(57)【要約】【課題】  従前の圧電発電装置における圧電ユニモルフはほぼ同一の曲率半径で弯曲させ撓み変形させるに難があり，そのため最大限の電気エネルギーを取り出していない問題点に加えて圧電ユニモルフの発電能力を最大限に高めたものでもないという問題点を有していた。本願発明は前記問題点の解決を図るものである。【解決手段】  本願発明に係る圧電発電源１は圧電素子１１と弾性基板１２との貼着体でなる圧電ユニモルフ２において前記圧電素子１１と弾性基板１２のいずれか一方又は双方の長手方向中央部の厚さを前記長手方向中央部以外の部分の厚さより厚くする構成を採り，また押圧板３に二の凸起部１０を設け，前記凸起部１０を圧電ユニモルフ２の長手方向中央部の上面と接触させる構成を採るものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電ユニモルフ，押圧板，ハウジング及びダイオートを構成要素とする圧電発電源において前記圧電ユニモルフを構成する圧電素子と弾性基板のそれぞれの長手方向中央部の厚さは前記長手方向中央部以外の部分の厚さより厚くする構成とし，前記ハウジングは複数の圧電ユニモルフを収納することができ且つ圧電ユニモルフを両端支持にして収納することができる構成とし，その中間部に凹部を有する一の凸起部を圧電ユニモルフの長手方向中央部の上面と接触させ，前記圧電ユニモルフ側と反対側の平面に前記凸起部と対向する部位に凸起部を設けた押圧板を圧電ユニモルフの上部に載置する構成とリード部材間にダイオードを接続する構成からなる圧電発電源。
【請求項２】
圧電ユニモルフを構成する圧電素子と弾性基板のいずれか一方の厚さはその全長に亘って同一の厚さとし，他方の厚さはその長手方向中央部の厚さをそれ以外の部分の厚さより厚くする構成からなる請求項１の圧電発電源。
【請求項３】
別個独立に突出する二の凸起部を設けた押圧板の前記凸起部を圧電ユニモルフの長手方向中央部の上面に接触させてなる請求項１の圧電発電源。
【請求項４】
別個独立に突出する二の凸起部を設けた押圧板の前記凸起部を圧電ユニモルフの長手方向中央部の上面に接触させてなる請求項２の圧電発電源。
【請求項５】
押圧板を圧電ユニモルフの長手方向中央部の上面と接触する部位のみにその中間部に凹部を有する一の凸起部を設けた押圧板とする請求項１の圧電発電源。
【請求項６】
押圧板を圧電ユニモルフの長手方向中央部の上面と接触する部位のみにその中間部に凹部を有する一の凸起部を設けた押圧板とする請求項２の圧電発電源。
【請求項７】
押圧板を圧電ユニモルフの長手方向中央部の上面と接触する部位のみに別個独立に突出する二の凸起部を設けた押圧板とする請求項１の圧電発電源。
【請求項８】
押圧板を圧電ユニモルフの長手方向中央部の上面と接触する部位のみに別個独立に突出する二の凸起部を設けた押圧板とする請求項２の圧電発電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本願発明は押圧力付加によって圧電ユニモルフに撓み変形を与えることによって電気エネルギーを発生させる圧電発電源に係るものである。
【背景技術】
【０００２】  近年，化石燃料の大量消費に伴なう地球温暖化等の地球環境悪化を受け，化石燃料を使用しない太陽光発電，風力発電等の自然エネルギーが注目され，その利用が活発化している。かかる自然エネルギーの利用に準じた技術として屈曲変形型圧電素子を集積し，外力によって当該圧電素子を屈曲させることによって発電することができる発電装置を開示した［特許文献１］特開２００４−３０２９７４号公報，［特許文献２］特開２００４−１７０３７１号公報があり，またユニモルフ圧電素子を複数枚積層して構成される発電装置を開示した［特許文献３］特開２００８−３１１５２９号公報がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  従前の圧電発電装置における圧電素子と弾性基板との貼着体である圧電ユニモルフはその全長に亘って同一の曲率半径で撓み変形させるに難があり，そのためその長手方向の各部位から発生する電気エネルギーは異なり，各部位から一様に最大限の電気エネルギーを取り出していないという問題点があった。また圧電ユニモルフへの押圧力付加はその長手方向中央部の局部的な範囲に限られるため，前記長手方向中央部はそれ以外の部所に比し曲率半径が小さく撓み変形量が大きいことから時として圧電ユニモルフを構成する圧電素子に折損又はクラックを生じさせることもあるといった問題点もあった。【０００４】  本願発明は前記問題点の解決を図ること，即ち押圧力付加の対象物である圧電ユニモルフをその全長に亘ってほぼ同一の曲率半径となるように弯曲させ，撓み変形させ，もって圧電ユニモルフの全長に亘る各部位から一様な電気エネルギーを発生させ且つ圧電ユニモルフを破壊直前まで撓み変形させることによって圧電ユニモルフの発電能力を最大限に高めることにある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】  以下本願発明の課題解決の手段，発明の構成等を図１から図６を用いて説明する。本願発明に係る圧電発電源１は撓み変形によって電気エネルギーを発生する圧電ユニモルフ２，押圧力付加によって圧電ユニモルフ２に撓み変形をさせる凸起部１０を有する押圧板３，前記圧電ユニモルフ２を収納するハウジング４及び押圧力解除を受けて圧電ユニモルフ２の撓み変形が解放される際に生じる圧電素子の逆分極防止を図るためのダイオード６をもって構成する。【０００６】  前記圧電ユニモルフ２は弾性基板１２に圧電素子１１を貼着してなる構成を採っており，この点では開示されている先行技術による構成と共通する。しかし，本願発明に係る圧電発電源１の主要構成要素である圧電ユニモルフ２は従前のものとは以下の点において異なる。即ち従前の圧電ユニモルフを構成する圧電素子と弾性基板のそれぞれの厚さはその全長に亘って同一の厚さのものを貼着しているのに対し本願発明に係る圧電発電源１の一の構成要素である圧電ユニモルフ２の圧電素子１１と弾性基板１２のそれぞれの長手方向中央部の厚さは前記長手方向中央部以外の部分の厚さより厚くするか又は圧電素子１１と弾性基板１２のいずれか一方の厚さはその全長に亘って同一の厚さとし，他方の厚さはその長手方向中央部の厚さをそれ以外の部分の厚さより厚くするものである。ここで圧電素子１１と弾性基板１２のそれぞれの厚さのうち少なくともいずれか一方の厚さをその全長に亘って異ならしめたのは以下の理由による。【０００７】  圧電ユニモルフ２を撓み変形させ，圧電ユニモルフ２から最大限の電気エネルギーを取出すには圧電素子１１の全長に亘って同一の圧縮力を付加することが求められ，そのためには圧電ユニモルフ２の長手方向全長に亘って同一の曲率半径で弯曲させることが有効である。そこで前記同一の曲率半径での弯曲を生じさせるため圧電ユニモルフ２の長手方向中央部の厚さを前記長手方向中央部以外の部分の厚さより厚くし押圧力付加に対する曲げ強度を高めれば圧電ユニモルフ２の長手方向中央部を押圧しても当該長手方向中央部が当該長手方向中央部以外の部分に比して撓み量が大きくなることにはならず，圧電ユニモルフ２はその全長に亘って同一の曲率半径に近い弯曲となる。このことは圧電素子１１又は弾性基板１２のいずれか一方又は双方の厚さをその部所によって異ならしめ，押圧力付加に対する曲げ強度を異ならしめたことから可能になるのである。【０００８】  前記圧電ユニモルフ２に押圧力を付加し，同一の曲率半径に近い弯曲に撓ませれば，圧電ユニモルフ２の長手方向中央部以外からもその撓み量にほぼ比例した電気エネルギーが発生するため従前と同一の大きさの圧電ユニモルフよりもその発生する電気エネルギーはより大となる。加えて従前の圧電ユニモルフはその長手方向中央部の撓み量が前記長手方向中央部以外の部分に比し大であるため，圧電素子の折損及びクラック発生の防止の観点から押圧力付加による撓み量は前記長手方向中央部の撓み量で制限される。【０００９】  これに対し本願発明に係る圧電発電源１を構成する圧電ユニモルフ２はその長手方向中央部の撓み量が前記長手方向中央部以外の部分の撓み量に比し大とならせない構成を採っているた��，前記長手方向中央部の撓み量に制限されることはない。通常圧電素子は展張力付加に対しては脆弱であるものの圧縮力付加に対してはきわめて高い耐久力を有している。よって圧電ユニモルフを構成する圧電素子と弾性基板との貼着面を圧電ユニモルフに撓み変形をさせても伸縮しない中立面とし，圧電素子には圧縮力のみを付加するように圧電素子と弾性基板とを貼着すれば圧電素子には破壊するに至る直前までの圧縮力を付加し撓み変形量を最大限化することができる。ここで前記圧電素子には圧縮力のみが付加されることの裏返しとして弾性基板には展張力が付加される。よって前記弾性基板は当該展張力に耐え得るヤング率を有するものを用いる。【００１０】  本願発明に係る圧電発電源１における圧電ユニモルフ２を構成する圧電素子１１はその形状を長方形とし，その長手方向に直交して等間隔に複数の線状電極７をその表裏の両面に形成する。ここで前記圧電素子１１の表裏の両面に形成する線状電極７は表裏の両面の対向する同一部位に位置するように形成し，隣り合う線状電極間には圧電素子１１の長手方向に沿って互いに逆方向となる分極を施す。【００１１】  本願発明に係る圧電発電源１における圧電ユニモルフ２を構成する弾性基板１２もその形状を長方形とし，その幅は前記圧電素子１１と同一幅とし，その長さは圧電素子１１の全長より長くならしめて圧電素子１１の端部からはみ出る長さとする。勿論，圧電素子１１の全長と同一長としてもよい。
前記弾性基板１２の一の面にはその長さ方向に沿って平行に二の導電路８を形成する。そして前記導電路８が形成されていない前記弾性基板１２の他の面に接着剤又は加熱することによって接着力をもたらす熱接着シートを介して圧電素子１１を貼着する。ここで前記圧電素子１１との貼着に際しては圧電素子１１と弾性基板１２の双方の側面は同一平面となるように貼着する。【００１２】  前記圧電素子１１と弾性基板１２との貼着により圧電素子１１と弾性基板１２のそれぞれの側面に圧電素子１１の線状電極７と弾性基板１２の導電路８のそれぞれの側面を露出させ，当該それぞれの側面を接続する接続導電路９を形成して圧電素子１１から発生する電気エネルギーを取出す。
ここで前記側面に形成する接続導電路９は圧電素子１１の分極極性を同じくする線状電極７に接続されるもののみを前記圧電素子１１と弾性基板１２との貼着体の一の側面に形成するものとする。よって前記貼着体の一の側面に圧電素子１１の分極極性の異なる接続導電路９が形成されることはない。【００１３】  本願発明に係る圧電発電源１を構成する圧電ユニモルフ２は衝撃付加によりきわめて短時間に電気エネルギーを放出する円柱状圧電素子と違って静圧付加によって撓み変形をさせ，電気エネルギーを放出させるものであるため電圧低下が起り易い。そのため前記圧電ユニモルフ２においては発生した電気エネルギーの漏洩及び電圧低下の抑止が必要不可欠であり，そのための手段として圧電素子１１と弾性基板１２との貼着体を熱収縮チューブ１３で被覆する。ここで熱収縮チューブ１３による被覆は外部に電気エネルギーを取出すリード部材５を弾性基板１２に形成されている導電路８端部に取着した後に行うこととする。【００１４】  前記圧電ユニモルフ２はその両端支持にして収納できるハウジング４内に収納する。ここで前記ハウジング４は複数の圧電ユニモルフ２を収納することのできるものとし，前記収納された圧電ユニモルフ２の下面と前記ハウジング４の底面との間には圧電ユニモルフ２に撓み変形させても破壊しない範囲内での間隔を設けておくものとする。【００１５】  前記圧電ユニモルフ２のハウジング４内への収納は隣り合う各圧電ユニモルフ２の端部を一直線上に位置するようにしての収納形態の他に一直線上に位置させない収納形態のいずれを採ってもよい。後者の収納形態にあっては，時間差をもって電気エネルギーを発生させ得ることから電気エネルギー発生の平準化という点で有効である。【００１６】  前記圧電ユニモルフ２から電気エネルギーを発生させるべく前記圧電ユニモルフ２の上部に押圧板３を載置する。ここで前記押圧板３の圧電ユニモルフ２側の平面には圧電ユニモルフ２の長手方向中央部の上面と接触する部位にその中間部に凹部を有する一の凸起部１０又は別個独立に突出する二の凸起部１０を設ける。一方，前記押圧板３の圧電ユニモルフ２側と反対側の平面には圧電ユニモルフ２側に設けた凸起部１０と対向する部位に凸起部を設ける。また別の構成でなる押圧板３として圧電ユニモルフ２側の圧電ユニモルフ２の長手方向中央部の上面と接触する部位のみにその中間部に凹部を有する一の凸起部１０又は別個独立に突出する二の凸起部１０を設けた押圧板３であっても押圧板３としての機能を発揮させることができる。前記押圧板３の圧電ユニモルフ２側の平面に設けた凸起部１０は圧電ユニモルフ２と接触して圧電ユニモルフ２に撓み変形を生じさせるものである。【００１７】  圧電ユニモルフ２から電気エネルギーを取出すリード部材５間には圧電素子１１の分極減極防止のためダイオード６を接続する。当該ダイオード６はリード部材５を通して外部に電気エネルギーを放出した後，圧電ユニモルフ２が撓み変形前の状態に復帰する過程で発生する高電圧によって圧電素子１１の分極が減極されることを防止するために接続するものである。ここで圧電ユニモルフ２からのリード部材５を通しての外部への電気エネルギーの取り出しは図６に��す如く各圧電ユニモルフのリード部材５を並列結線することによって行なう。
【発明の効果】
【００１８】  その第一の効果は圧電ユニモルフをほぼ同一の曲率半径に弯曲させて撓み変形させ且つ破壊するに至る直前まで撓み変形させることのできる構成であるため，圧電発電源を構成する圧電ユニモルフから取り出し得る電気エネルギーは従前と同体積の圧電ユニモルフからのものに比し少なくとも１０％は大きく取れることである。【００１９】  その第二の効果は圧電発電源を構成する圧電ユニモルフの圧電素子には圧縮力のみを付加するよう弾性基板との貼着をしているため圧電ユニモルフに折損及びクラック発生の要因がなく，よって圧電発電源の耐久性が高いことである。その耐久性は圧電ユニモルフに毎秒一回の繰り返し１０万回の撓み変形をさせても何らの折損及びクラックの発生はなく，むしろ発生する電気エネルギーは逆に１０％程度当初より増大していることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】  本願発明に係る圧電発電源１の主要構成要素である圧電ユニモルフ２は高い圧電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛でなる圧電セラミック板とガラス繊維を包含するエポキシ樹脂銅張積層板でなる弾性基板の両者を貼着したもので構成する。ここで前記エポキシ樹脂積層板にガラス繊維を包含させたのはヤング率の高い弾性基板を得るためである。前記エポキシ樹脂銅張積層板に包含させるガラス繊維の縦横の比率は同比率とせず，６対４以上８対２以下とし包含比率の高い方を圧電ユニモルフ２の長手方向と一致させる。これによって前記長手方向のヤング率を相当程度に高いものとすることができる。【００２１】  圧電ユニモルフ２を構成する圧電素子１１は圧電セラミック板を用い当該圧電セラミック板の表裏両面の対向する同一部位には等間隔に複数の線状電極７を形成し，その隣り合う線状電極間に前記圧電セラミック板の平面に沿って互いに逆方向となる分極を施す。次に前記セラミック板はエポキシ樹脂等の接着剤又は加熱硬化性を有する接着シートを用いて弾性基板と貼着する。ここで前記貼着は圧電セラミック板に形成されている線状電極７と弾性基板１２に形成されている導電路８とが直交するようにして行なうものとする。【００２２】  次に圧電セラミック板と弾性基板との貼着体は圧電セラミック板に形成されている線状電極７と直交するように且つ弾性基板１２に形成されている導電路側面を露出させるようにして切断する。この切断によって前記貼着体の切断した側面には圧電セラミック板に形成されている線状電極７の側面と弾性基板１２に形成されている導電路８が露出することになる。ここで本願発明に係る圧電発電源１の一の構成要素の圧電ユニモルフ２における圧電素子１１とは前記貼着体の切断によって細切された圧電セラミック板の切断片をいう。【００２３】  次いで前記露出した線状電極７と導電路８とを接続する接続導電路９を形成し，その後弾性基板１２に形成されている導電路端部にリード部材５を取着する。リード部材５を取着した弾性基板１２と圧電素子１１との貼着体はその一端をあらかじめ熱封止した熱収縮チューブ内に挿入した後，加熱すれば熱収縮チューブの収縮が起り，熱収縮チューブ１３によって密接被覆され，ここに本願発明に係る圧電発電源１の一の構成要素である単体の圧電ユニモルフ２が完成する。その後，前記リード部材５間にダイオート６を接続する。【００２４】  次いで完成した前記圧電ユニモルフ２はその両端支持を可能とするハウジング４内に収納し，その上部にその両面凸起部又は前記圧電ユニモルフ２側に凸起部１０を有する押圧板３を載置する。前記ハウジング４は縦方向及び横方向に複数の圧電ユニモルフ２の収納部所を有する一体物で構成する。前記ハウジング４に圧電ユニモルフ２を収納した後，それぞれの圧電ユニモルフ２の長手方向中央部の上面に押圧板３に設けられている凸起部１０が接触するようにして前記ハウジング４上に載置し，これをもって本願発明に係る圧電発電源の完成となる。【００２５】  複数の圧電ユニモルフ２を有する前記圧電発電源１においてはすべての圧電ユニモルフ２が押圧板３を通しての押圧力を同時に受け，撓み変形が生じるとは限らない。即ち，ある時点において撓み変形を生じて電気エネルギーを発生する圧電ユニモルフもあれば撓み変形をせず全く電気エネルギーを発生しない圧電ユニモルフが存することもある。かかる場合，電気エネルギーを発生した圧電ユニモルフから電気エネルギーを発生しない圧電ユニモルフに電気エネルギーが移動することがあり，発生した電気エネルギーを蓄電するコンデンサーに充電されないことがある。そこで発生した電気エネルギーをすべてコンデンサーに充電させるべく，図６に示すように個々の圧電ユニモルフ２とコンデンサー１４との間にリード部材５の一方のみにダイオードを介在させ，個々の圧電ユニモルフ２は並列接続にしてコンデンサー１４と接続するものとする。
【実施例】
【００２６】  前記「問題を解決するための手段」及び「発明を実施するための最良の形態」の欄の記載に基づき，圧電素子としてチタン酸ジルコン酸鉛でなる長さ３８ｍｍ，幅５ｍｍ，厚さ０．７ｍｍのものを，弾性基板として長さ４８ｍｍ，幅５ｍｍ，その中央部の厚さ１．０５ｍｍ，中央部を除く部分の厚さ１．０ｍｍのものを貼着してなる圧電ユニモルフを形成する。次いで前記圧電ユニモルフを支点間隔３９ｍｍをとってハウジング内に収納し圧電ユニモルフの中央部をその中間部の凹部幅を２ｍｍとする凸起部を有する押圧板によって押圧力１０ｋｇを付加し１ｍｍの撓み変形をさせたときの一の圧電ユニモルフから発生する電気エネルギーは６ｍＪとなっている。
【産業上の利用分野】
【００２７】  本願発明に係る圧電発電源の産業上の利用分野はきわめて広い。その一例として駅構内の自動改札，連絡通路等のきわめて人通りの多い場所に設置し，そこを通過する利用者の体重付加を受けて発電させる，別の一例として道路，鉄道軌道下に設置し車両通過による車体重量付加を受けて発電させるといった利用分野である。その他，絶えず押圧力付加が見込める場所に設置すれば発電することができることからその産業上の利用分野はきわめて広い。そしていずれの利用分野においても外部から何らエネルギー供給を行なうこともなく発電させることができる点で省エネルギーに資するといえる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本願発明に係る圧電発電源の断面図。
【図２】本願発明に係る圧電発電源の一の構成要素である圧電ユニモルフの平面図。
【図３】本願発明に係る圧電発電源の一の構成要素である圧電ユニモルフの裏面図。
【図４】本願発明に係る圧電発電源の一の構成要素である圧電ユニモルフの側面図。
【図５】本願発明に係る圧電発電源の一の構成要素であるハウジングの平面図。
【図６】本願発明に係る圧電発電源の一の構成要素である圧電ユニモルフの配線図。
【符号の説明】  １．圧電発電源          ２．圧電ユニモルフ          ３．押圧板
４．ハウジング          ５．リード部材              ６．ダイオード
７．線状電極            ８．導電路                  ９．接続導電路
１０．凸起部            １１．圧電素子              １２．弾性基板
１３．熱収縮チューブ    １４．コンデンサー
【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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