(57)【要約】  【課題】  複数の異なる方向の振動にそれぞれ対応して発電を可能にした小形・軽量・安価な発電装置を提供する。  【解決手段】  本発明の発電装置１００は、まず、チタン製シート基材１０の一端側を鈎型に曲げる。次いで、チタン製シート基材１０の両面にＰＺＴからなる圧電体膜１５と,電気エネルギー取り出し用の金電極１６を順次、積層してなる圧電体シート２０を形成する。次ぎに圧電体シート２０の他端側を片持ち支持し、前記圧電体シート２０上に球錘３０を転動可能に搭載した構成。これにより、圧電体シート２０の水平部２１は略鉛直方向（Ｚ軸方向）の振動により発電でき、鈎型に曲げた垂直部２２は略水平で前後方向（Ｘ軸方向）の振動と球錘３０の衝突とで撓み発電できる。【選択図】  図２
2010004652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端側を鈎型に曲げた圧電体シートの他端側を片持ち支持し、前記圧電体シート上に球錘を転動可能に搭載したことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
圧電体シートを片持ち支持する保持ケースの一端側が凹面をなし、前記凹面と対向して配設する締結金具とで自転車のハンドルまたは自転車のフレームのいずれか一方に取り付け可能にしたことを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
一端側を鈎型に曲げた圧電体シートを複数並べて他端側を各々片持ち支持し、前記各圧電体シート上に球錘を各１個ずつ転動可能に搭載するとともに、前記球錘が相互に干渉せぬよう区分する手段を備えたことを特徴とする発電装置。
【請求項４】
両端を鈎型に曲げた圧電体シートの中央部を固定支持し、前記圧電体シート上に球錘を転動可能に搭載したことを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体シートを片持ち梁の構造に固定支持し、複数の軸方向の振動にそれぞれ対応して発電を可能にした発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧電式発電装置としては、片持ち梁の構造を用いたものや、円形バイモルフなどが用いられている。例えば、片持ち固定支持した圧電体を励振し、自由振動させて発電を行うものとして特開平０７−０４９３８８号公報が提案されている。
また、圧電素子と衝撃体を用いた構成として特開２０００−２８７４６４号公報が提案されている。
【特許文献１】特開平０７−０４９３８８号公報
【特許文献２】特開２０００−２８７４６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１においては、一軸方向のみの振動たとえば略鉛直方向（Ｚ軸方向）の振動により発電するもので、発電効率が悪かった。特許文献２においても一軸方向のみの振動にしか対応できず、起電する振動板は円盤状の金属板の両面に円盤状の圧電素子を接着剤で貼り付けるなど構成が複雑であった。さらに、特許文献２において前記振動板は両持ち支持構造であった。
【０００４】
本発明は、片持ち梁の構造を用い、複数の軸方向の振動たとえば略水平な前後方向（Ｘ軸方向）の振動と、略鉛直方向（Ｚ軸方向）の振動との２つに対応して発電を可能にし、発電効率を向上させた発電装置を提供することを目的とする。また、発電装置を乗り物たとえば自転車等のハンドルやフレームに取り付け、自転車の走行過程で生じる振動により無負荷で発電することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明にかかる第一の発電装置は、一端側を鈎型に曲げた圧電体シートの他端側を片持ち支持し、前記圧電体シート上に球錘を転動可能に搭載したことを特徴としたもので、これにより略水平方向と略鉛直方向の２軸方向の振動にそれぞれ対応して発電でき発電効率の向上を図れる。複数の異なる軸方向の振動により発電できるので装置を小形・軽量化できる。
【０００６】
さらに本発明にかかる前記発電装置において、圧電体シートを片持ち支持する保持ケースの一端側が凹面をなし、前記凹面と対向して配設する締結金具とで自転車のハンドルまたは自転車のフレームのいずれか一方に取り付け可能にしたことを特徴としたもので、これにより自転車の走行過程で生じる振動により無負荷で発電できる。
【０００７】
さらに本発明にかかる第二の発電装置は、一端側を鈎型に曲げた圧電体シートを複数並べて他端側を各々片持ち支持し、前記各圧電体シート上に球錘を各１個ずつ転動可能に搭載するとともに、前記球錘が相互に干渉せぬよう区分する手段を備えたことを特徴としたもので、これにより複数の圧電体シートを同時に発電でき、前記第一の発電装置より更に大きな起電力が得られる。
【０００８】
さらに本発明にかかる第三の発電装置は、両端を鈎型に曲げた圧電体シートの中央部を固定支持し、前記圧電体シート上に球錘を転動可能に搭載したことを特徴としたもので、これにより球錘が両端の鈎型に曲げた垂直部に衝突し発電する。即ち、自転車等にブレーキをかけた場合だけでなく、停止状態から発進させた際、または走行を加速させた場合にも鈎型に曲げた垂直部が慣性で撓み振動する。また、球錘が前後の鈎型に曲げた垂直部に衝突して垂直部を撓ませ発電する。当然のことながら、水平部(片持ち梁部)は上下方向の振動により発電する。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成により本発明の発電装置は、略水平で前後方向（Ｘ軸方向）の振動と略鉛直方向（Ｚ軸方向）の振動とにそれぞれ対応して発電でき発電効率の向上を図れる。圧電体膜を配設してなるシート基材をチタンやステンレス鋼などの金属薄板で構成した場合、プレス加工により安価に量産できる。また、複数の異なる方向の振動により発電できるので装置を小形・軽量化できる。さらに、厚さ１μｍ〜数μｍの圧電体膜を１０層〜２０層の多層膜で構成した場合、衝撃体(球錘)の衝突や圧電体シートの振動に際し、圧電体膜の亀裂や剥離を生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
発本明にかかる発電装置は上述の通りである。圧電体膜を配設するシート基材は厚さ１００μｍ程度の金属薄板で構成するのが好ましい。例えば、ばね鋼板、リン青銅板、ニッケル板、チタン板、ステンレス鋼板などから選んだ一つとするのが好ましい。金属部材で構成することにより圧電体膜から電気エネルギーを取り出す電極を兼ねられる。また、プレス加工によりシート基材の曲げ加工、外形打ち抜き加工などを容易に行え、発電装置を安価に量産できる。なお、圧電体膜とシート基材の間に白金などの良導体を厚さ０．０５μｍ〜０．２μｍ程度に介在させる構成としてもよい。
【００１１】
前記シート基材の片面または両面に配設する圧電体は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(ＰＺＴ)などのチタンを含有する複合酸化物などとした。圧電体の膜厚は１μｍ〜数μｍに配設するのが好ましい。圧電体の配設手段としては、化学溶液法、スパッタリング法、イオンプレーテイング法、ＣＶＤ法、水熱合成法など任意の手段を選べばよい。圧電体として薄膜を積層して構成する場合、１０層以上、好適には１０層〜２０層で所望の１μｍ〜数μｍ厚さに構成するのが好ましい。薄膜を積層することにより圧電体シートの湾曲、振動等に際し圧電体膜の亀裂や剥離等を防止できる。
【００１２】
圧電体膜に積層配設するもう一方の電気エネルギー取り出し用電極としては金、白金、アルミニウム、銅、ニッケルなどの金属部材から選んだ一つ,またはその組み合わせとし、電極厚さは０．０５μｍ〜０．５μｍ程度とするのが好ましい。
【００１３】
圧電体シート上に転動可能に搭載され、前記圧電体シートの鈎型に曲げた垂直部に衝撃を与える,または励振するための球錘は一般的な鋼球、ゴム部材からなる球体、表面をゴムコーティングした鋼球、樹脂球体などから選んだ一つとするのが好ましい。
なお、本発明の発電装置に加える振動数は生活上発生しやすい数十ヘルツ〜数百ヘルツの範囲とするのが好ましい。
【００１４】
さらに、圧電体シートを片持ち支持する場合、前記圧電体シートをゴム弾性体等で挟持するのが好ましい。これにより圧電体膜の亀裂・剥離を防止し、励振する。さらに、圧電体シートを収納する保持ケースと蓋体は量産容易な樹脂成形により構成するのが好ましい。
【実施例１】
【００１５】
以下、本発明の一実施例における発電装置を図面とともに説明する。図１は本発明の一実施例における発電装置であって蓋体を取り外した状態の平面図、図２は図１を切断線Ｓ―Ｓで切断した断面図、図３は図１の発電装置を構成する圧電体シートの平面図、図４は図１を切断線Ｓ１―Ｓ１で切断した拡大断面図を示す。
【００１６】
図１〜図４において本発明の発電装置１００は、まず、チタン製シート基材１０の一端側を鈎型に折り曲げる。次いで、チタン製シート基材１０の両面にＰＺＴからなる圧電体膜１５と,電気エネルギー取り出し用の金電極１６を順次、積層してなる圧電体シート２０を形成する。次ぎに圧電体シート２０の他端側を片持ち支持し、前記圧電体シート２０上に球錘３０を転動可能に搭載した構成とした。
【００１７】
詳しくは、まず、チタン製シート基材１０にスリット１７を設けシート基材１０を大部分にわたって二分した。なお、端部は所定長さで連結した状態を保っている。次いで、スリットで二分した側の端部を所定長さにわたって鈎型に略９０度曲げ加工した。その後、チタン製シート基材１０の両面に化学溶液法を用いチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体膜１５を配設した。次いで圧電体膜１５に重ねて電気エネルギー取り出し用の金電極１６を積層した。これにより本発明装置に用いる略L字状の圧電体を二つ並列状に備えた圧電体シート２０が形成される。
【００１８】
前記チタン製シート基材１０はたとえば幅約４２mm、厚さを約１００μｍ、チタン酸ジルコン酸鉛を２０層積み重ねて厚さ約１．３μｍの圧電体膜を構成した。片持ち梁の水平部２１長さを約３５mm、鈎型に曲げた垂直部２２長さを約２０mmとした。金電極１６の厚さは約０．０５μｍとした。スリット１７の幅は約２mmで、分断後の各シート幅はそれぞれ約２０mmとした。
【００１９】
前記鈎型に曲げ加工した圧電体シート２０を保持ケース４０の段差部と蓋体５０の延設部とで弾性ゴム６０を介し片持ち支持した。図２に示すように、鈎部は上向きに配置されている。さらに、前記二分された各圧電体シート２０上にABS樹脂からなる球錘３０を各１個ずつ転動可能(フリー状態)に搭載した。球錘３０の直径は約１０mmとした。当然のことながら各球錘３０は相互に干渉せぬよう、蓋体５０に設けた仕切り５１により区分されている。これにより本発明の発電装置１００が完成する。
【００２０】
次に、自転車のハンドルに前記発電装置１００を取り付ける場合の一例を説明する。前記保持ケース４０の一端側は略半球の凹面４１を備えた形状に構成されている。この凹面４１と対向配置した締結金具７０とで自転車のハンドルを挟持し、ネジ締結により固定した。締結金具７０も略半球の凹面を備えている。図１において二点鎖線は自転車のハンドル８０示す。
【００２１】
上記構成により自転車を走行させると、圧電体シート２０の水平部２１は略鉛直方向（Ｚ軸方向）の上下振動により発電する。また、自転車にブレーキ等がかかった場合、折り曲げ部(垂直部２２)は慣性で自転車の走行方向に撓む。さらに、球錘３０が慣性で圧電体シート２０の折り曲げ部(垂直部２２)に衝突し、折り曲げ部(垂直部２２)を撓ませる。その結果、折り曲げ部(垂直部２２)においても発電する。即ち、折り曲げ部(垂直部２２)は略水平で前後方向（Ｘ軸方向）の振動及び球錘３０の衝突等により撓んで発電する。Ｘ軸方向の振動は自転車の始動、停止ブレーキ、加速等により発生する。
【００２２】
このように本発明装置は、Ｘ軸方向とＺ軸方向の振動にそれぞれ対応して発電でき発電効率の向上を図れる。その結果、発電装置を小形化できる。シート基材をチタン金属等で構成した場合、プレス加工による曲げ、打ち抜き加工等を可能にし、圧電体シートを安価に量産できる。
【００２３】
なお、本発明装置の取り付け対象は自転車のハンドルの他、自転車のフレームなど任意の部位としてよいことは自明である。乗り物も自転車に限定されない。さらに、人体に取り付けて歩行や運動により発電させるようにしてもよい。
【実施例２】
【００２４】
図５は本発明のもう一つの実施例における発電装置の概念の断面図を示す。符号２４０は保持ケース、２５０は蓋体、２４５は圧電体シート２２０を押圧固定する保持板を示す。この場合の発電装置２００は、あたかも片持ち梁を前後(図５では左右)に対称形に連結したかの構成であって、基本的には実施例１と同様の構成である。具体的には、両端を鈎型に曲げた圧電体シート２２０の中央部を固定支持し、前記圧電体シート２２０上に一つの球錘２３０を転動可能に搭載したものである。
【００２５】
圧電体シート２２０は実施例１の場合と同様、チタン製シート基材の両面に化学溶液法を用いチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体膜を配設した。次いで圧電体膜に重ねて電気エネルギー取り出し用の金電極を積層した(図示せず)。球錘２３０も実施例１と同様に直径は約１０mm のABS樹脂で構成した。球錘２３０は一つで共用し水平部の全域にわたって転動する。始動、ブレーキ操作、加速等により前後の折り曲げ部(垂直部)に衝突し発電する。
【００２６】
上記構成により発電装置２００は、自転車の始動、停止ブレーキ、加速等により折り曲げ部(垂直部)は前後（Ｘ軸方向）に振動して発電する。加えて、球錘２３０は前後の折り曲げ部(垂直部)に交互に衝突し発電する。また、自転車の走行過程で生じる上下振動（Ｚ軸方向）によって水平部(片持ち梁部に相当)が振動し発電する。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明にかかる発電装置は自転車などの各種乗り物に取り付けて発光ダイオード等を点灯または点滅させられる。また、引き戸やドアに取り付けても発電できる。さらに、各種携帯用機器の電源などに利用できる。さらに、発電装置の他に振動センサとしても利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施例における発電装置であって蓋体を取り外した状態の平面図
【図２】図１を切断線Ｓ―Ｓで切断した断面図
【図３】図１の発電装置を構成する圧電体シートの平面図
【図４】図１を切断線Ｓ１―Ｓ１で切断した拡大断面図
【図５】本発明のもう一つの実施例における発電装置の概念の断面図
【符号の説明】
【００２９】
１０  シート基材
１５  圧電体膜
１６  電極
１７  スリット
２０、２２０  圧電体シート
２１  水平部
２２  垂直部(折り曲げ部)
３０、２３０  球錘
４０、２４０  保持ケース
４１  凹面
５０、２５０  蓋体
５１  仕切り
６０  弾性ゴム
７０  締結金具
７５  ネジ
８０  ハンドル
１００、２００  発電装置
２４５  保持板
【図１】
2010004652.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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