JP6915367B2 - 発電デバイス - Google Patents

Description

本発明は、発電デバイスに関する。

発電の方法として振動エネルギーを利用した振動発電が検討されている。振動発電は、加えられた圧力に応じた歪みに応じて電圧が発生するという圧電体の圧電効果を利用する発電方式である。圧電体を構成する材料としてはセラミックなどが知られている。また特許文献１には、ポリマーエレクトレット（高分子重合体の電石）からなる圧電フィルムを利用した圧電体が開示されている。

特開２０１４−２０７３９１号公報

振動発電においては、共振を利用することにより発電効率を向上させることができる。発電効率は共振周波数において大きく向上する。これに対し、一般的な環境下における振動（環境振動）の多くは低周波数の振動である。低周波数の環境振動を利用した振動発電を効率よく行うためは、充分に低い共振周波数を有する発電デバイスが求められている。またそのような発電デバイスとして、加工性や柔軟性の高いポリマーからなる圧電フィルムを利用した発電デバイスの開発が望まれている。

そこで、ポリマーエレクトレットからなる圧電フィルムを含む発電デバイスであって、低周波数の環境振動を利用して効率的に発電できる発電デバイスを提供することを目的の１つとする。

本発明に従った発電デバイスは、圧電ユニットと、おもりとを備える。圧電ユニットは、ポリマーエレクトレットからなる圧電フィルムと、圧電フィルムを厚み方向において挟む第１の電極及び第２の電極とを含む圧電素子と、第１の電極の、圧電フィルムと接触する側とは反対側に配置される、発電デバイスの共振周波数を２００Ｈｚ以下に調整する弾性部材とを含む。おもりは圧電素子および弾性部材に荷重を負荷するように配置される。

本発明によれば、ポリマーエレクトレットからなる圧電フィルムを含む発電デバイスであって、低周波数の環境振動を利用して効率的に発電できる発電デバイスを提供することが可能となる。

実施の形態１に係る発電デバイスの一例を示す模式図である。 圧電素子の模式的断面図である。 発電デバイスを備えた発電システムを説明するためのブロック図である。 実施の形態２に係る発電デバイスの一例を示す模式図である。 実施の形態３に係る発電デバイスの一例を示す模式図である。 実施の形態４に係る発電デバイスの一例を示す模式図である。 実施の形態５に係る発電デバイスの一例を示す模式図である。 実施の形態６に係る発電デバイスの一例を示す模式図である。 実施の形態７に係る発電デバイスの一例を示す模式図である。 実施の形態８に係る発電デバイスの一例を示す模式図である。 実施の形態９に係る発電デバイスの一例を示す模式図である。 実施の形態１０に係る発電デバイスの一例を示す模式図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。本願の発電デバイスは、圧電ユニットと、おもりとを備える。圧電ユニットは、ポリマーエレクトレットからなる圧電フィルムと、圧電フィルムを厚み方向において挟む第１の電極及び第２の電極とを含む圧電素子と、第１の電極の、圧電フィルムと接触する側とは反対側に配置される、発電デバイスの共振周波数を２００Ｈｚ以下に調整する弾性部材とを含む。おもりは圧電素子および弾性部材に荷重を負荷するように配置される。

上記発電デバイスは、ポリマーエレクトレットからなる圧電フィルムの圧電効果により発電を行うデバイスである。おもりが存在すると共振が生じ、発電デバイスのＱ値が上昇する。Ｑ値は品質係数とも呼ばれ、振動においては、この値が大きいほど振動が安定であることを意味する。また振動発電を利用する発電デバイスの発電量はＱ値が高くなるほど大きくなる。発電量は、Ｑ値の二乗に比例するからである。すなわち、おもりを使用することにより、発電デバイスのＱ値を高め、発電効率を向上させることができるが、実用的なサイズのおもりを載せただけでは共振周波数は１０００Ｈｚを超えた高周波域にあり、低周波の環境振動の共振を利用することができない。たとえば、４０ｍｍ×４０ｍｍの平面方向の寸法において、厚み１．０１ｍｍの圧電素子の上に同じく４０ｍｍ×４０ｍｍの平面方向の寸法であって、例えばＳＵＳ４４０製の密度７．７ｇ／ｃｍ^３のおもりを載せる場合について説明すると、おもりが厚いほど共振周波数は小さくなる。しかしながら、おもりの厚み１００ｍｍでもｋ（キロ）Ｈｚ以上のオーダーとなるといった具合で実用上不十分である。本願発明では発電デバイスの共振周波数を２００Ｈｚ以下に調整する弾性部材を含むことにより、発電デバイスの共振周波数が環境振動に対応した周波数の範囲内になるよう制御することを特長とする。これらの構成を有する上記発電デバイスにより、環境振動を利用して効率よく発電することができる。発電された電気エネルギーは、第１の電極及び第２の電極を通じて外部に取り出すことができる。

上記発電デバイスにおいて、おもりは圧電ユニットと接触するように配置されてもよい。おもりが圧電ユニットに接触して配置されることにより、圧電素子への振動の伝達が効率良く行われ、発電効率が向上する。

上記発電デバイスにおいて、弾性部材はエラストマーからなる第１の弾性部材を含んでもよい。エラストマーからなる第１の弾性部材を含むことで、圧電素子に対して均一に負荷がかかり、出力される電気を、乱れの少ない正弦波に近い電気として取り出すことが容易となる。

上記発電デバイスにおいて、第１の弾性部材のヤング率は１ＭＰａ以下であってもよい。エラストマー弾性部材のヤング率が１ＭＰａ以下であることにより、より確実に発電デバイスの共振周波数を低減することが可能となる。

ここで、ヤング率が５００ｋ（キロ）Ｐａ（０．５ＭＰａ）の弾性部材について説明すると以下の通りである。なお、弾性部材のポアソン比は、０．４９とし、密度を１．１ｇ／ｃｍ^３とする。４０ｍｍ×４０ｍｍの平面方向の寸法において、厚みを６ｍｍとした弾性部材の上に同じく４０ｍｍ×４０ｍｍの平面方向の寸法、厚み１ｍｍの圧電素子を載せる。その上に同じく４０ｍｍ×４０ｍｍの平面方向の寸法であって、例えばＳＵＳ４４０製の密度７．７ｇ／ｃｍ^３のおもりを載せるとする。ここで、おもりの厚みを５０ｍｍとし、おもりのＸＹ方向の変位を固定した場合の共振周波数は１６９Ｈｚである。おもりの厚みを７５ｍｍとし、おもりのＸＹ方向の変位を固定した場合の共振周波数は１３９Ｈｚである。また、弾性部材の厚みを１２ｍｍとし、おもりの厚みを５０ｍｍとし、おもりのＸＹ方向の変位を固定した場合の共振周波数は８２Ｈｚである。弾性部材の厚みを１２ｍｍとし、おもりの厚みを７５ｍｍとし、おもりのＸＹ方向の変位を固定した場合の共振周波数は６７Ｈｚである。なお、共振周波数の目標を１００Ｈｚ以下とする場合、ヤング率を約０．５ＭＰａ以下とする必要がある。

上記発電デバイスにおいて、第１の弾性部材の損失係数ηは０．５以下であってもよい。損失係数ηが小さいほど発電量を向上することができ、損失係数ηが０．５以下であれば充分な発電量を確保することが容易となる。

上記発電デバイスにおいて、上記エラストマーはシリコーンゴムであってもよい。上記エラストマーはウレタンやシリコーンゴム、又は発泡構造によりエラストメリックな特性を有するものであってもよい。中でもシリコーンゴムは小さい損失係数と低弾性を両立できるため望ましい。

上記発電デバイスにおいて、弾性部材はダイヤフラムからなる第２の弾性部材を含んでもよい。弾性部材がダイヤフラムからなる第２の弾性部材を含むことにより、充分に共振周波数を低減することが可能となる。

上記発電デバイスにおいて、圧電フィルムは多孔質体からなるものであってもよい。ポリマーエレクトレット内に気孔が存在することによって感圧時に厚みが変動することにより圧電性が生じるからである。

上記発電デバイスにおいて、圧電フィルムはフッ素含有樹脂からなるものであってもよい。フッ素含有樹脂からなる圧電フィルムを採用することで好適な圧電特性と好適な耐熱性、耐環境特性を発揮することができる。

圧電フィルムの厚みは１μｍ以上が好ましい。あまりに薄すぎるとハンドリング性が悪くなるためである。５μｍ以上であれば、なお好ましい。電極で挟んだ圧電フィルムを積層することにより発電量が増加するため圧電フィルムは積層することが望ましい。圧電フィルムの厚みについては、１００μｍ以下が望ましく、５０μｍ以下がさらに望ましい。たとえば、厚みが３０μｍの圧電フィルムを５０μｍのアルミニウム箔で挟んだ構造の場合、積層数を１２から４に変更しても共振点は８１．９Ｈｚから８２．０Ｈｚにしか変わらない。

上記発電デバイスは、圧電ユニットから見ておもりとは反対側に配置された、支持体マグネット部を含む第１の支持体をさらに備えてもよい。おもりは、支持体マグネット部により磁気的に吸引される、強磁性体からなるおもり強磁性体部を含んでもよい。おもりと吸引性支持体の間に磁気的吸引力が作用するようにすることにより、疑似的におもりにかかる重力加速度を増加させる結果、Ｑ値が大きくなる。すなわち、圧電フィルムの変形度を向上させ、発電効率を向上させることができる。

上記発電デバイスは、圧電ユニットから見ておもりとは反対側に配置された第２の支持体をさらに備えていてもよい。おもりはマグネットからなるおもりマグネット部を含んでいてもよい。第２の支持体は、おもりが有するおもりマグネット部により磁気的に吸引される。第２の支持体は、例えば強磁性体、又はおもりマグネット部との間で磁気的吸引力が作用する吸引性磁石を含む。おもりと支持体の間に磁気的な吸引力が作用するようにすることにより、圧電フィルムの表面に対して平行な方向への発電デバイスの動きを抑制し、圧電フィルムの厚み方向への振動をより大きくすることができる。

上記発電デバイスは、圧電ユニットから見ておもりとは反対側に配置された、支持体反発マグネット部を含む第３の支持体をさらに備えていてもよい。おもりはマグネットからなるおもりマグネット部を含んでいてもよい。第３の支持体と、おもりとは磁気的に反発してもよい。多孔質体からなる圧電フィルムは非振動時の初期荷重が大きいと孔が潰れるため発電量が低下する（圧電歪み定数ｄ値が低下する）傾向がある。そのため、磁石の反発力を利用して圧電フィルムにかかる初期荷重を低下させることにより、発電効率を向上させることができる。

上記発電デバイスは、圧電ユニット、およびおもりを取り囲む筐体と、筐体内であって、おもりと筐体との間に設けられ、おもりの圧電ユニットにかかる荷重を調整する第１の荷重調整部材とをさらに備えていてもよい。第１の荷重調整部材により圧電フィルムにかかる初期荷重が低下する。それにより、発電デバイスの発電効率を向上させることができる。また第１の荷重調整部材によりおもりが圧電ユニット側へ付勢される場合には、共振周波数を更に低周波数側に調整することが可能となる。

上記発電デバイスは、圧電ユニットから見ておもりとは反対側に配置された第４の支持体と、おもりと第４の支持体との間であって圧電ユニットが設けられた位置を避けた位置に設けられ、おもりの圧電ユニットにかかる荷重を調整する第２の荷重調整部材とをさらに備えていてもよい。第２の荷重調整部材により圧電フィルムにかかる初期荷重が低下する。それにより、発電デバイスの発電効率を向上させることができる。また第２の荷重調整部材によりおもりが圧電ユニット側へ付勢される場合には、共振周波数を更に低周波数側に調整することが可能となる。

なお、上記発電デバイスにおいて、マグネットによる荷重印加については、マグネット等だけでなく、バネを用いることによっても対応することができる。さらに、静電的な吸着チャックや電磁石を用いることもできる。電磁石の場合、電流を要することになるが、電流の大きさを変えることにより、荷重、ひいては共振周波数を調整することができる。

［本願発明の実施形態の詳細］
次に、本願の発電デバイスの実施の形態を、図１〜図１２を参照しつつ説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
［発電デバイスの構造］
図１〜図３を参照して、本実施の形態に係る発電デバイスを説明する。図１は発電デバイスの一例を示す模式図である。図１を参照して、発電デバイス１０は、おもり１２と、圧電ユニット２０とを備える。圧電ユニット２０は圧電素子１４と、第１の弾性部材であるゴム部材１６とを含む。図１において、ｚ軸の負の向きが重力が作用する向きである。すなわち、おもり１２は圧電素子１４およびゴム部材１６に対し荷重を負荷している。

おもり１２は圧電素子１４の主面１４Ａ側に、圧電ユニット２０と接触するように配置されている。ゴム部材１６は、圧電素子１４の主面１４Ｂ側に配置されている。圧電素子１４は、発電された電気を取り出すための電気回路５０と電気的に接続されている。ゴム部材１６、圧電素子１４及びおもり１２は、ゴム部材１６が鉛直方向下側となるようにこの順に積み重ねられている。

発電デバイス１０は、圧電素子１４およびゴム部材１６に対しおもり１２による荷重が適切に負荷されるように、おもり１２に対して圧電素子１４およびゴム部材１６が鉛直方向下側になるように設置して使用される。

本実施の形態において、発電デバイス１０のｘ軸方向の幅Ｗは４０ｍｍである。おもり１２のｚ軸方向の高さｈ_１は５０ｍｍまたは７５ｍｍである。圧電素子１４のｚ軸方向の高さｈ_２は１ｍｍである。またゴム部材１６のｚ軸方向の高さｈ_３は５ｍｍ〜１２ｍｍである。但しこれらは一例であり、発電デバイス１０及び各部材の大きさは特にこれらに限定されない。また図示していないが、ｚ軸方向と垂直な断面におけるｘ軸と垂直な方向（ｙ方向）の幅についても、ｘ軸方向の幅Ｗと同程度に設定してもよい。

次に発電デバイス１０を構成する部材についてそれぞれ説明する。おもり１２は、圧電素子１４および第１の弾性部材であるゴム部材１６に対し荷重を負荷する。おもり１２の材質は特に限定されないが、高比重の金属や、樹脂に高比重の金属のフィラーを充填したものが好ましい。上記高比重の金属としては、例えばステンレス鋼、鉛、タングステンなどが挙げられる。

本実施の形態においては、弾性部材（第１の弾性部材）としてシリコーンゴム製のゴム部材１６を使用する。ゴム部材１６は発電デバイス１０の共振周波数を２００Ｈｚ以下に調整する。ゴム部材１６を構成するシリコーンゴムはエラストマーの１種である。エラストマーからなる弾性部材を使用することで、圧電素子１４に対して均一に負荷がかかり、出力される電気を、乱れの少ない正弦波に近い電気として取り出すことができる。

また第１の弾性部材のヤング率は１ＭＰａ以下であるのが好ましく、０．７ＭＰａ以下であるのがさらに好ましい。このようなヤング率を有する弾性部材を使用することで、より確実に発電デバイス１０の共振周波数を低減することが可能となる。上記ヤング率は、以下のように測定した。精密万能試験機ＡＧ−２５０ｋＮＩ Ｍ１（株式会社島津製作所製）を用いて直径２０ｍｍ、厚み１８ｍｍのサンプルに徐々に荷重を負荷するに当たっての圧力とサンプル厚みの関係から導いた。具体的には、２Ｎ（０．００６４ＭＰａ）負荷時のサンプル厚みと、５Ｎ（０．０１５ＭＰａ）負荷時のサンプル厚みの差を元のサンプル厚み（１８ｍｍ）で除して導く「サンプル圧縮率（％）」で、２Ｎ負荷時と５Ｎ負荷時の圧力差：０．００９５ＭＰａを除して求めた。

さらに、第１の弾性部材の損失係数ηは０．５以下であるのが好ましく、０．４５以下であるのがより好ましい。損失係数ηとは材料の制振特性の評価指標の一つであり、損失正接（ｔａｎδ）とも呼ばれる。第１の弾性部材の損失係数ηは動的粘弾性測定装置によって測定することができる。損失係数ηが大きいほどエネルギーを吸収し、制振特性が高いことを意味する。使用環境における弾性部材の損失係数（ｔａｎδ）は、ＤＭＳにて測定することができる。具体的には幅１０ｍｍ、厚み１ｍｍの短冊状のサンプルをチャック間２０ｍｍで保持し、５μｍの歪みを与えて測定することができる。

ここで圧電素子１４を用いた発電デバイス１０の発電量は、上述したＱ値の２乗に比例することが知られている。損失係数ηが小さくなるほどこのＱ値は大きくなり、発電量が向上する。したがって、充分なＱ値を確保し、それにより充分な発電量を確保するために、第１の弾性部材の損失係数ηは０．５以下であるのが好ましい。

弾性部材には低ヤング率且つ低損失係数のものが好適であり、エラストマーは比較的好適な材料である。エラストマーは通常レジリエントな構造体であるが、ヤング率を低くすると構造体を動きやすくすることになるため、損失係数ηを低くすることは難しくなる。本発明者らは種々検討の結果、構造体を動きやすくし、且つ損失係数ηを低くする目的に対してはシリコーンゴムが好適であることを見出した。シリコーンゴムはシリコーン樹脂を架橋させたものであり、シリコーンポリマーと架橋剤とを混ぜることで所望の特性が得られるというものである。

上記シリコーンゴムの一例としては、東レ・ダウコーニング株式会社製のＤＯＷ ＣＯＲＮＩＮＧ ＴＯＲＡＹ ＳＩＬＰＯＴ １８４ Ｗ／Ｃから得られるシリコーンゴムが挙げられる。ここで、シリコーンゴム形成時の主剤：硬化剤の配合を１９：１とすることにより、ヤング率０．５ＭＰａ、室温、１００Ｈｚでの損失係数０．３５のシリコーンゴム製のフィルムを得ることができる。

図１および図２を参照して、圧電素子１４は、ポリマーエレクトレットからなる圧電フィルム３０と、圧電フィルム３０を厚み方向（ｚ軸方向）において挟む第１の電極３２及び第２の電極３４と、保護層３６，３８とを含む。なおエレクトレットは半永久的に電荷を保持する誘電体（絶縁体）である。

圧電フィルム３０は、層内に気孔４０を有する層状の多孔質体からなる。層内に気孔４０が存在することによって適切に電荷を補足できる。そのため、多孔質体のポリマーエレクトレットを圧電フィルム３０として採用することで好適な圧電特性を発揮することができる。多孔質体であることにより、圧力に対して不均一な変形が起こる。この変形により電荷の相対位置も不均一になり、分極が促進され圧電性が発現する。

圧電フィルム３０の気孔率は、コロナ放電等の圧電処理時に電荷を適切に補足できる範囲であれば特に限定されない。上記気孔率は、１０％以上が好ましく、１５％以上がより好ましい。また上記気孔率は、４０％以下が好ましく、３５％以下がより好ましい。上記気孔率が大きすぎると、繰り返し付与される負荷に対する耐久性が低くなり、経時的な変形が生じることで圧電特性が変化してしまうおそれがある。一方、気孔率が小さすぎると、負荷に対する変形量が小さくなり、十分な圧電特性を発現できないおそれがある。気孔率は、例えば圧電フィルム３０の見かけの体積（Ｖ）に占める気孔体積（Ｖ_０）の割合をいい、下記式により求められる。

気孔率（％）＝（Ｖ_０／Ｖ）×１００

圧電フィルム３０はフッ素含有樹脂からなる。フッ素含有樹脂からなるポリマーエレクトレットを圧電フィルム３０として適用することにより、好適な圧電特性を発揮することができる。

フッ素含有樹脂としては、例えばフルオロエチレンを単量体単位として含むフルオロエチレン重合体が挙げられる。フルオロエチレン重合体としては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ：Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｙｌｅｎｅ−ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｙｌｖｉｎｙｌｅｔｈｅｒ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ：Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｙｌｅｎｅ−ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＥＰＡ：Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｙｌｅｎｅ−ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏｐｒｏｐｙｌｅｎｅ−ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｙｌｖｉｎｙｌｅｔｈｅｒ ｔｅｒｐｏｌｙｍｅｒ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ：Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ−ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）、ポリクロロ・テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体等が挙げられる。これらの中でも、ＰＴＦＥが好ましい。ＰＴＦＥの多孔体は電荷のトラップ能力に優れる点で好ましい。ＰＴＦＥは、他の１種以上のフルオロエチレン重合体との混合物として使用することもできる。ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＥＰＡ等のテトラフルオロエチレン共重合体は、ランダム共重合体、ブロック共重合体、ペンダント型共重合体のいずれであってもよい。

フッ素含有樹脂からなる層状の多孔質体に対して、コロナ放電等による圧電処理を行うことにより、多孔質体が圧電特性を有するようになり、ポリマーエレクトレットである圧電フィルム３０が形成される。

第１の電極３２及び第２の電極３４は、圧電フィルム３０を挟むようにして配置される。第１の電極３２及び第２の電極３４を外部の電気回路５０と接続することで、圧電フィルム３０に発生した電気エネルギーを外部に取り出すことができる。

第１の電極３２及び第２の電極３４は、例えば圧電フィルム３０の表面に蒸着等により金属膜を形成することで得ることができる。第１の電極３２及び第２の電極３４の各表面と圧電フィルム３０の表面とは個別に動き得る状態にある方が良い。第１の電極３２及び第２の電極３４の各表面と圧電フィルム３０の表面が接着されていない若しくは部分的にのみ接着されていることにより、電極により圧電フィルム３０の変形が阻害されることがないため高い圧電性が得られるためである。また電極の表面と、対面する圧電フィルム３０の表面の位置関係の変化により圧電フィルム３０の表面電荷により誘起される電極表面の電荷量が変動する。すなわち、発電に寄与することができるからである。第１の電極３２及び第２の電極３４は、電気特性、価格、入手容易性、薄膜加工が可能であることから銅箔又はアルミニウム箔からなるのが好ましく、特にアルミニウム箔からなるのが好ましい。

アルミニウム箔の厚みは薄すぎると破損するおそれが高くなるため１μｍ以上が好ましく、１０μｍ以上が更に好ましい。積層による発電量を増す際に厚みが厚くなり過ぎず発電デバイス１０の設計の自由度が確保できる様に５０μｍ以下が好ましく、２０μｍ以下が更に好ましい。本発明者らの検討結果によると、５０μｍ厚のアルミニウム箔を用いた発電デバイス１０と、１８μｍ厚のアルミニウム箔を用いた発電デバイス１０の発電量を比較した場合、１８μｍ厚のアルミニウム箔を用いた発電デバイス１０の方が、５０μｍ厚のアルミニウム箔を用いた発電デバイス１０に対して有意に発電量が多いことが実際に確認されている。

圧電素子１４は、第１の電極３２及び第２の電極３４を保護するための保護層３６，３８を備えていてもよい。保護層３６，３８は、圧電フィルム３０の表面に耐湿性、耐衝撃性等を付与するものである。これらの保護層３６，３８は、例えばポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリプロピレンフィルム等の樹脂フィルムを、接着剤で貼り付けることで形成することができる。なお、保護層３６，３８は必須ではなく省略が可能である。

上記発電デバイス１０による発電は、ポリマーエレクトレットからなる圧電フィルム３０の圧電効果を利用する。圧電素子１４の圧電フィルム３０に振動が伝わると、電荷の相対位置の変動により圧電フィルム３０内で分極が生じ発電される。発電効率は、共振周波数において大きく向上する。またおもり１２の存在により、発電デバイス１０のＱ値が向上する。さらにゴム部材１６により、発電デバイス１０の共振周波数が調整される。その結果、環境振動を効率よく利用し、充分な発電効率を有する発電を行うことができる発電デバイス１０を提供することが可能となる。

［発電システム］
発電デバイス１０に対し外部の電気回路５０を電気的に接続することで、発電デバイス１０から電気エネルギーを外部に取り出すことができる。図３は発電デバイス１０を備えた発電システムを説明するためのブロック図である。図１及び図３を参照して、電気回路５０は、整流器５１、及び二次電池５２を含む蓄電回路として構成されている。電気回路５０は、発電デバイス１０の第１の電極３２及び第２の電極３４と接続される。電気回路５０は、発電デバイス１０から第１の電極３２及び第２の電極３４を介して電気エネルギーを取り出すものである。

整流器５１は、発電デバイス１０から出力される交流電圧を直流電圧に変換するものである。二次電池５２は、発電デバイス１０からの出力される電気エネルギーを蓄えるものである。二次電池５２に、外部の電気部品等を接続することにより、二次電池５２に蓄えられた電気エネルギーが放出される。なお、整流器５１と二次電池５２との間に充電電圧をコントロールするための昇圧/降圧のためのＤＣ−ＤＣコンバーターを含んでいてもよい。また、二次電池５２はキャパシタであってもよい。

以上が実施の形態１の内容である。実施の形態１に係る上記発電デバイス１０は、ポリマーエレクトレットからなる圧電フィルム３０を含む。樹脂製のポリマーエレクトレットは柔軟性を有するので衝撃で割れにくいという利点を有する。また容易に大面積の圧電体を製造することができる。また層状のポリマーエレクトレットを積層し多層体とすることで、さらに電力効率を向上させることもできる。このため上記発電デバイス１０は、広い応用範囲に適用することが可能である。

またポリマーエレクトレットそのものはＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）等の圧電セラミックに比べると単位体積当たりの発電効率が小さいことが課題であるが、上記のような構造を有することにより、振動発電による発電デバイス１０として充分な発電効率を達成することができる。特に発電デバイス１０の共振周波数を２００Ｈｚ以下に調整する弾性部材としてのゴム部材１６と、圧電素子１４およびゴム部材１６に荷重を負荷するおもり１２とを備えることにより、低周波数の環境振動から効率的に発電できる発電デバイス１０を提供することができる。

（実施の形態２）
次に図４を参照して、実施の形態２に係る発電デバイス１０を説明する。図４は実施の形態２に係る発電デバイス１０の一例を示す模式図である。

図４を参照して、実施の形態２における発電デバイス１０は、実施の形態１における発電デバイス１０と同様に、おもり１２と、圧電ユニット２０とを備える。圧電ユニット２０は圧電素子１４と、第１の弾性部材であるゴム部材１６とを含む。但し、実施の形態１における発電デバイス１０とでは、ゴム部材１６と圧電素子１４の配置位置が異なる。具体的には、圧電素子１４、ゴム部材１６及びおもり１２は、圧電素子１４が鉛直方向下側となるようにこの順に積み重ねられている。この場合、圧電素子１４から見て主面１４Ａ側にはおもり１２とゴム部材１６の両方が配置されている。おもり１２は、圧電素子１４とゴム部材１６に対してｚ軸に沿って正の方向（上方）に配置される。このように配置されることにより、圧電素子１４とゴム部材１６の両方に対し、おもり１２による荷重が負荷される。

実施の形態２に係る発電デバイス１０は低周波数の環境振動に適合する充分に低い（具体的には２００Ｈｚ以下の）共振周波数を有する。そのため実施の形態２に係る発電デバイス１０においても、実施の形態１と同様に、低周波数の環境振動を利用して効率的に発電することが可能である。さらにそれ以外の有利な効果についても、実施の形態１と同様に発揮される。

（実施の形態３）
次に図５を参照して、実施の形態３に係る発電デバイス１０を説明する。図５は実施の形態３に係る発電デバイス１０の一例を示す模式図である。

図５を参照して、実施の形態３における発電デバイス１０は、実施の形態１における発電デバイス１０と同様に、おもり１２と、圧電ユニット２０とを備える。圧電ユニット２０は圧電素子１４と、第１の弾性部材であるゴム部材とを含む。但し、実施の形態３における発電デバイス１０は、ゴム部材を複数含む点で実施例１とは異なる。複数のゴム部材１６ａ，１６ｂは、圧電素子１４を厚み方向の上下から挟むように配置されている。ゴム部材１６ａは圧電素子１４の主面１４Ａ側に配置されている。ゴム部材１６ｂは圧電素子１４の主面１４Ｂ側に配置されている。ゴム部材１６ａおよびゴム部材１６ｂのそれぞれの鉛直方向の厚みは、実施の形態１におけるゴム部材１６の厚みの約半分である。

実施の形態３における発電デバイス１０においては、ゴム部材１６ｂ、圧電素子１４、ゴム部材１６ａ及びおもり１２は、ゴム部材１６ｂが鉛直方向下側となるようにこの順に積み重ねられている。おもり１２は、ゴム部材１６ｂと、圧電素子１４と、ゴム部材１６ａとに対してｚ軸に沿って正の方向（上方）に配置される。このように配置されることにより、ゴム部材１６ｂと、圧電素子１４と、ゴム部材１６ａとに対し、おもり１２による荷重が負荷される。

実施の形態３に係る発電デバイス１０は低周波数の環境振動に適合する充分に低い（具体的には２００Ｈｚ以下の）共振周波数を有する。そのため実施の形態２に係る発電デバイス１０においても、実施の形態１と同様に、低周波数の環境振動を利用して効率的に発電することが可能である。さらにそれ以外の有利な効果についても、実施の形態１と同様に発揮される。

（実施の形態４）
次に図６を参照して、実施の形態４に係る発電デバイス１０を説明する。図６は実施の形態４に係る発電デバイス１０の一例を示す模式図である。

図６を参照して、実施の形態４における発電デバイス１０は、実施の形態１における発電デバイス１０と同様に、おもり１２と、圧電ユニット２０とを備える。但し、圧電ユニット２０は、圧電素子１４と、弾性部材として、第１の弾性部材であるゴム部材１６に代えて、第２の弾性部材であるダイヤフラム部材１８とを含む。ダイヤフラム部材１８、圧電素子１４及びおもり１２は、ダイヤフラム部材１８が鉛直方向下側となるようにこの順に積み重ねられている。このように配置されることにより、ダイヤフラム部材１８と圧電素子１４の両方におもり１２による荷重が負荷される。

ダイヤフラム部材１８を構成するダイヤフラムは圧力の作用に応じて変位する金属又は非金属の薄膜である。ダイヤフラム部材１８は、柱状体の頂面において開口し、鉛直方向に沿った断面において中空の凹部を有する形状の支持体と、上記頂面を閉じるように、その外周が支持体により固定されたダイヤフラムとを備える。本実施の形態において使用されるダイヤフラムの厚みは０．２ｍｍである。

ダイヤフラム部材１８は、ゴム部材１６と同様に、発電デバイス１０の共振周波数を２００Ｈｚ以下に下げる効果を有する。実施の形態４に係る発電デバイス１０は低周波数の環境振動に適合する充分に低い（具体的には２００Ｈｚ以下の）共振周波数を有する。そのため、実施の形態４に係る発電デバイス１０においても、低周波数の環境振動を利用して効率的に発電することが可能である。さらにそれ以外の有利な効果についても、実施の形態１と同様に発揮される。

（実施の形態５）
次に図７を参照して、実施の形態５に係る発電デバイス１０を説明する。図７は実施の形態５に係る発電デバイス１０の一例を示す模式図である。

図７を参照して、実施の形態５における発電デバイス１０は、おもり１２と、圧電ユニット２０とを備える。圧電ユニット２０は、圧電素子１４と、弾性部材として、ゴム部材１６（第１の弾性部材）とダイヤフラム部材１８（第２の弾性部材）の両方を含む。ダイヤフラム部材１８、ゴム部材１６、圧電素子１４及びおもり１２は、ダイヤフラム部材１８が鉛直方向下側となるようにこの順に積み重ねられている。なお、図７において、圧電素子１４の位置と、ゴム部材１６の位置とは入れ替えが可能である。

実施の形態５に係る発電デバイス１０は低周波数の環境振動に適合する充分に低い（具体的には２００Ｈｚ以下の）共振周波数を有する。また弾性部材として、ゴム部材１６とダイヤフラム部材１８とを併用することで、ゴム部材１６を単独で使用する場合（実施の形態１及び実施の形態２）、又はダイヤフラム部材１８を単独で使用する場合（実施の形態４）と比較して、相乗効果により共振周波数をさらに低減することができる。その結果、実施の形態５に係る発電デバイス１０は、ゴム部材１６又はダイヤフラム部材１８の単独使用の場合と比較して、より高い発電性能を発揮することができる。

（実施の形態６）
次に図８を参照して、実施の形態６に係る発電デバイス１０を説明する。図８は実施の形態６に係る発電デバイス１０の一例を示す模式図である。

図８を参照して、実施の形態６における発電デバイス１０は、おもり１２と、圧電ユニット２０と、第１の支持体２２とを備える。圧電ユニット２０は圧電素子１４と、第１の弾性部材であるゴム部材１６とを含む。第１の支持体２２、ゴム部材１６、圧電素子１４及びおもり１２は、第１の支持体２２が鉛直方向下側となるようにこの順に積み重ねられている。このように配置されることにより、圧電素子１４とゴム部材１６の両方におもり１２による荷重が負荷される。第１の支持体２２とおもり１２とは圧電ユニット２０を挟むように配置される。

第１の支持体２２はマグネットからなる支持体マグネット部を含む。第１の支持体２２全体がマグネットからなるものであってもよい。図８に示す例においては、第１の支持体２２全体がマグネットからなる。

おもり１２は、支持体マグネット部により磁気的に吸引される、強磁性体からなるおもり強磁性体部を含む。好ましくはおもり１２全体が強磁性体からなる。図８に示す例においてはおもり１２全体が強磁性体からなる。

実施の形態６に係る発電デバイス１０は低周波数の環境振動に適合する充分に低い（具体的には２００Ｈｚ以下の）共振周波数を有する。また本実施の形態においては、おもり１２が支持体マグネット部を含む第１の支持体２２により磁気的にｚ軸の負の方向へ吸引される。この磁気的な吸引力により、発電デバイス１０のｚ軸に垂直な面内の動き（圧電フィルム３０の表面に対して平行な方向への動き）が抑制される。これによりｚ軸方向の振動を圧電フィルム３０に対し効率よく伝えることができる。また、疑似的におもりにかかる重力加速度を増加させる結果、Ｑ値が大きくなる。すなわち、圧電フィルム３０の変形度を向上させ、発電効率を向上させることができる。

（実施の形態７）
次に図９を参照して、実施の形態７に係る発電デバイス１０を説明する。図９は実施の形態７に係る発電デバイス１０の一例を示す模式図である。

図９を参照して、実施の形態７における発電デバイス１０は、おもり１２と、圧電ユニット２０と、第２の支持体２４とを備える。圧電ユニット２０は圧電素子１４と、第１の弾性部材であるゴム部材１６とを含む。第２の支持体２４、ゴム部材１６、圧電素子１４及びおもり１２は、第２の支持体２４が鉛直方向下側となるようにこの順に積み重ねられている。このように配置されることにより、圧電素子１４とゴム部材１６の両方に対し、おもり１２による荷重が負荷される。第２の支持体２４とおもり１２とは圧電ユニット２０を挟むように配置される。

おもり１２は、マグネットからなるおもりマグネット部を含む。おもり１２全体がマグネットからなるものであってもよい。図９に示す例においては、おもり１２全体がマグネットからなる。

第２の支持体２４は、おもりマグネット部により磁気的に吸引される材質からなる部分を含む。一例として、第２の支持体２４は強磁性体を含む、または強磁性体からなる強磁性体部を含む。また別の一例として、第２の支持体２４は、おもりマグネット部との間で磁気的吸引力が作用する吸引性のマグネットからなるマグネット部を含む。

実施の形態７に係る発電デバイス１０は低周波数の環境振動に適合する充分に低い（具体的には２００Ｈｚ以下の）共振周波数を有する。また本実施の形態において、第２の支持体２４が第２の支持体２４が強磁性体部を含む場合、おもり１２の磁力により第２の支持体２４が磁気的にｚ軸の正の方向へ吸引される。また第２の支持体２４がおもりマグネット部との間で磁気的吸引力を作用させる吸引性のマグネット部を含む場合、おもり１２と第２の支持体２４がｚ軸に沿って磁気的に吸引し合う。この磁気的な吸引力により、発電デバイス１０のｚ軸に垂直な面内の動き（圧電フィルム３０の表面に対して平行な方向への動き）が抑制される。これによりｚ軸方向の振動を圧電フィルム３０に対し効率よく伝えることができる。また、疑似的におもりにかかる重力加速度を増加させる結果、Ｑ値が大きくなる。すなわち、圧電フィルム３０の変形度を向上させ、発電効率を向上させることができる。

（実施の形態８）
次に図１０を参照して、実施の形態８に係る発電デバイス１０を説明する。図１０は実施の形態８に係る発電デバイス１０の一例を示す模式図である。

図１０を参照して、実施の形態８における発電デバイス１０は、おもり１２と、圧電ユニット２０と、第３の支持体２６とを備える。圧電ユニット２０は圧電素子１４と、第１の弾性部材であるゴム部材１６とを含む。第３の支持体２６、ゴム部材１６、圧電素子１４及びおもり１２は、第３の支持体２６が鉛直方向下側となるようにこの順に積み重ねられている。このように配置されることにより、圧電素子１４とゴム部材１６の両方に対し、おもり１２による荷重が負荷される。第３の支持体２６とおもり１２とは圧電ユニット２０を挟むように配置される。

実施の形態８において、おもり１２はマグネットからなるおもりマグネット部を含む。おもり１２全体がマグネットからなるものであってもよい。図１０に示す例においては、おもり１２全体がマグネットからなる。

第３の支持体２６は、おもりに対し磁気的に反発される支持体である。第３の支持体２６は、おもり１２に対して反発性を有するマグネットからなる支持体反発マグネット部を含む。第３の支持体２６全体が、おもり１２に対して反発性を有するマグネットからなるものであってもよい。図１０に示す例においては、第３の支持体２６全体が、おもり１２に対して反発性を有するマグネットからなる。

実施の形態８に係る発電デバイス１０は、低周波数の環境振動に適合する充分に低い（具体的には２００Ｈｚ以下の）共振周波数を有する。

多孔質体からなる圧電フィルム３０は、振動のない状態において付与される初期荷重が大きいと孔が潰れ発電量が低下する傾向がある。これは初期荷重が大きいと圧電歪定数ｄが低下することによる。圧電歪定数ｄが小さいと発電効率が下がることから圧電フィルム３０に付与される初期荷重は低いほうが望ましい。この場合、おもり１２を省略することも考えられるが、振動が発生している状態においては、おもり１２の加速度により圧電フィルム３０にはより大きな負荷が与えられ、振動による圧電フィルム３０の変形が大きくなる、という効果がある。そのため、おもり１２を必須構成要素としつつ、圧電フィルム３０にかかる初期荷重を低下させるために、おもり１２と第３の支持体２６との間に反発力を作用させ、その磁気的反発力を利用する。その結果、発電デバイス１０の発電効率を向上させることができる。

（実施の形態９）
次に図１１を参照して、実施の形態９に係る発電デバイス１０を説明する。図１１は実施の形態９に係る発電デバイス１０の一例を示す模式図である。

図１１を参照して、実施の形態９における発電デバイス１０は、おもり１２と、圧電ユニット２０と、筐体５４と、第１の荷重調整部材としてのバネ５６とを備える。圧電ユニット２０は圧電素子１４と、第１の弾性部材であるゴム部材１６とを含む。筐体５４は、おもり１２、圧電ユニット２０、およびバネ５６を取り囲むよう構成されている。バネ５６は、筐体５４内であって、おもり１２と筐体５４との間に設けられている。具体的には、バネ５６は、おもり１２の上面１２Ａと、上面１２Ａに対向する筐体５４の内方側に壁面５４Ａとの間に設けられている。バネ５６は、おもり１２の圧電ユニット２０にかかる荷重を調整する荷重調整部材である。

実施の形態９に係る発電デバイス１０は低周波数の環境振動に適合する充分に低い（具体的には２００Ｈｚ以下の）共振周波数を有する。また本実施の形態においては、第１の荷重調整部材であるバネ５６により圧電フィルム３０にかかる初期荷重が低下する。それにより、発電デバイス１０の発電効率が向上する。またバネ５６によりおもり１２が圧電ユニット２０側へ付勢される場合には、共振周波数を更に低周波数側に調整することが可能となる。

（実施の形態１０）
次に図１２を参照して、実施の形態１０に係る発電デバイス１０を説明する。図１２は実施の形態１０に係る発電デバイス１０の一例を示す模式図である。

図１２を参照して、実施の形態１０における発電デバイス１０は、おもり１２と、圧電ユニット２０と、第４の支持体５８と、第２の荷重調整部材としての複数のバネ６０，６２とを備える。図１２の例においては、バネ６０，６２を二つ図示している。圧電ユニット２０は圧電素子１４と、第１の弾性部材であるゴム部材１６とを含む。

第４の支持体５８は圧電ユニット２０から見ておもりとは反対側に配置されている。バネ６０，６２の両端はそれぞれ、おもり１２の下面１２Ｂと、第４の支持体５８の上面５８Ａとに取り付けられている。バネ６０，６２はそれぞれ、おもり２０と第４の支持体５８との間であって、圧電ユニット２０が設けられた位置を避けた位置、具体的には、圧電ユニット２０の側部に設けられている。

実施の形態１０に係る発電デバイス１０は低周波数の環境振動に適合する充分に低い（具体的には２００Ｈｚ以下の）共振周波数を有する。また本実施の形態においては、第２の荷重調整部材であるバネ６０，６２により圧電フィルム３０にかかる初期荷重が低下する。それにより、発電デバイス１０の発電効率を向上させることができる。またバネ６０，６２によりおもり１２が圧電ユニット２０側へ付勢される場合には、共振周波数を更に低周波数側に調整することが可能となる。

以上が各実施の形態の発電デバイス１０の内容である。以上説明した通り、上記実施の形態に係る発電デバイスによれば、ポリマーエレクトレットからなる圧電フィルムを含む発電デバイスであって、低周波数の環境振動を利用して効率的に発電できる発電デバイスを提供することが可能となる。

なお、複数のゴム部材１６ａ，１６ｂを有する実施の形態３（図５）を除き、各弾性部材においては単一のゴム部材１６を含む発電デバイス１０の例を示したが、他の実施例においても複数の弾性部材を備えていても構わない。また弾性部材のみならず、圧電素子１４などの他の部材についても、圧電素子１４および弾性部材１６，１８に荷重を負荷するようにおもり１２が配置される構成である限り各部材の数は単数に限られず、それぞれ複数の部材を備えていてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本願の発電デバイスは、低周波数の環境振動を利用した振動発電に特に有利に適用され得る。

１０ 発電デバイス
１２ おもり
１２Ａ 上面
１２Ｂ 下面
１４ 圧電素子
１４Ａ 主面
１４Ｂ 主面
１６ ゴム部材
１６ａ ゴム部材
１６ｂ ゴム部材
１８ ダイヤフラム部材
２０ 圧電ユニット
２２ 第１の支持体
２４ 第２の支持体
２６ 第３の支持体
３０ 圧電フィルム
３２ 第１の電極
３４ 第２の電極
３６ 保護層
３８ 保護層
４０ 気孔
５０ 電気回路
５１ 整流器
５２ 二次電池
５４ 筐体
５４Ａ 壁面
５６，６０，６２ バネ
５８ 第４の支持体
５８Ａ 上面

Claims (13)

1. 圧電ユニットと、
   おもりと、を備え、
   前記圧電ユニットは、
   ポリマーエレクトレットからなる圧電フィルムと、前記圧電フィルムを厚み方向において挟む第１の電極及び第２の電極とを含む圧電素子と、
   前記第１の電極の、前記圧電フィルムと接触する側とは反対側に配置される、発電デバイスの共振周波数を２００Ｈｚ以下に調整する、エラストマーからなる第１の弾性部材を含む弾性部材と、が積み重ねられており、
   前記おもりは、前記圧電素子および前記弾性部材に荷重を負荷するように配置される、発電デバイス。
2. 前記おもりは、前記圧電ユニットと接触するように配置される、請求項１に記載の発電デバイス。
3. 前記第１の弾性部材のヤング率は１ＭＰａ以下である、請求項１に記載の発電デバイス。
4. 前記第１の弾性部材の損失係数ηは０．５以下である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発電デバイス。
5. 前記エラストマーはシリコーンゴムである、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発電デバイス。
6. 前記弾性部材はダイヤフラムからなる第２の弾性部材を含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の発電デバイス。
7. 前記圧電フィルムは多孔質体からなる、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発電デバイス。
8. 前記圧電フィルムはフッ素含有樹脂からなる、請求項７に記載の発電デバイス。
9. 前記圧電ユニットから見て前記おもりとは反対側に配置された、支持体マグネット部を含む第１の支持体をさらに備え、
   前記おもりは、前記支持体マグネット部により磁気的に吸引される、強磁性体からなるおもり強磁性体部を含む、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の発電デバイス。
10. 前記圧電ユニットから見て前記おもりとは反対側に配置された第２の支持体をさらに備え、
    前記おもりはマグネットからなるおもりマグネット部を含み、
    前記第２の支持体は、前記おもりにより磁気的に吸引される、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の発電デバイス。
11. 前記圧電ユニットから見て前記おもりとは反対側に配置された、支持体反発マグネット部を含む第３の支持体をさらに備え、
    前記おもりはマグネットからなるおもりマグネット部を含み、
    前記第３の支持体と、前記おもりとは磁気的に反発する、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の発電デバイス。
12. 前記圧電ユニットおよび前記おもりを取り囲む筐体と、
    前記筐体内であって、前記おもりと前記筐体との間に設けられ、前記おもりの前記圧電ユニットにかかる荷重を調整する第１の荷重調整部材とをさらに備える、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の発電デバイス。
13. 前記圧電ユニットから見て前記おもりとは反対側に配置された第４の支持体と、
    前記おもりと前記第４の支持体との間であって前記圧電ユニットが設けられた位置を避けた位置に設けられ、前記おもりの前記圧電ユニットにかかる荷重を調整する第２の荷重調整部材とをさらに備える、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の発電デバイス。

Images