(57)【要約】【課題】摩擦帯電現象を利用する発電機の信頼性を高める技術を提供する。【解決手段】  摩擦帯電現象を利用する発電機１は、少なくとも一方の主面に第１素材の多孔質層１２ｂが露出する導電性シート１２、及び、導電性シート１２の多孔質層１２ｂに対向する第２素材の絶縁性シート１４、を備える。第１素材と第２素材が、摩擦帯電列において異なる位置にある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦帯電現象を利用する発電機であって、
少なくとも一方の主面に第１素材の多孔質層が露出する導電性シートと、
前記導電性シートの前記多孔質層に対向する第２素材の絶縁性シートと、を備えており、
前記第１素材と前記第２素材が、摩擦帯電列において異なる位置にある、発電機。
【請求項２】
前記第１素材が、ベーマイトである、請求項１に記載の発電機。
【請求項３】
前記導電性シートは、アルミニウムの金属シートを有しており、
前記多孔質層が前記金属シートの少なくとも一方の主面を被覆する、請求項２に記載の発電機。
【請求項４】
前記第２素材が、ＰＤＭＳである、請求項２又は３に記載の発電機。
【請求項５】
導電性シートと絶縁性シートが接触と離反を繰り返す際に生じる摩擦帯電現象を利用する発電機を製造する方法であって、
アルミニウムの金属シートを準備する工程と、
前記金属シートの少なくとも一方の主面をベーマイト処理して前記導電性シートを形成する工程と、を備える製造方法。
【請求項６】
前記ベーマイト処理は、前記金属シートを８０℃以上１００℃以下の高温水に浸漬させるステップを有する、請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】
前記ベーマイト処理の前記浸漬させるステップでは、前記金属シートを前記高温水に３０秒以上浸漬させる、請求項６に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、摩擦帯電現象を利用する発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
２種類の素材を擦り合わせると、一方の素材が正に帯電して他方の素材が負に帯電する摩擦帯電現象が知られている。帯電する静電気の正負の順に素材を並べた摩擦帯電列が整理されており、例えばＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）は負に帯電しやすく、ガラスは正に帯電しやすく、金やアルミニウム等は中間に位置する。
【０００３】
２枚のシートが接触と離反を繰り返す際に生じる摩擦帯電現象を利用して発電する発電機が開発されている。非特許文献１は、アルミニウムの導電性シートとＰＤＭＳの絶縁性シートが接触と離反を繰り返すことで発電する発電機を開示する。
【０００４】
導電性シートと絶縁性シートが接触するときの接触面積が大きいほど、発電量は大きくなる。非特許文献１は、導電性シートの表面をエッチング加工して複数の突出部をマトリックス状に配置することで、導電性シートと絶縁性シートの接触面積を増加させる技術を開示する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Nanoscale Triboelectric-Effect-Enabled Energy Conversion for Sustainably Powering Portable Electronics, Sihong Wang, Long Lin, and Zhong Lin Wang, NANO letters, 12, p.4960, 2012
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１に開示される発電機では、導電性シートと絶縁性シートが接触するときに、マトリックス状に配置された突出部の各々に応力が集中する。このため、非特許文献１に開示される発電機は、導電性シートと絶縁性シートの繰返し接触によって導電性シートの突出部が破損し易く、信頼性が低いという問題がある。本明細書は、摩擦帯電現象を利用する発電機の信頼性を高める技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書で開示する摩擦帯電現象を利用する発電機は、少なくとも一方の主面に第１素材の多孔質層が露出する導電性シート、及び、導電性シートの多孔質層に対向する第２素材の絶縁性シート、を備える。第１素材と第２素材が、摩擦帯電列において異なる位置にある。
【０００８】
上記発電機では、導電性シートの一方の主面に多孔質層が露出しており、その多孔質層が絶縁性シートに接触するように構成されている。このため、導電性シートと絶縁性シートの接触面積は大きく、上記発電機の発電量は大きい。さらに、上記発電機では、導電性シートの多孔質層が絶縁性シートに接触するように構成されているので、導電性シートと絶縁性シートが接触するときに多孔質層に加わる応力が分散される。上記発電機は、導電性シートと絶縁性シートの繰返し接触によっても導電性シートの破損が抑えられ、高い信頼性を有することができる。
【０００９】
本明細書はまた、導電性シートと絶縁性シートが接触と離反を繰り返す際に生じる摩擦帯電現象を利用する発電機を製造する方法を開示する。この製造方法は、アルミニウムの金属シートを準備する工程、及び、金属シートの少なくとも一方の主面をベーマイト処理して導電性シートを形成する工程、を備える。
【００１０】
上記製造方法は、ベーマイト処理という簡易な方法を利用して、金属シートの一方の主面にベーマイトの多孔質層を被膜することができる。上記製造方法は、高い発電能力と高い信頼性を有する発電機を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】発電機の構成の概略を模式的に示す。
【図２】導電性シートの主面に被膜される多孔質層の電子顕微鏡写真を示しており、その多孔質層の成長に対するベーマイト処理時間の依存性を示す。
【図３Ａ】発電機の発電動作を説明する図であり、導電性シートと絶縁性シートが初期位置にある状態を模式的に示す。
【図３Ｂ】発電機の発電動作を説明する図であり、導電性シートと絶縁性シートが接触位置にある状態を模式的に示す。
【図３Ｃ】発電機の発電動作を説明する図であり、導電性シートと絶縁性シートが接触位置から離反するときの状態を模式的に示す。
【図３Ｄ】発電機の発電動作を説明する図であり、導電性シートと絶縁性シートが再度接触位置に移行するときの状態を模式的に示す。
【図４】発電機の発電量とベーマイト処理時間の関係を示す。
【図５】導電性シートの主面に被膜される多孔質層の繰返し試験前後の電子顕微鏡写真を示す。
【図６】変形例の発電機の構成の概略を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本明細書で開示する技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
【００１３】
本明細書で開示する摩擦帯電現象を利用する発電機は、少なくとも一方の主面に第１素材の多孔質層が露出する導電性シート、及び、導電性シートの多孔質層に対向する第２素材の絶縁性シート、を備えていてもよい。第１素材と第２素材が、摩擦帯電列において異なる位置にある。ここで、多孔質層は、隔壁によって画定される複数の細孔が表面に露出した多孔質構造を有するのが望ましい。隔壁の形状及び細孔の形状は、特に限定されるものではない。例えば、多孔質層は、平板状の隔壁が不規則に配向した多孔質構造を有していてもよい。このような多孔質層としては、ベーマイト、酸化亜鉛、酸化カルシウム、ヒドロキシアパタイト、トバモライト及びメソポーラスシリカが例示される。さらに、多孔質層は、金属シートの表面を酸化処理して形成される無機酸化物の多孔質構造であるのが望ましい。なかでも、多孔質層は、アルミニウムの金属シートの表面をベーマイト処理して形成されるベーマイトであるのが望ましい。この場合、多孔質層が金属シートの少なくとも一方の主面を被覆する。絶縁性シートは、多孔質層との接触面積が増加するように、柔軟性及び伸縮性を有する素材であるのが望ましい。絶縁性シートしては、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、軟質フッ素樹脂及びゴムが例示される。
【００１４】
本明細書はまた、導電性シートと絶縁性シートの間で生じる摩擦帯電現象を利用する発電機を製造する方法を開示する。この製造方法は、アルミニウムの金属シートを準備する工程、及び、導電性シートの少なくとも一方の主面をベーマイト処理して導電性シートを形成する工程、を備えていてもよい。ベーマイト処理は、導電性シートを８０℃以上１００℃以下の高温水に浸漬させるステップを有していてもよい。さらに、ベーマイト処理の浸漬させるステップは、金属シートを高温水に３０秒以上浸漬させてもよい。
【実施例１】
【００１５】
図１に示されるように、摩擦帯電現象を利用する発電機１は、導電性シート１２、絶縁性シート１４及び電極１６を備える。発電機１は、導電性シート１２と電極１６の間に負荷２０が接続されて用いられる。
【００１６】
導電性シート１２は、金属シート１２ａ、第１多孔質層１２ｂ及び第２多孔質層１２ｃを有する。金属シート１２ａは、アルミニウムであり、導電性シート１２の本体を構成する。第１多孔質層１２ｂは、金属シート１２ａの一方の主面に露出するように金属シート１２ａの一方の主面を被覆する。第２多孔質層１２ｃは、金属シート１２ａの他方の主面に露出するように金属シート１２ａの他方の主面を被覆する。多孔質層１２ｂ，１２ｃは、金属シート１２ａを８０℃以上１００℃以下の高温水に浸漬させるベーマイト処理で形成されたベーマイトであり、アルミ水和酸化皮膜（ＡｌＯＯＨ）である。なお、図１は、図示明瞭化のために多孔質層１２ｂ，１２ｃの厚みを比較的に厚く示しているが、実際には、多孔質層１２ｂ，１２ｃは、金属シート１２ａの厚みに対して極めて薄い。このため、導電性シート１２は、金属シート１２ａとして認識できるものである。
【００１７】
図２は、導電性シート１２の主面に露出する多孔質層１２ｂ，１２ｃの外観を示す。図２に表示される時間はベーマイト処理時間（導電性シート１２を高温水中に浸漬する時間）を示しており、上段が多孔質層１２ｂ，１２ｃの拡大平面写真であり、下段が多孔質層１２ｂ，１２ｃの拡大断面写真である。
【００１８】
ベーマイト処理時間が１０秒では、導電性シート１２の主面に露出するベーマイトは、粒状構造であり、その厚みが約３０ｎｍである。ベーマイト処理時間が３０秒を超えると、導電性シート１２の主面に露出するベーマイトは、平板状の隔壁が不規則に配向した多孔質構造になり、多孔質層１２ｂ，１２ｃを構成する。ベーマイト処理時間が長くなるほどベーマイトは成長する。ベーマイト処理時間が３０秒以上になると、ベーマイトの厚みが２００ｎｍ以上となり、ベーマイト処理時間が３分以上になると、ベーマイトの厚みが４５０ｎｍ以上となり、ベーマイト処理時間が２０分以上になると、ベーマイトの厚みが５５０ｎｍ以上となる。
【００１９】
図１に示されるように、絶縁性シート１４は、導電性シート１２の第１多孔質層１２ｂに対向するように配置されている。絶縁性シート１４は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）のシートである。ＰＤＭＳは、柔軟性及び伸縮性を有する材料である。このため、導電性シート１２の第１多孔質層１２ｂが絶縁性シート１４に接触するとき、第１多孔質層１２ｂの微細構造が絶縁性シート１４のＰＤＭＳに入り込み、導電性シート１２と絶縁性シート１４の接触面積が増加する。
【００２０】
電極１６は、アルミニウムの金属シートである。電極１６は、絶縁性シート１４の導電性シート１２に対向する面とは反対側の面に接する。
【００２１】
次に、図３Ａ〜図３Ｄを参照し、発電機１の動作を説明する。図３Ａは、導電性シート１２と絶縁性シート１４が所定距離だけ離れた初期位置にある状態を示す。
【００２２】
図３Ｂに示されるように、導電性シート１２と絶縁性シート１４が近づく向きに外部力が作用すると、導電性シート１２と絶縁性シート１４が接触する。導電性シート１２の素材であるアルミニウムと絶縁性シート１４の素材であるＰＤＭＳは摩擦帯電系列の異なる位置にあり、アルミニウムは相対的に正に帯電し易く、ＰＤＭＳは相対的に負に帯電し易い。さらに、発電機１では、導電性シート１２の第１多孔質層１２ｂが絶縁性シート１４に接触する。通常、金属の酸化物は、摩擦帯電系列においてその金属よりも正に帯電し易い位置にある。したがって、導電性シート１２の第１多孔質層１２ｂの素材であるアルミ水和酸化物は、摩擦帯電系列においてアルミニウムと略同一の位置にあるか、より正に帯電し易い位置にある。このため、導電性シート１２と絶縁性シート１４が接触すると、導電性シート１２は正に帯電し、絶縁性シート１４は負に帯電する。
【００２３】
図３Ｃに示されるように、導電性シート１２と絶縁性シート１４が近づく向きに作用する外部力が開放されると、導電性シート１２と絶縁性シート１４が離反して初期位置に戻る。導電性シート１２と絶縁性シート１４が接触位置から離反するとき、負荷２０には電流Ｉ１が流れる。
【００２４】
図３Ｄに示されるように、再度、導電性シート１２と絶縁性シート１４が近づく向きに外部力が作用すると、負荷２０には電流Ｉ２が流れる。電流Ｉ１と電流Ｉ２では通電方向が逆となる。その後、導電性シート１２と絶縁性シート１４が接触し、図３Ｂの状態になる。
【００２５】
発電機１は、図３Ｂ〜図３Ｄのサイクルを繰り返すことにより、負荷２０に対して交番電流を供給することができる。
【００２６】
図４に、発電機１の発電量とベーマイト処理時間の関係を示す。なお、図中下側の横線（約３μＷ／ｃｍ2）は、ベーマイト処理がない場合、即ち、導電性シート１２の一方の主面が平坦な場合の発電量を示す。また、「裏面電極あり」は、導電性シート１２の第２多孔質層１２ｃを被覆するように電極層を設け、負荷２０に接続する配線をその電極層に接触させた場合を示す。
【００２７】
上記したように、ベーマイト処理時間が３０秒を超えると、導電性シート１２の主面に多孔質構造を有するベーマイト、すなわち、多孔質層１２ｂ，１２ｃが被膜する。図４に示されるように、ベーマイト処理時間が３０秒を超えると、ベーマイト処理なしの場合に比して、発電量が大きく増加する。このように、導電性シート１２の一方の主面に第１多孔質層１２ｂが被膜されていると、導電性シート１２と絶縁性シート１４の接触面積が大きくなり、発電量が大きく増加すると推察される。
【００２８】
また、「裏面電極あり」と「裏面電極なし」を比較すると、ベーマイト処理時間が長い場合に、「裏面電極あり」の方が発電量において有利であることが確認された。これは、ベーマイト処理時間が長くなると、第２多孔質層１２ｃの厚みが厚くなり、負荷２０に接続する配線と第２多孔質層１２ｃの接触抵抗が増加することが理由であると考えられる。このような接触抵抗の増加に対策するために、第２多孔質層１２ｃを被覆するように電極層を設けることが有用であることが確認された。
【００２９】
さらに、発電機１では、導電性シート１２の第１多孔質層１２ｂが絶縁性シート１４に接触するので、導電性シート１２と絶縁性シート１４が接触するときの第１多孔質層１２ｂに加わる応力が分散される。発電機１は、導電性シート１２と絶縁性シート１４の繰返し接触によっても導電性シート１２の破損が抑えられ、高い信頼性を有することができる。図５に、２０分浸漬のベーマイト処理で形成された第１多孔質層１２ｂを有する発電機１の繰返し試験の前後の第１多孔質層１２ｂの拡大平面写真を示す。繰返し試験では、導電性シート１２と絶縁性シート１４を接触と離反させるサイクルを８万回繰返した。図５に示されるように、導電性シート１２の多孔質層１２ｂは、繰返し試験の前後において、その外観にほとんど変化がなく、多孔質構造を維持していることが確認された。
【００３０】
上記したように、発電機１は、高い発電能力と高い信頼性を有することができる。また、発電機１の導電性シート１２は、アルミニウムの金属シート１２ａの主面にベーマイト処理して多孔質層１２ｂを被膜するという簡易な方法で製造される。このように、発電機１は、簡易な方法で製造可能であるとともに、高い発電能力と高い信頼性を有することができる。
【００３１】
図６に、変形例の発電機２を示す。なお、図１に示す発電機１と共通する構成要素については共通の符号を付し、その説明を省略する。
【００３２】
発電機２は、第２多孔質層１２ｃに対向する第２の絶縁性シート１５及びその第２の絶縁性シート１５に接する第２の電極１７を備える。第２の絶縁性シート１５及び第２の電極１７も、上述した絶縁性シート１４及び電極１６と共通の形態を有する。
【００３３】
発電機２では、作用する外部力に応じて、導電性シート１２の両面にある多孔質層１２ｂ，１２ｃの各々が絶縁性シート１４，１５の各々に対して接触と離反を繰り返す。このため、発電機２の発電量は、発電機１の発電量に比して約２倍となる。発電機２は、高い発電能力を有することができる。
【００３４】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３５】
１，２：発電機
１２：導電性シート
１２ａ：金属シート
１２ｂ，１２ｃ：多孔質層
１４，１５：絶縁性シート
１６，１７：電極
２０：負荷
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2017112658.tif 000006
【図３Ｃ】
2017112658.tif 000007
【図３Ｄ】
2017112658.tif 000008
【図４】
2017112658.tif 000009
【図５】
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【図６】
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