JPWO2004077652A1 - 圧電発電装置 - Google Patents

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Abstract

従来の鋼球を用いた圧電発電装置で得られる電流出力よりも数十倍以上の発電量を、一回の打撃により確実に得ることができる圧電発電装置を提供するため、圧電発電装置１を、圧電セラミックス体１０と、該圧電セラミックス体１０を該圧電セラミックス体１０の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材３と、上記圧電セラミックス体１０に衝撃を与える加撃手段２０と、で構成し、該加撃手段２０は、ハンマー体２１と、該ハンマー体２１を常態において圧電セラミックス体１０から離間する方向に付勢する弾性体２４と、該弾性体２４の付勢方向を変えるスイッチ部材２７と、で構成した。

Description

本発明は、従来の圧電セラミックス素子を用いた圧電発電装置よりも数十倍以上の出力電流を得ることができる圧電発電装置に関する。
圧電材料は機械的エネルギーと電気的エネルギーとの間の変換素子用として多彩な応用面をもっている。圧電効果を示す物質は無機・有機ともに多くの材料が知られているが、現在実用レベルにある材料としてセラミックスのＰＺＴ系（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｅｒａｍｉｃｓ）等の材料がある。
圧電セラミックス素子は、多結晶体に、直流高電圧を印加し、残留分極を発生させて圧電性をもたせた素子であり、組成によりかなり自由に基本圧電定数を変化させることができるので、その用途は広い。特に、チタンジルコン酸亜鉛系の圧電セラミックス素子は、組成比や添加物の選択幅が広く適用範囲は多彩である。
ところで、従来の圧電発電装置は、アクリル材等の基本に圧電セラミックス素子板を接合し、基板の両端部を金属等の硬質材からなるホルダで固定したものである。そして、セラミックス素子板の上から鋼製の球を落下させて、圧電素子板に衝突による機械的衝撃エネルギーを印加し、基板を含めた圧電素子板にたわみ振動を励起して電気エネルギーを取り出すものである。
ここで、従来から用いられている特開２００１−１４５３７５号公報等で用いられているＰＴＺ系の圧電セラミックス素子について説明する。
上記従来のＰＺＴ系の圧電セラミックス素子は、実用性が期待されているものの、発電量が少ないため、圧電発電装置としては実用性に欠けるという問題があった。これは、この種の圧電セラミックス素子を用いた圧電発電装置にあっては、圧電セラミックス素子板の固有振動をできる限り長く継続させる必要が不可欠であると共に、いかに強力、かつ有効な衝撃力を圧電セラミックス素子に供与するか、が重要な要因である。
しかしながら、従来の圧電発電装置にあっては、圧電セラミックス素子板の固有振動が機械的な抵抗を伴わない支持構造ではないと共に、圧電セラミックス素子への衝撃力も、例えば、特許文献１に示すように、依然として鋼球で供与する構造のものが殆どであり、このような鋼球を用いた構造で十分な発電量を得ようとする場合は、該鋼球をできるだけ数多く圧電セラミックス素子に衝突させる他に手立てがない、というのが現状である。
この発明は、かかる現状に鑑み創案されたものであって、その目的とするところは、従来の鋼球を用いた圧電発電装置で得られる電流出力よりも数十倍以上の発電量を、一回の打撃により確実に得ることができると共に、この打撃を自動的に繰り返し得ることができる手段と併用することで、例えば、携帯電話の電源として、或いは、救命ブイ等の電源として、実用レベルの発電量をはじめて確保することが可能となる圧電発電装置を提供しようとするものである。
上記目的を達成するため、本発明に係る圧電発電装置は、請求の範囲１に記載したように、板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、上記圧電セラミックス体と、該圧電セラミックス体を該圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、上記圧電セラミックス体に衝撃を与える加撃手段と、で構成し、該加撃手段は、ハンマー体と、該ハンマー体を殴打方向に作動させるスイッチ部材と、で構成し、該スイッチ部材は、ハンマー体による圧電セラミックス体への加撃動作時に、該ハンマー体に弾性体の付勢力を作用させるように構成されていることを特徴とするものである。
また、本発明に係る圧電発電装置は、上記加撃力を連続的に得るために、例えば、請求の範囲２に記載したように、前記スイッチ部材には、揺動する振り子体が連結され、該振り子体の揺動力によって、上記スイッチ部材の動作がＯＮ／ＯＦＦ制御するように構成し、或いは、請求の範囲３に記載したように、バネ材等で形成された共鳴振動体に連結して構成したことを特徴とするものである。
さらに、本発明に係る圧電発電装置は、請求の範囲４に記載したように、板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、一対の圧電セラミックス体と、該各圧電セラミックス体を該各圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、加振により垂直弾性体を介して揺動する振り子体と、上記垂直弾性体の両側に固定されて該垂直弾性体と直交する方向に延びる一対の水平弾性体と、該一対の水平弾性体の各先端部にそれぞれ固定されて上記一対の圧電セラミックス体を交互に殴打して該各圧電セラミックス体に衝撃を与える硬質の殴打体と、で構成し、上記振り子体の揺動時に、上記一対の殴打体のうちの一方の殴打体が上記一対の圧電セラミックス体のうちの一方の圧電セラミックス体を殴打する殴打動作と該一対の殴打体のうちの他方の殴打体が該一対の圧電セラミックス体のうちの他方の圧電セラミックス体から離れる離間動作とを交互に連続して繰り返すように構成されていることを特徴とするものである。
また、本発明に係る圧電発電装置は、上記振り子体の加振力を連続的に得るために、例えば、請求の範囲５に記載したように、上記垂直弾性体は矩形板状の板バネであり、上記一対の水平弾性体は円柱状の棒バネであることを特徴とし、さらに、請求の範囲６に記載したように、上記振り子体の揺動時に、上記一対の水平弾性体が各殴打体の各圧電セラミックス体への殴打動作と離間動作とを交互に連続して繰り返す間欠機構を構成することを特徴とするものである。
さらに、請求の範囲４乃至請求の範囲６のいずれかに記載の発明における圧電発電装置は、請求の範囲７に記載したように、共鳴振動体に連結して構成することで、連続した加振力を得るように構成したことを特徴とするものである。
また、本発明に係る圧電発電装置は、殴打体の加振力を連続的に得る他の手段として、例えば、請求の範囲８に記載したように、板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、少なくとも一の圧電セラミックス体と、該圧電セラミックス体を該圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、バネ材で形成された基部材と、該基部材の垂直部に固定された水平弾性体と、この水平弾性体の両端部にそれぞれ固定されて上記圧電セラミックス体を殴打して該圧電セラミックス体に衝撃を与える硬質の殴打体と、で構成し、上記殴打体の一方に外力を付与することで、他方の殴打体が共振作用によって上下振動を連続して繰り返すように構成したことを特徴とするものである。
この場合、前記水平弾性体は、請求の範囲９に記載したように、基部材から同じ長さを有して同基部材に固定されていると共に、該基部材の両端部に固定される殴打体も、ほぼ同じ形状・重量で形成されていることを特徴とする。また、この発明にあっては、前記水平弾性体と基部材との連結を、請求の範囲１０に記載したように、ねじ止め、かしめ止め、接着剤或は溶接のいずれかの手段を用いて一体化したことを特徴とするものである。
図１は、この発明の実施例１に係る圧電発電装置の概略的な構成を示す斜視図である。
図２は、同圧電発電装置の側面図である。
図３は、同圧電発電装置の実施例２に係る加撃手段を示す説明図である。
図４は、実施例３に係る圧電発電装置を共鳴振動体と連結した状態を示す説明図である。
図５は、圧電発電装置の充電装置例を示す回路図である。
図６は、本発明の実施例４に係る圧電発電装置の概略的な構成を示す構成図である。
図７は、（ａ）は同実施例４に係る圧電発電装置の振り子体および一対の殴打体の変位量を示す波形図、（ｂ）は同振り子体及び一対の殴打体の速度の波形図である。
図８は、実施例４に係る圧電発電装置による発電量を測定する回路を示す図である。
図９は、同測定回路により測定された実施例４に係る圧電発電装置の発電量を示すグラフである。
図１０は、この発明の実施例５に係る圧電発電装置の概略的な構成を示す構成図である。
図１１は、図８に示す測定回路と同様の測定回路により測定された実施例３に係る圧電発電装置の発電量を示すグラフである。
以下、添付図面に示す発明の実施例に基づき、この発明を詳細に説明する。
図１と図２は、この発明の実施例１に係る圧電発電装置１を示しており、該圧電発電装置１は、ハウジング８と、該ハウジング８の垂直壁上部８ａに配設された圧電セラミックス体１０と、該圧電セラミックス体１０を該圧電セラミックス体１０の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で接着保持するクッション材３と、上記圧電セラミックス体１０に衝撃を与える加撃手段２０と、で構成されている。
尚、図示はしないが、上記圧電セラミックス体１０の殴打面の中央部にプロテクタ板（図示せず）を固着してもよい。
圧電セラミックス体１０は、同一実施（同一材質、同一形状、同一厚さ）の２枚の板状の圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂを、各圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂの分極の極性を同一方向にし、かつ、該圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂ間に、りん青銅や真鍮等の導電性金属で１０μｍ〜５０μｍの厚さに形成された極薄の金属電極１１を配置し、これら圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂと金属電極１１を接合して構成されている。
金属電極１１を上記極薄の厚さとすることで、該金属電極１１による機械的な抵抗をごく僅かに抑えることができ、２つの圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂと金属電極１１の接合面を中心（伸縮しない部位）にたわみ振動が発生したとしても、該たわみ振動の金属電極１１による減衰を可及的に小さく抑えることができる。尚、この実施例の構成では、一方の側の圧電セラミックス素子１０ａが伸長すれば他方の側の圧電セラミックス素子１０ｂは収縮し、かつ出力電圧の電極は逆方向となり、両圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂは並列に接続された発電構成となる。
また、この実施例では、上記たわみ振動が行われると、一方の圧電セラミックス素子１０ａ（又は１０ｂ）で伸長と伸縮との両方の作用が行われて、分極が打ち消されるということがなく効率的に発電が行われる。発電された電気エネルギーとしての電流は、両圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂ及び金属電極１１に導電接続されたリード線９Ａ，９Ｂ，９Ｃを用いて取り出される。
また、ここでは２枚の圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂを、金属電極１１を介装して積層した場合を例にとり説明したが、各圧電セラミックス素子１０ａ（１０ｂ）自体を、それぞれ積層構造とすることができる。この積層構造では、複数枚の圧電セラミックス素子を接合（この場合は分極の極性も同一方向に）して、一方の圧電セラミックス素子１０ａ（又は１０ｂ）を形成する。
このように、圧電セラミックス素子１０ａ（又は１０ｂ）自体を積層構造とし、これを例えば弾性特性を有する接着材により接合した場合には、この弾性効果により、材質的に強度に欠ける圧電セラミックス体１０の曲がりが容易になって曲げ強度を維持することができる。尚、この発明において、圧電セラミックス体１０の外形形状は特に限られるものではなく、円形、楕円形、三角形、四角形或いは多角形等、利用実施に対応させて適宜の形状のものを用いることができる。
尚、この実施例に用いられる前記クッション材３は、合成樹脂材、ゴム材、或いはこれらをスポンジ状にした軟質の材料で構成されている。このようなクッション材３を用い、しかも、このクッション材３の中央部のみ或いは両端部を接着材を用いて圧電セラミックス体１０を固着したのは、圧電セラミックス体１０の振動を減衰させないためである。圧電セラミックス体１０が振動する場合、この圧電セラミックス体１０を支持する部材は圧電セラミックス体１０の振動を減衰させる要因になり、この減衰要因を取り除くために、クッション材３を用いて極力圧電セラミックス体１０を自由な状態におく。
この発明のように、圧電セラミックス体１０の歪みは、圧電セラミックス自体が持つ固有振動となって暫くの間、継続する。この固有振動を長く継続させるためには、この固有振動を圧電セラミックス体１０以外の他の構成体に伝えないことが重要である。圧電セラミックス体１０の固有振動は、電気エネルギーとして変換されるが、その他の構造体の振動は全て機械的な抵抗となって固有振動エネルギーを吸収してしまい、電気エネルギーとして取り出すことができない。このため、この実施例では、圧電セラミックス体１０と他の構造体との間で上記固有振動が伝達しないような柔らかな接触を実現するための手段として上記クッション材３を用いることで、圧電セラミックス体１０の固有振動を長く継続させることができ、発電効率が良くなる。勿論、このクッション材３は圧電セラミックス体１０に加えられる衝撃を緩和する作用をも有する。尚、前記プロテクタ板は、金属製或いは合成樹脂製等で形成されており、後記するハンマー体２１の殴打から圧電セラミックス体１０を保護する。
尚、上記実施例１では、上記圧電セラミックス体１０を所謂並列構造とした場合を例にとり説明したが、この発明にあってはこれに限定されるものではなく、本出願人が先に提案した特許文献１に記載された所謂直列構造ものを用い、或いは、従来の公知構造からなる圧電セラミックス体を用いることができることは勿論であるが、最も発電効率が高いのは本実施例１に係る圧電セラミックス体１０の構造である。
一方、前記加撃手段２０は、上端部に加撃突起２２が形成された正面形状が略逆Ｖ字状に形成されてなるハンマー体２１と、該ハンマー体２１の下端部が保持されるハンマー体支持部材２３と、上記ハンマー体２１に上端部が係止され常態において圧電セラミックス体１０から離間する方向に付勢するコイルスプリング（弾性体）２４と、該コイルスプリング２４に下端部が係止された摺動自在なスライド部材２５と、該スライド部材２５を常態において後記するバネ体２８と衝合する方向へと付勢するコイルスプリング（弾性体）２６と、上記バネ体２８の付勢力により常態においてＯＦＦ方向に付勢されたスイッチ部材２７と、から構成されている。尚、上記コイルスプリング２６の他端部はハウジング８の垂直壁凹部８ｂに固定されており、また、バネ体（弾性体）２８の上端部はハウジング８に固定されている。尚、図中符号２９は、ハンマー体２１が常態位置にセットされているときに、これを吸着保持する磁石である。
このように構成されてなる加撃手段２０によれば、上記スイッチ部材２７を押圧すると、バネ体２８が該スイッチ部材２７の押圧作動によりその付勢力に抗してスライド部材２５を図２中右方向に押圧する。
これによりスライド部材２５は、コイルスプリング２６の付勢力に抗して図２中右方向へとスライドし、該スライド部材２５の移動位置が、上記ハンマー体２１の下端部とハンマー支持部材２３との接触点Ｐより図２中右方向へと移動すると、上記コイルスプリング２４の付勢力は、上記ハンマー体２１を圧電セラミックス体１０を加撃する方向へと付勢するため、この付勢力によって圧電セラミックス体１０には、従来の鋼球を使用した圧電発電装置と比較して数十倍以上の打撃力が作用するため、１回の加撃作業により、大きな圧電発電量を得ることができる。
尚、上記ハンマー体２１による加撃作動が終了した後は、スイッチ部材２７の押圧力を解除することで、ハンマー体２１やスライド体２５及びスイッチ部材２７は、各コイルスプリング２４，２６，２８の付勢力によって原位置まで自動的に復動し、次の加撃作動待機状態にリセットされる。
図３は、この発明に係る圧電発電装置１の応用例を示しており、この応用例では、図１と図２に示す実施例におけるコイルスプリング２６及びバネ体２８を廃止してスイッチ部材２７を自由にスライド可能に構成する一方、上記スイッチ部材２７の自由端部に、上端部に錘（振り子体）３０が固定されたバネ部材３１の下端部を連結し、該錘３０の揺動力でスイッチ部材３０の前記押圧及び押圧解除作動を行わしめるように構成することで、例えば、無人発電が必要な救命用ブイの電源獲得手段として本圧電発電装置が実用レベルで用いることが可能となるように構成した他は、他の圧電発電装置１の構成は図１と図２に記載の実施例と同様であるので、図面には同一の符号を付して、その詳細な説明をここでは省略する。
図４も、図１と図２に示す実施例１におけるコイルスプリング２６及びバネ体２８を廃止してスイッチ部材２７がバネ体等で形成された共鳴振動体４０の振動に従動してスライド可能に構成する一方、前記構成からなる圧電発電装置１による連続加撃を可能にした例を示しており、この実施例３では、上記圧電発電装置１を共鳴振動体４０の振動子４１，４２に連結し、該振動子４１，４２による共鳴振動力によってスイッチ部材２７をＯＮ・ＯＦＦ作動させると共に、該圧電発電装置１の圧電セラミックス体１０をハンマー体２１の両側に配置し、連続加撃による発電効率をさらに向上させる構成とした他は、他の基本的な構成は図１及び図２に記載の圧電発電装置１と同様であるので、その詳細な説明をここでは省略する。尚、共鳴振動体４０の構成は公知の共鳴や電磁共鳴と同様であるので、その詳細な説明をここでは省略する。
図５は、上記圧電発電装置１を用い、一の圧電セラミックス体１０が発電した電気を充填する充電装置の回路を示したものである。勿論、図４に示す実施例３では、圧電セラミックス体１０がハンマー体を隔てて２個対設されて構成されているので、当該充電回路が並列に、或いは直列に導電接続されて構成される。また、図示の並列回路は、使用目的に対応させて適宜増加させて構成してもよい。
即ち、この充電回路は、２つの圧電セラミックス体１０として２枚の圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂ、金属電極１１、整流用ダイオードＤ１〜Ｄ６、電気を蓄電するコンデンサＣ、スイッチＳＷ及び発光ダイオードＬ１〜Ｌ３を有する。圧電セラミックス素子１０ａで発電した電気は、整流用ダイオードＤ１〜Ｄ３により全波整流され、また圧電セラミックス素子１０ｂで発電した電気は、整流用ダイオードＤ４〜Ｄ６により全波整流される。これら、全波整流された電気はコンデンサＣに充電される。このコンデンサＣは、当該並列回路では１個とすることもできる。そして、スイッチＳＷの操作により、コンデンサＣは放電して発光ダイオードＬ１〜Ｌ３を点灯する。
このような充電装置を用いて当該圧電発電装置１を構成することにより発電効率が従来のものと比較して数十倍以上得ることができ、例えば、携帯電話等の比較的電力を必要とする機器の充電装置或いは発光装置の電源として有効である。しかも、本圧電発電装置１は、構造が簡単であり、かつより大きな出力電流を得ることができ経済的でもあるため、実用的である。
図６は、この発明の実施の実施例４に係る圧電発電装置１′を示しており、該圧電発電装置１′は、フレーム９と、該フレーム９の上面９ａの左右両側に配設された一対の圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂと、該一対の圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂを該各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂの固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材３と、加振により矩形板状の板バネ（垂直弾性体）５１を介して揺動する球状の錘（振り子体）５０と、上記板バネの５１左右両側に固定されて該板バネ５１と直交する水平方向に延びる円柱状で一対の棒バネ（水平弾性体）５２，５２′と、該一対の棒バネ５２，５２′の各先端部５２ａにそれぞれ固定されて上記一対の圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂを交互に殴打して該各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂに衝撃を与える錘を兼ねた鋼球（硬質の殴打体）５３，５３′と、で構成されている。
図６に示すように、一対の圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂは、同一実施（同一材質、同一形状、同一厚さ）の２枚の板状の圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂを、各圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂの分極の極性を同一方向にし、かつ、該圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂ間に、りん青銅や真鍮等の導電性金属で１０μｍ〜５０μｍの厚さに形成された極薄の金属電極１１を配置し、これら各圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂと極薄の厚さの金属電極１１を接合して構成されている。
そして、例えば、一方の側の圧電セラミックス素子１０ａが伸長すれば他方の側の圧電セラミックス素子１０ｂは収縮し、かつ出力電圧の電極は逆方向となり、両圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂは並列に接続された発電構成となる。即ち、上記たわみ振動が行われると、一方の圧電セラミックス素子１０ａ（又は１０ｂ）で伸長と伸縮との両方の作用が行われて、分極が打ち消されるということがなく効率的に発電が行われる。発電された電気エネルギーとしての電流は、両圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂ及び金属電極１１に導電接続されたリード線９Ａ，９Ｂ，９Ｃを用いて取り出される。
また、各クッション材３は、合成樹脂材、ゴム材、或いはこれらをスポンジ状にした軟質の材料で構成されている。このようなクッション材３の中央部のみ或いは両端部を接着材を用いて各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂを固着してあると共に、フレーム９の上面９ａに接着材を用いて固着されている。これにより、各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂの振動は可及的に減衰しにくくなる。即ち、各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂが振動する場合、この各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂを支持する部材は各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂの振動を減衰させる要因になり、この減衰要因を取り除くために、クッション材３を用いて極力各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂを自由な状態におく。
この各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂの歪みは、圧電セラミックス自体が持つ固有振動となって暫くの間、継続する。この固有振動を長く継続させるためには、この固有振動を各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂ以外の他の構成体に伝えないことが重要である。各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂの固有振動は、電気エネルギーとして変換されるが、その他の構造体の振動は全て機械的な抵抗となって固有振動エネルギーを吸収してしまい、電気エネルギーとして取り出すことができない。このため、前記第１実施例と同様に、各圧電セラミックス体１０と他の構造体との間で上記固有振動が伝達しないような柔らかな接触を実現するための手段として上記クッション材３を用いることで、各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂの固有振動を長く継続させることができ、発電効率が良くなる。勿論、このクッション材３は圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂに加えられる衝撃を緩和する作用をも有する。尚、各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂの殴打面の中央部にプロテクタ板（図示せず）を固着してもよい。このプロテクタ板は、金属製或いは合成樹脂製等で形成されており、各鋼球５３，５３′の殴打から各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂを保護する。
矩形板状の板バネ５１は、その下端部５１ｃをフレーム９に固定することで該フレーム９に対して垂直に起立している。この板バネ５１の先端部５１ａに球状の錘５０が固定されている。また、板バネ５１の下端側における中途部５１ｂの中央には左右一対の棒バネ５２，５２′の各基端部５２ｂをそれぞれ固定してある。これにより、左右一対の棒バネ５２，５２′は板バネ５１と直交する左右の水平方向に等距離延びている。そして、一対の棒バネ５２，５２′の各先端部５２ａに錘を兼ねた鋼球５３，５３′がそれぞれ固定されている。
そして、図６の矢印に示すように、錘５０或いは板バネ５１を左右に加振して錘５０が左右方向に揺動すると、殴打体としての一対の鋼球５３，５３′のうちの一方の鋼球（一方の殴打体）５３が一対の圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂのうちの一方（図６中左側）の圧電セラミックス体１０Ａを殴打する殴打動作と該一対の鋼球５３，５３′のうちの他方の鋼球（他方の殴打体）５３′が該一対の圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂのうちの他方（図６中右側）の圧電セラミックス体１０Ｂから離れる離間動作とを左右交互に連続して繰り返すように構成されている。即ち、上記錘５０の揺動時に、上記一対の棒バネ５２，５２′が各鋼球５３，５３′の各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂへの殴打動作と離間動作とを左右交互に連続して繰り返す間欠機構を構成している。
尚、この実施例４に係る圧電発電装置１′，１′を、前記図４に示す共鳴振動体４０の振動子４１，４２に夫々連結し、該振動子４１，４２による共鳴振動力によって上記一対の棒バネ５２，５２′，５２，５２′による連続加撃を加えることで発電効率をさらに向上させることが可能である。図６に示すように、振動体が一組で構成されている場合、板バネ５１の下端部５１ｃからフレーム９への振動伝達が大きいために、フレーム９の剛性を大きくし、かつ、板バネ５１の下端部５１ｃをフレーム９に堅牢に固定しなければならないのに対して、二組の圧電発電装置１′，１′を共鳴振動体４０に取り付けた場合には、二組の圧電発電装置１′，１′の振動が打ち消しあってフレーム９に伝わる振動が微小となるため、フレーム９の剛性を大きくする必要がなくなり、部品コストを低減することができ、しかも、フレーム９等から外部へと逃げる運動エネルギー量を、第１実施例と同様に、飛躍的に小さくすることができ、発電効率を大幅に向上させることができる。
以上構成の繰り返し加振する振動型の圧電発電装置１′では、板状に形成された一対の圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂに一対の鋼球５３，５３′の殴打で歪み変形を供与することで発電する。即ち、錘５０或いは板バネ５１を所定手段で一回加振して該錘５０を左右方向に揺動させて運動エネルギーを溜める。この溜まった運動エネルギーを左右一対の棒バネ５２，５２′のいずれか一方で交互に加振して各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂに対して各鋼球５３，５３′を交互に連続して繰り返し殴打することで発電する。
この際の上記錘５０の変位量（揺動量）と上記各鋼球５３，５３′の変位量の位相の関係を図７（ａ）に示し、上記錘５０の速度（角速度）と上記各鋼球５３，５３′の速度（加振速度）の位相の関係を図７（ｂ）に示す。図７（ａ）の波形図において、錘５０の変位を実線Ａで示し、一方の鋼球５３の変位を一点鎖線Ｂで示し、他方の鋼球５３′の変位を二点鎖線Ｃで示す。また、図７（ｂ）の波形図において、錘５０の速度を実線Ｅで示し、一方の鋼球５３の速度を一点鎖線Ｆで示し、他方の鋼球５３′の速度を二点鎖線Ｇで示す。
図７（ａ），（ｂ）の波形図から判るように、この繰り返し加振する振動型の圧電発電装置１′では、錘５０の揺動力（運動エネルギー）の蓄積と一対の鋼球５３，５３′の各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂへの殴打による消費を分けて、錘５０の動きと各鋼球５３，５３′の動きを一次遅れ（位相にして９０°前後の遅れが最適である）にすることにより、錘５０の速度がゼロ或いは小さいときに、一方の鋼球５３又は他方の鋼球５３′の速度を最高値にすることができる。これにより、各鋼球５３，５３′の各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂへの加振速度を最大にして、かつ、錘５０の振動（揺動）を連続して繰り返すことができる。
また、上記錘５０の揺動時に、該錘５０を固定した板バネ５１の両側に固定された一対の棒バネ５２，５２′が、各鋼球５３，５３′の一対の圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂへの殴打動作と離間動作とを左右交互に連続して繰り返す間欠機構（一次遅れ機構）を構成するので、この間欠機構なしで加振した場合（即ち、板バネ５１の片側のみに鋼球を固定した場合）に比べて、一回の錘５０の加振により各鋼球５３，５３′の打撃を交互に連続して繰り返して行うことができる。
尚、間欠機構なしで加振した場合には、錘５０が速度を持っている時に急な衝突により速度がゼロとなるため、一撃の運動エネルギーは大きいものの、繰り返し運動にすることができない。しかしながら、本第２実施例では、一対の棒バネ５２，５２′により、図７（ｂ）に示すように、錘５０の最高速の位置よりも各鋼球５３，５３′の最高速の位置を遅らせて、錘５０の速度がゼロ或いは小さい時に、一方の鋼球５３又は他方の鋼球５３′の速度を最高値にして最大の殴打値で各圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂを殴打することができる。これにより、発電効率が従来のものと比較して数十倍以上得ることができ、例えば、携帯電話等の比較的電力を必要とする機器の充電装置或いは発光装置の電源として有効である。しかも、本振動型の圧電発電装置１′は、構造がより簡単であり、かつ、より大きな出力電流を得ることができ経済的でもあるため、実用的である。
このように、上記錘５０の揺動時に、上記一対の鋼球５３，５３′のうちの一方の鋼球５３が上記一対の圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂのうちの一方の圧電セラミックス体１０Ａを殴打する殴打動作と該一対の鋼球５３，５３′のうちの他方の鋼球５３′が該一対の圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂのうちの他方の圧電セラミックス体１０Ｂから離れる離間動作とを左右交互に連続して繰り返すように構成したので、従来の一つの鋼球を用いた圧電発電装置で得られる電流出力よりも数十倍以上の発電量を、一回の錘５０の加振による交互に連続して繰り返される各鋼球５３，５３′の打撃で、より確実に得ることができると共に、この錘５０の加振を自動的に繰り返し得ることができる手段と併用することにより、例えば、携帯電話の電源として、或いは、救命ブイ等の電源として、実用レベルの発電量を確保することが可能となる。
ここで、図６に示す錘５０を６．３ｇの鋼球で形成し、板バネ５１を幅５ｍｍ，厚さ０．４ｍｍ，長さ２８ｍｍのバネ鋼で形成し、一対の棒バネ５２，５２′をφ０．５ｍｍ，長さ２０ｍｍのピアノ線で夫々形成し、一対の鋼球５３，５３′を０．６５ｇの鋼球で夫々形成し、さらに、一対の圧電セラミックス体１０Ａ，１０Ｂ（前記第１実施例のものと同じ構成のもの）を５．８ｍｍ×１７．５ｍｍ×２ｍｍで構成し、クッション材３を厚さ２ｍｍの発泡ポリウレタンで形成し、図８に示す測定装置で電圧を測定した。その結果を、図９に示す。
図９に示すデータからも明らかなように、上記錘５０に１度加振すると、上記一対の鋼球５３，５３′が、減衰されることなく殴打動作を左右交互に連続して繰り返し、従来のような１回限りの殴打により得られる発電量の数十倍の発電が得られることが判る。
また、振り子体としての錘５０を揺動させる垂直弾性体として矩形板状の板バネ５１を用いると共に、先端部５２ａに殴打体としての各鋼球５３，５３′を固定した一対の水平弾性体として円柱状の棒バネ５２，５２′を用い、この一対の棒バネ５２，５２′が、上記錘５０の揺動時に、各鋼球５３，５３′の一対の圧電セラミックス体１０，１０への殴打動作と離間動作とを左右交互に連続して繰り返す間欠機構を構成するので、簡単でかつ安価な機構により各鋼球５３，５３′の一対の圧電セラミックス体１０，１０への打撃力を左右交互に連続的に繰り返して得ることができ、携帯電話等の比較的電力を必要とする機器の電源として、或いは、浮標（ブイ）等の電源として実用レベルの発電力が得られる。
図１０は、この発明の実施例５に係る圧電発電装置１Ａを示しており、該圧電発電装置１Ａは、フレーム９と、該フレーム９の上面９ａの左側に配設された圧電セラミックス体１０と、該圧電セラミックス体１０を該圧電セラミックス体１０の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材３と、上記フレーム９の上面に固定されたＬ字状のバネ材で形成されてなる基部材５１Ａと、該基部材５１Ａの垂直部５１Ａ１に固定された水平弾性体５２Ａ，５２Ｂと、この水平弾性体５２Ａ，５２Ｂの両端部にそれぞれ固定されてなる硬質の殴打体である鋼球５３Ａ，５３Ｂと、で構成されており、上記鋼球５３Ｂに外力Ｆを付与することで、他方の鋼球５３Ａが共振作用によって上下振動を連続して繰り返し、上記圧電セラミックス体１０を殴打して該圧電セラミックス体１０に衝撃を与え発電させるように構成されている。尚、本実施例５において、実施例４と同様の構成部分については、図面に実施例４と同一の符号を付して、その詳細な説明をここでは省略する。
即ち、棒状ステンレス等の金属体で形成されてなる上記水平弾性体５２Ａ，５２Ｂは、上記基部材５１Ａの垂直部５１Ａ１の下端部からｌ０の高さ位置から同じ長さｌ１，ｌ２を有して溶接固定されている。
ここで、図１０に示す鋼球５３Ａ，５３Ｂを０．６ｇの鋼球で形成し、水平弾性体５２Ａ，５２Ｂをφ０．６のステンレス棒材（ｓｕｓ３０４−ＷＰＢ）で形成し、かつ、ｌ１，ｌ２間長さを７０ｍｍとし、ステンレス材（ｓｕｓ３０１：ｔ＝０．４）で形成された基部材５１Ａのｌ０寸法を１５ｍｍに設定した場合、鋼球５３Ａ，５３Ｂの上下振幅ストロークは１４〜１５ｍｍであった。この構成からなる圧電発電装置１Ａによる発電量を、前記図８に示す測定装置と同様の測定装置で電圧を測定した。その結果を、図１１に示す。
図１１に示すデータからも明らかなように、上記鋼球５３Ｂに外力Ｆを１度与えると、鋼球５３Ａが上下方向に連続して振動を繰り返し、従来のような１回限りの殴打により得られる発電量の数十倍の発電が得られることが判る。即ち、この実施例３では、ｌ１＝ｌ２，５３Ａ＝５３Ｂとして図１０左側の固有振動数と右側の固有振動数とを同一に設定し、左右が共振するように構成されている。このように構成することで、左側の固有周波数（ｎ・ｆｏ）を右側の固有周波数（ｆｏ）の整数倍にすることができ、その結果、右側の蓄積エネルギーを大きく（完成モーメントを大きく）することで、固有周波数は下がり、鋼球５３Ａの振動継続時間を長くすることができる。
また、この実施例５に係る圧電発電装置は、前記実施例４の装置に比べて、部品点数が大幅に削減され、コストダウンと共に、装置を非常に小さくすることができ、特に小型電子機器である携帯電話等の比較的電力を必要とする機器の電源として実用性が大いに期待することができる。
尚、上記実施例５では、前記水平弾性体５２Ａ，５２Ｂと基部材５１Ａとの連結を、溶接で行う場合を例にとり説明したが、この発明にあってはこれに限定されるものではなく、ねじ止めやかしめ止め、或は強力な接着剤を用い或はハンダ付け等の公知の手段で一体的に連結することもできる。
請求の範囲１に記載した発明によれば、板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、上記圧電セラミックス体と、該圧電セラミックス体を該圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、上記圧電セラミックス体に衝撃を与える加撃手段と、で構成し、該加撃手段は、ハンマー体と、該ハンマー体を殴打方向に作動させるスイッチ部材と、で構成し、該スイッチ部材は、ハンマー体による圧電セラミックス体への加撃動作時に、該ハンマー体に弾性体の付勢力を作用させるように構成したので、従来の鋼球を用いた圧電発電装置で得られる電流出力よりも数十倍以上の発電量を、一回の打撃により確実に得ることができると共に、この打撃を自動的に繰り返し得ることができる手段と併用することで、例えば、携帯電話の電源として、或いは、救命ブイ等の電源として、実用レベルの発電量をはじめて確保することが可能となる、という効果を得ることができる。
また、請求の範囲２及び請求の範囲３のいずれかに記載の発明によれば、上記加撃力を連続的に得ることができ、携帯電話等の比較的電力を必要とする機器の電源として、或いは、浮標（ブイ）等の電源として実用レベルの発電力が得られる、という効果が得られる。
さらに、請求の範囲４に記載した発明によれば、板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、一対の圧電セラミックス体と、該各圧電セラミックス体を該各圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、加振により垂直弾性体を介して揺動する振り子体と、上記垂直弾性体の両側に固定されて該垂直弾性体と直交する方向に延びる一対の水平弾性体と、該一対の水平弾性体の各先端部にそれぞれ固定されて上記一対の圧電セラミックス体を交互に殴打して該各圧電セラミックス体に衝撃を与える硬質の殴打体と、で構成し、上記振り子体の揺動時に、上記一対の殴打体のうちの一方の殴打体が上記一対の圧電セラミックス体のうちの一方の圧電セラミックス体を殴打する殴打動作と該一対の殴打体のうちの他方の殴打体が該一対の圧電セラミックス体のうちの他方の圧電セラミックス体から離れる離間動作とを交互に連続して繰り返すように構成したので、従来の鋼球を用いた圧電発電装置で得られる電流出力よりも数十倍以上の発電量を、一回の振り子体の加振による交互に連続して繰り返される各殴打体の打撃により確実に得ることができると共に、この振り子体の加振を自動的に繰り返し得ることができる手段と併用することで、例えば、携帯電話の電源として、或いは、救命ブイ等の電源として、実用レベルの発電量を確保することが可能となる、という効果を得ることができる。
また、請求の範囲５乃至請求の範囲７のいずれかに記載の発明によれば、簡単でかつ安価な機構により各殴打体の打撃力を交互に連続的に繰り返して得ることができ、携帯電話等の比較的電力を必要とする機器の電源として、或いは、浮標（ブイ）等の電源として実用レベルの発電力が得られる。
また、請求の範囲８に記載した発明によれば、殴打体の加振力を連続的に得る他の手段として、板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、少なくとも一の圧電セラミックス体と、該圧電セラミックス体を該圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、バネ材で形成された基部材と、該基部材の垂直部に固定された水平弾性体と、この水平弾性体の両端部にそれぞれ固定されて上記圧電セラミックス体を殴打して該圧電セラミックス体に衝撃を与える硬質の殴打体と、で構成し、上記殴打体の一方に外力を付与することで、他方の殴打体が共振作用によって上下振動を連続して繰り返すように構成したので、従来の鋼球を用いた圧電発電装置で得られる電流出力よりも数十倍以上の発電量を、一回の外力付与による共振作用により、殴打体による連続する圧電セラミックス体への殴打が繰り返されるので、確実に得ることができ、例えば、携帯電話の電源として、或いは、救命ブイ等の電源として、実用レベルの発電量を、よりコンパクトで廉価に確保することが可能となる、という効果を得ることができる。
また、請求の範囲９及び請求の範囲１０に記載の発明によれば、簡単でかつ安価な機構により各殴打体の打撃力を、簡単かつ小型の装置で連続的に繰り返して得ることができ、携帯電話等のコンパクトで比較的電力を必要とする機器の電源として、或いは、救命ブイ等の電源として、実用レベルの発電力が得られる、という効果が得られる。
【０００２】
この発明は、かかる現状に鑑み創案されたものであって、その目的とするところは、従来の鋼球を用いた圧電発電装置で得られる電流出力よりも数十倍以上の発電量を、一回の打撃により確実に得ることができると共に、この打撃を自動的に繰り返し得ることができる手段と併用することで、例えば、携帯電話の電源として、或いは、救命ブイ等の電源として、実用レベルの発電量をはじめて確保することが可能となる圧電発電装置を提供しようとするものである。
【発明の開示】
上記目的を達成するため、本発明に係る圧電発電装置は、請求の範囲４に記載したように、板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、一対の圧電セラミックス体と、該各圧電セラミックス体を該各圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、加振により垂直弾性体を介して揺動する振り子体と、上記垂直弾性体の両側に固定されて該垂直弾性体と直交する方向に延びる一対の水平弾性体と、該一対の水平弾性体の各先端部にそれぞれ固定されて上記一対の圧電セラミックス体を交互に殴打して該各圧電セラミックス体に衝撃を与える硬質の殴打体と、で構成し、上記振り子体の揺動時に、上記一対の殴打体のうちの一方の殴打体が上記一対の圧電セラミックス体のうちの一方の圧電セラミックス体を殴打する殴打動作と該一対の殴打体のうちの他方の殴打体が該一対の圧電セラミックス体のうちの他方の圧電セラミックス体から離れる離間動作とを交互に連続して繰り返すように構成されていることを特徴とするものである。
【０００３】
また、本発明に係る圧電発電装置は、上記振り子体の加振力を連続的に得るために、例えば、請求の範囲５に記載したように、上記垂直弾性体は矩形板状の板バネであり、上記一対の水平弾性体は円柱状の棒バネであることを特徴とし、さらに、請求の範囲６に記載したように、上記振り子体の揺動時に、上記一対の水平弾性体が各殴打体の各圧電セラミックス体への殴打動作と離間動作とを交互に連続して繰り返す間欠機構を構成することを特徴とするものである。
さらに、請求の範囲４乃至請求の範囲６のいずれかに記載の発明における圧電発電装置は、請求の範囲７に記載したように、共鳴振動体に連結して構成することで、連続した加振力を得るように構成したことを特徴とするものである。
また、本発明に係る圧電発電装置は、殴打体の加振力を連続的に得る他の手段として、例えば、請求の範囲８に記載したように、板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、少なくとも一の圧電セラミックス体と、該圧電セラミックス体を該圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、バネ材で形成された基部材と、該基部材の垂直部に固定された水平弾性体と、この水平弾性体の両端部にそれぞれ固定されて上記圧電セラミックス体を殴打して該圧電セラミックス体に衝撃を与える硬質の殴打体と、で構成し、上記殴打体の一方に外力を付与することで、他方の殴打体が共振作用によって上下振動を連続して繰り返すように構成したことを特徴とするものである。
この場合、前記水平弾性体は、請求の範囲９に記載したように、基部材から同じ長さを有して同基部材に固定されていると共に、該基部材の両端部に固定される殴打体も、ほぼ同じ形状・重量で形成されていることを特徴とする。
また、この発明にあっては、前記水平弾性体と基部材との連結を、請求の範囲１０に記載したように、ねじ止め、かしめ止め、接着剤或は溶接のいずれかの手段を用いて一体化したことを特徴とするものである。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施例１に係る圧電発電装置の概略的な構成を示す構成図である。
図２は、圧電発電装置の充電装置例を示す回路図である。
【０００４】
図３は、（ａ）は同実施例１に係る圧電発電装置の振り子体および一対の殴打体の変位量を示す波形図、（ｂ）は同振り子体及び一対の殴打体の速度の波形図である。
図４じゃ、実施例１に係る圧電発電装置による発電量を測定する回路を示す図である。
図５は、同測定回路により測定された実施例１に係る圧電発電装置の発電量を示すグラフである。
図６は、この発明の実施例２に係る圧電発電装置の概略的な構成を示す構成図である。
図７は、図４に示す測定回路と同様の測定回路により測定された実施例２に係る圧電発電装置の発電量を示すグラフである。
発明を実施するための最良の実施
以下、添付図面に示す発明の実施例に基づき、この発明を詳細に説明する。
図１は、この発明の実施例１に係る圧電発電装置１′を示しており、該圧電発電装置１′は、フレーム９と、該フレーム９の上面９ａの左右両側に配設された一対の圧電セラミックス体１０，１０と、該一対の圧電セラミックス体１０，１０を該各圧電セラミックス体１０，１０の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材３と、加振により矩形板状の板バネ（垂直弾性体）５１を介して揺動する球状の錘（振り子体）５０と、上記板バネの５１左右両側に固定されて該板バネ５１と直交する水平方向に延びる円柱状で一対の棒バネ（水平弾性体）５２，５２′と、該一対の棒バネ５２，５２′の各先端部５２ａにそれぞれ固定されて上記一対の圧電セラミックス体１０ａ，１０ｂを交互に殴打して該各圧電セラミックス体１０ａ，１０ｂに衝撃を与える錘を兼ねた鋼球（硬質の殴打体）５３，５３′と、で構成されている。
尚、図示はしないが、上記各圧電セラミックス体１０の殴打面の中央部にプロテクタ板（図示せず）を固着してもよい。
上記一対の圧電セラミックス体１０，１０は、同一実施（同一材質、同一形状、同一厚さ）の２枚の板状の圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂを、各圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂの分極の極性を同一方向にし、かつ、該圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂ間に、りん青銅や真鍮等の導電性金属で１０μｍ〜５０μｍの厚さに形成された極薄の金属電極１１を配置し、これら各圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂと極薄の厚さの金属電極１１を接合して構成されている。
金属電極１１を上記極薄の厚さとすることで、該金属電極１１による機械的
尚、図示はしないが、上記圧電セラミックス体１０の殴打面の中央部にプロテクタ板（図示せず）を固着してもよい。
金属電極１１を上記極薄の厚さとすることで、該金属電極１１による機械的な抵抗をごく僅かに抑えることができ、２つの圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂと金属電極１１の接合面を中心（伸縮しない部位）にたわみ振動が発生したとしても、該たわみ振動の金属電極１１による減衰を可及的に小さく抑えることができる。尚、この実施例の構成では、一方の側の圧電セラミックス素子１０ａが伸長すれば他方の側の圧電セラミックス素子１０ｂは収縮し、かつ出力電圧の電極は逆方向となり、両圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂは並列に接続された発電構成となる。
【０００６】
前記プロテクタ板は、金属製或いは合成樹脂製等で形成されており、後記するハンマー体２１の殴打から圧電セラミックス体１０を保護する。
尚、上記実施例１では、上記圧電セラミックス体１０を所謂並列構造とした場合を例にとり説明したが、この発明にあってはこれに限定されるものではなく、本出願人が先に提案した特開２００１−１４５３７５号に記載された所謂直列構造ものを用い、或いは、従来の公知構造からなる圧電セラミックス体を用いることができることは勿論であるが、最も発電効率が高いのは本実施例１に係る圧電セラミックス体１０の構造である。
【０００７】
図２は、上記圧電発電装置１′を用い、一の圧電セラミックス体１０が発電した電気を充填する充電装置の回路を示したものである。勿論、本実施例１では、圧電セラミックス体１０が２個配設されて構成されているので、当該充電回路が並列に、或いは直列に導電接続されて構成される。また、図示の並列回路は、使用目的に対応させて適宜増加させて構成してもよい。
即ち、この充電回路は、２つの圧重セラミックス体１０として２枚の圧電セラミックス素子１０ａ，１０ｂ、金属電極１１、整流用ダイオードＤ１〜Ｄ６、電気を蓄電するコンデンサＣ、スイッチＳＷ及び発光ダイオードＬ１〜Ｌ３を有する。圧電セラミックス素子１０ａで発電した電気は、整流用ダイオードＤ１〜Ｄ３により全波整流され、また圧電セラミックス素子１０ｂで発電した電気は、整流用ダイオードＤ４〜Ｄ６により全波整流される。これら、全波整流された電気はコンデンサＣに充電される。このコンデンサＣは、当該並列回路では１個とすることもできる。そして、スイッチＳＷの操作により、コンデンサＣは放電して発光ダイオードＬ１〜Ｌ３を点灯する。
【０００８】
このような充電装置を用いて当該圧電発電装置１′を構成することにより発電効率が従来のものと比較して数十倍以上得ることができ、例えば、携帯電話等の比較的電力を必要とする機器の充電装置或いは発光装置の電源として有効である。しかも、本圧電発電装置１′は、構造が簡単であり、かつより大きな出力電流を得ることができ経済的でもあるため、実用的である。
【０００９】
矩形板状の板バネ５１は、その下端部５１ｃをフレーム９に固定することで該フレーム９に対して垂直に起立している。この板バネ５１の先端部５１ａに球状の錘５０が固定されている。また、板バネ５１の下端側における中途部５１ｂの中央には左右一対の棒バネ５２，５２′の各基端部５２ｂをそれぞれ固定してある。これにより、左右一対の棒バネ５２，５２′は板バネ５１と直交する左右の水平方向に等距離延びている。そして、一対の棒バネ５２，５２′の各先端部５２ａに錘を兼ねた鋼球５３，５３′がそれぞれ固定されている。
そして、図１の矢印に示すように、錘５０或いは板バネ５１を左右に加振して錘５０が左右方向に揺動すると、殴打体としての一対の鋼球５３，５３′のうちの一方の鋼球（一方の殴打体）５３が一対の圧電セラミックス体１０のうちの一方（図１中左側）の圧電セラミックス体１０を殴打する殴打動作と該一対の鋼球５３，５３′のうちの他方の鋼球（他方の殴打体）５３′が該一対の圧電セラミックス体１０のうちの他方（図１中右側）の圧電セラミックス体１０から離れる離間動作とを左右交互に連続して繰り返すように構成されている。即ち、上記錘５０の揺動時に、上記一対の棒
【００１０】
バネ５２，５２′が各鋼球５３，５３′の各圧電セラミックス体１０への殴打動作と離間動作とを左右交互に連続して繰り返す間欠機構を構成している。
尚、この実施例１に係る圧電発電装置１′，１′を、例えば、共鳴振動体の振動子に夫々連結し、各振動子による共鳴振動力によって上記一対の棒バネ５２，５２′，５２，５２′による連続加撃を加えることで発電効率をさらに向上させることが可能である。図１に示すように、振動体が一組で構成されている場合、板バネ５１の下端部５１ｃからフレーム９への振動伝達が大きいために、フレーム９の剛性を大きくし、かつ、板バネ５１の下端部５１ｃをフレーム９に堅牢に固定しなければならないのに対して、二組の圧電発電装置１′，１′を共鳴振動体に取り付けた場合には、二組の圧電発電装置１′，１′の振動が打ち消しあってフレーム９に伝わる振動が微小となるため、フレーム９の剛性を大きくする必要がなくなり、部品コストを低減することができ、しかも、フレーム９等から外部へと逃げる運動エネルギー量を、飛躍的に小さくすることができ、発電効率を大幅に向上させることができる。
以上構成の繰り返し加振する振動型の圧電発電装置１′では、板状に形成された一対の圧電セラミックス体１０に一対の鋼球５３，５３′の殴打で歪み変形を供与することで発電する。即ち、錘５０或いは板バネ５１を所定手段で一回加振して該錘５０を左右方向に揺動させて運動エネルギーを溜める。この溜まった運動エネルギーを左右一対の棒バネ５２，５２′のいずれか一方で交互に加振して各圧電セラミックス体１０に対して各鋼球５３，５３′を交互に連続して繰り返し殴打することで発電する。
この際の上記錘５０の変位量（揺動量）と上記各鋼球５３，５３′の変位量の位相の関係を図３（ａ）に示し、上記錘５０の速度（角速度）と上記各鋼球５３，５３′の速度（加振速度）の位相の関係を図３（ｂ）に示す。図３（ａ）の波形図において、錘５０の変位を実線Ａで示し、一方の鋼球５３の変位を一点鎖線Ｂで示し、他方の鋼球５３′の変位を二点鎖線Ｃで示す。また、図３（ｂ）の波形図において、錘５０の速度を実線Ｅで示し、一方の鋼球５３の速度を一点鎖線Ｆで示し、他方の鋼球５３′の速度を二点鎖線Ｇで示す。
図３（ａ），（ｂ）の波形図から判るように、この繰り返し加振する振動型の圧電発電装置１′では、錘５０の揺動力（運動エネルギー）の蓄積と一対の鋼球５３，５３′の各圧電セラミックス体１０への殴打による消費を分けて、錘５０の動きと各鋼球５３，５３′の動きを一次遅れ（位相にして９０°前後の遅れが最適である）にすることにより、錘５０の速度がゼロ或いは小さいときに、一方の鋼球５３又は他方の鋼球５３′の速度を最高値にする
【００１１】
ことができる。これにより、各鋼球５３，５３′の各圧電セラミックス体１０への加振速度を最大にして、かつ、錘５０の振動（揺動）を連続して繰り返すことができる。
また、上記錘５０の揺動時に、該錘５０を固定した板バネ５１の両側に固定された一対の棒バネ５２，５２′が、各鋼球５３，５３′の一対の圧電セラミックス体１０への殴打動作と離間動作とを左右交互に連続して繰り返す間欠機構（一次遅れ機構）を構成するので、この間欠機構なしで加振した場合（即ち、板バネ５１の片側のみに鋼球を固定した場合）に比べて、一回の錘５０の加振により各鋼球５３，５３′の打撃を交互に連続して繰り返して行うことができる。
尚、間欠機構なしで加振した場合には、錘５０が速度を持っている時に急な衝突により速度がゼロとなるため、一撃の運動エネルギーは大きいものの、繰り返し運動にすることができない。しかしながら、本実施例では、一対の棒バネ５２，５２′により、図３（ｂ）に示すように、錘５０の最高速の位置よりも各鋼球５３，５３′の最高速の位置を遅らせて、錘５０の速度がゼロ或いは小さい時に、一方の鋼球５３又は他方の鋼球５３′の速度を最高値にして最大の殴打値で各圧電セラミックス体１０を殴打することができる。これにより、発電効率が従来のものと比較して数十倍以上得ることができ、例えば、携帯電話等の比較的電力を必要とする機器の充電装置或いは発光装置の電源として有効である。しかも、本振動型の圧電発電装置１′は、構造が簡単であり、かつ、より大きな出力電流を得ることができ経済的でもあるため、実用的である。
このように、上記錘５０の揺動時に、上記一対の鋼球５３，５３′のうちの一方の鋼球５３が上記一対の圧電セラミックス体１０のうちの一方の圧電セラミックス体１０を殴打する殴打動作と該一対の鋼球５３，５３′のうちの他方の鋼球５３′が該一対の圧電セラミックス体１０のうちの他方の圧電セラミックス体１０から離れる離間動作とを左右交互に連続して繰り返すように構成したので、従来の一つの鋼球を用いた圧電発電装置で得られる電流出力よりも数十倍以上の発電量を、一回の錘５０の加振による交互に連続して繰り返される各鋼球５３，５３′の打撃で、より確実に得ることができると共に、この錘５０の加振を自動的に繰り返し得ることができる手段と併用することにより、例えば、携帯電話の電源として、或いは、救命ブイ等の電源として、実用レベルの発電量を確保することが可能となる。
ここで、図１に示す錘５０を６．３ｇの鋼球で形成し、板バネ５１を幅５ｍｍ，厚さ０．４ｍｍ，長さ２８ｍｍのバネ鋼で形成し、一対の棒バネ５２，５２′をφ０．５ｍｍ，長さ２０ｍｍのピアノ線で夫々形成し、一対の鋼球５３，
【００１２】
５３，５３′を０．６５ｇの鋼球で夫々形成し、さらに、一対の圧電セラミックス体１０を５．８ｍｍ×１７．５ｍｍ×２ｍｍで構成し、クッション材３を厚さ２ｍｍの発泡ポリウレタンで形成し、図４に示す測定装置で電圧を測定した。その結果を、図５に示す。
図５に示すデータからも明らかなように、上記錘５０に１度加振すると、上記一対の鋼球５３，５３′が、減衰されることなく殴打動作を左右交互に連続して繰り返し、従来のような１回限りの殴打により得られる発電量の数十倍の発電が得られることが判る。
また、振り子体としての錘５０を揺動させる垂直弾性体として矩形板状の板バネ５１を用いると共に、先端部５２ａに殴打体としての各鋼球５３，５３′を固定した一対の水平弾性体として円柱状の棒バネ５２，５２′を用い、この一対の棒バネ５２，５２′が、上記錘５０の揺動時に、各鋼球５３，５３′の一対の圧電セラミックス体１０，１０への殴打動作と離間動作とを左右交互に連続して繰り返す間欠機構を構成するので、簡単でかつ安価な機構により各鋼球５３，５３′の一対の圧電セラミックス体１０，１０への打撃力を左右交互に連続的に繰り返して得ることができ、携帯電話等の比較的電力を必要とする機器の電源として、或いは、浮標（ブイ）等の電源として実用レベルの発電力が得られる。
図６は、この発明の実施例２に係る圧電発電装置１Ａを示しており、該圧電発電装置１Ａは、フレーム９と、該フレーム９の上面９ａの左側に配設された圧電セラミックス体１０と、該圧電セラミックス体１０を該圧電セラミックス体１０の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材３と、上記フレーム９の上面に固定されたＬ字状のバネ材で形成されてなる基部材５１Ａと、該基部材５１Ａの垂直部５１Ａ１に固定された水平弾性体５２Ａ，５２Ｂと、この水平弾性体５２Ａ，５２Ｂの両端部にそれぞれ固定されてなる硬質の殴打体である鋼球５３Ａ，５３Ｂと、で構成されており、上記鋼球５３Ｂに外力Ｆを付与することで、他方の鋼球５３Ａが共振作用によって上下振動を連続して繰り返し、上記圧電セラミックス体１０を殴打して該圧電セラミックス体１０に衝撃を与え発電させるように構成されている。尚、本実施例２において、実施例１と同様の構成部分については、図面に実施例１と同一の符号を付して、その詳細な説明をここでは省略する。
即ち、棒状ステンレス等の金属体で形成されてなる上記水平弾性体５２Ａ，５２Ｂは、上記基部材５１Ａの垂直部５１Ａ１の下端部からｌ０の高さ位置から同じ長さｌ１，ｌ２を有して溶接固定されている。
ここで、図６に示す鋼球５３Ａ，５３Ｂを０．６ｇの鋼球で形成し、水平弾性体５２Ａ，５２Ｂをφ０．６のステンレス棒材（ｓｕｓ３０４−ＷＰＢ）
【００１３】
で形成し、かつ、ｌ１，ｌ２間長さを７０ｍｍとし、ステンレス材（ｓｕｓ３０１：ｔ＝０．４）で形成された基部材５１Ａのｌ０寸法を１５ｍｍに設定した場合、鋼球５３Ａ，５３Ｂの上下振幅ストロークは１４〜１５ｍｍであった。この構成からなる圧電発電装置１Ａによる発電量を、前記図４に示す測定装置と同様の測定装置で電圧を測定した。その結果を、図７に示す。
図７に示すデータからも明らかなように、上記鋼球５３Ｂに外力Ｆを１度与えると、鋼球５３Ａが上下方向に連続して振動を繰り返し、従来のような１回限りの殴打により得られる発電量の数十倍の発電が得られることが判る。即ち、この実施例２では、ｌ１＝ｌ２，５３Ａ＝５３Ｂとして図６左側の固有振動数と右側の固有振動数とを同一に設定し、左右が共振するように構成されている。このように構成することで、左側の固有周波数（ｎ・ｆｏ）を右側の固有周波数（ｆｏ）の整数倍にすることができ、その結果、右側の蓄積エネルギーを大きく（完成モーメントを大きく）することで、固有周波数は下がり、鋼球５３Ａの振動継続時間を長くすることができる。
また、この実施例２に係る圧電発電装置は、前記実施例１の装置に比べて、部品点数が大幅に削減され、コストダウンと共に、装置を非常に小さくすることができ、特に小型電子機器である携帯電話等の比較的電力を必要とする機器の電源として実用性が大いに期待することができる。
尚、上記実施例２では、前記水平弾性体５２Ａ，５２Ｂと基部材５１Ａとの連結を、溶接で行う場合を例にとり説明したが、この発明にあってはこれに限定されるものではなく、ねじ止めやかしめ止め、或は強力な接着剤を用い或はハンダ付け等の公知の手段で一体的に連結することもできる。
【産業上の利用可能性】
請求の範囲４に記載した発明によれば、
【００１４】
板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、一対の圧電セラミックス体と、該各圧電セラミックス体を該各圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、加振により垂直弾性体を介して揺動する振り子体と、上記垂直弾性体の両側に固定されて該垂直弾性体と直交する方向に延びる一対の水平弾性体と、該一対の水平弾性体の各先端部にそれぞれ固定されて上記一対の圧電セラミックス体を交互に殴打して該各圧電セラミックス体に衝撃を与える硬質の殴打体と、で構成し、上記振り子体の揺動時に、上記一対の殴打体のうちの一方の殴打体が上記一対の圧電セラミックス体のうちの一方の圧電セラミックス体を殴打する殴打動作と該一対の殴打体のうちの他方の殴打体が該一対の圧電セラミックス体のうちの他方の圧電セラミックス体から離れる離間動作とを交互に連続して繰り返すように構成したので、従来の鋼球を用いた圧電発電装置で得られる電流出力よりも数十倍以上の発電量を、一回の振り子体の加振による交互に連続して繰り返される各殴打体の打撃により確実に得ることができると共に、この振り子体の加振を自動的に繰り返し得ることができる手段と併用することで、例えば、携帯電話の電源として、或いは、救命ブイ等の電源として、実用レベルの発電量を確保することが可能となる、という効果を得ることができる。
また、請求の範囲５乃至請求の範囲７のいずれかに記載の発明によれば、簡単でかつ安価な機構により各殴打体の打撃力を交互に連続的に繰り返して得ることができ、携帯電話等の比較的電力を必要とする機器の電源として、或いは、浮標（ブイ）等の電源として実用レベルの発電力が得られる。
また、請求の範囲８に記載した発明によれば、殴打体の加振力を連続的に得る他の手段として、板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、少なくとも一の圧電セラミックス体と、該圧電セラミックス体を該圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、バネ材で形成された基部材と、該基部材の垂直部に固定された水平弾性体と、この水平弾性体の両端部にそれぞれ固定されて上記圧電セラミックス体を殴打して該圧電セラミックス体に衝撃を与える硬質の殴打体と、で構成し、上記殴打体の一方に外力を付与することで、

Claims (10)

  1. 板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、上記圧電セラミックス体と、該圧電セラミックス体を該圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、上記圧電セラミックス体に衝撃を与える加撃手段と、で構成し、該加撃手段は、ハンマー体と、該ハンマー体を殴打方向に作動させるスイッチ部材と、で構成し、該スイッチ部材は、ハンマー体による圧電セラミックス体への加撃動作時に、該ハンマー体に弾性体の付勢力を作用させるように構成されていることを特徴とする圧電発電装置。
  2. 前記スイッチ部材には、揺動する振り子体が連結され、該振り子体の揺動力によって、上記スイッチ部材の動作がＯＮ／ＯＦＦ制御されることを特徴とする請求の範囲１に記載の圧電発電装置。
  3. 前記圧電発電装置は、共鳴振動体に連結されていることを特徴とする請求の範囲１に記載の圧電発電装置。
  4. 板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、一対の圧電セラミックス体と、該各圧電セラミックス体を該各圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、加振により垂直弾性体を介して揺動する振り子体と、上記垂直弾性体の両側に固定されて該垂直弾性体と直交する方向に延びる一対の水平弾性体と、該一対の水平弾性体の各先端部にそれぞれ固定されて上記一対の圧電セラミックス体を交互に殴打して該各圧電セラミックス体に衝撃を与える硬質の殴打体と、で構成し、上記振り子体の揺動時に、上記一対の殴打体のうちの一方の殴打体が上記一対の圧電セラミックス体のうちの一方の圧電セラミックス体を殴打する殴打動作と該一対の殴打体のうちの他方の殴打体が該一対の圧電セラミックス体のうちの他方の圧電セラミックス体から離れる離間動作とを交互に連続して繰り返すように構成されていることを特徴とする圧電発電装置。
  5. 上記垂直弾性体は矩形板状の板バネであり、上記一対の水平弾性体は円柱状の棒バネであることを特徴とする請求の範囲４に記載の圧電発電装置。
  6. 上記振り子体の揺動時に、上記一対の水平弾性体が各殴打体の各圧電セラミックス体への殴打動作と離間動作とを交互に連続して繰り返す間欠機構を構成することを特徴とする請求の範囲４に記載の圧電発電装置。
  7. 前記圧電発電装置は、共鳴振動体に連結されていることを特徴とする請求の範囲４乃至請求の範囲６のいずれかに記載の圧電発電装置。
  8. 板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、少なくとも一の圧電セラミックス体と、該圧電セラミックス体を該圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、バネ材で形成された基部材と、該基部材の垂直部に固定された水平弾性体と、この水平弾性体の両端部にそれぞれ固定されて上記圧電セラミックス体を殴打して該圧電セラミックス体に衝撃を与える硬質の殴打体と、で構成し、上記殴打体の一方に外力を付与することで、他方の殴打体が共振作用によって上下振動を連続して繰り返すように構成したことを特徴とする圧電発電装置。
  9. 前記水平弾性体は、基部材から同じ長さを有して同基部材に固定されていると共に、該基部材の両端部に固定される殴打体も、ほぼ同じ形状・重量で形成されていることを特徴とする請求の範囲８に記載の圧電発電装置。
  10. 前記水平弾性体と基部材との連結は、ねじ止め、かしめ止め、接着剤或は溶接のいずれかの手段を用いて一体化したことを特徴とする請求の範囲８又は請求の範囲９のいずれかに記載の圧電発電装置。
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