(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電素子としては、破損しやすい圧電バイモルフを組みこんだ発電ユニットについて、耐水性があり堅牢でかつ発電性能が高く、施設や結線も容易で振動や圧力を鋭敏に検知して発電作用を行うことが出来る発電ユニットおよび発電マットを提供する。【解決手段】両面をメタライズされた矩形状の絶縁体よりなる弾性板１−２の片面に、長さ方向で前記弾性板より短い矩形状の圧電セラミックス板１−１を貼り付けた圧電ユニモルフ２枚のセラミック側を、互いに内側に向けて前記弾性板の長手方向の両端に一定厚みと巾を有する絶縁体よりなるスペーサを介して貼り合わせ、対向する間隙にシリコンゴムやエラストマーなどの有機材料が充填する。また、この構成のユニットをタイル状に一段もしくは多段に敷き詰め出力電力の向上をはかる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面をメタライズされた矩形状の絶縁体よりなる弾性板の片面に、長さ方向で前記弾性板より短い矩形状の圧電セラミックス板を貼り付けた圧電ユニモルフ２枚のセラミック側を、互いに内側に向けて前記弾性板の長手方向の両端に一定厚みと巾を有する絶縁体よりなるスペーサを介して貼り合わせたことを特徴とする圧電発電ユニット
【請求項２】
二つの圧電ユニモルフについて圧電セラミックスの分極方向は弾性板に対して互いに反対の向きに施され、各々のセラミックの表側電極と対向する圧電ユニモルフの内側のメタライズ面とは互いに結線され、内側の対向するメタライズ面からなる２極と外側のメタライズ面からなる２極は全波整流回路で結線されていることを特徴とする請求項１の圧電発電ユニット
【請求項３】
二つの圧電ユニモルフが対向する間隙にシリコンゴムやエラストマーなどの有機材料が充填されていることを特徴とする請求項１、請求項２の圧電発電ユニット
【請求項４】
請求項３よりなる発電ユニットの長さ方向の中央部の下のみが硬く、他の部分はゴムのような弾性変形が容易な物質で構成されたベースの上に前記発電ユニットが敷き詰められたことを特徴とする圧電マット
【請求項５】
請求項３よりなる発電ユニットの長さ方向に半分の長さだけずらして厚み方向に複数段積み重ねて電気的に結線したことを特徴とする請求項４の圧電発電マット
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は断続的に得られる機械的荷重や振動などを圧電材料の歪みに変換し、これから電気エネルギーを取り出す圧電発電ユニットおよびそれを応用した発電マットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】本発明は、圧電材料が外力によって変形や、振動を生じたときに発生する電気エネルギーを活用する発電装置に関するもので、その特徴は振動や衝撃等の機械的入力さえあれば発電装置として作用し、その電力を直接あるいはコンデンサ、二次電池などに備蓄しておき必要に応じて電気エネルギーを取り出す事が出来る圧電発電ユニットおよびそれを応用した圧電発電マットに関するものである。【０００３】圧電材料に歪みを発生させたとき生ずる電気エネルギーを活用しようとする試みが広く行われている。圧電素子から電気エネルギーを得る手段としては通常、圧電素子に金属球、セラミック球などの衝撃体を衝突させたり、圧電素子の一端を固定してこの反対の端を押圧し変形させたりして、圧電素子の歪みによって発電させている。このとき発電した電力を発光ダイオードの発光に利用したり、二次電池に充電して必要に応じて取り出し信号処理装置の駆動などに利用したりされている。【０００４】引用文献１には片持ち梁構造の圧電バイモルフをユニットに組み込み歩行時の振動を受けて発電する振り子式の発電装置が提案されている。
引用文献２には圧電セラミックを組み込みこんで発電機能を持たせた建築用床板素材が提案されている。
引用文献３には階段の踏み板および昇降口周辺の床に押圧発電素子を配置して階段部の照明に利用する提案がなされている。
引用文献４には、複数の圧電素子を立体的に組み合わせて発電能力を改善し、これを組み込んだ路面プレートによって車両または歩行者の通過による圧力変化によって発電する発電システムが提案されている。
引用文献５にも路面に施設するブロック内に圧電素子を組み込んで発光ダイオードを点滅させる発電ブロックが提案されている。
【特許文献１】特開２００５−３１９０１３
【特許文献２】特開平５−３９６６１
【特許文献３】特願平１０−１６３０９５
【特許文献４】特開２００６−３２９３５
【特許文献５】特開２００８１９０２６７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】前述のとおり、屋外の施設に圧電素子を組み込み、通行人や車両の通行時の圧力変化を発電に利用する提案が多くなされている。屋外施設の内部に圧電素子を装着して人の歩行時の圧力を受けて発光ダイオードを点滅することで路面案内などに応用するシステムの発電ユニット部に対して主に要求される点は、
・機械的に作用する衝撃力や圧力を充分に吸収して発電効率が高いこと
・機械的に堅牢な構成で破損しにくいこと
・耐水性に充分配慮された構造
・作りやすいシンプルな構造
・結線が容易であること
・施設しやすい構成であること
等が実用面で重要である【０００６】引用文献２では、床板として施設するブロック状のプレートの間に複数の円柱状の圧電素子を並べて軸方向に圧電素子が圧力を受ける構成が紹介されているが、圧電セラミックの弾性係数の大きさからすると荷重を受けて発生する歪み量が少なく発電効率は必ずしもよくない。人や車両の通行時の圧力変化を発電に利用する圧電発電においては、比較的少ない力で歪みが取りやすい、即ちコンプライアンスの小さな圧電バイモルフや圧電ユニモルフが主に利用される。ここで圧電バイモルフと圧電ユニモルフの違いは圧電素子を弾性材料の片面に貼り付けるか両面に貼り付けるかの違いであり、目的に応じて適宜選択すれば良いが、本発明は片面が弾性体である圧電ユニモルフの特徴を活用するものである。【０００７】コンプライアンスの小さな圧電バイモルフもしくは圧電ユニモルフは機械的に弱く壊れやすい圧電素子の部類に入る。従って、これらを活用するシステムでは堅牢で扱いやすいユニットとして提供されることが望ましい。破損対策の配慮として、引用文献４と引用文献５では外力を受けた圧電バイモルフの変形は一定値以内に抑えられるようにストッパーの役割を構成部材が担うように設計されている。【０００８】圧電バイモルフを発電に応用する場合、荷重を受けて変位を生ずる為の一定の空隙の確保も構成上の要件である。引用文献５ではブロックを形成する筐体の側面壁に圧電バイモルフの一端を固定して中央に位置する他端にて荷重を受ける片持ち梁型のバイモルフ構成が紹介されているが、このように側面壁にユニットを装着する場合、立体的な配置になり組み立て工数の増大になりやすい。特に、この種の用途では発電量の確保から複数のバイモルフ素子を組み込む場合が多く、その場合この問題はさらに現実的になってくる。【０００９】本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、圧電素子としては、破損しやすい
圧電バイモルフを組みこんだ発電ユニットについて、耐水性があり堅牢でかつ発電性能が高く、施設や結線も容易で振動や圧力を鋭敏に検知して発電作用を行うことが出来る発電ユニットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】本発明の第一の観点によれば、両面をメタライズされた矩形状の絶縁体よりなる弾性板の片面に、長さ方向でやや前記弾性板より短い矩形状の圧電セラミックス板を貼り付けた圧電ユニモルフ２枚のセラミック側を、互いに内側に向けて前記弾性板の長手方向の両端に一定厚みと巾を有する絶縁体よりなるスペーサを介して貼り合わせたことを特徴とする圧電発電ユニットが提供される。【００１１】本発明の第二の観点によれば、二つの圧電ユニモルフについて圧電セラミックスの分極方向は弾性板に対して互いに反対の向きに施され、各々のセラミックの表側電極と対向する圧電ユニモルフの内側のメタライズ面とは互いに結線され、内側の対向するメタライズ面からなる２極と外側のメタライズ面からなる２極は全波整流回路で結線されていることを特徴とする請求項１の圧電発電ユニットが提供される。【００１２】本発明の第三の観点によれば、二つの圧電ユニモルフが対向する間隙にシリコンゴムやエラストマーなどの有機材料が充填されていることを特徴とする請求項１、請求項２の圧電発電ユニットが提供される。【００１３】本発明の第４の観点によれば、請求項３よりなる発電ユニットの長さ方向の中央部の下のみが硬く、他の部分はゴムのような弾性変形が容易な物質で構成されたベースの上に前記発電ユニットが敷き詰められたことを特徴とする圧電マットが提供される。【００１４】本発明の第５の観点によれば、請求項３よりなる発電ユニットの長さ方向に半分の長さだけずらして厚み方向に複数段積み重ねて電気的に結線したことを特徴とする請求項４の圧電発電マットが提供される。【００１５】作用
圧電バイモルフによる発電作用は最初に荷重を受けて破断の限界点以内の変形の進行に伴う圧電素子が発生する歪みで行い、次に荷重が取り去られた後に圧電バイモルフを含む弾性系が蓄えたエネルギーが開放される過程で生じた衝撃振動で圧電素子が再び刺激されて歪みを発生することで行われる。
通行人の歩行や車両通行による荷重、振動もしくは衝撃の力学的な量は比較的大きく圧電素子に対して確実に一定の変位量を確保できるシステムをつくることは容易である。
弾性系に蓄えられるエネルギーの大きさＥは荷重を受ける系のバネ定数をＫ、変位をδとしたとき
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【００１４】前述の式（１）から分かるように、外部荷重を用いて常に一定量の変位δを確保できるという前提であれば、設計の可能な範囲でなるべくバネ定数Ｋを大きくしておけば蓄積エネルギーＥを大きくすることができ発電ユニットには有利である。前述のようにバイモルフ素子はコンプライアンスの小さいことが発電に有利と説明したが、外力が大きく変位δが充分に確保出来るなら可能な範囲でコンプライアンスを大きく調整すれば蓄積エネルギーＥが大きく効率の良い発電ユニットになる。【００１５】バイモルフ素子の支持方法で片持ち梁型は原理的に最もコンプライアンスが小さく弱い力でも反応しやすいが、このコンプライアンスを大きく調整する為には、バイモルフ素子の厚みを大きくするか、素子の有効長を短くすることで達成できる。しかしながら固定部近辺に発生する歪みが大きくなりセラミックが破損しやすく耐久性に劣ることが確認された。
また、バイモルフ素子を両面支持梁型にする場合もコンプライアンスを大きくできるがこの場合には固定上の不安定さは免れず結果的に安定した発電性能が得られないことが判明した。
バイモルフ素子の両端固定型については、コンプライアンスを最も大きくできる。ただし荷重を受けた場合に梁（圧電バイモルフ）上に正負の曲げモーメントが発生する箇所が両端近傍に生ずるので電極面に生ずる電荷がキャンセルする事が考えられる。そこでセラミック長さをスパン長さに比べて短く調整することで同一符号の曲げモーメントがセラミックに生ずる範囲を選ぶことが可能である。
この場合には両端支持構成がこの目的には好ましいことが判明した。【００１６】発明者らは鋭意検討した結果、両面を電気的に分離しメタライズされた矩形状の絶縁体よりなる弾性板の片面に、長さ方向でやや前記弾性板より短い矩形状の圧電セラミックス板を貼り付けた圧電ユニモルフ２枚のセラミック側を、互いに内側に向けて前記弾性板の長手方向の両端に一定厚みと巾を有する絶縁体よりなるスペーサを介して貼り合わせた構成を発明するに至った。【００１７】さらに、二つの圧電ユニモルフについて圧電セラミックスの分極方向は弾性板に対して互いに反対の向きに施され、各々のセラミックの表側電極と対向する圧電ユニモルフの内側のメタライズ面とは互いに結線され、内側の対向するメタライズ面からなる２極と外側のメタライズ面からなる２極は全波整流回路で結線する構成を発明するに至った。さらに、このユニットの下面側は中央部のみが硬くそれ以外は、弾性的に柔らかいベース材の上に乗っていると効果的であることが分かった。【００１８】この構成について説明する。上下の圧電素子で生ずる電荷の内側に面した電極は、向かい合う弾性板の内側の電極と相互に結線されているが、分極方向の調整により結線する双方の電極面は同じ符号の電荷が生じ、この電荷の和が内側の向き合うメタライズ面上にそれぞれ蓄えられる。
図１に示すように荷重を受けると上下の中央部が内側に撓み弾性変形を生じて発電し、荷重が解放されると蓄えられた弾性エネルギーで再び圧電素子が変形して発電するが、この過程で弾性板の内側の電荷は正負が反転している。そこで図２に示すように前記内側のメタライズ電極を２極とし、外側のメタライズ面２極との間に全波整流回路を接続すると外側電極では、常に同じ符号で同じ電極面から電気出力が得られ上下メタライズ面は直流の出力端子として機能させることが可能である。【００１９】最後に、耐湿性の改善を目的に二つの圧電ユニモルフが対向する間隙にシリコンゴムやエラストマーなどの有機材料が充填した。この処理で耐水性の大幅な改善が出来たが、発電の性能にはほとんど劣化は認められなかった。これは、圧電セラミックと弾性基板で構成する複合梁の曲げ弾性係数が、充填した有機材料の曲げ弾性係数に比べて５桁以上の差があるため影響を受けない為だと考えられる。【００２０】次に、以上で説明した発電ユニットを複数組み合わせて構成する発電マットについて説明する。発電ユニットを前後左右タイル上に矩形のベース上に敷き詰める。このベースは全体にはゴムやエラストマーのような弾性変形の容易な材質で構成するが、ベース内にライン状に弾性変形しにくい剛体が構成されている。発電ユニットはこの剛体が丁度中央を横切るように配置される。上からの荷重に対してスペーサのある両端部は変形できないが、中央部は上からも下からも荷重を受けてそれぞれの弾性板は内側に凹レンズ状に撓み効率よく発電される。【００２１】発電量の増大を目的に厚み方向に複数重ねていくことも有効である。この場合、段毎に全長の半分だけ長さ方向に位置をずらせると、２段目以降も中央部の真下に下のユニットの弾性変形しないユニットの端部が来るために、上段のユニットの凹レンズ状の変形が促され効率の良い発電が可能になる。【００２２】一層だけ敷き詰める場合、下側電極中央部接する剛体が銅やアルミニュームのような金属で直接コンタクトするようにすることで複数ユニットの並列結線の一部が構成できる。また上面に金属箔を一面もしくは部分的に複数配置することで、シンプルに好みの結線、例えば特定のユニット同志の並列結線が構成できる。【００２３】厚み方向に重ねる場合、ユニット同志が直接コンタクトすれば丁度乾電池とおなじ直列結線が可能で発電電圧が増大する。重ねる場合、金属箔と絶縁シートを重ねて使用すると厚み方向に重ねたユニット間の並列接続も可能になる。このように本発明の構成の特徴を有効に活用すると複数のユニットをシンプルに結線して効率の良い発電マットが実現できることがわかる。
【発明の効果】
【００２４】耐水性があり堅牢でかつ発電性能が高く、施設や結線も容易で振動や圧力を鋭敏に検知して発電作用を行うことが出来る発電ユニットと、この発電ユニットを複数組み合わせて配置と結線が容易な発電マットが提供できるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】実施例１
次に請求項に基づく実施の形態について詳細に説明する。
図３に本発明に係わる圧電発電ユニットの斜視図を示す。
矩形の圧電セラミックス板（３５ｘ１８ｘ０．６）１−１の表裏面に銀電極が形成され厚み方向に分極処理してある。圧電材料は電気機械結合係数ｋ３１が３０％以上で比誘電率εｒが１８００，機械的品質係数Ｑｍは１０００程度の材料を用いている。なお圧電素子はこの形状に限定されるモノではなく設計に応じて必要に応じて縦横比を変えても良いし、複数の層に積層されていても良い。両面を銅でメタライズした弾性体基板（７０ｘ２０ｘ２）１−２はガラスエポキシＦＲ−４を用いた。【００２４】弾性基板上の中央部に圧電素子１−１をメタライズ面に接着した。対になる二つのユニモルフは接着面に対して分極方向を互いに反対にして接着してある。各電極表面と対面の弾性体基板のメタライズ面とはリード線１−３をはんだ付で結線した。前記内側のメタライズ面の対と外側のメタライズ面の対との間にダイオードブリッジ１−４を介してリード線１−５をはんだ付けで結線した。前記ダイオードブリッジ１−４は弾性体基板の片側の内面でセラミックを接着されていない部分にエポキシで固定した。【００２５】対になる二つのユニモルフの両端面をスペーサ（２０ｘ５ｘ２ｔ）１−６を介してエポキシ系接着剤で固定した。スペーサは材質として特に限定する必要はなく一定の厚みで適度の強度を持つ絶縁物質で構成することが可能である。本実施例ではベークライトを使用している。前記圧電ユニットの中央の空隙部にシリコンゴムを注入して固化させた。これで圧電ユニットの基本が完成した。【００２６】前記ユニットの中央部に加えた荷重量と変位量から算出したバネ定数Ｋは２１０、０００（Ｎ／ｍ）であった。
人の踏みつける荷重からすれば適度のバネ性であり、充分に変位を与えることが出来る。実験によると人の荷重で１００Ｖ〜２００Ｖの電圧出力を確認した。【００２７】図４に示すように外形が縦２２０ｍｍ、横１１０ｍｍ、高さ５ｍｍで内側に３本の横棒が等間隔に格子状に形成された銅製の枠の間にシリコンゴムを同じ厚みになるまで充填したベースを準備した。このベース上に本実施例で作成した発電ユニットを図４のように１５ヶ配列した。
ベースの格子枠は各ユニットの長さ方向の軸と直交し、中央部の真下にあり、各ユニットの下側電極と電気的に接触している。上面には縦２２０ｍｍ、横１１０ｍｍで厚さ５０μｍの銅箔を被せて更にその上に縦２２０ｍｍ、横１１０ｍｍで厚みが５ｍｍの生ゴム板を載せた。前記銅箔は各ユニットの上部電極を並列に結線し、前記銅製の枠との間で電気出力端子とする構成で圧電発電マットとした。
この構成でマットを踏みつけた場合、荷重がほぼ平均に加わるが、個々のユニットについてはほぼ凹レンズ状に変形し並列接続の効果で出力電流が１０倍以上になることが確認できた。【００２８】更に、前述のマット構成で２段目にベークライト製のダミー材を用いて、長さの半分だけずらした位置に２段目を１０ヶ、更に３段目には１段と同じ位置に１５のユニットを配して上面には銅箔を被せて更にその上に生ゴム板を載せた。この構成を図５に模式的に示す。この場合は電池と同じように厚み方向は直列の結線ができるので踏みつけの場合の電圧はほぼ３倍となり重ねの効果が確認された。
【産業上の利用の可能性】
【００２９】本発明は、屋内外の施設に組み込むことによって、人や車両の通行時の圧力変化を電気エネルギーに変換することにより、この電力で発光ダイオードを点滅させて路面標示などに活用できるほか、発生する電気エネルギーをコンデンサに蓄積することにより信号処理系などの予備電源として活用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の原理に係わる説明図１
【図２】本発明の基本構成図
【図３】本発明および実施例の基本構成の斜視図（マット構成）
【図４】本発明および実施例の基本構成の斜視図（厚み方向の重ね）
【符号の説明】１−１；圧電素子
１−２；弾性体基板
１−３；リード線
１−４；ダイオード
１−５；リード線
１−６；スペーサ
【図１】
2011233851.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年6月29日(2010.6.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は断続的に得られる機械的荷重や振動などを圧電材料の歪みに変換し、これから電気エネルギーを取り出す圧電発電ユニットおよびそれを応用した発電マットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】本発明は、圧電材料が外力によって変形や、振動を生じたときに発生する電気エネルギーを活用する発電装置に関するもので、その特徴は振動や衝撃等の機械的入力さえあれば発電装置として作用し、その電力を直接あるいはコンデンサ、二次電池などに備蓄しておき必要に応じて電気エネルギーを取り出す事が出来る圧電発電ユニットおよびそれを応用した圧電発電マットに関するものである。【０００３】圧電材料に歪みを発生させたとき生ずる電気エネルギーを活用しようとする試みが広く行われている。圧電素子から電気エネルギーを得る手段としては通常、圧電素子に金属球、セラミック球などの衝撃体を衝突させたり、圧電素子の一端を固定してこの反対の端を押圧し変形させたりして、圧電素子の歪みによって発電させている。このとき発電した電力を発光ダイオードの発光に利用したり、二次電池に充電して必要に応じて取り出し信号処理装置の駆動などに利用したりされている。【０００４】引用文献１には片持ち梁構造の圧電バイモルフをユニットに組み込み歩行時の振動を受けて発電する振り子式の発電装置が提案されている。
引用文献２には圧電セラミックを組み込みこんで発電機能を持たせた建築用床板素材が提案されている。
引用文献３には階段の踏み板および昇降口周辺の床に押圧発電素子を配置して階段部の照明に利用する提案がなされている。
引用文献４には、複数の圧電素子を立体的に組み合わせて発電能力を改善し、これを組み込んだ路面プレートによって車両または歩行者の通過による圧力変化によって発電する発電システムが提案されている。
引用文献５にも路面に施設するブロック内に圧電素子を組み込んで発光ダイオードを点滅させる発電ブロックが提案されている。
【特許文献１】特開２００５−３１９０１３
【特許文献２】特開平５−３９６６１
【特許文献３】特願平１０−１６３０９５
【特許文献４】特開２００６−３２９３５
【特許文献５】特開２００８１９０２６７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】前述のとおり、屋外の施設に圧電素子を組み込み、通行人や車両の通行時の圧力変化を発電に利用する提案が多くなされている。屋外施設の内部に圧電素子を装着して人の歩行時の圧力を受けて発光ダイオードを点滅することで路面案内などに応用するシステムの発電ユニット部に対して主に要求される点は、
・  機械的に作用する衝撃力や圧力を充分に吸収して発電効率が高いこと
・  機械的に堅牢な構成で破損しにくいこと
・  耐水性に充分配慮された構造
・  作りやすいシンプルな構造
・  結線が容易であること
・  施設しやすい構成であること
等が実用面で重要である【０００６】引用文献２では、床板として施設するブロック状のプレートの間に複数の円柱状の圧電素子を並べて軸方向に圧電素子が圧力を受ける構成が紹介されているが、圧電セラミックの弾性係数の大きさからすると荷重を受けて発生する歪み量が少なく発電効率は必ずしもよくない。人や車両の通行時の圧力変化を発電に利用する圧電発電においては、比較的少ない力で歪みが取りやすい、即ちコンプライアンスの小さな圧電バイモルフや圧電ユニモルフが主に利用される。ここで圧電バイモルフと圧電ユニモルフの違いは圧電素子を弾性材料の片面に貼り付けるか両面に貼り付けるかの違いであり、目的に応じて適宜選択すれば良いが、本発明は片面が弾性体である圧電ユニモルフの特徴を活用するものである。【０００７】コンプライアンスの小さな圧電バイモルフもしくは圧電ユニモルフは機械的に弱く壊れやすい圧電素子の部類に入る。従って、これらを活用するシステムでは堅牢で扱いやすいユニットとして提供されることが望ましい。破損対策の配慮として、引用文献４と引用文献５では外力を受けた圧電バイモルフの変形は一定値以内に抑えられるようにストッパーの役割を構成部材が担うように設計されている。【０００８】圧電バイモルフを発電に応用する場合、荷重を受けて変位を生ずる為の一定の空隙の確保も構成上の要件である。引用文献５ではブロックを形成する筐体の側面壁に圧電バイモルフの一端を固定して中央に位置する他端にて荷重を受ける片持ち梁型のバイモルフ構成が紹介されているが、このように側面壁にユニットを装着する場合、立体的な配置になり組み立て工数の増大になりやすい。特に、この種の用途では発電量の確保から複数のバイモルフ素子を組み込む場合が多く、その場合この問題はさらに現実的になってくる。【０００９】本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、圧電素子としては、破損しやすい
圧電バイモルフを組みこんだ発電ユニットについて、耐水性があり堅牢でかつ発電性能が高く、施設や結線も容易で振動や圧力を鋭敏に検知して発電作用を行うことが出来る発電ユニットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】本発明の第一の観点によれば、両面をメタライズされた矩形状の絶縁体よりなる弾性板の片面に、長さ方向でやや前記弾性板より短い矩形状の圧電セラミックス板を貼り付けた圧電ユニモルフ２枚のセラミック側を、互いに内側に向けて前記弾性板の長手方向の両端に一定厚みと巾を有する絶縁体よりなるスペーサを介して貼り合わせたことを特徴とする圧電発電ユニットが提供される。【００１１】本発明の第二の観点によれば、二つの圧電ユニモルフについて並列接続もしくは直列接続した２極と外側のメタライズ面からなる２極は全波整流回路で結線されていることを特徴とする請求項１の圧電発電ユニットが提供される。【００１２】本発明の第三の観点によれば、二つの圧電ユニモルフが対向する間隙にシリコンゴムやエラストマーなどの有機材料が充填されていることを特徴とする請求項１、請求項２の圧電発電ユニットが提供される。【００１３】本発明の第四の観点によれば、請求項３よりなる発電ユニットの長さ方向の中央部の下のみが硬く、他の部分はゴムのような弾性変形が容易な物質で構成されたベースの上に前記発電ユニットが敷き詰められたことを特徴とする圧電マットが提供される。【００１４】本発明の第五の観点によれば、請求項３よりなる発電ユニットの長さ方向に半分の長さだけずらして厚み方向に複数段積み重ねて電気的に結線したことを特徴とする請求項４の圧電発電マットが提供される。【００１５】作用
圧電バイモルフによる発電作用は最初に荷重を受けて破断の限界点以内の変形の進行に伴う圧電素子が発生する歪みで行い、次に荷重が取り去られた後に圧電バイモルフを含む弾性系が蓄えたエネルギーが開放される過程で生じた衝撃振動で圧電素子が再び刺激されて歪みを発生することで行われる。
通行人の歩行や車両通行による荷重、振動もしくは衝撃の力学的な量は比較的大きく圧電素子に対して確実に一定の変位量を確保できるシステムをつくることは容易である。
弾性系に蓄えられるエネルギーの大きさＥは荷重を受ける系のバネ定数をＫ、変位をδとしたとき
2011233851.tif 000009
【００１４】前述の式（１）から分かるように、外部荷重を用いて常に一定量の変位δを確保できるという前提であれば、設計の可能な範囲でなるべくバネ定数Ｋを大きくしておけば蓄積エネルギーＥを大きくすることができ発電ユニットには有利である。前述のようにバイモルフ素子はコンプライアンスの小さいことが発電に有利と説明したが、外力が大きく変位δが充分に確保出来るなら可能な範囲でコンプライアンスを大きく調整すれば蓄積エネルギーＥが大きく効率の良い発電ユニットになる。【００１５】バイモルフ素子の支持方法で片持ち梁型は原理的に最もコンプライアンスが小さく弱い力でも反応しやすいが、このコンプライアンスを大きく調整する為には、バイモルフ素子の厚みを大きくするか、素子の有効長を短くすることで達成できる。しかしながら固定部近辺に発生する歪みが大きくなりセラミックが破損しやすく耐久性に劣ることが確認された。
また、バイモルフ素子を両面支持梁型にする場合もコンプライアンスを大きくできるがこの場合には固定上の不安定さは免れず結果的に安定した発電性能が得られないことが判明した。
バイモルフ素子の両端固定型については、コンプライアンスを最も大きくできる。ただし荷重を受けた場合に梁（圧電バイモルフ）上に正負の曲げモーメントが発生する箇所が両端近傍に生ずるので電極面に生ずる電荷がキャンセルする事が考えられる。そこでセラミック長さをスパン長さに比べて短く調整することで同一符号の曲げモーメントがセラミックに生ずる範囲を選ぶことが可能である。
この場合には両端支持構成がこの目的には好ましいことが判明した。【００１６】発明者らは鋭意検討した結果、両面を電気的に分離しメタライズされた矩形状の絶縁体よりなる弾性板の片面に、長さ方向でやや前記弾性板より短い矩形状の圧電セラミックス板を貼り付けた圧電ユニモルフ２枚のセラミック側を、互いに内側に向けて前記弾性板の長手方向の両端に一定厚みと巾を有する絶縁体よりなるスペーサを介して貼り合わせた構成を発明するに至った。【００１７】さらに、二つの圧電ユニモルフについては、電流出力を重視するなら並列接続とし、電圧出力重視なら直列接続した２端子と外側のメタライズ面からなる２極は全波整流回路で結練する構成を発明するに至った。さらに、このユニットの下面側は中央部のみが硬くそれ以外は、弾性的に柔らかいベース材の上に乗っていると効果的であることが分かった。【００１８】この構成について説明する。図１に示すように荷重を受けると上下の中央部が内側に撓み弾性変形を生じて発電し、荷重が解放されると蓄えられた弾性エネルギーで再び圧電素子が変形して発電するが、この過程で弾性板の内側の電荷は正負が反転している。図２では二つのユニモルフが並列に接続されている場合を示している。上下の圧電素子で生ずる電荷の内側に面した電極は、向かい合う弾性板の内側の電極と相互に結線されているが、分極方向の調整により結線する双方の電極面は同じ符号の電荷が生じ、この電荷の和が内側の向き合うメタライズ面上にそれぞれ蓄えられる。そこで図２に示すように前記内側のメタライズ電極を２極とし、外側のメタライズ面２極との間に全波整流回路を接続すると外側電極では、常に同じ符号で同じ電極面から電気出力が得られ上下メタライズ面は直流の出力端子として機能させることが可能である。【００１９】最後に、耐湿性の改善を目的に二つの圧電ユニモルフが対向する間隙にシリコンゴムやエラストマーなどの有機材料で充填した。この処理で耐水性の大幅な改善が出来たが、発電の性能にはほとんど劣化は認められなかった。これは、圧電セラミックと弾性基板で構成する複合梁の曲げ弾性係数が、充填した有機材料の曲げ弾性係数に比べて５桁以上の差があるため影響を受けない為だと考えられる。【００２０】次に、以上で説明した発電ユニットを複数組み合わせて構成する発電マットについて説明する。発電ユニットを前後左右タイル上に矩形のベース上に敷き詰める。このベースは全体にはゴムやエラストマーのような弾性変形の容易な材質で構成するが、ベース内にライン状に弾性変形しにくい剛体が構成されている。発電ユニットはこの剛体が丁度中央を横切るように配置される。上からの荷重に対してスペーサのある両端部は変形できないが、中央部は上からも下からも荷重を受けてそれぞれの弾性板は内側に凹レンズ状に撓み効率よく発電される。【００２１】発電量の増大を目的に厚み方向に複数重ねていくことも有効である。この場合、段毎に全長の半分だけ長さ方向に位置をずらせると、２段目以降も中央部の真下に下のユニットの弾性変形しないユニットの端部が来るために、上段のユニットの凹レンズ状の変形が促され効率の良い発電が可能になる。【００２２】一層だけ敷き詰める場合、下側電極中央部接する剛体が銅やアルミニュームのような金属で直接コンタクトするようにすることで複数ユニットの並列結線の一部が構成できる。また上面に金属箔を一面もしくは部分的に複数配置することで、シンプルに好みの結線、例えば特定のユニット同志の並列結線が構成できる。【００２３】厚み方向に重ねる場合、ユニット同志が直接コンタクトすれば丁度乾電池とおなじ直列結線が可能で発電電圧が増大する。重ねる場合、金属箔と絶縁シートを重ねて使用すると厚み方向に重ねたユニット間の並列接続も可能になる。このように本発明の構成の特徴を有効に活用すると複数のユニットをシンプルに結線して効率の良い発電マットが実現できることがわかる。
【発明の効果】
【００２４】耐水性があり堅牢でかつ発電性能が高く、施設や結線も容易で振動や圧力を鋭敏に検知して発電作用を行うことが出来る発電ユニットと、この発電ユニットを複数組み合わせて配置と結線が容易な発電マットが提供できるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】実施例１
次に請求項に基づく実施の形態について詳細に説明する。
図３に本発明に係わる圧電発電ユニットの斜視図および断面図を示す。
矩形の圧電セラミックス板（３５×１８×０．６）１−１の表裏面に銀電極が形成され厚み方向に分極処理してある。圧電材料は電気機械結合係数ｋ３１が３０％以上で比誘電率εｒが１８００，機械的品質係数Ｑｍは１０００程度の材料を用いている。なお圧電素子はこの形状に限定されるモノではなく設計に応じて必要に応じて縦横比を変えても良いし、複数の層に積層されていても良い。両面を銅でメタライズした弾性体基板（７０×２０×２）１−２はガラスエポキシＦＲ−４を用いた。【００２４】弾性基板上の中央部に圧電素子１−１をメタライズ面に接着した。対になる二つのユニモルフは接着面に対して分極方向を互いに反対にして接着してある。各電極表面と対面の弾性体基板のメタライズ面とはリード線１−３をはんだ付で結線した。前記内側のメタライズ面の対と外側のメタライズ面の対との間にダイオードブリッジ１−４を介してリード線１−５をはんだ付けで結線した。前記ダイオードブリッジ１−４は弾性体基板の片側の内面でセラミックを接着されていない部分にエポキシで固定した。【００２５】対になる二つのユニモルフの両端面をスペーサ（２０×５×２ｔ）１−６を介してエポキシ系接着剤で固定した。スペーサは材質として特に限定する必要はなく一定の厚みで適度の強度を持つ絶縁物質で構成することが可能である。本実施例ではベークライトを使用している。前記圧電ユニットの中央の空隙部にシリコンゴムを注入して固化させた。これで圧電ユニット１の基本が完成した。【００２６】前記ユニットの中央部に加えた荷重量と変位量から算出したバネ定数Ｋは２１０、０００（Ｎ／ｍ）であった。
人の踏みつける荷重からすれば適度のバネ性であり、充分に変位を与えることが出来る。実験によると人の荷重で１００Ｖ〜２００Ｖの電圧出力を確認した。【００２７】図４に示すように外形が縦２２０ｍｍ、横１１０ｍｍ、高さ５ｍｍで内側に３本の横棒が等間隔に格子状に形成された銅製の枠２−１の間にシリコンゴム２−２を同じ厚みになるまで充填したベース２を準備した。このベース上に本実施例で作成した発電ユニット１を図５のように１０ヶ配列した。
ベースの格子枠は各ユニットの長さ方向の軸と直交し、中央部の真下にあり、各ユニットの下側電極と電気的に接触している。上面には縦２２０ｍｍ、横１１０ｍｍで厚さ５０μｍの銅箔を被せて更にその上に縦２２０ｍｍ、横１１０ｍｍで厚みが５ｍｍの生ゴム板を載せた。前記銅箔は各ユニットの上部電極を並列に結線し、前記銅製の枠との間で電気出力端子とする構成で圧電発電マットとした。
この構成でマットを踏みつけた場合、荷重がほぼ平均に加わるが、個々のユニットについてはほぼ凹レンズ状に変形し並列接続の効果により出力電流が１０倍以上になることが確認できた。【００２８】更に、前述のマット構成で２段目にベークライト製のダミー部材３を用いて、長さの半分だけずらした位置に２段目を５ヶ、更に３段目には１段と同じ位置に１０のユニット１を配して上面には銅箔を被せて更にその上に生ゴム板を載せた。この構成を図６に模式的に示す。この場合は電池と同じように厚み方向は直列の結線ができるので、マットを踏みつけた場合の出力電圧はほぼ３倍となり重ねの効果が確認された。
【産業上の利用の可能性】
【００２９】本発明は、屋内外の施設に組み込むことによって、人や車両の通行時の圧力変化を電気エネルギーに変換することにより、この電力で発光ダイオードを点滅させて路面標示などに活用できるほか、発生する電気エネルギーをコンデンサに蓄積することにより信号処理系などの予備電源として活用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の原理に係わる変形状況の説明図
【図２】本発明の原理に係わる発電作用の説明図
【図３】本発明および実施例の発電ユニットの基本構成の斜視図および断面図
【図４】本発明および実施例の基本構成の発電マットのベース部分斜視図
【図５】本発明および実施例の基本構成の発電マットの図（ユニットとベースの組み合わせ）
【図６】本発明および実施例の基本構成の発電マットの断面図（厚み方向に積み重ねる場合）
【符号の説明】１；発電ユニット
１−１；圧電素子
１−２；弾性体基板
１−３；リード線
１−４；ダイオード
１−５；リード線
１−６；スペーサ
２；発電マットベース部
２−１；ベース部枠
２−２；ベース部変形可能部
３；ダミー部材
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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