振動發(fā)電元件的制作方法
【專利摘要】振動發(fā)電元件(1)具備：固定電極(11)；可動電極(12)，其與固定電極(11)對置配置，且能夠相對于固定電極(11)移動；以及離子液體(13)，其設(shè)置成存在于對置配置的固定電極(11)與可動電極(12)之間，夾著固定電極(11)與離子液體(13)的界面而形成的雙電層(16a)以及夾著可動電極(12)與離子液體(13)的界面而形成的雙電層(16b)中的至少一個的面積，通過來自外部的振動所引起的可動電極(12)的移動而發(fā)生變化，從而進(jìn)行發(fā)電。
【專利說明】
振動發(fā)電元件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及使用了離子液體的振動發(fā)電元件。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，作為利用環(huán)境中的振動進(jìn)行發(fā)電的器件(能量采集器)，有效的是使用駐極體，且進(jìn)行了很多的研究、研發(fā)。振動發(fā)電器件的主要目的是用作獨立型的各種傳感器的電源、或者該獨立型傳感器信號的無線通信用器件的電源，因此，需要小型且大發(fā)電量(yw?HiW范圍)。例如，在專利文獻(xiàn)I記載的振動發(fā)電元件中構(gòu)成為，通過使振動電極相對于形成有駐極體的電極振動而進(jìn)行發(fā)電。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0004]專利文獻(xiàn)
[0005]專利文獻(xiàn)1:日本國特開2011-36089號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明所要解決的課題
[0007]但是，在上述的振動發(fā)電元件中，因為電極間距離為μπι級，所以，即使在使用了駐極體的情況下，發(fā)電量也小，存在器件尺寸小型化、提高發(fā)電量的課題。
[0008]用于解決課題的方案
[0009]根據(jù)本發(fā)明的第一方案，振動發(fā)電元件具備:固定電極;可動電極，其與固定電極對置配置，且能夠相對于固定電極移動；以及離子液體，其設(shè)置成存在于對置配置的固定電極與可動電極之間，夾著固定電極與離子液體的界面而形成的雙電層以及夾著可動電極與離子液體的界面而形成的雙電層中的至少一個的面積，通過來自外部的振動所引起的可動電極的移動而發(fā)生變化，從而進(jìn)行發(fā)電。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的第二方案，在第一方案的振動發(fā)電元件中，優(yōu)選，可動電極能夠在與固定電極的間隔發(fā)生變化的方向上移動，夾著固定電極與離子液體的界面而形成的雙電層以及夾著可動電極與離子液體的界面而形成的雙電層的面積，通過來自外部的振動所引起的可動電極的移動而分別發(fā)生變化。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的第三方案，在第二方案的振動發(fā)電元件中，優(yōu)選，相互對置的固定電極及可動電極中的一個為駐極體電極，駐極體電極的表面電位設(shè)定在離子液體的電位窗口的范圍內(nèi)。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的第四方案，在第二方案的振動發(fā)電元件中，優(yōu)選，利用在固定電極及可動電極與離子液體的接觸區(qū)域產(chǎn)生的界面電動現(xiàn)象而形成雙電層。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的第五方案，在第二至四中任一方案的振動發(fā)電元件中，優(yōu)選，可動電極具有:正面?zhèn)入姌O，其設(shè)于該可動電極的正面?zhèn)龋灰约胺疵鎮(zhèn)入姌O，其設(shè)于可動電極的反面?zhèn)?，固定電極具有:第一電極，其與正面?zhèn)入姌O對置配置；以及第二電極，其與反面?zhèn)入姌O對置配置，離子液體設(shè)置成，分別存在于第一電極與正面?zhèn)入姌O之間以及第二電極與反面?zhèn)入姌O之間。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的第六方案，在第一方案的振動發(fā)電元件中，優(yōu)選，可動電極能夠以將與固定電極的間隔保持為恒定的狀態(tài)進(jìn)行滑動，夾著可動電極與離子液體的界面而形成的雙電層的面積，通過來自外部的振動所引起的可動電極的滑動而發(fā)生變化。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的第七方案，在第六方案的振動發(fā)電元件中，優(yōu)選，可動電極具有:可動基板；以及駐極體電極，其設(shè)置于可動基板的與固定電極對置的面，且表面電位設(shè)定在離子液體的電位窗口的范圍內(nèi)，夾著駐極體電極與離子液體的界面而形成的雙電層的面積，通過可動電極的滑動而發(fā)生變化。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的第八方案，在第七方案的振動發(fā)電元件中，優(yōu)選，可動電極具有:第一駐極體電極，其設(shè)于可動基板的正面；以及第二駐極體電極，其設(shè)于可動基板的反面，固定電極具有:第一電極，其與可動基板的正面對置配置；以及第二電極，其與可動基板的反面對置配置，離子液體設(shè)置成，分別存在于第一電極與可動基板的正面之間以及第二電極與可動基板的反面之間。
[0017]發(fā)明效果
[0018]根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)振動發(fā)電元件的小型化及發(fā)電量提高。
【附圖說明】
[0019]圖1是表示本發(fā)明的振動發(fā)電元件的第一實施方式的剖視圖。
[0020]圖2是表示圖1所示的振動發(fā)電元件的主要部分的示意圖。
[0021]圖3是說明第一實施方式的發(fā)電動作的圖。
[0022]圖4是表示第二實施方式的振動發(fā)電元件的概略結(jié)構(gòu)的圖。
[0023]圖5是表示圖4所示的振動發(fā)電元件的主要部分的示意圖。
[0024]圖6是說明第二實施方式的發(fā)電動作的圖。
[0025]圖7是說明第三實施方式的圖。
[0026]圖8是表示第四實施方式的振動發(fā)電元件的概略結(jié)構(gòu)的圖。
[0027]圖9是說明第四實施方式的發(fā)電動作的圖。
[0028]圖10是表示在第二實施方式中，電極側(cè)振動的情況下的結(jié)構(gòu)的圖。
[0029]圖11是表示第四實施方式的變形例的圖。
[0030]圖12是表示第五實施方式的振動發(fā)電元件I的剖視圖的圖。
[0031]圖13是表示可動基板42的正反面的圖。
[0032]圖14是說明第五實施方式的發(fā)電動作的圖。
【具體實施方式】
[0033]-第一實施方式-
[0034]圖1是說明本發(fā)明的振動發(fā)電元件的第一實施方式的圖。圖1(a)是振動發(fā)電元件I的剖視圖，圖1(b)是圖1 (a)的A-A剖視圖。振動發(fā)電元件I具備固定電極11、可動基板12以及離子液體13(1nic liquid)。離子液體13設(shè)置成介于固定電極11與可動基板12之間。固定電極11兼作設(shè)于振動發(fā)電元件I的容器的底板，由該固定電極11和由絕緣材料形成的圓筒部2及頂板3構(gòu)成容器。
[0035]上述的可動基板12和離子液體13收納于容器內(nèi)。可動基板12在圖1(a)中在上下方向能夠移動地設(shè)置，且由環(huán)狀的限位件4a、4b限定上下方向的可動范圍L。容器內(nèi)的氣體妨礙可動基板12的移動，因此優(yōu)選容器內(nèi)保持真空狀態(tài)。圓板狀的可動基板12具備支撐基板121和設(shè)于支撐基板121的下表面(與固定電極11對置的面)的駐極體122。
[0036]駐極體122為，例如，使聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)等介質(zhì)薄膜通過電暈放電等而帶正電荷(或負(fù)電荷)而駐極體化的部件。即，形成有駐極體122的可動基板12作為可動電極發(fā)揮功能。
[0037]另一方面，優(yōu)選固定電極11的與離子液體13接觸的面的憎水性優(yōu)異，例如，作為電極材料，優(yōu)選使用金(Au)。另外，優(yōu)選在作為可動基板12上下移動時的滑動面的圓筒部內(nèi)面與支撐基板121的外周面形成摩擦系數(shù)低的材料(例如PTFE等)。
[0038]設(shè)于可動基板12與固定電極11之間的離子液體13與駐極體122和固定電極11接觸。在本實施方式中，駐極體122帶正電，離子液體13的負(fù)離子向駐極體方向移動，正離子向固定電極11方向移動。其結(jié)果，夾著駐極體122與離子液體13的界面形成雙電層16b，夾著固定電極11與離子液體13的界面形成雙電層16a。在離子液體13中雖然能夠使用各種物質(zhì)，但是，在本實施方式中，作為一個示例，使用了1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽。
[0039]圖2是表示振動發(fā)電元件I的主要部分的示意圖。負(fù)載14連接于固定電極11?？蓜踊?2的電位比固定電極11高駐極體電壓(駐極體12 2的表面電位)。離子液體13是僅由正離子和負(fù)離子構(gòu)成的有機液體的一種，在常溫下，蒸汽壓非常低，基本不蒸發(fā)。另外，粘性為30?500[Pa.s]左右。由于離子液體13僅由離子構(gòu)成，雖然導(dǎo)電性良好，但是電位窗口寬，電穩(wěn)定性高。電位窗口是指在電解液中實質(zhì)上電流不流動的電位區(qū)域，在上述的離子液體13中，具有±I?3[V]左右的電位窗口。
[0040]上述的駐極體122的電壓(表面電位)設(shè)定在離子液體13的電位窗口的范圍內(nèi)。此夕卜，從振動發(fā)電元件的發(fā)電能力這點出發(fā)，優(yōu)選駐極體122的電壓在電位窗口的范圍內(nèi)設(shè)定為盡量大的值。以下，將通過駐極體122對尚子液體13施加的電壓稱作偏壓。
[0041 ] 設(shè)于駐極體122與固定電極11之間的離子液體13的負(fù)離子由于通過駐極體122形成的電場而受朝向駐極體122的方向的引力。其結(jié)果，如上所述，夾著駐極體122與離子液體13的界面形成雙電層16b。另一方面，在固定電極11與離子液體13的接觸區(qū)域中，離子液體13的正離子向固定電極11側(cè)移動，由該正離子和靜電感應(yīng)至固定電極11側(cè)的負(fù)電荷形成雙電層16a。雖然也依賴于離子液體13的種類，但是，雙電層的厚度為l[nm]左右。另外，已知，對于向雙電層施加了交流電壓時的靜電容量，通常，在實驗上在0.1Hz?IMHz的范圍內(nèi)，為
1[yF/cm2 ]?0.2 [yF/cm2 ]左右。
[0042]如圖1所示，振動發(fā)電元件I的可動基板12構(gòu)成為能夠在固定電極11與可動基板12的間隔d發(fā)生變化的方向上移動。當(dāng)由于來自外部的振動(以下稱為擾動)而振動發(fā)電元件I的容器振動時(特別是，在軸向上振動時)，相對于固定電極11，可動基板12在圖示上下方向上振動。例如，如后述的圖3，可動基板12能夠在間隔d為d0?dO/2的范圍上下移動。該可動范圍能夠根據(jù)圖1所示的限位件4a、4b的位置進(jìn)行設(shè)定。
[0043]接下來，對振動發(fā)電元件I的動作進(jìn)行說明。以往的振動發(fā)電元件利用電極間(例如，金屬電極與駐極體電極之間)的靜電容量的變化，然而，本實施方式的振動發(fā)電元件I的特征在于，通過由可動基板12的振動而引起的離子液體13的接觸面積變化(S卩，雙電層的面積變化)進(jìn)行發(fā)電。
[0044]如上所述，雙電層的每單位面積的靜電容量根據(jù)偏壓、振動頻率而變化，但是當(dāng)針對離子液體13的上述偏壓處于電位窗口的范圍，且振動頻率為0.1Hz時，每I [ cm2 ]的靜電容量為10[yF/cm2]左右。即，在雙電層16a、16b的面積為I [cm2]的情況下，存在雙電層16a、16b的部分的靜電容量為10[yF] = lX10—5[F]左右。若將雙電層16a、16b的電壓設(shè)為1[V]，則電荷的量(帶電量)為1X10—5[C]。
[0045]另一方面，在使用駐極體電極的以往的振動發(fā)電元件的情況下，若將駐極體電極及金屬電極的對置面積設(shè)為l[cm2]、將電極間隔設(shè)為10?100[μπι]左右，則電極間的靜電容量C(C=eQX(面積)/(間隔))為8.85X10-12[F]?8.85X10-n[F]。若將駐極體電極的電壓設(shè)為200[V]，則帶電量為I.77Χ 10—9?I.77Χ 10—1Q[C]。其中，真空介電常數(shù)εο為εο^8.85Χ10-12[F/m]。
[0046]從而，在本實施方式的情況中，即使對雙電層施加的電壓為1[V]左右而較低，與以往的使用駐極體的振動發(fā)電元件相比電極的帶電量也為I萬倍至10萬倍而非常大。這是因為，層厚度(以下用符號de表示)使用了nm級的雙電層。在本實施方式中，如上所述，構(gòu)成為通過具有大靜電容量的雙電層的面積變化進(jìn)行發(fā)電，因此，如后所述，相比以往的振動發(fā)電元件，能夠相差懸殊地得到較大的發(fā)電量。
[0047]此外，如圖2所示，固定電極11與可動基板12的間隙為存在離子液體13的區(qū)域和單純的空間(本實施方式的情況下為真空)的區(qū)域，在不存在離子液體13的區(qū)域中，也具有靜電容量。例如，在不存在咼子液體13而只是一對電極(面積設(shè)為I [cm2])以d = I [mm]對置的情況下，靜電容量 C 為 C=e0XlX10—4[m2]/lX10—3[m]?8.85X10—13[F]。
[0048]另一方面，如上所述，在雙電層16a、16b的面積為I[cm2]的情況下，存在雙電層16a、16b的部分的靜電容量為10[yF] = l X 10—5[F]左右。因此，未存在離子液體13的區(qū)域的靜電容量為雙電層16a、16b的靜電容量的1/107左右，非常小。
[0049]因此，在以下的振動發(fā)電元件I的動作說明中，將不存在離子液體13的區(qū)域的靜電容量設(shè)為零，作為將雙電層電容器串聯(lián)進(jìn)行考慮。從而，在振動發(fā)電元件I中，實質(zhì)上，通過由雙電層16a、16b的面積變化而引起的靜電容量的變化來進(jìn)行發(fā)電。
[0050]圖3是說明振動發(fā)電元件I的動作的示意圖。圖3(a)表示間隔d為最大的d= d0的情況(與圖2相同)，圖3(b)表示間隔d為最小的d = d0/2的情況。在圖3(a)的情況和圖3(b)的情況中，離子液體13的體積相同，因此，若設(shè)圖3(a)中的駐極體122與離子液體13的接觸面積、及固定電極11與離子液體13的接觸面積為SO，則圖3 (b)中的各接觸面積為2S0。即，圖3 (b)中的雙電層16a的面積增加至2倍，靜電容量變成2倍。
[0051 ]其結(jié)果，當(dāng)可動基板12從圖3 (a)的狀態(tài)向固定電極方向移動時，負(fù)電荷從GND側(cè)向固定電極11移動，在負(fù)載14中電流I沿圖3(b)的箭頭方向流動。相反，當(dāng)可動基板12從圖3(b)的狀態(tài)向圖示上方移動時，負(fù)電荷從固定電極11向GND側(cè)移動，在負(fù)載14中電流I沿圖3
(a)的箭頭方向流動。
[0052]若將圖3(a)的雙電層16a的面積設(shè)為0.5[cm2]、將圖3(b)的雙電層16a的面積設(shè)為1
[0112]，則雙電層16&的靜電容量從54?]增加至104?]。例如，在假定雙電層16&中的電位差為IV的情況下，5[yC]的電荷通過負(fù)載14。若將從圖3(a)的狀態(tài)變化至圖3(b)的狀態(tài)所需的時間設(shè)為0.05[sec](這是與20Hz的振動相對應(yīng))，則100[μΑ]的電流在負(fù)載14流動。如上所述，當(dāng)間隙尺寸d以dO—dO/2的方式減少時，從固定電極11向GND流動電流，相反，當(dāng)以dO/2—dO的方式增加時，從GND向固定電極11流動電流。即，當(dāng)通過擾動而可動基板12上下振動時，在負(fù)載14中流動交流電流。
[0053]此外，在圖2、3的說明中，雖然對將由振動發(fā)電元件I發(fā)電的電力作為電流獲取的情況進(jìn)行了說明，但是，也可以設(shè)置成作為電壓進(jìn)行獲取的負(fù)載連接結(jié)構(gòu)。由于在振動發(fā)電元件I為開路的狀態(tài)下，當(dāng)可動基板12振動時，支撐基板121與固定電極11之間的電位差變化，因此能夠利用該電位差的變化。
[0054]例如，考慮以下情況，S卩，固定電極11與駐極體122的間隔(以下稱為電極間隔)以dO^dl的方式變化，離子液體13與固定電極11的接觸面積、即雙電層16a、16b的面積以S0—SI的方式變化。若將各雙電層16a、16b的靜電容量設(shè)為C、將雙電層16a、16b中的電位差、面積、厚度設(shè)為Ve、S、de、將固定電極11的帶電量設(shè)為Q，則Q = CVe、C=e.S/de成立。根據(jù)兩式，能表示成S.Ve = Q.de/ε，其中，0及雙電層的厚度de不變化，因此在電極間隔dO的電位差VeO與電極間隔dl的電位差Vel之間，S0.VeO = Sl.Vel成立。即，電極間隔dl時的雙電層16a、16b的電位差Vel以Vel = (S0/S1).VeO的方式變化。
[0055]然而，在如以往那樣利用電極間的靜電容量的振動發(fā)電元件的情況下，例如，如上所述，考慮面積為l[cm2]、且間隔為l[mm]的電容器的情況，當(dāng)間隔從l[mm]變化至0.5[mm]時，靜電容量從8.85 X10—13[F]增加至其兩倍，因此，靜電容量的變化AC為AC = 8.85 X 10—13[F]。例如，在使用了電壓200V的駐極體的情況下，電極的電荷量的變化為1.77X10—1()[C]= 1.77X10—4[yC]。這是本實施方式的情況的5[yC](其中，假定雙電層16a的電位差為IV)的約1/10000。
[0056]因此，在本實施方式的振動發(fā)電元件中，通過利用由離子液體而形成的雙電層的靜電容量，能夠得到非常大的發(fā)電量。相比一般的電容器的靜電容量，雙電層的靜電容量非常大。因此，能夠以較小的位移得到更大的電力，而且能夠?qū)崿F(xiàn)振動發(fā)電元件的小型化。另夕卜，通過由擾動而引起的可動基板12與固定電極11的間隔的變化來使雙電層的面積變化，因此能夠通過較少的位移來得到較大的面積變化，能夠?qū)崿F(xiàn)振動發(fā)電元件I的進(jìn)一步的小型化。
[0057]在以往的振動發(fā)電元件的情況下，如專利文獻(xiàn)I記載的振動發(fā)電元件那樣，通常為以下結(jié)構(gòu)，通過彈簧常數(shù)非常小的彈性支撐部將質(zhì)量比較大的可動部支撐為能夠可動。這是因為，由于作為外部對振動發(fā)電元件的振動，使用步行時的振動、橋的振動等，因此振動頻率為數(shù)Hz?數(shù)十Hz左右。在這樣的低頻率中，以能夠共振的方式，采用以非常弱的彈性支撐部支撐可動部的構(gòu)造。因此，以往的振動發(fā)電元件存在彈性支撐部易壞的缺點。另外，由于利用共振，因此也存在能夠利用的頻帶窄的缺點。
[0058]從這樣的理由出發(fā)，在本實施方式中，通過使用圖1所示的滑動構(gòu)造，而構(gòu)成為可動基板12能夠自由地振動。其結(jié)果，不管外部振動的頻率如何，都能夠高效地進(jìn)行發(fā)電。當(dāng)然，在本實施方式的振動發(fā)電元件的情況下，也能夠采用利用彈性支撐部支撐可動基板12的構(gòu)造。
[0059]此外，在本實施方式中，由于使與離子液體13的接觸面積變化來進(jìn)行發(fā)電，因此為了有效地使接觸面積變化，與離子液體13的接觸面、特別是固定電極11的接觸面的憎水性則是很重要的。作為電極材料，在使用金的情況下憎水性優(yōu)異，因此無需進(jìn)行憎水處理(例如，憎水性膜的形成)，但是，根據(jù)電極材料的種類而可能需要進(jìn)行斥水處理。其中，在形成了憎水性膜的情況下，由于雙電層的厚度(上述的C=e.S/de中的de)變大而導(dǎo)致靜電容量的降低，因此優(yōu)選膜厚盡量薄。例如，優(yōu)選使用憎水性單分子膜。
[0060]此外，在上述的實施方式中，將容器的形狀形成為圓筒，將固定電極11、可動基板12形成為圓板狀，但是不限于這些形狀。例如，也可以將固定電極11、可動基板12形成為矩形。另外，雖然構(gòu)成為可動基板12利用滑動構(gòu)造而上下移動，但是也可以構(gòu)成為電極側(cè)進(jìn)行振動。
[0061]在說明動作原理的圖2中，雖然構(gòu)成為固定電極11與負(fù)載14直接連接，但是，也可以在振動發(fā)電元件I的輸出側(cè)設(shè)置整流電路、蓄電部等而構(gòu)成發(fā)電裝置。
[0062]-第二實施方式-
[0063]圖4?6是說明本發(fā)明的第二實施方式的圖。圖4是表示振動發(fā)電元件I的概略結(jié)構(gòu)的圖，表示與圖1(a)的情況相同的剖面形狀。此外，以下，以與圖1所示的結(jié)構(gòu)不同的部分為中心進(jìn)行說明。
[0064]本實施方式的可動基板22在支撐基板221的正反面形成有駐極體222a、222b。以與駐極體222a對置的方式配置有第一固定電極11a，以與駐極體222b對置的方式配置有第二固定電極I lb。在駐極體222a與固定電極I Ia的間隙中存在離子液體13a，在駐極體222b與固定電極11b的間隙中存在離子液體13b。
[0065]可動基板22構(gòu)成為能夠沿固定電極lla、llb之間，在圖示上下方向上移動，可動范圍2L由限位件4a、4b設(shè)定。在圖4所示的例中，示出了可動基板22位于可動范圍的中央位置的情況。由圓筒部2、安裝于圓筒部2的下部開口的固定電極I la、以及安裝于圓筒部2的上部開口的固定電極Ilb構(gòu)成了容器。與第一實施方式的情況相同，容器內(nèi)為設(shè)置成真空狀態(tài)。
[0066]圖5是表示振動發(fā)電元件I的主要部分的示意圖。圖5表示獲取電流的情況下的負(fù)載連接結(jié)構(gòu)，負(fù)載14連接在固定電極11 a與固定電極11 b之間，固定電極11 a設(shè)置成GND電位。各駐極體222a、222b帶正電。因此，與第一實施方式的情況相同，在離子液體13a與固定電極Ila及駐極體222a的界面、以及離子液體13b與固定電極Ilb及駐極體222b的界面，分別形成雙電層。在此，用符號16a表不離子液體13a與固定電極I Ia之間的雙電層，用符號16b表不離子液體13b與固定電極I Ib之間的雙電層。另外，用符號16c、16d表不形成于離子液體13a、13b與駐極體222a、222b的界面的雙電層。
[0067]圖6是說明在可動基板22振動的情況下在負(fù)載14流動的電流的圖。圖6(a)表示可動基板22移動至可動范圍的下端的情況。此時，設(shè)定為，駐極體222a與固定電極Ila的間隔為dO/2，可動電極I Ib與駐極體222b的間隔為dO。另一方面，圖6(b)表示可動基板22移動至可動范圍的上端的情況。駐極體2 2 2 a與固定電極11 a的間隔為d O，可動電極11 b與駐極體222b的間隔為dO/2。
[0068]離子液體13a、13b的體積相同(=dO X SO)，在圖6 (a)的情況下，離子液體13b與固定電極I Ib及駐極體222b的接觸面積分別為SO，離子液體13a與固定電極I Ia及駐極體222a的接觸面積分別為2S0。因此，若將雙電層16b的靜電容量設(shè)為CO，則雙電層16a的靜電容量為2C0。另一方面，在圖6(b)所示的狀態(tài)中，離子液體13b與固定電極11 b及駐極體2 2 2b的接觸面積分別為2S0，離子液體13a與固定電極Ila及駐極體222a的接觸面積分別為S0。
[0069]該情況下，雙電層的靜電容量與接觸面積成正比，因此，當(dāng)可動基板22從圖6(a)的狀態(tài)向固定電極Ilb側(cè)移動而變成圖6(b)所示的狀態(tài)時，雙電層16a的靜電容量以2C0—C0的方式變化，雙電層16b的靜電容量以C0—2C0的方式變化。其結(jié)果，負(fù)電荷從固定電極Ila向固定電極Ilb移動，在負(fù)載14中沿圖6(b)的箭頭方向流動電流I。
[0070]相反，當(dāng)可動基板22從圖6(b)的狀態(tài)向固定電極Ila側(cè)移動而變成圖6(a)所示的狀態(tài)時，雙電層16a的靜電容量以C0—2C0的方式變化，雙電層16b的靜電容量以2C0—C0的方式變化。其結(jié)果，負(fù)電荷從固定電極Ilb向固定電極Ila移動，在負(fù)載14中沿圖6(a)的箭頭方向流動電流I。
[0071 ]在此，若考慮開路狀態(tài)，則可動基板22與固定電極I Ia之間的電位差、及可動基板22與固定電極Ilb之間的電位差與圖2所示的可動基板12與固定電極11的關(guān)系相同。但是，由于各電位相互的相位錯位180度，因此，固定電極Ila與固定電極Ilb之間的電位差為圖3所示的結(jié)構(gòu)的2倍。
[0072]從而可知，本實施方式的情況下得到的發(fā)電功率(電力)為圖1所示的第一實施方式的情況的2倍。
[0073]此外，本實施方式的情況也將發(fā)電的電力作為電流輸出，但是也可以設(shè)置成獲取電壓的結(jié)構(gòu)。該情況下，形成與在第一實施方式所說明的情況相同的動作，在此省略說明。另外，在上述的實施方式中將容器的形狀設(shè)置成圓筒，將固定電極lla、llb、可動基板22設(shè)置成圓板狀，但是不限定于這些形狀。而且，雖然構(gòu)成為可動基板22利用滑動構(gòu)造來上下移動，但是，例如也可以構(gòu)成為用彈性體支撐可動基板22。
[0074]另外，也可以如圖10所示地構(gòu)成為不是駐極體側(cè)振動，而是電極側(cè)振動。在圖10所示的例中，構(gòu)成為，在作為固定電極發(fā)揮功能的一對駐極體222a、222b之間將可動電極10配置為能夠在上下方向上移動。將駐極體222a、222b以與可動電極10對置的面帶電的方式駐極體化?？蓜与姌O10具有在由金等構(gòu)成的電極101a、1lb之間夾持絕緣基板102的構(gòu)造。電極1 Ia與駐極體222a對置，電極1 Ib與駐極體222b對置。
[0075]負(fù)載14連接于電極1la與電極1lb之間。例如，當(dāng)可動電極10向駐極體222a方向移動時，電極1la與離子液體13a的接觸面積增加，電極1lb與離子液體13b的接觸面積減少。其結(jié)果，負(fù)電荷經(jīng)由負(fù)載14從電極1lb向電極1la移動，在負(fù)載14中向圖示上方向流動電流I。相反，當(dāng)可動電極10向駐極體222b方向移動時，負(fù)電荷從電極1la向電極1lb移動，在負(fù)載14中向圖示下方向流動電流。
[0076]-第三實施方式-
[0077]圖7是說明本發(fā)明的第三實施方式的圖，是表示振動發(fā)電元件I的主要部分的示意圖。在上述的第一實施方式中，如圖2所示，為了在離子液體13與固定電極11的接觸區(qū)域形成雙電層16a，使用了駐極體122。在本實施方式中，構(gòu)成為，取代形成有駐極體122的可動基板12，而使用利用外部電源施加了偏壓Vdd的可動電極32。
[0078]如圖7 (a)所示，當(dāng)對可動電極32施加偏壓Vdd時，離子液體13的負(fù)離子被吸引至可動電極側(cè)，正離子被吸引至固定電極側(cè)。其結(jié)果，在固定電極11及可動電極32與離子液體13的界面形成雙電層16a、16b。若設(shè)置偏壓Vdd與第一實施方式中的駐極體122的電壓(表面電位)相同，則形成與圖2所示的情況相同的雙電層16a、16b。如圖7(b)所示，當(dāng)使固定電極11與可動電極32的間隔減少至dO/2時，雙電層16a、16b的面積變成2倍，它們的靜電容量也變成2倍，這與第一實施方式相同。
[0079]另外，代替使與電源連接的電極上下移動，也可以構(gòu)成為使與負(fù)載連接的電極上下移動。另外，已知在金屬電極與離子液體的界面由于界面電動現(xiàn)象而形成雙電層。例如，在對金屬電極使用金的情況下，產(chǎn)生數(shù)十[mV]左右的界面電動電位。因此，雖然相比使用上述的駐極體、外部電源的情況，電壓變小，但是在金屬電極與離子液體的界面產(chǎn)生與之相對應(yīng)的雙電層。因此，能夠利用界面電動電位來構(gòu)成與上述的實施方式相同的振動發(fā)電元件。
[0080]-第四實施方式-
[0081]圖8、9是表示本發(fā)明的第四實施方式的圖。在上述的第一?第三實施方式中，通過使在間隙中保持離子液體13的一對基板的間隔變化，來使離子液體與基板的接觸面積(SP，雙電層的面積)變化，從而進(jìn)行發(fā)電。在本實施方式中，使形成有駐極體的可動基板相對于與離子液體的接觸面平行地滑動，從而使雙電層的面積變化。
[0082]圖8是表示振動發(fā)電元件I的概略結(jié)構(gòu)的圖。圖8(a)是振動發(fā)電元件I的剖視圖，圖8(b)是B-B剖視圖。振動發(fā)電元件I具備一對固定電極lla、llb和配置于它們之間的可動基板42。固定電極I Ia以嵌入框部件43a的孔430的方式固定于框部件43a。固定電極I Ib以嵌入框部件43b的孔431的方式固定于框部件43b。孔430和孔431對置。
[0083]在框部件43a、43b的與可動基板42對置的面上分別設(shè)有球432。如圖8(b)所示，球432在以孔430、431的中心軸為中心的圓周上配置有多個。可動基板42配置為被夾持在設(shè)于框部件43a的球432和設(shè)于框部件43b的球432之間。框部件43a、43b由絕緣材料形成。另外，對于球432，也優(yōu)選由絕緣材料(例如，陶瓷球等)形成。
[0084]在供固定電極Ila嵌入的孔430中填充有離子液體13a，離子液體13a存在于固定電極Ila與可動基板42之間。同樣地，在供固定電極Ilb嵌入的孔431中填充有離子液體13b，離子液體13b存在于固定電極Ilb與可動基板42之間。
[0085]圓板狀的可動基板42是在支撐基板421的正反面設(shè)置電介質(zhì)部件422a、422b而成的構(gòu)件。電介質(zhì)部件422a、422b僅各自的中央的圓形區(qū)域R通過帶電處理進(jìn)行駐極體化。即，圓形區(qū)域R的電介質(zhì)部件422a、422b作為駐極體發(fā)揮功能。以下，將圓形區(qū)域R稱為駐極體R。在本實施方式中，將駐極體(圓形區(qū)域)R設(shè)定為與孔430、431的剖面形狀大致相同。
[0086]設(shè)有可動基板42、固定電極Ila的框部件43a、以及設(shè)有固定電極Ilb的框部件43b收納于由圓筒部440、設(shè)于圓筒部440的上開口的頂板441、以及設(shè)于圓筒部440的下開口的底板442構(gòu)成的容器內(nèi)。固定電極IIa的下端面從形成于底板442的中央部的孔向外部露出。固定電極Ilb的上端面從形成于頂板441的中央的孔向外部露出?？虿考?3a固定于圓筒部440或底板442?？虿考?3b固定于圓筒部440或頂板441。因此，當(dāng)對容器施加外部振動時，可動基板42相對于框部件43a、43b在左右方向上滑動。此外，優(yōu)選將容器內(nèi)設(shè)置成真空，以避免妨礙可動基板42的振動。
[0087]圖9是說明第四實施方式的發(fā)電動作的圖。如上所述，可動基板42是在支撐基板421的正反面形成電介質(zhì)部件422a、422b而成的構(gòu)件。電介質(zhì)部件422a、422b的中央?yún)^(qū)域構(gòu)成了帶正電的駐極體R。
[0088]如圖9 (a)所示，在可動基板42位于中央時，駐極體R與離子液體13a、13b的部分對置。該情況下，夾著駐極體R與離子液體13a、13b的界面，形成雙電層16a、16b。另外，夾著固定電極Ila與離子液體13a的界面形成雙電層16c，夾著固定電極Ilb與離子液體13b的界面形成雙電層16d。當(dāng)可動基板42從該狀態(tài)如圖9 (b)所示地向左方滑動時，駐極體R也向左側(cè)移動，與離子液體13a、13b接觸的駐極體R的面積減少。從而，雙電層16a?16d的面積減少，雙電層16a?16d的靜電容量減少。其結(jié)果，固定電極lla、llb的負(fù)電荷向GND側(cè)移動，在負(fù)載14中流動箭頭表示的電流I。相反，當(dāng)可動基板42以從圖9(b)的狀態(tài)變成圖9(a)所示的狀態(tài)的方式滑動時，在負(fù)載14中流動與圖9(b)的箭頭方向相反方向的電流。
[0089]在上述的第四實施方式中，在滑動的可動基板42的上下兩側(cè)配置有固定電極11a、11b，但是也可以構(gòu)成為僅在可動基板42的一側(cè)設(shè)置固定電極。但是，相比僅在單側(cè)配置固定電極的結(jié)構(gòu)，在構(gòu)成為在可動基板42的上下兩側(cè)配置固定電極lla、llb的情況下，能夠得至IJ2倍的電流。
[0090]另外，也可以如圖11所示，在固定電極11a、Ilb的位置分別配置駐極體522a、522b，在可動基板52的圓形區(qū)域R(形成為凹部)配置電極lla、llb，也可以取代駐極體522a、522b而配置施加了偏壓的電極。在圖11中，電極lla、llb設(shè)于絕緣性的支撐基板520的正反面。[0091 ]另外，固定電極I Ia、I Ib及駐極體R也可以不是圓形，例如，也可以構(gòu)成為，矩形的駐極體相對于矩形的固定電極，在垂直于矩形的邊的方向上滑動。
[0092]-第五實施方式-
[0093]圖12?14是表不本發(fā)明的第五實施方式的圖。圖12是振動發(fā)電兀件I的剖視圖，圖13是表示可動基板42的正反面的圖。第五實施方式與第四實施方式的不同在于，設(shè)于可動基板42的正反面的電介質(zhì)部件422a、422b的駐極體化區(qū)域的形態(tài)。對于其它結(jié)構(gòu)，與第四實施方式相同，省略說明。
[0094]在上述的第四實施方式中，如圖8所示，電介質(zhì)部件422a、422b均將中央?yún)^(qū)域R駐極體化。但是，在第五實施方式中，如圖12、13所示，對于電介質(zhì)部件422a，將中央?yún)^(qū)域R(半徑r的區(qū)域)駐極體化，而對于電介質(zhì)部件422b，將中央?yún)^(qū)域R的外側(cè)的區(qū)域Rl (半徑r?2r的區(qū)域)駐極體化。
[0095]圖14是說明發(fā)電動作的圖。如圖14(a)所示，在可動基板42位于中央位置的情況下，可動基板42的中央?yún)^(qū)域R與固定電極I Ia、11b (即，離子液體13a、13b)對置。該情況下，在電介質(zhì)部件422a的駐極體化的區(qū)域與離子液體13a的接觸區(qū)域形成雙電層16a，在固定電極I Ia與離子液體13a的接觸區(qū)域形成雙電層16c。該情況下的雙電層16a、16c的面積與區(qū)域R的面積相同。
[0096]然后，如圖14(b)所示，當(dāng)可動基板42向圖示左方移動時，電介質(zhì)部件422a的駐極體化的區(qū)域R的、與固定電極11 a對置的部分的面積減少。其結(jié)果，雙電層16a、16c的面積也減少。另一方面，關(guān)于電介質(zhì)部件422a，駐極體化的區(qū)域Rl的一部分與固定電極Ilb對置。其結(jié)果，在電介質(zhì)部件422b的駐極體化的區(qū)域Rl與離子液體13b的接觸區(qū)域形成雙電層16b，與之相對應(yīng)地，在固定電極Ilb與離子液體13b的接觸區(qū)域形成雙電層16d。即，在離子液體13b側(cè)，雙電層的面積增加。其結(jié)果，在負(fù)載14中沿箭頭方向流動電流。
[0097]當(dāng)可動基板42從圖14(b)所示的狀態(tài)向圖示右方移動時，雙電層16a、16c的面積增加，雙電層16b、16d的面積減少。因此，在負(fù)載14中流動的電流的朝向為與圖14(b)的情況相反的朝向。之后，可動基板42移動至圖14(a)所示的狀態(tài)，且當(dāng)再向右側(cè)移動時，形成將圖14
(b)左右反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，在負(fù)載14中流動的電流的朝向與圖14(b)的情況相同。從而，當(dāng)可動基板42從圖14(a)的狀態(tài)左右振動時，在負(fù)載14中流動交流電流。
[0098]如以上說明地，在本發(fā)明的振動發(fā)電元件中，如圖1、2所示，具備:固定電極11;可動基板12，其與固定電極11對置配置，且在與固定電極11的間隔發(fā)生變化的方向(圖示上下方向)上能夠移動；以及離子液體13，其設(shè)置成存在于對置配置的固定電極11與可動基板12之間。
[0099]如圖3所示，當(dāng)由于擾動而可動基板12移動時，夾著固定電極11與離子液體13的界面而形成的雙電層16a、以及夾著可動基板12的駐極體122與離子液體13的界面而形成的雙電層16b的面積分別變化。其結(jié)果，雙電層16a的靜電容量變化，在與固定電極11連接的負(fù)載14中流動電流。
[0100]雙電層的厚為nm級，相比以往的振動發(fā)電元件的電極間距離，其非常小，因此伴隨可動基板12的振動的靜電容量變化也非常大。其結(jié)果，相比以往的振動發(fā)電元件，能夠得到非常大的發(fā)電量，能夠?qū)崿F(xiàn)振動發(fā)電元件的小型化。另外，通過固定電極11與駐極體122的間隔的變化，使雙電層的面積產(chǎn)生變化，因此，能夠通過可動基板12的稍微的變化，產(chǎn)生較大的面積變化。
[0101]此外，駐極體122的表面電位設(shè)定在離子液體13的電位窗口的范圍內(nèi)，因此能夠在離子液體13中不流動電流，而穩(wěn)定地形成雙電層16a、16b。
[0102]此外，作為雙電層16a、16b的形成方法，如上所述，可以使用駐極體122，也可以利用由界面電動現(xiàn)象生成的雙電層，也可以如圖7所示，設(shè)置電壓源來對可動電極施加偏壓而形成雙電層。偏壓設(shè)定在上述的電位窗口的范圍內(nèi)。
[0103]而且，如圖4所示，也可以構(gòu)成為，可動基板22在其正反面具有作為正面?zhèn)入姌O的駐極體222b和作為反面?zhèn)入姌O的駐極體222a，且具有與駐極體222b對置配置的固定電極
IIb和與駐極體222a對置配置的固定電極I la。該情況下，固定電極I Ib與駐極體222b之間存在離子液體13b，而且固定電極11 a與駐極體2 2 2a之間存在離子液體13a。其結(jié)果，固定電極Ila與固定電極Ilb之間的電壓變化，為如圖2所示地固定電極11為一個的情況下的2倍。
[0104]另外，如圖8、9所示，也可以在固定電極lla、llb與可動基板42之間存在離子液體13a、13b，使可動基板42相對于固定電極I Ia、I Ib滑動。當(dāng)可動基板42滑動時，設(shè)于可動基板42的正反面的電介質(zhì)部件42 2a、422b的駐極體化的區(qū)域R與離子液體13a、13b的接觸面積變化，夾著固定電極lla、llb與離子液體13a、13b的界面而形成的雙電層16b的面積變化。
[0105]上述的各實施方式也可以分別組合進(jìn)行使用。另外，只要不損害本發(fā)明的特征，本發(fā)明絲毫不限定于上述實施方式。此外，上述的各實施方式以振動發(fā)電元件的形態(tài)進(jìn)行了說明，但是在此所示的使用了離子液體的雙電層帶來的大容量的電容器能夠作為容量大的蓄電元件來使用。例如，能夠在需要使用電力前，以積蓄通過來自外部的振動而產(chǎn)生的電荷的目的，使用該蓄電元件。因為蓄電元件也能夠由與發(fā)電元件類似的材料和構(gòu)造來構(gòu)成，因此能夠容易地制作同時具備發(fā)電和蓄電兩個功能的器件。
[0106]下面的優(yōu)先權(quán)基礎(chǔ)申請的公開內(nèi)容作為引用文引入本文。
[0107]日本國專利申請2014年第36507號(2014年2月27日申請)
[0108]符號的說明
I一振動發(fā)電元件，4a、4b—限位件，10、32—可動電極，11、11a、Ilb—固定電極，12、22、42、52—可動基板，13、13a、13b—離子液體，14 一負(fù)載，16a?16d—雙電層，121、221—支撐基板，122、222a、222b、522a、522b—駐極體。
【主權(quán)項】
1.一種振動發(fā)電元件，其特征在于，具備: 固定電極； 可動電極，其與上述固定電極對置配置，且能夠相對于上述固定電極移動；以及 離子液體，其設(shè)置成存在于對置配置的上述固定電極與上述可動電極之間， 夾著上述固定電極與上述離子液體的界面而形成的雙電層以及夾著上述可動電極與上述離子液體的界面而形成的雙電層中的至少一個的面積，通過來自外部的振動所引起的上述可動電極的移動而發(fā)生變化，從而進(jìn)行發(fā)電。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動發(fā)電元件，其特征在于， 上述可動電極能夠在與上述固定電極的間隔發(fā)生變化的方向上移動， 夾著上述固定電極與上述離子液體的界面而形成的雙電層以及夾著上述可動電極與上述離子液體的界面而形成的雙電層的面積，通過來自外部的振動所引起的上述可動電極的移動而分別發(fā)生變化。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的振動發(fā)電元件，其特征在于， 相互對置的上述固定電極及上述可動電極中的一個為駐極體電極， 上述駐極體電極的表面電位設(shè)定在上述離子液體的電位窗口的范圍內(nèi)。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的振動發(fā)電元件，其特征在于， 利用在上述固定電極及上述可動電極與上述離子液體的接觸區(qū)域產(chǎn)生的界面電動現(xiàn)象而形成上述雙電層。5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項所述的振動發(fā)電元件，其特征在于， 上述可動電極具有:正面?zhèn)入姌O，其設(shè)于該可動電極的正面?zhèn)龋灰约胺疵鎮(zhèn)入姌O，其設(shè)于上述可動電極的反面?zhèn)龋?上述固定電極具有:第一電極，其與上述正面?zhèn)入姌O對置配置；以及第二電極，其與上述反面?zhèn)入姌O對置配置， 上述離子液體設(shè)置成，分別存在于上述第一電極與上述正面?zhèn)入姌O之間以及上述第二電極與上述反面?zhèn)入姌O之間。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動發(fā)電元件，其特征在于， 上述可動電極能夠以將與上述固定電極的間隔保持為恒定的狀態(tài)進(jìn)行滑動， 夾著上述可動電極與上述離子液體的界面而形成的雙電層的面積，通過來自外部的振動所引起的上述可動電極的滑動而發(fā)生變化。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的振動發(fā)電元件，其特征在于， 上述可動電極具有: 可動基板；以及 駐極體電極，其設(shè)置于上述可動基板的與上述固定電極對置的面，且表面電位設(shè)定在上述離子液體的電位窗口的范圍內(nèi)， 夾著上述駐極體電極與上述離子液體的界面而形成的雙電層的面積，通過上述可動電極的滑動而發(fā)生變化。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的振動發(fā)電元件，其特征在于， 上述可動電極具有:第一駐極體電極，其設(shè)于上述可動基板的正面；以及第二駐極體電極，其設(shè)于上述可動基板的反面， 上述固定電極具有:第一電極，其與上述可動基板的正面對置配置；以及第二電極，其與上述可動基板的反面對置配置， 上述離子液體設(shè)置成，分別存在于上述第一電極與上述可動基板的正面之間以及上述第二電極與上述可動基板的反面之間。
【文檔編號】H02N1/08GK106031014SQ201580008349
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年2月9日
【發(fā)明人】藤田博之, 三屋裕幸
【申請人】國立大學(xué)法人東京大學(xué), 株式會社鷺宮制作所