JP2014033478A - Piezoelectric generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電効果を利用して内部から振動が加えられた際に電力を取り出すことを可能とする圧電発電装置に関し、より詳細には、複数の圧電発電板を連結してなる構造を有する圧電発電装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric power generation apparatus that can take out electric power when vibration is applied from the inside using a piezoelectric effect, and more specifically, has a structure in which a plurality of piezoelectric power generation plates are connected. The present invention relates to a piezoelectric power generation device.
従来より、圧電効果を利用した圧電発電装置が種々提案されている。例えば、下記の特許文献１には、図１３に示す圧電発電装置１００１が開示されている。
Conventionally, various piezoelectric generators using the piezoelectric effect have been proposed. For example,
圧電発電装置１００１は、Ｕ字状に折り曲げられた金属板１００２を有する。この金属板１００２に、少なくとも１つの圧電素子１００３が固定されている。金属板１００２の一端が固定部材１００４に固定されている。Ｕ字状に折り曲げられた金属板１００２は、固定部材１００４に固定されている第１のアーム部１００２ａを有する。第１のアーム部１００２ａの、固定部材１００４とは反対側の端部において、金属板１００２が折り曲げられている。そして、折り曲げられている中間部１００２ｂを介して第２のアーム部１００２ｃが連ねられている。第２のアーム部１００２ｃの先端が自由端とされている。
The piezoelectric
圧電発電装置１００１では、上記のようにＵ字状に折り曲げられた金属板１００２を用いているため、外力が加わった場合、自由端が大きく変位し、比較的大きな電力を発生させることができるとされている。
Since the piezoelectric
また、下記の特許文献２には、つづら折り状に複数回屈曲された圧電発電板を用いた圧電発電装置が開示されている。ここでも、つづら折り状に加工された圧電発電板を用いることにより、外力が加わった際に大きな電力を発生させることができるとされている。
Further,
ところで、圧電発電装置の利用分野によっては、圧電発電装置に加わる振動が比較的低い周波数の場合がある。例えば、自動車に取り付けられた圧電発電装置や人が歩行する際の振動を利用して発電を行う圧電発電装置では、比較的低周波の振動により圧電発電装置において電力を発生させる必要がある。圧電発電装置において、低周波の振動により電力を発生させようとした場合、圧電発電素子の共振周波数を低くする必要がある。 By the way, depending on the field of use of the piezoelectric power generator, the vibration applied to the piezoelectric power generator may be at a relatively low frequency. For example, in a piezoelectric power generation device attached to an automobile or a piezoelectric power generation device that generates power using vibrations when a person walks, it is necessary to generate electric power in the piezoelectric power generation device by vibration at a relatively low frequency. In a piezoelectric power generation device, when generating electric power by low-frequency vibration, it is necessary to lower the resonance frequency of the piezoelectric power generation element.
従って、板状の圧電発電素子を用いた場合、共振周波数を低くするため、その厚みを薄くする方法がとられる。しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載のような、圧電発電板をＵ字状に折り返したり、つづら折り状に複数回折り返されている圧電発電板を用いて、板状の圧電発電板の厚みを薄くすると、折り返し部の強度が低下し、塑性変形や脆性破壊が発生するため、圧電発電板の厚みを薄くすることが困難であった。また、特許文献１に記載の圧電発電装置１００１では、金属板１００２に対し、一部分にのみ圧電素子１０１０が貼り付けられている。従って、圧電素子の比率が小さいため、発電量を十分に高めることができなかった。
Therefore, when a plate-like piezoelectric power generation element is used, a method of reducing the thickness is used in order to reduce the resonance frequency. However, the thickness of the plate-shaped piezoelectric power generation plate is obtained by using a piezoelectric power generation plate that is folded back in a U shape or is folded back in a zigzag manner as described in
また、特許文献２に記載の圧電発電装置では、つづら折り状の圧電発電板を加工しなければならず、加工工程が非常に煩雑であった。また、このような複雑な形状の圧電発電板において、部分的に異なる方向に分極処理する作業も煩雑であった。
Further, in the piezoelectric power generation device described in
本発明の目的は、製造が容易であり、しかも低い周波数の振動が加わった場合においても大きな電力を取り出すことを可能とする圧電発電装置及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a piezoelectric power generation apparatus that is easy to manufacture and that can extract a large amount of electric power even when vibration at a low frequency is applied, and a method for manufacturing the same.
本発明に係る圧電発電装置は、第１の圧電発電板と、前記第１の圧電発電板と互いの主面が対向するように配置された第２の圧電発電板と、前記第１，第２の圧電発電板を連結している連結部材とを有する圧電発電素子と、前記第１の圧電発電板に固定されており、かつ前記圧電発電素子を外部に固定する支持部材とを備える。 The piezoelectric power generation device according to the present invention includes a first piezoelectric power generation plate, a second piezoelectric power generation plate disposed so that the principal surfaces of the first piezoelectric power generation plate face each other, and the first and first piezoelectric power generation plates. A piezoelectric power generation element having a connecting member connecting two piezoelectric power generation plates, and a support member fixed to the first piezoelectric power generation plate and fixing the piezoelectric power generation element to the outside.
本発明に係る圧電発電装置のある特定の局面では、前記圧電発電素子が複数連結されており、互いに連結されている２つの圧電素子において、１つの前記圧電発電素子の前記第２の圧電発電板の前記第１の圧電発電板とが対向している主面とは反対側の主面にもう１つの前記圧電発電素子が連結されている。この場合には、複数の圧電発電素子を有するため、大きな電力を得ることができる。 In a specific aspect of the piezoelectric power generation device according to the present invention, a plurality of the piezoelectric power generation elements are connected, and in the two piezoelectric elements connected to each other, the second piezoelectric power generation plate of one of the piezoelectric power generation elements. The other piezoelectric power generating element is connected to the main surface opposite to the main surface facing the first piezoelectric power generating plate. In this case, since it has a plurality of piezoelectric power generation elements, large electric power can be obtained.
本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記複数の圧電発電素子が連結されている構造において、前記支持部材が前記第１の圧電発電板の中央または両端に連結され、前記連結部材が前記第１及び第２の圧電発電板の中央または両端で前記第１及び第２の圧電発電板に連結されている。この場合には、圧電発電板中央部に形成される支持部材または連結部材に作用する曲げモーメントを低減することができる。そのため、圧電発電板の中央部に作用する応力を小さくすることができる。 In still another specific aspect of the piezoelectric power generation device according to the present invention, in the structure in which the plurality of piezoelectric power generation elements are connected, the support member is connected to the center or both ends of the first piezoelectric power generation plate, A connecting member is connected to the first and second piezoelectric power generation plates at the center or both ends of the first and second piezoelectric power generation plates. In this case, the bending moment acting on the support member or the connecting member formed in the central portion of the piezoelectric power generation plate can be reduced. Therefore, the stress that acts on the central portion of the piezoelectric power generation plate can be reduced.
本発明に係る圧電発電装置では、第１，第２の圧電発電板は、好ましくは、矩形形状を有する。 In the piezoelectric power generation device according to the present invention, the first and second piezoelectric power generation plates preferably have a rectangular shape.
本発明に係る圧電発電装置の他の特定の局面では、前記連結部材は、前記第１と第２の圧電発電板とが互いに対向する主面の両端の位置で連結する前記第１，第２の連結部材を含み、前記支持部材は、前記第１，第２の連結部材が設けられている側と反対側の主面において、前記第１の圧電発電板の主面の中央部に設けられている。この場合には、第１の圧電発電板の上面中央において、圧電発電装置を支持することができる。固定部が１ヶ所であるため、他の部品や部材への固定を容易に行うことができる。 In another specific aspect of the piezoelectric power generating device according to the present invention, the connecting member is configured to connect the first and second piezoelectric power generating plates at the positions of both ends of the main surface facing each other. The supporting member is provided at the center of the main surface of the first piezoelectric power generation plate on the main surface opposite to the side on which the first and second connecting members are provided. ing. In this case, the piezoelectric power generation device can be supported at the center of the upper surface of the first piezoelectric power generation plate. Since there is one fixing portion, it is possible to easily fix to other parts and members.
本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記連結部材は、前記第１，第２の圧電発電板の長さ方向における中央部において、前記第１と第２の圧電発電板を連結し、前記支持部材は、前記第１の圧電発電板の前記連結部材が設けられている側と反対側の主面の長さ方向における両端に第１，第２の支持部材が設けられている。この場合には、第１の圧電発電板の上端において他の部材に固定することができるので、圧電発電装置の固定構造の安定化を図ることができる。また、第１，第２の圧電発電板は、主面中央において連結部材により連結されているので、すなわち１ヶ所で連結されているので、第１の圧電発電板と第２の圧電発電板とをより大きく変位させることができる。従って、より大きな電力を取出すことができる。 In still another specific aspect of the piezoelectric power generation device according to the present invention, the connecting member is configured such that the first and second piezoelectric power generation plates are arranged at a central portion in the length direction of the first and second piezoelectric power generation plates. The support member is provided with first and second support members at both ends in the length direction of the main surface of the first piezoelectric power generation plate opposite to the side where the connection member is provided. ing. In this case, since the upper end of the first piezoelectric power generation plate can be fixed to another member, the fixing structure of the piezoelectric power generation device can be stabilized. In addition, since the first and second piezoelectric power generation plates are connected by a connecting member at the center of the main surface, that is, are connected at one place, the first piezoelectric power generation plate and the second piezoelectric power generation plate Can be displaced more greatly. Therefore, larger electric power can be taken out.
本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記第１，第２の圧電発電板において、矩形形状の圧電発電板の一方の長辺から他方の長辺側に向かって延びる切欠き部が形成されている。この場合には、圧電発電板の変位量を大きくすることができるので、より一層大きな電力を取出すことができる。 In still another specific aspect of the piezoelectric power generation device according to the present invention, in the first and second piezoelectric power generation plates, a cut extending from one long side of the rectangular piezoelectric power generation plate toward the other long side. A notch is formed. In this case, the amount of displacement of the piezoelectric power generation plate can be increased, so that even greater power can be taken out.
好ましくは、前記切欠き部が複数設けられており、前記複数の切欠き部が、前記第１，第２の圧電発電板の長さ方向において交互に逆の長辺に設けられている。この場合には、外力が加えられた際に圧電発電板がミアンダ状に変位し、より一層共振周波数を低めることができる。従って、より一層大きな電力を取出すことができる。 Preferably, a plurality of the notches are provided, and the plurality of notches are alternately provided on opposite long sides in the length direction of the first and second piezoelectric power generation plates. In this case, when an external force is applied, the piezoelectric power generation plate is displaced in a meander shape, and the resonance frequency can be further lowered. Therefore, much larger electric power can be taken out.
本発明に係る圧電発電装置のさらに別の特定の局面では、前記矩形形状の第１，第２の圧電発電板のそれぞれの対向し合う一対の角部同士が前記連結部材によりそれぞれ連結されており、前記支持部材が、前記第１の圧電発電板の中央に固定されている。この場合には、前記連結部と前記支持部材とによって発生する前記矩形状の第１，第２の圧電発電板の長さ方向と長さ方向に異なる方向との変位が合わさるため、より一層大きな電力を取り出すことができる。 In still another specific aspect of the piezoelectric power generation device according to the present invention, a pair of opposite corner portions of the rectangular first and second piezoelectric power generation plates are respectively connected by the connecting member. The support member is fixed to the center of the first piezoelectric power generation plate. In this case, since the displacements in the length direction of the rectangular first and second piezoelectric power generation plates generated by the connecting portion and the support member are different from each other in the length direction, they are even larger. Electric power can be taken out.
本発明に係る圧電発電装置のさらに別の特定の局面では、前記第１，第２の圧電発電板に、前記連結部材が設けられている部分の間において、該圧電発電板の内部から外周縁に至る切欠き部が形成されている。この場合においては、切欠き部が設けられているので、共振周波数をより低くすることができ、かつ外力が加えられた際の変位量を大きくすることができる。従って、より一層大きな電力を取出すことができる。好ましくは前記切欠き部が複数設けられており、該複数の切欠き部が前記支持部材に固定されている部分に対して点対称に設けられている。この場合には、より一層大きな電力を取出すことができる。 In still another specific aspect of the piezoelectric power generation device according to the present invention, the first and second piezoelectric power generation plates have an outer peripheral edge from the inside of the piezoelectric power generation plate between the portions where the connecting members are provided. A notch that extends to is formed. In this case, since the notch is provided, the resonance frequency can be further lowered and the amount of displacement when an external force is applied can be increased. Therefore, much larger electric power can be taken out. Preferably, a plurality of the cutout portions are provided, and the plurality of cutout portions are provided point-symmetrically with respect to a portion fixed to the support member. In this case, much larger electric power can be taken out.
本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記第２の圧電発電板の前記連結部材が設けられている側とは反対側の主面側に配置されて、前記第２の圧電発電板と固定されている質量付加部材がさらに備えられている。質量付加部材が設けられているため、外力が加わった際の第１，第２の圧電発電板の変位量をより一層大きくすることができる。そのため、より一層大きな電力を取出すことができる。 In still another specific aspect of the piezoelectric power generation device according to the present invention, the piezoelectric power generation device is disposed on a main surface side opposite to the side on which the connection member is provided of the second piezoelectric power generation plate, A mass adding member fixed to the piezoelectric power generation plate is further provided. Since the mass adding member is provided, the displacement amount of the first and second piezoelectric power generation plates when an external force is applied can be further increased. As a result, even greater power can be extracted.
本発明に係る圧電発電装置のさらに別の特定の局面では、前記第２の圧電発電板の前記第１の圧電発電板とは反対側の面に連結部材を介して少なくとも一つの圧電発電板がさらに連結されている。この場合には、より多くの圧電発電板の変位に基づき、より一層大きな電力を取出すことが可能となる。 In still another specific aspect of the piezoelectric power generation device according to the present invention, at least one piezoelectric power generation plate is disposed on a surface of the second piezoelectric power generation plate opposite to the first piezoelectric power generation plate via a connecting member. It is further connected. In this case, it is possible to extract a larger amount of electric power based on the displacement of more piezoelectric power generation plates.
本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記第１，第２の圧電発電板が、厚み方向に分極処理された第１の分極領域と、厚み方向において第１の分極領域と逆方向の分極処理された第２の分極領域とを有する圧電板を備える。第１，第２の圧電発電板に第１，第２の分極領域を容易に形成することができるので製造工程の煩雑さを招くことなく、本発明の圧電発電装置を構成することができる。 In still another specific aspect of the piezoelectric power generation device according to the present invention, the first and second piezoelectric power generation plates are provided with a first polarization region polarized in the thickness direction and a first polarization region in the thickness direction. And a second polarization region subjected to polarization treatment in the opposite direction. Since the first and second polarization regions can be easily formed on the first and second piezoelectric power generation plates, the piezoelectric power generation device of the present invention can be configured without causing a complicated manufacturing process.
本発明の圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記圧電発電板が、前記圧電板に積み重ねされた金属板をさらに備え、ユニモルフ型の圧電素子が構成されている。この場合には、ユニモルフ型であるため、外力が加えられた際の圧電発電板の変位量を大きくすることができる。もっとも、本発明では、圧電発電板は、バイモルフ型の圧電素子であってもよい。 In still another specific aspect of the piezoelectric power generation device of the present invention, the piezoelectric power generation plate further includes a metal plate stacked on the piezoelectric plate, and a unimorph type piezoelectric element is configured. In this case, since it is a unimorph type, the displacement amount of the piezoelectric power generation plate when an external force is applied can be increased. However, in the present invention, the piezoelectric power generation plate may be a bimorph type piezoelectric element.
本発明に係る圧電発電装置では、第１の圧電発電板と第２の圧電発電板とが連結部材を介して連結されているため、支持部材により外部に固定した状態で外力が加わると、第１，第２の圧電発電板の双方が変位し、大きな電力を取出すことが可能となる。加えて、第１，第２の圧電発電板を連結部材を介して連結した構造を有するものにすぎないため、製造工程の煩雑さを招くことなく、大きな電力を取出すことが可能となる。 In the piezoelectric power generation device according to the present invention, since the first piezoelectric power generation plate and the second piezoelectric power generation plate are connected via the connection member, when an external force is applied in a state of being fixed to the outside by the support member, Both the first and second piezoelectric power generation plates are displaced, and a large electric power can be taken out. In addition, since it has only the structure which connected the 1st, 2nd piezoelectric power generation board via the connection member, it becomes possible to take out big electric power, without causing the complexity of a manufacturing process.
さらに、第１，第２の圧電発電板が連結部材を介して連結される構造であるため、圧電発電装置の圧電発電板の面方向寸法を大きくすることなく、大電力を取出すことができる。従って、圧電発電装置の小型化を進めることも可能となる。 Furthermore, since the first and second piezoelectric power generation plates are connected via a connecting member, large electric power can be taken out without increasing the surface dimension of the piezoelectric power generation plate of the piezoelectric power generation device. Accordingly, it is possible to further reduce the size of the piezoelectric power generator.
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。 Hereinafter, the present invention will be clarified by describing specific embodiments of the present invention with reference to the drawings.
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の正面図であり、図１（ｃ）はその斜視図である。 Fig.1 (a) is a front view of the piezoelectric power generator concerning the 1st Embodiment of this invention, FIG.1 (c) is the perspective view.
圧電発電装置１は、第１の圧電発電板２と、第２の圧電発電板７とを有する。第１の圧電発電板２は、金属板４の片面に第１の板状の圧電素子３を貼り合わせた構造を有する。すなわち、第１の圧電発電板２は、ユニモルフ型の圧電振動板である。同様に、第２の圧電発電板７もまた、金属板６の片面に板状の圧電素子５を貼り合わせてなるユニモルフ型の圧電振動板である。
The piezoelectric
図１（ａ）では図示を省略しているが、圧電素子３は、図１（ｂ）に示すように、圧電板の材料として圧電セラミックを用いた圧電セラミック板３ａの両面に電極３ｂ，３ｃを形成した構造を有する。圧電セラミック板３ａは、厚み方向に分極処理されている。もっとも、図示の矢印で示すように、圧電セラミック板３ａの中央の分極領域Ｐ１と、両側の分極領域Ｐ２，Ｐ３とが、厚み方向において逆方向に分極処理されている。
Although not shown in FIG. 1A, as shown in FIG. 1B, the
上記圧電素子３に後述するように外力が加わって座屈モードで変形した場合、分極領域Ｐ１において生じる応力と、分極領域Ｐ２，Ｐ３において生じる応力とは厚み方向において逆方向となる。
As described later, when the
なお、第２の圧電発電板７の板状の圧電素子５も圧電素子３と同様の構造を有する。もっとも、第２の圧電素子５では、長さ方向における中央領域が圧電素子３の第１の分極領域Ｐ１と逆方向に分極処理されており、両側の領域が、圧電素子３の第２，第３の分極領域Ｐ２，Ｐ３と逆方向に分極処理されている。これは、後述するように、外力が加わった際に、圧電素子５は、圧電素子３と逆方向に変形することによる。
The plate-like
なお、圧電素子３，５を構成する両面に電極が形成された圧電板は、本実施形態ではチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる。もっとも、圧電板は、ニオブ酸カリウムナトリウム等のアルカリニオブ酸系セラミックスなど非鉛系圧電体セラミックスなどの、適宜の圧電材料により構成され得る。
In this embodiment, the piezoelectric plate having electrodes formed on both surfaces constituting the
また、電極３ｂ，３ｃは、ＡｇやＣｕなどの適宜の金属からなる。
The
上記圧電素子３は、金属板４に対して図示しない接着剤により接合されている。このような接着剤としては、導電性接着剤あるいは絶縁性接着剤を用いることができる。なお、図１（ｂ）の電極３ｃは、金属板４に貼り合わされる部分であり、金属板４を電極として用いる場合、電極３ｃは省略されてもよい。
The
第１，第２の圧電発電板２，７は、矩形板状の形状を有し、主面同士が対向するように第１，第２の連結部材８，９により連結されている。連結部材８，９は、アルミナなどの絶縁性セラミックス、樹脂、または金属などの適宜の材料により形成することができる。本実施形態では、第１，第２の連結部材８，９は、矩形板状の圧電発電板２，７の長さ方向両端において、第１の圧電発電板２と第２の圧電発電板７とを接合している。この接合もまた、適宜の接着剤等の接合剤を用いて行うことができる。
The first and second piezoelectric
上記第１，第２の圧電発電板２，７及び第１，第２の連結部材８，９により、１つの圧電発電素子が構成されている。
The first and second piezoelectric
本実施形態では、第１の圧電発電板２の上面、すなわち第１，第２の連結部材８，９が接合されている側とは反対側の面に、支持部材１０が接合されている。この支持部材１０は、圧電発電板２の長さ方向における中央に固定されている。支持部材１０もまた、セラミックスや金属などの適宜の材料により形成することができる。支持部材１０は、圧電発電装置１を外部に固定し、支持するために設けられている。なお、支持部材１０は、第１の圧電発電板２の上面以外に固定されていてもよい。
In this embodiment, the
他方、第２の圧電発電板７の下面すなわち第１，第２の連結部材８，９が接合されている側とは反対側の面には、連結部材１１を介して質量付加部材１２が固定されている。連結部材１１は、セラミックスや樹脂や金属などの適宜の材料により構成することができる。質量付加部材１２は、金属やセラミックスなどの質量を付加し得る適宜の材料により形成することができる。大きな質量を与えるためには、質量付加部材１２は、圧電板より比重が大きな材料が好ましく、金属からなることが望ましい。
On the other hand, the
なお、図１（ｃ）では、上記質量付加部材１２の図示は省略していることを指摘しておく。
In addition, it points out that illustration of the said
上記質量付加部材１２は、後述する第１，第２の圧電発電板２，７における変位量を拡大するために設けられているが、質量付加部材１２は設けられずともよい。
The
本実施形態の圧電発電装置１では、支持部材１０が外部に固定される。従って、使用に際しては、支持部材１０が第１の圧電発電板２に固定されている部分が固定端となり、該固定端とは反対側の端部すなわち質量付加部材１２が設けられている側の端部が自由端として加えられた外力や振動によって変位する。
In the piezoelectric
すなわち、第１，第２の圧電発電板２，７が第１，第２の連結部材８，９で連結されている構造に外部から振動や外力が加わった場合、圧電発電板２，７が変位する。この変位は、図２の実線Ａで示す状態と破線Ｂで示す状態との間で繰り返される。この場合、第１の圧電発電板２と第２の圧電発電板７は逆相で変位する。
That is, when external vibration or external force is applied to the structure in which the first and second piezoelectric
他方、第１，第２の圧電発電板２，７のいずれもが外力が加わった際に変位するため、本実施形態では、圧電発電板２において変位により生じた電荷と、圧電発電板７で生じた電荷により、大きな電力を取出すことができる。
On the other hand, since both the first and second piezoelectric
より具体的には、例えば第１の圧電セラミック板３ａは上記のような分極構造を有するため、長さ方向における中央領域と、その両側の端部領域との間に応力は反転する境界が発生するが、分極方向もまた中央領域と端部領域の第２，第３の分極領域Ｐ２，Ｐ３とで逆方向とされている。従って、図２に示したような変位が生じた場合、板状の圧電素子３の表面に発生する電荷の極性が同一になり、圧電素子３の表面に共通電極を形成するような容易な構造であっても、効率よく電力を取出すことができる。第２の圧電発電板７においても同様である。
More specifically, for example, since the first piezoelectric
本発明の実施形態によれば、圧電発電素子の積み重ね方向に引張力または圧縮力を作用させると、圧電発電板の対向する距離が遠ざかる、または、近づくように圧電発電板が座屈モードで変位させられる。このとき、圧電発電板の中央領域に形成される支持部材又は連結部材が主面と垂直な方向な直線上に配置されれば、連結部材又は支持部材が形成された圧電発電板に作用する曲げモーメントの大きさが抑制できる。よって、図２で示す、圧電発電板の端部領域において、複数点で支持し応力が分散できない、圧電発電板の中央部の単数点に作用する曲げモーメントが減少し、応力の総和が減少することによって圧電発電板に発生するクラックを減少させる効果がある。なお、電力の取り出しに際しては、第１の圧電素子３の一方の電極３ｂと、第２の圧電素子５の同じく外側面に位置している電極とを共通接続し、第１の端子とする。また、第１，第２の圧電発電板２，７の金属板４，６側に位置している電極同士を共通接続し、第２の端子とする。この第１の端子と第２の端子から電力を取出すことができる。
According to an embodiment of the present invention, when a tensile force or a compressive force is applied in the stacking direction of the piezoelectric power generation elements, the piezoelectric power generation plates are displaced in a buckling mode so that the opposing distances of the piezoelectric power generation plates are increased or approached. Be made. At this time, if the support member or the connection member formed in the central region of the piezoelectric power generation plate is arranged on a straight line perpendicular to the main surface, the bending acting on the piezoelectric power generation plate on which the connection member or the support member is formed is provided. The magnitude of the moment can be suppressed. Therefore, in the end region of the piezoelectric power generation plate shown in FIG. 2, the bending moment acting on a single point in the central portion of the piezoelectric power generation plate that is supported at a plurality of points and cannot disperse stress is reduced, and the total sum of stress is reduced. This has the effect of reducing cracks generated in the piezoelectric power generation plate. When taking out the electric power, one
本実施形態の圧電発電装置１では、上記のように、第１の圧電発電板２と第２の圧電発電板７とが対向配置されかつ第１，第２の連結部材８，９により連結されている構造を有する。そのため、外力が加わった場合、第１の圧電発電板２及び第２の圧電発電板７の双方から電力を取出すことができるので、大きな電力を取出すことができる。
In the piezoelectric
しかも、以下に述べるように、圧電発電装置１は、煩雑な工程を経ることなく容易に製造することができる。
Moreover, as described below, the piezoelectric
第１に、例えば板状の圧電素子３の第１の分極領域Ｐ１及び第２，第３の分極領域Ｐ２，Ｐ３は容易に形成することができる。例えば、圧電セラミック板３ａの一方主面に、第１の分極領域Ｐ１上に第１の分極電極を形成し、第１の分極電極と接触しないように、第２，第３の分極領域Ｐ２，Ｐ３上に第２，第３の分極電極を形成し、反対側の主面に全面電極を形成する。そして、第１の分極電極と全面電極との間に直流電圧を印加し、他方第２，第３の分極電極と全面電極との間に逆極性の直流電圧を印加する。それによって、上述した分極構造を容易に形成することができる。なお、第１〜第３の分極電極を除去した後に、全面に電極を形成し、電極３ｂとしてもよい。あるいは第１〜第３の分極電極を残したまま、さらに導電膜を形成し、電極３ｂを形成してもよい。
First, for example, the first polarization region P1 and the second and third polarization regions P2 and P3 of the plate-like
第２に、板状の圧電素子３を金属板４に貼り合わせ、さらに同様にして構成された圧電発電板７と第１，第２の連結部材８，９により連結すればよいだけである。そして、支持部材１０や必要に応じて連結部材１１を接合し、かつ質量付加部材１２を接続するだけで、圧電発電装置１を得ることができる。
Secondly, it is only necessary to attach the plate-like
前述した特許文献２に記載の圧電発電装置は、つづら折り状の圧電素子を用いているため外力によって大きく変位し、大きな電力を取り出し得る。しかしながら、つづら折り形状の複雑な形状の圧電素子を形成しなければならず、またその分極方法も非常に煩雑である。
Since the piezoelectric power generation device described in
これに対して、本実施形態の圧電発電装置１は、上記のような単純な工程を経て容易に製造することができる。
On the other hand, the piezoelectric
さらに、第１，第２の圧電発電板２，７を積み重ねした構造を有するため、圧電発電板２の面方向寸法を小さくすることができ、それによって圧電発電板の面方向の寸法を小さくすることができる。よって、大電力を取出すことができ、かつ小型の圧電発電装置１を提供することができる。
Further, since the first and second piezoelectric
図３は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置２１の正面図である。圧電発電装置２１は、第１の実施形態と同様に、第１，第２の圧電発電板２，７及び質量付加部材１２を有する。第１の実施形態と同一部分については、図３において同一の参照番号を付することにより、第１の実施形態について行った説明を援用することにより省略する。
FIG. 3 is a front view of the piezoelectric
第２の実施形態の圧電発電装置２１が第１の実施形態の圧電発電装置１と異なるところは、第１の圧電発電板２と第２の圧電発電板７とが長さ方向中央において１つの連結部材２２を介して連結されていること、並びに支持部材として第１，第２の支持部材１０Ａ，１０Ｂが第１の圧電発電板２の外側主面に設けられていることにある。
The piezoelectric
すなわち、第１，第２の支持部材１０Ａ，１０Ｂは、第１の圧電発電板２の長さ方向両端に設けられている。従って、本実施形態の圧電発電装置１は、圧電発電板２の上端において外部に固定される。よって、圧電発電装置２１は、外部に対してより安定に固定することができる。
That is, the first and
他方、第１，第２の圧電発電板２，７は、長さ方向において中央に設けられた連結部材２２により連結されているため、第１，第２の圧電発電板２，７に外力が加わった場合、図４の実線Ａ１及び破線Ｂ１で示すように変位する。
On the other hand, since the first and second piezoelectric
すなわち、第１，第２の連結部材１１Ａ，１１Ｂは、第２の圧電発電板７の長さ方向両端に位置している。よって、第１，第２の圧電発電板２，７は、両者の中心を通り、かつ第１，第２の圧電発電板の主面と平行に延びる下層の中心線に対して線対称に変形する。従って、本実施形態においても、第１，第２の圧電発電板２，７は外力が加わった場合、逆相で変位する。よって、第１，第２の圧電発電板２，７が、第１の実施形態と同様に構成されているため、本実施形態においても、第１，第２の圧電発電板２，７において生じた電荷から、大きな電力を取出すことができる。
That is, the first and second connecting
なお、本実施形態においても、第１，第２の連結部材１１Ａ，１１Ｂにより第２の圧電発電板７に質量付加部材１２が連結されている。
Also in this embodiment, the
本実施形態においても、質量付加部材１２が連結されているため、変位量をさらに拡大することができ、より一層大きな電力を取出すことが可能とされている。
Also in this embodiment, since the
第２の実施形態においても、第１，第２の圧電発電板７の変形を利用して大きな電力を取出すことができる。また、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、第１，第２の圧電発電板２，７を容易に製造することができ、さらに第１，第２の圧電発電板２，７と質量付加部材１２と支持部材１０とを接合する工程も簡単に行い得る。よって、本実施形態の圧電発電装置２１もまた、第１の実施形態の圧電発電装置１と同様に容易に製造することができる。
Also in the second embodiment, large electric power can be taken out by utilizing the deformation of the first and second piezoelectric
図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る圧電発電装置に用いられる第１，第２の圧電発電基板の各平面図である。また、図６は、第３の実施形態の圧電発電装置の外観を示す斜視図である。 FIGS. 5A and 5B are plan views of first and second piezoelectric power generation boards used in the piezoelectric power generation apparatus according to the third embodiment of the present invention. FIG. 6 is a perspective view showing an appearance of the piezoelectric power generation apparatus according to the third embodiment.
第３の実施形態の圧電発電装置３１は、第１，第２の圧電発電板２，７において切欠き部２ａ，２ｂが設けられていることを除いては、第１の実施形態の圧電発電装置１と同様である。従って、同一部分については同一の参照番号を付することによりその説明を省略する。
The piezoelectric
図５（ａ）に示すように、第１の圧電発電板２は、一対の長辺２ｃ，２ｄと、一対の短辺２ｅ，２ｆとを有する。第１の切欠き部２ａは、長辺２ｃから反対側の長辺２ｄに向かって、但し長辺２ｄには至らないように延ばされている。同様に、第２の切欠き部２ｂは、長辺２ｄから、反対側の長辺２ｃに向かって、但し長辺２ｃには至らないように延びている。
As shown in FIG. 5A, the first piezoelectric
第１の圧電発電板２では、支持部材１０すなわち固定端と短辺２ｅとの間の圧電発電板部分と、固定端と短辺２ｆとの間の圧電発電板部分とが長辺２ｄ側からみた場合、支持部材１０の中心を通り、圧電発電板２に直行する中心線に対して線対称である形状を維持しつつ変位する。従って、該中心線に対して、第１の切欠き部２ａが等価な位置に、また第２の切欠き部２ｂ，２ｂも該中心線に対して等価な位置に設けられている。
In the first piezoelectric
また、支持部材１０と一方の短辺２ｆとの間の圧電発電板部分においては、第１の切欠き部２ａと第２の切欠き部２ｂとが圧電発電板２の長さ方向において交互に配置されている。同様に、支持部材１０と短辺２ｅとの間の圧電発電板部分においても、圧電発電板２の長さ方向において交互に第１の切欠き部２ａと第２の切欠き部２ｂとが位置されている。なお、図示しないが、第１，第２の圧電発電板２，７の対向する長辺の幅が中央に向かって狭くなるように、第１の切欠き部２ａと第２の切欠き部２ｂとが第１，第２の圧電発電板２，７に形成されてもよい。
Further, in the piezoelectric power generation plate portion between the
よって、切欠き部２ａ，２ｂが設けられているため、外力が加わった場合、切欠き部２ａの両側の圧電発電板部分及び切欠き部２ｂの両側の圧電発電板部分が逆方向に変位することとなる。言い換えれば、長辺２ｄ側からみた場合、圧電発電板２はミアンダ状の形状をなすように変位する。従って、これら逆方向に変位する部分間で分極方向を反転させておけば、第１の実施形態の場合に比べて、本実施形態では、共振周波数を低めることができる。
Therefore, since the
第２の圧電発電板７も同様に、第１，第２の切欠き部７ａ，７ｂを有する。
Similarly, the second piezoelectric
従って、本実施形態の圧電発電装置３１では、第１の切欠き部２ａ，７ａ及び第２の切欠き部２ｂ，７ｂが設けられているため、比較的低い周波数の振動や小さい外力が加わった場合においても、大きな変位量を得ることができる。そのため、第１の実施形態に比べて、より一層大きな電力を取出すことができる。
Therefore, in the piezoelectric
図７（ａ）及び（ｂ）は、第４の実施形態の圧電発電装置の第１，第２の圧電発電板部分の各平面図であり、図８はその外観を示す斜視図である。第１の圧電発電板２では、支持部材１０に近い側が第２の切欠き部２ｂであるのに対し、圧電発電板７では、長辺７ｃから長辺７ｄに向かって延び、但し長辺７ｄには至っていない第１の切欠き部７ｃ，７ｃが中央側に位置している。他方、圧電発電板２では、短辺２ｅ，２ｆ側に第１の切欠き部２ａ，２ａが位置しているのに対し、圧電発電板７では、短辺７ｅ，７ｆ側に位置しているのは第２の切欠き部７ｂ，７ｂが位置している。
FIGS. 7A and 7B are plan views of first and second piezoelectric power generation plate portions of the piezoelectric power generation apparatus according to the fourth embodiment, and FIG. 8 is a perspective view showing an appearance thereof. In the first piezoelectric
このように、第２の圧電発電板７における切欠き部の形成位置を、第１の圧電発電板２における切欠き部２ａ，２ｂの形成位置と異ならせてもよい。
As described above, the formation position of the notch portion in the second piezoelectric
本実施形態においても第２の実施形態と同様に、第１，第２の圧電発電板２，７に、第１，第２の切欠き部２ａ，２ｂ，７ａ，７ｂが形成されているため、共振周波数をより一層低めることができ、かつ大きな電力を取出すことができる。また、第４の実施形態の圧電発電装置３１では、第１の圧電発電板２と第２の圧電発電板７で切欠き部の位置が上記のように反転されているため、第１，第２の圧電発電板２，７の積み重ね構造が外力によってねじれ易くなる。そのため、このねじれ方向の変形によっても、大きな変位量を得ることができる。従って、より一層大きな電力を取出すことができ、かつ共振周波数を低めることができる。
In the present embodiment as well, the first and
図９は、本発明の第５の実施形態に係る圧電発電装置の正面図である。第５の実施形態の圧電発電装置５１は、第１の実施形態の圧電発電装置１の変形例に相当する。異なるところは、１）第２の圧電発電板７の下面に、さらに連結部材１１を介して、第１，第２の圧電発電板２，７が同様に積み重ねされている構造が４層連結されていること、並びに２）最下層の積み重ね構造の第２の圧電発電板７の下面に連結部材１１を介して質量付加部材１２が連結されていることにある。従って、固定端となる支持部材１０と、質量付加部材１２との間に、第１，第２の圧電発電板２，７を有する複数の圧電発電素子を積み重ねてなる発電構造が図示のように固定端となる支持部材１０と質量負荷部材１２が接続される連結部材１１とを結ぶ線上に配置される連結部材１１を介して直列に接続されている。このとき、複数の圧電発電素子を連結する連結部１１が圧電発電素子に与える曲げモーメントの値が抑制されるので、複数の圧電発電板を直列に積み重ねて連結したときであっても、圧電発電板の連結部に作用する応力を小さくすることができる。
FIG. 9 is a front view of a piezoelectric power generator according to a fifth embodiment of the present invention. The piezoelectric
そのため、外力が加わった場合、本実施形態では、５個の圧電発電素子からそれぞれ電力を取出すことができるので、より一層大きな電力を取出すことができる。このように、本発明では、複数の圧電発電素子を複数直列接続してもよい。図９では、圧電発電板の長辺方向の長さが同じ実施形態を示したが、積み重ね方向で圧電発電素子の長辺方向の長さを変えてもよく、積み重ね方向から見た圧電発電素子同士が重なる角度を変えてもよい。 Therefore, when an external force is applied, in the present embodiment, power can be taken out from each of the five piezoelectric power generation elements, so that even larger power can be taken out. Thus, in the present invention, a plurality of piezoelectric power generation elements may be connected in series. FIG. 9 shows an embodiment in which the length of the piezoelectric power generation plate in the long side direction is the same. However, the length of the piezoelectric power generation element in the long side direction may be changed in the stacking direction. You may change the angle which overlaps.
図１０は、本発明の第６の実施形態に係る圧電発電装置の正面図である。圧電発電装置６１は、図３に示した圧電発電装置２１の変形例に相当する。本実施形態も、圧電発電装置５１と同様に個々の圧電発電素子を積み重ねかつ直列に接続した構造を有する。図１０のように、固定端となる支持部材１０Ａと１０Ｂの中間部に配置された最上層の連結部２２と、質量負荷部材１２が接続される連結部１１Ａと１１Ｂの中間部に配置される最下層の連結部材２２とを結ぶ線上に配置される連結部材２２を介して圧電発電素子が連結されている。
FIG. 10 is a front view of a piezoelectric power generator according to a sixth embodiment of the present invention. The piezoelectric
第６の実施形態の圧電発電装置６１のように、第２の実施形態の圧電発電装置２１に相当の構造においても、第１，第２の圧電発電板２，７からなる発電構造を複数直列に接続してもよい。それによって、大きな電力を取出すことができる。
Like the piezoelectric
なお、上述してきた第１〜第６の実施形態では、第１，第２の圧電発電板が長さ方向を有する矩形板状の形状であったが、本発明において、圧電発電板は長さ方向を有する矩形板状の構造に限定されるものではない。例えば、図１１に示す変形例のように、矩形の圧電板に切欠き部７１ａを形成することにより、渦巻き型の圧電発電板７１を形成してもよい。この圧電発電板７１を、第１，第２の圧電発電板として用いてもよい。その場合、圧電発電板７１の中心部分を支持部材に接合してなる固定端とし、該中心部分を挟んで対向し合う一対の角部分を他方の圧電発電板と連結する連結部材が接合される部分として用いればよい。別法として、対向し合う一対の角部を支持部材が接合されている固定端とし、圧電発電板の中央部分を、もう１枚の圧電発電板と連結する連結部として用いてもよい。
In the first to sixth embodiments described above, the first and second piezoelectric power generation plates have a rectangular plate shape having a length direction. In the present invention, the piezoelectric power generation plate has a length. The structure is not limited to a rectangular plate structure having a direction. For example, as in the modification shown in FIG. 11, the spiral-type piezoelectric
このような圧電発電板７１を用いた場合、外力が加わった場合、固定端を支点としてより大きく変形するため、より大きな電力を取出すことができる。
When such a piezoelectric
あるいは、図１２に斜視図で示す２軸ミアンダ型に変形する圧電発電板８１を用いてもよい。圧電発電板８１では、４つの角部分近傍に小さな正方形状の開口部８１ａ〜８１ｄが設けられている。そして、隣り合う開口部、例えば開口部８１ａと開口部８１ｂとを例にとると、開口部８１ａから開口部８１ｂに向かって延びる切欠き部８１ｅと、開口部８１ｂ側から８１ａ側に向かって延びる切欠き部８１ｆが形成されている。そのため、中央を固定端とし、対向し合う一対の角部を連結部とした場合、中央が支点として変形するが、中央の固定端と、開口部８１ａ，８１ｂが設けられている辺８１ｇとの間の圧電発電板部分がミアンダ状に変形する。同様に、中心の固定部と、辺８１ｇと対向し合う辺８１ｈ側の圧電発電板部分も同様にミアンダ状に変形する。他方、他の対向し合う辺８１ｉ，８１ｊとを結ぶ方向においては、上記辺８１ｇ，８１ｈを結ぶ方向と直行する方向においてミアンダ状に変形する。すなわち、２軸ミアンダ状の変形を生じる。このとき、中央を軸として、圧電発電板８１に１８０度回転する位置に回転対称でミアンダ状の切欠き部を配置すると、ミアンダ状のねじり変形が１８０度回転する部分で相殺されて、圧電発電板８１の回転や主面の傾きが抑えられ、圧電発電板８１の振動が安定する。このため、圧電発電板８１の発電量は変動を小さくできる。
Alternatively, a piezoelectric
上記のように、正方形の圧電発電板８１において、一対の対向し合う辺を結ぶ方向及び他の対の対向し合う辺を結ぶ方向の双方においてミアンダ状に変形するように、圧電発電板８１を構成してもよい。この場合においても、圧電発電板７１を用いた場合と同様に、第１，第２の圧電発電板として上記圧電発電板８１を用いることにより、共振周波数を低めることができ、かつ大きな変位量を得ることができる。従って、低周波の振動や小さな外力が加わった場合でも、大きな電力を取出すことができる。
As described above, in the
なお、第１〜第６の実施形態では、金属板に圧電素子が貼り合わされたユニモルフ構造の圧電発電板を示したが、圧電発電板は板状のバイモルフ型圧電素子により構成されてもよい。もっとも、金属板の片面に圧電素子が貼り合わされたユニモルフ構造を採用することにより、金属板の両面に圧電素子が貼り合わされたバイモルフ構造に比べて、圧電発電板の剛性を下げ、共振周波数を低くすることができる。従って、上記のようにユニモルフ型の圧電振動子により圧電発電板を構成することが、低周波の振動でも圧電効率を高められる点において望ましい。 In the first to sixth embodiments, the piezoelectric power generation plate having the unimorph structure in which the piezoelectric element is bonded to the metal plate is shown. However, the piezoelectric power generation plate may be configured by a plate-like bimorph type piezoelectric element. However, by adopting a unimorph structure in which a piezoelectric element is bonded to one side of the metal plate, the rigidity of the piezoelectric power generation plate is lowered and the resonance frequency is lowered compared to a bimorph structure in which the piezoelectric element is bonded to both sides of the metal plate. can do. Therefore, it is desirable that the piezoelectric power generation plate is composed of the unimorph type piezoelectric vibrator as described above in terms of enhancing the piezoelectric efficiency even with low frequency vibration.
１…圧電発電装置
２…第１の圧電発電板
２ａ，２ｂ…第１，第２の切欠き部
２ｃ，２ｄ…長辺
２ｅ，２ｆ…短辺
３…第１の圧電素子
３ａ…第１の圧電セラミック板
３ｂ，３ｃ…電極
４…金属板
５…第２の圧電素子
６…金属板
７…第２の圧電発電板
７ａ，７ｂ…第１，第２の切欠き部
７ｃ，７ｄ…長辺
７ｅ，７ｆ…短辺
８，９…第１，第２の連結部材
１０…支持部材
１１…連結部材
１１Ａ，１１Ｂ…第１，第２の連結部材
１２…質量付加部材
２１…圧電発電装置
２２…連結部材
３１…圧電発電装置
５１…圧電発電装置
６１…圧電発電装置
７１…圧電発電板
７１ａ…切欠き部
８１…圧電発電板
８１ａ〜８１ｄ…開口部
８１ｅ，８１ｆ…切欠き部
８１ｇ〜８１ｊ…辺
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記第１の圧電発電板に固定されており、かつ前記圧電発電素子を外部に固定する支持部材とを備える、圧電発電装置。 A first piezoelectric power generation plate, a second piezoelectric power generation plate disposed so that the principal surfaces of the first piezoelectric power generation plate face each other, and the first and second piezoelectric power generation plates are coupled to each other. A piezoelectric power generation element having a connecting member,
A piezoelectric power generation apparatus comprising: a support member fixed to the first piezoelectric power generation plate and fixing the piezoelectric power generation element to the outside.
前記支持部材は、前記第１，第２の連結部材が設けられている側と反対側の主面において、前記第１の圧電発電板の主面の中央部に設けられている、請求項４に記載の圧電発電装置。 The connecting member includes first and second connecting members that connect the first and second piezoelectric power generation plates at positions of both ends of the main surfaces facing each other.
The said supporting member is provided in the center part of the main surface of a said 1st piezoelectric power generation board in the main surface on the opposite side to the side in which the said 1st, 2nd connection member is provided. The piezoelectric power generation device described in 1.
前記支持部材は、前記第１の圧電発電板の前記連結部材が設けられている側と反対側の主面の長さ方向における両端に第１，第２の支持部材が設けられている、請求項４に記載の圧電発電装置。 The connecting member connects the first and second piezoelectric power generation plates at a central portion in the length direction of the first and second piezoelectric power generation plates,
The support member is provided with first and second support members at both ends in a length direction of a main surface opposite to a side where the connection member of the first piezoelectric power generation plate is provided. Item 5. The piezoelectric power generation device according to Item 4.
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