JP6297360B2

JP6297360B2 - 圧電装置

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Publication number: JP6297360B2
Application number: JP2014039552A
Authority: JP
Inventors: 久史石井; 雄士海野; 彰裕金澤; 拓弥桑田
Original assignee: Lixil Corp
Current assignee: Lixil Corp
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: JP2015164154A

Description

本発明は、圧電装置に関する。

近年の省エネ化の要請から、光、熱、振動などの再生可能エネルギー（環境エネルギーともいう）が注目されており、それらを有効利用するためのエネルギーハーベスト素子（環境発電素子とも称される）の開発が進められている。こうした環境発電素子のひとつとして、圧電素子が着目されている。

たとえばビルや家屋の外壁、屋根、窓に圧電素子を利用した圧電装置を設置しておくと、風から受ける力により圧電装置を発電させることができる。あるいは圧電装置を床に設置すれば、人間の歩行に応じて発電させることができる。あるいは、圧電装置には、力や振動のセンサとしての用途も期待されている。

特許第４８６８４７５号公報特開２０１３−７７６４６号公報特開平１０−１７３４７４号公報

圧電装置を低コスト化するためには、単位面積あたりの発電量、すなわち発電効率の改善が求められている。本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、圧電装置の発電効率の改善にある。

本発明のある態様は、圧電装置に関する。圧電装置は、基材と、基材の対向する２面、ならびに、当該２面を上底面、下底面としたときの４側面の少なくともひとつに連続して形成される、圧電効果により発電する発電性膜と、を備える。なお、側面は、基材が薄い平板である場合には、エッジ部分に相当する。

この態様によると、上底面、下底面に広く発電性膜を形成することにより、バイモルフ効果によって発電量を増大させることができる。加えて、上底面と下底面の発電性膜および側面の発電性膜は連続して形成されるため、面ごとに電気信号を外部に取り出すための配線が不要となり、単一の配線を設ければ足りるため、コストを削減できる。加えて、単一の配線は、発電性膜のいずれの箇所からでも引き出すことができるため、配線長を最短化できる。

発電性膜は、基材の対向する２面、ならびに２面を上底面、下底面としたときの対向する２側面に連続して形成されてもよい。

発電性膜は、基材の全面に連続して形成されてもよい。

基材は導電性材料であってもよい。発電性膜は、基材の各面において基材に近い方向を下方向とするとき、基材上に形成される圧電性膜と、圧電性膜上に形成される電極と、を含んでもよい。基材および電極の間に生ずる電気信号が外部に取り出されてもよい。
この場合、基材が電極対の一方の機能を兼ねるため、コストを削減できる。

基材は絶縁性材料であってもよい。発電性膜は、基材の各面において基材に近い方向を下方向とするとき、基材上に形成される第１電極と、第１電極上に形成される圧電性膜と、圧電性膜上に形成される第２電極と、を含んでもよい。第１電極および第２電極の間に生ずる電気信号が外部に取り出されてもよい。

発電性膜の各層は、塗装により形成されてもよい。これにより、複数の面に対して、発電性膜を均一に形成することができる。

フィルム状の発電性膜は、基材に接着剤により固着されてもよい。

ある態様において、基材は導電性材料であってもよい。発電性膜は、基材の各面において基材に近い方向を下方向とするとき、基材上に形成される圧電性膜を含んでもよい。圧電装置は、上底面および下底面の少なくとも一方形成される発電性膜と対向して設けられた外部電極とともに使用され、基材と外部電極の間に生ずる電気信号が外部に取り出されてもよい。

ある態様において、基材は絶縁性材料であってもよい。発電性膜は、基材の各面において前記基材に近い方向を下方向とするとき、基材上に形成される第１電極と、第１電極上に形成される圧電性膜と、を含んでもよい。圧電装置は、上底面および下底面の少なくとも一方に形成される発電性膜と対向して設けられた外部電極とともに使用され、第１電極と外部電極の間に生ずる電気信号が外部に取り出されてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、発電効率を高めることができる。

実施の形態に係る圧電装置の斜視図である。図２（ａ）、（ｂ）は、圧電装置の利点の別のひとつを示す図である。実施例１に係る圧電装置の断面図である。実施例２に係る圧電装置の断面図である。実施例３に係る圧電装置の断面図である。図６（ａ）、（ｂ）は、実施例１および実施例３に係る圧電装置の断面図である。実施例４に係る圧電装置の断面図である。図８（ａ）〜（ｄ）は、圧電装置の用途を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る圧電装置２の斜視図である。圧電装置２は、基材２０および発電性膜３０を備える。基材２０は、平坦な面材である。後述のように、基材２０は、ガラスや樹脂などの絶縁性部材であってもよいし、アルミニウムや銅、鉄などの導電性部材であってもよい。本実施の形態では、基材２０は、平坦な６面体であるものとする。

発電性膜３０は、圧電効果により発電する機能を有している。発電性膜３０が発電する原理は公知であるため、説明を省略する。発電性膜３０は、基材２０の対向する２面Ｓ１、Ｓ２、ならびに２面Ｓ１、Ｓ２を上底面、下底面としたときの４側面の少なくともひとつに形成される。本実施の形態では、発電性膜３０は、上底面Ｓ１、下底面Ｓ２に加えて、対向する２つの側面Ｓ３、Ｓ４に形成される。４つの面Ｓ１〜Ｓ４の発電性膜３０は、同時に同じ製造工程を経て、互いに連続するように形成される。

以上が圧電装置２の基本構成である。続いてその利点を説明する。
図１の圧電装置２によれば、上底面Ｓ１、下底面Ｓ２に広く発電性膜３０を形成することにより、バイモルフ効果によって発電量を増大させることができ、発電効率を高めることができる。

図２（ａ）、（ｂ）は、圧電装置２の利点の別のひとつを示す図である。図２（ａ）は、実施の形態に係る圧電装置２の断面図であり、図２（ｂ）は比較技術に係る圧電装置２ｒの断面図である。
図２（ｂ）の圧電装置２ｒでは、発電性膜３０は、上底面Ｓ１および下底面Ｓ２に、独立して形成されている。この場合、上底面Ｓ１から引き出される配線Ｌ１と、下底面Ｓ２から引き出される配線Ｌ２が必要となり、コストが高くなる。これに対して図２（ａ）の圧電装置２では、上底面Ｓ１と下底面Ｓ２の発電性膜３０および側面Ｓ３、Ｓ４の発電性膜３０は連続して形成されるため、面ごとに電気信号を外部に取り出すための配線が不要となる。言い換えれば、図１の圧電装置２によれば、複数の面に共通した単一の配線Ｌ１を設ければ足りるため、コストを削減できる。また配線の数が多いと、それだけ断線不良などの確率が高まり、信頼性が低下するところ、配線を１本に減らすことで、信頼性を高めることができる。

加えて、共通の単一の配線は、発電性膜のいずれの箇所からでも引き出すことができるため、配線長を最短化できる。圧電装置２を使用する際には、発電性膜３０が発生した電気信号を外部の所定の位置Ｐ１に引き回す必要がある。図２（ａ）、（ｂ）には、この位置Ｐ１が、上底面Ｓ１の中央に位置する場合が示される。

図２（ｂ）を参照すると、上底面Ｓ１の配線Ｌ１については、位置Ｐ１の直近から配線Ｌ１を引き出すことで、配線長を短くできる。しかしながら、下底面Ｓ２の配線Ｌ２については、配線Ｌ２の配線長は長くなってしまう。これに対して図２（ａ）の圧電装置２では、位置Ｐ１の直近から単一の配線Ｌ１を引き出せば足りるため、配線長を短くできるという利点もある。言い換えれば、実施の形態に係る圧電装置２によれば、任意の位置Ｐ１に対して、最短の配線長で、電気信号を引き出すことができる。

以上が圧電装置２の利点である。続いて、圧電装置２の具体的な構造について、いくつかの実施例を参照して説明する。

（実施例１）
図３は、実施例１に係る圧電装置２ａの断面図である。圧電装置２ａにおいて、基材２０ａは絶縁性材料である。たとえば絶縁性基材２０ａは、ガラスや樹脂が例示される。以下便宜的に、基材２０の各面において、基材２０に近い方向を下方向、基材０から遠ざかる方向を上方向とする。つまり面ごとに上下方向は異なっており、また上下は、圧電装置２の実使用時の配置とは無関係である。

発電性膜３０ａは、圧電性膜３２、第１電極３６、第２電極３８を備える。第１電極３６は、基材２０ａ上に形成される。圧電性膜３２は、第１電極３６上に形成される。第２電極３８は、圧電性膜３２上に形成される。

圧電性膜３２が外部から圧力を受けて変形すると、第１電極３６と第２電極３８の間に電気信号Ｅ_ＯＵＴが発生する。図３に示される＋、−は、ある時刻における電荷分布を示すが、電気信号Ｅ_ＯＵＴは交流信号であるため、＋と−は時々刻々と変化する。第１電極３６および第２電極３８の間に生ずる電気信号Ｅ_ＯＵＴが外部に取り出される。

（実施例２）
図４は、実施例２に係る圧電装置２ｂの断面図である。圧電装置２ｂにおいて、基材２０ｂは導電性材料である。発電性膜３０ｂは、圧電性膜３２および電極３４を備える。圧電性膜３２は、基材２０ｂ上に直接的に接するように形成される。電極３４は、圧電性膜３２上に形成される。

導電性基材２０ｂおよび電極３４の間に生ずる電気信号Ｅ_ＯＵＴが外部に取り出される。実施例２では、導電性基材２０ｂが、実施例１の第１電極３６の機能を兼ねていると言える。

実施例２によれば、図３において必要であった第１電極３６が不要となるため、材料コストおよび製造コストを大幅に削減できる。また、不良箇所を極小化できるため、信頼性向上にもつながる。

（実施例３）
図５は、実施例３に係る圧電装置２ｃの断面図である。圧電装置２ｃは、その外部に設けられた外部電極４０、４２とともに使用されて発電機能を発揮する。圧電装置２ｃは、絶縁性基材２０ｃ、第１電極３６、圧電性膜３２を備える。

第１電極３６は、基材２０ｃの上に連続的に形成され、圧電性膜３２は第１電極３６の上に連続的に形成される。外部電極４０および４２は、圧電装置２ｃの上底面Ｓ１、下底面Ｓ２それぞれと対向して、圧電装置２ｃと離間して設けられる。

つまり実施例３では、外部電極４０および４２は、図３の第２電極３８に相当する。したがって第１電極３６と外部電極４０の間、第１電極３６と外部電極４２の間それぞれに生ずる電気信号Ｅ_ＯＵＴ１、Ｅ_ＯＵＴ２が外部に取り出される。

実施例１の図３の第２電極３８、実施例２の図４の電極３４を、均一な厚みで形成するのは容易ではない。実施例３の圧電装置２ｃによれば、表面の電極を形成する工程が不要となるため、製造コストを下げることができる。

また実施例３の圧電装置２ｃは以下の利点を有する。図６（ａ）、（ｂ）は、実施例１および実施例３に係る圧電装置の断面図である。理解の容易化のために、上底面Ｓ１側のみを示す。

図６（ａ）を参照する。第１電極３６を形成した後に、圧電性膜３２が形成されるが、この際に、圧電性膜３２を均一に形成することは困難であり、実際にはその内部にボイドが生じたり、厚みが薄い箇所が発生する。

圧電性膜３２を深さ方向に完全に貫通する欠陥５０が存在すると、圧電性膜３２の上に第２電極３８を形成する際に、第２電極３８が欠陥５０を介して第１電極３６と導通する。第２電極３８と第１電極３６がわずか１箇所でも導通すると、圧電装置２ａの発電機能が失われるため、歩留まり低下の要因となっている。

あるいは、良品の圧電装置２ａであっても、使用状態において鋭利なものが圧電装置２ａに接触すると、後発的に、第２電極３８と第１電極３６を導通させる欠陥５０が生ずるおそれがある。かかる問題は、実施例２の圧電装置２ｂにおいても生じうる。

図６（ｂ）を参照して、実施例３の圧電装置２ｃの利点を説明する。圧電装置２ｃは、外部電極４０と圧電性膜３２とが非接触である。したがって、仮に圧電性膜３２を貫通する欠陥５０が存在していたとしても、外部電極４０と第１電極３６の間が導通することはない。したがって圧電装置２ｃの歩留まりを飛躍的に高めることができる。また圧電装置２ｃの出荷後の使用状態において、後発的に外部電極４０と第１電極３６が導通するのも防ぐことができる。

（実施例４）
図７は、実施例４に係る圧電装置２ｄの断面図である。圧電装置２ｄは、実施例３の圧電装置２ｃと、実施例２の圧電装置２ｂの組み合わせであると言え、その外部に設けられた外部電極４０、４２とともに使用されて発電機能を発揮する。圧電装置２ｄは、導電性基材２０ｄおよび圧電性膜３２を備える。

つまり実施例４では、外部電極４０および４２は、図４の電極３４に相当する。したがって導電性基材２０ｄと外部電極４０の間、導電性基材２０ｄと外部電極４２の間それぞれに生ずる電気信号Ｅ_ＯＵＴ１、Ｅ_ＯＵＴ２が外部に取り出される。

実施例４に係る圧電装置２ｄによれば、実施例２および実施例３双方の利点を享受できる。

圧電装置２の製造方法は特に限定されないが、たとえば圧電装置２は以下のように製造することができる。

（第１の製造方法）
発電性膜３０を形成する複数の層はそれぞれ、塗装により順に形成される。塗装は、スプレーによる塗装、ローラーによる塗装、浸漬による塗装などが例示される。

（第２の製造方法）
実施例２、４の圧電装置２については、圧電性の材料を、導電性の基材２０の表面に練り込んでもよい。セラミック系の圧電性材料を用いる場合、導電性の基材２０の表面で焼成してもよい。

（第３の製造方法）
フィルム状の発電性膜３０を形成しておき、それを折り曲げて基材２０に接着してもよい。フィルム状の発電性膜３０は市販されており、それを用いてもよい。

最後に、圧電装置２の用途を説明する。
図８（ａ）〜（ｄ）は、圧電装置２の用途を示す図である。図８（ａ）では、圧電装置２は建物の屋根のパネルに利用される。図８（ｂ）では、圧電装置２は建物の外壁パネルに利用される。図８（ｃ）では、圧電装置２は人間が歩行する床に利用される。図８（ｄ）では、圧電装置２は、自動車のパネルに利用される。自動車のパネルとは、ボンネットパネル、フェンダーパネル、ドアパネルなどが例示される。自動車以外にも、飛行機、鉄道など、パネルの組み合わせで構成される移動手段にも適用可能である。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（変形例１）
実施の形態では、発電性膜３０が基材２０の４面に形成される場合を説明したが、発電性膜３０を基材２０の全面に連続して形成してもよい。この変形例は、塗装により発電性膜３０を形成する場合に有利である。特に、浸漬による塗装を行う場合、発電性膜３０の各層を形成する塗料に、基材２０全体を浸せばよい。
あるいは、発電性膜３０は、基材２０の３面あるいは５面に形成されてもよい。

（変形例２）
実施の形態では、基材２０の側面Ｓ３、Ｓ４全体にわたり、発電性膜３０が形成される場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。発電性膜３０は、上底面Ｓ３、下底面Ｓ２の全体および側面Ｓ３の一部に形成されてもよい。側面Ｓ３での発電効率が低い場合には、変形例２は特に有効である。

（変形例３）
図５、図７では、上底面Ｓ１、下底面Ｓ２両方に対向するように、外部電極４０、４２を設ける場合を説明したが、外部電極は一方のみとしてもよい。

（変形例４）
実施の形態では、圧電装置２を発電用途に使用する場合を説明したが、圧電装置２をセンサとして用いてもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

さらに、本明細書には、以下の技術的思想が開示される。

（第１の技術的思想）
ある態様において、圧電装置は、導電性基材と、導電性基材の上に形成される圧電性膜と、圧電性膜の上に形成される電極と、を備える。
この態様によれば、基材に導電性材料を用いることで、下面の電極が不要となるため、コストを下げることができる。
第１の技術的思想は、たとえば実施例２（図４）、実施例４（図７）に開示される。

（第２の技術的思想）
ある態様において、圧電装置は、絶縁性基材と、絶縁性基材の上に形成される第１電極と、第１電極の上に形成される圧電性膜と、を備える。圧電装置は、圧電性膜と離間して対向して設けられた外部電極とともに使用される。
別の態様において、圧電装置は、導電性基材と、導電性基材の上に形成される圧電性膜と、を備える。圧電装置は、圧電性膜と離間して対向して設けられた外部電極とともに使用される。
これらの態様によれば、圧電性膜の上面と接する電極が存在しないため、圧電性膜を貫通する欠陥が存在する場合においても、機能を維持することができ、歩留まりを高めることができる。
第２の技術的思想は、たとえば実施例３（図５）、実施例４（図７）に開示される。

２…圧電装置、２０…基材、２０ａ…絶縁性基材、２０ｂ…導電性基材、３０…発電性膜、３２…圧電性膜、３４…電極、３６…第１電極、３８…第２電極、４０，４２…外部電極、Ｓ１…上底面、Ｓ２…下底面、Ｓ３，Ｓ４…側面。

Claims

基材と、
前記基材の対向する２面、ならびに前記２面を上底面、下底面としたときの４側面の少なくともひとつに連続して形成される、圧電効果により発電する発電性膜と、
を備え、
前記発電性膜は、前記基材の対向する２面、ならびに前記２面を上底面、下底面としたときの対向する２側面に連続して形成されることを特徴とする圧電装置。
基材と、
前記基材の対向する２面、ならびに前記２面を上底面、下底面としたときの４側面の少なくともひとつに連続して形成される、圧電効果により発電する発電性膜と、
を備え、
前記発電性膜は、前記基材の全面に連続して形成されることを特徴とする圧電装置。
前記基材は導電性材料であり、
前記発電性膜は、前記基材の各面において前記基材に近い方向を下方向とするとき、
前記基材上に形成される圧電性膜と、
前記圧電性膜上に形成される電極と、
を含み、
前記基材および前記電極の間に生ずる電気信号が外部に取り出されることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電装置。
前記基材は絶縁性材料であり、
前記発電性膜は、前記基材の各面において前記基材に近い方向を下方向とするとき、
前記基材上に形成される第１電極と、
前記第１電極上に形成される圧電性膜と、
前記圧電性膜上に形成される第２電極と、
を含み、
前記第１電極および前記第２電極の間に生ずる電気信号が外部に取り出されることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電装置。
基材と、
前記基材の対向する２面、ならびに前記２面を上底面、下底面としたときの４側面の少なくともひとつに連続して形成される、圧電効果により発電する発電性膜と、
を備え、
前記基材は絶縁性材料であり、
前記発電性膜は、前記基材の各面において前記基材に近い方向を下方向とするとき、
前記基材上に形成される第１電極と、
前記第１電極上に形成される圧電性膜と、
前記圧電性膜上に形成される第２電極と、
を含み、
前記第１電極および前記第２電極の間に生ずる電気信号が外部に取り出されることを特徴とする圧電装置。
前記発電性膜の各層は、塗装により形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の圧電装置。
前記基材は導電性材料であり、
前記発電性膜は、前記基材の各面において前記基材に近い方向を下方向とするとき、前記基材上に形成される圧電性膜を含み、
前記圧電装置は、前記上底面および前記下底面の少なくとも一方形成される前記発電性膜と対向して設けられた外部電極とともに使用され、前記基材と前記外部電極の間に生ずる電気信号が外部に取り出されることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電装置。
基材と、
前記基材の対向する２面、ならびに前記２面を上底面、下底面としたときの４側面の少なくともひとつに連続して形成される、圧電効果により発電する発電性膜と、
を備える圧電装置であって、
前記基材は絶縁性材料であり、
前記発電性膜は、前記基材の各面において前記基材に近い方向を下方向とするとき、
前記基材上に形成される第１電極と、
前記第１電極上に形成される圧電性膜と、
を含み、
前記圧電装置は、前記上底面および前記下底面の少なくとも一方に形成される前記発電性膜と対向して設けられた外部電極とともに使用され、前記第１電極と前記外部電極の間に生ずる電気信号が外部に取り出されることを特徴とする圧電装置。