JP3489619B2 - 圧電発電装置 - Google Patents
圧電発電装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、圧電セラミック
ス素子を用いた圧電発電装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】周知のように、圧電材料は機械的エネル
ギーと電気的エネルギーとの間の変換素子用として多彩
な応用面をもっている。圧電効果を示す物質は無機・有
機ともに多くの材料が知られているが、現在実用レベル
にある材料としてセラミックスのＰＺＴ系（ｐｉｅｚｏ
ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｅｒａｍｉｃｓ）等の材料が公知
である。 【０００３】圧電セラミックス素子は、多結晶体に、直
流高電圧を印加し残留分極を発生させて圧電性をもたせ
た素子であり、組成によりかなり自由に基本圧電定数を
変化させることができるので、その用途は広い。特に、
チタンジルコン酸亜鉛系の圧電セラミックス素子は、組
成比や添加物の選択幅が広く適用範囲は多彩である。 【０００４】図２は、従来例に係る圧電発電装置の説明
図である。この圧電発電装置は、金属基板１に圧電セラ
ミックス素子２を接合し、基板１の両端部を金属等の硬
質材からなるホルダ３で固定したものである。そして、
金属基板１の上から鋼球４を落下させて、圧電セラミッ
クス素子２に衝突による機械的衝撃エネルギを印加し、
基板１を含めた圧電セラミックス素子２にたわみ振動を
励起して電気エネルギを取出すものである。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の圧電発電装置にあっては、上記基板１と圧電セラミ
ックス素子２とは材質が異なる等から、振動の中心（伸
縮しない部位）を基板１と圧電セラミックス素子２との
接合面に設定しない状態で接合されているため、この振
動の中心Ｌが圧電セラミックス素子２側に現れる場合に
は、分極における打ち消し（Ｄ１＝Ｄ２）が発生して、
結局、Ｄ３部分の歪み量が発電量となるため、発電効率
が大幅に低下する、という課題を有していた。 【０００６】この発明は、かかる現状に鑑み創案された
ものであって、その目的とするところは、この種の単層
構造からなる圧電発電装置における発電効率を大幅に向
上させることができ、以って、この種の圧電発電装置の
構成を簡略化し、小型化して多目的な用途に利用するこ
とが可能で、しかも、廉価に製造することができる発電
効率に優れた圧電発電装置を提供しようとするものであ
る。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明にあっては、圧電セラミックス素子に金属
板を接合して圧電セラミックス体を構成し、上記圧電セ
ラミックス素子或は金属板に衝突荷重を作用させること
で発電可能な圧電発電装置を技術的前提とし、上記金属
板の歪み変形量と圧電セラミックス素子の歪み変形量
を、上記金属板の厚さを調整することで釣り合うように
構成すると共に、上記圧電セラミックス体の両端部をク
ッション材で保持し、上記圧電セラミックス素子と金属
板が接合保持されている状態における振動の中心点を、
圧電セラミックス素子と金属板との接合境面部に設定し
たことを特徴とするものである。 【０００８】 【発明の実施の形態】以下、添付図面に示す実施の一形
態例に基づき、この発明を詳細に説明する。 【０００９】図１は、この発明の実施の一形態例に係る
圧電発電装置の概略的な構成を示しており、該圧電発電
装置は、金属基板１０に圧電セラミックス素子板１２を
接合し、基板１０及び圧電セラミックス素子板１２の各
両端部を金属等の硬質材からなるホルダ１３を介してク
ッション材１１，１１で接着し保持したものである。 【００１０】そして、上記金属基板１０は、その歪み変
形量が、該金属基板１０の厚さで調整することで、圧電
セラミックス素子１２の歪み変形量と釣り合うように設
定されており、圧電セラミックス素子１２と金属基板１
０とが接合されている状態における振動の中心点Ｌが、
圧電セラミックス素子１２と金属板１０との接合境面部
となるように設定されている。 【００１１】それ故、この形態例にあっては、上記金属
基板１０或はセラミックス素子１２のいずれか一方側か
ら鋼球１４を衝突させて、該衝突による機械的衝撃エネ
ルギを圧電セラミックス素子１２に印加し、基板１０を
含めた圧電セラミックス体Ａにたわみ振動を励起させ
る。このとき、上記圧電セラミックス素子１２で発生す
る振動が金属基板１０の振動によって打ち消される、と
いう事態が発生しないので、上記振動の中心点Ｌである
接合面を中心にたわみ振動の殆どを電気エネルギーとし
て効率良く取り出すことができる。発電された電気エネ
ルギとしての電流はリード線１９を用いて取り出す。 【００１２】尚、この形態例にあっては、圧電セラミッ
クス体１２に、金属製或いは合成樹脂製等で形成された
プロテクタ板（図示せず）を固着して、耐久性を向上さ
せるように構成することもできる。 【００１３】また、圧電セラミックス体１の外形形状は
特に限られるものではないが、正面形状としては、円
形、楕円形、三角形、四角形或いは多角形等とすること
ができる。 【００１４】さらに、上記クッション材１１は、合成樹
脂材、ゴム材、あるいはこれらをスポンジ状にした軟質
の材料が用いられる。このようなクッション材１１を用
いることで、圧電セラミックス体Ａの振動が減衰しない
ようにすることができる。圧電セラミックス体Ａが振動
する場合、この圧電セラミックス体Ａを支持する部材は
圧電セラミックス体Ａの振動を減衰させる要因になり、
この減衰要因を取り除くために、クッション材１１を用
いて極力、圧電セラミックス体Ａを自由な状態におくこ
とが望ましい。 【００１５】このようにクッション材１１を用いること
で、圧電セラミックス体Ａの固有振動が長続きするの
で、発電効率が良くなる。また、このクッション材１１
は圧電セラミックス体Ａに加えられる衝撃を緩和する。 【００１６】このように構成されてなる上記圧電発電装
置を、風、波、或いは人的な作用を利用した所定の運動
状態の環境化に置けば、圧電セラミックス体Ａに作用す
る衝撃エネルギが印加される。そして、圧電セラミック
ス体Ａは振動が励起され、伸長及び収縮がくり返されて
交流電気を発電する。 【００１７】上記圧電発電装置を用い、この発電装置が
発電した電気を充電する場合には、特に図示はしない
が、圧電セラミックス素子１２を構成するＰＺＴ、所要
数の整流用ダイオード、電気を蓄電するコンデンサ、ス
イッチ及び所要数の発光ダイオードで適宜構成する。Ｐ
ＺＴで発電した電気は、ダイオードにより全波整流され
る。この全波整流された電気はコンデンサに充電され
る。そして、スイッチの操作により、コンデンサは放電
して各発光ダイオードを点灯する。 【００１８】この形態例に係る圧電発電装置は、以上の
ように、圧電セラミックス素子１２が単層構造であり、
しかも、圧電セラミックス素子１２で発生する振動が打
ち消される心配がなく、上記振動の中心点Ｌである接合
面を中心にたわみ振動の殆どを電気エネルギーとして効
率良く取り出すことができるので、発電装置としての構
成が極めて簡略化され、装置全体を小型化することがで
きる他、製造コストも低減できるため、実用的な用途が
より拡大される。例えば、この圧電発電装置を自転車或
いは靴等に実装し、発光ダイオードを点灯させるように
すれば、夜間における存在を認識させる装置として利用
できる。また、電池式の腕時計或いは携帯電話等に実装
すれば、電池の代わりとして、或いは電池切れの対策と
して利用可能である。さらには、波の揺れを利用して発
電することで、ブイ（浮標）の点灯装置としての利用等
も期待できる。また、一定電圧となるまで蓄電し、一定
電圧となったときに、蓄電された電気エネルギーを一挙
に放出させるように構成することもできる。 【００１９】 【発明の効果】以上説明したように、この発明に係る圧
電発電装置によれば、金属板の歪み変形量と圧電セラミ
ックス素子の歪み変形量を、上記金属板の厚さを調整す
ることで釣り合うように構成すると共に、上記圧電セラ
ミックス体の両端部をクッション材で保持し、上記圧電
セラミックス素子と金属板が接合保持されている状態に
おける振動の中心点を、圧電セラミックス素子と金属板
との接合境面部に設定したので、発電効率が大幅に向上
し、小電力発電に有効な発電装置が得られると共に、部
品点数を削減することができるので、小型化及び製造コ
ストの低減を実現することができ、しかも、上記圧電セ
ラミックス体の両端部をクッション材で保持しているの
で、圧電セラミックス体の振動が長続きし、発電効率が
大幅に改善される、という優れた効果を奏する。
ス素子を用いた圧電発電装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】周知のように、圧電材料は機械的エネル
ギーと電気的エネルギーとの間の変換素子用として多彩
な応用面をもっている。圧電効果を示す物質は無機・有
機ともに多くの材料が知られているが、現在実用レベル
にある材料としてセラミックスのＰＺＴ系（ｐｉｅｚｏ
ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｅｒａｍｉｃｓ）等の材料が公知
である。 【０００３】圧電セラミックス素子は、多結晶体に、直
流高電圧を印加し残留分極を発生させて圧電性をもたせ
た素子であり、組成によりかなり自由に基本圧電定数を
変化させることができるので、その用途は広い。特に、
チタンジルコン酸亜鉛系の圧電セラミックス素子は、組
成比や添加物の選択幅が広く適用範囲は多彩である。 【０００４】図２は、従来例に係る圧電発電装置の説明
図である。この圧電発電装置は、金属基板１に圧電セラ
ミックス素子２を接合し、基板１の両端部を金属等の硬
質材からなるホルダ３で固定したものである。そして、
金属基板１の上から鋼球４を落下させて、圧電セラミッ
クス素子２に衝突による機械的衝撃エネルギを印加し、
基板１を含めた圧電セラミックス素子２にたわみ振動を
励起して電気エネルギを取出すものである。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の圧電発電装置にあっては、上記基板１と圧電セラミ
ックス素子２とは材質が異なる等から、振動の中心（伸
縮しない部位）を基板１と圧電セラミックス素子２との
接合面に設定しない状態で接合されているため、この振
動の中心Ｌが圧電セラミックス素子２側に現れる場合に
は、分極における打ち消し（Ｄ１＝Ｄ２）が発生して、
結局、Ｄ３部分の歪み量が発電量となるため、発電効率
が大幅に低下する、という課題を有していた。 【０００６】この発明は、かかる現状に鑑み創案された
ものであって、その目的とするところは、この種の単層
構造からなる圧電発電装置における発電効率を大幅に向
上させることができ、以って、この種の圧電発電装置の
構成を簡略化し、小型化して多目的な用途に利用するこ
とが可能で、しかも、廉価に製造することができる発電
効率に優れた圧電発電装置を提供しようとするものであ
る。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明にあっては、圧電セラミックス素子に金属
板を接合して圧電セラミックス体を構成し、上記圧電セ
ラミックス素子或は金属板に衝突荷重を作用させること
で発電可能な圧電発電装置を技術的前提とし、上記金属
板の歪み変形量と圧電セラミックス素子の歪み変形量
を、上記金属板の厚さを調整することで釣り合うように
構成すると共に、上記圧電セラミックス体の両端部をク
ッション材で保持し、上記圧電セラミックス素子と金属
板が接合保持されている状態における振動の中心点を、
圧電セラミックス素子と金属板との接合境面部に設定し
たことを特徴とするものである。 【０００８】 【発明の実施の形態】以下、添付図面に示す実施の一形
態例に基づき、この発明を詳細に説明する。 【０００９】図１は、この発明の実施の一形態例に係る
圧電発電装置の概略的な構成を示しており、該圧電発電
装置は、金属基板１０に圧電セラミックス素子板１２を
接合し、基板１０及び圧電セラミックス素子板１２の各
両端部を金属等の硬質材からなるホルダ１３を介してク
ッション材１１，１１で接着し保持したものである。 【００１０】そして、上記金属基板１０は、その歪み変
形量が、該金属基板１０の厚さで調整することで、圧電
セラミックス素子１２の歪み変形量と釣り合うように設
定されており、圧電セラミックス素子１２と金属基板１
０とが接合されている状態における振動の中心点Ｌが、
圧電セラミックス素子１２と金属板１０との接合境面部
となるように設定されている。 【００１１】それ故、この形態例にあっては、上記金属
基板１０或はセラミックス素子１２のいずれか一方側か
ら鋼球１４を衝突させて、該衝突による機械的衝撃エネ
ルギを圧電セラミックス素子１２に印加し、基板１０を
含めた圧電セラミックス体Ａにたわみ振動を励起させ
る。このとき、上記圧電セラミックス素子１２で発生す
る振動が金属基板１０の振動によって打ち消される、と
いう事態が発生しないので、上記振動の中心点Ｌである
接合面を中心にたわみ振動の殆どを電気エネルギーとし
て効率良く取り出すことができる。発電された電気エネ
ルギとしての電流はリード線１９を用いて取り出す。 【００１２】尚、この形態例にあっては、圧電セラミッ
クス体１２に、金属製或いは合成樹脂製等で形成された
プロテクタ板（図示せず）を固着して、耐久性を向上さ
せるように構成することもできる。 【００１３】また、圧電セラミックス体１の外形形状は
特に限られるものではないが、正面形状としては、円
形、楕円形、三角形、四角形或いは多角形等とすること
ができる。 【００１４】さらに、上記クッション材１１は、合成樹
脂材、ゴム材、あるいはこれらをスポンジ状にした軟質
の材料が用いられる。このようなクッション材１１を用
いることで、圧電セラミックス体Ａの振動が減衰しない
ようにすることができる。圧電セラミックス体Ａが振動
する場合、この圧電セラミックス体Ａを支持する部材は
圧電セラミックス体Ａの振動を減衰させる要因になり、
この減衰要因を取り除くために、クッション材１１を用
いて極力、圧電セラミックス体Ａを自由な状態におくこ
とが望ましい。 【００１５】このようにクッション材１１を用いること
で、圧電セラミックス体Ａの固有振動が長続きするの
で、発電効率が良くなる。また、このクッション材１１
は圧電セラミックス体Ａに加えられる衝撃を緩和する。 【００１６】このように構成されてなる上記圧電発電装
置を、風、波、或いは人的な作用を利用した所定の運動
状態の環境化に置けば、圧電セラミックス体Ａに作用す
る衝撃エネルギが印加される。そして、圧電セラミック
ス体Ａは振動が励起され、伸長及び収縮がくり返されて
交流電気を発電する。 【００１７】上記圧電発電装置を用い、この発電装置が
発電した電気を充電する場合には、特に図示はしない
が、圧電セラミックス素子１２を構成するＰＺＴ、所要
数の整流用ダイオード、電気を蓄電するコンデンサ、ス
イッチ及び所要数の発光ダイオードで適宜構成する。Ｐ
ＺＴで発電した電気は、ダイオードにより全波整流され
る。この全波整流された電気はコンデンサに充電され
る。そして、スイッチの操作により、コンデンサは放電
して各発光ダイオードを点灯する。 【００１８】この形態例に係る圧電発電装置は、以上の
ように、圧電セラミックス素子１２が単層構造であり、
しかも、圧電セラミックス素子１２で発生する振動が打
ち消される心配がなく、上記振動の中心点Ｌである接合
面を中心にたわみ振動の殆どを電気エネルギーとして効
率良く取り出すことができるので、発電装置としての構
成が極めて簡略化され、装置全体を小型化することがで
きる他、製造コストも低減できるため、実用的な用途が
より拡大される。例えば、この圧電発電装置を自転車或
いは靴等に実装し、発光ダイオードを点灯させるように
すれば、夜間における存在を認識させる装置として利用
できる。また、電池式の腕時計或いは携帯電話等に実装
すれば、電池の代わりとして、或いは電池切れの対策と
して利用可能である。さらには、波の揺れを利用して発
電することで、ブイ（浮標）の点灯装置としての利用等
も期待できる。また、一定電圧となるまで蓄電し、一定
電圧となったときに、蓄電された電気エネルギーを一挙
に放出させるように構成することもできる。 【００１９】 【発明の効果】以上説明したように、この発明に係る圧
電発電装置によれば、金属板の歪み変形量と圧電セラミ
ックス素子の歪み変形量を、上記金属板の厚さを調整す
ることで釣り合うように構成すると共に、上記圧電セラ
ミックス体の両端部をクッション材で保持し、上記圧電
セラミックス素子と金属板が接合保持されている状態に
おける振動の中心点を、圧電セラミックス素子と金属板
との接合境面部に設定したので、発電効率が大幅に向上
し、小電力発電に有効な発電装置が得られると共に、部
品点数を削減することができるので、小型化及び製造コ
ストの低減を実現することができ、しかも、上記圧電セ
ラミックス体の両端部をクッション材で保持しているの
で、圧電セラミックス体の振動が長続きし、発電効率が
大幅に改善される、という優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態例に係る圧電発電装置
の概略的な構成を示す説明図である。 【図２】従来例に係る圧電発電装置の説明図である。 【符号の説明】 Ａ 圧電セラミックス体 Ｌ 振動の中心点 １０ 金属基板 １１ クッション材（クッション板） １２ 圧電セラミックス素子１３ ホルダ １４ 鋼球
の概略的な構成を示す説明図である。 【図２】従来例に係る圧電発電装置の説明図である。 【符号の説明】 Ａ 圧電セラミックス体 Ｌ 振動の中心点 １０ 金属基板 １１ クッション材（クッション板） １２ 圧電セラミックス素子１３ ホルダ １４ 鋼球
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平７−49388（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−64418（ＪＰ，Ａ)
特開 昭55−20459（ＪＰ，Ａ)
特開2000−287464（ＪＰ，Ａ)
特開2001−145375（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−191664（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−275875（ＪＰ，Ａ)
実開 昭55−115074（ＪＰ，Ｕ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H02N 2/00
H01L 41/113,41/187
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 圧電セラミックス素子に金属板を接合し
て圧電セラミックス体を構成し、上記圧電セラミックス
素子或は金属板に衝突荷重を作用させることで発電可能
な圧電発電装置において、上記金属板の歪み変形量と圧
電セラミックス素子の歪み変形量を、上記金属板の厚さ
を調整することで釣り合うように構成すると共に、上記
圧電セラミックス体の両端部をクッション材で保持し、
上記圧電セラミックス素子と金属板が接合保持されてい
る状態における振動の中心点を、圧電セラミックス素子
と金属板との接合境面部に設定したことを特徴とする圧
電発電装置。
Priority Applications (9)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000159116A JP3489619B2 (ja) | 2000-05-29 | 2000-05-29 | 圧電発電装置 |
| US09/707,920 US6411016B1 (en) | 1999-11-12 | 2000-11-08 | Piezoelectric generating apparatus |
| PCT/JP2000/007938 WO2001037417A1 (en) | 1999-11-12 | 2000-11-10 | Piezoelectric generating apparatus |
| CA002391142A CA2391142A1 (en) | 1999-11-12 | 2000-11-10 | Piezoelectric generating apparatus |
| KR1020027005854A KR100720141B1 (ko) | 1999-11-12 | 2000-11-10 | 압전형 발전기 |
| AU13062/01A AU1306201A (en) | 1999-11-12 | 2000-11-10 | Piezoelectric generating apparatus |
| CNA2004100115798A CN1681140A (zh) | 1999-11-12 | 2000-11-10 | 压电产生装置 |
| CNB008170517A CN1258866C (zh) | 1999-11-12 | 2000-11-10 | 压电产生装置 |
| EP00403147A EP1100189A1 (en) | 1999-11-12 | 2000-11-13 | Piezoelectric generating apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000159116A JP3489619B2 (ja) | 2000-05-29 | 2000-05-29 | 圧電発電装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001339964A JP2001339964A (ja) | 2001-12-07 |
| JP3489619B2 true JP3489619B2 (ja) | 2004-01-26 |
Family
ID=18663487
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000159116A Expired - Fee Related JP3489619B2 (ja) | 1999-11-12 | 2000-05-29 | 圧電発電装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3489619B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105015662A (zh) * | 2014-04-17 | 2015-11-04 | 李文嵩 | 自行车用发电装置 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000287464A (ja) | 1999-03-30 | 2000-10-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 発電装置とこれを用いた表示灯とこの表示灯を用いた自転車 |
| JP2001145375A (ja) | 1999-11-12 | 2001-05-25 | Mikio Umeda | 圧電発電装置 |
-
2000
- 2000-05-29 JP JP2000159116A patent/JP3489619B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000287464A (ja) | 1999-03-30 | 2000-10-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 発電装置とこれを用いた表示灯とこの表示灯を用いた自転車 |
| JP2001145375A (ja) | 1999-11-12 | 2001-05-25 | Mikio Umeda | 圧電発電装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001339964A (ja) | 2001-12-07 |
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