JP6309698B1 - 発電装置と発電素子 - Google Patents

Abstract

様々な方向成分を含んだ機械的振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換し、高い発電効率を得ることが可能で、構造が簡単で強度が高く、小型化も容易な発電装置と発電素子である。長手方向軸を有して可撓性を有する橋梁部２６と、橋梁部２６の基端部２６ｂが固定された支持枠部２４を備える。橋梁部２６の長手方向軸の先端部２６ａから連続するとともに、所定間隔を隔てて橋梁部２６の基端部２６ｂ側に屈曲して設けられた重錘体３２を備える。橋梁部２６の表面の伸縮変形が生じる所定位置に、圧電素子３４を有する。圧電素子３４は、複数の電極Ｅ０，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４を備える。支持枠部２４の中に、複数の発電素子２１，２２，２３が固定されている。発電素子２１，２２，２３の振動系の固有振動数が、各々異なる周波数である。

Description

この発明は、圧電効果を利用して機械的な振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置とこれに用いる発電素子に関する。

近年、電気エネルギーを得る手段として、圧電効果を利用して機械的な振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子が種々提案されている。この種の一般的な発電素子は、一端を固定した片持ち梁によって重錘体を支持し、重錘体の上下振動によって梁部に周期的な撓みを生じさせ、この撓みによる力を圧電素子に伝達して、電荷を発生させるものである。このような方式では、重錘体を上下方向に振動させる１方向の振動エネルギーしか利用できないため、発電効率が低いものであった。

また、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System)技術を用いた圧電型発電素子も、シリコン基板上に圧電素子を配置し、重錘体に作用した力を圧電素子に伝達し、機械的な力を圧電効果により電荷に変換し発電するものである。この発電素子は、発電効率を高めるために、設置される環境の共振周波数に合わせて設計する。さらに、振動体はＳｉ（シリコン）や金属で作られるために、共振周波数のピーク（Ｑ値）は高いが、半値幅が狭いので、発電素子の共振周波数を、使用される環境の振動の周波数に合わせる必要がある。

そこで、発電素子の発電効率を上げるために、特許文献１に開示された発電素子は、重錘体を、その重錘体の周囲に非対称に屈曲させて配置した片持ち梁構造の橋梁部で支持し、屈曲させて配置した橋梁部に圧電体を固定し、その圧電体に電極を配置している。これにより、互いに直交する複数方向の機械的振動エネルギーを発電に利用することができ、発電効率を上げている。

その他、特許文献２に開示された発電素子は、共振周波数（固有振動数）の異なる少なくとも複数の共振体を片持ち梁状に配置し、この共振体に圧電体と電極を設けている。これにより、複数の異なる周波数の機械的振動を共振体から圧電素子に伝搬させ、幅広い周波数帯域の機械的振動を電気エネルギーに変換している。

特許第５５２９３２８号公報 特開２０１０−２７３４０８号公報

一般に、発電素子が使用される環境にはいろいろな周波数の機械的振動が混在し、特定の周波数や特定な振動方向だけとは限らない。また、Ｓｉや金属による構造体の共振周波数（固有振動数）は、外部応力や温度変動によっても変わるという問題がある。従って、発電素子の共振周波数を使用環境の振動の周波数に合わせても、温度変動等で発電効率が低下したり、発電しなくなるという問題がある。

さらに、特許文献１に開示された発電素子の構造の場合、橋梁部に十分な携みを発生させ、発電効率を向上させるためには、橋梁部をできるだけ長く、薄くする必要性がある。しかし、橋梁部を長く且つ薄くすると、構造が大型化するとともに機械的強度が低下し、使用中に過度の振動が加わった場合に、橋梁部が損傷する可能性があり、圧電素子に形成する電極や重錘の配置にも制限があった。

特許文献２に開示された発電素子は、振動の方向が１軸方向に限られ、使用環境における種々の方向の振動を、効率よく電気エネルギーに変換できていないものである。

この発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、様々な方向成分を含んだ機械的振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換し、高い発電効率を得ることが可能で、構造が簡単で強度が高く、小型化も容易な発電装置と発電素子を提供することを目的とする。

この発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子を備えた発電装置であって、前記発電素子は、長手方向軸を有して可撓性を有する橋梁部と、前記橋梁部の基端部が固定された支持枠部と、前記橋梁部の前記長手方向軸の先端部から連続するとともに、所定間隔を隔てて前記橋梁部の基端部側に屈曲して設けられた重錘体と、前記橋梁部の表面の伸縮変形が生じる所定位置に固定された圧電素子と、前記圧電素子に固定され前記圧電素子に発生した電荷を出力する複数の電極とを備え、前記支持枠部の中に複数の前記発電素子が固定され、各発電素子の振動系の固有振動数が各々異なる周波数で構成され、前記各発電素子の各電極が、前記圧電素子に発生した電荷を取り出して電力を出力する発電回路に接続されている発電装置である。

前記重錘体の重心は、前記橋梁部の投影範囲内であって、前記長手方向軸に対して所定の間隔を隔てて平行な軸線上に位置しているものである。さらに、前記重錘体は、前記橋梁部を中心としてその両側に対称な形状で屈曲して設けられていると良い。

前記各発電素子の振動系は、前記重錘体の質量が異なることにより異なる固有振動数に設定されている。または、前記各発電素子の振動系は、前記橋梁部の弾性係数や形状が異なることにより異なる固有振動数に設定されていても良い。

前記各発電素子の前記各振動系は、互いに物理的に接続されて、一方の振動が他方に伝達可能に設けられていると良い。前記各振動系は、各重錘体が互いに連結体により接続されているものである。

またこの発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子であって、長手方向軸を有して可撓性を有する橋梁部と、前記橋梁部の基端部が固定された支持枠部と、前記橋梁部の前記長手方向軸の先端部から連続するとともに、所定間隔を隔てて前記橋梁部の基端部側に屈曲して設けられた重錘体と、前記橋梁部の表面の伸縮変形が生じる所定位置に固定された圧電素子と、前記圧電素子に固定され前記圧電素子に発生した電荷を出力する複数の電極とを備え、前記重錘体の重心は、前記橋梁部の投影範囲内であって、前記長手方向軸に対して所定の間隔を隔てて平行な軸線上に位置している発電素子である。

前記重錘体は、前記橋梁部と所定間隔を空けて平行に位置した重錘体支持部に固定され、前記重錘体の重心位置が、前記橋梁部の中心から所定間隔を空けて位置しているものである。

前記橋梁部と前記重錘体支持部は同一の板材から形成され、前記橋梁部と前記重錘体支持部の一方の面に圧電体材料層が積層され、他方の面に前記重錘体が積層され、前記橋梁部と前記重錘体支持部とから成る層と前記圧電体材料層、及び前記重錘体の前記積層方向での投影形状が同じである。

この発明の発電装置によれば、発電装置が設けられた環境中において、幅広い周波数帯域の振動に対して、各発電素子の振動系が各々異なる周波数で共振し、外界の機械的振動を効率よく電気エネルギーに変換して取り出すことができる。

さらに、この発明の発電素子によれば、外界の機械的振動の方向も、ＸＹＺ直交座標系の全ての方向の振動を拾って安定に振動し、電気エネルギーに変更することができるので、さらに効率的な発電を行うことができる。また、この発明の発電装置及び発電素子は、構造も簡単で強度も高く、小型化も容易なものである。

この発明の発電装置の第一実施形態を示す概略平面図である。 第一実施形態の振動系と発電回路を示すブロック図である。 第一実施形態の発電装置に用いられる単位発電素子の分解斜視図である。 第一実施形態の単位発電素子の平面図である。 図４のＡ−Ａ断面図である。 第一実施形態の発電回路を示す図である。 第一実施形態の単位発電素子に、Ｘ軸方向の力Ｆｘが加わった状態を示す平面図（ａ）、Ｙ軸方向の力Ｆｙが加わった状態を示す平面図（ｂ）、Ｚ軸方向の力Ｆｚが加わった状態を示す平面図（ｃ）である。 第一実施形態の発電装置の各単位発電素子の発電帯域のＸ軸方向の振動の周波数特性を示すグラフ（ａ）、Ｙ軸方向の振動の周波数特性を示すグラフ（ｂ）、Ｚ軸方向の振動の周波数特性を示すグラフ（ｃ）である。 この発明の第二の実施形態の発電装置を示す平面図である。 この発明の第三の実施形態の発電装置を示す平面図である。 第三実施形態の発電装置を説明するための２つの基本的振動系を示す平面図である。 第三実施形態の発電装置を説明するための、一方の基本的振動系のみの周波数特性を示すグラフ（ａ）、他方の基本的振動系のみの周波数特性を示すグラフ（ｂ）である。 第三実施形態の発電装置を説明するための２つの基本的振動系と発電回路を示す概略図である。 第三実施形態の発電装置の連結体を設けた一方の基本的振動系の周波数特性を示すグラフ（ａ）、他方の基本的振動系の周波数特性を示すグラフ（ｂ）である。 この発明の第四の実施形態の発電装置の単位発電素子を示す側面図（ａ）と平面図（ｂ）である。

以下、この発明の発電装置の第一実施形態について、図１〜図８に基づいて説明する。この実施形態の発電装置１０は、固有振動数（共振周波数）の異なる複数の振動系１１，１２，１３を備えたもので、各振動系１１，１２，１３は、各々単位発電素子２１，２２，２３を構成し、各単位発電素子２１，２２，２３の出力が発電回路１４に接続されている。各振動系１１，１２，１３は、同様の構成であり、各部の長さや質量の違いにより各々異なる固有振動数を有するものである。先ず、振動系１１の単位発電素子２１を基に、この実施形態の単位発電素子２１の基本構造について、以下に説明する。ここで、本願発明における方向の説明は、互いに直交するＸＹＺ軸方向の３次元直交座標系を基に説明し、ＸＹ平面が水平面、Ｚ軸方向が垂直方向で上下方向として説明する。

単位発電素子２１は、発電装置１０の矩形枠状の中空の支持体部２４の内壁面２４ａから一体にＹ軸方向に突出して設けられた橋梁部２６を備えている。橋梁部２６は、Ｚ軸方向の厚さが一定に形成され、Ｙ軸方向に長手方向軸を有した細長い長方形に形成されている。

橋梁部２６の先端部２６ａには、先端部２６ａからＸ軸方向に所定距離だけ延びて、さらにＹ軸方向に橋梁部２６の基端部２６ｂに向かうＬ字状の重錘体支持部２８が、互いに橋梁部２６を挟んで、Ｙ軸方向の長手方向軸を中心として対称に設けられている。各重錘体支持部２８は、支持体部２４とともに橋梁部２６と同一の板材から一体に形成され、橋梁部２６及び一対の重錘体支持部２８は、ＸＹ平面上でほぼＥ字状に設けられている。従って、橋梁部２６と、重錘体支持部２８のＹ軸に平行な部分とは、一定の間隔ｓを空けて延びている。重錘体支持部２８のＹ軸方向の長さは、橋梁部２６よりも短く、重錘体支持部２８の端部２８ａは、支持体部２４の内壁面２４ａから離間して位置している。

支持体部２４、橋梁部２６及び重錘体支持部２８の材料は問わないもので、後述する製造方法等に鑑みて、シリコンや、セラミックス等で形成することが好ましい。後述するように、橋梁部２６及び重錘体支持部２８の材料は、下層電極Ｅ０に対して絶縁性又は導電性のいずれの性質を有して形成されていても良い。

橋梁部２６のＺ軸方向の上層には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やニオブ酸ナトリウムカリウム等の鉛フリー圧電性セラミックス、圧電性樹脂等の圧電材料で形成された圧電材料層３０が設けられている。圧電材料層３０は、層状に形成され、橋梁部２６及び重錘体支持部２８とＺ軸方向に同形状のＥ字状に形成されている。橋梁部２６及び重錘体支持部２８と圧電材料層３０の間には、下層電極Ｅ０が同形状で一体的に形成され、下層電極Ｅ０を介して橋梁部２６及び重錘体支持部２８が圧電材料層３０と一体に設けられている。

橋梁部２６に積層された部分の圧電材料層３０は、圧電素子３４として機能する部分であり、下層電極Ｅ０と反対側の圧電素子３４の表面側には、４枚の上層電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が設けられている。上層電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４は、圧電素子３４のＸ軸方向の両端とＹ軸方向の両端の４箇所に積層され、下層電極Ｅ０とともに各々発電回路１４に接続されている。下層電極Ｅ０が、圧電素子３４の下面全面に形成された１枚の共通電極になっているのに対し、各上層電極Ｅ１〜Ｅ４は、圧電素子３４の圧電効果が生じる領域である各圧電効果部に形成された電極として設けられている。これは、後述するように、単位発電素子２１に作用する外力の方向によって、圧電素子３４の各部に加わる応力の向き(圧縮方向、伸張方向)が異なり、圧電素子３４の各圧電効果部内に発生する電界の極性が異なることにより、各上層電極Ｅ１〜Ｅ４に発生するプラス又はマイナスの電荷を効率よく取り込むためである。

なお、外力に対して重錘体支持部２８にはほとんど撓みが生じず応力も生じないので、圧電材料層３０は積層されていなくても良い。さらに、圧電材料層３０による圧電素子３４は、橋梁部２６の全面に積層される他、上層電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の配置された領域だけでも良い。ただし、この実施形態では、後述する製造上等の理由により、橋梁部２６及び重錘体支持部２８と同形状に積層されている。

重錘体支持部２８のＺ軸方向の下層には、重錘体３２が一体に取り付けられている。重錘体３２は、一対のＬ字状の重錘体支持部２８に一体に取り付けられ、一対のＬ字状の重錘体支持部２８が対称に対向したＺ軸方向の投影形状と同形状で、門形に形成されている。重錘体３２は、Ｚ軸方向に一定厚みを有し、橋梁部２６と平行な部分に多くの質量を有して、所定の質量に形成されている。重錘体３２のＹ軸方向の長さは、橋梁部２６よりも短く、重錘体３２の端部３２ａは、重錘体支持部２８の端部２８ａと同位置で、支持体部２４の内壁面２４ａから僅かに離間して位置している。これにより、後述する発電動作において、重錘体３２が揺動した場合も、重錘体３２の端部３２ａが支持体部２４の内壁面２４ａに衝突することがない。

重錘体３２は、重錘体支持部２８に沿って門形に形成されているので、橋梁部２６のＺ軸方向の下側部分には、空間３５が形成されている。重錘体３２の重心位置Ｇは、図４，図５に示すように、橋梁部２６のＸ軸方向の中心であって、Ｚ軸方向下方に橋梁部２６から所定の距離を空けて下方にある。橋梁部２６のＹ軸方向における重錘体３２の重心位置Ｇは、橋梁部２６の投影範囲内であって、中央部より僅かに先端部２６ａ側に位置する。

重錘体３２の材料は、できるだけ比重の大きな材料を用いるのが好ましい。例えば、ＳＵＳ、鉄、銅、タングステンなどの金属、あるいはセラミックス、もしくはガラスを用いて構成すると良い。さらに、後述するように、単位発電素子２１，２２，２３を、ＭＥＭＳ技術を用いて作る場合は、重錘体３２をＳｉにより製造しても良い。

次に、この実施形態の単位発電素子２１，２２，２３を備えた発電装置１０について説明する。発電装置１０は、図１に示すように、上述の単位発電素子２１と同様の構成の単位発電素子２２，２３を支持体部２４の中に各々設けたものである。支持体部２４は、中空の矩形枠状に形成され、支持体部２４の内側のＸＹ平面上で、単位発電素子２１，２２，２３がＹ軸方向に延出して各々位置している。各単位発電素子２１，２２，２３を構成する振動系１１，１２，１３は、各々の固有振動数が異なり、異なる周波数で共振する。この実施形態では、単位発電素子２１，２２，２３の重錘体３２の大きさが異なり、その質量が異なることにより、異なる固有振動数としている。

なお、各振動系１１，１２，１３を異なる固有振動数とするために、橋梁部２６の弾性係数が異なるように幅や長さを変えても良く、厚みや積層材、形状を変えても良い。さらに、振動系１１，１２，１３の各質量と、各橋梁部３２の弾性係数の両方を異なる値に設定しても良い。

次に、この実施形態の発電回路１４について、図６を基に説明する。ここでは、単位発電素子２１に接続された例を基に説明するが、他の単位発電素子２２，２３も同様の回路構成で同じ発電回路１４に接続される。橋梁部２６に積層された圧電素子３４のうち、上層電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４に対向する部分及びその周辺が、効率よく圧電効果が生じる部分であり、上層電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４に対面した各部を圧電効果部Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４とする。

圧電効果部Ｐ１に取り付けられた上層電極Ｅ１は、発電回路１４の整流回路を形成するダイオードＤ１１のアノードと、ダイオードＤ１２のカソードに各々接続され、ダイオードＤ１１のカソードが、発電回路１４において電荷を溜めるコンデンサＣｆの一端に接続され、ダイオードＤ１２のアノードがコンデンサＣｆの他端に接続されている。

同様に、圧電効果部Ｐ２に取り付けられた上層電極Ｅ２は、発電回路１４の整流回路を形成するダイオードＤ２１のアノードと、ダイオードＤ２２のカソードに各々接続され、ダイオードＤ２１のカソードが、電荷を溜めるコンデンサＣｆの一端に接続され、ダイオードＤ２２のアノードがコンデンサＣｆの他端に接続されている。

同様に、圧電効果部Ｐ３に取り付けられた上層電極Ｅ３は、発電回路１４の整流回路を形成するダイオードＤ３１のアノードと、ダイオードＤ３２のカソードに各々接続され、ダイオードＤ３１のカソードが、電荷を溜めるコンデンサＣｆの一端に接続され、ダイオードＤ３２のアノードがコンデンサＣｆの他端に接続されている。

同様に、圧電効果部Ｐ４に取り付けられた上層電極Ｅ４は、発電回路１４の整流回路を形成するダイオードＤ４１のアノードと、ダイオードＤ４２のカソードに各々接続され、ダイオードＤ４１のカソードが、電荷を溜めるコンデンサＣｆの一端に接続され、ダイオードＤ４２のアノードがコンデンサＣｆの他端に接続されている。

さらに、下層電極Ｅ０は、ダイオードＤ０１のアノードと、ダイオードＤ０２のカソードに各々接続され、ダイオードＤ０１のカソードが、電荷を溜めるコンデンサＣｆの一端に接続され、ダイオードＤ０２のアノードがコンデンサＣｆの他端に接続されている。

これにより、各圧電効果部Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４により上層電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４に正負いずれの電荷が発生しても、コンデンサＣｆに同極性で溜めることができる。さらにこの実施形態では、３つの単位発電素子２１，２２，２３の各下層電極Ｅ０及び上層電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が同様にダイオードＤ１１〜Ｄ４２に接続され、コンデンサＣｆに接続されている。これにより、コンデンサＣｆには、３つの単位発電素子２１，２２，２３により発生した電荷を溜めることができる。コンデンサＣｆは、使用状態において、種々の負荷ＺＬに接続される。

この実施形態の発電装置１０は、ＭＥＭＳ技術で作られたセンサの電源等に適しており、微小な構造が要求されるので、支持体部２４及び単位発電素子２１，２２，２３の各橋梁部２６及び重錘体支持部２８の材料はＳｉを用いて、半導体回路の形成工程を利用して製造することができる。この場合、例えば、橋梁部２６及び重錘体支持部２８のＺ軸方向の厚みは２００μｍ程度でありであり、圧電体層３０の同厚みは２μｍ、重錘体３２のＺ軸方向の厚みの厚みが１０００μｍ、下層電極Ｅ０及び上層電極Ｅ１〜Ｅ４の厚みは０．０１μｍ程度に設定し、外形を５ｍｍ×５ｍｍ程度の大きさで製造することができる。製造工程では、Ｚ軸方向にエッチング及び蒸着等の積層工程を繰り返して製造する。その他、印刷やスパッタリング等の工程を用いることもできる。この場合、Ｓｉ基板としてＳＯＩ基板を用いると良い。ＳＯＩ基板の活性層Ｓｉに下層電極Ｅ０、圧電体３４，上層電極Ｅ１〜Ｅ４を形成し、ベースＳｉを重錘体３２とすれば良い。

その他、支持体部２４及び単位発電素子２１，２２，２３の各橋梁部２６に金属板を利用することも可能である。その場合は、金属板をエッチング等により所定形状に形成し、金属板の上面が下層電極Ｅ０として機能し、この金属板の上にスバッタ法やゾルゲノレ法によって圧電体の薄膜を成膜すると良い。また、上層電極は、金属材料を印刷、蒸着、スバッタ等の方法で形成することができる。

次に、この実施形態の単位発電素子２１の発電動作について説明する。ここでは、支持体部２４がＸＹ平面上に置かれ、Ｚ軸方向に中空部が貫通している。先ず、図３〜図５に示す単位発電素子２１の重錘体３２に、振動等により加速度が作用し力がかかる場合について説明する。

先ず、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した場合について説明する。重錘体３２の重心Ｇが橋梁部２６のほぼ中央部でＺ軸方向下方に位置しているので、外力＋Ｆｘが作用すると橋梁部２６の圧電素子３４には、図７（ａ）に示すように、次のように力が作用する。上層電極Ｅ１に対向する圧電効果部Ｐ１には、圧縮方向の力が作用し、上層電極Ｅ２に対向する圧電効果部Ｐ２には、伸張方向の力が作用し、上層電極Ｅ３に対向する圧電効果部Ｐ３には、伸張方向の力が作用し、上層電極Ｅ４に対向する圧電効果部Ｐ４には、圧縮方向の力が作用する。これにより、圧電効果部Ｐ１，Ｐ２には互いに逆極性の電界が発生し、圧電効果部Ｐ３，Ｐ４にも、互いに逆極性の電界であって圧電効果部Ｐ１，Ｐ３が逆極性となる電界が発生する。そして、上層電極Ｅ１，Ｅ４に同極性の電荷、上層電極Ｅ２，Ｅ３には互いに同極性であって上層電極Ｅ１，Ｅ４とは逆極性の電荷が発生し、各々電荷が溜められる。各電極Ｅ０〜Ｅ４に溜められた電荷は、上層電極Ｅ１，Ｅ４と、上層電極Ｅ２，Ｅ３とでは逆極性であるが、図６に示す回路により整流されて、コンデンサＣｆに同極性で電荷が溜められる。同様に、Ｘ軸負方向にマイナスの力−Ｆｘが作用した場合は、上記と逆極性で、各々の電極に電荷が発生するが、図６に示す回路により、コンデンサＣｆには同極性で電荷が溜められる。

次に、単位発電素子２１の重錘体３２にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合について説明する。重錘体３２の重心Ｇは、橋梁部２６のほぼ中央部のＺ軸方向下方に位置しているので、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合、橋梁部２６には、図５において時計方向のモーメントが作用する。これにより、図７（ｂ）に示すように、各上層電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４に対向する圧電効果部Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４には、各々同様に圧縮方向の力が作用し、各々同極性の電界が発生する。これにより、各上層電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４には各々同極性で電荷が発生し、図６に示す回路により整流されて、コンデンサＣｆに電荷が溜められる。同様に、Ｙ軸負方向にマイナスの力−Ｆｙが作用した場合は、上記と逆極性で、電荷が発生するが、図６に示す回路により、コンデンサＣｆには同極性で電荷が溜められる。

次に、単位発電素子２１の重錘体３２にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した場合について説明する。重錘体３２の重心Ｇは、橋梁部２６のほぼ中央部のＺ軸方向下方に位置しているので、図７（ｃ）に示すように、各上層電極Ｅ１，Ｅ２に対向する圧電効果部Ｐ１，Ｐ２には、伸張方向の力が作用し各々同極性の電界が発生して、各上層電極Ｅ１，Ｅ２には各々同極性で電荷が発生する。一方、各上層電極Ｅ３，Ｅ４に対向する圧電効果部Ｐ３，Ｐ４には圧縮方向の力が作用し、圧電効果部Ｐ１，Ｐ２とは逆極性の電界が発生して、各上層電極Ｅ３，Ｅ４には上層電極Ｅ１，Ｅ２とは逆極性の電荷が発生するが、図６に示す回路により整流されて、コンデンサＣｆに電荷が溜められる。同様に、Ｚ軸負方向にマイナスの力−Ｆｚが作用した場合は、上記と逆極性で、電荷が発生するが、図６に示す回路により、コンデンサＣｆには同極性で電荷が溜められる。

この実施形態の説明では、伸張方向の力と圧縮方向の力で発生する電荷が逆極性としたが、圧電材料層を圧電セラミックスにし、分極処理を制御することにより、伸張と圧縮で同じ極性の電荷を発生させることも可能である。この場合でも、図６に示す発電回路１４は有効なものである。

次に、この実施形態の単位発電素子２１，２２，２３を備えた発電装置１０による発電動作について説明する。発電装置１０は、上述のように各々異なる固有振動数の振動系１１，１２，１３から成るので、外界の振動に対する共振周波数が異なる。図８（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、振動系１１のＸ軸方向の共振周波数をｆｘ１とし、Ｙ軸方向の共振周波数をｆｙ１とし、Ｚ軸方向の共振周波数をｆｚ１とする。振動系１２のＸ軸方向の共振周波数をｆｘ２とし、Ｙ軸方向の共振周波数をｆｙ２とし、Ｚ軸方向の共振周波数をｆｚ２とする。振動系１３のＸ軸方向の共振周波数をｆｘ３とし、Ｙ軸方向の共振周波数をｆｙ３とし、Ｚ軸方向の共振周波数をｆｚ３とする。これらの振動系１１、振動系１２、振動系１３の周波数特性をまとめると、ＸＹＺ軸方向に各々の共振周波数と振幅は、図８に示すように表される。これにより、ＸＹＺ軸方向の各力に対して、異なる周波数の幅広い帯域の機械的振動に対して、単位発電素子２１，２２，２３の振動系１１，１２，１３が各々異なる周波数で共振可能であり、幅広い周波数の振動が発電動作に寄与し、効果的に発電を行うことができる。

この実施形態の発電装置１０と単位発電素子２１，２２，２３によれば、発電装置１０が設けられた環境の幅広い機械的振動に対応して、単位発電素子２１，２２，２３の振動系１１，１２，１３が各々異なる周波数で共振し、外界の振動を効率よく電気エネルギーに変換して取り出すことができる。しかも、外界の機械的振動の方向も、ＸＹＺ直交座標系の全ての方向の振動を拾って共振し、電気エネルギーに変更することができるので、この点からも効率的な発電を行うことができる。また、ＸＹ平面上でＹ軸方向の軸を中心に対称な形状に形成されているので、効率よく振動し、構造も簡単で強度も高いものである。さらに、重錘体支持部２８及び重錘体３２が橋梁部２６の先端部２６ａから屈曲して基端部２６ｂに伸びる構造に形成され、小型化も容易なものである。

次にこの発明の第二実施形態の発電装置３６について図９を基にして説明する。ここで、上記実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の発電素子３６は、単位発電素子２１，２２，２３の配置を工夫して、全体の体積を縮小したものである。図９に示すように、単位発電素子２１，２２と単位発電素子２３のＹ軸方向の向きを逆にして、Ｘ軸方向の重錘体３２の幅分だけＸ軸方向の寸法を短くして、スペース効率を上げたものである。

この実施形態の発電装置３６と単位発電素子２１，２２，２３によよっても、上記実施形態と同様の効果が得られ、さらに小型で効率の良い発電装置を提供することができる。

次にこの発明の第三実施形態の発電装置３８について図１０〜図１４を基にして説明する。ここで、上記実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の発電素子３８は、図１０に示すように、単位発電素子２１，２３の互いに対向する重錘体３２の端部同士、及び単位発電素子２２，２３の互いに対向する重錘体３２の端部同士を連結体４０で物理的に連結したものである。

以下に、重錘体３２の端部同士を連結することによる作用について説明する。先ず、単純化のため図１１に示す片持ち梁による基本的振動系４１，４２を想定する。基本的振動系４１に重錘体ｍ１が設けられ、基本的振動系４２には重錘体ｍ２が設けられ、基本的振動系４１，４２の各固有振動数は異なる。基本的振動系４１，４２の各橋梁部４４には、図示しない下層電極Ｅ０、及び圧電体４６を介して上層電極Ｅ１が設けられているとする。

基本的振動系４１の周波数特性を図１２（ａ）に示し、基本的振動系４２の周波数特性を図１２（ｂ）に示す。基本的振動系４１の共振周波数をｆ１、共振時の振幅のピークをＱｌとし、基本的振動系４２の共振周波数をｆ２、共振時の振幅のピークをＱ２とする。基本的振動系４１がその共振周波数で振動した時、共振時のピークはＱｌとなり、電極Ｅ１に大きな電荷が発生する。この電荷は、自分の電荷で振動を妨げることになる。また、共振時に発生する大量の電荷や応力で、圧電体４６の薄膜や発電素子の機構部にダメージを与える可能性がある。

同様に、基本的振動系４２が共振周波数で振動した時、共振時のピークはＱ２となり、電極Ｅ２に大きな電荷が発生し、この電荷により自分の振動を妨げることになる。また、共振時に発生する大量の電荷や応力で、圧電体４６の薄膜や発電素子の機構部にダメージを与える可能性がある。

上記のような過剰な振動や加速度を抑えるために、図１３に示すように、重錘体ｍ１，ｍ２を連結体４０で物理的に連結し、基本的振動系４１が共振周波数ｆ１で振動した時、その振動を基本的振動系４２に逃がし、基本的振動系４１の共振時のピークを下げ、基本的振動系４２でも発電するようにすればよい。同様に、基本的振動系４２が共振周波数ｆ２で振動した時、その振動を基本的振動系４１に逃がし、基本的振動系４２の共振時のピークを下げ、基本的振動系４１でも発電するようにすればよい。これにより、一つの共振周波数ｆ１により上層電極Ｅ１，Ｅ２の両方で電荷が発生し、発生した電荷を発電回路４７に出力し、電力として取り出すことができる。しかも、大きな外力が作用した場合にも、基本的振動系４２に力を分散して、破損を防止することができる。同様に、他の共振周波数ｆ２によっても、上層電極Ｅ１，Ｅ２の両方で電荷が発生し、発生した電荷を発電回路１４に出力し、電力として取り出すことができる。しかも、大きな外力が作用した場合にも、基本的振動系４１に力を分散して、破損を防止することができる。

連結体４０で重錘体ｍ１，ｍ２を連結することにより、基本的振動系４１，４２では、連結体４０がない場合と比較して上層電極Ｅ１の周波数ｆ１での発生電荷の量である発電量が低下するが、図１４（ａ）で、示すように、上層電極Ｅ２でも発電する。同様に、周波数ｆ２では、上層電極Ｅ２での発電量が低下するが、上層電極Ｅ１も発電する。そして、発電回路４７で電極Ｅ４ｌとＥ４２に発生する両者の電荷を集めて発電すれば、効率的な発電が可能となる。しかも、周波数ｆ１、周波数ｆ２で振幅が抑えられるので橋梁部４４の破損の可能性も抑えられる。なお、重錘体ｍ１，ｍ２の振幅が小さい時は、連結体４０による結合はさほど機能しないが、重錘体ｍ１，ｍ２の振幅が大きくなると、連結体４０は振動系４１，４２の振幅を制限するようになる。

この実施形態の発電装置３８は、この作用を利用したもので、図１０に示すように、単位発電素子２１，２２の互いに対向する重錘体３２の端部同士、及び単位発電素子２２，２３の互いに対向する重錘体３２の端部同士を連結体４０で物理的に連結し、発電効率を向上させ、外力に対する強度も高めたものである。ただし、互いの振動系を強く結合しすぎると、上記のかえって発電能力が抑えられて発電効率が落ちるので、適切な強度の連結が必要になる。

この実施形態の発電装置３８と単位発電素子２１，２２，２３によれば、振動系１１，１２，１３の単位発電素子２１，２２，２３互いの機械的振動が、連結体４０により他方の振動系に伝搬され、一つの振動系が共振による大きな加速度を生じたとしても、互いに他の振動系に機械的振動を分散させ、振幅のピーク値を低減させ、橋梁部２６の破損を防止する。

次にこの発明の第四実施形態の発電装置について図１５を基にして説明する。ここで、上記実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の発電装置は、単位発電素子５１の形状が上記実施形態とは異なるもので、さらに全体の体積を小さくすることができるものである。

この実施形態の単位発電素子５１は、重錘体５２が橋梁部２６の先端部２６ａからＺ軸方向下方に連続し、橋梁部２６と所定間隔を空けてさらにＹ軸方向に橋梁部２６の基端部２６ｂ側に延びてＬ字状で、一つの重錘体５２が形成されたものである。従って、重錘体５２は、橋梁部２６のＺ軸方向の下方に位置しているものである。

この実施形態の重錘体５２は、上記実施形態の重錘体３２と異なり、橋梁部２６とＺ軸方向に重なって設けられているため、橋梁部２６とは別に形成した後、Ｌ字状に形成した重錘体５２の一端部５２ａを橋梁部２６の先端部２６ａに接合して形成する。

この実施形態の発電装置も、上記実施形態と同様に支持枠部の内側に、単位発電素子５１と同様の構造であって、固有振動数の異なる複数の単位発電素子が設けられている。固有振動数を異なる値にする方法は、上記実施形態と同様である。

この実施形態の発電装置と単位発電素子５１によっても、上記実施形態と同様の効果が得られ、さらに小型で効率の良い発電装置を提供することができる。

なお、この発明の発電素子は、上記実施形態に限定されるものではない。重錘体は上記第一実施形態の一対の重錘体のうちの一方のみを備えた形状でも良く、これにより、橋梁部はＹ軸方向の長手方向軸に対して非対称な形状になるが、発電装置の形状をより小型化することが可能である。重錘体の重心位置は、橋梁部のほぼ中央からＺ軸方向に所定距離離間している他、橋梁部の投影範囲内であって、長手方向軸に対して所定の間隔を隔てて平行位置して良いが、重錘体が非対称な場合は橋梁部の投影範囲から僅かに外れていても良い。

また、支持枠部や単位発電素子の橋梁部や重錘体支持部は、上述の素材意外に置き換えてもよい。単位発電素子は、橋梁部が可撓性を有していれば良く、橋梁部の領域毎に弾性係数を変えて、固有振動数を設定しても良く、固有振動数を設定する方法は問わない。

１１，１２，１３ 振動系
１４ 発電回路
２１，２２，２３，５１ 単位発電素子
２４ 支持枠部
２４ａ 内壁面
２６ 橋梁部
２６ａ 先端部
２６ｂ 基端部
２８ 重錘体支持部
３０ 圧電材料層
３２，５２ 重錘体
３４ 圧電素子
Ｅ０ 下層電極
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４ 上層電極
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４ 電効果部

Claims (10)

1. 機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子を備えた発電装置であって、
   前記発電素子は、長手方向軸を有して可撓性を有する橋梁部と、前記橋梁部の基端部が固定された支持枠部と、前記橋梁部の前記長手方向軸の先端部に固定され、所定間隔を隔てて前記橋梁部の基端部側に屈曲して設けられた重錘体と、前記橋梁部の表面の伸縮変形が生じる所定位置に固定された圧電素子と、前記圧電素子に固定され前記圧電素子に発生した電荷を出力する複数の電極とを備え、
   前記重錘体は、前記橋梁部の前記長手方向軸を中心としてその両側に対称な形状で一対に設けられ、一対の前記重錘体が、前記電極が設けられた表面とは反対側の前記橋梁部の裏面側に設けられ、前記橋梁部とともにＥ字状に各々平行に設けられ、前記重錘体の重心は、前記長手方向軸に対して所定の間隔を隔てて、前記橋梁部の裏面側に位置し、
   前記支持枠部の中に複数の前記発電素子が固定され、各発電素子の振動系の固有振動数が各々異なる周波数で構成され、
   前記各発電素子の各電極が、前記圧電素子に発生した電荷を取り出して電力を出力する発電回路に接続されていることを特徴とする発電装置。
2. 機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子を備えた発電装置であって、
   前記発電素子は、長手方向軸を有して可撓性を有する橋梁部と、前記橋梁部の基端部が固定された支持枠部と、前記橋梁部の前記長手方向軸の先端部に固定され、所定間隔を隔てて前記橋梁部の基端部側に屈曲して設けられた重錘体と、前記橋梁部の表面の伸縮変形が生じる所定位置に固定された圧電素子と、前記圧電素子に固定され前記圧電素子に発生した電荷を出力する複数の電極とを備え、
   前記重錘体は、前記橋梁部を中心として、前記電極が設けられた表面とは反対側の前記橋梁部の裏面側に前記橋梁部と平行に設けられ、前記重錘体の重心は、前記橋梁部の投影範囲内であって、前記長手方向軸に対して所定の間隔を隔てて平行な軸線上に位置し、
   前記支持枠部の中に複数の前記発電素子が固定され、各発電素子の振動系の固有振動数が各々異なる周波数で構成され、
   前記各発電素子の各電極が、前記圧電素子に発生した電荷を取り出して電力を出力する発電回路に接続されていることを特徴とする発電装置。
3. 前記橋梁部と前記重錘体支持部は同一の板材から形成され、前記橋梁部と前記重錘体支持部の一方の面に圧電体材料層が積層され、他方の面に前記重錘体が積層され、前記橋梁部と前記重錘体支持部とから成る層と前記圧電体材料層、及び前記重錘体の前記積層方向での投影形状が同じである請求項１記載の発電装置。
4. 前記各発電素子の振動系は、前記重錘体の質量が異なることにより異なる固有振動数に設定されている請求項１又は２記載の発電装置。
5. 前記各発電素子の振動系は、前記橋梁部の弾性係数が異なることにより異なる固有振動数に設定されている請求項１又は２記載の発電装置。
6. 前記各発電素子の前記各橋梁部は、前記支持枠部の対向する内壁面に互い違いに固定され、同一平面上で互いに平行に延びている請求項１又は２記載の発電装置。
7. 前記各発電素子の前記各振動系は、互いに連結体により物理的に接続されて、一方の振動が他方に伝達可能に設けられている請求項１又は２記載の発電装置。
8. 前記電極は、前記橋梁部の前記長手方向軸の両側であって、前記長手方向軸に沿って前記圧電素子の両端に積層されて４箇所に設けられている請求項１又は２記載の発電装置。
9. 機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電素子であって、
   長手方向軸を有して可撓性を有する橋梁部と、
   前記橋梁部の基端部が固定された支持枠部と、
   前記橋梁部の前記長手方向軸の先端部に固定され、所定間隔を隔てて前記橋梁部の基端部側に屈曲して設けられた重錘体と、
   前記橋梁部の表面の伸縮変形が生じる所定位置に固定された圧電素子と、
   前記圧電素子に固定され前記圧電素子に発生した電荷を出力する複数の電極とを備え、
   前記重錘体は、前記電極が設けられた表面とは反対側の前記橋梁部の裏面側に屈曲し、前記長手方向軸に対して所定の間隔を隔てて平行な軸線上に位置し、前記重錘体の重心は、前記橋梁部の投影範囲内であって、前記長手方向軸に対して所定の間隔を隔てて平行な軸線上に位置していることを特徴とする発電素子。
10. 前記電極は、前記橋梁部の前記長手方向軸の両側であって、前記長手方向軸に沿って前記圧電素子の両端に積層されて４箇所に設けられている請求項９記載の発電素子。

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