(57)【要約】  発電装置は、振動板と、振動板上に設けられた下部電極と、下部電極上に設けられた圧電材料よりなる圧電体層と、圧電体層を介して下部電極に対向するように圧電体層上に設けられた上部電極と、振動板の固定端を支持する固定部材とを備える。振動板は振動していないときに圧電体層に圧縮応力を付与する。この発電装置は、長期間使用に対する信頼性に優れる。
2014076895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由端と固定端とを有して第１の主面を有し、前記第１の主面に直角の方向に振動するように構成された振動板と、
前記振動板の前記第１の主面上に設けられた第１の下部電極と、
前記第１の下部電極上に設けられた圧電材料よりなる第１の圧電体層と、
前記第１の圧電体層を介して前記第１の下部電極に対向するように前記第１の圧電体層上に設けられた第１の上部電極と、
を有する圧電発電変換子と、
前記振動板の前記固定端を支持する固定部材と、
前記第１の下部電極に接続された第１の出力端子と、
前記第１の上部電極に接続された第２の出力端子と、
を備え、
前記振動板は振動していないときに前記第１の圧電体層に第１の圧縮応力を付与する、発電装置。
【請求項２】
前記第１の圧縮応力は前記振動板の前記第１の主面と平行である、請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記圧電発電変換子は、前記振動板の前記自由端で前記第１の主面上に設けられた第１の錘部をさらに有する、請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】
前記第１の錘部は磁性体からなる、請求項３に記載の発電装置。
【請求項５】
前記振動板は前記第１の主面の反対側の第２の主面を有し、
前記圧電発電変換子は、前記振動板の前記自由端で前記第２の主面上に設けられた第２の錘部をさらに有する、請求項３に記載の発電装置。
【請求項６】
前記振動板の前記第１の主面の前記自由端を含む端部は前記下部電極から露出している、請求項１に記載の発電装置。
【請求項７】
前記第１の圧電体層は前記第１の上部電極から露出する部分を有し、
前記圧電発電変換子は、前記第１の圧電体層の前記露出する部分を覆う第１のコーティング部をさらに有する、請求項６に記載の発電装置。
【請求項８】
前記振動板の前記自由端を含む端部の厚みは、前記振動板の前記第１の下部電極が設けられている部分の厚みより小さい、請求項１に記載の発電装置。
【請求項９】
前記振動板は前記自由端が変位して或る位置に移動した後に解放されることで振動するように構成されており、
前記振動板の前記自由端が前記或る位置にあるときに前記第１の圧電体層が受ける引張り力は、前記第１の圧縮応力より小さい、請求項１に記載の発電装置。
【請求項１０】
前記振動板の前記自由端を変位させた後に解放することで、前記振動板を振動させるように構成された可動素子をさらに備えた、請求項１に記載の発電装置。
【請求項１１】
前記振動板は前記第１の主面の反対側の第２の主面をさらに有し、
前記圧電発電変換子は、
前記振動板の前記第２の主面上に設けられた第２の下部電極と、
前記第２の下部電極上に設けられた圧電材料よりなる第２の圧電体層と、
前記第２の圧電体層を介して前記第２の下部電極に対向するように前記第２の圧電体層上に設けられた第２の上部電極と、
をさらに有し、
前記振動板は振動していないときに前記第２の圧電体層に第２の圧縮応力を付与する、請求項１に記載の発電装置。
【請求項１２】
前記第１の圧電体層と前記第２の圧電体層は同じ方向に分極しており、
前記第１の出力端子は前記第１の上部電極と前記第２の上部電極とに接続されており、
前記第２の出力端子は前記第１の下部電極と前記第２の下部電極とに接続されている、請求項１１に記載の発電装置。
【請求項１３】
前記第２の圧縮応力は前記振動板の前記第２の主面と平行である、請求項１１に記載の発電装置。
【請求項１４】
前記圧電発電変換子は、前記振動板の前記自由端で前記第１の主面上に設けられた第１の錘部をさらに有する、請求項１１に記載の発電装置。
【請求項１５】
前記圧電発電変換子は、前記振動板の前記自由端で前記第２の主面上に設けられた第２の錘部をさらに有する、請求項１４に記載の発電装置。
【請求項１６】
前記第２の錘部は弾性部材からなる、請求項１５に記載の発電装置。
【請求項１７】
前記振動板の前記第１の主面の前記自由端を含む端部は前記下部電極から露出している、請求項１１に記載の発電装置。
【請求項１８】
前記第１の圧電体層は前記第１の上部電極から露出する部分を有し、
前記圧電発電変換子は、前記第１の圧電体層の前記露出する部分を覆う第１のコーティング部をさらに有する、請求項１７に記載の発電装置。
【請求項１９】
前記第２の圧電体層は前記第２の上部電極から露出する部分を有し、
前記圧電発電変換子は、前記第２の圧電体層の前記露出する部分を覆う第２のコーティング部をさらに有する、請求項１８に記載の発電装置。
【請求項２０】
前記振動板は前記自由端が変位して或る位置に移動した後に解放されることで振動するように構成されており、
前記振動板の前記自由端が前記或る位置にあるときに前記第１の圧電体層が受ける引張り力は前記第１の圧縮応力より小さく、
前記振動板の前記自由端が前記或る位置にあるときに前記第２の圧電体層が受ける引張り力は前記第２の圧縮応力より小さい、請求項１１に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械エネルギーを圧電効果により電気エネルギーに変換する発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電材料を構成した素子に外部から加速度や歪みなどの機械エネルギーを作用させ、圧電効果により電気エネルギーに変換する圧電型の発電装置が知られている。このような圧電発電装置で得られた電力を、各種センサや小電力無線通信の電源に使うことで、配線や電池の使用をなくそうとする「エネルギー・ハーベスティング技術」の開発が、近年盛んに行われている。【０００３】
図１１は特許文献１に記載の圧電発電装置５００の側面図である。圧電発電装置５００は、金属振動板５０２と、金属振動板５０２の主面に貼付された圧電板５０３を有する圧電変換振動子５０１で構成され、圧電変換振動子５０１の根元部は、筐体などの固定部５０４に固定されている。【０００４】
圧電発電装置５００は、圧電変換振動子５０１の自由端である先端部に取り付けられた磁石５０５と、可動素子５０６とをさらに備える。操作者によって可動素子５０６を方向Ｄ５００へ動かすことによって、圧電変換振動子５０１は磁石５０５の吸着力によって変形する。変形した圧電変換振動子５０１の復元力が上記吸着力よりも大きくなると、上記吸着はリリースされ、圧電変換振動子５０１には共振振動が発生する。この共振振動が圧電板５０３に伝わり電気エネルギーに変換されることで、発電することができる。【０００５】
特許文献１には圧電板５０３に使われる材料例が示されていない。特許文献２に示されているチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスなど圧電定数の大きい材料が圧電板５０３に使用する材料として好ましい。【０００６】
圧電変換振動子５０１および圧電板５０３の幅を広くすることで圧電発電装置５００により大きな電力量を得ることができる。しかしこの構成では圧電発電装置５００の全体寸法を大きくしてしまうため好ましくない。【０００７】
また、磁石５０５と可動素子５０６の吸着力を大きくし、圧電変換振動子５０１の変位量を大きくすることで圧電発電装置５００において大きな電力量を得ることができる。しかしこの構成では、圧電板５０３に大きな力を加えることになるため、特に圧電板５０３に脆性材料である圧電セラミック材料を用いる場合には、使用しているうちに圧電板５０３にクラック等を生じ電力量が低下する可能性がある。圧電発電装置５００を、電池や配線を代用するエネルギー・ハーベスタとして使う場合には、特に長期間使用に対する信頼性の確保が重要となる。【０００８】
特許文献２は、圧電セラミック材料が圧縮応力に比べて引張り応力に対する剛性が小さいことから、圧電体へ圧縮応力のみが付与される圧電発電装置を記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４２５９４５８号公報
【特許文献２】国際公開第２０１０／０２９７１５号
【発明の概要】
【００１０】
発電装置は、振動板と、振動板上に設けられた下部電極と、下部電極上に設けられた圧電材料よりなる圧電体層と、圧電体層を介して下部電極に対向するように圧電体層上に設けられた上部電極と、振動板の固定端を支持する固定部材とを備える。振動板は振動していないときに圧電体層に圧縮応力を付与する。
【００１１】
この発電装置は、長期間使用に対する信頼性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】図１Ａは本発明の実施の形態における圧電発電変換子の側面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは実施の形態における圧電発電変換子の上面図である。
【図２】図２は実施の形態における発電装置の側面図である。
【図３】図３は実施の形態における発電装置の動作を示す側面図である。
【図４】図４は実施の形態における発電装置の発電電圧を示す図である。
【図５】図５は実施の形態における発電装置の瞬間発電電力を示す図である。
【図６】図６は実施の形態における発電装置の発電電力量を示す図である。
【図７】図７は実施の形態における他の発電装置の側面図である。
【図８】図８は実施の形態におけるさらに他の発電装置の側面図である。
【図９】図９は実施の形態におけるさらに他の発電装置の側面図である。
【図１０】図１０は実施の形態におけるさらに他の発電装置の側面図である。
【図１１】図１１は従来の圧電発電装置の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１Ａと図１Ｂはそれぞれ本発明の実施の形態における圧電発電変換子１の側面図と上面図である。圧電発電変換子１は、互いに反対側の主面２Ａ、２Ｂを有する振動板２と、振動板２の主面２Ａ上に設けられた下部電極３と、下部電極３上に設けられた圧電体層４と、圧電体層４を介して下部電極３に対向するように圧電体層４上に設けられた上部電極５と、振動板２の主面２Ｂ上に設けられた下部電極１０３と、下部電極１０３上に設けられた圧電体層１０４と、圧電体層１０４を介して下部電極１０３に対向するように圧電体層１０４上に設けられた上部電極１０５を備える。振動板２は金属材料からなる。圧電発電変換子１は振動板２の振動や歪み、変形などの機械エネルギーを圧電効果により電気エネルギーに変換して出力する。また、振動板２は主面２Ａ、２Ｂの端でもある互いに反対側の自由端２Ｃと固定端２Ｄとを有する。固定端２Ｄは固定されるように構成されている。自由端２Ｃは何にも固定されておらず、変位できる。振動板２は、固定端２Ｄが固定されてかつ自由端２Ｃが変位できる状態で主面２Ａ、２Ｂに直角の方向に振動するように構成されている。図１Ｂに示すように、圧電体層４（１０４）は下部電極３（１０３）より小さく、上部電極５（１０５）は圧電体層４（１０４）より小さい。この構成により、下部電極３（１０３）の外周部分は圧電体層４（１０４）から露出し、圧電体層４（１０４）の外周部分は上部電極５（１０５）から露出する。
【００１４】
圧電発電変換子１の製造方法を説明する。
【００１５】
振動板２として厚み０．２０ｍｍのＡｌを少量含むＳＵＳ４３０等の耐熱性ステンレス板を準備する。振動板２の幅は１０．５ｍｍであり、長さは１９．０ｍｍである。
【００１６】
振動板２の主面２Ａ、２Ｂ上にそれぞれＡｇ−Ｐｄ合金ペーストをスクリーン印刷することで下部電極３、１０３を形成する。下部電極３、１０３上にそれぞれ圧電材料組成粉を含有する印刷用ペーストをメタルマスク印刷することで圧電体層４、１０４を形成する。さらに圧電体層４、１０４上へそれぞれＡｇ−Ｐｄ合金ペーストをスクリーン印刷することで上部電極５、１０５を形成し、未焼結素子を作製する。下部電極３、圧電体層４、上部電極５の幅は約１０．０ｍｍであり、長さは約１０．０ｍｍである。
【００１７】
未焼結素子を焼成さやの中に配置し、電気炉によって８７５℃で２時間保持の条件で焼成することで、下部電極３、１０３、圧電体層４、１０４および上部電極５、１０５を焼結緻密化し、振動板２に一体化して焼結素子を作製する。焼成後の圧電体層４、１０４の厚みは２５μｍであり、下部電極３、１０３と上部電極５、１０５の厚みはいずれも５μｍである。未焼結素子でのペースト状の圧電体層４、１０４が焼結素子では焼結して硬く固まる。振動板２の熱膨張係数は圧電体層４、１０４の熱膨張係数より大きいので、焼結素子が冷却されてその温度が常温になったときに金属よりなる振動板２は固まった圧電体層４、１０４より大きく収縮し、圧電体層４、１０４に主面２Ａ、２Ｂと平行な方向の圧縮応力Ｓ４、Ｓ１０４をそれぞれ付与する。
【００１８】
１２０℃の恒温漕中に焼結素子を配置し、上部電極５、１０５と下部電極３、１０３を通して圧電体層４、１０４に１００Ｖ（４ｋＶ／ｍｍ）の電圧を３０分間印加して圧電体層４、１０４を分極させる。圧電体層４、１０４は振動板２に対して互いに逆の方向に分極される。すなわち、図２に示すように、振動板２について互いに反対側に位置する圧電体層４、１０４は共に同じ所定の方向ＤＰ１もしくは方向ＤＰ１の反対の所定の方向に分極する。振動板２が振動する際には主面２Ａが縮むときには主面２Ｂは伸び、主面２Ａが伸びるときには主面２Ｂは縮むように振動板２は変形する。この分極により、振動板２の変形によって、圧電体層４、１０４に同極性の電圧を発生させることができる。したがって、下部電極３と上部電極５との間の電圧と下部電極１０３と上部電極１０５との間の電圧を重畳して取り出すことで、振動板の片面のみ設けられた圧電体層を備えた圧電発電変換子と比較して約２倍の電圧が得られる。
【００１９】
圧電体層４は圧電材料よりなる。その圧電材料は、電極の材料と同時焼成できるよう比較的低温で緻密に焼結し、かつ圧電特性に優れた組成であることが望ましい。実施の形態における圧電発電変換子１では圧電材料は以下の式の組成を有する。
Ｐｂ１．０１５Ｚｒ０．４４Ｔｉ０．４６（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）０．１０Ｏ３．０１５
この組成は優れた圧電特性を示し、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のＢサイトをＰｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３で１０モル％置換し、Ｐｂサイト比が１．０１５でありストイキオメトリーよりも過剰である。
【００２０】
純度９９．９％以上の酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）粉末を原料に、固相法により上記式に示すモル比の圧電材料組成粉を作製する。なお９００℃未満の温度で圧電体層４、１０４を緻密に焼結させるため、平均粒子径（Ｄ５０）が０．５μｍ未満となるまで上記粉末を粉砕する。
【００２１】
ＪＥＩＴＡ  ＥＭ−４５０１に記載されている方法に則り、得られた圧電材料の圧電体特性を測定した。その結果、その圧電材料の機械結合係数ｋｐは０．６０であり、圧電定数ｄ３１は−１２５ｐｍ／Ｖであり、その圧電材料は優れた圧電特性を示し、比誘電率ε３３／ε０は１２５０である。
【００２２】
次に圧電材料組成粉を含有する印刷用ペーストの作製方法について説明する。有機バインダと溶剤との配合比率が、例えば２：８となるように調製して有機ビヒクルを作製する。有機バインダには例えばエチルセルロース樹脂、アクリル樹脂、ブチラール樹脂などを使用することができ、溶剤には例えばα−テルピネオール、ブチルカルビトールなどを使用することができる。この有機ビヒクルと上記圧電材料組成粉を例えば２０：８０の重量比率で秤量し、適量のリン酸エステル系分散剤とともに混合した後、三本ボールミルで混練することにより印刷用ペーストを作製する。
【００２３】
下部電極３および上部電極５の形成に用いる電極材料として、銀パラジウム合金（銀９０％、パラジウム１０％、平均粒子径０．９μｍ）ペーストを用いることができる。
【００２４】
焼成工程等の熱処理によって生じた圧電体層４の表面の残留応力をＸ線回折法によって測定した。焼成、分極した圧電発電変換子１から上部電極５を研磨によって除去することで圧電体層４の表面を露出させ、この面の結晶格子間隔をＸ線回折法によって測定することで残留応力を求めた。回折角２θ＝３８度付近に出現する面指数（１１１）のピークから残留応力を求めたところ、圧電体層４の表面には約４５０ＭＰａの圧縮応力が作用していた。これは圧電体層４を構成する上述のＰＺＴ系圧電材料の熱膨張係数が、室温から焼成温度の９００℃までの平均で５ｐｐｍ／Ｋであるのに対し、振動板２を構成する耐熱性ステンレス板の熱膨張係数が平均１２ｐｐｍ／Ｋと圧電材料の熱膨張係数よりかなり大きいことに起因している。
【００２５】
セラミック材料は引張り応力に対する剛性が低く、ＰＺＴ系材料では１００〜１５０ＭＰａの引っ張り応力で破壊してしまう。したがって、長期信頼性に優れた発電装置を実現するためには、圧電体材料に引張り応力が作用しないようにするか、大きな引張り力が作用しないようにして、作用する引張り応力をせいぜい数１０ＭＰａ程度に規制する必要がある。
【００２６】
圧電定数ｄ３１（ｍ／Ｖ）と誘電率ε３３（Ｎ／Ｖ２）を有する圧電材料よりなり幅ｗ（ｍ）と長さＬ（ｍ）と厚みｔ（ｍ）とを有する圧電部材に応力Ｔ（Ｐａ）を作用したときに得られる電力量Ｅ（Ｊ）は理論的には（数１）で求められる。
【００２７】
【数１】
2014076895.tif 000003
【００２８】
（数１）に実施の形態における圧電体層４、１０４を形成する圧電材料特性である圧電定数ｄ３１（＝−１２５ｐｍ／Ｖ）、比誘電率ε３３／ε０（＝１２５０）、圧電体層４、１０４の幅ｗ（＝１０ｍｍ）、長さＬ（＝１０ｍｍ）と、圧電体層４、１０４の合計の厚みｔ（＝２５μｍ×２＝５０μｍ）を代入して、電力量Ｅ（Ｊ）と応力Ｔ（Ｐａ）との関係を求めた。その結果、１０ＭＰａの応力Ｔでは電力量Ｅが０．３５μＪであり、１００ＭＰａの応力Ｔで電力量Ｅが３５μＪであり、２００ＭＰａの応力Ｔで電力量Ｅが１４１μＪであり、４００ＭＰａの応力Ｔで電力量Ｅが５６４μＪであった。
【００２９】
外力や振動等により圧電発電変換子１の振動板２に撓み等の変位が生じていない状態である非振動時に予め一定の圧縮応力Ｓ４、Ｓ１０４が圧電体層４、１０４に付与されている。したがって、発電する際に圧電発電変換子１の振動板２に生じる引張り力を、予め付与した圧縮応力Ｓ４、Ｓ１０４の値以下に設定することにより、理論的には圧電発電変換子１には発電時に引張り応力は作用せず、圧電体層４、１０４にクラックは生じない。
【００３０】
例えば、圧電体層４、１０４には４５０ＭＰａの圧縮応力が付与されている。（数１）に４５０ＭＰａの応力Ｔを代入したときの電力量Ｅは７１４μＪとなる。各種センサや小電力無線通信を動作させるためには少なくとも１００μＪ以上の電力量が必要である。７１４μＪの電力量Ｅは各種センサや小電力無線通信を動作させるのに十分である。
【００３１】
このように、圧電発電変換子１は、振動板２の両主面２Ａ、２Ｂに圧電体層４、１０４がそれぞれ設けられているので大きな電力量が得られる。発電の際に生じる圧電発電変換子１の振動板２の振動（変形）により、圧電体層４、１０４のうちの少なくとも一方が引っ張られて外力である引張り力が加えられる。図１Ａに示すように、圧電体層４、１０４に予め圧縮応力Ｓ４、Ｓ１０４を付与しておくことで、この引張り力が印加されても圧電体層４、１０４には圧縮応力が作用するようにすることができる。したがって、圧電発電変換子１では、圧電体層４にクラック等が生じることがなく、高い信頼性と大きな電力量が得られる。
【００３２】
必要となる電力量Ｅと圧電体層４、１０４の寸法（長さや幅、厚み）から、（数１）により導出される圧電体層４、１０４へ与える応力Ｔを求める。圧電体層４、１０４に予め付与する圧縮応力Ｓ４、Ｓ１０４は、求められた応力Ｔを超えるように設定される。
【００３３】
また、実施の形態における圧電発電変換子１では振動板２の材料として耐熱性ステンレス板を用いるが、非振動時に圧縮応力を有する圧電体層４を保持できる材料であれば特に限定しない。振動板２を含む圧電発電変換子１は、振動板２の自由端２Ｃを変位、解放させることで振動板２を共振振動させるので、振動板２は振動により破壊しにくい高延性特性を有した材料で形成することが望ましい。
【００３４】
また、実施の形態では、上述したように焼成時の昇温、降温過程で生じる振動板２と圧電体層４、１０４の熱膨張係数の差を利用して振動板２に圧電体層４、１０４を圧縮する圧縮応力Ｓ４、Ｓ１０４を付与する応力を残留させる。振動板２の材料は、高延性特性に加えて圧電体層４との熱膨張係数の差を考慮して決定する。
【００３５】
また、圧電発電変換子１は上述の外形寸法に限定されるものではない。所望の電力量Ｅを得る際に圧電発電変換子１に付加する振動（変位）において、圧電発電変換子１の振動板２が主に弾性変形するような圧電発電変換子１（振動板２）の外形寸法が選択される。
【００３６】
図２は実施の形態における発電装置１０００の側面図である。発電装置１０００は、圧電発電変換子１と、圧電発電変換子１の振動板２の固定端２Ｄを固定する固定部材６と、圧電発電変換子１の振動板２の自由端２Ｃに設けられた錘部７Ａと、圧電発電変換子１の下部電極３、１０３に接続された出力端子８と、上部電極５、１０５と接続された出力端子９とを備える。実施の形態では錘部７Ａの重量は約１．０ｇである。固定部材６は、筐体等の固定部１０に強固に固定されている。
【００３７】
固定部材６により固定されて、圧電発電変換子１（振動板２）は片持ち梁構造を有する。圧電発電変換子１の振動板２の固定端２Ｄは固定部材６内に含まれる。固定後の圧電発電変換子１（振動板２）の固定部材６から露出する部分であり、自由端２Ｃを含む自由に振動する自由振動部１Ｍの長さは１７．０ｍｍである。
【００３８】
図３は発電装置１０００の動作を説明する側面図である。可動素子１１は操作者によって動かすことができる。図３に示すように、固定部材６によって固定された圧電発電変換子１の振動板２の自由端２Ｃを可動素子１１によって方向Ｄ１０００に押して１．５ｍｍ変位するように振動板２が変形させられた後、瞬間的に可動素子１１から解放されることで、圧電発電変換子１の振動板２は反動で跳ね上がり、振動を起こす。この振動によって起こった応力が圧電体層４、１０４によって電荷に変換され、出力端子８、９から電圧が生じる。
【００３９】
可動素子１１としては、スイッチ等の駆動機構や、別途回転や回動、往復運動の機構を利用しても良い。これらの機構を可動素子１１として利用し、圧電発電変換子１を押圧し、瞬間的に解放させる。
【００４０】
また、錘部７Ａの重量と固定する位置によって、振動の周波数と振動の持続時間を調節することができる。得られる電力量が最大となるよう、錘部７Ａの重量や固定する位置を決定する。十分な電力量が得られるのであれば、発電装置１０００は錘部７Ａを備えていなくてもよい。
【００４１】
錘部７Ａと可動素子１１の少なくとも一方を磁性体で形成することで、圧電発電変換子１の振動板２の振動を簡単に効率的に生じさせることができる。例えば、錘部７Ａを永久磁石または電磁石等の磁石で形成し、可動素子１１に鉄、ニッケル、コバルト、またはこれらの合金等の磁性体で形成する。この構成により、圧電発電変換子１の振動板２と可動素子１１に多少の位置ずれがあっても、錘部７Ａの磁力による吸引力で確実に振動板２の自由端２Ｃと可動素子１１を接触させて振動板２を変形させることができる。もしくは、可動素子１１を磁石で形成し、錘部７Ａを磁性体で形成してもよい。もしくは、振動板２を鉄、コバルト、ニッケル、またはこれらの合金等の磁性金属で形成してもよく、同様の効果が得られる。
【００４２】
圧電発電変換子１と可動素子１１を接触させることなく、圧電発電変換子１に変形、振動を生じさせるために、錘部７Ａと可動素子１１の両方を磁石で形成してもよい。錘部７Ａと可動素子１１の互いに対向する面を同じ極性の磁極にすることで、磁力の反発力を利用して非接触で圧電発電変換子１に変形、振動を与えることができる。
【００４３】
圧電体層４、１０４は振動板２の振動の際の振動板２の変形に伴って変形することで発電する。発電装置１０００の圧電発電変換子１では、振動板２の主面２Ａ、２Ｂの自由端２Ｃを含む端部１０２Ａ、１０２Ｂは下部電極３、１０３や圧電体層４、１０４から露出し、自由端２Ｃから離れている。振動板２が長い場合には自由端２Ｃの付近では振動により変位はするが応力はあまり大きくないので圧電体層４、１０４にも応力は作用せず、したがって自由端２Ｃの近くに設けられた圧電体層は発電に寄与しない。振動板２の主面２Ａ、２Ｂの端部１０２Ａ、１０２Ｂを下部電極３、１０３や圧電体層４、１０４から露出させることで、下部電極３、１０３や圧電体層４、１０４の材料のコストを削減することができる。発電装置１０００の圧電発電変換子１では、下部電極３．１０３と圧電体層４、１０４と上部電極５、１０５とは固定部材６から延びている。固定部材６の近くでは振動板２は振動により大きな応力が作用するので、固定部材６の近くに下部電極３、１０３と圧電体層４、１０４と上部電極５、１０５を設けることで、圧電体層４、１０４に大きな応力が作用し大きな電力量が得られる。
【００４４】
振動板２は自由端２Ｃが変位して或る位置Ｐ１に移動した後に解放されることで振動するように構成されている。振動板２の自由端２Ｃが位置Ｐ１にあるときに圧電体層４、１０４がそれぞれ受ける引張り力は圧縮応力Ｓ４、Ｓ１０４よりそれぞれ小さい。
【００４５】
実施の形態における発電装置１０００を実際に動作させた結果を以下に説明する。
【００４６】
圧電発電変換子１の振動板２の自由端２Ｃを１．５ｍｍ変位させるように振動板２を変形させたときの力は実測で約２．５Ｎであった。また、この条件において数値シミュレーションで計算した圧電体層４、１０４に加わる最大引張り力は３７０ＭＰａであり、圧電体層４、１０４の表面に印加されている圧縮応力４５０ＭＰａよりも小さい値であった。
【００４７】
図４は、振動板２の自由端２Ｃを１．５ｍｍ変位させて圧電発電変換子１を変形させた後に解放し、振動させたときに出力端子８、９の間に発生した電圧を示す。図４に示す電圧は２０ｋΩの負荷抵抗が出力端子８、９の間に接続されている場合の負荷抵抗の両端に現れる電圧である。
【００４８】
図４に示すように、共振振動が始まった直後には±３０Ｖの電圧が発生し、その電圧は０．０５秒後には約±１５Ｖに減衰し、０．１秒後には約±８Ｖに減衰し、０．２秒後には約±２Ｖに減衰した。なお、この電圧の波形をフーリエ変換することによって計算された振動周波数は２１５Ｈｚであった。
【００４９】
図４に示す電圧と負荷抵抗の値２０ｋΩから瞬間発電電力を計算した結果を図５に示す。図５に示す瞬間発電電力を時間積分して得られた電力量（電力と時間の積）を図６に示す。
【００５０】
図５と図６に示すように、共振振動が始まった直後には４０ｍＷを超える大きな瞬間発電電力が得られており、０．２秒後の発電電力量は８６０μＪに達する。（数１）による電力量の計算値は、圧電材料に静的応力を与えたときの値であるのに対し、図６に示す実測された電力量は振動によって圧電材料に応力を与えたときの値であるので等しくはないが、両者の値はよく一致している。
【００５１】
図６に示す発電電力は交流電力であるので、利用しやすい直流電力へ変換し、さらにコンデンサ等へ蓄電するとロスは生じるが、それでも低消費電力の各種センサや小電力無線通信を動作させるために十分である。
【００５２】
また、図４に示す振動を起こす操作を１万回繰り返し行ったが、圧電体層４にクラック等の欠陥発生は見られず、得られる電力量にも大きな変化がないことを確認した。
【００５３】
以上のように実施の形態における発電装置１０００は、約１０ｍｍの幅と、約２０ｍｍの長さと、錘部７Ａの高さと振動の変位を考慮して約５ｍｍの高さと小型であるにもかかわらず、８００μＪを超える大きな交流電力が得られ、かつ長期における信頼性にも優れる。
【００５４】
図７は実施の形態における他の発電装置１００１の側面図である。図７において、図２に示す発電装置１０００と同じ部分には同じ参照番号を付す。図７に示す発電装置１００１は振動板２の自由端２Ｃにおいて主面２Ｂ上に設けられた錘部７Ｂをさらに備える。固定部１０は振動板２の自由端２Ｃに対向する。
【００５５】
発電装置１００１では、振動板２が大きな振幅で振動する際に錘部７Ｂが固定部１０に接触する場合がある。この場合には、錘部７Ｂで振動板２の振動の振幅が制限される。振動板２が大きな振幅で振動すると圧電体層４、１０４の変形量が過度に大きくなり圧電体層４、１０４が破損する場合がある。錘部７Ｂにより振動板２の振動の振幅を制限することにより、圧電体層４、１０４の過度な大きさの変形により破損することを防止することができる。この場合、錘部７Ａ、７Ｂの少なくとも錘部７Ｂはプラスティック磁石等の弾性を有する材料（磁性材料）で形成されていてもよく、これにより錘部７Ｂによる固定部１０の破損を防止することができる。
【００５６】
図８は実施の形態におけるさらに他の発電装置１００２の側面図である。図８において、図２に示す発電装置１０００と同じ部分には同じ参照番号を付す。図８に示す発電装置１００２は、圧電体層４の自由端２Ｃに向かう方向の上部電極５から露出する端部４Ａを完全に覆うコーティング部５１Ａと、圧電体層１０４の自由端２Ｃに向かう方向の上部電極１０５から露出する端部１０４Ａを完全に覆うコーティング部５１Ｂとをさらに備える。コーティング層５１Ａ、５１Ｂは、例えば、エポキシ樹脂ペーストをスクリーン印刷形成し、１５０℃で３０分間硬化させることによって形成することができる。これにより、圧電体層４、１０４の下部電極３、１０３からの剥離を防止することができる。
【００５７】
図９は実施の形態におけるさらに他の発電装置１００３の側面図である。図９において、図２に示す発電装置１０００と同じ部分には同じ参照番号を付す。図９に示す発電装置１００３は、図２に示す発電装置１０００の錘部７Ａを備えていない。図９に示す発電装置１００３では、振動板２の自由端２Ｃを含む端部の厚みは、振動板２の圧電体層４、１０４が設けられている部分の厚みより小さい。これにより、振動板２の自由端２Ｃを変位しやすくすることができ、振動板２を振動しやすく変形させやすくすることができる。
【００５８】
図１０は実施の形態におけるさらに他の発電装置１００４の側面図である。図１０において、図２に示す発電装置１０００と同じ部分には同じ参照番号を付す。図１０に示す発電装置１００４では、圧電発電変換子１は、図２に示す発電装置１０００の振動板２の主面２Ｂに設けられた下部電極１０３と圧電体層１０４と上部電極１０５を備えていない。振動板２による圧縮応力の付与は、片方の主面２Ａにのみ下部電極３と圧電体層４と上部電極５を備える発電装置１００４にも適用でき、同様の効果を有する。なお、発電装置１００４の主面２Ｂに図７に示す錘部７Ｂが設けられていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明に係る発電装置はスイッチなどを操作する際の機械エネルギーを利用した自立電源として利用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１    圧電発電変換子
２    振動板
２Ａ    主面（第１の主面）
２Ｂ    主面（第１の主面）
２Ｃ    自由端
２Ｄ    固定端
３    下部電極（第１の下部電極）
４    圧電体層（第１の圧電体層）
５    上部電極（第１の上部電極）
６    固定部材
７Ａ    錘部（第１の錘部）
７Ｂ    錘部（第２の錘部）
８    出力端子（第１の出力端子）
９    出力端子（第２の出力端子）
１０    固定部
１１    可動素子
５１Ａ    コーティング部（第１のコーティング部）
５１Ｂ    コーティング部（第２のコーティング部）
１０３    下部電極（第２の下部電極）
１０４    圧電体層（第２の圧電体層）
１０５    上部電極（第２の上部電極）
【図１Ａ】
2014076895.tif 000004
【図１Ｂ】
2014076895.tif 000005
【図２】
2014076895.tif 000006
【図３】
2014076895.tif 000007
【図４】
2014076895.tif 000008
【図５】
2014076895.tif 000009
【図６】
2014076895.tif 000010
【図７】
2014076895.tif 000011
【図８】
2014076895.tif 000012
【図９】
2014076895.tif 000013
【図１０】
2014076895.tif 000014
【図１１】
2014076895.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成27年3月19日(2015.3.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
前記振動板は前記第１の主面の反対側の第２の主面をさらに有し、
前記圧電発電変換子は、前記振動板の前記自由端で前記第２の主面上に設けられた第２の錘部をさらに有する、請求項３に記載の発電装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６】
前記振動板の前記第１の主面の前記自由端を含む端部は前記第１の下部電極から露出している、請求項１に記載の発電装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１７】
前記振動板の前記第１の主面の前記自由端を含む端部は前記第１の下部電極から露出している、請求項１１に記載の発電装置。
【国際調査報告】
2014076895.tif 000016
2014076895.tif 000017
2014076895.tif 000018
2014076895.tif 000019