WO2010143675A1 - 圧電発電装置及びその製造方法 - Google Patents

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piezoelectric
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克己 藤本
雅彦 木村
拓也 澤田
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株式会社村田製作所
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    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304—Beam type
    • H—ELECTRICITY
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    • H10N30/304—Beam type
    • H10N30/306—Cantilevers

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric power generation apparatus and a manufacturing method thereof, and more particularly to a piezoelectric power generation apparatus for taking out electric power by changing kinetic energy into electric energy using a piezoelectric element and a manufacturing method thereof.
  • a piezoelectric power generation device that converts kinetic energy input from the outside into electric energy using a piezoelectric element to extract electric power and supplies the electric power to a power storage device has a basic configuration and operating principle of Patent Literature 1.
  • the piezoelectric power generation device described in Document 1 has a problem that the piezoelectric element has a cantilever structure on the frame body, and thus has a complicated structure and requires time and effort for manufacturing.
  • the piezoelectric power generation device described in Patent Document 2 includes a piezoelectric element formed of a laminated body of a plurality of elements corresponding to each vibration, and efficiently converts mixed vibration into electricity.
  • the frequency of vibration is a piezoelectric element.
  • the thickness and the outer diameter of the piezoelectric element are adjusted so that the resonance frequency is as follows.
  • the piezoelectric power generation device described in Document 2 has a problem in that since it is necessary to apply a force to a plurality of piezoelectric elements at the same time, the stress applied to each element is reduced and the power generation efficiency is lowered. .
  • Patent Document 3 describes an oscillator in which a tongue-shaped vibrating portion is formed on a diaphragm and the diaphragm is sandwiched between upper and lower cases.
  • Document 3 does not mention how to use this oscillator as a power generator, nor does it disclose the material of each member, the manufacturing process, or the like.
  • an object of the present invention is to provide a piezoelectric power generation device that is excellent in power generation efficiency and easy to manufacture, and a method for manufacturing the same.
  • a piezoelectric power generation apparatus includes: In the piezoelectric power generation device having at least one resonance frequency, A piezoelectric element layer having a vibrating portion in which power extraction electrodes are formed on the front and back surfaces; A separator layer that is laminated on the piezoelectric element layer and has a cavity in which the vibration part can vibrate; A lid layer laminated on the separator layer; Comprising a body part consisting of An external electrode that can be electrically connected to the power extraction electrode on the surface of the main body, The piezoelectric element layer, the separator layer, and the lid layer are made of ceramics; It is characterized by.
  • the piezoelectric power generation device has a simple structure of a laminated structure of a piezoelectric element layer, a separator layer, and a lid layer, is easy to miniaturize, and each layer is made of ceramics. It can be easily manufactured by firing. In addition, by forming a plurality of vibration parts in one piezoelectric element layer, or by laminating a plurality of piezoelectric element layers, it operates at a plurality of resonance frequencies, and has excellent conversion efficiency to electric energy. Yes.
  • the method for manufacturing a piezoelectric power generation apparatus is as follows.
  • a method of manufacturing the piezoelectric power generator Forming a ceramic sheet to be the piezoelectric element layer, the separator layer, and the lid layer with a predetermined ceramic material; Forming a vibrating portion in a ceramic sheet to be the piezoelectric element layer; Forming a cavity in the ceramic sheet to be the separator layer; Laminating the ceramic sheets in a predetermined order and pressing to obtain a laminate; Firing the laminate; Polarizing the vibrating portion of the piezoelectric element layer; It is provided with.
  • a piezoelectric power generation device having a small and simple configuration can be easily manufactured by a laminating method using ceramic sheets.
  • each layer is made of ceramic materials having substantially the same coefficient of thermal expansion (preferably having the same composition)
  • the stress due to the difference in thermal expansion is reduced and the durability is improved.
  • the shrinkage difference in the firing process is also reduced, the dimensional accuracy is improved and the stress concentration is also reduced, so that durability against repeated loading is also improved.
  • the piezoelectric power generation apparatus includes a main body portion 10 having a laminated structure shown in FIG. 1. Referring to FIG. 2 showing an exploded structure thereof, the piezoelectric power generation apparatus has power extraction electrodes 22 and 23 on the front and back surfaces.
  • the formed piezoelectric element layer 11 having the vibration portion 21, separator layers 12 and 13 having a cavity 31 that is laminated on the upper and lower portions of the piezoelectric element layer 11, and the upper and lower sides of the separator layers 12 and 13. It is comprised with the cover layers 14 and 15 laminated
  • the piezoelectric element layer 11 is formed with a through groove portion 25 having a substantially U shape in a plan view penetrating through the front and back so that the vibration portion 21 is located at a substantially central portion. 22 is led out to the left side surface and is electrically connected to the external electrode 35. The power extraction electrode 23 on the back surface is led out to the right side surface and is electrically connected to the external electrode 36. External electrodes 35, 36 are also formed on the side surfaces of the separator layers 12, 13 and the lid layers 14, 15. These external electrodes 35, 36 are integrally formed after the main body 10 is formed as a laminate. It is a thing.
  • the piezoelectric element layer 11, the separator layers 12 and 13, and the lid layers 14 and 15 are made of ceramics.
  • Ceramic materials have a relatively high melting point, and in devices where heat capacity tends to be reduced due to miniaturization, for example, in the mounting process such as reflow soldering, the occurrence of thermal melting and thermal deformation is suppressed compared to resin materials. Can do.
  • the vibration unit 21 is polarized, and when an external force is applied to the main body unit 10, the vibration unit 21 is in the length vibration mode due to a change in external force or a change in acceleration.
  • power is extracted from the external electrodes 35 and 36 by vibrating at the resonance frequency in the bending vibration mode.
  • the longitudinal vibration mode has a relatively high resonance frequency
  • the bending vibration mode has a relatively low resonance frequency.
  • the resonance frequency of the vibration unit 21 tends to increase. If the flexural vibration mode is used, it is possible to further reduce the size at the same resonance frequency.
  • an intermediate electrode (not shown) is required in addition to the front and back electrodes.
  • the intermediate electrode functions as an electrode for polarization, it forms a so-called series bimorph, and also forms a parallel bimorph that generates charges between the front and back electrodes short-circuited by isotropic polarization and the intermediate electrode. Any of the techniques for extending the laminated structure of the present invention can be realized.
  • the piezoelectric power generation device has a simple structure of a laminated structure of the piezoelectric element layer 11, the separator layers 12 and 13, and the lid layers 14 and 15, is easy to downsize, and each layer is made of ceramics. It can manufacture easily by baking integrally using a construction method.
  • the piezoelectric element layer 11, the separator layers 12 and 13, and the lid layers 14 and 15 are formed from ceramics.
  • a piezoelectric power generation device having a small and simple structure can be easily manufactured by a lamination method using ceramic sheets.
  • each layer is made of ceramic materials having substantially the same coefficient of thermal expansion (preferably having the same composition)
  • the stress due to the difference in thermal expansion is reduced and the durability is improved.
  • the shrinkage difference in the firing process is also reduced, the dimensional accuracy is improved and the stress concentration is also reduced, so that durability against repeated loading is also improved.
  • the through groove 25 or the cavity 31 is filled with a carbon paste and fired, deformation of the ceramic material in the firing process can be suppressed, and a highly preferable sintered body with dimensional accuracy can be obtained. Obtainable.
  • lead oxide, titanium oxide, and zirconium oxide are mixed so that the molar ratio of Pb: Ti: Zr is 1: 0.53: 0.47, and put into a ball mill together with water and partially stabilized zirconia grinding media. The mixture was stirred for about 10 hours.
  • the obtained mixed material was calcined in the atmosphere at a temperature of 800 to 1000 ° C. for about 2 hours.
  • a sheet having a thickness of about 50 ⁇ m was prepared by a doctor blade method.
  • seat was cut into the magnitude
  • a power extraction electrode was screen-printed on the sheet serving as the piezoelectric element layer.
  • the screen used was # 400 mesh.
  • the electrode material was platinum, and a platinum / varnish mixed paste containing 50 to 70% by weight of platinum was used. Next, this sheet was punched to form a through groove portion (vibrating portion). Moreover, the sheet
  • the through grooves and cavities of the above sheets were filled with carbon paste, and the sheets were laminated in the state shown in FIG. 1 and pressure-bonded at a surface pressure of 100 to 200 MPa.
  • This pressure-bonded body was fired at 1250 ° C. for about 2 hours to obtain a sintered body.
  • the obtained sintered body was subjected to a polarization treatment by applying a voltage of 2.5 kV / mm in an oven at 80 ° C.
  • An external electrode was formed of silver on the sintered body subjected to the polarization treatment using a metal mask and a sputtering apparatus.
  • the filled carbon paste is scattered during firing.
  • the piezoelectric power generating apparatus has the same resonance frequency that operates in the bending vibration mode (having intermediate electrodes (not shown) in addition to the front and back electrodes 22 and 23).
  • Two piezoelectric element layers 11 are superposed.
  • the respective piezoelectric element layers 11 have, for example, polarizations that are opposite to each other in a direction penetrating the front and back surfaces, flexurally vibrate from the fixed portion 11a on one side of the short side of the piezoelectric element layer 11, and resonate with each other. That is, the two piezoelectric element layers 11 may be buckled tuning forks that resonate according to the tuning fork principle.
  • the two vibration portions 21 having the same thickness in the plan view penetrating the front and back sides and having the same thickness are formed in the piezoelectric element layer 11. It is preferable that the vibration part 21 is formed in each of the piezoelectric element layers 11 that are different from each other and close to each other in the overlapping direction.
  • the vibrating portions 21 having the same shape in plan view that are coupled via the separator layers 12 and 13 and penetrate through the front and back are formed in the two piezoelectric element layers 11 by the through groove portions 25, In the cross section of the element layer 11 in the overlapping direction, the two vibrating portions 21 and the coupling portion thereof are formed in a U shape, so that vibration due to a buckling tuning fork is facilitated.
  • vibration using a buckling tuning fork can make the reverberation time of the vibration relatively long, and it is preferable because the extracted electric power due to reverberation increases as compared with the case where the vibration is not caused by vibration due to the buckling tuning fork.
  • the piezoelectric element layer 11 and the separator layers 12 and 13 are formed from ceramic materials having the same composition, reflection of vibration at the joint surface between different materials due to a difference in vibration propagation speed or the like is suppressed. This is preferable in that vibration due to a tuning fork becomes easier.
  • the vibration part 21 is formed by the through groove part 25 as described above, punching of the plurality of piezoelectric element layers 11, filling of the carbon paste, formation of the external electrodes 35 and 36, and the like are performed in the same process. Since the dimensional error of the vibration part 21 can be made constant, it is preferable in that it is relatively easy to keep the characteristic variation within a certain range.
  • the two vibrating portions 21 formed in the piezoelectric element layer 11 resonate according to the tuning fork principle, so that the extracted electric power increases. Moreover, the reverberation is converted into electric power, so that the extracted electric power is increased. If the polarizations of the two piezoelectric element layers 11 are the same in the direction penetrating front and back, the external electrodes 35 and 36 may be electrically independent for each piezoelectric element layer 11.
  • the piezoelectric element layer 11 can be formed with various shapes of the vibrating portion 21, and can have different resonance frequencies depending on the shape of the vibrating portion 21.
  • the resonance frequency of the vibration part 21 shown in FIG. 3 is about 9.0 ⁇ 10 3 Hz.
  • the vibration part 21 may have a meander shape as shown in FIG. 5A, and its resonance frequency is about 5.8 ⁇ 10 3 Hz.
  • FIG. 5 (B) also shows a vibrating portion 21 having a meander shape, and this resonance frequency is about 1.2 ⁇ 10 4 Hz.
  • FIG. 5C shows a structure in which the through-groove portions 25 are doubled, and the resonance frequency is about 3.8 ⁇ 10 3 Hz.
  • a plurality of vibration parts 21 having the same shape or different shapes may be formed on one piezoelectric element layer 11.
  • the shapes of the vibrating portions 21 are shown in FIGS. 6 (A), (B), and (C).
  • two through groove portions 25 extending in the long side direction may be formed on both sides of the piezoelectric element layer 11, and the central portion may be the vibration portion 21.
  • the power extraction electrodes 22 and 23 formed on the front and back surfaces are electrically connected to external electrodes 35 and 36 formed on the side surfaces.
  • the piezoelectric element layer 11 shown in FIG. 7 has a resonance frequency as low as about 1 kHz. Therefore, if the piezoelectric power generation device is configured by overlapping the piezoelectric element layer 11 shown in FIG. 3 having a resonance frequency of about 10 kHz, electric power can be taken out even at a relatively low frequency.
  • the plurality of piezoelectric element layers 11 having the vibration portions 21 having different resonance frequencies may be stacked via the separator layers 12 and 13, respectively.
  • the piezoelectric element layer 11 shown in FIG. 3 and the piezoelectric element layer 11 shown in FIGS. 5 and 6 may be arbitrarily combined and laminated.
  • the vibrating parts 21 may be electrically connected in parallel or may be connected in series.
  • the piezoelectric power generator is connected to the rectifier circuit shown in FIG.
  • This rectifier circuit is well-known, and full-wave rectifies a single-phase current with four diodes D1 to D4 and is flattened with a capacitor C and a resistor R.
  • the power extraction electrode of the piezoelectric element PZT is connected to the bridge rectifier element, and the power storage device 50 is connected to the output unit.
  • a capacitor C1 may be added to the piezoelectric element PZT. Thereby, the smoothing of the generated signal and the impedance can be adjusted.
  • the capacitance electrodes 41 and 42 are formed on the piezoelectric element layer 11 and the lid layer 15, the capacitor C1 can be added without increasing the number of components.
  • the capacitive electrodes 41 and 42 can be formed in other layers. In this case, for example, when the piezoelectric power generation device according to the present invention is mounted on a circuit board, the mounting area can be reduced or the number of parts can be reduced. it can.
  • the capacitance electrodes 41 and 42 and the power extraction electrode 22 may be electrically connected via an external wiring 35 and an electrical wiring (not shown) formed on a circuit board on which the piezoelectric power generation device is mounted. In addition, they may be electrically connected via electric wiring (not shown) arranged in the piezoelectric power generation device.
  • the piezoelectric power generation device and the manufacturing method thereof according to the present invention are not limited to the above-described embodiment, and can be variously changed within the scope of the gist.
  • the present invention is useful for a piezoelectric power generation device and a method for manufacturing the same, and is particularly excellent in that it is easy to manufacture a piezoelectric power generation device that can improve power generation efficiency.

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

　発電効率に優れ、かつ、製造の容易な圧電発電装置及びその製造方法を得る。　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）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）に積層された蓋層（１４），（１５）と、からなる本体部を備えた圧電発電装置。本体部の両側面には電力取出し電極（２２），（２３）と電気的に接続された外部電極（３５），（３６）を有している。また、圧電素子層（１１）とセパレータ層（１２），（１３）と蓋層（１４），（１５）とはセラミックスから形成されている。

Description

圧電発電装置及びその製造方法
　本発明は、圧電発電装置及びその製造方法、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その製造方法に関する。
　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に記載の圧電発電装置は、圧電素子を枠体に片持ち構造としているため、構造が複雑で製造に手間を要するという問題点を有していた。
　特許文献２に記載の圧電発電装置は、各振動に対応する複数素子の積層体からなる圧電素子を備え、混在する振動を効率よく電気に変換するものであり、例えば、振動の周波数が圧電素子の共振周波数となるように、圧電素子の厚み及び外径が調整されている。しかし、文献２に記載の圧電発電装置は、複数の圧電素子に同時に力を作用させる必要があるため、１素子当たりに加わる応力が低下して発電効率が低くなるという問題点を有していた。
　特許文献３には、振動板に舌片状の振動部を形成し、該振動板を上下のケースの間に挟持した発振子が記載されている。但し、文献３は、この発振子を発電装置としてどのように使用するのか言及することがなく、また、各部材の材質、製造工程などを開示することもない。
特許第３１７０９６５号公報 特許第３２１１６２３号公報 特開平７－６６６７４号公報
　そこで、本発明の目的は、発電効率に優れ、かつ、製造の容易な圧電発電装置及びその製造方法を提供することにある。
　以上の目的を達成するため、本発明の第１の形態である圧電発電装置は、
　少なくとも一つの共振周波数を有する圧電発電装置において、
　表裏面に電力取出し電極を形成した振動部を有する圧電素子層と、
　前記圧電素子層に積層され、前記振動部が振動できる空洞を有するセパレータ層と、
　前記セパレータ層に積層された蓋層と、
　からなる本体部を備え、
　前記本体部の表面に前記電力取出し電極と電気的に接続可能な外部電極を有し、
　前記圧電素子層と前記セパレータ層と前記蓋層とがセラミックスからなること、
　を特徴とする。
　前記圧電発電装置は、圧電素子層とセパレータ層と蓋層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。しかも、一つの圧電素子層に複数の振動部を形成すること、あるいは、複数の圧電素子層を積層することで、複数の共振周波数で動作することになり、電気エネルギーへの変換効率に優れている。
　本発明の第２の形態である圧電発電装置の製造方法は、
　前記圧電発電装置の製造方法であって、
　所定のセラミックス材料にて前記圧電素子層、前記セパレータ層及び前記蓋層となるセラミックシートを形成する工程と、
　前記圧電素子層となるセラミックシートに振動部を形成する工程と、
　前記セパレータ層となるセラミックシートに空洞を形成する工程と、
　前記セラミックシートを所定の順序で積層、圧着して積層体を得る工程と、
　前記積層体を焼成する工程と、
　前記圧電素子層の振動部を分極処理する工程と、
　を備えたことを特徴とする。
　前記製造方法においては、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からなる圧電発電装置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、繰返し加重に対する耐久性も向上する。
　本発明によれば、発電効率に優れ、かつ、製造の容易な圧電発電装置及び製造方法を得ることができる。
第１実施例である圧電発電装置の外観を示す斜視図である。 前記圧電発電装置の分解斜視図である。 前記圧電発電装置を構成する圧電素子層を示す斜視図である。 第２実施例である圧電発電装置の分解斜視図である。 前記圧電素子層の他の例を示す斜視図である。 前記圧電素子層のさらに他の例を示す平面図である。 前記圧電素子層のさらに他の例を示す斜視図である。 前記圧電発電装置の回路図である。 前記圧電発電装置にコンデンサを組み込んだ状態の回路図である。 前記コンデンサを組み込んだ圧電発電装置を示す分解斜視図である。
　以下、本発明に係る圧電発電装置及びその製造方法の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、各図において、同じ部材、部分については共通する符号を付し、重複する説明は省略する。
　（第１実施例、図１～図３参照）
　第１実施例である圧電発電装置は、図１に示す積層構造の本体部１０からなり、その分解構造を示す図２を参照すると、圧電発電装置は、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３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は本体部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のある装置において、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溶融や熱変形などの発生を抑制することができる。
　以上の構成からなる圧電発電装置においては、振動部２１が分極処理されており、本体部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周波数によって振動することにより、外部電極３５，３６から電力が取り出される。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。圧電発電装置が小型化すると、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。
　なお、屈曲振動により発電する場合には表裏電極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と中間電極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。本発明の積層構造延長技術でいずれも実現可能である。
　前記圧電発電装置は、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、本圧電発電装置においては、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からなる圧電発電装置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、繰返し加重に対する耐久性も向上する。特に、以下に説明するように、貫通溝部２５や空洞３１にカーボンペーストを充填して焼成すれば、焼成工程でのセラミックス材料の変形を抑制することができ、寸法精度の極めて好ましい焼結体を得ることができる。
　ここで、発明者らが用いた材料及び製造工程を具体的に説明する。まず、酸化鉛、酸化チタン、酸化ジルコニウムをＰｂ：Ｔｉ：Ｚｒのモル比率が１：０．５３：０．４７となるように調合し、水及び部分安定化ジルコニアの粉砕メディアとともにボールミルに入れて、約１０時間攪拌混合した。
　その後、脱水工程を経て、得られた混合材料を大気中で８００～１０００℃の温度で約２時間仮焼を行った。
　得られた仮焼原料１００ｇに対し、酢酸ビニル系のバインダを固形分換算で１０ｇ混合し、水３０ｇを加え、可塑剤を適量添加することでシート成形用のスラリーを作製した。
　前記スラリーを用いて、ドクターブレード法により厚み約５０μｍ程度のシートを作製した。得られたシートを２０ｍｍ×３０ｍｍの大きさにカットし、それぞれの層となるシートを作製した。圧電素子層となるシートには電力取出し電極をスクリーン印刷した。スクリーンは＃４００のメッシュのものを使用した。電極材料は白金であり、白金が５０～７０重量％含まれている白金／ワニス混合ペーストを用いた。次に、このシートをパンチングして貫通溝部（振動部）を形成した。また、セパレータ層となるシートをパンチングして空洞を形成した。
　以上の各シートの貫通溝部及び空洞にはカーボンペーストを充填し、各シートを図１に示す状態に積層し、面圧１００～２００ＭＰａで圧着した。この圧着体を１２５０℃で約２時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体に８０℃のオーブン中で２．５ｋＶ／ｍｍの電圧を印加し、分極処理を行った。分極処理を行った焼結体にメタルマスクとスパッタ装置を用いて、銀によって外部電極を形成した。なお、充填したカーボンペーストは焼成時に飛散してしまう。
　（第２実施例、図４参照）
　第２実施例である圧電発電装置は、図４に示すように、屈曲振動モード（表裏電極２２，２３に加えて中間電極（図示せず）を有している）で動作する同じ共振周波数の二つの圧電素子層１１を重ね合わせたものである。それぞれの圧電素子層１１は、例えば、表裏に貫通する方向で分極が互いに逆方向であり、圧電素子層１１の短辺の一方側である固定部１１ａを起点として屈曲振動し、互いに共鳴する。即ち、二つの圧電素子層１１は音叉の原理によって共鳴する座屈音叉であってもよい。
　より詳細には、表裏に貫通する平面視で形状が互いに一致し、かつ、互いに同一の厚みを有する二つの振動部２１が圧電素子層１１に形成されることが好ましい。互いに異なり、重ね合わせる方向に近接する圧電素子層１１のそれぞれに振動部２１が形成されることが好ましい。実施形態として、セパレータ層１２，１３を介して結合され、かつ、それぞれに表裏に貫通する平面視で同一形状の振動部２１が二つの圧電素子層１１に貫通溝部２５によって形成されるとき、圧電素子層１１の重ね合わせ方向の断面において、二つの振動部２１及びその結合部がＵ字状に形成されるため、座屈音叉による振動が容易になる。また、座屈音叉を用いた振動では振動の残響時間を比較的長くでき、座屈音叉による振動による振動でないときに比べ、残響による取出し電力が増大するため好ましい。なお、圧電素子層１１とセパレータ層１２，１３とが同一組成のセラミックス材料から形成されるとき、振動の伝播速度差などによる異種材料間の接合面における振動の反射が抑制されるため、座屈音叉による振動がより容易になる点において好ましい。
　特に、前記のように貫通溝部２５によって振動部２１を形成する形態では、複数枚の圧電素子層１１に対するパンチング、カーボンペーストの充填及び外部電極３５，３６の形成などを同一工程で処理することで、振動部２１の寸法誤差を一定のばらつきにできるため、特性のばらつきを一定範囲内に収めることが比較的容易である点で好ましい。このように、圧電素子層１１に形成される二つの振動部２１が音叉の原理によって共鳴することにより、取り出される電力が大きくなる。また、残響が電力に変換されることにより、取出される電力が大きくなる。なお、二つの圧電素子層１１の分極が表裏に貫通する方向で同じ方向であれば、圧電素子層１１ごとに外部電極３５，３６を電気的に独立させればよい。
　（圧電素子層の他の例、図５～図７参照）
　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。図３に示した振動部２１の共振周波数は約９．０×１０3Ｈｚである。
　振動部２１は図５（Ａ）に示すようなミアンダ状であってもよく、その共振周波数は約５．８×１０3Ｈｚである。図５（Ｂ）も振動部２１をミアンダ状としたものを示し、この共振周波数は約１．２×１０4Ｈｚである。図５（Ｃ）は貫通溝部２５を２重に形成したものを示し、この共振周波数は約３．８×１０3Ｈｚである。ミアンダ状にすることによって振動部の長さが確保でき共振周波数を低くすることができるため、同じ周波数でより小型化することが可能である。
　それ以外に、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。それらの振動部２１の形状を図６（Ａ）,（Ｂ），（Ｃ）に示す。異なる共振周波数で動作する複数の振動部２１を設けることにより、様々な外力の変化に基づいて効率よく電気エネルギーに変換することができる。
　あるいは、図７に示すように、圧電素子層１１の両側に長辺方向に延在する２本の貫通溝部２５を形成し、中央部を振動部２１としたものであってもよい。表裏面に形成した電力取出し電極２２，２３は側面に形成した外部電極３５，３６と電気的に接続されている。図７に示す圧電素子層１１は共振周波数が１ｋＨz程度と低い。それゆえ、１０ｋＨｚ程度の共振周波数を有する図３に示した圧電素子層１１と重ね合わせて圧電発電装置を構成すれば、比較的低い周波数でも電力を取り出すことができる。
　このように、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を介して積層すればよい。例えば、図３に示した圧電素子層１１と図５及び図６に示した圧電素子層１１を任意に組み合わせて積層してもよい。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。
　（整流回路、図８参照）
　圧電発電装置は図８に示す整流回路に接続されている。この整流回路は、周知のもので、４個のダイオードＤ１～Ｄ４で単相電流を全波整流し、コンデンサＣと抵抗Ｒとで平坦化する。圧電素子ＰＺＴの電力取出し電極はブリッジ整流素子に接続されており、出力部には蓄電装置５０が接続されている。
　（コンデンサの付加、図９及び図１０参照）
　前記圧電素子ＰＺＴには、図９に示すように、コンデンサＣ１を付加してもよい。これにて、発生信号の平滑化やインピーダンスを調整することができる。具体的には、図１０に示すように、圧電素子層１１と蓋層１５に容量電極４１，４２を形成すれば、部品点数を増加させることなくコンデンサＣ１を付加することができる。勿論、容量電極４１，４２は他の層に形成することも可能である。この場合、例えば、本発明に係る圧電発電装置が回路基板に実装されるとき、実装面積を低減すること又は部品点数を削減することができるため、さらに小型化又は製造の簡略化をすることができる。
　なお、容量電極４１，４２と電力取出し電極２２とは、外部電極３５及び圧電発電装置が実装される回路基板に形成された電気配線（図示しない）を介して電気的に接続されていてもよく、圧電発電装置に配置される電気配線（図示しない）を介して電気的に接続されていてもよい。
　（他の実施形態）
　なお、本発明に係る圧電発電装置及びその製造方法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できることは勿論である。
　以上のように、本発明は、圧電発電装置及びその製造方法に有用であり、特に、発電効率を改善できる圧電発電装置の製造が容易である点で優れている。
　１０…本体部
　１１…圧電素子層
　１１ａ…固定部
　１２，１３…セパレータ層
　１４，１５…蓋層
　２１…振動部
　２２，２３…電力取出し電極
　２５…貫通溝部
　３１…空洞
　３５，３６…外部電極
　４１，４２…容量電極

Claims (14)

  1. 　少なくとも一つの共振周波数を有する圧電発電装置において、
    　表裏面に電力取出し電極を形成した振動部を有する圧電素子層と、
    　前記圧電素子層に積層され、前記振動部が振動できる空洞を有するセパレータ層と、
    　前記セパレータ層に積層された蓋層と、
    　からなる本体部を備え、
    　前記本体部の表面に前記電力取出し電極と電気的に接続可能な外部電極を有し、
    　前記圧電素子層と前記セパレータ層と前記蓋層とがセラミックスからなること、
    　を特徴とする圧電発電装置。
  2. 　前記圧電素子層と前記セパレータ層と前記蓋層とが、熱膨張率のほぼ等しいセラミックス材料からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電発電装置。
  3. 　前記圧電素子層と前記セパレータ層と前記蓋層とが、同一組成のセラミックス材料からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電発電装置。
  4. 　前記振動部の共振周波数が異なる複数の前記圧電素子層が前記セパレータ層を介して積層されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧電発電装置。
  5. 　一つの圧電素子層に複数の振動部が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の圧電発電装置。
  6. 　前記複数の振動部はそれぞれ共振周波数が異なっていることを特徴とする請求項５に記載の圧電発電装置。
  7. 　前記振動部は長さ振動モードで動作することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の圧電発電装置。
  8. 　前記振動部は表裏電極以外に中間電極を形成し屈曲振動モードで動作することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の圧電発電装置。
  9. 　前記屈曲振動モードで動作する同じ共振周波数の二つの圧電素子層を重ね合わせて互いに共鳴させることを特徴とする請求項８に記載の圧電発電装置。
  10. 　前記圧電素子層、前記セパレータ層又は前記蓋層のいずれかに、前記電力取出し電極と電気的に接続可能な容量電極が形成されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の圧電発電装置。
  11. 　請求項１に記載の圧電発電装置の製造方法であって、
    　所定のセラミックス材料にて前記圧電素子層、前記セパレータ層及び前記蓋層となるセラミックシートを形成する工程と、
    　前記圧電素子層となるセラミックシートに振動部を形成する工程と、
    　前記セパレータ層となるセラミックシートに空洞を形成する工程と、
    　前記セラミックシートを所定の順序で積層、圧着して積層体を得る工程と、
    　前記積層体を焼成する工程と、
    　前記圧電素子層の振動部を分極処理する工程と、
    　を備えたことを特徴とする圧電発電装置の製造方法。
  12. 　前記圧電素子層と前記セパレータ層と前記蓋層とを、熱膨張率のほぼ等しいセラミックス材料から形成することを特徴とする請求項１１に記載の圧電発電装置の製造方法。
  13. 　前記圧電素子層と前記セパレータ層と前記蓋層とを、同一組成のセラミックス材料から形成することを特徴とする請求項１１に記載の圧電発電装置の製造方法。
  14. 　前記圧電素子層は、セラミックシートに貫通溝部を形成することにより所定の共振周波数を有する前記振動部が形成され、前記貫通溝部にカーボンペーストを充填した状態で焼成されること、を特徴とする請求項１１ないし請求項１３のいずれかに記載の圧電発電装置の製造方法。
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