(57)【要約】【課題】  本出願人が先に提案した圧電発電装置で得られる発電量よりもより大きな発電量を得ることができ構成が簡易な圧電発電装置を提供する。【解決手段】  板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、上記圧電セラミックス体と、該圧電セラミックス体を該圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、上記圧電セラミックス体に衝撃を与える加撃手段と、で構成し、該加撃手段を、弾性支持部材の両端部に配設された鋼球で構成すると共に、上記圧電セラミックス体とクッション材を、上記圧電セラミックス方向に延びる弾性保持体に、上記弾性支持部材の固定部から離間した中空状態で保持させ、上記鋼球による加撃振動を弾性保持体で吸収し、該吸収した力を上記弾性保持体の復元力に加算させた状態で圧電セラミックス体を鋼球方向へと復動させるように構成した。【選択図】  図１
2006129602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、上記圧電セラミックス体と、該圧電セラミックス体を該圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、上記圧電セラミックス体に衝撃を与える加撃手段と、で構成し、該加撃手段を、弾性支持部材の両端部に配設された鋼球で構成すると共に、上記圧電セラミックス体とクッション材を、上記圧電セラミックス方向に延びる弾性保持体に、上記弾性支持部材の固定部から離間した中空状態で保持させ、上記鋼球による加撃振動を弾性保持体で吸収し、該吸収した力を上記弾性保持体の復元力に加算させた状態で圧電セラミックス体を鋼球方向へと復動させるように構成したことを特徴とする圧電発電装置。
【請求項２】
前記固定部と弾性保持部材との間に、弾性保持部材の振動周期を調整可能な支点体を移動可能に配置したことを特徴とする請求項１に記載の圧電発電装置。
【請求項３】
前記支点体は、前記弾性保持体に保持された圧電セラミックス体と鋼球との間隔を調整可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２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】
本発明は、従来の圧電セラミックス素子を用いた圧電発電装置よりも数十倍以上の出力電流を得ることができる圧電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電材料は機械的エネルギーと電気的エネルギーとの間の変換素子用として多彩な応用面をもっている。圧電効果を示す物質は無機・有機ともに多くの材料が知られているが、現在実用レベルにある材料としてセラミックスのＰＺＴ系（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｅｒａｍｉｃｓ）等の材料がある。
【０００３】
圧電セラミックス素子は、多結晶体に、直流高電圧を印加し残留分極を発生させて圧電性をもたせた素子であり、組成によりかなり自由に基本圧電定数を変化させることができるので、その用途は広い。特に、チタンジルコン酸亜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。
【０００４】
ところで、従来の圧電発電装置は、アクリル材等の基本に圧電セラミックス素子板を接合し、基板の両端部を金属等の硬質材からなるホルダで固定したものである。そして、セラミックス素子板の上から鋼製の球を落下させて、圧電素子板に衝突による機械的衝撃エネルギーを印加し、基板を含めた圧電素子板にたわみ振動を励起して電気エネルギーを取り出すものである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１４５３７５号公報
【０００６】
上記従来のＰＺＴ系の圧電セラミックス素子は、実用性が期待されているものの、発電量が少ないため、圧電発電装置としては実用性に欠けるという問題があった。これは、この種の圧電セラミックス素子を用いた圧電発電装置にあっては、圧電セラミックス素子板の固有振動をできる限り長く継続させる必要が不可欠であると共に、いかに強力、かつ有効な衝撃力を圧電セラミックス素子に供与するか、が重要な要因である。
【０００７】
しかしながら、従来の圧電発電装置にあっては、圧電セラミックス素子板の固有振動が機械的な抵抗を伴わない支持構造ではないと共に、圧電セラミックス素子への衝撃力も、例えば、特許文献１に示すように、依然として鋼球で供与する構造のものが殆どであり、このような鋼球を用いた構造で十分な発電量を得ようとする場合は、該鋼球をできるだけ数多く圧電セラミックス素子に衝突させる他に手立てがない、という問題を有していた。
【０００８】
そこで、本出願人は、特願２００３−２７３５９５において、上記従来の鋼球を用いた圧電発電装置で得られる電流出力よりも数十倍以上の発電量を、一回の打撃により確実に得ることができると共に、この打撃を自動的に繰り返し得ることができる手段と併用することで、例えば、携帯電話の電源として、或いは、救命ブイ等の電源として、実用レベルの発電量をはじめて確保することが可能となる圧電発電装置を提案した。
【０００９】
この提案された圧電発電装置は、板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、上記圧電セラミックス体と、該圧電セラミックス体を該圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、上記圧電セラミックス体に衝撃を与える加撃手段と、で構成し、該加撃手段は、鋼球と、該鋼球を殴打方向に作動させるスイッチ部材と、で構成し、該スイッチ部材は、鋼球による圧電セラミックス体への加撃動作時に、該鋼球に弾性体の付勢力を作用させるように構成したものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記構成からなる先に提案した圧電発電装置は、従来の鋼球を用いた圧電発電装置で得られる電流出力よりも数十倍以上の発電量を、一回の打撃により得ることはできるが、圧電セラミックス体とクッション材が固定部に固定された構造であるため、鋼球によって加えられた力の一部は、発電に利用されないまま固定部へと伝達される構造であったため、発電効率が落ちるという課題を有していた。
【００１１】
この発明は、かかる現状に鑑み創案されたものであって、その目的とするところは、本出願人が先に提案した圧電発電装置で得られる電流出力よりもより大きな発電量を得ることができ構成が簡易な圧電発電装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明に係る圧電発電装置は、請求項１に記載したように、板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、上記圧電セラミックス体と、該圧電セラミックス体を該圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、上記圧電セラミックス体に衝撃を与える加撃手段と、で構成し、該加撃手段を、弾性支持部材の両端部に配設された鋼球で構成すると共に、上記圧電セラミックス体とクッション材を、上記圧電セラミックス方向に延びる弾性保持体に、上記弾性支持部材の固定部から離間した中空状態で保持させ、上記鋼球による加撃振動を弾性保持体で吸収し、該吸収した力を上記弾性保持体の復元力に加算させた状態で圧電セラミックス体を鋼球方向へと復動させるように構成したことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の圧電発電装置を技術的前提とし、前記固定部と弾性保持部材との間に、弾性保持部材の振動周期を調整可能な支点体を移動可能に配置したことを特徴とする。
【００１４】
さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれかに記載の圧電発電装置を技術的前提とし、前記支点体は、前記弾性保持体に保持された圧電セラミックス体と鋼球との間隔を調整可能に構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、請求項１に記載した発明によれば、圧電セラミックス体とクッション材を、上記圧電セラミックス方向に延びる弾性保持体に、上記弾性支持部材の固定部から離間した中空状態で保持させ、上記鋼球による加撃振動を弾性保持体で吸収し、該吸収した力を上記弾性保持体の復元力に加算させた状態で圧電セラミックス体を鋼球方向へと復動させるように構成したので、２回目以降の圧電セラミックス体に加わる衝撃力は、鋼球による加撃力に加え、弾性保持体に蓄えられたエネルギー、即ち、前の衝撃力により蓄えられた弾性保持体へのエネルギーが弾性保持体の弾性復元力となって、圧電セラミックス体を鋼球方向へと移動させるため、該圧電セラミックス体には、次の鋼球による加撃力と圧電セラミックス体の移動による衝突力によって、鋼球の加撃力よりも大きな衝突力を得ることができ、その結果、より大きな発電量を得ることができる。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明によれば、固定部と弾性保持部材との間に、弾性保持部材の振動周期を調整可能な支点体を移動可能に配置したので、鋼球と弾性保持体との振動周期の同期を調整することができ、発電効率をより高めることができる。
【００１７】
さらに、請求項３に記載した発明によれば、支点体は、前記弾性保持体に保持された圧電セラミックス体と鋼球との間隔を調整可能に構成したので、圧電セラミックス体に加わる衝突力を調整することができ、圧電セラミックス体に作用する過度な衝突力による破損を有効に防止して、より効率的な発電を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面に示す発明の実施例１に基づき、この発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、この発明の実施例１に係る圧電発電装置５０しており、該圧電発電装置５０は、固定部９と、該固定部９の上面９Ａの右側に配設された圧電セラミックス体１０と、該圧電セラミックス体１０を該圧電セラミックス体１０の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材３と、上記固定部９の上面９Ａに挟持体５４Ａ，５４Ｂで挟持固定されたバネ材で形成されてなる垂直弾性支持体５１と、該垂直弾性支持体５１の上端部に固定された水平弾性支持体５２Ａ，５２Ｂと、この水平弾性支持体５２Ａ，５２Ｂの両端部にそれぞれ固定されてなる硬質の加撃体である鋼球５３Ａ，５３Ｂと、で構成されており、上記鋼球５３Ｂに外力Ｆを付与することで、他方の鋼球５３Ａが共振作用によって上下振動を連続して繰り返し、上記圧電セラミックス体１０を殴打して該圧電セラミックス体１０に衝撃を与え発電させるように構成されている。
【００２０】
即ち、棒状ステンレス等の金属体又はバネ材で形成されてなる上記水平弾性支持体５２Ａ，５２Ｂは、上記垂直弾性支持体５１の上端部からの長さ寸法が略同一（ｌ１≒ｌ２）を有して溶接固定されている。
【００２１】
圧電セラミックス体１０自体の構成は、本出願人が先に提案している圧電セラミックス体と同様であるので、特に図示はしないが、同一材質、同一形状、同一厚さの２枚の板状の圧電セラミックス素子を、各圧電セラミックス素子の分極の極性を同一方向にし、かつ、該圧電セラミックス素子間に、りん青銅や真鍮等の導電性金属で１０μｍ〜５０μｍの厚さに形成された極薄の金属電極１１を配置し、これら圧電セラミックス素子と金属電極１１を接合して構成されている。
【００２２】
金属電極１１を上記極薄の厚さとすることで、該金属電極１１による機械的な抵抗をごく僅かに抑えることができ、２つの圧電セラミックス素子と金属電極１１の接合面を中心（伸縮しない部位）にたわみ振動が発生したとしても、該たわみ振動の金属電極１１による減衰を可及的に小さく抑えることができる。尚、この実施例１の構成では、一方の側の圧電セラミックス素子が伸長すれば他方の側の圧電セラミックス素子は収縮し、かつ出力電圧の電極は逆方向となり、両圧電セラミックス素子は並列に接続された発電構成となる。
【００２３】
また、この実施例１では、上記たわみ振動が行われると、一方の圧電セラミックス素子で伸長と伸縮との両方の作用が行われて、分極が打ち消されるということがなく効率的に発電が行われる。発電された電気エネルギーとしての電流は、両圧電セラミックス素子及び金属電極１１に導電接続されたリード線を用いて取り出される。
【００２４】
また、ここでは２枚の圧電セラミックス素子を、金属電極１１を介装して積層した場合を例にとり説明したが、各圧電セラミックス素子自体を、それぞれ積層構造とすることができる。この積層構造では、複数枚の圧電セラミックス素子を接合（この場合は分極の極性も同一方向に）して、一方の圧電セラミックス素子を形成する。
【００２５】
このように、圧電セラミックス素子自体を積層構造とし、これを例えば弾性特性を有する接着材により接合した場合には、この弾性効果により、材質的に強度に欠ける圧電セラミックス体１０の曲がりが容易になって曲げ強度を維持することができる。尚、この発明において、圧電セラミックス体１０の外形形状は特に限られるものではなく、円形、楕円形、三角形、四角形或いは多角形等、利用実施に対応させて適宜の形状のものを用いることができる。
【００２６】
また、この実施例１に用いられる前記クッション材３は、合成樹脂材、ゴム材、或いはこれらをスポンジ状にした軟質の材料で構成されている。このようなクッション材３を用い、しかも、このクッション材３の中央部のみ或いは両端部を、接着材を用いて圧電セラミックス体１０を固着したのは、圧電セラミックス体１０の振動を減衰させないためである。圧電セラミックス体１０が振動する場合、この圧電セラミックス体１０を支持する部材は圧電セラミックス体１０の振動を減衰させる要因になり、この減衰要因を取り除くために、クッション材３を用いて極力圧電セラミックス体１０を自由な状態におく。
【００２７】
この発明のように、圧電セラミックス体１０の歪みは、圧電セラミックス自体が持つ固有振動となって暫くの間、継続するが、この固有振動エネルギーの一部は、従来の構造では、固定部９に吸収され電気エネルギーとして取り出すことができないため、発電効率が落ちることは前記した通りである。
【００２８】
このため、この実施例１では、上記圧電セラミックス体１０とクッション材３を、上記挟持体５４Ａに一端部が固定された水平方向に延びるバネ材で形成された弾性保持体６０の自由端部側に保持し、上記垂直弾性支持部材５１の固定部９から高さ寸法ｈを有して中空状態で保持するように構成されている。勿論、この弾性保持体６０に保持された圧電セラミックス体１０は、上記鋼球５３Ａの真下に位置し、所要のクリアランスＣを有して保持されている。
【００２９】
また、この実施例１では、上記鋼球５３Ａによる加撃力の電気エネルギーに変換されなかった一部の加撃力は、弾性保持体６０に吸収されて蓄えられ、該吸収し蓄えられた力は、上記弾性保持体６０をたわみ変形させた後、復元力となって、バネ材で形成された弾性保持体６０に保持された圧電セラミックス体１０を鋼球５３Ａの方向へと復動させるように構成されている。
【００３０】
また、本実施例１では、上記固定部９と弾性保持体６０との間に、該弾性保持部材６０の振動周期を調整可能な支点体７０を移動可能に配置した。
【００３１】
この支点体７０は、水平方向に移動可能に配設されており、弾性保持体６０と頂部Ａの接触点（線）から弾性保持体６０の挟持体５４Ａまでの長さｌ３を調整することで、該支点Ａから自由端部までの振動周期を可変することができ、鋼球５３Ａの振動周期と同期させることが容易となり、発電効率をより高めることができる。
【００３２】
さらに、この実施例１にあっては、上記支点体７０は、前記弾性保持体６０に保持された圧電セラミックス体１０と鋼球５３Ａとの間隔Ｃを調整するため、例えば、ジャッキ機構或はねじ機構により昇降可能に構成されており、固定部９と支点Ａとの高さ寸法ｈを昇降調整することで、上記間隔Ｃ寸法を可変して圧電セラミックス体１０に加わる衝突力を調整することができると共に、圧電セラミックス体１０に作用する過度な衝突力による破損を有効に防止して、より効率的な発電を行なうことができる。
【００３３】
尚、上記実施例１では、上記圧電セラミックス体１０を所謂並列構造とした場合を例にとり説明したが、この発明にあってはこれに限定されるものではなく、本出願人が先に提案した特許文献１に記載された所謂直列構造ものを用い、或いは、従来の公知構造からなる圧電セラミックス体を用いることができることは勿論であるが、最も発電効率が高いのは本実施例１に係る圧電セラミックス体１０の構造である。
【００３４】
ここで、図１に示す鋼球５３Ａ，５３Ｂを０．９ｇの鋼球で形成し、かつ、ｌ１，ｌ２の長さを１２０ｍｍとし、クッション材３をスポンジで形成し、さらに、弾性保持体６０の長さを５３ｍｍとし、弾性保持体６０と頂部Ａの接触点（線）と弾性保持体６０の挟持体５４Ａとの長さｌ３を１４ｍｍに設定すると共に、間隔Ｃを０．５ｍｍに調整し、鋼球５３Ｂの加振寸法Ｄ（図１参照）を１０ｍｍに設定した場合の圧電発電装置１による発電量を、前記図２に示す測定装置で電圧測定した。
【００３５】
同一条件に設定した本出願人が先に提案した発電装置で得られた発電量は約３．６Ｖであったのに対して、本実施例１の圧電発電装置１で得られた発電量は、約４．９Ｖであった。先の発電装置に比べ１３６％向上させることができた。
【００３６】
尚、上記実施例１では、前記水平弾性支持体５２Ａ，５２Ｂと垂直弾性支持体５１との連結を、溶接で行う場合を例にとり説明したが、この発明にあってはこれに限定されるものではなく、ねじ止めやかしめ止め、或は強力な接着剤を用い或はハンダ付け等の公知の手段で一体的に連結することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
この発明に係る圧電発電装置は、以上のように構成されているので、本出願人が先に提案した圧電発電装置で得られる発電量よりもより大きな発電量を得ることができるので、例えば、携帯電話の電源として、或いは、救命ブイ等の電源に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の実施例１に係る圧電発電装置の概略的な構成を示す斜視図である。
【図２】同圧電発電装置による発電量を測定する測定装置の概略的な構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
Ａ  支点
Ｃ  間隔（クリアランス）
ｈ  圧電セラミックス体と鋼球との間隔寸法
ｌ３  弾性保持体と頂部の接触点（線）から弾性保持体の挟持体までの長さ寸法
１  圧電発電装置
３  クッション材
９  固定部
９Ａ  固定部の上面
１０  圧電セラミックス体
５２Ａ，５２Ｂ  水平弾性部材
５３Ａ，５３Ｂ  鋼球
６０  弾性保持体
７０  支点体
【図１】
2006129602.tif 000003
【図２】
2006129602.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成16年11月1日(2004.11.1)
【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】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、上記圧電セラミックス体と、該圧電セラミックス体を該圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、上記圧電セラミックス体に衝撃を与える加撃手段と、で構成し、該加撃手段を、弾性支持部材の両端部に配設された鋼球で構成すると共に、上記圧電セラミックス体とクッション材を、上記圧電セラミックス方向に延びる弾性保持体に中空状態で保持させ、上記鋼球による加撃振動を弾性保持体で吸収し、該吸収した力を上記弾性保持体の復元力に加算させた状態で圧電セラミックス体を鋼球方向へと復動させるように構成したことを特徴とする圧電発電装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明に係る圧電発電装置は、請求項１に記載したように、板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、上記圧電セラミックス体と、該圧電セラミックス体を該圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、上記圧電セラミックス体に衝撃を与える加撃手段と、で構成し、該加撃手段を、弾性支持部材の両端部に配設された鋼球で構成すると共に、上記圧電セラミックス体とクッション材を、上記圧電セラミックス方向に延びる弾性保持体に中空状態で保持させ、上記鋼球による加撃振動を弾性保持体で吸収し、該吸収した力を上記弾性保持体の復元力に加算させた状態で圧電セラミックス体を鋼球方向へと復動させるように構成したことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
以上説明したように、請求項１に記載した発明によれば、圧電セラミックス体とクッション材を、上記圧電セラミックス方向に延びる弾性保持体に中空状態で保持させ、上記鋼球による加撃振動を弾性保持体で吸収し、該吸収した力を上記弾性保持体の復元力に加算させた状態で圧電セラミックス体を鋼球方向へと復動させるように構成したので、２回目以降の圧電セラミックス体に加わる衝撃力は、鋼球による加撃力に加え、弾性保持体に蓄えられたエネルギー、即ち、前の衝撃力により蓄えられた弾性保持体へのエネルギーが弾性保持体の弾性復元力となって、圧電セラミックス体を鋼球方向へと移動させるため、該圧電セラミックス体には、次の鋼球による加撃力と圧電セラミックス体の移動による衝突力によって、鋼球の加撃力よりも大きな衝突力を得ることができ、その結果、より大きな発電量を得ることができる。