WO2013080857A1 - エネルギ変換素子及びその製造方法、並びにエネルギ変換素子のダンピング部材のヤング率の決定方法 - Google Patents

エネルギ変換素子及びその製造方法、並びにエネルギ変換素子のダンピング部材のヤング率の決定方法 Download PDF

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WO2013080857A1
WO2013080857A1 PCT/JP2012/080176 JP2012080176W WO2013080857A1 WO 2013080857 A1 WO2013080857 A1 WO 2013080857A1 JP 2012080176 W JP2012080176 W JP 2012080176W WO 2013080857 A1 WO2013080857 A1 WO 2013080857A1
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WO
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power generation
damping member
young
conversion element
vibration source
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Application number
PCT/JP2012/080176
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Inventor
佐々木　勉
坂下　幸雄
Original Assignee
富士フイルム株式会社
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    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186—Vibration harvesters
    • H—ELECTRICITY
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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/857—Macromolecular compositions

Definitions

  • the present invention relates to an energy conversion element that converts mechanical energy of vibration of a vibration source into electric energy, a method for manufacturing the energy conversion element, and a method for determining a Young's modulus of a damping member of the energy conversion element.
  • piezoelectric materials such as piezoelectric ceramics such as lead zirconate titanate (PZT), single crystals such as quartz (quartz) or lithium niobate, or piezoelectric polymers such as PVDF (polyvinylidene fluoride), provide mechanical energy. It is used in various piezoelectric sensors that convert electrical energy, and conversely, various piezoelectric actuators that convert electrical energy into mechanical energy. In recent years, in order to eliminate the need to replace the battery of the power circuit, etc., in the field of timepieces or tire measurement, such a piezoelectric material is used to convert mechanical energy of vibrations of various vibration sources into electrical energy. It has been proposed to supply and store the extracted electric energy to a power supply circuit and supply the stored electric energy to various electric circuits (for example, Patent Documents). 1 and 2).
  • the power generation device disclosed in Patent Document 1 has a sandwich structure in which a piezoelectric layer is formed on both surfaces of a metal shim material serving as a support layer, and one end (fixed end) is fixed and cantilevered. It consists of a cantilever-like vibrating piece with a U-shaped weight attached to the other unfixed end (free end), and the free end weight is struck by the cam of the drive system The vibration piece is vibrated to repeatedly generate strain in the piezoelectric layer, and the vibration energy of the vibration piece is converted into electric energy.
  • a sealing layer containing hard fine particles is provided between the surface of the fixed end of the resonator element and the surface to be fixed, and the gaps and minute irregularities on each surface are filled with fine particles to increase the rigidity of the fixed part. It has been proposed to realize a resonator element that is improved and has less vibration leakage from the fixed part and less attenuation due to mechanical loss.
  • the power generation device disclosed in Patent Document 2 is a system that generates electric power from mechanical energy of a rotating tire using a reinforced piezoelectric material, and includes a piezoelectric structure and an energy storage device.
  • a plate-like piezoelectric fiber composite structure (active fiber composite (AFC)) including a plurality of piezoelectric fibers made of various piezoelectric materials embedded in a resin matrix such as an epoxy resin in alignment in almost one direction. And electrode layers are disposed on both surfaces thereof.
  • AFC active fiber composite
  • Such a piezoelectric structure is a printed circuit board (PCB) material made of fiberglass or similar material or a high modulus rubber to uniformly disperse the mechanical strain generated by the rotating tire in the piezoelectric structure. It is attached to a support substrate made of a compound.
  • PCB printed circuit board
  • the piezoelectric structure is mounted in the tire via a support substrate, and generates an electric charge when the wheel moves on the ground.
  • the electrode layer of the piezoelectric structure is connected to a power module that rectifies the current and stores electrical energy in an energy storage device such as an electrolytic capacitor or a rechargeable battery.
  • the energy storage device supplies the stored electrical energy to various electronic components incorporated in a tire or a wheel.
  • a piezoelectric material is directly laminated on a vibration source by using a film forming technique such as vapor deposition or sputtering, and directly bonded using an adhesive or the like.
  • vibrations that are mechanical energy may cause problems such as destruction of the power generation member and separation of various members from the vibration source.
  • the piezoelectric material that can be used for power generation with respect to the vibration source is limited, the vibration source that can be used by the piezoelectric material is limited, Since the size or frequency is limited, there is a problem that the power generation capability of the piezoelectric material cannot be fully utilized, and the vibration energy of the vibration source cannot be converted into electric energy sufficiently efficiently.
  • the rotational force of the rotary weight is converted into the movement of the arm and body of the user wearing the wristwatch device having this, the rotational force is transmitted, and the cam is driven,
  • the vibration of the vibration source is limited to that predicted in advance, It seems that the piezoelectric material layer directly laminated on the both sides of the shim material is prevented from being destroyed.
  • the piezoelectric material is used as a piezoelectric material, and the piezoelectric structure in which a plurality of piezoelectric fibers are embedded in a resin matrix is used to prevent the piezoelectric material from being damaged and cracked.
  • the piezoelectric structure by attaching such a piezoelectric structure to the inner surface of the tire serving as a vibration source via a support substrate serving as a damping member, mechanical strain can be further increased by imparting uniform rigidity to the piezoelectric structure.
  • the Young's modulus of the resin matrix and the support substrate is not considered at all, and the power generation capability of the piezoelectric material cannot be fully utilized, and the vibration energy of the vibration source can be converted into electric energy sufficiently efficiently. There was a problem that it could not be said.
  • the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and to transmit the maximum strain and stress of the vibration source without destroying the functional member for generating electricity and without peeling various members from the vibration source.
  • Energy conversion element capable of making full use of the power generation capability of the piezoelectric material and converting vibration energy of the vibration source into electric energy sufficiently efficiently, and a method of manufacturing the same, and a damping member of the energy conversion element It is to provide a method for determining the rate.
  • the energy conversion element according to the first aspect of the present invention is joined to a vibration source having a predetermined strain amount, and converts the mechanical energy of the vibration of the vibration source into electric energy.
  • a damping member joined to the vibration source for reducing the vibration of the vibration source, and joined to the damping member for converting mechanical energy of the relaxed vibration of the vibration source into electric energy.
  • the determined strain amount is Z
  • f (y) is a function of the Young's modulus y of the damping member whose coefficient is determined according to the thickness of the damping member according to T
  • the Young's modulus y of the damping member is expressed by the following inequality (1) is satisfied.
  • the method for manufacturing the energy conversion element according to the second aspect of the present invention and the method for determining the Young's modulus of the damping member of the energy conversion element according to the third aspect of the present invention include a predetermined strain.
  • a member and an electrode for taking out the electric energy converted by the power generation member, and a joint surface between the power generation member and the damping member, and a joint surface between the vibration source and the damping member are
  • the Young's modulus of the power generation member is (MPa), S (y) for the distortion at the joint surface with the power generation member relaxed by the damping member, T (m) for the thickness of the damping member, y (MPa) for the damping member, ⁇ 1 and ⁇ 2
  • the lower limit strength (MPa) and elastic limit strength (MPa) of the power generation member, the amount of strain determined by the vibration source is Z
  • f (y) is a damping member whose coefficient is determined according to the thickness of the damping member.
  • the power generation member is piezoelectric ceramic
  • the Young's modulus is Eb (MPa)
  • the strain at the joint surface of the damping member with the power generation member is Sb (y)
  • A2 is the coefficient
  • Sb (y) A2 * y * Z (I) 0 ⁇ T ⁇ 0.001 2 ⁇ 10 ⁇ 6 ⁇ A2 ⁇ 2.7 ⁇ 10 ⁇ 6 (Ii) 0.001 ⁇ T ⁇ 0.01 1.6 ⁇ 10 ⁇ 6 ⁇ A2 ⁇ 2.2 ⁇ 10 ⁇ 6 (Iii) 0.01 ⁇ T ⁇ 0.02 1 ⁇ 10 ⁇ 6 ⁇ A2 ⁇ 1.5 ⁇ 10 ⁇ 6
  • the strain Sb (y) at the joining surface of the damping member with the power generation member is preferably given by the following inequality (2b).
  • the strain Sb (y) at the joining surface of the damping member with the power generation member can be given by the following inequality (3b). preferable.
  • Piezoelectric ceramics include lead zirconate titanate (PZT), lead titanate, lead lanthanum zirconate titanate, magnesium niobate / lead titanate solid solution (PMN-PT), and nickel niobate / lead titanate solid solution (PNN-PT). ) Lead-based piezoelectric ceramics composed of relaxor-based ferroelectrics, and lead-free piezoelectric ceramics composed of barium titanate, potassium niobate (KN), KNN, bismuth ferrite (BFO), BNT, BKT, and their solid solutions It is preferably one selected from ceramics.
  • PZT lead zirconate titanate
  • PMN-PT magnesium niobate / lead titanate solid solution
  • PNN-PT nickel niobate / lead titanate solid solution
  • Lead-based piezoelectric ceramics composed of relaxor-based ferroelectrics
  • lead-free piezoelectric ceramics composed of barium titanate, potassium ni
  • the power generation member is a piezoelectric polymer, and when the Young's modulus is Ep (MPa), the distortion at the joint surface of the damping member with the power generation member is Sp (y), and A3 and A4 are coefficients, the damping member It is preferable that the Young's modulus y satisfies the following inequality (1p).
  • the strain Sp (y) at the joint surface of the damping member with the power generation member is preferably given by the following inequality (2p).
  • the strain Sp (y) at the joining surface of the damping member with the power generation member is given by the following inequality (3p). Is preferred.
  • the elastic limit strength ⁇ 2 of the piezoelectric polymer is 50 MPa
  • the lower limit strength ⁇ 1 is 25 MPa
  • the inequality (1p) is preferably represented by the following formula (4p). 25 ⁇ Ep * Sp (y) ⁇ 50 (4p)
  • the piezoelectric polymer is preferably one selected from a polyvinylidene fluoride (PVDF) ferroelectric and a vinylidene fluoride trifluoride copolymer ferroelectric.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the bonding surface between the power generation member and the damping member and the bonding surface between the vibration source and the damping member are bonded with an adhesive.
  • the rigidity of the damping member, which is joined to the vibration source having a predetermined strain amount and alleviates the vibration that is, the Young's modulus can be appropriately determined according to the vibration source, so that electric power is generated. Without damaging the functional members or peeling various members from the vibration source, the maximum strain and stress of the vibration source can be transmitted, and the power generation capability of the piezoelectric material can be fully utilized. Vibration energy can be converted into electric energy sufficiently efficiently.
  • FIG. 1 It is typical sectional drawing which shows one Embodiment of the energy conversion element which concerns on this invention.
  • (A), (b), and (c) are typical sectional views showing the state before the deformation of the damping member used for explaining the damping rate, after the extension, and after the compression, respectively.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of an energy conversion element according to the present invention.
  • the energy conversion element 10 of the present invention shown in FIG. 1 is bonded to a vibration source 12, a damping member 16 bonded to the vibration source 12 via an adhesive layer 14, and an adhesive layer 18 to the damping member 16.
  • the vibration source 12 vibrates with a predetermined strain amount Z, for example, 1% strain, and supplies the vibration energy as mechanical energy generated by the energy conversion element 10 of the present invention.
  • the vibration source 12 used in the present invention the bonding surface 12a bonded to the bonding surface 16a of the damping member 16 through the adhesive layer 14 is provided in a direction parallel to the vibration direction indicated by the arrow a in the drawing.
  • any vibration source may be used. Examples include various tires, floors, building dampers, vehicles such as automobiles, particularly suspensions, bridges, highways, waves, and the like. .
  • the strain amount (Z) of the vibration source 12 is not particularly limited, but in the case of a piezoelectric material, particularly a piezoelectric ceramic and a piezoelectric polymer as the power generation member 20, it is more than 0 and less than 0.1 (0 ⁇ Z ⁇ 0.1), more preferably 0.001 or more and 0.05 or less (0.001 to 0.05).
  • the reason for this is that when power is generated using this piezoelectric material, if the strain is within this range, the stress that causes the strain within this range is easily relaxed by the damping member 16 and the piezoelectric material is destroyed. This is because the power generation capability of the piezoelectric material can be fully utilized to generate power sufficiently efficiently.
  • the damping member 16 has a joint surface 16 a joined to the joint surface 12 a of the vibration source 12 via the adhesive layer 14, so that the vibration of the vibration source 12 is reduced.
  • the damping member 16 used in the present invention is not particularly limited, and relieves the vibration of the vibration source 12 in the vibration direction indicated by the arrow a in the figure, that is, the distortion of the vibration of the vibration source 12 with a required attenuation rate. Any material can be used as long as it can be attenuated and the attenuation rate can be controlled by its Young's modulus (rigidity). The reason is that the damping member 16 attenuates the vibration distortion of the vibration source 12 to a distortion that can sufficiently generate power to the power generation member 20 by fully utilizing its power generation capability without destroying the power generation member 20. It is because it can be made.
  • damping member 16 examples include rubber materials such as NBR (acrylonitrile rubber), high elastic modulus rubber compound, conductive rubber, and other various elastomers. The details of the damping member 16 used in the present invention will be described later.
  • the power generation member 20 has a joining surface 20a joined to the joining surface 16b of the damping member 16 via the adhesive layer 18, and converts the mechanical energy of vibration of the vibration source 12 relaxed by the damping member 16 into electrical energy. That is, it is for generating electricity.
  • the power generation member 20 used in the present invention is a sheet-like or plate-like member whose one surface serves as a joint surface 20a with the joint surface 16b of the damping member 16, and is distorted in a direction parallel to the joint surface 20a.
  • any one of them may be used, and examples thereof include piezoelectric ceramics, piezoelectric polymers, and single crystals. Among them, piezoelectric ceramics and piezoelectric polymers are preferable. The reason for this is that piezoelectric ceramics, piezoelectric polymers, and the like may be destroyed when directly attached to the vibration source 12 with an adhesive or the like depending on the amount of vibration distortion of the vibration source 12. This is because the power generation capacity can be fully utilized by attenuating the amount.
  • examples of the piezoelectric ceramic include lead zirconate titanate (PZT), lead titanate, lead lanthanum zirconate titanate, magnesium niobate / lead titanate solid solution (PMN-PT), and nickel niobate / titanate.
  • Lead-based piezoelectric ceramics such as relaxor ferroelectrics such as lead solid solution (PNN-PT), and barium titanate, barium titanate, potassium niobate (KN), sodium potassium niobate (KNN), bismuth ferrite (BFO)
  • lead-free piezoelectric ceramics such as sodium bismuth titanate (BNT), potassium bismuth titanate (BKT), and solid solutions thereof.
  • examples of the piezoelectric polymer include ferroelectrics such as PVDF (polyvinylidene fluoride), PVC (polyvinyl chloride), and vinylidene fluoride trifluoride copolymer.
  • examples of the single crystal include a single crystal such as quartz (quartz) and lithium niobate, a relaxor single crystal (such as PMN-PT and PZN-PT), and a lead-free piezoelectric single crystal. .
  • the electrodes 22 and 24 are attached to the surfaces on both sides of the power generation member 20, and are used to extract electric energy generated by the power generation member 20.
  • the electrode 22 is a joint surface of the power generation member 20 on the damping member 16 side. 20a (the lower surface on the lower side in FIG. 1), and the electrode 24 is electrically connected to the surface 20b (the upper surface on the upper side in FIG. 1) of the power generation member 20 on the opposite side to the damping member 16.
  • the electrodes 22 and 24 may be fabricated on the entire surfaces of both surfaces of the power generation member 20, but may be pattern electrodes or the like depending on the device.
  • any electrode can be used as long as it can be electrically connected to the power generation member 20 and the electrical connection is not cut off due to distortion of the power generation member 20 due to vibration of the vibration source 12.
  • a conductive material may be used. Examples of such a conductive material include metal materials such as gold, silver, copper, and aluminum, and conductive rubber.
  • the electrodes 22 and 24 may be provided as electrode layers on the bonding surface 20a and the surface 20b of the power generation member 20 facing each other.
  • Such an electrode layer can be formed using a known screen printing technique and a conductive ink such as an epoxy resin containing silver, carbon, or graphite.
  • the electrodes 22 and 24 are described as being formed on the entire surface of the joint surface 20a and the surface 20b facing each other of the power generation member 20, but the present invention is not limited to this, and the power generation member As long as electrical energy can be efficiently extracted from 20, it may be formed on part or all of the joint surface 20a and the surface 20b.
  • the adhesive layer 14 joins the joint surface (upper surface in the figure) 12a of the vibration source 12 and the joint surface (lower surface in the figure) 16a of the damping member 16, and the adhesive layer 18 joins the joint surface (upper surface in the figure). ) 16b and the joining surface (lower surface in the figure) 20a of the power generation member 20 are joined together, and both joining surfaces are strongly bonded with an adhesive or the like.
  • the adhesive used as the adhesive layers 14 and 18 may be any adhesive as long as the above-described joint surfaces do not peel off due to vibration of the vibration source 12, and the thickness of the adhesive layers 14 and 18, ie, the joint.
  • the thickness of the adhesive applied to the surface may be any thickness, and the adhesive strength between the joint surfaces is not particularly limited.
  • the joining surface 16 a (lower surface) of the damping member 16 is a joining surface with the joining surface 12 a (upper surface) of the vibration source 12.
  • This joining surface 16b (upper surface) can be regarded as a joining surface with the joining surface 20a (lower surface) of the power generation member 20.
  • the damping member 16 relaxes the vibration of the vibration source 12, fully utilizes the power generation capability of the vibration source 12 without damaging the power generation member 20, and generates the power generation member.
  • the vibration distortion of the vibration source 12 is attenuated at a required attenuation ratio according to its Young's modulus (rigidity) and thickness.
  • the Young's modulus y and thickness T of the member 16 and the distance t from the vibration source 12 satisfy the following inequality (1).
  • E is the Young's modulus (MPa) of the power generation member 20
  • y is the Young's modulus of the damping member 16
  • S (y) is relaxed (attenuated) by the damping member 16.
  • T is the distance (m) from the vibration source 12
  • T is the thickness (m) of the damping member 16
  • ⁇ 1 and ⁇ 2 are the lower limit strengths ( MPa) and elastic limit strength (MPa)
  • Z is the amount of strain determined by the vibration source 12.
  • the stress ⁇ applied to the power generation member 20 in order to generate electric power by converting the vibration energy of the vibration source 12 into electric energy, the stress ⁇ applied to the power generation member 20 must be less than the stress at which the power generation member 20 is not destroyed. If the elastic limit strength (MPa) is 20, it is necessary that ⁇ ⁇ 2. On the other hand, if the stress ⁇ applied to the power generation member 20 is too low, the power generation efficiency is lowered, which is not desirable. Therefore, when ⁇ 1 is the lower limit strength (MPa) of the power generation member 20, ⁇ 1 ⁇ needs to be satisfied.
  • the lower limit strength ⁇ 1 may be defined as the minimum stress that can be generated. Therefore, the stress ⁇ applied to the power generation member 20 needs to satisfy the following inequality (5).
  • FIG. 2A When the damping member 16 that is not subjected to tensile stress or compressive stress and is not distorted is represented in FIG. 2A, as shown in FIG. 2B, the joining surface 16a of the damping member 16 (in the drawing) The lower surface is extended by an elongation amount ⁇ a due to the strain amount Z by the vibration source 12, and the damping surface 16 causes the joining surface 16b (upper surface in the figure) opposite to the joining surface 16a to extend by the elongation amount ⁇ b.
  • the elongation ⁇ b of the joining surface 16b (upper surface) of the damping member 16 can be converted into a distortion of the joining surface 16b (upper surface) of the damping member 16 by using the entire length (damper length). Therefore, the joining surface 16b ( Since the upper surface strain S depends on the Young's modulus y and the thickness T of the damping member 16, the case is classified according to the thickness T, and is described above as a function of the Young's modulus y and the strain amount Z determined by the vibration source 12.
  • S (y) can be expressed as, for example, Sb (y) in the case of piezoelectric ceramics and Sp (y) in the case of piezoelectric polymers.
  • the bonding surface 16b that is the upper surface of the damping member 16 is bonded to the bonding surface 20a of the power generation member 20 by the adhesive layer 18, and therefore the bonding surface 16b (
  • the upper surface strain S (y) (Sb (y), Sp (y)) can be regarded as equivalent to the strain ⁇ of the power generation member 20 in the direction a parallel to the joint surface 16a of the power generation member 20. Therefore, the following inequality (1), for example, (1a) and (1b) can be obtained from the inequality (8).
  • Ep and Eb are Young's moduli when the power generation member 20 is a piezoelectric polymer and a piezoelectric ceramic, respectively.
  • the distortion S (y) of the joining surface 16b (upper surface) of the damping member 16 is preferably expressed by the following equation using a function f (y) set according to the power generation member 20.
  • the function f (y) is a function of the Young's modulus y of the damping member 16, the coefficient of which determines the thickness of the damping member 16 according to T.
  • the function f (y) is set according to the type of the power generation member 20, and in the present invention, the power generation member 20 is a piezoelectric ceramic, a piezoelectric polymer, and a single crystal, respectively. What is necessary is just to ask
  • the case is classified according to the thickness T of the damping member 16, and the Young's modulus y and the bonding surface of the damping member 16 according to the type of the power generation member 20 with respect to the strain amount Z determined by the vibration source 12.
  • the function f (y) may be set by obtaining the relationship with the distortion S (y) of 16b (upper surface).
  • the reason why the thickness T of the damping member 16 is limited to more than 0 m and less than 0.02 m (20 mm) is that, in view of the device shape, other restrictions are large at 20 mm or more.
  • the reason why the distance t from the vibration source 12 is limited to more than 0 m and less than 0.02 m (20 mm) is that, in view of the device shape, other restrictions are large at 20 mm or more.
  • the Young's modulus y of the damping member 16 is limited to more than 0 MPa and less than 50000 MPa because if it is harder than that, it is harder than the main power generating member and therefore does not function as a damping member.
  • the strain Sb (y) of the joining surface 16b (upper surface) of the damping member 16 is preferably expressed by the following equation when A2 is a coefficient.
  • the coefficient A2 is more preferably the following value.
  • the present inventor uses NBR (nitrile butadiene rubber) as the damping member 16, C-91H (piezoelectric ceramics made by Fuji Ceramics) as the power generation member 20, sets the thickness of the power generation member 20 to 0.1 mm, and deforms the damping member 16.
  • NBR nonrile butadiene rubber
  • C-91H pieoelectric ceramics made by Fuji Ceramics
  • the Young's modulus y of the damping member 16 is set for each of three types of thicknesses T (m) of the damping member 16 of 0.1 mm, 5 mm, and 15 mm.
  • the thickness T is changed to 5 types of 2 MPa, 20 MPa, 200 MPa, 1 GPa, and 2 GPa, respectively, and the joint surface 16a (lower surface) of the damping member 16 is equal to a strain Z of 0.01 of the vibration source 12 at 0.
  • the displacement (elongation) ⁇ b (m) of the joining surface 16b (upper surface) of the damping member 16 when a forced displacement (elongation) ⁇ a of .01 is applied is obtained.
  • the displacement (elongation) ⁇ b (m) of the joining surface 16b (upper surface) of the damping member 16 when a forced displacement (elongation) ⁇ a of .01 is applied is obtained.
  • Was determined value of the strain from the displacement amount determined Sb (y) ( ⁇ b / L).
  • the result is shown in FIG. Therefore, the present inventor has found that the result shown in FIG. 3 can be expressed by the above formula as a result of function approximation. The inventor has confirmed that the above equation holds within the range
  • the strain Sp (y) of the joining surface 16b (upper surface) of the damping member 16 is preferably expressed by the following equation when A3 and A4 are coefficients. .
  • the inventor uses NBR as the damping member 16, PVDF (polyvinylidene fluoride) as the power generation member 20, sets the thickness of the power generation member 20 to 1 mm, and sets the total length L (m) in the deformation (distortion) direction of the damping member 16.
  • the thickness T (m) of the damping member 16 is 0.1 mm, 5 mm, and 15 mm when the thickness is 100 mm
  • the Young's modulus y of the damping member 16 is 0.2 MPa for each thickness T.
  • the forced displacement (elongation) ⁇ a of 0.01 equal to the 0.01 strain Z of the vibration source 12 on the joining surface 16a (lower surface) of the damping member 16 is changed to five types of 2 MPa, 20 MPa, 200 MPa, and 2 GPa.
  • the result is shown in FIG. Therefore, the present inventor has found that the result shown in FIG. 4 can be expressed by the above formula as a result of function approximation. The inventor has confirmed that the above equation holds in the range of the coefficients A3 and A4 even when the strain amount Z of the vibration source 12 is changed.
  • the reason why the lower limit strength ⁇ 1 of the power generation member 20 is expressed as ⁇ 2 / 2 is 1 ⁇ 2 from the viewpoint of increasing the power generation efficiency of the power generation member 20, and it is not practical to be lower than this. It is.
  • the elastic limit strain Z 0 of the power generating member 20 when the power generating member 20 is piezoelectric ceramic is given by 1.0 ⁇ 10 ⁇ 3
  • the power generating member 20 and the damping member 16 The above inequality (2b) for the interface strain Sb (y) can be expressed as the following inequality (3b).
  • the elastic limit strain Z 0 of the generator member 20 what a 1.0 ⁇ 10 -3, be added to the load to cause distortion of less than 1.0 ⁇ 10 -3 in various piezoelectric ceramics, This is because the power generation member 20 does not break.
  • the lower limit strength ⁇ 1 of the power generation member 20 is 30 MPa.
  • the elastic limit strength ⁇ 2 of the power generation member 20 can be 60 MPa, and the inequality (1b) for the strain Sb (y) of the interface (bonding surface) between the power generation member 20 and the damping member 16 is It can be expressed as the following inequality (4b).
  • the reason why the elastic limit strength ⁇ 2 of the power generation member 20 is set to 60 MPa is that the power generation member 20 does not break even if a load causing stress of less than 60 Mpa is applied to the various piezoelectric ceramics described above. It is.
  • the reason why the lower limit strength ⁇ 1 of the power generation member 20 is set to 30 MPa is that the lower limit strength ⁇ 1 of the power generation member 20 can be 1 ⁇ 2 of the elastic limit strength ⁇ 2 of the power generation member 20 for the reason described above.
  • the elastic limit strain Z 0 of the power generation member 20 when the power generation member 20 is a piezoelectric polymer is given by 2.0 ⁇ 10 ⁇ 2
  • the power generation member 20 and the damping member 16 are provided.
  • the above inequality (2p) for the interface strain Sp (y) can be expressed as the following inequality (3p).
  • the elastic limit strain Z 0 of the power generation member 20 is set to 2.0 ⁇ 10 ⁇ 2 because a load causing strain of less than 2.0 ⁇ 10 ⁇ 2 is applied to various piezoelectric polymers. This is because the power generation member 20 does not break down.
  • the lower limit strength ⁇ 1 of the power generation member 20 is 25 MPa.
  • the elastic limit strength ⁇ 2 of the power generation member 20 can be 50 MPa, and the inequality (1p) for the strain Sp (y) at the interface between the power generation member and the damping member 16 is the following inequality (4p) Can be expressed as 25 ⁇ Ep * Sp (y) ⁇ 50 (4p)
  • the elastic limit strength ⁇ 2 of the power generation member 20 is set to 50 MPa because the power generation member 20 does not break even when a load causing stress of less than 50 Mpa is applied to the various piezoelectric polymers described above.
  • the reason why the lower limit strength ⁇ 1 of the power generation member 20 is set to 25 MPa is that the lower limit strength ⁇ 1 of the power generation member 20 can be 1 ⁇ 2 of the elastic limit strength ⁇ 2 of the power generation member 20 for the reason described above.
  • the energy conversion element of the present invention is basically configured as described above.
  • the power generation member 20 used for the vibration source 12 and the adhesive constituting the adhesive layers 14 and 18 are set, and the damping member 16 Set the type.
  • the thickness T and Young's modulus y of the damping member 16 are determined so as to satisfy one of the inequalities (1) to (2) according to the selected power generation member 20.
  • the Young's modulus y is determined corresponding to the thickness T of the damping member 16 so as to satisfy one of the inequalities (1b) to (4b).
  • the Young's modulus y of the damping member 16 is determined so as to satisfy one of the inequalities (1p) to (4p).
  • the Young's modulus y of the damping member 16 used in the energy conversion element of the present invention can be determined.
  • the damping member 16 having the determined Young's modulus y is bonded to the vibration source 12 using the set adhesive so that the bonding surface 12a and the bonding surface 16a are in close contact with each other.
  • the set power generation member 20 is bonded to the vibration source 12 using the set adhesive so that the bonding surface 16b and the bonding surface 20a are in close contact with each other.
  • the damping member 16 is NBR (nitrile butadiene rubber) having a total length L in the deformation (distortion) direction of 100 mm, a width of 50 mm, a thickness T of 0.1 mm, and a Young's modulus y of 2 MPa.
  • C-91H pieoelectric ceramics manufactured by Fuji Ceramics Co., Ltd.
  • the energy conversion element of the present invention shown in FIG. 1 was manufactured.
  • the lower limit strength ⁇ 1 of C-91H (piezoelectric ceramics manufactured by Fuji Ceramics) used as the power generation member 20 was about 10 MPa, and the elastic limit strength ⁇ 2 was about 100 MPa.
  • both ends of the rubber to be the vibration source 12 of the energy conversion element of Example 1 obtained in this way are attached to a jig, two jigs are attached to a servo pulser, and a 10 Hz sine wave is applied to the joining surface 16a (lower surface) of the damping member 16.
  • a load 25 N bias ⁇ 24 N amplitude
  • Table 1 The results are shown in Table 1.
  • Example II Except for using PVDF (polyvinylidene fluoride) having the same shape as the damping member 16 and having a thickness of 0.1 mm as the power generation member 20, the NBR Young's modulus y of the damping member 16 was changed to 2 MPa.
  • the energy conversion device of Example 4 was produced.
  • the lower limit strength ⁇ 1 of PVDF used as the power generation member 20 was about 1 MPa
  • the elastic limit strength ⁇ 2 was about 100 MPa.
  • the same load was applied to the energy conversion element of Example 4 obtained in this way, the same power generation was performed, and the states of the damping member 16 and the power generation member 20 were observed. .
  • Table 2 The results are shown in Table 2.
  • Example 4 in which the value of Eb * Sb (y) is less than the lower limit strength ⁇ 1 (1 MPa) and less than the elastic limit strength ⁇ 2 (100 MPa) of PVDF used as the power generation member 20 and In Comparative Example 3 and 4 in which there is no peeling and the elastic limit strength ⁇ 2 or more of the power generation member 20 is peeled off, peeling occurs, and Examples 4 and 5 of the present invention make the best use of the power generation capability of the power generation member 20. I can see that
  • the energy conversion element according to the present invention efficiently converts mechanical energy of a vibration source that inevitably generates vibration, such as various tires, floors, building dampers, and suspensions of vehicles such as automobiles, into electrical energy. It can convert well and generate electricity.

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Abstract

　エネルギ変換素子は、所定の歪み量を持つ振動源の振動を緩和するためのダンピング部材と、振動源の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換する発電部材と、発電部材に取り付けられた電極とを有する。振動源及び発電部材とダンピング部材との間の両接合面は、振動方向に対して平行である。発電部材のヤング率をＥ、ダンピング部材の、発電部材との接合面における歪みをＳ（ｙ）、その厚さをＴ、ヤング率をｙ、発電部材の弾性限界強度の最小値をσ１、その最大値をσ２、振動源の歪み量をＺとする時、ヤング率ｙは下記不等式（１）を満足する。　σ１＜Ｅ＊Ｓ（ｙ）＜σ２　…（１）　Ｓ（ｙ）＝ｆ（ｙ）＊Ｚ、０＜Ｚ＜０．１、０＜Ｔ＜０．０２、０＜ｙ＜５００００

Description

エネルギ変換素子及びその製造方法、並びにエネルギ変換素子のダンピング部材のヤング率の決定方法
　本発明は、振動源の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換素子及びエネルギ変換素子の製造方法、並びにエネルギ変換素子のダンピング部材のヤング率の決定方法に関する。
　従来から、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電セラミックス、水晶（石英）若しくはニオブ酸リチウム等の単結晶、又はＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の圧電高分子などの圧電材料が、機械エネルギを電気エネルギに変換する種々の圧電センサ、逆に電気エネルギを機械エネルギに変換する種々の圧電アクチュエータ等に用いられている。
　また、近年、電源回路の電池等の交換を不要とするため、時計、又はタイヤの計測等の分野においては、このような圧電材料を様々な振動源の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換して取出すための発電素子として用い、取出した電気エネルギを電源回路に供給して蓄積させ、蓄積された電気エネルギを様々な電気回路に供給することを行うことが提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。
　特許文献１に開示の発電装置は、支持層となる金属製のシム材の両面に圧電体層が形成されるサンドイッチ構造を有し、一方の端部（固定端）が固定されて片持ち支持され、固定されない他方の端部（自由端）にコの字型の重りが取り付けられた片持ち梁（カンチレバー）状の振動片から成り、自由端の重りを駆動系のカムにより打撃することにより、振動片を加振して圧電体層に繰り返し歪を発生させ、振動片の振動エネルギを電気エネルギに変換している。その際、振動片の固定端の表面と固定する側の表面との間に硬質の微粒子を含んだシール層を設け、隙間及びそれぞれの面の微小な凹凸を微粒子で埋めて固定部分の剛性を向上し、固定部分からの振動漏れが少なく、機械的なロスによる減衰の少ない振動片を実現することを提案している。
　特許文献２に開示の発電装置は、補強された圧電材料を用いて回転するタイヤの機械的エネルギから電力を発生させるシステムであり、圧電構造体と、エネルギ蓄積装置とを有し、圧電構造体は、エポキシ樹脂などの樹脂マトリックス中にほぼ一方向に整合させて埋め込まれた、種々の圧電材料からなる複数本の圧電繊維を含む平板状の圧電繊維複合構造体（アクティブ繊維複合体（ＡＦＣ）構造体）であり、その両表面に電極層が配置されている。このような圧電構造体は、回転するタイヤによって発生される機械的歪を圧電構造体中に均一に分散させるための、繊維ガラス又は類似材料からなる印刷回路基板(PCB)材料又は高弾性率ゴムコンパウンドなどからなる支持基板に取り付けられる。圧電構造体は、支持基板を介してタイヤ内に取り付けられ、車輪が地面上を移動した時に電荷を発生させる。圧電構造体の電極層は、電力モジュールに接続され、この電力モジュールは、電流を整流し、電解コンデンサ又は再充電可能な電池等のエネルギ蓄積装置に電気エネルギを蓄積している。エネルギ蓄積装置は、蓄積された電気エネルギをタイヤ又はホイールに組み込まれた各種の電子部品へ給電している。
特開平１０－０５６７８５号公報 特表２００５－５２５２６５号公報
　ところで、従来の機械エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換素子の構造としては、振動源に圧電材料を蒸着又はスパッタ等の成膜技術を用いて直接積層形成し、接着剤等を用いて直接貼り付けることが行われているが、機械エネルギである振動によって発電部材の破壊、振動源からの各種部材の剥離が発生する等の問題を引き起こすことがある。
　このため、従来のエネルギ変換素子では、振動源に対して発電のために使用可能な圧電材料が制限されたり、圧電材料によって利用可能な振動源が制限されたり、振動源の利用可能な振動の大きさ又は振動数が制限されたりするため、圧電材料の発電能力を充分に活かせず、振動源の振動エネルギを充分に効率よく電気エネルギに変換できないという問題があった。
　例えば、特許文献１に開示の発電装置では、これを持つ腕時計装置を装着したユーザの腕及び体の動き等を回転錘の回転力を変換し、この回転力を伝達してカムを駆動し、駆動されるカムの突出部で振動片を打撃して振動片を振動させる等の複雑な構造の振動系を用いることにより、振動源の振動を予め予測されるものに制限して、振動片のシム材の両面に成膜技術により直接積層形成された圧電体層の破壊等を防止しているものと思われる。
　また、特許文献２に開示の発電装置では、圧電材料として圧電繊維を用い、複数の圧電繊維を樹脂マトリックス中に埋め込んだ圧電構造体を用いることにより、圧電材料の破損及びひび割れを防止しているばかりでなく、このような圧電構造体を、振動源となるタイヤの内面にダンピング部材となる支持基板を介して取り付けることにより、圧電構造体に均一な剛性を付与することによって機械的歪をさらに分散させており、樹脂マトリックス及び支持基板のヤング率に関しては、何ら考慮されておらず、圧電材料の発電能力を充分に活かせず、振動源の振動エネルギを充分に効率よく電気エネルギに変換できていると言えないという問題があった。
　本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、発電する機能性部材を破壊させず、又振動源から各種部材を剥離させずに、振動源の最大の歪み、応力を伝えることができ、圧電材料の発電能力を充分に活かすことができ、振動源の振動エネルギを充分に効率よく電気エネルギに変換することができるエネルギ変換素子及びその製造方法、並びにエネルギ変換素子のダンピング部材のヤング率の決定方法を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明の第１の態様のエネルギ変換素子は、所定の歪み量を持つ振動源に接合され、この振動源の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換素子であって、振動源に接合され、この振動源の振動を緩和するためのダンピング部材と、このダンピング部材に接合され、この振動源の緩和された振動の機械エネルギを電気エネルギに変換するための発電部材と、この発電部材に取り付けられ、この発電部材で変換された電気エネルギを取り出すための電極とを有し、発電部材とダンピング部材との接合面、及び振動源とダンピング部材との接合面は、振動源の振動方向に対して平行であり、発電部材のヤング率をＥ（ＭＰａ）、ダンピング部材によって緩和された発電部材との接合面における歪みをＳ（ｙ）、ダンピング部材の厚さをＴ（ｍ）、ダンピング部材のヤング率をｙ（ＭＰａ）、σ１及びσ２をそれぞれ発電部材の下限強度（ＭＰａ）及び弾性限界強度（ＭＰａ）、振動源により決まる歪み量をＺとし、ｆ（ｙ）を、その係数がダンピング部材の厚さをＴに応じて定まる、ダンピング部材のヤング率ｙの関数とする時、ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１）を満足することを特徴とする。
　　σ１＜Ｅ＊Ｓ（ｙ）＜σ２　　　　　　　　　　　　　　…（１）
　　Ｓ（ｙ）＝ｆ（ｙ）＊Ｚ、０＜Ｚ＜０．１、０＜Ｔ＜０．０２、０＜ｙ＜５００００
　また、上記目的を達成するために、本発明の第２の態様のエネルギ変換素子の製造方法及び本発明の第３の態様のエネルギ変換素子のダンピング部材のヤング率の決定方法は、所定の歪み量を持つ振動源に接合され、この振動源の振動を緩和するためのダンピング部材と、このダンピング部材に接合され、この振動源の緩和された振動の機械エネルギを電気エネルギに変換するための発電部材と、この発電部材に取り付けられ、この発電部材で変換された電気エネルギを取り出すための電極とを有し、発電部材とダンピング部材との接合面、及び振動源とダンピング部材との接合面は、振動源の振動方向に対して平行である、振動源の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換素子を製造するに際し、発電部材のヤング率をＥ（ＭＰａ）、ダンピング部材によって緩和された発電部材との接合面における歪みをＳ（ｙ）、ダンピング部材の厚さをＴ（ｍ）、ダンピング部材のヤング率をｙ（ＭＰａ）、σ１及びσ２をそれぞれ発電部材の下限強度（ＭＰａ）及び弾性限界強度（ＭＰａ）、振動源により決まる歪み量をＺとし、ｆ（ｙ）を、その係数がダンピング部材の厚さをＴに応じて定まる、ダンピング部材のヤング率ｙの関数とする時、ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１）を満足するように決定したことを特徴とする。
　　σ１＜Ｅ＊Ｓ（ｙ）＜σ２　　　　　　　　　　　　　　…（１）
　　Ｓ（ｙ）＝ｆ（ｙ）＊Ｚ、０＜Ｚ＜０．１、０＜Ｔ＜０．０２、０＜ｙ＜５００００
　ここで、発電部材は、圧電セラミックスであり、そのヤング率をＥｂ（ＭＰａ）とし、ダンピング部材の発電部材との接合面における歪みをＳｂ（ｙ）、Ａ２を係数とする時、ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１ｂ）を満足することが好ましい。
　　σ１＜Ｅｂ＊Ｓｂ（ｙ）＜σ２　　　　　　　　　　　　…（１ｂ）
　　Ｓｂ（ｙ）＝Ａ２＊ｙ＊Ｚ
　（ｉ）０＜Ｔ≦０．００１
　　　　２×１０－６＜Ａ２＜２．７×１０－６
　（ii）０．００１＜Ｔ≦０．０１
　　　　１．６×１０－６＜Ａ２＜２．２×１０－６
 （iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
　　　　１×１０－６＜Ａ２＜１．５×１０－６
　また、圧電セラミックスの弾性限界歪をＺ０とする時、ダンピング部材の発電部材との接合面における歪みＳｂ（ｙ）は、下記不等式（２ｂ）で与えられることが好ましい。
　　Ｚ０／２＜Ｓｂ（ｙ）＜Ｚ０　　　　　　　　　　　　　　…（２ｂ）
　また、圧電セラミックスの弾性限界歪Ｚ０が、１．０×１０－３である時、ダンピング部材の発電部材との接合面における歪みＳｂ（ｙ）は、下記不等式（３ｂ）で与えられることが好ましい。
　　５．０×１０－４＜Ｓｂ（ｙ）＜１．０×１０－３　　　　　…（３ｂ）
　また、圧電セラミックスの弾性限界強度σ２が６０ＭＰａであるとき、下限強度σ１は３０ＭＰａであり、上記不等式（１ｂ）は、下記式（４ｂ）で表されることが好ましい。
　　３０＜Ｅｂ＊Ｓｂ（ｙ）＜６０　　　　　　　　　　　　…（４ｂ）
　また、係数Ａ２が、以下の値である。
　（ｉ）０＜Ｔ≦０．００１
　　　　Ａ２＝２．４×１０－６
　（ii）０．００１＜Ｔ≦０．０１
　　　　Ａ２＝１．９×１０－６
 （iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
　　　　Ａ２＝１．３×１０－６
　圧電セラミックスが、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＭＮ－ＰＴ）及びニッケルニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＮＮ－ＰＴ）を含むリラクサー系強誘電体から成る鉛系圧電セラミックス、並びに、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム（ＫＮ）、ＫＮＮ、ビスマスフェライト（ＢＦＯ）、ＢＮＴ、ＢＫＴ、及びそれらの固溶体から成る非鉛系圧電セラミックスから選択される１つであることが好ましい。
　また、発電部材は、圧電高分子であり、そのヤング率をＥｐ（ＭＰａ）とし、ダンピング部材の発電部材との接合面における歪みをＳｐ（ｙ）、Ａ３及びＡ４を係数とする時、ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１ｐ）を満足することが好ましい。
　　σ１＜Ｅｐ＊Ｓｐ（ｙ）＜σ２　　　　　　　　　　　　…（１ｐ）
　　Ｓｐ（ｙ）＝（Ａ４＊Ｌｎ（ｙ）＋Ａ３）＊Ｚ
　（ｉ）０＜Ｔ≦０．００１
　　　　０．００１　＜Ａ４＜０．００１５
　　　　０．００１７＜Ａ３＜０．００２５
　（ii）０．００１＜Ｔ≦０．０１
　　　　０．０００８＜Ａ４＜０．００１２
　　　　０．００１３＜Ａ３＜０．００２
 （iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
　　　　０．０００４＜Ａ４＜０．０００８
　　　　０．０００８＜Ａ３＜０．００１５
　また、圧電高分子の弾性限界歪をＺ０とする時、ダンピング部材の発電部材との接合面における歪みＳｐ（ｙ）は、下記不等式（２ｐ）で与えられることが好ましい。
　　Ｚ０／２＜Ｓｐ（ｙ）＜Ｚ０　　　　　　　　　　　　　　…（２ｐ）
　また、圧電高分子の弾性限界歪Ｚ０が、２．０×１０－２である時、ダンピング部材の発電部材との接合面における歪みＳｐ（ｙ）は、下記不等式（３ｐ）で与えられることが好ましい。
　　０．５×１０－２＜Ｓｐ（ｙ）＜１．０×１０－２　　　　　…（３ｐ）
　また、圧電高分子の弾性限界強度σ２が５０ＭＰａであるとき、下限強度σ１は２５ＭＰａであり、上記不等式（１ｐ）は、下記式（４ｐ）で表されることが好ましい。
　　２５＜Ｅｐ＊Ｓｐ（ｙ）＜５０　　　　　　　　　　　　　…（４ｐ）
　また、係数Ａ３及びＡ４が、それぞれ以下の値であることが好ましい。
　（ｉ）０＜Ｔ≦０．００１
　　　　Ａ４＝０．００１２、Ａ３＝０．００２
　（ii）０．００１＜Ｔ≦０．０１
　　　　Ａ４＝０．０００９４、Ａ３＝０．００１６
 （iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
　　　　Ａ４＝０．０００５９、Ａ３＝０．００１１
　また、圧電高分子が、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）強誘電体、及びフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体強誘電体から選択される１つであることが好ましい。
　また、発電部材とダンピング部材との接合面、及び振動源とダンピング部材との接合面は、接着剤によって接合されることが好ましい。
　本発明によれば、所定の歪み量を持つ振動源に接合され、その振動を緩和するためのダンピング部材の剛性、即ちヤング率を振動源に応じて適切に決定することができるので、発電する機能性部材を破壊させず、又振動源から各種部材を剥離させずに、振動源の最大の歪み、応力を伝えることができ、圧電材料の発電能力を充分に活かすことができ、振動源の振動エネルギを充分に効率よく電気エネルギに変換することができる。
本発明に係るエネルギ変換素子の一実施形態を示す模式的断面図である。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、減衰率を説明するために用いられるダンピング部材の変形前、伸張後及び圧縮後の状態を示す模式的断面図である。 本発明のエネルギ変換素子に用いられるダンピング部材のヤング率ｙと、圧電セラミックスとの接合面における歪みＳｂ（ｙ）との関係の一例を示すグラフである。 本発明のエネルギ変換素子に用いられるダンピング部材のヤング率ｙと、圧電高分子との接合面における歪みＳｐ（ｙ）との関係の一例を示すグラフである。
　以下、本発明に係るエネルギ変換素子及びその製造方法、並びに、エネルギ変換素子のダンピング部材のヤング率の決定方法を図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
　図１は、本発明に係るエネルギ変換素子の一実施形態を示す模式的断面図である。
　図１に示す本発明のエネルギ変換素子１０は、振動源１２と、振動源１２上に接着層１４を介して接着されるダンピング部材１６と、ダンピング部材１６上に接着層１８を介して接着される発電部材２０と、発電部材２０の両側の表面にそれぞれ接続される電極２２と、電極２４と、を有する。
　振動源１２は、所定の歪み量Ｚ、例えば１％の歪みで振動し、その振動エネルギを、本発明のエネルギ変換素子１０によって発電する機械エネルギとして供給するものである。また、本発明に用いられる振動源１２としては、接着層１４を介してダンピング部材１６の接合面１６ａと接合される接合面１２ａを、図中に矢印ａで示す振動方向と平行な方向に持つことができれば、特に制限的ではなく、どのような振動源でも良いが、例えば各種タイヤ、床、建築物ダンパ、自動車等の乗り物、特にそのサスペンション、橋梁、高速道路、波等を挙げることができる。
　なお、振動源１２の歪み量（Ｚ）は、特に限定されないが、発電部材２０として、圧電材料、特に圧電セラミックス及び圧電高分子の場合には、０超、０．１未満（０＜Ｚ＜０．１）であるのが好ましく、０．００１以上、０．０５以下（０．００１～０．０５）であるのがより好ましい。その理由は、この圧電材料を用いて発電する場合に、この範囲内の歪みであれば、この範囲内の歪みを生じさせる応力を無理なく容易にダンピング部材１６で緩和し、圧電材料を破壊することなく、圧電材料の発電能力を充分に活して、充分に効率よく発電することができるからである。
　ダンピング部材１６は、その接合面１６ａが振動源１２の接合面１２ａに接着層１４を介して接合され、振動源１２の振動を緩和するためのものである。
　本発明に用いられるダンピング部材１６としては、特に制限的ではなく、図中に矢印ａで示す振動方向の振動源１２の振動を緩和する、即ち振動源１２の振動の歪みを所要の減衰率で減衰させることができ、そのヤング率（剛性）によって減衰率を制御できればどのようなものでも良い。その理由は、ダンピング部材１６によって、振動源１２の振動の歪みを、発電部材２０を破壊することなく、その発電能力を充分に活して、発電部材２０に充分に効率よく発電できる歪みに減衰させることができるからである。
　このようなダンピング部材１６としては、例えばＮＢＲ（アクリロニトリルゴム）、高弾性率ゴムコンパウンド、導電性ゴム等のゴム材料、その他、各種エラストマー等を挙げることができる。
　なお、本発明に用いられるダンピング部材１６の詳細については、後述する。
　発電部材２０は、その接合面２０ａが、ダンピング部材１６の接合面１６ｂに接着層１８を介して接合され、ダンピング部材１６によって緩和された振動源１２の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換する、即ち発電を行うためのものである。
　本発明に用いられる発電部材２０としては、一方の面がダンピング部材１６の接合面１６ｂとの接合面２０ａとなるシート状又は板状の部材であって、その接合面２０ａに平行な方向の歪み変形に応じた発電を行うもので、ダンピング部材１６によって緩和された、図中に矢印ａで示す振動方向の振動源１２の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換することができれば、特制限的ではなく、どのようなものでも良いが、例えば、圧電セラミックス、圧電高分子、及び単結晶等を挙げることができ、その中では、圧電セラミックス及び圧電高分子が好ましい。その理由は、圧電セラミックス及び圧電高分子等は、振動源１２に接着剤等により直接取り付けると、振動源１２の振動の歪み量によっては破壊に至ることがあるので、ダンピング部材を介在させて歪み量を減衰させることにより、その発電能力を最大限に活かすことができるからである。
　ここで、圧電セラミックスとしては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＭＮ－ＰＴ）及びニッケルニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＮＮ－ＰＴ）等のリラクサー系強誘電体等の鉛系圧電セラミックス、並びにチタン酸バリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム（ＫＮ）、ニオブ酸ナトリウムカリウム（ＫＮＮ）、ビスマスフェライト（ＢＦＯ）、チタン酸ナトリウムビスマス（ＢＮＴ）、チタン酸カリウムビスマス（ＢＫＴ）及びそれらの固溶体等の非鉛系圧電セラミックス等を挙げることができる。
　また、圧電高分子としては、例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、フッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体等の強誘電体等を挙げることができる。
　この他、単結晶としては、例えば、水晶（石英）、ニオブ酸リチウム等の単結晶、リラクサー系単結晶(ＰＭＮ－ＰＴ、ＰＺＮ－ＰＴ等)、及び非鉛圧電単結晶等を挙げることができる。
　電極２２及び２４は、発電部材２０の両側の表面に取り付けられ、発電部材２０で発電された電気エネルギを取り出すためのものであって、電極２２は、ダンピング部材１６側の発電部材２０の接合面２０ａ（図1中下側の下表面）に電気的に接続され、電極２４は、ダンピング部材１６と反対側の発電部材２０の表面２０ｂ（図1中上側の上表面）に電気的に接続される。電極２２及び２４は、発電部材２０の両表面全面に作製されるものであっても良いが、デバイスによっては、パターン電極等であっても良い。
　本発明に用いられる電極２２及び２４としては、発電部材２０に電気的に接続することができ、振動源１２の振動による発電部材２０の歪みによって電気的な接続が切断されないものであれば、どのような導電性材料を用いてもよい。このような導電材料としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム等の金属材料及び導電性ゴム等を挙げることができる。
　また、電極２２及び２４としては、電極２２及び２４は、それぞれ発電部材２０の互いに対向する接合面２０ａ及び表面２０ｂに電極層として設けてもよい。このような電極層は、公知のスクリーン印刷技術と銀入りエポキシ樹脂、カーボン、黒鉛等の導電性インクとを用いて形成することができる。
　図示例においては、電極２２及び２４は、発電部材２０の互いに対向する接合面２０ａ及び表面２０ｂの全面に形成されているように記載されているが、本発明はこれに限定されず、発電部材２０から電気エネルギを効率良く取り出すことができれば、それぞれ接合面２０ａ及び表面２０ｂの一部又は全部に形成されるものであっても良い。
　接着層１４は、振動源１２の接合面（図中上面）１２ａとダンピング部材１６の接合面（図中下面）１６ａとを接合し、接着層１８は、ダンピング部材１６の接合面（図中上面）１６ｂと発電部材２０の接合面（図中下面）２０ａとを接合するためのもので、接着剤等によって両接合面を強力に接着する。
　接着層１４及び１８として用いられる接着剤は、振動源１２の振動によって上述した両接合面が剥離することが無ければ、どのようなものでも良いし、接着層１４及び１８の厚さ、即ち接合面に塗布される接着剤の厚さは、どのような厚さであっても良いし、両接合面の接着強度も特に限定的ではない。
　このような接着剤としては、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤等を挙げることができる。
　なお、図示例においては、理解を容易にするため、電極２２、２４及び接着層１４及び１８の各層は、誇張された厚さで記載されているが、これらの各層の厚さは、ダンピング部材１６及び発電部材２０の厚さに比べて薄く、本発明においては、ダンピング部材１６の接合面１６ａ（下面）は、振動源１２の接合面１２ａ（上面）との接合面であり、ダンピング部材１６の接合面１６ｂ（上面）は、発電部材２０の接合面２０ａ（下面）との接合面であると見做すことができるものである。
　ダンピング部材１６は、上述したように、振動源１２の振動を緩和して、振動源１２の振動の歪みを、発電部材２０を破壊することなく、その発電能力を充分に活して、発電部材２０に充分に効率よく発電できる歪みに減衰するためのもので、そのヤング率（剛性）及び厚さに応じて、振動源１２の振動の歪みを所要の減衰率で減衰させるものであり、ダンピング部材１６のヤング率ｙ及び厚さＴ、振動源１２からの距離ｔが、下記不等式（１）を満足するものである。
　　σ１＜Ｅ＊Ｓ(ｙ)＜σ２　　　　　　　　　　　　　　　　…（１）
　　０＜Ｔ＜０．０２
　　０＜ｔ＜０．０２
　　０＜Ｚ＜０．１
　　０＜ｙ＜５００００
　ここで、Ｅは、発電部材２０のヤング率（ＭＰａ）であり、ｙは、ダンピング部材１６のヤング率であり、Ｓ（ｙ）は、ダンピング部材１６によって緩和（減衰）された、発電部材２０との接合面における歪みであり、ｔは、振動源１２からの距離（ｍ）、Ｔは、ダンピング部材１６の厚さ（ｍ）であり、σ１及びσ２は、それぞれ発電部材２０の下限強度（ＭＰａ）、及び弾性限界強度（ＭＰａ）であり、Ｚは、振動源１２により決まる歪み量である。
　本発明において、振動源１２の振動エネルギを電気エネルギに変換して発電するためには、発電部材２０に掛かる応力σは、発電部材２０が破壊されない応力未満でなければならないので、σ２を発電部材２０の弾性限界強度（ＭＰａ）とすると、σ＜σ２である必要がある。一方、発電部材２０に掛かる応力σは、低すぎた場合、発電効率が下がるため望ましくないので、σ１を発電部材２０の下限強度（ＭＰａ）とすると、σ１＜σである必要がある。なお、下限強度σ１は、発電が行うことのできる最低限の応力として定義しても良い。したがって、発電部材２０に掛かる応力σは、下記不等式（５）を満足する必要がある。
　　σ１＜σ＜σ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（５）
　ここで、発電部材２０のヤング率をＥとし、歪みをεとするとき、発電部材２０に掛かる応力σは、ヤング率Ｅと、歪みεとの積、Ｅ＊εで表される。即ち、σ＝Ｅ＊εで表されるので、上記不等式（５）は、下記不等式（６）として表すことができる。
　　σ１＜Ｅ＊ε＜σ２　　　　　　　　　　　　　　　　　…（６）
　引張応力も圧縮応力も受けておらず、歪んでいないダンピング部材１６が、図２（ａ）で表されるとき、図２（ｂ）に示すように、ダンピング部材１６の接合面１６ａ（図中下面）が、振動源１２による歪み量Ｚによって伸び量δａだけ伸び、ダンピング部材１６の作用によって、接合面１６ａと対向する接合面１６ｂ（図中上面）が、伸び量δｂだけ伸びるとすると、減衰率αは、α＝（１－δｂ）／δａで表される。
　同様に、ダンピング部材１６が、図２（ｃ）に示すように、ダンピング部材１６の接合面１６ａ（図中下面）が、振動源１２による歪み量Ｚによって縮み量δａだけ縮み、ダンピング部材１６の作用によって、接合面１６ａと対向する接合面１６ｂ（図中上面）が、縮み量δｂだけ縮むとすると、減衰率αは、α＝（１－δｂ）／δａで表される。
　なお、変形率β＝δｂ／δａ＝（１－α）で表してもよい。
　ダンピング部材１６の接合面１６ｂ（上面）の伸びδｂは、その全長（ダンパー長）を用いて、ダンピング部材１６の接合面１６ｂ（上面）の歪みに換算できるので、ダンピング部材１６の接合面１６ｂ（上面）の歪みＳは、ダンピング部材１６のヤング率ｙ、厚みＴに依存することから、厚みＴによる場合分けを行い、ヤング率ｙ、及び振動源１２により決まる歪み量Ｚの関数として、上述したように、Ｓ（ｙ）、例えば、圧電セラミックスの場合はＳｂ（ｙ）、圧電高分子の場合はＳｐ（ｙ）として表すことができる。
　一方、本発明のエネルギ変換素子１０においては、ダンピング部材１６の上面である接合面１６ｂは、発電部材２０の接合面２０ａと接着層１８によって接合されているので、ダンピング部材１６の接合面１６ｂ（上面）の歪みＳ（ｙ）（Ｓｂ（ｙ），Ｓｐ（ｙ））は、発電部材２０の接合面１６ａに平行な方向ａの発電部材２０の歪みεと等価であるみなすことができる。
　したがって、上記不等式（８）から、下記不等式（１）、例えば（１ａ）及び（１ｂ）を得ることができる。ここで、Ｅｐ及びＥｂは、それぞれ発電部材２０が圧電高分子及び圧電セラミックスである場合のヤング率である。
　　σ１＜Ｅ＊ε＝Ｅ＊Ｓ(ｙ)＜σ２　　　　　　　　　　　…（１）
　　σ１＜Ｅｐ＊ε＝Ｅｐ＊Ｓｐ（ｙ）＜σ２　　　　　　　…（１ｐ）
　　σ１＜Ｅｂ＊ε＝Ｅｂ＊Ｓｂ（ｙ）＜σ２　　　　　　　…（１ｂ）
　ここで、ダンピング部材１６の接合面１６ｂ（上面）の歪みＳ（ｙ）は、発電部材２０に応じて設定される関数ｆ（ｙ）を用いて、下記式で表されるのが好ましい。関数ｆ（ｙ）は、その係数がダンピング部材１６の厚さをＴに応じて定まる、ダンピング部材１６のヤング率ｙの関数である。
　Ｓ（ｙ）＝ｆ（ｙ）＊Ｚ
　　０＜Ｚ＜０．１
　　０＜Ｔ＜０．０２
　　０＜ｔ＜０．０２
　　０＜ｙ＜５００００
　ここで、関数ｆ（ｙ）は、発電部材２０の種類に応じて設定されるもので、本発明では、発電部材２０が、それぞれ圧電セラミックスの場合、圧電高分子の場合、及び単結晶である場合に応じて求めればよい。例えば、ダンピング部材１６の厚さＴに応じて場合分けをして、振動源１２により決まる歪み量Ｚに対して、発電部材２０の種類のそれぞれに応じてヤング率ｙとダンピング部材１６の接合面１６ｂ（上面）の歪みＳ（ｙ）との関係を求めることにより、関数ｆ（ｙ）を設定すれば良い。
　なお、本発明において、ダンピング部材１６の厚さＴを、０ｍ超、０．０２ｍ（２０ｍｍ）未満に制限するのは、デバイス形状からかんがみ、２０ｍｍ以上はその他の制約が大きいためである。
　また、本発明において、振動源１２からの距離ｔを、０ｍ超、０．０２ｍ（２０ｍｍ）未満に制限するのは、デバイス形状からかんがみ、２０ｍｍ以上はその他の制約が大きいためである。
　さらに、本発明において、ダンピング部材１６のヤング率ｙを、０ＭＰａ超、５００００ＭＰａ未満に制限するのは、それ以上硬い場合、主な発電部材よりも硬いため、ダンピング部材として機能しないからである。
　例えば、発電部材２０が、圧電セラミックスである時、ダンピング部材１６の接合面１６ｂ（上面）の歪みＳｂ（ｙ）は、Ａ２を係数とする時、下記式で表されるのが好ましい。
　　Ｓｂ（ｙ）＝Ａ２＊ｙ＊Ｚ（ｆ（ｙ）＝Ａ２＊ｙ）
　（ｉ）０＜Ｔ≦０．００１
　　　　２×１０－６＜Ａ２＜２．７×１０－６
　（ii）０．００１＜Ｔ≦０．０１
　　　　１．６×１０－６＜Ａ２＜２．２×１０－６
 （iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
　　　　１×１０－６＜Ａ２＜１．５×１０－６
　なお、上記係数Ａ２は、以下の値であるのがより好ましい。
　（ｉ）０＜Ｔ≦０．００１
　　　　Ａ２＝２．４×１０－６
　（ii）０．００１＜Ｔ≦０．０１
　　　　Ａ２＝１．９×１０－６
 （iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
　　　　Ａ２＝１．３×１０－６
　本発明者は、ダンピング部材１６としてＮＢＲ（ニトリルブタジエンゴム）、発電部材２０としてＣ－９1Ｈ（富士セラミックス製圧電セラミックス）を用い、発電部材２０の厚さを０．１ｍｍとし、ダンピング部材１６の変形（歪み）方向の全長Ｌ（ｍ）を１００ｍｍとしたとき、ダンピング部材１６の厚さＴ（ｍ）が０．１ｍｍ、５ｍｍ、及び１５ｍｍの３種類について、ダンピング部材１６のヤング率ｙを、各厚さＴに対して、それぞれ２ＭＰａ、２０ＭＰａ、２００ＭＰａ、１ＧＰａ、及び２ＧＰａの５種類に変化させて、ダンピング部材１６の接合面１６ａ（下面）に振動源１２の０．０１の歪みＺに等しい０．０１の強制変位（伸び）δａを与えた時のダンピング部材１６の接合面１６ｂ（上面）の変位量（伸び）δｂ（ｍ）を求め、求めた変位量から歪みＳｂ（ｙ）（＝δｂ／Ｌ）の値を求めた。
　その結果を図３に示す。そこで、本発明者は、図３に示す結果に対して関数近似を行った結果、上記式で表すことができることを知見した。
　なお、本発明者は、振動源１２の歪み量Ｚを変えた場合にも、上記係数Ａ２の範囲でこの上記式が成り立つことを確認している。
　一方、発電部材２０が、圧電高分子である時、ダンピング部材１６の接合面１６ｂ（上面）の歪みＳｐ（ｙ）は、Ａ３及びＡ４を係数とする時、下記式で表されるのが好ましい。
　　Ｓｐ（ｙ）＝（Ａ４＊Ｌｎ（ｙ）＋Ａ３）＊Ｚ
　（ｉ）０＜Ｔ≦０．００１
　　　　０．００１＜Ａ４＜０．００１５
　　　　０．００１７＜Ａ３＜０．００２５
　（ii）０．００１＜Ｔ≦０．０１
　　　　０．０００８＜Ａ４＜０．００１２
　　　　０．００１３＜Ａ３＜０．００２
 （iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
　　　　０．０００４＜Ａ４＜０．０００８
　　　　０．０００８＜Ａ３＜０．００１５
　なお、上記係数Ａ３及びＡ４は、以下の値であるのがより好ましい。
　（ｉ）　０＜Ｔ≦０．００１
　　　　Ａ４＝０．００１２、Ａ３＝０．００２
　（ii）０．００１＜Ｔ≦０．０１
　　　　Ａ４＝０．０００９４、Ａ３＝０．００１６
 （iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
　　　　Ａ４＝０．０００５９、Ａ３＝０．００１１
　本発明者は、ダンピング部材１６としてＮＢＲ、発電部材２０としてＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）を用い、発電部材２０の厚さを１ｍｍとして、ダンピング部材１６の変形（歪み）方向の全長Ｌ（ｍ）を１００ｍｍとしたとき、ダンピング部材１６の厚さＴ（ｍ）が０．１ｍｍ、５ｍｍ、及び１５ｍｍの３種類について、ダンピング部材１６のヤング率ｙを、各厚さＴに対して、それぞれ０．２ＭＰａ、２ＭＰａ、２０ＭＰａ、２００ＭＰａ、及び２ＧＰａの５種類に変化させて、ダンピング部材１６の接合面１６ａ（下面）に振動源１２の０．０１の歪みＺに等しい０．０１の強制変位（伸び）δａを与えた時のダンピング部材１６の接合面１６ｂ（上面）の変位量（伸び）δｂ（ｍ）を求め、求めた変位量から歪みＳｐ（ｙ）（＝δｂ／Ｌ）の値を求めた。
　その結果を図４に示す。そこで、本発明者は、図４に示す結果に対して関数近似を行った結果、上記式で表すことができることを知見した。
　なお、本発明者は、振動源１２の歪み量Ｚを変えた場合にも、上記係数Ａ３及びＡ４の範囲でこの上記式が成り立つことを確認している。
　ところで、本発明のエネルギ変換素子１０において、発電部材２０の弾性限界歪をＺ０とする時、発電部材２０の弾性限界強度σ２は、σ２＝Ｅ＊Ｚ０となり、発電部材２０の下限強度σ１がσ１＝σ２／２として表すことができれば、σ１＝Ｅ＊Ｚ０／２となるので、発電部材２０とダンピング部材１６の界面（接合面）の歪みＳ（ｙ）についての上記不等式（１）は、下記不等式（２）として表すことができる。
　　Ｚ０／２＜Ｓ（ｙ）＜Ｚ０　　　　　　　　　　　　　　　…（２）
　なお、発電部材２０が圧電セラミックスの場合には、σ２＝Ｅｂ＊Ｚ０、σ１＝Ｅｂ＊Ｚ０／２となるので、発電部材２０とダンピング部材１６の界面の歪みＳｂ（ｙ）についての上記不等式（１ｂ）は、下記不等式（２ｂ）として表すことができる。
　　Ｚ０／２＜Ｓｂ（ｙ）＜Ｚ０　　　　　　　　　　　　　　…（２ｂ）
　一方、発電部材２０が圧電高分子の場合には、σ２＝Ｅｐ＊Ｚ０、σ１＝Ｅｐ＊Ｚ０／２となるので、発電部材２０とダンピング部材１６の界面の歪みＳｐ（ｙ）についての上記不等式（１ｐ）は、下記不等式（２ｐ）として表すことができる。
　　Ｚ０／２＜Ｓｐ（ｙ）＜Ｚ０　　　　　　　　　　　　　　…（２ｐ）
　ここで、発電部材２０の下限強度σ１をσ２／２として表すのは、発電部材２０の発電効率をより大きくする観点から１／２としているのであり、これより低すぎても現実的ではないからである。
　ここで、上述したように、発電部材２０が、圧電セラミックスである場合の発電部材２０の弾性限界歪Ｚ０が、１．０×１０－３で与えられるとき、発電部材２０とダンピング部材１６の界面の歪みＳｂ（ｙ）についての上記不等式（２ｂ）は、下記不等式（３ｂ）として表すことができる。
　　５．０×１０－４＜Ｓｂ（ｙ）＜１．０×１０－３　　　　　…（３ｂ）
　ここで、発電部材２０の弾性限界歪Ｚ０を、１．０×１０－３としているのは、種々の圧電セラミックスにおいて１．０×１０－３未満の歪みを生じさせる負荷を加えても、発電部材２０が破壊に至ることが無いからである。
　なお、発電部材２０が、圧電セラミックスである場合には、発電部材とダンピング部材１６の接合面の歪みＳｂ（ｙ）についての上記不等式（１ｂ）において、発電部材２０の下限強度σ１は、３０ＭＰａとすることができ、発電部材２０の弾性限界強度σ２は、６０ＭＰａとすることができ、発電部材２０とダンピング部材１６の界面（接合面）の歪みＳｂ（ｙ）についての上記不等式（１ｂ）は、下記不等式（４ｂ）として表すことができる。
　　３０＜Ｅｂ＊Ｓｂ（ｙ）＜６０　　　　　　　　　　　　　…（４ｂ）
　ここで、発電部材２０の弾性限界強度σ２を６０ＭＰａとしているのは、上述した種々の圧電セラミックスにおいて、６０Ｍｐａ未満の応力を生じさせる負荷を加えても、発電部材２０が破壊に至ることが無いからである。また、発電部材２０の下限強度σ１を３０ＭＰａとしているのは、上述した理由により、発電部材２０の下限強度σ１を発電部材２０の弾性限界強度σ２の１／２とすることができるからである。
　ここで、上述したように、発電部材２０が、圧電高分子である場合の発電部材２０の弾性限界歪Ｚ０が、２．０×１０－２で与えられるとき、発電部材２０とダンピング部材１６の界面の歪みＳｐ（ｙ）についての上記不等式（２ｐ）は、下記不等式（３ｐ）として表すことができる。
　　１．０×１０－２＜Ｓｐ（ｙ）＜２．０×１０－２　　　　　…（３ｐ）
　ここで、発電部材２０の弾性限界歪Ｚ０を、２．０×１０－２としているのは、種々の圧電高分子において、２．０×１０－２未満の歪みを生じさせる負荷を加えても、発電部材２０が破壊に至ることが無いからである。
　なお、発電部材２０が、圧電高分子である場合には、発電部材とダンピング部材１６の界面の歪みＳｐ（ｙ）についての上記不等式（１ｐ）において、発電部材２０の下限強度σ１は、２５ＭＰａとすることができ、発電部材２０の弾性限界強度σ２は、５０ＭＰａとすることができ、発電部材とダンピング部材１６の界面の歪みＳｐ（ｙ)についての上記不等式（１ｐ）は、下記不等式（４ｐ）として表すことができる。
　　２５＜Ｅｐ＊Ｓｐ（ｙ）＜５０　　　　　　　　　　　　　…（４ｐ）
　ここで、発電部材２０の弾性限界強度σ２を５０ＭＰａとしているのは、上述した種々の圧電高分子において、５０Ｍｐａ未満の応力を生じさせる負荷を加えても、発電部材２０が破壊に至ることが無いからである。また、発電部材２０の下限強度σ１を２５ＭＰａとしているのは、上述した理由により、発電部材２０の下限強度σ１を発電部材２０の弾性限界強度σ２の１／２とすることができるからである。
　本発明のエネルギ変換素子は、基本的に以上のように構成される。
　上述した本発明のエネルギ変換素子を製造する際には、まず、始めに、振動源１２に対して使用する発電部材２０並びに接着層１４及び１８を構成する接着剤を設定し、ダンピング部材１６の種類を設定する。
　次いで、選択された発電部材２０に応じて、上記不等式（１）～（２）の１つを満たすように、ダンピング部材１６の厚さＴ、及びヤング率ｙを決定する。例えば、発電部材２０が圧電セラミックスである場合には、上記不等式（１ｂ）～（４ｂ）の１つを満たすように、ダンピング部材１６の厚さＴに対応して、ヤング率ｙを決定し、発電部材２０が圧電高分子である場合には、上記不等式（１ｐ）～（４ｐ）の１つを満たすように、ダンピング部材１６のヤング率ｙを決定する。
　こうして、本発明のエネルギ変換素子に用いられるダンピング部材１６のヤング率ｙを決定することができる。
　その後、決定されたヤング率ｙを持つダンピング部材１６を、設定された接着剤を用いて、振動源１２に、接合面１２ａと接合面１６ａとが密着するように接合する。
　次に、設定された発電部材２０を、設定された接着剤を用いて、振動源１２に、接合面１６ｂと接合面２０ａとが密着するように接合する。
　こうして、本発明のエネルギ変換素子を製造することができる。
　以下に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
　（実施例Ｉ）
　ダンピング部材１６として、その変形（歪み）方向の全長Ｌが１００ｍｍ、幅が５０ｍｍその厚さＴが０．１ｍｍで、ヤング率ｙが２ＭＰａのＮＢＲ（ニトリルブタジエンゴム）と、発電部材２０として、ダンピング部材１６と略同形状の、その厚さが１ｍｍのＣ－９１Ｈ（富士セラミックス社製圧電セラミックス）と、振動源１２として、厚さ５ｍｍゴムを引張試験機サーボパルサＭＭＴ－１０１ＮＶ－１０(島津製作所社製)で引っ張り、図１に示す本発明のエネルギ変換素子を製造した。この場合、発電部材２０として用いられるＣ－９１Ｈ（富士セラミックス社製圧電セラミックス）の下限強度σ１は、約１０ＭＰａであり、その弾性限界強度σ２は、約１００ＭＰａであった。
　こうして得られた実施例１のエネルギ変換素子の振動源１２となるゴムの両端を冶具に取り付け、２つの冶具をサーボパルサに取り付け、１０Ｈｚのサイン波、ダンピング部材１６の接合面１６ａ（下面）での歪み量が０．０１となるように、実施例１のエネルギ変換素子に対して、荷重（２５Ｎバイアス±２４Ｎ振幅）を印加して、ダンピング部材１６及び発電部材２０の状態を観察した。
　その結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　続いて、表１に示すように、実施例１のエネルギ変換素子において、ダンピング部材１６として用いられるＮＢＲのヤング率ｙを、２０ＭＰａ及び２００Ｍｐａに変更した実施例２及び３のエネルギ変換素子と、１ＧＰａ及び２Ｇｐａに変更した比較例１及び２のエネルギ変換素子とを製造し、実施例１と同様にして、同様な荷重を印加し、同様な発電を同様に行い、ダンピング部材１６及び発電部材２０の状態を観察した。
　その結果を表１に示す。
　表１の結果から明らかなように、Ｅｂ＊Ｓｂ（ｙ）の値が、発電部材２０として用いられるＣ－９１Ｈ（富士セラミックス社製圧電セラミックス）の下限強度σ１（１０ＭＰａ）超、弾性限界強度σ２（１００ＭＰａ）未満である実施例１～３では、剥離が無く、発電部材２０の弾性限界強度σ２以上である比較例１及び２では、剥離が生じ、本発明の実施例１～３は、発電部材２０の発電能力を最大限に活かすことができることが分かる。
　（実施例ＩＩ）
　発電部材２０として、ダンピング部材１６と略同形状の、その厚さが０．１ｍｍのＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）を用い、ダンピング部材１６のＮＢＲのヤング率ｙを２ＭＰａに変更した以外は、実施例１と全く同様にして、実施例４のエネルギ変換素子を製造した。この場合、発電部材２０として用いられるＰＶＤＦの下限強度σ１は、約１ＭＰａであり、その弾性限界強度σ２は、約１００ＭＰａであった。
　こうして得られた実施例４のエネルギ変換素子に対して、実施例１と同様にして、同様な荷重を印加し、同様な発電を同様に行い、ダンピング部材１６及び発電部材２０の状態を観察した。
　その結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　続いて、表２に示すように、実施例４のエネルギ変換素子において、ダンピング部材１６として用いられるＮＢＲのヤング率ｙを、２０Ｍｐａに変更した実施例５のエネルギ変換素子と、２００ＭＰａ及び２Ｇｐａに変更した比較例３及び４のエネルギ変換素子とを製造し、実施例４と同様にして、同様な荷重を印加し、同様な発電を同様に行い、ダンピング部材１６及び発電部材２０の状態を観察した。
　その結果を表２に示す。
　表２の結果から明らかなように、Ｅｂ＊Ｓｂ（ｙ）の値が、発電部材２０として用いられるＰＶＤＦの下限強度σ１（１ＭＰａ）超、弾性限界強度σ２（１００ＭＰａ）未満である実施例４及び５では、剥離が無く、発電部材２０の弾性限界強度σ２以上である比較例３及び４では、剥離が生じ、本発明の実施例４及び５は、発電部材２０の発電能力を最大限に活かすことができることが分かる。
　以上、本発明に係るエネルギ変換素子及びその製造方法、並びにエネルギ変換素子のダンピング部材のヤング率の決定方法について種々の実施形態を挙げて詳細に説明したが、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良及び変更を行っても良いのはもちろんである。
　本発明に係るエネルギ変換素子は、各種タイヤ、床、建築物ダンパ、自動車等の乗り物のサスペンション等のように、不可避的に振動が発生している振動源の振動の機械エネルギを電気エネルギに効率よく変換して発電することができる。
　１０　エネルギ変換素子
　１２　振動源
　１２ａ　接合面
　１４、１８　接着層
　１６　ダンピング部材
　１６ａ、１６ｂ　接合面
　２０　発電部材
　２０ａ　接合面
　２２、２４　電極

Claims (18)

  1. 　所定の歪み量を持つ振動源に接合され、この振動源の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換素子であって、
    　前記振動源に接合され、この振動源の振動を緩和するためのダンピング部材と、
    　このダンピング部材に接合され、この振動源の緩和された前記振動の機械エネルギを前記電気エネルギに変換するための発電部材と、
    　この発電部材に取り付けられ、この発電部材で変換された前記電気エネルギを取り出すための電極とを有し、
    　前記発電部材と前記ダンピング部材との接合面、及び前記振動源と前記ダンピング部材との接合面は、前記振動源の振動方向に対して平行であり、
    　前記発電部材のヤング率をＥ（ＭＰａ）、前記ダンピング部材によって緩和された前記発電部材との接合面における歪みをＳ（ｙ）、前記ダンピング部材の厚さをＴ（ｍ）、ダンピング部材のヤング率をｙ（ＭＰａ）、σ１及びσ２をそれぞれ前記発電部材の下限強度（ＭＰａ）及び弾性限界強度（ＭＰａ）、前記振動源により決まる歪み量をＺとし、
    　ｆ（ｙ）を、その係数が前記ダンピング部材の厚さをＴに応じて定まる、前記ダンピング部材のヤング率ｙの関数とする時、前記ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１）を満足することを特徴とするエネルギ変換素子。
    　　σ１＜Ｅ＊Ｓ（ｙ）＜σ２　　　　　　　　　　　…（１）
    　　Ｓ（ｙ）＝ｆ（ｙ）＊Ｚ
    　　０＜Ｚ＜０．１
    　　０＜Ｔ＜０．０２
    　　０＜ｙ＜５００００
  2. 　前記発電部材は、圧電セラミックスであり、そのヤング率をＥｂ（ＭＰａ）とし、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みをＳｂ（ｙ）、Ａ２を係数とする時、前記ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１ｂ）を満足する請求項１に記載のエネルギ変換素子。
    　　σ１＜Ｅｂ＊Ｓｂ（ｙ）＜σ２　　　　　　　　　…（１ｂ）
    　　Ｓｂ（ｙ）＝Ａ２＊ｙ＊Ｚ
    　（ｉ）０＜Ｔ≦０．００１
    　　　　２×１０－６＜Ａ２＜２．７×１０－６
    　（ii）０．００１＜Ｔ≦０．０１
    　　　　１．６×１０－６＜Ａ２＜２．２×１０－６
     （iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
    　　　　１×１０－６＜Ａ２＜１．５×１０－６
  3. 　前記圧電セラミックスの弾性限界歪をＺ０とする時、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みＳｂ（ｙ）は、下記不等式（２ｂ）で与えられる請求項２に記載のエネルギ変換素子。
    　　Ｚ０／２＜Ｓｂ（ｙ）＜Ｚ０　　　　　　　　　　　…（２ｂ）
  4. 　前記圧電セラミックスの弾性限界歪Ｚ０が、１．０×１０－３である時、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みＳｂ（ｙ）は、下記不等式（３ｂ）で与えられる請求項３に記載のエネルギ変換素子。
    　　５．０×１０－４＜Ｓｂ（ｙ）＜１．０×１０－３　　…（３ｂ）
  5. 　前記圧電セラミックスの弾性限界強度σ２が６０ＭＰａであるとき、下限強度σ１は３０ＭＰａであり、上記不等式（１ｂ）は、下記式（４ｂ）で表される請求項２～４のいずれか１項に記載のエネルギ変換素子。
    　　３０＜Ｅｂ＊Ｓｂ（ｙ）＜６０　　　　　　　　　　…（４ｂ）
  6. 　前記係数Ａ２が、以下の値である請求項２～５のいずれか１項記載のエネルギ変換素子。
    　（ｉ）０＜Ｔ≦０．００１
    　　　　Ａ２＝２．４×１０－６
    　（ii）０．００１＜Ｔ≦０．０１
    　　　　Ａ２＝１．９×１０－６
     （iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
    　　　　Ａ２＝１．３×１０－６
  7. 　前記圧電セラミックスが、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＭＮ－ＰＴ）及びニッケルニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＮＮ－ＰＴ）を含むリラクサー系強誘電体から成る鉛系圧電セラミックス、並びに、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム（ＫＮ）、ＫＮＮ、ビスマスフェライト（ＢＦＯ）、ＢＮＴ、ＢＫＴ、及びそれらの固溶体から成る非鉛系圧電セラミックスから選択される１つである請求項２～６のいずれか１項に記載のエネルギ変換素子。
  8. 　前記発電部材は、圧電高分子であり、そのヤング率をＥｐ（ＭＰａ）とし、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みをＳｐ（ｙ）、Ａ３及びＡ４を係数とする時、前記ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１ｐ）を満足する請求項１に記載のエネルギ変換素子。
    　　σ１＜Ｅｐ＊Ｓｐ（ｙ）＜σ２　　　　　　　　　…（１ｐ）
    　　Ｓｐ（ｙ）＝（Ａ４＊Ｌｎ（ｙ）＋Ａ３）＊Ｚ
    　（ｉ）０＜Ｔ≦０．００１
    　　　　０．００１　＜Ａ４＜０．００１５
    　　　　０．００１７＜Ａ３＜０．００２５
    　（ii）０．００１＜Ｔ≦０．０１
    　　　　０．０００８＜Ａ４＜０．００１２
    　　　　０．００１３＜Ａ３＜０．００２
     （iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
    　　　　０．０００４＜Ａ４＜０．０００８
    　　　　０．０００８＜Ａ３＜０．００１５
  9. 　前記圧電高分子の弾性限界歪をＺ０とする時、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みＳｐ（ｙ）は、下記不等式（２ｐ）で与えられる請求項８に記載のエネルギ変換素子。
    　　Ｚ０／２＜Ｓｐ（ｙ）＜Ｚ０　　　　　　　　　　　…（２ｐ）
  10. 　前記圧電高分子の弾性限界歪Ｚ０が、２．０×１０－２である時、ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みＳｐ（ｙ）は、下記不等式（３ｐ）で与えられる請求項９に記載のエネルギ変換素子。
    　　０．５×１０－２＜Ｓｐ（ｙ）＜１．０×１０－２　　…（３ｐ）
  11. 　前記圧電高分子の弾性限界強度σ２が５０ＭＰａであるとき、下限強度σ１は２５ＭＰａであり、上記不等式（１ｐ）は、下記式（４ｐ）で表される請求項８～１０のいずれか１項に記載のエネルギ変換素子。
    　　２５＜Ｅｐ＊Ｓｐ（ｙ）＜５０　　　　　　　　　　…（４ｐ）
  12. 　前記係数Ａ３及びＡ４が、それぞれ以下の値である請求項８～１１のいずれか１項に記載のエネルギ変換素子。
    　（ｉ）　０＜Ｔ≦０．００１
    　　　　Ａ４＝０．００１２、Ａ３＝０．００２
    　（ii）０．００１＜Ｔ≦０．０１
    　　　　Ａ４＝０．０００９４、Ａ３＝０．００１６
     （iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
    　　　　Ａ４＝０．０００５９、Ａ３＝０．００１１
  13. 　前記圧電高分子が、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）強誘電体、及びフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体強誘電体から選択される１つである請求項８～１２のいずれか１項に記載のエネルギ変換素子。
  14. 　前記発電部材と前記ダンピング部材との接合面、及び前記振動源と前記ダンピング部材との接合面は、接着剤によって接合される請求項１～１３のいずれかに記載のエネルギ変換素子。
  15. 　所定の歪み量を持つ振動源に接合され、この振動源の振動を緩和するためのダンピング部材と、
    　このダンピング部材に接合され、この振動源の緩和された前記振動の機械エネルギを前記電気エネルギに変換するための発電部材と、
    　この発電部材に取り付けられ、この発電部材で変換された前記電気エネルギを取り出すための電極とを有し、
    　前記発電部材と前記ダンピング部材との接合面、及び前記振動源と前記ダンピング部材との接合面は、前記振動源の振動方向に対して平行である、前記振動源の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換素子を製造するに際し、
    　前記発電部材のヤング率をＥ（ＭＰａ）、前記ダンピング部材によって緩和された前記発電部材との接合面における歪みをＳ（ｙ）、前記ダンピング部材の厚さをＴ（ｍ）、ダンピング部材のヤング率をｙ（ＭＰａ）、σ１及びσ２をそれぞれ前記発電部材の下限強度（ＭＰａ）及び弾性限界強度（ＭＰａ）、前記振動源により決まる歪み量をＺとし、
    ｆ（ｙ）を、その係数が前記ダンピング部材の厚さをＴに応じて定まる、前記ダンピング部材のヤング率ｙの関数とする時、前記ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１）を満足するように決定したことを特徴とするエネルギ変換素子の製造方法。
    　　σ１＜Ｅ＊Ｓ（ｙ）＜σ２　　　　　　　　　　　…（１）
    　　Ｓ（ｙ）＝ｆ（ｙ）＊Ｚ
    　　０＜Ｚ＜０．１
    　　０＜Ｔ＜０．０２
    　　０＜ｙ＜５００００
  16. 　前記発電部材は、圧電セラミックスであり、そのヤング率をＥｂ（ＭＰａ）とし、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みをＳｂ（ｙ）、Ａ２を係数とする時、前記ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１ｂ）を満足するように決定した請求項１５に記載のエネルギ変換素子の製造方法。
    　　σ１＜Ｅｂ＊Ｓｂ（ｙ）＜σ２　　　　　　　　　…（１ｂ）
    　　Ｓｂ（ｙ）＝Ａ２＊ｙ＊Ｚ
    　（ｉ）０＜Ｔ≦０．００１
    　　　　２×１０－６＜Ａ２＜２．７×１０－６
    　（ii）０．００１＜Ｔ≦０．０１
    　　　　１．６×１０－６＜Ａ２＜２．２×１０－６
     （iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
    　　　　１×１０－６＜Ａ２＜１．５×１０－６
  17. 　前記発電部材は、圧電高分子であり、そのヤング率をＥｐ（ＭＰａ）とし、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みをＳｐ（ｙ）、Ａ３及びＡ４を係数とする時、前記ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１ｐ）を満足するように決定した請求項１５に記載のエネルギ変換素子の製造方法。
    　　σ１＜Ｅｐ＊Ｓｐ（ｙ）＜σ２　　　　　　　　　…（１ｐ）
    　　Ｓｐ（ｙ）＝（Ａ４＊Ｌｎ（ｙ）＋Ａ３）＊Ｚ
    　（ｉ）０＜Ｔ≦０．００１
    　　　　０．００１　＜Ａ４＜０．００１５
    　　　　０．００１７＜Ａ３＜０．００２５
    　（ii）０．００１＜Ｔ≦０．０１
    　　　　０．０００８＜Ａ４＜０．００１２
    　　　　０．００１３＜Ａ３＜０．００２
     （iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
    　　　　０．０００４＜Ａ４＜０．０００８
    　　　　０．０００８＜Ａ３＜０．００１５
  18. 　所定の歪み量を持つ振動源に接合され、この振動源の振動を緩和するためのダンピング部材と、
    　このダンピング部材に接合され、この振動源の緩和された前記振動の機械エネルギを前記電気エネルギに変換するための発電部材と、
    　この発電部材に取り付けられ、この発電部材で変換された前記電気エネルギを取り出すための電極とを有し、
    　前記発電部材と前記ダンピング部材との接合面、及び前記振動源と前記ダンピング部材との接合面は、前記振動源の振動方向に対して平行である、前記振動源の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換素子を製造するに際し、
    　前記発電部材のヤング率をＥ（ＭＰａ）、前記ダンピング部材によって緩和された前記発電部材との接合面における歪みをＳ（ｙ）、前記ダンピング部材の厚さをＴ（ｍ）、ダンピング部材のヤング率をｙ（ＭＰａ）、σ１及びσ２をそれぞれ前記発電部材の下限強度（ＭＰａ）及び弾性限界強度（ＭＰａ）、前記振動源により決まる歪み量をＺとし、
    ｆ（ｙ）を、その係数が前記ダンピング部材の厚さをＴに応じて定まる、前記ダンピング部材のヤング率ｙの関数とする時、前記ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１）を満足するように決定したことを特徴とするエネルギ変換素子のダンピング部材のヤング率の決定方法。
    　　σ１＜Ｅ＊Ｓ（ｙ）＜σ２　　　　　　　　　　　…（１）
    　　Ｓ（ｙ）＝ｆ（ｙ）＊Ｚ
    　　０＜Ｚ＜０．１
    　　０＜Ｔ＜０．０２
    　　０＜ｙ＜５００００
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