JP5305263B2 - Piezoelectric material for power generation - Google Patents

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本発明は、圧電性セラミックス(磁器)を用いた発電用圧電体に関する。 The present invention relates to a piezoelectric body for power generation using piezoelectric ceramics (porcelain).

近年、小型の携帯型電子機器が日常的に利用されるようになり、それに伴って充電が不要な各種の自立型の発電方式の開発が進められている。例えば、時計用の電源としての回転型発電機構(Automatic Generating System, AGS)や熱電発電による発電技術が実用化段階に達している。また自然振動を利用した発電や波力発電等の低環境負荷の発電手法にも開発要請が高まっている。   In recent years, small portable electronic devices have come to be used on a daily basis, and accordingly, development of various self-supporting power generation methods that do not require charging has been promoted. For example, a rotating power generation mechanism (Automatic Generating System, AGS) as a power source for watches and a power generation technology using thermoelectric power generation have reached a practical stage. There is also a growing demand for development of low-environmental load generation methods such as power generation using natural vibration and wave power generation.

力学的なエネルギーから電気エネルギーを得る方法としては、上記の発電方式の他に、ピエゾ(圧電体)素子を用いる方法が古くから知られている。この方法は、元来、発生電圧のレベルが大きいことから、当初は内燃機関用の着火源として開発され、その後、ガスレンジ、湯沸器、炊飯器等の家庭用点火器具、ライター用着火電源として用いられている。これらの着火電源の原理は、圧電着火素子に機械的な応力を印加することにより高い電圧を発生させ、ガス中でスパーク放電させるものである。ピエゾ素子を用いる発電方法は、小型で簡素であることから、近年自立型のマウス、自家発電機構(靴底)、発光素子として比較的小型小電力用の発電用途に利用され始めている。   As a method for obtaining electrical energy from mechanical energy, a method using a piezo (piezoelectric) element has been known for a long time in addition to the above-described power generation method. This method was originally developed as an ignition source for internal combustion engines because of the high level of generated voltage. After that, it was used as an ignition source for gas ranges, water heaters, rice cookers, etc., and for lighters. Used as a power source. The principle of these ignition power sources is to generate a high voltage by applying a mechanical stress to the piezoelectric ignition element and to perform a spark discharge in the gas. Since the power generation method using a piezoelectric element is small and simple, it has recently begun to be used for power generation applications for relatively small and small power as a self-supporting mouse, a self-power generation mechanism (shoe sole), and a light emitting element.

特許文献1には、板状の2枚の圧電セラミックス素子を分極を逆向きにして接合した層状のセラミックス板としてこの一方または両面を殴打して発電する構造が記載されている。
また、特許文献2、特許文献3、及び特許文献4には積層型の圧電素子を用いた発電構造体が記載されている。
Patent Document 1 describes a structure in which power is generated by striking one or both sides as a layered ceramic plate in which two plate-shaped piezoelectric ceramic elements are joined with their polarizations reversed.
Patent Document 2, Patent Document 3, and Patent Document 4 describe power generation structures using stacked piezoelectric elements.

また、近年、小型で集積化されたセンサ端末をネットワーク化して用いるセンサネットワーク技術が進展してきており、この分野に適した電源開発が新たな技術開発要素となっている。ここでは、必ずしも既存の電池程度の出力を必要としないものの、簡素で継続的な電力供給が必要であり、外部振動や自己励振等の振動から電力を発生することが要請されており、例えば、特許文献5、特許文献6、及び特許文献7には小型センサ端末を用いた動物の健康管理技術に関する発明が示されており、これらの装置においても低消費電力の電力開発機構の開発が要請されている。   In recent years, sensor network technology using small and integrated sensor terminals in a network has progressed, and power source development suitable for this field has become a new technological development element. Here, although it does not necessarily require the output of an existing battery, simple and continuous power supply is required, and it is required to generate power from vibrations such as external vibration and self-excitation, for example, Patent Document 5, Patent Document 6, and Patent Document 7 disclose inventions related to animal health management technology using a small sensor terminal, and development of a power development mechanism with low power consumption is also required for these devices. ing.

特許文献8には、圧電素子の各種の特性を測定するための実験装置が記載されている。
特開2001−145375号公報 特開平8−321642号公報 特開平11−146663号公報 特開2006−32935号公報 特開2008−151555号公報 特開2008−151562号公報 特開2008−152432号公報 特開2003−65913号公報
Patent Document 8 describes an experimental apparatus for measuring various characteristics of a piezoelectric element.
JP 2001-145375 A JP-A-8-321642 Japanese Patent Laid-Open No. 11-146663 JP 2006-32935 A JP 2008-151555 A JP 2008-151562 A JP 2008-152432 A JP 2003-65913 A

上述のごとく、小型の電子機器類用の発電機構としては、発電単位素子の出力性能を最大限にする、または単位体積当たりの出力性能を向上させるような基本構造を採用することにより、素材の作製および準備条件を最適化して特性の向上を図る必要がある。
しかし、特許文献1に記載のものは、発電の基本構造体を縦方向に積層または横方向に展開することにより高い出力化は可能であるが、体積あるいは面積が増加することになり小型構造体への組み込みを想定した応用においては、新たな発電構造体の基本素子の開発が必要となる。
As described above, as a power generation mechanism for small electronic devices, by adopting a basic structure that maximizes the output performance of the power generation unit element or improves the output performance per unit volume, It is necessary to optimize the production and preparation conditions to improve the characteristics.
However, the one described in Patent Document 1 can achieve high output by laminating the basic structure of power generation in the vertical direction or expanding it in the horizontal direction, but the volume or area increases, and the small structure In applications that are assumed to be embedded in the power generation, it is necessary to develop a basic element for a new power generation structure.

また、特許文献2〜4に記載のものは、圧電素子の素子材質についてはヤング率の最適化や分極電界の最適化に関して触れられておらず、発電体としての特性の向上を最適化するための圧電素子作製上の必要な条件については記載されていない。
本発明の目的は、適正な添加物を適正な量添加することにより、単位体積当たりの発電量を向上させた発電用圧電体を提供することにある。
In addition, the materials described in Patent Documents 2 to 4 do not mention the optimization of Young's modulus and the optimization of the polarization electric field with respect to the element material of the piezoelectric element, in order to optimize the improvement of characteristics as a power generator. The conditions necessary for manufacturing the piezoelectric element are not described.
An object of the present invention is to provide a power generation piezoelectric body in which the power generation amount per unit volume is improved by adding an appropriate amount of an appropriate additive.

前記課題を解決するため、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、一定の機械的エネルギーが印加されることにより、電気的エネルギー量を効率よく出力されるためには、低弾性率かつ高い誘電率の素子からなる圧電体を用いることが有効であることを知見した。ここで、圧電体(圧電性材料)が示す圧電効果には、一般に、電気入力を機械出力に変換する圧電逆効果と、機械入力を電気出力に変換する圧電正効果とが存在する。後者は発電特性であり、以下では圧電正効果を示す圧電体を圧電発電体と記す。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive investigations. As a result, when a certain amount of mechanical energy is applied, the amount of electrical energy can be efficiently output with a low elastic modulus and high It has been found that it is effective to use a piezoelectric body made of an element having a dielectric constant. Here, the piezoelectric effect exhibited by the piezoelectric body (piezoelectric material) generally includes a piezoelectric inverse effect that converts electrical input into mechanical output and a piezoelectric positive effect that converts mechanical input into electrical output. The latter is power generation characteristics. Hereinafter, a piezoelectric body that exhibits a piezoelectric positive effect is referred to as a piezoelectric power generation body.

圧電発電体の発電特性については、圧電発電体自身の弾性率と誘電率とがパラメータとなっていると考えられる。圧電発電体に関する特性が発現する機構は、機械的な入力に対して弾性率に応じた歪によって、電気エネルギーが圧電体の内部に一旦蓄積される。この際に圧電体の誘電率に応じて蓄積されるエネルギー量が決定される。
従って、母材となる圧電体(以下、圧電素子と呼ぶことがある。)に微量の添加物を加えて、弾性率及び誘電率が制御された均質な固溶体を作製することにより、その出力特性を制御することが可能となる。
Regarding the power generation characteristics of the piezoelectric power generator, the elastic modulus and dielectric constant of the piezoelectric power generator itself are considered to be parameters. In the mechanism that develops the characteristics related to the piezoelectric power generator, electrical energy is temporarily accumulated in the piezoelectric body due to strain corresponding to the elastic modulus with respect to mechanical input. At this time, the amount of energy stored is determined according to the dielectric constant of the piezoelectric body.
Therefore, by adding a small amount of additives to the base piezoelectric material (hereinafter sometimes referred to as a piezoelectric element) to produce a homogeneous solid solution with controlled elastic modulus and dielectric constant, its output characteristics Can be controlled.

本発明は、本発明者らによる前記知見に基づくものであり、上記課題を解決するための本発明の請求項1に係る発電用圧電体は、酸化鉛、酸化ジルコン、酸化チタンをPZT(52/48)の相境界組成となるようにした母材に添加物としてニオブが1モル%添加され、1150℃〜1300℃で焼成処理され、かつ1.5kV/cmの分極電界で分極処理され、誘電率が1000F/m以上、弾性率が40Pa以下、圧電率が200m/Vであり、初期荷重を4〜5MPaとし、荷重変動振幅を3〜4Mpaとして加振回数を3.0×10回行ったときに初期電圧の±15%を維持する複数の圧電素子が、それぞれの圧電素子の同極同士を対向させて電極を介して積層され、
最外の前記圧電素子の両端に設けられた電極、及び前記圧電素子間に設けられた電極のうち、同極の電極同士を接続した出力端子を有することを特徴としている。
前記母材としては、圧電発電体であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が好ましい。以下、前記母材を「PZT」と呼ぶことがある。
This invention is based on the said knowledge by the present inventors, and the piezoelectric substance for electric power generation concerning Claim 1 of this invention for solving the said subject is lead oxide, a zircon oxide, and a titanium oxide by PZT (52 / 48) 1 mol% of niobium is added as an additive to the base material having a phase boundary composition , fired at 1150 ° C. to 1300 ° C., and polarized with a polarization electric field of 1.5 kV / cm, The dielectric constant is 1000 F / m or more, the elastic modulus is 40 Pa or less, the piezoelectric modulus is 200 m / V, the initial load is 4 to 5 MPa, the load fluctuation amplitude is 3 to 4 Mpa, and the number of vibrations is 3.0 × 10 6 times. A plurality of piezoelectric elements that maintain ± 15% of the initial voltage when stacked are stacked via electrodes with the same polarity of each piezoelectric element facing each other,
Among the electrodes provided at both ends of the outermost piezoelectric element and the electrodes provided between the piezoelectric elements, there are output terminals that connect electrodes of the same polarity.
As the base material, piezoelectric zirconate titanate (PZT) is preferable. Hereinafter, the base material may be referred to as “PZT”.

前記添加物としては、ペロブスカイト結晶構造のBサイトに導入され、低弾性率素子として前記母材にドナーを供給できる元素が好ましい。そのような元素の例としては、ニオブ、タングステン、タンタル、ランタン、アンチモン、ビスマス、トリウムの酸化物が挙げられる The additive is preferably an element that is introduced into the B site of the perovskite crystal structure and can supply a donor to the base material as a low elastic modulus element. Examples of such elements include niobium, tungsten, tantalum, lanthanum, antimony, bismuth, and thorium oxides .

請求項1に記載の発明によれば、ヤング率が1割程度減少しそのために蓄積可能な弾性エネルギー量が増加し、それに伴って、印加される力学的エネルギーに対して電気エネルギーの出力を大幅に向上させることができる。
特に、添加物としてニオブが母材に1モル%添加されたことにより、印加される力学的エネルギーに対する電気エネルギーの出力が特に向上した発電用圧電体を提供することができる。
According to the first aspect of the present invention, the Young's modulus is reduced by about 10% and the amount of elastic energy that can be stored is increased. Accordingly, the output of electrical energy is greatly increased with respect to applied mechanical energy. Can be improved.
In particular, by adding 1 mol% of niobium as an additive to the base material, it is possible to provide a power generation piezoelectric body in which the output of electrical energy with respect to the applied mechanical energy is particularly improved.

初めに、本発明に係る圧電素子の製造について説明する。まず、原料となる粉末状原料を用意する。粉末状原料である酸化鉛、酸化ジルコン、酸化チタンをPZT(52/48)の相境界組成となるようにし、さらにニオブを1モル%添加した組成になるように酸化ニオブを電子天秤を用いて秤量する。次にこれらの原材料をアルコール及びジルコニアボールとともに混合用のモノポットへ投入し、約1日ほどボールミルを用いて混合する。混合を終了した粉体はホットスターラーを用いてアルコール成分の蒸散を行った後に、一昼夜の間80℃以上のオーブン中で水分の蒸発を行う。乾燥後の粉末を、#100メッシュを用いて分級した後、天秤を用いて10〜20グラム程度に秤量し成型治具により、仮成型を行う。   First, the manufacture of the piezoelectric element according to the present invention will be described. First, a powdery raw material as a raw material is prepared. Using lead oxide, zircon oxide, and titanium oxide, which are powdery raw materials, having a phase boundary composition of PZT (52/48), and further adding 1 mol% of niobium to the niobium oxide using an electronic balance. Weigh. Next, these raw materials are put into a monopot for mixing together with alcohol and zirconia balls, and are mixed using a ball mill for about one day. The powder after mixing is subjected to evaporation of the alcohol component using a hot stirrer, and then the moisture is evaporated in an oven at 80 ° C. or higher for a whole day and night. After the dried powder is classified using a # 100 mesh, it is weighed to about 10 to 20 grams using a balance and temporarily molded using a molding jig.

仮成型した圧粉体を、電気炉中で熱処理を行う。熱処理は、まず600℃で2時間行うことにより、仮成型時に付着したベークライトの焼散を行う。その後に、800℃2時間の仮焼結を行う。仮焼結を行った成型体は、再度粉砕する。粉砕は、モノポットにアルコールとジルコニアボールを入れ約1日粉砕する。粉砕粉末とアルコールをホットスターラーにより、アルコール分の蒸散を行い、乾燥粉末を80℃以上のオーブン中で水分乾燥を約1日行う。乾燥した粉末は#100メッシュにより分級し、その後には、ポリビニルアルコール(PVA)の3%溶液を添加し造粒する。造粒粉末は#40メッシュにより分級する。分級された粉末を成型し、成型体を焼成炉に入れ、600℃2時間の熱処理を行い、成型時に付着したベークライトの焼散を行う。その後に1200℃2時間の本焼成を行い、バルク成型体の焼結作業を完了する。   The compacted green compact is heat treated in an electric furnace. The heat treatment is first performed at 600 ° C. for 2 hours to burn off the bakelite adhering during the temporary molding. Thereafter, preliminary sintering is performed at 800 ° C. for 2 hours. The molded body that has been pre-sintered is pulverized again. For grinding, alcohol and zirconia balls are placed in a monopot and ground for about 1 day. The ground powder and alcohol are evaporated with a hot stirrer, and the dried powder is dried for about one day in an oven at 80 ° C. or higher. The dried powder is classified by # 100 mesh, and thereafter, a 3% solution of polyvinyl alcohol (PVA) is added and granulated. Granulated powder is classified by # 40 mesh. The classified powder is molded, the molded body is placed in a baking furnace, and heat treatment is performed at 600 ° C. for 2 hours to bake off the bakelite adhering to the molding. Thereafter, main baking is performed at 1200 ° C. for 2 hours to complete the sintering of the bulk molded body.

続いて、バルク成型体を用いてサンプルの電気分極と成型作業を行う。成型したサンプルは上下面の平行度を10ミクロン程度以下になるように研磨・平滑化を行い、その後に上下面に電極を形成する。電極形成は、白金コータを用いて120秒の成膜によって50nmの白金膜を形成する。
次に、電極形成された素子の分極処理を行う。この素子を専用の分極ホルダに設置して、シリコンオイルの入ったオイルバス中に浸す。オイルバスの温度はヒータにより制御し、約1時間かけて150℃に保つ。150℃になったオイルバス中で素子には1mmの厚み当たり1.5kV以上の分極電界を30分印加する。オイルバスの温度が室温に戻った後に取り出した圧電素子は、80℃のオーブン中に1日置いて分極を安定化させ、最終的に圧電素子を得る。
Subsequently, the sample is electrically polarized and molded using the bulk molded body. The molded sample is polished and smoothed so that the parallelism of the upper and lower surfaces is about 10 microns or less, and then electrodes are formed on the upper and lower surfaces. For electrode formation, a platinum film of 50 nm is formed by film formation for 120 seconds using a platinum coater.
Next, a polarization process is performed on the element on which the electrode is formed. This element is placed in a dedicated polarization holder and immersed in an oil bath containing silicon oil. The temperature of the oil bath is controlled by a heater and kept at 150 ° C. for about 1 hour. In an oil bath at 150 ° C., a polarization electric field of 1.5 kV or more per 1 mm thickness is applied to the element for 30 minutes. The piezoelectric element taken out after the temperature of the oil bath returns to room temperature is placed in an oven at 80 ° C. for one day to stabilize the polarization, and finally the piezoelectric element is obtained.

以上の製造法によって作製された圧電素子を実験装置により各種の測定を行う。実験装置は、特許文献8に記載されているような公知の装置を利用する。このような装置を利用して、圧電素子に静加力を印加して、その際発生する各種の電気量を測定する。より詳細には、ロードセルを介して圧電素子に静加力を印加し、力学的エネルギーが圧電素子の電極を介して外部回路に電気的エネルギーとして出力される。出力はDCアンプにより増幅され、デジタルマルチメータにより出力電圧が記録される。また、出力電力は外部回路に設けられた外部抵抗を利用して算出される。   Various measurements are performed on the piezoelectric element manufactured by the above manufacturing method using an experimental apparatus. As the experimental apparatus, a known apparatus as described in Patent Document 8 is used. Using such an apparatus, a static force is applied to the piezoelectric element, and various electric quantities generated at that time are measured. More specifically, a static force is applied to the piezoelectric element via the load cell, and mechanical energy is output as electrical energy to an external circuit via the electrode of the piezoelectric element. The output is amplified by a DC amplifier, and the output voltage is recorded by a digital multimeter. The output power is calculated using an external resistance provided in the external circuit.

以下に実験結果について説明する。
図1は、圧電素子に加えた荷重と、その荷重を加え急激に除荷したとき得られる出力電力との関係を示すグラフであり、横軸は荷重(kN)、縦軸は出力電力(W)である。図1(a)はニオブを1モル%添加した素子厚10mmのPZTと無添加の素子厚10mmのPZTとの出力電力の比較を示すグラフであり、図1(b)はニオブを1モル%添加された素子厚5mmのPZTと無添加の素子厚5mmのPZTとの出力電力の比較を示すグラフであり、図2(a)はニオブを1モル%添加された素子厚2.5mmのPZTと無添加の素子厚2.5mmのPZTとの出力電力の比較を示すグラフであり、図2()はニオブを1モル%添加された素子厚1mmのPZTと無添加の素子厚1mmのPZTとの出力電力の比較を示すグラフであり、図3はニオブを1モル%添加された素子厚0.5mmのPZTと無添加の素子厚0.5mmのPZTとの出力電力の比較を示すグラフである。これらのグラフに示すように、ニオブを1モル%添加することにより、出力電力が添加しないものに比べて1桁程度出力電力が向上しており、アクセプタ原子の添加に伴いヤング率の減少が出力電力の向上に大きく貢献しているものと考えられる。また、素子厚は10mmと5mmとではほぼ同様の結果が得られた。なお、図示していないが、添加物として、ニオブ以外に、タンタル、タングステン、ランタン、アンチモン、ビスマス、トリウムも有効であり、また添加量は0.01〜10モル%が好ましく、0.1〜4モル%がより好ましく、0.02〜3モル%がさらに好ましく、1モル%が特に好ましい。
The experimental results will be described below.
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the load applied to the piezoelectric element and the output power obtained when the load is applied and abruptly unloaded. The horizontal axis represents the load (kN), and the vertical axis represents the output power (W ). FIG. 1A is a graph showing a comparison of output power between a PZT having an element thickness of 10 mm added with 1 mol% of niobium and a PZT having an element thickness of 10 mm without addition, and FIG. 1B shows 1 mol% of niobium. is a graph showing the output power comparison with the added element thickness 5mm of PZT and the element thickness 5mm with no additive PZT, FIGS. 2 (a) element has been added 1 mol% of niobium thickness 2.5mm of PZT FIG. 2 ( b ) is a graph showing a comparison of output power between PZT having a thickness of 2.5 mm and an additive-free element having a thickness of 2.5 mm, and FIG. FIG. 3 is a graph showing a comparison of output power with PZT, and FIG. 3 shows a comparison of output power between PZT with an element thickness of 0.5 mm added with 1 mol% of niobium and PZT with an additive thickness of 0.5 mm. It is a graph. As shown in these graphs, the addition of 1 mol% of niobium improves the output power by about an order of magnitude compared to the case where the output power is not added. This is considered to have contributed greatly to the improvement of electric power. In addition, almost the same results were obtained when the element thickness was 10 mm and 5 mm. Although not shown, tantalum, tungsten, lanthanum, antimony, bismuth, and thorium are also effective as additives in addition to niobium, and the addition amount is preferably 0.01 to 10 mol%, 4 mol% is more preferable, 0.02 to 3 mol% is further preferable, and 1 mol% is particularly preferable.

図4は、圧電素子を作製する過程で行われる分極処理の際、印加される分極電界と出力電力との関係を示すグラフである。横軸は分極電界(kV/mm)、縦軸は出力電力(W)である。
同図に示すように、出力電力は、印加力(2kN、6kN、10kN)が大きくなるに従い、かつ分極電界が大きくなるに従って次第に大きくなり、1.5kV/mm以上の分極電界においてほぼ一定の最大出力電圧が得られることが分る。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the polarization electric field applied and the output power in the polarization process performed in the process of manufacturing the piezoelectric element. The horizontal axis represents the polarization electric field (kV / mm), and the vertical axis represents the output power (W).
As shown in the figure, the output power gradually increases as the applied force (2 kN, 6 kN, 10 kN) increases and the polarization electric field increases, and reaches a substantially constant maximum at a polarization electric field of 1.5 kV / mm or more. It can be seen that the output voltage is obtained.

図5は圧電素子および圧電素子が積層された圧電素子構造体(圧電体)の構成を示す図である。
図5(a)は10mmの厚さを有する圧電素子、図5(b)は圧電素子が2つ積層され全体として10mmの厚さを有する圧電素子構造体、図5(c)は圧電素子が3つ積層され全体として10mmの厚さを有する圧電素子構造体、図5(d)は圧電素子が4つ積層され全体として10mmの厚さを有する圧電素子構造体を示す断面図である。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a piezoelectric element structure (piezoelectric body) in which piezoelectric elements and piezoelectric elements are stacked.
FIG. 5A shows a piezoelectric element having a thickness of 10 mm, FIG. 5B shows a piezoelectric element structure having two piezoelectric elements stacked and a thickness of 10 mm as a whole, and FIG. 5C shows a piezoelectric element. FIG. 5D is a cross-sectional view showing a piezoelectric element structure in which three piezoelectric elements are stacked and have a thickness of 10 mm, and FIG. 5D is a piezoelectric element structure in which four piezoelectric elements are stacked and has a thickness of 10 mm as a whole.

これらの図において、1は添加物としてニオブが1モル%添加され、分極処理の過程で分極電界が1.5kV/mm印加されて作製された圧電体、2は電極、3,4は出力端子である。なお、圧電体1の上下面に電極2が形成されて圧電素子が構成され、積層された各圧電素子の電極2は同極同士が接続されて出力端子3,4が形成される。
図6(a)は図5に示した圧電素子または圧電素子構造体における圧電素子の積層数と出力電圧との関係を示すグラフであり、横軸は積層数、縦軸は出力電圧(V)である。図6(b)は図5に示した圧電素子または圧電素子構造体における圧電素子の積層数と出力電力との関係を示すグラフであり、横軸は積層数、縦軸は出力電力(W・s)である。
In these figures, 1 is a piezoelectric body prepared by adding 1 mol% of niobium as an additive, and a polarization electric field is applied at 1.5 kV / mm during the polarization process, 2 is an electrode, 3 and 4 are output terminals. It is. Electrodes 2 are formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric body 1 to constitute a piezoelectric element, and the electrodes 2 of the stacked piezoelectric elements are connected with the same polarity to form output terminals 3 and 4.
FIG. 6A is a graph showing the relationship between the number of stacked piezoelectric elements and the output voltage in the piezoelectric element or piezoelectric element structure shown in FIG. 5, the horizontal axis is the number of stacked layers, and the vertical axis is the output voltage (V). It is. FIG. 6B is a graph showing the relationship between the number of stacked piezoelectric elements in the piezoelectric element or piezoelectric element structure shown in FIG. 5 and the output power. The horizontal axis represents the number of stacked layers, and the vertical axis represents the output power (W · s).

これらの図に示すように、圧電素子および圧電素子構造体の厚さ(10mm)が一定の場合、印加力(1kN、4kN、7kN、10kN)が大きく、圧電体(電極)の数が多い程、大きな出力電圧および出力電力が得られることが分る。つまり、図5に示すように、圧電素子および圧電素子構造体の全体の厚さは一定(10mm)であり、圧電素子を分割する程、大きな出力電圧および出力電力が得られる。換言すると、同じ体積を有する圧電素子または圧電素子構造体において、圧電体(または電極)の数を増加する程、大きな出力電圧および出力電力が得られる。   As shown in these drawings, when the thickness (10 mm) of the piezoelectric element and the piezoelectric element structure is constant, the applied force (1 kN, 4 kN, 7 kN, 10 kN) is larger and the number of piezoelectric bodies (electrodes) is larger. It can be seen that a large output voltage and output power can be obtained. That is, as shown in FIG. 5, the entire thickness of the piezoelectric element and the piezoelectric element structure is constant (10 mm), and a larger output voltage and output power can be obtained as the piezoelectric element is divided. In other words, in a piezoelectric element or piezoelectric element structure having the same volume, a larger output voltage and output power can be obtained as the number of piezoelectric bodies (or electrodes) is increased.

図7は図5に示した圧電素子または圧電素子構造体を構成する圧電素子の厚さと出力電力との関係を示すグラフであり、横軸は圧電素子の厚さ(mm)、縦軸は出力電力(W・s)である。
これらの図から明らかなように、印加力(1kN、4kN、7kN、10kN)が大きく、圧電素子の厚さが4ないし8mm、好ましくは5mmのとき、大きな出力電圧および出力電力が得られることが分る。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the thickness of the piezoelectric element or the output power constituting the piezoelectric element or the piezoelectric element structure shown in FIG. 5 and the output power. The horizontal axis is the thickness (mm) of the piezoelectric element, and the vertical axis is the output. Electric power (W · s).
As is clear from these figures, when the applied force (1 kN, 4 kN, 7 kN, 10 kN) is large and the thickness of the piezoelectric element is 4 to 8 mm, preferably 5 mm, a large output voltage and output power can be obtained. I understand.

以上述べたように、本発明に係る圧電素子および圧電素子構造体の出力電力および出力電力は圧電素子の添加物及び分極電界に依存しており、出力特性を最大限利用するためには、ニオブ等のアクセプタとなる元素を添加することと分極電界が1.5kV/mm以上の分極処理を行った圧電体を用いることが必要である。
また、圧電素子および圧電素子構造体の出力電力および出力電力は、圧電素子の体積の大きさに依るのではなく、単位体積当たりの圧電体(電極)の数に依存していることが分かる。これにより、単位体積当たりの発電量を向上させるための構造として、単位体積当たりの圧電素子を複数の積層構造とすることが有効であることが分かる。従来の知見から、基本単位の積層化により出力を向上させることの可能性は示唆されるところであるが、今回の発明は電極分割の有効を示すものであり、新たな基本構造として今後本分野に適用することが可能となる。
As described above, the output power and output power of the piezoelectric element and the piezoelectric element structure according to the present invention depend on the additive and the polarization electric field of the piezoelectric element, and in order to make maximum use of the output characteristics, niobium It is necessary to add an element that serves as an acceptor such as a piezoelectric body that has been subjected to a polarization treatment with a polarization electric field of 1.5 kV / mm or more.
It can also be seen that the output power and output power of the piezoelectric element and the piezoelectric element structure do not depend on the volume of the piezoelectric element, but on the number of piezoelectric bodies (electrodes) per unit volume. As a result, it can be seen that it is effective to have a plurality of stacked piezoelectric elements per unit volume as a structure for improving the amount of power generation per unit volume. The conventional knowledge suggests the possibility of improving the output by stacking the basic units, but this invention shows the effectiveness of the electrode division, and it will be introduced in this field as a new basic structure in the future. It becomes possible to apply.

上記において、圧電素子に静加力を印加する実験について説明したが、圧電素子は、振動力が印加される状況下で使用されることが多いことを考慮して、振動試験を行った。以下に、振動試験およびその結果について説明する。
図8は、振動試験に使用したPZT構造を示す図である。
図8(a)は、直径16mm、厚さの10mm単層タイプのPZT、図8(b)は、5mmを2枚重ねた2層タイプのPZTを示す図である。図8(c)は、PZTにNbを加えたもの(○)と、加えないもの(×)の合計4種類のPZT(A−1,A−2,B−1,B−2)を示す表である。
In the above description, an experiment in which a static force is applied to the piezoelectric element has been described. However, a vibration test was performed in consideration of the fact that the piezoelectric element is often used in a situation where a vibration force is applied. Below, a vibration test and its result are demonstrated.
FIG. 8 is a diagram showing the PZT structure used in the vibration test.
FIG. 8A is a diagram illustrating a 10 mm single-layer type PZT having a diameter of 16 mm and a thickness. FIG. 8B is a diagram illustrating a two-layer type PZT in which two 5 mm layers are stacked. FIG. 8 (c) shows a total of four types of PZT (A-1, A-2, B-1, B-2), which is obtained by adding Nb to PZT (◯) and not adding (×). It is a table.

これらのPZTには両端および各PZTの間に電極として直径16mm厚さ2mmの黄銅が貼り付けてあり、PZT端面には+極と−極の電極処理が施されている。
図9は、振動試験装置の全体構造を示す図であり、図9(a)は、振動試験装置の平面図、図9(b)は、振動試験装置の側部概略図である。
同図に示すように、振動試験装置は水平振動台に設置される。66.4kgの錘13の側面に荷重計12を取り付けた治具へPZT11を挟み込んで、反対側の側面に防振ゴム17を介して初期荷重を加え、水平方向に錘13によって加振する構造である。錘13の四方には、軸方向と軸の直交方向を計測する加速度計が6〜9が取り付けられ、水平振動台には加振方向に対する加速度計5,10が取り付けられている。
In these PZTs, brass having a diameter of 16 mm and a thickness of 2 mm is attached as an electrode between both ends and between each PZT, and a positive electrode treatment and a negative electrode treatment are applied to the end faces of the PZT.
FIG. 9 is a diagram illustrating the entire structure of the vibration test apparatus, FIG. 9A is a plan view of the vibration test apparatus, and FIG. 9B is a schematic side view of the vibration test apparatus.
As shown in the figure, the vibration test apparatus is installed on a horizontal vibration table. A structure in which PZT 11 is sandwiched in a jig having a load meter 12 attached to the side surface of a 66.4 kg weight 13, an initial load is applied to the opposite side surface via a vibration isolating rubber 17, and the weight 13 is vibrated in the horizontal direction. It is. Accelerometers 6 to 9 for measuring the axial direction and the orthogonal direction of the axis are attached to the four sides of the weight 13, and accelerometers 5 and 10 for the excitation direction are attached to the horizontal vibration table.

本試験では、ジャッキ14を用いて加振方向に加力し、初期荷重を与えた後に、錘13によって加振方向に単一正弦波加振を行った。初期荷重の条件は、0.5KN(2.49MPa)、1KN(4.97MPa)、1.5KN(7.46MPa)の3ケースとし、加振振動数は3Hz、4Hz、5Hz、10Hz、15Hz、20Hz、25Hz、30Hz、35Hzの9ケースとした。また、加振振幅は2〜5m/sの間を4ケースとした。このときのPZT11に作用する荷重および発生電圧、錘13の加速度が時刻歴データとして計測された。 In this test, a force was applied in the vibration direction using the jack 14, an initial load was applied, and then a single sine wave vibration was performed in the vibration direction by the weight 13. The initial load conditions are 0.5KN (2.49MPa), 1KN (4.97MPa), 1.5KN (7.46MPa), and the excitation frequency is 3Hz, 4Hz, 5Hz, 10Hz, 15Hz, Nine cases of 20 Hz, 25 Hz, 30 Hz, and 35 Hz were used. In addition, the excitation amplitude was 2 to 5 m / s 2 in 4 cases. The load acting on the PZT 11 at this time, the generated voltage, and the acceleration of the weight 13 were measured as time history data.

図10は、振動試験の一例として、単層PZT(+Nb)に対して初期荷重1.5KN、加振加速度5m/s、加振振動数35Hzの場合の錘13の加速度、変動荷重およびPZTの発生電圧の時刻歴を示す図である。
図11および図12は、単層PZTについて、初期荷重、加振振動数およびNbの有無が発生電圧および発生電力量に及ぼす影響を示す図である。
FIG. 10 shows, as an example of a vibration test, a single layer PZT (+ Nb) with an initial load of 1.5 KN, an excitation acceleration of 5 m / s 2 , an acceleration of the weight 13 in the case of an excitation frequency of 35 Hz, a variable load, and PZT. It is a figure which shows the time history of the generated voltage.
FIG. 11 and FIG. 12 are diagrams showing the influence of the initial load, the vibration frequency, and the presence or absence of Nb on the generated voltage and the generated electric energy for the single layer PZT.

同図において、発生電力量は発生電圧の時刻歴から1周期あたりの電力を求めて1時間あたりに換算したものである。本振動試験においては、振動試験体の固有振動数が約70Hzであるため、加振振動数を増加させていくと錘の応答が次第に増幅する。このため、ここでは各加振振動数におけるPZTの荷重振幅を3Hz加振時の荷重振幅(F(N))で基準化し、各加振試験における発生電圧を換算した。これらの図から、発生電圧は振動数に比例して、また、電力量はほぼ2乗に比例して増加することがわかる。   In the figure, the generated power amount is obtained by calculating the power per cycle from the time history of the generated voltage and converting it per hour. In this vibration test, since the natural frequency of the vibration test specimen is about 70 Hz, the response of the weight gradually amplifies as the vibration frequency is increased. Therefore, here, the load amplitude of PZT at each excitation frequency was normalized by the load amplitude (F (N)) at the time of 3 Hz excitation, and the generated voltage in each excitation test was converted. From these figures, it can be seen that the generated voltage increases in proportion to the vibration frequency, and the electric power increases in proportion to the square.

図13および図14は、2層PZTの初期荷重、振動数およびNbの有無が発生電圧および発生電力量に及ぼす影響を示す図である。
同図に示すように、積層した場合も、単層と同様に発生電圧は振動数に比例し、発生電力量はほぼ2乗に比例して増加することがわかる。また、発生電圧は単層PZTに対してほぼ積層数倍して増加する。
FIGS. 13 and 14 are diagrams showing the influence of the initial load, the frequency, and the presence or absence of Nb on the generated voltage and the generated power amount of the two-layer PZT.
As shown in the figure, it can be seen that, even in the case of stacking, the generated voltage is proportional to the vibration frequency and the generated power amount is approximately proportional to the square, as in the case of the single layer. In addition, the generated voltage increases by approximately the number of stacked layers with respect to the single layer PZT.

図15は、各PZTにおいて荷重速度が発生電圧に及ぼす影響を示す図である。
同図に示すように、発生電圧は荷重速度の増加にほぼ比例していることがわかる。PZTの発生電圧は、振動数というよりも荷重の変化、すなわち、PZT積層体の圧縮歪み速度に比例していると考えられる。本試験範囲では、各条件とも35Hzの加振時で最大電圧および最大電力を発生し、このときNbを加えたPZTはNbを加えないPZTに対して発生電圧でおよそ7倍、発生電力量でおよそ15倍高いことが明らかになった。また、各振動試験とも、初期荷重が発生電圧および発生電力量に及ぼす影響は小さいことがわかった。各初期荷重条件下において、振動発電試験を繰り返したが、PZTが破損することはなかった。
FIG. 15 is a diagram showing the influence of the load speed on the generated voltage in each PZT.
As shown in the figure, it can be seen that the generated voltage is substantially proportional to the increase in the load speed. The generated voltage of PZT is considered to be proportional to the change in load rather than the frequency, that is, the compressive strain rate of the PZT laminate. In this test range, the maximum voltage and maximum power are generated at the time of 35 Hz excitation for each condition. At this time, PZT with Nb added is approximately 7 times the generated voltage and PwT generated with respect to PZT without Nb added. It was found to be about 15 times higher. In each vibration test, it was found that the initial load had little effect on the generated voltage and the generated electric energy. The vibration power generation test was repeated under each initial load condition, but the PZT was not damaged.

次に、母材に添加物を添加しない圧電体の厚さと、単位面積当たりの荷重変動を応力速度として定義したものが発生電圧に及ぼす影響との関係を図16に示す。なお、圧電体の厚さとしては、10mm,3.3mm,2.5mmの3例を試行した。また、図16中の横軸「Pω/A」は、応力速度を示し、荷重変動振幅P(KN)、振動の角振動数ω(1/s)、素子の断面積A(m)によって与えられる。 Next, FIG. 16 shows the relationship between the thickness of the piezoelectric body in which no additive is added to the base material and the effect of the load variation per unit area defined as the stress rate on the generated voltage. As the thickness of the piezoelectric body, three examples of 10 mm, 3.3 mm, and 2.5 mm were tried. Also, the horizontal axis “Pω / A 0 ” in FIG. 16 indicates the stress rate, the load fluctuation amplitude P (KN), the angular frequency ω (1 / s) of vibration, and the cross-sectional area A 0 (m 2 ) of the element. ).

また、母材にNbを1mol%添加した圧電体において厚さ10mm,3.3mm,2.5mmについて同様の試験を行った。その結果を図17に示す。
図16及び図17に示すように、圧電体について応力速度の増加に比例して発生電圧が増加し、Nbを添加することにより、発電特性が大幅に向上することが認められた。
また、母材に添加物を添加した圧電体、及び母材に添加物を添加しない圧電体のどちらのケースも圧電体の厚さ依存性は比較的小さいことが認められた。
In addition, the same test was performed on thicknesses of 10 mm, 3.3 mm, and 2.5 mm in a piezoelectric body in which 1 mol% of Nb was added to the base material. The result is shown in FIG.
As shown in FIGS. 16 and 17, the generated voltage increased in proportion to the increase in the stress rate of the piezoelectric body, and it was confirmed that the power generation characteristics were significantly improved by adding Nb.
It was also found that the thickness dependence of the piezoelectric body was relatively small in both cases of the piezoelectric body with the additive added to the base material and the piezoelectric body without the additive added to the base material.

図18は、厚さ10mmの試験片(圧電体)に対して、母材に添加されたNbの添加濃度が発生電圧に及ぼす影響と応力速度との関係を示したグラフである。
図18に示すように、Nbの添加濃度は1mol%をピークとして発電特性が向上し、この添加濃度が4mol%を超えると、添加物を添加しない圧電体と同程度の発電特性まで低下する。
FIG. 18 is a graph showing the relationship between the influence of the concentration of Nb added to the base material on the generated voltage and the stress rate for a test piece (piezoelectric body) having a thickness of 10 mm.
As shown in FIG. 18, the power generation characteristics are improved with the Nb addition concentration peaking at 1 mol%. When this addition concentration exceeds 4 mol%, the power generation characteristics are reduced to the same level as those of the piezoelectric body to which no additive is added.

すなわち、0.1mol%〜4mol%程度の添加量で母材に添加物を添加した圧電体は、母材に添加物を添加しない圧電体に比べて発電特性の向上が観察された。一方、これ以上の添加量ではむしろ母材に添加物を添加しない圧電体に比べて特性が劣るような結果となっていた。
このように、Nbの添加濃度には出力電圧のピークを呈する最適値が存在し、本実施例においては、1mol%の添加濃度が最適値であった。Nbの添加濃度を1mol%とした圧電体は、添加物を添加しない圧電体に比べて、約9.8倍の電圧を発生するという顕著な効果を奏することが確認できた。これは、Nbの添加濃度によってNbのPZT内への溶け込み方に差が生じたことが原因と思われる。
That is, in the piezoelectric body in which the additive was added to the base material in an addition amount of about 0.1 mol% to 4 mol%, an improvement in power generation characteristics was observed compared to the piezoelectric body in which the additive was not added to the base material. On the other hand, when the addition amount is larger than this, the characteristics are inferior compared to the piezoelectric body in which no additive is added to the base material.
Thus, there is an optimum value that exhibits a peak of the output voltage in the Nb addition concentration, and in this example, the addition concentration of 1 mol% was the optimum value. It was confirmed that the piezoelectric body having an Nb addition concentration of 1 mol% has a remarkable effect of generating a voltage about 9.8 times that of the piezoelectric body to which no additive is added. This is considered to be caused by the difference in how Nb is dissolved in PZT depending on the concentration of Nb added.

図19は、母材として、厚さ10mmのPZTを用い、この母材に添加物を添加しない圧電体、および各種添加物(Nb,Fe,Ta,W)を母材に1mol%添加した圧電体について応力速度が発生電力量に及ぼす影響を示すグラフである。なお、発生電力量は発生電圧の時刻歴から電力を求め、これを時間積分して求めたものである。
図19に示す結果から、Nbの添加濃度を1mol%とした圧電体は、添加物を添加しない圧電体に比べて、約136倍もの電力量を発生するという顕著な効果を奏することが確認できた。また、Nb以外の添加物として、TaをPZTに添加した場合においても、FeやWをPZTに添加した場合と比べて比較的大きな発生電力量を得られることがわかった。そして、各種添加物が母材に添加された圧電体のいずれも、応力速度が増加すると発生電力量が増加し、発生電圧の二乗に比例していることも確認された。
FIG. 19 shows a piezoelectric material in which PZT having a thickness of 10 mm is used as a base material, a piezoelectric body in which no additive is added to the base material, and 1 mol% of various additives (Nb, Fe, Ta, W) are added to the base material. It is a graph which shows the influence which the stress rate has on the generated electric energy about a body. The generated electric energy is obtained by calculating electric power from the time history of the generated voltage and integrating it over time.
From the results shown in FIG. 19, it can be confirmed that the piezoelectric body having the Nb addition concentration of 1 mol% has a remarkable effect of generating about 136 times the amount of electric power compared to the piezoelectric body to which no additive is added. It was. Further, it has been found that when Ta is added to PZT as an additive other than Nb, a relatively large amount of generated electric power can be obtained as compared with the case where Fe or W is added to PZT. It was also confirmed that in any of the piezoelectric bodies in which various additives were added to the base material, the amount of generated power increased as the stress rate increased, and was proportional to the square of the generated voltage.

図20は、母材として、厚さ10mm、直径16mmのPZTを用い、この母材に添加物を添加しない圧電体についてヤング率を計測した結果としての応力―ひずみ線図であり、図21は、Nbを母材に1mol%添加した圧電体についてヤング率を計測した結果としての応力―ひずみ線図である。なお、この結果は、歪ゲ−ジを素子の側面の取り付け、印加された力に対して発生した歪計測を用いて得られたものである。   FIG. 20 is a stress-strain diagram as a result of measuring the Young's modulus of a piezoelectric body in which PZT having a thickness of 10 mm and a diameter of 16 mm is used as a base material, and no additive is added to the base material. FIG. 5 is a stress-strain diagram as a result of measuring Young's modulus for a piezoelectric body in which 1 mol% of Nb is added to a base material. This result was obtained by using a strain gauge attached to the side surface of the element and measuring the strain generated with respect to the applied force.

図20及び図21から、Nbを母材に1mol%添加した圧電体のヤング率が32.8kNとなり、母材に添加物を添加しない圧電体のヤング率44.3kNに比べて、20%ほど低減されていることがわかる。
図22〜24は、Nb以外の添加物を母材に添加した圧電体の発電特性を示す図である。具体的には、図22は、添加物として、鉄を母材に添加した圧電体の発電特性を示す図であり、図23は、添加物として、タンタルを母材に添加した圧電体の発電特性を示す図であり、図24は、添加物として、タングステンを母材に添加した圧電体の発電特性を示す図である。
20 and 21, the Young's modulus of the piezoelectric body in which 1 mol% of Nb is added to the base material is 32.8 kN, which is about 20% as compared with the Young's modulus of 44.3 kN of the piezoelectric body in which no additive is added to the base material. It can be seen that it has been reduced.
22-24 is a figure which shows the electric power generation characteristic of the piezoelectric material which added additives other than Nb to the base material. Specifically, FIG. 22 is a diagram showing the power generation characteristics of a piezoelectric body in which iron is added to the base material as an additive, and FIG. 23 is a power generation characteristic of the piezoelectric body in which tantalum is added to the base material as an additive. FIG. 24 is a diagram showing power generation characteristics of a piezoelectric body in which tungsten is added to a base material as an additive.

ここで、この発電特性の計測は、図25に示す装置を用いて行った。具体的には、サンプルには、ロードセルを介してプレス機による力を印加する。素子の上下電極から取り出された電圧は抵抗1MΩの持つ電圧記録計により記録されたのち、パソコンへ取り込む。また、印加した力はアンプを介してパソコンへ取り込む。ここで、ロードセルは共和電業製LU−10KSB34Dを用い、記録計はNEC製オムニエースRA2300を用いた。   Here, the measurement of the power generation characteristics was performed using the apparatus shown in FIG. Specifically, a force from a press is applied to the sample via a load cell. The voltage taken out from the upper and lower electrodes of the element is recorded by a voltage recorder having a resistance of 1 MΩ, and then taken into a personal computer. The applied force is taken into the personal computer via the amplifier. Here, the load cell used LU-10KSB34D made by Kyowa Denki, and the recorder used Omniace RA2300 made by NEC.

また、図22では、添加物として同じ鉄のサンプルを用いて、3回(Fe−1,Fe−2,Fe−3)試行した結果を示し、図23では、添加物として同じタンタルのサンプルを用いて、4回(Ta−1,Ta−2,Ta−3,Ta−4)試行した結果を示し、図24では、添加物として同じタングステンのサンプルを用いて、4回(W−1,W−2,W−3,W−4)試行した結果を示した。この試行は、同じ添加物におけるバラツキを確認するために行ったものである。   In addition, FIG. 22 shows the results of three trials (Fe-1, Fe-2, Fe-3) using the same iron sample as the additive, and FIG. 23 shows the same tantalum sample as the additive. FIG. 24 shows the results of four trials (Ta-1, Ta-2, Ta-3, Ta-4), and FIG. 24 shows the results of four trials (W-1, W-2, W-3, W-4) The results of trials are shown. This trial was conducted to confirm the variation in the same additive.

図22に示すように、添加物として、鉄を母材に添加した場合は、発電特性が著しく低減した。これは、鉄が、高い弾性率素子としてアクセプタを供給できる元素であることに起因すると考えられる。鉄と同様に、Bサイトに導入されるとアクセプタの供与源となる元素としては、クロム、マンガン、コバルト等が挙げられる。
また、図23に示すように、添加物として、タンタルを母材に添加した場合は、母材にニオブを添加した場合と同程度の発電特性の増加がみられた。
As shown in FIG. 22, when iron was added to the base material as an additive, the power generation characteristics were significantly reduced. This is considered to be because iron is an element that can supply an acceptor as a high elastic modulus element. As with iron, examples of the element that becomes a donor source when introduced into the B site include chromium, manganese, cobalt, and the like.
As shown in FIG. 23, when tantalum was added to the base material as an additive, the power generation characteristics increased to the same extent as when niobium was added to the base material.

また、図24に示すように、添加物として、タングステンを母材に添加した場合は、母材に添加物を添加しない場合と同程度の発電特性を示した。
図26〜28は、添加物として、Nb,Fe,Ta,Wを母材(PZT)に添加した圧電体における添加量と、誘電率、弾性率、および圧電率との関係を示すグラフである。なお、圧電体は、焼成温度:1260℃、直径:15.96±0.02(mm)、厚み:10.023±0.031(mm)、質量:15.3409±0.3345(g)、分極条件:2kV/mmとして作製した。
Further, as shown in FIG. 24, when tungsten was added as an additive to the base material, the same power generation characteristics as when no additive was added to the base material were shown.
26 to 28 are graphs showing the relationship between the additive amount in a piezoelectric body in which Nb, Fe, Ta, and W are added as additives to the base material (PZT), and the dielectric constant, elastic modulus, and piezoelectric constant. . The piezoelectric body has a firing temperature of 1260 ° C., a diameter of 15.96 ± 0.02 (mm), a thickness of 10.023 ± 0.031 (mm), and a mass of 15.3409 ± 0.3345 (g). The polarization condition was 2 kV / mm.

図26では、発電特性の大きな素子は誘電率が大きく、発生した電荷を蓄積することが可能であることが示されている。また、図27では、発電特性の大きな素子は、弾性率の小さな素子となっており、このために単位印加力により生じる素子歪が大きくなることが示されている。これらのことは図28に示した圧電率にも表れている。すなわち、圧電率(圧電定数d33)は、誘電率と弾性率逆数の積の平方根に比例しており、弾性率が小さく、誘電率が大きい、いわゆる高い圧電発電特性をもつ圧電体はこの圧電率が大きくなっている。 FIG. 26 shows that an element having a large power generation characteristic has a large dielectric constant and can store generated charges. Further, FIG. 27 shows that an element having a large power generation characteristic is an element having a small elastic modulus, and therefore, an element strain caused by a unit applied force increases. These facts also appear in the piezoelectricity shown in FIG. That is, the piezoelectric constant (piezoelectric constant d 33 ) is proportional to the square root of the product of the dielectric constant and the reciprocal of the elastic modulus, and the piezoelectric body having a so-called high piezoelectric power generation characteristic with a small elastic modulus and a large dielectric constant is the piezoelectric. The rate is increasing.

図29は、図9の振動試験装置を用いて、各初期荷重条件下において発電試験を実施したときの振動振幅の経時変化を示す図であり、図29(a)は、加振していない状態での振動振幅の経時変化を示す図、図29(b)は、加振回数を10[cycle]として加振したときの振動振幅の経時変化を示す図である。
また、図30は、各初期荷重条件下において発電試験を実施したときのサーボ加速度の経時変化を示す図であり、図30(a)は、加振していない状態でのサーボ加速度の経時変化を示す図、図30(b)は、加振回数を10[cycle]として加振したときのサーボ加速度の経時変化を示す図である。
FIG. 29 is a diagram showing a change with time of vibration amplitude when a power generation test is performed under each initial load condition using the vibration test apparatus of FIG. 9, and FIG. 29 (a) is not excited. FIG. 29B is a diagram showing a change over time in vibration amplitude when the number of vibrations is 10 7 [cycle]. FIG.
FIG. 30 is a diagram showing a change over time in servo acceleration when the power generation test is performed under each initial load condition. FIG. 30 (a) shows a change over time in servo acceleration when no vibration is applied. FIG. 30B is a diagram showing a change in servo acceleration with time when the number of vibrations is 10 7 [cycle].

また、図31は、各初期荷重条件下において発電試験を実施したときの錘の加速度の経時変化を示す図であり、図31(a)は、加振していない状態での錘の加速度の経時変化を示す図、図31(b)は、加振回数を10[cycle]として加振したときの錘の加速度の経時変化を示す図である。
また、図32は、各初期荷重条件下において発電試験を実施したときの圧電体から出力される電圧の経時変化を示す図であり、図32(a)は、加振していない状態での圧電体から出力される電圧の経時変化を示す図、図32(b)は、加振回数を10[cycle]として加振したときの圧電体から出力される電圧の経時変化を示す図である。
FIG. 31 is a diagram showing a change over time in the acceleration of the weight when the power generation test is performed under each initial load condition, and FIG. 31 (a) shows the acceleration of the weight in a state where no vibration is applied. FIG. 31B is a diagram showing a change with time, and FIG. 31B is a diagram showing a change with time of the acceleration of the weight when the number of times of vibration is 10 7 [cycle].
FIG. 32 is a diagram showing the change over time in the voltage output from the piezoelectric body when the power generation test is carried out under each initial load condition. FIG. 32 (a) shows a state in which no vibration is applied. FIG. 32B is a diagram showing the change with time of the voltage output from the piezoelectric body, and FIG. 32B is a diagram showing the change with time of the voltage output from the piezoelectric body when the number of excitations is 10 7 [cycle]. is there.

また、図33は、各初期荷重条件下において発電試験を実施したときの、Nbが添加された圧電体、及び添加物が添加されていない圧電体から出力される電圧の耐久性の試験結果を示す図である。なお、各初期荷重条件下において、発電試験を繰り返し実施したが、PZTが破損することはなかった。また、上記発電試験の実験条件を下記に示す。
図29〜図33に示す結果より、加振回数を10[cycle]として加振した発電試験中は出力の低下は殆ど見られず安定した出力を示していることがわかる。
FIG. 33 shows the test results of the durability of the voltage output from the piezoelectric body to which Nb was added and the piezoelectric body to which no additive was added when the power generation test was performed under each initial load condition. FIG. Note that the power generation test was repeatedly performed under each initial load condition, but the PZT was not damaged. The experimental conditions of the power generation test are shown below.
From the results shown in FIGS. 29 to 33, it can be seen that during the power generation test in which the number of times of vibration is set to 10 7 [cycle], the output is hardly decreased and stable output is shown.

―実験条件―
・初期荷重 :1[kN] 4.97[MPa]
・母材 :PZT(添加物なし)
・母材の厚み :10[mm]
・加振振動数 :30[Hz]
・加振加速度(設定値) :3[m/s]
・加振加速度(錘部) :3.54[m/s]
・荷重変動振幅(計算値):235[N] 3.67[MPa]
・荷重変動振幅(計測値):183.8[N] 2.87[MPa]
-Experimental conditions-
-Initial load: 1 [kN] 4.97 [MPa]
・ Base material: PZT (no additives)
-Base material thickness: 10 [mm]
・ Excitation frequency: 30 [Hz]
・ Excitation acceleration (setting value): 3 [m / s 2 ]
Excitation acceleration (weight part): 3.54 [m / s 2 ]
-Load fluctuation amplitude (calculated value): 235 [N] 3.67 [MPa]
・ Load fluctuation amplitude (measured value): 183.8 [N] 2.87 [MPa]

本発明の圧電素子構造体は、電気、機械、メカトロニクス、エレクトロニクス、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems(微小電気機械システム))、MST(Micro System Technology)、マイクロマシン、ナノテクノロジー、電気電子機器、情報通信機器等の分野において、力学的な入力エネルギーを電気出力に変換して用いる機能性トランスデューサ(エネルギー変換)または発電素子の基本素子に極めて有用である。   The piezoelectric element structure of the present invention includes: electricity, machinery, mechatronics, electronics, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), MST (Micro System Technology), micromachines, nanotechnology, electrical and electronic equipment, and information communication equipment. In such a field, it is extremely useful for a functional transducer (energy conversion) or a basic element of a power generation element that uses a mechanical input energy converted into an electrical output.

圧電素子に荷重を加えたとき得られる出力電力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship with the output electric power obtained when a load is applied to a piezoelectric element. 圧電素子に荷重を加えたとき得られる出力電力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship with the output electric power obtained when a load is applied to a piezoelectric element. 圧電素子に荷重を加えたとき得られる出力電力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship with the output electric power obtained when a load is applied to a piezoelectric element. 圧電素子を作製する過程で行われる分極処理の際、印加される分極電界と出力電力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the polarization electric field applied at the time of the polarization process performed in the process of producing a piezoelectric element, and output electric power. 圧電素子および圧電素子が積層された圧電素子構造体の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the piezoelectric element structure which laminated | stacked the piezoelectric element and the piezoelectric element. 図5に示した圧電素子または圧電素子構造体における圧電素子の積層数と出力電圧との関係および圧電素子の積層数と出力電力との関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the number of stacked piezoelectric elements and the output voltage in the piezoelectric element or piezoelectric element structure shown in FIG. 5 and the relationship between the number of stacked piezoelectric elements and the output power. 図5に示した圧電素子または圧電素子構造体を構成する圧電素子の厚さと出力電力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thickness of the piezoelectric element which comprises the piezoelectric element or piezoelectric element structure shown in FIG. 5, and output electric power. 振動試験に使用した実験に用いたPZT構造を示す図である。It is a figure which shows the PZT structure used for the experiment used for the vibration test. 振動試験装置の全体構造を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of a vibration test apparatus. 振動試験の一例として、単層PZT(+Nb)に対して初期荷重1.5KN、加振加速度5m/s、加振振動数35Hzの場合の錘の加速度、変動荷重およびPZTの発生電圧の時刻歴を示す図である。As an example of a vibration test, for a single layer PZT (+ Nb), the initial load is 1.5 KN, the excitation acceleration is 5 m / s 2 , the acceleration of the weight when the excitation frequency is 35 Hz, the time of the fluctuating load and the generated voltage of PZT. It is a figure which shows a history. 単層PZTについて、初期荷重、加振振動数およびNbの有無が発生電圧および発生電力量に及ぼす影響を示す図である。It is a figure which shows the influence which the initial load, the vibration frequency, and the presence or absence of Nb exert on the generated voltage and the generated electric energy for the single layer PZT. 単層PZTについて、初期荷重、加振振動数およびNbの有無が発生電圧および発生電力量に及ぼす影響を示す図である。It is a figure which shows the influence which the initial load, the vibration frequency, and the presence or absence of Nb exert on the generated voltage and the generated electric energy for the single layer PZT. 2層PZTの初期荷重、振動数およびNbの有無が発生電圧および発生電力量に及ぼす影響を示す図である。It is a figure which shows the influence which the initial stage load of 2 layer PZT, the frequency, and the presence or absence of Nb have on the generated voltage and generated electric energy. 2層PZTの初期荷重、振動数およびNbの有無が発生電圧および発生電力量に及ぼす影響を示す図である。It is a figure which shows the influence which the initial stage load of 2 layer PZT, the frequency, and the presence or absence of Nb have on the generated voltage and generated electric energy. 各PZTにおいて荷重速度が発生電圧に及ぼす影響を示す図である。It is a figure which shows the influence which the load speed has on the generated voltage in each PZT. 添加物を含まない母材(PZT)の電圧出力と、単位面積当たりの荷重変動を応力速度として定義したものが発生電圧に及ぼす影響について示したグラフである。It is the graph which showed about the influence which the voltage output of the base material (PZT) which does not contain an additive, and what defined the load fluctuation per unit area as a stress rate has on the generated voltage. 添加物としてニオブ(Nb)が添加された母材(PZT)の電圧出力と、単位面積当たりの荷重変動を応力速度として定義したものが発生電圧に及ぼす影響について示したグラフである。It is the graph which showed about the influence which the voltage output of the preform | base_material (PZT) with which niobium (Nb) was added as an additive, and what defined the load fluctuation per unit area as a stress rate has on generated voltage. 母材(PZT)に添加された添加物の濃度と、電圧出力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the density | concentration of the additive added to the base material (PZT), and a voltage output. 各種添加物(Nb,Fe,Ta,W)を母材に1mol%添加した圧電体について応力速度と発生電力量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a stress rate and generated electric energy about the piezoelectric material which added 1 mol% of various additives (Nb, Fe, Ta, W) to the base material. 母材に添加物を添加しない圧電体についてヤング率を計測した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the Young's modulus about the piezoelectric material which does not add an additive to a base material. 母材に添加物としてNbを1mol%添加した圧電体についてヤング率を計測した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured Young's modulus about the piezoelectric material which added 1 mol% of Nb as an additive to a base material. 添加物として鉄(Fe)が母材(PZT)添加された圧電体の発電特性を示すグラフである。It is a graph which shows the electric power generation characteristic of the piezoelectric material by which iron (Fe) was added to the base material (PZT) as an additive. 添加物としてタンタル(Ta)が母材(PZT)添加された圧電体の発電特性を示すグラフである。It is a graph which shows the electric power generation characteristic of the piezoelectric material with which tantalum (Ta) was added to the base material (PZT) as an additive. 添加物としてタングステン(W)が母材(PZT)添加された圧電体の発電特性を示すグラフである。It is a graph which shows the electric power generation characteristic of the piezoelectric material with which tungsten (W) was added to the base material (PZT) as an additive. 発電特性の計測を行うための装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the apparatus for measuring a power generation characteristic. 添加物の濃度と誘電率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the density | concentration of an additive, and a dielectric constant. 添加物の濃度と弾性率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the density | concentration of an additive, and an elasticity modulus. 添加物の濃度と圧電定数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the density | concentration of an additive, and a piezoelectric constant. 耐久性実験中の荷重振幅の経時変動を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent fluctuation | variation of the load amplitude during a durability experiment. 耐久性実験中のサ−ボ加速度の経時変動を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent fluctuation of the servo acceleration during the durability experiment. 耐久性実験中の錘の加速度の経時変動を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent fluctuation | variation of the acceleration of the weight in durability experiment. 耐久性実験中のPZTからの電圧出力の経時変動を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent fluctuation | variation of the voltage output from PZT in a durability experiment. 母材(PZT)からの電圧出力の耐久性試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the durability test result of the voltage output from a base material (PZT).

符号の説明Explanation of symbols

1 圧電体
2 電極
3,4 出力端子
5,10 加速度計(加振方向)
6,7,8,9 加速度計(加振垂直方向)
11 PZT
12 荷重計
13 錘
14 ジャッキ
15 サポート
16 サポートフレーム
17 防振ゴム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric body 2 Electrode 3,4 Output terminal 5,10 Accelerometer (Excitation direction)
6, 7, 8, 9 Accelerometer (excitation vertical direction)
11 PZT
12 Load meter 13 Weight 14 Jack 15 Support 16 Support frame 17 Anti-vibration rubber

Claims (1)

酸化鉛、酸化ジルコン、酸化チタンをPZT(52/48)の相境界組成となるようにした母材に添加物としてニオブが1モル%添加され、1150℃〜1300℃で焼成処理され、かつ1.5kV/cmの分極電界で分極処理され、誘電率が1000F/m以上、弾性率が40Pa以下、圧電率が200m/Vであり、初期荷重を4〜5MPaとし、荷重変動振幅を3〜4Mpaとして加振回数を3.0×10回行ったときに初期電圧の±15%を維持する複数の圧電素子が、それぞれの圧電素子の同極同士を対向させて電極を介して積層され、
最外の前記圧電素子の両端に設けられた電極、及び前記圧電素子間に設けられた電極のうち、同極の電極同士を接続した出力端子を有することを特徴とする発電用圧電体。
1 mol% of niobium is added as an additive to a base material in which lead oxide, zircon oxide, and titanium oxide are made to have a phase boundary composition of PZT (52/48) , fired at 1150 ° C. to 1300 ° C., and 1 Polarized with a polarization electric field of 0.5 kV / cm, dielectric constant is 1000 F / m or more, elastic modulus is 40 Pa or less, piezoelectric constant is 200 m / V, initial load is 4 to 5 MPa, load fluctuation amplitude is 3 to 4 MPa. A plurality of piezoelectric elements that maintain ± 15% of the initial voltage when the number of times of vibration is performed 3.0 × 10 6 times are stacked via electrodes with the same polarity of each piezoelectric element facing each other,
A power generating piezoelectric body comprising: an electrode provided at both ends of the outermost piezoelectric element; and an output terminal connecting electrodes of the same polarity among electrodes provided between the piezoelectric elements.
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