JP5655861B2 - 圧電発電装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動や外力が加わった際に変位し、圧電効果により電力を発生させる圧電発電装置及びその製造方法に関し、より詳細には、板状の圧電発電体を用いた圧電発電装置及びその製造方法に関する。

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。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に固定されている端部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が第１のアーム部１００２ａに連ねられている。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、外部から振動や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折り返されている圧電発電板を用いた圧電発電装置が開示されている。圧電発電板は、板状の圧電発電素子である。ここでも、つづら折り状に折り返されている圧電発電板を用いることにより、圧電素子の面積を増加させ、外部から振動や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、圧電発電素子の共振周波数を低くするため、板状の圧電発電素子の長さを長くしたり、その厚みを薄くする必要がある。しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載のような、圧電発電素子を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素子を用いて、板状の圧電発電素子の長さを長くする場合、高さ寸法が大きくならざるを得なかった。また、板状の圧電発電素子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、板状の圧電発電素子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１００３が貼り付けられている。従って、圧電発電素子における圧電体の占有比率が小さいため、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３次元形状に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、大型化を招くことなく、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、分極方向が異なる複数の分極領域を有する圧電板を含む圧電発電板と、圧電発電板を固定しかつ支持する支持部材とを備える。圧電発電板は、支持部材により固定かつ支持されている固定部と、外力が加わった際に固定部に対して相対的に変位する圧電発電板の自由端と、固定部と自由端との間の位置に切欠き部とを有する。外力が加わった際に、切欠き部と固定部側の端部との間にある第１圧電発電板部分と、切欠き部の自由端側の端部との間にある第２圧電発電板部分とが異なる方向に変位するように切欠き部が形成されている。

本発明に係るある特定の局面では、切欠き部が、枠状の形状の一部を除いた形状を有する。圧電発電板は、切欠き部により囲まれた部分である第２圧電発電板部分と、固定部を含む。第２圧電発電板部分以外の部分である第１圧電発電板部分と、第１圧電発電板部分と第２圧電発電板部分とをつなぐ連結部とを有する。また、第２圧電発電板部分は、外力が加わった際に変位する第１自由端を連結部と反対側の端部に有する。この場合には、切欠き部の内側の圧電発電板部分が切欠き部の外側の圧電発電板部分と異なるように容易に変位する。

本発明に係る圧電発電装置の他の特定の局面では、枠状の形状の一部を除いた切欠き部が、相対的に外側の切欠き部が相対的に内側の切欠き部を囲むように複数設けられており、圧電基板の最も内側に位置している切欠き部により囲まれた圧電発電板部分の端部が第２自由端とされている。この場合には、圧電発電板の面方向に沿って見たときに、外力が加えられた際にミアンダ状に変位する。従って、低い周波数の振動が加わった場合においても、より一層大きな電力を発生させることができる。

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、切欠き部が、第１圧電発電板部分と、該第１圧電発電板部分の面方向外側に位置する第２圧電発電板部分とが該切欠き部の一端側において連結するように設けられている。第２圧電発電板部分の端部であって、該第１圧電発電板部分と第２圧電発電板部分とを連結している連結部とは反対側に位置する第２圧電発電板部分の端部が自由端とされている。この場合には、第１圧電発電板部分と第２圧電発電板部分とが連結部を介して異なるように変位する。従って、低周波の振動や小さな外力が加わった場合であっても、より一層大きな電力を発生させることができる。

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、圧電発電板の一端側に固定部材が固定されており、該固定部材が固定されている端部と反対側の端部が自由端とされている。この場合には、圧電発電基板の一端側において固定され、反対側の端部が自由端とされているので、上記一端と反対側の端部とを結ぶ圧電発電板の長さ方向寸法全体を利用して、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。

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、固定部と、自由端との間に、複数の切欠き部が設けられており、複数の切欠き部において、隣り合う切欠き部が、固定部と自由端とを結ぶ方向を第１の方向としたときに、第１の方向と直交する第２の方向の両側の端縁に交互に形成されている。この場合には、複数の切欠き部が設けられているため、固定部と自由端との間において変位方向が異なる３以上の圧電発電板部分が設けられることになるため、より一層大きな電力を発生させることができる。

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、圧電発電板の一端と他端との間の中央領域に固定部が位置する。圧電発電板の一端及び他端がそれぞれ自由端であり、固定部と各自由端との間に切欠き部が設けられている。このように、圧電発電板の一端と他端との間の中央領域に固定部が位置しているので、圧電発電装置を安定に支持することができる。

本発明に係る圧電発電装置において、圧電発電板は、金属板と、金属板上に積層された圧電板とを有するユニモルフ型であってもよく、あるいはバイモルフ型であってもよい。

本発明に係る圧電発電装置の製造方法は、本発明に従って構成された圧電発電装置の製造方法であって、圧電発電板を用意する工程と、圧電発電板に切欠き部を形成する工程と、圧電発電板に固定部材を接合する工程とを備える。

本発明に係る圧電発電装置の製造方法の他の特定の局面では、圧電発電板が、金属板と、金属板に積層された圧電板とを備えるユニモルフ型であって、圧電発電板を用意する工程において、金属板の片面に、切欠き部が設けられた圧電板を貼り合わせ、次に圧電板側からサンドブラスト加工により切欠き部の形状に応じた切欠き部を金属板に形成し、それによって、切欠き部を有する圧電発電板を得る。この場合には、切欠き部が設けられたセラミック板を金属板の片面に貼り合わせてサンドブラスト加工などの平面加工を行うだけで、容易に切欠き部を有する圧電発電板を得ることができる。

本発明に係る圧電発電装置では、外力が加わった際に固定部に対して相対的に変位する圧電発電板の固定部と自由端との間の位置に切欠き部が形成されており、外力が加わった際に、切欠き部と固定部側の端部との間にある第１圧電発電板部分と、切欠き部の自由端側の端部との間にある第２圧電発電板部分とが異なる方向に変位するように切欠き部が形成されているため、圧電発電板の共振周波数を低くすることができ、かつ変位量を大きくすることができる。従って、低周波の振動が加わった際や小さな外力が加わった際においても、大きな電力を発生させることができる。

加えて、圧電発電板に切欠き部を形成するだけで発生する電力を高め得るため、圧電発電板の厚み方向に沿う寸法を大きくすることなく、大きな電力を得ることができる。

さらに、本発明の圧電発電装置の製造方法では、圧電発電板に切欠き部を形成した後に、固定部材を接合するだけで容易に本発明に係る圧電発電装置を製造することができる。

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置を説明するための平面図及び図１（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う部分を示す断面図である。 図２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の変位状態を説明するための模式的斜視図及び模式的正面図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置における圧電発電板の複数の分極領域を説明するための模式的平面図である。 図４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置を製造する方法を説明するための図であり、図４（ａ）は金属板に切欠き部が設けられた圧電板を貼り合わせてなる積層体を示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）中のＣ−Ｃ線に沿う正面断面図である。 図５は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置の模式的斜視図である。 図６は、本発明の第３の実施形態に係る圧電発電装置の模式的斜視図である。 図７は、本発明の第４の実施形態に係る圧電発電装置の模式的斜視図である。 図８は、本発明の第４の実施形態に係る圧電発電装置における圧電発電板の複数の分極領域を説明するための模式的平面図である。 図９（ａ）〜（ｄ）は、比較例、及び第１〜第３の実験例の圧電発電装置を説明するための模式的平面図である。 図１０（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第５の実施形態に係る圧電発電装置を説明するための平面図及び図１０（ａ）中のＤ−Ｄ線に沿う部分を示す断面図である。 図１１は、本発明の第６の実施形態に係る圧電発電装置の平面図である。 図１２は、本発明の第７の実施形態に係る圧電発電装置の平面図である。 図１３は、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に、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１を示す。図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う部分を示す断面図である。

圧電発電装置１は、圧電発電板２と、支持部材３とを有する。圧電発電板２は、長さ方向を有する矩形板状の形状を有し、平面視した際に、互いに対向する短辺２ｂ，２ｃと、互いに対向する長辺２ｄ，２ｅとを有する。支持部材３は、圧電発電板２の一端である短辺２ｂ側の部分を固定しかつ支持している。圧電発電板２において、支持部材３によって固定されている部分が、固定部である。

支持部材３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。言い換えれば、支持部材３は、圧電発電装置１が取り付けられる部分に圧電発電板２を固定する部材である。このような支持部材３は、金属や樹脂やセラミックスなどの適宜の材料により形成することができる。

圧電発電板２は、金属板４と、金属板４の片面に貼り合わされた圧電板５とを有する。すなわち、圧電発電板２は、ユニモルフ型である。圧電板５は、厚み方向に分極されている。本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、圧電板５の下面に上記支持部材３が固定されており、圧電板５の上面に金属板４が貼り合わされている。圧電板５の下面に支持部材３が固定されていることにより、圧電板５には常に圧縮応力が加わることになる。もっとも、支持部材３は、圧電発電板２の上面側に固定されていてもよい。

金属板４は、鉄やアルミニウムなどの金属や、鉄やアルミニウムを含む合金、例えばステンレスなどの適宜の金属材料からなる。圧電板５は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスあるい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を含む非鉛系圧電セラミックスのような適宜の圧電体材料からなる。

圧電板５の下面には電極６が形成されており、上面には電極７が形成されている。電極６と電極７とは、後述する切欠き部を除く圧電板５の上面及び下面の全領域に形成されている。

電極６及び電極７は、適宜の導電性材料からなる。また、金属板４が導電性を有するため、圧電板５の金属板４が貼り合わされている側の面に形成されている電極７は省略されてもよい。

図３に、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１における圧電発電板２の模式的平面図を示す。なお、図３では、金属板４は省略されている。圧電板５は、厚み方向に分極処理されているが、図３に示すように、ハッチングを付した分極領域Ｐ１と、残りの部分である分極領域Ｐ２とは、厚み方向において互いに逆方向に分極されている。すなわち、圧電板５は、分極方向が異なる複数の分極領域Ｐ１，Ｐ２を有する。外部などから振動や外力が加わった際に圧電発電板２が変位した場合、この複数の分極領域Ｐ１，Ｐ２には、圧電板５の表面に圧縮歪又は引張歪が発生して圧縮応力又は引張応力が発生する圧電発電板２の第１の領域と、歪方向が反転して、第１の領域と応力が逆の引張応力又は圧縮応力が発生する圧電発電板２の第２の領域とに分かれて形成されている。従って、分極領域Ｐ１と分極領域Ｐ２との分極方向を逆方向とすることにより、圧電発電板２に、分極領域Ｐ１，Ｐ２に共通電極を形成しても、分極領域Ｐ１，Ｐ２において圧電効果により発生する正負の電荷が相殺されることなく、発生した電荷に基づく電力を効率よく取り出すことができる。

この分極領域Ｐ１，Ｐ２と圧電発電板２の変位及び歪状態については後ほどより詳しく説明することとする。

本実施形態の圧電発電装置１の特徴は、圧電発電板２内に、切欠き部２ａが形成されていることにある。切欠き部２ａは、閉じた枠状の形状から一部を除いた形状を有する。より具体的には、図１（ａ）に示すように、圧電発電板２は、長さ方向を有する矩形板状の形状を有し、圧電発電板２の短辺２ｂ側の部分は上記支持部材３が固定されている固定部を有し、切欠き部２ａは短辺２ｃ側から固定部側である短辺２ｂ側に向かって延びる一対の切欠き部構成部分２ａ１，２ａ２を有する。切欠き部構成部分２ａ１，２ａ２は、短辺２ｃ側から短辺２ｂ側に向かうにつれて、切欠き部構成部分２ａ１，２ａ２間の距離が短くなるように設けられている。そして、切欠き部構成部分２ａ１，２ａ２の短辺２ｂ側の端部が短辺２ｂとは平行に延びる切欠き部構成部分２ａ３に接続されていることにより切欠き部構成部分２ａ１，２ａ２，２ａ３が連続した切欠き部となっている。他方、切欠き部構成部分２ａ１，２ａ２の短辺２ｃ側の端部は連続した切欠き部となっていない。従って、切欠き部構成部分２ａ１，２ａ２，２ａ３で構成される切欠き部２ａは、図１（ａ）に示すように、台形の下底が空いた形状、言い換えれば、閉じた枠状部分から、その一部を除いた形状とされている。この切欠き部２ａが、圧電発電板２の矩形状の外周を含まない内部領域に形成されている。

圧電発電板２は、第１圧電発電板部分２ｕと、第２圧電発電板部分２ｆとを有する。第２圧電発電板部分２ｆは、切欠き部２ａにより囲まれた部分である。第１圧電発電板部分２ｕは、切欠き部２ａによって囲まれていない部分、すなわち第２圧電発電板部分２ｆ以外の部分である。切欠き部２ａが上記形状を有するため、外部から振動や外力が加えられた際に、第２圧電発電板部分２ｆは、第１圧電発電板部分２ｕと異なる方向に変位することが可能とされている。この第２圧電発電板部分２ｆの先端２ｆ１が第１自由端となる。

図２（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１の変位状態を説明するための模式的斜視図であり、図２（ｂ）はその模式的正面図である。すなわち、圧電発電板２に外部から振動や外力が加わると、たとえば圧電発電板２の上方から下方に向かう成分を有する外力が加わると、圧電発電板２は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように変位する。この場合、支持部材３により支持されている固定部に対し、圧電発電板２の切欠き部２ａの外側の部分である第１圧電発電板部分２ｕが固定部を支点として屈曲モードで変位し、切欠き部２ａにより囲まれた部分である第２圧電発電板部分２ｆは、第１圧電発電板部分２ｕと連結されている連結部を支点として屈曲モードで第１圧電発電板部分２ｕと異なる方向に変位する。従って、第１自由端である先端２ｆ１が、図２（ｂ）に矢印で示すように変位することとなる。

上記のように切欠き部２ａを設けたことにより、矩形の圧電発電板２においては、切欠き部２ａにより囲まれた部分である第２圧電発電板部分２ｆと残りの部分である第１圧電発電板部分２ｕとが、連続した圧電発電板２の平板内で互いに異なる位置に屈曲モード変位の支点を持つように異なる方向に変位する。このように変位した場合、圧電発電板２には、圧縮歪と引張歪とが発生する領域が分かれて生じる。圧縮歪と引張歪とに互いに歪方向が反転する領域は、有限要素法等による解析により特定することができる。

図３の分極領域Ｐ１，Ｐ２は、このように、切欠き部２ａが設けられた圧電発電板２が変位する際、圧電発電板２の歪方向が圧縮歪である領域と引張歪である領域とにそれぞれ相当する。従って、前述したように、分極領域Ｐ１，Ｐ２において、圧電板５の分極方向が厚み方向において互いに逆方向とされている。それによって、分極領域Ｐ１及びＰ２に共通電極を形成する簡略な平面構造あっても、分極領域Ｐ１及びＰ２に発生する電荷が相殺されることがない。よって、外部から低周波の振動や小さな外力が加わった場合でも、簡略な構造であっても、圧電発電板２の主面に垂直な高さ寸法を大きくすることなく、大きな電力を確実に得ることができる。

特に、圧電板５と同じ外形寸法を有し、ただし切欠き部を有しない圧電発電板に比べて、本実施形態では、上記圧電発電板２に切欠き部２ａが形成されていることにより、大きな電力を取り出すことができる。これは、上記のように、外部から振動や外力が加わった際に、切欠き部２ａにより囲まれた部分である第２圧電発電板部分２ｆと残りの部分である第１圧電発電板部分２ｕとが、異なる方向に変位するためである。すなわち、外部から低周波の振動や小さな外力が加わった場合でも圧電発電板２全体としてより大きな変位量を得ることができ、従って発生する電荷の総量を増大させることができるからである。

従って、本実施形態の圧電発電装置１では、圧電発電板２の寸法を大型にすることなく、大きな発電量を得ることができる。

加えて、後述するように、切欠き部２ａの形状を変更することにより、圧電発電板２に振動や外力が加えられた際の圧電発電板２の共振周波数も容易にコントロールすることができる。

また、上記圧電発電板２に切欠き部２ａを形成するだけでよいため、製造工程も容易であり、さらに平板状の圧電板５において分極領域Ｐ１，Ｐ２を形成するだけでよいため、分極処理も容易である。

上記圧電発電装置１の製造方法の一例を説明する。図４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１を製造する方法を説明するための図であり、図４（ａ）は金属板４に切欠き部２ａ’が設けられた圧電板５を貼り合わせてなる積層体８を示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）中のＣ−Ｃ線に沿う正面断面図である。まず、切欠き部２ａを構成する切欠き部２ａ’を有する圧電板５を用意する。この工程は、矩形の圧電セラミック板を得た後に、レーザー加工や機械加工等により切欠き部２ａ’を形成することにより行い得る。あるいは、切欠き部２ａ’を有するように未焼成の圧電板を成形し、しかる後焼成することにより、上記圧電板５を得ることができる。

次に、圧電板５を分極する。先ず、切欠き部２ａ’を有する圧電板５を用意した後に、該圧電板５の上面における分極領域Ｐ１に相当する部分と、分極領域Ｐ２に相当する部分にそれぞれ分極用電極を互いに接触しないように形成する。圧電板５の下面の全面に電極を形成する。そして、上面及び下面の電極間に電圧を印加し、分極領域Ｐ１と分極領域Ｐ２とで印加される電圧の方向が互いに逆方向となるように分極処理を行えばよい。

上記分極処理後に、圧電板５の上面において、分極用電極を除去した後に、全面に電極７を形成すればよい。あるいは、分極用電極を残したまま、さらに圧電板５の上面の全面を覆うように導電膜を形成し電極７を形成してもよい。圧電板５の下面において、全面に形成された分極用電極を電極６としてもよい。

このようにして、圧電板５の上面及び下面に電極６，７を形成する。しかる後、圧電板５を、切欠き部を有しない金属板４に貼り合わせることで、図４（ａ）及び（ｂ）に示す積層体８を得ることができる。積層体８を得た後に、圧電板５の切欠き部２ａ’側からサンドブラスト加工を行う。それによって、圧電板５の切欠き部２ａ’の下方において、金属板４に切欠き部を形成する。このようにして、図１に示した圧電発電板２を得ることができる。圧電発電板２に支持部材３を固定することにより、圧電発電装置１を得ることができる。

なお、金属板４に切欠き部を形成する加工は、サンドブラスト法に限定されず、他の研磨方法やレーザーを用いた加工方法などを用いることもできる。

上記製造方法によれば、積層体８を得た後にサンドブラスト加工のような、２次元の加工軌跡で済む加工を実施するだけで、容易に、圧電発電板２の形状を得ることができる。

なお、圧電板５を金属板４に貼り合わせるに際しては、導電性接着剤や絶縁性接着剤などの適宜の接合剤を用いればよい。電極６を省略した場合においても、導電性接着剤や絶縁性接着剤により金属板４に圧電板５を貼り合わせればよい。絶縁性接着剤を用いた場合であっても、絶縁性接着剤の厚みが非常に薄い場合には、表面に微細な凹凸を有する圧電板５と金属板４とが局所的に接触して導通を図ることができる。あるいは、圧電板５と金属板４と絶縁性接着剤とがコンデンサ機能を有するので、交流電力の伝送を図ることができる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置２１を示す模式的斜視図である。第２の実施形態の圧電発電装置２１では、圧電発電板２は、切欠き部の形状を除いては、第１の実施形態と同様である。従って、同一部分については同一部分の参照番号を付することにより、第１の実施形態の説明を援用することとする。第１の実施形態では、切欠き部２ａは、切欠き部構成部分２ａ１，２ａ２が短辺２ｃ側から短辺２ｂ側に向かうにつれて、両者の間の距離が短くなるように設けられていたが、図５に示す圧電発電装置２１では、切欠き部構成部分２ａ１，２ａ２が長辺２ｄ，２ｅと平行に延びるように設けられている。従って、切欠き部２ａにより囲まれた部分である第２圧電発電板部分２ｆは矩形の形状を有する。このように、切欠き部２ａで囲まれた第２圧電発電板部分２ｆの形状は適宜変形することができる。切欠き部２ａにより囲まれた部分である第２圧電発電板部分２ｆの平面形状を変更することにより、外部から振動や外力が加わった際の圧電発電板２の共振周波数を容易に調整することができる。なお、図５では、支持部材３、電極６，７は省略されている。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る圧電発電装置３１を示す模式的斜視図である。第３の実施形態の圧電発電装置３１では、圧電発電板２は、切欠き部の形状を除いては、第１の実施形態と同様である。従って、同一部分については同一部分の参照番号を付することにより、第１の実施形態の説明を援用することとする。圧電発電装置３１では、図５に示した切欠き部２ａに加えて、さらに切欠き部２ｇが形成されている。切欠き部２ｇは、切欠き部２ａで囲まれた部分内において、切欠き部２ａを反転させた形状を有する。すなわち、相対的に外側に位置する切欠き部２ａが相対的に内側に位置する切欠き部２ｇを囲むように、複数の切欠き部２ａ，２ｇが設けられている。切欠き部２ｇは、長辺２ｄ，２ｅと平行に、短辺２ｂ側から短辺２ｃ側に向かって延びる一対の切欠き部構成部分２ｇ１，２ｇ２を有し、切欠き部構成部分２ｇ１，２ｇ２の短辺２ｃ側の端部が短辺２ｃと平行延びる切欠き部構成部分２ｇ３により連ねられている。なお、図６では、支持部材３、電極６，７は省略されている。

切欠き部２ａに加えて切欠き部２ｇが形成されているため、切欠き部２ｇにより囲まれた部分である第３圧電発電板部分２ｈの先端２ｈ１が第２自由端となる。

切欠き部２ａ，２ｇが形成されているため、外部から振動や外力が加わった場合、圧電発電装置３１では、切欠き部２ａにより囲まれた部分である第２圧電発電板部分２ｆに対し、さらに切欠き部２ｇにより囲まれた部分である第３圧電発電板部分２ｈが異なる方向に変位する。この場合、圧電発電板２を正面視した場合、すなわち長辺２ｅ側から見た場合、圧電発電板２は、固定部を含む周囲の部分に対し、第２圧電発電板部分２ｆが異なる角度をなすように変位し、さらに第２圧電発電板部分２ｆに対し第３圧電発電板部分２ｈがさらに異なる方向に変位する。すなわち略ミアンダ状の形状となるように変位する。このように、第２圧電発電板部分２ｆと、第３圧電発電板部分２ｈとが固定部や第１圧電発電板部分２ｕを含む部分と異なる方向に変位するため、より一層大きな電力を取り出すことができる。

本実施形態では、上記切欠き部２ａにより囲まれた部分である第２圧電発電板部分２ｆ内に、上記切欠き部２ｇにより囲まれた部分である第３圧電発電板部分２ｈが設けられている。この第２圧電発電板部分２ｆと第３圧電発電板部分２ｈとが連結されている部分が前述した第１自由端に相当するが、第１自由端からさらに第３圧電発電板部分２ｈが延び、第３圧電発電板部分２ｈの先端が本発明における第２自由端に相当することになる。

従って、本実施形態においても、固定部側に位置している第１圧電発電板部分２ｕと、固定部と本発明の第２自由端としての先端２ｈ１間の位置に切欠き部２ａ，２ｇが存在することになり、第１圧電発電板部分２ｕと、第２圧電発電板部分２ｆと、第３圧電発電板部分２ｈとが異なる方向に変位するように切欠き部２ａ，２ｇが形成されていることになる。

図６では、第１，第２の切欠き部２ａ，２ｇが設けられていたが、さらに多くの切欠き部が設けられていてもよい。

図７は、本発明の第４の実施形態に係る圧電発電装置４１の模式的斜視図である。第４の実施形態の圧電発電装置４１では、圧電発電板２は、切欠き部の形状を除いては、第１の実施形態と同様である。従って、同一部分については同一部分の参照番号を付することにより、第１の実施形態の説明を援用することとする。

圧電発電装置４１では、圧電発電板２に切欠き部２ｉ，２ｊが形成されている。切欠き部２ｉ，２ｊは、それぞれ、切欠き部構成部分２ｉ１，２ｉ２，２ｊ１，２ｊ２を有する。切欠き部構成部分２ｉ１は、圧電発電板２の長辺２ｄから長辺２ｅ側に向かって延びており、その先端部分が切欠き部構成部分２ｉ２に連なっている。切欠き部構成部分２ｉ２は、圧電発電板２の短辺２ｂ側から短辺２ｃ側に向かって延びている。切欠き部構成部分２ｊ１は、圧電発電板２の長辺２ｅから長辺２ｄ側に向かって延びており、その先端部分が切欠き部構成部分２ｊ２に連なっている。切欠き部構成部分２ｊ２は、圧電発電板２の短辺２ｂ側から短辺２ｃ側に向かって延びている。

切欠き部構成部分２ｉ２，２ｊ２は、切欠き部構成部分２ｉ１，２ｊ１に連ねられている端部から短辺２ｃ側に向かって延ばされており、短辺２ｃ側に向かうにつれて、両者の間の距離が短くなるように設けられている。そして、切欠き部構成部分２ｉ２，２ｊ２は、短辺２ｃには至らないように設けられている。圧電発電板２の短辺２ｃ側であって、長辺２ｅ側の領域と長辺２ｄ側の領域には共通の錘１０が接合されている。

本実施形態の圧電発電装置４１では、上記のように切欠き部２ｉ，２ｊが形成されているので、外部から振動や外力が加わった際、切欠き部２ｉ，２ｊで囲まれている部分であって、支持部材３が固定される固定部に対し、切欠き部２ｉ，２ｊの外側の圧電発電板部分２ｋ１，２ｋ２が異なる方向に変位する。ここでは、自由端は、圧電発電板部分２ｋ１，２ｋ２の先端となる。すなわち、圧電発電板部分２ｋ１，２ｋ２の切欠き部構成部分２ｉ１，２ｊ１に至っている部分が自由端となる。

よって、本実施形態においても、固定部と自由端との間に切欠き部２ｉ，２ｊが形成されていることになる。

また、本実施形態においても、上記切欠き部２ｉ，２ｊが形成されているため、固定端と自由端との間で、切欠き部２ｉ，２ｊの固定部側の圧電発電板部分と、自由端側の圧電発電板部分とが異なる方向に変位するため、圧電発電装置４１の共振周波数を低くすることができ、かつ大きな変位量を得ることができる。従って、外部から振動や外力が加わった際に大きな発電量を得ることができる。

さらにまた、切欠き部２ｉ，２ｊの外側の圧電発電板部分２ｋ１，２ｋ２の先端である自由端の両方に錘１０が共に接合されていることにより、外部から振動や外力が加わった際に、自由端間の屈曲変形の位相差及びねじり変形が抑制され、圧電発電装置４１の発電量の低下が抑制できる。

なお、上記圧電発電装置４１では、外部から振動や外力が加わった際に応力が反転する部分が存在するため、残りの部分と応力が反転している部分を厚み方向において逆方向に分極処理すればよい。図８に、圧電発電装置４１における圧電発電板２の模式的平面図を示す。ハッチングを付した分極領域Ｐ１は、外部から振動や外力が加わった際に、残りの部分である分極領域Ｐ２に発生する歪とは逆方向の歪が発生する部分である。従って、第１の実施形態と同様に、圧電板５は厚み方向に分極処理されており、分極領域Ｐ１と、残りの分極領域Ｐ２とを厚み方向において逆方向に分極処理すればよい。

前述したように、本発明においては、上記切欠き部の形状を工夫することにより、圧電発電板２において、変位が異なる複数の部分の形状を容易に変更することができる。それによって、圧電発電板２の共振周波数をコントロールすることができる。これを、図９（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。厚さ０．１ｍｍの金属板と圧電体の板とを接合させた圧電発電板を有する圧電発電装置を複数用意した。図９（ａ）は、圧電発電板１１１を有する、比較例の圧電発電装置の模式的平面図である。圧電発電板１１１は、長さ（Ｌ１）３０ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚さ０．１ｍｍの矩形の金属板に同じ外形寸法で同じ厚みの圧電体の板を接合させた矩形の圧電発電板である。図９（ａ）に示すように、圧電発電板１１１における点線で囲まれた領域、具体的には長さ方向一端側から５．０ｍｍ離れた部分までの領域である固定部９において圧電発電板１１１を固定し、片持ち梁で振動するように外部から振動や外力を加えた場合、比較例の圧電発電装置における圧電発電板１１１の共振周波数は２２０．１Ｈｚであった。ここで、圧電発電板の長さ方向一端側から固定部９の端部までの長さをＬ２とすると、比較例では、Ｌ２＝５．０ｍｍとなる。

図９（ｂ）は、圧電発電板１１２を有する、第１の実験例の圧電発電装置の模式的平面図である。図９（ｃ）は、圧電発電板１１３を有する、第２の実験例の圧電発電装置の模式的平面図である。圧電発電板１１２，１１３は、平面視して略台形状であって厚さ０．１ｍｍの金属板に同じ外形寸法で同じ厚みの圧電体の板を接合させた圧電発電板である。圧電発電板１１２は、圧電発電板１１１と同様に、Ｌ１＝３０ｍｍ、Ｌ２＝５．０ｍｍとされている。圧電発電板１１３は、圧電発電板１１１，１１２と同様にＬ２＝５．０ｍｍとされているが、圧電発電板１１２の端部から長さＬ３＝６．０ｍｍだけ延ばされた部分を有する。すなわち、圧電発電板１１３の長さは、Ｌ１＋Ｌ３＝３６．０ｍｍとされている。圧電発電板１１２，１１３は、圧電発電板の長さ方向一端側と対向する長さ方向他端側の長さ（Ｗ）が４０ｍｍとされている。図９（ｂ），（ｃ）に示すように、圧電発電板１１２，１１３における点線で囲まれた領域である固定部９において圧電発電板１１２，１１３を固定し、片持ち梁で振動するように外部から振動や外力を加えた場合、第１の実験例の圧電発電装置における圧電発電板１１２の共振周波数は３１２．１Ｈｚであり、第２の実験例の圧電発電装置における圧電発電板１１３の共振周波数は２２４．７Ｈｚであった。

図９（ｄ）は、圧電発電板４２を有する、第３の実験例の圧電発電装置の模式的平面図である。圧電発電板４２は、上記第４の実施形態の圧電発電装置４１と同様の形状であり、Ｌ１＝３０ｍｍ、Ｌ２＝５．０ｍｍ及びＷ＝４．０ｍｍである。図９（ｄ）に示すように、圧電発電板４２における点線で囲まれた領域である固定部９において圧電発電板４２を固定し、片持ち梁で振動するように外部から振動や外力を加えた場合、第３の実験例の圧電発電装置における圧電発電板１１２の共振周波数は１８４．１Ｈｚであった。すなわち、上記実施形態の圧電発電装置４１では、圧電発電板４２の共振周波数を、図９（ａ）に示した同じ外形寸法の矩形の圧電発電板１１１と比較して、かなり低くし得ることがわかる。また、図９（ａ）〜（ｄ）との対比により、切欠き部や切欠き部で囲まれた部分の形状を変更することにより、圧電発電板の面積の減少を抑制して、圧電発電板の共振周波数を容易に低周波に調整し得ることがわかる。従って、用途に応じて、すなわち外部から加わる振動の周波数に応じ、切欠き部で囲まれた部分の形状や切欠き部の形状を変更することにより、より大きな発電量を得るように圧電発電装置を形成し得ることがわかる。

図１０に、本発明の第５の実施形態に係る圧電発電装置５１を示す。図１０（ａ）は本発明の第５の実施形態に係る圧電発電装置５１の平面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）中のＤ−Ｄ線に沿う部分を示す断面図である。

第５の実施形態の圧電発電装置５１では、矩形の圧電発電板２において、短辺２ｂ側端部すなわち一端側において、支持部材３が固定されている。すなわち短辺２ｂ側が固定部とされている。そして、支持部材３により圧電発電板２が片持ち梁対応で支持されている。従って、自由端は、短辺２ｃ側すなわち固定部とは反端側の端部が自由端となる。

本実施形態の圧電発電装置５１では、上記固定部と自由端との間に、複数の切欠き部２ｍ，２ｎが形成されている。切欠き部２ｍは、一方の長辺２ｄ側から他方の長辺２ｅ側に向かって延ばされている。切欠き部２ｎは長辺２ｅから他方の長辺２ｄ側に向かって延ばされている。すなわち、複数の切欠き部２ｍ，２ｎは、固定部と自由端とを結ぶ方向と直行する方向に延ばされており、かつ固定部と自由端とを結ぶ方向において交互に逆方向の圧電発電板端縁側に設けられている。

本実施形態では、外部から振動や外力が加わった際に、切欠き部２ｎと固定部との間の第１の圧電発電板部分と、切欠き部２ｍ，２ｎで挟まれた第２の圧電発電板部分と、切欠き部２ｍと自由端との間の第３の圧電発電板部分とが異なる方向に変位する。従って、この異なる方向に変位した場合に応力が反転する領域に応じて、第１の実施形態と同様に、分極方向が厚み方向において異なるように圧電板５を分極処理すればよい。それによって、圧電板５が変位した際に発生した電荷により、電力を取り出すことができる。

本実施形態においても、切欠き部２ｍ，２ｎが形成されているため、圧電発電板の共振周波数を低くすることができ、外部から低周波の振動や小さな外力が加わった場合でも多くの電荷を発生させ、大きな電力を取り出すことができる。このように、本発明における切欠き部は、固定部と自由端との間に設けられ、切欠き部から固定部側の圧電発電板部分と、切欠き部から自由端側の圧電発電板部分とが異なるように変位する適宜の形状となるように切欠き部を形成することができる。

図１１は、本発明の第６の実施形態に係る圧電発電装置６１の平面図である。本実施形態の圧電発電装置６１は、２つの第２の実施形態の圧電発電装置２１を一体化した構造に相当する。すなわち、圧電発電板２に切欠き部２ｏが形成されている。切欠き部２ｏは、第２の実施形態の切欠き部２ａを切欠き部構成部分２ａ３同士が共通するように一体化した構造を有する。従って、圧電発電装置６１では、切欠き部２ｏで囲まれた一対の圧電発電板部分２ｐ１，２ｐ２が設けられており、これらの圧電発電板部分２ｐ１，２ｐ２の先端がそれぞれ自由端とされている。この場合においても、切欠き部２ｏで囲まれた圧電発電板部分２ｐ１，２ｐ２と残りの圧電発電板部分とが外部から振動や外力が加わった際に異なる方向に変位する。従って、第２の実施形態と同様に大きな電力を取り出すことができる。

また、本実施形態では、上記圧電発電板２の長辺２ｄ，２ｅの長さ方向中間部に支持部材３，３が固定されている。すなわち、固定部が、圧電発電板２の長さ方向中央に位置している。このように、本発明における圧電発電装置における固定部は、圧電発電板の一端側に限定されるものではない。

図１２は、本発明の第７の実施形態に係る圧電発電装置７１の平面図である。本実施形態の圧電発電装置７１では、圧電発電板２に、第５の実施形態と同様に複数の切欠き部２ｑ，２ｒ，２ｓ，２ｔが形成されている。ここでは、矩形の圧電発電板２の長さ方向中央に支持部材３が固定されている。従って、支持部材３と圧電発電板２の一方側の端部との間の圧電発電板部分と、支持部材３と圧電発電板２の他方側の端部との間の圧電発電板部分とが、それぞれ、固定部を支点として変位する。この一方側の圧電発電板部分及び他方側の圧電発電板部分が、それぞれ、第５の実施形態の圧電発電装置５１と同様に機能する。よって、固定部を圧電発電板２の長さ方向中央にして圧電発電装置７１を支持した場合においても、第５の実施形態の場合と同様に大きな電力を取り出すことができる。

また、第６及び第７の実施形態のように、圧電発電板の中央に固定部が設けられており、このように固定部の位置は、圧電発電板の端部側に限定されるものではない。従って、支持部材を外部に固定する部分の設計の自由度も高めることができる。

１…圧電発電装置
２，４２…圧電発電板
２ａ，２ｇ，２ｉ，２ｊ，２ｍ，２ｎ，２ｏ，２ｑ，２ｒ，２ｓ，２ｔ…切欠き部
２ａ１，２ａ２，２ａ３，２ｇ１，２ｇ２，２ｇ３，２ｉ１，２ｉ２，２ｊ１，２ｊ２…切欠き部構成部分
２ｂ，２ｃ…短辺
２ｄ，２ｅ…長辺
２ｆ…第２圧電発電板部分
２ｈ…第３圧電発電板部分
２ｆ１，２ｈ１…自由端
２ｋ１，２ｋ２…圧電発電板部分
２ｐ１，２ｐ２…圧電発電板部分
２ｕ…第１圧電発電板部分
３…支持部材
４…金属板
５…圧電板
６，７…電極
８…積層体
９…固定部
１０…錘
２１，３１，４１，５１，６１，７１…圧電発電装置

Claims (11)

1. 分極方向が異なる複数の分極領域を有する圧電板を含む圧電発電板と、
   前記圧電発電板を固定しかつ支持する支持部材とを備え、
   前記圧電発電板は、前記支持部材により固定かつ支持されている固定部と、外力が加わった際に前記固定部に対して相対的に変位する前記圧電発電板の自由端と、前記固定部と前記自由端との間の位置に切欠き部とを有し、
   前記切欠き部は、前記圧電発電板の外周縁を含まない内部領域に設けられており、
   前記外力が加わった際に、前記切欠き部と固定部側の端部との間にある第１圧電発電板部分と、前記切欠き部と自由端側の端部との間にある第２圧電発電板部分とが異なる方向に変位するように前記切欠き部が形成されている、圧電発電装置。
2. 前記切欠き部が、枠状の形状の一部を除いた形状を有し、
   前記圧電発電板は、前記切欠き部により囲まれた部分である第２圧電発電板部分と、前記固定部を含み、前記第２圧電発電板部分以外の部分である第１圧電発電板部分と、前記第１圧電発電板部分と第２圧電発電板部分とをつなぐ連結部とを有し、
   前記第２圧電発電板部分は、前記外力が加わった際に変位する第１自由端を前記連結部と反対側の端部に有する、請求項１に記載の圧電発電装置。
3. 前記枠状の形状の一部を除いた切欠き部は、相対的に外側の切欠き部が相対的に内側の切欠き部を囲むように複数設けられており、前記圧電発電基板の最も内側に位置している切欠き部により囲まれた圧電発電板部分の端部が第２自由端とされている、請求項２に記載の圧電発電装置。
4. 前記切欠き部は、前記第１圧電発電板部分と、該第１圧電発電板部分の面方向外側に位置する第２圧電発電板部分とが該切欠き部の一端側において連結するように設けられており、前記第２圧電発電板部分の端部であって、該第１圧電発電板部分と第２圧電発電板部分とを連結している連結部とは反対側に位置する端部が自由端とされている、請求項１に記載の圧電発電装置。
5. 前記圧電発電板の一端側に前記固定部材が固定されており、該固定部材が固定されている端部と反対側の端部が自由端とされている、請求項１に記載の圧電発電装置。
6. 前記固定部と、前記自由端との間に、複数の前記切欠き部が設けられており、複数の切欠き部において、隣り合う切欠き部が、前記固定部と前記自由端とを結ぶ方向を第１の方向としたときに、第１の方向と直交する第２の方向の両側の端縁に交互に形成されている、請求項５に記載の圧電発電装置。
7. 前記圧電発電板の一端と他端との間の中央領域に前記固定部が位置しており、前記圧電発電板の一端及び他端がそれぞれ自由端とされており、前記固定部と各自由端との間に前記切欠き部が設けられている、請求項１に記載の圧電発電装置。
8. 前記圧電発電板が、金属板と、金属板上に積層された圧電板とを有する、ユニモルフ型である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
9. 前記圧電発電板が、バイモルフ型である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の圧電発電装置の製造方法であって、前記圧電発電板を用意する工程と、
    前記圧電発電板に前記切欠き部を形成する工程と、
    前記圧電発電板に前記固定部材を接合する工程とを備える、圧電発電装置の製造方法。
11. 前記圧電発電板が、金属板と、前記金属板に積層された圧電板とを備えるユニモルフ型であって、
    前記圧電発電板を用意する工程において、前記金属板の片面に、前記切欠き部が設けられた前記圧電板を貼り合わせ、次に前記圧電板側からサンドブラスト加工により前記切欠き部の形状に応じた切欠き部を前記金属板に形成し、それによって、前記切欠き部を有する圧電発電板を得る、請求項１０に記載の圧電発電装置の製造方法。

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