JPWO2013069516A1 - 圧電発電素子 - Google Patents

Abstract

小型な圧電発電素子を提供する。
圧電発電素子１は、第１の方向ｘの一方側ｘ１に位置する第１の面１０ａと、第１の方向ｘの他方側ｘ２に位置しており、第１の面１０ａと対向している第２の面１０ｂとを有する圧電素子１０と、ストッパ２０と、レバー３０とを備える。ストッパ２０は、第１の面１０ａに当接している第１の当接面２１ａを有する。レバー３０は、第２の面１０ｂに当接している第２の当接面３１ａを含む当接部３１と、第２の面１０ｂよりも一方側ｘ１に配置されている変位部３２とを有する。レバー３０は、第２の方向ｙに延びる回転軸を中心としてストッパ２０に対して相対的に回転可能に設けられている。変位部３２が回転軸を中心としてストッパ２０に対して相対的に回転した際に、第２の当接面３１ａが第２の面１０ｂを押圧するようにレバー３０が設けられている。

Description

本発明は、圧電素子を備えた圧電発電素子に関する。

従来、小型の発電素子として、圧電素子を備えた圧電発電素子が知られている（例えば特許文献１を参照）。圧電発電素子は、圧電素子と、振動などの外力が加わった際に圧電素子に応力を加える部材とにより構成されるため、構造を単純にすることができ、小型化が可能である。このため、例えば、タイヤの内部に取り付けられたタイヤ空気圧監視システム（Ｔｉｒｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ：ＴＰＭＳ）用無線機の電源等の幅広い用途への応用が期待されている。

特開２００８−５４４５０号公報

近年、電子機器、家具、建築物の建具などの様々な物に圧電発電素子を取り付けるために、圧電発電素子をさらに小型化したいという要望が強まってきている。

本発明は、小型な圧電発電素子を提供することを主な目的とする。

本発明に係る第１の圧電発電素子は、圧電素子と、ストッパと、レバーとを備える。圧電素子は、第１の面と、第２の面とを有する。第１の面は、第１の方向の一方側に位置している。第２の面は、第１の方向の他方側に位置している。第２の面は、第１の面と対向している。ストッパは、第１の当接面を有する。第１の当接面は、第１の面に当接している。レバーは、当接部と、変位部とを有する。当接部は、第２の当接面を含む。第２の当接面は、第２の面に当接している。変位部は、第２の面よりも第１の方向の一方側に配置されている。レバーは、第１の方向に対して垂直な第２の方向に延びる回転軸を中心としてストッパに対して相対的に回転可能に設けられている。変位部が回転軸を中心としてストッパに対して相対的に回転した際に、第２の当接面が第２の面を押圧するようにレバーが設けられている。

本発明に係る圧電発電素子のある特定の局面では、レバーは、ストッパによって回転可能に支持されている。

本発明に係る第１の圧電発電素子の別の特定の局面では、当接部と回転軸との間の最短距離が、変位部と回転軸との間の最短距離よりも短い。

本発明に係る圧電発電素子の他の特定の局面では、圧電発電素子は、付勢部材をさらに備える。付勢部材は、レバーがストッパに対して相対的に回転したときに、回転方向と逆向きの方向にレバーを付勢する。

本発明に係る第１の圧電発電素子のさらに他の特定の局面では、付勢部材は、変位部を付勢する。

本発明に係る第１の圧電発電素子のさらに別の特定の局面では、圧電発電素子は、レバーを回転軸を中心として複数回回転させる駆動機構をさらに備える。

本発明に係る第２の圧電発電素子は、圧電体と、応力印加部材とを備える。応力印加部材は、圧電体に応力を加える。本発明に係る第２の圧電発電素子は、駆動機構をさらに備える。駆動機構は、圧電発電素子に外力が加わった際に、応力印加部材が圧電体に対して複数回応力を印加するように応力印加部材を駆動する。

本発明によれば、小型な圧電発電素子を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電素子の略図的斜視図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電素子の略図的平面図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電素子の略図的側面図である。 図４は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電素子の略図的正面図である。 図５は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電素子の略図的斜視図である。 図６は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電素子の略図的側面図である。 図７は、本発明の第３の実施形態に係る圧電発電素子の略図的側面図である。 図８は、本発明の第３の実施形態に係る圧電発電素子の略図的斜視図である。 図９は、本発明の第３の実施形態に係る圧電発電素子の略図的分解斜視図である。 図１０は、本発明の第３の実施形態の変形例に係る圧電発電素子の略図的斜視図である。 図１１は、本発明の第３の実施形態の変形例に係る圧電発電素子の略図的分解斜視図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

また、下記の実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、下記の実施形態等において参照する各図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電素子１の略図的斜視図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電素子１の略図的平面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電素子１の略図的側面図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電素子１の略図的正面図である。図１〜図４には、ｘ軸と、ｘ軸に直交するｙ軸と、ｘ軸およびｙ軸に直交するｚ軸とからなる直交座標系のｘ−ｙ−ｚ軸を付記している。ここで、ｘ軸方向が第１の方向であり、ｙ軸方向が第２の方向でありｚ軸方向が第３の方向である。

圧電発電素子１は、圧電素子１０と、ストッパ２０と、レバー３０とを備えている。

圧電素子１０は、圧電体と、電極とを有する。圧電体は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などにより構成することができる。電極は、圧電体において発生した電力を取り出すことができる限りにおいて、どのように配置されていてもよい。電極は、例えば、一対であり、圧電体を狭持するように配置されていてもよい。また、一対の電極のそれぞれは、複数の電極により構成されていてもよい。

本実施形態において、圧電素子１０は、柱状である。より具体的には、圧電素子１０は、四角柱状である。圧電素子１０は、第１の面１０ａと、第２の面１０ｂとを有する。第１の面１０ａと第２の面１０ｂとは、ｘ軸方向において互いに対向している。第１の面１０ａは、ｘ軸方向のｘ１側に位置している。第２の面１０ｂは、ｘ軸方向のｘ２側に位置している。なお、圧電素子１０は、複数の圧電体層と複数の内部電極とを積層してなる積層型圧電体により構成されていてもよい。また、圧電素子１０は、対向する２つの面を有していればよく、柱状ではなく、平板状などの他の形状であってもよい。

ストッパ２０は、当接部２１と、支持部２２と、接続部２３と、シャフト２４とを有する。当接部２１は、第１の面１０ａのｘ軸方向のｘ１側に配置されている。当接部２１は、第１の当接面２１ａを有する。第１の当接面２１ａは、第１の面１０ａと対向しており、第１の面１０ａと当接している。

支持部２２は、第２の面１０ｂのｘ軸方向のｘ２側に配置されている。支持部２２は、接続部２３により当接部２１に接続されている。接続部２３は、圧電素子１０のｚ軸方向のｚ２側に配置されている。

支持部２２には、ｙ軸方向に沿って延びるシャフト２４が設けられている。このシャフト２４により、レバー３０がシャフト２４を中心として回転可能に支持されている。従って、レバー３０は、第１の方向であるｘ軸方向に対して垂直な第２の方向であるｙ軸方向に延びる回転軸を中心としてストッパ２０に対して相対的に回転可能である。

レバー３０は、当接部３１と、変位部３２と、接続部３３とを有する。当接部３１は、第２の面１０ｂのｘ軸方向のｘ２側に配置されている。当接部３１は、ｙ軸方向において、ストッパ２０の内部に配置されている。当接部３１は、第２の当接面３１ａを有する。第２の当接面３１ａは、第２の面１０ｂと対向しており、第２の面１０ｂに当接している。

変位部３２は、第２の面１０ｂよりもｘ軸方向のｘ１側に配置されている。具体的には、本実施形態では、変位部３２は、第１の面１０ａよりもｘ軸方向のｘ１側に配置されている。変位部３２は、ｙ軸方向において、ストッパ２０の内部に配置されている。変位部３２のｚ軸方向のｚ１側の端部は、当接部２１のｚ軸方向のｚ１側の端部よりも、ｚ１側に位置している。このため、変位部３２に対して、ｚ軸方向のｚ２側への力を容易に加えることができる。

変位部３２は、接続部３３により当接部３１に接続されている。接続部３３は、圧電素子１０のｚ軸方向のｚ２側に配置されている。

圧電発電素子１では、操作者がレバー３０を操作したり、圧電発電素子１に振動や外力などが加わったりした際に、レバー３０の変位部３２にｚ軸方向のｚ２側への力が加わって、レバー３０が回転軸（シャフト２４の中心軸）を中心としてストッパ２０に対して相対的に回転すると、その回転に伴って当接部３１の第２の当接面３１ａも回転軸を中心として回転する。このため、当接部３１の第２の当接面３１ａが、圧電素子１０の第２の面１０ｂをｘ軸方向のｘ１側に向けて押圧する。詳細には、第２の当接面３１ａが、第２の面１０ｂをｘ軸方向のｘ１側であって、ｚ軸方向のｚ２側に向けて押圧する。このため、圧電素子１０に応力が加わる。その結果、圧電素子１０において、圧電効果により電力が発生する。

圧電発電素子１には、付勢部材４０（図３を参照）が設けられている。付勢部材４０は、第２の当接面３１ａが第２の面１０ｂをｘ軸方向のｘ１側に向けて押圧するようにレバー３０がストッパ２０に対して相対的に回転したときに、そのレバー３０の回転方向と逆向きの方向にレバー３０、詳細には、レバー３０の変位部３２を付勢する。このため、この付勢部材４０によって、回転したレバー３０が元の位置に戻ることが補助される。なお、付勢部材４０は、例えば、バネ等により構成することができる。

以上説明したように、圧電発電素子１では、レバー３０の変位部３２が第２の面１０ｂよりもｘ軸方向のｘ１側（第１の面１０ａ側）に位置している。そして、レバー３０の接続部３３が圧電素子１０のｚ軸方向のｚ２側に配置されている。よって、圧電発電素子１では、ｘ軸方向において、レバー３０の少なくとも一部の位置が圧電素子１０の位置と重なっている。従って、圧電発電素子１では、ｘ軸方向（第１の方向）における寸法を小さくすることができる。

また、圧電発電素子１では、当接部３１と回転軸との間の最短距離が、変位部３２と回転軸との間の最短距離よりも短くなるように、シャフト２４が設けられている。このため、てこの原理により、第２の当接面３１ａの圧電素子１０に対する押圧力が大きくなる。従って、圧電発電素子１のさらなる小型化、高発電効率化を図ることができる。

さらに、圧電発電素子１では、レバー３０がストッパ２０によって回転可能に支持されている。このため、レバー３０を支持する部材を、ストッパ２０とは別個に設ける必要がない。従って、圧電発電素子１のさらなる小型化を図ることができる。

圧電発電素子１では、付勢部材４０が設けられているため、レバー３０の変位部３２にｚ軸方向のｚ２側への応力が加わると、レバー３０が複数回揺動し得る。また、付勢部材４０によって、レバー３０が元の位置にまで復帰するまでに要する時間が短くなる。従って、圧電発電素子１の発電量の増大を図ることができる。

特に、本実施形態では、付勢部材４０は、回転軸から離れた位置にある変位部３２を付勢するように配置されているため、レバー３０が元の位置にまで復帰するまでに要する時間がさらに短くなる。従って、圧電発電素子１の発電量のさらなる増大を図ることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電素子２の略図的斜視図である。図６は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電素子２の略図的側面図である。

本発明の第２の実施形態に係る圧電発電素子２は、駆動機構としてのスライド部材５０を有する点で、第１の実施形態に係る圧電発電素子１と異なる。スライド部材５０は、第１の方向であるｘ軸方向に沿った応力が圧電発電素子２に加わった際に、レバー３０を回転軸を中心として回転させる。

詳細には、スライド部材５０は、ストッパ２０及びレバー３０に対して、第１の方向であるｘ軸方向に変位可能に設けられている。スライド部材５０は、ストッパ２０及びレバー３０に対して、ｚ軸方向のｚ１側に配置されている。スライド部材５０は、ｚ軸方向のｚ２側に突出する凸部５０ａを複数有する。複数の凸部５０ａは、変位部３２に設けられた棒状部材３２ａとｘ軸方向に重なるように設けられている。棒状部材３２ａは、ｙ軸方向に沿って延びるように設けられている。複数の凸部５０ａは、それぞれ、ｘ軸方向に対して傾斜した一対の傾斜面５０ａ１，５０ａ２を有している。傾斜面５０ａ１のｘ軸方向（スライド部材５０の変位方向）に対する傾斜角と、傾斜面５０ａ２のｘ軸方向に対する傾斜角とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、傾斜面５０ａ２のｘ軸方向に対する傾斜角の方が、傾斜角５０ａ１のｘ軸方向に対する傾斜角よりも大きくてもよい。

なお、本実施形態では、傾斜面５０ａ１，５０ａ２は、それぞれ、平面状であるが、曲面状であってもよい。例えば、複数の凸部５０ａを有するスライド部材５０の輪郭の横断面形状は、例えばサインカーブなどのように、少なくとも一部が曲線により構成された波状の部分を有するものであってもよい。

ところで、特許文献１に記載の圧電発電素子では、圧電発電素子に対して外力が１回加わった際に、圧電体に対して１回のみ応力が加わる。このため、多くの発電量を得るためには、圧電体を大きく変形させる必要がある。このため、圧電体に加わる応力が大きくなるため、圧電体が破損しやすい。

それに対して、圧電発電素子２では、圧電発電素子２に対して外力が１回加わった際に、応力印加部材としてのレバー３０が圧電素子１０に対して複数回応力を印加するようにレバー３０を駆動する、駆動機構としてのスライド部材５０が設けられている。圧電発電素子２では、圧電発電素子２にｘ軸方向に沿った振動や外力が加わると、スライド部材５０が、ストッパ２０及びレバー３０に対して相対的にｘ軸方向に変位する。その際に、複数の凸部５０ａの少なくとも１つが棒状部材３２ａをｘ軸方向に横切ると、当該凸部５０ａにより棒状部材３２ａがｚ２側に押圧される。スライド部材５０がｘ軸方向に変位する大きさによっては、複数の凸部５０ａが棒状部材３２ａをｘ軸方向に横切ることになり、複数の凸部５０ａにより棒状部材３２ａがｚ２側に複数回押圧される。このため、スライド部材５０がｘ軸方向に沿って一度変位する間に、レバー３０が複数回操作される。よって、圧電発電素子２では、レバー３０の１回の回転によって圧電素子１０に加わる応力の大きさが小さくても、スライド部材５０によってレバー３０が複数回回転することで圧電素子１０に応力が複数回加わるため、全体として大きな発電量が得られる。従って、圧電素子１０に一度に大きな応力を加えることなく、大きな発電量を得ることができる。特に、スライド部材５０には、バネ等により構成された弾性部材５１が接続されているため、スライド部材５０に応力が加わった際に、スライド部材５０がｘ軸方向に変位する回数が多くなる。従って、優れた発電効率及びさらに大きな発電量を実現することができる。

また、圧電発電素子２では、ｚ軸方向に沿った振動や外力が加わったときのみならず、ｘ軸方向に沿った振動や外力が加わったときにも電力が発生する。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係る圧電発電素子３の略図的側面図である。図８は、本発明の第３の実施形態に係る圧電発電素子３の略図的斜視図である。図９は、本発明の第３の実施形態に係る圧電発電素子３の略図的分解斜視図である。

本発明の第３の実施形態に係る圧電発電素子３では、ストッパ２０にレバー３０が直接接続されている。すなわち、ストッパ２０とレバー３０とが一体に形成されている。圧電発電素子３では、変位部３２に、シャフト６３が設けられている。一方、ストッパ２０には、カム６１が回転可能に取り付けられている。カム６１は、平面視して非円形である。具体的には、カム６１は、平面視して略多角形状、より具体的には、略矩形状である。カム６１の外周面と、シャフト６３の外周面とは当接している。カム６１の中央部には、シャフト６２が回転不能に固定されている。シャフト６２の外周面には、歯車が設けられている。シャフト６２のｚ軸方向における一方側には、駆動機構としてのスライド部材５０が配置されている。スライド部材５０は、ｚ軸方向の一方側に突出する複数の凸部５０ａを有し、ｘ軸方向に変位可能に設けられている。複数の凸部５０ａは、シャフト６２の外周面に設けられた歯車と噛合するように形成されている。

圧電発電素子３では、スライド部材５０がｘ軸方向に沿って変位すると、シャフト６２と共に、カム６１も回転する。ここで、カム６１の形状は非円形であるため、カム６１の回転に伴って、シャフト６３がｚ軸方向に沿って揺動する。これに伴い、シャフト６３が固定されたレバー３０は、ストッパ２０とレバー３０との接続部分近傍に位置する回転軸Ｃを中心として回転し、当接部３１の第２の当接面３１ａが圧電素子１０の第２の面１０ｂをｘ軸方向のｘ１側に向けて押圧する。このため、圧電素子１０に応力が加わる。その結果、圧電素子１０において、圧電効果により電力が発生する。

従って、圧電発電素子３では、ｘ軸方向に沿った直線的な振動や外力が加わった場合においても、電力が発生する。また、スライド部材５０がｘ軸方向に沿って一度変位すると、レバー３０が複数回連続して揺動するため、連続的に電力を発生させることができる。

なお、本実施形態では、スライド部材５０に複数の凸部５０ａを設けると共に、シャフト６２の外周面に歯車を設ける例について説明したが、これらは必ずしも必須ではない。スライド部材５０とシャフト６２との間に発生する摩擦力により、カム６１が回転するようにしてもよい。

（第３の実施形態の変形例）
図１０は、本発明の第３の実施形態の変形例に係る圧電発電素子４の略図的斜視図である。図１１は、本発明の第３の実施形態の変形例に係る圧電発電素子４の略図的分解斜視図である。

本変形例に係る圧電発電素子４は、変速機構７０を有する点で、第３の実施形態に係る圧電発電素子３と異なる。変速機構７０は、複数のギアにより構成されており、スライド部材５０の変位速度に対するカム６１の回転速度、即ち、減速比を変化させる機構である。変速機構７０を設けることにより、圧電素子１０に加わる振動の周波数等の調整が可能となる。

１，２，３，４…圧電発電素子
１０…圧電素子
１０ａ…第１の面
１０ｂ…第２の面
２０…ストッパ
２１…当接部
２１ａ…第１の当接面
２２…支持部
２３…接続部
２４…シャフト
３０…レバー
３１…当接部
３１ａ…第２の当接面
３２…変位部
３２ａ…棒状部材
３３…接続部
４０…付勢部材
５０…スライド部材
５０ａ…凸部
５０ａ１，５０ａ２…傾斜面
６１…カム
６２，６３…シャフト
７０…変速機構

本発明に係る第１の圧電発電素子は、圧電素子と、ストッパと、レバーとを備える。圧電素子は、第１の面と、第２の面とを有する。第１の面は、第１の方向の一方側に位置している。第２の面は、第１の方向の他方側に位置している。第２の面は、第１の面と対向している。ストッパは、第１の当接面を有する。第１の当接面は、第１の面に当接している。レバーは、当接部と、接続部と、変位部とを有する。当接部は、第２の当接面を含む。第２の当接面は、第２の面に当接している。接続部は、当接部に連ねられている。変位部は、接続部に連ねられており、かつ第２の面よりも第１の方向の一方側に配置されている。レバーは、第１の方向に対して垂直な第２の方向に延びる回転軸を中心としてストッパに対して相対的に回転可能に設けられている。変位部は、第２の方向において、ストッパの内部に配置されている。変位部が回転軸を中心としてストッパに対して相対的に回転した際に、第２の当接面が第２の面を押圧するようにレバーが設けられている。

Claims (7)

1. 第１の方向の一方側に位置する第１の面と、第１の方向の他方側に位置しており、前記第１の面と対向している第２の面とを有する圧電素子と、
   前記第１の面に当接している第１の当接面を有するストッパと、
   前記第２の面に当接している第２の当接面を含む当接部と、前記第２の面よりも前記第１の方向の一方側に配置されている変位部とを有し、前記第１の方向に対して垂直な第２の方向に延びる回転軸を中心として前記ストッパに対して相対的に回転可能に設けられたレバーと、
   を備え、
   前記変位部が前記回転軸を中心として前記ストッパに対して相対的に回転した際に、前記第２の当接面が前記第２の面を押圧するように前記レバーが設けられている、圧電発電素子。
2. 前記レバーは、前記ストッパによって回転可能に支持されている、請求項１に記載の圧電発電素子。
3. 前記当接部と前記回転軸との間の最短距離が、前記変位部と前記回転軸との間の最短距離よりも短い、請求項１または２に記載の圧電発電素子。
4. 前記レバーが前記ストッパに対して相対的に回転したときに、前記回転方向と逆向きの方向に前記レバーを付勢する付勢部材をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電発電素子。
5. 前記付勢部材は、前記変位部を付勢する、請求項４に記載の圧電発電素子。
6. 前記レバーを前記回転軸を中心として複数回回転させる駆動機構をさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電発電素子。
7. 圧電体と、
   前記圧電体に応力を加える応力印加部材と、
   を備える圧電発電素子であって、
   前記圧電発電素子に外力が加わった際に、前記応力印加部材が前記圧電体に対して複数回応力を印加するように前記応力印加部材を駆動する駆動機構と、
   を備える、圧電発電素子。

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