立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第31号) 2022

［ 研究助成 (A) ］

ガラスナノフィルターを用いた人体動作融和型発電機の開発
Development of glass nanofilter based power generator using energy from human behavior
2211020

研究代表者

理化学研究所生命機能科学研究センター
集積バイオデバイス研究チーム

チームリーダー田中

陽(OH −) に解離していることを利用したもので[研 究 の 目 的]ある。またガラスは，水中で表面の H+ が解
身の回りのあらゆるモノがインターネットに離し，負に帯電する性質がある。そこで，ガラつながる IoT (Internet of Things) の普及に伴スで微細流路を作製し，ここに圧力で水を流せい，無数のセンサー類を動かすための電源とし

ば H + は流路に入りやすいが OH − は入りにくて，熱や光，圧力を利用した環境発電技術が注いことによりイオンの分離が生じる。

目されている。中でも，身近で大きなエネルここで流路の入口と出口をワイヤーで接続すギーが得られるものとして，歩行の際などに発ると，出口では水素，入口では酸素が生じ，電生する圧力 (振動) を利用した振動発電が挙げ流が流れる (図 1a)。このとき生じる水素ガスられる。振動から電気を得るための方法として(H 2) はごくわずかで，残った水は再び一定割は，電磁誘導や圧電素子を用いたものが良く知合でイオンの電離が生じるため，水を流路に戻られているが，電磁誘導は小型化が難しく，圧せば繰り返しの発電が可能である。電圧は圧力

電素子は歩行のような遅い動きでは効率が落ちに，電流は流路数に比例するため，その積であるという課題がある。そこで，本研究では水とる電力を高めるには耐圧性の高い多数の流路をガラス流路壁の電気的相互作用を利用し，流路集積する必要がある。これを実現するための発に圧力をかけて水を流し，イオンを分離するこ電機デザインとして，円形状の微細ガラスフィとで電力発生を利用することを着想した。水がルターを作製し，これにゴムパッキンを装着し，ある限り発電が持続するため，歩行のような遅耐圧性能の高いホルダーに組み込むことを検討い動きでも十分に電力を発生させられる。ガラした。フィルターの上下にはメッシュ状の電極

スは代表者がこれまでに得意としてきた材料でを取り付け，外部の測定機にワイヤーで接続し，あり，その知見に基づき，作製条件の最適化の広い面積から電流を回収できる構造にした (図検討，と圧力駆動型ガラス発電機への利用に向1b)。

けた実証実験を行った。

集積流路を作製するには，半導体微細加工技術の一種であるフォトリソグラフィー法を用い[研究の内容，成果]るのが一般的である。しかし，2 次元的な流路作製法では流路数に限界があり，効率化は難し

今回考案した発電機の原理は，水 (H 2O) がく，また 3 次元的に流路を多数作製するのは技

自発的に水素イオン (H +) と水酸化物イオン

術的に難しい上，圧力耐性も小さくなってしま― 1 ―立石科学技術振興財団(a) 微細ガラスフィルターを用いた圧力駆動型ガラス発電機の原理。水 (H 2O) の自発的な解離で発生した H +と OH −，および水に接する表面が負に帯電したガラス流路の模式図を示す。
左から右に水圧がかかると，H +は流路を通過しやすいが OH −は通過しにくいためイオンの分離が生じる。流路の両側を電線でつなぐと，電子が左から右に移動し電流が生じる。上下の図の現象や化学反応は，圧力印加状態では同時かつ連続的に起きる。
(b) 微細ガラスフィルターを用いた発電機のデザイン

図1

微細ガラスフィルターを用いた発電機の原理とデザイン(a) 微細ガラスフィルターの作製方法。粉末状のホウケイ酸ガラスをそのまま，あるいは乳鉢で砕いたものを，カーボン製鋳型に詰めて重りを乗せて圧力をかけながら真空炉で焼成する(b) ガラスフィルター焼成成型用のカーボン製鋳型。穴の直径は 2cm，深さは 3 mm(c) (b) にガラス粉末を詰めた状態(d) ガラス粉末を詰めたカーボン鋳型の上にアルミナ (酸化アルミニウム) の重りを置き，炉に入れた状態(e) 炉で焼成後，鋳型から外したガラスフィルター(f) 680〜720 ℃で焼成したガラスフィルター表面の電子線顕微鏡
写真(g) 0〜40 分のガラス粉末すりつぶし条件で作製した，ガラスフィルター表面の電子線顕微鏡写真 (焼成温度はいずれも 700 ℃)

図2

ガラスフィルターの作製と構造解析

けていることが観察された (図 2f)。圧力をかけたときに細孔に入る水銀量から細孔径を測る
水銀ポロシメトリー法で細孔径分布を調べたとう。そこで，作製が容易で圧力耐性も高い粉末

ころ，焼成温度にかかわらず，平均細孔系は約状のホウケイ酸ガラス (粒径 16〜40 μm) を用

20 μm で一定であったが，高温ほど流路が一部いて，条件によってはガラスをさらに砕き，溶けてつぶれていることが分かった。

カーボン製鋳型に詰めて重りを乗せて圧力をかさらに，この粉末を乳鉢ですりつぶし，そのけながら焼成し，ガラスフィルターとして作製

すりつぶし時間を 0，5，10，20，30，40 分とする方法を考案した (図 2a-e)。

して，頑強で，かつ流路がそれほどつぶれない

フィルター焼成の条件としては，680 ℃から700 ℃の温度条件でフィルター焼成し，表面の720 ℃まで 10 ℃ずつ焼成温度を変え，それぞ電子顕微鏡観察をしたところ，すりつぶし時間

れの焼成時間は 2 時間とした。これらの条件でが長くなるほど粒子が細かくなるが，焼成後もはいずれもフィルターが作製できたが，680，形状は保てていることが分かった (図 2g)。細

690 ℃で作製したものはやや壊れやすくなった。

孔径分布を調べたところ，すりつぶし時間 0，また，焼成後のガラスフィルター表面の電子顕5，10，20，30 分に対して平均径 20，12，8，5，微鏡写真から，710，720 ℃ではやや粉末が溶

1 μm となり，40 分ではピークはほとんど確認― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation(図 3d)。これは前項での実験でもみられたように，高温で流路が一部溶けてふさがっているためと考えらる。一方電流は，外部のコンデンサに電荷がたまる速度から逆算して測定したところ 700 ℃がピークになり，電圧と電流の積で表される電力も同様の傾向となった。これは680〜700 ℃では流路がつぶれない範囲で小さくなり，発電効率が上がっているためと考えられる。
すりつぶし時間別でみると，電圧・電流・電(a) 発電実証・評価システムのセットアップ。PC 制御の機械でピストンを定速で往復させ，発電機には逆止弁で常に一定の方向に水が流れるようにし，その前後の電圧を測定した。ピストンにかかる負荷は歪み測定器で計測し，漏れがないか確認しながら測定を行った(b) 試作したガラスフィルター・電極を搭載した発電機(c) シリンジをセットした水循環システム(d) 各焼成温度条件で 50 mm/s で水を流したときの電圧・電流・電力測定結果のまとめ。680〜700 ℃ではほぼ違いはないが，710〜720 ℃では低下が見られた(e) 各すりつぶし条件で 50 mm/s で水を流したときの電圧・電流・電力測定結果まとめ。いずれもすりつぶし時間 5 分がピークとなった

図3発電の実証実験とガラスフィルターの評価実験

力ともすりつぶし時間 5 分がピークとなった(図 3e)。
これについても，すりつぶし時間 5 分までは流路が小さくなり効率が上がるものの，それ以上すりつぶすと流路がつぶれてしまうためと考えられる。
以上より，定速 (50 mm/s) で水を流した場
合，最も発電性能が良くなるのは焼成温度 700℃，すりつぶし時間 5 分 (平均細孔径 12 μm)できず，粒子が細かくなるほど細孔はつぶれるのフィルター (電圧 27 V，電流 0.14 mA，電ことが確認できた。

力 0.8 mW) で，発電効率は 0.021% となった。

次に，各種条件で作製したガラスフィルター

以上の基礎的検証結果に基づき，環境発電のに実際に水を流し，電力を測定した。PC 制御

実証を兼ねて，コンデンサを用いた蓄電回路をで荷重を制御し，ピストンを往復させることで構築し，足踏みによるエネルギーで発電させ，水を循環させるシステムを構築し (図 3a)，作各種電子デバイスを駆動させる実証実験を行っ製したガラスフィルターを組み込んだ発電機をた (図 4a)。

セットした (図 3b, c)。これを用いて，発電機足踏みによって発電機に水を流すため，3Dに流速 20 mm/s で水を流したところ，水が流プリンターを用いて簡易的なプレスユニットをれている間発電が持続し，これを何度も繰り返作製した (図 4b, c)。足踏みによる力を確実かすことができた。繰り返すと少し電圧が下がっつ効率的にシリンジと流体に伝えるための装置てくることも分かったが，これは同じ水を繰りである。これを使用して，700 ℃，各すりつぶ返し使ったことによる汚れのためと考えられる

し時間で作製したガラスフィルターに 60 kg のが，大きな変化はなく，フィルターが壊れるこ

体重荷重による 0.8 MPa の定圧で 50 mL の水ともなかった。

を流したところ，電圧は前項の実験 (図 3e 左)

このシステムで各温度，すりつぶし時間条件に近い発生傾向となったが，定速ではないため，で作製したフィルターを用いて水を流したとこ持続時間には大きな違いがあった。目の細かいろ，流速に比例して電圧も大きくなることが分フィルターほど抵抗が大きく，時間が長くなっかった。温度別でみると，焼成温度 680〜700た (図 4d 左下)。その結果，電力ではすりつ℃ で は ほ と ん ど 電 圧 に 変 化 が な か っ た が，ぶし時間 5 分と 10 分のものとでほとんど差が710〜720 ℃ で は 電 圧 は か な り 小 さ く な っ た

なかったが，持続時間を掛けたエネルギー量と― 3 ―立石科学技術振興財団

ことが分かった。小型のファンを回転させる実験では，50 回プレスを繰り返してコンデンサに 5.2 V 蓄電した後に，スイッチを入れると瞬間 1 秒近く回転する様子が見られた。ワイヤレス通信実験は，コンデンサに 0.2 V 以上の電圧がたまれば自動的にシグナルが送信機から 3 m離れた PC にシグナルが送られるもので，今回は 2 回のプレス後に，モニター上で 3 回の受信を確認できた。これらの結果から，足踏みによる発電で電子デバイスを駆動できることが実証できたといえる。
[今後の研究の方向，課題]
今回開発した足踏み型の発電機の性能を，同じ機械的な振動を用いた小型の環境発電機として圧電素子を用いたものと比較すると，電力や発電効率は同程度ではあるが，圧電素子の持続時間が 0.1 秒以下であるのに対し，足ふみ型の(a) アプリケーション実証のために今回用いた発電機とコンデンサ，デバイスを含む回路図。発電機 (電圧：V) はポート 0 と 1 の間に設置し，デバイス直接接続の場合はコンデンサなしでポート 2 と 3 を常時接続，コンデンサに蓄電する場合は蓄電後 (コンデンサ電圧：Vc) にポート 2 と 3 を接続 (スイッチオン)(b) プレスユニットの構造と動作原理(c) プレスユニットを足で踏んでいる様子(d) 焼成温度 700 ℃，各すりつぶし時間 10 分で作製したガラスフィルターを用いた足踏みによる電圧・電流・持続時間・電力・エネルギー測定結果のまとめ。持続時間を掛けたエネル
ギー量では 10 分のフィルターが最大となった

図4

プレスユニットを用いた足踏み発電とアプリケー
ション実証

発電機は 1 秒以上と長くゆっくりした振動で，持続的な発電が可能となるという特徴があるといえる。
また，今回の発電法はガラスの表面電位を利用してイオンをフィルタリングするというものであるが，同じ原理で違う材料を用いたもの(半導体や合金，木材など) と性能を比較すると，従来材料による数 μW 以下の起電力に対して，数 mW へと大きく向上している。これ

して比較してみると，すりつぶし時間 10 分

はガラスを用いることで表面電位の高さと頑強(平均細孔径 8 μm) のものが最大値となった製を兼ね備えているからだと考えられる。今回(図 4d 右下)。発電性能は電圧 18 V，電流 0.26はプロトタイプとして比較的大型なものにはmA，電力 4.8 mW で持続時間 1.7 秒，エネルなっていはいるが，原理的にはさらに小さく，ギーは 6.8 mJ，発電効率は 0.017% という結果将来的に靴の中に仕込める程度のサイズにするになった。

ことも可能である。

このガラスフィルターを用いて，また環境発以上のことから，今回開発した発電機は，歩電 の 実 証 実 験 も 兼 ね て，3 種 類 (LED 点 灯，行中の電子デバイスの無電源駆動や椅子やベッファン回転，無線通信) のアプリケーション実

ドでの人の動きの検知などゆっくりした動きを証実験を行った。LED 点灯実験では，発電機効率的に用いた環境発電としての利用が効果的に小型の LED (3 mm，3.3 V 以上で点灯) をであるといえる。

直接つないだところ，プレス中は点灯している― 4 ―例えば，今回の実証実験でも示したように，

Tateisi Science and Technology Foundation

LED による暗い道での照明といった用途や，保できメンテナンス不要，という人と機械が完ファンを用いた暑い場所での空冷装置などが考全融和した社会を実現できる可能性を示したもえられるであろう。そして IoT への応用としのである。ては，歩行や椅子・ベッドでなどの人 (とくに患者) の動きや姿勢などを常にセンシングおよ[成果の発表，論文等]

び通信してモニタリングするための健康管理デ・ Yo Tanaka, Satoshi Amaya, Shun-ichi Funano,バイスとしてなど，さまざまなシーンでの利用

Hisashi Sugawa, Wataru Nagafuchi, Yuri Ito, Yusufuが期待できる。

Aishan, Xun Liu, Norihiro Kamamichi, Yaxiaer

以上のように，本研究では，水とガラス微細

Yalikun, “A pressure driven electric energy
generator exploiting a micro- to nano-scale glass

流路の電気相互作用を利用し，人の動きに適しporous filter with ion flow originating from water”,た新環境発電機を創成した。これにより，人はScientific Reports, 12, 16827 (2022)

自然な動作で機械を使えて機械は電源を安定確― 5 ―