JP2014039405A - 振動発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部振動の方向に依存することなく効率よく発電を行うことができ、しかも小型化に適した振動発電装置を提供する。
【解決手段】筐体１１が、上下壁が正方形の四角柱からなり、筐体１１の４つの側壁１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの内面のそれぞれの高さ方向中央部に、電極を有する圧電素子であるばね性片持ち梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを、筐体１１の高さ方向中央部断面において中心対称になるように固定し、筐体１１の４つの側壁１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの内面に固定した４本のばね性片持ち梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの自由端の部分と、筐体の上下壁１１ｅ、１１ｆにより、筐体１１の内部の中心部に空間１０を形成し、その空間１０の中に一つの錘１４を配置した振動発電装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、機械的な振動エネルギーを電気エネルギーに変換する、小型・携帯型の装置に適した振動発電装置に関する。

小型携帯機器に用いられる電池の長寿命化の方策の１つとして、人や動物の振動（機械エネルギー）を電気エネルギーに変換する小型の振動発電機を利用する方法が提案されている。

振動発電の方式は電磁誘導方式、エレクトレット等の静電誘導方式、圧電方式の３種に分類されるが、圧電方式は構造をシンプルにできるため小型化に有利である。

圧電素子を利用する構造には幾つかあるが、その内の典型的な二つは以下である。

たとえば、板状の圧電素子の一端を固定しもう片方を自由端にして錘を設置した片持ち梁（はり）構造にして、外力により固定端を振動させ、自由端を共振させ圧電素子を変形することで発電を行う方式や板状の圧電素子を鋼体により打撃して圧電素子を歪ませることで発電を行う方式がある。

振動発電の具体例として、転動子を圧電素子に衝突させて発電する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、転動室を有するケース内に弾性体を介して支持された圧電素子と、転動室を移動して圧電素子に打撃を加える転動子とを備え、弾性体は、圧電素子の外周部を少なくとも二ヵ所支持した発電装置により、振動により衝撃物が移動して圧電素子を打撃することにより発電する。

また、2次元方向の振動に対応した振動発電機が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この振動発電機では、筒状の圧電素子と、棒状の片持ち梁と、片持ち梁の自由端部に固定され、圧電素子の内周面を打撃する振動子と、梁の他方の端部を固定する台座とで構成され、振動子が筒状の圧電素子の中心軸に鉛直な2軸方向の振動によって圧電素子の内周面を打撃することにより発電する。圧電素子はスペーサーを介し複数個所で台座に支持されている。

また、2次元方向の外力により、圧電板を一斉に撓ませて発電し、電気エネルギーを得る方法が開示されている例えば、特許文献３参照）。この方法では、凸状または山形状に屈曲した矩形状に貼着した圧電板を有する複数の板状圧電素子と、圧電素子の長手方向の一端を保持する円形断面の中空状の第１の保持部材と、圧電素子の長手方向の別の一端を保持し、第１の保持部材の断面の中心部に位置する第２の保持部材とで構成され、第1の保持部材又は第2の保持部材に加えられる2次元方向の外力により、圧電板が一斉に撓む。

特開２０００−２８７４６４号公報 特開２００５−０８６８５９号公報 特開２００８−０９９４８９号公報

圧電素子を共振により変形することで発電を行なう方式の場合、外部振動と圧電素子の変形方向とを同一方向にそろえないと効率的に発電することができない。また打撃による方式においても打撃子である剛体の運動方向は外部振動の方向に依存するが、この運動方向が圧電素子面に向かっていないと効率の良い発電ができない。

特許文献１、２に開示されている方法では、振動子の衝撃力によって圧電素子を破損する恐れがあり、信頼性を高くすることに課題があった。また、圧電素子が複数個所で支持されているので、圧電素子の大きな変位を得ることが難しいという問題があった。

大きな起電力を得るには変位を大きくとる構造が望ましい。特許文献３に開示されている方法では、両持ち梁構造を用いており、また、構成している圧電素子に振動による外力が分散されるため、構造上圧電素子の大きな変位を得ることが難しいので、発電機の小型化が困難であるという問題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたもので、外部振動の方向に依存することなく効率よく発電を行うことができ、しかも小型化に適した振動発電装置を提供することを目的とする。

本発明に係る振動発電装置の特徴は、筐体の内部に、１本又は複数本のばね性片持ち梁と、１つ又は複数の錘と、を少なくとも備え、そのばね性片持ち梁は圧電体から構成され、そのばね性片持ち梁は両面に電極を有し、そのばね性片持ち梁の長手方向が筐体の上下壁に平行になるように固定するとともに、そのばね性片持ち梁のもう1方の端部を自由端とし、筐体の内部に、少なくとも１本のそのばね性片持ち梁を１辺とする空間を１つ又は複数形成し、錘はその空間に１つずつ配置され、その空間の中で自由運動することを要旨とする。

ここで、筐体は、同一形状、寸法の上壁及び下壁と、上壁及び下壁に垂直な側壁によって囲まれた中空部を有する。以下、上壁及び下壁をＸ−Ｙ軸とし、側壁の高さ方向をＺ軸とする筐体配置とする。

空間の中で自由運動する錘が圧電体から構成されるばね性片持ち梁に衝突すると、ばね性片持ち梁の自由端が変位して発電する。本発明の振動発電装置は、この発電電流を取り出して利用するためのものである。

筐体が、上下壁が正方形の四角柱からなり、筐体の４つの側壁の内面のそれぞれの高さ方向中央部に、ばね性片持ち梁の電極を有する面を、筐体の高さ方向中央部断面において中心対称になるように固定し、筐体の４つの側壁の内面に固定した４本のばね性片持ち梁の自由端の部分と、筐体の上下壁により、筐体の内部の中心部に空間を形成し、その空間の中に一つの錘を配置した振動発電装置を構成することができる。

この構成では、筐体の中心部に、４本のばね性片持ち梁と、筐体の上下壁によって囲まれる空間が形成され、この空間の中に配置された錘のＸ−Ｙ面における２次元運動に対して、４本のばね性片持ち梁の変位により発電が生じる。

類似の構成として、筐体が、上下壁が三角形の三角柱からなり、記筐体の３つの側壁の内面のそれぞれの高さ方向中央部に、ばね性片持ち梁の一端を、筐体の高さ方向中央部断面において中心対称になるように固定し、筐体の３つの側壁の内面に固定した３本のばね性片持ち梁と、筐体の上下壁により、筐体の内部の中心部に空間を形成し、その空間の中に一つの錘を配置した振動発電装置が可能である。

筐体の内部に、１つ又は複数のブロックを固定し、その１つ又は複数のブロックのそれぞれに、１つ又は複数のばね性片持ち梁の一端を固定して空間を形成すると、空間形成の自由度が高まる。

空間の筐体の高さ方向の上下部分に１本ずつ、ばね性片持ち梁を固定することにより、この空間の中に配置された錘のＸ−Ｙ−Ｚ軸における３次元運動に対して、ばね性片持ち梁により起電力が発生する。

ばね性片持ち梁の自由端の端部をはさんで空間の反対側に、ストッパを設けることにより、ばね性片持ち梁の自由端の最大変位を設定することができる。

圧電体はモノモルフ構造又はバイモルフ構造のいずれでもよい。

錘は自由運動させるため、球形状をしていることが好ましい。

ばね性片持ち梁に設けられた電極から取り出した電流をそれぞれ全波整流器により交直変換して直流とし、それらの直流をすべて１つの蓄電装置に蓄積してから出力することができる。

蓄電装置としては、2次電池またはコンデンサ（キャパシタとも呼ばれる）を用いることができる。

本発明によれば、外部振動の方向に依存することなく効率よく発電を行うことができ、しかも小型化に適した振動発電装置を提供することができる。

（ａ）本発明の実施形態に係る振動発電装置のＸ−Ｙ面断面図である。（ｂ）（ａ）図のＡ−Ａ矢視図である。 （ａ）本発明の実施形態に係る振動発電装置のＸ−Ｙ面断面図である。（ｂ）（ａ）図のＣ−Ｃ矢視図である。 図１（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。 （ａ）接着剤によるバイモルフ構造。 （ｂ）金属板によるバイモルフ構造。 本発明の実施形態に係る振動発電装置に用いる交直変換回路である。 （ａ）本発明の実施形態に係る発電装置のＸ−Ｙ面断面図である。（ｂ）（ａ）図のＤ−Ｄ矢視図である。 （ａ）、（ｂ）本発明の実施形態に係る振動発電装置のＸ−Ｙ面断面図である。 （ａ）、（ｂ）本発明の実施形態に係る振動発電装置のＸ−Ｙ面断面図である。 （ａ）、（ｂ）本発明の実施形態に係る振動発電装置のＸ−Ｙ面断面図である。 （ａ）、（ｂ）本発明の実施形態に係る振動発電装置のＸ−Ｙ面断面図である。 （ａ）、（ｂ）本発明の実施形態に係る振動発電装置のＸ−Ｙ面断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）について詳細に説明する。
ここで、ばね性片持ち梁とは可逆的変形可能な圧電体と、前記圧電体の片面または両面に形成された電極によって構成される板状の発電体である。

筐体の側壁にばね性片持ち梁を固定した振動発電装置を第１実施形態、筐体の内部に設けたブロックにばね性片持ち梁を固定した振動発電装置を第２実施形態とする。

（第１実施形態）
図１は、本発明の実施例１に係る、錘のＸ−Ｙ２次元運動に対応した振動発電装置を示す図であり、図１（ａ）は、Ｘ−Ｙ平面断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。

振動発電装置１は、Ｘ−Ｙ平面において正方形をなす筐体１１の内部に、電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄをそれぞれ有する４本のばね性片持ち梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと、錘１４と、ストッパ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄとを備える。ばね性片持ち梁１２ａは筐体１１の側壁１１ａに、ばね性片持ち梁１２ｂは側壁１１ｂに、ばね性片持ち梁１２ｃは側壁１１ｃに、ばね性片持ち梁１２ｄは側壁１１ｄに、それぞれ垂直に、４本のばね性片持ち梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄがＸ−Ｙ面内で中心対称になるように、電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを有する端部が固定されている。図１（ｂ）に示したように、筐体１１のＺ軸方向上下には、上壁１１ｅ、下壁１１ｆが配置されており、筐体１の中央部には、４本のばね性片持ち梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの自由端の端部と、筐体１１の上壁１１ｅと、下壁１１ｆで囲まれた空間１０が形成されている。空間１０の中に錘１４が運動自由に配置されており、４本のばね性片持ち梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの自由端の端部を挟んで、空間１０の反対側に、順にストッパ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄが設けられている。

筐体１１は、金属製でもポリマー製でもよい。

ストッパ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄは、筐体１１に固定されており、筐体１１と同じ材料からなる。

ばね性片持ち梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、ポリフッ化ビニリデン等のポリマーや、セラミックスの圧電体から構成することができるが、破壊耐性の大きいポリマー圧電体が有利である。ばね性片持ち梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、バイモルフ構造でも、モノモルフ構造でもよい。

図３は、図１（ａ）のＢ−Ｂ矢視図であり、ばね性片持ち梁１２ｃの両側に電極１３ｃを設けた部分のバイモルフ構造断面構成を示したものである。図３（ａ）は、中心の接着層１２ｔの両側に圧電体１２を配置した構造であり、図３（ｂ）は、中心の金属板１２ｍの両側に圧電体１２を配置した構造である。本発明の実施形態で用いるばね性片持ち梁は、すべて上記と同様の断面構成を有する。

錘１４は金属製が好ましく、形状は、ころがり易い球状が好ましい。

筐体１が振動すると、空間１０内で錘１４のＸ−Ｙ面内での２次元運動を生じ、錘１４がばね性片持ち梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの自由端部付近を押して圧電体を大きく変位させることにより発電する。

ばね性片持ち梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの自由端部が曲った時に、電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを設けた部分に大きな応力が加わるが、圧電体に、ばね性片持ち梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの自由端部の変位はストッパ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄにより制限されるので、ばね性片持ち梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの圧電体の破壊が起こらない構造になっている。

図４は、振動発電装置１で発電された電力を取り出す交直変換回路を示したものである。交直変換回路１８には、ばね性片持ち梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの各圧電体に対し、それぞれ全波整流器１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄが設けられており、それぞれの圧電体による直流電力が加算されて蓄電装置としてのコンデンサ１７に蓄積される。蓄電装置には２次電池を用いてもよい。

圧電体を利用した振動発電装置において大きな電力を得るには、（イ）質量の大きな錘と、（ロ）圧電体の変位を大きくする構造、が重要である。本発明の実施形態では、圧電体からなるばね性片持ち梁を用いているので、振動による錘の慣性力がそれぞれの圧電体に独立に印加されるため、圧電体の変位を大きくとることができる。また、第１実施形態においては錘が１つであり、錘の質量を比較的大きくすることができるため大きな電力を得ることができる。さらに、錘を複数の圧電素子で共有することができるため構造がシンプルになる。圧電体が片持ち梁構造であると、梁の変位が大きく取れるため錘がぶつかる時の衝突のエネルギーを変位により効率よく吸収するので圧電体へのダメージが少ないという利点もある。これらのことから、本発明の振動発電装置は発電装置の小型化に適している。

（第２実施形態）
図６は、本発明の実施例４に係る、２つの錘の直交する１次元運動に対応した振動発電装置を示す図であり、図６（ａ）、（ｂ）ともに、Ｘ−Ｙ平面断面図である。

図６（ｂ）の振動発電装置４’は、図６（ａ）の振動発電装置４の２本のばね性片持ち梁４２ａ、４２ｂを１本の圧電体から形成したこと以外は、機能的には図６（ａ）の振動発電装置４と同様であるので、以下図６（ａ）の振動発電装置４の構成について説明する。図６（ｂ）の符号は、図６（ａ）の符号に’をつけて示した。

振動発電装置４は、Ｘ−Ｙ平面において正方形をなす筐体４１の内部に、電極４３ａ、４３ｂを有する２本のばね性片持ち梁４２ａ、４２ｂと、錘４４ａ、４４ｂと、ブロック４６と、ストッパ４５とを備える。ばね性片持ち梁４２ａはＸ方向に、ばね性片持ち梁４２ｂはＹ方向に、ばね性片持ち梁４２ａ、４２ｂが９０°の角度をなすように、電極４３ａ、４３ｂをそれぞれ有する端部がブロック４６に固定されている。図１（ｂ）に示したように、筐体４１のＺ軸方向上下には、上壁（図示せず）、下壁（図示せず））が配置されており、筐体４１の内部には、空間４０ａ、４０ｂが形成されている。空間４０ａは、ばね性片持ち梁４２ａ自由端の端部と、筐体１１の側壁４１ａ、４１ｄと、筐体１１の上壁、下壁で囲まれている。空間４０ｂは、ばね性片持ち梁４２ｂの自由端の端部と、筐体１１の側壁４１ｂ、４１ｃと、筐体１１の上壁、下壁で囲まれている。空間４０ａ、４０ｂの中には、錘４４ａ、４４ｂが運動自由に入れられている。ばね性片持ち梁４２ａの自由端の端部を挟んで、空間４０ａの反対側、及び、ばね性片持ち梁４２ｂの自由端の端部を挟んで、空間４０ｂの反対側に、ストッパ４５が設けられている。

ストッパ４５、ブロック４６は筐体４１に固定されており、ともに筐体４１と同じ材料からなる。

筐体４が振動すると、空間４０ａ内では錘４４ａのＹ軸方向の１次元運動を生じ、錘４４ａがばね性片持ち梁４２ａの自由端部付近を押して圧電体を大きく変位させることにより発電する。また、空間４０ｂ内では錘４４ｂのＸ軸方向の１次元運動を生じ、錘４４ｂがばね性片持ち梁４２ｂの自由端部付近を押して圧電体を大きく変位させることにより発電する。

振動発電装置４で発電された電力は、図４に示した交直変換回路１８と同様のものを用いて取り出すことができるが、振動発電装置４に対しては、全波整流器を２つ備えた交直変換回路を用いることができる。

本発明の振動発電装置は、公知の技術を用いて製造することができる。筐体、ブロックの製造は、金属製とする場合にはダイカスト法、ポリマー製とする場合には射出成型法によるのが、製造コストの観点で好ましい。ばね性片持ち梁の、筐体の側壁やブロックへの固定は、ばね性片持ち梁の自由端部が変位したときに固定端部に大きな曲げ応力が加わるので、筐体の側壁やブロックに穴をあけてばね性片持ち梁の固定端を挿入して接着するなどして、機械的に強度を高めるのが好ましい。

以下、第１実施形態に係る実施例１〜３、第２実施形態に係る実施例４〜７について説明する。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１に係る、錘のＸ−Ｙ２次元運動に対応した振動発電装置を示す図であり、図１（ａ）は、Ｘ−Ｙ平面断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。これらについては、（第１実施形態）で説明したので、重複を避けるため、詳細は省略する。

振動発電装置１の中央部に、４本のばね性片持ち梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの自由端部と、筐体１１の上壁１１ｅと、筐体１１の下壁１１ｆとによって囲まれる空間１０を形成し、空間１０の中に金属製の球状の錘１４を運動自由に配置した。

振動発電装置１を振動させたときに、錘１４が空間１０内でＸ−Ｙ２次元運動をして、ポリフッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ）からなるバイモルフ構造の４本のばね性片持ち梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの自由端部を押すことにより発生した電流を、図４に示した、全波整流器１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄを備えた交直変換回路１８により直流とし、コンデンサ１７に蓄電した。

（実施例２）
図２は、本発明の実施例２に係る、錘のＸ−Ｙ−Ｚ３次元運動に対応した振動発電装置を示す図であり、図２（ａ）は、Ｘ−Ｙ平面断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＣ−Ｃ矢視図である。

図２（ａ）に示した振動発電装置２の構成は、図１（ａ）に示した振動発電装置１の構成と同様である。振動発電装置２においては、図２（ｂ）に示したように、空間２０のＺ軸方向の上下に、ばね性片持ち梁２２ｅ、２２ｆを設けた。従って、空間２０は、６本のばね性片持ち梁２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆによって囲まれた空間となる。空間２０の中に金属製の球状の錘２４を運動自由に配置した。

振動発電装置２を振動させたときに、錘２４が空間２０内でＸ−Ｙ−Ｚ３次元運動をして、ポリフッ化ビニリデン樹脂からなるバイモルフ構造の６本のばね性片持ち梁２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆの自由端部を押すことにより発生した電流を、図４に示した交直変換回路１８と同様の、６つの全波整流器を備えた交直変換回路により直流とし、コンデンサに蓄電した。

（実施例３）
図５は、本発明の実施例３に係る、錘のＸ−Ｙ２次元運動に対応した振動発電装置を示す図であり、図５（ａ）は、Ｘ−Ｙ平面断面図であり、図５（ｂ）は図３（ａ）のＤ−Ｄ矢視図である。

図５（ａ）に示した振動発電装置３の基本構成は、図１（ａ）に示した振動発電装置１の構成と同様である。振動発電装置３は、Ｘ−Ｙ平面において三角形をなす筐体３１の内部に、電極３３ａ、３３ｂ、３３ｃをそれぞれ有する３本のばね性片持ち梁３２ａ、３２ｂ、３２ｃと、錘３４と、ストッパ３５ａ、３５ｂ、３５ｃとを備える。ばね性片持ち梁３２ａは筐体１１の側壁３１ａに、ばね性片持ち梁３２ｂは側壁３１ｂに、ばね性片持ち梁３２ｃは側壁３１ｃに、それぞれ垂直に、３本のばね性片持ち梁３２ａ、３２ｂ、３２ｃがＸ−Ｙ面内で中心対称になるように、電極３３ａ、３３ｄ、３３ｃを有する端部を固定した。図５（ｂ）に示したように、筐体３１のＺ軸方向上下には、上壁３１ｅ、下壁３１ｆを配置し、筐体３の中央部には、３本のばね性片持ち梁３２ａ、３２ｂ、３２ｃの自由端の端部と、筐体３１の上壁３１ｅと、下壁３１ｆで囲まれた空間３０を形成した。空間３０の中に錘３４を運動自由に配置し、３本のばね性片持ち梁３２ａ、３２ｂ、３２ｃの自由端の端部を挟んで、空間３０の反対側に、順にストッパ３５ａ、３５ｂ、３５ｃを設けた。

振動発電装置２を振動させたときに、金属製の球状の錘２４が空間２０内でＸ−Ｙ−Ｚ３次元運動をして、ポリフッ化ビニリデン樹脂からなるバイモルフ構造の６本のばね性片持ち梁２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆの自由端部を押すことにより発生した電流を、図４に示した交直変換回路１８と同様の、６つの全波整流器を備えた交直変換回路により直流とし、コンデンサに蓄電した。

振動発電装置３を振動させたときに、金属製の球状の錘３４が空間３０内でＸ−Ｙ２次元運動をして、ポリフッ化ビニリデン樹脂からなるバイモルフ構造の３本のばね性片持ち梁３２ａ、３２ｂ、３２ｃの自由端部を押すことにより発生した電流を、図４に示した交直変換回路１８と同様の、３つの全波整流器を備えた交直変換回路により直流とし、コンデンサに蓄電した。

実施例３は、空間３０内でＸ−Ｙ２次元運動する錘３４に対する構成として説明したが、実施例２の図２（ｂ）で示したのと同様に、空間３０の高さ方向（Ｚ軸方向）の上下に１本ずつばね性片持ち梁を設けて、空間３０内でＸ−Ｙ−Ｚ３次元運動する錘３４に対する構成とすることもできる。

（実施例４）
図６は、本発明の実施例４に係る、２つの錘の直交する１次元運動に対応した振動発電装置を示す図であり、図６（ａ）、（ｂ）ともに、Ｘ−Ｙ平面断面図である。これらについては、（第２実施形態）で説明したので、重複を避けるため、詳細は省略する。

図６（ｂ）の振動発電装置４’は、図６（ａ）の振動発電装置４の２本のばね性片持ち梁４２ａ、４２ｂを１本の圧電体から形成したこと以外は、機能的には図６（ａ）の振動発電装置４と同様である。図６（ｂ）の符号は、図６（ａ）の符号に’をつけて示した。

振動発電装置４では、図６（ａ）に示したように、ばね性片持ち梁４２ａと、ブロック４６と、筐体４１の側壁４１ａ、４１ｄと、筐体４１の上下壁（図示せず）によって囲まれた空間４０ａの中に錘４４ａを運動自由に設けた。さらに、ばね性片持ち梁４２ｂと、ブロック４６と、筐体４１の側壁４１ｂ、４１ｃと、筐体４１の上下壁（図示せず）によって囲まれた空間４０ａの中に錘４４ｂを運動自由に設けた。

振動発電装置４を振動させたときに、金属製の球状の錘４４ａが空間４０ａ内でＹ軸方向の１次元運動をして、ポリフッ化ビニリデン樹脂からなるバイモルフ構造のばね性片持ち梁４２ａの自由端部を押すことにより電流が発生した。同時に、金属製の球状の錘４４ｂが空間４０ｂ内でＸ軸方向の１次元運動をして、ポリフッ化ビニリデン樹脂からなるバイモルフ構造のばね性片持ち梁４２ｂの自由端部を押すことにより電流が発生した。これらの電流を、図４に示した交直変換回路１８と同様の、２つの全波整流器を備えた交直変換回路により直流とし、コンデンサに蓄電した。

実施例４は、空間４０ａ内でＹ軸方向の１次元運動する錘４４ａ、及び空間４０ｂ内でＸ軸方向の１次元運動する錘４４ａに対する構成として説明したが、実施例２の図２（ｂ）で示したのと同様に、空間４０ａ、４０ｂの高さ方向（Ｚ軸方向）の上下に１本ずつばね性片持ち梁を設けて、空間４０ａ内でＹ−Ｚ２次元運動する錘４４ａ、及び空間４０ｂ内でＸ−Ｚ２次元運動する錘４４ｂに対する構成とすることもできる。

（実施例５）
図７は、本発明の実施例５に係る、２つの錘の直交する１次元運動に対応した振動発電装置を示す図であり、図７（ａ）、（ｂ）ともに、Ｘ−Ｙ平面断面図である。

図７（ｂ）の振動発電装置４’は、図７（ａ）の振動発電装置４の２本のばね性片持ち梁５２ａ、５２ｂを１本の圧電体から形成したこと以外は、機能的には図７（ａ）の振動発電装置４と同様である。図７（ｂ）の符号は、図７（ａ）の符号に’をつけて示した。

実施例５の振動発電装置５においては、図６（ａ）に示したばね性片持ち梁４２ａ、４２ｂを、図７（ａ）に示したように、それぞれ、筐体４１の側壁４１ｄ、４１ｃの側に配置して、ばね性片持ち梁５２ａ、５２ｂとしたものである。

実施例５の振動発電装置５の作用、機能は上記実施例４の振動発電装置４の作用、機能と同様である。

（実施例６）
図８は、本発明の実施例６に係る、２つの錘の直交する１次元運動に対応した振動発電装置を示す図であり、図８（ａ）、（ｂ）ともに、Ｘ−Ｙ平面断面図である。

図８（ｂ）の振動発電装置６’は、図８（ａ）の振動発電装置４の２本のばね性片持ち梁６２ａ、６２ｂを１本の圧電体から形成したこと以外は、機能的には図８（ａ）の振動発電装置６と同様である。図８（ｂ）の符号は、図８（ａ）の符号に’をつけて示した。

振動発電装置６では、図８（ａ）に示したように、２本のばね性片持ち梁６２ａ、６２ｃと、ブロック６６ｂと、筐体６１の側壁６１ａと、筐体６１の上下壁（図示せず）によって囲まれた空間６０ａの中に錘６４ａを運動自由に設けた。さらに、２本のばね性片持ち梁６２ｂ、６２ｄと、ブロック６６ｃと、筐体６１の側壁６１ｂと、筐体６１の上下壁（図示せず）によって囲まれた空間６０ｂの中に錘６４ｂを運動自由に設けた。

振動発電装置６を振動させたときに、金属製の球状の錘６４ａが空間６０ａ内でＹ軸方向の１次元運動をして、ポリフッ化ビニリデン樹脂からなるバイモルフ構造のばね性片持ち梁６２ａ，６２ｃの自由端部を押すことにより電流が発生した。同時に、金属製の球状の錘６４ｂが空間６０ｂ内でＸ軸方向の１次元運動をして、ポリフッ化ビニリデン樹脂からなるバイモルフ構造のばね性片持ち梁６２ｂ、６２ｄの自由端部を押すことにより電流が発生した。これらの電流を、図４に示した交直変換回路１８と同様の、２つの全波整流器を備えた交直変換回路により直流とし、コンデンサに蓄電した。

実施例６は、空間６０ａ内でＹ軸方向の１次元運動する錘６４ａ、及び空間６０ｂ内でＸ軸方向の１次元運動する錘６４ａに対する構成として説明したが、実施例２の図２（ｂ）で示したのと同様に、空間６０ａ、６０ｂの高さ方向（Ｚ軸方向）の上下に１本ずつばね性片持ち梁を設けて、空間６０ａ内でＹ−Ｚ２次元運動する錘６４ａ、及び空間６０ｂ内でＸ−Ｚ２次元運動する錘６４ｂに対する構成とすることもできる。

（実施例７）
図９は、本発明の実施例７に係る、２つの錘のＸ−Ｙ２次元運動に対応した振動発電装置を示す図であり、図９（ａ）、（ｂ）ともに、Ｘ−Ｙ平面断面図である。

図９（ｂ）の振動発電装置７’は、図８（ａ）の振動発電装置７の２本のばね性片持ち梁７２ａ、７２ｂを１本の圧電体から、２本のばね性片持ち梁７２ｃ、７２ｄを１本の圧電体から形成したこと以外は、機能的には図９（ａ）の振動発電装置７と同様である。図９（ｂ）の符号は、図９（ａ）の符号に’をつけて示した。

振動発電装置７では、図９（ａ）に示したように、２本のばね性片持ち梁７２ａ、７２ｃと、ブロック７６ｃと、筐体７１の上下壁（図示せず）によって囲まれた空間７０ａの中に錘７４ａを運動自由に設けた。さらに、２本のばね性片持ち梁７２ｂ、７２ｄと、ブロック７６ｃと、筐体７１の上下壁（図示せず）によって囲まれた空間７０ｂの中に錘７４ｂを運動自由に設けた。

振動発電装置７を振動させたときに、金属製の球状の錘７４ａが空間７０ａ内でＹ−Ｙ２次元運動をして、ポリフッ化ビニリデン樹脂からなるバイモルフ構造のばね性片持ち梁７２ａ，７２ｃの自由端部を押すことにより電流が発生した。同時に、金属製の球状の錘７４ｂが空間７０ｂ内でＸ−Ｙ２次元運動をして、ポリフッ化ビニリデン樹脂からなるバイモルフ構造のばね性片持ち梁７２ｂ、７２ｄの自由端部を押すことにより電流が発生した。これらの電流を、図４に示した交直変換回路１８と同様の、４つの全波整流器を備えた交直変換回路により直流とし、コンデンサに蓄電した。

実施例７は、空間７０ａ内でＸ−Ｙ２次元運動する錘７４ａ、及び空間７０ｂ内でＸ−Ｙ２次元運動する錘７４ａに対する構成として説明したが、実施例２の図２（ｂ）で示したのと同様に、空間７０ａ、７０ｂの高さ方向（Ｚ軸方向）の上下に１本ずつばね性片持ち梁を設けて、空間７０ａ内でＸ−Ｙ−Ｚ３次元運動する錘７４ａ、及び空間７０ｂ内でＸ−Ｙ−Ｚ３次元運動する錘７４ｂに対する構成とすることもできる。

（実施例８）
実施例８は本発明の実施例１の変形例である。図１０は、本発明の実施例８に係る、錘のＸ−Ｙ２次元運動に対応した振動発電装置を示す図であり、図１０（ａ）は、４本のばね性片持ち梁の一端を筐体の４隅にそれぞれ固定した場合のＸ−Ｙ平面断面図であり、図１０（ｂ）は筐体に円筒を用いた場合のＸ−Ｙ平面断面図である。

図１０（ａ）に示したように、実施例８においては、ばね性片持ち梁１２ａ’の一端は筐体１１’の側壁１１ａ’と１１ｂ’によって形成される隅に、ばね性片持ち梁１２ｂ’の一端は筐体１１’の側壁１１ｂ’と１１ｃ’によって形成される隅に、ばね性片持ち梁１２ｃ’の一端は筐体１１’の側壁１１ｃ’と１１ｄ’によって形成される隅に、ばね性片持ち梁１２ｄ’の一端は筐体１１’の側壁１１ｄ’と１１ａ’によって形成される隅に、それぞれ固定した。

図１（ａ）に示した実施例１の振動発電装置１の筐体１１の内部の部材寸法と
幾何学的部材配置の寸法と、図１０（ａ）に示した実施例８の振動発電装置１’の筐体１１の内部の部材寸法と幾何学的部材配置の寸法をすべて同様とすると、実施例８の筐体１１’のサイズは、実施例１の筐体１１のサイズより一回り小さくなる。従って、図１０（ａ）に示した実施例８においては、実施例１よりも振動発電装置の小型化が達成できた。

図１０（ｂ）は、実施例８において、図１１（ａ）の筐体１１’の代りに、円筒状の筐体１１”を用いた例である。

図１（ａ）に示した実施例１の振動発電装置１の筐体１１の内部の部材寸法と
幾何学的部材配置の寸法と、図１０（ｂ）に示した実施例８の振動発電装置１’の筐体１１の内部の部材寸法と幾何学的部材配置の寸法をすべて同様とすることにより、図１０（ｂ）に示した実施例８においても、実施例１よりも振動発電装置の小型化が達成できた。

以上、実施例１〜３、８を、ばね性片持ち梁を筐体の側壁に取り付ける第１実施形態の例として、実施例４〜７を、ばね性片持ち梁をブロックに取り付ける第２実施形態の例として説明したが、両者を併用して設計の自由度をさらに高めることができる。
また、本発明の実施形態は、上記で説明した形態に限定されることはなく、例えば図１０に示すような形態であってもよい。このように筐体内部の部品配置や筐体の形状を工夫することにより、実施例１〜３よりさらに小型化することも可能である。
さらに、本発明の実施例では圧電素子の梁の両面に電極がある構成を用いて説明したが、梁の片面に電極がある圧電素子を用いてもよい。また、圧電素子に形成される電極は、梁の全面に電極が設ける構成でも、梁の一部分の面にのみ電極が設けられる構成（特に固定側に近い面の一部のみに電極を形成する手段が有効である）であってもよい。

本発明は小型で多方向の振動に対応する効率の良い振動発電機を提供することを可能とするものである。圧電体が片持ち梁構造であるので変位が大きく取れ、また１つの錘の質量を比較的大きくすることができる。これらのことから大きな電力を得ることができ、発電機の小型化にも有利である。さらに錘を複数の圧電体で共有することができるため構造がシンプルになる。

以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されないことは言うまでもない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが、当業者には明らかである。また、その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１、１’、１”、２、３、４、５、６、７、４’、５’、６’、７’
振動発電装置
１０、１０’、１０”、２０、３０、４０ａ、４０ｂ、５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂ、７０ａ、７０ｂ、４０ａ’、４０ｂ’、５０ａ’、５０ｂ’、６０ａ’、６０ｂ’、７０ａ’、７０ｂ’
空間
１１、１１’、１１”、２１、３１、４１、５１、６１、７１、４１’、５１’、６１’、７１’
筐体
１１ａ、１１ａ’、１１ａ”、１１ｂ、１１ｂ’、１１ｂ”、１１ｃ、１１ｃ’、１１ｃ”、１１ｄ、１１ｄ’、１１ｄ”、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、
４１ａ’、４１ｂ’、４１ｃ’、４１ｄ’、５１ａ’、５１ｂ’、５１ｃ’、５１ｄ’、６１ａ’、６１ｂ’、６１ｃ’、６１ｄ’、７１ａ’、７１ｂ’、７１ｃ’、７１ｄ’
側壁
１１ｅ、２１ｅ、３１ｅ 上壁
１１ｆ、２１ｆ、３１ｆ 下壁
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、
２２ｆ、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、４２ａ、４２ｂ、５２ａ、５２ｂ、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ、７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ、４２ａ’、４２ｂ’、
５２ａ’、５２ｂ’、６２ｂ’、６２ａ’、６２ｃ’、６２ｄ’、７２ａ’、７２ｂ’、７２ｃ’、７２ｄ’
ばね性片持ち梁
１２ 圧電体
１２ｔ 接着層
１２ｍ 金属板
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、
２３ｆ、３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、４３ａ、４３ｂ、５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄ、７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄ、４３ａ’、４３ｂ’、
５３ａ’、５３ｂ’、６３ｂ’、６３ａ’、６３ｃ’、６３ｄ’、７３ａ’、７３ｂ’、７３ｃ’、７３ｄ’
電極
１４，１４’、１４”、２４、３４、４４ａ、４４ｂ、５４ａ、５４ｂ、６４ａ、６４ｂ、７４ａ、７４ｂ、４４ａ’、４４ｂ’、５４ａ’、５４ｂ’、６４ａ’、６４ｂ’、７４ａ’、７４ｂ’
錘
１５ａ、１５ａ’、１５ａ”、１５ｂ、１５ｂ’、１５ｂ”、１５ｃ、１５ｃ’、１５ｃ”、１５ｄ、１５ｄ’、１５ｄ”、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、４５、６５、４５ａ’、４５ｂ’、６５’
ストッパ
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ 全波整流器
１７ コンデンサ
１８ 交直変換回路
４６、５６ａ、５６ｂ、６６ａ、６６ｂ、６６ｃ、６６ｄ、７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、４６’、５６ａ’、５６ｂ’、６６ａ’、６６ｂ’、６６ｃ’、６６ｄ’、７６ａ’、７６ｂ’、７６ｃ’
ブロック

Claims (10)

1. 筐体の内部に、１本又は複数本のばね性片持ち梁と、１つ又は複数の錘と、を少なくとも備え、
   前記ばね性片持ち梁は圧電体から構成され、
   前記ばね性片持ち梁は少なくとも片面に電極を有し、
   前記ばね性片持ち梁の一端を、前記ばね性片持ち梁の長手方向において前記筐体の上下壁に平行になるように固定するとともに、前記ばね性片持ち梁のもう1方の端部を自由端とし、
   前記筐体の内部に、少なくとも１本の前記ばね性片持ち梁を１辺とする空間を１つ又は複数形成し、
   前記錘は前記空間に１つずつ配置され、前記空間の中で自由運動することを特徴とする振動発電装置。
2. 前記筐体が、上下壁が正方形の四角柱からなり、
   前記筐体の４つの側壁の内面のそれぞれの高さ方向中央部に、前記ばね性片持ち梁の一端を、前記筐体の高さ方向中央部断面において中心対称になるように固定し、
   前記筐体の４つの側壁の内面に固定した４本の前記ばね性片持ち梁の前記自由端の部分と、前記筐体の上下壁により、前記筐体の内部の中心部に前記空間を形成し、
   該空間の中に一つの前記錘を配置したことを特徴とする請求項１に記載の振動発電装置。
3. 前記筐体が、上下壁が三角形の三角柱からなり、
   前記筐体の３つの側壁の内面のそれぞれの高さ方向中央部に、前記ばね性片持ち梁の一端を、前記筐体の高さ方向中央部断面において中心対称になるように固定し、
   前記筐体の３つの側壁の内面に固定した３本の前記ばね性片持ち梁と、前記筐体の上下壁により、前記筐体の内部の中心部に前記空間を形成し、
   該空間の中に一つの前記錘を配置したことを特徴とする請求項１に記載の振動発電装置。
4. 前記筐体の内部に、１つ又は複数のブロックを固定し、該１つ又は複数のブロックのそれぞれに、１つ又は複数の前記ばね性片持ち梁の一端を固定したことを特徴とする請求項１に記載の振動発電装置。
5. 前記空間の前記筐体の高さ方向の上下部分に１本ずつ、前記ばね性片持ち梁を固定したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動発電装置。
6. 前記ばね性片持ち梁の前記自由端の端部をはさんで前記空間の反対側に、ストッパを設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動発電装置。
7. 前記圧電体はモノモルフ構造又はバイモルフ構造であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか1項に記載の振動発電装置。
8. 前記錘は球形状をしていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか1項に記載の振動発電装置。
9. 前記ばね性片持ち梁に設けられた前記電極から取り出した電流をそれぞれ交直変換して直流とし、該直流をすべて１つの蓄電装置に蓄積してから出力することを特徴とする請求項１〜８のいずれか1項に記載の振動発電装置。
10. 前記蓄電装置が2次電池またはコンデンサであることを特徴とする請求項９に記載の振動発電装置。