JPWO2016158730A1 - 圧電発電素子及び圧電発電装置 - Google Patents

Abstract

繰り返し押圧された場合においても、クラックや、電極間のマイグレーションが生じ難い、圧電発電素子を提供する。第１，第２の主面２ａ，２ｂを有し、かつ複数の圧電セラミック層１１が積層された圧電セラミック積層体２と、複数の第１，第２の内部電極１２，１３とを備え、複数の第１，第２の内部電極１２，１３のうち少なくともいずれかが、切欠き部を有し、第１，第２の内部電極１２，１３における、押圧部材１５により間接的に押圧される領域及び／又は外周縁に切欠き部が設けられている、圧電発電素子１０。

Description

本発明は、圧電発電素子及び該圧電発電素子を用いた圧電発電装置に関する。

従来、外部からの荷重によって発電する圧電発電素子を用いた圧電発電装置が広く知られている。

例えば、下記の特許文献１には、自由端に重りが設けられたレバー部と、重りとレバー部との振動により加圧される積層型の圧電発電素子とを備える、圧電発電装置が開示されている。

特開平１１−１４６６６３号公報

しかしながら、特許文献１の圧電発電装置のように、圧電発電素子に繰り返し応力や歪みが加わると、クラックが生じたり、積層部が剥離したりすることがあった。そのため、内部電極間のマイグレーションが生じ、電気的に短絡することがあった。

本発明の目的は、繰り返し押圧された場合においても、クラックや、電極間のマイグレーションが生じ難い、圧電発電素子及び該圧電発電素子を用いた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素子は、押圧部材を用いて押圧することにより、電荷を発生させる圧電発電素子であって、複数の圧電セラミック層が積層された圧電セラミック積層体を備え、前記圧電セラミック積層体が、前記圧電セラミック層の積層方向の最外側の主面であって、前記押圧部材により押圧される領域を有する第１の主面と、該第１の主面と対向している前記積層方向の最外側の第２の主面と、を有し、前記圧電セラミック積層体の内部に設けられている、複数の第１の内部電極と、前記圧電セラミック積層体の内部に設けられており、かつ発電に際し前記第１の内部電極とは異なる電位となる、複数の第２の内部電極と、をさらに備え、前記複数の第１，第２の内部電極のうち少なくともいずれかが、切欠き部を有し、前記第１，第２の内部電極における、前記押圧部材により間接的に押圧される領域及び／又は外周縁に前記切欠き部が設けられている。

本発明に係る圧電発電素子のある特定の局面では、前記複数の第１，第２の内部電極が、前記積層方向において、交互に配置され、かつ互いに対向している対向領域を有しており、前記複数の第１，第２の内部電極のうち、前記積層方向において前記第１の主面側に最も近い側から少なくとも１つの内部電極は、当該内部電極が形成されていない前記切欠き部を前記対向領域に有し、前記積層方向から視たときに、前記切欠き部は、前記押圧部材により押圧される前記領域と重なっている。この場合には、容量の低下が生じ難い。

本発明に係る圧電発電素子の他の特定の局面では、前記第１，第２の内部電極が、それぞれ複数の切欠き部を有し、前記各第１，第２の内部電極における外周縁に前記各切欠き部が設けられている。この場合には、クラック及び電極間のマイグレーションを効果的に抑制することができる。

本発明に係る圧電発電素子のさらに他の特定の局面では、前記複数の圧電セラミック積層体の内部に浮き電極がそれぞれ設けられており、前記浮き電極を囲むように、前記切欠き部が設けられている。この場合には、クラック及び電極間のマイグレーションがより一層生じ難い。

本発明に係る圧電発電素子の別の特定の局面では、前記複数の第１，第２の内部電極のうち、前記積層方向において前記第１の主面側に最も近い側から少なくとも２つの内部電極は、前記切欠き部を有し、前記第１の主面側から前記第２の主面側に向かうにつれて、前記切欠き部の面積が小さくなっている。この場合、容量の低下が生じ難い。

本発明に係る圧電発電素子のさらに別の特定の局面では、前記積層方向から視たときに、前記押圧部材により押圧される領域と、前記切欠き部とは、一方が他方に含まれるように重なっている。

本発明に係る圧電発電素子の他の特定の局面では、前記積層方向から視たときに、前記押圧部材により押圧される領域は、前記切欠き部に含まれるように前記切欠き部と重なっている。

本発明に係る圧電発電素子のさらに別の特定の局面では、前記積層方向から視たときに、前記押圧部材により押圧される領域と、前記切欠き部とは、部分的に重なっている。

本発明に係る圧電発電素子のさらに別の特定の局面では、前記圧電セラミック積層体の第１の主面上に設けられており、かつ前記複数の第１の内部電極に接続されている第１の外表面電極と、前記圧電セラミック積層体の第１の主面に設けられており、かつ前記複数の第２の内部電極に接続されている第２の外表面電極とをさらに備え、前記複数の第１，第２の内部電極が、前記積層方向において、交互に配置され、かつ互いに対向している対向領域を有しており、前記第１の外表面電極が、前記複数の第１，第２の内部電極の対向領域と積層方向において重なる領域に設けられている。

本発明に係る圧電発電素子のさらに他の特定の局面では、前記第１の外表面電極において、前記押圧部材により直接的又は間接的に押圧される領域の少なくとも一部を覆うように、保護層が設けられている。この場合には、クラック及び電極間のマイグレーションがより一層生じ難い。

本発明に係る圧電発電素子のさらに他の特定の局面では、前記保護層を覆うように、樹脂シートが設けられている。この場合には、電極間のマイグレーションがより一層生じ難い。

本発明に係る圧電発電素子のさらに他の特定の局面では、前記第１の外表面電極が、前記押圧部材により直接的又は間接的に押圧される領域を含む領域を囲むように、前記第１の外表面電極が形成されていない外表面電極欠落部を有する。

本発明に係る圧電発電素子のさらに他の特定の局面では、前記押圧部材により直接的又は間接的に押圧される領域を含む領域に、保護層が設けられており、前記保護層を囲むように前記外表面電極欠落部が設けられている。

本発明に係る圧電発電素子のさらに他の特定の局面では、前記第１の外表面電極上に、フレキシブル基板が設けられている。前記フレキシブル基板は、樹脂シートと、前記樹脂シートの前記第１の外表面電極側の主面において、前記押圧部材により直接的又は間接的に押圧される領域の少なくとも一部に設けられている金属層とを有することが好ましい。この場合には、部品点数を削減することができ、しかも工程を簡略化することができる。

本発明に係る圧電発電装置のある広い局面では、ケース部材と、前記ケース部材上に設けられている支持体と、第３の主面と、該第３の主面に対向している第４の主面とを有し、前記第３の主面側が前記支持体により支持されている、金属板と、前記金属板の前記第４の主面側に設けられている、本発明に従って構成される圧電発電素子と、前記圧電発電素子を押圧するように設けられている押圧部材と、を備える。

本発明に係る圧電発電装置のある特定の局面では、絶縁膜がさらに備えられており、前記圧電発電素子が、前記絶縁膜を介して、前記金属板の前記第４の主面上に設けられている。

本発明に係る圧電発電装置の他の広い局面では、支持体と、前記第２の主面が前記支持体により支持されている、本発明に従って構成された圧電発電素子と、前記圧電発電素子における前記第１の主面に設けられている金属板と、前記金属板を押圧するように設けられている押圧部材とを備え、前記積層方向から視たときに、前記切欠き部が、前記支持体を含んでいる。

本発明に係る圧電発電装置の他の広い局面では、複数の支持体と、前記第２の主面が前記支持体により支持されている、本発明に従って構成された圧電発電素子と、前記圧電発電素子における前記第１の主面に設けられている金属板と、前記金属板を押圧するように設けられている押圧部材とを備え、前記積層方向から視たときに、前記複数の第１，第２の内部電極の前記各浮き電極が、前記各支持体に重なっている。

本発明によれば、繰り返し押圧された場合においても、クラックや、電極間のマイグレーションが生じ難い、圧電発電素子を提供することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の斜視図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の分解斜視図である。 図３は、保護層とリード部とが連結されている態様を示す模式図である。 図４は、圧電発電素子の分極状態を説明するための模式的断面図である。 図５は、圧電発電素子をケース部材に収納したときの模式図である。 図６は、押圧部材によって、押圧したときの圧電発電素子の変形状態を説明するための模式図である。 図７は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置の分解斜視図である。 図８は、本発明の第３の実施形態に係る圧電発電装置の分解斜視図である。 図９（ａ）は、押圧部材を金属板側に配置した圧電発電素子をケース部材に収納したときの模式図であり、図９（ｂ）は、圧電発電素子を押圧したときの変形状態を示す模式図である。 図１０は、本発明の第４の実施形態に係る圧電発電装置の分解斜視図である。 図１１（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る圧電発電装置の模式的斜視図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿う圧電発電装置の模式的断面図である。 図１２は、本発明の第５の実施形態に係る圧電発電装置の分解斜視図である。 図１３（ａ）は、本発明の第５の実施形態に係る圧電発電装置の模式的斜視図である。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）中のＩＩ−ＩＩ線に沿う圧電発電装置の模式的断面図である。 本発明の第６の実施形態に係る圧電発電装置の分解斜視図である。

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。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の斜視図である。また、図２は、その分解斜視図である。図１及び図２における左右方向を長さ方向、図１及び図２における上下方向、すなわち図２における積層方向を厚み方向、長さ方向及び厚み方向に直交する方向を幅方向と定義する。

圧電発電装置１は、圧電発電素子１０を有する。より具体的には、圧電発電装置１は、押圧部材１５と、圧電発電素子１０と、絶縁膜９と、金属板５と、支持体１４とを備える。以下、圧電発電素子１０の詳細について先に説明し、次に各構成部材の詳細について説明する。

圧電発電素子１０は、押圧部材１５により押圧されることにより、電荷を発生させる素子である。圧電発電素子１０は、圧電セラミック積層体２と、第１，第２の外表面電極３，４と、複数の第１，第２の内部電極１２，１３と、第１，第２のリード端子６，７と、保護層８と、樹脂シート１６とを備える。

圧電セラミック積層体２では、図２に示すように複数の圧電セラミック層１１が積層されている。各圧電セラミック層１１の厚みは、特に限定されないが、例えば、１０〜２０μｍとすることができる。

圧電セラミック積層体２は、図１及び図２に示すように第１，第２の主面２ａ，２ｂ、第１，第２の側面２ｃ，２ｄ及び第１，第２の端面２ｅ，２ｆを有する直方体状の形状である。もっとも、圧電セラミック積層体２の形状は、円盤状であってもよい。

第１，第２の主面２ａ，２ｂは、長さ方向及び幅方向に沿って延びている。第１，第２の主面２ａ，２ｂは、圧電セラミック層１１の積層方向（以下、単に積層方向ともいう。）の最外側の主面である。第１，第２の側面２ｃ，２ｄは、長さ方向及び厚み方向に沿って延びている。第１，第２の端面２ｅ，２ｆは、幅方向及び厚み方向に沿って延びている。なお、第１の主面２ａは、押圧部材１５により押圧される領域２Ａを有している。押圧部材１５により押圧される領域２Ａは、押圧部材１５により間接的に押圧される領域である。もっとも、本発明において、第１の主面２ａは、押圧部材１５により直接的に押圧される領域を有していてもよく、間接的に押圧される領域を有していてもよい。また、第１，第２の主面２ａ，２ｂは互いに対向し合っている。

圧電セラミック積層体２は、例えば、以下のようにして製造される。まず、セラミックスを主体とする複数枚のセラミックグリーンシートを用意する。しかる後、複数枚のセラミックグリーンシートに電極ペーストを印刷する。印刷後、複数枚のセラミックグリーンシートを積層して積層体を作製する。次に、作製した積層体を焼成する。それによって、圧電セラミック積層体２を得ることができる。

本実施形態において、圧電セラミック積層体２は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスを主成分とする材料からなる。もっとも、ニオブ酸カリウムナトリウム系やアルカリニオブ酸系セラミックス等の他の非鉛系圧電セラミックスを主成分とする材料からなっていてもよい。

複数の第１，第２の内部電極１２，１３は、圧電セラミック積層体２の内部に設けられている。第１，第２の内部電極１２，１３は、圧電セラミック層１１の積層方向において、交互に積層されている。第１，第２の内部電極１２，１３は、同じ第１の端面２ｅから引き出されるように設けられている。第１，第２の内部電極１２，１３は、それぞれ、異なる電位に接続されている。

なお、本発明において、第１，第２の内部電極１２，１３は、第２の端面２ｆや、第１又は第２の側面２ｃ，２ｄから引き出されるように設けられていてもよい。また、第１の内部電極１２及び第２の内部電極１３は、それぞれ、異なる面から引き出されていてもよい。

第１の内部電極１２は、対向領域１２ａと、引き出し領域１２ｂとを有する。対向領域１２ａは、第２の内部電極１３と積層方向において対向している領域である。引き出し領域１２ｂは、対向領域１２ａと第１の端面２ｅとの間に位置している。

第２の内部電極１３は、対向領域１３ａと、引き出し領域１３ｂとを有する。対向領域１３ａは、第１の内部電極１２と積層方向において対向している領域である。引き出し領域１３ｂは、対向領域１３ａと第１の端面２ｅとの間に位置している。

なお、第１の内部電極１２の引き出し領域１２ｂと、第２の内部電極１３の引き出し領域１３ｂとは、積層方向において対向していない。より詳細には、第１の端面２ｅにおいて、引き出し領域１２ｂは、第１の側面２ｃ側に寄せられている。他方、第１の端面２ｅにおいて、引き出し領域１３ｂは、第２の側面２ｄ側に寄せられている。

本実施形態においては、複数の第１，第２の内部電極１２，１３のうち、積層方向において第１の主面２ａ側に最も近い側から２つの内部電極が、内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃを有している。なお、内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃにおいては、内部電極が形成されていない。内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃ及び後述する内部電極切欠き部が本願発明の「切欠き部」に相当する。

もっとも、本発明においては、積層方向において第１の主面２ａ側に最も近い側から少なくとも１つの内部電極が、内部電極欠落部１２ｃ又は内部電極欠落部１３ｃを有していればよい。従って、全ての第１，第２の内部電極１２，１３が、内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃを有していてもよい。

内部電極欠落部１２ｃは、対向領域１２ａに設けられており，内部電極欠落部１３ｃは、対向領域１３ａに設けられている。積層方向から視たときに、内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃは、押圧部材１５により押圧される領域２Ａと重なっている。より具体的には、積層方向から視たときに、押圧部材１５により押圧される領域２Ａは、内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃに含まれるように内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃと重なっている。

なお、本発明においては、積層方向から視たときに押圧部材１５により押圧される領域２Ａと、内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃとが、一方が他方に含まれるように重なっていてもよく、部分的に重なっていてもよい。電極間のマイグレーションをより一層抑制する観点からは、積層方向から視たときに押圧部材１５により押圧される領域２Ａが、内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃに含まれるように内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃと重なっていることが好ましい。

内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃの平面形状は、楕円状である。もっとも、本発明において、内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃの平面形状は、特に限定されず、例えば、矩形であってもよい。

本実施形態においては、積層方向において第１の主面２ａ側に最も近い側から２つの内部電極に、内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃが設けられているため、押圧部材１５により繰り返し押圧された場合においても、クラックが生じ難い。そのため、クラックから湿気が侵入し難く、湿気に起因する電極間のマイグレーションが生じ難い。

しかも、そもそも、内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃには、内部電極が存在しないため、電極間のマイグレーションが発生し難い。

本実施形態においては、第１の主面２ａ側から第２の主面２ｂ側に向かうにつれて、内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃの面積が小さくなっている。この場合、上記本発明の効果を得つつ、容量の低下を抑制することができるため好ましい。

また、積層方向において最も第１の主面２ａ側に近い内部電極欠落部１２ｃは、積層方向から視たときに押圧部材１５により押圧される領域２Ａを含むように、押圧部材１５により押圧される領域２Ａと重なっていることが好ましい。また、積層方向において最も第１の主面２ａ側に近い内部電極欠落部１２ｃは、積層方向から視たときに押圧部材１５により押圧される領域２Ａより広い領域に設けられていることがより好ましい。その場合、電極間のマイグレーションがより一層生じ難い。

第１，第２の内部電極１２，１３を構成する材料としては、特に限定されないが、Ｎｉなどの卑金属を主成分とする金属であることが好ましい。第１，第２の内部電極１２，１３の厚みとしては特に限定されないが、例えば、数μｍ程度とすることができる。

第１，第２の外表面電極３，４は、圧電セラミック積層体２の外表面に設けられている。より具体的には、第１，第２の外表面電極３，４は、圧電セラミック積層体２の第１の主面２ａから、第１の端面２ｅを経て、第２の主面２ｂに至っている。

本発明において、第１，第２の外表面電極３，４は、第１の主面２ａから、第２の端面２ｆや、第１又は第２側面２ｃ，２ｄを経て、第２の主面２ｂに至っていてもよい。また、第１，第２の外表面電極３，４を、第１，第２の主面２ａ，２ｂの双方に設けて、第１，第２の主面２ａ，２ｂの外表面電極間をビアホール導体により電気的に接続してもよい。

第１の外表面電極３は、第１の端面２ｅにおいて、複数の第１の内部電極１２に接続されている。他方、第２の外表面電極４は、第１の端面２ｅにおいて、複数の第２の内部電極１３に接続されている。

第１の外表面電極３は、第１の主面２ａ上に、積層方向において、第１の内部電極１２と対向している対向領域３ａを有している。また、第１の外表面電極３は、第２の主面２ｂ上に、積層方向において、第１の内部電極１２と対向している対向領域３ｂを有している。第１の外表面電極３は、積層方向から視たときに第１，第２の内部電極１２，１３の対向領域１２ａ，１３ａと重なる領域に設けられている。

第１，第２の外表面電極３，４を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ又はＡｕなどの金属が用いられる。

本実施形態においては、第１の外表面電極３上に、保護層８と、第１のリード端子６とが設けられている。保護層８は、第１の外表面電極３において、押圧部材１５により直接的又は間接的に押圧される領域の少なくとも一部を覆うように設けられている。また、第２の外表面電極４上に第２のリード端子７が設けられている。

第１，第２のリード端子６，７は、それぞれ、第１，第２の外表面電極３，４に接続されるように設けられている。第１，第２のリード端子６，７は、第１の端面２ｅから突出するように設けられている。

保護層８及び第１，第２のリード端子６，７は、金属により構成されている。保護層８及び第１，第２のリード端子６，７は、金属箔により構成されていることが好ましい。金属箔を構成する材料としては、例えば、リン青銅、黄銅、４２Ｎｉ又はステンレスなどを用いることができる。

また、保護層８及び第１，第２のリード端子６，７は、異なる材料により構成されていてもよいが、同じ材料により構成されていることが好ましい。この場合、部品点数を削減することができ、しかも工程を簡略化することができる。

保護層８及び第１，第２のリード端子６，７の厚みは、特に限定されないが、例えば、１０〜５０μｍとすることができる。なお、保護層８及び第１，第２のリード端子６，７は、上述の実施形態の形状に限るものではない。例えば、図３に示すように、保護層８及び第１のリード端子６は、連結部１７によって連結されていてもよい。

本実施形態においては、保護層８が、押圧部材１５により直接的又は間接的に押圧される領域に設けられているため、押圧部材１５により繰り返し押圧された場合においても、押圧される領域の応力が緩和される。そのため、より一層クラックが生じ難い。また、保護層８を設けることで、圧電発電素子１０の機械的強度をより一層高めることもできる。

さらに、クラックが発生した場合においても、保護層８により、湿気を遮断することができるため、電極間のマイグレーションがより一層生じ難い。

圧電セラミック積層体２の第１の主面２ａ上には、第１，第２の外表面電極３，４、保護層８及び第１，第２のリード端子６，７を覆うように、樹脂シート１６が設けられている。

樹脂シート１６を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、ポリイミドや、ＰＥＴなどを用いることができる。樹脂シート１６の厚みとしても、特に限定されず、例えば、１０〜１００μｍとすることができる。

樹脂シート１６を設けることにより、押圧部材１５により繰り返し押圧された場合におけるクラックの発生をより一層抑制することができる。

本実施形態のように、第１の主面２ａのみが樹脂シート１６に覆われていてもよいが、圧電セラミック積層体２全体が樹脂シート１６に覆われていてもよい。その場合、湿気や、ガス、塩水などによる腐食をより一層抑制することができる。また、発電時の圧縮の繰り返しに起因するクラックの発生をより一層抑制することができる。なお、樹脂シート１６は設けられることが望ましいが、本発明においては、必ずしも設けなくともよい。

図４は、圧電発電素子１０の分極状態を説明するための模式的断面図である。なお、図４においては、第１，第２のリード端子６，７、保護層８及び樹脂シート１６の図示は省略してある。

図４に示すように、圧電発電素子１０においては、予め分極処理がなされている。より詳細には、圧電発電素子１０では、第１の主面２ａから第２の主面２ｂに向かう方向に分極処理がなされた圧電セラミック層と、第２の主面２ｂから第１の主面２ａに向かう方向に分極処理がなされた圧電セラミック層とが交互に積層されている。すなわち、圧電発電素子１０では、積層方向において、互いに逆方向に分極した圧電セラミック層が交互に積層されている。

圧電発電素子１０には、予め上記分極処理が施されている。よって、後述するように押圧部材１５によって、押圧されることにより、電荷が発生する。なお、発生した電荷は、第１，第２のリード端子６，７を介して取り出すことができる。

圧電発電装置１において、押圧部材１５は、先端が圧電セラミック積層体２の第１の主面２ａと対向するように配置されている。押圧部材１５は、第１の主面２ａの押圧部に当接し、繰り返し押圧されるように設けられている。押圧部材１５の先端は、第１，第２の内部電極１２，１３の対向領域１２ａ，１３ａと積層方向において重なるように配置されている。

より詳細には、押圧部材１５は、第１，第２の内部電極１２，１３の内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃと、積層方向から視たときに、重なるように配置されている。

また、圧電発電装置１において、圧電発電素子１０は、金属板５上に配置されている。金属板５は、第３の主面５ａと、第３の主面５ａと対向している第４の主面５ｂとを有する。

圧電発電素子１０は、金属板５の第４の主面５ｂ上に設けられている。より詳細には、圧電発電素子１０は、絶縁膜９を介して、金属板５の第４の主面５ｂ上に接着剤等で接合されている。

金属板５は、インバー材、すなわち４２Ｎｉにより構成されている。このように、金属板５は、圧電セラミックと熱膨張係数がほぼ同等の金属材料により構成されることが望ましいが、他の適宜の金属材料により構成されていてもよい。金属板５の厚みは、例えば圧電発電素子１０の厚みの２倍である。

金属板５は、矩形の板状である。もっとも、金属板５は円盤状であってもよく、形状としては、特に限定されない。

絶縁膜９を構成する材料としては、特に限定されないが、弾性係数の高い材料であることが望ましい。絶縁膜９を構成する材料として、例えば、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、絶縁性セラミック又はダイヤモンドライクカーボンなどの材料を用いることができる。

絶縁膜９の厚みとしては、特に限定されないが、数十μｍ以下とすることが望ましい。絶縁膜９は、エポキシ系接着剤などの接着剤により接着して用いることができる。あるいは、エポキシ接着剤自体を絶縁膜９として使用できる。

なお、絶縁膜９は、必ずしも設ける必要はない。もっとも、絶縁膜９を設けることにより、圧電発電素子１の第１，第２の外表面電極３，４の短絡をより一層確実に防止することができる。よって、絶縁膜９を設けることが望ましい。

金属板５の第３の主面５ａは、支持体１４によって支持されている。図５に示すように、圧電発電素子１０は、ケース部材１８に収納されていてもよく、ケース部材１８と支持体１４とが一体化して構成されていてもよい。なお、支持体１４は、金属板５の長さ方向両端に設けられており、幅方向に沿うように設けられている。

図６は、押圧部材により押圧したときの圧電発電素子の変形状態を示す模式図である。圧電発電素子１０を押圧部材１５により押圧すると、図６に示すように圧電発電素子１０の中央部が下方に突出するように変形する。

圧電セラミック積層体２には、上述したように分極処理が施されているため、変形に際し電荷が発生する。圧電発電装置１においては、発生した電荷を、第１，第２のリード端子６，７を介して取り出すことができる。

このように、圧電発電装置１においては、外部からの荷重により発電する。そのため、圧電発電装置１は、例えば、ネットワーク用の電源や、照明制御用スイッチ、あるいは各種スイッチの電源として利用することができる。

上述したように、圧電発電装置１では、積層方向において第１の主面２ａ側に樹脂シート１６と、保護膜８が設けられている。さらに、圧電セラミック積層体２の内部において、第１の主面２ａに最も近い側から少なくとも１つの内部電極に、内部電極欠落部１２ｃ又は内部電極欠落部１３ｃが設けられているため、押圧部材１５により繰り返し押圧された場合においても、クラックが生じ難い。そのため、湿気が侵入しにくく、電極間のマイグレーションが生じ難い。しかも、そもそも、内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃには、内部電極が存在しないため、電極間のマイグレーションが発生し難い。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置２１の構成は、第１の実施形態で説明したものと基本的には共通するが、以下の点で異なる。図７は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置の分解斜視図である。圧電発電装置２１においては、圧電発電素子１０の第１の外表面電極３の対向領域３ａにおいて押圧部材１５により直接的又は間接的に押圧される領域を含む領域を囲むように、外表面電極欠落部３ｃが設けられている。外表面電極欠落部３ｃには、第１の外表面電極３が形成されていない。

言い換えると、第１の外表面電極３は、押圧部材１５により直接的又は間接的に押圧される領域を含む領域を囲むように、第１の外表面電極３が形成されていない外表面電極欠落部３ｃを有する。

より詳細には、押圧部材１５により直接的又は間接的に押圧される領域を含む領域には、第１の外表面電極３の一部である浮き電極３Ａが設けられおり、浮き電極３Ａを囲むように外表面電極欠落部３ｃが設けられている。浮き電極３Ａは、第１の外表面電極３と電気的に分離されている。浮き電極３Ａは、保護層としても機能する。浮き電極３Ａは、例えば円状であり、外表面電極欠落部３ｃは、例えば環状である。浮き電極３Ａは、第１の外表面電極３と同一の材料により構成されている。

なお、浮き電極３Ａは、金属箔により構成されていてもよい。金属箔を構成する材料としては、例えば、リン青銅、黄銅、４２Ｎｉ又はステンレスなどを用いることができる。

また、第１，第２のリード端子６，７の代わりに、第１，第２のリード線６Ａ，７Ａが設けられている。さらに、圧電発電装置２１においては、圧電発電素子１０に保護層及び樹脂シートが設けられていない。

圧電発電装置２１においても、積層方向において第１の主面２ａ側に最も近い側から少なくとも１つの内部電極に、内部電極欠落部１２ｃ又は内部電極欠落部１３ｃが設けられているため、押圧部材１５により繰り返し押圧された場合においても、クラックが生じ難い。そのため、湿気が侵入しにくく、電極間のマイグレーションが生じ難い。しかも、そもそも、内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃには、内部電極が存在しないため、内部電極間のマイグレーションが発生し難い。

さらに、圧電発電装置２１では、上記浮き電極３Ａは、第１の外表面電極３と電気的に分離されている。そのため、押圧部材１５により繰り返し押圧された場合においても、浮き電極３Ａの局部的な摩耗による第１の外表面電極３の導通不良が発生し難い。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る圧電発電装置３１の構成は、第１の実施形態で説明したものと基本的には共通するが、以下の点で異なる。図８は、本発明の第３の実施形態に係る圧電発電装置の分解斜視図である。図８に示すように、圧電発電装置３１においては、第１の外表面電極３を覆うようにフレキシブル基板１９が設けられている。

フレキシブル基板１９は、樹脂シート１６Ａ、第１，第２のリード端子６Ｂ，７Ｂ及び金属層２０を有する。第１，第２のリード端子６Ｂ，７Ｂ及び金属層２０は、樹脂シート１６Ａの押圧部材１５側とは反対側の主面に設けられている。

フレキシブル基板１９では、樹脂シート１６Ａ、第１，第２のリード端子６Ｂ，７Ｂ及び金属層２０が一体化されている。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

第１，第２のリード端子６Ｂ，７Ｂ及び金属層２０は、金属箔により構成されていることが好ましい。金属箔を構成する材料としては、例えば、銅を用いる。

また、樹脂シート１６Ａを構成する材料としては、例えば、ポリイミドや、ＰＥＴなどを用いることができる。

圧電発電装置３１においても、積層方向において第１の主面２ａ側に最も近い側から少なくとも１つの内部電極に、内部電極欠落部１２ｃ又は内部電極欠落部１３ｃが設けられているため、押圧部材１５により繰り返し押圧された場合においても、クラックが生じ難い。そのため、湿気が侵入しにくく、電極間のマイグレーションが生じ難い。しかも、そもそも、内部電極欠落部１２ｃ，１３ｃには、内部電極が存在しないため、電極間のマイグレーションが発生し難い。

また、圧電発電装置３１では、フレキシブル基板１９として、樹脂シート１６Ａ、第１，第２のリード端子６Ｂ，７Ｂ及び金属層２０が一体化されているため、部品点数を削減することができ、しかも工程を簡略化することができる。

第１〜第３の実施形態においては、圧電発電素子１０を金属板５側とは反対側から押圧する例を示した。なお、下記の図９（ａ）及び図９（ｂ）に示す第１の実施形態の変形例のように、圧電発電素子１０を金属板５側から押圧してもよい。

図９（ａ）は、押圧部材を金属板５側に配置した圧電発電素子をケース部材に収納したときの模式図である。図９（ｂ）は、圧電発電素子を押圧したときの変形状態を示す模式図である。この変形例のように、圧電発電素子１０は、支持部１４により、金属板５側とは反対側から支持されていてもよい。圧電発電素子１０を押圧部材１５により押圧すると、図９（ｂ）に示すように圧電発電素子１０の中央部が下方に突出するように変形する。

（第４の実施形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る圧電発電装置の分解斜視図である。図１１（ａ）は、第４の実施形態に係る圧電発電装置の模式的斜視図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿う圧電発電装置の模式的断面図である。

本発明の第４の実施形態に係る圧電発電装置４１の構成は、第１の実施形態で説明したものと基本的には共通するが、以下の点で異なる。図１０、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、圧電発電装置４１は、４個の支持体４６を有する。各支持体４６は、圧電発電装置４１における板状の圧電発電素子１０Ａの樹脂シート１６側の四隅を支持している。積層方向から視て、圧電発電素子１０Ａの外周縁のうち支持されている部分（ここでは四隅）を含むように、第１，第２の内部電極１２Ａ，１３Ａに切欠き部１２Ａｄ，１３Ａｄが設けられている。また、圧電セラミック積層体４２の第１の主面２ａは支持体４６側に位置しており、第２の主面２ｂは押圧部材１５側に位置している。押圧部材１５の直下に金属板４５が設けられている。

より具体的には、圧電発電装置４１は、押圧部材１５と、金属板４５と、絶縁膜９と、圧電発電素子１０Ａと、支持体４６とを備え、これらが順に積層されている。

圧電発電素子１０Ａは、押圧部材１５により押圧されることにより、電荷を発生させる素子である。圧電発電素子１０Ａは、圧電セラミック積層体４２と、第１，第２の外表面電極４３，４４と、複数の第１，第２の内部電極１２Ａ，１３Ａと、第１，第２のリード端子６，７と、樹脂シート１６とを備える。本実施形態では、金属板４５は、絶縁膜９と押圧部材１５との間に設けられている。本実施形態では、圧電発電素子１０Ａは金属板４５を介して押圧部材１５により押圧される。

圧電セラミック積層体４２においては、複数の圧電セラミック層１１が積層されている。圧電セラミック積層体４２は、第１，第２の主面２ａ，２ｂ、第１，第２の側面及び第１，第２の端面を有する直方体状の形状である。

複数の第１，第２の内部電極１２Ａ，１３Ａは、略直方体形状である。第１，第２の内部電極１２Ａ，１３Ａには、積層方向から視て四隅に内部電極切欠き部１２Ａｄ，１３Ａｄが設けられている。言い換えると、第１，第２の内部電極１２Ａ，１３Ａは、四隅が切り欠かれている。なお、内部電極切欠き部１２Ａｄ，１３Ａｄは本願発明の「切欠き部」に相当する。

ここで、図１１（ｂ）に示すように、積層方向から視たときに、圧電発電素子１０Ａの上記各支持体４６に重なっている部分を、支持部Ｘとする。このとき、各切欠き部１２Ａｄ，１３Ａｄが、それぞれ支持部Ｘを含んでいる。

支持体４６の形状は特に限定されず、板状であってもよい。

図１０に示すように、圧電発電素子１０Ａにおいては、第１，第２の内部電極１２Ａ，１３Ａが、圧電発電素子１０Ａの外周縁のうち支持体４６に支持されている部分に重ならないように設けられている。そのため、圧電発電素子１０Ａが押圧部材１５により繰り返し押圧された場合においても、支持部に集中した応力で発生するクラックや摩耗を抑制し、機械的強度、耐環境性を向上できる。

なお、支持体４６及び内部電極切欠き部１２Ａｄ，１３Ａｄの個数及び配置は上記に限定されない。内部電極切欠き部１２Ａｄ，１３Ａｄは、積層方向から視たときに各支持体４６を含んでいればよく、各第１，第２の内部電極１２Ａｄ，１３Ａｄの外周縁に連なるように設けられていればよい。

第１，第２の内部電極１２Ａ，１３Ａと同様に、第１，第２の外表面電極４３，４４は、電極切欠き部４３ｄ，４４ｄを有する。第１，第２の外表面電極４３，４４の各電極切欠き部４３ｄ，４４ｄは、積層方向から視たときに、各支持体４６を含んでいる。それによって、電極間のマイグレーションがより一層発生し難い。

本実施形態では、電極切欠き部４３ｄ，４４ｄは、一方の対向領域４３ａ側に設けられている。電極切欠き部４３ｄ，４４ｄは、対向領域４３ａ側及び対向領域４３ｂ側のうち少なくとも一方側に設けられていることが好ましい。

（第５の実施形態）
図１２は、本発明の第５の実施形態に係る圧電発電装置の分解斜視図である。図１３（ａ）は、第５の実施形態に係る圧電発電装置の模式的斜視図である。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）中のＩＩ−ＩＩ線に沿う圧電発電装置の模式的断面図である。

本発明の第５の実施形態に係る圧電発電装置５１の構成は、第４の実施形態で説明したものと基本的には共通するが、以下の点で異なる。図１２、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示すように、圧電発電装置５１は、圧電発電素子１０Ａの樹脂シート１６側の四隅が各支持体４６に支持されている。圧電発電素子１０Ｂの外周縁のうち各支持体４６に支持されている部分に重ならないように、第１，第２の内部電極１２Ａ，１３Ａが設けられている。さらに、積層方向から視て、圧電発電素子１０Ｂの外周縁のうち支持されている部分に重なるように、各圧電セラミック層１１上に複数の浮き電極５５が設けられている。複数の浮き電極５５は、いずれの第１，第２の内部電極１２Ａ，１３Ａにも電気的に接続されていない。

より具体的には、圧電発電装置５１は、押圧部材１５と、金属板４５と、絶縁膜９と、圧電発電素子１０Ｂと、支持体４６とを備え、これらが順に積層されている。

圧電発電素子１０Ｂは、押圧部材１５により押圧されることにより、電荷を発生させる素子である。圧電発電素子１０Ｂは、圧電セラミック積層体５２と、第１，第２の外表面電極４３，４４と、複数の第１，第２の内部電極１２Ａ，１３Ａと、複数の浮き電極５５と、第１，第２のリード端子６，７と、樹脂シート１６とを備える。本実施形態では、圧電発電素子１０Ｂは金属板４５を介して押圧部材１５により押圧される。

圧電セラミック積層体５２は、複数の圧電セラミック層１１が積層されている。圧電セラミック積層体５２は、第１，第２の主面２ａ，２ｂ、第１，第２の側面及び第１，第２の端面を有する直方体状の形状である。

図１３（ｂ）に示すように、複数の圧電セラミック層１１の支持部Ｘである四隅には、複数の浮き電極５５が設けられている。図１２に示すように、各第１，第２の内部電極１２Ａ，１３Ａの各内部電極切欠き部１２Ａｄ，１３Ａｄは、各浮き電極５５を囲むように設けられている。複数の浮き電極５５は、第１，第２の外表面電極４３，４４の電極切欠き部４３ｄ，４４ｄに囲まれるように設けられていてもよい。浮き電極５５は、少なくとも一層の圧電セラミック層１１に設けられていることが好ましい。より好ましくは、全ての圧電セラミック層１１に設けられていることが望ましい。また、積層方向から視たときに、各浮き電極５５が、圧電発電素子１０Ｂを支持している上記各支持体４６に重なっていることが好ましい。

以上のように構成されているので、圧電発電素子１０Ｂが押圧部材１５により繰り返し押圧された場合においても、支持部に集中した応力で発生するクラックや摩耗を抑制し、機械的強度、耐環境性を向上できる。

圧電セラミック積層体５２の第１の主面２ａに、第１，第２の外表面電極４３，４４の各電極切欠き部４３ｄ，４４ｄに囲まれるように、それぞれ金属箔４９が設けられていてもよい。金属箔４９は、第１，第２のリード端子６，７と同じ材料からなることが好ましい。

（第６の実施形態）
図１４は、本発明の第６の実施形態に係る圧電発電装置の分解斜視図である。本発明の第６の実施形態に係る圧電発電装置６１の構成は、第４の実施形態で説明したものと基本的には共通するが、以下の点で異なる。図１４に示すように、圧電発電素子１０Ｃにおいては、樹脂シート１６のかわりにフレキシブル基板１９が設けられている。

圧電セラミック積層体４２の第１の主面２ａ上には、第１，第２の外表面電極４３，４４を覆うように、フレキシブル基板１９が設けられている。

フレキシブル基板１９を設けることにより、押圧部材１５により繰り返し押圧された場合におけるクラックの発生をより一層抑制することができる。また、第１，第２のリード端子６Ｂ，７Ｂをフレキシブル基板１９内の配線で実現することができるので、部品点数の削減と、加工工数の削減ができる。

本実施形態のように、第１の主面２ａのみがフレキシブル基板１９に覆われていてもよいが、圧電セラミック積層体４２全体がフレキシブル基板１９に覆われていてもよい。その場合、湿気や、ガス、塩水などによる腐食をより一層抑制することができる。また、発電時の圧縮の繰り返しに起因するクラックの発生をより一層抑制することができる。

１，２１，３１…圧電発電装置
２…圧電セラミック積層体
２ａ，２ｂ…第１，第２の主面
２ｃ，２ｄ…第１，第２の側面
２ｅ，２ｆ…第１，第２の端面
２Ａ…押圧部材により押圧される領域
３，４…第１，第２の外表面電極
３ａ，３ｂ，１２ａ，１３ａ…対向領域
３ｃ…外表面電極欠落部
３Ａ…浮き電極
５…金属板
５ａ，５ｂ…第３，第４の主面
６，６Ｂ，７，７Ｂ…第１，第２のリード端子
６Ａ，７Ａ…第１，第２のリード線
８…保護層
９…絶縁膜
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…圧電発電素子
１１…圧電セラミック層
１２，１３…第１，第２の内部電極
１２ｂ，１３ｂ…引き出し領域
１２ｃ，１３ｃ…内部電極欠落部
１２Ａ，１３Ａ…第１，第２の内部電極
１２Ａｄ，１３Ａｄ…内部電極切欠き部
１４…支持体
１５…押圧部材
１６，１６Ａ…樹脂シート
１７…連結部
１８…ケース部材
１９…フレキシブル基板
２０…金属層
４１…圧電発電装置
４２…圧電セラミック積層体
４３…第１の外表面電極
４３ａ，４３ｂ…対向領域
４３ｄ…電極切欠き部
４４…第２の外表面電極
４４ｄ…電極切欠き部
４５…金属板
４６…支持体
４９…金属箔
５１…圧電発電装置
５２…圧電セラミック積層体
５５…浮き電極
６１…圧電発電装置

Claims (19)

1. 押圧部材を用いて押圧することにより、電荷を発生させる圧電発電素子であって、
   複数の圧電セラミック層が積層された圧電セラミック積層体を備え、
   前記圧電セラミック積層体が、前記圧電セラミック層の積層方向の最外側の主面であって、前記押圧部材により押圧される領域を有する第１の主面と、該第１の主面と対向している前記積層方向の最外側の第２の主面と、を有し、
   前記圧電セラミック積層体の内部に設けられている、複数の第１の内部電極と、
   前記圧電セラミック積層体の内部に設けられており、かつ発電に際し前記第１の内部電極とは異なる電位となる、複数の第２の内部電極と、
   をさらに備え、
   前記複数の第１，第２の内部電極のうち少なくともいずれかが、切欠き部を有し、前記第１，第２の内部電極における、前記押圧部材により間接的に押圧される領域及び／又は外周縁に前記切欠き部が設けられている、圧電発電素子。
2. 前記複数の第１，第２の内部電極が、前記積層方向において、交互に配置され、かつ互いに対向している対向領域を有しており、
   前記複数の第１，第２の内部電極のうち、前記積層方向において前記第１の主面側に最も近い側から少なくとも１つの内部電極は、当該内部電極が形成されていない前記切欠き部を前記対向領域に有し、
   前記積層方向から視たときに、前記切欠き部は、前記押圧部材により押圧される前記領域と重なっている、請求項１に記載の圧電発電素子。
3. 前記第１，第２の内部電極が、それぞれ複数の切欠き部を有し、前記各第１，第２の内部電極における外周縁に前記各切欠き部が設けられている、請求項１に記載の圧電発電素子。
4. 前記複数の圧電セラミック積層体の内部に浮き電極がそれぞれ設けられており、前記浮き電極を囲むように、前記切欠き部が設けられている、請求項３に記載の圧電発電素子。
5. 前記複数の第１，第２の内部電極のうち、前記積層方向において前記第１の主面側に最も近い側から少なくとも２つの内部電極は、前記切欠き部を有し、
   前記第１の主面側から前記第２の主面側に向かうにつれて、前記切欠き部の面積が小さくなっている、請求項２に記載の圧電発電素子。
6. 前記積層方向から視たときに、前記押圧部材により押圧される領域と、前記切欠き部とは、一方が他方に含まれるように重なっている、請求項２又は５に記載の圧電発電素子。
7. 前記積層方向から視たときに、前記押圧部材により押圧される領域は、前記切欠き部に含まれるように前記切欠き部と重なっている、請求項６に記載の圧電発電素子。
8. 前記積層方向から視たときに、前記押圧部材により押圧される領域と、前記切欠き部とは、部分的に重なっている、請求項２又は５に記載の圧電発電素子。
9. 前記圧電セラミック積層体の第１の主面上に設けられており、かつ前記複数の第１の内部電極に接続されている第１の外表面電極と、前記圧電セラミック積層体の第１の主面に設けられており、かつ前記複数の第２の内部電極に接続されている第２の外表面電極とをさらに備え、
   前記複数の第１，第２の内部電極が、前記積層方向において、交互に配置され、かつ互いに対向している対向領域を有しており、
   前記第１の外表面電極が、前記複数の第１，第２の内部電極の対向領域と積層方向において重なる領域に設けられている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の圧電発電素子。
10. 前記第１の外表面電極において、前記押圧部材により直接的又は間接的に押圧される領域の少なくとも一部を覆うように、保護層が設けられている、請求項９に記載の圧電発電素子。
11. 前記保護層を覆うように、樹脂シートが設けられている、請求項１０に記載の圧電発電素子。
12. 前記第１の外表面電極が、前記押圧部材により直接的又は間接的に押圧される領域を含む領域を囲むように、前記第１の外表面電極が形成されていない外表面電極欠落部を有する、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の圧電発電素子。
13. 前記押圧部材により直接的又は間接的に押圧される領域を含む領域に、保護層が設けられており、前記保護層を囲むように前記外表面電極欠落部が設けられている、請求項１２に記載の圧電発電素子。
14. 前記第１の外表面電極を覆うように、フレキシブル基板が設けられている、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の圧電発電素子。
15. 前記フレキシブル基板が、樹脂シートと、前記樹脂シートの前記第１の外表面電極側の主面において、前記押圧部材により直接的又は間接的に押圧される領域の少なくとも一部に設けられている金属層とを有する、請求項１４に記載の圧電発電素子。
16. ケース部材と、
    前記ケース部材に設けられている支持体と、
    第３の主面と、該第３の主面に対向している第４の主面とを有し、前記第３の主面側が前記支持体により支持されている、金属板と、
    前記金属板の前記第４の主面側に設けられている、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の圧電発電素子と、
    前記圧電発電素子を押圧するように設けられている押圧部材と、
    を備える、圧電発電装置。
17. 絶縁膜をさらに備え、
    前記圧電発電素子が、前記絶縁膜を介して、前記金属板の前記第４の主面上に設けられている、請求項１６に記載の圧電発電装置。
18. 支持体と、
    前記第２の主面が前記支持体により支持されている、請求項３又は４に記載の圧電発電素子と、
    前記圧電発電素子における前記第１の主面に設けられている金属板と、
    前記金属板を押圧するように設けられている押圧部材と、
    を備え、
    前記積層方向から視たときに、前記切欠き部が、前記支持体を含んでいる、圧電発電装置。
19. 複数の支持体と、
    前記第２の主面が前記支持体により支持されている、請求項４に記載の圧電発電素子と、
    前記圧電発電素子における前記第１の主面に設けられている金属板と、
    前記金属板を押圧するように設けられている押圧部材と、
    を備え、
    前記積層方向から視たときに、前記複数の第１，第２の内部電極の前記各浮き電極が、前記各支持体に重なっている、圧電発電装置。

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