JP6418898B2

JP6418898B2 - 圧電発電装置

Info

Publication number: JP6418898B2
Application number: JP2014221558A
Authority: JP
Inventors: 中尾　浩; 浩中尾
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2034-10-30
Also published as: JP2016092888A

Description

本発明は、圧電発電装置に関するものである。

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）。

特開２００６−０３２９３５号公報特開２０１３−１３５５９６号公報

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。

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。

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の支持体までの間の延出領域が、前記圧電素子を搭載する搭載面に垂直な方向の一方側に向けて突出するように屈曲した屈曲部および前記搭載面に垂直な方向の他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。

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。

（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、（ｂ）は（ａ）に示す圧電発電装置の概略断面図である。本実施形態の圧電発電装置の他の例を示す概略断面図である。本実施形態の圧電発電装置の他の例を示す概略断面図である。本実施形態の圧電発電装置の他の例を示す概略断面図である。（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、（ｂ）は（ａ）に示す圧電発電装置の概略断面図である。本実施形態の圧電発電装置の他の例を示す概略断面図である。本実施形態の圧電発電装置の他の例を示す概略断面図である。本実施形態の圧電発電装置の他の例を示す概略断面図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims

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の支持体までの間の延出領域が、前記圧電素子を搭載する搭載面に垂直な方向の一方側に向けて突出するように屈曲した屈曲部および前記搭載面に垂直な方向の他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圧電発電装置。
それぞれの前記屈曲部は曲面になっ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。
前記振動板が金属材料からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電発電装置。
前記屈曲部に近接して設けられ、該屈曲部の変位量を規制する第１のストッパーを備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の圧電発電装置。
前記第１のストッパーは前記屈曲部が入り込む凹部を有していることを特徴とする請求項４に記載の圧電発電装置。
前記発電ユニットが前記搭載面に垂直な方向に複数個配置されており、前記第１の支持体は複数個の前記発電ユニットを一体に支持していることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の圧電発電装置。
複数個の前記発電ユニットをそれぞれ外縁側から一体に支持する前記第１の支持体と、複数個の前記発電ユニットをそれぞれ前記圧電素子の内側の領域で一体に支持する可動式の第２の支持体とを備えていることを特徴とする請求項６に記載の圧電発電装置。
前記第２の支持体に近接して設けられ、該第２の支持体の変位量を規制する第２のストッパーを備えていることを特徴とする請求項７に記載の圧電発電装置。
前記第２のストッパーは前記第２の支持体が入り込む凹部を有していることを特徴とする請求項８に記載の圧電発電装置。