WO2010029715A1 - 圧電発電装置 - Google Patents
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- H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
Definitions
- the present invention relates to a piezoelectric power generation device, and more particularly, to a piezoelectric power generation device that is attached to, for example, a tire of an automobile or a bicycle, vibrates when subjected to acceleration or distortion, and generates power by the piezoelectric effect.
- a piezoelectric power generation device that vibrates due to acceleration, strain, or the like and generates power by a piezoelectric effect is known.
- these piezoelectric generators are used as a power source, no other power source such as a battery is required. Therefore, the piezoelectric power generation device is suitably used as a power source for various sensors used for applications where vibration and distortion are applied.
- FIG. 9 is a perspective view showing the piezoelectric power generation device described in Patent Document 1.
- the piezoelectric power generation device 100 includes a piezoelectric transducer vibrator 101.
- the piezoelectric transducer 101 includes a metal plate 102 and piezoelectric plates 103 and 104 attached to both main surfaces of the metal plate 102.
- the base end portion of the piezoelectric transducer 101 is fixed to the stationary plate 105.
- a weight 106 is attached to the tip of the piezoelectric transducer 101.
- the piezoelectric transducer 101 is vibrated by applying acceleration, strain, or the like to the piezoelectric power generation device 100, and power is generated by the piezoelectric effect. For this reason, when the piezoelectric transducer 101 vibrates, compressive stress and tensile stress are alternately applied to the piezoelectric plates 103 and 104.
- the piezoelectric plate generally has a characteristic that rigidity against tensile stress is lower than compressive stress. For this reason, the piezoelectric power generating apparatus 100 in which tensile stress is applied to the piezoelectric plates 103 and 104 has a problem that the piezoelectric plates 103 and 104 are likely to crack. Therefore, since the piezoelectric plates 103 and 104 are easily broken during use, the durability of the piezoelectric power generation apparatus 100 is low.
- An object of the present invention is to provide a piezoelectric power generation device that is hard to crack in a piezoelectric plate and has high durability.
- the piezoelectric power generation device includes a support, a piezoelectric element, and a bias compressive stress applying member.
- the piezoelectric element is disposed on the support.
- the piezoelectric element has a piezoelectric plate polarized in the thickness direction and first and second electrodes provided on the surface of the piezoelectric plate.
- the bias compressive stress applying member is supported by a support on the upper side of the piezoelectric element.
- the bias compressive stress applying member applies a bias compressive stress in the thickness direction of the piezoelectric plate to the piezoelectric element so that the magnitude of the compressive stress in the piezoelectric plate changes due to a change in externally applied stress.
- the support is made of an elastic body.
- the magnitude of the bias compressive stress applied to the piezoelectric element by the bias compressive stress applying member changes due to elastic deformation of the support due to external stress. For this reason, a change in external stress is efficiently transmitted to the piezoelectric element. Therefore, power generation efficiency can be increased.
- the bias compressive stress applying member is constituted by a spring.
- the bias compressive stress applying member is configured by a leaf spring, and both ends of the leaf spring in the first direction along the surface direction of the leaf spring are supported by the support. .
- This configuration is particularly effective when the magnitude of the external stress changes only in the first direction.
- both ends of the leaf spring in the second direction along the surface direction of the leaf spring are further supported by the support. This configuration is particularly effective when the magnitude of the external stress changes in both the first and second directions.
- the support is made of an elastic body
- the piezoelectric element is formed from each of a support part that supports the piezoelectric element and both end parts along the second direction of the support part.
- the second direction is perpendicular to the first direction.
- a unimorph type piezoelectric vibrator having an elastic plate having first and second main surfaces facing each other and having a piezoelectric element attached only to the first main surface.
- the supporting body supports the elastic plate side of the peripheral portion of the piezoelectric vibrator so that the central portion of the piezoelectric vibrator is isolated from the supporting body.
- the bias compressive stress applying member applies a bias compressive stress to a portion closer to the center than the portion supported by the support of the piezoelectric vibrator.
- the planar shape of the piezoelectric plate is circular. According to this configuration, since the vibration efficiency of the piezoelectric element can be increased, high power generation efficiency can be obtained.
- the elastic plate has a circular planar shape. According to this configuration, since the vibration efficiency of the piezoelectric element can be further increased, higher power generation efficiency can be obtained.
- the piezoelectric power generation device includes a shock absorber disposed between at least one of the support and the piezoelectric element and between the piezoelectric element and the bias compressive stress applying member. It has more. According to this configuration, since a large stress is suppressed from being applied to the piezoelectric element, the piezoelectric element is prevented from being damaged.
- the bias compressive stress in the thickness direction of the piezoelectric plate is changed by the bias compressive stress applying member so that the magnitude of the compressive stress in the piezoelectric plate changes due to a change in externally applied stress. Therefore, it is possible to suppress the generation of tensile stress in the piezoelectric plate, and thus it is possible to realize a highly durable piezoelectric power generation device that is unlikely to crack in the piezoelectric plate.
- FIG. 1 is a schematic perspective view of the piezoelectric power generating apparatus according to the first embodiment when viewed from an oblique side.
- FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric power generation device taken along the cut line II-II shown in FIG.
- FIG. 3 is a schematic perspective view of the piezoelectric power generating apparatus according to the second embodiment when viewed from an oblique side.
- FIG. 4 is a schematic side view of the piezoelectric power generation device according to the second embodiment.
- FIG. 5 is a schematic perspective view of the piezoelectric power generating apparatus according to the third embodiment when viewed from an oblique side.
- FIG. 1 is a schematic perspective view of the piezoelectric power generating apparatus according to the first embodiment when viewed from an oblique side.
- FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric power generation device taken along the cut line II-II shown in FIG.
- FIG. 3 is a schematic perspective
- FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric power generation device taken along the cutting line VI-VI shown in FIG.
- FIG. 7 is a cross-sectional view of the piezoelectric power generating device according to the fourth embodiment.
- FIG. 8 is a perspective view of a piezoelectric element according to the fourth embodiment.
- FIG. 9 is a perspective view showing the piezoelectric power generation device described in Patent Document 1. As shown in FIG.
- a piezoelectric power generation apparatus that is preferably used when the magnitude of external stress applied to the piezoelectric power generation apparatus changes only in a predetermined direction (the length direction Y in FIG. 1) will be described.
- a surface on the Z1 side of the base portion 11 described later is attached to the inner surface of the tire and used as a power source for a tire air pressure detection sensor.
- FIG. 1 is a schematic perspective view of the piezoelectric power generator according to the first embodiment when viewed from an oblique side.
- FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric power generation device taken along the cut line II-II shown in FIG.
- the piezoelectric power generation apparatus 1 includes a support 10, a piezoelectric element 20, a leaf spring 30 as a bias compressive stress applying member, and first and second shock absorbers 41 and 42. It has.
- the piezoelectric element 20 has a piezoelectric plate 21.
- the piezoelectric plate 21 is not particularly limited as long as it causes a piezoelectric effect.
- the piezoelectric plate 21 may be made of, for example, a lead zirconate titanate piezoelectric ceramic.
- the piezoelectric plate 21 is polarized in the thickness direction Z.
- first and second electrodes 22 and 23 are provided on the first and second main surfaces 21 a and 21 b of the piezoelectric plate 21.
- first and second terminal electrodes 24 and 25 are connected to the first and second electrodes 22 and 23. The electric power generated by the piezoelectric plate 21 is taken out from the first and second terminal electrodes 24 and 25.
- the first and second electrodes 22 and 23 and the first and second terminal electrodes 24 and 25 can be formed of an appropriate conductive material such as Ag or Cu.
- the first and second electrodes 22 and 23 and the first and second terminal electrodes 24 and 25 can be formed by applying and baking a conductive metal paste such as an Ag paste.
- the piezoelectric element 20 and the leaf spring 30 are supported by the support 10.
- the support 10 is integrally formed of an elastic member such as high toughness and high rigidity ceramic, plastic or metal.
- the support 10 is formed of a high toughness and high rigidity ceramic and the first and second electrodes 22 and 23 are formed of a conductive metal paste, the baking of the support 10 and the baking of the conductive paste are performed. It is preferable to carry out simultaneously.
- the support body 10 includes a base portion 11 as a support portion and first and second claw portions 12a and 12b.
- the base 11 is disposed on the Z1 side in the thickness direction Z of the piezoelectric element 20.
- the piezoelectric element 20 is supported by the base portion 11.
- the base portion 11 also has a function as an attachment portion of the piezoelectric power generation device 1. That is, as shown in FIG. 2, the piezoelectric power generation device 1 is attached to the attachment member 9 by fixing the surface on the Z1 side of the base portion 11 to the attachment member 9 such as a tire.
- the first claw portion 12a is connected to the end portion on the Y1 side in the longitudinal direction Y of the base portion 11.
- the second claw portion 12b is connected to the end portion on the Y2 side in the longitudinal direction Y of the base portion 11.
- Each of the first and second claw portions 12a and 12b extends from the base portion 11 toward the Z2 side in the thickness direction Z. That is, each of the first and second claw portions 12 a and 12 b extends from the base portion 11 toward the piezoelectric element 20 side in the thickness direction Z.
- claw parts 12a and 12b is provided with the connection parts 14a and 14b and the latching
- the locking portions 13a and 13b are connected to the base portion 11 by connecting portions 14a and 14b.
- the locking portions 13a and 13b are provided with protruding portions 15a and 15b protruding toward the Z1 side.
- the Z2 side of both end portions 30a and 30b along the length direction Y as the first direction of the leaf spring 30 is supported by the protruding portions 15a and 15b.
- the leaf spring 30 is supported by the support body 10 on the upper side Z ⁇ b> 2 of the piezoelectric element 20.
- the leaf spring 30 is formed in a bow shape so as to be convex toward the piezoelectric element side.
- the leaf spring 30 applies a stress (bias compressive stress) to the piezoelectric plate 21 toward the support side Z1 in the thickness direction Z of the piezoelectric plate 21.
- a compressive stress is applied to the piezoelectric plate 21 in a state where no stress is applied to the piezoelectric power generation device 1.
- the plate spring 30 as the bias compressive stress applying member is configured so that the magnitude of the compressive stress in the piezoelectric plate 21 changes due to a change in the stress applied to the piezoelectric power generation device 1 from the outside, as will be described later.
- a bias compressive stress in the thickness direction Z of the piezoelectric plate 21 is applied to the piezoelectric element 20.
- the leaf spring 30 can be formed of, for example, a tough, high-rigidity ceramic having a metal film formed on its surface, a metal such as phosphor bronze, SUS (Stainless Used Steel), or the like.
- a first buffer material 41 is disposed between the support 10 and the piezoelectric element 20, and a second buffer material 42 is disposed between the piezoelectric element 20 and the leaf spring 30.
- the first and second buffer materials 41 and 42 are made of, for example, a PET sheet, a Teflon (registered trademark) sheet, a silicon rubber sheet, a polyimide sheet, or the like.
- the bias compressive stress in the thickness direction Z of the piezoelectric plate 21 is applied to the piezoelectric element 20 by the plate spring 30.
- the urging force of the leaf spring 30 changes, and the piezoelectric plate The magnitude of the compressive stress at 21 changes.
- both end portions in the length direction Y of the base portion 11 are displaced toward the Z2 side relative to the central portion
- the first and second are accompanied by the deformation of the base portion 11.
- the claw portions 12a and 12b are relatively displaced to the Z2 side.
- both end portions 30a and 30b of the leaf spring 30 are also displaced relatively to the Z2 side, and thus the urging force of the leaf spring 30 is reduced.
- the compressive stress in the piezoelectric plate 21 is reduced.
- the tensile stress is substantially applied to the piezoelectric plate 21 even when the urging force of the leaf spring 30 becomes zero. Don't join.
- the tensile stress is suppressed from being applied to the piezoelectric plate 21 that is weak against the tensile stress. Yes. Therefore, it is possible to effectively suppress the occurrence of cracks in the piezoelectric plate 21. As a result, high durability can be realized. From the viewpoint of realizing higher durability, it is preferable to attach the leaf spring 30 to the support body 10 so that stress is always applied to the piezoelectric plate 21 by the leaf spring 30.
- the support 10 is made of an elastic body. Therefore, the vibration and deformation of the attached member 9 are efficiently transmitted to the piezoelectric element 20 via the support 10, so that the magnitude of the compressive stress applied to the piezoelectric plate 21 can be changed more greatly. Therefore, power generation efficiency can be increased.
- the buffer materials 41 and 42 are disposed between the support 10 and the piezoelectric element 20 and between the piezoelectric element 20 and the leaf spring 30, respectively. For this reason, since it is suppressed that a big stress is added to the piezoelectric element 20, it is suppressed effectively that the piezoelectric element 20 is damaged.
- the arrangement of the first and second electrodes 22 and 23 is not particularly limited as long as the electric power of the piezoelectric plate 21 can be taken out.
- the bias compressive stress applying member is not particularly limited as long as it can apply stress to the piezoelectric plate.
- a spring other than a plate spring such as a compression coil spring or a spring other than a spring such as rubber is used. You may be comprised with the elastic body.
- the support is configured by an elastic member
- the support may be configured by a rigid body. Even in such a case, the tensile stress is suppressed from being applied to the piezoelectric plate as in the above embodiment. However, in this case, since it is difficult to apply stress to the piezoelectric plate 21 through the support, it is preferable to weight the bias compressive stress applying member.
- the piezoelectric power generation apparatus is, for example, a mobile phone that is used together with a main power source such as a lithium battery in which a Z1 side surface of a base portion 11 described later is attached to a heel portion or a toe portion of a shoe sole. Used as a backup power source for telephones.
- a main power source such as a lithium battery in which a Z1 side surface of a base portion 11 described later is attached to a heel portion or a toe portion of a shoe sole. Used as a backup power source for telephones.
- FIG. 3 is a schematic perspective view of the piezoelectric power generating apparatus according to the second embodiment when viewed from an oblique side.
- FIG. 4 is a schematic side view of the piezoelectric power generation device according to the second embodiment.
- the leaf spring 30 is supported by the support body 10 at both ends in the length direction Y and both ends in the width direction X perpendicular to the length direction Y.
- the support 10 includes third and fourth claw portions 12c and 12d in addition to the first and second claw portions 12a and 12b.
- the third claw portion 12c is connected to the end portion on the X1 side of the base portion 11 in the width direction X.
- the fourth claw portion 12 d is connected to the end portion on the X2 side in the width direction X of the base portion 11.
- Each of the third and fourth claw portions 12c and 12d extends from the base portion 11 toward the Z2 side in the thickness direction Z. That is, each of the third and fourth claw portions 12c and 12d extends in the thickness direction Z from the base portion 11 toward the piezoelectric element 20 side.
- claw part 12c, 12d is provided with the connection parts 14c and 14d and the latching
- the locking portions 13c and 13d are connected to the base portion 11 by connecting portions 14c and 14d.
- the locking portions 13c and 13d are provided with protruding portions 15c and 15d that protrude toward the Z1 side.
- the protrusions 15c and 15d support the Z2 side of both end portions 30c and 30d along the width direction X as the second direction of the leaf spring 30.
- plate spring 30 and the both ends of the width direction X are supported by the support body 10, the base part 11 in the length direction Y is supported. Both the deformation and the deformation of the base portion 11 in the width direction X can be efficiently transmitted to the piezoelectric plate 21. From the viewpoint of efficiently transmitting both the deformation of the base portion 11 in the length direction Y and the deformation of the base portion 11 in the width direction X by the piezoelectric plate 21, the first and second electrodes 22, 23 and the piezoelectric plate The planar shape of 21 is preferably circular.
- FIG. 5 is a schematic perspective view of the piezoelectric power generating apparatus according to the third embodiment when viewed from an oblique side.
- FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric power generation device taken along the cutting line VI-VI shown in FIG.
- the piezoelectric power generation device has the same configuration as the piezoelectric power generation device according to the first embodiment except for the configuration of the support.
- the support 10 includes a plurality of pairs of leg portions 16a and 16b in addition to the base portion 11 and the first and second claw portions 12a and 12b. Specifically, as shown in FIG. 5, the plurality of pairs of leg portions 16 a and 16 b extend from both ends of the base portion 11 along the width direction X to the side Z ⁇ b> 1 opposite to the piezoelectric element 20.
- the leg portions 16 a and 16 b are fixed to the attached member of the piezoelectric power generation device 1.
- FIG. 7 is a cross-sectional view of the piezoelectric power generating device according to the fourth embodiment.
- FIG. 8 is a perspective view of a piezoelectric element according to the fourth embodiment.
- the piezoelectric diaphragm 8 shown by a solid line in FIG. 7 represents a state when the bias compressive stress is reduced, and a broken line represents an initial state where the bias compressive stress is large.
- the support 10 includes a base portion 11.
- the base portion 11 is formed with a ring-shaped support protrusion 11a.
- the peripheral portion of the piezoelectric vibrator 8 is supported by the support protrusion 11a.
- the piezoelectric vibrator 8 is a so-called unimorph type piezoelectric vibrator in which the piezoelectric element 20 is attached only to the first main surface 7a of the first and second main surfaces 7a and 7b of the elastic plate 7.
- the elastic plate 7 is composed of an appropriate elastic member.
- the elastic plate 7 can be made of, for example, a tough high rigidity ceramic or metal.
- the piezoelectric vibrator 8 is arranged so that the elastic plate 7 faces the support 10 side, and the elastic plate 7 side of the peripheral portion of the piezoelectric vibrator 8 is supported by the support protrusion 11a. For this reason, the central portion of the piezoelectric vibrator 8 is isolated from the support 10.
- the support body 10 includes a ring-shaped claw portion 12 connected to the base portion 11.
- the claw portion 12 includes a connecting portion 14 formed in a cylindrical shape, and a ring-shaped locking portion 13 extending inward from the connecting portion 14.
- the side opposite to the piezoelectric element 20 of the peripheral portion of the leaf spring 30 disposed on the piezoelectric element 20 side of the piezoelectric vibrator 8 is locked by the locking portion 13 of the support 10.
- a projecting portion 30 e extending toward the piezoelectric vibrator 8 side is formed at a substantially central portion of the leaf spring 30.
- the protrusion 30e presses the portion closer to the center than the portion of the piezoelectric vibrator 8 supported by the support 10 to the support 10 side.
- the piezoelectric power generation device 1a of the present embodiment when vibration or stress is applied to the piezoelectric power generation device 1a, bias compression applied to the piezoelectric element 20 by the leaf spring 30 due to deformation of the support 10 or the weight of the leaf spring 30 is performed. The magnitude of the stress changes. As a result, the magnitude of the compressive stress in the piezoelectric plate 21 changes, and electric power is generated by the piezoelectric effect.
- the piezoelectric vibrator 8 since the space is formed above and below the central portion of the piezoelectric vibrator 8, the piezoelectric vibrator 8 can be vibrated greatly. Therefore, high power generation efficiency can be realized.
- the planar shape of the elastic plate 7, the piezoelectric plate 21, and the first and second electrodes 22 and 23 is circular. Accordingly, the vibration efficiency of the piezoelectric vibrator 8 is further increased, and higher power generation efficiency can be realized.
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
圧電板にクラックが生じ難く、高い耐久性を有する圧電発電装置を提供する。 圧電発電装置１は、支持体１０と、圧電素子２０と、バイアス圧縮応力付与部材３０とを備えている。圧電素子２０は、支持体１０の上に配置されている。圧電素子２０は、厚み方向に分極されている圧電板２１と、圧電板２１の表面に設けられた第１及び第２の電極２２，２３とを有する。バイアス圧縮応力付与部材３０は、圧電素子２０の上側において支持体１０により支持されている。バイアス圧縮応力付与部材３０は、外部から加わる応力の変化により圧電板２１における圧縮応力の大きさが変化するように、圧電素子２０に対して圧電板２１の厚み方向のバイアス圧縮応力を付与している。
Description
本発明は、圧電発電装置に関し、詳細には、例えば自動車や自転車のタイヤなどに取り付けられ、加速度や歪みが加わることにより振動し、圧電効果により発電する圧電発電装置に関する。
従来、加速度や歪みなどが加わることにより振動し、圧電効果により発電する圧電発電装置が知られている。これらの圧電発電装置を電源として用いた場合、バッテリーなどの他の電源を必要としない。従って、振動や歪みが加わる用途に用いられる様々なセンサの電源などとして、上記圧電発電装置は好適に用いられている。
上記圧電発電装置の一例が、下記の特許文献１に開示されている。図９は、特許文献１に記載の圧電発電装置を示す斜視図である。図９に示すように、圧電発電装置１００は、圧電変換振動子１０１を有する。圧電変換振動子１０１は、金属板１０２と、金属板１０２の両主面に貼付された圧電板１０３，１０４とを有する。圧電変換振動子１０１の基端部は、静止板１０５に固定されている。圧電変換振動子１０１の先端部には、重り１０６が取り付けられている。
上記の特許文献１に記載された圧電発電装置１００では、圧電発電装置１００に加速度や歪みなどが加わることにより圧電変換振動子１０１が振動し、圧電効果により発電が行われる。このため、圧電変換振動子１０１が振動すると、各圧電板１０３，１０４に圧縮応力と引張応力とが交互に加わることとなる。
しかしながら、圧電板は、一般的に、圧縮応力に比べて引張応力に対する剛性が低いという特徴を有している。このため、圧電板１０３，１０４に引張応力が加わる圧電発電装置１００では、圧電板１０３，１０４にクラックが発生しやすいという問題があった。従って、使用しているうちに圧電板１０３，１０４が破壊されやすいので、圧電発電装置１００の耐久性が低かった。
本発明の目的は、圧電板にクラックが生じ難く、高い耐久性を有する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、支持体と、圧電素子と、バイアス圧縮応力付与部材とを備えている。圧電素子は、支持体の上に配置されている。圧電素子は、厚み方向に分極されている圧電板と、圧電板の表面に設けられた第１及び第２の電極とを有する。バイアス圧縮応力付与部材は、圧電素子の上側において支持体により支持されている。バイアス圧縮応力付与部材は、外部から加わる応力の変化により圧電板における圧縮応力の大きさが変化するように、圧電素子に対して圧電板の厚み方向のバイアス圧縮応力を付与している。
本発明のある特定の局面では、支持体は、弾性体により構成されている。この構成では、外部から応力が加わることにより支持体が弾性変形することによってバイアス圧縮応力付与部材が圧電素子に付与するバイアス圧縮応力の大きさが変化する。このため、外部応力の変化が圧電素子に対して効率的に伝達される。従って、発電効率を高めることができる。
本発明の他の特定の局面では、バイアス圧縮応力付与部材は、バネにより構成されている。
本発明の別の特定の局面では、バイアス圧縮応力付与部材は板バネにより構成されており、板バネの面方向に沿った第１の方向における板バネの両端部が支持体により支持されている。この構成は、外部応力の大きさが第１の方向のみにおいて変化する場合に特に有効である。
本発明のさらに他の特定の局面では、板バネの面方向に沿った第２の方向における板バネの両端部が支持体によりさらに支持されている。この構成は、外部応力の大きさが第１及び第２の方向の両方において変化する場合に特に有効である。
本発明のさらに別の特定の局面では、支持体は、弾性体により構成されており、圧電素子を支持する支持部と、支持部の第２の方向に沿った両端部のそれぞれから圧電素子とは反対側に延びており、圧電発電装置が取り付けられる被取り付け部材に固定される脚部とを有している。この構成によれば、脚部の弾性変形により第２の方向における被取り付け部材の変形が吸収される。このため、第１の方向における被取り付け部材の変形のみが基底部１１に伝達されることとなる。従って、圧電板の圧縮応力変動の異方性を大きくすることができる。
本発明のまた他の特定の局面では、第２の方向は、第１の方向に対して垂直である。
本発明のまた別の特定の局面では、対向する第１及び第２の主面を有し、第１の主面にのみ圧電素子が貼り付けられた弾性板を有するユニモルフ型の圧電振動子を備え、支持体は、圧電振動子の中央部が支持体から隔離されるように、圧電振動子の周縁部の弾性板側を支持している。この構成によれば、圧電板に付与される圧縮応力の大きさをより大きく変化させることができる。従って、発電効率を高めることができる。
本発明のさらにまた他の特定の局面では、バイアス圧縮応力付与部材は、圧電振動子の支持体により支持されている部分よりも中央寄りの部分に対してバイアス圧縮応力を付与している。
本発明のさらにまた他の特定の局面では、圧電板の平面形状は円形である。この構成によれば、圧電素子の振動効率を高めることができるため、高い発電効率を得ることができる。
本発明のさらにまた別の特定の局面では、弾性板の平面形状は円形である。この構成によれば、圧電素子の振動効率をより高めることができるため、より高い発電効率を得ることができる。
本発明のまたさらに他の特定の局面では、圧電発電装置は、支持体と圧電素子との間と、圧電素子とバイアス圧縮応力付与部材との間との少なくとも一方に配置されている緩衝材をさらに備えている。この構成によれば、圧電素子に大きな応力が加わることが抑制されるため、圧電素子が損傷することが抑制される。
本発明に係る圧電発電装置によれば、外部から加わる応力の変化により圧電板における圧縮応力の大きさが変化するように、バイアス圧縮応力付与部材によって圧電板の厚み方向のバイアス圧縮応力が圧電素子に対して付与されているため、圧電板に引張応力が生じることが抑制され、よって、圧電板にクラックが生じ難く、高い耐久性を有する圧電発電装置を実現することができる。
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）
本実施形態では、圧電発電装置に加わる外部応力の大きさが所定の一方向（図１における長さ方向Ｙ）のみにおいて変化する場合に好適に使用される圧電発電装置の例について説明する。具体的には、本実施形態の圧電発電装置は、例えば、後述する基底部１１のＺ１側の面がタイヤの内面に取り付けられ、タイヤの空気圧検出センサの電源などとして用いられる。
本実施形態では、圧電発電装置に加わる外部応力の大きさが所定の一方向（図１における長さ方向Ｙ）のみにおいて変化する場合に好適に使用される圧電発電装置の例について説明する。具体的には、本実施形態の圧電発電装置は、例えば、後述する基底部１１のＺ１側の面がタイヤの内面に取り付けられ、タイヤの空気圧検出センサの電源などとして用いられる。
図１は、第１の実施形態に係る圧電発電装置の斜め側方から視たときの略図的斜視図である。図２は、図１に示す切り出し線ＩＩ－ＩＩで切り出された圧電発電装置の略図的断面図である。図１及び図２に示すように、圧電発電装置１は、支持体１０と、圧電素子２０と、バイアス圧縮応力付与部材としての板バネ３０と、第１及び第２の緩衝材４１，４２とを備えている。
圧電素子２０は、圧電板２１を有している。圧電板２１は、圧電効果を生じさせるものである限り特に限定されない。圧電板２１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックからなるものであってもよい。
圧電板２１は、厚み方向Ｚに分極されている。図２に示すように、圧電板２１の第１及び第２の主面２１ａ、２１ｂの上には、第１及び第２の電極２２，２３が設けられている。図１に示すように、第１及び第２の電極２２，２３には、第１及び第２の端子電極２４，２５が接続されている。圧電板２１により発生した電力は、この第１及び第２の端子電極２４，２５から取り出される。
第１及び第２の電極２２，２３並びに第１及び第２の端子電極２４，２５は、例えばＡｇやＣｕなどの適宜の導電材料により形成することができる。例えば、第１及び第２の電極２２，２３並びに第１及び第２の端子電極２４，２５は、Ａｇペーストなどの導電性金属ペーストの塗布・焼き付けにより形成することができる。
圧電素子２０と板バネ３０とは、支持体１０により支持されている。本実施形態では、支持体１０は、高靱性高剛性セラミック、プラスチックや金属などの弾性部材により一体に形成されている。なお、支持体１０を高靱性高剛性セラミックにより形成し、第１及び第２の電極２２，２３を導電性金属ペーストにより形成する場合は、支持体１０の焼成と、導電性ペーストの焼き付けとを同時に行うことが好ましい。
支持体１０は、支持部としての基底部１１と、第１及び第２の爪部１２ａ、１２ｂとを備えている。基底部１１は圧電素子２０の厚み方向ＺのＺ１側に配置されている。圧電素子２０は、この基底部１１により支持されている。また、基底部１１は、圧電発電装置１の取り付け部としての機能を兼ね備えている。すなわち、図２に示すように、圧電発電装置１は、この基底部１１のＺ１側の面がタイヤなどの被取り付け部材９に固定されることによって被取り付け部材９に取り付けられる。
第１の爪部１２ａは、基底部１１の長手方向ＹのＹ１側の端部に接続されている。一方、第２の爪部１２ｂは、基底部１１の長手方向ＹのＹ２側の端部に接続されている。第１及び第２の爪部１２ａ、１２ｂのそれぞれは、基底部１１から厚み方向ＺのＺ２側に向かって伸びている。すなわち、第１及び第２の爪部１２ａ、１２ｂのそれぞれは、厚み方向Ｚにおいて、基底部１１から圧電素子２０側に向かって伸びている。
第１及び第２の爪部１２ａ、１２ｂのそれぞれは、接続部１４ａ、１４ｂと、係止部１３ａ、１３ｂとを備えている。係止部１３ａ、１３ｂは、接続部１４ａ、１４ｂによって基底部１１に接続されている。係止部１３ａ、１３ｂには、Ｚ１側に向かって突出する突出部１５ａ、１５ｂが設けられている。この突出部１５ａ、１５ｂによって板バネ３０の第１の方向としての長さ方向Ｙに沿った両端部３０ａ、３０ｂのＺ２側が支持されている。
図２に示すように、板バネ３０は、圧電素子２０の上側Ｚ２において支持体１０により支持されている。板バネ３０は、圧電素子側に凸状となるように弓形状に形成されている。この板バネ３０により、圧電板２１に対して圧電板２１の厚み方向Ｚの支持体側Ｚ１への応力（バイアス圧縮応力）が付与されている。これにより、圧電発電装置１に応力が付与されていない状態において圧電板２１に圧縮応力が加わった状態となっている。
詳細には、バイアス圧縮応力付与部材としての板バネ３０は、後述のように、圧電発電装置１に対して外部から加わる応力の変化により圧電板２１における圧縮応力の大きさが変化するように、圧電素子２０に対して圧電板２１の厚み方向Ｚのバイアス圧縮応力を付与している。
なお、板バネ３０は、例えば、表面に金属膜が形成された強靱性高剛性セラミックや、リン青銅、ＳＵＳ（Stainless Used Steel）などの金属により形成することができる。
本実施形態では、支持体１０と圧電素子２０との間に第１の緩衝材４１が配置されていると共に、圧電素子２０と板バネ３０との間に第２の緩衝材４２が配置されている。第１及び第２の緩衝材４１，４２は、例えば、ＰＥＴシート、テフロン（登録商標）シート、シリコンゴムシート、ポリイミドシートなどにより構成される。
次に、圧電発電装置１における発電態様について説明する。上述の通り、圧電発電装置１に応力が付与されていない状態では、板バネ３０により圧電素子２０に対して圧電板２１の厚み方向Ｚのバイアス圧縮応力が付与されている。圧電発電装置１に対して外部応力が加わることにより図２に示す被取り付け部材９が変形するなどして支持体１０の基底部１１が変形すると、板バネ３０の付勢力が変化し、圧電板２１における圧縮応力の大きさが変化する。
具体的には、基底部１１の長さ方向Ｙにおける両端部が中央部に対して相対的にＺ２側に変位する変形が生じた場合、基底部１１の変形に伴って第１及び第２の爪部１２ａ、１２ｂがＺ２側に相対的に変位する。このため、板バネ３０の両端部３０ａ、３０ｂもＺ２側に相対的に変位し、よって、板バネ３０の付勢力が小さくなる。その結果、圧電板２１における圧縮応力が小さくなる。
なお、圧電素子２０は板バネ３０と支持体１０とによって挟持されているため、板バネ３０の付勢力がゼロとなった場合であっても、圧電板２１には、引張応力が実質的に加わらない。
一方、基底部１１の長さ方向Ｙにおける両端部が中央部に対して相対的にＺ１側に変位する変形が生じた場合は、基底部１１の変形に伴って第１及び第２の爪部１２ａ、１２ｂがＺ１側に相対的に変位する。このため、板バネ３０の両端部３０ａ、３０ｂもＺ１側に相対的に変位し、よって、板バネ３０の付勢力が大きくなる。その結果、圧電板２１における圧縮応力が大きくなる。
このように板バネ３０の付勢力の変化に伴って圧電板２１における圧縮応力の大きさが変化する。よって、圧電効果により電力が発生する。
以上のように、本実施形態では、板バネ３０によって圧電板２１に対してバイアス圧縮応力が付与されているため、引張応力に対して弱い圧電板２１に、引張応力が加わることが抑制されている。従って、圧電板２１にクラックが生じることを効果的に抑制できる。その結果、高い耐久性を実現することができる。より高い耐久性を実現する観点からは、板バネ３０によって圧電板２１に常に応力が付与されるように板バネ３０を支持体１０に取り付けることが好ましい。
本実施形態では、支持体１０が弾性体により構成されている。よって、被取り付け部材９の振動や変形が支持体１０を介して効率的に圧電素子２０に伝えられるため、圧電板２１に付与される圧縮応力の大きさをより大きく変化させることができる。従って、発電効率を高めることができる。
また、本実施形態では、支持体１０と圧電素子２０との間と、圧電素子２０と板バネ３０との間とのそれぞれに緩衝材４１，４２が配置されている。このため、圧電素子２０に大きな応力が加わることが抑制されるため、圧電素子２０が損傷することが効果的に抑制される。
なお、本実施形態では、第１の電極２２が第１の主面２１ａに設けられ、第２の電極２３が第２の主面２１ｂに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、第１及び第２の電極２２，２３の配置は、圧電板２１の電力の取り出しが可能な位置であれば特に限定されない。例えば、第１及び第２の主面２１ａ、２１ｂのうちの一方に第１及び第２の電極２２，２３の両方を設けてもよい。その場合は、第１及び第２の主面２１ａ、２１ｂのうちの第１及び第２の電極２２，２３が設けられていない側の主面に、対向電極をさらに設けることが好ましい。
本実施形態では、バイアス圧縮応力付与部材として板バネを用いる例について説明した。但し、本発明において、バイアス圧縮応力付与部材は、圧電板に対して応力を付与できるものである限り特に限定されず、例えば圧縮コイルスプリングなどの板バネ以外のバネ、若しくはゴムなどのバネ以外の弾性体により構成されていてもよい。
本実施形態では、支持体が弾性部材により構成される例について説明したが、支持体は、剛体により構成されていてもよい。その場合であっても、上記実施形態と同様に、圧電板に引張応力が加わることが抑制される。但し、この場合は、支持体を介して圧電板２１に応力が加わり難くなるため、バイアス圧縮応力付与部材に重りをつけるなどすることが好ましい。
以下、本発明を好ましい形態の異なる例について詳細に説明する。なお、以下の説明において、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２の実施形態）
本実施形態では、長さ方向Ｙと幅方向Ｘとの両方において圧電発電装置に加わる外部応力の大きさが変化する場合に好適に使用される圧電発電装置の例について説明する。具体的には、本実施形態の圧電発電装置は、例えば、後述する基底部１１のＺ１側の面が靴底のかかと部分やつま先部分などに取り付けられ、リチウム電池などの主電源と共に用いられる携帯電話の予備電源などとして用いられる。
本実施形態では、長さ方向Ｙと幅方向Ｘとの両方において圧電発電装置に加わる外部応力の大きさが変化する場合に好適に使用される圧電発電装置の例について説明する。具体的には、本実施形態の圧電発電装置は、例えば、後述する基底部１１のＺ１側の面が靴底のかかと部分やつま先部分などに取り付けられ、リチウム電池などの主電源と共に用いられる携帯電話の予備電源などとして用いられる。
図３は、第２の実施形態に係る圧電発電装置の斜め側方から視たときの略図的斜視図である。図４は、第２の実施形態に係る圧電発電装置の略図的側面図である。本実施形態では、板バネ３０が長さ方向Ｙの両端部と、長さ方向Ｙに対して垂直な幅方向Ｘの両端部との両方において支持体１０に支持されている。具体的には、支持体１０は、第１及び第２の爪部１２ａ、１２ｂに加えて、第３及び第４の爪部１２ｃ、１２ｄを備えている。
第３の爪部１２ｃは、基底部１１の幅方向ＸのＸ１側の端部に接続されている。一方、第４の爪部１２ｄは、基底部１１の幅方向ＸのＸ２側の端部に接続されている。第３及び第４の爪部１２ｃ、１２ｄのそれぞれは、基底部１１から厚み方向ＺのＺ２側に向かって伸びている。すなわち、第３及び第４の爪部１２ｃ、１２ｄのそれぞれは、厚み方向Ｚにおいて、基底部１１から圧電素子２０側に向かって伸びている。
第３及び第４の爪部１２ｃ、１２ｄそれぞれは、接続部１４ｃ、１４ｄと、係止部１３ｃ、１３ｄとを備えている。係止部１３ｃ、１３ｄは、接続部１４ｃ、１４ｄによって基底部１１に接続されている。係止部１３ｃ、１３ｄには、Ｚ１側に向かって突出する突出部１５ｃ、１５ｄが設けられている。この突出部１５ｃ、１５ｄによって板バネ３０の第２の方向としての幅方向Ｘに沿った両端部３０ｃ、３０ｄのＺ２側が支持されている。
このように本実施形態では、板バネ３０の長さ方向Ｙの両端部と、幅方向Ｘの両端部との両方が支持体１０によって支持されているため、長さ方向Ｙにおける基底部１１の変形と幅方向Ｘにおける基底部１１の変形との両方を圧電板２１に効率的に伝達させることができる。長さ方向Ｙにおける基底部１１の変形と幅方向Ｘにおける基底部１１の変形との両方を圧電板２１により効率的に伝達させる観点からは、第１及び第２の電極２２，２３並びに圧電板２１の平面形状が円形であることが好ましい。
（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係る圧電発電装置の斜め側方から視たときの略図的斜視図である。図６は、図５に示す切り出し線ＶＩ－ＶＩで切り出された圧電発電装置の略図的断面図である。
図５は、第３の実施形態に係る圧電発電装置の斜め側方から視たときの略図的斜視図である。図６は、図５に示す切り出し線ＶＩ－ＶＩで切り出された圧電発電装置の略図的断面図である。
本実施形態に係る圧電発電装置は、支持体の構成を除いて、上記第１の実施形態に係る圧電発電装置と同じ構成を有している。本実施形態に係る圧電発電装置では、支持体１０は、基底部１１並びに第１及び第２の爪部１２ａ、１２ｂに加えて、複数対の脚部１６ａ、１６ｂを備えている。具体的には、図５に示すように、複数対の脚部１６ａ、１６ｂは、幅方向Ｘに沿った基底部１１の両端部のそれぞれから圧電素子２０とは反対側Ｚ１に延びている。脚部１６ａ、１６ｂは、圧電発電装置１の被取り付け部材に固定される。
このように、幅方向Ｘに沿った基底部１１の両端部に脚部１６ａ、１６ｂを設けることにより、幅方向Ｘにおける被取り付け部材９の変形が吸収される。このため、長さ方向Ｙにおける被取り付け部材９の変形のみが基底部１１に伝達されることとなる。従って、圧電板２１の圧縮応力変動の異方性を大きくすることができる。
（第４の実施形態）
図７は、第４の実施形態に係る圧電発電装置の断面図である。図８は、第４の実施形態における圧電素子の斜視図である。なお、図７において実線で示す圧電振動板８は、バイアス圧縮応力が小さくなった際の状態を表しており、破線は、バイアス圧縮応力が大きい初期状態を表している。
図７は、第４の実施形態に係る圧電発電装置の断面図である。図８は、第４の実施形態における圧電素子の斜視図である。なお、図７において実線で示す圧電振動板８は、バイアス圧縮応力が小さくなった際の状態を表しており、破線は、バイアス圧縮応力が大きい初期状態を表している。
図７に示すように、支持体１０は、基底部１１を備えている。基底部１１には、リング状の支持突起部１１ａが形成されている。この支持突起部１１ａによって、圧電振動子８の周辺部が支持されている。
圧電振動子８は、弾性板７の第１及び第２の主面７ａ、７ｂのうち、第１の主面７ａにのみ圧電素子２０が貼り付けられた所謂ユニモルフ型の圧電振動子である。弾性板７は、適宜の弾性部材により構成される。弾性板７は、例えば、強靱性高剛性セラミックや金属などにより構成することができる。
圧電振動子８は、弾性板７が支持体１０側を向くように配置されており、圧電振動子８の周縁部の弾性板７側が支持突起部１１ａによって支持されている。このため、圧電振動子８の中央部は支持体１０から隔離されている。
支持体１０は、上記の基底部１１に接続されたリング状の爪部１２を備えている。爪部１２は、筒状に形成された接続部１４と、接続部１４から内側に向かって延びるリング状の係止部１３とにより構成されている。圧電振動子８の圧電素子２０側に配置された板バネ３０の周縁部の圧電素子２０とは反対側は、支持体１０の係止部１３によって係止されている。
板バネ３０の略中央部には、圧電振動子８側に向かって延びる突出部３０ｅが形成されている。この突出部３０ｅにより、圧電振動子８の支持体１０により支持されている部分よりも中央寄りの部分が支持体１０側に押圧されている。
本実施形態の圧電発電装置１ａでは、圧電発電装置１ａに振動や応力が加わると、支持体１０の変形や板バネ３０の自重に起因して板バネ３０により圧電素子２０に付与されるバイアス圧縮応力の大きさが変化する。その結果、圧電板２１における圧縮応力の大きさが変化し、圧電効果により電力が発生する。
本実施形態においても、板バネ３０によって圧電板２１に引張応力が加わることが効果的に抑制されている。従って、圧電板２１にクラックが生じることを効果的に抑制できる。その結果、高い耐久性を実現することができる。
また、本実施形態では、圧電振動子８の中央部の上下に空間が形成されているため、圧電振動子８を大きく振動させることができる。従って、高い発電効率を実現することができる。
また、本実施形態では、弾性板７、圧電板２１並びに第１及び第２の電極２２，２３の平面形状が円形とされている。従って、圧電振動子８の振動効率がより高められており、さらに高い発電効率を実現することができる。
１、１ａ…圧電発電装置
７…弾性板
７ａ…弾性板の第１の主面
７ｂ…弾性板の第２の主面
８…圧電振動子
９…被取り付け部材
１０…支持体
１１…基底部
１１ａ…支持突起部
１２…爪部
１２ａ…第１の爪部
１２ｂ…第２の爪部
１２ｃ…第３の爪部
１２ｄ…第４の爪部
１３、１３ａ～１３ｄ…係止部
１４，１４ａ～１４ｄ…接続部
１５ａ～１５ｄ…突出部
１６ａ、１６ｂ…脚部
２０…圧電素子
２１…圧電板
２１ａ…圧電板の第１の主面
２１ｂ…圧電板の第２の主面
２２…第１の電極
２３…第２の電極
２４，２５…端子電極
３０…板バネ
３０ａ～３０ｄ…板バネの端部
３０ｅ…突出部
４１…第１の緩衝材
４２…第２の緩衝材
７…弾性板
７ａ…弾性板の第１の主面
７ｂ…弾性板の第２の主面
８…圧電振動子
９…被取り付け部材
１０…支持体
１１…基底部
１１ａ…支持突起部
１２…爪部
１２ａ…第１の爪部
１２ｂ…第２の爪部
１２ｃ…第３の爪部
１２ｄ…第４の爪部
１３、１３ａ～１３ｄ…係止部
１４，１４ａ～１４ｄ…接続部
１５ａ～１５ｄ…突出部
１６ａ、１６ｂ…脚部
２０…圧電素子
２１…圧電板
２１ａ…圧電板の第１の主面
２１ｂ…圧電板の第２の主面
２２…第１の電極
２３…第２の電極
２４，２５…端子電極
３０…板バネ
３０ａ～３０ｄ…板バネの端部
３０ｅ…突出部
４１…第１の緩衝材
４２…第２の緩衝材
Claims (12)
- 支持体と、
前記支持体の上に配置され、厚み方向に分極されている圧電板と、前記圧電板の表面に設けられた第１及び第２の電極とを有する圧電素子と、
前記圧電素子の上側において前記支持体により支持されており、外部から加わる応力の変化により前記圧電板における圧縮応力の大きさが変化するように、前記圧電素子に対して前記圧電板の厚み方向のバイアス圧縮応力を付与するバイアス圧縮応力付与部材とを備える、圧電発電装置。 - 前記支持体は、弾性体により構成されている、請求項１に記載の圧電発電装置。
- 前記バイアス圧縮応力付与部材は、バネにより構成されている、請求項１または２に記載の圧電発電装置。
- 前記バイアス圧縮応力付与部材は板バネにより構成されており、前記板バネの面方向に沿った第１の方向における前記板バネの両端部が前記支持体により支持されている、請求項３に記載の圧電発電装置。
- 前記板バネの面方向に沿った第２の方向における前記板バネの両端部が前記支持体によりさらに支持されている、請求項４に記載の圧電発電装置。
- 前記支持体は、弾性体により構成されており、前記圧電素子を支持する支持部と、前記支持部の第２の方向に沿った両端部のそれぞれから前記圧電素子とは反対側に延びており、前記圧電発電装置が取り付けられる被取り付け部材に固定される脚部とを有している、請求項４に記載の圧電発電装置。
- 前記第２の方向は、前記第１の方向に対して垂直である、請求項５または６に記載の圧電発電装置。
- 対向する第１及び第２の主面を有し、前記第１の主面にのみ前記圧電素子が貼り付けられた弾性板を有するユニモルフ型の圧電振動子を備え、
前記支持体は、前記圧電振動子の中央部が前記支持体から隔離されるように、前記圧電振動子の周縁部の前記弾性板側を支持している、請求項１～７のいずれか一項に記載の圧電発電装置。 - 前記バイアス圧縮応力付与部材は、前記圧電振動子の前記支持体により支持されている部分よりも中央寄りの部分に対して前記バイアス圧縮応力を付与している、請求項８に記載の圧電発電装置。
- 前記圧電板の平面形状は円形である、請求項８または９に記載の圧電発電装置。
- 前記弾性板の平面形状は円形である、請求項１０に記載の圧電発電装置。
- 前記支持体と前記圧電素子との間と、前記圧電素子と前記バイアス圧縮応力付与部材との間との少なくとも一方に配置されている緩衝材をさらに備える、請求項１～１１のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
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