成果報告書詳細
管理番号20090000000072
タイトル平成18年度-平成20年度成果報告書 「ナノテク・先端部材実用化研究開発 超高性能ポリマー・エレクトレットを用いた振動型発電システムの開発」
公開日2009/8/26
報告書年度2006 - 2009
委託先名国立大学法人東京大学 旭硝子株式会社 オムロン株式会社
プロジェクト番号P05023
部署名ナノテクノロジー・材料技術開発部
和文要約現在,ボタン電池は,電子文具,情報家電,アクティブRFタグなどの小型無線機器,体内埋込みあるいは携帯型の健康・医療・福祉機器に広く用いられているが,本事業では,人体の運動、車両・輸送機器の振動など、環境に存在する低周波数の振動から電力を取り出し、様々な機器の充電フリー化に貢献する振動型エレクトレット発電システムの開発を目標とした.特に,1)高分子合成技術・ナノテクノロジーを用いた,エレクトレットに特化した新しい高分子材料の開発,2)低周波数振動と共振可能なMEMS技術を用いた,大振幅振動構造の開発,3)高インピーダンスの交流発電出力を適切な直流電圧に変換するための,電子回路の開発,4)発電システムとしての系統的評価,に分類して実施した.  第1の主要な成果としては,表面電荷密度2mC/m2,125℃において長期安定性を有するエレクトレット膜を実現するエレクトレット材料・膜形成技術の開発が挙げられる.高いエレクトレット特性が得られる材料として,主鎖骨格に環状構造を持ち、ポリマー末端に極性官能基を有する高絶縁性の含フッ素ポリマーが有力であることを見出した.続いて,ナノ粒子の添加,ナノインプリント法の適用など,様々なナノ構造をエレクトレット膜に導入し,電荷保持特性及び熱安定性を向上させることを考えた.その結果として,上記で選定した樹脂中にナノクラスタを形成できる添加剤を導入することにより,電荷保持特性を顕著に向上させることに成功した.さらに,ナノクラスタ形成のための添加剤構造、その添加量を最適化すること,及び作製したエレクトレット膜の成膜条件と荷電条件を最適化することにより,目標表面電荷密度(2mC/m2)を有し、125℃にて長期安定なエレクトレット膜を開発した. 第2に, 100Hz以下の共振周波数を持ち,かつ,最大振幅1mm以上を許容するバネ構造を実現するため,新たなマイクロ・バネ構造の設計と製作方法の確立を行った.また,エレクトレットと対向電極の間隔を数10μm以下に保ちながら,水平方向に大振動させるための,新規性の高い間隔維持機構の開発を進めた.具体的には,まずパリレンバネの製作プロセスを確立し,目標値である100Hz以下の共振周波数・1mm以上の振幅を達成した.
また,パリレンバネに対して繰り返し荷重を加える疲労試験を行った.さらに,耐熱性のあるパリレン材料を用いたバネ構造を試作し,熱的な耐性を評価した.そして,エレクトレットによる反発機構の数値解析を基に静電場による反発機構を提案し,予備実験により実証した.また,これらを総合して,エレクトレット配置を検討し,プロトタイプの設計を行った.  第3に,超低消費電力のインピーダンス変換回路の開発が挙げられる.エレクトレット発電では、出力インピーダンスが高く,負荷を駆動する場合には整流・平滑化に加えてインピーダンスの変換が必要である。本研究開発では,ディスクリートデバイスのみを用いて,数10MΩの出力インピーダンスを数10Ωに変換するアナログ回路を開発した.変換回路自身が消費する電流は、振動発電器が発生する電流の10分の1以下に抑えられ、発電出力の大部分の負荷への供給を可能とした。また小型表面実装品を用いることによって薄型軽量の回路を実現した。さらに、振動発電器の発電原理を忠実に再現した等価回路を考案した。これにより、変換回路と振動発電器の回路シミュレータ入力が可能となり、計算機による発電性能予測が可能となった. これらを総合して,MEMS技術を用いたエレクトレット発電器プロトタイプを試作し,有為な発電出力を得るとともに,今後実用に供する発電器設計のための具体的指針を得た.
英文要約Title: Development of Seismic Power Generator Using Super High Performance Polymer Electret Button batteries are widely used for mobile/small-scale electronic devices. In the present study, we targeted vibration-driven electret power generator system to extract electricity from environmental low-frequency vibration such as human motion and mechanical vibration of vehicles. Such systems will make contribution toward charge-free small-scale devices. In particular, we focus on 1)development of novel polymer material specially designed for electrets based on polymer technologies and nanotechnologies, 2)development of MEMS-based large-amplitude-oscillation structures that will be in resonance with low-frequency vibrations, 3)development of electronic circuits to convert high-impedance AC power output to low-impedance DC power, and 4)integration of power generation system and systematic evaluation. For the electret material, through systematic experiments using various kinds of polymers, we have found that fluorinated polymers with ring structure as the main chain structure and polarized functional terminal group are promising. We tried various technologies to introduce nano structure into the polymer film for higher surface potential and higher thermal stability of charges, and have found that nano-clusters formed with additives are very effective. By optimizing additive material, coating process and charging condition, we have achieved novel electret material that offer extremely-high surface charge density of 2 mC/m2 and long-term stability at 125 ℃. We have developed MEMS technologies for micro palyrene springs with low resonant frequency below 100Hz and large in-plane amplitude of 1 mm. An in-situ strain-monitoring device for fatigue test is developed, and no degradation of mechanical characteristics of the parylene springs is found up to 10^7 cycles. A novel passive gap-spacing control method is proposed in order to avoid stiction between top and bottom structures. Patterned electret using a high-performance fluorinated polymer material is employed to induce repulsive electrostatic force. Out-of-plane repulsive force is successfully demonstrated with our prototype. Since electret generator has large output impedance, impedance conversion is necessary in addition to rectifying and smoothing. In the present study, we have developed analogue circuts to convert ~10MΩ output impedance down to ~10 Ω. A compact prototype circuit with compact surface-mounted devices is realized. In addition, the equivalent circuit based on the principle of the vibration driven power generator was designed. Finally, we successfully microfabricated an in-plane seismic structure with a high-performance patterned electret film. Parylene high-aspect-ratio springs enables large in-plane oscillation amplitude as large as 1 mm and extremely low resonant frequency of 37 Hz. In addition, performance of electret generators with the impedance conversion circuit is evaluated through numerical analysis, and guidance for generators with higher performance has been obtained.
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