JP5652396B2 - 圧電発電装置及び無線センサネットワーク装置 - 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、及び、該圧電発電装置を備えた無線センサネットワーク装置に関する。

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、蓄電装置に電力を供給する圧電発電装置としては、その基本的構成や動作原理が特許文献１に記載されている。この文献１には、自由振動部材の自由振動周波数を、励振する加速度の周波数成分の頻度の多い領域に設定することが記載されており、さらに、加速度の周波数成分が予め判っているときには、素子の寸法を調整して固有振動数を適切な領域に設定することで出力を最大にすることができる、と記載されている。

特許文献１に記載の圧電発電装置は、瞬間的な衝撃が作用したとき、圧電素子に一瞬大きな応力変化が加わり、大きな電力を出力する。しかしながら、持続して安定な電力を取り出すためには、継続した振動が必要であり、かつ、耐電圧の高い比較的大きな整流器やコンデンサを用いたり、複数の部品を接続したりする必要があり、部品点数の増加あるいは装置の大型化を招来する。また、圧電素子の全てに運動エネルギーを作用させる必要があるため、応力が分散して発電効率が低くなる問題点を有していた。

特許第３１７０９６５号公報

そこで、本発明の目的は、外部から作用する振動を効率よく圧電素子に伝達できて発電可能時間を長くし、発電効率を高めることのできる圧電発電装置を提供することにある。

さらに、本発明の目的は、前記圧電発電装置を備えることで、小型化を実現できる無線センサネットワーク装置を提供することにある。

本発明の第１の形態である圧電発電装置は、
振動を電気に変換する圧電素子と、該圧電素子を搭載する基板とを備えた圧電発電装置において、
前記圧電素子は積層体の内部に形成された空洞部に配置された振動部を有し、
前記基板の振動部の質量が前記圧電素子の前記振動部の質量より大きく、
前記圧電素子の共振周波数と前記基板の共振周波数とが一致していること、
を特徴とする。

前記圧電発電装置において、基板に作用した外部からの振動が該基板を介して圧電素子に伝達され、電力が発生する。基板の振動部の質量が圧電素子の振動部の質量より大きく、かつ、圧電素子の共振周波数と基板の共振周波数とが一致しているため、基板が振動している限り圧電素子も効率よく振動することになり、発電可能時間が長くなって発電効率が高くなる。

本発明の第２の形態である無線センサネットワーク装置は、
基板と、
前記基板に搭載され、振動を電気に変換する圧電素子を有する圧電発電装置と、
前記基板に搭載された無線通信装置と、
前記基板に搭載されたセンサ素子と、
を備え、
前記圧電素子は積層体の内部に形成された空洞部に配置された振動部を有し、
前記基板の振動部の質量が前記圧電素子の前記振動部の質量より大きく、
前記圧電素子の共振周波数と前記基板の共振周波数とが一致していること、
を特徴とする。

前記無線センサネットワーク装置においては、センサが検知した情報を無線通信装置を通じて外部のホスト装置に通信する。圧電発電装置は無線通信装置及び／又はセンサの電源として機能する。この圧電発電装置は前記基板との関係で振動が効率よく伝達され、かつ、該基板に無線通信装置やセンサ素子などが搭載されているので、部品の高密度実装化、小型化が実現される。

本発明によれば、発電効率を高めることのできる圧電発電装置を得ることができる。また、小型な無線センサネットワーク装置を得ることができる。

本発明に係る圧電発電装置の種々の実施例を示す斜視図である。 一例としての圧電積層体の外観を示す斜視図である。 前記圧電積層体の分解斜視図である。 前記圧電積層体を構成する圧電素子層を示す斜視図である。 本発明に係る無線センサネットワーク装置の第１実施例を示す斜視図である。 本発明に係る無線センサネットワーク装置の第２実施例を示す斜視図である。 無線センサネットワーク装置の回路構成を示すブロック図である。

以下、本発明に係る圧電発電装置及び無線センサネットワーク装置の実施例について、添付図面を参照して説明する。

（圧電発電装置の実施例、図１参照）
図１に、本発明に係る圧電発電装置の第１〜第４実施例を示す。これらの圧電発電装置は、それぞれ、振動を電気に変換する圧電素子を含む圧電積層体１０と、該圧電積層体１０を搭載する基板４０とで構成されている。そして、圧電素子の共振周波数と基板４０の共振周波数とは一致している。基板４０は、例えば、紙フェノール基板（ＦＲ−１，２）、紙エポキシ基板（ＦＲ−３）、ガラスコンポジット基板（ＣＥＭ−３）、ガラスエポキシ基板（ＦＲ−４）、ガラスポリイミド基板、フッ素基板、ガラスＰＰＯ基板、金属基板、若しくは、セラミック基板などによって形成されている。

圧電積層体１０は、図２〜図４を参照して以下に説明するように、単一の圧電素子を内蔵していてもよく、あるいは、複数の圧電素子を内蔵していてもよい。複数の圧電素子を内蔵している場合、各圧電素子の共振周波数は同じであっても、異なっていてもよい。

図１（Ａ）は、矩形形状をなす互いに対向する主面を有する板状の基板４０自体の共振周波数が圧電素子の共振周波数と一致している第１実施例を示す。図１（Ｂ）は、基板４０に表裏に貫通する切欠４１によって形成された振動部５１を有し、該振動部５１の共振周波数と圧電素子の共振周波数とが一致している第２実施例を示す。

図１（Ｃ）は、基板４０に表裏に貫通する切欠４１，４２によって形成された振動部５１，５２を有している第３実施例を示す。振動部５１，５２はそれぞれ互いに異なる共振周波数を有し、圧電積層体１０には各振動部５１，５２の共振周波数と一致する共振周波数の圧電素子が内蔵されている。

図１（Ｄ）は、基板４０の両側部に設けた切欠４３，４４によって形成された振動部５３，５４を有している第４実施例を示す。振動部５３，５４は切欠４３，４４の近傍が振動の節となるそれぞれ互いに異なる共振周波数を有し、圧電積層体１０には各振動部５３，５４の共振周波数と一致する共振周波数の圧電素子が内蔵されている。

図１（Ａ）に示した第１実施例においては、基板４０に作用した外部からの振動が基板４０を介して圧電積層体１０に伝達され、電力が発生する。圧電素子の共振周波数と基板４０の共振周波数とが一致しているため、基板４０が振動している限り圧電素子も効率よく振動することになり、発電可能時間が長くなって発電効率が高くなる。ここで、外部から圧電発電装置に作用する運動エネルギーの一部は基板４０の振動部及び圧電積層体１０の振動部に振動エネルギーとして変換される。この場合、基板４０の振動部の質量が圧電積層体１０の振動部の質量より大きいとき、かつ、励振される共振周波数が互いに一致するとき、基板４０の振動部に蓄積される振動エネルギーは圧電積層体１０の各振動部の振動エネルギーより大きくできる。この場合において、基板４０の振動部から圧電積層体１０の振動部に、共振現象によって、振動エネルギーが効率的に伝えられるため、圧電発電装置の発電効率が高くできる点において好ましい。さらに、基板４０の振動部と圧電積層体１０の振動部とが同じ共振周波数をもつ屈曲振動モードであれば、振動モードが一致することにより振動エネルギーの交換がより円滑になる点において好ましい。

図１（Ｂ）に示した第２実施例においては、基板４０に作用した外部からの振動が振動部５１を振動させ、振動部５１の振動が圧電積層体１０に伝達され、電力が発生する。その作用効果は前記第１実施例と同様である。特に、振動部５１を設けることによって、基板４０自体の共振周波数とは異なる特定の共振周波数を設定することができる。また、基板４０の振動が屈曲振動モードである場合で、貫通溝４１によって基板４０に形成される振動部５１の振動における節又は固定端が圧電積層体１０の近傍に配置され、かつ、振動部５１の腹又は自由端が圧電積層体１０より離れて配置されるときは、振動部５１の腹又は自由端が圧電積層体１０の近傍に配置され、かつ、振動部５１の節又は固定端が圧電積層体１０より離れて配置されるときに比べ、振動部５１から基板４０を介して圧電積層体１０に伝達される振動エネルギーの伝達距離が貫通溝４１を迂回する距離の分を短くできるため、基板４０から圧電積層体１０へ伝達される振動エネルギーは伝達効率を高くできる点において好ましい。

図１（Ｃ），（Ｄ）に示した第３及び第４実施例においては、基板４０に作用した外部からの振動が振動部５１，５２及び振動部５３，５４を振動させ、振動部５１，５２及び振動部５３，５４の振動が圧電積層体１０に伝達され、電力が発生する。その作用効果は前記第１及び第２実施例と同様である。特に、互いに異なる共振周波数をもつ二つの振動部５１，５２及び５３，５４を設けることで外部からの異なる周波数の振動に対処してより高い効率で発電を行うことが可能である。

なお、本発明に係る圧電発電装置において、基板に設けた振動部の形状や個数などは任意である。例えば、蓄積される振動エネルギー、又は、屈曲振動モードの共振周波数を制御するため、振動部５１，５２，５３，５４の腹又は自由端に錘が配置されていてもよい。これにて、振動エネルギーの増加、又は、共振周波数の低下を比較的容易に実現できるため好ましい。なお、振動部５１，５２，５３，５４の表面は、必ずしも平面でなくともよく、表面に段差（窪み及び突起を含み、基板４０とは一体あるいは別体であってもよい。図示しない）あるいは貫通孔（図示しない）が設けられてもよい。この段差あるいは貫通孔により基板４０の剛性が変更され、振動部５１，５２，５３，５４の振動モード及び共振周波数が調整されてもよい。ここで、錘は段差自体によって形成されてもよく、あるいは、窪み又は溝に形成される空間に形成されてもよい。

（圧電積層体の構成、図２〜図４参照）
ここで、一例としての圧電積層体１０の構成を図２〜図４を参照して説明する。その分解構造は図３に示すとおりであり、圧電積層体１０は、表裏面に電力取出し電極２２，２３を形成した振動部２１を有する圧電素子層１１と、該圧電素子層１１の上下部に積層され、振動部２１が振動できる空洞３１を有するセパレータ層１２，１３と、該セパレータ層１２，１３の上下部に積層された蓋層１４，１５とで構成されている。

圧電素子層１１は、図４に示すように、振動部２１がほぼ中央部に位置するように表裏に貫通する平面視でほぼＵ字形状をなす貫通溝部２５を形成し、表面の電力取出し電極２２は左方の側面に導出され、外部電極３５と電気的に接続されている。裏面の電力取出し電極２３は右方の側面に導出され、外部電極３６と電気的に接続されている。それぞれのセパレータ層１２，１３及び蓋層１４，１５の側面にも外部電極３５，３６が形成され、これらの外部電極３５，３６は圧電積層体１０が積層体として形成された後に一体的に形成されたものである。また、圧電素子層１１、セパレータ層１２，１３及び蓋層１４，１５はセラミックスから形成されている。セラミックス材料は比較的融点が高く、小型化によって熱容量が小さくなる傾向にある装置において、例えば、リフロー半田などの実装工程においても、樹脂材料に比べて熱容量や熱変形などの発生を抑制することができ、小型であっても耐熱性に優れ、温度変化による寸法変動及び剛性変動の要因から発生する共振周波数の変動を抑制する効果に優れた圧電発電装置を得ることができる。

以上の構成からなる圧電積層体１０においては、振動部２１が分極処理されており、圧電積層体１０に外力が作用すると、外力の変化あるいは加速度の変化に起因して、振動部２１が長さ振動モード又は屈曲振動モードで共振することにより、外部電極３５，３６から電力が取り出される。同等の寸法を有する振動部の振動において、長さ振動モードは比較的共振周波数が高く、屈曲振動モードは比較的共振周波数が低い。圧電積層体１０が小型化すると、振動部２１の共振周波数が高くなる傾向にある。屈曲振動モードを利用すれば、同じ共振周波数でより小型化することが可能である。

屈曲振動モードにより発電する場合には表裏電極２２，２３のほかに図示されない中間電極が必要である。中間電極は分極用の電極として機能する場合にはいわゆるシリーズバイモルフを構成し、また等方向分極で短絡させた表裏電極２２，２３と中間電極との間で電荷を発生させるパラレルバイモルフを構成する。積層構造技術でいずれも実現可能である。

前記圧電積層体１０は、圧電素子層１１とセパレータ層１２，１３と蓋層１４，１５との積層構造という簡単な構成からなり、小型化が容易であり、かつ、各層がセラミックスからなるため、積層工法を用いて一体的に焼成することで容易に製造することができる。

ところで、圧電積層体１０においては、圧電素子層１１、セパレータ層１２，１３及び蓋層１４，１５をセラミックスから形成している。これにて、セラミックシートを用いた積層工法により小型で簡単な構成の圧電積層体１０を容易に製造できる。特に、各層を熱膨張率のほぼ等しいセラミックス材料（同一組成であることが好ましい）とすれば、熱膨張差による応力が低減され、耐久性が向上する。しかも、焼成工程での収縮差も低減するので寸法精度が向上し、応力集中も低減するので、繰返し荷重に対する耐久性も向上し、さらに小型化することができる。またさらに、設計での耐荷重条件が緩和できるので、材料選択や形状選択などの設計自由度を高くすることができる。

なお、前記圧電素子層１１には様々な形状の振動部２１を形成することができ、振動部２１の形状によって異なる共振周波数とすることができる。また、１枚の圧電素子層１１に複数の同じ形状あるいは異なる形状の振動部２１を形成してもよい。複数の共振周波数で動作させるためには、共振周波数が異なる振動部２１を有する複数の圧電素子層１１をそれぞれセパレータ層１２，１３を介して積層してもよい。複数の振動部２１を組み合わせる場合、各振動部２１は電気的に並列に接続しても、あるいは、直列に接続してもよい。

（無線センサネットワーク装置）
図５に、本発明に係る無線センサネットワーク装置の第１実施例を示す。この無線センサネットワーク装置は、図７に示すように、圧電素子から出力された交流電流を直流に整流する整流回路６１、該整流回路６１で整流された電力を蓄える蓄電装置６２、センサ６３、該センサ６３から出力される信号をデジタル信号化するＡ／Ｄ変換回路６４、信号変換送信回路６５を備えたモジュール６０と、前記圧電積層体１０と、基板４０とから構成されている。基板４０上に、圧電積層体１０が搭載され、該圧電積層体１０上にモジュール６０が搭載されている。また、基板４０の表面には図示しないホスト装置に信号を送信するためのアンテナ６６（図５、図６参照）が設けられている。

この無線センサネットワーク装置は、例えば、自動車のタイヤの内圧を検知するためにタイヤホイールなどに取り付けられるもので、ホイールの振動が基板４０を介して圧電素子に伝達され、発生した電力は蓄電装置６２に蓄えられる。蓄電装置６２から必要な電力がセンサ６３、Ａ／Ｄ変換回路６４、信号変換送信回路６５に供給される。

本無線センサネットワーク装置においては、基板４０上に圧電積層体１０、モジュール６０、アンテナ６６が一体的に搭載され、部品の高密度実装化、小型化、低コスト化が実現される。また、基板４０の共振周波数と圧電素子の共振周波数とが一致していることにより、発電効率が向上するなどの効果は前述したとおりである。

図６に示す無線センサネットワーク装置の第２実施例は、基板４０に振動部５１を形成したもので、その作用効果は図１（Ｂ）で説明したとおりである。勿論、基板４０には複数の振動部が形成されていてもよい。

（他の実施形態）
なお、本発明に係る圧電発電装置及び無線センサネットワーク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することができる。

例えば、無線センサネットワーク装置に設けられるセンサの検知対象は種々のものがあり、温度や湿度、照度あるいは振動を検知するセンサであってもよい。

以上のように、本発明は、圧電発電装置及び無線センサネットワーク装置に有用であり、特に、発電効率を高めることができ、さらに装置が小型化でき、またさらに低コスト化できる点で優れている。

１０…圧電積層体
１１…圧電素子層
４０…基板
４１，４２，４３，４４…切欠
５１，５２，５３，５４…振動部
６０…モジュール
６３…センサ
６５…信号変換送信回路
６６…アンテナ

Claims (6)

1. 振動を電気に変換する圧電素子と、該圧電素子を搭載する基板とを備えた圧電発電装置において、
   前記圧電素子は積層体の内部に形成された空洞部に配置された振動部を有し、
   前記基板の振動部の質量が前記圧電素子の前記振動部の質量より大きく、
   前記圧電素子の共振周波数と前記基板の共振周波数とが一致していること、
   を特徴とする圧電発電装置。
2. 前記圧電素子は屈曲振動モードで振動し、前記基板の共振周波数は前記屈曲振動モードの共振周波数と一致していること、を特徴とする請求項１に記載の圧電発電装置。
3. 前記基板に切欠によって形成された振動部を有し、該振動部の共振周波数と前記圧電素子の共振周波数とが一致していること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電発電装置。
4. 基板と、
   前記基板に搭載され、振動を電気に変換する圧電素子を有する圧電発電装置と、
   前記基板に搭載された無線通信装置と、
   前記基板に搭載されたセンサ素子と、
   を備え、
   前記圧電素子は積層体の内部に形成された空洞部に配置された振動部を有し、
   前記基板の振動部の質量が前記圧電素子の前記振動部の質量より大きく、
   前記圧電素子の共振周波数と前記基板の共振周波数とが一致していること、
   を特徴とする無線センサネットワーク装置。
5. 前記基板には、前記無線通信装置を構成するアンテナが設けられていること、を特徴とする請求項４に記載の無線センサネットワーク装置。
6. 前記基板に切欠によって形成された振動部を有し、該振動部の共振周波数と前記圧電素子の共振周波数とが一致していること、を特徴とする請求項４又は請求項５に記載の無線センサネットワーク装置。

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