JP5120502B2 - 圧電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電発電装置、特に、圧電素子を利用して運動エネルギーを電気エネルギーに変化させて電力を取り出すための圧電発電装置に関する。

従来から、圧電素子を利用して外部から入力される運動エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を取り出し、蓄電装置などに電力を供給する圧電発電装置としては、例えば、特許文献１，２，３に記載のものが知られている。

一般的には、圧電体基板の一端を固定し、他端を自由端として質量を設けた片持ち梁状態で支持している。特許文献１では、圧電体基板を自由端に向かって薄くしており、特許文献２では、圧電体基板を自由端に向かって幅細くしている。また、特許文献３には、互いに平行に配置されて積み重ねられた複数の直線部分を含む連続する圧電素子にて、いわゆるつづら折りに構成した圧電デバイスが記載されている。

ところで、特許文献１，２に記載のような片持ち梁方式（カンチレバー型）の発電装置では、発電量を上げるにはカンチレバーの長さが必要であり、大きな振動空間も必要なので、どうしても発電装置が大型化してしまう。特許文献３に記載の圧電デバイスでは、小型化が可能ではあるが、スタックした圧電素子の固定端に応力が集中する傾向にあり、固定端が破損しやすいという問題点を有している。また、発電効率の向上に対して必ずしも有効な対策が施されていない。

特許平１０−５６７８４号公報 特開平１０−１７４４６２号公報 特許第４２２０９０１号公報

そこで、本発明の目的は、複数の圧電素子個々にほぼ均等な応力を作用させることによって、固定部が破壊されるおそれを解消し、かつ、発電効率の大きい圧電発電装置を提供することにある。

以上の目的を達成するため、本発明の一形態である圧電発電装置は、
基板に電極が形成された短冊状をなす複数の圧電素子を、それらの両端部分で結合し、結合部分以外は振動可能とした圧電積層体を備え、
前記圧電積層体はその一部が固定部とされるとともに端部は自由端とされ、
前記各圧電素子は前記固定部から自由端に向かってそれぞれの剛性が小さくされていること、
を特徴とする。

前記圧電発電装置において、各圧電素子は固定部から自由端に向かってそれぞれの剛性が小さくされているため、換言すれば、ばね定数が小さくされているため、固定部から自由端に向かって各圧電素子に作用する応力がほぼ均等になり、固定部が破壊されやすいという問題点が解消され、同時に、発電効率が向上する。各圧電素子の剛性を変えるには、基板の厚みを変える、基板の幅を変える、基板の長さを変える、基板の材料を変える、あるいは、基板の密度を変えるなどで対処することができる。

本発明によれば、固定部から自由端に向かって各圧電素子に作用する応力がほぼ均等になり、固定部が破壊されやすいという問題点が解消されるとともに発電効率が向上する。

本発明に係る圧電発電装置の基本的構成を示す概略構成図である。 前記圧電発電装置の要部を示す説明図である。 本発明に係る圧電発電装置における固定部と錘の位置関係を示す説明図である。 本発明に係る圧電発電装置における各圧電素子の電気的接続関係の第１例を示す説明図である。 前記第１例における各圧電素子の電極を示す説明図である。 本発明に係る圧電発電装置における各圧電素子の電気的接続関係の第２例を示す説明図である。 前記第２例における各圧電素子の電極を示す説明図である。 各圧電素子における表面応力分布を示すグラフである。 電極長さと発電エネルギーとの関係を示すグラフである。 各圧電素子の厚みを変えた圧電発電装置を示す概略構成図である。 厚みを変えた場合に圧電素子の各層における応力を示すグラフである。 各圧電素子の長さを変えた圧電発電装置を示す概略構成図である。 各圧電素子の幅を変えた圧電発電装置を示す概略構成図である。 幅を変化させた圧電素子を示す平面図である。 厚みを変化させた圧電素子を示す側面図である。 図１４の形状変化における圧電素子の表面応力分布を示すグラフである。

以下、本発明に係る圧電発電装置の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

（圧電発電装置の概略構成、図１及び図２参照）
本発明に係る圧電発電装置は、図１に示す積層構造の圧電積層体１０からなる。即ち、以下に詳述するように基板の表裏面に電極が形成された短冊状をなす複数の圧電素子１１（１１−１，１１−２…１１−ｎ）をそれらの両端部分で結合し（結合部を符号１２で示す）、結合部１２以外は振動可能とされている。最上層の圧電素子１１−１の一端を固定部とし、最下層の圧電素子１１−ｎは自由端であり、錘３５が固定されている。

図２に示すように、各圧電素子１１は２枚の圧電基板を接合させたバイモルフ型であり、各基板の中央部分を境にして長辺方向の右半分と左半分とで矢印で示すように分極方向が逆に形成（分極方向を反転）されている。また、各圧電素子１１は固定部３０から自由端に向かって（換言すれば、最上層から最下層に向かって）、それぞれの剛性が小さくされている。剛性とは、ばね定数と言い換えてもよい。

ばね定数Ｋでいえば、最上層の圧電素子１１−１から最下層の圧電素子１１−ｎにかけて、Ｋ１≧Ｋ２≧Ｋ３≧……≧Ｋｎ（但し、全てのＫは全て同じではない）に設定されている。各圧電素子１１のばね定数は、Ｋ＝１２ＥＩ／Ｌ³（Ｅ：ヤング率、Ｉ：断面２次モーメント、Ｌ：梁の長さ）で示され、梁の長さ、厚み、幅、ヤング率などによって変えることができる。

錘３５に関しては、極力空間部の有効利用を図るために、圧電積層体１０を囲むような箱形状が好ましく、密度の大きな金属あるいはセラミックスを素材とすることが好ましい。

以上の概略構成からなる圧電発電装置においては、錘３５に振動が加わると、該振動は最下層の圧電素子１１−ｎから最上層の圧電素子１１−１に徐々に伝達され、圧電積層体１０が全体として振動し、電極から電力が取り出される。なお、各圧電素子１１に形成した電極とそれらの電気的接続状態については後述する。

圧電体の発電エネルギーは圧電体のｄ定数の２乗と応力が作用される圧電体の体積、応力の２乗、波数に比例し、圧電体の誘電率に反比例する。これらのうち、波数は素子の共振周波数によって決まるが、圧電体の共振周波数は振動周波数帯域内に設定することにより小さな加速度で大きな発電量を得ることができる。しかし、一般的に自然界に存在する振動周波数は非常に低く、例えば、歩行に伴う振動の周波数帯域は０Ｈｚから数１０Ｈｚであり、歩行の振動によって大きな発電量を得るためには、圧電素子の共振周波数を数１０Ｈｚ以下と低くすることが好ましい。また、発電エネルギーを増加させるために体積を増加させる方法を用いる場合、例えば、単純な１枚の梁の断面積を大きくするときには、厚み、幅を大きくすると梁の断面２次モーメントが大きくなり、梁に加わる応力が小さくなる。そこで梁に加わる応力を低下させないために、梁に接続される錘３５の質量を増やしたり、梁の長さを長くするなどの対策を実施する必要がある。これらの対策は圧電発電装置の大型化につながる。

そのために、前記圧電発電装置においては、短冊状の複数の圧電素子を互いに両端部で結合するつづら折り構造とした。この構造では、１段目の素子には錘３５と２段目以下の素子の重量が固定部３０に集中的に加重され、２段目の素子には、錘３５と３段目以下の素子の重量が加えられる。つまり、発電部そのものの質量を利用できるので、発電体積効率が向上する。また、発電部の共振周波数は、各段の圧電素子１１を薄くし、積層段数を増加させることにより、体積の低下を伴うことなく、また、圧電積層体１０を大きくすることなく、低周波化が可能である。

ところで、つづら折り構造の圧電発電装置においては、ある段の圧電素子１１にはそれ以下の段の素子の重量が付加されるため、単に同一厚み（剛性）の素子１１を積層しただけでは、固定部３０と最上層の素子１１−１に応力集中する課題がある。そこで、本圧電発電装置では、各段の素子１１に応力を分散させるために、各段の素子１１の剛性（ばね定数）を変えることによりこの課題を解決している。各圧電素子の剛性を変えるには、基板の厚みを変える、基板の幅を変える、基板の長さを変える、基板の材料を変える、あるいは、基板の密度を変えるなどで対処することができ、それらの詳細は後述する。

また、本圧電発電装置では、予め電極などを形成して分極処理した短冊状の複数の圧電素子１１を両端で結合して圧電積層体１０を構成するため、電極の形成や分極処理が特殊なものではなく、通常の圧電素子の製造工程を用いて極めて容易であり、必要とする特性に仕上げることができる。以下に説明する各電極の接続も、各圧電素子１１の上面、接合面及び下面に形成された電極を各素子１１の側面に引出し、側面においてスパッタなどで導通させればよく、加工性が容易であり、低コスト化を達成できる。

（固底部と錘の位置関係、図３参照）
前記錘３５は必ずしも必要ではない。一般的には、図３（Ａ）に示すように、最上層の圧電素子１１−１の固定部３０から最も離れた最下層の自由端に取り付けられる。なお、本圧電発電装置は重力とは直交する水平方向に配置してもよい。図３（Ｂ）は圧電積層体１０を水平方向に位置させる場合を想定したもので、一方の圧電素子１１−１に固定部３０を設け、他方（自由端）に設けた錘３５との間にばね部材３６を介在させてもよい。錘３５を取り付ける位置は任意であって、図３（Ｃ）に示すように、中間層の圧電素子１１−４，１１−５の結合部１２に取り付け、両端部の圧電素子１１−１，１１−８の端部を固定部３０としてもよい。

（素子の電気的接続の第１例、図４及び図５参照）
図４に各圧電素子の電気的接続の第１例を示す。この第１例では、図４に示すように、バイモルフ型の各圧電素子１１において、矢印で示す分極方向が互いに逆である素子ａ１，ａ２及び素子ａ３，ａ４を直列に接続したものである。

この第１例において各圧電素子１１の上面、下面及び接合面に形成される電極１５，１６，１７の形状は図５に斜線を付して示すとおりである。即ち、各バイモルフ型の圧電素子１１において、奇数段と偶数段での上面及び下面の電極１５，１７の引出し方向を異ならせ、各電極１５，１６，１７を基板の側面にまで延在させて図４に示す接続関係を形成している。

（素子の電気的接続の第２例、図６及び図７参照）
図６に各圧電素子の電気的接続の第２例を示す。この第２例では、図６に示すように、バイモルフ型の各圧電素子１１において、矢印で示す分極方向が互いに逆である素子ａ１，ａ３及び素子ａ２，ａ４を並列に接続し、かつ、素子（ａ１，ａ３）と素子（ａ２，ａ４）を直列に接続したものである。

この第２例において各圧電素子１１の上面、下面及び接合面に形成される電極１５，１６，１７の形状は図７に斜線を付して示すとおりである。即ち、各バイモルフ型の圧電素子１１において、奇数段と偶数段での上面及び下面の電極１５，１７の引出し方向を異ならせ、各電極１５，１６，１７を基板の側面にまで延在させて図６に示す接続関係を形成している。

なお、図７に示した電極１５，１６，１７は平面視で部分的に切り欠かれた部分を有している。しかし、上面及び下面の電極１５，１７に切り欠きを設ければ、接合面の電極１６は全面に形成したものであってもよい。一方、接合面の電極１６に切り欠きを設ければ、上面及び下面の電極１５，１７は全面に形成したものであってもよい。

（電極の配置、図５、図７〜図９参照）
ところで、図５及び図７に示したように、各圧電素子１１において、上面、接合面及び下面に設けた電極１５，１６，１７は、圧電素子１１の各層間を側面部分が切り欠かれて圧電素子１１の上面及び下面の電極１５，１７の引出し方向を異ならせており、所定の接続関係で導通させる。圧電素子１１の中央部分は対向する電極が重ならないように切欠き部分が形成されている。そして、各圧電素子１１の全長Ｌ１に対して重なり部分と切欠き部分はそれぞれＬ１／５の寸法関係に設定されている。また、電極１５，１６，１７の圧電素子１１のＬ１方向の両端部に配置されているＬ１／５の長さに相当する引出し電極部分を除く電極の長さ、つまり、実質電極の長さＬ２に対して重なり部分と切欠き部分はそれぞれＬ２／３の寸法関係に設定されている。つまり、電極１５，１６，１７の重なり部分は実質電極の長さＬ２に関してその両端からそれぞれ約１／３の領域に形成している。

圧電素子１１の断面２次モーメントが長さ方向に一様な場合、本実施例での積層構造における素子１１の両端での応力は、図８に示すように、正負が逆（一端が圧縮応力の場合、他端は引張り応力）になり、中央で応力が０になる。図８の縦軸は単位をＰａとする。各圧電素子１１で発生する発電エネルギーは電極の実質電極の長さをＬ２とすると、図９に示すように、実質電極両端からそれぞれ重なり部分を等しい長さで伸ばすとき、電極の重なり部分が一定の条件において最大の発電エネルギーを得ることができる。

ここで、互いに長さの等しい電極の重なり部分の一方の長さを実質電極の長さで徐した値を実質電極の重なり度（％）として図９の横軸に示す。実質電極の重なり度の値は０〜５０％の値をとる。図９の縦軸は、一目盛りが１０％の発電エネルギー比（％）であり、実質電極の重なり度（％）を変化させたときの発電エネルギー（Ｊ）を、実質電極の重なり度が３３％において、発電エネルギー（Ｊ）が最大となる発電エネルギーの値で徐した割合（％）とする。つまり、図９に示される実験結果によれば、発電エネルギー比は、実質電極の重なり度が、それぞれ、１７％のＡ点で８２％、２３％のＢ点で９０％、２７％のＣ点で９５％、３３％のＤ点で１００％、４７％のＥ点で９５％、及び、５０％のＦ点で９０％となる。この場合、実質電極の重なり度の範囲を２３％から５０％に設定すれば、実質電極の重なり度が３３％である発電エネルギーの最大値に対して９０％以上の値にできるため好ましい。さらに、圧電素子の中央に電極重なり部分を有さないことにより圧電体の応力と分極方向とが反転される電荷分布の不安定な領域での電力取出し量が抑制されるため安定した発電エネルギーが得られるためより好ましい。またさらに、実質電極の重なり度の範囲を２７％から４７％に設定すれば、発電エネルギーの最大値に対して９５％以上の値にできるためより好ましい。なお、図４、図７で示される実施形態においては、実質電極の重なり度は３３％である。

（素子の剛性の変化、図１０〜図１６参照）
各圧電素子１１の剛性を変えるために、基板の厚みを変えた例を図１０に示す。つまり、最上層の圧電素子１１−１から最下層の圧電素子１１−ｎにかけて素子基板の厚みを徐々に薄くし、これにて最上層の圧電素子１１−１のばね定数を一番大きくし、下層にいくほど小さくなるようにした。

これにて、図１１に示すように、各層の圧電素子１１の結合部１２との境の表面での応力をほぼ均等に分散することが可能になり、例えば、固定部への応力集中が緩和されることで信頼性を向上させ、各層の圧電体に作用する最大主応力の総和が増大されることで発電量を大きくさせることができる。ちなみに、図１１は横軸が各層の圧電体の１層目からｎ層目までの層数、縦軸が各層の圧電素子１１の結合面に作用する応力であり、白抜き三角形印及びＸ印が圧電素子１１の厚みを徐々に薄くした場合の特性（各層数に対応する応力値）である。図１１には、比較のために厚みが各層で均等な場合の特性（各層数に対応する応力値）も白抜き菱形印及び白抜き四角形印で示している。なお、全層にわたって厚みを変えるのは、加工上煩雑であるので、加工性と応力との兼ね合いを考慮して段階的（例えば２段ごと）に厚みを変化させてもよい。

各圧電素子１１の剛性を変えるために、基板の長さを変えた例を図１２に示す。つまり、最上層の圧電素子１１−１から最下層の圧電素子１１−ｎにかけて素子基板の長さを徐々に長くし、これにて最上層の圧電素子１１−１のばね定数を一番大きくし、下層にいくほど小さくなるようにした。なお、加工性と応力との兼ね合いを考慮して段階的（例えば２段ごと）に長さを変化させてもよい。

各圧電素子１１の剛性を変えるために、基板の幅を変えた例を図１３に示す。つまり、最上層の圧電素子１１−１から最下層の圧電素子１１−ｎにかけて素子基板の幅を徐々に短くし、これにて最上層の圧電素子１１−１のばね定数を一番大きし、下層にいくほど小さくなるようにした。なお、加工性と応力との兼ね合いを考慮して段階的（例えば２段ごと）に幅を変化させてもよい。

前述のように素子基板の厚み、長さ、幅を変えていくことに加えて、素子基板の両端部から中央部にかけて断面２次モーメントを徐々に小さくしていくようにしてもよい。図１４には素子１１の幅寸法を中央部に向かってＷからＷｃｔへと徐々に細くしていく形状を示す。また、図１５には素子１１の厚み寸法を中央部に向かってＴからＴｃｔへと徐々に薄くしていく形状を示す。

前述のように、圧電素子の剛性を変化させれば、各層における応力を均等化できる。但し、各層（各圧電素子１１）においては単純な短冊状（中央部絞りなし）であれば、図１６の曲線ｃに示すように、正負が逆（一端が圧縮応力の場合、他端は引張り応力）で中央部分で０になる応力分布を示し（図８のグラフと同じ）、両端部分に応力が集中する傾向にある。そこで、素子基板の長さ方向各点における応力と、その点における断面２次モーメントを比例させることにより、各圧電素子１１での長さ方向に対して応力をほぼ均等にすることができる。図１６の曲線ｄは図１４に示したように中央部分に絞りを設けた場合の応力分布を示している。これにて、圧電素子１１の発電活性領域において応力がほぼ均等になり、圧電体に作用する平均応力が向上し、発電効率が向上する。

（他の実施形態）
なお、本発明に係る圧電発電装置は前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できることは勿論である。

例えば、前記実施形態では圧電素子は２枚の圧電基板が接合されたバイモルフ型のものを示したが、２枚の圧電基板の接合面に補強版が配置されていてもよく、１枚の圧電基板の上下面に電極が形成される、好ましくは１枚の圧電基板の少なくとも一方の主面に補強板を接合したユニモルフ型であってもよい。

以上のように、本発明は、圧電発電装置に有用であり、特に、複数の圧電素子個々にほぼ均等な応力を作用させることによって、固定部が破壊されるおそれがなく、かつ、発電効率が大きい点で優れている。

１０：圧電積層体
１１（１１−１，１１−２…１１−ｎ）：圧電素子
１２：結合部
１５，１６，１７：電極
３０：固定部
３５：錘

Claims (8)

1. 基板に電極が形成された短冊状をなす複数の圧電素子を、それらの両端部分で結合し、結合部分以外は振動可能とした圧電積層体を備え、
   前記圧電積層体はその一部が固定部とされるとともに端部は自由端とされ、
   前記各圧電素子は前記固定部から自由端に向かってそれぞれの剛性が小さくされていること、
   を特徴とする圧電発電装置。
2. 前記各圧電素子の剛性は基板の厚みを変えることによって調整されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発電装置。
3. 前記各圧電素子の剛性は基板の幅を変えることによって調整されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発電装置。
4. 前記各圧電素子の剛性は基板の長さを変えることによって調整されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発電装置。
5. 前記各圧電素子の剛性は基板の材料を変えることによって調整されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発電装置。
6. 前記各圧電素子の剛性は基板の密度を変えることによって調整されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発電装置。
7. 前記各圧電素子は基板の中央部分を境にして長辺方向の右半分と左半分とで分極方向が逆に形成されており、基板に形成した電極は該電極の両端から長辺方向長さの１／３の部分で重なり合っていること、を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の圧電発電装置。
8. 前記圧電積層体を構成する各圧電素子のうち最も剛性の大きい圧電素子が固定部とされ、最も剛性の小さい圧電素子に錘が取り付けられていること、を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の圧電発電装置。

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