(57)【要約】【課題】従来、圧電発電による電気エネルギーの取り出しにおいて、衝撃時の歪みのみによる圧電効果の発電が主流で、その後の減衰振動時に発生する電気エネルギーを有効に活用できずに、発電効率が低いという問題点があった。【解決手段】矩形状圧電素子の固定部品において、圧電素子を箱状のケース内に、振動の節のみでケースと圧電素子が接するように配置した凸部で支持する構造にすることにより、圧電素子に与えられた入力によって発生する振動をより長時間、低損失で維持し、圧電素子から発生する電気出力をより効率的に取り出す。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形状の圧電発電素子の箱状収納ケースの内側に設けられた前記圧電発電素子の固定部品において、前記収納ケースの内側に前記圧電発電素子の振動の節点とその近傍のみを支持固定する凸部を設置したことを特徴とする圧電発電素子用支持部品。
【請求項２】
前記圧電発電素子を支持するための凸部は、ゴム硬度が５０〜７０の弾性材を用いたことを特徴とする請求項１に記載の圧電発電素子用支持部品。
【請求項３】
矩形状の圧電発電素子の箱状収納ケースの内側に設けられた前記圧電発電素子の固定部品において、前記圧電発電素子の振動の節点の位置に対応して前記収納ケースの内側に前記圧電発電素子に接する突起が設置してあり、該突起とその近傍で弾性接着剤により前記圧電発電素子を接着固定したことを特徴とする圧電発電素子用支持部品。
【請求項４】
前記圧電発電素子を収納する箱状のケースは複数のパーツに分割されており、これらを嵌合部で組み合わせることで、圧電発電素子を箱状のケース内に固定配置する構造であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の圧電発電素子用支持部品。
【請求項５】
前記圧電発電素子を収納する箱状のケースはヒンジで結合した複数のパーツから成り、該複数のパーツを折りたたむことで、圧電発電素子を挟みこむようにして箱状のケース内に固定配置する構造であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の圧電発電素子用支持部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電材料が外力により歪みを受けたときに発生する電気エネルギーを活用するための圧電発電装置に関し、特に、圧電発電素子の支持固定部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、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おり、実用に供されつつある。従来、圧電発電素子による発電をする場合には、圧電発電素子に金属球やセラミック球などの衝撃体を衝突させる形態による発電が一般的である。そして、この時に発電した電力を発光体の点灯に利用したり、また２次電池に充電して、取り出して、利用したりしている。
【０００３】
特許公開公報平１１−２５３０７１号には、フィッシング用ルアーに圧電発電素子を内蔵した構造体が開示されている。仕組みは、ルアーの往復運動によって、組み込まれた衝撃体で圧電発電素子を打撃することによる起電力を利用し、ルアーに取り付けた発光ダイオードを点灯させる物である。また、特許公開公報平６−２０９８０７号では、圧電発電素子を靴底に取り付けて、歩いたり走ったりする動きに合わせ、組み込まれた衝撃体が圧電発電素子を打撃し、電気を発生させ発光体を発光させる発明が開示されている。また、同種の発明として特許公開公報２０００−２８７４６４号には、自転車走行中の振動からガイド内の衝撃体が圧電発電素子に衝突して、歪みを発生させることで電気エネルギーを得て、このエネルギーで発光ダイオードを点灯させることで安全走行が可能な自転車に関する発明が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の発明等においては、衝撃を受けた場合に梁の曲げ状態を実現するために、圧電発電素子の外周の少なくとも２ヶ所を支持固定している。しかしながら、該少なくとも２ヶ所の支持固定では、衝撃後の減衰振動時に発生する電気エネルギーを有効に利用することができないので、発電効率が低いという問題点がある。従って、本発明は、衝撃後の減衰振動による発電を有効に利用して、発電効率の高い圧電発電素子用支持部品を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、これらの問題を解決するために、圧電発電素子と圧電発電素子の固定部品との接触を圧電発電素子の屈曲振動の節点とその近傍部分に限定することで、衝撃後の減衰振動による電気エネルギーを有効に取り出すことができる圧電発電用素子支持部品を提供するためになされたものである。
【０００６】
本発明によれば、矩形状の圧電発電素子の箱状収納ケースの内側に設けられた前記圧電発電素子の固定部品において、前記収納ケースの内側に前記圧電発電素子の振動の節点とその近傍のみを支持する凸部を設置したことを特徴とする圧電発電素子用支持部品で、前記圧電発電素子を支持するための凸部は、ゴム硬度が５０〜７０の弾性材を用いたことを特徴とする圧電発電素子用支持部品が得られる。
【０００７】
また、本発明によれば、矩形状の圧電発電素子の箱状収納ケースの内側に設けられた前記圧電発電素子の固定部品において、前記圧電発電素子の振動の節点の位置に対応して前記収納ケースの内側に前記圧電発電素子に接する突起が設置してあり、該突起とその近傍で弾性接着剤により前記圧電発電素子を接着固定したことを特徴とする圧電発電素子用支持部品が得られる。
【０００８】
また、前記圧電発電素子を収納する箱状のケースは複数のパーツに分割されており、これらを嵌合部で組み合わせることで、圧電発電素子を箱状のケース内に固定配置する構造である事を特徴とする圧電発電素子用支持部品が得られる。
【０００９】
さらに、本発明によれば、前記圧電発電素子を収納する箱状のケースはヒンジで結合した複数のパーツから成り、該複数のパーツを折りたたむことで、圧電発電素子を挟みこむようにして箱状のケース内に固定配置する構造であることを特徴とする圧電発電素子用支持部品が得られる。
【００１０】
矩形状のバイモルフやユニモルフ等の振動子の場合、減衰振動ができる限り継続できる支持の条件としては、振動を阻害しない振動の節点での支持が望ましい。１次モードの屈曲振動では、矩形板の長さ方向の両端からおよそ四分の一の個所に振動の節点ができることが知られており、圧電発電素子においては、前記節点及びその近傍の位置で圧電発電素子を支持固定することで、残留振動を継続出来るので、高効率の圧電発電が可能となる。
【００１１】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施例の分解斜視図である。使用した圧電セラミックスは、ＮＥＣトーキン（株）製Ｎ−６材を用いた。比誘電率は１４５０、圧電定数はｇ３１＝−６×１０−３（Ｖｍ／Ｎ）である。１は圧電バイモルフで、外形寸法長さ１５ｍｍ、幅６ｍｍ、厚み１．４ｍｍであり、厚み０．７ｍｍの圧電セラミックス板２枚で構成されている。２は圧電セラミックス矩形板の表裏面に形成した電極、３はリード線を示す。
圧電バイモルフ１の中央部に金属球などを衝突させることで、圧電セラミックス矩形板の裏表の電極間２に電圧が発生し、３のリード線間で電気エネルギーとして取り出すことができる。４は本発明の圧電発電用素子支持部品の分割された一パーツで、５は圧電バイモルフの振動の節とその近傍を支持固定するための凸部で、ゴム硬度が６０のウレタンゴムを使用し、圧電バイモルフの長さの長さ方向１５ｍｍの両端より２２．４％の２カ所の振動の節点とその近傍を支持固定するように設置されている。
【００１３】
前記凸部の形状は、円錐状、半球状など、いずれの場合でも良く、圧電バイモルフの減衰振動をできるだけ妨げないように、小さな面積で支持固定することが望ましい。また、凸部５のゴム硬度は、振動の阻害と支持固定の安定性、衝突の繰り返しによる摩耗等を考慮し、ゴム硬度５０〜７０の弾性材料を使用すると高効率が得られる。６は収納ケースの内側に設置された圧電バイモルフの振動の節点に接する突起で、圧電バイモルフの長さ方向の両端より２２．４％の２カ所に接するように設置されている。本実施例では、圧電発電用素子支持部品４を２個使用し、嵌合部で組み合わせて、圧電バイモルフ１を挟み込んで組み合わせることにより、圧電バイモルフの振動の節点とその近傍を支持固定するように構成した。７は金属球を圧電バイモルフに衝突させる際に金属球の通過する穴であり、圧電発電用素子支持部品の中央部に配置されている。
【００１４】
また、図示はしないが、圧電バイモルフの振動の節点とその近傍を支持固定するための凸部５を形成せずに、収納ケースの内側に設置された前記圧電バイモルフの振動の節点に接する突起６と圧電バイモルフを弾性接着材で接着固定しても同様の効果が得られることや、圧電バイモルフを収納する箱状のケースはヒンジで結合した二つのパーツから成り、該二つのパーツを折りたたむことで、圧電発電素子を挟みこむようにして箱状のケース内に固定配置する構造でも同様の効果が得られることは容易に推察される。図２に、本発明の圧電発電用素子支持部品の組み立て斜視図を示す。
【００１５】
図３に、本発明の圧電発電用素子支持部品を用いた圧電発電装置の一形態の斜視図を示す。穴７に合わせ片端が閉塞した筒状のガイド８を配置し、この中にφ６ｍｍステンレス球９を挿入した構造である。図３の圧電発電装置を筒状のガイド８の長さ方向に往復運動させることによって、φ６ｍｍステンレス球９が筒状のガイド８の内側に沿って転がり、圧電発電用素子支持部品の中央部に配置された穴７を通過して圧電バイモルフ１に衝突し、圧電バイモルフ１の変位により発電が行われる。本実施例では、筒状のガイド８と衝撃体のステンレス球９を圧電バイモルフの表裏両側に対向して配置することで、往路と復路のそれぞれで衝撃体が圧電バイモルフに衝突して発電を行い、これを繰り返すことで連続的な発電が可能になる。
【００１６】
また、圧電バイモルフの表裏両側に片端が閉塞した筒状のガイドを設けるスペースを確保できない場合は、筒状のガイドをどちらか片側にだけ配置し、往路又は復路で１回発電する構成にすることも可能である。
【００１７】
本発明の圧電発電用素子支持部品を使用した圧電発電装置を図４に示した。比較例として圧電素子の両端２カ所をブロック１１で固定した従来構造の圧電発電装置を図５に示した。図４と図５の装置を用いて、発生する電気エネルギーを比較した。圧電バイモルフから筒状のガイドの先端までの高さは２０ｍｍで、重さ２ｇのφ６ｍｍのステンレス球をガイドの上部から圧電バイモルフに落下衝突させ、圧電素子表面に半田で接合した２本のリード線をそれぞれ１０ｋΩの抵抗Ｒｓに接続し、抵抗の端子間の電圧Ｖ（ｔ）の過渡現象を測定して、抵抗Ｒｓで消費される電気エネルギーＷｘを計算し、それぞれの方法で取り出せる電気エネルギーを比較した。
【００１８】
図６（ａ）、図６（ｂ）に、電圧Ｖ（ｔ）の過渡現象の測定結果を示す。図の縦軸は発生電圧（Ｖ）、横軸は時間をそれぞれ示す。図６（ａ）、図６（ｂ）から、ステンレス球が圧電素子に衝突した瞬間に発生する最大電圧は、どちらの場合でもほぼ同じ値を示すが、電圧の減衰に関しては本発明の圧電発電用素子支持部品を使用した場合は、約３ｍｓｅｃ電圧を発生し続けるのに対して、比較例では約１ｍｓｅｃで電圧が発生しなくなる事が分かる。これは、図６（ｂ）の従来の構造では、ステンレス球衝突後の圧電バイモルフの減衰振動が支持固定点で抑制され、圧電発電用素子支持部品を使用した場合より早く振動が停止し、電圧が発生しなくなるためである。
【００１９】
それぞれの場合に抵抗Ｒｓで消費される電気エネルギーＷｘは、抵抗Ｒｓと電圧変化Ｖ（ｔ）から数１で求められる。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
数１を用いて、本発明の圧電発電用素子支持部品を使用した場合と、比較例で得られる電気エネルギーＷｘを算出すると、本発明の圧電発電用素子支持部品を使用した場合には３０μＪで、比較例では１１μＪとなり、本発明の圧電発電用素子支持部品を使用した場合には、圧電素子の両端２カ所を固定した場合の約３倍の電気エネルギーが得られた。
【００２２】
さらに、前記図４と図５の圧電発電装置を用いて、コンデンサへの充電電気エネルギーを比較する測定を行った。図中の２本のリード線をそれぞれダイオード４本で組んだ整流ブロックに接続し整流後、１０μＦのコンデンサに接続した。重さ２ｇのφ６のステンレス球をガイドの上部から圧電素子に落下し、コンデンサ端子間電圧Ｖを観測し、これを繰り返して、それぞれの方法で取り出せる充電電気エネルギーを比較した。
【００２３】
図７に、本発明の圧電発電用素子支持部品を使用した場合と、比較例のコンデンサ端子間電圧の変化の測定結果を示す。図７から、発電回数が増えるに従ってコンデンサ端子間電圧は上昇し、発電回数が１０回目でのコンデンサ端子間電圧を比較すると、本発明の圧電発電用素子支持部品を使用した場合は４．１６Ｖであり、比較例は２．２７Ｖで、本発明の圧電発電用素子支持部品を使用した場合のほうが約２倍大きいことが分かる。
【００２４】
コンデンサに充電される電気エネルギーＥｃは、静電容量Ｃと端子間電圧Ｖから次式（１）で求められる。
【００２５】
Ｅｃ＝（ＣＶ２）／２　・・・・・・（１）
【００２６】
式（１）から計算した、本発明の圧電発電用素子支持部品を使用した場合と、比較例の充電電気エネルギーの変化を図８に示す。充電電気エネルギーＥｃは、本発明の圧電発電用素子支持部品を使用した場合は８６．５μＪで、比較例では２５．８μＪとなり、本発明の圧電発電用素子支持部品を使用した場合の方が３倍以上、大きな充電電気エネルギーを得ることができた。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、圧電素子に衝撃体を衝突させて発電する場合に、圧電素子の振動の節点及びその付近のみを支持固定した本発明の圧電発電用素子支持部品を用いることで、圧電素子の減衰振動を有効に発電に利用することができ、従来構造の圧電発電素子より２〜３倍の電気エネルギーを取り出し、充電できるので、高効率の圧電発電素子用支持部品を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の分解斜視図で、図中の太い矢印は組み立て方向を示す。
【図２】図１の組み立て後を示す斜視図。
【図３】本発明の圧電発電用素子支持部品を用いた圧電発電装置の一形態の斜視図。
【図４】本発明の圧電発電用素子支持部品を使用した圧電発電装置の一実施例を示す斜視図。
【図５】従来の圧電素子の両端２カ所をブロックで固定した圧電発電装置の一実施例を示す斜視図。
【図６】図６（ａ）は本発明の圧電発電用素子支持部品を使用した場合、図６（ｂ）は圧電素子の両端２カ所を固定した場合の端子間の電圧Ｖ（ｔ）の過渡現象の測定結果を示す図。
【図７】本発明の圧電発電用素子支持部品を使用した場合と、圧電素子の両端２カ所を固定した場合のコンデンサ端子間電圧の変化を示す図。
【図８】本発明の圧電発電用素子支持部品を使用した場合と、圧電素子の両端２カ所を固定した場合のコンデンサへの充電電気エネルギーの変化を示す図。
【符号の説明】
１　　圧電バイモルフ
２　　電極
３　　リード線
４　　圧電発電用素子支持部品の分割された一パーツ
５　　圧電バイモルフの振動の節点とその近傍を支持固定する凸部
６　　圧電バイモルフの振動の節とその近傍に接触する突起部
７　　衝撃体が通過する穴
８　　筒状のガイド
９　　ステンレス球
１０　　圧電バイモルフ
１１　　両端固定用ブロック
【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】
2004014852.tif 000009
【図７】
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【図８】
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