(57)【要約】  固定端（ＣＥ１）と、自由端（ＦＥ１）と、を有する第１の振動部（Ｋ１）と、第１の振動部（Ｋ１）の自由端（ＦＥ１）に接合されている第１の錘部（Ｍ１）と、第１の錘部（Ｍ１）に接合されている固定端（ＣＥ２）と、自由端（ＦＥ２）と、を有し、振動板と、振動板に設けられた圧電素子とを有する、第２の振動部（Ｋ２）と、第２の振動部（Ｋ２）の自由端（ＦＥ２）に接合されている第２の錘部（Ｍ２）と、を備え、振動面（ＦＳ）に配置されて静止している状態において、振動面（ＦＳ）を基準とした際に、振動面（ＦＳ）に対して垂直な軸（ＣＡ）方向での、第１の振動部（Ｋ１）の自由端（ＦＥ１）の位置と、第２の振動部（Ｋ２）の固定端（ＣＥ２）の位置とは、相違している、圧電発電装置（１）。
2014024638.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定端と、自由端と、を有する第１の振動部と、
前記第１の振動部の自由端に接合されている第１の錘部と、
前記第１の錘部に接合されている固定端と、自由端と、を有し、振動板と、前記振動板に設けられた圧電素子とを有する、第２の振動部と、
前記第２の振動部の自由端に接合されている第２の錘部と、を備え、
振動面に配置されて静止している状態において、前記振動面を基準とした際に、前記振動面に対して垂直な軸方向での、前記第１の振動部の自由端の位置と、前記第２の振動部の固定端の位置とは、相違している、圧電発電装置。
【請求項２】
前記振動面に配置されて静止している状態において、前記振動面を基準とした際に、前記振動面に対して垂直な軸方向での、前記第１の振動部の自由端の位置よりも、前記第２の振動部の固定端の位置のほうが、前記第１の振動部の固定端の位置に近い、請求項１に記載の圧電発電装置。
【請求項３】
前記振動面に配置されて静止している状態において、前記振動面を基準とした際に、前記振動面に対して垂直な軸方向での、前記第１の振動部の固定端の位置と前記第１の振動部の自由端の位置との間の距離をＴ１とし、前記第１の振動部の固定端の位置と前記第２の振動部の固定端の位置との間の距離をＴ２としたとき、
−２．１＜（Ｔ２−Ｔ１）／Ｔ１＜−０．１
の関係を満たす、請求項２に記載の圧電発電装置。
【請求項４】
前記第１の錘部は、前記第１の振動部の自由端が接合されている錘板と、前記錘板における前記第１の振動部の自由端が接合されている面に設けられている第１，第２の固定部とにより構成されており、
前記第１の固定部に接合されている前記第２の振動部および前記第２の錘部の組と、前記第２の固定部に接合されている前記第２の振動部および前記第２の錘部の組と、を備え、
前記第１の固定部に接合されている組の第２の錘部は、その一部が前記第２の固定部の下方に位置しており、
前記第２の固定部に接合されている組の第２の錘部は、その一部が前記第１の固定部の下方に位置している、
請求項１〜３のいずれかに記載の圧電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧電効果を利用して振動エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子を用いて発電する圧電発電装置が提案されている（例えば特許文献１の段落００７８〜段落００８０及び図１２（ａ）参照。）。【０００３】
図１０は、特許文献１の記載を参考にした従来の圧電発電装置１０１の構成例を説明する図であり、圧電発電装置１０１の構成の一部を除いた状態での側面図を示している。【０００４】
図１０に示す圧電発電装置１０１は、台座１１１と、コイルばね１１２と、揺動部材１１３と、第１錘１１４と、圧電素子１２１と、第２錘１２２と、を備えている。台座１１１は、円板状であり、振動体である床スラブ１３１に固定されている。コイルばね１１２は、一端が台座１１１に連結され、他端が円板状の揺動部材１１３に連結されており、揺動部材１１３を台座１１１に対して揺動可能に支持している。第１錘１１４は、揺動部材１１３の下方に連結されている。圧電素子１２１は、第１錘１１４を介して揺動部材１１３に連結されている。第２錘１２２は、圧電素子１２１を介して第１錘１１４に連結されている。第２錘１２２と圧電素子１２１と第１錘１１４とは、コイルばね１１２の巻き線の内側に配置されている。圧電素子１２１の第１錘１１４との接触面には、電極１２１Ａが設けられている。圧電素子１２１の第２錘１２２との接触面には、電極１２１Ｂが設けられている。【０００５】
外部からの振動などの力等により床スラブ１３１において床スラブ１３１の平面に対して垂直な方向の振動が発生すると、この振動が台座１１１およびコイルばね１１２を介して揺動部材１１３に伝わり、揺動部材１１３に連結されている第１錘１１４が振動する。そして、この振動が圧電素子１２１を介して第２錘１２２に伝わって第２錘１２２も振動する。このとき、圧電素子１２１には第１錘１１４と第２錘１２２とから圧縮応力と引張応力とが繰り返し作用し、圧電効果によって圧電素子１２１に電荷が発生する。発生した電荷は、圧電素子１２１に設けられた電極１２１Ａ，１２１Ｂから取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１１４８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
外部からの振動などの力等により床スラブ１３１において床スラブ１３１の平面に対して垂直な方向の振動が発生する場合、圧電発電装置１０１の第１錘１１４や第２錘１２２には、床スラブ１３１の平面に対して垂直な方向の振動である縦振動（以下、主振動ともいう。）だけが生じることが望ましい。しかしながら、現実には各部に作用するトルクなどの影響で、第１錘１１４や第２錘１２２には、主振動だけではなく、主振動（縦振動）の方向に対して直交する方向の副振動（以下、横振動ともいう。）も生じることになる。このため、第１錘１１４や第２錘１２２に生じる副振動が大きければ、その分だけ、第１錘１１４や第２錘１２２に生じる主振動が小さなものになり、圧電発電装置１０１の発電効率が低下するおそれがある。【０００８】
そこで、本発明の目的は、圧電素子での発電に用いる主振動の方向に対して直交する方向に生じる副振動を調整でき、副振動が生じることによって引き起こされる発電効率の低下を防ぐことが可能な、圧電発電装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る圧電発電装置は、第１の振動部と、第１の錘部と、第２の振動部と、第２の錘部と、を備える。第１の振動部は、固定端と、自由端と、を有する。第１の錘部は、第１の振動部の自由端に接合されている。第２の振動部は、第１の錘部に接合されている固定端と、自由端と、を有する。第２の振動部は、振動板と、振動板に設けられた圧電素子とを有する。第２の錘部は、第２の振動部の自由端に接合されている。振動面に配置されて静止している状態において、振動面を基準とした際に、振動面に対して垂直な軸方向での、第１の振動部の自由端の位置と、第２の振動部の固定端の位置とは、相違している。【００１０】
また、上述の圧電発電装置は、振動面に配置されて静止している状態において、振動面を基準とした際に、振動面に対して垂直な軸方向での、第１の振動部の自由端の位置よりも、第２の振動部の固定端の位置のほうが、第１の振動部の固定端の位置に近いことが好ましい。【００１１】
また、上述の圧電発電装置は、振動面に配置されて静止している状態において、振動面を基準とした際に、振動面に対して垂直な軸方向での、第１の振動部の固定端の位置と第１の振動部の自由端の位置との間の距離をＴ１とし、第１の振動部の固定端の位置と第２の振動部の固定端の位置との間の距離をＴ２としたとき、−２．１＜（Ｔ２−Ｔ１）／Ｔ１＜−０．１の関係を満たすことが好ましい。【００１２】
また、上述の圧電発電装置では、第１の錘部は、第１の振動部の自由端が接合されている錘板と、錘板における第１の振動部の自由端が接合されている面に設けられている第１，第２の固定部とにより構成されており、第１の固定部に接合されている第２の振動部および第２の錘部の組と、第２の固定部に接合されている第２の振動部および前記第２の錘部の組と、を備え、第１の固定部に接合されている組の第２の錘部は、その一部が第２の固定部の下方に位置しており、第２の固定部に接合されている組の第２の錘部は、その一部が第１の固定部の下方に位置していることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、第２の振動部に生じる主振動および副振動の大きさを調整することが可能になる。そのため、第２の振動部に生じる副振動を抑制することで、副振動によって引き起こされる発電効率の低下を改善して発電効率を高めることできる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の構成を説明する模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の詳細構成を説明する斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置を分解した状態を示す分解斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の側面図および断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の側面図および断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置における、コイルばねの端部と発電素子の端部との高さ位置と、主振動および副振動の電気機械結合係数との関係を説明する図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置の構成の一部を説明する部分斜視図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る圧電発電装置の構成の一部を説明する部分斜視図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る圧電発電装置を分解した状態を示す分解斜視図である。
【図１０】従来の圧電発電装置の構成例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１の構成について、図１〜６を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１の構成を示す模式図である。第１の実施形態に係る圧電発電装置１は、第１の振動部Ｋ１と、第１の錘部Ｍ１と、第２の振動部Ｋ２と、第２の錘部Ｍ２と、により構成されている。圧電発電装置１は水平な振動面ＦＳ上に配置されている。
【００１７】
第１の振動部Ｋ１は、振動面ＦＳに対して垂直な軸ＣＡに沿って伸縮する。第１の振動部Ｋ１は、振動面ＦＳに固定されている固定端ＣＥ１と、固定端ＣＥ１とは逆側の自由端ＦＥ１と、を有している。第１の錘部Ｍ１は、第１の振動部Ｋ１の自由端ＦＥ１に接合されている。第１の振動部Ｋ１と第１の錘部Ｍ１とは、第１の共振器を構成している。
【００１８】
第１の共振器は、単体では、人が歩行する際の振動や、自転車，自動車の振動等と一致する比較的低い周波数領域における第１共振周波数で共振して、軸ＣＡに沿って縦振動する。このため、第１の共振器は、振動面ＦＳに印加される外部からの振動のうちの第１共振周波数の縦振動に共振する。したがって、第１の共振器が共振することにより、第１の錘部Ｍ１に外部からの振動が直接伝わるような構成よりも、第１の錘部Ｍ１の振幅は大きなものになる。
【００１９】
第２の振動部Ｋ２は、振動面ＦＳに対して垂直な軸ＣＡに沿って屈曲振動する。第２の振動部Ｋ２は、第１の錘部Ｍ１に連結されている固定端ＣＥ２と、固定端ＣＥ２とは逆側の自由端ＦＥ２と、を有している。第２の錘部Ｍ２は、第２の振動部Ｋ２の自由端ＦＥ２に接合されている。第２の振動部Ｋ２と第２の錘部Ｍ２とは、第２の共振器を構成している。
【００２０】
第２の共振器は、単体では、第１共振周波数と同じまたは第１共振周波数の近傍の第２共振周波数で共振して、軸ＣＡに沿って縦振動する。このため、第２の共振器が第１の共振器と結合することにより、２つの共振器間で振動エネルギーが授受されることになる。よって、第２の共振器が第１の共振器の振動エネルギーを吸収し、第２の共振器はより大きな振幅で振動する。
【００２１】
また、第１の錘部Ｍ１における第１の振動部Ｋ１と第２の振動部Ｋ２とが接合されている面は凹凸形状となっており、振動面ＦＳを基準とした際に、第１の錘部Ｍ１に接合されている第２の振動部Ｋ２の固定端ＣＥ２の高さ位置Ｔ２と、第１の錘部Ｍ１に接合されている第１の振動部Ｋ１の自由端ＦＥ１の高さ位置Ｔ１とは、相違している。より具体的には、第１の共振器と第２の共振器とが静止している状態において、振動面ＦＳを基準とした際に、軸ＣＡ上での第１の振動部Ｋ１の自由端ＦＥ１の位置よりも、軸ＣＡ上での第２の振動部Ｋ２の固定端ＣＥ２の位置のほうが、軸ＣＡ上での第１の振動部Ｋ１の固定端ＣＥ１の位置に近くなっている。このことにより、詳細は後述するが、第２の振動部Ｋ２および第２の錘部Ｍ２は、軸ＣＡに沿って生じる縦振動（主振動）が大きく、軸ＣＡに対して直交する方向に沿って生じる横振動（副振動）が小さくなり易い構成となっている。そのため、圧電発電装置１は、第２の振動部Ｋ２に、主振動によって発電する圧電素子を設けることで、高い発電効率を実現することができる。
【００２２】
以下では、水平な振動面ＦＳ上に配置されている圧電発電装置を例に、第１の実施形態に係る圧電発電装置１を説明する。以下の説明に用いる図には、Ｘ軸と、Ｘ軸に直交するＹ軸と、Ｘ軸およびＹ軸に直交するＺ軸からなる、直交座標系を付記している。ここで、水平な振動面ＦＳと平行な面をＸ−Ｙ面とし、水平な振動面ＦＳに直交する軸をＺ軸とする。図２は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１の斜視図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１を分解した状態を示す分解斜視図である。図４（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１をＹ軸正方向から見たＸ−Ｚ面側面図である。図４（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１をＹ軸正方向から見たＸ−Ｚ面側面断面図であり、後述する錘部８２を分断する位置でのＸ−Ｚ面断面を示している。図４（Ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１をＹ軸正方向から見たＸ−Ｚ面側面断面図であり、後述する錘部８１を分断する位置でのＸ−Ｚ面断面を示している。図５（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１をＸ軸正方向に見たＹ−Ｚ面側面図である。図５（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１をＸ軸正方向から見たＹ−Ｚ面側面断面図であり、後述する発電素子６１を分断する位置でのＹ−Ｚ面断面を示している。図５（Ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１をＸ軸正方向から見たＹ−Ｚ面側面断面図であり、後述する発電素子６３を分断する位置でのＹ−Ｚ面断面を示している。
【００２３】
圧電発電装置１は、台座部２と、コイルばね３１，３２，３３，３４，３５，３６と、錘板４と、固定部５１，５２と、発電素子６１，６２，６３，６４と、錘部８１，８２と、を備えている。圧電発電装置１は、全体として概略六面体状に構成されており、Ｘ軸方向の寸法が約３０ｍｍ、Ｙ軸方向の寸法が約３０ｍｍである。
【００２４】
台座部２は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれに垂直な面からなる六面体の上面に、Ｙ軸方向に沿って延びる溝２０が形成された形状である。図３に示すように、台座部２は、底板部２１と、側壁部２２と、側壁部２３と、を有する。底板部２１は、平面形状が矩形の平板状であり、下面（Ｚ軸負方向側の面）が水平な振動面ＦＳに接するように設けられている。すなわち、台座部２は、下面が水平な振動面ＦＳに接するように設けられている。側壁部２２，２３は、それぞれ直方体状であり、底板部２１の上面（Ｚ軸正方向側の面）に直交するように設けられている。側壁部２２，２３は、底板部２１のＹ軸に平行な２つの辺に沿って設けられている。側壁部２２，２３と底板部２１とで囲まれた部分が、溝２０の内部を構成している。なお、台座部２は、圧電発電装置１が搭載される電子機器のケースの一部などであってもよく、外部からの振動を受ける部材であれば形状は任意である。
【００２５】
コイルばね３１，３２，３３は、側壁部２２の上面（Ｚ軸正方向側の面）と錘板４の下面（Ｚ軸負方向側の面）との間に配置されている。コイルばね３１，３２，３３は、Ｙ軸方向に沿って順に配列されている。コイルばね３１，３２，３３の伸縮方向は、Ｚ軸方向である。コイルばね３１，３２，３３のＺ軸方向の一方側の端部は、側壁部２２の上面に接合されており、固定端ＣＥ１である。コイルばね３１，３２，３３のＺ軸方向の他方側の端部は、錘板４の下面に接合されており、自由端ＦＥ１である。
【００２６】
コイルばね３４，３５，３６は、側壁部２３の上面（Ｚ軸正方向側の面）と錘板４の下面（Ｚ軸負方向側の面）との間に配置されている。コイルばね３４，３５，３６は、Ｙ軸方向に沿って順に配列されている。コイルばね３４，３５，３６の伸縮方向は、Ｚ軸方向である。コイルばね３４，３５，３６のＺ軸方向の一方側の端部は、側壁部２３の上面に接合されており、固定端ＣＥ１である。コイルばね３４，３５，３６のＺ軸方向の他方側の端部は、錘板４の下面に接合されており、自由端ＦＥ１である。
【００２７】
コイルばね３１〜３６は、前述の第１の振動部Ｋ１を構成している。コイルばね３１〜３６は、台座部２と錘板４との間に配置されている。コイルばね３１〜３６は、それぞれバネ定数が例えば０．０７５Ｎ／ｍｍのものである。なお、本実施形態では６個のコイルばね３１〜３６を用いているが、コイルばねの総数はそれ以外であってもよい。また、コイルばね３１〜３６に代えて、板ばねやゴム部材など他の弾性体によって第１の振動部Ｋ１が構成されていてもよい。
【００２８】
錘板４は、Ｚ軸方向を厚み方向とし、平面視して矩形の平板である。平面視して、錘板４の外形は、台座部２の外形と一致する。錘板４は、コイルばね３１〜３６を介して台座部２に接合されている。このため、錘板４は、台座部２の上方に配置され、コイルばね３１〜３６により台座部２に弾性支持されている。錘板４は、剛性および密度が高い金属などからなり、固定部５１，５２とともに、前述の第１の錘部Ｍ１を構成している。
【００２９】
固定部５１，５２は、錘板４とともに第１の錘部Ｍ１を構成し、第１の錘部Ｍ１の下面を凹凸形状にするために錘板４の下面に設けられている。固定部５１，５２は、それぞれＸ軸方向を長手方向とする直方体状であり、錘板４の下面のＸ軸に平行な２つの辺に沿って設けられている。固定部５１，５２は、錘板４とは別の部材からなり、錘板４の下面に接合されていてもよく、錘板４と一体の部材として構成されていてもよい。
【００３０】
発電素子６１〜６４と外枠部６０とは、発電部６を構成している。発電素子６１〜６４は、Ｘ軸方向に沿って順に配列されている。発電素子６１〜６４は、開口を有する外枠部６０に接合されている。発電素子６１〜６４は、前述の第２の振動部Ｋ２を構成している。図４および図５に示すように、発電素子６１〜６４は、それぞれ、振動板７１と振動板７１の下面（Ｚ軸負方向側の面）に設けられた圧電素子７２とを有し、ユニモルフ構造を有する。なお、発電素子６１〜６４は、振動板７１の上面（Ｚ軸正方向側の面）に圧電素子７２が設けられているユニモルフ構造であってもよい。また、発電素子６１〜６４は、振動板７１の上面および下面にそれぞれ圧電素子７２が設けられているバイモルフ構造であってもよい。
【００３１】
振動板７１は、平面視して、固定端から自由端にかけて次第に幅が狭まる略二等辺三角形状の部分と、矩形状の部分とを有する。振動板７１の略二等辺三角形状の部分には、圧電素子７２が設けられている。振動板７１における圧電素子が設けられる部分は、略二等辺三角形状の他、長方形状、略ミアンダ形状など、他の形状であってもよい。振動板７１は、金属からなり、外枠部６０と一体に設けられている。振動板７１は、シリコンやガラスエポキシなどからなるものであってもよい。振動板７１の厚さは、７５μｍである。
【００３２】
圧電素子７２は、平板状の圧電体と、圧電体の互いに対向する面にそれぞれ設けられた電極（不図示）とを有する。本実施形態では、圧電素子７２を構成する圧電体はチタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミックスからなり、圧電素子７２を構成する電極はＮｉＣｒ合金、ＮｉＣｕ合金、金、銀などからなる。発電素子６１〜６４では、圧電素子７２が振動板７１の下面に設けられているので、錘部８１，８２に作用する重力の影響により、圧電素子７２には常時圧縮応力が作用する。圧電セラミックスは一般に引張応力より圧縮応力に対して機械的強度が優れているので、圧縮応力が作用する方向に圧電素子７２が設けられていることで、圧電セラミックスからなる圧電素子７２の耐久性を高めることができる。なお、圧電素子７２を構成する圧電体は、圧電セラミックスの他、機械エネルギーを電気エネルギーに変換することができる材料、例えば、有機圧電体や誘電ポリマーからなるものであってもよい。圧電素子７２の厚さは、７５μｍである。
【００３３】
発電素子６１，６２は、Ｙ軸正方向に沿って延びるように設けられている。図３に示すように、発電素子６１，６２のＹ軸負方向側の端部は外枠部６０に接合されており、外枠部６０における発電素子６１，６２と接合されている部分は固定部５１の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている。このため、発電素子６１，６２のＹ軸負方向側の端部は、外枠部６０を介して固定部５１の下面に接合されている。発電素子６１，６２のＹ軸負方向側の端部は固定端となっており、発電素子６１，６２のＹ軸正方向側の端部は自由端となっているため、発電素子６１，６２は、片持ち梁状であり、Ｚ軸方向に沿って屈曲振動が可能に構成されている。
【００３４】
発電素子６３，６４は、Ｙ軸負方向に沿って延びるように設けられている。図３に示すように、発電素子６３，６４のＹ軸正方向側の端部は外枠部６０に接合されており、外枠部６０における発電素子６３，６４と連結されている部分は固定部５２の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている。このため、発電素子６３，６４のＹ軸正方向側の端部は、外枠部６０を介して固定部５２の下面に接合されている。発電素子６３，６４のＹ軸正方向側の端部は固定端となっており、発電素子６３，６４のＹ軸負方向側の端部は自由端となっているため、発電素子６３，６４は、片持ち梁状であり、Ｚ軸方向に沿って屈曲振動が可能に構成されている。
【００３５】
錘部８１，８２は、それぞれ前述の第２の錘部Ｍ２を構成している。錘部８１，８２は、台座部２の上方に配置され、発電素子６１〜６４により弾性支持されている。錘部８１，８２は、直方体状である。錘部８１，８２は、錘板４と同様に剛性および密度が高い金属などからなり、それぞれの質量は６０．０ｇである。
【００３６】
錘部８１は、発電素子６１，６２のＹ軸正方向側の端部の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている。具体的には、錘部８１は、発電素子６１，６２を構成している振動板７１の矩形状の部分の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている。錘部８２は、発電素子６３，６４のＹ軸負方向側の端部の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている。具体的には、錘部８２は、発電素子６３，６４を構成している振動板７１の矩形状の部分の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている。図４および図５に示すように、錘部８１，８２は発電素子６１〜６４の自由端近傍に接合されており、錘部８１，８２に重力が作用するため、発電素子６１〜６４が振動していない時には、発電素子６１〜６４の自由端側はＺ軸負方向に撓んだ状態になる。
【００３７】
第１の振動部Ｋ１と第１の錘部Ｍ１とにより構成されている第１の共振器、言い換えれば、コイルばね３１〜３６と錘板４と固定部５１，５２とにより構成されている第１の共振器の基本共振周波数（第１共振周波数）は、第２の振動部Ｋ２と第２の錘部Ｍ２とにより構成されている第２の共振器、言い換えれば、発電素子６１〜６４と錘部８１，８２とにより構成されている第２の共振器の基本共振周波数（第２共振周波数）と同じまたは近傍の周波数であることが好ましい。このような構成を有する圧電発電装置１では、外部からの振動などの力等により振動面ＦＳに対して垂直な方向の振動が発生する場合、第１の共振器と第２の共振器とが同じまたは近傍の周波数で結合して第１の共振器と第２の共振器との間で振動エネルギーが授受され、第２の共振器が第１の共振器から振動エネルギーを吸収して、第２の共振器がより大きな振幅で振動する。そして、発電素子６１〜６４が第２の共振器を構成しているため、発電素子単体である場合に比べて、大きな電力を得ることができる。
【００３８】
なお、第１の共振器の基本共振周波数と第２の共振器の基本共振周波数とは、外部からの振動などの力等を考慮して、数Ｈｚ〜１００Ｈｚのいずれかの周波数に適宜設定される。圧電発電装置１が、人が携帯する電子機器や、自転車・自動車などに搭載される電子機器に搭載される場合には、第１の共振器の基本共振周波数と第２の共振器の基本共振周波数とは例えば約１５Ｈｚとされる。
【００３９】
圧電発電装置１では、発電素子６１，６２と錘部８１とにより構成されている第２の共振器と、発電素子６３，６４と錘部８２とにより構成されている第２の共振器とは、それぞれのＹ軸に沿った向きが互い違いとなるように配置されている。言い換えれば、錘部８１の一部は発電素子６３，６４の固定端側のＺ軸負方向側に位置しており、錘部８２の一部は発電素子６１，６２の固定端側のＺ軸負方向側に位置している。このため、狭い空間内に２つの第２の共振器が配置されている。これら２つの第２の共振器の基本共振周波数を略一致させるとともに、それぞれの発電素子から出力される電力を整合回路を介して合わせることにより、圧電発電装置１は高い発電効率を実現することができる。
【００４０】
図４（Ａ）に示すように、圧電発電装置１では、固定部５１，５２が錘板４の下面に設けられており、発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）が外枠部６０を介して固定部５１，５２の下面に接合されている。一方、コイルばね３１〜３６の自由端（ＦＥ１）が錘板４の下面に接合されている。したがって、台座部２の下面が接する振動面ＦＳを基準とした際に、発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置（Ｚ軸方向の位置）Ｔ２と、コイルばね３１〜３６の自由端（ＦＥ１）の高さ位置（Ｚ軸方向の位置）Ｔ１とは、相違している。より具体的には、第１の共振器と第２の共振器とが静止している状態において、台座部２の下面が接する振動面ＦＳを基準とした際に、コイルばね３１〜３６の自由端（ＦＥ１）のＺ軸方向の位置よりも、発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）のＺ軸方向の位置のほうが、コイルばね３１〜３６の固定端（ＣＥ１）の位置に近くなっている。コイルばね３１〜３６の自由端（ＦＥ１）の高さ位置Ｔ１と発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置Ｔ２とは、発電素子６１〜６４にＺ軸に沿って生じる縦振動（主振動）の振幅の大きさと、Ｘ軸方向やＹ軸方向に沿って生じる副振動（横振動）の振幅の大きさとに影響するため、発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）がコイルばね３１〜３６の自由端（ＦＥ１）よりもＺ軸負方向側に位置していることによって、発電素子６１〜６４にＸ軸方向やＹ軸方向に沿って生じる副振動（横振動）を大幅に抑制することができる。
【００４１】
ここで、コイルばね３１〜３６の自由端（ＦＥ１）の高さ位置と発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置（Ｚ軸方向の位置）が、発電素子６１〜６４にＺ軸に沿って生じる縦振動（主振動）と、Ｘ軸方向やＹ軸方向に沿って生じる副振動（横振動）とに及ぼす影響について確認するために行ったシミュレーションについて説明する。シミュレーションでは、上述の実施形態と同様の構成で、発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置と、主振動の電気機械結合係数との関係を計算した。また、主振動ではなく、副振動の振動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成した比較構成で、発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置と、副振動の電気機械結合係数との関係を計算した。
【００４２】
なお、ここで、第１の共振器と第２の共振器とが静止している状態における、コイルばね３１〜３６の固定端（ＣＥ１）の高さ位置（Ｚ軸方向の位置）を基準とした際に、コイルばね３１〜３６の自由端（ＦＥ１）の高さ位置Ｔ１と発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置Ｔ２との差（Ｔ２−Ｔ１）が負であれば、発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）は、コイルばね３１〜３６の自由端（ＦＥ１）よりもＺ軸負方向側に位置することになる。即ち、上述の実施形態で示したように、発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）が、錘板４の下面から突出する固定部５１，５２の下面に接合されていることになる。一方、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２−Ｔ１）が正であれば、発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）は、コイルばね３１〜３６の自由端（ＦＥ１）よりもＺ軸正方向側に位置することになる。そのため、錘板４の下面に凹部を設けたり、錘板４とコイルばね３１〜３６との間にスペーサを介在させたりして、発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置Ｔ２を高くする、または、コイルばね３１〜３６の自由端（ＦＥ１）の高さ位置Ｔ１を低くする必要がある。
【００４３】
図６（Ａ）は、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２−Ｔ１）と、主振動および副振動の電気機械結合係数との関係を示す図である。ここでは、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２−Ｔ１）を−１８ｍｍ〜＋１５ｍｍの範囲で変更している。図６（Ａ）に示すように、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２−Ｔ１）が−１５ｍｍ〜＋５ｍｍの範囲では、主振動の電気機械結合係数が大きい。一方、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２−Ｔ１）が−１５ｍｍよりも小さい範囲、すなわち、固定部５１，５２の高さ寸法（Ｚ軸方向の寸法）が１５ｍｍを超える範囲では、主振動の電気機械結合係数が小さくなる。また、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２−Ｔ１）が＋５ｍｍよりも大きい範囲、すなわち、固定部５１，５２に代えて底部に発電素子６１〜６４が接合される凹部を錘板４が設けられ、その凹部の深さが＋５ｍｍを超える範囲でも、主振動の電気機械結合係数が小さくなる。
【００４４】
図６（Ａ）に示すように、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２−Ｔ１）が−１０ｍｍ〜−５ｍｍの範囲では、副振動の電気機械結合係数が小さい。一方、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２−Ｔ１）が−１０ｍｍよりも小さい範囲、すなわち、固定部５１，５２の高さ（Ｚ軸方向の寸法）が１０ｍｍを超える範囲では、副振動の電気機械結合係数が大きくなる。また、また、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２−Ｔ１）が−５ｍｍよりも大きい範囲、すなわち、固定部５１，５２の高さ寸法（Ｚ軸方向の寸法）が５ｍｍよりも小さい場合や、固定部５１，５２に代えて底部に発電素子６１〜６４が接合される凹部を錘板４に設けられる場合でも、副振動の電気機械結合係数が大きくなる。
【００４５】
このことから、発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置Ｔ２は、発電素子６１〜６４にＺ軸に沿って生じる縦振動（主振動）の振幅の大きさと、Ｘ軸方向やＹ軸方向に沿って生じる副振動（横振動）の振幅の大きさとに影響することが分かる。言い換えれば、発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置Ｔ２は、発電素子６１〜６４にＺ軸に沿って生じる縦振動（主振動）の振幅の大きさと、Ｘ軸方向やＹ軸方向に沿って生じる副振動（横振動）の振幅の大きさとに影響することが分かる。また、発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置Ｔ２の変化によって、主振動の電気機械結合係数と副振動の電気機械結合係数とが逆に変化することが分かる。また、主振動の電気機械結合係数が大きいことは圧電発電装置１の発電効率が高いことを意味するため、第１の実施形態に係る圧電発電装置１では、コイルばね３１〜３６の自由端（ＦＥ１）の高さ位置Ｔ１と発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置Ｔ２とを、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２−Ｔ１）が−１５ｍｍ〜＋５ｍｍの範囲となるように設定することにより、高い発電効率を実現できることが分かる。また、第１の実施形態に係る圧電発電装置１によれば、副振動の電気機械結合係数を小さくすることで、不要な副振動を小さくし、信頼性の向上を実現することができる。
【００４６】
図６（Ｂ）は、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２−Ｔ１）をＴ１により規格化した規格差（Ｔ２−Ｔ１）／Ｔ１と、主振動および副振動の電気機械結合係数を規格差（Ｔ２−Ｔ１）／Ｔ１が０である時を基準に規格化した規格化電気機械結合係数との関係を示す図である。図６（Ｂ）に示すように、規格差（Ｔ２−Ｔ１）／Ｔ１が、−２．１＜（Ｔ２−Ｔ１）／Ｔ１＜−０．１の関係を満たす場合に、主振動の規格化電気機械結合係数が、副振動の規格化電気機械結合係数よりも大きくなっている。したがって、第１の実施形態に係る圧電発電装置１では、規格差（Ｔ２−Ｔ１）／Ｔ１が−２．１＜（Ｔ２−Ｔ１）／Ｔ１＜−０．１の関係を満たすように、コイルばね３１〜３６の自由端（ＦＥ１）の高さ位置Ｔ１と発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置Ｔ２とを設定することにより、高い発電効率を実現できると共に、不要な副振動を小さくし、信頼性の向上を実現することができる。
【００４７】
以上、説明したように本実施形態では、コイルばね３１〜３６の自由端（ＦＥ１）の高さ位置Ｔ１と発電素子６１〜６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置Ｔ２とが相違することにより、発電素子６１〜６４にＺ軸に沿って生じる縦振動（主振動）と、Ｘ軸方向やＹ軸方向に沿って生じる副振動（横振動）とを調整し、高い発電効率を実現できると共に、不要な副振動を小さくし、信頼性の向上を実現することができる。
【００４８】
なお、各部の具体的構成などは、適宜設計変更可能であり、上述の実施形態に記載された作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、上述の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
【００４９】
次に、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置について、図７に基づいて説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置を構成する発電部６Ａと、錘部８１Ａとを示す部分斜視図である。なお、ここでは図示されていないが、本実施形態に係る圧電発電装置の発電部６Ａと錘部８１Ａとを除くその他の構成は、第１の実施形態に係る圧電発電装置１と同様である。
【００５０】
発電部６Ａは、平面視して矩形の開口を有する外枠部６０Ａと、開口内で外枠部６０Ａに接合されている発電素子６１Ａと、により構成されている。発電素子６１Ａは、第２の振動部Ｋ２を構成しており、振動板と振動板の下面（Ｚ軸負方向側の面）に設けられた圧電素子（不図示）とを有する。錘部８１Ａは、第２の錘部Ｍ２を構成している。
【００５１】
より具体的には、発電素子６１Ａは、固定端側梁部６２Ａ，６３Ａと、自由端側梁部６４Ａと、を有する。自由端側梁部６４Ａは、錘部８１Ａの上面（Ｚ軸正方向側の面）に接合されている、自由端である端部からＹ軸負方向に延びるように設けられている。固定端側梁部６２Ａは、自由端側梁部６４ＡよりもＸ軸負方向側に配置されており、一端が自由端側梁部６４ＡのＹ軸負方向側の端部に接続されており、そこからＹ軸正方向側に引き出されてからＹ軸負方向側に折り返され、外枠部６０Ａにおける図示されていない固定部の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている部分まで延びるように設けられている。固定端側梁部６３Ａは、自由端側梁部６４ＡよりもＸ軸正方向側に配置されており、一端が自由端側梁部６４ＡのＹ軸負方向側の端部に接続されており、そこからＹ軸正方向側に引き出されてからＹ軸負方向側に折り返され、外枠部６０Ａにおける図示されていない固定部の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている部分まで延びるように設けられている。
【００５２】
発電素子６１Ａは、固定端側梁部６２Ａ，６３Ａと自由端側梁部６４Ａとからなる実質的にミアンダライン状の構成とされているため、第１の実施形態の発電素子６１〜６４よりも実質的な長さ方向の寸法が長くなる。したがって、発電素子６１Ａのばね弾性や共振周波数をより広い範囲で設定することができる。
【００５３】
次に、本発明の第３の実施形態に係る圧電発電装置について、図８に基づいて説明する。図８は、本発明の第３の実施形態に係る圧電発電装置を構成する発電部６Ｂと、錘部８１Ｂ，８２Ｂとを示す部分斜視図である。なお、ここでは図示していないが、本実施形態に係る圧電発電装置の発電部６Ｂと錘部８１Ｂ，８２Ｂとを除くその他の構成は、第１の実施形態に係る圧電発電装置１と同様である。
【００５４】
発電部６Ｂは、平面視して矩形の開口を有する外枠部６０Ｂと、開口内で外枠部６０Ａに接合されている発電素子６１Ｂ，６２Ｂ，６３Ｂと、により構成されている。発電素子６１Ｂ〜６３Ｂは、第２の振動部Ｋ２を構成しており、振動板と振動板の下面（Ｚ軸負方向側の面）に設けられた圧電素子（不図示）とを有する。錘部８１Ｂ，８２Ｂは、それぞれ第２の錘部Ｍ２を構成している。
【００５５】
より具体的には、発電素子６１Ｂと発電素子６２Ｂとは、それぞれ、Ｙ軸正方向に沿って延びるように設けられている。発電素子６１Ｂ，６２ＢのＹ軸負方向側の端部は外枠部６０Ｂに接合されており、外枠部６０Ｂにおける発電素子６１Ｂ，６２Ｂと接合されている部分は図示されていない固定部の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている。発電素子６１Ｂ，６２ＢのＹ軸正方向側の端部は、錘部８１Ｂの上面（Ｚ軸正方向側の面）に接合されている。発電素子６３Ｂは、Ｙ軸負方向に沿って延びるように設けられている。発電素子６３ＢのＹ軸正方向側の端部は外枠部６０Ｂに接合されており、外枠部６０Ｂにおける発電素子６３Ｂと接合されている部分は図示されていない固定部の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている。発電素子６３ＢのＹ軸負方向側の端部は、錘部８２Ｂの上面（Ｚ軸正方向側の面）に接合されている。
【００５６】
錘部８１Ｂは発電素子６１Ｂ，６２Ｂにより弾性支持されており、錘部８２Ｂは発電素子６３Ｂにより弾性支持されている。発電素子６３Ｂの幅寸法（Ｘ軸方向の寸法）を大きくすることにより、発電素子６１Ｂ，６２Ｂのばね弾性および共振周波数と、発電素子６３Ｂのばね弾性および共振周波数とを実質的に等しくすることができる。
【００５７】
次に、本発明の第４の実施形態に係る圧電発電装置１Ｃについて、図９に基づいて説明する。図９は、本発明の第４の実施形態に係る圧電発電装置１Ｃを分解した状態を示す分解斜視図である。
【００５８】
本実施形態に係る圧電発電装置１Ｃは、第１の実施形態に係る圧電発電装置１とは形状が異なる錘板４Ｃを備えている。圧電発電装置１Ｃにおける錘板４Ｃを除く他の構成は第１の実施形態に係る圧電発電装置１と同様である。
【００５９】
錘板４Ｃは、天板部４１Ｃと側壁部４２Ｃ，４３Ｃとを有する。天板部４１Ｃは、Ｚ軸方向を厚み方向とし、平面視して矩形の平板である。平面視して、天板部４１Ｃの外形は、台座部２の外形と一致する。側壁部４２Ｃ，４３Ｃは、それぞれ直方体状であり、天板部４１Ｃの下面（Ｚ軸負方向側の面）に直交するように設けられている。側壁部４２Ｃ，４３Ｃは、天板部４１Ｃの下面（Ｚ軸負方向側の面）側に、天板部４１Ｃを平面視して天板部４１ＣのＹ軸に平行な２つの辺に沿って設けられている。
【００６０】
本実施形態に係る圧電発電装置１Ｃは、このような構成の錘板４Ｃを備えていることにより、コイルばね３１〜３６の自由端の高さ位置を発電素子６１〜６４の固定端の高さ位置をよりもＺ軸正方向側にすることができる。したがって、先に図６にて説明したＴ１とＴ２の差（Ｔ２−Ｔ１）を正の値とすることが可能になる。
【符号の説明】
【００６１】
Ｋ１…第１の振動部
Ｋ２…第２の振動部
Ｍ１…第１の錘部
Ｍ２…第２の錘部
ＦＳ…振動面
ＣＡ…軸
ＦＥ１，ＦＥ２…自由端
ＣＥ１，ＣＥ２…固定端
１，１Ｃ…圧電発電装置
２…台座部
２０…溝
２１…底板部
２２，２３…側壁部
４，４Ｃ…錘板
４１Ｃ…天板部
４２Ｃ，４３Ｃ…側壁部
５１，５２…固定部
６，６Ａ，６Ｂ…発電部
６０，６０Ａ，６０Ｂ…外枠部
６１，６２，６３，６４，６１Ａ，６１Ｂ，６２Ｂ，６３Ｂ…発電素子
６２Ａ，６３Ａ…固定端側梁部
６４Ａ…自由端側梁部
７１…振動板
７２…圧電素子
８１，８２，８１Ａ，８１Ｂ，８２Ｂ…錘部
【図１】
2014024638.tif 000003
【図２】
2014024638.tif 000004
【図３】
2014024638.tif 000005
【図４】
2014024638.tif 000006
【図５】
2014024638.tif 000007
【図６】
2014024638.tif 000008
【図７】
2014024638.tif 000009
【図８】
2014024638.tif 000010
【図９】
2014024638.tif 000011
【図１０】
2014024638.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成27年8月3日(2015.8.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定端と、自由端と、を有する第１の振動部と、
前記第１の振動部の自由端に接合されている第１の錘部と、
前記第１の錘部に接合されている固定端と、自由端と、を有し、振動板と、前記振動板に設けられた圧電素子とを有する、第２の振動部と、
前記第２の振動部の自由端に接合されている第２の錘部と、を備え、
振動面に配置されて静止している状態において、前記振動面を基準とした際に、前記振動面に対して垂直な軸方向での、前記第１の振動部の自由端の位置よりも、前記第２の振動部の固定端の位置のほうが、前記第１の振動部の固定端の位置に近い、圧電発電装置。
【請求項２】
前記振動面に配置されて静止している状態において、前記振動面を基準とした際に、前記振動面に対して垂直な軸方向での、前記第１の振動部の固定端の位置と前記第１の振動部の自由端の位置との間の距離をＴ１とし、前記第１の振動部の固定端の位置と前記第２の振動部の固定端の位置との間の距離をＴ２としたとき、
−２．１＜（Ｔ２−Ｔ１）／Ｔ１＜−０．１
の関係を満たす、請求項１に記載の圧電発電装置。
【請求項３】
前記第１の錘部は、前記第１の振動部の自由端が接合されている錘板と、前記錘板における前記第１の振動部の自由端が接合されている面に設けられている第１，第２の固定部とにより構成されており、
前記第１の固定部に接合されている前記第２の振動部および前記第２の錘部の組と、前記第２の固定部に接合されている前記第２の振動部および前記第２の錘部の組と、を備え、
前記第１の固定部に接合されている組の第２の錘部は、その一部が前記第２の固定部の下方に位置しており、
前記第２の固定部に接合されている組の第２の錘部は、その一部が前記第１の固定部の下方に位置している、
請求項１または請求項２に記載の圧電発電装置。
【国際調査報告】
2014024638.tif 000013
2014024638.tif 000014