JP2005312269A - 振動による発電方法および振動式発電機および振動式発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 微小な振動による運動エネルギを電気エネルギに変換し、電力として取り出す振動による発電方法と発電機およびその発電装置を提供する。
【解決手段】 振動により錘１が下方向に変位すると、接触子１３が電極１５に接触しながら圧電素子１９を加圧して電圧を発生する。錘１が上方向に変位すると、接触子１４が電極１６に接触しながら圧電素子２０を加圧して電圧を発生する。圧電素子１９、２０の発生する電圧は互いに同極であり、圧電素子１９の電力は端子Ａ−Ｂ間から、圧電素子２０の電力は端子Ａ−Ｂ’間から接触子１３，１４と電極１５，１６の振動に連動した機械的なスイッチング動作により半周期ごとに連続的に出力される。一対の圧電素子を用いて同極の電力を直接得るため、整流回路が不要となる。このため、ダイオードの最小駆動電圧より低い場合、すなわち極めて小さい微小振動であっても電力を取り出すことが可能となった。
【選択図】 図１

Description

本発明は、運動エネルギを電気エネルギに変換する振動による発電方法と、振動式発電機およびその装置に関するものである。微小振動でも発電できるので、建築物や道路に設置して発電し、ＬＳＩ、小型電子部品および装置への給電源に適している。特に、ＩＤタグやＩＣカードといったユビキタス系装置の給電源には最適である。

圧電材料を利用し、運動エネルギを電気に変換する技術は従来から知られている。例えば、特許文献１の携帯式電話機、特許文献２の圧電式発電装置などがある。

しかし、これらの技術は弾性支持された錘の振動が圧電材料を加減圧し、圧電材料に振動の周期と連動した圧縮や引張り変形を繰り返して生じさせて交流電力を発生するものである。よって、電源として機能させるためには直流化する整流回路が必要であった。

図３１に、これら従来の技術の典型例を示す。外部の振動による慣性力で運動する錘１は、金属板２に設けられ振動運動を起こす。金属板２には圧電材料３が貼付され、圧電材料３は振動による曲げ変形を受けて電極４、５から交流電力を発生する。これを同極に整流するためブリッジダイオードを設け、整流して端子ＣとＤに出力する。図３２に従来の技術における端子Ｃ−端子Ｄ間の出力電圧を示す。又図３３には従来の技術における端子Ａ−Ｂ間の出力電圧を示す。図３２、３３を比較すると、従来の構成の場合、ブリッジダイオードのような電気的な整流回路が必ず必要であることがわかる。

しかし、ダイオードには動作するための最小電圧が存在し、微小電圧では電気を取り出すことができない。一般的にダイオードの最小駆動電圧は０．６Ｖであり、ブリッジを構成するには二つのダイオードを通過するため１．２Ｖ以上が必要となる。すなわち、圧電材料の発生した電圧が１．２Ｖに満たない場合、電力を取り出すことができない致命的な欠点があった。このため微小な振動では発電することができなかった。
特開２００２−１７１３４１号公報 特開平１１−１４６６６３号公報

本発明の目的は、窓ガラスや建物が有する微小な振動を利用して発電し、給電が難しい対象（例えば人間や動物、乗り物などの移動物体）や環境（水中、地中、固体物内）で利用する電子装置へ給電することにある。特に、低電力型のＬＳＩ、小型の電子部品や装置への給電に適しており、ＩＤタグやＩＣカードといったユビキタス装置への適用に最適である。

本発明は電気的な整流回路を必要とせず、従来発電できなかった微小振動でも発電できる特徴を有している。同時に、ダイオードによる電圧降下もないため、発電効率が高い。また、本発明では振動を利用するため、従来は一般的であった回転式発電機に必須構成なベアリングがない。このため摩擦を軽減するグリスやベアリングの摩耗がなく、動作の信頼性が極めて高い、メンテナンスフリーな発電が実現する。これらの特徴は小型化、コストの面からも重要である。

第１の発明は、部分的に支持された弾性体と錘から構成される機械的な振動系に、振動の中立位置を挟んで対向して一対の圧電材料を配置し、振動の中立位置を基準とする振動の半周期において、振動する構造部材の一部が圧電材料を加減圧して圧縮変形により電力を発生させ、振動の中立位置を基準とする振動の残りの半周期においても同様に、振動する構造部材の一部が圧電材料を加減圧して圧縮変形により電力を発生させ、前記の振動の半周期ごとに発生させた電力を半周期ごとに交互に取り出し、同極の電気を連続的に発生する振動による発電方法に関するものである。

第２の発明は、部分的に支持された弾性体と錘から構成される機械的な振動系に、振動の中立位置を挟んで対向して一対の圧電材料を配置し、振動の中立位置を基準とする振動の半周期において、振動する構造部材の一部が圧電材料を加減圧して圧縮変形により電力を発生させ、振動の中立位置を基準とする振動の残りの半周期においても同様に、振動する構造部材の一部が圧電材料を加減圧して圧縮変形により電力を発生させ、振動する構造部材の一部と前記の二つの圧電材料に電極を備え、振動の半周期ごときに接続と非接続を交互に繰り返す機械的なスイッチ手段を備え、振動の半周期ごとに発生させた電力を半周期ごとに交互に同極の連続した電力として取り出すことを特徴とする振動式発電機に関するものである。

第３の発明は、部分的に支持された弾性体と錘から構成される機械的な振動系に、振動の中立位置を挟んで対向して一対の圧電材料を配置し、振動の中立位置を基準とする振動の半周期において、振動する構造部材の一部が圧電材料を加減圧して圧縮変形により電力を発生させ、振動の中立位置を基準とする振動の残りの半周期においても同様に、振動する構造部材の一部が圧電材料を加減圧して圧縮変形により電力を発生させ、前記二つの圧電材料が振動の半周期ごとに交互に発生する電力の同極同士を電気的に接続し、連続した電力として取り出すことを特徴とする振動式発電機に関するものである。

第４の発明は、前記第２あるいは第３の発明において、振動する構造部材の一部と二つの圧電材料に備えた電極部分に振動の中立位置において予め応力をかけていることを特徴とする振動式発電機に関するものである。

第５の発明は、前記第２ないし第４のいずれかの発明において、二つの圧電材料と電極を介して接触する振動する構造部材の一部の構造は、振動時の変形に対して変形できる板形状であることを特徴とする振動式発電機に関するものである。

第６の発明は、前記第２ないし第５のいずれかの発明において、振動の中立位置を挟んで対向して配置する一対の圧電材料は金属板に貼付した板状焼結体または板状薄膜成型体であり、曲げ変形により電力を発生することを特徴とする振動式発電機に関するものである。

第７の発明は、前記第２ないし第６のいずれかの発明において、振動の中立位置を挟んで対向して配置する一対の圧電材料は焼結体または薄膜体からなる積層型の圧電素子であり、圧縮または引張変形により電力を発生することを特徴とする振動式発電機に関するものである。

第８の発明は、前記第２ないし第７のいずれかの発明において、周期的に振動する弾性体は板ばねまたはコイルばねであることを特徴とする振動式発電機に関するものである。

第９の発明は、前記第２ないし第８のいずれかの発明において、振動の中立位置を挟んで対向して配置した一対の圧電材料の外側に、過大な振動変位を抑制する一対のガイドを備えることを特徴とする振動式発電機に関するものである。

第１０の発明は、前記第２ないし第９のいずれかの発明において、部分的に支持された弾性体と錘から構成される機械的な振動系を、外部強制振動の周波数に一致するよう設計したことを特徴とする振動式発電機に関するものである。

第１１の発明は、前記第２ないし第４のいずれかの振動発電機を複数個備えることを特徴とする振動式発電装置に関するものである。
以上の発明において、振動の変位による位置変化と圧電材料が発生する電力の波形との位相に差異が生じる場合には圧電材料の出力端子に位相調整回路を設けると発電効率が上昇する。例えば具体的な手段としてアナログ電子部品を用いたＬＣ回路を構築する方法が考えられる。これにより、出力のスイッチング効果を奏するポイントを修正することができる。

＜作用＞
第１の発明によれば、部分的に支持された弾性体と錘から構成される機械的な振動系により、外部から受ける衝撃や周期的な運動エネルギを内部の振動エネルギとして取り込むことができる。一方、取り込んだ振動エネルギは、振動の中立位置を挟んで対向して一対の圧電材料を配置し、振動の中立位置を基準とする振動の半周期において、振動する構造部材の一部が圧電材料を加減圧して圧縮変形により電力を発生させ、振動の中立位置を基準とする振動の残りの半周期においても同様に、振動する構造部材の一部が圧電材料を加減圧して圧縮変形により電力を発生させる。前記の振動の半周期ごとに発生させた電力を半周期ごとに交互に取り出し、同極の電気を連続的に発生することができる振動による発電方法である。

これら一連の動作が半周期ごとに同極の電力を発生させることができるのは、振動の中立位置を挟んで対向して配置した一対の圧電材料の効果である。すなわち、振動の中立位置を基準とする半周期分の二つの振動は方向が反対であるが、圧電素子を振動の中立位置に対して対向して配置しているため、圧電素子が受ける外力の変化は振動の中立位置を基準に対象となる。結果、二つの圧電素子には常に半周期ごとに同じ変形が起こり、同極の電力を発生することができる。

第２の発明によれば、第１の発明である振動による発電方法を具現化するための装置を構成する。部分的に支持された弾性体と錘から構成される機械的な振動系により、外部から受ける衝撃や周期的な運動エネルギを内部の振動エネルギとして取り込むことができる。一方、取り込んだ振動エネルギは、振動の中立位置を挟んで対向して一対の圧電材料を配置し、振動の中立位置を基準とする振動の半周期において、振動する構造部材の一部が圧電材料を加減圧して圧縮変形により電力を発生させ、振動の中立位置を基準とする振動の残りの半周期においても同様に、振動する構造部材の一部が圧電材料を加減圧して圧縮変形により電力を発生させる。また、振動する構造部材の一部と前記の二つの圧電材料に電極を備え、振動の半周期ごときに接続と非接続を交互に繰り返す機械的なスイッチ手段を備えることによって、振動の半周期ごとに発生させた電力を半周期ごとに交互に同極の連続した電力として取り出すことができる。

つまり、振動の中立位置から錘が動き出すと同時に動き出す側に配置した圧電素子の電極がスイッチＯＮとなり、圧電素子への加減圧が開始され電力が発生する。一方、振動の中立位置から錘が反対側に動き出すときは前記のスイッチがＯＦＦとなり、同時に動き出す側に配置した圧電素子の電極がスイッチＯＮとなり、圧電素子への加減圧が開始され電力が発生する。半周期ごとにこれら一連の動作が連続的に起こり、連続的に同極の電力を取り出すことができる。

第３の発明によれば、第１の発明である振動による発電方法を具現化するための装置を構成したものであり、第２の発明である振動による発電装置において、振動の半周期ごときにＯＮとＯＦＦを交互に繰り返す機械的なスイッチ手段を除去したものである。部分的に支持された弾性体と錘から構成される機械的な振動系により、外部から受ける衝撃や周期的な運動エネルギを内部の振動エネルギとして取り込むことができる。一方、取り込んだ振動エネルギは、部分的に支持された弾性体と錘から構成される機械的な振動系に、振動の中立位置を挟んで対向して一対の圧電材料を配置し、振動の中立位置を基準とする振動の半周期において、振動する構造部材の一部が圧電材料を加減圧して圧縮変形により電力を発生させ、振動の中立位置を基準とする振動の残りの半周期においても同様に、振動する構造部材の一部が圧電材料を加減圧して圧縮変形により電力を発生させる。

前記二つの圧電材料が振動の半周期ごとに交互に発生する電力の同極同士を電気的に接続することによって、連続した電力を取り出している。もちろんスイッチングせず同極同士を電気的に常時接続しているため、一方が振動による外力で圧電素子を変形させ発電しているときに、他方の圧電素子へ電力がもれ、その発電効果は第２の発明によるスイッチング方式に比べて若干低下することになるが、機械的なスイッチ手段を設けていないため動作の信頼性は大きく向上する。

第４の発明によれば、前記請求項２あるいは３のいずれかにおいて、振動する構造部材の一部と二つの圧電材料に備えた電極部分に振動の中立位置において予め応力をかけることによって、振動する構造部材の一部と前記の二つの圧電材料に備えた電極の接続を確実にすることができる。これらの電極は振動の半周期ごときにＯＮとＯＦＦを交互に繰り返す機械的なスイッチであり、応力をかけない遊びを有した隙間が発生すると振動によるスイッチング動作や発電動作に不連続を生じるからである。

第５の発明によれば、前記請求項２ないし４のいずれかにおいて、二つの圧電材料と電極を介して接触する振動する構造部材の一部の構造は、振動時の変形に対して変形できる板形状とすることによって、振動のエネルギを板の曲げ変形に変えて蓄積して保持し、消滅させない効果をもたらす。すなわち電極を有する本構造が変形しない形状であった場合、振動する構造部材と圧電素子とが接触する電極部において摩擦が発生し、電極部を摩耗すると同時に振動のエネルギの一部を消失してしまう。電極部が接触状態にあるとき、相対運動が発生しないよう板形状とすることで振動のエネルギを一時的に蓄積、その後開放する効果をもたらす。

第６の発明によれば、前記請求項２ないし５のいずれかにおいて、振動の中立位置を挟んで対向して配置する一対の圧電材料を金属板に貼付した板状焼結体または板状薄膜成型体とすることによって、曲げ変形により電力を発生することができる。金属板に貼付するのは、曲げ変形時に圧電材料に大きな変形を生じさせるためである（図２８）。金属材料を貼付しない場合、圧電材料内で起こる曲げ変形の圧縮と引っ張り位置の中立面は圧電材料の厚み方向の中央となる（図２９）。つまり圧電材料内では圧縮と引っ張り変形が同時に発生し、電力を効果的に発生できない。一方、圧電材料に比べ剛性の高い金属材料を貼付させた場合、前記の中立面は圧電材料の外部すなわち金属板内部に移動（図３０）し、効率的に電力を発生することができる。

第７の発明によれば、前記請求項２ないし６のいずれかにおいて、振動の中立位置を挟んで対向して配置する一対の圧電材料は焼結体または薄膜成型体からなる積層型の圧電素子とすることによって、圧縮または引張変形により電力を発生することができる。圧電素子は積層型にすることにより大きな電位を発生することができる。本発明でも圧電素子に積層型を用いて振動運動から圧縮または引張変形を生じさせればより微小な振動で発電が可能となる。

第８の発明によれば、前記請求項２ないし７のいずれかにおいて、周期的に振動する弾性体を板ばねにすることにより、簡単な構造で弾性効果を得ることができる。圧電素子が第６の発明による板形状であるときには同形状のため一体性も良好である。また、コイルばねすることによって板ばねより複雑な構造になるが、実質のばね長さを大きくとることが可能なため剛性をより小さくすることができる。

第９の発明によれば、前記請求項２ないし８のいずれかにおいて、振動の中立位置を挟んで対向して配置した一対の圧電材料の外側に、過大な振動変位を抑制する一対のガイドを備えることによって、外部の振動が過大な場合でも振動変位を強制的に抑制し、圧電素子を含める振動部の破壊を防ぎとともに、発電量の出力を抑制できる。振動部の破壊の回避は信頼性の向上、発電量の抑制は外部負荷の劣化や破壊を防止し、システムとしての安定性をもたらす。さらに、錘を備えた振動板が振動の中心を通過するとき電極と圧電素子の接触が解除されるが、本ガイドはこの動作を確実なものとし、圧電素子が振動板とともに反対側に振動するのを防ぐ役割も果たす。

第１０の発明によれば、前記請求項２ないし９のいずれかにおいて、部分的に支持された弾性体と錘から構成される機械的な振動系を、外部強制振動の周波数に一致させることによって、外部の運動エネルギを効果的に内部の振動に利用することが可能となる。外部の振動周波数に一致させた振動系において、一般的にその応答倍率は数倍から数十倍に拡大する。結果、圧電材料による発電量も比例して拡大する。

第１１の発明によれば、前記請求項２ないし１０のいずれかに記載の振動式発電機を複数個備えることによって、外部の強制振動の周波数が混在する場合でも共振の効果を得ることができる。また、周波数が単一であっても変化したり切り替わる場合では、予め強制振動の周波数が既知であれば共振の効果を得ることができる。

従来、これらの出力を得ようとすれば、ブリッジダイオードのような整流回路が必要であり、ダイオードの最小駆動電圧が１個あたり０．６Ｖであることから、１．２Ｖ以上の出力がなければ出力がでず、また損失による電圧降下さえあった。本発明では整流回路を要しないため、０．６Ｖ以下であっても電力を取り出すことが可能となる。すなわち本発明は、微小な振動であっても発電できる発電方法であり、その発電装置を提供している。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、第１の発明の第１実施例および第２の発明の第１の実施例である。銅板１２の先端部に錘１を設け、その短部は支持台６に固定されている。中間部には接触子１３、１４を設け、その頂点は圧電素子１９，２０の電極と接触する構造となっている。圧電素子１９，２０はステンレス版１７，１８に貼付されており、端部は銅板１２と同様に支持台６に固定されている。圧電素子１８，１９の他方の電極は支持台６側に電極２１，２２として外部配線２４，２６により接続され、配線２４と２６は端子Ｃに接続されている。一方、銅板１２の支持台６側端部には電極２２を設け、外部配線により端子Ｄに接続されている。

なお、これらの構造は精密機械加工による部品製造と組立により完成するが、小型化や更なる低価格化を望む場合には、全体または一部の構造を従来の一般的なＭＥＭＳ技術を利用して製造することも十分可能である。また、ＬＳＩ製造と同一のプロセス若しくは類似プロセスを用いることによって、ＬＳＩとの一体化システムも構築できる。

図２、図３は、第２の発明の第１の実施例の動作を特定の時間に対して示したものであり、図４、図５は、本発明の動作による効果を横軸を時間、縦軸を出力電圧として示したものである。これらを用いて本発明である第１の発明の発電方法について説明するとともに、第２の発明の第１の実施例の動作を説明する。

図２は、振動により錘１が下方向に最大変位した時間ｔ１の状態を示している。錘１は振動の中立位置を基準とする四分の１周期後の状態であり、ｔ１に至るにつれて接触子１３が圧電素子１９を電極１５を介して加圧している。このとき出力電圧は０から徐々に大きくなり、ｔ１で最大電圧となる。さらに時間が経過し、最大変位を通過すると圧電素子の加圧は減圧へと変わり出力も徐々に小さくなる。

図３は、振動により錘１が上方向に最大変位した時間ｔ２の状態を示している。錘１が振動の中立位置を経過し上方向へ移動すると、接触子１３と電極１５は接続を離れ（スイッチはＯＦＦ）接触子１４と電極１６が接続する（スイッチＯＮ）錘１の上方向への移動とともに圧電素子２０が加圧される。このとき出力電圧は０から徐々に大きくなりｔ２で最大電圧となる。さらに時間が経過し、最大変位を通過すると圧電素子の加圧は減圧へと変わり、出力も徐々に小さくなる。

図４は、電極Ａ−Ｂ間の出力電圧と電極Ａ−Ｂ’間の出力電圧を横軸を時間として示している。実線が電極Ａ−Ｂ間の出力電圧、点線が電極Ａ−Ｂ’間の出力電圧である。電極Ａ−Ｂ間の出力電圧は接触子１３による圧電素子１９への変形により発生し、最初から振動の半周期までは正弦波状の電圧を出力する。さらに次の半周期ではほぼ０となるが、このときは反対側の圧電素子２０が接触子１４による変形で同様の出力を発生する。各々の電極で半周期ごとに正弦波状の電圧が出力される。

図５は、電極２１，２２，２３に配線２４，２５，２６を実施した場合に端子Ｃ−Ｄ間で観測される出力電圧である。振動に同期する接触子１３，１４と圧電素子１９，２０の電極１５，１６とのスイッチング動作により、同極の電圧が連続的に出力される。本発電の特徴は、振動の中心に対して対向して配置した圧電素子の発生する半周期ごとの電力を、交互に連続して取り出すことにより連続的な同極の電力を発電するものである。

図６は、本発明による発電機を給電源として利用するときの一般的な利用形態を示したものである。正弦波状に変化する電力は電源として利用するには好ましくなく、コンデンサ２７で平滑し、外部負荷２８へと供給する。

図７は、コンデンサ２７によって正弦波状の出力電圧が平滑化され、直流に近い状態となっている。この実施例ではコンデンサ２７を用いて平滑化した（電気回路による平滑）が、本発電器を複数個接続することによっても類似の効果を得ることができる。すなわち複数個の振動発電器の振動の位相をずらし、加算することで平滑と同じ効果を得る。振動の位相をずらす方法としては本発電器にダッシュポットを設けて機械的に位相を遅らせる方法と、回路の一部にコイルを設ける方法が考えられる。

図８は、第４の発明の第１の実施例である。圧電素子１９，２０間を狭くし、電極１５，１６において圧電素子１９，２０と接触子１３，１４に予め応力を与えたものである。この応力によって接触子１３，１４と電極１５，１６との接続を確実にし、接触子１３，１４のどちらもが電極１５，１６のどちらにも接触していない状態を回避することができる。また、接触子と電極に隙間が発生しないため、発生する電力に不連続が生じない。これらの動作と効果を次に説明する。

図９、図１０は、第４の発明の第１の実施例の動作を特定の時間に対して示したものであり、図１１は、第２の発明の第１の実施例の効果を横軸を時間、縦軸を出力電圧として示したものであるが、図１２は図１１のＥ部を拡大したものである。さらに図１３は、第４の発明の第１の実施例の効果を、同様の場所について拡大したものである。最初に、図１１と図１２（第２の発明の第１の実施例の効果）について説明する。

第２の発明の第１の実施例において、接触子１３，１４と圧電素子１９，２０の電極１５，１６を応力のない軽い状態においた場合には接触が不確実で出力電圧に不連続が生じる。このとき同時に、接触が解除された側の圧電素子１９は慣性力により反対側に揺れて逆極性の電圧を発生する（Ａ−Ｂ間）。この電圧は効率を下げるとともに、反対側の圧電素子２０への接触子１４の接続を遅らせるため好ましくない。

一方、本発明では接触子１３，１４と圧電素子１９，２０との間に予め応力を与えておくため、接触解除による圧電素子１９の反対側への揺れは抑制され、また他方の圧電素子２０と接触子１４との接触が遅れることもない。図１３は、Ａ−Ｂ間、Ａ−Ｂ’間と配線時の端子電圧Ｃ−Ｄ間で観測される合成出力の三つを示している。出力電圧が負になることなく、二つの出力電圧の山も互いに近づき効率が向上する。

図１４は、第５の発明の第１の実施例である。圧電材料１９，２０と電極１５，１６を介する接触子１３，１４が、板形状であり振動時の変形に対して変形できる構造となっている。板形状として変形できる構造としたのは、振動のエネルギを板の曲げ変形に変えて蓄積して保持し、消滅させない効果をもたらす。すなわち電極を有する本構造が変形しない形状であった場合、振動する構造部材と圧電素子とが接触する電極部において摩擦が発生し、電極部を摩耗すると同時に振動のエネルギの一部を消失してしまう。電極部が接触状態にあるとき、相対運動が発生しないよう板形状とすることで振動のエネルギを一時的に蓄積、その後開放する効果をもたらす。

図１５，図１６は、第５の発明の第１の実施例の動作を特定の時間に対して示したものである。図１５は、錘１が振動の中立位置より下方、図１６は上方に向かって運動している時である。どちらの方向への運動でも接触子２９、３０に曲げ変形が発生し、圧電素子１９，２０の表面上の電極１５、１６に接触している接触子２９、３０の位置に変化はない。さらに、接触子２９，３０で発生した曲げ変形には振動エネルギが曲げ部に蓄えられ、再び銅板１２が振動するエネルギとして放出される。本発明のように変形しない構造では、接触点が移動して摩擦によって振動エネルギが消失し、銅板１２の振動エネルギを吸収する。結果、錘１の運動エネルギを電気に変換する効率が低下する。

図１７は、第９の発明の第１の実施例である。振動の中立位置を挟んで対向して配置した一対の圧電材料の外側に、さらに一対の変形抑制ガイドを設けている。本ガイドにより、銅板１２の過大な振動を抑制し、圧電素子１９、２０の変形または圧電素子貼付面の剥がれの限界を超えることを防止し、同時に端子Ｃ−Ｄ間の出力をも抑制し、端子Ｃ−Ｄ間に接続する回路を保護する役割を果たす。さらに、錘１を備える銅板１２が振動の中心を通過するとき電極と圧電素子１９、２０の接触が解除されるが、本ガイドはこの動作を確実なものとし、圧電素子が銅板１２とともに反対側に振動するのを防ぐ役割も果たしている。

図１８は、第１の発明の第２の実施例および第３の発明の第１の実施例である。基本構造は第２の発明の第１実施例と同様であるが、振動の半周期ごとに連動してＯＮとＯＦＦを交互に繰り返す機械的なスイッチがない。二つの圧電材料１９、２０が振動の半周期ごとに交互に発生する電力の同極同士を電気的に接続し、連続した電力を取り出すことができる。

スイッチせず同極同士を電気的に常時接続しているため、一方が振動による外力で圧電素子を変形させ発電しているときに、他方の圧電素子へ電力がもれるため、発電効果は第２の発明によるスイッチング方式に比べて若干低下するが動作の信頼性は著しく向上している。また、接触子は第５の発明のように板構造を有している。

図１９は、第７の発明の第１の実施例である。振動の中立位置を挟んで対向して配置する一対の圧電材料を焼結体からなる積層型の圧電素子としており、上下方向の厚みは厚くなる反面、少ない変形で大きな出力電圧を得ることができる。この構成は、より小さな振動変位からでも出力電圧を確保できるので、より微小な振動に有利である。また、圧縮変形を利用しているため圧電素子の破壊に強い利点がある。このため変形抑制ガイドは不要である。電極によるスイッチ動作は図２に示した第２の発明の第１の実施例と同様である。

図２０、図２１は、第７の発明の第１の実施例の動作を特定の時間に対して示したものであり、その効果として得られる時間に対する出力電圧は図４，図５に示した第２の発明の第１の実施例とほぼ同様である。ここではこれらを利用し、本発明である第１の発明の発電方法について説明するとともに、第７の発明の第１の実施例の動作を説明する。

図２０は、振動により錘１が下方向に最大変位した時間ｔ１の状態を示している。錘１は振動の中立位置を基準とする四分の１周期後の状態であり、ｔ１に至るにつれて接触子３９が圧電素子３７を電極４１を介して加圧している。このとき出力電圧は０から徐々に大きくなり、ｔ１で最大電圧となる。さらに時間が経過し、最大変位を通過すると圧電素子の加圧は減圧へと変わり出力も徐々に小さくなる。

図２１は、振動により錘１が上方向に最大変位した時間ｔ２の状態を示している。錘１が振動の中立位置を経過し上方向へ移動すると、接触子３９と電極４１は接続を離れ（スイッチはＯＦＦ）接触子４０と電極４２が接続する（スイッチＯＮ）錘１の上方向への移動とともに圧電素子３８が加圧される。このとき出力電圧は０から徐々に大きくなりｔ２で最大電圧となる。さらに時間が経過し、最大変位を通過すると圧電素子の加圧は減圧へと変わり、出力も徐々に小さくなる。

図２２は、第６の発明の第１の実施例である。圧電素子３７，３８間を狭くし、電極４１，４２において圧電素子３７，３８と接触子３９，４０に予め応力を与えたものである。この応力によって接触子３９，４０と電極４１，４２との接続を確実にし、接触子３９，４０のどちらもが電極４１，４２のどちらにも接触していない状態を回避することができる。また、接触子と電極に隙間が発生しないため、発生する電力に不連続が生じない。

図２３、図２４は、第３の発明の第１の実施例の動作を特定の時間に対して示したものである。錘１が振動の中立面のどちらの場合にあっても、銅板１２と電極４１，４２は離れることなく接触を継続する。これらの動作による効果は、図１３に示した第４の発明の第１の実施例とほぼ同様である。

図２５は、第８の発明の第１の実施例である。図１９の第７の発明の第１の実施例における積層型の圧電素子３７，３８を用い、図２２の第７の発明の第２の実施例のように予め圧電素子に応力をかけ、電極の配線は機械的なスイッチを設けず圧電素子３７，３８の同極同士を接続したものである。

図２６、図２７は、第８の発明の第１の実施例の動作を特定の時間に対して示したものである。錘１が振動の中立面のどちらの場合にあっても、銅板１２と電極４１，４２は離れることなく接触を継続する。これらの動作による効果は、図１３に示した第４の発明の第１の実施例とほぼ同様である。

本発明のその他の適用分野として、給電困難な場所かつ大きな振動が存在する海上のブイや微小振動でありながら常時振動が存在する建築物や道路に設置される電子機器への給電にも適する。また微小振動で電気を発生する特徴を有するため、高性能な振動センサとして稼働させることもできる。

第１の発明の第１実施例および第２の発明の第１実施例である。 第２の発明の第１実施例の動作説明図であり、錘が下部に移動したときの状態である。 第２の発明の第１実施例の動作説明図であり、錘が上部に移動したときの状態である。 第２の発明の第１実施例の効果を示すＡ−Ｂ間およびＡ−Ｂ’間の出力電圧である。 第２の発明の第１実施例の効果を示す図であり、端子Ｃ−Ｄ間の出力電圧である。 第２の発明の第１実施例を給電源とするときの一般的な利用形態である。 第２の発明の第１実施例を給電源とするときの一般的な利用形態における端子Ｃ−Ｄ間の出力電圧である。 第４の発明の第１実施例である。 第４の発明の第１実施例の動作説明図であり、錘が下部に移動したときの状態である。 第４の発明の第１実施例の動作説明図であり、錘が上部に移動したときの状態である。 第４の発明の第１実施例の効果を示すＡ−Ｂ間およびＡ−Ｂ’間の出力電圧である。 第２の発明の第１実施例の効果を示す図であり、図１１におけるＥ部に相当する箇所の拡大図である。 第４の発明の第１実施例の効果を示す図であり、図１１におけるＥ部に相当する箇所の拡大図である。 第５の発明の第１の実施例である。 第５の発明の第１実施例の動作説明図であり、錘が下部に移動したときの状態である。 第５の発明の第１実施例の動作説明図であり、錘が上部に移動したときの状態である。 第９の発明の第１実施例である。 第１の発明の第２実施例および第３の発明の第１実施例である。 第７の発明の第１実施例である。 第７の発明の第１実施例の動作説明図であり、錘が下部に移動したときの状態である。 第７の発明の第１実施例の動作説明図であり、錘が下部に移動したときの状態である。 第６の発明の第１実施例である。 第６の発明の第１実施例の動作説明図であり、錘が下部に移動したときの状態である。 第６の発明の第１実施例の動作説明図であり、錘が上部に移動したときの状態である。 第８の発明の第１実施例である。 第８の発明の第１実施例の動作説明図であり、錘が下部に移動したときの状態である。 第８の発明の第１実施例の動作説明図である。錘が上部に移動したときの状態である。 金属板に貼付された圧電材料が曲げ変形を受けた状態である。 板状の圧電材料に曲げ変形を起こしたときの垂直断面における応力状態である。 金属板に貼付された圧電材料が曲げ変形を受けたときの垂直断面における応力状態である。 従来の技術を示す。 従来の技術における端子Ｃ−Ｄ間の出力電圧である。 従来の技術における端子Ａ−Ｂ間の出力電圧である。

符号の説明

１ 錘
２ 金属板
３ 圧電素子
４、５ 電極
６ 支持台
７、８、１０、１１ 配線
１２ 銅板
１３、１４ 接触子
１５、１６ 電極
１７、１８ ステンレス板
１９、２０ 圧電素子
２１、２２、２３ 電極
２４、２５、２６ 配線
２７ コンデンサ
２８ 負荷
２９、３０ 接触子
３１、３２ 圧電素子
３３、３４ 変形抑制ガイド
３５、３６ 支持台
３７、３８ 圧電素子
３９、４０ 接触子
４１、４２ 電極

Claims (11)

1. 部分的に支持された弾性体と錘から構成される機械的な振動系に、
   振動の中立位置を挟んで対向して一対の圧電材料を配置し、
   振動の中立位置を基準とする振動の半周期において、
   振動する構造部材の一部が圧電材料を加減圧して圧縮変形により電力を発生させ、
   振動の中立位置を基準とする振動の残りの半周期においても同様に、
   振動する構造部材の一部が圧電材料を加減圧して圧縮変形により電力を発生させ、
   前記の振動の半周期ごとに発生させた電力を半周期ごとに交互に取り出し、同極の電気を連続的に発生する振動による発電方法。
2. 部分的に支持された弾性体と錘から構成される機械的な振動系に、
   振動の中立位置を挟んで対向して一対の圧電材料を配置し、
   振動の中立位置を基準とする振動の半周期において、
   振動する構造部材の一部が圧電材料を加減圧して圧縮変形により電力を発生させ、
   振動の中立位置を基準とする振動の残りの半周期においても同様に、
   振動する構造部材の一部が圧電材料を加減圧して圧縮変形により電力を発生させ、
   振動する構造部材の一部と前記の二つの圧電材料に電極を備え、
   振動の半周期ごときに接続と非接続を交互に繰り返す機械的なスイッチ手段を備え、
   振動の半周期ごとに発生させた電力を半周期ごとに交互に同極の連続した電力として取り出すことを特徴とする振動式発電機。
3. 部分的に支持された弾性体と錘から構成される機械的な振動系において、
   振動の中立位置を挟んで対向して一対の圧電材料を配置し、
   振動の中立位置を基準とする振動の半周期において、
   振動する構造部材の一部が圧電材料を加減圧して圧縮変形により電力を発生させ、
   振動の中立位置を基準とする振動の残りの半周期においても同様に、
   振動する構造部材の一部が圧電材料を加減圧して圧縮変形により電力を発生させ、
   前記二つの圧電材料が振動の半周期ごとに交互に発生する電力の同極同士を電気的に接続し、連続した電力として取り出すことを特徴とする振動式発電機。
4. 前記請求項２あるいは３において、
   振動する構造部材の一部と二つの圧電材料に備えた電極部分に振動の中立位置において予め応力をかけていることを特徴とする振動式発電機。
5. 前記請求項２ないし４のいずれかにおいて、
   二つの圧電材料と電極を介して接触する振動する構造部材の一部の構造は、振動時の変形に対して変形できる板形状であることを特徴とする振動式発電機。
6. 前記請求項２ないし５のいずれかにおいて、
   振動の中立位置を挟んで対向して配置する一対の圧電材料は金属板に貼付した板状焼結体または板状薄膜成型体であり、曲げ変形により電力を発生することを特徴とする振動式発電機。
7. 前記請求項２ないし６のいずれかにおいて、
   振動の中立位置を挟んで対向して配置する一対の圧電材料は焼結体または薄膜体からなる積層型の圧電素子であり、圧縮または引張変形により電力を発生することを特徴とする振動式発電機。
8. 前記請求項２ないし７のいずれかにおいて、
   前記弾性体が板ばねまたはコイルばねであることを特徴とする振動式発電機。
9. 前記請求項２ないし８のいすれかにおいて、
   振動の中立位置を挟んで対向して配置した一対の圧電材料の外側に、過大な振動変位を抑制する一対のガイドを備えることを特徴とする振動式発電機。
10. 前記請求項２ないし９のいずれかにおいて、
    部分的に支持された弾性体と錘から構成される機械的な振動系を、外部強制振動の周波数に一致するよう設計したことを特徴とする振動による振動式発電機。
11. 前記請求項２ないし１０のいずれかに記載の振動式発電機を複数個備えることを特徴とする振動式発電装置。

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