JP2017175751A - 振動発電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】強度の不足なくより高い効率で発電ができるようにする。【解決手段】圧電単結晶体１０１のコイルバネ１００より構成されている。コイルバネ１００を構成する圧電単結晶体１０１の、コイルバネ１００の軸芯を通る平面に平行な面の断面における圧電単結晶体１０１の結晶状態は、コイルバネ１００の発電領域において同一（一定）とされている。【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電単結晶を用いた振動発電素子に関する。

近年、あらゆるモノがインターネットを介して接続され、モノ同士あるいは人とモノが相互に情報を交換し、新たな価値を生み出すＩｏＴ(Internet to Things)技術の発展が目覚しい。ＩｏＴ関連デバイスは、主に人などの移動体や頻繁なアクセスが難しい場所に設置されることが多い。電子的な機能を駆動するには、電源が必須であり、これまではボタン電池等の蓄電池から電源を供給していた。回路の低消費電力化により、電池寿命が延びているものの、定期的な充電や電池交換は非常な手間となり、ＩｏＴ関連デバイス普及の妨げとなっていた。

このような中、環境に存在するエネルギーから電力を取り出すエナジーハーベスト（環境発電）が注目されている。環境に存在する振動や熱、光、電磁波などのエネルギーを電力に変換する各種技術が提案されている。これらのなかで、環境中の振動による力学的エネルギーを利用する振動発電は、比較的エネルギー密度が高く、有望なエネルギー源とされている。

振動を利用した発電技術としては、圧電体を利用した方法が良く知られている。圧電体は、歪むと電荷を発生する特性があり、圧電体を振動させて歪ませることで電荷を回収できる。圧電体を利用した振動発電装置としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。片持ち梁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体を備えた構造をしており、外部から与えられた振動により生じた振動部材の振動を圧電体によって電気エネルギーに変えて発電を行う。振動部材および圧電体は所望の固有振動数で共振するよう寸法が定められている。

特許文献２には、時計に内蔵される振動発電装置が記載されている。細長い帯状の圧電体が螺旋状に成型され、圧電体の外表面に電極が形成されている。圧電体の一端は固定され、他端には錘が取り付けられている。外部振動により錘が旋回面内で旋回運動することで、圧電体に力が加わり発電が行われる。圧電体には、圧電セラミックスが用いられ、直径方向に分極されている。

一般に、環境に存在する振動は、周波数が低い。例えば、建物や橋梁などの振動数は、１０Ｈｚから１００Ｈｚ程度であり、人の歩行に伴う振動数は数Ｈｚ以下と非常に低い。従来の片持ち梁構造において、そのような低い振動数に共振する固有振動数を得ようとすると、圧電体の長さを数十ｃｍに設定する必要があり、小型化の妨げになっていた。一方、特許文献２に記載の構造は、長い圧電体をコンパクトに収容することが可能となる構造となっており、低周波振動による発電に適している。

特許第３１７０９６５号公報 特開平０９−２１１１５１号公報

しかしながら、発電に利用している変位、すなわち錘により旋回方向に伸び縮みする変位と分極方向が直交しているため、発電効率が小さくなるという問題がある。また、圧電体として圧電セラミックスが用いられていることから、脆弱であり、耐久性に懸念がある。シム板を構造体として用い強度向上を図った実施例も開示されている。しかし、シム板形状に圧電体を形成するためには、水熱処理や成膜により形成する必要がある。一般に水熱処理や成膜による圧電膜は圧電性が理論値より小さくなる傾向があり、発電効率の低下が懸念される。

このように、従来の片持ち梁構造で、ＩｏＴ関連デバイスに適した低周波において振動発電を実現しようとすると、デバイスのサイズが大型化してしまうという問題があった。また、圧電セラミックスなどを螺旋状に成型した構造では、低周波における振動発電に適しているものの、強度不足や発電効率の低下が懸念されるという問題もあった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、強度の不足なくより高い効率で発電ができるようにすることを目的とする。

本発明に係る振動発電素子は、圧電単結晶体から構成されたコイルバネによる振動発電素子であって、コイルバネを構成する圧電単結晶体の、コイルバネの軸芯を通る平面に平行な面の断面における圧電単結晶体の結晶状態は、コイルバネの発電領域において同一とされている。

上記圧電単結晶体の分極軸とコイルバネの伸縮方向とは同一とされている。

上記振動発電素子において、圧電単結晶体の分極軸の−面に形成された第１電極と、圧電単結晶体の分極軸の＋面に形成された第２電極とを備える。例えば、第１電極および第２電極は、軸芯の方向に圧電単結晶体を挟んで設けられている。

上記振動発電素子において、圧電単結晶体は、ＬｉＴａＯ₃から構成されていればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、強度の不足なくより高い効率で発電ができるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における振動発電素子の構成を示す斜視図である。 図２は、本発明の実施の形態における振動発電素子の一部構成を示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態における振動発電素子のシミュレーションによる発生電圧と平均電力の負荷抵抗依存性を示す特性図である。 図４は、本発明の実施の形態における他の振動発電素子の一部構成を示す断面図である。 図５は、本発明の実施の形態における他の振動発電素子の構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における振動発電素子の構成を示す斜視図である。また、図２は、本発明の実施の形態における振動発電素子の一部構成を示す断面図である。この振動発電素子は、圧電単結晶体１０１のコイルバネ１００より構成されている。圧電単結晶体１０１は、例えば、ＬｉＴａＯ₃から構成されている。

実施の形態では、固定端１０２より軸芯方向に螺旋状に延在している。固定端１０２は、台座（図示せず）に、接着剤やはんだなどを用いて固定されている。また、コイルバネ１００の自由端１０３には、錘１０４が固定されている。実施の形態においては、例えば、圧電単結晶体１０１の分極軸とコイルバネ１００の伸縮方向（軸芯方向）とは同一とされている。圧電単結晶体１０１がＬｉＴａＯ₃から構成されている場合、圧電単結晶体１０１のＺ軸とコイルバネ１００の伸縮方向とは同一とされていることになる。軸芯方向に振動が加わると、コイルバネ１００が軸芯方向に伸縮するように振動する。

また、図２の断面図に示すように、圧電単結晶体１０１の分極軸の−面（ＬｉＴａＯ₃の場合−Ｚ軸面）に形成された第１電極１２１と、圧電単結晶体１０１の分極軸の＋面（ＬｉＴａＯ₃の場合＋Ｚ軸面）に形成された第２電極１２２とを備える。実施の形態では、第１電極１２１および第２電極１２２は、軸芯方向に圧電単結晶体１０１を挟んで設けられている。また、第１電極１２１および第２電極１２２は、コイルバネ１００の全域に設けられている。各電極は、電荷回収のために設けられている。電極は、少なくとも１つ設けられていればよい。電極は、圧電分極軸方向に概略垂直となる面に形成されていることが最もよい。また、各電極は、例えば、ＡｇやＣｕなどの金属から構成すればよい。また、電極は、複数の金属による多層構造金属としてもよい。また、電極は、導電ペーストなどの導電体から構成してもよい。

上述した構成において、コイルバネ１００を構成する圧電単結晶体１０１の、コイルバネ１００の軸芯を通る平面に平行な面の断面における圧電単結晶体１０１の結晶方位，組成，物理特性などの結晶状態は、コイルバネ１００の発電領域において同一（一定）とされている。発電領域は、コイルバネ１００の実質的に発電に寄与する領域である。発電領域は、コイルバネ１００の全域であってもよく、コイルバネ１００の一部であってもよい。例えば、コイルバネ１００の基点となる固定端１０２や終点となる自由端１０３などの両端部は、結晶の方位が、発電領域と異なっていてもよい。

上記構成とした圧電単結晶体１０１による螺旋構造（コイルバネ１００）は、マイクロ引き下げ法により育成することで形成することができる。マイクロ引き下げ法は、坩堝の下端に設けられたダイから溶融した材料を徐々に引き下げることにより、結晶育成を行う結晶育成法である。通常は、下方に引き下げるのみであるが、引き下げ方向を３次元的に制御することで、コイルバネ１００のような螺旋構造を得ることができる。育成した圧電単結晶体１０１による螺旋構造の断面は、ダイの形状を変えることで、矩形や丸あるいは楕円など任意の形状を得ることができる。

一般に単結晶材料は、Ｘ，Ｙ，Ｚで表される結晶軸を有している。実施の形態におけるコイルバネ１００とした圧電単結晶体１０１では、螺旋構造のどの部分をとっても、結晶軸がほぼ同じ方向を向いている。これは、種結晶を引き下げ方向に徐々に引き下げつつ、引き下げ方向に垂直な面内で円を描くように種結晶を移動することにより螺旋構造を形成するため、螺旋構造の任意の位置の結晶軸は、種結晶の結晶軸と一致するためである。なお、種結晶を移動する際に、自転する運動を加えることにより、螺旋構造の任意の位置における結晶軸を変化させることも可能である。

コイルバネ１００の固有振動数と近い周期の振動が加わると共振が生じ、コイルバネ１００が大きく振動する。固有振動数は、コイルバネ１００とした圧電単結晶体１０１の材料や断面の寸法、コイルバネ１００の螺旋径、螺旋のピッチ、ターン数により決定される。さらに錘１０４を付加することにより、コイルバネ１００に加わる力が大きくなり、より大きな振動を得ることができる。

コイルバネ１００は圧電単結晶体１０１から構成されているため、逆圧電効果によりコイルバネ１００に生じた歪等により、圧電単結晶体１０１に表面電荷が発生する。発生した電荷は、第１電極１２１，第２電極１２２により回収される。発生した起電力は、交流となるため、所定の整流回路を介して蓄電回路に接続され蓄電される。蓄えられた電力は所定のタイミングで、必要な回路に供給される。

具体的な数字を用いて実施例を説明する。マイクロ引き下げ法によりＬｉＴａＯ₃からなる圧電単結晶体１０１によるコイルバネ１００を育成する。螺旋の半径は１．５ｃｍ、ターン数は８ターンで、ピッチは１ｃｍである。コイルバネ１００の固定端１０２を所定の台座上にエポキシ樹脂系の接着剤を用いて固定し、自由端１０３には真鍮製の重さ５ｇの錘１０４を、接着剤を用いて固定する。圧電単結晶体１０１の断面は、軸芯方向の厚さ０．３ｍｍ、羽場３ｍｍの概略矩形である。また、圧電単結晶体１０１の上下には、真空成膜装置を用いて堆積した金属による厚さ０．４μｍの第１電極１２１，第２電極１２２が形成されている。各電極は、所定の整流回路に接続される。

上述した構成のコイルバネ１００について、有限要素法によるシミュレーションを行った。なお、境界条件は、コイルバネ１００の固定端１０２を固定し、自由端１０３に錘１０３を固定した。固有周波数を計算した結果、７Ｈｚにおいて、伸び縮みする所望の振動モードが得られることがわかった。

次に、７Ｈｚの周波数で伸び縮み方向（軸芯方向）に加速度０．３Ｇ（Ｇは重力加速度）を与え、発電量のシミュレーションを行った。このシミュレーションにおいて、負荷抵抗は１から１０ＭΩまで変化させた。発電量のシミュレーション結果を図３に示す。図３は、発生電圧と平均電力の負荷抵抗依存性を示す特性図である。横軸は負荷抵抗値、縦軸が電圧および平均電力である。負荷抵抗８ＭΩの時に、約１５Ｖの電圧が発生し、およそ１６μＷの平均電力が得られることがわかる。

以上に説明したように、本発明によれば、圧電単結晶体よりコイルバネを構成し、コイルバネの軸芯を通る平面に平行な面の断面における圧電単結晶体の結晶状態は、コイルバネのいずれの箇所において同一とされているようにしたので、強度の不足なくより高い効率で発電ができるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

例えば、圧電材料は、ＬｉＴａＯ₃に限らず、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ランガサイト系圧電体、単結晶セラミックス等単結晶圧電材料であればいずれでも良い。錘も金属に限定されず任意の材料を用いてよく、錘がなくても良い。螺旋の断面形状は矩形に限定されない。例えば、図４の（ａ），（ｂ）に示すように、断面円形としてもよく、また、図４の（ｃ）に示すように、断面楕円としてもよい。

また、錘を中心として、錘の上下にコイルバネを設け、他端を固定としても同様の効果が得られることは明らかである。また、コイルバネは、軸芯方向から見た（平面視の）形状が円である必要はなく、楕円であってもよく、螺旋の半径が一定でなくとも良い。また、図５の斜視図に示すように、平面視の形状が矩形となるような主に直線的な構造を有しても良く、直線と曲線の複合であっても良い。

１００…コイルバネ、１０１…圧電単結晶体、１０２…固定端、１０３…自由端、１０４…錘、１２１…第１電極、１２２…第２電極。

Claims (5)

1. 圧電単結晶体から構成されたコイルバネによる振動発電素子であって、
   前記コイルバネを構成する前記圧電単結晶体の、前記コイルバネの軸芯を通る平面に平行な面の断面における前記圧電単結晶体の結晶状態は、前記コイルバネの発電領域において同一とされている
   ことを特徴とする振動発電素子。
2. 請求項１記載の振動発電素子において、
   前記圧電単結晶体の分極軸と前記コイルバネの伸縮方向とは同一とされていることを特徴とする振動発電素子。
3. 請求項１または２記載の振動発電素子において、
   前記圧電単結晶体の分極軸の−面に形成された第１電極と、
   前記圧電単結晶体の分極軸の＋面に形成された第２電極と
   を備えることを特徴とする振動発電素子。
4. 請求項３項記載の振動発電素子において、
   前記第１電極および前記第２電極は、前記軸芯の方向に前記圧電単結晶体を挟んで設けられていることを特徴とする振動発電素子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動発電素子において、
   前記圧電単結晶体は、ＬｉＴａＯ₃から構成されていることを特徴とする振動発電素子。