JP2009268262A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い発電効率を得ることを目的とする。
【解決手段】筐体４内に圧電セラミックス粉末７と有機高分子８を複合化した可撓性を有する複合圧電体３を内蔵して、外部振動によって筐体４内部の複合圧電体３が機械的応力を受けるように構成し、ここで発生する電気エネルギーを二次電池やコンデンサ等の蓄電手段６に蓄電し、この電気エネルギーを利用することによって、耐衝撃性を向上することができるとともに、圧電素子の変形量を増加させることができるので高い発電効率を得ることができる。また、パソコンや携帯電話、ゲーム機のコントローラーなどに応用した場合にはキータッチの感覚が自然な発電装置を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合圧電体を用いて構成される発電装置に関する。

近年、外力を受けて屈曲することで発電するバイモルフ型等の圧電セラミックス等を用いた発電装置の用途開発が盛んに行われている。

例えば、図８に示した携帯式電話機の筐体１０１の内部に弾性体板１０２と錘１０３を取り付けた圧電セラミックス１０４を設け、携帯時や乗り物内で受ける外部振動によってこの圧電セラミックス１０４が機械的応力を受け、ここで発生する電気エネルギーをダイオード回路１０５を介してコンデンサ１０６に蓄電し、この蓄電された電気エネルギーを電源電池の補助エネルギーとして利用するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１７１３４１号公報

しかしながら、高い発電効率を得るためには、圧電セラミックス１０４に大きな変位を得る必要がある。

ところが、この圧電セラミックス１０４は衝撃に弱いため、大きな変位や衝撃を印加すると、破損してしまう恐れがあり、また小さな変位や弱い衝撃では大きな電圧を発生することができないことから、高い発電効率を得ることは困難であった。

また、パソコンや携帯電話、ゲーム機のコントローラーなどに発電装置を使用した場合には、キーやスイッチが多回数押されるために、この押圧力を利用したコンパクトな発電装置を実現することができる。

このように人がキーを叩くことによって発電させる際には、衝撃に強いこと、キータッチの感覚が自然であることなども考慮する必要がある。

本発明はこのような課題を解決するもので、高い効率を発揮する発電装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、圧電セラミックス粉末と有機高分子材料とを複合化した可撓性を有する複合圧電体を筐体内に内蔵して、外部振動によって前記筐体内部の複合圧電体が機械的応力を受け、電気エネルギーを発生するように構成し、発生した電気エネルギーを蓄電手段に蓄積するようにしたものである。

これによって、従来の発電装置に比べて耐衝撃性を向上することができるとともに、圧電素子の変形量を増加させることができるので高い発電効率が得られ、加えてパソコンや携帯電話、ゲーム機のコントローラーなどに応用した場合にはキータッチの感覚が自然な発電装置を実現できるものである。

本発明の発電装置は、圧電セラミックス粉末と有機高分子材料を複合化した可撓性を有する複合圧電体を用いることによって、耐衝撃性を向上することができるとともに、圧電
素子の変形量を増加させることができるので高い発電効率を得ることができる。また、パソコンや携帯電話、ゲーム機のコントローラーなどに応用した場合にはキータッチの感覚が自然な発電装置を実現することができる。

第１の発明は、圧電セラミックス粉末と有機高分子材料とを複合化した可撓性を有する複合圧電体を筐体内に内蔵して、外部振動によって前記筐体内部の複合圧電体が機械的応力を受け、電気エネルギーを発生するように構成し、発生した電気エネルギーを蓄電手段に蓄積するようにした。

したがって、耐衝撃性を向上することができるとともに、圧電素子の変形量を増加させることができるので高い発電効率を得ることができる。また、パソコンや携帯電話、ゲーム機のコントローラーなどに応用した場合にはキータッチの感覚が自然な発電装置を実現できることとなる。

第２の発明は、前記第１の発明において、分極を逆向にして接合して層状の複合圧電体に形成した。

２つの複合圧電体は、接合面を中心（伸縮しない部位）にたわみ振動が行われる。この場合、一方の側の複合圧電体が伸長すれば他方の複合圧電体は収縮し、かつ出力電圧の電極は同一方向となり、両複合圧電体は直列に接続された発電構成となるため、1つの複合圧電体を用いた場合に比べて大きな出力を得ることがで、発電効率を高めることができる。

第３の発明は、前記第１の発明において、支持部材を介して複合圧電体を屈曲自在に支持し、外力印加によって前記支持部材が前記複合圧電体の変形を増幅させるようにしたことによって、複合圧電体の変形量を増加することができ、結果的に大きな出力を得ることができる。

第４の発明は、前記第１の発明において、圧電セラミックス粉末はチタン酸ジルコン鉛を用いることによって、複合圧電体としての圧電性能を向上し、発電効率を向上することができる。

圧電セラミックは、機械的エネルギーと電気的エネルギーとの間の変換素子用として知られており、圧電効果を示す物質は無機・有機ともに多くの材料が知られているが、現在実用レベルで圧電性能が優れた材料としては、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体であるチタン酸ジルコン酸鉛が上げられる。

第５の発明は、前記第１の発明において、圧電セラミックス粉末は、周期表第Ｉ族の元素、周期表II属の元素の少なくとも１種を含むペロブスカイト構造を有する化合物とした。

本来、周期表第Ｉ族の元素、周期表II属の元素のアルカリ金属やアルカリ土類金属は、水により溶出しやすいが、圧電セラミックス粉末に含有するこれらアルカリ成分の溶出を抑制することができるため、電気抵抗の大幅な低下を抑制することができる。

特に、アルカリ成分を含む圧電セラミックは固有抵抗が低く、さらに電気抵抗値が低くなると圧電素子として使用できない場合もあり、アルカリ成分を含む圧電素子の電気抵抗の低下を防止することは高い実用性を有する。

第６の発明は、前記第５の発明において、圧電セラミックス粉末は、主成分がチタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムの少なくとも１種を含む化合物である圧電組成物感圧体を用いた。

これによって、圧電素子が廃棄処理され酸性雨などの環境に曝されても鉛の溶出がなく、環境を汚染することがない。

また、圧電セラミックス粉末に撥水材料の被覆層を設け、圧電セラミックス粉末成分の溶出を防止しているので鉛以外の金属の溶出も抑制され、安全性を一層向上させることができる。

第７の発明は、前記第１、４、５、６のいずれか一つの発明において、圧電セラミックス粉末の表面に撥水処理を施した。

したがって、圧電組成物感圧体への水の浸透を抑制することができるので初期の電気的特性、圧電特性、機械的引っ張り強度の変化を防止することができ、優れた耐久性、信頼性を実現することができる。

また、圧電セラミックス粉末と有機高分子との混練性（混合・分散）や密着性を向上させることができるので混練加工時間の短縮化、圧電特性の向上、圧電特性の安定化、可撓性の向上を実現することができる。

第８の発明は、前記第１の発明において、有機高分子材料は、塩素化ポリエチレン、クロルスルホン化ポリエチレンの少なくとも１種を含むことを特徴とする。

これにより、圧電組成物感圧体中の圧電セラミックス粉末の含有量を多くすることができるので、複合圧電体の圧電特性を向上させることができる。

第９の発明は、前記第１、４、５、６、７のいずれか一つの発明において、圧電セラミックス粉末の比誘電率を１０００以下とした。

したがって、複合圧電体に圧電性を発現させるために直流高電圧を印加してポーリング処理した場合、圧電セラミックス粉末に印加される電圧の割合を大きくすることができるので圧電素子の電圧出力定数を高くすることができ、複合圧電体の感度を高くすることができる。

第１０の発明は、前記第１〜９いずれか一つの発明の発電装置を携帯電話やゲーム機、パソコン等の携帯型電子機器に搭載したものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１において、発電装置１は、表面に可撓性の電極２を設けた複合圧電体３を筐体４に内設して、前記複合圧電体３の一部あるいは全面に時間的に変化する圧力を印加するようにして構成されている。

複合圧電体３で発生した電気エネルギーは、ブリッジ整流回路５を介して二次電池もしくはコンデンサなどの蓄電手段６に蓄積されるようにしてある。

ブリッジ整流回路５を用いたのは、負荷や蓄電池等に逆の極性の電圧が印加されることを防止することができるためである。

前記複合圧電体３は、圧電セラミックス粉末７と有機高分子材料８を複合化して構成した。ここで、複合圧電体３としては、ユニモルフ型の構造のものを示しているが、これに限定されるものではなく、モノモルフ素子、バイモルフ素子、積層型バイモルフ素子等、種々のものを用いることができる。

圧電セラミックス粉末７はチタン酸ジルコン酸鉛を使用し、有機高分子材料８は塩素化ポリエチレンを用いた。

複合圧電体３は圧電セラミックス粉末７と有機高分子材料８が均一に混合・分散された状態となるように混練を行なった後、ロールまたはホットプレスなどの加工機を用いて加工し、シート状に作製される。

次に、シート状の複合圧電体３の両面に導電性粉末と有機高分子が混合された導電性ペーストまたは導電塗料の塗布、導電性粉末をゴムや熱可塑性エラストマーなどの可撓性を有する有機高分子材料に混合・分散させた導電シートの融着、導電性材料の蒸着のいずれかの材料と形成方法によって電極２を形成した。

その後、圧電性を発現させるために空気中またはシリコンオイル浴中で電極２間に直流高電圧を印加してポーリング処理をおこなった。

複合圧電体３の圧電性は、前述したように電極２間に高圧の直流電圧を印加し、複合圧電体３をポーリング処理することにより発現する。

圧電性を発現させたシート状の複合圧電体３の一部あるいは全面に時間的に変化する圧力（振動）が印加されたとき、電極２間にはその部分に生じる加速度に応じた電荷が誘起され、ブリッジ整流回路５によって電気エネルギーを取り出し、コンデンサなどの蓄電手段６に蓄電するようにしている。

図２は、複合圧電体３に振動を印加した時間と蓄電手段６に蓄電された電圧の関係を示すものである。

本実施の形態では複合圧電体３を２ｃｍ×３ｃｍの形状にし、１５Ｈｚの振動を印加し、蓄電手段６は１００μＦの容量のものを使用した。

図２に示すように、蓄電手段６に貯められた電圧は振動の印加時間に伴って増加し、約１分間で２Ｖの電圧を貯めることが可能となった。

また、周波数が低くなるほど蓄電される電圧のスピードや蓄電量は低くなる傾向にあるが、例えば５Ｈｚの振動を印加した場合では約５分間で蓄電手段６に２Ｖの電圧を蓄電することが可能となった。

さらに、複合圧電体３に含まれる圧電セラミックス粉末７として、チタン酸ジルコン酸鉛を使用したが、圧電セラミックス粉末７の比誘電率は低ければ低いほど複合圧電体３の分極効率が向上することとなる。

つまり、本実施の形態の複合圧電体３は、圧電セラミックス粉末７と可撓性を有する有機高分子材料８の複合体からなり、圧電セラミックス粉末７の比誘電率（材料の誘電率／
真空の誘電率）が数百から数千であるのに対し、可撓性を有する有機高分子材料８の比誘電率は数十である。

ポーリング処理の際に印加された直流電圧は、圧電セラミックス粉末７と可撓性を有する有機高分子材料８の誘電率の比に反比例して分配されるので、直流電圧は誘電率の低い可撓性を有する有機高分子材料８に高い電圧が印加されることになる。

換言すれば、可撓性を有する有機高分子材料８として同じものを用いた場合、圧電セラミックス粉末７の誘電率が高いほど可撓性を有する有機高分子材料８に高い電圧が印加されることになる。

したがって、複合圧電体３の圧電セラミックス粉末７として比誘電率が約２０００のチタン酸ジルコン酸鉛と、比誘電率が約６００のチタン酸ビスマス・ナトリウムを用いた場合、両者の複合圧電体３に一定の直流電圧を印加すると、比誘電率の低いチタン酸ビスマス・ナトリウムの方がチタン酸ジルコン酸鉛よりも高い電圧が印加され、ポーリングの効率を高くすることができるので電圧出力定数が大きくなる。

その結果、シート状の圧電素子を感圧センサとして用いた場合には、印加される応力に対するセンサの出力電圧を高くすることができるので発電効率を向上させることができることとなる。

圧電セラミックス粉末７の比誘電率は低ければ低いほど良いが、１０００以下であればチタン酸ジルコン酸鉛の圧電セラミックス粉末を用いる場合よりも３倍以上の優れた電圧出力定数が得られる。

その点から、周期表第１族、周期表第２族の元素を含む圧電セラミックス粉末１６の化合物は、バリウム、ナトリウム、カリウム、ビスマス、リチウムの少なくとも１種を含むもの、具体的にはニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマスの少なくとも１種を含むものが挙げられる。

これらの圧電セラミックス粉末７は鉛を含まないのでシート状の圧電素子が廃棄処理され、酸性雨などの環境に曝されても鉛の溶出がなく、環境汚染の可能性がない。

また、有機高分子材料８としてとして塩素化ポリエチレンを用いたが、圧電セラミックス粉末７の含有量を多くすることができるのでシート状の圧電素子の圧電特性を向上させることができるため好ましい。また同様にクロルスルホン化ポリエチレンを用いても同様の効果を得ることができる。

さらに、発電効率を向上させるとともに、湿度特性を低減できる手段として図３に示すように、圧電セラミックス粉末７の表面に圧電体の表面に撥水処理を施し撥水膜９を形成することによって、圧電セラミックス粉末７と有機高分子材料８との混練性（混合・分散）や密着性を向上させることができる。

そのため、印加応力を圧電セラミックス粉末７に効率良く伝達することができるため、発電効率を向上することができるとともに、圧電セラミックス粉末７と有機高分子材料８との混練加工時間の短縮化、可撓性の向上を実現することができる。

加えて、撥水処理を施し撥水膜９を形成することで、複合圧電体３への水の浸透を抑制することができるため、発電効率に影響を及ぼす圧電特性、静電容量や抵抗値などの電気
特性や複合圧電体３の機械的引っ張り強度の変化を防止することができ、優れた耐久性、信頼性を実現することができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２を示し、実施の形態１と異なるところは、２枚の複合圧電体３を分極を逆向にして接合して２層の複合圧電体３に形成している点である。

なお、図１と同機能をもつ構成部分には同一符号を付し、具体的説明は実施の形態１のものを援用する。

各々の複合圧電体３は２ｃｍ×３ｃｍの形状のものを使用し、各々の接合は熱圧着で行った。矢印は分極方向を示す。

本構成にすることによって、２つの複合圧電体３は、接合面を中心（伸縮しない部位）にたわみ振動が行われる。

すなわち、一方の側の複合圧電体３が伸長すれば他方の複合圧電体３は収縮し、かつ出力電圧の電極は同一方向となり、直列に接続された発電構成を呈し、実施の形態１に比し大きな出力を得ることができた。

図５に１５Ｈｚの振動を印加し、蓄電手段６は１００μＦの容量のものを使用した結果を示す。

図５に示すように実施の形態1に比べて約２倍程度の大きな出力を得ることができ、発電効率を高めることができた。

なお、本実施の形態において複合圧電体３を２層で構成したが、２層以上で構成するとより一層発電効率を高めることが可能となる。

また、複合圧電体３の接合は熱圧着で行ったがそれに限るものではない。例えば、導電性の接着剤や部材などで固定することで接合しても同様の効果が得られる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３を示し、実施の形態１と異なるところは、複合圧電体３の下部に支持部材１０を設け、印加応力に対する複合圧電体３の変形量を増大させている点である。

なお、図１と同機能をもつ構成部分には同一符号を付し、具体的説明は実施の形態１のものを援用する。

さらに詳述すれば、支持部材１０はバネ材を用いて、複合圧電体３の印加応力に対しての変形量を増大させるようにしている。勿論、このことは、印加応力が取り除かれた際の戻りの変形も増大することを意味する。

併せて、支持部材１０を設けることによって、複合圧電体３のクリープ特性や耐荷重の低減にも効果があるため、発電装置自身の信頼性向上にも効果がある。

本実施の形態において、複合圧電体３は２ｃｍ×３ｃｍの形状のものを使用し、支持部材１０は３ｃｍ×４ｃｍのバネ材を使用した。

図７に１５Ｈｚの振動を印加し、蓄電手段６は１００μＦの容量のものを使用した結果を示す。

図７に示すように、実施の形態１の発電装置に比べて約３．５倍程度の大きな出力を得ることができ、発電効率を高めることができた。

なお、本実施例において支持部材１０してバネ材を使用したが、形状記憶金属やステンレス、アルミなど複合圧電体３を支持できるものであればそれに限るものではない。

以上のように、本発明にかかる発電装置は、従来の発電装置に比べて耐衝撃性を向上することができるとともに、圧電素子の変形量を増加させることができるので高い発電効率を得ることができるため、携帯電話やゲーム機、パソコン等の携帯型電子機器など幅広い用途に適用可能である。また、このような用途に限定されず自然の力または人的な設備や家電製品、機械設備により振動が発生する場所の発電装置としても適用することができる。

本発明の実施の形態１における発電装置の概略構造を表す断面図 同発電装置における振動を印加した時間と蓄電手段に蓄電された電圧の関係を示す関係を示す説明図 本発明の実施の形態１における別の発電装置の概略構造を表す断面図 本発明の実施の形態２における発電装置の概略構造を表す断面図 同発電装置における振動を印加した時間と蓄電手段に蓄電された電圧の関係を示す説明図 本発明の実施の形態３における発電装置の概略構造を表す断面図 同発電装置における振動を印加した時間と蓄電手段に蓄電された電圧の関係を示す説明図 従来の発電装置の概略構造を表す概観斜視図

符号の説明

３ 複合圧電体
４ 筐体
６ 蓄電手段
７ 圧電セラミックス粉末
８ 有機高分子材料
９ 撥水膜
１０ 支持部材

Claims (10)

1. 圧電セラミックス粉末と有機高分子材料とを複合化した可撓性を有する複合圧電体を筐体内に内蔵して、外部振動によって前記筐体内部の複合圧電体が機械的応力を受け、電気エネルギーを発生するように構成し、発生した電気エネルギーを蓄電手段に蓄積するようにしたことを特徴とする発電装置。
2. 分極を逆向にして接合して層状の複合圧電体に形成したことを特徴とする請求項１記載の発電装置。
3. 支持部材を介して複合圧電体を屈曲自在に支持し、外力印加によって前記支持部材が前記複合圧電体の変形を増幅させることを特徴とする請求項１または２記載の発電装置。
4. 圧電セラミックス粉末はチタン酸ジルコン鉛を用いることを特徴とした請求項１記載の発電装置。
5. 圧電セラミックス粉末は、周期表第Ｉ族の元素、周期表II属の元素の少なくとも１種を含むペロブスカイト構造を有する化合物である圧電組成物感圧体を用いた請求項１記載の発電装置。
6. 圧電セラミックス粉末は、主成分がチタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムの少なくとも１種を含む化合物である圧電組成物感圧体を用いた請求項５記載の発電装置。
7. 圧電セラミックス粉末の表面に撥水処理を施した請求項１、４、５、６のいずれか１項記載の発電装置。
8. 有機高分子材料は、塩素化ポリエチレン、クロルスルホン化ポリエチレンの少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１記載の発電装置。
9. 圧電セラミックス粉末の比誘電率が１０００以下である請求項１、４、５、６、７のいずれか１項記載の発電装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項記載の発電装置を内蔵した携帯電子機器。