JPH10174462A - 圧電変換型電源及びその圧電変換振動子 - Google Patents
圧電変換型電源及びその圧電変換振動子Info
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- JPH10174462A JPH10174462A JP8332471A JP33247196A JPH10174462A JP H10174462 A JPH10174462 A JP H10174462A JP 8332471 A JP8332471 A JP 8332471A JP 33247196 A JP33247196 A JP 33247196A JP H10174462 A JPH10174462 A JP H10174462A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 圧電変換振動子の形状に工夫を凝らし、その
圧電素子の全体に亘り均一に最大曲げ応力がかかるよう
にした圧電変換型電源及びその圧電変換振動子を提供す
ることを目的とする。 【解決手段】 圧電変換振動子Ｐは、その固定端部Ｐ１
にて、当該車両の車体の一部を構成する静止板１０の外
壁１１内に嵌め込まれており、この圧電変換振動子Ｐの
平面形状は二等辺三角形状となっている。圧電変換振動
子Ｐは、共に同一の二等辺三角形状に形成した金属板２
０、両圧電板３０、４０を備えており、両圧電板３０、
４０は金属板２０の両面にそれぞれ貼り付けられてい
る。圧電変換振動子Ｐの幅は、その固定端部Ｐ１から自
由端部である先端部Ｐ２にかけて順次幅狭となってい
る。圧電変換振動子Ｐの自由端部Ｐ２には、立方体形状
の重り５０が嵌着されている。
圧電素子の全体に亘り均一に最大曲げ応力がかかるよう
にした圧電変換型電源及びその圧電変換振動子を提供す
ることを目的とする。 【解決手段】 圧電変換振動子Ｐは、その固定端部Ｐ１
にて、当該車両の車体の一部を構成する静止板１０の外
壁１１内に嵌め込まれており、この圧電変換振動子Ｐの
平面形状は二等辺三角形状となっている。圧電変換振動
子Ｐは、共に同一の二等辺三角形状に形成した金属板２
０、両圧電板３０、４０を備えており、両圧電板３０、
４０は金属板２０の両面にそれぞれ貼り付けられてい
る。圧電変換振動子Ｐの幅は、その固定端部Ｐ１から自
由端部である先端部Ｐ２にかけて順次幅狭となってい
る。圧電変換振動子Ｐの自由端部Ｐ２には、立方体形状
の重り５０が嵌着されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、車両や地震警報機
等の電源や携帯用電源として採用するに適した圧電変換
型電源に関する。
等の電源や携帯用電源として採用するに適した圧電変換
型電源に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の圧電変換型電源として
は、特開平７−１０７７５２号公報にて示すような圧電
発電装置がある。この圧電発電装置においては、図６に
て示すごとく、圧電セラミック板１を燐青銅板２の両面
に貼り付けた圧電変換振動子３が採用されており、この
圧電変換振動子３は、その固定端部３ａにて基板４に固
定されて当該基板４から片持ち梁状に延出している。
は、特開平７−１０７７５２号公報にて示すような圧電
発電装置がある。この圧電発電装置においては、図６に
て示すごとく、圧電セラミック板１を燐青銅板２の両面
に貼り付けた圧電変換振動子３が採用されており、この
圧電変換振動子３は、その固定端部３ａにて基板４に固
定されて当該基板４から片持ち梁状に延出している。
【０００３】そして、固定端部３ａを基準に圧電変換振
動子３を振動させることで、両圧電セラミック板１に歪
みを生じさせてこれら圧電セラミック板１からその圧電
変換作用に応じて交流電圧を発生させる。なお、圧電変
換振動子３の先端部３ｂには、立方体形状の重り５が設
けられており、この重り５に力Ｆを断続的に加えること
で、圧電変換振動子３を円滑に振動させる。
動子３を振動させることで、両圧電セラミック板１に歪
みを生じさせてこれら圧電セラミック板１からその圧電
変換作用に応じて交流電圧を発生させる。なお、圧電変
換振動子３の先端部３ｂには、立方体形状の重り５が設
けられており、この重り５に力Ｆを断続的に加えること
で、圧電変換振動子３を円滑に振動させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記圧電発
電装置を、例えば、自動車のタイヤ空気圧センサの電源
（特開昭５９−１９４６７７号公報参照）として採用し
た場合、自動車の発生振動は５０Ｈｚ乃至２００Ｈｚの
範囲の振動数にてピークをもつにすぎない。従って、圧
電変換振動子３が上述のように片持ち梁状に支持されて
いても、圧電変換振動子３の一振動あたりの電荷発生量
つまり発電量は少ない。このため、自動車がタイヤ空気
圧の低い状態で走り出してから空気圧センサから警報が
出るまでに数１０秒乃至数分かかるという不具合が生ず
る。
電装置を、例えば、自動車のタイヤ空気圧センサの電源
（特開昭５９−１９４６７７号公報参照）として採用し
た場合、自動車の発生振動は５０Ｈｚ乃至２００Ｈｚの
範囲の振動数にてピークをもつにすぎない。従って、圧
電変換振動子３が上述のように片持ち梁状に支持されて
いても、圧電変換振動子３の一振動あたりの電荷発生量
つまり発電量は少ない。このため、自動車がタイヤ空気
圧の低い状態で走り出してから空気圧センサから警報が
出るまでに数１０秒乃至数分かかるという不具合が生ず
る。
【０００５】そこで、圧電セラミック板１の発電量が少
ない原因について検討してみた。一般に、圧電変換振動
子３は、図６にて示すごとく、一定の厚さにて長方形板
状に形成されている。ここで、圧電セラミック板１の板
厚をｔP とし、圧電セラミック板１の基板４及び重り５
の両対向壁間の距離及び幅をそれぞれＬ及びｂO とし、
かつ、基板４の上記対向壁に対応する圧電セラミック板
１の位置（以下、固定端という）から先端部３ｂである
自由端部に向かう距離をｘとすると、圧電セラミック板
１に加わる曲げ応力σは、次の数１の式により表され
る。なお、重り５には上記力Ｆを加えるものとする。
ない原因について検討してみた。一般に、圧電変換振動
子３は、図６にて示すごとく、一定の厚さにて長方形板
状に形成されている。ここで、圧電セラミック板１の板
厚をｔP とし、圧電セラミック板１の基板４及び重り５
の両対向壁間の距離及び幅をそれぞれＬ及びｂO とし、
かつ、基板４の上記対向壁に対応する圧電セラミック板
１の位置（以下、固定端という）から先端部３ｂである
自由端部に向かう距離をｘとすると、圧電セラミック板
１に加わる曲げ応力σは、次の数１の式により表され
る。なお、重り５には上記力Ｆを加えるものとする。
【０００６】
【数１】 このため、圧電変換振動子３を上述のように振動させた
場合、圧電セラミック板１の曲げ応力σは、図７にて示
すごとく、圧電変換振動子３の固定にて最大値σo とな
り自由端部３ｂに近づくにつれて小さくなる。しかも、
圧電セラミック板１は、曲げ応力σに比例した電荷を発
生する。
場合、圧電セラミック板１の曲げ応力σは、図７にて示
すごとく、圧電変換振動子３の固定にて最大値σo とな
り自由端部３ｂに近づくにつれて小さくなる。しかも、
圧電セラミック板１は、曲げ応力σに比例した電荷を発
生する。
【０００７】従って、圧電セラミック板１の電荷量は、
圧電変換振動子３の固定端にて最大となり自由端部３ｂ
に近づくにつれて減少する。このようなことから圧電セ
ラミック板１の発電量が固定端から自由端部３ｂに近づ
く程減少することが分かった。これに対し、本発明者
は、圧電セラミック板１の全体に亘り曲げ応力を均一に
かつ最大にすれば、圧電セラミック板１の発電量を増加
できることに気が付いた。このような着想によれば、数
１の式において、曲げ応力σが距離ｘとは関係なく最大
値になるように、圧電セラミック板１の幅ｂO 及び板厚
ｔP の少なくとも一方を設定すればよい。
圧電変換振動子３の固定端にて最大となり自由端部３ｂ
に近づくにつれて減少する。このようなことから圧電セ
ラミック板１の発電量が固定端から自由端部３ｂに近づ
く程減少することが分かった。これに対し、本発明者
は、圧電セラミック板１の全体に亘り曲げ応力を均一に
かつ最大にすれば、圧電セラミック板１の発電量を増加
できることに気が付いた。このような着想によれば、数
１の式において、曲げ応力σが距離ｘとは関係なく最大
値になるように、圧電セラミック板１の幅ｂO 及び板厚
ｔP の少なくとも一方を設定すればよい。
【０００８】そこで、本発明は、上記着想に基づき、圧
電変換振動子の形状に工夫を凝らし、その全体に亘り均
一に最大曲げ応力がかかるようにした圧電変換型電源及
びその圧電変換振動子を提供することを目的とする。
電変換振動子の形状に工夫を凝らし、その全体に亘り均
一に最大曲げ応力がかかるようにした圧電変換型電源及
びその圧電変換振動子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１及び３乃至５に記載の発明によれば、圧電
変換振動子がその固定端からその自由端にかけて均等梁
状に形成されている。これにより、圧電変換振動子が振
動すると、この圧電変換振動子の固定端と自由端との間
の領域全体が、固定端における曲げ応力、即ち、最大曲
げ応力を一様に受ける。従って、圧電変換振動子が、そ
の固定端と自由端との間の領域全体に亘り、上記最大曲
げ応力に対応する最大電荷量を均一に発生する。その結
果、圧電変換振動子の発電効率を大幅に向上できる。
め、請求項１及び３乃至５に記載の発明によれば、圧電
変換振動子がその固定端からその自由端にかけて均等梁
状に形成されている。これにより、圧電変換振動子が振
動すると、この圧電変換振動子の固定端と自由端との間
の領域全体が、固定端における曲げ応力、即ち、最大曲
げ応力を一様に受ける。従って、圧電変換振動子が、そ
の固定端と自由端との間の領域全体に亘り、上記最大曲
げ応力に対応する最大電荷量を均一に発生する。その結
果、圧電変換振動子の発電効率を大幅に向上できる。
【００１０】ここで、請求項３に記載の発明のように、
圧電変換振動子の形状を固定端から自由端にかけて幅狭
となるように一定の板厚にて形成したり、或いは、請求
項４に記載の発明のように圧電変換振動子の形状を三角
形状にて一定の板厚にて形成すれば、請求項１に記載の
発明と同様の作用効果を達成できる。また、請求項５に
記載の発明のように圧電変換振動子がその固定端からそ
の自由端にかけて幅狭となるような二等辺三角形状に一
定の板厚にて形成されておれば、請求項１に記載の発明
の作用効果をより一層向上できる。
圧電変換振動子の形状を固定端から自由端にかけて幅狭
となるように一定の板厚にて形成したり、或いは、請求
項４に記載の発明のように圧電変換振動子の形状を三角
形状にて一定の板厚にて形成すれば、請求項１に記載の
発明と同様の作用効果を達成できる。また、請求項５に
記載の発明のように圧電変換振動子がその固定端からそ
の自由端にかけて幅狭となるような二等辺三角形状に一
定の板厚にて形成されておれば、請求項１に記載の発明
の作用効果をより一層向上できる。
【００１１】また、請求項２、６に記載の発明のように
圧電変換振動子としてユニモルフ型のものを採用して
も、請求項１に記載の発明と同様の作用効果を達成でき
る。ここで、請求項６に記載の発明のように、圧電変換
振動子がその固定端からその自由端にかけて板厚を薄く
するように一定の幅にて形成されていても、請求項１に
記載の発明と同様の作用効果を達成できる。
圧電変換振動子としてユニモルフ型のものを採用して
も、請求項１に記載の発明と同様の作用効果を達成でき
る。ここで、請求項６に記載の発明のように、圧電変換
振動子がその固定端からその自由端にかけて板厚を薄く
するように一定の幅にて形成されていても、請求項１に
記載の発明と同様の作用効果を達成できる。
【００１２】また、請求項７、９乃至１１、１３に記載
の発明によれば、請求項１、３乃至５に記載の発明の作
用効果を達成し得る圧電変換型電源用圧電変換振動子を
提供できる。また、請求項８、１２に記載の発明によれ
ば、請求項２、６に記載の発明の作用効果を達成し得る
圧電変換型電源用圧電変換振動子を提供できる。
の発明によれば、請求項１、３乃至５に記載の発明の作
用効果を達成し得る圧電変換型電源用圧電変換振動子を
提供できる。また、請求項８、１２に記載の発明によれ
ば、請求項２、６に記載の発明の作用効果を達成し得る
圧電変換型電源用圧電変換振動子を提供できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
乃至図４に基づいて説明する。図１は、本発明に係る圧
電変換型電源が、車両の乗員保護システムのセンサ回路
Ｓ用電源として適用された例を示している。この圧電変
換型電源は、バイモルフ型板状圧電変換振動子Ｐを備え
ている。
乃至図４に基づいて説明する。図１は、本発明に係る圧
電変換型電源が、車両の乗員保護システムのセンサ回路
Ｓ用電源として適用された例を示している。この圧電変
換型電源は、バイモルフ型板状圧電変換振動子Ｐを備え
ている。
【００１４】この圧電変換振動子Ｐは、その固定端部Ｐ
１にて、図２にて示すごとく、当該車両の車体の一部を
構成する静止板１０の外壁１１に形成したスリット状凹
部１１ａ内に嵌め込まれており、この圧電変換振動子Ｐ
は、固定端部Ｐ１から外壁１１に直角に延出している。
但し、圧電変換振動子Ｐの平面形状は二等辺三角形状と
なっている。
１にて、図２にて示すごとく、当該車両の車体の一部を
構成する静止板１０の外壁１１に形成したスリット状凹
部１１ａ内に嵌め込まれており、この圧電変換振動子Ｐ
は、固定端部Ｐ１から外壁１１に直角に延出している。
但し、圧電変換振動子Ｐの平面形状は二等辺三角形状と
なっている。
【００１５】圧電変換振動子Ｐは、図２及び図３にて示
すごとく、共に同一の二等辺三角形状に形成した金属板
２０、両圧電板３０、４０及び両電極板３０ａ、４０ａ
により構成されており、両圧電板３０、４０は金属板２
０の両表面にそれぞれ導電性接着剤により貼り付けられ
ている。これにより、両圧電板３０、４０は金属板２０
を介し直列接続されている。
すごとく、共に同一の二等辺三角形状に形成した金属板
２０、両圧電板３０、４０及び両電極板３０ａ、４０ａ
により構成されており、両圧電板３０、４０は金属板２
０の両表面にそれぞれ導電性接着剤により貼り付けられ
ている。これにより、両圧電板３０、４０は金属板２０
を介し直列接続されている。
【００１６】なお、電圧よりも電荷を多くしたい場合に
は、両圧電板３０、４０が並列接続されるように変更し
てもよい。また、金属板２０は真鍮等からなるが、温度
変化の大きい車両では、熱膨張係数の小さいコパールで
もって金属板２０を形成するとよい。圧電変換振動子Ｐ
の幅は、その固定端部Ｐ１から自由端部である先端部Ｐ
２にかけて順次幅狭となっている。
は、両圧電板３０、４０が並列接続されるように変更し
てもよい。また、金属板２０は真鍮等からなるが、温度
変化の大きい車両では、熱膨張係数の小さいコパールで
もって金属板２０を形成するとよい。圧電変換振動子Ｐ
の幅は、その固定端部Ｐ１から自由端部である先端部Ｐ
２にかけて順次幅狭となっている。
【００１７】両圧電板３０、４０は共に同一の圧電材料
により形成されており、これら各圧電板３０、４０は、
その板厚方向への歪みにより圧電変換作用を発揮する。
両電極板３０ａ、４０ａは、両圧電板３０、４０の外表
面にそれぞれ導電性接着剤により貼り付けられている。
なお、金属板２０、両圧電板３０、４０及び両電極板３
０ａ、４０ａの各板厚はそれぞれ一定であるが、｛圧電
板３０（又は４０）の板厚／金属板２０の板厚｝は、圧
電板３０（又は４０）が最大圧電量を示す０．３５程度
がよい。
により形成されており、これら各圧電板３０、４０は、
その板厚方向への歪みにより圧電変換作用を発揮する。
両電極板３０ａ、４０ａは、両圧電板３０、４０の外表
面にそれぞれ導電性接着剤により貼り付けられている。
なお、金属板２０、両圧電板３０、４０及び両電極板３
０ａ、４０ａの各板厚はそれぞれ一定であるが、｛圧電
板３０（又は４０）の板厚／金属板２０の板厚｝は、圧
電板３０（又は４０）が最大圧電量を示す０．３５程度
がよい。
【００１８】圧電変換振動子Ｐの自由端部Ｐ２には、立
方体形状の重り５０が図２にて示すごとく嵌着されてお
り、この重り５０は図６の重り５と同じである。なお、
圧電変換振動子Ｐの先端部を自由端部とし、この自由端
部に重り５０を設けたのは、当該車両の発生振動のピー
クが５０乃至２００Ｈｚと低く、この振動数範囲で圧電
板３０、４０を共振させるためである。
方体形状の重り５０が図２にて示すごとく嵌着されてお
り、この重り５０は図６の重り５と同じである。なお、
圧電変換振動子Ｐの先端部を自由端部とし、この自由端
部に重り５０を設けたのは、当該車両の発生振動のピー
クが５０乃至２００Ｈｚと低く、この振動数範囲で圧電
板３０、４０を共振させるためである。
【００１９】ここで、圧電変換振動子Ｐの平面形状を上
述のごとく同一の板厚にて二等辺三角形状でもって形成
した根拠について説明する。圧電板３０、４０の各板厚
を、上記圧電セラミック板１の板厚と同様に図３にて示
すごとくｔP とする。また、静止板１０の外壁１１（固
定端部Ｐ１のうちの圧電変換振動子Ｐの実質的な固定端
Ｐ11に対応する）とこれに対する重り５０の対向壁（自
由端部Ｐ２のうちの圧電変換振動子Ｐの実質的な自由端
Ｐ21に対応する）との間の距離を、上記圧電セラミック
板１の場合と同様にＬとする。
述のごとく同一の板厚にて二等辺三角形状でもって形成
した根拠について説明する。圧電板３０、４０の各板厚
を、上記圧電セラミック板１の板厚と同様に図３にて示
すごとくｔP とする。また、静止板１０の外壁１１（固
定端部Ｐ１のうちの圧電変換振動子Ｐの実質的な固定端
Ｐ11に対応する）とこれに対する重り５０の対向壁（自
由端部Ｐ２のうちの圧電変換振動子Ｐの実質的な自由端
Ｐ21に対応する）との間の距離を、上記圧電セラミック
板１の場合と同様にＬとする。
【００２０】さらに、圧電変換振動子Ｐの上記固定端Ｐ
11における幅を上記圧電セラミック板１の幅と同様にｂ
O とし、かつ、圧電変換振動子Ｐの上記固定端Ｐ11から
自由端Ｐ21に向かう距離を、圧電セラミック板１の場合
と同様にｘとする。なお、重り５０には上記力Ｆを加え
るものとする。このような前提のもと、距離ｘ＝Ｌにお
いて圧電板３０、４０の各々に加えるべき曲げ応力σ、
即ち、圧電板に加わる最大曲げ応力σO は、上記数１の
式に基づき次の数２の式でもって表される。なお、この
最大曲げ応力σO は、圧電変換振動子Ｐの固定端部の安
全率を加味した値としてある。
11における幅を上記圧電セラミック板１の幅と同様にｂ
O とし、かつ、圧電変換振動子Ｐの上記固定端Ｐ11から
自由端Ｐ21に向かう距離を、圧電セラミック板１の場合
と同様にｘとする。なお、重り５０には上記力Ｆを加え
るものとする。このような前提のもと、距離ｘ＝Ｌにお
いて圧電板３０、４０の各々に加えるべき曲げ応力σ、
即ち、圧電板に加わる最大曲げ応力σO は、上記数１の
式に基づき次の数２の式でもって表される。なお、この
最大曲げ応力σO は、圧電変換振動子Ｐの固定端部の安
全率を加味した値としてある。
【００２１】
【数２】 ここで、板厚ｔP 一定のもと、距離（Ｌ−ｘ）にかかわ
りなく、最大曲げ応力σO が圧電板３０、４０の各々に
加わるようにするには、圧電変換振動子Ｐの距離ｘにお
ける幅をｂとすると、次に数３の式が成立すればよい。
りなく、最大曲げ応力σO が圧電板３０、４０の各々に
加わるようにするには、圧電変換振動子Ｐの距離ｘにお
ける幅をｂとすると、次に数３の式が成立すればよい。
【００２２】
【数３】 この数３の式から、幅ｂを表す次の数４の式が得られ
る。
る。
【００２３】
【数４】 これによれば、幅ｂが固定端Ｐ21からの距離（Ｌ−ｘ）
に比例しておれば、圧電変換振動子Ｐの曲げ応力σは、
圧電変換振動子Ｐのうち固定端Ｐ11と自由端Ｐ21との間
の全ての領域において最大曲げ応力σO をとることが分
かる。このことは、圧電板３０、４０の各々の発生電荷
量は、圧電板３０、４０の各々のうち固定端Ｐ11と自由
端Ｐ21との間の全ての領域において最大電荷量となるこ
とを意味する（図４参照）。
に比例しておれば、圧電変換振動子Ｐの曲げ応力σは、
圧電変換振動子Ｐのうち固定端Ｐ11と自由端Ｐ21との間
の全ての領域において最大曲げ応力σO をとることが分
かる。このことは、圧電板３０、４０の各々の発生電荷
量は、圧電板３０、４０の各々のうち固定端Ｐ11と自由
端Ｐ21との間の全ての領域において最大電荷量となるこ
とを意味する（図４参照）。
【００２４】そこで、圧電変換振動子Ｐの平面形状を上
述のごとく二等辺三角形状とした。ちなみに、圧電板３
０の発生電荷量Ｑ30と、図６の圧電セラミック板１の発
生電荷量Ｑ1 とを算出してみた。今、発生電荷量を一般
にＱとすれば、この発生電荷量Ｑは、曲げ応力σに基づ
き次の数５の式により表される。
述のごとく二等辺三角形状とした。ちなみに、圧電板３
０の発生電荷量Ｑ30と、図６の圧電セラミック板１の発
生電荷量Ｑ1 とを算出してみた。今、発生電荷量を一般
にＱとすれば、この発生電荷量Ｑは、曲げ応力σに基づ
き次の数５の式により表される。
【００２５】
【数５】Ｑ＝Ａｄσ ここで、Ａは定数であって、具体的には板厚ｔP に実質
的に等しい。また、ｄは圧電定数である。そこで、発生
電荷量Ｑ1 は、数１の式によるσ及び数５の式を用い、
次の数６の式でもって表すことができる。
的に等しい。また、ｄは圧電定数である。そこで、発生
電荷量Ｑ1 は、数１の式によるσ及び数５の式を用い、
次の数６の式でもって表すことができる。
【００２６】
【数６】
【００２７】また、発生電荷量Ｑ30は、σ＝最大曲げ応
力σO （数３の式参照）として、数５の式に基づき次の
数７の式により表される。
力σO （数３の式参照）として、数５の式に基づき次の
数７の式により表される。
【００２８】
【数７】 但し、圧電セラミック板１及び圧電板３０の双方におい
て、数５の式の各定数Ａ、ｄは同一とする。
て、数５の式の各定数Ａ、ｄは同一とする。
【００２９】しかして、数６及び数７の両式に基づき、
次の数８の式が得られる。
次の数８の式が得られる。
【００３０】
【数８】 この数８の式によれば、圧電板３０の発生電荷量は圧電
セラミック板１の発生電荷量の倍となっていることが分
かる。
セラミック板１の発生電荷量の倍となっていることが分
かる。
【００３１】従って、圧電変換振動子Ｐの表面積が圧電
変換振動子３の表面積がの半分とすれば、圧電変換振動
子Ｐの静電容量が圧電変換振動子３の静電容量の半分と
なる。このため、数８の式の結果を利用すれば、圧電板
３０の発生電荷量は、圧電セラミック板１の発生電荷量
と同一になることも分かる。このことは、Ｑ＝ＣＶよ
り、圧電板３０の発生電圧が、圧電セラミック板１の発
生電圧の２倍になることを意味する。よって、圧電板３
０の発電量｛（１／２）ＱＶ｝も圧電セラミック板１の
それの２倍になる。なお、Ｑ＝ＣＶにおいて、Ｃ及びＶ
は、それぞれ、静電容量及び発生電圧である。
変換振動子３の表面積がの半分とすれば、圧電変換振動
子Ｐの静電容量が圧電変換振動子３の静電容量の半分と
なる。このため、数８の式の結果を利用すれば、圧電板
３０の発生電荷量は、圧電セラミック板１の発生電荷量
と同一になることも分かる。このことは、Ｑ＝ＣＶよ
り、圧電板３０の発生電圧が、圧電セラミック板１の発
生電圧の２倍になることを意味する。よって、圧電板３
０の発電量｛（１／２）ＱＶ｝も圧電セラミック板１の
それの２倍になる。なお、Ｑ＝ＣＶにおいて、Ｃ及びＶ
は、それぞれ、静電容量及び発生電圧である。
【００３２】また、圧電変換型電源は、圧電変換振動子
Ｐに接続した全波整流器６０と、この全波整流器６０に
接続したコンデンサ７０と、負荷調整用可変抵抗器８０
とを備えている。全波整流器６０は、圧電変換振動子Ｐ
の発電電圧を全波整流する。コンデンサ７０は、全波整
流器６０の全波整流出力により充電される。負荷調整用
可変抵抗器８０は、コンデンサ７０及びセンサ回路Ｓに
並列接続されており、この可変抵抗器８０は圧電変換振
動子Ｐからの発電出力効率を高めるように調整される。
Ｐに接続した全波整流器６０と、この全波整流器６０に
接続したコンデンサ７０と、負荷調整用可変抵抗器８０
とを備えている。全波整流器６０は、圧電変換振動子Ｐ
の発電電圧を全波整流する。コンデンサ７０は、全波整
流器６０の全波整流出力により充電される。負荷調整用
可変抵抗器８０は、コンデンサ７０及びセンサ回路Ｓに
並列接続されており、この可変抵抗器８０は圧電変換振
動子Ｐからの発電出力効率を高めるように調整される。
【００３３】以上のように構成した本実施形態におい
て、圧電変換振動子Ｐを力Ｆにて振動させると、圧電板
３０、４０が固定端部Ｐ１を基準に板厚方向に振動し、
電荷を発生する。ここで、上述のごとく、圧電変換振動
子Ｐが二等辺三角形状に形成されている。このため、圧
電板３０、４０の固定端Ｐ11と自由端Ｐ21との間の領域
全体が固定端Ｐ11における曲げ応力、即ち、圧電板の最
大曲げ応力を均一に受けて振動する。従って、圧電板３
０、４０の固定端Ｐ11と自由端Ｐ21との間の領域全体が
一様に上記最大曲げ応力に対応する最大電荷量を発生す
る。
て、圧電変換振動子Ｐを力Ｆにて振動させると、圧電板
３０、４０が固定端部Ｐ１を基準に板厚方向に振動し、
電荷を発生する。ここで、上述のごとく、圧電変換振動
子Ｐが二等辺三角形状に形成されている。このため、圧
電板３０、４０の固定端Ｐ11と自由端Ｐ21との間の領域
全体が固定端Ｐ11における曲げ応力、即ち、圧電板の最
大曲げ応力を均一に受けて振動する。従って、圧電板３
０、４０の固定端Ｐ11と自由端Ｐ21との間の領域全体が
一様に上記最大曲げ応力に対応する最大電荷量を発生す
る。
【００３４】その結果、圧電変換振動子Ｐの発電効率を
大幅に向上できる。また、圧電変換振動子Ｐがその発生
電荷量に伴い交流電圧を発生すると、全波整流器６０が
当該交流電圧を全波整流し、コンデンサ７０が当該交流
電圧を受けて充電される。すると、センサ回路Ｓはコン
デンサ７０の充電電圧を受けて作動する。
大幅に向上できる。また、圧電変換振動子Ｐがその発生
電荷量に伴い交流電圧を発生すると、全波整流器６０が
当該交流電圧を全波整流し、コンデンサ７０が当該交流
電圧を受けて充電される。すると、センサ回路Ｓはコン
デンサ７０の充電電圧を受けて作動する。
【００３５】この場合、上述のごとく、圧電変換振動子
Ｐの発生電荷量が多いので、コンデンサ７０の充電電圧
や充電電力を十分に確保できる。従って、センサ回路Ｓ
はタイミングよくその本来の機能を発揮できる。なお、
圧電変換振動子Ｐがコンパクトな形状となっているか
ら、圧電変換型電源は発電量の大きい小型電源として提
供できる。
Ｐの発生電荷量が多いので、コンデンサ７０の充電電圧
や充電電力を十分に確保できる。従って、センサ回路Ｓ
はタイミングよくその本来の機能を発揮できる。なお、
圧電変換振動子Ｐがコンパクトな形状となっているか
ら、圧電変換型電源は発電量の大きい小型電源として提
供できる。
【００３６】次に、上記実施形態の変形例を図５に基づ
いて説明する。この変形例では、バイモルフ型板状圧電
変換振動子Ｐａが、その固定端部Ｐa 1 にて、上記実施
形態にて述べた圧電変換振動子Ｐに代えて、静止板１０
の外壁１１に上記凹部１１ａに代えて形成した凹部内に
嵌め込まれており、この圧電変換振動子Ｐａは、固定端
部Ｐa1から外壁１１に直角に延出している。但し、圧電
変換振動子Ｐの平面形状は圧電セラミック板１の平面形
状と同様に長方形状となっている。
いて説明する。この変形例では、バイモルフ型板状圧電
変換振動子Ｐａが、その固定端部Ｐa 1 にて、上記実施
形態にて述べた圧電変換振動子Ｐに代えて、静止板１０
の外壁１１に上記凹部１１ａに代えて形成した凹部内に
嵌め込まれており、この圧電変換振動子Ｐａは、固定端
部Ｐa1から外壁１１に直角に延出している。但し、圧電
変換振動子Ｐの平面形状は圧電セラミック板１の平面形
状と同様に長方形状となっている。
【００３７】圧電変換振動子Ｐａは、共に同一の長方形
状に形成した金属板８０、両圧電板９０、１００及び両
電極板９０ａ、１００ａにより構成されており、両圧電
板９０、１００は、図５にて示すごとく、金属板８０の
両面にそれぞれ導電接着剤により貼り付けられている。
ここで、圧電変換振動子Ｐａの幅は、圧電セラミック板
１の幅ｂO と同じである。また、圧電変換振動子Ｐａの
板厚は、その固定端部Ｐa1から自由端部である先端部Ｐ
a2にかけて順次薄くなっている。
状に形成した金属板８０、両圧電板９０、１００及び両
電極板９０ａ、１００ａにより構成されており、両圧電
板９０、１００は、図５にて示すごとく、金属板８０の
両面にそれぞれ導電接着剤により貼り付けられている。
ここで、圧電変換振動子Ｐａの幅は、圧電セラミック板
１の幅ｂO と同じである。また、圧電変換振動子Ｐａの
板厚は、その固定端部Ｐa1から自由端部である先端部Ｐ
a2にかけて順次薄くなっている。
【００３８】このように、圧電変換振動子Ｐａの幅ｂO
のもと、圧電変換振動子Ｐａの板厚を上述のように変化
させたのは、上記実施形態にて述べた圧電変換振動子Ｐ
を二等辺三角形状とした場合と同様に、圧電変換振動子
Ｐａの静止板１０の外壁１１に対応する位置における最
大曲げ応力を圧電変換振動子Ｐａの全体に亘り与えるよ
うにするためである。
のもと、圧電変換振動子Ｐａの板厚を上述のように変化
させたのは、上記実施形態にて述べた圧電変換振動子Ｐ
を二等辺三角形状とした場合と同様に、圧電変換振動子
Ｐａの静止板１０の外壁１１に対応する位置における最
大曲げ応力を圧電変換振動子Ｐａの全体に亘り与えるよ
うにするためである。
【００３９】このため、金属板８０は、金属板２０と同
様の材料により、固定端部Ｐa1から先端部Ｐa2にかけて
順次薄くなるように形成されている。両圧電板９０、１
００は、両圧電板３０、４０と同一の圧電材料により形
成されており、これら各圧電板９０、１００はは、その
板厚方向への歪みにより圧電変換作用を発揮する。
様の材料により、固定端部Ｐa1から先端部Ｐa2にかけて
順次薄くなるように形成されている。両圧電板９０、１
００は、両圧電板３０、４０と同一の圧電材料により形
成されており、これら各圧電板９０、１００はは、その
板厚方向への歪みにより圧電変換作用を発揮する。
【００４０】両電極板９０ａ、１００ａは、両圧電板９
０、１００の外表面にそれぞれ貼り付けられている。な
お、両圧電板９０、１００及び両電極板９０ａ、１００
ａの各板厚はそれぞれ一定である。また、圧電変換振動
子Ｐａの自由端部Ｐa1には、上記実施形態にて述べた重
り５０が嵌着されている。その他の構成は上記実施形態
と同様である。
０、１００の外表面にそれぞれ貼り付けられている。な
お、両圧電板９０、１００及び両電極板９０ａ、１００
ａの各板厚はそれぞれ一定である。また、圧電変換振動
子Ｐａの自由端部Ｐa1には、上記実施形態にて述べた重
り５０が嵌着されている。その他の構成は上記実施形態
と同様である。
【００４１】このように構成した本変形例において、圧
電変換振動子Ｐａを力Ｆにて振動させると、圧電板９
０、１００が固定端部Ｐa1を基準に板厚方向に振動し、
電荷を発生する。ここで、上述のごとく、圧電変換振動
子Ｐａの板厚が固定端部から自由端部にかけて薄くなる
ように形成されている。このため、圧電変換振動子Ｐａ
の固定端Ｐa11 （上記固定端Ｐ11に対応する）と自由端
Ｐa21 との間の領域全体が固定端Ｐa11 における曲げ応
力σ、即ち、最大曲げ応力σO を均一に受けて振動す
る。従って、圧電板９０、１００の固定端と自由端との
間の領域全体が一様に上記最大曲げ応力に対応する最大
電荷量を発生する。
電変換振動子Ｐａを力Ｆにて振動させると、圧電板９
０、１００が固定端部Ｐa1を基準に板厚方向に振動し、
電荷を発生する。ここで、上述のごとく、圧電変換振動
子Ｐａの板厚が固定端部から自由端部にかけて薄くなる
ように形成されている。このため、圧電変換振動子Ｐａ
の固定端Ｐa11 （上記固定端Ｐ11に対応する）と自由端
Ｐa21 との間の領域全体が固定端Ｐa11 における曲げ応
力σ、即ち、最大曲げ応力σO を均一に受けて振動す
る。従って、圧電板９０、１００の固定端と自由端との
間の領域全体が一様に上記最大曲げ応力に対応する最大
電荷量を発生する。
【００４２】その結果、上記実施形態にて述べた作用効
果を確保しつつ圧電変換振動子Ｐａの発電効率を大幅に
向上できる。なお、圧電変換振動子Ｐａの形状は本変形
例にて述べたものに限ることなく、台形形状であればよ
い。なお、本発明の実施にあたり、圧電変換振動子Ｐ、
Ｐａのように平面形状や板厚形状を変化させる場合に限
らず、一般に、板状圧電変換振動子の形状を均等梁形状
に形成して実施してもよい。ここで、均等梁とは、圧電
変換振動子の固定端と自由端との間の領域全体に亘り受
ける曲げ応力が略均一となるように圧電変換振動子の形
状が形成されていることをいう。
果を確保しつつ圧電変換振動子Ｐａの発電効率を大幅に
向上できる。なお、圧電変換振動子Ｐａの形状は本変形
例にて述べたものに限ることなく、台形形状であればよ
い。なお、本発明の実施にあたり、圧電変換振動子Ｐ、
Ｐａのように平面形状や板厚形状を変化させる場合に限
らず、一般に、板状圧電変換振動子の形状を均等梁形状
に形成して実施してもよい。ここで、均等梁とは、圧電
変換振動子の固定端と自由端との間の領域全体に亘り受
ける曲げ応力が略均一となるように圧電変換振動子の形
状が形成されていることをいう。
【００４３】また、本発明の実施にあたり、圧電変換振
動子Ｐ、Ｐａの圧電板及び電極板は、無駄防止のため、
静止板１０及び重り５０の内部に入らないように短くし
て実施してもよい。また、本発明の実施にあたり、バイ
モルフ型圧電変換振動子Ｐ、Ｐａに限ることなく、ユニ
モルフ型圧板状電変換振動子（金属板の一側表面に圧電
板及び電極板を貼り付けたもの）に本発明を適用して実
施してもよい。
動子Ｐ、Ｐａの圧電板及び電極板は、無駄防止のため、
静止板１０及び重り５０の内部に入らないように短くし
て実施してもよい。また、本発明の実施にあたり、バイ
モルフ型圧電変換振動子Ｐ、Ｐａに限ることなく、ユニ
モルフ型圧板状電変換振動子（金属板の一側表面に圧電
板及び電極板を貼り付けたもの）に本発明を適用して実
施してもよい。
【００４４】具体的には、ユニモルフ型板状圧電変換振
動子の平面形状と二等辺三角形状としたり、当該圧電変
換振動子の板厚を圧電変換振動子Ｐａの板厚と同様に変
化させるようにしても、上記実施形態や変形例にて述べ
たと同様の作用効果を達成できる。なお、全波整流器６
０に代えて、半波整流器によりユニモルフ型板状圧電変
換振動子の圧電電圧を整流する。
動子の平面形状と二等辺三角形状としたり、当該圧電変
換振動子の板厚を圧電変換振動子Ｐａの板厚と同様に変
化させるようにしても、上記実施形態や変形例にて述べ
たと同様の作用効果を達成できる。なお、全波整流器６
０に代えて、半波整流器によりユニモルフ型板状圧電変
換振動子の圧電電圧を整流する。
【００４５】また、上記実施形態では、圧電変換振動子
Ｐの平面形状を二等辺三角形状とした例について説明し
たが、これに限らず、圧電変換振動子Ｐの平面形状を、
直角三角形状等の三角形状として実施してもよい。ま
た、本発明の実施にあたり、圧電変換振動子の形状は上
記実施形態や変形例にて述べた形状に限ることなく、圧
電変換振動子の固定端と自由端との間の領域全体に亘り
曲げ応力が均一にかかるようなものであれば、圧電変換
振動子の形状は、例えば、台形形状等であってもよい。
Ｐの平面形状を二等辺三角形状とした例について説明し
たが、これに限らず、圧電変換振動子Ｐの平面形状を、
直角三角形状等の三角形状として実施してもよい。ま
た、本発明の実施にあたり、圧電変換振動子の形状は上
記実施形態や変形例にて述べた形状に限ることなく、圧
電変換振動子の固定端と自由端との間の領域全体に亘り
曲げ応力が均一にかかるようなものであれば、圧電変換
振動子の形状は、例えば、台形形状等であってもよい。
【００４６】また、本発明の実施にあたっては、車両用
乗員保護システムのセンサ回路用に限らず、船舶等の各
種の移動体、産業機器、地震警報機、位置警報機等の電
源に本発明を適用して実施してもよい。
乗員保護システムのセンサ回路用に限らず、船舶等の各
種の移動体、産業機器、地震警報機、位置警報機等の電
源に本発明を適用して実施してもよい。
【図１】本発明の一実施形態を示す概略全体構成図であ
る。
る。
【図２】図１の圧電変換振動子を静止板に取り付けた状
態を示す斜視図である。
態を示す斜視図である。
【図３】図２の圧電変換振動子の拡大斜視図である。
【図４】図２の圧電変換振動子の固定端部から自由端部
にかけての領域における曲げ応力が最大値σO にて一定
であることを示すグラフである。
にかけての領域における曲げ応力が最大値σO にて一定
であることを示すグラフである。
【図５】上記実施形態の変形例を示す側面図である。
【図６】従来の圧電変換振動子の取り付け状態を示す斜
視図である。
視図である。
【図７】図６の圧電変換振動子の固定端部から自由端部
にかけての領域における曲げ応力が最大値σO から減少
する傾向を示すグラフである。
にかけての領域における曲げ応力が最大値σO から減少
する傾向を示すグラフである。
Ｐ、Ｐａ…圧電変換振動子、Ｐ11…固定端、Ｐ21…自由
端、１０…静止板、５０…重り、６０…全波整流器、７
０…コンデンサ。
端、１０…静止板、５０…重り、６０…全波整流器、７
０…コンデンサ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石切山 守 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内
Claims (13)
- 【請求項１】 静止部材（１０）に固定した固定端（Ｐ
11、Ｐa11 ）から延出し先端にて自由端（Ｐ22、
Ｐa22 ）を形成するバイモルフ型板状圧電変換振動子
（Ｐ、Ｐａ）であって前記固定端を基準とする板厚方向
への振動に応じて圧電出力を発生する圧電変換振動子
と、 この圧電変換振動子の前記自由端に設けられて当該圧電
変換振動子の振動を促す重り（５０）と、 前記圧電変換振動子の圧電出力を整流する整流手段（６
０）と、 この整流手段の整流出力を直流出力に平滑する平滑化手
段（７０）とを備えた圧電変換型電源において、 前記圧電変換振動子が前記固定端から前記自由端にかけ
て均等梁状に形成されていることを特徴とする圧電変換
型電源。 - 【請求項２】 静止部材（１０）に固定した固定端（Ｐ
11、Ｐa11 ）から延出し先端にて自由端（Ｐ22、
Ｐa22 ）を形成するユニモルフ型板状圧電変換振動子
（Ｐ、Ｐａ）であって前記固定端を基準とする板厚方向
への振動に応じて圧電出力を発生する圧電変換振動子
と、 この圧電変換振動子の前記自由端に設けられて当該圧電
変換振動子の振動を促す重り（５０）と、 前記圧電変換振動子の圧電出力を整流する整流手段（６
０）と、 この整流手段の整流出力を直流出力に平滑する平滑化手
段（７０）とを備えた圧電変換型電源において、 前記圧電変換振動子が前記固定端から前記自由端にかけ
て均等梁状に形成されていることを特徴とする圧電変換
型電源。 - 【請求項３】 前記圧電変換振動子が前記固定端から前
記自由端にかけて幅狭となるように一定の板厚にて形成
されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧
電変換型電源。 - 【請求項４】 前記圧電変換振動子が前記固定端から前
記自由端にかけて幅狭となるような三角形状に一定の板
厚にて形成されていることを特徴とする請求項１又は２
に記載の圧電変換型電源。 - 【請求項５】 前記圧電変換振動子の形状が二等辺三角
形状であることを特徴とする請求項４に記載の圧電変換
型電源。 - 【請求項６】 前記圧電変換振動子が前記固定端から前
記自由端にかけて板厚を薄くするように一定の幅にて形
成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の
圧電変換型電源。 - 【請求項７】 静止部材（１０）に固定端（Ｐ11、Ｐ
a11 ）にて固定されて延出し先端にて自由端（Ｐ22）を
形成するバイモルフ型板状圧電変換振動子（Ｐ、Ｐａ）
であって前記固定端を基準とする板厚方向への振動に応
じて圧電出力を発生する圧電変換型電源用圧電変換振動
子において、 前記固定端から前記自由端にかけて均等梁状に形成され
ていることを特徴とする圧電変換型電源用圧電変換振動
子。 - 【請求項８】 静止部材（１０）に固定端（Ｐ11、Ｐ
a11 ）にて固定されて延出し先端にて自由端（Ｐ22、Ｐ
a22 ）を形成するユニモルフ型板状圧電変換振動子
（Ｐ、Ｐａ）であって前記固定端を基準とする板厚方向
への振動に応じて圧電出力を発生する圧電変換型電源用
圧電変換振動子において、 前記固定端から前記自由端にかけて均等梁状に形成され
ていることを特徴とする圧電変換型電源用圧電変換振動
子。 - 【請求項９】 前記固定端から前記自由端にかけて幅狭
となるように一定の板厚にて形成されていることを特徴
とする請求項７又は８に記載の圧電変換型電源用圧電変
換振動子。 - 【請求項１０】 前記固定端から前記自由端にかけて幅
狭となるような三角形状に一定の板厚にて形成されてい
ることを特徴とする請求項７又は８に記載の圧電変換型
電源用圧電変換振動子。 - 【請求項１１】 前記三角形状が二等辺三角形状である
ことを特徴とする請求項１０に記載の圧電変換型電源用
圧電変換振動子。 - 【請求項１２】 前記固定端から前記自由端にかけて板
厚を薄くするように一定の幅にて形成されていることを
特徴とする請求項７又は８に記載の圧電変換型電源用圧
電変換振動子。 - 【請求項１３】 静止部材（１０）に固定端（Ｐ11、Ｐ
a11 ）にて固定されて延出し先端にて自由端（Ｐ22）を
形成するバイモルフ型板状圧電変換振動子（Ｐ、Ｐａ）
であって前記固定端を基準とする板厚方向への振動に応
じて圧電出力を発生する圧電変換型電源用圧電変換振動
子において、 前記固定端から前記自由端にかけて曲げ応力が略均一と
なるように形成されていることを特徴とする圧電変換型
電源用圧電変換振動子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33247196A JP3355971B2 (ja) | 1996-12-12 | 1996-12-12 | 圧電変換型電源及びその圧電変換振動子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33247196A JP3355971B2 (ja) | 1996-12-12 | 1996-12-12 | 圧電変換型電源及びその圧電変換振動子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10174462A true JPH10174462A (ja) | 1998-06-26 |
| JP3355971B2 JP3355971B2 (ja) | 2002-12-09 |
Family
ID=18255341
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33247196A Expired - Fee Related JP3355971B2 (ja) | 1996-12-12 | 1996-12-12 | 圧電変換型電源及びその圧電変換振動子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3355971B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| WO2010029715A1 (ja) | 2008-09-09 | 2010-03-18 | 株式会社村田製作所 | 圧電発電装置 |
| WO2011093179A1 (ja) * | 2010-02-01 | 2011-08-04 | 株式会社村田製作所 | 圧電発電装置 |
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| WO2012105368A1 (ja) * | 2011-02-04 | 2012-08-09 | 株式会社村田製作所 | 圧電発電装置 |
| KR101231226B1 (ko) * | 2011-09-07 | 2013-02-07 | 대구가톨릭대학교산학협력단 | 에너지 수확장치 |
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| JP2014225576A (ja) * | 2013-05-16 | 2014-12-04 | 国立大学法人神戸大学 | 圧電型振動発電装置 |
| JP2017158347A (ja) * | 2016-03-03 | 2017-09-07 | 孝彰 五十嵐 | 充電装置 |
-
1996
- 1996-12-12 JP JP33247196A patent/JP3355971B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| WO2010029715A1 (ja) | 2008-09-09 | 2010-03-18 | 株式会社村田製作所 | 圧電発電装置 |
| US8013497B2 (en) | 2008-09-09 | 2011-09-06 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Piezoelectric power generator |
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