JP2009247106A

JP2009247106A - 圧電振動型発電機

Info

Publication number: JP2009247106A
Application number: JP2008090273A
Authority: JP
Inventors: Koryo Nakamura; 公亮中村; Homare Masuda; 誉増田
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-22

Abstract

【課題】小型化，特に低背化を維持しつつ、錘を大きくして発電量の増大を図ることができる圧電振動型発電機を提供する。
【解決手段】錘５０が発電フィルム３０の長手方向に折り返されており、錘５０の厚みを増大させることなく、十分な重量となっている。しかも、この重量が発電フィルム３０の自由端にかかる。このため、発電機全体としてみると、厚みを抑制することができ、小型化・低背化を図ることができる。また、錘５０が十分な重量を有しているため、発電フィルム３０が短くても十分な振動が可能となり、発電機全体の占有面積を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子の振動を利用した圧電振動型発電機に関し、更に具体的には、その錘の改良に関するものである。

近年、センサネットワークに代表されるユビキタスネットワークが注目されている。ユビキタスネットワークは、センシング機能と無線通信機能を合わせ持ったセンサネットワーク端末（以下「端末」という）により実現される。端末は、温度，湿度，加速度等をセンシングし、センシングした情報を無線通信により伝達する。端末は、様々な場所や生体にも取り付けられるため、小型・軽量であることが望まれる。また、できる限り電池交換の手間をなくすために、長寿命であることが望まれる。

ところで、端末の長寿命化を実現する方法には、搭載する回路に変更を加えないとした場合、大きく分けて２つ考えられる。一つは搭載する電池の大容量化であり、他は発電機（発電フィルム）の搭載である。前者は、電池の大容量化に伴って大きくなり重量も増えるため、端末の小型化・軽量化という本来の目的にはそぐわない。これに対し、後者の発電機の搭載については、端末の長寿命化には最適な方法である。特に、発電機の発電エネルギーのみで、搭載する回路を動作させることができれば、メンテナンスフリーの端末の実現が可能となる。

このような端末に適用できる発電技術としては、圧電効果を用いた圧電振動型発電機がある。図７には、その一般的な構成が示されている。同図に示すように、圧電振動型発電機９００は、圧電素子又は圧電素子が結合された部材である発電フィルム９０２が、Ｌ字状の固定部９０４の起立部端に片持ち状態で固定された構造となっている。発電フィルム９０２の自由端には錘９０６が取り付けられており、発電フィルム９０２の表面には、発生した電気エネルギーを取り出すための電極９０８が設けられている。

このような構造の圧電振動型発電機９００の発電原理を説明すると、外部から振動が加えられると、その振動エネルギーによって錘９０６が矢印方向に振動し、外部から印加されたエネルギーが錘９０６の機械エネルギーに変換される。この機械エネルギーは、発電フィルム９０２によって電気エネルギーに変換され、変換後の電気エネルギーは電極９０８から取り出される。従って、圧電振動型発電機９００で得られるエネルギーは、錘９０６がどの程度変位するかによって決められることとなる。

このような圧電振動型発電機の従来技術としては、下記特許文献１記載の「発電機」がある。これは、自由振動する圧電素子と一体に接合されて自由振動する自由振動部材が片持ち梁となっており、この片持ち梁の固定端側において前記圧電素子と前記自由振動部材とが共に固定部材に固定されていることを特徴とする。
特開平０７−４９３８８号公報

しかしながら、上述した背景技術で発電量を向上させようとすると、錘を大きくするか、あるいは板バネ等を用いて、圧電素子の変位を大きくする必要があるが、素子全体としての高さが増大し、小型化できなくなる恐れがある。

本発明は、以上のような点に着目したもので、小型化，特に低背化を維持しつつ、錘を大きくして発電量の増大を図ることができる圧電振動型発電機を提供することを、その目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、発電フィルムの長手方向の一端が固定部によって固定されており、他方の自由端に錘を取り付けた片持ち梁構造の圧電振動型発電機であって、前記錘に、前記発電フィルムの長手方向に折り返されており、発電フィルムの投影面に重なる折り返し部を設けたことを特徴とする。

主要な形態の一つは、前記固定部を、前記発電フィルムの起電力の引き出しに兼用したことを特徴とする。他の形態の一つは、前記折り返し部の一部の厚みを大きくしたことを特徴とする。更に他の形態の一つは、前記折り返し部の形状を、前記発電フィルムの自由端が錘の折り返し部を設けた側に最大変位したときにおける前記発電フィルムの形状と略一致させたことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、片持ちの発電フィルムの自由端に取り付ける錘を、発電フィルムの長手方向に折り返すこととしたので、錘の厚みを押えるとともに、発電フィルムを短くすることができ、発電機の小型化・低背化・低面積化が可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

最初に、図１及び図２を参照しながら、本発明の圧電振動型発電機の実施例１について説明する。図１(A)は全体を示す斜視図，図１(B)は圧電振動型発電フィルム（以下単に「発電フィルム」という）の積層構造を示す分解図，図２(A)は平面図，図２(B)は同図(A)の＃２Ｂ−＃２Ｂ線に沿って矢印方向に見た断面図，図２(C)は同図(A)の＃２Ｃ−＃２Ｃ線に沿って矢印方向に見た断面図，図２(D)は発電フィルムの断面拡大図である。

これらの図に示すように、実装基板１０には、端子兼用支持体２０が固定されており、この端子兼用支持体２０に板状の発電フィルム３０の一端が片持ち固定されており、いわゆる片持ち梁の状態となっている。発電フィルム３０の他端には、錘５０が取り付けられている。

以上の各部のうち、実装基板１０は、各種の回路部品（図示せず）が実装されている基板である。端子兼用支持体２０は端子２２，２４によって構成されており、下部に設けられている略Ｌ字状の脚２２Ａ，２４Ａによって、前記実装基板１０に多少浮かせた位置で固定されている。なお、実装基板１０には脚２２Ａ，２４Ａに対応して電極パターン（図示せず）がそれぞれ形成されており、これらから電力が取り出されるようになっている。前記端子２２，２４には、スリット２２Ｂ，２４Ｂが形成されており、これに前記発電フィルム３０の一端が挿入されてカシメ固定されている。

発電フィルム３０は、図１(B)及び図２(D)に積層の様子を示すように、圧電素子４０を中心に構成されている。圧電素子４０は、ＰＶＤＦ（Polyvinylidene fluoride，ポリフッ化ビニリデン）などの圧電材料によって形成された圧電シート３６の表裏に下部電極３４，上部電極３８をそれぞれ形成した構成となっている。下部電極３４の表面には保護層３２が形成されており、上部電極３８側はベースフィルム４２となっている。ベースフィルム４２は、振動を圧電シート３６の変形に変換するためのシム板として機能する。また、上述したスリット２２Ｂ，２４Ｂのカシメ部分で、端子２２，２４と下部電極３４，上部電極３８との電気的な接続がそれぞれ行われている。

実際の製造手順としては、ベースフィルム４２上に、上部電極３８，圧電シート３６，下部電極３４，保護層３２を順に積層することで、発電フィルム４０を得ている。下部電極３４，上部電極３８の図の左端側は、上下に重ならないように切り欠いた形状となっており、引出部３４Ｔ，３８Ｔがそれぞれ形成されている。これらの引出部３４Ｔ，３８Ｔが、前記端子兼用支持体２０の端子２２，２４に電気的に接続するように構成されている。

次に、錘５０は、カシメ固定部５２と折り返し部５４によって略Ｌ字状に構成されている。これらのうち、カシメ固定部５２にはスリット５２Ａが形成されており、これに前記発電フィルム３０の他端が挿入されてカシメ固定されている。また、カシメ固定部５２から前記発電フィルム３０の投影面に重なるように、すなわち、発電フィルム３０の裏面ないし背面側に折り返し部５４が延設されている。

次に、以上のように構成された実施例１の全体の動作を説明する。外部から振動が加わると、それが錘５０に伝達される。上述したように、発電フィルム３０は片持ち梁となっており、自由端に錘５０が取り付けられている。このため、錘５０が図１(A)の矢印ＦＡ方向に振動する。すると、発電フィルム３０の圧電素子３６が変形し、圧電効果によって電気が生ずる。生じた電気は、電極３４，３８から端子２２，２４を介して実装基板１０側に取り出される。

ところで、この場合において、発電量の増大を図るためには、発電フィルム３０を大きく振動させる必要があり、錘５０の重量を大きくする必要がある。本実施例によれば、錘５０が発電フィルム３０の長手方向に折り返されており、錘５０の厚みを増大させることなく、十分な重量となっている。しかも、この重量が発電フィルム３０の自由端にかかる。このため、発電機全体としてみると、厚みを抑制することができ、小型化・低背化を図ることができる。また、錘５０が十分な重量を有しているため、発電フィルム３０が短くても十分な振動が可能となり、発電機全体の占有面積を低減することができる。

次に、図３を参照しながら実施例２について説明する。前記実施例は、発電フィルム３０の固定をカシメにより行ったが、本実施例では、固定が接着剤により行われている。図３(A)は正面図であり、同図の矢印Ｆ３ｂから見た図が図３(B)，矢印Ｆ３ｃから固定部を透視して見た図が図３(C)である。これらの図において、固定部６０は、基部６２と、延設部６４によって構成されている。基部６２の頂面には、発電フィルム７０を構成する圧電素子７２の一端の下面が接着固定されている。圧電素子７２には、表裏に電極７４，７６がそれぞれ形成されている。また、圧電素子７２の自由端の下面には、錘８０の固定部８２が接着固定されている。錘８０の固定部８２からは、発電フィルム７０の投影面に重なるように折り返し部８４が形成されている。本実施例は、発電フィルム７０の固定方法が異なるのみで、基本的な作用は前記実施例と同様である。

次に、図４を参照しながら、実施例３について説明する。本実施例は、図３の実施例の変形例である。まず、同図(A)の例は、錘１００の固定部１０２に対して、折り返し部１０４が斜め方向となっている。別言すれば、図３の実施例は、錘８０の固定部８２に対して略直角方向に折り返し部８４が形成されており、折り返し部１０４と発電フィルム７０が略平行となっている。これに対し、本実施例では、錘１００の固定部１０２に対して鈍角の方向に折り返し部１０４が形成されており、折り返し部１０４と発電フィルム７０が非平行となっている。

図４(B)の例は、固定部１１２，折り返し部１１４の他に、付加部１１６を折り返し部１１４の先端裏面側に設けた錘１１０の例である。付加部１１６によって折り返し部１１４の厚みが増しており、それによって重量が増大している。発電フィルム７０の固定端部分は、振動による変位量が少ない。このため、付加部１１６を設けても、発電機全体として厚みが増すことはない。

同図(C)の例は、固定部１２２，折り返し部１２４の他に、付加部１２６を折り返し部１２４の表側であって固定部１２２側に設けており、付加部１２８を折り返し部１２４の先端裏面側に設けた錘１２０の例である。同図(D)の例は、固定部１３２，折り返し部１３４の他に、付加部１３６を折り返し部１３４の表側であって固定部１３２側に設けた錘１３０の例である。図４(B)〜(D)を比較すると、同図(C)の例は、同図(B)の付加部１１６を２分割して、折り返し部１２４の両端に設けたと考えることができ、同図(D)の例は、同図(B)の付加部１１６を、折り返し部１３４の反対側に設けたと考えることができる。

次に、図５を参照しながら、実施例４について説明する。同図(A)の例は、錘２００が、固定部２０２，折り返し部２０４によって略Ｌ字状に構成されている。固定部２０２は、基部２０２Ａに、押さえ部２０２Ｂ，２０２Ｃが固定されており、発電フィルム７０の自由端は、押さえ部２０２Ｂ，２０２Ｃによって挟み込まれている。基部２０２Ａからは、発電フィルム７０の投影面に重なるように折り返し部２０４が延設されている。この例は、図３の実施例に対応するもので、発電フィルムの自由端に錘をどのように固定するかという点で異なるのみである。

図５(B)の例は、錘２１０の折り返し部２１２を、図４(A)のように鈍角に傾斜して設けた例である。図５(C)の例は、錘２２０の折り返し部２２２の先端裏面側に付加部２２４を設けた例で、図４(B)の例に対応する。図５(D)の例は、錘２３０の折り返し部２３２の表裏両端に付加部２３４，２３６を形成したもので、図４(C)の例に対応する。図５(E)の例は、錘２４０の折り返し部２４２の固定側に付加部２４４を設けた例で、図４(D)に対応する。

これらの実施例においても、前記実施例１と同様の効果を得ることができる。また、付加部の追加によって錘の重量が増大し、発電量の増大を図ることができる。

次に、図６を参照しながら、実施例５について説明する。同図(A)は振動していない状態を示し、同図(B)は実装基板側に最大変位した時の状態を示す。これらの図において、実装基板１０には、端子兼用支持体３００が固定されており、この端子兼用支持体３００に発電フィルム３１０の一端が片持ち固定されており、いわゆる片持ち梁の状態となっている。発電フィルム３１０の他端には、錘３２０が取り付けられている。

端子兼用支持体３００は、上述した実施例１のように２つの端子によって構成されている。一つの端子について説明すると、下部に設けられている略Ｌ字状の脚３００Ａによって前記実装基板１０に固定されている。なお、実装基板１０には脚３００Ａに対応して電極パターン（図示せず）が形成されており、これらから電力が取り出されるようになっている。前記支持体３００にはスリット３００Ｂが形成されており、これに前記発電フィルム３１０の一端が挿入されてカシメ固定されている。発電フィルム３１０の自由端側には、錘３２０が接着によって固定されている。錘３２０は、接合部３２２，折り返し部３２４によって構成されており、接合部３２２が前記発電フィルム３１０の自由端に接着固定されている。

ところで、本実施例では、同図(B)に示す発電フィルム３１０の最大変位時における形状に最も近づくように、錘３２０の折り返し部３２４の形状が設定されている。具体的には、前記発電フィルム３１０の自由端が錘３２０の折り返し部３２４を設けた側に最大変位したときに、同図(B)に示すように、変位した発電フィルム３１０と錘３２０の折り返し部３２４とが略平行となる。このため、前記圧電フィルム３１０の固定端側および前記実装基板１０と前記折り返し部３２４との接触を防止しつつ大きな変位を得ることができる。
従って、発電フィルム３１０と錘３２０との距離ないし間隔を、上述した実施例と比較して最短に設定することができ、更なる低背化・小型化を図ることができる。

次に、図６(C)を参照しながら、実施例６について説明する。本実施例は、発電フィルム４００の自由端に設けられる錘４１０の固定部４１２に、比較的深めのスリット４１２Ａを形成し、このスリット４１２Ａに発電フィルム４００の自由端を挿入してカシメもしくは接着剤で固定している。折り返し部４１４は、発電フィルム４００の中央付近から固定端寄りに形成している。

発電フィルム４００は、固定端に対して自由端のほうが振れ幅が大きい。従って、自由端の部位の幅ＷＦが大きいと、その振れ幅ＷＢを見込んで実装基板１０と発電フィルム４００の間隔も大きく設定する必要があり、結果的に低背化の妨げになる。

そこで、本実施例では、折り返し部４１４を、固定部４１２の裏面側端部から延長形成し、発電フィルム４００の中央付近から固定端寄りに形成することで、前記幅ＷＦを小さくしている。これにより、全体として低背化を実現できる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例では、発電フィルムとして圧電シートが単層の場合を示したが、圧電シートと電極を交互に積層した積層構造の圧電素子としてもよい。
(2)前記実施例１では、発電フィルムの固定部と引き出し電極を兼用したが、それに限定されるものではなく、適宜の方法で引き出しを行なってよい。

本発明によれば、片持ちの発電フィルムの自由端に取り付ける錘を、発電フィルムの長手方向に折り返すこととしたので、錘の厚みを押えるとともに、発電フィルムを短くすることができ、小型化・低背化・低面積が要望される電子機器用の発電機として好適である。

本発明の実施例１を示す図である。(A)は一部破断した斜視図，(B)は発電フィルムの分解斜視図である。前記実施例１を示す図である。(A)は平面図，(B)は(A)の＃２Ｂ−＃２Ｂ線に沿って矢印方向に見た断面図，(C)は(A)の＃２Ｃ−＃２Ｃ線に沿って矢印方向に見た断面図，(D)は発電フィルムの拡大断面図である。本発明の実施例２を示す図である。(A)は正面図であり、(B)は(A)の矢印Ｆ３ｂから見た図，(C)は(A)の矢印Ｆ３ｃから固定部を透視して見た図である。本発明の実施例３を示す図である。本発明の実施例４を示す図である。本発明の実施例５及び実施例６を示す図である。従来の発電機の一例を示す図である。

符号の説明

１０：実装基板
２０：端子兼用支持体
２２，２４：端子
２２Ａ，２４Ａ：脚
２２Ｂ，２４Ｂ：スリット
３０：発電フィルム
３２：保護層
３４：下部電極
３４Ｔ，３８Ｔ：引出部
３６：圧電シート
３８：上部電極
４０：発電フィルム
４２：ベースフィルム
５０：錘
５２：カシメ固定部
５２Ａ：スリット
５４：折り返し部
６０：固定部
６２：基部
６４：延設部
７０：発電フィルム
７２：圧電素子
７４，７６：電極
８０：錘
８２：固定部
８４：折り返し部
１００：錘
１０２：固定部
１０４：折り返し部
１１０：錘
１１２：固定部
１１４：折り返し部
１１６：付加部
１２０：錘
１２２：固定部
１２４：折り返し部
１２６：付加部
１２８：付加部
１３０：錘
１３２：固定部
１３４：折り返し部
１３６：付加部
２００：錘
２０２：固定部
２０２Ａ：基部
２０２Ｂ，２０２Ｃ：押え部
２０４：折り返し部
２１０：錘
２１２：折り返し部
２２０：錘
２２２：折り返し部
２２４：付加部
２３０：錘
２３２：折り返し部
２３４，２３６：付加部
２４０：錘
２４２：折り返し部
２４４：付加部
３００：端子兼用支持体
３００Ａ：脚
３００Ｂ：スリット
３１０：発電フィルム
３２０：錘
３２２：接合部
３２４：折り返し部
４００：発電フィルム
４１０：錘
４１２：固定部
４１２Ａ：スリット
４１４：折り返し部
９００：圧電振動型発電機
９０２：発電フィルム
９０４：固定部
９０６：錘
９０８：電極

Claims

発電フィルムの長手方向の一端が固定部によって固定されており、他方の自由端に錘を取り付けた片持ち梁構造の圧電振動型発電機であって、
前記錘に、前記発電フィルムの長手方向に折り返されており、発電フィルムの投影面に重なる折り返し部を設けたことを特徴とする圧電振動型発電機。
前記固定部を、前記発電フィルムの起電力の引き出しに兼用したことを特徴とする請求項１記載の圧電振動型発電機。
前記折り返し部の一部の厚みを大きくしたことを特徴とする請求項１又は２記載の圧電振動型発電機。
前記折り返し部の形状を、前記発電フィルムの自由端が錘の折り返し部を設けた側に最大変位したときにおける前記発電フィルムの形状と略一致させたことを特徴とする請求項１又は２記載の圧電振動型発電機。