JP2013243821A

JP2013243821A - 振動発電素子

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Publication number: JP2013243821A
Application number: JP2012114674A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kobayashi; 健小林; Hisahiro Ito; 寿浩伊藤; Ryutaro Maeda; 龍太郎前田; Hironao Okada; 浩尚岡田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2013-12-05
Anticipated expiration: 2032-05-18
Also published as: JP5961868B2

Abstract

【課題】振動発電素子の面積当たりから得られる出力電力を増加させる。
【解決手段】振動発電素子１０は、圧電部材２０を有した板状の圧電振動体１４を支持部材１２によって支持し、圧電振動体１４の振動に伴う圧電部材２０の変形に応じて圧電効果で発電する。交流直流変換回路１６が圧電振動体１４に接続され、圧電振動体１４の振動によって生成された交流電圧が直流電圧に変換されて出力されるようになっている。さらに、圧電振動体１４の圧電部材２０が幅方向に複数の部分に分割され、これら複数の部分が、互いに同期して振動するように連結されていると共に電気的に直列に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電効果を利用して振動の運動エネルギを電気エネルギに変換して発電する振動発電素子に関する。

近年、動物などに取り付けて測定データを送信することができるセンシング機能と無線通信機能とを併せ持つセンサが開発されており、その作動のための電源は、小型・軽量であり且つ長寿命であることが望ましく、小型・軽量の発電機を電源として利用できるようにすることが好ましい。このようなセンサの電源として利用可能なものに、圧電効果を利用し、振動の運動エネルギを電気エネルギに変換して発電する振動発電素子がある。

振動発電素子は、特許文献１に記載されているように、片持ち状態で固定された振動部材と、振動部材の自由端側に取り付けられた錘と、振動部材に接合された圧電素子とを備えた構造を有しており、外部から振動部材に与えられたエネルギによって発生した振動部材の振動を圧電素子によって電気エネルギに変換して発電を行う。

特許第３１７０９６５号公報

上記のような振動発電素子をセンサ等の電源として用いる場合、小型を保ちつつ出力電力を増加させることが望ましい。振動発電素子の発電量を増加させるためには、錘を重くして振動部材の変形量を大きくすることが考えられる。しかしながら、変形のための空間を確保する必要が生じ、素子全体の高さが増大して、サイズが大きくなってしまう問題や、軽量化の要求に反する問題がある。また、複数の振動発電素子を直列に接続することによっても発電量を増加させることが可能である。しかしながら、振動発電素子の数を増加させることになり、全体のサイズが大きくなってしまう問題がある。

よって、本発明の目的は、従来技術に存する問題を解消して、振動発電素子の単位面積当たりから得られる出力電力を増加させることにある。

上記目的に鑑み、本発明は、圧電部材を有した板状の圧電振動体を支持部材によって支持し、圧電振動体の振動に伴う圧電部材の変形に応じて圧電効果で発電する振動発電素子であって、交流直流変換回路が前記圧電振動体に接続され、前記圧電振動体の振動によって生成された交流電圧が直流電圧に変換されて出力されるようになっていると共に、前記圧電部材が幅方向に複数の部分に分割され、前記複数の部分が、互いに同期して振動するように連結されていると共に電気的に直列に接続されている振動発電素子を提供する。

上記振動発電素子では、圧電振動体の圧電部材が幅方向に複数の部分に分割され、分割された複数の部分が、互いに同期して振動するように連結されていると共に電気的に直列に接続されている。一つの圧電部材の起電力をＶ、内部抵抗をｒとすると、これが抵抗Ｒの負荷抵抗に接続されている場合の発電量の最大値(すなわち固有電力)Ｐ１は、Ｐ１＝Ｖ²／４ｒとなる。一方、この圧電部材をｎ個に分割すると、分割された圧電部材(以下、圧電部材分割体と記載する。)の各部分の起電力はＶで変わらないが、内部抵抗はｎｒとなり、増加する。したがって、直列に接続されたｎ個の圧電部材分割体の全体について考えると、起電力はｎＶ、内部抵抗はｎ²ｒとなり、発電量の最大値Ｐｎは、Ｐｎ＝(ｎＶ)²／４ｎ²ｒ＝Ｖ²／４ｒとなる。すなわち、発電量は変わらない。しかしながら、ｎ個の圧電部材分割体にＡＣ／ＤＣ変換回路を接続したときの出力を見ると、振動圧電体を複数の部分に分割して、これらを電気的に直列に接続することで起電力を増加させた結果、ＡＣ／ＤＣ回路における損失が小さくなり、圧電部材を分割しない場合よりも大きな直流出力電力(実質的な発電量)が得られる。したがって、圧電部材を複数の部分に分割し、これを直列に接続したものから、ＡＣ／ＤＣ変換回路を通した出力電力は、分割しない場合よりも大きくなる。

前記圧電振動体は、少なくとも一端部を前記支持部材によって支持されていると共に、前記支持部材によって支持されている部分以外に少なくとも一つの錘部材を備えていることが好ましい。

前記圧電振動体は、前記支持部材によって支持された振動部材と、圧電材料によって形成され且つ該振動部材上に設けられた膜状の圧電部材と、該圧電部材に接続された一対の電極とによって構成されており、前記膜状の圧電部材及び前記一対の電極が複数の部分に分割されていてもよい。この場合、複数の部分に分割された前記膜状の圧電部材及び前記一対の電極が一つの振動部材上に設けられていることが好ましい。

また、前記圧電振動体は、圧電材料によって形成され且つ前記支持部材によって支持された板状の圧電部材と、該圧電部材に接続された一対の電極とによって構成されていてもよい。

本発明の振動発電素子によれば、圧電部材をその幅方向に複数に分割して、これらを互いに同期して振動するように連結すると共に電気的に直列に接続し、さらに、直列に接続した複数の圧電振動体にＡＣ／ＤＣ変換回路を接続することによって、圧電部材の単位面積当たりから得られる出力電力を向上させた。これにより、小型を保ちつつ出力電力(実質的な発電量)を増加させることを可能とさせる効果を奏する。

本発明による振動発電素子の全体構成を示す全体構成図である。圧電振動体の第１の例の側面図である。圧電振動体の第２の例の側面図である。圧電部材が分割されていない圧電振動体を示す斜視図である。圧電部材が二つの部分に分割された圧電振動体を示す斜視図である。圧電部材が三つの部分に分割された圧電振動体を示す斜視図である。ＡＣ／ＤＣ変換回路で使用されるダイオードの特性を示す説明図である。圧電部材が分割されていない圧電振動体、圧電部材が二つの部分に分割された圧電振動体、圧電部材が三つの部分に分割された圧電振動体をそれぞれ用いたときの振動発電素子からの出力電圧を比較して示したグラフである。圧電部材が分割されていない圧電振動体、圧電部材が二つの部分に分割された圧電振動体、圧電部材が三つの部分に分割された圧電振動体をそれぞれ用いたときの振動発電素子によるＤＣ出力電力を比較して示したグラフである。

以下、図面を参照して、本発明による振動発電素子を説明する。
最初に、図１を参照して、本発明による振動発電素子１０の全体構成を説明する。振動発電素子１０は、支持部材１２と、支持部材１２に支持されている板状の圧電振動体１４と、交流直流変換回路(以下、ＡＣ／ＤＣ変換回路と記載する。)１６とを備える。

支持部材１２は、外部エネルギを付与したときに圧電振動体１４が振動することを許容するように圧電振動体１４を支持している。図１に示されている実施形態のように、圧電振動体１４の一端が支持部材１２に固定されると共に圧電振動体１４の他端が自由端となって振動できるように、圧電振動体１４が支持部材１２に片持ち支持されていることが好ましい。しかしながら、外部エネルギが付与されたときに圧電振動体１４の振動を許容するようになっていれば、支持部材１２に対する圧電振動体１４の支持機構は限定されるものではなく、圧電振動体の少なくとも一端部が支持部材によって支持されていればよい。例えば、外部エネルギを付与したときに圧電振動体１４の振動を許容するようになっていれば、圧電振動体１４の両端が支持部材１２に固定されていてもよい。

圧電振動体１４は、変形すると圧電効果で起電力を生じる圧電材料によって形成された圧電部材を含んでおり、圧電振動体１４が振動すると、振動に伴う変形に応じて交流電圧を生じさせる。図１に示されている実施形態では、圧電振動体１４は、図２に詳細に示されているように、一端部を支持部材に固定され且つ他端部が自由端になっている、すなわち支持部材１２によって片持ち支持されている振動部材１８と、振動部材１８上に設けられた膜状の圧電部材２０と、これを挟むように膜状の圧電部材２０の両表面に接続された上側電極２２ａと下側電極２２ｂとからなる一対の電極２２とによって構成されている。しかしながら、圧電振動体１４の構成は、外部エネルギが付与されたときに生じる振動に伴う変形に応じて交流電圧を生じさせるようになっていれば、特に限定されるものではない。例えば、図３に示されているように、板状の圧電部材２４と、これを挟むように接続された上側電極２６ａと下側電極２６ｂとからなる一対の電極２６とによって圧電振動体１４を構成し、このように構成された圧電振動体１４を支持部材１２によって支持するようにしてもよい。また、図１に示されている実施形態では、支持部材１２によって支持されている振動部材１８の上側表面のみに、一対の電極２２に挟まれた膜状圧電部材２０が設けられているが、振動部材１８の下側表面にも同様に一対の電極に挟まれた膜状圧電部材を設けてもよい。

圧電振動体１４は、図１から図３に示されているように、外部エネルギを付与されたときに生じる圧電振動体１４の振動の振幅を大きくするために、錘部材２８をさらに備えていることが好ましい。図１に示されている実施形態では、一端部を支持部材１２によって片持ち支持されている圧電振動体１４の他端部に錘部材２８が設けられている。圧電振動体１４が支持部材１２によって両端部を支持されている場合には、圧電振動体１４の長さ方向の中央部付近に錘部材２８を設ければよい。錘部材２８は、圧電振動体１４が支持部材１２によって支持されている部分以外の場所であれば圧電振動体１４上の任意の場所に設けることができる。

ＡＣ／ＤＣ変換回路１６は、圧電振動体１４の振動により生じた交流電圧をセンサ等における使用に適した直流電圧に変換するために設けられている。その典型的な例として、二つのダイオードと二つのコンデンサを用いた構成が図１に示されているが、交流電圧を直流電圧に変換することができれば、他の構成によってＡＣ／ＤＣ回路を実現してもよいことはもちろんである。

振動発電素子１０では、さらに、図１に示されているように、圧電振動体１４の圧電部材２０及び一対の電極２２が、その幅方向(圧電振動体１４の支持端と自由端とを結ぶ方向と垂直な方向)に複数の部分に均等に分割されており、分割された複数の圧電部材部分(以下、圧電部材分割体と記載する。)２０が、互いに同期して振動するように連結されていると共に分割された複数の電極部分(以下、電極分割体と記載する。)２２を介して電気的に直列に接続されている。圧電部材２０及び一対の電極２２の分割数は特に限定されるものではない。例えば、図４に示されている分割されていない圧電部材及び一対の電極を、図５に示されているように二つの部分に分割してもよく、図６に示されているように三つの部分に分割してもよい。

なお、圧電部材２０をその幅方向に分割するのは、圧電部材２０の長さ方向(支持端と自由端とを結ぶ方向)に分割すると、各圧電部材分割体２０の変形量が互いに異なることになって絶縁体のように作用してしまうことを防止するためである。また、圧電部材２０を幅方向に分割することによって、各圧電部材分割体２０の振動を互いに同期させやすくなり、効率的に電力を取り出すことができるようになる。

複数の圧電部材分割体２０は、絶縁材料で形成された連結部材によって連結されることによって、互いに同期して振動するようになっている。図１に示されている実施形態では、分割されていない一つの振動部材１８上に一対の電極分割体２２に挟まれた圧電部材分割体２０が複数組設けられており、振動部材１８が連結部材の機能を果たすことにより、複数の圧電部材分割体２０が互いに同期して振動するようになっている。図３に示されているように、板状の圧電部材２４と、これを挟むように接続された上側電極２６ａ及び下側電極２６ｂからなる一対の電極２６とによって圧電振動体１４が構成されている場合には、例えば、支持部材１２によって片持ち支持される複数の圧電振動体１４の自由端部に、共有するように一つの錘部材２８を接続し、錘部材２８を連結部材として機能させることによって、分割された複数の圧電部材２４を互いに同期して振動させることができる。

複数の圧電部材分割体２０を直列に接続する形態は特に限定されないが、例えば、図１に示されているように、第１の圧電部材分割体２０に接続される上側電極２２ａと第２の圧電部材分割体２０に接続される下側電極２２ｂとを配線で接続し、第２の圧電部材分割体２０の上側電極２２ａと第３の圧電部材分割体２０の下側電極２２ｂとを配線で接続し、第１の圧電部材分割体２０の下側電極２２ｂと第３の圧電部材分割体２０の上側電極２２ａとをＡＣ／ＤＣ変換回路１６の入力側両端子に接続すればよい。

次に、図１を参照して、本発明による振動発電素子１０の動作を説明する。振動発電素子１０に外部エネルギが付与されると、片持ち支持された圧電振動体１４に力が作用して圧電振動体１４(詳細にはその自由端部)が振動する。圧電振動体１４が振動すると、これに伴って圧電振動体１４の圧電部材２０が変形して圧電効果によって電荷が発生する。この結果、圧電部材２０の両表面(図１における上側表面と下側表面)の間に電位差が生じ、振動する圧電部材２０の両表面に接続された一対の電極２２を通して交流電圧が出力される。一対の電極２２を通して取り出された交流電圧は、ＡＣ／ＤＣ変換回路１６によって直流電圧に変換されて出力される。

ここで、面積及び厚さが同じ圧電部材２０について分割しない場合と複数個の圧電部材分割体２０に分割して直列に接続した場合の発電量を比較する。分割していない圧電部材２０の起電力の値をＶ、内部抵抗の値をｒとすると、これが抵抗値Ｒの負荷抵抗に接続した場合の発電量の最大値Ｐ１は以下の式に(１)により求められる。
Ｐ１＝Ｖ²／４ｒ (１)
一方、上記圧電部材２０をｎ個の圧電部材分割体２０に均等に分割すると、分割された複数の圧電部材分割体２０の一つ当たりの起電力の値はＶで変化しないが、内部抵抗の値はｎ倍すなわちｎｒとなる。したがって、直列に接続されたｎ個の圧電部材分割体２０の全体では、起電力及び内部抵抗がｎ倍となって、起電力の値がｎＶ、内部抵抗の値がｎ²ｒとなり、発電量の最大値Ｐｎは以下の式(２)により求められる。
Ｐｎ＝(ｎＶ)²／４(ｎ²ｒ)＝Ｖ²／４ｒ (２)
すなわち、全体でみると発電量は変わらない。

しかしながら、圧電振動体１４から取り出されるのは、交流電圧であり、センサなどの電源として用いる場合には、図１に示されているように圧電振動体１４から出力される交流電圧をＡＣ／ＤＣ変換回路１６を通して直流電圧に変換して使用する。そこで、ＡＣ／ＤＣ変換回路に用いられるダイオードの電圧−電流特性を見てみると、図７に示されているように、ダイオードの閾値電圧に近い場合、例えば起電力が２倍になると、流れる電流は２倍以上になり、ＡＣ／ＤＣ変換回路１６における損失が減少する。したがって、図１に示される振動発電素子１０のように圧電部材２０をｎ個の圧電部材分割体２０ａに均等に分割して、これらを直列に接続した場合、起電力が分割していない場合と比較してｎ倍になる一方、ＡＣ／ＤＣ変換回路１６における損失が減少して、出力電力が増加する。

図８は、振動発電素子１０における振動周波数−交流出力電圧特性を示している。

各振動発電素子１０は、図１に示されているように、枠状の支持部材１２に一端部を固定し且つ他端部に一つの錘部材２８を備えた振動部材１８の上側表面に、一対の電極２２に挟まれた圧電部材２０を固定したものを、ＭＥＭＳ微細加工技術によって作製したものであり、比較例として、図４に示されているように分割していない圧電部材２０を備えた場合(図８中の▽：１ＰＺＴ)が示されていると共に、本発明に従った例として、図５に示されているように圧電部材２０を二つの圧電部材分割体２０に分割した場合(図８中の◎：２ＰＺＴｓ)と図６に示されているように圧電部材２０を三つの圧電部材分割体２０に分割した場合(図８中の▲：３ＰＺＴｓ)が示されている。交流出力電圧は、作製した振動発電素子１０を加振器にセットして５ｍ／ｓ²の加速度で振動させ、加える振動の周波数を共振周波数付近で変化させた場合の交流出力電圧を図１に「ＡＣ電圧」３０と示されている区間、すなわちＡＣ／ＤＣ変換回路１６の前段の位置で測定した。図８を参照すると、圧電部材２０を分割していない場合と比較して、圧電部材２０を分割してこれを電気的に直列に接続することで、交流出力電圧が増加することが分かる。また、圧電部材２０の分割数を増やすほど交流出力電圧も増加することが分かる。なお、図８に見られる数共振周波数のばらつきは振動発電素子１０の作製プロセスに起因するものであり、本発明に本質的な関わりはない。

図９は、振動発電素子１０における負荷抵抗−直流出力電力特性を示している。

各振動発電素子１０は、図９の場合と同様に作製したものであり、比較例として、分割していない圧電部材２０を備えた場合(図９中の▽：１ＰＺＴ)が示されていると共に、本発明に従った例として、圧電部材２０を二つの圧電部材分割体２０に分割した場合(図９中の◎：２ＰＺＴｓ)と圧電部材２０を三つの圧電部材分割体２０に分割した場合(図９中の▲：３ＰＺＴｓ)が示されている。直流出力電力は、作製した振動発電素子１０を加振器にセットして振動させ、図１に示されている負荷抵抗３４を変化させた場合の直流出力電圧を図１に「ＤＣ電圧」３２と示されている区間、すなわちＡＣ／ＤＣ変換回路１６の後段の位置で測定することによって求めた。図９を参照すると、圧電部材２０を分割していない場合と比較して、圧電部材２０を分割してこれを電気的に直列に接続することで、直流出力電力が増加していることが分かる。また、圧電部材２０の分割数を増やすほど直流出力電力も増加することが分かる。

このように、本発明者は、振動発電素子１０にＡＣ／ＤＣ変換回路１６を接続したときの出力電力を見ると、圧電部材２０をｎ個の圧電部材分割体２０ａに分割して、これらを電気的に直列に接続することで起電力を増加させた結果、同じ面積且つ同じ厚さの分割していない圧電部材２０を用いる場合と比較して、ＡＣ／ＤＣ変換回路１６における損失が小さくなり、圧電部材２０を分割しない場合よりも大きな直流出力電力が得られることを見出した。したがって、圧電部材２０を複数の圧電部材分割体２０ａに分割し、これを電気的に直列に接続することによって、ＡＣ／ＤＣ変換回路１６を通した出力電力が分割しない場合よりも増加する効果を奏することが可能となる。

以上、図示される実施形態を参照して、本発明による振動発電素子１０を説明したが、図示される実施形態は例示に過ぎず、本発明による振動発電素子１０の構造は実施形態に限定されるものではない。例えば、図示される実施形態では、圧電振動体１４が支持部材１２によって片持ち支持されているが、圧電部材２０が複数の圧電部材分割体２０ａに分割されていれば支持部材１２による圧電振動体１４の支持構造に制限はなく、一例として、圧電振動体１４の両端部を支持部材１２によって支持し、圧電振動体１４の中央部に錘部材２８を設けるようにしてもよい。

本発明の振動発電素子１０は、例えば、タイヤ空気圧モニタリング、インフラのモニタリング、動物の健康状態のモニタリングなどに用いられている無線センサネットワークの無線センサ端末などの主電源又は補助電源として利用可能である。

１０振動発電素子
１２支持部材
１４圧電振動体
１６ＡＣ／ＤＣ変換回路
１８振動部材
２０圧電部材
２２，２２ａ，２２ｂ電極
２４圧電部材
２６電極
２８錘部材

Claims

圧電部材を有した板状の圧電振動体を支持部材によって支持し、圧電振動体の振動に伴う圧電部材の変形に応じて圧電効果で発電する振動発電素子であって、
交流直流変換回路が前記圧電振動体に接続され、前記圧電振動体の振動によって生成された交流電圧が直流電圧に変換されて出力されるようになっていると共に、前記圧電部材が幅方向に複数の部分に分割され、前記複数の部分が、互いに同期して振動するように連結されていると共に電気的に直列に接続されていることを特徴とする振動発電素子。
前記圧電振動体は、少なくとも一端部を前記支持部材によって支持されていると共に、前記支持部材によって支持されている部分以外に少なくとも一つの錘部材を備えている、請求項１に記載の振動発電素子。
前記圧電振動体は、前記支持部材によって支持された振動部材と、圧電材料によって形成され且つ該振動部材上に設けられた膜状の圧電部材と、該圧電部材に接続された一対の電極とによって構成されており、前記膜状の圧電部材及び一対の電極が複数の部分に分割されている、請求項１又は請求項２に記載の振動発電素子。
複数の部分に分割された前記膜状の圧電部材及び前記一対の電極が一つの振動部材上に設けられている、請求項３に記載の振動発電素子。
前記圧電振動体は、圧電材料によって形成され且つ前記支持部材によって支持された板状の圧電部材と、該圧電部材に接続された一対の電極とによって構成されている、請求項１又は請求項２に記載の振動発電素子。