WO2014024638A1 - 圧電発電装置 - Google Patents

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WO2014024638A1
WO2014024638A1 PCT/JP2013/069099 JP2013069099W WO2014024638A1 WO 2014024638 A1 WO2014024638 A1 WO 2014024638A1 JP 2013069099 W JP2013069099 W JP 2013069099W WO 2014024638 A1 WO2014024638 A1 WO 2014024638A1
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vibration
weight
power generation
axis
piezoelectric
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PCT/JP2013/069099
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English (en)
French (fr)
Inventor
坂口仁志
堀口睦弘
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186—Vibration harvesters
    • H02N2/188—Vibration harvesters adapted for resonant operation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186—Vibration harvesters
    • 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
    • H10N30/306—Cantilevers

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric power generation apparatus that converts vibration energy into electric energy by using a piezoelectric effect.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of a conventional piezoelectric power generation device 101 with reference to the description in Patent Document 1, and shows a side view in a state where a part of the configuration of the piezoelectric power generation device 101 is removed. .
  • the pedestal 111 has a disk shape and is fixed to a floor slab 131 that is a vibrating body.
  • One end of the coil spring 112 is connected to the pedestal 111 and the other end is connected to a disk-shaped swinging member 113, and supports the swinging member 113 so as to be swingable with respect to the base 111.
  • the first weight 114 is connected to the lower side of the swing member 113.
  • the piezoelectric element 121 is connected to the swing member 113 via the first weight 114.
  • the second weight 122 is connected to the first weight 114 via the piezoelectric element 121.
  • the second weight 122, the piezoelectric element 121, and the first weight 114 are disposed inside the winding of the coil spring 112.
  • An electrode 121 ⁇ / b> A is provided on the contact surface of the piezoelectric element 121 with the first weight 114.
  • An electrode 121B is provided on the contact surface of the piezoelectric element 121 with the second weight 122.
  • the floor slab When vibration in a direction perpendicular to the plane of the floor slab 131 is generated in the floor slab 131 by a force such as vibration from the outside, the floor slab is provided on the first weight 114 and the second weight 122 of the piezoelectric power generation device 101. It is desirable that only a longitudinal vibration (hereinafter also referred to as a main vibration) that is a vibration in a direction perpendicular to the plane of 131 occurs.
  • the first weight 114 and the second weight 122 have not only main vibration but also sub vibration in a direction orthogonal to the direction of main vibration (longitudinal vibration) due to the influence of torque acting on each part. (Hereinafter also referred to as lateral vibration) will also occur.
  • an object of the present invention is to adjust the secondary vibration generated in the direction orthogonal to the direction of the main vibration used for power generation by the piezoelectric element, and to prevent a decrease in power generation efficiency caused by the generation of the secondary vibration. It is to realize a piezoelectric power generator.
  • the piezoelectric power generation device includes a first vibrating portion, a first weight portion, a second vibrating portion, and a second weight portion.
  • the first vibrating portion has a fixed end and a free end.
  • the first weight portion is joined to the free end of the first vibrating portion.
  • the second vibration part has a fixed end joined to the first weight part and a free end.
  • the second vibration unit includes a vibration plate and a piezoelectric element provided on the vibration plate.
  • the second weight portion is joined to the free end of the second vibrating portion.
  • the piezoelectric power generation device described above is free of the first vibration unit in the axial direction perpendicular to the vibration surface when the vibration power is used as a reference in a state where the piezoelectric power generation device is placed on the vibration surface and is stationary. It is preferable that the position of the fixed end of the second vibrating unit is closer to the position of the fixed end of the first vibrating unit than the position of the end.
  • the first vibration unit is fixed in the axial direction perpendicular to the vibration surface when the vibration power surface is used as a reference when the piezoelectric power generation device is placed on the vibration surface and is stationary.
  • the distance between the position of the end and the position of the free end of the first vibrating part is T1
  • the distance between the position of the fixed end of the first vibrating part and the position of the fixed end of the second vibrating part is When T2 is satisfied, it is preferable to satisfy the relationship ⁇ 2.1 ⁇ (T2 ⁇ T1) / T1 ⁇ 0.1.
  • the first weight portion includes the weight plate to which the free end of the first vibrating portion is joined, and the surface to which the free end of the first vibrating portion of the weight plate is joined.
  • the first and second fixed portions provided on the first fixed portion, the set of the second vibrating portion and the second weight portion joined to the first fixed portion, and the second fixed portion A second vibration part joined to the first fixed part, and a part of the second weight part joined to the first fixed part is a second part It is preferable that a part of the second weight portion of the set which is located below the fixing portion and is joined to the second fixing portion is located below the first fixing portion.
  • the present invention it is possible to adjust the magnitudes of the main vibration and the sub vibration generated in the second vibration section. Therefore, by suppressing the secondary vibration generated in the second vibrating section, it is possible to improve the decrease in power generation efficiency caused by the secondary vibration and increase the power generation efficiency.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a piezoelectric power generation apparatus 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric power generation apparatus 1 according to the first embodiment includes a first vibrating part K1, a first weight part M1, a second vibrating part K2, and a second weight part M2. .
  • the piezoelectric power generator 1 is disposed on the horizontal vibration surface FS.
  • the first vibration part K1 expands and contracts along an axis CA perpendicular to the vibration surface FS.
  • the first vibration part K1 has a fixed end CE1 fixed to the vibration surface FS and a free end FE1 opposite to the fixed end CE1.
  • the first weight portion M1 is joined to the free end FE1 of the first vibrating portion K1.
  • the first vibrating part K1 and the first weight part M1 constitute a first resonator.
  • the first resonator alone resonates at a first resonance frequency in a relatively low frequency region that coincides with vibrations when a person walks, vibrations of bicycles, automobiles, etc., and longitudinal vibrations along the axis CA. To do. For this reason, the first resonator resonates with the longitudinal vibration having the first resonance frequency among the external vibrations applied to the vibration surface FS. Therefore, when the first resonator resonates, the amplitude of the first weight portion M1 becomes larger than the configuration in which external vibration is directly transmitted to the first weight portion M1.
  • the second vibration part K2 bends and vibrates along an axis CA perpendicular to the vibration surface FS.
  • the second vibrating part K2 has a fixed end CE2 connected to the first weight part M1 and a free end FE2 opposite to the fixed end CE2.
  • the second weight portion M2 is joined to the free end FE2 of the second vibrating portion K2.
  • the second vibrating portion K2 and the second weight portion M2 constitute a second resonator.
  • the second resonator alone resonates at the second resonance frequency that is the same as or close to the first resonance frequency and longitudinally vibrates along the axis CA. For this reason, when the second resonator is coupled to the first resonator, vibration energy is transferred between the two resonators. Therefore, the second resonator absorbs the vibration energy of the first resonator, and the second resonator vibrates with a larger amplitude.
  • the surface of the first weight portion M1 where the first vibrating portion K1 and the second vibrating portion K2 are joined has an uneven shape, and the first weight portion M1 has the first surface when the vibration surface FS is used as a reference.
  • the position of the fixed end CE2 of the second vibrating part K2 on the axis CA is closer to the position of the fixed end CE1 of the first vibrating part K1 on the axis CA than the position of the FE1.
  • the second vibration portion K2 and the second weight portion M2 have large longitudinal vibration (main vibration) generated along the axis CA, and are along a direction orthogonal to the axis CA.
  • the lateral vibration (sub-vibration) generated in this way tends to be small. Therefore, the piezoelectric power generation apparatus 1 can achieve high power generation efficiency by providing the second vibration unit K2 with a piezoelectric element that generates power by main vibration.
  • FIG. 2 is a perspective view of the piezoelectric power generation apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing a state where the piezoelectric power generation apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention is disassembled.
  • FIG. 4A is an XZ plane side view of the piezoelectric power generation apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention viewed from the positive Y-axis direction.
  • FIG. 4B is an XZ plane side cross-sectional view of the piezoelectric power generating apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention as seen from the Y-axis positive direction, and shows a position at which a weight portion 82 described later is divided. An XZ plane cross section is shown.
  • FIG. 4A is an XZ plane side view of the piezoelectric power generation apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention viewed from the positive Y-axis direction.
  • FIG. 4B is an XZ plane side cross-sectional view of the piezoelectric power generating apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention as seen from the Y-axis positive direction
  • FIG. 4C is a cross-sectional side view of the XZ plane side view of the piezoelectric power generating apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention viewed from the positive direction of the Y axis.
  • An XZ plane cross section is shown.
  • FIG. 5A is a YZ plane side view of the piezoelectric power generating apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention as viewed in the positive direction of the X axis.
  • FIG. 5B is a YZ plane side cross-sectional view of the piezoelectric power generating apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention as seen from the positive direction of the X-axis.
  • a YZ plane cross section is shown.
  • 5C is a YZ plane side cross-sectional view of the piezoelectric power generating apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention as seen from the X-axis positive direction, and shows a position at which a power generating element 63 described later is divided. A YZ plane cross section is shown.
  • the piezoelectric power generation apparatus 1 includes a pedestal portion 2, coil springs 31, 32, 33, 34, 35, 36, a weight plate 4, fixing portions 51, 52, power generation elements 61, 62, 63, 64, and weights. Parts 81 and 82.
  • the piezoelectric power generation device 1 is generally configured in a hexahedral shape, and has a dimension in the X-axis direction of about 30 mm and a dimension in the Y-axis direction of about 30 mm.
  • the pedestal portion 2 has a shape in which a groove 20 extending along the Y-axis direction is formed on the upper surface of a hexahedron composed of surfaces perpendicular to the X-axis, Y-axis, and Z-axis.
  • the pedestal portion 2 includes a bottom plate portion 21, a side wall portion 22, and a side wall portion 23.
  • the bottom plate portion 21 is a flat plate having a rectangular planar shape, and is provided such that a lower surface (a surface on the Z axis negative direction side) is in contact with a horizontal vibration surface FS. That is, the pedestal 2 is provided so that the lower surface is in contact with the horizontal vibration surface FS.
  • Each of the side wall portions 22 and 23 has a rectangular parallelepiped shape and is provided so as to be orthogonal to the upper surface of the bottom plate portion 21 (the surface on the Z axis positive direction side).
  • the side wall portions 22 and 23 are provided along two sides parallel to the Y axis of the bottom plate portion 21.
  • a portion surrounded by the side wall portions 22 and 23 and the bottom plate portion 21 constitutes the inside of the groove 20.
  • the pedestal 2 may be a part of a case of an electronic device on which the piezoelectric power generation device 1 is mounted, and the shape thereof is arbitrary as long as it is a member that receives vibration from the outside.
  • the coil springs 31, 32, 33 are arranged between the upper surface (the surface on the Z-axis positive direction side) of the side wall portion 22 and the lower surface (the surface on the Z-axis negative direction side) of the weight plate 4.
  • the coil springs 31, 32, and 33 are arranged in order along the Y-axis direction.
  • the expansion / contraction direction of the coil springs 31, 32, 33 is the Z-axis direction.
  • One end of the coil springs 31, 32, 33 in the Z-axis direction is joined to the upper surface of the side wall 22 and is a fixed end CE1.
  • the other ends of the coil springs 31, 32, 33 in the Z-axis direction are joined to the lower surface of the weight plate 4 and are free ends FE1.
  • the coil springs 34, 35, and 36 are disposed between the upper surface (the surface on the Z-axis positive direction side) of the side wall portion 23 and the lower surface (the surface on the Z-axis negative direction side) of the weight plate 4.
  • the coil springs 34, 35, 36 are arranged in order along the Y-axis direction.
  • the expansion / contraction direction of the coil springs 34, 35, 36 is the Z-axis direction.
  • One end of the coil springs 34, 35, 36 in the Z-axis direction is joined to the upper surface of the side wall 23, and is a fixed end CE1.
  • the other end of the coil springs 34, 35, 36 in the Z-axis direction is joined to the lower surface of the weight plate 4 and is a free end FE1.
  • the coil springs 31 to 36 constitute the first vibration part K1 described above.
  • the coil springs 31 to 36 are disposed between the pedestal 2 and the weight plate 4.
  • the coil springs 31 to 36 each have a spring constant of, for example, 0.075 N / mm. In the present embodiment, six coil springs 31 to 36 are used, but the total number of coil springs may be other than that.
  • the first vibrating section K1 may be constituted by other elastic bodies such as a leaf spring and a rubber member.
  • the weight plate 4 is a rectangular flat plate as viewed in plan with the Z-axis direction as the thickness direction. In plan view, the outer shape of the weight plate 4 matches the outer shape of the pedestal part 2.
  • the weight plate 4 is joined to the pedestal 2 via coil springs 31-36. Therefore, the weight plate 4 is disposed above the pedestal 2 and is elastically supported on the pedestal 2 by the coil springs 31 to 36.
  • the weight plate 4 is made of metal having high rigidity and density, and constitutes the first weight portion M1 described above together with the fixing portions 51 and 52.
  • the fixing portions 51 and 52 constitute the first weight portion M1 together with the weight plate 4, and are provided on the lower surface of the weight plate 4 so that the lower surface of the first weight portion M1 has an uneven shape.
  • Each of the fixing portions 51 and 52 has a rectangular parallelepiped shape whose longitudinal direction is the X-axis direction, and is provided along two sides parallel to the X-axis on the lower surface of the weight plate 4.
  • the fixing portions 51 and 52 are made of a member different from the weight plate 4 and may be joined to the lower surface of the weight plate 4 or may be configured as a member integrated with the weight plate 4.
  • the power generation elements 61 to 64 and the outer frame portion 60 constitute a power generation unit 6.
  • the power generating elements 61 to 64 are arranged in order along the X-axis direction.
  • the power generating elements 61 to 64 are joined to the outer frame portion 60 having an opening.
  • the power generating elements 61 to 64 constitute the above-described second vibrating portion K2.
  • each of the power generating elements 61 to 64 has a diaphragm 71 and a piezoelectric element 72 provided on the lower surface (surface on the Z-axis negative direction side) of the diaphragm 71. It has a structure.
  • the power generating elements 61 to 64 may have a unimorph structure in which the piezoelectric element 72 is provided on the upper surface (surface on the Z-axis positive direction side) of the diaphragm 71. Further, the power generating elements 61 to 64 may have a bimorph structure in which the piezoelectric elements 72 are provided on the upper surface and the lower surface of the diaphragm 71, respectively.
  • the vibration plate 71 has a substantially isosceles triangular portion whose width gradually decreases from a fixed end to a free end and a rectangular portion in plan view.
  • a piezoelectric element 72 is provided on a substantially isosceles triangular portion of the vibration plate 71.
  • the portion where the piezoelectric element is provided in the vibration plate 71 may have other shapes such as a rectangular shape and a substantially meander shape in addition to a substantially isosceles triangular shape.
  • the diaphragm 71 is made of metal and is provided integrally with the outer frame portion 60.
  • the diaphragm 71 may be made of silicon, glass epoxy, or the like.
  • the thickness of the diaphragm 71 is 75 ⁇ m.
  • the piezoelectric element 72 has a plate-like piezoelectric body and electrodes (not shown) provided on the mutually opposing surfaces of the piezoelectric body.
  • the piezoelectric body that constitutes the piezoelectric element 72 is made of lead zirconate titanate-based piezoelectric ceramics, and the electrodes that make up the piezoelectric element 72 are made of NiCr alloy, NiCu alloy, gold, silver, or the like.
  • the piezoelectric element 72 is provided on the lower surface of the diaphragm 71, a compressive stress is always applied to the piezoelectric element 72 due to the influence of gravity acting on the weight portions 81 and 82.
  • Piezoelectric ceramics generally have better mechanical strength against compressive stress than tensile stress. Therefore, the piezoelectric element 72 is provided in the direction in which the compressive stress acts, thereby improving the durability of the piezoelectric element 72 made of piezoelectric ceramic. Can be increased.
  • the piezoelectric body constituting the piezoelectric element 72 may be made of a material capable of converting mechanical energy into electric energy, for example, an organic piezoelectric body or a dielectric polymer, in addition to piezoelectric ceramics.
  • the thickness of the piezoelectric element 72 is 75 ⁇ m.
  • the power generating elements 61 and 62 are provided so as to extend along the positive direction of the Y axis. As shown in FIG. 3, the ends of the power generation elements 61 and 62 on the Y axis negative direction side are joined to the outer frame part 60, and the parts joined to the power generation elements 61 and 62 in the outer frame part 60 are fixed. It is joined to the lower surface of the part 51 (the surface on the Z-axis negative direction side). For this reason, the ends of the power generation elements 61 and 62 on the Y axis negative direction side are joined to the lower surface of the fixed portion 51 via the outer frame portion 60.
  • the ends of the power generating elements 61 and 62 on the Y axis negative direction side are fixed ends, and the ends of the power generating elements 61 and 62 on the Y axis positive direction side are free ends. Is cantilevered and configured to bend and vibrate along the Z-axis direction.
  • the power generating elements 63 and 64 are provided so as to extend along the negative Y-axis direction. As shown in FIG. 3, the ends of the power generation elements 63 and 64 on the Y axis positive direction side are joined to the outer frame portion 60, and the portions connected to the power generation elements 63 and 64 in the outer frame portion 60 are fixed. It is joined to the lower surface (surface on the Z-axis negative direction side) of the portion 52. For this reason, the ends of the power generation elements 63 and 64 on the Y axis positive direction side are joined to the lower surface of the fixed portion 52 via the outer frame portion 60.
  • the ends of the power generation elements 63 and 64 on the Y axis positive direction side are fixed ends, and the ends of the power generation elements 63 and 64 on the Y axis negative direction side are free ends. Is cantilevered and configured to bend and vibrate along the Z-axis direction.
  • the weight parts 81 and 82 constitute the above-described second weight part M2.
  • the weight portions 81 and 82 are disposed above the pedestal portion 2 and elastically supported by the power generation elements 61 to 64.
  • the weight parts 81 and 82 have a rectangular parallelepiped shape.
  • the weight portions 81 and 82 are made of a metal having high rigidity and density, similar to the weight plate 4, and each mass is 60.0 g.
  • the weight portion 81 is joined to the lower surface (the surface on the Z-axis negative direction side) of the end portions on the Y-axis positive direction side of the power generating elements 61 and 62. Specifically, the weight portion 81 is joined to the lower surface (surface on the Z-axis negative direction side) of the rectangular portion of the diaphragm 71 constituting the power generation elements 61 and 62. The weight portion 82 is joined to the lower surface (the surface on the Z-axis negative direction side) of the end portion on the Y-axis negative direction side of the power generation elements 63 and 64.
  • the weight portion 82 is joined to the lower surface (surface on the Z-axis negative direction side) of the rectangular portion of the diaphragm 71 constituting the power generation elements 63 and 64. As shown in FIGS. 4 and 5, the weight portions 81 and 82 are joined in the vicinity of the free ends of the power generation elements 61 to 64, and gravity acts on the weight portions 81 and 82, so that the power generation elements 61 to 64 vibrate. When not, the free end sides of the power generating elements 61 to 64 are bent in the negative Z-axis direction.
  • a first resonator constituted by the first vibrating portion K1 and the first weight portion M1 in other words, a first resonator constituted by the coil springs 31 to 36, the weight plate 4, and the fixing portions 51 and 52.
  • the basic resonance frequency (first resonance frequency) of one resonator is the second resonator constituted by the second vibrating portion K2 and the second weight portion M2, in other words, the power generating elements 61 to 64.
  • the frequency is preferably the same as or close to the basic resonance frequency (second resonance frequency) of the second resonator formed by the weight portions 81 and 82.
  • the piezoelectric power generation device 1 having such a configuration, when vibration in a direction perpendicular to the vibration surface FS is generated by a force such as external vibration, the first resonator and the second resonator are The vibration energy is transferred between the first resonator and the second resonator by coupling at the same or near frequencies, and the second resonator absorbs the vibration energy from the first resonator, and the second resonator absorbs the vibration energy.
  • the two resonators vibrate with a larger amplitude. Since the power generation elements 61 to 64 constitute the second resonator, a larger electric power can be obtained as compared with the case where the power generation element is a single element.
  • the basic resonance frequency of the first resonator and the basic resonance frequency of the second resonator are appropriately set to a frequency of several Hz to 100 Hz in consideration of a force such as external vibration.
  • the frequency is, for example, about 15 Hz.
  • the second resonator formed by the power generation elements 61 and 62 and the weight portion 81 and the second resonator formed by the power generation elements 63 and 64 and the weight portion 82 are: These are arranged so that the directions along the Y-axis are staggered. In other words, a part of the weight part 81 is located on the Z axis negative direction side on the fixed end side of the power generating elements 63 and 64, and a part of the weight part 82 is a Z axis on the fixed end side of the power generating elements 61 and 62. Located on the negative side. For this reason, two second resonators are arranged in a narrow space.
  • the piezoelectric power generation apparatus 1 can achieve high power generation efficiency by making the basic resonance frequencies of these two second resonators substantially coincide with each other and combining the power output from each power generation element through a matching circuit. it can.
  • the fixing portions 51 and 52 are provided on the lower surface of the weight plate 4, and the fixing ends (CE2) of the power generating elements 61 to 64 connect the outer frame portion 60. It is joined to the lower surface of the fixing
  • free ends (FE 1) of the coil springs 31 to 36 are joined to the lower surface of the weight plate 4.
  • the vibration surface FS with which the lower surface of the pedestal 2 is in contact is used as a reference
  • the height position (position in the Z-axis direction) T2 of the fixed ends (CE2) of the power generating elements 61 to 64 and the coil springs 31 to 36 It is different from the height position (position in the Z-axis direction) T1 of the free end (FE1). More specifically, in a state where the first resonator and the second resonator are stationary, the free movement of the coil springs 31 to 36 is based on the vibration surface FS with which the lower surface of the pedestal portion 2 contacts.
  • the position of the fixed end (CE2) of the power generating elements 61 to 64 in the Z axis direction is closer to the position of the fixed end (CE1) of the coil springs 31 to 36 than the position of the end (FE1) in the Z axis direction. Yes.
  • the height position T1 of the free ends (FE1) of the coil springs 31 to 36 and the height position T2 of the fixed ends (CE2) of the power generation elements 61 to 64 are longitudinal vibrations generated along the Z axis in the power generation elements 61 to 64.
  • the fixed ends (CE2) of the power generating elements 61 to 64 are coiled to affect the magnitude of the (main vibration) amplitude and the magnitude of the secondary vibration (lateral vibration) generated along the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the power generation elements 61 to 64 greatly generate secondary vibrations (lateral vibrations) along the X axis direction and the Y axis direction. Can be suppressed.
  • the height position of the free end (FE1) of the coil springs 31 to 36 and the height position (position in the Z-axis direction) of the fixed end (CE2) of the power generation elements 61 to 64 are Z to the power generation elements 61 to 64.
  • a simulation performed to confirm the influence on the longitudinal vibration (main vibration) generated along the axis and the secondary vibration (transverse vibration) generated along the X-axis direction and the Y-axis direction will be described.
  • the relationship between the height position of the fixed ends (CE2) of the power generating elements 61 to 64 and the electromechanical coupling coefficient of the main vibration was calculated with the same configuration as that of the above-described embodiment.
  • the height position (position in the Z-axis direction) of the fixed end (CE1) of the coil springs 31 to 36 in a state where the first resonator and the second resonator are stationary is used as a reference. If the difference (T2 ⁇ T1) between the height position T1 of the free ends (FE1) of the coil springs 31 to 36 and the height position T2 of the fixed ends (CE2) of the power generating elements 61 to 64 is negative.
  • the fixed ends (CE2) of the power generating elements 61 to 64 are positioned closer to the Z axis negative direction side than the free ends (FE1) of the coil springs 31 to 36.
  • the fixed ends (CE2) of the power generating elements 61 to 64 are joined to the lower surfaces of the fixing portions 51 and 52 protruding from the lower surface of the weight plate 4.
  • T1 and T2 T2 ⁇ T1
  • the fixed ends (CE2) of the power generating elements 61 to 64 are closer to the Z axis positive direction side than the free ends (FE1) of the coil springs 31 to 36. Will be located.
  • a concave portion is provided on the lower surface of the weight plate 4, or a spacer is interposed between the weight plate 4 and the coil springs 31 to 36, so that the height position T2 of the fixed ends (CE2) of the power generating elements 61 to 64 is increased. Or the height position T1 of the free ends (FE1) of the coil springs 31 to 36 needs to be lowered.
  • FIG. 6A is a diagram showing the relationship between the difference between T1 and T2 (T2 ⁇ T1) and the electromechanical coupling coefficient of main vibration and sub vibration.
  • the difference (T2 ⁇ T1) between T1 and T2 is changed within a range of ⁇ 18 mm to +15 mm.
  • the electromechanical coupling coefficient of the main vibration is large when the difference between T1 and T2 (T2 ⁇ T1) is in the range of ⁇ 15 mm to +5 mm.
  • the main machine In the range where the difference between T1 and T2 (T2 ⁇ T1) is smaller than ⁇ 15 mm, that is, in the range where the height dimension of the fixing portions 51 and 52 (dimension in the Z-axis direction) exceeds 15 mm, the main machine The coupling coefficient is reduced.
  • the weight plate 4 is provided with a concave portion where the power generating elements 61 to 64 are joined to the bottom portion in place of the difference between T1 and T2 (T2 ⁇ T1) larger than +5 mm, that is, the fixed portions 51 and 52. Even in the range where the depth of the recess exceeds +5 mm, the electromechanical coupling coefficient of the main vibration becomes small.
  • the electromechanical coupling coefficient of the secondary vibration is small when the difference between T1 and T2 (T2 ⁇ T1) is in the range of ⁇ 10 mm to ⁇ 5 mm.
  • the difference between T1 and T2 (T2 ⁇ T1) is smaller than ⁇ 10 mm, that is, the height of the fixing portions 51 and 52 (dimension in the Z-axis direction) exceeds 10 mm, the electromechanical coupling of the secondary vibration The coefficient increases.
  • T1 and T2 are larger than ⁇ 5 mm, that is, when the height dimension (dimension in the Z-axis direction) of the fixing parts 51 and 52 is smaller than 5 mm, Even when the concave portion where the power generating elements 61 to 64 are joined to the bottom is provided in the weight plate 4 in place of 51 and 52, the electromechanical coupling coefficient of the secondary vibration is increased.
  • the height position T2 of the fixed ends (CE2) of the power generating elements 61 to 64 depends on the amplitude of the longitudinal vibration (main vibration) generated along the Z axis in the power generating elements 61 to 64, the X axis direction, It can be seen that the amplitude of the secondary vibration (lateral vibration) generated along the Y-axis direction is affected.
  • the height position T2 of the fixed ends (CE2) of the power generation elements 61 to 64 is the magnitude of the amplitude of the longitudinal vibration (main vibration) generated along the Z axis in the power generation elements 61 to 64, the X axis direction, It can be seen that the magnitude of the amplitude of the secondary vibration (transverse vibration) generated along the axial direction is affected.
  • the electromechanical coupling coefficient of the main vibration and the electromechanical coupling coefficient of the secondary vibration change in reverse depending on the change in the height position T2 of the fixed ends (CE2) of the power generating elements 61 to 64.
  • a large electromechanical coupling coefficient of the main vibration means that the power generation efficiency of the piezoelectric power generation device 1 is high
  • the free ends of the coil springs 31 to 36 ( The height position T1 of FE1) and the height position T2 of the fixed ends (CE2) of the power generating elements 61 to 64 are set so that the difference (T2 ⁇ T1) between T1 and T2 is in the range of ⁇ 15 mm to +5 mm.
  • the piezoelectric power generation device 1 according to the first embodiment by reducing the electromechanical coupling coefficient of the secondary vibration, it is possible to reduce unnecessary secondary vibration and improve reliability.
  • FIG. 6B shows a standard difference (T2 ⁇ T1) / T1 in which the difference between T1 and T2 (T2 ⁇ T1) is normalized by T1, and the electromechanical coupling coefficient of the main vibration and the sub vibration with the standard difference (T2 ⁇ It is a figure which shows the relationship with the normalized electromechanical coupling coefficient normalized on the basis of the time when T1) / T1 is 0.
  • T2 ⁇ T1 the standard difference
  • T2 ⁇ T1 satisfies the relationship ⁇ 2.1 ⁇ (T2 ⁇ T1) / T1 ⁇ 0.1
  • the electromechanical coupling coefficient is larger than the normalized electromechanical coupling coefficient of the secondary vibration.
  • the coil difference is such that the standard difference (T2 ⁇ T1) / T1 satisfies the relationship ⁇ 2.1 ⁇ (T2 ⁇ T1) / T1 ⁇ 0.1.
  • the height position T1 of the free ends (FE1) of the coil springs 31 to 36 is different from the height position T2 of the fixed ends (CE2) of the power generating elements 61 to 64.
  • the vertical vibration (main vibration) generated along the Z axis and the secondary vibration (transverse vibration) generated along the X axis direction and the Y axis direction in the power generation elements 61 to 64 high power generation efficiency can be realized. Unnecessary side vibrations can be reduced and reliability can be improved.
  • FIG. 7 is a partial perspective view showing a power generation section 6A and a weight section 81A that constitute a piezoelectric power generation apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • the configuration other than the power generation section 6A and the weight section 81A of the piezoelectric power generation apparatus according to this embodiment is the same as that of the piezoelectric power generation apparatus 1 according to the first embodiment.
  • the power generation unit 6A includes an outer frame portion 60A having a rectangular opening in plan view, and a power generation element 61A joined to the outer frame portion 60A within the opening.
  • the power generation element 61A constitutes the second vibration part K2, and includes a vibration plate and a piezoelectric element (not shown) provided on the lower surface of the vibration plate (surface on the Z-axis negative direction side).
  • the weight part 81A constitutes a second weight part M2.
  • the power generating element 61A includes fixed end side beam portions 62A and 63A and a free end side beam portion 64A.
  • the free end side beam portion 64A is provided so as to extend in the Y axis negative direction from an end portion that is joined to the upper surface (surface on the Z axis positive direction side) of the weight portion 81A and is a free end.
  • the fixed end side beam portion 62A is disposed on the X axis negative direction side of the free end side beam portion 64A, and one end thereof is connected to the end portion of the free end side beam portion 64A on the Y axis negative direction side, From there, it is pulled out to the Y-axis positive direction side, then folded back to the Y-axis negative direction side, and up to a portion joined to the lower surface (surface on the Z-axis negative direction side) of the fixed portion (not shown) in the outer frame portion 60A. It is provided to extend.
  • the fixed end side beam portion 63A is disposed on the X axis positive direction side with respect to the free end side beam portion 64A, and one end thereof is connected to the end portion on the Y axis negative direction side of the free end side beam portion 64A. From there, it is pulled out to the Y-axis positive direction side, then folded back to the Y-axis negative direction side, and up to a portion joined to the lower surface (surface on the Z-axis negative direction side) of the fixed portion (not shown) in the outer frame portion 60A. It is provided to extend.
  • the power generating element 61A Since the power generating element 61A has a substantially meander-line configuration including the fixed end side beam portions 62A and 63A and the free end side beam portion 64A, the power generating element 61A is more than the power generating elements 61 to 64 of the first embodiment. The substantial lengthwise dimension becomes longer. Therefore, the spring elasticity and resonance frequency of the power generation element 61A can be set in a wider range.
  • FIG. 8 is a partial perspective view showing a power generation unit 6B and weights 81B and 82B that constitute a piezoelectric power generation device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a partial perspective view showing a power generation unit 6B and weights 81B and 82B that constitute a piezoelectric power generation device according to a third embodiment of the present invention.
  • other configurations except for the power generation unit 6B and the weights 81B and 82B of the piezoelectric power generation device according to this embodiment are the same as those of the piezoelectric power generation device 1 according to the first embodiment. is there.
  • the power generation unit 6B includes an outer frame portion 60B having a rectangular opening in plan view, and power generation elements 61B, 62B, and 63B joined to the outer frame portion 60A within the opening.
  • the power generating elements 61B to 63B constitute the second vibrating section K2, and include a diaphragm and a piezoelectric element (not shown) provided on the lower surface (the surface on the Z axis negative direction side) of the diaphragm.
  • Each of the weight parts 81B and 82B constitutes a second weight part M2.
  • the power generation element 61B and the power generation element 62B are provided so as to extend along the positive direction of the Y axis, respectively.
  • the ends of the power generating elements 61B and 62B on the Y axis negative direction side are joined to the outer frame part 60B, and the part joined to the power generating elements 61B and 62B in the outer frame part 60B is the lower surface of the fixed part (not shown) It is joined to the (Z-axis negative direction side surface).
  • the ends of the power generating elements 61B and 62B on the Y axis positive direction side are joined to the upper surface (the surface on the Z axis positive direction side) of the weight portion 81B.
  • the power generation element 63B is provided so as to extend along the negative Y-axis direction.
  • the end of the power generation element 63B on the Y axis positive direction side is joined to the outer frame part 60B, and the part of the outer frame part 60B joined to the power generation element 63B is the lower surface of the fixed part (not shown) (Surface on the direction side).
  • the end of the power generation element 63B on the Y axis negative direction side is joined to the upper surface (the surface on the Z axis positive direction side) of the weight portion 82B.
  • the weight part 81B is elastically supported by the power generation elements 61B and 62B, and the weight part 82B is elastically supported by the power generation element 63B.
  • the spring elasticity and resonance frequency of the power generation elements 61B and 62B can be made substantially equal to the spring elasticity and resonance frequency of the power generation element 63B. it can.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view showing a state in which the piezoelectric power generating apparatus 1C according to the fourth embodiment of the present invention is disassembled.
  • the piezoelectric power generation device 1C according to the present embodiment includes a weight plate 4C having a shape different from that of the piezoelectric power generation device 1 according to the first embodiment.
  • the configuration other than the weight plate 4C in the piezoelectric power generation device 1C is the same as that of the piezoelectric power generation device 1 according to the first embodiment.
  • the weight plate 4C has a top plate portion 41C and side wall portions 42C and 43C.
  • the top plate portion 41C is a flat plate that is rectangular in plan view with the Z-axis direction as the thickness direction. When viewed from above, the outer shape of the top plate portion 41 ⁇ / b> C matches the outer shape of the pedestal portion 2.
  • the side walls 42C and 43C have a rectangular parallelepiped shape, and are provided so as to be orthogonal to the lower surface (the surface on the Z-axis negative direction side) of the top plate 41C.
  • the side wall portions 42C and 43C are along the two sides parallel to the Y axis of the top plate portion 41C in a plan view of the top plate portion 41C on the lower surface (surface in the negative Z-axis direction) side of the top plate portion 41C. Is provided.
  • the piezoelectric power generating apparatus 1C includes the weight plate 4C having such a configuration, so that the height position of the free ends of the coil springs 31 to 36 is set to the height of the fixed ends of the power generating elements 61 to 64.
  • the position can be more on the Z axis positive direction side. Therefore, the difference (T2 ⁇ T1) between T1 and T2 described above with reference to FIG. 6 can be a positive value.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Abstract

　固定端（ＣＥ１）と、自由端（ＦＥ１）と、を有する第１の振動部（Ｋ１）と、第１の振動部（Ｋ１）の自由端（ＦＥ１）に接合されている第１の錘部（Ｍ１）と、第１の錘部（Ｍ１）に接合されている固定端（ＣＥ２）と、自由端（ＦＥ２）と、を有し、振動板と、振動板に設けられた圧電素子とを有する、第２の振動部（Ｋ２）と、第２の振動部（Ｋ２）の自由端（ＦＥ２）に接合されている第２の錘部（Ｍ２）と、を備え、振動面（ＦＳ）に配置されて静止している状態において、振動面（ＦＳ）を基準とした際に、振動面（ＦＳ）に対して垂直な軸（ＣＡ）方向での、第１の振動部（Ｋ１）の自由端（ＦＥ１）の位置と、第２の振動部（Ｋ２）の固定端（ＣＥ２）の位置とは、相違している、圧電発電装置（１）。

Description

圧電発電装置
　この発明は、圧電効果を利用して振動エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電発電装置に関するものである。
　従来、圧電素子を用いて発電する圧電発電装置が提案されている（例えば特許文献１の段落００７８～段落００８０及び図１２（ａ）参照。）。
　図１０は、特許文献１の記載を参考にした従来の圧電発電装置１０１の構成例を説明する図であり、圧電発電装置１０１の構成の一部を除いた状態での側面図を示している。
　図１０に示す圧電発電装置１０１は、台座１１１と、コイルばね１１２と、揺動部材１１３と、第１錘１１４と、圧電素子１２１と、第２錘１２２と、を備えている。台座１１１は、円板状であり、振動体である床スラブ１３１に固定されている。コイルばね１１２は、一端が台座１１１に連結され、他端が円板状の揺動部材１１３に連結されており、揺動部材１１３を台座１１１に対して揺動可能に支持している。第１錘１１４は、揺動部材１１３の下方に連結されている。圧電素子１２１は、第１錘１１４を介して揺動部材１１３に連結されている。第２錘１２２は、圧電素子１２１を介して第１錘１１４に連結されている。第２錘１２２と圧電素子１２１と第１錘１１４とは、コイルばね１１２の巻き線の内側に配置されている。圧電素子１２１の第１錘１１４との接触面には、電極１２１Ａが設けられている。圧電素子１２１の第２錘１２２との接触面には、電極１２１Ｂが設けられている。
　外部からの振動などの力等により床スラブ１３１において床スラブ１３１の平面に対して垂直な方向の振動が発生すると、この振動が台座１１１およびコイルばね１１２を介して揺動部材１１３に伝わり、揺動部材１１３に連結されている第１錘１１４が振動する。そして、この振動が圧電素子１２１を介して第２錘１２２に伝わって第２錘１２２も振動する。このとき、圧電素子１２１には第１錘１１４と第２錘１２２とから圧縮応力と引張応力とが繰り返し作用し、圧電効果によって圧電素子１２１に電荷が発生する。発生した電荷は、圧電素子１２１に設けられた電極１２１Ａ，１２１Ｂから取り出される。
特開２０１１－１１４８８４号公報
　外部からの振動などの力等により床スラブ１３１において床スラブ１３１の平面に対して垂直な方向の振動が発生する場合、圧電発電装置１０１の第１錘１１４や第２錘１２２には、床スラブ１３１の平面に対して垂直な方向の振動である縦振動（以下、主振動ともいう。）だけが生じることが望ましい。しかしながら、現実には各部に作用するトルクなどの影響で、第１錘１１４や第２錘１２２には、主振動だけではなく、主振動（縦振動）の方向に対して直交する方向の副振動（以下、横振動ともいう。）も生じることになる。このため、第１錘１１４や第２錘１２２に生じる副振動が大きければ、その分だけ、第１錘１１４や第２錘１２２に生じる主振動が小さなものになり、圧電発電装置１０１の発電効率が低下するおそれがある。
　そこで、本発明の目的は、圧電素子での発電に用いる主振動の方向に対して直交する方向に生じる副振動を調整でき、副振動が生じることによって引き起こされる発電効率の低下を防ぐことが可能な、圧電発電装置を実現することにある。
　この発明に係る圧電発電装置は、第１の振動部と、第１の錘部と、第２の振動部と、第２の錘部と、を備える。第１の振動部は、固定端と、自由端と、を有する。第１の錘部は、第１の振動部の自由端に接合されている。第２の振動部は、第１の錘部に接合されている固定端と、自由端と、を有する。第２の振動部は、振動板と、振動板に設けられた圧電素子とを有する。第２の錘部は、第２の振動部の自由端に接合されている。振動面に配置されて静止している状態において、振動面を基準とした際に、振動面に対して垂直な軸方向での、第１の振動部の自由端の位置と、第２の振動部の固定端の位置とは、相違している。
　また、上述の圧電発電装置は、振動面に配置されて静止している状態において、振動面を基準とした際に、振動面に対して垂直な軸方向での、第１の振動部の自由端の位置よりも、第２の振動部の固定端の位置のほうが、第１の振動部の固定端の位置に近いことが好ましい。
　また、上述の圧電発電装置は、振動面に配置されて静止している状態において、振動面を基準とした際に、振動面に対して垂直な軸方向での、第１の振動部の固定端の位置と第１の振動部の自由端の位置との間の距離をＴ１とし、第１の振動部の固定端の位置と第２の振動部の固定端の位置との間の距離をＴ２としたとき、－２．１＜（Ｔ２－Ｔ１）／Ｔ１＜－０．１の関係を満たすことが好ましい。
　また、上述の圧電発電装置では、第１の錘部は、第１の振動部の自由端が接合されている錘板と、錘板における第１の振動部の自由端が接合されている面に設けられている第１，第２の固定部とにより構成されており、第１の固定部に接合されている第２の振動部および第２の錘部の組と、第２の固定部に接合されている第２の振動部および前記第２の錘部の組と、を備え、第１の固定部に接合されている組の第２の錘部は、その一部が第２の固定部の下方に位置しており、第２の固定部に接合されている組の第２の錘部は、その一部が第１の固定部の下方に位置していることが好ましい。
　この発明によれば、第２の振動部に生じる主振動および副振動の大きさを調整することが可能になる。そのため、第２の振動部に生じる副振動を抑制することで、副振動によって引き起こされる発電効率の低下を改善して発電効率を高めることできる。
本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の構成を説明する模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の詳細構成を説明する斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置を分解した状態を示す分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の側面図および断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の側面図および断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置における、コイルばねの端部と発電素子の端部との高さ位置と、主振動および副振動の電気機械結合係数との関係を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置の構成の一部を説明する部分斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る圧電発電装置の構成の一部を説明する部分斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係る圧電発電装置を分解した状態を示す分解斜視図である。 従来の圧電発電装置の構成例を説明する図である。
　本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１の構成について、図１～６を参照して説明する。
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１の構成を示す模式図である。第１の実施形態に係る圧電発電装置１は、第１の振動部Ｋ１と、第１の錘部Ｍ１と、第２の振動部Ｋ２と、第２の錘部Ｍ２と、により構成されている。圧電発電装置１は水平な振動面ＦＳ上に配置されている。
　第１の振動部Ｋ１は、振動面ＦＳに対して垂直な軸ＣＡに沿って伸縮する。第１の振動部Ｋ１は、振動面ＦＳに固定されている固定端ＣＥ１と、固定端ＣＥ１とは逆側の自由端ＦＥ１と、を有している。第１の錘部Ｍ１は、第１の振動部Ｋ１の自由端ＦＥ１に接合されている。第１の振動部Ｋ１と第１の錘部Ｍ１とは、第１の共振器を構成している。
　第１の共振器は、単体では、人が歩行する際の振動や、自転車，自動車の振動等と一致する比較的低い周波数領域における第１共振周波数で共振して、軸ＣＡに沿って縦振動する。このため、第１の共振器は、振動面ＦＳに印加される外部からの振動のうちの第１共振周波数の縦振動に共振する。したがって、第１の共振器が共振することにより、第１の錘部Ｍ１に外部からの振動が直接伝わるような構成よりも、第１の錘部Ｍ１の振幅は大きなものになる。
　第２の振動部Ｋ２は、振動面ＦＳに対して垂直な軸ＣＡに沿って屈曲振動する。第２の振動部Ｋ２は、第１の錘部Ｍ１に連結されている固定端ＣＥ２と、固定端ＣＥ２とは逆側の自由端ＦＥ２と、を有している。第２の錘部Ｍ２は、第２の振動部Ｋ２の自由端ＦＥ２に接合されている。第２の振動部Ｋ２と第２の錘部Ｍ２とは、第２の共振器を構成している。
　第２の共振器は、単体では、第１共振周波数と同じまたは第１共振周波数の近傍の第２共振周波数で共振して、軸ＣＡに沿って縦振動する。このため、第２の共振器が第１の共振器と結合することにより、２つの共振器間で振動エネルギーが授受されることになる。よって、第２の共振器が第１の共振器の振動エネルギーを吸収し、第２の共振器はより大きな振幅で振動する。
　また、第１の錘部Ｍ１における第１の振動部Ｋ１と第２の振動部Ｋ２とが接合されている面は凹凸形状となっており、振動面ＦＳを基準とした際に、第１の錘部Ｍ１に接合されている第２の振動部Ｋ２の固定端ＣＥ２の高さ位置Ｔ２と、第１の錘部Ｍ１に接合されている第１の振動部Ｋ１の自由端ＦＥ１の高さ位置Ｔ１とは、相違している。より具体的には、第１の共振器と第２の共振器とが静止している状態において、振動面ＦＳを基準とした際に、軸ＣＡ上での第１の振動部Ｋ１の自由端ＦＥ１の位置よりも、軸ＣＡ上での第２の振動部Ｋ２の固定端ＣＥ２の位置のほうが、軸ＣＡ上での第１の振動部Ｋ１の固定端ＣＥ１の位置に近くなっている。このことにより、詳細は後述するが、第２の振動部Ｋ２および第２の錘部Ｍ２は、軸ＣＡに沿って生じる縦振動（主振動）が大きく、軸ＣＡに対して直交する方向に沿って生じる横振動（副振動）が小さくなり易い構成となっている。そのため、圧電発電装置１は、第２の振動部Ｋ２に、主振動によって発電する圧電素子を設けることで、高い発電効率を実現することができる。
　以下では、水平な振動面ＦＳ上に配置されている圧電発電装置を例に、第１の実施形態に係る圧電発電装置１を説明する。以下の説明に用いる図には、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軸からなる、直交座標系を付記している。ここで、水平な振動面ＦＳと平行な面をＸ－Ｙ面とし、水平な振動面ＦＳに直交する軸をＺ軸とする。図２は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１の斜視図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１を分解した状態を示す分解斜視図である。図４（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１をＹ軸正方向から見たＸ－Ｚ面側面図である。図４（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１をＹ軸正方向から見たＸ－Ｚ面側面断面図であり、後述する錘部８２を分断する位置でのＸ－Ｚ面断面を示している。図４（Ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１をＹ軸正方向から見たＸ－Ｚ面側面断面図であり、後述する錘部８１を分断する位置でのＸ－Ｚ面断面を示している。図５（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１をＸ軸正方向に見たＹ－Ｚ面側面図である。図５（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１をＸ軸正方向から見たＹ－Ｚ面側面断面図であり、後述する発電素子６１を分断する位置でのＹ－Ｚ面断面を示している。図５（Ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置１をＸ軸正方向から見たＹ－Ｚ面側面断面図であり、後述する発電素子６３を分断する位置でのＹ－Ｚ面断面を示している。
　圧電発電装置１は、台座部２と、コイルばね３１，３２，３３，３４，３５，３６と、錘板４と、固定部５１，５２と、発電素子６１，６２，６３，６４と、錘部８１，８２と、を備えている。圧電発電装置１は、全体として概略六面体状に構成されており、Ｘ軸方向の寸法が約３０ｍｍ、Ｙ軸方向の寸法が約３０ｍｍである。
　台座部２は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれに垂直な面からなる六面体の上面に、Ｙ軸方向に沿って延びる溝２０が形成された形状である。図３に示すように、台座部２は、底板部２１と、側壁部２２と、側壁部２３と、を有する。底板部２１は、平面形状が矩形の平板状であり、下面（Ｚ軸負方向側の面）が水平な振動面ＦＳに接するように設けられている。すなわち、台座部２は、下面が水平な振動面ＦＳに接するように設けられている。側壁部２２，２３は、それぞれ直方体状であり、底板部２１の上面（Ｚ軸正方向側の面）に直交するように設けられている。側壁部２２，２３は、底板部２１のＹ軸に平行な２つの辺に沿って設けられている。側壁部２２，２３と底板部２１とで囲まれた部分が、溝２０の内部を構成している。なお、台座部２は、圧電発電装置１が搭載される電子機器のケースの一部などであってもよく、外部からの振動を受ける部材であれば形状は任意である。
　コイルばね３１，３２，３３は、側壁部２２の上面（Ｚ軸正方向側の面）と錘板４の下面（Ｚ軸負方向側の面）との間に配置されている。コイルばね３１，３２，３３は、Ｙ軸方向に沿って順に配列されている。コイルばね３１，３２，３３の伸縮方向は、Ｚ軸方向である。コイルばね３１，３２，３３のＺ軸方向の一方側の端部は、側壁部２２の上面に接合されており、固定端ＣＥ１である。コイルばね３１，３２，３３のＺ軸方向の他方側の端部は、錘板４の下面に接合されており、自由端ＦＥ１である。
　コイルばね３４，３５，３６は、側壁部２３の上面（Ｚ軸正方向側の面）と錘板４の下面（Ｚ軸負方向側の面）との間に配置されている。コイルばね３４，３５，３６は、Ｙ軸方向に沿って順に配列されている。コイルばね３４，３５，３６の伸縮方向は、Ｚ軸方向である。コイルばね３４，３５，３６のＺ軸方向の一方側の端部は、側壁部２３の上面に接合されており、固定端ＣＥ１である。コイルばね３４，３５，３６のＺ軸方向の他方側の端部は、錘板４の下面に接合されており、自由端ＦＥ１である。
　コイルばね３１～３６は、前述の第１の振動部Ｋ１を構成している。コイルばね３１～３６は、台座部２と錘板４との間に配置されている。コイルばね３１～３６は、それぞれバネ定数が例えば０．０７５Ｎ／ｍｍのものである。なお、本実施形態では６個のコイルばね３１～３６を用いているが、コイルばねの総数はそれ以外であってもよい。また、コイルばね３１～３６に代えて、板ばねやゴム部材など他の弾性体によって第１の振動部Ｋ１が構成されていてもよい。
　錘板４は、Ｚ軸方向を厚み方向とし、平面視して矩形の平板である。平面視して、錘板４の外形は、台座部２の外形と一致する。錘板４は、コイルばね３１～３６を介して台座部２に接合されている。このため、錘板４は、台座部２の上方に配置され、コイルばね３１～３６により台座部２に弾性支持されている。錘板４は、剛性および密度が高い金属などからなり、固定部５１，５２とともに、前述の第１の錘部Ｍ１を構成している。
　固定部５１，５２は、錘板４とともに第１の錘部Ｍ１を構成し、第１の錘部Ｍ１の下面を凹凸形状にするために錘板４の下面に設けられている。固定部５１，５２は、それぞれＸ軸方向を長手方向とする直方体状であり、錘板４の下面のＸ軸に平行な２つの辺に沿って設けられている。固定部５１，５２は、錘板４とは別の部材からなり、錘板４の下面に接合されていてもよく、錘板４と一体の部材として構成されていてもよい。
　発電素子６１～６４と外枠部６０とは、発電部６を構成している。発電素子６１～６４は、Ｘ軸方向に沿って順に配列されている。発電素子６１～６４は、開口を有する外枠部６０に接合されている。発電素子６１～６４は、前述の第２の振動部Ｋ２を構成している。図４および図５に示すように、発電素子６１～６４は、それぞれ、振動板７１と振動板７１の下面（Ｚ軸負方向側の面）に設けられた圧電素子７２とを有し、ユニモルフ構造を有する。なお、発電素子６１～６４は、振動板７１の上面（Ｚ軸正方向側の面）に圧電素子７２が設けられているユニモルフ構造であってもよい。また、発電素子６１～６４は、振動板７１の上面および下面にそれぞれ圧電素子７２が設けられているバイモルフ構造であってもよい。
　振動板７１は、平面視して、固定端から自由端にかけて次第に幅が狭まる略二等辺三角形状の部分と、矩形状の部分とを有する。振動板７１の略二等辺三角形状の部分には、圧電素子７２が設けられている。振動板７１における圧電素子が設けられる部分は、略二等辺三角形状の他、長方形状、略ミアンダ形状など、他の形状であってもよい。振動板７１は、金属からなり、外枠部６０と一体に設けられている。振動板７１は、シリコンやガラスエポキシなどからなるものであってもよい。振動板７１の厚さは、７５μｍである。
　圧電素子７２は、平板状の圧電体と、圧電体の互いに対向する面にそれぞれ設けられた電極（不図示）とを有する。本実施形態では、圧電素子７２を構成する圧電体はチタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミックスからなり、圧電素子７２を構成する電極はＮｉＣｒ合金、ＮｉＣｕ合金、金、銀などからなる。発電素子６１～６４では、圧電素子７２が振動板７１の下面に設けられているので、錘部８１，８２に作用する重力の影響により、圧電素子７２には常時圧縮応力が作用する。圧電セラミックスは一般に引張応力より圧縮応力に対して機械的強度が優れているので、圧縮応力が作用する方向に圧電素子７２が設けられていることで、圧電セラミックスからなる圧電素子７２の耐久性を高めることができる。なお、圧電素子７２を構成する圧電体は、圧電セラミックスの他、機械エネルギーを電気エネルギーに変換することができる材料、例えば、有機圧電体や誘電ポリマーからなるものであってもよい。圧電素子７２の厚さは、７５μｍである。
　発電素子６１，６２は、Ｙ軸正方向に沿って延びるように設けられている。図３に示すように、発電素子６１，６２のＹ軸負方向側の端部は外枠部６０に接合されており、外枠部６０における発電素子６１，６２と接合されている部分は固定部５１の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている。このため、発電素子６１，６２のＹ軸負方向側の端部は、外枠部６０を介して固定部５１の下面に接合されている。発電素子６１，６２のＹ軸負方向側の端部は固定端となっており、発電素子６１，６２のＹ軸正方向側の端部は自由端となっているため、発電素子６１，６２は、片持ち梁状であり、Ｚ軸方向に沿って屈曲振動が可能に構成されている。
　発電素子６３，６４は、Ｙ軸負方向に沿って延びるように設けられている。図３に示すように、発電素子６３，６４のＹ軸正方向側の端部は外枠部６０に接合されており、外枠部６０における発電素子６３，６４と連結されている部分は固定部５２の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている。このため、発電素子６３，６４のＹ軸正方向側の端部は、外枠部６０を介して固定部５２の下面に接合されている。発電素子６３，６４のＹ軸正方向側の端部は固定端となっており、発電素子６３，６４のＹ軸負方向側の端部は自由端となっているため、発電素子６３，６４は、片持ち梁状であり、Ｚ軸方向に沿って屈曲振動が可能に構成されている。
　錘部８１，８２は、それぞれ前述の第２の錘部Ｍ２を構成している。錘部８１，８２は、台座部２の上方に配置され、発電素子６１～６４により弾性支持されている。錘部８１，８２は、直方体状である。錘部８１，８２は、錘板４と同様に剛性および密度が高い金属などからなり、それぞれの質量は６０．０ｇである。
　錘部８１は、発電素子６１，６２のＹ軸正方向側の端部の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている。具体的には、錘部８１は、発電素子６１，６２を構成している振動板７１の矩形状の部分の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている。錘部８２は、発電素子６３，６４のＹ軸負方向側の端部の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている。具体的には、錘部８２は、発電素子６３，６４を構成している振動板７１の矩形状の部分の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている。図４および図５に示すように、錘部８１，８２は発電素子６１～６４の自由端近傍に接合されており、錘部８１，８２に重力が作用するため、発電素子６１～６４が振動していない時には、発電素子６１～６４の自由端側はＺ軸負方向に撓んだ状態になる。
　第１の振動部Ｋ１と第１の錘部Ｍ１とにより構成されている第１の共振器、言い換えれば、コイルばね３１～３６と錘板４と固定部５１，５２とにより構成されている第１の共振器の基本共振周波数（第１共振周波数）は、第２の振動部Ｋ２と第２の錘部Ｍ２とにより構成されている第２の共振器、言い換えれば、発電素子６１～６４と錘部８１，８２とにより構成されている第２の共振器の基本共振周波数（第２共振周波数）と同じまたは近傍の周波数であることが好ましい。このような構成を有する圧電発電装置１では、外部からの振動などの力等により振動面ＦＳに対して垂直な方向の振動が発生する場合、第１の共振器と第２の共振器とが同じまたは近傍の周波数で結合して第１の共振器と第２の共振器との間で振動エネルギーが授受され、第２の共振器が第１の共振器から振動エネルギーを吸収して、第２の共振器がより大きな振幅で振動する。そして、発電素子６１～６４が第２の共振器を構成しているため、発電素子単体である場合に比べて、大きな電力を得ることができる。
　なお、第１の共振器の基本共振周波数と第２の共振器の基本共振周波数とは、外部からの振動などの力等を考慮して、数Ｈｚ～１００Ｈｚのいずれかの周波数に適宜設定される。圧電発電装置１が、人が携帯する電子機器や、自転車・自動車などに搭載される電子機器に搭載される場合には、第１の共振器の基本共振周波数と第２の共振器の基本共振周波数とは例えば約１５Ｈｚとされる。
　圧電発電装置１では、発電素子６１，６２と錘部８１とにより構成されている第２の共振器と、発電素子６３，６４と錘部８２とにより構成されている第２の共振器とは、それぞれのＹ軸に沿った向きが互い違いとなるように配置されている。言い換えれば、錘部８１の一部は発電素子６３，６４の固定端側のＺ軸負方向側に位置しており、錘部８２の一部は発電素子６１，６２の固定端側のＺ軸負方向側に位置している。このため、狭い空間内に２つの第２の共振器が配置されている。これら２つの第２の共振器の基本共振周波数を略一致させるとともに、それぞれの発電素子から出力される電力を整合回路を介して合わせることにより、圧電発電装置１は高い発電効率を実現することができる。
　図４（Ａ）に示すように、圧電発電装置１では、固定部５１，５２が錘板４の下面に設けられており、発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）が外枠部６０を介して固定部５１，５２の下面に接合されている。一方、コイルばね３１～３６の自由端（ＦＥ１）が錘板４の下面に接合されている。したがって、台座部２の下面が接する振動面ＦＳを基準とした際に、発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置（Ｚ軸方向の位置）Ｔ２と、コイルばね３１～３６の自由端（ＦＥ１）の高さ位置（Ｚ軸方向の位置）Ｔ１とは、相違している。より具体的には、第１の共振器と第２の共振器とが静止している状態において、台座部２の下面が接する振動面ＦＳを基準とした際に、コイルばね３１～３６の自由端（ＦＥ１）のＺ軸方向の位置よりも、発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）のＺ軸方向の位置のほうが、コイルばね３１～３６の固定端（ＣＥ１）の位置に近くなっている。コイルばね３１～３６の自由端（ＦＥ１）の高さ位置Ｔ１と発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置Ｔ２とは、発電素子６１～６４にＺ軸に沿って生じる縦振動（主振動）の振幅の大きさと、Ｘ軸方向やＹ軸方向に沿って生じる副振動（横振動）の振幅の大きさとに影響するため、発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）がコイルばね３１～３６の自由端（ＦＥ１）よりもＺ軸負方向側に位置していることによって、発電素子６１～６４にＸ軸方向やＹ軸方向に沿って生じる副振動（横振動）を大幅に抑制することができる。
　ここで、コイルばね３１～３６の自由端（ＦＥ１）の高さ位置と発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置（Ｚ軸方向の位置）が、発電素子６１～６４にＺ軸に沿って生じる縦振動（主振動）と、Ｘ軸方向やＹ軸方向に沿って生じる副振動（横振動）とに及ぼす影響について確認するために行ったシミュレーションについて説明する。シミュレーションでは、上述の実施形態と同様の構成で、発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置と、主振動の電気機械結合係数との関係を計算した。また、主振動ではなく、副振動の振動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成した比較構成で、発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置と、副振動の電気機械結合係数との関係を計算した。
　なお、ここで、第１の共振器と第２の共振器とが静止している状態における、コイルばね３１～３６の固定端（ＣＥ１）の高さ位置（Ｚ軸方向の位置）を基準とした際に、コイルばね３１～３６の自由端（ＦＥ１）の高さ位置Ｔ１と発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置Ｔ２との差（Ｔ２－Ｔ１）が負であれば、発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）は、コイルばね３１～３６の自由端（ＦＥ１）よりもＺ軸負方向側に位置することになる。即ち、上述の実施形態で示したように、発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）が、錘板４の下面から突出する固定部５１，５２の下面に接合されていることになる。一方、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２－Ｔ１）が正であれば、発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）は、コイルばね３１～３６の自由端（ＦＥ１）よりもＺ軸正方向側に位置することになる。そのため、錘板４の下面に凹部を設けたり、錘板４とコイルばね３１～３６との間にスペーサを介在させたりして、発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置Ｔ２を高くする、または、コイルばね３１～３６の自由端（ＦＥ１）の高さ位置Ｔ１を低くする必要がある。
　図６（Ａ）は、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２－Ｔ１）と、主振動および副振動の電気機械結合係数との関係を示す図である。ここでは、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２－Ｔ１）を－１８ｍｍ～＋１５ｍｍの範囲で変更している。図６（Ａ）に示すように、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２－Ｔ１）が－１５ｍｍ～＋５ｍｍの範囲では、主振動の電気機械結合係数が大きい。一方、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２－Ｔ１）が－１５ｍｍよりも小さい範囲、すなわち、固定部５１，５２の高さ寸法（Ｚ軸方向の寸法）が１５ｍｍを超える範囲では、主振動の電気機械結合係数が小さくなる。また、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２－Ｔ１）が＋５ｍｍよりも大きい範囲、すなわち、固定部５１，５２に代えて底部に発電素子６１～６４が接合される凹部を錘板４が設けられ、その凹部の深さが＋５ｍｍを超える範囲でも、主振動の電気機械結合係数が小さくなる。
　図６（Ａ）に示すように、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２－Ｔ１）が－１０ｍｍ～－５ｍｍの範囲では、副振動の電気機械結合係数が小さい。一方、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２－Ｔ１）が－１０ｍｍよりも小さい範囲、すなわち、固定部５１，５２の高さ（Ｚ軸方向の寸法）が１０ｍｍを超える範囲では、副振動の電気機械結合係数が大きくなる。また、また、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２－Ｔ１）が－５ｍｍよりも大きい範囲、すなわち、固定部５１，５２の高さ寸法（Ｚ軸方向の寸法）が５ｍｍよりも小さい場合や、固定部５１，５２に代えて底部に発電素子６１～６４が接合される凹部を錘板４に設けられる場合でも、副振動の電気機械結合係数が大きくなる。
　このことから、発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置Ｔ２は、発電素子６１～６４にＺ軸に沿って生じる縦振動（主振動）の振幅の大きさと、Ｘ軸方向やＹ軸方向に沿って生じる副振動（横振動）の振幅の大きさとに影響することが分かる。言い換えれば、発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置Ｔ２は、発電素子６１～６４にＺ軸に沿って生じる縦振動（主振動）の振幅の大きさと、Ｘ軸方向やＹ軸方向に沿って生じる副振動（横振動）の振幅の大きさとに影響することが分かる。また、発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置Ｔ２の変化によって、主振動の電気機械結合係数と副振動の電気機械結合係数とが逆に変化することが分かる。また、主振動の電気機械結合係数が大きいことは圧電発電装置１の発電効率が高いことを意味するため、第１の実施形態に係る圧電発電装置１では、コイルばね３１～３６の自由端（ＦＥ１）の高さ位置Ｔ１と発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置Ｔ２とを、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２－Ｔ１）が－１５ｍｍ～＋５ｍｍの範囲となるように設定することにより、高い発電効率を実現できることが分かる。また、第１の実施形態に係る圧電発電装置１によれば、副振動の電気機械結合係数を小さくすることで、不要な副振動を小さくし、信頼性の向上を実現することができる。
　図６（Ｂ）は、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２－Ｔ１）をＴ１により規格化した規格差（Ｔ２－Ｔ１）／Ｔ１と、主振動および副振動の電気機械結合係数を規格差（Ｔ２－Ｔ１）／Ｔ１が０である時を基準に規格化した規格化電気機械結合係数との関係を示す図である。図６（Ｂ）に示すように、規格差（Ｔ２－Ｔ１）／Ｔ１が、－２．１＜（Ｔ２－Ｔ１）／Ｔ１＜－０．１の関係を満たす場合に、主振動の規格化電気機械結合係数が、副振動の規格化電気機械結合係数よりも大きくなっている。したがって、第１の実施形態に係る圧電発電装置１では、規格差（Ｔ２－Ｔ１）／Ｔ１が－２．１＜（Ｔ２－Ｔ１）／Ｔ１＜－０．１の関係を満たすように、コイルばね３１～３６の自由端（ＦＥ１）の高さ位置Ｔ１と発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置Ｔ２とを設定することにより、高い発電効率を実現できると共に、不要な副振動を小さくし、信頼性の向上を実現することができる。
　以上、説明したように本実施形態では、コイルばね３１～３６の自由端（ＦＥ１）の高さ位置Ｔ１と発電素子６１～６４の固定端（ＣＥ２）の高さ位置Ｔ２とが相違することにより、発電素子６１～６４にＺ軸に沿って生じる縦振動（主振動）と、Ｘ軸方向やＹ軸方向に沿って生じる副振動（横振動）とを調整し、高い発電効率を実現できると共に、不要な副振動を小さくし、信頼性の向上を実現することができる。
　なお、各部の具体的構成などは、適宜設計変更可能であり、上述の実施形態に記載された作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、上述の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
　次に、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置について、図７に基づいて説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置を構成する発電部６Ａと、錘部８１Ａとを示す部分斜視図である。なお、ここでは図示されていないが、本実施形態に係る圧電発電装置の発電部６Ａと錘部８１Ａとを除くその他の構成は、第１の実施形態に係る圧電発電装置１と同様である。
　発電部６Ａは、平面視して矩形の開口を有する外枠部６０Ａと、開口内で外枠部６０Ａに接合されている発電素子６１Ａと、により構成されている。発電素子６１Ａは、第２の振動部Ｋ２を構成しており、振動板と振動板の下面（Ｚ軸負方向側の面）に設けられた圧電素子（不図示）とを有する。錘部８１Ａは、第２の錘部Ｍ２を構成している。
　より具体的には、発電素子６１Ａは、固定端側梁部６２Ａ，６３Ａと、自由端側梁部６４Ａと、を有する。自由端側梁部６４Ａは、錘部８１Ａの上面（Ｚ軸正方向側の面）に接合されている、自由端である端部からＹ軸負方向に延びるように設けられている。固定端側梁部６２Ａは、自由端側梁部６４ＡよりもＸ軸負方向側に配置されており、一端が自由端側梁部６４ＡのＹ軸負方向側の端部に接続されており、そこからＹ軸正方向側に引き出されてからＹ軸負方向側に折り返され、外枠部６０Ａにおける図示されていない固定部の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている部分まで延びるように設けられている。固定端側梁部６３Ａは、自由端側梁部６４ＡよりもＸ軸正方向側に配置されており、一端が自由端側梁部６４ＡのＹ軸負方向側の端部に接続されており、そこからＹ軸正方向側に引き出されてからＹ軸負方向側に折り返され、外枠部６０Ａにおける図示されていない固定部の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている部分まで延びるように設けられている。
　発電素子６１Ａは、固定端側梁部６２Ａ，６３Ａと自由端側梁部６４Ａとからなる実質的にミアンダライン状の構成とされているため、第１の実施形態の発電素子６１～６４よりも実質的な長さ方向の寸法が長くなる。したがって、発電素子６１Ａのばね弾性や共振周波数をより広い範囲で設定することができる。
　次に、本発明の第３の実施形態に係る圧電発電装置について、図８に基づいて説明する。図８は、本発明の第３の実施形態に係る圧電発電装置を構成する発電部６Ｂと、錘部８１Ｂ，８２Ｂとを示す部分斜視図である。なお、ここでは図示していないが、本実施形態に係る圧電発電装置の発電部６Ｂと錘部８１Ｂ，８２Ｂとを除くその他の構成は、第１の実施形態に係る圧電発電装置１と同様である。
　発電部６Ｂは、平面視して矩形の開口を有する外枠部６０Ｂと、開口内で外枠部６０Ａに接合されている発電素子６１Ｂ，６２Ｂ，６３Ｂと、により構成されている。発電素子６１Ｂ～６３Ｂは、第２の振動部Ｋ２を構成しており、振動板と振動板の下面（Ｚ軸負方向側の面）に設けられた圧電素子（不図示）とを有する。錘部８１Ｂ，８２Ｂは、それぞれ第２の錘部Ｍ２を構成している。
　より具体的には、発電素子６１Ｂと発電素子６２Ｂとは、それぞれ、Ｙ軸正方向に沿って延びるように設けられている。発電素子６１Ｂ，６２ＢのＹ軸負方向側の端部は外枠部６０Ｂに接合されており、外枠部６０Ｂにおける発電素子６１Ｂ，６２Ｂと接合されている部分は図示されていない固定部の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている。発電素子６１Ｂ，６２ＢのＹ軸正方向側の端部は、錘部８１Ｂの上面（Ｚ軸正方向側の面）に接合されている。発電素子６３Ｂは、Ｙ軸負方向に沿って延びるように設けられている。発電素子６３ＢのＹ軸正方向側の端部は外枠部６０Ｂに接合されており、外枠部６０Ｂにおける発電素子６３Ｂと接合されている部分は図示されていない固定部の下面（Ｚ軸負方向側の面）に接合されている。発電素子６３ＢのＹ軸負方向側の端部は、錘部８２Ｂの上面（Ｚ軸正方向側の面）に接合されている。
　錘部８１Ｂは発電素子６１Ｂ，６２Ｂにより弾性支持されており、錘部８２Ｂは発電素子６３Ｂにより弾性支持されている。発電素子６３Ｂの幅寸法（Ｘ軸方向の寸法）を大きくすることにより、発電素子６１Ｂ，６２Ｂのばね弾性および共振周波数と、発電素子６３Ｂのばね弾性および共振周波数とを実質的に等しくすることができる。
　次に、本発明の第４の実施形態に係る圧電発電装置１Ｃについて、図９に基づいて説明する。図９は、本発明の第４の実施形態に係る圧電発電装置１Ｃを分解した状態を示す分解斜視図である。
　本実施形態に係る圧電発電装置１Ｃは、第１の実施形態に係る圧電発電装置１とは形状が異なる錘板４Ｃを備えている。圧電発電装置１Ｃにおける錘板４Ｃを除く他の構成は第１の実施形態に係る圧電発電装置１と同様である。
　錘板４Ｃは、天板部４１Ｃと側壁部４２Ｃ，４３Ｃとを有する。天板部４１Ｃは、Ｚ軸方向を厚み方向とし、平面視して矩形の平板である。平面視して、天板部４１Ｃの外形は、台座部２の外形と一致する。側壁部４２Ｃ，４３Ｃは、それぞれ直方体状であり、天板部４１Ｃの下面（Ｚ軸負方向側の面）に直交するように設けられている。側壁部４２Ｃ，４３Ｃは、天板部４１Ｃの下面（Ｚ軸負方向側の面）側に、天板部４１Ｃを平面視して天板部４１ＣのＹ軸に平行な２つの辺に沿って設けられている。
　本実施形態に係る圧電発電装置１Ｃは、このような構成の錘板４Ｃを備えていることにより、コイルばね３１～３６の自由端の高さ位置を発電素子６１～６４の固定端の高さ位置をよりもＺ軸正方向側にすることができる。したがって、先に図６にて説明したＴ１とＴ２の差（Ｔ２－Ｔ１）を正の値とすることが可能になる。
Ｋ１…第１の振動部
Ｋ２…第２の振動部
Ｍ１…第１の錘部
Ｍ２…第２の錘部
ＦＳ…振動面
ＣＡ…軸
ＦＥ１，ＦＥ２…自由端
ＣＥ１，ＣＥ２…固定端
１，１Ｃ…圧電発電装置
２…台座部
２０…溝
２１…底板部
２２，２３…側壁部
４，４Ｃ…錘板
４１Ｃ…天板部
４２Ｃ，４３Ｃ…側壁部
５１，５２…固定部
６，６Ａ，６Ｂ…発電部
６０，６０Ａ，６０Ｂ…外枠部
６１，６２，６３，６４，６１Ａ，６１Ｂ，６２Ｂ，６３Ｂ…発電素子
６２Ａ，６３Ａ…固定端側梁部
６４Ａ…自由端側梁部
７１…振動板
７２…圧電素子
８１，８２，８１Ａ，８１Ｂ，８２Ｂ…錘部

Claims (4)

  1. 　固定端と、自由端と、を有する第１の振動部と、
    　前記第１の振動部の自由端に接合されている第１の錘部と、
    　前記第１の錘部に接合されている固定端と、自由端と、を有し、振動板と、前記振動板に設けられた圧電素子とを有する、第２の振動部と、
    　前記第２の振動部の自由端に接合されている第２の錘部と、を備え、
    　振動面に配置されて静止している状態において、前記振動面を基準とした際に、前記振動面に対して垂直な軸方向での、前記第１の振動部の自由端の位置と、前記第２の振動部の固定端の位置とは、相違している、圧電発電装置。
  2. 　前記振動面に配置されて静止している状態において、前記振動面を基準とした際に、前記振動面に対して垂直な軸方向での、前記第１の振動部の自由端の位置よりも、前記第２の振動部の固定端の位置のほうが、前記第１の振動部の固定端の位置に近い、請求項１に記載の圧電発電装置。
  3. 　　前記振動面に配置されて静止している状態において、前記振動面を基準とした際に、前記振動面に対して垂直な軸方向での、前記第１の振動部の固定端の位置と前記第１の振動部の自由端の位置との間の距離をＴ１とし、前記第１の振動部の固定端の位置と前記第２の振動部の固定端の位置との間の距離をＴ２としたとき、
    　－２．１＜（Ｔ２－Ｔ１）／Ｔ１＜－０．１
    の関係を満たす、請求項２に記載の圧電発電装置。
  4. 　前記第１の錘部は、前記第１の振動部の自由端が接合されている錘板と、前記錘板における前記第１の振動部の自由端が接合されている面に設けられている第１，第２の固定部とにより構成されており、
    　前記第１の固定部に接合されている前記第２の振動部および前記第２の錘部の組と、前記第２の固定部に接合されている前記第２の振動部および前記第２の錘部の組と、を備え、
    　前記第１の固定部に接合されている組の第２の錘部は、その一部が前記第２の固定部の下方に位置しており、
    　前記第２の固定部に接合されている組の第２の錘部は、その一部が前記第１の固定部の下方に位置している、
    　請求項１～３のいずれかに記載の圧電発電装置。
PCT/JP2013/069099 2012-08-07 2013-07-12 圧電発電装置 WO2014024638A1 (ja)

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