(57)【要約】 【課題】  圧電素子の固有振動が他の構造体に伝達しにくくすることで、数ヘルツの運動エネルギーを高効率の電気エネルギーに変換する低コストの圧電発電装置を提供すること。  【解決手段】  ひとつの圧電素子１をコイルばね或いは板ばね２の一端に固定し、これらのばねのもう一端を筐体４に支持することで、圧電素子１の固有振動が他の構造体に伝達しにくい構造とし、圧電素子１をばねに固定することで、持続的な揺動を可能とし、数ヘルツの運動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することを可能とする。また、圧電素子１を衝撃体とし、衝突した際の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するために配置された凸部３を備えた筐体４にぶつかることで、単純な構造からなる低コストの圧電発電装置とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の圧電セラミックスを板状弾性体に接合した圧電ユニモルフ素子、または板状の圧電セラミックス２枚を直接もしくは板状弾性体を挟んで接合した圧電バイモルフ素子を用いた圧電発電装置において、前記圧電ユニモルフ素子または前記圧電バイモルフ素子の端部を弾性体の一端に固定し、前記弾性体のもう一端を筐体で支持したことと前記圧電ユニモルフ素子または圧電バイモルフ素子と揺動により衝突する位置に凸状体が配設され、前記凸状体は筐体に接合されるか筐体の一部として形成されたことを特徴とする圧電発電装置。
【請求項２】
前記弾性体が、コイルばねまたは板ばねであることを特徴とする請求項１記載の圧電発電装置。
【請求項３】
前記凸状体が、金属またはセラミックスからなることを特徴とする請求項１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、圧電素子を用いた圧電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、多結晶体に、直流高電圧を印加することで残留分極を発生させて圧電性をもたせた素子である。材料の種類、材料の組成により自由に基本圧電定数を変化させることができるので、その用途は多様である。特に、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミックス素子は、組成比や添加物の選択幅が広く適用範囲は多彩である。
【０００３】
このような圧電素子を用いて発電する場合は、板状素子の面積の最も広い対になる面に電極を形成し分極させ、金属球、セラミック球などの衝撃体を衝突させ、圧電素子の片側の面を固定し、その反対の面を押圧し、変形させて、圧電素子の分極方向と直交する素子の歪みを利用して発電する。発電した電力は、発光体の発光に利用したり、２次電池の充電に利用している。例えば、この発電装置を靴底に取り付け、歩いたり走ったりする動きに合わせて、左右または上下の往復運動で動く衝撃体が圧電素子に衝撃を与え、圧電素子が受けた歪により電気を発生させ、その電気を使って発光体を発光させる発明が、特許文献１に開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ルアーの往復運動で動く衝撃体が圧電素子を打撃する際に発生する起電力を利用し、フィッシング用ルアーに内蔵した発光ダイオードを発光させる発明が開示されている。
【０００５】
上述した発明に用いられた圧電発電装置では、２枚の圧電素子を用い、それぞれの圧電素子の片側を筐体に固定し、圧電素子に衝撃体が移動して、ぶつかることで圧電素子に歪を与えるという複雑な構造になっているために、圧電素子の固有振動が他の構造体に伝達しやすい問題点があった。そのために、十分な発電効率が得られなかったり、付与する周波数が数十ヘルツ以上でないと発電できない等の問題があった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１―２０４５０７号公報
【特許文献２】特開２００１―２２４２８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたもので、その技術課題は、圧電素子の固有振動が他の構造体に伝達しにくくすることで、数ヘルツの運動エネルギーを高効率の電気エネルギーに変換する低コストの圧電発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための第１の発明は、板状の圧電セラミックスを板状弾性体に接合した圧電ユニモルフ素子、または板状の圧電セラミックス２枚を直接もしくは板状弾性体を挟んで接合した圧電バイモルフ素子を用いた圧電発電装置において、前記圧電ユニモルフ素子または前記圧電バイモルフ素子の端部を弾性体の一端に固定し、前記弾性体のもう一端を筐体で支持したことと前記圧電ユニモルフ素子または圧電バイモルフ素子と揺動により衝突する位置に凸状体が配設され、前記凸状体は筐体に接合されるか筐体の一部として形成された圧電発電装置である。
【０００９】
上記目的を達成するための第２の発明は、前記弾性体が、コイルばねまたは板ばねである圧電発電装置である。
【００１０】
上記目的を達成するための第３の発明は、前記凸状体が、金属またはセラミックスからなる圧電発電装置である。
【発明の効果】
【００１１】
ひとつの圧電素子をコイルばね或いは板ばねの一端に固定し、これらのばねのもう一端を筐体に支持することで、圧電素子の固有振動が他の構造体に伝達しにくい構造とし、圧電素子をばねに固定することで、持続的な揺動が可能となり、数ヘルツの運動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することが可能となる。
【００１２】
また、圧電素子を衝撃体とし、衝突した際の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するために配置された凸状体を備えた筐体にぶつかることで、ひとつの圧電素子で、単純な構造からなる低コストの圧電発電装置の提供を可能とする。
【００１３】
更に、凸状体に使う材質を、金属または硬度の高いセラミックスにすることで、圧電素子に与える衝撃を強めることで、数ヘルツの運動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することを可能とする。
【００１４】
その結果、数ヘルツの運動エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換できる低コストの圧電発電装置の提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を実施するための最良の形態に係る圧電発電装置に用いる圧電素子は、板状の圧電セラミックスを板状弾性体に接合した圧電ユニモルフ素子、或いは板状の圧電セラミックス２枚を直接或いは板状弾性体を挟んで接合した圧電バイモルフ素子である。なお、圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸バリウムなどが好適である。
【００１６】
圧電素子は、板状弾性体の一端に固定され、板状の弾性体のもう一端は筐体の固定部に固定された構造で、凸部は圧電素子が揺動した際に衝突できるように、筐体に配置されている。なお、板状弾性体は、コイルばね或いは板ばねのいずれでも良い。
【００１７】
また、凸部の材質は、少なくとも圧電素子に衝撃を与える機能を有する金属、又はセラミック等の硬度の高い材質が望ましく、全体を同じ材質で製造しても良い。
【実施例】
【００１８】
次に、本発明の実施例について、図面にて詳細に説明する。図１は、本発明の実施例に係る圧電発電装置の断面図である。図２は、本発明の実施例に係る圧電ユニモルフ素子を示す斜視図である。図３は、本発明の実施例に係る圧電バイモルフ素子を示す斜視図である。図４は、本発明の実施例に係る圧電発電装置の発電時の状態を示した断面図である。図５は、本発明の実施例に係る圧電発電装置の回路図である。
【００１９】
圧電素子１が板ばね２の一端に固定され、もう一端は筐体４の固定部５に固定された構造で、凸部３は圧電素子１が揺動した際に衝突できるように、筐体４に配置した。圧電素子１には、チタン酸ジルコン酸鉛の圧電セラミックスを用いた。なお、圧電素子１はリード線１０，１１で端子１４，１５と接続した。
【００２０】
圧電素子１は、図２に示すような板状の圧電セラミックス６を板状弾性体７に接合した圧電ユニモルフ素子、或いは、図３に示すような板状の圧電セラミックス６の２枚で板状弾性体７を挟んで接合した圧電バイモルフ素子のいずれでも良い。なお、圧電バイモルフ素子は、板状弾性体７が無くても良い。
【００２１】
図４は、凸部３と圧電素子１が衝突している状態を示す図である。板ばね２と圧電素子１とで成す共振周波数を数ヘルツに設定することで、設定した共振周波数近傍で筐体４が揺動すると圧電素子１が凸部３に衝突し、圧電素子１に歪みが生じる。この歪により圧電素子１の電極８と電極９の間に電位差が生じる。ここで発生した起電力をリード線１０及び１１で取り出し、電気エネルギーとして利用した。この動作は揺動が続く限り持続するので、揺動が続く限り連続して発電でき、より効率的に電気エネルギーを取り出すことができる。ここでは、圧電素子１を板状弾性体である板ゴムの一端に、とりつけることで、圧電素子の固有振動が他の構造体に伝達しにくい構造となり、持続的な揺動が可能となり、数ヘルツの運動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換できるようになった。
【００２２】
また、凸部の材質は、少なくとも圧電素子に衝撃を与える機能を有する金属、又はセラミック等の硬度の高い材質が良いことがわかった。更に、筐体４全体を同じ材質で製造した方が良いことがわかった。やわらかいゴムを使用した場合には、衝撃を吸収するために、圧電素子１が受ける衝撃力が落ちて、発電できなかった。また、筐体４と凸部３の材質を変えた場合と同じ場合を比較すると、材料の反発係数の違いだけ、振動が吸収されるので、同じ材質で製造した方が良いことがわかった。
【００２３】
実施例の発電ユニットでは、交流電圧が発生するので、図５に示すような回路で、必要に応じて、１２の整流回路で整流して、直流電圧を取り出し、１３のコンデンサを負荷に対して並列に接続することで発生電圧を平滑にした。
【００２４】
板ばね２の代わりにコイルばねを使用しても同様の効果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例に係る圧電発電装置の断面図。
【図２】本発明の実施例に係る圧電ユニモルフ素子を示す斜視図。
【図３】本発明の実施例に係る圧電バイモルフ素子を示す斜視図。
【図４】本発明の実施例に係る圧電発電装置の発電時の状態を示す断面図。
【図５】本発明の実施例に係る圧電発電装置の回路図。
【符号の説明】
【００２６】
１    圧電素子
２    板ばね
３    凸部
４    筐体
５    固定部
６    圧電セラミックス
７    板状弾性体
８，９    圧電素子の電極
１０，１１    リード線
１２    整流回路
１３    コンデンサ
１４，１５    端子
【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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