发电元件和发电器的制造方法

文档序号:10618305阅读:437来源:国知局
发电元件和发电器的制造方法
【专利摘要】本发明提供发电元件和发电器。所述发电元件包括第一电极;中间层;和第二电极,所述第一电极、所述中间层和所述第二电极以此顺序布置,所述中间层与所述第一电极和所述第二电极的至少一个接触,其中当在所述中间层未与所述第一电极和所述第二电极的至少一个固定的状态下,相对于所述第一电极的表面和所述第二电极的表面在垂直方向上挤压所述中间层时,所述中间层相对于所述第一电极的表面和所述第二电极的表面在水平方向上微观地移动。
【专利说明】
发电元件和发电器
技术领域
[0001] 本公开涉及发电元件(electric generating element)和发电器(electric generator)〇
【背景技术】
[0002] 对于有效地利用由结构体如道路、桥梁和建筑的振动,移动体如汽车和列车车厢 的振动,以及因人类活动引起的振动产生的能量,常规上已经存在多种尝试。关于有效地利 用由振动产生的能量的方法,存在其中将振动能转换为电能的方法。这样的方法的实例包 括利用压电元件的系统和利用静电感应的系统。
[0003] 利用压电元件的系统主要使用基于陶瓷的压电元件,并且利用如下的现象:当由 于振动而将扭曲施加于压电元件时在压电元件的表面处电荷被感应(诱导)(参见,例如,日 本未审查专利申请公开No. 2010-104105)。
[0004] 利用静电感应的系统典型地使用半永久地保留电荷的驻极体电介质(参见,例如, 日本专利No . 5480414、日本未审查专利申请公开No . 20 14-027756、和日本专利 No.5126038)。用于前述文献中的驻极体电介质是能够使电介质带电(充电)以半永久地产 生静电场的材料。通过因振动而改变在驻极体电介质和远离驻极体电介质布置的电极之间 的相对位置,经由静电感应将电荷感应至电极。结果,产生电。
[0005] 而且,已知通过使用无定形的氟树脂作为驻极体材料并将氟树脂成型为带状驻极 体电极,可获得极高的电势(参见,例如,0MR0N公司,Development of small"Energy harvesting oscillation device"that generates power with minute vibrations,[在 线],设于2008年 11 月 11 日,互联网〈URL: http : //www · omron .co.jp/press/2008/ll/ cllll.html>)〇
[0006] 此外,提出发电器,其包含第一电极、第二电极、第一电介质层和第二电介质层,并 且利用摩擦起电而产生电(参见,例如,美国专利申请公开No.US 2014/0246950)。

【发明内容】

[0007] 因为日本未审查专利申请公开No. 2010-104105中公开的利用压电元件的系统主 要使用基于陶瓷的压电元件,故存在该元件不具有挠性且该元件容易损坏(破裂)的问题。
[0008] 另外,在如日本专利No. 5480414、日本未审查专利申请公开No. 2014-027756、和日 本专利No. 5126038公开的利用静电感应的系统中,在产生所使用的驻极体衍生物时,需要 对电介质进行充电处理。充电处理的实例包括电晕放电和等离子体处理。然而,这些处理具 有需要大量的电的问题。而且,元件的挠性是不足的。此外,典型地布置机械能力不同的系 统,难以实现烧性元件。而且,在其中使用0MR0N公司,Development of small "Energy harvesting oscillation device"that generates power with minute vibrations,[在 线],设于2008年 11 月 11 日,互联网〈URL: http : //www · omron .co.jp/press/2008/ll/ cllll .html>中公开的无定形氟树脂的情况下,存在如下的问题:当施加高电压引起放电 时,发电元件趋于损坏。
[0009] 在美国专利申请公开No.US 2014/0246950中公开的利用摩擦起电的系统的发电 器在外部施加载荷时大大变形。因此,存在发电效率劣化的问题。
[0010] 因此,本发明旨在提供发电元件,其具有高的发电性能且当施加外部载荷时不损 坏。
[0011] 作为用于解决前述问题的手段,本发明的发电元件包括第一电极、中间层、和第二 电极,所述第一电极、所述中间层和所述第二电极以此顺序布置。所述中间层与所述第一电 极和所述第二电极的至少一个接触。当在所述中间层未与所述第一电极和所述第二电极的 至少一个固定的状态下,相对于所述第一电极的表面和所述第二电极的表面在垂直方向上 挤压所述中间层时,所述中间层相对于所述第一电极的表面和所述第二电极的表面在水平 方向上微观地(细微地,microscopically)移动。而且,在所述第一电极和所述第二电极的 至少一个的表面处形成凸出结构体,所述表面与所述中间层接触。当相对于所述第一电极 和所述第二电极的表面在垂直方向上将压力施加通过凸出结构体和挠性中间层时,电极表 面和中间层之间的接触面积增加以促进中间层在微观尺度上沿着电极表面的水平移动。
[0012] 本发明可提供发电元件,其具有高的发电性能并且当施加外部载荷时不损坏。
【附图说明】
[0013] 图1是说明本发明的发电元件的一个实例的示意性横截面图;
[0014] 图2是说明本发明的发电元件的另一实例的示意性横截面图;
[0015] 图3是说明其中用挤压构件挤压图2的发电元件的状态的示意性横截面图;
[0016] 图4是说明本发明的发电元件的另一实例的示意性横截面图;
[0017]图5是说明本发明的发电元件的另一实例的示意性横截面图;
[0018] 图6是说明其中在垂直方向上挤压图5的挤压构件的状态的示意性横截面图;
[0019] 图7是用来测量移动对发电的影响的本发明的发电器的示意性横截面图;
[0020]图8是说明其中待测量的图7的发电器的上部电极移动至左侧的情况的示意性横 截面图;
[0021]图9是说明其中待测量的图7的发电器的上部电极移动至右侧的情况的示意性横 截面图;
[0022]图10是说明本发明的发电器的另一实例的示意性横截面图;
[0023]图11是描绘具有图7的结构的发电器的发电效率的测量结果的图;和
[0024] 图12是说明在对比例1中制造的发电元件的示意性横截面图。
【具体实施方式】
[0025] (发电元件)
[0026] 本发明的发电元件包括第一电极、中间层和第二电极,所述第一电极、所述中间层 和所述第二电极以此顺序布置。所述发电元件可进一步地包括其它构件,如必要的话。
[0027] 本发明的发电元件初始不具有任何电荷或内部电荷。当将垂直载荷外部地施加于 中间层时,在横向方向上产生应力,并且通过摩擦起电产生电荷,由此产生电。然而,在中间 层和电极之间的界面处的摩擦典型地为大的,且除非施加大的力否则不会引起滑动。当对 着柔软的中间层挤压具有不规则体的电极、特别地凸状电极或者挤压构件时,中间层的橡 胶的表面积由于橡胶的可拉伸性而可逆地增加或减少。结果,中间层相对于第一电极和第 二电极的表面在水平方向上微观地移动,由此获得较高的发电效率。注意,短语"在水平方 向上…移动"指以用肉眼不可识别的程度在水平方向上微小地移动。
[0028] 〈第一电极和第二电极〉
[0029] 取决于预定目的适当地选择第一电极和第二电极各自的材料、形状、尺寸和结构 而无任何限制。
[0030] 第一电极的材料、形状、尺寸和结构可与第二电极的材料、形状、尺寸和结构相同 或不同,但优选地第一电极的材料、形状、尺寸和结构与第二电极的材料、形状、尺寸和结构 相同。此外,优选布置移动促进构件。
[0031 ]第一电极和第二电极的材料的实例包括金属、基于碳的导电材料和导电橡胶组合 物。
[0032] 金属的实例包括金、银、铜、铁、铝、不锈钢、钽、镍和磷青铜。
[0033] 基于碳的导电材料的实例包括石墨、碳纤维和碳纳米管。
[0034] 导电橡胶组合物的实例包括含有导电填料和橡胶的组合物。
[0035] 导电填料的实例包括碳材料(例如,科琴黑(Ket jenblack)、乙炔炭黑、石墨、碳纤 维、碳纤维(CF)、碳纳米纤维(CNF)、和碳纳米管(CNTs))、金属填料(例如,金、银、钼、铜、铁、 铝和镍)、导电聚合物材料(例如,聚噻吩、聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚(对亚苯基)和聚(对亚 苯基)亚乙烯基衍生物的任一种的衍生物或者用掺杂剂如阴离子和阳离子掺杂的衍生物)、 和离子液体。这些填料可单独或组合使用。
[0036] 橡胶的实例包括硅橡胶、改性硅橡胶、丙烯酸类橡胶、氯丁橡胶、聚硫橡胶、聚氨酯 橡胶、异丁基橡胶(丁基橡胶)、氟硅橡胶、乙烯橡胶和天然橡胶(乳胶)。橡胶的前述实例可 单独或组合使用。
[0037] 第一电极的形式和第二电极的形式的实例包括片、膜、薄膜、织造织物、非织造织 物、网和海绵。注意,第一电极的形式和第二电极的形式可各自为通过重叠纤维形式的碳材 料形成的非织造织物。
[0038]膜的实例包括聚合物膜。
[0039] 聚合物膜的实例包括其中将金属箱粘接于膜的膜。关于聚合物膜,可使用商品。商 品的实例包括AL-PET 9-100和AL-PET 25-25(两者由PANAC公司制造)。
[0040] 第一电极的形状和第二电极的形状没有特别的限制,并且取决于发电元件的形状 适当地选择。
[0041] 第一电极的尺寸和第二电极的尺寸没有特别的限制,并且取决于发电元件的尺寸 适当地选择。
[0042] 第一电极的平均厚度和第二电极的平均厚度可取决于发电元件的结构而适当地 选择。鉴于发电元件的导电性和挠性,第一电极的平均厚度和第二电极的平均厚度各自优 选在Ο.ΟΙμπι-lmm的范围内、更优选在0.1μηι-500μηι的范围内。当第一电极的平均厚度和第二 电极的平均厚度为Ο.ΟΙμπι或更大时,可获得适当的机械强度,并且因此所得的发电元件的 导电性改善。当第一电极的平均厚度和第二电极的平均厚度为1mm或更少时,所得的发电元 件是可形变的,并且因此可获得优异的发电性能。
[0043] 〈〈移动促进构件》
[0044] 优选的是,配置用于促进中间层的移动促进构件设置在第一电极和第二电极的至 少一个的表面处,所述表面与中间层接触,或设置在第一电极的与其面向中间层的表面相 反的表面处。当布置移动促进构件时,中间层相对于第一电极和第二电极的表面在水平方 向上容易地移动,因此电荷有效地通过摩擦起电产生,由此产生电。在本说明书中,术语"移 动促进"是指当相对于第一电极和第二电极的表面垂直地施加压力时,中间层的位置的改 变量容易地增加,所述中间层由于对第一电极和第二电极的表面的摩擦力而不容易形变。 移动促进包括相对于通常的平坦表面的面积增加的效果,以及由于凸出结构体的垂直挤压 分量沿着水平方向的分离效果所引起的平行移动的效果的增加。
[0045] 取决于预定目的适当地选择移动促进构件而无任何限制,条件是移动促进构件能 够促进中间层的移动。其实例包括其中凸出结构体布置在第一电极和第二电极的面向中间 层的表面的至少一个处的构件,和其中挤压构件布置在第一电极的与其面向中间层的表面 相反的表面处的构件。
[0046] -其中凸出结构体布置在第一电极和第二电极的表面的至少一个处的构件-
[0047] 凸出结构体可设置在第一电极和第二电极的面向中间层的表面的至少一个处。
[0048] 凸出结构体的形状的实例包括其中凸出结构体的顶端具有角的形状,和具有曲率 的形状。具体而言,凸出结构体的横截面形状的实例包括半圆、半椭圆、三角形和梯形。在它 们之中,半圆是优选的,因为可更多地促进移动。
[0049]-其中布置挤压构件的构件_
[0050]其中布置挤压构件的构件,该构件可布置在第一电极的与其面向中间层的表面相 反的表面处。可用挤压构件经由第一电极挤压中间层,由此引起中间层的移动。
[0051]取决于预定目的适当地选择挤压构件的材料、形状、尺寸和结构而无任何限制,条 件是挤压构件可经由第一电极挤压中间层。
[0052]关于挤压构件的形状,优选的是在该构件的面向第一电极的表面处布置凸出结构 体,因为该构件可有效地经由第一电极挤压中间层。凸出结构体的形状的实例包括其中凸 出结构体的顶端具有角的形状和具有曲率的形状。具体而言,凸出结构体的横截面形状的 实例包括半圆、半椭圆、三角形、矩形和梯形。
[0053]在本发明中,在其中布置挤压构件的情况下,发电元件被确定为包括挤压构件的 发电元件。
[0054] 中间层的材料和第一电极或第二电极的表面之间的动摩擦系数优选为1.5或更 小,更优选地〇. 8或更小。当动摩擦系数为1.5或更小时,获得优异的发电性能。
[0055] 图1是说明本发明的发电元件的一个实例的示意性横截面图。图1中示出的发电元 件1是其中通过电铸在第一电极2上形成角状(corn)凸出结构体的镍电极的实例。因为布置 凸出结构体,故当相对于第一电极2和第二电极3的表面在垂直方向上施加压力时,中间层4 被凸出结构体挤压。结果,中间层4可相对于第一电极2和第二电极3的表面在水平方向上更 显著地微观地移动。注意,具有凸出结构体的电极的实例包括金属复合电极(产品名称: Sui-10-70,由SEIREN Co.,LtcL 制造)。当Sui-10-70(由SEIREN Co.,LtcL制造)在其表面处 具有凸出结构体时,可合适地使用Sui-10-70。
[0056] 〈中间层〉
[0057]中间层与第一电极和第二电极的至少一个接触。当在中间层未与第一电极和第二 电极的至少一个固定的状态下,相对于第一电极的表面和第二电极的表面在垂直方向上挤 压中间层时,中间层相对于第一电极的表面和第二电极的表面在水平方向上微观地移动。 [0058]注意,其中中间层未与第一电极和第二电极的至少一个固定的状态是指其中至少 第一电极和第二电极中、或者中间层可移动的状态。即使第一电极和第二电极与中间层在 其外围部分是固定的,但中间层可至少部分地相对于第一电极和第二电极的表面在水平方 向上移动,因为第一电极和第二电极、以及中间层全部具有挠性。
[0059] 取决于预定目的适当地选择中间层的材料而无任何限制。该材料的实例包括橡 胶。橡胶的实例包括硅橡胶、氟硅橡胶、丙烯酸类橡胶、氯丁橡胶、天然橡胶(乳胶)、聚氨酯 橡胶、氟橡胶、和乙丙橡胶。在橡胶的这些实例中,硅橡胶是优选的。
[0060] 可将填料添加至中间层以赋予各种功能。填料的实例包括氧化钛、钛酸钡、锆钛酸 铅、氧化锌、二氧化娃、碳酸妈、炭黑、碳纳米管、碳纤维、铁氧化物、PTFE、云母、粘土矿物、合 成水滑石和金属。在其中使用具有压电性的填料或极化聚合物(作为基础材料或填料)的情 况下,优选对其进行极化处理。
[0061] 中间层的硬度(JIS-A硬度)小于60°,优选地小于52°,和更优选地小于42°。当硬度 小于60°时,可进行优异的发电,因为中间层的硬度不阻碍其移动。
[0062] 取决于预定目的适当地选择中间层的平均厚度而无任何限制。鉴于形变能力,中 间层的平均厚度优选在lym-10mm的范围内,和更优选地在50μηι-200μηι的范围内。当平均厚 度在优选的范围之内时,可确保成膜能力,并且不阻碍形变,且因此可进行优异的发电。
[0063] 中间层优选地具有绝缘性质。关于绝缘性质,中间层优选地具有108Ω cm或更大的 体积电阻率,更优选地1〇1()Ω cm或更大的体积电阻率。
[0064]中间层可具有多层结构。
[0065] 〈〈表面改性处理和钝化处理》
[0066] 用于使中间层的表面硬度或移动的量变化的方法的实例包括表面改性处理和钝 化处理。可进行这两种处理,或可进行这些处理之一。
[0067] -表面改性处理-
[0068] 表面改性处理的实例包括等离子体处理、电晕放电处理、电子束照射处理、UV线照 射处理、臭氧处理、和放射射线(X射线、α射线、β射线、γ射线、或中子)照射处理。在它们之 中,鉴于处理速率,优选等离子体处理、电晕放电处理、和电子束照射处理。然而,表面改性 处理不限于前述实例,只要表面改性处理是其中将一定程度的照射能施加于材料以将材料 改性的处理。
[0069] -等离子体处理一
[0070] 在等离子体处理的情况下,产生等离子体的设备是例如大气压等离子体设备、以 及平行板等离子体设备、电容親合的(capacity-coupled)等离子体设备、或电感親合的 (inductively-coupled)等离子体设备。鉴于耐久性,等离子体处理优选为低压等离子体处 理。
[0071] 取决于预定目的适当地选择等离子体处理的反应压力而无任何限制。该反应压力 优选在0.05Pa-100Pa的范围内、更优选地在lPa-20Pa的范围内。
[0072] 取决于预定目的适当地选择等离子体处理的反应氛围而无任何限制。例如,气体 如惰性气体、稀有气体、和氧气作为反应氛围是有效的。鉴于效果的持续性,反应氛围优选 为氩气。而且,优选反应氛围的氧气分压被调节至5,OOOppm或更少。当反应氛围的氧气分压 为5,OOOppm或更少时,可抑制臭氧的产生,并且可避免臭氧处理设备的使用。
[0073]等离子体处理中的电辐射剂量通过(输出X照射时间)定义。电辐射剂量优选在 5Wh-200Wh的范围内,更优选地在10Wh-50Wh的范围内。当电辐射剂量在前述优选的范围内 时,发电功能可被赋予至中间层,并且耐久性可得以保持,因为不施加过量的能量。
[0074]-电晕放电处理一
[0075]电晕放电处理中施加的能量(累积能量)优选在6J/Cm2-300J/cm 2的范围内,更优选 地在12J/cm2-60J/cm2的范围内。当施加的能量在前述优选的范围内时,发电功能可被赋予 至中间层,并且耐久性可得以保持,因为不过度地进行照射。
[0076]-电子束照射处理一
[0077]电子束照射处理的辐射剂量优选为lkGy或更大,更优选地在300kGy_10MGy的范围 内。当辐射剂量在前述优选的范围内时,发电功能可被赋予至中间层,并且耐久性可得以保 持,因为不施加过量的能量。
[0078]取决于预定目的适当地选择电子束照射处理的反应氛围而无任何限制。该反应氛 围优选为通过用惰性气体如氩气、氖气、氦气和氮气填充而将其氧气分压调节至5, OOOppm 或更少的氛围。当反应氛围的氧气分压为5,000ppm或更少时,可抑制臭氧的产生,并且可避 免臭氧处理设备的使用。
[0079] -UV线照射处理一
[0080] 用于UV线照射处理的UV线优选地具有365nm或更短但200nm或更长、更优选地 320nm或更短但240nm或更长的波长。
[00811 UV线照射处理的累积辐射优选地在5J/Cm2-500J/cm2的范围内,更优选地在50J/ cm2-400J/cm2的范围内。当累积福射在前述优选的范围内时,发电功能可被赋予至中间层, 并且耐久性可得以保持,因为不施加过量的能量。
[0082]取决于预定目的适当地选择UV线照射处理的反应氛围而无任何限制。该反应氛围 优选地为通过用惰性气体如氩气、氖气、氦气和氮气填充而将其氧气分压调节至5, OOOppm 或更少的氛围。当反应氛围的氧气分压为5,000ppm或更少时,可抑制臭氧的产生,并且可避 免臭氧处理设备的使用。
[0083] 在相关技术中,提出通过经由等离子体处理、电晕放电处理、UV线照射处理或电子 束照射处理激发或氧化材料以由此形成活性基团,来提高层间粘合性。然而,这些技术仅限 于层之间的应用,且不适合于最外表面,因为润滑性被降低。而且,在富氧状态下进行前述 处理的任一种的反应,以有效地引入反应活性基团(羟基)。因此,前述相关技术根本上与本 发明中进行的表面改性处理不同。
[0084]本发明中进行的表面改性处理是在减压下低氧含量的反应环境中进行的处理(例 如,等离子体处理)。因此,表面改性处理加速表面的再交联和键合(连接)以改进耐久性(例 如,由于"具有高键合能的Si-〇键的增加")、以及由于"因提高的交联密度造成的高密度"而 改进润滑性(注意,在本发明中可部分地形成活性基团,但用下述偶联剂或通过空气干燥处 理而使活性基团失活)。
[0085] 通过表面处理获得的经表面处理的层的平均厚度优选在0.01μπι-50μπι的范围内, 更优选地在0.01μπι-20.0μηι的范围内。当平均厚度在前述优选的范围内时,发电的能力可被 赋予至中间层,并且防止中间层增加其硬度,由此防止发电的降低。
[0086]-钝化处理-
[0087] 可使用各种材料适当地在中间层的表面上进行钝化处理。
[0088] 取决于预定目的适当地选择钝化处理而无任何限制,条件是该钝化处理是能够使 中间层的表面失活的处理。其实例包括包含将钝化剂施加至中间层的表面上的过程。钝化 是通过降低中间层的表面的活性而将中间层的表面改性为几乎不引起化学反应的性质。通 过容许由在等离子体处理、电晕放电处理或电子束照射处理中发生的激发或氧化产生的活 性基团(例如,-0Η)与钝化剂反应,而使中间层的表面的活性降低。
[0089] 钝化剂的实例包括无定形树脂和偶联剂。
[0090] 无定形树脂的实例包括在其主链中含有全氟聚醚结构的树脂。
[0091] 偶联剂的实例包括金属醇盐和含有金属醇盐的溶液。金属醇盐的实例包括由以下 通式(1)表示的化合物(其部分水解缩聚产物具有在约2-约10的范围的聚合度)以及其混合 物。
[0092] RV-n)Si(0R2)n
[0093] 通式(1)
[0094] 在通式(1)中,R1和R2各自独立地为直链或支化的C1-C10烷基、烷基聚醚链或芳基, 且η为2、3或4的整数。
[0095]由通式(1)表示的化合物的具体实例包括二甲基二甲氧基硅烷、二乙基二乙氧基 硅烷、^乙基^甲氧基硅烷、^乙基^乙氧基硅烷、^苯基^甲氧基硅烷、^苯基^乙氧基 硅烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、和四丙氧基硅 烷。在它们之中,鉴于耐久性,四乙氧基硅烷是优选的。
[0096]在通式(1)中,R1可为氟代烷基。而且,R1可为经由氧键合的丙烯酸氟代烷基酯、或 醚全氟聚醚。在它们之中,鉴于挠性和耐久性,全氟聚醚基团是优选的。
[0097]而且,金属醇盐的实例包括乙烯基硅烷[例如,乙烯基三(β_甲氧基乙氧基)硅烷、 乙烯基三乙氧基硅烷和乙烯基三甲氧基硅烷]、丙烯酰基(acryl)硅烷[例如,γ-甲基丙烯 酰氧基丙基三甲氧基硅烷]、环氧基硅烷[例如,(3,4-环氧基环己基)乙基三甲氧基硅烷、 γ -环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷和γ -环氧丙氧基丙基甲基二乙氧基硅烷]、和氨基硅烷 [例如,Ν-β(氨基乙基)γ -氨基丙基三甲氧基硅烷、Ν-β(氨基乙基)γ -氨基丙基甲基二甲氧 基硅烷、γ -氨基丙基三乙氧基硅烷和Ν-苯基-γ -氨基丙基三甲氧基硅烷]。
[0098] 而且,关于金属醇盐,除Si之外,Ti、Sn、Al和Zr可作为金属原子单独或组合使用。 [0099] 例如,可通过在对中间层前体如橡胶进行表面改性处理之后经由涂覆或浸渍将钝 化剂施加至中间层前体的表面,来进行钝化处理。
[0100] 而且,在其中将硅橡胶用作中间层前体的情况下,可通过在进行表面改性处理之 后将中间层留置在空气中而使中间层的表面失活。
[0101] 〈〈间隔》
[0102] 优选在第一电极和第二电极的至少一个和中间层之间布置间隔。当布置间隔时, 发电元件的电容即使在弱的振动下也变化,由此提高发电。
[0103] 取决于预定目的适当地选择布置间隔的方法而无任何限制。该方法的实例包括其 中将间隔物布置在第一电极和第二电极的至少一个和中间层之间的方法。
[0104] -间隔物-
[0105] 取决于预定目的适当地选择间隔物的材料、形式、形状和尺寸而无任何限制。
[0106] 间隔物的材料的实例包括聚合物材料、橡胶、金属、导电聚合物材料和导电橡胶组 合物。
[0107] 聚合物材料的实例包括聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚酰 亚胺树脂、氟树脂和丙烯酸类树脂。
[0108] 橡胶的实例包括硅橡胶、改性硅橡胶、丙烯酸类橡胶、氯丁橡胶、聚硫橡胶、聚氨酯 橡胶、异丁基橡胶、氟硅橡胶、乙烯橡胶和天然橡胶(乳胶)。
[0109] 金属的实例包括金、银、铜、铝、不锈钢、钽、镍和磷青铜。
[0110] 导电聚合物材料的实例包括聚噻吩、聚乙炔、和聚苯胺。
[0111] 导电橡胶组合物的实例包括含有导电填料和橡胶的组合物。导电填料的实例包括 碳材料(例如,科琴黑、乙炔炭黑、石墨、碳纤维、碳纤维、碳纳米纤维、和碳纳米管)、金属(例 如,金、银、铂、铜、铁、铝和镍)、导电聚合物材料(例如,聚噻吩、聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚 (对亚苯基)和聚(对亚苯基)亚乙烯基的任一种的衍生物以及用掺杂剂如阴离子和阳离子 掺杂的衍生物)、和离子液体。橡胶的实例包括硅橡胶、改性硅橡胶、丙烯酸类橡胶、氯丁橡 胶、聚硫橡胶、聚氨酯橡胶、异丁基橡胶、氟硅橡胶、乙烯橡胶和天然橡胶(乳胶)。
[0112] 间隔物的形式的实例包括片、膜、织造织物、非织造织物、网和海绵。
[0113] 取决于发电元件的结构适当地选择形状、尺寸、厚度、和待布置的位置。
[0114] 〈其它构件〉
[0115] 前述其它构件的实例包括密封层。
[0116] 〈〈密封层》
[0117] 可在第一电极和第二电极的与其面向中间层的表面相反的表面上布置密封层。
[0118] 取决于预定目的适当地选择密封层而无任何限制,且其实例包括赛璐玢带 (cellophane tape)。
[0119] 优选中间层在静止状态下不具有初始表面电势。
[0120] 注意,在静止状态下的初始表面电势可在以下测量条件下测量。注意,短语"不具 有初始表面电势"是指在以下条件下所测量的初始表面电势为±l〇V或更少。
[0121] [测量条件]
[0122] 预处理:在将样品留置于具有30°C的温度和40%的相对湿度的氛围中24小时之 后,进行中和60秒(使用SJ-F300,由Keyence公司制造)。
[0123] 设备:Treck Model344
[0124] 测量探头:6000B-7C
[0125] 测量距离:2mm
[0126] 测量点直径:直径10mm
[0127] 本发明的发电元件的发电原理与日本专利No.5480414、日本未审查专利申请公开 No. 2014-027756和日本专利No. 5126038中公开的相关技术的那些不同在于:本发明的发电 元件的中间层不具有初始表面电势。
[0128] 用于相关技术的发电元件中的电材料是初始已半永久地提供电荷的材料。本发明 的发电元件的发电机理尚不清楚,但设想如下。当施加载荷如外力或振动时,与电极相邻的 中间层相对于第一电极和第二电极的表面在水平方向上微观地移动,由此通过摩擦起电而 引起带电,或在中间层内产生电荷。作为带电的结果,引起表面电势差。电荷移动以使得表 面电势差为零(〇),由此产生电。
[0129] 图2是说明本发明的发电元件的另一实例的示意性横截面图。图2中所示的发电元 件10含有挤压构件15、一对电极(第一电极12和第二电极13)、中间层14和密封层16a和16b, 并且间隔19经由间隔物(未示出)布置在第一电极和中间层之间。图3是说明其中用挤压构 件挤压图2的发电元件的状态的示意性横截面图。当如图3中所示使用挤压构件15相对于第 一电极和第二电极的表面垂直地施加压力时,中间层14经由具有挠性的第一电极被挤压, 由此相对于第一电极和第二电极的表面在水平方向上微观地移动。
[0130] 图4是说明本发明的发电元件的另一实例的示意性横截面图。图4中所示的发电元 件20含有挤压构件25、一对电极(第一电极22和第二电极23)、中间层24和密封层26a和26b, 且不具有图3的发电元件10中所布置的间隔19,以及具有其中第一电极与中间层接触的结 构。
[0131]图5是说明本发明的发电元件的另一实例的示意性横截面图。如图5中所示,发电 元件30含有第一电极32、中间层34和第二电极33,并且在第一电极32的面向中间层34的表 面处布置凸出结构体。图6是说明其中相对于图5的第一电极在垂直方向上施加压力的状态 的示意性横截面图。当如图6中所示用布置在发电元件30的第一电极32的面向中间层34的 表面处的凸出结构体挤压中间层34时,中间层34相对于第一电极32和第二电极33的表面在 水平方向上微观地移动。
[0132] (发电器)
[0133] 本发明的发电器至少包括本发明的发电元件,且如果必要的话可进一步地包括其 它构件。当发电器使用本发明的发电元件时,在运行时无需施加高压。
[0134] 当在外部施加载荷时发电元件的中间层相对于第一电极和第二电极的表面在水 平方向上微观地移动的时候,本发明的发电器产生电。发电的机理尚不清楚,但设想如下。 当施加载荷如外力或振动时,与电极相邻的中间层相对于第一电极和第二电极的表面在水 平方向上微观地移动,由此通过摩擦起电而引起带电,或在中间层内产生电荷。作为带电的 结果,引起表面电势差。电荷移动以使得表面电势差为零(〇),由此产生电。
[0135] 〈其它构件〉
[0136] 前述其它构件的实例包括覆盖材料、电线和电路。
[0137] -覆盖材料-
[0138] 取决于预定目的适当地选择覆盖材料而无任何限制。
[0139] 覆盖材料的材料的实例包括聚合物材料和橡胶。聚合物材料的实例包括聚乙烯、 聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚酰亚胺树脂、氟树脂和丙烯酸类树脂。橡胶的 实例包括硅橡胶、改性硅橡胶、丙烯酸类橡胶、氯丁橡胶、聚硫橡胶、聚氨酯橡胶、异丁基橡 胶、氟硅橡胶、乙烯橡胶和天然橡胶(乳胶)。
[0140] 取决于发电器适当地选择覆盖材料的结构、形状、尺寸和厚度,而无任何限制。
[0141] -电线 _
[0142] 取决于预定目的适当地选择电线而无任何限制。
[0143] 电线的材料的实例包括金属和合金。金属的实例包括金、银、铜、铝和镍。
[0144] 取决于发电器适当地选择电线的结构、形状和厚度而无任何限制。
[0145] -电路-
[0146] 取决于预定目的适当地选择电路而无任何限制,条件是该电路是引出(draw)发电 元件中产生的电的电路。
[0147] 电路的实例包括整流电路、示波器、电压表、电流表、存储电路、LED和各种传感器 (例如,超声传感器、压力传感器、触觉传感器、变形传感器(distortion sensor)、加速度传 感器(acceleration sensor)、震动传感器(shock sensor)、振动传感器、压敏传感器、电场 传感器、和声压传感器)。
[0148] 〈用途〉
[0149] 例如,发电器合适地用于各种传感器,如超声传感器、压力传感器、触觉传感器、变 形传感器、加速度传感器、震动传感器、振动传感器、压敏传感器、电场传感器、和声压传感 器。特别地,发电器合适地用于可穿戴式传感器,因为无需高电压。而且,发电器合适地在耳 机、扬声器、麦克风、水听器、显示器、风扇、栗、可变焦镜头、超声换能器、压电变压器、隔音 器、隔音材料、致动器或键盘中用作具有优异的加工性能的压电膜。而且,发电器可用于音 频系统、信息处理设备、测量设备、医疗设备、交通工具、建筑、用于运动器材如滑雪板和球 拍的阻尼材料(阻尼器)和其它领域。
[0150] 此外,发电器合适地用于以下应用。
[0151] ?使用天然能量如波力、水力和风力发电。
[0152] ?当发电器嵌入鞋子、衣服、地板或配件中时,通过人类行走发电。
[0153] ?当发电器嵌入机动车的轮胎中时,使用由行进引起的振动发电。
[0154] 而且,预期将发电器作为通过在挠性基底上形成发电器而制备的板式发电器 (plate electric generator)、通过施加电压充电的二次电池、或新型致动器(例如,人造 肌肉)应用。
[0155] 图7是用于测量移动对发电的影响的本发明的发电元件的示意性横截面图。在所 示结构中,使用移动促进的结构,并且使电极直接移动。图7中所示的发电器40含有一对电 极(第一电极42和第二电极43)、中间层44、密封层46a和46b、以及电线47a和47b。
[0156] 图8是说明其中待测量的图7的发电元件的上部电极移动至左侧的情况的示意性 横截面图。图9是说明其中待测量的图7的发电元件的上部电极移动至右侧的情况的示意性 横截面图。如图8和9中所示,当相对于第一电极和第二电极的表面在垂直方向上施加压力 时,上部电极可在水平方向的任一侧中移动。
[0157] 〈〈在水平方向上的移动的测定》
[0158] 在水平方向上的移动可通过如下测量:使用表面测试仪(HEID0N Tribo Gear, 14DR)和30mm平压头(flat indenter)在以下测量条件下挤压具有图7的结构的发电器以在 水平方向上移动,并且使用示波器(WaveAcelOOl,由Teledyne LeCroy日本公司制造)测量 峰值电压量。注意,当材料沿着相对移动的台(stage)的移动在水平方向上移动时,表面测 试仪可施加载荷而不移动平压头,且可测量材料的性质。将作为发电器的自第一电极起的 上部部分的结构与30mm平压头固定,并且将发电器的自第二电极起及以下的部分与下面的 可移动台固定。结果,可测量发电器的在中间层相对于第一电极的表面在水平方向上移动 时的发电性能。图11是描绘具有图7的结构的发电器的发电效率的测量结果的图。该图的横 轴描绘移动距离,且该图的纵轴描绘电压的峰值。如该图中所显示,在较大的移动量的情况 下可获得较高的电压。
[0159] [测量条件]
[0160] 载荷:l〇〇gf
[0161 ] 工作台(^&1316)的行进速度:以11111]1/8返回
[0162] 图10是说明本发明的发电器的另一实例的示意性横截面图。图10的发电器50含有 多个彼此连接的本发明的发电元件(第一电极52、第二电极53、中间层54、密封层56a和56b、 以及挤压构件55)。在第一电极52和中间层54之间布置间隔物58。布置电线57a和57b、中间 层压电计61和地线62。可通过连接多个发电元件提高发电输出。
[0163] 实施例
[0164] 在下文中描述本发明的实施例,但以下实施例不以任何方式解释为限制本发明的 范围。在实施例中,"份"表示"质量份"且"%"表示"质量%",除非另外说明。
[0165] (实施例1)
[0166] 〈发电元件的制造〉
[0167] 〈〈第一电极和第二电极》
[0168] 关于第一电极和第二电极的每一个,提供由PANAC CO.,LTD.制造的AL-PET 9-100 (铝箱的厚度:12mi)。
[0169] 〈〈中间层的形成》
[0170] -中间层前体-
[0171] 通过刮涂将娃橡胶A(TSE3033,由Momentive Performance Materials Inc ·制造) 施加至聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜上,以得到150μπι±20μπι的平均厚度和50mm(长度)X 70mm (宽度)的尺寸,由此获得中间层前体。
[0172] -表面改性处理-
[0173] 在约120°C下将获得的中间层前体烘烤30分钟之后,在以下条件下进行等离子体 处理作为表面改性处理。
[0174] [等离子体处理的条件]
[0175] 设备:PR-500,由Yamato Scientific Co·,Ltd.制造
[0176] 输出:l〇〇W
[0177] 处理时间:4分钟
[0178] 反应氛围:99.999%氩气
[0179] 反应压力:10Pa
[0180] -钝化处理-
[0181] 在表面改性处理之后,将通过用全氟己烷稀释充当碳氟化合物的0PT00L DSX(由 DAIKIN INDUSTRIES,LTD.制造)而制备的0.1 %溶液通过浸涂(浸渍)以10mm/min的拉出速 率施加至经等离子体处理的中间层前体的表面上。随后,将所得物在具有90%的相对湿度 和60°C的温度的环境中保持30分钟或更长,然后在50°C下干燥10分钟以由此进行钝化处 理。
[0182] 随后,剥离PET膜。
[0183] 以上述方式,获得中间层。
[0184] 〈发电元件的制造〉
[0185] 用第一电极和第二电极将获得的中间层夹在当中,并且连接导线(C3/RV-90 0.75SQ,由Taiyo Cabletec公司制造)。对于所得物,用赛璐玢带(No.405 50mm宽,由 NICHIBAN CO.,LTD.制造)形成密封层。而且,将在第一电极侧具有各自拥有近似半圆形横 截面的凸出结构体的铝挤压构件布置在第一电极的表面上,由此制造具有图2中所示的结 构的实施例1的发电元件。在制造发电元件的过程中,将切成5mm宽度的一条导电布胶带 (E05R1020,由SEIWA ELECTRIC MFG C0.,LTD.制造)平行于面向中间层的第一电极的边缘 表面粘接,以得到在第一电极上的不规则体,由此产生其中在第一电极和中间层之间布置 有间隔(空气)的结构。所提及的间隔通过导电布胶带的厚度(约0.12mm)产生,但当在垂直 方向上施加载荷时该间隔是可变化的。当不施加载荷时,保持该间隔。
[0186] 而且,关于挤压构件,使用错挤压构件(产品名称:Aquare Ayame No. 1(薄),由 Saito Endiniazu Inc.制造)。在挤压构件中,压纹的(embossed)凸出结构体的横截面各自 为半圆且该半圆具有与中间层的平均厚度(150μπι±20μπι)相同的半径(150μπι±20μπι)。凸出 结构体以如下的方式布置在挤压构件中:凸出结构体的边缘和相邻凸出结构体的边缘之间 的最小距离将为约1,〇〇〇Μ?。原本地,压纹处理为双侧处理。然而,在省略其与橡胶接触侧相 反的一侧的凸出结构体的情况下描述该挤压构件。
[0187] 〈发电器的制造〉
[0188] 将示波器(WaveAcelOOl,由Teledyne LeCroy日本公司制造)连接于获得的发电元 件,由此制造具有图2中所示结构的实施例1的发电器。
[0189] 〈评价〉
[0190] 〈〈硬度》
[0191] 在以下测量条件下测量中间层的橡胶的硬度。结果示于表1中。
[0192] [测量条件]
[0193] 日本工业标准JIS K6253-3:2012,橡胶,硫化的或热塑性的-硬度测定
[0194] Α型硬度计(JIS-A橡胶硬度)
[0195] 〈〈由移动促进构件导致的面积比率(% )>>
[0196] 将仅平坦表面接触(例如,图12中的AL-PET 9-100)产生的面积确定为1。将通过用 于本发明中的凸出电极或挤压构件增加面积的效果确定为近似于其中半椭圆存在于平坦 表面上的情况。
[0197] 当给定椭圆具有半径a、半径b和半径c时,椭圆的表面积S如下。
[0198] 由移动促进构件导致的面积比率Sr通过如下测定:测量表面积S的一半,并用平坦 表面部分代替此一半的值。
[0199]
[0200]
[0201](条件是F (X,k)是第一种椭圆积分,和E (X,k)是第二种椭圆积分)
[0202] 在平坦表面的情况下,单元结构体的面积SS为SS = 2X (aXb)。
[0203] 而且,"c"为高度。因此,包括凸部的近似面积为Sr = (S/2+(SS-a X b X π) )/SS。用 百分数表示的近似面积示于表5中。
[0204]〈〈发电性能》
[0205]将铁球(重量:200g)从离实施例1所制造的发电器的最上面的表面距离10cm高的 位置落在发电器上。通过示波器测量两个电极之间所产生的峰值电压量。测量进行5次,并 且将获得的5次测量取平均并提供平均值作为测量值。测定该测量值相对于对比例7的测量 值的比率,并且基于以下评价标准评价。结果示于表5中。
[0206][评价标准]
[0207] A:该值是对比例7的10倍或更大,并且发电性能显著改善。
[0208] B:该值是对比例7的5倍或更大但小于10倍,并且发电性能显著改善。
[0209] C:该值是对比例7的小于5倍,并且发电性能略微改善。
[0210](实施例2)
[0211]〈发电元件的制造〉
[0212]实施例2的发电元件以与实施例1中相同的方式制造,条件是反应氛围(99.999% 氩气)改变为氮气。
[0213]〈发电器的制造〉
[0214]实施例2的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用实施例2中制造的发 电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0215](实施例3)
[0216]〈发电元件的制造〉
[0217]实施例3的发电元件以与实施例1中相同的方式制造,条件是反应氛围(99.999% 氩气)改变为氧气。
[0218]〈发电器的制造〉
[0219] 实施例3的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用实施例3中制造的发 电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0220] (实施例4)
[0221]〈发电元件的制造〉
[0222]实施例4的发电元件以与实施例1中相同的方式制造,条件是反应氛围(99.999% 氩气)改变为空气。
[0223]〈发电器的制造〉
[0224] 实施例4的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用实施例4中制造的发 电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0225] (实施例5)
[0226] 〈发电元件的制造〉
[0227] 实施例5的发电元件以与实施例1中相同的方式制造,条件是作为表面改性处理的 等离子体处理改变为电晕放电处理,并且等离子体处理的条件改变为以下的电晕放电处理 条件。
[0228] [电晕放电处理条件]
[0229] 施加电压:100V
[0230] 累积能量:500J/cm2
[0231] 反应氛围:空气 [0232]〈发电器的制造〉
[0233] 实施例5的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用实施例5中制造的发 电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0234] (实施例6)
[0235] 〈发电元件的制造〉
[0236] 实施例6的发电元件以与实施例1中相同的方式制造,条件是作为表面改性处理的 等离子体处理改变为电子束照射处理,并且等离子体处理的条件改变为以下的电子束照射 处理条件。
[0237] [电子束照射处理条件]
[0238] 设备:EB Engine(产品名称),由Hamamatsu Photonics Κ·Κ·制造
[0239] 辐射源:线照射低能电子束光源
[0240] 辐射剂量:lMGy
[0241] 反应氛围:氮气(氧气分压:5,000ppm或更小)
[0242] 〈发电器的制造〉
[0243] 实施例6的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用实施例6中制造的发 电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0244] (实施例7)
[0245] 〈发电元件的制造〉
[0246] 实施例7的发电元件(其具有如图4中所示的其中第一电极和中间层无任何间隔地 彼此接触的结构)以与实施例1中相同的方式制造,条件是不将充当间隔物的导电布胶带粘 接于第一电极的面向中间层的表面的边缘。
[0247] 〈发电器的制造〉
[0248] 实施例7的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用实施例7中制造的发 电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0249] (实施例8)
[0250]〈发电元件的制造〉
[0251] 实施例8的发电元件(其具有如图4中所示的其中第一电极和中间层无任何间隔地 彼此接触的结构)以与实施例2中相同的方式制造,条件是不将充当间隔物的导电布胶带粘 接于第一电极的面向中间层的表面的边缘。
[0252] 〈发电器的制造〉
[0253] 实施例8的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用实施例8中制造的发 电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0254] (实施例9)
[0255] 〈发电元件的制造〉
[0256] 实施例9的发电元件(其具有如图4中所示的其中第一电极和中间层无任何间隔地 彼此接触的结构)以与实施例3中相同的方式制造,条件是不将充当间隔物的导电布胶带粘 接于第一电极的面向中间层的表面的边缘。
[0257] 〈发电器的制造〉
[0258] 实施例9的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用实施例9中制造的发 电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0259] (实施例1〇)
[0260]〈发电元件的制造〉
[0261] 实施例10的发电元件(其具有如图4中所示的其中第一电极和中间层无任何间隔 地彼此接触的结构)以与实施例4中相同的方式制造,条件是不将充当间隔物的导电布胶带 粘接于第一电极的面向中间层的表面的边缘。
[0262] 〈发电器的制造〉
[0263] 实施例10的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用实施例10中制造的 发电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0264](实施例11)
[0265] 〈发电元件的制造〉
[0266] 实施例11的发电元件(其具有如图4中所示的其中第一电极和中间层无任何间隔 地彼此接触的结构)以与实施例5中相同的方式制造,条件是不将充当间隔物的导电布胶带 粘接于第一电极的面向中间层的表面的边缘。
[0267] 〈发电器的制造〉
[0268] 实施例11的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用实施例11中制造的 发电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0269](实施例⑵
[0270]〈发电元件的制造〉
[0271] 实施例12的发电元件(其具有如图4中所示的其中第一电极和中间层无任何间隔 地彼此接触的结构)以与实施例6中相同的方式制造,条件是不将充当间隔物的导电布胶带 粘接于第一电极的面向中间层的表面的边缘。
[0272] 〈发电器的制造〉
[0273] 实施例12的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用实施例12中制造的 发电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0274](实施例13)
[0275] 〈发电元件的制造〉
[0276] 实施例13的发电元件以与实施例1中相同的方式制造,条件是用硅橡胶B(KE_ 1950-20,由 Shin-Etsu Chemical Co ·,Ltd ·制造)代替娃橡胶A(TSE3033,由Momentive Performance Materials Inc.制造)。
[0277] 〈发电器的制造〉
[0278] 实施例13的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用实施例13中制造的 发电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0279](实施例 14)
[0280]〈发电元件的制造〉
[0281]实施例14的发电元件以与实施例1中相同的方式制造,条件是用硅橡胶C(KE_ 1950-30,由 Shin-Etsu Chemical Co ·,Ltd ·制造)代替娃橡胶A(TSE3033,由Momentive Performance Materials Inc.制造)。
[0282] 〈发电器的制造〉
[0283] 实施例14的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用实施例14中制造的 发电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0284](实施例15)
[0285] 〈发电元件的制造〉
[0286] 实施例15的发电元件以与实施例1中相同的方式制造,条件是用硅橡胶D(KE_ 1950-40,由 Shin-Etsu Chemical Co ·,Ltd ·制造)代替娃橡胶 A (TSE3033,由Moment ive Performance Materials Inc.制造)。
[0287] 〈发电器的制造〉
[0288] 实施例15的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用实施例15中制造的 发电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0289](实施例 16)
[0290]〈发电元件的制造〉
[0291] 实施例16的发电元件以与实施例1中相同的方式制造,条件是用硅橡胶E(KE_ 1950-50,由 Shin-Etsu Chemical Co ·,Ltd ·制造)代替娃橡胶 A (TSE3033,由Moment ive Performance Materials Inc.制造)。
[0292] 〈发电器的制造〉
[0293] 实施例16的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用实施例16中制造的 发电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0294](实施例 17)
[0295] 〈发电元件的制造〉
[0296] 〈〈第一电极和第二电极》
[0297] 关于第一电极,提供金属复合电极(产品名称:Sui-10_70,SEIREN Co.,Ltd.)。 Sui-10-70为平纹织物。在激光显微镜(产品名称:VK9500,由Keyence公司制造)下观察其表 面。证实存在各自为约30μπι的尺寸的半圆柱形凸部,并且该凸部以400μπι的间距分散。
[0298] 将由PANAC公司制造的AL-PET 9-100(铝箱的厚度:12μπι)用作第二电极。
[0299]〈〈中间层的形成》
[0300]中间层以与实施例1中相同的方式获得。
[0301]〈发电元件的制造〉
[0302]用第一电极和第二电极将获得的中间层夹在当中,并且连接导线(C3/RV-90 0.75SQ,由Taiyo Cabletec公司制造)。对于所得物,用赛璐玢带(No.405 50mm宽,由 NI CHI BAN C0 .,LTD.制造)形成密封层,由此制造实施例17的发电元件。在制造发电元件的 过程中,将各自切成5mm宽度的多条导电布胶带(E05R1020,由SEIWA ELECTRIC MFG C0., LTD.制造)平行于面向中间层的第一电极的边缘表面粘接,以得到在第一电极上的不规则 体,由此产生其中在第一电极和中间层之间布置有间隔(空气)的结构。所提及的间隔通过 两条层合的导电布胶带的总厚度(约〇.24_,各条导电布胶带的厚度:0.12mm)产生。当在垂 直方向上施加载荷时该间隔是可变化的。当不施加载荷时,保持该间隔。
[0303]〈发电器的制造〉
[0304] 将示波器(WaveAcelOOl,由Teledyne LeCroy日本公司制造)连接于获得的发电元 件,由此制造具有图5中所示的结构的实施例17的发电器。
[0305](实施例18)
[0306]〈发电元件的制造〉
[0307]〈〈第一电极和第二电极》
[0308] 通过电铸(electrocasting)以如下的方式将各自具有0.1mm高度的圆锥形凸出结 构体布置在具有〇. 5mm厚度的镍板上,由此获得第一电极:凸出结构体的边缘和相邻凸出结 构体的边缘之间的最小距离应为0.2mm。
[0309] 将由PANAC CO.,LTD.制造的AL-PET 9-100(铝箱的厚度:12μπι)用作第二电极。
[0310] 〈〈中间层的形成》
[0311] 中间层以与实施例1中相同的方式获得。
[0312]〈发电元件的制造〉
[0313]用第一电极和第二电极将获得的中间层夹在当中,并且连接导线(C3/RV-90 0.75SQ,由Taiyo Cabletec公司制造)。对于所得物,用赛璐玢带(No.405 50mm宽,由 NI CHI BAN C0 .,LTD.制造)形成密封层,由此制造实施例18的发电元件。在制造发电元件的 过程中,将切成5mm宽度的一条导电布胶带(E05R1020,由SEIWA ELECTRIC MFG C0.,LTD.制 造)平行于面向中间层的第一电极的边缘表面粘接,以得到在第一电极上的不规则体,由此 产生其中在第一电极和中间层之间布置有间隔(空气)的结构。所提及的间隔通过导电布胶 带的厚度(约〇. 12mm)产生,但当在垂直方向上施加载荷时该间隔是可变化的。当不施加载 荷时,保持该间隔。
[0314]〈发电器的制造〉
[0315] 将示波器(WaveAcelOOl,由Teledyne LeCroy日本公司制造)连接于获得的发电元 件,由此制造具有图1中所示的结构的实施例18的发电器。
[0316](对比例1)
[0317]〈发电元件的制造〉
[0318]具有图12中所示结构的对比例1的发电元件以与实施例1中相同的方式制造,条件 是中间层夹在第一电极和第二电极之间而没有任何空隙,并且中间层从一开始就与第一电 极和第二电极接触。在该结构中,所有的层从一开始就彼此接触,因此当电极分开设置时显 示的充电效应小。图12的发电元件80含有一对电极(第一电极82和第二电极83)、中间层84、 以及密封层86a和86b。
[0319]〈发电器的制造〉
[0320] 对比例1的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用对比例1中制造的发 电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0321] (对比例2)
[0322]〈发电元件的制造〉
[0323] 对比例2的发电元件以与对比例1中相同的方式制造,条件是反应氛围(99.999% 氩气)改变为氮气。
[0324] 〈发电器的制造〉
[0325] 对比例2的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用对比例2中制造的发 电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0326] (对比例3)
[0327] 〈发电元件的制造〉
[0328] 对比例3的发电元件以与对比例1中相同的方式制造,条件是反应氛围(99.999% 氩气)改变为氧气。
[0329] 〈发电器的制造〉
[0330] 对比例3的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用对比例3中制造的发 电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0331] (对比例4)
[0332]〈发电元件的制造〉
[0333] 对比例4的发电元件以与对比例1中相同的方式制造,条件是反应氛围(99.999% 氩气)改变为空气。
[0334] 〈发电器的制造〉
[0335] 对比例4的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用对比例4中制造的发 电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0336] (对比例5)
[0337] 〈发电元件的制造〉
[0338]对比例5的发电元件以与对比例1中相同的方式制造,条件是作为表面改性处理的 等离子体处理改变为电晕放电处理,并且等离子体处理的条件改变为以下的电晕放电处理 条件。
[0339] [电晕放电处理条件]
[0340] 施加电压:100V
[0341] 累积能量:500J/cm2
[0342] 反应氛围:空气
[0343] 〈发电器的制造〉
[0344] 对比例5的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用对比例5中制造的发 电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0345] (对比例6)
[0346] 〈发电元件的制造〉
[0347] 对比例6的发电元件以与对比例1中相同的方式制造,条件是作为表面改性处理的 等离子体处理改变为电子束照射处理,并且等离子体处理的条件改变为以下的电子束照射 处理条件。
[0348] [电子束照射处理条件]
[0349] 设备:EB Engine(产品名称),由Hamamatsu Photonics Κ·Κ·制造
[0350] 辐射源:线照射低能电子束光源
[0351] 辐射剂量:lMGy
[°352]反应氛围:氮气(氧气分压:5,OOOppm或更小)
[0353]〈发电器的制造〉
[0354] 对比例6的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用对比例6中制造的发 电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0355] (对比例7)
[0356] 〈发电元件的制造〉
[0357] 对比例7的发电元件以与对比例1中相同的方式制造,条件是不进行表面改性处 理。
[0358] 〈发电器的制造〉
[0359] 对比例7的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用对比例7中制造的发 电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0360] (对比例8)
[0361] 〈发电元件的制造〉
[0362] 对比例8的发电元件以与实施例1中相同的方式制造,条件是用硅橡胶F(KE-1950_ 60,由 Shin-Etsu Chemical Co.,Ltd.制造)代替娃橡胶 A(TSE3033,由Momentive Performance Materials Inc.制造)。
[0363] 〈发电器的制造〉
[0364] 对比例8的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用对比例8中制造的发 电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0365] (对比例9)
[0366] 〈发电元件的制造〉
[0367] 对比例9的发电元件以与实施例1中相同的方式制造,条件是用硅橡胶G(KE-1950_ 70,由 Shin-Etsu Chemical Co.,Ltd.制造)代替娃橡胶 A(TSE3033,由Momentive Performance Materials Inc.制造)。
[0368] 〈发电器的制造〉
[0369] 对比例9的发电器以与实施例1中相同的方式制造,条件是用对比例9中制造的发 电元件代替实施例1中制造的发电元件。
[0370] 实施例1-18和对比例1-9的中间层的组成以及实施例1-18和对比例1-9的发电元 件的结构总结于表1-4中。
[0371] 以与实施例1中相同的方式评价实施例2-18和对比例1-9中获得的发电元件和发 电器。实施例1-18和对比例1-9的评价结果示于表1-5中。
[0372] 表 1
[0373]
[0374] 表 2
[0375]
[0376] 表 3
[0377]
[0380]表 5
[0381]
[0382] 从表5的结果发现,相较于对比例1-7,在实施例1-6中发电性能得到改善,因为实 施例1-6的发电元件各自具有如下的结构:其中中间层相对于第一电极和第二电极的表面 在水平方向上可移动,且间隔布置在第一电极和中间层之间。
[0383] 而且,发现相较于对比例1-7,在实施例7-12中发电性能得到改善,因为实施例7-12的发电元件各自具有其中中间层相对于第一电极和第二电极的表面在水平方向上可移 动的结构。而且,发现在实施例17和18中发电性能也是高的,在实施例17和18中发电元件是 另外的结构,其中中间层相对于第一电极和第二电极的表面在水平方向上可移动。
[0384] 其次,发现相较于对比例8和9,在其中橡胶强度小于60°的所有实施例1-18中发电 性能是高的。设想当橡胶硬度高时,挤压构件不会有效地穿入橡胶中。
[0385] 从以上结果发现,本发明的发电元件和发电器在运行时无需施加高电压,并且通 过相对于第一电极和第二电极的表面在水平方向上移动中间层而显示高的发电性能。而 且,发现当在外部施加载荷时,本发明的发电元件和发电器不损坏。
[0386] 例如,本发明的实施方式如下。
[0387] 〈1>发电元件,包括:
[0388] 第一电极;
[0389] 中间层;和
[0390] 第二电极,
[0391]所述第一电极、所述中间层和所述第二电极以此顺序布置,
[0392] 所述中间层与所述第一电极和所述第二电极的至少一个接触,
[0393] 其中当在所述中间层未与所述第一电极和所述第二电极的至少一个固定的状态 下,相对于所述第一电极的表面和所述第二电极的表面在垂直方向上挤压所述中间层时, 所述中间层相对于所述第一电极的表面和所述第二电极的表面在水平方向上微观地移动。
[0394] 〈2>根据〈1>的发电元件,其中通过A型硬度计测量的所述中间层的硬度小于60°。
[0395] 〈3>根据〈1>或〈2>的发电元件,其中所述中间层含有包括硅橡胶的硅橡胶组合物。
[0396] 〈4>根据〈1> 一〈3>任一项的发电元件,其中在所述第一电极和所述第二电极的至 少一个与所述中间层之间布置间隔。
[0397] 〈5>根据〈1> 一〈4>任一项的发电元件,其中静止状态的所述中间层没有表面电荷。
[0398] 〈6>根据〈1> 一〈5>任一项的发电元件,其中在所述第一电极和所述第二电极的至 少一个的表面处形成凸出结构体,所述表面与所述中间层接触。
[0399] 〈7>根据〈1> 一〈5>任一项的发电元件,其中在所述第一电极与面向所述中间层的 第一电极的表面相反的表面处布置挤压构件。
[0400] 〈8>根据〈1> 一〈7>任一项的发电元件,其中所述中间层已经经受表面改性处理。
[0401] 〈9>根据〈8>的发电元件,其中所述表面改性处理为等离子体处理、电晕放电处理、 或电子束照射处理。
[0402] 〈10>根据〈1>一〈9>任一项的发电元件,其中所述中间层的平均厚度在Ιμπι-lOmm的 范围内。
[0403] 〈11>根据〈1>一〈10>任一项的发电元件,其中所述第一电极的平均厚度在0.014111-lmm的范围内。
[0404] 〈12>根据〈1> 一〈11>任一项的发电元件,其中所述第二电极的平均厚度在Ο.ΟΙμπι- lmm的范围内。
[0405] 〈13>根据〈1> 一〈12>任一项的发电元件,其中所述中间层的体积电阻率为108Qcm 或更大。
[0406] 〈14>根据〈1> 一〈13>任一项的发电元件,其中所述中间层的体积电阻率为101()Qcm 或更大。
[0407] 〈15>根据〈1> 一〈14>任一项的发电元件,其中所述第一电极的动摩擦系数为1.5或 更小。
[0408] 〈16>根据〈1> 一〈15>任一项的发电元件,其中所述第二电极的动摩擦系数为1.5或 更小。
[0409] 〈17>根据〈1> 一〈16>任一项的发电元件,其中所述中间层的平均厚度在50μπι-200μ m的范围内。
[0410] 〈18>根据〈1> 一〈17>任一项的发电元件,其中通过A型硬度计测量的所述中间层的 硬度为52°或更少。
[0411] 〈19>根据〈1>-〈18>任一项的发电元件,其中所述第一电极的动摩擦系数为0.8或 更小。
[0412] 〈20>发电器,包括根据〈1>-〈19>任一项的发电元件。
[0413]根据〈1> 一〈19>任一项的发电元件和根据〈20>的发电器可解决前述本领域中的各 种问题,并且可实现本发明的目的。
【主权项】
1. 发电元件,包括: 第一电极; 中间层;和 第二电极, 所述第一电极、所述中间层和所述第二电极以此顺序布置, 所述中间层与所述第一电极和所述第二电极的至少一个接触, 其中当在所述中间层未与所述第一电极和所述第二电极的至少一个固定的状态下,相 对于所述第一电极的表面和所述第二电极的表面在垂直方向上挤压所述中间层时,所述中 间层相对于所述第一电极的表面和所述第二电极的表面在水平方向上微观地移动。2. 根据权利要求1的发电元件,其中通过A型硬度计测量的所述中间层的硬度小于60°。3. 根据权利要求1的发电元件,其中所述中间层含有包括硅橡胶的硅橡胶组合物。4. 根据权利要求1的发电元件,其中在所述第一电极和所述第二电极的至少一个与所 述中间层之间布置间隔。5. 根据权利要求1的发电元件,其中静止状态的所述中间层没有表面电荷。6. 根据权利要求1的发电元件,其中在所述第一电极和所述第二电极的至少一个的表 面处形成凸出结构体,该表面面对所述中间层。7. 根据权利要求1的发电元件,其中在所述第一电极与面向所述中间层的第一电极的 表面相反的表面处布置挤压构件。8. 根据权利要求1的发电元件,其中所述中间层已经经受表面改性处理。9. 根据权利要求8的发电元件,其中所述表面改性处理为等离子体处理、电晕放电处 理、或电子束照射处理。10. 发电器,包括: 根据权利要求1-9任一项的发电元件。
【文档编号】H02N1/04GK105991062SQ201610157618
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】菅原智明, 名取润郎, 名取润一郎, 近藤玄章, 有住夕子, 小田切瑞树, 今井崇寻
【申请人】株式会社理光
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