JP6699740B2 - 圧電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子と支持体とが貼り合わされており、圧電体及び支持体を押圧により変形させて電力を取り出す、圧電発電装置に関する。

従来、圧電素子の変形を利用した圧電発電装置が種々提案されている。下記の特許文献１では、柔軟性を有するシートの両面に圧電フィルムが積層されている。各圧電フィルムの表面及び裏面のそれぞれから、外部と電気的に接続するための端子が引き出されている。

また、下記の特許文献２には、金属板からなる支持体上に、接着剤を用いて、積層型圧電素子が貼り合わされている。この積層型圧電素子は、積層型圧電体の第１，第２の主面に設けられた第１，第２の外層電極と、第１，第２の外層電極と圧電体層を介して重ねられている内層電極とを有する。第１，第２の外層電極が、積層型圧電体の一方端面に設けられている第１の端子電極により接続されている。また、内層電極が、他方端面に設けられた第２の端子電極に電気的に接続されている。電力を取り出すために、上記第１，第２の端子電極にそれぞれ、端子を接続する。

特開２０１３−９５６９号公報 特開２０１６−９６２５２号公報

特許文献１に記載の圧電発電装置では、圧電フィルムの柔軟性を有するシートに積層されている側の面と、反対側の面とで、変形に際し応力差が生じる。従って、圧電フィルムの柔軟性を有するシートに積層されている側とは反対側の面において、圧電フィルムに破損が生じたり、端子との接合部分が破損したりするおそれがあった。特許文献２に記載の圧電発電装置でも同様の問題があった。

さらに、特許文献２に記載の圧電発電装置では、積層型圧電素子においては、発電に寄与しない未分極領域が生じる。この未分極領域と、分極されている領域との間の応力差によっても、圧電体が破損するおそれがあった。

本発明の目的は、製造時の応力や駆動時の応力により、圧電体の破損が生じ難い、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装置は、支持体と、前記支持体に貼り合わされた圧電素子と、前記圧電素子に電気的に接続されている第１及び第２の端子とを備え、前記圧電素子が、対向し合う第１，第２の主面を有する圧電体と、前記第１の主面に設けられており、前記第１，第２の端子にそれぞれ電気的に接続されている第１及び第２の電極とを有し、前記圧電素子が、前記圧電体の前記第１の主面側から前記支持体に貼り合わされている、圧電発電装置である。

本発明に係る圧電発電装置のある特定の局面では、前記圧電体が、複数の圧電体層を有する積層型圧電体である。この場合には、より一層大きな電力を取り出すことができる。

本発明に係る圧電発電装置の他の特定の局面では、前記積層型圧電体内に設けられており、前記圧電体層を介して対向している複数の内層電極を有し、前記複数の内層電極が、前記第１の主面から前記第２の主面に向かう前記積層型圧電体の厚み方向において交互に、前記第１の電極または前記第２の電極に電気的に接続されている。

本発明に係る圧電発電装置の別の特定の局面では、前記支持体の前記圧電素子に貼り合わされている面に、凹部が設けられており、前記第１，第２の端子が、前記凹部内から、前記支持体外に引き出されている。この場合には、凹部内に第１，第２の端子が配置されるため、第１，第２の端子が設けられている部分における圧電素子に加わる応力の増大を抑制することができる。

本発明に係る圧電発電装置の別の特定の局面では、前記凹部が、前記第１の端子が配置されている第１の凹部と、前記第２の端子が配置されている第２の凹部とを有する。

本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記圧電体の前記第２の主面に、第３の電極が設けられており、前記第３の電極は、前記第２の電極に電気的に接続されている。この場合には、圧電体の第２の主面側までの部分を利用して、発電を行なわせることができる。

本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記第３の電極が、前記第２の主面のほぼ全面に設けられている。この場合には、より一層大きな電力を取り出すことができる。

本発明に係る圧電発電装置の別の特定の局面では、前記圧電体の前記第２の主面に設けられている、保護層がさらに備えられている。この場合には、圧電発電装置の耐湿性を高めたり、圧電体を外部から機械的に保護したりすることができる。

本発明に係る圧電発電装置の別の特定の局面では、前記凹部の深さが、前記第１，第２の端子の厚み以上である。この場合には、第１，第２の端子を設けたことによる、圧電体に加わる応力の増大を抑制することができる。

本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記支持体が、前記圧電体が貼り合わされている板状部と、前記板状部における前記圧電体が貼り合わされている面の反対側から前記圧電体と遠ざかる方向に延びている複数の脚部とを有する。

本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記複数の脚部が、前記圧電素子を平面視した場合、前記支持体の外周縁に沿って、分散配置されている。この場合には、圧電素子に、圧電体の第１，第２の主面と直交する方向に応力を加えた場合に、圧電体を効果的に変形させることができる。従って、より一層大きな電力を取り出すことができる。

本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記複数の脚部が、前記外周縁に沿って等間隔で配置されている。この場合には、圧電発電装置の圧電体の第１，第２の主面の法線方向から外力を加えて圧電体を変形させた場合、圧電発電装置の姿勢を安定に保つことができる。

本発明に係る圧電発電装置によれば、製造時や発電時に、応力が圧電素子に加わったとしても、圧電体の破損が生じ難い。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の正面断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態で用いられている圧電素子の平面図である。 図３は、本発明の第１の実施形態で用いられている圧電素子の下面に設けられた電極形状を説明するための透視図である。 図４は、本発明の第１の実施形態で用いられている支持体の模式的平面図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１の実施形態で用いられている支持体の斜視図及び支持体の脚部を取り出して示す斜視図である。 図６は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置において、応力が加わった際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正面断面図である。 図８は、本発明の第１の実施形態の圧電発電装置を含む発電システムを示す模式図である。

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、図面において、圧電発電装置の大きさ及び厚さなどは便宜上誇張して表現されることがある。

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。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の正面断面図である。圧電発電装置１は、支持体２と、接着剤層３と、圧電素子４と、接着剤層５と、保護層６とを有する。なお、図１では、圧電素子４では、その積層構造を見やすくするために、圧電素子４の厚みが、支持体２の板状部２ａの厚みよりもかなり厚く図示されているが、特に限定されるわけではない。実際には、板状部２ａと、圧電素子４の厚みは、ほぼ同等とされている。

図５（ａ）に示すように、支持体２は、平面形状が正方形の板状部２ａと、板状部２ａの下面から下方に、すなわち圧電素子４から遠ざかる方向に延びている複数の脚部２ｂとを有する。図５（ｂ）に、１つの脚部２ｂを取り出して模式的に示す。本実施形態では、脚部２ｂは、三角柱の形状を有している。もっとも、脚部の形状は、円柱、四角柱などの他の形状であってもよく、また円錐台や角錐台などの形状であってもよく、特に限定されるものではない。板状部２ａの平面形状についても、正方形や長方形のような矩形に限らず、円形等の任意の形状とすることができる。

後述するように、支持体２の板状部２ａが、発電時に、圧電素子４と共に屈曲変形する。従って、支持体２の板状部２ａは、金属板などの弾性板からなることが望ましい。このような金属板の材料としては、ステンレス、ＳＵＳなどの適宜の金属もしくは合金を挙げることができる。

脚部２ｂは、板状部２ａと一体に形成されているが、別部材の脚部２ｂが板状部２ａに接合されていてもよい。

図４は、支持体２の模式的平面図である。複数の脚部２ｂは、破線で示すように、正方形の平面形状を有する板状部２ａの各コーナー部に設けられている。従って、複数の脚部２ｂは、支持体２を平面視した場合、支持体２の外周縁に沿って、等間隔で配置されている。本発明においては、好ましくは、複数の脚部は支持体の外周縁に沿って等間隔で配置されていることが望ましい。それによって、発電時の変形した板状部２ａを、複数の脚部により、より確実に支持することができる。

図１に戻り、支持体２の上面２ａ１に、接着剤層３を介して、圧電素子４が貼り合わされている。接着剤層３の材料としては、エポキシ樹脂系接着剤、アクリル樹脂系接着剤、シリコーン樹脂系接着剤などの適宜の絶縁性接着剤を用いることができる。また、後述する端子２３，２４との電気的絶縁を図り得るのであれば、接着剤層３として導電性接着剤を用い、支持体２を金属で構成することにより、圧電素子４の一方の電位に接続される電極を、支持体２に電気的に接続することができる。

圧電素子４は、本実施形態では、圧電体としての積層型圧電体１１を有する。積層型圧電体１１は、支持体２と同じ平面形状を有している。積層型圧電体１１は、対向し合う第１の主面１１ａと、第２の主面１１ｂと第１，第２の端面１１ｃ，１１ｄとを有する。圧電体としての積層型圧電体１１の第１の主面１１ａ側から、圧電素子４が、接着剤層３により支持体２に貼り合わされている。

積層型圧電体１１は、複数の圧電体層を有する。そして、第１の主面１１ａ及び第２の主面１１ｂに外層電極１２，１３がそれぞれ設けられている。外層電極１２が、本発明において、第１の主面１１ａに設けられる第１の電極である。また、本発明における第２の電極は、後述する接続電極２０ａである。すなわち、圧電素子４は、圧電体としての積層型圧電体１１と、第１の電極としての外層電極１２と、第２の電極としての接続電極２０ａとを有する。また、積層型圧電体１１内には、外層電極１２側から、外層電極１３に向かって、複数の内層電極１４〜１８が順に積層されている。図２は、本実施形態で用いられている圧電素子の平面図であり、図３は、圧電素子の下面に設けられている電極形状を説明するための透視図である。外層電極１３は、本発明における第３の電極である。外層電極１３は、略正方形の形状を有しており、第１の主面１１ａの外周縁からギャップを隔てて設けられている。すなわち、外層電極１３の外側に、矩形枠状のギャップ領域が設けられている。もっとも、第１の端面１１ｃの一部に至るように外層電極１３が設けられている。上記内層電極１５，１７は、外層電極１３と同じ平面形状を有している。

そして、第１の端面１１ｃに、図２に示す接続電極１９が設けられている。この接続電極１９は、第１の端面１１ｃにおいて、第２の主面１１ｂから第１の主面１１ａに至るように上下方向に延ばされている。

図３に示すように、圧電素子４の下面には、外層電極１２と、接続電極２０ａが設けられている。外層電極１２は、第１の端面１１ｃに引き出されており、上述した接続電極１９に電気的に接続されている。他方、接続電極２０ａも、第１の端面１１ｃに引き出されている。そして、接続電極２０ａは、図１及び図２に示す接続電極２０に電気的に接続されている。すなわち、接続電極２０は、図１に示すように、第１の端面１１ｃにおいて、上下方向に延びている。また、図２に示すように、接続電極２０は、接続電極１９と、第１の端面１１ｃにおいて、横方向に隔てられて設けられている。

図１に示すように、内層電極１４，１６，１８は、第１の端面１１ｃに引き出されており、接続電極２０に電気的に接続されている。従って、内層電極１４，１６，１８は、接続電極２０を介して、接続電極２０ａに接続されている。

内層電極１４，１６，１８は、外層電極１３と同様に正方形の形状を有し、ただし、接続電極１９ではなく、接続電極２０に向かって延ばされている部分を有する。

上記積層型圧電体１１の圧電体層は、厚み方向において交互に逆方向に分極処理されている。

積層型圧電体１１は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスのような圧電セラミックスからなる。外層電極１２，１３、内層電極１４〜１８、接続電極１９，２０，２０ａは、適宜の金属もしくは合金からなる。

図４に示すように、支持体２の上面２ａ１には、外周縁に開いた凹部２ｄ，２ｅが設けられている。凹部２ｄは本発明における第１の凹部であり、凹部２ｅは本発明における第２の凹部である。この凹部２ｄ，２ｅが設けられている位置に、第１の端子２３及び第２の端子２４が配置される。

図１では、上記第２の端子２４が配置されている部分の断面が示されている。第２の端子２４は、導電性接着剤２１により、第２の電極としての接続電極２０ａに接合されている。図１では示されていないが、図４の凹部２ｄが設けられている部分において、第１の端子２３が、図１，図３に示した第１の電極としての外層電極１２に導電性接着剤により接合されている。それによって、積層型の圧電素子４が、第１，第２の端子２３，２４により外部と電気的に接続される。上記第１，第２の端子２３，２４は、適宜の金属もしくは合金からなる。

図１に示すように、第２の端子２４が導電性接着剤２１により接合されている部分の厚みを吸収するために、凹部２ｅが設けられている。従って、好ましくは、凹部２ｅの深さは、第２の端子２４の厚み以上であることが望ましく、より好ましくは第２の端子２４の厚みよりも大きいことが望ましく、さらに好ましくは、凹部２ｅの深さは、第２の端子２４の厚みと、導電性接着剤２１の厚みから、外層電極１２の厚みを減算した値よりも大きいことが望ましい。それによって、後述の発電動作時の屈曲変形に際し、第２の端子２４が存在している部分において、積層型圧電体１１に大きな応力が加わることを抑制することができる。凹部２ｄの深さについても、好ましくは、第１の端子２３の厚み以上であることが望ましく、より好ましくは、第１の端子２３の厚みよりも大きいことが望ましく、さらに好ましくは、第１の端子２３の厚みと、導電性接着剤の厚みから、外層電極１２の厚みを減算した値よりも大きいことが望ましい。

積層型圧電体１１の第２の主面１１ｂ上に、接着剤層５を介して、保護層６が積層されている。接着剤層５は、エポキシ樹脂系接着剤や、アクリル樹脂系接着剤などの適宜の絶縁性接着剤からなる。上記保護層６としては、有機または無機の絶縁体を用いることができる。好ましくは、発電時の変形を抑制し難いため、合成樹脂フィルムなどの有機フィルムを用いることが望ましい。保護層６を設けることにより、変形時の外層電極１３や積層型圧電体１１の破損を抑制することができる。また、他の電気的部材との所望でない短絡も抑制することができる。

次に、圧電発電装置１による発電動作を説明する。発電に際しては、圧電発電装置１において、積層型圧電体１１の上方から下方に向けて外力を繰り返し加える。圧電素子４の上方から外力が加わると、図６に模式図で示すように、支持体２の板状部２ａと、圧電素子４とが、これらの中央部が下方に突出するように、支持体２及び圧電素子４が屈曲変形する。この変形に伴って、圧電素子４の各圧電体層に電荷が生じる。そして、生じた電荷による電力が、第１の端子２３及び第２の端子２４から取り出される。なお、発電に際しては、圧電発電装置１において、積層型圧電体１１の下方から上方に向けて外力を繰り返し加えることにより、発電動作を行ってもよい。

前述したように、外層電極１２，１３及び複数の内層電極１４〜１８は、積層型圧電体１１を平面視した場合の外周縁位置の領域を除く大きな矩形の領域を占めている。従って、複数の内層電極１４〜１８及び外層電極１２，１３の対向面積が大きい。よって、大きな電極を取り出すことができる。

特に、外層電極１３は、第２の主面１１ｂのほぼ全面にわたっている。従って、大きな電力を取り出すことができる。

圧電発電装置１では、上記発電に際し、繰り返し図６に矢印で示した応力が加わる。しかしながら、圧電発電装置１では、圧電素子４の破損や端子との接合部分の破損が生じ難い。これを以下においてより詳細に説明する。

まず、支持体２と、圧電素子４とが積層されている構造では、図６に示すように変形した場合、第１の主面１１ａに引張応力が加わり、第２の主面１１ｂに圧縮応力が加わる。一般に、セラミックスは、圧縮強度は高いが、引張強度は弱い。

しかしながら、第１の主面１１ａが支持体２に貼り合わされているため、この構造では、引張応力は、第１の主面１１ａよりも、支持体２の板状部２ａ側に大きく発生する。すなわち、圧電素子４と支持体２とが積層されている部分の界面である第１の主面１１ａは中立面となり、大きな引張応力が加わり難い。そのため、上記変形を繰り返したとしても、圧電素子４における積層型圧電体１１の破損が生じ難い。

また、発電動作時だけでなく、製造工程においても、積層型圧電体１１に第１，第２の端子２３，２４が導電性接着剤２１などで接合される際に、積層型圧電体１１を構成しているセラミックスの線膨張係数、導電性接着剤２１の硬化物の線膨張係数、第１，第２の端子２３，２４の線膨張係数などの差や弾性率の差により応力が生じることがある。このような応力が生じたとしても、上記のように、積層型圧電体１１の破損や、積層型圧電体１１と第１，第２の端子２３，２４との接合部分の破損が生じ難い。

さらに、第１，第２の端子２３，２４は、上記第１の主面１１ａ側から外部に引き出されている。従って、第１の主面１１ａに大きな応力が加わり難いため、積層型圧電体１１と、第１，第２の端子２３，２４との接合部分の破損も生じ難い。

そのため、積層型圧電体１１においては、未分極領域が少ないため、屈曲変形による積層型圧電体１１の破損が生じ難い。圧電セラミックスを用いた圧電素子では、分極領域と、未分極領域との間で、変形による応力差が生じる。そのため、分極領域と未分極領域との境界部分において破損するおそれがある。圧電発電装置１では、未分極領域が小さいため、このような破損も生じ難い。また、圧電素子４の未分極領域の接着面積を小さくすることができるため、それによっても、発電に際しての効率を高めることができる。

積層型圧電体１１では、外層電極１２，１３及び内層電極１４，１５，１６，１７，１８が厚み方向において重なり合っている領域が分極領域となり、その他の領域が未分極領域となる。もっとも、例えば、第１の主面１１ａに最も近い圧電体層は、外層電極１２と、内層電極１４とにより挟まれている。この場合、外層電極１２と内層電極１４が重なり合っている領域だけでなく、端面１１ｃ側においても、外層電極１２と内層電極１４との間に、幾分かの分極の弱い領域が生じる。すなわち、分極が完全になされない領域は、接続電極２０ａと、内層電極１４とが重なり合っている部分となる。このように、完全な未分極領域が小さい。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置３１の正面断面図である。圧電発電装置３１では、支持体２の板状部２ａの上面に接着剤層３を介して、圧電素子４が貼り合わされている。板状部２ａの下面にも、接着剤層３Ａを介して圧電素子４Ａが積層されている。接着剤層３Ａ及び圧電素子４Ａは、接着剤層３及び圧電素子４と同様に構成されている。このように、板状部２ａの両面に、圧電素子４，４Ａを積層してもよい。

また、上記圧電素子４は、積層型圧電体１１を用いているが、積層型圧電体ではなく、単一の圧電板を用いてもよい。すなわち、圧電板の上面及び下面に電極を形成してなる圧電素子を用いてもよい。

図８は、第１の実施形態の圧電発電装置１を用いた発電システムの模式図である。発電システム４１は、圧電発電装置１と、圧電発電装置１の第１，第２の端子２３，２４に接続された負荷４２とを有する。このように、圧電発電装置１を繰り返し変形させ、第１，第２の端子２３，２４から取り出される電力により、負荷４２に電力を供給することができる。

１…圧電発電装置
２…支持体
２ａ…板状部
２ａ１…上面
２ｂ…脚部
２ｄ，２ｅ…凹部
３，３Ａ，５…接着剤層
４，４Ａ…圧電素子
６…保護層
１１…積層型圧電体
１１ａ，１１ｂ…第１，第２の主面
１１ｃ，１１ｄ…第１，第２の端面
１２，１３…外層電極
１４〜１８…内層電極
１９，２０，２０ａ…接続電極
２１…導電性接着剤
２３，２４…第１，第２の端子
３１…圧電発電装置
４１…発電システム
４２…負荷

Claims (11)

1. 支持体と、
   前記支持体に貼り合わされた圧電素子と、
   前記圧電素子に電気的に接続されている第１及び第２の端子とを備え、
   前記圧電素子が、対向し合う第１，第２の主面を有する圧電体と、前記第１の主面に設けられており、前記第１，第２の端子にそれぞれ電気的に接続されている第１及び第２の電極とを有し、
   前記圧電素子が、前記圧電体の前記第１の主面側から前記支持体に貼り合わされており、
   前記支持体の前記圧電素子に貼り合わされている面に、凹部が設けられており、前記第１，第２の端子が、前記凹部内から、前記支持体外に引き出されている、圧電発電装置。
2. 前記圧電体が、複数の圧電体層を有する積層型圧電体である、請求項１に記載の圧電発電装置。
3. 前記積層型圧電体内に設けられており、前記圧電体層を介して対向している複数の内層電極を有し、前記複数の内層電極が、前記第１の主面から前記第２の主面に向かう前記積層型圧電体の厚み方向において交互に、前記第１の電極または前記第２の電極に電気的に接続されている、請求項２に記載の圧電発電装置。
4. 前記凹部が、前記第１の端子が配置されている第１の凹部と、前記第２の端子が配置されている第２の凹部とを有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
5. 前記圧電体の前記第２の主面に、第３の電極が設けられており、前記第３の電極は、前記第２の電極に電気的に接続されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
6. 前記第３の電極が、前記第２の主面のほぼ全面に設けられている、請求項５に記載の圧電発電装置。
7. 前記圧電体の前記第２の主面に設けられている、保護層をさらに備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
8. 前記凹部の深さが、前記第１，第２の端子の厚み以上である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
9. 前記支持体が、前記圧電体が貼り合わされている板状部と、前記板状部における前記圧電体が貼り合わされている面の反対側から前記圧電体と遠ざかる方向に延びている複数の脚部とを有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
10. 前記複数の脚部が、前記圧電素子を平面視した場合、前記支持体の外周縁に沿って、分散配置されている、請求項９に記載の圧電発電装置。
11. 前記複数の脚部が、前記支持体の外周縁に沿って等間隔で配置されている、請求項９に記載の圧電発電装置。

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