JP5720703B2 - 圧電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電効果を利用して機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、発電する圧電発電装置に関するものである。

従来より、圧電効果を利用して発電する圧電発電装置が種々提案されている。特許文献１には、図１８に示すようなカンチレバー（片持ち梁）構造の圧電発電装置が開示されている。この圧電発電装置は、一方端が枠状の支持部材５１に固定され、他方端を自由端とした発電素子５２と、発電素子５２の自由端に連結された励振用の錘５３とを備えたものである。発電素子５２は、金属板５２ａの一主面に圧電素子５２ｂを貼り付けたユニモルフ構造とされ、全体として直方体形状に形成されている。圧電発電装置に上下方向の加速度が作用すると、錘５３の作用によって発電素子５２に自由振動が励振され、圧電効果によって圧電素子５２ｂに電荷を発生させることができる。発生した電荷が、圧電素子５２ｂの表裏面に形成された電荷収集電極から取り出される。

前記のような構造の圧電発電装置の場合、直方体形状の発電素子５２に発生する曲げ応力は、自由端ではほぼ０であり、固定端に向かって漸次増大し、固定端で最大となる。発電素子５２で発生する電荷も曲げ応力とほぼ比例した特性を有する。したがって、発電素子５２の自由端付近で発生する電荷量が少なく、発電効率が悪い。

前記の問題を解決するため、特許文献２には、図１９に示すように、固定端から自由端に向かって漸次幅狭とした平面視して二等辺三角形状の発電素子を用いた圧電発電装置が提案されている。この圧電発電装置は、一方端が支持部材６２に固定され、他方端を自由端とした発電素子６１と、発電素子６１の自由端に連結された励振用の錘６３とを備えたものである。発電素子６１は、金属板６１ａの両主面に圧電素子６１ｂを貼り付けたバイモルフ構造とされている。この圧電発電装置では、発電素子６１に発生する曲げ応力を長さ方向に均一化することで、圧電素子６１ｂの全長にわたってほぼ均等に電荷が発生し、発電効率を改善できる。

ところで、例えば自転車や自動車の振動を利用した発電装置や人が歩行する際の振動を利用した発電装置のように、比較的低周波の振動領域で使用される発電装置がある。しかし、特許文献１、２に記載のいずれの圧電発電装置の場合も、一方端を固定端とし、他方端である自由端に錘を連結した直線状の発電素子を用いているため、低周波化及び小型化が困難であるという問題がある。すなわち、発電素子の固有振動数は錘の質量やばね定数によって異なるが、固有振動数を低くするには、発電素子の厚みを薄くするか、発電素子の長さを長くするか、又は錘の質量を大きくする必要がある。発電素子の厚み及び錘の質量については、発電素子の強度上の制約があるため、自由に変更することは難しい。発電素子の長さを長くすることは可能であるが、小型化と相反する。小型化のために発電素子の長さを短くすると、固有振動数が高くなるだけでなく、発電素子の長さを短くした分だけ発電に寄与する圧電素子の体積が減少するので、発電量の低下が避けられない。

特許第３１７０９６５号公報 特許第３３５５９７１号公報

本発明の目的は、固有振動数を低くすることと小型化とを両立でき、発電効率の高い圧電発電装置を提案するものである。

前記目的を達成するため、本発明は、一方端が支持部材に固定され、他方端を自由端とした発電素子と、発電素子の自由端に連結された励振用の錘とを備えた圧電発電装置において、発電素子は、複数のアーム部とこれらアーム部を連結する折り返し部とを有し、一方端と他方端との間の位置において同一面内で折り返す形状とされた振動板と、振動板の各アーム部の一方主面及び／又は他方主面に貼り付けられた圧電素子と、で構成されていることを特徴とする圧電発電装置を提供する。

本発明の特徴は、直線形状の発電素子ではなく、一方端と他方端との間の位置において同一面内で折り返す形状の発電素子を用いた点にある。発電素子は、振動板と、その主面に貼り付けられた圧電素子とで構成される。振動板は複数のアーム部とこれらアーム部を連結する折り返し部とを有し、各アーム部の一方主面及び／又は他方主面に圧電素子が貼り付けられている。発電素子を同一面内で折り返す形状とすることで、直線状の発電素子に比べて固定端から自由端までのばね長を長くすることができ、ばね定数を小さくできる。そのため、発電素子の厚みを薄くしたり、錘の質量を増大させることなく、固有振動数を低くすることができる。同時に、発電素子が同一面内で折り返されているので、全体の寸法を短くでき、小型化が図れる。また、面内のスペースを有効活用できるので、発電に寄与する圧電素子の面積を拡大でき、発電効率も向上する。

圧電素子は、振動板のうち、曲げ応力を発生するアーム部に貼り付けられている。その第１の理由は、同一面内で折り返す形状の振動板では、板厚と垂直方向に振動したとき、アーム部には専ら主振動（曲げ振動）モードが発生するのに対し、折り返し部分では捩れモードが発生しやすいため、折り返し部分に圧電素子を貼り付けても発電に有効に寄与しないからである。第２の理由は、隣合うアーム部同士の間で曲げの向きが相反するため、隣り合うアーム部間に連続的に圧電素子を貼り付けると、各アーム部での発生電荷の極性が異なり、電荷が相殺されるからである。主振動モードを生じるアーム部から電荷を取り出すので、電気機械結合係数が向上し、発電効率が向上する。なお、圧電素子はアーム部の一主面にのみ貼り付けられていてもよいし、両主面に貼り付けられていてもよい。アーム部の一主面にのみ圧電素子を貼り付けた場合にはユニモルフ型発電素子となり、アーム部の両主面に圧電素子を貼り付けた場合にはバイモルフ型発電素子となる。なお、各アーム部に圧電素子を個別に貼り付けても良いが、振動板の主面に圧電体を連続的に貼り付け、各アーム部に対応する圧電体の部分に電極を形成することにより、個別の圧電素子として構成してもよい。したがって、本発明における圧電素子とは、各アーム部に個別に貼り付けられたものに限らない。圧電素子を構成する材料としては、圧電セラミックスのほか、有機圧電体であってもよい。

発電素子は、アーム部の延在方向と平行な中心軸線ＣＬに対して、左右対称形状とするのが望ましい。例えば発電素子を支持部材に支持された一端部から錘を連結した他端部に向かって折り返すことも可能であるが、左右非対称形状となるため、アーム部に捩れモードが発生しやすい。捩れモードは、主振動モードを阻害し、電気機械結合係数を減衰させる。これに対し、発電素子を左右対称形状とすれば、アーム部に捩れモードが発生しにくく、主振動モードを効率よく発生でき、電気機械結合係数を高めることができる。

支持部材と錘とが発電素子を間にして対向位置に配置されており、振動板は、一端が支持部材に固定され他端が錘方向に向かって延びる第１のアーム部と、一端が第１の折り返し部を介して第１のアーム部の他端と連結され他端が支持部材方向に向かって延びる第２のアーム部と、一端が第２の折り返し部を介して第２のアーム部の他端と連結され他端が錘方向に向かって延び、当該他端に錘が連結された第３のアーム部とを有し、第３のアーム部を中心として第１のアーム部と第２のアーム部とが左右一対ずつ設けられている構造としてもよい。この場合には、第３のアーム部を中心として振動板が左右対称形状となり、かつ固定端が２箇所になるので、アーム部での捩れモードをほぼ零にでき、電気機械結合係数が向上する。さらに、合計５本のアーム部から電荷を収集できるので、発電量が増大する。

振動板の第１のアーム部は、その一端側から他端側に向かって漸次幅狭に形成されており、第１のアーム部の主面に貼り付けられた圧電素子は第１のアーム部の形状に相似した形状とされているのがよい。このように第１のアーム部の幅寸法を支持部材側から錘側に向かって漸次幅狭とすることで、第１のアーム部に加わる曲げ応力を均一化でき、発電効率が向上する。

振動板の第２のアーム部は、その一端側から他端側に向かって漸次幅広に形成されており、第２のアーム部の主面に貼り付けられた圧電素子は第２のアーム部の形状に相似した形状とされているのがよい。第２のアーム部は、第１のアーム部と第３のアーム部とを連結する中間アームであるが、錘側から支持部材側に向かって漸次幅広とすることで、第２のアーム部に加わる曲げ応力を均一化でき、発電効率が向上する。

振動板の第３のアーム部は、その一端側から他端側に向かって漸次幅狭に形成されており、第３のアーム部の主面に貼り付けられた圧電素子は第３のアームの形状に相似した形状とされているのがよい。この場合も、上述と同様に第３のアーム部を支持部材側から錘側に向かって漸次幅狭とすることで、第３のアーム部に加わる曲げ応力を均一化でき、発電効率が向上する。

上述では支持部材と錘とが発電素子を間にして対向位置に配置されており、振動板が第１〜第３のアーム部を有する構造の例を示したが、支持部材と錘とが発電素子に対して同一側に配置されており、振動板が、一端が支持部材に固定された第１のアーム部と、一端が錘と連結された第２のアーム部と、第１のアーム部の他端と第２のアーム部の他端とを連結する第３の折り返し部及び又は中間アーム部とを有し、第２のアーム部を中心として第１のアーム部と第３の折り返し部及び又は中間アーム部とが左右一対ずつ設けられた構造としてもよい。この場合も、固定端が２箇所であり、第２のアーム部を中心として振動板が左右対称形状であるので、アーム部での捩れモードを低減でき、効率よく発電できる。また、支持部材と錘とが同一側に配置されるので、さらなる省スペース化を図ることができる。

圧電素子として圧電セラミックスを使用した場合、錘が下方へ変位した時に圧縮応力の加わるアーム部の面に圧電素子を貼り付けるのが望ましい。錘に作用する重力の影響により、発電素子には常に鉛直下方向に重力加速度が加わっている。そのため、錘に対して鉛直上方向に重力加速度以上の加速度が加わらないと、発電素子には引張応力が負荷されない。圧電セラミックスは一般に引張応力より圧縮応力に対して機械的強度が優れているので、下方への変位時に圧縮応力が作用する向きに圧電素子を貼り付けることで、圧電セラミックスからなる圧電素子の耐久性を高めることができる。

以上のように、本発明によれば、発電素子を同一面内で折り返してなる形状としたので、直線状の発電素子に比べてばね長を長くすることができると共に、全体寸法を短くできるので、固有振動数を低くすることと小型化とを両立できる。また、面内のスペースを有効活用できるので、発電に寄与する圧電素子の面積を拡大でき、発電効率も向上するという効果を有する。

本発明に係る圧電発電装置の第１実施例の斜視図である。 本発明に係る圧電発電装置の第１実施例の平面図である。 図１に示す圧電発電装置を振動させた時の振動モードを示す側面図である。 図１に示すユニモルフ構造の圧電発電装置と整流蓄電回路とを接続した回路図である。 バイモルフ構造の圧電発電装置と整流蓄電回路とを接続した回路図である。 本発明に係る圧電発電装置の第２実施例の斜視図である。 本発明に係る圧電発電装置の第２実施例の平面図である。 第２実施例の圧電発電装置と変形例の圧電発電装置との電気機械結合係数を比較した図である。 変形例の圧電発電装置の平面図である。 本発明に係る圧電発電装置の第３実施例の斜視図である。 本発明に係る圧電発電装置の第３実施例の平面図である。 本発明の第１実施例の圧電発電装置と第３実施例の圧電発電装置とのそれぞれにおける各アーム部の応力分布を比較した図である。 図１２の応力分布を測定した各アーム部の部位を示す図である。 本発明の第２実施例の圧電発電装置と第３実施例の圧電発電装置との共振時における発生電力を比較した図である。 本発明に係る圧電発電装置の第４実施例の斜視図と平面図である。 本発明に係る圧電発電装置の第５実施例の平面図とその振動モード図である。 本発明に係る圧電発電装置の第６実施例の平面図とその振動モード図である。 特許文献１に示された圧電発電装置の一例の斜視図である。 特許文献２に示された圧電発電装置の一例の斜視図である。

〔第１実施例〕
図１〜図３は、本発明に係る圧電発電装置の第１実施例を示す。本実施例の圧電発電装置Ａは、一方端が支持部材２に固定され、他方端を自由端とした発電素子１と、発電素子１の自由端に連結された励振用の錘３とを備えている。支持部材２は、例えば電子携帯機器などのケース、又はケースに固定された固定部品で構成されている。錘３は、金属などの質量体で構成されている。錘３は、発電素子１の変位量を大きくする機能を有する。発電素子１は、上下方向に屈曲振動可能となっている。

発電素子１は、ばね弾性を有する１枚の金属板から形成された振動板１１と、その振動板１１の両主面に貼り付けられた圧電素子１２ａ〜１２ｃとで構成されている。なお、図１では圧電素子１２ａ〜１２ｃが省略されている。振動板１１の一方端は支持部材２の上面に固定されている。振動板１１の他方端は自由端とされており、錘３が取り付けられている。振動板１１の一方端と他方端とが同一面内にあり、かつ一方端と他方端の間の位置で複数回折り返す構造とされている。このため、本実施例の振動板１１はミアンダ状とされている。具体的には、振動板１１の一方端と他方端との間の部分には、平面視してコの字状のスリット１１ｇが形成されている。また、振動板１１の他方端側であって錘３が取り付けられている部分の両側に、直線状のスリット１１ｈが形成されている。そして、振動板１１は、互いに平行に延びる第１〜第３のアーム部１１ａ〜１１ｃと、ベース部１１ｄと、第１，第２の折り返し部１１ｅ，１１ｆとを有する。第１〜第３のアーム部１１ａ〜１１ｃは、その間に形成されたスリット１１ｇ，１１ｈによって相互に分割されている。第１のアーム部１１ａと第２のアーム部１１ｂとはそれぞれ左右一対設けられ、中央部に第３のアーム部１１ｃが設けられている。そのため、第３のアーム部１１ｃの中心を通る軸線ＣＬを中心として振動板１１は平面視して左右対称形状とされている。具体的には、第１のアーム部１１ａの一端は幅広なベース部１１ｄに連結され、ベース部１１ｄが支持部材２に固定されている。第１のアーム部１１ａは、支持部材２側の端部から錘３に向かって真っ直ぐに延び、全長Ｌにわたって一定幅に形成されている。第２のアーム部１１ｂの一端は第１の折り返し部１１ｅを介して第１のアーム部１１ａの他端と連結されている。第２のアーム部１１ｂは、錘３側の端部から支持部材２に向かって真っ直ぐに延び、全長Ｌにわたって一定幅に形成されている。第３のアーム部１１ｃの一端は第２の折り返し部１１ｆを介して第２のアーム部１１ｂの他端と連結されている。第３のアーム部１１ｃは、支持部材２側の端部から錘３に向かって真っ直ぐ延び、全長Ｌにわたって一定幅に形成されている。第３のアーム部１１ｃの他端は、自由端であり、錘３が連結されている。

圧電素子１２ａ〜１２ｃは、例えば一定厚みのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電セラミックスで形成されており、厚み方向に分極されている。圧電素子１２ａ〜１２ｃは、各アーム部の曲げ応力に起因した電荷を発生する。図２，図３に示すように、この実施例では、圧電素子１２ａは第１のアーム部１１ａの下面に貼り付けられ、圧電素子１２ｂは第２のアーム部３１ｂの上面に貼り付けられ、圧電素子１２ｃは第３のアーム部３１ｃの下面に貼り付けられており、ユニモルフ構造とされている。圧電素子１２ａ〜１２ｃは各アーム部の形状に相似した形状とされている。なお、圧電素子１２ａ〜１２ｃは第１〜第３のアーム部１１ａ〜１１ｃの主面上だけでなく、第１，第２の折り返し部１１ｅ，１１ｆの一部の上まで延びていてもよいが、一様な曲げ応力が作用する部位に設けるのが望ましい。

圧電素子１２ａ〜１２ｃの表裏面には電荷収集電極（図示せず）が形成されており、その一方面の電荷収集電極は振動板１１と電気的に接続されている。圧電素子１２ａ〜１２ｃの他方面の電荷収集電極は、図４に示すように配線４１により相互に接続され、整流蓄電回路４と接続されている。なお、振動板１１は接地されている。整流蓄電回路４は、各圧電素子１２ａ〜１２ｃからの出力を整流・平滑化し、その電力を蓄える機能を有するものであり、それ自体公知であるため、詳細な説明を省略する。

次に、前記構成からなる圧電発電装置Ａの作動について説明する。圧電発電装置Ａに対して上下方向の加速度が作用すると、錘３の作用によって発電素子１に自由振動が励振され、図３に示すようなモードで変形する。そのため、圧電素子１２ａ〜１２ｃには曲げ応力が作用し、圧電効果によって曲げ応力に比例した電荷が発生する。例えば図３に示すように、錘３が下方へ変位した状態では、第１のアーム部１１ａと第３のアーム部１１ｃは上に凸に変形し、第２のアーム部１１ｂは下に凸に変形する。そのため、第１のアーム部１１ａと第３のアーム部１１ｃのそれぞれの下面に貼り付けられた圧電素子１２ａ，１２ｃ、及び第２のアーム部１１ｂの上面に貼り付けられた圧電素子１２ｂには共に圧縮応力が作用する。その結果、圧電素子１２ａ〜１２ｃで発生する電荷は同極性となり、発電した電気エネルギーを整流蓄電回路４で効率よく蓄えることができる。なお、図３に示すモードは変形モードの一例に過ぎず、各アーム部のばね係数や折り返し部の剛性、錘の質量などによって変わるものである。

図３では、錘３が下方へ変位した時の電荷の発生について説明したが、錘３が上方へ変位した時には、前記とは逆に、第１のアーム部１１ａと第３のアーム部１１ｃは下に凸に変形し、第２のアーム部１１ｂは上に凸に変形するため、第１のアーム部１１ａと第３のアーム部１１ｃのそれぞれの下面に貼り付けられた圧電素子１２ａ，１２ｃ、及び第２のアーム部１１ｂの上面に貼り付けられた圧電素子１２ｂには共に引張応力が作用する。つまり、圧電素子１２ａ〜１２ｃには図３と逆極性の電荷が発生するが、極性が同じであるから、発電した電気エネルギーを整流蓄電回路４で容易に蓄えることができる。なお、錘３に作用する重力の影響により、発電素子１には鉛直下方向に重力加速度が加わっている。そのため、錘３に対して鉛直上方向に重力加速度以上の加速度が加わらないと、発電素子１には引張応力が負荷されない。圧電セラミックスは一般に引張応力より圧縮応力に対して機械的強度が優れているので、下方への変位時に圧縮応力が作用する向きに圧電素子１２ａ〜１２ｃを貼り付けることで、発電素子１の耐久性を高めることができる。

圧電発電装置Ａの主な固有振動数は、振動板１１のばね定数と錘３の質量との比の平方根で決まる。振動板１１を本発明のような形状とした場合、支持部材２と錘３との距離Ｌは一定でも、振動板１１のばね長を自由に長くすることができるので、ばね定数を任意に調整することができる。その結果、例えば固有振動数が数十Ｈｚ程度と低い圧電発電装置を得ることができる。

前記実施例では、第１〜第３のアーム部１１ａ〜１１ｃの一方側の主面にのみ圧電素子１２ａ〜１２ｃを貼り付けたユニモルフ構造としたが、第１〜第３のアーム部１１ａ〜１１ｃの両主面に圧電素子１２ａ〜１２ｃを貼り付けてバイモルフ構造としてもよい。その場合には、図５に示すように、各圧電素子１２ａ〜１２ｃの電荷収集電極を交互に逆向きに接続することで、より多くの電荷を収集できる。

〔第２実施例〕
図６，図７は、本発明に係る圧電発電装置の第２実施例を示す。本実施例のうち、第１実施例と共通部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例の圧電発電装置Ｂでは、中央の第３のアーム部１１ｃが、支持部材２寄りの一端側から錘３と連結された他端側に向かって漸次幅狭とされ、全体として平面視して二等辺三角形状とされている点で第１実施例と異なる。なお、第３のアーム部１１ｃの下面に貼り付けられた圧電素子１２ｃも、第３のアーム部１１ｃと相似して平面視して二等辺三角形状とされている。その他の構造は、第１実施例と同じである。

第２実施例では、第３のアーム部１１ｃ及び圧電素子１２ｃが平面視して二等辺三角形状とされているため、第３のアーム部１１ｃに加わる曲げ応力σが長さ方向で均一化され、圧電素子１２ｃが発生する電荷量も長さ方向で均一化される。第２実施例の圧電素子１２ｃの面積は第１実施例の圧電素子１２ｃに比べて小さくなるため、発電に寄与する圧電素子の体積が減少するが、その反面、圧電素子１２ｃに加わる応力は増加する。その結果、第２実施例では第１実施例に比べて発電量が増加する。その理由を以下に説明する。

圧電素子で発生する発電量は、圧電素子の圧電定数の二乗と圧電素子に加わる応力の二乗と圧電素子の体積との積を圧電素子の誘電率で割った値で決まる。換言すると、発電量Ｗは、次式のように圧電素子に加わる応力σの二乗と圧電素子の体積Ｖとの積に比例する。
Ｗ∝σ² ×Ｖ
圧電素子の厚みが一定であると仮定すると、圧電素子の体積Ｖは圧電素子の面積Ｓに比例するので、
Ｗ∝σ² ×Ｓ
となる。
したがって、発電量を増大させるには、圧電素子に加わる応力σと圧電素子の面積Ｓの両方を増大させることが有効であるが、特に応力σの方が面積Ｓより発電量に大きく影響することがわかる。例えば応力σが２倍、面積Ｓが１／２になると、発電量Ｗは２倍になる。
以上のことから、第３のアーム部１１ｃ及び圧電素子１２ｃを平面視して二等辺三角形状とすることで、長方形状に比べて発電量を増加させることができる。

図８は、第２実施例の圧電発電装置Ｂと、他の実施例の圧電発電装置Ｇ，Ｈ（図９参照）との電気機械結合係数を比較した図である。これら圧電発電装置Ｂ、Ｇ、Ｈは共振周波数（例えば１５Ｈｚ）を同一に設定してある。圧電発電装置Ｇは、蛇行状に連結された第１〜第５のアーム部１７ａ〜１７ｅを有する。第１のアーム部１７ａの一端が支持部材２に固定され、第１〜第５のアーム部１７ａ〜１７ｅが複数の折り返し部を介して順に連結され、第５のアーム部１７ｅの自由端に錘３が連結されている。第１〜第５のアーム部１７ａ〜１７ｅはすべて平面視して長方形状である。圧電発電装置Ｈは、一端が支持部材２に固定された一対の第１のアーム部１８ａと、一端に錘３が連結された平面視して二等辺三角形状の第３のアーム部１８ｃとを有している点で第２実施例と同様である。圧電発電装置Ｈは、第３のアーム部１８ｃを間にして一方側の第２のアーム部１８ｂは、第２実施例と同様に１本のアーム部のみで構成されているが、他方側の第２のアーム部１８ｂ’は蛇行した３本のアーム部で構成されている点が異なる。なお、圧電素子（図示せず）は各アーム部の片面に貼り付けられている。

圧電発電装置Ｇでは、左右非対称形状であるため、錘３の振動につれて第１〜第５のアーム部１７ａ〜１７ｅに捩れが発生し、主振動（曲げ振動）モードが捩れモードによって抑制される。そのため、図８に示すように電気機械結合係数が低い。圧電発電装置Ｈでは、圧電発電装置Ｇに比べると電気機械結合係数は向上するが、左右非対称形状であるため、捩れモードのために主振動モードが抑制される。そのため、アーム部の本数が圧電発電装置Ｂに比べて多いにもかかわらず、電気機械結合係数はやはり低い。これに対し、第２実施例の圧電発電装置Ｂでは主振動モードのみが発生する（捩れモードがほぼ零）ので、電気機械結合係数が非常に高い。電気機械結合係数は発電量と相関するので、圧電発電装置Ｂは圧電発電装置Ｇ，Ｈに比べて良好な発電効率を達成できる。但し、圧電発電装置Ｇ、Ｈの場合も、折り返し部の剛性をアーム部より高くすることで、捩れモードを抑制することは可能である。

〔第３実施例〕
図１０，図１１は、本発明に係る圧電発電装置の第３実施例を示す。本実施例のうち、第１実施例と共通部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例の圧電発電装置Ｃでは、第１のアーム部１１ａが支持部材２側から錘３側に向かって漸次幅狭に形成され、第２のアーム部１１ｂは錘３側から支持部材１側に向かって漸次幅広に形成され、第３のアーム部１１ｃは第２実施例と同様に支持部材２側から錘３側に向かって漸次幅狭に形成されている。すなわち、第１〜第３のアーム部１１ａ〜１１ｃが平面視して三角形状とされている点で第１実施例と異なる。そのため、第３のアーム部１１ｃの中心を通る軸線ＣＬを中心として、振動板１１は左右対称形状とされている。第１〜第３のアーム部１１ａ〜１１ｃに貼り付けられた圧電素子１２ａ〜１２ｃは各アーム部の形状に相似した形状とされている。

図１２は、第１実施例の圧電発電装置Ａにおける各アーム部の応力分布と、第３実施例の圧電発電装置Ｃにおける各アーム部の応力分布とを比較したものである。なお、各アーム部の応力分布は、図１３に破線（１）〜（３）で示すように、各アーム部の同一位置で測定した。ここでは、アーム部は３ｍｍ〜１３ｍｍの範囲に設けられている。

図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、平面視して長方形状のアーム部を持つ第１実施例の場合は、応力分布が不均一であり、自由端側の応力がほぼ零になる。これに対し、平面視して三角形状のアーム部を持つ第３実施例では、応力分布が均一化され、しかも各位置での応力が長方形状のアーム部を持つ第１実施例に比べて大きく、自由端側でも応力が発生している。発電量は応力を長さ方向に積分した値（面積）に比例するので、アーム部全体で総計すると、第３実施例の圧電発電装置Ｃの方が、第１実施例の圧電発電装置Ａよりも発電量が大きくなることがわかる。

図１４は、第２実施例の圧電発電装置Ｂと第３実施例の圧電発電装置Ｃとの共振時における発生電力（発電量）を比較したものである。発電量は共振周波数における発生電圧をもとに、マッチング抵抗を接続した際に抵抗で消費される電力として計算している。第２実施例のような平面視して長方形状のアーム部を持つ場合（但し、中央の第３のアーム部は平面視して三角形状）に比べて、第３実施例のような平面視して三角形状のアーム部を持つ方が、約２０％発電量が向上していることがわかる。

〔第４実施例〕
図１５は、本発明に係る圧電発電装置の第４実施例を示す。本実施例のうち、第１実施例と共通部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例の圧電発電装置Ｄでは、中央の第３のアーム部１１ｃ’の長さが第１，第２のアーム部１１ａ，１１ｂに比べて短く、錘３が発電素子１の全長の範囲内に設けられている。錘３の上部には第２のア―ム部１１ｂの間を通過自在な頭部３ａが突出しており、この頭部３ａに第３のアーム部１１ｃ’の自由端が連結されている。この構造では、錘３の位置を境としてアーム部内で応力が反転し、プラス・マイナス両方の極性の電荷が発生する。このような応力分布で発電効率を上げるには、応力分布にあわせてアーム部内で圧電体の分極方向を変える必要がある。

アーム部における応力分布は錘との位置関係で決まっており、アーム部内で発生する電荷を同一極性にするには、発電素子１の一方端側に錘３を設ける必要がある。また、支持部材２についても同様である。

〔第５実施例〕
図１６は、本発明に係る圧電発電装置の第５実施例を示す。本実施例のうち、第１実施例と共通部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例の圧電発電装置Ｅでは、支持部材２と錘３とが発電素子１の同一側に配置されている。なお、この例では支持部材２が２箇所に別れているが、一体構造としてもよい。発電素子１を構成する振動板１３は、第１のアーム部１３ａと第２のアーム部１３ｂとを有しており、振動板１３は第２のアーム部１３ｂの中心を通る軸線ＣＬを中心として左右対称形状とされている。つまり、第２のアーム部１３ｂの両側に第１のアーム部１３ａが左右一対設けられている。

第１のアーム部１３ａの一端は支持部材２に固定され、他端は支持部材２と離れる方向に直線的に延びている。この例では、第１のアーム部１３ａが一定幅に形成されているが、一端から他端に向かって漸次幅狭としてもよい。第２のアーム部１３ｂは一端が第１のアーム部１３ａの他端と第３の折り返し部１３ｃを介して連結されており、他端は錘３と連結されている。第２のアーム部１３ｂは一端から他端に向かって漸次幅狭とされ、全体として平面視して二等辺三角形状とされている。この例では第１のアーム部１３ａの上面に圧電素子１４ａが貼り付けられ、第２のアーム部１３ｂの下面に圧電素子１４ｂが貼り付けられている。第２のアーム部１３ｂの下面に貼り付けられた圧電素子１４ｂも、第２のアーム部１３ｂと相似して平面視して二等辺三角形状とされている。

この圧電発電装置Ｅでは、図１６の（ｂ）に示すように、錘３が下方へ変位したとき、第１のアーム部１３ａは下に凸に変形し、第２のアーム部１３ｂは上に凸に変形するモードで振動する。そのため、第１のアーム部１３ａの上面に貼り付けられた圧電素子１４ａ及び第２のアーム部１３ｂの下面に貼り付けられた圧電素子１４ｂにはそれぞれ圧縮応力が作用し、各圧電素子で発生する電荷の極性が同一となり、効率よく発電できる。この場合も、下方への変位時に圧縮応力が作用する向きに圧電素子を貼り付けてあるので、発電効率が向上し、圧電素子の耐久性を高めることができる。なお、第１のアーム部１３ａ、第２のアーム部１３ｂの両面に圧電素子を貼り付けてバイモルフ構造としてもよい。

〔第６実施例〕
図１７は、本発明に係る圧電発電装置の第６実施例を示す。本実施例のうち、第１実施例と共通部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例の圧電発電装置Ｆは、第５実施例と同様に、支持部材２と錘３とが発電素子１の同一側に配置されている。この例では、支持部材２が２箇所に別れているが、一体構造としてもよい。発電素子１を構成する振動板１５は、互いに平行な第１〜第４のアーム部１５ａ〜１５ｄを有し、各アーム部が複数の折り返し部を介して連結されている。振動板１５は、第４のアーム部１５ｄの中心を通る軸線ＣＬを中心として平面視して左右対称形状とされている。つまり、第４のアーム部１５ｄの両側に第１〜第３のアーム部１５ａ〜１５ｃがそれぞれ左右一対設けられている。第１のアーム部１５ａの一端が支持部材２に固定され、第４のアーム部１５ｄの先端に錘３が連結されている。この例では、第４のアーム部１５ｄのみが平面視して二等辺三角形状とされているが、他のアーム部も曲げ応力に応じて漸次幅を変化させてもよい。

この実施例では、第１のアーム部１５ａの上面に圧電素子１６ａが貼り付けられ、第２のアーム部１５ｂの下面に圧電素子１６ｂが貼り付けられ、第３のアーム部１５ｃの上面に圧電素子１６ｃが貼り付けられ、第４のアーム部１５ｄの下面に圧電素子１６ｄが貼り付けられている。第４のアーム部１５ｄの下面に貼り付けられた圧電素子１６ｄも、第４のアーム部１５ｄと相似して平面視して二等辺三角形状とされている。

この圧電発電装置Ｆでは、図１７の（ｂ）に示すように、錘３が下方へ変位したとき、第１〜第４のアーム部１５ａ〜１５ｄは交互に逆向きに変形する。そのため、全ての圧電素子１６ａ〜１６ｄにそれぞれ圧縮応力が作用し、各圧電素子で発生する電荷の極性は同一となる。下方への変位時に圧縮応力が作用する向きに圧電素子１６ａ〜１６ｄを貼り付けてあるので、圧電素子の耐久性を高めることができる。なお、本実施例ではユニモルフ構造について説明したが、第１〜第４のアーム部１５ａ〜１５ｄの表裏両面に圧電素子を貼り付けてバイモルフ構造としてもよい。

本発明に係る圧電発電装置は上述の実施例に限られるものではなく、種々変更可能であることは勿論である。振動板としては金属板に限らず、ばね弾性を有する樹脂板であってもよいし、金属と樹脂の複合材でもよい。圧電体としては、圧電セラミックスに限らず、有機圧電体を使用することも可能である。
［備考１］
一方端が支持部材に固定され、他方端を自由端とした発電素子と、前記発電素子の自由端に連結された励振用の錘とを備えた圧電発電装置において、
前記発電素子は、
複数のアーム部とこれらアーム部を連結する折り返し部とを有し、一方端と他方端との間の位置において同一面内で折り返す形状とされた振動板と、
前記振動板の各アーム部の一方主面及び／又は他方主面に貼り付けられた圧電素子と、で構成されていることを特徴とする圧電発電装置。
［備考２］
前記発電素子は、前記アーム部の延在方向と平行な中心軸線ＣＬに対して、左右対称形状であることを特徴とする備考１に記載の圧電発電装置。
［備考３］
前記支持部材と前記錘とが前記発電素子を間にして対向位置に配置されており、
前記振動板は、一端が前記支持部材に固定され他端が前記錘方向に向かって延びる第１のアーム部と、一端が第１の折り返し部を介して前記第１のアーム部の他端と連結され他端が前記支持部材方向に向かって延びる第２のアーム部と、一端が第２の折り返し部を介して前記第２のアーム部の他端と連結され他端が前記錘方向に向かって延び、当該他端に前記錘が連結された第３のアーム部とを有し、
前記第３のアーム部を中心として前記第１のアーム部と第２のアーム部とが左右一対ずつ設けられていることを特徴とする、備考２に記載の圧電発電装置。
［備考４］
前記振動板の第１のアーム部は、その一端側から他端側に向かって漸次幅狭に形成されており、前記第１のアーム部の主面に貼り付けられた圧電素子は当該第１のアーム部の形状に相似した形状とされていることを特徴とする、備考３に記載の圧電発電装置。
［備考５］
前記振動板の第２のアーム部は、その一端側から他端側に向かって漸次幅広に形成されており、前記第２のアーム部の主面に貼り付けられた圧電素子は当該第２のアーム部の形状に相似した形状とされていることを特徴とする、備考３又は４に記載の圧電発電装置。
［備考６］
前記振動板の第３のアーム部は、その一端側から他端側に向かって漸次幅狭に形成されており、前記第３のアーム部の主面に貼り付けられた圧電素子は当該第３のアームの形状に相似した形状とされていることを特徴とする、備考３乃至５のいずれか１項に記載の圧電発電装置。
［備考７］
前記圧電素子は圧電セラミックスで形成されており、
前記圧電素子は、前記錘が下方へ変位した時に圧縮応力の加わる前記アーム部の面に貼り付けられていることを特徴とする、備考１乃至６のいずれか１項に記載の圧電発電装置。

Ａ〜Ｈ 圧電発電装置
１ 発電素子
２ 支持部材
３ 錘
４ 整流蓄電回路
１１ 振動板
１１ａ 第１のアーム部
１１ｂ 第２のアーム部
１１ｃ，１１ｃ’ 第３のアーム部
１１ｄ ベース部
１１ｅ 第１の折り返し部
１１ｆ 第２の折り返し部
１２ａ〜１２ｃ 圧電素子
１３ 振動板
１３ａ 第１のアーム部
１３ｂ 第２のアーム部
１３ｃ 第３の折り返し部
１４ａ、１４ｂ 圧電素子
１５ 振動板
１５ａ〜１５ｄ 第１〜第４のアーム部
１６ａ〜１６ｄ 圧電素子

Claims (4)

1. 一方端が支持部材に固定され、他方端を自由端とした発電素子と、前記発電素子の自由端に連結された励振用の錘とを備えた圧電発電装置において、
   前記発電素子は、
   複数のアーム部とこれらアーム部を連結する折り返し部とを有し、一方端と他方端との間の位置において同一面内で折り返す形状とされた振動板と、
   前記振動板の各アーム部の一方主面及び／又は他方主面に貼り付けられた圧電素子と、で構成されており、
   前記発電素子は、前記アーム部の延在方向と平行な中心軸線ＣＬに対して、左右対称形状であり、
   前記支持部材と前記錘とが前記発電素子に対して同一側に配置されており、
   前記振動板は、一端が前記支持部材に固定された第１のアーム部と、一端が前記錘と連結された第２のアーム部と、前記第１のアーム部の他端と前記第２のアーム部の他端とを連結する第３の折り返し部及び又は中間アーム部とを有し、
   前記第２のアーム部を中心として前記第１のアーム部と前記第３の折り返し部及び又は中間アーム部とが左右一対ずつ設けられていることを特徴とする、圧電発電装置。
2. 前記振動板の第１のアーム部は、その一端側から他端側に向かって漸次幅狭に形成されており、前記第１のアーム部の主面に貼り付けられた圧電素子は当該第１のアーム部の形状に相似した形状とされていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電発電装置。
3. 前記振動板の第２のアーム部は、その他端側から一端側に向かって漸次幅狭に形成されており、前記第２のアーム部の主面に貼り付けられた圧電素子は当該第２のアームの形状に相似した形状とされていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧電発電装置。
4. 前記圧電素子は圧電セラミックスで形成されており、
   前記圧電素子は、前記錘が下方へ変位した時に圧縮応力の加わる前記アーム部の面に貼り付けられていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電発電装置。

Images