JP2006216898A - Piezoelectric generator - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子を用いた圧電発電装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric power generation apparatus using a piezoelectric element.
圧電素子は、多結晶体に、直流高電圧を印加することで残留分極を発生させて圧電性をもたせた素子である。材料の種類、材料の組成により自由に基本圧電定数を変化させることができるので、その用途は多様である。特に、チタン酸ジルコン酸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。 A piezoelectric element is an element which has a piezoelectric property by generating remanent polarization by applying a DC high voltage to a polycrystalline body. Since the basic piezoelectric constant can be freely changed depending on the type of material and the composition of the material, its application is diverse. In particular, the lead zirconate titanate-based piezoelectric ceramic element has a wide composition ratio and a wide selection range of additives, and has a wide range of applications.
このような圧電素子を用いて発電する場合は、板状素子の面積の最も広い対になる面に電極を形成し分極させ、金属球、セラミック球などの衝撃体を衝突させ、圧電素子の片側の面を固定し、その反対の面を押圧し、変形させて、圧電素子の分極方向と直交する素子の歪みを利用して発電する。発電した電力は、発光体の発光に利用したり、2次電池の充電に利用している。例えば、この発電装置を靴底に取り付け、歩いたり走ったりする動きに合わせて、左右または上下の往復運動で動く衝撃体が圧電素子に衝撃を与え、圧電素子が受けた歪により電気を発生させ、その電気を使って発光体を発光させる発明が、特許文献1に開示されている。
When power is generated using such a piezoelectric element, an electrode is formed on the pair of surfaces having the widest area of the plate-like element and polarized, and an impactor such as a metal sphere or a ceramic sphere collides with one side of the piezoelectric element. The other surface is fixed, the opposite surface is pressed and deformed, and power is generated by utilizing the strain of the element orthogonal to the polarization direction of the piezoelectric element. The generated electric power is used for light emission of the light emitter and used for charging the secondary battery. For example, this power generator is attached to a shoe sole, and an impact body that moves by reciprocating left and right or up and down according to the movement of walking or running impacts the piezoelectric element, and generates electricity by the strain received by the piezoelectric element.
また、特許文献2には、ルアーの往復運動で動く衝撃体が圧電素子を打撃する際に発生する起電力を利用し、フィッシング用ルアーに内蔵した発光ダイオードを発光させる発明が開示されている。
Further,
上述した発明に用いられた圧電発電装置では、2枚の圧電素子を用い、それぞれの圧電素子の片側を筐体に固定し、圧電素子に衝撃体が移動して、ぶつかることで圧電素子に歪を与えるという複雑な構造になっているために、圧電素子の固有振動が他の構造体に伝達しやすい問題点があった。そのために、十分な発電効率が得られなかったり、付与する周波数が数十ヘルツ以上でないと発電できない等の問題があった。 In the piezoelectric power generation device used in the above-described invention, two piezoelectric elements are used, one side of each piezoelectric element is fixed to the housing, and an impact body moves and strikes the piezoelectric element so that the piezoelectric element is distorted. Therefore, there is a problem that the natural vibration of the piezoelectric element is easily transmitted to other structures. For this reason, there are problems such that sufficient power generation efficiency cannot be obtained, or power generation cannot be performed unless the applied frequency is several tens of hertz or higher.
本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたもので、その技術課題は、圧電素子の固有振動が他の構造体に伝達しにくくすることで、数ヘルツの運動エネルギーを高効率の電気エネルギーに変換する低コストの圧電発電装置を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and its technical problem is to make it difficult to transmit the natural vibration of a piezoelectric element to another structure, thereby to transfer kinetic energy of several hertz to highly efficient electric power. It is to provide a low-cost piezoelectric power generation device that converts energy.
上記目的を達成するための第1の発明は、板状の圧電セラミックスを板状弾性体に接合した圧電ユニモルフ素子、または板状の圧電セラミックス2枚を直接もしくは板状弾性体を挟んで接合した圧電バイモルフ素子を用いた圧電発電装置において、前記圧電ユニモルフ素子または前記圧電バイモルフ素子の端部を弾性体の一端に固定し、前記弾性体のもう一端を筐体で支持したことと前記圧電ユニモルフ素子または圧電バイモルフ素子と揺動により衝突する位置に凸状体が配設され、前記凸状体は筐体に接合されるか筐体の一部として形成された圧電発電装置である。 In order to achieve the above object, the first invention is a piezoelectric unimorph element obtained by joining plate-like piezoelectric ceramics to a plate-like elastic body, or two plate-like piezoelectric ceramics are joined directly or sandwiching a plate-like elastic body. In the piezoelectric power generation apparatus using a piezoelectric bimorph element, the piezoelectric unimorph element or an end of the piezoelectric bimorph element is fixed to one end of an elastic body, and the other end of the elastic body is supported by a housing, and the piezoelectric unimorph element Alternatively, a convex body is disposed at a position where it collides with the piezoelectric bimorph element by swinging, and the convex body is a piezoelectric power generation device that is joined to the housing or formed as a part of the housing.
上記目的を達成するための第2の発明は、前記弾性体が、コイルばねまたは板ばねである圧電発電装置である。 A second invention for achieving the above object is a piezoelectric power generator in which the elastic body is a coil spring or a leaf spring.
上記目的を達成するための第3の発明は、前記凸状体が、金属またはセラミックスからなる圧電発電装置である。 A third invention for achieving the above object is a piezoelectric power generator in which the convex body is made of metal or ceramics.
ひとつの圧電素子をコイルばね或いは板ばねの一端に固定し、これらのばねのもう一端を筐体に支持することで、圧電素子の固有振動が他の構造体に伝達しにくい構造とし、圧電素子をばねに固定することで、持続的な揺動が可能となり、数ヘルツの運動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することが可能となる。 One piezoelectric element is fixed to one end of a coil spring or a leaf spring, and the other end of these springs is supported on the housing, so that the natural vibration of the piezoelectric element is not easily transmitted to other structures. By fixing to the spring, it becomes possible to continuously swing, and it is possible to efficiently convert kinetic energy of several hertz into electrical energy.
また、圧電素子を衝撃体とし、衝突した際の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するために配置された凸状体を備えた筐体にぶつかることで、ひとつの圧電素子で、単純な構造からなる低コストの圧電発電装置の提供を可能とする。 In addition, a single piezoelectric element has a simple structure by using a piezoelectric element as an impact body and hitting a housing having a convex body arranged to convert kinetic energy at the time of collision into electrical energy. A low-cost piezoelectric power generation device can be provided.
更に、凸状体に使う材質を、金属または硬度の高いセラミックスにすることで、圧電素子に与える衝撃を強めることで、数ヘルツの運動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することを可能とする。 Furthermore, by making the material used for the convex body a metal or a ceramic with high hardness, it is possible to efficiently convert kinetic energy of several hertz into electrical energy by strengthening the impact on the piezoelectric element. .
その結果、数ヘルツの運動エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換できる低コストの圧電発電装置の提供が可能となる。 As a result, it is possible to provide a low-cost piezoelectric power generation device that can efficiently convert kinetic energy of several hertz into electrical energy.
本発明を実施するための最良の形態に係る圧電発電装置に用いる圧電素子は、板状の圧電セラミックスを板状弾性体に接合した圧電ユニモルフ素子、或いは板状の圧電セラミックス2枚を直接或いは板状弾性体を挟んで接合した圧電バイモルフ素子である。なお、圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸バリウムなどが好適である。 The piezoelectric element used in the piezoelectric generator according to the best mode for carrying out the present invention is a piezoelectric unimorph element obtained by joining plate-like piezoelectric ceramics to a plate-like elastic body, or two plate-like piezoelectric ceramics directly or on a plate. Piezoelectric bimorph elements joined with a cylindrical elastic body interposed therebetween. The piezoelectric element is preferably lead zirconate titanate or barium titanate.
圧電素子は、板状弾性体の一端に固定され、板状の弾性体のもう一端は筐体の固定部に固定された構造で、凸部は圧電素子が揺動した際に衝突できるように、筐体に配置されている。なお、板状弾性体は、コイルばね或いは板ばねのいずれでも良い。 The piezoelectric element is fixed to one end of the plate-like elastic body, and the other end of the plate-like elastic body is fixed to the fixing portion of the housing, so that the convex portion can collide when the piezoelectric element swings. Arranged in the housing. The plate-like elastic body may be a coil spring or a leaf spring.
また、凸部の材質は、少なくとも圧電素子に衝撃を与える機能を有する金属、又はセラミック等の硬度の高い材質が望ましく、全体を同じ材質で製造しても良い。 Further, the material of the convex portion is desirably a metal having a function of giving an impact to the piezoelectric element or a material having high hardness such as ceramic, and the whole may be manufactured from the same material.
次に、本発明の実施例について、図面にて詳細に説明する。図1は、本発明の実施例に係る圧電発電装置の断面図である。図2は、本発明の実施例に係る圧電ユニモルフ素子を示す斜視図である。図3は、本発明の実施例に係る圧電バイモルフ素子を示す斜視図である。図4は、本発明の実施例に係る圧電発電装置の発電時の状態を示した断面図である。図5は、本発明の実施例に係る圧電発電装置の回路図である。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a piezoelectric power generator according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing a piezoelectric unimorph element according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a perspective view showing a piezoelectric bimorph element according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a state during power generation of the piezoelectric power generation apparatus according to the embodiment of the present invention. FIG. 5 is a circuit diagram of the piezoelectric generator according to the embodiment of the present invention.
圧電素子1が板ばね2の一端に固定され、もう一端は筐体4の固定部5に固定された構造で、凸部3は圧電素子1が揺動した際に衝突できるように、筐体4に配置した。圧電素子1には、チタン酸ジルコン酸鉛の圧電セラミックスを用いた。なお、圧電素子1はリード線10,11で端子14,15と接続した。
The
圧電素子1は、図2に示すような板状の圧電セラミックス6を板状弾性体7に接合した圧電ユニモルフ素子、或いは、図3に示すような板状の圧電セラミックス6の2枚で板状弾性体7を挟んで接合した圧電バイモルフ素子のいずれでも良い。なお、圧電バイモルフ素子は、板状弾性体7が無くても良い。
The
図4は、凸部3と圧電素子1が衝突している状態を示す図である。板ばね2と圧電素子1とで成す共振周波数を数ヘルツに設定することで、設定した共振周波数近傍で筐体4が揺動すると圧電素子1が凸部3に衝突し、圧電素子1に歪みが生じる。この歪により圧電素子1の電極8と電極9の間に電位差が生じる。ここで発生した起電力をリード線10及び11で取り出し、電気エネルギーとして利用した。この動作は揺動が続く限り持続するので、揺動が続く限り連続して発電でき、より効率的に電気エネルギーを取り出すことができる。ここでは、圧電素子1を板状弾性体である板ゴムの一端に、とりつけることで、圧電素子の固有振動が他の構造体に伝達しにくい構造となり、持続的な揺動が可能となり、数ヘルツの運動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換できるようになった。
FIG. 4 is a diagram illustrating a state in which the
また、凸部の材質は、少なくとも圧電素子に衝撃を与える機能を有する金属、又はセラミック等の硬度の高い材質が良いことがわかった。更に、筐体4全体を同じ材質で製造した方が良いことがわかった。やわらかいゴムを使用した場合には、衝撃を吸収するために、圧電素子1が受ける衝撃力が落ちて、発電できなかった。また、筐体4と凸部3の材質を変えた場合と同じ場合を比較すると、材料の反発係数の違いだけ、振動が吸収されるので、同じ材質で製造した方が良いことがわかった。
Further, it has been found that the material of the convex portion is preferably a metal having a function of giving an impact to the piezoelectric element or a material having high hardness such as ceramic. Furthermore, it has been found that it is better to manufacture the
実施例の発電ユニットでは、交流電圧が発生するので、図5に示すような回路で、必要に応じて、12の整流回路で整流して、直流電圧を取り出し、13のコンデンサを負荷に対して並列に接続することで発生電圧を平滑にした。 In the power generation unit of the embodiment, an AC voltage is generated. Therefore, in a circuit as shown in FIG. 5, if necessary, rectification is performed with 12 rectifier circuits to extract a DC voltage, and 13 capacitors are connected to the load. The generated voltage was smoothed by connecting in parallel.
板ばね2の代わりにコイルばねを使用しても同様の効果が得られた。
The same effect was obtained even when a coil spring was used instead of the
1 圧電素子
2 板ばね
3 凸部
4 筐体
5 固定部
6 圧電セラミックス
7 板状弾性体
8,9 圧電素子の電極
10,11 リード線
12 整流回路
13 コンデンサ
14,15 端子
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