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JP4949666B2 - Piezoelectric element, sound power generator and vibration power generator - Google Patents

Piezoelectric element, sound power generator and vibration power generator Download PDF

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JP4949666B2 JP2005326580A JP2005326580A JP4949666B2 JP 4949666 B2 JP4949666 B2 JP 4949666B2 JP 2005326580 A JP2005326580 A JP 2005326580A JP 2005326580 A JP2005326580 A JP 2005326580A JP 4949666 B2 JP4949666 B2 JP 4949666B2
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

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。   The present invention relates to a piezoelectric element, a sound power generation device, and a vibration power generation device, and more particularly to a piezoelectric element that generates power by slight pressure fluctuation, and a sound power generation device and a vibration power generation device using the piezoelectric element.

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。   Conventionally, a power generation method using a piezoelectric element is known. In many power generation methods, power is generated by deforming the piezoelectric element by applying a force from the outside to the piezoelectric element in some way. In order to deform the piezoelectric element, for example, (1) the piezoelectric element is deformed by applying vibration (for example, refer to Patent Document 1), and (2) pressure such as wind force is indirectly applied (for example, Patent Document 2). (3) An object such as a weight collides with the piezoelectric element (for example, see Patent Document 3), and (4) A piezoelectric element is attached to the object to be deformed.

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）。   In addition, by using the electric power generated by the piezoelectric element, light-emitting elements such as LEDs are turned on, or by transmitting weak radio waves, various information functions are performed by transmitting the detected pressure information to the outside. It is known to do (see, for example, Patent Document 3).

特開平７−４９３８８号公報JP 7-49388 A 特開平１１−３０３７２６号公報JP-A-11-303726 特開２００３−２５３６３０号公報JP 2003-253630 A

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。   However, the piezoelectric element does not generate electric power unless a certain amount of pressure is applied, and as shown in Patent Document 3, the device configuration must be enlarged in order to obtain necessary electric power. Further, as in Patent Document 2, there is a problem that it is difficult to obtain necessary power by a method of indirectly applying pressure.

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。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric element that can generate electric power by slight pressure fluctuations. It is another object of the present invention to provide a sound power generation apparatus that uses pressure fluctuations in air due to sound and a vibration power generation apparatus that uses pressure fluctuations due to vibration.

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、圧電材料と振動板とが接合され、前記振動板の側面のうち、少なくとも外部に露出する側の側面に、複数の溝が形成されていることを特徴とする。The invention according to claim 1 is a piezoelectric element for generating electric power by pressure fluctuation, wherein a piezoelectric material and a diaphragm are joined, and at least a side surface of the diaphragm that is exposed to the outside, A plurality of grooves are formed.

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記圧電材料の側面のうち、少なくとも外部に露出する側の側面に、複数の溝が形成され、前記圧電材料の側面に形成した複数の溝の各々の幅と、前記圧電材料の側面に形成した複数の溝の間隔とを、同一としたことを特徴とする。According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, a plurality of grooves are formed on at least a side surface of the piezoelectric material that is exposed to the outside, and is formed on the side surface of the piezoelectric material. The width of each of the plurality of grooves and the interval between the plurality of grooves formed on the side surface of the piezoelectric material are the same.

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記圧電材料の側面のうち、少なくとも外部に露出する側の側面に、複数の溝が形成され、前記圧電材料の側面に形成した複数の溝を、同心円状に形成したことを特徴とする。According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, a plurality of grooves are formed on at least a side surface of the piezoelectric material that is exposed to the outside, and is formed on the side surface of the piezoelectric material. The plurality of grooves formed concentrically.

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、前記圧電材料は、複数の部分に分割され、前記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。The invention according to claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3, wherein the piezoelectric material is divided into a plurality of parts, and each of the divided piezoelectric materials is the piezoelectric material. It is characterized by being connected by a film having a smaller elastic modulus than the above.

請求項５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、圧電材料の側面のうち、少なくとも外部に露出する側の側面に、複数の溝が形成され、前記複数の溝の各々の幅と、前記複数の溝の間隔とを、同一としたことを特徴とする。The invention according to claim 5 is a piezoelectric element for generating electric power by pressure fluctuation, wherein a plurality of grooves are formed on at least a side surface of the piezoelectric material exposed to the outside, and the plurality of grooves The widths of the plurality of grooves and the intervals between the plurality of grooves are the same.

請求項６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、圧電材料の側面のうち、少なくとも外部に露出する側の側面に、複数の溝が形成され、前記複数の溝を、同心円状に形成したことを特徴とする。The invention according to claim 6 is a piezoelectric element for generating electric power by pressure fluctuation, wherein a plurality of grooves are formed on at least a side surface of the piezoelectric material exposed to the outside, and the plurality of grooves Is formed concentrically.

請求項７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、圧電材料が、複数の部分に分割され、前記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。The invention according to claim 7 is a piezoelectric element for generating electric power by pressure fluctuation, wherein the piezoelectric material is divided into a plurality of parts, and each of the divided piezoelectric materials has an elastic coefficient higher than that of the piezoelectric material. Are connected by a small film.

請求項８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、請求項１から７のいずれか一項に記載の圧電素子と、前記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。The invention according to claim 8 is a sound power generation device that generates electric power by fluctuations in air pressure due to sound, wherein the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 7 and the piezoelectric element are made of a buffer material. It is characterized by comprising: sound collecting means for holding in hollow, means for rectifying the output of the piezoelectric element, and means for storing rectified power.

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、請求項１から７のいずれか一項に記載の圧電素子と、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。The invention described in claim 9 is a vibration power generation device that generates power by pressure fluctuation caused by vibration, and the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 7 and means for rectifying the output of the piezoelectric element And means for storing the rectified power.

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。   As described above, according to the present invention, since a plurality of grooves are formed on at least one surface of the piezoelectric material, it is possible to generate power by slight pressure fluctuations.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The piezoelectric element generates electricity by being deformed by an applied pressure. Therefore, although the piezoelectric element is easily deformed, simply reducing the thickness of the piezoelectric element does not satisfy the reliability of the power generation device because the strength is lowered.

（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（ＺｒＯ２）などの圧電セラミックス、リチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ３）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。 (Piezoelectric element)
FIG. 1 shows a piezoelectric element according to a first embodiment of the present invention. The piezoelectric element 11 is made of, for example, a piezoelectric ceramic such as barium titanate or zirconia (ZrO 2 ) or a piezoelectric single crystal such as lithium tantalate (LiTaO 3 ) as a piezoelectric material, and as shown in FIG. Grooves are formed in one direction of the surface. In this way, the piezoelectric element is easily deformed with a pressure smaller than that of the conventional one. The grooves are provided at regular intervals, but may be provided at random intervals so that the strength does not decrease, or may be provided at arbitrary intervals in any direction.

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／ｃｍ２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／ｃｍ２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。 For example, grooves having a width of 20 μm and a depth of 50 μm are formed at intervals of 20 μm on the surface of a piezoelectric single crystal having a thickness of 100 μm using a dicing saw. When a pressure of 0.05 g / cm 2 is applied to a round piezoelectric element having a diameter of 2 cm, a voltage of 20 mV is generated in the piezoelectric element having a groove. A piezoelectric element having a thickness of 100 μm, a diameter of 2 cm, and no grooves is generated with a voltage of 10 mV. Therefore, the power generation efficiency can be increased by forming the groove. In this way, if a plurality of grooves having a depth that is ½ of the thickness of the piezoelectric material is formed, it is possible to generate electric power at a pressure of about 0.01 g / cm 2. In addition, necessary power can be obtained.

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。   FIG. 1B shows a structure in which the piezoelectric element 11 and the diaphragm 12 are joined. The diaphragm 12 is made of a material such as aluminum, iron, or brass, and has a structure that easily resonates at an audio frequency of about 400 Hz, for example. In this case, a groove may be formed in the diaphragm 12 so that the piezoelectric element is easily deformed. FIG. 1C and FIG. 1D show a structure in which grooves are formed on both surfaces of the piezoelectric element 11 or the surfaces of the diaphragms 12a and 12b. The planar shape of the piezoelectric element and the diaphragm can be various shapes such as a round shape, an elliptical shape, and a rectangular shape.

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。   FIG. 2 shows a piezoelectric element according to the second embodiment of the present invention. In the first embodiment, a square groove is formed in the piezoelectric element or the vibration plate. In the second embodiment, a corrugated groove is formed. For example, as shown in FIG. 2 (a), a round piezoelectric element is formed into a wave shape concentrically, and has a cross-sectional shape as shown in FIG. 2 (b). Here, the waveform amplitude is 0.25 mm and the wavelength is 0.5 mm. By forming a plurality of grooves in this way, the piezoelectric element can be vibrated even when there is a change in air pressure due to sound, and the necessary power can be obtained. The corrugated shape may be formed in a straight line instead of a concentric circle as shown in FIG.

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。   Also in the second embodiment, as shown in FIGS. 1B and 1D, a structure in which a piezoelectric element and a diaphragm are joined may be used, or FIGS. 1C and 1D may be used. As shown, corrugated grooves may be formed on both surfaces of the piezoelectric element or on the surface of each diaphragm.

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。   FIG. 3 shows a piezoelectric element according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, the piezoelectric element shown in FIG. 1 or the piezoelectric element and the vibration plate are divided into four. The divided piezoelectric elements 11a to 11d are coupled by a vibration film 13 made of a thin film material such as vinyl chloride, aluminum, or piezo film. Since the vibration film 13 has a smaller elastic coefficient than the piezoelectric element 11, that is, is softer, the vibration film 13 can vibrate the piezoelectric element 11 with a smaller pressure.

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。   FIG. 4 shows a piezoelectric element according to the fourth embodiment of the present invention. The piezoelectric element shown in FIGS. 4A and 4B has a configuration in which piezoelectric elements 11 a and 11 b are joined on a rectangular vibration film 14. The vibration film 14 is fixed to the housing, thereby functioning as a buffer material that holds the piezoelectric elements 11a and 11b in a hollow state, and works so that the piezoelectric elements 11a and 11b vibrate even with a small pressure. As shown in FIG. 4C, the planar shape of the piezoelectric element and the vibration film can be various shapes such as a round shape, an elliptical shape, and a rectangular shape. Further, when a plurality of piezoelectric elements are joined, as shown in FIG. 4C, if the grooves formed in the piezoelectric elements are arranged in different directions, power can be generated more efficiently. it can.

（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。 (Sound power generator)
FIG. 5 shows a configuration of a sound power generation apparatus according to an embodiment of the present invention. The sound power generation apparatus installs the piezoelectric element 21 in the dome 22 in order to efficiently collect sound energy. The piezoelectric element 21 is held hollow in the dome 22 by a buffer material 23 such as polyurethane. In the present embodiment, a circular piezoelectric element 21 is used and a cylindrical dome 22 is used. The dome 22 as the sound collecting means can have a mortar shape or a trumpet shape in order to enhance the sound collecting effect. Further, the dome 22 may be formed using a material such as aluminum or styrene resin so that the sound is reflected in the dome 22, or these materials may be attached to the inner surface of the dome 22.

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。   FIG. 6 shows a sound collection unit of the sound power generation apparatus. FIG. 6A shows a sound power generation device in which a plurality of piezoelectric elements 21a to 21c are arranged in the dome 22 shown in FIG. The energy of the sound collected by the dome 22 can be absorbed by the plurality of piezoelectric elements. FIG. 6B shows a set of six sound power generation devices 20 shown in FIG. 5 as a set, for example, forming a power generation cell 31 with an output voltage of 5V. By deploying a plurality of power generation cells in a planar shape and connecting them in parallel, it is possible to obtain a necessary voltage value or a necessary current capacity.

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。   FIG. 7 shows another example of the sound collecting unit of the sound power generation apparatus. In order to enhance the sound collecting effect, as shown in FIG. 7A, a plurality of domes 22 may be combined to form a larger sound collecting portion. The piezoelectric element and the vibration film shown in FIG. 4C may be formed in a mortar shape as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 7B, the buffer material 23 may be attached over the entire surface of the opening of the dome 22, and the plurality of piezoelectric elements 21 may be attached to the upper surface of the buffer material 23. Of course, the piezoelectric element 21 can be bonded not only to the upper surface of the buffer material 23 but also to the lower surface. Furthermore, as shown in FIG. 6A, a plurality of buffer materials 23 to which the piezoelectric elements 21 are bonded may be attached.

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。   The output of the piezoelectric element 21 is connected to the diode bridge 24, rectified, and then accumulated in the capacitor 25. An output voltage of approximately 1 V can be obtained with one piezoelectric element having a diameter of 2 cm. Therefore, a necessary voltage can be obtained by appropriately increasing the number of piezoelectric elements. The capacitor 25 is preferably an electric double layer capacitor.

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。   FIG. 8 shows a mobile phone equipped with a sound power generation device. A sound collection unit 43 shown in FIG. 6A is arranged in the vicinity of the microphone 42 of the mobile phone 41. Here, an elliptical piezoelectric element and a dome are used. The upper part of the dome is sealed with a film that transmits sound. With such a configuration, the voice of the user of the mobile phone 41 speaking toward the microphone is collected, and the piezoelectric element generates a voltage of 3.3V. The generated power is stored in a capacitor and used as a power source for an electronic circuit inside the mobile phone 41.

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。   FIG. 9 shows a soundproof wall to which the sound power generator is applied. For example, a perspective view of a soundproof wall used in a railway is shown. In general, a sound absorbing panel and an interference type soundproofing device 52 are attached to the soundproof wall 51, and a power generation cell 53 shown in FIG. 6B is attached instead of the sound absorbing panel. The power generation cell 53 absorbs noise energy of the train and generates electric power. The generated electric power is dissipated as heat through a resistor connected to each power generation cell 53. Of course, the current may be collected by a capacitor and used, for example, as illumination power.

（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。 (Vibration power generator)
FIG. 10 shows a configuration of a vibration power generation apparatus according to an embodiment of the present invention. In order to efficiently collect vibration energy, the vibration power generation apparatus joins a rectangular piezoelectric element 61 to a leaf spring-like diaphragm 62. A weight 63 is attached to one end of the diaphragm 62, and the other end is fixed to a part 64 of the housing. In this way, the vibration plate 62 is deformed by the vibration applied to the casing, and the vibration of the vibration plate 62 is applied to the piezoelectric element 61 by the pendulum movement by the weight 63.

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。   Further, in order to efficiently transmit a slight vibration to the piezoelectric element 61, the diaphragm 62 is curved so that one end and the other end thereof face each other, and the piezoelectric element 61 is joined near the other end of the diaphragm 62. At this time, if the direction of the groove of the piezoelectric element 61 is perpendicular to the direction of vibration of the diaphragm 62 (the arrow in the figure), power can be generated more efficiently.

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。   The output of the piezoelectric element 61 is connected to the diode bridge 64, rectified, and then accumulated in the capacitor 65. Since an output voltage of about 1 V can be obtained with one 3 cm × 1 cm piezoelectric element, a necessary voltage can be obtained by appropriately increasing the number of piezoelectric elements. The capacitor 65 is preferably an electric double layer capacitor.

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。   FIG. 11 shows a vibration part of the vibration power generator. The shape of the diaphragm may be any shape as long as slight vibration can be efficiently transmitted to the piezoelectric element. For example, as shown in FIG. 11A, the center of the diaphragm 72 is fixed to a part 74 of the housing, the piezoelectric element 71 is joined, and weights 73 a and 73 b are attached to both ends of the diaphragm 72. It is good also as a structure.

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。   Further, as shown in FIG. 11B, a weight 83 is attached to one end of the diaphragm 82, and the other end is fixed to a part 84 of the housing, and the piezoelectric element 81 is joined. The diaphragm 82 is bent at a right angle so as to be parallel to the direction of the groove of the piezoelectric element 81. In this way, the power generation efficiency can be increased by applying a twisting force to the piezoelectric element 81. At this time, it is possible to generate power more efficiently if grooves are formed in a plurality of sets in the piezoelectric element 81 so that the piezoelectric element 81 is easily deformed by a twisting force.

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。   FIG. 12 shows a switch equipped with a vibration power generation device. The power generation by the vibration force may not only directly apply vibration to the piezoelectric element, but also apply vibration by repelling the piezoelectric element or the diaphragm. For example, a protrusion 93 is provided on the axis of the switch button 95 that moves up and down. The piezoelectric element 91 and the diaphragm 92 are connected and arranged so that the protrusion 93 and the diaphragm 92 are in contact with each other when the switch button 95 is pressed. In this way, each time the switch button 95 is pressed, the diaphragm 92 can vibrate to generate power. Power generation can be performed by applying such a mechanism to, for example, keys on a keyboard.

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。   In the present embodiment, it has been described that the pressure fluctuation caused by the vibration is transmitted to the piezoelectric element to generate power. In addition to this, pressure may be directly applied to the piezoelectric element, for example, by causing a weight to collide with the piezoelectric element.

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。It is sectional drawing which shows the piezoelectric element concerning the 1st Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the piezoelectric element concerning the 2nd Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the piezoelectric element concerning the 3rd Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the piezoelectric element concerning the 4th Embodiment of this invention. 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。It is a figure showing composition of a sound power generation device concerning one embodiment of the present invention. 音力発電装置の集音部の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the sound collection part of a sound power generator. 音力発電装置の集音部の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the sound collection part of a sound power generator. 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。It is a perspective view which shows the mobile telephone carrying a sound power generator. 音力発電装置を適用した防音壁を示す図である。It is a figure which shows the sound barrier which applied the sound power generation apparatus. 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。It is a figure which shows the structure of the vibration power generator concerning one Embodiment of this invention. 振動力発電装置の振動部を示す図である。It is a figure which shows the vibration part of a vibration power generator. 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。It is sectional drawing which shows the switch carrying a vibration power generator.

符号の説明Explanation of symbols

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
11, 21, 61, 71, 81, 91 Piezoelectric element 12, 62, 72, 82, 92 Diaphragm 13 Vibration film 22 Dome 23 Buffer material 24, 64 Diode bridge 25, 65 Capacitor 31, 53 Power generation cell 41 Mobile phone 42 Microphone 43 Sound collecting part 51 Soundproof wall 52 Interference type soundproofing device

Claims (9)

圧力変動により発電するための圧電素子であって、A piezoelectric element for generating electricity by pressure fluctuation,
圧電材料と振動板とが接合され、Piezoelectric material and diaphragm are joined,
前記振動板の側面のうち、少なくとも外部に露出する側の側面に、複数の溝が形成されていること、Among the side surfaces of the diaphragm, a plurality of grooves are formed on at least the side surface exposed to the outside,
を特徴とする圧電素子。A piezoelectric element characterized by the above. 前記圧電材料の側面のうち、少なくとも外部に露出する側の側面に、複数の溝が形成され、Among the side surfaces of the piezoelectric material, a plurality of grooves are formed on at least the side surface exposed to the outside,
前記圧電材料の側面に形成した複数の溝の各々の幅と、前記圧電材料の側面に形成した複数の溝の間隔とを、同一としたこと、The width of each of the plurality of grooves formed on the side surface of the piezoelectric material and the interval between the plurality of grooves formed on the side surface of the piezoelectric material are the same.
を特徴とする請求項１に記載の圧電素子。The piezoelectric element according to claim 1. 前記圧電材料の側面のうち、少なくとも外部に露出する側の側面に、複数の溝が形成され、Among the side surfaces of the piezoelectric material, a plurality of grooves are formed on at least the side surface exposed to the outside,
前記圧電材料の側面に形成した複数の溝を、同心円状に形成したこと、Forming a plurality of grooves formed on the side surface of the piezoelectric material in a concentric manner;
を特徴とする請求項１に記載の圧電素子。The piezoelectric element according to claim 1. 前記圧電材料は、複数の部分に分割され、The piezoelectric material is divided into a plurality of parts,
前記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のみにより接続されていること、Each of the divided piezoelectric materials is connected only by a film having a smaller elastic coefficient than the piezoelectric material,
を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電素子。The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 3, wherein: 圧力変動により発電するための圧電素子であって、A piezoelectric element for generating electricity by pressure fluctuation,
圧電材料の側面のうち、少なくとも外部に露出する側の側面に、複数の溝が形成され、Among the side surfaces of the piezoelectric material, a plurality of grooves are formed on at least the side surface exposed to the outside,
前記複数の溝の各々の幅と、前記複数の溝の間隔とを、同一としたこと、The width of each of the plurality of grooves and the interval between the plurality of grooves are the same,
を特徴とする圧電素子。A piezoelectric element characterized by the above. 圧力変動により発電するための圧電素子であって、A piezoelectric element for generating electricity by pressure fluctuation,
圧電材料の側面のうち、少なくとも外部に露出する側の側面に、複数の溝が形成され、Among the side surfaces of the piezoelectric material, a plurality of grooves are formed on at least the side surface exposed to the outside,
前記複数の溝を、同心円状に形成したこと、Forming the plurality of grooves concentrically;
を特徴とする圧電素子。A piezoelectric element characterized by the above. 圧力変動により発電するための圧電素子であって、A piezoelectric element for generating electricity by pressure fluctuation,
圧電材料が、複数の部分に分割され、The piezoelectric material is divided into a plurality of parts,
前記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のみにより接続されていること、Each of the divided piezoelectric materials is connected only by a film having a smaller elastic coefficient than the piezoelectric material,
を特徴とする圧電素子。  A piezoelectric element characterized by the above. 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、A sound power generator that generates power by fluctuations in air pressure due to sound,
請求項１から７のいずれか一項に記載の圧電素子と、The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 7,
前記圧電素子を緩衝材により中空に保持する集音手段と、Sound collecting means for holding the piezoelectric element in a hollow state by a buffer material;
前記圧電素子の出力を整流する手段と、Means for rectifying the output of the piezoelectric element;
整流された電力を蓄積する手段と、Means for storing rectified power;
を備えたことを特徴とする音力発電装置。A sound power generator characterized by comprising: 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、A vibration power generator that generates power by pressure fluctuation caused by vibration,
請求項１から７のいずれか一項に記載の圧電素子と、The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 7,
前記圧電素子の出力を整流する手段と、Means for rectifying the output of the piezoelectric element;
整流された電力を蓄積する手段と、Means for storing rectified power;
を備えたことを特徴とする振動力発電装置。A vibration power generation device comprising:
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