(57)【要約】【課題】設置場所についての制約が少なく、しかも十分な発電量が得られるようにし、これによって実用性を高めた発電装置を提供する。【解決手段】一対の電極６、６間に圧電材料からなる圧電層７を有した圧電素子２と、圧電素子２に接続する振動板３と、振動板３に対して供給される流体に対して、流体の流れの向きを、振動板３の面方向と非平行になるように整流する整流板４と、を含む発電装置１である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極間に圧電材料からなる圧電層を有した圧電素子と、
前記圧電素子に接続する振動板と、
前記振動板に対して供給される流体に対して、該流体の流れの向きを、前記振動板の面方向と非平行になるように整流する整流板と、を含むことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
一対の電極間に圧電材料からなる圧電層を有した圧電素子と、
前記圧電素子に接続する振動板と、
前記圧電素子と前記振動板とを収容する筐体と、
前記筐体に設けられて該筐体内に流体を導入するとともに、該流体の流れの向きを、前記振動板の面方向と非平行になるように整流する入口及び出口と、を含むことを特徴とする発電装置。
【請求項３】
前記圧電素子とこれに接続する振動板とを複数備えてなり、
前記複数の振動板は、その面方向が全て前記流体の流れの向きに対して非平行に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記圧電素子は、板状又は柱状に形成されてなるとともに、その一端側が固定端となり、他端側が自由端となるように片持ち状に設けられてなり、
前記振動板は、前記自由端側で前記圧電素子に接続していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項５】
前記振動板は、可撓性を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動によって発電する発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題がクローズアップされ、特に電力節減や電池レスのニーズが高まっている。一方、流通革命化によるＲＦ−ＩＤ（無線ＩＣタグ）や、生活安全等目的のセンサーネットワーク、ペーパーレス化の一貫としての店頭用電子ペーパーＰＯＰ（商用札）などが提案され、その普及が望まれている。ところが、これらＲＦ−ＩＤや店頭用電子ペーパーＰＯＰには電池が必要であり、前述の環境問題に加え、これらＲＦ−ＩＤ等には電池交換の必要性のため、設置場所が制約されるといった課題がある。
【０００３】
従来、環境エネルギーの利用としては太陽光発電が一般的である。しかし、太陽光発電の場合、夜間や屋内の低照度エリアでは発電できないため、屋外に設置される太陽電池では、蓄電池を併設せざるを得ないのが現状である。
また、太陽光発電以外の発電素子（発電装置）として、振動型の発電素子が知られている。この発電素子は、圧電材料を利用し、運動エネルギーを電気に変換するものである。このような圧電材料を利用した発電機として、圧電素子に錘をつけ、機械的な振動によってピエゾ効果により発電するタイプのものが、提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３１２２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記の発電機では、単純な基本構造であるため、十分な発電量を得るのが難しいといった課題がある。すなわち、圧電素子は、得られる発電量が振動数にほぼ比例して増加するようになっているため、多くの発電量を得るには振動数を多くする必要がある。ところが、前記の発電機では、振動数を多くするための手法が開示されておらず、したがって実用性が低いものとなっている。
【０００６】
本発明は前記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、設置場所についての制約が少なく、しかも十分な発電量が得られるようにし、これによって実用性を高めた発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発電装置は、一対の電極間に圧電材料からなる圧電層を有した圧電素子と、
前記圧電素子に接続する振動板と、
前記振動板に対して供給される流体に対して、該流体の流れの向きを、前記振動板の面方向と非平行になるように整流する整流板と、を含むことを特徴としている。
【０００８】
この発電装置によれば、整流板によって流体の流れが振動板の面方向と非平行になるようにしたので、振動板に対して供給される空気等の流体が振動板の面に確実に当たるようになり、したがって振動板を介して圧電素子がより良好に振動するようになる。よって、圧電素子はより多く振動することで、十分な発電量が得られるようになる。また、太陽光などによることなく、自然風や屋内での空調による微風などによって容易に振動するようになるため、その設置場所についても制約が少ないものとなる。
【０００９】
また、本発明の別の発電装置は、一対の電極間に圧電材料からなる圧電層を有した圧電素子と、
前記圧電素子に接続する振動板と、
前記圧電素子と前記振動板とを収容する筐体と、
前記筐体に設けられて該筐体内に流体を導入するとともに、該流体の流れの向きを、前記振動板の面方向と非平行になるように整流する入口及び出口と、を含むことを特徴としている。
【００１０】
この発電装置によれば、筐体に設けられた入口及び出口によって流体の流れが振動板の面方向と非平行になるようにしたので、筐体の入口から導入されて振動板に対して供給される空気等の流体が振動板の面に確実に当たるようになり、したがって振動板を介して圧電素子がより良好に振動するようになる。よって、圧電素子はより多く振動することで、十分な発電量が得られるようになる。また、太陽光などによることなく、自然風や屋内での空調による微風などによって容易に振動するようになるため、その設置場所についても制約が少ないものとなる。
【００１１】
また、前記発電装置においては、前記圧電素子とこれに接続する振動板とを複数備えてなり、前記複数の振動板は、その面方向が全て前記流体の流れの向きに対して非平行に配置されているのが好ましい。
このように複数の圧電素子を備えるようにすれば、個々の圧電素子で発電された量の合計が発電装置全体での発電量となるため、より多くの発電量が得られるようになる。
【００１２】
また、前記発電装置においては、前記圧電素子は、板状又は柱状に形成されてなるとともに、その一端側が固定端となり、他端側が自由端となるように片持ち状に設けられてなり、前記振動板は、前記自由端側で前記圧電素子に接続しているのが好ましい。
このようにすれば、流体を受けて振動する振動板の振動が自由端側に伝えられることにより、圧電素子は自由端側でより多く振動するようになる。
【００１３】
また、前記発電装置において、前記振動板は、可撓性を有しているのが好ましい。
このようにすれば、振動板が撓んでこれ自身が振動することにより、その振動が圧電素子に伝わることで、圧電素子は大きな振動を連続的に生じるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る発電装置の、概略構成を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【図４】整流回路の一例を示す図である。
【図５】本発明に係る発電装置の、概略構成を示す平面図である。
【図６】図５に示した発電装置の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明を詳しく説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明における発電装置の、第１実施形態の概略構成を示す平面図、図２は、図１のＡ−Ａ線矢視断面図、図３は、図１のＢ−Ｂ線矢視断面図である。これらの図において符号１は発電装置であり、この発電装置１は、複数の圧電素子２と、これら圧電素子２のそれぞれに接続する振動板３と、各振動板３の両側に設けられた整流板４とを備え、全体が筐体５に収容されたものである。
【００１６】
圧電素子２は、一対の電極６、６間に圧電材料からなる圧電層７を有したもので、本実施形態では細長い矩形板状（短冊状）に形成されたものである。圧電層７を形成する圧電材料としては、特に限定されることなく従来公知のものが用いられ、例えばチタン酸ジルコン酸鉛[Ｐｂ（Ｚｒ−Ｔｉ）Ｏ３]などが好適に用いられる。電極６、６についても、例えば白金など、一般的な電極材料が用いられる。なお、本実施形態では、図１中において矢印Ｘ方向に圧電層７が振動し、曲げ変形するように、該圧電層７の結晶配向が形成されておいる。したがって、この矢印Ｘ方向における両側に、それぞれ電極６が配設されている。
【００１７】
また、圧電素子２は、筐体５内においてその一部、例えば図３に示すように底面に形成された支持部８に、片持ち状に支持されたもので、支持部８に支持された一端側が固定端２ａとなり、他端側が自由端２ｂとなっている。このような構成のもとに圧電素子２は、その自由端２ｂ側でより大きく振動し、この振動が固定端２ａ側に伝わるようになっている。そして、このように振動することにより、圧電素子２はその電極６、６間に電流が流れ、電力を生じるようになっている。
【００１８】
振動板３は、図３に示すように樹脂や金属、シリコン等の無機材料などからなる略矩形板状のもので、前記圧電素子２の上面に、連結部材９を介して接続されたものである。連結部材９は、特に振動板３が金属等の導電体からなっている場合には、樹脂やシリコン酸化物等の絶縁材料によって形成されたもので、圧電素子２の自由端２ｂ側に連結されたものである。このような構成によって振動板３は、連結部材９を介して圧電素子２の自由端２ｂ側に接続されたものとなっている。
【００１９】
また、この振動板３は、板状を維持しつつ、それ自身が撓んで振動するように可撓性を有しているのが好ましい。したがって、本実施形態では、振動板３はその材質に応じて適宜な厚さ（薄厚）に形成されており、これによって外力が加えられることで容易に撓むようになっている。
【００２０】
また、このような振動板３を接続した各圧電素子２は、図１、図２に示すようにその短辺方向（図１中の矢印Ｘ方向）に沿って整列配置されている。したがって、振動板３も、圧電素子２と同様に整列配置され、その面方向が互いに平行となるように配置されている。ただし、本実施形態では、振動板３はその面方向が、圧電素子２の長辺方向に一致することなく、該長辺方向に対して非平行、すなわち該長辺方向に対して所定の角度（例えば５°〜３０°程度の鋭角）で交差するように配置されている。
【００２１】
振動板３の両側には、整流板４が配置されている。これら整流板４は、本実施形態ではその面方向が圧電素子２の長辺方向と平行になるように配置されている。したがって、これら整流板４は、その面方向が振動板３の面方向に対して非平行になっている。また、これら整流板４は、配列された圧電素子２の外側に位置する圧電素子２に対して、それぞれその外側に配置され、さらに、隣り合う圧電素子２、２間に一つずつ配置されている。これにより、整流板４は全ての振動板３に対して、その両側にそれぞれ配置されたものとなっている。
【００２２】
なお、これら整流板４は、例えば図２に示すように筐体５の底面と上面との間に取り付けられ、これによって筐体５内を仕切ることで、各圧電素子２とその振動板３とからなる発電要素毎に区画している。
筐体５は、本実施形態では四角筒状に形成されたもので、図１、図２に示すように一方の側の開口５ａが前記圧電素子２の固定端２ａ側に位置し、他方の側の開口５ｂが前記圧電素子２の自由端２ｂ側に位置するように、該筐体５内に圧電素子２、振動板３、整流板４を収容しあるいは一体に取り付けたものである。
【００２３】
そして、本実施形態では、図１に示すように特に一方の側の開口５ａ側が空気等の流体の入口として機能し、他方の側の開口５ｂが流体の出口として機能するように配置される。ただし、これら入口と出口が入れ替わり、他方の側の開口５ｂ側から流体が流入し、一方の側の開口５ａから流体が流出してもよい。
【００２４】
前記圧電素子２は、図３に示したようにその固定端２ａ側が支持部８に支持されている。支持部８は、筐体５の底部に設けられた樹脂材料や無機材料等の絶縁材料からなるもので、その上部で前記固定端２ａを支持してここに固定したものである。この支持部８には、その内部に整流回路が設けられている。整流回路は、例えば図４に示すようにブリッジダイオード１０からなるもので、圧電素子２のそれぞれに対応して設けられ、各圧電素子２の電極６、６にそれぞれ端子（図示せず）や配線（図示せず）を介して接続されたものである。
【００２５】
また、支持部８内には、図１に示すように前記の各ブリッジダイオード１０（整流回路）に接続する接続配線１１、１２が設けられている。接続配線１１、１２は、各ブリッジダイオード１０の正負それぞれの端子に接続したもので、筐体５の底部に設けられた貫通電極（図示せず）を介して外部端子１５、１６にそれぞれ接続している。これにより、各圧電素子２で発電されて得られた交流電力が各ブリッジダイオード１０で整流され、さらに得られた直流の電力が接続配線１１、１２を介して外部端子１５、１６から出力されるようになっている。
なお、このような構成の発電装置１を製造するにあたっては、特に圧電素子２や連結部材９、振動板３、支持部８について、従来の一般的なＭＥＭＳ技術を利用するようにしてもよい。
【００２６】
この発電装置１によって発電を行うには、例えば図１に示した開口５ａ側が空気（流体）の流入側となるようにして配置する。（もちろん、開口５ｂ側が空気の流入側となるようにしてもよい。）すなわち、開口５ａを自然風が吹いてくる方向に向け、あるいは空調による風が吹いてくる方向に向ける。すると、風（空気）が開口５ａから流入することにより、この流入した風は隣り合う整流板４、４間に通って開口５ｂから流出する。
【００２７】
その際、風は整流板４、４によって案内され（整流され）、これら整流板４、４の面方向に沿って流れることから、この風は振動板３の一方の面に確実に当たるようになる。つまり、整流板４は、前述したようにその面方向が振動板３の面方向に対して非平行になっているため、これら整流板４、４によって案内され整流された風（空気）の流れは、振動板３の面方向と非平行になる。したがって、整流された風（空気）が振動板３の一方の面に確実に当たるようになり、これによって振動板３が図１中のＸ方向に振動するようになる。そして、このような振動板３の振動が圧電素子２に伝わることにより、圧電素子２もより良好に振動するようになる。
【００２８】
すなわち、圧電素子２は片持ち状に設けられており、振動板３が圧電素子２の自由端２ｂ側に接続しているので、風を受けて振動する振動板３の振動が、圧電素子２の自由端２ｂ側に伝えられるようになる。すると、圧電素子２は自由端２ｂ側でより多く振動し、これが固定端２ａ側に伝わるようになる。また、振動板３は可撓性を有しているので、この振動板３が撓んでこれ自身が振動する。つまり、振動板３は風を受けると弾性変形して撓むが、ある程度撓むと弾性復帰によって元の状態に戻るようになり、これが繰り返されることで振動し、例えば共振を起こす。
【００２９】
そして、このような振動が圧電素子２に伝わることで、圧電素子２は大きな振動を連続的に生じ、例えば共振するようになる。したがって、風が止んでもしばらくは振動板３が振動し続けることにより、この振動を受けて圧電素子２も振動し、発電し続けるようになる。
【００３０】
また、特に図１に示したように、隣り合う整流板４、４間に配置される振動板３を、筐体５の入口となる開口５ａ側では整流板４、４間を二分する位置となるようにし、出口となる開口５ｂ側では一方の整流板４側に近接した位置となるように配置することにより、ベルヌーイの原理により、振動板３がより良好に振動するようになる。すなわち、開口５ａ側では振動板３によって整流板４、４間が二分されているので、開口５ａから流入した風は振動板３の両側においてそれぞれ同じ流速で流入する。
【００３１】
ところが、振動板３は傾いて配置されており、したがって開口５ｂ側では振動板３に対して一方の整流板４側が他方の整流板４側に対して狭くなっている。よって、この狭くなっている側では流速が速くなり、広くなっている側では流速が遅くなる。すると、流速が遅くなった側では流速が速くなった側に比べて圧が低くなり、圧力差が生じる。そして、このような圧力差により、振動板３はより他方の整流板４側に撓むようになり、良好に振動するようになるのである。
【００３２】
よって、圧電素子２はより多く振動することで、十分な発電量が得られるようになる。また、太陽光などによることなく、自然風や屋内での空調による微風などによって容易に振動するようになるため、夜間や日陰でも発電が十分に可能になるなど、その設置場所についても制約が少ないものとなる。
したがって、この発電装置１をＲＦ−ＩＤ（無線ＩＣタグ）やセンサーネットワーク、店頭用電子ペーパーＰＯＰ（商用札）などの電源として用いることにより、電池レス化を可能にし、さらに電力節減によって環境への負荷を大幅に軽減することができる。
【００３３】
図５は、本発明における発電装置の、第２実施形態の概略構成を示す平面図であり、図５において符号２０は発電装置である。この発電装置２０が図１〜図３に示した発電装置１と異なるところは、整流板４を備えていない点と、筐体５の入口５ｃ及び出口５ｄが、各圧電素子２及び振動板３毎に設けられている点である。
【００３４】
すなわち、本実施形態の発電装置２０では、図６に示すように四角筒状の筐体５の一方の開口５ａに、複数の仕切り２１が縦方向（複数の圧電素子３の整列方向と直交する方向）に延びて形成され、かつ、整列配置された圧電素子２の隣り合う圧電素子２、２間に配置されている。また、図示しないものの、筐体５の他方の開口５ｂにも、同様に複数の仕切り２１が形成配置されている。そして、本実施形態では、図５に示すように圧電素子２の固定端２ａ側（開口５ａ側）に入口５ｃが形成され、圧電素子２の自由端２ｂ側（開口５ｂ側）に出口５ｄが形成されている。
【００３５】
これら入口５ｃ、出口５ｄは、それぞれ、圧電素子２に対応する位置（圧電素子２の長辺方向における延長線上の位置）に形成配置されたもので、圧電素子２の短辺の幅にほぼ一致する幅で開口したものである。したがって、各圧電素子２及びこれに接続する振動板３毎に設けられた入口５ｃ及び出口５ｄは、互いに対向して配置されたことにより、筐体５内に風（空気）を導入するとともに、この風（空気）の流れの向きを、振動板３の面方向と非平行になるように整流するものとなっている。
【００３６】
つまり、筐体５はその開口５ａから開口５ｂまでの長さが例えば数ｍｍ〜数十ｃｍ、好ましくは１ｃｍ〜３ｃｍ程度と比較的小さいため、入口５ｃに流入した風はこの入口５ｃに対向する出口５ｄに向かって流れるようになる。したがって、入口５ｃとこれに対向する出口５ｄは、流入した風を圧電素子２の長辺方向に沿って流すように働き、風の流れを振動板３の面方向と非平行になるように、整流するものとなっているのである。
【００３７】
この発電装置２０によって発電を行う場合にも、図１に示した発電装置１と同様に、入口５ｃを形成した開口５ａ側が空気（流体）の流入側となるようにして配置する。すると、風（空気）は各入口５ｃから流入することにより、この流入した風は対応する出口５ｄに向かい、ここから流出する。
その際、風は入口５ｃから出口５ｄに向かうことにより、この風（空気）の流れが振動板３の面方向と非平行になっているので、この風は振動板３の一方の面に確実に当たるようになる。したがって、振動板３が図５中のＸ方向に振動するようになり、このような振動板３の振動が圧電素子２に伝わることにより、圧電素子２もより良好に振動するようになる。
【００３８】
そして、このような振動が圧電素子２に伝わることで、圧電素子２は大きな振動を連続的に生じ、例えば共振するようになる。したがって、前記の発電装置１と同様に、風が止んでもしばらくは振動板３が振動し続けることにより、この振動を受けて圧電素子２も振動し、発電し続けるようになる。
よって、圧電素子２はより多く振動することで、十分な発電量が得られるようになる。また、太陽光などによることなく、自然風や屋内での空調による微風などによって容易に振動するようになるため、夜間や日陰でも発電が十分に可能になるなど、その設置場所についても制約が少ないものとなる。
したがって、この発電装置２０にあっても、これをＲＦ−ＩＤ（無線ＩＣタグ）やセンサーネットワーク、店頭用電子ペーパーＰＯＰ（商用札）などの電源として用いることにより、電池レス化を可能にし、さらに電力節減によって環境への負荷を大幅に軽減することができる。
【００３９】
なお、この発電装置２０や前記発電装置１を太陽電池と併用すれば、太陽光や照明光、自然風や空調風を全て発電源とすることができ、日中や夜間、天候、設置場所等に大きく影響されることなく、常時発電を行うことができる。したがって、これら発電装置１、２０と太陽電池とを併用した電源を用いれば、ＲＦ−ＩＤ（無線ＩＣタグ）やセンサーネットワークなどについて、電池交換の心配が無いなど、その電源を心配することなく長期の使用が可能になる。
【００４０】
また、これら発電装置１、２０は、例えば携帯電話の電源としても有望となるなど、小型で低消費電力の機器に対し、電池交換が不要な電源供給システムを提供することができる。
さらに、これら発電装置１、２０を大型化し、またはこれらを多数備えたシステムとすることにより、発電量をさらに多くすることが可能になる。したがって、これらを例えばＬＳＤなどの低消費電力光源と組み合わせることにより、電気供給が困難な山間地や高地、過疎地、乾燥地帯などにおける有効な光源設備として機能させることができる。
また、これら発電装置１、２０を小型ＣＣＤカメラモジュールやメモリーと組み合わせ、防犯カメラやセンサーシステムを構成することにより、これら防犯システムをあらゆる箇所に複数設置し、防犯ネットワークを構築することも可能になる。
【００４１】
なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、前記実施形態では圧電素子２を複数備えるようにしたが、一つの圧電素子２のみによって本発明の発電装置を構成するようにしてもよい。また、複数の圧電装置２を、その短辺方向に沿って配列させたが、例えばその長辺方向に沿って整列配置させ、したがって振動板３についても圧電素子２の配列方向に整列配置させてもよい。
【００４２】
その際、特に圧電素子２を一列に整列配置した場合には、筐体５の側壁を整流板として機能させることができる。また、一方の側の開口と他方の側の開口とを、風（空気）の流れの向きを整流する入口及び出口として機能させることができる。
また、前記実施形態では流体として風（空気）を用いる例を示したが、例えば空気以外のガスを流体とし、これを発電源として用いることもでき、さらには、水等の液体からなる流体についても、これを発電源として用いることもできる。
【００４３】
また、前記実施形態では、振動板３を、その連結部材９介して圧電素子２のみに接続させたが、例えば、連結部材９に接続する側と反対の側を、筐体５や支持部８に接続させてもよい。このようにすれば、振動板３を安定した状態に保持することができる。
また、前記実施形態では、図１〜図３に示したように、振動板３を鉛直方向に立てた状態のものについて説明したが、振動板３を、水平方向に寝かした状態で配置してもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００４４】
１、２０…発電装置、２…圧電素子、２ａ…固定端、２ｂ…自由端、３…振動板、４…整流板、５…筐体、５ａ、５ｂ…開口、５ｃ…入口、５ｄ…出口、６…電極、７…圧電層、２１…仕切り
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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