JP2006166694A

JP2006166694A - 圧電素子、音力発電装置および振動力発電装置

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Publication number: JP2006166694A
Application number: JP2005326580A
Authority: JP
Inventors: Kohei Hayamizu; 浩平速水
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2025-11-10
Also published as: JP4949666B2

Abstract

【課題】圧電素子を用いて、音による空気のわずかな圧力変動により発電する。
【解決手段】音による空気の圧力変動により発電する音力発電装置であって、圧電材料の少なくとも一方の面に、複数の溝が形成されている圧電素子２１と、圧電素子２１の出力を整流する手段２４と、整流された電力を蓄積する手段２５とを備えた。好適には、圧電素子２１には、圧電材料の厚さの１／２の深さを有する溝を形成する。圧電素子２１を緩衝材２３により中空に保持する集音手段２２をさらに備えてもよい。
【選択図】図４

Description

本発明は、圧電素子、音力発電装置および振動力発電装置に関し、より詳細には、わずかな圧力変動により発電する圧電素子と、これを利用した音力発電装置および振動力発電装置に関する。

従来、圧電素子を用いた発電方法が知られている。発電方法の多くは、圧電素子に何らかの方法で外部から力を加えることにより、圧電素子を変形させて発電する。圧電素子を変形させるためには、例えば、（１）圧電素子に振動を加えて変形させる（例えば、特許文献１参照）、（２）風力などの圧力を間接的に加える（例えば、特許文献２参照）、（３）錘などの物体を圧電素子に衝突させる（例えば、特許文献３参照）、（４）変形する物体に圧電素子を取り付ける等が考えられている。

また、圧電素子で発電された電力を利用して、ＬＥＤなどの発光素子を点灯したり、微弱電波を送信することにより、検知した圧力の情報を外部に伝達することにより、様々な機能を実行することが知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開平７−４９３８８号公報特開平１１−３０３７２６号公報特開２００３−２５３６３０号公報

しかしながら、圧電素子は、ある程度の大きさの圧力を加えなければ発電せず、特許文献３に見られるように、必要な電力を得るために装置構成が大型化せざるをえない。また、特許文献２のように、圧力を間接的に加える方法では、必要な電力を得ることが難しいという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、わずかな圧力変動により発電することができる圧電素子を提供することにある。また、音による空気の圧力変動を利用した音力発電装置、および振動による圧力変動を利用した振動力発電装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、圧力変動により発電するための圧電素子であって、圧電材料の少なくとも一方の面に、複数の溝が形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記溝は、前記圧電材料の厚さの１／２の深さを有することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記圧電材料は、複数の部分に分割され、分割された圧電材料の各々が、前記圧電素子よりも弾性係数が小さい膜により接続されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、圧力変動により発電するための圧電素子であって、圧電材料と振動板とが接合され、前記圧電材料と前記振動板の少なくとも一方の面に、複数の溝が形成されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の前記溝は、前記圧電材料の厚さの１／２の深さを有することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、音による空気の圧力変動により発電する音力発電装置であって、圧電材料と振動板とが接合され、前記圧電材料と前記振動板の少なくとも一方の面に、複数の溝が形成されている圧電素子と、該圧電素子を緩衝材により中空に保持する集音手段と、前記圧電素子の出力を整流する手段と、整流された電力を蓄積する手段とを備えたことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の前記溝は、前記圧電材料の厚さの１／２の深さを有することを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項６または７に記載の圧電素子において、前記振動板の少なくとも一方の面に複数の溝が形成され、音声周波数で共振することを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、振動による圧力変動により発電する振動力発電装置であって、圧電材料の少なくとも一方の面に、複数の溝が形成されている圧電素子と、該圧電素子と接合され、前記圧電素子に振動を伝える振動板と、前記圧電素子の出力を整流する手段と、整流された電力を蓄積する手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の前記溝は、前記圧電材料の厚さの１／２の深さを有することを特徴とする。

請求項１１に記載の発明は、請求項９または１０に記載の前記振動板は、一端に錘が取り付けられ、他端が筐体の一部に固定されていることを特徴とする。

請求項１２に記載の発明は、請求項９または１０に記載の前記振動板は、一端が筐体の一部に固定され、他端が外力によりはじかれることにより振動することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、圧電材料の少なくとも一方の面に複数の溝が形成されていることので、わずかな圧力変動により発電することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。圧電素子は、加えられた圧力により変形することで電気を生じる。そこで、圧電素子が変形しやすい構造とするが、単に圧電素子の厚さを薄くするだけでは、強度が低下して発電装置としての信頼性を満たすことができない。

（圧電素子）
図１に、本発明の第１の実施形態にかかる圧電素子を示す。圧電素子１１は、例えば、圧電材料として、チタン酸バリウム、ジルコニア（ＺｒＯ_２）などの圧電セラミックス、リチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ_３）などの圧電単結晶からなり、図１（ａ）に示すように、表面の一方向に溝を形成する。このようにして、従来よりも小さい圧力で圧電素子が変形しやすい構造とする。溝は、一定間隔に設けられているが、強度が低下しない程度に、ランダムな間隔で設けてもよいし、任意の方向に任意の間隔で設けてもよい。

例えば、厚さ１００μｍの圧電単結晶の表面に、ダイシングソーを用いて、幅２０μｍ、深さ５０μｍの溝を、２０μｍ間隔で形成する。直径２ｃｍの丸型の圧電素子において、０．０５ｇ／ｃｍ^２の圧力を加えると、溝を形成した圧電素子では、２０ｍＶの電圧を発生する。厚さ１００μｍ、直径２ｃｍ、溝を形成していない圧電素子では、１０ｍＶの電圧を発生する。従って、溝を形成することにより、発電効率を上げることができる。このようにして、圧電材料の厚さの１／２の深さの溝を複数形成すれば、０．０１ｇ／ｃｍ^２程度の圧力で発電することができるので、音による空気の振動を圧電素子に加えることにより、必要な電力を得ることができる。

図１（ｂ）に、圧電素子１１と振動板１２とが接合された構造を示す。振動板１２は、例えば、アルミニウム、鉄、真鍮などの材料からなり、例えば、４００Ｈｚ程度の音声周波数において共振しやすい構造とする。この場合は、振動板１２に溝を形成して、圧電素子が変形しやすい構造としてもよい。図１（ｃ）および図１（ｄ）は、圧電素子１１の両面または振動板１２ａ，１２ｂの各々の表面に溝を形成した構造を示す。なお、圧電素子や振動板の平面形状は、丸型、楕円形、方形など様々な形にすることができる。

図２に、本発明の第２の実施形態にかかる圧電素子を示す。第１の実施形態では、圧電素子または振動版に方形の溝を形成した。第２の実施形態では、波型の溝を形成する。例えば、図２（ａ）に示すように、丸型の圧電素子の同心円状に波型とし、図２（ｂ）に示すような断面形状とする。ここでは、波型の振幅を０．２５ｍｍ、波長を０．５ｍｍとする。このようにして、複数の溝を形成すれば、音による空気の圧力変動あっても、圧電素子を振動させることができ、必要な電力を得ることができる。なお、波型の形状は、図２（ｃ）に示すように、同心円ではなく、直線状に形成しても良い。

また、第２の実施形態においても、図１（ｂ），（ｄ）に示したように、圧電素子と振動板とを接合した構造としてもよいし、図１（ｃ），（ｄ）に示したように、圧電素子の両面または振動板の各々の表面に波型の溝を形成してもよい。

図３に、本発明の第３の実施形態にかかる圧電素子を示す。第３の実施形態では、図１に示した圧電素子または圧電素子と振動版を、４つに分割する。分割された圧電素子１１ａ〜１１ｄは、それぞれ塩化ビニール、アルミ、ピエゾフィルムなどの薄膜材料からなる振動膜１３により結合する。振動膜１３は、圧電素子１１よりも弾性係数が小さい、すなわちやわらかいために、より小さい圧力で圧電素子１１を振動させることができる。

図４に、本発明の第４の実施形態にかかる圧電素子を示す。図４（ａ），（ｂ）に示した圧電素子は、矩形の振動膜１４の上に、圧電素子１１ａ，１１ｂを接合した構成である。振動膜１４は、筐体に固定されることにより、圧電素子１１ａ，１１ｂを中空に保持する緩衝材として働き、小さい圧力でも圧電素子１１ａ，１１ｂが振動するように働く。図４（ｃ）に示したように、圧電素子や振動膜の平面形状は、丸型、楕円形、方形など様々な形にすることができる。また、複数の圧電素子を接合する場合に、図４（ｃ）に示したように、圧電素子に形成されている溝の方向を、それぞれ異なるように配置すれば、より効率よく発電することができる。

（音力発電装置）
図５に、本発明の一実施形態にかかる音力発電装置の構成を示す。音力発電装置は、音のエネルギーを効率よく収集するために、圧電素子２１をドーム２２の中に設置する。圧電素子２１は、ポリウレタンなどの緩衝材２３により、ドーム２２内の中空に保持されている。本実施形態では、円形の圧電素子２１を用い、円筒形のドーム２２を用いている。集音手段としてのドーム２２は、集音効果を高めるために、すり鉢状、ラッパ状の形態とすることができる。また、ドーム２２内に音が反響するように、アルミニウム、スチロール樹脂などの材料を用いてドーム２２を形成したり、これら材料をドーム２２内面に貼り付けても良い。

図６に、音力発電装置の集音部を示す。図６（ａ）は、図５に示したドーム２２の中に、複数の圧電素子２１ａ〜２１ｃを配置した音力発電装置である。ドーム２２で集音された音のエネルギーを、複数の圧電素子によりもれなく吸収することができる。図６（ｂ）は、図５に示した音力発電装置２０を６個で一組とし、例えば、出力電圧５Ｖの発電セル３１を形成する。複数の発電セルを、平面状に展開して、並列に接続することにより、必要な電圧値を得たり、必要な電流容量を得ることができる。

図７に、音力発電装置の集音部の他の例を示す。集音効果を高めるために、図７（ａ）に示したように、複数のドーム２２を結合して、さらに大きな集音部を形成しても良い。図４（ｃ）に示した圧電素子と振動膜とを、図７（ａ）に示したようにすり鉢状に形成してもよい。また、図７（ｂ）に示したように、緩衝材２３をドーム２２の開口部の全面にわたって取り付け、緩衝材２３の上面に複数の圧電素子２１を取り付けるようにしても良い。もちろん、緩衝材２３の上面だけでなく、下面にも圧電素子２１を接合することもできる。さらに、圧電素子２１が接合された緩衝材２３を、図６（ａ）に示したように、複数取り付けても良い。

圧電素子２１の出力は、ダイオードブリッジ２４に接続され、整流されてから、コンデンサ２５に蓄積される。直径２ｃｍの圧電素子１個で、およそ１Ｖの出力電圧を得られるので、適宜圧電素子の数を増やすことにより、必要な電圧を得ることができる。コンデンサ２５は、電気二重層コンデンサが好適である。

図８に、音力発電装置を搭載した携帯電話機を示す。携帯電話機４１のマイク４２の近辺に、図６（ａ）に示した集音部４３を配置する。ここでは、楕円形の圧電素子とドームを使用している。ドームの上部は、音を透過する膜で密閉されている。このような構成により、携帯電話機４１のユーザがマイクに向かって話す音声を集音し、圧電素子は、３．３Ｖの電圧を発生する。発生した電力は、コンデンサに蓄えられ、携帯電話機４１内部の電子回路の電源として用いられる。

図９に、音力発電装置を適用した防音壁を示す。例えば、鉄道に使用される防音壁の斜視図を示す。一般的には、防音壁５１には吸音パネルと干渉型防音装置５２とが取り付けられており、この吸音パネルの代わりに、図６（ｂ）に示した発電セル５３を取り付ける。発電セル５３は、電車の騒音エネルギーを吸収して、電力を発生する。発生した電力は、発電セル５３ごとに接続された抵抗器を介して、熱として放散する。もちろん、コンデンサに集電し、例えば、照明用の電力として使用しても良い。

（振動力発電装置）
図１０に、本発明の一実施形態にかかる振動力発電装置の構成を示す。振動力発電装置は、振動エネルギーを効率よく収集するために、矩形の圧電素子６１を板ばね状の振動板６２に接合する。振動板６２の一端には、錘６３を取り付け、他端は、筐体の一部６４に固定する。このようにして、筐体に加えられた振動により、振動板６２が変形し、錘６３による振り子運動により、振動板６２の振動が圧電素子６１に加えられる。

また、わずかな振動を効率よく圧電素子６１に伝えるために、振動板６２の一端と他端とが向き合うように湾曲させ、振動板６２の他端の近くに圧電素子６１を接合する。このとき、圧電素子６１の溝の方向は、振動板６２の振動の方向（図の矢印）と垂直となるようにすれば、より効率よく発電することができる。

圧電素子６１の出力は、ダイオードブリッジ６４に接続され、整流されてから、コンデンサ６５に蓄積される。３ｃｍ×１ｃｍの圧電素子１個で、およそ１Ｖの出力電圧を得られるので、適宜圧電素子の数を増やすことにより、必要な電圧を得ることができる。コンデンサ６５は、電気二重層コンデンサが好適である。

図１１に、振動力発電装置の振動部を示す。振動板の形状は、わずかな振動を効率よく圧電素子に伝えることができれば、どのような形状であってもよい。例えば、図１１（ａ）に示したように、振動板７２の中央を筐体の一部７４に固定して、圧電素子７１を接合し、振動板７２の両端に錘７３ａ，７３ｂを取り付けた構造としてもよい。

また、図１１（ｂ）に示したように、振動板８２の一端には、錘８３を取り付け、他端は、筐体の一部８４に固定して、圧電素子８１を接合する。振動板８２は、圧電素子８１の溝の方向と平行となるように直角に折り曲げられている。このようにして、圧電素子８１にひねりの力が加わるようにして、発電効率を上げることができる。このとき、圧電素子８１には、複数組の方向が互いに異なる溝を形成しておき、ひねりの力に対して圧電素子８１が変形し易いようにすれば、より効率よく発電することができる。

図１２に、振動力発電装置を搭載したスイッチを示す。振動力による発電は、圧電素子に直接振動を加えるだけでなく、圧電素子または振動板をはじくことにより、振動を与えてもよい。例えば、上下動を行うスイッチボタン９５の軸に突起９３を設けておく。圧電素子９１と振動板９２とを接続して、スイッチボタン９５が押下されたときに、突起９３と振動板９２とが接触するように配置する。このようにして、スイッチボタン９５が押下されるたびに、振動板９２が振動して発電することができる。このような機構を、例えば、キーボードのキーに適用することにより、発電を行うことができる。

本実施形態においては、振動による圧力変動を圧電素子に伝えて、発電することについて説明した。これに加えて、圧電素子に錘を衝突させるなど、圧電素子に直接圧力を加えるようにしてもよい。

本発明の第１の実施形態にかかる圧電素子を示す断面図である。本発明の第２の実施形態にかかる圧電素子を示す断面図である。本発明の第３の実施形態にかかる圧電素子を示す断面図である。本発明の第４の実施形態にかかる圧電素子を示す断面図である。本発明の一実施形態にかかる音力発電装置の構成を示す図である。音力発電装置の集音部の一例を示す図である。音力発電装置の集音部の他の例を示す図である。音力発電装置を搭載した携帯電話機を示す斜視図である。音力発電装置を適用した防音壁を示す図である。本発明の一実施形態にかかる振動力発電装置の構成を示す図である。振動力発電装置の振動部を示す図である。振動力発電装置を搭載したスイッチを示す断面図である。

符号の説明

１１，２１，６１，７１，８１，９１圧電素子
１２，６２，７２，８２，９２振動板
１３振動膜
２２ドーム
２３緩衝材
２４，６４ダイオードブリッジ
２５，６５コンデンサ
３１，５３発電セル
４１携帯電話機
４２マイク
４３集音部
５１防音壁
５２干渉型防音装置

Claims

圧力変動により発電するための圧電素子であって、
圧電材料の少なくとも一方の面に、複数の溝が形成されていることを特徴とする圧電素子。
前記溝は、前記圧電材料の厚さの１／２の深さを有することを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
前記圧電材料は、複数の部分に分割され、分割された圧電材料の各々が、前記圧電材料よりも弾性係数が小さい膜により接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電素子。
圧力変動により発電するための圧電素子であって、
圧電材料と振動板とが接合され、前記圧電材料と前記振動板の少なくとも一方の面に、複数の溝が形成されていることを特徴とする圧電素子。
前記溝は、前記圧電材料の厚さの１／２の深さを有することを特徴とする請求項４に記載の圧電素子。
音による空気の圧力変動により発電する音力発電装置であって、
圧電材料と振動板とが接合され、前記圧電材料と前記振動板の少なくとも一方の面に、複数の溝が形成されている圧電素子と、
該圧電素子を緩衝材により中空に保持する集音手段と、
前記圧電素子の出力を整流する手段と、
整流された電力を蓄積する手段と
を備えたことを特徴とする音力発電装置。
前記溝は、前記圧電材料の厚さの１／２の深さを有することを特徴とする請求項６に記載の音力発電装置。
前記振動板の少なくとも一方の面に複数の溝が形成され、音声周波数で共振することを特徴とする請求項６または７に記載の圧電素子。
振動による圧力変動により発電する振動力発電装置であって、
圧電材料の少なくとも一方の面に、複数の溝が形成されている圧電素子と、
該圧電素子と接合され、前記圧電素子に振動を伝える振動板と、
前記圧電素子の出力を整流する手段と、
整流された電力を蓄積する手段と
を備えたことを特徴とする振動力発電装置。
前記溝は、前記圧電材料の厚さの１／２の深さを有することを特徴とする請求項９に記載の振動力発電装置。
前記振動板は、一端に錘が取り付けられ、他端が筐体の一部に固定されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の振動力発電装置。
前記振動板は、一端が筐体の一部に固定され、他端が外力によりはじかれることにより振動することを特徴とする請求項９または１０に記載の振動力発電装置。