JP2011233563A - 圧電発電装置及び防振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地震による振動やエンジン振動等の比較的変位量の小さな圧縮方向の運動から効率的に電力を得ることができる圧電発電装置、ひいては、このような圧電装置を含む防振装置を提供する。
【解決手段】圧電発電装置１は、並列に並べられた２枚のシート状電極３、及び２枚のシート状電極３の間に配された誘電体４を有する、少なくとも一つの圧電素子２を具え、圧電素子２の厚み方向外側面の少なくとも片面の全体に、圧電素子２よりも弾性率の低い、非圧縮性の弾性材料５を接着させる。また、防振装置は、圧電発電装置１を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電発電装置及び、それを用いた防振装置、詳細には、並列に並べられた２枚のシート状電極、及び該２枚のシート状電極の間に配された誘電体を有する、少なくとも一つの圧電素子を具えた圧電発電装置、なかでも、地震による振動やエンジン振動等の比較的変位量の小さな圧縮方向の運動から効率的に電力を得ることができる圧電発電装置、並びに、このような圧電装置を含む防振装置に関するものである。

近年、環境問題を背景として省エネルギー化への関心が一層高まる中、化石燃料以外のＣＯ_２を排出しないエネルギー源確保への需要が増加しており、特に、風力、波力、または地震の振動等の自然エネルギーから電力を効率的に産出する発電装置の開発を試みる研究が盛んである。

なかでも、近年では、物理的な圧縮力を電圧に変換する圧電効果を有する、いわゆる電場応答高分子型人工筋肉（ＥＰＡＭ：Electroactive Polymer Artificial Muscle）等の圧電素子を発電のための手段として利用することの有効性が知られており、このような圧電素子の作用を利用した発電装置が開発されている。

例えば、特許文献１には、「屈曲することによって発電する平板上の圧電素子部材と、前記平板状の圧電素子部材の一端に取り付けられており、風力を受けて変位して前記圧電素子部材を屈曲させる受風板と、前記平板状の圧電素子部材の、前記受風板が取り付けられていない側の一端を保持する固定保持部材と、を有する発電機構、並びに、前記受風板にあたる風を周期的に遮断することによって、前記受風板を周期的に変位させる風力遮断機構と、を具備することを特徴とする風力発電装置。」が記載されており、これによれば、「受風板にあたる風を周期的に遮断することによって、時間と共に風力がどのように変化しても、受風板を効率的に振動させることができ、また、かかる受風板の振動をダイレクトに圧電素子部材に伝達させることにより、高い発電効率を実現することができ、構造が比較的単純であって設置場所の制限も少なく集積化が容易な風力発電装置を提供することができる。」とする。

また、特許文献２には、「外縁部に複数の取り付け用孔と中央部に可動量制限用構造を有する下部保持板と、前記下部保持板の上面の前記取り付け用孔の内側に略垂直に上方に延びて設置固定される下部圧電素子支持体と、下部圧電素子支持体の上面部から所定の間隔に離隔して配置され、外縁部に複数の取り付け用孔を有する上部保持板と、前記上部保持板の下面の中央部に略垂直に下方に延びて設置固定され、その先端部に可動量制限用構造を有する上部圧電素子支持体と、
前記下部圧電素子支持体と上部圧電素子支持体との間に、複数の圧電素子が一定の間隔に離隔配置してなり、前記圧電素子の一端が前記下部圧電素子支持体又は上部圧電素子支持体に固着され、他端が前記上部圧電素子支持体又は下部圧電素子支持体に回動可能な状態で支持されてなる圧電素子積層体とを有し、前記下部保持板又は上部保持板に繰り返し荷重がなされることにより発電することを特徴とする圧電発電装置。」が記載されており、これによれば、「引張・圧縮の両方向からの荷重に対しても機構内部では圧電素子に対し曲げ変形が行われ、さらに、圧電素子支持体に圧電素子の一端を固着せず、回動可能な状態で支持しているので曲げ変形量が大きく、従ってバイモルフを構成する２つのユニモルフの曲げ変形量の差が大きいので、大きな発電効率が得られる効果がある。」とする。

しかしながら、上記の特許文献１及び２に記載された発電装置では、主に、圧電素子を屈曲変形させることによって電力を発生させているものの、このような屈曲変形では、圧電素子の変形量が小さいため、効率的な発電効果を得られないという問題がある。

尚、板状や円筒状とした圧電素子を長手方向に大きく伸縮させることによって電力を発生させる方法等もあるが、この方法は、変位量の大きな外力を電力に転換する際には有効であるものの、変位量の小さな外力しか受けない部位に用いる場合は、圧電素子の変形量を確保することができず、そのため、多量の電力を得ることができないという問題がある。

また近年では、圧電素子を具えた発電装置を、自動車や建造物等の防振装置に適用することによって、エンジンによる機械振動や地震による振動等の比較的変位量の小さな圧縮方向の運動から電力を得るための試みも盛んであるが、これらの従来技術では、いずれも多量な電力の産出ができないため、実用化に当っては、より詳細な研究が必要である。

特開２００８−１８０１１８号公報 特開２００６−３２９３５号公報

そこで、本発明は、上記問題に鑑み、地震による振動やエンジン振動等の比較的変位量の小さな圧縮方向の運動から多量の電力を得ることができる圧電発電装置、並びに、このような圧電装置を含む防振装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の要旨構成は、以下の通りである。
本発明の圧電発電装置は、並列に並べられた２枚のシート状電極、及び該２枚のシート状電極の間に配された誘電体を有する少なくとも一つの圧電素子を具えた、圧電発電装置であって、
前記圧電素子の厚み方向外側面の少なくとも片面の全体に、前記圧電素子よりも弾性率の低い、非圧縮性の弾性材料を接着させたことを特徴とする。

請求項１に記載したところにおいて、好ましくは、前記圧電素子の厚み方向外側面の両面の全体に前記弾性材料を接着させる。

請求項１または２に記載したところにおいて、好ましくは、複数の前記圧電素子と複数の前記弾性材料とを交互に積層し、夫々を相互に接着させる。

請求項１〜３に記載したところにおいて、好ましくは、前記圧電素子を、電場応答高分子型の人工筋肉とする。

ここで、「電場応答高分子型の人工筋肉」とは、弾性的性質を有する高分子材料の誘電体を、伸縮可能なシート状の電極によって挟んでなる圧電素子を言うものとし、いわゆるＥＰＡＭを含むものとする。

本発明の防振装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の圧電発電装置を含むことを特徴とする。

本発明の圧電発電装置は、圧電素子の厚み方向外側面の少なくとも片面の全体に、前記圧電素子よりも弾性率の低い、非圧縮性の弾性材料を接着させたことを特徴としており、これによれば、この圧電発電装置が圧電素子の厚み方向の圧縮入力を受けた場合、非圧縮性の弾性材料は、入力方向の圧縮変形を生じるとともに、中心位置から半径方向外側へ表面積を拡大する向きの逃げ変形を生じることになる。

圧電素子は、圧縮入力によって圧縮変形する一方で、その厚み方向外側面の全体に渡って非圧縮性の弾性材料と接着されているため、弾性材料の、上記の逃げ変形に伴って、半径方向外側へ大きく引張変形されることになる。これにより、圧縮入力の変位量が小さい場合でも、圧電素子の電極面積が効果的に拡大されるので、例えば、地震による振動やエンジン振動等の比較的変位量の小さな圧縮方向の運動からも多量の電力を得ることができる。

本発明の圧電発電装置において、前記圧電素子の厚み方向外側面の両面の全体に前記弾性材料を接着させた場合、圧電素子の電極の、半径方向外側への引張り変形量が、両電極間で均等になる。これにより、両電極間の変形量の差に起因する、圧電素子の所望されない反り変形等の発生を抑制防止することができる。

また、本発明の圧電発電装置において、複数の前記圧電素子と複数の前記弾性材料とを交互に積層し、夫々を相互に接着させた場合は、圧電素子の積層枚数に応じてより多くの電力を得ることが可能である。

さらに、本発明の圧電発電装置において、前記圧電素子を、電場応答高分子型の人工筋肉、いわゆるＥＰＡＭとした場合、ＥＰＡＭは、弾性材料の変形に対応して柔軟に変形するため、耐久性が高く、より効率的に電力を産出することができる。

本発明の防振装置は、上記したこれらの圧電発電装置を含むことを特徴としており、この防振装置は、例えば、自動車や建造物等に用いる種々の防振装置として適用することができる。

これによれば、エンジンによる機械振動や地震による振動等の伝達を防止しながら、自身の変形下で効率的に電力を産出することができる。

（ａ）は、無負荷状態の本発明の圧電発電装置の一実施形態を示す断面図であり、（ｂ）は、圧縮入力を受けた際の、図１（ａ）の圧電発電装置の変形態様を模式的に示す断面図である。 （ａ）は、無負荷状態の本発明の圧電発電装置の他の実施形態を示す断面図であり、（ｂ）は、圧縮入力を受けた際の図２（ａ）の圧電発電装置の変形態様を模式的に示す断面図である。 （ａ）は、本発明の防振装置の一実施形態を、エンジン等の振動発生源と車体等の振動伝達側との間に配置した態様にて模式的に示す側面図であり、（ｂ）は、本発明の防振装置の他の実施形態を、建造物と地盤との間に配置した態様にて模式的に示す側面図である。

以下、図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）に示すところでは、本発明の一実施形態である圧電発電装置１は、並列に並べられた２枚のシート状電極３、及び該２枚のシート状電極３の間に配された誘電体４を有する一つの圧電素子２を具えており、圧電素子２には、その厚み方向外側面の両面に、各面の全体に渡って、非圧縮性の弾性材料５を接着させてなる。

ここで、弾性材料５と、圧電素子２のシート状電極３との接着は、弾性材料５の変形を、圧電素子２に確実に伝達し得ることを条件に、周区部等で局部的に行うことも可能である。

尚、図示例では、この圧電発電装置１は、剛性体６によって厚み方向の両側を挟まれており、弾性材料５は、剛性体６との接触面において夫々強固に接着されている。

図１（ａ）に示すような圧電発電装置１は、厚み方向両側の剛性体６の近接変位によって、厚み方向に圧縮入力を受けることによって、圧縮変形を生じ、図１（ｂ）に示すような状態になる。

このとき、圧電素子２の両面に接着された弾性材料５は、圧縮変形して半径方向外側に表面積を拡大するような逃げ変形を生じる一方で、剛性体６との接着面側では、剛性体６が変形しないことによってこれらの接着面の面積が変化しないため、上記の弾性材料５の逃げ変形は、電極３との接着面側に集中的に生じることになる。

そして、このような弾性材料５の逃げ変形に共連れされて、弾性材料５に接着された圧電素子２が、半径方向外側への引張り変形を生じ、圧電素子２の電極３の面積が大きく増加することになる。

即ち、この圧電発電装置１によれば、剛性体６の小さな上下方向近接変位を利用して圧電素子２の電極３の面積を効果的に増大させることができ、これによって、圧電素子２から多量の電力を産出することができる。

その際、圧電素子２として、電場応答高分子型の人工筋肉、いわゆるＥＰＡＭを用いた場合、圧電素子２は、弾性材料５の逃げ変形により柔軟に追従するため、より効率的に電力を産出することができる。

尚ここで、前記弾性材料５の弾性率は、圧縮入力の大きさや圧電素子２の弾性率等との関連下で適宜選択することができる。
例えば、弾性材料５の弾性率が小さすぎる場合は、圧縮入力に対し、弾性材料５の半径方向外側への逃げ変形が圧電素子２に有効に伝達されず、電極３の面積を拡大できないことによって、十分な発電量を得られないおそれがあり、一方、弾性材料５の弾性率が大きすぎる場合は、圧縮入力の際に、弾性材料５そのものが、所望の逃げ変形を生じないことによって、同様に、電極３の面積を拡大できず、十分な発電量を得られないおそれがある。

上記に鑑みれば、弾性材料５の弾性率は、圧電素子２の半径方向外側への引張り弾性率の０．５〜２．０倍程度であることが好ましい。

尚、この圧電発電装置１によって産出された電力は、例えば、所定のリード線（図示せず）等を介して、他の用途に用いることができ、或いは、整流器（図示せず）等によって電流を整流した後、所定の蓄電手段（図示せず）等に蓄電しておくこともできる。

図２（ａ）及び（ｂ）に示す圧電発電装置１０１は、複数の圧電素子２と複数の弾性材料５とを交互に積層し、夫々の積層間を接着してなるものである。

図２（ａ）の圧電発電装置１０１を圧縮変形させた場合、図２（ｂ）に示すような状態になり、弾性材料５が夫々、先述と同様の逃げ変形を生じることにより、各圧電素子２の電極３の面積が大きく増加し、夫々、電力を発生させることになる。

従って、この圧電発電装置１０１によれば、圧電素子２の積層枚数に応じて、より多量の電力を産出することができる。

以上に説明した本発明の圧電発電装置１、１０１は、自動車や建造物等に設置する防振装置に適用することにより、エンジン振動や地震による振動等を防振しながら、効果的に電力を産出することができる防振装置を提供することができる。

例えば、図３に示すところでは、本発明の一実施形態である防振装置２０１は、自動車のエンジン等の振動源７と、車体等の振動伝達側８との間の４箇所に配置されており、振動源７からの振動が振動伝達側８に伝達されないように防振するとともに、上記振動源７による微小変位の振動から電力を産出することができる。

また、図４に示すところでは、本発明の他の実施形態である防振装置３０１は、地盤Ｇと建造物９との間に配置されており、建造物９の壁面を支持し、地震等に起因する地盤Ｇの横揺れ振動が、建造物９に伝達されないように防振するとともに、地震によるエネルギーから電力を産出し、この電力を建造物の維持電力として利用したりすることができる。

１ 圧電発電装置
１０１ 圧電発電装置
２０１ 防振装置
３０１ 防振装置
２ 圧電素子
３ 電極
４ 誘電体
５ 弾性材料
６ 剛性体
７ 振動発生源
８ 振動伝達側
９ 建造物
Ｇ 地盤

Claims (5)

1. 並列に並べられた２枚のシート状電極、及び該２枚のシート状電極の間に配された誘電体を有する少なくとも一つの圧電素子を具えた、圧電発電装置であって、
   前記圧電素子の厚み方向外側面の少なくとも片面の全体に、前記圧電素子よりも弾性率の低い、非圧縮性の弾性材料を接着させたことを特徴とする圧電発電装置。
2. 前記圧電素子の厚み方向外側面の両面の全体に前記弾性材料を接着させた、請求項１に記載の圧電発電装置。
3. 複数の前記圧電素子と複数の前記弾性材料とが交互に積層され、夫々が相互に接着されている、請求項１または２に記載の圧電発電装置。
4. 前記圧電素子が、電場応答高分子型の人工筋肉である、請求項１〜３のいずれかに記載の圧電発電装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の圧電発電装置を含むことを特徴とする防振装置。

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