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公開番号2025093421
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-24
出願番号2023209043
出願日2023-12-12
発明の名称圧電素子及び摩擦発電共成デバイス
出願人個人
代理人
主分類H10N 30/072 20230101AFI20250617BHJP()
要約【課題】発電効率を高めるために、熱可塑性プラスチックの圧電材料と、ゴム弾性を有する熱可塑性エラストマーを交互に複数層積層させて成型した圧電フイルム及び帯電フイルムの集合離合を容易にする摩擦発電装置を設ける圧電素子並びに摩擦発電共成デバイス装置を提供する。
【解決手段】圧電素子及び摩擦発電共成デバイスは、圧電材料である熱可塑性プラスチックに電極を設けたフイルムを、それぞれ反発弾性を特性とする熱可塑性エラストマーのフイルムで挟み込んだ形で複数層積層し、圧電素子の起電力が、上方からの加重によるものが大半を占めるため、発電効率を良くするためプラスチック圧電素子を湾曲・半球型に形成して、弾性による発電効率を高めする湾曲型圧電素子デバイス2、3を有し、同様に上方からの加圧により発電を行う摩擦発電デバイス物質4、5を下部に配する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
加圧により起電する圧電素子デバイスと、加圧により起電する摩擦発電デバイスの占有エリアの共有による発電の効率を高める目的で、両デバイスを共成させたことを特徴とする圧電素子及び摩擦発電共成デバイス
続きを表示（約 490 文字）【請求項２】
加圧により起電する圧電素子デバイスと、加圧により起電する摩擦発電デバイスの占有エリアの共有による発電の効率を高める目的で、弾性を高めるために湾曲型に成型した湾曲型圧電素子デバイスと、湾曲型圧電素子デバイスの弾性の跳ね返りの振動を利用して帯電フイルムの集合離合を容易にした摩擦発電デバイスを共成させたことを特徴とする湾曲型圧電素子及び摩擦発電共成デバイス
【請求項３】
加圧により起電する圧電素子デバイスと、加圧により起電する摩擦発電デバイスの占有エリアの共有による発電の効率を高める目的で、弾性を高めるために半球型に成型した半球型圧電素子デバイスと、半球型圧電素子デバイスの弾性の跳ね返りの振動を利用して帯電フイルムの集合離合を容易にした摩擦発電デバイスを共成させたことを特徴とする半球型圧電素子及び摩擦発電共成デバイス
【請求項４】
請求項２の湾曲型圧電素子及び摩擦発電共成デバイスを使用した、発電デバイス床敷マット
【請求項５】
請求項３の半球型圧電素子及び摩擦発電共成デバイスを使用した、発電デバイス床敷マット

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電効率を高める目的で、熱可塑性プラスチックの圧電材料と、ゴム弾性を有する熱可塑性エラストマーを交互に複数層積層させて成型した圧電フイルム、当該圧電フイルムを中空の湾曲型・半球型圧電素子デバイスに成型し、下部に該圧電素子デバイスの弾性の跳ね返りの振動を帯電フイルムの集合離合を容易にする方法に利用する摩擦発電装置を設けたことを特徴とする、圧電素子及び摩擦発電共成デバイス装置に関するものである。
続きを表示（約 5,500 文字）【背景技術】
【０００２】
圧電素子とは、結晶にひずみを加えると結晶の両端にひずみに比例して電圧が生じる圧電効果と、逆に電圧を加えると電圧に比例した力やひずみが発生する圧電体を用いたデバイス(さまざまな現象を利用する目的で一定の構造機能を備えた対象物)で、身近なものでは使い捨てライターがあり、レバーを押すと「カチ」と音がして火が点くタイプのものにセラミック製の圧電素子が使われている。「カチ」と音がした時に圧縮された圧電素子がバネで元に戻りその時生じた電圧で火花を飛ばして着火する。また、防犯用に窓ガラスに貼り付けてあるセンサ、メロデイー電報、電子ブザー等にも圧電素子が使われている。圧電デバイスの特徴としては構造が簡単で大量生産が可能、電磁誘導のように回転時ノイズが発生しない、磁気を必要としない、機械的振動エネルギーだけで電気を発生させることができ配線さえ間違えなければ再現性が良く確実に発電する、圧電素子が壊れない限り何時でも何処でも準備なしに発電が可能である、等々である。
圧電プラスチックは加工性が良く大面積薄膜化が容易で、圧電セラミックの１０倍以上の高電圧出力、ダイナミックレンジ：１４０dBという広範囲な圧力感度、０，００１ヘルツからメガヘルツに至る広い周波数特性と優れた化学的安定性を有し、軽く柔らかなので、マイクロホン、ヘッドホン、レーザパワーメータ、赤外センサ、スピーカなどのアクチュエータ(外部の刺激を単純な動きに変える素子)や医療用超音波診断素子、圧力発電用圧電素子として利用され、近年は人工筋肉やロボットの関節を曲げるなどへの応用も研究されている。
他方、共成する摩擦発電装置とは、用途・応用分野においてはあらゆるものがインターネットと接続するIOT社会の自己発電型センシングデバイスとして
1. 振動や回転する装置のメンテナンスフリーセンサ
2. 人や動物の動きで発電するウェアラブル分野でのセンサ
の利用が見込まれ、その原理とは
二つの材質の異なる物体が接触すると電荷の移動が起こり、更にその物体が離れる際移動した電荷の一部は元に戻るが多くは電荷が残留した状態になる。この現象を帯電といいこれを用いた発電を行う。
公開された小型薄型の摩擦発電デバイスのデバイス内は、波状になった二枚の帯電フイルムを重ね合わせその両側を電極で挟んだ構造になっており、振動による圧力が加わると帯電フイルム同士が擦れ合い、一方がマイナス「以下、負」一方がプラス「以下、正」に帯電する。更に運動靴を使用した試作品では、靴のインソールに50×50×6mmの摩擦発電機を組み込んで０，６ｍｗ／ステップの発電量を得ており、10個程度のLEＤは歩行時に点灯が可能である
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特許第６１６３６２４圧電素子
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧電材料とは変形させると電圧を生じるもの、逆に電圧をかけると変形する物質を指すがその変形とは主に物質の曲りや歪みであるため、材質の柔軟さを考慮して圧電発電に関してはプラスチック圧電素子が主流を占めてきているが、圧力発電用マットや高速道路陸橋の橋桁に敷き詰めた圧電デバイスの起電力は、上方からの加重によるものが大半を占めるため圧電素子の曲りや歪みが少なく発電効率が良くないので、発電効率を良くするためプラスチック圧電素子の改善が進み、また近年、印刷技術の向上によりプラスチック圧電素子の製作もその対象となり、低コストのプラスチック圧電素子の大量生産が可能になり、新開発のプラスチック圧電素子の登場を含め、更なる技術革新が期待されているので、本発明では材質ではなくプラスチック圧電素子を湾曲型・半球型にすることで発電効率の向上を目指した。他方、下方に設置する摩擦発電装置とは、用途・応用分野においてはあらゆるものがインターネットと接続するIOT社会の自己発電型センシングデバイスとして公知されているが、圧電デバイスと摩擦発電デバイスは、占有エリアを含め用途に重複する場面が多くあり、両デバイス共に加圧による起電であることから共成を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、プラスチック圧電素子の圧電効率を向上させる目的で、圧電材料である熱可塑性プラスチックに電極を設けたフイルムを、それぞれ反発弾性を特性とする熱可塑性エラストマーのフイルムで挟み込んだ形で複数層積層し、湾曲型・半球型に成型し、その弾性の跳ね返りによる振動を共成する摩擦発電装置の帯電フイルムの集合離合に利用することで、摩擦発電デバイスの発電効率を高めた。
【発明の効果】
【０００６】
圧電材料である熱可塑性プラスチックに電極を設けたフイルムを、それぞれ反発弾性を特性とする熱可塑性エラストマーのフイルムで挟み込んだ形で複数層積層し、湾曲・半球型にした圧電素子を作成して、圧電発電デバイスの圧電アクチュエータとして使用することで、加重加圧による変形や曲り、歪みが大きくなることで、発電効率を高めまた共成する摩擦発電装置に弾性の跳ね返りによる振動を与えることにより帯電フイルム同士の集合離合が容易になり、今までより効率的に発電できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
湾曲圧電素子及び摩擦発電共成デバイスの斜視図
湾曲圧電素子及び摩擦発電共成デバイスの構造図
加圧後の湾曲圧電素子及び摩擦発電共成デバイスの構造図
減圧後の湾曲圧電素子及び摩擦発電共成デバイスの構造図
再加圧後の湾曲圧電素子及び摩擦発電共成デバイスの構造図
湾曲圧電素子及び摩擦発電共成デバイスを使用した床敷マット
半球型圧電素子及び摩擦発電共成デバイスの斜視図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
圧電材料とは変形させると電圧を生じるもの、逆に電圧をかけると変形する物質を指すが、その圧電材料に電極を取り付けて電気的なインプットまたはアウトプットができるように形成した素子が圧電素子である。熱可塑性プラスチックとは鎖状の高分子から成り立ち、文字どおり熱を加えると柔らかく加工し易くなり冷やすと固くなるプラスチックで、熱可塑性プラスチックにも圧電材料がある。一般的には、ポリフッ化ビニリデン(以下ＰＶＤＦ)が使用される。フッ素は電子を引っ張るのでマイナスになり、他の部分がプラスになる。このような電気的偏りを分極といい、ＰＶＤＦフイルムを延伸し分子鎖を引き延ばすと分極の方向も並ぶ。すると隣の分子もその分極に影響されて並んでいくので全体の分子が並ぶことになり、このように分極が自発的に並ぶ材料を強誘電性材料という。例えば配向させたＰＶＤＦフイルムに電極を取り付けて曲げるとポリマーの分極の並びも変化するので微弱な電圧が生じ、逆に電圧をかけると引きあい反発することでＰＶＤＦフイルムが曲がる。このように外部からの刺激(この場合電圧)を単純な動きに変える素子をアクチュエータと呼ぶ。ＰＶＤＦの成型方法は押出、射出で特性は耐曲、耐衝撃、軽量、柔軟である。熱可塑性エラストマーとはプラスチックの仲間で、構造にゴム弾性を持つ一群の材料の呼称であり分子鎖間に架橋は無いが、剛直なハードセグメントが配列している分子鎖を柔軟なソフトセグメントが連結しているものからなり、常温ではゴム弾性を示し高温では可塑化する。熱可塑性エラストマーのポリエステル系(以下ＴＰＥＥ)の成型方法は押出、射出で特性は反発弾性、耐屈曲疲労、耐久性、耐油、耐薬、耐熱である。
摩擦発電装置とは、用途・応用分野においてはあらゆるものがインターネットと接続するIOT社会の自己発電型センシングデバイスとして、振動や回転する装置のメンテナンスフリーセンサや、人や動物の動きで発電するウェアラブル分野でのセンサの利用が見込まれ、その原理とは
二つの材質の異なる物体が接触すると電荷の移動が起こり、更にその物体が離れる際移動した電荷の一部は元に戻るが多くは電荷が残留した状態になる。この現象を帯電といいこれを用いた発電を行う。
圧電デバイスと摩擦発電デバイスは、占有エリアや用途に重複する場面が多くあり、両デバイス共に加重加圧による発電であることから共成のデバイスを構築した。
【実施例】
【０００９】
以下、本発明の圧電素子及び摩擦発電共成デバイスについて実施例の形態を、添え付け図面を参照して説明する。なおプラスチック圧電素子デバイスについてその実施例の形態を説明するために、プラスチック圧電素子デバイスを作成するための原材料として、プラスチック圧電材料のフイルムにＰＶＤＦ、緩衝材料のフイルムにＴＰＥＥを使用し、圧電素子デバイスの弾性を高める方法として湾曲型に成型し、摩擦発電デバイスについては公開された資料を参照している。湾曲型圧電素子及び摩擦発電共成デバイス（１）内の摩擦発電デバイスは、図２の状態では、何事も起きておらず、図３で上部からの加圧による二つの材質の異なる物質の接触により正の電荷を有する物体は負の電荷を取り込み、負の電荷を有する物体は正の電荷取り込む。図３で上部からの加圧による二つの材質の異なる物質の接触により正の電荷を有する物体は負の電荷を取り込み、負の電荷を有する物体は正の電荷取り込むが、図４で接触した二つの物体を離すと、元来負の電荷を有し正の電荷を取り込んだ物体は残留した正の電荷を帯電フイルムに接した導体に誘導電荷が誘導され電極から正の電流が流れ、図５で再度の上部からの加圧による二つの材質の異なる物質の接触により、元来正の電荷を有し負の電荷を取り込んだ物体は残留した負の電荷を帯電フイルムに接した導体に誘導電荷が誘導され電極から負の電流が流れる。
図１は帯電フイルムと導体と電極の集合体、「以下、摩擦発電材」甲（４）摩擦発電
材乙（５）で成型した摩擦発電デバイスを内包した上部湾曲型圧電素子デバイス（２）下部湾曲型圧電素子デバイス（３）で構成した本発明の湾曲型圧電素子及び摩擦発電共成デバイス（１）の斜視図である。
図２は湾曲型圧電素子及び摩擦発電共成デバイス（１）の構造図であり、圧電素子（
６）緩衝材（７）永久帯電防止剤ペレスタット「以下、帯電防止剤」（８）電極（９）で構成された上部湾曲型圧電素子デバイス（２）下部湾曲型圧電素子デバイス（３）と、摩擦発電材甲（４）帯電フイルム甲（10）導体甲（11）波形帯電フイルム面甲（12）摩擦発電材乙（５）帯電フイルム乙（13）導体乙（14）波形帯電フイルム面乙（15）で構成された摩擦発電デバイスである。
図３は加圧後の湾曲型圧電素子及び摩擦発電共成デバイス（１）の構造図であり、上
部湾曲型圧電素子デバイス（２）は上部からの加圧により下部に押し下げられ内包した摩擦発電材甲（４）を押し下げ波形帯電フイルム面甲（12）を、摩擦発電材乙（5）の波形帯電フイルム面乙（15）に擦り合わせながら嵌合する。二つの材質の異なる物体が接触すると電荷の移動が起こり、正の電荷を有する物体は負の電荷を取り込み、負の電荷を有する物体は正の電荷取り込むので帯電フイルム甲（10）は負の電荷を取り込み、帯電フイルム乙（13）は正の電荷を取り込む。
図４は減圧後の湾曲型圧電素子及び摩擦発電共成デバイス（１）の構造図であり、減
圧により上部湾曲型圧電素子デバイス（２）の弾性による跳ね返りの振動で、摩擦発電材甲（４）の帯電フイルム甲（10）と摩擦発電材乙（５）の帯電フイルム乙（13）は引き離され、物体が離れる際移動した電荷の一部は元に戻るが多くは電荷が残留した状態になるので、元来負の電荷を有し正の電荷を取り込んだ帯電フイルム乙（13）に残留した正の電荷は導体乙（14）に誘導電荷が誘導され正の電流が電極（９）に流れる。他方上部湾曲型圧電素子デバイス（２）と下部湾曲型圧電素子デバイス（３）は弾性による跳ね返りで形状を戻し圧電素子（６）に電荷が生じ電極（９）に電流が流れ、摩擦発電デバイスは圧電素子デバイスの弾性による跳ね返りの振動で帯電フイルム甲（10）と帯電フイルム乙（13）は離れ間隙をつくる。
図５は再加圧後の湾曲型圧電素子及び摩擦発電共成デバイスの構造図であり、再度の
上部からの加圧による二つの材質の異なる物質の接触により、元来正の電荷を有し負の電荷を取り込んだ帯電フイルム甲（10）は残留した負の電荷を導体甲（11）に誘導電荷が誘導され負の電流が電極（９）に流れる。
【実施例】
【００１０】
発明の要旨に違反しない範囲で、本発明はさらに別の実施態様が可能である。
図６は湾曲型圧電素子及び摩擦発電共成デバイスを使用した床敷マット（20）の実施
例２の斜視図である。本発明湾曲型圧電素子及び摩擦発電共成デバイス（１）を上部床敷マット（21）と下部床敷マット（22）の間に配置した。
【実施例】
（【００１１】以降は省略されています）

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