JP2014033478A - 圧電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造容易であり、大きな電力を取出し得る圧電発電装置を提供する。
【解決手段】第１の圧電発電板２に対向するように第２の圧電発電板７が配置されており、第１，第２の圧電発電板２，７が、連結部材８，９により連結されており、第１の圧電発電板２に、外部と固定するための支持部材１０が設けられている、圧電発電装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電効果を利用して内部から振動が加えられた際に電力を取り出すことを可能とする圧電発電装置に関し、より詳細には、複数の圧電発電板を連結してなる構造を有する圧電発電装置に関する。

従来より、圧電効果を利用した圧電発電装置が種々提案されている。例えば、下記の特許文献１には、図１３に示す圧電発電装置１００１が開示されている。

圧電発電装置１００１は、Ｕ字状に折り曲げられた金属板１００２を有する。この金属板１００２に、少なくとも１つの圧電素子１００３が固定されている。金属板１００２の一端が固定部材１００４に固定されている。Ｕ字状に折り曲げられた金属板１００２は、固定部材１００４に固定されている第１のアーム部１００２ａを有する。第１のアーム部１００２ａの、固定部材１００４とは反対側の端部において、金属板１００２が折り曲げられている。そして、折り曲げられている中間部１００２ｂを介して第２のアーム部１００２ｃが連ねられている。第２のアーム部１００２ｃの先端が自由端とされている。

圧電発電装置１００１では、上記のようにＵ字状に折り曲げられた金属板１００２を用いているため、外力が加わった場合、自由端が大きく変位し、比較的大きな電力を発生させることができるとされている。

また、下記の特許文献２には、つづら折り状に複数回屈曲された圧電発電板を用いた圧電発電装置が開示されている。ここでも、つづら折り状に加工された圧電発電板を用いることにより、外力が加わった際に大きな電力を発生させることができるとされている。

特表２０１０−５１７２８５号公報 特表２００５−５０７６２７号公報

ところで、圧電発電装置の利用分野によっては、圧電発電装置に加わる振動が比較的低い周波数の場合がある。例えば、自動車に取り付けられた圧電発電装置や人が歩行する際の振動を利用して発電を行う圧電発電装置では、比較的低周波の振動により圧電発電装置において電力を発生させる必要がある。圧電発電装置において、低周波の振動により電力を発生させようとした場合、圧電発電素子の共振周波数を低くする必要がある。

従って、板状の圧電発電素子を用いた場合、共振周波数を低くするため、その厚みを薄くする方法がとられる。しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載のような、圧電発電板をＵ字状に折り返したり、つづら折り状に複数回折り返されている圧電発電板を用いて、板状の圧電発電板の厚みを薄くすると、折り返し部の強度が低下し、塑性変形や脆性破壊が発生するため、圧電発電板の厚みを薄くすることが困難であった。また、特許文献１に記載の圧電発電装置１００１では、金属板１００２に対し、一部分にのみ圧電素子１０１０が貼り付けられている。従って、圧電素子の比率が小さいため、発電量を十分に高めることができなかった。

また、特許文献２に記載の圧電発電装置では、つづら折り状の圧電発電板を加工しなければならず、加工工程が非常に煩雑であった。また、このような複雑な形状の圧電発電板において、部分的に異なる方向に分極処理する作業も煩雑であった。

本発明の目的は、製造が容易であり、しかも低い周波数の振動が加わった場合においても大きな電力を取り出すことを可能とする圧電発電装置及びその製造方法を提供することにある。

本発明に係る圧電発電装置は、第１の圧電発電板と、前記第１の圧電発電板と互いの主面が対向するように配置された第２の圧電発電板と、前記第１，第２の圧電発電板を連結している連結部材とを有する圧電発電素子と、前記第１の圧電発電板に固定されており、かつ前記圧電発電素子を外部に固定する支持部材とを備える。

本発明に係る圧電発電装置のある特定の局面では、前記圧電発電素子が複数連結されており、互いに連結されている２つの圧電素子において、１つの前記圧電発電素子の前記第２の圧電発電板の前記第１の圧電発電板とが対向している主面とは反対側の主面にもう１つの前記圧電発電素子が連結されている。この場合には、複数の圧電発電素子を有するため、大きな電力を得ることができる。

本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記複数の圧電発電素子が連結されている構造において、前記支持部材が前記第１の圧電発電板の中央または両端に連結され、前記連結部材が前記第１及び第２の圧電発電板の中央または両端で前記第１及び第２の圧電発電板に連結されている。この場合には、圧電発電板中央部に形成される支持部材または連結部材に作用する曲げモーメントを低減することができる。そのため、圧電発電板の中央部に作用する応力を小さくすることができる。

本発明に係る圧電発電装置では、第１，第２の圧電発電板は、好ましくは、矩形形状を有する。

本発明に係る圧電発電装置の他の特定の局面では、前記連結部材は、前記第１と第２の圧電発電板とが互いに対向する主面の両端の位置で連結する前記第１，第２の連結部材を含み、前記支持部材は、前記第１，第２の連結部材が設けられている側と反対側の主面において、前記第１の圧電発電板の主面の中央部に設けられている。この場合には、第１の圧電発電板の上面中央において、圧電発電装置を支持することができる。固定部が１ヶ所であるため、他の部品や部材への固定を容易に行うことができる。

本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記連結部材は、前記第１，第２の圧電発電板の長さ方向における中央部において、前記第１と第２の圧電発電板を連結し、前記支持部材は、前記第１の圧電発電板の前記連結部材が設けられている側と反対側の主面の長さ方向における両端に第１，第２の支持部材が設けられている。この場合には、第１の圧電発電板の上端において他の部材に固定することができるので、圧電発電装置の固定構造の安定化を図ることができる。また、第１，第２の圧電発電板は、主面中央において連結部材により連結されているので、すなわち１ヶ所で連結されているので、第１の圧電発電板と第２の圧電発電板とをより大きく変位させることができる。従って、より大きな電力を取出すことができる。

本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記第１，第２の圧電発電板において、矩形形状の圧電発電板の一方の長辺から他方の長辺側に向かって延びる切欠き部が形成されている。この場合には、圧電発電板の変位量を大きくすることができるので、より一層大きな電力を取出すことができる。

好ましくは、前記切欠き部が複数設けられており、前記複数の切欠き部が、前記第１，第２の圧電発電板の長さ方向において交互に逆の長辺に設けられている。この場合には、外力が加えられた際に圧電発電板がミアンダ状に変位し、より一層共振周波数を低めることができる。従って、より一層大きな電力を取出すことができる。

本発明に係る圧電発電装置のさらに別の特定の局面では、前記矩形形状の第１，第２の圧電発電板のそれぞれの対向し合う一対の角部同士が前記連結部材によりそれぞれ連結されており、前記支持部材が、前記第１の圧電発電板の中央に固定されている。この場合には、前記連結部と前記支持部材とによって発生する前記矩形状の第１，第２の圧電発電板の長さ方向と長さ方向に異なる方向との変位が合わさるため、より一層大きな電力を取り出すことができる。

本発明に係る圧電発電装置のさらに別の特定の局面では、前記第１，第２の圧電発電板に、前記連結部材が設けられている部分の間において、該圧電発電板の内部から外周縁に至る切欠き部が形成されている。この場合においては、切欠き部が設けられているので、共振周波数をより低くすることができ、かつ外力が加えられた際の変位量を大きくすることができる。従って、より一層大きな電力を取出すことができる。好ましくは前記切欠き部が複数設けられており、該複数の切欠き部が前記支持部材に固定されている部分に対して点対称に設けられている。この場合には、より一層大きな電力を取出すことができる。

本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記第２の圧電発電板の前記連結部材が設けられている側とは反対側の主面側に配置されて、前記第２の圧電発電板と固定されている質量付加部材がさらに備えられている。質量付加部材が設けられているため、外力が加わった際の第１，第２の圧電発電板の変位量をより一層大きくすることができる。そのため、より一層大きな電力を取出すことができる。

本発明に係る圧電発電装置のさらに別の特定の局面では、前記第２の圧電発電板の前記第１の圧電発電板とは反対側の面に連結部材を介して少なくとも一つの圧電発電板がさらに連結されている。この場合には、より多くの圧電発電板の変位に基づき、より一層大きな電力を取出すことが可能となる。

本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記第１，第２の圧電発電板が、厚み方向に分極処理された第１の分極領域と、厚み方向において第１の分極領域と逆方向の分極処理された第２の分極領域とを有する圧電板を備える。第１，第２の圧電発電板に第１，第２の分極領域を容易に形成することができるので製造工程の煩雑さを招くことなく、本発明の圧電発電装置を構成することができる。

本発明の圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、前記圧電発電板が、前記圧電板に積み重ねされた金属板をさらに備え、ユニモルフ型の圧電素子が構成されている。この場合には、ユニモルフ型であるため、外力が加えられた際の圧電発電板の変位量を大きくすることができる。もっとも、本発明では、圧電発電板は、バイモルフ型の圧電素子であってもよい。

本発明に係る圧電発電装置では、第１の圧電発電板と第２の圧電発電板とが連結部材を介して連結されているため、支持部材により外部に固定した状態で外力が加わると、第１，第２の圧電発電板の双方が変位し、大きな電力を取出すことが可能となる。加えて、第１，第２の圧電発電板を連結部材を介して連結した構造を有するものにすぎないため、製造工程の煩雑さを招くことなく、大きな電力を取出すことが可能となる。

さらに、第１，第２の圧電発電板が連結部材を介して連結される構造であるため、圧電発電装置の圧電発電板の面方向寸法を大きくすることなく、大電力を取出すことができる。従って、圧電発電装置の小型化を進めることも可能となる。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の正面図、圧電発電板の分極構造を示す模式的正面図及び全体構造を模式的に示す斜視図である。 第１の実施形態の圧電発電装置における第１，第２の圧電発電板の変位状態を説明するための模式的正面図である。 本発明の第の発明に係る圧電発電装置の模式的正面図である。 第２の実施形態の圧電発電装置の変位状態を説明するための模式的正面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、第２の実施形態の圧電発電装置の変形例を説明するための各平面図である。 本発明の第３の実施形態の圧電発電装置を説明するための斜視図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の第４の実施形態に係る圧電発電装置に用いられる第１，第２の圧電発電板を説明するための各平面図である。 本発明の第４の実施形態に係る圧電発電装置の斜視図である。 本発明の第５の実施形態に係る圧電発電装置の正面図である。 本発明の第６の実施形態に係る圧電発電装置の正面図である。 本発明の圧電発電装置の変形例を説明するための斜視図である。 本発明の圧電発電装置のさらに他の変形例を説明するための斜視図である。 従来の圧電発電装置の一例を説明するための斜視図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の正面図であり、図１（ｃ）はその斜視図である。

圧電発電装置１は、第１の圧電発電板２と、第２の圧電発電板７とを有する。第１の圧電発電板２は、金属板４の片面に第１の板状の圧電素子３を貼り合わせた構造を有する。すなわち、第１の圧電発電板２は、ユニモルフ型の圧電振動板である。同様に、第２の圧電発電板７もまた、金属板６の片面に板状の圧電素子５を貼り合わせてなるユニモルフ型の圧電振動板である。

図１（ａ）では図示を省略しているが、圧電素子３は、図１（ｂ）に示すように、圧電板の材料として圧電セラミックを用いた圧電セラミック板３ａの両面に電極３ｂ，３ｃを形成した構造を有する。圧電セラミック板３ａは、厚み方向に分極処理されている。もっとも、図示の矢印で示すように、圧電セラミック板３ａの中央の分極領域Ｐ１と、両側の分極領域Ｐ２，Ｐ３とが、厚み方向において逆方向に分極処理されている。

上記圧電素子３に後述するように外力が加わって座屈モードで変形した場合、分極領域Ｐ１において生じる応力と、分極領域Ｐ２，Ｐ３において生じる応力とは厚み方向において逆方向となる。

なお、第２の圧電発電板７の板状の圧電素子５も圧電素子３と同様の構造を有する。もっとも、第２の圧電素子５では、長さ方向における中央領域が圧電素子３の第１の分極領域Ｐ１と逆方向に分極処理されており、両側の領域が、圧電素子３の第２，第３の分極領域Ｐ２，Ｐ３と逆方向に分極処理されている。これは、後述するように、外力が加わった際に、圧電素子５は、圧電素子３と逆方向に変形することによる。

なお、圧電素子３，５を構成する両面に電極が形成された圧電板は、本実施形態ではチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる。もっとも、圧電板は、ニオブ酸カリウムナトリウム等のアルカリニオブ酸系セラミックスなど非鉛系圧電体セラミックスなどの、適宜の圧電材料により構成され得る。

また、電極３ｂ，３ｃは、ＡｇやＣｕなどの適宜の金属からなる。

上記圧電素子３は、金属板４に対して図示しない接着剤により接合されている。このような接着剤としては、導電性接着剤あるいは絶縁性接着剤を用いることができる。なお、図１（ｂ）の電極３ｃは、金属板４に貼り合わされる部分であり、金属板４を電極として用いる場合、電極３ｃは省略されてもよい。

第１，第２の圧電発電板２，７は、矩形板状の形状を有し、主面同士が対向するように第１，第２の連結部材８，９により連結されている。連結部材８，９は、アルミナなどの絶縁性セラミックス、樹脂、または金属などの適宜の材料により形成することができる。本実施形態では、第１，第２の連結部材８，９は、矩形板状の圧電発電板２，７の長さ方向両端において、第１の圧電発電板２と第２の圧電発電板７とを接合している。この接合もまた、適宜の接着剤等の接合剤を用いて行うことができる。

上記第１，第２の圧電発電板２，７及び第１，第２の連結部材８，９により、１つの圧電発電素子が構成されている。

本実施形態では、第１の圧電発電板２の上面、すなわち第１，第２の連結部材８，９が接合されている側とは反対側の面に、支持部材１０が接合されている。この支持部材１０は、圧電発電板２の長さ方向における中央に固定されている。支持部材１０もまた、セラミックスや金属などの適宜の材料により形成することができる。支持部材１０は、圧電発電装置１を外部に固定し、支持するために設けられている。なお、支持部材１０は、第１の圧電発電板２の上面以外に固定されていてもよい。

他方、第２の圧電発電板７の下面すなわち第１，第２の連結部材８，９が接合されている側とは反対側の面には、連結部材１１を介して質量付加部材１２が固定されている。連結部材１１は、セラミックスや樹脂や金属などの適宜の材料により構成することができる。質量付加部材１２は、金属やセラミックスなどの質量を付加し得る適宜の材料により形成することができる。大きな質量を与えるためには、質量付加部材１２は、圧電板より比重が大きな材料が好ましく、金属からなることが望ましい。

なお、図１（ｃ）では、上記質量付加部材１２の図示は省略していることを指摘しておく。

上記質量付加部材１２は、後述する第１，第２の圧電発電板２，７における変位量を拡大するために設けられているが、質量付加部材１２は設けられずともよい。

本実施形態の圧電発電装置１では、支持部材１０が外部に固定される。従って、使用に際しては、支持部材１０が第１の圧電発電板２に固定されている部分が固定端となり、該固定端とは反対側の端部すなわち質量付加部材１２が設けられている側の端部が自由端として加えられた外力や振動によって変位する。

すなわち、第１，第２の圧電発電板２，７が第１，第２の連結部材８，９で連結されている構造に外部から振動や外力が加わった場合、圧電発電板２，７が変位する。この変位は、図２の実線Ａで示す状態と破線Ｂで示す状態との間で繰り返される。この場合、第１の圧電発電板２と第２の圧電発電板７は逆相で変位する。

他方、第１，第２の圧電発電板２，７のいずれもが外力が加わった際に変位するため、本実施形態では、圧電発電板２において変位により生じた電荷と、圧電発電板７で生じた電荷により、大きな電力を取出すことができる。

より具体的には、例えば第１の圧電セラミック板３ａは上記のような分極構造を有するため、長さ方向における中央領域と、その両側の端部領域との間に応力は反転する境界が発生するが、分極方向もまた中央領域と端部領域の第２，第３の分極領域Ｐ２，Ｐ３とで逆方向とされている。従って、図２に示したような変位が生じた場合、板状の圧電素子３の表面に発生する電荷の極性が同一になり、圧電素子３の表面に共通電極を形成するような容易な構造であっても、効率よく電力を取出すことができる。第２の圧電発電板７においても同様である。

本発明の実施形態によれば、圧電発電素子の積み重ね方向に引張力または圧縮力を作用させると、圧電発電板の対向する距離が遠ざかる、または、近づくように圧電発電板が座屈モードで変位させられる。このとき、圧電発電板の中央領域に形成される支持部材又は連結部材が主面と垂直な方向な直線上に配置されれば、連結部材又は支持部材が形成された圧電発電板に作用する曲げモーメントの大きさが抑制できる。よって、図２で示す、圧電発電板の端部領域において、複数点で支持し応力が分散できない、圧電発電板の中央部の単数点に作用する曲げモーメントが減少し、応力の総和が減少することによって圧電発電板に発生するクラックを減少させる効果がある。なお、電力の取り出しに際しては、第１の圧電素子３の一方の電極３ｂと、第２の圧電素子５の同じく外側面に位置している電極とを共通接続し、第１の端子とする。また、第１，第２の圧電発電板２，７の金属板４，６側に位置している電極同士を共通接続し、第２の端子とする。この第１の端子と第２の端子から電力を取出すことができる。

本実施形態の圧電発電装置１では、上記のように、第１の圧電発電板２と第２の圧電発電板７とが対向配置されかつ第１，第２の連結部材８，９により連結されている構造を有する。そのため、外力が加わった場合、第１の圧電発電板２及び第２の圧電発電板７の双方から電力を取出すことができるので、大きな電力を取出すことができる。

しかも、以下に述べるように、圧電発電装置１は、煩雑な工程を経ることなく容易に製造することができる。

第１に、例えば板状の圧電素子３の第１の分極領域Ｐ１及び第２，第３の分極領域Ｐ２，Ｐ３は容易に形成することができる。例えば、圧電セラミック板３ａの一方主面に、第１の分極領域Ｐ１上に第１の分極電極を形成し、第１の分極電極と接触しないように、第２，第３の分極領域Ｐ２，Ｐ３上に第２，第３の分極電極を形成し、反対側の主面に全面電極を形成する。そして、第１の分極電極と全面電極との間に直流電圧を印加し、他方第２，第３の分極電極と全面電極との間に逆極性の直流電圧を印加する。それによって、上述した分極構造を容易に形成することができる。なお、第１〜第３の分極電極を除去した後に、全面に電極を形成し、電極３ｂとしてもよい。あるいは第１〜第３の分極電極を残したまま、さらに導電膜を形成し、電極３ｂを形成してもよい。

第２に、板状の圧電素子３を金属板４に貼り合わせ、さらに同様にして構成された圧電発電板７と第１，第２の連結部材８，９により連結すればよいだけである。そして、支持部材１０や必要に応じて連結部材１１を接合し、かつ質量付加部材１２を接続するだけで、圧電発電装置１を得ることができる。

前述した特許文献２に記載の圧電発電装置は、つづら折り状の圧電素子を用いているため外力によって大きく変位し、大きな電力を取り出し得る。しかしながら、つづら折り形状の複雑な形状の圧電素子を形成しなければならず、またその分極方法も非常に煩雑である。

これに対して、本実施形態の圧電発電装置１は、上記のような単純な工程を経て容易に製造することができる。

さらに、第１，第２の圧電発電板２，７を積み重ねした構造を有するため、圧電発電板２の面方向寸法を小さくすることができ、それによって圧電発電板の面方向の寸法を小さくすることができる。よって、大電力を取出すことができ、かつ小型の圧電発電装置１を提供することができる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置２１の正面図である。圧電発電装置２１は、第１の実施形態と同様に、第１，第２の圧電発電板２，７及び質量付加部材１２を有する。第１の実施形態と同一部分については、図３において同一の参照番号を付することにより、第１の実施形態について行った説明を援用することにより省略する。

第２の実施形態の圧電発電装置２１が第１の実施形態の圧電発電装置１と異なるところは、第１の圧電発電板２と第２の圧電発電板７とが長さ方向中央において１つの連結部材２２を介して連結されていること、並びに支持部材として第１，第２の支持部材１０Ａ，１０Ｂが第１の圧電発電板２の外側主面に設けられていることにある。

すなわち、第１，第２の支持部材１０Ａ，１０Ｂは、第１の圧電発電板２の長さ方向両端に設けられている。従って、本実施形態の圧電発電装置１は、圧電発電板２の上端において外部に固定される。よって、圧電発電装置２１は、外部に対してより安定に固定することができる。

他方、第１，第２の圧電発電板２，７は、長さ方向において中央に設けられた連結部材２２により連結されているため、第１，第２の圧電発電板２，７に外力が加わった場合、図４の実線Ａ１及び破線Ｂ１で示すように変位する。

すなわち、第１，第２の連結部材１１Ａ，１１Ｂは、第２の圧電発電板７の長さ方向両端に位置している。よって、第１，第２の圧電発電板２，７は、両者の中心を通り、かつ第１，第２の圧電発電板の主面と平行に延びる下層の中心線に対して線対称に変形する。従って、本実施形態においても、第１，第２の圧電発電板２，７は外力が加わった場合、逆相で変位する。よって、第１，第２の圧電発電板２，７が、第１の実施形態と同様に構成されているため、本実施形態においても、第１，第２の圧電発電板２，７において生じた電荷から、大きな電力を取出すことができる。

なお、本実施形態においても、第１，第２の連結部材１１Ａ，１１Ｂにより第２の圧電発電板７に質量付加部材１２が連結されている。

本実施形態においても、質量付加部材１２が連結されているため、変位量をさらに拡大することができ、より一層大きな電力を取出すことが可能とされている。

第２の実施形態においても、第１，第２の圧電発電板７の変形を利用して大きな電力を取出すことができる。また、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、第１，第２の圧電発電板２，７を容易に製造することができ、さらに第１，第２の圧電発電板２，７と質量付加部材１２と支持部材１０とを接合する工程も簡単に行い得る。よって、本実施形態の圧電発電装置２１もまた、第１の実施形態の圧電発電装置１と同様に容易に製造することができる。

図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る圧電発電装置に用いられる第１，第２の圧電発電基板の各平面図である。また、図６は、第３の実施形態の圧電発電装置の外観を示す斜視図である。

第３の実施形態の圧電発電装置３１は、第１，第２の圧電発電板２，７において切欠き部２ａ，２ｂが設けられていることを除いては、第１の実施形態の圧電発電装置１と同様である。従って、同一部分については同一の参照番号を付することによりその説明を省略する。

図５（ａ）に示すように、第１の圧電発電板２は、一対の長辺２ｃ，２ｄと、一対の短辺２ｅ，２ｆとを有する。第１の切欠き部２ａは、長辺２ｃから反対側の長辺２ｄに向かって、但し長辺２ｄには至らないように延ばされている。同様に、第２の切欠き部２ｂは、長辺２ｄから、反対側の長辺２ｃに向かって、但し長辺２ｃには至らないように延びている。

第１の圧電発電板２では、支持部材１０すなわち固定端と短辺２ｅとの間の圧電発電板部分と、固定端と短辺２ｆとの間の圧電発電板部分とが長辺２ｄ側からみた場合、支持部材１０の中心を通り、圧電発電板２に直行する中心線に対して線対称である形状を維持しつつ変位する。従って、該中心線に対して、第１の切欠き部２ａが等価な位置に、また第２の切欠き部２ｂ，２ｂも該中心線に対して等価な位置に設けられている。

また、支持部材１０と一方の短辺２ｆとの間の圧電発電板部分においては、第１の切欠き部２ａと第２の切欠き部２ｂとが圧電発電板２の長さ方向において交互に配置されている。同様に、支持部材１０と短辺２ｅとの間の圧電発電板部分においても、圧電発電板２の長さ方向において交互に第１の切欠き部２ａと第２の切欠き部２ｂとが位置されている。なお、図示しないが、第１，第２の圧電発電板２，７の対向する長辺の幅が中央に向かって狭くなるように、第１の切欠き部２ａと第２の切欠き部２ｂとが第１，第２の圧電発電板２，７に形成されてもよい。

よって、切欠き部２ａ，２ｂが設けられているため、外力が加わった場合、切欠き部２ａの両側の圧電発電板部分及び切欠き部２ｂの両側の圧電発電板部分が逆方向に変位することとなる。言い換えれば、長辺２ｄ側からみた場合、圧電発電板２はミアンダ状の形状をなすように変位する。従って、これら逆方向に変位する部分間で分極方向を反転させておけば、第１の実施形態の場合に比べて、本実施形態では、共振周波数を低めることができる。

第２の圧電発電板７も同様に、第１，第２の切欠き部７ａ，７ｂを有する。

従って、本実施形態の圧電発電装置３１では、第１の切欠き部２ａ，７ａ及び第２の切欠き部２ｂ，７ｂが設けられているため、比較的低い周波数の振動や小さい外力が加わった場合においても、大きな変位量を得ることができる。そのため、第１の実施形態に比べて、より一層大きな電力を取出すことができる。

図７（ａ）及び（ｂ）は、第４の実施形態の圧電発電装置の第１，第２の圧電発電板部分の各平面図であり、図８はその外観を示す斜視図である。第１の圧電発電板２では、支持部材１０に近い側が第２の切欠き部２ｂであるのに対し、圧電発電板７では、長辺７ｃから長辺７ｄに向かって延び、但し長辺７ｄには至っていない第１の切欠き部７ｃ，７ｃが中央側に位置している。他方、圧電発電板２では、短辺２ｅ，２ｆ側に第１の切欠き部２ａ，２ａが位置しているのに対し、圧電発電板７では、短辺７ｅ，７ｆ側に位置しているのは第２の切欠き部７ｂ，７ｂが位置している。

このように、第２の圧電発電板７における切欠き部の形成位置を、第１の圧電発電板２における切欠き部２ａ，２ｂの形成位置と異ならせてもよい。

本実施形態においても第２の実施形態と同様に、第１，第２の圧電発電板２，７に、第１，第２の切欠き部２ａ，２ｂ，７ａ，７ｂが形成されているため、共振周波数をより一層低めることができ、かつ大きな電力を取出すことができる。また、第４の実施形態の圧電発電装置３１では、第１の圧電発電板２と第２の圧電発電板７で切欠き部の位置が上記のように反転されているため、第１，第２の圧電発電板２，７の積み重ね構造が外力によってねじれ易くなる。そのため、このねじれ方向の変形によっても、大きな変位量を得ることができる。従って、より一層大きな電力を取出すことができ、かつ共振周波数を低めることができる。

図９は、本発明の第５の実施形態に係る圧電発電装置の正面図である。第５の実施形態の圧電発電装置５１は、第１の実施形態の圧電発電装置１の変形例に相当する。異なるところは、１）第２の圧電発電板７の下面に、さらに連結部材１１を介して、第１，第２の圧電発電板２，７が同様に積み重ねされている構造が４層連結されていること、並びに２）最下層の積み重ね構造の第２の圧電発電板７の下面に連結部材１１を介して質量付加部材１２が連結されていることにある。従って、固定端となる支持部材１０と、質量付加部材１２との間に、第１，第２の圧電発電板２，７を有する複数の圧電発電素子を積み重ねてなる発電構造が図示のように固定端となる支持部材１０と質量負荷部材１２が接続される連結部材１１とを結ぶ線上に配置される連結部材１１を介して直列に接続されている。このとき、複数の圧電発電素子を連結する連結部１１が圧電発電素子に与える曲げモーメントの値が抑制されるので、複数の圧電発電板を直列に積み重ねて連結したときであっても、圧電発電板の連結部に作用する応力を小さくすることができる。

そのため、外力が加わった場合、本実施形態では、５個の圧電発電素子からそれぞれ電力を取出すことができるので、より一層大きな電力を取出すことができる。このように、本発明では、複数の圧電発電素子を複数直列接続してもよい。図９では、圧電発電板の長辺方向の長さが同じ実施形態を示したが、積み重ね方向で圧電発電素子の長辺方向の長さを変えてもよく、積み重ね方向から見た圧電発電素子同士が重なる角度を変えてもよい。

図１０は、本発明の第６の実施形態に係る圧電発電装置の正面図である。圧電発電装置６１は、図３に示した圧電発電装置２１の変形例に相当する。本実施形態も、圧電発電装置５１と同様に個々の圧電発電素子を積み重ねかつ直列に接続した構造を有する。図１０のように、固定端となる支持部材１０Ａと１０Ｂの中間部に配置された最上層の連結部２２と、質量負荷部材１２が接続される連結部１１Ａと１１Ｂの中間部に配置される最下層の連結部材２２とを結ぶ線上に配置される連結部材２２を介して圧電発電素子が連結されている。

第６の実施形態の圧電発電装置６１のように、第２の実施形態の圧電発電装置２１に相当の構造においても、第１，第２の圧電発電板２，７からなる発電構造を複数直列に接続してもよい。それによって、大きな電力を取出すことができる。

なお、上述してきた第１〜第６の実施形態では、第１，第２の圧電発電板が長さ方向を有する矩形板状の形状であったが、本発明において、圧電発電板は長さ方向を有する矩形板状の構造に限定されるものではない。例えば、図１１に示す変形例のように、矩形の圧電板に切欠き部７１ａを形成することにより、渦巻き型の圧電発電板７１を形成してもよい。この圧電発電板７１を、第１，第２の圧電発電板として用いてもよい。その場合、圧電発電板７１の中心部分を支持部材に接合してなる固定端とし、該中心部分を挟んで対向し合う一対の角部分を他方の圧電発電板と連結する連結部材が接合される部分として用いればよい。別法として、対向し合う一対の角部を支持部材が接合されている固定端とし、圧電発電板の中央部分を、もう１枚の圧電発電板と連結する連結部として用いてもよい。

このような圧電発電板７１を用いた場合、外力が加わった場合、固定端を支点としてより大きく変形するため、より大きな電力を取出すことができる。

あるいは、図１２に斜視図で示す２軸ミアンダ型に変形する圧電発電板８１を用いてもよい。圧電発電板８１では、４つの角部分近傍に小さな正方形状の開口部８１ａ〜８１ｄが設けられている。そして、隣り合う開口部、例えば開口部８１ａと開口部８１ｂとを例にとると、開口部８１ａから開口部８１ｂに向かって延びる切欠き部８１ｅと、開口部８１ｂ側から８１ａ側に向かって延びる切欠き部８１ｆが形成されている。そのため、中央を固定端とし、対向し合う一対の角部を連結部とした場合、中央が支点として変形するが、中央の固定端と、開口部８１ａ，８１ｂが設けられている辺８１ｇとの間の圧電発電板部分がミアンダ状に変形する。同様に、中心の固定部と、辺８１ｇと対向し合う辺８１ｈ側の圧電発電板部分も同様にミアンダ状に変形する。他方、他の対向し合う辺８１ｉ，８１ｊとを結ぶ方向においては、上記辺８１ｇ，８１ｈを結ぶ方向と直行する方向においてミアンダ状に変形する。すなわち、２軸ミアンダ状の変形を生じる。このとき、中央を軸として、圧電発電板８１に１８０度回転する位置に回転対称でミアンダ状の切欠き部を配置すると、ミアンダ状のねじり変形が１８０度回転する部分で相殺されて、圧電発電板８１の回転や主面の傾きが抑えられ、圧電発電板８１の振動が安定する。このため、圧電発電板８１の発電量は変動を小さくできる。

上記のように、正方形の圧電発電板８１において、一対の対向し合う辺を結ぶ方向及び他の対の対向し合う辺を結ぶ方向の双方においてミアンダ状に変形するように、圧電発電板８１を構成してもよい。この場合においても、圧電発電板７１を用いた場合と同様に、第１，第２の圧電発電板として上記圧電発電板８１を用いることにより、共振周波数を低めることができ、かつ大きな変位量を得ることができる。従って、低周波の振動や小さな外力が加わった場合でも、大きな電力を取出すことができる。

なお、第１〜第６の実施形態では、金属板に圧電素子が貼り合わされたユニモルフ構造の圧電発電板を示したが、圧電発電板は板状のバイモルフ型圧電素子により構成されてもよい。もっとも、金属板の片面に圧電素子が貼り合わされたユニモルフ構造を採用することにより、金属板の両面に圧電素子が貼り合わされたバイモルフ構造に比べて、圧電発電板の剛性を下げ、共振周波数を低くすることができる。従って、上記のようにユニモルフ型の圧電振動子により圧電発電板を構成することが、低周波の振動でも圧電効率を高められる点において望ましい。

１…圧電発電装置
２…第１の圧電発電板
２ａ，２ｂ…第１，第２の切欠き部
２ｃ，２ｄ…長辺
２ｅ，２ｆ…短辺
３…第１の圧電素子
３ａ…第１の圧電セラミック板
３ｂ，３ｃ…電極
４…金属板
５…第２の圧電素子
６…金属板
７…第２の圧電発電板
７ａ，７ｂ…第１，第２の切欠き部
７ｃ，７ｄ…長辺
７ｅ，７ｆ…短辺
８，９…第１，第２の連結部材
１０…支持部材
１１…連結部材
１１Ａ，１１Ｂ…第１，第２の連結部材
１２…質量付加部材
２１…圧電発電装置
２２…連結部材
３１…圧電発電装置
５１…圧電発電装置
６１…圧電発電装置
７１…圧電発電板
７１ａ…切欠き部
８１…圧電発電板
８１ａ〜８１ｄ…開口部
８１ｅ，８１ｆ…切欠き部
８１ｇ〜８１ｊ…辺

Claims (15)

1. 第１の圧電発電板と、前記第１の圧電発電板と互いの主面が対向するように配置された第２の圧電発電板と、前記第１，第２の圧電発電板を連結している連結部材とを有する圧電発電素子と、
   前記第１の圧電発電板に固定されており、かつ前記圧電発電素子を外部に固定する支持部材とを備える、圧電発電装置。
2. 前記圧電発電素子が複数連結されており、互いに連結されている２つの圧電素子において、１つの前記圧電発電素子の前記第２の圧電発電板の前記第１の圧電発電板とが対向している主面とは反対側の主面にもう１つの前記圧電発電素子が連結されている、請求項１に記載の圧電発電装置。
3. 前記複数の圧電発電素子が連結されている構造において、前記支持部材が前記第１の圧電発電板の中央または両端に連結され、前記連結部材が前記第１及び第２の圧電発電板の中央または両端で前記第１及び第２の圧電発電板に連結されている、請求項２に記載の圧電発電装置。
4. 前記第１，第２の圧電発電板が、長さ方向を有する矩形形状を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電発電装置。
5. 前記連結部材は、前記第１と第２の圧電発電板とが互いに対向する主面の両端の位置で連結する第１，第２の連結部材を含み、
   前記支持部材は、前記第１，第２の連結部材が設けられている側と反対側の主面において、前記第１の圧電発電板の主面の中央部に設けられている、請求項４に記載の圧電発電装置。
6. 前記連結部材は、前記第１，第２の圧電発電板の長さ方向における中央部において、前記第１と第２の圧電発電板を連結し、
   前記支持部材は、前記第１の圧電発電板の前記連結部材が設けられている側と反対側の主面の長さ方向における両端に第１，第２の支持部材が設けられている、請求項４に記載の圧電発電装置。
7. 前記第１，第２の圧電発電板において、矩形形状の圧電発電板の一方の長辺から他方の長辺側に向かって延びる切欠き部が形成されている、請求項４に記載の圧電発電装置。
8. 前記切欠き部が複数設けられており、前記複数の切欠き部が、前記第１，第２の圧電発電板の長さ方向において交互に逆の長辺に設けられている、請求項７に記載の圧電発電装置。
9. 前記矩形形状の第１，第２の圧電発電板のそれぞれの対向し合う一対の角部同士が前記連結部材によりそれぞれ連結されており、前記支持部材が、前記第１の圧電発電板の中央に固定されている、請求項４に記載の圧電発電装置。
10. 前記第１，第２の圧電発電板に、前記第１，第２の連結部材が設けられている部分の間において、該圧電発電板の内部から外周縁に至る切欠き部が形成されている、請求項９に記載の圧電発電装置。
11. 前記切欠き部が複数設けられており、該複数の切欠き部が前記支持部材が固定されている部分に対して点対称に設けられている、請求項１０に記載の圧電発電装置。
12. 前記第２の圧電発電板の前記連結部材が設けられている側とは反対側の主面側に配置されて、前記第２の圧電発電板と固定されている質量付加部材をさらに備える、請求項１，４〜１１のいずれか１項に記載の圧電発電装置。
13. 前記第２の圧電発電板の前記第１の圧電発電板とは反対側の面に連結部材を介して少なくとも一つの圧電発電素子が連結されている、請求項１，４〜１２のいずれか１項に記載の圧電発電装置。
14. 前記第１，第２の圧電発電板は、厚み方向に分極処理された第１の分極領域と、厚み方向において第１の分極領域と逆方向の分極処理された第２の分極領域とを有する圧電板を備える、請求項１〜１３いずれか１項に記載の圧電発電装置。
15. 前記圧電発電板は、前記圧電板に積層された金属板をさらに備え、ユニモルフ型の圧電素子が構成されている、請求項１４に記載の圧電発電装置。

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