JP2010051069A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い発電効率を得ることを目的としたものである。
【解決手段】筐体１内に、有機高分子７の中に均一な粒子径を有する圧電セラミック粉末８を重なることなく均一に分散させた構造の複合圧電体２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、複合圧電体２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。さらに、圧電セラミック粉末８の横方向の粒子間に有機高分子７が存在する構成であり、複合圧電体２は１−３型複合圧電体に近い構成となる。そのため垂直に働く力に対しては圧電セラミック粉末８と同程度の圧電定数を保持し、誘電率を低減することができるので出力電圧を高めることができる。
【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ものである。

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などの圧電セラミック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に示すように、携帯式電話機の筐体１０１内に、錘１０２付きの弾性体板１０３に圧電セラミック１０４を取付けた発電装置１０５を設け、携帯時や乗り物内で受ける外部振動によって圧電セラミック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１０６を介してコンデンサ１０７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ものがあった（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１７１３４１号公報

高い発電効率を得るためには、圧電セラミックに大きな変位を得る必要がある。しかし圧電セラミックは衝撃に弱いため、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を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。

前記従来の課題を解決するために、本発明は、筐体内に均一な粒子径を有する圧電セラミック粉末を有機高分子中に粉末が重ならないように分散させた複合圧電体を内蔵し、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るように構成され、ここで発生する電気エネルギーを蓄電手段に蓄電し、この電気エネルギーを利用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、複合圧電体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。

さらに、有機高分子の中に圧電セラミックの柱を平行に立てた構造にしているので、垂直に働く力に対しては圧電セラミックと同程度の圧電定数を保持し、誘電率を低減することができるので出力電圧を高めることができる。

また、可撓性を有するので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。

本発明の発電装置は、有機高分子の中に均一な粒子径を有する圧電セラミック粉末を重なることなく均一に分散させた構造の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、複合圧電体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。

さらに、本構成はセラミックの横方向の粒子間に有機高分子が存在する構成であり、複合圧電体は１−３型構造に近い構成となる。そのため垂直に働く力に対しては圧電セラミックと同程度の圧電定数を保持し、誘電率を低減することができるので出力電圧を高めることができる。

また、可撓性を有するので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、筐体内に均一な粒子径を有する圧電セラミック粉末を有機高分子中に粉末が重ならないように分散させた複合圧電体を内蔵し、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るように構成され、ここで発生する電気エネルギーを蓄電手段に蓄電し、この電気エネルギーを利用するようにしたものである。

したがって、耐衝撃性を向上することができるとともに、複合圧電体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２の発明は、特に、複合圧電体をドクターブレード法によって形成することで、容易に圧電セラミック粉末が重ならないように均一に分散形成することができる。このため、簡単に１−３型複合圧電体に近い構成を実現することができるので、発電効率を容易に高めることができる。

第３の発明は、特に、複合圧電体を加圧成形によって形成することで、容易に圧電セラミック粉末が重ならないように均一に分散形成することができる。このため、簡単に１−３型複合圧電体に近い構成を実現することができるので、発電効率を容易に高めることができる。

第４の発明は、特に、複数枚の複合圧電体を、分極を逆向にして接合して層状の複合圧電体に形成することによって、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き、発電効率を高めることができる。

第５の発明は、特に、複合圧電体は屈曲自在に支持する支持部材を有し、外力の印加による複合圧電体の変形量を支持部材が増幅させる構成にすることによって、複合圧電体の変形量を増加することができるため、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る。

第６の発明は、特に、圧電セラミック粉末として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７の発明は、特に、圧電セラミック粉末を周期表第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を用いることによって、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複合圧電体として使用できない場合もあり、アルカリ成分を含む複合圧電体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８の発明は、特に、圧電セラミック粉末を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種を含む化合物とすることにより、圧電セラミックス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。

第９の発明は、特に、複合圧電体の表面に撥水処理を施したことによって、水の浸透を抑制し、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。

さらに圧電セラミック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１０の発明は、特に、有機高分子を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種の材料とすることにより、圧電組成物感圧体中の圧電セラミック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。

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は本発明の実施の形態１を示し、筐体１の内部に複合圧電体２とその表面に可撓性を有する電極３を設け、前記複合圧電体２の一部あるいは全面に時間的に変化する圧力が印加されるようにして発電装置４を構成している。

複合圧電体２からの電気エネルギーの取り出しは、ブリッジ整流回路５を用い、二次電池もしくは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。

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２は、有機高分子７の中に均一な粒子径を有する圧電セラミック粉末８を重ならないように分散させたもので、すなわち、１−３型に近い構成にした。

複合圧電体２として、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など、種々のものを用いることができる。

本実施の形態において、複合圧電体２は、約１５０μｍの圧電セラミック粉末の粒子を有機高分子中に投入し、均一拡散させた後、ドクターブレード法により約１５０μｍの厚みになるよう複合圧電体の膜を形成した。

ドクターブレード法とは、ある材料の粉を均質で厚みの一定した板に加工する方法の一つであり、原料粉末と溶媒や樹脂などである程度の粘度を有するスラリーとし、ドクターブレードの受け口に流し込む。

ドクターブレードは金属の水平な刃をもっており、この刃が底についている時はスラリーは漏れない。刃の隙間を調整して、刃の底部にある樹脂シートを一定速度で滑らせると厚みの均一なスラリーのシートを作ることが出来る手法である。

本実施の形態において、ドクターブレードの隙間は１５０μｍとし、圧電セラミック粉末８が重ならないような構成が可能になり、複合圧電体２の厚みも１５０μｍで形成できた。

また、圧電セラミックス粉末８と有機高分子７を複合化したものを圧電セラミックス粉末８の粒子径と同様の厚みになるようギャップ調整し、加圧あるいは熱加圧することによってもドクターブレード法と同様に、圧電セラミック粉末８が重ならないような複合圧電体２を構成することができる。

本実施の形態において、圧電セラミック粉末８はチタン酸ジルコン酸鉛を使用し、有機高分子７は塩素化ポリエチレンを用いた。

次に、シート状の複合圧電体２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３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３間に直流高電圧を印加してポーリング処理を行い、シート状の複合圧電体１２を作製する。

複合圧電体２の圧電性は、前述したように電極３間に高圧の直流電圧を印加し、複合圧電体２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２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３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、蓄電手段６に蓄電している。

図２に複合圧電体２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。ここで、複合圧電体２を２ｃｍ×３ｃｍの形状にし、１５Ｈｚの振動を印加した。また、蓄電手段６は１００μＦの容量のコンデンサを使用した。

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２．９８Ｖ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３．６Ｖ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２に含まれる圧電セラミック粉末８として、チタン酸ジルコン酸鉛を使用したが、圧電セラミック粉末８の比誘電率は低ければ低いほど、複合圧電体２の出力電圧が高くなる。つまり、複合圧電体２の出力電圧（Ｖ）は、その電荷発生量（Ｑ）を静電容量（Ｃ）で割った値となる（Ｖ＝Ｑ／Ｃ）。

電荷発生量は圧電セラミックの圧電性能に依存し、静電容量は圧電セラミック粉末１６と有機高分子１７の比誘電率に依存する。

したがって、複合圧電体２の圧電セラミック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、両者の圧電セラミックの圧電定数が同じであれば、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ることになり、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。

圧電セラミックの比誘電率は低ければ低いほど出力電圧は高くなるが、圧電セラミック自身の圧電定数が低ければ意味はない。

その点から、有用な圧電セラミックは、周期表第１族、周期表第２族の元素を含む化合物は、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は鉛を含まないのでシート状の複合圧電体が廃棄処理され、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、本実施の形態において、有機高分子７としてとして、塩素化ポリエチレンを用いたが、圧電セラミック粉末８の含有量を多くすることができるので、シート状の複合圧電体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。

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、複合圧電体２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、圧電セラミック粉末８と有機高分子７との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、圧電セラミック粉末８と有機高分子７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。

さらに、撥水処理を施して撥水膜９を形成することで、複合圧電体２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２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、先の実施の形態１と異なるところは、２枚の複合圧電体２を分極を逆向にして接合した点である。

なお、図１のものと同じ作用をする部分には同一符号を付し、具体的な説明は実施の形態１のものを援用する。

本実施の形態において、各々の複合圧電体２は２ｃｍ×３ｃｍの形状のものを使用し、接合は熱圧着で行った。

本構成にすることによって、２つの複合圧電体２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２が伸長すれば他方の複合圧電体２は収縮し、かつ出力電圧の電極は同一方向となる直列発電構成となり、大きな出力を得ることができる。

図５に１５Ｈｚの振動を印加し、蓄電手段６として１００μＦの容量のコンデンサを使用した結果を示す。

図５に示すように約１分間で５．８Ｖの電圧を貯めることが可能となった。よって、１つの複合圧電体２を用いた場合に比べて約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、本実施例において複合圧電体２を２層で構成したが、２層以上の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。

さらに、本実施の形態において複合圧電体２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、先の実施の形態１と異なるところは、複合圧電体２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２の変形量を増大させている点である。

なお、図１のものと同じ作用をする部分には同一符号を付し、具体的な説明は実施の形態１のものを援用する。

本実施の形態において、支持部材１０は弾性材を用いた。本材料を用いることによって、より複合圧電体２が印加応力に対して変形量を増大させることができるとともに、印加応力が取り除かれた解きの戻りの変形も増大させることができる。

また、支持部材１０を設けることによって、複合圧電体２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、各々の複合圧電体２は２ｃｍ×３ｃｍの形状のものを使用し、支持部材１０は３ｃｍ×４ｃｍのものを使用した。

図７に１５Ｈｚの振動を印加し、蓄電手段６として１００μＦの容量のコンデンサを使
用した結果を示す。

図７に示すように、約１分間で８．７Ｖの電圧を貯めることが可能となった。支持部材９を用いなかった発電装置に比べて約３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、支持部材１０としては、バネ材、形状記憶金属、ステンレス、アルミなど複合圧電体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、複合圧電体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。さらに有機高分子の中に圧電セラミックの柱を平行に立てた構造にしているので、垂直に働く力に対しては圧電セラミックと同程度の圧電定数を保持し、誘電率を低減することができるので出力電圧を高めることができる。このため、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 本発明の実施の形態１における振動を印加した時間とコンデンサに蓄電された電圧の関係を示す関係図 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 本発明の実施の形態２における振動を印加した時間とコンデンサに蓄電された電圧の関係を示す関係図 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 本発明の実施の形態３における振動を印加した時間とコンデンサに蓄電された電圧の関係を示す関係図 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

１ 筐体
２ 複合圧電体
６ 蓄電手段
７ 有機高分子
８ 圧電セラミック粉末
９ 撥水膜
１０ 支持部材

Claims (10)

1. 筐体内に均一な粒子径を有する圧電セラミック粉末を有機高分子中に粉末が重ならないように分散させた複合圧電体を内蔵し、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るように構成され、ここで発生する電気エネルギーを蓄電手段に蓄電し、この電気エネルギーを利用することを特徴とする発電装置。
2. 複合圧電体はドクターブレード法によって圧電セラミック粉末が重なることなく均一に
   形成された請求項１記載の発電装置。
3. 複合圧電体は加圧成形することによって圧電セラミック粉末が重なることなく均一に形成された請求項１記載の発電装置。
4. 複数枚の複合圧電体を、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。
5. 複合圧電体は屈曲自在に支持する支持部材を有し、外力を印加されること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１〜４記載のいずれか１項記載の発電装置。
6. 圧電セラミック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１〜５のいずれか１項記載の発電装置。
7. 圧電セラミック粉末は、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請求項１〜５のいずれか１項に記載の発電装置。
8. 圧電セラミック粉末は、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請求項７記載の発電装置。
9. 複合圧電体の表面に撥水処理を施した請求項１〜５のいずれか１項記載の発電装置。
10. 有機高分子は、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種を含む請求項１記載の発電装置。