JP5346684B2

JP5346684B2 - 圧電発電ユニット

Info

Publication number: JP5346684B2
Application number: JP2009121486A
Authority: JP
Inventors: 誠金子
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-05-20
Also published as: JP2010273409A

Description

本発明は、圧電材料が外力によって変形や振動を生じたときに発生する電気エネルギーを利用して発電する圧電発電ユニットに関する。

圧電材料に歪みを発生させたとき生ずる電気エネルギーを活用しようとする試みが広く行われている。このような圧電素子によって発電を行う圧電発電ユニットは、圧電材料に変形や振動等の機械的入力さえあれば発電装置として作用するので、その発電された電力を直接、あるいはコンデンサや二次電池などに備蓄しておき、必要に応じて使用することができる。バッテリなどからの電源供給なしに発光ダイオードを発光させたり、発信機を動作させる等、様々な用途に応用することができる。

通常、このような圧電素子による発電を行う場合には、圧電素子に金属球、セラミック球などの衝撃体を衝突させたり、圧電素子の一端を固定してこの反対の端を押圧し変形させたりして圧電素子の歪みを発生させて発電する。圧電素子としては２枚の圧電板の間に弾性体を挟みこんで構成した圧電バイモルフが一般的に用いられる。

特許文献１には、団扇に圧電バイモルフを片端支持して固定し、団扇の仰ぐ面に発光体やオルゴールＩＣを取り付け、団扇を仰いだときの仰ぐ面の変形によって発電し、この電気エネルギーで発光体を発光させたり、オルゴールを鳴らしたりする団扇が開示されている。また、特許文献２には圧電バイモルフを片もち梁で固定し反対側の端に力を加えることで発電する装置が開示されている。このような応用において片端支持の圧電バイモルフを固定する方法としては片もち梁で固定する方法が一般的である。

一方、特許文献３には圧電バイモルフを構成する外側の圧電板の一端を直接的に基板上に固定して片持ち支持し、自由端側の圧電素子が変位する部分の基板に凹みを設けて変位した圧電バイモルフの先端が接触しないような逃げを作り構成した圧電発電装置が開示されている。

特開平８−５６７２８号公報特開平９−１８２４６５号公報特開平７−１０７７５２号公報

しかしながら、上記の特許文献２のような片持ち梁でバイモルフの一端を指示する方法では、片もち梁の固定部の厚みが厚くなるという問題があった。また、特許文献３の方法でも取り付ける基板部分を厚くする必要があるため発電装置の厚みが厚くなり設置の際に制約があるという問題があった。また、従来のいずれの場合にも、圧電バイモルフを片端で固定して反対側の端に力を加えた場合、圧電バイモルフの固定端部分には力が集中し、繰り返し使用した場合、この部分から亀裂破壊が生じやすいという問題があった。また、圧電バイモルフの構成では２つの圧電素子の表面と弾性板の３端子の接続を行う必要があるため配線接続箇所が多くなること、このため機械的な力が加わった場合に配線が外れるなどの損傷が生じやすいという問題があった。

従って本発明の課題は、従来よりも配線接続箇所が少なく、配線の信頼性が高く、かつ低背型の圧電発電ユニットを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による圧電発電ユニットは、２枚の圧電板の間に弾性板を挟み込んで貼り合わせて構成した圧電バイモルフの一端を回路基板に固定して支持し前記圧電バイモルフに加えられた外力によって発電を行う片持ち支持型の圧電発電ユニットであって、前記弾性板と、前記弾性板の一端に固定される固定用のブロックとを導体で構成し、前記ブロックが前記回路基板の電極パッド上に固定されることにより、前記弾性板と前記回路基板の間の電気的接続が得られていることを特徴とする。

また、前記ブロックの前記回路基板に固定される面にねじ穴が設けられ、前記ブロックが前記回路基板にねじ固定されていてもよい。

本発明による圧電発電ユニットは、上記のように、圧電バイモルフの中間層である弾性板の固定端側を直接固定することにより、または弾性板の固定端側に固定用のブロックを固定して該ブロックを固定部に固定することにより低背型の圧電発電ユニットが得られ、この弾性板および固定用のブロックの材質を真鍮、リン青銅などの導体として、この部分を、回路基板上に形成した配線のランド部分、すなわち電極パッド上に固定することで、配線を増やすことなく、信頼性の高い電気的接続が得られる。以上のように、本発明により従来よりも配線接続箇所が少なく、配線の信頼性が高く、かつ低背型の圧電発電ユニットが得られる。

本発明による圧電発電ユニットの一つの実施の形態を示す側面図。本発明による圧電発電ユニットの一つの実施の形態を示す斜視図。圧電バイモルフの電気的な接続方法の例を示す模式図であり、図３（ａ）は並列接続、図３（ｂ）は直列接続を示す図。本実施の形態の圧電発電ユニットの固定方法および電気的接続方法の一例を示す斜視図。固定部に固定した本実施の形態の圧電発電ユニット（本実施例）の断面図。固定部に片もち梁で固定した従来の圧電発電ユニット（比較例）の断面図。本実施例および比較例の圧電発電ユニットの電圧出力波形を示す図。本実施例と比較例の圧電発電ユニットの耐久性の試験結果を示す図。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明による圧電発電ユニットの一つの実施の形態を示す側面図であり、図２は斜視図である。図１に示すように、本発明の圧電ユニットは板状の圧電セラミクス板１、２と、これらの間に挟みこまれ、貼り合わせた弾性板３とからなる圧電バイモルフの一端をブロック５を介して固定板２１に支持して構成される。

また、本実施の形態では図２に示すように、ブロック５の固定板２１に固定される面にねじ穴４が設けられ、ブロック５が固定板２１にねじ固定されるようにしている。

ここで、弾性板３としては上述のような金属板などの導体の他に、ガラスエポキシ基板、炭素繊維素材、ガラス繊維素材など用途に合わせて様々な素材を用いることができる。通常の圧電バイモルフの電気的な接続方法では、一方の圧電セラミクス板の弾性板に接着される側の電極ともう一方の圧電セラミクス板の弾性板に接着される側の電極とを導通させて使用することが多い。弾性体を金属板などの導体で構成した場合は、導電性のある貼り付け手段で接着することで上記の２つの圧電セラミクス板の弾性板に接着される内側の電極間を導通させることができるが、弾性板としてガラスエポキシ基板などの絶縁体を使用した場合は、弾性板の両面に電極パターンを形成しておき、この部分に圧電セラミクス板の表面電極を接触させて接着固定し、その電極パターンを弾性板の固定端の部分まで取り出して、圧電セラミクス板との接着面以外の部分で電極を取り出して導通をとる必要がある。電極から電線等で電気的接続を得る場合、半田付け等で行う方法が一般的であるが、導電ペーストなどを使用して取り出すこともできる。

図３は、圧電バイモルフの電気的な接続方法の例を示す模式図である。図３（ａ）に示すように、圧電セラミクス板１および圧電セラミクス板２のそれぞれの表面電極を短絡し弾性板３との間で出力を取り出す並列接続と、図３（ｂ）に示すように、圧電セラミクス板１および圧電セラミクス板２のそれぞれの表面電極間で出力を取り出す直列接続がある。同じ形状の圧電バイモルフに同じ力を加えて得られる出力を比較した場合、並列接続の方が直列接続比べ低い負荷抵抗で高い出力を得られるという特徴があり、本目的の圧電発電ユニットのように圧電素子に機械的入力を与えて電気エネルギーを取り出すような用途には、並列接続の方が良く用いられる。

図４は、本実施の形態の圧電発電ユニットの固定方法および電気的接続方法の一例を示す斜視図である。図４は、弾性板３として金属を用い、接続方法は並列接続の場合であり、本実施の形態の圧電発電ユニット２０を固定部であるガラスエポキシ回路基板２２に取り付ける方法を示している。弾性板の固定端に一体化されたブロック５をガラスエポキシ回路基板２２にねじ止めで固定する。ブロック５の下面に対向するガラスエポキシ回路基板２２上には半田メッキされたランド６が形成されており、圧電発電ユニット２０をネジ止めで固定するだけで電気的接続が得られる。また圧電バイモルフの表面電極からは電線などでガラスエポキシ回路基板２２上のランド７に配線する。この状態で圧電発電ユニット２０の自由端側の端部に力を加えると、圧電セラミクス板の表面電極と弾性板の間に電圧が発生し、電気エネルギーを取り出すことができる。図４においては、ガラスエポキシ回路基板２０上には整流回路８が設置されており、圧電バイモルフに機械的な入力を与えたときに生じる交流減衰型の電力波形を整流し直流電力に変換する。この電力によりＬＥＤなどの発光体を発光させることも可能であり、また、コンデンサや２次電池に一定量となるまで蓄え、必要に応じて取り出すことも可能である。

ここで、弾性板の固定端側のブロック５の固定部への固定方法には前記のねじ止めの方法以外にも、接着剤等で接着する方法や、ブロックをスリットに差し込んで固定する方法なども利用可能である。圧電バイモルフの自由端となっている端部に力が加えられた際に外れない確実な固定がされ、かつ、回路基板などの固定部分に形成したランドや電極端子部分との電気的接続が得られていればよい。

次に、本実施の形態の圧電発電ユニットと従来の圧電発電ユニットの特性および信頼性を評価し比較を行った実験結果を示す。図５、図６は実験に用いた圧電発電ユニットを示し、図５は固定部に固定した本実施の形態の圧電発電ユニット（以下、本実施例とする）の断面図、図６は固定部に片もち梁で固定した従来の圧電発電ユニット（以下、比較例とする）の断面図を示す。図５、図６に示した圧電バイモルフはいずれも圧電セラミクス板にはＮＥＣトーキン製Ｎ１０材で長さ３５ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ０.２５ｍｍを用いた。中間層である弾性板には、本実施例の圧電バイモルフでは長さ４１ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚み０.５ｍｍで固定端側を圧電セラミクス板よりも長さ６ｍｍ延長して構成した真鍮板１０を使用し、比較例の圧電バイモルフでは幅１０ｍｍ、厚み０.５ｍｍで長さを半田固定部分だけ３５ｍｍよりも若干長くした真鍮板１１を使用した。

固定板１６への固定方法は、本実施例では、真鍮板１０の固定端側を延長した部分に真鍮製のブロック１５を固定し、それを固定板１６にねじ固定した。比較例では、片もち梁の部分に長さ５ｍｍ、幅６ｍｍ、厚み６ｍｍのアクリル製の角柱を使用して圧電バイモルフを上下から挟み込むように配置し、その片持ち梁の部分の圧電バイモルフを挟んだ両側を固定板１６にねじ固定した。圧電バイモルフの上下面の電極には半田付けで電気的接続を取り、互いに短絡している。

図７に、本実施例および比較例の圧電発電ユニットの電圧出力波形を示す。圧電バイモルフを固定した固定板１６に対して下面から１Ｇの加速入力を１０回／秒の周期で加えて圧電バイモルフを変形、自由振動させ、このときの電圧出力をオシロスコープで観察したものである。発電による出力は本実施例と比較例ではほとんど違いは見られない。

次に、下面からの加速による発電を連続して行い、耐久性を確認する実験を行った。図８に、本実施例と比較例の圧電発電ユニットを各５個ずつ連続試験した耐久性の試験結果を示す。横軸に発電回数、縦軸に出力電圧を示している。比較例では、１０００万回を超えた回数で出力が低下し、または出力しないユニットが発生した。原因は、圧電セラミクス板の表面が変位する度に圧電セラミック板の表面の外部電極が伸び縮みすることでクラックが生じ、最終的には電極の一部が隔離してしまい導通が得られなくなってしまうという不具合や、弾性板に接続していた導線が繰り返しの振動により断線し、出力が得られなくなってしまうというものである。これに対し本実施例では１億回を超えても出力の低下が見られず、比較例に対して耐久性が向上していることが確認できた。

以上のように、圧電バイモルフの中間層である弾性板の固定端側に固定用のブロックを固定して該ブロックを固定部に固定することにより低背型の圧電発電ユニットが得られ、この弾性板および固定用のブロックの材質を真鍮、リン青銅などの導体とすることで、配線を増やすことなく、信頼性の高い電気的接続が得られ、連続使用時の耐久性も向上させることができる。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではないことはいうまでもなく、目的や用途に応じて設計変更可能である。例えば、弾性板の固定端側にブロックを設けなくても、圧電バイモルフの振動を妨げることがないような構造を有する固定部に弾性板を直接固定することも可能である。圧電バイモルフを構成する圧電板、弾性体の材料や形状なども用途に合わせて選択可能である。

１、２圧電セラミクス板
３弾性板
４ねじ穴
５、１５ブロック
６、７ランド
８整流回路
１０、１１真鍮板
１６、２１固定板
２０圧電発電ユニット
２２ガラスエポキシ回路基板
２３電極

Claims

２枚の圧電板の間に弾性板を挟み込んで貼り合わせて構成した圧電バイモルフの一端を回路基板に固定して支持し前記圧電バイモルフに加えられた外力によって発電を行う片持ち支持型の圧電発電ユニットであって、前記弾性板と、前記弾性板の一端に固定される固定用のブロックとを導体で構成し、前記ブロックが前記回路基板の電極パッド上に固定されることにより、前記弾性板と前記回路基板の間の電気的接続が得られていることを特徴とする圧電発電ユニット。
前記ブロックの前記回路基板に固定される面にねじ穴が設けられ、前記ブロックが前記回路基板にねじ固定されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発電ユニット。