(57)【要約】【課題】  外部振動の方向に依存することなく、圧電素子による発電を効率よく行う。【解決手段】  圧電発電装置１には、棒状の梁７と鋼球などの衝撃物８とからなる振動子２が設けられている。梁７の一方の端部に衝撃物８が固定されており、該梁７の他方の端部は、台座４に固定されている。衝撃物８の外周部には、円筒状の圧電素子３が設けられている。外部振動によって台座４が振動すると、該台座４の半径方向における任意の振動に合わせて振動子２が振動し、該振動子２の衝撃物８が円筒状圧電素子３の内面を打撃し、その力による歪みによって圧電素子３が発電する。よって、振動子２における振動方向の依存性を小さくすることができるので、発電効率を大幅に向上することができる。【選択図】  図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の圧電素子と、
棒状の梁と、前記梁の一方の端部に固定され、前記圧電素子の内周面を打撃する衝撃物とからなる振動子と、
前記梁の他方の端部を固定する台座とを備え、
前記圧電素子は、
前記圧電素子の中心軸に鉛直な任意の円方向の振動によって振動した前記衝撃物が前記圧電素子の内周面を打撃することにより発電することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の圧電発電装置において、
前記圧電素子の断面が、円形、または三角形以上の多角形よりなることを特徴とする圧電発電装置。
【請求項３】
請求項１記載の圧電発電装置において、
少なくとも前記衝撃物によって打撃される前記圧電素子の内周面には、前記衝撃物による打撃から前記圧電素子を保護する保護膜が形成されたことを特徴とする圧電発電装置。
【請求項４】
請求項１記載の圧電発電装置において、
前記圧電素子の断面は、円形、または三角形以上の多角形よりなり、
少なくとも前記衝撃物によって打撃される前記圧電素子の内周面には、前記衝撃物による打撃から前記圧電素子を保護する保護膜が形成されたことを特徴とする圧電発電装置。
【請求項５】
筒状の衝撃壁と、
前記衝撃壁の内周面側に設けられた筒状の圧電素子と、
前記圧電素子が一方の端部に固定された棒状の梁と、
前記梁の他方の端部を固定する台座とを備え、
前記圧電素子は、
前記圧電素子の中心軸に鉛直な任意の円方向の振動によって振動し、前記衝撃壁の内周面を打撃することにより発電することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項６】
請求項５記載の圧電発電装置において、
少なくとも前記圧電素子によって打撃される前記衝撃壁の内周面には、前記衝撃物による打撃から前記圧電素子を保護する保護膜が形成されたことを特徴とする圧電発電装置。
【請求項７】
請求項５記載の圧電発電装置において、
少なくとも前記圧電素子によって打撃される前記衝撃壁の内周面に、前記衝撃物による打撃から前記圧電素子を保護する保護膜を形成し、
前記衝撃壁は、衝撃壁圧電素子よりなり、
前記衝撃壁圧電素子は、
前記圧電素子が振動によって打撃した際に発電することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項８】
請求項５記載の圧電発電装置において、
前記圧電素子の断面、および前記衝撃壁の断面は、円形、または三角形以上の多角形よりなることを特徴とする圧電発電装置。
【請求項９】
請求項５記載の圧電発電装置において、
前記衝撃壁は、衝撃壁圧電素子よりなり、
前記衝撃壁圧電素子は、
前記圧電素子が振動によって打撃した際に発電することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項１０】
請求項５記載の圧電発電装置において、
前記圧電素子の断面、および前記衝撃壁の断面は、円形、または三角形以上の多角形よりなり、
前記衝撃壁は、衝撃壁圧電素子よりなり、
前記衝撃壁圧電素子は、
前記圧電素子が振動によって打撃した際に発電することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項１１】
両端に端板が設けられた筒状の圧電素子と、
前記圧電素子に封入された衝撃物と、
前記圧電素子が一方の端部に固定された棒状の梁と、
前記梁の他方の端部を固定する台座とを備え、
前記圧電素子は、
前記圧電素子の中心軸に鉛直な任意の円方向の振動によって振動し、前記圧電素子の内周面を前記衝撃物が打撃することによって発電することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の圧電発電装置において、
前記圧電素子の端面に設けられた端板のうち、少なくとも一方が端板圧電素子からなり、
前記端板圧電素子は、
前記圧電素子の任意の方向の振動によって前記衝撃物が前記端板圧電素子を打撃することによって発電することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項１３】
請求項１１記載の圧電発電装置において、
前記圧電素子の端面に設けられた端板のうち、少なくとも一方が端板圧電素子からなり、
前記筒状の圧電素子の断面が、円形、または三角形以上の多角形よりなり、
前記端板圧電素子は、
前記圧電素子の任意の方向の振動によって前記衝撃物が前記端板圧電素子を打撃することによって発電することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項１４】
請求項１１記載の圧電発電装置において、
前記圧電素子の外周面側に設けられた筒状の衝撃壁を備え、
前記圧電素子は、
前記圧電素子の中心軸に鉛直な任意の円方向の振動によって振動し、前記圧電素子の内周面を前記衝撃物が打撃し、前記圧電素子の外周面が前記衝撃壁の内周面を打撃することにより発電することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項１５】
請求項１１記載の圧電発電装置において、
前記圧電素子の外周面側に設けられた筒状の衝撃壁を備え、
前記衝撃壁の断面は、円形、または三角形以上の多角形よりなることを特徴とする圧電発電装置。
【請求項１６】
請求項１１記載の圧電発電装置において、
前記圧電素子の外周面側に設けられた筒状の衝撃壁を備え、
前記衝撃壁の断面は、円形、または三角形以上の多角形よりなり、
前記圧電素子の端面に設けられた端板のうち、少なくとも一方が端板圧電素子からなり、
前記端板圧電素子は、
前記圧電素子の任意の方向の振動によって前記衝撃物が前記端板圧電素子を打撃することにより発電することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項１７】
請求項１１記載の圧電発電装置において、
前記圧電素子の外周面側に設けられた筒状の衝撃壁を備え、
前記衝撃壁の断面は、円形、または三角形以上の多角形よりなり、
前記筒状の圧電素子の断面は、円形、または三角形以上の多角形よりなり、
前記圧電素子の端面に設けられた端板のうち、少なくとも一方が端板圧電素子からなり、
前記端板圧電素子は、
前記圧電素子の任意の方向の振動によって前記衝撃物が前記端板圧電素子を打撃することにより発電することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項１８】
対象物の情報を取得するセンサと、
前記対象物の振動によって発電する圧電発電装置と、
前記圧電発電装置の発電によって得られた電力により動作し、センサが取得した情報を処理して出力する信号処理部とが積層された構成からなり、
前記センサは、前記対象物に最も近い位置に配置され、
前記圧電発電装置は、前記対象物から最も遠い位置に配置され、
前記信号処理部は、前記センサと前記圧電発電装置との間に配置されていることを特徴とするセンサシステム。
【請求項１９】
請求項１８記載のセンサシステムにおいて、
前記圧電発電装置は、
筒状の圧電素子と、
棒状の梁と、前記梁の一方の端部に固定され、前記圧電素子の内周面を打撃する衝撃物とからなる振動子と、
前記梁の他方の端部を固定する台座とを備え、
前記振動子は、前記圧電素子の中心軸に鉛直な任意の円方向の振動によって前記衝撃物が振動し、前記圧電素子は、前記衝撃物が前記圧電素子の内周面を打撃することにより発電することを特徴とするセンサシステム。
【請求項２０】
請求項１８記載のセンサシステムにおいて、
前記圧電発電装置は、
筒状の圧電素子と、
棒状の梁と、前記梁の一方の端部に固定され、前記圧電素子の内周面を打撃する衝撃物とからなる振動子と、
前記梁の他方の端部を固定する台座とを備え、
前記圧電素子は、前記圧電素子の中心軸に鉛直な任意の円方向の振動によって振動した前記衝撃物が前記圧電素子の内周面を打撃することにより発電し、
前記センサシステムは、円柱状よりなり、外周面に形成されたネジによって前記対象物の設けられた筒状の取り付け継ぎ手に締結され、前記センサシステムの中心軸と前記取り付け用継ぎ手の中心軸とが同一直線状にあることを特徴とするセンサシステム。
【請求項２１】
請求項１８記載のセンサシステムにおいて、
前記圧電発電装置は、
筒状の衝撃壁と、
前記衝撃壁の内周面側に設けられた筒状の圧電素子と、
前記圧電素子が一方の端部に固定された棒状の梁と、
前記梁の他方の端部を固定する台座とを備え、
前記圧電素子は、
前記圧電素子の中心軸に鉛直な任意の円方向の振動によって振動し、前記衝撃壁の内周面を打撃することにより発電することを特徴とするセンサシステム。
【請求項２２】
請求項１８記載のセンサシステムにおいて、
前記圧電発電装置は、
筒状の衝撃壁と、
前記衝撃壁の内周面側に設けられた筒状の圧電素子と、
前記圧電素子が一方の端部に固定された棒状の梁と、
前記梁の他方の端部を固定する台座とを備え、
前記圧電素子は、
前記圧電素子の中心軸に鉛直な任意の円方向の振動によって振動し、前記衝撃壁の内周面を打撃することにより発電し、
前記センサシステムは、円柱状よりなり、外周面に形成されたネジによって前記対象物の設けられた筒状の取り付け継ぎ手に締結され、前記センサシステムの中心軸と前記取り付け用継ぎ手の中心軸とが同一直線状にあることを特徴とするセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的な振動エネルギを電気エネルギに変換する発電技術に関し、特に、振動エネルギにより圧電素子を打撃し歪ませることで電気を発生させる発電に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、圧電素子による発電装置は、板状の圧電素子の一端を固定し外力により固定端を振動させ、自由端を共振させ圧電素子を変形することで発電を行ったり、あるいは板状の圧電素子を鋼体により打撃して圧電素子を変形させることで発電を行っていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、上記のような圧電素子による発電技術では、次のような問題点があることが本発明者により見い出された。
【０００４】
すなわち、板状の圧電素子を用いた発電装置では、機械的な振動エネルギを用いて板状の圧電素子を変形することで発電を行っていたが、このような板状の圧電素子の場合、外部振動と圧電素子の変形方向とを同一方向にそろえる必要があり、外部振動と圧電素子の変形方向とが設置時にずれたり、外部振動の方向が時間によって変化する場合、効率的に発電することができないという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、外部振動の方向に依存することなく、圧電素子による発電を効率よく行うことのできる圧電発電の技術を提供することにある。
【０００６】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【０００８】
本発明による圧電発電装置は、筒状の圧電素子と、棒状の梁と、該梁の一方の端部に固定され、圧電素子の内周面を打撃する衝撃物とからなる振動子と、梁の他方の端部を固定する台座とを備え、圧電素子は、該圧電素子の中心軸に鉛直な任意の円方向の振動によって衝撃物が圧電素子の内周面を打撃することにより発電するものである。
【０００９】
また、本願のその他の発明の概要を簡単に示す。
【００１０】
本発明による圧電発電装置は、筒状の衝撃壁と、該衝撃壁の内周面側に設けられた筒状の圧電素子と、該圧電素子が一方の端部に固定された棒状の梁と、該梁の他方の端部を固定する台座とを備え、圧電素子は、該圧電素子の中心軸に鉛直な任意の円方向の振動によって振動し、衝撃壁の内周面を打撃することにより発電するものである。
【００１１】
また、本発明による圧電発電装置は、両端に端板が設けられた筒状の圧電素子と、該圧電素子に封入された衝撃物と、圧電素子が一方の端部に固定された棒状の梁と、該梁の他方の端部を固定する台座とを備え、圧電素子は、該圧電素子の中心軸に鉛直な任意の円方向の振動によって振動し、圧電素子の内周面を衝撃物が打撃することによって発電するものである。
【００１２】
さらに、本発明によるセンサシステムは、対象物の情報を取得するセンサと、対象物の振動によって発電する圧電発電装置と、該圧電発電装置の発電によって得られた電力により動作し、センサが取得した情報を処理して出力する信号処理部とが積層された構成からなり、センサは、対象物に最も近い位置に配置され、圧電発電装置は、対象物から最も遠い位置に配置され、信号処理部は、センサと圧電発電装置との間に配置されているものである。
【発明の効果】
【００１３】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１４】
（１）自由度の高い振動子を用いることにより、発電における外部振動の方向による依存性を大幅に小さくすることができ、設置や調整の手間を軽減および不要にすることができ、圧電発電装置における設置容易性を向上させることができる。
【００１５】
（２）また、外部振動の方向による依存性が小さくなることによって、外部振動に対してフレキシブルに発電することができるので、圧電発電装置の発電効率を大幅に向上させることができる。
【００１６】
（３）さらに、取り付ける対象物から最も遠い位置に圧電発電装置を配置してセンサシステムを構成することにより、センサシステムにおける電力を効率よく供給することができる。
【００１７】
（４）また、センサシステムをネジによって対象物に締結することによって、発電効率を落とすことなく、該センサシステムの取り付けを容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による圧電発電装置の構成を示す断面図、図２は、図１の圧電発電装置における上面図、図３は、図１の圧電発電装置における他の構成例を示す上面図である。
【００２０】
本実施の形態１において、圧電発電装置１は、機械的な振動エネルギを電気エネルギに変換する。圧電発電装置１は、図１に示すように、振動子２、圧電素子３、台座４、スペーサ５、および配線６から構成されている。
【００２１】
振動子２は、梁７、および衝撃物８から構成されている。梁７は、円柱あるいは円筒棒状からなり、一方の端部には衝撃物８が固定されている。衝撃物８は、たとえば、鋼球などからなる。
【００２２】
圧電素子３は、たとえば、円筒状からなり、力が加えられて歪むことにより、電気エネルギを発生する。台座４は、一方の端面に底面を有する中空円柱状からなり、該台座４内面の上部には、等間隔に配置された複数のスペーサ５を介して圧電素子３が固定されている。台座４の底には、梁７の他方の端部が固定されている。圧電素子３には、該圧電素子３が発生した電気エネルギを取り出す配線６が接続されている。
【００２３】
図２は、圧電発電装置１の構成を示す上面図である。
【００２４】
図示するように、衝撃物８は、圧電素子３の中心に位置するように設けられている。この衝撃物８の配置は、必ずしも圧電素子３の中心になくても構わないが、振動子２のつりあいの状態において衝撃物８は圧電素子３の中心にあることが望ましい。
【００２５】
また、衝撃物８は球状でなくてもよく任意の形状で構わないが、前述振動子２のつりあいの状態において衝撃物８の圧電素子３を打撃する面が均一の距離であることが望ましい。圧電素子３と台座４との間には、固定用のスペーサ５があることが望ましいが、スペーサ５が無く、直接圧電素子３と台座４とを固定しても構わない。圧電素子３の内面、および外面には、配線６がそれぞれ接続されている。
【００２６】
また、圧電素子３は、分割された複数の圧電素子を組み合わせて円筒状に形成するようにしてもよく、分割されている場合には、分割した各々の圧電素子の内面、ならびに外面に形成された電極に配線を接続するものとする。
【００２７】
次に、本実施の形態による圧電発電装置１の作用について説明する。
【００２８】
まず、外部からの振動によって台座４が振動すると、該台座４の半径方向における任意の振動に合わせて振動子２が振動する。そして、振動子２の振動が一定以上になると該振動子２の衝撃物８が円筒状圧電素子３の内面を打撃し、その力による歪みによって圧電素子３が発電する。
【００２９】
この衝撃物８による打撃は、振動子２の１回の振動で圧電素子３内面を打撃しても、ｎ回に一回の振動で圧電素子３内面を打撃しても構わない。
【００３０】
衝撃物８の材質は、金属やセラミックスなど硬度の高いものが望ましく、少なくとも圧電素子３を打撃した際に発電を起こすものが望ましい。梁７は、軟鉄、りん青銅などの金属を用いるが、特にバネ性を有するバネ用軟鉄、バネ用りん青銅などが望ましい。圧電素子３の材料は、チタンジルコン酸鉛、チタン酸鉛、あるいはメタニオブ酸鉛などの圧電素子を用いる。
【００３１】
図３は、圧電発電装置１ａにおける他の構成例を示す上面図である。
【００３２】
圧電発電装置１ａは、図１と同様に、振動子２、圧電素子３ａ、台座４ａ、スペーサ５、および配線６から構成されている。また、振動子２は、梁７（図１）、ならびに衝撃物９から構成されている。
【００３３】
この場合、図１と異なる点は、圧電素子３ａ、台座４ａ、ならびに衝撃物９の形状である。台座４ａは底付きの中空四角柱状からなり、圧電素子３ａも四角形の筒状からなる。衝撃物９も同様に筒状の四角形からなる。
【００３４】
そして、図１と同様に台座４ａにおける任意の振動に合わせて振動子２が振動することにより、振動子２の衝撃物９が圧電素子３ａの内面を打撃し、該圧電素子３ａが発電することになる。
【００３５】
ここで、圧電発電装置１ａにおいても、図１で述べたように、スペーサ５を介さず直接圧電素子３ａと台座４ａとを固定するようにしてもよい。また、衝撃物９は任意の形状で構わず、たとえば、四角形の筒状の圧電素子３ａ、三角形以上任意のｎ角形の筒、あるいは楕円形の筒などあっても構わない。
【００３６】
それにより、本実施の形態１においては、振動子２における振動方向の依存性を小さくすることができるので、圧電発電装置１，１ａの発電効率を大幅に向上することができる。
【００３７】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２による圧電発電装置の構成を示す断面図、図５は、図４の圧電発電装置における上面図、図６は、図４の圧電発電装置における他の構成例を示す上面図である。
【００３８】
本実施の形態２において、圧電発電装置１ｂは、図４に示すように、振動子２、台座４、スペーサ５、配線６、および円筒（衝撃壁）１０から構成されている。
【００３９】
この場合、振動子２は、圧電素子１１、蓋１２、ならびに梁１３から構成されている。圧電素子１１は、円筒状からなり、該圧電素子１１における円筒状の一方の底面には、硬質の蓋１２が設けられている。圧電素子１１には、該圧電素子１１が発生した電気エネルギを取り出す配線６が接続されている。
【００４０】
蓋１２には、円柱あるいは円筒棒状の梁１３の一方の端部が固定されている。台座４は、一方の端面に底面を有する中空円柱状からなり、該台座４の底には、梁１３の他方の端部が固定されている。台座４内面の上部には、等間隔に配置された複数のスペーサ５を介して、硬質の円筒１０が固定されている。
【００４１】
図５は、圧電発電装置１ｂの構成を示す上面図である。
【００４２】
圧電素子１１は、図示するように、円筒１０の中心に配置されている。この圧電素子１１の配置は必ずしも円筒１０の中心になくても構わないが、振動子２のつりあいの状態において円筒１０の中心にあることが望ましい。
【００４３】
次に、本実施の形態による圧電発電装置１ｂの作用について説明する。
【００４４】
まず、外部からの振動によって台座４が振動すると、該台座４の半径方向における任意の振動に合わせて振動子２が振動する。そして、振動子２の振動が一定以上になると該振動子２の圧電素子１１が円筒１０の内面を打撃し、該圧電素子１１が発電する。
【００４５】
圧電素子１１の材質は、前記実施の形態１と同様に、チタンジルコン酸鉛、チタン酸鉛、またはメタニオブ酸鉛などの圧電素子を用いる。梁１３は、軟鉄、りん青銅などの金属を用いるが、特にバネ性を有するバネ用軟鉄、バネ用りん青銅などが望ましい。
【００４６】
円筒１０は、金属など硬度の高いものが望ましく、少なくとも圧電素子１１が円筒１０を打撃した際に発電を起こすものが望ましい。
【００４７】
また、円筒１０は、金属などではなく、たとえば、圧電素子（衝撃壁圧電素子）であってもよい。そして、圧電素子１１が、圧電素子である円筒１０を打撃することで、圧電素子１１、および圧電素子からなる円筒１０の両方が発電することになる。
【００４８】
この場合、圧電素子からなる円筒１０にも、配線を接続して電気エネルギを取り出す。さらに、圧電素子からなる円筒１０は、多分割されていても構わなく、分割されている場合は分割した各々の圧電素子から電極が取られることになる。
【００４９】
図６は、圧電発電装置１ｃにおける他の構成例を示す上面図である。
【００５０】
圧電発電装置１ｃは、図４と同様に、振動子２、台座４ｂ、スペーサ５、配線６、および筒１４（衝撃壁）から構成されており、該振動子２は、圧電素子１１ａ、蓋１２ａ、および梁１３からなる。
【００５１】
この場合、図４と異なる点は、台座４ｂ、圧電素子１１ａ、蓋１２ａ、および筒１４の形状である。台座４ｂは底付きの中空四角柱状からなる。同様に、圧電素子１１ａも四角形の筒状からなり、蓋１２ａも四角形状からなる。筒１４は額縁状の四角形からなる。
【００５２】
そして、図４と同様に台座４ｂにおける任意の振動に合わせて振動子２が振動することにより、振動子２の圧電素子１１ａが筒１４の内面を打撃し、該圧電素子１１ａが発電することになる。
【００５３】
ここで、圧電発電装置１ｃにおいても、図３で述べたようにスペーサ５を介さず直接、圧電素子１１ａと台座４ｂとを固定するようにしてもよい。また、圧電素子１１ａ、あるいは筒１４は、三角形以上任意のｎ角形の筒、あるいは楕円形の筒でも構わない。
【００５４】
さらに、筒１４は、たとえば、圧電素子であってもよい。この場合、圧電素子からなる筒１４にも配線を接続して電気エネルギを取り出す。そして、圧電素子１１ａが、圧電素子の筒１４を打撃することで、圧電素子１１ａ、および圧電素子の筒１４の両方が発電することになる。圧電素子からなる筒１４は、多分割されていても構わなく、分割されている場合は分割した各々の圧電素子から電極が取られることになる。
【００５５】
それにより、本実施の形態２においても、振動子２における振動方向の依存性を小さくすることができるので、圧電発電装置１ｂ，１ｃの発電効率を大幅に向上することができる。
【００５６】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３による圧電発電装置の構成を示す断面図、図８は、図７の圧電発電装置におけるＡ−Ａ’断面図、図９は、図７の圧電発電装置における他の構成例を示す断面図である。
【００５７】
本実施の形態３において、圧電発電装置１ｄは、図７、図８に示すように、圧電素子１５、蓋（端板）１６，１７、鋼球（衝撃物）１８、梁１９、および台座２０から構成されている。台座２０は板状からなり、該台座２０の中心部には、円柱あるいは円筒棒状からなる梁１９の一方の端部が固定されている。
【００５８】
圧電素子１５は、円筒状からなり、該圧電素子１５の円筒端には、蓋１６，１７がそれぞれ設けられている。これら圧電素子１５、ならびに蓋１６，１７によって作られた空間内部には鋼球１８が封入されおり、蓋１７には、梁１９の他方の端部が固定されている。図７では、２つの鋼球１８が封入された構成としているが、該鋼球１８は１個以上であれば複数個であっても構わない。
【００５９】
また、圧電素子１５、蓋１６，１７、ならびに梁１９によって振動子が構成されており、該振動子は、圧電素子１５の半径方向の外部振動にあわせて振動する。
【００６０】
次に、本実施の形態による圧電発電装置１ｄの作用について説明する。
【００６１】
まず、外部からの振動によって台座４が振動すると、梁１９の半径方向における任意の振動に合わせて振動子が振動する。振動子の振動が一定以上になると、鋼球１８が圧電素子１５内面を打撃し、該圧電素子１５が発電する。
【００６２】
振動子は、１回の振動で鋼球１８が圧電素子１５の内面を打撃しても、あるいはｎ回に１回の振動で鋼球１８が圧電素子１５の内面を打撃しても構わない。
【００６３】
圧電素子１５の材質は、チタンジルコン酸鉛、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛などの圧電素子を用いる。梁１９は、軟鉄、りん青銅などの金属を用いるが、特にバネ性を有するバネ用軟鉄、バネ用りん青銅などが望ましい。鋼球１８は、硬度の高いものが望ましく、少なくとも鋼球１８が圧電素子１５の内面を打撃した際に発電を起こすものが望ましい。
【００６４】
また、圧電素子１５は多分割されていても構わなく、分割されている場合は分割した各々の圧電素子から電極を取る。分割した各々の圧電素子の間隔は、鋼球１８の直径より小さくなくてはならない。なお、発電した電気エネルギを取り出す配線は、図４の配線６と同様にして配置する。
【００６５】
さらに、蓋１６，１７を圧電素子（端板圧電素子）で構成すれば、梁１９の中心軸方向の振動により、鋼球１８が上下振動し、圧電素子からなる蓋１６，１７を打撃して発電することになる。これにより、発電効率をより向上させることができる。
【００６６】
図９は、圧電発電装置１ｅの他の構成例を示す上面図である。
【００６７】
圧電発電装置１ｅは、図７と同様に、圧電素子１５ａ、蓋１７ａ、鋼球１８、梁１９、および台座２０（図７）から構成されている。この場合、図７と異なる点は、圧電素子１５ａ、および蓋１７ａの形状である。
【００６８】
圧電素子１５ａは、四角形の筒状からなり、それに合わせて蓋１７ａも四角形状からなる。この蓋１７ａは、圧電素子１５ａの底面だけでなく、上面にも設けられており、これら圧電素子１５、ならびに２つの蓋１７ａによって作られた空間内部には鋼球１８が封入されている。
【００６９】
そして、図７と同様に、台座における任意の振動に合わせて振動子が振動することにより、圧電素子１５ａの内面を鋼球１８が打撃し、該圧電素子１５ａが発電することになる。ここで、圧電発電装置１ｅにおいても、圧電素子１５ａは、三角形以上任意のｎ角形の筒、あるいは楕円形の筒であってもよい。
【００７０】
それにより、本実施の形態３によれば、振動子における振動方向の依存性をなくすことができるので、圧電発電装置１ｄ，１ｅの発電効率をより大幅に向上することができる。
【００７１】
（実施の形態４）
図１０は、本発明の実施の形態４による圧電発電装置の断面図、図１１は、図１０の圧電発電装置におけるＡ−Ａ’断面図である。
【００７２】
本実施の形態４において、圧電発電装置１ｆは、図１０に示すように、圧電素子１５、蓋１６，１７、鋼球１８、および梁１９からなる前記実施の形態３（図７）と同様の構成に、台座２１、円筒（衝撃壁）２２、スペーサ２３が新たに設けられた構成からなる。
【００７３】
圧電素子１５、蓋１６，１７、鋼球１８、および梁１９の構造については、前記実施の形態３（図７）と同様であるので説明は省略する。また、台座２１は、一方の端面に底面を有する中空円柱状からなり、該台座４の底には、梁１９の他方の端部が固定されている。
【００７４】
また、台座２１内面の上部には、等間隔に配置された複数のスペーサ２３を介して、硬質の円筒２２が固定されている。この円筒２２は、梁１９の塑性変形防止用ストッパとして設けられている。
【００７５】
たとえば、圧電素子１５、蓋１６，１７、ならびに梁１９で構成される振動子の振動が一定以上になると、梁１９が材料の耐性を超えてしまう。このため、梁１９が塑性変形をしない位置に円筒２２を配置することにより、梁１９の塑性変形防止用のストッパとして機能させるものである。
【００７６】
図１１は、圧電発電装置１ｆの断面図である。
【００７７】
図示するように、台座２１の中心に圧電素子１５が配置されている。この圧電素子１５の配置は必ずしも台座２１の中心になくても構わないが、振動子のつりあいの状態において硬質な台座２１の中心にあることが望ましい。
【００７８】
次に、本実施の形態による圧電発電装置１ｆの作用について説明する。
【００７９】
まず、外部からの振動によって台座２１が振動すると、該台座２１の半径方向における任意の振動に合わせて振動子が振動する。そして、振動子の振動が一定以上になると、鋼球１８が圧電素子１５の内面を打撃するとともに、円筒２２によって圧電素子１５の表面が打撃され、該圧電素子１５が発電する。
【００８０】
さらに、円筒２２が円筒状圧電素子であっても構わなく、この場合、鋼球１８が圧電素子１５の内面を打撃して発電し、圧電素子１５が圧電素子からなる円筒２２を打撃することで、圧電素子１５と圧電素子の円筒２２との両方が発電することになる。
【００８１】
また、振動子１回の振動で圧電素子１５が圧電素子の円筒２２の内面を打撃しても、ｎ回に１回の振動で圧電素子１５が該円筒２２の内面を打撃しても構わない。なお、圧電素子１５が発電した電気エネルギを取り出す配線は、図４の配線６と同様に配置する。同様に、圧電素子からなる円筒２２にも配線を接続して電気エネルギを取り出す。
【００８２】
さらに、蓋１６，１７を圧電素子によって構成することにより、梁１９の中心軸方向の振動により鋼球１８が上下振動して圧電素子からなる蓋１６，１７の内面を打撃し、より効率よく発電することができる。ここで、鋼球１８は１個以上であれば複数個であっても構わない。
【００８３】
それにより、本実施の形態４では、圧電素子１５の内面、および表面の両面によって発電することができるので、圧電発電装置１ｆの発電効率をより大幅に向上させることができる。
【００８４】
また、圧電発電装置１ｇにおいては、たとえば、図１２、図１３に示すように、圧電素子１５、蓋１６，１７、ならびに鋼球１８によって構成するようにしてもよい。この場合、圧電発電装置１ｇは、図７の圧電発電装置１ｄの構成に、梁１９と台座２０とを除いたものと同様の構成からなる。
【００８５】
圧電素子１５は多分割されていても構わなく、分割されている場合は分割した各々の圧電素子から電極を取り、分割した各々の圧電素子の間隔は鋼球１８の直径より小さくなくてはならない。なお、発電した電気エネルギを取り出す配線は、図４の配線と同様である。
【００８６】
この場合、発電は、図７の圧電発電装置１ｄと同様に、圧電素子１５の半径方向における任意の振動が一定以上になると、鋼球１８が圧電素子１５を打撃することによって行われる。
【００８７】
さらに、前記実施の形態１３で述べたように、蓋１６，１７を圧電素子で構成すれば、圧電素子１５の中心軸方向の振動により、鋼球１８が上下振動し、圧電素子の蓋１６，１７を打撃し、より効率よく発電することができる。
【００８８】
また、圧電発電装置１ｇは、図１４に示すように、四角形の筒状からなる圧電素子１５ａ、および四角形状の蓋１７ａによって構成するようにしてもよい。この場合も、これら圧電素子１５ａ、ならびに２つの蓋１７ａによって作られた空間内部には鋼球１８が封入さている。圧電素子１５ａは、四角形の筒状だけでなく、三角形以上任意のｎ角形の筒、あるいは楕円形の筒からなる形状でも構わない。
【００８９】
（実施の形態５）
図１５は、本発明の実施の形態５による圧電発電装置の断面図である。
【００９０】
本実施の形態５において、圧電発電装置１ｈは、図１５に示すように、梁７と衝撃物８とからなる振動子２、圧電素子３、台座４、スペーサ５、および配線６からなる前記実施の形態１の圧電発電装置１（図１）と同様の構成に、保護膜２４が新たに設けられている。
【００９１】
この保護膜２４は、圧電素子の内面側壁に形成されており、該保護膜２４は、衝撃物８が圧電素子３の内面を打撃する際の衝撃から該圧電素子３を保護する。また、保護膜２４は、圧電素子２４の内面すべてを覆う、あるいは衝撃物８が打撃する位置にのみ用いても構わない。
【００９２】
それにより、本実施の形態５によれば、保護膜２４を設けることにより、圧電発電装置１ｈの信頼性を向上させることができる。
【００９３】
また、本実施の形態５における保護膜２４は、たとえば、前記実施の形態１〜４における図３〜図１４の圧電発電装置の打撃面に形成するようにしてもよい。
【００９４】
（実施の形態６）
図１６は、本発明の実施の形態６による圧電発電システムの構成を示すブロック図、図１７は、図１６の圧電発電システムに設けられた整流／蓄電回路の一例を示す回路図、図１８は、本発明の実施の形態６によるセンサシステムの一例を示す説明図、図１９は、図１８のセンサシステムにおける設置例を示す説明図、図２０は、図１８のセンサシステムにおける構成の一例を示すブロック図、図２１は、図１８のセンサシステムを用いた構成されたセンサネットワークシステムの一例を示す構成図である。
【００９５】
本実施の形態５において、圧電発電システム２５は、機械エネルギを電気エネルギに変換して蓄電する発電システムである。圧電発電システム２５は、図１６に示すように、圧電発電装置２６、および整流／蓄電回路２７から構成されている。
【００９６】
圧電発電装置２６は、たとえば、前記実施の形態１〜６における圧電発電装置１〜１ｈのいずれか１つからなる。整流／蓄電回路２７は、外部振動により圧電発電装置２６が得た電気エネルギを整流して蓄電する。
【００９７】
図１７は、整流／蓄電回路２７の一例を示す回路図である。
【００９８】
整流／蓄電回路２７は、整流用ダイオード２８〜３１、充電用容量３２、およびツェナーダイオード３３から構成されている。圧電発電装置２６が発電した電気エネルギは一般的に交流であるので、ダイオードブリッジが構成された整流用ダイオード２８〜３１で整流し、充電用容量３２に蓄電する。
【００９９】
そして、充電用容量３２に蓄電された電気エネルギによって負荷ＬＤを駆動する。ツェナーダイオード３３は、耐圧保護用に設けられており、ダイオード２８〜３１、ならびに充電用容量３２の耐圧を超えないようにするためのものである。
【０１００】
図１８は、圧電発電システム２５を用いて構成したセンサシステム３４の一例を示す説明図である。
【０１０１】
センサシステム３４は、たとえば、振動がある場所において用いられ、発電した電気エネルギを充電し、電力が蓄えられたら、所得した情報をサーバなどに送信するシステムである。
【０１０２】
センサシステム３４は、圧電発電装置２６、半導体集積回路装置（信号処理部）３５、充電用容量（信号処理部）３２、センサ３６、および通信用アンテナ（信号処理部）３７から構成されている。センサシステム３４の最上部には、圧電発電装置２６が位置している。
【０１０３】
この圧電発電装置２６の下部には、半導体集積回路装置３５が設けられており、該半導体集積回路装置３５の下部には、充電用容量３２が設けられており、最下部には、センサ３６が設けられている。このセンサ３６の下部には、取り付け用のネジ山などが形成されている。
【０１０４】
センサシステム３４は、たとえば、円筒状からなり、通信用アンテナ３７は、該センサシステム３４の外周部に螺旋状に形成されている。そして、通信用アンテナ３７を介してセンサ３６が取得した情報が送信される。
【０１０５】
図１９は、センサシステム３４の設置例を示した説明図である。
【０１０６】
図１９においては、ガスなどの配管Ｈにセンサシステム３４が取り付けられている。配管（対象物）Ｈには、センサシステム３４を取り付けるセンサ取り付け用配管（取り付け用継ぎ手）Ｈ１が設けられている。このセンサ取り付け用配管Ｈ１には、センサ３６の取り付け用ネジに対応する内部ネジ溝が設けられており、センサ３６は、ネジ作用によってセンサ取り付け用配管Ｈ１に固定される。
【０１０７】
配管Ｈが振動すると、圧電発電装置２６によって発電した電気エネルギを半導体集積回路装置３５において整流し、充電容量量３２によってある電力量まで充電される。そして、電力が蓄えられたら、センサ３６を動作させることによって情報を所得する。
【０１０８】
配管Ｈにガスなどを流すと一般的に該配管Ｈだけでなく、センサシステム３４が取り付けられたセンサ取り付け用配管Ｈ１も振動する。このセンサ取り付け用配管Ｈ１の振動は、センサ取り付け用配管Ｈ１の半径方向が大きいが向きは一定していない。
【０１０９】
この場合、センサシステム３４においては、圧電発電装置２６を用いて構成することによって半径方向の振動がどの向きであっても発電可能であるため、配管Ｈに設置する際に該配管Ｈの振動方向を気にせずに設置することができる。
【０１１０】
よって、配管Ｈなどにセンサシステム３４を取り付ける際の手段がネジ式でよくなるので、センサシステム３４の取り付け構造が簡単化され、かつ取り付けを容易に行うことができ、工数、およびコストを大幅に削減することができる。
【０１１１】
また、センサシステム３４においては、圧電発電装置２６をセンサ３６から最も遠い位置に設けた構成としたが、これは、該センサシステム３４をセンサ取り付け用配管Ｈ１に取り付けた際に、配管Ｈから最も離れた位置に圧電発電装置２６が配置されるようにするためである。これにより、震動源である配管Ｈからの位置が離れることにより、センサシステム３４の中で最も振動が大きくなり、発電量を大きくすることができる。
【０１１２】
図２０は、センサシステム３４における構成の一例を示すブロック図である。
【０１１３】
半導体集積回路装置３５は、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ）変換器３８、電源制御回路３９、マイクロプロセッサ４０、無線送受信回路４１、およびメモリ４２から構成されている。半導体集積回路装置３５は、１チップに集積化することに限定されるものではなく、複数チップで実現してもよい。また、圧電発電装置２６、充電用容量３２、センサ３６は、半導体集積回路で実現しても構わなく、半導体集積装置３５と１チップに集積化しても、複数チップで実現してもよい。
【０１１４】
マイクロプロセッサ４０は、Ａ／Ｄ変換器３８、電源制御回路３９、無線送受信回路４１、ならびにメモリ４２にそれぞれ接続されている。Ａ／Ｄ変換器３８には、センサ３６が接続されており、無線送受信回路４１には、アンテナ３７が接続されている。また、電源制御回路３９には、圧電発電装置２６、および充電容量量３２がそれぞれ接続されている。
【０１１５】
マイクロプロセッサ４０は、メモリ４２に格納されたプログラムに基づいて半導体集積回路装置３５におけるすべての制御を司る。なお、マイクロプロセッサ４０は、センサシステム３４の識別情報の記録や一定間隔の信号を発生させるタイマなどを有する。
【０１１６】
Ａ／Ｄ変換器３８は、センサ３６が取得したアナログの情報をデジタル値に変換する。電源制御回路３９は、整流／蓄電回路２７（図１７）における整流用ダイオード２８〜３１やツェナーダイオード３３などが設けられており、圧電発電装置２６から供給される電力の蓄電制御を行う。無線送受信回路４１は、データの送受信を行い、アンテナ３７を介して通信を行う。メモリ４２は、プログラムの記録やプログラム実行時におけるデータを一時記録する。
【０１１７】
センサシステム３４においては、圧電発電装置２６を電源として用いるため、電池などの電源交換を不要とすることができる。また、無線により外部との通信を行うことによって、センサシステム３４をパワーフリー、およびワイヤーフリーにすることが可能となる。
【０１１８】
図２１は、センサシステム３４を用いたセンサネットワークシステム４３の一例を示す構成図である。
【０１１９】
センサネットワークシステム４３は、ｎ個のセンサシステム３４、ｍ個の基地局端末４４、ネットワーク４５、システム制御装置４６、および制御情報データベース４７から構成されている。
【０１２０】
基地局端末４４は、任意のエリア毎に１つずつ設けられており、該エリアに設けられた少なくとも１つのセンサシステム３４から無線で送信された各種情報を受信する。基地局端末４４は、ネットワーク４５を介してシステム制御装置４６に接続されている。
【０１２１】
システム制御装置４６は、各基地局端末４４の情報を受信し、所望のデータに加工する。システム制御装置４６には、制御情報データベース４７が接続されている。この制御情報データベース４７は、システム制御装置４６によって加工された様々なデータを格納する。
【０１２２】
また、各々のセンサシステム３４は、センサ３６により外部情報を採取した際に、センサ測定値、センサ測定時刻、センサネット端末識別情報などを一定の時間間隔で送信する。
【０１２３】
基地局端末４４は、センサシステム３４より先述した各種情報を受信した際に、センサ測定値、センサ測定時刻、センサネット端末識別情報などに加え、無線パケット受信時刻、無線パケットを受信した基地局端末４４毎のユニークな識別情報などの情報を付加してネットワーク４５に送信する。
【０１２４】
ネットワーク４５を介して送信されたこれらの情報は、システム制御装置４６によって処理された後、制御情報データベース４７に格納される。このように、センサシステム３４を様々な場所に数多く設置することにより、電池交換、および配線が不要なセンサネットワークシステム４３を実現することが可能となる。
【０１２５】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【０１２６】
たとえば、図１〜図６、図１０、および図１５で示した圧電発電装置においては、圧電素子を台座の内面にスペーサを介して固定する構成としたが、図２２に示すように、円盤状の台座４８に中空円柱状の圧電素子４９をスペーサ５０を介して固定する構成としてもよい。この場合、圧電発電装置１ｉには、梁７、および衝撃物８からなる振動子２が、台座４８の中心部に設けられている。
【０１２７】
また、圧電素子４９の台座４８への固定は、スペーサ５０を介さずに直接固定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本発明の実施の形態１による圧電発電装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１の圧電発電装置における上面図である。
【図３】図１の圧電発電装置における他の構成例を示す上面図である。
【図４】本発明の実施の形態２による圧電発電装置の構成を示す断面図である。
【図５】図４の圧電発電装置における上面図である。
【図６】図４の圧電発電装置における他の構成例を示す上面図である。
【図７】本発明の実施の形態３による圧電発電装置の構成を示す断面図である。
【図８】図７の圧電発電装置におけるＡ−Ａ’断面図である。
【図９】図７の圧電発電装置における他の構成例を示す上面図である。
【図１０】本発明の実施の形態４による圧電発電装置の断面図である。
【図１１】図１０の圧電発電装置におけるＡ−Ａ’断面図である。
【図１２】本発明の他の実施の形態による圧電発電装置の構成を示す断面図である。
【図１３】図１２の圧電発電装置におけるＡ−Ａ’断面図である。
【図１４】図１２の圧電発電装置における他の構成例を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態５による圧電発電装置の断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態６による圧電発電システムの構成を示すブロック図である。
【図１７】図１６の圧電発電システムに設けられた整流／蓄電回路の一例を示す回路図である。
【図１８】本発明の実施の形態６によるセンサシステムの一例を示す説明図である。
【図１９】図１８のセンサシステムにおける設置例を示す説明図である。
【図２０】図１８のセンサシステムにおける構成の一例を示すブロック図である。
【図２１】図１８のセンサシステムを用いた構成されたセンサネットワークシステムの一例を示す構成図である。
【図２２】本発明の他の実施の形態による圧電発電装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１  圧電発電装置
１ａ〜１ｉ  圧電発電装置
２  振動子
３  圧電素子
３ａ  圧電素子
４  台座
４ａ  台座
４ｂ  台座
５  スペーサ
６  配線
７  梁
８  衝撃物
９  衝撃物
１０  円筒（衝撃壁）
１１  圧電素子
１１ａ  圧電素子
１２  蓋
１２ａ  蓋
１３  梁
１４  筒（衝撃壁）
１５  圧電素子
１５ａ  圧電素子
１６，１７  蓋（端板）
１７ａ  蓋
１８  鋼球
１９  梁
２０  台座
２１  台座
２２  円筒（衝撃壁）
２３  スペーサ
２４  保護膜
２５  圧電発電システム
２６  圧電発電装置
２７  整流／蓄電回路
２８〜３１  整流用ダイオード
３２  充電用容量（信号処理部）
３３  ツェナーダイオード
３４  センサシステム
３５  半導体集積回路装置（信号処理部）
３６  センサ
３７  通信用アンテナ（信号処理部）
３８  Ａ／Ｄ変換器
３９  電源制御回路
４０  マイクロプロセッサ
４１  無線送受信回路
４２  メモリ
４３  センサネットワークシステム
４４  基地局端末
４５  ネットワーク
４６  システム制御装置
４７  制御情報データベース
４８  台座
４９  圧電素子
５０  スペーサ
Ｈ  配管（対象物）
Ｈ１  センサ取り付け用配管（取り付け用継ぎ手）
【図１】
2005086859.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2005086859.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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