JP3160070B2 - 振動−電気エネルギー変換素子 - Google Patents
振動−電気エネルギー変換素子Info
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Description
変位振動を効率的に電気エネルギーに変換する素子に関
する。
ロホン、スピーカーなどの音響機器の他、超音波トラン
スデューサ、血圧計、探傷器やバイモルフファンなどの
広汎な用途への適用が提案され、あるいは実用化されて
いる。
ルギーを、効率よく電気エネルギーに変換し、さらに有
用な量の電気エネルギーとして取り出し得る素子は知ら
れていない。従って、本発明の目的は、圧電体を用いて
振動系のエネルギーを効率よく電気エネルギーに変換で
きる振動−電気エネルギー変換素子を提供することにあ
る。
質量の一対の物体間に密接に挾持されて前記一対の物体
間の相対変位により印加される応力に応じた電気エネル
ギーを取り出すように構成した圧電素子であって、多数
枚の圧電体フィルムまたはシートと電極とを交互に且つ
隣接する圧電体フィルムまたはシートの分極方向が互い
に逆向きとなるように積層した積層圧電素子からなり前
記一対の物体間の相対変位に伴い前記多数枚の圧電体フ
ィルムまたはシートの厚さ変動による電気エネルギーを
並列に取り出すように構成した振動−電気エネルギー変
換素子が与えられる。
量」とは、前記一対の物体間での相対変位(変位は極め
てわずかなものであり得る)により積層圧電素子に有効
な応力変化が与えられるよう積層圧電素子に比べて本質
的に大なる質量、例えば変位運動の周波数にもよるが5
倍以上、好ましくは100倍以上、に相当する質量を意
味する。一般に、一対の物体の双方の運動による干渉エ
ネルギー損失を避けるため、一方は固定(すなわち質量
無限大に相当)され、他方は可動状態に保持される。ま
た「密接に挾持」とは、前記一対の物体間での相対運動
により積層圧電素子に対し、有効な圧接応力あるいは張
力、好ましくは圧接応力、の変化が与えられるように、
積層圧電素子が一対の物体間に直接または間接的に挾持
された位置関係を意味し、このような応力印加の条件が
満たされる範囲で上記密接挾持関係は、積層圧電素子と
物体との接着、スプリング等による一定押圧力印加状態
での密接保持あるいは物体の(一方による)荷重印加下
での密接保持などの任意の態様で達成し得る。
電体フィルムまたはシートを電極を介して積層し、且つ
相当な質量の物体間に密接に挾持することにより、物体
間の相対運動による応力が、圧電体の厚さ変形を効果的
に起すように作用し、静水圧ひずみ定数dh に関する成
分のうち、最も大きな厚さ方向変形に関連するd33が最
大限に利用できて振動エネルギーの電気エネルギーへの
効果的な変換が可能になる。また、多数積層構造で並列
出力取出とすることにより面積ないし容積当りのエネル
ギー取出量が大きくなるだけでなく、素子全体の内部イ
ンピーダンスを低下させ、この面からも出力電気エネル
ギーの利用効率の向上が得られる。
振動−電気エネルギー変換素子の好ましい態様を説明す
る。図面中、異なる態様の説明に用いた同一参照符号は
類似部分を示す。
換素子(以下、単に「変換素子」という)の一実施例の
正面図である。図5を参照してこの変換素子50aは、
積層圧電素子10を、固定物体(すなわち前記一対の物
体のうち、振動物体に比べて慣性質量が大きく相対的に
振動変位の小さい物体であり、大地、床面、堅牢な床、
各種振動源を搭載した装置本体等であり得る。図示せ
ず)に取付け孔24を介して固定された筐体ないし筒体
22中の接着剤層26上に収容し、更にその積層圧電素
子10上に接着剤26を介して剛体板からなる振動伝達
部材21および振動物体20を載置してなる。また振動
伝達部材21は取付け孔23を介して振動物体20に取
付けられており、この振動物体20は、上記した相当な
質量を有する範囲内での任意の物体であり、また振動源
をなすモーター、エンジン、ピストンなどの回転機器や
往復運動機器およびそれら振動源を搭載した機器であっ
てもよい。筐体22(その前面は内部が見えるように取
り除いて示してある)内の積層圧電素子10の周囲の空
間には、ポリウレタンフォーム等の比較的柔軟な絶縁体
からなる充填材25が充填されている。また接着剤層2
6の代わりにシート状緩衝材を設けてもよい。
分は、一対の剛体板として作用する。このように、一対
の剛体板を介して積層圧電素子を固定物体および振動物
体間に保持すると、振動物体の振動により積層圧電素子
10に作用する厚さ方向での伸縮変形応力が局所化せ
ず、均質化するので好ましい。更に、これら一対の剛体
板を適切に配置することにより、振動物体−固定物体間
での振動をバイパスさせずに効果的に積層圧電素子に作
用させること、積層圧電素子の厚さ方向への伸縮変形を
妨げずに積層した圧電体各層の延長方向への横ずれを防
止すること、も可能になる。この際、一対の剛体板を固
定物体および振動物体に取付けるに際して強固なボルト
結合などにより過剰な荷重が積層圧電素子に加わらない
ようにすることが好ましい。図5の充填材25は積層圧
電素子の厚さ方向への伸縮変形を妨げずに、前記横ずれ
を防止する効果を持っている。
は、セラミックス系圧電体を用いてもよいが、耐衝撃性
に優れたポリマー系圧電体、すなわちポリマー圧電体そ
のもの、あるいはセラミックス系圧電体をポリマーバイ
ンダー中に分散させたものが好ましく、なかでもポリマ
ー圧電体そのものが好ましい。以下、ポリマー圧電体フ
ィルムまたはシート(以下、包括性に「フィルム」と称
する)を用い、本発明の積層圧電素子10として用いる
に適した積層圧電素子の一例の積層構造を図1に、また
その平面図を図2に示す。図1および図2を参照して、
この積層圧電素子10aは、ポリマー圧電体フィルム1
と、リード電極6(6a、6b)と一体化した金属箔か
らなる圧電電極(すなわち、圧電体フィルムを挾持して
圧電要素(圧電効果を生ぜしめる部位)を形成する一対
の電極の重畳部分の一方または双方)2(2a、2b)
とを接着剤層3を介してリード電極6aと6bの方向が
交互になるように積層した10層の圧電要素の積層構造
を有する。圧電電極2a、2bからは、連続して一体的
に、それぞれリード電極6a、6bが延びて素子の外部
まで達しており、そこで短絡線4a、4bに接続され、
さらに端子5a、5bを介して後段の電気回路へと導か
れる。かくして、すべての圧電要素が並列回路を形成す
るように配線される。またそれぞれの圧電体フィルム1
の、対向面且つ対向辺の対角近傍には圧電電極2a、2
bよりも幅の狭いリード電極6a、6bがそれぞれ形成
(貼付)され、また各面の該リード電極形成部を除く全
周縁部には、電極不在部(マージン)8が形成されてい
る。結果的に、対向する面の該電極不在部8と対向する
所定位置にリード電極6(6a、6b)が形成された配
置となる。すなわち、本実施例ではリード電極6a、6
bを除いて圧電体1の端面9部位には電極は設けられて
いない。このように電極不在部(マージン)を設けるこ
とは、ポリマー圧電体において問題となり得る圧電体端
面9を通してのもれ電流や放電によるエネルギー変換損
失が小さくなり、また積層圧電素子10の側面における
電気絶縁性を良好に保つ意味でも好ましい。
は、圧電体10層構成からなる。一般に、圧電体の積層
数が増えると、取り出される電気エネルギーが多くなり
好ましいが、積層数は現実的には5〜1000層、好ま
しくは10〜500層程度である。積層数は、振動源の
条件(質量、加速度、横ずれ変位の程度など)、圧電体
の厚さを面積、所望の出力インピーダンス、取り出され
る出力エネルギーなどによって適宜決定されるが、その
上限を規定する一つの要素は、積層圧電体の全体の厚さ
であり、振動源の横ずれ変位に耐え得る厚さで用いられ
る必要がある。
量、加速度を勘案した単位面積当たりの最大荷重が圧電
体に塑性変形を引き起こす降伏点以下となるような値と
される。この降伏点は、弗化ビニリデン系樹脂のポリマ
ー圧電体にあっては7×107 Pa(パスカル)を多少
超えた値であり、圧電体の面積は最大荷重がこの値を超
えない範囲で決定されるのがよい。また、上記最大荷重
値以下の範囲は、発生電荷の荷重依存性が線形に保たれ
る領域であり、この意味からも好ましい。
マー圧電体としては、比較的高い耐熱性を有するシアン
化ビニリデン−酢酸ビニル共重合体が好適に用いられる
ほか、優れた圧電特性のフッ化ビニリデン系樹脂圧電体
が好ましく、なかでも圧電性発現に適したβ型結晶化の
ために一軸延伸の必要なフッ化ビニリデン(VDF)単
独重合体に比べて、通常の結晶条件化でβ型結晶化の可
能なVDF系共重合体(例えば優位量のVDFと劣位量
のフッ化ビニル(VF)、トリフルオロエチレン(Tr
FE)あるいはテトラフルオロエチレン(TFE)との
共重合体)が好ましく、更には優位量(特に70〜80
モル%)のVDFと劣位量(特に30〜20モル%)の
TrFEとの共重合体がもっとも好ましく用いられる。
により成膜後、必要に応じて一軸延伸あるいは軟化温度
以下での熱処理、軟化温度以下での電界印加により分極
処理に付される。ポリマー圧電体フィルム1は、10〜
2000μm程度、特に20〜1000μmの厚さを有
することが好ましい。フィルムの厚さが10μm未満で
は、用途によっては十分な送受波感度が得られない場合
がある。また、逆に2000μmを超えると、分極に高
電圧が必要となるため縁面放電が発生し分極処理が極め
て困難となる。
では箔電極が用いられ、これにより図1、図2に示すよ
うに、リード電極を素子積層部の外側にまで連続且つ一
体的に突出させて端部を与えることができ、これにより
リード線の結線が容易になる。
ム、錫、亜鉛、金、銀、白金等の良導電性の金属の厚さ
6〜2000μm、特に20〜1000μmの箔が好ま
しい。この箔電極の厚さは、圧電素子全体の厚みや可撓
性、突出したリード電極部に要求される可撓性などによ
り適宜決定される。また、箔電極を接着剤を介してポリ
マー圧電体フィルム表面に貼合せた構造が特に好ましく
採用される。
電性の接着剤により形成することもできるが、より接着
強度の優れるエポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリエ
ステル系樹脂、ブタジエン系樹脂、プロピレン系樹脂、
アクリル系樹脂等の接着剤により5〜40μm程度の厚
さの層として形成することが好ましい。
の各面の周縁部に、例えば0.3〜20mm、特に2〜
10mmの幅で設けられることが好ましい。この幅が
0.3mmよりも短いともれ電流や縁面放電を抑える効
果が少なく、また20mmよりも長いと特に小寸法の素
子ではポリマー圧電体フィルムの利用効率が極めて低下
する。
ジン8を設ける方向は、この例のようにリード電極部6
(6a、6b)を除く全周囲方向(四方向)であること
が特に好ましいが、上記のマ−ジンの方向は、フィルム
の表裏面で合わせて全周囲方向となるように、それぞれ
少なくとも二方向に設けることが好ましい。
から連続して、それと一体に形成されており、後段の電
気回路と圧電電極との電気的接続を行なうものである。
それは、少なくともポリマー圧電体フィルムの端面9の
周辺部位においては、隣り合う面の電極、即ち、圧電電
極とリード電極と重ならない(圧電素子を構成しない)
ことがもれ電流や縁面放電の観点から必要である。リー
ド電極は、圧電電極と同じ材質であることが好ましい
が、同じ幅である必要はない。
層圧電素子では、素子全体としての両表面電極2a、6
aが同極性となり、それを筐体アースに取れば、高電圧
側の電気的絶縁が容易になるので好ましい。
図)および図4(平面図)は、本発明で用いるに適した
積層圧電素子の別の例を示す。この例の積層圧電素子1
0bは、それぞれ上面に溶射圧電電極12(12aまた
は12b)を設けた複数のポリマー圧電体フィルム1
を、圧電電極12aと12bに連続したそれぞれのリー
ド電極16aと16bが左右に交互の配置となるように
接着剤層3を介して積層し、且つ右側端面にまで延長し
た溶射電極12aの延長部からなるリード電極16aを
短絡線7aで全接続し、左側端面にまで延長した溶射電
極12bの延長部からなるリード電極16bを短絡線7
bで全接続した構成を有する。マージン8は、ポリマー
圧電体フィルム1の上下面の三辺に沿う三方向に設けら
れている。短絡線7(7a、7b)は、同様に溶射電極
として形成することが可能であるほか、導電性接着剤を
介して貼付した箔電極あるいは導電性ペーストの塗布電
極等であり得る。短絡線7は、積層素子の右側面および
左側面の全面に形成することもできるが、積層圧電素子
10bの厚さ方向の変形を妨げないように、図示のごと
く部分的にかつ少しづつ横にずらして形成するのが好ま
しい。また溶射電極12(リード電極16部分を含む)
の代わりに蒸着電極を用いてもよい。
は、銅、アルミニウム、亜鉛等が挙げられるが、なかで
も比較的低温での溶射が可能であり、且つリード線の半
田付性に優れた電極膜を与える亜鉛または亜鉛と銅等と
の合金が好ましく用いられる。溶射電極の厚さは、例え
ば10〜200μm範囲とされる。本発明で用いること
ことのできる溶射電極のより詳細については特願平3−
356667号の明細書に開示されている。
銀、亜鉛、錫、ニッケル、金等の良導電性金属の蒸着に
より、例えば厚さが0.01〜0.2μm、特に0.0
2〜0.1μmの範囲で形成することが好ましい。また
蒸着電極の代わりにメッキ、特に無電解メッキで厚さが
10〜100μm程度に形成した電極を用いることもで
きる。
の場合、接着剤層3の数を、図1および図2に示した先
の積層圧電素子10aに比べてほぼ半減することができ
る。
の正面図であり、上下に配置されるべき振動物体および
固定物体の図示は省略してある。この変換素子50bで
は、積層圧電素子10がフランジ22aを有する筐体
(ないし筒体)22の内側面22bに沿って嵌挿保持さ
れる。フランジ21aと下側側面に半円形突起21bを
有する振動伝達部材21が、積層圧電素子10上に置か
れ、この振動伝達部材21と筐体22とは、それぞれの
フランジ部21a、22aで、スプリング32を介して
ネジ等の結合部材31により相互に取り付けられ、積層
圧電素子10は該スプリング32の与える軽い押圧力の
もとに筐体22中に保持されている。振動伝達部材21
を上下に摺動可能に保持するため、さらに筐体22への
振動のバイパスを抑制するように設けた半円形突起21
bの代わりに、Oリングを用いてもよい。
5の例のように充填材25を用いることなく、筐体22
中に直接嵌挿保持されるので、有害な積層圧電素子10
の層間横ずれ変形がより効果的に防止される。この際、
図1〜図4で説明したような積層圧電素子10における
マージン8が筐体22内壁との絶縁を良好に維持する上
で好ましく用いられる。
示すものであり、この変換素子50cにおいては図6の
例とは異なり、磁石33a−33b間の反発力により軽
い押圧力が振動伝達部材21から積層圧電素子10に印
加され、振動伝達部材21は磁石33c−33d間の反
発力により横方向位置を安定化した状態で、上下振動伝
達のための筐体22の内側面との摺動を可能な状態に保
持されている。
例を示すものであり、この変換素子50dにおいては、
半円形突起22dを設けた筒状凸部22cを中央に形成
した剛体板22を、固定物体(図示せず)に固定し、前
記筒状凸部22cと嵌挿する形態で、中央孔を設けた積
層圧電素子10を配置し、その周囲を柔軟な充填材25
で包囲保護する。更に積層圧電素子10上には、同様に
中央孔を設けた剛体板からなる振動伝達部材21を、中
央孔内面21aにおいて筒状凸部21cと摺動可能に保
持した構成を有する。
50eを示す。この例は、図8の例と類似するが、積層
圧電素子10および固定剛体板22にそれぞれ設けた中
央孔と摺動可能に嵌合する結合部材31をスプリング3
2を介して固定剛体板22に取り付け、その先端部で振
動伝達部材21に螺着した構成を有する。積層圧電素子
10と固定剛体板22の間には緩衝材層27が挿入され
ている。
の振動エネルギーを一個の変換素子50で電気エネルギ
ーに変換するものとして説明してきた。しかしながら、
これら、振動物体と変換素子は一対一の対応で用いる必
要はない。たとえば、図10に示すように一つの振動物
体20の振動エネルギーを、四個の変換素子50で変換
するように構成することもできる。また変換素子50
は、振動物体20の側面とその側方の堅固な壁との間に
置いて、振動物体20の横方向振動を変換素子50の厚
さ方向伸縮変形に伴うエネルギーとして取り出すように
構成することもできる。
路と負荷Zで示されるエネルギー取出し回路とを示す。
この電気エネルギーへの変換に際し、変換素子の出力イ
ンピーダンスと負荷インピーダンスZとを一致させるこ
とが変換効率の観点から好ましい。ところが、変換素子
の出力インピーダンスは振動の周波数で変化するので、
図11の回路ではインピーダンス調整回路41を設けて
いる。インピーダンス調整回路41は、例えば図示のよ
うに小さなピックアップ抵抗Rで回路を流れる電流を検
出し、その周波数を解析し、その値によって負荷インピ
ーダンスZを変化するように構成されることができる。
また、負荷インピーダンスZの変更の一例としては、例
えば負荷Zの一部にインダクタンスを用い、それにカッ
プリングした鉄心を駆動することによって行なう方法が
挙げられる。
する積層圧電素子を有する図5に示す構造の変換素子を
製造した。
エチレン(TrFE)のモル比75/25の共重合体
を、ダイス温度265℃でシート押出し、125℃で1
3時間の熱処理後、75MV/mの電界下100℃での
保持時間5分、昇降時間を含めて全1時間の分極処理を
行ない、厚さ500μmのポリマー圧電体フィルム1を
得、更にその両面を粗面化した。
に、ポリエステル系接着剤(東洋紡(株)製<バイロン
30SS>と日本ウレタン(株)製<コロネートL>と
の99:1(重量比)混合物をフローコーターを用いて
厚さ10μmで両面塗布後、上記で得られたフィルムも
同様に両面に接着剤混合物を塗布した。
時間以上の真空乾燥をし、溶剤を除去し、ウレタン反応
を促進した。
ルム1を8×8cmに、また接着剤塗布銅箔を7×8c
mに切り出し、これらを交互に且つ、隣接する圧電体フ
ィルムの分極方向が逆となるように、さらにマージン8
が圧電体フィルム1の三方向に幅5mmとなるように積
層して圧電体として10層の貼り付けを行ない、90
℃、40kg/cm2 の条件で脱気させて積層体とし
た。この積層体には幅5mmのリード電極6a、6bが
突出して設けられており、圧電電極2a、2bの寸法は
70×70mmである。さらに、積層体の左右に突出さ
せた5mmのリード電極6a、6bをそれぞれ半田で接
合し、更にリード端子5(5a、5b)を接合して、ほ
ぼ図1に示す構造の積層圧電素子10aを得た。この積
層圧電素子10aでは、リード電極6の幅は圧電電極2
の幅と同じとした。
×10cm、厚さ12mm)を接着し、3辺テーピング
を行ないモールド枠とした。
リウレタン樹脂(日本ゼオン(株)製<クインネート7
618B/2023=100/48(重量比)>)を流
し込み硬化後、モールド枠を取り外した。
て、その厚み方向の圧電定数(静水圧圧電ひずみ定数d
h のd33成分に対応する圧電定数である。単位はC(ク
ーロン)/N(ニュートン))と、静電容量とを測定
し、それぞれ370pC/N、6200pFの値を得
た。ここで、圧電定数は、ハンドプレス機((株)モリ
タ東京製作所製)で、上記変換素子を挟んで厚さ方向に
押圧し、その間の素子の電荷の変化と油圧ゲージの読み
とをX−Yレコーダー上に記録してその傾きから求め
た。
kgの錘を固定し、他方を加振機(伊藤精機(株)製、
IS振動試験機IB−200A型)に取り付けて加振し
た。そして、振動の振幅と周波数とをレーザー変位計
(オムロン(株)製)、3Z4M−J10)とその出力
に結合した周波数カウンターで求め、それらの値から加
速度を計算した。その結果は、加速度1.1G(10.
8m/s2 )、周波数30.1Hzであった。レーザー
変位計の出力波形は正弦波形を示した。
数から変換素子の出力インピーダンスを計算で求め、負
荷インピーダンスZがそれとほぼ同じとなる負荷抵抗8
40kΩを選んで素子の端子5a、5bに接続し、この
負荷抵抗を流れる電流とその両端の電圧を測定し、それ
ぞれ0.87μA、0.77Vを得た。電力はそれらの
積として0.67μWであった。この電力値は、圧電定
数、錘の質量、加速度、周波数、静電容量などから計算
される理論値の約55%であった。この振動実験で取り
出された電力は、単層圧電素子によるハイドロホンでの
最高に近い強度の音波の受信の際などに経験されるnW
オーダー信号出力に比べて極めて大きい値である。
いた振動エネルギーの電気エネルギーへの変換に適する
変換素子が与えられる。特にこの変換素子においては、
分極方向が互いに逆向きとなる圧電体フィルムまたはシ
ートを電極を介して積層し、且つ相当な質量の物体間に
密接に挾持することにより、物体間の相対運動による応
力が、圧電体の厚さ変形を効果的に起すように作用し、
静水圧ひずみ定数dh に関する成分のうち、最も大きな
厚さ方向変形に関連するd33が最大限に利用できて振動
エネルギーの電気エネルギーへの効果的な変換が可能に
なる。また、多数積層構造で並列出力取出とすることに
より容積当りのエネルギー取出量が大きくなるだけでな
く、素子全体の内部インピーダンスを低下させ、この面
からも出力電気エネルギーの利用効率の向上が図れる。
一例を示す正面図。
の積層構造を示す正面図であり、(b)は対応する右側
面である。
回路図。
換素子
Claims (6)
- 【請求項1】 相当な質量の一対の物体間に密接に挾持
されて前記一対の物体間の相対変位により印加される応
力に応じた電気エネルギーを取り出すように構成した圧
電素子であって、多数枚の圧電体フィルムまたはシート
と電極とを交互に且つ隣接する圧電体フィルムまたはシ
ートの分極方向が互いに逆向きとなるように積層した積
層圧電素子からなり、前記一対の物体間の相対変位に伴
い前記多数枚の圧電体フィルムまたはシートの厚さ変動
による電気エネルギーを並列に取り出すように構成した
振動エネルギーを電気エネルギーに変換する変換素子。 - 【請求項2】 前記多数枚の圧電体フィルムまたはシー
トがポリマー系圧電体からなる請求項1に記載の変換素
子。 - 【請求項3】 前記積層圧電素子が一対の剛体板に挾持
された後、更に前記一対の物体間に挾持される請求項1
または2に記載の変換素子。 - 【請求項4】 積層圧電素子が周囲を柔軟な絶縁体で包
囲された形態で筐体中に収容される請求項1〜3のいず
れかに記載の変換素子。 - 【請求項5】 前記積層圧電素子の全体を、積層厚さ方
向での変位は抑制しないが、これと直交する方向での層
間ずれ変位を抑制するような筒体中に嵌挿保持してなる
請求項1〜4のいずれかに記載の変換素子。 - 【請求項6】 前記圧電体フィルムまたはシートと電極
とを積層するに際して、該圧電体フィルムまたはシート
の各面の周縁部に電極の不在部が形成されている請求項
1〜5のいずれかに記載の変換素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13767492A JP3160070B2 (ja) | 1992-04-30 | 1992-04-30 | 振動−電気エネルギー変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13767492A JP3160070B2 (ja) | 1992-04-30 | 1992-04-30 | 振動−電気エネルギー変換素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05308700A JPH05308700A (ja) | 1993-11-19 |
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