JP6882096B2 - 圧電型発電装置 - Google Patents

Description

本開示は、圧電型発電装置に関するものである。

圧電体は、応力を加えると歪が生じ、圧電効果によって電荷が発生する。圧電体の歪により発生した電荷は、電気製品や電子製品（電気製品等）の駆動に直接使用することができる。また、発生した電荷を蓄電池やコンデンサ（蓄電器）に蓄え、これらの蓄電器を、電気製品等の駆動電源として、また、停電時や非常時のバックアップ電源として用いることができる。

例えば、特許文献１では、支持部材に支持された圧電素子を、押圧部材により押圧することで発電する発電部材が開示されている。

特開２０１０−１５３７７７号公報

本開示の圧電型発電装置は、圧電素子と、支持板と、押圧部材と、を備え、前記支持板は、対向する第１面と第２面とを有するとともに、前記第１面の第１方向に離れた一対の固定部を有し、該一対の固定部は、前記第１方向における前記支持板の中央部を挟んで対向するように配置され、前記圧電素子は、前記支持板の前記第１面に接合され、前記押圧部材は、前記支持板の前記第２面に沿って配置されるとともに、外部から力が加わった時に前記第２面を押圧する押圧面を有する弾性体である。

圧電型発電装置の第１実施形態を模式的に示す断面図である。 第１実施形態において、支持板の固定方法の別の形態を示す断面図である。 第１実施形態を模式的に示す平面図である。 モノモルフ型圧電素子の一例を示す断面図である。 バイモルフ型圧電素子の一例を示す断面図である。 第１実施形態において、押圧部材により支持板が押圧されている状態の断面図である。 電気エネルギーの貯蔵手段を備えた圧電型発電装置の一例を示す概略構成図である。 圧電型発電装置の第２実施形態を模式的に示す断面図である。 圧電型発電装置の第３実施形態を模式的に示す断面図である。

図１は、圧電型発電装置１（単に発電装置１という場合もある）の第１実施形態を模式的に示す断面図である。本実施形態の圧電型発電装置１は、圧電素子２、支持板３、および押圧部材４を備えている。支持板３は、対向する第１面３ａと第２面３ｂとを有している。ここで、図１に示すように、支持板３の対向する第１面３ａおよび第２面３ｂの長手方向をｘ方向、長手方向に垂直な方向をｙ方向、支持板３の厚さ方向をｚ方向と称する。なお、図１におけるｚ方向の正の向きを単に上と称し、ｚ方向の負の向きを単に下と称する場合がある。

支持板３は、ｘ方向の両端に位置する一対の固定部Ｆ１、Ｆ２で固定部材６により固定されている。支持板３と固定部材６とは、接合材５により接合されていてもよい。支持板３と固定部材６との接合部は、点状、ｙ方向に伸びる線状、面状のいずれでもよい。

支持板３と固定部材６とは、接合されていなくてもよい。たとえば、図２に示すように、第１面３ａの固定部Ｆ１、Ｆ２と第２面３ｂの固定部Ｆ１、Ｆ２に相当する部位とを、上下から挟む構造であってもよい。

固定部材６の材質は、たとえばシリコンゴムなどの弾性体を用いるのがよい。弾性体で支持板３を固定することにより、支持板３を変形しやすい状態で保持することができる。特に、押圧部材４を支持板３に押圧した際に、固定部材６を弾性体とすることで、固定部材６による反発力が低減される。その結果、固定部材６の反発力により支持板３の変形量が小さくなることを抑制することができ、大きな電気エネルギーを得ることができる。

圧電素子２は、支持板３の第１面３ａに配置され、支持板３の第１面３ａに接合材５を介して接合されている。押圧部材４は、支持板３の第２面３ｂに沿ってその上方に配置され、外部から力が加わった時に第２面３ｂを押圧する押圧面４ａを有している。

図３は、圧電型発電装置１の平面図である。図３に示すように、圧電素子２および押圧部材４は、第１方向（ｘ方向）において固定部Ｆ１とＦ２との間に配置されている。ｘ方向における各部材の中央（ｘ方向の長さを２等分する位置）を通りｘ方向に垂直な線を、ｘ方向の中央線Ｃ（単に中央線Ｃという場合もある）としたとき、圧電素子２の中央線Ｃ、押圧部材の中央線Ｃ、および支持板３のＦ１とＦ２間の中央線Ｃは、一致しているのがよい。以下、中央線Ｃをその近傍を含め中央部Ｃという場合もある。

圧電素子２は、厚み方向に分極された矩形状の圧電板７および電極８により構成される。圧電素子２は、たとえば、図４に示すように、圧電板７の両面に電極８ａ、８ｂが形成されたもの（いわゆる、モノモルフ素子）であってもよい。モノモルフ素子は、支持板３と貼り合わせることで、ユニモルフ素子となる。

また、圧電素子２は、図５に示すように、厚み方向（ｚ方向）に分極された圧電体層７ａ、７ｂ、７ｃおよび７ｄと、電極層８ｃ、８ｄ、８ｅとが交互に積み重ねられた積層体であってもよい。積層体の表面にさらに表面電極８ａ、８ｂと、側面電極８ｆ、８ｇを有していてもよい。側面電極８ｆは、表面電極８ａと電極層８ｄとを電気的に接続し、側面電極８ｇは、表面電極８ｂと電極層８ｃ、８ｅとを電気的に接続している。表面電極層８ａ、８ｂは、たとえばリード端子（図示せず）に接続されている。

図５に示す圧電素子２は、バイモルフ素子であり、図５の白抜き矢印で示すように、圧電体層７ａおよび７ｄがｚ方向の同じ向きに分極され、圧電体層７ｂおよび７ｃがz方向
の同じ向きに分極されている。圧電体層７ａ、７ｄと、圧電体層７ｂ、７ｃとは、反対の向きに分極されている。図５では、圧電体層７を４層備える圧電素子２を示したが、圧電体層７の層数は３層以下、または５層以上であってもよい。

このような圧電型発電装置１では、外部から力が加わった時に、図６に示すように、押圧部材４の押圧面４ａにより支持板３の第２面３ｂが押圧されることで、支持板３が屈曲変形する。支持板３が屈曲変形することで、支持板３の第１面３ａに配置され、第１面３ａに接合された圧電素子２が屈曲変形する。なお、図６では接合材５および電極８の記載は省略した。

圧電素子２が図４に示すようなモノモルフ素子の場合、圧電素子２が図６のように屈曲
変形して圧電板７に引張応力、または圧縮応力が加えられ、圧電板７の表面に分極電荷が発生する。その結果、電極８ａと８ｂとの間に電位差が生じて、電気エネルギーが発生する。

圧電素子２が図５に示すようなバイモルフ素子の場合、たとえば圧電素子２が図６のように屈曲変形することで、図５の圧電体層７ａ、７ｂには圧縮応力が加えられ、圧電体層７ｃ、７ｄには引張応力が加えられる。このとき、圧電体層７ａ、７ｂには圧縮応力が加えられることで、圧電体層７ａ、７ｂを構成する圧電材料の結晶構造が厚さ方向（ｚ方向）に伸び、ｘ方向に縮む。その結果、表面電極８ａおよび電極層８ｄに負の電荷が発生し、電極層８ｃには正の電荷が発生する。一方、圧電体層７ｃ、７ｄには引張応力が加えられることで、圧電体層７ｃ、７ｄを構成する圧電材料の結晶構造が厚さ方向（ｚ方向）に縮み、ｘ方向に伸びる。その結果、電極層８ｄおよび表面電極８ａには負の電荷が発生し、電極層８ｅに正の電荷が発生する。したがって、表面電極８ａには負の電荷、表面電極８ｂには正の電荷が発生する。その結果、表面電極８ａと表面電極８ｂとの間に電位差が生じて、電気エネルギーが発生する。

また、屈曲変形した圧電素子２が元の形状に戻るときには、屈曲変形したときとは逆の符号の電荷が電極８ａ、８ｂに発生する。このようにして圧電素子２が屈曲変形を繰り返す際に発生する電気エネルギーは、交流である。したがって、発生した電気エネルギーを取り出して貯蔵するために、圧電型発電装置１は、図７に示すように整流回路１２と蓄電器１３とを備えていてもよい。整流回路１２は、ダイオードによるブリッジ回路を備えており、圧電素子２から出力される交流電気信号（電気エネルギー）を全波整流する。全波整流された電気エネルギーは蓄電器１３に充電される。

蓄電器１３としては、たとえば二次電池またはコンデンサ（キャパシタ）を用いることができる。整流回路１２を通して得られた電気を、各種の電子装置等の駆動に直接用いてもよい。

本実施形態では、押圧部材４により外力を印加されるのは支持板３である。支持板３が屈曲変形することにより、支持板３に接合された圧電素子２が屈曲変形して、電気エネルギーが生じる。このように、圧電素子２には外力を直接印加しないことで、外力の印加による圧電素子２の破損を抑制することができる。

押圧部材４には、弾性体（エラストマー）を用いる。特に０．１ＭＰａ以上１．０ＧＰａ以下の弾性率を有する材料、たとえば硬質ゴムなどを用いるのがよい。硬質ゴムとは、天然ゴムや合成ゴムなどに硫黄を加硫して架橋させたもので、炭素粉末を含んでいる場合もある。

弾性体である押圧部材４により、支持板３の第２面３ｂを押圧すると、支持板３が屈曲変形するだけでなく、押圧部材４も変形する。押圧部材４が変形することで、支持板３と押圧部材４との接触面積が広くなる。その結果、押圧部材４として変形しにくい硬質な材料を用いた場合に対して、支持板３および圧電素子２が変形する領域が広くなるため、大きな電気エネルギーを得ることができる。

支持板３の材料は、バネ性を有する金属材料であるのがよい。バネ性を有する金属材料としては、たとえばりん青銅（たとえば、Ｃ５２１０、Ｃ５２４０など）、ステンレス（ＳＵＳ３０４ＣＳＰ、ＳＵＳ３０１ＣＳＰなど）、洋白（Ｃ７５２１、Ｃ７７０１など）などが挙げられる。

支持板３を、このようなバネ性を有する金属材料により構成された板バネとすることに
より、高い復元力を有する支持板３とすることができる。このような支持板３は、押圧部材４に押圧されて屈曲変形しても、押圧部材４による押圧を除去することにより、容易に変形前の状態に戻すことができる。また、このような支持板３は、繰り返し屈曲変形させても、復元力が低下しにくいため、屈曲変形に対する耐久性が高い。したがって、屈曲変形による発電を繰り返しても発電量の低下が少ない圧電型発電装置１を構成することができる。特に、りん青銅は、バネ性、強度、耐摩耗性などの機械的な特性に優れた材料であるとともに、化学的な腐食に強く、熱伝導が良いという特徴を有する。支持板３の材料として、りん青銅を用いることで、使用環境下における構造の経年変化が少なく、長時間にわたり安定した発電が可能な発電装置１とすることができる。

支持板３は、バネ性を有する金属板（板バネ）の表面をメッキ層により被覆したものであってもよい。メッキ材としては、ＮｉまたはＣｒが好適に用いられる。バネ材からなる板バネの表面を、硬度の高いＮｉまたはＣｒでメッキすることで、圧電素子２に過度な応力が加わることを抑制でき、発電装置１の耐久性を高めることができる。

また、支持板３は、２枚の板バネを、弾性率の小さい材料で張り合わせた構造としてもよい。バネ性を有する２枚の板バネの間に、弾性率の小さい材料により構成される介在層を配置することにより、支持板３が変形する際の応力を介在層により緩和することができる。これにより、圧電素子２に過剰な応力が加わることを抑制でき、発電装置１の耐久性を高めることができる。介在層としては、たとえばエポキシ樹脂系、シリコン樹脂系などの接着剤、または両面テープなどの粘弾性体で構成された材料を用いればよい。

圧電素子２と支持板３とを接合する接合材５は、たとえば接着剤または両面テープなどの、粘弾性体を用いるのがよい。接合材５として粘弾性体を用いることで、圧電素子２および支持板３を変形させ易くできる。また、過度な外力が加えられて支持板３が変形しても、支持板３の変形により圧電素子に加わる応力が、接合材５で緩和される。その結果、圧電素子２に過度な応力が加わりにくくなり、圧電素子２の破損を抑制することができる。

押圧部材４の押圧面４ａは、平面であってもよいし、図８に示す第２実施形態のように、支持板３の第２面３ｂに対して窪んだ凹部４ｂを有する形状であってもよい。押圧面４ａが凹部４ｂを有する場合、凹部４ｂはｘ方向の中央線Ｃを含む領域に配置されているのがよい。この場合、押圧部材４は凹部４ｂの周囲の押圧面４ａで支持板３の第２面３ｂを押圧することになる。

ここで、図１〜３に示すように、一対の固定部Ｆ１とＦ２との間の第１方向（ｘ方向）における距離をＬ１とし、押圧部材４のｘ方向の長さをＬ２とする。上述のように、押圧面４ａが平面である、または凹部を有する場合、Ｌ１に対するＬ２の比率Ｌ２／Ｌ１は、０．５以上０．９以下とするのがよい。

Ｌ１は、図１〜３に示すように、固定部Ｆ１とＦ２との間のｘ方向における最短距離である。固定部Ｆ１およびＦ２とは、換言すれば、支持板３が屈曲変形するときの支点である。外部から押圧部材４に力が加わったときに、押圧部材４が支持板３の第２面３ｂを押圧し、図６に示すように、Ｆ１、Ｆ２を支点として支持板３がｚ方向の負の方（図５の下側）に凸となるように屈曲変形する。Ｌ２／Ｌ１を０．５以上とすることで、支持板３の中央部Ｃに対する応力の集中が緩和され、Ｆ１、Ｆ２間において支持板３全体を比較的均等に屈曲変形させることができる。またＬ２／Ｌ１を０．９以下とすることで、圧電素子２に十分な電気エネルギーを発生させるだけの屈曲変形を与えることができる。

押圧部材４は、外部から力が加わらない状態では、たとえば押圧面４ａと支持板３の第
２面３ｂとがＤ１の間隔で離間するように配置されていてもよいし、押圧面４ａと支持板３の第２面３ｂとが接合されていてもよい。大きな発電エネルギーを得るとともに、発電装置１を小型化するという点から、押圧部材４は、押圧面４ａと支持板３の第２面３ｂとが接するように配置されているのがよい。

押圧部材４の押圧面４ａは、図９の第３実施形態に示すように、支持板３の第２面３ｂに向けて突出した曲面形状を有していてもよい。特に、押圧部材４のｚｘ面の断面において、押圧面４ａが図９に示すような円弧状であることにより、支持板３および圧電素子２をｘ方向において均等に屈曲変形させることができる。押圧面４ａが支持板３の第２面３ｂに向けて突出した曲面形状を有している場合、Ｌ１に対するＬ２の比率Ｌ２／Ｌ１は、１．０以上としてもよい。

ここで、ｚｘ面の断面において押圧面４ａが形成する円弧の曲率半径をＲとする。また、圧電素子２のｘ方向の長さをＬ３とする。このとき、Ｌ３に対するＲの比（Ｒ／Ｌ３）は、０．５以上１０．０以下とするのがよい。Ｒ／Ｌ３を０．５以上、特に０．７以上、さらには０．９以上とすることで、支持板３および圧電素子２を押圧面４ａの形状に沿って屈曲変形させることができ、支持板３および圧電素子２をより均等に屈曲変形させることができる。また、Ｒ／Ｌ３を１０以下、特に５以下、さらには２以下とすることで、支持板３および圧電素子２の屈曲変形をより大きくすることができる。

また、第１方向（ｘ方向）において、固定部Ｆ１、Ｆ２間の距離Ｌ１に対する、圧電素子２の長さＬ３の比（Ｌ３／Ｌ１）は、たとえば０．３以上１．０以下とすればよい。

このとき、固定部Ｆ１およびＦ２の固定方法により、Ｆ１およびＦ２近傍で支持板３の変形状態が、たとえば支持板３全体の変形状態に対して反対側に屈曲変形する場合がある。たとえば、支持板３全体としてはｚ方向の負の方（下側）に凸の状態に変形するが、Ｆ１およびＦ２が固定されていることにより、Ｆ１およびＦ２の近傍でｚ方向の正の方（上側）に凸となるように変形する（波状に変形する）場合がある。圧電素子２は、支持板３の変形に応じて変形するため、圧電素子２の変形状態（屈曲変形の向き）が、Ｆ１、Ｆ２間の中央付近と、Ｆ１、Ｆ２の近傍とで逆になると、たとえば表面電極８ａの場合は、Ｆ１、Ｆ２間の中央付近で負の電荷が生じるのに対し、Ｆ１、Ｆ２の近傍では正の電荷が生じる。表面電極８ｂの場合は、Ｆ１、Ｆ２間の中央付近で正の電荷が生じるのに対し、Ｆ１、Ｆ２の近傍では負の電荷が生じる。その結果、発生する電気エネルギーが一部相殺されることになる。

このとき、Ｌ３／Ｌ１を１．０以下とすることで、相殺される電気エネルギーを少なくすることができる。Ｌ３／Ｌ１は、特に０．９以下、さらには０．８以下とするのがよい。また、Ｌ３／Ｌ１を０．３以上とすることで、支持板３が波状に変形しても、圧電素子２の屈曲変形は下側にのみ凸となるように維持され、発生する電気エネルギーが相殺されることなく効率的に発電することができる。より大きい電気エネルギーを得るために、Ｌ３／Ｌ１は特に０．４以上、さらには０．５以上とするのがよい。

以上、本開示の実施形態について説明してきたが、本開示はこのような形態に限られるものではない。例えば、本開示の発電装置１は、発電用途にのみ適用されるものではない。発電装置１に外力が作用して圧電素子２が屈曲すると、その変位量に応じた電圧が圧電素子２に発生するため、この圧電素子２に発生した電圧を検知することによって、発電装置１に加えられた力の大きさを測定するセンサや、発電装置１の変位量を検出するセンサを構成することができる。

また、発電装置１を自由振動させるような外力が発電素子１に作用する場合、例えば、
プッシュオン／プッシュオフ型のスイッチを動作させる力や各種の扉を開閉させる力が発電装置１に作用するようにすれば、圧電素子２に発生した交流電圧を検知することによって、これらオンオフ動作や開閉動作を検知することができる。

チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電材料を用いて、バイモルフ構造の積層型圧電素子を準備した。圧電素子は、２５ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ２４μｍの圧電体層と、厚さ１μｍの内部電極層とを交互に積層し、１２層の圧電体層を有する積層体とした。内部電極は、Ａｇ／Ｐｄ材料を用いた。積層体の表面および側面にＡｇペーストを焼き付け、一対の表面電極および一対の側面電極をそれぞれ形成した。圧電素子全体の厚さは、３００μｍであった。圧電素子の表面電極には、リード線を取り付けた。

支持板の材料として、りん青銅の板バネを準備した。４０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ１００μｍのりん青銅（材質はＣ５２１０）２枚を両面テープ（日東電工製、Ｎｏ．５６０１、厚さ１０μｍ）で張り合わせ、支持板とした。支持板の第１面の中央部に両面テープを用いて圧電素子を貼り付けた。

厚さ２ｍｍのシリコンゴムを固定部材とし、圧電素子を貼り付けた支持板の両端を、図２に示すようにシリコンゴムで上下から挟み、固定治具に固定した。固定部間の距離は３８ｍｍとした。

圧電素子に取り付けたリード線を、整流回路に接続し、さらに蓄電器として容量１０μＦのキャパシタを接続して、発電装置とした。

押圧部材として、１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの硬質ゴムを用いた。固定した支持板の圧電素子を貼り付けていない面（第２面）の中央部を、押圧部材の押圧面（１０ｍｍ×１０ｍｍ）で叩くようにして、支持板および圧電素子を屈曲変形させた。

圧電素子の発電量Ｗは、オシロスコープを用いて確認した。キャパシタの容量をＣ、キャパシタに充電された電圧をＶとし、発電量Ｗを、計算式：Ｗ＝Ｃ・Ｖ^２／２を用いて算出した。上記の発電装置では、支持板の第２面を押圧部材で叩くようにして１回屈曲変形させることで、２２０μＪの発電量が得られた。

１ ：圧電型発電装置
２ ：圧電素子
３ ：支持板
３ａ：支持板の第１面
３ｂ：支持板の第２面
４ ：押圧部材
５ ：接合材
６ ：固定部材
７ ：圧電板、圧電体層
８ ：電極
１２ ：整流回路
１３ ：蓄電器
Ｆ１，Ｆ２：固定部

Claims (6)

1. 圧電素子と、支持板と、押圧部材と、を備え、
   前記支持板は、対向する第１面と第２面とを有するとともに、前記第１面の第１方向に離れた一対の固定部を有し、該一対の固定部は、前記第１方向における前記支持板の中央部を挟んで対向するように配置され、
   前記圧電素子は、前記支持板の前記第１面に接合され、
   前記押圧部材は、前記支持板の前記第２面に沿って配置されるとともに、外部から力が加わった時に前記第２面を押圧する押圧面を有する弾性体であり、
   前記一対の固定部は、前記第１面側と前記第２面側とを上下から挟み込むように配置された固定部材でそれぞれ固定され、
   前記固定部材は、前記支持板の前記第１面と向かい合う面および前記第２面と向かい合う面の前記第1方向における中央部が突出した曲面形状を有する弾性体である、圧電型発
   電装置。
2. 前記支持板の材料が、バネ性を有する金属材料である、請求項１に記載の圧電型発電装置。
3. 前記押圧面が平面状であり、
   前記第１方向において、前記一対の固定部間の距離をＬ１とし、前記押圧部材の長さをＬ２としたとき、前記Ｌ１に対する前記Ｌ２の比（Ｌ２／Ｌ１）が、０．５以上０．９以下である、請求項１または２に記載の圧電型発電装置。
4. 前記押圧面が、前記第２面に向けて突出した曲面形状を有する、請求項１または２に記載の圧電型発電装置。
5. 前記第１方向において、前記一対の固定部間の距離をＬ１とし、前記押圧部材の長さをＬ２としたとき、前記Ｌ１に対する前記Ｌ２の比（Ｌ２／Ｌ１）が、１．０以上である、請求項４に記載の圧電型発電装置。
6. 前記第１方向に平行な断面において、前記押圧面が曲率半径Ｒを有し、
   前記圧電素子の前記第１方向の長さをＬ３としたとき、該Ｌ３に対する前記Ｒの比（Ｒ／Ｌ３）が、０．５以上１０．０以下である、請求項４または５に記載の圧電型発電装置。

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