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技術 マフラ用電飾装置

出願人 株式会社日経ビーピー
発明者 黒川太一永井孝範長谷川大二
出願日 2016年6月23日 (3年9ヶ月経過) 出願番号 2016-124269
公開日 2017年12月28日 (2年2ヶ月経過) 公開番号 2017-227177
状態 未査定
技術分野 排気消音装置
主要キーワード 並列配置型 酸化タンタル粒子 電気配線作業 赤外線放射材料 直列構造 酸化ニオブ粒子 銅部材 並列構造
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年12月28日)のものです。
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図面 (5)

課題

本発明は、車載バッテリ以外の電力供給手段を利用して発光させることが可能であり、消灯を忘れても車載バッテリが上がってしまうことを防止できるマフラ電飾装置を提供することを目的とする。また、本発明は、従来よりも、電気配線作業を簡単にしたり、構造を簡易化したり、軽量化したりできるマフラ用電飾装置を提供することを目的とする。

解決手段

本発明は、熱エネルギー発電する発電部と、発電部が発電した電力により発光する光源とを備えた、マフラ用電飾装置に関する。本発明は、さらに、発電部が、熱エネルギーを分子振動エネルギーに変換可能であり、かつ、分子の振動エネルギーを電気エネルギーに変換可能である、マフラ用電飾装置であることが好ましい。

概要

背景

自動車などの車両において、後方車両からの視認性や、車両の意匠性を向上させることを目的として、マフラフィニッシャーエキゾーストフィニッシャーマフラカッターなど)にLED等を用いて電飾を施す電飾装置が知られている(例えば、特許文献1又は2参照)。

特許文献1又は2に記載の電飾装置において、電飾に用いられる光源電源は、車両本体に設置された車載バッテリケーブル分岐接続して確保する必要がある。この場合、電気配線作業が必要になるとともに、電気配線車外露出することになる。

概要

本発明は、車載バッテリ以外の電力供給手段を利用して発光させることが可能であり、消灯を忘れても車載バッテリが上がってしまうことを防止できるマフラ用電飾装置を提供することを目的とする。また、本発明は、従来よりも、電気配線作業を簡単にしたり、構造を簡易化したり、軽量化したりできるマフラ用電飾装置を提供することを目的とする。 本発明は、熱エネルギー発電する発電部と、発電部が発電した電力により発光する光源とを備えた、マフラ用電飾装置に関する。本発明は、さらに、発電部が、熱エネルギーを分子振動エネルギーに変換可能であり、かつ、分子の振動エネルギーを電気エネルギーに変換可能である、マフラ用電飾装置であることが好ましい。

目的

本発明は、車載バッテリ以外の電力供給手段を利用して発光させることが可能であり、消灯を忘れても車載バッテリが上がってしまうことを防止できるマフラ用電飾装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

熱エネルギー発電する発電部と、発電部で発電された電力により発光する光源とを備えた、マフラ電飾装置

請求項2

発電部が、熱エネルギーを分子振動エネルギーに変換可能であり、かつ、分子の振動エネルギーを電気エネルギーに変換可能である、請求項1に記載のマフラ用電飾装置。

請求項3

光源が発する光を導光する導光体を備える、請求項1又は2に記載のマフラ用電飾装置。

請求項4

発電部が、発電層を有する発電素子を含み、発電層が、正極と負極との間に、発電補助材料と、半導体材料(α)と、荷電子帯上端エネルギー準位が半導体材料(α)の荷電子帯の上端のエネルギー準位より高く、かつ、伝導帯下端のエネルギー準位が半導体材料(α)の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも高い半導体材料(β)とを含む、請求項1〜3のいずれかに記載のマフラ用電飾装置。

請求項5

発電部で発電された電力を蓄電する蓄電機構を備え、光源が、蓄電機構から供給される電力によっても発光する、請求項1〜4のいずれかに記載のマフラ用電飾装置。

請求項6

請求項1〜5のいずれかに記載のマフラ用電飾装置を備えた、車両用フィニッシャー

請求項7

請求項1〜5のいずれかに記載のマフラ用電飾装置の発電部が、マフラ又はマフラ近傍に設置された、車両。

請求項8

請求項1〜5のいずれかに記載のマフラ用電飾装置の光源が、マフラの終端近傍に設置された、車両。

請求項9

請求項1〜5のいずれかに記載のマフラ用電飾装置を用いて、マフラの終端近傍を電飾する、マフラの電飾方法。

技術分野

0001

本発明は、熱エネルギー発電する発電素子を用いたマフラ電飾装置に関する。

背景技術

0002

自動車などの車両において、後方車両からの視認性や、車両の意匠性を向上させることを目的として、マフラやフィニッシャーエキゾーストフィニッシャーマフラカッターなど)にLED等を用いて電飾を施す電飾装置が知られている(例えば、特許文献1又は2参照)。

0003

特許文献1又は2に記載の電飾装置において、電飾に用いられる光源電源は、車両本体に設置された車載バッテリケーブル分岐接続して確保する必要がある。この場合、電気配線作業が必要になるとともに、電気配線車外露出することになる。

先行技術

0004

実開平6−20145号公報
特開2000−159005号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、特許文献1又は2に記載の電飾装置のように、分岐接続をしたり、車外に配線が露出したりすると、電気配線が切れやすくなるなど、故障が起こりやすくなったり、電気配線の影響で、車両の重量が増加したりしてしまうという問題があった。また、一次電池二次電池別途設けて電力供給をする構成としても、車両の重量が増加してしまい、燃費の低下を招いてしまうという問題があった。

0006

また、車載バッテリの電力は、エンジン始動させたり、各種電装品に電力を供給したり、各種コンピュータ機器を制御したりすることにも使用されているため、車載バッテリの電力はできる限り用いないようにすることが望ましい。しかし、特許文献1又は2に記載の電飾装置は、車載バッテリ以外からの電力供給によって機能するように構成されているものではなく、車載バッテリの電力消費を抑制できるものではなかった。加えて、車載バッテリから電力供給を受ける場合は、電飾装置の消灯を忘れたときに、車載バッテリが上がってしまうという問題もあった。

0007

本発明は、上記課題を解決するものである。すなわち、本発明は、車載バッテリ以外の電力供給手段を利用して発光させることが可能であり、消灯を忘れても車載バッテリが上がってしまうことを防止できるマフラ用電飾装置を提供することを目的とする。また、本発明は、従来よりも、電気配線作業を簡単にしたり、構造を簡易化したり、軽量化したりできるマフラ用電飾装置を提供することも目的とする。

課題を解決するための手段

0008

すなわち本発明は、以下の[1]〜[8]の態様に関する。

0009

[1]熱エネルギーで発電する発電部と、発電部が発電した電力により発光する光源とを備えた、マフラ用電飾装置。

0010

[2]発電部が、熱エネルギーを分子振動エネルギーに変換可能であり、かつ、分子の振動エネルギーを電気エネルギーに変換可能である、[1]に記載のマフラ用電飾装置。

0011

[3]光源が発する光を導光する導光体を備える、[1]又は[2]に記載のマフラ用電飾装置。

0012

[4]発電部が、発電層を有する発電素子を含み、
発電層が、正極と負極との間に、発電補助材料と、半導体材料(α)と、荷電子帯上端エネルギー準位が半導体材料(α)の荷電子帯の上端のエネルギー準位より高く、かつ、伝導帯下端のエネルギー準位が半導体材料(α)の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも高い半導体材料(β)とを含む、[1]〜[3]のいずれかに記載のマフラ用電飾装置。

0013

[5]発電部で発電された電力を蓄電する蓄電機構を備え、
光源が、蓄電機構から供給される電力によっても発光する、[1]〜[4]のいずれかに記載のマフラ用電飾装置。

0014

[6][1]〜[5]のいずれかに記載のマフラ用電飾装置を備えた、車両用フィニッシャー

0015

[7][1]〜[5]のいずれかに記載のマフラ用電飾装置の発電部が、マフラ又はマフラ近傍に設置された、車両。

0016

[8][1]〜[5]のいずれかに記載のマフラ用電飾装置の光源が、マフラの終端近傍に設置された、車両。

0017

[9][1]〜[5]のいずれかに記載のマフラ用電飾装置を用いて、マフラの終端近傍を電飾する、マフラの電飾方法。

発明の効果

0018

本発明のマフラ用電飾装置又はマフラの電飾方法によれば、車載バッテリ以外の電力供給手段を利用して、マフラ用電飾装置を発光させることができる。その結果、消灯を忘れても車載バッテリが上がってしまうことを防止することができるとともに、車載バッテリの消耗を抑制することもできる。加えて、従来の電飾装置よりも、電気配線作業が簡単になるとともに、マフラ用電飾装置の構造を簡易化することができる。また、車載バッテリから電力を供給する場合と比べて、電気配線が短くて済むため、マフラ用電飾装置を軽量化することができる。

図面の簡単な説明

0019

図1(a)及び図1(b)は、本発明のマフラ用電飾装置に関する実施形態の一例を示す模式的な構成図である。
図2は、本発明のマフラ用電飾装置を備えたフィニッシャーに関する実施形態の一例を示す模式的な構成図である。
本発明に用いる発電素子の一例を示す模式的な構成図である。
本発明に用いる発電素子の出力電圧及び出力電流を測定する試験装置概略構成図である。

実施例

0020

本発明のマフラ用電飾装置は、車両のマフラに直接設置したり、フィニッシャーに備えさせた上でマフラに設置したりすることができる。

0021

また、本発明は、マフラ用電飾装置の発電部が、マフラ又はマフラ近傍に設置された車両に関する。上記構成の車両は、車載バッテリ以外の電力供給手段を利用して、マフラ用電飾装置を発光させることができる。その結果、消灯を忘れても車載バッテリが上がってしまうことを防止することができるとともに、車載バッテリの消耗を抑制することもできる。

0022

また、本発明は、マフラ用電飾装置の光源が、マフラの終端近傍に設置された車両に関する。上記構成の車両は、車載バッテリ以外の電力供給手段を利用して、車両の意匠性を高めることができるとともに、後方車両から見た場合の視認性を向上させることができる。

0023

以下、本発明に係るマフラ用電飾装置について、図面を参照しつつ説明する。以下に説明するマフラ用電飾装置は、本発明を実施するための形態の一つであり、本発明の趣旨に反しない限り、以下の実施の形態に限定されない。

0024

[第一の実施の形態]

0025

図1(a)は、本発明のマフラ用電飾装置に関する実施形態の一例を示す模式的な構成図である。特に、マフラ周辺の断面を模式的に示している。

0026

図1(a)に示すマフラ用電飾装置は、発電部が発電した電力により発光する光源18と、熱エネルギーで発電する発電部19とを備える。

0027

図1(a)に示すマフラ用電飾装置は、例えば、自動車などの車両のマフラを光で装飾する電飾用として用いられる。図1(a)に示すマフラ用電飾装置によって、マフラを発光装飾して車両の意匠性を高めることができるとともに、後方車両から見た場合の視認性を向上させることができる。

0028

マフラは、排気ガスが外部へ排出される際に発生する音を低減したり、吸気管に空気が吸い込まれる際に発生する音を低減したりする機能を担うものである。マフラの最も単純な構造は、管状のものであるが、より高い消音効果を得る観点からは、排気流路を部分的に広くしたり、マフラ内部に管構造障壁構造を設けたりしたものが好ましい。

0029

図1(a)に示すマフラは、排気の流路が部分的に広くなったマフラ本体14と、マフラの終端を構成する排気管15とを備えるものである。図1(a)では、排気管15の終端に、光源18が設置されている。

0030

マフラ本体14の材質としては、例えば、鋼、ステンレス鋼アルミニウム合金チタン合金、又は真鍮黄銅)などが用いられる。

0031

排気管15の形状は、一般に円筒形であるが、任意の形状の排気菅15に対して、光源18は設置することができる。

0032

光源18は、その耐熱性が確保されれば、排気管15の外側に設置することが可能である。複数の光源18を任意の位置に1つずつ設置することも可能である。複数の光源18を排気管15に設置する作業を容易にする観点からは、図1(a)に示すように、複数の光源18を備えた円筒体16を用いて、複数の光源18を一度に排気管15に設置できるようにすることが好ましい。円筒体16は、ボルト(不図示)等で排気管15に固定することができる。

0033

上記円筒体16の材質としては、排気管15を構成する材質と同様であってもよいし、異なっていてもよい。また、排気ガスが円筒体16には直接接触しない設置態様であることから、円筒体16の材質として、繊維強化プラスチックを用いることもできる。

0034

光源18は、マフラ本体14のサイズに応じて任意の数を設けることができる。図1(a)では、円筒体16の内壁であって後方から視認可能な箇所において、円筒体16の周方向に沿って等間隔に8個の光源18を設けた態様を示している。

0035

図1(b)は、図1(a)の排気管15の周辺部分を車体後方から見た模式図である。複数の光源18は、排気管15の形状に沿って発光し、排気管15を装飾する。

0036

光源18としては、LED、有機EL素子などの半導体発光素子や、電球など、公知の光源を用いることができる。中でも、LEDを用いることが、排気管15のサイズや省エネルギー化の観点から好ましい。光源18は、耐熱性を有する接着剤等により、円筒体16の内壁に固定することができる。

0037

本発明において、上記光源18は、発電部19が発電した電力により発光する(図中、光源18と発電部19との電気配線は省略する)。発電部19は、車載バッテリとは別に設けられるものであって、車体後部の構造を考慮して任意の位置に設置することができる。発電部19は、特に、マフラ本体14や排気管15の近傍など、高温となる箇所に設けられることが望ましい。

0038

発電部19において、熱エネルギーは分子の振動エネルギーに転換される。発電部19は、さらに、分子の振動エネルギーを電気エネルギーに変換可能なものである。そのため、熱エネルギーを得やすい環境に発電部19を設置することにより、車載バッテリの電力を用いることなく、マフラ用電飾装置を発光させることができる。

0039

図1(a)では、発電部19は、マフラ本体14の外側に配置されている。マフラ本体14の外側は、熱エネルギーを得やすい環境であるためである。なお、発電部19は、発電が可能になる程度の熱エネルギーを得られれば充分であるため、マフラ本体14と発電部19との間に耐熱性を有する材料(不図示)を配置して、熱量を調節してもよい。

0040

発電部19を設置したマフラ本体14が発熱すると、発生した熱エネルギーを受けて、発電部19が発電する。発電された電力が光源18に供給されると、光源18が発光する。光源18は、発電部18から電力の供給があった場合のみ発光するように構成してもよい。また、IC回路(不図示)を設けて、光源18の点灯ブレーキランプとが連動するように構成することにより、車両の意匠性と後方車両への視認性を高めることもできる。

0041

発電部19には、熱エネルギーを分子の振動エネルギーに変換可能であり、かつ、分子の振動エネルギーを電気エネルギーに変換可能な発電素子(後述)を用いることが好ましい。このような構成とすることで、車載バッテリを用いることなく光源18を発光させることができる。

0042

従来の熱発電素子は、発電のために温度差が必要であり、温度差を発生させるために冷却機構を備える必要があった。一方、本発明に用いる発電素子は、発電のために温度差が必要なく、冷却機構を備える必要がない。そのため、簡便な構造でマフラ用電飾装置を構成することができる。

0043

本発明に用いる発電素子は、熱により発電する原理であるため、発電に伴い吸熱現象が起こる。したがって、発電素子が熱により発電しても、発電素子を設置したマフラの温度が昇温されることがなく、むしろ発電素子の発電により、マフラの温度を下げることができる。

0044

本発明のマフラ用電飾装置には、発電能力に応じて蓄電機構(不図示)を備えて、蓄電機構に余剰の電力を貯蔵するように構成してもよい。発電部19において発電された電力を蓄電する蓄電機構は、二次電池を備えることが好ましい。このような構成とすることで、発電部19における発電量が充分でない場合でも、マフラ用電飾装置を発光させることができる。特に、冬季の夜間など、エンジン始動時にマフラ近傍の温度が非常に低い場合でも、蓄電した電力によりマフラ用電飾装置を稼働させて、マフラ等の意匠性を高めることが可能となる。なお、発電部19で発電された電力を蓄電した蓄電機構から供給される電力によって、光源18が発光するような場合も、光源18は、発電部19で発電された電力によって発光するものであるといえる。

0045

また、本発明のマフラ用電飾装置は、例えば、光源18への電力供給を開始又は停止するスイッチなどを備えていてもよい。このような構成を採用することで、例えば、昼間の明るい時間帯など、光源18による発光が意匠性や視認性の向上にあまり寄与しない場合、光源18の発光を停止させることができる。また、発光を停止させたために余った電力を、蓄電機構の二次電池に蓄えることが可能となる。その他、車載バッテリの充電量が不足している場合に、蓄電機構を介して車載バッテリの電力を補助してもよい。

0046

本発明のマフラ用電飾装置は、車載バッテリの充電状態を検知する検知手段や、車載バッテリの充電状態に応じて、車載バッテリへの電力の供給量を制御する制御部を備えてもよい。本発明のマフラ用電飾装置が上記検知手段と上記制御部とを備えることで、車載バッテリの充電状態に応じて、自動的に適切な電力を、車載バッテリに供給することが可能となる。

0047

[第二の実施の形態]
図2は、本発明のマフラ用電飾装置を備えたフィニッシャーに関する実施形態の一例を示す模式的な構成図である。特に、マフラ周辺の断面を模式的に示すものである。

0048

図2に示すフィニッシャー20は、発電部が発電した電力により発光する光源18と、熱エネルギーで発電する発電部19とを備える。

0049

図2においては、マフラ本体14の終端を構成する排気管15の終端近傍に、フィニッシャー20(エキゾーストフィニッシャー又はマフラカッター)を設けた態様を示している。フィニッシャー20は、マフラの性能を維持したまま、マフラの意匠性を高めるために設置されている。このようなフィニッシャー20の設置態様は、マフラから車両外に突出した態様であっても、バンパ内部に埋め込まれた態様であってもよい。フィニッシャー20が、マフラの排気管15から車両外に突出している場合は、フィニッシャー20を後付けする作業が容易になる。

0050

フィニッシャー20の形状は特に限定されず、マフラの意匠性を向上させる目的で、任意の形状を採用することができる。フィニッシャー20の材質も特に限定されず、意匠性を向上させるのに適した材料を採用することができる。フィニッシャー20の材質は、マフラに用いられる材質(第一の実施の形態で用いることができるもの)と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

0051

フィニッシャー20は、排気管15にボルト(不図示)で固定するように設置したり、排気管15と嵌合する構造として設置したりするなど、公知の方法により設置することができる。

0052

図2において、光源18は、フィニッシャー20の外壁であって、車体の前方側に設けられている。そして、光源18が発する光を導光する導光体21が、光源18の近傍に設けられている。導光体21に入射した光は、導光体21の内面反射によって、導光体21を発光させる。このような構成とすることで、最小限の光源数又は光量でフィニッシャー20の外周全体を発光装飾することが可能となる。

0053

導光体21の設置態様によって、様々な態様の電飾が可能となる。例えば、フィニッシャー20の外表面全体被覆するように導光体21を設置した場合は、フィニッシャー20の外表面全体を発光させることができる。また、フィニッシャー20の前方から後方にかけて設けられた直線状の導光体21を、フィニッシャー20の外表面に沿って平行に複数設置することにより、車両の進行方向に沿って複数の光線が尾を引くように見える電飾が可能になる。

0054

導光体21の種類は、特に限定されないが、例えば、アクリル樹脂などの透明樹脂を用いることができる。導光体21の表面に凹凸形状などの物理的な細工を施すことによって、所望の方向への投光強化されるようにしてもよい。また、発光効率を高める観点から、導光体21の後方側に反射板(不図示)を配置したり、導光体21の前方側に拡散板(不図示)を配置したりしてもよい。加えて、導光体21の側面に光源を設ける構成とすることによって、発光効率を高めたり、光源の省エネルギー化を図ったりすることができる。

0055

光源18としては、第一の実施の形態と同様に、LED、有機EL素子などの半導体発光素子や、電球など、公知の光源をいずれも用いることができるが、LEDを用いることが省エネルギー化の観点から好ましい。

0056

光源18は、発電部19が発電した電力により発光する。発電部19は、分子の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。そのため、発電部19は、熱エネルギーを得やすい環境に設置することが好適である。発電部19は、第一の実施の形態と同様、マフラ近傍に設けてもよいが、フィニッシャー20の取り付け作業を容易にする観点から、図2のように、フィニッシャー20の内壁側に設置することが好ましい。光源18と発電部19とは、フィニッシャー20に設けた穴等によって配線を確保することができるが、図では配線は省略している。

0057

[発電素子]
以下、本発明のマフラ用電飾装置、又はそれを備えたフィニッシャーの発電部に用いる発電素子について、図面を参照しつつ説明する。

0058

発電部に用いる発電素子1は、例えば、図3に示すように、正極2と、ホール輸送層3と、発電層4と、負極5とがその順で配置された構造形態を有している。

0059

以下、発電部に用いる発電素子1の構成について説明する。

0060

(正極、負極)
正極2及び負極5は、導電性材料であり、正極2の仕事関数が負極5の仕事関数と同じか高い材料を用いる。正極2の仕事関数が負極5の仕事関数より高いことが好ましい。

0061

正極2としては、特に限定されないが、例えば、インジウム錫酸化物(ITO)等の導電性酸化物材料炭素材料、銅、銅合金、SUS430等のステンレス鋼、錫めっき銅、白金、金、又はタングステンもしくはその酸化物などを用いることができる。正極2の材料は、仕事関数を考慮して決定することができ、負極5の材料の仕事関数よりも高いことが好ましい。例えば、負極5にアルミニウムを用いた場合、正極2の材料としては、負極5の材料より仕事関数が高く、安価に入手できるという観点から、インジウム錫酸化物、銅、又は炭素材料が好ましい。負極5にインジウム錫酸化物を用いた場合は、正極2の材料としては、負極5の材料より仕事関数が高いという観点から、白金、金、又はタングステンもしくはその酸化物が好ましい。また、正極2の材料は他の金属にコーティングした形で用いてもよい。

0062

負極5としては、特に限定されないが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、Mg−Alなどのマグネシウム合金、銀、又は亜鉛などを用いることができる。負極5の材料は、仕事関数を考慮して決定することができ、正極2の材料の仕事関数よりも低いことが好ましい。例えば、正極2に銅又は炭素材料を用いた場合、負極5の材料としては、正極2の材料より仕事関数が低く、安価に入手できるという観点から、アルミニウム、又は亜鉛が好ましい。正極2に白金又は金を用いた場合は、負極5の材料としては、インジウム錫酸化物が好ましい。また、負極5の材料は他の金属にコーティングした形で用いてもよい。

0063

正極2及び負極5の形状は特に限定されず、発電素子1の形状に応じた形状に加工することができる。例えば、発電素子1が、平面配置型用の発電素子1である場合には、正極2と負極5が対向して配置され、正極2と負極5の間にホール輸送層3及び発電層4が設けられる。

0064

なお、この平面配置型の発電素子1は、複数の発電素子1の正極2と負極5とを順次、直列に接続することで直列配置型の発電素子複合体にする、或いは、複数の発電素子1の正極2と負極5とを順次、並列に接続することで並列配置型の発電素子複合体にすることができる。

0065

(ホール輸送層)
発電部に用いる発電素子は、正極2と発電層4との間に、ホール輸送層3を有することが好ましい。正極2と発電層4との間に、ホール輸送層3を有することによって、発電層4から正極2へのホール取出しを安定化させ、発電効率を向上させることができ、また、逆電流が生じることを防止することができる。ホール輸送層3としては、ホール伝導観測されるものであれば、特に限定されないが、例えば、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(スチレンスルホン酸)(PEDOT−PSS)、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(ビニルスルホン酸)、ポリアニリンポリピロールポリチオフェン、ポリ(p−フェニレン)、ポリフルオレン、ポリ(p−フェニレンビニレン)、ポリチエニレンビニレングラフェン、などのp型導電性高分子;MoO3、CuAlO2、CuGaO2、LiNiO2などのp型金属酸化物を用いることが好ましい。これらの中でも、ホールの移動度が高く、安価に入手できるという観点から、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(スチレンスルホン酸)又はMoO3が好ましい。

0066

電子輸送層
図3には図示されていないが、発電部に用いる発電素子は、負極5と発電層4との間に、さらに電子輸送層を有することが好ましい。負極5と発電層4との間に電子輸送層の薄膜を設けることで、発電層4から負極5への電子取出し効率を安定化させ、発電効率を向上させることができ、また、正孔が負極5側に流れることを防止できる傾向にある。電子輸送層に用いる材料としては、特に制限はないが、例えば、n型半導体材料などを用いることができる。電子輸送層に用いる材料の具体例としては、例えば、フッ化リチウムフッ化ナトリウム、フッ化セシウム酸化アルミニウム酸化スズ酸化リチウム酸化マグネシウム、又は酸化カルシウムなどが挙げられる。これらの中でも、化学的に安定であるという観点から、フッ化リチウム、酸化アルミニウム、又は酸化スズを用いることが好ましい。

0067

(発電層)
発電層4は、発電補助材料と、半導体材料(α)と、半導体材料(β)とを含んだ層である。発電層4では、例えば、発電補助材料が分子の振動エネルギー(熱エネルギー)を吸収することよって赤外線放射し、その放射された赤外線を、半導体材料(α)及び半導体材料(β)のエネルギー準位の差を利用して電気エネルギーに変換することができる。

0068

発電補助材料は、振動エネルギーを赤外線に変換し放射することが可能な赤外線放射材料であることが好ましい。赤外線放射材料としては、特に限定されないが、赤外線の吸収強度の大きい物質、例えば、二酸化ケイ素シリコーンカーボン、又はフェライトなどを用いることが好ましい。赤外線の吸収強度が大きい物質は、赤外線の放射強度も大きいため、強い赤外線を放射することができ、発電効率が高くなる。上記の物質の中でも、特に、赤外線の吸収強度が大きく、また安価であるという理由から、二酸化ケイ素を用いることがより好ましい。なお、上記の赤外線放射材料は、1種単独もしくは2種以上を組み合わせて使用してもよい。

0069

赤外線の吸収強度は、赤外分光法近赤外分光法、又はラマン分光法など公知の方法によって測定することができる。発電補助材料としては、例えば、近赤外分光法を用いて測定した場合、赤外領域(例えば、波数12500〜4000cm−1)において、吸光度が1以上となるピークを有することが好ましく、吸光度が1以上となるピークを有することがより好ましい。発電補助材料が、赤外領域において、吸光度が1以上となるピークを有する場合は、赤外線の吸収強度及び放射強度が大きくなるため、発電効率を向上させることができる。

0070

発電補助材料の平均粒径は、入手の容易さや組成物作製上の問題がない範囲で各種の大きさのものを選択することができるが、発電補助材料の平均粒径は、4nm以上であることが好ましい。また、発電補助材料の平均粒径は、100nm以下であることが好ましく、40nm以下であることがより好ましい。発電補助材料の平均粒径が4nm未満の場合は、赤外線放射材料としての特徴を示さなくなる傾向にあり、発電補助材料の平均粒径が100nmを超えると、発電補助材料の体積が大きくなるため、体積あたりの赤外線の吸収強度(放射強度)が低下し、発電効率が下がる傾向にある。なお、本明細書において、平均粒径とは一次粒子の平均粒径をいい、原料の段階では走査型電子顕微鏡(SEM)によって測定することができ、組成物を構成した後も走査型電子顕微鏡(SEM)によって測定することができる。

0071

発電層4には、発電補助材料から放射された赤外線を電気エネルギーに変換するために、半導体材料(α)及び半導体材料(β)が含まれる。半導体材料(β)は、荷電子帯の上端のエネルギー準位が半導体材料(α)の荷電子帯の上端のエネルギー準位より高く、かつ、伝導帯の下端のエネルギー準位が半導体材料(α)の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも高い半導体材料が用いられる。半導体材料(α)の荷電子帯の上端と、半導体材料(β)の荷電子帯の上端とのエネルギー差は、2.0eV以下であることが好ましく、0.9eV以上であることがより好ましく、1.7eV以下であることがより好ましい。また、半導体材料(α)の伝導帯の下端と、半導体材料(β)の伝導帯の下端とのエネルギー差は、2.0eV以下であることが好ましく、0.9eV以上であることがより好ましく、1.7eV以下であることがより好ましい。

0072

発電部に用いる発電素子における発電のメカニズムは明らかではないが、半導体材料(α)が相対的に電子受容体のような役割を果たし、半導体材料(β)が相対的に電子供与体のような役割を果たすことで、赤外線の光エネルギーを電気エネルギーに変換するものと考えられる。具体的には、次のような現象が起こっていると推測される。

0073

半導体材料(α)及び半導体材料(β)それぞれの伝導帯及び荷電子帯のエネルギー差が、例えば、2.0eV以下であることにより、赤外線が半導体材料(α)又は半導体材料(β)に照射された場合、半導体材料(α)と半導体材料(β)との接合面において、半導体材料(β)の伝導帯に存在していた電子が半導体材料(α)の伝導帯へと移動し、半導体材料(α)の価電子帯に存在していたホールが半導体材料(β)の価電子帯へと移動し、電荷分離状態を形成する。そして、電子は半導体材料(β)よりもエネルギー準位が低い半導体材料(α)の伝導帯を移動して正極2へ流れ、ホールは半導体材料(β)の荷電子帯を移動して負極5へと流れることで、外部回路電流が流れるものと思われる。

0074

発電補助材料が熱エネルギーを吸収した場合、その熱エネルギーは、最終的に、半導体材料(α)及び半導体材料(β)によって、電気エネルギーに変換される。このことを別の側面から見れば、発電補助材料、半導体材料(α)、及び半導体材料(β)を有する素子は、吸熱反応を行っていると捉えることもできる。従って、発電補助材料、半導体材料(α)、及び半導体材料(β)を有する素子は、例えば、電子機器などの冷却手段として用いることも可能である。

0075

半導体材料(α)は、化学的安定性電子移動度が高いことから、二酸化スズが好ましい。半導体材料(α)に二酸化スズを用いた場合、半導体材料(β)としては、半導体材料(α)に比べてエネルギー準位が高く、また、正極2の材料より仕事関数が低いといった観点から、酸化チタン酸化ニオブ酸化タンタル、又は酸化亜鉛などが好ましい。上記した好ましい半導体材料(α)と、好ましい半導体材料(β)との組合せは、荷電子帯の上端同士及び伝導帯の下端同士のエネルギー差が2.0eV以下であるという条件、さらには、0.9eV以上で、1.7eV以下であるという条件を満たしている。なお、半導体材料(α)及び半導体材料(β)は、1種単独もしくは2種以上を組み合わせて使用してもよい。

0076

半導体材料(α)及び半導体材料(β)の平均粒径は、入手の容易さや組成物作製上の問題がない範囲で各種の大きさのものを選択することができるが、半導体材料(α)の平均粒径は、4nm以上であることが好ましい。また、半導体材料(α)の平均粒径は、100nm以下であることが好ましく、10nm以下であることがより好ましい。半導体材料(α)の平均粒径が4nm未満の場合は、半導体としての特徴を示さなくなる傾向にあり、半導体材料(α)の平均粒径が100nmを超えると、半導体材料(α)の体積が大きくなるため、体積あたりの発電効率が下がる傾向にある。

0077

発電層4の構造としては、特に限定されず、例えば、積層構造としてもよく、バルヘテロジャンクション構造としてもよいが、発電効率を向上させるという観点からは、バルクヘテロジャンクション構造とすることが好ましい。

0078

赤外線の照射強度は、光源からの距離の二乗反比例する。赤外線の照射強度の減衰を防止し、発電効率を向上させる観点からは、発電補助材料、半導体材料(α)、及び半導体材料(β)は、それぞれ粒子状のものを用いて、発電層4中に均一に分散させることが好ましく、発電層4中に最密充填構造又は最密充填構造に近い構造をとるように配列させることがより好ましい。

0079

発電補助材料、半導体材料(α)、及び半導体材料(β)を発電層4中に均一に分散させるためには、各粒子溶媒中に分散させ、その分散液を遠心分離などの公知の方法を用いて固形分と液分を分離させ、その固形分を十分に洗浄して得られる粉末を用いて、発電層4を形成することが好ましい。分散させる溶媒としては、発電補助材料、半導体材料(α)、及び半導体材料(β)を溶解させないものであれば、特に制限はないが、安全に使用でき、また安価であることから、水を用いることが好ましい。

0080

また、発電層4を形成する際において、半導体材料(β)としては、上記したような金属酸化物の粒子そのものを直接、分散媒に添加するのではなく、加水分解などによって該金属酸化物を生成することが可能な金属酸化物の前駆体を添加しても良い。金属酸化物の前駆体としては、特に限定されないが、例えば、塩化チタン塩化ニオブ塩化タンタル塩化亜鉛などの金属塩化物や、チタンアルコキシドニオブアルコキシドタンタルアルコキシド、亜鉛アルコキシドなどの金属アルコキシドを用いることが好ましい。

0081

発電層4の全質量は、発電補助材料と半導体材料(α)と半導体材料(β)との和からなる。半導体材料(α)の含有量は、発電層4の全質量に対して、1質量%以上であることが好ましく、10質量%以上であることがより好ましい。また、半導体材料(α)の含有量は、発電層4の全質量に対して、30質量%以下であることが好ましく、25質量%以下であることがより好ましい。半導体材料(α)の含有量が発電層4の全質量に対して1質量%未満の場合は、赤外線を十分に電力に変換することができず、発電効率が低下する傾向にあり、半導体材料(α)の含有量が30質量%を超えても、それ以上の発電効率の向上は見られない傾向にある。同様に、半導体材料(β)の含有量は、発電層4の全質量に対して、1質量%以上であることが好ましく、5質量%以上であることがより好ましい。また、半導体材料(β)の含有量は、発電層4の全質量に対して、30質量%以下であることが好ましい。半導体材料(β)の含有量が発電層4の全質量に対して1質量%未満の場合は、赤外線を十分に電力に変換することができず、発電効率が低下する傾向にあり、半導体材料(β)の含有量が30質量%を超えても、それ以上の発電効率の向上は見られない傾向にある。

0082

また、半導体材料(α)及び半導体材料(β)の混合比(半導体材料(α)/半導体材料(β))は、特に限定されないが、質量比で、1/5以上であることが好ましく、2/1以下であることが好ましい。半導体材料(α)及び半導体材料(β)の混合比が上記の範囲にあることで、赤外線を電気エネルギーへと変換する効率が向上し、発電効率を向上させることができる傾向にある。

0083

発電層4の厚さは、発電素子1の作製方法によって異なり、特に限定されないが、例えば0.05μm以上であることが好ましく、1000μm以下であることが好ましい。発電層4の厚さが0.05μm未満だと、短絡を起こしやすくなる傾向にあり、発電層4の厚さが1000μmを超えると、発電層4の内部抵抗が高くなる傾向にあり、また、電荷分離した電子とホールが再結合しやすくなることにより変換効率が下がる傾向にある。

0084

発電層4は、発電補助材料、半導体材料(α)及び半導体材料(β)の混合物によって形成された層であるが、本発明の効果を阻害しない範囲で、他の無機物有機物を含んでいてもよい。

0085

[発電素子の作製方法]
発電素子1の作製方法は、特に限定されず、各種公知の方法で作製することができる。例えば、正極2上に、p型導電性高分子を滴下又は塗布することで、ホール輸送層3を形成することができる。次いで、ホール輸送層3上に、発電補助材料、半導体材料(α)、及び半導体材料(β)を溶媒に均一に分散させた分散液を滴下又は塗布することで、発電層4を形成することができる。最後に、発電層4上に、真空蒸着スパッタリング等の方法を用いて、負極5を形成することができる。

0086

こうして作製された発電素子1は、平面的な直列構造又は並列構造になるように接続することができる。複数の発電素子1を直列に接続して発電素子複合体を構成する場合、隣り合う発電素子の正極2と負極5とを、カシメ圧接ロウ付け等で接続して直列構造にすることができる。また、発電素子1を並列接続して発電素子複合体を構成する場合、長く延びる電極に、発電素子1の正極2と負極5とをそれぞれ、カシメ、圧接、ロウ付け等で接続して並列構造にすることができる。

0087

このような発電素子複合体は、複数の発電素子1を接続して1次元的(直列配置)又は二次元的(並列配置)に作製することができるが、厚さ方向に積層して三次元的な立体構造にすることもできる。

0088

発電素子1や発電素子複合体において、発電素子1に水分が侵入するのを避けることが好ましい。水分の侵入防止手段としては、周囲を封止材充填したり、全体を封止材で覆ったりすることが好ましい。こうした水分の侵入防止手段により、発電素子1の発電電流値の低下を抑制することができる。

0089

従来のゼーベック効果を利用する熱電発電素子は、2種類の異なる金属又は半導体の両端に生じる温度勾配に比例して出力電圧が大きく変動する。そのため、例えば、熱源が100℃以下であるような場合は、温度勾配も小さくなるため、大きな電流を発生させることが難しかった。他方、本発明に用いる発電素子によれば、発電補助材料が存在することにより、分子の振動エネルギー(熱エネルギー)を、半導体材料(α)及び半導体材料(β)のエネルギー準位の差を利用して電気エネルギーに変換することができる。

0090

それゆえ、本発明における発電素子は、例えば、100℃以下の温度帯においても、高い出力電圧及び出力電流を発生させることができる。そのため、マフラの近傍に発電部を設けても、安定して発電することができる。

0091

以下に参考例を示して、本発明に用いる発電素子をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。

0092

[二酸化ケイ素、酸化ニオブ、及び二酸化スズの混合粉末の調製]
(参考例1)
五塩化ニオブ純正化学株式会社製)25質量部をエタノール200質量部に溶解させた。次に、該五塩化ニオブ・エタノール溶液2.5質量部と、二酸化ケイ素の20%水分散体(日産化学工業株式会社製、「ST−O−40」、平均粒径40nm)10質量部と、二酸化スズの20%水分散体(ユニチカ株式会社製、酸化スズゾル「AS20I」、平均粒径7nm)1.5質量部とを、混合し撹拌した。該混合水分散体中で、五塩化ニオブは加水分解され、酸化ニオブとなった。次に、得られた二酸化ケイ素粒子酸化ニオブ粒子、及び二酸化スズ粒子を含む混合水分散体から、固形分を分離した。得られた固形分を十分に洗浄した後、100℃で乾燥させることで、二酸化ケイ素粒子、酸化ニオブ粒子、及び二酸化スズ粒子からなる参考例1の混合粉末を得た。混合水分散体における二酸化ケイ素の20%水分散体、五塩化ニオブ・エタノール溶液、及び二酸化スズの20%水分散体の混合割合、及び混合粉末における各成分の含有率を、表1に示す。

0093

(参考例2〜5)
混合水分散体における混合割合を表1に示すように変更したこと以外は、参考例1と同様の方法を用いて、参考例2〜5の混合粉末を得た。混合粉末における各成分の含有率を、表1に示す。

0094

0095

発電素子を以下のように作製した。先ず、平板状の銅部材を正極2として準備した。次いで、平板状のアルミニウム部材を負極5として準備し、アルミニウム部材上に1.8cm×1.5cmの窓を開けた厚さ0.8mmの両面テープを貼り付けた。両面テープの窓に、参考例1で得られた二酸化ケイ素粒子(平均粒径:40nm)、酸化ニオブ粒子、及び二酸化スズ粒子(平均粒径:7nm)からなる混合粉末を充填し、発電層4を形成した。発電層4の厚さは、両面テープの厚さと同じく、0.8mmである。最後に、上記の正極2を両面テープ上に積層させ、発電素子を得た。参考例2〜5で得られた混合粉末についても、同様の方法を用いて、発電素子を作製した。

0096

[評価]
図4に示す試験装置を用いて、上記のようにして得られた発電素子の出力電流及び出力電圧を測定した。図4に示す試験装置では、負極5、抵抗負荷10、スイッチ11、電流計13、正極2を、この順でリード線によって接続し、回路を形成している。また、この回路に抵抗負荷10の両端の電圧を測定できるように電圧計12が接続されている。また、温度調節器8によって温度調節が可能なヒーター6上に、負極5が下側に、正極2が上側になるようにして、発電素子1が設置されている。また、ヒーター6上の発電素子1が設置されていない部分には、温度センサ9が設置されており、ヒーター6の温度が測定できる。断熱材7は、正極2とヒーター6とを上下から挟み込むように、対向して設置されている。なお、抵抗負荷10の抵抗は、1kΩ、10kΩ、100kΩ、又は∞に変化させて測定した。電流計13及び電圧計12は、FLKE社製のデジタルマルチメーター8808Aを用いた。また、Z、Cp、L、tanδは、日置電機株式会社製のLCRハイテスタ3532−50を用いて測定した。測定は、ヒーター6の温度を29℃(室温)、又は100℃に変化させて行った。測定結果を表2に示す。

0097

0098

(参考例6〜13)
混合水分散体における混合割合を表3に示すように変更したこと以外は、参考例1と同様の方法を用いて、参考例6〜13の混合粉末を得た。混合粉末における各成分の含有率を、表3に示す。

0099

0100

発電素子を以下のように作製した。先ず、平板状の銅部材を正極2として準備した。次いで、平板状のアルミニウム部材を負極5として準備し、アルミニウム部材上に1cm×1cmの窓を開けた厚さ0.8mmの両面テープを貼り付けた。両面テープの窓に、参考例6で得られた二酸化ケイ素粒子(平均粒径:40nm)、酸化ニオブ粒子、及び二酸化スズ粒子(平均粒径:7nm)からなる混合粉末を充填し、発電層4を形成した。発電層4の厚さは、両面テープの厚さと同じく、0.8mmである。最後に、上記の正極2を両面テープ上に積層させ、発電素子を得た。参考例7〜13で得られた混合粉末についても、同様の方法を用いて、発電素子を作製した。

0101

[評価]
参考例6〜13で得られた混合粉末を用いて作製した発電素子について、上記と同様の方法により、出力電流及び出力電圧を測定した。参考例6〜13で得られた発電素子についての測定結果を表4に示す。

0102

0103

[二酸化ケイ素、酸化チタン、及び二酸化スズの混合粉末の調製]
(参考例14)
四塩化チタン和光純薬工業株式会社製)25質量部をエタノール100質量部に溶解させた。次に、該四塩化チタン・エタノール溶液1.98質量部と、二酸化ケイ素の20%水分散体(日産化学工業株式会社製、「ST−O−40」、平均粒径40nm)5質量部と、二酸化スズの20%水分散体(ユニチカ株式会社製、酸化スズゾル「AS20I」、平均粒径7nm)1質量部とを、混合し撹拌した。該混合水分散体中で、四塩化チタンは加水分解され、酸化チタンとなった。次に、得られた二酸化ケイ素粒子、酸化チタン粒子、及び二酸化スズ粒子を含む混合水分散体から、固形分を分離した。得られた固形分を十分に洗浄した後、100℃で乾燥させることで、二酸化ケイ素粒子、酸化チタン粒子、及び二酸化スズ粒子からなる参考例14の混合粉末を得た。混合水分散体における二酸化ケイ素の20%水分散体、四塩化チタン・エタノール溶液、及び二酸化スズの20%水分散体の混合割合、及び混合粉末における各成分の含有率を、表5に示す。

0104

(参考例15〜18)
混合水分散体における混合割合を表5に示すように変更したこと以外は、参考例14と同様の方法を用いて、参考例15〜18の混合粉末を得た。混合粉末における各成分の含有率を、表5に示す。

0105

0106

酸化ケイ素粒子、酸化ニオブ粒子、及び二酸化スズ粒子からなる混合粉末の代わりに、参考例14の混合粉末を用いて発電層4を形成したこと以外は、参考例6と同様の方法により、発電素子を作製した。参考例15〜18で得られた混合粉末についても、参考例14と同様の方法により、発電素子を作製した。

0107

[評価]
参考例14〜18で得られた混合粉末を用いて作製した発電素子について、上記と同様の方法により、出力電流及び出力電圧を測定した。測定結果を表6に示す。

0108

0109

[二酸化ケイ素、酸化タンタル、及び二酸化スズの混合粉末の調製]
(参考例19)
四塩化タンタル(和光純薬工業株式会社製)5質量部をエタノール45質量部に溶解させた。次に、該四塩化タンタル・エタノール溶液1質量部と、二酸化ケイ素の20%水分散体(日産化学工業株式会社製、「ST−O−40」、平均粒径40nm)5質量部と、二酸化スズの20%水分散体(ユニチカ株式会社製、酸化スズゾル「AS20I」、平均粒径7nm)0.75質量部とを、混合し撹拌した。該混合水分散体中で、四塩化タンタルは加水分解され、酸化タンタルとなった。次に、得られた二酸化ケイ素粒子、酸化タンタル粒子、及び二酸化スズ粒子を含む混合水分散体から、固形分を分離した。得られた固形分を十分に洗浄した後、100℃で乾燥させることで、二酸化ケイ素粒子、酸化タンタル粒子、及び二酸化スズ粒子からなる参考例19の混合粉末を得た。混合水分散体における二酸化ケイ素の20%水分散体、四塩化タンタル・エタノール水溶液、及び二酸化スズの20%水分散体の混合割合、及び混合粉末における各成分の含有率を、表7に示す。

0110

(参考例20〜23)
混合水分散体における混合割合を表7に示すように変更したこと以外は、参考例19と同様の方法を用いて、参考例20〜23の混合粉末を得た。混合粉末における各成分の含有率を、表7に示す。

0111

0112

酸化ケイ素粒子、酸化ニオブ粒子、及び二酸化スズ粒子からなる混合粉末の代わりに、参考例19の混合粉末を用いて発電層4を形成したこと以外は、参考例6と同様の方法により、発電素子を作製した。参考例20〜23で得られた混合粉末についても、参考例19と同様の方法により、発電素子を作製した。

0113

[評価]
参考例19〜23で得られた混合粉末を用いて作製した発電素子について、上記と同様の方法により、出力電流及び出力電圧を測定した。測定結果を表8に示す。

0114

0115

1発電素子
2 正極(正極板
3ホール輸送層
4発電層
5 負極(負極板
6ヒーター
7断熱材
8温度調節器
9温度センサ
10抵抗負荷
11 スイッチ
12電圧計
13電流計
14マフラ本体
15排気管
16円筒体
17排気口
18光源
19発電部
20フィニッシャー
21 導光体

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