JPH07107752A - 圧電発電装置 - Google Patents

圧電発電装置

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JPH07107752A
JPH07107752A JP5268317A JP26831793A JPH07107752A JP H07107752 A JPH07107752 A JP H07107752A JP 5268317 A JP5268317 A JP 5268317A JP 26831793 A JP26831793 A JP 26831793A JP H07107752 A JPH07107752 A JP H07107752A
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JP
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piezoelectric
plate
vibration
capacitor
substrate
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JP5268317A
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Mitsuteru Kimura
光照 木村
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Ricoh Seiki Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 強制振動などの振動エネルギを電気エネルギ
に変換してコンデンサに蓄え、ここから電力を取り出
す。 【構成】 細長い燐青銅板１０の両面にそれぞれ圧電セ
ラミック板１１をはり付け、これをn−Si基板１２に取
り付ける。n−Si基板１２には溝１３を形成しておき、
表面は電気絶縁のため熱酸化してSiO2薄膜１４を形成し
ておく。各圧電セラミック板１１の両面には金属薄膜の
一対の電極１５を形成しておいて、これから基板上に出
力端子Ａ、Ａ'を導く。強制振動を受けると、燐青銅板
１０が上下に振動し、２枚の圧電セラミック板１１が交
互に伸び縮みし、各セラミック板１１に交流電圧がそれ
ぞれ発生する。それらの交流電圧が重畳して出力端子
Ａ、Ａ'に表れるように結線する。圧電板のカンチレバ
ーの振動端には重り１６を接着しておく。振動振幅が大
きすぎて振動板が破壊するのを避けるため、溝の深さを
適当にすると共に、振幅制限のストッパ１７を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、振動などにより圧電
板を伸び縮みさせ、この圧電板に形成してある電極に発
生した交流電圧を整流してコンデンサに蓄える発電装置
に関するもので、バッテリなどの電源なしに、振動さえ
あれば発電装置として作用し、必要に応じ電力を取り出
せるようにしたものである。例えば、地震発生時にこの
振動エネルギを電源として電波を発して警報を出す地震
警報装置や、非常に小型にできることから家畜や鳥など
の位置報告装置などに応用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】外部から発射された電波を受信してこれ
を電気エネルギに変換し、このエネルギをバッテリに代
わる携帯電子装置の電源として利用できるようにしたも
のが開発されている。例えば、そのような発電装置を電
源とする信号発生装置を放牧している牛の各々に取り付
け、ゲートを通過するときに電波を当ててその信号発生
装置を働かせ、牛の認識番号などを自動識別するという
ような使い方をする。しかし、このような電波を用いた
発電装置では、電波発信源から遠くなると充分なエネル
ギが確保できないので、電波発射源の近くの限られた範
囲でしか利用きないという欠点があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この発明では、強制振
動などの振動エネルギを電気エネルギに変換して、これ
をコンデンサに蓄え、ここから電力を取り出せるように
する無電源の小型の発電装置を提供することを目的とす
る。さらに、必要に応じ電波、音、光などの信号を放射
できるような電子回路をも組み込んだ発電装置を提供し
ようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明では、圧電板に電
極対を設け、この圧電板を片端支持、両端支持または周
辺支持の状態で振動させ、この振動により圧電板が伸び
縮みするようにしておき、このとき圧電板に形成してあ
る電極対に発生した交流電圧を整流してコンデンサに蓄
え、必要に応じてコンデンサから電力を取り出すように
圧電発電装置を構成してある。
【０００５】圧電板が振動しやすく、かつ伸び縮みしや
すいように、最も振動振幅が大きくなる箇所に重りを取
り付けるようにするのが好ましい。また、２次元または
３次元的に振動を分割できるよう、振動板を組み合わ
せ、それぞれが圧電発電できるようにすることもでき
る。
【０００６】さらに、コンデンサの電圧が設定値以上に
なったとき、コンデンサに蓄えられた電力を利用して、
電波、音波、光などの信号を発する電子回路を組み込む
こともできる。
【０００７】
【実施例】この発明の実施例を図面に基づいて説明する
と、この圧電発電装置は図１のブロック図で示すよう
に、基本構成部１と付属回路２からなり、基本構成部は
圧電発電部３と整流器４とコンデンサ５からなり、付属
回路部２は、必要に応じ、電圧設定回路部６、時間設定
回路部７および信号発生回路部８からなる。
【０００８】圧電発電部３は圧電板が振動して発電する
ところであり、カンチレバー形の一例を図２に示す。細
長い燐青銅板１０（例えば、0.5mm厚、15mm長、2mm幅）
の両面にそれぞれ圧電セラミック板１１（例えば、0.5m
m厚、10mm長、2mm幅）をはり付け、これをn−Si基板１
２に取り付ける。n−Si基板１２には溝１３を形成して
おき、表面は電気絶縁のため熱酸化してSiO2薄膜１４を
形成しておく。
【０００９】各圧電セラミック板１１の両面には金属薄
膜の一対の電極１５を形成しておいて、これから基板上
に出力端子Ａ、Ａ'を導く。強制振動を受けると、燐青
銅板１０が上下に振動し、２枚の圧電セラミック板１１
が交互に伸び縮みし、各セラミック板１１に交流電圧が
それぞれ発生する。それらの交流電圧が重畳して出力端
子Ａ、Ａ'に表れるように結線する。この系を動かした
とき、容易にバイモルフ振動ができるように、圧電板の
カンチレバーの振動端に重り１６を接着しておくとよ
い。また、振動振幅が大きすぎて振動板が破壊するのを
避けるため、溝の深さを適当にすると共に、振幅制限の
ストッパ１７を設けるとよい。
【００１０】図示していないが、圧電発電部３をモノリ
シックに形成することもできる。シリコン基板を用い
た、シリコンの重りを先端に持った加速度センサが知ら
れているが、これと同じように、シリコン基板の異方性
エッチング技術と組み合わせ、窒化シリコン薄膜のカン
チレバーの先端にシリコンの重りを設け、窒化シリコン
薄膜のカンチレバーの表面に、例えば、圧電材料である
ZnO薄膜をスパッタ形成し、ポーリングして、横方向圧
電効果が得られるようにする。こうすれば、はり合わせ
技術の不用なすべてモノリシックの圧電発電装置が形成
でき、一層の小型化および量産化ができる。
【００１１】ダイアフラム形の圧電発電部の例を図５に
示す。n−Si基板２２に、例えば円形溝２３を形成し、
この溝を塞ぐように、表裏に一対の電極２５の付いたポ
リフッ化ビニリデン（PVDF）の板ないし膜２１を張り、
その中央に重り２６を設け、振動によりPVDF膜２１が伸
び縮みし、一対の電極１５、１５間に交流の圧電起電力
が発生するようにする。PVDF膜２１の振動を妨げないよ
うに、n−Si基板１２の裏面から円形溝２３に達する孔
２４をあけておくとよい。
【００１２】両端支持形の圧電発電部の例は特に示さな
いが、断面で見ると、図５とほとんど同じ構造になる。
【００１３】図１の整流部４は、ダイオードを組み合わ
せた全波でも半波整流回路でもよいし、さらには倍電圧
整流回路でもよい。ダイオードとして、p−n接合ダイオ
ードでもショットキダイオードでもよい。圧電発電部の
起電力が小さいときは、立ち上がり電圧の低いショット
キダイオードが好都合である。
【００１４】図３は交流圧電起電力を倍電圧整流したと
きの整流部の回路図であり、図４はそれに対応する構成
図である。n−Si基板３３にp−n接合ダイオードD1、D2
を組み合わせた整流部とMOSキャパシタC1、C2のコンデ
ンサとをモノリシックに形成して構成する。さらに、前
述のように、圧電発電部をn−Si基板上にモノリシック
の形に構成すれば、全体として、非常にコンパクトな圧
電発電部の基本構成部ができ上がる
【００１５】例えばこの発明の圧電発電装置を地震警報
機として用いる場合、ある程度の地震があると、圧電発
電部には起電力が発生し、それがある程度の時間持続す
るので、コンデンサ５の両端電圧Ｖが徐々に上昇する。
図１に示す電圧設定回路部６は、この電圧Ｖがある設定
値を越えたとき、信号発生回路部８を作動させる。
【００１６】信号発生回路部８が作動すると電波を発し
て、地震があったことを知らせる。送り出す電波は信号
化して、震度の大きさ、どの圧電発電装置からの信号で
あるか等が分かるようにすることもできる。電波の代わ
りに音や光を発生するようにしてもよい。
【００１７】時間設定回路７は、コンデンサ５に蓄えら
れた電荷を一定周期毎に取り出すようにしたり、一気に
大電力を消費させ、遠くまで電波を飛ばすようにするな
どの目的で備えるものである。これらの回路は、ｎ形シ
リコンの基板の上にＩＣとして形成できるので、前述の
基本構成部と共にモノリシック化できる。
【００１８】図６に示すものは、図２のバイモルフ振動
形の圧電発電部を３つ組み合わせ、振動を互いに直交す
る３つの成分に分離するようにしたものである。図６で
は重りがないが、取り付けてもよい。このようなカンチ
レバー形ではなく、ダイアフラム形や両端支持形の圧電
発電部を３つ組み合わせてもよい。
【００１９】
【発明の効果】請求項１の圧電発電装置は、振動により
圧電板を伸び縮みさせて、圧電板に形成してある電極間
に電圧を発生させ、これをコンデンサに蓄えるようにし
たものであり、バッテリなどの電源なしに、振動さえあ
れば発電装置として作用し、必要に応じて電力を取り出
すことができ、例えば、地震発生時にこの振動エネルギ
を電源として電波を発して警報を出す地震警報装置等に
使うことができる。さらに、基板としてシリコン等の半
導体を用いると、半導体ＩＣ技術を利用できるので、他
の電子回路と共にモノリシックに形成でき、量産性に富
み、信頼性が高く安価なものが得られる。
【００２０】請求項２の圧電発電装置は、圧電板の振動
部に重りを取り付けたものであり、こうすることによ
り、圧電板が振動しやすく、したがって、伸び縮みも大
きくなって大きな電力を得ることができる。請求項３の
発電装置は、圧電板を組み合わせて３次元的振動を各振
動成分に分解できるようにしたものであり、振動の方向
を知るのに役立つ。請求項４の装置は、コンデンサの電
圧が設定値以上になったとき、該コンデンサの電力を利
用して、電波、音、光などの信号を放出する付属回路を
組み込んだものであり、地震警報装置として使う場合有
用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電発電装置のブロック図である。
【図２】カンチレバー形の圧電発電部の構成図である。
【図３】倍電圧整流形の整流部回路図である。
【図４】図４に対応するモノリシック基板の断面図であ
る。
【図５】ダイアフラム形圧電発電部の構成図である。
【図６】３次元構成の圧電発電部の斜視図である。
【符号の説明】
１ 基本構成部 ２ 付属回路 ３ 圧電発電部 ４ 整流部 ５ コンデンサ １１ 圧電板としての圧電セラミック板 １５ 電極 １６ 重り ２１ 圧電板としてのＰＶＤＦ膜 ２５ 電極 ２６ 重り
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成６年３月１１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧電板（１１、２１）に電極対（１５、
    ２５）を設け、該圧電板が振動して伸び縮みすることに
    より該電極対に交流電圧を発生させ、これを整流してコ
    ンデンサ（５）に蓄え、必要に応じ該コンデンサから電
    力を取り出すようにした圧電発電装置。
  2. 【請求項２】 該圧電板の振動部に重り（１６、２６）
    を取り付けた請求項１に記載の圧電発電装置。
  3. 【請求項３】 該圧電板を組み合わせて３次元的振動を
    各振動成分に分解できるようにした請求項１または２に
    記載の圧電発電装置。
  4. 【請求項４】 該コンデンサの電圧が設定値以上になっ
    たとき、該コンデンサの電力を利用して、電波、音、光
    などの信号を放出する付属回路（２）を組み込んだ請求
    項１、２または３に記載の圧電発電装置。
JP5268317A 1993-09-30 1993-09-30 圧電発電装置 Pending JPH07107752A (ja)

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