(57)【要約】【課題】周囲雰囲気中の温度や湿度或いは気圧などの所定物理量の変化に応じて発電する発電素子を提供する。【解決手段】誘電体層13の一方の面に金属皮膜によって電極層14を形成する。また、一方の面にエレクトレット材料を成膜して荷電することによってエレクトレット膜12bを形成した誘電体基板12aによってエレクトレット層12を形成する。さらに、誘電体基板12aの他方の面に金属薄膜を蒸着することにより電極層11を形成する。上記誘電体層13とエレクトレット膜12bを重ねて発電素子10を形成する。周囲雰囲気中の所定物理量の変化に応じて誘電体層13の誘電率が変化することにより、第１電極11の電荷量と第２電極14の電荷量に差が生じると第１電極11と第２電極14との間に電位差が生じて発電される。【選択図】図１
2012244850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極層と、
前記第１電極層に接して積層配置されたエレクトレット層と、
前記エレクトレット層に接して積層配置され、周囲雰囲気中の所定物理量の変化に応じて誘電率が変化する誘電体層と、
前記誘電体層に接して積層配置されるとともに前記第１電極層に対向して配置された第２電極層とを備えている
ことを特徴とする発電素子。
【請求項２】
前記エレクトレット層は平板状をなす誘電体基板の一方の面に前記誘電体層に接するエレクトレット膜が形成されてなり、
前記誘電体基板の他方の面に接して前記第１電極層が設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
【請求項３】
前記周囲雰囲気中の所定物理量は、温度、湿度、気圧のうちの少なくとも何れか１つである
ことを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
【請求項４】
前記誘電体層は、前記周囲雰囲気中の空気を誘電体層の内部に流通する複数の通気路を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
【請求項５】
前記第２電極層は、前記誘電体層を前記周囲雰囲気中に露出する複数の開口部を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
【請求項６】
前記エレクトレット層と前記誘電体層との接触面は凹凸を有する面に形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周囲雰囲気中の所定物理量の変化に応じて電力を出力する発電素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線センサ群を用いて、大型構造物や輸送機器などの健全性診断を行う構造ヘルスモニタリングが検討され、その電源として、環境中に存在する希薄なエネルギーから微小電力を得る環境発電が注目されている。このような環境発電を行う発電素子としては、例えば周囲雰囲気中の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子を用いた発電素子が知られている。
【０００３】
また、環境中の振動を電気エネルギーに変換する微小電力発電素子が知られている。このような微小電力の発電素子の一例としては、例えば、特開２０１０−１１９２８０号公報や特開２００９−７７６１４号公報に開示されるエレクトレット微小発電装置のような微小電力を発電する発電素子が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１１９２８０号公報
【特許文献２】特開２００９−７７６１４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、熱エネルギーからの発電では熱電素子が用いられており、Ｂｉ、Ｔｅなどの重金属を用いる必要があり、環境中に埋め込む電源としては環境負荷が大きいという問題があった。
【０００６】
また、振動を電気エネルギーに変換する発電素子は、振動を得られる環境でなくては発電できないという問題があった。
【０００７】
本発明は上記の問題点に鑑み、周囲雰囲気中の所定物理量の変化に応じて電力を発電する発電素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記の問題点を解決するために、第１電極層と、前記第１電極層に接して積層配置されたエレクトレット層と、前記エレクトレット層に接して積層配置され、周囲雰囲気中の所定物理量の変化に応じて誘電率が変化する誘電体層と、前記誘電体層に接して積層配置されるとともに前記第１電極層に対向して配置された第２電極層とを備えていることを特徴とする発電素子を提案する。
【０００９】
本発明の発電素子によれば、発電素子に温度変化が与えられて、誘電体層の誘電率が変化されると、第２電極層に誘導される電荷量が変化し、第１電極層と第２電極層の間で負荷を介して電流が流れ、電力を取り出すことができる。また、周囲雰囲気中の温度が上記とは逆方向に変化したときには発電素子の誘電体層の温度も同様に変化するので、上記とは逆の方向に電流が流れる。このような動作により温度変化に応じて発電素子によって発電が行われる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の発電素子は、従来の熱発電素子のようなＢｉ、Ｔｅなどの重金属を用いる必要がないので従来例に比べて環境負荷を低減することができるとともに、振動を得られる環境でなくても発電することができるという非常に優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態における発電素子を示す外観斜視図
【図２】本発明の一実施形態における発電素子の側断面の一部を示す図
【図３】本発明の一実施形態における発電素子の発電原理を示す図
【図４】本発明の一実施形態における発電素子の発電原理を示す図
【図５】本発明の一実施形態における発電素子の発電原理を示す図
【図６】本発明の一実施形態における発電素子の発電モデル図
【図７】本発明の一実施形態における発電素子の電圧と誘電率の関係を示す図
【図８】本発明の一実施形態における発電素子のε／ｓと合計発電出力の関係を示す図
【図９】本発明の一実施形態における誘電体層の誘電率変化の割合と合計発電出力の関係を示す図
【図１０】本発明の一実施形態における発電素子のエレクトレット膜の表面電荷密度と合計発電出力の関係を示す図
【図１１】本発明の一実施形態における発電素子のエレクトレット膜の厚さと合計発電出力の関係を示す図
【図１２】本発明の一実施形態における誘電体層の温度と誘電率の関係を示す図
【図１３】本発明の一実施形態における発電素子の簡易モデルを示す図
【図１４】本発明の一実施形態における誘電体層の熱接触抵抗と温度変化の関係を示す図
【図１５】本発明の一実施形態における発電素子の他の構成例を示す外観斜視図
【図１６】本発明の一実施形態における発電素子の他の構成例を示す外観斜視図
【図１７】本発明の一実施形態における発電素子の他の構成例を示す側面断面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
【００１３】
本実施形態では、非定常温度変化からの新たな熱発電方法として、重金属を用いないエレクトレット発電器からなる発電素子について述べる。ここで、エレクトレットとは、電荷を半永久的に打ち込んだ誘電体である。また、本実施形態では、本発明の発電素子を用いた熱発電のモデル化と数値解析による発電量予測について詳しく説明する。
【００１４】
図１は本発明の一実施形態における発電素子を示す外観斜視図、図２は一実施形態における発電素子の側断面の一部を示す図である。図において、10は発電素子で、第１電極層11と、第１電極層11に積層して配置されたエレクトレット層12と、エレクトレット層12に積層して配置され、周囲雰囲気中の所定物理量の変化に応じて誘電率が変化する誘電体層13と、誘電体層13に積層して配置されるとともに第１電極層11に対向して配置された第２電極層14とを備えている。また、エレクトレット層12は平板状をなす誘電体基板12aの一方の面にエレクトレット膜12bが形成されてなり、誘電体基板12aの他方の面に接して第１電極層11が設けられている。
【００１５】
本実施形態の発電素子10におけるエレクトレット層12のうち誘電体基板12aはガラス基板からなり、エレクトレット膜12bは例えばＣＹＴＯＰ（登録商標）によって形成されている。ＣＹＴＯＰは、アモルファスフッ素樹脂であり、既存のフッ素樹脂とは全く異なるアモルファス(非晶質)構造を有し、可視光線透過率が95％以上という極めて高い透明性を有するものである。また、特殊フッ素系溶媒を用いて溶解が可能なため、サブミクロン単位の薄膜コーティングができるとともに、本来のフッ素樹脂の特性も併せ持っている。なお、本実施形態ではエレクトレット膜12bをＣＹＴＯＰによって形成したが、これに限定されるものではない。また、誘電体基板12aはエレクトレット層12の静電容量を誘電体層13の静電容量に対して最適に選ぶためのものであり、その材質はガラス基板に限定されるものではない。
【００１６】
また、本実施形態の誘電体層13は、周囲雰囲気中の所定の物理量の変化に応じて誘電率が変化するものであり、例えば、周囲雰囲気中の温度、湿度、或いは気圧のうちの少なくとも１つの変化に応じて誘電率が変化するものである。なお、本実施形態ではその一例として周囲雰囲気中の温度変化に応じて誘電率が変化するナイロン６６を誘電体層13として用いている。例えば、コンデンサを形成する誘電体として用いられるチタン酸バリウムは温度変化によって誘電率が変化することは周知のものであり、チタン酸バリウムを誘電体層13とし用いてもよいし、チタン酸バリウムと他の誘電体とを複合して誘電体層13を形成してもよい。また、チタン酸バリウム以外の誘電体を誘電体層として用いてもよいことは言うまでもない。
【００１７】
次に、本実施形態における発電素子について詳しく説明する。
【００１８】
図３乃至図５に本実施形態における発電素子10の発電原理を示す。
【００１９】
図３に示すように、電荷を注入したエレクトレット膜12bを誘電体基板12a上に形成してなるエレクトレット層12と、温度によって誘電率が変化する誘電体からなる誘電体層13を２つの電極層11,14で挟んで発電素子10を構成し、誘電体層13の上部の電極層14にエレクトレット膜12bの内部の電荷と逆符号の電荷を誘導させる。ここで、発電素子10に温度変化を与えて、誘電体層13の誘電率を変化させると、図４に示すように、上部電極層14に誘導される電荷量が変化し、上下の電極層11,14の間で負荷を介して電流ｉが流れ、電力を取り出すことができる。上下の電極層11,14間で電流ｉが流れた後は、図５に示すように、電極層11の電荷量と電極層14の電荷量が等しくなったときに電流ｉの流れが停止する。また、周囲雰囲気中の温度が上記とは逆方向に変化したときには発電素子10の誘電体層13の温度も同様に変化するので、上記とは逆の方向に電流が流れる。このような動作により温度変化に応じて発電素子10は発電を行う。
【００２０】
図６は、本実施形態における発電素子10の発電モデル図である。誘電体層13、エレクトレット層12の静電容量をそれぞれＣ，Ｃeとし、厚さをｓ，ｓe、比誘電率をε1，ε2とする。ここでは簡単のため、誘電体層13の静電容量Ｃは時間ｔの関数Ｃ＝Ｃ(t)とした。誘電体層13とエレクトレット層12の内部の電界をそれぞれＥ、Ｅeとし、電極層11の表面電荷密度をσ1、電極層14の表面電荷密度をσ2、エレクトレット層12の表面電荷密度をσeとするとキルヒホッフの法則、電荷の保存則から、負荷Ｒを介した電極層11,14の間の電圧Ｖ及び負荷Ｒを介して電極層11,14の間に流れる電流Ｉは、次の式(1)、
【００２１】
【数１】
2012244850.tif 000003
【００２２】
と書ける。
【００２３】
また、ガウスの法則から、次の式(2)、
【００２４】
【数２】
2012244850.tif 000004
【００２５】
が得られ、式(1),(2)から、以下の微分方程式(3)が得られる。
【００２６】
【数３】
2012244850.tif 000005
【００２７】
ここで、Ｒは外部負荷であり、発電出力Ｗは次の式(4)、
【００２８】
【数４】
2012244850.tif 000006
【００２９】
で計算される。
【００３０】
本実施形態では、上記式(3),(4)を用いて、数値計算により出力電圧と発電出力を求めた。
【００３１】
次に、上記発電素子10に関する数値解析による考察を述べる。
【００３２】
エレクトレット膜12bとしてＣＹＴＯＰによって形成した膜を想定し、厚さｓe＝１５μｍ、比誘電率ε2＝２．１、表面電荷密度σe＝−２．０ｍＣ／ｍ2とした。このとき、エレクトレット膜12bの表面電位は約−１６００Ｖである。また、Ｃ(t)を時間ｔに対する線形関数として、次の式(5)、
【００３３】
【数５】
2012244850.tif 000007
【００３４】
と仮定した。ここで、Ｃ0は誘電体層13の静電容量の初期値、αは温度変化による誘電体層13の誘電率変化の割合、Ｔは誘電体層13の誘電率が変化する時間である。なお、外部抵抗（外部負荷Ｒ）は出力が最大となる値を常に選んだ。
【００３５】
図７に、横軸を時間ｔ、縦軸を電圧と誘電率として表した、電圧と誘電率の変化を示す。ここでは、時間ｔ＝Ｔ＝６０秒、誘電体層13の誘電率変化の割合α＝２、ε／ｓ＝６．０×１０4ｍ-1において、誘電率が最大値の約４．２となり、電圧がピーク値をとり、最大８０Ｖの電圧出力が得られることが判る。
【００３６】
図８に、時間ｔ＝Ｔ＝６０秒において、ε／ｓを変化させたときの発電出力を時間積分した合計発電出力を示す。図８において、横軸がε／ｓ、縦軸が合計発電出力である。誘電体層13の静電容量Ｃ＝Ｃ(t)はε／ｓに比例するので、最適な誘電体層13の初期静電容量が存在することが判る。ここでは、ε／ｓ＝６．０×１０4ｍ-1で合計発電出力が最大値の０．９１μＪ／ｃｍ2になり、平均出力で１５ｎＷ／ｃｍ2となる。なお、図８は、誘電体層13の誘電率変化の割合αが２、エレクトレット膜12bの表面電荷密度σeが−２．０ｍＣ／ｍ2、エレクトレット膜12bの厚さｓeが１５μｍのときの特性である。
【００３７】
図９乃至図１１に、誘電体層13の誘電率変化の割合α、エレクトレット膜12bの厚さｓe、エレクトレット膜12bの表面電荷密度σeに対する、合計発電出力の変化を示す。図９は、エレクトレット膜12bの表面電荷密度σeが−２．０ｍＣ／ｍ2、エレクトレット膜12bの厚さｓeが１５μｍのときの、誘電体層13の誘電率変化の割合αと合計発電出力との関係を示す図であり、横軸が誘電体層13の誘電率変化の割合α、縦軸が合計発電出力である。図１０は、誘電体層12の誘電率変化の割合αが２、エレクトレット膜12bの厚さｓeが１５μｍのときの、エレクトレット膜12bの表面電荷密度σeと合計発電出力との関係を示す図であり、横軸がエレクトレット膜12bの表面電荷密度σe、縦軸が合計発電出力である。図１１は、誘電体層12の誘電率変化の割合αが２、エレクトレット膜12bの表面電荷密度σeが−２．０ｍＣ／ｍ2のときの、エレクトレット膜12bの厚さｓeと合計発電出力との関係を示す図であり、横軸がエレクトレット膜12bの厚さｓe、縦軸が合計発電出力である。
【００３８】
これら図９乃至図１１に示す変化から、合計発電出力は、誘電体層13の誘電率変化の割合α、エレクトレット膜12bの厚さｓe、エレクトレット膜12bの表面電荷密度σeの２乗（σe2）に比例することが判る。なお、誘電体層13の誘電率の変化時間Ｔは合計発電出力に影響しない。
【００３９】
以上より、発電素子10の出力向上には誘電率変化が大きい誘電体からなる誘電体層13を用い、誘電体層13の厚さを最適化することが重要であることが判る。
【００４０】
次に、誘電体層13を形成する誘電体の選定について説明する。
【００４１】
誘電体層13の誘電率の変化は分極の変化と等価であり、温度依存性のある分極は双極子分極である。従って、相変化や相転移が生じたときに顕著な分極の変化が現れる。そこで、ガラス転移点を５０℃付近に持つナイロン６６を誘電体層13として本実施形態の発電素子10に用いることとした。図１２に、異なる温度におけるナイロン６６の誘電率の計測結果を示す。この計測においては、０．５ｍｍ厚のシート状のナイロン６６の両面に金属薄膜を蒸着し、１２０Ｈｚ、５００ｍＶの交流電圧を印加して、静電容量を計測した。この計測結果から、ガラス転移点が存在すると考えられる２２−８０℃で、誘電率が約３倍になることが判る。
【００４２】
以上のことを踏まえて構成した具体例としての発電素子10の概要を説明する。
【００４３】
ナイロン６６からなる誘電体層13の一方の面に金属皮膜によって電極層14を形成する。また、誘電体基板12aとして用いるガラス基板に１５μｍ厚のＣＹＴＯＰを成膜し、ＣＹＴＯＰに荷電することによってエレクトレット膜12bを形成した誘電体基板12aによってエレクトレット層12を形成する。さらに、誘電体基板12aの他方の面に金属薄膜を蒸着することにより電極層11を形成する。上記誘電体層13とエレクトレット膜12bを重ねて発電素子10を形成する。
【００４４】
次に、上記のように構成した発電素子10の温度変化について説明する。
【００４５】
まず、図１３に示す簡易モデルを用いた熱伝導計算により誘電体の温度変化を求めた。ガラス基板（誘電体基板）側の面の断熱条件とし、ガラス基板（誘電体基板）、ＣＹＴＯＰ、ナイロン６６の熱伝導率を、１．２Ｗ／（ｍＫ）、０．１２Ｗ／（ｍＫ）、０．４Ｗ／（ｍＫ）、厚さを５２５μｍ、１５μｍ、０．５μｍ、比熱を９００Ｊ／ｋｇ／Ｋ、８６１Ｊ／ｋｇ／Ｋ、１．６７Ｊ／ｋｇ／Ｋ、密度を２．２ｇ／ｃｍ3、２．０３ｇ／ｃｍ3、１．１ｇ／ｃｍ3とした。
【００４６】
上記の発電素子10の初期温度を２０℃とし、ナイロン６６側の電極層14を１００℃の熱源に接触させる。このとき、発電素子10と熱源間の接触熱抵抗Ｒcを変化させた場合の、ナイロン６６（誘電体層13）の温度変化を図１４に示す。実際の接触熱抵抗は接触圧などに強く依存するが、１０-2Ｗ／ｍ2／Ｋと仮定すれば、数十秒で誘電体の温度が８０℃に達する。この結果を元に、誘電率の変化を近似的に、次の式(6)、
【００４７】
【数６】
2012244850.tif 000008
【００４８】
により与えた。得られた静電容量Ｃ(t)を用いて、ｓe＝１５μｍ、σe＝−２．０ｍＣ／ｍ2のＣＹＴＯＰを用いたエレクトレット層12と、ｓ＝０．５ｍｍのナイロン６６を用いた誘電体層13を備えた発電素子10の合計発電出力を算出した。その結果、合計発電出力は４．５μＪ／ｃｍ2、時間平均出力は８８ｎＷ／ｃｍ2が得られ、熱源に接触される電極層14の面積Ａ＝１６ｃｍ2の場合の最適な外部負荷抵抗値は１２８ＧΩとなった。
【００４９】
前述したように本実施形態の発電素子10は、エレクトレット層12を用いる非定常温度変化からの新しい熱発電方法を提供するものである。また、上記のモデル計算から誘電体層13の厚さに最適値が存在することが明らかである。さらにまた、２２−８０℃で誘電率が３倍に変化するナイロン６６を用いた発電素子10について性能予測を行った結果、合計発電出力４．５μＪ／ｃｍ2、平均出力８８ｎＷ／ｃｍ2が得られることが明らかになった。
【００５０】
前述したように、本実施形態の発電素子10は、従来の熱発電素子のようにＢｉ、Ｔｅなどの重金属を用いる必要がないので従来例に比べて環境負荷を低減することができるとともに、振動を得られる環境でなくても発電することができるという非常に優れた効果を奏するものである。
【００５１】
なお、上記実施形態は本発明の一具体例であり、本発明が上記実施形態の構成に限定されることはない。例えば、周囲雰囲気中の湿度の変化や気圧の変化によって誘電率が変化する誘電体からなる誘電体層13を用いても上記と同様の発電を行うことができる。例えば、静電容量式湿度センサ或いは静電容量型圧力センサに用いられるような誘電体を誘電体層13として使用することにより湿度の変化や気圧の変化によって発電することができる。
【００５２】
また、周囲雰囲気中の温度変化や湿度変化或いは気圧変化を誘電体層13が敏感に取得できるようにするために、誘電体層13が周囲雰囲気と接触する面積を増やす構造とすることも有効である。例えば、図１５に示すように、周囲雰囲気中の空気を誘電体層13の内部に流通する複数の通気路13aを有する誘電体層13を形成することにより、誘電体層13が周囲雰囲気と接触する面積を増やす構造とすることができる。或いは、図１６に示すように誘電体層13に接触する電極層14に開口部14aを形成することによっても、誘電体層13が周囲雰囲気と接触する面積を増やす構造とすることができる。
【００５３】
また、図１７に示すように、誘電体層13を挟む面の面積を増すためにエレクトレット膜12bと誘電体層13との接触面を凹凸面に形成してもよい。同様に、電極層14と誘電体層13との接触面を凹凸面に形成して誘電体層13を挟む面の面積を増してもよい。
【００５４】
また、本実施形態ではエレクトレット層12を形成する際のエレクトレット膜12bをＣＹＴＯＰを用いて形成したが、これに限定されないことは言うまでもないことである。
【符号の説明】
【００５５】
10…発電素子、11…電極層（第１電極層）、12…エレクトレット層、12a…誘電体基板、12b…エレクトレット膜、13…誘電体層、13a…通気路、14…電極層（第２電極層）、14a…開口部。
【図１】
2012244850.tif 000009
【図２】
2012244850.tif 000010
【図３】
2012244850.tif 000011
【図４】
2012244850.tif 000012
【図５】
2012244850.tif 000013
【図６】
2012244850.tif 000014
【図７】
2012244850.tif 000015
【図８】
2012244850.tif 000016
【図９】
2012244850.tif 000017
【図１０】
2012244850.tif 000018
【図１１】
2012244850.tif 000019
【図１２】
2012244850.tif 000020
【図１３】
2012244850.tif 000021
【図１４】
2012244850.tif 000022
【図１５】
2012244850.tif 000023
【図１６】
2012244850.tif 000024
【図１７】
2012244850.tif 000025