JP2003116285A - 圧電式発電器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】課題は、圧電素子に衝撃的変位や振動を与え高
電圧を発生させる。また圧電発光装置としての用途にお
いて、発光ダイオード等の発光素子を発光せしめるには
充分な電圧、及び発電量を得る。 【解決手段】跳ね板バネの屈曲を元に戻す方向に一定の
外力を作用させるとき、屈曲方向が瞬時に反転すること
を利用して、この時に発生する跳ね板バネの振動を圧電
素子に伝えて発電する。衝撃的振動を直接、あるいは間
接的に圧電素子に伝わる様構成することにより、圧電素
子が瞬時に歪み、十分な発電を行う。さらに前記跳ね板
バネを用いた圧電発電器の発電により発光ダイオードの
ような発光素子を発光させるに充分な電圧及び発電量が
発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電式発電器の基
本的構造に関する。及び圧電素子に振動を伝える構造に
関する。更に、用途として圧電式発光装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の圧電素子発電は、板状で
長方形の圧電素子に直接外力を加え圧電素子を撓ませ発
電するものであり、事例として人力により圧電素子を直
接押し引きするものがある。又、外力の種類として力が
大きくても速度が少ない場合がある。このような力によ
る場合は、衝撃のような瞬発力は得にくいため圧電素子
の電圧も低く、また跳ねバネを組み合わせた構造の圧電
式発電器はなかった。従来の用途としての圧電式発光装
置については、特開平６−２０９８０７号公報等の発明
がなされている。これによれば、凸凹を設けたソール素
材で単に圧電素子に人体の踏み圧力による外力を直接付
与する構成となっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の圧電素子に付与
される外力は、人力で直接押す、又は回転運動を往復運
動に変換した力の加え方が一般的であるが、力は大きい
が瞬間の変位が少ない場合が多い。結果として圧電素子
の時間経過に伴う変位量が少なく、圧電素子の発生電圧
が低いという欠点がある。この欠点を補うため、屈曲を
戻す方向に作用する外力が一定の値を超えるとき、瞬時
に逆方法に瞬間放出する跳ね板バネの性質を利用して、
瞬間的変位を圧電素子に与え高電圧を発生させることに
ある。また圧電式発光装置としての用途において、従来
の特開平６−２０９８０７号公報の方法では発光ダイオ
ード等の発光素子を発光せしめるには充分な電圧、及び
発電量が得られないという欠点があった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題を解
決すべく、鋭意検討した結果、跳ね板バネの屈曲を元に
戻す方向に一定の外力を作用させるとき、屈曲方向が瞬
時に反転することを利用して、この時に発生する跳ね板
バネの振動を圧電素子に伝えて発電することを特徴とす
る方法であり、衝撃的振動を直接、あるいは間接的に圧
電素子に伝わる様構成することにより、圧電素子が瞬時
に歪み、十分な発電を行うものである。

【０００５】衝撃的振動を圧電素子に直接伝える方法と
しては、本発明の前記請求項５に示した圧電式発電器の
構成において、屈曲方向が反転する跳ね板バネに圧電材
料を直接貼り合わせた圧電バイモルフ素子、もしくは圧
電ユニモルフであることを特徴とする圧電式発電器のよ
うに板バネと圧電素子が直接接触しているため極めてエ
ネルギーの伝達効率が良く、衝撃的な振動が伝わる。ま
た衝撃的振動を間接的に圧電素子に伝える方法として
は、本発明の請求項３の、跳ね板バネの振動部で直接圧
電素子をたたくことを特徴とする圧電式発電器や本発明
請求項４の跳ね板バネの振動を圧電素子に伝導する振動
伝達部を有することを特徴とする圧電式発電器によって
も衝撃的な振動エネルギーを効率よく伝達することがで
き、圧電素子の発電量は増加する。さらに前記跳ね板バ
ネを用いた圧電式発電器の発電により発光ダイオードの
ような発光素子を発光させるに充分な電圧及び発電量が
発生することをみいだして、本発明請求項６に至ったも
のである。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照しなが
ら説明する。図１は本発明の一実施例を示す図である。
ベース板１に圧電素子４の端部が固定部２に片持ち支持
固定してある。更に跳ね板バネ６が振動支点３に挿入さ
れている。跳ね板バネは弾性板をコの字型に打ち抜き、
同一方向にある自由端を引き寄せて、撓ませて重ね合わ
せ固定し、バネとなるように構成してある。また跳ね板
バネ６には押し引き棒７が通してある。更に跳ね板バネ
６が逆方向に跳ねた場合のストッパー５が設けてある。

【０００７】次に発電動作について説明する。図２は、
図１の正面から見た概要図を示す。図２のＡ、Ｂ、Ｃ、
Ｄ、Ｅは動作の状態を示す。図Ａは停止状態を示す。ま
ず図２のＢの状態は、押し引き棒１７を外力１８で押し
下げると押し引き棒１７が跳ね板バネ１６を押し下げ
る。跳ね板バネ１６は圧電素子１４を押し下げ圧電素子
１４は撓みにより発電する。圧電素子１４には配線部２
０で発光ダイオード１９が電気的につながっているので
発光ダイオード１９は発光する。ただしこの時の発電電
圧は外力１８のスピードに比例する。

【０００８】次に押し引き棒１７を更に押し込むと図２
のＣの状態になり跳ね板バネ１６が逆方向に跳ねる。跳
ね板バネは、ある外力以上になると屈曲が、瞬時に反転
するという性質を持つ。跳ねバネ１６の反転現象により
圧電素子１４は、急に押し力が取り除かれるため、圧電
素子の弾性や跳ね板バネの振動により激しく振動して発
電し、発光ダイオード１９が発光する。次に振動が減衰
して図Ｄの状態となる。

【０００９】更に押し引き棒１７を逆の方向に戻すと跳
ね板バネ１６が元の方向に跳ねる。押し引き棒１７の戻
しはコイルバネでもよい。跳ね現象により、跳ね板バネ
１６が圧電素子１４をたたき圧電素子は振動して発電す
る。跳ね板バネの跳ね現象は、衝撃的振動であるため圧
電素子１４の振動も激しいものとなり発電電圧、発電量
が増加する。また跳ね板バネの形は長方形や楕円形に限
られる訳でなく多角形、長方形、正方形、丸、楕円等、
形状は自由に設定できる。また跳ね板バネ１６の材質は
鉄、バネ鋼、リン青銅、ガラス入りエポキシ樹脂、カー
ボン繊維構造体、超高分子ポリエチレン樹脂、又前記材
料の組み合わせ等、弾性のある材料で構成される。

【００１０】次に本発明の請求項５の屈曲方向が反転す
る跳ね板バネに圧電材料を直接貼り合わせた圧電バイモ
ルフ素子、もしくは圧電ユニモルフであることを特徴と
する圧電式発電器の事例について図３で説明する。図３
の跳ね板バネ３１の両面に圧電素子３０と圧電素子３２
が接合され、バイモルフ構造跳ね板バネ圧電素子となっ
ている。図４に図３の正面図を示す。接合は、焼き付け
又は接着、又は拡散接合等が用いられる。跳ね板バネは
弾性板をコの字型に打ち抜き、同一方向にある自由端を
引き寄せて撓ませ重ね合わせて固定しバネとなるように
構成してある。跳ね板バネ３１の形は長方形や楕円形に
限られる訳でなく多角形、長方形、正方形、丸、楕円形
状等、形は自由に設定できる。また跳ね板波バネ３１の
材質はバネ鋼、リン青銅、ガラス入りエポキシ樹脂、カ
ーボン繊維、超高分子ポリエチレン樹脂、等弾性のある
材料で構成される。接着の場合の接着層は金属或いはカ
ーボン繊維、又は、ガラス繊維等の弾性を有する材料を
含む構成であっても良い。又跳ね板バネの片側面にユニ
モルフ圧電素子３３を接合したユニモルフ構造跳ね板バ
ネ圧電素子の正面図を図５示す。接合については、前記
のバイモルフ構造と同じ方法である。

【００１１】図３に示す屈曲方向が反転する跳ね板バネ
に圧電材料を直接張り合わせた圧電バイモルフ素子、も
しくは圧電ユニモルフであることを特徴とする圧電式発
電器の場合の使用方法事例は、図６に示すように、圧電
バイモルフ素子、もしくは圧電ユニモルフ素子に直接配
線するか電極を設け、電極を介して発電した電気を取り
出す。

【００１２】更に本発明請求項３の跳ね板バネの振動部
で直接圧電素子をたたくことを特徴とする圧電式発電器
の事例を図７、及び図８に示す。図７図８ともに平面図
である。図７は片端部を固定された圧電素子２４の上面
に跳ね板バネ２６が配置され跳ね板バネの内部に押し引
き棒２７が配置されている。又、図８はＶ形に配置され
た圧電素子４４の上面に跳ね板バネ４６が配置され、跳
ね板バネの中央部に押し引き棒４７が配置されている。
動作につては図７及び図８ともに前記図２のＡ〜Ｅに示
す動作を行う。

【００１３】更に本発明請求項４の跳ね板バネの振動を
圧電素子に伝導する振動伝達部を有することを特徴とす
る圧電発電素子の事例を図９に示す。図９は平面図であ
る。図９の２点波線は振動の幅を示す。図９のベース板
５１上に圧電素子５４が固定部５２により片持ち梁の状
態に固定してある。圧電素子５４の振動する片端部は、
跳ね板バネ５６と一体に整形されるか又は、溶接で一体
構造となった振動伝達部６０と連結部５５でつながって
いる。連結部５５は圧電素子５４の振動先端部をコの字
形状に包み込む形に隙間を持ち配置されている。跳ね板
バネ５６は、左右に配置された２個の振動支点５３で支
持されている。更に、跳ね板バネ５６には押し引き棒５
７が設けられている。更に押し引き棒には戻しコイルバ
ネ５８が設けてある。

【００１４】図９の押し引き棒５７を外力により図９の
下方向に押し下げる。又は外力を取り除くと戻しコイル
バネ５８により押し引き棒５７が上下方向に揺動する。
揺動により跳ね板バネ５６が跳ね動作を繰り返し衝撃振
動する。衝撃振動により、振動伝達部６０は図９の振動
方向５９の方向に激しく振動する。振動により圧電素子
５４も激しく衝撃振動して発電する。振動伝達部６０
は、跳ね板バネ５６と同様の弾性体で作られている。
又、跳ね板バネ５６を支点とした片持ち構造であるた
め、振動伝達部６０の長さを大きくすることにより跳ね
板バネの振幅を増幅して伝えることができる。又、振動
伝達部６０のバネ常数を適切な値に調節して、跳ね板バ
ネの大きな振動を受け、大きく振動を伝えた後は、圧電
素子と共振するように設定することにより、時間的に長
く振動する。

【００１５】前記跳ね板バネを用いた圧電発電素子の発
電により発光ダイオードのような発光素子を発光させる
に充分な電圧及び発電量が発生することから、本発明請
求項６記載の通り、請求項１、２、３、４、５の圧電発
電器を用いて圧電素子が発生する電気エネルギーを発光
ダイオード等の発光素子に供給することにより発光させ
ることを特徴とする圧電式発光装置としての使用に適し
ている。

【００１６】

【発明の効果】以上のべた如く、本発明によれば、跳ね
板バネと圧電素子を組み合わせたことを特徴とする圧電
発電素子を用い、跳ね板バネの屈曲を元に戻す方向に一
定の外力を作用させるとき、屈曲方向が瞬時に反転する
ことを利用して、この時に発生する跳ね板バネの振動を
圧電素子に伝えて発電することを特徴とする。跳ね板バ
ネの解放される弾性エネルギーにより発生する衝撃力或
いは振動を直接或いは間接的に圧電素子に伝わる様構成
としたので、圧電素子が衝撃的な振動をして高電圧を発
生する。及び、その際圧電素子が発生する電気エネルギ
ーが発光ダイオード等の発光素子を発光させるに十分な
発電量が得られるため、視覚に認知させるに十分な発光
装置の提供が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一事例を示す斜視図。

【図２】本発明の図１の動作を示す正面図

【図３】バイモルフ構造跳ね板バネ圧電素子図

【図４】本発明の図３の正面図

【図５】ユニモルフ構造跳ね板バネ圧電素子図

【図６】請求項５の使用方法事例図

【図７】本発明請求項３の一事例図

【図８】本発明請求項３の一事例図

【図９】本発明請求項４の事例図

【符号の説明】

１、５１ ベース板 ２、５２ 固定部 ３、５３ 振動支点部 ４、１４、２４、５４ 圧電素子 ５、１５ ストッパー ６、５６ 跳ね板バネ ７、１７、２７、５７ 押し引き棒 １６、３１ 跳ね板バネ １８ 外力 １９ 発光ダイオード ２０ 配線部 ２６ 跳ね板バネ ３０、３２ バイモルフ圧電素子 ３３ ユニモルフ圧電素子 ５５ 連結部 ５８ 戻しコイルバネ ５９ 振動方向 ６０ 振動伝達部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 あらかじめ一定の方向に屈曲した形状に
   成形する、もしくは座屈変形した板バネ（今後、跳ね板
   バネと呼ぶ）と圧電素子を組み合わせたことを特徴とす
   る圧電式発電器。
2. 【請求項２】 跳ね板バネの屈曲を元に戻す方向に一定
   の外力を作用させるとき、屈曲方向が瞬時に反転するこ
   とを利用して、この時に発生する跳ね板バネの振動を圧
   電素子に伝えて発電することを特徴とする請求項１の圧
   電式発電器。
3. 【請求項３】 圧電発電素子の構成において、跳ね板バ
   ネの振動部で直接圧電素子をたたくことを特徴とする前
   記請求項２の圧電式発電器。
4. 【請求項４】 圧電発電素子の構成において、跳ね板バ
   ネの振動を圧電素子に伝導する振動伝達部を有すること
   を特徴とする前記請求項２の圧電式発電器。
5. 【請求項５】 圧電発電素子の構成において、屈曲方向
   が反転する跳ね板バネに圧電材料を直接張り合わせた圧
   電バイモルフ素子、もしくは圧電ユニモルフであること
   を特徴とする請求項２の圧電式発電器。
6. 【請求項６】 請求項１、２、３、４、５の圧電発電器
   を用いて圧電素子が発生する電気エネルギーを発光ダイ
   オード等の発光素子に供給することにより発光させるこ
   とを特徴とする圧電式発光装置。