JP2016092888A - Piezoelectric generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電発電装置に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric power generator.
従来から、圧電素子を利用した圧電発電装置が知られている。例えば、圧電体と金属板(振動板)とが接合された発電ユニットが支持体によって支持された構造を備え、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電発電装置が知られている(例えば、特許文献1、2を参照)。 Conventionally, piezoelectric power generation devices using piezoelectric elements are known. For example, there is known a piezoelectric power generation device that includes a structure in which a power generation unit in which a piezoelectric body and a metal plate (vibration plate) are joined is supported by a support, and converts vibration energy into electric energy (for example, Patent Documents). 1 and 2).
上記の圧電発電装置においては、小型化により共振周波数が高周波数側の振動領域に発現するため、低周波数側の振動領域での発電量が低いという問題があった。本技術分野においては、特に装置の小型化、発電効率の向上が求められている。 The piezoelectric power generation apparatus has a problem that the amount of power generation in the vibration region on the low frequency side is low because the resonance frequency appears in the vibration region on the high frequency side due to downsizing. In this technical field, it is particularly demanded to reduce the size of the apparatus and improve the power generation efficiency.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、低周波数側の振動領域での発電量を向上できる小型の圧電発電装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a small piezoelectric power generator that can improve the amount of power generation in a vibration region on the low frequency side.
本発明の圧電発電装置は、発電部である圧電素子と、振動板とを備え、該振動板に前記圧電素子が接合されてなる発電ユニットと、該振動板を支持する第1の支持体とを備えた圧電発電装置であって、前記振動板は、前記圧電素子から前記第1の支持体の間の延出領域が、前記圧電素子を搭載する搭載面に垂直な方向の少なくとも一方側に向けて突出するように屈曲した屈曲部を有していることを特徴とする。 The piezoelectric power generation device of the present invention includes a piezoelectric element that is a power generation unit and a diaphragm, a power generation unit in which the piezoelectric element is joined to the diaphragm, and a first support that supports the diaphragm. In the piezoelectric power generation apparatus, the extension region between the piezoelectric element and the first support is on at least one side in a direction perpendicular to the mounting surface on which the piezoelectric element is mounted. It has the bending part bent so that it may protrude toward, It is characterized by the above-mentioned.
本発明の圧電発電装置によれば、低周波数側の振動領域での発電量を向上させることができる。 According to the piezoelectric power generation device of the present invention, the amount of power generation in the vibration region on the low frequency side can be improved.
以下、添付図面を参照して、本実施形態の圧電発電装置の一例を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。 Hereinafter, an example of the piezoelectric power generation apparatus of the present embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by embodiment shown below.
図1(a)は本実施形態の圧電発電装置の一例を示す概略斜視図、図1(b)は図1(a)の圧電発電装置の概略断面図である。図1に示す本実施形態の圧電発電装置は、発電部である圧電素子11と、振動板12とを備え、該振動板12に圧電素子11が接合されてなる発電ユニット1と、該振動板12を支持する第1の支持体21とを備えた圧電発電装置であって、振動板12は、圧電素子11から第1の支持体21の間の延出領域が、圧電素子11を搭載する搭載面122に垂直な方向の少なくとも一方側に向けて突出するように屈曲した屈曲部13を有している。
FIG. 1A is a schematic perspective view illustrating an example of the piezoelectric power generation device of the present embodiment, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric power generation device of FIG. The piezoelectric power generation apparatus of this embodiment shown in FIG. 1 includes a
本実施形態の圧電発電装置は、発電部である圧電素子11および振動板12を含み、振動板12に圧電素子11が接合されてなる発電ユニット1を備えている。
The piezoelectric power generation apparatus according to the present embodiment includes a
発電ユニット1を構成する圧電素子11は、圧電性を有する圧電体とその両主面に設けられた電極とから構成されていて、振動板12から伝達された振動エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。圧電性を有する圧電体材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(lead zirconate titanate)、チタン酸鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム
、Bi層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物等の非鉛系圧電体材料等の圧電セラミックス、圧電体樹脂などを用いることができる。また、電極材料としては銀等を好適に用いることができる。なお、図示しないが、圧電素子11の電極は、これに接続された配線を介して外部回路と電気的に接続される。また、図1に示す圧電素子11は、矩形板状のものであるが、円板状などであってもよい。
The
発電ユニット1を構成する振動板12にはエポキシ系やアクリル系などの樹脂接着剤を用いて圧電素子11が接合されていて、振動板12で発生した振動エネルギーが圧電素子11に伝達される。振動板12としては、良く弾性変形して屈曲しやすく、過負荷時に塑性変形をした際にも破断しにくいもので形成され、例えば0.05mm~0.5mmの厚
みとされる。このような材料として、例えば、リン青銅、黄銅、洋白、コルソン系合金、ステンレス(SUS)などの金属材料が挙げられる。これらを用いることで、振動板12の弾性変形領域を広くでき、繰り返し応力に対する疲労破壊耐性が高くなるため、耐久性を向上できる。ここで、金属材料からなる振動板(金属板)は、プレス打抜きやエッチングなどにより成型することができる。特に、振動板12として金属板などの導体を用いことで、外部回路と接続するための配線として用いることもできる。さらに、圧電素子11の電極を兼ねることもできる。なお、軽量化や加工難易度を鑑みて、アクリルなどの樹脂板を用いてもよい。また、図1に示す振動板12は、圧電素子11を搭載する領域と、圧電素子11から第1の支持体の間の延出領域121とを有する、平面視で矩形板状のものであるが、円板状などであってもよい。
A
発電ユニット1は、一対の第1の支持体21によって振動可能に支持されている。具体的には、振動板12における圧電素子11の両側から一対の第1の支持体21の間を延びる延出領域121を介して発電ユニット1全体が一対の第1の支持体21に支持されている。ここで、第1の支持体21は振動板12の端部を支持し、この支持された部位が振動板12を屈曲させる際の支点として働く。したがって、第1の支持体21は破損が発生しにくいものとし、さらに加えて振動板12の振動を減衰させないため、弾性変形も抑制する必要がある。一般的には硬さに優れたABS樹脂やポリプロピレンなどの樹脂、ステンレス(SUS)やリン青銅、黄銅などの金属が用いられる。第1の支持体21が樹脂からなる場合は、発電ユニット1を保持した状態で成型される。第1の支持体21として金属が用いられる場合、振動板12との導通を避けるため、振動板12との接触面に絶縁体を介在させてもよい。
The
そして、振動板12の延出領域121は、振動板12のうち圧電素子11を搭載する搭載面122(以下、単に搭載面122という場合がある)に垂直な方向の少なくとも一方側(上方向または下方向)に向けて突出するように屈曲した屈曲部13を有している。
The
具体的には、図1においては、振動板12の延出領域121において、搭載面122から垂直な方向(上方向)に向けて折れ曲がり、途中で折り返すように形成された屈曲部13を有し、再び搭載面122に垂直な方向から平行な方向に向けて折れ曲がるようになっている例を示している。なお、その外側では搭載面122に平行な方向に延びて、この外側に配置された第1の支持体21まで到達して、当該第1の支持体21に支持されている。
Specifically, in FIG. 1, the
なお、振動板12が金属からなる場合は、プレス加工することにより屈曲部13を形成することができる。また、振動板12が樹脂からなる場合は、屈曲部13の形状にかたどられた金型を用いて射出成型することにより屈曲部13を形成することができる。
When the
ここで、出力電圧の上昇は、発電ユニット1の共振周波数に依存する。当該サイズの発電ユニット1を作製して、振動板12の両端を第1の支持体21にて保持した場合、材質により大きく変動するが、概ね共振周波数は2.5kHz近辺となる。しかしながら、一般的に振動発電を行うための外部印可振動は500Hz以下となることが多い。発電ユニット1の起電力は発電ユニット1自体の変位によるため、それ自体の共振周波数が振動周波数に近づくことで変位量が上昇し、その結果、出力電圧を上昇させることができる。
Here, the increase in the output voltage depends on the resonance frequency of the
すなわち、本実施形態のような構成とすることで、圧電発電装置の小型化を維持しつつ、振動板12の実効長を長くすることができ共振周波数を低下させ、使用される周波数領域でのインピーダンスを低下できる。したがって、振動板12の出力インピーダンスを低下させ、負荷の入力インピーダンスに近づくことで、マッチングロスが減少するから、低周波数側の振動領域にて高い発電量を得ることができる。また、屈曲部13の応力緩和効果により、振動耐久性も向上させることができる。
That is, by adopting the configuration as in this embodiment, the effective length of the
なお、屈曲部13の形状としては、例えば屈曲半径が振動板12厚みの3倍以上であることが、小型にもかかわらず発電量を向上できる点で好ましい。同様に、搭載面122の位置から屈曲部13までの距離(高さ)も、振動板12厚みの3倍以上であるのが効果的である。
In addition, as a shape of the bending
ここで、図2に示すように延出領域121は、搭載面122に垂直な方向の一方側(上方向)に向けて突出するように屈曲した屈曲部131および搭載面122に垂直な方向の他方側(下方向)に向けて突出するように屈曲した屈曲部132を有していることがより好ましい。具体的には、図2においては、振動板12の延出領域121において、搭載面122に平行な方向から垂直な方向(下方向)に向けて折れ曲がり、途中で折り返すように形成された屈曲部132と、続いて搭載面122に垂直な方向(上方向)に延びてから、折り返すように形成された屈曲部131とを有し、その後、搭載面122に垂直な方向から平行な方向に向けて折れ曲がるようになっている。なお、屈曲部131の外側では搭載面122に平行な方向(図における左右方向)に延びて、この外側に配置された第1の支持体21まで到達して、当該第1の支持体21に支持されている。このような構成とすることで、振動板12の変位がより大きくなるため、更に発電量を向上できる。
Here, as shown in FIG. 2, the
また、図3に示すように、屈曲部131、132に近接して設けられ、屈曲部131、132の変位量を規制する第1のストッパー14を備えていてもよい。第1のストッパー14は、屈曲部131の上側および屈曲部132の下側に所定の間隔(搭載面122に垂
直な方向(上下方向)の過剰変位を抑制する程度の間隔)を有するように設けられたものであり、第1のストッパー14があることで、搭載面122に垂直な方向(上下方向)の過剰変位が生じようとしたときに振動板12の屈曲部131、132が第1のストッパー14にあたってその過剰変位が抑制されることから、過剰振動発生時の圧電発電装置の破損を抑制して耐久性を向上できる。図3に示す構成では、第1のストッパー14は第1の支持体21と一体に形成されているが、屈曲部131、132の過剰変位を規制するような構成であればよく、第1のストッパー14は第1の支持体21とは別体に形成され、第1の支持体21に固定されたものであってもよい。なお、上記の過剰変位を抑制する程度の間隔は、圧電発電装置の大きさに応じて例えば0.005〜1.0mmの範囲内で適宜決定される。
Further, as shown in FIG. 3, a
さらに、図4に示すように、第1のストッパー14は屈曲部131、132が入り込む凹部141を有していてもよい。この凹部141は、搭載面122に平行な方向の変位を規制するために、屈曲部131の内側および外側、屈曲部132の内側および外側に所定の間隔(搭載面122に平行な方向の不規則な過剰変位を抑制する程度の間隔)を有するように設けられたものである。このような構成とすることで、搭載面122に平行な方向に想定していないような不規則な過剰変位が生じようとしても、振動板12の屈曲部131、132が第1のストッパー14に形成された凹部141にあたるため、搭載面122に平行な方向の不規則変位が抑制されるため、異常振動発生時の耐久性を向上できる。なお、上記の過剰変位を抑制する程度の間隔は、圧電発電装置の大きさに応じて例えば0.005〜1.0mmの範囲内で適宜決定される。
Furthermore, as shown in FIG. 4, the
また、図5に示すように、発電ユニット1は搭載面122に垂直な方向に数個配置されており、第1の支持体21は複数個の発電ユニット1を一体に支持していてもよい。なお、この場合において、平面透視にて各発電ユニット1の圧電素子11が重なりあうように配置されていることが好ましい。このような構成とすることで、複数個の圧電素子11を直列接続すると電圧が上昇でき、一方複数個の圧電素子11を並列接続すると電流が上昇できるため、さらに発電量を増加できる。
Further, as shown in FIG. 5, several
なお、この場合の搭載面122の位置から屈曲部13までの高さ(搭載面122の一方主面側(上側)および他方主面側(下側)に向かって屈曲する屈曲部131、132がある場合は、それぞれの高さの合計)は、例えば隣り合う振動板12の間隔の90%以下とされる。
In this case, the height from the position of the mounting
また、図に示すように、それぞれの振動板12の延出領域121において、搭載面122より一方側に向けて突出するように屈曲した屈曲部13を有している場合に、それぞれの変位量を規制する第1のストッパー14を備えていてもよく、さらにそれぞれの第1のストッパー14は屈曲部13が入り込む凹部141を有していてもよい。
Further, as shown in the figure, when the
さらに、図6に示すように、複数個の発電ユニット1をそれぞれ外縁側から一体に支持する第1の支持体21と、複数個の発電ユニット1をそれぞれ圧電素子11の内側の領域で一体に支持する可動式の第2の支持体22を備えていてもよい。
Further, as shown in FIG. 6, the
ここで、例えば複数の圧電素子11および複数の振動板12にはそれぞれ貫通孔が形成されていて、これらの貫通孔を挿通するように第2の支持体22が設けられている。具体的には、第2の支持体22は、複数の圧電素子11および複数の振動板12の貫通孔に挿通される棒状部221と、それぞれの圧電素子11および振動板12を挟持するように支持する支持部222とを備えている。ここで、棒状部221と支持部222とは、ボルト状とナット状とに形成されたものでもよく、互いに接着などされて固定されたものでもよい。これらは、それぞれの発電ユニット1の短絡を防止する意味で樹脂で形成されてもよ
く、また間隔をあけたり絶縁体を介在させたりするなどによりそれぞれの発電ユニット1の短絡を防止したうえで金属で形成されてもよい。
Here, for example, through holes are respectively formed in the plurality of
なお、第2の支持体22で複数個の発電ユニット1を固定したうえで、複数個の発電ユニット1のそれぞれの外縁側に第1の支持体21を一体に成型することで、図6に示す形態を容易に作製することができる。
In addition, after fixing the several electric
このような構成とすることで、全振動板12の変位方向を同期できる。そのため発生する電位が常に同位相となり、打ち消しあうことが無いことから、発電時のロスを低減できる。
By setting it as such a structure, the displacement direction of all the
さらに、図7に示すように、第2の支持体22に近接して設けられ、第2の支持体22の変位量を規制する第2のストッパー15を備えていてもよい。第2のストッパー15は、第2の支持体22の上端の上側に所定の間隔(搭載面122に垂直な方向(上下方向)の過剰変位を抑制する程度の間隔)を有するように設けられたものであり、第2のストッパー15があることで、第2の支持体22を含めた全振動板12に当該搭載面122に垂直な方向(上下方向)の過剰変位が生じようとしたときに、第2の支持体22の上端が第2のストッパー15にあたってその過剰変位が抑制されることから、過剰振動発生時の圧電発電装置の破損を抑制して耐久性を向上できる。なお、図7に示す構成では、第2のストッパー15は第1の支持体21と一体に形成されているが、第2のストッパー15は第1の支持体21とは別体に形成され、第1の支持体21に固定されたものであってもよい。また、上記の過剰変位を抑制する程度の間隔は、圧電発電装置の大きさに応じて例えば0.005〜1.0mmの範囲内で適宜決定される。
Furthermore, as shown in FIG. 7, a
ここで、図8に示すように、第2のストッパー15は第2の支持体22が入り込む凹部151を有していてもよい。この凹部151は、第2の支持体22が搭載面122に平行な方向に変位するのを規制するために、第2の支持体22の上端部221の内側および外側に所定の間隔(搭載面122に平行な方向の不規則な過剰変位を抑制する程度の間隔)を有するように設けられたものである。このような構成とすることで、搭載面122に平行な方向に不規則な過剰変位が生じようとしても、第2の支持体22が第2のストッパー15に形成された凹部151にあたるため、搭載面122に平行な方向の不規則変位が抑制されるため、異常振動発生時の耐久性を向上できる。なお、上記の過剰変位を抑制する程度の間隔は、圧電発電装置の大きさに応じて例えば0.005〜1.0mmの範囲内で適宜決定される。
Here, as shown in FIG. 8, the
次に、本実施形態の圧電発電装置の具体例について説明する。 Next, a specific example of the piezoelectric power generation device of this embodiment will be described.
圧電素子は長さが8mm、幅が8mm、厚みが0.1mmの長方形板状の圧電体セラミックスと、その両主面に銀を主成分とした導体からなる電極とを含む構成のものとした。また、振動板は、長さが18mm、幅が10mm、厚みが0.1mmのリン青銅からなる金属板で、主面垂直方向に折り曲げて高さ3mmの位置に図1に示す形状の屈曲部を形成した。また、圧電素子と振動板は、アクリル系の接着剤で接着した。第1の支持体はエポキシ樹脂を用い、高さ6mmのものを用い作製した。 The piezoelectric element has a configuration including a rectangular plate-shaped piezoelectric ceramic having a length of 8 mm, a width of 8 mm, and a thickness of 0.1 mm, and electrodes made of a conductor mainly composed of silver on both main surfaces thereof. . The vibration plate is a metal plate made of phosphor bronze having a length of 18 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 0.1 mm. Formed. The piezoelectric element and the diaphragm were bonded with an acrylic adhesive. The first support was made of an epoxy resin having a height of 6 mm.
上記のようにして作製した本実施例となる圧電発電装置の無負荷状態でのオープン出力電圧を測定した。周波数100Hz、加速度1Gの振動を加えたところ0.64Vの電圧が観測された。 The open output voltage in the no-load state of the piezoelectric power generation apparatus according to the present example manufactured as described above was measured. When a vibration with a frequency of 100 Hz and an acceleration of 1 G was applied, a voltage of 0.64 V was observed.
これに対し、比較例として、同様の外形寸法を持つ、屈曲部が振動板に形成されていな
い発電装置の出力電圧0.57Vに比べ、12%の電圧上昇がみられた。
On the other hand, as a comparative example, a voltage increase of 12% was observed as compared with the output voltage of 0.57 V of the power generation device having the same outer dimensions and the bent portion not formed on the diaphragm.
また、図2に示す形状のように、圧電発電装置の搭載面に垂直な方向の一方側に加え、搭載面に垂直な方向の他方側にも高さ3mmの位置に屈曲部を設けたところ、無負荷状態でのオープン出力電圧を測定は、周波数100Hz、加速度1Gの振動を加えると0.70Vと、更に向上した。 In addition to the shape perpendicular to the mounting surface of the piezoelectric generator, a bent portion is provided at a height of 3 mm on the other side in the direction perpendicular to the mounting surface as shown in FIG. The measurement of the open output voltage in the no-load state was further improved to 0.70 V when vibration with a frequency of 100 Hz and an acceleration of 1 G was applied.
上記の結果より本実施例の構成において、低周波数領域での発電量を向上できることを確認できた。 From the above results, it was confirmed that the power generation amount in the low frequency region can be improved in the configuration of this example.
1 発電部
11 圧電素子
12 振動板
121 延出領域
13、131、132 屈曲部
14 第1のストッパー
141 凹部
15 第2のストッパー
151 凹部
21 第1の支持体
22 第2の支持体
221 棒状部
222 支持部
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