JP5273701B2 - 圧電発電装置およびそれを用いた発電システム - Google Patents

Description

本発明は、外力によって、圧電体が撓み変形した際に電荷を発生する圧電効果を利用した圧電発電装置およびそれを用いた発電システムに関連するものである。さらに詳しくは、金属板に圧電板を接着したユニモルフ圧電素子を、周辺を支持した状態で所定の間隔を隔てて複数枚重ね、これらのユニモルフ圧電素子の間に凸レンズ状の加圧子を有する加圧部材を挿入し、外部から荷重が加わったときに、これら複数枚のユニモルフ圧電素子に同時に撓み変形を生じさせるように構成した圧電発電装置およびそれを用いた発電システムに関するものである。

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、これらに搭載される二次電池の使用量がますます多くなってきている。
一方、地球環境の維持改善のために、できるだけ環境負荷の少ない電池の研究開発も活発に行われている。
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されていたエネルギーを、電気エネルギーに変換して二次電池などに充電し、この電気エネルギーを上記携帯電子機器などの電源として利用することが考えられている。

そして、ユニモルフ圧電素子あるいはバイモルフ圧電素子から成る圧電素子を複数枚用いて、複数の圧電素子の外縁部を固定する支持体と、複数の圧電素子の中央部を固定する支持体とを、圧電素子の厚さ方向に相対的に変位させることにより、外縁部と中央部が支持された複数枚の圧電素子に同時に撓み変形を生じさせる構成の圧電発電装置が提案されている（特許文献１参照）。

上記特許文献１に開示されているように、圧電素子の外縁部を支持固定し、中央部に荷重を加えて撓み変形を生じさせて、発電作用を得ることは、印加される外力の大きさが比較的小さい場合に有効である。また、圧電素子を複数枚積層し、同時に撓み変形を生じさせることは、発生する電力を増加させるためには望ましい方法である。

特開２００６−３２９３５号公報（特に、図１）

しかしながら、上記特許文献１に開示された構成では、圧電素子の中央部を固定するために、円板状の圧電素子に孔を開けている。
そのため、上記特許文献１に開示された構成に、例えばユニモルフ圧電素子として一般的な金属円板に圧電円板を接合した円形のユニモルフ圧電素子を用いた場合には、圧電円板の中央部に孔を形成する必要がある。
圧電円板は、セラミックス材料から構成されているため、中央部に孔を形成する加工の際に割れを生じたり、加工の際に圧電円板に加わる力によって圧電特性が劣化したりする、などの問題がある。
特に、あらかじめ金属円板に圧電円板を接着してユニモルフ圧電素子を形成した後に、中央部に孔を開ける製造方法を採ると、上述の割れや圧電特性の劣化の問題を生じやすい。
一方、孔を形成したリング状の圧電板（セラミックス材料）とリング状の金属板とを接着する製造方法を採ると、その場合には圧電板と金属板とをそれぞれ事前にリング状に加工することが必要になり工程数が増大する上に、接着時に精度の良い位置合わせが必要になる。また、圧電円板に孔を形成してリング状の圧電板に加工する際に、前述した割れや圧電特性の劣化の問題を生じることがある。

また、上記特許文献１の図１や図３に開示された構成では、絶縁板の上下にそれぞれセラミック材料から成る圧電体を設けてバイモルフ圧電素子を構成し、圧電体は絶縁板が挟まれた支持体から少しだけ離している。
このような構成とするためには、圧電体と絶縁板（ユニモルフ圧電素子の場合には金属板）とを接着させるが、この際に精度の良い位置合わせが必要になる。
また、支持体と圧電体とが離れているため、圧電効果により圧電体に生じた電荷を支持体に直接取り出すことができない。そして、上記特許文献１には、圧電体に生じた電荷を取り出すための具体的な構成については説明されていない。

圧電素子が金属板に圧電体を接着して成り、中央部と外縁部を支持する支持体をいずれも金属製とすれば、支持体を共通端子としてそのまま使用することが可能になるが、それぞれの圧電素子の２枚の圧電体の表面側（金属板とは反対側の面）の電極をどのように接続するのかの説明がなく、もし、それぞれの表面電極からリード線を引き出すとすれば、リード線の取り付け作業は大変な作業になると推察される。

つまり、上記特許文献１に開示されている構造は、実現が不可能な構造ではないが、実現しようとすると、極めて加工精度の高い部材を多量に用いる必要がある上に、組立作業に極めて多くの時間を要すると推察される。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、複雑な構造および多くの作業工程を必要とせず、比較的簡単な構造でかつ高効率の発電を実現可能な圧電発電装置およびそれを用いた発電システムを提供することである。

本発明の圧電発電装置は、両主面に電極が形成され、厚さ方向に分極されて成る圧電板と、金属板とを接合して、圧電素子が構成され、この圧電素子を厚さ方向に複数個積層して成り、圧電素子の圧電板と、厚さ方向に隣り合う圧電素子との間に、導電性金属材料からなる加圧部材が挟持され、厚さ方向に隣り合う圧電素子の分極方向が互いに逆向きとされており、分極の向きが同じ圧電素子における前記金属板同士が電気的に接続されて、外部端子に接続され、加圧部材の中央部に、導電性材料からなり中央部が凸の曲面になっており、凸レンズ状の加圧子が形成されているものである。

本発明の発電システムは、圧電発電装置と、この圧電発電装置に接続された整流回路と、この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、圧電発電装置が両主面に電極が形成され厚さ方向に分極されて成る圧電板と、金属板とを接合して構成された圧電素子を厚さ方向に複数個積層して成り、圧電素子の圧電板と厚さ方向に隣り合う圧電素子との間に導電性金属材料からなる加圧部材が挟持され、厚さ方向に隣り合う圧電素子の分極方向が互いに逆向きとされており、分極の向きが同じ圧電素子における前記金属板同士が電気的に接続されて、外部端子に接続され、加圧部材の中央部に、導電性材料からなり中央部が凸の曲面になっており、凸レンズ状の加圧子が形成されているものである。

本発明の圧電発電装置および発電システムによれば、圧電素子の圧電板と、厚さ方向に隣り合う圧電素子との間に、導電性金属材料からなる加圧部材が挟持されている。
これにより、加圧部材を通じて、隣り合う圧電素子に力を伝達させることができるので、複数の圧電素子に同時に安定な撓み変形を生じさせることができ、全体として大きい電力を取り出すことができる。
また、圧電板の表面の電極を、導電性金属材料からなる加圧部材を通じて、端子を引き出した電極板や隣り合う圧電素子の金属板に電気的に接続することができるため、圧電板の両主面に金属板を接合する必要がない。これにより、両主面に金属板を接合した構成と比較して、圧電板の撓み変形を生じさせやすくなり、圧電板を大きく撓ませることができ、同じ構成の圧電板でより大きな電力が得られる。また、圧電素子の端子を簡単に電気的に接続することができる。

上述の本発明によれば、
（１）圧電板と金属板とを接合した圧電素子を使用しているので、比較的小さな荷重に対して、効率良く電力を取り出すことができる。
（２）圧電素子として、発音体（ブザー）などに広く利用されている、安価なユニモルフ圧電素子を使用することが可能である。
（３）隣り合う圧電素子との間に設けた加圧部材により、複数の圧電素子に同時に安定な撓み変形を生じさせることができ、全体として大きい電力を取り出すことが可能になる。
（４）使用する部品の構造が簡単で、種類も少ない。
（５）複数の圧電素子の端子を、簡単に電気的に接続することができる。
など、実用的な効果が大きい。

また、厚さ方向に隣り合う圧電素子の分極方向が互いに逆向きとされ、分極の向きが同じ圧電素子における金属板同士が電気的に接続されて、外部端子に接続されていることにより、圧電素子の金属板から、導電性金属材料から成る加圧部材を通じて、隣り合う圧電素子に電気的に接続させることができるので、電極を共有化して圧電発電装置の構成をさらに簡略化することができる。

そして、本発明によれば、複雑な構造および多くの作業工程を必要とせず、比較的簡単な構造でかつ高効率の発電を実現可能な圧電発電装置およびそれを用いた発電システムを実現することができる。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１および図２は、本発明の一実施の形態の圧電発電装置に用いられるユニモルフ圧電素子の構造を示す斜視図である。

図１に示すユニモルフ圧電素子１０は、円形の金属板１１の上面の中央部に、両主面に電極が形成され、図中矢印で示すように厚さ方向上向きに分極された円形の圧電板１２が接着されており、金属板１１の周辺の一部（図中上側）に切欠き部１３が形成されている。
図２に示すユニモルフ圧電素子２０は、円形の金属板２１の上面の中央部に、両主面に電極が形成され、図中矢印で示すように厚さ方向下向きに分極された円形の圧電板２２が接着されており、金属板２１の周辺の一部（図中下側）に切欠き部２３が形成されている。
金属板１１および２１と、圧電板１２および２２との接着は、例えばエポキシ樹脂を用いて熱圧着により行うことができる。このとき、圧電板１２および２２の主面の電極と、金属板１１および２１とが、接触して導通するように、接着する。
図１と図２において、ユニモルフ圧電素子１０とユニモルフ圧電素子２０とは、圧電板１２および２２の形状は同じであるが、圧電板１２および２２の分極の向きが逆向きとなっている点が異なっている。

図３は、本発明の一実施の形態の圧電発電装置に用いられる加圧部材５０の構造を示す図である。図３Ａは斜視図を示し、図３Ｂは断面図を示す。
図３に示す加圧部材５０は、中央部に凸レンズ状の加圧子５１が形成されている。また、この加圧部材５０は、導電性金属からなり、加圧力が加わったときにそれ自身が塑性変形しない程度のヤング率を有する金属で構成されている。

加圧子５１は、上面５１Ａおよび下面５１Ｂが、中央部が凸の曲面（例えば、球面や双曲面など）になっており、これらの曲面５１Ａ，５１Ｂにより凸レンズ状に形成されている。
これにより、上面や下面を平面とした場合に面の端縁付近に生じるような、応力集中を回避することができる。

加圧子５１に用いる導電性材料としては、銅やアルミニウムなど、抵抗が小さい導電性材料が適している。
その理由は、ユニモルフ圧電素子に外力が与えられ、電荷が発生したときに、一方のユニモルフ圧電素子の圧電体の一方の表面電極（金属板が接合されていない側）と、厚さ方向に隣り合う他方のユニモルフ圧電素子の金属板および外部端子とを電気的に接続する機能を奏するために、加圧子の抵抗が小さいことが望ましいからである。
そして、この加圧子５１は、例えば、所望の厚みを有した上記材質からなる円板状部材を中央部が凸レンズ状になるように加圧成型して製造される。

加圧部材５０において、加圧子５１の外側にある、水平な円板状の羽根（つば）の部分は、円板状金属材料に加圧成型を施すことによって、加圧子の周辺部が扁平化したものであるが、圧電発電装置を構成したときに、後述する支持リングとの配置関係によって、加圧部材５０の加圧子５１がユニモルフ圧電素子に対して略中央部に位置するように、位置決めの機能を奏するという効果も得られるため、ユニモルフ圧電素子と加圧部材５０とを接着固定しない本発明の構成にとっては極めて好適なものであると言える。

さらに、加圧子５１をある程度の弾性を有する構成とすれば、曲面５１Ａおよび５１Ｂに力がかかったときに厚さ方向に押しつぶされて接触面積が増えるため、曲面５１Ａおよび５１Ｂにかかる圧力を低減することができる。

また、加圧部材５０の外径は、以下に示す支持リング６０および７０（図４および図１０参照）の内径よりもわずかに小さい径に加工されており、支持リング６０および７０の内側で上下方向に移動可能となっている。

図４は、本発明の一実施の形態の圧電発電装置に用いられる支持リング６０の構造を示す斜視図である。
図４に示す支持リング６０は、例えば樹脂材料等の絶縁体からなり、同心円の内周面および外周面からなるリング状とされている。さらに、支持リング６０の外周の、図１および図２に示したユニモルフ圧電素子１０および２０に形成された切欠き部１３および２３に対応した位置には、半径方向の切欠きによる切欠き部６１及び６２が形成されている。

図５は、図１〜図４に示した各部品を用いた、本発明の一実施の形態の圧電発電装置の構造を示す断面図である。
図５に示す圧電発電装置１００は、底部用支持リング８１、ユニモルフ圧電素子１０、支持リング６０および加圧部材５０、ユニモルフ圧電素子２０、支持リング６０および加圧部材５０、ユニモルフ圧電素子１０・・・の順に、５個のユニモルフ圧電素子を積層した積層圧電体によって構成されている。
このとき、図１に示したユニモルフ圧電素子１０の切欠き部１３の位置を、支持リング６０の一方の切欠き部６１の位置に合わせ、図２に示したユニモルフ圧電素子２０の切欠き部２３の位置を、支持リング６０の他方の切欠き部６２の位置に合わせて、圧電素子１０，２０および支持リング６０を積層させている。
なお、図５中の破線は、支持リング６０およびユニモルフ圧電素子１０，２０の切欠き部１３，２３，６１，６２がない場合の断面に相当する線である。

そして、支持リング６０に形成した切欠き部６１および６２（図４参照）に突出した、分極の向きが同じユニモルフ圧電素子における金属板同士、すなわちユニモルフ圧電素子１０の金属板１１同士およびユニモルフ圧電素子２０の金属板２１同士の、それぞれ端部をリード線（導電ワイヤ）８３，８４および半田接合等の手段により電気的に接続して、リード線８３，８４を外部接続端子８７（Ｔ１），８８（Ｔ２）に引き出して２端子構成としている。

つまり、図５からわかるように、ユニモルフ圧電素子１０は左側に切欠き部１３が形成され、ユニモルフ圧電素子２０は右側に切欠き部２３が形成されているため、支持リング６０の左側の切欠き部６１には、ユニモルフ圧電素子２０の金属板２１の一部が露出し、支持リング６０の右側の切欠き部６２には、ユニモルフ圧電素子１０の金属板１１の一部が露出することになる。

加圧部材５０は、加圧子５１（図３参照）の部分で、常に上下の電極、すなわち金属板１１，２１および圧電体１２，２２の表面電極と、コンタクトしている。そして、接着剤等を用いないで加圧子を電極に接触させており、いかなる状況でも緩まずに電極と接触しているように構成される。

さらに、積層圧電体の最上部にユニモルフ圧電素子１０の金属板１１と同様の材料・形状の金属板８２を重ねて、底部８５を有するケース８６に積層圧電体全体を収容して、圧電発電装置１００が構成されている。

なお、図５に示した圧電発電装置１００では、底部用支持リング８１を、支持リング６０と同様に切欠き部を有する構成としているが、底部用支持リングを切欠き部のないリング状の構成としても構わない。

また、図５に示した圧電発電装置１００では、支持リング６０に形成された切欠き部６１および６２の位置を支持リング６０の中心に対して対称の位置に形成していたが、支持リングの中心に対して非対称の位置（例えば、９０度や１２０度の角度をなす位置）に切欠き部を形成しても構わない。このように支持リングの切欠き部を中心に対して非対称の位置に形成した場合には、ユニモルフ圧電素子１０，２０の切欠き部１３，２３の位置を、支持リングの切欠き部の位置に合わせるようにして、ユニモルフ圧電素子１０，２０を積層する。

図６は、図５に示した圧電発電装置１００の電気的な接続の状態を示す回路接続図である。図６では、ユニモルフ圧電素子１０，２０を、図５と同様に上下に積層した表現としており、分極の向きを＋−の記号で表している。

図７は、図６の回路接続図を並べ替えたものである。すなわち、図６において、同じ符号の端子を接続して、“＋”端子をＴ１、“−”端子をＴ２とすると、図６に示す回路の接続状態を、図７のように表すことができ、それぞれ、５個のユニモルフ圧電素子を分極の向きを揃えて並列接合した場合の回路となることがわかる。

上述の実施の形態の圧電発電装置１００の構成によれば、圧電素子１０，２０の圧電板１２，２２と、厚さ方向に隣り合う圧電素子２０，１０との間に、導電性金属材料からなる加圧部材５０が挟持されていることにより、加圧部材５０を通じて、隣り合う圧電素子１０，２０に効率的に力を伝達させることができる。このため、複数の圧電素子１０，２０に同時に安定な撓み変形を生じさせることができ、全体として大きい電力を取り出すことができる。
そして、圧電板１２，２２の表面の電極を、導電性金属材料からなる加圧部材５０を通じて、隣り合う圧電素子２０，１０の金属板２１，１１に電気的に接続することができるため、圧電板１２，２２の両主面に金属板を接合する必要がない。これにより、両主面に金属板を接合した構成と比較して、圧電板１２，２２の撓み変形を生じさせやすくなり、圧電板１２，２２を大きく撓ませることができ、同じ構成の圧電板１２，２２でより大きな電力が得られる。また、複数の圧電素子１０，２０の端子を、リード線８３，８４によって簡単に電気的に接続することができる。

圧電板１１，２１と金属板１２，２２とを接合したユニモルフ圧電素子１０，２０を使用していることにより、比較的小さな荷重に対して、効率よく電力を取り出すことができる。また、ユニモルフ圧電素子１０，２０は、従来から発音体（ブザー）などに広く利用されているので、安価に製造することができる。
また、本実施の形態の圧電発電装置１００は、使用する部品の構造が簡単であり、比較的部品の種類が少なく、前述した特許文献１に開示された構成などと比較して容易に製造することができる。

さらにまた、厚さ方向に隣り合う圧電素子１０，２０の分極方向が互いに逆向きになっており、分極の向きが同じ圧電素子１０の金属板１１同士および圧電素子２０の金属板２１同士が電気的に接続されて外部端子８７（Ｔ１），８８（Ｔ２）に接続されているので、隣り合う圧電素子１０，２０の電極を共有化して、圧電発電装置１００の構成を簡略化することができる。

なお、上述の実施の形態の圧電発電装置１００に用いられた圧電素子１０，２０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、圧電素子１０，２０の金属板１１，２１と圧電板１２，２２との接着は、従来の製造装置を用いて全自動で行うことが可能である。

従って、本実施の形態の圧電発電装置１００により、複雑な構造および多くの作業工程を必要とせず、比較的簡単な構造であり、少ないコストで製造することができ、また高効率の発電を実現することが可能になる。

次に、本発明の他の実施の形態の圧電発電装置について、図８〜図１１を参照して説明する。

図８および図９は、本発明の他の実施の形態の圧電発電装置に用いられるユニモルフ圧電素子の構造を示す斜視図である。

図８に示すユニモルフ圧電素子３０は、円形の金属板３１の上面の中央部に、両主面に電極が形成され、図中矢印で示すように厚さ方向上向きに分極された円形の圧電板３２が接着されている。金属板３１には、第一の孔３３と、この第一の孔３３より直径の大きな第二の孔３４とが、圧電板３２よりも外側で金属板３１の中心点に対して対称な位置に形成されている。

図９に示すユニモルフ圧電素子４０は、円形の金属板４１の上面の中央部に、両主面に電極が形成され、図中矢印で示すように厚さ方向下向きに分極された円形の圧電板４２が接着されている。金属板４１には、第一の孔４３と、この第一の孔４３より直径の大きな第二の孔４４とが、圧電板４２よりも外側で金属板４１の中心点に対して対称な位置に形成されている。
図８と図９において、ユニモルフ圧電素子３０とユニモルフ圧電素子４０は、圧電板３２および４２の形状は同じであるが、圧電板３２および４２の分極の向きが逆向きとなっている点が異なっている。

図１０は、本発明の他の実施の形態の圧電発電装置に用いられる支持リング７０の構造を示す斜視図である。
図１０に示す支持リング７０は、例えば樹脂材料等の絶縁体からなり、同心円の内周面および外周面からなるリング状とされている。さらに、支持リング７０には、支持リング７０の外周の異なる位置２箇所に、図８および図９に示したユニモルフ圧電素子３０，４０の金属円板３１，４１に形成された、第一の孔３３，４３および第二の孔３４，４４に対応した位置に、第二の孔３４，４４の径以上の径を有する孔７３および７４が形成されている。

図１１は、図５および図８〜図１０に示した各部品を用いた、本発明の他の実施の形態の圧電発電装置の構造を示す断面図である。
図１１に示す圧電発電装置１１０は、底部用支持リング１１１、ユニモルフ圧電素子３０、支持リング７０および図５に示した加圧部材５０、ユニモルフ圧電素子４０、支持リング７０および加圧部材５０、ユニモルフ圧電素子３０・・・の順に、５個のユニモルフ圧電素子を積層した積層圧電体によって構成されている。
このとき、図８に示したユニモルフ圧電素子３０の第一の孔３３の位置を、支持リング７０の一方の孔７３または７４の位置に合わせ、図９に示したユニモルフ圧電素子４０の第一の孔４３の位置を、支持リング７０の他方の孔７４または７３の位置に合わせて、圧電素子および支持リング７０を積層させている。

そして、ユニモルフ圧電素子３０，４０の金属板３１，４１に形成した第一の孔３３，４３に、この孔３３，４３の径よりわずかに小さい径であり、バネ性を有する太径部が形成されたピン端子１１３および１１４を挿入することにより、分極の向きが同じユニモルフ圧電素子における金属板同士、すなわちユニモルフ圧電素子３０の金属板３１同士およびユニモルフ圧電素子４０の金属板４１同士を、電気的に接続して、ピン端子１１３，１１４の端部を外部接続端子１１７（Ｔ１），１１８（Ｔ２）に引き出して２端子構成としている。

つまり、図１１からわかるように、ユニモルフ圧電素子３０の金属板３１の第一の孔３３と、ユニモルフ圧電素子４０の金属板４１の第一の孔４３とが、それぞれ１８０度異なる位置になり、かつ支持リング７０に形成した孔７３，７４の位置に合うように、圧電素子３０，４０および支持リング７０を重ねる。
このように重ねることにより、支持リング７０の孔７３，７４と、ユニモルフ圧電素子３０，４０の金属板３１，４１の第一および第二の孔３３，４３および３４，４４とが、全て積層方向に重ねられることになる。

この状態で、金属板３１，４１に形成した第一の孔３３，４３の径とほぼ等しく、一つおきの第一の孔３３，４３の位置に対応した位置に、バネ性を有する太径部が形成されたピン端子１１３，１１４を挿入し、積層方向の一つおきの第一の孔３３，４３でそれぞれの金属板３１，４１同士を電気的に接続することができる。
これにより、図５に示した先の実施の形態の圧電発電装置１００と比較して、所定の金属板同士を電気的に接続する際の作業容易性に優れている。

さらに、積層圧電体の最上部にユニモルフ圧電素子３０の金属板３１と同様の材料・形状の金属板１１２を重ねて、底部１１５を有するケース１１６に積層圧電体全体を収容して、圧電発電装置１１０が構成されている。

本実施の形態の圧電発電装置１１０の電気的な接続の状態は、図６および図７に示した回路接続図となり、先の実施の形態の圧電発電装置１００の接続状態と同じである。

上述の実施の形態の圧電発電装置１１０の構成によれば、圧電素子３０，４０の圧電板３２，４２と、厚さ方向に隣り合う圧電素子４０，３０との間に、導電性金属材料からなる加圧部材５０が挟持されていることにより、先の実施の形態の圧電発電装置１００と同様に、加圧部材５０を通じて、隣り合う圧電素子３０，４０に力を伝達させることができる。このため、複数の圧電素子３０，４０に同時に安定な撓み変形を生じさせることができ、全体として大きい電力を取り出すことができる。
そして、両主面に金属板を接合した構成と比較して、圧電板３２，４２の撓み変形を生じさせやすくなり、圧電板３２，４２を大きく撓ませることができ、同じ構成の圧電板３２，４２でより大きな電力が得られる。また、複数の圧電素子３０，４０の端子を、ピン端子１１３，１１４によって簡単に電気的に接続することができる。
また、ユニモルフ圧電素子３０，４０を使用していることにより、比較的小さな荷重に対して、効率よく電力を取り出すことができ、また、安価に製造することができる。
さらに、使用する部品の構造が簡単であり、比較的部品の種類が少なく、前述した特許文献１に開示された構成などと比較して容易に製造することができる。
さらにまた、厚さ方向に隣り合う圧電素子３０，４０の分極方向が互いに逆向きになっており、分極の向きが同じ圧電素子３０の金属板３１同士および圧電素子４０の金属板４１同士が電気的に接続されて外部端子１１７（Ｔ１），１１８（Ｔ２）に接続されているので、隣り合う圧電素子３０，４０の電極を共有化して、圧電発電装置１１０の構成を簡略化することができる。

従って、本実施の形態の圧電発電装置１１０により、複雑な構造および多くの作業工程を必要とせず、比較的簡単な構造であり、少ないコストで製造することができ、また高効率の発電を実現することが可能になる。

図１２は、図１１に示した圧電発電装置１１０を用いて構成した、圧電発電機の構成例を示す図である。なお、図５に示した圧電発電装置１００を用いて、同様の圧電発電機を構成してもよい。
図１２に示すように、この圧電発電機１２０は、圧電発電装置１１０を設置するための平らな台１２１と、この台１２１上に固定された支柱１２２と、この支柱１２２に支点１２５によって支持されたレバー１２３とによって構成されている。また、レバー１２３には、圧電発電装置１１０の積層圧電体を押圧するための、凸曲面状の加圧部１２４が形成されている。
そして、圧電発電装置１１０が台１２１の平坦な面の上に設置され、レバー１２３に設けられた加圧部１２４が、圧電発電装置１１０の上面に当接されている。

この圧電発電機１２０において、レバー１２３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１２３に加えられた力（Ｆ）が拡大される。そして、加圧部１２４を通じて、圧電発電装置１１０の上面、即ち最上部の金属板１１２（図１１参照）に拡大された力が加えられる。
このとき、積層された加圧子５０を介して全てのユニモルフ圧電素子３０，４０にほぼ同じ変形量を生じさせるので、結果として、全てのユニモルフ圧電素子３０，４０にほぼ同じ量の電荷を発生させることができ、これらの発生した電荷は、足し合わされて出力されることになる。

圧電発電装置１１０によって発生した電圧または電荷は、レバー１２３に加えられた力（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いると、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、圧電発電装置を用いた発電においては、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て、大容量のコンデンサや充電池等の蓄電手段に蓄えられる。そして、圧電発電装置に対して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１３は、本発明に係る、積層圧電体からなる圧電発電装置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１３に示す回路図において、積層圧電体１３０の二つの端子は、整流回路１３１に接続されている。この整流回路１３１の出力は、蓄電手段としての充電コンデンサ１３２に接続されている。
外力が加えられた積層圧電体１３０から発生した電荷は、整流回路１３１によって整流され、充電コンデンサ１３２に蓄えられる。そして、充電コンデンサ１３２に蓄えられた電力が、スイッチ１３３を介して負荷抵抗１３４に供給される。

以上、説明したように、本発明の圧電発電装置およびそれを用いた発電システムは、製造が容易なユニモルフ圧電素子を複数枚積層して構成することができる。これにより、複雑な構造および多くの製造工程を必要とするという欠点を有していた、従来の圧電素子を撓ませる方式の圧電発電装置の構成に対して、比較的単純な構造および少ない工程で製造することができると共に、比較的小さな力で効率良く発電することが可能になる。

上述の各実施の形態の圧電発電装置１００，１１０では、金属板１１，２１，３１，４１の上に圧電板１２，２２，３２，４２があるように圧電素子１０，２０，３０，４０を配置しているが、圧電素子の上下を逆にして、金属板の下に圧電板がある配置としても構わない。なお、圧電素子の上下を統一せずに、例えば、隣り合う圧電素子で互い違いにすることも可能であるが、圧電素子の上下を統一した方がより製造がしやすいという利点を有する。
また、圧電素子の平面形状は、円形に限らず、楕円形、正方形、長方形、菱形など、その他の形状としても構わない。

圧電発電装置において、圧電素子の金属板に図１および図２に示した切欠き部を設ける代わりに、金属板に水平方向に突出した突出部を設けても構わない。
また、電極の接続方法は、図５に示したようにリード線で電気的に接続する代わりに、板状の導体で電気的に接続しても構わない。例えば、圧電素子の金属板に設けた切欠き部や突出部に、板状の導体を接続する。

上述の各実施の形態の圧電発電装置１００，１１０では、上下に隣り合う圧電素子の分極を互いに逆向きとしていたが、本発明においては、積層する圧電素子の分極方向を同じ向き（上向き、あるいは下向き）だけに揃えても構わない。
圧電素子の分極を同じ向きにする場合には、上下に隣り合う圧電素子の間に、それぞれ端子が引き出された、＋の電極および−の電極が両方とも必要になる。このため、これらの電極の間に加圧子を設けて力を伝達させると共に、これらの電極間を絶縁すればよい。例えば、加圧子を絶縁性材料により構成したり、＋の電極および−の電極のうち少なくとも一方と導電性材料からなる加圧子との間に絶縁板を設けたりすることが考えられる。

本発明は、上述の実施の形態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。

本発明の一実施の形態の圧電発電装置に用いられるユニモルフ圧電素子の構造を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態の圧電発電装置に用いられるユニモルフ圧電素子の構造を示す斜視図である。 Ａ 本発明の一実施の形態の圧電発電装置に用いられる加圧部材の構造を示す斜視図である。 Ｂ 図３Ａの加圧部材の断面図である。 本発明の一実施の形態の圧電発電装置に用いられる支持リングの構造を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態の圧電発電装置の構造を示す断面図である。 図５の圧電発電装置の接続状態を示す回路接続図である。 図６の回路接続図を並べ替えた状態を示す図である。 本発明の他の実施の形態の圧電発電装置に用いられるユニモルフ圧電素子の構造を示す斜視図である。 本発明の他の実施の形態の圧電発電装置に用いられるユニモルフ圧電素子の構造を示す斜視図である。 本発明の他の実施の形態の圧電発電装置に用いられる支持リングの構造を示す斜視図である。 本発明の他の実施の形態の圧電発電装置の構造を示す断面図である。 図１１に示した圧電発電装置を用いた圧電発電機の構造例を示す断面図である。 本発明に係る圧電発電装置を用いた発電システムの構成例を示す回路図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０：（ユニモルフ）圧電素子
１１，２１，３１，４１：金属板（円形）
１２，２２，３２，４２：圧電板（円形）
１３，２３：切欠き部
３３，４３：第一の孔
３４，４４：第二の孔
５０：加圧部材
５１：加圧子
６０，７０：支持リング
６１，６２：切欠き部
７３，７４：孔
８１，１１１：底部用支持リング
８２，１１２：金属板
８３，８４：リード線
８５，１１５：底部
８６，１１６：ケース
８７，８８，１１７，１１８：外部接続端子
１１３，１１４：ピン端子
１００，１１０：圧電発電装置
１２０：圧電発電機
１２１：台
１２２：支柱
１２３：レバー
１２４：加圧部
１２５：支点
１３０：積層圧電体
１３１：整流回路
１３２：充電コンデンサ
１３３：スイッチ
１３４：負荷抵抗

Claims (2)

1. 両主面に電極が形成され、厚さ方向に分極されて成る圧電板と、金属板とを接合して、圧電素子が構成され、
   前記圧電素子を、前記厚さ方向に複数個積層して成る圧電発電装置であって、
   前記圧電素子の前記圧電板と、前記厚さ方向に隣り合う前記圧電素子との間に、導電性金属材料からなる加圧部材が挟持され、
   前記厚さ方向に隣り合う前記圧電素子の分極方向が互いに逆向きとされており、
   分極の向きが同じ圧電素子における前記金属板同士が電気的に接続されて、外部端子に接続され、
   前記加圧部材の中央部に、導電性材料からなり中央部が凸の曲面になっており、凸レンズ状の加圧子が形成されている
   ことを特徴とする圧電発電装置。
2. 圧電発電装置と、前記圧電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、
   前記圧電発電装置は、
   両主面に電極が形成され、厚さ方向に分極されて成る圧電板と、金属板とを接合して、圧電素子が構成され、
   前記圧電素子を前記厚さ方向に複数個積層して成り、
   前記圧電素子の前記圧電板と、前記厚さ方向に隣り合う前記圧電素子との間に、導電性金属材料からなる加圧部材が挟持され、
   前記厚さ方向に隣り合う前記圧電素子の分極方向が互いに逆向きとされており、
   分極の向きが同じ圧電素子における前記金属板同士が電気的に接続されて、外部端子に接続され、
   前記加圧部材の中央部に、導電性材料からなり中央部が凸の曲面になっており、凸レンズ状の加圧子が形成されている
   ことを特徴とする発電システム。

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