JP2001145375A

JP2001145375A - 圧電発電装置

Info

Publication number: JP2001145375A
Application number: JP32228099A
Authority: JP
Inventors: Mikio Umeda; 幹雄梅田; Yasuhiro Sakai; 康弘坂井
Original assignee: USC Corp
Current assignee: USC Corp
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2001-05-25
Anticipated expiration: 2019-11-12
Also published as: JP3489618B2

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電セラミックス素子を用いた圧電圧電発電
装置に関し、発電効率の優れた圧電発電装置を提供する
ことを課題とする。【解決手段】板状の２枚の圧電セラミックス素子１
ａ，１ｂを、分極を逆向にして接合した層状の圧電セラ
ミックス板１に形成し、この圧電セラミックス板１の一
方側の面又は両面を殴打して発電する構造とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電セラミックス
素子を用いた圧電発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電材料は機械的エネルギーと電気的エ
ネルギーとの間の変換素子用として多彩な応用面をもっ
ている。圧電効果を示す物質は無機・有機ともに多くの
材料が知られているが、現在実用レベルにある材料とし
てセラミックスのＰＺＴ系（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉ
ｃｃｅｒａｍｉｃｓ）等の材料がある。

【０００３】圧電セラミックス素子は、多結晶体に、直
流高電圧を印加し残留分極を発生させて圧電性をもたせ
た素子であり、組成によりかなり自由に基本圧電定数を
変化させることができるので、その用途は広い。特に、
チタンジルコン酸亜鉛系の圧電セラミックス素子は、組
成比や添加物の選択幅が広く適用範囲は多彩である。

【０００４】図６は、従来例に係る圧電発電装置の説明
図である。この圧電発電装置は、アクリル材等の基板３
２に圧電セラミックス素子板３１を接合し、基板３２の
両端部を金属等の硬質材からなるホルダ３３で固定した
ものである。そして、セラミックス素子板３１の上から
鋼製の球３５を落下させて、圧電素子板３１に衝突によ
る機械的衝撃エネルギを印加し、基板３２を含めた圧電
素子板３１にたわみ振動を励起して電気エネルギを取出
すものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記ＰＺＴ系の圧電セ
ラミックス素子は、実用性が期待されているものの、発
電量が少ないため、圧電発電装置としては実用性に欠け
るという問題があった。また、上記基板３２と圧電セラ
ミックス素子板３１とは材質が異なる等から、振動の中
心（伸縮しない部位）を基板３２と圧電セラミックス素
子板３１との接合面にもってくることが困難であり、こ
の中心が圧電セラミックス素子板３１に現れる場合に
は、分極における打ち消しが発生して発電効率が低下す
る。

【０００６】この発明は、かかる現状に鑑み創案された
ものであって、その目的とするところは、構成が簡易で
発電効率の優れた圧電発電装置を提供しようとするもの
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】以上の技術的課題を解決
するため、本発明に係る圧電発電装置は、板状の２枚の
圧電セラミックス素子１ａ，１ｂを、分極を逆向にして
接合した層状の圧電セラミックス板１に形成し、この圧
電セラミックス板１の一方側の面又は両面を殴打して発
電するものである。

【０００８】また、本発明に係る圧電発電装置は、板状
の２枚の圧電セラミックス素子１ａ，１ｂを、分極を逆
向にして接合した層状の圧電セラミックス板１に形成
し、この圧電セラミックス板１の一方側の面の中央部を
クッション材３に接合し、他方側を殴打して発電するも
のである。

【０００９】また、本発明に係る圧電発電装置は、板状
の２枚の圧電セラミックス素子１ａ，１ｂを、分極を逆
向にして接合した層状の圧電セラミックス板１に形成
し、この圧電セラミックス板１の両端部をクッション材
１１で支持し、この圧電セラミックス板１の一方側の面
又は両面を殴打して発電するものである。

【００１０】さらに、本発明に係る圧電発電装置は、上
記クッション材３に接合した圧電セラミックス板１を向
い合せに配置し、両圧電セラミックス板１間に、両者間
を往復移動して各圧電セラミックス板１を殴打する硬質
の殴打体４を設けたことである。

【００１１】また、本発明に係る圧電発電装置は、上記
クッション材１１で支持した圧電セラミックス板１を配
置し、この圧電セラミックス板１の一方又は両方の側
に、圧電セラミックス板１との間を往復移動して圧電セ
ラミックス板１を殴打する硬質の殴打体４を設けたこと
である。

【００１２】これに加えて、上記２枚の圧電セラミック
ス素子１ａ，１ｂを同一形態に形成したことである。ま
た、上記圧電セラミックス板１の殴打する部位にプロテ
クタ板２をはり付け、このプロテクタ板２を殴打して発
電することである。

【００１３】また、上記２枚の圧電セラミックス素子１
ａ，１ｂのそれぞれを、複数枚層状に接合したことであ
る。また、上記圧電セラミックス素子１ａ，１ｂとして
チタンジルコン酸亜鉛系の材料を用いたことである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に示す実施の形態
例に基づき、この発明を詳細に説明する。

【００１５】図１は、両端が閉塞された筒状の容器８の
両端側に圧電セラミックス板１を配置し、これら圧電セ
ラミックス板１を鋼球４の殴打により発電するものであ
る。容器８の一方の側面にクッション板３を接着材６用
いて接着し、このクッション板３の中央部のみに、接着
材５を用いて圧電セラミックス板１を接着する。容器８
の他方の側面にも、同様にして圧電セラミックス板１を
接着し、両者を向かい合せる。これら両圧電セラミック
ス板１の向かい合う面の中央部にプロテクタ板２を固着
する。そして、両圧電セラミックス板１間に、パイプ７
を配置し、このパイプ７内に転動自在な鋼球４を設け
る。

【００１６】上記圧電セラミックス板１は、同一形態
（同一材質、同一形状、同一厚さ）の２枚の板状の圧電
セラミックス素子１ａ，１ｂを、各セラミックス素子１
ａ，１ｂの分極の極性を逆にして接合したものである。
この同一形態のセラミックス素子１ａ，１ｂを接合した
ことにより、２つのセラミックス素子１ａ，１ｂは、接
合面を中心（伸縮しない部位）にたわみ振動が行われ
る。この場合、一方の側のセラミックス素子１ａが伸長
すれば他方の側のセラミックス素子１ｂは収縮し、かつ
出力電圧の電極は同一方向となり、両圧電セラミックス
素子１ａ，１ｂは直列に接続された発電構成となる。

【００１７】上記接合面を中心にたわみ振動が行われる
と、一方の圧電セラミックス素子１ａ（又は１ｂ）で伸
長と収縮との両方の作用が行われて、分極が打ち消され
るということがなく効率的に発電が行われる。発電され
た電気エネルギとしての電流はリード線９を用いて取り
出す。

【００１８】また、ここでは２枚の圧電セラミックス素
子１ａ，１ｂを積層したが、各圧電セラミックス素子１
ａ（１ｂ）を、それぞれ積層構造とすることができる。
この積層構造では、複数の薄厚圧電セラミックス板を接
合（この場合は分極の極性は同一）して、一方の圧電セ
ラミックス素子１ａ（又は１ｂ）を形成する。このよう
に、積層構造とすることで、例えば弾性特性を有する接
着材により接合した場合には、この弾性効果により、材
質的に強度に欠けるセラミックス板材の曲がりが容易に
なって曲げ強度が維持でき、また薄厚にすることでセラ
ミックス板は曲げに強くなる。また、圧電セラミックス
板１の外形形状は特に限られるものではないが、円形、
楕円形、三角形、四角形或いは多角形等がある。

【００１９】上記クッション板３は、合成樹脂材、ゴム
材、あるいはこれらをスポンジ状にした軟質の材料であ
る。このようなクッション板３を用い、しかもこのクッ
ション板３の中央部のみを接着材５を用いて圧電セラミ
ックス板１を固着したのは、圧電セラミックス板１の振
動を減衰させないためである。圧電セラミックス板１が
振動する場合、この圧電セラミックス板１を支持する部
材は圧電セラミックス板１の振動を減衰させる要因にな
り、この減衰要因を取り除くために、クッション板３を
用いて極力圧電セラミックス板１を自由な状態におく。

【００２０】クッション板３を用いることで、圧電セラ
ミックス板１の固有振動が長続きするので、発電効率が
良くなる。また、クッション材は圧電セラミックス板１
に加えられる衝撃を緩和する。プロテクタ板２は、金属
製或いは合成樹脂製等で形成されており、鋼球４の殴打
から圧電セラミックス板１を保護する。

【００２１】さて、上記圧電発電装置を、風、波、或い
は人的な作用を利用した所定の運動状態の環境化に置け
ば、鋼球４はパイプ７内を転動して左右の圧電セラミッ
クス板１を殴打し、衝突による衝撃エネルギを印加す
る。そして、圧電セラミックス板１は振動が励起され、
伸長及び収縮がくり返されて交流電気を発電する。

【００２２】なお、ここでは殴打体として、上記鋼球４
をパイプ７内に配置して圧電セラミックス板１を殴打す
る形態としたが、この殴打体の材質、形状は鋼製の球に
限られるものではなく、他に円柱状、卵状等の重量物で
あってもよい。また、パイプ７に限らず、殴打体が自在
に移動できるものであれば、殴打体がレールに沿って移
動するような形態であってもよい。他に、パイプ７の代
わりにバネ材（上方向き或いは下方向）を用い、このバ
ネ材の一端を固定しその他端に上記鋼球４を取り付け、
このバネ材の左右揺動により両側の圧電セラミックス板
１を殴打する形態とすることもできる。

【００２３】図２は、上記圧電発電装置を用い、この発
電装置が発電した電気を充電する充電装置の回路を示し
たものである。この充電装置は、２つの圧電セラミック
ス板１としてＰＺＴ１及びＰＺＴ２、整流用ダイオード
Ｄ１〜Ｄ６、電気を蓄電するコンデンサＣ、スイッチＳ
Ｗ及び発光ダイオードＬ１〜Ｌ３を有する。ＰＺＴ１で
発電した電気は、ダイオードＤ１〜Ｄ３により全波整流
され、またＰＺＴ２で発電した電気は、ダイオードＤ４
〜Ｄ６により全波整流される。これら、全波整流された
電気はコンデンサＣに充電される。そして、スイッチＳ
Ｗの操作により、コンデンサＣは放電して発光ダイオー
ドＬ１〜Ｌ３を点灯する。

【００２４】図３は、一個の圧電セラミックス板１を用
いた圧電発電装置の例である。この圧電発電装置は、両
端部が閉塞された筒状の容器１２を用い、この容器１２
の中央部の上面部及び下面部にクッション部材１１を配
置し、これらクッション部材１１の凹部に圧電セラミッ
クス板１（１ａ，１ｂ）を嵌め込んで支持させる。この
圧電セラミックス板１には、両面にプロテクタ板２が取
り付けられている。そして、両圧電セラミックス板１の
両側に、それぞれパイプ７を配置し、これらパイプ７内
に転動自在な鋼球４を設ける。クッション部材１１の材
質は上記クッション板３と同様であり、その他の部材に
ついても上述した通りである。

【００２５】上記圧電発電装置を、所定の運動状態の環
境化に置けば、鋼球４はパイプ７内を転動して交互に圧
電セラミックス板１を殴打し、圧電セラミックス板１は
振動が励起され、伸長及び収縮がくり返されて交流電気
を発電する。

【００２６】図４は、風鈴形態の圧電発電装置の例であ
る。この圧電発電装置は、釣鐘状の容器１４の内周面の
２か所（３か所以上も可能）に、向かい合う状態に圧電
セラミックス板１を取り付ける。取付に際しては、内周
面にクッション板３を接着６し、このクッション板３の
中央部のみに接着材５を用いて圧電セラミックス板１を
接着する。これと向かい合う面にも、同様にして圧電セ
ラミックス板１を配置し、両圧電セラミックス板１の向
かい合う面の中央部に、プロテクタ板２をはりつける。

【００２７】そして、容器１４内に吊り糸１５で鋼球４
を吊り、この鋼球４から平面材１６等をつり下げる。各
部材の材質等は、上述した通りである。上記圧電発電装
置を、風のある環境化に置けば、鋼球４は揺動して圧電
セラミックス板１を殴打し、圧電セラミックス板１は交
流電気を発電する。

【００２８】図５は、バネ材を用いた圧電発電装置の例
である。この圧電発電装置は、バネ材１８を用いて鋼球
４を吊りさげ、この下方にクッション板３を配置し、こ
のクッション板３の中央部のみに接着材５を用いて圧電
セラミックス板１を固着し、この圧電セラミックス板１
の中央部にプロテクタ板２を固着したものである。各部
材の材質等は、上述した通りである。この圧電発電装置
を、所定の運動状態の環境化に置けば、バネ材１８の伸
縮運動によって鋼球４は圧電セラミックス板１を連打
し、圧電セラミックス板１は振動が励起され発電する。

【００２９】さらに、例えば風車形態の圧電発電装置と
することもできる。この風車形態の圧電発電装置は、放
射状に形成された各面の表面に、上述したのと同様にク
ッション板３、接着材５を用いて圧電セラミックス板１
を固着し、そして、風力等を利用して風車を回し、回転
移動する圧電セラミックス板１が、次々とバネ材等の一
端に移動自在に取り付けられた鋼球４を殴打し発電す
る。上記以外にも種々の圧電発電装置が考えられる。

【００３０】従って上記実施の形態に係る圧電発電装置
によれば、板状のセラミックス素子を積層して圧電セラ
ミックス板１を形成したことにより、発電効率が改善さ
れ、充電装置或いは発光装置の電源として有効である。
上記圧電発電装置は、構造が簡単でありかつ経済的でも
あるため、実用的な用途が期待される。たとえば、この
圧電発電装置を自転車或いは靴等に実装し、発光ダイオ
ードを点灯させるようにすれば、夜間における存在を認
識させる装置として利用できる。また、電池式の腕時計
或いは携帯電話等に実装すれば、電池の代わりとして、
或いは電池切れの対策として利用可能である。さらに
は、波の揺れを利用して発電することで、ブイ（浮標）
の点灯装置としての利用等も期待できる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明に係る圧
電発電装置によれば、板状の２枚の圧電セラミックス素
子を、層状の圧電セラミックス板に形成しこれを殴打し
て発電する構成を採用したから、発電効率がよく小電力
発電に有効な発電装置が得られるという効果を奏する。

【００３２】また、層状の圧電セラミックス板をクッシ
ョン材で支持する構成を採用したから、圧電セラミック
ス板の振動が長続きするので、発電効率が改善されると
いう効果が得られる。

【００３３】また、本発明に係る圧電発電装置によれ
ば、同一形態の圧電セラミックス素子を用いて層状の圧
電セラミックス板を形成したので、圧電セラミックス素
子の伸縮が適切に行われ、さらに発電効率が向上すると
いう効果がある。

【００３４】さらに、上記圧電セラミックス板の殴打す
る部位にプロテクタ板をはり付けたので、殴打に対して
圧電セラミックス素子が有効に保護されるという効果が
ある。また、圧電セラミックス素子のそれぞれを、複数
枚層状に接合したので、圧電セラミックス素子の強度維
持が図れるという効果がある。また、圧電セラミックス
素子としてチタンジルコン酸亜鉛系の材料を用いたこと
から、発電装置としての適用範囲が広く実用化に効果的
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の一形態例に係る圧電発電装置
を示す説明図である。

【図２】同充電装置の回路図である。

【図３】本実施の他の形態例に係る一個の圧電セラミッ
クス板を用いた圧電発電装置を示す説明図である。

【図４】本実施のさらに他の形態例に係る風鈴形態の圧
電発電装置を示す説明図である。

【図５】本実施のさらに他の形態例に係るバネ材を用い
た圧電発電装置を示す説明図である。

【図６】従来例に係る圧電発電装置の説明図である。

【符号の説明】

１圧電セラミックス板１ａ，１ｂ圧電セラミックス素子２プロテクタ板３，１１クッション材（クッション板）４殴打体（鋼球）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板状の２枚の圧電セラミックス素子を、
分極を逆向にして接合した層状の圧電セラミックス板に
形成し、この圧電セラミックス板の一方側の面又は両面
を殴打して発電することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項２】板状の２枚の圧電セラミックス素子を、
分極を逆向にして接合した層状の圧電セラミックス板に
形成し、この圧電セラミックス板の一方側の面の中央部
をクッション材に接合し、他方側を殴打して発電するこ
とを特徴とする圧電発電装置。
【請求項３】板状の２枚の圧電セラミックス素子を、
分極を逆向にして接合した層状の圧電セラミックス板に
形成し、この圧電セラミックス板の両端部をクッション
材で支持し、この圧電セラミックス板の一方側の面又は
両面を殴打して発電することを特徴とする圧電発電装
置。
【請求項４】上記請求項２に記載のクッション材に接
合した圧電セラミックス板を向い合せに配置し、両圧電
セラミックス板間に、両者間を往復移動して各圧電セラ
ミックス板を殴打する硬質の殴打体を設けたことを特徴
とする圧電発電装置。
【請求項５】上記請求項３に記載のクッション材で支
持した圧電セラミックス板を配置し、この圧電セラミッ
クス板の一方又は両方の側に、圧電セラミックス板との
間を往復移動して圧電セラミックス板を殴打する硬質の
殴打体を設けたことを特徴とする圧電発電装置。
【請求項６】上記２枚の圧電セラミックス素子を同一
形態に形成したことを特徴とする請求項１から請求項５
のいずれかに記載の圧電発電装置。
【請求項７】上記圧電セラミックス板の殴打する部位
にプロテクタ板をはり付け、このプロテクタ板を殴打し
て発電することを特徴とする請求項１から請求項６のい
ずれかに記載の圧電発電装置。
【請求項８】上記２枚の圧電セラミックス素子のそれ
ぞれを、複数枚層状に接合したことを特徴とする請求項
１から請求項７のいずれかに記載の圧電発電装置。
【請求項９】上記圧電セラミックス素子としてチタン
ジルコン酸亜鉛系の材料を用いたことを特徴とする請求
項１から請求項８のいずれかに記載の圧電発電装置。