(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、前記筐体に固定され前記筐体に対する往復揺動によって生じる応力により発電
する圧電式の発電ユニットと、を備えるとともに、
前記発電ユニットの共振周波数が１０Ｈｚ以下であり、
湾曲形状の帯状の平板である複数の振動素片を有する振動体を備え、
前記発電ユニットが、前記筐体に対して基端部が固定された複数の前記振動素片と、複数の前記振動素片の其々において少なくとも一方の主面に接合されて複数の前記振動素片とともに揺動する圧電体と、を含み、かつ、
複数の前記振動素片は、前記主面の面直方向に往復揺動する共通の錘が装着されているとともに、前記主面の平面方向に湾曲する前記湾曲形状をなして同一平面上で互いに隣接して嵌め合わされていることを特徴とする圧電発電機。
【請求項２】
複数の前記振動素片を前記主面の面直方向にみた平面視形状が、前記基端部の近傍を除き略全体において曲線状に形成されており、
複数の前記振動素片の少なくとも一方の主面には、前記圧電体が接合されており、
複数の前記振動素片は、それぞれの基端が前記筐体に対して固定されるとともに、先端に共通の前記錘が装着されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発電機。
【請求項３】
複数の前記振動素片が、前記同一平面上で互いに隣接する渦巻形状であり、
前記錘が、前記渦巻形状の中心に配置され、
複数の前記振動素片の先端が前記錘の周囲においてずれた位置に固定されるとともに、複数の前記振動素片が、錘を中心にして共通の螺旋方向に延在している請求項１または２に記載の圧電発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電材料により発電する圧電発電機に関する。
【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、圧電体を用いる方法が提案されている。
この種の技術に関し、特許文献１には、板状の圧電体を表面に接合した板バネ状の片持梁の一端を筺体に固定し、自由端である他端に錘を設けた圧電発電機が記載されている。
また、特許文献２には、自由端に錘が設けられた板バネ状の片持梁を表裏より一対の圧電体で挟持して、振動の半周期ごとに発生させた電力を連続的に取り出す圧電発電機が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−４５９８８号公報
【特許文献２】特開２００５−３１２２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、圧電体を構成する圧電材料は一般にきわめて高い剛性を有していることから、圧電体が接合された振動体の揺動変形は抑制される。このため、人間や動物の歩行時等の振動や、自動車や自転車等の走行振動を駆動源とし、特に携帯性を考慮して装置の小型化を図った場合、特許文献１、２に記載の圧電発電機では十分な発電効率を得ることが困難であった。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、歩行時や走行時の振動を駆動源としつつ、携帯性と発電効率とを両立して高めることのできる圧電発電機を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の圧電発電機は、筐体と、前記筐体に固定され前記筐体に対する往復揺動によって生じる応力により発電する圧電式の発電ユニットと、を備えるとともに、前記発電ユニットの共振周波数が１０Ｈｚ以下であり、湾曲形状の帯状の平板である複数の振動素片を有する振動体を備え、前記発電ユニットが、前記筐体に対して基端部が固定された複数の前記振動素片と、複数の前記振動素片の其々において少なくとも一方の主面に接合されて複数の前記振動素片とともに揺動する圧電体と、を含み、かつ、複数の前記振動素片は、前記主面の面直方向に往復揺動する共通の錘が装着されているとともに、前記主面の平面方向に湾曲する前記湾曲形状をなして同一平面上で互いに隣接して嵌め合わされていることを特徴としている。
【０００８】
また本発明の圧電発電機においては、より具体的な実施の態様として、複数の前記振動素片を前記主面の面直方向にみた平面視形状が、前記基端部の近傍を除き略全体において曲線状に形成されており、複数の前記振動素片の少なくとも一方の主面には、前記圧電体が接合されており、複数の前記振動素片は、それぞれの基端が前記筐体に対して固定されるとともに、先端に共通の前記錘が装着されてもよい。
【０００９】
また本発明の圧電発電機においては、より具体的な実施の態様として、複数の前記振動素片が、前記同一平面上で互いに隣接する渦巻形状であり、前記錘が、前記渦巻形状の中心に配置され、複数の前記振動素片の先端が前記錘の周囲においてずれた位置に固定されるとともに、複数の前記振動素片が、前記錘を中心にして共通の螺旋方向に延在してもよい。
【００１０】
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、振動体と圧電体とは別部材で構成してもよく、または共通部材としてもよい。すなわち、いわゆるユニモルフ型やバイモルフ型の圧電素子で発電する場合、金属等の振動体に対して、これと別部材の圧電体を接合して用いるとよい。一方、いわゆるモノポーラ型の圧電素子で発電する場合、振動体と圧電体とを共通の部材で構成してよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の圧電発電機によれば、振動体の共振周波数が１０Ｈｚ以下であるため、人間や動物の歩行時等の振動や、自動車や自転車等の走行振動を駆動源とした場合にも振動体が良好に共振するため、携帯性と高い発電効率とを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第一実施形態の圧電発電機の一例を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は第一実施形態の圧電発電機の平面図であり、（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。
【図３】（ａ）はユニモルフ型の圧電素子の縦断面図であり、（ｂ）および（ｃ）はバイモルフ型の圧電素子の縦断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は圧電素子が揺動変形する様子を示す立面模式図である。
【図５】第二実施形態の圧電発電機の平面図である。
【図６】第三実施形態の圧電発電機の一例を示す斜視図である。
【図７】（ａ）は第三実施形態の圧電発電機の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図であり、（ｃ）は（ｂ）のＣ−Ｃ断面図である。
【図８】圧電体の近傍に関する図７（ａ）の拡大図である。
【図９】（ａ）は圧電体をその高さ方向に切った断面図であり、（ｂ）は圧電体を高さ方向に押圧した場合の変形図である。
【図１０】（ａ）は第四実施形態の圧電発電機の平面図であり、（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。
【図１１】（ａ）は第五実施形態の圧電発電機の平面図であり、（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図であり、（ｃ）は（ｂ）のＣ−Ｃ断面図である。
【図１２】比較例１にかかる圧電発電機の平面図である。
【図１３】（ａ）は比較例２にかかる圧電発電機の平面図であり、（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
＜第一実施形態＞
図１は、本実施形態の圧電発電機１０の一例を示す斜視図である。
また、図２（ａ）は筐体蓋６０を取り外した状態の圧電発電機１０の平面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００１５】
はじめに、本実施形態の圧電発電機１０の概要について説明する。
圧電発電機１０は、筐体３０と、圧電式の発電ユニット４０とを備える。
発電ユニット４０は、筐体３０に固定され、筐体３０に対する往復揺動によって生じる応力により発電する装置である。
そして、本実施形態の圧電発電機１０は、発電ユニット４０の共振周波数が１０Ｈｚである。
【００１６】
以下、本実施形態の圧電発電機１０について詳細に説明する。便宜上、図２（ａ）の上下方向を圧電発電機１０および振動体２０の長手方向といい、同図の左右方向を幅方向という。そして、長手方向と幅方向とをあわせて圧電発電機１０の平面方向という場合がある。
また、図２（ｂ）の上下方向を厚み方向または平面視方向という。本実施形態において、振動体２０の揺動方向は圧電発電機１０の厚み方向である。
なお、振動体２０をはじめとする圧電発電機１０の各構成要素に関し、断り無く「形状」と表現した場合は平面視形状をいうものとする。
【００１７】
ここで、平面方向や厚み方向とは、圧電発電機１０の構成要素の相対関係を簡単に説明するために便宜的に規定したものであり、圧電発電機１０の製造時や使用時の方向を限定するものではない。
すなわち、本実施形態の圧電発電機１０は、筐体３０に加速度荷重を印加することで発電ユニット４０を厚み方向に揺動させるものであるが、筐体３０の厚み方向は必ずしも重力方向に一致させる必要はない。筐体３０に印加された外力のうち、筐体３０の厚み方向成分によって発電ユニット４０を揺動させることができる。
【００１８】
本実施形態では、発電ユニット４０として、圧電材料からなる圧電体４２および導電性の電極膜４４が金属製の振動体２０の主面に接合された、ユニモルフ型またはバイモルフ型の圧電素子を例示する。
すなわち、本実施形態の発電ユニット４０は、筐体３０に対して基端部２４が固定された振動体２０と、振動体２０の少なくとも一方の主面に接合されて振動体２０とともに揺動する圧電体４２と、を含む。そして、振動体２０が面直方向に往復揺動することで、振動体２０の表裏面には交互に引張状態と圧縮状態が生じる。かかる引張応力と圧縮応力は、振動体２０の主面に接合された圧電体４２に伝達されて圧電体４２に歪みを与え、圧電発電効果により圧電体４２に起電力を生じる。
なお、本実施形態において、振動体２０の基端部２４とは、振動体２０が筐体３０に対して直接的に、または他の部材を介在して間接的に支持されている所定の長さ領域をいい、必ずしも振動体２０の端点を含むものではない。
【００１９】
なお、本発明においては、後述する第三から第七実施形態のように、発電ユニット４０は、振動体２０の基端部２４と筐体３０との間に圧電体４２を挟持したものでもよい。
【００２０】
圧電発電機１０の幅方向と長手方向の寸法およびその大小は特に限られないが、本実施形態の筐体３０は平面視矩形状、より具体的には略正方形状をなしており、幅寸法と長手方向寸法とは互いに略等しく、数ミリメートルから数センチメートル程度である。
【００２１】
図１、２に示すように、圧電発電機１０の外部構造は、筐体３０と、筐体３０の開口部を覆う筐体蓋６０と、筐体３０の外部に露出して設けられた外部電極７０と、を備えている。
【００２２】
筐体３０は、発電ユニット４０を内部で往復揺動可能に収容する容器である。筐体３０は上面が開口した箱形をなし、その中空内部の対向する二つのコーナー部には、一対のブロック状のベース３２が立設されている。
【００２３】
ベース３２は、発電ユニット４０の両端を支持する基台である。発電ユニット４０は、一対のベース３２に対して両端がそれぞれ固定支持された状態で架設されている。
ベース３２の上面と、本実施形態の板状の発電ユニット４０の板厚中心は、筐体３０の中空内部の略中間深さにある。
【００２４】
本実施形態の振動体２０は、その主面の一方または両方に圧電体４２が接合されて発電ユニット４０を構成する金属製の基板である。また、振動体２０は、圧電体４２で発電された交流電流を外部電極７０に送るための金属電極としても機能する。
振動体２０を構成する金属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。尚、金属材料のほか、振動体２０には、片面又は両面にメッキされた樹脂板もしくは導電性樹脂板も使用できる。更に、導電性樹脂を用いることもできる。
振動体２０は面直方向に所定の可撓性と曲げ剛性とを有している。このため、筐体３０に加速度荷重を加えて、錘５０の慣性力によって筐体３０と錘５０との間に相対速度を発生させると、以後、錘５０を支持する振動体２０は筐体３０に対して相対的に往復揺動する。
【００２５】
図２（ａ）に示すように、本実施形態の振動体２０は湾曲形状の板状をなしている。
より具体的には、振動体２０（発電ユニット４０）は、平面視螺旋形状の板状をなしている。
振動体２０（発電ユニット４０）の螺旋形状は、二巻きの等間隔螺旋（アルキメデス螺旋）である。なお、振動体２０（発電ユニット４０）の湾曲形状としては、螺旋形状のほか、波形や鍵型、鋸歯形などを採用してもよい。
【００２６】
振動体２０は、それぞれ平面視螺旋形状の板状をなす複数の振動素片２１、２２を有している。
振動素片２１、２２の少なくとも一方の主面には、ほぼその全面に、圧電体４２および電極膜４４（図３を参照）が接合されている。
振動素片２１、２２は、それぞれ一方の基端部２４が筐体３０に対して固定され、先端部２５に共通の錘５０が装着されている。
【００２７】
振動素片２１、２２は、同一平面上で互いに隣接する渦巻形状をなしており、それぞれの先端が錘５０に固定されている。振動素片２１、２２は、それぞれ等間隔螺旋である。
本実施形態の振動素片２１、２２は、一連の渦巻状の帯状部材として作製されて、錘５０を中心に放射状に形成されている。すなわち、振動素片２１、２２は、互いに別部材で作製されることを必須とするものではない。
【００２８】
振動素片２１、２２は、錘５０を中心として共通の螺旋方向にカーブしている。また、振動素片２１、２２は錘５０を挟んで長手方向で１８０度回転対称位置に設けられている。
振動素片２１、２２の各基端部２４ａ、２４ｂは、平面視矩形状の筐体３０の辺に沿って直線状に形成されている。基端部２４ａ、２４ｂは、一対のベース３２にそれぞれ固定されている。基端部２４ａ、２４ｂとベース３２とは互いに固着されている。
【００２９】
本実施形態の発電ユニット４０は、振動素片２１、２２の主面の少なくとも一方に圧電体４２および電極膜４４を積層したものである。したがって、発電ユニット４０は、両端が筐体３０に固定支持されて中央に錘５０の集中荷重を受ける、両端支持梁である。
【００３０】
錘５０は、振動素片２１、２２の渦巻きの中心部の表裏両面に接合されている。錘５０の重さ、形状、寸法などは、ベース３２に両端支持された発電ユニット４０の共振周波数が１０Ｈｚ以下となるよう調整されている。
【００３１】
図３（ａ）〜（ｃ）は、発電ユニット４０の縦断面図である。同図（ａ）は、金属製の板状体である振動体２０の一方の主面（同図では上面）に圧電体４２が接合されたユニモルフ型の発電ユニット４０の縦断面図である。同図（ｂ）および（ｃ）は、振動体２０の両方の主面に板状の圧電体４２が接合されたバイモルフ型の発電ユニット４０の縦断面図である。
発電ユニット４０の圧電体４２の表面には、導電性の薄膜である電極膜４４が積層されている。
【００３２】
圧電体４２を構成する圧電材料には、例えば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。
【００３３】
圧電体４２と振動体２０とは、極薄く塗布された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。また、圧電体４２は、図３各図に矢印で示すように厚み方向に分極されている。
【００３４】
そして、上述のように発電ユニット４０の一端または両端を固定した状態で振動体２０を面直方向に往復揺動させると、圧電体４２は引張応力または圧縮応力を交互に受けて、面内方向に伸縮する。これにより、圧電体４２には分極方向の両端面にあたる表裏面の間に交流の起電力が生じる。
電極膜４４と振動体２０とは、それぞれ外部電極７０ａまたは外部電極７０ｂに個別に接続されている。図３（ａ）〜（ｃ）に、交流電流の取り出し方法を示す。具体的には、図３（ａ）のユニモルフ型の発電ユニット４０の場合、圧電体４２の分極方向の正方向にあたる電極膜４４と、負方向にあたる振動体２０から、互いに逆位相の交流電流が出力されて外部電極７０ａ、７０ｂにそれぞれ接続される。
図３（ｂ）のバイモルフ型の発電ユニット４０は、振動体２０を挟む一対の圧電体４２の分極方向が互いに反対である。具体的には、振動体２０の上面側の圧電体４２ｔは上面側から下面側に向かって分極し、振動体２０の下面側の圧電体４２ｂの分極方向はその逆である。ここで、往復振動する振動体２０の上面と下面には引張と圧縮が反対に生じることから、振動体２０の上面側の圧電体４２ｔと下面側の圧電体４２ｂとは、往復振動の腹において、一方が面内方向に圧縮されて厚み方向（分極方向）に増大変形し、他方が引っ張られて厚み方向（分極方向）に減少変形する。すなわち、分極方向が互いに反対の圧電体４２ｔと圧電体４２ｂとは、振動体２０の振動にあわせて生じる厚み方向（分極方向）の変位も正負反対である。したがって、圧電体４２ｔと圧電体４２ｂの上面側同士、および下面側同士は同極の電位が生じる。そして、直列に接続された圧電体４２ｔおよび圧電体４２ｂの両外面にあたる電極膜４４ｔと電極膜４４ｂとの間には、加算された電位差が生じる。このため、同図の発電ユニット４０では、電極膜４４ｔと電極膜４４ｂに外部電極７０ａ、７０ｂをそれぞれ接続して交流電流を出力する。
図３（ｃ）のバイモルフ型の発電ユニット４０は、振動体２０を挟む一対の圧電体４２の分極方向が共通である。このため、図３（ｂ）とは反対に、振動体２０の往復振動によって、電極膜４４ｔと電極膜４４ｂには互いに同極（同位相）の電位が生じ、振動体２０にはその逆位相の電位が生じる。このため、図３（ｃ）の発電ユニット４０では、電極膜４４ｔおよび電極膜４４ｂを一方の外部電極（外部電極７０ａ）に共に接続し、振動体２０を他方の外部電極（外部電極７０ｂ）に接続して交流電流を出力する。
【００３５】
なお、本発明においては、発電ユニット４０としてモノモルフ型の圧電素子を用いてもよい。すなわち、図３各図の態様に代えて、導電性の薄膜である電極膜が両面に形成された圧電材料からなる所定厚さの板状の圧電体４２を筐体３０に固定して往復揺動させ、金属製の振動体２０を排除してもよい。
【００３６】
ここで、発電ユニット４０の共振周波数が１０Ｈｚ以下であるとは、１０Ｈｚ以下の周期的振動を筐体３０に印加することで発電ユニット４０に共振が生じて圧電体４２に起電力が生じることをいう。すなわち、本実施形態のように振動体２０の主面に圧電体４２と電極膜４４が積層されてユニモルフ型やバイモルフ型の圧電素子からなる発電ユニット４０の場合、当該圧電素子の一次固有振動数が１０Ｈｚ以下であることをいう。
また、発電ユニット４０がモノモルフ型の圧電素子からなる場合、発電ユニット４０の共振周波数が１０Ｈｚ以下であるとは、圧電体４２の一次固有振動数が１０Ｈｚ以下であることをいう。
【００３７】
図４（ａ）〜（ｃ）は、発電ユニット４０（圧電素子）が揺動変形する様子を示す立面模式図である。圧電体４２と電極膜４４（図３を参照）は図示を省略している。
同図（ａ）は、錘５０とともに振動する振動体２０の上死点の状態を示している。振動体２０は、その自然状態（中立面ＮＰ）よりも、矢印のように上方に変位している。同図（ｂ）は、振動体２０の振動の腹の状態を示し、振動体２０は中立面ＮＰと一致している。同図（ｃ）は、振動体２０の下死点の状態を示している。振動体２０は、中立面ＮＰよりも、矢印のように下方に変位している。
そして、同図（ｂ）の中立状態から上方または下方に変位するまでの間、振動体２０は、基端部２４を支持端として全体に曲げ撓みが増大する。一方、同図（ａ）の上死点または同図（ｃ）の下死点から中立状態に戻る間、振動体２０の曲げ撓みは漸減する。
そして、同図（ａ）に示す上死点では、振動体２０の上面側に大きな圧縮が生じ、下面側には引張が生じる。同図（ｃ）に示す下死点では、その逆である。
このように、厚み方向に分極（図３を参照）された発電ユニット４０が往復揺動することで、発電ユニット４０がユニモルフ型であるかバイモルフ型であるかによらず、電極膜４４と振動体２０（図３を参照）の間に起電力が生じる。
【００３８】
以下、本実施形態の圧電発電機１０では、圧電体４２の表面に電極膜４４が被着され、裏面に振動体２０が金属電極として露出して設けられた、ユニモルフ型を例に説明する。
【００３９】
外部電極７０（７０ａ、７０ｂ）は、筐体３０の対向辺の辺央外部にそれぞれ装着されている。
外部電極７０はＬ字状に曲げ形成された金属材料からなり、筐体３０の外部側面３０ａおよび外部側面３０ｂに被着されている（図１を参照）。
【００４０】
図２に戻り、外部電極７０ａには接続線７２、７３が接続され、外部電極７０ｂには接続線７４、７５が接続されている。
接続線７２と接続線７３は、振動素片２２の上面および振動素片２１の上面にそれぞれ積層された電極膜４４に接続されている。
接続線７４と接続線７５は、振動素片２２の下面および振動素片２１の下面にそれぞれ接続されている。
接続線７２〜７５は、それぞれ発電ユニット４０の基端部２４ａ、２４ｂの近傍に接続されており、錘５０を中心として往復揺動する振動体２０との干渉を防止している。
【００４１】
筐体３０の上面には、接続線７２〜７５をそれぞれ筐体３０の内部から外部電極７０に案内する溝部３４が設けられている。
溝部３４に代えて、外部電極７０が接合された筐体３０の立壁面３３を内外方向に貫通する通孔を設けて、接続線７２〜７５を筐体３０の中空内部から外部電極７０に案内してもよい。
【００４２】
振動素片２１、２２の上面、より具体的には、基端部２４ａ、２４ｂ近傍の上面には、それぞれ接続線７２、７３が接合されて、外部電極７０ａは圧電体４２の上面（電極膜４４）と同電位となっている。
一方、振動素片２１、２２の下面、より具体的には、基端部２４ａ、２４ｂ近傍の下面には、それぞれ接続線７４、７５が接合されて、外部電極７０ｂは圧電体４２の下面（振動体２０）と同電位となっている。
そして、外部電極７０に対して整流回路やコンバータ（図示せず）を任意で接続することにより、圧電発電機１０は、他の機器の電源や、充電器（充電池）への充電電流を供給する発電機として用いることができる。
【００４３】
また、図２（ｂ）に示すように、筐体蓋６０の裏面と筐体３０の内側底面３１には、錘５０の上死点と下死点の高さ位置を規制する変位ストッパー６２、３６が互いに内向きに立設されている。変位ストッパー６２、３６は、筐体蓋６０および筐体３０のそれぞれ複数箇所に設けてもよい。
筐体蓋６０の裏面の変位ストッパー６２は、錘５０の上端面と当接して、発電ユニット４０の上死点を所定以下の高さに規制する。これにより、発電ユニット４０が許容振幅を超えることがなく、圧電体４２の保護が図られる。
また、筐体３０の内側底面３１の変位ストッパー３６は、錘５０の下端面と当接して、発電ユニット４０の下死点を所定以上の高さに規制する。これにより、発電ユニット４０が許容振幅を超えることがなく、圧電体４２の保護が図られる。
【００４４】
なお、本発明においては、変位ストッパー６２、３６を設けることなく、筐体蓋６０の下面および筐体３０の内側底面３１と、発電ユニット４０とのクリアランスを所定に調整することによって、発電ユニット４０が許容振幅を超えることを抑制してもよい。これにより、圧電体４２に負荷される引張または圧縮応力が破壊限界応力以下に抑えられる。
【００４５】
本実施形態の（発電ユニット４０）圧電素子の作製方法の一例を、以下に具体的に示す。
（１）ユニモルフ構造の圧電素子の場合
（第一工程）圧電セラミックスの粉末材料に、樹脂および溶剤と、必要に応じて可塑剤などの添加物とを加え、撹拌分散してペースト状とする。
（第二工程）ドクターブレードや、グラビア印刷、スクリーン印刷等の方法で、１００μｍ以下に成膜し、乾燥する。
（第三工程）必要な大きさに膜体を切断した後、焼成炉で脱バインダおよび焼成処理を行い、シート状の圧電体４２の焼成体を得る。
（第四工程）金属電極板（振動体２０）に、極薄く接着剤を塗布して、焼成体（圧電体４２）を圧着して接着する。
（第五工程）焼成体（圧電体４２）の露出面に、導電性の接着剤を薄く塗布し、必要な温度で硬化接着することで電極膜４４を得る。また、電極膜４４は、金属蒸着法やスパッタ法の方法で成型してもよい。
そして、電極膜４４と振動体２０との間に、３ＫＶ／ｍｍ以下の電界を加えて分極処理して、圧電体４２が図３各図のように分極される。
（第六工程）圧電体４２と電極膜４４とが積層され振動体２０を、レーザー加工法や打ち抜き法、ＮＣ加工法などの方法で加工することにより、図２（ａ）に示すようなスパイラル形状の圧電素子を得る。
【００４６】
なお、上記方法で作成された圧電素子は、筐体３０の絶縁性のベース３２に固定装着した後、振動体２０および電極膜４４をそれぞれ外部電極７０ａ、７０ｂに接続線７２〜７５で接続する。
【００４７】
（２）バイモルフ構造の圧電素子の場合
（第一工程）ユニモルフ構造の製造方法と同様に、圧電セラミックスの粉末材料のペーストを作製し、２枚の圧電セラミックスシートを成膜する。
（第二工程）ユニモルフ構造の製造方法と同様に、脱バインダおよび焼成処理を行う。
（第三工程）金属電極板（振動体２０）に、極薄く接着剤を塗布して、上記２枚の圧電セラミックスシートが振動体２０を挟むように貼り合わせて圧着する。
（第四工程）ユニモルフ構造の製造方法と同様に、露出した焼成体（圧電体４２）の両面に、導電性の接着剤を薄く塗布し、必要な温度で硬化接着することにより、電極膜４４を得る。その後、電極膜４４と振動体２０との間に、３ＫＶ／ｍｍ以下の電界を加えて分極処理して、圧電体４２が図３各図のように分極される。
【００４８】
以降は、上記のユニモルフ構造の圧電素子の製造方法の第六工程以降と同様である。
なお、上記各工程は、この順に行うことを必ずしも要するものではなく、同時に、または順番を適宜入れ替えて行ってもよい。
また、上記の第三工程に代えて、銀とパラジウムの混合粉末、または、銀−パラジウムの合金粉末などに例示される金属粉末をペースト化した導電性ペーストを作製するペースト作製工程を行った後に、圧電セラミックスシートにこの導電性ペーストを塗布し、更にもう一枚の圧電セラミックスシートを貼り合わせて互いに圧着してもよい。この場合、第二工程として上記した焼成処理は、導電性ペーストによる貼り合わせ工程（第三工程）の後に行ってもよい。
【００４９】
上記本実施形態の圧電発電機１０の作用および効果について説明する。
本実施形態の発電ユニット４０（圧電素子）は平面視湾曲形状、より具体的には平面視螺旋形状の板状をなしている。これにより、螺旋外周の基端部２４から、螺旋中央（先端部２５）の錘５０までの経路長を長くすることができ、筐体３０の外形寸法に対して発電ユニット４０の共振周波数を低減することができる。
【００５０】
このとき、振動体２０の平面視形状を円形のスパイラルとして、基端部２４の近傍を除く略全体を曲線状に形成したことで、基端部２４が固定された振動体２０（振動素片２１、２２）には全体に曲げ変形が生じる。
これに対し、かりに振動体２０の螺旋形状を方形のスパイラルとした場合、方形の辺にあたる直線部分には捩り変形が生じて発電効率が低下する。したがって、本実施形態のように円形のスパイラルからなる渦巻き状の振動体２０を発電ユニット４０に用いた圧電発電機１０の場合、小型化とともに高い発電効率を実現することができる。
また、図２（ａ）に示すように、ともに螺旋帯状をなす振動素片２１、２２は、互いに隣接して隙間なく嵌め合わされる。このため、小型化した筐体３０の内部に、比較的大面積の振動体２０を収容することができる。
【００５１】
＜第二実施形態＞
図５は、本実施形態の圧電発電機１０の平面図である。
本実施形態の圧電発電機１０は、筐体３０が平面視矩形状をなし、振動体２０は４本の振動素片２１（２１ａ〜２１ｄ）を有し、振動素片２１の基端部２４が筐体３０の４つの角部（ベース３２）にそれぞれ固定されている。
【００５２】
本実施形態の筐体３０は、矩形状の内側底面３１の四隅にそれぞれベース３２が設けられている。各々のベース３２は上端面の高さが均一である。
４本の振動素片２１ａ〜２１ｄは、いずれも渦巻き形状をなし、基端がベース３２に固定され、先端が筐体３０の中央に寄せ集められている。各振動素片２１ａ〜２１ｄの先端には錘５０に固定されている。振動素片２１ａ〜２１ｄの先端は、錘５０の周囲に９０度ずつずれた位置に固定されている。
振動素片２１ａ〜２１ｄは、互いに隙間なく嵌めあわされて、全体に平面視略円形の振動体２０を構成している。
より具体的には、本実施形態の振動素片２１ａ〜２１ｄは、錘５０を中心とする４筋の螺旋放射状に一体形成された、それぞれ等間隔の螺旋である。
【００５３】
本実施形態の発電ユニット４０（圧電素子）は、振動素片２１ａ〜２１ｄの主面の少なくとも一方に圧電体４２と電極膜４４（図３を参照）とを積層して構成されている。
以下、簡単のため、本実施形態の発電ユニット４０は、振動素片２１ａ〜２１ｄの上面にのみ圧電体４２と電極膜４４とが積層された、ユニモルフ型を例示する。
【００５４】
外部電極７０ａには、接続線７２ａ、７２ｂ、７３ａ、７３ｂの４本の接続線が接続されており、それぞれ振動素片２１ａ〜２１ｄの基端部２４近傍の上面の電極膜４４に接続されている。
外部電極７０ｂには、接続線７４ａ、７４ｂ、７５ａ、７５ｂの４本の接続線が接続されており、それぞれ振動素片２１ａ〜２１ｄの基端部２４近傍の下面に接続されている。振動素片２１ａ〜２１ｄの下面には金属電極（振動体２０）が露出している。
すなわち、外部電極７０ａは電極膜４４と同電位であり、外部電極７０ｂは振動体２０と同電位である。
これにより、振動体２０が往復揺動して電極膜４４と振動体２０との間に生じた交流電流が、外部電極７０ａ、７０ｂより外部に取り出される。
【００５５】
筐体３０の立壁面３３は、接続線７２ａ〜７５ｂの一本以上を筐体３０の中空内部から外部電極７０に案内するための通孔を有している。言い換えると、接続線７２ａ〜７５ｂは、筐体３０の立壁面３３の内部を通じて発電ユニット４０の基端部２４の近傍から外部電極７０まで這い回されている。
【００５６】
本実施形態の圧電発電機１０では、振動体２０を３つ以上、具体的には４つの細幅の帯状の振動素片２１ａ〜２１ｄで構成し、各振動素片２１ａ〜２１ｄを筐体３０の内側底面３１の各角部に固定している。これにより、振動素片２１ａ〜２１ｄの面直方向の曲げ剛性を十分に低下させて発電ユニット４０の共振周波数を、歩行時や走行時の振動に見られる１０Ｈｚ以下としつつも、振動体２０の平面方向の変位を安定的に抑制している。
【００５７】
＜第三実施形態＞
図６は、本実施形態の圧電発電機１０の一例を示す斜視図である。
図７（ａ）は本実施形態の圧電発電機１０の平面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断面図、同図（ｃ）は同図（ｂ）のＣ−Ｃ断面図である。なお、同図（ｂ）におけるＢ−Ｂ断面図では、螺旋状の振動体２０の紙面手前側半分を仮想線で図示している。
【００５８】
本実施形態の圧電発電機１０は、筐体３０および筐体蓋６０が細長形状である点と、筐体３０の対向する外部側面３０ａに２対の外部電極７０、７１が設けられている点で、図１、２に示す第一実施形態の圧電発電機１０と相違している。
以下、圧電発電機１０に関し、図７（ａ）の左右方向を長手方向、同図の上下方向を幅方向、図７（ｂ）の上下方向を厚み方向とする。
【００５９】
本実施形態の発電ユニット４０は、筐体３０に対して先端部２５が往復揺動する振動体２０と、振動体２０の基端部２４と筐体３０とに挟持されて振動体２０の揺動により生じる応力を受けて発電する圧電体４２（４２ａ〜４２ｄ）と、を含む。そして、本実施形態の振動体２０は、その延在方向（圧電発電機１０の長手方向）に対して直交する複数方向（幅方向および厚み方向）に対して共に可撓性を有し、かつ、発電ユニット４０の当該複数方向の共振周波数がともに１０Ｈｚ以下である。
【００６０】
本実施形態の振動体２０は、振動体２０の延在方向（長手方向）にさらに可撓性を有する螺旋バネである。
振動体２０の材料は特に限定されず、導電性の有無も任意である。具体的には、金属材料のほか、プラスチックやセラミックス材料を使用してもよい。
【００６１】
すなわち、本実施形態の振動体２０は、少なくとも振動体２０の延在方向およびこれに直交する方向に可撓性を有している。また、圧電体４２は、振動体２０の基端部２４と筐体３０との間に設けられている。
また、振動体２０を螺旋バネとしたことで、幅方向および厚み方向の共振周波数を１０Ｈｚ以下まで容易に低減することができる。
【００６２】
本実施形態の振動体２０は、先端側が螺旋巻回されて先端部２５に錘５０が設けられ、基端部２４には直線棒状の軸部が形成されている。
螺旋バネの巻軸方向は圧電発電機１０の長手方向である。基端部２４の軸部は、螺旋バネの基端より巻軸上に一体に延在している。
振動体２０の基端部２４は、４式の圧電体４２ａ〜４２ｄによって、箱形の筐体３０の内壁面に固定されている。
圧電体４２ａ〜４２ｄは、固定端（下端）の幅に比べて上端は細幅に形成され、かかる上端によって、互いに干渉することなく振動体２０の基端部２４を支持している。
【００６３】
図９を用いて後述するように、本実施形態の圧電体４２は、一層または二層以上の金属製の内層電極４４１、４４２と、圧電材料からなる複数層の圧電層４２１とを交互に積層した積層構造をなしている。なお、圧電体４２には、図３各図に示したように、分極した圧電材料の正極側と負極側とにそれぞれ電極膜（本実施形態では図示せず）を被着したバルク構造の圧電発電体を用いてもよい。
【００６４】
振動体２０の基端部２４と筐体３０との間には、振動体２０の延在方向に並ぶ複数の圧電体４２ａ〜４２ｄが挟持されている。また、圧電発電機１０は、筐体３０の外部に露出して設けられ、複数の圧電体４２ａ〜４２ｄと電気的に接続された外部電極７０ａ、７０ｂ、７１ａ、７１ｂをさらに備えている。
そして、本実施形態においては、振動体２０の揺動により圧電体４２ａ〜４２ｄで発電された起電力が互いに加算される向きに、圧電体４２ａ〜４２ｄと外部電極７０ａ、７０ｂ、７１ａ、７１ｂとは接続されている。
【００６５】
具体的には、図７（ａ）、（ｃ）に示すように、圧電体４２ａと圧電体４２ｂは、互いに対向して長手方向に延びる立壁面３３ａ、３３ｂ上に、長手方向に互いにずれた位置に立設されている。すなわち、本実施形態において、複数の圧電体４２が振動体２０の延在方向に並んで配置されているとは、複数の圧電体４２が当該延在方向に関して異なる位置に設けられていることをいう。したがって、複数の圧電体４２が当該延在方向に一直線状に並んでいる場合のほか、圧電体４２ａと４２ｂのように、圧電発電機１０の幅方向または厚み方向に互いにずれた位置で延在方向に並んでいる場合を含む。
圧電体４２ａと圧電体４２ｂは、互いに先端部を内向きに対向させて、かつ互いに長手方向にずれた位置に配置されている。そして、圧電体４２ａと圧電体４２ｂの両先端部により、振動体２０の基端部２４は幅方向への並進移動、および並進方向への回転（厚み方向軸まわりの回転）移動が規制されている。
【００６６】
一方、同図（ａ）、（ｂ）に示すように、圧電体４２ｃと圧電体４２ｄは、ともに内側底面３１上に、長手方向に互いにずれた位置に立設されている。
圧電体４２ｃと圧電体４２ｄは、共に先端部を上向きにして内側底面３１に固定されている。そして、圧電体４２ｃと圧電体４２ｄの両先端部により、振動体２０の基端部２４は厚み方向への並進移動、および厚み方向への回転（幅方向軸まわりの回転）移動が規制されている。
以下、圧電体４２ａ〜４２ｄの設置面からの立設方向を、当該圧電体の高さ方向という。
また、振動体２０の基端部２４は、圧電体４２ａ〜４２ｄによって、長手方向への並進移動が規制されている。
【００６７】
以上より、振動体２０は圧電体４２を固定端とする片持ち状態にある。
すなわち、本実施形態の発電ユニット４０は、圧電体４２を固定端とし、圧電体４２に片持ち支持された振動体２０と、その先端に設けられた錘５０とからなる。
【００６８】
本実施形態の圧電発電機１０は、高硬度ゆえ共振周波数の高い圧電体４２と、振動体２０における柔軟な揺動部分とを分離して、１０Ｈｚ以下の低い共振周波数で振動体２０を固有振動させるものである。また、本実施形態の圧電発電機１０では、振動体２０の保持点である基端部２４に生じる荷重を、圧電体４２に周期的に印加する。すなわち、本実施形態の圧電発電機１０は、圧電体４２自体を共振させるのではなく、他の部材を低周波で共振させて得られる荷重を圧電体４２に印加して、圧電効果によって交番電流を得るものである。
【００６９】
筐体３０に任意の方向の加速度荷重が印加されると、錘５０の慣性力によって錘５０は筐体３０に対して相対振動する。
ここで、本実施形態の圧電発電機１０は、圧電体４２が振動体２０の基端部２４よりも筐体３０側に配置されていることから、材料硬度の高い圧電体４２の影響を受けることなく、振動体２０と錘５０の物理特性によって共振周波数を調整することができる。
そして、振動体２０の曲げ剛性および錘５０の重さは、振動体２０の共振周波数が長手方向、幅方向および厚み方向ともに１０Ｈｚ以下となるよう調整されている。これにより、圧電発電機１０は、振動体２０の共振周波数と略一致する歩行時や走行時の１０Ｈｚ以下の周期的な振動を筐体３０に印加することで、錘５０および振動体２０は固有振動し、圧電体４２にはその拘束点反力が負荷されて歪みが生じる。
【００７０】
より具体的には、錘５０が幅方向に往復揺動すると、圧電体４２ａと圧電体４２ｂは、共に圧縮された状態、または共に引っ張られた状態を繰り返す。すなわち、図７（ａ）の上方に錘５０が移動した場合、圧電体４２ａ、４２ｂは、共に圧縮応力を受ける。また、同図の下方に錘５０が移動した場合、圧電体４２ａ、４２ｂは、共に引張応力を受ける。
また、錘５０が厚み方向に往復揺動すると、圧電体４２ｃと圧電体４２ｄは、圧縮状態または引張状態を互いに逆転させて繰り返す。すなわち、図７（ｂ）の上方に錘５０が移動した場合、圧電体４２ｃは圧縮応力を受け、一方、圧電体４２ｂは引張応力を受ける。また、同図の下方に錘５０が移動した場合、圧電体４２ａは引張応力を受け、圧電体４２ｂは圧縮応力を受ける。
【００７１】
図８は、圧電体４２の近傍に関する図７（ａ）の拡大図である。ただし、説明のため、振動体２０の図示は省略している。
圧電体４２ａと圧電体４２ｂは、対向する立壁面３３からそれぞれ幅方向（図８の上下方向）の内向きに立設されており、圧電体４２ｃと圧電体４２ｄは、内側底面３１から共に厚み方向（図８の紙面上方）に立設されている。
【００７２】
図９（ａ）は、圧電体４２をその立設方向（高さ方向）に切った断面図である。圧電体４２は、圧電材料からなる複数層の圧電層４２１と、内層電極４４１、４４２とを交互に積層した積層構造をなしている。また、最上層の圧電層４２１ａの上面と、最下層の圧電層４２１ｂの下面には、電極膜４４が被着されている。
本実施形態の圧電層４２１は、それぞれ厚み方向に分極している。分極のプラス側からマイナス側に向かう矢印を同図に示す。
そして、積層された複数の圧電層４２１のうち、分極方向の正方向にあたる表面同士が電極４５によって互いに電気的に接続されている。同様に、圧電層４２１のうち、分極方向の負方向にあたる表面同士が電極４６によって互いに電気的に接続されている。
より具体的には、積層された圧電層４２１は交互に分極方向が反転しており、奇数番目の圧電層４２１の上面と偶数番目の圧電層４２１の下面とが電極４５で接続されている。また、奇数番目の圧電層４２１の下面と偶数番目の圧電層４２１の上面とが電極４６で接続されている。
電極４５と電極４６とは圧電体４２の両側に対向して設けられており、互いに電気的に絶縁されている。
【００７３】
図９（ｂ）は、圧電体４２を高さ方向に押圧した場合の変形図である。
同図に矢印で示すように圧電体４２を高さ方向に押圧して圧電層４２１をそれぞれ厚み方向に圧縮変形させると、圧電層４２１は分極方向の両端面（上下面）の間に起電力が生じる。具体的には、圧電層４２１は、プラスに分極された側の表面が正の電位となり、マイナスに分極された側の表面が負の電位となる。ここで、本実施形態の圧電体４２は、複数層の圧電層４２１の分極方向が共通の表面同士が電極４５、４６によって互いに接続されており、この場合は電極４５に負の電位（−出力）、電極４６に正の電位（＋出力）が発生する。
一方、図９（ｂ）とは逆に、圧電体４２が図９（ａ）の自然状態から高さ方向に伸張された場合（図示せず）には、各圧電層４２１が厚み方向に厚くなるように変形し、電極４５に正の電位（＋出力）、電極４６に負の電位（−出力）が発生する。
そして、各圧電層４２１に対して圧縮または引張応力が周期的に付与されることで、電極４５、４６には互いに逆位相の交流電流が連続的に出力される。
【００７４】
図８に戻り、本実施形態の圧電発電機１０において、圧電体４２ａと圧電体４２ｂは、それぞれに圧縮力が付与された場合に＋出力となる電極同士が同電位となるよう、電気的に接続されている。そして、圧電体４２ａと圧電体４２ｂは、それぞれに圧縮力が付与された場合に−出力となる電極同士が同電位となるよう、電気的に接続されている。
これに対し、圧電体４２ｃと圧電体４２ｄは、圧電体４２ｃに圧縮力が付与された場合に＋出力となる電極と、圧電体４２ｄに圧縮力が付与された場合に−出力となる電極とが電気的に接続されている。そして、圧電体４２ｃに圧縮力が付与された場合に−出力となる電極と、圧電体４２ｄに圧縮力が付与された場合に＋出力となる電極とが電気的に接続されている。
【００７５】
具体的には、圧電体４２ａと圧電体４２ｂは、それぞれに圧縮力が付与された場合に＋出力となる電極４５ａ、４６ａが、接続線７２ａおよび７２ｂを介して外部電極７０ａと同電位に接続されている。同様に、圧電体４２ａと圧電体４２ｂは、それぞれに圧縮力が付与された場合に−出力となる電極４６ａ、４６ｂが、接続線７３ａおよび７３ｂを介して外部電極７１ａと同電位に接続されている。
一方、圧電体４２ｃに圧縮力が付与された場合に＋出力となる電極４５ｃと、圧電体４２ｄに圧縮力が付与された場合に−出力となる電極４５ｄが、接続線７２ｃおよび７２ｄを介して外部電極７０ｂと同電位に接続されている。そして、圧電体４２ｃに圧縮力が付与された場合に−出力となる電極４６ｃと、圧電体４２ｄに圧縮力が付与された場合に＋出力となる電極４６ｄが、接続線７３ｃおよび７３ｄを介して外部電極７１ｂと同電位に接続されている。
【００７６】
錘５０が幅方向に揺動した場合、圧電体４２ａと４２ｂは高さ方向に同時に圧縮され、または引っ張られて圧電効果が生じる。したがって、生じた電流が加算されて外部電極７０ａと外部電極７１ａには交番電流が取り出される。
【００７７】
また、錘５０が厚み方向に揺動した場合、圧電体４２ｃと４２ｄは高さ方向に反対に圧縮され、または引っ張られて圧電効果が生じる。したがって、生じた電流が加算されて外部電極７０ｂと外部電極７１ｂには交番電流が取り出される。
【００７８】
なお、幅方向の加速度に基づいて外部電極７０ａと７１ａとの間に出力された交番電流と、厚み方向の加速度に基づいて外部電極７０ｂと７１ｂとの間に出力された交番電流とは、互いに位相が一致していない可能性がある。このため、各出力電流は、それぞれダイオード（図示せず）で整流したうえで互いに合流するとよい。
【００７９】
本実施形態の振動体２０は螺旋バネであり、圧電発電機１０の幅方向と厚み方向のみならず、長手方向軸まわりに３６０度のあらゆる方向に略等しい共振周波数を有している。
また、上述のように、圧電体４２ａと４２ｂ、および圧電体４２ｃと４２ｄは、それぞれで生じた交番電流が接続線７２ａ〜７３ｄで加算されて外部電極７０ａ、７０ｂ、７１ａ、７１ｂに接続されている。
したがって、振動体２０の振動方向、すなわち筐体３０への加速度負荷方向が、長手方向軸まわりに３６０度のいずれの方向であっても、本実施形態の圧電発電機１０によれば外部電極７０ａ、７０ｂ、７１ａ、７１ｂにて交番電流を取り出すことができる。
【００８０】
＜第四実施形態＞
図１０（ａ）は本実施形態の圧電発電機１０の平面図であり、同図（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。同図（ａ）では、筐体蓋６０の図示を省略している。
【００８１】
本実施形態の圧電発電機１０は、振動体２０の基端部２４と筐体３０との間に、振動体２０の延在方向に並ぶ複数の圧電体４２ａ、４２ｂが挟持されている点と、振動体２０の揺動により圧電体４２ａ、４２ｂで発電された起電力が互いに加算される向きに圧電体４２ａ、４２ｂと外部電極７０ａ、７０ｂとが電気的に接続されている点で、第三実施形態と共通している。
【００８２】
本実施形態の振動体２０は、平面視が細長矩形状（帯状）の平板であり、先端部２５に錘５０が装着されている。
振動体２０の基端部２４は、筐体３０の内側底面３１との間に圧電体４２ａ、４２ｂが挟持されている。
圧電体４２ａ、４２ｂは、それぞれブロック状をなし、下端面が内側底面３１に、そして上端面が振動体２０に、それぞれ固着されている。
圧電体４２ａ、４２ｂは、互いに長手方向に並んでいる。
【００８３】
本実施形態の圧電発電機１０においては、筐体３０に固定された圧電体４２ａ、４２ｂと、基端部２４が圧電体４２ａ、４２ｂに支持された振動体２０と、振動体２０の先端部２５に設けられた錘５０とで発電ユニット４０が構成されている。
【００８４】
接続線７２ａは、圧電体４２ａの負極側と圧電体４２ｂの正極側とを電気的に接続している。また、接続線７２ｂは、圧電体４２ａの正極側と圧電体４２ｂの負極側とを電気的に接続している。
また、接続線７３ａは、圧電体４２ｂの正極側と外部電極７０ａとを電気的に接続している。したがって、圧電体４２ａの負極側、圧電体４２ｂの正極側、および外部電極７０ａは互いに同電位である。
一方、接続線７３ｂは、圧電体４２ｂの負極側と外部電極７０ｂとを電気的に接続している。したがって、圧電体４２ａの正極側、圧電体４２ｂの負極側、および外部電極７０ｂは互いに同電位である。
【００８５】
そして、発電ユニット４０の一次固有振動では、錘５０が厚み方向に揺動する。かかる一次固有振動数が１０Ｈｚとなるよう、振動体２０の曲げ剛性と錘５０の質量とが調整されている。
筐体３０に厚み方向に周期的な加速度荷重が印加されて錘５０が筐体３０に対して相対振動すると、圧電体４２ａ、４２ｂには、錘５０の往復振動に応じて、圧縮応力と引張応力が逆向きに、かつ交互に反転して生じる。
本実施形態の圧電体４２ａと４２ｂは、図９に示した積層構造をなしている。そして、上記のように、圧電体４２ａに圧縮力が付与された場合に＋出力となる電極４５ａと、圧電体４２ｂに圧縮力が付与された場合に−出力となる電極４６ｂとが接続線７２ｂによって電気的に接続されている。そして、圧電体４２ａと４２ｂは、圧電体４２ａに圧縮力が付与された場合に−出力となる電極４６ａと、圧電体４２ｂに圧縮力が付与された場合に−出力となる電極４６ｂとが接続線７２ａによって電気的に接続されている。
よって、錘５０が厚み方向に揺動して圧電体４２ａ、４２ｂで交番電流が発生すると、かかる電流は接続線７２ａ、７２ｂ、７３ａ、７３ｂで互いに加算されて外部電極７０ａ、７０ｂに出力される。
【００８６】
なお、本実施形態の圧電発電機１０に代えて、圧電体４２ａと４２ｂの正極または負極からの交番電流を、それぞれ独立して４式の外部電極に出力してもよい。この場合、４式の外部電極に出力された交番電流は、互いに加算方向に合成して出力してもよく、またはそれぞれダイオード（図示せず）で整流されたのちに合成して出力してもよい。
【００８７】
＜第五実施形態＞
図１１（ａ）は第五実施形態の圧電発電機１０の平面図であり、同図（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図であり、同図（ｃ）は同図（ｂ）のＣ−Ｃ断面図である。
【００８８】
本実施形態の圧電発電機１０は、振動体２０が棒状体であって、その延在方向にそれぞれ直交する複数方向（幅方向および厚み方向）に等しい共振周波数を有している点で第四実施形態と相違する。
【００８９】
また、本実施形態では、筐体３０の幅方向に対向する立壁面の一方（立壁面３３ａ）に圧電体４２ａが固定され、筐体３０の内側底面３１に圧電体４２ｂが固定されている。
圧電体４２ａは振動体２０の基端部２４を立壁面３３ａより幅方向に支持し、圧電体４２ｂは振動体２０の基端部２４を内側底面３１より厚み方向に支持する。
【００９０】
筐体３０の基端側（図１１（ａ）、（ｂ）における左方）の立壁面３３ｃには、振動体２０の基端部２４の最基端２６を嵌め込むための凹部３５が設けられている。
振動体２０は、基端部２４の最基端２６を凹部３５に嵌合固定し、圧電体４２ａと４２ｂに支持されて片持ち状態にある。
振動体２０の先端部２５には錘５０が装着されている。
【００９１】
本実施形態の振動体２０は、延在方向（圧電発電機１０の長手方向）に対する直交断面（以下、横断面）が正方形である。また、振動体２０の横断面の四辺は、圧電発電機１０の幅方向および厚み方向とそれぞれ一致している。
また、振動体２０は横断面内に等方性の材料からなる。具体的には、金属製の角棒や、押出成形されたプラスチック材料を例示することができる。
また、本実施形態の錘５０は、横断面が正方形であり、幅方向と厚み方向の慣性モーメントが互いに等しい。
【００９２】
これにより、本実施形態の振動体２０は、その延在方向（圧電発電機１０の長手方向）に対して直交する複数方向（幅方向および厚み方向）に対して共に可撓性を有し、かつ、発電ユニット４０の当該複数方向の共振周波数がともに１０Ｈｚ以下である。
【００９３】
最基端２６が立壁面３３ｃに固定された振動体２０は、錘５０が圧電発電機１０の幅方向に振動すると、基端部２４から圧電体４２ａに対して厚み方向の圧縮または引張応力を周期的に付与する。
本実施形態の圧電体４２ａと４２ｂは、図９に示した積層構造をなしている。そして、圧電体４２ａの長手方向の両側にそれぞれ設けられた電極４５ａ、４６ａの間には、圧電体４２ａが振動体２０の基端部２４から幅方向に周期的な応力を受けることで交番電流が生じる。
【００９４】
電極４６ａと外部電極７１ａとは接続線７３ａで電気的に接続されている。また、電極４５ａと外部電極７０ａとは接続線７２ａで電気的に接続されている。
これにより、錘５０が筐体３０に対して幅方向に往復揺動すると、外部電極７０ａ、７１ａには電位が反転した交番電流が出力される。
なお、図１１（ｃ）は、接続線の図示を省略する。
【００９５】
一方、錘５０が圧電発電機１０の厚み方向に振動すると、基端部２４から圧電体４２ｂに対して厚み方向の圧縮または引張応力が周期的に付与される。
圧電体４２ｂの長手方向の両側にそれぞれ設けられた電極４５ｂ、４６ｂの間には、圧電体４２ｂが振動体２０の基端部２４から厚み方向に周期的な応力を受けることで交番電流が生じる。
電極４６ｂと外部電極７１ｂとは接続線７３ｂで電気的に接続されている。また、電極４５ｂと外部電極７０ｂとは接続線７２ｂで電気的に接続されている。
これにより、錘５０が筐体３０に対して厚み方向に往復揺動すると、外部電極７０ｂ、７１ｂには電位が反転した交番電流が出力される。
【００９６】
幅方向の加速度に基づいて外部電極７０ａと７１ａとの間に出力された交番電流と、厚み方向の加速度に基づいて外部電極７０ｂと７１ｂとの間に出力された交番電流とは、互いに位相が一致していない可能性がある。このため、各出力電流は、それぞれダイオード（図示せず）で整流してから互いに合流するとよい。
【００９７】
本実施形態の圧電発電機１０においては、振動体２０の横断面を円形としてもよい。
また、錘５０も円柱形状または球体状など、横断面が円形であるとよい。
これにより、振動体２０は長手方向軸まわりに３６０度のあらゆる方向に略等しい共振周波数を有することとなる。
そして、振動体２０の振動方向、すなわち筐体３０への加速度負荷方向が、長手方向軸まわりに３６０度のいずれの方向であっても、本実施形態の圧電発電機１０によれば外部電極７０ａ、７０ｂ、７１ａ、７１ｂにて交番電流を取り出すことができる。
【実施例】
【００９８】
以下、本発明の圧電発電機について、実施例を用いてより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００９９】
（実施例１、２）
図２および５に記載の第一および第二実施形態にかかる圧電発電機を、それぞれ実施例１および２として作製した。以下、本実施例における要素名の符号は、上記実施形態または図面に記載のものに対応している。
実施例１および２の筐体３０は、外形の辺長が２０ｍｍの平面視正方形状とした。
【０１００】
実施例１の２条の渦巻き状の振動体２０（振動素片２１、２２）は、幅寸法を１ｍｍ、基端部２４から先端部２５までの螺旋状の経路長を６４ｍｍとした。
実施例２の４条の渦巻き状の振動体２０（振動素片２１ａ〜２１ｄ）は、幅寸法を０．５ｍｍ、基端部２４から先端部２５までの螺旋状の経路長を３５ｍｍとした。
【０１０１】
振動体２０と圧電体４２と電極膜４４とを積層した帯状の圧電素子の積層厚さ寸法は、実施例１、２とも０．１ｍｍで共通とした。
【０１０２】
実施例１の圧電発電機１０は、振動素片２１、２２の先端部２５に、鉄製の０．０７ｇの錘５０を装着した。
実施例２の圧電発電機１０は、振動素片２１ａ〜２１ｄの先端部２５に、鉄製の０．１２５ｇの錘５０を装着した。
【０１０３】
（比較例１）
図１２は、比較例１の圧電発電機１００の平面図である。ただし、外部電極や接続線は、図示を省略している。
比較例１の圧電発電機１００は、非絶縁材料からなるベース３２に片持ち状態に支持された振動体２０が、平面視直線板状である。振動体２０の寸法は、実施例１および２と共通の筐体３０に収容可能なサイズとして、幅寸法を３ｍｍ、長さ寸法を１５ｍｍとした。厚み寸法は実施例１、２と共通の０．１ｍｍとした。
また、比較例１の振動体２０の材料、およびその上面の圧電体４２および電極膜４４の材料および寸法は、実施例１および２と共通とした。
また、比較例１の振動体２０の先端に装着した錘５０の質量は、実施例２と同様に０．１２５ｇとした。
【０１０４】
かかる実施例１、２および比較例１について、振動体２０、圧電体４２および電極膜４４の弾性率を適宜設定して振動体２０の共振周波数（一次固有振動数）を数値シミュレーションで求めた。
結果として、実施例１の共振周波数は５．４Ｈｚ、実施例２の共振周波数は７．２Ｈｚと、ともに１０Ｈｚ以下とすることができたのに対し、比較例１の共振周波数は６２Ｈｚとなり、１０Ｈｚを大幅に上回った。
これにより、実施例１、２のように、振動体２０を渦巻き状の複数条の振動素片とすることで、２０ｍｍ四方という小型の圧電発電機１０において、発電ユニット４０の共振周波数を歩行時や走行時に見られる１０Ｈｚ以下にできることが分かった。これに対し、従来の発電機のように矩形板状の振動体を用いた場合には、同等の寸法の筐体３０に収容される発電ユニット４０において１０Ｈｚ以下の共振周波数を実現するのは極めて困難であることが分かった。
【０１０５】
（実施例３〜５）
図７、１０および１１に記載の第三、第四および第五実施形態にかかる圧電発電機１０を、それぞれ実施例３〜５として作製した。
振動体２０には、曲げ弾性率が０．２３ＧＰａのポリカーボネート（ＰＣ）樹脂を用いた。
【０１０６】
図７に示す実施例３の振動体２０は、φ０．３ｍｍ、長さ４５ｍｍの円柱状のＰＣ樹脂棒を、巻径４ｍｍ、ピッチ２ｍｍにて６巻きに螺旋巻回して螺旋バネ部を作製し、これに続けて長さ５ｍｍの基端部２４を直線状に延在したものである。振動体２０の先端部２５には、鉄製の０．５８５ｇの錘５０を装着した。
また、実施例３の筐体３０は、長さ２０ｍｍ、幅８ｍｍ、厚さ８ｍｍの直方体とした。
【０１０７】
図１０に示す実施例４の振動体２０は、幅寸法１ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ寸法１３ｍｍの帯状とした。振動体２０の先端部２５には、鉄製の０．０７ｇの錘５０を装着した。
また、実施例４の筐体３０は、長さ２０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ３ｍｍの直方体とした。
【０１０８】
図１１に示す実施例５の振動体２０は、幅寸法と厚み寸法が０．３ｍｍ、長さ寸法１４ｍｍの横断面正方形の角棒とした。振動体２０の先端部２５には、鉄製の０．５８５ｇの錘５０を装着した。
また、実施例５の筐体３０は、長さ２０ｍｍ、幅８ｍｍ、厚さ８ｍｍの直方体とした。
【０１０９】
（比較例２）
図１３（ａ）は比較例２の圧電発電機１００の平面図、同図（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。
比較例２の圧電発電機１００は、実施例４の圧電発電機１０に対して、振動体２０の主面に板状の圧電体４２が被着されたものである。圧電体４２の表面に設けられる電極膜は、図示を省略している。かかる態様は、特許文献１に記載の従来の発電機に対応するものである。
比較例２の圧電素子（振動体２０および圧電体４２）の弾性率は９０ＧＰａ、幅寸法は１ｍｍ、厚み寸法は０．２ｍｍ、長さ寸法は１４ｍｍとした。
また、比較例２の振動体２０の先端部２５には、鉄製の０．０７ｇの錘５０を装着した。
また、比較例２の圧電素子は、基端部２４を筐体３０に嵌合し、かつ、振動体２０の下面にベース３２を固着した。
なお、比較例２の筐体３０は、長さ２０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ５ｍｍの直方体とした。
【０１１０】
かかる実施例３から５および比較例２について、振動体２０の共振周波数（一次固有振動数）を数値シミュレーションで求めた。
結果として、実施例３の共振周波数は８．５１Ｈｚ、実施例２の共振周波数は９．７Ｈｚ、実施例３の共振周波数は８．５７Ｈｚと、ともに１０Ｈｚ以下とすることができたのに対し、比較例２の共振周波数は１５６Ｈｚとなり、１０Ｈｚを大幅に上回った。
これにより、実施例３から５のように、振動体２０の揺動部分を圧電体４２と分離して、振動体２０の基端部２４と筐体３０との間に圧電体４２を設けたことにより、圧電体４２の材料硬度の影響を受けることなく発電ユニット４０の共振周波数を容易に１０Ｈｚ以下に低減できることが分かった。
【０１１１】
なお、本発明の圧電発電機においては、振動体を揺動させて圧電体に歪み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、人間や動物の歩行時等の振動や、自動車や自転車等の走行振動を例示したが、これに限定されるものではない。
【０１１２】
上記実施形態および実施例は、以下の技術思想を包含するものである。
（１）筐体と、前記筐体に固定され前記筐体に対する往復揺動によって生じる応力により発電する圧電式の発電ユニットと、を備えるとともに、
前記発電ユニットの共振周波数が１０Ｈｚ以下であることを特徴とする圧電発電機；
（２）前記発電ユニットが、前記筐体に対して基端部が固定された振動体と、前記振動体の少なくとも一方の主面に接合されて前記振動体とともに揺動する圧電体と、を含み、かつ、
前記振動体が、湾曲形状の板状をなすことを特徴とする上記（１）に記載の圧電発電機；
（３）前記発電ユニットが、前記筐体に対して先端部が往復揺動する振動体と、前記振動体の基端部と前記筐体とに挟持されて前記振動体の揺動により生じる応力を受けて発電する圧電体と、を含み、
前記振動体が、該振動体の延在方向に対して直交する複数方向に対して共に可撓性を有し、かつ、前記発電ユニットの前記複数方向の共振周波数がともに１０Ｈｚ以下であることを特徴とする上記（１）に記載の圧電発電機；
（４）前記振動体が螺旋形状の板状をなしている上記（２）に記載の圧電発電機；
（５）前記振動体が、それぞれ螺旋形状の板状をなす複数の振動素片と、前記振動素片の少なくとも一方の主面にそれぞれ接合された前記圧電体と、を含み、かつ、
複数の前記振動素片は、それぞれ基端が前記筐体に対して固定され、先端に共通の錘が装着されていることを特徴とする上記（２）に記載の圧電発電機；
（６）前記筐体が矩形状をなし、
前記振動体が４本の前記振動素片を有し、前記振動素片の前記基端が前記筐体の４つの角部にそれぞれ固定されている上記（５）に記載の圧電発電機；
（７）前記圧電体が、前記振動体の前記基端部と前記筐体との間に設けられている上記（１）に記載の圧電発電機；
（８）前記振動体が、該振動体の延在方向にさらに可撓性を有する螺旋バネである上記（３）に記載の圧電発電機；
（９）前記振動体が棒状体であって、該振動体の延在方向にそれぞれ直交する複数方向に等しい共振周波数を有する上記（３）に記載の圧電発電機；
（１０）前記振動体の前記基端部と前記筐体との間に、前記延在方向に並ぶ複数の前記圧電体が挟持され、
前記筐体の外部に露出して設けられ、前記複数の圧電体と電気的に接続された外部電極をさらに備え、かつ、
前記振動体の揺動により前記複数の圧電体で発電された起電力が互いに加算される向きに前記複数の圧電体と前記外部電極とが接続されていることを特徴とする上記（３）、（８）または（９）に記載の圧電発電機。
【符号の説明】
【０１１３】
１０      圧電発電機
２０      振動体
２１、２２      振動素片
２４      基端部
２５      先端部
２６      最基端
３０      筐体
３０ａ、３０ｂ      外部側面
３１      内側底面
３２      ベース
３３      立壁面
３４      溝部
３５      凹部
３６、６２      変位ストッパー
４０      発電ユニット
４２      圧電体
４２１    圧電層
４４      電極膜
４４１、４４２      内層電極
４５、４６      電極
５０      錘
６０      筐体蓋
７０、７１      外部電極
７２〜７５      接続線
１００      圧電発電機
ＮＰ      中立面
【図１】
0005549164.tif 000002
【図２】
0005549164.tif 000003
【図３】
0005549164.tif 000004
【図４】
0005549164.tif 000005
【図５】
0005549164.tif 000006
【図６】
0005549164.tif 000007
【図７】
0005549164.tif 000008
【図８】
0005549164.tif 000009
【図９】
0005549164.tif 000010
【図１０】
0005549164.tif 000011
【図１１】
0005549164.tif 000012
【図１２】
0005549164.tif 000013
【図１３】
0005549164.tif 000014