WO2017203737A1

WO2017203737A1 - 圧電発電装置

Info

Publication number: WO2017203737A1
Application number: PCT/JP2017/000043
Authority: WO
Inventors: 睦弘堀口
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2016-05-27
Filing date: 2017-01-04
Publication date: 2017-11-30
Anticipated expiration: 2018-11-27

Abstract

押圧に必要な荷重を小さくし得る、圧電発電装置を提供する。　ケース２内に板状の圧電発電素子３が収納されている、圧電発電装置１。圧電発電素子３を支持している第１の支持部２ｂ３と、第２の支持部２ａ１と、圧電発電素子３を押圧するための第１の押圧部２ｂ４とがケース２に設けられている。第１の支持部２ｂ３及び第１の押圧部２ｂ４が、圧電発電素子３の第１の主面３ａ側に配置されており、第２の支持部２ａ１が、第２の主面３ｂ側に配置されている。圧電発電素子３の第１，第２の主面３ａ，３ｂに平行な第１の方向において、第１の支持部２ｂ３と、第１の押圧部２ｂ４とが隔てられており、第１の方向において、第１の支持部２ｂ３と、第１の押圧部２ｂ４との間に、第２の支持部２ａ１が配置されている。

Description

圧電発電装置

　本発明は、板状の圧電発電素子の押圧による屈曲変形により電力を取り出す、圧電発電装置に関する。

　従来、板状の圧電発電素子を用いた圧電発電装置が種々提案されている。下記の特許文献１に記載の圧電発電装置では、矩形板状の圧電発電素子が、ケース内において支持されている。圧電発電素子の両端近傍が、ケースに設けられた支持台により支持されている。この圧電発電装置では、両持ちで圧電発電素子が支持されており、一対の支持台間の中央において圧電発電素子が上方から押圧される。

特開２００４－２８２９７８号公報

　特許文献１に記載の圧電発電装置では、圧電発電素子を屈曲させるのに必要な荷重が大きかった。そのため、操作性が十分でなかった。

　本発明の目的は、押圧に必要な荷重が小さい、圧電発電装置を提供することにある。

　本発明に係る圧電発電装置は、ケースと、前記ケース内に収納されており、対向し合う第１，第２の主面を有し、押圧された際の屈曲変形により発電する板状の圧電発電素子とを備え、前記圧電発電素子を支持している第１，第２の支持部と、前記圧電発電素子を押圧するための第１の押圧部とが、前記ケースに設けられており、前記第１の支持部及び前記第１の押圧部が前記第１の主面側に、前記第２の支持部が前記第２の主面側に配置されており、前記板状の圧電発電素子の主面に平行な第１の方向において、前記第１の支持部と、前記第１の押圧部とが隔てられており、前記第１の方向において、前記第１の支持部と前記第１の押圧部との間に、前記第２の支持部が配置されている。

　本発明に係る圧電発電装置のある特定の局面では、前記第１及び第２の支持部において、前記圧電発電素子が前記第１，第２の支持部に固定されることなく、支持されている。

　本発明に係る圧電発電装置の他の特定の局面では、前記第１の支持部において、押圧方向と反対方向に前記圧電発電素子が変位しないように、かつ、前記第２の支持部において前記押圧方向に前記圧電発電素子が変位しないように、前記圧電発電素子が支持されている。この場合には、圧電発電素子の押圧に必要な荷重をより効果的に小さくすることができる。

　本発明に係る圧電発電装置の別の特定の局面では、前記ケースが、開口を有するケース本体と、前記ケース本体の前記開口を覆うように前記ケース本体に固定されている蓋材とを有する。この場合には、圧電発電素子を保護することができる。また、蓋材を利用して、押圧部等を容易に設けることができる。

　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、前記第１の押圧部が位置する部分において前記蓋材に貫通孔が設けられており、該貫通孔内に挿入される第１の押圧部材がさらに備えられている。この場合には、第１の押圧部材を貫通孔に挿入するようにして、押圧を容易に行うことができる。

　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、前記第１の方向と直交し、かつ前記圧電発電素子の前記主面に平行である第２の方向において、前記第１の押圧部が複数設けられており、複数の前記第１の押圧部において、それぞれ貫通孔が設けられており、各貫通孔に挿入されている前記第１の押圧部材が前記第２の方向に延びる連結部材により一体化されている。この場合には、板状の圧電発電素子を、より一層効果的に屈曲させることができる。

　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、前記第１の支持部内において、前記圧電発電素子を押圧するための第２の押圧部が設けられている。この場合には、第２の押圧部においても、押圧により圧電発電素子を変形させることができる。

　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、前記第２の押圧部において、前記蓋材に貫通孔が形成されており、該貫通孔内に挿入される第２の押圧部材がさらに備えられている。この場合には、蓋材の貫通孔内に第２の押圧部材を挿入し、押圧するだけで、圧電発電素子を容易に変形させることができる。

　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、前記第２の方向において、前記第２の押圧部が複数設けられており、複数の前記第２の押圧部において、それぞれ貫通孔が設けられており、各貫通孔に挿入されている前記第２の押圧部材が前記第２の方向に延びる連結部材により一体化されている。この場合には、板状の圧電発電素子をより効果的に変形させることができる。

　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、前記板状の圧電発電素子が矩形板状の形状を有し、前記第１の方向が矩形板状の形状の長手方向である。この場合には、押圧に必要な荷重をより一層小さくすることができる。

　本発明に係る圧電発電装置によれば、圧電発電装置に与える応力が変わらないので、従来と同一の発電量で、発電に際しての押圧に必要な荷重を効果的に小さくすることができる。従って、圧電発電装置の操作性が高められる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の正面断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の平面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置で用いられている圧電発電素子を示す正面断面図である。図４は、比較例の圧電発電素子の押圧による変位を説明するための略図的正面図である。図５は、第１の実施形態における圧電発電素子の押圧による変位を説明するための略図的正面図である。図６は、比較例における、圧電発電素子の長手方向位置と、圧電体表面の応力との関係を示す図である。図７は、第１の実施形態における、圧電発電素子の長手方向位置と、圧電体表面の応力との関係を示す図である。図８は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置の正面断面図である。図９は、第３の実施形態に係る圧電発電装置の平面図である。図１０は、第３の実施形態に係る圧電発電装置の正面断面図である。図１１は、図９中のＣ－Ｃ線に沿う断面図である。図１２は、本発明の第３の実施形態において、圧電発電素子が屈曲変形した状態を示す斜視図である。図１３は、第３の実施形態で用いられている押圧部材を説明するための斜視図である。

　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。

　なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。また、文中の「上」「下」は図面の上下を指す。

　図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の正面断面図である。圧電発電装置１は、ケース２を有する。ケース２は、ケース本体２ａと、蓋材２ｂとを有する。ケース本体２ａは、上方の一面が開いた開口を有する。ケース本体２ａの開口を覆うように、蓋材２ｂが、ケース本体２ａに固定されている。

　ケース本体２ａ及び蓋材２ｂは、例えばセラミックスや金属などの適宜の剛性材料からなる。もっとも、蓋材２ｂは、柔軟性を有する樹脂フィルムなどにより構成されていてもよい。

　ケース２内に、板状の圧電発電素子３が収納されている。図３は、圧電発電素子３の正面断面図である。圧電発電素子３は、ＰＺＴなどの圧電体４を有する。圧電体４の一方主面に電極５ａが設けられている。圧電体４の他方主面に電極５ｂが設けられている。圧電体４及び電極５ａ，５ｂにより矩形の圧電素子６が構成されている。この矩形板状の圧電素子６に、金属板７が接合されている。電極５ａ，５ｂは、適宜の金属材料からなる。金属板７は、ステンレスや、適宜の金属もしくは合金からなる。金属板７は、弾性を有する。金属板７に圧電素子６が貼り合わされて、ユニモルフ型の圧電発電素子が構成されている。なお、ユニモルフ型に限らず、バイモルフ型の圧電素子を用いて圧電発電素子が構成されていてもよい。

　圧電発電素子３は矩形板状の形状を有する。圧電発電素子３の電極５ａ側の面を第１の主面３ａとする。金属板７の圧電素子６とは反対側の面が第２の主面３ｂとなる。すなわち、圧電発電素子３は、対向し合う第１，第２の主面３ａ,３ｂを有する。

　圧電発電素子３は、上記のようにユニモルフ型の圧電発電素子であるため、例えば矩形板状の形状において、屈曲変形すると、圧電効果により電荷を発生させる。それによって、電力を取り出すことができる。

　図１に戻り、蓋材２ｂは、略矩形板状の形状を有する。この蓋材２ｂの下面２ｂ１において、外周部が、ケース本体２ａ側に突出している。この突出している部分が、ケース本体２ａの上端面に接合されている。

　本実施形態では、圧電発電素子３の長手方向Ｌが、本発明における第１の方向である。すなわち、第１の方向である長手方向Ｌは、圧電発電素子３の第１，第２の主面３ａ，３ｂに平行な方向である。この長手方向Ｌと直交する方向であって、圧電発電素子３の第１，第２の主面３ａ，３ｂに平行な方向が第２の方向である。本実施形態では、第２の方向は、略矩形板状の形状における幅方向である。上記長手方向Ｌにおいて、一端側に、第１の支持部２ｂ３が設けられている。第１の支持部２ｂ３は、下面２ｂ１よりもケース本体２ａ側に突出しており、圧電発電素子３の第１の主面３ａに当接されている。

　蓋材２ｂには、圧電発電素子３の長手方向Ｌにおいて、第１の支持部２ｂ３が設けられている側とは反対側に第１の押圧部２ｂ４が設けられている。第１の押圧部２ｂ４は、蓋材２ｂの上面２ｂ２から下面２ｂ１を貫いている貫通孔を有する。この貫通孔内に、第１の押圧部材８が挿入されている。第１の押圧部材８は、上記貫通孔の径よりも大きな底面積を有する操作部８ａと、操作部８ａの下面から貫通孔内に延びる押圧部８ｂとを有する。

　第１の押圧部材８を図示の状態から下方に移動させることにより、押圧部８ｂにより、圧電発電素子３の一端側を下方に変位させることができる。

　ところで、上記第１の押圧部２ｂ４と、第１の支持部２ｂ３との間に、第２の支持部２ａ１が設けられている。第２の支持部２ａ１は、ケース本体２ａの底面から上方に延びるように設けられている。第２の支持部２ａ１は、その先端が半球状とされている。もっとも、第２の支持部２ａ１の先端は、円錐台や角錐台などの形状を有していてもよい。また、第２の支持部２ａ１は、円柱状や角柱状であってもよい。

　好ましくは、第２の支持部２ａ１は、第１の支持部２ｂ３と、第１の押圧部２ｂ４との間の中央に位置していることが望ましい。

　第２の支持部２ａ１は、第２の主面３ｂに当接されている。従って、圧電発電素子３では、第１の主面３ａ側に、第１の支持部２ｂ３と、第１の押圧部２ｂ４とが位置しており、第２の主面３ｂ側に第２の支持部２ａ１が位置している。

　なお、ケース本体２ａには、ガイド１１，１２が設けられている。ガイド１１，１２は、長手方向Ｌにおいて対向し合う内側面から、内側に突出するように設けられている。ガイド１１，１２を設けることにより、圧電発電素子３の長手方向への所望でない移動を抑制することができる。もっとも、ガイド１１，１２は必ずしも設けられずともよい。

　また、幅方向における圧電発電素子の位置ずれを防止するために、同様に、幅方向において対向し合う内側面にガイドを設けてもよい。

　また、上記第２の支持部２ａ１は、ケース本体２ａと同じ材料で一体で構成されている。もっとも、第２の支持部２ａ１は、ケース本体２ａと異なる材料からなるものであってもよい。その場合には、第２の支持部２ａ１を、ケース本体２ａの底面に接合することにより、一体化され得る。

　発電に際しては、第１の押圧部材８を下方に移動させるように荷重を加えると、押圧部８ｂの先端が、圧電発電素子３の第１の主面３ａを下方に変位させる。第１の押圧部材８の移動方向が本願発明の「押圧方向」に相当する。圧電発電素子３が前記第１，第２の支持部２ｂ３，２ａ１に固定されることなく、支持されているため、圧電発電素子３は、第１の支持部２ｂ３と接触している部分では、押圧方向と逆方向への変位が規制される。また、第２の支持部２ａ１が設けられている部分においては、圧電発電素子３の第２の主面３ｂは、押圧方向にそれ以上変位しないように変位が規制される。そのため、圧電発電素子３は、図５に示すように屈曲変形する。この場合の荷重は、特許文献１に記載のように、圧電発電素子が両持ちで支持されている場合に比べて１／２となる。これを、図４～図８を参照して説明する。

　図４は、比較例の圧電発電素子の押圧による変位を説明するための略図的正面図である。比較例の圧電発電素子１０１では、両端で支持されており、長手方向中央において上方から荷重を加える。その結果、矢印Ａで示すように、長手方向中央部が下方に突出するように屈曲変形する。以下にシミュレーションの結果を示す。長手方向中央に１Ｎの荷重Ａを加えて５０Ｖの発電電圧が得られる変位量を測定した。その結果、荷重を加えていない状態である基準点から３４．８μｍの変位が得られた。

　他方、図５に示すように、本実施形態の圧電発電素子３では、第１の支持部２ｂ３と、第２の支持部２ａ１とで支持されているため、長手方向において第１の支持部２ｂ３とは反対側の、前述した第１の押圧部２ｂ４において、下方に向かって押圧される。その結果、矢印Ｂで示すように、圧電発電素子３の先端が下方に変位する。以下にシミュレーションの結果を示す。第１の押圧部２ｂ４に０．５Ｎの荷重Ｂを加えて５０Ｖの発電電圧が得られる変位量を測定した。その結果、荷重を加えていない状態である基準点から６９．６μｍの変位が得られた。

　図６は、上記比較例の圧電発電素子１０１における長手方向位置と、圧電体表面の応力との関係を示す図であり、図７は、圧電発電素子３における長手方向位置と、圧電体表面の応力との関係を示す図である。本実施形態と比較例では、それぞれの圧電発電素子に与えられる応力がほとんど同一であるので、同一の発電電圧が得られている。

　図４及び図６に示す圧電発電素子１０１の場合に比べ、図５及び図７に示す本実施形態の圧電発電素子３では、バネ定数が低くなる。そのため、１／２の荷重を加えた場合であっても、最大変位量を比較例の場合の２倍とすることができる。ここで、最大変位量とは、圧電発電素子１０１では、長手方向中央における変位量となり、圧電発電素子３では、長さ方向一端側における変位量となる。

　上記のように、第１の実施形態に係る圧電発電装置１では、圧電発電素子３が、第１の支持部２ｂ３と第２の支持部２ａ１とで支持され、第１の押圧部２ｂ４と、第１の支持部２ｂ３との間に第２の支持部２ａ１が上記のように設けられているため、発電に際し、従来と同一の発電量で、押圧に必要な荷重を効果的に小さくすることができる。

　圧電発電素子３では、上記第１の押圧部材８により、圧電発電素子３を押圧する操作が繰り返されることにより、圧電効果により生じた電荷に基づき、電力を取り出すことができる。

　なお、上記実施形態では、蓋材２ｂに貫通孔を設け、第１の押圧部２ｂ４を設けていたが、貫通孔に限らず、例えば蓋材２ｂにおいて、第１の押圧部２ｂ４を構成する部分において、指等によって容易に変形し得るような薄肉部を設けてもよい。このような場合、蓋材２ｂを、屈曲変形し得る合成樹脂フィルムにより構成すればよい。

　なお、図２は、圧電発電装置１の平面図である。図１では、図２のＩ－Ｉ線に沿う部分の断面が示されている。図２に示すように、長手方向である第１の方向と直交する幅方向である第２の方向において、複数の第１の押圧部２ｂ４が設けられている。このように、第１の押圧部２ｂ４は、第２の方向に沿って複数設けられていてもよい。なお、各第１の押圧部２ｂ４において、第１の押圧部材８，８が配置されている。

　押圧操作に際しては、第１の押圧部材８，８を同時に押圧してもよく、別々に押圧してもよい。

　その場合、第１の押圧部材８が押圧により降下した場合に、導通されるスイッチを各第１の押圧部材８に関連して設けてもよい。それによって、いずれの第１の押圧部材８が降下しているかを検出することができる。よって、いずれの第１の押圧部材８が押圧されているかを検出することも可能となる。

　図８は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置の正面断面図である。

　圧電発電装置２１は、第２の押圧部２ｂ５及び第２の押圧部材２２を有する。第２の押圧部２ｂ５は、第１の支持部２ｂ３内において、貫通孔を設けることにより構成されている。この貫通孔は、蓋材２ｂの上面２ｂ２から第１の支持部２ｂ３の下面に至るように設けられている。

　さらに、第１の押圧部２ｂ４が設けられている部分において、第３の支持部２ｂ６が設けられている。第３の支持部２ｂ６は、第１の支持部２ｂ３と同様に、蓋材２ｂの下面２ｂ１から圧電発電素子３側に突出している。そして、第３の支持部２ｂ６は、圧電発電素子３の第１の主面３ａに当接されている。

　その他の構成は圧電発電装置２１は、圧電発電装置１と同様であるため、同一部分については同一の参照番号を付することにより、その説明を省略する。

　圧電発電装置２１では、第１の押圧部２ｂ４において第１の押圧部材８を降下するように押圧して、第１の実施形態の場合と同様に電力を取り出すことができる。加えて、第１の支持部２ｂ３側においても、第２の押圧部２ｂ５が設けられているので、第１の押圧部２ｂ４において押圧操作を行わずに、第２の押圧部２ｂ５において押圧操作を行ってもよい。その場合には、第２の押圧部２ｂ５側における圧電発電素子３の先端部分が下方に変位されることになる。従って、第１の押圧部材８ではなく、第２の押圧部材２２を用いても、電力を取り出すことができる。

　第２の押圧部材２２を用いて押圧操作を繰り返す場合においても、圧電発電素子３は、第３の支持部２ｂ６においては、押圧方向と逆方向への変位が規制されている。また、長手方向中央においては、圧電発電素子３は、押圧方向への変位が規制されている。従って、第２の押圧部２ｂ５を用いて押圧操作を行った場合においても、発電に際して押圧に必要な荷重を効果的に小さくすることができる。

　図９は本発明の第３の実施形態に係る圧電発電装置の平面図であり、図１０は正面断面図であり、図１１は図９中のＣ－Ｃ線に沿う断面図である。

　図１０に示すように、圧電発電装置３１は、圧電発電装置２１と同様の構造を有する。もっとも、図９及び図１１に示すように、長手方向である第１の方向と直交する幅方向である第２の方向に沿って、上記第１の押圧部材８，８及び第２の押圧部材２２，２２が設けられている。そして、第２の方向において配置されている複数の第１の押圧部材８同士が、連結部材３２により連結され一体化されている。同様に、第２の押圧部材２２，２２も連結部材３３により連結され一体化されている。連結部材３２，３３は、図９に示すように、第２の方向に延ばされている。また、連結部材３２の中央には、図１３に示すように、上方に突出している押圧操作部３２ａが設けられている。押圧操作部３２ａの上から連結部材３２が下方に押圧されることにより、第１の押圧部材８，８が降下する。

　連結部材３３上にも、押圧操作部３３ａが設けられている。なお、押圧操作部３２ａ，３３ａは設けられずともよいが、押圧操作部３２ａ，３３ａが設けられている場合、押圧操作を容易に行うことができる。また、押圧操作部３２ａ，３３ａは、第２の方向において、連結部材３２，３３の中央に設けられている。従って、両側の第１，第２の押圧部材８，８，２２，２２を均等に容易に降下させることができる。

　ガイド３４，３５が、幅方向において対向しているケース内側面に設けられている。

　圧電発電装置３１は、上記の点を除けば、圧電発電装置２１と同様に構成されている。本実施形態のように、第２の方向において、分散配置されている複数の押圧部材を、連結部材により連結し一体化してもよい。

　図１２は、圧電発電装置３１の押圧操作部３２ａから下方に押圧することにより、圧電発電素子３が屈曲変形した状態を示す斜視図である。図示のように、矩形板状の圧電発電素子３が、長手方向一端側が下方に変位するように屈曲変形する。それによって、電荷を発生させることができる。

１…圧電発電装置
２…ケース
２ａ…ケース本体
２ａ１…第２の支持部
２ｂ…蓋材
２ｂ１…下面
２ｂ２…上面
２ｂ３…第１の支持部
２ｂ４…第１の押圧部
２ｂ５…第２の押圧部
２ｂ６…第３の支持部
３…圧電発電素子
３ａ…第１の主面
３ｂ…第２の主面
４…圧電体
５ａ，５ｂ…電極
６…圧電素子
７…金属板
８…第１の押圧部材
８ａ…操作部
８ｂ…押圧部
１１，１２…ガイド
２１…圧電発電装置
２２…第２の押圧部材
３１…圧電発電装置
３２ａ，３３ａ…押圧操作部
３２，３３…連結部材
３４，３５…ガイド

Claims

　ケースと、
　前記ケース内に収納されており、対向し合う第１，第２の主面を有し、押圧された際の屈曲変形により発電する板状の圧電発電素子とを備え、
　前記圧電発電素子を支持している第１，第２の支持部と、前記圧電発電素子を押圧するための第１の押圧部とが、前記ケースに設けられており、前記第１の支持部及び前記第１の押圧部が前記第１の主面側に、前記第２の支持部が前記第２の主面側に配置されており、
　前記板状の圧電発電素子の主面に平行な第１の方向において、前記第１の支持部と、前記第１の押圧部とが隔てられており、前記第１の方向において、前記第１の支持部と前記第１の押圧部との間に、前記第２の支持部が配置されている、圧電発電装置。
　前記第１及び第２の支持部において、前記圧電発電素子が前記第１，第２の支持部に固定されることなく、支持されている、請求項１に記載の圧電発電装置。
　前記第１の支持部において、押圧方向と反対方向に前記圧電発電素子が変位しないように、かつ、前記第２の支持部において前記押圧方向に前記圧電発電素子が変位しないように、前記圧電発電素子が支持されている、請求項２に記載の圧電発電装置。
　前記ケースが、開口を有するケース本体と、前記ケース本体の前記開口を覆うように前記ケース本体に固定されている蓋材とを有する、請求項１～３のいずれか１項に記載の圧電発電装置。
　前記第１の押圧部が位置する部分において前記蓋材に貫通孔が設けられており、該貫通孔内に挿入される第１の押圧部材をさらに備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の圧電発電装置。
　前記第１の方向と直交し、かつ前記圧電発電素子の前記主面に平行である第２の方向において、前記第１の押圧部が複数設けられており、複数の前記第１の押圧部において、それぞれ貫通孔が設けられており、各貫通孔に挿入されている前記第１の押圧部材が前記第２の方向に延びる連結部材により一体化されている、請求項５に記載の圧電発電装置。
　前記第１の支持部内において、前記圧電発電素子を押圧するための第２の押圧部が設けられている、請求項４に記載の圧電発電装置。
　前記第２の押圧部において、前記蓋材に貫通孔が形成されており、該貫通孔内に挿入される第２の押圧部材をさらに備える、請求項７に記載の圧電発電装置。
　前記第２の方向において、前記第２の押圧部が複数設けられており、複数の前記第２の押圧部において、それぞれ貫通孔が設けられており、各貫通孔に挿入されている前記第２の押圧部材が前記第２の方向に延びる連結部材により一体化されている、請求項８に記載の圧電発電装置。
　前記板状の圧電発電素子が矩形板状の形状を有し、前記第１の方向が矩形板状の形状の長手方向である、請求項１～９のいずれか１項に記載の圧電発電装置。