WO2010067620A1 - 圧電発電装置 - Google Patents

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piezoelectric
power generation
flexible body
piezoelectric power
generation device
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堀口睦弘
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株式会社村田製作所
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304—Beam type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
    • B60C23/00—Devices for measuring, signalling, controlling, or distributing tyre pressure or temperature, specially adapted for mounting on vehicles; Arrangement of tyre inflating devices on vehicles, e.g. of pumps or of tanks; Tyre cooling arrangements
    • B60C23/02—Signalling devices actuated by tyre pressure
    • B60C23/04—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre
    • B60C23/0408—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre transmitting the signals by non-mechanical means from the wheel or tyre to a vehicle body mounted receiver
    • B60C23/041—Means for supplying power to the signal- transmitting means on the wheel
    • B60C23/0411—Piezoelectric generators

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric power generator, and more particularly to a piezoelectric power generator that generates electric power by converting kinetic energy into electric energy.
  • Patent Literature 1 discloses a piezoelectric power generation device 101 shown in FIG.
  • the piezoelectric power generation apparatus 101 includes a piezoelectric power generation element 102.
  • the piezoelectric power generating element 102 is a cantilever having one end fixed to the support member 104 and the other end being a free end.
  • the piezoelectric power generation element 102 is integrally joined, and includes two piezoelectric elements 103a and 103b that freely vibrate, and a weight 100 that is joined to a free end portion of the piezoelectric elements 103a and 103b.
  • stress is applied to the piezoelectric elements 103a and 103b when the piezoelectric power generation element 102 vibrates. As a result, electric power is generated.
  • the swinging stress including the tensile stress and the compressive stress acts alternately on the piezoelectric elements 103a and 103b due to the acceleration applied to the weight 100. For this reason, cracks are likely to occur in the piezoelectric elements 103a and 103b that are vulnerable to tensile stress. Therefore, the mechanical reliability of the piezoelectric power generation apparatus 101 was low.
  • An object of the present invention is to provide a piezoelectric power generator having high mechanical reliability against such problems of the prior art.
  • the piezoelectric power generator according to the present invention is a piezoelectric power generator that converts kinetic energy and electrical energy.
  • the piezoelectric power generation device according to the present invention includes a beam, a piezoelectric element, and a flexible body.
  • the piezoelectric element is bonded onto the surface on one side of the beam.
  • the flexible body is disposed on the side opposite to the side where the piezoelectric element of the beam is provided. A part of the beam is connected to the flexible body.
  • the beam is provided so that stress is applied to the beam when the flexible body deforms in a concave shape toward the beam side, while stress is not applied to the beam when the flexible body deforms in a convex shape toward the beam side. ing.
  • the piezoelectric element is provided on the opposite side of the flexible body with respect to the neutral surface of the beam.
  • the piezoelectric element has a piezoelectric substrate made of a piezoelectric body.
  • the piezoelectric substrate is made of a piezoelectric ceramic.
  • the piezoelectric power generation device further includes a connection portion that connects the flexible body and the beam.
  • connection portion has elasticity.
  • the piezoelectric power generation device is provided on the beam or the flexible body, and stress is applied to the beam when the flexible body deforms in a concave shape toward the beam side. It further has a stress applying part for applying.
  • the stress applying portion is provided so as to protrude from the beam toward the flexible body.
  • the stress applying portion is provided so as to protrude from the flexible body toward the beam side.
  • the stress applying portion has elasticity.
  • the flexible body is a flexible plate parallel to the beam.
  • the beam is a rectangular plate-like body.
  • the flexible body is constituted by a part of the tire.
  • the piezoelectric power generation device includes a plurality of piezoelectric elements.
  • stress is applied to the beam when the flexible body deforms in a concave shape toward the beam side, while no stress is applied to the beam when the flexible body deforms in a convex shape toward the beam side. It is provided as follows. For this reason, it can suppress that a tensile stress is added to a piezoelectric element. Therefore, the piezoelectric element is hardly damaged. Therefore, high mechanical reliability can be realized.
  • FIG. 1 is a schematic side view of the piezoelectric power generation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric element.
  • FIG. 3 is a schematic side view showing the piezoelectric power generation apparatus when the flexible body is deformed in a concave shape on the beam side.
  • FIG. 4 is a schematic side view showing the piezoelectric power generation apparatus when the flexible body is deformed in a convex shape on the beam side.
  • FIG. 5 is a schematic side view of the piezoelectric power generating device according to the first modification.
  • FIG. 6 is a schematic side view of a piezoelectric power generator according to a second modification.
  • FIG. 1 is a schematic side view of the piezoelectric power generation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric element.
  • FIG. 3 is a schematic side view showing the piezoelectric power generation apparatus when the flexible body is deformed in
  • FIG. 7 is a schematic side view of a piezoelectric power generator according to a third modification.
  • FIG. 8 is a schematic side view of a piezoelectric power generator according to a fourth modification.
  • FIG. 9 is a schematic side view of a piezoelectric power generator according to a fifth modification.
  • FIG. 10 is a schematic side view of the piezoelectric power generation device according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic side view of a piezoelectric power generating device according to a sixth modification.
  • FIG. 12 is a schematic side view of a piezoelectric power generating device according to a seventh modification.
  • FIG. 13 is a schematic side view of a piezoelectric power generator according to an eighth modification.
  • FIG. 14 is a schematic side view of a piezoelectric power generator according to a ninth modification.
  • FIG. 15 is a schematic side view illustrating a usage mode of the piezoelectric power generation device according to the first embodiment.
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing a stress distribution and a neutral plane in a part of the beam and the piezoelectric element when simple bending is applied to the beam.
  • FIG. 17 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the tire and the stress acting on the piezoelectric element.
  • FIGS. 18A to 18C are schematic views showing tires in a running state.
  • FIGS. 19A to 19C are schematic views showing tires when traveling on a road with an obstacle.
  • FIG. 20 is a schematic side view of a piezoelectric power generating device according to a tenth modification.
  • FIG. 21 is a schematic perspective view of the piezoelectric power generation device described in Patent Literature 1.
  • FIG. 1 is a schematic side view of the piezoelectric power generation apparatus 10a according to the first embodiment.
  • the piezoelectric power generation device 10a shown in FIG. 1 is a device for converting kinetic energy into electrical energy.
  • the piezoelectric power generation device 10a is disposed, for example, inside an automobile tire and is suitably used as a power source for a tire air pressure measurement sensor or the like.
  • the usage application of the piezoelectric power generation device according to the present invention is not limited to this.
  • the piezoelectric power generation device according to the present invention can be used, for example, as a power source for various devices by being attached to, for example, a device with deformation other than a tire pressure measurement sensor.
  • the piezoelectric power generation device 10 a includes a beam 21.
  • the beam 21 is a rectangular plate-like body.
  • the shape of the beam is not particularly limited.
  • the beam may be, for example, a polygonal column shape, a cylindrical shape, a polygonal pyramid shape, a U-shape, or the like.
  • the beam 21 is an elastic body having elasticity.
  • the beam 21 can be formed of, for example, a metal such as iron, motion, or aluminum, an alloy such as stainless steel or duralumin, a plastic, or the like.
  • the piezoelectric element 22 is joined on the surface 21 a on one side of the beam 21.
  • the method for joining the piezoelectric element 22 to the beam 21 is not particularly limited.
  • the piezoelectric element 22 can be joined to the beam 21 using an adhesive or the like.
  • the piezoelectric element 22 is provided on the opposite side of the flexible body 50 with respect to the neutral surface of the beam 21.
  • neutral surface means a surface whose length does not change in a pure bending state.
  • pure bending state refers to a state where the shearing force is 0 and only the bending moment is acting.
  • the neutral surface of the beam 21 is not necessarily a flat surface in a state where no external force is applied to the piezoelectric power generation device 10a.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric element 22.
  • the piezoelectric element 22 includes a piezoelectric substrate 22a and first and second electrodes 22b and 22c.
  • the piezoelectric substrate 22a is made of a piezoelectric body.
  • the piezoelectric body include piezoelectric ceramics such as lead zirconate titanate (PZT).
  • the piezoelectric substrate 22a may be formed of, for example, LiTaO 3 , LiNbO 3 , quartz, or the like, but it is more preferable to form the piezoelectric substrate 22a with PZT having a high electromechanical coupling constant.
  • a first electrode 22b is provided on the surface 22a1 on one side of the piezoelectric substrate 22a.
  • a second electrode 22c is provided on the surface 22a2 on the other side of the piezoelectric substrate 22a.
  • the first and second electrodes 22b and 22c are electrodes for extracting a voltage generated by the piezoelectric substrate 22a.
  • the material for forming the first and second electrodes 22b and 22c is not particularly limited as long as it is a conductive material.
  • Each of the first and second electrodes 22b and 22c is made of, for example, a metal such as Ag, Cu, Au, Pt, Ni, or Cr, an Ag—Pd alloy, or a Ni—Cr alloy. It can be formed of an alloy containing at least one.
  • the flexible body 50 is disposed on the opposite side of the beam 21 from the side where the piezoelectric element 22 is provided.
  • the flexible body 50 is a flexible plate parallel to the beam 21.
  • the flexible body 50 is made of an elastic body that elastically deforms when stress is applied.
  • the flexible body 50 can be formed of, for example, a metal, an alloy, or plastic.
  • the flexible body 50 and a part of the beam 21 are connected to each other.
  • one end of the flexible body 50 in the direction x perpendicular to the deformation direction of the flexible body 50 is equal to the normal direction z of the surfaces of the beam 21 and the flexible body 50.
  • one end of the beam 21 are connected. More specifically, in the present embodiment, the one end portion of the flexible body 50 and the one end portion of the beam 21 are connected by the connection portion 30.
  • connection part 30 has elasticity.
  • connection portion 30 can be formed of, for example, a metal, an alloy, or plastic.
  • the stress applying part 40 is provided in the piezoelectric power generation device 10a.
  • the stress applying unit 40 is provided on the beam 21. That is, the stress applying part 40 is connected to the beam 21. Specifically, the stress applying part 40 is connected to the end of the beam 21 opposite to the connection part 30 side in the x direction.
  • the stress applying part 40 extends from the beam 21 in the z direction. That is, the stress applying part 40 is provided so as to protrude from the beam 21 toward the flexible body 50 side.
  • the stress applying section 40 applies stress to the beam 21 when the flexible body 50 deforms in a concave shape toward the beam 21 side, while the flexible body 50 faces the beam 21 side. Thus, no stress is applied to the beam 21 when deformed into a convex shape.
  • the stress imparting part 40 has elasticity.
  • the stress applying unit 40 can be formed of, for example, a metal, an alloy, plastic, rubber, or the like.
  • the beam 21, the flexible body 50, the connecting portion 30, and the stress applying portion 40 are formed from a single elastic plate.
  • the beam, the flexible body, the connecting portion, and the stress applying portion are not necessarily formed integrally.
  • the beam, the flexible body, the connection portion, and the stress applying portion may be formed of a plurality of members.
  • the piezoelectric power generation apparatus 10a of the present embodiment power is generated by applying a compressive stress to the piezoelectric element 22, and a tensile stress is suppressed from being applied to the piezoelectric element 22. Therefore, it is possible to effectively prevent the piezoelectric element 22 that is easily damaged by tensile stress from being damaged. As a result, the piezoelectric power generation device 10a having high mechanical reliability can be realized.
  • FIG. 5 is a schematic side view of the piezoelectric power generation apparatus 10b according to the first modification of the first embodiment.
  • the present invention is not limited to this configuration.
  • the beam 21 and the flexible body 50 may be directly connected by an adhesive 31.
  • a compressive stress is applied to the piezoelectric element 22 when not driven, and the application of tensile stress to the piezoelectric element 22 can be more effectively suppressed.
  • the joining method of the beam 21 and the flexible body 50 is not specifically limited.
  • the beam 21 and the flexible body 50 may be joined using an adhesive, or the beam 21 and the flexible body 50 may be joined by welding or the like.
  • the beam 21, the flexible body 50, the connection portion 30, and the stress applying portion 40 are formed from a single elastic plate.
  • the present invention is not limited to this configuration.
  • the beam 21, the stress applying unit 40, and the flexible body 50 may be formed separately.
  • the flexible body 50 has a flat plate shape.
  • the present invention is not limited to this configuration.
  • the flexible body 50 may be curved as shown in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic side view of a piezoelectric power generation apparatus 10c according to a second modification of the first embodiment.
  • the stress applying portion 40 is provided on the beam 21 .
  • the present invention is not limited to this configuration.
  • the stress applying unit 40 may be formed integrally with the flexible body 50.
  • the stress applying part 40 is provided so as to protrude from the flexible body 50 toward the beam 21 side. In this case, the degree of freedom in selecting the material of the beam 21 is increased.
  • FIG. 7 is a schematic side view of a piezoelectric power generation apparatus 10d according to a third modification of the first embodiment.
  • the stress applying portion 40 is not an essential configuration.
  • the stress applying unit 40 may not be provided.
  • the piezoelectric power generation device 10 d shown in FIG. 7 when the flexible body 50 is deformed in a concave shape toward the beam 21, the flexible body 50 directly applies stress to the beam 21. Thereby, the beam 21 is deformed. That is, in this modification, the flexible body 50 also has a function as a stress applying portion.
  • FIG. 8 is a schematic side view of a piezoelectric power generation apparatus 10e according to a fourth modification of the first embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic side view of a piezoelectric power generation apparatus 10f according to a fifth modification of the first embodiment.
  • the stress applying unit 40 may be configured by a spring.
  • the stress applying unit 40 is configured by a coil spring.
  • the stress applying unit 40 is configured by a leaf spring. In these cases, it is possible to effectively suppress the impact load from being applied to the beam 21 and the piezoelectric element 22. Therefore, the piezoelectric power generation device 10e with higher mechanical durability can be realized.
  • the present invention is not limited to this configuration.
  • a plurality of piezoelectric elements 22A and 22B may be provided on the beam 21 as shown in FIG.
  • the power characteristics of the piezoelectric power generation apparatus 10f can be changed by changing the electrical coupling between the plurality of piezoelectric elements 22A and 22B.
  • FIG. 10 is a schematic side view of the piezoelectric power generation apparatus 10g according to the second embodiment.
  • the connecting portion 30 connects the one end portion in the x direction of the beam 21 and the one end portion in the x direction of the flexible body 50, and the stress applying portion 40 is the beam.
  • the example provided in the other side edge part in the x direction of 21 was demonstrated.
  • the present invention is not limited to this configuration.
  • connection portion 30 connects the central portion in the x direction of the beam 21 and the flexible body 50.
  • stress provision part 40a, 40b is provided in the both ends in the x direction of the beam 21.
  • FIG. 11 is a schematic side view of a piezoelectric power generation apparatus 10h according to a sixth modification that is a modification of the second embodiment.
  • the present invention is not limited to this configuration.
  • the beam 21 and the flexible body 50 may be directly connected by an adhesive 31.
  • FIG. 12 is a schematic side view of a piezoelectric power generation apparatus 10i according to a seventh modification, which is a modification of the second embodiment.
  • the stress applying portions 40a and 40b may be provided so as to protrude from the flexible body 50 toward the beam 21 side.
  • FIG. 13 is a schematic side view of a piezoelectric power generation apparatus 10j according to an eighth modification, which is a modification of the second embodiment. As illustrated in FIG. 13, the stress applying unit may not be provided.
  • FIG. 14 is a schematic side view of a piezoelectric power generation apparatus 10k according to a ninth modification, which is a modification of the second embodiment.
  • the stress applying portions 40 a and 40 b may be constituted by springs, for example.
  • a plurality of piezoelectric elements 22A and 22B may be provided.
  • FIG. 15 is a schematic side view showing a usage mode of the piezoelectric power generation device according to the first embodiment.
  • the usage mode of the piezoelectric power generation apparatus according to the present invention will be described by taking the usage mode of the piezoelectric power generation apparatus according to the first embodiment as an example.
  • the piezoelectric power generation device 10 a is used in a mode of being attached to the inner wall of the tire 60, for example.
  • the piezoelectric power generation device 10 a is attached to the tire 60 so that the direction in which the neutral axis of the beam 21 extends and the rotation direction R of the tire 60 coincide.
  • the attachment method to the tire 60 of the piezoelectric generator 10a is not specifically limited.
  • the piezoelectric power generation device 10a can be attached to the tire 60 using an adhesive.
  • the piezoelectric power generation device 10 a can be attached to the tire 60 by molding the piezoelectric power generation device 10 a on the tire 60 or welding the piezoelectric power generation device 10 a to a metal wire of the tire 60.
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing a stress distribution and a neutral plane in a part of the beam 21 and the piezoelectric element 22 when a simple bending is applied to the beam 21.
  • FIG. 17 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the tire 60 and the stress acting on the piezoelectric element 22.
  • FIGS. 18A to 18C are schematic views showing tires in a running state.
  • FIGS. 19A to 19C are schematic views showing tires when traveling on a road with an obstacle.
  • the tire 60 In a state where the portion where the piezoelectric power generation device 10a of the tire 60 is provided as shown in FIG. 18A is not in contact with the ground 70, the tire 60 is joined to the inner peripheral surface of the tire 60 which is curved along the rotation direction.
  • the flexible body 50 is curved along the inner peripheral surface of the tire 60.
  • the beam 21 and the piezoelectric element 22 are curved in a convex shape toward the ground 70 side. Therefore, as shown in FIGS. 16 and 17, the piezoelectric element 22 is in a state where compressive stress is applied.
  • the flexible body 50 has a substantially flat plate shape. For this reason, as shown in FIG. 17, the piezoelectric element 22 is in a state where a small compressive stress is applied or no stress is applied.
  • a flexible body may be configured by the tire 60. That is, the beam 21 may be connected to the inner peripheral surface of the tire 60.
  • Piezoelectric generator 21 ... Beam 21a ... Beam surface 22, 22A, 22B ... Piezoelectric element 22a ... Piezoelectric substrate 22a1, 22a2 ... Piezoelectric Surface 22b of the substrate ... First electrode 22c ... Second electrode 30 ... Connection portion 31 ... Adhesives 40, 40a, 40b ... Stress applying portion 50 ... Flexible body 60 ... Tire 70 ... Ground 90 ... Obstacle

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Abstract

　機械的な信頼性が高い圧電発電装置を提供する。 　圧電発電装置１０ａは、運動エネルギーと電気エネルギーとを変換する圧電発電装置である。圧電発電装置１０ａは、梁２１と、圧電素子２２と、可撓体５０とを備えている。圧電素子２２は、梁２１の一方側の表面上に接合されている。可撓体５０は、梁２１の圧電素子２２が設けられている側とは反対側に配置されている。可撓体５０には、梁２１の一部が接続されている。梁２１は、可撓体５０が梁２１側に向かって凹状に変形したときに梁２１に応力が加わる一方、可撓体５０が梁２１側に向かって凸状に変形したときには梁２１に応力が加わらないように設けられている。

Description

圧電発電装置
　本発明は、圧電発電装置に関し、詳細には、運動エネルギーを電気エネルギーへ変換することによって電力を発生する圧電発電装置に関する。
　従来、圧電素子を用いた様々な圧電発電装置が提案されている。例えば下記の特許文献１には、図２１に示す圧電発電装置１０１が開示されている。圧電発電装置１０１は、圧電発電素子１０２を備えている。圧電発電素子１０２は、一方側端が支持部材１０４に固定されている固定端であり、他方側端が自由端である片持ち梁である。圧電発電素子１０２は、一体に接合されており、自由振動する２つの圧電素子１０３ａ、１０３ｂと、圧電素子１０３ａ、１０３ｂの自由端側の部分に接合された錘１００とを備えている。
　圧電発電装置１０１では、圧電発電素子１０２が振動することにより、圧電素子１０３ａ、１０３ｂに応力が加わる。その結果、電力が発生する。
特許第３１７０９６５号
　しかしながら、圧電発電装置１０１では、錘１００に加わった加速度によって、引張応力と圧縮応力とを含む両振り応力が圧電素子１０３ａ、１０３ｂに交互に作用する。このため、引張応力に対して脆弱な圧電素子１０３ａ、１０３ｂにクラックが発生しやすい。従って、圧電発電装置１０１の機械的な信頼性が低かった。
　本発明は、このような先行技術の問題点に対して、機械的な信頼性が高い圧電発電装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る圧電発電装置は、運動エネルギーと電気エネルギーとを変換する圧電発電装置である。本発明に係る圧電発電装置は、梁と、圧電素子と、可撓体とを備えている。圧電素子は、梁の一方側の表面上に接合されている。可撓体は、梁の圧電素子が設けられている側とは反対側に配置されている。可撓体には、梁の一部が接続されている。梁は、可撓体が梁側に向かって凹状に変形したときに梁に応力が加わる一方、可撓体が梁側に向かって凸状に変形したときには梁に応力が加わらないように設けられている。
　本発明に係る圧電発電装置のある特定の局面では、圧電素子は、梁の中立面を基準として、可撓体の反対側に設けられている。
　本発明に係る圧電発電装置の他の特定の局面では、圧電素子は、圧電体からなる圧電基板を有する。
　本発明に係る圧電発電装置の別の特定の局面では、圧電基板は、圧電セラミックからなる。
　本発明に係る圧電発電装置のさらに他の特定の局面では、圧電発電装置は、可撓体と梁とを接続する接続部をさらに備えている。
　本発明に係る圧電発電装置のさらに別の特定の局面では、接続部は、弾性を有する。
　本発明に係る圧電発電装置のまた他の特定の局面では、圧電発電装置は、梁または可撓体に設けられており、可撓体が梁側に向かって凹状に変形したときに梁に応力を付与する応力付与部をさらに備えている。
　本発明に係る圧電発電装置のまた別の特定の局面では、応力付与部は、梁から可撓体側に向かって突出するように設けられている。
　本発明に係る圧電発電装置のさらにまた他の特定の局面では、応力付与部は、可撓体から梁側に向かって突出するように設けられている。
　本発明に係る圧電発電装置のさらにまた別の特定の局面では、応力付与部は、弾性を有する。
　本発明に係る圧電発電装置のまたさらに他の特定の局面では、可撓体は、梁と平行な可撓板である。
　本発明に係る圧電発電装置のまたさらに別の特定の局面では、梁は、矩形の板状体である。
　本発明に係る圧電発電装置のある異なる特定の局面では、可撓体がタイヤの一部により構成されている。
　本発明に係る圧電発電装置のさらに異なる特定の局面では、圧電発電装置は、圧電素子を複数備えている。
　本発明では、梁は、可撓体が梁側に向かって凹状に変形したときに梁に応力が加わる一方、可撓体が梁側に向かって凸状に変形したときには梁に応力が加わらないように設けられている。このため、圧電素子に引張応力が加わることを抑制することができる。よって、圧電素子が損傷しにくい。従って、高い機械的な信頼性を実現することができる。
図１は、第１の実施形態の圧電発電装置の模式的側面図である。 図２は、圧電素子の略図的断面図である。 図３は、可撓体が梁側に凹状に変形したときの圧電発電装置を表す模式的側面図である。 図４は、可撓体が梁側に凸状に変形したときの圧電発電装置を表す模式的側面図である。 図５は、第１の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図６は、第２の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図７は、第３の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図８は、第４の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図９は、第５の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図１０は、第２の実施形態に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図１１は、第６の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図１２は、第７の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図１３は、第８の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図１４は、第９の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図１５は、第１の実施形態に係る圧電発電装置の使用態様を表す略図的側面図である。 図１６は、梁に単純曲げが作用したときに、梁及び圧電素子の一部分における応力分布と中立面とを示す模式図である。 図１７は、タイヤの回転角度と圧電素子に作用する応力との関係を表すグラフである。 図１８（ａ）～（ｃ）は、走行状態のタイヤを表す模式図である。 図１９（ａ）～（ｃ）は、障害物がある道路上を走行した場合のタイヤを表す模式図である。 図２０は、第１０の変形例に係る圧電発電装置の模式的側面図である。 図２１は、特許文献１に記載の圧電発電装置の模式的斜視図である。
　以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
　（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態の圧電発電装置１０ａの模式的側面図である。図１に示す圧電発電装置１０ａは、運動エネルギーを電気エネルギーに変換するための装置である。圧電発電装置１０ａは、例えば、自動車のタイヤの内側に配置され、タイヤの空気圧測定センサなどの電源として好適に用いられる。但し、本発明に係る圧電発電装置の使用用途は、これに限定されない。本発明に係る圧電発電装置は、タイヤの空気圧測定センサ以外にも、例えば、変形を伴うような装置等に取り付けられ、種々の装置の電源として使用され得る。
　図１に示すように、圧電発電装置１０ａは、梁２１を備えている。本実施形態においては、梁２１は、矩形の板状体である。但し、本発明において、梁の形状は特に限定されない。梁は、例えば、多角柱状、円柱状、多角錐状、Ｕ字状などであってもよい。
　梁２１は、弾性を有する弾性体である。具体的には、梁２１は、例えば、鉄、動、アルミニウムなどの金属や、ステンレス、ジュラルミンなどの合金、プラスチックなどにより形成することができる。
　梁２１の一方側の表面２１ａの上には、圧電素子２２が接合されている。圧電素子２２を梁２１に接合する方法は特に限定されない、例えば、接着剤等を用いて圧電素子２２を梁２１に接合することができる。
　なお、本実施形態では、圧電素子２２は、梁２１の中立面を基準として、可撓体５０の反対側に設けられている。ここで、「中立面（ｎｅｕｔｒａｌ　ｓｕｒｆａｃｅ）」とは、純曲げ（ｐｕｒｅ　ｂｅｎｄｉｎｇ）状態において、長さが変化しない面をいう。「純曲げ状態」とは、剪断力が０であり、曲げモーメントのみが作用している状態をいう。
　なお、梁２１の中立面は、圧電発電装置１０ａに外力が加わっていない状態において平面である必要は必ずしもない。
　図２は、圧電素子２２の略図的断面図である。図２に示すように、圧電素子２２は、圧電基板２２ａと、第１及び第２の電極２２ｂ、２２ｃとを有する。
　圧電基板２２ａは、圧電体からなる。圧電体の具体例としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックなどが挙げられる。なお、圧電基板２２ａは、例えば、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、水晶などにより形成されていてもよいが、電気機械結合定数の高いＰＺＴにより圧電基板２２ａを形成することがより好ましい。
　圧電基板２２ａの一方側の表面２２ａ１の上には、第１の電極２２ｂが設けられている。圧電基板２２ａの他方側の表面２２ａ２の上には、第２の電極２２ｃが設けられている。第１及び第２の電極２２ｂ、２２ｃは、圧電基板２２ａにより発生した電圧を取り出すための電極である。
　第１及び第２の電極２２ｂ、２２ｃの形成材料は、導電材料である限りにおいて特に限定されない。第１及び第２の電極２２ｂ、２２ｃのそれぞれは、例えば、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｎｉ，Ｃｒ等の金属や、Ａｇ－Ｐｄ合金や、Ｎｉ－Ｃｒ合金などの、上記金属のうちの少なくともひとつを含む合金などにより形成することができる。
　図１に示すように、可撓体５０は、梁２１の圧電素子２２が設けられている側とは反対側に配置されている。可撓体５０は、梁２１と平行な可撓板である。可撓体５０は、応力が加わったときに弾性変形する弾性体からなる。具体的には、可撓体５０は、例えば、金属や合金、プラスチックなどにより形成することができる。
　可撓体５０と、梁２１の一部とは、互いに接続されている。具体的には、本実施形態では、梁２１及び可撓体５０の表面の法線方向ｚと等しい可撓体５０の変形方向に対して垂直な方向ｘにおいて、可撓体５０の一方側端部と、梁２１の一方側端部とが接続されている。さらに具体的には、本実施形態では、可撓体５０の一方側端部と、梁２１の一方側端部とは、接続部３０により接続されている。
　接続部３０は、弾性を有するものであることが好ましい。具体的には、接続部３０は、例えば、金属や合金、プラスチックなどにより形成することができる。
　また、圧電発電装置１０ａには、応力付与部４０が設けられている。本実施形態では、応力付与部４０は、梁２１に設けられている。すなわち、応力付与部４０は、梁２１に接続されている。具体的には、応力付与部４０は、梁２１のｘ方向における接続部３０側とは反対側の端部に接続されている。応力付与部４０は、梁２１からｚ方向に向かって延びている。すなわち、応力付与部４０は、梁２１から可撓体５０側に向かって突出するように設けられている。この応力付与部４０は、後に詳述するように、可撓体５０が梁２１側に向かって凹状に変形したときに梁２１に応力を付与する一方、可撓体５０が梁２１側に向かって凸状に変形したときには梁２１に応力を付与しないものである。
　応力付与部４０は、弾性を有するものであることが好ましい。具体的には、応力付与部４０は、例えば、金属や合金、プラスチック、ゴムなどにより形成することができる。
　なお、本実施形態では、梁２１、可撓体５０、接続部３０及び応力付与部４０が一枚の弾性板から形成されている。但し、本発明において、梁、可撓体、接続部及び応力付与部が一体に形成されている必要は必ずしもない。例えば、梁、可撓体、接続部及び応力付与部が複数の部材により形成されていてもよい。
　次に、図３及び図４を参照しながら、本実施形態に係る圧電発電装置１０ａの発電態様について詳細に説明する。
　図３に示すように、可撓体５０に対して外力が加わり、可撓体５０が梁２１側に向かって凹状に変形した場合、応力付与部４０により梁２１にも応力が加えられる。これにより、梁２１も、可撓体５０と同様に、凹状に変形する。それに伴い、圧電素子２２の圧電基板２２ａに圧縮応力が加わる。その結果、圧電基板２２ａにおいて電力が発生する。そして、その電力が第１及び第２の電極２２ｂ、２２ｃから取り出される。
　一方、図４に示すように、可撓体５０に対して外力が加わり、可撓体５０が梁２１に向かって凸状に変形した場合は、応力付与部４０が可撓体５０には固定されていないため、応力付与部４０と可撓体５０とが離れる。このため、梁２１及び梁２１に接合されている圧電素子２２には、応力が実質的に付与されない。このため、可撓体５０に対して外力が加わり、可撓体５０が梁２１に向かって凸状に変形した場合にも圧電素子２２の圧電基板２２ａに引張応力が付与され難い。
　このように、本実施形態の圧電発電装置１０ａでは、圧電素子２２に圧縮応力が加わることにより発電が行われ、圧電素子２２に引張応力が加わることが抑制されている。従って、引張応力により破損しやすい圧電素子２２が破損することを効果的に抑制することができる。その結果、高い機械的信頼性を有する圧電発電装置１０ａを実現することができる。
　以下、本発明を実施した他の好ましい形態や、変形例について説明する。但し、下記の説明において、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１の変形例）
　図５は、上記第１の実施形態の第１の変形例に係る圧電発電装置１０ｂの模式的側面図である。
　上記第１の実施形態では、梁２１と可撓体５０とが接続部３０を介して接続されている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図５に示すように、接着剤３１により、梁２１と可撓体５０とが直接接続されていてもよい。図５に示す場合は、非駆動時に圧電素子２２に圧縮応力が付与された状態となり、圧電素子２２に引張応力が付与されることをより効果的に抑制することができる。
　なお、梁２１と可撓体５０とを直接接合する場合において、梁２１と可撓体５０との接合方法は、特に限定されない。例えば、上述のように、接着剤を用いて梁２１と可撓体５０とを接合してもよいし、溶接等により梁２１と可撓体５０とを接合してもよい。
　また、上記第１の実施形態では、梁２１、可撓体５０、接続部３０及び応力付与部４０が一枚の弾性板から形成されている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図５に示すように、梁２１及び応力付与部４０と、可撓体５０とは別体に形成されていてもよい。
　また、上記第１の実施形態では、可撓体５０が平板状である例について説明した。但し、本発明はこの構成に限定されない。例えば、可撓体５０は、図５に示すように湾曲していてもよい。
　（第２の変形例）
　図６は、上記第１の実施形態の第２の変形例に係る圧電発電装置１０ｃの模式的側面図である。
　上記第１の実施形態及び上記第１の変形例では、応力付与部４０が梁２１に設けられている場合について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図６に示すように、応力付与部４０は、可撓体５０と一体に形成されていてもよい。図６に示す圧電発電装置１０ｃでは、応力付与部４０は、可撓体５０から梁２１側に向かって突出するように設けられている。この場合、梁２１の材質の選択自由度が高くなる。
　（第３の変形例）
　図７は、上記第１の実施形態の第３の変形例に係る圧電発電装置１０ｄの模式的側面図である。
　上記第１の実施形態並びに第１及び第２の変形例では、可撓体５０及び梁２１とは別に応力付与部４０が設けられている例について説明した。但し、本発明において、応力付与部は、必須の構成ではない。例えば、図７に示すように、応力付与部４０を設けなくてもよい。図７に示す圧電発電装置１０ｄでは、可撓体５０が梁２１側に向かって凹状に変形したときに可撓体５０が直接梁２１に応力を付与する。これにより、梁２１が変形する。すなわち、本変形例においては、可撓体５０が応力付与部としての機能を兼ね備えている。
　（第４及び第５の変形例）
　図８は、上記第１の実施形態の第４の変形例に係る圧電発電装置１０ｅの模式的側面図である。図９は、上記第１の実施形態の第５の変形例に係る圧電発電装置１０ｆの模式的側面図である。
　上記第１の実施形態並びに第１及び第２の変形例では、応力付与部４０が金属等からなる直方体である例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図８及び図９に示すように、応力付与部４０は、ばねにより構成されていてもよい。具体的には、図８に示す圧電発電装置１０ｅにおいては、応力付与部４０はコイルばねにより構成されている。図９に示す圧電発電装置１０ｆにおいては、応力付与部４０は、板バネにより構成されている。これらの場合、梁２１及び圧電素子２２に衝撃荷重が加わることを効果的に抑制することができる。従って、機械的耐久性がより高い圧電発電装置１０ｅを実現することができる。
　また、上記第１の実施形態では、圧電素子２２がひとつのみ設けられている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図９に示すように、複数の圧電素子２２Ａ、２２Ｂを梁２１上に設けてもよい。このように、複数の圧電素子２２Ａ、２２Ｂを設けた場合、複数の圧電素子２２Ａ、２２Ｂ間の電気的結合を変更することにより、圧電発電装置１０ｆの電力特性を変更することができる。
　なお、本変形例では、複数の圧電素子２２Ａ、２２Ｂを梁２１上に並列に配列した例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、複数の圧電基板を梁上に積層してもよい。
　（第２の実施形態）
　図１０は、第２の実施形態に係る圧電発電装置１０ｇの模式的側面図である。
　上記第１の実施形態では、接続部３０が、梁２１のｘ方向における一方側端部と、可撓体５０のｘ方向における一方側端部とを接続しており、応力付与部４０が梁２１のｘ方向における他方側端部に設けられている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。
　図１０に示すように、本実施形態に係る圧電発電装置１０ｇでは、接続部３０は、梁２１のｘ方向における中央部と、可撓体５０とを接続している。そして、梁２１のｘ方向における両端部に応力付与部４０ａ、４０ｂが設けられている。
　本実施形態の圧電発電装置１０ｇにおいても、上記第１の実施形態の圧電発電装置１０ａと同様に、圧電素子２２に引張応力がかかり難い。従って、高い機械的信頼性を実現することができる。
　（第６～９の変形例）
　図１１は、上記第２の実施形態の変形例である第６の変形例に係る圧電発電装置１０ｈの模式的側面図である。
　上記第２の実施形態では、梁２１と可撓体５０とが接続部３０を介して接続されている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図１１に示すように、梁２１と可撓体５０とを、接着剤３１により直接接続してもよい。
　図１２は、上記第２の実施形態の変形例である第７の変形例に係る圧電発電装置１０ｉの模式的側面図である。図１２に示すように、応力付与部４０ａ、４０ｂは、可撓体５０から梁２１側に向かって突出するように設けられていてもよい。
　図１３は、上記第２の実施形態の変形例である第８の変形例に係る圧電発電装置１０ｊの模式的側面図である。図１３に示すように、応力付与部は、設けられていなくてもよい。
　図１４は、上記第２の実施形態の変形例である第９の変形例に係る圧電発電装置１０ｋの模式的側面図である。図１４に示すように、応力付与部４０ａ、４０ｂは、例えば、ばねにより構成されていてもよい。また、複数の圧電素子２２Ａ、２２Ｂが設けられていてもよい。
　（圧電発電装置の使用態様）
　図１５は、上記第１の実施形態に係る圧電発電装置の使用態様を表す略図的側面図である。
　ここでは、本発明を実施した圧電発電装置の使用態様について、上記第１の実施形態に係る圧電発電装置の使用態様を例に挙げて説明する。
　図１５に示すように、圧電発電装置１０ａは、例えば、タイヤ６０の内壁に対して取り付けられた態様で使用される。図１５に示す例では、圧電発電装置１０ａは、梁２１の中立軸の延びる方向とタイヤ６０の回転方向Ｒとが一致するようにタイヤ６０に取り付けられている。なお、圧電発電装置１０ａのタイヤ６０への取り付け方法は特に限定されない。例えば、接着剤を用いて圧電発電装置１０ａをタイヤ６０に取り付けることができる。また、圧電発電装置１０ａをタイヤ６０にモールドしたり、圧電発電装置１０ａをタイヤ６０の金属線に溶接したりすることにより圧電発電装置１０ａをタイヤ６０に取り付けることができる。
　図１６は、梁２１に単純曲げが作用したときに、梁２１及び圧電素子２２の一部分における応力分布と中立面を示す模式図である。図１７は、タイヤ６０の回転角度と圧電素子２２に作用する応力との関係を表すグラフである。図１８（ａ）～（ｃ）は、走行状態のタイヤを表す模式図である。図１９（ａ）～（ｃ）は、障害物がある道路上を走行した場合のタイヤを表す模式図である。
　次に、図１６～１９を参照しながら、本使用態様における圧電発電装置１０ａの発電動作について説明する。
　図１８（ａ）に示す、タイヤ６０の圧電発電装置１０ａが設けられている部分が地面７０に接地していない状態においては、回転方向に沿って湾曲しているタイヤ６０の内周面に接合されている可撓体５０は、タイヤ６０の内周面に沿って湾曲している。このため、梁２１及び圧電素子２２は、地面７０側に凸状に湾曲した状態となっている。よって、図１６及び図１７に示すように、圧電素子２２には、圧縮応力が付与された状態となる。
　次に、図１８（ｂ）に示すように、タイヤ６０の圧電発電装置１０ａが設けられている部分が地面７０に接地した状態では、可撓体５０が略平板状となる。このため、図１７に示すように、圧電素子２２には、小さな圧縮応力がかかるか、または応力がかからない状態となる。
　次に、図１８（ｃ）に示すように、タイヤ６０の圧電発電装置１０ａが設けられている部分が地面７０に接地していない状態に再びなると、図１７に示すように、圧電素子２２に圧縮応力が付与された状態となる。
　このように、タイヤ６０が回転することにより、圧電素子２２に加わる圧縮応力の大きさが変化する。これにより発電が行われる。この発電動作に際し、圧電発電装置１０ａにおいては、上述のように、圧電素子２２に圧縮応力のみが加わり、引張応力が加わり難い。特に、図１７に示すように、梁２１及び圧電素子２２を湾曲させることにより圧電素子２２に予め圧縮応力を与えておいた場合には、圧電素子２２に引張応力がより加わり難い。また、図１９（ｂ）に示すように、地面７０の障害物９０の上にタイヤ６０が乗り上げ、可撓体５０が梁２１側に凸状に変形した場合にも、梁２１及び圧電素子２２は、実質的に変形しない。このため、圧電素子２２に引張応力がかかり難い。従って、引張応力に脆弱な圧電素子２２が破損することが効果的に抑制されている。
　なお、圧電素子２２に予め圧縮応力を付与する方法としては、可撓体５０側に凸状となるように撓んだ梁２１に圧電素子２２を接合する方法も挙げられる。
　なお、ここでは、変形するタイヤ６０とは別体に可撓体５０が設けられている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図２０に示すように、タイヤ６０により可撓体が構成されていてもよい。すなわち、タイヤ６０の内周面に、梁２１が接続されていてもよい。
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ…圧電発電装置
２１…梁
２１ａ…梁の表面
２２、２２Ａ、２２Ｂ…圧電素子
２２ａ…圧電基板
２２ａ１，２２ａ２…圧電基板の表面
２２ｂ…第１の電極
２２ｃ…第２の電極
３０…接続部
３１…接着剤
４０、４０ａ、４０ｂ…応力付与部
５０…可撓体
６０…タイヤ
７０…地面
９０…障害物

Claims (13)

  1. 　運動エネルギーと電気エネルギーとを変換する圧電発電装置であって、
    　梁と、
    　前記梁の一方側の表面上に接合されている圧電素子と、
    　前記梁の前記圧電素子が設けられている側とは反対側に配置されており、前記梁の一部が接続されている可撓体とを備え、
    　前記梁は、前記可撓体が前記梁側に向かって凹状に変形したときに前記梁に応力が加わる一方、前記可撓体が前記梁側に向かって凸状に変形したときには前記梁に応力が加わらないように設けられている、圧電発電装置。
  2. 　前記圧電素子は、前記梁の中立面を基準として、前記可撓体の反対側に設けられている、請求項１に記載の圧電発電装置。
  3. 　前記圧電素子は、圧電体からなる圧電基板を有する、請求項１または２に記載の圧電発電装置。
  4. 　前記圧電基板は、圧電セラミックからなる、請求項３に記載の圧電発電装置。
  5. 　前記可撓体と前記梁とを接続する接続部をさらに備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
  6. 　前記接続部は、弾性を有する、請求項５に記載の圧電発電装置。
  7. 　前記梁または前記可撓体に設けられており、前記可撓体が前記梁側に向かって凹状に変形したときに前記梁に応力を付与する応力付与部をさらに備える、請求項１～６のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
  8. 　前記応力付与部は、前記梁から前記可撓体側に向かって突出するように設けられている、請求項７に記載の圧電発電装置。
  9. 　前記応力付与部は、前記可撓体から前記梁側に向かって突出するように設けられている、請求項７に記載の圧電発電装置。
  10. 　前記応力付与部は、弾性を有する、請求項７～９のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
  11. 　前記可撓体は、前記梁と平行な可撓板である、請求項１～１０のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
  12. 　前記梁は、矩形の板状体である請求項１～１１のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
  13. 　前記圧電素子を複数備える、請求項１～１２のいずれか一項に記載の圧電発電装置。
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