JP6179851B2

JP6179851B2 - 圧電型振動発電装置

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Publication number: JP6179851B2
Application number: JP2013104333A
Authority: JP
Inventors: 安達　和彦; 和彦安達; 秀雄藤谷; 洋一向井; 松永　裕樹; 裕樹松永; 良典高橋; 宏和吉岡; 竜太井上; 仁士松下
Original assignee: Takenaka Corp; Kobe University NUC
Current assignee: Takenaka Corp; Kobe University NUC
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: JP2014225576A

Description

本発明は、圧電型振動発電装置に関する。

従来から、圧電素子を利用した、振動エネルギーの発電利用が進められている。振動エネルギーとしては、広く人間の動作、設備機器、道路交通、建設工事、風、地震などの様々な要因により発生する振動が対象とされている。
振動片を片持ち梁構造とした発電装置としては、例えば特許文献１がある。

特許文献１は、固定端側が固定された片持ち梁状の振動片を有し、自由端は駆動系によって加振されている。また、振動片は、ニオブ酸リチウム単結晶基板で構成された圧電体で形成され、圧電体の上面及び下面には、起電圧を取り出す電極が設けられている。圧電体は、接着層を介さず分極され、反転分極層或いは直接接合により接着層のないバイモルフ振動片を形成している。これにより、人間の動きなどに連動して、自由端が加振され、振動エネルギーで発電している。

特開平９−１８２４６５号公報

しかし、特許文献１の発電装置は、圧電体が振動片を構成しており、自由端が受けることができる加振力の大きさ、又は強制変位の大きさは、圧電体の変形に対する耐久性に制約される。
本発明は、上記事実に鑑み、圧電体の変形に対する耐久性に制約されずに、加振力又は強制変位を受ける圧電型振動発電装置を提供することを目的とする。

第１態様に係る圧電型振動発電装置は、支持部に固定されて片持状に張出し、固定端側の幅が自由端側の幅より小さい、又は同等の板片と、前記板片に取付けられ、前記板片が加振力を受け又は強制変位されたとき、前記板片と共に変形し歪が生じることで発電する圧電体と、を有することを特徴としている。

第１態様に係る圧電型振動発電装置によれば、振動による加振力又は強制変位は、板片を介して圧電体に加えられる。これにより、圧電体の変形に対する耐久性に制約されず、加振力又は強制変位を受けることができる。また、本発明の板片は、固定端側の幅が自由端側の幅より小さい、又は同等とされている。これにより、平面視が三角形で、固定端側の幅が自由端側の幅より大きい板片より、本請求項の板片は大きく歪み、板片に取付けられた圧電体の発電効率を高くすることができる。
この歪特性は、自由端に錘を固定して支持部を加振又は強制変位させた場合、及び自由端に錘を固定して自由端を加振又は強制変位させた場合のいずれでも得ることができる。更に、自由端側に錘を設けず支持部を加振又は強制変位させた場合、及び自由端側に錘を設けず自由端を加振又は強制変位させた場合のいずれでも得ることができる。

第２態様に係る圧電型振動発電装置は、第１態様に係る圧電型振動発電装置において、前記圧電体は、前記板片の前記固定端側に取付けられていることを特徴としている。
片持ち梁とされた板片の歪量は、自由端側より固定端側の方が大きい。即ち、板片の固定端側に圧電体を取付けることで、圧電体の歪量を大きくし、圧電体の発電量を大きくすることができる。

第３態様に係る圧電型振動発電装置は、第１態様又は第２態様に係る圧電型振動発電装置において、前記圧電体は、前記板片の長手方向に所定間隔で前記板片に取付けられた支持片を備え、前記支持片には、前記圧電体が架け渡されていることを特徴としている。

第３態様に係る圧電型振動発電装置によれば、支持片により、圧電体が板片の表面から所定距離だけ離されて取付けられる。これにより、圧電体の歪量を板片の歪量より大きくすることができる。この結果、必要な発電量を、板片の小さい変形から得ることができる。

第４態様に係る圧電型振動発電装置は、第１態様〜第３態様のいずれか１つに係る圧電型振動発電装置において、前記圧電体は、棒状の圧電セラミックスを接着してシート状としたセラミックスシートと、前記セラミックスシートの両面に配置され電極が印刷されたポリイミドフィルムと、を備え、前記セラミックスシートと前記ポリイミドフィルムを、エポキシ樹脂で接合した膜型圧電セラミックスであることを特徴としている。

第４態様に係る圧電型振動発電装置によれば、圧電体が膜型圧電セラミックス（Piezocomposite、圧電コンポジット、又はＭＦＣ）とされている。即ち、膜型圧電セラミックスは、シート状に形成されているので、板片の表面が平面でなく曲面状に反っていても、曲面に沿って接合することができる。また、厚さ方向の曲げ変形の自由度が大きいので、板片が大きく変形しても、損傷なく板片に追従することができる。

第５態様に係る圧電型振動発電装置は、第１態様〜第４態様のいずれか１つに係る圧電型振動発電装置において、前記板片は、平面視において、左右非対称に形成されていることを特徴としている。
これにより、振動時の板片の板厚方向の変形とねじれ変形を、有効に発電に活用することができる。

本発明は、上記構成としてあるので、圧電体の変形に対する耐久性に制約されずに、加振力又は強制変位を受ける圧電型振動発電装置を提供することができる。

（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る圧電型振動発電装置の基本構成を示す平面図であり、（Ｂ）はその側面図である。（Ａ）は本発明の圧電型振動発電装置で使用される膜型圧電セラミックスの基本構成を示す分解斜視図であり、（Ｂ）はその側面図であり、（Ｃ）はその平面図である。本発明の圧電型振動発電装置で使用される膜型圧電セラミックスの電気特性を示す図である。（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る圧電型振動発電装置で使用される板片の歪特性シミュレーションモデルの斜視図であり、（Ｂ）の（Ｂ１）〜（Ｂ６）は板片の斜視図である。（Ａ）は、図４の（Ｂ１）に示す板材のシミュレーション条件を示す斜視図であり、（Ｂ）、（Ｃ）はそのシミュレーション結果を示す特性図である。（Ａ）は、図４の（Ｂ２）に示す板材のシミュレーション条件を示す斜視図であり、（Ｂ）、（Ｃ）はそのシミュレーション結果を示す特性図である。（Ａ）は、図４の（Ｂ３）に示す板材のシミュレーション条件を示す斜視図であり、（Ｂ）、（Ｃ）はそのシミュレーション結果を示す特性図である。（Ａ）は、図４の（Ｂ５）に示す板材のシミュレーション条件を示す斜視図であり、（Ｂ）、（Ｃ）はそのシミュレーション結果を示す特性図である。（Ａ）、（Ｂ）はいずれも、本発明の第１実施形態に係る圧電型振動発電装置のシミュレーション結果をまとめた特性図である。（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係る圧電型振動発電装置の展開例を示す平面図であり、（Ｂ）はその側面図であり、（Ｃ）は他の展開例を示す平面図であり、（Ｄ）は、他の展開例を示す側面図である。（Ａ）は、本発明の第２実施形態に係る圧電型振動発電装置の板材の外観を示す斜視図であり、（Ｂ）、（Ｃ）はそのシミュレーション結果を示す特性図である。（Ａ）は、本発明の第３実施形態に係る圧電型振動発電装置の基本構成を示す平面図であり、（Ｂ）はその側面図である。（Ａ）は、本発明の第３実施形態に係る圧電型振動発電装置の板材の外観を示す斜視図であり、（Ｂ）、（Ｃ）はそのシミュレーション結果を示す特性図である。（Ａ）は、本発明の第４施形態に係る圧電型振動発電装置の板材の外観を示す斜視図であり、（Ｂ）はその側面図であり、（Ｃ）、（Ｄ）は板材を変形させた場合の側面図である。（Ａ）は、本発明の第４実施形態に係る圧電型振動発電装置の他の展開例を示す斜視図であり、（Ｂ）はその側面図であり、（Ｃ）、（Ｄ）は板材を変形させた場合の側面図である。（Ａ）は、本発明の第５実施形態に係る圧電型振動発電装置の基本構成を示す側面図であり、（Ｂ）、（Ｃ）は板材を変形させた場合の側面図である。（Ａ）は、本発明の第６実施形態に係る圧電型振動発電装置の基本構成を示す平面図であり、（Ｂ）はその側面図であり、（Ｃ）は展開例を示す平面図であり、（Ｄ）は他の展開例を示す平面図である。（Ａ）は、本発明の第６実施形態に係る圧電型振動発電装置の他の展開例を示す側面平面図であり、（Ｂ）も他の展開例を示す斜視図である。

（第１実施形態）
図１（Ａ）の平面図、図１（Ｂ）の側面図に示すように、第１実施形態に係る圧電型振動発電装置１０は、固定部１６から、片持状に長さＬＢで張出された振動片１２を有している。振動片１２は、板厚Ｔ１の鋼製平板で形成され、平面視で中心線Ｃ１に対して左右対称とされている。振動片１２は、固定部１６に、図示しない固定手段で固定される。このとき、固定端１２Ｋの幅Ｗ１は、自由端１２Ｊの幅Ｗ２より小さくされ、振動片１２の固定端１２Ｋと自由端１２Ｊの間は、平面形状が直線状に変化している。

振動片１２は、固定部１６に、板厚方法（矢印の方向）の加振力Ｐを受けたとき、又は強制変位を受けたとき、矢印Ｆの方向へ変形する。また、同様に、自由端１２Ｊに板厚方法の加振力を受けても、矢印Ｆの方向へ変形する。ここに、固定端１２Ｋの幅Ｗ１と、自由端１２Ｊの幅Ｗ２の比ｒ（ｒ＝Ｗ１／Ｗ２）は、０．５前後（ｒ≒０．５）を目安とすることができる。振動片１２をこのような、逆台形形状とすることで、後述するように、片持ち梁とされた振動片１２の、固定端１２Ｋに近い範囲（固定端側）の歪量を、例えば、固定端１２Ｋの幅Ｗ１が、自由端１２Ｊの幅Ｗ２より大きい振動片の、同じ位置における歪量より大きくすることができる。

振動片１２の表面には、膜型圧電セラミックス（Piezocomposite、圧電コンポジット、又はＭＦＣ）１４が貼り付けられている（網掛け部分）。膜型圧電セラミックス１４は、後述するように、歪が生じることで、歪み量に比例した電圧を発生させる圧電体であり、幅ＷＡ、長さＬＡの長方形に成形され、振動片１２の両面の固定端１２Ｋに近い位置（固定端からの距離Ｌ１＜自由端からの距離Ｌ２）に、部分的に張り付けられている。
膜型圧電セラミックス１４は、振動片１２の中心線Ｃ１に対して、平面視で左右対称に形成され、振動片１２の表面に張り付けられている。これにより、振動片１２と一体となって変形し、振動片１２の変形に伴い、歪量に応じた電力を発生させる。発生させた電力は、リード線１２２で取り出され、図示しない整流回路や蓄電回路を介して、利用することができる。

この構成とすることにより、振動片１２に加えられた加振力Ｐ又は強制変位は、振動片１２を介して膜型圧電セラミックス１４に加えられる。これにより、膜型圧電セラミックス１４に、加振力Ｐが直接加えられることはなく、振動片１２の変形に対する耐久性を調節することで、膜型圧電セラミックス１４の変形量（歪量）を調整することができる。
また、本発明の振動片１２の幅は、固定端１２Ｋの幅Ｗ１が自由端１２Ｊの幅Ｗ２より小さくされている。これにより、後述するように、例えば、同じ板厚Ｔ１、同じ張出し長さＬＢとして自由端１２Ｊを加振したとき、平面視が三角形で、固定端１２Ｋの幅Ｗ１が自由端１２Ｊの幅Ｗ２より大きい三角形板片より大きく歪む。これにより、加振力が小さくても、より大きな発電電力を生み出すことが可能となり、膜型圧電セラミックス１４での発電に必要な振動を、広い範囲で確保することができる。
この歪特性は、自由端１２Ｊに錘を固定し、支持部１６を加振した場合も同様となる。
また、自由端１２Ｊの近傍より、固定端１２Ｋの近傍が大きく歪むので、固定端１２Ｋに近い位置に膜型圧電セラミックス１４を取付けることで、膜型圧電セラミックス１４の歪量を大きくすることができる。この結果、小さな加振力Ｐ又は強制変位でも、発電に必要な歪量を確保することができる。又は、より小さな面積の膜型圧電セラミックス１４で、同等の発電電力を得ることができる。

次に、膜型圧電セラミックス１４について説明する。
図２（Ａ）の斜視図に示すように、膜型圧電セラミックス（Piezocomposite、圧電コンポジット、又はＭＦＣ）１４は、棒状の圧電セラミックス１２８を一列に並べ、間に挟んだエポキシ樹脂１２６で接着してシート状としたセラミックスシート１２７を有し、セラミックスシート１２７の両面には、電極１２５が印刷されたポリイミドフィルム１２４を配置し、セラミックスシート１２７とポリイミドフィルム１２４を、エポキシ樹脂１２６で接合した構成である。これにより、シート状の圧電体（膜型圧電セラミックス）が形成される。

図２（Ｂ）の側面図、図２（Ｃ）の平面図に示すように、膜型圧電セラミックス１４は、一方の表面が、振動片１２の表面に貼り付けられ、振動片１２と一体となって変形可能とされている。また、膜型圧電セラミックス１４の電極１２５には、リード線１２２が取り付けられ、膜型圧電セラミックス１４が発電した電力を出力する。
この構成とすることにより、振動片１２が、固定端１２Ｋ又は自由端１２Ｊに加振力を受けて矢印Ｑの方向へ変形され、膜型圧電セラミックス１４に歪が生じると、膜型圧電セラミックス１４は、歪量に比例した電力を発生させる。膜型圧電セラミックス１４は、薄膜状とされており、コンパクトな発電装置を提供できる。
また、膜型圧電セラミックスは、シート状に形成されているので、振動片１２の表面が平面でなく曲面状に反っていても、曲面に沿って接合することができる。また、厚さ方向の曲げ変形の自由度が大きいので、振動片１２が大きく変形されても、損傷なく板片に追従することができる。

更に、膜型圧電セラミックス１４は、圧電セラミック１２８の両側面に、リード線１２２を介して電圧を印加すれば、印加された電圧に従った歪が圧電セラミック１２８に生じ、膜型圧電セラミックス１４を矢印Ｑの方向へ変形させる。これにより、振動片１２の両側面の膜型圧電セラミックス１４に、同時に同じ印加電圧を印加することで、振動片１２を両側面から矢印Ｑの方向に伸縮させることができる。即ち、振動片１２に固定することで、印加電圧に応じて振動片１２を伸縮させるアクチュエータとして機能させることもできる。

図３は、印加電圧と発生出力の関係の一例を示す特性図である。横軸は印加電圧（Ｖ）であり、縦軸は発生出力（Ｎ）である。実験に使用した圧電型振動発電装置１０は、厚さ０．４ｍｍの振動片（基板）１２の両面に、膜型圧電セラミックス１４を固着させた構成であり、印加電圧（Ｖ）と発生出力（Ｎ）の関係を測定した。
実験結果は、特性ＰＶで示すように、印加電圧（Ｖ）が正（特に鋼板の引張側）の範囲では、特性ＰＶはほぼ直線となっており、印加電圧（Ｖ）に比例した発生出力（Ｎ）が得られていることが分かる。この特性は、膜型圧電セラミックス１４を歪量に応じて発電する発電装置として機能させる場合も同じ傾向を示すことから、振動片１２に加振力を加えて振動させた場合には、発生する歪量に応じて発電させることができる。

次に、振動片１２の形状と歪量、及び発電量の関係について、シミュレーション結果に基づいて説明する。
図４（Ａ）は、シミュレーションモデルを示している。振動片１２の固定端１２Ｋは固定部１６に固定され、長さＬＢで張り出された自由端１２Ｊには、錘２０が取り付けられている。シミュレーションに際しては、固定部１６に、矢印方向（Ｚ軸方向）の加振力１８を加えた。加振力１８は、各周波数成分が１０Ｎのパルス波を入力した。

シミュレーションは、図４（Ｂ）の（Ｂ１）〜（Ｂ６）の斜視図に示す、形状の異なる６種類の振動片５６、５７、５８、３０、１２、２６について行った。
ここに、図４（Ｂ１）の振動片５６は、幅Ｗ１と幅Ｗ２が同じで、板厚Ｔｘを歪量が一定の２次曲線に沿って、長さ方向に変化させた形状である。図４（Ｂ２）の振動片５７は、板厚Ｔ１が一定で、固定部１６が幅Ｗ１で、長さ方向に沿って、幅Ｗｘを歪量が一定の三角形状に変化させた形状である。図４（Ｂ３）の振動片５８は、板厚Ｔ１が一定で、三角形状の先端を一部切り離し、固定端側の幅Ｗ１が、自由端側の幅Ｗ２より広い台形形状である。図４（Ｂ５）の振動片１２は、本実施形態の振動片１２であり、板厚Ｔ１が一定で、自由端側の幅Ｗ２が、固定端側の幅Ｗ１より広い逆台形形状に変化させた。
なお、図４（Ｂ４）については第３実施形態で説明し、図４（Ｂ６）については、第２実施形態で説明する。

シミュレーションにおいては、４種類の振動片５６、５７、５８、１２の張出し長さＬＢは、いずれもＬＢ＝５０ｍｍとし、体積Ｖは、いずれもＶ＝１０００ｍｍ^３で一定とした。また、減衰定数は２％とし、錘の重さを１ｋｇ（１２．５×５０×１００ｍｍの鉄）とした。錘は先端の中心１点に質点荷重としてモデル化した。なお、図４（Ｂ１）〜図４（Ｂ６）では、錘の記載は省略している。また、質点系の１次固有振動数が２０Ｈｚで一律となるよう、振動片５６、５７、５８、１２の幅寸法Ｗを調整した。

図５は、図４（Ｂ１）の振動片５６におけるシミュレーション結果を示している。図５（Ａ）は、振動片５６の座標軸と加振位置を示し、図５（Ｂ）は、振動片５６の長さ方向（Ｘ方向）の歪量を示し、図５（Ｃ）は、発電電力量に寄与する歪量の２乗の算出値を示している。
図５（Ｂ）は、振動片５６の幅Ｗ１、Ｗ２を１８．９ｍｍ、固定端５６Ｋの厚さＴＫを１．５８８ｍｍとした場合の結果であり、歪量の特性Ｕは、長さ方向の検討した範囲（ＬＢ＝５０ｍｍ）で、ほぼ一定の値（３×１０^−３）となっている。また、図５（Ｃ）から、発電電力量に寄与する歪量の２乗の算出値Ｖも、長さ方向にほぼ一定の値（１×１０^−５）であった。
この結果から、振動片５６の形状では、膜型圧電セラミックス１４を、どこの位置に取付けても、ほぼ同じ発電量を得ることができるといえる。

図６は、図４（Ｂ２）の振動片５７におけるシミュレーション結果を示している。図６（Ａ）は、振動片５７の座標軸と加振位置を示し、図６（Ｂ）は、振動片５７の長さ方向（Ｘ方向）の歪量を示し、図６（Ｃ）は、発電電力量に寄与する歪量の２乗の算出値を示している。
図６（Ｂ）は、振動片５７の板厚Ｔ１を１．２０５ｍｍ、幅Ｗ１を３３．２ｍｍとした場合の結果であり、歪量の特性Ｕは、長さ方向の検討した範囲（ＬＢ＝５０ｍｍ）で、ほぼ一定の値（３×１０^−３）となっている。また、図６（Ｃ）から、発電電力量に寄与する歪量の２乗の算出値も、長さ方向にほぼ一定の値（１×１０^−５）であった。
この結果から、振動片５７の形状においても、膜型圧電セラミックス１４を、どこの位置に取付けても、ほぼ同じ発電量を得ることができるといえる。

図７は、図４（Ｂ３）の振動片５８におけるシミュレーション結果を示している。図７（Ａ）は、振動片５８の座標軸と加振位置を示し、図７（Ｂ）は、振動片５８の長さ方向（Ｘ方向）の歪量を示し、図７（Ｃ）は、発電電力量に寄与する歪量の２乗の算出値を示している。
図７（Ｂ）は、振動片５８の板厚Ｔ１を１．２２６ｍｍ、幅Ｗ１を２７．２ｍｍとした場合の結果であり、歪量の特性Ｕは、長さ方向の固定端５８Ｋで大きく（約４×１０^−３）、自由端５８Ｊで小さく（約０．５×１０^−３）なっており、図７（Ｃ）から、発電電力量に寄与する歪量の２乗の算出値Ｖも、同じ傾向であった。即ち、固定端５８Ｋで大きく（約１．５×１０^−５）、自由端５８Ｊで小さく（約０．１×１０^−５）なっている。
この結果から、振動片５８の形状においては、膜型圧電セラミックス１４を、固定端側に取付ければ、上述した振動片５６、５７より、発電量を大きくすることができる。

図８は、図４（Ｂ５）の振動片１２（本実施形態の振動片）におけるシミュレーション結果を示している。図８（Ａ）は、振動片１２の座標軸と加振位置を示し、図８（Ｂ）は、振動片１２の長さ方向（Ｘ方向）の歪量を示し、図８（Ｃ）は、発電電力量に寄与する歪量の２乗の算出値を示している。
図８（Ｂ）は、振動片１２の板厚Ｔ１を１．５２４ｍｍ、幅Ｗ１を８．７５ｍｍ、幅Ｗ２を１７．５ｍｍとした場合の結果であり、歪量の特性Ｕは、長さ方向の固定端１２Ｋで大きく（約７．５×１０^−３）、自由端１２Ｊで小さく（約０．０×１０^−３）なっている。また、図８（Ｃ）から、発電電力量に寄与する歪量の２乗の算出値Ｖも、同じ傾向であった。即ち、固定端１２Ｋで大きく（約５．５×１０^−５）、自由端１２Ｊで小さく（約０．０×１０^−５）なっている。この結果から、振動片１２の形状においては、膜型圧電セラミックス１４を、固定端側に取付ければ、上述した振動片５６、５７、５８より、発電量を大きくすることができる。

図９に、以上のシミュレーション結果のまとめを示す。
図９（Ａ）は、膜型圧電セラミックス１４の取付け範囲を、固定端から張出し長さＬＢの２／３とした場合の、振動片５６、５７、５８、１２の発電効率を、振動片Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ５の棒グラフで示している。ここに、発電効率は、歪量の２乗の算出値Ｖを、各振動片の平面積で除して求めた。更に、三角形状の振動片５６の発電効率値を１００とした場合の、発電効率の割合で示している。
結果から、本実施形態の振動片１２は、三角形状の振動片５６の約１．７倍となり、比較した振動片５６、５７、５８よりも、発電効率が大きいことがわかる。

図９（Ｂ）は、膜型圧電セラミックス１４の平面寸法を８ｍｍ×１６ｍｍとし、発電電力量が最大となる位置に設置した場合の、振動片５６、５７、５８、１２の発電効率を示している。ここに発電効率は、歪量の２乗の算出値Ｖを、各振動片の平面積で除して求めた。更に、三角形状の振動片５６における値を１００とした場合の比較で示している。
結果から、本実施形態の振動片１２は、三角形状の振動片５６の約２．７倍となり、比較した中では発電効率が大きいことがわかる。
以上説明したように、本実施形態の振動片１２は、振動片５６、５７、５８よりも、効率良く発電可能な形状といえる。即ち、限られた膜型圧電セラミックス１４の面積の中で、発電効率が最大化できる。この結果、圧電材料等の部材の使用量の削減に寄与し、圧電型振動発電装置１０のコストダウンにつながる。

なお、本実施形態では、膜型圧電セラミックス１４を、振動片１２の一部に取付ける例で説明したが、これに限定されることはなく、図１０（Ａ）の平面図、図１０（Ｂ）の側面図に示すように、振動片１２の全面積を覆う大きさで取付けてもよい。膜型圧電セラミックス１４の面積を増やすことにより、圧電型振動発電装置１０の発電量を、更に増やすことができる。
また、本実施形態では、振動片１２の材質を鋼製平板で説明した。しかし、これに限定されることはなく、例えば樹脂やゴム等の、他の材質で形成してもよい。
また、図示は省略するが、本実施形態では、膜型圧電セラミックス１４を振動片１２の両面に取付ける例で説明した。しかし、これに限定されることはなく、振動片１２の片面のみに取付けてもよい。これにより、圧電型振動発電装置１０の発電量は減少するが、圧電型振動発電装置１０の製造コストを低減することができる。

また、本実施形態では、圧電体として、膜型圧電セラミックス１４を例にとり説明した。しかし、これに限定されることはなく、例えば、膜型でない圧電セラミックスを用いてもよい。但し、この場合には、振動片１２の変形による破損を防止するため、膜型でない圧電セラミックスの変形に対する耐久性に注意を払う必要がある。
また、本実施形態では、固定端１２Ｋと自由端１２Ｊの間を直線でつなぎ、振動片１２の平面形状を逆台形とした。しかし、これに限定されることはなく、図１０（Ｃ）の平面図に示す形状としても良い。即ち、固定端１３Ｋと自由端１３Ｊの間を曲線でつなぐ形状としても良い。曲線の形状を調整することにより、振動片１２の、長手方向の変形位置、変異量を、より詳細に設計することが可能となる。

また、本実施形態では、振動片１２の自由端１２Ｊに錘２０を取付け、固定部１６を加振させた場合について説明した。しかし、これに限定されることはなく、固定部１６を強制変位させた場合でも同様の効果を得ることができる。また、自由端１２Ｊに錘２０を固定して、自由端１２Ｊを加振又は強制変位させた場合でも、同様の効果を得ることができる。
更に、自由端１２Ｊに錘２０を設けず固定部１６を加振又は強制変位させた場合、及び自由端１２Ｊに錘２０を設けず、自由端１２Ｊを加振力Ｐで加振又は強制変位させた場合のいずれでも同様の効果を得ることができる（図１０（Ｄ）参照）。
以上説明したように、本実施形態によれば、膜型圧電セラミックス１４の変形に対する耐久性に制約されずに、加振力Ｐ又は強制変位を受けることができる圧電型振動発電装置１０を提供することができる。

（第２実施形態）
図１１（Ａ）の斜視図に示すように、第２実施形態に係る圧電型振動発電装置２４は、振動片２６の平面形状が階段状に変化する点において、第１実施形態で説明した振動片１２と相違する。第１実施形態との相違点を中心に説明する。
振動片２６は、固定端２６Ｋの幅Ｗ１が、自由端２６Ｊの幅Ｗ２より狭く、幅の変化が２段階の階段状となっている。即ち、固定端２６Ｋは、長手方向に長さＬＢ１の範囲で幅Ｗ１で形成され、自由端２６Ｊは、長手方向に長さＬＢ３の範囲で幅Ｗ２で形成され、中間部は、長手方向に長さＬＢ２の範囲で、幅Ｗ１と幅Ｗ２の中間の幅Ｗ３で形成されている。ここに、長さＬＢ１、長さＬＢ２、及び長さＬＢ３は、それぞれ張り出し長さＬＢの約１／３とされている。

図１１（Ｂ）、図１１（Ｃ）は、振動片２６におけるシミュレーション結果を示している。シミュレーション条件は、第１実施形態と同じである。なお、本実施形態は、図４（Ｂ）の（Ｂ６）に対応している。図１１（Ａ）は、振動片２６の座標軸と加振位置を示し、図１１（Ｂ）は、振動片２６の長さ方向（Ｘ方向）の歪量を示し、図１１（Ｃ）は、発電電力量に寄与する歪量の２乗の算出値を示している。
図１１（Ｂ）は、振動片１２の板厚Ｔ１を１．６１ｍｍ、幅Ｗ１を８．２６ｍｍ、幅Ｗ２を１６．５２ｍｍとした場合の結果であり、歪量を示す特性Ｕは、固定端２６Ｋで大きく（約７．０×１０^−３）、自由端２６Ｊの先端で小さく（約０．０×１０^−３）なっている。また、図１１（Ｃ）から、歪量の２乗の算出値Ｖも、特性Ｕと同じ傾向、即ち、固定端２６Ｋで最も大きく（約５．０×１０^−５）、自由端２６Ｊの先端で、最も小さく（約０．０×１０^−５）なっている。また、特性Ｕは、階段状に平面形状が変化している部分で、大きく変化（低下）している。
この結果を、第１実施形態と比較すると、本実施形態の振動片２６は、図９（Ａ）の振動片Ｂ６の棒グラフ、及び図９（Ｂ）の振動片Ｂ６の棒グラフにそれぞれ対応する。図９（Ａ）、図９（Ｂ）のシミュレーション結果から、本実施形態の振動片２６は、膜型圧電セラミックス１４を、固定端側に取付ければ、第１実施形態で説明した振動片５６、５７、５８、１２のいずれよりも発電効率を大きくすることができる。
更に、振動片２６は、直線状の加工で形成できるため、加工が容易となる。他の構成は、第１実施形態に係る圧電型振動発電装置１０と同一であり、説明は省略する。

（第３実施形態）
図１２（Ａ）の平面図、図１２（Ｂ）の側面図に示すように、第３実施形態に係る圧電型振動発電装置２８は、振動片３０が平面視において、長方形とされている点において、第１実施形態で説明した振動片１２と相違する。第１実施形態との相違点を中心に説明する。
振動片３０は、張り出し長さＬＢの全範囲において、厚さＴで、固定端３０Ｋと自由端３０Ｊが、同じ幅Ｗ３とされている。この構成とすることにより、第１実施形態で説明したように、固定端側で、自由端側より大きな変位（歪量）を得ることができる。

図１３は、振動片３０におけるシミュレーション結果を示している。シミュレーション条件は、第１実施形態と同じである。なお、本実施形態は、図４（Ｂ）の（Ｂ４）に対応している。図１３（Ａ）は、振動片３０の座標軸と加振位置を示し、図１３（Ｂ）は、振動片３０の長さ方向（Ｘ方向）の歪量を示し、図１３（Ｃ）は、発電電力量に寄与する歪量の２乗の算出値を示している。
図１３（Ｂ）は、振動片３０の板厚Ｔ１を１．３７５ｍｍ、幅Ｗ１、Ｗ３を１４．５ｍｍとした場合の結果であり、歪量を示す特性Ｕは、長さ方向の固定端３０Ｋで大きく（約５．５×１０^−３）、自由端３０Ｊで小さく（約０．０×１０^−３）なっている。また、図１３（Ｃ）から、歪量の２乗の算出値Ｖも、特性Ｕと同じ傾向、即ち、固定端３０Ｋで大きく（約３．２×１０^−５）、自由端３０Ｊで小さく（約０．０×１０^−５）なっている。

この結果を、第１実施形態と比較すると、本実施形態の振動片３０は、図９（Ａ）の振動片Ｂ４の棒グラフ、及び図９（Ｂ）の振動片Ｂ４の棒グラフにそれぞれ対応する。図９（Ａ）、図９（Ｂ）のシミュレーション結果から、本実施形態の振動片３０は、膜型圧電セラミックス１４を、固定端側に取付ければ、第１実施形態で説明した振動片１２、第２実施形態で説明した振動片２６よりは小さいものの、第１実施形態で説明した振動片５６、５７、５８よりも発電効率を大きくすることができる。他の構成は、第１実施形態に係る圧電型振動発電装置１０と同一であり、説明は省略する。

（第４実施形態）
図１４に示すように、第４実施形態に係る圧電型振動発電装置３２は、振動片３４の表面から離して、膜型圧電セラミックス１４を取付けた点において、第１実施形態で説明した圧電型振動発電装置１０と相違する。第１実施形態との相違点を中心に説明する。
図１４（Ａ）の斜視図、図１４（Ｂ）の側面図に示すように、振動片３４には、平面視で左右方向の中心線Ｃ１と直交する方向へ向けて、膜型圧電セラミックス１４の幅で、振動片３４の長手方向に、所定距離を開けて支持部材３６Ａ、３６Ｂが取付けられている。支持部材３６Ａ、３６Ｂは、いずれも、振動片３４の表面からの高さＨで形成され、支持部材３６Ａ、３６Ｂの上面には、膜型圧電セラミックス１４が、振動片３４の表面と平行に架け渡されている。これにより、支持部材３６Ａ、３６Ｂの高さＨだけ、膜型圧電セラミックス１４が、振動片３４の表面から離されて取付けられる。

この構成とすることにより、図１４（Ｃ）、図１４（Ｄ）の側面図に示すように、固定部１６に加振力Ｐを受けて、振動片３４が矢印Ｆの方向へ変形したとき、振動片３４の凸状に変形した側の膜型圧電セラミックス１４の直線状の長さＬＢ２を、振動片３４の表面長さＬＢ１より大きくすることができる。即ち、膜型圧電セラミックス１４の歪量を、振動片３４の歪量より大きくすることができる。
この結果、固定部１６へ加える加振力Ｐが、小さくても発電に必要な歪量を確保することができ、広い振動範囲で発電させることができる。この結果、発電量を増すことができる。なお、振動片３４の平面形状は、第１実施形態〜第３実施形態で説明した振動片１２、２６、３０のいずれでもよい。他の構成は、第１実施形態に係る圧電型振動発電装置１０と同一であり、説明は省略する。

本実施形態の展開例として、図１５（Ａ）の斜視図、図１５（Ｂ）の側面図に示すように、支持部材３６の数量を増し、振動片３４の長手方向に追加する構成としてもよい。
図１５では、一例として、支持部材３６Ｃ、３６Ｄの２固を、支持部材３６Ａ、３６Ｂの間に、支持部材３６Ａ、３６Ｂと平行に配置している。
この構成とすることにより、図１５（Ｃ）、図１５（Ｄ）の側面図に示すように、固定部１６を加振力Ｐで加振し、振動片３４を矢印Ｆの方向へ変形させたとき、膜型圧電セラミックス１４を振動片３４の変形形状により忠実に沿わせ、長さＬＢ２に変形させることができる。これにより、振動片３４の表面長さＬＢ１より、膜型圧電セラミックス１４の長さＬＢ２が大きくなる。この結果、膜型圧電セラミックス１４の歪量を、振動片３４の歪量より大きくすることができる。

（第５実施形態）
図１６（Ａ）の側面図に示すように、第５実施形態に係る圧電型振動発電装置４０は、振動片４２の板厚Ｔ２が、第１実施形態で説明した振動片１２の板厚Ｔ１より厚い点において、第１実施形態と相違する。第１実施形態との相違点を中心に説明する。
振動片４２は、第１実施形態で説明した振動片１２の変形に対する耐久性に比して変形に対する耐久性が低く、板厚Ｔ２が、振動片１２の板厚Ｔ１より大きい部材で形成されている。なお、振動片３４の平面形状は、第１実施形態〜第３実施形態で説明した振動片１２、２６、３０のいずれでもよい。

この構成とすることにより、図１６（Ｂ）、図１６（Ｃ）の側面図で示すように、振動片４２が、固定部１６において矢印Ｆの方向の加振力を受けたとき、振動片４２を変形させると共に、膜型圧電セラミックス１４を振動片４２の表面に沿って変形させることができる。
このとき、膜型圧電セラミックス１４の位置が、振動片４２の厚さ方法の中心線Ｃ２から大きく離れているため、膜型圧電セラミックス１４の歪量を、第１実施形態で説明した振動片１２に貼り付けた場合の歪量と比較して、大きくすることができる。これにより、小さな加振力Ｐで発電を開始することができ、発電性能を向上させることができる。
他の構成は、第１実施形態に係る圧電型振動発電装置１０と同一であり、説明は省略する。

（第６実施形態）
図１７に示すように、第６実施形態に係る圧電型振動発電装置４６は、振動片４８が平面視において、左右非対称とされている点において、第１実施形態で説明した振動片１２と相違する。第１実施形態との相違点を中心に説明する。
図１７（Ａ）の平面図、図１７（Ｂ）の側面図に示すように、振動片４８は、平面視において、振動片４８の長手方向であり、膜型圧電セラミックス１４の中心を通る中心線Ｃ３に対して左右（中心線Ｃ３と直交する方向）非対称に形成されている。
即ち、膜型圧電セラミックス１４は、平面視において中心線Ｃ３に対して左右対称とされている。一方、振動片４８は、固定端４８Ｋの幅Ｗ１が自由端４８Ｊの幅Ｗ２より小さくされ、固定端４８Ｋと自由端４８Ｊの間が直線で連続しているものの、膜型圧電セラミックス１４の中心を通る中心線Ｃ３に対して、左右が非対称に形成されている。

この結果、振動片４８は、例えば、固定端４８Ｋに加振力を受けたとき、ねじれ変形しながら矢印Ｆの方向へ変形する。この場合においても、膜型圧電セラミックス１４を、固定端４８Ｋに寄せて貼り付けることにより、必要な歪を得ることができ、振動時の板片の板厚方向の変形とねじれ変形を、有効に発電に活用することができる。
この特性は、自由端４８Ｊに加振力を加える場合でも同様であり、振動時の振動片４８の板厚方向の変形とねじれ変形を、有効に発電に活用することができる。

図１７（Ｃ）に示すように、本実施形態の変形例として、例えば、振動片５０の平面形状を、固定端５０Ｋの幅Ｗ１と、自由端５０Ｊの幅Ｗ２の間を、平面視で階段状（ステップ状）に変化させる形状とし、膜型圧電セラミックス１４の中心を通る中心線Ｃ３に対して、振動片５０を、左右非対称に形成しても良い。
即ち、膜型圧電セラミックス１４は、平面視において中心線Ｃ３に対して左右対称とされ、固定端５０Ｋの幅Ｗ１が自由端５０Ｊの幅Ｗ２より小さくされているものの、振動片５０は、中心線Ｃ３に対して、固定端５０Ｋと自由端５０Ｊの間で非対称とされていても良い。

更に、図１７（Ｄ）に示すように、本実施形態の他の変形例として、振動片５４の平面形状を、例えば、固定端５４Ｋの幅Ｗ１と、自由端５４Ｊの幅Ｗ２の間を、平面視で曲線状に変化させる形状とし、膜型圧電セラミックス１４の中心を通る中心線Ｃ３に対して、振動片５４を、左右非対称に形成しても良い。
即ち、膜型圧電セラミックス１４は、平面視において中心線Ｃ３に対して左右対称とされ、固定端５４Ｋの幅Ｗ１が自由端５４Ｊの幅Ｗ２より小さくされているものの、振動片５４は、中心線Ｃ３に対して、固定端５４Ｋと自由端５４の間で非対称とされていても良い。

更に、図１８（Ａ）に示すように、本実施形態の他の変形例として、振動片６２を、側面視において上下方向に非対称（固定端６２Ｋから水平方向に引いた中心線Ｃ４に対して上下方向に非対称）としても良い。即ち、実線で示すように、振動片６２を予め上方へ曲げておき（下に凸）、自由端６２Ｊへ加振力Ｐを下方へ加え、振動片６２を、破線で示すように上に凸の形状に変形させても良い。これにより、膜型圧電セラミックス１４を振動片６２の表面に沿って変形させることができ、発電に必要な歪を得ることができる。
なお、振動片６２の曲げ方向は、振動片６２を予め下方へ曲げておき（上に凸）、自由端６２Ｊへ加振力Ｐを上方へ加え、振動片６２を、下に凸の形状に変形させる構成でも良い。

更に、図１８（Ｂ）に示すように、本実施形態の他の変形例として、振動片６４を、固定端６４Ｋを固定して、自由端６４Ｊを振動片６４の中心線Ｃ５の周りに回転させた形状としてもよい。これにより、平面視で左右方向に中心線Ｃ５に対して非対称、及び側面視において中心線Ｃ５に対して上下方向に非対称となる。この構成とすることにより、自由端６４Ｊへ加振力Ｐを加え、膜型圧電セラミックス１４を振動片６４の表面に沿って変形させることができ、発電に必要な歪を得ることができる。
他の構成は、第１実施形態に係る圧電型振動発電装置１０と同一であり、説明は省略する。

１０、２４、２８、３２、４０、４６圧電型振動発電装置
１２、２６、３０、３４、４２、４８、５０、５２、５４振動片（板片）
１４、１５膜型圧電セラミックス（圧電体）
１６固定部材（支持部）
３６支持部材（支持片）
１２４ポリイミドフィルム（膜型圧電セラミックス、圧電体）
１２５電極（膜型圧電セラミックス、圧電体））
１２６エポキシ樹脂（膜型圧電セラミックス、圧電体）
１２７セラミックスシート（膜型圧電セラミックス、圧電体）
１２８圧電セラミックス（膜型圧電セラミックス、圧電体）

Claims

支持部に固定されて片持状に張出し、固定端側の幅が自由端側の幅より小さい板片と、
長方形に形成されると共に前記板片に取付けられ、前記板片が加振力又は強制変位を受けたとき、前記板片と共に変形し歪が生じることで発電する圧電体と、
を有する圧電型振動発電装置。
前記圧電体は、前記板片の前記固定端側に取付けられている請求項１に記載の圧電型振動発電装置。
前記圧電体は、前記板片の長手方向に所定間隔で前記板片に取付けられた支持片を備え、前記支持片には、前記圧電体が架け渡されている請求項１又は２に記載の圧電型振動発電装置。
前記圧電体は、棒状の圧電セラミックスを接着してシート状としたセラミックスシートと、前記セラミックスシートの両面に配置され電極が印刷されたポリイミドフィルムと、を備え、前記セラミックスシートと前記ポリイミドフィルムを、エポキシ樹脂で接合した膜型圧電セラミックスである請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電型振動発電装置。
支持部に固定されて片持状に張出し、固定端側の幅が自由端側の幅より小さい、又は同等の板片と、
前記板片に取付けられ、前記板片が加振力又は強制変位を受けたとき、前記板片と共に変形し歪が生じることで発電する圧電体と、
を有し、
前記板片は、平面視において、左右非対称に形成されている圧電型振動発電装置。