(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の窓材と、この窓材の周囲を支持する枠材と、前記窓材と前記枠材との間に配置された圧電素子と、この圧電素子で発生した電荷を取り出す回路と、取り出した電荷を蓄積する蓄電装置と、を備え、
前記圧電素子は、厚み方向に対して圧力変動が生じると、厚み方向に分極現象が生じる分極処理が施された板状の圧電素子であり、かつ、表面に凹凸構造を有する板状形状をなすことを特徴とする発電機能を有する窓。
【請求項２】
板状の窓材と、この窓材の周囲を支持する枠材と、前記窓材と前記枠材との間に配置された圧電素子と、この圧電素子で発生した電荷を取り出す回路と、取り出した電荷を蓄積する蓄電装置と、を備え、
複数ｎ枚の板状の圧電素子を支持シート上に貼着し、これらｎ枚の圧電素子を直列接続してなる圧電素子ユニットを構成し、この圧電素子ユニットを前記窓材と前記枠材との間に配置したことを特徴とする発電機能を有する窓。
【請求項３】
板状の窓材と、この窓材の周囲を支持する枠材と、前記窓材と前記枠材との間に配置された圧電素子と、この圧電素子で発生した電荷を取り出す回路と、取り出した電荷を蓄積する蓄電装置と、を備え、
前記枠材の窓材支持面に埋め込み溝が掘られ、この埋め込み溝内に圧電素子が埋設され、前記窓材と前記枠材との間に封止用のパッキンが充填されていることを特徴とする発電機能を有する窓。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の窓において、
枠材が、窓材の表面周囲部に対向する表側フレーム部と、窓材の裏面周囲部に対向する裏側フレーム部と、窓材のエッジ面に対向するエッジフレーム部と、を有し、前記エッジフレーム部によって前記表側フレーム部と前記裏側フレーム部とが連結される構造をなし、
圧電素子が、前記表側フレーム部と前記窓材との間、前記裏側フレーム部と前記窓材との間、前記エッジフレーム部と前記窓材との間、のうちの一部もしくは全部に配置されていることを特徴とする発電機能を有する窓。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の窓において、
枠材がパチンコ遊技機の遊技領域前面に取り付けられており、窓材が前記遊技領域前面に配置された透明板からなり、遊技球の前記窓材に対する衝突エネルギーに基づく発電を行うことを特徴とする発電機能を有する窓。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の窓において、
枠材が車両の壁面に取り付けられており、窓材が車両の窓を構成し、車両の走行に起因して生じる前記窓材の振動エネルギーに基づく発電を行うことを特徴とする発電機能を有する窓。
【請求項７】
請求項５に記載の発電機能を有する窓を備えたパチンコ遊技機であって、
パチンコ台本体部に組み込まれた電装部品と、前記電装部品に電力を供給する電力供給装置と、を備え、
前記電力供給装置が、外部から供給される電力とともに前記発電機能を有する窓の蓄電装置に蓄積された電力を前記電装部品に供給することを特徴とするパチンコ遊技機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を利用した発電技術に関し、特に、窓の振動を利用して発電を行う技術に関する。本発明は、実用上、パチンコ遊技機の遊技面に設けられた窓や車両壁面に設けられた窓に適用すると効果的である。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化の防止や環境保護の見地から、石油に代わるエネルギー源への転換が急務となってきている。発電の分野では、地熱発電、風力発電、波力発電、太陽光発電などが脚光を浴びているが、圧電素子を用いた発電技術の研究もなされている。圧電素子は、機械的な変形が加わると電荷を発生させる素子であり、様々な力学的なエネルギーを電気エネルギーに変換する素子として、発電分野においても注目されつつある。圧電素子単体の発電量は比較的小さいが、日常生活の随所で見られる力学的な現象を発電に利用できる点において優れている。
【０００３】
たとえば、下記の特許文献１には、複数の圧電素子を積層構造にして、外力の作用によって同時に撓みが生じるようにし、発電量を増加させる技術が開示されている。また、特許文献２には、回転運動を往復運動に変換する機構を導入することにより、身近に存在する回転エネルギーを電気エネルギーとして取り出す技術が提案されており、特許文献３には、回転運動を板ばねの振動に変換して電気エネルギーを取り出す技術が開示されている。
【０００４】
一方、このような圧電素子を利用した発電装置を、ごく一般的な日常生活で利用するための具体的な方法についても、様々な提案がなされている。たとえば、下記の特許文献４には、床に設置する踏み板に圧電素子を組み込み、人間の歩行行為に基づいて発電を行うことができる装置が開示されている。また、特許文献５には、自動車のタイヤの回転エネルギーを圧電素子に供給し、自動車の走行時に発電を行う技術が提案されており、特許文献６には、受風板を圧電素子に取り付け、風力エネルギーを圧電素子に供給し、風力発電を行う技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−３１１５２９号公報
【特許文献２】特開２００８−２９５２７５号公報
【特許文献３】特開２００９−１０６１０４号公報
【特許文献４】特開２００８−２５８３４３号公報
【特許文献５】特開２００６−５４９５６号公報
【特許文献６】特開２００８−１８０１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、日常生活で身近に利用できる力学的エネルギーを圧電素子に供給して発電を行う新技術は、様々な形態のものが提案されている。しかしながら、これらの技術では、いずれも力学的エネルギーを圧電素子に供給するための専用の機械的な構造体が必要になるため、導入コストが高騰するという問題がある。また、そのような機械的な構造体を設置するためのスペースも必要になる。
【０００７】
たとえば、前掲の特許文献４に記載した技術では、踏み板式の構造体を歩行路に設置する必要があり、前掲の特許文献５に記載した技術では、タイヤの近傍に回転エネルギーを圧力変動に変換する構造体を取り付ける必要があり、前掲の特許文献６に記載した技術では、十分な面積をもった受風板を有する構造体を設置する必要がある。いずれの場合も、余分なコストと余分な設置スペースが必要になる。
【０００８】
そこで本発明は、より低コスト、より省スペースで導入することが可能な圧電素子を利用した発電設備を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
(1)   本発明の第１の態様は、板状の窓材と、この窓材の周囲を支持する枠材と、窓材と枠材との間に配置された圧電素子と、この圧電素子で発生した電荷を取り出す回路と、取り出した電荷を蓄積する蓄電装置と、によって発電機能を有する窓を構成し、
圧電素子として、厚み方向に対して圧力変動が生じると、厚み方向に分極現象が生じる分極処理が施された板状の圧電素子であって、かつ、表面に凹凸構造を有する板状形状をなす素子を用いるようにしたものである。
【００１３】
(2)   本発明の第２の態様は、板状の窓材と、この窓材の周囲を支持する枠材と、窓材と枠材との間に配置された圧電素子と、この圧電素子で発生した電荷を取り出す回路と、取り出した電荷を蓄積する蓄電装置と、によって発電機能を有する窓を構成し、
複数ｎ枚の板状の圧電素子を支持シート上に貼着し、これらｎ枚の圧電素子を直列接続してなる圧電素子ユニットを構成し、この圧電素子ユニットを窓材と枠材との間に配置するようにしたものである。
【００１４】
(3)   本発明の第３の態様は、板状の窓材と、この窓材の周囲を支持する枠材と、窓材と枠材との間に配置された圧電素子と、この圧電素子で発生した電荷を取り出す回路と、取り出した電荷を蓄積する蓄電装置と、によって発電機能を有する窓を構成し、
枠材の窓材支持面に埋め込み溝を掘り、この埋め込み溝内に圧電素子を埋設し、窓材と枠材との間に封止用のパッキンを充填するようにしたものである。
【００１５】
(4)   本発明の第４の態様は、上述の第１〜第３の態様に係る発電機能を有する窓において、
枠材が、窓材の表面周囲部に対向する表側フレーム部と、窓材の裏面周囲部に対向する裏側フレーム部と、窓材のエッジ面に対向するエッジフレーム部と、を有し、エッジフレーム部によって表側フレーム部と裏側フレーム部とが連結される構造をなし、
圧電素子が、表側フレーム部と窓材との間、裏側フレーム部と窓材との間、エッジフレーム部と窓材との間、のうちの一部もしくは全部に配置されているようにしたものである。
【００１６】
(5)   本発明の第５の態様は、上述の第１〜第４の態様に係る発電機能を有する窓において、
枠材をパチンコ遊技機の遊技領域前面に取り付け、窓材を遊技領域前面に配置された透明板によって構成し、遊技球の窓材に対する衝突エネルギーに基づく発電を行うようにしたものである。
【００１７】
(6)   本発明の第６の態様は、上述の第１〜第４の態様に係る発電機能を有する窓において、
枠材を車両の壁面に取り付け、窓材によって車両の窓を構成し、車両の走行に起因して生じる窓材の振動エネルギーに基づく発電を行うようにしたものである。
【００１８】
(7)   本発明の第７の態様は、上述の第５の態様に係る発電機能を有する窓を備えたパチンコ遊技機において、
パチンコ台本体部に組み込まれた電装部品と、この電装部品に電力を供給する電力供給装置と、を設け、
この電力供給装置が、外部から供給される電力とともに発電機能を有する窓の蓄電装置に蓄積された電力を電装部品に供給するようにしたものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、窓材と枠材との間に圧電素子を配置し、窓材の振動に基づいて圧電素子で発生した電荷を電気エネルギーとして取り出すようにしたため、より低コスト、より省スペースで導入可能な発電設備を実現することが可能になる。実社会において、窓は建物、車両、家具、遊戯具など、様々な物品に用いられており、いずれもガラスなどの板状素材からなる窓材の周囲部分を、枠材によって支持する構造を採る。しかも、窓材は枠材に対して、風、物体の衝突、その他の要因によって絶えず振動しているので、圧電素子には、常に、この振動エネルギーが供給されることになり、電気エネルギーが生成されることになる。本発明では、窓材と枠材との間に圧電素子を配置すればよいので、力学的なエネルギーを変換するための複雑な機構を設ける必要もなく、特別な設置スペースも不要である。
【００２４】
特に、窓材の表側、裏側、エッジ面に圧電素子を配置する実施形態では、窓の振動を効率良く圧電素子に伝えることができ、効率的な発電が可能になる。また、厚み方向に対して圧力変動が生じると、厚み方向に分極現象が生じる分極処理が施された圧電素子を用いると、枠材に沿って広い面積で圧電素子を配置することが可能になり、効率的な発電が可能になる。更に、表面に凹凸構造を有する板状形状をなす圧電素子を用いれば、当該凹凸構造を介して、圧電素子に効率的に振動を伝達させることができるようになる。
【００２５】
複数の板状の圧電素子を支持シート上に貼着し、これらを直列接続する実施形態では、個々の圧電素子の発生電圧を積算して取り出すことが可能になり、また、支持シート単位で取り扱うことが可能になるので、施工が容易になるメリットが得られる。
【００２６】
枠材の窓材支持面に埋め込み溝を掘り、この埋め込み溝内に圧電素子を埋設し、窓材と枠材との間に封止用のパッキンを充填する実施形態を採れば、窓材を交換する場合にも何ら支障は生じない。一方、窓材の表面に圧電素子を貼着する実施形態の場合は、圧電素子の貼り替えを行うようにすれば、やはり窓材を交換する場合にも何ら支障は生じない。いずれの場合も、窓材の振動は、封止用のパッキンを介して圧電素子に圧力変動として伝達されることになるので問題はない。
【００２７】
本発明に係る技術は、特に、パチンコ遊技機に応用した場合に著しい効果が得られる。パチンコ遊技機の遊技領域前面に取り付けられたガラス板などの窓材は、遊技中、常に遊技球の衝突にさらされることになり、大きな衝突エネルギーが加わる。したがって、この衝突エネルギーに基づく発電効率は、極めて高いものになる。しかも、圧電素子によって発電した電力は、そのままパチンコ遊技機の電装部品を駆動するための電力として利用することができるので、外部電力の消費を低減させる効果が得られる。
【００２８】
本発明に係る技術は、列車などの車両の窓に応用した場合にも、非常に有効である。走行中の車両の窓には、車両の振動がそのまま伝達されるため、一般の建物の窓に比べて、供給される振動エネルギーの量が著しく大きい。このため、車両の窓材の振動に基づく圧電素子の発電効率は極めて高いものになる。もちろん、発生した電力は、車両の駆動や電装部品の駆動に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の適用対象となる窓の基本構造を示す正面図である（ハッチングは、枠材によって隠れている窓材の周囲部分を示すものであり、断面を示すものではない）。
【図２】図１に示す窓に本発明を適用した状態を示す部分断面斜視図である。
【図３】図２に示す枠材の一部分に埋め込まれた圧電素子を示す斜視図である。
【図４】図２に示す断面の拡大図(a) と、その変形例(b) を示す図である。
【図５】表面に凹凸構造を有する板状圧電素子の例を示す正断面図である。
【図６】本発明に用いる圧電素子ユニットの配線状態を示す回路図である。
【図７】本発明に係る発電機能を有する窓の電気系統を示す回路図である。
【図８】本発明をパチンコ遊技機に応用した実施形態を示す正面図である。
【図９】図８に示す実施形態の電気系統を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００３１】
＜＜＜  §１．本発明の基本的実施形態  ＞＞＞
図１は、本発明の適用対象となる窓の基本構造を示す正面図である。図示のとおり、一般的な窓は、ガラスなどの素材からなる板状の窓材１００と、この窓材１００の周囲を支持する枠材２００によって構成されている。図にハッチングで示す部分は、枠材２００によって隠れている窓材１００の周囲部分を示すものであり、断面を示すものではない。図示の例のように、通常、矩形状の窓材１００の上辺、下辺、左辺、右辺の４辺が、それぞれ枠材２００によって支持される。一般的な窓の場合、これら各辺に沿って、封止用パッキンなどが充填されるが、窓材１００の振動を完全に除去することはできない。一般的には、封止用パッキンを充填しても、同調や共鳴による窓材１００の振動を防ぐことはできない。
【００３２】
図２は、図１に示す窓に本発明を適用した状態を示す部分断面斜視図である。図は、枠材２００の下辺の一部分を切り欠いて示したものに相当する。枠材２００は、矩形の板状部材からなる窓材１００の周囲を支持する役割を果たす。図示のとおり、この実施形態の場合、枠材２００は、窓材１００の表面周囲部に対向する表側フレーム部２１０と、窓材１００の裏面周囲部に対向する裏側フレーム部２２０と、窓材１００のエッジ面に対向するエッジフレーム部２３０と、を有しており、このエッジフレーム部２３０によって表側フレーム部２１０と裏側フレーム部２２０とが連結された構造をなす。
【００３３】
窓材１００の下辺は、表側フレーム部２１０、裏側フレーム部２２０、エッジフレーム部２３０によって囲まれた凹状部分に嵌め込まれた状態で支持される。この実施形態の場合、図示のとおり、表側フレーム部２１０、裏側フレーム部２２０、エッジフレーム部２３０には、それぞれ圧電素子３１０，３２０，３３０が埋め込まれている。別言すれば、圧電素子３１０は、表側フレーム部２１０と窓材１００との間に配置され、圧電素子３２０は、裏側フレーム部２２０と窓材１００との間に配置され、圧電素子３３０は、エッジフレーム部２３０と窓材１００との間に配置されている。
【００３４】
窓材１００と枠材２００との間の空間には、封止用のパッキン４００が充填されているが、窓材１００の振動は、このパッキン４００を介して圧電素子３１０〜３３０に伝達されることになる。なお、図２には、窓材１００の下辺部分しか示されていないが、窓材１００の上辺部分、右辺部分、左辺部分も同様の構成を有している。結局、図１にハッチングを施した領域に圧電素子が配置されることになる。
【００３５】
図３は、図２に示す枠材２００のうち、裏側フレーム部２２０およびエッジフレーム部２３０に埋め込まれた圧電素子３２０，３３０を示す斜視図であり、図２に示す構成から、表側フレーム部２１０を除去した状態を示す図に相当する。この例では、裏側フレーム部２２０に埋め込まれた圧電素子３２０は、４枚の板状圧電素子３２１〜３２４によって構成されており、エッジフレーム部２３０に埋め込まれた圧電素子３３０は、４枚の板状圧電素子３３１〜３３４によって構成されている。
【００３６】
板状の圧電素子３２１〜３２４，３３１〜３３４は、いずれも、その厚み方向に対して圧力変動が生じると、その厚み方向に分極現象が生じる電気的特性を有している。図４(a) は、図２に示す断面の拡大図である。この図において、圧電素子３１０および３２０は、板面が垂直方向を向くように配置された板状の圧電素子であり、その厚み方向、すなわち、図の水平方向に圧力変動が生じると、左右両面のうちの一方に正電荷、他方に負電荷が発生する電気的性質を示すような分極処理が施されている。これに対して、圧電素子３３０は、板面が水平方向を向くように配置された板状の圧電素子であり、その厚み方向、すなわち、図の垂直方向に圧力変動が生じると、上下両面のうちの一方に正電荷、他方に負電荷が発生する電気的性質を示すような分極処理が施されている。
【００３７】
このような特有の分極処理（厚み方向に対する圧力の変動が生じると、厚み方向に分極現象が生じる処理）を施した板状の圧電素子は、本発明に利用するのに好適である。すなわち、板状の圧電素子は、厚みが小さいので、図３に示すように、枠材２００の表面に沿って広い面積に渡って敷き詰めるのに適している。しかも、厚み方向に対する圧力変動に起因して分極現象が生じるので、図４(a) において、窓材１００が図の水平方向に振動した場合は、当該振動が、圧電素子３１０，３２０の全面に効率良く伝達され、効率的な発電が行われる。
【００３８】
また、窓材１００が図の垂直方向に振動した場合は、当該振動が、圧電素子３３０の全面に効率良く伝達され、効率的な発電が行われる。しかも、分極現象は、各板状圧電素子の厚み方向に生じるので、発生した電荷は、いずれも圧電素子の両側の板面（たとえば、図４(a) に示す圧電素子３１０，３２０の場合は、図の左右両面、圧電素子３３０の場合は、図の上下両面）に集まることになる。したがって、各圧電素子の両側の板面に電極を形成しておけば、この電極を利用して発生電荷を容易に取り出すことが可能になる。
【００３９】
一般に、窓材１００は枠材２００に対して、風、物体の衝突、その他の要因によって絶えず振動しているので、圧電素子には、常に、この振動エネルギーが供給されることになり、電気エネルギーが生成されることになる。しかも、本発明では、既存の窓の構造をそのまま利用し、窓材と枠材との間に圧電素子を配置する構成を採るだけでよいので、非常に低コストで発電設備の導入が可能になる。また、圧電素子は、窓材と枠材との間のスペースに組み込まれるため、省スペースでの導入が可能になる。
【００４０】
なお、圧電素子で発生した電荷を電力として利用できるようにするために、実用上は、図２や図３に例示する構成要素の他に、圧電素子で発生した電荷を取り出す回路と、取り出した電荷を蓄積する蓄電装置と、を設けるようにする（図では、このような回路に接続するための配線は省略されている）。こうして蓄電装置に得られた電力は、自己が所有する電気機器の駆動に用いることもできるし、電力会社へ売電してもよい。
【００４１】
一般に、圧電素子は、押圧力が加わった場合と、引っ張り力が加わった場合とで、発生する電荷極性が逆転する性質を有している。たとえば、図４(a) に示す例において、窓材１００が左方向に移動して、圧電素子３１０に対して水平方向への押圧力が作用したときに、圧電素子３１０の左側面に形成した電極に正電荷が、右側面に形成した電極に負電荷が、それぞれ発生したとする（この発生電荷の極性は、圧電素子の製造プロセスで行った分極処理に依存して決まる）。この場合、逆に窓材１００が右方向に移動して、圧電素子３１０に対して水平方向への引っ張り力が作用したときには（パッキン４００が、圧電素子３１０の表面および窓材１００の表面に接着されていた場合には、このような引っ張り力が作用することになる）、発生電荷の極性が逆転して、圧電素子３１０の左側面に形成した電極に負電荷が、右側面に形成した電極に正電荷が、それぞれ発生することになる。
【００４２】
したがって、圧電素子で発生した電荷を取り出す回路は、各圧電素子で発生する電荷の極性を考慮して、各圧電素子を直列もしくは並列接続した上で整流する回路によって構成するのが好ましい。必要に応じて、インバータや各種コンバータ、コントロールユニットなどを介して、安定した電力蓄積処理が行われるようにするとよい。また、取り出した電荷を蓄積する蓄電装置としては、バッテリやキャパシタなどの一般的な蓄電器を用いればよい。
【００４３】
＜＜＜  §２．様々な変形例に係る実施形態  ＞＞＞
ここでは、§１で述べた基本的実施形態についてのいくつかの変形例を述べることにする。
【００４４】
（１）  圧電素子の配置
これまで述べてきた図２，図３，図４(a) に示す基本的実施形態の場合、枠材２００（表側フレーム部２１０，裏側フレーム部２２０，エッジフレーム部２３０）の、窓材１００を支持するための支持面（内側の面）に、それぞれ埋め込み溝が掘られ、この埋め込み溝内に圧電素子３１０，３２０，３３０を埋設し、窓材１００と枠材２００との間に封止用のパッキン４００を充填する構造を採っている。このような構造を採ると、窓材１００を容易に交換できるメリットが得られる。
【００４５】
すなわち、図４(a) を見ればわかるとおり、圧電素子３１０，３２０，３３０は、表側フレーム部２１０，裏側フレーム部２２０，エッジフレーム部２３０の内側面を構成し、枠材２００の一部として機能するので、構造上は、従来の一般的な窓の構造と同じになる。したがって、ガラスが破損した場合など、窓材１００を交換する必要が生じた場合でも、従来の窓と同様の作業で、交換を行うことが可能である。もちろん、各圧電素子に対する配線を、枠材２００の内側面に形成しておけば、窓材１００の交換作業が配線によって妨げられることもない。
【００４６】
これに対して、図４(b) は、変形例となる実施形態の構造を示す断面拡大図である。この変形例では、圧電素子３１０′，３２０′，３３０′を、窓材１００の表面に貼着する構造を採る。窓材１００と枠材２００との間に封止用のパッキン４００が充填される点は、これまでの実施形態と同様である。また、各圧電素子３１０′，３２０′，３３０′が、それぞれ表側フレーム部２１０と窓材１００との間、裏側フレーム部２２０と窓材１００との間、エッジフレーム部２３０と窓材１００との間に配置される点も、これまでの実施形態と同様である。
【００４７】
この変形例では、圧電素子が窓材１００側に貼着されているため、窓材１００を交換する必要が生じた場合は、一旦、圧電素子（およびその配線）を取り外して、新しい窓材１００に貼り付ける作業を行う必要があるので、窓材１００の交換を行う上では、若干、労力が増すことになる。しかしながら、枠材２００側には埋め込み溝を掘る必要はなく、従来の枠材２００をそのまま利用することが可能である。
【００４８】
もちろん、本発明を実施する上での圧電素子の配置は、図４(a) ，(b) に限定されるものではない。本発明の基本概念は、板状の窓材と、この窓材の周囲を支持する枠材と、を備えた窓を利用して発電を行うことにあり、窓材の振動に基づいて圧電素子で発生した電荷を電気エネルギーとして取り出すことにある。したがって、圧電素子は、窓材と枠材との間の空間に配置されていれば足りる。
【００４９】
また、図４(a) ，(b) に示す実施形態では、いずれも、表側フレーム部２１０と窓材１００との間、裏側フレーム部２２０と窓材１００との間、エッジフレーム部２３０と窓材１００との間にそれぞれ圧電素子を配置しているが、必ずしもこれらの位置すべてに圧電素子を配置する必要はなく、その一部にのみ配置するようにしてもかまわない。
【００５０】
（２）  封止用パッキン
圧電素子は、両面に加えられた圧力の変動に基づいて電荷を発生させる素子であり、圧電素子自身を単に振動させても、当該振動エネルギーが直接電気エネルギーに変換されるわけではない。したがって、本発明を実施する上では、窓材１００の振動を圧電素子に対する圧力変動として効率良く伝える必要がある。図４(a) に示す例の場合、窓材１００の振動は、パッキン４００を介して圧電素子３１０，３２０，３３０へ圧力変動として伝達されることになる。一方、図４(b) に示す例の場合は、圧電素子３１０′，３２０′，３３０′が窓材１００とともに振動することになるが、パッキン４００が充填されているため、当該振動によって、各圧電素子に圧力変動が生じることになる。
【００５１】
このように、いずれの場合も、窓材１００の振動エネルギーが、封止用のパッキン４００を介して圧電素子に圧力変動として伝達され、電気エネルギーに変換されることになる。なお、パッキン４００が高い弾性をもった材料から構成されていると、窓材１００の振動エネルギーがパッキン４００によって吸収されてしまうことになり、圧電素子へ十分な圧力変動を伝達することができなくなる。したがって、実用上は、パッキン４００として、できるだけ振動を吸収しない材料を用いるのが好ましい。一般的な窓枠用のパッキンとしては、天然ゴム、ゴムスポンジ、合成ゴムなどが利用されているが、これらの材料の中では、スチレンブタジエンゴムなどの合成ゴムが、最も効率的な発電が可能なパッキンと考えられる。
【００５２】
なお、密閉する必要がない窓の場合（たとえば、家具用の窓、室内の仕切り用建具の窓、§３で述べるパチンコ遊技機用の窓など）は、パッキン４００を省くことも可能である。パッキン４００を充填しないと、パッキンの代わりに空気が満たされることになるが、空気を介して窓材の振動を圧電素子に圧力変動として伝えることは困難になる。しかしながら、窓材と枠材との空隙スペースを狭め、窓材の振動によって、圧電素子に直接圧力振動が伝達されるようにすれば、本発明の実施に不都合は生じない。
【００５３】
たとえば、図４(a) に示す例の場合、パッキン４００が充填されている空間が空気で満たされていたとしても、窓材１００の振幅が十分大きければ（逆に言えば、空気で満たされている空間が十分小さければ）、窓材１００が圧電素子３１０，３２０，３３０に直接接触することになるので、その衝撃によって電荷が発生することになる。図４(b) に示す例の場合も、パッキン４００が充填されている空間が空気で満たされていたとしても、窓材１００の振動によって、圧電素子３１０′，３２０′，３３０′が枠材２００に直接接触することになるので、その衝撃によって電荷が発生することになる。このような直接的な接触による衝撃は、むしろパッキン４００を介した衝撃よりも大きくなるので、密閉する必要がなく、かつ、窓材の振動音発生が問題とならないような環境では、パッキン４００の充填を省略するのが好ましい。
【００５４】
（３）  圧電素子への凹凸構造の形成
図５は、表面に凹凸構造を有する板状圧電素子の例を示す正断面図である。図５(a) に示す板状圧電素子３４０は、上面に所定ピッチで突起部３４１を設けることにより凹凸構造を形成した例であり、図５(b) に示す板状圧電素子３５０は、上面に所定ピッチで溝部３５１を掘ることにより凹凸構造を形成した例である。いずれも、厚み方向に対して圧力変動が生じると、厚み方向に分極現象が生じる分極処理が施された板状の圧電素子である。
【００５５】
このように表面に凹凸構造を有する板状圧電素子を用いると、凸部に応力が集中するようになるため、圧電素子に効率的に振動を伝達させることができるようになる。すなわち、全体的に同じ圧力変動が加えられたとしても、凸部により大きな撓みが生じることになり、発電効率を高めることが可能になる。図５には、上面に凹凸構造を形成した例を示したが、もちろん、上下両面に凹凸構造を形成してもよい。
【００５６】
（４）  圧電素子ユニットの構成
図３には、８枚の独立した圧電素子３２１〜３２４，３３１〜３３４をそれぞれ枠材２００に形成された埋め込み溝に嵌め込んだ例が示されているが、実用上は、複数ｎ枚の板状の圧電素子を支持シート上に貼着し、これらｎ枚の圧電素子を直列接続してなる圧電素子ユニットを構成し、この圧電素子ユニットを窓材と枠材との間に配置するのが好ましい。
【００５７】
このように、複数ｎ枚の板状の圧電素子を支持シート上に貼着した圧電素子ユニットを用意しておけば、支持シート単位で取り扱うことが可能になるので、窓材や枠材に圧電素子を取り付ける際の施工が容易になるメリットが得られる。また、ｎ枚の圧電素子を直列接続して圧電素子ユニットを構成すれば、個々の圧電素子の発生電圧をｎ段積算して取り出すことが可能になり、発電電圧を高めることができるようになる。直列接続する段数ｎは、起電力の大きさを決定するパラメータになるので、実用上は、所望の起電力が得られるように、段数ｎを適宜調整するようにする。
【００５８】
図６は、４組の圧電素子３０１〜３０４を直列接続することにより、圧電素子ユニット５００を構成した例を示す回路図である。この場合、４組の圧電素子３０１〜３０４は、同一の支持シート上に貼り付けられており、１枚のシート状部材として取り扱うことができる。しかも、各圧電素子による発生電荷の極性を考慮して、４組の圧電素子が直列接続されている。図に示す極性符号＋，−は、窓材１００がある特定の方向に移動した場合に、各圧電素子に発生する電荷の極性を示すものである。窓材１００が逆方向に移動するなどして、加わる力の方向が逆転した場合には、これらの極性は逆転する。
【００５９】
一般に、個々の圧電素子にどのような極性の電荷が発生するかは、各圧電素子に製造プロセスで施された分極処理と、各圧電素子に加わる力の向き（押圧力か引っ張り力か）に依存して決まる事項であるが、図示のとおり、窓材１００がある特定の方向に移動した場合に、発生電荷が積算されるような直列接続を行っておけば、図示の配線用端子Ｔ１，Ｔ２間に生じる電圧は、常に、４つの圧電素子で発生した電圧の和になる。
【００６０】
実用上は、このような圧電素子ユニット５００を複数組配置し、これらを適宜、直列接続もしくは並列接続して、全圧電素子の発生電荷を積算し、整流回路を介して蓄電装置へと導くような回路を構成するのが好ましい。
【００６１】
図７は、このような回路構成の一例を示す回路図である。図示のブロック５１１〜５４３は、いずれも図６に示すような圧電素子ユニット５００であり、４組の圧電素子を直列接続した構成を有する。図７に示す例の場合、各行にはそれぞれ３組の圧電素子ユニット５００が直列接続されている。たとえば、回路図の１行目に示すユニット５１１，５１２，５１３は、いずれも図６に示す圧電素子ユニット５００と同等の構成要素であり、結局、この１行目の回路は、１２組の圧電素子を直列接続した構成になっている。もちろん、直列接続は、各ユニットでの発生電圧が加算されるように、極性を考慮した接続となっている。
【００６２】
図７に示す２行目、３行目、４行目の回路も、同様に３組の圧電素子ユニットを極性を考慮して直列接続したものである。そして、これら４行の回路が、相互に並列接続され、その両端が整流回路６００に接続されている。上述したとおり、この４行の回路それぞれは、１２組の圧電素子の発生電圧を加算して出力する機能を有しているが、窓板１００の移動状態によって、その極性が逆転することになるので、結局、窓板１００の振動によって生成される電力は交流電力になる。整流回路６００は、このような交流電力を整流して蓄電装置７００に供給する機能を果たす。したがって、蓄電装置７００には、直流電力が蓄積されることになり、必要に応じて、この蓄電装置７００に蓄積した直流電力を、図示しない何らかの装置に供給して利用することができる。
【００６３】
＜＜＜  §３．パチンコ遊技機等への適用  ＞＞＞
本発明では、窓材に伝わる風力エネルギー、窓材に対する物体の衝突エネルギー、もしくは枠材が取り付けられた母体の振動エネルギーに基づいて圧電素子に圧力変動を加え、発電を行うことになる。したがって、本発明は、建物、家具、遊戯具、車両など、様々な物品に用いられている窓に広く適用可能な技術である。しかしながら、建物や家具などに利用されている一般的な窓の場合、風などによって窓材が振動するものの、この風による振動エネルギーはそれほど大きなものではなく、発電量もそれほど大きなものにはならない。ここでは、本発明を用いた効率的な発電を行うことができる具体的な適用例を述べることにする。
【００６４】
本願発明者が、本発明を利用するのに最適であろうと考えている適用対象は、パチンコ遊技機である。図８は、本発明をパチンコ遊技機に応用した実施形態を示す正面図である。図示のとおり、一般的なパチンコ遊技機は、パチンコ台本体部１０の上段部分に遊技基板２０を配置し、この遊技基板２０の手前に透明板３０（通常はガラス板）を取り付けた構造を有する。遊技領域Ｐは、この遊技基板２０上に設けられたフィールドであり、入賞口Ａ，大入賞口Ｂ，アウト口Ｃ，ディスプレイＤなどの遊技部品が配置される。透明板３０の周囲は、台枠４０によって、パチンコ台本体部１０に取り付けられる。一方、パチンコ台本体部１０の下段部分には、遊技球トレイ５０が設けられ、多数の金属製遊戯球が収容される。この遊技球トレイ５０内の遊戯球は、打球ハンドル６０の操作によって、上方へと弾かれ、遊技領域Ｐへと導かれる。
【００６５】
遊技基板２０と透明板３０とは、遊技球の直径より若干大きな所定距離をおいて、互いにほぼ平行になるように配置されており、打球ハンドル６０の操作によって遊技領域Ｐへと導出された遊技球は、遊技基板２０と透明板３０との間の間隙空間を落下してゆき、最終的に、入賞口Ａ，大入賞口Ｂ，アウト口Ｃなどに入り、遊技基板２０の裏面へと排出される。遊技領域Ｐの天頂部へと導出された遊技球は、遊技領域Ｐ上に配置されたピンなどの障害物に衝突しながら落下してゆくことになるが、このとき、透明板３０に何度となく衝突することになる。通常、遊技領域Ｐ上に留まっている遊技球は複数存在するので、透明板３０は、この複数の遊技球からの衝突エネルギーを受けて絶えず振動した状態になる。
【００６６】
このパチンコ遊技機の透明板３０（ガラス板）および台枠４０は、これまで述べてきた窓の窓材１００および枠材２００に相当する構成要素に他ならない。すなわち、§１で述べた基本的実施形態に係る枠材２００が、パチンコ遊技機の遊技領域Ｐの前面に取り付けられた台枠４０であり、窓材１００がこの遊技領域Ｐの前面に配置された透明板３０ということになるので、このパチンコ遊技機に本発明を適用すれば、遊技球の窓材１００（透明板３０）に対する衝突エネルギーに基づく発電を行うことが可能になる。
【００６７】
透明板３０は、その周囲が台枠４０に嵌め込まれており、この嵌合部の構造は、基本的には、図２に示す構造と同様である。すなわち、台枠４０は、透明板３０の表面周囲部に対向する表側フレーム部と、透明板３０の裏面周囲部に対向する裏側フレーム部と、透明板３０のエッジ面に対向するエッジフレーム部と、を有し、このエッジフレーム部によって表側フレーム部と裏側フレーム部とが連結される構造をなす。そこで、圧電素子を、台枠４０と透明板３０との間に配置すれば、より具体的には、表側フレーム部と透明板３０との間、裏側フレーム部と透明板３０との間、エッジフレーム部と透明板３０との間（これらのうちの一部でもよい）に配置すれば、透明板３０の振動に起因して、圧電素子に電荷が発生するので、この圧電素子で発生した電荷を取り出す回路と、取り出した電荷を蓄積する蓄電装置と、を設けておけば、発電装置として利用することが可能になる。
【００６８】
上述したとおり、パチンコ遊技機の遊技領域Ｐの前面に取り付けられた透明板３０は、遊技中、常に遊技球の衝突にさらされることになり、大きな衝突エネルギーを受ける。したがって、この衝突エネルギーに基づく発電効率は、極めて高いものになる。なお、パチンコ遊技機の場合、密閉する必要がなく、かつ、透明板３０の振動音発生がそれほど問題にはならないので、パッキン４００の充填は省略することができる。
【００６９】
現在普及している一般的なパチンコ遊技機には、電力による駆動を前提とした様々な電装部品が組み込まれている。たとえば、図８に示す例の場合、ディスプレイＤや打球ハンドル６０に基づく打球機構は、電力で駆動する電装部品である。この他にも、遊技基板２０上に取り付けられたランプや鳴動装置なども、電力で駆動する電装部品である。このように、パチンコ台本体部に組み込まれた電装部品を有するパチンコ遊技機には、この電装部品に電力を供給する電力供給装置が必要になる。通常、電力供給装置は、外部から与えられる商用交流電力を変圧整流して、直流電力に変換し、これを各電装部品に供給する機能をもっている。
【００７０】
このような一般的なパチンコ遊技機に本発明を適用する場合には、電気系統として、圧電素子で発生した電荷を取り出す回路と、取り出した電荷を蓄積する蓄電装置と、を設けた上で、電力供給装置が、外部から供給される電力とともに蓄電装置に蓄積された電力を電装部品に供給するようにするのが好ましい。そうすれば、圧電素子によって発電した電力を、そのままパチンコ遊技機の電装部品を駆動するための電力として利用することができるので、外部電力の消費を低減させる効果が得られる。
【００７１】
図９は、そのような実施形態の電気系統を示すブロック図である。図に示す圧電素子ユニット５００、整流回路６００、蓄電装置７００は、たとえば、図７の回路図に示す各構成要素と同一の要素であり、透明板３０の振動エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄積する機能を果たす。一方、電力供給装置８００は、外部交流電源７５０から与えられる交流電力を、直流電力に変換し、これをパチンコ用電装部品９００に供給する機能を果たすとともに、蓄電装置７００に蓄積された電力をパチンコ用電装部品９００に供給する機能を果たす。
【００７２】
すなわち、この図９に示す電気系統では、パチンコ用電装部品９００に対して、２系統の電力供給がなされることになる。第１の系統は、外部交流電源７５０からの供給電力であり、第２の系統は、蓄電装置７００からの供給電力である。ここで、蓄電装置７００からの供給電力は、遊技行為によって生じた透明板３０の振動エネルギーに基づくものであり、もともとは無駄に消費されていたエネルギーである。
【００７３】
この電力供給装置８００の制御動作は、ハイブリッド自動車の電装部品への電力供給制御に似ている。ハイブリッド自動車は、エンジンの動力に基づく発電機能を有し、発電した電力をバッテリーに蓄積する機能を有している。そして、蓄積した電力が十分な場合には、当該電力によってモータを駆動して車輪を回転させ、エンジンの燃料消費を抑制し、蓄積した電力が不十分な場合には、燃料を供給してエンジンを駆動する制御を行うことになる。
【００７４】
図９に示す電力供給装置８００は、パチンコ用電装部品９００の消費電力を、蓄電装置７００からの供給電力で十分に賄うことができる場合には、外部交流電源７５０からの供給電力を利用しない制御を行い、蓄電装置７００からの供給電力では不十分な場合には、外部交流電源７５０からの供給電力を利用する制御を行うことになる。したがって、ハイブリッド自動車の燃費が改善されるのと同様に、外部交流電源７５０からの電力消費を低減させることができる。
【００７５】
以上、パチンコ遊技機に本発明を適用する例を述べたが、本発明は、この他にも、スマートボールなどの遊技機や、スロットマシンなどの回胴式遊技機など、いわゆる台枠によってガラスなどの透明板を支持する構造をもった遊技機に広く適用可能である。
【００７６】
また、本発明は、列車などの車両の窓に応用した場合にも、非常に有効である。列車などの車両の壁面に取り付けられた枠材と、この枠材に嵌め込まれた車両の窓を構成する窓材を、§１で述べた枠材２００および窓材１００として利用すれば、車両の走行に起因して生じる窓材の振動エネルギーに基づく発電を行うことができる。走行中の車両の窓には、車両の振動がそのまま伝達されるため、一般の建物の窓に比べて、供給される振動エネルギーの量が著しく大きい。このため、車両の窓材の振動に基づく圧電素子の発電効率は極めて高いものになる。こうして発生した電力は、上述したパチンコ遊戯機と同様に車両駆動用モータや電装部品に供給することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１０：パチンコ台本体部
２０：遊技基板
３０：透明板
４０：台枠
５０：遊技球トレイ
６０：打球ハンドル
１００：窓材
２００：枠材
２１０：表側フレーム部
２２０：裏側フレーム部
２３０：エッジフレーム部
３０１〜３０４：圧電素子
３１０，３１０′：圧電素子
３２０，３２０′，３２１〜３２４：圧電素子
３３０，３３０′，３３１〜３３４：圧電素子
３４０：板状圧電素子
３４１：突起部
３５０：板状圧電素子
３５１：溝部
４００：封止用パッキン
５００：圧電素子ユニット
５１１〜５４３：圧電素子ユニット
６００：整流回路
７００：蓄電装置
７５０：外部交流電源
８００：電力供給装置
９００：パチンコ用電装部品
Ａ：入賞口
Ｂ：大入賞口
Ｃ：アウト口
Ｄ：ディスプレイ
Ｐ：遊技領域
Ｔ１，Ｔ２：配線用端子
【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】
0005504830.tif 000007
【図７】
0005504830.tif 000008
【図８】
0005504830.tif 000009
【図９】
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