発電素子
【課題】携帯型電子機器用の電源に好適で、更なる小型化、軽量化が可能で、安全性も高く、柔軟性を要する部位にも使用可能であり、さらに、充電機能も備え、充電効率も高い発電素子を提供する。
【解決手段】この発明の発電素子は、誘電性エラストマー層１と、一対の導電性エラストマー層（電極層）２とからなる。誘電性エラストマー層１を、イオン液体を含有するゴムで構成する。導電性エラストマー層２を、導電性フィラーを含有するゴムで構成する。
【解決手段】この発明の発電素子は、誘電性エラストマー層１と、一対の導電性エラストマー層（電極層）２とからなる。誘電性エラストマー層１を、イオン液体を含有するゴムで構成する。導電性エラストマー層２を、導電性フィラーを含有するゴムで構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電池あるいは電源として使用できる発電素子であって、一対の電極層と、その間に配置された中間層と、からなり、中間層が誘電性エラストマー層からなる発電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話やモバイルコンピュータ等の携帯電子機器は、近年、急速に需要が高まり、今後更に成長が期待される分野の一つになっている。また、これら携帯電話やモバイルコンピュータに代表される携帯情報端末等は、今後さらに成長が期待される分野の１つとなっている。このような携帯情報端末の電力供給源としては、リチウムイオン電池が主流となっており、現在も端末の小型・軽量化に伴い、リチウムイオン電池に関する研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
例えば、以下の特許文献１には、電解質層の両面に触媒層を有する電極が接続された構造を有する、高分子を用いたリチウムイオン二次電池が開示されている。また、以下の特許文献２には、圧電素子を用い、アンテナ部材や開閉時の運動から発電を行うようにしたモバイル機器用充電機構が開示されている。
一方、電気エネルギーと機械エネルギーを相互に変換するためのトランスデューサー（変換器）は、例えば、モバイル機器、エンジン、人工筋肉などの電源（ジェネレータ）や、ポンプ、スピーカーなどのアクチュエータなどとして多種多様の分野への応用が検討されている。また、トランスデューサーを構成する誘電性ゴム組成物はアンテナやコンデンサなどに応用が検討されている。
【０００４】
このようなトランスデューサー（変換器）は、ポリマー（誘電性ゴム）を中間層としてその両端を一対の電極層で挟んだ構造の誘電性エラストマー積層体から構成されている。例えば以下の特許文献３には、トランスデューサーとして機能するシリコンやアクリルゴムなどをベースとした誘電性エラストマーの両面に、電極となる素材を配設した構造の誘電性エラストマー積層体が開示されている。
【０００５】
また、この誘電性エラストマーの材料として、以下の特許文献４には、ベースとなるエラストマーに、高誘電率を示すセラミックス材料を分散させたものが開示されている。また、以下の特許文献５には、ベースエラストマーに双極子モーメントを上昇させる活性成分を添加することで、高い誘電損率（誘電率×誘電正接）を示すエラストマーが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２９４４５７号公報
【特許文献２】特開２００２−１９０６２７号公報
【特許文献３】特表２００３−５０５８６５号公報
【特許文献４】特開２００７−０６３３３７号公報
【特許文献５】特開２００２−２８５０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のリチウム電池には、以下のような問題がある。
(1) 常用領域と危険領域との差が非常に接近しており、安全性確保のため保護機構が必要であるため、軽量化や小型化には限界がある。(2) 構成材料が金属や硬質プラスチックが主体であるため、外力や曲げ応力、振動が加わると破損しやすく、貯蔵されている電解液が漏れたり、電池内部で短絡が起こって温度が急上昇して電解液中の有機溶剤が揮発して発火することがある。(3) 構成材料が金属や硬質プラスチックであるため、柔軟性を要する部位には使用できない。
【０００８】
一方、特許文献２に開示されているモバイル機器用充電機構には、以下のような不都合がある。
(1) 携帯電話に関して、アンテナ部材や携帯電話の開閉時の運動からでは頻繁にエネルギーを得ることができない。(2) 圧電素子を用いているため、発電にはある程度の衝撃力を必要とする。
【０００９】
また、特許文献３〜５に開示されている誘電性エラストマーには、以下のような問題がある。
(1) 高誘電率を達成するために、双極子モーメント量を増加させる活性成分を多量に添加しているため、エラストマーが本来有する可撓性を損なってしまい、トランスデューサーとしての性能が充分に発揮されないことが想定される。(2) 誘電性セラミックスを多量に添加しているため、可撓性を損なうだけでなく、伸縮を繰り返し行った際に、亀裂や破断などが生じることがある。(3) 素材の誘電率を向上させるために、添加剤を含有させても良いとの記載はあるが、トランスデューサーとしてどの程度の比誘電率、弾性率が好適であるかなどの具体的な数値は示されていない。(4) 発電は機械的エネルギーに依存している。
【００１０】
そこで、この発明の課題は、携帯型電子機器用の電源に好適で、更なる小型化、軽量化が可能で、安全性も高く、柔軟性を要する部位にも使用可能であり、さらに、充電機能も備え、充電効率も高い発電素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、この発明の発電素子は、一対の電極層と、その間に配置された中間層と、からなる発電素子であって、前記中間層が、イオン液体を含有するエラストマーからなる誘電性エラストマー層であることを特徴とする。この発電素子は、イオン液体を含有するエラストマーからなる誘電性エラストマー層を中間層として有することにより、優れた発電性能（充電性能および放電性能）が得られる。なお、イオン液体は、イオン性液体、イオン流体、イオン性流体、常温溶融塩とも称される。
【００１２】
この発明の発電素子は、放電後、外部から変形力を加えたり、電力を供給したりすることなく、起電力が回復できる。言い換えれば、この発明の発電素子は自然充電作用を有する電池である。そのメカニズムは解明されていないが、イオン液体が関わる電極反応により電位が生じていると考えられる。例えば、イオン液体が関与して大気中の酸素もしくは水分と酸化還元反応することにより電位が発生するか、イオン液体が関与して電気二重層を形成し、そこからの拡散により電位が発生するか、イオン液体が関与して発電素子近傍の空間に存在する静電気を吸収することで電位が発生すると考えられる。
【００１３】
この発明の発電素子の前記電極層が、導電性フィラーを含有するエラストマーからなる導電性エラストマー層であると、素子全体として優れた柔軟性が得られる。
この発明の発電素子の前記導電性エラストマー層がイオン液体を含有する（すなわち、電極層に導電性フィラーとしてイオン液体を含有する）と、より安定した発電性能（充電性能および放電性能）が得られる。
【００１４】
この発明の発電素子の誘電性エラストマー層および／または導電性エラストマー層を構成するエラストマーがゴムであると、ゴム（熱硬化性エラストマー）以外のエラストマー（熱可塑性エラストマー）で構成した場合と比較して、より優れた柔軟性が得られる。
前記ゴムとして酸素原子を含む分子構造を有するものを使用すると、この発明の発電素子の発電性能（充電性能および放電性能）がより向上する。この作用は、酸素原子が結合した分子の極性に起因すると推測される。
【００１５】
前記ゴムとして、アクリルゴムもしくはシリコンゴムを使用することが好ましい。これらのゴムは、酸素原子を含む分子構造を有するものであるとともに、耐久性および柔軟性にも優れている。よって、誘電性エラストマー層および導電性エラストマー層を構成するゴムとして、アクリルゴムもしくはシリコンゴムを使用した前記発電素子は、優れた発電性能（充電性能および放電性能）と耐久性と柔軟性を有するものとなる。
【００１６】
この発明の発電素子は、前記誘電性エラストマー層を構成するエラストマーをなすゴムと前記導電性エラストマー層を構成するエラストマーをなすゴムが同じであることが好ましい。これにより、中間層と電極層の密着性が良好になるため、この発明の発電素子は、柔軟性を保ちながら、屈曲の繰り返し等に対する耐久性も高くなる。
この発明の発電素子の前記誘電性エラストマー層の厚さは１０μｍ〜２ｍｍであることが好ましい。前記誘電性エラストマー層の厚さが１０μｍ未満であると、屈曲時等の機械的強度が不足する可能性がある。前記誘電性エラストマー層の厚さが２ｍｍを超えると、発電素子の発電容量・充電容量は大きくなるが、内部抵抗等が増加するため、発電容量・充電容量の向上の程度とのバランス、すなわちエネルギー効率が悪くなる。
【００１７】
この発明の発電素子の前記導電性エラストマー層（電極層）の厚さは５μｍ〜１ｍｍであることが好ましい。前記導電性エラストマー層の厚さが５μｍより薄くなると、変形時に穴や亀裂が発生しやすく、成膜も困難になる。前記導電性エラストマー層の厚さが１ｍｍを超えると、変形に追随するのが困難になるとともに、内部抵抗が増大して導電性が低下することになり、発電性能や発電効率（特に放電効率）が低下する恐れがある。なお、この発明の発電素子の電極層が金属板または金属薄膜である場合は、その厚さを０．０５μｍ〜１ｍｍとすることができる。
【００１８】
この発明の発電素子を構成する誘電性エラストマー層および導電性エラストマー層に含有させるイオン液体としては、ピリジニウム系イオン液体もしくはイミダゾリウム系イオン液体を用いることが好ましい。これにより、充電性能および放電性能に特に優れた発電素子が得られる。特に、前記誘電性エラストマー層および導電性エラストマー層が、酸素原子を含む分子構造を有するゴム（特にアクリルゴムもしくはシリコンゴム）からなり、イオン液体としてピリジニウム系イオン液体もしくはイミダゾリウム系イオン液体を含有するものであると、ゴムとイオン液体との相性が良好であるため、この発明の発電素子の充放電効率が特に良好になる。
【００１９】
この発明の発電素子を構成する誘電性エラストマー層および導電性エラストマー層の両方がイオン液体を含有していると、この発明の発電素子は、高い起電力が得られ、物理的な伸びが向上し、繰り返しの折り曲げ等に対する耐久性が向上し、低温時の柔軟性が確保され、高温時の耐熱性が向上する等の効果を奏する。
この発明の発電素子は、前記電極層の前記誘電性エラストマー層とは反対側が絶縁体で被覆されていることが好ましい。これにより、この発明の発電素子の充放電作用がより優れたものとなる。絶縁体は、電場を印加すると電気分極が誘起される誘電体であり、静電誘導によって帯電体となるものを使用することが好ましい。このような絶縁体で、前記電極層の前記誘電性エラストマー層とは反対側が被覆されていると、前記誘電性エラストマー層の内部での分極が促進されるため、優れた充放電作用が得られると推測される。この絶縁体としては、誘電性、絶縁性、耐久性に優れたＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素樹脂やフッ素ゴムを使用することが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
この発明の発電素子は、中間層がイオン液体を含有する誘電性エラストマー層からなることで、優れた発電性能を有するとともに、変形能が高いため、柔軟性が要求される部位でも好適に使用できる。また、いわゆる電解液を使用しないことから、電解液漏れや溶剤の揮発による発火の恐れがなく、安全機構も最低限のもので十分であり、小型化や軽量化が可能である。
【００２１】
また、この発明の発電素子は、中間層を誘電性エラストマー層で構成するだけでなく電極層も導電性エラストマー層で構成することで、ひずみなどの応力が繰り返し付与されても、ひび割れや亀裂、破断などが未然に防止され、安定した充放電性能を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明の第１実施形態に相当する発電素子を示す断面図である。
【図２】この発明の第２実施形態に相当する発電素子を示す断面図である。
【図３】この発明の第３実施形態に相当する発電素子を示す断面図である。
【図４】この発明の第４実施形態に相当する発電素子を示す断面図である。
【図５】この発明の発電素子が積層された発電素子積層体を示す断面図である。
【図６】この発明の発電素子が積層された発電素子積層体を示す断面図である。
【図７】この発明の発電素子が積層された発電素子積層体を示す断面図である。
【図８】この発明の発電素子が積層された発電素子積層体を示す断面図である。
【図９】この発明の発電素子を発電源として用いた発電装置を示す平面図である。
【図１０】図９に示す発電装置の側面図である。
【図１１】円柱状の芯材上にこの発明の発電素子を設けた発電装置の斜視図（ａ）と、その平面図（ｂ）である。
【図１２】筒状の芯材上に、この発明の発電素子を設けた発電装置の斜視図（ａ）と、その平面図（ｂ）である。
【図１３】円柱状の芯材上に、この発明の発電素子をその軸方向に複数設けた発電装置の斜視図（ａ）と、その平面図（ｂ）である。
【図１４】円柱状の芯材上に、この発明の発電素子をその周方向に複数設けた発電装置の斜視図（ａ）と、その平面図（ｂ）である。
【図１５】この発明の発電素子を内蔵する、携帯情報端末の操作キーの構造を示した拡大断面図である。
【図１６】この発明の発電素子を内蔵する、携帯情報端末の操作キーの構造を示した拡大断面図である。
【図１７】図１５の操作キーの動きを説明する断面図である。
【図１８】図１５の操作キーの動きを説明する断面図である。
【図１９】導電性エラストマー部材の一部にイオン液体を含浸させた発電素子を示す図である。
【図２０】導電性エラストマー部材の全部にイオン液体を含浸させた発電素子を示す図である。
【図２１】図１９および図２０の発電素子の基本となる導電性エラストマー部材を示す図である。
【図２２】この発明の発電素子が積層された発電素子積層体を示す断面図である。
【図２３】この発明の発電素子が積層された発電素子積層体を示す断面図である。
【図２４】この発明の発電素子の性能を測定する回路を示す図である。
【図２５】実施例１−１の発電素子の電圧波形の時間変化を測定したグラフである。
【図２６】実施例５−１および５−２の発電素子の電位差（電圧Ｖ）の経時変化を示したグラフである。
【図２７】実施例６−１の発電素子の電圧波形を示したグラフである。
【図２８】実施例７−１の発電素子の電圧波形を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、この発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
この実施形態の発電素子は、図１に示すように、誘電性エラストマー層１と、一対の導電性エラストマー層（電極層）２とからなる。誘電性エラストマー層１は、イオン液体を含有するゴム（エラストマー）からなる。導電性エラストマー層２は、導電性フィラーを含有するゴム（エラストマー）からなる。
＜ゴムについて＞
誘電性エラストマー層１および導電性エラストマー層２を構成するゴムとしては、下記の表１に示すものを使用することが好ましい。
【００２４】
【表１】
【００２５】
これらのゴムは、比誘電率が３以上であり、成形体としての硬さがデュロメータＡスケール３０〜５０で、最大伸びが５００％超であるため、単体でも比誘電率が高く、イオン液体や導電性フィラーとの相溶性や相性がよく、成形後の安定性、伸びに優れ、誘電性能、発電性能、柔軟性、成形性、価格及び入手のし易さ等の点で優れている。
【００２６】
また、誘電性エラストマー層１および導電性エラストマー層２を構成するゴムは、架橋剤が添加されて架橋されたものであることが好ましい。架橋剤の種類及び添加量は、用いるゴムの種類に応じて適宜選択される。
【００２７】
＜イオン液体について＞
この発明の発電素子は、中間層を構成する誘電性エラストマー層がイオン液体を含有することを必須要件としている。また、この発明の発電素子が導電性エラストマー層からなる電極層を備える場合、導電性フェラーとしてイオン液体を含有することが好ましい。
この発明の発電素子に使用できるイオン液体としては、下記の化１〜化４に示す、ピリジニウム系イオン液体、イミダゾリウム系イオン液体、脂環式アミン系イオン液体、および脂肪族アミン系イオン液体と、脂肪族ホスホニウム系イオン液体とが挙げられる。これらはそれぞれ単独で使用してもよく、２種以上を混合して使用してもよい。
【００２８】
【化１】
【００２９】
【化２】
【００３０】
【化３】
【００３１】
【化４】
【００３２】
式中のＲ、Ｒ’、Ｒ''、Ｒ''' は、水素もしくは炭化水素含有基、あるいはアルキル基であり、同一でも、それぞれ異なっていてもよい。また、Ｘ- は、（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 Ｎ- ；ＴＦＳＩ、Ｂ（Ｃ2 Ｏ4 ）2 - 、ＢＦ4 - 、Ｂｒ- 、Ｃｌ- 、Ｉ- 、ＰＦ6 - 、ＣＦ3 ＳＯ3 - 、ＣＦ3 ＣＯＯ- 、ＣＨ3 ＳＯ4 - 、Ｃ6 Ｈ4 ＣＨ3 ＳＯ3 - 、ＳＣＮ- 、〔Ｐ（Ｃ2 Ｆ5 ）3 Ｆ3 〕- ；ＦＡＰ、〔Ｂ（ＣＮ）4 〕- ；ＴＣＢ、（ＮＣ）2 Ｎ- 、ＦｅＣｌ4 - 、ＣＨ3 ＳＯ3 - 、ＨＳＯ4 - 、ＣＨ3 ＣＨ2 ＯＳＯ3 - 、ＣＨ3 （ＯＣＨ2 ＣＨ2 ）2 ＯＳＯ3 - 、（Ｃ2 Ｆ5 ＳＯ2 ）2 Ｎ- 、ＡｌＣｌ4 - 、Ｔｆ2 Ｎ- 、Ｃ（ＣＮ）3 - 等である。
【００３３】
好適には、ピリジニウム系イオン液体、イミダゾリウム系イオン液体を使用することができる。ピリジニウム系イオン液体とイミダゾリウム系イオン液体を混合して使用することも好ましい。これらの中でも、ピリジニウム系イオン液体もしくはイミダゾリウム系イオン液体であって、アニオンが（ＮＣ）2 Ｎ- または（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 Ｎ- であるものが特に好ましい。具体的には、下記の化５、化６に示すような、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムをカチオンとし、（ＮＣ）2 Ｎ- または（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 Ｎ- をアニオンとするイオン液体が挙げられる。
【００３４】
【化５】
【００３５】
【化６】
【００３６】
また、使用するイオン液体の粘度は、２５℃において１〜１５００ｃＰ（０．１〜１５０Ｐａ・ｓ）であることが好ましい。
また、誘電性エラストマー層および導電性エラストマー層のイオン液体の含有量は、目的とする発電性能や、ベースゴム及びイオン液体の種類により適宜設定されるが、ベースゴム１００質量部とイオン液体１〜７０質量部の割合で混合されたものが好ましく、より好ましくは１〜５０質量部、さらに好ましくは５〜２０質量部である。イオン液体の含有量が５質量部未満では十分な発電性能が得られず、７０質量部を超えるとベースゴムとの相溶性の上限を超えてしまい、誘電エラストマー層および導電性エラストマー層の可撓性が大きく損なわれてしまう場合がある。
【００３７】
＜誘電性フィラーについて＞
この発明の発電素子を構成する誘電性エラストマー層は、柔軟性等の性能を損なわない範囲で、イオン液体以外の誘電性フィラーを含有していてもよい。
誘電性フィラーとしては、高誘電セラミックス粉末と、チオカルボニル基を有する有機化合物が挙げられる。
高誘電セラミックス粉末としては、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3 ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ランタンドープチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＬＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3 ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3 ）、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスバリウムなどが好適である。これらのうち、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は２００℃以上のキュリー点と高い比誘電率を併せ持つため最も好適である。なお、一定の比誘電率とキュリー点を有するものであれば、これら以外の化合物であっても良い。
【００３８】
高誘電セラミックス粉末からなる誘電性フィラーは、ベースゴム１００重量部に対して１〜１００重量部の割合で添加することができる。１重量部未満では誘電性向上効果は少なく、１００重量部を超えると、柔軟性等が損なわれる恐れがある。好ましくは、ベースゴム１００重量部に対して５〜６０重量部、より好ましくは、ベースゴム１００重量部に対して５〜４０重量部とする。
【００３９】
チオカルボニル基を有する有機化合物としては、下記の化７〜１０に示す、チオウレア誘導体、チオアミド誘導体、チオケトン誘導体、ジチオカルバミン酸エステル誘導体などが好適である。これらの有機化合物は、加工温度、使用温度、目標とする比誘電率、および用いるベースゴムとの相溶性を考慮して適宜選択されることになるが、なかでもチオウレア誘導体は、空気や水に対して非常に安定であり、ベースゴムとの相溶性に優れると共に低い融点を示すことから最も好適な有機化合物である。
【００４０】
【化７】
【００４１】
【化８】
【００４２】
【化９】
【００４３】
【化１０】
【００４４】
式中、Ｒ１〜Ｒ３は、水素もしくは炭化水素含有基を示し、それぞれ同一でも異なっていてもよい。
チオカルボニル基を有する有機化合物を導電性フィラーとして使用する場合、その含有率は、目的とする誘電率、ベースゴムの種類などによって適宜選択されるが、ベースゴム組成物全量に対して、おおよそ５〜４０重量％であり、より好ましくは１０〜３０重量％である。含有率が５重量％未満では、ベースゴム中に存在する絶対量が少なすぎるため、比誘電率がさほど向上しない。また、４０重量％を超えて添加した場合、ベースゴムとの相溶性の限界を超えてしまい、可撓性が大きく損なわれる恐れがある。
【００４５】
＜誘電性エラストマー層の厚さと硬さについて＞
誘電エラストマー層の厚さは、用途に応じて、あるいは、用いるベースゴムの種類等により適宜設定されるが、耐久性や変形能を維持できる１０μｍ〜２ｍｍが好ましく、より好ましくは１００〜５００μｍであり、最も好ましくは１５０〜３００μｍである。１０μｍよりも薄くなると変形時に穴や亀裂等が発生するおそれがあり、２ｍｍを超えると電極層１０、１０の間隔が大きくなるため内部抵抗等の増加による発電性能の低下や変形能の低下が起こりやすくなる。
【００４６】
誘電エラストマー層１の硬さは、ディロメータＡスケールで２０〜６０であることが好ましく、より好ましくは３０〜５０である。この硬さが２０未満であると、変形能は大きくなるものの、機械的強度が不足するようになり、実用性が低下する。また、この硬さが６０を超えると、変形能が不足して実用性が低くなる。
【００４７】
＜導電性フィラー＞
この発明の発電素子を構成する電極層としては、白金、金、銀、銅、等の比較的導電率の高い金属製もしくは金属薄膜製のもの、あるいはカーボン単体粉末もしくはカーボン粉末と金属粉末を混合して固形化した、いわゆるカーボン電極であってもよいが、変形能の点から導電性エラストマー層が好ましい。
【００４８】
導電性エラストマー層は、エラストマーに導電性フィラーを含有させることで得られる層である。エラストマーとしては前述のゴムを使用することが好ましく、導電性フィラーとしては、体積固有抵抗が１０Ω・ｃｍ以下であるものが好ましく、１×１０-1Ω・ｃｍのものがより好ましい。体積固有抵抗が１０Ω・ｃｍを超えると電極層として十分な導電性が得られない。
【００４９】
無機系の導電性フィラーは、カーボン系の導電性フィラーと金属系の導電性フィラーに分類される。カーボン系の導電性フィラーとしては、導電性カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレン等が挙げられる。金属系の導電性フィラーとしては、白金、金、銀、銅等の微粒子や微小繊維等が挙げられる。これらをそれぞれ単独で、または２種以上を混合して用いることができる。好ましくは、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブを使用する。
【００５０】
有機系の導電性フィラーとしては、化１１〜１５に示す、ポリチオフィン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレン、あるいはこれらの誘導体にアニオンまたはカチオンなどの適当なドーパントを添加した導電性高分子材料などが使用できる。
【００５１】
【化１１】
【００５２】
【化１２】
【００５３】
【化１３】
【００５４】
【化１４】
【００５５】
【化１５】
【００５６】
これらの導電性フィラーは、ベースゴム１００質量部に対して５〜７０質量部の割合で混合することが好ましく、より好ましくは１０〜５０質量部とする。最も好ましくは２０〜４０重量部である。導電性フィラーの含有量が５質量部未満では電極層として十分な導電性が得られない。
【００５７】
導電性フィラーの含有量が７０質量部を超えると、粒子状あるいは粉末系の導電性フィラーの場合は導電性エラストマーの可撓性を低下させ、液体系の導電性フィラーの場合は導電性エラストマーの形状が保持できないほど軟化したり、相溶性の限界を超えるために混合できなかったりすることがある。
【００５８】
＜その他の添加剤について＞
誘電性エラストマー層および導電性エラストマーには、各種のカップリング剤や表面処理剤を含有させてもよい。カップリング剤としては、アルミ系、シラン系、チタン系等のカップリング剤が好ましい。また、誘電性エラストマー層に粒子状、粉末状の誘電性フィラーを含有させる場合には、いわゆるエレクトレット処理（帯電処理）を施したものを使用することが好ましい。
【００５９】
＜導電性エラストマー層の厚さと硬さ＞
導電性エラストマー層の厚さは５μｍ〜１ｍｍとする。好ましくは１０〜３００μｍであり、より好ましくは１０〜２００μｍであり、最も好ましくは１０〜８０μｍである。導電性エラストマー層が５μｍより薄くなると、変形時に穴や亀裂が発生しやすく、また成膜も困難になる。これに対して、導電性エラストマー層が１ｍｍを超えると、変形に追随するのが困難になるとともに、内部抵抗が増大して電極として十分な導電性が得られない。
【００６０】
また、導電性エラストマー層の厚さおよび硬さを誘電性エラストマー層と同等にして、導電性エラストマー層の屈曲等に対する挙動を誘電性エラストマー層と同様にすることが好ましい。特に、繰り返しの屈曲等が付与される場合は、デュロメーターＡスケールで、２０〜６０の範囲の硬さとし、より好ましくは３０〜５０の範囲の硬さとする。
誘電性エラストマー層を形成するベースエラストマーの組成と電極層１０を形成するベースエラストマーの組成を同様のもの、あるいは同一のものとすることが好ましい。例えば、一方の電極層１０をイオン液体以外の導電性フィラーを含有する電極層１０とし、他方の電極層１０を導電性フィラーとしてのイオン液体を含有する電極層１０とすることもできる。
また、誘電性エラストマー層の両側に異なる硬さの導電性エラストマー層を配置してもよい。
【００６１】
＜発電素子の製造方法の例＞
誘電性エラストマー層の材料として、ベースゴム、イオン液体、架橋剤、イオン液体以外の誘電性フィラー等を用意し、これらを混合して液状の混合物を得る。これをロールコータ等で所定厚さの半硬化状態の膜に形成することで、誘電性エラストマー層を得る。
【００６２】
導電性エラストマー層の材料として、ベースゴム、導電性フィラー、架橋剤、イオン液体等を用意し、これらを混合して液状の混合物を得る。これをロールコータ等で所定厚さの半硬化状態の膜に形成することで、導電性エラストマー層を得る。
このようにして得られた２枚の半硬化状態の導電性エラストマー層で半硬化状態の誘電エラストマー層を挟んで積層体とし、この積層体を加圧加熱成形する。この加圧加熱成形時に、架橋および層間の接合が行われる。ここで、誘電性エラストマー層と導電性エラストマー層のベースゴムが同じ種類か相溶性のある組み合わせであれば、比較的低い温度および圧力でこれらの層を接合することができる。
【００６３】
また、誘電エラストマー層を硬化させて、その両面に電極層（硬化させた導電性エラストマー層など）を接着剤などで貼り付けてもよい。また、誘電エラストマー層を先に硬化させて、その両面に半硬化状態の導電性エラストマー層を配置した後に、加圧加熱成形してもよい。
【００６４】
［第２実施形態］
この実施形態の発電素子は、図２に示すように、誘電性エラストマー層１と、一対の導電性エラストマー層（電極層）２と、絶縁体層（絶縁体からなる被覆層）３と、からなる。誘電性エラストマー層１は、イオン液体を含有するゴム（エラストマー）からなる。導電性エラストマー層２は、導電性フィラーを含有するゴム（エラストマー）からなる。
誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層（電極層）２に関しては、第１実施形態で詳述されている。
絶縁体層３を構成する材料としては、誘電率および帯電率がより高く、絶縁抵抗がより大きいものが好ましく、下記のものが例示できる。
【００６５】
＜絶縁体層３を構成する材料の例＞
フェノール樹脂（ＰＦ）、ユリア樹脂（ＵＦ）、メラミン樹脂（ＭＦ）、不飽和ポリエステル樹脂（ＵＰ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）、ジリアルフタレート樹脂（ＰＤＡＰ）、ポリウレタン（ＰＵ）等に代表される熱硬化性樹脂。
【００６６】
ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・ 六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、エチレン・ 四フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン・ クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等に代表されるフッ素樹脂。
【００６７】
ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ酢酸ビニル（ＰＣＡｃ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリメチルペンテン（ＴＰＸ）、ポリフェニレサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、シリコン樹脂等に代表される熱可塑性樹脂。
【００６８】
合成ゴム、天然ゴム等の各種ゴム組成物、炭化カルシウム、カーバイド、エボナイト、ガラス、紙・レーヨン・セロファン等のセルロースを成分とする物質。
綿・麻・リンネル・絹・ウール・カシミヤ等の天然繊維等。
これら材料のうち、フッ素系樹脂、ポリアミド系樹脂、ゴム組成物を使用することが好ましく、特に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）もしくはポリアミド（ＰＥ）が好適である。
【００６９】
これらの材料をフィルムやシートに成形したものを、導電性エラストマー層（電極層）２に接合する。樹脂の場合は、所定の溶媒で溶液としたり溶融させて、導電性エラストマー層（電極層）２に塗布し乾燥してもよい。
絶縁体層３で導電性エラストマー層（電極層）２を被覆することにより、発電素子本体Ａからの電流漏洩を抑える効果が得られる。また、絶縁体層３は発電素子本体Ａの外包材としての機能も有する。イオン液体を含有する誘電エラストマー層１およびイオン液体を含有する導電性エラストマー層２から、イオン液体の滲み出しを抑える作用も有する。さらに、絶縁層３に帯電する電荷の一部は、発電素子の自然充電作用の一部を担っていると考えられる。
【００７０】
絶縁体層３は、導電性エラストマー層（電極層）２のより広い面積を被覆することが好ましく、通常は、導電性エラストマー層（電極層）２とリード線などとの接続部を除いて被覆することが望ましい。
さらに、絶縁体層３の材料として樹脂を用いる場合には、絶縁性を損なわない程度に誘電性フィラーを含有させることが好ましい。これにより、絶縁体層３の誘電性および帯電性が向上する。絶縁体層３の誘電性および帯電性が向上することにより、帯電した電気がより多く発電素子に取り込まれるため自然充電作用が向上する。
【００７１】
具体的には、絶縁体層３が帯電することにより、接触している導電性エラストマー層（電極層）２内部の導電性フィラーの分極や配向が自然に促進される。また、絶縁体層３の電荷が、導電性エラストマー層（電極層）２を通して誘電性エラストマー層１に移動し、誘電性エラストマー層１の内部の誘電性フィラーの分極や配向も自然に促進される。これにより、発電素子の充電効率が向上すると考えられる。
【００７２】
［第３実施形態］
この実施形態の発電素子は、図３に示すように、誘電性エラストマー層１と、一対の導電性エラストマー層（電極層）２と、絶縁体層（絶縁体からなる被覆層）３と、リード４と、からなる。誘電性エラストマー層１は、イオン液体を含有するゴム（エラストマー）からなる。導電性エラストマー層２は、導電性フィラーを含有するゴム（エラストマー）からなる。
【００７３】
誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層（電極層）２に関しては、第１実施形態で詳述されている。
この実施形態では、誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層（電極層）２とからなる発電素子本体Ａの三方が絶縁体層３で被覆され、被覆されていない部分に、電力を放充電するためのリード４が固定されている。この実施形態の発電素子は、発電素子本体Ａの導電性エラストマー層（電極層）２にリード４を接着した後に、絶縁体層３を形成することで作製されている。
【００７４】
この実施形態では、絶縁体層３を構成する材料として、体積固有抵抗が１０7 Ω・ｃｍ以上のものを用いている。体積固有抵抗が１０7 Ω・ｃｍに満たない場合は、絶縁性が不十分であり、電気エネルギーが外部に漏洩しやすくなる。好ましくは１０9 Ω・ｃｍ以上のものを用いる。
絶縁体層３による発電素子本体Ａの被覆面積は、少なくともどちらか一方の導電性エラストマー層（電極層）２の全表面積の８０％以上とすることが好ましい。８０％以上であると、湿度などの外部雰囲気もしくは外部材料との接触により、電気エネルギーが外部に漏洩する可能性がより少なくなる。好ましくは、両方とも８０％以上、より好ましくは９０％以上とする。
【００７５】
絶縁体層３の比誘電率は１以上５０以下、より好ましくは１以上３０以下とする。最も好ましくは１以上１０以下とする。比誘電率が５０を超えると、自身の誘電分極により発生した電荷が、電極内の電荷と相互作用を及ぼし、発電素子としての発電もしくは充電効率を低下させる場合がある。
絶縁体層３は、公知の接着剤などを用いて発電素子本体Ａに接着することができる。絶縁体層３が、導電性エラストマー層（電極層）２と同じベースゴムを有する絶縁性エラストマー層である場合には、加圧加熱による架橋接着等も可能である。
この実施形態の発電素子は、発電素子に入出力される電気エネルギーが外部に漏洩するのを防止できるため、発電効率の低下をより確実に防止することができる。
【００７６】
［第４実施形態］
この実施形態の発電素子は、図４に示すように、イオン液体を含有するゴム（エラストマー）からなる誘電性エラストマー層１０と、その両面の表層に導電フィラーを含浸させて形成された、一対の導電性エラストマー層（電極層）２０ａと、リード４と、で構成されている。
【００７７】
この実施形態の発電素子は、導電性エラストマー層２０ａと誘電性エラストマー層１０との間に明確な界面が形成されていない状態となっている。そのため、導電性エラストマー層２０ａが誘電性エラストマー層１０から極めて剥離し難い。したがって、この実施形態の発電素子は、長期使用時の耐久性に特に優れている。
この導電性エラストマー層２０ａは、例えば、体積固有抵抗が１０3 Ω・ｃｍ以下の有機系導電性フィラーを、誘電性エラストマー層１０の表層に含浸させることにより形成される。誘電性エラストマー層１０がイオン液体を含有するため、導電性エラストマー層２０ａにもイオン液体が存在する。
【００７８】
この有機系導電性フィラーとしては、ポリチオフィン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレン、もしくはこれらの誘導体にアニオンまたはカチオンなどの適当なドーパントを添加した導電性高分子材料が挙げられる。
有機系導電性フィラーは、金属材料や炭素材料などの導電性フィラーと比較してエラストマー、特にゴム組成物と高い親和性を有するため、伸縮性や硬さなどのエラストマー本来の性質を阻害することが少ない。このため、いわゆる圧電素子であるエラストマートランスデューサーとして使用される場合には、耐久性に優れたエラストマートランスデューサーを得ることができる。
【００７９】
有機系導電性フィラーの含浸方法としては、亜臨界状態または超臨界状態での二酸化炭素雰囲気中に、誘電性エラストマー層１０と導電性フィラーを導入し、導電性フィラーを誘電性エラストマー層１０の表層に含浸させる方法が挙げられる。
ここで、「亜臨界状態の二酸化炭素」とは、圧力が二酸化炭素の臨界圧力（７．３８ＭＰａ）以上であり、かつ温度が臨界温度（３１．１℃）未満である液体状態の二酸化炭素、あるいは圧力が二酸化炭素の臨界圧未満であり、かつ温度が臨界温度以上である液体状態の二酸化炭素、または温度および圧力が共に臨界点未満であるが、これに近い状態を言う。また、「超臨界状態の二酸化炭素」とは、圧力が二酸化炭素の臨界圧力以上であり、かつ、温度が臨界温度以上である状態の二酸化炭素を言う。
【００８０】
亜臨界状態または超臨界状態での二酸化炭素雰囲気中への誘電性エラストマー層１０および導電性フィラーの導入方法としては、誘電性エラストマーと導電性フィラーを別々に、もしくは導電性フィラーを誘電性エラストマーに付着させて導入しても良い。また、導電性フィラーは、単体としてもしくは水系溶媒もしくは有機溶媒に分散させた状態で導入しても良い。
【００８１】
このような有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン系溶媒、ジブチルエーテル、テトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒、ベンゼン、トルエンなどの芳香族系溶媒などを用いることができる。
亜臨界状態または超臨界状態での処理条件は、誘電性エラストマー層１０が溶解などの変性により比誘電率や弾性状態の性能劣化が起きない範囲において適宜定めることができる。
【００８２】
誘電性エラストマー層１０は、エネルギー変換効率を高めるためにエレクトレット処理（帯電処理）などを行っても良い。その場合、導電性フィラーを含浸させて導電性エラストマー層（電極層）２０ａを形成するタイミングは、エレクトレット処理などの前後のいずれでも良い。
【００８３】
［第５実施形態］
この発明の発電素子は、効率を高めるために積層して用いることができる。この場合、例えば、第４実施形態の発電素子を積層することが好ましい。第４実施形態の発電素子は、誘電性エラストマー層１０の表面に導電性フィラーを含浸させて導電性エラストマー層２０ａを形成しているため、導電性エラストマー層（電極層）が別に形成された発電素子を積層する場合と比較して、全体の厚さを薄く抑えることができる。
【００８４】
この実施形態では、図５〜図８に示すように、発電素子が積層された発電素子積層体について説明する。
図５の発電素子積層体３００は、二個の発電素子２００を、その正極となる電極層２０Ａ同士が当接するように重ね合わせると共に、負極となる電極層２０Ｂ同士を導電線９０で電気的に接続し、さらに負極となる電極層２０Ｂと、正極となる電極層２０Ａにそれぞれ電気取出し用の端子８０を接続したものである。電極層２０Ｂに絶縁体層３が固定されている。
【００８５】
誘電性エラストマー層１０および電極層２０Ａ，２０Ｂは、第４実施形態の誘電性エラストマー層１０および導電性エラストマー層２０ａと同じ材料、構成である。絶縁体層３は、第２実施形態の絶縁体層３と同様に、帯電性（絶縁性）と共に、広い使用温度範囲、耐薬品性、電気絶縁性、低摩擦性、非粘着性、耐候性、難燃性などを満足する材料からなる。具体的には、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などのフッ素樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂、ポリエチレン等の炭化水素系樹脂、ポリアミド等の熱可塑性樹脂等を用いることが望ましい。
【００８６】
図５の発電素子積層体３００によれば、発電素子２００単体に比べて２倍の発電性能を発揮することができる。発電素子２００をその正極同士が当接するように重ね合わせて構成したため、その大きさも最小限に抑えることができる。これによって、携帯電話などのような小型・軽量が要求される電子機器などにも容易に適用することができる。
図６および図７に示すように、この発電素子２００をより多く積層すれば、その発電素子２００の数に比例した発電性能（出力電力、出力電圧）を発揮することができる。また、積層された発電素子の全面あるいは一部を絶縁体層３で被覆して圧縮・伸張させることにより、さらに優れた発電性能を発揮させることも可能である。
【００８７】
図６の発電素子積層体３００は、発電素子２００を５つ重ね合わせたものであり、図７の発電素子積層体３００は、さらに発電素子２００をＮ個重ね合わせたものである。そして、図示するように隣接する発電素子２００の負極同士および正極同士をそれぞれ導電線９０で並列に接続すると共に、最上位に位置する発電素子２００の各電極層２０Ａ、２０Ｂにそれぞれ電気取出し用の端子８０を接続したものである。また、図８に示す構造とすることもできる。
【００８８】
［第６実施形態］
図９〜図１３は、この発明の発電素子１００を発電源として用いた発電装置４００を例示したものである。
先ず、図９の発電装置４００は、第１実施形態の発電素子１００を絶縁性の平板状の芯材６０上に一体的に接着したものである。この発電装置４００は、平板状をした小型・軽量なものであるため、携帯電話などのように、スペース的な制約の多い電子機器の電源として活用することができる。この場合、芯材６０の少なくとも発電素子１００に接する表面を、第２実施形態で挙げた絶縁体層３を構成する材料で形成すると、帯電した電荷の一部が発電性能の向上に寄与する効果が得られる。
【００８９】
次に、図１０および図１１の発電装置４００は、シート状をした芯材６０上に第１実施形態の発電素子１００を複数配列すると共に、これら各発電素子１００を導電線７０によって電気的に直列に接続したものである。そして、このような構成であれば、その発電素子１００の数に応じた電圧が加算された大量の電気を取り出せるだけでなく、このシート状をした芯材６０自体が適度な可撓性を発揮できる。そのため、例えば電子機器のケーシング内面などに貼り付けるように設置できるため、その設置形状や場所などの制約が少なく、より使い勝手の良い電源として用いることができる。
【００９０】
なお、このように複数の発電素子１００同士を直列に接続する場合、例えば、下部電極がマイナス極、上部電極がプラス極であれば、図示するように導電線７０は隣接する上部電極と下部電極同士を直接接続するようになる。また、このように発電素子１００を複数配列した場合には、各発電素子１００を電気的に並列に接続することも可能である。
また、図１１の発電装置４００は、円柱状をした芯材６０の表面に第１実施形態の発電素子１００を一体的に接着したものである。そして、このような構造であれば、発電素子１００の大きさ（面積）を犠牲にすることなく、狭い空間などに効率的に設置することができる。この場合も、芯材６０を、第２実施形態で挙げた絶縁体層３を構成する材料で形成すると、帯電した電荷の一部が発電性能の向上に寄与する効果が得られる。
【００９１】
芯材の形状は円筒状に限定されるものではない。また、発電素子１００と、芯材６０との接合方法は、接着に限られず、加圧加熱架橋による接合、樹脂ねじや樹脂リベットによる機械的接合等各種の接合方法が採用できる。
さらに、この変形例として図１２に示すように円筒状をした芯材６０を用いれば、その表面（外面）のみならず、その内側にも発電素子１００を一体的に接着もしくは取り付けることができる。これにより、全体の大きさを変えることなく、さらに優れた発電能力を発揮することが可能となる。
【００９２】
また、図１３および図１４に示すように、円柱状をした芯材６０に対してその周方向または軸方向に複数の発電素子１００を一体的に接着すると共に、図１０と同様に、これら各発電素子１００同士を、図示しない導電線によって電気的に直列または並列に接続すれば、より優れた発電能力を発揮することができる。
図９〜１４に例示した形態において、芯材６０としては、広い使用温度範囲、耐薬品性、電気絶縁性、低摩擦性、非粘着性、耐候性、難燃性、さらには機械的強度を満足する材料を用いることが望ましく、第２実施形態で挙げた絶縁体層３を構成する材料の中でも、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などのフッ素樹脂を用いることが好ましい。
【００９３】
［第７実施形態］
この発明の発電素子は、例えば、図１５や図１６に示すような携帯情報端末の操作キー５００内に内蔵されて、その携帯情報端末の電源などとして用いられる。
先ず、図１５の操作キー５００は、人の指などが直接触れる携帯情報端末の操作キー本体５０と、その下方に位置するスイッチ５１との間に、可動支持部材５２を介して誘電性エラストマー層１を位置させると共に、誘電性エラストマー層１の一端に、電極でもある電力取出用のリード４を接続したものである。
【００９４】
図１５の操作キー５００は、図１７（ａ）に示すように、操作キー本体５０をクリックしてその操作キー本体５０に荷重Ｆが加わると、操作キー本体５０が押し下げられて誘電性エラストマー層１が下方に撓んだ後、同図（ｂ）に示すように、スイッチ５１の反発力によって操作キー本体５０が戻されて誘電性エラストマー層１が元の状態に戻ることになる。誘電性エラストマー層１は、このような一連の動きにも追従可能であり、リード４を介して電力を供給等できる。すなわち、小型機器内のスペースを電池として有効に使用できる。また、誘電性エラストマー層１に柔軟性があるため、上記の通り、稼動部のスペースを電池とすることもできる。
【００９５】
また、図１８（ａ）、（ｂ）に示すように、操作キー本体５０の全体またはその下端および可動支持部材５２を銅などの導電性物質で構成し、これらに電力取出用のリード４を接続するような構成であっても同様な作用・効果を発揮することができる。
一方、図１６の操作キー５００は、ドーム上に突出した可撓性のエンボスシート６０の内部に上部電極６１と下部電極６２を設置すると共に、そのエンボスシート６０の上面を誘電性エラストマー層１で覆うと共に、その上面を絶縁シート６３で覆い、誘電性エラストマー層１の一端に、電極でもある電力取出用のリード４を接続したものである。
【００９６】
このような構成をした操作キー５００の場合は、そのエンボスシート６０のドームの部分が押し下がられて下方に変形することにより、誘電性エラストマー層１が下方に撓んだ後、上部電極６１と下部電極６２が接触してスイッチが入り、その後、そのエンボスシート６０の反発力によって誘電性エラストマー層１が元の状態に戻ることになる。このように、小型機器のスペースを効率良く電池として使用することが可能となる。また、誘電性エラストマー層１に柔軟性があるため、上記の通り、稼動部のスペースを電池とすることもできる。
【００９７】
なお、この実施形態では、いわゆる誘電性エラストマー型ジェネレータとなる誘電エラストマー層１の表層に、変形に追従可能である柔軟な電極６１，６２を有するものとしても良いが、この電極６１，６２としては、金属、カーボン、のほか、前述した導電性エラストマー層が好適に使用でき、また導電性グリース等を併用することも好ましい。
また、可動支持部材５２の材料は特に限定されないが、金属製やプラスチック製等が挙げられる。外力からの応力を誘電性エラストマー層に伝えるため、可撓性であることが好ましい。
【００９８】
［第８実施形態］
図１９の発電素子６００は、図２１に示す、短冊状をした導電性エラストマー部材２０の一部に、イオン液体を含浸させたものである。
図２０の発電素子６００は、図２１に示す、短冊状をした導電性エラストマー部材２０の全部に、イオン液体を含浸させたものである。
【００９９】
導電性エラストマー部材２０は、第１実施形態の導電性エラストマー層（電極層）２に使用されるものと同様な材料（ベースゴム＋導電性フィラー）で構成されている。
導電性フィラーの比率は、導電性フィラーの種類によって適宜設定される。特に導電性フィラーで好ましい炭素材料、なかでもＣＮＦに関しては５質量部以上であることが好ましい。５質量部未満であると、導電性エラストマー部材２０の導電性が低下し、発電機能を発現させることが困難となる。このような不具合がより生じ難くするためには、少なくとも５質量部以上、より好ましくは１０質量部以上必要である。導電性フィラーとしては、ＣＮＦが特に好ましい。
【０１００】
この導電性エラストマー部材２０に含浸させるイオン液体としては、ピリジニウム系イオン液体、イミダソリウム系イオン液体、脂環式アミン系イオン液体、脂肪族アミン系イオン液体、脂肪族ホスホニウム系イオン液体などを用いることができる。これらの中でも、ピリジニウム系イオン液体もしくはイミダゾリウム系イオン液体であって、アニオンが（ＮＣ）2 Ｎ- または（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 Ｎ- であるものが特に好ましく、具体的には、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムをカチオンとし、（ＮＣ）2 Ｎ- または（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 Ｎ- をアニオンとするイオン液体が挙げられる。
【０１０１】
また、このイオン液体の含有量は、少なくとも短冊状の導電性エラストマー部材２０の一部においては、ベースゴムに対して５質量部以上、より好ましくは１０質量％以上であることが好ましい。短冊状をした１枚の導電性エラストマー部材２０にイオン液体を含浸させることにより、電気を取り出すことができる。また、イオン液体を含浸した導電性エラストマー部材２０と含浸しない導電性エラストマー部材２０を積層させて用いることもできる。
【０１０２】
この導電性エラストマー部材２０は、イオン液体の高濃度側と低濃度側に電位差が生じて電気が発生するため、低濃度側と高濃度側に電極（または電極に相当するリード線）を取り付けることで、電源として使用することができる。この実施形態の発電素子６００は、導電性エラストマー部材２０の両端に電極４０を取り付けた例を示している。
【０１０３】
［第９実施形態］
この実施形態では、この発明の発電素子が絶縁体層を介して積層された発電素子積層体について説明する。
図２２に示す発電素子積層体３００を構成する発電素子１００は、１対の導電性エラストマー層２と、その間に配置された誘電性エラストマー層１とからなる。この発電素子１００は、第１実施形態と同様に、誘電性エラストマー層１はイオン液体を含有するゴムからなり、導電性エラストマー層２は、導電性フィラーを含有するゴムからなる。
【０１０４】
この発電素子１００が３層積層され、各発電素子１００の間に、マイナスに帯電し易い材料からなる絶縁体層３１とプラスに帯電し易い材料からなる絶縁体層３２が配置されている。また、最も上側に配置された発電素子１００の上面には、マイナスに帯電し易い材料からなる絶縁体層３１が配置され、最も下側に配置された発電素子１００の下面には、プラスに帯電し易い材料からなる絶縁体層３２が配置されている。
【０１０５】
絶縁体層３１，３２を構成する材料としては、第２実施形態で挙げた絶縁体層３を構成する材料から、異なる帯電性能を有するもの、好ましくは、帯電列において離れた位置にある物質を組み合わせて使用する。これにより、イオン液体が関与する電極反応を安定した反応とすることができる。
絶縁体層３１と絶縁体層３２との組合せとしては、絶縁性能や機械的強度等を併せて考慮すると、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレンとポリアミド（ＰＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）とポリアミド（ＰＡ）の組み合わせが好ましい。
【０１０６】
また、シリコン樹脂等の珪素含有樹脂も帯電列がプラス側であり、帯電列がマイナス側のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）と組み合わせて好ましく使用することができる。
図２３に示す発電素子積層体３００を構成する発電素子１００は、１対の導電性エラストマー層２と、その間に配置された誘電性エラストマー層１とからなる。この発電素子１００は、第１実施形態と同様に、誘電性エラストマー層１はイオン液体を含有するゴムからなり、導電性エラストマー層２は、導電性フィラーを含有するゴムからなる。
【０１０７】
この発電素子１００が３層積層され、最も上側に配置された発電素子１００の上面に、正極用の絶縁体層３３が配置され、その下の発電素子１００との間に負極用の絶縁体層３４が配置され、その下の発電素子１００との間に正極用の絶縁体層３３が配置され、最も下側に配置された発電素子１００の下面に負極用の絶縁体層３４が配置されている。
正極用の絶縁体層３３および負極用の絶縁体層３４を構成する材料としては、前述の絶縁体層３１，３２と同様に、第２実施形態で挙げた絶縁体層３を構成する材料から、異なる帯電性能を有するもの、好ましくは、帯電列において離れた位置にある物質を組み合わせて使用する。これにより、イオン液体が関与する電極反応を安定した反応とすることができる。
【０１０８】
図２３の発電素子積層体３００では、正極用の絶縁体層３３に接する２つの導電性エラストマー層（電極層）２が正極として作用し、負極用の絶縁体層３４に接する２つの導電性エラストマー層（電極層）２が負極として作用する。そして、隣接する発電素子１００の負極同士および正極同士がそれぞれ導電線９０で直列に接続されている。また、最の上側に配置された発電素子１００の正極と最も下側に配置された発電素子１００の負極に、それぞれ電気取出し用の端子８０が接続されている。接続方法は直列接続および並列接続を適宜選択できる。
【０１０９】
このような構造とすることにより、絶縁体層３３，３４間に形成される電場の力が増大するため、各発電素子１００の導電性エラストマー層（電極層）２に蓄積される電荷量の増大を図ることができる。
【実施例】
【０１１０】
［実施例１−１、１−２、参考例１−１、１−２、比較例１−１］
（実施例１−１、１−２と参考例１−１、１−２）
図１に示す構造の発電素子を以下の方法で作製した。
表２に示すように、実施例１−１、１−２については、反応性アクリルゴム（ＡＣＭと表記）（株式会社トウペ製「トアアクロンＳＡ−３１０」）１００質量部に、アクリルゴム用架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製「ポリネート７０」）を８質量部、ピリジニウム系イオン液体（広栄化学工業株式会会社製「ＩＬ−Ｐ１４」）を４０質量部加えて混合し、得られた混合液をＫコントロールコータ（松雄製作所製）を用いて厚さ２５０μｍの薄膜とし、半硬化状のゴム薄膜を得た。このゴム薄膜を架橋処理後、硬さをデュロメータで測定したところ、デュロメータＡスケールで３０であった。これを誘電性エラストマー層１として用いた。
【０１１１】
また、参考例１−１、１−２については、ピリジニウム系イオン液体を混合しなかった以外は同様にしてゴム薄膜を得た。ゴム薄膜を架橋処理後、硬さをデュロメータで測定したところ、デュロメータＡスケールで３３であった。これを誘電性エラストマー層１として用いた。
また、反応性アクリルゴム（ＡＣＭと表記）（株式会社トウペ製「トアアクロンＳＡ−３１０」）１００質量部に、アクリルゴム用架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製「ポリネート７０」）を８質量部、カーボンナノファイバー（ＣＮＦと表記）（昭和電工株式会社製「ＶＧＣＦ」）及び／またはピリジニウム系イオン液体（ＩＬと表記）（広栄化学工業株式会会社製「ＩＬ−Ｐ１４」）を表記の量加えて混合し、得られた混合液をＫコントロールコータ（松雄製作所製）を用いて厚さ５０μｍの薄膜とし、架橋処理を行い、ゴム薄膜を得た。これを上部電極層用および下部電極層用の導電性エラストマー層２として用いた。尚、上部電極層用ゴム薄膜及び下部電極層用ゴム薄膜の各硬さは、表記の通りである。
【０１１２】
このようにして得られた誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層２を用い、一対の導電性エラストマー層２の間に誘電性エラストマー層１を配置し、加圧加熱成形して図１に示す構造の発電素子を得た。
（比較例１−１）
表２に示すように、反応性アクリルゴム（ＡＣＭと表記）（株式会社トウペ製「トアアクロンＳＡ−３１０」）１００質量部に、アクリルゴム用架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製「ポリネート７０」）を８質量部加えて混合し、得られた混合液をＫコントロールコータ（松雄製作所製）を用いて厚さ２５０μｍの薄膜とし、半硬化状のゴム薄膜を得た。発電ゴム薄膜の硬さをデュロメータで測定したところ、デュロメータＡスケールで３３であった。これを誘電性エラストマー層１として用いた。
【０１１３】
また、反応性アクリルゴム（ＡＣＭと表記）（株式会社トウペ製「トアアクロンＳＡ−３１０」）１００質量部に、アクリルゴム用架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製「ポリネート７０」）を８質量部、カーボンナノファイバー（ＣＮＦと表記）（昭和電工株式会社製「ＶＧＣＦ」）を３５質量部加えて混合し、得られた混合液をＫコントロールコータ（松雄製作所製）を用いて厚さ５０μｍの薄膜とし、上部電極層用及び下部電極層用のゴム薄膜を得た。これを上部電極層用および下部電極層用の導電性エラストマー層２として用いた。上部電極層用ゴム薄膜及び下部電極層用ゴム薄膜の各硬さは４０であった。
【０１１４】
このようにして得られた誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層２を用い、一対の導電性エラストマー層２の間に誘電性エラストマー層１を配置し、加圧加熱成形して図１に示す構造体を得た。
（発電素子としての発電試験）
上記で作製した各発電素子（実施例、参考例）と構造体（比較例）を、図２４に示す測定回路を使用して起電力及び発生電流を測定した。結果を表２に併記する。
【０１１５】
【表２】
【０１１６】
実施例１−１、１−２と参考例１−１、１−２との違いは、誘電性エラストマー層１にイオン液体を含有しているかしていないかであるが、イオン液体を含有しいている実施例１−１、１−２の方がより高い起電力を得られることが分かる。実施例１−１と実施例１−２との違いは、導電性エラストマー層２にイオン液体を含有しているかしていないかであるが、イオン液体を含有しいている実施例１−２の方がより高い起電力を得られることが分かる。また、誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層２のいずれにもイオン液体を含有していない比較例１−１は起電力が得られなかった。
【０１１７】
また、図２５に実施例１−１の発電素子の電圧波形の時間変化を測定したチャートを示すが、安定した発電が行われていることが分かる。
［実施例２−１〜２−４、比較例２−１］
（実施例２−１〜２−４）
図１に示す構造の発電素子を以下の方法で作製した。
【０１１８】
表３に示すように、反応性アクリルゴム（ＡＣＭと表記）（株式会社トウペ製「トアアクロンＳＡ−３１０」）１００質量部と、アクリルゴム用架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製「ポリネート７０」）を８質量部とを含むベースゴムに、下記イミダゾリウム系イオン液体を５質量部加えて混合し、得られた混合液をＫコントロールコータ（松雄製作所製）を用いて厚さ２５０μｍの薄膜とし、半硬化状のゴム薄膜を得た。架橋処理後のゴム薄膜の硬さをデュロメータで測定したところ、何れもデュロメータＡスケールで３３であった。これを誘電性エラストマー層１として用いた。
【０１１９】
＜使用したイミダゾリウム系イオン液体＞
実施例２−１では、広栄化学工業株式会社製の「１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩ−ＢＦ4 - ）」を用いた。
実施例２−２では、東京化成工業株式会社製１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジシアナミド（ＥＭＩ−（ＣＮ）2 Ｎ- ）を用いた。
実施例２−３では、東京化成工業株式会社製の「１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルフォニル）イミド（ＥＭＩ−ＩＦＳＩ- ）」を用いた。
実施例２−４では、東京化成工業株式会社製の「１−エチル−３−メチルイミダゾリウムメタンスルフォネート（ＥＭＩ−ＣＨ3 ＳＯ3 - ）」を用いた。
【０１２０】
また、反応性アクリルゴム（ＡＣＭと表記）（株式会社トウペ製「トアアクロンＳＡ−３１０」）１００質量部に、アクリルゴム用架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製「ポリネート７０」）を８質量部、カーボンナノファイバー（ＣＮＦと表記）（昭和電工株式会社製「ＶＧＣＦ」）を３５質量部加えて混合し、得られた混合液をＫコントロールコータ（松雄製作所製）を用いて厚さ５０μｍの薄膜とし、架橋処理を行ってゴム薄膜を得た。架橋処理後の電極用ゴム薄膜の硬さをデュロメータで測定したところ、デュロメータＡスケールで４０であった。また、体積固有抵抗を測定したところ、６．０×１０-1Ω・ｃｍであった。これを上部電極層用および下部電極層用の導電性エラストマー層２として用いた。
【０１２１】
このようにして得られた誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層２を用い、一対の導電性エラストマー層２の間に誘電性エラストマー層１を配置し、加圧加熱成形して図１に示す構造の発電素子を得た。
（比較例２−１）
ベースゴムにイオン液体を含有させなかった以外は実施例２−１〜２−４と同様にして、図１に示す構造体を作製した。
【０１２２】
（発電素子としての発電機能評価）
上記で作製した各発電素子（実施例）および構造体（比較例）を、図２４に示す測定回路を使用して、発電材料としての機能を評価した。発生電圧、発電時間は電圧波形測定装置で観察することで行なった。結果を表３に併記する。
【０１２３】
【表３】
【０１２４】
表３に示すように、実施例２−１〜２−４の発電素子は、誘電性エラストマー層１がイミダゾリウム系イオン液体を含有するため発電が生じたが、比較例２−１の構造体は誘電性エラストマー層１がイオン液体を含有しないため発電が生じなかった。実施例２−２と実施例２−３の発電素子では、誘電性エラストマー層１が（ＮＣ）2 Ｎ- 及び（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 Ｎ- をアニオンとするイミダゾリウム系イオン液体を含有するため、５質量部という少ない添加量で、特に優れた発電能力が得られた。
【０１２５】
［実施例３−１〜３−３、比較例３−１］
図２に示す構造の発電素子を以下の方法で作製した。
表４に示すように、反応性アクリルゴム（ＡＣＭと表記）（株式会社トウペ製「トアアクロンＳＡ−３１０」）１００質量部に、アクリルゴム用架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製「ポリネート７０」）を８質量部、ピリジニウム系イオン液体（広栄化学工業株式会会社製「ＩＬ−Ｐ１４」）を１０質量部加えて混合し、得られた混合液をＫコントロールコータ（松雄製作所製）を用いて厚さ２５０μｍの薄膜とし、半硬化状のゴム薄膜を得た。架橋処理後に、このゴム薄膜の硬さをデュロメータで測定したところ、デュロメータＡスケールで３３であった。これを誘電性エラストマー層１として用いた。
【０１２６】
また、反応性アクリルゴム（ＡＣＭと表記）（株式会社トウペ製「トアアクロンＳＡ−３１０」）１００質量部に、アクリルゴム用架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製「ポリネート７０」）を８質量部、カーボンナノファイバー（ＣＮＦと表記）（昭和電工株式会社製「ＶＧＣＦ」）を３５質量部加えて混合し、得られた混合液をＫコントロールコータ（松雄製作所製）を用いて厚さ５０μｍの薄膜とし、架橋処理を行ってゴム薄膜を得た。このゴム薄膜の硬さをデュロメータで測定したところ、デュロメータＡスケールで４０であった。また、体積固有抵抗を測定したところ、６．０×１０-1Ω・ｃｍであった。これを上部電極層用および下部電極層用の導電性エラストマー層２として用いた。
【０１２７】
このようにして得られた誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層２を用い、一対の導電性エラストマー層２の間に誘電性エラストマー層１を配置し、加圧加熱成形して図２の発電素子から絶縁体層３を除いた構造の発電素子本体Ａを得た。
この発電素子本体Ａを、図２４に示す測定回路を使用して、発電電圧と発電時間を電圧波形測定装置で測定した。
【０１２８】
次に、発電素子本体Ａの下側の導電性エラストマー層２に絶縁体層３を接合して、図２に示す発電素子を作製した。絶縁体層３は各実施例で異なる材質のものを使用した。実施例３−１では、ＰＴＦＥフィルム（日東電工株式会社製「ニトフロンＮｏ．９００ＵＬ」、実施例３−２ではＭＣナイロン板（日本ポリペンコ株式会社製「ＭＣナイロン」）、実施例３−３では上質紙を使用した。
【０１２９】
絶縁体層３を接合して一週間放置した後に、この発電素子を、図２４に示す測定回路を使用して、発電電圧と発電時間を電圧波形測定装置で測定した。そして、発電素子本体Ａの状態での発生電圧と、絶縁体層３を接合して放置した後の図２の構造の発電素子としての発生電圧との比を求めた。比較例３−１については、発電素子本体Ａのまま放置した後に発生電圧を測定した。結果を表４に併記する。
【０１３０】
【表４】
【０１３１】
表４から、図２に示すように、発電素子本体Ａに絶縁体層３を接合することにより、発電機能の低下が抑えられる、もしくは向上することが分かる。
また、このことから、絶縁体層３を設けていない一般的なエラストマー発電素子（ここでは発電素子本体Ａ）を、保管時に絶縁体（誘電材料）からなるフィルムやシートで包むことにより、発電性能を維持できることも分かる。
【０１３２】
［実施例４−１、比較例４−１］
図１に示す構造の発電素子を以下の方法で作製した。
表５に示すように、ベースゴムとして架橋剤を８質量％含む反応性液状アクリルゴムを９５質量％を用いると共に、高誘電性フィラーとしてピリジニウム系イオン液体５質量％を用いた他は、実施例１−１と同様な方法によって、膜厚２５０μｍ、比誘電率１０、引張最大伸２５０％のゴム薄膜を作製した。これを誘電性エラストマー層１として用いた。
また、ベースゴムとして架橋剤を８質量％含む反応性液状アクリルゴムを７０質量％を用いると共に、導電性フィラーとしてＣＮＦ３０質量％を用いた他は、実施例１−１と同様な方法によって、長さ１００ｍｍ×幅５０ｍｍ×厚さ５０μｍ、体積抵抗１×１０Ω・ｃｍ、引張最大伸び５０％の物性を有するゴム薄膜を作製した。これを導電性エラストマー層（電極層）２として使用した。
【０１３３】
これらを実施例１−１と同様な方法によって接合して、図１に示す構造の発電素子を得た。
（比較例４−１）
以下の表５に示すように、ベースゴムとして架橋剤を８質量％含む反応性液状アクリルゴムを１００質量部を用いると共に、高誘電性フィラーとしてＰＺＴ５０質量部を用いた他は、実施例１−１と同様な方法によって膜厚２５０μｍ、比誘電率６、引張最大伸２００％のゴム薄膜を作製した。これを誘電性エラストマー層１として用いた。
【０１３４】
この誘電性エラストマー層１と実施例４−１と同じ導電性エラストマー層２を実施例１−１と同様な方法によって接合して、図１に示す構造の発電素子を得た。
その後、このようにして得られた実施例４−１および比較例４−１の発電素子の上下面に、それぞれ薄片状の銅電極を介して微小電流計を接続した。次に、この発電素子の一端を固定し、他端を５０％力学的に伸長させた後、力を除去し、この状態で電流値を測定した。この測定値から比較例４−１を「１」とした相対値を「比発電量」として算出した。この結果も表５に示す。
【０１３５】
【表５】
【０１３６】
この結果、表５の下欄に示すように、実施例４−１の発電素子は、伸長等の機械的作用があっても、比較例４−１の発電素子と比べて優れた発電量を発揮することができた。
［実施例５−１〜５−２、比較例５−１］
（実施例５−１、５−２）
図１に示す構造の発電素子を以下の方法で作製した。
以下の表６に示すように、ベースゴムとして架橋剤を８質量部、反応性液状アクリルゴムを１００質量部、高誘電性フィラーとしてピリジニウム系イオン液体（広栄化学工業株式会社製（ＩＬ−Ｐ１４））１０質量部を用いた他は、実施例１−１と同様な方法によって膜厚２５０μｍ、硬さ、デュロメータＡ３３のゴム薄膜を作製した。これを誘電性エラストマー層１として用いた。
【０１３７】
また、ベースゴムとして架橋剤を８．０質量部、反応性液状アクリルゴムを１００質量部、導電性フィラーとしてカーボンナノファイバー（ＣＮＦ）３５質量部を用いた他は、実施例１と同様な方法によって、体積固有抵抗６×１０−１Ω・ｃｍ、硬さ、デュロメータＡ４０の物性を有するゴム薄膜を作製した。これを導電性エラストマー層（電極層）２として使用した。
【０１３８】
これらを実施例１−１と同様な方法によって接合して、図１に示す構造の発電素子を得た。
その後、実施例５−１の発電素子に対しては、両導電性エラストマー層（電極層）２間に外部電圧（１５０Ｖ）を３０分間印加する処理を行った。実施例５−２にはこのような外部電圧の印加処理を行わなかった。
【０１３９】
（比較例５−１）
以下の表６に示すように、誘電性エラストマー層１を、架橋剤を８質量部含む反応性液状アクリルゴムで構成した他は、実施例５−１および５−２と同様な方法によって図１に示す構造を得た。なお、比較例５−１でも外部電圧の印加処理を行っていない。
【０１４０】
このようにして得られた実施例５−１、５−２の発電素子と、比較例５−１の構造体について、発電素子としての機能を図２４に示す測定回路を用いて評価した。
具体的には、試験体の導電性エラストマー層２間の電位差を測る際に、以下の(1) 〜(3) からなる放電回復処理を繰り返し行った。
【０１４１】
＜放電回復処理＞
(1) 両電極（導電性エラストマー層）２を短絡させ、電位差を０Ｖにする。
(2) その後、両電極（導電性エラストマー層）２間の短絡を解消した状態で、大気中に所定時間保存する。
(3) 両電極（導電性エラストマー層）２間の電位差の時間変化を調査する。
【０１４２】
【表６】
【０１４３】
この結果、表６の下欄に示すように、比較例５−１の構造体では、両導電性エラストマー層２間に電位差を得ることができなかった。これに対し、実施例５−１および５−２の発電素子は、放電後大気中に保存することにより、両導電性エラストマー層２間に電位差が得られることが分かった。
【０１４４】
また、図２６は、実施例５−１および５−２の発電素子の電位差（電圧Ｖ）の経時変化を示したグラフであるが、時間が経過することによってその電位差が徐々に大きくなることも分かる。
また、作製時に外部電圧を印加した実施例５−１の発電素子は、外部電圧を印加しなかった実施例５−２の発電素子と比較して、放電回復時の発生電圧値が大幅に上昇することも分かった。
【０１４５】
［実施例６−１〜６−５、比較例６−１］
（実施例６−１〜６−５）
図１に示す構造の発電素子以下の方法で作製した。
先ず、以下の表７の上段に示すように、アクリルゴム架橋剤（トーヨーポリマ株式会社製ポリネート７０）を８質量部添加した反応性塊状アクリルゴム（ＡＣＭ）（株式会社トウペ製トアアクロンＳＡ−３１０）をベースゴムとし、このベースゴムに、有機添加剤としてノクセラーＴＭＵ（大内新興化学工業株式会社製トリメチルチオウレア）（実施例６−７〜６−３）またはノクセラーＥＵＲ（大内新興化学工業株式会社製１，３−ジエチルチオウレア）（実施例６−４）またはノクセラーＴＭＴＵ（東京化成工業株式会社製テトラメチルジエチルチオウレア）（実施例６−５）を添加し、Ｋコントロールコーター（松尾製作所製）を用い、半硬化状態のエラストマー層を作製した。これを誘電性エラストマー層１として用いた。その膜厚、硬さ、破断伸びの各測定結果を同表に示した。
【０１４６】
次に、同表の下段に示すように、反応性塊状アクリルゴム（ＡＣＭ）（株式会社トウペ製トアアクロンＳＡ−３１０）をベースゴムとし、このベースゴムに、導電性フィラーとしてＣＮＦ（カーボンナドファイバー：昭和電工株式会社製ＶＧＣＦ）を３０質量部添
加すると共に、イオン液体（ピリジニウム系イオン液体、広栄化学工業株式会社製
ＩＬ−Ｐ１４）を１０質量部添加してＫコントロールコーター（松尾製作所製）を用い、半硬化状態のエラストマー層を作製した。これを導電性エラストマー層（電極層）２として用いた。その膜厚、硬さ、破断伸びの各測定結果を同表に示した。
【０１４７】
このようにして得られた誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層２を用い、一対の導電性エラストマー層２の間に誘電性エラストマー層１を配置し、加圧加熱成形を行って図１に示す構造の発電素子を得た。なお、この加圧加熱時に、誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層２の架橋処理が行われた。
【０１４８】
（比較例６−１）
有機添加剤を一切添加しない以外は実施例６−１と同じ方法で誘電性エラストマー層１を作製した。また、イオン液体を一切添加しない以外は実施例６−１と同じ方法で導電性エラストマー層２を作製した。これらを用い、一対の導電性エラストマー層２の間に誘電性エラストマー層１を配置し、加圧加熱成形を行って図１に示す構造体を得た。なお、この加圧加熱時に、誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層２の架橋処理が行われた。
【０１４９】
このようにして得られた実施例６−１〜６−５の発電素子と、比較例６−１の構造体について、発電素子としての機能を図２４に示す測定回路を用いて評価した。この評価は、両導電性エラストマー層２に導電性接着剤（藤倉化成株式会社製ドータイトＸＡ−８１９Ａ）で電極を接着し、この電極に電圧波形測定装置（横川電気株式会社製）を接続して行った。その結果を、表７の最下欄（発電電圧）および図２７（電圧波形）に示す。
【０１５０】
【表７】
【０１５１】
この結果、比較例６−１の構造体では全く発電が行われなかったのに対し、実施例６−１〜６−５の発電素子では、いずれも１５０ｍＶ以上の優れた発電能を発揮できることが分かった。また、図２７は、実施例６−１の発電素子における電圧波形を示したものであり、安定した起電力を発揮できることが分かった。
【０１５２】
［実施例７−１〜７−２、比較例７−１］
図１９および２０に示す発電素子６００を以下の方法で作製した。
以下の表８に示すように、反応性塊状アクリルゴム（ＡＣＭ）（株式会社トウペ製トアアクロンＳＡ−３１０）をベースゴムとし、このベースゴムをメチルエチルケトンで溶解し、導電性フィラーとしてカーボンナノファイバー（昭和電工株式会社製ＶＣＧＦＲ−Ｈ）を添加、攪拌してアクリル溶液を作製した。
この溶液を用いてＫコントロールコーター（松尾製作所製）により薄膜を作製し、図２１に示す導電性エラストマー部材２０を作製した。なお、この導電性エラストマー部材２０の導電率は、５．０×１０-1Ω・ｃｍであり、カーボンナノファイバーの添加によって導電率の向上効果が確認できた。
【０１５３】
次に、図１９および図２０に示すように、このようにして得られた導電性エラストマー部材２０の一端（実施例７−１）および全部（実施例７−２）にイオン液体（広栄化学工業株式会社ＩＬ−Ｐ１４）を含浸させることで、発電素子６００を作製した。この発電素子６００を、大気中で１時間保存後、その両端に銅電極４０を介して電圧波形測定装置（横川電気株式会社製）を接続してその電圧波形を測定を行った。また、図２１に示すように、イオン液体を一切含浸させていない導電性エラストマー部材２０（比較例７−１）についても、同様にして電圧測定を行い、その結果を同表の下欄および図２８に示す。
【０１５４】
【表８】
【０１５５】
この結果、イオン液体を一切含浸させていない比較例７−１の導電性エラストマー部材２０は、全く起電力が得られなかったのに対し、導電性エラストマー部材２０にイオン液体を含浸させた実施例７−１および７−２の発電素子６００は起電力が得られた。特に、導電性エラストマー部材２０の一端にのみイオン液体を塗布した実施例７−１の発電素子６００では、図２８に示すように優れた起電力が得られた。このように、連続的な層においても、少なくともその一部にイオン液体を含有させることにより、起電力を向上できる。
【０１５６】
［実施例８−１〜８−２］
実施例８−１〜８−２の発電素子は図２に示す構造であり、表９に示す構成の誘電性エラストマー層１および導電性エラストマー層（電極層）２と、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）シートからなる絶縁体層３とを有する。
この発電素子を、実施例３−１と同じ方法で作製した後、外部から１５０Ｖの電圧を３０分間印可する処理を行った。このようにして得られた実施例８−１、８−２の発電素子の機能を、図２４に示す測定回路を用いて評価した。
具体的には、発電素子の導電性エラストマー層２間の電位差を測る際に、以下の(1) 〜(3) からなる放電回復処理を、５サイクル繰り返して行った。
【０１５７】
＜放電回復処理＞
(1) 両電極（導電性エラストマー層）２を短絡させ、電位差を０Ｖにする。
(2) その後、両電極（導電性エラストマー層）２間の短絡を解消した状態で、減圧雰囲気（１×１０-1Ｐａ）中（実施例８−１）または大気中（実施例８−２）に所定時間保存する。
(3) 両電極（導電性エラストマー層）２間の電位差の時間変化を調査する。
【０１５８】
【表９】
【０１５９】
この結果、表９の下欄に示すように、減圧下で保存した実施例８−１の発電素子は、大気中で保存した実施例８−２の発電素子と同じ発生電圧（４００ｍＶ）が得られた。
【０１６０】
［実施例９−１〜９−３、比較例９−１］
図２に示す構造の発電素子と、図５、図６、図８に示す構造の発電素子積層体を以下の方法で作製した。
表１０に示すように、ベースゴムとしてアクリルゴム架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製 ポリネート７０）を８質量部、反応性塊状アクリルゴム（ＡＣＭ）（株式会社トウペ製 トアアクロンＳＡ−３１０）１００質量部からなるものを用い、このベースゴムにピリジニウム系イオン液体（広栄化学工業株式会社製 ＩＬ−Ｐ１４）を１０質量部添加した混合溶液を調整し、Ｋコントロールコーター（松尾製作所製）を用い、半硬化状態のゴム薄膜を作成した。これを誘電性エラストマー層１，１０として使用した。この膜厚および硬さの測定結果は表１０に示す通りである。
【０１６１】
次に、同じく表１０に示すように、ベースゴムとして同じくアクリルゴム架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製 ポリネート７０）を８質量部、反応性塊状アクリルゴム（ＡＣＭ）（株式会社トウペ製 トアアクロンＳＡ−３１０）１００質量部を用い、これに導電性フィラー（ＣＮＦ）を３５質量部分散させた混合物を調整し、Ｋコントロールコーター（松尾製作所製）を用い、半硬化状態の薄膜を作成した。これを導電性エラストマー層（電極層）２，２０として使用した。この膜厚および硬さの測定結果は以下の表１０に示す通りである。
【０１６２】
次に、このようにして得られた誘電性エラストマー層１０と導電性エラストマー層（電極層）２０とＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなる絶縁層（電極設置材）３を、図５および６に示すように重ね合わせ接着して、発電素子積層体３００を作製した（実施例９−１、９−２）。また、誘電性エラストマー層１を１対の電極層２で挟み、負極側にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなる絶縁層３を配置し、これらの間を接着することで、図２に示す構造の発電素子を作製した（実施例９−３）。
【０１６３】
また、誘電性エラストマー層１０と導電性エラストマー層（電極層）２０とＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなる絶縁層３を、図８に示すように重ね合わせ接着して、発電素子積層体３００を作製した（比較例９−１）。
実施例９−１の発電素子積層体３００については、図５に示すように、導電線９０で２個の発電素子２００を並列に接続し、電極層２０Ａ，２０Ｂに端子８０を接続して、発生電圧および発生電流を測定した。この測定は、発電素子積層体３００を作製してから１週間経過した後に行った。
【０１６４】
実施例９−２の発電素子積層体３００については、図６に示すように、導電線９０で５個の発電素子２００を並列に接続し、電極層２０Ａ，２０Ｂに端子８０を接続して、発生電圧および発生電流を測定した。この測定は、発電素子積層体３００を作製してから１週間経過した後に行った。
実施例９−３の発電素子については、作製後１週間経過した後に、両導電性エラストマー層（電極層）２間の発生電圧および発生電流を測定した。
【０１６５】
比較例９−１の発電素子積層体３００については、図８に示すように、導電線９０で２個の発電素子２００を並列に接続し、電極層２０Ａ，２０Ｂに端子８０を接続して、発生電圧および発生電流を測定した。この測定は、発電素子積層体３００を作製してから１週間経過した後に行った。
次に、実施例９−３の発電素子の発生電圧、発生電流をそれぞれ「１」とした時の、実施例９−１、９−２、比較例９−１の発電素子積層体３００の発生電圧、発生電流の相対値を、「比発生電圧、比発生電流」として算出した。その結果も表１０の下欄に示す。
【０１６６】
【表１０】
【０１６７】
表１０の結果から分かるように、図５に示す構造の実施例９−１の発電素子積層体および図６に示す構造の実施例９−２の発電素子積層体の発生電流は、実施例９−３の発電素子２００の発生電流の２倍および５倍（それぞれの誘電性エラストマー層１０の積層枚数と同じ倍数）の値を示していた。これに対し、図８に示す構造の比較例９−１の発電素子積層体３００は、発生電圧および発生電圧共に、実施例９−３の発電素子２００の約１／１０と低い値であった。
【符号の説明】
【０１６８】
１，１０ 誘電性エラストマー層
２，２０ａ 導電性エラストマー層（電極層）
２０ 導電性エラストマー部材
３，３１〜３４ 絶縁体層
１００ 発電素子
２００ 発電素子
３００ 発電素子積層体
４００ 発電装置
５００ 操作キー
６００ 発電素子
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電池あるいは電源として使用できる発電素子であって、一対の電極層と、その間に配置された中間層と、からなり、中間層が誘電性エラストマー層からなる発電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話やモバイルコンピュータ等の携帯電子機器は、近年、急速に需要が高まり、今後更に成長が期待される分野の一つになっている。また、これら携帯電話やモバイルコンピュータに代表される携帯情報端末等は、今後さらに成長が期待される分野の１つとなっている。このような携帯情報端末の電力供給源としては、リチウムイオン電池が主流となっており、現在も端末の小型・軽量化に伴い、リチウムイオン電池に関する研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
例えば、以下の特許文献１には、電解質層の両面に触媒層を有する電極が接続された構造を有する、高分子を用いたリチウムイオン二次電池が開示されている。また、以下の特許文献２には、圧電素子を用い、アンテナ部材や開閉時の運動から発電を行うようにしたモバイル機器用充電機構が開示されている。
一方、電気エネルギーと機械エネルギーを相互に変換するためのトランスデューサー（変換器）は、例えば、モバイル機器、エンジン、人工筋肉などの電源（ジェネレータ）や、ポンプ、スピーカーなどのアクチュエータなどとして多種多様の分野への応用が検討されている。また、トランスデューサーを構成する誘電性ゴム組成物はアンテナやコンデンサなどに応用が検討されている。
【０００４】
このようなトランスデューサー（変換器）は、ポリマー（誘電性ゴム）を中間層としてその両端を一対の電極層で挟んだ構造の誘電性エラストマー積層体から構成されている。例えば以下の特許文献３には、トランスデューサーとして機能するシリコンやアクリルゴムなどをベースとした誘電性エラストマーの両面に、電極となる素材を配設した構造の誘電性エラストマー積層体が開示されている。
【０００５】
また、この誘電性エラストマーの材料として、以下の特許文献４には、ベースとなるエラストマーに、高誘電率を示すセラミックス材料を分散させたものが開示されている。また、以下の特許文献５には、ベースエラストマーに双極子モーメントを上昇させる活性成分を添加することで、高い誘電損率（誘電率×誘電正接）を示すエラストマーが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２９４４５７号公報
【特許文献２】特開２００２−１９０６２７号公報
【特許文献３】特表２００３−５０５８６５号公報
【特許文献４】特開２００７−０６３３３７号公報
【特許文献５】特開２００２−２８５０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のリチウム電池には、以下のような問題がある。
(1) 常用領域と危険領域との差が非常に接近しており、安全性確保のため保護機構が必要であるため、軽量化や小型化には限界がある。(2) 構成材料が金属や硬質プラスチックが主体であるため、外力や曲げ応力、振動が加わると破損しやすく、貯蔵されている電解液が漏れたり、電池内部で短絡が起こって温度が急上昇して電解液中の有機溶剤が揮発して発火することがある。(3) 構成材料が金属や硬質プラスチックであるため、柔軟性を要する部位には使用できない。
【０００８】
一方、特許文献２に開示されているモバイル機器用充電機構には、以下のような不都合がある。
(1) 携帯電話に関して、アンテナ部材や携帯電話の開閉時の運動からでは頻繁にエネルギーを得ることができない。(2) 圧電素子を用いているため、発電にはある程度の衝撃力を必要とする。
【０００９】
また、特許文献３〜５に開示されている誘電性エラストマーには、以下のような問題がある。
(1) 高誘電率を達成するために、双極子モーメント量を増加させる活性成分を多量に添加しているため、エラストマーが本来有する可撓性を損なってしまい、トランスデューサーとしての性能が充分に発揮されないことが想定される。(2) 誘電性セラミックスを多量に添加しているため、可撓性を損なうだけでなく、伸縮を繰り返し行った際に、亀裂や破断などが生じることがある。(3) 素材の誘電率を向上させるために、添加剤を含有させても良いとの記載はあるが、トランスデューサーとしてどの程度の比誘電率、弾性率が好適であるかなどの具体的な数値は示されていない。(4) 発電は機械的エネルギーに依存している。
【００１０】
そこで、この発明の課題は、携帯型電子機器用の電源に好適で、更なる小型化、軽量化が可能で、安全性も高く、柔軟性を要する部位にも使用可能であり、さらに、充電機能も備え、充電効率も高い発電素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、この発明の発電素子は、一対の電極層と、その間に配置された中間層と、からなる発電素子であって、前記中間層が、イオン液体を含有するエラストマーからなる誘電性エラストマー層であることを特徴とする。この発電素子は、イオン液体を含有するエラストマーからなる誘電性エラストマー層を中間層として有することにより、優れた発電性能（充電性能および放電性能）が得られる。なお、イオン液体は、イオン性液体、イオン流体、イオン性流体、常温溶融塩とも称される。
【００１２】
この発明の発電素子は、放電後、外部から変形力を加えたり、電力を供給したりすることなく、起電力が回復できる。言い換えれば、この発明の発電素子は自然充電作用を有する電池である。そのメカニズムは解明されていないが、イオン液体が関わる電極反応により電位が生じていると考えられる。例えば、イオン液体が関与して大気中の酸素もしくは水分と酸化還元反応することにより電位が発生するか、イオン液体が関与して電気二重層を形成し、そこからの拡散により電位が発生するか、イオン液体が関与して発電素子近傍の空間に存在する静電気を吸収することで電位が発生すると考えられる。
【００１３】
この発明の発電素子の前記電極層が、導電性フィラーを含有するエラストマーからなる導電性エラストマー層であると、素子全体として優れた柔軟性が得られる。
この発明の発電素子の前記導電性エラストマー層がイオン液体を含有する（すなわち、電極層に導電性フィラーとしてイオン液体を含有する）と、より安定した発電性能（充電性能および放電性能）が得られる。
【００１４】
この発明の発電素子の誘電性エラストマー層および／または導電性エラストマー層を構成するエラストマーがゴムであると、ゴム（熱硬化性エラストマー）以外のエラストマー（熱可塑性エラストマー）で構成した場合と比較して、より優れた柔軟性が得られる。
前記ゴムとして酸素原子を含む分子構造を有するものを使用すると、この発明の発電素子の発電性能（充電性能および放電性能）がより向上する。この作用は、酸素原子が結合した分子の極性に起因すると推測される。
【００１５】
前記ゴムとして、アクリルゴムもしくはシリコンゴムを使用することが好ましい。これらのゴムは、酸素原子を含む分子構造を有するものであるとともに、耐久性および柔軟性にも優れている。よって、誘電性エラストマー層および導電性エラストマー層を構成するゴムとして、アクリルゴムもしくはシリコンゴムを使用した前記発電素子は、優れた発電性能（充電性能および放電性能）と耐久性と柔軟性を有するものとなる。
【００１６】
この発明の発電素子は、前記誘電性エラストマー層を構成するエラストマーをなすゴムと前記導電性エラストマー層を構成するエラストマーをなすゴムが同じであることが好ましい。これにより、中間層と電極層の密着性が良好になるため、この発明の発電素子は、柔軟性を保ちながら、屈曲の繰り返し等に対する耐久性も高くなる。
この発明の発電素子の前記誘電性エラストマー層の厚さは１０μｍ〜２ｍｍであることが好ましい。前記誘電性エラストマー層の厚さが１０μｍ未満であると、屈曲時等の機械的強度が不足する可能性がある。前記誘電性エラストマー層の厚さが２ｍｍを超えると、発電素子の発電容量・充電容量は大きくなるが、内部抵抗等が増加するため、発電容量・充電容量の向上の程度とのバランス、すなわちエネルギー効率が悪くなる。
【００１７】
この発明の発電素子の前記導電性エラストマー層（電極層）の厚さは５μｍ〜１ｍｍであることが好ましい。前記導電性エラストマー層の厚さが５μｍより薄くなると、変形時に穴や亀裂が発生しやすく、成膜も困難になる。前記導電性エラストマー層の厚さが１ｍｍを超えると、変形に追随するのが困難になるとともに、内部抵抗が増大して導電性が低下することになり、発電性能や発電効率（特に放電効率）が低下する恐れがある。なお、この発明の発電素子の電極層が金属板または金属薄膜である場合は、その厚さを０．０５μｍ〜１ｍｍとすることができる。
【００１８】
この発明の発電素子を構成する誘電性エラストマー層および導電性エラストマー層に含有させるイオン液体としては、ピリジニウム系イオン液体もしくはイミダゾリウム系イオン液体を用いることが好ましい。これにより、充電性能および放電性能に特に優れた発電素子が得られる。特に、前記誘電性エラストマー層および導電性エラストマー層が、酸素原子を含む分子構造を有するゴム（特にアクリルゴムもしくはシリコンゴム）からなり、イオン液体としてピリジニウム系イオン液体もしくはイミダゾリウム系イオン液体を含有するものであると、ゴムとイオン液体との相性が良好であるため、この発明の発電素子の充放電効率が特に良好になる。
【００１９】
この発明の発電素子を構成する誘電性エラストマー層および導電性エラストマー層の両方がイオン液体を含有していると、この発明の発電素子は、高い起電力が得られ、物理的な伸びが向上し、繰り返しの折り曲げ等に対する耐久性が向上し、低温時の柔軟性が確保され、高温時の耐熱性が向上する等の効果を奏する。
この発明の発電素子は、前記電極層の前記誘電性エラストマー層とは反対側が絶縁体で被覆されていることが好ましい。これにより、この発明の発電素子の充放電作用がより優れたものとなる。絶縁体は、電場を印加すると電気分極が誘起される誘電体であり、静電誘導によって帯電体となるものを使用することが好ましい。このような絶縁体で、前記電極層の前記誘電性エラストマー層とは反対側が被覆されていると、前記誘電性エラストマー層の内部での分極が促進されるため、優れた充放電作用が得られると推測される。この絶縁体としては、誘電性、絶縁性、耐久性に優れたＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素樹脂やフッ素ゴムを使用することが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
この発明の発電素子は、中間層がイオン液体を含有する誘電性エラストマー層からなることで、優れた発電性能を有するとともに、変形能が高いため、柔軟性が要求される部位でも好適に使用できる。また、いわゆる電解液を使用しないことから、電解液漏れや溶剤の揮発による発火の恐れがなく、安全機構も最低限のもので十分であり、小型化や軽量化が可能である。
【００２１】
また、この発明の発電素子は、中間層を誘電性エラストマー層で構成するだけでなく電極層も導電性エラストマー層で構成することで、ひずみなどの応力が繰り返し付与されても、ひび割れや亀裂、破断などが未然に防止され、安定した充放電性能を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明の第１実施形態に相当する発電素子を示す断面図である。
【図２】この発明の第２実施形態に相当する発電素子を示す断面図である。
【図３】この発明の第３実施形態に相当する発電素子を示す断面図である。
【図４】この発明の第４実施形態に相当する発電素子を示す断面図である。
【図５】この発明の発電素子が積層された発電素子積層体を示す断面図である。
【図６】この発明の発電素子が積層された発電素子積層体を示す断面図である。
【図７】この発明の発電素子が積層された発電素子積層体を示す断面図である。
【図８】この発明の発電素子が積層された発電素子積層体を示す断面図である。
【図９】この発明の発電素子を発電源として用いた発電装置を示す平面図である。
【図１０】図９に示す発電装置の側面図である。
【図１１】円柱状の芯材上にこの発明の発電素子を設けた発電装置の斜視図（ａ）と、その平面図（ｂ）である。
【図１２】筒状の芯材上に、この発明の発電素子を設けた発電装置の斜視図（ａ）と、その平面図（ｂ）である。
【図１３】円柱状の芯材上に、この発明の発電素子をその軸方向に複数設けた発電装置の斜視図（ａ）と、その平面図（ｂ）である。
【図１４】円柱状の芯材上に、この発明の発電素子をその周方向に複数設けた発電装置の斜視図（ａ）と、その平面図（ｂ）である。
【図１５】この発明の発電素子を内蔵する、携帯情報端末の操作キーの構造を示した拡大断面図である。
【図１６】この発明の発電素子を内蔵する、携帯情報端末の操作キーの構造を示した拡大断面図である。
【図１７】図１５の操作キーの動きを説明する断面図である。
【図１８】図１５の操作キーの動きを説明する断面図である。
【図１９】導電性エラストマー部材の一部にイオン液体を含浸させた発電素子を示す図である。
【図２０】導電性エラストマー部材の全部にイオン液体を含浸させた発電素子を示す図である。
【図２１】図１９および図２０の発電素子の基本となる導電性エラストマー部材を示す図である。
【図２２】この発明の発電素子が積層された発電素子積層体を示す断面図である。
【図２３】この発明の発電素子が積層された発電素子積層体を示す断面図である。
【図２４】この発明の発電素子の性能を測定する回路を示す図である。
【図２５】実施例１−１の発電素子の電圧波形の時間変化を測定したグラフである。
【図２６】実施例５−１および５−２の発電素子の電位差（電圧Ｖ）の経時変化を示したグラフである。
【図２７】実施例６−１の発電素子の電圧波形を示したグラフである。
【図２８】実施例７−１の発電素子の電圧波形を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、この発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
この実施形態の発電素子は、図１に示すように、誘電性エラストマー層１と、一対の導電性エラストマー層（電極層）２とからなる。誘電性エラストマー層１は、イオン液体を含有するゴム（エラストマー）からなる。導電性エラストマー層２は、導電性フィラーを含有するゴム（エラストマー）からなる。
＜ゴムについて＞
誘電性エラストマー層１および導電性エラストマー層２を構成するゴムとしては、下記の表１に示すものを使用することが好ましい。
【００２４】
【表１】
【００２５】
これらのゴムは、比誘電率が３以上であり、成形体としての硬さがデュロメータＡスケール３０〜５０で、最大伸びが５００％超であるため、単体でも比誘電率が高く、イオン液体や導電性フィラーとの相溶性や相性がよく、成形後の安定性、伸びに優れ、誘電性能、発電性能、柔軟性、成形性、価格及び入手のし易さ等の点で優れている。
【００２６】
また、誘電性エラストマー層１および導電性エラストマー層２を構成するゴムは、架橋剤が添加されて架橋されたものであることが好ましい。架橋剤の種類及び添加量は、用いるゴムの種類に応じて適宜選択される。
【００２７】
＜イオン液体について＞
この発明の発電素子は、中間層を構成する誘電性エラストマー層がイオン液体を含有することを必須要件としている。また、この発明の発電素子が導電性エラストマー層からなる電極層を備える場合、導電性フェラーとしてイオン液体を含有することが好ましい。
この発明の発電素子に使用できるイオン液体としては、下記の化１〜化４に示す、ピリジニウム系イオン液体、イミダゾリウム系イオン液体、脂環式アミン系イオン液体、および脂肪族アミン系イオン液体と、脂肪族ホスホニウム系イオン液体とが挙げられる。これらはそれぞれ単独で使用してもよく、２種以上を混合して使用してもよい。
【００２８】
【化１】
【００２９】
【化２】
【００３０】
【化３】
【００３１】
【化４】
【００３２】
式中のＲ、Ｒ’、Ｒ''、Ｒ''' は、水素もしくは炭化水素含有基、あるいはアルキル基であり、同一でも、それぞれ異なっていてもよい。また、Ｘ- は、（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 Ｎ- ；ＴＦＳＩ、Ｂ（Ｃ2 Ｏ4 ）2 - 、ＢＦ4 - 、Ｂｒ- 、Ｃｌ- 、Ｉ- 、ＰＦ6 - 、ＣＦ3 ＳＯ3 - 、ＣＦ3 ＣＯＯ- 、ＣＨ3 ＳＯ4 - 、Ｃ6 Ｈ4 ＣＨ3 ＳＯ3 - 、ＳＣＮ- 、〔Ｐ（Ｃ2 Ｆ5 ）3 Ｆ3 〕- ；ＦＡＰ、〔Ｂ（ＣＮ）4 〕- ；ＴＣＢ、（ＮＣ）2 Ｎ- 、ＦｅＣｌ4 - 、ＣＨ3 ＳＯ3 - 、ＨＳＯ4 - 、ＣＨ3 ＣＨ2 ＯＳＯ3 - 、ＣＨ3 （ＯＣＨ2 ＣＨ2 ）2 ＯＳＯ3 - 、（Ｃ2 Ｆ5 ＳＯ2 ）2 Ｎ- 、ＡｌＣｌ4 - 、Ｔｆ2 Ｎ- 、Ｃ（ＣＮ）3 - 等である。
【００３３】
好適には、ピリジニウム系イオン液体、イミダゾリウム系イオン液体を使用することができる。ピリジニウム系イオン液体とイミダゾリウム系イオン液体を混合して使用することも好ましい。これらの中でも、ピリジニウム系イオン液体もしくはイミダゾリウム系イオン液体であって、アニオンが（ＮＣ）2 Ｎ- または（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 Ｎ- であるものが特に好ましい。具体的には、下記の化５、化６に示すような、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムをカチオンとし、（ＮＣ）2 Ｎ- または（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 Ｎ- をアニオンとするイオン液体が挙げられる。
【００３４】
【化５】
【００３５】
【化６】
【００３６】
また、使用するイオン液体の粘度は、２５℃において１〜１５００ｃＰ（０．１〜１５０Ｐａ・ｓ）であることが好ましい。
また、誘電性エラストマー層および導電性エラストマー層のイオン液体の含有量は、目的とする発電性能や、ベースゴム及びイオン液体の種類により適宜設定されるが、ベースゴム１００質量部とイオン液体１〜７０質量部の割合で混合されたものが好ましく、より好ましくは１〜５０質量部、さらに好ましくは５〜２０質量部である。イオン液体の含有量が５質量部未満では十分な発電性能が得られず、７０質量部を超えるとベースゴムとの相溶性の上限を超えてしまい、誘電エラストマー層および導電性エラストマー層の可撓性が大きく損なわれてしまう場合がある。
【００３７】
＜誘電性フィラーについて＞
この発明の発電素子を構成する誘電性エラストマー層は、柔軟性等の性能を損なわない範囲で、イオン液体以外の誘電性フィラーを含有していてもよい。
誘電性フィラーとしては、高誘電セラミックス粉末と、チオカルボニル基を有する有機化合物が挙げられる。
高誘電セラミックス粉末としては、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3 ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ランタンドープチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＬＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3 ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3 ）、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスバリウムなどが好適である。これらのうち、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は２００℃以上のキュリー点と高い比誘電率を併せ持つため最も好適である。なお、一定の比誘電率とキュリー点を有するものであれば、これら以外の化合物であっても良い。
【００３８】
高誘電セラミックス粉末からなる誘電性フィラーは、ベースゴム１００重量部に対して１〜１００重量部の割合で添加することができる。１重量部未満では誘電性向上効果は少なく、１００重量部を超えると、柔軟性等が損なわれる恐れがある。好ましくは、ベースゴム１００重量部に対して５〜６０重量部、より好ましくは、ベースゴム１００重量部に対して５〜４０重量部とする。
【００３９】
チオカルボニル基を有する有機化合物としては、下記の化７〜１０に示す、チオウレア誘導体、チオアミド誘導体、チオケトン誘導体、ジチオカルバミン酸エステル誘導体などが好適である。これらの有機化合物は、加工温度、使用温度、目標とする比誘電率、および用いるベースゴムとの相溶性を考慮して適宜選択されることになるが、なかでもチオウレア誘導体は、空気や水に対して非常に安定であり、ベースゴムとの相溶性に優れると共に低い融点を示すことから最も好適な有機化合物である。
【００４０】
【化７】
【００４１】
【化８】
【００４２】
【化９】
【００４３】
【化１０】
【００４４】
式中、Ｒ１〜Ｒ３は、水素もしくは炭化水素含有基を示し、それぞれ同一でも異なっていてもよい。
チオカルボニル基を有する有機化合物を導電性フィラーとして使用する場合、その含有率は、目的とする誘電率、ベースゴムの種類などによって適宜選択されるが、ベースゴム組成物全量に対して、おおよそ５〜４０重量％であり、より好ましくは１０〜３０重量％である。含有率が５重量％未満では、ベースゴム中に存在する絶対量が少なすぎるため、比誘電率がさほど向上しない。また、４０重量％を超えて添加した場合、ベースゴムとの相溶性の限界を超えてしまい、可撓性が大きく損なわれる恐れがある。
【００４５】
＜誘電性エラストマー層の厚さと硬さについて＞
誘電エラストマー層の厚さは、用途に応じて、あるいは、用いるベースゴムの種類等により適宜設定されるが、耐久性や変形能を維持できる１０μｍ〜２ｍｍが好ましく、より好ましくは１００〜５００μｍであり、最も好ましくは１５０〜３００μｍである。１０μｍよりも薄くなると変形時に穴や亀裂等が発生するおそれがあり、２ｍｍを超えると電極層１０、１０の間隔が大きくなるため内部抵抗等の増加による発電性能の低下や変形能の低下が起こりやすくなる。
【００４６】
誘電エラストマー層１の硬さは、ディロメータＡスケールで２０〜６０であることが好ましく、より好ましくは３０〜５０である。この硬さが２０未満であると、変形能は大きくなるものの、機械的強度が不足するようになり、実用性が低下する。また、この硬さが６０を超えると、変形能が不足して実用性が低くなる。
【００４７】
＜導電性フィラー＞
この発明の発電素子を構成する電極層としては、白金、金、銀、銅、等の比較的導電率の高い金属製もしくは金属薄膜製のもの、あるいはカーボン単体粉末もしくはカーボン粉末と金属粉末を混合して固形化した、いわゆるカーボン電極であってもよいが、変形能の点から導電性エラストマー層が好ましい。
【００４８】
導電性エラストマー層は、エラストマーに導電性フィラーを含有させることで得られる層である。エラストマーとしては前述のゴムを使用することが好ましく、導電性フィラーとしては、体積固有抵抗が１０Ω・ｃｍ以下であるものが好ましく、１×１０-1Ω・ｃｍのものがより好ましい。体積固有抵抗が１０Ω・ｃｍを超えると電極層として十分な導電性が得られない。
【００４９】
無機系の導電性フィラーは、カーボン系の導電性フィラーと金属系の導電性フィラーに分類される。カーボン系の導電性フィラーとしては、導電性カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレン等が挙げられる。金属系の導電性フィラーとしては、白金、金、銀、銅等の微粒子や微小繊維等が挙げられる。これらをそれぞれ単独で、または２種以上を混合して用いることができる。好ましくは、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブを使用する。
【００５０】
有機系の導電性フィラーとしては、化１１〜１５に示す、ポリチオフィン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレン、あるいはこれらの誘導体にアニオンまたはカチオンなどの適当なドーパントを添加した導電性高分子材料などが使用できる。
【００５１】
【化１１】
【００５２】
【化１２】
【００５３】
【化１３】
【００５４】
【化１４】
【００５５】
【化１５】
【００５６】
これらの導電性フィラーは、ベースゴム１００質量部に対して５〜７０質量部の割合で混合することが好ましく、より好ましくは１０〜５０質量部とする。最も好ましくは２０〜４０重量部である。導電性フィラーの含有量が５質量部未満では電極層として十分な導電性が得られない。
【００５７】
導電性フィラーの含有量が７０質量部を超えると、粒子状あるいは粉末系の導電性フィラーの場合は導電性エラストマーの可撓性を低下させ、液体系の導電性フィラーの場合は導電性エラストマーの形状が保持できないほど軟化したり、相溶性の限界を超えるために混合できなかったりすることがある。
【００５８】
＜その他の添加剤について＞
誘電性エラストマー層および導電性エラストマーには、各種のカップリング剤や表面処理剤を含有させてもよい。カップリング剤としては、アルミ系、シラン系、チタン系等のカップリング剤が好ましい。また、誘電性エラストマー層に粒子状、粉末状の誘電性フィラーを含有させる場合には、いわゆるエレクトレット処理（帯電処理）を施したものを使用することが好ましい。
【００５９】
＜導電性エラストマー層の厚さと硬さ＞
導電性エラストマー層の厚さは５μｍ〜１ｍｍとする。好ましくは１０〜３００μｍであり、より好ましくは１０〜２００μｍであり、最も好ましくは１０〜８０μｍである。導電性エラストマー層が５μｍより薄くなると、変形時に穴や亀裂が発生しやすく、また成膜も困難になる。これに対して、導電性エラストマー層が１ｍｍを超えると、変形に追随するのが困難になるとともに、内部抵抗が増大して電極として十分な導電性が得られない。
【００６０】
また、導電性エラストマー層の厚さおよび硬さを誘電性エラストマー層と同等にして、導電性エラストマー層の屈曲等に対する挙動を誘電性エラストマー層と同様にすることが好ましい。特に、繰り返しの屈曲等が付与される場合は、デュロメーターＡスケールで、２０〜６０の範囲の硬さとし、より好ましくは３０〜５０の範囲の硬さとする。
誘電性エラストマー層を形成するベースエラストマーの組成と電極層１０を形成するベースエラストマーの組成を同様のもの、あるいは同一のものとすることが好ましい。例えば、一方の電極層１０をイオン液体以外の導電性フィラーを含有する電極層１０とし、他方の電極層１０を導電性フィラーとしてのイオン液体を含有する電極層１０とすることもできる。
また、誘電性エラストマー層の両側に異なる硬さの導電性エラストマー層を配置してもよい。
【００６１】
＜発電素子の製造方法の例＞
誘電性エラストマー層の材料として、ベースゴム、イオン液体、架橋剤、イオン液体以外の誘電性フィラー等を用意し、これらを混合して液状の混合物を得る。これをロールコータ等で所定厚さの半硬化状態の膜に形成することで、誘電性エラストマー層を得る。
【００６２】
導電性エラストマー層の材料として、ベースゴム、導電性フィラー、架橋剤、イオン液体等を用意し、これらを混合して液状の混合物を得る。これをロールコータ等で所定厚さの半硬化状態の膜に形成することで、導電性エラストマー層を得る。
このようにして得られた２枚の半硬化状態の導電性エラストマー層で半硬化状態の誘電エラストマー層を挟んで積層体とし、この積層体を加圧加熱成形する。この加圧加熱成形時に、架橋および層間の接合が行われる。ここで、誘電性エラストマー層と導電性エラストマー層のベースゴムが同じ種類か相溶性のある組み合わせであれば、比較的低い温度および圧力でこれらの層を接合することができる。
【００６３】
また、誘電エラストマー層を硬化させて、その両面に電極層（硬化させた導電性エラストマー層など）を接着剤などで貼り付けてもよい。また、誘電エラストマー層を先に硬化させて、その両面に半硬化状態の導電性エラストマー層を配置した後に、加圧加熱成形してもよい。
【００６４】
［第２実施形態］
この実施形態の発電素子は、図２に示すように、誘電性エラストマー層１と、一対の導電性エラストマー層（電極層）２と、絶縁体層（絶縁体からなる被覆層）３と、からなる。誘電性エラストマー層１は、イオン液体を含有するゴム（エラストマー）からなる。導電性エラストマー層２は、導電性フィラーを含有するゴム（エラストマー）からなる。
誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層（電極層）２に関しては、第１実施形態で詳述されている。
絶縁体層３を構成する材料としては、誘電率および帯電率がより高く、絶縁抵抗がより大きいものが好ましく、下記のものが例示できる。
【００６５】
＜絶縁体層３を構成する材料の例＞
フェノール樹脂（ＰＦ）、ユリア樹脂（ＵＦ）、メラミン樹脂（ＭＦ）、不飽和ポリエステル樹脂（ＵＰ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）、ジリアルフタレート樹脂（ＰＤＡＰ）、ポリウレタン（ＰＵ）等に代表される熱硬化性樹脂。
【００６６】
ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・ 六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、エチレン・ 四フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン・ クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等に代表されるフッ素樹脂。
【００６７】
ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ酢酸ビニル（ＰＣＡｃ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリメチルペンテン（ＴＰＸ）、ポリフェニレサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、シリコン樹脂等に代表される熱可塑性樹脂。
【００６８】
合成ゴム、天然ゴム等の各種ゴム組成物、炭化カルシウム、カーバイド、エボナイト、ガラス、紙・レーヨン・セロファン等のセルロースを成分とする物質。
綿・麻・リンネル・絹・ウール・カシミヤ等の天然繊維等。
これら材料のうち、フッ素系樹脂、ポリアミド系樹脂、ゴム組成物を使用することが好ましく、特に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）もしくはポリアミド（ＰＥ）が好適である。
【００６９】
これらの材料をフィルムやシートに成形したものを、導電性エラストマー層（電極層）２に接合する。樹脂の場合は、所定の溶媒で溶液としたり溶融させて、導電性エラストマー層（電極層）２に塗布し乾燥してもよい。
絶縁体層３で導電性エラストマー層（電極層）２を被覆することにより、発電素子本体Ａからの電流漏洩を抑える効果が得られる。また、絶縁体層３は発電素子本体Ａの外包材としての機能も有する。イオン液体を含有する誘電エラストマー層１およびイオン液体を含有する導電性エラストマー層２から、イオン液体の滲み出しを抑える作用も有する。さらに、絶縁層３に帯電する電荷の一部は、発電素子の自然充電作用の一部を担っていると考えられる。
【００７０】
絶縁体層３は、導電性エラストマー層（電極層）２のより広い面積を被覆することが好ましく、通常は、導電性エラストマー層（電極層）２とリード線などとの接続部を除いて被覆することが望ましい。
さらに、絶縁体層３の材料として樹脂を用いる場合には、絶縁性を損なわない程度に誘電性フィラーを含有させることが好ましい。これにより、絶縁体層３の誘電性および帯電性が向上する。絶縁体層３の誘電性および帯電性が向上することにより、帯電した電気がより多く発電素子に取り込まれるため自然充電作用が向上する。
【００７１】
具体的には、絶縁体層３が帯電することにより、接触している導電性エラストマー層（電極層）２内部の導電性フィラーの分極や配向が自然に促進される。また、絶縁体層３の電荷が、導電性エラストマー層（電極層）２を通して誘電性エラストマー層１に移動し、誘電性エラストマー層１の内部の誘電性フィラーの分極や配向も自然に促進される。これにより、発電素子の充電効率が向上すると考えられる。
【００７２】
［第３実施形態］
この実施形態の発電素子は、図３に示すように、誘電性エラストマー層１と、一対の導電性エラストマー層（電極層）２と、絶縁体層（絶縁体からなる被覆層）３と、リード４と、からなる。誘電性エラストマー層１は、イオン液体を含有するゴム（エラストマー）からなる。導電性エラストマー層２は、導電性フィラーを含有するゴム（エラストマー）からなる。
【００７３】
誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層（電極層）２に関しては、第１実施形態で詳述されている。
この実施形態では、誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層（電極層）２とからなる発電素子本体Ａの三方が絶縁体層３で被覆され、被覆されていない部分に、電力を放充電するためのリード４が固定されている。この実施形態の発電素子は、発電素子本体Ａの導電性エラストマー層（電極層）２にリード４を接着した後に、絶縁体層３を形成することで作製されている。
【００７４】
この実施形態では、絶縁体層３を構成する材料として、体積固有抵抗が１０7 Ω・ｃｍ以上のものを用いている。体積固有抵抗が１０7 Ω・ｃｍに満たない場合は、絶縁性が不十分であり、電気エネルギーが外部に漏洩しやすくなる。好ましくは１０9 Ω・ｃｍ以上のものを用いる。
絶縁体層３による発電素子本体Ａの被覆面積は、少なくともどちらか一方の導電性エラストマー層（電極層）２の全表面積の８０％以上とすることが好ましい。８０％以上であると、湿度などの外部雰囲気もしくは外部材料との接触により、電気エネルギーが外部に漏洩する可能性がより少なくなる。好ましくは、両方とも８０％以上、より好ましくは９０％以上とする。
【００７５】
絶縁体層３の比誘電率は１以上５０以下、より好ましくは１以上３０以下とする。最も好ましくは１以上１０以下とする。比誘電率が５０を超えると、自身の誘電分極により発生した電荷が、電極内の電荷と相互作用を及ぼし、発電素子としての発電もしくは充電効率を低下させる場合がある。
絶縁体層３は、公知の接着剤などを用いて発電素子本体Ａに接着することができる。絶縁体層３が、導電性エラストマー層（電極層）２と同じベースゴムを有する絶縁性エラストマー層である場合には、加圧加熱による架橋接着等も可能である。
この実施形態の発電素子は、発電素子に入出力される電気エネルギーが外部に漏洩するのを防止できるため、発電効率の低下をより確実に防止することができる。
【００７６】
［第４実施形態］
この実施形態の発電素子は、図４に示すように、イオン液体を含有するゴム（エラストマー）からなる誘電性エラストマー層１０と、その両面の表層に導電フィラーを含浸させて形成された、一対の導電性エラストマー層（電極層）２０ａと、リード４と、で構成されている。
【００７７】
この実施形態の発電素子は、導電性エラストマー層２０ａと誘電性エラストマー層１０との間に明確な界面が形成されていない状態となっている。そのため、導電性エラストマー層２０ａが誘電性エラストマー層１０から極めて剥離し難い。したがって、この実施形態の発電素子は、長期使用時の耐久性に特に優れている。
この導電性エラストマー層２０ａは、例えば、体積固有抵抗が１０3 Ω・ｃｍ以下の有機系導電性フィラーを、誘電性エラストマー層１０の表層に含浸させることにより形成される。誘電性エラストマー層１０がイオン液体を含有するため、導電性エラストマー層２０ａにもイオン液体が存在する。
【００７８】
この有機系導電性フィラーとしては、ポリチオフィン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレン、もしくはこれらの誘導体にアニオンまたはカチオンなどの適当なドーパントを添加した導電性高分子材料が挙げられる。
有機系導電性フィラーは、金属材料や炭素材料などの導電性フィラーと比較してエラストマー、特にゴム組成物と高い親和性を有するため、伸縮性や硬さなどのエラストマー本来の性質を阻害することが少ない。このため、いわゆる圧電素子であるエラストマートランスデューサーとして使用される場合には、耐久性に優れたエラストマートランスデューサーを得ることができる。
【００７９】
有機系導電性フィラーの含浸方法としては、亜臨界状態または超臨界状態での二酸化炭素雰囲気中に、誘電性エラストマー層１０と導電性フィラーを導入し、導電性フィラーを誘電性エラストマー層１０の表層に含浸させる方法が挙げられる。
ここで、「亜臨界状態の二酸化炭素」とは、圧力が二酸化炭素の臨界圧力（７．３８ＭＰａ）以上であり、かつ温度が臨界温度（３１．１℃）未満である液体状態の二酸化炭素、あるいは圧力が二酸化炭素の臨界圧未満であり、かつ温度が臨界温度以上である液体状態の二酸化炭素、または温度および圧力が共に臨界点未満であるが、これに近い状態を言う。また、「超臨界状態の二酸化炭素」とは、圧力が二酸化炭素の臨界圧力以上であり、かつ、温度が臨界温度以上である状態の二酸化炭素を言う。
【００８０】
亜臨界状態または超臨界状態での二酸化炭素雰囲気中への誘電性エラストマー層１０および導電性フィラーの導入方法としては、誘電性エラストマーと導電性フィラーを別々に、もしくは導電性フィラーを誘電性エラストマーに付着させて導入しても良い。また、導電性フィラーは、単体としてもしくは水系溶媒もしくは有機溶媒に分散させた状態で導入しても良い。
【００８１】
このような有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン系溶媒、ジブチルエーテル、テトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒、ベンゼン、トルエンなどの芳香族系溶媒などを用いることができる。
亜臨界状態または超臨界状態での処理条件は、誘電性エラストマー層１０が溶解などの変性により比誘電率や弾性状態の性能劣化が起きない範囲において適宜定めることができる。
【００８２】
誘電性エラストマー層１０は、エネルギー変換効率を高めるためにエレクトレット処理（帯電処理）などを行っても良い。その場合、導電性フィラーを含浸させて導電性エラストマー層（電極層）２０ａを形成するタイミングは、エレクトレット処理などの前後のいずれでも良い。
【００８３】
［第５実施形態］
この発明の発電素子は、効率を高めるために積層して用いることができる。この場合、例えば、第４実施形態の発電素子を積層することが好ましい。第４実施形態の発電素子は、誘電性エラストマー層１０の表面に導電性フィラーを含浸させて導電性エラストマー層２０ａを形成しているため、導電性エラストマー層（電極層）が別に形成された発電素子を積層する場合と比較して、全体の厚さを薄く抑えることができる。
【００８４】
この実施形態では、図５〜図８に示すように、発電素子が積層された発電素子積層体について説明する。
図５の発電素子積層体３００は、二個の発電素子２００を、その正極となる電極層２０Ａ同士が当接するように重ね合わせると共に、負極となる電極層２０Ｂ同士を導電線９０で電気的に接続し、さらに負極となる電極層２０Ｂと、正極となる電極層２０Ａにそれぞれ電気取出し用の端子８０を接続したものである。電極層２０Ｂに絶縁体層３が固定されている。
【００８５】
誘電性エラストマー層１０および電極層２０Ａ，２０Ｂは、第４実施形態の誘電性エラストマー層１０および導電性エラストマー層２０ａと同じ材料、構成である。絶縁体層３は、第２実施形態の絶縁体層３と同様に、帯電性（絶縁性）と共に、広い使用温度範囲、耐薬品性、電気絶縁性、低摩擦性、非粘着性、耐候性、難燃性などを満足する材料からなる。具体的には、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などのフッ素樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂、ポリエチレン等の炭化水素系樹脂、ポリアミド等の熱可塑性樹脂等を用いることが望ましい。
【００８６】
図５の発電素子積層体３００によれば、発電素子２００単体に比べて２倍の発電性能を発揮することができる。発電素子２００をその正極同士が当接するように重ね合わせて構成したため、その大きさも最小限に抑えることができる。これによって、携帯電話などのような小型・軽量が要求される電子機器などにも容易に適用することができる。
図６および図７に示すように、この発電素子２００をより多く積層すれば、その発電素子２００の数に比例した発電性能（出力電力、出力電圧）を発揮することができる。また、積層された発電素子の全面あるいは一部を絶縁体層３で被覆して圧縮・伸張させることにより、さらに優れた発電性能を発揮させることも可能である。
【００８７】
図６の発電素子積層体３００は、発電素子２００を５つ重ね合わせたものであり、図７の発電素子積層体３００は、さらに発電素子２００をＮ個重ね合わせたものである。そして、図示するように隣接する発電素子２００の負極同士および正極同士をそれぞれ導電線９０で並列に接続すると共に、最上位に位置する発電素子２００の各電極層２０Ａ、２０Ｂにそれぞれ電気取出し用の端子８０を接続したものである。また、図８に示す構造とすることもできる。
【００８８】
［第６実施形態］
図９〜図１３は、この発明の発電素子１００を発電源として用いた発電装置４００を例示したものである。
先ず、図９の発電装置４００は、第１実施形態の発電素子１００を絶縁性の平板状の芯材６０上に一体的に接着したものである。この発電装置４００は、平板状をした小型・軽量なものであるため、携帯電話などのように、スペース的な制約の多い電子機器の電源として活用することができる。この場合、芯材６０の少なくとも発電素子１００に接する表面を、第２実施形態で挙げた絶縁体層３を構成する材料で形成すると、帯電した電荷の一部が発電性能の向上に寄与する効果が得られる。
【００８９】
次に、図１０および図１１の発電装置４００は、シート状をした芯材６０上に第１実施形態の発電素子１００を複数配列すると共に、これら各発電素子１００を導電線７０によって電気的に直列に接続したものである。そして、このような構成であれば、その発電素子１００の数に応じた電圧が加算された大量の電気を取り出せるだけでなく、このシート状をした芯材６０自体が適度な可撓性を発揮できる。そのため、例えば電子機器のケーシング内面などに貼り付けるように設置できるため、その設置形状や場所などの制約が少なく、より使い勝手の良い電源として用いることができる。
【００９０】
なお、このように複数の発電素子１００同士を直列に接続する場合、例えば、下部電極がマイナス極、上部電極がプラス極であれば、図示するように導電線７０は隣接する上部電極と下部電極同士を直接接続するようになる。また、このように発電素子１００を複数配列した場合には、各発電素子１００を電気的に並列に接続することも可能である。
また、図１１の発電装置４００は、円柱状をした芯材６０の表面に第１実施形態の発電素子１００を一体的に接着したものである。そして、このような構造であれば、発電素子１００の大きさ（面積）を犠牲にすることなく、狭い空間などに効率的に設置することができる。この場合も、芯材６０を、第２実施形態で挙げた絶縁体層３を構成する材料で形成すると、帯電した電荷の一部が発電性能の向上に寄与する効果が得られる。
【００９１】
芯材の形状は円筒状に限定されるものではない。また、発電素子１００と、芯材６０との接合方法は、接着に限られず、加圧加熱架橋による接合、樹脂ねじや樹脂リベットによる機械的接合等各種の接合方法が採用できる。
さらに、この変形例として図１２に示すように円筒状をした芯材６０を用いれば、その表面（外面）のみならず、その内側にも発電素子１００を一体的に接着もしくは取り付けることができる。これにより、全体の大きさを変えることなく、さらに優れた発電能力を発揮することが可能となる。
【００９２】
また、図１３および図１４に示すように、円柱状をした芯材６０に対してその周方向または軸方向に複数の発電素子１００を一体的に接着すると共に、図１０と同様に、これら各発電素子１００同士を、図示しない導電線によって電気的に直列または並列に接続すれば、より優れた発電能力を発揮することができる。
図９〜１４に例示した形態において、芯材６０としては、広い使用温度範囲、耐薬品性、電気絶縁性、低摩擦性、非粘着性、耐候性、難燃性、さらには機械的強度を満足する材料を用いることが望ましく、第２実施形態で挙げた絶縁体層３を構成する材料の中でも、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などのフッ素樹脂を用いることが好ましい。
【００９３】
［第７実施形態］
この発明の発電素子は、例えば、図１５や図１６に示すような携帯情報端末の操作キー５００内に内蔵されて、その携帯情報端末の電源などとして用いられる。
先ず、図１５の操作キー５００は、人の指などが直接触れる携帯情報端末の操作キー本体５０と、その下方に位置するスイッチ５１との間に、可動支持部材５２を介して誘電性エラストマー層１を位置させると共に、誘電性エラストマー層１の一端に、電極でもある電力取出用のリード４を接続したものである。
【００９４】
図１５の操作キー５００は、図１７（ａ）に示すように、操作キー本体５０をクリックしてその操作キー本体５０に荷重Ｆが加わると、操作キー本体５０が押し下げられて誘電性エラストマー層１が下方に撓んだ後、同図（ｂ）に示すように、スイッチ５１の反発力によって操作キー本体５０が戻されて誘電性エラストマー層１が元の状態に戻ることになる。誘電性エラストマー層１は、このような一連の動きにも追従可能であり、リード４を介して電力を供給等できる。すなわち、小型機器内のスペースを電池として有効に使用できる。また、誘電性エラストマー層１に柔軟性があるため、上記の通り、稼動部のスペースを電池とすることもできる。
【００９５】
また、図１８（ａ）、（ｂ）に示すように、操作キー本体５０の全体またはその下端および可動支持部材５２を銅などの導電性物質で構成し、これらに電力取出用のリード４を接続するような構成であっても同様な作用・効果を発揮することができる。
一方、図１６の操作キー５００は、ドーム上に突出した可撓性のエンボスシート６０の内部に上部電極６１と下部電極６２を設置すると共に、そのエンボスシート６０の上面を誘電性エラストマー層１で覆うと共に、その上面を絶縁シート６３で覆い、誘電性エラストマー層１の一端に、電極でもある電力取出用のリード４を接続したものである。
【００９６】
このような構成をした操作キー５００の場合は、そのエンボスシート６０のドームの部分が押し下がられて下方に変形することにより、誘電性エラストマー層１が下方に撓んだ後、上部電極６１と下部電極６２が接触してスイッチが入り、その後、そのエンボスシート６０の反発力によって誘電性エラストマー層１が元の状態に戻ることになる。このように、小型機器のスペースを効率良く電池として使用することが可能となる。また、誘電性エラストマー層１に柔軟性があるため、上記の通り、稼動部のスペースを電池とすることもできる。
【００９７】
なお、この実施形態では、いわゆる誘電性エラストマー型ジェネレータとなる誘電エラストマー層１の表層に、変形に追従可能である柔軟な電極６１，６２を有するものとしても良いが、この電極６１，６２としては、金属、カーボン、のほか、前述した導電性エラストマー層が好適に使用でき、また導電性グリース等を併用することも好ましい。
また、可動支持部材５２の材料は特に限定されないが、金属製やプラスチック製等が挙げられる。外力からの応力を誘電性エラストマー層に伝えるため、可撓性であることが好ましい。
【００９８】
［第８実施形態］
図１９の発電素子６００は、図２１に示す、短冊状をした導電性エラストマー部材２０の一部に、イオン液体を含浸させたものである。
図２０の発電素子６００は、図２１に示す、短冊状をした導電性エラストマー部材２０の全部に、イオン液体を含浸させたものである。
【００９９】
導電性エラストマー部材２０は、第１実施形態の導電性エラストマー層（電極層）２に使用されるものと同様な材料（ベースゴム＋導電性フィラー）で構成されている。
導電性フィラーの比率は、導電性フィラーの種類によって適宜設定される。特に導電性フィラーで好ましい炭素材料、なかでもＣＮＦに関しては５質量部以上であることが好ましい。５質量部未満であると、導電性エラストマー部材２０の導電性が低下し、発電機能を発現させることが困難となる。このような不具合がより生じ難くするためには、少なくとも５質量部以上、より好ましくは１０質量部以上必要である。導電性フィラーとしては、ＣＮＦが特に好ましい。
【０１００】
この導電性エラストマー部材２０に含浸させるイオン液体としては、ピリジニウム系イオン液体、イミダソリウム系イオン液体、脂環式アミン系イオン液体、脂肪族アミン系イオン液体、脂肪族ホスホニウム系イオン液体などを用いることができる。これらの中でも、ピリジニウム系イオン液体もしくはイミダゾリウム系イオン液体であって、アニオンが（ＮＣ）2 Ｎ- または（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 Ｎ- であるものが特に好ましく、具体的には、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムをカチオンとし、（ＮＣ）2 Ｎ- または（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 Ｎ- をアニオンとするイオン液体が挙げられる。
【０１０１】
また、このイオン液体の含有量は、少なくとも短冊状の導電性エラストマー部材２０の一部においては、ベースゴムに対して５質量部以上、より好ましくは１０質量％以上であることが好ましい。短冊状をした１枚の導電性エラストマー部材２０にイオン液体を含浸させることにより、電気を取り出すことができる。また、イオン液体を含浸した導電性エラストマー部材２０と含浸しない導電性エラストマー部材２０を積層させて用いることもできる。
【０１０２】
この導電性エラストマー部材２０は、イオン液体の高濃度側と低濃度側に電位差が生じて電気が発生するため、低濃度側と高濃度側に電極（または電極に相当するリード線）を取り付けることで、電源として使用することができる。この実施形態の発電素子６００は、導電性エラストマー部材２０の両端に電極４０を取り付けた例を示している。
【０１０３】
［第９実施形態］
この実施形態では、この発明の発電素子が絶縁体層を介して積層された発電素子積層体について説明する。
図２２に示す発電素子積層体３００を構成する発電素子１００は、１対の導電性エラストマー層２と、その間に配置された誘電性エラストマー層１とからなる。この発電素子１００は、第１実施形態と同様に、誘電性エラストマー層１はイオン液体を含有するゴムからなり、導電性エラストマー層２は、導電性フィラーを含有するゴムからなる。
【０１０４】
この発電素子１００が３層積層され、各発電素子１００の間に、マイナスに帯電し易い材料からなる絶縁体層３１とプラスに帯電し易い材料からなる絶縁体層３２が配置されている。また、最も上側に配置された発電素子１００の上面には、マイナスに帯電し易い材料からなる絶縁体層３１が配置され、最も下側に配置された発電素子１００の下面には、プラスに帯電し易い材料からなる絶縁体層３２が配置されている。
【０１０５】
絶縁体層３１，３２を構成する材料としては、第２実施形態で挙げた絶縁体層３を構成する材料から、異なる帯電性能を有するもの、好ましくは、帯電列において離れた位置にある物質を組み合わせて使用する。これにより、イオン液体が関与する電極反応を安定した反応とすることができる。
絶縁体層３１と絶縁体層３２との組合せとしては、絶縁性能や機械的強度等を併せて考慮すると、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレンとポリアミド（ＰＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）とポリアミド（ＰＡ）の組み合わせが好ましい。
【０１０６】
また、シリコン樹脂等の珪素含有樹脂も帯電列がプラス側であり、帯電列がマイナス側のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）と組み合わせて好ましく使用することができる。
図２３に示す発電素子積層体３００を構成する発電素子１００は、１対の導電性エラストマー層２と、その間に配置された誘電性エラストマー層１とからなる。この発電素子１００は、第１実施形態と同様に、誘電性エラストマー層１はイオン液体を含有するゴムからなり、導電性エラストマー層２は、導電性フィラーを含有するゴムからなる。
【０１０７】
この発電素子１００が３層積層され、最も上側に配置された発電素子１００の上面に、正極用の絶縁体層３３が配置され、その下の発電素子１００との間に負極用の絶縁体層３４が配置され、その下の発電素子１００との間に正極用の絶縁体層３３が配置され、最も下側に配置された発電素子１００の下面に負極用の絶縁体層３４が配置されている。
正極用の絶縁体層３３および負極用の絶縁体層３４を構成する材料としては、前述の絶縁体層３１，３２と同様に、第２実施形態で挙げた絶縁体層３を構成する材料から、異なる帯電性能を有するもの、好ましくは、帯電列において離れた位置にある物質を組み合わせて使用する。これにより、イオン液体が関与する電極反応を安定した反応とすることができる。
【０１０８】
図２３の発電素子積層体３００では、正極用の絶縁体層３３に接する２つの導電性エラストマー層（電極層）２が正極として作用し、負極用の絶縁体層３４に接する２つの導電性エラストマー層（電極層）２が負極として作用する。そして、隣接する発電素子１００の負極同士および正極同士がそれぞれ導電線９０で直列に接続されている。また、最の上側に配置された発電素子１００の正極と最も下側に配置された発電素子１００の負極に、それぞれ電気取出し用の端子８０が接続されている。接続方法は直列接続および並列接続を適宜選択できる。
【０１０９】
このような構造とすることにより、絶縁体層３３，３４間に形成される電場の力が増大するため、各発電素子１００の導電性エラストマー層（電極層）２に蓄積される電荷量の増大を図ることができる。
【実施例】
【０１１０】
［実施例１−１、１−２、参考例１−１、１−２、比較例１−１］
（実施例１−１、１−２と参考例１−１、１−２）
図１に示す構造の発電素子を以下の方法で作製した。
表２に示すように、実施例１−１、１−２については、反応性アクリルゴム（ＡＣＭと表記）（株式会社トウペ製「トアアクロンＳＡ−３１０」）１００質量部に、アクリルゴム用架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製「ポリネート７０」）を８質量部、ピリジニウム系イオン液体（広栄化学工業株式会会社製「ＩＬ−Ｐ１４」）を４０質量部加えて混合し、得られた混合液をＫコントロールコータ（松雄製作所製）を用いて厚さ２５０μｍの薄膜とし、半硬化状のゴム薄膜を得た。このゴム薄膜を架橋処理後、硬さをデュロメータで測定したところ、デュロメータＡスケールで３０であった。これを誘電性エラストマー層１として用いた。
【０１１１】
また、参考例１−１、１−２については、ピリジニウム系イオン液体を混合しなかった以外は同様にしてゴム薄膜を得た。ゴム薄膜を架橋処理後、硬さをデュロメータで測定したところ、デュロメータＡスケールで３３であった。これを誘電性エラストマー層１として用いた。
また、反応性アクリルゴム（ＡＣＭと表記）（株式会社トウペ製「トアアクロンＳＡ−３１０」）１００質量部に、アクリルゴム用架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製「ポリネート７０」）を８質量部、カーボンナノファイバー（ＣＮＦと表記）（昭和電工株式会社製「ＶＧＣＦ」）及び／またはピリジニウム系イオン液体（ＩＬと表記）（広栄化学工業株式会会社製「ＩＬ−Ｐ１４」）を表記の量加えて混合し、得られた混合液をＫコントロールコータ（松雄製作所製）を用いて厚さ５０μｍの薄膜とし、架橋処理を行い、ゴム薄膜を得た。これを上部電極層用および下部電極層用の導電性エラストマー層２として用いた。尚、上部電極層用ゴム薄膜及び下部電極層用ゴム薄膜の各硬さは、表記の通りである。
【０１１２】
このようにして得られた誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層２を用い、一対の導電性エラストマー層２の間に誘電性エラストマー層１を配置し、加圧加熱成形して図１に示す構造の発電素子を得た。
（比較例１−１）
表２に示すように、反応性アクリルゴム（ＡＣＭと表記）（株式会社トウペ製「トアアクロンＳＡ−３１０」）１００質量部に、アクリルゴム用架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製「ポリネート７０」）を８質量部加えて混合し、得られた混合液をＫコントロールコータ（松雄製作所製）を用いて厚さ２５０μｍの薄膜とし、半硬化状のゴム薄膜を得た。発電ゴム薄膜の硬さをデュロメータで測定したところ、デュロメータＡスケールで３３であった。これを誘電性エラストマー層１として用いた。
【０１１３】
また、反応性アクリルゴム（ＡＣＭと表記）（株式会社トウペ製「トアアクロンＳＡ−３１０」）１００質量部に、アクリルゴム用架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製「ポリネート７０」）を８質量部、カーボンナノファイバー（ＣＮＦと表記）（昭和電工株式会社製「ＶＧＣＦ」）を３５質量部加えて混合し、得られた混合液をＫコントロールコータ（松雄製作所製）を用いて厚さ５０μｍの薄膜とし、上部電極層用及び下部電極層用のゴム薄膜を得た。これを上部電極層用および下部電極層用の導電性エラストマー層２として用いた。上部電極層用ゴム薄膜及び下部電極層用ゴム薄膜の各硬さは４０であった。
【０１１４】
このようにして得られた誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層２を用い、一対の導電性エラストマー層２の間に誘電性エラストマー層１を配置し、加圧加熱成形して図１に示す構造体を得た。
（発電素子としての発電試験）
上記で作製した各発電素子（実施例、参考例）と構造体（比較例）を、図２４に示す測定回路を使用して起電力及び発生電流を測定した。結果を表２に併記する。
【０１１５】
【表２】
【０１１６】
実施例１−１、１−２と参考例１−１、１−２との違いは、誘電性エラストマー層１にイオン液体を含有しているかしていないかであるが、イオン液体を含有しいている実施例１−１、１−２の方がより高い起電力を得られることが分かる。実施例１−１と実施例１−２との違いは、導電性エラストマー層２にイオン液体を含有しているかしていないかであるが、イオン液体を含有しいている実施例１−２の方がより高い起電力を得られることが分かる。また、誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層２のいずれにもイオン液体を含有していない比較例１−１は起電力が得られなかった。
【０１１７】
また、図２５に実施例１−１の発電素子の電圧波形の時間変化を測定したチャートを示すが、安定した発電が行われていることが分かる。
［実施例２−１〜２−４、比較例２−１］
（実施例２−１〜２−４）
図１に示す構造の発電素子を以下の方法で作製した。
【０１１８】
表３に示すように、反応性アクリルゴム（ＡＣＭと表記）（株式会社トウペ製「トアアクロンＳＡ−３１０」）１００質量部と、アクリルゴム用架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製「ポリネート７０」）を８質量部とを含むベースゴムに、下記イミダゾリウム系イオン液体を５質量部加えて混合し、得られた混合液をＫコントロールコータ（松雄製作所製）を用いて厚さ２５０μｍの薄膜とし、半硬化状のゴム薄膜を得た。架橋処理後のゴム薄膜の硬さをデュロメータで測定したところ、何れもデュロメータＡスケールで３３であった。これを誘電性エラストマー層１として用いた。
【０１１９】
＜使用したイミダゾリウム系イオン液体＞
実施例２−１では、広栄化学工業株式会社製の「１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩ−ＢＦ4 - ）」を用いた。
実施例２−２では、東京化成工業株式会社製１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジシアナミド（ＥＭＩ−（ＣＮ）2 Ｎ- ）を用いた。
実施例２−３では、東京化成工業株式会社製の「１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルフォニル）イミド（ＥＭＩ−ＩＦＳＩ- ）」を用いた。
実施例２−４では、東京化成工業株式会社製の「１−エチル−３−メチルイミダゾリウムメタンスルフォネート（ＥＭＩ−ＣＨ3 ＳＯ3 - ）」を用いた。
【０１２０】
また、反応性アクリルゴム（ＡＣＭと表記）（株式会社トウペ製「トアアクロンＳＡ−３１０」）１００質量部に、アクリルゴム用架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製「ポリネート７０」）を８質量部、カーボンナノファイバー（ＣＮＦと表記）（昭和電工株式会社製「ＶＧＣＦ」）を３５質量部加えて混合し、得られた混合液をＫコントロールコータ（松雄製作所製）を用いて厚さ５０μｍの薄膜とし、架橋処理を行ってゴム薄膜を得た。架橋処理後の電極用ゴム薄膜の硬さをデュロメータで測定したところ、デュロメータＡスケールで４０であった。また、体積固有抵抗を測定したところ、６．０×１０-1Ω・ｃｍであった。これを上部電極層用および下部電極層用の導電性エラストマー層２として用いた。
【０１２１】
このようにして得られた誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層２を用い、一対の導電性エラストマー層２の間に誘電性エラストマー層１を配置し、加圧加熱成形して図１に示す構造の発電素子を得た。
（比較例２−１）
ベースゴムにイオン液体を含有させなかった以外は実施例２−１〜２−４と同様にして、図１に示す構造体を作製した。
【０１２２】
（発電素子としての発電機能評価）
上記で作製した各発電素子（実施例）および構造体（比較例）を、図２４に示す測定回路を使用して、発電材料としての機能を評価した。発生電圧、発電時間は電圧波形測定装置で観察することで行なった。結果を表３に併記する。
【０１２３】
【表３】
【０１２４】
表３に示すように、実施例２−１〜２−４の発電素子は、誘電性エラストマー層１がイミダゾリウム系イオン液体を含有するため発電が生じたが、比較例２−１の構造体は誘電性エラストマー層１がイオン液体を含有しないため発電が生じなかった。実施例２−２と実施例２−３の発電素子では、誘電性エラストマー層１が（ＮＣ）2 Ｎ- 及び（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 Ｎ- をアニオンとするイミダゾリウム系イオン液体を含有するため、５質量部という少ない添加量で、特に優れた発電能力が得られた。
【０１２５】
［実施例３−１〜３−３、比較例３−１］
図２に示す構造の発電素子を以下の方法で作製した。
表４に示すように、反応性アクリルゴム（ＡＣＭと表記）（株式会社トウペ製「トアアクロンＳＡ−３１０」）１００質量部に、アクリルゴム用架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製「ポリネート７０」）を８質量部、ピリジニウム系イオン液体（広栄化学工業株式会会社製「ＩＬ−Ｐ１４」）を１０質量部加えて混合し、得られた混合液をＫコントロールコータ（松雄製作所製）を用いて厚さ２５０μｍの薄膜とし、半硬化状のゴム薄膜を得た。架橋処理後に、このゴム薄膜の硬さをデュロメータで測定したところ、デュロメータＡスケールで３３であった。これを誘電性エラストマー層１として用いた。
【０１２６】
また、反応性アクリルゴム（ＡＣＭと表記）（株式会社トウペ製「トアアクロンＳＡ−３１０」）１００質量部に、アクリルゴム用架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製「ポリネート７０」）を８質量部、カーボンナノファイバー（ＣＮＦと表記）（昭和電工株式会社製「ＶＧＣＦ」）を３５質量部加えて混合し、得られた混合液をＫコントロールコータ（松雄製作所製）を用いて厚さ５０μｍの薄膜とし、架橋処理を行ってゴム薄膜を得た。このゴム薄膜の硬さをデュロメータで測定したところ、デュロメータＡスケールで４０であった。また、体積固有抵抗を測定したところ、６．０×１０-1Ω・ｃｍであった。これを上部電極層用および下部電極層用の導電性エラストマー層２として用いた。
【０１２７】
このようにして得られた誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層２を用い、一対の導電性エラストマー層２の間に誘電性エラストマー層１を配置し、加圧加熱成形して図２の発電素子から絶縁体層３を除いた構造の発電素子本体Ａを得た。
この発電素子本体Ａを、図２４に示す測定回路を使用して、発電電圧と発電時間を電圧波形測定装置で測定した。
【０１２８】
次に、発電素子本体Ａの下側の導電性エラストマー層２に絶縁体層３を接合して、図２に示す発電素子を作製した。絶縁体層３は各実施例で異なる材質のものを使用した。実施例３−１では、ＰＴＦＥフィルム（日東電工株式会社製「ニトフロンＮｏ．９００ＵＬ」、実施例３−２ではＭＣナイロン板（日本ポリペンコ株式会社製「ＭＣナイロン」）、実施例３−３では上質紙を使用した。
【０１２９】
絶縁体層３を接合して一週間放置した後に、この発電素子を、図２４に示す測定回路を使用して、発電電圧と発電時間を電圧波形測定装置で測定した。そして、発電素子本体Ａの状態での発生電圧と、絶縁体層３を接合して放置した後の図２の構造の発電素子としての発生電圧との比を求めた。比較例３−１については、発電素子本体Ａのまま放置した後に発生電圧を測定した。結果を表４に併記する。
【０１３０】
【表４】
【０１３１】
表４から、図２に示すように、発電素子本体Ａに絶縁体層３を接合することにより、発電機能の低下が抑えられる、もしくは向上することが分かる。
また、このことから、絶縁体層３を設けていない一般的なエラストマー発電素子（ここでは発電素子本体Ａ）を、保管時に絶縁体（誘電材料）からなるフィルムやシートで包むことにより、発電性能を維持できることも分かる。
【０１３２】
［実施例４−１、比較例４−１］
図１に示す構造の発電素子を以下の方法で作製した。
表５に示すように、ベースゴムとして架橋剤を８質量％含む反応性液状アクリルゴムを９５質量％を用いると共に、高誘電性フィラーとしてピリジニウム系イオン液体５質量％を用いた他は、実施例１−１と同様な方法によって、膜厚２５０μｍ、比誘電率１０、引張最大伸２５０％のゴム薄膜を作製した。これを誘電性エラストマー層１として用いた。
また、ベースゴムとして架橋剤を８質量％含む反応性液状アクリルゴムを７０質量％を用いると共に、導電性フィラーとしてＣＮＦ３０質量％を用いた他は、実施例１−１と同様な方法によって、長さ１００ｍｍ×幅５０ｍｍ×厚さ５０μｍ、体積抵抗１×１０Ω・ｃｍ、引張最大伸び５０％の物性を有するゴム薄膜を作製した。これを導電性エラストマー層（電極層）２として使用した。
【０１３３】
これらを実施例１−１と同様な方法によって接合して、図１に示す構造の発電素子を得た。
（比較例４−１）
以下の表５に示すように、ベースゴムとして架橋剤を８質量％含む反応性液状アクリルゴムを１００質量部を用いると共に、高誘電性フィラーとしてＰＺＴ５０質量部を用いた他は、実施例１−１と同様な方法によって膜厚２５０μｍ、比誘電率６、引張最大伸２００％のゴム薄膜を作製した。これを誘電性エラストマー層１として用いた。
【０１３４】
この誘電性エラストマー層１と実施例４−１と同じ導電性エラストマー層２を実施例１−１と同様な方法によって接合して、図１に示す構造の発電素子を得た。
その後、このようにして得られた実施例４−１および比較例４−１の発電素子の上下面に、それぞれ薄片状の銅電極を介して微小電流計を接続した。次に、この発電素子の一端を固定し、他端を５０％力学的に伸長させた後、力を除去し、この状態で電流値を測定した。この測定値から比較例４−１を「１」とした相対値を「比発電量」として算出した。この結果も表５に示す。
【０１３５】
【表５】
【０１３６】
この結果、表５の下欄に示すように、実施例４−１の発電素子は、伸長等の機械的作用があっても、比較例４−１の発電素子と比べて優れた発電量を発揮することができた。
［実施例５−１〜５−２、比較例５−１］
（実施例５−１、５−２）
図１に示す構造の発電素子を以下の方法で作製した。
以下の表６に示すように、ベースゴムとして架橋剤を８質量部、反応性液状アクリルゴムを１００質量部、高誘電性フィラーとしてピリジニウム系イオン液体（広栄化学工業株式会社製（ＩＬ−Ｐ１４））１０質量部を用いた他は、実施例１−１と同様な方法によって膜厚２５０μｍ、硬さ、デュロメータＡ３３のゴム薄膜を作製した。これを誘電性エラストマー層１として用いた。
【０１３７】
また、ベースゴムとして架橋剤を８．０質量部、反応性液状アクリルゴムを１００質量部、導電性フィラーとしてカーボンナノファイバー（ＣＮＦ）３５質量部を用いた他は、実施例１と同様な方法によって、体積固有抵抗６×１０−１Ω・ｃｍ、硬さ、デュロメータＡ４０の物性を有するゴム薄膜を作製した。これを導電性エラストマー層（電極層）２として使用した。
【０１３８】
これらを実施例１−１と同様な方法によって接合して、図１に示す構造の発電素子を得た。
その後、実施例５−１の発電素子に対しては、両導電性エラストマー層（電極層）２間に外部電圧（１５０Ｖ）を３０分間印加する処理を行った。実施例５−２にはこのような外部電圧の印加処理を行わなかった。
【０１３９】
（比較例５−１）
以下の表６に示すように、誘電性エラストマー層１を、架橋剤を８質量部含む反応性液状アクリルゴムで構成した他は、実施例５−１および５−２と同様な方法によって図１に示す構造を得た。なお、比較例５−１でも外部電圧の印加処理を行っていない。
【０１４０】
このようにして得られた実施例５−１、５−２の発電素子と、比較例５−１の構造体について、発電素子としての機能を図２４に示す測定回路を用いて評価した。
具体的には、試験体の導電性エラストマー層２間の電位差を測る際に、以下の(1) 〜(3) からなる放電回復処理を繰り返し行った。
【０１４１】
＜放電回復処理＞
(1) 両電極（導電性エラストマー層）２を短絡させ、電位差を０Ｖにする。
(2) その後、両電極（導電性エラストマー層）２間の短絡を解消した状態で、大気中に所定時間保存する。
(3) 両電極（導電性エラストマー層）２間の電位差の時間変化を調査する。
【０１４２】
【表６】
【０１４３】
この結果、表６の下欄に示すように、比較例５−１の構造体では、両導電性エラストマー層２間に電位差を得ることができなかった。これに対し、実施例５−１および５−２の発電素子は、放電後大気中に保存することにより、両導電性エラストマー層２間に電位差が得られることが分かった。
【０１４４】
また、図２６は、実施例５−１および５−２の発電素子の電位差（電圧Ｖ）の経時変化を示したグラフであるが、時間が経過することによってその電位差が徐々に大きくなることも分かる。
また、作製時に外部電圧を印加した実施例５−１の発電素子は、外部電圧を印加しなかった実施例５−２の発電素子と比較して、放電回復時の発生電圧値が大幅に上昇することも分かった。
【０１４５】
［実施例６−１〜６−５、比較例６−１］
（実施例６−１〜６−５）
図１に示す構造の発電素子以下の方法で作製した。
先ず、以下の表７の上段に示すように、アクリルゴム架橋剤（トーヨーポリマ株式会社製ポリネート７０）を８質量部添加した反応性塊状アクリルゴム（ＡＣＭ）（株式会社トウペ製トアアクロンＳＡ−３１０）をベースゴムとし、このベースゴムに、有機添加剤としてノクセラーＴＭＵ（大内新興化学工業株式会社製トリメチルチオウレア）（実施例６−７〜６−３）またはノクセラーＥＵＲ（大内新興化学工業株式会社製１，３−ジエチルチオウレア）（実施例６−４）またはノクセラーＴＭＴＵ（東京化成工業株式会社製テトラメチルジエチルチオウレア）（実施例６−５）を添加し、Ｋコントロールコーター（松尾製作所製）を用い、半硬化状態のエラストマー層を作製した。これを誘電性エラストマー層１として用いた。その膜厚、硬さ、破断伸びの各測定結果を同表に示した。
【０１４６】
次に、同表の下段に示すように、反応性塊状アクリルゴム（ＡＣＭ）（株式会社トウペ製トアアクロンＳＡ−３１０）をベースゴムとし、このベースゴムに、導電性フィラーとしてＣＮＦ（カーボンナドファイバー：昭和電工株式会社製ＶＧＣＦ）を３０質量部添
加すると共に、イオン液体（ピリジニウム系イオン液体、広栄化学工業株式会社製
ＩＬ−Ｐ１４）を１０質量部添加してＫコントロールコーター（松尾製作所製）を用い、半硬化状態のエラストマー層を作製した。これを導電性エラストマー層（電極層）２として用いた。その膜厚、硬さ、破断伸びの各測定結果を同表に示した。
【０１４７】
このようにして得られた誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層２を用い、一対の導電性エラストマー層２の間に誘電性エラストマー層１を配置し、加圧加熱成形を行って図１に示す構造の発電素子を得た。なお、この加圧加熱時に、誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層２の架橋処理が行われた。
【０１４８】
（比較例６−１）
有機添加剤を一切添加しない以外は実施例６−１と同じ方法で誘電性エラストマー層１を作製した。また、イオン液体を一切添加しない以外は実施例６−１と同じ方法で導電性エラストマー層２を作製した。これらを用い、一対の導電性エラストマー層２の間に誘電性エラストマー層１を配置し、加圧加熱成形を行って図１に示す構造体を得た。なお、この加圧加熱時に、誘電性エラストマー層１と導電性エラストマー層２の架橋処理が行われた。
【０１４９】
このようにして得られた実施例６−１〜６−５の発電素子と、比較例６−１の構造体について、発電素子としての機能を図２４に示す測定回路を用いて評価した。この評価は、両導電性エラストマー層２に導電性接着剤（藤倉化成株式会社製ドータイトＸＡ−８１９Ａ）で電極を接着し、この電極に電圧波形測定装置（横川電気株式会社製）を接続して行った。その結果を、表７の最下欄（発電電圧）および図２７（電圧波形）に示す。
【０１５０】
【表７】
【０１５１】
この結果、比較例６−１の構造体では全く発電が行われなかったのに対し、実施例６−１〜６−５の発電素子では、いずれも１５０ｍＶ以上の優れた発電能を発揮できることが分かった。また、図２７は、実施例６−１の発電素子における電圧波形を示したものであり、安定した起電力を発揮できることが分かった。
【０１５２】
［実施例７−１〜７−２、比較例７−１］
図１９および２０に示す発電素子６００を以下の方法で作製した。
以下の表８に示すように、反応性塊状アクリルゴム（ＡＣＭ）（株式会社トウペ製トアアクロンＳＡ−３１０）をベースゴムとし、このベースゴムをメチルエチルケトンで溶解し、導電性フィラーとしてカーボンナノファイバー（昭和電工株式会社製ＶＣＧＦＲ−Ｈ）を添加、攪拌してアクリル溶液を作製した。
この溶液を用いてＫコントロールコーター（松尾製作所製）により薄膜を作製し、図２１に示す導電性エラストマー部材２０を作製した。なお、この導電性エラストマー部材２０の導電率は、５．０×１０-1Ω・ｃｍであり、カーボンナノファイバーの添加によって導電率の向上効果が確認できた。
【０１５３】
次に、図１９および図２０に示すように、このようにして得られた導電性エラストマー部材２０の一端（実施例７−１）および全部（実施例７−２）にイオン液体（広栄化学工業株式会社ＩＬ−Ｐ１４）を含浸させることで、発電素子６００を作製した。この発電素子６００を、大気中で１時間保存後、その両端に銅電極４０を介して電圧波形測定装置（横川電気株式会社製）を接続してその電圧波形を測定を行った。また、図２１に示すように、イオン液体を一切含浸させていない導電性エラストマー部材２０（比較例７−１）についても、同様にして電圧測定を行い、その結果を同表の下欄および図２８に示す。
【０１５４】
【表８】
【０１５５】
この結果、イオン液体を一切含浸させていない比較例７−１の導電性エラストマー部材２０は、全く起電力が得られなかったのに対し、導電性エラストマー部材２０にイオン液体を含浸させた実施例７−１および７−２の発電素子６００は起電力が得られた。特に、導電性エラストマー部材２０の一端にのみイオン液体を塗布した実施例７−１の発電素子６００では、図２８に示すように優れた起電力が得られた。このように、連続的な層においても、少なくともその一部にイオン液体を含有させることにより、起電力を向上できる。
【０１５６】
［実施例８−１〜８−２］
実施例８−１〜８−２の発電素子は図２に示す構造であり、表９に示す構成の誘電性エラストマー層１および導電性エラストマー層（電極層）２と、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）シートからなる絶縁体層３とを有する。
この発電素子を、実施例３−１と同じ方法で作製した後、外部から１５０Ｖの電圧を３０分間印可する処理を行った。このようにして得られた実施例８−１、８−２の発電素子の機能を、図２４に示す測定回路を用いて評価した。
具体的には、発電素子の導電性エラストマー層２間の電位差を測る際に、以下の(1) 〜(3) からなる放電回復処理を、５サイクル繰り返して行った。
【０１５７】
＜放電回復処理＞
(1) 両電極（導電性エラストマー層）２を短絡させ、電位差を０Ｖにする。
(2) その後、両電極（導電性エラストマー層）２間の短絡を解消した状態で、減圧雰囲気（１×１０-1Ｐａ）中（実施例８−１）または大気中（実施例８−２）に所定時間保存する。
(3) 両電極（導電性エラストマー層）２間の電位差の時間変化を調査する。
【０１５８】
【表９】
【０１５９】
この結果、表９の下欄に示すように、減圧下で保存した実施例８−１の発電素子は、大気中で保存した実施例８−２の発電素子と同じ発生電圧（４００ｍＶ）が得られた。
【０１６０】
［実施例９−１〜９−３、比較例９−１］
図２に示す構造の発電素子と、図５、図６、図８に示す構造の発電素子積層体を以下の方法で作製した。
表１０に示すように、ベースゴムとしてアクリルゴム架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製 ポリネート７０）を８質量部、反応性塊状アクリルゴム（ＡＣＭ）（株式会社トウペ製 トアアクロンＳＡ−３１０）１００質量部からなるものを用い、このベースゴムにピリジニウム系イオン液体（広栄化学工業株式会社製 ＩＬ−Ｐ１４）を１０質量部添加した混合溶液を調整し、Ｋコントロールコーター（松尾製作所製）を用い、半硬化状態のゴム薄膜を作成した。これを誘電性エラストマー層１，１０として使用した。この膜厚および硬さの測定結果は表１０に示す通りである。
【０１６１】
次に、同じく表１０に示すように、ベースゴムとして同じくアクリルゴム架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製 ポリネート７０）を８質量部、反応性塊状アクリルゴム（ＡＣＭ）（株式会社トウペ製 トアアクロンＳＡ−３１０）１００質量部を用い、これに導電性フィラー（ＣＮＦ）を３５質量部分散させた混合物を調整し、Ｋコントロールコーター（松尾製作所製）を用い、半硬化状態の薄膜を作成した。これを導電性エラストマー層（電極層）２，２０として使用した。この膜厚および硬さの測定結果は以下の表１０に示す通りである。
【０１６２】
次に、このようにして得られた誘電性エラストマー層１０と導電性エラストマー層（電極層）２０とＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなる絶縁層（電極設置材）３を、図５および６に示すように重ね合わせ接着して、発電素子積層体３００を作製した（実施例９−１、９−２）。また、誘電性エラストマー層１を１対の電極層２で挟み、負極側にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなる絶縁層３を配置し、これらの間を接着することで、図２に示す構造の発電素子を作製した（実施例９−３）。
【０１６３】
また、誘電性エラストマー層１０と導電性エラストマー層（電極層）２０とＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなる絶縁層３を、図８に示すように重ね合わせ接着して、発電素子積層体３００を作製した（比較例９−１）。
実施例９−１の発電素子積層体３００については、図５に示すように、導電線９０で２個の発電素子２００を並列に接続し、電極層２０Ａ，２０Ｂに端子８０を接続して、発生電圧および発生電流を測定した。この測定は、発電素子積層体３００を作製してから１週間経過した後に行った。
【０１６４】
実施例９−２の発電素子積層体３００については、図６に示すように、導電線９０で５個の発電素子２００を並列に接続し、電極層２０Ａ，２０Ｂに端子８０を接続して、発生電圧および発生電流を測定した。この測定は、発電素子積層体３００を作製してから１週間経過した後に行った。
実施例９−３の発電素子については、作製後１週間経過した後に、両導電性エラストマー層（電極層）２間の発生電圧および発生電流を測定した。
【０１６５】
比較例９−１の発電素子積層体３００については、図８に示すように、導電線９０で２個の発電素子２００を並列に接続し、電極層２０Ａ，２０Ｂに端子８０を接続して、発生電圧および発生電流を測定した。この測定は、発電素子積層体３００を作製してから１週間経過した後に行った。
次に、実施例９−３の発電素子の発生電圧、発生電流をそれぞれ「１」とした時の、実施例９−１、９−２、比較例９−１の発電素子積層体３００の発生電圧、発生電流の相対値を、「比発生電圧、比発生電流」として算出した。その結果も表１０の下欄に示す。
【０１６６】
【表１０】
【０１６７】
表１０の結果から分かるように、図５に示す構造の実施例９−１の発電素子積層体および図６に示す構造の実施例９−２の発電素子積層体の発生電流は、実施例９−３の発電素子２００の発生電流の２倍および５倍（それぞれの誘電性エラストマー層１０の積層枚数と同じ倍数）の値を示していた。これに対し、図８に示す構造の比較例９−１の発電素子積層体３００は、発生電圧および発生電圧共に、実施例９−３の発電素子２００の約１／１０と低い値であった。
【符号の説明】
【０１６８】
１，１０ 誘電性エラストマー層
２，２０ａ 導電性エラストマー層（電極層）
２０ 導電性エラストマー部材
３，３１〜３４ 絶縁体層
１００ 発電素子
２００ 発電素子
３００ 発電素子積層体
４００ 発電装置
５００ 操作キー
６００ 発電素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極層と、その間に配置された中間層と、からなる発電素子であって、
前記中間層が、イオン液体を含有するエラストマーからなる誘電性エラストマー層であることを特徴とする発電素子。
【請求項２】
前記電極層が、導電性フィラーを含有するエラストマーからなる導電性エラストマー層である請求項１記載の発電素子。
【請求項３】
前記導電性エラストマー層がイオン液体を含有する請求項２記載の発電素子。
【請求項４】
前記エラストマーがゴムである請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項５】
前記ゴムが酸素原子を含む分子構造を有する請求項４記載の発電素子。
【請求項６】
前記ゴムがアクリルゴムもしくはシリコンゴムである請求項４記載の発電素子。
【請求項７】
前記誘電性エラストマー層を構成するエラストマーをなすゴムと前記導電性エラストマー層を構成するエラストマーをなすゴムが同じである請求項４記載の発電素子。
【請求項８】
前記誘電性エラストマー層の厚さが１０μｍ〜２ｍｍである請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項９】
前記導電性エラストマー層の厚さが５μｍ〜１ｍｍである請求項２乃至８のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項１０】
前記イオン液体が、ピリジニウム系イオン液体もしくはイミダゾリウム系イオン液体である請求項１乃至９のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項１１】
前記電極層の前記誘電性エラストマー層とは反対側が絶縁体で被覆されている請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項１】
一対の電極層と、その間に配置された中間層と、からなる発電素子であって、
前記中間層が、イオン液体を含有するエラストマーからなる誘電性エラストマー層であることを特徴とする発電素子。
【請求項２】
前記電極層が、導電性フィラーを含有するエラストマーからなる導電性エラストマー層である請求項１記載の発電素子。
【請求項３】
前記導電性エラストマー層がイオン液体を含有する請求項２記載の発電素子。
【請求項４】
前記エラストマーがゴムである請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項５】
前記ゴムが酸素原子を含む分子構造を有する請求項４記載の発電素子。
【請求項６】
前記ゴムがアクリルゴムもしくはシリコンゴムである請求項４記載の発電素子。
【請求項７】
前記誘電性エラストマー層を構成するエラストマーをなすゴムと前記導電性エラストマー層を構成するエラストマーをなすゴムが同じである請求項４記載の発電素子。
【請求項８】
前記誘電性エラストマー層の厚さが１０μｍ〜２ｍｍである請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項９】
前記導電性エラストマー層の厚さが５μｍ〜１ｍｍである請求項２乃至８のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項１０】
前記イオン液体が、ピリジニウム系イオン液体もしくはイミダゾリウム系イオン液体である請求項１乃至９のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項１１】
前記電極層の前記誘電性エラストマー層とは反対側が絶縁体で被覆されている請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の発電素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２０１１−４９０７３（Ｐ２０１１−４９０７３Ａ）
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９７３８７（Ｐ２００９−１９７３８７）
【出願日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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