(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と、中間層と、第２の電極とをこの順に有する発電素子であって、
前記中間層が、表面改質処理されかつ表面に不活性化剤を有してなり、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくともいずれかと接し、かつ前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくともいずれかとの間に空間を有し、前記第１の電極面及び前記第２の電極面に対して垂直方向に加圧された際に、前記第１の電極面及び前記第２の電極面に対して微視的に水平方向に移動することを特徴とする発電素子。
【請求項２】
中間層の硬さが、デュロメータ  タイプＡで６０°未満である請求項１に記載の発電素子。
【請求項３】
中間層が、シリコーンゴムを含有するシリコーンゴム組成物からなる請求項１から２のいずれかに記載の発電素子。
【請求項４】
中間層が、静置状態においては表面電荷を有さない請求項１から３のいずれかに記載の発電素子。
【請求項５】
第１の電極及び第２の電極の少なくともいずれかが、中間層と接する面に、凸構造を有する請求項１から４のいずれかに記載の発電素子。
【請求項６】
第１の電極の中間層と対向する面とは反対側の面に、押しつけ部材を有する請求項１から４のいずれかに記載の発電素子。
【請求項７】
表面改質処理が、プラズマ処理、コロナ放電処理、及び電子線照射処理のいずれかである請求項１から６のいずれかに記載の発電素子。
【請求項８】
不活性化剤が、非晶質樹脂及びカップリング剤から選択される請求項１から７のいずれかに記載の発電素子。
【請求項９】
非晶質樹脂がパーフルオロポリエーテル構造を有する樹脂であり、カップリング剤が金属アルコキシドである請求項８に記載の発電素子。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の発電素子を有することを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電素子及び発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、道路、橋、建築物等の構造体の振動、自動車、鉄道車両等の移動体の振動、及び人の運動による振動によるエネルギーを有効利用する試みがなされている。前記振動によるエネルギーを有効利用する方法としては、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する方法が挙げられる。そのような方法としては、例えば、圧電素子を利用する方式、静電誘導を利用する方式などが挙げられる。
【０００３】
前記圧電素子を利用する方式は、主としてセラミックス系の圧電素子を用い、振動によって前記圧電素子に歪が加わる際に、前記圧電素子の表面に電荷が誘起される現象を利用するものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
前記静電誘導を利用する方式では、一般的に、半永久的に電荷を保持するエレクトレット誘電体が用いられる（例えば、特許文献２〜４参照）。これらの技術において用いられる前記エレクトレット誘電体とは、誘電体を帯電させて半永久的に静電場を発生させることを可能にした材をいう。前記エレクトレット誘電体と、これと距離を置いて配置された電極との相対位置を、振動等によって変化させることで、電荷が電極に静電誘導され、発電が行われる。
【０００５】
また、エレクトレット材として、アモルファスフッ素樹脂を用いて、短冊状のエレクトレット電極形状とすることで非常に高い電位を得ることができることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
さらに、第１の電極、第２の電極、第１の誘電体層、及び第２の誘電体層を有し、摩擦帯電を利用して発電する発電装置が提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記特許文献１に記載の圧電素子を利用する方式は、主としてセラミックス系の圧電素子を用いるため、可撓性がなく壊れやすいという問題がある。
また、前記特許文献２〜４に記載の静電誘導を利用する方式は、用いられる前記エレクトレット誘導体を作製する際に、誘電体に帯電処理を行う必要がある。前記帯電処理の方法としては、例えば、コロナ放電、プラズマ処理などが挙げられる。しかし、このような処理では、多くの電力を必要とするという問題がある。また、可撓性が十分ではなく、かつ通常、機械的な容量変化機構を備えるため、フレキシブルな素子を実現するのが困難であるという問題がある。また、前記非特許文献１に記載のアモルファスフッ素樹脂を用いた場合、高い電圧がかかると放電が発生して、発電素子が壊れやすいという問題がある。
さらに、前記特許文献５に記載の摩擦帯電を利用する方式の発電装置は、外部から負荷が加わった場合に、発電装置が大きく変形し、発電効率が低下するという問題がある。
【０００８】
したがって、本発明は、外部から負荷が加わっても壊れることがなく、発電性能が高い発電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための手段としての本発明の発電素子は、第１の電極と、中間層と、第２の電極とをこの順で積層してなる発電素子であって、前記中間層が、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくともいずれかと接し、前記中間層が、互いに固定されていない状態で、第１の電極面及び第２の電極面に対して垂直方向に加圧された際に、前記第１の電極面及び前記第２の電極面に対して平行方向に移動する。さらに、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくともいずれかが、前記中間層と接する面に、凸構造を有し、前記凸構造と柔軟な前記中間層により、前記第１の電極面及び前記第２の電極面に対して垂直方向へ加圧することにより、電極面と中間層の接触面積が広がり、電極面に沿った微小な意味での平行移動が促進される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、外部から負荷が加わっても壊れることがなく、発電性能が高い発電素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の発電素子の一例を示す概略断面図である。
【図２】図２は、本発明の発電素子の他の一例を示す概略断面図である。
【図３】図３は、図２の発電素子を押しつけ部材を用いて押し付けた状態を示す概略断面図である。
【図４】図４は、本発明の発電素子の他の一例を示す概略断面図である。
【図５】図５は、本発明の発電素子の他の一例を示す概略断面図である。
【図６】図６は、図５の押しつけ部材に対して垂直方向に加圧した際の状態を示す概略断面図である。
【図７】図７は、本発明の移動による発電への影響を測定する発電装置の概略断面図である。
【図８】図８は、図７の測定する発電装置の上部電極が左側に動いた場合の概略断面図である。
【図９】図９は、図７の測定する発電装置の上部電極が右側に動いた場合の概略断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の発電装置の他の一例を示す概略断面図である。
【図１１】図１１は、図７の構成の発電装置の発電効率の測定結果を示すグラフである。
【図１２】図１２は、比較例１で作製した発電素子を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（発電素子）
本発明の発電素子は、第１の電極と、中間層と、第２の電極とをこの順で積層してなり、更に必要に応じて、その他の部材を有する。
本発明の発電素子は、初期に帯電や内部電荷を有さず、前記中間層に、外部から垂直な負荷が加わることによって、横方向への応力が発生し、摩擦による帯電により荷電を発生させ発電できる。しかし、中間層と電極界面の摩擦は通常非常に大きく、大きな力をかけないと滑りが発生しない。柔らかい中間層に、凸凹の電極、特に凸形状の電極又は押しつけ部材を押しつけることにより、ゴムの表面積が、その伸縮特性により、可逆的に増減し、好適に第１の電極面及び第２の電極面に対して微視的に平行方向に移動することで、より高い発電効率を得ることができる。なお、微視的に平行方向に移動するとは、肉眼では識別できないほど微細に平行方向に移動することを意味する。
【００１３】
＜第１の電極及び第２の電極＞
前記第１の電極及び前記第２の電極の材質、形状、大きさ、及び構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記第１の電極及び前記第２の電極において、その材質、形状、大きさ、及び構造は、同じであってもよいし、異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。また、移動促進手段を有することが好ましい。
【００１４】
前記第１の電極、及び前記第２の電極の材質としては、例えば、金属、炭素系導電材料、導電性ゴム組成物などが挙げられる。
【００１５】
前記金属としては、例えば、金、銀、銅、鉄、アルミニウム、ステンレス、タンタル、ニッケル、リン青銅などが挙げられる。
【００１６】
前記炭素系導電材料としては、例えば、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノチューブなどが挙げられる。
【００１７】
前記導電性ゴム組成物としては、例えば、導電性フィラーと、ゴムとを含有する組成物などが挙げられる。
前記導電性フィラーとしては、例えば、炭素材料（例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンファイバー（ＣＦ）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）等）、金属フィラー（例えば、金、銀、白金、銅、鉄、アルミニウム、ニッケル等）、導電性高分子材料（例えば、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、及びポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、又は、これら誘導体にアニオン若しくはカチオンに代表されるドーパントを添加したもの等）、イオン性液体などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、変性シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、ポリサルファイドゴム、ウレタンゴム、イソブチルゴム、フロロシリコーンゴム、エチレンゴム、天然ゴム（ラテックス）などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
【００１８】
前記第１の電極の形態、及び前記第２の電極の形態としては、例えば、シート、フィルム、薄膜、織布、不織布、メッシュ、スポンジなどが挙げられる。なお、繊維状の前記炭素材料が重なって形成された不織布であってもよい。
【００１９】
前記フィルムとしては、例えば、高分子フィルムなどが挙げられる。
前記高分子フィルムとしては、例えば、フィルムに金属箔を貼り付けたフィルムなどが挙げられる。前記高分子フィルムとしては、市販品を使用することができ、前記市販品としては、例えば、アルペット９−１００、アルペット２５−２５（以上、パナック株式会社製）などが挙げられる。
【００２０】
前記第１の電極の形状、及び前記第２の電極の形状としては、特に制限はなく、発電素子の形状に応じて適宜選択することができる。
前記第１の電極の大きさ、及び前記第２の電極の大きさとしては、特に制限はなく、発電素子の大きさに応じて適宜選択することができる。
【００２１】
前記第１の電極の平均厚み、及び前記第２の電極の平均厚みは、発電素子の構造に応じて適宜選択することができるが、導電性及び可撓性の点から、０．０１μｍ〜１ｍｍが好ましく、０．１μｍ〜５００μｍがより好ましい。前記平均厚みが、０．０１μｍ以上であると、機械的強度が適正であり、導電性が向上する。また、前記平均厚みが、１ｍｍ以下であると、発電素子が変形可能であり、発電性能が良好である。
【００２２】
＜＜移動促進手段＞＞
前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくともいずれかの中間層と接する面、又は前記第１の電極の前記中間層と対向する面とは反対側の面に、前記中間層の移動を促進する移動促進手段を有することが好ましい。前記移動促進手段を有することで、中間層が前記第１の電極面及び前記第２の電極面に対して容易に平行方向に移動することができ、効率よく摩擦による帯電により電荷を発生させ発電できる。ここで、移動促進とは、第１の電極面及び第２の電極面に対して垂直に加圧した際に、中間層が第１の電極面及び第２の電極面に対して摩擦力等で変形しにくいものを、容易に中間層の位置の変化量を増進させることができることをいう。通常の平面に対する面積の増大効果、及び凸構造による垂直方向加圧成分の水平方向への分離効果による平行移動効果の増大が前記移動促進手段となる。
【００２３】
前記移動促進手段としては、前記中間層の移動を促進することができれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記中間層と接する前記第１の電極面及び前記第２の電極面の少なくともいずれかに凸構造を有する手段、前記第１の電極の前記中間層と対向する面とは反対側の面に押しつけ部材を有する手段などが挙げられる。
【００２４】
−前記第１の電極面及び前記第２の電極面の少なくともいずれかに凸構造を有する手段−
前記中間層と接する前記第１の電極面及び前記第２の電極面の少なくともいずれかに凸構造を有する手段としては、前記中間層と接する前記第１の電極面及び前記第２の電極面の少なくともいずれかに凸構造を有することができる。
前記凸構造の形状としては、凸構造の頂部が角を有する形状、曲率を有する形状などが挙げられる。具体的には、凸構造の断面形状として、半円形、半楕円形、三角形、台形などが挙げられる。これらの中でも、移動をより促進できる点から、半円形が好ましい。
【００２５】
−押しつけ部材を有する手段−
前記押しつけ部材を有する手段としては、前記第１の電極の前記中間層と対向する面とは反対側の面に押しつけ部材を有することができる。前記押しつけ部材により、第一の電極を介して中間層を押すことができ、これにより、中間層の移動を引き起こすことができる。
前記押しつけ部材の材質、形状、大きさ、及び構造としては、前記第１の電極を介して、前記中間層を押しつけることができれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記押しつけ部材の形状としては、効率よく、前記第１の電極を介して、前記中間層を押しつけることができる点から、前記第１の電極に対向する面に凸構造を有することが好ましい。前記凸構造の形状としては、凸構造の頂部が角を有する形状、曲率を有する形状などが挙げられる。具体的には、凸構造の断面形状として、半円形、半楕円形、三角形、四角形、台形などが挙げられる。
本発明においては、前記押しつけ部材を有する場合は、前記押し付け部材を含めて発電素子とする。
【００２６】
中間層と接する前記第１の電極面及び前記第２の電極面の間の材料の動摩擦係数としては、１．５以下が好ましく、０．８以下がより好ましい。前記動摩擦係数が、１．５以下であると、発電性能が良好である。
【００２７】
図１は、本発明の発電素子の一例を示す概略断面図である。この図１に示す発電素子１は、第１の電極２に、電鋳にて作製した円錐形状の凸構造を有するニッケル電極の例であり、前記凸構造を有することにより、第１の電極２面及び第２の電極３面に対して垂直方向に加圧された際に、前記凸構造により中間層４を押すことで、前記中間層４を前記第１の電極２面及び前記第２の電極３面に対して微視的により大きく平行方向に移動させることができる。なお、前記凸構造を有する電極としては、例えば、金属を複合化した電極（商品名：Ｓｕｉ−１０−７０、セーレン株式会社製）などが挙げられる。前記Ｓｕｉ−１０−７０（セーレン株式会社製）は、表面が凸構造を有するため、好適に用いることができる。
【００２８】
＜中間層＞
【００２９】
前記中間層は、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくともいずれかと接し、互いに固定されない状態で、垂直方向に加圧された際に、前記第１の電極面及び前記第２の電極面に対して平行方向に微視的に移動することができる。
なお、前記互いに固定されない状態とは、前記第１の電極及び前記第２の電極と、前記中間層との少なくともいずれかが動く状態をいい、前記第１の電極及び前記第２の電極と、前記中間層とが、周辺部で固定されたとしても、前記第１の電極及び前記第２の電極と、前記中間層とが、それぞれ可撓性を有するため、少なくても部分的に前記中間層が、前記第１の電極面及び前記第２の電極面に対して、平行方向に移動できることをいう。
【００３０】
前記中間層の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ゴムなどが挙げられる。前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、天然ゴム（ラテックス）、ウレタンゴム、フッ素ゴム、エチレンプロピレンゴムなどが挙げられる。これらの中でも、シリコーンゴムが好ましい。
【００３１】
前記中間層は、各種機能性を付与するために、フィラーを含有してもよい。前記フィラーとしては、例えば、酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、酸化亜鉛、シリカ、炭酸カルシウム、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー、酸化鉄、ＰＴＦＥ、マイカ、粘土鉱物、合成ハイドロタルサイト、金属などが挙げられる。圧電性をもつフィラーや分極している高分子（ベース材料もしくはフィラー）を使用する場合、分極処理を施すことが好ましい。
【００３２】
前記中間層の硬さ（ＪＩＳ−Ａ硬さ）としては、６０°未満であり、５２°が好ましく、４２°がより好ましい。前記硬さが、６０°未満であると、移動を阻害することもないため、良好な発電を行うことができる。
【００３３】
前記中間層の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、変形追従性の点から、１μｍ〜１０ｍｍが好ましく、５０μｍ〜２００μｍがより好ましい。また、前記平均厚みが、好ましい範囲内であると、成膜性が確保でき、かつ変形を阻害することもないため、良好な発電を行うことができる。
【００３４】
前記中間層は、絶縁性であることが好ましい。前記絶縁性としては、１０８Ωｃｍ以上の体積抵抗率を持つことが好ましく、１０１０Ωｃｍ以上の体積抵抗率を持つことがより好ましい。
【００３５】
前記中間層は、複層構造であってもよい。
【００３６】
＜＜表面改質処理、及び不活性化処理＞＞
前記中間層において、移動量、又は表面硬度を異ならせる方法としては、例えば、表面改質処理、不活性化処理などが挙げられる。これらの処理は、両方を行ってもよいし、片方のみを行ってもよい。
【００３７】
−表面改質処理−
前記表面改質処理としては、例えば、プラズマ処理、コロナ放電処理、電子線照射処理、紫外線照射処理、オゾン処理、放射線（Ｘ線、α線、β線、γ線、中性子線）照射処理などが挙げられる。これらの処理の中でも、処理スピードの点から、プラズマ処理、コロナ放電処理、電子線照射処理が好ましいが、ある程度の照射エネルギーを有し、材料を改質しうるものであれば、これらに限定されない。
【００３８】
−−プラズマ処理−−
前記プラズマ処理の場合、プラズマ発生装置としては、例えば、平行平板型、容量結合型、誘導結合型のほか、大気圧プラズマ装置でも可能である。耐久性の観点から、減圧プラズマ処理が好ましい。
前記プラズマ処理における反応圧力としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、０．０５Ｐａ〜１００Ｐａが好ましく、１Ｐａ〜２０Ｐａがより好ましい。
前記プラズマ処理における反応雰囲気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、不活性ガス、希ガス、酸素などのガスが有効であるが、効果の持続性においてアルゴンが好ましい。また、その際、酸素分圧を５，０００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。前記反応雰囲気における酸素分圧が、５，０００ｐｐｍ以下であると、オゾンの発生を抑制でき、オゾン処理装置の使用を控えることができる。
前記プラズマ処理における照射電力量は、（出力×照射時間）により規定される。前記照射電力量としては、５Ｗｈ〜２００Ｗｈが好ましく、１０Ｗｈ〜５０Ｗｈがより好ましい。前記照射電力量が、好ましい範囲内であると、前記中間層に発電機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。
【００３９】
−−コロナ放電処理−−
前記コロナ放電処理における印加エネルギー（積算エネルギー）としては、６Ｊ／ｃｍ２〜３００Ｊ／ｃｍ２が好ましく、１２Ｊ／ｃｍ２〜６０Ｊ／ｃｍ２がより好ましい。前記印加エネルギーが、好ましい範囲内であると、前記中間層に発電機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。
【００４０】
−−電子線照射処理−−
前記電子線照射処理における照射量としては、１ｋＧｙ以上が好ましく、３００ｋＧｙ〜１０ＭＧｙがより好ましい。前記照射量が、好ましい範囲内であると、前記中間層に発電機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。
前記電子線照射処理における反応雰囲気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、アルゴン、ネオン、ヘリウム、窒素等の不活性ガスが充填し酸素分圧を５，０００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。前記反応雰囲気における酸素分圧が、５，０００ｐｐｍ以下であると、オゾンの発生を抑制でき、オゾン処理装置の使用を控えることができる。
【００４１】
−−紫外線照射処理−−
前記紫外線照射処理における紫外線としては、波長３６５ｎｍ以下で２００ｎｍ以上が好ましく、波長３２０ｎｍ以下で２４０ｎｍ以上がより好ましい。
前記紫外線照射処理における積算光量としては、５Ｊ／ｃｍ２〜５００Ｊ／ｃｍ２が好ましく、５０Ｊ／ｃｍ２〜４００Ｊ／ｃｍ２がより好ましい。前記積算光量が、好ましい範囲内であると、前記中間層に発電機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。
前記紫外線照射処理における反応雰囲気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、アルゴン、ネオン、ヘリウム、窒素等の不活性ガスが充填し酸素分圧を５，０００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。前記反応雰囲気における酸素分圧が、５，０００ｐｐｍ以下であると、オゾンの発生を抑制でき、オゾン処理装置の使用を控えることができる。
【００４２】
従来技術として、プラズマ処理、コロナ放電処理、紫外線照射処理、電子線照射処理などにより励起又は酸化させることで活性基を形成し、層間接着力を高めることが提案されている。しかし、その技術は、層間への適用に限定され、最表面への適用はむしろ離型性を低下させるため好ましくないことがわかっている。また、反応を酸素リッチな状態下で行い、効果的に反応活性基（水酸基）を導入している。そのため、そのような従来技術は、本発明の前記表面改質処理とは本質が異なる。
本発明の前記表面改質処理は、酸素が少なく減圧された反応環境による処理（例えば、プラズマ処理）のため、表面の再架橋及び結合を促し、例えば、「結合エネルギーの高いＳｉ−Ｏ結合の増加」に起因して耐久性が向上し、さらに加えて「架橋密度向上による緻密化」に起因して離型性が向上すると考えられる（なお、本発明においても一部活性基は形成されてしまうが、後述するカップリング剤や風乾処理にて、活性基を不活性化させている）。
【００４３】
前記表面処理により得られる表面処理層の平均厚みとしては、０．０１μｍ〜５０μｍが好ましく、０．０１μｍ〜２０．０μｍがより好ましい。前記平均厚みが、好ましい範囲内であると、前記中間層に発電機能を付与でき、かつ硬さが大きくなることを防止し、発電量を低下させることもない。
【００４４】
−不活性化処理−
前記中間層の表面は、各種材料を用いて、適宜不活性化処理が施されてもよい。
前記不活性化処理としては、前記中間層の表面を不活性化させる処理であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、不活性化剤を前記中間層の表面に付与する処理が挙げられる。前記不活性化とは、プラズマ処理、コロナ放電処理、紫外線照射処理、電子線照射処理などによる励起又は酸化によって発生した活性基（例えば、−ＯＨなど）を不活性化剤と反応させて、前記中間層の表面の活性度を下げることで、前記中間層の表面を、化学反応を起こしにくい性質に変化させることを意味する。
【００４５】
前記不活性化剤としては、例えば、非晶質樹脂、カップリング剤などが挙げられる。
【００４６】
前記非晶質樹脂としては、例えば、主鎖にパーフルオロポリエーテル構造を有する樹脂などが挙げられる。
前記カップリング剤としては、例えば、金属アルコキシド、金属アルコキシドを含む溶液などが挙げられる。前記金属アルコキシドとしては、例えば、下記一般式（１）で表される化合物や、重合度２〜１０程度のそれらの部分加水分解重縮合物又はそれらの混合物などが挙げられる。
Ｒ１（４−ｎ）Ｓｉ（ＯＲ２）ｎ・・・一般式（１）
ただし、前記一般式（１）中、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立に、炭素数１〜１０の直鎖状又は分枝状のアルキル基、アルキルポリエーテル鎖、及びアリール基のいずれかを表す。ｎは、２〜４の整数を表す。
前記一般式（１）で表される化合物の具体例としては、例えば、ジメチルジメトキシシラン、ジエチルジエトキシシラン、ジエチルジメトキシシラン、ジエチルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシランなどが挙げられる。耐久性の面から特に好ましいのは、テトラエトキシシランである。
【００４７】
前記一般式（１）において、Ｒ１は、フルオロアルキル基であってもよく、更に酸素を介して結合したフルオロアルキルアクリレート、エーテルパーフルオロポリエーテルでもよい。柔軟性、及び耐久性の点で特に好ましいのは、パーフルオロポリエーテル基である。
【００４８】
さらに、前記金属アルコキシドとしては、例えば、ビニルシラン類〔例えば、ビニルトリス（β−メトキシエトキシ）シラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン等〕、アクリルシラン類〔例えば、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン等〕、エポキシシラン類〔例えば、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン等〕、アミノシラン類〔Ｎ−β（アミノエチル）γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン等〕などが挙げられる。
【００４９】
また、前記金属アルコキシドとしては、金属原子として、Ｓｉ以外に、Ｔｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｚｒであるものを単独又は２種以上を混合して用いることも可能である。
【００５０】
前記不活性化処理は、例えば、前記ゴムなどの中間層前駆体に、前記表面改質処理を行った後に、前記中間層前駆体の表面に前記不活性化剤を塗布又はディッピング等により含浸させることによって行うことができる。
また、前記中間層前駆体としてシリコーンゴムを用いた場合は、前記表面改質処理を行った後に、空気中に静置して風乾することにより、失活させてもよい。
【００５１】
＜＜空間＞＞
前記発電素子は、前記中間層と、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくともいずれかとの間に空間を有することが好ましい。前記空間を有することにより、弱い振動であっても発電素子の静電容量が変化して、発電量を増やすことができる。
【００５２】
前記空間を設ける方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記中間層と、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくともいずれかとの間にスペーサーを配置する方法などが挙げられる。
【００５３】
−スペーサー−
前記スペーサーとしては、その材質、形態、形状、大きさなどについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記スペーサーの材質としては、例えば、高分子材料、ゴム、金属、導電性高分子材料、導電性ゴム組成物などが挙げられる。
前記高分子材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。
前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、変性シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、ポリサルファイドゴム、ウレタンゴム、イソブチルゴム、フロロシリコーンゴム、エチレンゴム、天然ゴム（ラテックス）などが挙げられる。
前記金属としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ステンレス、タンタル、ニッケル、リン青銅などが挙げられる。
前記導電性高分子材料としては、例えば、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリンなどが挙げられる。
【００５４】
前記導電性ゴム組成物としては、例えば、導電性フィラーとゴムとを含有する組成物などが挙げられる。前記導電性フィラーとしては、例えば、炭素材料（例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等）、金属（例えば、金、銀、白金、銅、鉄、アルミニウム、ニッケル等）、導電性高分子材料（例えば、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、及びポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、又は、これら誘導体にアニオン若しくはカチオンに代表されるドーパントを添加したもの等）、イオン性液体などが挙げられる。前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、変性シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、ポリサルファイドゴム、ウレタンゴム、イソブチルゴム、フロロシリコーンゴム、エチレンゴム、天然ゴム（ラテックス）などが挙げられる。
【００５５】
前記スペーサーの形態としては、例えば、シート、フィルム、織布、不織布、メッシュ、スポンジなどが挙げられる。
前記スペーサーの形状、大きさ、厚み、設置場所は、発電素子の構造に応じて適宜選択することができる。
【００５６】
＜その他の部材＞
前記その他の部材は、例えば、封止層などが挙げられる。
【００５７】
＜＜封止層＞＞
前記封止層としては、前記第１の電極及び前記第２の電極の中間層と対向する面とは反対側の面に設けることができる。
前記封止層としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、セロハンテープなどが挙げられる。
【００５８】
前記中間層は、静置状態において初期表面電位を持たないことが好ましい。
なお、静置状態における初期表面電位は、以下の測定条件で測定できる。ここで、初期表面電位を持たないとは、下記測定条件で測定した際に、±１０Ｖ以下を意味する。
［測定条件］
前処理：温度３０℃、相対湿度４０％の雰囲気に２４時間静置後、除電を６０秒間実施した（Ｋｅｙｅｎｃｅ社製のＳＪ−Ｆ３００を使用）
装置：Ｔｒｅｃｋ  Ｍｏｄｅｌ３４４
測定プローブ：６０００Ｂ−７Ｃ
測定距離：２ｍｍ
測定スポット径：直径（φ）１０ｍｍ
【００５９】
本発明の前記発電素子は、中間層が初期表面電位を持たないという点から、特許第５４８０４１４号公報、特開２０１４−０２７７５６号公報、及び特許第５１２６０３８号公報（特許文献２〜４）に記載の先行技術とは、発電の原理が異なると考えられる。
【００６０】
前記先行技術の発電素子に用いられるエレクトレット材料は、半永久的に初期から電荷を与えておくものである。一方、本発明の発電素子は、その発電メカニズムは正確にはまだわかっていないが、電極近傍の中間層が、外力又は振動などの負荷が加わることにより、第１の電極面及び第２の電極面と平行方向に対して移動することにより、摩擦帯電に誘起されるメカニズムで帯電する、又は中間層の内部に電荷が発生する。これに起因して、表面電位差が生じる。この表面電位差がゼロになるように電荷が移動して発電する、と推測される。
【００６１】
ここで、図２は、本発明の発電素子の他の一例を示す概略断面図である。この図２に示す発電素子１０は、押しつけ部材１５と、一対の電極（第１の電極１２及び第２の電極１３）と、中間層１４と、封止層１６ａ、１６ｂとから構成され、第１の電極と中間層との間に、スペーサー（不図示）を介して空間１９が設けられている。図３は、図２の発電素子を押しつけ部材を用いて押し付けた状態を示す概略断面図である。この図３に示すように、押しつけ部材１５を用いて、前記第１の電極面及び前記第２の電極面に対して垂直に加圧すると、可撓性を有する第１の電極を介して、中間層１４が押し付けられ、前記第１の電極面及び前記第２の電極面に対して微視的に平行方向に移動する。
【００６２】
図４は、本発明の発電素子の他の一例を示す概略断面図である。この図４に示す発電素子２０は、図３の発電素子１０における空間１９がなく、第１の電極と中間層とが接した構成からなる。
図５は、本発明の発電素子の他の一例を示す概略断面図である。この図５に示すように、発電素子３０は、第１の電極３２、中間層３４、第２の電極３３を設け、前記第１の電極３２の前記中間層３４と対向する面に凸構造が設けられている。図６は、図５の第１の電極に対して垂直方向に加圧した際の状態を示す概略断面図である。この図６に示すように、発電素子３０の第１の電極３２の中間層３４と対向する面上に設けられた凸構造により、中間層３４が押しつけられることにより、中間層３４が第１の電極３２面及び第２の電極３３面に対して微視的に平行方向に移動する。
【００６３】
（発電装置）
本発明の発電装置は、本発明の前記発電素子を少なくとも有し、更に必要に応じて、その他の部材を有する。前記発電装置は、本発明の発電素子を採用しているので、動作時に高印加電圧を必要としない。
【００６４】
本発明の発電装置は、外部から負荷を加えることによって発電素子における中間層が第１の電極面及び第２の電極面に対して微視的に平行方向に移動して発電する。その発電メカニズムは正確にはまだわかっていないが、電極近傍の中間層が、外力又は振動などの負荷が加わることにより、第１の電極面及び第２の電極面と微視的に平行方向に対して移動することにより、摩擦帯電に誘起されるメカニズムで帯電する、又は中間層の内部に電荷が発生する。これに起因して、表面電位差が生じる。この表面電位差がゼロになるように電荷が移動して発電する。
【００６５】
＜その他の部材＞
前記その他の部材としては、例えば、カバー材、電線、電気回路などが挙げられる。
【００６６】
−カバー材−
前記カバー材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記カバー材の材質としては、例えば、高分子材料、ゴムなどが挙げられる。前記高分子材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、変性シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、ポリサルファイドゴム、ウレタンゴム、イソブチルゴム、フロロシリコーンゴム、エチレンゴム、天然ゴム（ラテックス）などが挙げられる。
前記カバー材の構成、形状、大きさ、厚みなどについては、特に制限はなく、発電装置に応じて適宜選択することができる。
【００６７】
−電線−
前記電線としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記電線の材質としては、例えば、金属、合金などが挙げられる。前記金属としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケルなどが挙げられる。
前記電線の構成、形状、太さなどについては、特に制限はなく、発電装置に応じて適宜選択することができる。
【００６８】
−電気回路−
前記電気回路としては、例えば、前記発電素子で発電した電力を取り出す回路であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記電気回路としては、例えば、整流回路、オシロスコープ、電圧計、電流計、蓄電回路、ＬＥＤ、各種センサ（超音波センサ、圧力センサ、触覚センサ、歪みセンサ、加速度センサ、衝撃センサ、振動センサ、感圧センサ、電界センサ、音圧センサなど）などが挙げられる。
【００６９】
＜用途＞
前記発電装置は、例えば、超音波センサ、圧力センサ、触覚センサ、歪みセンサ、加速度センサ、衝撃センサ、振動センサ、感圧センサ、電界センサ、音圧センサ等の各種センサ、特に高電圧を必要としないことからウェラブルセンサ用途に適している。更に、加工性に優れた圧電性フィルムとして、ヘッドホン、スピーカー、マイクロホン、水中マイクロホン、ディスプレイ、ファン、ポンプ、可変焦点ミラー、超音波トランスデューサ、圧電トランス、遮音材料、防音材料、アクチュエータ、キーボードなども適している。更に、前記発電装置は、音響機器、情報処理機、計測機器、医用機器、更には乗り物や建物，又スキーやラケット等のスポーツ用具に用いる制振材（ダンパー）その他の分野で利用することもできる。
更に、前記発電装置は、以下の用途にも適している。
・波力、水力、風力等の自然エネルギーによる発電
・靴、服、床、アクセサリーに埋め込まれ、人の歩行による発電
・自動車のタイヤ等に埋め込まれ、走行による振動発電
また、フレキシブル基板上に形成して、板状発電体や逆に電圧をかけて充電する二次電池や、新しいアクチュエータ（人工筋肉）としての活用も期待できる。
【００７０】
ここで、図７は、本発明の移動による発電への影響を測定する発電素子の概略断面図である。この構成では、移動促進の構成はとらずに、直接電極を移動している。この図７に示す発電装置４０は、一対の電極（第１の電極４２及び第２の電極４３）と、中間層４４と、封止層４６ａ、４６ｂ、及び電線４７ａ、４７ｂから構成されている。
図８は、図７の測定する発電素子の上部電極が左側に動いた場合の概略断面図である。図９は、図７の測定する発電素子の上部電極が右側に動いた場合の概略断面図である。図８及び図９に示されるように、第１の電極面及び第２の電極面に対して垂直方向に加圧された際に、上部電極がどちらの平行方向にでも移動することができる。
【００７１】
＜＜平行方向への移動の有無＞＞
図７の構成の発電装置に、表面性測定機（ＨＥＩＤＯＮ  トライポギア、１４ＤＲ）と３０ｍｍ平面圧子を用いて、以下の測定条件で加圧、平行方向へ移動した場合のピーク電圧量をオシロスコープ（ＬｅＣｒｏｙ社製、ＷａｖｅＡｃｅ１００１）を用いて計測することができる。なお、前記表面性測定機は、平面圧子が移動せずに、荷重をかけることができ、それと相対するステージが移動することにより、材料が平行方向に移動した場合の特性を測定できる装置である。３０ｍｍ平面圧子に第１の電極より上の構成を固定し、第２の電極以下は、下の移動台に固定する。これにより、第１の電極に対し、中間層を第１の電極面に対して平行方向に移動したときの発電性能を計測することができる。また、図１１は、図７の構成の発電装置の発電効率の測定結果を示すグラフである。グラフの横軸は、移動距離、縦軸は電圧のピーク値である。これにより、移動量が大きいものがより高い電圧を得ることができる。
［測定条件］
荷重：１００ｇｆ
テーブル移動速度：１ｍｍ／ｓで往復
【００７２】
図１０は、本発明の発電装置の他の一例を示す概略断面図である。図１０の発電装置５０は、本発明の発電素子（第１の電極５２、第２の電極５３、中間層５４、封止層５６ａ、５６ｂ、押しつけ部材５５）を複数連結し、第１の電極５２と中間層５４との間にスペーサー５８が設けられ、電線５７ａ、５７ｂ、中間層圧電計６１、アース６２が設けられている。発電素子を複数連結することで、発電量を増やすことができる。
【実施例】
【００７３】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は下記実施例に何ら限定されるものではない。「部」は、特に明示しない限り「質量部」を表す。「％」は、特に明示しない限り「質量％」を表す。
【００７４】
（実施例１）
＜発電素子の作製＞
＜＜第１の電極、及び第２の電極＞＞
第１の電極及び第２の電極として、パナック社製のアルペット９−１００（アルミ箔の厚み：１２μｍ）を用いた。
【００７５】
＜＜中間層の作製＞＞
−中間層前駆体−
ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム上に、シリコーンゴムＡ（ＴＳＥ３０３３：モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社製）を、平均厚み１５０±２０μｍ、縦５０ｍｍ×横７０ｍｍを狙いとして、ブレード塗装を実施し、中間層前駆体を得た。
【００７６】
−表面改質処理−
得られた中間層前駆体を、約１２０℃で３０分間焼成した後、表面改質処理として、以下の条件でプラズマ処理を行った。
［プラズマ処理条件］
装置：ヤマト科学製：ＰＲ−５００
出力：１００Ｗ
処理時間：４分間
反応雰囲気：アルゴン９９．９９９％
反応圧力：１０Ｐａ
【００７７】
−不活性化処理−
更に、表面改質処理後、中間層前駆体のプラズマ処理面に、フッ素系炭素化合物であるオプツールＤＳＸ（ダイキン工業株式会社製）をパーフルオロヘキサンで希釈した０．１％溶液を、引き上げ速度１０ｍｍ／ｍｉｎのディッピング（Ｄｉｐ）工法にて塗布した。その後、相対湿度９０％温度６０℃の環境で３０分間以上保持後、５０℃で１０分間の乾燥を実施し、不活性化処理を施した。
その後、ＰＥＴフィルムを剥離した。
以上により、中間層を得た。
【００７８】
＜発電素子の作製＞
得られた中間層を、前記第１の電極及び前記第２の電極で挟み、リード線（太陽電線社製、Ｃ３／ＲＶ−９０  ０．７５ＳＱ）を取り付けて、さらに、セロハンテープ（ニチバン株式会社製、Ｎｏ．４０５  ５０ｍｍ幅）で封止層を形成した。さらに、第１の電極の表面に、前記第１の電極側にほぼ半円形断面の凸構造を有するアルミニウム製の押しつけ部材をシート上に配置し、図２で示される構造を有する実施例１の発電素子を作製した。なお、その際、前記第１の電極の前記中間層に面した端面に、スペーサーとして導電布テープ（星和電機社製、Ｅ０５Ｒ１０２０）を５ｍｍ幅に切断したものを、平行に貼ることにより、前記第１の電極に凹凸を設け、前記第１の電極と前記中間層との間に空間（空気）が生じるような構成した。この空間は、前記導電布テープの厚み分（約０．１２ｍｍ）で構成されるものであるが、垂直負荷により可変であり、無負荷時には隙間が維持されている。
また、前記押しつけ部材は、アルミニウム製（商品名：四角あやめ1号（薄）、サイトウエンヂニアーズ株式会社製）を用いた。前記中間層の平均膜厚（１５０±２０μｍ）と同じである半径１５０±２０μｍの断面が半円形である、エンボス加工された凸構造を、隣合う凸構造の端から凸構造の端までの最短距離が約１，０００μｍとなるように配置したものである。本来前記押しつけ部材板は、エンボス加工のため両面加工であるが、ゴムとの接触面と反対側の凸構造は省略して記述している。
【００７９】
＜発電装置の作製＞
得られた発電素子に、オシロスコープ（ＬｅＣｒｏｙ社製、ＷａｖｅＡｃｅ１００１）を取り付けて、図２で示される構造を有する実施例１の発電装置を作製した。
【００８０】
＜評価＞
＜＜硬さ＞＞
中間層の元のゴムの硬さを、以下の測定条件で測定した。結果を、表１に示した。
［測定条件］
日本工業規格ＪＩＳ  Ｋ６２５３−３：２０１２加硫ゴム及び熱可塑性ゴム−硬さの求め方−第３：
デュロメータ  タイプＡ  （ＪＩＳ−Ａゴム硬さ）
【００８１】
＜＜移動促進手段による面積比（％）＞＞
平面接触（例えば、図１２でアルペット９−１００）のみの場合の面積を１とした場合、本発明での押しつけ部材、または、凸電極での面積増大効果は、半楕円体が平面上にある場合と近似する。
楕円体の半軸ａ、半軸ｂ、半軸ｃを与えるとき楕円体の表面積Ｓは、以下のようになる。
これを半分に計算して、平面部分と置き換えて、移動促進手段による面積比Ｓｒを求めた。
【数１】
0006540125.tif 000002
（ただし、Ｆ（ｘ，ｋ）は第一種楕円積分、Ｅ（ｘ，ｋ）は第二種楕円積分を表す）
ここで、平面の場合単位構造の面積ＳＳ＝２×（ａ×ｂ）となる。
また前記ｃは、高さとなる。よって、凸のある近似面積は、面積比Ｓｒ＝（Ｓ／２＋（ＳＳ−ａ×ｂ×π））／ＳＳとなる。これを表５に百分率で示した。
【００８２】
＜＜発電性能＞＞
作製した実施例１の発電装置に、重量が２００ｇの鉄球を前記発電装置の最上面から１０ｃｍの高さから前記発電装置の上に落下させた。この時の両電極間に発生するピーク電圧量をオシロスコープにて５回計測した。前記計測を５回行い、前記５回の計測値の平均値を測定値とした。そして、後述する比較例７の測定値に対する倍率を求め、以下の評価基準で評価した。結果を表５に示した。
［評価基準］
◎：比較例７に対して１０倍以上であり、発電性能大きく向上した
○：比較例７に対して５倍以上１０倍未満であり、発電性能大きく向上した
×：比較例７に対して５倍未満であり、発電性能やや向上した
【００８３】
（実施例２）
＜発電素子の作製＞
反応雰囲気：アルゴン９９．９９９％を、窒素に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例２の発電素子を作製した。
【００８４】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、実施例２で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例２の発電装置を作製した。
【００８５】
（実施例３）
＜発電素子の作製＞
反応雰囲気：アルゴン９９．９９９％を、酸素に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例３の発電素子を作製した。
【００８６】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、実施例３で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例３の発電装置を作製した。
【００８７】
（実施例４）
＜発電素子の作製＞
反応雰囲気：アルゴン９９．９９９％を、空気に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例４の発電素子を作製した。
【００８８】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、実施例４で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例４の発電装置を作製した。
【００８９】
（実施例５）
＜発電素子の作製＞
表面改質処理であるプラズマ処理、及びプラズマ処理条件を、下記条件のコロナ放電処理に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例５の発電素子を作製した。
［コロナ放電処理条件］
印加電圧：１００Ｖ
積算エネルギー５００Ｊ／ｃｍ２
反応雰囲気：空気
【００９０】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、実施例５で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例５の発電装置を作製した。
【００９１】
（実施例６）
＜発電素子の作製＞
表面改質処理であるプラズマ処理、及びプラズマ処理条件を、下記条件の電子線照射処理に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例６の発電素子を作製した。
［電子線照射処理条件］
装置：浜松ホトニクス株式会社製、商品名：ＥＢエンジン
照射源：ライン照射型低エネルギー電子線照射
照射量：１ＭＧｙ
反応雰囲気：窒素（酸素分圧：５，０００ｐｐｍ以下）
【００９２】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、実施例６で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例６の発電装置を作製した。
【００９３】
（実施例７）
＜発電素子の作製＞
第１の電極の中間層に対向する面の端部にスペーサーである導電布テープを貼らないこと以外は、実施例１と同様にして、第１の電極と中間層とが接しており、空間を有さない図４で示される構造を有する実施例７の発電素子を作製した。
【００９４】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、実施例７で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例７の発電装置を作製した。
【００９５】
（実施例８）
＜発電素子の作製＞
第１の電極の中間層に対向する面の端部にスペーサーである導電布テープを貼らないこと以外は、実施例２と同様にして、第１の電極と中間層とが接しており、空間を有さない図４で示される構造を有する実施例８の発電素子を作製した。
【００９６】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、実施例８で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例８の発電装置を作製した。
【００９７】
（実施例９）
＜発電素子の作製＞
第１の電極の中間層に対向する面の端部にスペーサーである導電布テープを貼らないこと以外は、実施例３と同様にして、第１の電極と中間層とが接しており、空間を有さない図４で示される構造を有する実施例９の発電素子を作製した。
【００９８】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、実施例９で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例９の発電装置を作製した。
【００９９】
（実施例１０）
＜発電素子の作製＞
第１の電極の中間層に対向する面の端部にスペーサーである導電布テープを貼らないこと以外は、実施例４と同様にして、第１の電極と中間層とが接しており、空間を有さない図４で示される構造を有する実施例１０の発電素子を作製した。
【０１００】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、実施例１０で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例１０の発電装置を作製した。
【０１０１】
（実施例１１）
＜発電素子の作製＞
第１の電極の中間層に対向する面の端部にスペーサーである導電布テープを貼らないこと以外は、実施例５と同様にして、第１の電極と中間層とが接しており、空間を有さない図４で示される構造を有する実施例１１の発電素子を作製した。
【０１０２】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、実施例１１で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例１１の発電装置を作製した。
【０１０３】
（実施例１２）
＜発電素子の作製＞
第１の電極の中間層に対向する面の端部にスペーサーである導電布テープを貼らないこと以外は、実施例６と同様にして、第１の電極と中間層とが接しており、空間を有さない図４で示される構造を有する実施例１２の発電素子を作製した。
【０１０４】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、実施例１２で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例１２の発電装置を作製した。
【０１０５】
（実施例１３）
＜発電素子の作製＞
シリコーンゴムＡ（ＴＳＥ３０３３：モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社製）を、シリコーンゴムＢ（ＫＥ−１９５０−２０、信越化学工業株式会社製）に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例１３の発電素子を作製した。
【０１０６】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、実施例１３で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例１３の発電装置を作製した。
【０１０７】
（実施例１４）
＜発電素子の作製＞
シリコーンゴムＡ（ＴＳＥ３０３３：モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社製）を、シリコーンゴムＣ（ＫＥ−１９５０−３０、信越化学工業株式会社製）に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例１４の発電素子を作製した。
【０１０８】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、実施例１４で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例１４の発電装置を作製した。
【０１０９】
（実施例１５）
＜発電素子の作製＞
シリコーンゴムＡ（ＴＳＥ３０３３：モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社製）を、シリコーンゴムＤ（ＫＥ−１９５０−４０、信越化学工業株式会社製）に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例１５の発電素子を作製した。
【０１１０】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、実施例１５で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例１５の発電装置を作製した。
【０１１１】
（実施例１６）
＜発電素子の作製＞
シリコーンゴムＡ（ＴＳＥ３０３３：モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社製）を、シリコーンゴムＥ（ＫＥ−１９５０−５０、信越化学工業株式会社製）に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例１６の発電素子を作製した。
【０１１２】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、実施例１６で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例１６の発電装置を作製した。
【０１１３】
（実施例１７）
＜発電素子の作製＞
＜＜第１の電極、及び第２の電極＞＞
金属を複合化した電極（商品名：Ｓｕｉ−１０−７０、セーレン株式会社製）を第１の電極とした。前記Ｓｕｉ−１０−７０は平織りであり、レーザ顕微鏡（商品名：ＶＫ９５００、株式会社キーエンス製）により観察した表面は、４００μｍおきに３０μｍ程度の導電性の半円筒上の突起を有していることが確認できた。
第２の電極として、パナック社製のアルペット９−１００（アルミ箔の厚み：１２μｍ）を用いた。
【０１１４】
＜＜中間層の作製＞＞
実施例１と同様にして、中間層を得た。
【０１１５】
＜発電素子の作製＞
得られた中間層を、前記第１の電極及び前記第２の電極で挟み、リード線（太陽電線社製、Ｃ３／ＲＶ−９０  ０．７５ＳＱ）を取り付けて、さらに、セロハンテープ（ニチバン株式会社製、Ｎｏ．４０５  ５０ｍｍ幅）で封止層を形成し、実施例１７の発電素子を作製した。なお、その際、前記第１の電極の前記中間層に面した端面に、スペーサーとして導電布テープ（星和電機社製、Ｅ０５Ｒ１０２０）を５ｍｍ幅に切断したものを、平行に貼ることにより、前記第１の電極に凹凸を設け、前記第１の電極と前記中間層との間に空間（空気）が生じるような構成した。この空間は、前記導電布テープを２枚重ね合わせ、２枚重ねの導電布テープの厚み分（約０．２４ｍｍ、導電布テープの１枚の厚み：０．１２ｍｍ）で構成されるものであるが、垂直負荷により可変であり、無負荷時には隙間が維持されている。
【０１１６】
＜発電装置の作製＞
得られた発電素子に、オシロスコープ（ＬｅＣｒｏｙ社製、ＷａｖｅＡｃｅ１００１）を取り付けて、図５で示される構造を有する実施例１７の発電装置を作製した。
【０１１７】
（実施例１８）
＜発電素子の作製＞
＜＜第１の電極、及び第２の電極＞＞
電鋳を用いて、０．５ｍｍ厚のニッケル板に、高さが０．１ｍｍ円錐形の凸構造を隣合う凸構造の端から凸構造の端までの最短距離が０．２ｍｍとなるように設け、第１の電極を得た。
第２の電極として、パナック社製のアルペット９−１００（アルミ箔の厚み：１２μｍ）を用いた。
【０１１８】
＜＜中間層の作製＞＞
実施例１と同様にして、中間層を得た。
【０１１９】
＜発電素子の作製＞
得られた中間層を、前記第１の電極及び前記第２の電極で挟み、リード線（太陽電線社製、Ｃ３／ＲＶ−９０  ０．７５ＳＱ）を取り付けて、さらに、セロハンテープ（ニチバン株式会社製、Ｎｏ．４０５  ５０ｍｍ幅）で封止層を形成し、実施例１８の発電素子を作製した。なお、その際、前記第１の電極の前記中間層に面した端面に、スペーサーとして導電布テープ（星和電機社製、Ｅ０５Ｒ１０２０）を５ｍｍ幅に切断したものを、平行に貼ることにより、前記第１の電極に凹凸を設け、前記第１の電極と前記中間層との間に空間（空気）が生じるような構成した。この空間は、前記導電布テープの厚み分（約０．１２ｍｍ）で構成されるものであるが、垂直負荷により可変であり、無負荷時には隙間が維持されている。
【０１２０】
＜発電装置の作製＞
得られた発電素子に、オシロスコープ（ＬｅＣｒｏｙ社製、ＷａｖｅＡｃｅ１００１）を取り付けて、図１で示される構造を有する実施例１８の発電装置を作製した。
【０１２１】
（比較例１）
＜発電素子の作製＞
実施例１の発電素子の作製において、中間層を、前記第１の電極及び前記第２の電極で挟み、ギャップのない状態である。これは、最初からすべての層が接触しており、電極が離れた場合の帯電効果が小さいものである。最初から接触していること以外は、実施例１と同様にして、図１２で示される構造を有する比較例１の発電素子を作製した。図１２の発電素子８０は、一対の電極（第１の電極８２、及び第２の電極８３）、中間層８４、封止層８６ａ、８６ｂから構成される。
【０１２２】
＜発電装置の作製＞
実施例１の発電素子を、比較例１の発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、比較例１の発電装置を作製した。
【０１２３】
（比較例２）
＜発電素子の作製＞
反応雰囲気：アルゴン９９．９９９％を、窒素に変更した以外は、比較例１と同様にして、比較例２の発電素子を作製した。
【０１２４】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、比較例２で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、比較例２の発電装置を作製した。
【０１２５】
（比較例３）
＜発電素子の作製＞
反応雰囲気：アルゴン９９．９９９％を、酸素に変更した以外は、比較例１と同様にして、比較例３の発電素子を作製した。
【０１２６】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、比較例３で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、比較例３の発電装置を作製した。
【０１２７】
（比較例４）
＜発電素子の作製＞
反応雰囲気：アルゴン９９．９９９％を、空気に変更した以外は、比較例１と同様にして、比較例４の発電素子を作製した。
【０１２８】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、比較例４で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、比較例４の発電装置を作製した。
【０１２９】
（比較例５）
＜発電素子の作製＞
表面改質処理であるプラズマ処理、及びプラズマ処理条件を、下記条件のコロナ放電処理に変更した以外は、比較例１と同様にして、比較例５の発電素子を作製した。
［コロナ放電処理条件］
印加電圧：１００Ｖ
積算エネルギー５００Ｊ／ｃｍ２
反応雰囲気：空気
【０１３０】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、比較例５で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、比較例５の発電装置を作製した。
【０１３１】
（比較例６）
＜発電素子の作製＞
表面改質処理であるプラズマ処理、及びプラズマ処理条件を、下記条件の電子線照射処理に変更した以外は、比較例１と同様にして、比較例６の発電素子を作製した。
［電子線照射処理条件］
装置：浜松ホトニクス株式会社製、商品名：ＥＢエンジン
照射源：ライン照射型低エネルギー電子線照射
照射量：１ＭＧｙ
反応雰囲気：窒素（酸素分圧：５，０００ｐｐｍ以下）
【０１３２】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、比較例６で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、比較例６の発電装置を作製した。
【０１３３】
（比較例７）
＜発電素子の作製＞
表面改質処理を行わなかった以外は、比較例１と同様にして、比較例７の発電素子を作製した。
【０１３４】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、比較例７で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、比較例７の発電装置を作製した。
【０１３５】
（比較例８）
＜発電素子の作製＞
シリコーンゴムＡ（ＴＳＥ３０３３：モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社製）を、シリコーンゴムＦ（ＫＥ−１９５０−６０、信越化学工業株式会社製）に変更した以外は、実施例１と同様にして、比較例８の発電素子を作製した。
【０１３６】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、比較例８で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、比較例８の発電装置を作製した。
【０１３７】
（比較例９）
＜発電素子の作製＞
シリコーンゴムＡ（ＴＳＥ３０３３：モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社製）を、シリコーンゴムＧ（ＫＥ−１９５０−７０、信越化学工業株式会社製）に変更した以外は、実施例１と同様にして、比較例９の発電素子を作製した。
【０１３８】
＜発電装置の作製＞
実施例１で作製した発電素子を、比較例９で作製した発電素子に変更した以外は、実施例１と同様にして、比較例９の発電装置を作製した。
【０１３９】
次に、表１〜表４には、実施例１〜１８、及び比較例１〜９の中間層の組成、及び発電素子の構成をまとめて示した。
【０１４０】
実施例２〜１８、及び比較例１〜９で得られた発電素子、及び発電装置について、実施例１と同様に評価を行った。実施例１〜１８、及び比較例１〜９の評価結果を表１〜表５に示した。
【０１４１】
【表１】
0006540125.tif 000003
【０１４２】
【表２】
0006540125.tif 000004
【０１４３】
【表３】
0006540125.tif 000005
【表４】
0006540125.tif 000006
【０１４４】
【表５】
0006540125.tif 000007
【０１４５】
表５の結果から、実施例１〜６は、比較例１〜７と比較して、中間層が、第１の電極面及び第２の電極面に対して平行方向に移動可能な構造を有し、かつ第１の電極と中間層との間に空間を有することにより、発電性能が向上していることがわかった。
また、実施例７〜１２は、比較例１〜７と比較して、中間層が、第１の電極面及び第２の電極面に対して平行方向に移動可能な構造を有することにより、発電性能が向上していることがわかった。さらに、中間層が、第１の電極面及び第２の電極面に対して平行方向に移動可能な別の構造を有する実施例１７及び１８についても、発電性能が高いことがわかった。
次に、ゴム強度が６０°未満である実施例１〜１８は、比較例８及び９と比較して、いずれも発電性能が高いことがわかった。ゴム硬度が高い場合は、押しつけ部材が有効にゴム中に入っていかないと考えられる。
【０１４６】
以上の結果から、本発明の発電素子、及び発電装置は、動作時に高印加電圧を必要とせず、第１の電極面及び第２の電極面に対して、平行方向に移動することにより、高い発電性能を有することがわかった。また、外部から負荷が加わっても壊れないことがわかった。
【０１４７】
本発明の態様は、例えば、以下のとおりである。
＜１＞  第１の電極と、中間層と、第２の電極とをこの順で積層してなる発電素子であって、
前記中間層が、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくともいずれかと接し、
前記中間層が、互いに固定されていない状態で、前記第１の電極面及び前記第２の電極面に対して垂直方向に加圧された際に、前記第１の電極面及び前記第２の電極面に対して微視的に平行方向に移動することを特徴とする発電素子である。
＜２＞  中間層の硬さが、デュロメータ  タイプＡで６０°未満である前記＜１＞に記載の発電素子である。
＜３＞  中間層が、シリコーンゴムを含有するシリコーンゴム組成物からなる前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の発電素子である。
＜４＞  中間層と、第１の電極及び第２の電極の少なくともいずれかとの間に空間を有する前記＜３＞に記載の発電素子である。
＜５＞  中間層が、静置状態においては表面電荷を有さない前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の発電素子である。
＜６＞  第１の電極及び第２の電極の少なくともいずれかが、中間層と接する面に、凸構造を有する前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の発電素子である。
＜７＞  第１の電極の中間層と対向する面とは反対側の面に、押しつけ部材を有する記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の発電素子である。
＜８＞  中間層が、表面改質処理されている前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の発電素子である。
＜９＞  表面改質処理が、プラズマ処理、コロナ放電処理、及び電子線照射処理のいずれかである前記＜８＞のいずれかに記載の発電素子である。
＜１０＞  前記＜１＞から＜９＞のいずれかに記載の発電素子を有することを特徴とする発電装置である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１４８】
【特許文献１】特開２０１０−１０４１０５号公報
【特許文献２】特許第５４８０４１４号公報
【特許文献３】特開２０１４−０２７７５６号公報
【特許文献４】特許第５１２６０３８号公報
【特許文献５】米国特許出願公開２０１４０２４６９５０号明細書
【非特許文献】
【０１４９】
【非特許文献１】オムロン株式会社、「微小な振動で発電する小型の「環境振動発電デバイス」を開発」、［ｏｎｌｉｎｅ］、２００８年１１月１１日掲載、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.omron.co.jp/press/2008/11/c1111.html＞
【符号の説明】
【０１５０】
１、１０、２０、３０：発電素子
２、１２、２２、３２、４２、５２：第１の電極
３、１３、２３、３３、４３、５３：第２の電極
４、１４、２４、３４、４４、５４：中間層
１９：空間
４０、５０：発電装置
【図１】
0006540125.tif 000008
【図２】
0006540125.tif 000009
【図３】
0006540125.tif 000010
【図４】
0006540125.tif 000011
【図５】
0006540125.tif 000012
【図６】
0006540125.tif 000013
【図７】
0006540125.tif 000014
【図８】
0006540125.tif 000015
【図９】
0006540125.tif 000016
【図１０】
0006540125.tif 000017
【図１１】
0006540125.tif 000018
【図１２】
0006540125.tif 000019