(57)【要約】  【課題】  複数の異なる方向からの振動にそれぞれ対応して発電を可能にした小形・軽量・安価な発電装置を提供する。  【解決手段】  発電装置１００は、チタン製シート基材の略中央部の所定長さを略90度捩じって前記チタン製シートに略垂直な垂直部４５を形成し、前記チタン製シート基材の両面にＰＺＴからなる圧電体膜と,電気エネルギー取り出し用の金電極を順次、積層してなる圧電体シートを形成する。次ぎに前記圧電体シートの水平部４０を固定支持部６０間に略水平状に両端固定支持（両持ち梁の構造）することにより、水平部４０は略鉛直方向（Ｚ軸方向）の振動により発電でき、 垂直部４５は略水平で前後方向（Ｙ軸方向）の振動により発電できる。【選択図】  図４
2009261074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート基材の所定長さを略90度捩じって前記シート基材に略垂直な垂直部を備えるともに前記シート基材の少なくとも一方の主面に圧電体膜と電極とを順次、積層してなる圧電体シートを、略水平状に両端固定支持することにより略鉛直方向の振動と,略水平方向の振動とで発電を可能にしたことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
シート基材を略コの字状に曲げて水平部と二つの支承部とを形成し、さらに前記水平部の所定長さを略90度捩じって前記水平部に略垂直な垂直部を備え、さらに前記シート基材の少なくとも一方の主面に圧電体膜と電極とを順次、積層してなる圧電体シートを用意し、前記二つの支承部を固定支持することにより、略鉛直方向の振動と,略水平で前後方向の振動と, 略水平で左右方向の振動とで発電を可能にしたことを特徴とする発電装置。
【請求項３】
シート基材を略Ｚ字状に曲げて水平部と二つの支承部とを形成し、さらに前記水平部の所定長さを略90度捩じって前記水平部に略垂直な垂直部を備え、さらに前記シート基材の少なくとも一方の主面に圧電体膜と電極とを順次、積層してなる圧電体シートを用意し、前記二つの支承部を固定支持することにより、略鉛直方向の振動と,略水平で前後方向の振動と, 略水平で左右方向の振動とで発電を可能としたことを特徴とする発電装置。
【請求項４】
垂直部に錘を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項５】
シート基材に配設する厚さ１μｍ〜数μｍの圧電体膜を１０層以上の多層膜で形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項６】
シート基材の少なくとも一方の主面に厚さ１μｍ〜数μｍの圧電体膜を１０層以上の多層膜で形成すると共に,前記圧電体膜に重ねて配設した電極とからなる圧電体シートを両端固定支持し、前記圧電体シートの略中央部に錘を配設したことを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体シートを両持ち梁の構造に固定支持し、複数の異なる方向からの振動にそれぞれ対応して発電を可能にした発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧電式発電装置としては、片持ち梁の構造を用いたものや、円形バイモルフなどが用いられている。例えば、片持ち固定支持した圧電体を励振し、自由振動させて発電を行うものとして特開平０７−０４９３８８号公報が提案されている。
【特許文献１】特開平０７−０４９３８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１においては、一方向のみの振動たとえば略鉛直方向（Ｚ軸方向）の振動により発電するもので、発電効率が悪かった。また、発電装置の小形・軽量化にも限界があった。
【０００４】
本発明は、複数の異なる方向たとえば略水平で左右方向（Ｘ軸方向）の振動、略水平で前後方向（Ｙ軸方向）の振動、略鉛直方向（Ｚ軸方向）の振動等にそれぞれ対応して発電を可能にし発電効率を向上させた発電装置を提供することを目的とする。また、発電装置の小形・軽量化を目的とする。さらに、圧電体膜を配設したシート基材が反らず、プレス加工を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明にかかる第一の発電装置は、シート基材の所定長さを略90度捩じって前記シート基材に略垂直な垂直部を備えるともに前記シート基材の少なくとも一方の主面に圧電体膜と電極とを順次、積層してなる圧電体シートを、略水平状に両端固定支持することにより（両持ち梁構造）略鉛直方向の振動（Ｚ軸方向）と, 略水平で前後方向（Ｙ軸方向）の振動とで発電を可能にしたことを特徴としたもので、これにより２方向の振動にそれぞれ対応して発電でき発電効率の向上を図れる。前記シート基材をチタンやステンレス鋼などの金属部材で構成した場合、プレス加工により低価格で製作できる。また、複数の異なる方向の振動により発電できるので装置を小形・軽量化できる。
【０００６】
さらに本発明にかかる第二の発電装置は、シート基材を略コの字状に曲げて水平部と二つの支承部とを形成し、さらに前記水平部の所定長さを略90度捩じって前記水平部に略垂直な垂直部を備え、さらに前記シート基材の少なくとも一方の主面に圧電体膜と電極とを順次、積層してなる圧電体シートを用意し、前記二つの支承部を固定支持することにより（両持ち梁構造）、略鉛直方向（Ｚ軸方向）の振動と,略水平で前後方向（Ｙ軸方向）の振動と, 略水平で左右方向（Ｘ軸方向）の振動とで発電を可能としたことを特徴としたもので、これにより三方向の振動にそれぞれ対応して発電でき発電効率の向上を図れる。シート基材をステンレス鋼などの金属部材で構成した場合、プレス加工により安価に量産できる。また、複数の異なる方向の振動により発電できるので装置を小形・軽量化できる。
【０００７】
さらに本発明にかかる第三の発電装置は、シート基材を略Ｚ字状に曲げて水平部と二つの支承部とを形成し、さらに前記水平部の所定長さを略90度捩じって前記水平部に略垂直な垂直部を備え、さらに前記シート基材の少なくとも一方の主面に圧電体膜と電極とを順次、積層してなる圧電体シートを用意し、前記二つの支承部を固定支持することにより（両持ち梁構造）、略鉛直方向（Ｚ軸方向）の振動と,略水平で前後方向（Ｙ軸方向）の振動と, 略水平で左右方向（Ｘ軸方向）の振動とで発電を可能としたことを特徴としたもので、これにより３方向の振動にそれぞれ対応して発電でき発電効率の向上を図れる。シート基材をステンレス鋼などの金属部材で構成した場合、プレス加工により安価に量産できる。また、複数の異なる方向の振動により発電できるので装置を小形・軽量化できる。
【０００８】
さらに本発明にかかる前記各発電装置において、垂直部に錘を備えたことを特徴としたもので、錘を任意に設定することにより圧電体シート各部の励振を促し、振幅の設定自由度を増せる。
【０００９】
さらに本発明にかかる前記各発電装置において、シート基材に配設する厚さ１μｍ〜数μｍの圧電体膜を１０層以上、好適には１０層〜２０層の多層膜で形成したことを特徴としたもので、これによりシート基材の湾曲を防止できる。
【００１０】
さらに本発明にかかる第四の発電装置は、シート基材の少なくとも一方の主面に厚さ１μｍ〜数μｍの圧電体膜を１０層以上の多層膜で形成すると共に,前記圧電体膜に重ねて配設した電極とからなる圧電体シートを両端固定支持し（両持ち梁構造）、前記圧電体シートの略中央部に錘を配設したことを特徴としたもので、これによりプレス加工により安価に量産でき、シート基材の湾曲を防止できる。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成により本発明の発電装置は、略鉛直方向（Ｚ軸方向）の振動、略水平で前後方向（Ｙ軸方向）の振動、 略水平で左右方向（Ｘ軸方向）の振動など複数の異なる方向の振動にそれぞれ対応して発電でき発電効率の向上を図れる。シート基材をチタンやステンレス鋼などの金属薄板で構成した場合、プレス加工により安価に量産できる。また、複数の異なる方向の振動により発電できるので装置を小形・軽量化できる。さらに、圧電体膜を１０層〜２０層の多層膜で構成することによりシート基材の湾曲を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
発本明にかかる発電装置は上述の通りである。圧電体膜を配設するシート基材は厚さ１００μｍ程度の金属薄板で構成するのが好ましい。例えば、ばね鋼板、リン青銅板、ニッケル板、チタン板、ステンレス鋼板などから選んだ一つとするのが好ましい。金属部材で構成することにより圧電体膜から電気エネルギーを取り出す電極を兼ねられる。また、プレス加工によりシート基材の曲げ加工、垂直部のねじり加工、外形打ち抜き加工などを容易に行え、発電装置を安価に量産できる。なお、圧電体膜とシート基材の間に白金などの良導体を厚さ０．０５μｍ〜０．２μｍ程度に介在させる構成としてもよい。
【００１３】
前記シート基材の片面または両面に配設する圧電体は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(ＰＺＴ)などのチタンを含有する複合酸化物などとした。圧電体の膜厚は１μｍ〜数μｍに配設するのが好ましい。圧電体の配設手段としては、化学溶液法、スパッタリング法、イオンプレーテイング法、ＣＶＤ法、水熱合成法など任意の手段を選べばよい。圧電体として薄膜を積層する場合、１０層以上、好適には１０層〜２０層で所望の１μｍ〜数μｍ厚さに構成するのが好ましい。薄膜を積層することによりシート基材の湾曲を防止できる。
【００１４】
図８は、圧電体薄膜を多層に備えた片持梁発電の一例を示す。0.1ｍｍ厚さのチタン金属にＰＺＴ薄膜を２０層重ねて合計厚さ約１．３μｍの圧電体膜を配設した片持梁を構成し、該片持梁を100ヘルツ程度で振動させた場合の出力波形図を示す。波形図の下欄側に実験条件と固有振動数計算式を示す。前記実験条件の場合、固有振動数の計算値は約85ヘルツである。
【００１５】
圧電体膜に積層配設するもう一方の電気エネルギー取り出し用電極としては金、白金、アルミニウム、銅、ニッケルなどの金属部材から選んだ一つ,またはその組み合わせとし、電極厚さは０．０５μｍ〜０．５μｍ程度とするのが好ましい。
【００１６】
圧電体シートの任意の部位たとえば垂直部に設ける励振用錘は、印刷法、接着などの任意の手段を用い金属部材やセラミックス部材等を所望の形状と重さに、垂直部に積み重ねて配設すればよい。勿論、シート基材を所望の形状寸法に延設したり、折り曲げたりして構成してよいことは自明である。
なお、本発明の発電装置に加える振動数は生活上発生しやすい数十ヘルツ〜数百ヘルツの範囲とするのが好ましい。
【実施例１】
【００１７】
以下、本発明の一実施例における発電装置を図面とともに説明する。図１は本発明の一実施例における発電装置を構成する圧電体シートの模式平面図、図２は図１を切断線Ｓ―Ｓで切断した要部拡大断面図、図３は図１の略中央部所定長さをねじって垂直部を形成する過程の模式平面図及び模式正面図、図４は本発明の一実施例における発電装置の模式正面図を示す。
【００１８】
図１〜図４において本発明の発電装置１００は、チタン製シート基材１０の略中央部の所定長さを略９０度捩じって前記チタン製シート基材１０に略垂直な垂直部４５をまず形成する。次ぎに、前記チタン製シート基材１０の両面に化学溶液法を用いチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体膜２０を配設した。次いで圧電体膜２０に重ねて電気エネルギー取り出し用の金電極３０を積層した。これにより垂直部４５とその両側に水平部４０を備えた圧電体シート５５が形成される。該圧電体シート５５を固定支持部６０間に略水平状に両端固定支持（両持ち梁の構造）することにより発電装置１００が構成される。なお、垂直部４５は中央部にステンレス鋼からなる厚さ１ｍｍ、直径約８mmの錘７０を接着により備えてなる。
【００１９】
前記チタン製シート基材１０はたとえば幅を約２０mm、厚さを約１００μｍ、チタン酸ジルコン酸鉛を２０層積み重ねて厚さ約１．３μｍの圧電体膜を構成した。固定支持部６０間に張架した圧電体シート５５の全長を約４０mmとした。内訳は、垂直部４５の長さを約２０mm、水平部４０の長さをそれぞれ約１０mmとした。金電極４０の厚さは約０．０５μｍとした。
【００２０】
上記構成により水平部４０は略鉛直方向（Ｚ軸方向）の振動により発電でき, 垂直部４５は略水平で前後方向（Ｙ軸方向）の振動により発電できる。これにより二方向の振動にそれぞれ対応して発電でき発電効率の向上を図れる。また、発電装置を小形・軽量化できる。シート基材をチタン金属で構成しているので、プレス加工による曲げ、ねじり、打ち抜き加工等を可能にし、圧電体シートを安価に量産できる。
【００２１】
なお、電気エネルギー取り出し用の電極は図１の構成の他に、図７に示すごとく垂直部と水平部とで個別に独立した電極７３１，７３２，７３３を配設した構成としてよいことは自明である。
【実施例２】
【００２２】
図５は本発明のもう一つの実施例における発電装置の模式正面図を示す。この場合の発電装置２００においても圧電体シートは基本的に実施例１の場合と同様に構成した。即ち、チタン製シート基材を略コの字状に曲げて水平部５４０と,二つの立設用支承部５４６を形成し、次ぎに、前記水平部５４０の所定長さを略90度ねじって前記水平部５４０に略垂直な垂直部５４５を構成した。その後、前記チタン製シート基材の両面に化学溶液法を用いチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体膜を配設した。次いで、前記圧電体膜に重ねて電気エネルギー取り出し用の金電極を積層し、圧電体シートを形成した。
【００２３】
この様にして形成した圧電体シートの二つの支承部５４６を固定支持部５６０により立設して両端固定支持（両持ち梁の構造）することにより発電装置２００が構成される。なお、垂直部５４５は中央部にステンレス鋼からなる厚さ１ｍｍ、直径約８ｍｍの錘５７０を接着により備えてなる。固定支持部５６０に立設した圧電体シートの全長を約６０mmとした。内訳は、垂直部５４５の長さを約２０mm、水平部５４０の長さをそれぞれ約１０mm、支承部５４６の長さをそれぞれ約１０mmとした。
【００２４】
上記構成により水平部５４０は略鉛直方向（Ｚ軸方向）の振動により発電でき, 垂直部５４５は略水平で前後方向（Ｙ軸方向）の振動により発電でき、支承部５４６は略水平で左右方向（Ｘ軸方向）の振動で発電できる。これにより三方向の振動にそれぞれ対応して発電でき発電効率の向上を図れる。また、発電装置を小形・軽量化でき各種携帯端末機器の電源として利用できる。
【実施例３】
【００２５】
図６は本発明のもう一つの実施例における発電装置の模式正面図を示す。この場合の発電装置３００においても圧電体シートは基本的に実施例１の場合と同様に構成した。
チタン製シート基材を略Ｚ字状に曲げて水平部６４０と, 二つの支承部６４６（立ち上がり部と立ち下がり部）とを形成し、さらに、前記水平部６４０の所定長さを略90度ねじって前記水平部６４０に略垂直な垂直部６４５を形成した。その後、前記チタン製シート基材の両面に化学溶液法を用いチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体膜を配設した。次いで、前記圧電体膜に重ねて電気エネルギー取り出し用の金電極を積層し、圧電体シートを形成した。
【００２６】
この様にして形成した圧電体シートの二つの支承部６４６を固定支持部６６０により両端固定支持（両持ち梁の構造）することにより発電装置３００が構成される。なお、垂直部６４５は中央部にステンレス鋼からなる厚さ１ｍｍ、直径約８ｍｍの錘６７０を接着により備えてなる。固定支持部６６０間に張架した圧電体シートの全長を約６０mmとした。内訳は、垂直部６４５の長さを約２０mm、水平部６４０の長さをそれぞれ約１０mm、支承部６４６の長さをそれぞれ約１０mmとした。
【００２７】
上記構成により水平部６４０は略鉛直方向（Ｚ軸方向）の振動により, 垂直部６４５は略水平で前後方向（Ｙ軸方向）の振動により、支承部６４６は略水平で左右方向（Ｘ軸方向）の振動により発電できる。これにより３方向の振動にそれぞれ対応して発電でき発電効率の向上を図れる。また、発電装置を小形・軽量化でき各種携帯端末機器の電源として利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明にかかる発電装置は小形・軽量に構成でき、各種携帯用機器の電源などに利用できる。また、発電装置の他に振動センサとしても利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施例における発電装置を構成する圧電体シートの模式平面図
【図２】図１を切断線Ｓ―Ｓで切断した要部拡大断面図
【図３】図１の略中央部所定長さをねじって垂直部を形成する過程の模式平面図及び模式正面図
【図４】本発明の一実施例における発電装置の模式正面図
【図５】本発明のもう一つの実施例における発電装置の模式正面図
【図６】本発明のもう一つの実施例における発電装置の模式正面図
【図７】本発明の発電装置を構成するもう一つの圧電体シートの模式平面図
【図８】ＰＺＴ薄膜を２０層で合計厚さ1.3μｍに積層した片持梁の出力波形図
【符号の説明】
【００３０】
１０、７１０  シート基材
２０、７２０  圧電体膜
３０、７３１、７３２、７３３  電極
３５  スリット
４０、５４０、６４０  水平部
４５、５４５、６４５  垂直部
５０、５５、８０  圧電体シート
６０、５６０、６６０  固定支持部
７０、５７０、６７０、７７０  錘
５４６、６４６  支承部
１００、２００、３００  発電装置
【図１】
2009261074.tif 000003
【図２】
2009261074.tif 000004
【図３】
2009261074.tif 000005
【図４】
2009261074.tif 000006
【図５】
2009261074.tif 000007
【図６】
2009261074.tif 000008
【図７】
2009261074.tif 000009
【図８】
2009261074.tif 000010