(57)【要約】【課題】発電素子の変位を増幅して、発電量の大きな圧電発電装置を得ること。【解決手段】圧電発電装置Ａは、ベース部材１１上にばね手段１２を介して第１錘部材１３が支持された共振器１０と、第２錘部材２３と、主面に圧電素子２２を貼り付けた振動板２１を有し、振動板２１の一方端２１ａが第１錘部材１３に固定され、自由端である他方端に第２錘部材２３が取り付けられ、上下方向に屈曲振動可能な発電素子２０とを備える。第１錘部材１３は発電素子２０の屈曲振動面に対して垂直な軸を中心として所定の振動数で揺動する。そのため、発電素子単体に比べて発電量を増大させることができる。【選択図】    図１
2012137695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部材上にばね手段を介して第１錘部材が支持された共振器と、
第２錘部材と、
主面に圧電素子を貼り付けた振動板を有し、当該振動板の一方端が前記第１錘部材に固定され、自由端である他方端に前記第２錘部材が取り付けられ、上下方向に屈曲振動可能な発電素子とを備え、
前記第１錘部材は前記発電素子の屈曲振動面に対して垂直な軸を中心として所定の振動数で揺動することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項２】
前記第１錘部材は前記ベース部材に加わる外部振動に基づいて揺動し、前記発電素子は前記第１錘部材の揺動に同期して屈曲振動することを特徴とする請求項１に記載の圧電発電装置。
【請求項３】
前記第１錘部材の質量は前記第２錘部材の質量より大きい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。
【請求項４】
前記第１錘部材の揺動軸は、前記第１錘部材の重心よりも前記発電素子の自由端側にあ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。
【請求項５】
前記共振器の共振周波数が前記第２錘部材を含む前記発電素子の共振周波数よりも低いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電発電装置。
【請求項６】
前記共振器の１次モードの共振周波数ｆ１と前記第２錘部材を含む前記発電素子の共振周波数ｆａとの比が、
０．４≦ｆ１／ｆａ≦０．９５
の範囲にあることを特徴とする請求項５に記載の圧電発電装置。
【請求項７】
前記共振器のばね手段は、複数のコイルバネで構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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１２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の自由端に取り付けられた励振用の錘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。この圧電発電装置に外部振動が作用すると、錘５３の作用によって発電素子５２に自由振動が励振され、圧電素子５２ｂの圧電効果によって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。【０００３】
ところで、例えば人が歩行する際の振動、自転車や自動車の振動等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。このような低周波の外部振動に対して、発電素子の固有周波数を近づけることにより、発電素子を大きく振動させることができ、発電量を増大させることができる。圧電素子の発電量は、圧電素子を構成する圧電体の圧電定数の二乗と圧電体に加わる応力の二乗と圧電体の体積との積を圧電体の誘電率で割った値で決まる。圧電体の材料が同じであると仮定すると、発電量Ｗは、次式のように圧電体に加わる応力σの二乗と圧電体の体積Ｖとの積に比例する。
Ｗ∝σ2×Ｖ
したがって、発電量Ｗを増大させるためには、圧電体に加わる応力σと圧電体の体積Ｖの両方を増大させることが有効であり、特に応力σの方が体積Ｖより発電量Ｗに大きく影響する。圧電体に加わる応力σを増大させるには、発電素子の変位量を大きくすることが効果的であるが、上述のように支持部材５１に発電素子５２を片持ち梁状に支持しただけでは、発電素子の変位量はあまり大きくならない。【０００４】
特許文献２には、共振周波数の異なる複数の発電素子を片持ち梁状に支持した圧電発電装置が開示されている。この圧電発電装置は、図１３に示すように、一方端が基部６０に固定され、他方端を自由端とした複数の発電素子６１〜６３と、発電素子６１〜６３の自由端に取り付けられた励振用の錘６４〜６６とを備えたものであり、各発電素子６１〜６３の長さがそれぞれ異なっている。この圧電発電装置は、外部振動の周波数が変動しても、広い周波数範囲で発電を行うためのものであるが、ある特定の周波数における発電量は大きくならない。【０００５】
特許文献３には、図１４に示すように、一方端が金属アングル７０に固定され、他方端を自由端としたカンチレバー構造のレバー７１と、レバー７１の自由端に取り付けられた錘７２と、レバー７１の中間部（作用点）に連結された積層圧電素子７３とを備えた圧電発電装置が開示されている。この圧電発電装置は、外力をてこの原理により増幅し、積層圧電素子７３に加わる力を大きくしているが、積層圧電素子７３には厚み方向の圧縮荷重しか作用しないため、圧電素子自体の歪み量が小さく、発電量はさほど大きくならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３１７０９６５号公報
【特許文献２】特開平７−２４５９７０号公報
【特許文献３】特開平１１−１４６６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、発電素子の変位を増幅して、発電量の大きな圧電発電装置を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明は、ベース部材上にばね手段を介して第１錘部材が支持された共振器と、第２錘部材と、主面に圧電素子を貼り付けた振動板を有し、当該振動板の一方端が第１錘部材に固定され、自由端である他方端に第２錘部材が取り付けられ、上下方向に屈曲振動可能な発電素子とを備え、第１錘部材は発電素子の屈曲振動面に対して垂直な軸を中心として所定の振動数で揺動することを特徴とする圧電発電装置を提供する。第１錘部材はベース部材に加わる外部振動に基づいて揺動し、発電素子は第１錘部材の揺動に同期して屈曲振動することが望ましい。【０００９】
本発明の特徴は、ベース部材に加わる外部振動を発電素子に直接伝達するのではなく、外部振動のエネルギーを共振器によって増幅した上で発電素子に伝える点にある。特に、共振器は上下方向の外部振動を発電素子の屈曲振動面に対して垂直な軸を中心とした揺動運動に変換し、第１錘部材を揺動させる。第１錘部材の揺動と同期して第２錘部材が上下に振れることで、発電素子の屈曲振動が増幅され、ベース部材に発電素子を直接固定した場合に比べて大きく屈曲振動させることができる。その結果、発電素子に加わる曲げ応力が増加し、発電量が増大する。【００１０】
第１錘部材の質量は第２錘部材の質量より大きいことが望ましい。第１錘部材の質量を第２錘部材の質量より大きくすると、第１錘部材が第２錘部材より大きな運動エネルギーを持つので、第１錘部材の運動エネルギーを発電素子の屈曲振動へ効果的に供給することができる。その結果、発電素子の変位量をさらに増幅させることができる。【００１１】
第１錘部材の揺動軸を、第１錘部材の重心よりも発電素子の自由端側にあるように設定してもよい。第１錘部材の揺動軸は、第１錘部材の重心より発電素子の固定端側又は自由端側のいずれにあってもよいが、発電素子の自由端側にある場合には、発電素子の一方端を支持している第１錘部材の位置が上下に変化すると同時に角度変化するので、発電素子の固定端の角度変化と上下変位とが相乗的に作用し、発電素子の変位量がさらに増加する。つまり、発電量が増加する。【００１２】
共振器の共振周波数が第２錘部材を含む発電素子の共振周波数よりも低いことが望ましい。本発明者らが、共振器と発電素子とを一体化した圧電発電装置について検討した結果、共振器と発電素子の２つの共振系の共振周波数を一致させるよりも、共振器の共振周波数を低くした方が、電圧増幅率及び電力増幅率が高くなることがわかった。そこで、共振器のばね手段のばね定数、第１錘部材や第２錘部材の質量などを適切に設定することで、発電素子の屈曲変位が増幅され、発電量を多くすることができる。【００１３】
共振器の１次モードの共振周波数ｆ１と第２錘部材を含む発電素子の共振周波数ｆａとの比が、
０．４≦ｆ１／ｆａ≦０．９５
の範囲にあることが望ましい。共振器は、ばね手段の構成によって１次モード〜高次モード等の複数の共振モードを持つが、１次モードの共振周波数とは、共振器の共振周波数のうち最も低い周波数のことである。１次モードの振動エネルギーは高次モードの振動エネルギーより大きい。上述のように共振器の１次モードの共振周波数を発電素子の共振周波数よりも低くすると、電圧増幅率及び電力増幅率が高くなるが、特に周波数比ｆ１／ｆａを０．４〜０．９５の範囲に設定すると、最も効果的である。周波数比ｆ１／ｆａが０．４未満では、はね手段のばね定数が低くなり過ぎ、復元力が不足して電圧増幅率及び電力増幅率が前記範囲内より低下する傾向がある。周波数比ｆ１／ｆａが０．９５より高くなると、はね手段のばね定数が高くなり過ぎ、第１錘部材の揺動が小さくなって電圧増幅率及び電力増幅率が前記範囲内より低下する傾向がある。【００１４】
共振器のばね手段は、複数のコイルバネで構成されていてもよい。コイルバネは線形性に優れたばねであり、複数のコイルバネを用いることにより、第１錘部材を水平軸を支点として揺動するモードで振動させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明によれば、外部振動を共振器によって発電素子の屈曲振動面に対して垂直な軸を中心とした揺動運動に変換し、第１錘部材の揺動と同期して第２錘部材が上下に振れることで、発電素子の屈曲振動が増幅されるので、ベース部材に発電素子を直接固定した場合に比べて大きく屈曲振動させることができる。その結果、発電量を多くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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。
【図２】図１に示す圧電発電装置の静止状態の側面図である。
【図３】図１に示す圧電発電装置の１次モードでの変位を示す側面図である。
【図４】図１に示す圧電発電装置の２次モードでの変位を示す側面図である。
【図５】共振器のコイルバネのばね定数を変えた場合の圧電発電装置の電圧増幅率及び電力増幅率の周波数特性を示す図である。
【図６】共振器単体と発電素子単体の変位−周波数特性を示す図である。
【図７】ばね定数と共振器−規格化周波数との関係を示す図である。
【図８】共振器−規格化周波数と電圧増幅率との関係、共振器−規格化周波数と電力増幅率との関係、共振器−規格化周波数と圧電発電装置−規格化周波数との関係をそれぞれ示す図である。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】本発明に係る圧電発電装置の第４実施例に用いられる発電素子の斜視図及び平面図である。
【図１２】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。
【図１３】特許文献２に示された圧電発電装置の一例の断面図である。
【図１４】特許文献３に示された圧電発電装置の一例の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
〔第１実施例〕
図１，図２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、共振器１０と、カンチレバー型の発電素子２０とを備えている。
【００１８】
共振器１０は、ベース部材１１と、ばね手段１２と、ベース部材１１上にばね手段１２を介して弾性支持された第１錘部材１３とを備えている。本実施例のベース部材１１は平板状の部材とされているが、ケース等の一部であってもよく、外部振動を受ける部材であれば形状は任意である。本実施例の第１錘部材１３は、平板状の支持板部１３ａとその後端部に立設された支持台部１３ｂとを有する側面視Ｌ字形の部材で構成されている。第１錘部材１３は、金属などの剛性を持つ質量体で構成されている。第１錘部材１３は、発電素子２０を揺動させる機能を有する揺動用錘部材である。ばね手段１２は、ベース部材１１と第１錘部材１３の支持板部１３ａとの間に配置された２個のコイルバネ１２ａ，１２ｂで構成されている。この実施例のコイルバネ１２ａ，１２ｂのばね定数は同じであるが、互いに異なっていても良い。これらコイルバネ１２ａ，１２ｂは、発電素子２０の直下方で、かつ長さ方向（Ｙ軸方向）に間隔を開けて配置されている。各コイルバネ１２ａ，１２ｂは、例えばばね定数が0.04〜0.50N/mmのコイルバネで構成されている。
【００１９】
発電素子２０は、金属板などの振動板２１と、振動板２１の一主面又は両主面に貼り付けられた圧電素子２２とで構成されている。振動板２１は、支持板部１３ａに沿って延びている。振動板２１の一方端２１ａは第１錘部材１３の支持台部１３ｂの上面に固定されており、他方端は自由端とされている。また、振動板２１の他方端は、幅広な形状を有する錘取付部２１ｂを構成している。振動板２１の錘取付部２１ｂの下面には、第２錘部材２３が取り付けられている。第２錘部材２３も第１錘部材１３と同様に金属などの質量体で構成されている。第２錘部材２３は、発電素子２０の変位量を大きくする機能を有する変位量増幅用錘部材である。これにより、発電素子２０は上下方向に屈曲振動可能となっている。本実施例では、発電素子２０の幅方向をＸ軸方向、長さ方向をＹ軸方向、厚さ方向（上下方向）をＺ軸方向とすると、発電素子２０の屈曲振動面とはＹ軸−Ｚ軸面のことである。
【００２０】
本実施例では、発電素子２０の振動板２１及び圧電素子２２を、圧電発電装置Ａを上方から視た際に振動板２１の一方端２１ａ側から他方端側に向かって漸次幅狭となる二等辺三角形状としたが、一定幅の長方形状としてもよいし、形状は任意である。また、発電素子２０は、金属板２１の一主面に圧電セラミックス等からなる圧電素子２２を貼り付けたユニモルフ構造とされている。例えば、金属板２１は厚み75μｍの42Ｎｉからなり、圧電素子２２は厚み75μｍのチタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミックスからなる。本実施例の発電素子２０は、ユニモルフ構造であるが、振動板２１の両主面に圧電素子２２を貼り付けたバイモルフ構造としても良い。圧電素子２２の貼り付け位置は、実施例のように支持台部１３ｂに固定された振動板２１の一方端２１ａを除く領域に限らず、一方端２１ａ含む領域であってもよい。圧電素子２２を振動板２１の下側主面に貼り付けた場合には、第２錘部材２３に作用する重力の影響により圧電素子２２には常時圧縮応力が作用する。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、圧縮応力が作用する向きに圧電素子２２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２２の耐久性を高めることができる。圧電素子２２については、機械エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる材料からなるものであれば良く、圧電セラミックス以外では有機圧電体や誘電ポリマー材料からなるものでも良い。
【００２１】
圧電素子２２の両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２１と電気的に接続されている。圧電素子２２の電荷収集電極は、整流蓄電回路２５（図２参照）と接続されている。整流蓄電回路２５は、圧電素子２２からの出力を整流・平滑化し、電力を蓄える機能を有するものである。整流蓄電回路自体は公知であるため、詳細な説明を省略する。
【００２２】
本実施例では、第２錘部材２３が振動板２１の下面に固定されているため、圧電発電装置Ａの高さ寸法を小さくできる。なお、第２錘部材２３と第１錘部材１３の支持板部１３ａとの間には、第１錘部材１３が最大限変位した場合でも、第２錘部材２３と第１錘部材１３の支持板部１３ａとが接触しないような空間が設定されている。発電素子２０の共振周波数（１次の共振点）は、振動板２１のヤング率、長さ、幅、厚み、第２錘部材２３の質量などによって変更可能であるが、ここでは人の衣服や携帯物、自転車・自動車などの乗り物への搭載を想定して、例えば15Hzで設計されている。
【００２３】
第１錘部材１３の質量を第２錘部材２３の質量より大きくすることが望ましく、本実施例では、例えば第１錘部材１３の質量は24.0g、第２錘部材２３の質量は10.2gとされている。第１錘部材１３の質量を第２錘部材２３の質量より大きくすると、外部振動がベース部材１１に加わった時、第１錘部材１３が第２錘部材２３より大きな運動エネルギーを持ち、第１錘部材１３の運動エネルギーを発電素子２０へ効果的に供給することができる。その結果、発電素子２０の変位量をさらに増幅させることができる。
【００２４】
図３は、共振器１０の１次モードにおける圧電発電装置Ａの変位を示す。なお、図３では圧電素子２２が省略されており、実線は変位状態、一点鎖線は静止状態を示す。図示するように、ベース部材１１に対して上下方向の外部振動Ｆが作用すると、ばね手段１２によって第１錘部材１３が上下に揺動する。共振器１０は発電素子２０の屈曲振動面に対して垂直な揺動軸ＣＳを中心として揺動する。揺動軸ＣＳはＸ軸と平行である。１次モードでは、第１錘部材１３の揺動軸ＣＳが第１錘部材１３の重心Ｇよりも発電素子２０の自由端側、つまりコイルバネ１２ｂの近傍にあり、コイルバネ１２ｂは殆ど伸縮せず、コイルバネ１２ａが大きく伸縮する。第１錘部材１３の揺動と同期して発電素子２０は上下に屈曲振動する。例えば図３（ａ）のように第１錘部材１３が右回り方向に揺動した時、第２錘部材２３が上方へ振り上げられ、発電素子２０は下に凸に屈曲する。一方、図３（ｂ）のように第１錘部材１３が左回り方向に揺動した時、第２錘部材２３が下方へ振り下ろされ、発電素子２０は上に凸に屈曲する。このように固定端である発電素子２０の一方端２１ａ（第１錘部材１３の支持台部１３ｂ）が上下に移動すると同時に、角度変化が発生するので、発電素子２０の変位量が増幅される。その結果、発電素子２０の圧電体２２に加わる応力が、発電素子２０をベース部材１１に直接固定した場合に比べて増加し、発電量が多くなる。なお、図３では、揺動軸ＣＳがコイルバネ１２ｂの斜め上方に位置する例を示したが、揺動軸ＣＳの位置は各種設定によって変化しうるものである。但し、揺動軸ＣＳは、少なくとも第１錘部材１３の重心Ｇよりも発電素子２０の自由端側に位置していればよい。
【００２５】
図４は、共振器１０の２次モードにおける圧電発電装置Ａの変位を示す。なお、図４では圧電素子２２が省略されており、実線は変位状態、一点鎖線は静止状態を示す。図示するように、２次モードにおいても１次モードと同様に、ベース部材１１に対して上下方向の外部振動Ｆが作用すると、ばね手段１２によって第１錘部材１３が上下に揺動する。共振器１０は発電素子２０の屈曲振動面に対して垂直な揺動軸ＣＳを中心として揺動する。揺動軸ＣＳはＸ軸と平行である。２次モードでは、第１錘部材１３の揺動軸ＣＳが第１錘部材１３の重心Ｇよりも発電素子２０の固定端側、つまり第１錘部材１３の支持台部１３ｂの中央部分近傍にあり、発電素子２０の固定端側であるコイルバネ１２ａに比べて、コイルバネ１２ｂの伸縮量が大きい。このモードでは、図４（ａ）のように第１錘部材１３が左回り方向に揺動した時、第２錘部材２３が下方へ変位し、発電素子２０は上に凸に屈曲する。一方、図４（ｂ）のように第１錘部材１３が右回り方向に揺動した時、第２錘部材２３が上方へ変位し、発電素子２０は下に凸に屈曲する。２次モードでの発電素子２０の変位量は１次モードに比べて小さいが、発電素子２０をベース部材１１に直接固定した場合よりは大きい。なお、図４では、揺動軸ＣＳが支持台部１３ｂの中央部分近傍に位置する例を示したが、揺動軸ＣＳの位置は各種設定によって変化しうるものである。但し、揺動軸ＣＳは、少なくとも第１錘部材１３の重心Ｇよりも発電素子２０の固定端側に位置していればよい。
【００２６】
図３、図４は、共振器１０の１次モードの共振周波数を発電素子２０の共振周波数より低く設定した場合の共振モードを示している。もし、共振器１０の１次モードの共振周波数を発電素子２０の共振周波数より高く設定した場合や、ばね手段１２の構成を変更した場合には、異なる共振モードも発生しうる。共振器１０の１次モードの共振周波数は、ばね手段１２のばね定数や第１錘部材１３によって設定可能である。また、発電素子２０の共振周波数は、第２錘部材２３の質量や振動板２１のばね定数などによって設定可能である。
【００２７】
図５は、共振器１０のばね手段１２を構成しているコイルバネ１２ａ，１２ｂのばね定数を変えた場合の圧電発電装置Ａの電圧増幅率及び電力増幅率の周波数特性を示す。比較のために、発電素子２０単体の特性も記載した。ベース部材１１への外部振動の入力加速度は100mG、発生電圧・電力については、マッチング抵抗をつないだ状態で出力される電圧・消費される電力として計算している。なお、図５は共振器１０の１次モードを主モードとして使用した場合である。
【００２８】
発電素子２０単体の場合には、外部振動の周波数が発電素子の共振周波数である15Hz付近において、電圧及び電力がピーク値となる。一方、共振器１０と発電素子２０とを一体化した圧電発電装置Ａの場合、ばね定数が小さくなるにつれて、電圧増幅率及び電力増幅率のピーク値の周波数が低くなるとともに、電圧増幅率及び電力増幅率共にピーク値が大きくなっていることがわかる。したがって、圧電発電装置Ａとしての共振周波数は、ばね定数に比例して高くなっているということができる。ばね定数が0.05N/mmで電圧増幅率及び電力増幅率は最大値となり、それよりばね定数が小さくなると、急激に電圧増幅率及び電力増幅率が低下している。圧電発電装置Ａを共振器１０と発電素子２０とを一体化した構造にすることにより、発電素子２０単体に比べて、電圧増幅率で1.9〜5.1倍、電力増幅率で3.6〜16.0倍の増幅効果があることがわかる。
【００２９】
メカニズムとしては、共振器１０の第１錘部材１３の質量が同一の条件であれば、ばね手段１２を構成しているコイルバネ１２ａ，１２ｂのばね定数が小さくなるにつれて、コイルバネ１２ａ，１２ｂの変形量が大きくなり、より多くの運動エネルギーがコイルバネ１２ａ，１２ｂに蓄えられる。そのことから、共振器１０から発電素子２０へ流れるエネルギーが大きくなるためと考えられる。ばね定数が小さくなり過ぎて、電圧増幅率及び電力増幅率が低下しているのは、コイルバネ１２ａ，１２ｂが柔らかくなり過ぎ、変形に対して復元力が十分に確保できなくなるためと考えられる。
【００３０】
次に、電力増幅に必要な共振器１０と発電素子２０の共振周波数の関係について説明する。図６は、共振器１０単体と発電素子２０単体の変位−周波数特性を示す。共振器１０については、コイルバネ１２ａ，１２ｂのばね定数を0.12N/mmとした際の結果である。発電素子２０単体については、15Hz付近に共振点があり、共振器１０については、２本のコイルバネ１２ａ，１２ｂを使用しているため、11Hzと20Hz付近にそれぞれ１次モードと２次モードの共振点が見られる。圧電発電装置Ａとしてみた場合の共振は、共振器１０の１次モードと発電素子２０の共振が結合したモードが主モードであるため、共振器１０の１次モードの共振周波数と発電素子２０の共振周波数の関係を見ていく。
【００３１】
図７に、ばね定数と共振器−規格化周波数（共振器１０の１次モードの共振周波数を発電素子２０の共振周波数で規格化した値及び共振器１０の２次モードの共振周波数を発電素子２０の共振周波数で規格化した値）の関係を示す。共振器−規格化周波数が1.0であるラインが発電素子２０の共振点 (15Hz)を表している。コイルバネ１２ａ，１２ｂのばね定数が0.23N/mm以下では１次モードの共振器−規格化周波数が1.0以下になっており、共振器１０の１次モードの共振周波数が発電素子２０の共振周波数よりも小さくなっている。また、コイルバネ１２ａ，１２ｂのばね定数が0.07N/mm以下では２次モードの共振器−規格化周波数も1.0以下になり、共振器１０の２次モードの共振周波数が発電素子２０の共振周波数よりも小さくなる。
【００３２】
図６、図７から明らかなように、電圧増幅率及び電力増幅率については、共振器１０と発電素子２０の２つの共振系の共振周波数を一致させるよりも、共振器１０の１次モードの共振周波数を発電素子２０の共振周波数よりも低くした方が増幅率が高くなることがわかる。また、共振周波数を低く設計する定義としては、発電素子２０と共振器１０の共振帯域の−３ｄＢ幅（半値幅）が重ならない範囲とするのがよい。
【００３３】
図８（ａ）に共振器−規格化周波数と電圧増幅率との関係を示し、図８（ｂ）に共振器−規格化周波数と電力増幅率との関係を示し、図８（ｃ）に共振器−規格化周波数と圧電発電装置−規格化周波数との関係を示す。図８において、共振器−規格化周波数は共振器１０の１次モードの共振周波数を発電素子２０の共振周波数で規格化した値（ｆ１／ｆａ）であり、圧電発電装置−規格化周波数は圧電発電装置Ａの共振周波数を発電素子２０単体の共振周波数で規格化した値である。
【００３４】
電圧増幅率及び電力増幅率の関係から見ると、図８（ａ），（ｂ）に示すように共振器−規格化周波数が１以上の範囲では、緩やかに電圧増幅率及び電力増幅率が低下している。共振器−規格化周波数が１以下の範囲は、共振器−規格化周波数が小さくなるにつれて、電圧増幅率及び電力増幅率は高くなり、共振器−規格化周波数が0.5付近に極大値を持つ。共振器１０と発電素子２０の共振周波数を同じにするよりも、共振器の１次次モードの共振周波数を発電素子２０の共振周波数よりも低くすることが電圧及び電力の増幅には効果的と言える。共振器１０の設計範囲としては、共振器−規格化周波数で0.40〜0.95が最も増幅効果が大きい。共振器−規格化周波数が0.40未満になると、電圧増幅率及び電力電力増幅率が低下する傾向が見られる。その原因は、ばね手段１２を構成しているコイルバネ１２ａ，１２ｂが柔らかくなり過ぎ、変形に対して復元力が十分に確保できなくなるためと考えられる。
【００３５】
図８（ｃ）の共振器−規格化周波数と圧電発電装置−規格化周波数との関係については、共振器−規格化周波数が0.6 より小さな範囲ではほぼ比例関係にある。共振器−規格化周波数を大きくしていくと、傾きが緩やかになり、圧電発電装置−規格化周波数は１に漸近していく。このことは、共振器１０のばね手段１２を構成しているコイルバネ１２ａ，１２ｂのばね定数を大きくすると共振器１０の振動が小さくなり、圧電発電装置の共振周波数は発電素子２０の共振周波数に近づいていくと考えられる。本発明のように圧電発電装置を共振器と発電素子とを一体化した構造にすることで、発電素子の共振周波数を変えることなく、共振器ののばね手段のばね定数を調整することにより、圧電発電装置の共振周波数を調整することができる。
【００３６】
〔第２実施例〕
図９は、本発明に係る圧電発電装置の第２実施例を示す。本実施例の圧電発電装置Ｂは、ばね手段１２として、４個のコイルバネ１２ｃ〜１２ｆを使用したものである。これらコイルバネ１２ｃ〜１２ｆは、発電素子２０を中間にしてＸ軸方向に間隔をあけて配置され、かつＹ軸方向にも間隔をあけて配置されている。なお、本実施例の圧電発電装置Ｂは、ばね手段１２以外の構成は第１実施例の圧電発電装置Ａと同じとされている。
【００３７】
本実施例では、ばね手段１２として４個のコイルバネ１２ｃ〜１２ｆを使用することで、第１錘部材１３の揺動軸ＣＳの位置が安定し、左右方向の振れ（Ｙ軸を中心とする揺動）が少なくなる。そのため、外部振動を効率よく第１錘部材１３の揺動に変換でき、その結果として発電素子２０の変位量をさらに増幅させることができ、圧電発電装置Ｂの発電量が多くなる。なお、コイルバネの個数及び配置は任意に設定できる。
【００３８】
〔第３実施例〕
図１０は、本発明に係る圧電発電装置の第３実施例を示す。本実施例の圧電発電装置Ｃは、ばね手段１２として、４個のＵ字形の板ばね１２ｇ〜１２ｊを使用したものである。板ばね１２ｇ〜１２ｊの配置は、図９に示すコイルバネ１２ｃ〜１２ｆの配置と同じである。なお、本実施例の圧電発電装置Ｃは、ばね手段１２以外の構成は第１実施例の圧電発電装置Ａと同じとされている。本実施例の効果は、第２実施例と同様である。コイルバネに代えて板ばねをばね手段１２として使用することで、ベース部材１１及び第１錘部材１３へのばね手段１２の取り付けが簡単になる。なお、板ばねの形状はＵ字形に限らず、個数も４個に限らない。
【００３９】
〔第４実施例〕
図１１は、本発明に係る圧電発電装置の第４実施例に用いられる発電素子を示す。本実施例の圧電発電装置Ｄは、発電素子として、発電素子３０を使用したものである。本実施例の発電素子３０は、金属板などの振動板３１と、振動板３１の両主面に貼り付けられた圧電素子３２ａ〜３２ｃと、励振用の第２錘部材３３とで構成されている。なお、図１１の（ａ）では圧電素子３２ａ〜３２ｃが省略されている。なお、本実施例の圧電発電装置Ｄは、発電素子３０以外の構成は第１実施例の圧電発電装置Ａと同じとされている。
【００４０】
振動板３１の一方端である固定部３１ｄは第１錘部材１３の支持台部１３ｂの上面に固定されている。振動板３１の他方端は自由端とされており、振動板３１の他方端には、第２錘部材３３が取り付けられている。振動板３１の一方端と他方端との間の部分には、コの字状の貫通部が形成されている。貫通部は、振動板３１の一方端側に位置し、Ｘ軸方向に延びる部分と、振動板３１の一方端と他方端との間であって、長手方向の端部近傍に位置し、Ｙ軸方向に延びる２つの部分とにより構成されている。振動板３１の他方端には、第２錘部材３３が取り付けられている部分の両側に、切り欠き部が形成されている。具体的には、振動板３１は第１〜第３アーム部３１ａ〜３１ｃと第１，第２の折り返し部３１ｅ，３１ｆを有し、第１アーム部３１ａと第２アーム部３１ｂとはそれぞれ左右一対設けられ、中央部に第３アーム部３１ｃが設けられている。そのため、第３アーム部３１ｃの中心を通る軸線ＣＬを中心として振動板３１は左右対称形状とされている。第１アーム部３１ａは、振動板３１の長手方向の端部に位置し、Ｙ軸方向に延びている。第１アーム部３１ａは、固定部３１ｄ側から第２錘部材３３側に向かって漸次幅狭に形成されている。第１アーム部３１ａの一端は固定部３１ｄに連結されており、第１アーム部３１ａの他端は第１の折り返し部３１ｅを介して第２アーム部３１ｂの一端と連結されている。第２アーム部３１ｂは、第１アーム部３１ａと貫通部を介して対向するように位置し、Ｙ軸方向に延びている。第２アーム部３１ｂは、固定部３１ｄ側から第２錘部材３３側に向かって漸次幅狭に形成されている。第２アーム部３１ｂの一端は第１の折り返し部３１ｅを介して第１アーム部３１ａの他端と連結されており、第２アーム部３１ｂの他端は第２の折り返し部３１ｆを介して第３アーム部３１ｃの一端と連結されている。第３アーム部３１ｃは、第２アーム部３１ｂと切り欠き部を介して対向するように位置し、Ｙ軸方向に延びている。第３アーム部３１ｃは、固定部３１ｄ側から第２錘部材３３側に向かって漸次幅狭に形成されている。第３アーム部３１ｃの一端は第２の折り返し部３１ｆを介して第２アーム部３１ｂの他端と連結されており、第３アーム部３１ｃの他端は自由端であり、第２錘部材３３が取り付けられている。
【００４１】
圧電素子３２ａは第１アーム部３１ａの下面に貼り付けられ、圧電素子３２ｂは第２アーム部３１ｂの上面に貼り付けられ、圧電素子３２ｃは第３アーム部３１ｃの下面に貼り付けられている。圧電素子３２ａ〜３２ｃは各アーム部の形状に相似した形状とされている。
【００４２】
本実施例の圧電発電装置Ｄでは、各アーム部に発生する曲げ応力がほぼ均等化され、各アーム部の長さ方向においても曲げ応力がほぼ均等化される。そのため、発電量が、単一のアーム部よりなる振動板２１を有する第１〜第３実施例の圧電発電装置Ａ〜Ｃに比べて多くできる。
【００４３】
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。ばね手段としては、コイルバネ、板ばねに限らず、その個数も２個、４個に限らない。実施例では第１錘部材を側面視Ｌ字形の部材で構成したが、形状は任意であり、発電素子の固定位置も実施例のような一端部に限らない。外部振動が加わったとき、共振器の第１錘部材が横振れ（Ｙ軸回りの揺動）を生じないように、第１錘部材を上下方向にのみ揺動するようにガイドするガイド手段を追加的に設けてもよい。このガイド手段としては、例えばベース部材１１に固定又は一体形成され、第１錘部材１３の両側面をスライド自在にガイドする壁やポストであってもよい。
【符号の説明】
【００４４】
Ａ〜Ｄ        圧電発電装置
１０          共振器
１１          ベース部材
１２          ばね手段
１２ａ，１２ｂ    コイルバネ
１３          第１錘部材
２０          発電素子
２１          振動板
２２          圧電素子
２３          第２錘部材
２５          整流蓄電回路
３０          発電素子
３１          振動板
３１ａ〜３１ｃ          第１〜第３アーム部
３１ｅ，３１ｆ          第１，第２の折り返し部
３２ａ〜３２ｃ          圧電素子
３３          第２錘部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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