(57)【要約】      （修正有）【課題】振動源の振動エネルギを充分に効率よく電気エネルギに変換することができるエネルギ変換素子及びその製造方法、並びにそのダンピング部材のヤング率の決定方法を提供する。【解決手段】ダンピング部材１６と、発電部材２０と、電極２２、２４とを有し、振動源及び発電部材と、ダンピング部材との間の両接合面は、振動方向に対して平行であり、発電部材のヤング率をＥ、ダンピング部材の、発電部材との接合面における歪みをＳ（ｙ）、その厚さをＴ、ヤング率をｙ、発電部材の弾性限界強度の最小値をσ１、その最大値をσ２、振動源の歪み量をＺとする時、ヤング率をｙが、下記不等式（１）を満足することにより、上記課題を解決する。σ１＜Ｅ＊Ｓ（ｙ）＜σ２…（１）Ｓ（ｙ）＝ｆ（ｙ）＊Ｚ、０＜Ｚ＜０．１、０＜Ｔ＜０．０２、０＜ｙ＜５００００【選択図】図１
2013118253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の歪み量を持つ振動源に接合され、該振動源の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換素子であって、
前記振動源に接合され、該振動源の振動を緩和するためのダンピング部材と、
該ダンピング部材に接合され、該振動源の緩和された前記振動の機械エネルギを前記電気エネルギに変換するための発電部材と、
該発電部材に取り付けられ、該発電部材で変換された前記電気エネルギを取り出すための電極とを有し、
前記発電部材と前記ダンピング部材との接合面、及び前記振動源と前記ダンピング部材との接合面は、前記振動源の振動方向に対して平行であり、
前記発電部材のヤング率をＥ（ＭＰａ）、前記ダンピング部材によって緩和された前記発電部材との接合面における歪みをＳ（ｙ）、前記ダンピング部材の厚さをＴ（ｍ）、ダンピング部材のヤング率をｙ（ＭＰａ）、σ１及びσ２をそれぞれ前記発電部材の下限強度（ＭＰａ）及び弾性限界強度（ＭＰａ）、前記振動源により決まる歪み量をＺとし、
ｆ（ｙ）を、その係数が前記ダンピング部材の厚さをＴに応じて定まる、前記ダンピング部材のヤング率ｙの関数とする時、前記ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１）を満足することを特徴とするエネルギ変換素子。
σ１＜Ｅ＊Ｓ（ｙ）＜σ２                                …（１）
Ｓ（ｙ）＝ｆ（ｙ）＊Ｚ
０＜Ｚ＜０．１
０＜Ｔ＜０．０２
０＜ｙ＜５００００
【請求項２】
前記発電部材は、圧電セラミックスであり、そのヤング率をＥｂ（ＭＰａ）とし、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みをＳｂ（ｙ）、Ａ２を係数とする時、前記ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１ｂ）を満足する請求項１に記載のエネルギ変換素子。
σ１＜Ｅｂ＊Ｓｂ（ｙ）＜σ２                            …（１ｂ）
Ｓｂ（ｙ）＝Ａ２＊ｙ＊Ｚ
（ｉ）０＜Ｔ＜０．００１
２Ｅ−６＜Ａ２＜２．７Ｅ−６
（ii）０．００１＜Ｔ＜０．０１
１．６Ｅ−６＜Ａ２＜２．２Ｅ−６
（iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
１Ｅ−６＜Ａ２＜１．５Ｅ−６
【請求項３】
前記圧電セラミックスの弾性限界歪をＺ０とする時、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みＳｂ（ｙ）は、下記不等式（２ｂ）で与えられる請求項２に記載のエネルギ変換素子。
Ｚ０／２＜Ｓｂ（ｙ）＜Ｚ０                                …（２ｂ）
【請求項４】
前記圧電セラミックスの弾性限界歪Ｚ０が、１．０×１０−３である時、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みＳｂ（ｙ）は、下記不等式（３ｂ）で与えられる請求項３に記載のエネルギ変換素子。
５．０×１０−４＜Ｓｂ（ｙ）＜１．０×１０−３              …（３ｂ）
【請求項５】
前記圧電セラミックスの弾性限界強度σ２が６０ＭＰａであるとき、下限強度σ１は３０ＭＰａであり、上記不等式（１ｂ）は、下記式（４ｂ）で表される請求項２〜４のいずれか１項に記載のエネルギ変換素子。
３０＜Ｅｂ＊Ｓｂ（ｙ）＜６０                            …（４ｂ）
【請求項６】
前記係数Ａ２が、以下の値である請求項２〜５のいずれか１項記載のエネルギ変換素子。
（ｉ）０＜Ｔ＜０．００１
Ａ２＝２．４Ｅ−６
（ii）０．００１＜Ｔ＜０．０１
Ａ２＝１．９Ｅ−６
（iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
Ａ２＝１．３Ｅ−６
【請求項７】
前記圧電セラミックスが、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＭＮ−ＰＴ）及びニッケルニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＮＮ−ＰＴ）を含むリラクサー系強誘電体から成る鉛系圧電セラミックス、並びに、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム（ＫＮ）、ＫＮＮ、ビスマスフェライト（ＢＦＯ）、ＢＮＴ、ＢＫＴ、及びそれらの固溶体から成る非鉛系圧電セラミックスから選択される１つである請求項２〜６のいずれか１項に記載のエネルギ変換素子。
【請求項８】
前記発電部材は、圧電高分子であり、そのヤング率をＥｐ（ＭＰａ）とし、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みをＳｐ（ｙ）、Ａ３及びＡ４を係数とする時、前記ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１ｐ）を満足する請求項１に記載のエネルギ変換素子。
σ１＜Ｅｐ＊Ｓｐ（ｙ）＜σ２                            …（１ｐ）
Ｓｐ（ｙ）＝（Ａ４＊Ｌｎ（ｙ）＋Ａ３）＊Ｚ
（ｉ）０＜Ｔ≦０．００１
０．００１  ＜Ａ４＜０．００１５
０．００１７＜Ａ３＜０．００２５
（ii）０．００１＜Ｔ≦０．０１
０．０００８＜Ａ４＜０．００１２
０．００１３＜Ａ３＜０．００２
（iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
０．０００４＜Ａ４＜０．０００８
０．０００８＜Ａ３＜０．００１５
【請求項９】
前記圧電高分子の弾性限界歪をＺ０とする時、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みＳｐ（ｙ）は、下記不等式（２ｐ）で与えられる請求項８に記載のエネルギ変換素子。
Ｚ０／２＜Ｓｐ（ｙ）＜Ｚ０                                …（２ｐ）
【請求項１０】
前記圧電高分子の弾性限界歪Ｚ０が、２．０×１０−２である時、ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みＳｐ（ｙ）は、下記不等式（３ｐ）で与えられる請求項９に記載のエネルギ変換素子。
０．５×１０−２＜Ｓｐ（ｙ）＜１．０×１０−２                  …（３p）
【請求項１１】
前記圧電高分子の弾性限界強度σ２が５０ＭＰａであるとき、下限強度σ１は２５ＭＰａであり、上記不等式（１ｐ）は、下記式（４ｐ）で表される請求項８〜１０のいずれか１項に記載のエネルギ変換素子。
２５＜Ｅｐ＊Ｓｐ（ｙ）＜５０                                  …（４ｐ）
【請求項１２】
前記係数Ａ３及びＡ４が、それぞれ以下の値である請求項８〜１１のいずれか１項に記載のエネルギ変換素子。
（ｉ）０＜Ｔ≦０．００１
Ａ４＝０．００１２、Ａ３＝０．００２
（ii）０．００１＜Ｔ≦０．０１
Ａ４＝０．０００９４、Ａ３＝０．００１６
（iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
Ａ４＝０．０００５９、Ａ３＝０．００１１
【請求項１３】
前記圧電高分子が、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）強誘電体、フッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体強誘電体から選択される１つである請求項８〜１２のいずれか１項に記載のエネルギ変換素子。
【請求項１４】
前記発電部材と前記ダンピング部材との接合面、及び前記振動源と前記ダンピング部材との接合面は、接着剤によって接合される請求項１〜１３のいずれかに記載のエネルギ変換素子。
【請求項１５】
所定の歪み量を持つ振動源に接合され、該振動源の振動を緩和するためのダンピング部材と、
該ダンピング部材に接合され、該振動源の緩和された前記振動の機械エネルギを前記電気エネルギに変換するための発電部材と、
該発電部材に取り付けられ、該発電部材で変換された前記電気エネルギを取り出すための電極とを有し、
前記発電部材と前記ダンピング部材との接合面、及び前記振動源と前記ダンピング部材との接合面は、前記振動源の振動方向に対して平行である、前記振動源の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換素子を製造するに際し、
前記発電部材のヤング率をＥ（ＭＰａ）、前記ダンピング部材によって緩和された前記発電部材との接合面における歪みをＳ（ｙ）、前記ダンピング部材の厚さをＴ（ｍ）、ダンピング部材のヤング率をｙ（ＭＰａ）、σ１及びσ２をそれぞれ前記発電部材の下限強度（ＭＰａ）及び弾性限界強度（ＭＰａ）、前記振動源により決まる歪み量をＺとし、
ｆ（ｙ）を、その係数が前記ダンピング部材の厚さをＴに応じて定まる、前記ダンピング部材のヤング率ｙの関数とする時、前記ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１）を満足するように決定したことを特徴とするエネルギ変換素子の製造方法。
σ１＜Ｅ＊Ｓ（ｙ）＜σ２                                …（１）
Ｓ（ｙ）＝ｆ（ｙ）＊Ｚ
０＜Ｚ＜０．１
０＜Ｔ＜０．０２
０＜ｙ＜５００００
【請求項１６】
前記発電部材は、圧電セラミックスであり、そのヤング率をＥｂ（ＭＰａ）とし、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みをＳｂ（ｙ）、Ａ２を係数とする時、前記ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１ｂ）を満足するように決定した請求項１５に記載のエネルギ変換素子の製造方法。
σ１＜Ｅｂ＊Ｓｂ（ｙ）＜σ２                            …（１ｂ）
Ｓｂ（ｙ）＝Ａ２＊ｙ＊Ｚ
（ｉ）０＜Ｔ＜０．００１
２Ｅ−６＜Ａ２＜２．７Ｅ−６
（ii）０．００１＜Ｔ＜０．０１
１．６Ｅ−６＜Ａ２＜２．２Ｅ−６
（iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
１Ｅ−６＜Ａ２＜１．５Ｅ−６
【請求項１７】
前記発電部材は、圧電高分子であり、そのヤング率をＥｐ（ＭＰａ）とし、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みをＳｐ（ｙ）、Ａ３及びＡ４を係数とする時、前記ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１ｐ）を満足するように決定した請求項１５に記載のエネルギ変換素子の製造方法。
σ１＜Ｅｐ＊Ｓｐ（ｙ）＜σ２                            …（１ｐ）
Ｓｐ（ｙ）＝（Ａ４＊Ｌｎ（ｙ）＋Ａ３）＊Ｚ
（ｉ）０＜Ｔ＜０．００１
０．００１  ＜Ａ４＜０．００１５
０．００１７＜Ａ３＜０．００２５
（ii）０．００１＜Ｔ＜０．０１
０．０００８＜Ａ４＜０．００１２
０．００１３＜Ａ３＜０．００２
（iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
０．０００４＜Ａ４＜０．０００８
０．０００８＜Ａ３＜０．００１５
【請求項１８】
所定の歪み量を持つ振動源に接合され、該振動源の振動を緩和するためのダンピング部材と、
該ダンピング部材に接合され、該振動源の緩和された前記振動の機械エネルギを前記電気エネルギに変換するための発電部材と、
該発電部材に取り付けられ、該発電部材で変換された前記電気エネルギを取り出すための電極とを有し、
前記発電部材と前記ダンピング部材との接合面、及び前記振動源と前記ダンピング部材との接合面は、前記振動源の振動方向に対して平行である、前記振動源の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換素子を製造するに際し、
前記発電部材のヤング率をＥ（ＭＰａ）、前記ダンピング部材によって緩和された前記発電部材との接合面における歪みをＳ（ｙ）、前記ダンピング部材の厚さをＴ（ｍ）、ダンピング部材のヤング率をｙ（ＭＰａ）、σ１及びσ２をそれぞれ前記発電部材の下限強度（ＭＰａ）及び弾性限界強度（ＭＰａ）、前記振動源により決まる歪み量をＺとし、
ｆ（ｙ）を、その係数が前記ダンピング部材の厚さをＴに応じて定まる、前記ダンピング部材のヤング率ｙの関数とする時、前記ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１）を満足するように決定したことを特徴とするエネルギ変換素子のダンピング部材のヤング率の決定方法。
σ１＜Ｅ＊Ｓ（ｙ）＜σ２                                …（１）
Ｓ（ｙ）＝ｆ（ｙ）＊Ｚ
０＜Ｚ＜０．１
０＜Ｔ＜０．０２
０＜ｙ＜５００００
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動源の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換素子及びエネルギ変換素子の製造方法、並びにエネルギ変換素子のダンピング部材のヤング率の決定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電セラミックスや、水晶（石英）やニオブ酸リチウム等の単結晶や、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の圧電高分子などの圧電材料が、機械エネルギを電気エネルギに変換する種々の圧電センサや、逆に電気エネルギを機械エネルギに変換する種々の圧電アクチュエータ等に用いられている。
また、近年、電源回路の電池等の交換を不要とするため、時計やタイヤの計測等の分野においては、このような圧電材料を様々な振動源の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換して取出すための発電素子として用い、取出した電気エネルギを電源回路に供給して蓄積させ、蓄積された電気エネルギを様々な電気回路に供給することを行うことが提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００３】
特許文献１に開示の発電装置は、支持層となる金属製のシム材の両面に圧電体層が形成されるサンドイッチ構造を有し、一方の端部（固定端）が固定されて片持ち支持され、固定されない他方の端部（自由端）にコの字型の重りが取り付けられた片持ち梁（カンチレバー）状の振動片から成り、自由端の重りを駆動系のカムにより打撃することにより、振動片を加振して圧電体層に繰り返し歪を発生させ、振動片の振動エネルギを電気エネルギに変換している。その際、振動片の固定端の表面と固定する側の表面との間に硬質の微粒子を含んだシール層４０を設け、隙間やそれぞれの面の微小な凹凸を微粒子で埋めて固定部分の剛性を向上し、固定部分からの振動漏れが少なく、機械的なロスによる減衰の少ない振動片を実現することを提案している。
【０００４】
特許文献２に開示の発電装置は、補強された圧電材料を用いて回転するタイヤの機械的エネルギから電力を発生させるシステムであり、圧電構造体と、エネルギ蓄積装置とを有し、圧電構造体は、エポキシ樹脂などの樹脂マトリックス中にほぼ一方向に整合させて埋め込まれた、種々の圧電材料からなる複数本の圧電繊維を含む平板状の圧電繊維複合構造体（アクティブ繊維複合体（ＡＦＣ）構造体）であり、その両表面に電極層が配置されている。このような圧電構造体は、回転するタイヤによって発生される機械的歪を圧電構造体中に均一に分散させるための、繊維ガラス又は類似材料からなる印刷回路基板(PCB)材料や高弾性率ゴムコンパウンドなどからなる支持基板に取り付けられる。圧電構造体は、支持基板を介してタイヤ内に取り付けられ、車輪が地面上を移動した時に電荷を発生させる。圧電構造体の電極層は、電力モジュールに接続され、この電力モジュールは、電流を整流し、電解コンデンサまたは再充電可能な電池等のエネルギ蓄積装置に電気エネルギを蓄積している。エネルギ蓄積装置は、蓄積された電気エネルギをタイヤ又はホイールに組み込まれた各種の電子部品へ給電している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−０５６７８５号公報
【特許文献２】特表２００５−５２５２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来の機械エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換素子の構造としては、振動源に圧電材料を蒸着やスパッタ等の成膜技術を用いて直接積層形成し、接着剤等を用いて直接貼り付けることが行われているが、機械エネルギである振動によって発電部材の破壊、振動源からの各種部材の剥離が発生する等の問題を引き起こすことがある。
このため、従来のエネルギ変換素子では、振動源に対して発電のために使用可能な圧電材料が制限されたり、圧電材料によって利用可能な振動源が制限されたり、振動源の利用可能な振動の大きさや振動数が制限されたりするため、圧電材料の発電能力を充分に活かせず、振動源の振動エネルギを充分に効率よく電気エネルギに変換できないという問題があった。
【０００７】
例えば、特許文献１に開示の発電装置では、これを持つ腕時計装置を装着したユーザの腕や体の動き等を回転錘の回転力を変換し、この回転力を伝達してカムを駆動し、駆動されるカムの突出部で振動片を打撃して振動片を振動させる等の複雑な構造の振動系を用いることにより、振動源の振動を予め予測されるものに制限して、振動片のシム材の両面に成膜技術により直接積層形成された圧電体層の破壊等を防止しているものと思われる。
また、特許文献２に開示の発電装置では、圧電材料として圧電繊維を用い、複数の圧電繊維を樹脂マトリックス中に埋め込んだ圧電構造体を用いることにより、圧電材料の破損やひび割れを防止しているばかりでなく、このような圧電構造体を、振動源となるタイヤの内面にダンピング部材となる支持基板を介して取り付けることにより、圧電構造体に均一な剛性を付与することによって機械的歪をさらに分散させており、樹脂マトリックスや支持基板のヤング率に関しては、何ら考慮されておらず、圧電材料の発電能力を充分に活かせず、振動源の振動エネルギを充分に効率よく電気エネルギに変換できていると言えないという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、発電する機能性部材を破壊させず、又振動源から各種部材を剥離させずに、振動源の最大の歪み、応力を伝えることができ、圧電材料の発電能力を充分に活かすことができ、振動源の振動エネルギを充分に効率よく電気エネルギに変換することができるエネルギ変換素子及びその製造方法、並びにエネルギ変換素子のダンピング部材のヤング率の決定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様のエネルギ変換素子は、所定の歪み量を持つ振動源に接合され、該振動源の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換素子であって、前記振動源に接合され、該振動源の振動を緩和するためのダンピング部材と、該ダンピング部材に接合され、該振動源の緩和された前記振動の機械エネルギを前記電気エネルギに変換するための発電部材と、該発電部材に取り付けられ、該発電部材で変換された前記電気エネルギを取り出すための電極とを有し、前記発電部材と前記ダンピング部材との接合面、及び前記振動源と前記ダンピング部材との接合面は、前記振動源の振動方向に対して平行であり、前記発電部材のヤング率をＥ（ＭＰａ）、前記ダンピング部材によって緩和された前記発電部材との接合面における歪みをＳ（ｙ）、前記ダンピング部材の厚さをＴ（ｍ）、ダンピング部材のヤング率をｙ（ＭＰａ）、σ１及びσ２をそれぞれ前記発電部材の下限強度（ＭＰａ）及び弾性限界強度（ＭＰａ）、前記振動源により決まる歪み量をＺとし、ｆ（ｙ）を、その係数が前記ダンピング部材の厚さをＴに応じて定まる、前記ダンピング部材のヤング率ｙの関数とする時、前記ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１）を満足することを特徴とする。
σ１＜Ｅ＊Ｓ（ｙ）＜σ２                                …（１）
Ｓ（ｙ）＝ｆ（ｙ）＊Ｚ、０＜Ｚ＜０．１、０＜Ｔ＜０．０２、０＜ｙ＜５００００
【００１０】
また、上記目的を達成するために、本発明の第２の態様のエネルギ変換素子の製造方法及び本発明の第３の態様のエネルギ変換素子のダンピング部材のヤング率の決定方法は、所定の歪み量を持つ振動源に接合され、該振動源の振動を緩和するためのダンピング部材と、該ダンピング部材に接合され、該振動源の緩和された前記振動の機械エネルギを前記電気エネルギに変換するための発電部材と、該発電部材に取り付けられ、該発電部材で変換された前記電気エネルギを取り出すための電極とを有し、前記発電部材と前記ダンピング部材との接合面、及び前記振動源と前記ダンピング部材との接合面は、前記振動源の振動方向に対して平行である、前記振動源の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換素子を製造するに際し、前記発電部材のヤング率をＥ（ＭＰａ）、前記ダンピング部材によって緩和された前記発電部材との接合面における歪みをＳ（ｙ）、前記ダンピング部材の厚さをＴ（ｍ）、ダンピング部材のヤング率をｙ（ＭＰａ）、σ１及びσ２をそれぞれ前記発電部材の下限強度（ＭＰａ）及び弾性限界強度（ＭＰａ）、前記振動源により決まる歪み量をＺとし、ｆ（ｙ）を、その係数が前記ダンピング部材の厚さをＴに応じて定まる、前記ダンピング部材のヤング率ｙの関数とする時、前記ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１）を満足するように決定したことを特徴とする。
σ１＜Ｅ＊Ｓ（ｙ）＜σ２                                …（１）
Ｓ（ｙ）＝ｆ（ｙ）＊Ｚ、０＜Ｚ＜０．１、０＜Ｔ＜０．０２、０＜ｙ＜５００００
【００１１】
ここで、前記発電部材は、圧電セラミックスであり、そのヤング率をＥｂ（ＭＰａ）とし、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みをＳｂ（ｙ）、Ａ２を係数とする時、前記ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１ｂ）を満足することが好ましい。
σ１＜Ｅｂ＊Ｓｂ（ｙ）＜σ２                            …（１ｂ）
Ｓｂ（ｙ）＝Ａ２＊ｙ＊Ｚ
（ｉ）０＜Ｔ＜０．００１
２Ｅ−６＜Ａ２＜２．７Ｅ−６
（ii）０．００１＜Ｔ＜０．０１
１．６Ｅ−６＜Ａ２＜２．２Ｅ−６
（iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
１Ｅ−６＜Ａ２＜１．５Ｅ−６
【００１２】
また、前記圧電セラミックスの弾性限界歪をＺ０とする時、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みＳｂ（ｙ）は、下記不等式（２ｂ）で与えられることが好ましい。
Ｚ０／２＜Ｓｂ（ｙ）＜Ｚ０                                …（２ｂ）
また、前記圧電セラミックスの弾性限界歪Ｚ０が、１．０×１０−３である時、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みＳｂ（ｙ）は、下記不等式（３ｂ）で与えられることが好ましい。
５．０×１０−４＜Ｓｂ（ｙ）＜１．０×１０−３              …（３ｂ）
また、前記圧電セラミックスの弾性限界強度σ２が６０ＭＰａであるとき、下限強度σ１は３０ＭＰａであり、上記不等式（１ｂ）は、下記式（４ｂ）で表されることが好ましい。
３０＜Ｅｂ＊Ｓｂ（ｙ）＜６０                            …（４ｂ）
また、前記係数Ａ２が、以下の値である。
（ｉ）０＜Ｔ＜０．００１
Ａ２＝２．４Ｅ−６
（ii）０．００１＜Ｔ＜０．０１
Ａ２＝１．９Ｅ−６
（iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
Ａ２＝１．３Ｅ−６
【００１３】
前記圧電セラミックスが、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＭＮ−ＰＴ）及びニッケルニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＮＮ−ＰＴ）を含むリラクサー系強誘電体から成る鉛系圧電セラミックス、並びに、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム（ＫＮ）、ＫＮＮ、ビスマスフェライト（ＢＦＯ）、ＢＮＴ、ＢＫＴ、及びそれらの固溶体から成る非鉛系圧電セラミックスから選択される１つであることが好ましい。
【００１４】
また、前記発電部材は、圧電高分子であり、そのヤング率をＥｐ（ＭＰａ）とし、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みをＳｐ（ｙ）、Ａ３及びＡ４を係数とする時、前記ダンピング部材のヤング率ｙが、下記不等式（１ｐ）を満足することが好ましい。
σ１＜Ｅｐ＊Ｓｐ（ｙ）＜σ２                            …（１ｐ）
Ｓｐ（ｙ）＝（Ａ４＊Ｌｎ（ｙ）＋Ａ３）＊Ｚ
（ｉ）０＜Ｔ＜０．００１
０．００１  ＜Ａ４＜０．００１５
０．００１７＜Ａ３＜０．００２５
（ii）０．００１＜Ｔ＜０．０１
０．０００８＜Ａ４＜０．００１２
０．００１３＜Ａ３＜０．００２
（iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
０．０００４＜Ａ４＜０．０００８
０．０００８＜Ａ３＜０．００１５
【００１５】
また、前記圧電高分子の弾性限界歪をＺ０とする時、前記ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みＳｐ（ｙ）は、下記不等式（２ｐ）で与えられることが好ましい。
Ｚ０／２＜Ｓｐ（ｙ）＜Ｚ０                                …（２ｐ）
また、前記圧電高分子の弾性限界歪Ｚ０が、２．０×１０−２である時、ダンピング部材の前記発電部材との接合面における歪みＳｐ（ｙ）は、下記不等式（３ｐ）で与えられることが好ましい。
０．５×１０−２＜Ｓｐ（ｙ）＜１．０×１０−２                  …（３p）
また、前記圧電高分子の弾性限界強度σ２が５０ＭＰａであるとき、下限強度σ１は２５ＭＰａであり、上記不等式（１ｐ）は、下記式（４ｐ）で表されることが好ましい。
２５＜Ｅｐ＊Ｓｐ（ｙ）＜５０                                  …（４ｐ）
【００１６】
また、前記係数Ａ３及びＡ４が、それぞれ以下の値であることが好ましい。
（ｉ）０＜Ｔ＜０．００１
Ａ４＝０．００１２、Ａ３＝０．００２
（ii）０．００１＜Ｔ＜０．０１
Ａ４＝０．０００９４、Ａ３＝０．００１６
（iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
Ａ４＝０．０００５９、Ａ３＝０．００１１
また、前記圧電高分子が、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）強誘電体、フッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体強誘電体から選択される１つであることが好ましい。
また、前記発電部材と前記ダンピング部材との接合面、及び前記振動源と前記ダンピング部材との接合面は、接着剤によって接合されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、所定の歪み量を持つ振動源に接合され、その振動を緩和するためのダンピング部材の剛性、即ちヤング率を振動源に応じて適切に決定することができるので、発電する機能性部材を破壊させず、又振動源から各種部材を剥離させずに、振動源の最大の歪み、応力を伝えることができ、圧電材料の発電能力を充分に活かすことができ、振動源の振動エネルギを充分に効率よく電気エネルギに変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るエネルギ変換素子の一実施形態を示す模式的断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、減衰率を説明するために用いられるダンピング部材の変形前、伸張後及び圧縮後の状態を示す模式的断面図である。
【図３】本発明のエネルギ変換素子に用いられるダンピング部材のヤング率ｙと、圧電セラミックスとの接合面における歪みＳｂ（ｙ）との関係の一例を示すグラフである。
【図４】本発明のエネルギ変換素子に用いられるダンピング部材のヤング率ｙと、圧電高分子との接合面における歪みＳｐ（ｙ）との関係の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係るエネルギ変換素子及びその製造方法、並びに、エネルギ変換素子のダンピング部材のヤング率の決定方法を図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るエネルギ変換素子の一実施形態を示す模式的断面図である。
図１に示す本発明のエネルギ変換素子１０は、振動源１２と、振動源１２上に接着層１４を介して接着されるダンピング部材１６と、ダンピング部材１６上に接着層１８を介して接着される発電部材２０と、発電部材２０の両側の表面にそれぞれ接続される電極２２と、電極２４と、を有する。
【００２０】
振動源１２は、所定の歪み量Ｚ、例えば１％の歪みで振動し、その振動エネルギを、本発明のエネルギ変換素子１０によって発電する機械エネルギとして供給するものである。また、本発明に用いられる振動源１２としては、接着層１４を介してダンピング部材１６の接合面１６ａと接合される接合面１２ａを、図中に矢印ａで示す振動方向と平行な方向に持つことができれば、特に制限的ではなく、どのような振動源でも良いが、例えば各種タイヤ、床、建築物ダンパ、自動車等の乗り物、特にそのサスペンション、橋梁、高速道路、波等を挙げることができる。
【００２１】
なお、振動源１２の歪み量（Ｚ）は、特に限定されないが、発電部材２０として、圧電材料、特に圧電セラミックスや圧電高分子の場合には、０超、０．１未満（０＜Ｚ＜０．１）であるのが好ましく、０．００１以上、０．０５以下（０．００１〜０．０５）であるのがより好ましい。その理由は、この圧電材料を用いて発電する場合に、この範囲内の歪みであれば、この範囲内の歪みを生じさせる応力を無理なく容易にダンピング部材１６で緩和し、圧電材料を破壊することなく、圧電材料の発電能力を充分に活して、充分に効率よく発電することができるからである。
【００２２】
ダンピング部材１６は、その接合面１６ａが振動源１２の接合面１２ａに接着層１４を介して接合され、振動源１２の振動を緩和するためのものである。
本発明に用いられるダンピング部材１６としては、特に制限的ではなく、図中に矢印ａで示す振動方向の振動源１２の振動を緩和する、即ち振動源１２の振動の歪みを所要の減衰率で減衰させることができ、そのヤング率（剛性）によって減衰率を制御できればどのようなものでも良い。その理由は、ダンピング部材１６によって、振動源１２の振動の歪みを、発電部材２０を破壊することなく、その発電能力を充分に活して、発電部材２０に充分に効率よく発電できる歪みに減衰させることができるからである。
【００２３】
このようなダンピング部材１６としては、例えばＮＢＲ（アクリロニトリルゴム）、高弾性率ゴムコンパウンド、導電性ゴム等のゴム材料、その他、各種エラストマー等を挙げることができる。
なお、本発明に用いられるダンピング部材１６の詳細については、後述する。
【００２４】
発電部材２０は、その接合面２０ａが、ダンピング部材１６の接合面１６ｂに接着層１８を介して接合され、ダンピング部材１６によって緩和された振動源１２の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換する、即ち発電を行うためのものである。
本発明に用いられる発電部材２０としては、一方の面がダンピング部材１６の接合面１６ｂとの接合面２０ａとなるシート状又は板状の部材であって、その接合面２０ａに平行な方向の歪み変形に応じた発電を行うもので、ダンピング部材１６によって緩和された、図中に矢印ａで示す振動方向の振動源１２の振動の機械エネルギを電気エネルギに変換することができれば、特制限的ではなく、どのようなものでも良いが、例えば、圧電セラミックスや、圧電高分子や、単結晶等を挙げることができ、その中では、圧電セラミックスや、圧電高分子が好ましい。その理由は、圧電セラミックスや圧電高分子等は、振動源１２に接着剤等により直接取り付けると、振動源１２の振動の歪み量によっては破壊に至ることがあるので、ダンピング部材を介在させて歪み量を減衰させることにより、その発電能力を最大限に活かすことができるからである。
【００２５】
ここで、圧電セラミックスとしては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＭＮ−ＰＴ）及びニッケルニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＮＮ−ＰＴ）などのリラクサー系強誘電体等の鉛系圧電セラミックスや、チタン酸バリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム（ＫＮ）、ニオブ酸ナトリウムカリウム（ＫＮＮ）、ビスマスフェライト（ＢＦＯ）、チタン酸ナトリウムビスマス（ＢＮＴ）、チタン酸カリウムビスマス（ＢＫＴ）及びそれらの固溶体等の非鉛系圧電セラミックス等を挙げることができる。
【００２６】
また、圧電高分子としては、例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、フッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体等の強誘電体等を挙げることができる。
この他、単結晶としては、例えば、水晶（石英）やニオブ酸リチウム等の単結晶、リラクサー系単結晶(ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴなど)、非鉛圧電単結晶等を挙げることができる。
【００２７】
電極２２及び２４は、発電部材２０の両側の表面に取り付けられ、発電部材２０で発電された電気エネルギを取り出すためのものであって、電極２２は、ダンピング部材１６側の発電部材２０の接合面２０ａ（図1中下側の下表面）に電気的に接続され、電極２４は、ダンピング部材１６と反対側の発電部材２０の表面２０ｂ（図1中上側の上表面）に電気的に接続される。電極２２及び２４は、発電部材２０の両表面全面に作製されるものであっても良いが、デバイスによっては、パターン電極などであっても良い。
本発明に用いられる電極２２及び２４としては、発電部材２０に電気的に接続することができ、振動源１２の振動による発電部材２０の歪みによって電気的な接続が切断されないものであれば、どのような導電性材料を用いてもよい。このような導電材料としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム等の金属材料や導電性ゴム等を挙げることができる。
【００２８】
また、電極２２及び２４としては、電極２２及び２４は、それぞれ発電部材２０の互いに対向する接合面２０ａ及び表面２０ｂに電極層として設けてもよい。このような電極層は、公知のスクリーン印刷技術と銀入りエポキシ樹脂、カーボン、黒鉛等の導電性インクとを用いて形成することができる。
図示例においては、電極２２及び２４は、発電部材２０の互いに対向する接合面２０ａ及び表面２０ｂの全面に形成されているように記載されているが、本発明はこれに限定されず、発電部材２０から電気エネルギを効率良く取り出すことができれば、それぞれ接合面２０ａ及び表面２０ｂの一部又は全部に形成されるものであっても良い。
【００２９】
接着層１４は、振動源１２の接合面（図中上面）１２ａとダンピング部材１６の接合面（図中下面）１６ａとを接合し、接着層１８は、ダンピング部材１６の接合面（図中上面）１６ｂと発電部材２０の接合面（図中下面）２０ａとを接合するためのもので、接着剤等によって両接合面を強力に接着する。
接着層１４及び１８として用いられる接着剤は、振動源１２の振動によって上述した両接合面が剥離することが無ければ、どのようなものでも良いし、接着層１４及び１８の厚さ、即ち接合面に塗布される接着剤の厚さは、どのような厚さであっても良いし、両接合面の接着強度も特に限定的ではない。
このような接着剤としては、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤等を挙げることができる。
なお、図示例においては、理解を容易にするため、電極層２２、２４及び接着層１４及び１８の各層は、誇張された厚さで記載されているが、これらの各層の厚さは、ダンピング部材１６及び発電部材２０の厚さに比べて薄く、本発明においては、ダンピング部材１６の下面１６ａは、振動源１２の上面１２ａとの接合面であり、ダンピング部材１６の上面１６ｂは、発電部材２０の下面２０ａとの接合面であると見做すことができるものである。
【００３０】
ダンピング部材１６は、上述したように、振動源１２の振動を緩和して、振動源１２の振動の歪みを、発電部材２０を破壊することなく、その発電能力を充分に活して、発電部材２０に充分に効率よく発電できる歪みに減衰するためのもので、そのヤング率（剛性）や厚さに応じて、振動源１２の振動の歪みを所要の減衰率で減衰させるものであり、ダンピング部材１６のヤング率ｙ及び厚さＴ、振動源１２からの距離ｔが、下記不等式（１）を満足するものである。
σ１＜Ｅ＊Ｓ(ｙ)＜σ２                                  …（１）
０＜Ｔ＜０．０２
０＜ｔ＜０．０２
０＜Ｚ＜０．１
０＜ｙ＜５００００
ここで、Ｅは、発電部材２０のヤング率（ＭＰａ）であり、ｙは、ダンピング部材１６のヤング率であり、Ｓ（ｙ）は、ダンピング部材１６によって緩和（減衰）された、発電部材２０との接合面における歪みであり、ｔは、振動源１２からの距離（ｍ）、Ｔは、ダンピング部材１６の厚さ（ｍ）であり、σ１及びσ２は、それぞれ発電部材２０の下限強度（ＭＰａ）、及び弾性限界強度（ＭＰａ）であり、Ｚは、振動源１２により決まる歪み量である。
【００３１】
本発明において、振動源１２の振動エネルギを電気エネルギに変換して発電するためには、発電部材２０に掛かる応力σは、発電部材２０が破壊されない応力未満でなければならないので、σ２を発電部材２０の弾性限界強度（ＭＰａ）とすると、σ＜σ２である必要がある。一方、発電部材２０に掛かる応力σは、低すぎた場合、発電効率が下がるため望ましくないので、σ１を発電部材２０の下限強度（ＭＰａ）とすると、σ１＜σである必要がある。なお、下限強度σ１は、発電が行うことのできる最低限の応力として定義しても良い。したがって、発電部材２０に掛かる応力σは、下記不等式（５）を満足する必要がある。
σ１＜σ＜σ２                                          …（５）
ここで、発電部材２０のヤング率をＥとし、歪みをεとするとき、発電部材２０に掛かる応力σは、ヤング率Ｅと、歪みεとの積、Ｅ＊εで表される。即ち、σ＝Ｅ＊εで表されるので、上記不等式（５）は、下記不等式（６）として表すことができる。
σ１＜Ｅ＊ε＜σ２                                      …（６）
【００３２】
引張応力も圧縮応力も受けておらず、歪んでいないダンピング部材１６が、図２（ａ）で表されるとき、図２（ｂ）に示すように、ダンピング部材１６の接合面１６ａ（図中下面）が、振動源１２による歪み量Ｚによって伸び量δａだけ伸び、ダンピング部材１６の作用によって、接合面１６ａと対向する接合面１６ｂ（図中上面）が、伸び量δｂだけ伸びるとすると、減衰率αは、α＝（１−δｂ）／δａで表される。
同様に、ダンピング部材１６が、図２（ｃ）に示すように、ダンピング部材１６の接合面１６ａ（図中下面）が、振動源１２による歪み量Ｚによって縮み量δａだけ縮み、ダンピング部材１６の作用によって、接合面１６ａと対向する接合面１６ｂ（図中上面）が、縮み量δｂだけ縮むとすると、減衰率αは、α＝（１−δｂ）／δａで表される。
なお、変形率β＝δｂ／δａ＝（１−α）で表してもよい。
【００３３】
ダンピング部材１６の上面１６ｂの伸びδｂは、その全長（ダンパー長）を用いて、ダンピング部材１６の上面１６ｂの歪みに換算できるので、ダンピング部材１６の上面１６ｂの歪みＳは、ダンピング部材１６のヤング率ｙ、厚みＴに依存することから、厚みＴによる場合分けを行い、ヤング率ｙ、及び振動源２０により決まる歪み量Ｚの関数として、上述したように、Ｓ（ｙ）、例えば、圧電セラミックスの場合はＳｂ（ｙ）、圧電高分子の場合はＳｐ（ｙ）として表すことができる。
一方、本発明のエネルギ変換素子１０においては、ダンピング部材１６の上面である接合面１６ｂは、発電部材２０の接合面２０ａと接着層１８によって接合されているので、ダンピング部材１６の上面１６ｂの歪みＳ（ｙ）（Ｓｂ（ｙ），Ｓｐ（ｙ））は、発電部材２０の接合面１６ａに平行な方向ａの発電部材２０の歪みεと等価であるみなすことができる。
したがって、上記不等式（８）から、下記不等式（１）、例えば（１ａ）及び（１ｂ）を得ることができる。ここで、Ｅｐ及びＥｂは、それぞれ発電部材２０が圧電高分子及び圧電セラミックスである場合のヤング率である。
σ１＜Ｅ＊ε＝Ｅ＊Ｓ(ｙ)＜σ２                                  …（１）
σ１＜Ｅｐ＊ε＝Ｅｐ＊Ｓｐ（ｙ）＜σ２                          …（１ｐ）
σ１＜Ｅｂ＊ε＝Ｅｂ＊Ｓｂ（ｙ）＜σ２                          …（１ｂ）
【００３４】
ここで、ダンピング部材１６の上面１６ｂの歪みＳ（ｙ）は、発電部材２０に応じて設定される関数ｆ（ｙ）を用いて、下記式で表されるのが好ましい。関数ｆ（ｙ）は、その係数がダンピング部材１６の厚さをＴに応じて定まる、ダンピング部材１６のヤング率ｙの関数である。
Ｓ（ｙ）＝ｆ（ｙ）＊Ｚ
０＜Ｚ＜０．１
０＜Ｔ＜０．０２
０＜ｔ＜０．０２
０＜ｙ＜５００００
ここで、関数ｆ（ｙ）は、発電部材２０の種類に応じて設定されるもので、本発明では、発電部材２０が、それぞれ圧電セラミックスの場合、圧電高分子の場合、及び単結晶である場合に応じて求めればよい。例えば、ダンピング部材１６の厚さＴに応じて場合分けをして、振動源１２により決まる歪み量Ｚに対して、発電部材２０の種類のそれぞれに応じてヤング率ｙとダンピング部材１６の上面１６ｂの歪みＳ（ｙ）との関係を求めることにより、関数ｆ（ｙ）を設定すれば良い。
なお、本発明において、ダンピング部材１６の厚さＴを、０ｍ超、０．０２ｍ（２０ｃｍ）未満に制限するのは、デバイス形状からかんがみ、２０ｃｍ以上はその他の制約が大きいためである。
また、本発明において、振動源１２からの距離ｔを、０ｍ超、０．０２ｍ（２０ｃｍ）未満に制限するのは、デバイス形状からかんがみ、２０ｃｍ以上はその他の制約が大きいためである。
さらに、本発明において、ダンピング部材１６のヤング率ｙを、０ＭＰａ超、５００００ＭＰａ未満に制限するのは、それ以上硬い場合、主な発電部材よりも硬いため、ダンピング部材として機能しないからである。
【００３５】
例えば、発電部材２０が、圧電セラミックスである時、ダンピング部材１６の上面１６ｂの歪みＳｂ（ｙ）は、Ａ２を係数とする時、下記式で表されるのが好ましい。
Ｓｂ（ｙ）＝Ａ２＊ｙ＊Ｚ（ｆ（ｙ）＝Ａ２＊ｙ）
（ｉ）０＜Ｔ＜０．００１
２Ｅ−６＜Ａ２＜２．７Ｅ−６
（ii）０．００１＜Ｔ＜０．０１
１．６Ｅ−６＜Ａ２＜２．２Ｅ−６
（iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
１Ｅ−６＜Ａ２＜１．５Ｅ−６
なお、上記係数Ａ２は、以下の値であるのがより好ましい。
（ｉ）０＜Ｔ＜０．００１
Ａ２＝２．４Ｅ−６
（ii）０．００１＜Ｔ＜０．０１
Ａ２＝１．９Ｅ−６
（iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
Ａ２＝１．３Ｅ−６
【００３６】
本発明者は、ダンピング部材１６としてＮＢＲ（ニトリルブタジエンゴム）、発電部材２０としてＣ−９1Ｈ（富士セラミックス製圧電セラミックス）を用い、発電部材２０の厚さを０．１ｍｍとし、ダンピング部材１６の変形（歪み）方向の全長Ｌ（ｍ）を１００ｍｍとしたとき、ダンピング部材１６の厚さＴ（ｍ）が０．１ｍｍ、５ｍｍ、及び１５ｍｍの３種類について、ダンピング部材１６のヤング率ｙを、各厚さＴに対して、それぞれ２ＭＰａ、２０ＭＰａ、２００ＭＰａ、１ＧＰａ、及び２ＧＰａの５種類に変化させて、ダンピング部材１６の下面１６ａに振動源１２の０．０１の歪みＺに等しい０．０１の強制変位（伸び）δａを与えた時のダンピング部材１６の上面１６ｂの変位量（伸び）δｂ（ｍ）を求め、求めた変位量から歪みＳｂ（ｙ）（＝δｂ／Ｌ）の値を求めた。
その結果を図３に示す。そこで、本発明者は、図３に示す結果に対して関数近似を行った結果、上記式で表すことができることを知見した。
なお、本発明者は、振動源１２の歪み量Ｚを変えた場合にも、上記係数Ａ２の範囲でこの上記式が成り立つことを確認している。
【００３７】
一方、発電部材２０が、圧電高分子である時、ダンピング部材１６の上面１６ｂの歪みＳｐ（ｙ）は、Ａ３及びＡ４を係数とする時、下記式で表されるのが好ましい。
Ｓｐ（ｙ）＝（Ａ４＊Ｌｎ（ｙ）＋Ａ３）＊Ｚ
（ｉ）０＜Ｔ＜０．００１
０．００１＜Ａ４＜０．００１５
０．００１７＜Ａ３＜０．００２５
（ii）０．００１＜Ｔ＜０．０１
０．０００８＜Ａ４＜０．００１２
０．００１３＜Ａ３＜０．００２
（iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
０．０００４＜Ａ４＜０．０００８
０．０００８＜Ａ３＜０．００１５
なお、上記係数Ａ３及びＡ４は、以下の値であるのがより好ましい。
（ｉ）０＜Ｔ＜０．００１
Ａ４＝０．００１２、Ａ３＝０．００２
（ii）０．００１＜Ｔ＜０．０１
Ａ４＝０．０００９４、Ａ３＝０．００１６
（iii）０．０１＜Ｔ＜０．０２
Ａ４＝０．０００５９、Ａ３＝０．００１１
【００３８】
本発明者は、ダンピング部材１６としてＮＢＲ、発電部材２０としてＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）を用い、発電部材２０の厚さを１ｍｍとして、ダンピング部材１６の変形（歪み）方向の全長Ｌ（ｍ）を１００ｍｍとしたとき、ダンピング部材１６の厚さＴ（ｍ）が０．１ｍｍ、５ｍｍ、及び１５ｍｍの３種類について、ダンピング部材１６のヤング率ｙを、各厚さＴに対して、それぞれ０．２ＭＰａ、２ＭＰａ、２０ＭＰａ、２００ＭＰａ、及び２ＧＰａの５種類に変化させて、ダンピング部材１６の下面１６ａに振動源１２の０．０１の歪みＺに等しい０．０１の強制変位（伸び）δａを与えた時のダンピング部材１６の上面１６ｂの変位量（伸び）δｂ（ｍ）を求め、求めた変位量から歪みＳｐ（ｙ）（＝δｂ／Ｌ）の値を求めた。
その結果を図４に示す。そこで、本発明者は、図４に示す結果に対して関数近似を行った結果、上記式で表すことができることを知見した。
なお、本発明者は、振動源１２の歪み量Ｚを変えた場合にも、上記係数Ａ３及びＡ４の範囲でこの上記式が成り立つことを確認している。
【００３９】
ところで、本発明のエネルギ変換素子１０において、発電部材２０の弾性限界歪をＺ０とする時、発電部材２０の弾性限界強度σ２は、σ２＝Ｅ＊Ｚ０となり、発電部材２０の下限強度σ１がσ１＝σ２／２として表すことができれば、σ１＝Ｅ＊Ｚ０／２となるので、発電部材２０とダンピング部材１６の界面（接合面）の歪みＳ（ｙ）についての上記不等式（１）は、下記不等式（２）として表すことができる。
Ｚ０／２＜Ｓ（ｙ）＜Ｚ０                                  …（２）
なお、発電部材２０が圧電セラミックスの場合には、σ２＝Ｅｂ＊Ｚ０、σ１＝Ｅｂ＊Ｚ０／２となるので、発電部材２０とダンピング部材１６の界面の歪みＳｂ（ｙ）についての上記不等式（１ｂ）は、下記不等式（２ｂ）として表すことができる。
Ｚ０／２＜Ｓｂ（ｙ）＜Ｚ０                                  …（２ｂ）
一方、発電部材２０が圧電高分子の場合には、σ２＝Ｅｐ＊Ｚ０、σ１＝Ｅｐ＊Ｚ０／２となるので、発電部材２０とダンピング部材１６の界面の歪みＳｐ（ｙ）についての上記不等式（１ｐ）は、下記不等式（２ｐ）として表すことができる。
Ｚ０／２＜Ｓｐ（ｙ）＜Ｚ０                                  …（２ｐ）
ここで、発電部材２０の下限強度σ１をσ２／２として表すのは、発電部材２０の発電効率をより大きくする観点から１／２としているのであり、これより低すぎても現実的ではないからである。
【００４０】
ここで、上述したように、発電部材２０が、圧電セラミックスである場合の発電部材２０の弾性限界歪Ｚ０が、１．０×１０−３で与えられるとき、発電部材２０とダンピング部材１６の界面の歪みＳｂ（ｙ）についての上記不等式（２ｂ）は、下記不等式（３ｂ）として表すことができる。
５．０×１０−４＜Ｓｂ（ｙ）＜１．０×１０−３                …（３ｂ）
ここで、発電部材２０の弾性限界歪Ｚ０を、１．０×１０−３としているのは、種々の圧電セラミックスにおいて１．０×１０−３未満の歪みを生じさせる負荷を加えても、発電部材２０が破壊に至ることが無いからである。
【００４１】
なお、発電部材２０が、圧電セラミックスである場合には、発電部材とダンピング部材１６の接合面の歪みＳｂ（ｙ）についての上記不等式（１ｂ）において、発電部材２０の下限強度σ１は、３０ＭＰａとすることができ、発電部材２０の弾性限界強度σ２は、６０ＭＰａとすることができ、発電部材２０とダンピング部材１６の界面（接合面）の歪みＳｂ（ｙ）についての上記不等式（１ｂ）は、下記不等式（４ｂ）として表すことができる。
３０＜Ｅｂ＊Ｓｂ（ｙ）＜６０                                …（４ｂ）
ここで、発電部材２０の弾性限界強度σ２を６０ＭＰａとしているのは、上述した種々の圧電セラミックスにおいて、６０Ｍｐａ未満の応力を生じさせる負荷を加えても、発電部材２０が破壊に至ることが無いからである。また、発電部材２０の下限強度σ１を３０ＭＰａとしているのは、上述した理由により、発電部材２０の下限強度σ１を発電部材２０の弾性限界強度σ２の１／２とすることができるからである。
【００４２】
ここで、上述したように、発電部材２０が、圧電高分子である場合の発電部材２０の弾性限界歪Ｚ０が、２．０×１０−２で与えられるとき、発電部材２０とダンピング部材１６の界面の歪みＳｐ（ｙ）についての上記不等式（２ｐ）は、下記不等式（３ｐ）として表すことができる。
１．０×１０−２＜Ｓｐ（ｙ）＜２．０×１０−２                …（３ｐ）
ここで、発電部材２０の弾性限界歪Ｚ０を、２．０×１０−２としているのは、種々の圧電高分子において、２．０×１０−２未満の歪みを生じさせる負荷を加えても、発電部材２０が破壊に至ることが無いからである。
【００４３】
なお、発電部材２０が、圧電高分子である場合には、発電部材とダンピング部材１６の界面の歪みＳｐ（ｙ）についての上記不等式（１ｐ）において、発電部材２０の下限強度σ１は、２５ＭＰａとすることができ、発電部材２０の弾性限界強度σ２は、５０ＭＰａとすることができ、発電部材とダンピング部材１６の界面の歪みＳｐ（ｙ)についての上記不等式（１ｐ）は、下記不等式（４ｐ）として表すことができる。
２５＜Ｅｐ＊Ｓｐ（ｙ）＜５０                                …（４ｐ）
ここで、発電部材２０の弾性限界強度σ２を５０ＭＰａとしているのは、上述した種々の圧電高分子において、５０Ｍｐａ未満の応力を生じさせる負荷を加えても、発電部材２０が破壊に至ることが無いからである。また、発電部材２０の下限強度σ１を２５ＭＰａとしているのは、上述した理由により、発電部材２０の下限強度σ１を発電部材２０の弾性限界強度σ２の１／２とすることができるからである。
本発明のエネルギ変換素子は、基本的に以上のように構成される。
【００４４】
上述した本発明のエネルギ変換素子を製造する際には、まず、始めに、振動源１２に対して使用する発電部材２０や接着層１４及び１８を構成する接着剤を設定し、ダンピング部材１６の種類を設定する。
次いで、選択された発電部材２０に応じて、上記不等式（１）〜（２）の１つを満たすように、ダンピング部材１６の厚さＴ、及びヤング率ｙを決定する。例えば、発電部材２０が圧電セラミックスである場合には、上記不等式（１ｂ）〜（４ｂ）の１つを満たすように、ダンピング部材１６の厚さＴに対応して、ヤング率ｙを決定し、発電部材２０が圧電高分子である場合には、上記不等式（１ｐ）〜（４ｐ）の１つを満たすように、ダンピング部材１６のヤング率ｙを決定する。
こうして、本発明のエネルギ変換素子に用いられるダンピング部材１６のヤング率ｙを決定することができる。
【００４５】
その後、決定されたヤング率ｙを持つダンピング部材１６を、設定された接着剤を用いて、振動源１２に、接合面１２ａと接合面１６ａとが密着するように接合する。
次に、設定された発電部材２０を、設定された接着剤を用いて、振動源１２に、接合面１６ｂと接合面２０ａとが密着するように接合する。
こうして、本発明のエネルギ変換素子を製造することができる。
【実施例】
【００４６】
以下に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
（実施例Ｉ）
ダンピング部材１６として、その変形（歪み）方向の全長Ｌが１００ｍｍ、幅が５０ｍｍその厚さＴが０．１ｍｍで、ヤング率ｙが２ＭＰａのＮＢＲ（ニトリルブタジエンゴム）と、発電部材２０として、ダンピング部材１６と略同形状の、その厚さが１ｍｍのＣ−９１Ｈ（富士セラミックス社製圧電セラミックス）と、振動源１２として、厚さ５ｍｍゴムを引張試験機サーボパルサＭＭＴ−１０１ＮＶ−１０(島津製作所社製)で引っ張り、図１に示す本発明のエネルギ変換素子を製造した。この場合、発電部材２０として用いられるＣ−９１Ｈ（富士セラミックス社製圧電セラミックス）の下限強度σ１は、約１０ＭＰａであり、その弾性限界強度σ２は、約１００ＭＰａであった。
こうして得られた実施例１のエネルギ変換素子の振動源１２となるゴムの両端を冶具に取り付け、２つの冶具をサーボパルサに取り付け、１０Ｈｚのサイン波、ダンピング部材１６の下面１６ａでの歪み量が０．０１となるように、実施例１のエネルギ変換素子に対して、荷重（２５Ｎバイアス±２４Ｎ振幅）を印加して、ダンピング部材１６及び発電部材２０の状態を観察した。
その結果を表１に示す。
【００４７】
【表１】
2013118253.tif 000003
【００４８】
続いて、表１に示すように、実施例１のエネルギ変換素子において、ダンピング部材１６として用いられるＮＢＲのヤング率ｙを、２０ＭＰａ及び２００Ｍｐａに変更した実施例２及び３のエネルギ変換素子と、１ＧＰａ及び２Ｇｐａに変更した比較例１及び２のエネルギ変換素子とを製造し、実施例１と同様にして、同様な荷重を印加し、同様な発電を同様に行い、ダンピング部材１６及び発電部材２０の状態を観察した。
その結果を表１に示す。
表１の結果から明らかなように、Ｅｂ＊Ｓｂ（ｙ）の値が、発電部材２０として用いられるＣ−９１Ｈ（富士セラミックス社製圧電セラミックス）の下限強度σ１（１０ＭＰａ）超、弾性限界強度σ２（１００ＭＰａ）未満である実施例１〜３では、剥離が無く、発電部材２０の弾性限界強度σ２以上である比較例１及び２では、剥離が生じ、本発明の実施例１〜３は、発電部材２０の発電能力を最大限に活かすことができることが分かる。
【００４９】
（実施例ＩＩ）
発電部材２０として、ダンピング部材１６と略同形状の、その厚さが０．１ｍｍのＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）を用い、ダンピング部材１６のＮＢＲのヤング率ｙを２ＭＰａに変更した以外は、実施例１と全く同様にして、実施例４のエネルギ変換素子を製造した。この場合、発電部材２０として用いられるＰＶＤＦの下限強度σ１は、約１ＭＰａであり、その弾性限界強度σ２は、約１００ＭＰａであった。
こうして得られた実施例１のエネルギ変換素子に対して、実施例１と同様にして、同様な荷重を印加し、同様な発電を同様に行い、ダンピング部材１６及び発電部材２０の状態を観察した。
その結果を表２に示す。
【００５０】
【表２】
2013118253.tif 000004
【００５１】
続いて、表１に示すように、実施例１のエネルギ変換素子において、ダンピング部材１６として用いられるＮＢＲのヤング率ｙを、２０Ｍｐａに変更した実施例５のエネルギ変換素子と、２００ＭＰａ及び２Ｇｐａに変更した比較例３及び４のエネルギ変換素子とを製造し、実施例１と同様にして、同様な荷重を印加し、同様な発電を同様に行い、ダンピング部材１６及び発電部材２０の状態を観察した。
その結果を表１に示す。
表１の結果から明らかなように、Ｅｂ＊Ｓｂ（ｙ）の値が、発電部材２０として用いられるＰＶＤＦの下限強度σ１（１ＭＰａ）超、弾性限界強度σ２（１００ＭＰａ）未満である実施例４及び５では、剥離が無く、発電部材２０の弾性限界強度σ２以上である比較例３及び４では、剥離が生じ、本発明の実施例４及び５は、発電部材２０の発電能力を最大限に活かすことができることが分かる。
【００５２】
以上、本発明に係るエネルギ変換素子及びその製造方法、並びにエネルギ変換素子のダンピング部材のヤング率の決定方法について種々の実施形態を挙げて詳細に説明したが、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行っても良いのはもちろんである。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明に係るエネルギ変換素子は、各種タイヤ、床、建築物ダンパ、自動車等の乗り物のサスペンション等のように、不可避的に振動が発生している振動源の振動の機械エネルギを電気エネルギに効率よく変換して発電することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１０  エネルギ変換素子
１２  振動源
１２ａ  接合面
１４、１８  接着層
１６  ダンピング部材
１６ａ、１６ｂ  接合面
２０  発電部材
２０ａ  接合面
２２、２４  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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