JP6579365B2 - エネルギーハーベスト装置 - Google Patents

Description

本発明は機械的な振動エネルギーを、電気エネルギーに変換するエネルギーハーベスト装置に関する。

環境内に存在しながら従来利用されずに捨てられてきたエネルギーを、電力に変換して活用するエネルギーハーベスティングと呼ばれる技術が注目されている。エネルギーハーベスティングの一つとして、機械的な振動エネルギーを圧電素子により電気エネルギーに変換し、電子機器の動作、電池の充電等に利用するエネルギーハーベスト装置が提案されている（特許文献１、２）。

振動エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電素子は、従来から圧力センサやアクチュエータ等に広く利用されている素子である。しかし、エネルギーハーベスト装置に利用する場合、圧電素子のインピーダンスが高く変換した電気エネルギーを取り出すことが難しい、また圧電素子による発電は瞬間的で電荷量が少ない等の課題がある。このため、エネルギーハーベスト装置には圧電素子と負荷の間にトランスやスイッチング素子等の整合回路や制御回路を設ける必要があり装置を複雑なものにしていた。

特表２００８−５３７８４７号公報 特表２０１３−５２３０８０号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡単な回路構成で振動エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギーハーベスト装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、機械的振動を電気エネルギーに変換するエネルギーハーベスト装置であって、圧電性高分子フィルムと電極からなる第１圧電素子と、前記第１圧電素子よりも容量が小さい第２圧電素子と、前記第１圧電素子に接続された第１整流器と、前記第１整流器に接続された第１コンデンサと、前記第２圧電素子に接続された第２整流器と、前記第２整流器に接続された第２コンデンサとを備え、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサは直列に接続されることを特徴とする。

前記第２コンデンサの容量は、前記第１コンデンサの容量よりも大きいことを特徴とする。

前記第２圧電素子の容量は、前記第１圧電素子の容量の１／１０以下であることを特徴とする。

複数の前記第１圧電素子が前記第１コンデンサに並列に接続されていることを特徴とする。

前記第１圧電素子の出力電圧と前記第２圧電素子の出力電圧は略同位相であることを特徴とする。

前記第１圧電素子は、圧電性高分子フィルムと電極とが複数積層された高分子フィルム積層体であることを特徴とする。

前記第２圧電素子は、高分子フィルムからなるユニモルフタイプまたはバイモルフタイプの圧電素子であることを特徴とする。

前記第１圧電素子のインピーダンスは１ＧΩ以上であることを特徴とする。

本発明によれば、簡単な回路構成で圧電素子により振動エネルギーを電力エネルギーに変換するエネルギーハーベスト装置を提供できる。

第１実施形態のエネルギーハーベスト装置構成を示す図。 図１のエネルギーハーベスト装置の回路図 第１圧電素子の構造を示す図。 エネルギーハーベスト装置の出力電圧を示す図。 第２実施形態の回路図。 比較例の回路図。 場所による荷重の位相差を示す図。

本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。以降の図においては、実施形態の説明の全体を通して同じ要素には同じ番号または符号を付している。

図１は本発明の第１実施形態のエネルギーハーベスト装置の構成図であり、図２は図１に示す第１実施形態の回路図である。第１実施形態のエネルギーハーベスト装置は、第１圧電素子１、第１圧電素子よりも容量が小さい第２圧電素子２、第１、第２整流器３、４、及び第１、第２コンデンサ５、６を備える。

第１、第２圧電素子はそれぞれ第１、第２整流器３、４を介して第１、第２コンデンサ５、６に接続される。第１コンデンサ５と第２コンデンサ６は直列に接続され、出力は負荷に接続される。図１、２に示す第１実施形態では、負荷として発光ダイオード７が接続されており、エネルギーハーベスト装置は振動エネルギーを電気エネルギーに変換し発光ダイオード７を光らせる。

第１、第２圧電素子１、２は、それぞれ一方の端部が固定された梁状に支持され、固定された一方の端部の反対側の他端部に、機械的エネルギー源から振動が荷重Ｆ（ｔ）として加わる。第１圧電素子１と第２圧電素子２は、荷重Ｆ（ｔ）がほぼ同位相で加わるように配置されている。第１、第２圧電素子１、２の支持方法は、振動による荷重Ｆにより変形を受ける構造であれば梁状に限定されるものではなく、例えば圧電素子の両端が固定され中央に荷重Ｆが加わる構造、両端に引っ張り方向または圧縮方向の荷重Ｆが加わる構造としてもよい。

第１圧電素子１は圧電性高分子フィルムと電極からなる。すなわち、圧電性高分子フィルムと電極を積層した構造であり、好ましくは前記構造を複数積層した高分子フィルム積層体からなる。圧電性高分子フィルムは加工が容易であり、硬くて脆い圧電性セラミックスに比べて柔軟性を有し、長期間繰り返し応力が加えられても破損し難いため、エネルギーハーベスト装置の圧電素子に適している。また、高分子フィルム積層体とすることにより、第１圧電素子の容量が大きくなり、発電量を大きくすることができる。

高分子フィルム積層体からなる第１圧電素子１の構造を図３に示す。高分子フィルム積層体は、図３（ａ）に示すように、Ｌ１〜Ｌ６層を構成する導電ペーストによって電極１２が印刷形成された圧電性高分子フィルム１１を積層して、圧電素子の容量を大きくしたものが好ましい。この積層の方向は同一方向の変形に対し、圧電素子の発生電荷が大きくなるように積層することが肝要である。圧電性高分子フィルム１１を形成する樹脂としては、ポリフッ化ビニリデンやポリ乳酸などが例示でき、以下でポリ乳酸フィルムの場合を例に説明する。

まず、ポリ乳酸にはＬ体とＤ体とが存在し、光学純度が高くなるほど圧電特性が発現しやすく、またポリ乳酸の圧電特性は延伸方向に対して４５°の方向にずり変形としてもっとも発現しやすい。そのため、光学純度の高いポリ乳酸フィルムを一軸方向に延伸し、変形に対して最も大きな圧電特性が発現する方向に配置するのが好ましい。

例えばポリＬ乳酸（ＰＬＬＡ）を主たる成分とする樹脂からなるフィルム層（Ｌ１、Ｌ３、Ｌ５）と、ポリＤ乳酸（ＰＤＬＡ）を主たる成分とする樹脂からなるフィルム層（Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６）を、各層の延伸方向を一致させつつ交互に合計層数が３以上となるように積層することが好ましい。また、ポリＬ乳酸（ＰＬＬＡ）を主たる成分とする樹脂からなるフィルム層（Ｌ１〜Ｌ６）のみを用いる場合、Ｌ１、Ｌ３、Ｌ５の各層の延伸方向は一致させ、Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６の各層の延伸方向はＬ１、Ｌ３、Ｌ５に対し９０°回転させた方向に一致させつつ、交互に、合計層数が３以上となるように積層することが好ましい。

このような積層形態をとる理由は、圧電性高分子フィルム１１表面に設けられた電極１２が、図３（ｂ）に示すように積層体の左右に交互に露出し、それぞれの側面に設けられた電極１２によって導通が取られる形態であるため、Ｌ１、Ｌ３、Ｌ５とＬ２、Ｌ４、Ｌ６は同一方向の変形に対し、厚み方向に正反対の電荷が発生する形態とするためである。この方向が不一致では、各圧電性高分子フィルム１１で発生した電荷が打ち消し合い、得られる発電量が低下してしまう。なお、ここで「主たる」とは、各層を構成する樹脂の質量に対して、ポリ乳酸（ポリＬ乳酸を主たる成分とする樹脂においてはポリＬ乳酸、ポリＤ乳酸を主たる成分とする樹脂においてポリＤ乳酸）が６０質量％以上、好ましくは７５質量％以上、さらに好ましくは９０質量％以上、特に好ましくは９５質量％以上であることを示す。

図３（ｂ）は、図３（ａ）の圧電性高分子フィルム１１（Ｌ１〜Ｌ６）を積層した第１圧電素子１の断面を示した図である。圧電性高分子フィルム１１表面に設けられた電極１２は、積層体の左右に交互に露出し、それぞれの側面に設けられた電極１２によって導通が取られる。それぞれの側面に設けられた電極１２は第１整流器３に接続される。

第１圧電素子１の圧電性高分子フィルム１１の積層数は特に制限されず、目的とする発電量に応じて適宜設定すればよいが、３層以上、５層以上、さらに６層以上が好ましい。積層数の上限は特に制限されないが、過度に厚くなると第１圧電素子１の剛性が過度に強くなり、変形しにくくなるので、厚みで３ｍｍ以下、さらに２ｍｍ以下であることが好ましい。

図３（ｃ）は高分子フィルム積層体の他の例の断面図である。高分子フィルム積層体は、両面に電極１２が形成された圧電性高分子フィルム１１を絶縁性接着剤層１３によって接合して形成されている。これは、前述の図３（ａ）で説明したＬ２、Ｌ４、Ｌ６層が絶縁性接着剤層１３に置換された形態であり、このような積層形態では各圧電性高分子フィルム層は前述のＬ１、Ｌ３、Ｌ５の関係になるように同一方向の変形に対し、厚み方向に正反対の電荷が発生する形態であれば良い。

圧電性高分子フィルム１１にはポリ乳酸フィルムの他に公知の圧電性高分子フィルムを利用することができる。例えば、ポリフッ化ビニリデンのようなフッ素系圧電性高分子フィルムであっても良い。また、電極１２は導電ペーストで形成する他に、金属の蒸着、めっき等によって形成してもよい。

第１圧電素子の形状は、その共振周波数がエネルギー源とする機械的振動の周波数と略等しくなるように設定することが好ましく、高分子フィルム積層体は、圧電性高分子フィルムを１０〜５０層積層したものが好ましい。また、第１圧電素子のインピーダンスは圧電性高分子フィルム１１の表面に多くの電荷を溜められるよう、１ＧΩ以上であることが好ましい。

第２圧電素子２は第１圧電素子１よりも容量が小さく、特に第１圧電素子１の容量の１／１０以下であることが好ましい。このような圧電素子として、例えば２枚の高分子フィルム層の両表面に電極が形成されているバイモルフタイプの圧電素子、又はユニモルフタイプの圧電素子を用いることができる。第２の圧電素子は容量が小さく発生する電荷は小さいが、柔軟で変形量が大きいので、第１圧電素子に比べて高い電圧を発生させることが容易である。第２圧電素子２は振動による荷重Ｆ（ｔ）が第１圧電素子１と同位相で加わるよう、第１圧電素子の近傍に配置される。

具体的なユニモルフタイプの圧電素子としては、前述の第１圧電素子で説明した高分子フィルム積層体の積層数を少なくしたもの、最も好ましくは単層のフィルムが挙げられる。また、具体的なバイモルフタイプの圧電素子としては、圧電素子の二つの対向する主面における電荷を付加した場合の伸縮挙動が一方は伸長、他方は収縮となる圧電素子である。具体的な圧電素子としては、ポリＬ乳酸（ＰＬＬＡ）を主たる成分とする樹脂からなるフィルム層（Ｌ１）と、ポリＤ乳酸（ＰＤＬＡ）を主たる成分とする樹脂からなるフィルム層（Ｌ２）を、共押出により積層状態で押出した積層未延伸シートを、一方向に延伸した一軸延伸ポリ乳酸フィルムの両主面にそれぞれ電極を設けたものが挙げられる。特に曲げ変形による圧電特性を大きく発現しやすいことから、エネルギーハーベストとして用いる場合、このバイモルフタイプが好ましい。

第１、第２整流器３、４は、例えばダイオードのブリッジ整流器を用いることができる。第２コンデンサ６の容量は第１コンデンサ５の容量よりも大きく、第１コンデンサ５の容量の５倍程度が好ましい。また、第１コンデンサ５の容量は、第１圧電素子１の容量の約１／１０とすることが好ましい。第１、第２コンデンサ５、６の少なくとも一方を容量可変コンデンサとすれば、エネルギーハーベスト装置を組立て後に、エネルギーハーベスト装置の出力が最適となるようにコンデンサの容量を調整することもできる。

次に、第１実施形態のエネルギーハーベスト装置による発電について説明する。図１に示すように、機械的な振動により第１圧電素子１に荷重Ｆ（ｔ）が加わり変形が起こると、圧電効果によって振動エネルギーが電気エネルギーに変換される。

第１実施形態では、第１圧電素子１で変換された電気エネルギーを負荷である発光ダイオード７に供給するために、図２に示すように容量が小さい第２圧電素子２と、直列に接続された第１、第２コンデンサ５、６を設けている。

荷重Ｆ（ｔ）が第１圧電素子１に加わり変形すると、圧電効果により振動エネルギーが電気エネルギーに変換され、交流電流Ｉ１（ｔ）が生じる。第１圧電素子１で発生した交流電流Ｉ１（ｔ）は、第１整流器３によって直流にされ第１コンデンサ５に充電される。

また、第２圧電素子２にも、機械的振動により同じ位相の荷重Ｆ（ｔ）が加わり、交流電流Ｉ２（ｔ）に変換される。交流電流Ｉ２（ｔ）は第２整流器４によって直流にされ第２コンデンサ６に充電される。

このとき、第１コンデンサ５の両端には電圧ＶP1-P2が、また第２コンデンサ６の両端に加は電圧ＶP2-P3が加わる。

第１圧電素子１は第２圧電素子２よりも容量が大きいので、電圧ＶP1-P2とＶP2-P3が同程度でも、第１圧電素子１が発生する電荷は大きい。このため、電圧ＶP1-P2とＶP2-P3がピークとなった時点において、第１コンデンサ５に蓄えられた電荷Ｑｐ１と第２コンデンサ６に蓄えられた電荷Ｑｐ２は、
Ｑｐ１＞Ｑｐ２
となる。

荷重Ｆ（ｔ）のピークが過ぎ、第１、第２圧電素子１、２の変形が復元方向に向かうと、第１、第２コンデンサ５、６に印加されていた電圧ＶP1-P2とＶP2-P3は急速に０Ｖに向かう。ピーク時のＱｐ１はＱｐ２より大きく、第２コンデンサ６の容量は第１コンデンサ５の容量よりも大きい。このため、電圧ＶP2-P3が０Ｖとなると第１コンデンサ５の負極側にあった電荷は、第１コンデンサ５の負極側に接続された第２コンデンサ６の正極側へと移動する。一方第１コンデンサ５の正極側では負極側の電荷が移動するのに伴い、第１コンデンサ５の正極側から出力として発光ダイオード７へと流れる。このとき、第２圧電素子２による電圧がバイアスとして加わり、負荷である発光ダイオード７の両端に加わるエネルギーハーベスト装置の出力電圧ＶP4-P5のピーク電圧は、第１圧電素子１の出力電圧ＶP1-P2のピーク電圧よりも大きくなる。

このようにして、第１圧電素子１によって発電された電力は、発光ダイオード７に供給される。第１圧電素子１を高分子フィルム積層体とすると容量を大きくできるが剛性が高まる。このため荷重が加わったときの変形量が小さくなるため高い出力電圧を得ることが難しくなる。しかし、第１実施形態では第２圧電素子２と第２コンデンサ６を設けることにより、昇圧して第１圧電素子１によって発電された電力を発光ダイオード７に供給することができる。

実施例として、図２の回路において圧電性高分子フィルム１１を２０層積層した高分子フィルム積層体で容量９８ｎＦの第１圧電素子１と、２枚の高分子フィルムを積層したバイモルフ構造で容量１ｎＦの第２圧電素子２を用い、第１、第２コンデンサ５、６の容量をそれぞれ１０ｎＦ、４７ｎＦとしたエネルギーハーベスト装置で出力を測定した。第１、第２整流器３、４にはダイオードのブリッジ整流器を用い、抵抗８、９はそれぞれ１０ＭΩである。

図４に図２のＰ１−Ｐ２、Ｐ２−Ｐ３、Ｐ４−Ｐ５で測定した電圧を示す。実施例ではエネルギーハーベスト装置の出力であるＰ４−Ｐ５のピーク電圧を、Ｐ１−Ｐ２のピーク電圧より大きくできた。実施例のエネルギーハーベスト装置の出力は、電圧、電流のピーク値として２．２Ｖ、２０ｍＡが得られ、発光ダイオード７を光らせることができた。

比較例として、実施例と同じ第１圧電素子１を用い、図６に示す回路のエネルギーハーベスト装置に、同じ強度、周期の機械的振動を加えたが、十分な電圧、電流を出力することができず、発光ダイオード７を光らせることはできなかった。

本発明の第２実施形態を図５に示す。第２実施形態は第１実施形態の第１圧電素子１を複数個並列に配置し、より多くの電気エネルギーを得るものである。第１圧電素子１からの出力は第１整流器３で整流された後、位相マッチング回路１０により略同位相とされて第１コンデンサ５に充電される。

第１圧電素子１を複数設ける場合、配置場所によって機械的振動に位相差が生じる場合がある。例えば、図７に示すように距離の離れたＡ点とＢ点で機械的振動による荷重に位相差が生じていると、Ａ点に設けられた第１圧電素子と、Ｂ点に設けられた第１圧電素子とでは、圧電素子からの出力にも位相差が生じる。

第２実施形態では個々の第１圧電素子１に位相マッチング回路１０を設けて出力の位相を調整し、第２圧電素子２からの出力と同期するようにしている。個々の第１圧電素子１ごとに位相を調整し、第１コンデンサ５に加わる電圧のピークと、第２コンデンサ６に加わる電圧のピークのタイミングを略一致させる。位相マッチング回路は、遅延経路などによって構成できる。

第２実施形態においても位相マッチング回路１０により、複数の第１圧電素子１からの出力を、第２圧電素子２の出力と同期させることにより、出力電圧を高くして負荷に電力を供給することができる。なお、図５では位相マッチング回路１０を各第１整流器３の出力側に接続し、整流後に位相のマッチングを行っているが、第１圧電素子１の後に位相マッチング回路１０を設けて同位相の出力としてから整流器３に入力する回路構成とすれば、複数設けている第１整流器３を共通にして、整流器３を１つに削減することも可能である。

本発明では、トランスやスイッチング素子などのインピーダンスマッチング回路や昇圧回路を設けることなく、回路構成を簡略化できるため、低コストで小型、軽量のエネルギーハーベスト装置を提供することができる。

以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明は実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。

１ 第１圧電素子
２ 第２圧電素子
３ 第１整流器
４ 第２整流器
５ 第１コンデンサ
６ 第２コンデンサ

Claims (8)

1. 機械的振動を電気エネルギーに変換するエネルギーハーベスト装置であって、
   圧電性高分子フィルムと電極からなる第１圧電素子と、
   圧電性高分子フィルムと電極からなり、前記第１圧電素子よりも容量が小さく柔軟で変形量の大きい第２圧電素子と、
   前記第１圧電素子に接続された第１整流器と、前記第１整流器に接続された第１コンデンサと、
   前記第２圧電素子に接続された第２整流器と、前記第２整流器に接続された第２コンデンサとを備え、
   前記第１圧電素子と前記第２圧電素子とは積層されておらず別々に配置され、
   前記第２圧電素子は前記第１圧電素子の近傍に配置され、
   前記第１コンデンサと前記第２コンデンサは直列に接続されることを特徴とするエネルギーハーベスト装置。
2. 前記第２コンデンサの容量は、前記第１コンデンサの容量よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のエネルギーハーベスト装置。
3. 前記第２圧電素子の容量は、前記第１圧電素子の容量の１／１０以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のエネルギーハーベスト装置。
4. 複数の前記第１圧電素子が前記第１コンデンサに並列に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のエネルギーハーベスト装置。
5. 前記第１圧電素子の出力電圧と前記第２圧電素子の出力電圧は略同位相であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のエネルギーハーベスト装置。
6. 前記第１圧電素子は、圧電性高分子フィルムと電極とが複数積層された高分子フィルム積層体であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のエネルギーハーベスト装置。
7. 前記第２圧電素子は、高分子フィルムからなるユニモルフタイプまたはバイモルフタイプの圧電素子であることを特徴とする請求項１から6のいずれか１項に記載のエネルギーハーベスト装置。
8. 前記第１圧電素子のインピーダンスは１ＧΩ以上であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のエネルギーハーベスト装置。

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