(57)【要約】【課題】圧電素子の劣化を抑制しつつ、所定の外力が印加された場合の圧電素子の曲げ変形量を大きくして高い発電効果を得ることのできる圧電発電装置を提供する。【解決手段】外力の印加または除去によって往復揺動する揺動部材２０と、ベース部材３０と、揺動部材２０に一方端４０ａが保持されベース部材３０に他方端４０ｂが保持された板状の圧電素子４０と、を備え、圧電素子４０が、一方端４０ａまたは他方端４０ｂの少なくとも一方が揺動部材２０またはベース部材３０に対して挿抜可能であって、かつ、外力の無負荷時に自然長で保持されていることを特徴とする圧電発電装置１０。【選択図】図１
2010063321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力の印加または除去によって往復揺動する揺動部材と、ベース部材と、長手方向の一方端が前記揺動部材に保持され他方端が前記ベース部材に保持された板状の圧電素子と、を備え、
前記圧電素子の前記一方端または他方端の少なくとも一方が前記揺動部材または前記ベース部材に対して、挿抜可能に嵌合しているとともに前記外力の無印加時に前記長手方向に遊びを有することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項２】
前記圧電素子の前記一方端および他方端が、前記ベース部材および前記揺動部材に対して、ともに回動が規制されている請求項１に記載の圧電発電装置。
【請求項３】
前記圧電素子が、金属板と、前記金属板の表面に接合された板状の圧電材料とを備え、前記金属板の前記一方端または他方端のいずれか一方が前記揺動部材または前記ベース部材に対して剛に固定された固定端である請求項２に記載の圧電発電装置であって、
前記揺動部材の揺動により前記金属板が略Ｓ字状に撓み変形するとともに、
前記圧電材料が、前記撓み変形した金属板の変曲点よりも前記固定端の側に偏在して設けられていることを特徴とする圧電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境の維持改善のため、環境負荷の少ない発電装置の研究開発が活発に行われている。その中で、自然の力あるいは人為的な力や振動による機械エネルギーを電気エネルギーに変換することにより、通常無意識かつ無駄に消費されているエネルギーを電気エネルギーに変換して電源として利用する発電装置が提供されている。
【０００３】
機械エネルギーを電気エネルギーに変換する装置としては、圧電素子を用いる方法が提案されている。
この種の技術に関し、下記特許文献１には、圧縮荷重を与えて屈曲させた複数枚の圧電素子を円形に配置した圧電発電装置が記載されている。かかる装置では、外力の印加または除去によって圧電素子の屈曲方向を跳ね板バネのように上下に繰り返し反転させることで、圧電素子に圧電効果を生じさせている。
また、下記特許文献２には、支持体に対して圧電素子の一端を剛に固定（固着）し、他端を回動可能に支持した圧電発電装置が記載されている。かかる装置によれば、所定の外力が印加された場合の圧電素子の曲げ変形量が大きくなり、高い発電効果が得られるとされている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２０２２９３号公報
【特許文献２】特開２００６−３２９３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の圧電発電装置では、外力の無印加時にも圧電素子に対して常に圧縮応力および曲げ応力が作用しているため、圧電素子を構成する圧電セラミック材料が短期間で劣化してしまうという問題がある。圧電発電装置において所定の発電効率を維持するためには、劣化した圧電セラミック材料を交換する必要があるため、環境負荷の少ない発電装置を提供するというこの種の発明の目的を達成することが困難となる。
【０００６】
一方、上記特許文献２に記載の圧電発電装置に関しては、外力の印加時に圧電素子に対して引張力が作用し、外力が印加されたときの揺動が抑制されるとともに、圧電素子のたわみ変形が妨げられる。このため、たとえ圧電素子の一方の端部（他端）を回動可能に支持したとしても、両端を固着した態様に比べて圧電素子の曲げ変形はほとんど促進されないという問題がある。かかる問題が生じる原因を、図１５を用いて説明する。
図１５は、一端１１０が支持部材１２０に固着された片持ち状態の圧電素子１４０を示す側面図である。圧電素子１４０の他端１１２が上下矢印のように揺動すると、圧電素子１４０は揺動の腹（実線で図示）において直線状となり、揺動の節（破線で図示）において上下に撓み変形する。このとき、揺動の節における撓んだ圧電素子１４０の他端１１２は、長手方向に変位する。具体的には、他端１１２は支持部材１２０の側に長さＬだけ後退する。これは、圧電素子１４０が、撓み形状であるか直線状であるかを問わず、厚み方向の中心線が自然長を維持するためである。
【０００７】
これに対し、上記特許文献２の図３（ａ）のように、圧電素子の一端を第一の支持体に固着し、他端を第二の支持体にピン固定して、第二の支持体を第一の支持体に対して揺動させた場合には、ピン固定された他端は長手方向に後退することができない。第一および第二の支持体の間の水平距離は一定に保たれているためである。この結果、圧電素子には揺動により引張力が生じることとなる。すなわち、特許文献２の場合、圧電素子は全体に長手方向に伸長することによって、一端と他端との水平距離を一定に保ったまま上下に揺動する。
よって、かかる圧電発電装置の場合、支持体の揺動は、圧電素子の曲げ剛性に基づく復元力に加えて、これよりも一般に遙かに大きい引張剛性によって阻害されてしまう。このため、所定の外力の印加に対しても、支持体を揺動させて圧電素子を良好に曲げ変形させることができない。これは、圧電素子の他端が固着されているか、またはピン固定されているかによらず共通の問題である。
上記特許文献２の図３（ｂ）の場合も同様である。圧電素子の幅方向に設けられた支持孔に対する圧電素子の他端の挿入方向は不明であるが、当該他端は支持孔に対して回動が許容されているのみであるため、支持孔の壁面には圧電素子の他端から過大な引張力が作用して支持体の揺動が阻害される。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、圧電素子の劣化を抑制しつつ、所定の外力が印加された場合の圧電素子の曲げ変形量を大きくして高い発電効果を得ることのできる圧電発電装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の圧電発電装置は、外力の印加または除去によって往復揺動する揺動部材と、ベース部材と、長手方向の一方端が前記揺動部材に保持され他方端が前記ベース部材に保持された板状の圧電素子と、を備え、
前記圧電素子の前記一方端または他方端の少なくとも一方が前記揺動部材または前記ベース部材に対して、挿抜可能に嵌合しているとともに前記外力の無印加時に前記長手方向に遊びを有することを特徴とする。
【００１０】
また本発明の圧電発電装置においては、より具体的な実施の態様として、前記圧電素子の前記一方端および他方端が、前記ベース部材および前記揺動部材に対して、ともに回動が規制されていてもよい。
【００１１】
また本発明の圧電発電装置においては、より具体的な実施の態様として、前記圧電素子が、金属板と、前記金属板の表面に接合された板状の圧電材料とを備え、前記金属板の前記一方端または他方端のいずれか一方が前記揺動部材または前記ベース部材に対して剛に固定された固定端である上記圧電発電装置であって、
前記揺動部材の揺動により前記金属板が略Ｓ字状に撓み変形するとともに、
前記圧電材料が、前記撓み変形した金属板の変曲点よりも前記固定端の側に偏在して設けられていてもよい。
【００１２】
なお、上記発明において、外力の無印加時に圧電素子が揺動部材またはベース部材に対して長手方向に遊びを有するとは、外力の無印加時に圧電素子が長手方向の圧縮力により座屈変形している状態を除くことを意味するものである。したがって、本発明においては、圧電素子の長手方向の端部が柔軟材料を介して揺動部材またはベース部材に当接している状態や、圧電素子が長手方向の圧縮力を実質的に受けることなく端部が揺動部材またはベース部材に接触している状態などは、いずれも圧電素子の端部が長手方向に遊びを有する状態である。
【００１３】
なお、本発明の各種の構成要素は、個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等でもよい。特に、圧電素子、揺動部材およびベース部材については複数の部材で構成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の圧電発電装置によれば、外力の無印加時に圧電素子が長手方向に引張力および圧縮力を受けることなく保持されているため、圧電素子を構成する圧電材料に定常的な応力が負荷されることがなく、圧電材料の劣化を抑制することができる。
また、圧電素子は一方端または他方端の少なくとも一方が揺動部材またはベース部材に対して挿抜可能であることから、往復揺動の節に位置する場合には当該端部が後退し、往復揺動の腹に位置する場合には前進する。これにより、揺動する圧電素子に引張力が生じることが防止されるため、所定の外力が印加された揺動部材の上下揺動が妨げられることがなく、圧電素子の曲げ変形量を大きくして高い発電効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１６】
＜第一実施形態＞
図１（ａ）は、本実施形態にかかる圧電発電装置１０の一例を示す平面模式図であり、同図（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面（縦断面）図である。なお、同図（ａ）では、加圧板６０は図示を省略している。
【００１７】
はじめに、本実施形態の圧電発電装置１０の概要について説明する。
圧電発電装置１０は、外力の印加または除去によって往復揺動する揺動部材２０と、ベース部材３０と、長手方向の一方端４０ａが揺動部材２０に保持され他方端４０ｂがベース部材３０に保持された板状の圧電素子４０と、を備えている。
そして、圧電素子４０の一方端４０ａまたは他方端４０ｂの少なくとも一方は揺動部材２０またはベース部材３０に対して、挿抜可能に嵌合しているとともに外力の無印加時に長手方向に遊びを有している。
【００１８】
以下、本実施形態では、他方端４０ｂがベース部材３０に対して挿抜可能に保持されている態様を例示的に説明する。ただし、後述する第二実施形態のように、他方端４０ｂをベース部材３０に固着し、一方端４０ａを揺動部材２０に対して挿抜可能としてもよい。
【００１９】
次に、圧電発電装置１０について詳細に説明する。便宜上、図１（ａ）の上下方向を圧電発電装置１０および圧電素子４０の幅方向といい、同図の左右方向を長手方向という。幅方向と長手方向の寸法の大小は特に限られないが、本実施形態の圧電素子４０は長手方向の寸法が幅方向の寸法よりも大きな短冊状である。これにより圧電素子４０の揺動幅を大きくしている。
【００２０】
本実施形態の圧電発電装置１０では、一方端４０ａおよび他方端４０ｂが揺動部材２０およびベース部材３０にそれぞれ保持された複数の圧電素子４０が、互いに面内方向に並んで設けられている。
具体的には、本実施形態の圧電素子４０は、その幅方向に４個並んで設けられている。また、圧電素子４０は、その長手方向に、揺動部材２０を挟んで２組設けられている。すなわち、圧電発電装置１０は８個の圧電素子４０を備えている。
圧電素子４０は、いずれも同一平面内に、すなわち単段に配置されている。
本実施形態では、８個の圧電素子４０はそれぞれ平面視が長方形状をなしている。
【００２１】
圧電素子４０は、金属板４６と、金属板４６の表面に接合された板状の圧電セラミック板４８とを備え、金属板４６の一方端または他方端のいずれか一方が揺動部材２０またはベース部材３０に対して剛に固定された固定端ＦＥである。
【００２２】
本実施形態の圧電素子４０は、金属板４６の主面の一方または両方に圧電セラミック板４８が接合された素子である。図１には、金属板４６の上面にのみ圧電セラミック板４８が接合された、いわゆる圧電ユニモルフ素子を例示している。圧電セラミック板４８の上下両面には、図示しない金属皮膜が電極面として形成されている。
【００２３】
圧電素子４０は、長手（長辺）方向の一方の端部（一方端４０ａ）が揺動部材２０に対して剛に固定保持（固着）され、引き抜き、押し込み、および回動がいずれも拘束されている。すなわち、本実施形態の一方端４０ａは固定端ＦＥである。
【００２４】
また、圧電素子４０の長手方向の他方の端部（他方端４０ｂ）は、ベース部材３０の周辺近傍に底部３００よりも肉厚に設けた台座部３０２と、固定板３３とによって挟まれている。台座部３０２は、底部３００の表面３０１より上方に起立している。
台座部３０２と固定板３３との締め付け圧は調整ネジ３５によって調整可能である。これにより、圧電素子４０の他方端４０ｂは、ベース部材３０に対して圧電素子４０の長手方向に挿抜可能に保持された摺動端ＳＥとなる。また、圧電素子４０の他方端４０ｂは、調整ネジ３５の所定の締め付け圧により、面直方向への回動が実質的に不可能に規制されている。
【００２５】
すなわち、圧電素子４０の一方端４０ａおよび他方端４０ｂは、ベース部材３０および揺動部材２０に対して、ともに回動が規制されている。
【００２６】
揺動部材２０は、圧電素子４０の一方端４０ａを保持しつつ、外力の印加または除去によって往復揺動する部材である。本実施形態の揺動部材２０は、圧電発電装置１０の幅方向、すなわち圧電素子４０の並び方向に延在する平面視長方形状をなしている。
本実施形態の揺動部材２０は、８個の圧電素子４０の一方端４０ａをいずれも固着して保持している。そして、ベース部材３０は、８個の圧電素子４０の他方端４０ｂをいずれも挿抜可能かつ摺動可能に保持している。
【００２７】
揺動部材２０には、外部からの力を受けて揺動部材２０にその力を伝えるための加圧板６０が上部に連結して設けられている。
そして、加圧板６０が外力により昇降すると、揺動部材２０は圧電素子４０を揺動させ、圧電セラミック板４８に歪みを生じることにより発電する。
加圧板６０は、揺動部材２０に対してボルトなどの緊締具（図示せず）で着脱可能に接続されている。このため、圧電発電装置１０は、加圧板６０を外して、内部機構である揺動部材２０や圧電素子４０のメンテナンスをすることが可能である。
【００２８】
ベース部材３０は、圧電素子４０の他方端４０ｂを保持する部材である。本実施形態のベース部材３０は、平面視が長方形状、立面視が上方開口した略コ字状をなしている。
【００２９】
より具体的には、ベース部材３０は、圧電素子４０の対向する底部３００と、圧電素子４０の直下にて底部３００よりも高く形成された台座部３０２と、台座部３０２の周囲に更に一段高く形成された加圧板ガイド部３０４とを有している。
本実施形態のベース部材３０において、底部３００、台座部３０２および加圧板ガイド部３０４は単一の部材で構成されても、複数の部材を組み合わせて構成されてもよい。
【００３０】
ベース部材３０は、圧電発電装置１０の幅方向の側面にピン穴３８を有している。ピン穴３８は、圧電発電装置１０の幅方向に穿設されている。複数の圧電発電装置１０をその幅方向に並べて互いのピン穴３８を位置合わせすることにより、連結ピン（図示せず）で圧電発電装置１０同士を着脱可能に結合することができる。
【００３１】
底部３００は圧電発電装置１０の基板である。台座部３０２は、固定板３３とともに圧電素子４０の他方端４０ｂを挟持する。そして、加圧板ガイド部３０４は、その内壁面３０６が滑らかに形成され、加圧板６０の往復揺動を案内するガイドとして機能する。
【００３２】
揺動部材２０は、固定ピン３４により、ベース部材３０の底部３００に対して、底部３００の法線方向に揺動可能に取り付けられている。
揺動部材２０は、固定ピン３４に対して、その長さ方向に所定の長さだけ摺動可能である。
【００３３】
圧電発電装置１０は、外力が印加される向き（図１（ｂ）における下方）に対して逆向き（上方）に圧電素子４０を付勢する付勢部材をさらに備えている。
本実施形態の圧電発電装置１０は、付勢部材としてのコイルバネ３６を備えている。
コイルバネ３６は、揺動部材２０とベース部材３０の間に、固定ピン３４が貫通するように配置されている。そして、コイルバネ３６は揺動部材２０とともに圧電素子４０に対して上方に付勢力を付与している。
したがって、外力の無負荷時において圧電素子４０は、コイルバネ３６の付勢力によって上方に撓む。揺動部材２０に保持された一方端４０ａが、他方端４０ｂよりも上方に位置している。
【００３４】
かかる上方撓み（初期撓み）が圧電素子４０に生じた場合に、これを構成する圧電セラミック板４８および金属板４６に生じる応力は、いずれも許容応力以下である。
【００３５】
図２は、加圧板６０および揺動部材２０が上下方向に往復揺動する状態を示す圧電発電装置１０の縦断面図である。同図（ａ）は、外力の無印加（除去）時を示し、同図（ｂ）は外力の印加時を示している。
【００３６】
加圧板６０に外力が印加されると、加圧板６０は、揺動部材２０に当接した状態で、加圧板ガイド部３０４の内壁面３０６に沿って押し下げられる。加圧板６０の周縁部分が固定板３３に当接するか、または、揺動部材２０の下端がベース部材３０の底部３００に接した位置で、加圧板６０の揺動は下限位置となる。
【００３７】
かかる下限位置において、一方端４０ａは他方端４０ｂよりも下方に移動し、圧電素子４０は下方に撓む。かかる下方撓み（加圧撓み）が圧電素子４０に生じた場合に、これを構成する圧電セラミック板４８および金属板４６に生じる応力がいずれも許容応力以下となるよう、揺動部材２０の揺動ストロークは調整されている。
【００３８】
具体的には、圧電発電装置１０は、往復揺動する揺動部材２０の揺動幅を圧電素子４０の許容撓み量以下に規制するストッパー部２２を備えている。ストッパー部２２は、揺動部材２０の下端より下方に延出して形成されている。
【００３９】
ここで、図２に示すように、本実施形態の圧電素子４０において、金属板４６は、揺動部材２０の揺動により略Ｓ字状に撓み変形する。そして、圧電セラミック板４８は、撓み変形した金属板４６の変曲点ＰＩよりも固定端ＦＥの側に偏在して設けられている。
【００４０】
図２（ａ），（ｂ）に示すように、金属板４６の両端は揺動部材２０およびベース部材３０に回動が規制されてそれぞれ水平を保つため、長手方向の中間部には変曲点ＰＩが形成されることとなる。そして、圧電セラミック板４８を固定端ＦＥ（一方端４０ａ）の側に偏在させ、摺動端ＳＥの側（他方端４０ｂ）に非形成とすることにより、圧電素子４０は全体に固定端ＦＥの側において曲げ剛性が高くなる。このため、変曲点ＰＩは、圧電素子４０の長手方向のうち、中央よりも摺動端ＳＥの側に形成される。
【００４１】
変曲点ＰＩを挟んで、これよりも固定端ＦＥの側と、摺動端ＳＥの側では、金属板４６の上面に生じる圧縮または引張の変形方向は逆転する。具体的には、図２（ａ）に示す初期撓み状態の場合、変曲点ＰＩよりも摺動端ＳＥの側では金属板４６の上面に引張力が生じ、固定端ＦＥの側では金属板４６の上面に圧縮力が生じる。一方、図２（ｂ）に示す加圧撓み状態の場合、変曲点ＰＩよりも摺動端ＳＥの側では金属板４６の上面に圧縮力が生じ、固定端ＦＥの側では金属板４６の上面に引張力が生じる。
【００４２】
したがって、変曲点ＰＩを跨いで圧電素子４０の長手方向の両側に圧電セラミック板４８が設けられていた場合、変曲点ＰＩの両側において圧電セラミック板４８は互いに逆向きの起電力を発生することとなる。よって、かかる圧電素子４０を上下揺動させた場合は、発生した起電力が相殺される領域が生じる。
【００４３】
これに対し、本実施形態の圧電素子４０では、変曲点ＰＩよりも固定端ＦＥの側に偏在して圧電セラミック板４８を設けることにより、かかる起電力の相殺が生じることを抑制している。さらに、本実施形態の圧電素子４０では、金属板４６の変曲点ＰＩよりも固定端ＦＥの側にのみ、圧電セラミック板４８が設けられている。これにより、圧電セラミック板４８に生じる歪の向きを全体に共通化し、発生した起電力を損なうことなく取り出すことができる。
【００４４】
なお、金属板４６の変曲点ＰＩは、一方端４０ａの上下揺動位置に応じて、圧電素子４０の長手方向を移動する場合がある。本実施形態の圧電素子４０の場合、圧電セラミック板４８の曲げ変形が極大となる初期撓み状態（図２（ａ））および加圧撓み状態（同図（ｂ））におけるいずれの変曲点ＰＩの位置よりも長手方向の固定端ＦＥ側にのみ、圧電セラミック板４８が設けられている。
より好ましくは、圧電セラミック板４８は、上下揺動する圧電素子４０のいずれの揺動位置における変曲点ＰＩよりも固定端ＦＥ側にのみ設けられるとよい。
【００４５】
（圧電素子の動作原理）
図３（ａ），（ｂ）は、圧電発電装置１０に使用される圧電素子４０を長手方向に切った縦断面図を示す模式図である。同図（ａ）に示す圧電素子４０は、金属板４６の一方の主面（同図では上面）に圧電セラミック板４８が接合された圧電ユニモルフ素子である。圧電セラミック板４８の厚み寸法をｔ１、長さ寸法をＬ０、そして紙面前後方向に相当する幅寸法をＷとする。また、金属板４６の厚み寸法はｔ２であり、その他の寸法は圧電セラミック板４８と共通である。
同図（ｂ）に示す圧電素子４０は、金属板４６の両方の主面に板状の圧電セラミック板４８（４８ａ，４８ｂ）が接合された、いわゆる圧電バイモルフ素子である。二枚の圧電セラミック板４８ａ，４８ｂの各上下面には、図示しない金属皮膜が電極面として形成されている。金属板４６および圧電セラミック板４８ａ，４８ｂの寸法は、同図（ａ）と共通である。
【００４６】
本実施形態の圧電発電装置１０には、圧電素子４０として、圧電ユニモルフ素子と圧電バイモルフ素子のいずれも好適に用いることができる。
【００４７】
金属板４６を構成する材料は特に限定されるものではなく、ステンレス鋼やリン青銅を例示することができる。
圧電セラミック板４８を構成する圧電材料には、ペロブスカイト型結晶構造をなす強誘電体を用いることができる。一例として、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３），チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３），チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（ＺＲ，Ｔｉ）Ｏ３），チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）を挙げることができる。
【００４８】
圧電セラミック板４８と金属板４６とは、エポキシ接着剤などの熱硬化性接着剤により接着接合されている。これにより、圧電セラミック板４８は、同図（ａ），（ｂ）に白抜き矢印にて図示のように、厚み方向に分極されている。
【００４９】
図４は、圧電バイモルフ素子である圧電素子４０の長辺の一方端４０ａに荷重Ｆを印加した状態を示す模式図である。圧電素子４０の長辺の他方端４０ｂは、台座であるベース部材３０に対して剛に固定されている。
同図において、上側の圧電セラミック板４８ａは長辺方向に伸び変形しており、下側の圧電セラミック板４８ｂは、長辺方向に縮み変形している。このとき、圧電セラミック板４８ａ，４８ｂの分極の向きは図３に示したように共通であるので、二つの圧電セラミック板４８ａ，４８ｂの表面の電極面には、金属板４６を基準として同じ極性の電荷が発生する。
【００５０】
このとき、電極面に発生する電荷Ｑ（クーロン）は、印加した荷重Ｆに比例する。一方、圧電バイモルフ素子である圧電素子４０の静電容量Ｃは、下式（１）で与えられる。
【００５１】
【数１】
2010063321.tif 000003
【００５２】
ここで、ε33Tは、圧電セラミック板４８ａ，４８ｂの誘電率であり、Ｌ０，Ｗおよびｔ１は、それぞれ圧電セラミック板４８ａ，４８ｂの長さ、幅および厚さである。
したがって、このときの発生電圧Ｖは、下式（２）で与えられる。Ｋは比例定数である。
【００５３】
【数２】
2010063321.tif 000004
【００５４】
上式（１）および（２）では、圧電セラミック板４８ａ，４８ｂと金属板４６の長さＬ０と幅Ｗを同じとしたが、実際の圧電素子４０においては、組み立てを容易にするために、圧電セラミック板４８ａ，４８ｂの長さと幅を、金属板４６のそれらよりも小さくしてもよい。
【００５５】
圧電発電装置１０において発電効率を向上するためには、上式（２）で与えられる発生電圧Ｖとともに、発生エネルギーＥを大きくすることが重要である。
【００５６】
図４に示すように、圧電バイモルフ素子である圧電素子４０の長辺の他方端４０ｂをベース部材３０に固定し、その反対の端部である一方端４０ａに荷重Ｆを印加して先端がＨＡだけ撓み変形した場合に、圧電素子４０に蓄えられた機械エネルギーＥｍは、下式（３）で与えられる。
【００５７】
【数３】
2010063321.tif 000005
【００５８】
したがって、圧電バイモルフ素子の機械−電気変換効率をηとすると、圧電バイモルフ素子に発生する電気エネルギーＥｅは、下式（４）で与えられる。
【００５９】
【数４】
2010063321.tif 000006
【００６０】
一般に、圧電バイモルフ素子の機械−電気変換効率ηは、圧電バイモルフ素子の形状と使用する圧電材料の特性によって定まる。これをほぼ一定の値と考えた場合、発電する電気エネルギーを大きくするためには、機械エネルギーＥｍを大きくする必要がある。
機械エネルギーＥｍを大きくするためには、上式（３）からわかるように、印加する荷重Ｆを大きくするか、または変形量ＨＡを大きくする必要がある。
【００６１】
荷重Ｆを印加して圧電素子４０を変形させる場合、変形量ＨＡには限界がある。変形量ＨＡは、圧電セラミック板４８ａ，４８ｂや金属板４６の材料固有の許容応力以内の変形量に抑える必要がある。
【００６２】
言い換えれば、圧電発電装置１０において、より大きな発生電力を得るためには、より大きな荷重Ｆに対して、圧電セラミック板４８や金属板４６の許容応力の範囲内で、できるだけ大きな変形量ＨＡを得るように圧電素子４０の設計を行うことが好適である。
【００６３】
そして、本実施形態の圧電発電装置１０は、圧電素子４０の一方端４０ａまたは他方端４０ｂの少なくとも一方を、揺動部材２０またはベース部材３０に対して挿抜可能とすることにより、圧電セラミック板４８および金属板４６の許容応力の範囲内で大きな変形量ＨＡを得るものである。
【００６４】
なお、以上の説明は圧電素子４０が圧電バイモルフの場合について行ったが、これが圧電ユニモルフ素子の場合も同様である。圧電ユニモルフ素子の場合には、圧電セラミック板４８と金属板４６の厚さをほぼ同じにするのが発電効率の点で有利である。その場合、圧電ユニモルフ素子の半分の板厚を金属板４６が占めるので、圧電素子４０の発電効率は、全体が圧電セラミック板である場合の約半分になる。
また、圧電素子４０が圧電バイモルフ素子である場合は、金属板４６の厚さを圧電セラミック板４８ａ，４８ｂの厚さに対して十分薄くしても、圧電バイモルフ素子の機械的な強度を保つことができる。よって、かかる圧電素子４０の発電効率は、全体が圧電セラミック板の場合に近くなり、すなわち圧電素子４０が圧電ユニモルフ素子である場合の約２倍になる。
【００６５】
図５は、図２（ｂ）に円Ｖで示す領域の拡大図であり、圧電素子４０の他方端４０ｂがベース部材３０により摺動端ＳＥとして保持されている状態を示す縦断面図である。
【００６６】
ベース部材３０の台座部３０２は、上面に溝部３０８が彫り込み形成されている。溝部３０８には圧電素子４０の他方端４０ｂが嵌め込まれる。本実施形態の圧電素子４０は、摺動端ＳＥとなる他方端４０ｂには圧電セラミック板４８が設けられておらず、金属板４６のみが溝部３０８に対して嵌め合いに取り付けられる。
すなわち、溝部３０８の深さ寸法は金属板４６の板厚ｔ２（図３（ａ）を参照）と同等であり、また幅寸法は金属板４６の幅Ｗと同等である。
【００６７】
台座部３０２の上面３１０には、溝部３０８およびこれに嵌め込まれた他方端４０ｂを覆うように、固定板３３が載置される。固定板３３と台座部３０２とは、上述のように調整ネジ３５で緊締される。これにより、固定板３３の下面と溝部３０８とでスリット溝３７が形成される。スリット溝３７は、圧電素子４０の長手方向を奥行方向とし、図５にて白抜き矢印で示すように、圧電素子４０の他方端４０ｂが挿抜可能に摺動する。
これにより、圧電素子４０が揺動部材２０とともに上下に往復揺動すると、圧電素子４０の他方端４０ｂはスリット溝３７の内部で長手方向に進退する。
【００６８】
また、他方端４０ｂの先端は、スリット溝３７の最奥部の立面３０９に対して常に非接触である。つまり、圧電素子４０の他方端４０ｂと立面３０９との間には、圧電素子４０の揺動時に常に所定のクリアランスが存在する。
なお、圧電素子４０が揺動の節に位置するときに、他方端４０ｂと立面３０９との間隔はもっとも小さくなる。したがって、本実施形態においては、揺動の節において、他方端４０ｂの端面と立面３０９とが抗力なく接触するか、または両者が非接触であるとよい。
さらに、圧電素子４０の長手方向の加工寸法や、スリット溝３７の溝深さ方向の加工寸法の公差を考慮すると、他方端４０ｂの端面と立面３０９とは揺動の節におけるノミナル値として非接触とすることが好ましい。
【００６９】
このため、図１５に示したように圧電素子４０が上下揺動した場合において、圧電素子４０が揺動の腹から節に移行すると、他方端４０ｂはスリット溝３７を引き抜き方向に摺動する。また、圧電素子４０が揺動の節から腹に移行すると、他方端４０ｂはスリット溝３７を押し込み方向に摺動する。なお、スリット溝３７の奥行寸法は、圧電素子４０の往復揺動による他方端４０ｂの後退長さＬ（図１５を参照）よりも大きく形成されており、揺動の節においても他方端４０ｂがスリット溝３７から抜け落ちることはない。
【００７０】
すなわち、本実施形態の圧電発電装置１０は、外力の無負荷時である初期撓み状態において、圧電素子４０が長手方向の引張力および圧縮力を受けることがない。さらに、本実施形態の場合、圧電素子４０は往復揺動中に他方端４０ｂがスリット溝３７に対して進退移動することにより、長手方向の応力負荷を常に回避および除去することができる。
かかる観点で、揺動する圧電素子４０に対して立面３０９から有意な抗力が負荷されない限りにおいて、他方端４０ｂの長手方向の端面と立面３０９との間に柔軟材料を設けてもよい。
【００７１】
図６（ａ），（ｂ）は、図２（ａ），（ｂ）における揺動部材２０の近傍に関する拡大図である。すなわち、図６（ａ）は、揺動部材２０がコイルバネ３６により上側に押し上げられた初期撓み状態を示している。同図（ｂ）は、外力が印加された加圧板６０により揺動部材２０が下側に押し下げられている加圧撓み状態を示している。
【００７２】
同図（ａ）で、揺動部材２０はコイルバネ３６により押し上げられて、固定ピン３４の頭部３４１に当接している。固定ピン３４の頭部３４１は、加圧板６０および揺動部材２０が上方側の所定の上限位置を超えて移動することを規制する規制手段として機能する。すなわち、初期撓み状態では、固定ピン３４の頭部３４１が、揺動部材２０を押下するストッパーとなり、コイルバネ３６に押し上げられる揺動部材２０を係止する。
【００７３】
また、同図（ｂ）では、揺動部材２０の下端のストッパー部２２がベース部材３０の底部３００に当接して、加圧板６０および揺動部材２０が外力によりそれ以上押し下げられないよう構成されている。
ストッパー部２２は、揺動部材２０の下部より下方に突出し、コイルバネ３６を収容するためのキャビティ部２６を揺動部材２０の下面側に形成している。
加圧撓み状態において、コイルバネ３６は固定ピン３４の軸方向に圧縮され、キャビティ部２６の内部に収容される。
【００７４】
図１（ａ）に示すように、本実施形態の圧電発電装置１０は、複数本の固定ピン３４が圧電発電装置１０の幅方向に並んで設けられている。これにより、揺動部材２０は固定ピン３４の立設方向に対する回動が規制され、固定ピン３４に沿って圧電発電装置１０の上下方向に摺動する。
【００７５】
揺動部材２０のうち、圧電発電装置１０の長手方向の両側には、圧電素子４０の一方端４０ａを固定端ＦＥとして保持するための凹溝２４が形成されている。本実施形態の揺動部材２０は、８個の圧電素子４０の一方端４０ａをそれぞれ保持するため、揺動部材２０の上記両側に４個ずつの凹溝２４が並んで設けられている。
【００７６】
圧電素子４０は、固定端ＦＥである一方端４０ａにおいては、金属板４６の上面にその先端まで圧電セラミック板４８が接合されている。すなわち、凹溝２４には、圧電素子４０の圧電セラミック板４８および金属板４６が固着される。
【００７７】
本実施形態の圧電発電装置１０の場合、凹溝２４の内面と金属板４６とは電気的に絶縁されている。具体的には、凹溝２４の内面のうち金属板４６と当接する領域には絶縁膜２８が被覆されている。
これにより、分極された圧電セラミック板４８と金属板４６とが揺動部材２０を介して等電位となることはない。
【００７８】
本実施形態の揺動部材２０は導電性の材料からなり、またすべての圧電素子４０の圧電セラミック板４８が電気的に接続されている。したがって、本実施形態の場合、揺動部材２０を出力端子とすることで、複数の圧電セラミック板４８同士を接続するリード線を設けることなく、発生した起電力を一括して導出することができる。
【００７９】
揺動部材２０が上限位置から下限位置まで移動する最大ストロークは、上述のように圧電素子４０の許容応力以下であることに加え、種々の観点から決定することができる。
例えば、圧電発電装置１０を床や階段にセットし、その上を人が歩いた場合に、まず人の体重を加圧板６０が受け、加圧板６０と接触している揺動部材２０が押し下げられることとなる。揺動部材２０に設けられた凹溝２４に一方端４０ａが嵌め込まれた複数枚の圧電素子４０は、下側に同時に同じ距離だけ曲げられることになる。
【００８０】
図７（ａ）は、本実施形態にかかる多数の圧電発電装置１０を敷き詰めて設置し、歩行者Ｐが加圧板６０の上を歩行する状態を示す模式図である。同図（ｂ）に関しては後述する。
歩行者Ｐが通る通路の床や階段には、圧電発電装置１０と同じ厚さで、かつ等しい外形寸法にて設置穴を設け、各設置穴に圧電発電装置１０が嵌め込まれている。これにより、通常の歩行に対して違和感を与えずに発電が可能な床発電システムを構築することができる。
さらに、この床発電システムに対して、低電力点灯が可能なＬＥＤ等を光源とする照明装置を接続することによって、電源インフラが整っていないような歩行地帯においても、夜間の照明を確保することが可能となる。
【００８１】
本実施形態の場合、歩行者Ｐが歩く際の歩行容易性・快適性を考慮すると、圧電発電装置１０の加圧板６０の沈み込み量は１０ｍｍ以下とすることが望ましい。さらに、実用上、一般的な圧電素子４０の限界撓み量を考慮すれば、圧電素子４０の長さＬ０を５０〜１００ｍｍ程度とした場合、揺動部材２０の最大ストロークは３〜７ｍｍとすることが望ましい。
【００８２】
この場合、圧電素子４０の摺動端ＳＥである他方端４０ｂは、揺動部材２０が揺動の腹から節まで変位する際に、スリット溝３７の内部を後退（引き抜き）方向に０．２〜０．５ｍｍ程度移動する。逆に、揺動部材２０が揺動の節から腹まで変位する際に、スリット溝３７の内部を前進（押し込み）方向に０．２〜０．５ｍｍ程度移動する。
かかる進退移動長さＬは、圧電素子４０の長さＬ０に対して無視できるものではない。
したがって、上記特許文献２に記載の圧電発電装置のように圧電素子の他方端の進退を拘束して回動のみを自在とした場合、揺動部材の上下揺動は、後退しようとする圧電素子の他方端から受ける引張反力によって阻害されることとなる。換言すると、上記特許文献２の場合、圧電素子をその面内方向に伸張させながら上下揺動させなければならないため、所定の外力の印加によっても圧電素子にわずかな変形しか与えることができない。
これに対し、本実施形態の圧電発電装置１０の場合、摺動端ＳＥである他方端４０ｂが、これを保持するベース部材３０に対して挿抜可能であることから、揺動する揺動部材２０に対して圧電素子４０の引張反力が負荷されることがない。
【００８３】
圧電発電装置１０が備える複数の圧電素子４０には、それぞれほぼ同位相、かつほぼ同一の電圧が発生することになる。これらの複数個の圧電素子４０を、必要に応じて並列あるいは直列に接続することにより、所望の電圧を得ることができる。
複数（Ｎ個）の圧電素子４０を並列に接続した場合には、出力電圧は増えないが、発電機としての内部インピーダンスが１／Ｎに小さくなる。このため、発生した電力をコンデンサや電池に蓄える場合の充電時定数を小さくすることができる。
一方、複数個の圧電素子４０を直列接続した場合には、それぞれの圧電素子４０の出力電圧が足し合わされて高くなるが、発電機としての内部インピーダンスが圧電素子４０の数に比例して大きくなる。このため、圧電発電装置１０は負荷インピーダンスが高く、高い電圧が必要な場合に適したものとなる。
一般に、圧電発電装置１０においては、印加する荷重の時間変化が小さいため、発電機としての内部インピーダンスは相当に高くなる。そのため、複数個の圧電素子４０を並列に接続して内部インピーダンスを低減することが一般に好ましい。
【００８４】
（発生電力の取り出し）
図５，６において、揺動部材２０およびベース部材３０は金属材料で構成されている。
各圧電素子４０の金属板４６とベース部材３０は、台座部３０２を介して電気的に接続されることになる。圧電セラミック板４８は、ベース部材３０に対して摺動する他方端４０ｂには設けられておらず、両者は電気的に接続されていない。圧電セラミック板４８を他方端４０ｂに設けず金属板４６を露出させることで、他方端４０ｂの摺動性が低下せず、また圧電セラミック板４８が摩耗することが防止されている。
【００８５】
一方、圧電素子４０の圧電セラミック板４８の電極は、すべて揺動部材２０に対して電気的に接続されている。このため、本実施形態の圧電発電装置１０は、すべての圧電素子４０が並列に接続されていることになる。
なお、上述のように、金属板４６と揺動部材２０とは、絶縁膜２８によって絶縁されている。
【００８６】
図８は、並列接続された圧電素子４０を模式的に示す斜視図である。複数の圧電セラミック板４８が並列接続された圧電素子４０の表面側が一方の出力端子（Ｔ＋）となり、金属板４６が並列接続された裏面側が他方の出力端子（Ｔ−）となる。具体的には、圧電セラミック板４８が並列接続された揺動部材２０（同図では図示せず）が上記一方の出力端子（Ｔ＋）を構成し、金属板４６が並列接続されたベース部材３０が上記他方の出力端子（Ｔ−）となる。
【００８７】
なお、上記態様に代えて、ベース部材３０の底部３００および台座部３０２を絶縁材料で作成し、固定板３３を導電材料で作成してもよい。これにより、圧電素子４０の他方端４０ｂを摺動可能に挟持する固定板３３を上記他方の出力端子（Ｔ−）とすることができる。
【００８８】
図９は、直列接続された圧電素子４０を模式的に示す斜視図である。一の圧電素子４０の圧電セラミック板４８の電極面と、他の圧電素子４０の金属板４６とを電気的に接続することにより、複数の圧電素子４０が直列に接続される。
【００８９】
各圧電素子４０を直列に接続する場合、圧電セラミック板４８同士および金属板４６同士が同電位とならないよう、ベース部材３０、固定板３３および揺動部材２０と圧電素子４０とを絶縁する。かかる絶縁に際しては、ベース部材３０、固定板３３および揺動部材２０を、強化プラスティックなど非導電性の材料で作成してもよく、または圧電素子４０の一方端４０ａおよび他方端４０ｂの表面に絶縁テープを貼るなどしてこれらの部材と絶縁してもよい。
そして、それぞれの圧電セラミック板４８の上面に位置する電極面と、圧電セラミック板４８の下面側に接着されている金属板４６の下面にそれぞれリード線（図示せず）を設け、各圧電素子４０を互いに電気接続するとよい。
【００９０】
上記本実施形態の圧電発電装置１０の作用および効果について説明する。
本実施形態の圧電発電装置１０は、圧電素子４０の一方端４０ａまたは他方端４０ｂの少なくとも一方が、揺動部材２０またはベース部材３０に対して挿抜可能に嵌合しているとともに、外力の無印加時に当該端部は長手方向に遊びを有している。このため、圧電素子４０は、特に脆性が高く恒常的な応力負荷による劣化が顕著な圧電セラミック板４８において、かかる劣化が抑制される。
【００９１】
また、本実施形態の圧電発電装置１０において、圧電素子４０は、揺動する両端を結ぶ長手方向に挿抜可能であるため、圧電素子４０には曲げ荷重のみが負荷され、板状の圧電素子４０の面内方向に圧縮および引張荷重が作用しない。
【００９２】
そして、圧電素子４０の一方端４０ａまたは他方端４０ｂの少なくとも一方が揺動部材２０またはベース部材３０に対して挿抜可能である。これにより、揺動する圧電素子４０に対して揺動部材２０およびベース部材３０から引張反力が負荷されることがない。このため、揺動時の圧電素子４０に過大な引張応力が生じることがなく、金属板４６や圧電セラミック板４８が破断することが防止される。また、本実施形態の圧電発電装置１０は、所定の外力の印加によって圧電素子４０を大きく撓み変形させて圧電セラミック板４８に大きな曲げ撓みを生じることができるため、高い発電効率を得ることができる。
【００９３】
本実施形態の圧電素子４０の一方端４０ａおよび他方端４０ｂは、ベース部材３０および揺動部材２０に対して、ともに回動が規制されている。かかる構成により、固定端ＦＥにおいては圧電セラミック板４８に負荷される曲げ応力が高められ、摺動端ＳＥにおいては圧電素子４０の保持が脱離することが防止される。
【００９４】
本実施形態の圧電発電装置１０では、一方端４０ａおよび他方端４０ｂが揺動部材２０およびベース部材３０にそれぞれ保持された複数の圧電素子４０が、互いに面内方向に並んで設けられている。また、本実施形態の場合、複数の圧電素子４０は単段に配置されている。かかる構成により、圧電発電装置１０が全体に薄型構造となるため、床や階段などにこれを好適に設置することができる。
【００９５】
圧電発電装置１０は、外力が印加される向きに対して逆向きに圧電素子４０を付勢する付勢部材としてのコイルバネ３６を備えている。かかる構成により、外力の無負荷時に圧電素子４０が揺動の節の位置にセットされる。このため、圧電素子４０を揺動の腹の位置から上下揺動させる場合に比して、圧電セラミック板４８に２倍の変形量を得ることができるため、圧電発電装置１０において約２倍の電圧を発生させることができる。
【００９６】
圧電発電装置１０は、往復揺動する揺動部材２０の揺動幅を圧電素子４０の許容撓み量以下に規制するストッパー部２２を備えている。かかる構成により、所定以上に大きな外力が揺動部材２０に印加された場合も、圧電素子４０の変形量を限界撓み量以下とすることができ、圧電素子４０の破損が防止される。
【００９７】
＜第二実施形態＞
図１０は、本実施形態にかかる圧電発電装置１０の一例を示す部分斜視図である。同図では圧電素子４０の一方端４０ａ側および揺動部材２０は図示を省略している。
本実施形態の圧電発電装置１０は、圧電素子４０の他方端４０ｂがベース部材３０に固着保持され、一方端４０ａが揺動部材２０に対して挿抜可能に保持されている。
なお、本実施形態の揺動部材２０は絶縁材料からなり、圧電素子４０からの発生電力はベース部材３０から圧電発電装置１０の外部に導出される。
【００９８】
本実施形態の圧電発電装置１０には、複数の圧電素子４０を着脱可能に押圧保持するとともに、圧電素子４０がそれぞれ備える圧電セラミック板４８を直列または並列に電気的に接続して、圧電セラミック板４８から出力電流を取り出す導電部材５０が揺動部材２０またはベース部材３０に設けられている。
【００９９】
本実施形態の場合、導電部材５０は圧電発電装置１０の幅方向に延在する直方体状をなし、ベース部材３０の台座部３０２との間で複数の圧電素子４０の圧電セラミック板４８を押圧保持している。
【０１００】
複数の圧電素子４０は、導電部材５０により揺動部材２０またはベース部材３０に対して剛に固定されている。
導電部材５０は金属材料からなり、複数の圧電セラミック板４８の上面にそれぞれ形成された電極面と電気的に接続されている。
【０１０１】
図１０（ａ）は、圧電素子４０が圧電ユニモルフ素子であって金属板４６の上面にのみ圧電セラミック板４８が接合された状態を示している。
同図の場合、台座部３０２は金属材料で作成されている。そして、複数の圧電素子４０における金属板４６の下面はいずれも台座部３０２と当接している。
【０１０２】
したがって、同図に示す圧電発電装置１０においては、導電部材５０を一方の出力端子（Ｔ＋）とし、台座部３０２またはこれに電気接続された底部３００を他方の出力端子（Ｔ−）とすることができる。
【０１０３】
同図（ｂ）は、圧電素子４０が圧電バイモルフ素子であって、金属板４６の上下面に圧電セラミック板４８ａ，４８ｂがそれぞれ接合された状態を示している。
同図の場合、圧電セラミック板４８ａは導電部材５０によって電極的に接続され、圧電セラミック板４８ｂは台座部３０２によって電極的に接続されている。
そして、導電部材５０と台座部３０２とは図示しない配線により接続されて一方の出力端子（Ｔ＋）を構成する。
【０１０４】
圧電素子４０の他方端４０ｂにおいて、金属板４６は圧電セラミック板４８ａまたは４８ｂの少なくとも一方から露出している。そして、露出した当該金属板４６の端部同士は、導電板５２により互いに電極的に接続されている。
導電板５２は、複数の圧電素子４０における金属板４６同士を接続するとともに、他方の出力端子（Ｔ−）を構成する部材である。
【０１０５】
導電部材５０および導電板５２は、絶縁性ボルトによって台座部３０２に締結されている。
本実施形態の圧電発電装置１０のように、導電部材５０や導電板５２によって複数の圧電素子４０を着脱可能に押圧して保持する方式とすることにより、圧電素子４０をベース部材３０に個別に半田付けする必要がない。このため、圧電素子４０の取付時および交換時の作業性が良好となる。
【０１０６】
なお、圧電素子４０の他方端４０ｂは、本実施形態のようにベース部材３０に対して固定保持されていてもよく、または、ベース部材３０に対して圧電素子４０を長手方向に摺動可能として、挿抜可能に保持してもよい。
【０１０７】
＜第三実施形態＞
図１１は、本実施形態にかかる圧電発電装置１０の一例を示す平面模式図である。ただし、揺動部材２０の上面に接合された加圧板６０は図示を省略している。
ベース部材３０は、揺動部材２０の周囲を囲んで設けられている。
本実施形態では、平面視にて一方端４０ａから他方端４０ｂに向かって幅寸法が拡大するテーパー形状の圧電素子４０が、揺動部材２０の周囲に放射状に複数並んで設けられている。さらに、圧電素子４０の他方端４０ｂを保持するベース部材３０の保持端縁３２は、直線状をなしている。
【０１０８】
同図に示すように、本実施形態の圧電発電装置１０は、台形状の圧電素子４０が環状に６個配置されて、全体として正六角形状をなしている。
本実施形態では、便宜上、圧電発電装置１０の径方向を圧電素子４０の長手方向とし、圧電発電装置１０の周方向を圧電素子４０の幅方向とする。
【０１０９】
圧電素子４０は、揺動部材２０に保持された一方端４０ａを短辺とし、ベース部材３０に保持された他方端４０ｂを長辺とする等脚台形状をなしている。
圧電素子４０の一方端４０ａは、揺動部材２０に対して挿抜可能かつ摺動可能に保持されている。また、他方端４０ｂは、ベース部材３０に対して剛に固定されている。
また、圧電素子４０において、圧電セラミック板４８は他方端４０ｂの側に偏在しており、揺動部材２０に対して摺動する一方端４０ａの近傍には設けられていない。
【０１１０】
ベース部材３０の底部３００からは、第一実施形態と同様に、台座部３０２が起立しており、台座部３０２と固定板３３とで圧電素子４０の他方端４０ｂを挟持している。
圧電素子４０を挟持する台座部３０２および固定板３３の保持端縁３２は直線状である。よって、揺動部材２０とともに一方端４０ａが上下揺動した場合、圧電素子４０の他方端４０ｂの近傍は、保持端縁３２に沿って折れ曲がるように変形する。すなわち、本実施形態の圧電素子４０は、ベース部材３０に剛結された他方端４０ｂの近傍が鞍形の曲面形状に撓むことがない。
【０１１１】
ここで、圧電素子４０の固定端である他方端４０ｂの近傍では、圧電セラミック板４８に負荷される曲げ荷重が大きく発生するため、圧電セラミック板４８による発電が支配的に行われる。
一方、上記特許文献２の図２（ａ）のように円形の圧電素子を、円弧状の保持端縁によって保持した場合、圧電素子は上下揺動することで鞍形の三次元曲面となって撓む。この場合、他方端４０ｂの近傍には、圧電素子４０の長手方向に延在する変曲点（変曲線）が発生し、圧電素子４０の幅方向の両側における圧電セラミック板４８からの起電力が相殺されることとなる。
これに対し、本実施形態のように圧電素子４０の他方端４０ｂの近傍を直線状に保持し、かかる保持端縁３２に沿って圧電セラミック板４８を曲げ変形させた場合は、圧電セラミック板４８に変曲点が生じることがない。このため、本実施形態の圧電発電装置１０では圧電セラミック板４８からの起電力が相殺されることがなく、効率的な発電が可能である。
【０１１２】
なお、圧電セラミック板４８が設けられていない一方端４０ａに関しては、揺動部材２０による保持端縁が直線状であっても曲線状であってもよい。ただし、かかる保持端縁を直線状とすることで、曲げ変形しながら上下揺動する一方端４０ａの近傍に関しても鞍形の曲面形状に撓むことがない。これにより、一方端４０ａは揺動部材２０に対して良好に摺動することができる。
【０１１３】
図７（ｂ）は、本実施形態にかかる正六角形状の圧電発電装置１０を多数敷き詰めて設置し、歩行者Ｐが加圧板６０の上を歩行する状態を示す模式図である。
圧電発電装置１０の外形を正六角形とすることにより、多数の圧電発電装置１０を隙間なく敷き詰めることができる。
【０１１４】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成される限りにおける種々の変形、改良等の態様も含む。
例えば、上記各実施形態において、各圧電発電装置１０には一式の揺動部材２０のみが設けられている態様を例示的に説明したが、本発明はこれに限られない。
【０１１５】
図１２は、第一の変形例にかかる圧電発電装置１０の縦断面図である。本変形例の圧電発電装置１０は、一枚の加圧板６０の下面が二つの揺動部材２０ａ，２０ｂで支持されている。
揺動部材２０ａ，２０ｂはそれぞれコイルバネ３６ａ，３６ｂによって、ベース部材３０より上方に付勢されている。揺動部材２０ａ，２０ｂは、圧電発電装置１０の長手方向（同図の左右方向）に並んで設けられており、それぞれの長手方向の両側に圧電素子４０の一方端４０ａを固定的に保持している。
【０１１６】
ベース部材３０には、その周縁部および中央部が圧電発電装置１０の幅方向（同図の紙面前後方向）に延在する肉厚の台座部３０２が底部３００より起立して形成されている。そして、圧電素子４０の他方端４０ｂは、台座部３０２と、これに接合される固定板３３とによって摺動可能に保持される。
【０１１７】
このように、複数の圧電素子４０を保持した揺動部材２０を、ベース部材３０および加圧板６０に対してアレイ状に配置することにより、圧電発電装置１０あたりに保持される圧電素子４０の数が増大する。このため、所定の電力を得るに際して圧電発電装置１０の設置式数を低減することができる。
【０１１８】
また、上記各実施形態においては、加圧板６０は外力によって揺動部材２０を押し込みつつ、加圧板ガイド部３０４の内壁面３０６に沿って下方に摺動移動する態様を例示的に説明したが、本発明はこれに限られない。
【０１１９】
図１３は、第二の変形例にかかる圧電発電装置１０の縦断面図である。本変形例の圧電発電装置１０は、可撓性を有する加圧板６０が外力の印加によって撓み変形をする。同図（ａ）は外力の無印加時（初期撓み状態）を示し、同図（ｂ）は外力の印加時（加圧撓み状態）を示している。
【０１２０】
本変形例の加圧板６０は、その端部６２が加圧板ガイド部３０４の内壁面３０６に対して昇降しない。そして、加圧板６０の端部６２と加圧板ガイド部３０４とは、揺動部材２０の揺動位置によらず面一である。
【０１２１】
揺動部材２０はコイルバネ３６によりベース部材３０の上方に付勢されている。揺動部材２０は加圧板６０の中央部の下面に設けられている。
そして、外力の無印加時には、コイルバネ３６の付勢力により加圧板６０の中央は膨出して上に凸に撓んでいる。
【０１２２】
一方、加圧板６０を押下する付勢力が印加された場合、コイルバネ３６は圧縮される。揺動部材２０の下端のストッパー部２２がベース部材３０と当接することで加圧板６０の押下は停止する。このとき、加圧板６０は平坦となり、加圧板６０の全体が加圧板ガイド部３０４に対して面一となる。
【０１２３】
図１４は、第三の変形例にかかる圧電発電装置１０の縦断面図である。本変形例の圧電発電装置１０もまた、可撓性を有する加圧板６０が外力の印加によって撓み変形する。同図（ａ）は外力の無印加時（初期撓み状態）を示し、同図（ｂ）は外力の印加時（加圧撓み状態）を示している。
【０１２４】
本変形例の加圧板６０は、初期撓み状態において平坦であり、加圧撓み状態において凹状に撓み変形する点で図１３に示す変形例と相違している。
そして、本変形例の加圧板６０もまた、その端部６２が加圧板ガイド部３０４の内壁面３０６に対して昇降せず、加圧板６０の端部６２と加圧板ガイド部３０４とは揺動部材２０の揺動位置によらず面一である。
【０１２５】
図１３，１４に示す圧電発電装置１０のように、加圧板６０が可撓性を有することで、加圧板６０の面央が揺動部材２０とともに揺動可能となる。これにより、加圧板６０の端部６２と加圧板ガイド部３０４とが常に面一に保たれるため、加圧板６０の上を歩行する歩行者Ｐ（図７を参照）の通行を阻害することがない。
【０１２６】
また、上記各実施形態において、加圧板６０に外力が印加される向きに対して逆向きに圧電素子４０を付勢する付勢部材としてコイルバネ３６を例示しているが、本発明はこれに限られない。付勢部材としては、板バネなど、他の弾性部材を使用することができる。
このとき、付勢部材は、外力の無印加状態において、揺動部材２０を上限位置に保持できるものであり、さらに、１０ｋｇ程度の幼児一人が歩行した場合に圧電素子４０を撓ませられる程度の弾性率を有するものを選定するとよい。
【０１２７】
なお、本発明の圧電発電装置１０においては、付勢部材を設けるか否かは任意である。すなわち、圧電素子４０の金属板４６は所定の弾性力を有するため、印加されていた外力が除去された場合には、圧電素子４０自身の復元力により圧電発電装置１０は初期状態に戻ることができる。
【０１２８】
なお、本発明の圧電発電装置１０においては、揺動部材２０を揺動させて圧電素子４０に曲げ応力を生じさせるものであるかぎり、外力の発生源は特に限られない。上記各実施形態では歩行者の自重を例示したが、このほか、例えば走行する車両の重量や開閉する扉の回転力などの人為的な動力のほか、風力、波力もしくは潮汐力などの自然エネルギーを用いてもよい。
【０１２９】
上記実施形態は、以下の技術思想を包含するものである。
（１）外力の印加または除去によって往復揺動する揺動部材と、ベース部材と、長手方向の一方端が前記揺動部材に保持され他方端が前記ベース部材に保持された板状の圧電素子と、を備え、前記圧電素子の前記一方端または他方端の少なくとも一方が前記揺動部材または前記ベース部材に対して、挿抜可能に嵌合しているとともに前記外力の無印加時に前記長手方向に遊びを有することを特徴とする圧電発電装置。
（２）前記圧電素子の前記一方端および他方端が、前記ベース部材および前記揺動部材に対して、ともに回動が規制されている上記記載の圧電発電装置。
（３）前記圧電素子が、金属板と、前記金属板の表面に接合された板状の圧電材料とを備え、前記金属板の前記一方端または他方端のいずれか一方が前記揺動部材または前記ベース部材に対して剛に固定された固定端である上記記載の圧電発電装置であって、前記揺動部材の揺動により前記金属板が略Ｓ字状に撓み変形するとともに、前記圧電材料が、前記撓み変形した金属板の変曲点よりも前記固定端の側に偏在して設けられていることを特徴とする圧電発電装置。
（４）一方端および他方端が前記揺動部材および前記ベース部材にそれぞれ保持された複数の前記圧電素子が、互いに面内方向に並んで設けられている上記記載の圧電発電装置。
（５）前記ベース部材が前記揺動部材の周囲を囲んで設けられ、平面視にて前記一方端から他方端に向かって幅寸法が拡大するテーパー形状の前記圧電素子が、前記揺動部材の周囲に放射状に複数並んで設けられているとともに、前記圧電素子の前記他方端を保持する前記ベース部材の保持端縁が直線状をなしていることを特徴とする上記記載の圧電発電装置。
（６）複数の前記圧電素子を着脱可能に押圧保持するとともに、前記圧電素子がそれぞれ備える前記圧電材料を直列または並列に電気的に接続して、前記圧電材料から出力電流を取り出す導電部材が前記揺動部材または前記ベース部材に設けられている上記記載の圧電発電装置。
（７）複数の前記圧電素子が、前記導電部材により前記揺動部材または前記ベース部材に対して剛に固定されている上記記載の圧電発電装置。
（８）前記外力が印加される向きに対して逆向きに前記圧電素子を付勢する付勢部材をさらに備える上記記載の圧電発電装置。
（９）往復揺動する前記揺動部材の揺動幅を前記圧電素子の許容撓み量以下に規制するストッパー部を備える上記記載の圧電発電装置。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】（ａ）は第一実施形態にかかる圧電発電装置の一例を示す平面模式図であり、（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面（縦断面）図である。
【図２】加圧板および揺動部材が上下方向に往復揺動する状態を示す圧電発電装置の縦断面図であり、（ａ）は外力の無印加時を示し、（ｂ）は外力の印加時を示す。
【図３】圧電発電装置に使用される圧電素子を長手方向に切った縦断面図を示す模式図である。
【図４】圧電バイモルフ素子である圧電素子の長辺の一方端に荷重を印加した状態を示す模式図である。
【図５】図２（ｂ）に円Ｖで示す領域の拡大図である。
【図６】図２（ａ），（ｂ）における揺動部材の近傍に関する拡大図である。
【図７】本実施形態にかかる多数の圧電発電装置を敷き詰めて設置し、歩行者が加圧板の上を歩行する状態を示す模式図である。
【図８】並列接続された圧電素子を模式的に示す斜視図である。
【図９】直列接続された圧電素子を模式的に示す斜視図である。
【図１０】第二実施形態にかかる圧電発電装置の一例を示す部分斜視図である。
【図１１】第三実施形態にかかる圧電発電装置の一例を示す平面模式図である。
【図１２】第一の変形例にかかる圧電発電装置の縦断面図である。
【図１３】第二の変形例にかかる圧電発電装置の縦断面図である。
【図１４】第三の変形例にかかる圧電発電装置の縦断面図である。
【図１５】一端が支持部材に固着された片持ち状態の圧電素子を示す側面図である。
【符号の説明】
【０１３１】
１０                    圧電発電装置
２０，２０ａ，２０ｂ    揺動部材
２２                    ストッパー部
２８                    絶縁膜
３０                    ベース部材
３２                    保持端縁
３３                    固定板
３４                    固定ピン
３５                    調整ネジ
３６，３６ａ，３６ｂ    コイルバネ，
３７                    スリット溝
４０                    圧電素子
４０ａ                  一方端
４０ｂ                  他方端
４６                    金属板
４８，４８ａ，４８ｂ    圧電セラミック板，
５０                    導電部材
５２                    導電板
６０                    加圧板
３００                    底部
３０２                    台座部
３０４                    加圧板ガイド部
３０８                    溝部
ＦＥ                    固定端
ＳＥ                    摺動端
Ｆ                    荷重
ＰＩ                    変曲点
【図１】
2010063321.tif 000007
【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】
2010063321.tif 000013
【図８】
2010063321.tif 000014
【図９】
2010063321.tif 000015
【図１０】
2010063321.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2010063321.tif 000019
【図１４】
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【図１５】
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