JP2000224871A - 圧電素子ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電素子の発生電圧を大きくし、しかも長時
間の発電を可能とする。 【解決手段】 弾性を有する基板２とこの基板に設けら
れた圧電素子３と備え、上記基板が撓んで圧電素子が歪
んだときに電圧を発生させる圧電素子ユニットにおい
て、上記基板の一端を固定端として他端を自由端とし、
この基板の固定端から離れた部位に薄膜状の圧電素子が
設けられているものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、衝撃や振動などを
受けたときに圧電素子を歪ませてその衝撃や振動などを
検出したり、あるいはその発生電力を利用して発光素子
等を点灯させる等の圧電素子ユニットに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の圧電素子ユニットは、例えば特
開昭５５−２６９２５号公報には、爪先から踵手前まで
の靴底に圧電素子を設けると同時に踵部に二次電池を収
納し、圧電素子の屈曲によって踵部上部の靴底の電球を
点灯させることが開示されている。また、特開昭６３−
１４５６０１号公報には、履物の一部に体重に起因する
圧力を起電力に変換する発電部と蓄電部と電気取出部と
を設けてなる履物が開示されている。

【０００３】前者によれば、靴底全体にわたって圧電素
子を収納して踵部に二次電池を収納させているために、
収納ないし実装構造が複雑となるばかりか、二次電池の
交換を必要とするので、交換が煩わしく、実用化が敬遠
されるものであった。また、後者によれば、起電力が着
用者の体重如何で左右され、正確な電圧をコンスタント
に得られ難いものであった。

【０００４】叙述の諸問題を解決するために、本出願人
は特開平６−２０９８０７号公報を提示している。特開
平６−２０９８０７号公報では、靴底の踵部に圧電素子
とこの圧電素子の起電力によって発光するダイオードと
を設けるものを開示する。この場合に、平面状あるいは
棒状に形成した圧電素子ユニットを、離間した２つの支
持材の上に架け渡すか、あるいは中央と端部とで硬度差
を設けるようにして靴底の踵部に埋設し、歩く度に踵部
に加わる加圧力で圧電セラミックスの中央部分を撓ま
せ、圧電セラミックスに電圧を発生させている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した２つの離間す
る支持材の上に圧電素子ユニットを架け渡す構造で実施
したところ、少なくとも踵部の湾曲量に対応して中央部
分の圧電セラミックスが撓むこととなるが、中央部分の
圧電セラミックスを直接に押圧する機構となる。したが
って、大きな電圧を得るためには、さらに押圧力を加え
て撓み量を大きくしなければならないが、撓み過ぎると
圧電セラミックス容易に割れることとなるるうえに、圧
電セラミックスを直接押圧するために表面を損傷する等
の問題があった。圧電セラミックスの撓みは、足の踏み
込みと放す動きとスピードに制限され、大きな電圧が得
難いものであった。本出願人の実験によれば、図９に示
すように、上記圧電素子ユニットに衝撃を与えると、圧
電セラミクッスの中央部分が撓むがその歪み量は小さ
く、発生する電圧は１．５Ｖ程度に過ぎなかった。この
程度の電圧では、通常の発光ダイオードを十分に点灯さ
せることはできず、比較的低電圧から点灯する高価な高
輝度ダイオードを使用せざるを得ないものであった。

【０００６】また、衝撃を受けて一側に撓んだ圧電セラ
ミックスは次の瞬間、すぐに復元して元の歪まない状態
に戻ってしまうために、電圧が発生している時間が短か
過ぎるということも判明した。これは、電極板の両端が
支持されている構成のために電極板が両方の支持材から
制振力を受けるためである。このために、必要な時間だ
け所望の電圧を発電し続けることができないものであっ
た。

【０００７】本発明は、特開平６−２０９８０７号公報
などの圧電素子の改良に係わるものであって、圧電素子
に加わる衝撃力が小さくても所望の電圧を所要の時間継
続的に発生させることができる圧電素子ユニットを提供
することを、その目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、請求項１に記
載のように、弾性を有する基板と、この基板に設けられ
た圧電素子とを備え、上記基板が撓んで前記圧電素子が
歪んだときに電圧を発生させる圧電素子ユニットにおい
て、上記基板の一端を固定端として他端を自由端とし、
この基板の固定端から離れた部位に薄膜状の圧電素子が
設けられていることを特徴とする。

【０００９】この手段では、衝撃を受けたとき基板が固
定端を支点として基板が自由端に向けて振動するので、
固定端の近傍では曲げ応力が集中して大きな歪みとなっ
て撓み量が局所的に大きくなるために、この近傍部位で
は圧電素子に大きな電圧を発生させることができるもの
の、圧電素子の材質や薄膜構造等を考慮すると、耐久性
に欠けることが判明した。そこで、圧電素子を固定端の
近傍ではない離れた部位から基板に設けることによっ
て、撓み量つまり圧電素子が受ける局所的な歪みを回避
しつつ、撓み量が自由端の振れ量となって大きくなるよ
うにし、起電力が高められる。自由端は自由振動しなが
ら減衰するため、振動中にも所要の電圧が発生し、それ
だけ時間的に継続した電圧が発生する。

【００１０】本発明は、請求項２に記載のように、請求
項１の圧電素子ユニットにおいて、基板の自由端に重り
が設けられていることを特徴とする。

【００１１】この手段では、重りの加速度が加わって振
幅が維持され、自由振動の減衰時間が長くなる。

【００１２】本発明は、請求項３に記載のように、請求
項１または請求項２の圧電素子ユニットにおいて、基板
が弾性電極板であって、この基板に圧電素子が密着され
ていることを特徴とする。

【００１３】この手段では、圧電素子の薄膜が基板の弾
性による自由振動に対して同期振動し、自由振動による
変位が逃されることなく圧電素子に伝達される。

【００１４】本発明は、請求項４に記載のように、請求
項１から請求項３のいずれかの圧電素子ユニットにおい
て、基板が平板状の弾性電極板であって、この基板に圧
電素子が接着されていることを特徴とする。

【００１５】この手段では、弾性電極板の平板面に圧電
素子の薄膜面を接着することで一体化される。

【００１６】本発明は、請求項５に記載のように、請求
項１から請求項４のいずれかの圧電素子ユニットにおい
て、圧電素子で発生した電圧に発光素子を接続してなる
ことを特徴とする。

【００１７】この手段では、高い電圧が継続するので、
発光素子を高輝度で連続して発光させる。

【００１８】本発明は、請求項６に記載のように、請求
項１から請求項５のいずれかの圧電素子ユニットにおい
て、略々枠状を呈するハウジングを備え、このハウジン
グの一枠部に基板が固定されて固定端が形成されるとと
もに自由端が枠状内に振動自在に配置されることを特徴
とする。

【００１９】この手段では、ハウジング内で自由端の自
由振動が許容され、枠状の高さに応じて自由端の振幅が
得られる。

【００２０】また、本発明は、請求項７に記載のよう
に、請求項６の圧電素子ユニットにおいて、ハウジング
の枠部を上下枠から分割形成し、上下枠の間に基板を挟
持して固定端が形成され、自由端が上下枠の中間に配置
されることを特徴とする。

【００２１】この手段では、上下枠の間に基板の一端を
挟持させることで上下枠の高さに応じた自由端の振動が
得られる。

【００２２】また、本発明は、請求項８に記載のよう
に、請求項６または請求項７の圧電素子ユニットにおい
て、ハウジングの枠部に外側から肉視可能に発光素子が
収納されることを特徴とする。

【００２３】この手段では、ハウジング内で電圧を継続
して発電させて、ハウジングの外側から発光素子を発光
させる。

【００２４】また、本発明は、請求項９に記載のよう
に、請求項６から請求項８のいずれかの圧電素子ユニッ
トにおいて、ハウジングの枠状内に空間を残して枠状の
上下部分が封止されることを特徴とする。

【００２５】この手段では、ハウジングを１ユニットと
してそのままで例えば靴底やその他の部材へ組み込み可
能となる。

【００２６】さらに、本発明は、請求項１０に記載のよ
うに、請求項１または請求項９のいずれかの圧電素子ユ
ニットにおいて、圧電素子で発生した電圧を整流する整
流回路と整流された電圧を蓄電する充電回路とを備える
ことを特徴とする。

【００２７】この手段では、電圧のばらつきが整流され
て蓄電される。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一つの実施形態を
図１の圧電素子ユニットの原理説明図に基づいて説明す
る。

【００２９】圧電素子ユニット１の基本形態は、弾性を
有する平板状の基板２と、この基板２に設けられた薄膜
状の圧電素子３とを備え、基板２の一端がスペーサ４に
固定されて固定端２１とされ、基板２の他端が自由端２
２に構成されてなる。固定端２１は両面または図示する
ように片面が固定されている。

【００３０】上記基板２としては弾性を有して振動で撓
む薄い導電性を有する金属板が好適に用いられる。この
金属板としては、片持支持により自由端２２が繰り返し
振動で疲労しない厚みと素材とが選択され、例えばステ
ンレス板、銅板、４２アロイ、リン青銅等が用いられ
る。この金属板は、図示するごとく正方板形や短冊板形
あるいはその他の平板形状に形成される。

【００３１】また、圧電素子３は、圧電性セラミックス
や圧電性合成樹脂の素材からなるものが選択される。圧
電性セラミックスとしては、チタン酸バリウムやチタン
酸ジルコン酸鉛などが挙げられる。圧電性合成樹脂とし
ては、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン系
共重合体、シアン化ビニリデンなどが挙げられる。これ
ら圧電素子３は、振動による歪みによって容易に電圧を
発生させる薄膜状のものがよいが、繰り返し曲げ応力や
耐衝撃性のある厚みが必要である。圧電素子３の厚みと
しては、約３０〜５００μｍの範囲が好ましい。圧電素
子３は図示するような円形の他に、短冊形やその他の平
面形状に形成される。

【００３２】図示するように、圧電素子３は基板２とし
てのステンレス板の上に円形に形成し、好ましくは固定
端２１から離れた部位から自由端２２の部位へ添設され
る。固定端２１からの離れた部位ｗは局所的な撓み量の
大きな固定端２１の近傍を除く概念であって、自由振動
を大きく設定できる部位である。この圧電素子３は、ス
テンレス板２に対して密着させてステンレス板２と同期
振動させる必要で、僅かでも離間することで相互に制振
しないように一体化される。密着の手段としては、接
着、溶射、塗布等が採用される。ステンレス板２と圧電
素子３とには、導電線６がハンダ付け等で接続されて例
えば発光素子５に接続される。この場合には、所望部位
に接続端子６０を配置し、接続端子６０を介して導電線
６を接続する構造も選択できる。発光素子５としてはＬ
ＥＤなどの各種発光ダイオード等が選択される。なお、
基板２の自由端２２には重り７が付加されている。重り
７としては、例えば基板２の幅方向にわたって同一形状
で延長されて自由端２２に配置される。

【００３３】このように固定端２１のみを固定すること
で、振動がステンレス板２つまり圧電素子３に加わる
と、自由端２２がその力を受け矢印Ａ方向に移動して振
動するので、この振動に伴って圧電素子３が歪み、圧電
素子３に電圧が発生するので、例えば発光素子５に電流
が流れて発光させることとなる。

【００３４】上述した圧電素子３に発生する電圧は、衝
撃ないし振動等の力が圧電素子３に加わった瞬間に大き
な歪みが生じて最大電圧を発生し、その後、自由端２２
が自由振動することにより、発生電圧は継続的に振動し
ながら減衰していく。自由端２２に重り７があるので、
自由振動により圧電素子３が受ける歪みの大きさも大き
くなって発電電圧も大きくなり、また、減衰時間も長く
なる。つまり、所望の電圧を発生させておく時間も長く
なり、長時間の点灯が可能となる。これに加えて、破壊
的な力を圧電素子３に加える必要がなくなり、基板２や
圧電素子３への損傷を招来しなくなる。

【００３５】図２〜図３は、他の実施形態に係る圧電素
子ユニットを示すものである。この圧電素子ユニット１
０は、圧電素子ユニット１の基本形態を発展させたもの
で、平面視略々枠状を呈するハウジング４０を備え、こ
のハウジング４０の枠状の内部空間４１に基板２０が収
納される。上記ハウジング４０は、図示するように細長
の矩形枠状に形成でき、この矩形枠状の内寸に対応して
基板２０が短冊状に形成される。基板２０は、一の短辺
を固定端２３としてハウジング４０の一枠部としての短
辺部４２に固定され、固定端２３から伸ばされる短冊中
央部分と他の短辺が自由端２４として枠状の内部空間４
１で設置されている。したがって、ハウジング４０が所
望厚みＴに形成されることによって、基板２０の自由端
２３は厚みＴに応じて振動自在となる。また、圧電素子
３０は基板２０よりの小さな短冊状に形成され、自由端
２４には重り７０が設けられている。重り７０は、好ま
しくは自由端２４の端面にその幅方向にわたって取付け
されることで、上下振幅が大きく設定可能となる。

【００３６】上記基板２０の固定に際しては、上枠４５
と下枠４６との間の短辺部４２に固定端２３を挟み込み
して両面から固定し、図示しない導電線も上枠４５と下
枠４６との間を長辺部４４に沿って挿通させ、他枠部と
しての短辺部４３から突出する突出部４７の内部に発光
ダイオード５を収納し、この発光ダイオード５に接続す
る。発光ダイオード５は突出部４７の外部から照射可能
に露出されている。図示しないが、ハウジング４０の全
体または突出部４７のみを透明あるいは半透明の素材で
成形することで、肉視可能に形成しても良い。

【００３７】この圧電素子ユニット１０によれば、ハウ
ジング４０の短辺部４２を両面スペーサとして基板２０
の固定端２３を両面から固定しているので、最初の衝撃
に伴って基板が振れると同時に自由端２４が大きく振
れ、電圧素子３０の大きな歪みによって大きな衝撃電圧
が瞬間的に発生する。その後には自由端２４の繰り返し
振れによる減衰振動が得られるので、振動毎に圧電素子
３０に繰り返し歪みが生じて継続的な電圧が出力され
る。このような衝撃が繰り返されれば、発光素子５が点
滅することとなる。

【００３８】上記圧電素子ユニット１０によれば、ハウ
ジング４０を一単位として取り扱うことができ、被取付
物への取付ないし装着を簡単にユニット化することが可
能となる。

【００３９】この圧電素子ユニット１０は、図４に示す
ように靴底８に埋設される。靴底８の踵部８１に収納孔
８２を形成し、この収納孔８１に圧電素子ユニット１０
をそのまま収納し、発光素子５を踵部８１に外側に露出
させておく。収納に際しては、予め圧電素子ユニット１
０の自由振動空間を阻害しないようにしておく必要があ
る。踵部８１の収納孔８２から内部空間４１に構成素材
等が混入する恐れがあれば、内部空間４１を閉鎖すべく
カバー４８でハウジング４０を被覆しなければならな
い。カバー４８としては剛性を有する板状部材が望まし
いが、厚みＴを十分に設定しているときには熱収縮チュ
ーブやカバーフィルム等でも使用可能である。なお、カ
バー４８が柔らかい素材のときには、自由端２４の振動
し過ぎ時の衝撃を抑えることができ、用途や目的に応じ
て選択することができる。

【００４０】靴底８は、歩行に伴って圧電素子ユニット
１０の基板２０の自由端２４が振動するので、圧電素子
３０の歪みによって電圧を発生させ、この電圧は減衰時
間中継続して発生している。靴底８に対しては特別な衝
撃を与える必要がなく、単に歩行時に着地時等の振動で
足りるものである。基板２０の自由端２４は靴底８の歩
行に伴う傾斜や加速度の変化によっても大きな撓みとな
って振動を増幅するので、この歩行の繰り返しによって
継続的に電圧が発生し、発光素子３０は踵部８１から外
部へ継続的にて点滅して発光する。また、固定端２３を
両面固定することによって、自由端２４の振動空間を大
きく設定することができる。

【００４１】発光素子５を点灯するときには、図６に示
す如き発光素子の点灯用の回路を付加することができ
る。この点灯用回路は、圧電素子ユニット１０に導電線
６，６に整流回路９０を接続し、線間にコンデンサ９１
を接続して構成されている。圧電素子３０の発生電圧
は、整流回路９０により整流され、この整流電圧でコン
デンサ９１を充電し、コンデンサ９１の充電電圧で発光
素子５を点灯させる。

【００４２】上記圧電素子ユニット１０は靴底８に装着
したものを例示したが、これに限定する趣旨ではなく、
振動が生じる他の用途にも採用することを妨げないもの
である。例えば、機械など、連続した振動や衝撃の発生
源の適宜箇所の取付けしたり、その付近に設置するなど
により、圧電素子を設けた基板を振動させて連続した起
電力を発生させ、小電力の電子機器を稼働させることな
どに利用することができる。

【００４３】さらに、図５は圧電素子ユニット１０を全
体としてフィルムカバー４９で密封した防水構造の実施
態様を示すものである。フィルムカバー４９は、容易に
破れない透明素材が選ばれる。フィルムカバー４９とし
ては、例えばＰＰ、ＰＳ、ＰＥ等の熱溶着性フィルム等
を用いることができる。このフィルムカバー４９を用い
た圧電素子ユニット１０は、各種水密用途に採用して発
光可能となる。

【００４４】

【実施例】（実施例１）図７は、圧電素子ユニット１の
基本形態（図１に相当）における圧電素子３に発生する
電圧を計測したグラフである。基板として厚さ０．４ｍ
ｍ，縦２５ｍｍ×横２０ｍｍのステンレス板を用い、こ
のステンレス板の固定端から離れた部位であるステンレ
ス板の略々中央に、厚さ０．１ｍｍ，面積２００平方ｍ
ｍの圧電素子薄膜を接着したものを用い、重り７は１ｇ
とした本ユニットを、高さ５ｃｍから落下させたときの
衝撃で計測したものである。圧電素子ユニットに衝撃が
加わった瞬間に大きな歪みが生じてステンレス板２の自
由端２２が大きく振れて最大電圧５Ｖを発生し、その後
自由端２２が減衰しながら電圧を発生し、約２秒程度の
時間中継続して電圧を発生している。（実施例２）図８
は、他の実施形態に係る圧電素子ユニット１０（図２，
図３に相当）における圧電素子３０に発生する電圧を計
測したグラフである。基板２０として厚さ０．４ｍｍ，
縦２５ｍｍ×横２０ｍｍのステンレス板を用い、このス
テンレス板の固定端から離れた部位であるステンレス板
の略々中央に、厚さ０．１ｍｍ，面積２００平方ｍｍの
圧電素子薄膜が貼り付けし、重り７０は１ｇとし、固定
端２３をハウジング４０に両面から固定された構造に対
しての衝撃で計測したものである。圧電素子３０に衝撃
が加わった瞬間に最大電圧８Ｖを発生し、その後電圧を
減衰しながら約１００ｍｓ〜１５０ｍｓ程度継続するこ
とが分かる。一回の衝撃でこれだけ継続すれば、衝撃が
繰り返し加わることで、発光素子５は点滅可能となる。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、基板の固定端から離れ
た部位に薄膜状の圧電素子を設けて他端を自由端とした
ために衝撃等を受けたときの弾性による撓み量が大きく
なって発電電圧も大きくなり、また、自由振動しながら
減衰するために長時間の発電が可能となるうえに、局所
的な歪みによる圧電素子の損傷等を防止することができ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電素子ユニットの基本形態を説明す
る概念図である。

【図２】本発明の圧電素子ユニットの他の実施形態を示
す平面図である。

【図３】本発明の圧電素子ユニットの他の実施形態を示
す断面図である。

【図４】本発明の圧電素子ユニットを靴底に装着した実
施態様を示す断面図である。

【図５】本発明の圧電素子ユニットの密封構造を示す斜
視図である。

【図６】本発明の圧電素子ユニットに付加する点灯用の
回路図である。

【図７】実施例（１）の圧電素子ユニットの発電電圧の
測定グラフである。

【図８】実施例（２）の圧電素子ユニットの発電電圧の
測定グラフである。

【図９】従来例の発電電圧の測定グラフである。

【符号の説明】

１，１０ 圧電素子ユニッ
ト ２，２０ 基板 ２１，２３ 固定端 ２２，２４ 自由端 ３，３０ 圧電素子 ４、 スペーサ ４０ ハウジング ４１ 内部空間 ４２，４３ 短辺部 ４４ 長辺部 ４５ 上枠 ４６ 下枠 ４７ 突出部 ４８ カバー ４９ フィルムカバー ５ 発光素子 ６ 導電線 ７，７０ 重り ８ 靴底

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性を有する基板と、この基板に設けら
   れた圧電素子とを備え、上記基板が撓んで前記圧電素子
   が歪んだときに電圧を発生させる圧電素子ユニットにお
   いて、上記基板の一端を固定端として他端を自由端と
   し、この基板の固定端から離れた部位に薄膜状の圧電素
   子が設けられていることを特徴とする圧電素子ユニッ
   ト。
2. 【請求項２】 請求項１の圧電素子ユニットにおいて、
   基板の自由端に重りが設けられていることを特徴とする
   圧電素子ユニット。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２の圧電素子ユニ
   ットにおいて、基板が弾性電極板であって、この基板に
   圧電素子が密着されていることを特徴とする圧電素子ユ
   ニット。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３のいずれかの圧電
   素子ユニットにおいて、基板が平板状の弾性電極板であ
   って、この基板に圧電素子が接着されていることを特徴
   とする圧電素子ユニット。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４のいずれかの圧電
   素子ユニットにおいて、圧電素子で発生した電圧に発光
   素子を接続してなることを特徴とする圧電素子ユニッ
   ト。
6. 【請求項６】 請求項１から請求項５のいずれかの圧電
   素子ユニットにおいて、略々枠状を呈するハウジングを
   備え、このハウジングの一枠部に基板が固定されて固定
   端が形成されるとともに自由端が枠状内に振動自在に配
   置されることを特徴とする圧電素子ユニット。
7. 【請求項７】 請求項６の圧電素子ユニットにおいて、
   ハウジングの枠部を上下枠から分割形成し、上下枠の間
   に基板を挟持して固定端が形成され、自由端が上下枠の
   中間に配置されることを特徴とする圧電素子ユニット。
8. 【請求項８】 請求項６または請求項７の圧電素子ユニ
   ットにおいて、ハウジングの枠部に外側から肉視可能に
   発光素子が収納されることを特徴とする圧電素子ユニッ
   ト。
9. 【請求項９】 請求項６から請求項８のいずれかの圧電
   素子ユニットにおいて、ハウジングの枠状内に空間を残
   して枠状の上下部分が封止されることを特徴とする圧電
   素子ユニット。
10. 【請求項１０】 請求項１から請求項９のいずれかの圧
    電素子ユニットにおいて、圧電素子で発生した電圧を整
    流する整流回路と整流された電圧を蓄電する充電回路と
    を備えることを特徴とする圧電素子ユニット。