JP4830592B2 - 圧電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばタイヤなどの回転体と、該回転体に取り付けられて圧電効果により電力を発生させる圧電素子とを有する圧電発電装置に関し、より詳細には、回転体に片持ち梁態様で取り付けられている圧電素子を有する圧電発電装置に関する。

自動車のタイヤの空気圧の減少を検出し、警報を発生するシステムが提案されてきている。このタイヤ空気圧監視システム（ＴＰＭＳ、Ｔｉｒｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）では、検出装置に電力を供給するための電源が必要である。

ＴＰＭＳ用の電源としての発電装置として、従来、様々な発電装置が提案されている。中でも、圧電効果を利用した圧電発電装置では、構造の簡略化及び小型化を図ることができる。

下記の特許文献１には、タイヤの摩耗、空気圧異常などの様々な異常検出装置用の発電装置が開示されている。この発現装置では、車輪の回転軸中心付近に配置された固定台に圧電素子の一端が固定されている。圧電素子の固定台に固定されている側とは反対側の端部に錘りが連結されている。そして、車輪の回転に伴う遠心力、加速度、または振動などにより圧電素子を屈曲させて発電が行われるとされている。

自動車の車輪では、回転中心部分にホイールが存在する。また、タイヤチューブは、ホイールの外周に取り付けられている。そのため、ＴＰＭＳにおける空気圧検出部は、タイヤチューブの近傍、できればタイヤチューブ内に配置されることが望ましい。従って、特許文献１に記載の圧電素子を用いた発電装置をＴＭＰＳに利用すると、圧電素子が車輪の回転軸付近に配置された固定台に固定されているので、発電により得られた電力を、タイヤチューブの近傍あるいはタイヤチューブ内に配置された空気圧検出装置まで送電しなければならない。従って、送電のための配線構造を十分な機械的強度を有するように設けなければならなかった。また、車輪の回転軸中心からタイヤ近傍まで送電しなければならないため、送電ロスが大きくなりがちであった。

他方、下記の特許文献２には、圧電素子を用いた発電装置として、タイヤ内部に圧電素子が配置された構造が開示されている。図５（ａ）及び（ｂ）は、特許文献２に記載の圧電発電装置の要部を説明するための部分切欠正面図及び部分切欠正面断面図である。

図５（ｂ）に示すように、特許文献２に記載の圧電発電装置１０１は、タイヤ１０２内に設けられている。図５（ａ）に拡大して示すように、圧電発電装置１０２は、板状の圧電素子１０３を有する。圧電素子１０３は、その長さ方向が車輪の径方向に延ばされており、径方向中心側において、圧電素子１０３の端部が固定されている。また、圧電素子１０３の固定されている側の端部と反対側の端部は自由端とされており、自由端に錘り１０４が連結されている。車輪の回転及び振動に伴って、圧電素子１０３が振動する。そして、圧電効果により、振動が電力に変換され、得られた電力が、タイヤ１０２内に配置された空気圧検知装置に与えられる。

特許文献２に記載の圧電発電装置１０１では、空気圧検知装置に近接配置され得る。従って、送電損失が生じ難く、高強度かつ高価な配線構造を必要としない。
実開昭６３−１１７２９４号公報 特開昭５９−１９４６７７号公報

しかしながら、特許文献２に記載の圧電発電装置１０１では、圧電素子１０３の長さ方向が車輪の径方向に一致されているため、車輪が回転された際に生じた遠心力により、圧電素子１０３の長さ方向に引っ張り力が加わることになる。特に、錘り１０４が圧電素子１０３の先端に連結されているので、この錘り１０４が遠心力により径方向外側に強く引っ張られることになる。そのため、圧電素子１０３の屈曲変位が妨げられることになる。

よって、上記遠心力の影響により、圧電素子１０３が屈曲し難くなり、十分な電力を得ることができないという問題があった。

本発明の目的は、従来技術の欠点を解消し、回転体と、回転体に取り付けられ、圧電効果により電力を生じる圧電素子とを有する圧電発電装置であって、送電による損失が生じ難く、しかも回転体の回転による遠心力によって発電量が低下し難い、発電効率に優れた圧電発電装置を提供することにある。

本発明によれば、回転体と、対向し合う第１，第２の主面に電極が形成されている圧電体と、該圧電体に固着された弾性体板とを有し、片持ち梁態様で支持されるように、回転体に取り付けられており、前記回転体の回転に伴って振動して発電する、板状の圧電素子とを備え、前記圧電素子が前記回転体に取り付けられている端部を保持端とし、保持端とは反対側の端部を先端とした場合に、前記保持端と先端とを結ぶ第１の方向が、前記回転体の回転軸方向に平行となるように、かつ前記圧電素子の第１，第２の主面に平行な面内方向であって前記第１の方向と直交する第２の方向が、前記回転体の径方向に延びる方向となるように、前記圧電素子が前記回転体に取り付けられていることを特徴とする、圧電発電装置が提供される。

本発明に係る圧電発電装置のある特定の局面では、前記圧電素子の変位量を増大させるための錘り部材が前記圧電素子に取り付けられている。錘り部材が取り付けられていることによって、圧電素子がより大きく変位することになる。そのため、発電効率をより一層高めることができる。

本発明の他の特定の局面では、前記圧電素子の前記第１の方向の寸法が、前記第２の方向の寸法に比べて長くされている。すなわち、回転体の径と直交する方向に沿う寸法が長さ方向とされた圧電素子が提供される。この場合、圧電素子が、長さ方向を有するため該長さ方向に沿って屈曲変位しやすくなる。しかも、遠心力が作用する方向と直交する方向が、長さ方向である第１の方向とされているので、大きなな電力を容易にかつ確実に取り出すことができる。

本発明のさらに他の特定の局面では、前記板状の圧電素子と対向するように配置されており、かつ前記圧電素子の先端近傍で連結されており、前記圧電素子の前記保持端近傍において回転体に保持されている板状部材がさらに備えられている。板状部材が連結されていることより、圧電発電装置のねじれ強度が高められる。

圧電素子と板状部材とを連結している連結部材をさらに備え、連結部材が圧電素子の変位を増大させる錘り部材である場合には、錘り部材として機能する連結部材の存在により、より一層大きな電力を取り出すことができる。

本発明に係る圧電発電装置では、回転体に片持ち梁態様で支持されるように、圧電素子が取り付けられている。片持ち梁態様で回転体に取り付けられているので、回転体の回転に伴う重力作用方向の変化により、圧電素子の自由端側が大きくかつ円滑に変位する。

しかも、上記圧電素子が回転体に取り付けられている保持端と、反対側の端部である自由端としての先端とを結ぶ第１の方向が、回転体の回転軸方向と平行となるようにかつ圧電素子の第１，第２の主面に平行な面内方向であって、第１の方向と直交する第２の方向が、回転体の径方向に延びる方向となるように圧電素子が取り付けられている。回転体が一回転する間に、圧電素子の先端に重力が作用する方向が２回変化する。そのため、圧電素子が屈曲し、該屈曲変位に基づいて電力を取り出すことができる。また、回転体の回転に伴う遠心力が作用したとしても、遠心力は、上記第１の方向と直交する方向に作用することになる。従って、第１の方向において生じる圧電素子の屈曲変位に、遠心力が影響し難い。よって、圧電効果によって、大きな電力を取り出すことができ、発電効率に優れた圧電発電装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照しつつ本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は、その要部を拡大して示し、かつ圧電素子を図１（ａ）とは異なる角度から図示した拡大斜視図である。

圧電発電装置１は、回転体２と、回転体２に取り付けられた圧電素子３とを有する。

本実施形態では、回転体２は、自動車のタイヤであり、該タイヤの空気圧を測定する空気圧検出部に電力を供給するために、圧電発電装置が用いられる。

上記空気圧検出装置としては、従来より周知の空気圧センサを用いることができる。

本実施形態の圧電発電装置では、タイヤ内に、上記圧電素子３が取り付けられているが、タイヤの近傍に圧電素子３が取り付けられていてもよい。図１（ａ）では、タイヤを含む回転体２が略図的に示されており、該回転体２の外周側に圧電素子３が取り付けられている状態が図示されている。

回転体２は、図１（ａ）に示すように、回転軸Ｏの周りに矢印で示す向きに回転する。なお、矢印で示す向きとは反対方向に回転することもある。

回転体２に、圧電素子３が、保持部材４を介して固定されている。圧電素子３は、圧電体５を有する。この圧電体５の両主面に、第１，第２の電極６，７が形成されている。板状の圧電素子３は、対向し合う第１，第２の主面を有し、第１，第２の主面に、上記第１，第２の電極６，７が配置されていることになる。

そして、本実施形態では、圧電素子３の一端が保持部材４に固定されている。第２の電極７には弾性体板１０が固着されている。すなわち、圧電体５の第２の主面に弾性体板１０が第２の電極７を介して固着されている。弾性体板１０は、圧電素子３と同様に一端が保持部材４に固定されている。すなわち、圧電素子３の一端が保持端３ａであり、保持端３ａと反対側の端部である先端３ｂが自由端とされている。保持部材４の側面４ａが回転体２に固定されている。圧電素子３は、片持ち梁態様で回転体２に連結されている。片持ち梁態様で支持されている圧電素子３は、先端３ｂが変位しやすいため、重力等の外力が加わった際に大きく変位しやすい。

先端３ｂが変位すると、圧電素子３には引っ張り応力と圧縮応力が発生する。圧電体５に弾性体板１０が固着されているためこの固着面が伸び縮みしない中性面となった状態で圧電体５には引っ張り応力または圧縮応力が加わり、その結果電極６，７にはそれぞれ電荷が生じる。ここで、弾性体板１０が設けられていない場合には圧電体５の厚み方向を２等分する面を基準として、この面の両側で引っ張り応力と圧縮応力が加わり圧電体としては歪みがキャンセルされて電極６，７に電荷は発生しないため発電器としての十分な効果が発揮されない。

弾性体板１０としては樹脂、金属、セラミック等の様々な材料を用いることができる。中でも、ステンレス鋼やリン青銅などは耐腐食性が高く、弾性体として十分機能するために好適である。

他方、上記圧電素子３の保持端３ａと、先端３ｂとを結ぶ方向を第１の方向としたとき、上記第１，第２の主面に平行な面内方向であって、第１の方向に直交する第２の方向が回転体２の径方向となるように圧電素子３が配置されている。圧電素子３においては、上記第１の方向の寸法が、第２の方向の寸法よりも長くされている。すなわち、本実施形態では、矩形板状の圧電素子３は、長さ方向と、幅方向と、第１，第２の主面を結ぶ厚み方向とを有するが、上記第１の方向が長さ方向である。そして、圧電素子３の長さ方向寸法が、第２の方向である幅方向に沿う寸法よりも大きくされている。

圧電体５は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスのような適宜の圧電セラミックス、あるいは圧電単結晶により形成され得る。第１，第２の電極６，７は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇなどの適宜の金属もしくは合金により形成される。

本実施形態では、圧電素子３の第２の主面と対向するように、板状部材８が配置されている。板状部材８の端部８ａが保持部材４に固定されている。そして、端部８ａと反対側の先端８ｂが自由端とされているが、先端８ｂ側において、錘り部材９としての連結部材により、板状部材８が圧電素子３に連結されている。錘り部材９は、ある程度の質量を有する適宜の材料からなり、圧電素子３の屈曲変位量を増大するように作用する。このような錘り部材９を構成する材料は特に限定されず、例えば、セラミックス、ガラスあるいは合成樹脂などを用いることができる。好ましくは、圧電素子３の屈曲変位量を増大させるために、ある程度の質量を付加し得る材料により錘り部材９を構成することが望ましい。従って、金属などの比重の大きな材料が望ましい。

他方、板状部材８は、圧電素子３のねじれ剛性を高めるために、連結部材としての錘り部材９を介して圧電素子３に連結されている。従って、板状部材８は、圧電素子３と同様に屈曲変位し得る、適宜のセラミックス、金属、合成樹脂などにより形成され得る。

本実施形態では、上記板状部材８の平面形状は、板状の圧電体５と同一とされている。すなわち、長さ方向、幅方向及び厚み方向を有する矩形板状の板状部材８が用いられている。もっとも、圧電素子３に対向される板状部材の平面形状は圧電素子３を構成している圧電体５と同一の平面形状を有せずともよい。

また、錘り部材９により、板状部材８が圧電素子３に連結されていたが、単なる連結部材により板状部材８と圧電素子３とを連結してもよい。

次に、上記実施形態の圧電発電装置１を説明する。

実使用時には、タイヤなどの回転体２が前述したように回転駆動される。その結果、回転体２に固定された圧電素子３には、重力、回転に伴う遠心力、あるいはその他の振動が作用する。

回転体２が一回転する間に、圧電素子３に作用する重力の方向が２回変化することになる。従って、このような振動や重力が作用する方向の変化により、圧電素子３が屈曲変位する。しかも、上記第１の方向が長さ方向とされているので、圧電素子３が屈曲変位しやすい。本実施形態では、この屈曲変位に基づいて、圧電効果によって電力が取り出される。

前述した特許文献２に記載の発電装置では、回転に伴う遠心力の作用により、圧電素子の屈曲変位が小さくなるという欠点があった。これに対して、本実施形態の圧電発電装置では、圧電素子３の上記第１の方向が、図１に示す回転体２の回転軸Ｏと平行な方向である。従って、遠心力が作用したとしても、上記屈曲変位にあまり影響が生じない。

従って、本実施形態によれば、例えばタイヤなどの回転体２が回転した際に遠心力が生じたとしても、該遠心力によって、圧電素子３の屈曲変位が抑制され難い。よって、大きな電力を確実に取り出すことが可能となる。

しかも、上記回転体２の外周縁近傍に圧電素子３を配置することができる。例えば、タイヤの空気圧検出装置に適用した場合には、ホイールの外周に配置されるタイヤチューブの近傍あるいはタイヤチューブ内に圧電素子３を配置することができる。従って、タイヤ空気圧検出装置の近傍に圧電素子を配置することができるので、送電損失が増大することもない。

加えて、圧電素子３からタイヤ空気圧検出装置までの配線が長くならないため、配線構造が複雑になり難い。加えて、配線構造の機械的強度を確保するための高価な構造も必要としない。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置を説明するための略図的斜視図である。第２の実施形態の圧電発電装置は、第１の実施形態の圧電発電装置の変形例に係り、ここでは、図１に示した圧電素子３に代えて、図２に示されている圧電素子３Ａが用いられていることを除いては、第１の実施形態と同様に構成されている。従って、同一部分については、同一の参照番号を付することにより、その説明を省略する。

第２の実施形態の圧電発電装置１Ａでは、保持部材４が回転体の外周面に固定されている。すなわち、保持部材４は、図１に示した保持部材４と同様にして、回転体の外周面に固定される。

圧電素子３Ａは、圧電体板５Ａを有する。圧電体板５Ａは、図示のように、細長い矩形板状の形状を有し、一対の側面に、それぞれ、第１，第２の端子電極６１，６２を有する。

他方、圧電体板５Ａ内には、複数の第１の内部電極６３と、第２の内部電極６４とが、圧電体層を介して積層するように配置されている。ここでは、複数の第１の内部電極６３は、圧電体板５Ａの端子電極６１が形成されている側面から、反対側の側面に向かって、但し、反対側の側面には至らないように延ばされている。そして、第１の内部電極６３は、端子電極６１に電気的に接続されている。他方、第２の内部電極６４は、第２の端子電極６２が形成されている側面から、反対側の側面に向かって、但し、反対側の側面には至らないように延ばされており、第２の内部電極６４は、第２の端子電極６２に電気的に接続されている。

圧電体板５Ａは、長さ方向に分極処理されている。また、圧電体板５Ａの下面には、第１の実施形態の場合と同様に、弾性体板１０が貼り合わされて固着されており、弾性体板１０の下面に、錘り部材９を介して、板状部材８が連結されている。

第２の実施形態では、圧電体板５Ａの弾性体板１０が積層されている側とは反対側の面、すなわち上面側において、圧縮応力と引っ張り応力とが交互に加わると、圧電効果により、第１，第２の端子電極６１，６２に交番電位が生じる。従って、端子電極６１，６２に、リード線６５，６６を接続することにより、リード線６５，６６から、電力を取り出すことができる。

この場合、圧電素子３Ａでは、圧電体板５Ａが、長さ方向に分極処理されており、第１，第２の内部電極６３，６４が上記のように配置されているため、圧電素子３に比べて、大きな電力を取り出すことができる。

なお、第２の実施形態では、第１，第２の内部電極６３，６４は、圧電体板５Ａの下面にも至るように形成されている。従って、短絡を防止するには、弾性体板１０は、絶縁性材料で構成することが望ましく、あるいは、金属により弾性体板１０を構成する場合、弾性体板１０の上面と圧電体板５Ａの下面との間に、絶縁層を形成すればよい。このような絶縁層を形成する材料としては、特に限定されず、合成樹脂を好適に用いることができ、合成樹脂系接着剤を用いれば、絶縁と、弾性体板１０の圧電体板５Ａに対する固着の双方を果たすことができる。

第２の実施形態では、弾性体板１０は、圧電体２の第１，第２の主面ではなく、下面に固着されていたが、下面ではなく上面に固着されていてもよい。また、第１の実施形態においても、弾性体は、圧電体の第２の主面ではなく、第１の主面側に固着されていてもよい。

図３は、本発明の圧電発電装置の第３の実施形態の要部を示す斜視図である。第３の実施形態の圧電発電装置では、圧電素子１１が、保持部材４に連結されている。圧電素子１１は、圧電素子３と同様に構成されており、一端側が保持端１１ａであり、他端側が先端１１ｂである。そして、先端１１ｂが自由に変位し得るように、圧電素子１１は、圧電素子３と同様に片持ち梁態様で支持されている。

他方、圧電素子１１は、板状の圧電体１２と、第１，第２の電極１３，１４とを有する。すなわち、圧電素子３と同様に、第１，第２の主面に第１，第２の電極１３，１４が設けられている。さらに同様に、第２の電極１４に固着された弾性体板３０が設けられている。

本実施形態が第１の実施形態と異なるところは、板状部材８を有せず、かつ圧電素子１１の先端側において、圧電素子１１の第１の主面に第１の錘り部材１５が設けられ、第２の主面には弾性体板３０を介して錘り部材１６が設けられていることにある。

錘り部材１５，１６が、圧電素子１１の両主面において、先端１１ｂ近傍に設けられているので、圧電素子１１の屈曲変位量を大きくすることができる。

錘り部材１５，１６は、前述した錘り部材９と同様の材料で構成され得る。

このように、本発明の圧電発電装置においては、板状の圧電素子の両主面に錘り部材１５，１６を設けてもよい。

また、板状部材を必ずしも圧電素子に対向するように配置する必要もない。

また、上記第１〜第３の実施形態では、長さ方向を有する板状の圧電体を用いて矩形板状の圧電素子が形成されていたが、図４に示す変形例のように、正方形板状の圧電素子２１を用いてもよい。ここでは、正方形板状の圧電体２２の両面に第１，第２の電極２３，２４が形成されている。また、圧電体２２に弾性体板２５が固着されている。

（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の概略を示す斜視図及びその要部を別の角度から示す斜視図。 本発明の第２の実施形態で用いられる圧電素子を説明するための斜視図。 本発明の第３の実施形態で用いられる圧電素子を説明するための斜視図。 本発明の圧電発電装置の変形例で用いられる圧電素子を示す斜視図。 （ａ）及び（ｂ）は、従来の圧電発電装置における圧電素子に設けられている部分を示す部分切欠正面図及び圧電発電装置の全体を略図的に示す部分切欠正面断面図。

符号の説明

１…圧電発電装置
１Ａ…圧電発電装置
２…回転体
３…圧電素子
３ａ…保持端
３ｂ…先端
３Ａ…圧電素子
４…保持部材
５…圧電体
５Ａ…圧電体板
６…第１の電極
７…第２の電極
８…板状部材
８ａ…端部
８ｂ…先端
９…錘り部材
１０…弾性体板
１１…圧電素子
１１ａ…保持端
１１ｂ…先端
１２…圧電体
１３，１４…第１，第２の電極
１５，１６…錘り部材
１７…圧電素子
１８…圧電体
１９…第１の電極
２０…第２の電極
２１…圧電素子
２２…圧電体
２３，２４…第１，第２の電極
６１，６２…端子電極
６３，６４…内部電極
６５，６６…リード線

Claims (5)

1. 回転体と、
   対向し合う第１，第２の主面に電極が形成されている圧電体と、該圧電体に固着された弾性体板とを有し、片持ち梁態様で支持されるように、前記回転体に取り付けられており、前記回転体の回転に伴って振動して発電する、板状の圧電素子とを備え、
   前記圧電素子が前記回転体に取り付けられている端部を保持端とし、保持端とは反対側の端部を先端とした場合に、前記保持端と先端とを結ぶ第１の方向が、前記回転体の回転軸方向に平行となるように、かつ前記圧電素子の第１，第２の主面に平行な面内方向であって前記第１の方向と直交する第２の方向が、前記回転体の径方向に延びる方向となるように、前記圧電素子が前記回転体に取り付けられていることを特徴とする、圧電発電装置。
2. 前記圧電素子の変位を増大させるための錘り部材が前記圧電素子に取り付けられている、請求項１に記載の圧電発電装置。
3. 前記圧電素子の前記第１の方向の寸法が、前記第２の方向の寸法に比べて長くされている、請求項１または２に記載の圧電発電装置。
4. 前記板状の圧電素子と対向するように配置されており、かつ前記圧電素子の先端近傍で連結されており、前記圧電素子の前記保持端近傍において回転体に保持されている板状部材をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電発電装置。
5. 前記圧電素子と前記板状部材とを連結している連結部材をさらに備え、該連結部材が圧電素子の変位を増大させる錘り部材である、請求項４に記載の圧電発電装置。

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