本發(fā)明涉及一種使用將離子液體凝膠化而得到的離子凝膠的振動(dòng)發(fā)電元件。

背景技術(shù)：

以往，作為通過(guò)環(huán)境中的振動(dòng)進(jìn)行發(fā)電的裝置(能量采集器)，有效的是使用駐極體的發(fā)電裝置，對(duì)此進(jìn)行了很多的研究、開發(fā)。振動(dòng)發(fā)電裝置的主要目的是用作獨(dú)立式的各種傳感器的電源，或者用作該獨(dú)立式傳感器信號(hào)的無(wú)線通信用裝置的電源，因此需要小型化且大發(fā)電量(μw～mw范圍)。例如，在專利文獻(xiàn)1記載的振動(dòng)發(fā)電元件中，使振動(dòng)電極相對(duì)于形成了駐極體的電極振動(dòng)而進(jìn)行發(fā)電。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開2011-36089號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的課題

然而，在上述的振動(dòng)發(fā)電元件中電極間距離為μm級(jí)，因此即使在使用了駐極體的情況下發(fā)電量也小，裝置尺寸的小型化以及提高發(fā)電量成為課題。

用于解決課題的手段

根據(jù)本發(fā)明的第1方式，振動(dòng)發(fā)電元件具備：一對(duì)電極，其相互相對(duì)地配置，且至少任意一方能移動(dòng)；以及離子凝膠，其被設(shè)為介于一對(duì)電極之間，使離子液體凝膠化而形成，電極通過(guò)來(lái)自外部的振動(dòng)而在一對(duì)電極的間隔變化的方向上移動(dòng)，由此隔著電極與離子凝膠的界面而形成的雙電層的面積變化，從而進(jìn)行發(fā)電。

根據(jù)本發(fā)明的第2方式，在第1方式的振動(dòng)發(fā)電元件中，相互相對(duì)的一對(duì)電極的一方為駐極體電極，將駐極體電極的表面電位設(shè)定為，在離子凝膠與駐極體電極接觸時(shí)雙電層的電壓成為離子凝膠的電位窗的范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的第3方式，在第1方式的振動(dòng)發(fā)電元件中，雙電層是通過(guò)在一對(duì)電極與離子凝膠的接觸區(qū)域中產(chǎn)生的界面動(dòng)電現(xiàn)象而形成的雙電層。

根據(jù)本發(fā)明的第4方式，在第1方式的振動(dòng)發(fā)電元件中，離子凝膠是使用具有聚合基團(tuán)的離子液體而形成的離子凝膠。

根據(jù)本發(fā)明的第5方式，在第1方式的振動(dòng)發(fā)電元件中，離子凝膠是使用具有聚合基團(tuán)的聚合物和離子液體而形成的離子凝膠。

根據(jù)本發(fā)明的第6方式，在第1方式的振動(dòng)發(fā)電元件中，離子凝膠是使用固體狀態(tài)的離子液體而形成的離子凝膠。

根據(jù)本發(fā)明的第7方式，在第4至第6方式中的任意一方式的振動(dòng)發(fā)電元件中，在離子凝膠的與一對(duì)電極中的至少一方接觸的一側(cè)形成并維持了陰離子層或陽(yáng)離子層，在一對(duì)電極中的至少一方與離子凝膠的陰離子層或陽(yáng)離子層的接觸區(qū)域中形成雙電層。

根據(jù)本發(fā)明的第8方式，在第1至第7方式中的任意一方式的振動(dòng)發(fā)電元件中，一對(duì)電極為固定電極以及在與固定電極之間的間隔變化的方向上能夠移動(dòng)的可動(dòng)電極，可動(dòng)電極具有在該可動(dòng)電極的表面?zhèn)仍O(shè)置的表面?zhèn)入姌O以及在可動(dòng)電極的背面?zhèn)仍O(shè)置的背面?zhèn)入姌O，固定電極具有與表面?zhèn)入姌O相對(duì)地配置的第1電極以及與背面?zhèn)入姌O相對(duì)地配置的第2電極，將離子凝膠設(shè)為分別介于第1電極與表面?zhèn)入姌O之間以及第2電極與背面?zhèn)入姌O之間。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明，能夠謀求振動(dòng)發(fā)電元件的小型化以及發(fā)電量的提高。

附圖說(shuō)明

圖1是表示本發(fā)明的振動(dòng)發(fā)電元件的第1實(shí)施方式的截面圖。

圖2是表示圖1所示的振動(dòng)發(fā)電元件的主要部件的示意圖。

圖3是說(shuō)明第1實(shí)施方式的發(fā)電動(dòng)作的圖。

圖4是表示第2實(shí)施方式的振動(dòng)發(fā)電元件的概要結(jié)構(gòu)的圖。

圖5是表示圖4所示的振動(dòng)發(fā)電元件的主要部分的示意圖。

圖6是說(shuō)明第2實(shí)施方式的發(fā)電動(dòng)作的圖。

圖7是說(shuō)明第3實(shí)施方式的圖。

圖8是表示在第2實(shí)施方式中電極側(cè)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)的結(jié)構(gòu)的圖。

圖9是說(shuō)明第4實(shí)施方式的圖。

具體實(shí)施方式

第1實(shí)施方式

圖1是說(shuō)明本發(fā)明的振動(dòng)發(fā)電元件的第1實(shí)施方式的圖。圖1(a)是振動(dòng)發(fā)電元件1的截面圖，圖1(b)是圖1(a)的a-a截面圖。振動(dòng)發(fā)電元件1具備固定電極11、可動(dòng)基板12以及離子凝膠13。離子凝膠13是將離子液體(ionicliquid)凝膠化而得到的，被設(shè)置成介于固定電極11與可動(dòng)基板12之間。固定電極11兼作設(shè)在振動(dòng)發(fā)電元件1中的容器的底板，通過(guò)該固定電極11和由絕緣材料形成的圓筒部2以及頂板3構(gòu)成容器。

上述的可動(dòng)基板12和離子凝膠13被收納在容器內(nèi)?？蓜?dòng)基板12在圖1(a)中被設(shè)成能夠在上下方向上移動(dòng)，并通過(guò)環(huán)狀的限位件4a、4b規(guī)定了上下方向的可動(dòng)范圍l。另外，能夠通過(guò)離子凝膠13的彈力規(guī)定可動(dòng)基板12的下方的可動(dòng)范圍，因此可以省略下側(cè)的限位件4a。容器內(nèi)的氣體妨礙可動(dòng)基板12的移動(dòng)，因此優(yōu)選將容器內(nèi)保持真空狀態(tài)。圓板狀的可動(dòng)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相對(duì)的面)的駐極體122。

駐極體122是在電介質(zhì)中固定了單極性電荷的部件。例如，通過(guò)電暈放電等使聚丙烯(pp)或聚四氟乙烯(ptfe)等電介質(zhì)薄膜帶正電荷(或負(fù)電荷)而駐極體化。即，形成有駐極體122的可動(dòng)基板12作為可動(dòng)電極發(fā)揮作用。

固定電極11的與離子液體13接觸的面例如優(yōu)選使用金(au)作為電極材料。此外，優(yōu)選在作為可動(dòng)基板12上下移動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)面的圓筒部?jī)?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)。

設(shè)于可動(dòng)基板12與固定電極11之間的離子凝膠13與駐極體122和固定電極11接觸。在本實(shí)施方式中，駐極體122帶正電，在離子凝膠13與駐極體122的接觸面，離子凝膠13的負(fù)離子向駐極體方向移動(dòng)。于是，與之相應(yīng)的量的離子凝膠13的正離子向固定電極11方向移動(dòng)。結(jié)構(gòu)，隔著駐極體122與離子凝膠13的界面形成雙電層16b，在與該雙電層16b相反一側(cè)的位置隔著固定電極11與離子凝膠13的界面形成雙電層16a。

另外，對(duì)于離子凝膠13可以使用各種物質(zhì)。例如，作成在任意的離子液體中混合了單體，溶劑，粘合劑等的混合液，并將該混合液用注射器等滴下，來(lái)生成直徑約2.5mm左右的半球狀的液塊。在將如此生成的液塊用烤箱等加熱而使溶劑揮發(fā)后，通過(guò)照射紫外線等方法使其硬化，從而使離子液體凝膠化?？梢詫⑵溆米麟x子凝膠13。除此以外，只要是能夠使離子液體凝膠化的物質(zhì)，可以將任何物質(zhì)用作離子凝膠13。

圖2是表示振動(dòng)發(fā)電元件1的主要部分的示意圖。負(fù)載14與固定電極11連接。可動(dòng)基板12的電位相對(duì)于固定電極11高駐極體電壓(駐極體122的表面電位)。離子凝膠13是在僅由正離子和負(fù)離子構(gòu)成的有機(jī)液體中混合了聚合物而凝膠化的離子凝膠的一種。離子凝膠13的導(dǎo)電性良好，但是電位窗寬，電穩(wěn)定性高。電位窗是指在電解液中實(shí)質(zhì)上不流動(dòng)電流的電位區(qū)域。

設(shè)定上述駐極體122的電壓(表面電位)，使得在離子凝膠13接觸駐極體122時(shí)，向離子凝膠13的雙電層16a、16b施加的電壓成為離子凝膠13的電位窗的范圍內(nèi)。另外，從振動(dòng)發(fā)電元件的發(fā)電能力這點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選將駐極體122的電壓設(shè)定為在電位窗的范圍內(nèi)盡可能大的值。以下，將通過(guò)駐極體122對(duì)離子凝膠13施加的電壓稱作偏置電壓。

設(shè)置在駐極體122與固定電極11之間的離子凝膠13的負(fù)離子通過(guò)由駐極體122形成的電場(chǎng)而向駐極體122的方向被吸引。結(jié)果，如上所述，隔著駐極體122與離子凝膠13的界面形成雙電層16b。另一方面，在固定電極11與離子凝膠13的接觸區(qū)域，離子凝膠13的正離子按照與形成雙電層16b的負(fù)離子相對(duì)應(yīng)的量向固定電極11側(cè)移動(dòng)，通過(guò)該正離子以及在固定電極11側(cè)靜電感應(yīng)的負(fù)電荷形成雙電層16a。雖然還取決于離子凝膠13的種類，但是雙電層的厚度為l[nm]左右。此外，已知在向雙電層施加了交流電壓時(shí)的靜電電容通常，實(shí)驗(yàn)上在0.1hz～imhz的范圍內(nèi)為10[μf/cm²]～0.2[μf/cm²]左右。

如圖2所示，振動(dòng)發(fā)電元件1的可動(dòng)基板12構(gòu)成為能夠在固定電極11和可動(dòng)基板12的間隔d變化的方向上移動(dòng)。當(dāng)由于來(lái)自外部的振動(dòng)(以下稱為干擾)振動(dòng)發(fā)電元件1的容器進(jìn)行振動(dòng)時(shí)(尤其在軸向上振動(dòng)時(shí))，可動(dòng)基板12相對(duì)于固定電極11在圖示上下方向上振動(dòng)。例如，如后述的圖3那樣，可動(dòng)基板12可在間隔d為d0～d1的范圍內(nèi)上下移動(dòng)?？梢愿鶕?jù)圖1所示的限位件4a、4b的位置、離子凝膠13的彈性、形狀等設(shè)定該可動(dòng)范圍。

接著，對(duì)振動(dòng)發(fā)電元件1的動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。以往的振動(dòng)發(fā)電元件利用電極間(例如，金屬電極和駐極體電極之間)的靜電電容的變化進(jìn)行發(fā)電，但本實(shí)施方式的振動(dòng)發(fā)電元件1的特征為通過(guò)可動(dòng)基板12的振動(dòng)引起的離子凝膠13的接觸面積變化(即，雙電層的面積變化)進(jìn)行發(fā)電。

如上所述，雙電層的單位面積的靜電電容根據(jù)偏置電壓、振動(dòng)頻率而變化，但是在使對(duì)于離子凝膠13的上述偏置電壓在電位窗的范圍內(nèi)，且振動(dòng)頻率為0.1hz時(shí)，每1[cm²]的靜電電容成為10[μf/cm²]左右。即，在雙電層16a、16b的面積為1[cm²]的情況下，雙電層16a、16b所介于的部分的靜電電容為10[μf]＝1×10^－5[f]左右。若使雙電層16a、16b的電壓為1[v]時(shí)，電荷的量(帶電量)為1×10^－5[c]。

另一方面，在使用了駐極體電極的以往的振動(dòng)發(fā)電元件的情況下，當(dāng)使駐極體電極以及金屬電極的相對(duì)面積為1[cm²]，使電極間隔為10～100[μm]左右時(shí)，電極間的靜電電容c(c＝ε0×(面積)/(間隔))為8.85×10^－12[f]～8.85×10^－11[f]。若將駐極體電極的電壓設(shè)為200[v]，則帶電量為1.77×10^－9～1.77×10^－10[c]。在此，將真空的電容率ε0設(shè)為ε0≈8.85×10^－12[f/m]。

這樣，在本實(shí)施方式的情況下，即便向雙電層施加的電壓低為1[v]左右，電極的帶電量與現(xiàn)有的使用駐極體的振動(dòng)發(fā)電元件相比為1萬(wàn)倍至10萬(wàn)倍非常大。這是由于使用了層厚度(以下用符號(hào)de表示)為nm級(jí)的雙電層。在本實(shí)施方式中，如此通過(guò)具有大靜電電容的雙電層的面積變化進(jìn)行發(fā)電，因此如同以下所述與以往的振動(dòng)發(fā)電元件相比能夠獲得不同數(shù)量級(jí)的大的發(fā)電量。

此外，在本實(shí)施方式中，在可動(dòng)基板12和固定電極11之間不是直接使用離子液體，而是設(shè)置將離子液體凝膠化后的離子凝膠13。因此，與直接使用離子液體的情況下相比，在可動(dòng)基板12振動(dòng)時(shí)，不會(huì)受到可動(dòng)基板12以及固定電極11中的離子液體的浸潤(rùn)性的影響，能夠使這些電極與離子凝膠13的接觸面積切實(shí)地變化。并且，在使用了離子液體的情況下，有時(shí)因靜電吸附(esa：electrostaticattraction)離子液體吸附在可動(dòng)基板12、固定電極11。因此，即使通過(guò)可動(dòng)基板12的振動(dòng)可動(dòng)基板12與固定電極11之間分離，有時(shí)這些電極與離子凝膠13的接觸面積不會(huì)按預(yù)期的那樣進(jìn)行變化。另一方面，在本實(shí)施方式中，能夠通過(guò)離子凝膠13的彈力(復(fù)原力)克服靜電吸附，因此不會(huì)產(chǎn)生上述那樣的問題，能夠使可動(dòng)基板12以及固定電極11與離子凝膠13的接觸面積按照預(yù)期發(fā)生變化。

另外，如圖2所示，固定電極11與可動(dòng)基板12的間隙具有離子凝膠13所在的區(qū)域和單純的空間(本實(shí)施方式的情況下為真空)的區(qū)域，在離子液體13不存在的區(qū)域中，也具有靜電電容。例如，在不存在離子凝膠13而只是一對(duì)電極(將面積設(shè)為1[cm²])以d＝1[mm]相對(duì)的情況下，靜電電容c成為c＝ε0×1×10^－4[m²]/1×10^－3[m]≈8.85×10^－13[f]。

另一方面，如上所述，在雙電層16a、16b的面積為1[cm²]的情況下，雙電層16a、16b存在的部分的靜電電容為10[μf]＝1×10^－5[f]左右。因此，離子凝膠13不存在的區(qū)域的靜電電容為雙電層16a、16b的靜電電容的1/10⁷左右而非常小。

因此，在以下的振動(dòng)發(fā)電元件1的動(dòng)作說(shuō)明中，考慮將離子凝膠13不存在的區(qū)域的靜電電容設(shè)為零，將雙電層電容器串聯(lián)連接。這樣，在振動(dòng)發(fā)電元件1中，實(shí)質(zhì)上通過(guò)由雙電層16a、16b的面積變化而引起的靜電電容的變化來(lái)進(jìn)行發(fā)電。

圖3是表示振動(dòng)發(fā)電元件1的動(dòng)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最小的d＝d1的情況。在此，將圖3(a)中的通過(guò)駐極體122與離子凝膠13的接觸而形成的雙電層16a的面積以及與之對(duì)應(yīng)的固定電極11與離子凝膠13的接觸面中的雙電層16b的面積表示為s0。此外，此外，將圖3(b)中的雙電層16a、16b的面積表示為s1。在圖3(b)中，通過(guò)可動(dòng)基板12以及固定電極11在上下方向上將離子凝膠13壓塌，由此駐極體122和離子凝膠13的接觸面積變寬。因此，可知與圖3(a)相比雙電層16a、16b的面積變大，成為s1＞s0。因此，在圖3(b)的狀態(tài)下，與圖3(a)相比靜電電容增加。

結(jié)果，當(dāng)從圖3(a)的狀態(tài)開始可動(dòng)基板12向固定電極方向移動(dòng)時(shí)，負(fù)電荷從gnd側(cè)向固定電極11移動(dòng)，在負(fù)載14中沿圖3(b)的箭頭方向流過(guò)電流i。相反，當(dāng)可動(dòng)基板12從圖3(b)的狀態(tài)向圖示上方移動(dòng)時(shí)，負(fù)電荷從固定電極11向gnd側(cè)移動(dòng)，在負(fù)載14中沿圖3(a)的箭頭方向流過(guò)電流i。

在將圖3(a)中的雙電層16a的面積設(shè)為0.5[cm²]，將圖3(b)中的雙電層16a的面積設(shè)為1[cm²]時(shí)，雙電層16a的靜電電容從5[μf]增加至10[μf]。例如，在將雙電層16a的電位差假定為1v時(shí)，5[μc]的電荷經(jīng)過(guò)負(fù)載14。若將從圖3(a)的狀態(tài)變化為圖3(b)的狀態(tài)所需要的時(shí)間設(shè)為0.05[sec](這對(duì)應(yīng)于20hz的振動(dòng))，則在負(fù)載14中流過(guò)100[μa]的電流。如上所述，當(dāng)間隙尺寸d以d0→d1的方式減小時(shí)，從固定電極11向gnd流過(guò)電流，相反，當(dāng)間隙尺寸以d1→d0的方式增大時(shí)，從gnd向固定電極11流過(guò)電流。即，當(dāng)由于干擾可動(dòng)基板12上下振動(dòng)時(shí)，負(fù)載14中流過(guò)交流電流。

在圖2、3的說(shuō)明中，說(shuō)明了將振動(dòng)發(fā)電元件進(jìn)行發(fā)電而得到的電力作為電流來(lái)取出的情況，但是也可以設(shè)為作為電壓取出的負(fù)載連接結(jié)構(gòu)。振動(dòng)發(fā)電元件1當(dāng)可動(dòng)基板12在開路的狀態(tài)下進(jìn)行振動(dòng)時(shí)，因?yàn)橹位?21與固定電極11之間的電位差變化，所以利用該電位差的變化。

例如，考慮如下情況：固定電極11與駐極體122的間隔(以下稱為電極間隔)以d0→d1的方式變化，且離子凝膠13與可動(dòng)基板12的接觸面積，即雙電層16a，16b的面積以s0→s1的方式變化。在將各雙電層16a、16b的靜電電容設(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時(shí)，q＝cve、c＝ε·s/de成立。根據(jù)兩個(gè)式子表示成s·ve＝q·de/ε，在此，q以及雙電層的厚度de不變化，因此在電極間隔d0的電位差ve0與電極間隔d1的電位差ve1之間，s0·ve0＝s1·ve1成立。即，電極間隔d1的雙電層16a、16b的電位差vel以ve1＝(s0/s1)·ve0的方式變化。

然而，在如以往那樣利用了電極間的靜電電容的振動(dòng)發(fā)電元件的情況下，例如，如上所述在考慮了面積為1[cm²]且間隔為1[mm]的電容器的情況下，當(dāng)間隔從1[mm]變化為0.5[mm]時(shí)，靜電電容從8.85×10^－13[f]增加至其2倍，因此靜電電容的變化δc成為δc＝8.85×10^－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1.77×10^－10[c]＝1.77×10^－4[μc]。這是本實(shí)施方式時(shí)的5[μc](在此，假定雙電層16a中的電位差為1v)的約1/10000。

這樣，在本實(shí)施方式的振動(dòng)發(fā)電元件中，通過(guò)利用基于離子凝膠的雙電層的靜電電容能夠獲得不同數(shù)量級(jí)的大的發(fā)電量。與一般的電容器的靜電電容相比，雙電層的靜電電容非常大。因此，能夠通過(guò)小的位移得到更大的電力，并且能夠謀求振動(dòng)發(fā)電元件的小型化。此外，通過(guò)干擾引起的可動(dòng)基板12與固定電極11之間的間隔的變化使雙電層的面積變化，因此能夠通過(guò)小的位移得到大的面積變化，能夠謀求振動(dòng)發(fā)電元件1的進(jìn)一步的小型化。

在以往的振動(dòng)發(fā)電元件的情況下，如專利文獻(xiàn)1所記載的振動(dòng)發(fā)電元件那樣，一般是通過(guò)彈簧常數(shù)非常小的彈性支撐部可動(dòng)地支撐質(zhì)量較大的可動(dòng)部的結(jié)構(gòu)。其原因在于作為針對(duì)振動(dòng)發(fā)電元件的來(lái)自外部的振動(dòng)使用步行時(shí)的振動(dòng)或橋的振動(dòng)等，因此振動(dòng)頻率為數(shù)hz～數(shù)十hz程度。采用以非常弱的彈性支撐部支撐可動(dòng)部的結(jié)構(gòu)，使得在這樣的低頻下能夠發(fā)生共振。因此，以往的振動(dòng)發(fā)電元件存在彈性支撐部容易損壞的缺點(diǎn)。此外，由于利用共振還存在可利用的帶寬窄的缺點(diǎn)。

根據(jù)這樣的理由，在本實(shí)施方式中，通過(guò)采用圖1所示的滑動(dòng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成為可動(dòng)基板12可自由地振動(dòng)。因?yàn)槟軌蛉菀椎卣{(diào)整離子凝膠的硬度，因此例如通過(guò)使其變得非常軟，即使外部振動(dòng)為低頻也能夠有效地發(fā)電。此外，不僅可以調(diào)整離子凝膠的硬度，例如還可以使離子凝膠成為中空結(jié)構(gòu)等而使其容易變形。這樣，不取決于共振，因此與外部振動(dòng)的頻率無(wú)關(guān)，能夠有效地進(jìn)行發(fā)電。當(dāng)然，在本實(shí)施方式的振動(dòng)發(fā)電元件的情況下，也能夠采用通過(guò)彈性支撐部支撐可動(dòng)基板12的結(jié)構(gòu)。

另外，在本實(shí)施方式中使容器的形狀為圓筒，將固定電極11、可動(dòng)基板12設(shè)為圓板狀，但并不限定于這些形狀。例如，可以使固定電極11、可動(dòng)基板12為矩形。此外，可動(dòng)基板12采用通過(guò)滑動(dòng)構(gòu)造上下移動(dòng)的結(jié)構(gòu)，但也可以是電極側(cè)進(jìn)行振動(dòng)的結(jié)構(gòu)。并且，也可以使固定電極11和可動(dòng)基板12雙方能夠移動(dòng)。

在說(shuō)明動(dòng)作原理的圖2中，構(gòu)成為將負(fù)載14直接與固定電極11連接，但是也可以在振動(dòng)發(fā)電元件1的輸出側(cè)設(shè)置整流電路、蓄電部等來(lái)構(gòu)成發(fā)電裝置。

第2實(shí)施方式

圖4～6是說(shuō)明本發(fā)明的第2實(shí)施方式的圖。圖4是表示振動(dòng)發(fā)電元件1的概要結(jié)構(gòu)的圖，表示與圖1(a)的情況相同的截面形狀。另外，以下將與圖1所示的結(jié)構(gòu)不同的部分作為中心來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

本實(shí)施方式的可動(dòng)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相對(duì)的方式配置有第1固定電極11a，以與駐極體222b相對(duì)的方式配置有第2固定電極11b。離子凝膠13a介于駐極體222a與固定電極11a的間隙中，離子凝膠13b介于駐極體222b與固定電極11b的間隙中。

可動(dòng)基板22構(gòu)成為可在固定電極11a，11b之間在圖示上下方向上移動(dòng)，通過(guò)限位件4a、4b設(shè)定可動(dòng)范圍2l。另外，與第1實(shí)施方式同樣地，可以通過(guò)離子凝膠13a、13b的彈力規(guī)定可動(dòng)基板22的可動(dòng)范圍，因此也可以省略限位件4a、4b。在圖4所示的示例中，示出了可動(dòng)基板22位于可動(dòng)范圍的中央位置的情況。通過(guò)圓筒部2、安裝在圓筒部2的下部開口的固定電極11a、以及安裝在圓筒部2的上部開口的固定電極11b構(gòu)成了容器。與第1實(shí)施方式的情況同樣地，使容器內(nèi)為真空狀態(tài)。

圖5是表示振動(dòng)發(fā)電元件1的主要部分的示意圖。圖5表示取出電流時(shí)的負(fù)載連接結(jié)構(gòu)，負(fù)載14被連接在固定電極11a與固定電極11b之間，使固定電極11a為gnd電位。各駐極體222a、222b帶正電。因此，與第1實(shí)施方式的情況同樣地，在離子凝膠13a與固定電極11a以及駐極體222a的界面、以及離子凝膠13b與固定電極11b以及駐極體222b的界面分別形成雙電層。在此，用符號(hào)16a表示離子凝膠13a與固定電極11a之間的雙電層，用符號(hào)16b表示離子凝膠13b與固定電極11b之間的雙電層。此外，用符號(hào)16c、16d表示在離子凝膠13a、13b與駐極體222a、222b的界面形成的雙電層。

圖6是說(shuō)明在可動(dòng)基板22振動(dòng)的情況下在負(fù)載14中流動(dòng)的電流的圖。圖6(a)表示可動(dòng)基板22移動(dòng)至可動(dòng)范圍的下端的情況。此時(shí)，設(shè)定為駐極體222a和固定電極11a的間隔為d1，駐極體222b和固定電極11b的間隔為d0。此外，根據(jù)駐極體222a與離子凝膠13a的接觸面積進(jìn)行設(shè)定使得在固定電極11a與離子凝膠13a的接觸面形成的雙電層16a的面積成為s0，根據(jù)駐極體222b與離子凝膠13b的接觸面積進(jìn)行設(shè)定使得在固定電極11b與離子凝膠13b的接觸面形成的雙電層16b的面積成為s1。另一方面，圖6(b)表示可動(dòng)基板22移動(dòng)至可動(dòng)范圍的上端的情況。此時(shí)，駐極體222a與固定電極11a的間隔成為d0，可動(dòng)電極11b與駐極體222b的間隔成為d1。此外，雙電層16a的面積為s1，雙電層16b的面積為s0。

在該情況下，當(dāng)可動(dòng)基板22從圖6(a)的狀態(tài)向固定電極11b側(cè)移動(dòng)而成為圖6(b)所示的狀態(tài)時(shí)，雙電層16a的靜電電容減少，雙電層16b的靜電電容增加。結(jié)果，負(fù)電荷從固定電極11a向固定電極11b移動(dòng)，在負(fù)載14中沿圖6(b)的箭頭方向流過(guò)電流i。

相反，當(dāng)可動(dòng)基板22從圖6(b)的狀態(tài)向固定電極11a側(cè)移動(dòng)而成為圖6(a)所示的狀態(tài)時(shí)，雙電層16a的靜電電容增加，雙電層16b的靜電電容減少。結(jié)果，負(fù)電荷從固定電極11b向固定電極11a移動(dòng)，在負(fù)載14中沿圖6(a)的箭頭方向流過(guò)電流i。

在此，當(dāng)考慮開路狀態(tài)時(shí)，可動(dòng)基板22與固定電極11a之間的電位差、以及可動(dòng)基板22與固定電極11b之間的電位差成為與圖2所示的可動(dòng)基板12與固定電極11之間的關(guān)系相同。然而，各個(gè)電位相互的相位偏移180度，因此固定電極11a與固定電極11b之間的電位差成為圖3所示的結(jié)構(gòu)的2倍。

這樣，可知在本實(shí)施方式的情況下得到的發(fā)電功率(電力)為圖1所示的第1實(shí)施方式的情況的2倍。

另外，本實(shí)施方式的情況也將所發(fā)電的電力作為電流而輸出，但也可以設(shè)為取出電壓的結(jié)構(gòu)。在該情況下，成為與在第1實(shí)施方式中說(shuō)明的情況相同的動(dòng)作，在此省略說(shuō)明。此外，在上述的實(shí)施方式中，將容器的形狀設(shè)為圓筒，將固定電極11a、11b、可動(dòng)基板22設(shè)為圓板狀，但并不限于這些形狀。此外，將可動(dòng)基板22設(shè)為通過(guò)滑動(dòng)構(gòu)造而上下移動(dòng)的結(jié)構(gòu)，但例如也可以設(shè)為通過(guò)彈性體支撐可動(dòng)基板22的結(jié)構(gòu)。

此外，也可以如圖8所示設(shè)為電極側(cè)進(jìn)行振動(dòng)，而不是駐極體側(cè)振動(dòng)的結(jié)構(gòu)。在圖10所示的示例中，在作為固定電極而發(fā)揮作用的一對(duì)駐極體222a、222b之間，使可動(dòng)電極10能夠在上下方向上移動(dòng)。使駐極體222a、222b駐極體化為與可動(dòng)電極10相對(duì)的面帶電?？蓜?dòng)電極10具有在由金等構(gòu)成的電極101a、101b之間夾持絕緣基板102的構(gòu)造。電極101a與駐極體222a相對(duì)，電極101b與駐極體222b相對(duì)。

負(fù)載14被連接在電極101a與電極101b之間。例如，當(dāng)可動(dòng)電極10向駐極體222a方向移動(dòng)時(shí)，電極101a與離子凝膠13a的接觸面積增加，電極101b與離子凝膠13b的接觸面積減少。結(jié)果，負(fù)電荷經(jīng)由負(fù)載14從電極101b向電極101a移動(dòng)，在負(fù)載14中向圖示上方流過(guò)電流i。相反，當(dāng)可動(dòng)電極10向駐極體222b方向移動(dòng)時(shí)，負(fù)電荷從電極101a向電極101b移動(dòng)，在負(fù)載14中向圖示下方流過(guò)電流。

第3實(shí)施方式

圖7是說(shuō)明本發(fā)明的第3實(shí)施方式的圖，是表示振動(dòng)發(fā)電元件1的主要部分的示意圖。在上述的第1實(shí)施方式中，如圖2所示，為了在離子凝膠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(shí)施方式中，使用通過(guò)外部電源施加了偏置電壓vdd的可動(dòng)電極32來(lái)代替形成了駐極體122的可動(dòng)基板12。

如圖7(a)所示，當(dāng)向可動(dòng)電極32施加偏置電壓vdd時(shí)，離子凝膠13的負(fù)離子被吸引至可動(dòng)電極側(cè)，正離子被吸引至固定電極側(cè)。結(jié)果，在固定電極11以及可動(dòng)電極32與離子凝膠13的界面形成雙電層16a、16b。若使偏置電壓vdd與第1實(shí)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(dòng)電極32的間隔減少至d1時(shí)，雙電層16a、16b的面積變大，靜電電容也增加，這與第1實(shí)施方式相同。

此外，也可以構(gòu)成為使連接了負(fù)載的電極上下移動(dòng)來(lái)代替使連接了電源的電極上下移動(dòng)。并且，也可以構(gòu)成為一邊改變雙方電極之間的距離，一邊使雙方電極上下移動(dòng)。已知在金屬電極與離子凝膠的界面通過(guò)界面動(dòng)電現(xiàn)象形成雙電層。例如，在對(duì)金屬電極使用金的情況下，產(chǎn)生數(shù)十[mv]程度的界面電位差。因此，雖然與使用上述的駐極體、外部電源的情況相比，電壓變小，但是在金屬電極與離子凝膠的界面產(chǎn)生與之相對(duì)應(yīng)的雙電層。因此，能夠利用界面電位差來(lái)構(gòu)成與上述的實(shí)施方式相同的振動(dòng)發(fā)電元件。

第4實(shí)施方式

圖9是說(shuō)明本發(fā)明的第4實(shí)施方式的圖，是表示振動(dòng)發(fā)電元件1的主要部分的示意圖。在上述的第3實(shí)施方式中，如圖7所示，構(gòu)成為使用通過(guò)外部電源施加了偏置電壓vdd的可動(dòng)電極32。在本實(shí)施方式中，構(gòu)成為通過(guò)使用將陰離子和陽(yáng)離子固定化的離子凝膠13c，來(lái)使用不施加偏置電壓的可動(dòng)電極42。

如圖9所示，在離子凝膠13c中，在與可動(dòng)電極42接觸的上面?zhèn)?，形成并維持了具有負(fù)電荷的陰離子的層(陰離子層)。另一方面，在與固定電極11接觸的下面?zhèn)?，形成并維持了具有正電荷的陽(yáng)離子的層(陽(yáng)離子層)。在離子凝膠13c中，在不施加電壓的穩(wěn)定狀態(tài)下保持這些陰離子層和陽(yáng)離子層。

另外，對(duì)于如上所述將陰離子和陽(yáng)離子固定化的離子凝膠13c，能夠使用各種物質(zhì)。例如，通過(guò)向構(gòu)成特定離子液體的陽(yáng)離子或陰離子中導(dǎo)入聚合基團(tuán)，生成通過(guò)具有聚合基團(tuán)的離子液體的聚合而形成的高分子化合物。將這樣的高分子化合物稱為聚合性離子液體，聚離子液體，高分子化離子液體等，已知各種高分子化合物。在生成這樣的高分子化合物時(shí)，使用ito等透明電極，一邊施加預(yù)定電壓一邊使其硬化。于是，在停止施加電壓后，在與正電極接觸的一側(cè)形成并維持陰離子層，在與負(fù)電極接觸的一側(cè)形成并維持陽(yáng)離子層的狀態(tài)下，能夠使離子液體凝膠化。能夠?qū)⑵渥鳛殡x子凝膠13c使用。或者，也可以使用具有聚合基團(tuán)的聚合物和離子液體，通過(guò)與上述同樣的工序，在形成并維持陰離子層和陽(yáng)離子層的狀態(tài)下使離子液體凝膠化，從而形成離子凝膠13c。在該情況下，只要能夠通過(guò)聚合物的聚合反應(yīng)將陰離子和陽(yáng)離子固定化，則能夠使用任意的離子液體。或者，也可以通過(guò)在振動(dòng)發(fā)電元件1的動(dòng)作環(huán)境下使用固體狀態(tài)的離子液體來(lái)形成離子凝膠13c，該離子凝膠13c形成并維持了陰離子層和陽(yáng)離子層。具體來(lái)說(shuō)，一邊向熔點(diǎn)比振動(dòng)發(fā)電元件1的使用溫度高的離子液體施加預(yù)定電壓，一邊使該溫度從熔點(diǎn)以上冷卻至熔點(diǎn)以下，由此使離子液體凝固。如此，使陰離子和陽(yáng)離子固定化，由此能夠作成形成并維持了陰離子層和陽(yáng)離子層的離子凝膠13c。在該情況下，可以使用在聚合物內(nèi)將離子液體以固定狀態(tài)固定化的物質(zhì)來(lái)形成離子凝膠13c。除此以外，只要是在使陰離子和陽(yáng)離子固定化的狀態(tài)下使離子液體凝膠化的物質(zhì)，可以將任何物質(zhì)作為離子凝膠13c使用。

當(dāng)離子凝膠13c接觸可動(dòng)電極42以及固定電極11時(shí)，如圖9(a)所示，在可動(dòng)電極42側(cè)正電荷被吸引至離子凝膠13c的陰離子層，在固定電極11側(cè)負(fù)電荷被吸引至離子凝膠13c的陽(yáng)離子層。結(jié)果，在固定電極11以及可動(dòng)電極42與離子凝膠13c的界面形成雙電層16a、16b。若使此時(shí)的固定電極11與可動(dòng)電極42之間的電位差成為與第3實(shí)施方式的偏置電壓vdd相同，則形成與圖7(a)的情況相同的雙電層16a、16b。如圖9(b)所示，當(dāng)使固定電極11與可動(dòng)電極42的間隔減少至d1時(shí)，雙電層16a、16b的面積變大，靜電電容也增加，這與第3實(shí)施方式相同。

結(jié)果，當(dāng)可動(dòng)電極42從圖9(a)的狀態(tài)向固定電極11的方向移動(dòng)時(shí)，正電荷從固定電極11經(jīng)由負(fù)載14移動(dòng)至可動(dòng)電極42，并且負(fù)電荷從可動(dòng)電極42經(jīng)由負(fù)載14移動(dòng)至固定電極11。由此，在負(fù)載14中向圖9(b)的箭頭方向流過(guò)電流i。相反，當(dāng)可動(dòng)電極42從圖9(b)的狀態(tài)向圖示上方移動(dòng)時(shí)，正電荷從可動(dòng)電極42經(jīng)由負(fù)載14移動(dòng)至固定電極11，并且負(fù)電荷從固定電極11經(jīng)由負(fù)載14移動(dòng)至可動(dòng)電極42。由此，在負(fù)載14中向圖9(a)的箭頭方向流過(guò)電流i。

如以上說(shuō)明的那樣，在本實(shí)施方式的振動(dòng)發(fā)電元件中，通過(guò)利用將陰離子和陽(yáng)離子固定化的離子凝膠13c，可在可動(dòng)電極42側(cè)形成并維持陰離子層，在固定電極11側(cè)形成并維持陽(yáng)離子層。結(jié)果，即使不使用第1、第2實(shí)施方式的駐極體、第3實(shí)施方式的施加了偏置電壓的電極，也能夠在離子凝膠13c與可動(dòng)電極42以及固定電極11之間分別形成雙電層。

另外，與圖9相反，也可以在可動(dòng)電極42側(cè)形成并維持陽(yáng)離子層，在固定電極11側(cè)形成并維持陰離子層。此外，當(dāng)僅在與可動(dòng)電極42以及固定電極11中的任意一方接觸的一側(cè)形成并維持了陰離子層或陽(yáng)離子層的情況下，與圖9中說(shuō)明的相同，能夠與可動(dòng)電極42的移動(dòng)對(duì)應(yīng)地在負(fù)載14中流過(guò)電流i。即，在本實(shí)施方式的振動(dòng)發(fā)電元件中，在離子凝膠13c，在與相互相對(duì)配置的一對(duì)可動(dòng)電極42以及固定電極11中的至少一方接觸的一側(cè)，形成并維持陰離子層或陽(yáng)離子層即可。因此，在離子凝膠13c，只要將陰離子和陽(yáng)離子中的至少一方固定化即可。并且，可以一邊改變雙方電極之間的距離一邊使雙方電極上下移動(dòng)。

如以上說(shuō)明的那樣，在本發(fā)明的振動(dòng)發(fā)電元件中，如圖1、圖2所示，具備構(gòu)成相互相對(duì)配置且至少任意一方可移動(dòng)的一對(duì)電極的固定電極11和可動(dòng)基板12、以及被設(shè)置成介于固定電極11與可動(dòng)基板12之間使離子液體凝膠化的離子凝膠13。

如圖3所示當(dāng)由于干擾可動(dòng)基板12移動(dòng)時(shí)，隔著固定電極11與離子凝膠13的界面而形成的雙電層16a以及隔著可動(dòng)基板12的駐極體122與離子凝膠13的界面而形成的雙電層16b的面積各自變化。結(jié)果，雙電層16a的靜電電容變化，在與固定電極11連接的負(fù)載14中流過(guò)電流。

雙電層的厚度為nm級(jí)，數(shù)量級(jí)不同地小于現(xiàn)有的振動(dòng)發(fā)電元件的電極間距離，因此與可動(dòng)基板12振動(dòng)相伴隨的靜電電容變化也數(shù)量級(jí)不同地大于現(xiàn)有的振動(dòng)發(fā)電元件。結(jié)果，與現(xiàn)有的振動(dòng)發(fā)電元件相比能夠得到非常大的發(fā)電量，能夠謀求振動(dòng)發(fā)電元件的小型化。此外，通過(guò)固定電極11與駐極體122的間隔的變化而產(chǎn)生雙電層的面積變化，因此通過(guò)可動(dòng)基板12的稍微的變化能夠產(chǎn)生大的面積變化。

另外，設(shè)定駐極體122的表面電位，使得離子凝膠13接觸駐極體122時(shí)的雙電層16a、16b的電壓成為離子凝膠13的電位窗的范圍內(nèi)，因此不會(huì)在離子凝膠13中流過(guò)電流，能夠穩(wěn)定地形成雙電層16a、16b。

另外，作為雙電層16a、16b的形成方法，既可以如上所述使用駐極體122，也可以利用通過(guò)界面動(dòng)電現(xiàn)象產(chǎn)生的雙電層，還可以如圖7那樣設(shè)置電壓源向可動(dòng)電極施加偏置電壓來(lái)形成雙電層。將偏置電壓設(shè)定在上述的電位窗的范圍內(nèi)。此外，還可以如圖9所示的那樣，通過(guò)使用將陰離子和陽(yáng)離子中的至少一方固定化的離子凝膠13c，在至少一方的電極與離子凝膠13c的陰離子層或陽(yáng)離子層的接觸區(qū)域形成雙電層。

并且，如圖4所示，可以構(gòu)成為可動(dòng)基板22在其表面和背面具有作為表面?zhèn)入姌O的駐極體222b和作為背面?zhèn)入姌O的駐極體222a，并且具有與駐極體222b相對(duì)配置的固定電極11b和與駐極體222a相對(duì)配置的固定電極11a。在該情況下，使離子凝膠13b介于固定電極11b與駐極體222b之間，并且使離子凝膠13a介于固定電極11a和駐極體222a之間。結(jié)果，固定電極11a與固定電極11b之間的電壓變化是圖2所示的固定電極11為1個(gè)時(shí)的2倍。

上述的各實(shí)施方式可以分別單獨(dú)使用或者也可以組合使用。這是因?yàn)槟軌騿为?dú)或協(xié)作地實(shí)現(xiàn)各實(shí)施方式的效果。此外，只要不有損本發(fā)明的特征，則本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式。另外，以振動(dòng)發(fā)電元件的方式對(duì)上述的各實(shí)施方式進(jìn)行了說(shuō)明，但是也可以將在此所示的通過(guò)使用了離子凝膠的雙電層而得到的大電容的電容器作為電容大的蓄電元件來(lái)使用。例如，以在需要使用電力之前積蓄通過(guò)來(lái)自外部的振動(dòng)而產(chǎn)生的電荷為目的，可利用該蓄電元件。蓄電元件能夠通過(guò)與發(fā)電元件類似的材料和結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)成，因此能夠容易地制作兼具發(fā)電和蓄電這兩個(gè)功能的裝置。

在此作為參考加入了以下的優(yōu)先權(quán)基礎(chǔ)申請(qǐng)的公開內(nèi)容。

日本專利申請(qǐng)2015年第6690號(hào)(2015年1月16日申請(qǐng))。

符號(hào)說(shuō)明

1振動(dòng)發(fā)電元件；4a、4b限位件；10、32、42可動(dòng)電極；11、11a、11b固定電極；12、22可動(dòng)基板；13、13a、13b、13c離子凝膠；14負(fù)載；16a～16d雙電層；121、221支撐基板；122、222a、222b駐極體。