半導体素子を利用した発電～

圧電素子とペルチェ素子～
千葉県立千葉工業高等学校
情報技術科

１

はじめに

川口憲治郎

ある日，ショッピングモールの広場で行っ

東日本大震災をきっかけにテレビやラジオていたイベントで，圧電素子を使った発電を等のニュースでエネルギー問題を取り上げる行っていた。ＬＥＤを光らせるだけだが足で機会が増えてきている。現代社会では電気エ

体重計らしき物を踏みつけると見事にＬＥＤ

ネルギー無しに生活するのは困難である。そが光っていた。生徒が興味・関心を持ちそうこで発電について研究する事にした。風力発

なので，課題研究で取り組ませようと考えた。

電や太陽光発電は色々な場面で見る事が多い

この研究は生徒たちに課題研究で取り組まため，他の発電について研究する事にした。

せた内容を報告します。

始めに考えたのが地熱発電だがボウリングする費用も場所もないため諦めた。次に思いついたのが，以前テレビを見ていたとき，温泉地でゼーベック効果を利用し，露天風呂の照明を付けていたのを視聴した。構造が簡単そうだったため是非取り組もうと思ったが，近くに温泉場が無いため温泉を使ったこの発電も諦めた。しかし，私は発電をテーマに取り組みたいため，発電について試行錯誤した
結果，地中と地中外の温度差を利用して発電するゼーベック効果を利用する事を考えた。

図２

圧電スピーカゼーベック効果は２種類の金属が必要なため
インターネットで金属について調べていると２

課題研究の流れペルチェ素子が有ることを知り，ゼーベック

この研究は，圧電素子を利用した発電とペ効果ではなく，この素子を利用することにしルチェ素子を利用した発電です。立候補した

た。

生徒を２班に分け指導することにした。
（１）圧電素子班への指導
インターネットでフィルムケースにビー玉を入れ，フィルムケースを振るとケース内のビー玉が圧電素子にぶつかりＬＥＤが光ると記載があるページを見た。次に見たのが圧電素子（圧電スピーカー）の外側を外して素子がむき出し状態でＬＥＤと並んで写っている
図１

ペルチェ素子ページをみた。そこには叩く強さによって明るさが違うと記載してあった。

-1-ア

材料

なるため指向性を気にせず緑のＬＥＤを半田「 圧 電 ス ピ ー カ ー 」（ 圧 電 サ ウ ン ダ ）付けし作製した。

SPT08-Z185 の圧電素子を使用した。値段は1,600 円（４０個入）なので１個４０円になる。「ＬＥＤ」は高輝度の物を使用。普通の赤や緑では発電状況が分かりづらかった。
「定規」は 100 円均一の店で購入。また，「スーパーボール」も 100 円均一の店で購入。
イ発電１（フィルムケース）

インターネットに記載してあった事を参考

図５

緑ＬＥＤフィルム発電に材料をそろえた。
圧電素子に色々な衝撃を試しているうちにもっと簡単にフィルムケース発電が作れる事が分かった。

図３

フィルムケース発電の材料

圧電スピーカーの外側をむき，衝撃を強くするためフィルムケースの蓋をくりぬいて直図６

簡単フィルムケース発電

接圧電素子にぶつけることにした。
簡単になった点は３つある。１つ目は圧電スピーカーの外側をむかずにそのまま使用する。２つ目はフィルムケースの蓋をくりぬかない。３つ目は半田付けをしない。半田付けの換わりにセロハンテープを使いＬＥＤと圧電スピーカーを固定した。発電が分かりやすくなるためＬＥＤを高輝度に換えている。
圧電素子は素子をゆがませることにより発電するが，圧電スピーカーの状態で打撃を加えても発電することが分かった。また，高輝図４

圧電素子の取り出し度のＬＥＤの方がはっきりと光っている状態が分かる。

ビー玉が見あたらないためマウスのボールを使用し，目の前に有った緑のＬＥＤを使用ウした。衝撃を加えると圧電素子は交流電源と生徒は圧電素子で発電することが分かり，-2-作製品の検討

実際にＬＥＤを光らせる体験ができた。次に情研の発表の番が来て重い腰を上げることが何を製作するか話し合わせた結果，生徒はま出来た。インターネットでスターリングエンだ何をどうして良いか分からない様子でしジンやゼーベック効果を調べていたらペルチた。そこで，今回は大容量の発電ではない事ェ素子を使った。ペルチェ素子の実験が掲載と課題研究の授業で作製するため時間が思っしてあるページを見て，材料が容易に入手でたより少ない事を説明し，身近な物で役に立きそうなのでペルチェ素子を利用して研究をつ物を作るように導いた。

することにした。

踏むことにより，ＬＥＤが光る誘導灯を作る事になった。誘導灯は圧力（踏む，叩く）によって矢印を点灯させ，移動方向を示す作品とした。図７は矢印の形をしていないが，この後生徒が矢印の形にした。

図９
ア

ペルチェ素子

材料「ペルチェ素子」には大きさと種類があり，どれを使って良いか，分からないため一通り情報技術科で購入してもらえる事になった。

図７
エＬＥＤ点灯

完成予想図

踏むことにより定規がしなり下の圧電スピーカーに衝撃を与え，足を離すことによって定規が元に戻る時上の圧電スピーカーに衝撃を与える事により発電することにした。
図 10

ペルチェ素子の種類

値段は大きさと種類によって違い秋月電子通商で購入した。
３０㎜×３０㎜
図８

完成予想図（６００円，６月２日現在６５０円）
４０㎜×４０㎜ＴＥＣ１－１２７０６（２）ペルチェ素子班への指導（７００円）

３年以上前からカップラーメンに注いだお４０㎜×４０㎜ＴＥＣ１－１２７０８

湯の熱を利用して発電させようと考えていた（７５０円）

が，なかな製作する時間がなかった。この関

６２㎜×６２㎜（２，０００円）-3-

同じ大きさで種類の違うペルチェ素子は発電の値段が高く，問題なく動作しても実用化は量が少し違った。

難しいため実施しなかった。３０㎜×３０㎜が動作しなかったのは，ペルチェ素子の裏面（カップ麺に触れていない面）が暖まりすぎ温度差が少ないため発電が出来なかったが，５個重ねた場合は問題なく動作した。

「ヒートシンク」は９８年頃に作られたＰＣの中から取りだした。また，購入した６０㎜×３０㎜×３０㎜を２個並べ使用した。「ＤＣ／ＤＣコンバータ」（ＨＴ７７３３Ａ，Ｈ

図 12２個・５個重ねＴ７７５０Ａ），「コイル」１００μＨ，「電昇圧回路はＨＴ７７３３ＡかＨＴ７７５０解コンデンサ」，「ダイオード」，「ＰＩＣ１Ａを買うと説明書に記載されており，昇圧さ６Ｆ６４８Ａ」，「高輝度ＬＥＤ」，「抵抗」，れた電圧は規格値を出力していた。

「圧電スピーカー」，「加工用基盤」を使用。
ウイ

昇圧回路

作製品の検討

当初はカップ麺の蓋をはがし，蓋付きの発ペルチェ素子（３０㎜×３０㎜，４０㎜×電を考えていた。そのため蓋の製作にも取り４０㎜）１個の発電量は約０．１５Ｖ，６２かかった。

㎜×６２㎜は約０．２Ｖであった。ペルチェ素子だけでＰＩＣを動かすには１０個以上必要になる。さすがにカップ麺の上に１０個載せる場所と蓋が素子の重さに耐えられうかという問題が生じた。そこで素子で発電した電圧を昇圧させることにより素子の数を減らす事によって問題が解決した。最低起電力は０．
２６Ｖ以上必要である。ペルチェ素子の発電図 13

平らに伸した缶が０．２６Ｖ以上ないと音程が乱れてしまいメロディーを流す意味が無くなってしまう。
このような結果からペルチェ素子を２個重ねて使うことにした。
実際にカップ麺の上に載せて動作させると３０㎜×３０㎜のペルチェ素子の場合は動作しなかった。４０㎜×４０㎜のペルチェ素子の場合は動作したが１分３０秒位で音程が乱れた。６２㎜×６２㎜のペルチェ素子は１個

図 14-4-

皿状にプレスした缶

蓋はアルミ缶を展開し平らにのばしてからプた。

レスし，皿状にして利用することにした。
どんぶり形にも対応するためより大きなアルミ缶を平らにすることにした。

図 18

ヒートシンク取り付け

ペルチェ素子を２個で動作させるためには
図 15

１Ｌ・２Ｌ缶ペルチェ素子の裏面を冷やす事によって問題なく動作すると考えヒートシンクを裏面に付けることにした。ヒートシンクを付けることにより温度差が生じ問題解決した。
エ完成作品について

カッ プ 麺 に 熱 湯 を 注 ぎ 蓋を 閉じ た 後 に 作 品 を 置 く と
５ ～６ 秒 後 に メ ロ デ ィ ー が図 16

１Ｌ缶の展開Ａ

流 れ始 め る 。 ３ つ の Ｌ Ｅ Ｄ
は 時間 を 表 し ， 始 め は ２ つ点 灯し １ つ 点 滅 す る 。 ３ ０秒 たつ と 点 滅 時 間 が 早 く な
り １分 た つ と Ｌ Ｅ Ｄ が １ つ消える。１つ点灯し１つ点滅

図 19 完成品

し１つ消えている状態となる。
点滅時間は１秒間隔と 0.5 秒間隔の２種類有り秒が３０秒以下になると速くなる。残り３
図 17

１Ｌ缶の展開Ｂ秒になると時報（プ・プ・プ・ポーン）で完成を報告しＬＥＤは３つ点滅するようにな

温度と電圧の実験を繰り返していると作製る。

したアルミ蓋よりカップ麺に元々付いている蓋の方が熱伝導が良く，発電反応も良いこと

３

課題研究の結果が実験結果より導かれた。この結果は蓋の厚作品を作って終わりではなく，更なる研究さが発電反応の遅さに影響したのである。ゆや作品の活用ができると生徒の能力・技術がえにアルミ蓋の製作を中止にすることにし向上するため，作品の完成後更なる興味・関-5-

心を与えられるように工夫をしたい。そこで，物を作ったりするのに少し抵抗があったのだ

企業や地域交流に研究作品を利用する事にしがうすれて，積極的に関わることができるよた。

うになった。

（１）企業へ完成品を企業にメールで送り感想をもらえ

５

ると生徒にも良い刺激になると思う。

今後の課題
圧電素子の方は，簡単にセッティングでき（２）地域へるように，端子の改良と設置場所にあった発

昨年は，千工祭（文化祭）にて「親子もの電器の工夫が必要である。また，小型化にすづくり」を無料で行い電子サイコロを製作しれば用途が広がるため更なる改良が必要であた。今回はこのカップラーメンタイマーを製る。

作させたいが，ペルチェ素子がの費用が高い

ペルチェ素子の方は，ゲーム感覚で遊べるため現状では出来ない。

機能を増やす事により３分間があっという間以上の事が実現できれば，この課題研究はに経過するはずである。そのためには赤外線成功であるといえる。

素子を使い機能を増やしカップ麺同士で対戦ができるように改良したい。

４

生徒の感想（抜粋）

作品を作ったら実用新案を出す事をやって生徒の感想を抜粋ながら紹介します。

みようと思ったが，すでに同じような物がネ

Ａ君（圧電素子班）

ットに出ていた。タイマーだけでなくゲーム電子回路の知職がつきました。最も難しか性を持たせれば実用新案になると思うがお金った事は本体の設計でした。失敗を繰り返し，もかかるため一時休息する事にした。

今の形になりました。今回の研究で学んだ事を次に物を作る時に活かしていきたいと思いました。
Ｂ君（圧電素子班）
回路の作成ミスや圧電素子が反応しなかっ

図 20たりと，次の作業に進めず精神的にもつらく

６

実用新案資料

おわりになってきました。大変さを学ぶ事ができまし

光や音が出ると発電が実感でき生徒達が感た。壁にぶつかることになると思います。諦動している様子がはっきり伝わってきた。研めず，頑張っていきたいと思います。

究をしたことにより更なる興味関心がわいてＣ君（ペルチェ素子班）くる事を期待しています。

特性を知り，様々な測定や実験を繰り返し，最後に，本発表に関して御協力いただいた

共同実験者との意見のくいちばいもあり，完情報技術科の先生方，ならびに本研究に取り成は遠く思われたが，完成がとても待ち遠し組んでくれた生徒諸君に深く感謝いたしま

くなってきた。完成させ素子を用いたラーメす。

ンタイマーは自分の思い出に強い印象の一頁として残るだろう。

参考文献

Ｂ君（ペルチェ素子班）（１）秋月電子通商

様々な新しい知識を得ることができ，とて

http://akizukidenshi.com/catalog/default.aspx

も有意義な研究をすることができました。デ（２）産業財産権標準テキスト

ザインを考えたりするのが苦手だったりと，

独立行政法人工業所有権情報・研修館-6-