JP2001339963A - 圧電式発電装置及びそれを用いた圧電発光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微小な応力が加えられても大きな起電力を発
生すると共に、簡単な構造で耐久性に富んだ圧電素子を
備えた圧電式発電装置を用い、実用上十分な発光量が得
られる圧電発光装置を提供すること。 【解決手段】 この圧電発光装置は、対向する両面に電
極１２が設けられた複数（ここでは片面１０個ずつの総
計２０個）の圧電素子としての圧電セラミックス板１１
を所定の間隔を持たせ、且つこれらの電極１２の極性が
揃って同極同士が向かい合うように弾性板５の対向する
両面に並べて接着剤等で貼り付けると共に、各圧電セラ
ミックス板１１のそれぞれの電極１２をそれぞれリード
線１３により電気的に接続した構造の圧電バイモルフか
ら成る圧電式発電装置に対し、複数のダイオードを互い
に接続して構成された整流回路の出力側に発光体として
の発光ダイオードを接続して成る発光装置を接続して構
成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として圧電素子
に応力を加えたときに発生する起電力を利用して発電す
る圧電式発電装置、及びそれを用いて発光ダイオード，
照明装置等の発光装置を発電により発光させる発電・発
光機能を有する圧電発光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の発電・発光機能を有する
圧電発光装置としては、例えば図９の斜視図に示すよう
な構成のものが挙げられる。この圧電発光装置は、圧電
素子を用いた圧電式発電装置で得た発電により発光装置
（発光体）として用いられた発光ダイオード４を発光さ
せるようになっている。

【０００３】即ち、ここでの圧電式発電装置は、圧電素
子としての圧電セラミックス板１における対向する両面
（対向する両方の主面）に電極２を設けて成っている。
又、一対のリード線３における一端側の剥き出し部をそ
れぞれ圧電セラミックス板１の両面の電極２の所定位置
に接続し、且つ他端側の剥き出し部をそれぞれ発光ダイ
オード４の正極側，負極側に接続して圧電発光装置を構
成している。

【０００４】このような構成の圧電発光装置の場合、圧
電素子の圧電セラミックス板１に撓みの応力が加わると
起電力が発生し、この結果として得られる発電によりリ
ード線３を介して発光ダイオード４が電源供給されて発
光する。

【０００５】ところで、こうした圧電素子による発電・
発光機能を有する圧電発光装置を適用した周知関連技術
として、例えば特開平６−２０９８０７号公報には、靴
の外面に発光装置（発光体）としての発光ダイオードを
配備すると共に、ソール素材間に圧電素子を設け、圧電
素子の電極を発光ダイオードに接続した構成とすること
により、歩行時にソール素材に加わる応力に伴って圧電
素子で発生する起電力を利用して発光ダイオードを発光
させる発電・発光機能を有する靴が開示されている。
尚、この発電・発光機能を有する靴では、圧電素子に機
械的な強度を確保するために一体化構造の一枚の圧電セ
ラミックス板を使用している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した発電・発光機
能を有する圧電発光装置の場合、圧電式発電装置におけ
る圧電素子で発生する起電力が弱くて発光装置（発光体
としての発光ダイオード）を発光させるために不十分で
あるため、発光装置の発光体の発光量が優れずに視覚的
に認知し難いという問題がある。

【０００７】又、上述した圧電発光装置を適用した靴の
場合、圧電式発電装置における圧電素子として用いられ
る短冊状の圧電セラミックス板を可撓性を有する樹脂に
固めたり、或いはその支持や配置等を工夫する技術が提
案されているが、同様に圧電式発電装置における圧電素
子で発生する起電力が弱くて発光装置（発光体としての
発光ダイオード）を発光させるために不十分であるた
め、発光装置の発光体の発光量が優れずに視覚的に認知
し難いという問題があり、現状では市販されているもの
は皆無に等しく、実際には普及されていない。

【０００８】更に、何れの圧電発光装置の場合において
も、機械的な強度を確保するために一体化構造の一枚の
圧電セラミックス板を使用しているが、これが基本的な
構造を複雑化すると共に、起電力を弱化する要因となっ
ている。

【０００９】本発明は、このような問題点を解決すべく
なされたもので、その技術的課題は、微小な応力が加え
られても大きな起電力を発生すると共に、簡単な構造で
耐久性に富んだ圧電素子を備えた圧電式発電装置、並び
にそれを用いた実用上十分な発光量が得られる圧電発光
装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、対向す
る両面に電極が設けられた複数の圧電素子を所定の間隔
を持たせ、且つ該電極の極性が揃うように弾性板の片面
に並べて貼り付けられると共に、該複数の圧電素子のそ
れぞれの電極を電気的に接続した構造の圧電ユニモルフ
から成る圧電式発電装置が得られる。

【００１１】一方、本発明によれば、対向する両面に電
極が設けられた複数の圧電素子を所定の間隔を持たせ、
且つ該電極の極性が揃って同極同士が向かい合うように
弾性板の対向する両面に並べて貼り付けられると共に、
該複数の圧電素子のそれぞれの電極を電気的に接続した
構造の圧電バイモルフから成る圧電式発電装置が得られ
る。

【００１２】又、本発明によれば、上記何れかの圧電式
発電装置において、複数の圧電素子の電極は、それぞれ
導電性塗料，導電接着剤，カーボンぺーストの何れか一
つにより電気的に接続された圧電式発電装置が得られ
る。

【００１３】更に、本発明によれば、上記何れかの圧電
式発電装置において、複数の圧電素子は、予め電極が設
けられた対向する両面に電極接続材料として導電性塗
料，導電接着剤，カーボンぺーストの何れか一つを塗布
した一体化構造の一枚の圧電素子板を弾性板の片面又は
両面に貼り付けた後に該弾性板及び該圧電素子板に応力
を加えて撓みにより分割させて形成されたことものを弾
性板に貼り付けた後に該弾性板に応力を加えて撓みによ
り分割させて形成された圧電式発電装置が得られる。

【００１４】加えて、本発明によれば、上記何れか一つ
の圧電式発電装置において、弾性板は、弾性定数の小さ
い金属材，樹脂材，樹脂にガラス繊維又はカーボン繊維
が複合されている樹脂複合材の何れか一つにより成り、
複数の圧電素子は、樹脂にガラス繊維又はカーボン繊維
を混入したエポキシ系材料から成る接着剤により弾性板
に貼り付けられた圧電式発電装置が得られる。

【００１５】他方、本発明によれば、上記何れか一つに
記載の圧電式発電装置を発光装置に接続して成る圧電発
光装置が得られる。

【００１６】この圧電発光装置において、発光装置は、
複数のダイオードを互いに接続して構成された整流回路
と、整流回路の出力側に接続された発光体としての発光
ダイオードとから成ることは好ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に実施例を挙げ、本発明の圧
電式発電装置及びそれを用いた圧電発光装置について、
図面を参照して詳細に説明する。

【００１８】図１は、本発明の一実施例に係る発電・発
光機能を有する圧電発光装置に用いられる圧電式発電装
置の基本構成を外観上で示した斜視図である。この圧電
式発電装置は、対向する両面に電極１２が設けられた複
数（ここでは片面１０個ずつの総計２０個）の圧電素子
としての圧電セラミックス板１１を所定の間隔を持た
せ、且つこれらの電極１２の極性が揃って同極同士が向
かい合うように弾性板５の対向する両面に並べて接着剤
等で貼り付けると共に、各圧電セラミックス板１１のそ
れぞれの電極１２をそれぞれリード線１３により電気的
に接続した構造の圧電バイモルフから成っている。

【００１９】因みに、ここでの複数の圧電セラミックス
板１１に電極１２を設ける構成は、対向する両面全体に
電極が形成された一枚（一体構造）の圧電セラミックス
板を二枚用意し、これらの圧電セラミックス板で弾性板
５を挟み込むように接着剤により接着した後、圧電セラ
ミックス板及び電極を所定の寸法で切断することによっ
ても同様な構造を得ることができる。何れにしても、こ
のような圧電バイモルフによる圧電式発電装置は、発光
装置に接続されることで圧電発光装置として構成され
る。

【００２０】図２は、この圧電式発電装置における圧電
素子（圧電セラミックス板１１）数Ｎ（個）に対する弾
性係数Ｙ（Ｎ／ｍ² ）の関係を示したものである。図２
からは、圧電バイモルフによる圧電式発電装置の場合、
弾性係数Ｙは同一な形状で弾性板５に接着される圧電素
子（圧電セラミックス板１１）数Ｎが多くなる程、これ
に伴って小さくなることが判る。

【００２１】図３は、この圧電式発電装置における加重
Ｆによる撓み量δと起電力との関係を説明するために模
式的に示した側面図であり、同図（ａ）は片側固定に関
するもの，同図（ｂ）は両側固定に関するものである。
ここでは、図２で説明したように弾性係数Ｙが小さくな
る場合、図３（ａ）に示す片側固定や図３（ｂ）に示す
両端固定の何れの場合においても、一定の加重Ｆによる
撓み量δが大きくなり、圧電セラミックス１１が受ける
加速度も増大することにより圧電セラミックス１１で発
生する起電力が大きくなることを示している。

【００２２】図４は、本発明の他の実施例に係る発電・
発光機能を有する圧電発光装置に用いられる圧電式発電
装置の基本構成を外観上で示したもので、同図（ａ）は
斜視図に関するもの，同図（ｂ）は側面図に関するもの
である。この圧電式発電装置は、先の一実施例のものと
比べ、対向する両面に電極１２が設けられた複数（ここ
では片面１０個ずつの総計２０個）の圧電素子としての
圧電セラミックス板１１を所定の間隔を持たせ、且つこ
れらの電極の極性が揃って同極同士が向かい合うように
弾性板５の対向する両面に並べて接着剤等で貼り付ける
構成は同じであるが、ここでは各圧電セラミックス板１
１のそれぞれの電極１２をリード線１３で接続する構成
に代わり、カーボンペースト６を塗布或いは印刷するこ
とにより電気的に接続した構造である点が相違してい
る。

【００２３】この圧電式発電装置の場合、各圧電セラミ
ックス板１１のそれぞれの電極１２をリード線１３に代
えてカーボンペースト６で接続する構造であるため、先
の一実施例のものよりも弾性定数を上げること無く、容
易な接続が可能となる。因みに、ここでの圧電式発電装
置は、カーボンぺースト６に代えて導電性塗料や導電接
着剤を塗布することによっても同様な構成とすることが
できる。

【００２４】ところで、他の実施例に係る圧電式発電装
置は、図４を参照して説明した製造工程で作製する以
外、別な製造工程によっても作製することができる。

【００２５】図５は、図４に示した圧電式発電装置を別
な製造工程によって作製する場合の手順を示したもの
で、同図（ａ）は初期工程の斜視図に関するもの，同図
（ｂ）は中期工程の側面図に関するもの，同図（ｃ）は
後期工程の側面図に関するものである。

【００２６】即ち、ここでは図５（ａ）の初期工程に示
されるように、予め電極２が設けられた対向する両面に
電極接続材料としてカーボンぺースト６（導電性塗料や
導電接着剤でも良い）を塗布した一体化構造の一枚の圧
電セラミックス板１を弾性板５の両面に貼り付けた後、
図５（ｂ）の中期工程に示されるように、圧電セラミッ
クス板１の一方側から他方側の弾性板５及び圧電セラミ
ックス板１に応力を加えて撓みにより他方側の圧電セラ
ミックス板１及び電極２を自然に分割させて複数の圧電
セラミックス板１１及び電極１２とし、更に、図５
（ｃ）の後期工程に示されるように、複数の圧電セラミ
ックス板１１及び電極１２とされた他方側から一方側の
弾性板５及び圧電セラミックス板１に応力を加えて撓み
により一方側の圧電セラミックス板１及び電極２を自然
に分割させて複数の圧電セラミックス板１１及び電極１
２とする。

【００２７】このような製造工程に従って圧電式発電装
置を作製すれば、弾性定数は限りなく弾性板５に近付い
て小さくなり、一層起電力が増す構造となる。

【００２８】更に、弾性板５を弾性定数の小さい金属
材，樹脂材，樹脂にガラス繊維やカーボン繊維等が複合
されている樹脂複合材の何れか一つにより成るものと
し、且つ各圧電セラミックス板１１を樹脂にガラス繊維
又はカーボン繊維を混入したエポキシ系材料から成る接
着剤により弾性板５に貼り付ける構造とすれば、固有共
振周波数を下げて圧電セラミックス１１が応力を受けた
ときの共振時間を長くし、総起電力量を多くすることが
できる。

【００２９】図６は、上述した他の実施例に係る圧電式
発電装置における応力を受けた時間Ｔに対する起電力Ｖ
_E の関係を示したものである。ここでは、上述したよう
に弾性板５を弾性定数の小さい材料とした上で接着剤の
材質を選定することにより、圧電式発電装置の固有共振
周波数が下がり、この結果、圧電セラミックス１１が応
力を受けた場合、圧電セラミックス１１の共振時間をｔ
１からｔ２のように長くすることができるため、総起電
力量が多くなることを示している。

【００３０】何れにしても、各実施例の圧電式発電装置
は、圧電セラミックス１１の起電力を利用して発光体を
発光させる手段である図７に示されるような構成の発光
装置に接続すれば、微小な応力が加えられても大きな起
電力を発生して視覚的に容易に認識できるに足る発光量
を持った発電・発光機能を有する圧電発光装置として構
成される。即ち、図７は、図１に示す圧電式発電装置又
は図４に示す圧電式発電装置に接続される発光装置の回
路構成を例示したものであるが、ここでの発光装置は、
４個の発光ダイオード（通常のダイオードでも良い）７
を互いに接続して構成された整流回路８と、この整流回
路８の出力側に接続された発光体としての発光ダイオー
ド１４とから成る。

【００３１】即ち、この発光装置の場合、発光ダイオー
ド７で構成された整流回路８の出力側に発光体としての
発光ダイオード１４を接続する構成であるため、発光時
間が長くなり、視覚的に容易に認識できるに足る発光が
得られる。

【００３２】図８は、図７の発光装置を上述した各実施
例の圧電式発電装置に接続して成る発電・発光機能を有
する圧電発光装置における発光状態を説明するために応
力を受けた時間Ｔに対する起電力Ｖ_E の関係を示したも
ので、同図（ａ）は圧電式発電装置側の波形に関するも
の，同図（ｂ）は発光装置側の発光体（発光ダイオード
１４）の波形に関するものである。

【００３３】ここでは、図８（ａ）を参照すれば、圧電
式発電装置側では圧電セラミックス１１が応力を受けて
共振すると、発生する起電力Ｖ_E はその極性が正負
（±）を繰り返しているのに対し、図８（ｂ）を参照す
れば、発光装置側では圧電式発電装置からの起電力Ｖ_E
を受けて発光ダイオード１４に順電流が流れる正極性
（＋）の起電力Ｖ_E 時にのみ発光して実際には点滅を繰
り返すことを示している。

【００３４】但し、ここでの発光装置は、整流回路８で
起電力Ｖ_E の極性を発光ダイオード９の順電流が流れる
正極性（＋）に整流するので、発光ダイオード１４は点
滅していても発光している時間が図８（ｂ）に示される
ような倍の時間となり、視覚的に容易に認識することが
可能となる。

【００３５】尚、上述した各実施例の圧電式発電装置で
は、弾性板５の対向する両面に複数の圧電素子としての
圧電セラミックス板１１を貼り付けた構造の圧電バイモ
ルフについて説明したが、弾性板５の片面に複数の圧電
素子としての圧電セラミックス板１１を貼り付けた構造
の圧電ユニモルフとして構成した場合においても、同様
の効果が得られる。又、各実施例の圧電式発電装置で
は、圧電セラミックス板１１を短形板としたが、圧電セ
ラミックス板１１の形状は円板，環状板等であっても良
く、短形板に限定されない。

【００３６】

【発明の効果】以上に述べた通り、本発明によれば、対
向する両面に電極が設けられた複数の圧電素子を所定の
間隔を持たせ、且つ電極の極性が揃うように弾性板の両
面又は片面に並べて貼り付けられると共に、各圧電素子
のそれぞれの電極を電気的に接続した構造の圧電バイモ
ルフや圧電ユニモルフから成る圧電式発電装置を用いる
ようにしており、更に、弾性板を弾性定数の小さい材料
とした上で弾性板に各圧電素子を貼り付けるための接着
剤の材質を選定しているため、圧電バイモルフや圧電ユ
ニモルフの全体の弾性定数が一体化構造の一枚の圧電素
子を用いた従来の圧電式発電装置と比べ小さくなって一
定の応力に対する撓み量が増し、各圧電素子が受ける応
力による加速度が増大すると共に、固有共振周波数が下
がることにより受けた応力に対する固有共振の減衰時間
が長くなり、この結果として起電力を生じる時間が長く
なって起電力量が増加するようになり、しかも各圧電素
子が電気的に接続されていることで各圧電素子が配置さ
れる全ての面で受けた応力に比例した起電力を全部取り
出せるようになる。

【００３７】又、圧電バイモルフや圧電ユニモルフから
成る圧電式発電装置における各圧電素子の電極は導電性
塗料，導電接着剤，カーボンぺーストの何れか一つで電
気的に接続されることにより、製造が簡略化して低価格
に提供できるようになる他、予め電極が設けられた対向
する両面に電極接続材料として導電性塗料，導電接着
剤，カーボンぺーストの何れか一つを塗布した一体化構
造の一枚の圧電素子板を弾性板の片面又は両面に貼り付
けた後に弾性板及び圧電素子板に応力を加えて撓みによ
り分割させて複数の圧電素子を形成する製造工程に従っ
て圧電式発電装置を作製すれば、各圧電素子を微細に分
割できるため、一層弾性定数を下げることが可能とな
り、より大きな起電力を得ることができるようになる。

【００３８】更に、こうした大きな起電力を得ることが
可能な圧電式発電装置に接続される発光装置をダイオー
ドを互いに接続して構成された整流回路の出力側に発光
体としての発光ダイオードを接続して構成しているの
で、起電力の電位極性に関係なく、発光体としての発光
ダイオードを視覚的に十分認知し得る発光量で発光させ
ることが可能となり、しかも発光時間を長くすることが
できる。

【００３９】即ち、本発明の圧電式発電装置に発光装置
が接続されて成る発電・発光機能を有する圧電発光装置
では、簡単な構造で耐久性に富んだ複数の圧電素子を備
えた圧電式発電装置で各圧電素子に微小な応力が加えら
れても大きな起電力を発生し、整流機能を有する発光装
置の発光体で視覚的に容易に認識可能な実用上十分な発
光量が得られるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る発電・発光機能を有す
る圧電発光装置に用いられる圧電式発電装置の基本構成
を外観上で示した斜視図である。

【図２】図１に示す圧電式発電装置における圧電素子数
Ｎに対する弾性係数Ｙの関係を示したものである。

【図３】図１に示す圧電式発電装置における加重Ｆによ
る撓み量δと起電力との関係を説明するために模式的に
示した側面図であり、（ａ）は片側固定に関するもの，
（ｂ）は両側固定に関するものである。

【図４】本発明の他の実施例に係る発電・発光機能を有
する圧電発光装置に用いられる圧電式発電装置の基本構
成を外観上で示したもので、（ａ）は斜視図に関するも
の，（ｂ）は側面図に関するものである。

【図５】図４に示す圧電式発電装置を別な製造工程によ
って作製する場合の手順を示したもので、（ａ）は初期
工程の斜視図に関するもの，（ｂ）は中期工程の側面図
に関するもの，（ｃ）は後期工程の側面図に関するもの
である。

【図６】図４に示す圧電式発電装置における応力を受け
た時間Ｔに対する起電力Ｖ_E の関係を示したものであ
る。

【図７】図１に示す圧電式発電装置又は図４に示す圧電
式発電装置に接続される発光装置の回路構成を例示した
ものである。

【図８】図７の発光装置を接続して得られる発電・発光
機能を有する圧電発光装置における発光状態を説明する
ために応力を受けた時間Ｔに対する起電力Ｖ_E の関係を
示したもので、（ａ）は圧電式発電装置側の波形に関す
るもの，（ｂ）は発光装置側の発光体の波形に関するも
のである。

【図９】従来の発電・発光機能を有する圧電発光装置の
基本構成を外観上で示した斜視図である。

【符号の説明】

１，１１ 圧電セラミックス板 ２，１２ 電極 ３，１３ リード線 ４，７，１４ 発光ダイオード ５ 弾性板 ６ カーボンぺースト ８ 整流回路

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向する両面に電極が設けられた複数の
   圧電素子を所定の間隔を持たせ、且つ該電極の極性が揃
   うように弾性板の片面に並べて貼り付けられると共に、
   該複数の圧電素子のそれぞれの電極を電気的に接続した
   構造の圧電ユニモルフから成ることを特徴とする圧電式
   発電装置。
2. 【請求項２】 対向する両面に電極が設けられた複数の
   圧電素子を所定の間隔を持たせ、且つ該電極の極性が揃
   って同極同士が向かい合うように弾性板の対向する両面
   に並べて貼り付けられると共に、該複数の圧電素子のそ
   れぞれの電極を電気的に接続した構造の圧電バイモルフ
   から成ることを特徴とする圧電式発電装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の圧電式発電装置に
   おいて、前記複数の圧電素子の電極は、それぞれ導電性
   塗料，導電接着剤，カーボンぺーストの何れか一つによ
   り電気的に接続されたことを特徴とする圧電式発電装
   置。
4. 【請求項４】 請求項１又は２記載の圧電式発電装置に
   おいて、前記複数の圧電素子は、予め電極が設けられた
   対向する両面に電極接続材料として導電性塗料，導電接
   着剤，カーボンぺーストの何れか一つを塗布した一体化
   構造の一枚の圧電素子板を前記弾性板の片面又は両面に
   貼り付けた後に該弾性板及び該圧電素子板に応力を加え
   て撓みにより分割させて形成されたことを特徴とする圧
   電式発電装置。
5. 【請求項５】 請求項１〜４の何れか一つに記載の圧電
   式発電装置において、前記弾性板は、弾性定数の小さい
   金属材，樹脂材，樹脂にガラス繊維又はカーボン繊維が
   複合されている樹脂複合材の何れか一つにより成り、前
   記複数の圧電素子は、樹脂にガラス繊維又はカーボン繊
   維を混入したエポキシ系材料から成る接着剤により前記
   弾性板に貼り付けられたことを特徴とする圧電式発電装
   置。
6. 【請求項６】 請求項１〜５の何れか一つに記載の圧電
   式発電装置を発光装置に接続して成ることを特徴とする
   圧電発光装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載の圧電発光装置において、
   前記発光装置は、複数のダイオードを互いに接続して構
   成された整流回路と、前記整流回路の出力側に接続され
   た発光体としての発光ダイオードとから成ることを特徴
   とする圧電発光装置。