JP2010104105A - 圧電発電素子及びこれを用いた圧電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】付加圧力を高効率で電力に変換することができる圧電発電素子及びこれを用いた圧電発電装置を提供すること。
【解決手段】
圧電発電素子１００は、平面方向に分極処理を施した圧電板１０と、この圧電板１０に接合した滑りプレートと、この滑りプレートに接合された圧電板１０に厚み滑り変形を与える移動手段とを有する。滑りプレートは、圧電板１０の表裏に接合した一対の滑りプレート２０、３０であり、移動手段は、一対の滑りプレート２０、３０に圧電板１０の分極処理方向への相対移動を与え、圧電板１０に厚み滑り変形を与える。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電発電素子及びこれを用いた圧電発電装置に関する。

近年、機械的な付加圧力を電力に変換する圧電発電を利用した圧電発電装置が開発されている。従来の圧電発電装置は、弾性板の両面（又は片面）に厚み方向（表裏方向）に分極処理を施した圧電板を接合してなるユニモルフ型（又はバイモルフ型）の圧電発電素子と、圧電板の表裏面に発生する起電力を電荷として蓄積する蓄電部とを有している。圧電発電素子に付加圧力が加えられて圧電板が変位すると、圧電板の表裏面に起電力が発生し、この起電力が電荷として蓄電部に蓄積される。

この種の圧電発電装置の応用例として、圧電発電装置を靴の内部に設けて、人間の歩行時に加えられる加圧力、つまり着地時に人間の足裏から地面に掛かる荷重を利用して発電するものが知られている（特許文献１）。また、発電とは異なるが、ガス器具等の着火の原理も同様であり、圧電素子に強い衝撃を与えることにより高電圧を発生させている。
特開２００４−９６９８０号公報

しかしながら、上記従来の圧電発電装置にあっては、圧電発電素子が平板である弾性板と圧電板を単純に重ね合わせただけの構成であるため、付加圧力が垂直方向（圧電板の厚み方向と平行をなす方向、圧電板の表裏面の伸縮方向）にしか伝達されず、圧電板はその方向にしか変位できなかった（圧電発電素子のｄ３１を利用）。従って、電気機械結合係数が低く、付加圧力を効率的に電力に変換できていない。

また、上記衝撃による着火装置にあっては、高電圧が発生するので電気機械結合係数は高いが（圧電素子のｄ３３を利用）、極めて短時間の電圧発生なので電力の取出しが難しく電力変換効率は高くない。更に、大きな衝撃力に耐えられるよう圧電素子の保護材が必要になり、この保護材が圧電素子の変形を妨げることから発電効率を低下させている。

そして、圧電発電装置は元々、付加圧力をさほど大きくできず、圧電板の変位量も微小であるため、発電効率が低い。従って、小さい付加圧力（圧電板の微小な変位）から如何にして大きな電力を取出すかという問題は、圧電発電技術一般に共通する課題である。

本発明は、以上の問題意識に基づいてなされたものであり、付加圧力を高効率で電力に変換することができる圧電発電素子及びこれを用いた圧電発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、圧電板を平面方向（圧電板の厚み方向と直交する方向、圧電板の両端面を引き延ばす方向）に分極処理することにより付加圧力の伝達方向（垂直方向）との関係で厚み滑り効果を生じさせるとともに、圧電板に滑りプレートを接合し、この滑りプレートに接合された圧電板に厚み滑り変形を与えることにより、圧電板に対して平面方向のせん断力（平面方向の変位）を与えて、圧電発電素子への付加圧力を拡大するという着眼に基づいてなされたものである。

即ち、本発明の圧電発電素子は、平面方向に分極処理を施した圧電板と、上記圧電板に接合した滑りプレートと、上記滑りプレートに接合された上記圧電板に厚み滑り変形を与える移動手段とを有することを特徴とする圧電発電素子であって、上記滑りプレートは、上記圧電板の表裏に接合した一対の滑りプレートであり、上記移動手段は、上記一対の滑りプレートに上記圧電板の分極処理方向への相対移動を与え、上記圧電板に厚み滑り変形を与えるものである。

上記移動手段は、上記一対の滑りプレートに上記圧電板の分極処理方向に離間させて形成した一対の着力部と、この一対の着力部上に跨らせて固定した加圧板とからなることが好ましい。

本発明の圧電発電装置は、上述した圧電発電素子と、上記圧電発電素子の圧電板の表裏面に発生する起電力を電力として蓄積する蓄電部とを有する。

本発明によれば、圧電板の分極処理方向が平面方向であり付加圧力の方向が垂直方向であるので、これらに厚み滑り効果を生じさせることができる。また、圧電板に滑りプレートを接合し、移動手段によってこの滑りプレートに接合された圧電板に厚み滑り方向への変形を与えることにより、圧電板に平面方向のせん断力を与えることができる。その結果、圧電発電素子への付加圧力を拡大することができ、電力変換効率を飛躍的に向上させることができる。

図１及び図２は、本発明の一実施の形態に係る圧電発電素子１００の構成を示す図である。圧電発電素子１００は、圧電板１０と、一対の滑りプレート２０、３０と、加圧板（踏圧板）４０とを備えている。

圧電板１０は、圧電材料からなる平板であり、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の酸化金属材料、あるいはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ：ＰｏｌｙＶｉｎｙｌｉｄｉｎｅ ＤｉＦｌｕｏｒｉｄｅ）や三フッ化エチレン（ＴｒＦＥ：ＴｒｉＦｌｕｏｒｏＥｔｈｙｌｅｎｅ）等の高分子材料からなる。

圧電板１０は、平面方向（厚み方向と直交する方向）に分極処理が施されており、平面右方向から平面左方向に向かって自発分極の向きが揃えられている（図２）。尚、圧電板１０の分極処理方向は平面方向に沿っていればよく、例えば、平面左方向から平面右方向に自発分極の向きが揃えられていてもよい。

滑りプレートとしての一対の滑りプレート２０、３０は、可撓性を有する弾性材料からなり、圧電板１０の表裏に接合されている。具体的には、滑りプレート２０は、底面部２１と、底面部２１の一端から起立した側壁部２２からなるＬ字断面形状を有し、滑りプレート３０も、底面部３１と、底面部３１の一端から起立した側壁部３２からなるＬ字断面形状を有する。滑りプレート２０の底面部２１の上面と圧電板１０の裏面が、滑りプレート３０の底面部３１の下面と圧電板１０の表面がそれぞれ接合されている。

滑りプレート２０の底面部２１の幅Ｗは滑りプレート３０の底面部３１の幅ｗよりも大きくなっており、滑りプレート２０と滑りプレート３０を重ねた状態において、滑りプレート２０の側壁部２２と滑りプレート３０の底面部３１が非接触（滑りプレート２０と滑りプレート３０が非接触）になるように調整されている。

また、滑りプレート２０の側壁部２２の上面には着力部２３が形成され、滑りプレート３０の側壁部３２の上面には着力部３３が形成されている。滑りプレート２０の側壁部２２の高さＨは滑りプレート３０の側壁部３２の高さｈよりも大きくなっており、滑りプレート２０と滑りプレート３０を重ねた状態において、滑りプレート２０の着力部２３と滑りプレート３０の着力部３３の垂直上下方向に関する位置が同じになるように調整されている。即ち、滑りプレート２０の着力部２３と滑りプレート３０の着力部３３は、圧電板１０の分極処理方向に離間させて形成した一対の着力部をなしている。

加圧板４０は、ステンレス又は４２アロイ等の材料からなる平板であり、滑りプレート２０の着力部２３と滑りプレート３０の着力部３３の上に跨らせて固定されている。加圧板４０はある程度の可撓性を有しており、加圧板４０に垂直上方向から垂直下方向に向けた機械的圧力が加えられると、加圧板４０は下方に形成された空間Ａに撓む（変位する）ことができる。尚、加圧板４０の材料としては、圧電板１０に近い熱膨張係数を有する種々の材料（例えば、鉄ニッケル合金）を用いることができる。

このように構成された圧電発電素子１００を圧電発電装置に用いる場合、圧電板１０の表裏面に一対の電極（図示せず）を設け、この電極間をリード線で接続し、このリード線に蓄電部（図示せず）を介在させる。従って、圧電板１０の表裏面に起電力が発生すると電極を介してリード線に電流が流れ、この電流が蓄電部に電荷として蓄積される。即ち、圧電発電素子１００の圧電板１０の表裏面に発生する起電力を電力として蓄積することができる。

ここで、滑りプレート２０の着力部２３及び滑りプレート３０の着力部３３（一対の着力部）と、これら着力部２３、３３の上に跨らせて固定した加圧板４０は、滑りプレート２０、３０に接合された圧電板１０に厚み滑り変形を与える移動手段として機能する。この移動手段は、具体的には、一対の滑りプレート２０、３０に圧電板１０の分極処理方向への相対移動を与え、圧電板１０に厚み滑り変形を与える。これにより、圧電板１０は、垂直上下方向の付加圧力から平面左右方向のせん断力を得ることができ、圧電発電素子１００は、付加圧力からの電力変換効率を高めることができる。

以下、圧電発電素子１００の上記動作について、図３を参照して説明する。図３では、圧電発電素子１００を靴の内部（例えば、つま先部分、かかと部分）に設けて、人間の歩行時に加えられる踏圧力を電力に変換する場合を例示して説明する。

人間の歩行時には、着地する度に（周期的に）人間の足裏から地面に荷重がかかり、この荷重は踏圧力として圧電発電素子１００の加圧板４０に伝達される。この踏圧力は垂直上方向から垂直下方向への機械的圧力であり、踏圧力を受けた加圧板４０の中央部は、下方に形成された空間Ａに僅かに撓む（変位する）。

このとき、加圧板４０の両端部は着力部２３、３３に固定されているので、加圧板４０の一端（図３中の左端）が着力部２３を平面右方向に引っ張る力を与え、加圧板４０の他端（図３中の右端）が着力部３３を平面左方向に引っ張る力を与える。その結果、滑りプレート２０が平面右方向に引っ張られ、滑りプレート３０が平面左方向に引っ張られるので、滑りプレート２０、３０には平面左右方向への相対移動が与えられる。

その瞬間、滑りプレート２０、３０の間に接合された圧電板１０は、滑りプレート２０による平面右方向への引っ張り力と、滑りプレート３０による平面左方向への引っ張り力を同時に受ける。この力は「せん断力」と別言することができ、圧電板１０の内部で滑りやズレを生じさせる力、圧電板１０の上下面をそれぞれ平面左右逆方向に滑らせる力となって（圧電発電素子１０のｄ１５を利用）、圧電板１０に厚み滑り変形を与えることとなる。

このように、圧電発電素子１００は、圧電板１０に接合した滑りプレート（一対の滑りプレート２０、３０）と、この滑りプレートに圧電板１０の表面と裏面を分極処理方向に滑らせる変形を与える移動手段とを有するので、加圧力をそのまま圧電板１０に掛ける付加圧力として利用するのではなく、一対の滑りプレート２０、３０と上記移動手段からなる力の拡大機構により加圧力を拡大したものを、圧電板１０に掛ける付加圧力として利用している。しかも、拡大された付加圧力は圧電板１０の上下面をそれぞれ平面左右逆方向に引き延ばすせん断力により発生する厚み滑り変形なのでｄ１５を利用していることから、圧電板１０に生じる起電力が大きくなり、より高い電力変換効率が得られる。

また、上記移動手段は、一対の滑りプレート２０、３０に圧電板１０の分極処理方向に離間させて形成した一対の着力部２３、３３と、この一対の着力部２３、３３上に跨らせて固定した加圧板４０とから構成したので、安価で少ない部材、且つ簡単な構造で圧電板１０にせん断力を与えることができる。

尚、本実施の形態では、圧電板１０が単一の圧電発電素子（単層型圧電発電素子）である場合を例示して説明したが、複数の圧電板を積層した積層型圧電発電素子とすることも可能である。

尚、本実施の形態では、Ｌ字断面形状を有する一対の滑りプレート２０、３０の間に圧電板１０を接合したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図４に示すように、一対の滑りプレート２０、３０を一体化させ、コの字断面形状を有する滑りプレート５０とし、この滑りプレート５０の上面に圧電板１０をプレート５０の両端に隙間６１が生じるように接合する。さらに側壁部５２側のプレート５０の側壁面５２との境界部の辺に渡って必要に応じて切り欠き６２を設けてこの部分の剛性を弱くして曲がりやすくすることができる。一方で、側壁部５２と接し、かつ、側壁部５１に接しないように圧電板１０の上面に４２アロイのようなＦｅ−Ｎｉ合金等からなるプレート６０を密着、接合する。この構成においても、加圧板４０の中央部に機械的圧力が加えられると、滑りプレート５０には側壁部５１、５２が互いに接近するような力が加えられ、結果として、上下のプレート５０、６０が圧電板１０の平面逆方向にせん断力を加える。これにより圧電板１０は厚み滑り変形を生ずる。

（Ａ）本発明の一実施の形態に係る圧電発電素子の構成を示す分解斜視図である。（Ｂ）本発明の一実施の形態に係る圧電発電素子の構成を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る圧電発電素子の構成を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る圧電発電素子の発電原理を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る圧電発電素子の構成の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１００ 圧電発電素子
１０ 圧電板
２０、３０ 一対の滑りプレート
２１、３１ 底面部
２２、３２ 側壁部
２３、３３ 着力部
４０ 加圧部
５０、６０ 一対の滑りプレート

Claims (3)

1. 平面方向に分極処理を施した圧電板と、
   上記圧電板に接合した滑りプレートと、
   上記滑りプレートに接合された上記圧電板に厚み滑り変形を与える移動手段と、
   を有することを特徴とする圧電発電素子であって、
   上記滑りプレートは、上記圧電板の表裏に接合した一対の滑りプレートであり、上記移動手段は、上記一対の滑りプレートに上記圧電板の分極処理方向への相対移動を与え、上記圧電板に厚み滑り変形を与える圧電発電素子。
2. 請求項１記載の圧電発電素子において、
   上記移動手段は、上記一対の滑りプレートに上記圧電板の分極処理方向に離間させて形成した一対の着力部と、この一対の着力部上に跨らせて固定した加圧板とからなる圧電発電素子。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の圧電発電素子と、
   上記圧電発電素子の圧電板の表裏面に発生する起電力を電力として蓄積する蓄電部と、
   を有する圧電発電装置。

Images