JP5219118B2

JP5219118B2 - 発電装置及び発電システム

Info

Publication number: JP5219118B2
Application number: JP2007129756A
Authority: JP
Inventors: 哲男吉田; 健太郎増田
Original assignee: Sumida Corp
Current assignee: Sumida Corp
Priority date: 2007-05-15
Filing date: 2007-05-15
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2027-05-15
Also published as: JP2008288283A

Description

本発明は、外力によって圧電体が圧縮変形、又は、撓み変形した際に、電荷が発生する圧電効果を利用した発電装置及び発電システムに関する。

近年、携帯電話やゲーム機など、携帯電子機器の普及が進み、搭載される二次電池の量が、ますます多くなっている。
また、一方では地球環境改善のため、環境負荷の少ない電池の研究及び開発が盛んに行われている。
このような状況の中で、これまで無意識のうちに無駄に消費していたエネルギーを、電気的エネルギーに変換して二次電池等に充填し、上記の携帯電子機器の電源として利用することが考えられている。

このような方法として、例えば、接続端子が形成された板状の圧電素子を積層し、この接続端子を直列又は並列に接続した積層発電素子を構成することが提案されている。そして、この積層発電素子を靴の踵に埋め込み、歩行の際に踵に繰り返し加えられる垂直方向の押圧力によって発電し、発電した電気を整流して充電池に充電するように構成した充電靴が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、圧電バイモルフ素子に機械的作用によって応力を加え、この圧電バイモルフ素子で発生した電気エネルギーを充電器に充電することが可能な圧電発電機が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平６−１４１５２４号公報特開２００３−５９３１９号公報

上述の積層発電素子は、半導体製造装置や、光関連の測定機器に広く使用されている圧電アクチュエータと同様の構造を有する積層圧電体から構成されている。
このような圧電アクチュエータの構造は、圧電体層と電極層とを交互に積層した後、圧電体層と電極層とを一体焼結し、互いに一層おきの電極層を電気的に接続し、二端子構造としている。

しかし、このような一体焼結による積層圧電体を製造するためには、圧電体をシート状に形成する装置、圧電体シートに電極を形成する装置、電極が形成されたシートを所定の寸法に切断する装置、焼結された積層体を個片に切断する装置、個片の積層体に外部電極を形成する装置、形成された外部電極を焼成する装置など、多くの専用設備を必要とする。このため、設備投資に膨大な費用がかかる。

また、一体焼結された積層圧電体は、基本的にセラミクスのブロックと考えられるので、外部から一方向の均一な力が加わった場合には大きな強度を発揮する。しかし、この積層圧電体を発電装置に使用する場合には、圧電体に対して斜め方向の力が加えられたときに、積層圧電体の角等が欠けることがある。また、極端な場合には、積層体自身が破壊されることがある。このように、一体焼結された積層圧電体には強度的な問題がある。

また、従来、積層体を構成する方法として、上述の一体焼結法のほかに、両面に電極が形成された圧電板を薄い金属板を介して複数枚接着する方法も行われている。しかし、この方法では、圧電板と金属板の位置を合わせた状態でエポキシ接着剤などにより接着する際、特別な接着治具が必要となるため、非常に手間がかかる。

上述の圧電バイモルフ素子を用いた圧電発電機において、大きな発電容量を得ようとした場合、圧電バイモルフ素子に大きな変形を生じさせるとともに、繰り返し変形の周波数を早くする必要がある。このため、例えば、圧電発電機に歯車のような突起を有する回転機構を設け、この突起によってバイモルフ素子を変形させることが行われている。

しかし、このような回転機構と歯車から構成される発電機では、発電機構が複雑化するとともに、歯車の摩擦による発電効率の劣化や、歯車と圧電バイモルフ素子の接触時に大きな騒音が発生するという問題がある。

また、圧電バイモルフ素子は、力を加えたときに生じる歪みの方向と、圧電体の分極方向が直交する、いわゆる圧電横効果を利用している。このため、歪みと発生する電荷との比例係数である圧電定数ｄ_３１が、歪みの方向と分極方向とが同じである、いわゆる圧電縦効果を利用する場合の圧電定数ｄ_３３よりも小さくなる。

上述した問題の解決のため、本発明においては、発電機構を簡略化し、簡易な製造工程によって製造可能な発電装置及び発電システムを提供するものである。

本発明の発電装置は、一部に切り欠き部が形成された金属板と、金属板に接合された圧電板とから形成される圧電素子を隣接させ、隣接させた圧電素子において切り欠き部の位置が異なり、かつ、一枚おきの圧電素子において切り欠き部の位置を略同一に、圧電素子が積層された積層圧電体と、隣接する金属板の切り欠き部の位置において、金属板の一部を露出させる第１の露出部と第２の露出部とを有して、積層圧電体を封止する樹脂と、樹脂の第１の露出部及び第２の露出部から露出された金属板同士を電気的に接続する接続端子とを備える。そして、第１の露出部は、隣接する金属板の切り欠き部の位置に対応した部分の樹脂が研削され、一枚おきに金属板の一部が露出し、第２の露出部は、樹脂の第１の露出部と異なる面において、隣接する金属板の切り欠き部の位置に対応した部分の樹脂が研削され、第１の露出部から露出する金属板とは異なる金属板が露出する。

また、発電装置は、縁端部に突出部が形成された金属板と、金属板に接合された圧電板とから形成される圧電素子とを隣接させ、隣接させた圧電素子の突起部の位置きが異なり、かつ、一枚おきの圧電素子の突起部の位置が略同一に、圧電素子が積層された積層圧電体と、圧電素子の突起部が形成された位置において、金属板の一部が露出されて積層圧電体を封止する樹脂と、樹脂から露出された金属板同士を電気的に接続する接続端子とからなることを特徴とする。

また、本発明の発電システムは、発電装置と、発電装置に接続された整流回路と、整流回路によって整流された電荷を蓄える蓄電手段とを備る。発電装置は、一部に切り欠き部が形成された金属板と、金属板に接合された圧電板とから形成される圧電素子を隣接させ、隣接させた圧電素子において切り欠き部の位置が異なり、かつ、一枚おきの圧電素子において切り欠き部の位置を略同一に、圧電素子が積層された積層圧電体と、隣接する金属板の切り欠き部の位置において、金属板の一部を露出させる第１の露出部と第２の露出部とを有して、積層圧電体を封止する樹脂と、樹脂の第１の露出部及び第２の露出部から露出された金属板同士を電気的に接続する接続端子とを有する。そして、第１の露出部は、隣接する金属板の切り欠き部の位置に対応した部分の樹脂が研削され、一枚おきに金属板の一部が露出し、第２の露出部は、樹脂の第１の露出部と異なる面において、隣接する金属板の切り欠き部の位置に対応した部分の樹脂が研削され、第１の露出部から露出する金属板とは異なる金属板が露出する。

本発明の発電装置及び発電システムは、圧電素子を形成する金属板に、切り欠き部又は突起部が形成され、積層した圧電素子においてこの切り欠き部又は突起部の位置を、一枚おきに同じ方向に積層した積層圧電体を備えて構成される。これにより、積層圧電体を樹脂封止した際に、切り欠き部又は突起部の位置において、封止樹脂から積層圧電体を構成する金属板を、一枚おきに露出させることができる。そして、露出した金属板に接続端子を設けることにより、圧電素子を電気的に接続することができる。

また、積層圧電体を樹脂で封止することにより、外部から大きな力が加わった際に、圧電体の損傷を防ぐことができる。

本発明によれば、積層圧電体の構造を簡略化することにより、発電装置及び発電システムを容易に製造することができる。

本発明の発電装置の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１〜４は、本実施の形態の発電装置に用いられる圧電素子の斜視図である。
図１〜４に示す圧電素子は、金属板に圧電板を張り合わせた構成のユニモルフ圧電素子である。また、図１〜４では、圧電板の分極の方向を、矢印を用いて示している。

図１ａ及び図１ｂは、厚さ方向にそれぞれ異なる分極を有する圧電素子１０，１５を示している。
また、図１ａ及び図１ｂに示す圧電素子１０，１５は、ともに円周の一部が欠損した切り欠き部１３，１８が設けられた金属板１１，１６と、円形の圧電板１２，１７とによって構成されている。
そして、図１ａに示す圧電素子１０は、図面において上向きの分極を有する圧電板１２が、金属板１１の略中央部分に接着されている。
図１ｂに示す圧電素子１５は、図面において下向きの分極を有する圧電板１７が、金属板１６の略中央部分に接着されている。

図２ａ及び図２ｂは、図１と同様に、厚さ方向にそれぞれ異なる分極を有する圧電素子２０，２５を示している。
また、図２ａ及び図２ｂに示す圧電素子２０，２５は、ともに正方形の一つの角が欠損した切り欠き部２３，２８が設けられた金属板２１，２６と、正方形の圧電板２２，２７とによって構成されている。
そして、図２ａに示す圧電素子２０は、図面において上向きの分極を有する圧電板２２が、金属板２１の略中央部分に接着されている。
図２ｂに示す圧電素子２５は、図面において下向きの分極を有する圧電板２７が、金属板２６の略中央部分に接着されている。

図３は、図１に示した圧電素子１０，１５における切り欠き部１３，１８を、突起部３３，３８に金属板３１，３６の形を変えて形成した圧電素子３０，３５を示している。
また、図４は、図２に示した圧電素子２０，２５における切り欠き部２３，２８を、突起部４３，４８に金属板４１，４６の形を変えて形成した圧電素子４０，４５を示している。

図３ａ及び図３ｂに示す圧電素子３０，３５は、円周の一部に突起部３３，３８が形成された金属板３１，３６と、円形の圧電板３２，３７とによって形成されている。
図３ａに示す圧電素子３０では、図面において上向きの分極を有する圧電板３２が、金属板３１の略中央部分に接着されている。そして、図３ｂに示す圧電素子３５では、図面において下向きの分極を有する圧電板３７が、金属板３６の略中央部分に接着されている。

図４ａ及び図４ｂに示す圧電素子４０，４５は、正方形の端部に突起部４３，４８が形成された金属板４１，４６と、正方形の圧電板４２，４７とによって形成されている。
図４ａに示す圧電素子４０では、図面において上向きの分極を有する圧電板４２が、金属板４１の略中央部分に接着されている。そして、図４ｂに示す圧電素子４５では、図面において下向きの分極を有する圧電板４７が、金属板４６の略中央部分に接着されている。

なお、上述の圧電素子は、図で示した形状の切り欠き部又は突起部を有する円形、正方形の圧電素子に限らず、例えば、矩形状やその他の多角形において、上述と同様の切り欠き部又は突起部を設けた形状として構成することもできる。
また、上記金属板に形成される、切り欠き部又は突起部の位置及び形状は特に限定されず、任意の位置及び形状に設計することができる。

また、図１〜図４で示した、円形の圧電素子１０，１５，３０，３５、及び、正方形の圧電素子２０，２５，４０，４５では、圧電板１２，２２，３２，４２と圧電板１７，２７，３７，４７とにおいて分極の向きが逆である。そして、金属板１１，１６，２１，２６，３１，３６，４１，４６に形成された切り欠き部又は突起部の位置を異ならせている。
このように、それぞれの圧電素子において、分極の向きを異ならせて構成している。そして、後述する圧電素子を複数枚積層する際に、金属板の切り欠き部又は突起部の位置を、隣接する圧電素子で異ならせ、且つ、一枚おきに切り欠き部又は突起部の位置を合わせて、上述の分極の向きが異なる圧電素子を隣接して積層する。

次に、図１〜４に示したユニモルフ圧電素子によって発生するエネルギーについて説明する。

図１〜４で示したユニモルフ圧電素子の圧電板に、電極面の厚さ方向に対して均一な力Ｆが加わった場合、圧電板の電極面に与えられる電荷Ｑは、以下の式で表される。

この式において、Ｃはユニモルフ圧電素子の静電容量（Ｆ）を表し、Ｖは出力電圧を表し、ｄ_３３は圧電体の圧電縦効果の圧電定数を表す。

一方、ユニモルフ圧電素子の静電容量Ｃは、下記の式で表される。

この式において、ε_３３ ^Ｔは圧電体の誘電率を表し、Ｓは圧電体の面積を表し、ｔは圧電体の厚さを表す。

従って、（数１）の関係から、一枚のユニモルフ圧電素子に対し、力Ｆを加えた場合に発生する電圧Ｖ（Ｖ）は、以下の式によって与えられる。

また、このときに発生するエネルギーＥ（Ｊ）は以下の式で与えられる。

上記の式より、例えば、ｎ個のユニモルフ圧電素子を積層して、それぞれのユニモルフ圧電素子の電極端子を並列接続して構成した積層圧電体に、力Ｆを加えた場合の発生電圧Ｖｔは（数３）で与えられる。また、このとき発生するエネルギーは、積層圧電体の静電容量Ｃｔが（数２）の静電容量のｎ倍となるため、（数４）のＥｎのｎ倍となる。

従って、ユニモルフ圧電素子の積層数を増やすことによって、同じ力Ｆを加えたときに発生するエネルギーは、積層数ｎに比例して大きくなり、積層数が多くなるほど発生するエネルギーが大きくなる。

なお、（数１）及び（数３）で用いられている圧電定数ｄ_３３は、分極の方向と歪みの方向とが平行な場合に発生する、応力Ｔと電束密度Ｄの比で与えられる定数であり、縦効果の圧電定数と呼ばれている。
これに対して、分極の方向と歪みの方向とが直交している場合に発生する、応力Ｔと電束密度Ｄとの比で与えられる定数は、横効果の圧電定数と呼ばれ、ｄ_３１で表記される。
一般的に、ｄ３３はｄ３１に比べて約１．５倍大きな値を示す。このため、圧電縦効果を用いた場合には、圧電横効果を用いた場合よりも、発生する電荷量が１．５倍大きくなる。従って、圧電発電には、縦効果を用いることが適している。

次に、図５〜８に、図１〜４で示した圧電素子１０，１５，２０，２５，３０，３５，４０，４５を積層して構成した、積層圧電体５０，６０，７０，８０を示す。

図５に示す積層圧電体５０は、図１で示した圧電素子１０，１５を交互に積層することによって形成されている。
また、図６に示す積層圧電体６０は、図２で示した圧電素子２０，２５を交互に積層することによって形成されている。
そして、図５及び図６に示すように、積層圧電体５０，６０は、積層する圧電素子１０，１５，２０，２５の、金属板の切り欠き部１３，１８，２３，２８の位置を、一枚おきに積層方向において一致させている。さらに、それぞれ隣り合う圧電素子１０，１５，２０，２５の、切り欠き部１３，１８，２３，２８の位置を、積層方向において異なるように、圧電素子を積層している。

このため、積層方向において上向きの分極を有する圧電素子１０，２０の切り欠き部１３，２３の向きを積層方向で一致させることができる。また、下向きの分極を有する圧電素子１５，２５の切り欠き部１８，２８の向きを積層方向において一致させることができる。つまり、積層圧電体５０，６０において、圧電素子の分極の向きが同じもの同士は、積層方向における切り欠き部の向きが、同じ位置になるように構成されている。

また、図７に示す積層圧電体７０は、図３で示した圧電素子３０，３５が交互に積層されることによって形成され、図８に示す積層圧電体８０は、図４で示した圧電素子４０，４５を交互に積層することによって形成されている。
そして、図７及び図８に示すように、積層圧電体７０，８０は、積層する圧電素子３０，３５，４０，４５の、金属板の突起部３３，３８，４３，４８の位置を、一枚おきに積層方向において一致させている。さらに、それぞれ隣り合う圧電素子３０，３５，４０，４５の、突起部３３，３８，４３，４８の位置を、積層方向において異なる位置となるように、圧電素子を積層している。

このため、積層方向において上向きの分極を有する圧電素子３０，４０の突起部３３，４３を積層方向で一致させることができる。また、下向きの分極を有する圧電素子３５，４５の突起部３８，４８を積層方向において一致させることができる。つまり、積層圧電体７０，８０において、圧電素子の分極の向きが同じもの同士は、積層方向における突起部の向きが、同じ位置になるように構成されている。

上述の積層圧電体５０，６０，７０，８０において、隣接する圧電素子の積層方向における、切り欠き部又は突起部の位置のずれる量は、少なくとも、積層方向において切り欠き部又は突起部が重ならない位置にずらす必要がある。
この切り欠き部又は突起部は、この積層圧電体を用いて形成する発電装置において、接続端子が形成される位置となる。このため、切り欠き部又は突起部の位置が隣接する圧電素子同士で重なると、接続端子の形成が困難となり、発電装置を簡易な工程によって製造することができなくなる。

そして、この切り欠き部又は突起部の位置は、上記発電装置が実装される基板等に設けられる導体パターンに合わせて形成することが好ましい。そして、一般に発電装置が実装される基板の導体パターンとしては、接続端子同士の角度が９０度又は１８０度として実装されることが多い。
このため、上述の積層圧電体５０，６０，７０，８０において、隣接する圧電素子の切り欠き部又は突起部の積層方向における位置のずれ量は９０度、又は、１８０度とすることが好ましい。

なお、図５〜８で示した積層圧電体５０，６０，７０，８０において、構成する圧電素子３０，３５，４０，４５同士を、互いに接着する必要はない。
例えば、隣接するユニモルフ圧電素子において、金属板の面と圧電体の面とが電気的及び機械的に接触した状態とし、この状態で適当な圧接力が加えられたまま後述する樹脂による注型を行えばよい。

なお、上述の圧電素子は、従来から多くの電子機器に発音体（ブザー）として広く用いられているユニモルフ圧電素子と同じ構造である。このため、金属板と圧電体の接着は、従来の装置を用いて全自動で行うことができ、少ないコストで製造することができる。

なお、上述の積層圧電体では、積層する圧電素子の切り欠き部又は突起部の形状を、同一の形状としているが、この切り欠き部又は突起部の形状は、それぞれの圧電素子において異なる形状とすることもできる。
例えば、分極の向きが異なるユニモルフ圧電素子を積層する場合に、分極の向きによって切り欠き部又は突起部の形状を異なる形状とすることができる。これにより、切り欠き部又は突起部の形状が異なるユニモルフ圧電素子を交互に積層するだけで、正しい順番の積層を行える。このため、積層工程をより簡単に行うことができ、製造コストの低減が可能である。

次に、図９に、図６で示した積層圧電体６０を用いて形成した発電装置６１の斜視図を示す。また、図９に示す発電装置６１のＡ−Ａ線における断面図を図１０に示す。

図９に示す発電装置６１は、図６で示した積層圧電体６０を所定の注型用の型に挿入し、注型用樹脂６６を注型することによって樹脂封止して形成している。
そして、積層圧電体６０を構成する圧電素子２０の切り欠き部２３の位置に対応した部分の注型樹脂６６を研削し、一枚おきに金属板が露出した露出部６２が設けられている。そして、この露出部６２において、圧電素子２０を接続端子６３で接続している。
また、図１０に示すように、図９に示した露出部６２及び接続端子６３とは異なる面において、積層圧電体６０を構成する圧電素子２５の切り欠き部２８に対応した部分の注型樹脂６６を研削し、一枚おきに金属板が露出する露出部６４が設けられている。そして、この露出部６４においても、圧電素子２５を接続端子６５で接続している。
このように、発電装置６１は、積層方向に露出した金属板を接続端子６３，６５で接続した２端子構成としている。

次に、図１１に、図８で示した積層圧電体８０を用いて形成した発電装置８１の斜視図を示す。また、図１１に示す発電装置８１のＢ−Ｂ線における断面図を図１２に示す。

図１１に示す発電装置８１は、図８で示した積層圧電体８０を所定の注型用の型に挿入し、注型用樹脂８６を注型することによって樹脂封止して形成している。
そして、積層圧電体８０を構成する圧電素子４５の突起部４８に対応した部分の注型樹脂８６を研削し、一枚おきに金属板が露出する露出部８２が設けられている。そして、この露出部８２において、圧電素子４５を接続端子８３で接続している。
また、図１２に示すように、図１１において示した露出部８２及び接続端子８３とは異なる面において、積層圧電体８０を構成する圧電素子４０の突起部４３に対応した部分の注型樹脂８６を研削し、一枚おきに金属板が露出する露出部８４が設けられている。そして、この露出部８４において、圧電素子４０を接続端子８５で接続している。
このように、発電装置８１は、積層方向に露出した金属板を接続端子８３，８５で接続した２端子構成としている。

次に、図１３に、図５で示した積層圧電体５０を用いて形成した発電装置５１の斜視図を示す。また、図１３に示す発電装置５１のＣ−Ｃ線における断面図を図１４に示す。

図１３及び図１４に示す発電装置５１は、図５で示した積層圧電体５０を所定の注型用の型に挿入し、注型用樹脂５６を注型することによって樹脂封止して形成している。また、樹脂封止された圧電積層体５０の上部に、所定の厚さの平板部５８と半球状の凸曲面部５９とからなる当て部材５７が設けられている。

発電装置５１は、図９及び図１０で示した発電装置６１と同様に、積層圧電体５０を構成する圧電素子１０，１５に対応する位置の封止樹脂５６が研削されて、金属板が一枚おきに露出した露出部５２，５４が形成されている。そして、この露出部５２，５４において、圧電素子１０，１５を接続端子５３，５５で接続した２端子構成の発電装置を形成している。

上述の発電装置は、ユニモルフ圧電素子の金属板に、切り欠き部又は突起部を形成し、この切り欠き部又は突起部の位置を一枚おきに一致させて積層し、樹脂封止することによって形成している。このように、分極方向の一致する圧電素子の切り欠き部又は突起部の位置を積層方向であわせることにより、封止した樹脂の一部を研削することによって、同じ分極方向の圧電素子を、封止樹脂から露出させることができる。そして、この露出した圧電素子同士を接続することによって、同じ分極方向の圧電素子同士を電気的に接続することができる。
このため、積層した圧電素子同士の接続を容易に行うことができる。
さらに、積層圧電体を注型によって樹脂封止できるため、圧電素子同士を接続するための特別な治具等を用いる必要がなく、また、圧電素子に外部電極を焼成する等の工程が必要ないため、発電装置の製造を容易に行うことができる。

また、上述の発電装置では、積層圧電体を注型用の型に、所定量だけ浮かせた状態で挿入し、積層圧電体を加圧した状態のまま、積層圧電体が全て隠れるまで注型樹脂を注入して樹脂封止を行う。このため、従来から行われている注型を用いた樹脂封止の技術を転用することができるため、簡易な操作で積層圧電体の樹脂封止を行い、発電装置を製造することができる。

また、上述の発電装置では、分極の方向が異なる圧電体を複数積層し、積層方向に対して応力が加えられる構成である。
このため、発電効率の高い圧電縦効果を利用して発電することができ、また、圧電体を複数枚積層することにより、より大きなエネルギーを得ることができる。

なお、上述の実施の形態において、図１３及び図１４では、積層圧電体５０を用いた構造の発電装置について説明しているが、図７に示した積層圧電体７０を用いて発電装置を構成することもできる。
積層圧電体７０を用いる場合には、図１１及び図１２で示した発電装置８１と同様に、圧電素子に形成された突起部に対応する位置の封止樹脂を研削し、露出された金属板同士を接続することによって、発電装置を形成することができる。

また、図１３，１４に示した、当て部材５７の平板部５８の厚さや、凸曲面部５９の曲率等は、適宜設計することができる。
さらに、当て部材５７は、発電装置５１以外にも適用することができ、例えば、図９に示した発電装置６１や、図１１に示した発電装置８１においても、当て部材の形状を適宜変更することによって適用することができる。

次に、発電装置に当て部材を用いることの利点について説明する。
一般に、二個の角柱や円柱を接着する場合は、接着剤等を塗布した接着面を合わせて、円柱や角柱の両端の面から加圧することにより、接着剤層ができるだけ薄くなるように接着する。
このような接着方法の一例として、図１５に、マイクロメータヘッドのような平行な面を有する加圧部９３，９４からなる加圧治具を用いて、二個の円柱９１，９２を接続する場合を示している。また、図１５において上方の円柱９２は、端面９２ａ，９２ｂの平行が得られていない円柱を表している。

図１５Ａに示すように、通常、円柱９２において端面９２ａ，９２ｂの平行が得られていない場合は、加圧治具の上側の加圧部９４と、円柱９２の上側の端面９２ａとが密着した状態では、上方の円柱９２と下方の円柱９１との接着面に隙間が生じてしまう。また、上方の円柱９２と下方の円柱９１との接着面を密着させた場合には、加圧治具の上側の加圧部９４と円柱９２の上側の端面９２ａとの間に隙間が生じてしまう場合がある。

このように、隙間が生じた端面９２ａ，９２ｂにおいて、上下の加圧部９３，９４から力を加えた場合には、端面９２ａ，９２ｂの接触している部分において通常よりも極端に大きな応力が発生する。そして、セラミクスのように、硬くて脆い材料では、発生した応力によって、接触部分に欠けを生じる場合がある。

これに対して、上側の加圧部９４に凸球面状の突起９５を有する場合の断面図を図１５Ｂに示す。
図１５Ｂにおいても、円柱９２の端面９２ａ，９２ｂは平行が得られていない。しかし、加圧治具の上側の加圧部９４に凸球面状の突起９５が設けられているため、上方の円柱９２の端面９２ａは、突起９５の球面に沿って接触する。このため、突起９５と端面９２ａとの接触する位置が、曲面に沿って移動することができ、上方の円柱９２と下方の円柱９１との接着面を密着させた状態を維持したまま、加圧治具によって保持することができる。

上述したように、加圧面の形状を球面状にすることによって、加圧軸が積層方向からずれた場合でも、接着面を密着させるように力が作用する。
このため、発電装置の一方の端面に、凸球面状の突起を設けることにより、例えば、床面や靴底などに埋め込んだ場合に、加圧方向が積層方向と垂直な面からずれた場合においても、加えられた力を注型積層圧電体に均一に作用させることができる。そして、発電装置及び注型積層圧電体において、欠けを生じる等の破損を防ぐことができる。

また、図１３では、発電装置５１に一方の端面に当て部材５７が形成されているが、同様の当て部材を発電装置５１の他方の端面に形成することもできる。このような構成とすることにより、注型積層圧電体に加わる力が積層方向からずれた場合であっても、注型積層圧電体に均一に力を加えることができる。そして、発電装置及び注型積層圧電体に、欠けを生じる等の破損を防ぐことができる。

図１６は、図１３に示した発電装置５１を用いて構成した、圧電発電機１００の構成例を示す図である。

圧電発電機１００は、発電装置５１を配置するための平らな台１０１と、この台１０１上に固定された支柱１０２と、この支柱１０２に支点１０５によって支持されたレバー１０３とによって構成されている。また、レバー１０３には、発電装置５１を押圧するための加圧部１０４が形成されている。

圧電発電機１００において発電装置５１は、台１０１の平坦な面に配置され、レバー１０３に設けられた加圧部１０４が、発電装置５１上に設けられた凸曲面状の当て部材５７に当接されている。

上述の圧電発電機１００において、レバー１０３を下方に下げるように力（Ｆ）を加えると、てこの原理により、レバー１０３に加えられた力（Ｆ）が拡大される。そして、加圧部１０４と通じて、当て部材５７に力が加えられる。このとき、発電装置５１に凸曲面状の当て部材５７が設けられていることにより、発電装置５１のほぼ全面に渡って均一な力が加えられる。
このとき、発電装置５１が変形して応力が発生し、発電装置５１の２端子間に電圧が発生する。

発電装置５１によって発生する電圧又は電荷は、加えられた力（Ｆ）に比例した値となる。しかし、加えた力をそのままの状態にしておくと、発生した電荷が、積層圧電体の内部抵抗や負荷抵抗を介して流れ出てしまうため、電圧も時間とともに低下してしまう。
このため、圧電発電においては、出力端子に整流回路が設けられ、発生した電荷が逆流することがないように堰き止め、大容量のコンデンサや二次電池等の蓄電手段に蓄えられる。そして、発電装置に対し、力を繰り返し印加することにより、コンデンサや充電池に蓄えられる充電量を増やすことができる。

図１７は、圧電発電機を用いて構成した発電システムの構成例を示す回路図である。
図１７示す発電システムの回路図において、発電装置１１１の二つの端子は、整流回路１１２に接続されている。整流回路１１２の出力は、蓄電手段としての充電コンデンサ１１３に接続されている。
外力が加えられた発電装置１１１から発生した電荷は、整流回路１１２によって整流され、充電コンデンサ１１３に蓄えられる。そして、充電コンデンサ１１３に蓄えられた電力が、スイッチ１１４を介して負荷１１５に供給されるように構成されている。

なお、上述の実施の形態では、切り欠き部が設けられた圧電素子同士を積層し、また、突起部が設けられた圧電素子同士を積層することによって積層圧電体が形成されている。しかし、例えば、切り欠き部及び突起部を有する金属板からなる圧電素子と、切り欠き部及び突起部を有しない金属板からなる圧電素子同士を積層することによって積層圧電体を形成することもできる。この場合には、圧電素子の切り欠き部及び突起部を一枚おきに積層方向において一致させて積層し、積層圧電体を形成する。そして、積層圧電体を樹脂封止した後、切り欠き部及び突起部の位置において封止樹脂を研削し、樹脂の研削により露出した金属板同士を接続端子により電気的に接続する。これにより、突起部の位置において、切り欠き部及び突起部を有する金属板同士を電気的に接続することができる。また、切り欠き部の位置において、切り欠き部及び突起部を有しない金属板同士を電気的に接続することができる。
上述のように、切り欠き部及び突起部を有する金属板からなる圧電素子と、切り欠き部及び突起部を有しない金属板からなる圧電素子を積層した構成の積層圧電体を形成することによって、発電装置を形成することもできる。

本発明は、上述の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

ａ，ｂ切り欠き部が設けられた円形の圧電素子を示す図である。ａ，ｂ切り欠き部が設けられた正方形の圧電素子を示す図である。ａ，ｂ突起部が設けられた円形の圧電素子を示す図である。ａ，ｂ突起部が設けられた正方形の圧電素子を示す図である。図１に示した圧電素子からなる積層圧電体を示す図である。図２に示した圧電素子からなる積層圧電体を示す図である。図３に示した圧電素子からなる積層圧電体を示す図である。図４に示した圧電素子からなる積層圧電体を示す図である。図５に示した積層圧電体からなる発電装置を示す図である。図９に示した発電装置の断面図である。図７に示した積層圧電体からなる発電装置を示す図である。図１１に示した発電装置の断面図である。図６に示した積層圧電体と当て部材からなる発電装置を示す図である。図１３に示した発電装置の断面図である。Ａ，Ｂ当て部材を説明するための図である。図１１に示した発電装置を用いた圧電発電機を示す図である。圧電発電機を用いて構成した発電システムの回路図である。

符号の説明

１０，１５，２０，２５，３０，３５，４０，４５圧電素子、１１，１６，２１，２６，３１，３６，４１，４６金属板、１２，１７，２２，２７，３２，３７，４２，４７圧電板、１３，１８，２３，２８切り欠き部、３３，３８，４３，４８突起部、５０，６０，７０，８０積層圧電体、５１，６１，８１発電装置、５２，５４，６２，６４，８２，８４露出部、５３，５５，６３，６５，８３，８５接続端子、５６，６６，８６樹脂、５７当て部材、５８平板部、５９凸曲面部、９１，９２円柱、９２ａ，９２ｂ端面、９３，９４，１０４加圧部、９５突起、１００圧電発電機、１０１台、１０２支柱、１０３レバー、１０５支点、１１１発電装置、１１２整流回路、１１３充電コンデンサ、１１４スイッチ、１１５負荷

Claims

一部に切り欠き部が形成された金属板と、前記金属板に接合された圧電板とから形成される圧電素子を隣接させ、隣接させた前記圧電素子において前記切り欠き部の位置が異なり、かつ、一枚おきの前記圧電素子において前記切り欠き部の位置を略同一に、前記圧電素子が積層された積層圧電体と、
隣接する前記金属板の前記切り欠き部の位置において、前記金属板の一部を露出させる第１の露出部と第２の露出部とを有して、前記積層圧電体を封止する樹脂と、
前記樹脂の前記第１の露出部及び前記第２の露出部から露出された前記金属板同士を電気的に接続する接続端子と、を備え、
前記第１の露出部は、隣接する前記金属板の前記切り欠き部の位置に対応した部分の前記樹脂が研削され、一枚おきに前記金属板の一部が露出し、
前記第２の露出部は、前記樹脂の前記第１の露出部と異なる面において、隣接する前記金属板の前記切り欠き部の位置に対応した部分の前記樹脂が研削され、前記第１の露出部から露出する前記金属板とは異なる前記金属板が露出する
ことを特徴とする発電装置。
発電装置と、前記発電装置に接続された整流回路と、前記整流回路によって整流された電荷を蓄える蓄電手段とを備え、
前記発電装置が、
一部に切り欠き部が形成された金属板と、前記金属板に接合された圧電板とから形成される圧電素子を隣接させ、隣接させた前記圧電素子において前記切り欠き部の位置が異なり、かつ、一枚おきの前記圧電素子において前記切り欠き部の位置を略同一に、前記圧電素子が積層された積層圧電体と、
隣接する前記金属板の前記切り欠き部の位置において、前記金属板の一部を露出させる第１の露出部と第２の露出部とを有して、前記積層圧電体を封止する樹脂と、
前記樹脂の前記第１の露出部及び前記第２の露出部から露出された前記金属板同士を電気的に接続する接続端子と、を有し、
前記第１の露出部は、隣接する前記金属板の前記切り欠き部の位置に対応した部分の前記樹脂が研削され、一枚おきに前記金属板の一部が露出し、
前記第２の露出部は、前記樹脂の前記第１の露出部と異なる面において、隣接する前記金属板の前記切り欠き部の位置に対応した部分の前記樹脂が研削され、前記第１の露出部から露出する前記金属板とは異なる前記金属板が露出する
ことを特徴とする発電システム。