JPWO2010067620A1 - 圧電発電装置 - Google Patents

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Abstract

機械的な信頼性が高い圧電発電装置を提供する。圧電発電装置10aは、運動エネルギーと電気エネルギーとを変換する圧電発電装置である。圧電発電装置10aは、梁21と、圧電素子22と、可撓体50とを備えている。圧電素子22は、梁21の一方側の表面上に接合されている。可撓体50は、梁21の圧電素子22が設けられている側とは反対側に配置されている。可撓体50には、梁21の一部が接続されている。梁21は、可撓体50が梁21側に向かって凹状に変形したときに梁21に応力が加わる一方、可撓体50が梁21側に向かって凸状に変形したときには梁21に応力が加わらないように設けられている。

Description

本発明は、圧電発電装置に関し、詳細には、運動エネルギーを電気エネルギーへ変換することによって電力を発生する圧電発電装置に関する。
従来、圧電素子を用いた様々な圧電発電装置が提案されている。例えば下記の特許文献1には、図21に示す圧電発電装置101が開示されている。圧電発電装置101は、圧電発電素子102を備えている。圧電発電素子102は、一方側端が支持部材104に固定されている固定端であり、他方側端が自由端である片持ち梁である。圧電発電素子102は、一体に接合されており、自由振動する2つの圧電素子103a、103bと、圧電素子103a、103bの自由端側の部分に接合された錘100とを備えている。
圧電発電装置101では、圧電発電素子102が振動することにより、圧電素子103a、103bに応力が加わる。その結果、電力が発生する。
特許第3170965号
しかしながら、圧電発電装置101では、錘100に加わった加速度によって、引張応力と圧縮応力とを含む両振り応力が圧電素子103a、103bに交互に作用する。このため、引張応力に対して脆弱な圧電素子103a、103bにクラックが発生しやすい。従って、圧電発電装置101の機械的な信頼性が低かった。
本発明は、このような先行技術の問題点に対して、機械的な信頼性が高い圧電発電装置を提供することを目的とする。
本発明に係る圧電発電装置は、運動エネルギーと電気エネルギーとを変換する圧電発電装置である。本発明に係る圧電発電装置は、梁と、圧電素子と、可撓体とを備えている。圧電素子は、梁の一方側の表面上に接合されている。可撓体は、梁の圧電素子が設けられている側とは反対側に配置されている。可撓体には、梁の一部が接続されている。梁は、可撓体が梁側に向かって凹状に変形したときに梁に応力が加わる一方、可撓体が梁側に向かって凸状に変形したときには梁に応力が加わらないように設けられている。
本発明に係る圧電発電装置のある特定の局面では、圧電素子は、梁の中立面を基準として、可撓体の反対側に設けられている。
本発明に係る圧電発電装置の他の特定の局面では、圧電素子は、圧電体からなる圧電基板を有する。
本発明に係る圧電発電装置の別の特定の局面では、圧電基板は、圧電セラミックからなる。
本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、圧電発電装置は、可撓体と梁とを接続する接続部をさらに備えている。
本発明に係る圧電発電装置のさらに別の特定の局面では、接続部は、弾性を有する。
本発明に係る圧電発電装置のまた他の特定の局面では、圧電発電装置は、梁または可撓体に設けられており、可撓体が梁側に向かって凹状に変形したときに梁に応力を付与する応力付与部をさらに備えている。
本発明に係る圧電発電装置のまた別の特定の局面では、応力付与部は、梁から可撓体側に向かって突出するように設けられている。
本発明に係る圧電発電装置のさらにまた他の特定の局面では、応力付与部は、可撓体から梁側に向かって突出するように設けられている。
本発明に係る圧電発電装置のさらにまた別の特定の局面では、応力付与部は、弾性を有する。
本発明に係る圧電発電装置のまたさらに他の特定の局面では、可撓体は、梁と平行な可撓板である。
本発明に係る圧電発電装置のまたさらに別の特定の局面では、梁は、矩形の板状体である。
本発明に係る圧電発電装置のある異なる特定の局面では、可撓体がタイヤの一部により構成されている。
本発明に係る圧電発電装置のさらに異なる特定の局面では、圧電発電装置は、圧電素子を複数備えている。
本発明では、梁は、可撓体が梁側に向かって凹状に変形したときに梁に応力が加わる一方、可撓体が梁側に向かって凸状に変形したときには梁に応力が加わらないように設けられている。このため、圧電素子に引張応力が加わることを抑制することができる。よって、圧電素子が損傷しにくい。従って、高い機械的な信頼性を実現することができる。
図1は、第1の実施形態の圧電発電装置の模式的側面図である。 図2は、圧電素子の略図的断面図である。 図3は、可撓体が梁側に凹状に変形したときの圧電発電装置を表す模式的側面図である。 図4は、可撓体が梁側に凸状に変形したときの圧電発電装置を表す模式的側面図である。 図5は、第1の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図6は、第2の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図7は、第3の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図8は、第4の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図9は、第5の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図10は、第2の実施形態に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図11は、第6の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図12は、第7の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図13は、第8の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図14は、第9の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図15は、第1の実施形態に係る圧電発電装置の使用態様を表す略図的側面図である。 図16は、梁に単純曲げが作用したときに、梁及び圧電素子の一部分における応力分布と中立面とを示す模式図である。 図17は、タイヤの回転角度と圧電素子に作用する応力との関係を表すグラフである。 図18(a)〜(c)は、走行状態のタイヤを表す模式図である。 図19(a)〜(c)は、障害物がある道路上を走行した場合のタイヤを表す模式図である。 図20は、第10の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図21は、特許文献1に記載の圧電発電装置の模式的斜視図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の圧電発電装置10aの模式的側面図である。図1に示す圧電発電装置10aは、運動エネルギーを電気エネルギーに変換するための装置である。圧電発電装置10aは、例えば、自動車のタイヤの内側に配置され、タイヤの空気圧測定センサなどの電源として好適に用いられる。但し、本発明に係る圧電発電装置の使用用途は、これに限定されない。本発明に係る圧電発電装置は、タイヤの空気圧測定センサ以外にも、例えば、変形を伴うような装置等に取り付けられ、種々の装置の電源として使用され得る。
図1に示すように、圧電発電装置10aは、梁21を備えている。本実施形態においては、梁21は、矩形の板状体である。但し、本発明において、梁の形状は特に限定されない。梁は、例えば、多角柱状、円柱状、多角錐状、U字状などであってもよい。
梁21は、弾性を有する弾性体である。具体的には、梁21は、例えば、鉄、動、アルミニウムなどの金属や、ステンレス、ジュラルミンなどの合金、プラスチックなどにより形成することができる。
梁21の一方側の表面21aの上には、圧電素子22が接合されている。圧電素子22を梁21に接合する方法は特に限定されない、例えば、接着剤等を用いて圧電素子22を梁21に接合することができる。
なお、本実施形態では、圧電素子22は、梁21の中立面を基準として、可撓体50の反対側に設けられている。ここで、「中立面(neutral surface)」とは、純曲げ(pure bending)状態において、長さが変化しない面をいう。「純曲げ状態」とは、剪断力が0であり、曲げモーメントのみが作用している状態をいう。
なお、梁21の中立面は、圧電発電装置10aに外力が加わっていない状態において平面である必要は必ずしもない。
図2は、圧電素子22の略図的断面図である。図2に示すように、圧電素子22は、圧電基板22aと、第1及び第2の電極22b、22cとを有する。
圧電基板22aは、圧電体からなる。圧電体の具体例としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電セラミックなどが挙げられる。なお、圧電基板22aは、例えば、LiTaO、LiNbO、水晶などにより形成されていてもよいが、電気機械結合定数の高いPZTにより圧電基板22aを形成することがより好ましい。
圧電基板22aの一方側の表面22a1の上には、第1の電極22bが設けられている。圧電基板22aの他方側の表面22a2の上には、第2の電極22cが設けられている。第1及び第2の電極22b、22cは、圧電基板22aにより発生した電圧を取り出すための電極である。
第1及び第2の電極22b、22cの形成材料は、導電材料である限りにおいて特に限定されない。第1及び第2の電極22b、22cのそれぞれは、例えば、Ag,Cu,Au,Pt,Ni,Cr等の金属や、Ag−Pd合金や、Ni−Cr合金などの、上記金属のうちの少なくともひとつを含む合金などにより形成することができる。
図1に示すように、可撓体50は、梁21の圧電素子22が設けられている側とは反対側に配置されている。可撓体50は、梁21と平行な可撓板である。可撓体50は、応力が加わったときに弾性変形する弾性体からなる。具体的には、可撓体50は、例えば、金属や合金、プラスチックなどにより形成することができる。
可撓体50と、梁21の一部とは、互いに接続されている。具体的には、本実施形態では、梁21及び可撓体50の表面の法線方向zと等しい可撓体50の変形方向に対して垂直な方向xにおいて、可撓体50の一方側端部と、梁21の一方側端部とが接続されている。さらに具体的には、本実施形態では、可撓体50の一方側端部と、梁21の一方側端部とは、接続部30により接続されている。
接続部30は、弾性を有するものであることが好ましい。具体的には、接続部30は、例えば、金属や合金、プラスチックなどにより形成することができる。
また、圧電発電装置10aには、応力付与部40が設けられている。本実施形態では、応力付与部40は、梁21に設けられている。すなわち、応力付与部40は、梁21に接続されている。具体的には、応力付与部40は、梁21のx方向における接続部30側とは反対側の端部に接続されている。応力付与部40は、梁21からz方向に向かって延びている。すなわち、応力付与部40は、梁21から可撓体50側に向かって突出するように設けられている。この応力付与部40は、後に詳述するように、可撓体50が梁21側に向かって凹状に変形したときに梁21に応力を付与する一方、可撓体50が梁21側に向かって凸状に変形したときには梁21に応力を付与しないものである。
応力付与部40は、弾性を有するものであることが好ましい。具体的には、応力付与部40は、例えば、金属や合金、プラスチック、ゴムなどにより形成することができる。
なお、本実施形態では、梁21、可撓体50、接続部30及び応力付与部40が一枚の弾性板から形成されている。但し、本発明において、梁、可撓体、接続部及び応力付与部が一体に形成されている必要は必ずしもない。例えば、梁、可撓体、接続部及び応力付与部が複数の部材により形成されていてもよい。
次に、図3及び図4を参照しながら、本実施形態に係る圧電発電装置10aの発電態様について詳細に説明する。
図3に示すように、可撓体50に対して外力が加わり、可撓体50が梁21側に向かって凹状に変形した場合、応力付与部40により梁21にも応力が加えられる。これにより、梁21も、可撓体50と同様に、凹状に変形する。それに伴い、圧電素子22の圧電基板22aに圧縮応力が加わる。その結果、圧電基板22aにおいて電力が発生する。そして、その電力が第1及び第2の電極22b、22cから取り出される。
一方、図4に示すように、可撓体50に対して外力が加わり、可撓体50が梁21に向かって凸状に変形した場合は、応力付与部40が可撓体50には固定されていないため、応力付与部40と可撓体50とが離れる。このため、梁21及び梁21に接合されている圧電素子22には、応力が実質的に付与されない。このため、可撓体50に対して外力が加わり、可撓体50が梁21に向かって凸状に変形した場合にも圧電素子22の圧電基板22aに引張応力が付与され難い。
このように、本実施形態の圧電発電装置10aでは、圧電素子22に圧縮応力が加わることにより発電が行われ、圧電素子22に引張応力が加わることが抑制されている。従って、引張応力により破損しやすい圧電素子22が破損することを効果的に抑制することができる。その結果、高い機械的信頼性を有する圧電発電装置10aを実現することができる。
以下、本発明を実施した他の好ましい形態や、変形例について説明する。但し、下記の説明において、上記第1の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。
(第1の変形例)
図5は、上記第1の実施形態の第1の変形例に係る圧電発電装置10bの模式的側面図である。
上記第1の実施形態では、梁21と可撓体50とが接続部30を介して接続されている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図5に示すように、接着剤31により、梁21と可撓体50とが直接接続されていてもよい。図5に示す場合は、非駆動時に圧電素子22に圧縮応力が付与された状態となり、圧電素子22に引張応力が付与されることをより効果的に抑制することができる。
なお、梁21と可撓体50とを直接接合する場合において、梁21と可撓体50との接合方法は、特に限定されない。例えば、上述のように、接着剤を用いて梁21と可撓体50とを接合してもよいし、溶接等により梁21と可撓体50とを接合してもよい。
また、上記第1の実施形態では、梁21、可撓体50、接続部30及び応力付与部40が一枚の弾性板から形成されている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図5に示すように、梁21及び応力付与部40と、可撓体50とは別体に形成されていてもよい。
また、上記第1の実施形態では、可撓体50が平板状である例について説明した。但し、本発明はこの構成に限定されない。例えば、可撓体50は、図5に示すように湾曲していてもよい。
(第2の変形例)
図6は、上記第1の実施形態の第2の変形例に係る圧電発電装置10cの模式的側面図である。
上記第1の実施形態及び上記第1の変形例では、応力付与部40が梁21に設けられている場合について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図6に示すように、応力付与部40は、可撓体50と一体に形成されていてもよい。図6に示す圧電発電装置10cでは、応力付与部40は、可撓体50から梁21側に向かって突出するように設けられている。この場合、梁21の材質の選択自由度が高くなる。
(第3の変形例)
図7は、上記第1の実施形態の第3の変形例に係る圧電発電装置10dの模式的側面図である。
上記第1の実施形態並びに第1及び第2の変形例では、可撓体50及び梁21とは別に応力付与部40が設けられている例について説明した。但し、本発明において、応力付与部は、必須の構成ではない。例えば、図7に示すように、応力付与部40を設けなくてもよい。図7に示す圧電発電装置10dでは、可撓体50が梁21側に向かって凹状に変形したときに可撓体50が直接梁21に応力を付与する。これにより、梁21が変形する。すなわち、本変形例においては、可撓体50が応力付与部としての機能を兼ね備えている。
(第4及び第5の変形例)
図8は、上記第1の実施形態の第4の変形例に係る圧電発電装置10eの模式的側面図である。図9は、上記第1の実施形態の第5の変形例に係る圧電発電装置10fの模式的側面図である。
上記第1の実施形態並びに第1及び第2の変形例では、応力付与部40が金属等からなる直方体である例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図8及び図9に示すように、応力付与部40は、ばねにより構成されていてもよい。具体的には、図8に示す圧電発電装置10eにおいては、応力付与部40はコイルばねにより構成されている。図9に示す圧電発電装置10fにおいては、応力付与部40は、板バネにより構成されている。これらの場合、梁21及び圧電素子22に衝撃荷重が加わることを効果的に抑制することができる。従って、機械的耐久性がより高い圧電発電装置10eを実現することができる。
また、上記第1の実施形態では、圧電素子22がひとつのみ設けられている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図9に示すように、複数の圧電素子22A、22Bを梁21上に設けてもよい。このように、複数の圧電素子22A、22Bを設けた場合、複数の圧電素子22A、22B間の電気的結合を変更することにより、圧電発電装置10fの電力特性を変更することができる。
なお、本変形例では、複数の圧電素子22A、22Bを梁21上に並列に配列した例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、複数の圧電基板を梁上に積層してもよい。
(第2の実施形態)
図10は、第2の実施形態に係る圧電発電装置10gの模式的側面図である。
上記第1の実施形態では、接続部30が、梁21のx方向における一方側端部と、可撓体50のx方向における一方側端部とを接続しており、応力付与部40が梁21のx方向における他方側端部に設けられている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。
図10に示すように、本実施形態に係る圧電発電装置10gでは、接続部30は、梁21のx方向における中央部と、可撓体50とを接続している。そして、梁21のx方向における両端部に応力付与部40a、40bが設けられている。
本実施形態の圧電発電装置10gにおいても、上記第1の実施形態の圧電発電装置10aと同様に、圧電素子22に引張応力がかかり難い。従って、高い機械的信頼性を実現することができる。
(第6〜9の変形例)
図11は、上記第2の実施形態の変形例である第6の変形例に係る圧電発電装置10hの模式的側面図である。
上記第2の実施形態では、梁21と可撓体50とが接続部30を介して接続されている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図11に示すように、梁21と可撓体50とを、接着剤31により直接接続してもよい。
図12は、上記第2の実施形態の変形例である第7の変形例に係る圧電発電装置10iの模式的側面図である。図12に示すように、応力付与部40a、40bは、可撓体50から梁21側に向かって突出するように設けられていてもよい。
図13は、上記第2の実施形態の変形例である第8の変形例に係る圧電発電装置10jの模式的側面図である。図13に示すように、応力付与部は、設けられていなくてもよい。
図14は、上記第2の実施形態の変形例である第9の変形例に係る圧電発電装置10kの模式的側面図である。図14に示すように、応力付与部40a、40bは、例えば、ばねにより構成されていてもよい。また、複数の圧電素子22A、22Bが設けられていてもよい。
(圧電発電装置の使用態様)
図15は、上記第1の実施形態に係る圧電発電装置の使用態様を表す略図的側面図である。
ここでは、本発明を実施した圧電発電装置の使用態様について、上記第1の実施形態に係る圧電発電装置の使用態様を例に挙げて説明する。
図15に示すように、圧電発電装置10aは、例えば、タイヤ60の内壁に対して取り付けられた態様で使用される。図15に示す例では、圧電発電装置10aは、梁21の中立軸の延びる方向とタイヤ60の回転方向Rとが一致するようにタイヤ60に取り付けられている。なお、圧電発電装置10aのタイヤ60への取り付け方法は特に限定されない。例えば、接着剤を用いて圧電発電装置10aをタイヤ60に取り付けることができる。また、圧電発電装置10aをタイヤ60にモールドしたり、圧電発電装置10aをタイヤ60の金属線に溶接したりすることにより圧電発電装置10aをタイヤ60に取り付けることができる。
図16は、梁21に単純曲げが作用したときに、梁21及び圧電素子22の一部分における応力分布と中立面を示す模式図である。図17は、タイヤ60の回転角度と圧電素子22に作用する応力との関係を表すグラフである。図18(a)〜(c)は、走行状態のタイヤを表す模式図である。図19(a)〜(c)は、障害物がある道路上を走行した場合のタイヤを表す模式図である。
次に、図16〜19を参照しながら、本使用態様における圧電発電装置10aの発電動作について説明する。
図18(a)に示す、タイヤ60の圧電発電装置10aが設けられている部分が地面70に接地していない状態においては、回転方向に沿って湾曲しているタイヤ60の内周面に接合されている可撓体50は、タイヤ60の内周面に沿って湾曲している。このため、梁21及び圧電素子22は、地面70側に凸状に湾曲した状態となっている。よって、図16及び図17に示すように、圧電素子22には、圧縮応力が付与された状態となる。
次に、図18(b)に示すように、タイヤ60の圧電発電装置10aが設けられている部分が地面70に接地した状態では、可撓体50が略平板状となる。このため、図17に示すように、圧電素子22には、小さな圧縮応力がかかるか、または応力がかからない状態となる。
次に、図18(c)に示すように、タイヤ60の圧電発電装置10aが設けられている部分が地面70に接地していない状態に再びなると、図17に示すように、圧電素子22に圧縮応力が付与された状態となる。
このように、タイヤ60が回転することにより、圧電素子22に加わる圧縮応力の大きさが変化する。これにより発電が行われる。この発電動作に際し、圧電発電装置10aにおいては、上述のように、圧電素子22に圧縮応力のみが加わり、引張応力が加わり難い。特に、図17に示すように、梁21及び圧電素子22を湾曲させることにより圧電素子22に予め圧縮応力を与えておいた場合には、圧電素子22に引張応力がより加わり難い。また、図19(b)に示すように、地面70の障害物90の上にタイヤ60が乗り上げ、可撓体50が梁21側に凸状に変形した場合にも、梁21及び圧電素子22は、実質的に変形しない。このため、圧電素子22に引張応力がかかり難い。従って、引張応力に脆弱な圧電素子22が破損することが効果的に抑制されている。
なお、圧電素子22に予め圧縮応力を付与する方法としては、可撓体50側に凸状となるように撓んだ梁21に圧電素子22を接合する方法も挙げられる。
なお、ここでは、変形するタイヤ60とは別体に可撓体50が設けられている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図20に示すように、タイヤ60により可撓体が構成されていてもよい。すなわち、タイヤ60の内周面に、梁21が接続されていてもよい。
10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h、10i、10j、10k…圧電発電装置
21…梁
21a…梁の表面
22、22A、22B…圧電素子
22a…圧電基板
22a1,22a2…圧電基板の表面
22b…第1の電極
22c…第2の電極
30…接続部
31…接着剤
40、40a、40b…応力付与部
50…可撓体
60…タイヤ
70…地面
90…障害物

Claims (13)

  1. 運動エネルギーと電気エネルギーとを変換する圧電発電装置であって、
    梁と、
    前記梁の一方側の表面上に接合されている圧電素子と、
    前記梁の前記圧電素子が設けられている側とは反対側に配置されており、前記梁の一部が接続されている可撓体とを備え、
    前記梁は、前記可撓体が前記梁側に向かって凹状に変形したときに前記梁に応力が加わる一方、前記可撓体が前記梁側に向かって凸状に変形したときには前記梁に応力が加わらないように設けられている、圧電発電装置。
  2. 前記圧電素子は、前記梁の中立面を基準として、前記可撓体の反対側に設けられている、請求項1に記載の圧電発電装置。
  3. 前記圧電素子は、圧電体からなる圧電基板を有する、請求項1または2に記載の圧電発電装置。
  4. 前記圧電基板は、圧電セラミックからなる、請求項3に記載の圧電発電装置。
  5. 前記可撓体と前記梁とを接続する接続部をさらに備える、請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
  6. 前記接続部は、弾性を有する、請求項5に記載の圧電発電装置。
  7. 前記梁または前記可撓体に設けられており、前記可撓体が前記梁側に向かって凹状に変形したときに前記梁に応力を付与する応力付与部をさらに備える、請求項1〜6のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
  8. 前記応力付与部は、前記梁から前記可撓体側に向かって突出するように設けられている、請求項7に記載の圧電発電装置。
  9. 前記応力付与部は、前記可撓体から前記梁側に向かって突出するように設けられている、請求項7に記載の圧電発電装置。
  10. 前記応力付与部は、弾性を有する、請求項7〜9のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
  11. 前記可撓体は、前記梁と平行な可撓板である、請求項1〜10のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
  12. 前記梁は、矩形の板状体である請求項1〜11のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
  13. 前記圧電素子を複数備える、請求項1〜12のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
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