圧電素子を用いた２重共振３軸発電素子の開発
岡田和廣，江良聡（株式会社ワコー）
高橋秀徳,大久保健*,半田直博,熊谷清哉（株式会社ミズサワセミコンダクタ）
Double Resonant 3-axis Energy Harvesting using Piezo-electric Element
Kazuhiro Okada, Satoshi Era, (Wacoh Corp.)
Hidenori Takahashi, Tsuyoshi Okubo*, Naohiro Handa, Seiya Kumagai, (Mizusawa Semiconductor Co.,Ltd.)We have developed a double-resonant 3 axial Energy Harvesting using a piezoelectric element, so we will describe it indetail. This EH consists of three beams made of SUS and piezoelectric ceramics. Double resonance is given by twovibration systems, and has two resonance frequencies about all axis. 3-axis EH can generate power from vibrations in allaxis, and since the resonance frequency of this EH is as low as 10 Hz, it can generate power sufficiently even with handshaking and walking.
キーワード：エネルギーハーベスティング、２重共振、３軸、全方向、圧電セラミック、SUS(Energy Harvesting, Double resonance, 3-aixis, All directions, Piezoelectric ceramic, stainless steel)

１．はじめにる一因となっている。

エネルギーハーベストとは、環境に存在するエネルギー

本稿で発表する EH は、振動体が３次元空間で自由に振動（光、熱、振動等）を電気エネルギーに変換する技術である。

し、全方向の振動に対し発電（３軸発電）する事が出来、し最も普及しているエネルギーハーベストは光をエネルギーかも、２つの共振系（２重共振）を有する為、発電可能な周源とした発電で、大規模ソーラー発電から腕時計に内蔵さ波数帯域が広がり、効率よく発電することが出来る。

れた小規模発電まであり、大きな市場が形成されている。一共振周波数は梁と振動体の形状で自由に変えることが出方、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギ

来、困難とされていた低周波数の振動でも発電することがーハーベスト（以下、EH）という）が種々提案されているが出来る。今回開発した EH の共振周波数は 10Hz と低いため普及に至っていない。に、手振れという低周波で微小な振動でも十分に発電する

従来の EH は代表的な例として、エレクトレットを使った発電(1)と圧電素子を使った発電(2)ことが出来る。

である。両者の特徴的な構造は共に片持ち或いは両持ち型であり、梁の先端に１個２．２重共振３軸の原理の振動体が接続される。EH の上面に対し垂直方向（上下）〈２･１〉２重共振の原理の振動によって振動体が振動する。エレクトレットの場合・２重共振の原理

は振動体の変位によって電荷が発生し、圧電型の場合は梁ここで２重共振とは、１個の EH が２系統の共振系を有すに発生する応力に基づき圧電効果で電荷が発生する。即ちるものを言う。具体的に２つの構成例を示す。図１(a)は単従来の EH は振動体を上下方向に振動させる１軸方向の振動純に共振系を２個配置したに過ぎず互いの共振系が干渉すエネルギーしか利用できない。更に、１個のバネと振動体でることはなく、また、大きさの点からも不利である。それに構成されるため、単一の共振周波数でしか発電する事が出

対し、図１(b)は２つの共振系を直列に配置され、２組のバ来ない。その為、発電条件に制限があり、十分に効率よく発ネ系と振動体から構成され、２つの振動系が互いに干渉す電することは困難である。たとえば、人間の動きはランダムるようになっている。２つに振動系が直列に配置されるもな３次元的な動作であり、自動車等の輸送機器では、運行中振動体１を介して折り返されることから、EH のサイズを小にランダムな方向から振動が加わる。その為、特定の１軸方型化する事が出来る。本稿の EH は図２を採用した。

向の振動でしか発電しない EH では発電効率が低い。更に、

図１(a)では重錘体の大きさを小さく示したので、図１

従来の EH は 1 つの共振系が構成されるため、EH の共振周波(b)と同程度の大きさになっているが、重錘体の大きさを揃数を環境の周波数に合わせる必要があり、EH の普及を妨げえれば、図１(a)が大きくなる事は明らかである。

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梁

重錘体

台座

重錘体
台座

梁

重錘体

図１梁重錘体(a) 並列型

梁重錘体

梁(b) 直列型(b) Z 軸２重共振の直列型
図２〈２･２〉 ３軸発電の原理
振動体に振動による３軸方向の（Ax,Ay,Az）が作用すると、加速度は３軸方向の力に変換され、EH の振動体は図２の如く変位する。２つの振動体の重心位置が梁の面より下面にある事から、振動体は X 軸方向力 Fｘに対し Y 軸回りに回転し、Y 軸方向の力 Fy に対し X 軸周りに回転し、そして Z 軸方向の力 Fz に対しては Z 軸方向に変位する。

X 軸、Y 軸、Z 軸方向の力による変位分布

３．EH の構造と構造解析
・構造
本 EH の構造を図３に示す。
図３に示す通り、金属部材（SUS）と圧電セラミックで構成される。
可撓部を有し中央部に配置された第１の梁と、第１の梁と平行に配置された第２と第３の梁を有する。第１の梁の即ち、振動体は３軸方向の加速度によって３次元空間で根端部は台座に固定され、先端部には第１の振動体が接続自由に変位することが出来、振動体の変位によって、３本のされている。第 1 梁と、第２と第３の梁は第１の振動体を介梁に応力が発生する。この領域に圧電セラミックを配置すして接続され、第２と第３の梁の先端に第２の振動体が接ることで、圧電効果で圧電素子の上面電極に電荷が発生す続されている。更に、第１の梁の両端の左右に２個ずつ、第る。この電荷を後述の発電用整流回路で電力に変換すれば、２と第３の梁の両端に１個ずつ圧電セラミック（合計８個）あらゆる方向の振動に対し発電することが出来る。

がそれぞれの梁上に接着されている。

(a) X 軸図３

２重共振３軸発電素子

・製造方法
梁(SUS)と圧電セラミック(PZT)との接着は高強度のアクリル系接着剤を使用した。また、圧電セラミックの上部電極は FPC に接続され、下部電極も金属部材を介し FPC に接続される。それぞれの電気的導通は導電性接着剤を用いた。
梁と台座、梁と振動体はそれぞれネジで固定し、EH が外因の影響を受けぬようケースで全体に覆った。
(a) Y 軸〈３･１〉応答周波数の解析値と測定値
EH を X 軸、Y 軸、Z 軸の３軸方向に加振（50ｍG）した時、FEM 解析（Femtet）による応答周波数とその実測値を図４に示す。
概ね、解析値と測定値が一致していることが分かる。測定点は図５に示す赤●の 1 点としたが、測定点によって周波数特性が異なる。
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X 軸と Z 軸に 1 次共振として２つの共振ピークが見られ、２つの共振周波数で大きな応力が発生する事が分かる。Y 軸については大きな共振ピークが２つ観察されないが、測定点が異なれば２つのピークが観察された。各軸で２つの共振ピークは離れているが、梁と重錘体の形状を変えることで２つの共振周波数の間隔を狭めることも出来、広い周波数帯域で発電することも出来る。即ち、環境の周波数に EHの共振周波数にチューニングする必要がなく、発電することが出来る。その為、汎用性に優れた発電が可能となり、環境振動に対し振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに

図５

応答周波数の測定点変換することが出来る。
（１）

X 軸加振時の応答周波数〈３･２〉応力分布
EH を X 軸、Y 軸、Z 軸の３軸方向に加振した時の応力分布を図６に示す。X 軸加振の時は各梁に同一符号の応力が作用する。Y 軸加振の時は中央の梁は中心軸の左右で応力の符号が異なり、また根端部と先端部の梁で応力の符号が異なる応力が発生する。両脇の梁では根端部と先端部で異なる符号の応力が発生する。
Z 軸加振の時は中央に梁は根端部と先端部で応力の符号が異なり、両脇の梁では同一符号の応力が発生する。
このように３軸加振で８個の電極に符号の異なる電荷が発生する。その為、ダイオードを使った発電用整流回路が不(b) X 軸（２）

Y 軸加振の応答周波数可欠となる。
（１）(c) Y 軸（３）Z 軸加振の応答周波数

X 軸加振の応力分布(a) X 軸（２）Y 軸加振の応力分布(d) Z 軸図４ X 軸,Y 軸,Z 軸加振の応答周波数(b) Y 軸3/5（３）

この式から分かる通り、誘電率：低い、圧電定数：大、Z 軸加振の応力分布

周波数：高いという条件で発電量は増大する事が分かる。
本 EH の圧電素子は PZT（チタン酸ジルコン酸鉛）である
が、AlN（窒化アルミニウム）の圧電定数は低いものの誘電率が大幅に低い事から、PZT に代わる候補と考えられる。非鉛を前提とするなら KNN も有力な候補となる。また、発電量は周波数に比例する事から、本来なら高い共振周波数の EH を開発すべきであるが、環境の主な周波数は低い事を考慮して、敢えて共振周波数 10Hz を目標に開発を行った。
(c) Z 軸〈５･１〉非共振時の発電量

図６ X 軸,Y 軸,Z 軸方向の力による応力分布

非共振時の発電量を図 8 に示す。各軸とも理論式に従い２次曲線となっている。発電量はほぼ FEM 結果に準じてい４．発電用整流回路る。

本 EH の発電用整流回路（LED 点灯用）を図 7 に示す。８個の圧電素子毎にダイオードで整流し、倍電圧整流後の出力を合成（並列接続）する。倍電圧整流回路の出力段のコンデンサに８個の圧電素子に発生した電荷が徐々にチャージされる。
負荷回路に於ける LED 間欠ドライバの動作として、前述のコンデンサがある一定電圧に達したときに LED が発光するようにし、LED の順方向電圧を下回ったら無駄な電流が流れないように回路を切断する。
発電量に応じて整流効率が最適化されるように、負荷側の電圧を 2.0V または 3.3V に切り替え用 SW を設けた。微小図８な加速度 20ｍGrms では整流効率は 80％程度であった。
〈５･２〉共振時の発電量
一次共振時の発電量を図９に示す。発電量は Z 軸加振のみ、２次曲線となっているが、X 軸は曲線となり、Y 軸は直線的である。解析結果と同様に Y 軸は発電しなかった。
（１）

図７

一次共振周波数の発電量

発電用整流回路

５． 発電量の理論式と発電量
EH の発電量は、発電量＝電圧×電流で示され、交流理論から発電量 P は次式となる。
図９P=πfdSσ2P d231 Q2mε

ここで、d : 電極間距離（PZT 厚）、ε: 誘電率、ｄ31 :圧電定数、Qm : 振動系の Q 値、σp: 応力、S : 電極面積、f : 周波数である。
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（２）

二次共振周波数の発電量

文

二次共振時の発電量を図１０に示す。発電量は全軸とも(1)

ほぼ直線となる。

献本間浩章・山田駿介・三屋裕幸・橋口原・年吉洋：「高パワー密度以上の事から、発電量が小さいときは二次曲線的に変化し、(31Mw/cm3/G2)を実現した MEMS 環境振動発電素子とその IoT 応用」, 第発電量が大きくなると一次曲線的になる。原因については

35 回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム論文集,30am3-PS-21(2018)

今後に解析する。
(2)

平井翔太・神田健介・藤田孝之・前中一介：「多層 PZT 薄膜を用いた圧電エナジーハーベスタおよび回路シュミレータモデル」, 第 35 回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム論文集,30pm4-PS22(2018)

図１０
共振時の発電量が極めて高い事から、本 EH を手のひらに乗せて、僅かな手振れでも発電し、図７発電回路で LED を間欠的に点灯させることが出来る。

図１１

手ぶれによる発電

６． まとめ様々な方向成分を含んだ振動エネルギーを無駄なく電気エネルギーに変換することにより、高い発電効率を得ることが可能な発電素子（２重共振３軸発電型の EH）を開発した。
従来の発電素子は、工場内の装置等の稼働によって発生する比較的高い周波数(２００Hz 程度)の振動下に於いて適していたが、本発電素子は人の歩行等による、低い周波数（10Hz 程度)の振動下においても発電可能であることがわかった。
今後、MEMS 技術を用いた EH の開発を目指し、小型化を図る。小型化により日常の生活で携帯する事が出来、モバイル端末等の補助電源として用途が広がる可能性がある。加速度センサや角速度センサと同様に大きな市場が創出される可能性があると考える。

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