JP5610069B2 - 圧電発電装置 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電効果を利用して発電する圧電発電装置、特にカンチレバー(片持ち梁)構造の発電素子を用いた圧電発電装置に関するものである。
特許文献1には、図17に示すように、発電素子100の一方端を固定部材101に固定し、自由端である他方端に錘102を取り付けたカンチレバー構造の圧電発電装置が開示されている。発電素子100は、金属板103の両面に圧電体104,105を貼り付けたものであり、発電素子100を上側から見た際に、固定端から自由端に向かって漸次幅狭な二等辺三角形状とされている。この場合には、発電素子100に加わる曲げ応力を長さ方向に均一化させることができるため、発電素子100が全長にわたってほぼ均等に電荷を発生でき、長方形状の発電素子を用いた場合に比べて発電効率を改善できる。
ところで、人が歩行する際の振動や、自転車,自動車の振動等を利用した発電装置のように、比較的低周波の振動領域で使用される発電装置がある。このような低周波の外部振動に対して発電素子の固有周波数を近づければ、発電素子を共振させることができ、発電量も増大する。発電素子の発電量Pは、次式のように圧電体を構成する圧電材料によって決まる定数Aと、圧電体に加わる応力σと、圧電体の体積Vとによって決まる。
P=A×σ2 ×V
P=A×σ2 ×V
しかし、特許文献1のように単一の発電素子100を使用しただけでは、その発電量の大幅な増加を見込むことは難しい。発電素子の長さを長くすれば、応力が増大するので、単一の素子でも発電量を増加させることは可能であるが、小型化と相反する。
特許文献2には、共振周波数の異なる複数の発電素子を片持ち梁状に支持した圧電発電装置が開示されている。この圧電発電装置は、図18に示すように、一方端が基部200に固定され、他方端を自由端とした複数の発電素子201〜203と、発電素子201〜203の自由端に取り付けられた錘204〜206とを備えたものであり、各発電素子201〜203の長さがそれぞれ異なっている。この圧電発電装置は、広い周波数範囲で発電を行うため個々の発電素子の共振周波数を異ならせたものであるが、個々の発電素子の共振周波数を一致させれば、所定の周波数域で発電量を増加させることが可能である。しかし、複数の発電素子201〜203を並列に配置しているため、大きなスペースを占め、発電装置を小型に構成することができない。
本発明の目的は、固有振動数が低くかつ発電量の大きな複数の圧電素子をコンパクトに配置でき、全体として小型の圧電発電装置を提案するものである。
前記目的を達成するため、本発明は、空間をあけて対向する第1と第2の固定部を有する固定部材と、前記第1の固定部に一端部が固定され、他端部が第2の固定部に向かって延びる第1の圧電素子と、前記第1の圧電素子の他端部に結合された第1錘と、前記第2の固定部に一端部が固定され、他端部が第1の固定部に向かって延びる第2の圧電素子と、前記第2の圧電素子の他端部に結合された第2錘と、を備え、前記第1の圧電素子と第2の圧電素子とは幅方向に間隔をあけて配置され、前記第1の圧電素子の他端部に結合された第1錘は、その一部が第2の圧電素子の一端部側の下方に位置しており、前記第2の圧電素子の他端部に結合された第2錘は、その一部が第1の圧電素子の一端部側の下方に位置していることを特徴とする、圧電発電装置を提供する。
カンチレバー構造の圧電素子を横向きに配置した場合、錘を結合した自由端の変位量が大きく、固定端近傍の変位は微少である。そのため、固定端付近の下部に無効空間(デッドスペース)が存在する。特に、低周波化のために大型の錘を圧電素子の自由端に結合した場合、無効空間は錘の大きさに比例して拡大する。そこで、本発明では複数のカンチレバー構造の圧電素子を交互に対向するように配置し、一方の錘を他方の圧電素子の固定端側の下方に位置させることによって、無効空間を有効活用したものである。その結果、固有振動数を低くしかつ発電量を確保しながら、発電装置を小型化することができる。
本発明の圧電素子とは、例えば金属板、シリコン基板、樹脂基板などの振動板の一主面又は両主面に、電極を持つ圧電体を貼り付けた構造のものを指す。金属板を使用した場合には、圧電素子の接地側の電極をこの金属板で兼用することができる。
固定部材を、例えば箱型のハウジングで構成した場合、ハウジングの対向する2つの壁部を第1と第2の固定部として利用すれば、ハウジングの中に第1の圧電素子(第1錘を含む)と第2の圧電素子(第2錘を含む)とをコンパクトに収納できる。
第2の圧電素子を一対の素子で構成し、第1の圧電素子を間にして一対の第2の圧電素子を幅方向両側に配置した場合、第1錘を、その両端部が一対の第2の圧電素子の一端部側の下方に位置するように、第1の圧電素子の他端部から幅方向両側に突出形成し、第2錘を、一対の第2の圧電素子の他端部間を連結するように結合し、第2錘の中間部が第1の圧電素子の一端部側の下方に位置するように構成するのが望ましい。この場合には、第1の圧電素子と第2の圧電素子とを櫛歯状にかみ合わせることができるので、スペース効率がよく、小型に構成できる。
第1の圧電素子及び第2の圧電素子を、それぞれ複数の素子で構成し、第1の圧電素子を構成する複数の素子と、第2の圧電素子を構成する複数の素子とが交互にかみ合うように配置し、第1の圧電素子を構成する複数の素子の他端部間を連結するように1つの第1錘を結合し、第2の圧電素子を構成する複数の素子の他端部間を連結するように1つの第2錘を結合してもよい。この場合には、圧電素子の個数を増やすことができるので、さらに発電量が増大する。
第1錘が第2の圧電素子の一端部側と接触しないように、第1の圧電素子の他端部は第2の圧電素子の一端部より低い位置にあり、第2錘が第1の圧電素子の一端部側と接触しないように、第2の圧電素子の他端部は第1の圧電素子の一端部より低い位置にある構成としてもよい。外部振動が加わらない状態であっても、錘の重量により第1の圧電素子及び第2の圧電素子の自由端部は共に下方へ撓んでいる。そのため、重力加速度による変位より外部振動による変位が小さい場合には、上面が平坦な錘を用いても、錘が圧電素子と干渉するのを防止できる。
第1錘の上面に、第1の圧電素子の他端部下面に結合される凸部が形成され、凸部を除く第1錘の上面が当該凸部より低く形成され、第2錘の上面に、第2の圧電素子の他端部下面に結合される凸部が形成され、凸部を除く第2錘の上面が当該凸部より低く形成されている構成としてもよい。この場合には、錘の上面に凹凸部が形成されているので、外部振動による変位が重力加速度による変位より大きい場合でも、錘が圧電素子と干渉するのを防止できる。
第1錘を含む第1の圧電素子の屈曲振動の共振周波数と、第2錘を含む第2の圧電素子の屈曲振動の共振周波数とが一致している構成としてもよい。第1の圧電素子の共振周波数と第2の圧電素子の共振周波数とが異なる場合には、広い周波数範囲で発電を行うことが可能であるが、両共振周波数を一致させると、所定の周波数において発電量を倍加させることができる。さらに、出力端子の共通化や整流回路を1つにまとめることができ、回路を簡素化できる。
第1の圧電素子及び第1錘と、第2の圧電素子及び第2錘とは、幅方向中心軸を中心として線対称に形成されているのが望ましい。第1の圧電素子と第1錘、又は第2の圧電素子と第2錘を非対称形状とすることも可能であるが、第1の圧電素子及び第2の圧電素子に捩れ振動を発生させるため、発電量が低下する。これに対し、線対称形状とすれば、圧電素子に捩れが発生しにくく、撓み振動を効率よく発生でき、発電量を向上させることができる。
以上のように、本発明によれば、複数のカンチレバー型圧電素子を交互に対向するように配置し、一方の錘を他方側の圧電素子の固定端側の下方に位置させたので、圧電素子の固定端付近の下部に発生する無効空間を錘の可動空間として有効活用できる。そのため、固有振動数を低くしかつ発電量を確保しながら、発電装置を小型化することができる。
〔第1実施例〕
図1〜図3は、本発明に係る圧電発電装置の第1実施例を示す。本実施例の圧電発電装置Aは箱型のハウジング1を備えており、このハウジング1は4つの側壁部11〜14と1つの底壁部15とを有し、側壁部11〜14と底壁部15とによって内部空間16が形成されている。ハウジング1の4つの側壁部11〜14のうち、対向する2つの側壁部である第1,第2側壁部11,12がそれぞれ第1の固定部と第2の固定部とになっている。なお、ハウジング1の上面には図示しないカバーが装着され、ハウジング1の内部が密閉されている。ハウジング1は本発明における固定部材であり、側壁部11と側壁部12とがそれぞれ本発明における第1と第2の固定部である。
図1〜図3は、本発明に係る圧電発電装置の第1実施例を示す。本実施例の圧電発電装置Aは箱型のハウジング1を備えており、このハウジング1は4つの側壁部11〜14と1つの底壁部15とを有し、側壁部11〜14と底壁部15とによって内部空間16が形成されている。ハウジング1の4つの側壁部11〜14のうち、対向する2つの側壁部である第1,第2側壁部11,12がそれぞれ第1の固定部と第2の固定部とになっている。なお、ハウジング1の上面には図示しないカバーが装着され、ハウジング1の内部が密閉されている。ハウジング1は本発明における固定部材であり、側壁部11と側壁部12とがそれぞれ本発明における第1と第2の固定部である。
第1側壁部11の上面には第1の圧電素子2の一端部(固定端部)2aが固定され、第1の圧電素子2の他端部(自由端部)2bが第2側壁部12に向かって延びており、その他端部2bに第1錘3が結合されている。第2側壁部12の上面には一対の第2の圧電素子4,4の一端部(固定端部)4aが固定され、第2の圧電素子4,4の他端部(自由端部)4bが第1側壁部11に向かって延びており、その他端部4bに第2錘5が結合されている。つまり、第1の圧電素子2と第2の圧電素子4とは、互いに平行にかつ交互に対向方向に延びている。図2において、斜線を付した箇所が錘3,5と圧電素子2,4との結合部である。第1錘3と第2錘5は、ハウジング1の内部空間16の中に上下方向に変位自在に収容されている。第2の圧電素子4,4は第1の圧電素子2の幅方向両側に等間隔をあけて配置されている。第2の圧電素子4,4の長さ及び幅は互いに等しい。第1錘3を含む第1の圧電素子2、及び第2錘5を含む第2の圧電素子4,4は、幅方向中心軸CLを中心として線対称に形成されている。
第1の圧電素子2及び第2の圧電素子4,4は、振動板の一主面に圧電体(図示せず)を貼り付けたユニモルフ素子であってもよいし、振動板の両主面に圧電体を貼り付けたバイモルフ素子であってもよい。圧電体の両面には電極が形成され、厚み方向に分極されている。なお、振動板としては、金属板のほか、シリコン基板、ガラスエポキシ基板などの弾性板を使用してもよい。
第1の圧電素子2の自由端2bに結合された第1錘3は、その幅方向両端部3a,3bが一対の第2の圧電素子4,4の固定端4a側の下方に位置するように、第1の圧電素子2の自由端2bより幅広に形成されている。ここでは、第2錘5は、第2の圧電素子4,4の自由端4b同士を連結するように結合され、この第2錘5の中間部5aが第1の圧電素子2の固定端2a側の下方に位置している。第1の圧電素子2の自由端2b及び第2の圧電素子4,4の自由端4bは、外部振動が加わらない自然状態において、図3(a),(b)に示すように第1錘3及び第2錘5の重量によって下方へ撓んでいる。そのため、第1錘3の両端部3a,3bと第2の圧電素子4,4の固定端4aとの間に上下方向の隙間δ1が存在し、第2錘5の中間部5aと第1の圧電素子2の固定端2aとの間に上下方向の隙間δ2が存在している。
この実施例では、第1の圧電素子2及び第2の圧電素子4,4を構成する振動板6が一枚の金属板で形成されている。すなわち、ハウジング1の4つの側壁部11〜14の上面には、図1に示すように1枚の金属板からプレス、エッチング等によって加工された振動板6の枠部61が接着されている。振動板6には、枠部61から対向方向に延びる長方形状の第1梁部62と第2梁部63,63とが一体に形成されている。第1梁部62の一主面又は両主面に圧電体を貼り付けることにより第1の圧電素子2が構成され、第2梁部63,63の一主面又は両主面に圧電体を貼り付けることにより第2の圧電素子4,4が構成される。
圧電体は、第1梁部62、第2梁部63の錘が結合される部分を除く領域に個別に貼り付けてもよいし、梁部62、63を加工する前の振動板6の全面に圧電体を形成し、錘が結合される部分や第3,第4側壁部13,14に相当する箇所に電極が形成されないように電極をパターニングした後、振動板6と圧電体とを同時に加工してもよい。図4は、下面全面に圧電体20を貼りつけた振動板6の一例を下方から見た斜視図であり、ハッチングで示した箇所が圧電体20の下面にパターニングされた出力側電極66,67である。第2の圧電素子4,4の出力側電極67は相互に接続されている。なお、振動板6は接地側電極として利用される。第1、第2の圧電素子2,4の自由端側の下面には出力側電極66,67が形成されておらず、この非電極形成部21,22に第1錘3及び第2錘5がそれぞれ固着される。
第1及び第2の圧電素子2,4(錘を含む)の共振周波数が異なる場合には、図5の(a)に示すように、第1の圧電素子2で発生した電荷、及び第2の圧電素子4,4で発生した電荷は個別の整流回路71,72で整流され、蓄電素子73に蓄電される。第1及び第2の圧電素子2,4(錘を含む)の共振周波数が同一である場合には、図5の(b)に示すように、第1の圧電素子2で発生した電荷、及び第2の圧電素子4,4で発生した電荷は単一の整流回路74で整流され、蓄電素子73に蓄電される。整流回路及び蓄電素子についてはそれぞれ公知であるため、詳細な説明を省略する。
図6は第1錘3及び第2錘5に対して下方への加速度が作用した時の変位を示す。第1錘3によって第1の圧電素子2は上に凸の形状となるように撓み、その曲げ応力に応じた電力が圧電素子2に発生する。一方、第2の圧電素子4も第2錘5によって上に凸の形状となるように撓み、その曲げ応力に応じた電力が圧電素子4に発生する。第1錘3は第2の圧電素子4,4の固定端4a側の下部に位置しており、第2錘5も第1の圧電素子2の固定端2a側の下部に位置しているので、両圧電素子2,4の固定端2a,4a側の下部にできる無効空間を第1錘3及び第2錘5の可動空間として有効活用でき、全体として小型の圧電発電装置Aを実現できる。外部振動による変位が重力加速度による変位より小さい場合には、上面が平坦な第1錘3及び第2錘5を使用しても、第1錘3が第2の圧電素子4,4と干渉することなく変位でき、第2錘5も第1の圧電素子2と干渉することなく変位できる。なお、図6では、第1の圧電素子2と第2の圧電素子4,4とが共に下方へ変位している状態を示したが、両圧電素子2、4(錘を含む)の共振周波数が異なる場合には、第1の圧電素子2と第2の圧電素子4,4とは個別に変位する。
図7は、外部から0.1Gの加速度が加わったときの第1の圧電素子2及び第2の圧電素子4,4の発電量と周波数との関係を示す。ここでは、第1の圧電素子2の幅W1と第2の圧電素子4,4の幅W2、W3とを、W2+W3=1.5×W1の関係とした(但し、W2=W3)。圧電素子2,4の長さは互いに等しく、第1錘3と第2錘5の重さは同じである。この場合には、第1の圧電素子2(第1錘3を含む)の共振周波数が、第2の圧電素子4,4(第2錘5を含む)の共振周波数よりやや低いので、両方の圧電素子2,4の発電量のピークが異なる周波数に現れる。そのため、図5の(a)のように個別の整流回路71,72を用いて整流するのがよい。
図8は、W1=W2+W3とした場合の圧電素子2、4,4の発電量と周波数との関係を示した図である。他の条件は図7と同じである。この場合には、第1の圧電素子2の共振周波数と第2の圧電素子4,4の共振周波数とが一致するため、両方の圧電素子2,4の発電量のピークを一致させることができる。つまり、所定の周波数において全体の発電量を約2倍に向上させることができる。この場合には、各圧電素子2,4は同じ特性となるので、電極を共通化でき、図5の(b)のように各圧電素子2,4から発生した電荷を同じ整流回路74を用いて整流できる。
〔第2実施例〕
図9は本発明に係る圧電発電装置の第2実施例を示す。本実施例の圧電発電装置Bにおいて、第1実施例と共通する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。図9の(a)は図3(a)と対応する部分の断面図であり、図9の(b)は図3(b)と対応する部分の断面図である。この実施例では、第1錘3の中央部上面に凸部3cが形成され、凸部3cの両側に一段低い段差部3d,3eが形成されている。第1錘3の凸部3cが第1の圧電素子2の自由端2bの下面に固定されると共に、段差部3d,3eが第2の圧電素子4の固定端4a側の下方に配置されている。一方、第2錘5の両端部上面には凸部5b,5cが形成され、これら凸部5b,5cの中間に一段低い凹部5dが形成されている。第2錘5の凸部5b,5cが第2の圧電素子4,4の自由端4bの下面に固定されると共に、凹部5dが第1の圧電素子2の固定端2a側の下方に配置されている。
図9は本発明に係る圧電発電装置の第2実施例を示す。本実施例の圧電発電装置Bにおいて、第1実施例と共通する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。図9の(a)は図3(a)と対応する部分の断面図であり、図9の(b)は図3(b)と対応する部分の断面図である。この実施例では、第1錘3の中央部上面に凸部3cが形成され、凸部3cの両側に一段低い段差部3d,3eが形成されている。第1錘3の凸部3cが第1の圧電素子2の自由端2bの下面に固定されると共に、段差部3d,3eが第2の圧電素子4の固定端4a側の下方に配置されている。一方、第2錘5の両端部上面には凸部5b,5cが形成され、これら凸部5b,5cの中間に一段低い凹部5dが形成されている。第2錘5の凸部5b,5cが第2の圧電素子4,4の自由端4bの下面に固定されると共に、凹部5dが第1の圧電素子2の固定端2a側の下方に配置されている。
この実施例の圧電発電装置Bでは、第1実施例に比べて、段差部3d,3eと第2の圧電素子4,4の固定端4aとの上下方向の隙間δ1、及び凹部5dと第1の圧電素子2の固定端2aとの上下方向の隙間δ2を拡大できるので、破線で示すように第1の圧電素子2及び第2の圧電素子4,4が上方へ大きく変位しても、段差部3d,3eによって第1錘3が第2の圧電素子4,4と接触せず、凹部5dによって第2錘5が第1の圧電素子2と接触しない。そのため、外部振動による変位が重力加速度による変位より大きい場合でも、錘と圧電素子との干渉を防止できる。この実施例では、第1の圧電素子2と第2の圧電素子4,4とをより大きく撓ませることができるので、発電量の増大を図ることができる。
〔第3実施例〕
図10、図11は本発明に係る圧電発電装置の第3実施例を示す。本実施例の圧電発電装置Cにおいて、第1実施例と共通する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例では、第1の圧電素子を一対の素子2,2で構成した点が第1実施例と異なる。これら第1の圧電素子2,2は一対の第2の圧電素子4,4の間に位置している。第1錘3は、第1の圧電素子2,2の自由端同士を連結するように固定され、第1錘3の幅方向両端部3a,3bが第2の圧電素子4,4の固定端側の下方に非接触で位置している。第2錘5は、第2の圧電素子4,4の自由端同士を連結するように固定され、その中間部5aが第1の圧電素子2,2の固定端側の下方に非接触で位置している。なお、第2実施例(図9)と同様に、第1錘3及び第2錘5の上面に凸部や凹部を設けてもよい。
図10、図11は本発明に係る圧電発電装置の第3実施例を示す。本実施例の圧電発電装置Cにおいて、第1実施例と共通する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例では、第1の圧電素子を一対の素子2,2で構成した点が第1実施例と異なる。これら第1の圧電素子2,2は一対の第2の圧電素子4,4の間に位置している。第1錘3は、第1の圧電素子2,2の自由端同士を連結するように固定され、第1錘3の幅方向両端部3a,3bが第2の圧電素子4,4の固定端側の下方に非接触で位置している。第2錘5は、第2の圧電素子4,4の自由端同士を連結するように固定され、その中間部5aが第1の圧電素子2,2の固定端側の下方に非接触で位置している。なお、第2実施例(図9)と同様に、第1錘3及び第2錘5の上面に凸部や凹部を設けてもよい。
第1の圧電素子2,2の各幅W1,W2(但し、W1=W2)と、第2の圧電素子4,4の各幅W3,W4(但し、W3=W4)とが相違(W1,W2≠W3,W4)していてもよいし、同一(W1=W2=W3=W4)であってもよい。W1,W2≠W3,W4の場合には、図7のように異なる周波数で発電量のピークが発生する。W1=W2=W3=W4の場合には、第1の圧電素子2,2(錘を含む)の共振周波数と、第2の圧電素子4,4(錘を含む)の共振周波数とが一致し、図8のように所定の周波数において発電量を倍加させることができる。
この実施例では、第1の圧電素子2,2と第2の圧電素子4,4が共に一対の素子で構成されているので、第1錘3、第2錘5が上下に振動したとき、第1の圧電素子2,2及び第2の圧電素子4,4の捩れを抑制でき、撓み振動を効率よく発生させることができる。
〔第4実施例〕
図12は本発明に係る圧電発電装置の第4実施例を示す。本実施例の圧電発電装置Dでは、上側から見た際に、第1の圧電素子2を一端部(固定端)から他端部(自由端)に向かって漸次幅狭となる2等辺三角形状とし、第2の圧電素子4,4を第1の圧電素子2の斜辺と平行な斜辺を持つ直角三角形状としたものである。なお、いずれの圧電素子2,4も頂部が鋭角状に尖った三角形状としたが、頂部に所定の幅を持つ台形状としてもよい。図12において、斜線部が錘3,5と圧電素子2,4との結合部である。
図12は本発明に係る圧電発電装置の第4実施例を示す。本実施例の圧電発電装置Dでは、上側から見た際に、第1の圧電素子2を一端部(固定端)から他端部(自由端)に向かって漸次幅狭となる2等辺三角形状とし、第2の圧電素子4,4を第1の圧電素子2の斜辺と平行な斜辺を持つ直角三角形状としたものである。なお、いずれの圧電素子2,4も頂部が鋭角状に尖った三角形状としたが、頂部に所定の幅を持つ台形状としてもよい。図12において、斜線部が錘3,5と圧電素子2,4との結合部である。
この実施例では、第1側壁部11から距離L1だけ離れた位置での第1の圧電素子2の幅をW1、第2側壁部12から同一距離L1だけ離れた位置での第2の圧電素子4,4の幅をW2,W3とした場合、次のように設定するのが望ましい。
W1=W2+W3
W1=W2+W3
特に、W1:W2:W3=2:1:1とするのが望ましい。このように設定することで、第1の圧電素子2(第1錘3を含む)の共振周波数と、第2の圧電素子4,4(第2錘5を含む)の共振周波数とがほぼ等しくなり、所定の周波数において発電量を倍加させることができる。
〔第5実施例〕
図13は本発明に係る圧電発電装置の第5実施例を示す。本実施例の圧電発電装置Eでは、第1の圧電素子を二等辺三角形状の一対の素子2,2で構成し、第2の圧電素子も第1の圧電素子2,2と合同な二等辺三角形状の一対の素子4,4で構成した点を特徴としている。
図13は本発明に係る圧電発電装置の第5実施例を示す。本実施例の圧電発電装置Eでは、第1の圧電素子を二等辺三角形状の一対の素子2,2で構成し、第2の圧電素子も第1の圧電素子2,2と合同な二等辺三角形状の一対の素子4,4で構成した点を特徴としている。
この実施例では、第1側壁部11から距離L1だけ離れた位置での第1の圧電素子2,2の幅をW1,W2、第2側壁部12から同一距離L1だけ離れた位置での第2の圧電素子4,4の幅をW3,W4とした場合、
W1+W2=W3+W4
とするのがよく、特に、W1=W2=W3=W4とすることで、第1の圧電素子2,2(第1錘3を含む)の共振周波数と、第2の圧電素子4,4(第2錘5を含む)の共振周波数とをほぼ等しくできる。第1の圧電素子2,2を一対の素子で構成することにより、第1の圧電素子2,2に捩れが発生し難くなり、発電効率が向上する。
W1+W2=W3+W4
とするのがよく、特に、W1=W2=W3=W4とすることで、第1の圧電素子2,2(第1錘3を含む)の共振周波数と、第2の圧電素子4,4(第2錘5を含む)の共振周波数とをほぼ等しくできる。第1の圧電素子2,2を一対の素子で構成することにより、第1の圧電素子2,2に捩れが発生し難くなり、発電効率が向上する。
〔第6実施例〕
図14、図15、図16は本発明に係る圧電発電装置の第6実施例を示す。この圧電発電装置Fでは、箱型のハウジング1の対向する2つの側壁部11,12の上面に出力端子(ホット側端子)81,82がそれぞれ固定され、その上に圧電素子を構成する振動板6が配置されている。出力端子81,82上には、振動板6の下面に形成された出力側電極(図4に符号66,67で示す)がそれぞれ接合され、電気的に接続されている。振動板6には、櫛歯状の複数の圧電素子2,4が形成されている。この実施例では、第1の圧電素子が2本の素子2,2で構成され、第2の圧電素子が3本の素子4,4,4で構成され、これら素子が交互にかみ合っている。素子の本数を増やすことで、さらなる発電量の増大を図ることができる。振動板6の枠部61の幅方向両側には、ハウジング1の側壁にそって下方へ延びる出力端子(接地側端子)64,65が一体に形成されている。そのため、ハウジング1の4つの側壁にそれぞれ出力端子81,82及び64,65が設けられている。
図14、図15、図16は本発明に係る圧電発電装置の第6実施例を示す。この圧電発電装置Fでは、箱型のハウジング1の対向する2つの側壁部11,12の上面に出力端子(ホット側端子)81,82がそれぞれ固定され、その上に圧電素子を構成する振動板6が配置されている。出力端子81,82上には、振動板6の下面に形成された出力側電極(図4に符号66,67で示す)がそれぞれ接合され、電気的に接続されている。振動板6には、櫛歯状の複数の圧電素子2,4が形成されている。この実施例では、第1の圧電素子が2本の素子2,2で構成され、第2の圧電素子が3本の素子4,4,4で構成され、これら素子が交互にかみ合っている。素子の本数を増やすことで、さらなる発電量の増大を図ることができる。振動板6の枠部61の幅方向両側には、ハウジング1の側壁にそって下方へ延びる出力端子(接地側端子)64,65が一体に形成されている。そのため、ハウジング1の4つの側壁にそれぞれ出力端子81,82及び64,65が設けられている。
図15に示すように、第2錘5の上面には、第2の圧電素子4,4,4の自由端の下面に接合される複数の凸部5eが形成され、凸部5e以外の上面には2つの凹部5fが形成されている。この凹部5fの上方に第1の圧電素子2,2の固定端側が位置するので、第2錘5が上下に変位しても第1の圧電素子2,2と干渉することがない。なお、第1錘3についても第2錘5と同様に凸部3fと凹部3gとが形成され、凸部3fが第1の圧電素子2の自由端の下面に接合されている。なお、図15、図16では圧電素子2,4が撓んでいない状態を示しているが、外部振動が作用していない通常状態において、圧電素子2,4が第1錘3及び第2錘5に作用する重力によって下方に撓んでいても良い。
ハウジング1の上面にはキャップ9が接着され、ハウジング1の内部が密封されている。そのため、この圧電発電装置Fを封止構造の1個の電子部品として取り扱うことができ、他の電子部品と同様にプリント配線基板上に実装できる。
本発明に係る圧電発電装置は上述の実施例に限られるものではなく、種々変更可能であることは勿論である。第1錘及び第2錘の形状は任意である。例えば、第1錘及び第2錘の一端部を第1の圧電素子及び第2圧電素子との結合部から対向方向に延長し、両錘の間にできる空間を縮小するようにしてもよい。この場合は、2つの錘が接近するので、さらに無駄な空間を小さくできる。第1錘及び第2錘の形状を、幅方向の中心軸CLに対して線対称としたが、線対称である必要はない。但し、圧電素子に捩れモードが発生する可能性があるので、錘の重心を圧電素子の幅方向中心線上に配置するのがよい。
A〜F 圧電発電装置
1 ハウジング(固定部材)
11,12 側壁部(第1,第2の固定部)
2 第1の圧電素子
2a 一端部(固定端)
2b 他端部(自由端)
3 第1錘
3a,3b 端部
4 第2の圧電素子
4a 一端部(固定端)
4b 他端部(自由端)
5 第2錘
5a 中間部
6 振動板
61 枠部
62 第1梁部
63 第2梁部
66,67 電極
71,72,74 整流回路
73 蓄電素子
81,82 出力端子
9 カバー(キャップ)
1 ハウジング(固定部材)
11,12 側壁部(第1,第2の固定部)
2 第1の圧電素子
2a 一端部(固定端)
2b 他端部(自由端)
3 第1錘
3a,3b 端部
4 第2の圧電素子
4a 一端部(固定端)
4b 他端部(自由端)
5 第2錘
5a 中間部
6 振動板
61 枠部
62 第1梁部
63 第2梁部
66,67 電極
71,72,74 整流回路
73 蓄電素子
81,82 出力端子
9 カバー(キャップ)
Claims (7)
- 空間をあけて対向する第1と第2の固定部を有する固定部材と、
前記第1の固定部に一端部が固定され、他端部が第2の固定部に向かって延びる第1の圧電素子と、
前記第1の圧電素子の他端部に結合された第1錘と、
前記第2の固定部に一端部が固定され、他端部が第1の固定部に向かって延びる第2の圧電素子と、
前記第2の圧電素子の他端部に結合された第2錘と、を備え、
前記第1の圧電素子と第2の圧電素子とは幅方向に間隔をあけて配置され、
前記第1の圧電素子の他端部に結合された第1錘は、その一部が第2の圧電素子の一端部側の下方に位置しており、
前記第2の圧電素子の他端部に結合された第2錘は、その一部が第1の圧電素子の一端部側の下方に位置していることを特徴とする、圧電発電装置。 - 前記第2の圧電素子は一対の素子で構成され、
前記第1の圧電素子を間にして前記一対の第2の圧電素子が幅方向両側に配置され、
前記第1錘は、その両端部が前記一対の第2の圧電素子の一端部側の下方に位置するように、前記第1の圧電素子の他端部から幅方向両側に突出形成され、
前記第2錘は、前記一対の第2の圧電素子の他端部間を連結するように結合され、当該第2錘の中間部が前記第1の圧電素子の一端部側の下方に位置していることを特徴とする、請求項1に記載の圧電発電装置。 - 前記第1の圧電素子及び第2の圧電素子は、それぞれ複数の素子で構成されており、
前記第1の圧電素子を構成する複数の素子と、前記第2の圧電素子を構成する複数の素子とが交互にかみ合うように配置されており、
前記第1の圧電素子を構成する複数の素子の他端部間を連結するように1つの第1錘が結合されており、
前記第2の圧電素子を構成する複数の素子の他端部間を連結するように1つの第2錘が結合されていることを特徴とする、請求項1に記載の圧電発電装置。 - 前記第1錘が前記第2の圧電素子の一端部側と接触しないように、前記第1の圧電素子の他端部は第2の圧電素子の一端部より低い位置にあり、
前記第2錘が前記第1の圧電素子の一端部側と接触しないように、前記第2の圧電素子の他端部は第1の圧電素子の一端部より低い位置にある、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の圧電発電装置。 - 前記第1錘の上面に、前記第1の圧電素子の他端部下面に結合される凸部が形成され、前記凸部を除く第1錘の上面が当該凸部より低く形成され、
前記第2錘の上面に、前記第2の圧電素子の他端部下面に結合される凸部が形成され、前記凸部を除く第2錘の上面が当該凸部より低く形成されている、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の圧電発電装置。 - 前記第1錘を含む第1の圧電素子の屈曲振動の共振周波数と、前記第2錘を含む第2の圧電素子の屈曲振動の共振周波数とが一致している、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の圧電発電装置。
- 前記第1の圧電素子及び第1錘と、前記第2の圧電素子及び第2錘とは、幅方向中心軸を中心として線対称に形成されている、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の圧電発電装置。
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CN104270034A (zh) * | 2014-10-20 | 2015-01-07 | 吉林大学 | 一种曲面压电发电悬臂梁 |
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JP5800345B1 (ja) * | 2015-02-13 | 2015-10-28 | 新川センサテクノロジ株式会社 | ワイヤレスセンサ、これを用いた監視システム及び監視方法 |
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KR20180066787A (ko) * | 2016-12-09 | 2018-06-19 | 고쿠리츠다이가쿠호우진 도쿄다이가쿠 | 확률 공진을 통한 진동 에너지 수확기 및 이를 이용한 진동 에너지 수확 시스템 |
WO2018207507A1 (ja) * | 2017-05-09 | 2018-11-15 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 発電装置およびそれを用いたセンサ内蔵体 |
WO2019021400A1 (ja) * | 2017-07-26 | 2019-01-31 | 株式会社 トライフォース・マネジメント | 発電素子 |
CN108960531B (zh) * | 2018-07-27 | 2021-12-28 | 南方科技大学 | 一种环境发电处理方法 |
JP2019030220A (ja) * | 2018-08-09 | 2019-02-21 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 発電素子 |
CN109039156B (zh) * | 2018-08-17 | 2020-06-02 | 湘潭大学 | 一种双梁弯扭耦合振动模式的压电俘能器 |
CN109687762B (zh) * | 2019-01-11 | 2019-12-31 | 西南交通大学 | 一种弯扭双重弹性耦合的阵列式集能器 |
WO2020170938A1 (ja) * | 2019-02-22 | 2020-08-27 | 株式会社村田製作所 | 振動装置 |
CN110165934B (zh) * | 2019-05-13 | 2024-05-14 | 苏州市职业大学 | 一种收集路人踩踏能量的多层压电发电装置及其使用方法 |
CN115348903A (zh) * | 2020-04-06 | 2022-11-15 | 株式会社村田制作所 | 振动装置 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0749388A (ja) * | 1993-08-04 | 1995-02-21 | Seiko Epson Corp | 発電機 |
JPH11136964A (ja) * | 1997-10-30 | 1999-05-21 | Nippon Soken Inc | 圧電式電源装置 |
JP2010273408A (ja) * | 2009-05-19 | 2010-12-02 | Emprie Technology Development LLC | 電力装置、電力発生方法、電力装置の製造方法 |
Family Cites Families (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07245970A (ja) | 1994-03-02 | 1995-09-19 | Calsonic Corp | 圧電素子発電装置 |
EP1700351B1 (en) | 2003-12-29 | 2007-10-03 | Pirelli Tyre S.p.A. | Method and system for generating electrical energy within a vehicle tyre |
US7471033B2 (en) * | 2004-10-21 | 2008-12-30 | Michelin Recherche Et Technique S.A. | Energy harvester with adjustable resonant frequency |
WO2007061610A1 (en) * | 2005-11-18 | 2007-05-31 | Par Technologies, Llc | Human powered piezoelectric power generating device |
US8024974B2 (en) * | 2005-11-23 | 2011-09-27 | 3M Innovative Properties Company | Cantilevered bioacoustic sensor and method using same |
DE602006009761D1 (de) * | 2006-03-28 | 2009-11-26 | Infineon Technologies Sensonor | Vorrichtung zum Sammeln von Energie |
DE102008012659B4 (de) * | 2007-04-16 | 2019-02-21 | Continental Teves Ag & Co. Ohg | Reifenmodul mit piezoelektrischem Wandler |
US9048419B2 (en) * | 2007-05-31 | 2015-06-02 | Wayne State University | Piezo devices with air-spaced cantilever |
CN101272109A (zh) * | 2008-05-07 | 2008-09-24 | 中国科学院电工研究所 | 一种宽频带压电振动发电装置 |
KR20100049730A (ko) * | 2008-11-04 | 2010-05-13 | 한국전기연구원 | 압전소자를 이용한 자가발전 장치 |
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Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPH0749388A (ja) * | 1993-08-04 | 1995-02-21 | Seiko Epson Corp | 発電機 |
JPH11136964A (ja) * | 1997-10-30 | 1999-05-21 | Nippon Soken Inc | 圧電式電源装置 |
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