JP2003218418A

JP2003218418A - 圧電型発電器

Info

Publication number: JP2003218418A
Application number: JP2002009701A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Shibano; 靖幸柴野; Shuji Ito; 修二伊藤; Hiromu Matsuda; 宏夢松田; Kazuya Iwamoto; 和也岩本; Tatsuji Mino; 辰治美濃; Hiroshi Higuchi; 洋樋口; Masaya Ugaji; 正弥宇賀治
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2003-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の電磁式発電装置では発電手段として圧
電素子を打撃する場合は圧電素子の一点に非常に強い力
を与えるために圧電素子の疲労が加速され、耐久性を維
持できない。【解決手段】本発明では圧電素子を備えた発電体にお
いて、圧電素子と密着した支持体を設ける。支持体は容
器固定端と圧電素子の間に曲面部を介し接続する。さら
に、発電体が容器と衝突したときに、その振動を抑える
弾性体を前記発電体の自由端側あるいは前記容器の前記
圧電素の自由端側と対面してる部分の少なくとも一方に
配置する。圧電体が積層されたものにおいては圧電体と
弾性体が交互に配置された積層体を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動センサー、マ
イクロホン、スピーカ用振動板等に使用される圧電素子
による圧電型発電器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来からの発電装置としては電磁式発電
装置がよく知られている。電磁式発電装置は一般的に磁
石、コイル、コイルを回転させる回転機などを備えてお
り、磁石によって発生した磁束中でコイルを回転させる
ことによりコイルに電気が発生する装置である。この方
法を用いた発電機として、例えば特開昭５２−８０８７
１号公報などにその構造が開示されている。

【０００３】その他に圧電現象を利用した圧電型発電器
も数多く存在する。これはある種の結晶で特に強く見ら
れる現象を利用したもので、機械的に力を加えて結晶を
歪ませると電荷が発生する正圧電効果を利用し、機械的
エネルギーを電気的エネルギーに変換にするものであ
る。この現象を利用した発電器として、例えば特開昭６
３−３１０３３６号公報では圧電素子を打撃することに
より二次電池を充電するものや、特開平１１−１８４４
５号公報ではエンジンの振動を利用した圧電型発電器が
開示されている。また、特開２０００−１８０５５３号
公報では圧電素子同士を衝突させることにより発電する
構造も開示されている。

【０００４】また特許第３１７０９６５号公報や特開平
９−１８２４６５号公報では、圧電素子の一端を固定
し、圧電素子を自由振動させることにより発電させる発
電器が記載されている。

【０００５】図６には従来例を示す。６１ａ、６１ｂは
圧電素子、６１ｃは支持体、６５ａ、６５ｂは集電体、
６２は圧電素子の片側に接続されるおもり、６６ａ、６
６ｂは電流取り出し線、６４は圧電体６８を収納する容
器、６１ａ、６１ｂと容器６４の間に配置された弾性
体、６５ａ、６５ｂは集電体６６ａ、６６ｂは電流取り
出し線である。加速度もしくは振動が加わる方向６７に
長期間にわたり力が加わると、圧電体６８と容器６４と
が固定された部位に疲労が蓄積した。さらに、おもり６
２により、振動をしていないときも、荷重が加わり、耐
久性を維持できない構造であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の電磁式発電装置
では磁石やコイルが必要であり、なおかつ磁石を回転さ
せる機構が必要であるので装置の小型化、軽量化という
面では困難である。

【０００７】また特開昭６３−３１０３３６号公報のよ
うに発電手段として圧電素子を打撃する場合は圧電素子
の一点に非常に強い力を与えるために圧電素子の疲労が
加速され、長期の使用に耐えうる耐久性を維持できな
い。

【０００８】また、特許第３１７０９６５号公報では圧
電素子に弾性体を介しておもりを取り付ける構造も記載
されているが、この構造では圧電素子に荷重がかかり、
圧電素子の耐久性を損ねてしまう。

【０００９】本発明はこのような課題を解決するもので
あり、耐久性に優れた圧電型発電器を提供するものであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記、従来の課題を解決
する本発明は、振動を行う可動部と、それを支持する支
持部を備えた支持体を接合した容器と、前記支持体と一
体となり振動する圧電素子と、前記圧電素子に電気的に
接合し、前記支持体と一体となり振動する集電体とを有
する圧電型発電器において、可動部あるいは可動部が当
接する容器の内側の少なくとも一方に弾性材料よりなる
緩衝材を具備する圧電型発電器とした。さらに、振動を
行う自由端ならびにそれを支持する支持端を備えた支持
体を接合した解放面を有する容器と、前記支持体と一体
となり振動する圧電素子と、前記圧電素子と電気的に接
合し、一体となり振動する集電体と、を有する圧電型発
電器において、前記容器の解放面、または前記支持体の
自由端側の少なくとも一方に、弾性材料よりなる緩衝材
を具備した圧電型発電器とした。さらに、弾性材料より
なる緩衝材は、前記容器の開放面または前記支持体の自
由端のいずれか一方に、少なくとも２個以上交互に具備
する圧電型発電器とした。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づいてさ
らに詳しく説明する。

【００１２】（実施の形態１）図１は本発明に示す圧電
型発電器の一実施の形態である。１１ａ、１１ｂは圧電
素子、１１ｃは支持体、１２は圧電素子の片側に接続さ
れるおもり、１５ａ、１５ｂは集電体、１３ａ、１３ｂ
は弾性体であり、容器１４の内側に密着し配置されてい
る。１６ａ、１６ｂは電流取り出し線である。ここでお
もり１２はあってもなくても良い。圧電素子の一方を固
定し、もう一方におもり１２を接続することによって圧
電素子の変位を大きくすることがにより効率的な発電が
可能となる。

【００１３】このように構成した発電器に図１の矢印１
７の方向に加速度や振動が加わると、圧電素子１１ａ、
１１ｂの自由端側が振動する。このとき圧電素子に変位
が生じることにより圧電効果により電荷が生じて発電が
起こる。従来例、図６では、片持ち梁状の構造をとると
振動時に圧電体６８と容器６４が衝突して素子の劣化が
加速されるが、図１に示すように容器１４の内側に密着
して弾性体１３ａ、１３ｂを配置する構造をとると、急
激な振動が起こっても圧電型発電器と容器１４が衝突す
る事がないので素子の劣化を抑制できる。さらに、圧電
型発電器に変位を与える加速度が加えられていない場合
は、圧電型発電器を弾性体１３ａ、１３ｂが支えるので
圧電型発電器が不必要にたわむのを押さえることがで
き、圧電素子の疲労を低減させる。

【００１４】ここで弾性体の数やその配置について本発
明はこれに限定されるものではない。例えば１３ａ、ま
たは１３ｂの弾性体のいずれか一方のみが配置されてい
る場合もあればよい。さらに、弾性体の配置場所もこれ
に限定されるわけではなく、図２のように容器内部に単
独で具備されているもの、さらに図示はしていないが、
容器の内側と圧電体にそれぞれ密着するように具備す
る。さらに、おもりが弾性体を兼ねるように取り付けら
れている場合もある。また、図３に示すように、弾性体
３３ａ、３３ｂが圧電型発電器に直接具備しているもの
もある。弾性体３３ａ、３３ｂとばね３８ａ、３８ｂと
により容器３４に接触することがない。さらに、発電器
を使用していない場合も、ばね３８ａ、３８ｂの復元力
により容器３４と圧電型発電器の接続部に過剰な力が加
わることがない。

【００１５】（実施の形態２）図４は本発明における圧
電型発電器の一実施の形態を示す。４０１、４０２、４
０３はそれぞれ圧電体であり、圧電素子４１ａ、４１
ｂ、支持体４１ｃ、集電体４６ａ、４６ｂ、電流取りだ
し線４６ａ、４６ｂの総称である。電流取り出し線は電
流を発電体の外部に導くものである。この圧電体が容器
４４の中に４０１、４０２、４０３と複数枚存在し、弾
性体を介して接続され、ユニットを構成する。この場合
おもりは圧電体端部に接続されている必要はなく、例え
ば板状のおもりを圧電体にそれぞれ接着させていてもい
い。また、圧電体の両端部におもりをつける構造をとる
のもよい。もちろんおもりの付け方はこれらに限定され
るものではなく、圧電素子自身の質量をおもりとして利
用することもよい。また、圧電体の形状により弾性体の
形状が異なる。例えば図４のように弾性体が棒状、ある
いは円柱状のものは複数個の配置が可能であるが、弾性
体が平面状で透視面積全体の形状のものもある。図中の
矢印４７の方向に加速度が加わると圧電ユニット全体が
おもりとなり振動する。例えば弾性体４０１ａ、４０１
ｂ、４０２ａ、４０２ｂ、４０３ａ、４０３ｂが互いに
伸縮する事によって圧電素子４１ａ、４１ｂが伸縮・変
形し発電が行われる。

【００１６】圧電素子の耐久性を向上させるために、本
発明では圧電素子に支持体を設ける。例えば図１では圧
電素子１１ａ及び１１ｂの間に、図２では圧電素子２２
ａ及び２２ｂの間にそれぞれ支持材２１ｃ、２２ｃを設
ける構造が記述されている。このほかにも支持体で圧電
素子を挟むような構造をとることも可能である。

【００１７】支持体に用いられる材料としてはチタンや
リン青銅、コルソン合金、アルミ、ステンレス、ベリリ
ウム銅、黄銅、ジュラルミン、シリコンなどの金属弾性
体や樹脂中にファイバーカーボンやガラスバイバーを配
向した複合材料でもよい。また弾力性のある物質として
天然ゴム、塩ビ（ＰＶＣ）、シリコン、テフロン（登録
商標）、ポリプロピレン、ポリエステル、ＰＥΤ、ＰＢ
Ｔ等を支持体として用いる。

【００１８】圧電素子の材料、製造方法は特に限定され
るものではない。圧電素子の材料としてはＰｂＴｉＯ３
とＰｂＺｒＯ３の固溶体であるＰｂ（Ｔｉ、Ｚｒ）Ｏ３
（ＰＴＺ）やＰｂＴｉＯ３系（ＰＴ）、（Ｐｂ、Ｌａ）
（Ｔｉ、Ｚｒ）Ｏ３（ＰＬＴＺ）、またはそれらの固溶
体、ＬｉＮｂＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｚｎ
Ｏなどがある。さらにポリフッ化ビニリデンやビニリデ
ンフルオリドトリフルオロエチレン共重合体、シアン化
ビニリデンなどの有機圧電体も可能である。またこれら
圧電素子を形成する方法はグリーンシート法、ゾルゲル
法、化学気相蒸着法、スパッタリング法などがある。

【００１９】また、効率よく発電するために２枚の圧電
素子は各圧電素子の分極の極性が逆になるように配置
し、それぞれは同じ材質・形状・厚さであることが好ま
しい。こうすることにより一方の圧電素子が伸長したと
きはもう片方の圧電素子が収縮し、かつ出力電圧の電極
は同一方向となる。２つの圧電素子は直列に接続された
構成となるので、発電効率が向上するという効果が得ら
れる。

【００２０】弾性体はバネがもっとも適当であるが、そ
のほか弾力性を有する金属や、ゴムやスポンジ、そのほ
かの樹脂も適応が可能である。

【００２１】図５には本発明の発電体を組み込んだアプ
リケーションの電気回路のブロック図を示す。充電制御
回路、整流回路、二次電池、放電制御回路、負荷と発電
部からなり、発電体には本発明の発電体が組み込まれて
いる。負荷にはアプリケーションとして例えば、電話、
パソコン、オーディオなど用いる。この電気回路は整流
回路と充放電制御回路を含む。整流回路にはいろいろな
ものが適応できる。例えば単相半波整流回路、全波整流
回路、ブリッジ整流回路がある。またコンデンサや昇圧
回路、降圧回路と組み合わせて倍電圧整流回路を構成す
る事も可能である。本発明の発電器は小電流小電圧であ
ることが多いのでむしろ昇圧型の整流回路の方が好まし
い。

【００２２】充放電制御回路については、使用する二次
電池の種類による充電上限電圧、放電下限電圧を検出す
る機能と、過充電状態になったときに充電回路を遮断
し、過放電状態になったときに放電回路を遮断する機能
をもつものであればどのようなものでも良い。

【００２３】また、本発明では発電素子が少なくとも一
枚用いられている。使用する二次電池の種類が決まると
最大充電可能な電圧が決定するので、その電圧に合わせ
て発電素子のサイズ、枚数、容器、それと回路構成を決
定する。例えば振動の多い系で使用する場合は圧電素子
による発電電圧が整流後、二次電池の最大充電電圧にな
るように設置すると二次電池は常時最大電圧を保つこと
が出来、なおかつ発電最大電圧が最大充電電圧なので充
電制御回路がなくても電池が過充電状態になることがな
い。また二次電池が満充電状態であるときは整流された
電気が直接負荷に供給されるような電気回路構成にする
ことも可能である。

【００２４】このようにして発電素子を電気回路の構成
を組み合わせることによって効率的な電力の供給が可能
となる。

【００２５】本発明で用いる電池は加振によって液漏れ
の危険性のない全固体二次電池が好ましい。本発明は圧
電素子の耐久性向上を目的としている。発電システム全
体で考えると圧電素子だけでなく二次電池の耐久性も必
要となってくる。電解質に電解液やゲルポリマーを用い
た電池では漏液や自己放電があるために電解質に固体電
解質を用いた全固体二次電池が本発明の二次電池に適し
ている。

【００２６】ここで用いる固体電解質材料としては、銀
イオン導電性固体電解質、銅イオン導電性固体電解質、
リチウムイオン導電性固体電解質、プロトン導電性固体
電解質等を用いることができる。

【００２７】

【実施例】（実施例１）図１の圧電型発電器に１秒間１
０回の振動を加振器で加えて、耐久試験を行った。

【００２８】（実施例２）図２の圧電型発電器に１秒間
１０回の振動を加振器で加えて、耐久試験を行った。

【００２９】（実施例３）図３の圧電型発電器に１秒間
１０回の振動を加振器で加えて、耐久試験を行った。

【００３０】（実施例４）図４の圧電型発電器に１秒間
１０回の振動を加振器で加えて、耐久試験を行った。

【００３１】（比較例１）図６の圧電型発電器に１秒間
１０回の振動を加振器で加えて、耐久試験を行った。こ
の構造は弾性体を用いていない。

【００３２】

【表１】

【００３３】表１に耐久性試験の結果を示す。

【００３４】加振器は加振力が４９０Ｎ、振幅が２５ｍ
ｍであり、圧電型発電器を前記加振器に設置し、試験を
行った。

【００３５】耐久試験は７０℃の恒温装置の中で３ヶ月
行った。この条件では、約３年を越える加速耐久試験と
なる。この結果より本発明で示されているように支持体
の収納容器固定端と圧電素子部の間に曲面部を設けるこ
とや、弾性体を圧電素子の自由端側と容器の間に配置す
ることが耐久性向上に効果があることがわかる。

【００３６】また、圧電素子と弾性体が交互に配置され
た積層体を形成することによっても圧電素子の耐久性が
向上することもわかる。

【００３７】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明では片持
ち梁構造の圧電素子の自由端側と容器の間に弾性体を設
置しているので振動時に圧電素子にかかる力を低減させ
ることが出来、また圧電素子と弾性体が交互に配置され
た積層体を形成する構造では圧電素子に加わる力が分散
されて一点に変位が加わることがないので発電器の耐久
性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の圧電型発電器の構
成を示す断面図

【図２】本発明の第１の実施の形態の圧電型発電器の構
成を示す別の断面図

【図３】本発明の第１の実施の形態の圧電型発電器の構
成を示す別の断面図

【図４】本発明の第２の実施の形態の圧電型発電器の構
成を示す断面図

【図５】本発明の第２の実施の形態の圧電型発電器を搭
載した電気回路のブロック図

【図６】従来の圧電型発電器の構成を示す断面図

【符号の説明】

１１ａ，１１ｂ圧電素子１１ｃ支持体１２おもり１３ａ，１３ｂ弾性体１４容器１５ａ，１５ｂ集電体１６ａ，１６ｂ電流取り出し線１７加速度もしくは振動が加わる方向１８ばね２１ａ，２１ｂ圧電素子２１ｃ支持体２２おもり２３ａ，２３ｂ弾性体２４容器２５ａ，２５ｂ集電体２６ａ，２６ｂ電流取り出し線２７加速度もしくは振動が加わる方向３１ａ，３１ｂ圧電素子３１ｃ支持体３２おもり３３ａ，３３ｂ弾性体３４容器３５ａ，３５ｂ集電体３６ａ，３６ｂ電流取り出し線３７加速度もしくは振動が加わる方向３８ａ，３８ｂばね４１ａ，４１ｂ圧電素子４１ｃ支持体４００ａ，４００ｂ，４０１ａ，４０２ａ弾性体４４容器４５ａ，４５ｂ集電体４６ａ，４６ｂ電流取り出し線４７加速度もしくは振動が加わる方向４０１，４０２，４０３圧電体６１ａ，７１ｂ圧電素子６１ｃ支持体６２おもり６４容器６５ａ，６５ｂ集電体６６ａ，６６ｂ電流取り出し線６７加速度もしくは振動が加わる方向

フロントページの続き (72)発明者松田宏夢大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者岩本和也大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者美濃辰治大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者樋口洋大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者宇賀治正弥大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動を行う可動部と、それを支持する支
持部を備えた支持体を接合した容器と、前記支持体と一
体となり振動する圧電素子と、前記圧電素子に電気的に
接合し、前記支持体と一体となり振動する集電体とを有
する圧電型発電器において、可動部あるいは可動部が当
接する容器の内側の少なくとも一方に弾性材料よりなる
緩衝材を具備したことを特徴とする圧電型発電器。
【請求項２】振動を行う自由端ならびにそれを支持す
る支持端を備えた支持体を接合した解放面を有する容器
と、前記支持体と一体となり振動する圧電素子と、前記
圧電素子と電気的に接合し、一体となり振動する集電体
と、を有する圧電型発電器において、前記容器の解放
面、または前記支持体の自由端側の少なくとも一方に、
弾性材料よりなる緩衝材を具備したことを特徴とする請
求項１記載の圧電型発電器。
【請求項３】弾性材料よりなる緩衝材は、前記容器の
開放面または前記支持体の自由端のいずれか一方に、少
なくとも２個以上交互に具備することを特徴とする請求
項１記載の圧電型発電器。