(57)【要約】  発電効率が高く、押圧完了時点を知ることができ、圧電体の破壊が生じ難い、圧電発電装置を提供する。  金属板２の片面に板状の圧電素子１０が設けられた圧電発電素子３と、圧電発電素子３を支持している複数の支持部材とを備える、圧電発電装置１。複数の支持部材のうち少なくとも１つの支持部材が、反転ばね８を有する。反転ばね８が、形状の自己復元力を有し、圧電発電素子３の発電に必要な押圧荷重により反転するように設けられている。
2017104530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板と、金属板の片面に設けられた板状の圧電素子とを有する圧電発電素子と、
前記圧電発電素子を支持している複数の支持部材とを備え、
前記複数の支持部材のうち少なくとも１つの支持部材が、反転ばねを有し、
前記反転ばねは、形状の自己復元力を有し、前記圧電発電素子の発電に必要な押圧荷重により反転するように設けられている、圧電発電装置。
【請求項２】
前記圧電発電素子のうち前記金属板側が、前記押圧荷重が加えられる側である、請求項１に記載の圧電発電装置。
【請求項３】
前記反転ばねが、前記圧電発電素子に押圧荷重が加えられた際に荷重−ストローク特性において、ピーク荷重と、前記ピーク荷重よりも小さい反転完了荷重とを有する、請求項１または２に記載の圧電発電装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの支持部材が、前記反転ばねである、請求項１に記載の圧電発電装置。
【請求項５】
前記反転ばねが、前記圧電発電素子を支持している複数の支点のうち少なくとも１つの支点の直下に存在する、請求項３に記載の圧電発電装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つの支持部材が、前記反転ばねと、力点、支点及び作用点を有するてこ部材とを有し、前記圧電発電素子が前記てこ部材の前記力点に外力を加えるように、前記圧電発電素子が前記てこ部材に連結されており、前記てこ部材の前記支点が、前記圧電発電素子を支持している支点であり、
前記てこ部材の前記作用点が前記反転ばねに当接または連結されている、請求項１に記載の圧電発電装置。
【請求項７】
ケース部材をさらに備え、該ケース部材内に、前記てこ部材及び前記反転ばねが配置されており、前記てこ部材が前記ケース部材に前記支点において連結されている、請求項６に記載の圧電発電装置。
【請求項８】
前記支点と前記作用点との間に前記力点が位置している、請求項６または７に記載の圧電発電装置。
【請求項９】
前記力点と、前記支点との間に前記作用点が位置している、請求項６または７に記載の圧電発電装置。
【請求項１０】
前記支点と前記力点との間の距離と、前記支点と前記作用点との間の距離との比が、２：１〜１：３の範囲にある、請求項６に記載の圧電発電装置。
【請求項１１】
前記反転ばねが、ドーム状の形状を有する金属部材からなる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の圧電発電装置
【請求項１２】
前記圧電発電素子が、前記金属板と前記圧電素子との積層体が複数積層されている構造を有する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の圧電発電装置。
【請求項１３】
前記複数の支持部材が、前記金属板の周縁部に配置されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の圧電発電装置。
【請求項１４】
前記金属板における前記圧電素子が設けられている面とは反対側の面において、前記圧電素子とは反対側に突出している少なくとも１つの脚部を有し、該少なくとも１つの脚部が前記支持部材である、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の圧電発電装置。
【請求項１５】
平板部と、前記平板部から、前記圧電発電素子側に突出している押圧用突出部とを有する押圧部材をさらに備え、該押圧部材の前記押圧用突出部が、前記圧電発電素子に当接され得るように設けられている、請求項１〜１４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、金属板の片面に圧電素子が設けられた圧電発電素子を有する、圧電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属板の片面に圧電素子を貼り付けてなる圧電発電素子が知られている。例えば、下記の特許文献１には、圧電発電素子を用いた圧電発電装置が開示されている。特許文献１では、圧電発電素子が両端で支持されている。圧電発電素子の下方に弾性体が配置されている。初期状態では、圧電発電素子が上方に突出するように屈曲している。圧電発電素子に荷重を加えることにより、弾性体が圧縮される。それによって、圧電発電素子が下方に突出している屈曲状態とされる。荷重を取り除くと、弾性体の復元力により、圧電発電素子は、最初の屈曲状態に戻る。この圧電発電素子の２つの屈曲状態間の変形により、電力を取り出すことができる。【０００３】
他方、下記の特許文献２には、複数の圧電発電素子を積層してなる発電装置が開示されている。特許文献２では、複数の圧電発電素子が、導電部材を兼ねる支持部材を介して積層されている。圧電発電素子の中央に導電部材を兼ねる支持部材が当接されている。導電部材を兼ねる支持部材には、変形抑制部が形成されている。それによって、導電部材の短絡が抑制されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１６６８８１号公報
【特許文献２】特開２０１４−１３１４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の圧電発電装置では、圧電発電素子を変形させるのに、圧電発電素子の弾発力及び弾性体の弾発力の双方に抗うだけの荷重を加える必要があった。そのため、荷重×ストロークあたりの発電効率が低かった。【０００６】
また、特許文献１や特許文献２に記載の圧電発電装置では、圧電発電素子をどこまで屈曲させればよいか不明である。そのため、過大な荷重を加えることにより、圧電発電素子、特に圧電体の破壊が生じるおそれがあった。【０００７】
本発明の目的は、発電効率が高く、押圧完了時点を知ることができ、圧電体の破壊が生じ難い、圧電発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る圧電発電装置は、金属板と、金属板の片面に設けられた板状の圧電素子とを有する圧電発電素子と、前記圧電発電素子を支持している複数の支持部材とを備え、前記複数の支持部材のうち少なくとも１つの支持部材が、反転ばねを有し、前記反転ばねは、形状の自己復元力を有し、前記圧電発電素子の発電に必要な押圧荷重により反転するように設けられている。【０００９】
本発明に係る圧電発電装置のある特定の局面では、前記圧電発電素子のうち前記金属板側が、前記押圧荷重が加えられる側である。従って、より発電効率を高めることができる。【００１０】
本発明に係る圧電発電装置の他の特定の局面では、前記反転ばねが、前記圧電発電素子に押圧荷重が加えられた際に荷重−ストローク特性において、ピーク荷重と、前記ピーク荷重よりも小さい反転完了荷重とを有する。従って、ピーク荷重から反転完了荷重への荷重の変化により、発電に必要な押圧完了時点をより一層容易に知ることができる。【００１１】
本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記少なくとも１つの支持部材が、前記反転ばねである。その場合には、反転ばねの荷重−ストローク特性により、発電に必要な押圧完了時点をより確実に知ることができる。【００１２】
本発明に係る圧電発電装置の他の特定の局面では、前記反転ばねが、前記圧電発電素子を支持している複数の支点のうち少なくとも１つの支点の直下に存在する。この場合には、反転ばねに、押圧荷重が効果的に加わり、押圧完了時点をより一層確実に知ることができる。【００１３】
本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記少なくとも１つの支持部材が、前記反転ばねと、力点、支点及び作用点を有するてこ部材とを有し、前記圧電発電素子が前記てこ部材の前記力点に外力を加えるように、前記圧電発電素子が前記てこ部材に連結されており、前記てこ部材の前記支点が、前記圧電発電素子を支持している支点であり、前記てこ部材の前記作用点が、前記反転ばねに当接または連結されている。この場合には、てこ部材におけるてこ比を調整することにより、適切な荷重を反転ばねに加えることができる。【００１４】
本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、ケース部材をさらに備え、該ケース部材内に、前記てこ部材及び前記反転ばねが配置されており、前記てこ部材が前記ケース部材に前記支点において連結されている。【００１５】
本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記支点と前記作用点との間に前記力点が位置している。この場合には、より小さい荷重を反転ばねに加えることができる。【００１６】
本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記力点と、前記支点との間に前記作用点が位置している。この場合には、てこ部材により、より大きい荷重を反転ばねに加えることができる。【００１７】
本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記支点と前記力点との間の距離と、前記支点と前記作用点との間の距離との比が、２：１〜１：３の範囲にある。この場合には、適切な荷重を反転ばねに加えることができる。【００１８】
本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記反転ばねが、ドーム状の形状を有する金属部材からなる。【００１９】
本発明に係る圧電発電装置の別の特定の局面では、前記圧電発電素子が、前記金属板と前記圧電素子との積層体が複数積層されている構造を有する。この場合には、より大きな電力を取り出すことができる。【００２０】
本発明に係る圧電発電素子の別の局面では、前記複数の支持部材が、前記金属板の周縁部に配置されている。この場合には、金属板を安定に支持することができる。【００２１】
本発明に係る圧電発電装置のさらに別の特定の局面では、前記金属板における前記圧電素子が設けられている面とは反対側の面において、前記圧電素子とは反対側に突出している少なくとも１つの脚部を有し、該少なくとも１つの脚部が前記支持部材である。この場合には、脚部を利用して圧電発電素子を支持することができる。よって、圧電発電素子の脚部側に、圧電発電素子が屈曲する空間を容易に設けることができる。【００２２】
本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、平板部と、前記平板部から、前記圧電発電素子側に突出している押圧用突出部とを有する押圧部材をさらに備え、該押圧部材の前記押圧用突出部が、前記圧電発電素子に当接され得るように設けられている。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る圧電発電装置によれば、発電効率を高めることができるだけでなく、発電に必要な圧電発電素子の押圧完了を知ることができる。従って、過大な押圧荷重が圧電発電素子に加わり難いため、圧電発電素子における圧電体の破壊も生じ難い。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の略図的正面断面図であり、図１（ｂ）は、第１の実施形態で用いられている圧電発電素子の下方から見た斜視図であり、図１（ｃ）は、反転ばねを示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置において、押圧操作開始直後の状態、及び押圧操作完了状態を示す各略図的正面断面図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置において、押圧操作により圧電発電素子に加えられる押圧荷重Ｐと、押圧荷重Ｐが加えられる押圧点Ａが移動する距離であるストロークＳとの関係を示す図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置において、押圧操作により圧電発電素子に加えられる押圧荷重Ｐと、押圧荷重Ｐが加えられる押圧点Ａが移動する距離であるストロークＳとの関係を示す図であり、作動力が大きい反転ばねと作動力が小さい反転ばねの対比を説明するための図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置の略図的正面断面図である。
【図６】図６は、本発明の第３の実施形態に係る圧電発電装置の略図的正面断面図である。
【図７】図７は、本発明の第４の実施形態において、てこ部材のてこ比が２：１である場合の反転ばねと、てこ部材と、圧電発電素子との関係を示す略図的正面断面図である。
【図８】図８は、本発明の第４の実施形態の変形例において、てこ部材のてこ比が１：３である場合の反転ばねと、てこ部材と、圧電発電素子との関係を示す略図的正面断面図である。
【図９】図９は、本発明の第４の実施形態において、押圧操作により圧電発電素子に加えられる荷重Ｐと、荷重Ｐが加えられる押圧点Ａが移動する距離であるストロークＳとの関係を示し、てこ部材のてこ比が小さい場合と、てこ比が大きい場合の作動力を説明するための図である。
【図１０】図１０は、本発明の第４の実施形態に係る圧電発電装置の分解斜視図である。
【図１１】図１１は、本発明の第４の実施形態に係る圧電発電装置の要部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００２６】
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の略図的正面断面図である。圧電発電装置１は、圧電発電素子３と、ベース部７ａと、反転ばね８とを有する。圧電発電素子３は、金属板２と、圧電素子１０とを有する。
【００２７】
金属板２は、ステンレスなどの適宜の金属からなる。金属板２は、対向し合う第１，第２の主面２ａ，２ｂを有する平板部と、複数の脚部とを備える。
【００２８】
圧電素子１０は、圧電体層４と、圧電体層４の片面に設けられた電極５と、反対側の面に設けられた電極６とを有する。圧電素子１０は、板状であり、金属板２の片面に設けられている。具体的には、圧電素子１０は、金属板２の第１の主面２ａ上に貼り合わされている。この貼り合わせは、接着剤を用いるなどの適宜の方法で行われ得る。なお、電極６は省略してもよく、その場合には、金属板２が他方の電極を兼ねる。
【００２９】
圧電体層４は、ＰＺＴなどの圧電セラミックスからなり、厚み方向に分極処理されている。圧電体層４の分極軸方向は、例えば金属板２から圧電体層４に向かう方向である。もっとも、圧電体層４の材料は、後述する押圧荷重に伴う変形によって電力を取り出し得る限り、特に限定されない。
【００３０】
図１（ｂ）に示すように、金属板２の第２の主面２ｂの周縁部には、複数の脚部２ｃ〜２ｆが設けられている。複数の脚部２ｃ〜２ｆは、矩形板形状の金属板２の各コーナー部に設けられている。もっとも、金属板２の周縁部における他の位置に、脚部２ｃ〜２ｆが設けられていてもよい。図１（ａ）においては、脚部２ｃ，２ｅが設けられている部分における圧電発電装置１の断面が示されている。
【００３１】
脚部２ｃの下端は、ベース部７ａに当接または固定されている。ベース部７ａは、脚部２ｃを支持している。図１（ｂ）の脚部２ｄの下方にも、同様に、ベース部が設けられる。
【００３２】
図１（ａ）に示すように、脚部２ｅの下端は、反転ばね８の上面に当接されている。特に図示はしないが、図１（ｂ）の脚部２ｆの下端も、反転ばねの上面に当接されている。
【００３３】
反転ばね８は、図１（ｃ）に示すように、ドーム状の形状を有し、金属材料からなる。
【００３４】
反転ばね８は、その頂点側から下方に向かう荷重が加えられると、頂点が下方に移動するように変形し、加えられる荷重がある値を超えると、形状が反転する。反転した反転ばね８は、荷重を取り除くと、最初の形状（荷重が加えられていない場合の形状）に復元する形状の自己復元力を有する。
【００３５】
上記複数の脚部２ｃ〜２ｆ、ベース部７ａ及び反転ばね８は、金属板２の平板部と圧電発電素子３とを支持している部分である。後述する第４の実施形態からも明らかなように、本発明において、圧電発電素子３は、金属板２と、圧電素子１０とを積層した構造を有しておればよく、上記複数の脚部２ｃ〜２ｆは、支持部材の一部として金属板２と別体で構成されていてもよい。従って、本実施形態における脚部２ｃ〜２ｆもまた、金属板２と一体に設けられているものの、それぞれ、支持部材を構成している部分である。
【００３６】
金属板２の平板部は、上記脚部２ｃ〜２ｆの上端部分において支持されていることになる。そして、１つの脚部２ｃは、上記ベース部７ａと共に、本発明における１つの支持部材を構成している。また、脚部２ｅが位置している部分では、脚部２ｅと反転ばね８とにより、本発明における１つの支持部材が構成されている。従って、この部分では、支持部材は反転ばね８を有する。また、上記脚部２ｃ〜２ｆが金属板２を支持しているため、支点は、脚部２ｃ〜２ｆの金属板２の平板部との間の部分に位置することになる。そして、反転ばね８は、１つの支点の直下に位置している。反転ばね８は、支点の直下に位置していることが好ましく、その場合には、押圧荷重を圧電発電素子に加えた場合に、反転ばね８に下向きの荷重が効果的に加わる。ここで、支点の直下に位置するとは、圧電発電装置を平面視して、支点と重なるように位置するということを意味する。
【００３７】
次に、図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照して、発電に際して押圧荷重を加えた場合の圧電発電素子３及び反転ばね８の変形状態を説明する。
【００３８】
まず、圧電発電装置１により電力を取り出すには、図２（ａ）に矢印で示すように、圧電発電素子３に、上方から押圧荷重Ｐを加える。この押圧荷重Ｐは、好ましくは、複数の支持部で囲まれた領域の中央に加える。押圧荷重Ｐが加えられる点が図２（ａ）に示す押圧点Ａである。その結果、図２（ａ）に示すように、圧電発電素子３が変形していく。すなわち、圧電発電素子３の金属板２の第２の主面２ｂが図２（ａ）の下方に突出するように屈曲する。そして、さらに押圧荷重Ｐが大きくなると、図２（ｂ）に示すように、反転ばね８が反転する。
【００３９】
反転ばね８は、押圧荷重がある一定の大きさとなったときに反転する。これを、図３を参照して詳述する。図３の横軸は、圧電発電素子３を押圧する際の押圧点ＡのストロークＳを示す。縦軸は、圧電発電素子３を押圧する際に必要となる押圧荷重Ｐを示す。図３は、荷重−ストローク特性を示す。
【００４０】
図３に示すように、押圧点Ａが移動する距離を長くするのに伴って、圧電発電素子３を押圧する際に必要となる荷重が増加する。この間、圧電発電装置１は、圧電発電素子３の支持部材である、脚部２ｅと反転ばね８にも前述の押圧荷重の一部が加わるために、圧電発電素子３が変形しつつも、反転ばね８の頂点が少しずつ下方に移動していくという動作を行う。もっとも、押圧荷重が５．３Ｎに至るタイミングで、反転ばね８が急激に変形し、変形の過程で脚部２ｅの支えが一時的になくなることで押圧荷重が２．５Ｎまで低下する。押圧荷重が２．５Ｎに至ると、図２（ｂ）にあるように反転ばね８が完全に反転を完了する。反転ばね８が完全に変形を終えると、再び脚部２ｅが支持されて荷重が再度大きくなっていく。上述した５．３Ｎが、ピーク荷重であり、２．５Ｎが、反転ばね８の反転完了荷重である。すなわち、ピーク荷重から反転完了荷重までの間において、反転ばね８が反転し、反転完了荷重において反転動作が終了している。
【００４１】
なお、圧電発電素子３に加わる押圧荷重が、必要な電力を取り出し得る押圧荷重となった場合に、上記反転ばね８が反転するように、反転ばね８の仕様が設定されている。それによって、確実に、電力の取り出しに必要な押圧荷重を圧電発電素子３に加えることができる。
【００４２】
例えば、荷重センサにより反転ばね８に加わる荷重を検出し、上記ピーク荷重から急激に荷重が減少するタイミングを知ることができる。このタイミングまでに、発電に必要な押圧荷重が圧電発電素子に加えられるように、反転ばね８の上記タイミングを設定すればよい。このタイミングの設定は、反転ばね８の大きさ、厚み、材質等を選択することにより容易に達成し得る。
【００４３】
さらに、上記ピーク荷重において、圧電発電素子３の圧電体層４が破壊しない大きさの反転ばね８を選択すればよい。それによって、圧電発電素子３における圧電体層４の破壊を抑制することができる。
【００４４】
例えば、圧電体層４が破壊し易い場合には、図４に示すピーク荷重Ｐ１と、反転完了荷重Ｐ２とを有する反転ばね８を用いればよい。
【００４５】
また、圧電体層４がより一層破壊し難い場合には、より多くの変形を与えて発電させることができる。従って、ピーク荷重Ｐ１よりも大きなピーク荷重であるＰ１’、及び反転完了荷重Ｐ２よりも大きな反転完了荷重Ｐ２’を有する、反転ばねを用いればよい。なお、反転動作を検出するには、荷重センサなどにより上記反転ばねに加わっている荷重を検出する他、例えば、図４に示すピーク荷重Ｐ１と、反転完了荷重Ｐ２との差ΔＰや、Ｐ１’と、Ｐ２’との差ΔＰ’を検出することにより行ってもよい。
【００４６】
前述した特許文献１に記載の圧電発電装置では、発電効率が低いという問題があった。これは、押圧点の直下に弾性体が配置されていることによる。そのため、押圧荷重として、圧電発電素子を変形するための必要な荷重と、弾性体を圧縮するための荷重との合計の荷重が必要であった。
【００４７】
これに対して、本実施形態の圧電発電装置１では、反転ばね８が、支持部材に設けられており、前述した支点の直下に位置している。従って、押圧荷重として、圧電発電素子を変形させるために必要な荷重を加えるだけで、圧電発電素子が変形しつつ、反転ばねを反転させるという２つの動作を一度に達成させることができる。よって、荷重×ストロークあたりの発電効率を高めることができる。
【００４８】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置を示す略図的正面断面図である。第２の実施形態の圧電発電装置２１は、脚部２ｃ，２ｅの双方の下方に、反転ばね８，８が設けられている。特に図示はしないが、図１（ｂ）に示した脚部２ｄ，２ｆの下方にも、反転ばねが設けられている。すなわち、すべての脚部２ｃ〜２ｆの下端が反転ばね８の頂点に当接されている。その他の点は、圧電発電装置２１は圧電発電装置１と同様である。
【００４９】
このように、全ての脚部２ｃ〜２ｆの下方に反転ばね８を当接させてもよい。本実施形態では、複数の脚部２ｃ〜２ｆのそれぞれと、１つの反転ばね８とにより、各支持部材が構成されていることになる。
【００５０】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る圧電発電装置の略図的正面断面図である。
【００５１】
圧電発電装置３１は、ケース部材３２を有する。ケース部材３２は、底板３３と、底板３３の上面から上方に突出した側壁３４とを有する。圧電発電素子３は、第１の実施形態の圧電発電素子３と同様に構成されている。もっとも、脚部２ｃの下端は、底板３３と平行に延びる段差部３４ａ上に当接されている。段差部３４ａは、側壁３４の内面において中間高さ位置に設けられている。特に図示はしないが、図１（ｂ）に示した脚部２ｄも、同様の段差部により支持されている。脚部２ｃ及び側壁３４の段差部３４ａの下方部分が１つの支持部材を構成している。
【００５２】
他方、脚部２ｅの下端は、てこ部材３５に連結されている。てこ部材３５は、金属やセラミックスなどの剛性材料からなる。てこ部材３５の一端が、連結ピン３６により側壁３４に、てこ部材３５が連結ピン３６を中心として回動自在に連結されている。
【００５３】
てこ部材３５の下端側が、反転ばね８側に突出している突出部３５ａを有する。突出部３５ａの先端が、反転ばね８の上面に当接されている。また、脚部２ｅの下端が、てこ部材３５の上面に当接もしくは連結されている。このてこ部材３５に脚部２ｅが連結もしくは当接させられている部分が力点となる。
【００５４】
発電に際しては、図６の矢印で示すように、圧電発電素子３の中央において、金属板２側に向かうように押圧荷重を加える。脚部２ｅが、てこ部材３５に連結もしくは当接されている部分において下方に押圧力を加える。てこ部材３５においては、上記連結ピン３６が設けられている部分が支点となっててこ部材３５が回動する。なお、本実施形態では、てこ部材３５の支点は、圧電発電素子３を支持している支点である。そして、突出部３５ａの先端が作用点となる。
【００５５】
従って、上記圧電発電素子３に加わる押圧荷重に対し、反転ばね８には、上記てこ部材３５による、てこ比に応じた荷重が加わることになる。
【００５６】
ここで、てこ比とは、上記支点と上記力点との間の距離：上記支点と上記作用点との間の距離の比である。このてこ比は２：１〜１：３の範囲であることが望ましい。その場合には、圧電発電素子３に加えられた押圧荷重に応じて、反転ばね８を反転させるのに適宜な荷重を反転ばね８に加えることができる。また、圧電発電素子３における圧電体層４の破壊も生じ難い。
【００５７】
上記てこ比が２：１である場合には、図７に示すように、反転ばね８に対し作用点Ｆとして働く突出部３５ａが、支点Ｓと力点Ｒとの間に位置することとなる。このように、作用点Ｆが、力点Ｒと、支点Ｓとの間に位置している場合、力点から加えられる押圧荷重に応じた荷重よりも大きな荷重を反転ばね８に加えることができる。
【００５８】
他方、図８に示すように、てこ比が１：３の場合には、力点Ｒが作用点Ｆと支点Ｓとの間に位置することとなる。このように、力点Ｒが、支点Ｓと、作用点Ｆとの間に位置している場合には、力点Ｒから加えられる圧電発電素子３の押圧荷重に応じた荷重よりも、小さな荷重を反転ばね８に加えることができる。
【００５９】
図９において、点Ｐ１、及び点Ｐ２は、てこ比が小さい場合及びてこ比が大きい場合のそれぞれ反転ばね８の作動力が発現する荷重を示す。従って、てこ比を調整することにより、発電に必要な押圧操作完了のタイミングを調整することができることが分かる。
【００６０】
図１０及び図１１は、本発明の第４の実施形態に係る圧電発電装置の分解斜視図及びその要部を示す正面断面図である。
【００６１】
本実施形態の圧電発電装置４１は、第３の実施形態の圧電発電装置３１をより具体化した構造の一例に相当する。
【００６２】
圧電発電装置４１は、ケース４２を有する。ケース４２は、底板４３と、側壁４４とを有する。側壁４４の内面の一部において、内側に突出した突出部が設けられている。この突出部の上面には、底板４３と平行に延びる複数の段差部４４ａが設けられている。
【００６３】
上記ケース４２内には、圧電発電素子３ｘを駆動するための回路部材４５が設けられている。図１０及び図１１では、回路部材４５を模式的に示すこととする。
【００６４】
ケース４２内に、圧電発電素子３ｘが設けられている。圧電発電素子３ｘは、金属板２ｘと、金属板２ｘの片面に積層されている圧電素子１０ｘとを複数備える。金属板２ｘにおける圧電素子１０ｘが積層されている面とは反対側の面の中央には、円筒状の第１の突起２ｍが面方向と垂直になるように圧電素子１０ｘとは反対側に突出して設けられている。第１の突起２ｍにおける圧電素子１０ｘ側の面とは反対側の面の中央には、第２の突起２ｎが面方向と垂直になるように圧電素子１０ｘとは反対側に突出して設けられている。
【００６５】
金属板２ｘにおける圧電素子１０ｘが積層されている面とは反対側の面の周縁部には、複数の突出部２ｈ〜２ｋが設けられている。複数の突出部２ｈ〜２ｋは、圧電素子１０ｘとは反対側に突出して設けられている。複数の突出部２ｈ〜２ｋは、矩形板形状の金属板２ｘの各コーナー部に設けられている。なお、周縁部は、金属板２ｘにおける圧電素子１０ｘが積層されている面とは反対側の面のうち、第１の突起２ｍが設けられている箇所以外のことを指す。
【００６６】
図１０において、圧電発電素子３ｘは、金属板２ｘを上面、圧電素子１０ｘを下面とした積層体が複数積層されているものである。本実施形態の圧電発電素子３ｘは、複数の金属板２ｘと複数の圧電素子１０ｘが積層されているため、より大きな電力を得ることができる。
【００６７】
最上部の金属板２ｘにおける第２の突起２ｎ上に、押圧部材４６が配置されている。押圧部材４６は、セラミックスまたは金属からなる。押圧部材４６は、平板部４６ａと、平板部４６ａから下方に突出している複数の突出部４６ｂ〜４６ｄを有する。中央の突出部４６ｃが、圧電発電素子３ｘを押圧する押圧用突出部として作用する。この突出部４６ｃの先端は、最上部の金属板２ｘに当接されていてもよく、押圧時に押圧されるように、圧電発電素子３ｘと隔てられていてもよい。なお、押圧用突出部を構成している突出部４６ｃの先端は、圧電発電素子３ｘに当接され得るように設けられていることが好ましい。
【００６８】
最下層の金属板２ｘは、上記段差部４４ａ上に配置されており、金属板２ｘの突出部２ｈ，２ｋの下方部分が段差部４４ａにより支持されている。従って、ケース４２の上記段差部４４ａが設けられている部分が、１つの支持部材を構成している。なお、上記段差部４４ａに支持されるのは最下層の金属板２ｘではなく、最下層の圧電素子１０ｘでもかまわない。
【００６９】
他方、段差部４４ａとは反対側においては、金属板２ｘの下面が、端子４８を介して、てこ部材４７の上面に設けられた突出部４７ａの上端に当接されている。図１０に示すように、ケース４２の幅方向に延びるようにてこ部材４７が設けられている。てこ部材４７は屈曲部４７ｃを有する。てこ部材４７では、屈曲部４７ｃよりも連結ピン４９側に延ばされている部分がケース４２の幅方向において一対設けられている。そしてこの屈曲部４７ｃよりも連結ピン４９側に延ばされている部分とは反対側の部分は、ケース４２の幅方向ほぼ全幅に至るように設けられている。
【００７０】
もっとも、このようなてこ部材４７に代えて、ケース４２の幅方向において、一端側及び他端側に、それぞれ独立にてこ部材を設けてもよい。屈曲部４７ｃよりも外側において、てこ部材４７は斜め下方に延ばされている。この延長されている部分の端部が、ケース４２に対して、連結ピン４９を介して回動自在に連結されている。従って、連結ピン４９が設けられている部分が、支点を構成している。他方、上述した突出部４７ａの上端は、圧電発電素子３ｘが押圧された際に、てこ部材４７に押圧力を加える力点となる。
【００７１】
てこ部材４７の支点とは反対側の端部近傍においては、下方に突出している突出部４７ｂが設けられている。この突出部４７ｂの先端が反転ばね８に当接されている。この突出部４７ｂが反転ばね８に当接している部分が、作用点となる。
【００７２】
本実施形態では、金属板２ｘにおける突出部２ｈ〜２ｋが、上方の金属板２ｘに当接されている。最上部の金属板２ｘにおける突出部２ｈ〜２ｋは、前述した突出部４６ｃ等に当接されている。
【００７３】
従って、圧電発電素子３ｘは、前述した段差部４４ａを含む支持部材で支えられていると共に、上記てこ部材４７との連結部分によっても支えられている。従って、本実施形態においても、反転ばね８及びてこ部材４７が、１つの支持部材を構成している。
【００７４】
第４の実施形態から明らかなように、本発明においては、圧電発電素子を支持している支持部材は、下方に延ばされた脚部を有せずともよく、金属板の平板部が、直接支持部材により支持されていてもよい。
【００７５】
また、第４の実施形態においても、上記てこ部材４７において上記てこ比を調整することにより、反転ばね８の作動力を容易に調整することができる。
【００７６】
本実施形態では、押圧部材４６が圧電発電素子３ｘのうち金属板２ｘを押圧している。すなわち、前記押圧荷重は、圧電発電素子３ｘのうち金属板２ｘ側から圧電素子１０ｘ側に加えられる。ここで、圧電素子１０ｘの分極軸方向は、例えば金属板２ｘから圧電素子１０ｘに向かう方向である。そのため、あえて圧電素子１０ｘの分極軸方向と同一の方向に電圧をかけることで、異なる方向からの押圧荷重により分極がデポールして発電効率が劣化することを抑制できる。従って、より発電効率を高めることができる。
【符号の説明】
【００７７】
１…圧電発電装置
２，２ｘ…金属板
２ａ…第１の主面
２ｂ…第２の主面
２ｃ〜２ｆ…脚部
２ｈ〜２ｋ…突出部
２ｍ，２ｎ…第１，第２の突起
３，３ｘ…圧電発電素子
４…圧電体層
５，６…電極
５ａ…突出部
７ａ…ベース部
８…反転ばね
１０，１０ｘ…圧電素子
２１，３１…圧電発電装置
３２…ケース部材
３３…底板
３４…側壁
３４ａ…段差部
３５…てこ部材
３５ａ…突出部
３６…連結ピン
４１…圧電発電装置
４２…ケース
４３…底板
４４…側壁
４４ａ…段差部
４５…回路部材
４６…押圧部材
４６ａ…平板部
４６ｂ〜４６ｄ…突出部
４７…てこ部材
４７ａ，４７ｂ…突出部
４７ｃ…屈曲部
４８…端子
４９…連結ピン
【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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【国際調査報告】
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