JP5136644B2 - 圧電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、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し、より詳細には、圧電セラミック体を有する圧電素子が振動板に固定されている構造を有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６は、特許文献１に記載の圧電発電装置を示す模式的部分切欠正面断面図である。

圧電発電装置１０１は、Ｓｉからなる基板１０２を有する。基板１０２の上面には、円形の穴１０２ａが形成されている。また、基板１０２の上面には電極１０４が形成されている。円形の穴１０２ａを閉成するように、円板状の圧電素子１０３が固定されている。圧電素子１０３は、ポリフッ化ビニリデンからなる圧電板１０３ａと、圧電板１０３ａの上面に形成された第１の電極１０３ｂと、下面に形成された第２の電極１０３ｃとを有する。

第２の電極１０３ｃが、電極１０４に電気的に接続されている。また、基板１０２の上面には、電極１０４と隔てられた位置に、電極１０５が形成されている。電極１０５に、ボンディングワイヤー１０６により、第１の電極１０３ｂが電気的に接続されている。

圧電素子１０３の上面には、おもり１０７が固定されている。圧電発電装置１０１において、加速度や歪みに伴う振動が加わると、おもり１０７が固定されている部分が矢印方向に振動する。この振動に基づく電荷が第１，第２の電極１０３ｂ，１０３ｃから取り出される。

また、特許文献１では、上記圧電発電装置１０１の変形例として、両端支持型の圧電発電装置について述べられている。個々では、図示はしないが、両端支持型の圧電発電装置は、図６の圧電発電装置１０１とほとんど同じ断面構造を有する旨が記載されている。すなわち、圧電発電装置１０１は、円形の穴１０２ａを閉成するように平面形状が円形の圧電素子１０３を用いているが、両端支持型の圧電発電素子の場合には、矩形の圧電素子の両端が図６と同様にして固定され、両持ちで支持されることになる。

特開平７−１０７７５２号公報

従来、圧電素子を片持ちばりで支持してなる圧電発電装置が知られており、該圧電発電装置では加速度等が加わって振動した場合の振動の共振周波数がばらつきがちであるという問題があった。

これに対して、圧電素子を両持ちで支持した圧電発電装置では、振動の共振周波数のばらつきを小さくすることができると考えられている。しかしながら、実際に、図６に示した断面構造を有する圧電発電装置であって、圧電素子を両持ち支持した構造では、設置状況によって共振周波数がばらつき、やはり発電効率がばらつきがちであった。

本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、圧電素子を両持ち支持してなる構造を有する圧電発電装置であって、設置状況等によって共振周波数のばらつきが生じ難く、従って発電効率のばらつきがより一層少ない圧電発電装置及びその製造方法を提供することにある。

本発明によれば、対向し合う第１，第２の主面を有する圧電セラミック体と、圧電セラミック体の第１，第２の主面にそれぞれ形成された第１，第２の電極とを有する圧電素子と、前記圧電素子が第１または第２の主面側から積層されている振動板とを備え、前記振動板が、前記圧電素子が積層されている振動板本体部と、該振動板本体部の一方側に設けられた第１の屈曲部と、第１の屈曲部と圧電素子を挟んで反対側に設けられた第２の屈曲部とを有し、前記振動板の第１，第２の屈曲部が設けられている部分よりも外側部分で前記振動板を支持している支持部材をさらに備え、前記圧電素子及び前記振動板本体部からなる振動部分が両持ちで支持されている、圧電発電装置が提供される。

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，第２の屈曲部が、前記圧電素子を介して対称に設けられている。この場合には、圧電素子の支持構造の対称性が高められるので、圧電素子の設置状況による共振周波数のばらつきをより一層低減することができる。

本発明に係る圧電発電装置の他の特定の局面では、前記振動板がセラミックスからなり、前記圧電素子と一体焼成により形成されている。この場合には、一体焼成技術を用いて効率良くかつ安価に本発明の圧電発電装置を提供することができる。特に、支持部材がセラミックスからなり、振動板と一体焼成により形成されている場合には、圧電素子及び振動体だけでなく、支持部材も一体焼成により形成されるため、製造効率をより一層高めることができ、かつより一層安価な圧電発電装置を提供することができる。

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、前記圧電素子に取り付けられた質量負荷部材がさらに備えられる。この場合には、加速度や歪みなどが加えられた場合の振動を大きくすることができ、それによって発電効率を高めることができる。

本発明に係る圧電発電装置の製造方法は、本発明に係る圧電発電装置の製造方法であって、マザーの振動板に複数の圧電素子及び複数の支持部材が一体化されている構造を用意する工程と、該構造を切断し、個々の圧電素子を得る工程とを備える。

本発明に係る圧電発電装置の製造方法のある特定の局面では、前記マザーの振動板と、前記複数の圧電素子と、前記複数の支持部材とを一体化してなる前記構造が、セラミックス一体焼成技術により用意される。従って、マザーの上記構造を得るにあたり、セラミックス一体焼成技術を用いて、マザーの振動板、複数の圧電素子及び複数の支持部材を同時に得ることができるので、製造効率を高めることができ、圧電発電装置のコストを低減することができる。

本発明に係る圧電発電装置によれば、振動板が、第１，第２の屈曲部を有し、第１，第２の屈曲部により圧電素子及び振動本体部からなる振動体が両持ちで支持されているため、片持ち支持構造を有する圧電発電装置よりも共振周波数のばらつきを小さくすることができる。加えて、第１，第２の屈曲部により支持されているため、設置状況による共振周波数のばらつきも生じ難い。よって、発電効率のばらつきを小さくすることが可能となる。

本発明に係る製造方法によれば、マザーの振動板、複数の圧電素子及び複数の支持部材を有するマザーの上記構造を用意した後、該マザーの構造を厚み方向に切断することにより個々の圧電発電装置が得られるため、共振周波数及び発電効率のばらつきが少ない本発明の圧電発電装置を効率良く得ることができ、圧電発電装置のコストを低減することが可能となる。

図１（ａ），（ｂ）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及び外観を示す斜視図である。 図２は、本発明の圧電発電装置において、質量負荷部材を積層する前の状態を示す斜視図である。 図３は、本発明の一実施形態の圧電発電装置の内部構造を説明するための部分断面斜視図である。 図４は、本発明の一実施形態の圧電発電装置の下方から見た斜視図である。 図５は、本発明の一実施形態の圧電発電装置を得るのに用意したマザーの構造を説明するための斜視図である。 図６は、従来の圧電発電装置の一例を示す部分切欠正面断面図である。

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。

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る圧電発電装置の正面断面図及び外観を示す斜視図である。

圧電発電装置１は、セラミックスからなる支持部材２を有する。すなわち、支持部材２は、矩形板状のベース２ａと、ベース２ａの外周縁から上方に延びる複数の側壁２ｂ〜２ｅとを有する。

側壁２ｂと側壁２ｄとが互いに対向しており、側壁２ｃと側壁２ｅとが互いに対向している。側壁２ｂ，２ｄを結ぶ方向が、側壁２ｃ，２ｅを結ぶ方向よりも長くされている。

対向し合う側壁２ｂ，２ｂ間に延びるように、振動板３が設けられている。振動板３は、本実施形態では、セラミックスからなり、支持部材２と一体焼成により形成されている。振動板３の一端が側壁２ｂの内面に連結されており、他端が側壁２ｂとは反対側の側壁２ｄに連結されている。

上記支持部材２の幅方向寸法、すなわち側壁２ｃ，２ｅを結ぶ方向の寸法は、２ｃ，２ｅ間の寸法よりも短くされている。従って、図２に示されているように、支持部材２の側壁２ｂ〜２ｅで囲まれた空間の幅方向中央に上記振動板３が配置されている。

振動板３は、第１，第２の屈曲部３ａ，３ｂを有する。第１の屈曲部３ａは、支持部材２の側壁２ｂの内面に連結されておりかつ水平方向に延びる連結部３ｃの内側端から上方に延びる第１の部分３ｄと、第１の部分３ｄの上端から水平方向内側に延びる第２の部分３ｅと、第２の部分３ｅの内側端から下方に延びる第３の部分３ｆとを有する。同様に、第２の屈曲部３ｂもまた、第１の部分３ｄ、第２の部分３ｅ及び第３の部分３ｆを有する。第１の屈曲部３ａの第３の部分３ｆの下端と、第２の屈曲部３ｂの第３の部分３ｆの下端とを結ぶように、水平方向に延びる振動板本体部３ｇが配置されている。この振動板本体部３ｇの下面に圧電素子４が貼り合わされている。

なお、本発明においては、圧電素子は、振動板に積層され、貼り合わされているが、ここで「貼り合わされている」とは、上記のように、一体焼成により一体化されている構造も含むものであり、必ずしも接着剤や接合剤を用いて固着した構造に限定されるものではない。

上記振動板本体部３ｇは平坦な板状部分であり、図２に示すように、長さ方向が支持部材２の長さ方向と一致している。

上記第１，第２の屈曲部３ａ，３ｂは圧電素子４を挟んで対称に配置されている。

他方、圧電素子４は、圧電セラミック体としての圧電板４ａと、圧電板４ａの上面に設けられた第１の電極４ｂと、圧電板４ａの下面に設けられた第２の電極４ｃとを有する。

圧電板４ａは、本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスからなる。もっとも、圧電板４ａは、他の圧電セラミックスにより形成されていてもよい。

また、第１，第２の電極４ｂ，４ｃは、本実施形態では、導電性金属ペーストの塗布・焼付けにより形成されている。この導電性金属ペーストの焼付けは、圧電板４ａの焼成時に行われる。また、本実施形態では、圧電板４ａの焼成は、支持部材２及び３との一体焼成技術を用いて行われる。

上記圧電板４ａは、本実施形態では、厚み方向に分極処理されている。

圧電板４ａにおける分極方向についても特に厚み方向に限定されるものではなく、他の方向に分極されていてもよい。

振動板本体部３ｇの上面には、接合材５を介して質量負荷部材６が搭載されている。接合材５としては、ガラスペーストなどの適宜の接合材を用いることができるが、本実施形態では、接合材５及び質量負荷部材６が同一材料からなり、かつ一体焼成することによりこれらが接合されている。

質量負荷部材６は、振動板本体部３ｇに質量を負荷し得る限り適宜の材料により形成することができるが、十分な質量を負荷することができるので、金属やセラミックスなどが好ましい。本実施形態では、質量負荷部材６は接合材５及び振動板３と同じセラミックスからなる。

質量負荷部材６の平面形状は図１（ｂ）及び図３に示すように略Ｈ字状の形状を有する。すなわち、接合材５により接合されている部分よりも大きな面積を有するように質量負荷部材６が形成されている。それによって、振動板本体部３ｇに、より大きな質量を負荷することが可能とされている。

質量負荷部材６は、上記振動板本体部３ｇの上方に位置している部分だけでなく、支持部材２の矩形枠状の開口内において、上記屈曲部３ａ，３ｂが設けられている部分を除く領域のほとんどを占めるように、略Ｈ字状の形状を有する。すなわち、上記屈曲部３ａ，３ｂの側方に至るように質量負荷部材６が形成されている。このような大面積の質量負荷部材６を用いることにより、振動板本体部３ｇに大きな質量を負荷することができる。

もっとも、質量負荷部材６の平面形状はこれに限定されず、振動板本体部３ｇの上方に位置する部分にのみ質量負荷部材６が設けられてもよく、また質量負荷部材６は、振動板本体部３ｇの上方と、その幅方向両側にのみ位置するように設けられてもよい。

本実施形態の圧電発電装置１は、振動や歪みが加わる部分に固定される。この固定は、支持部材２の外表面のいずれかの部分を設置部分に固定することにより行われる。設置部分から振動や歪みあるいは加速度が加わると、屈曲部３ａ，３ｂで支持されている振動板本体部３ｇ及び圧電素子４が図１（ａ）の矢印で示すように振動する。すなわち、図１（ａ）の上下方向に振動する。また、振動板本体部３ｇに質量負荷部材６が搭載されているため、より大きな振幅が得られる。そのため、上記振動によって、圧電効果に基づいて、より大きな電力が電極４ｂ，４ｃから取り出されることになる。

しかも、上記振動板本体部３ｇ及び圧電素子４からなる振動体は、両持ちで支持されているため、加えて、第１，第２の屈曲部３ａ，３ｂを介して支持されているため、設置状況による影響を受け難い。すなわち、支持部材２が固定されている設置部分による影響は、上記弾力支持構造である屈曲部３ａ，３ｂにより緩和されるため、設置状況による影響が振動部分に及びがたい。そのため、振動板本体部３ｇ及び圧電素子４を含む振動部分の共振周波数が設置状況によりばらつき難い。よって、発電効率のばらつきの少ない圧電発電装置１を提供することができる。

特に、第１，第２の屈曲部３ａ，３ｂは圧電素子４を挟んで対称に配置されているため、共振周波数のばらつきはより一層生じ難い。もっとも、第１，第２の屈曲部３ａ，３ｂは対称に配置されておらずともよい。

次に、上記圧電発電装置１の製造方法の一例を説明する。

上記圧電発電装置１の製造に際しては、上記のように、一体焼成技術を用いることにより、製造効率を高め、コストを低減することができる。より具体的には、一体焼成技術により、支持部材２、振動板３及び圧電素子４が複数連ねられたマザーの構造一体焼成技術により得る。このようなマザーの構造を得た後に、個々の圧電素子４の支持部材２の矩形の開口部に、図５に斜視図に示すように、それぞれ、質量負荷部材６を接合材を介して接合する。このようにして、図５に示すマザーの圧電素子集合体１１を得ることができる。このマザーの圧電素子集合体１１を、個々の圧電素子４に分割するようにマザーの構造を厚み方向に切断する。このように、一体焼成技術によりマザーの振動板と、複数の圧電素子と、複数の支持部材とが一体化されたマザーの構造を得、後工程で切断することにより複数の圧電発電装置１を得ることができるので、製造効率の向上及びコストの低減を図ることができる。

なお、一体焼成技術を用いて、支持部材２及び振動板３並びに圧電素子４が形成されるが、これらを構成するセラミック材料は必ずしも同一である必要はない。すなわち、支持部材２を構成するセラミックス、振動板３を構成するセラミックス、及び圧電素子４の圧電板４ａを構成するセラミックスは同一である必要はない。それぞれの要求特性に応じて、適宜のセラミック材料を用いることが好ましい。例えば、支持部材２は、機械的強度や電気的絶縁性に優れたセラミックス、例えばＡｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２などを用いて形成することが望ましい。振動板３については、ある程度薄くても十分な機械的強度を有し、屈曲部３ａ，３ｂの弾力支持構造を実現し得る、ねばり性に優れたセラミックス、例えばＡｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２などを用いることが望ましい。

圧電板４ａを構成するセラミックスとしては、前述したチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスの他、圧電性に優れた適宜の圧電セラミックスを用いることが望ましい。また、上記第１，第２の電極４ｂ，４ｃを構成する材料についても、特に限定されず、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ合金などの適宜の金属を含有する導電ペーストを用いることができる。

もっとも、振動板３及び支持部材２を同一のセラミックス材料で構成する場合には、一体焼成技術により両者をより強固に一体化することができ、望ましい。

また、本発明においては、上記圧電素子４が貼り合わされている振動板本体部３ｇを第１，第２の屈曲部を介して両持ちしたことに特徴を有するものであるため、振動板３と圧電素子４とは、別体で形成された後、適宜の接合剤を用いて貼り合わされてもよい。同様に、支持部材２と振動板３についても、予め形成された支持部材２に、適宜の接合剤を用いて振動板３を固着してもよい。

従って、支持部材２、及び振動板３は、セラミックス以外の材料で形成されていてもよい。例えば、支持部材２は、合成樹脂や金属により形成されていてもよく、振動板３についても金属や合成樹脂により形成されていてもよい。

１…圧電発電装置
２…支持部材
２ａ…ベース
２ｂ〜２ｅ…側壁
３…振動板
３ａ…屈曲部
３ｂ…屈曲部
３ｃ…連結部
３ｄ…第１の部分
３ｅ…第２の部分
３ｆ…第３の部分
３ｇ…振動板本体部
４…圧電素子
４ａ…圧電板
４ｂ，４ｃ…第１，第２の電極
５…接合材
６…質量負荷部材
１１…圧電素子集合体

Claims (7)

1. 対向し合う第１，第２の主面を有する圧電セラミック体と、圧電セラミック体の第１，第２の主面にそれぞれ形成された第１，第２の電極とを有する圧電素子と、
   前記圧電素子が第１または第２の主面側から積層されている振動板とを備え、
   前記振動板が、前記圧電素子が積層されている振動板本体部と、該振動板本体部の一方側に設けられた第１の屈曲部と、第１の屈曲部と圧電素子を挟んで反対側に設けられた第２の屈曲部とを有し、前記振動板の第１，第２の屈曲部が設けられている部分よりも外側部分で前記振動板を支持している支持部材をさらに備え、前記圧電素子及び前記振動板本体部からなる振動部分が両持ちで支持されている、圧電発電装置。
2. 前記第１，第２の屈曲部が、前記圧電素子を介して対称に設けられている、請求項１に記載の圧電発電装置。
3. 前記振動板がセラミックスからなり、前記圧電素子と一体焼成により形成されている、請求項１または２に記載の圧電発電装置。
4. 前記支持部材が、セラミックスからなり、前記振動板と一体焼成により形成されている、請求項３に記載の圧電発電装置。
5. 前記圧電素子に取り付けられた質量負荷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。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電発電装置の製造方法であって、マザーの振動板に複数の圧電素子及び複数の支持部材が一体化されている構造を用意する工程と、
   前記構造を切断し、個々の圧電発電装置を得る工程とを備える、圧電発電装置の製造方法。
7. 前記マザーの振動板と、前記複数の圧電素子と、前記複数の支持部材とを一体化してなる前記構造を、セラミックス一体焼成技術により用意することを特徴とする、請求項６に記載の圧電発電装置の製造方法。

Images