JP2011004598A

JP2011004598A - 圧電型発電機および圧電型発電機を用いた電子機器

Info

Publication number: JP2011004598A
Application number: JP2010197476A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Ono; 泰弘小野
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2011-01-06

Abstract

【課題】発電効率のよいｄ１５モードの振動エネルギーを回収することが可能な圧電型発電機を提供する。
【解決手段】非圧電材料からなる支持部１と、支持部１上に形成され且つ分極方向が当該支持部１に対して垂直な圧電体２と、圧電体２の分極方向と平行な向かい合う面に形成された電極５、６と、圧電体２で、支持部１と反対側に形成された錘部３とを有し、圧電体２の分極方向と直交方向で且つ電極５，６の対向方向の振動エネルギーで発電することにより、ｄ１５モードで発電することができ、発電効率がよい。圧電体２の電極５，６の形成されている面の幅を、電極５，６の形成されていない面の幅より大きくすることにより、圧電体２に発生する歪みを大きくすることができ、発電効率をより一層よくすることができる。
【選択図】図８

Description

本発明は、圧電体を用いた圧電型発電機に関するものである。

このような圧電型発電機としては、例えば下記特許文献１に記載されるものが挙げられる。この圧電型発電機では、圧電セラミック板を燐青銅板の両面に張り付けた圧電変換素子が用いられており、この圧電変換素子は、固定端部を基板に固定して当該基板から片持ち梁状に突出している。圧電変換素子の突出端部には錘が取付けられており、固定端部を基準として、錘に断続的に振動を加えることで圧電変換素子を円滑に振動し、圧電セラミック板に歪みを生じさせることで交流電圧を発生させる。

特開平７−１０７７５２号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載される圧電型発電機は、発電に寄与する振動モードが、圧電変換素子の分極方向と直交方向で且つ電極の対向方向とも直交方向の振動エネルギーを用いる、所謂ｄ３１モードであり、発電効率がよくない。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、発電効率のよいｄ１５モードの振動エネルギーを回収することが可能な圧電型発電機を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の圧電型発電機は、外部から加わる振動エネルギーを回収して電気エネルギーに変換するための発電機であって、非圧電材料からなる支持部と、前記支持部上に形成され且つ分極方向が当該支持部に対して垂直な圧電体と、前記圧電体の分極方向と平行な向かい合う面に形成された電極と、前記圧電体上で、前記支持部と反対側に形成された錘部とを有し、前記圧電体の分極方向と直交方向で且つ電極の対向方向の振動エネルギーで発電することを特徴とするものである。
この圧電型発電機によれば、錘部が圧電体を挟んで支持部と反対側に形成され、圧電体の分極方向が支持部に対して垂直な方向に一致し、電極が圧電体の分極方向と平行な向かい面に形成されているため、圧電体の分極方向と直交方向で且つ電極の対向方向の振動エネルギー、即ちｄ１５モードで発電することができ、発電効率がよい。

また、前記圧電体は、電極の形成されている面の幅が電極の形成されていない面の幅より大きいことを特徴とするものである。
この圧電型発電機によれば、圧電体に発生する歪みを大きくすることができ、発電効率をより一層よくすることができる。
また、前記錘部の厚さは圧電体の厚さの同厚以上２倍以下であることを特徴とするものである。
この圧電型発電機によれば、共振周波数を下げつつ、エネルギー効率を高めることが可能となる。

本発明の圧電型発電機の一実施形態を示す製造工程図である。図１の次の工程の製造工程図である。図２の次の工程の製造工程図である。図３の次の工程の製造工程図である。図４の次の工程の製造工程図である。図５の次の工程の製造工程図である。図６の次の工程の製造工程図である。図７の次の工程の製造工程図である。振動モードの説明図である。

次に、本発明の圧電型発電機の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１〜図８は、本実施形態の圧電型発電機の製造工程図である。図１は、本実施形態の圧電型発電機の支持部１である。この支持部１は、非圧電材料からなり、本実施形態では直方形のアルミナを用いた。非圧電材料としては、アルミナの他、ジルコニア、シリコン、窒化シリコン、シリコンカーバイト、石英、有機ポリマーなどが挙げられる。

図２は、支持部１の上に、圧電体２を積層した状態を示している。圧電体２の分極方向は、支持部１から遠ざかる方向或いは支持部１に近づく方向、つまり支持部１に対して垂直な方向とした。本実施形態では、圧電体２に厚さ３ｍｍのＰＺＴを用い、これを支持部１の上方に２液性エポキシなどの接着剤で接着した。圧電体２としては、ＰＺＴの他、ＰＺＴＮ、ＢａＴｉＯ₃、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃などが挙げられる。圧電体２の厚さは０．１〜１０ｍｍ。圧電体２は、同種、異種を問わず、２層以上の圧電材料から形成されていてもよい。また、内部に電極を配設してもよい。但し、後述する外部電極に接触してはならない。

図３は、圧電体２の上に、錘部３を積層した状態を示している。本実施形態では、錘部３にジルコニアを用いた。錘部３は、絶縁性を有する材料であれば、特に限定されない。錘部３の厚さは、圧電体２の厚さと同厚〜２倍厚とする。錘部３の厚さが圧電体２の厚さの２倍厚以上であると、共振周波数は下がるものの、エネルギー効率がよくない。錘部３は、２液性エポキシなどの接着剤を用いて圧電体２の上方に接着する。
図４は、支持部１から錘部３までの外周にマスク４ａ、４ｂを形成した状態を示している。錘部３、圧電体２は、この後、分割加工するので、錘部３の上方には加工及び保護用のマスク４ａを形成し、錘部３、圧電体２、支持部１の図示側方及び支持部１の下面には保護用のマスク４ｂを形成する。マスク４ａ、４ｂは、ドライフィルムやフォトレジストを用いることができる。

図５は、錘部３、圧電体２に溝を形成し、それらを４つに分割加工した状態を示している。分割された圧電体２、錘部３で素子が形成される。溝は、ワイヤーソーで加工した。溝の深さは支持部１と圧電体２との接合面までとしたが、圧電体２を少し残してもよい。振動エネルギーの方向は図の左右方向とする。溝加工の際、圧電体２の振動方向の長さ（後述する電極の形成されていない面の幅）ａを、それと直交方向の長さ（後述する電極の形成されている面の幅）ｂより小さくする。この場合は、ａ＝０．１ｍｍ、ｂ＝１ｍｍとした。このように圧電体２の振動方向の長さ（電極の形成されていない面の幅）ａを、それと直交方向の長さ（電極の形成されている面の幅）ｂより小さくすることで、圧電体２そのものを振動しやすくし、振動エネルギーに対する圧電体２の歪みを大きくして発電効率を高める。

図６は、図の右斜め上方から蒸着、スパッタリングなどによって一方の電極５を形成した状態を示している。電極５は、金、銀、アルミニウムなどが挙げられる。また、密着層として、Ｃｒ、Ｔｉ等を用いてもよい。その場合、例えば０．３μｍＡｕ／０．１μｍＣｒを斜めスパッタにより形成する。
図７は、前記図６と同様に、図の左斜め上方から、蒸着、スパッタリングなどによって他方の電極６を形成した状態を示している。電極の材料、電極の形成方法などは図６と同様である。

図８は、リフトオフによって上部のマスク４ａを除去すると共に、側方及び下部のマスク４ｂも除去した状態、つまり慣性状態を示している。リフトオフによって、２つの電極５、６が分割されている。
図９には、代表的な圧電型発電機の振動モードを示す。図９ａは、所謂ｄ３１モードであり、分極方向と直交して向かい合う面に電極が形成され、分極方向と振動方向とが直交する振動モードであり、発電効率を表す等価圧電定数が小さい。図９ｂは、所謂ｄ３３モードであり、分極方向と直交して向かい合う面に電極が形成され、振動方向と分極方向とが一致する振動モードであり、ｄ３１モードほどではないものの、発電効率を表す等価圧電定数も比較的小さい。これに対し、図９Ｃは、本実施形態に相当する、所謂ｄ１５モードであり、分極方向と平行な向かい合う面に電極が形成され、分極方向と振動方向とが直交する振動モードであり、発電効率を表す等価圧電定数が大きい。

このように、本実施形態の圧電型発電機では、外部から加わる振動エネルギーを回収して電気エネルギーに変換するにあたり、非圧電材料からなる支持部１と、支持部１上に形成され且つ分極方向が当該支持部１に対して垂直な圧電体２と、圧電体２の分極方向と平行な向かい合う面に形成された電極５、６と、圧電体２で、支持部１と反対側に形成された錘部３とを有し、圧電体２の分極方向と直交方向で且つ電極５，６の対向方向の振動エネルギーで発電することとしたため、即ちｄ１５モードで発電することができ、発電効率がよい。

また、圧電体２の電極５，６の形成されている面の幅を、電極５，６の形成されていない面の幅より大きくすることにより、圧電体２に発生する歪みを大きくすることができ、発電効率をより一層よくすることができる。
また、錘部３の厚さを圧電体２の厚さの同厚以上２倍以下とすることにより、共振周波数を下げつつ、エネルギー効率を高めることが可能となる。

１は支持部、２は圧電体、３は錘部、５，６は電極。

Claims

外部から加わる振動エネルギーを回収して電気エネルギーに変換するための発電機であって、非圧電材料からなる支持部と、前記支持部上に形成され且つ分極方向が当該支持部に対して垂直な圧電体と、前記圧電体の分極方向と平行な向かい合う面に形成された電極と、前記圧電体上で、前記支持部と反対側に形成された錘部とを有し、前記圧電体の分極方向と直交方向で且つ電極の対向方向の振動エネルギーで発電することを特徴とする圧電型発電機。
前記圧電体は、電極の形成されている面の幅が電極の形成されていない面の幅より大きいことを特徴とする請求項１に記載の圧電型発電機。
前記錘部の厚さは圧電体の厚さの同厚以上２倍以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電型発電機。