特許 5961868 振動発電素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5961868

(24)【登録日】2016年7月8日

(45)【発行日】2016年8月2日

(54)【発明の名称】振動発電素子

(51)【国際特許分類】

   H02N 2/18 20060101AFI20160719BHJP

   H01L 41/113 20060101ALI20160719BHJP

【ＦＩ】

   H02N2/18

   H01L41/08 G

【請求項の数】4

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2012-114674(P2012-114674)

(22)【出願日】2012年5月18日

(65)【公開番号】特開2013-243821(P2013-243821A)

(43)【公開日】2013年12月5日

【審査請求日】2014年12月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(72)【発明者】

【氏名】小林 健

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 寿浩

(72)【発明者】

【氏名】前田 龍太郎

(72)【発明者】

【氏名】岡田 浩尚

【審査官】 宮地 将斗

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／０２６４５３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−２６８２６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｎ ２／００−２／１８

Ｈ０１Ｌ ４１／１１３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧電部材を有した板状の圧電振動体を支持部材によって支持し、圧電振動体の振動に伴う圧電部材の変形に応じて圧電効果で発電する振動発電素子であって、
前記圧電振動体は、平面が長方形状で板状の前記圧電部材の上下両面に上側電極と下側電極とがそれぞれ形成された積層構造体が、前記圧電部材の長手方向に直交する方向に均等に複数に分割された、平面が長方形状の複数の分割体からなり、前記複数の分割体の長手方向の両端部のうち少なくとも一端部の下面がそれぞれ前記支持部材によって連結されるように共通に支持されると共に、隣接する２つの前記分割体の間で一方の分割体の前記上側電極を他方の分割体の前記下側電極に配線により接続することにより、前記複数の分割体の各上側電極及び下側電極が前記配線により互いに電気的に直列に接続されており、
前記複数の分割体の前記支持部材を固定端とする互いに同期した振動に伴い、前記複数の分割体からそれぞれ出力されて直列に供給される交流電圧を直流電圧に変換する、少なくとも整流用のダイオードを有する構成の単一の交流直流変換回路を備え、
前記交流直流変換回路に供給される前記交流電圧の値は前記ダイオードの閾値付近の値に設定されていることを特徴とする振動発電素子。

【請求項2】

前記複数の分割体は単一の振動部材上に形成されており、前記支持部材は前記振動部材の長手方向の両端部のうち少なくとも一方の端部の下面部分を支持し、前記振動部材の下面のうち前記支持部材によって支持されていない領域に錘部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載の振動発電素子。

【請求項3】

前記振動部材の長手方向の長さは前記複数の分割体の長手方向の長さよりも大に設定されており、前記振動部材の長手方向の両端部のうち一方の端部が前記支持部材により支持され、かつ、前記一方の端部を固定端としたとき他方の端部が振動可能な自由端とされており、前記錘部材は前記振動部材の前記他方の端部付近の前記振動部材の下面に設けられていることを特徴とする請求項２記載の振動発電素子。

【請求項4】

前記複数の分割体の長手方向の長さは前記支持部材の長手方向の長さよりも大に設定されており、前記複数の分割体の長手方向の両端部のうち一方の端部が前記支持部材により共通に支持され、かつ、前記一方の端部を固定端としたとき他方の端部が振動可能な自由端とされており、前記複数の分割体の前記他方の端部付近の複数の前記下側電極の下面に共通に一つの錘部材が設けられ、前記複数の分割体を同期して振動可能とすることを特徴とする請求項１記載の振動発電素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧電効果を利用して振動の運動エネルギを電気エネルギに変換して発電する振動発電素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、動物などに取り付けて測定データを送信することができるセンシング機能と無線通信機能とを併せ持つセンサが開発されており、その作動のための電源は、小型・軽量であり且つ長寿命であることが望ましく、小型・軽量の発電機を電源として利用できるようにすることが好ましい。このようなセンサの電源として利用可能なものに、圧電効果を利用し、振動の運動エネルギを電気エネルギに変換して発電する振動発電素子がある。

【0003】

振動発電素子は、特許文献１に記載されているように、片持ち状態で固定された振動部材と、振動部材の自由端側に取り付けられた錘と、振動部材に接合された圧電素子とを備えた構造を有しており、外部から振動部材に与えられたエネルギによって発生した振動部材の振動を圧電素子によって電気エネルギに変換して発電を行う。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第３１７０９６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記のような振動発電素子をセンサ等の電源として用いる場合、小型を保ちつつ出力電力を増加させることが望ましい。振動発電素子の発電量を増加させるためには、錘を重くして振動部材の変形量を大きくすることが考えられる。しかしながら、変形のための空間を確保する必要が生じ、素子全体の高さが増大して、サイズが大きくなってしまう問題や、軽量化の要求に反する問題がある。また、複数の振動発電素子を直列に接続することによっても発電量を増加させることが可能である。しかしながら、振動発電素子の数を増加させることになり、全体のサイズが大きくなってしまう問題がある。

【0006】

よって、本発明の目的は、従来技術に存する問題を解消して、振動発電素子の単位面積当たりから得られる出力電力を増加させることにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的を達成するため、本発明は、圧電部材を有した板状の圧電振動体を支持部材によって支持し、圧電振動体の振動に伴う圧電部材の変形に応じて圧電効果で発電する振動発電素子であって、前記圧電振動体は、平面が長方形状で板状の前記圧電部材の上下両面に上側電極と下側電極とがそれぞれ形成された積層構造体が、前記圧電部材の長手方向に直交する方向に均等に複数に分割された、平面が長方形状の複数の分割体からなり、前記複数の分割体の長手方向の両端部のうち少なくとも一端部の下面がそれぞれ前記支持部材によって連結されるように共通に支持されると共に、隣接する２つの前記分割体の間で一方の分割体の前記上側電極を他方の分割体の前記下側電極に配線により接続することにより、前記複数の分割体の各上側電極及び下側電極が前記配線により互いに電気的に直列に接続されており、前記複数の分割体の前記支持部材を固定端とする互いに同期した振動に伴い、前記複数の分割体からそれぞれ出力されて直列に供給される交流電圧を直流電圧に変換する、少なくとも整流用のダイオードを有する構成の単一の交流直流変換回路を備え、前記交流直流変換回路に供給される前記交流電圧の値は前記ダイオードの閾値付近の値に設定されていることを特徴とする。

【0008】

ここで、本発明における前記複数の分割体は単一の振動部材上に形成されており、前記支持部材は前記振動部材の長手方向の両端部のうち少なくとも一方の端部の下面部分を支持し、前記振動部材の下面のうち前記支持部材によって支持されていない領域に錘部材が設けられているようにしてもよい。

【0009】

また、本発明は、前記振動部材の長手方向の長さは前記複数の分割体の長手方向の長さよりも大に設定されており、前記振動部材の長手方向の両端部のうち一方の端部が前記支持部材により支持され、かつ、前記一方の端部を固定端としたとき他方の端部が振動可能な自由端とされており、前記振動部材の前記他方の端部付近の前記振動部材の下面に錘部材が設けられていてもよい。

【0010】

また、本発明は、前記複数の分割体の長手方向の長さは前記支持部材の長手方向の長さよりも大に設定されており、前記複数の分割体の長手方向の両端部のうち一方の端部が前記支持部材により共通に支持され、かつ、前記一方の端部を固定端としたとき他方の端部が振動可能な自由端とされており、前記複数の分割体の前記他方の端部付近の複数の前記下側電極の下面に共通に一つの錘部材が設けられ、前記複数の分割体を同期して振動可能とするようにしてもよい。

【発明の効果】

【0012】

本発明の振動発電素子によれば、圧電部材の単位面積当たりから得られる出力電圧を向上させることができるため、小型を保ちつつ出力電力（実質的な発電量）を増加させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明による振動発電素子の全体構成を示す全体構成図である。

【図2】圧電振動体の第１の例の側面図である。

【図3】圧電振動体の第２の例の側面図である。

【図4】圧電部材が分割されていない圧電振動体を示す斜視図である。

【図5】圧電部材が二つの部分に分割された圧電振動体を示す斜視図である。

【図6】圧電部材が三つの部分に分割された圧電振動体を示す斜視図である。

【図7】ＡＣ／ＤＣ変換回路で使用されるダイオードの特性を示す説明図である。

【図8】圧電部材が分割されていない圧電振動体、圧電部材が二つの部分に分割された圧電振動体、圧電部材が三つの部分に分割された圧電振動体をそれぞれ用いたときの振動発電素子からの出力電圧を比較して示したグラフである。

【図9】圧電部材が分割されていない圧電振動体、圧電部材が二つの部分に分割された圧電振動体、圧電部材が三つの部分に分割された圧電振動体をそれぞれ用いたときの振動発電素子によるＤＣ出力電力を比較して示したグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して、本発明による振動発電素子を説明する。
最初に、図１を参照して、本発明による振動発電素子１０の全体構成を説明する。振動発電素子１０は、支持部材１２と、支持部材１２に支持されている板状の圧電振動体１４と、交流直流変換回路(以下、ＡＣ／ＤＣ変換回路と記載する。)１６とを備える。

【0015】

支持部材１２は、外部エネルギを付与したときに圧電振動体１４が振動することを許容するように圧電振動体１４を支持している。図１に示されている実施形態のように、圧電振動体１４の一端が支持部材１２に固定されると共に圧電振動体１４の他端が自由端となって振動できるように、圧電振動体１４が支持部材１２に片持ち支持されていることが好ましい。しかしながら、外部エネルギが付与されたときに圧電振動体１４の振動を許容するようになっていれば、支持部材１２に対する圧電振動体１４の支持機構は限定されるものではなく、圧電振動体の少なくとも一端部が支持部材によって支持されていればよい。例えば、外部エネルギを付与したときに圧電振動体１４の振動を許容するようになっていれば、圧電振動体１４の両端が支持部材１２に固定されていてもよい。

【0016】

圧電振動体１４は、変形すると圧電効果で起電力を生じる圧電材料によって形成された圧電部材を含んでおり、圧電振動体１４が振動すると、振動に伴う変形に応じて交流電圧を生じさせる。図１に示されている実施形態では、圧電振動体１４は、図２に詳細に示されているように、一端部を支持部材に固定され且つ他端部が自由端になっている、すなわち支持部材１２によって片持ち支持されている振動部材１８と、振動部材１８上に設けられた膜状の圧電部材２０と、これを挟むように膜状の圧電部材２０の両表面に接続された上側電極２２ａと下側電極２２ｂとからなる一対の電極２２とによって構成されている。しかしながら、圧電振動体１４の構成は、外部エネルギが付与されたときに生じる振動に伴う変形に応じて交流電圧を生じさせるようになっていれば、特に限定されるものではない。例えば、図３に示されているように、板状の圧電部材２４と、これを挟むように接続された上側電極２６ａと下側電極２６ｂとからなる一対の電極２６とによって圧電振動体１４を構成し、このように構成された圧電振動体１４を支持部材１２によって支持するようにしてもよい。また、図１に示されている実施形態では、支持部材１２によって支持されている振動部材１８の上側表面のみに、一対の電極２２に挟まれた膜状圧電部材２０が設けられているが、振動部材１８の下側表面にも同様に一対の電極に挟まれた膜状圧電部材を設けてもよい。

【0017】

圧電振動体１４は、図１から図３に示されているように、外部エネルギを付与されたときに生じる圧電振動体１４の振動の振幅を大きくするために、錘部材２８をさらに備えていることが好ましい。図１に示されている実施形態では、一端部を支持部材１２によって片持ち支持されている圧電振動体１４の他端部に錘部材２８が設けられている。圧電振動体１４が支持部材１２によって両端部を支持されている場合には、圧電振動体１４の長さ方向の中央部付近に錘部材２８を設ければよい。錘部材２８は、圧電振動体１４が支持部材１２によって支持されている部分以外の場所であれば圧電振動体１４上の任意の場所に設けることができる。

【0018】

ＡＣ／ＤＣ変換回路１６は、圧電振動体１４の振動により生じた交流電圧をセンサ等における使用に適した直流電圧に変換するために設けられている。その典型的な例として、二つのダイオードと二つのコンデンサを用いた構成が図１に示されているが、交流電圧を直流電圧に変換することができれば、他の構成によってＡＣ／ＤＣ変換回路１６を実現してもよいことはもちろんである。

【0019】

振動発電素子１０では、さらに、図１に示されているように、圧電振動体１４の圧電部材２０と上側電極２２ａ及び下側電極２２ｂとが、その幅方向（圧電振動体１４の支持端と自由端とを結ぶ方向と垂直な方向、すなわち平面が長方形状の圧電部材２０の長手方向に直交する方向）に複数（図１では３つ）の部分に均等に分割されている。分割された複数の圧電部材部分（以下、圧電部材分割体と記載する。）は、互いに同期して振動するように連結されていると共に分割された複数の電極部分（以下、電極分割体と記載する。）は、後述するように配線によって電気的に直列に接続されている。圧電部材２０及び一対の電極（上側電極２２ａ及び下側電極２２ｂ）の分割数は特に限定されるものではない。例えば、図４に示されている分割されていない圧電部材２０、上側電極２２ａ及び下側電極２２ｂを、図５に示されているようにそれぞれニ分割して圧電部材分割体２０’、上側電極分割体２２ａ’、下側電極分割体２２ｂ’としてもよく、図６に示されているようにそれぞれ三分割して圧電部材分割体２０１〜２０３、上側電極分割体２２ａ1〜２２ａ3、下側電極分割体２２ｂ1〜２２ｂ3としてもよい。

【0020】

なお、圧電部材２０をその幅方向に分割するのは、圧電部材２０の長さ方向（支持端と自由端とを結ぶ方向）に分割すると、各圧電部材分割体の変形量が互いに異なることになって絶縁体のように作用してしまうことを防止するためである。また、圧電部材２０を幅方向に分割することによって、各圧電部材分割体の振動を互いに同期させやすくなり、効率的に電力を取り出すことができるようになる。

【0021】

複数の圧電部材分割体は、絶縁材料で形成された連結部材によって連結されることによって、互いに同期して振動するようになっている。図１及び図６に示されている実施形態では、分割されていない一つの振動部材１８上に一対の電極分割体（上側電極分割体２２ａ1〜２２ａ3及び下側電極分割体２２ｂ1〜２２ｂ3）に挟まれた圧電部材分割体が３組設けられており、振動部材１８が連結部材の機能を果たすことにより、３組の圧電部材分割体が互いに同期して振動するようになっている。図３に示されているように、板状の圧電部材２４と、これを挟むように接続された上側電極２６ａ及び下側電極２６ｂからなる一対の電極２６とによって構成される圧電振動体１４が、複数に分割されている場合には、例えば、支持部材１２によって片持ち支持される複数の圧電振動体１４の自由端部に、共有するように一つの錘部材２８を接続し、錘部材２８を連結部材として機能させることによって、分割された複数の圧電部材２４を互いに同期して振動させることができる。

【0022】

複数の圧電部材分割体を直列に接続する形態は特に限定されないが、例えば図１を詳細に示す図６に示されているように、第１の圧電部材分割体２０１の上面に形成された上側電極分割体２２ａ１とそれに隣接する第２の圧電部材分割体２０２の下面に形成された下側電極分割体２２ｂ２とを配線で接続し、第２の圧電部材分割体２０２の上面に形成された上側電極分割体２２ａ２とそれに隣接する第３の圧電部材分割体２０３の下面に形成された下側電極分割体２２ｂ３とを配線で接続し、第１の圧電部材分割体２０１の下面に形成された下側電極分割体２２ｂ１と第３の圧電部材分割体２０３の上面に形成された上側電極分割体２２ａ３とをＡＣ／ＤＣ変換回路１６の入力側両端子に接続すればよい。

【0023】

次に、図１を参照して、本発明による振動発電素子１０の動作を説明する。振動発電素子１０に外部エネルギが付与されると、片持ち支持された圧電振動体１４に力が作用して圧電振動体１４(詳細にはその自由端部)が振動する。圧電振動体１４が振動すると、これに伴って圧電振動体１４の圧電部材２０が変形して圧電効果によって電荷が発生する。この結果、圧電部材２０の両表面(図１における上側表面と下側表面)の間に電位差が生じ、振動する圧電部材２０の両表面に接続された一対の電極２２を通して交流電圧が出力される。一対の電極２２を通して取り出された交流電圧は、ＡＣ／ＤＣ変換回路１６によって直流電圧に変換されて出力される。

【0024】

ここで、面積及び厚さが同じ圧電部材２０について分割しない場合と複数個の圧電部材分割体に分割して直列に接続した場合の発電量を比較する。分割していない圧電部材２０の起電力の値をＶ、内部抵抗の値をｒとすると、これが抵抗値Ｒの負荷抵抗に接続した場合の発電量の最大値Ｐ１は以下の式（１）により求められる。
Ｐ１＝Ｖ²／(４ｒ) （１）
一方、上記圧電部材２０をｎ個の圧電部材分割体に均等に分割すると、ｎ個の圧電部材分割体の一つ当りの起電力の値はＶで変化しないが、内部抵抗の値はｎ倍すなわちｎｒとなる。したがって、直列に接続されたｎ個の圧電部材分割体の全体では、起電力及び内部抵抗がｎ倍となって、起電力の値がｎＶ、内部抵抗の値がｎ²ｒとなり、発電量の最大値Ｐｎは以下の式（２）により求められる。
Ｐｎ＝(ｎＶ)²／４(ｎ²ｒ)＝Ｖ²／(４ｒ) （２）
すなわち、全体でみると発電量は変わらない。

【0025】

しかしながら、圧電振動体１４から取り出されるのは、交流電圧であり、センサなどの電源として用いる場合には、図１に示されているように圧電振動体１４から出力される交流電圧をＡＣ／ＤＣ変換回路１６を通して直流電圧に変換して使用する。そこで、ＡＣ／ＤＣ変換回路に用いられるダイオードの電圧−電流特性を見てみると、図７に示されているように、ダイオードの閾値電圧に近い場合、例えば起電力が２倍になると、流れる電流は２倍以上になり、ＡＣ／ＤＣ変換回路１６における損失が減少する。したがって、図１に示される振動発電素子１０のように圧電部材２０をｎ個の圧電部材分割体２０ａに均等に分割して、これらを直列に接続した場合、起電力が分割していない場合と比較してｎ倍になる一方、ＡＣ／ＤＣ変換回路１６における損失が減少して、出力電力が増加する。

【0026】

図８は、振動発電素子１０における振動周波数−交流出力電圧特性を示している。

【0027】

各振動発電素子１０は、図１及び図２に示したように、枠状の支持部材１２に一端部が固定され且つ他端部に一つの錘部材２８を備えた振動部材１８の上側表面に、一対の電極２２に挟まれた圧電部材２０を固定したものを、ＭＥＭＳ微細加工技術によって作製したものである。比較例として、図４に示したような分割していない圧電部材２０を備えた場合（図８中の▽：ＩＰＺＴ）が示されていると共に、本発明に従った例として、図５に示されているように圧電部材２０を二つの圧電部材分割体２０’に分割した場合（図８中の◎：２ＰＺＴｓ）と図６に示されているように圧電部材２０を三つの圧電部材分割体２０１〜２０３に分割した場合（図８中の▲：３ＰＺＴｓ）が示されている。交流出力電圧は、作製した振動発電素子１０を加振器にセットして５ｍ／ｓ²の加速度で振動させ、加える振動の周波数を共振周波数付近で変化させた場合の交流出力電圧を図１に「ＡＣ電圧」３０と示されている区間、すなわちＡＣ／ＤＣ変換回路１６の前段の位置で測定した。図８を参照すると、圧電部材２０を分割していない場合と比較して、圧電部材２０を分割してこれを電気的に直列に接続することで、交流出力電圧が増加することが分かる。また、圧電部材２０の分割数を増やすほど交流出力電圧も増加することが分かる。なお、図８に見られる共振周波数のばらつきは振動発電素子１０の作製プロセスに起因するものであり、本発明に本質的な関わりはない。

【0028】

図９は、振動発電素子１０における負荷抵抗−直流出力電力特性を示している。

【0029】

各振動発電素子１０は、図８の場合と同様に作製したものであり、比較例として、分割していない圧電部材２０を備えた場合（図９中の▽：ＩＰＺＴ）が示されていると共に、本発明に従った例として、圧電部材２０を図５に示したように二つの圧電部材分割体２０’に分割した場合（図９中の◎：２ＰＺＴｓ）と圧電部材２０を図６に示したように三つの圧電部材分割体２０１〜２０３に分割した場合（図９中の▲：３ＰＺＴｓ）が示されている。直流出力電力は、作製した振動発電素子１０を加振器にセットして振動させ、図１に示した負荷抵抗３４を変化させた場合の直流出力電圧を図１に「ＤＣ電圧」３２と示されている区間、すなわちＡＣ／ＤＣ変換回路１６の後段の位置で測定することによって求めた。図９を参照すると、圧電部材２０を分割していない場合と比較して、圧電部材２０を分割してこれを電気的に直列に接続することで、直流出力電力が増加していることが分かる。また、圧電部材２０の分割数を増やすほど直流出力電力も増加することが分かる。

【0030】

このように、本実施形態によれば、圧電部材の上下両面に上側電極と下側電極とがそれぞれ形成された振動発電素子１０の積層構造体を複数に分割し、その分割した複数の分割体のうち、隣接する２つの分割体の間で一方の分割体の上側電極を他方の分割体の下側電極に配線により接続することにより、複数の分割体の各上側電極及び下側電極が配線により互いに電気的に直列に接続した構成とすることで振動発電素子１０の起電力を増加させた結果、同じ面積且つ同じ厚さの分割していない圧電部材２０を用いる場合と比較して、振動発電素子１０の交流出力電圧が供給されるＡＣ／ＤＣ変換回路１６における損失が小さくなり、圧電部材２０を分割しない場合よりも大きな直流出力電力が得られる。したがって、圧電部材２０を複数の圧電部材分割体に分割し、これらを電気的に直列に接続することによって、ＡＣ／ＤＣ変換回路１６を通した出力直流電力が分割しない場合よりも増加する効果を奏することが可能となる。

【0031】

以上、図示される実施形態を参照して、本発明による振動発電素子１０を説明したが、図示される実施形態は例示に過ぎず、本発明による振動発電素子１０の構造は実施形態に限定されるものではない。例えば、図示される実施形態では、圧電振動体１４が支持部材１２によって片持ち支持されているが、圧電部材２０が複数の圧電部材分割体２０ａに分割されていれば支持部材１２による圧電振動体１４の支持構造に制限はなく、一例として、圧電振動体１４の両端部を支持部材１２によって支持し、圧電振動体１４の中央部に錘部材２８を設けるようにしてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0032】

本発明の振動発電素子１０は、例えば、タイヤ空気圧モニタリング、インフラのモニタリング、動物の健康状態のモニタリングなどに用いられている無線センサネットワークの無線センサ端末などの主電源又は補助電源として利用可能である。

【符号の説明】

【0033】

１０ 振動発電素子
１２ 支持部材
１４ 圧電振動体
１６ ＡＣ／ＤＣ変換回路
１８ 振動部材
２０、２０’、２４ 圧電部材
２２、２６ 一対の電極
２２ａ、２６ａ 上側電極
２２ａ’、２２ａ１、２２ａ２、２２ａ３ 上側電極分割体
２２ｂ、２６ｂ 下側電極
２２ｂ’、２２ｂ１、２２ｂ２、２２ｂ３ 下側電極分割体
２８ 錘部材
３４ 負荷抵抗
２０１、２０２、２０３ 圧電部材分割体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】