JP2009247128A

JP2009247128A - 圧電振動型発電機

Info

Publication number: JP2009247128A
Application number: JP2008091293A
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，低面積化を図りつつ、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】支持柱兼用支持体２０の支持柱２２，２４の下部ないし基端が、実装基板１０に沿って、発電フィルム３０の投影面に重なるように延出されている。これにより、発電フィルム３０からの支持柱２０のせり出しが抑制されており、小型化が図られている。また、発電フィルム３０の固定端側は振動の程度が小さく、発電に寄与しないが、発電フィルム３０の幅方向に大きく、発電フィルム３０の長手方向に小さくなるように、支持柱２２，２４によって発電フィルム３０を片持ちしているので、発電フィルム３０の発電に寄与する領域が増大する。
【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、その固定構造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６には、圧電振動型発電機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。圧電振動型発電機９００で得られるエネルギーは梁の長さの３乗に比例するので、梁が長いほど大きなエネルギーを得ることができる。

圧電フィルムを用いた先行技術としては、下記特許文献１記載の「低電力近接ＡＣ電流センサー」がある。これは、磁界の強度に応じて圧電素子から電荷を取出すセンサで、圧電フィルムに取り付けた電極を固定部である基板に取り付けた構造となっている（同文献１の図２参照）。
特開２００６−１３８８５２号公報

しかしながら、上述した背景技術では、圧電フィルムを電極で固定している部分のように、梁の長さ方向に電荷を生み出さない領域があり、小型でかつ大きなエネルギーを生み出す圧電振動型発電機の構造には適さない。本発明は、以上のような点に着目したもので、小型化，低面積化を図りつつ、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支持体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、前記支持体は、前記発電フィルムの一端を支持する支持柱と、この支持柱の基端側を実装基板面に固定する脚とを備えており、前記脚を、前記発電フィルムの投影面に重なる領域に延出形成したことを特徴とする。

主要な形態の一つは、前記支持体を、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、前記支持体は、前記発電フィルムの長手方向よりも幅方向に大きく発電フィルムを固定することを特徴とする。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、発電フィルムの一端を支持する支持柱の基端側を実装基板面に固定する脚を発電フィルムの投影面に重なる領域に延出形成したので、発電フィルムの長さ方向を犠牲にすることなく、小型化，低面積化を図りつつ、発電量の増大を図ることができる。

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)は圧電振動型発電機６０の全体を示す斜視図であり、これを矢印ＦＢ，ＦＣから見た図がそれぞれ図１(B)，(C)である。これらの図において、実装基板１０には、支持柱兼用支持体２０が固定されており、この支持柱兼用支持体２０に板状の圧電振動型発電フィルム（以下単に「発電フィルム」という）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の他端の裏面側には、錘５０が接着などの方法で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。支持柱兼用支持体２０は、支持柱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。すなわち、支持柱２２，２４の下部ないし基端が、実装基板１０に沿って、発電フィルム３０の投影面に重なるように延出されており、これが脚２２Ａ，２４Ａとなっている。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、これらから発電電力が取り出されるようになっている。前記支持柱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２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、下部電極３４，上部電極３８にそれぞれ電気的な接続が行われている。

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３０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、前記支持柱兼用支持体２０の支持柱２２，２４に電気的に接続するように構成されている。

次に、以上のように構成された実施例１の圧電振動型発電機６０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は、図１(B)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、圧電効果によって起電力が生ずる。生じた電気は、前記電極３４，３８から支持柱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、発電フィルム３０が長いほどよい。上述したように、発電エネルギーは梁の長さの３乗に比例し、梁が長いほど大きなエネルギーを得ることができるからである。ところが、発電フィルム３０を長くすると、発電機全体として面積が増大し、小型化ができない。

しかし、本実施例の圧電振動型発電機６０によれば、支持柱兼用支持体２０の支持柱２２，２４の下部ないし基端が、実装基板１０に沿って、発電フィルム３０の投影面に重なるように延出されている。これにより、発電フィルム３０からの支持柱２０のせり出しが抑制されており、小型化が図られている。また、発電フィルム３０の固定端側は振動の程度が小さく、発電に寄与しないが、発電フィルム３０の幅方向に大きく（図１(C)のＤＷ参照）、発電フィルム０の長手方向に小さくなるように（図１(B)のＤＬ参照）、支持柱２２，２４によって発電フィルム３０を片持ちしているので、発電フィルム３０の発電に寄与する領域が増大する。このため、従来技術と比較して同じ占有面積であればより大きなエネルギーを発電できるし、同じエネルギーであれば発電機の小型化を図ることができる。

次に、図３を参照しながら、本発明の圧電振動型発電機の実施例２について説明する。図３(A)は本実施例の圧電振動型発電機７０の平面図，同図(B)は同図(A)の＃２Ｂ−＃２Ｂ線に沿って矢印方向に見た断面図，同図(C)は同図(A)の＃２Ｃ−＃２Ｃ線に沿って矢印方向に見た断面図である。これらの図に示すように、支持柱兼用支持体２０に板状の発電フィルム３０の一端が片持ち固定されて片持ち梁の状態となっている点は、上述した実施例１と同様である。

本実施例でも、発電フィルム３０の自由端側に錘５１が取り付けられている点では共通するが、本実施例の錘５１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。

本実施例による基本的な発電動作は、上述した実施例１と同様であるが、本実施例によれば、錘５１が発電フィルム３０の長手方向に折り返されており、錘５１の重量が大きくなっている。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、発電フィルム３０による発電量の増大を図ることができる。また、錘５１の重量が増大するものの、その厚みは抑制することができ、小型化・低背化にも寄与する。

次に、図４及び図５を参照しながら、本発明の圧電振動型発電機の実施例３について説明する。図４は、本実施例の圧電振動型発電機１６０において、前記実施例１の図１(C)に相当する側面図である。また、図５は、本実施例の圧電振動型発電機１６０において、前記実施例１の図２に相当する図である。本実施例の正面図は、図１(B)と実質的に同じである。図４に示すように、本実施例の圧電振動型発電機１６０においては、実装基板１１０には、支持柱兼用支持体１２０が固定されており、この支持柱兼用支持体１２０に板状の発電フィルム１３０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１３０の他端の裏面側には、錘１５０が接着などの方法で取り付けられている。

以上の各部のうち、実装基板１１０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。支持柱兼用支持体１２０は、支持柱１２２，１２４，１２６，１２８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１２２Ａ，１２４Ａ、１２６Ａ，１２８Ａによって前記実装基板１１０に固定されている。すなわち、支持柱１２２，１２４，１２６，１２８の下部ないし基端が、実装基板１１０に沿って、発電フィルム１３０の投影面に重なるように延出されており、これが脚１２２Ａ，１２４Ａ、１２６Ａ，１２８Ａとなっている。なお、実装基板１１０には脚１２２Ａ，１２４Ａ、１２６Ａ，１２８Ａ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、これらから発電電力が取り出されるようになっている。前記支持柱１２２，１２４，１２６，１２８には、スリット（図示せず）がそれぞれ形成されており、これに前記発電フィルム１３０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１６０は、図５に積層の様子を示すように、ベースフィルム１４２を中心に、一方の主面側に圧電素子１４０Ａ及び保護層１３２Ａがこの順に積層され、また、他方の主面側に圧電素子１４０Ｂ及び保護層１３２Ｂがこの順に積層されている。圧電素子１４０Ａ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１３６Ａの表裏に下部電極１３４Ａ，上部電極１３８Ａをそれぞれ形成した構成となっている。下部電極１３４Ａの表面には保護層１３２Ａが形成されており、上部電極１３８Ａ側はベースフィルム１４２となっている。同様に、圧電素子１４０Ｂは、圧電シート１３６Ｂの表裏に上部電極１３４Ｂ，下部電極１３８Ｂをそれぞれ形成した構成となっている。上部電極１３４Ｂの表面には保護層１３２Ｂが形成されており、下部電極１３８Ｂ側はベースフィルム１４２となっている。ベースフィルム１４２は、振動を圧電シート１３６Ａ，１３６Ｂの変形に変換するためのシム板として機能する。また、上述した支持柱１２２，１２４，１２６，１２８のスリット(図示せず)のカシメ部分で、一方の圧電素子１４０Ａの下部電極１３４Ａ，上部電極１３８Ａ、他方の圧電素子１４０Ｂの下部電極１３８Ｂ，上部電極１３４Ｂ，にそれぞれ電気的な接続が行われている。

実際の製造手順としては、ベースフィルム１４２の一方の主面上に、上部電極１３８Ａ，圧電シート１３６Ａ，下部電極１３４Ａ，保護層１３２Ａを順に積層するとともに、前記ベースフィルム１４２の他方の主面上に、下部電極１３８Ｂ，圧電シート１３６Ｂ，上部電極１３４Ｂ，保護層１３２Ｂを順に積層することで、発電フィルム１３０を得ている。一方の圧電素子１４０Ａの下部電極１３４Ａ，上部電極１３８Ａ，他方の圧電素子１４０Ｂの下部電極１３８Ｂ，上部電極１３４Ｂ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１３４ＡＴ，１３８ＡＴ、１３８ＢＴ，１３４ＢＴがそれぞれ形成されている。これらの引出部１３４ＡＴ，１３８ＡＴ、１３８ＢＴ，１３４ＢＴが、前記支持柱兼用支持体１２０の支持柱１２２，１２４，１２６，１２８に電気的に接続するように構成されている。

次に、以上のように構成された実施例３の圧電振動型発電機１６０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１５０に伝達される。上述したように、発電フィルム１３０は片持ち梁となっており、自由端に錘１５０が取り付けられている。このため、錘１５０は、前記実施例１の図１(B)の矢印ＦＡ方向と同様に振動する。すると、発電フィルム１３０の一方の圧電素子１４０Ａ及び他方の圧電素子１４０Ｂがそれぞれ前記ベースフィルムを中心に変形する。このとき、例えば一方の圧電素子１４０Ａに長さ方向に圧縮ひずみが発生したとき、他方の圧電素子１４０Ｂには長さ方向に引張ひずみが発生し、圧電効果によって逆位相の起電力が生ずる。生じた電気は、前記電極１３４Ａ，１３８Ａ，１３８Ｂ，１３４Ｂから支持柱１２２〜１２８を介して実装基板１１０側に取り出される。

本実施例の圧電振動型発電機１６０によれば、ベースフィルム１４２の両主面に圧電素子１４０Ａ，１４０Ｂがそれぞれ積層された構成を有するので、先の実施例１の圧電振動型発電機６０に比較して、２倍のエネルギーを得ることができる。

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と２層の場合を示したが、更に多層の積層構造の圧電素子としてもよい。
(2)前記実施例では、発電フィルムと支持柱や錘との接合をカシメにより行なったが、接着剤による接着など、公知の適宜の方法で行なってよい。
(3)前記実施例を組み合わせてもよい。例えば、実施例３に実施例２を適用し、錘１５０を、発電フィルム１３０の投影面に重なるように、すなわち、発電フィルム１３０の裏面ないし背面側に延設して、折り返し部を形成するようにしてよい。

本発明によれば、発電フィルムの一端を支持する支持柱の基端側を実装基板面に固定する脚を発電フィルムの投影面に重なる領域に延出形成したので、発電フィルムの長さ方向を犠牲にすることなく、発電量の増大を図ることができ、小型化・低面積化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)は斜視図，(B)は(A)の矢印ＦＢ方向から見た図，(C)は(A)の矢印ＦＣ方向から見た図である。前記実施例１の発電フィルムの積層構造を示す分解斜視図である。本発明の実施例２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である。本発明の実施例３を示す図である。前記実施例３の発電フィルムの積層構造を示す分解斜視図である。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：支持柱兼用支持体
２２，２４：支持柱
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：圧電素子
４２：ベースフィルム
５０，５１：錘
６０，７０：圧電振動型発電機
１１０：実装基板
１２０：支持柱兼用支持体
１２２，１２４，１２６，１２８：支持柱
１２２Ａ，１２４Ａ，１２６Ａ，１２８Ａ：脚
１３０：発電フィルム
１３２Ａ，１３２Ｂ：保護層
１３４Ａ，１３８Ｂ：下部電極
１３４ＡＴ，１３４ＢＴ，１３８ＡＴ，１３８ＢＴ：引出部
１３４Ｂ，１３８Ａ：上部電極
１３６Ａ，１３６Ｂ：圧電シート
１４０Ａ，１４０Ｂ：圧電素子
１４２：ベースフィルム
１５０：錘
１６０，９００：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支持体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、
前記支持体は、前記発電フィルムの一端を支持する支持柱と、この支持柱の基端側を実装基板面に固定する脚とを備えており、
前記脚を、前記発電フィルムの投影面に重なる領域に延出形成したことを特徴とする圧電振動型発電機。
前記支持体を、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。
前記支持体は、前記発電フィルムの長手方向よりも幅方向に大きく発電フィルムを固定することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の圧電振動型発電機。