(57)【要約】【課題】回転可能な部材に取り付けられた状態でも発電することができる発電素子を得ること。【解決手段】発電素子は、部材の固定部に接合される第１層構造部と、部材の回転部に接合される第１磁石と、第１層構造部と接触して配置される第２層構造部と、第２層構造部を覆い、第１層構造部と接合される第３層構造部と、を備える。第１層構造部は、固定部に接合される第１外装フィルムと、第１外装フィルム上に接合される第１電極層と、を有する。第２層構造部は、第１層構造部と接触する第１誘電体と、第１誘電体と接合される第２電極と、第２電極に接合される第２磁石と、を有する。第３層構造部は、第１電極層および第２層構造部が積層した構造体が外部の環境に露出しないように覆うとともに、第１外装フィルムと接合される第２外装フィルムを有する。第２層構造部は、第１磁石の回転に伴って第１層構造部および第３層構造部で覆われた空間内で回転可能である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と、前記固定部に対して回転可能な回転部と、を有する部材の前記固定部に接合される第１層構造部と、
前記部材の前記回転部に接合される第１磁石と、
前記第１層構造部と接触して配置される第２層構造部と、
前記第２層構造部を覆い、前記第１層構造部と接合される第３層構造部と、
を備え、
前記第１層構造部は、前記固定部に接合される第１外装フィルムと、前記第１外装フィルム上に接合される第１電極層と、を有し、
前記第２層構造部は、前記第１層構造部と接触する第１誘電体と、前記第１誘電体と接合される第２電極と、前記第１磁石の配置位置に対応する前記第２電極上の位置に接合される第２磁石と、を有し、
前記第３層構造部は、前記第１電極層および前記第２層構造部が積層した構造体が外部の環境に露出しないように覆うとともに、前記第１外装フィルムと接合される第２外装フィルムを有し、
前記第２層構造部は、前記第１磁石の回転に伴って前記第１層構造部および前記第３層構造部で覆われた空間内で回転可能であることを特徴とする発電素子。
【請求項２】
前記第１層構造部は、前記第１電極層と接合される第２誘電体をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
【請求項３】
前記第２層構造部は、第３電極と、前記第３電極と接合される第３誘電体と、をさらに有し、
前記第３層構造部は、前記第３誘電体と接触する第４電極層をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の発電素子。
【請求項４】
前記第３層構造部は、前記第３誘電体と接触し、前記第４電極層と接合される第４誘電体をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の発電素子。
【請求項５】
前記第４電極層は、
前記第２外装フィルム上の前記第３誘電体に対応する位置に配置される第１発電部と、
前記第２外装フィルム上で前記第１発電部と接触しないように配置されるとともに、前記第３電極と接触する第１電路部と、
を備えることを特徴とする請求項３または４に記載の発電素子。
【請求項６】
前記第１電極層は、
前記第１外装フィルム上の前記第１誘電体に対応する位置に配置される第２発電部と、
前記第１外装フィルム上で前記第２発電部と接触しないように配置されるとともに、前記第２電極と接触する第２電路部と、
を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の発電素子。
【請求項７】
前記部材は、軸受であり、
前記固定部は、前記軸受の内外の軌道輪のうち回転しない一方の軌道輪であり、
前記回転部は、前記軸受の前記内外の軌道輪のうち回転する他方の軌道輪であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の発電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、異なる二種類の物質を擦り合わせまたは接触させて、一方の表面から接触する他方の表面に電荷が移動することによって電位差を発生させる発電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、人および動物の動き、鉄道および自動車を始めとする乗り物、あるいは橋および高速道路をはじめとする構造建築物で生じる振動の運動エネルギを電気エネルギに変換し、電源として使用する試みがなされている。このような電源は、電池交換が不要な点からセンサ用電源としての活用も期待されている。とりわけ回転部を有する機器では、リード線によるセンサへの電源供給が困難であり、電池交換が不要な電源が望まれている。このようなエネルギ変換の方法として、圧電素子または電磁誘導の利用が提案されているが、最近では、構造の簡易さから摩擦帯電方式も注目されている。
【０００３】
特許文献１には、シート状の誘電体と、誘電体を挟む一対のシート状の電極と、これらを密封する外装フィルムと、を備える摩擦帯電方式を用いた発電素子が開示されている。特許文献１に記載の発電素子では、シート状の発電素子の変形によって、電極と電極に対向する誘電体の面との間で摩擦滑りが生じ、電極と誘電体との間で帯電または内部電荷が生じることで、発電がなされる。特許文献１に記載の発電素子では、効率的に発電するため、発電素子を構成する各要素が可撓性を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−７０００３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の摩擦帯電方式を用いた発電素子を軸受などの回転可能な部材に取り付けた場合には、発電素子が変形しない。そのため、誘電体と電極との間で摩擦滑りが生じず発電できないという問題があった。
【０００６】
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、回転可能な部材に取り付けられた状態でも発電することができる発電素子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示の発電素子は、固定部と、固定部に対して回転可能な回転部と、を有する部材の固定部に接合される第１層構造部と、部材の回転部に接合される第１磁石と、第１層構造部と接触して配置される第２層構造部と、第２層構造部を覆い、第１層構造部と接合される第３層構造部と、を備える。第１層構造部は、固定部に接合される第１外装フィルムと、第１外装フィルム上に接合される第１電極層と、を有する。第２層構造部は、第１層構造部と接触する第１誘電体と、第１誘電体と接合される第２電極と、第１磁石の配置位置に対応する第２電極上の位置に接合される第２磁石と、を有する。第３層構造部は、第１電極層および第２層構造部が積層した構造体が外部の環境に露出しないように覆うとともに、第１外装フィルムと接合される第２外装フィルムを有する。第２層構造部は、第１磁石の回転に伴って第１層構造部および第３層構造部で覆われた空間内で回転可能である。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、回転可能な部材に取り付けられた状態でも発電することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１による発電素子を備える軸受の構成の一例を示す分解図
【図２】実施の形態１による発電素子を備える軸受の構成の一例を示す断面図
【図３】実施の形態１による発電素子の第１外装フィルムおよび第１電極層の形状の一例を示す上面図
【図４】実施の形態１による発電素子の第２層構造部における誘電体および第２電極の形状の一例を示す上面図
【図５】実施の形態２による発電素子を備える軸受の構成の一例を示す断面図
【図６】実施の形態３による発電素子を備える軸受の構成の一例を示す断面図
【図７】実施の形態３による発電素子の第２外装フィルムおよび第４電極層の形状の一例を示す下面図
【図８】実施の形態３による発電素子の第２層構造部における誘電体および第３電極の形状の一例を示す上面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本開示の実施の形態にかかる発電素子を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
実施の形態１．
以下で説明する実施の形態による発電素子は、固定部と、固定部に対して回転可能な回転部と、を有する部材に取り付けることができるが、以下では、部材が軸受である場合を例に挙げて説明する。
【００１２】
図１は、実施の形態１による発電素子を備える軸受の構成の一例を示す分解図である。図２は、実施の形態１による発電素子を備える軸受の構成の一例を示す断面図である。なお、図１および図２において、軸受１０の回転軸１４をＺ軸とする。また、Ｚ軸に垂直な面内の２つの軸であって互いに直交する２つの軸をＸ軸およびＹ軸とする。
【００１３】
軸受１０は、外径が異なり、同心状に配置される一対の円環状の軌道輪１１，１２と、転動体である球１３と、発電素子２０と、を備える。以下では、軌道輪１１，１２のうち外側に位置する軌道輪１１は、外輪１１と称され、内側に位置する軌道輪１２は、内輪１２と称される。図１および図２の例では、外輪１１の内部に球１３を介して内輪１２が回転可能に支持されている。また、内輪１２の中心部には、Ｚ軸方向に延在する回転軸１４が挿入されており、内輪１２と回転軸１４とは固定されている。すなわち、内輪１２の回転に伴って、回転軸１４が回転する。図１および図２の例では、外輪１１は、固定部に対応し、内輪１２は、固定部に対して回転可能な回転部に対応する。
【００１４】
発電素子２０は、Ｚ軸方向における外輪１１の一方の端部を覆うように設けられる。発電素子２０は、外輪１１に接合される第１層構造部２１と、内輪１２に接合される第１磁石である軸受側磁石２２と、第１層構造部２１と接触して配置され、軸受１０の内輪１２の回転と共に回転する第２層構造部２３と、第２層構造部２３を覆い、第１層構造部２１と接合される第３層構造部２４と、を備える。
【００１５】
第１層構造部２１は、第１外装フィルム２１１と、第１外装フィルム２１１に接合される第１電極層２１２と、を有する。第１外装フィルム２１１および第１電極層２１２は、ともに回転軸１４が挿入される中心部分が開口した円形のシートである。第１外装フィルム２１１の外径は、軸受１０の外輪１１の外径と同一である。なお、この明細書で、「同一」とは、完全に一致している場合のほか、誤差の範囲で一致している場合を含むものである。第１外装フィルム２１１の内径は、回転軸１４を挿入することができる大きさであればよい。第１電極層２１２は、第１外装フィルム２１１上に積層され、第１外装フィルム２１１に接合される。
【００１６】
図１および図２の例では、第１外装フィルム２１１の第１電極層２１２と接合される面とは反対側の面は、Ｚ軸方向における円環状の外輪１１の一方の端部と接合される。このとき、内輪１２の同じ方向の端部が第１外装フィルム２１１と接触しないように、内輪１２の端部の位置は、外輪１１の端部の位置よりも外輪１１のＺ軸方向の内側となっている。
【００１７】
軸受側磁石２２は、回転する内輪１２のＺ軸方向の２つの端部のうち、第１層構造部２１が配置される側の端部に接合される。また、この例では、図１に示されるように、軸受側磁石２２は、内輪１２のＺ軸方向の端部の２か所に設けられる磁石片２２１によって構成される。磁石片２２１は、回転対称な位置に設けられることが望ましい。上記したように、第１層構造部２１が配置される側において、内輪１２のＺ軸方向の端部の位置は外輪１１のＺ軸方向の端部の位置よりも内部に入り込んでいる。Ｚ軸方向における外輪１１の端部の位置と内輪１２の端部の位置との差以内の高さを有する軸受側磁石２２が内輪１２に接合される。
【００１８】
第２層構造部２３は、第１誘電体である誘電体２３１と、誘電体２３１に接合される第２電極２３２と、第２電極２３２上に接合される第２磁石である素子側磁石２３３と、を有する。誘電体２３１および第２電極２３２は、ともに回転軸１４が挿入される中心部分が開口した円形のシートである。誘電体２３１が第１電極層２１２と接するように第２層構造部２３は配置される。
【００１９】
素子側磁石２３３は、ＸＹ面内において、軸受側磁石２２の配置位置と対応する第２電極２３２上の位置に接合される。図１および図２の例では、素子側磁石２３３は、２つの磁石片２３３１を有する。２つの磁石片２３３１は、内輪１２のＺ軸方向の端部に設けられる軸受側磁石２２の２か所の磁石片２２１の位置に対応して、第２電極２３２上に設けられる。軸受側磁石２２の回転によって第１電極層２１２と第２層構造部２３とが接触しながら第２層構造部２３が回転するように、素子側磁石２３３および軸受側磁石２２における対向する面の磁極が決定される。具体的には、軸受側磁石２２の素子側磁石２３３に対向する面の磁極と、素子側磁石２３３の軸受側磁石２２に対向する面の磁極と、は異なるように、軸受側磁石２２および素子側磁石２３３は配置される。これによって、第２層構造部２３は、第１層構造部２１とは接合されていないため、軸受側磁石２２が内輪１２とともに回転すると、軸受側磁石２２と対応する位置に配置されている素子側磁石２３３も軸受側磁石２２に対応して回転することができる。
【００２０】
第３層構造部２４は、第２外装フィルム２４１を有する。第２外装フィルム２４１は、第１電極層２１２および第２層構造部２３が積層された構造体の表面を覆うように設けられる。また、第２外装フィルム２４１は、第１外装フィルム２１１の外周部および内周部で、第１外装フィルム２１１と接合されている。第１外装フィルム２１１と第２外装フィルム２４１との間は、一例では、熱溶着、接着剤または両面テープによって接合することができる。これによって、第１電極層２１２および第２層構造部２３が積層された構造体の表面は、第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１によって覆われることになり、外部環境に露出することがない。つまり、第１電極層２１２および第２層構造部２３の構造体は、第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１によって封止される。
【００２１】
通常、第１電極層２１２および誘電体２３１が第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１で密閉された状態において、第１電極層２１２と誘電体２３１とに摩擦帯電が生じるように滑らすことは困難となる。しかし、実施の形態１では、第２層構造部２３は第１層構造部２１および第３層構造部２４と接合されていないので、例えば外輪１１に対して内輪１２が回転運動をする場合に、内輪１２に接合された軸受側磁石２２と、軸受側磁石２２と磁力で引き合う素子側磁石２３３と、は内輪１２と一緒に回転運動を行う。つまり、素子側磁石２３３を有する第２層構造部２３は、第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１で密閉された内部で回転運動を行う。また、軸受側磁石２２と素子側磁石２３３とは引き合うので、両者は接触した状態となる。この結果、誘電体２３１と第１電極層２１２との間に摩擦帯電が生じ、これによって第１電極層２１２および第２電極２３２に生じる電荷によって、発電することができる。なお、発電素子２０を備える軸受１０を発電機のタービンに設置する場合には、内輪１２の回転速度は、タービンの回転速度に従って３０００ｒｐｍ程度以上４０００ｒｐｍ程度以下の範囲となる。
【００２２】
第１外装フィルム２１１、第１電極層２１２、誘電体２３１、第２電極２３２および第２外装フィルム２４１のそれぞれの厚さは適宜設定することができる。例えば、第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１の厚さを１００μｍとし、誘電体２３１の厚さを１００μｍとし、第１電極層２１２および第２電極２３２の厚さを５０μｍとするような寸法で構成し、軸受側磁石２２および素子側磁石２３３を含む発電素子２０全体の厚さを約２ｍｍとすることができる。発電素子２０の外形寸法も取り付ける位置によって適宜設定することができる。一例では、発電素子２０の外形寸法を外径約２００ｍｍとすることができる。
【００２３】
第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１の材質は、第１電極層２１２および第２層構造部２３の構造体を密封し、塵埃、水分、塩分または腐食性ガスの侵入を抑制することができるものであれば、限定されるものではない。第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１に、例えば汎用性があり耐久性に優れたポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のほか、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン、アクリル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレンを始めとするフッ素系樹脂等を用いることができる。
【００２４】
誘電体２３１の材質には、第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１の材質と同様に、ポリテトラフルオロエチレンを始めとするフッ素系樹脂のほか、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン、アクリル、ポリカーボネートなどを用いることができる。
【００２５】
第１電極層２１２および第２電極２３２は、磁気を帯びにくい材料によって構成される。第１電極層２１２および第２電極２３２の材質には、銅、銀、アルミニウムなどの金属を用いることができる。第１電極層２１２の第１外装フィルム２１１上への形成および第２電極２３２の誘電体２３１上への形成は、例えば真空蒸着法またはスパッタ法などの薄膜形成装置による金属薄膜の生成によって形成してもよいし、金属薄膜を接着剤等で貼り付けることによって形成してもよい。
【００２６】
軸受側磁石２２および素子側磁石２３３は、第１層構造部２１と第２層構造部２３とを面全体で均一に密着させる役割を果たせばよく、その材質は限定されるものではない。軸受側磁石２２および素子側磁石２３３には、一例では安価なフェライト系磁石のほか、ネオジム系磁石またはコバルト系磁石などを用いることができる。軸受側磁石２２および素子側磁石２３３は、薄型であり、かつ第１層構造部２１と第２層構造部２３との均一な密着性を得ることができる形状であればよい。一例では、軸受側磁石２２および素子側磁石２３３は、一組の薄板状でありドーナツ状である磁石によって構成される。この場合には、例えば図１および図２で、軸受側磁石２２は、内輪１２の端部の全体に設けられる構成となる。また、素子側磁石２３３も、第２電極２３２上の軸受側磁石２２に対応する位置に設けられる。
【００２７】
また、一例では、軸受側磁石２２および素子側磁石２３３は、複数組の薄板状の磁石片２２１，２３３１によって構成される。薄板状の磁石片２２１，２３３１の形状は、円形または四角形などである。この場合には、軸受側磁石２２は、図１および図２に示されるように、内輪１２のＺ軸方向の端部の複数か所に磁石片２２１が設けられることによって構成される。素子側磁石２３３は、軸受側磁石２２の磁石片２２１に対応する第２電極２３２上の位置に設けられる複数の磁石片２３３１によって構成される。また、磁石片２２１，２３３１を複数個用いる場合には、均一な密着性を確保しながら滑らかな回転運動を得るために、軸受側磁石２２および素子側磁石２３３の各々で極性を揃えた方が望ましい。一例では、軸受側磁石２２の素子側磁石２３３と対向する面をＮ極とし、素子側磁石２３３の軸受側磁石２２と対向する面をＳ極とする。複数組の磁石片２２１，２３３１の配置によって軸受側磁石２２および素子側磁石２３３を構成する場合には、第１層構造部２１および第２層構造部２３の密着性を得るため、軸受側磁石２２および素子側磁石２３３の磁石片２２１，２３３１はＸＹ面内で同じ位置に配置される。
【００２８】
なお、軸受側磁石２２と素子側磁石２３３との間の磁力によって、第１外装フィルム２１１がたわみ、軸受１０の回転またはセンサの耐久性に支障を及ぼす場合があり得る。このような場合には、外輪１１側と第１外装フィルム２１１との間にスペーサを挿入してもよいし、必要に応じて第１外装フィルム２１１の厚さを増して第１外装フィルム２１１の剛性を上げてもよい。第１外装フィルム２１１の厚さを増すには、第１外装フィルム２１１をシートまたはプレートに換えればよい。
【００２９】
図３は、実施の形態１による発電素子の第１外装フィルムおよび第１電極層の形状の一例を示す上面図である。図３に示されるように、第１電極層２１２は、第１外装フィルム２１１上で帯電摩擦によって発生した電流および電圧を取り出すことができる構成を有する。第１電極層２１２は、第１外装フィルム２１１上の誘電体２３１に対応する位置に配置される発電部と、第１外装フィルム２１１上で発電部と接触しないように配置されるとともに、第２電極２３２と接触する電路部と、を有する。図３の例では、第１電極層２１２は、第１外装フィルム２１１上に配置される発電部に対応するＣ字状の第１電極２１２１と、第２電極２３２と接触し、第２電極２３２から電圧および電流を取り出す電路部に対応する電路２１２２と、を有する。第１電極２１２１は、シート状であり、回転軸１４が挿入される中心部分が開口したＣ字形の金属膜である。つまり、第１電極２１２１は、円環状の金属膜が、内周部から外周部に向かって一部が除去された構造を有している。第１電極２１２１が除去された部分は、以下では金属膜除去部２１２３と称される。なお、発電部は、第２発電部に対応し、電路部は、第２電路部に対応する。
【００３０】
電路２１２２は、第１電極２１２１の内周よりも内側の領域と、金属膜除去部２１２３と、に設けられる金属膜である。電路２１２２は、第１電極２１２１の内周よりも内側の領域に設けられる円環状部２１２２ａと、金属膜除去部２１２３に設けられる引き出し部２１２２ｂと、を有する。円環状部２１２２ａは、第１外装フィルム２１１の内周と第１電極２１２１の内周との間の領域に、第１電極２１２１と接触しないように円環状に設けられる。また、引き出し部２１２２ｂは、第１電極２１２１の金属膜除去部２１２３において、第１電極２１２１と接触しないように、直線状に設けられる。
【００３１】
発電素子２０から、電圧および電流を取り出すためのリード線２１２４ａ，２１２４ｂの配置は、使いやすさから内輪１２側、または外輪１１側に統一されることが望ましい。例えば発電素子２０で発電した電力を外輪１１側に固定された部品またはセンサなどの負荷２１２５で使用する場合には、図３に示されるように外輪１１に固定された第１層構造部２１の第１電極２１２１にリード線２１２４ａを接合し、電路２１２２にリード線２１２４ｂを接合し、電圧および電流を取り出すとよい。
【００３２】
図３においては、第１外装フィルム２１１が、内周部および外周部で第２外装フィルム２４１と接合できるように、第１電極層２１２の内径は第１外装フィルム２１１の内径よりも大きく、第１電極層２１２の外径は第１外装フィルム２１１の外径よりも小さくしている。また、第２電極２３２が、第１電極層２１２の第１電極２１２１と接触せず、電路２１２２の円環状部２１２２ａと接触するように、第１電極２１２１および誘電体２３１の内径は、第２電極２３２の内径よりも大きくされる。このとき、第１電極２１２１の内径を誘電体２３１の内径よりも大きくすることで、第１電極２１２１と第２電極２３２との接触を抑制することができる。
【００３３】
図４は、実施の形態１による発電素子の第２層構造部における誘電体および第２電極の形状の一例を示す上面図である。図４において、回転運動をした際に第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１と干渉しないように、第２層構造部２３の誘電体２３１の外径は、第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１から両者の接合部を除いた外径よりも小さく、誘電体２３１の内径は、第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１から両者の接合部を除いた内径よりも大きくしている。また、第２電極２３２の外径は、第１電極２１２１と接触し導通する可能性を減らすため、誘電体２３１の外径よりも小さくしている。第２電極２３２の内周側で、第１電極層２１２の円環状部２１２２ａとの接触を確保できるように、第２電極２３２の内径は、誘電体２３１の内径よりも小さくしている。しかし、回転運動した際の第２外装フィルム２４１との干渉を防ぐため、第２外装フィルム２４１から接合部を除いた内径よりも大きくしている。なお、第２電極２３２の内径側で、誘電体２３１の内周よりも内側に存在する部分は、第１電極層２１２の円環状部２１２２ａとの接合部２３１ａとなる。
【００３４】
そして、図３の第１層構造部２１に図４の第２層構造部２３を重ねることで、第２電極２３２は、第１電極２１２１と接触せず、内周側の接合部２３１ａで第１電極層２１２の円環状部２１２２ａと接触する。また、第２層構造部２３が、第１層構造部２１に対して、回転軸１４の回転によって第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１と干渉せずに回転することが可能となる。これによって、第２層構造部２３が第１層構造部２１に対して回転することで、第１電極２１２１と誘電体２３１との間で摩擦帯電が発生する。
【００３５】
第１電極２１２１と誘電体２３１との間の摩擦帯電によって第２電極２３２に誘起された電荷を、第２電極２３２の内周側の接合部２３１ａ、第１電極層２１２の電路２１２２を経て、リード線２１２４ｂを介して、リード線２１２４ａを介する第１電極２１２１に発生した電荷と一緒に、電力として外輪１１側から取り出すことができる。なお、第１電極２１２１と電路２１２２とは、短絡しないように予め定められた距離を置いて配置されるように設計される。
【００３６】
なお、図１および図２では、説明の都合上、第１外装フィルム２１１を外輪１１側に接合し、軸受側磁石２２を内輪１２側に接合した。しかし、内輪１２に対して外輪１１が回転するような場合には、軸受側磁石２２を外輪１１に接合し、第１外装フィルム２１１を内輪１２側に接合してもよい。
【００３７】
実施の形態１の発電素子２０は、軸受１０のうち回転しない軌道輪に接合される第１外装フィルム２１１および第１電極層２１２を有する第１層構造部２１と、第１層構造部２１と接触して設けられる誘電体２３１および第２電極２３２を有する第２層構造部２３と、第１電極層２１２および第２層構造部２３を覆う第３層構造部２４と、を備える。また、発電素子２０は、軸受１０のうち回転する他方の軌道輪に接合される軸受側磁石２２と、第２層構造部２３に軸受側磁石２２の配置位置に対応して第２電極２３２に接合される素子側磁石２３３と、を有する。第２層構造部２３は、第１層構造部２１および第３層構造部２４に対して回転可能である。この構成によって、軸受１０の軌道輪が回転すると、軸受側磁石２２と素子側磁石２３３とが引き合うことによって、素子側磁石２３３を有する第２層構造部２３も回転し、第１電極層２１２を構成する第１電極２１２１と誘電体２３１との間に摩擦が生じて帯電が生じる。この結果、第１電極２１２１および第２電極２３２に電荷が発生し、外部に電力として取り出される。つまり、回転可能な部材に発電素子２０が取り付けられた状態でも、発電素子２０で発電することができる。また、第１層構造部２１と第２層構造部２３との間に面圧が発生するので、摩擦力が増加し、発電効率が上昇する。
【００３８】
さらに、摩擦帯電が生じる第１電極２１２１および誘電体２３１が外部環境に露出している場合には、塵埃または湿度変化などの外部環境の影響を受けて、発電性能が安定しない。しかし、実施の形態１では、摩擦帯電が生じる第１電極２１２１および誘電体２３１は、第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１で密閉される。このため、塵埃または湿度による水分の第１電極２１２１および誘電体２３１への付着が抑制され、発電性能の変動を抑制することができる。また、塩分または腐食性ガスの侵入も抑制することができるので、第１電極２１２１および第２電極２３２の錆びを抑制することもできる。つまり、外部環境の影響を受けず、安定した発電を行うことができる。
【００３９】
実施の形態２．
図５は、実施の形態２による発電素子を備える軸受の構成の一例を示す断面図である。なお、実施の形態１と共通する部分については適宜に説明を省略する。実施の形態２による発電素子２０では、第１層構造部２１は、第１外装フィルム２１１および第１電極層２１２に加えて、第１電極層２１２上に接合される第２誘電体である誘電体２１３をさらに有する。誘電体２１３は、回転軸１４が挿入される中心部分が開口した円形状のシートである。誘電体２１３の外径は、第１電極層２１２の外径と同一であり、誘電体２１３の内径は、第１電極層２１２の内径よりも大きい。
【００４０】
この構成によれば、第２層構造部２３の誘電体２３１は、第１層構造部２１の誘電体２１３と接触することになる。第２層構造部２３が回転すると、誘電体２１３と誘電体２３１との間で摩擦帯電することになる。摩擦帯電による発電の効率は帯電列の影響を大きく受ける。このため、誘電体２１３を設けることで、摩擦帯電に適した誘電体２１３，２３１の組み合わせを選定することができる。
【００４１】
実施の形態２では、第１層構造部２１は、第１電極層２１２上に接合される誘電体２１３をさらに有し、第１層構造部２１の誘電体２１３と第２層構造部２３の誘電体２３１とが接触し、摩擦帯電するようにした。これによって、発電の効率が高くなる誘電体２１３，２３１の組み合わせを選択することができるので、実施の形態１の場合に比して、発電の効率を向上させることができるという効果を実施の形態１の効果に加えて得ることができる。
【００４２】
実施の形態３．
図６は、実施の形態３による発電素子を備える軸受の構成の一例を示す断面図である。なお、実施の形態１と共通する部分については適宜に説明を省略する。実施の形態３による発電素子２０では、第２層構造部２３は、誘電体２３１と、第２電極２３２と、素子側磁石２３３と、支持層２３４と、第３電極２３５と、第３誘電体である誘電体２３６と、を有する。誘電体２３１、第２電極２３２および素子側磁石２３３は、実施の形態１で説明したものと同様である。支持層２３４は、素子側磁石２３３および第２電極２３２上に接合される。第３電極２３５は、支持層２３４上に接合され、誘電体２３６は、第３電極２３５上に接合される。支持層２３４、第３電極２３５および誘電体２３６は、ともに回転軸１４が挿入される中心部分が開口した円形のシートである。実施の形態３では、第２層構造部２３は、２つの電極を有する。
【００４３】
第３層構造部２４は、第２外装フィルム２４１の他に、第４電極層２４２を有する。第４電極層２４２は、第２層構造部２３の誘電体２３６と接触するように第２外装フィルム２４１に接合される。第２外装フィルム２４１は、第１電極層２１２、第２層構造部２３および第４電極層２４２が順に積層された構造体の表面を覆うように設けられる。
【００４４】
支持層２３４の材質は、第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１と同様の材質を使用することができる。すなわち、支持層２３４には、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン、アクリル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレンを始めとするフッ素系樹脂等を用いることができる。また、発電素子２０の曲げ剛性を上げたい場合には、板材などを利用し、厚みを増せばよい。
【００４５】
誘電体２３６の材質には、第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１の材質と同様に、ポリテトラフルオロエチレンを始めとするフッ素系樹脂のほか、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン、アクリル、ポリカーボネートなどを用いることができる。
【００４６】
第３電極２３５および第４電極層２４２は、第１電極層２１２および第２電極２３２と同様に、磁気を帯びにくい材料によって構成される。第３電極２３５および第４電極層２４２の材質には、銅、銀、アルミニウムなどの金属を用いることができる。
【００４７】
図７は、実施の形態３による発電素子の第２外装フィルムおよび第４電極層の形状の一例を示す下面図である。図３と同様に、第４電極層２４２は、第２外装フィルム２４１上の誘電体２３６に対応する位置に配置される発電部と、第２外装フィルム２４１上で発電部と接触しないように配置されるとともに、第３電極２３５と接触する電路部と、を有する。図７の例では、第４電極層２４２は、第２外装フィルム２４１上に配置される発電部に対応するＣ字状の第４電極２４２１と、第３電極２３５と接触し、第３電極２３５から電圧および電流を取り出す電路部に対応する電路２４２２と、を有する。第４電極２４２１は、シート状であり、回転軸１４が挿入される中心部分が開口したＣ字形の金属膜である。つまり、第４電極２４２１は、円環状の金属膜が、内周部から外周部に向かって一部が除去された構造を有している。第４電極２４２１が除去された部分は、以下では金属膜除去部２４２３と称される。なお、発電部は、第１発電部に対応し、電路部は、第１電路部に対応する。
【００４８】
電路２４２２は、第４電極２４２１の内周よりも内側の領域と、金属膜除去部２４２３と、に設けられる金属膜である。電路２４２２は、第４電極２４２１の内周よりも内側の領域に設けられる円環状部２４２２ａと、金属膜除去部２４２３に設けられる引き出し部２４２２ｂと、を有する。円環状部２４２２ａは、第２外装フィルム２４１の内周と第４電極２４２１の内周との間の領域に、第４電極２４２１と接触しないように円環状に設けられる。また、引き出し部２４２２ｂは、第４電極２４２１の金属膜除去部２４２３において、第４電極２４２１と接触しないように、直線状に設けられる。
【００４９】
図７においては、第２外装フィルム２４１が、内周部および外周部で第１外装フィルム２１１と接合できるように、第４電極層２４２の内径は第２外装フィルム２４１の内径よりも大きく、第４電極層２４２の外径は第２外装フィルム２４１の外径よりも小さくしている。また、第３電極２３５が、第４電極層２４２の第４電極２４２１と接触せず、電路２４２２の円環状部２４２２ａと接触するように、第４電極２４２１および誘電体２３６の内径は、第３電極２３５の内径よりも大きくされる。このとき、第４電極２４２１の内径を誘電体２３６の内径よりも大きくすることで、第４電極２４２１と第３電極２３５との接触を抑制することができる。
【００５０】
また、図７では図３と同様に、発電素子２０で発電した電力を外輪１１側で固定された部品またはセンサなどの負荷で使用する場合には、第３層構造部２４の第４電極２４２１にリード線２４２４ａを接合し、電路２４２２にリード線２４２４ｂを接合し、電圧および電流を外径側に引き出している。
【００５１】
図８は、実施の形態３による発電素子の第２層構造部における誘電体および第３電極の形状の一例を示す上面図である。図８では、図４と同様に、回転運動をした際に第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１と干渉しないように、第２層構造部２３の誘電体２３６の外径は、第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１から両者の接合部を除いた外径よりも小さく、誘電体２３６の内径は、第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１から両者の接合部を除いた内径よりも大きくしている。また、第３電極２３５の外径は、第４電極２４２１と接触し導通する可能性を減らすため、誘電体２３６の外径よりも小さくしている。第３電極２３５の内周側で、第４電極層２４２の円環状部２４２２ａとの接触を確保できるように、第３電極２３５の内径は、誘電体２３６の内径よりも小さくしている。しかし、回転運動した際の第２外装フィルム２４１との干渉を防ぐため、第２外装フィルム２４１から接合部を除いた内径よりも大きくしている。なお、第３電極２３５の内径側で、誘電体２３６の内径よりも内側に存在する部分は、第４電極層２４２の円環状部２４２２ａとの接合部２３５ａとなる。
【００５２】
そして、図８の第２層構造部２３に図７の第３層構造部２４を重ねることで、第３電極２３５は、第４電極２４２１と接触せず、内周側の接合部２３５ａで第４電極層２４２の円環状部２４２２ａと接触する。また、第２層構造部２３が、第１層構造部２１に対して、回転軸１４の回転によって第１外装フィルム２１１および第２外装フィルム２４１と干渉せずに回転することが可能となる。これによって、第２層構造部２３が第１層構造部２１に対して回転することで、第１電極２１２１と誘電体２３１との間で発生する摩擦帯電によって、第１電極２１２１および第２電極２３２に電荷が誘起され、第４電極２４２１と誘電体２３６との間で発生する摩擦帯電によって、第３電極２３５および第４電極２４２１に電荷が誘起される。
【００５３】
実施の形態３では、第２層構造部２３は、第２電極２３２上に支持層２３４を介して積層される第３電極２３５および誘電体２３６をさらに有し、第３層構造部２４は、誘電体２３６と接触する第４電極層２４２をさらに有する。これによって、第１電極２１２１と誘電体２３１との間で発生する摩擦帯電と、第４電極２４２１と誘電体２３６との間で発生する摩擦帯電と、によって発電が行われる。この結果、実施の形態１の場合に比して、軸受１０の動作時に得られる電圧または電流を増加させることができる。また、第１層構造部２１のリード線２１２４ａと、第３層構造部２４のリード線２４２４ｂと、を直列につなぐことで、コンパクトかつ安価に出力を上げることができる。
【００５４】
なお、上記した説明では、実施の形態１の構成に、第３電極２３５、第４電極層２４２および誘電体２３６を追加する場合を示したが、実施の形態２の構成に、第３電極２３５、第４電極層２４２および誘電体２３６を追加してもよい。この場合、第４電極層２４２と誘電体２３６との間で第４電極層２４２に接合されるように、実施の形態２で説明した誘電体を第３層構造部２４がさらに備える構成としてもよい。この誘電体は、第４誘電体に対応する。これによって、発電の効率が高くなる誘電体の組み合わせを選択することができ、さらに発電の効率を向上することができる。
【００５５】
以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１０  軸受、１１  外輪、１２  内輪、１３  球、１４  回転軸、２０  発電素子、２１  第１層構造部、２２  軸受側磁石、２３  第２層構造部、２４  第３層構造部、２１１  第１外装フィルム、２１２  第１電極層、２１３，２３１，２３６  誘電体、２２１，２３３１  磁石片、２３１ａ，２３５ａ  接合部、２３２  第２電極、２３３  素子側磁石、２３４  支持層、２３５  第３電極、２４１  第２外装フィルム、２４２  第４電極層、２１２１  第１電極、２１２２，２４２２  電路、２１２２ａ，２４２２ａ  円環状部、２１２２ｂ，２４２２ｂ  引き出し部、２１２３，２４２３  金属膜除去部、２１２４ａ，２１２４ｂ，２４２４ａ，２４２４ｂ  リード線、２４２１  第４電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2022002442.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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