(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
略矩形板状の圧電部材と、
前記圧電部材の長手方向の一端または前記圧電部材の長手方向の略中央部を保持する保持手段と、
前記圧電部材に前記圧電部材を屈曲させる力が作用した際に前記圧電部材が屈曲する側に配置され、前記圧電部材の主面と接して前記圧電部材全体を円弧状に変形させる曲面を有するガイド部材と、
を具備することを特徴とする圧電装置。
【請求項２】
略矩形板状の圧電部材と、
前記圧電部材の長手方向の一端または前記圧電部材の長手方向の略中央部を保持する保持手段と、
前記圧電部材に前記圧電部材を屈曲させる力が作用した際に前記圧電部材が屈曲する側に配置され、前記圧電部材の主面と接して前記圧電部材全体を円弧状に変形させる複数の支持棒と、
を具備することを特徴とする圧電装置。
【請求項３】
前記圧電部材は、圧電セラミックスと電極から構成される圧電素子、または前記圧電素子と金属板および樹脂板のうち１つ以上のものからなる補強板とが貼り合わされた素子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電装置。
【請求項４】
前記圧電部材が屈曲する際に前記圧電部材において発生する電気を取り出す集電手段をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は屈曲変位型の圧電部材を備えた圧電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電体に変位を与えると圧電効果によって電気が発生するため、この電気を直接に電気製品や電子製品の作動に使用することができ、または発生した電気を電池やコンデンサに蓄えることによって、これら電池等を電気製品等の駆動電源または停電時や非常時のバックアップ電源として用いることができる。
【０００３】
例えば、特開平９−２３３８６２号公報（特許文献１）には、腕時計に用いられる発電装置が開示されている。この発電装置は、時計ケースの内周に一定間隔で片持ち梁状かつ放射状に固定された複数の振動片と、時計ケースの中央に設けられた回転錘と、回転錘に固定された回転部材とを有しており、振動片の両面には圧電体層が設けられ、回転部材の外周には所定間隔で突起が設けられている。ここで、特開平９−２３３８６２号公報に示されるように、回転錘は回転錘に加えられる外力の向きに応じて、所定角度（回転の中心と隣接する２カ所の突起とを結ぶ線の交差角度にほぼ一致する）の範囲内で時計回りと反時計回りのいずれにも回ることができるようになっており、回転部材はこの回転錘の動きと同じ動きをする。
【０００４】
このような発電装置では、腕の動きに反応して回転錘が回転し、このときに回転部材に設けられた突起が振動片の先端部（自由端）に接触して振動片および振動片に接着された圧電体層を屈曲させる。このとき、圧電体層に圧電効果による電気が発生するので、この電気がコンデンサ（または二次電池）に充電され、これによって、時計の駆動が維持される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２３３８６２号公報（第８−１２頁、第９図、第１６図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この発電装置においては、回転部材に設けられた突起が振動片に接触して振動片を屈曲させた際に、振動片の固定端近傍（つまり、時計ケースに取り付けられている部分の近傍）に振動片を屈曲させようとする応力が集中してしまう。これによって振動片を繰り返し屈曲させた際に、この応力集中点によって振動片が破壊するおそれがある。
【０００７】
また、回転部材に設けられた突起は振動片の先端と接触して振動片を曲げようとするが、振動片の固定端近傍に応力が集中してこの部分で曲がりやすくなることと、振動片と圧電体層には適度な剛性があるために、振動片は均一に屈曲し難い。この場合には、圧電体層の一部にしか応力が掛からないために、発電効率が低下する。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、屈曲変位型の圧電部材を備え、この圧電部材を外力によって屈曲させた際の圧電部材への局所的な応力集中を抑制した、耐久性に優れる圧電装置を提供することを目的とする。また本発明は、発電効率の高い圧電装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、略矩形板状の圧電部材と、
前記圧電部材の長手方向の一端または前記圧電部材の長手方向の略中央部を保持する保持手段と、
前記圧電部材に前記圧電部材を屈曲させる力が作用した際に前記圧電部材が屈曲する側に配置され、前記圧電部材の主面と接して前記圧電部材全体を円弧状に変形させる曲面を有するガイド部材と、
を具備することを特徴とする圧電装置、が提供される。
【００１０】
また、本発明によれば、略矩形板状の圧電部材と、
前記圧電部材の長手方向の一端または前記圧電部材の長手方向の略中央部を保持する保持手段と、
前記圧電部材に前記圧電部材を屈曲させる力が作用した際に前記圧電部材が屈曲する側に配置され、前記圧電部材の主面と接して前記圧電部材全体を円弧状に変形させる複数の支持棒と、
を具備することを特徴とする圧電装置、が提供される。
【００１１】
このような圧電装置において、ガイド部材や支持棒は圧電部材の屈曲最大振幅を一定に制限する機能も有する。圧電部材は、圧電セラミックスと電極から構成される圧電素子単独のもの（いわゆる、モノモルフ素子）、またはこのような圧電素子と金属板および樹脂板のうち１つ以上のものからなる補強板とが貼り合わされた構造を有しているもの（いわゆる、ユニモルフ素子やバイモルフ素子）が好適に用いられる。これらの圧電素子は圧電セラミックスと電極とが交互に積層された構造を有していてもよい。
【００１２】
このような装置によれば、圧電部材に圧電部材を屈曲させる外力が作用した際に、圧電部材にはガイド部材または複数の支持棒によって保持手段近傍での応力集中が起こり難くなるために、圧電部材の耐久性が向上する。また、ガイド部材または複数の支持棒によって圧電部材に均一に応力が掛かるように圧電部材全体が円弧状に屈曲するために、発電効率が高められる。さらにガイド部材または複数の支持棒によって圧電部材の変位量が制限されるために圧電部材に過大な応力が発生することがなく、これによって圧電部材の寿命を延ばすことができる。
【００１３】
本発明の圧電装置に圧電部材が屈曲する際に発生する電気を取り出す集電手段をさらに備えることによって、圧電装置を発電装置として用いることができる。このような発電装置では、圧電部材に加えられる外力によって圧電部材は効率的に発電し、しかも、ガイド部材または複数の支持棒によって圧電部材の変位量が制限されるために圧電部材に過大な電圧が発生することがない。これによって圧電部材から電気を取り出すための回路を安価に構成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明の圧電装置の一実施形態を示す概略断面図であり、図１（ａ）はユニモルフ素子１１に外力が作用していない状態を示し、図１（ｂ）はユニモルフ素子１１にユニモルフ素子１１を屈曲させる外力が作用している状態を示している。圧電装置１は、略矩形板状のユニモルフ素子１１と、ユニモルフ素子１１の長手方向の一端を保持する保持部材１２と、ユニモルフ素子１１にユニモルフ素子１１を屈曲させる力が作用した際にユニモルフ素子１１全体を円弧状に変形させるガイド部材１３と、を備えている。
【００１５】
ユニモルフ素子１１は、一般的に知られているように、厚み方向に分極された矩形の圧電セラミック板の表裏面に電極（図示せず）が形成された圧電素子１５と、補強板１６とを接着剤で貼り合わせた構造を有している。また、補強板１６としては、薄い金属板またはフレキシブル樹脂基板と金属箔とを貼り合わせたフレキシブルプリント配線基板等が好適に用いられる。通常、圧電素子１５の裏面（補強板１６側）に設けられた電極は補強板１６と導通している（補強板１６としてフレキシブルプリント配線基板を用いる場合にはその金属箔と導通している）ために、ユニモルフ素子１１からの集電を行うリード線１７ａ・１７ｂは、圧電素子１５の表面に設けられた電極（図示せず）と補強板１６にそれぞれ取り付けられる。
【００１６】
保持部材１２は、ユニモルフ素子１１を構成している補強板１６の長手方向端部を保持している。保持部材１２としては、硬質樹脂材料、セラミック材料等の各種の硬質絶縁材料が好適に用いられる。なお、補強板１６をアース電極として用いる場合には、保持部材１２としてアルミニウムやステンレス等の金属材料を用いることができ、この場合には、集電用のリード線１７ｂを補強板１６に代えて保持部材１２に取り付けることができる。
【００１７】
図１に示すように、ユニモルフ素子１１には下向きの外力Ａが作用し、これによってユニモルフ素子１１が下向きに屈曲するものとする。ユニモルフ素子１１では下側（屈曲側）に圧電素子１５が配置されているために、ユニモルフ素子１１が下側に屈曲する際には圧電素子１５には圧縮応力が掛かる。圧電素子１５は一般的に引っ張り応力に対しては弱いが圧縮応力に対しては強いために、圧電素子１５を下側に配置することによってユニモルフ素子１１の耐久性が長く維持される。
【００１８】
ガイド部材１３は、ユニモルフ素子１１が屈曲する側、つまりユニモルフ素子１１の下側に配置されている。ガイド部材１３のユニモルフ素子１１側の面は、例えば、所定の曲率を有する滑らかな曲面となっており、ユニモルフ素子１１に外力Ａが作用してユニモルフ素子１１が屈曲した際には、ユニモルフ素子１１の主面（圧電素子１５の面）とガイド部材１３の曲面が接することによって、ユニモルフ素子１１はガイド部材１３の曲面に沿った形状で屈曲する。なお、このときユニモルフ素子１１の屈曲最大振幅が一定に制限される。
【００１９】
ガイド部材１３には、保持部材１２と同様に硬質樹脂材料やセラミック材料等の硬質絶縁性材料が好適に用いられる。図１に示すように、ガイド部材１３にはユニモルフ素子１１を構成する圧電素子１５の表面電極が接する。ここで、補強板１６をアース電極として用いた場合には、ユニモルフ素子１１が屈曲する際に圧電素子１５の表面電極の電位が変化するために、ガイド部材１３には絶縁性材料を用いる。なお、ガイド部材１３の曲面に絶縁手段（例えば、絶縁膜や絶縁突起等）を設ければ、ガイド部材１３の母材に金属材料を用いることができる。一方、圧電素子１５の表面電極をアース電極として用いる場合には、ガイド部材１３に金属材料を用いることができる。
【００２０】
図２はガイド部材１３を配置した場合とガイド部材１３を配置しない場合の各場合におけるユニモルフ素子１１の屈曲の様子を模式的に示す説明図である。図２中の点線Ｒは、ガイド部材１３が配置されていない場合のユニモルフ素子１１の屈曲の様子を示しており、ユニモルフ素子１１自体が有している剛性に起因して保持部材１２の近傍が支点となり、この部分に大きな力が掛かってユニモルフ素子１１が屈曲している。この場合には、圧電素子１５（図示せず）自体の屈曲は小さなものとなる。
【００２１】
これに対して、図２中の実線Ｓはガイド部材１３が配置されている場合のユニモルフ素子１１の屈曲の様子を示しており、ユニモルフ素子１１の先端の変位量はガイド部材１３がないと同じであるが、ユニモルフ素子１１はガイド部材１３の曲面形状に沿って屈曲し、このために圧電素子１５（図示せず）もまた均一に屈曲する。
【００２２】
このように、ガイド部材１３を配置することによって、保持部材１２の近傍における応力集中が緩和されるために、ユニモルフ素子１１の素子寿命が長くなる。また、圧電素子１５が均一に屈曲するようになり、発電効率が高められる。さらに、ガイド部材１３が配置されていない場合には、外力Ａが取り除かれて元の位置（水平位置）に戻らないような過度の屈曲（つまり、ユニモルフ素子１１の屈折）が保持部材１２の近傍で生じることもあるが、ガイド部材１３はユニモルフ素子１１の屈曲最大変位を制限する機能を有しているので、ユニモルフ素子１１の屈折を回避することができる。
【００２３】
ガイド部材１３は図１に示す形態に限定されない。例えば、図３に示すように、ユニモルフ素子１１が屈曲する側に、ユニモルフ素子１１と所定位置で接する複数の支持棒１４を配置すると、これらの支持棒１４はガイド部材１３と同様に機能する。一般的にユニモルフ素子１１は回路基板に装着されるか、またはケースに収容されて保持されるため、支持棒１４は回路基板やケースに保持させればよく、また回路基板やケースと一体的に形成することもできる。
【００２４】
図４は本発明の圧電装置の別の実施形態を示す概略断面図と、この圧電装置を用いた発電装置の概略構成図である。圧電装置１ａは、ユニモルフ素子１１を挟んで配置された略同形状のガイド部材１３・１３ａを有している。ユニモルフ素子１１に外力が作用してユニモルフ素子１１がガイド部材１３側に屈曲した後に、ユニモルフ素子１１を屈曲させた外力が取り去られると、ユニモルフ素子１１はユニモルフ素子１１自身のバネ性によってガイド部材１３ａ側に屈曲し、その後に上下の自由振動を行い、やがて減衰して静止する。ガイド部材１３と同様に、ガイド部材１３ａはユニモルフ素子１１がガイド部材１３ａ側への屈曲する際に、保持部材１２の近傍において応力集中が起こらないようにユニモルフ素子１１の屈曲形状を制御し、同時に圧電素子１５の発電効率を高める。
【００２５】
なお、ガイド部材１３は圧電素子１５の表面に設けられた電極と接触する。圧電素子１５の裏面側の電極をアース電極として用いた場合には、圧電素子１５の表面側の電極はユニモルフ素子１１の屈曲時にその電位が変化するため、集電用のリード線１７ａを通して集電を行うために、ガイド部材１３として絶縁材料を用いる。なお、ガイド部材１３の母材に金属材料を用い、その表面に絶縁被膜等を設けてもよい。
【００２６】
このようにユニモルフ素子１１が上下に自由振動する際に発生する電圧は交流電圧であるから、この電気を取り出して貯蔵するために、発電装置２０は整流回路２１と二次電池２２とを有している。整流回路２１は、具体的にはブリッジ回路と電圧調整器とを備えており、ユニモルフ素子１１から出力される交流電気信号を直流電気信号に変換し、さらに電圧のピークカットを行って二次電池２２に許容外の電圧が送られないようにする。こうして得られた電気（直流）は二次電池２２に充電される。
【００２７】
なお、二次電池２２に代えてコンデンサを用いることもでき、整流回路２１を通して得られた電気（直流）を直接に各種の電子装置等の駆動に用いてもよい。また、ガイド部材１３・１３ａによってユニモルフ素子１１の変位量を制御することによって、圧電素子１５で発生する起電力を制御することによって、整流回路２１を電圧調整器の必要のない構成とすることもできる。
【００２８】
このような発電装置２０においては、ユニモルフ素子１１に加えられる外力によってユニモルフ素子１１は効率的に発電し、しかも、ガイド部材１３・１３ａによってユニモルフ素子１１の変位量が制限されるために圧電素子１５に過大な電圧が発生することがない。これによってユニモルフ素子１１から電気を取り出すための整流回路等を安価に構成することができる。
【００２９】
図５は本発明の圧電装置の別の実施形態を示す概略断面図であり、ユニモルフ素子１１の両端に外力Ａ１・Ａ２が作用する場合の実施形態の一例である。図５（ａ）はユニモルフ素子１１に外力が作用していない状態を示し、図５（ｂ）はユニモルフ素子１１に外力Ａ１・Ａ２が作用している状態を示している。
【００３０】
圧電装置１ｂは、ユニモルフ素子１１をその中央部で保持する保持部材１２ａと、ユニモルフ素子１１の屈曲形状を制御するガイド部材１３ｂを備えている。ガイド部材１３ｂは、外力Ａ１・Ａ２はそれぞれほぼ同じタイミングでユニモルフ素子１１に作用する場合に用いることができる。ガイド部材１３ｂの形状や機能は先に説明したガイド部材１３と同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。
【００３１】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような形態に限られるものではない。例えば、本発明の圧電装置は発電装置にのみ適用されるものではない。ユニモルフ素子１１に外力が作用してユニモルフ素子１１が屈曲するとその変位量に応じた電圧が圧電素子１５に発生するため、この圧電素子１５が発生した電圧を検知することによって、ユニモルフ素子１１に加えられた力の大きさを測定するセンサや、ユニモルフ素子１１の変位量を検出するセンサを構成することができる。
【００３２】
また、ユニモルフ素子１１を自由振動させるような外力がユニモルフ素子１１に作用する場合、例えば、プッシュオン／プッシュオフ型のスイッチを動作させる力や各種の扉を開閉させる力がユニモルフ素子１１に作用するようにすれば、圧電素子１５に発生した交流電圧を検知することによって、これらオンオフ動作や開閉動作を検知することができる。
【００３３】
上記説明においては、圧電部材としてユニモルフ素子１１を取り上げたが、圧電部材は、図６の断面図に示すように、矩形の圧電セラミック板２５の表裏面に電極２６が形成されたモノモルフ素子２７であってもよい。また補強板１６の両面に圧電素子１５（電極は図示せず）が貼り付けられたバイモルフ素子１８であってもよい。さらに、圧電素子１５は電極と圧電セラミック薄板が交互に積層された積層構造を有していてもよい。圧電部材としてユニモルフ素子１１を用いる場合においては、常に屈曲側に圧電素子１５を配置しなければならないわけではなく、耐久性が確保される限りにおいて屈曲側に補強板１６を配置するようにユニモルフ素子１１を保持部材１２に保持させてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
上述の通り、本発明によれば、圧電部材に圧電部材を屈曲させる外力が作用した際に、圧電部材にはガイド部材または複数の支持棒によって保持手段近傍での応力集中が起こり難くなるために、圧電部材の耐久性が向上する。また、ガイド部材または複数の支持棒によって圧電部材に均一に応力が掛かるように圧電部材が屈曲するために、発電効率が高められる。さらにガイド部材または複数の支持棒によって圧電部材の変位量が制限されるために圧電部材に過大な応力が発生することがなく、これによって圧電部材の寿命を延ばすことができる。さらにまた本発明の圧電装置では、圧電部材に加えられる外力によって圧電部材は効率的に発電し、しかも、ガイド部材または複数の支持棒によって圧電部材の変位量が制限されるために圧電部材に過大な電圧が発生することがない。これによって圧電部材から電気を取り出すための回路を安価に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電装置の一実施形態を示す概略断面図。
【図２】ガイド部材が配置されている場合と配置されていない場合におけるユニモルフ素子の屈曲形態の違いを模式的に示す説明図。
【図３】本発明の圧電装置の別の実施形態を示す概略断面図。
【図４】本発明の圧電装置のさらに別の実施形態を示す概略断面図と、圧電装置を用いた発電装置の概略構成図。
【図５】本発明の圧電装置のさらに別の実施形態を示す概略断面図。
【図６】本発明の圧電装置に用いられる圧電部材の別の実施形態を示す断面図。
【符号の説明】
１・１ａ・１ｂ；圧電装置
１１；ユニモルフ素子
１２・１２ａ；保持部材
１３・１３ａ・１３ｂ；ガイド部材
１４；支持棒
１５；圧電素子
１６；補強板
１７ａ・１７ｂ；リード線
１８；バイモルフ素子
２０；発電装置
２１；整流回路
２２；二次電池
２５；圧電セラミック板
２６；電極
２７；モノモルフ素子
【図１】
0003611840.tif 000002
【図２】
0003611840.tif 000003
【図３】
0003611840.tif 000004
【図４】
0003611840.tif 000005
【図５】
0003611840.tif 000006
【図６】
0003611840.tif 000007