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IoTデバイスのためのエレクトレットを用いたエネルギーハーベスティング

環境発電

放射制御熱スイッチ

エネルギー

MEMS 熱流体液滴制御

熱交換器

燃焼現象解明地熱発電

熱流体工学研究室（鈴木教授・森本講師）

吉本ら（神戸大学）

ノード

基地局センサ付端末を空間に多数配置し、それらを協調させて環境や物理的状況を採取するシステム

IoT/無線センサネットワーク/M2M

環境発電のエネルギー源

,

系統電源と環境発電との違い67=2 4%5=

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1 cm

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振動発電のアプリケーション

1925 ���� (����)1960 G. Sessler ( ）

エレクトレット発電器発電量∝(表面電位)2

エレクトレットとは？

電荷の安定性 = 10’s - 100’s yrs

������7.5 mW���

Diameter 100 mm# of poles 200CYTOP EGG Eletret

低速に有利なエレクトレット発電機低速、小スケールでは、電磁誘導、圧電よりも有利

Kashiwagi et al., JMM 2011

üTeflon AFの５倍の表面電荷密度ü15 µm厚のエレクトレット膜で

2 mC/m2

ü熱的安定性も大幅改善

添加物由来のナノクラスタを含有させたCYTOP

旭硝子 CYTOP-EGG

櫛歯型電極を持つエレクトレット振動発電器

Fu & Suzuki (2014)

1 cm 角厚さ 0.6 mmSOIプロセス

6.0

5.0

4.0

3.0

2.0

1.0

0.0

Out

put P

ower

[µW

]

700650600550500Frequency [Hz]

Sweep up Sweep down

Acceleration = 2.9g

オムロン社・エレクトレット発電器

土居・大場 (2010)

20 x 20 x 4 mm (1.6 cm3)重量: 3.7 g旭硝子社製エレクトレット

CYTOP EGG100 µW @ 30 Hz, 0.15 G

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Time [s]

Out

put V

olta

ge [V

]

(2 pair)BearingRotor

PCB

StatorCounter Electrode

Electret

Guard Electrode

回転型エレクトレット発電機ü １次元振動系では発電量が周波数の３乗に比例するため低出力→人体運動では回転型が有利

ü エレクトレット→ダイレクトドライブü プリント基板電極ü 超薄型構造：高さ2.8 mm

Adachi et al. PowerMEMS 2017

38mm

18mm38mm

18mm

200um

0 0

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エレクトレット振動発電器の高性能化へ

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ü３次元構造への荷電

ü制御性の改善

ü表面電位の向上ü耐環境性の向上

ü低共振周波数のメカ構造

ü低寄生容量電極ü高効率構造

ü 光電離(軟X線) / 光電効果(UV)

ü パッケージ後の荷電ü ３次元構造への荷電

Hagiwara et al., Trans. IEEE, DEI (2012)

制御性の高い軟X線/紫外線荷電

Kim et al., 2014 Kim et al., 2016

Intramolecular ConditionMorphological Difference

Sessler et al. ‘Electret’ (1998)

Band Gap Model

Das-Gupta, J. Electronics. (2001)Hosemann. Crit. Rev. Macromol. (1972)

エレクトレット中の電荷トラップ�������������� ��→ RC � �= (rd/A)(e e0A/d)=r e e0� 23 �!

CYTOPエレクトレットの末端基の影響

1 nm

CYTOP

アミノシラン

CYTOP-アミノシランの基本構造

Kim et al., STAM ＥＡの違いと表面電荷密度の傾向が一致

17

Cp2 ∝ε⊥

ε!ε⊥

Cp1

Cp2

Load

E

Vbias GND

ε

異方性誘電率液体を用いた静電誘導発電器����� P~DC V2 f∝空隙の比誘電率寄生容量 ∝空隙の比誘電率

「発電用」ネマチック液晶の開発

1816141210

864

Rel

ativ

e Pe

rmitt

ivity

6050403020Temperature [˚C]

εisoε⊥

ε||

ε⊥

εiso

ε||

5CBBCH-5F.F.F

TNI= 34 ˚C

TNI= 56 ˚C@1kHz

化学生命・加藤教授と共同

Kittipaisalsilpa et al. PowerMEMS 20170.1

1

10

100

1000

Out

put p

ower

[µW

]

806040200Load Resistance [MΩ]

BCH-5F.F.F(Pmax= 490 µW @ 7MΩ)

Air(Pmax= 4.98 µW @ 35MΩ)

Vbias= -400 V, Freq, 10 Hz

-120

-80

-40

0

40

80

120

Out

put V

olta

ge [V

]

0.100.080.060.040.020.00Time [s]

Air

BCH-5F.F.F

Vbias= -400 V, Freq. = 10 Hz

40

30

20

10

0

Out

put P

ower

[μW

]

0.12 4 6

12 4 6

102 4 6

Mass of EH [g]

v = 1.4 m∕s v = 1.2 m∕s v = 1.0 m∕s

4.5 g

Eccentricity is constant.

Tanaka et al., PowerMEMS 2017

-0.56

-0.54

-0.52

-0.50

-0.48

Disp

lace

men

t [m

]

2.01.51.00.50.0Time [s]

Vertical The present model 1-pendulum

人体運動駆動の発電機の標準的試験方法

振動発電のロードマップ

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ü 機械産業、インフラから、コンシューマへü 材料＋デバイス＋アプリケーション