触点の面積の総和である真実接触面積とは異なる。
【００３７】
上記した実施形態では、第１摺動体及び第２摺動体として円筒形の摺動体を用いた場合を中心に説明したが、摺動体の形状には特に制限はなく、目的又は場合に応じて適宜選択することができる。
【００３８】
上記の実施形態では、第１摺動体及び第２摺動体の、摺動面と反対側の非摺動面に、それぞれ金属導電板を配置した場合を例に説明したが、金属導電板は例えば円筒形の摺動体の曲面である側面に配置してもよい。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はその主旨を越えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００４０】
（実施例１）
摩擦試験片として，図４に示すように，外径φ５０ｍｍであり、直径方向の中央部に内径φ１０ｍｍの孔を有し、かつ、厚み（高さ）が２０ｍｍである円柱形状の摺動体を２つ用意し、互いの円形端面を接触させて重ねた。各摺動体の外周には、一部に切り欠け部が設けられている。
摩擦試験片としては、以下に示す２種の材質の組み合わせとした。
（１）ＢｉＴｅ系試験片１
第１摺動体１２：Ｂｉ２Ｔｅ３（Ｎ型半導体、株式会社豊島製作所製）
第２摺動体１４：Ｂｉ０．３Ｓｂ１．７Ｔｅ３（Ｐ型半導体、株式会社豊島製作所製）
（２）Ｓｉ系試験片２
第１摺動体１２：Ｐ（リン原子）ドープＳｉ（Ｎ型半導体、ヤマナカヒューテック株式会社製）
第２摺動体１４：Ｂ（ホウ素原子）ドープＳｉ（Ｐ型半導体、ヤマナカヒューテック株式会社）
【００４１】
上記の各材料の特性を下記表１に示す。
【表１】
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【００４２】
各摺動体における摺動面とは反対側の表面には、摺動面と同一の面形状を有する鋼材（材質：Ｓ４５Ｃ（機械構造用炭素鋼））を金属伝導体として設け、金属導電体に導線（接続配線）１６を接続し、図５に示すように、更に電圧計及び電流計を接続した。
なお、金属伝導体と摺動体との接触面積が小さいと、電流が半導体からなる摺動体の内部をより長い距離通過する必要が生じ、内部抵抗を大きく受けやすくなると考えられる。
また、金属伝導体の配置面積は、各摺動体の摺動界面における見掛けの摺動面積の少なくとも５０％を占める面積領域となっていることが好ましく、更には見掛けの摺動面積と同一面積又はそれ以上を占める面積領域となっていることがより好ましいと考えられる。
本実施例では、金属伝導体の配置面積を、見掛けの摺動面積の８１％を占める面積領域とした。
【００４３】
また、重ねた２つの摺動体のうち一方の摺動体の側面に熱電対を取り付けた。熱電対の取り付け方法は、材料毎に異なるものとした。即ち、
ＢｉＴｅ系試験片１を用いる場合は、図６に示すように、第１摺動体１２の摺動面から厚み方向に深さ１ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍ、８ｍｍ、及び１２ｍｍのそれぞれの位置に熱電対を取り付け、摺動体の温度の測定を行った。
Ｓｉ系試験片２を用いる場合は、同様に、第１摺動体１２の金属伝導体が付設された表面から厚み方向に深さ１ｍｍ及び１８ｍｍの位置に熱電対を張り付け、摺動体の温度の測定を行った。
【００４４】
摩擦試験機には、摩擦摩耗試験機ＥＦＭ−III（エー・アンド・デイ社製）を用い、重ねた２つの摺動体のうち下側の第２摺動体１４を回転させ、第１摺動体１２が回転しないように荷重スプリングで第２摺動体１４に押しつけて固定しながら、大気環境下で摺動させた。摺動時の雰囲気温度は、室温（約２３℃）とした。
ここで、ＢｉＴｅ系試験片１を用いる場合の標準試験条件は、すべり速度４２ｍｍ／ｓ、荷重１４０Ｎとした。また、発電効果の摺動条件依存性を評価するため、下記の表２の「Ａ」で示すように、すべり速度と荷重条件を変えた試験も行った。
また、Ｓｉ系試験片２を用いる場合の標準試験条件は、ＢｉＴｅ系試験片１に比べて摩擦起電力が小さい傾向があるため、すべり速度４２ｍｍ／秒、荷重８４０Ｎとした。また、下記の表２の「Ｂ」で示すように、すべり速度と荷重条件を変えた試験も行った。
【００４５】
【表２】
2019205253.tif 000004
【００４６】
ＢｉＴｅ系試験片１を用いた摩擦試験での摩擦力と起電力を図７に示す。
摩擦力が約１２０Ｎで安定した試験時間１１００秒〜２０００秒の間では、時間平均で約１６ｍＶの起電力が発生している。試験時間約２７００秒時点で摩擦を停止し、停止と同時に起電力が約１０ｍＶまで急激に低下し、起電力は１０ｍＶから時間の経過に伴って徐々に低下する傾向を示した。
【００４７】
上記の試験では、熱電変換材料を用いたことから、起電力には摩擦発電だけでなく、熱起電力も含まれているものと考えられる。熱起電力の影響を除いて、摩擦発電効果の影響を明確化するため、摩擦停止前後の起電力変化に着目し、図７中の破線で囲んだ箇所を拡大した波形を図８に示す。
図８に示すように、摩擦停止直後に起電力が約１０ｍＶまで急激に低下し、その後は徐々に起電力が低下していく傾向が明瞭に認められる。摩擦中の起電力が時間平均で約１６ｍＶであったのに対して、摩擦停止時点から１秒後には８ｍＶ程度まで低下し、起電力が１／２以下となっている。換言すると、摺動停止直前の起電力が、摺動停止から１秒経過時点での起電力に対して２倍以上となっている。
このように、摺動停止直前の起電力は、摺動停止から１秒経過時点での起電力の１．２倍以上であることが好ましく、１．５倍以上であることがより好ましく、２．０倍以上であることがさらに好ましい。
【００４８】
次に、摩擦停止前後での起電力（■点）及び第１摺動体１２（Ｎ型半導体であるＢｉＴｅ系試験片１）に図６に示すように取り付けた熱電対により測定した温度変化を図９に示す。
図９中の「低温側温度」とは、第１摺動体１２の摺動面１２ａとは反対側の表面の温度を指し、３０℃付近であった。
摩擦時には、摺動面（摩擦表面）からの深さ１ｍｍの位置での温度が約６０℃となっており、摺動体の厚み方向に深くなるにしたがって温度が低下する傾向にある。また、摩擦停止時点から温度低下し始めるが、温度低下は急激に開始するのではなく、徐々に変化する傾向にある。これは、厚み２０ｍｍの摺動体が比較的大きな熱容量を有しているためと考えられる。
第１摺動体１２（Ｎ型半導体であるＢｉＴｅ系試験片１）の内部温度（実測値）並びに実測値を用いて半無限系の熱伝導方程式の定常解に基づいて算出した摩擦表面の温度を図１０に示す。図１０中の熱伝導方程式における、Ｔは温度を、Ａはパラメータを、ｙは深さ位置を、ｂは熱交換率を、ｋは熱伝導率をそれぞれ示す。熱電熱式と実測値から摩擦面の平均温度は６２℃と推定された。この温度とＰ型半導体Ｂｉ０．３Ｓｂ１．７Ｔｅ３及びＮ型半導体Ｂｉ２Ｔｅ３の熱起電力から求められる熱起電力は、１０ｍＶ（（０．１８＋０．１３）×ΔＴ）であった。これは、図７及び図８に示す摩擦停止直後の起電力と一致する。
【００４９】
摩擦発電現象による起電力発生のイメージを図１１に示す。
図１１に示すように、半導体からなる熱電材料を直接摩擦した場合には、摩擦面から背面の温度差に起因した熱起電力に加えて、摩擦力に起因すると推察される摩擦発電効果も合わさって起電力が得られると考えられる。
【００５０】
続いて、摺動条件を変えて起電力を測定し、起電力から熱電効果分を除いた摩擦起電力と単位時間当たりの摩擦エネルギー（＝摩擦力×すべり速度）との関係を整理して図１２に示す。摩擦起電力と摩擦エネルギーとの間には、図１２から明らかなように、右肩上がりの比例関係が認められ、起電力が摩擦エネルギーに比例して大きくなる傾向がある。これにより、摩擦エネルギーにより起電力が生ずることが裏付けられている。
【００５１】
次に、摩擦試験片として、Ｐ（リン原子）ドープＳｉ（Ｎ型半導体）及びＢ（ホウ素原子）ドープＳｉ（Ｐ型半導体）の組み合わせ（Ｓｉ系試験片２）、又はノンドープＳｉ同士を用いた場合の、摩擦力、起電力、及び第１摺動体の摺動面から厚み方向に深さ１ｍｍの位置に取り付けた熱電対の温度を測定した。
ＢｉＴｅ系試験片１の場合と比べて高荷重条件で実施したＳｉ系試験片２の場合は、摩耗粉が摩擦面に堆積し易く、その堆積量の増加に伴い摩擦力や摩擦起電力の低下を生じ易かった。そこで、Ｓｉ系試験片２については、摩耗粉の堆積量が比較的少ないと考えられる摩擦開始直後のデータを解析し、図１３にまとめて示す。Ｓｉ系試験片２では、前述したＢｉＴｅ系試験片１に比べて摩擦力の変動が比較的大きくなっている。摩擦力に着目して、ＰドープＳｉ及びＢドープＳｉの組み合わせ（Ｓｉ系試験片２）とノンドープＳｉ同士の組み合わせを比較すると、両者は概ね同程度となっている。一方、起電力については、ＰドープＳｉ及びＢドープＳｉの組み合わせ（Ｓｉ系試験片２）では、変動も大きいものの、起電力が明らかに発生しているのに対し、ノンドープＳｉ同士の組み合わせではほとんど起電力が得られていない。一方、熱電対温度に関しては、第１摺動体の摺動面から厚み方向に深さ１ｍｍの位置での温度（実線）、１８ｍｍの位置での温度（破線）の両者とも、ＰドープＳｉ及びＢドープＳｉの組み合わせ（Ｓｉ系試験片２）とノンドープＳｉ同士の組み合わせはほぼ一致しており、摺動体の表面近傍と背面近傍との温度差は両者とも６℃程度であった。
また、深さ１ｍｍの位置での温度（実線）と１８ｍｍの位置での温度との差は、摩擦開始前後でも同程度の６℃となっていた。
以上の結果から、ＰドープＳｉ及びＢドープＳｉの組み合わせ（Ｓｉ系試験片２）のみで認められた起電力は、熱起電力ではなく、摩擦発電現象によるものと推察される。
ＰドープＳｉ及びＢドープＳｉの組み合わせ（Ｓｉ系試験片２）で得られた起電力は、摩擦開始前にはほぼ０ｍＶであるのに対し、摩擦開始後は時間平均で約５ｍＶの起電力が得られ、摩擦の有無による起電力の差異は１０倍以上（∞）となっている。
【００５２】
ＰドープＳｉ及びＢドープＳｉの組み合わせ（Ｓｉ系試験片２）とノンドープＳｉ同士の組み合わせとで摩擦試験を行った場合の、起電力及び深さ１ｍｍと１８ｍｍの位置での摺動体の温度差を単位時間当たりの摩擦エネルギーとの関係で整理して図１４に示す。
図１４では、各データプロットとしては、摩擦開始から１０秒間の時間平均値で整理している。前述したように、ＰドープＳｉ及びＢドープＳｉの組み合わせ（Ｓｉ系試験片２）とノンドープＳｉ同士の組み合わせとでは、第１摺動体の摺動面から厚み方向に深さ１ｍｍと深さ１８ｍｍの位置での摺動体の温度差が同程度であるにも関わらず、Ｓｉ系試験片２では、ノンドープＳｉ同士の組み合わせに比べ、大きな起電力が得られていることが分かる。また、Ｓｉ系試験片２では、摩擦エネルギーの増加に伴って起電力が増大しており、摩擦発電効果が得られていることが分かる。
【００５３】
上記のＢｉＴｅ系試験片１及びＳｉ系試験片２の起電力と摩擦エネルギーの関係を図１５に示す。
Ｐ型半導体Ｂｉ０．３Ｓｂ１．７Ｔｅ３及びＮ型半導体Ｂｉ２Ｔｅ３の組み合わせ（ＢｉＴｅ系試験片１）とＰドープＳｉ及びＢドープＳｉの組み合わせ（Ｓｉ系試験片２）とにおいて、摩擦エネルギーに比例して起電力か増大する傾向が認められ、ＢｉＴｅ系試験片１においてより高い起電力が得られることが分かる。
ここで、表１に示す各種材料のバンドギャップの値との関係に着目すると、バンドギャップが０．２０ｅＶのＰ型半導体Ｂｉ０．３Ｓｂ１．７Ｔｅ３とバンドギャップが０．１４ｅＶのＮ型半導体Ｂｉ２Ｔｅ３の組み合わせ、及び、バンドギャップがいずれも０．０４５ｅＶであるＰドープＳｉとＢドープＳｉの組み合わせにおいて摩擦発電現象が得られ、  バンドギャップがいずれも１．１ｅＶであるノンドープＳｉの組み合わせでは摩擦発電現象は得られていないと判断できる。
摩擦発電現象による効果の大小とバンドギャップの値との間には比例関係は認められないが、バンドギャップ値が１．０ｅＶ以下である材料の組み合わせが好ましいものと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、摩擦により生じる電気エネルギーが摩擦時の摩擦エネルギーに比例して得られるものであるので、摩擦が生じる部材間、装置、又はシステム等において広く適用することが可能であり、例えば、摩擦力センサーとして利用することもできる。
【符号の説明】
【００５５】
１０  摩擦発電システム
１２  第１摺動体
１２ａ，１４ａ  摺動面
１４  第２摺動体
１６  接続配線
１８，１９  金属導電板（金属導電体）
【図１】
2019205253.tif 000005
【図２】
2019205253.tif 000006
【図３】
2019205253.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
2019205253.tif 000010
【図７】
2019205253.tif 000011
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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