JP2013223347A

JP2013223347A - 発電装置

Info

Publication number: JP2013223347A
Application number: JP2012093613A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Katsumura; 英則勝村; Hiroshi Kagata; 博司加賀田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2013-10-28

Abstract

【課題】回転体の回転運動を効率良く圧電素子の振動に変換し、安定した電力を発電することができる圧電発電装置を得る。
【解決手段】固定部と、少なくとも一部が磁性体からなる錘部を有する振動部と、この振動部の振動を電気エネルギーに変換するための発電部と、からなる発電素子と、前記磁性体に磁力を与えるための磁力発生部と、前記発電素子あるいは磁力発生部のいずれか一方を固定するための回転体および固定体と、を備え、前記錘部および磁力発生部を、前記回転体の回転中心から等距離となるように配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えばタイヤなどの回転体と、該回転体に取り付けられて圧電効果により電力を発生させる圧電素子を有する発電装置に関する。

自動車タイヤの空気圧をセンシングし、空気圧が低下したときに警報を発生するタイヤ空気圧監視システム（ＴＰＭＳ；ＴｉｒｅＰｒｅｓｓｕｒｅＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）が一部地域で法制化され、市場が拡大している。空気圧センサと、センシング情報を送信する通信部には電源供給が必要であり、現在ではほとんどの場合、コイン型一次電池が使われている。一次電池には寿命があるため、数年に一回は交換する必要があるが、タイヤの中に組み込まれた一次電池を交換するためにはタイヤを取り外す必要があるなど非常に面倒な作業が必要となるため、改善策が求められている。

一次電池を使わないＴＰＭＳ用電源として従来からさまざま提案されているが、特に注目されるのは、下記特許文献１に示されるような圧電発電装置である。圧電発電装置は、圧電体の圧電効果を利用して振動、変形などの機械エネルギーを電気エネルギーに変換し発電する装置であり、比較的安価で小型の自立電源を実現することができる。

特許第４８３０５９２号

しかし上述した発電装置では、タイヤなど回転体に発生する振動や変形を利用して発電するため、振動、変形の小さい運転状況では十分な電力が得られず、発電が安定しないという課題があった。

そこで本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、回転体の回転運動を効率良く圧電素子の振動に変換し、安定した電力を発電することができる発電装置を得ることを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、固定部と、少なくとも一部が磁性体からなる錘部を有する振動部と、この振動部の振動を電気エネルギーに変換するための発電部と、からなる発電素子と、前記磁性体に磁力を与えるための磁力発生部と、前記発電素子あるいは磁力発生部のいずれか一方を固定するための回転体および固定体と、を備え、前記錘部および磁力発生部を、前記回転体の回転中心から等距離となるように配置した。

以上のように本発明によれば、回転体の回転運動を効率良く圧電素子の振動に変換することができるので、回転体が回転運動をしておれば運転状況に左右されず安定した電力を得ることができる。

（ａ）発電素子の構造の一例を説明する側面図、（ｂ）発電素子の構造の一例を説明する上面図（ａ）本発明の好ましい実施形態による、回転体に対する発電素子と磁力発生部の配置について説明する図、（ｂ）本発明の好ましい実施形態による、回転体に対する発電素子と磁力発生部の配置について説明する図発電素子の変形状態を模式的に示す図（ａ）本発明の発電装置によって得られた電圧の時間変化を示す図、（ｂ）本発明の発電装置によって得られた電力の時間変化を示す図本発明の好ましい実施形態による発電装置の構造を説明する図本発明の好ましい実施形態による別の発電素子の梁部の構造を説明する図本発明の好ましい実施形態による別の発電装置の構造を説明する図本発明の別の好ましい実施形態による発電素子の構造の一例を説明する図本発明の別の好ましい実施形態による、回転体に対する発電素子と磁力発生部の配置について説明する図本発明の別の好ましい実施形態による発電素子の構造の一例を説明する図本発明の別の好ましい実施形態による固定部の構造の一例を説明する図

以下、本発明の具体的な実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の一実施の形態における発電装置を構成する発電素子１の構造概略図である。図１（ａ）は側面図を、図１（ｂ）は上面図をそれぞれ示している。金属基板からなる梁で構成される振動部２の主面に、下から下部電極３、圧電体層４、上部電極５が順に形成されており、これら下部電極３、圧電体層４、上部電極５で発電部１０を構成し、振動部の振動や歪み、変形などの機械エネルギーを圧電効果により電気エネルギーに変換するものである。振動部２は片持ち梁構造となっており、一端を自由端としてその先端に少なくとも一部が永久磁石などからなる磁性体である錘部６が設けられている。また振動部２の他端にはこの発電素子１を固定するための固定部７が設けられている。

以下、本発明の発電素子１の製造方法の一例を説明する。

振動部２として厚み０．２０ｍｍの耐熱性ステンレス板（日新製鋼社製、ＮＣＡ−１）を使用し、素子の寸法は３×２０ｍｍとした。この上へ、Ａｇ−Ｐｄ合金ペーストをスクリーン印刷することで下部電極３を、その上へ圧電材料組成粉からなる印刷用ペーストをメタルマスク印刷することで圧電体層４を、さらにその上へＡｇ−Ｐｄ合金ペーストをスクリーン印刷することで上部電極５を形成し、これらを大気中において８７５℃で２時間保持することで焼成した。焼成後の圧電体層４の厚みは３０μｍ、下部電極３、上部電極５の厚みはいずれも３μｍであった。また振動部２の先端には錘部６として重量０．３０ｇ、寸法３×３×３ｍｍのネオジム永久磁石を、振動部２の両面にそれぞれ１個ずつ接着剤で固定した。

圧電体層４に用いる圧電材料は、低温で緻密に焼結し、かつ圧電特性に優れた組成であることが望ましい。そこで本実施の形態では、（式１）で示される材料組成とした。
（式１）Ｐｂ_1.015Ｚｒ_0.44Ｔｉ_0.46（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）_0.10Ｏ_3.015
この組成は、本出願人が提案した特許第４４０３９６７号公報に開示されている組成範囲で、優れた圧電特性を示すことで知られており、ＰＺＴのＢサイトをＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃で１０モル％置換し、またＰｂサイト比を１．０１５とストイキオメトリーよりも過剰にしていることを特徴としている。

純度９９．９％以上の酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）粉末を原料とし、公知の固相法により（式１）に示したモル比の圧電材料組成粉を合成した。なお９００℃未満の温度で緻密に焼結させるため、平均粒子径（Ｄ５０）が０．５μｍ未満となるまで粉砕した。

ＪＥＩＴＡＥＭ−４５０１に記載されている方法に則り、得られた圧電材料の圧電体特性を測定したところ、機械結合係数ｋｐは０．６０、圧電定数ｄ₃₁は−１２５ｐｍ／Ｖと優れた圧電特性を示した。

次に、印刷用ペーストの作製方法について説明する。有機バインダと溶剤との配合比率が、例えば２：８となるように調製して有機ビヒクルを作製する。有機バインダには例えばエチルセルロース樹脂、アクリル樹脂、ブチラール樹脂などを使用することができ、溶剤には例えばα−テルピネオール、ブチルカルビトールなどを使用することができる。この有機ビヒクルと上記圧電材料組成粉を例えば２０：８０の重量比率で秤量し、適量の分散剤とともに混合した後、三本ボールミルで混練することにより印刷用ペーストを作製した。

下部電極３および上部電極５の形成には、市販の銀パラジウム合金（銀：パラジウム比＝９０：１０、平均粒子径０．９μｍ）ペーストを用いた。

次に本発明の発電装置の発電方法について説明する。

本発明の発電装置は図２のように、回転体１１と、回転体１１に固定された永久磁石や電磁石などからなる磁力発生部１２と、回転体１１と同軸上かつ一定の間隔を設けて配置された固定体８に固定部７が固定された発電素子１で構成される。磁力発生部１２は回転体１１に固定されているため、回転体１１の回転にともなって回転運動を行い、一方の固定体８はそのまま固定される。このとき、発電素子１の振動部２の一端に固定され、少なくとも一部が磁性体からなる錘部６の中心と、回転体１１に固定した磁力発生部１２の中心が、図２（ｂ）のように回転体１１の回転運動にともなう磁力発生部１２の回転運動中に少なくとも１回は一致するように、発電素子１と磁力発生部１２を固定した。すなわち、回転体の回転中心Ｏに対し、磁力発生部１２が描く円周上に発電素子１の錘部６の中心がくるように固定するものである。なお、本実施の形態では磁力発生部１２として寸法５×５×１ｍｍのネオジム永久磁石を使った。

なお図２では回転体１１の回転中心に相当する固定体８の位置に発電素子１の固定部７を固定しているが、特にこの固定位置に限定しない。回転体１１の近傍に別の固定部材を設け、それに発電素子１を固定しても良い。この時、発電素子１の振動部２の一端に固定した錘部６の中心と、回転体１１に固定した磁力発生部１２の中心が一致するように固定することが重要である。

図３は、回転体１１の回転運動にともなって回転運動する磁力発生部１２が、発電素子１を構成する振動部２の先端に固定した錘部６に最も接近したときの、発電素子１の変形を模式的に示した図である。図３では、錘部６を形成する磁性体として永久磁石を用い、この永久磁石と対向する磁力発生部１２の磁極を同極とすることで互いに反発するように取り付けたときの発電素子１の変形状態を示している。発電素子１の変形にともなって圧電体層４が変形し、変形量に応じた電圧が発生する。また回転にともなって磁力発生部１２が発電素子１から遠ざかると、発電素子１は復元しようとする力によって共振振動が生じ、この共振振動に応じた電圧が圧電体層４に発生する。

なお、錘部６と磁力発生部１２は、上述とは反対に磁極が異極となるように設けてもよいが、距離や磁力の強弱等により両者が吸着してしまい、回転運動によって発電素子１を破壊してしまう恐れがある。したがって、錘部６と磁力発生部１２との相互作用を最大限に利用するため、錘部６と磁力発生部１２は互いに反発する磁極となるように取り付けるのが好ましい。もしくは、錘部６と磁力発生部１２の間に、非磁性体などからなる接着防止部材を設けても良い。

図４は、上述の一連の動きによって得られた電圧および電力を、下部電極３と上部電極５との間に接続した５００ｋΩの負荷抵抗の両端の電圧をモニタリングすることによって評価した例である。なお電力は（電圧）²／（負荷抵抗）で求めた。この例では回転体１１は回転数６０ｒｐｍで回転しているため、１秒間に１回の頻度で発電素子１と磁力発生部１２が接近し、発電素子１が変形、共振振動することによって電力が発生している。図４の例では発電素子１と磁力発生部１２が最接近したときに６００〜８００μＷの電力が発電され、その後の共振振動でも０．１〜０．２秒間は１００μＷ近くの電力が発電されている。また１秒間の平均電力を算出すると約１５μＷで、この値は回転体１１が同じ回転数で回転している間ほぼ一定であった。

また上述の方法であれば、１回転あたりにほぼ一定の発電電力が得られるため、回転速度が変化すれば、それに応じて発電電力も変化することになる。したがって、任意の時間内における平均発電電力をモニタリングすることにより、回転体１１の回転速度を簡易的に知ることができる。また、単位時間あたりの共振振動のピーク電圧をモニタリングすることでも回転体の回転速度を計測することができる。

また図５のように、回転体１１に固定する磁力発生部１２の数を増やし、発電素子１が変形、振動する頻度を大きくすることにより、発電電力を大きくすることができる。

さらに図６のような構造を持つ複数の振動部２、圧電体層４、磁性体６などを一体化した発電素子１としても良い。複数の振動部２を一体化した発電素子１とすることにより、振動部２の共振振動における安定性が高くなり、共振振動による発電電力が大きくなる効果がある。この場合、発電素子１の中心からそれぞれの錘部６の中心点までの長さは同じとし、発電素子１の中央部に形成した固定部７で図７のように回転体１１の回転中心と同軸の固定体８の部位に固定し、磁力発生部１２の中心を錘部６の中心になるよう回転体１１に固定すれば、より効率的に発電素子１を変形、振動させることができ、大きな電力を得られる。もちろんこの時、回転体１１に固定する磁力発生部１２は複数にしても良い。

また発電素子１と磁力発生部１２は一体パッケージとしてもよい。この場合、磁力発生部１２は回転体１１の回転運動にともなって回転するように、他方、発電素子１は回転しないようなパッケージング構造にする必要がある。発電素子１の錘部６と磁力発生部１２との間隔は、発電素子１の変形量、および発電量に影響するため、非常に重要な因子である。一体パッケージとすることにより、この間隔を常に最適な状態で調整したものを提供することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２では、別の好ましい発電装置の例について説明する。

図８はその一例で、枠体形状の固定体８の内側に下部電極３、圧電体層４、上部電極５、少なくとも一部が磁性体で構成される錘部６が形成、固定された複数の振動部２が一体化された発電素子１とする。複数の振動部２を固定体８で一体化した発電素子１とすることにより、振動部２の共振振動時の安定性が高くなり、共振振動による発電電力が大きくなる効果がある。このとき、複数の振動部２の先端に固定してあるそれぞれの錘部６の中心を結ぶ円周から求められる中心Ｏと回転体１１の回転中心が一致するよう固定体８で発電素子１を固定し、図９のように、それぞれの錘部６の中心を通る円周上に磁力発生部１２を回転体１１に固定すれば、より効率的に振動部２を変形、振動させることができ、大きな電力が得られる。

また図１０のように、振動部２を自由端側の錘部６から固定端の固定体８に向かって拡幅するように扇形とすることにより、発電素子１全体の大きさを大きくしなくても、圧電体層４の面積を大きくすることができ、より効率的に大きな電力を得ることができる。

また図１１（ａ）に示すように固定部材９を十字形状としてその各先端に磁力発生部１２を設けたり、図１１（ｂ）に示すように固定部材９を円盤状としてその円周上に複数の磁力発生部１２を設けることで、発電素子１の変形、振動の頻度が多くなり、より大きな電力を得ることができる。なお、上記固定部材９を回転体１１に固定する際、固定部材９の中心Ｏ（複数の磁力発生部１２の中心を結ぶ円周の中心Ｏ）と回転体１１の回転中心を一致させるとともに、その中心Ｏと磁力発生部１２および錘部６の距離を同じになるように配置するものである。このようにすることにより効率的に大きな電力を得ることができる。

また発電素子１と磁力発生部１２、または磁力発生部１２が複数固定された固定部材９は一体パッケージとしてもよい。この場合、磁力発生部１２または固定部材９は回転体１１の回転運動にともなって回転するように、発電素子１は回転しないようなパッケージング構造にする必要がある。一体パッケージとすることにより、発電素子１の錘部６と磁力発生部１２の間隔を常に最適な状態で調整することができ、安定して大きな電力が得られる発電装置を提供することができる。

本発明は自動車のタイヤ等の回転体の回転運動を利用した自立電源として利用することが有用である。

１発電素子
２振動部
３下部電極
４圧電体層
５上部電極
６錘部
７固定部
８固定体
９固定部材
１０発電部
１１回転体
１２磁力発生部

Claims

固定部と、少なくとも一部が磁性体からなる錘部を有する振動部と、この振動部の振動を電気エネルギーに変換するための発電部と、からなる発電素子と、
前記磁性体に磁力を与えるための磁力発生部と、
前記発電素子あるいは磁力発生部のいずれか一方を固定するための回転体および固定体と、を備え、
前記錘部および磁力発生部を、前記回転体の回転中心から等距離となるように配置したことを特徴とする発電装置。
錘部または磁力発生部のいずれか一方を、回転体の回転中心から各々の中心角が等しくなるように複数配置したことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
磁力発生部を回転体に配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
発電素子は、固定部を固定端とし対向する一端を自由端とする片持ち梁構造であり、前記自由端に錘部を配置したことを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の発電装置。
片持ち梁構造は、自由端から固定端に向かって拡幅していることを特徴とする請求項４に記載の発電装置。
発電部は圧電体からなり、振動部の振動を電気エネルギーに変換する請求項１〜５に記載の発電装置。
錘部と磁力発生部の対向する磁極を同極とした請求項１〜６いずれかに記載の発電装置。