WO2010147080A1 - 圧電発電装置 - Google Patents

圧電発電装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2010147080A1
WO2010147080A1 PCT/JP2010/060030 JP2010060030W WO2010147080A1 WO 2010147080 A1 WO2010147080 A1 WO 2010147080A1 JP 2010060030 W JP2010060030 W JP 2010060030W WO 2010147080 A1 WO2010147080 A1 WO 2010147080A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piezoelectric
piezoelectric element
substrate
rigidity
changing
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/060030
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
睦弘 堀口
秀和 大石橋
開田　弘明
Original Assignee
株式会社村田製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
Priority to JP2011519770A priority Critical patent/JP5120502B2/ja
Publication of WO2010147080A1 publication Critical patent/WO2010147080A1/ja
Priority to US13/316,691 priority patent/US8513861B2/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186—Vibration harvesters
    • H02N2/188—Vibration harvesters adapted for resonant operation
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • 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
    • H10N30/306—Cantilevers

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric power generator, and more particularly to a piezoelectric power generator for taking out electric power by changing kinetic energy into electric energy using a piezoelectric element.
  • Patent Documents 1, 2, and 3 Those described in (1) are known.
  • Patent Document 1 Generally, one end of a piezoelectric substrate is fixed, and the other end is supported as a cantilever with a mass provided as a free end.
  • the piezoelectric substrate is made thinner toward the free end, and in Patent Document 2, the piezoelectric substrate is made thinner toward the free end.
  • Patent Document 3 describes a piezoelectric device that is configured in a so-called zigzag manner with continuous piezoelectric elements including a plurality of linear portions that are arranged parallel to each other and stacked.
  • the length of the cantilever is required to increase the amount of power generation, and a large vibration space is also necessary. Will become larger.
  • the piezoelectric device described in Patent Document 3 can be reduced in size, but has a problem that stress tends to concentrate on the fixed ends of the stacked piezoelectric elements, and the fixed ends are easily damaged. Moreover, effective measures are not necessarily taken for improvement of power generation efficiency.
  • an object of the present invention is to provide a piezoelectric power generation device that eliminates the possibility of the fixed portion being destroyed by applying substantially equal stress to each of a plurality of piezoelectric elements and has high power generation efficiency.
  • a plurality of piezoelectric elements having a strip shape in which electrodes are formed on a substrate are coupled at both end portions thereof, and provided with a piezoelectric laminate that can vibrate other than the coupled portions,
  • a part of the piezoelectric laminate is a fixed part and an end part is a free end,
  • Each of the piezoelectric elements has a reduced rigidity from the fixed portion toward the free end, It is characterized by.
  • each piezoelectric element has a smaller rigidity from the fixed portion toward the free end.
  • each piezoelectric element has a smaller stiffness.
  • the stress acting on the piezoelectric element becomes substantially uniform, and the problem that the fixed portion is easily broken is solved.
  • the power generation efficiency is improved.
  • the rigidity of each piezoelectric element can be changed by changing the thickness of the substrate, changing the width of the substrate, changing the length of the substrate, changing the material of the substrate, or changing the density of the substrate.
  • the stress acting on each piezoelectric element from the fixed portion toward the free end becomes substantially uniform, which eliminates the problem that the fixed portion is easily broken and improves the power generation efficiency.
  • a piezoelectric power generation device includes a piezoelectric laminated body 10 having a laminated structure shown in FIG. That is, as will be described in detail below, a plurality of strip-shaped piezoelectric elements 11 (11-1, 11-2... 11-n) having electrodes formed on the front and back surfaces of a substrate are coupled at both end portions ( The coupling portion is indicated by reference numeral 12), and portions other than the coupling portion 12 can be vibrated.
  • One end of the uppermost piezoelectric element 11-1 is a fixed portion
  • the lowermost piezoelectric element 11-n is a free end
  • a weight 35 is fixed.
  • each piezoelectric element 11 is a bimorph type in which two piezoelectric substrates are joined, and is indicated by arrows on the right half and the left half in the long side direction with the central portion of each substrate as a boundary.
  • the polarization direction is formed in reverse (the polarization direction is reversed).
  • the rigidity of each piezoelectric element 11 is reduced from the fixed portion 30 toward the free end (in other words, from the uppermost layer toward the lowermost layer). Rigidity may be rephrased as a spring constant.
  • a box shape surrounding the piezoelectric laminate 10 is preferable, and a metal or ceramic having a high density is preferably used as a material.
  • the piezoelectric power generating device having the above schematic configuration, when vibration is applied to the weight 35, the vibration is gradually transmitted from the lowermost piezoelectric element 11-n to the uppermost piezoelectric element 11-1, and the piezoelectric laminate 10 Vibrates as a whole, and electric power is extracted from the electrodes.
  • the electrodes formed on each piezoelectric element 11 and their electrical connection state will be described later.
  • the power generation energy of the piezoelectric body is proportional to the square of the d constant of the piezoelectric body, the volume of the piezoelectric body on which the stress is applied, the square of the stress, the wave number, and inversely proportional to the dielectric constant of the piezoelectric body.
  • the wave number is determined by the resonance frequency of the element, but by setting the resonance frequency of the piezoelectric body within the vibration frequency band, a large amount of power generation can be obtained with a small acceleration.
  • the vibration frequency existing in the natural world is very low.
  • the frequency band of vibration accompanying walking is 0 Hz to several tens of Hz. It is preferable to make the frequency as low as several tens of Hz or less.
  • the piezoelectric power generation device has a zigzag fold structure in which a plurality of strip-shaped piezoelectric elements are coupled to each other at both ends.
  • the weight of the first stage element 35 and the weight of the second stage element or less are concentrated on the fixed portion 30, and the second stage element includes the weight element 35 and the third or lower element.
  • the resonance frequency of the power generation section is reduced without reducing the volume and without increasing the piezoelectric laminate 10 by thinning the piezoelectric elements 11 at each stage and increasing the number of stacked stages. Is possible.
  • the weight of the element at the lower stage is added to the piezoelectric element 11 at a certain stage, so that simply by stacking the elements 11 of the same thickness (rigidity), the fixed portion 30 and the uppermost element 11-1 has a problem of stress concentration. Therefore, in the present piezoelectric power generation apparatus, this problem is solved by changing the rigidity (spring constant) of the element 11 at each stage in order to distribute the stress to the element 11 at each stage.
  • Changing the rigidity of each piezoelectric element can be dealt with by changing the thickness of the substrate, changing the width of the substrate, changing the length of the substrate, changing the material of the substrate, or changing the density of the substrate, etc. Details thereof will be described later.
  • this piezoelectric power generation apparatus since a plurality of strip-shaped piezoelectric elements 11 that have been previously formed with an electrode or the like and are polarized are coupled at both ends to form the piezoelectric laminate 10, the formation of electrodes and the polarization process are special. However, it is extremely easy to use a normal manufacturing process of a piezoelectric element, and a required characteristic can be finished.
  • Each electrode described below can be easily connected by drawing the electrodes formed on the upper surface, the bonding surface and the lower surface of each piezoelectric element 11 to the side surface of each element 11 and making them conductive by sputtering on the side surface. Therefore, cost reduction can be achieved.
  • the weight 35 is not always necessary. In general, as shown in FIG. 3A, it is attached to the free end of the lowermost layer farthest from the fixing portion 30 of the uppermost piezoelectric element 11-1. In addition, you may arrange
  • FIG. 3 (B) assumes that the piezoelectric laminate 10 is positioned in the horizontal direction. Between the piezoelectric element 11-1 and the weight 35 provided at the other (free end), the piezoelectric element 11-1 is provided with a fixing portion 30. A spring member 36 may be interposed between the two. The position where the weight 35 is attached is arbitrary. As shown in FIG. 3C, the weight 35 is attached to the coupling portion 12 of the piezoelectric elements 11-4 and 11-5 of the intermediate layer, and the piezoelectric elements 11-1 and 11 at both ends. The end portion of ⁇ 8 may be the fixing portion 30.
  • FIG. 4 shows a first example of electrical connection of each piezoelectric element.
  • elements a1 and a2 and elements a3 and a4 whose polarization directions indicated by arrows are opposite to each other are connected in series.
  • each piezoelectric element 11 the shapes of the electrodes 15, 16, and 17 formed on the upper surface, the lower surface, and the bonding surface of each piezoelectric element 11 are as shown by hatching in FIG. That is, in each bimorph type piezoelectric element 11, the drawing directions of the upper and lower electrodes 15, 17 at the odd-numbered stage and the even-numbered stage are made different so that each electrode 15, 16, 17 extends to the side surface of the substrate.
  • the connection relationship shown in FIG. 4 is formed.
  • FIG. 6 shows a second example of electrical connection of each piezoelectric element.
  • elements a1, a3 and elements a2, a4 whose polarization directions indicated by arrows are opposite to each other are connected in parallel, (A1, a3) and elements (a2, a4) are connected in series.
  • each piezoelectric element 11 the shapes of the electrodes 15, 16, and 17 formed on the upper surface, the lower surface, and the bonding surface of each piezoelectric element 11 are as shown by hatching in FIG. That is, in each bimorph type piezoelectric element 11, the drawing directions of the upper and lower electrodes 15, 17 at the odd-numbered stage and the even-numbered stage are made different so that each electrode 15, 16, 17 extends to the side surface of the substrate.
  • the connection relationship shown in FIG. 6 is formed.
  • the electrodes 15, 16, and 17 shown in FIG. 7 have portions that are partially cut out in plan view. However, if the notches are provided in the upper and lower electrodes 15 and 17, the electrode 16 on the bonding surface may be formed on the entire surface. On the other hand, if the notch is formed in the electrode 16 on the bonding surface, the upper and lower electrodes 15 and 17 may be formed on the entire surface.
  • each piezoelectric element 11 By the way, as shown in FIGS. 5 and 7, in each piezoelectric element 11, the electrodes 15, 16, and 17 provided on the upper surface, the bonding surface, and the lower surface are notched at the side portions between the layers of the piezoelectric element 11.
  • the lead-out directions of the electrodes 15 and 17 on the upper surface and the lower surface of the piezoelectric element 11 are made different so as to be conducted in a predetermined connection relationship.
  • a cutout portion is formed in the central portion of the piezoelectric element 11 so that the opposing electrodes do not overlap.
  • the overlapping part and the notch part are set to the dimensional relationship of L1 / 5 with respect to the full length L1 of each piezoelectric element 11, respectively.
  • the overlapping portion and the cutout portion are set to have a dimensional relationship of L2 / 3. That is, the overlapping portions of the electrodes 15, 16, and 17 are formed in regions of about 1/3 from both ends with respect to the substantial electrode length L2.
  • the horizontal axis of FIG. 9 shows the value obtained by grading the length of one of the overlapping portions of the electrodes having the same length by the length of the substantial electrode as the substantial electrode overlapping degree (%).
  • the value of the overlapping degree of the substantial electrodes takes a value of 0 to 50%.
  • the vertical axis in FIG. 9 is a ratio of power generation energy (%) with a scale of 10%.
  • the power generation energy (J) when the degree of overlap of the real electrodes is changed (J) is 33%. In%, a ratio (%) that is gradually reduced by the value of the power generation energy that maximizes the power generation energy (J). That is, according to the experimental results shown in FIG.
  • the power generation energy ratio is as follows: the degree of overlap of the real electrodes is 82% at point A of 17%, 90% at point B of 23%, and point C at 27%. 95%, D point of 33% is 100%, 47% of E point is 95%, and 50% of F point is 90%. In this case, it is preferable to set the range of the overlapping degree of the substantial electrodes from 23% to 50% because the overlapping degree of the substantial electrodes can be 90% or more with respect to the maximum value of the generated energy that is 33%.
  • the overlapping degree of the substantial electrodes is 33%.
  • the horizontal axis indicates the number of layers from the first layer to the n-th layer of the piezoelectric material of each layer, and the vertical axis indicates the stress acting on the coupling surface of the piezoelectric element 11 of each layer.
  • characteristics (stress values corresponding to the number of layers) in the case where the thickness is uniform in each layer are also indicated by white diamond marks and white square marks.
  • the thickness since changing the thickness over the entire layer is complicated in processing, the thickness may be changed stepwise (for example, every two steps) in consideration of the balance between workability and stress.
  • FIG. 12 shows an example in which the length of the substrate is changed in order to change the rigidity of each piezoelectric element 11. That is, the length of the element substrate is gradually increased from the uppermost piezoelectric element 11-1 to the lowermost piezoelectric element 11-n, and thereby the spring constant of the uppermost piezoelectric element 11-1 is maximized. The lower the layer, the smaller it was. Note that the length may be changed stepwise (for example, every two steps) in consideration of the balance between workability and stress.
  • FIG. 13 shows an example in which the width of the substrate is changed in order to change the rigidity of each piezoelectric element 11. That is, the width of the element substrate is gradually shortened from the uppermost piezoelectric element 11-1 to the lowermost piezoelectric element 11-n, so that the spring constant of the uppermost piezoelectric element 11-1 is maximized. It was made to become so small that it went to the lower layer. Note that the width may be changed stepwise (for example, every two steps) in consideration of the balance between workability and stress.
  • the second moment of section may be gradually reduced from both end portions to the central portion of the element substrate.
  • FIG. 14 shows a shape in which the width dimension of the element 11 is gradually reduced from W to Wct toward the center.
  • FIG. 15 shows a shape in which the thickness dimension of the element 11 is gradually reduced from T to Tct toward the center.
  • each layer can be equalized by changing the rigidity of the piezoelectric element.
  • each layer if it is a simple strip (no central diaphragm), as shown by the curve c in FIG. 16, the positive and negative are opposite (if one end is compressive stress, the other end is tensile) (Stress) shows a stress distribution that becomes 0 in the central portion (same as the graph of FIG. 8), and the stress tends to concentrate on both end portions. Therefore, by making the stress at each point in the length direction of the element substrate proportional to the moment of inertia of the cross section at that point, the stress can be made substantially equal to the length direction at each piezoelectric element 11.
  • a curve d in FIG. 16 shows a stress distribution when a diaphragm is provided in the central portion as shown in FIG. As a result, the stress becomes substantially uniform in the power generation active region of the piezoelectric element 11, the average stress acting on the piezoelectric body is improved, and the power generation efficiency is improved.
  • the piezoelectric power generation device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified within the scope of the gist.
  • the piezoelectric element is a bimorph type in which two piezoelectric substrates are bonded.
  • a reinforcing plate may be disposed on the bonding surface of two piezoelectric substrates, and one piezoelectric element may be disposed.
  • Electrodes are formed on the upper and lower surfaces of the substrate, preferably a unimorph type in which a reinforcing plate is bonded to at least one main surface of one piezoelectric substrate.
  • the present invention is useful for a piezoelectric power generation apparatus, and in particular, by causing a substantially equal stress to act on each of a plurality of piezoelectric elements, there is no possibility that the fixed portion is broken and the power generation efficiency is high. It is excellent in a big point.
  • Piezoelectric laminate 11 (11-1, 11-2... 11-n): Piezoelectric element 12: Coupling portion 15, 16, 17: Electrode 30: Fixed portion 35: Weight

Abstract

　複数の圧電素子個々にほぼ均一な応力が作用して固定部が破壊されるおそれを解消し、かつ、発電効率の大きい圧電発電装置を得る。　基板に電極が形成された短冊状をなす複数の圧電素子１１（１１－１，１１－２…１１－ｎ）を、それらの両端部分で結合し、結合部１２以外は振動可能とした圧電積層体１０を備えた圧電発電装置。圧電積層体は最上層の素子１１－１の一部が固定部３０とされ、最下層の素子１１－ｎ（自由端）に錘３５が取り付けられている。各圧電素子１１は最上層の素子１１－１から最下層の素子１１－ｎに向かってそれぞれの剛性が小さくされている。

Description

圧電発電装置
　本発明は、圧電発電装置、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、蓄電装置などに電力を供給する圧電発電装置としては、例えば、特許文献１，２，３に記載のものが知られている。
　一般的には、圧電体基板の一端を固定し、他端を自由端として質量を設けた片持ち梁状態で支持している。特許文献１では、圧電体基板を自由端に向かって薄くしており、特許文献２では、圧電体基板を自由端に向かって幅細くしている。また、特許文献３には、互いに平行に配置されて積み重ねられた複数の直線部分を含む連続する圧電素子にて、いわゆるつづら折りに構成した圧電デバイスが記載されている。
　ところで、特許文献１，２に記載のような片持ち梁方式（カンチレバー型）の発電装置では、発電量を上げるにはカンチレバーの長さが必要であり、大きな振動空間も必要なので、どうしても発電装置が大型化してしまう。特許文献３に記載の圧電デバイスでは、小型化が可能ではあるが、スタックした圧電素子の固定端に応力が集中する傾向にあり、固定端が破損しやすいという問題点を有している。また、発電効率の向上に対して必ずしも有効な対策が施されていない。
特許平１０－５６７８４号公報 特開平１０－１７４４６２号公報 特許第４２２０９０１号公報
　そこで、本発明の目的は、複数の圧電素子個々にほぼ均等な応力を作用させることによって、固定部が破壊されるおそれを解消し、かつ、発電効率の大きい圧電発電装置を提供することにある。
　以上の目的を達成するため、本発明の一形態である圧電発電装置は、
　基板に電極が形成された短冊状をなす複数の圧電素子を、それらの両端部分で結合し、結合部分以外は振動可能とした圧電積層体を備え、
　前記圧電積層体はその一部が固定部とされるとともに端部は自由端とされ、
　前記各圧電素子は前記固定部から自由端に向かってそれぞれの剛性が小さくされていること、
　を特徴とする。
　前記圧電発電装置において、各圧電素子は固定部から自由端に向かってそれぞれの剛性が小さくされているため、換言すれば、ばね定数が小さくされているため、固定部から自由端に向かって各圧電素子に作用する応力がほぼ均等になり、固定部が破壊されやすいという問題点が解消され、同時に、発電効率が向上する。各圧電素子の剛性を変えるには、基板の厚みを変える、基板の幅を変える、基板の長さを変える、基板の材料を変える、あるいは、基板の密度を変えるなどで対処することができる。
　本発明によれば、固定部から自由端に向かって各圧電素子に作用する応力がほぼ均等になり、固定部が破壊されやすいという問題点が解消されるとともに発電効率が向上する。
本発明に係る圧電発電装置の基本的構成を示す概略構成図である。 前記圧電発電装置の要部を示す説明図である。 本発明に係る圧電発電装置における固定部と錘の位置関係を示す説明図である。 本発明に係る圧電発電装置における各圧電素子の電気的接続関係の第１例を示す説明図である。 前記第１例における各圧電素子の電極を示す説明図である。 本発明に係る圧電発電装置における各圧電素子の電気的接続関係の第２例を示す説明図である。 前記第２例における各圧電素子の電極を示す説明図である。 各圧電素子における表面応力分布を示すグラフである。 電極長さと発電エネルギーとの関係を示すグラフである。 各圧電素子の厚みを変えた圧電発電装置を示す概略構成図である。 厚みを変えた場合に圧電素子の各層における応力を示すグラフである。 各圧電素子の長さを変えた圧電発電装置を示す概略構成図である。 各圧電素子の幅を変えた圧電発電装置を示す概略構成図である。 幅を変化させた圧電素子を示す平面図である。 厚みを変化させた圧電素子を示す側面図である。 図１４の形状変化における圧電素子の表面応力分布を示すグラフである。
　以下、本発明に係る圧電発電装置の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
　（圧電発電装置の概略構成、図１及び図２参照）
　本発明に係る圧電発電装置は、図１に示す積層構造の圧電積層体１０からなる。即ち、以下に詳述するように基板の表裏面に電極が形成された短冊状をなす複数の圧電素子１１（１１－１，１１－２…１１－ｎ）をそれらの両端部分で結合し（結合部を符号１２で示す）、結合部１２以外は振動可能とされている。最上層の圧電素子１１－１の一端を固定部とし、最下層の圧電素子１１－ｎは自由端であり、錘３５が固定されている。
　図２に示すように、各圧電素子１１は２枚の圧電基板を接合させたバイモルフ型であり、各基板の中央部分を境にして長辺方向の右半分と左半分とで矢印で示すように分極方向が逆に形成（分極方向を反転）されている。また、各圧電素子１１は固定部３０から自由端に向かって（換言すれば、最上層から最下層に向かって）、それぞれの剛性が小さくされている。剛性とは、ばね定数と言い換えてもよい。
　ばね定数Ｋでいえば、最上層の圧電素子１１－１から最下層の圧電素子１１－ｎにかけて、Ｋ１≧Ｋ２≧Ｋ３≧……≧Ｋｎ（但し、全てのＫは全て同じではない）に設定されている。各圧電素子１１のばね定数は、Ｋ＝１２ＥＩ／Ｌ3（Ｅ：ヤング率、Ｉ：断面２次モーメント、Ｌ：梁の長さ）で示され、梁の長さ、厚み、幅、ヤング率などによって変えることができる。
　錘３５に関しては、極力空間部の有効利用を図るために、圧電積層体１０を囲むような箱形状が好ましく、密度の大きな金属あるいはセラミックスを素材とすることが好ましい。
　以上の概略構成からなる圧電発電装置においては、錘３５に振動が加わると、該振動は最下層の圧電素子１１－ｎから最上層の圧電素子１１－１に徐々に伝達され、圧電積層体１０が全体として振動し、電極から電力が取り出される。なお、各圧電素子１１に形成した電極とそれらの電気的接続状態については後述する。
　圧電体の発電エネルギーは圧電体のｄ定数の２乗と応力が作用される圧電体の体積、応力の２乗、波数に比例し、圧電体の誘電率に反比例する。これらのうち、波数は素子の共振周波数によって決まるが、圧電体の共振周波数は振動周波数帯域内に設定することにより小さな加速度で大きな発電量を得ることができる。しかし、一般的に自然界に存在する振動周波数は非常に低く、例えば、歩行に伴う振動の周波数帯域は０Ｈｚから数１０Ｈｚであり、歩行の振動によって大きな発電量を得るためには、圧電素子の共振周波数を数１０Ｈｚ以下と低くすることが好ましい。また、発電エネルギーを増加させるために体積を増加させる方法を用いる場合、例えば、単純な１枚の梁の断面積を大きくするときには、厚み、幅を大きくすると梁の断面２次モーメントが大きくなり、梁に加わる応力が小さくなる。そこで梁に加わる応力を低下させないために、梁に接続される錘３５の質量を増やしたり、梁の長さを長くするなどの対策を実施する必要がある。これらの対策は圧電発電装置の大型化につながる。
　そのために、前記圧電発電装置においては、短冊状の複数の圧電素子を互いに両端部で結合するつづら折り構造とした。この構造では、１段目の素子には錘３５と２段目以下の素子の重量が固定部３０に集中的に加重され、２段目の素子には、錘３５と３段目以下の素子の重量が加えられる。つまり、発電部そのものの質量を利用できるので、発電体積効率が向上する。また、発電部の共振周波数は、各段の圧電素子１１を薄くし、積層段数を増加させることにより、体積の低下を伴うことなく、また、圧電積層体１０を大きくすることなく、低周波化が可能である。
　ところで、つづら折り構造の圧電発電装置においては、ある段の圧電素子１１にはそれ以下の段の素子の重量が付加されるため、単に同一厚み（剛性）の素子１１を積層しただけでは、固定部３０と最上層の素子１１－１に応力集中する課題がある。そこで、本圧電発電装置では、各段の素子１１に応力を分散させるために、各段の素子１１の剛性（ばね定数）を変えることによりこの課題を解決している。各圧電素子の剛性を変えるには、基板の厚みを変える、基板の幅を変える、基板の長さを変える、基板の材料を変える、あるいは、基板の密度を変えるなどで対処することができ、それらの詳細は後述する。
　また、本圧電発電装置では、予め電極などを形成して分極処理した短冊状の複数の圧電素子１１を両端で結合して圧電積層体１０を構成するため、電極の形成や分極処理が特殊なものではなく、通常の圧電素子の製造工程を用いて極めて容易であり、必要とする特性に仕上げることができる。以下に説明する各電極の接続も、各圧電素子１１の上面、接合面及び下面に形成された電極を各素子１１の側面に引出し、側面においてスパッタなどで導通させればよく、加工性が容易であり、低コスト化を達成できる。
　（固底部と錘の位置関係、図３参照）
　前記錘３５は必ずしも必要ではない。一般的には、図３（Ａ）に示すように、最上層の圧電素子１１－１の固定部３０から最も離れた最下層の自由端に取り付けられる。なお、本圧電発電装置は重力とは直交する水平方向に配置してもよい。図３（Ｂ）は圧電積層体１０を水平方向に位置させる場合を想定したもので、一方の圧電素子１１－１に固定部３０を設け、他方（自由端）に設けた錘３５との間にばね部材３６を介在させてもよい。錘３５を取り付ける位置は任意であって、図３（Ｃ）に示すように、中間層の圧電素子１１－４，１１－５の結合部１２に取り付け、両端部の圧電素子１１－１，１１－８の端部を固定部３０としてもよい。
　（素子の電気的接続の第１例、図４及び図５参照）
　図４に各圧電素子の電気的接続の第１例を示す。この第１例では、図４に示すように、バイモルフ型の各圧電素子１１において、矢印で示す分極方向が互いに逆である素子ａ１，ａ２及び素子ａ３，ａ４を直列に接続したものである。
　この第１例において各圧電素子１１の上面、下面及び接合面に形成される電極１５，１６，１７の形状は図５に斜線を付して示すとおりである。即ち、各バイモルフ型の圧電素子１１において、奇数段と偶数段での上面及び下面の電極１５，１７の引出し方向を異ならせ、各電極１５，１６，１７を基板の側面にまで延在させて図４に示す接続関係を形成している。
　（素子の電気的接続の第２例、図６及び図７参照）
　図６に各圧電素子の電気的接続の第２例を示す。この第２例では、図６に示すように、バイモルフ型の各圧電素子１１において、矢印で示す分極方向が互いに逆である素子ａ１，ａ３及び素子ａ２，ａ４を並列に接続し、かつ、素子（ａ１，ａ３）と素子（ａ２，ａ４）を直列に接続したものである。
　この第２例において各圧電素子１１の上面、下面及び接合面に形成される電極１５，１６，１７の形状は図７に斜線を付して示すとおりである。即ち、各バイモルフ型の圧電素子１１において、奇数段と偶数段での上面及び下面の電極１５，１７の引出し方向を異ならせ、各電極１５，１６，１７を基板の側面にまで延在させて図６に示す接続関係を形成している。
　なお、図７に示した電極１５，１６，１７は平面視で部分的に切り欠かれた部分を有している。しかし、上面及び下面の電極１５，１７に切り欠きを設ければ、接合面の電極１６は全面に形成したものであってもよい。一方、接合面の電極１６に切り欠きを設ければ、上面及び下面の電極１５，１７は全面に形成したものであってもよい。
　（電極の配置、図５、図７～図９参照）
　ところで、図５及び図７に示したように、各圧電素子１１において、上面、接合面及び下面に設けた電極１５，１６，１７は、圧電素子１１の各層間を側面部分が切り欠かれて圧電素子１１の上面及び下面の電極１５，１７の引出し方向を異ならせており、所定の接続関係で導通させる。圧電素子１１の中央部分は対向する電極が重ならないように切欠き部分が形成されている。そして、各圧電素子１１の全長Ｌ１に対して重なり部分と切欠き部分はそれぞれＬ１／５の寸法関係に設定されている。また、電極１５，１６，１７の圧電素子１１のＬ１方向の両端部に配置されているＬ１／５の長さに相当する引出し電極部分を除く電極の長さ、つまり、実質電極の長さＬ２に対して重なり部分と切欠き部分はそれぞれＬ２／３の寸法関係に設定されている。つまり、電極１５，１６，１７の重なり部分は実質電極の長さＬ２に関してその両端からそれぞれ約１／３の領域に形成している。
　圧電素子１１の断面２次モーメントが長さ方向に一様な場合、本実施例での積層構造における素子１１の両端での応力は、図８に示すように、正負が逆（一端が圧縮応力の場合、他端は引張り応力）になり、中央で応力が０になる。図８の縦軸は単位をＰａとする。各圧電素子１１で発生する発電エネルギーは電極の実質電極の長さをＬ２とすると、図９に示すように、実質電極両端からそれぞれ重なり部分を等しい長さで伸ばすとき、電極の重なり部分が一定の条件において最大の発電エネルギーを得ることができる。
　ここで、互いに長さの等しい電極の重なり部分の一方の長さを実質電極の長さで徐した値を実質電極の重なり度（％）として図９の横軸に示す。実質電極の重なり度の値は０～５０％の値をとる。図９の縦軸は、一目盛りが１０％の発電エネルギー比（％）であり、実質電極の重なり度（％）を変化させたときの発電エネルギー（Ｊ）を、実質電極の重なり度が３３％において、発電エネルギー（Ｊ）が最大となる発電エネルギーの値で徐した割合（％）とする。つまり、図９に示される実験結果によれば、発電エネルギー比は、実質電極の重なり度が、それぞれ、１７％のＡ点で８２％、２３％のＢ点で９０％、２７％のＣ点で９５％、３３％のＤ点で１００％、４７％のＥ点で９５％、及び、５０％のＦ点で９０％となる。この場合、実質電極の重なり度の範囲を２３％から５０％に設定すれば、実質電極の重なり度が３３％である発電エネルギーの最大値に対して９０％以上の値にできるため好ましい。さらに、圧電素子の中央に電極重なり部分を有さないことにより圧電体の応力と分極方向とが反転される電荷分布の不安定な領域での電力取出し量が抑制されるため安定した発電エネルギーが得られるためより好ましい。またさらに、実質電極の重なり度の範囲を２７％から４７％に設定すれば、発電エネルギーの最大値に対して９５％以上の値にできるためより好ましい。なお、図４、図７で示される実施形態においては、実質電極の重なり度は３３％である。
　（素子の剛性の変化、図１０～図１６参照）
　各圧電素子１１の剛性を変えるために、基板の厚みを変えた例を図１０に示す。つまり、最上層の圧電素子１１－１から最下層の圧電素子１１－ｎにかけて素子基板の厚みを徐々に薄くし、これにて最上層の圧電素子１１－１のばね定数を一番大きくし、下層にいくほど小さくなるようにした。
　これにて、図１１に示すように、各層の圧電素子１１の結合部１２との境の表面での応力をほぼ均等に分散することが可能になり、例えば、固定部への応力集中が緩和されることで信頼性を向上させ、各層の圧電体に作用する最大主応力の総和が増大されることで発電量を大きくさせることができる。ちなみに、図１１は横軸が各層の圧電体の１層目からｎ層目までの層数、縦軸が各層の圧電素子１１の結合面に作用する応力であり、白抜き三角形印及びＸ印が圧電素子１１の厚みを徐々に薄くした場合の特性（各層数に対応する応力値）である。図１１には、比較のために厚みが各層で均等な場合の特性（各層数に対応する応力値）も白抜き菱形印及び白抜き四角形印で示している。なお、全層にわたって厚みを変えるのは、加工上煩雑であるので、加工性と応力との兼ね合いを考慮して段階的（例えば２段ごと）に厚みを変化させてもよい。
　各圧電素子１１の剛性を変えるために、基板の長さを変えた例を図１２に示す。つまり、最上層の圧電素子１１－１から最下層の圧電素子１１－ｎにかけて素子基板の長さを徐々に長くし、これにて最上層の圧電素子１１－１のばね定数を一番大きくし、下層にいくほど小さくなるようにした。なお、加工性と応力との兼ね合いを考慮して段階的（例えば２段ごと）に長さを変化させてもよい。
　各圧電素子１１の剛性を変えるために、基板の幅を変えた例を図１３に示す。つまり、最上層の圧電素子１１－１から最下層の圧電素子１１－ｎにかけて素子基板の幅を徐々に短くし、これにて最上層の圧電素子１１－１のばね定数を一番大きし、下層にいくほど小さくなるようにした。なお、加工性と応力との兼ね合いを考慮して段階的（例えば２段ごと）に幅を変化させてもよい。
　前述のように素子基板の厚み、長さ、幅を変えていくことに加えて、素子基板の両端部から中央部にかけて断面２次モーメントを徐々に小さくしていくようにしてもよい。図１４には素子１１の幅寸法を中央部に向かってＷからＷｃｔへと徐々に細くしていく形状を示す。また、図１５には素子１１の厚み寸法を中央部に向かってＴからＴｃｔへと徐々に薄くしていく形状を示す。
　前述のように、圧電素子の剛性を変化させれば、各層における応力を均等化できる。但し、各層（各圧電素子１１）においては単純な短冊状（中央部絞りなし）であれば、図１６の曲線ｃに示すように、正負が逆（一端が圧縮応力の場合、他端は引張り応力）で中央部分で０になる応力分布を示し（図８のグラフと同じ）、両端部分に応力が集中する傾向にある。そこで、素子基板の長さ方向各点における応力と、その点における断面２次モーメントを比例させることにより、各圧電素子１１での長さ方向に対して応力をほぼ均等にすることができる。図１６の曲線ｄは図１４に示したように中央部分に絞りを設けた場合の応力分布を示している。これにて、圧電素子１１の発電活性領域において応力がほぼ均等になり、圧電体に作用する平均応力が向上し、発電効率が向上する。
　（他の実施形態）
　なお、本発明に係る圧電発電装置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。
　例えば、前記実施形態では圧電素子は２枚の圧電基板が接合されたバイモルフ型のものを示したが、２枚の圧電基板の接合面に補強版が配置されていてもよく、１枚の圧電基板の上下面に電極が形成される、好ましくは１枚の圧電基板の少なくとも一方の主面に補強板を接合したユニモルフ型であってもよい。
　以上のように、本発明は、圧電発電装置に有用であり、特に、複数の圧電素子個々にほぼ均等な応力を作用させることによって、固定部が破壊されるおそれがなく、かつ、発電効率が大きい点で優れている。
　１０：圧電積層体
　１１（１１－１，１１－２…１１－ｎ）：圧電素子
　１２：結合部
　１５，１６，１７：電極
　３０：固定部
　３５：錘

Claims (8)

  1. 　基板に電極が形成された短冊状をなす複数の圧電素子を、それらの両端部分で結合し、結合部分以外は振動可能とした圧電積層体を備え、
    　前記圧電積層体はその一部が固定部とされるとともに端部は自由端とされ、
    　前記各圧電素子は前記固定部から自由端に向かってそれぞれの剛性が小さくされていること、
    　を特徴とする圧電発電装置。
  2. 　前記各圧電素子の剛性は基板の厚みを変えることによって調整され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。
  3. 　前記各圧電素子の剛性は基板の幅を変えることによって調整され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。
  4. 　前記各圧電素子の剛性は基板の長さを変えることによって調整され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。
  5. 　前記各圧電素子の剛性は基板の材料を変えることによって調整され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。
  6. 　前記各圧電素子の剛性は基板の密度を変えることによって調整され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。
  7. 　前記各圧電素子は基板の中央部分を境にして長辺方向の右半分と左半分とで分極方向が逆に形成されており、基板に形成した電極は該電極の両端から長辺方向長さの１／３の部分で重なり合っていること、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. 　前記圧電積層体を構成する各圧電素子のうち最も剛性の大きい圧電素子が固定部とされ、最も剛性の小さい圧電素子に錘が取り付けられていること、を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の圧電発電装置。
PCT/JP2010/060030 2009-06-15 2010-06-14 圧電発電装置 WO2010147080A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011519770A JP5120502B2 (ja) 2009-06-15 2010-06-14 圧電発電装置
US13/316,691 US8513861B2 (en) 2009-06-15 2011-12-12 Piezoelectric power generator

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009142789 2009-06-15
JP2009-142789 2009-06-15

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US13/316,691 Continuation US8513861B2 (en) 2009-06-15 2011-12-12 Piezoelectric power generator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010147080A1 true WO2010147080A1 (ja) 2010-12-23

Family

ID=43356398

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2010/060030 WO2010147080A1 (ja) 2009-06-15 2010-06-14 圧電発電装置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8513861B2 (ja)
JP (1) JP5120502B2 (ja)
WO (1) WO2010147080A1 (ja)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013158117A (ja) * 2012-01-30 2013-08-15 Mitsuba Corp 発電装置
JP2015006064A (ja) * 2013-06-20 2015-01-08 住友理工株式会社 磁歪式振動発電装置
KR101512286B1 (ko) * 2013-01-29 2015-04-15 한국과학기술연구원 에너지 하베스터
JP2015211626A (ja) * 2014-04-30 2015-11-24 住友理工株式会社 磁歪式振動発電装置
JPWO2016060065A1 (ja) * 2014-10-17 2017-08-31 国立大学法人東北大学 回転系装着型圧電発電装置、自立無線通信端末、および無線通信システム

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102710168A (zh) * 2012-05-21 2012-10-03 西安交通大学 一种低频多方向振动能量回收装置
CN102820806B (zh) * 2012-08-27 2015-05-20 杭州电子科技大学 双叉指电极式压电微能源发生器
CA2827946A1 (en) * 2012-09-19 2014-03-19 The Governors Of The University Of Alberta Piezoelectric apparatus for harvesting energy for portable electronics and method for manufacturing same
JP6836129B2 (ja) * 2016-09-26 2021-02-24 セイコーエプソン株式会社 駆動装置、圧電モーター、電子部品搬送装置およびロボット
JP6474868B1 (ja) * 2017-08-29 2019-02-27 株式会社トライフォース・マネジメント 発電素子
US10756643B2 (en) 2017-11-24 2020-08-25 University Of Macau Flipping-capacitor rectifier circuit

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01186179A (ja) * 1988-01-21 1989-07-25 Toshiba Corp 静電アクチュエータ
JP2008283157A (ja) * 2007-05-11 2008-11-20 Michio Tsujiura シートタイプ圧電発電モジュール
JP2008284532A (ja) * 2007-05-21 2008-11-27 Michio Tsujiura 圧電シート発電用バイモルフ振動子
WO2009063610A1 (ja) * 2007-11-13 2009-05-22 Kohei Hayamizu 発電ユニット

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04220901A (ja) 1990-12-21 1992-08-11 Kido Ryuichi 投光器
JPH1056784A (ja) 1996-08-08 1998-02-24 Seiko Epson Corp 発電装置および電子機器
JP3355971B2 (ja) 1996-12-12 2002-12-09 株式会社日本自動車部品総合研究所 圧電変換型電源及びその圧電変換振動子
US6433465B1 (en) * 2000-05-02 2002-08-13 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Energy-harvesting device using electrostrictive polymers
EP1444737A1 (en) * 2001-10-30 2004-08-11 1... Limited Piezoelectric devices
WO2007061610A1 (en) * 2005-11-18 2007-05-31 Par Technologies, Llc Human powered piezoelectric power generating device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01186179A (ja) * 1988-01-21 1989-07-25 Toshiba Corp 静電アクチュエータ
JP2008283157A (ja) * 2007-05-11 2008-11-20 Michio Tsujiura シートタイプ圧電発電モジュール
JP2008284532A (ja) * 2007-05-21 2008-11-27 Michio Tsujiura 圧電シート発電用バイモルフ振動子
WO2009063610A1 (ja) * 2007-11-13 2009-05-22 Kohei Hayamizu 発電ユニット

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013158117A (ja) * 2012-01-30 2013-08-15 Mitsuba Corp 発電装置
KR101512286B1 (ko) * 2013-01-29 2015-04-15 한국과학기술연구원 에너지 하베스터
JP2015006064A (ja) * 2013-06-20 2015-01-08 住友理工株式会社 磁歪式振動発電装置
JP2015211626A (ja) * 2014-04-30 2015-11-24 住友理工株式会社 磁歪式振動発電装置
JPWO2016060065A1 (ja) * 2014-10-17 2017-08-31 国立大学法人東北大学 回転系装着型圧電発電装置、自立無線通信端末、および無線通信システム

Also Published As

Publication number Publication date
US20120080981A1 (en) 2012-04-05
US8513861B2 (en) 2013-08-20
JPWO2010147080A1 (ja) 2012-12-06
JP5120502B2 (ja) 2013-01-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5120502B2 (ja) 圧電発電装置
JP5720703B2 (ja) 圧電発電装置
JP2010522438A5 (ja)
WO2016175013A1 (ja) 圧電デバイス、圧電トランスおよび圧電デバイスの製造方法
JP4767369B1 (ja) 圧電発電素子および圧電発電素子を用いた発電方法
US8723398B2 (en) Piezoelectric energy harvesting apparatus
KR100759521B1 (ko) 압전 진동자
JP5474564B2 (ja) 圧電素子
JP2019530111A (ja) 触覚フィードバックを発生するためのデバイス
US20100084947A1 (en) High Efficiency Piezoelectric Energy Harvester Having Spiral Structure
US8779651B2 (en) Optimized device for converting mechanical energy into electrical energy
JP5549164B2 (ja) 圧電発電機
CN203872084U (zh) 一种压电发电悬臂梁机构
KR20130003017A (ko) 진동 발전 디바이스
US10826414B2 (en) Vibration-based energy harvester with strain optimised topology
CN102983781B (zh) 一种压电振动俘能器
JP5467821B2 (ja) 振動型アクチュエータ
JP4826660B2 (ja) 圧電発電装置
KR101286714B1 (ko) 압전 에너지 수확 장치
KR20210077330A (ko) 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터
KR100894615B1 (ko) 압전 발전기용 유니트 및 이를 포함하는 압전 발전기 시스템
JP3614009B2 (ja) 圧電アクチュエータ、圧電アクチュエータの駆動方法、携帯機器および時計
JP6673479B2 (ja) 圧電トランス
KR101234561B1 (ko) 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈
KR102141074B1 (ko) 넓은 동작 주파수 범위를 가지는 자기 결합으로 배열된 압전 에너지 하베스터

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10789455

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2011519770

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 10789455

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1