(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の外枠部材の内壁面上に配列された複数の圧電素子と；
前記外枠部材の中心軸を回転中心軸として回転する回転軸部材と；
前記複数の圧電素子上に設けられ、前記外枠部材の中心軸と平行な中心軸を有した円筒状の圧力伝達部材と；
前記回転軸部材に一端部が固定され、他端部が前記回転軸部材の回転に伴って前記圧力伝達部材上を移動するとともに、前記回転に起因して発生する遠心力により、前記圧力伝達部材を押圧する押圧部材と；を備え、
前記押圧部材は、
前記一端部を含み、前記圧力伝達部材に向かって延びる第１棒状部材と；
前記第１棒状部材の前記圧力伝達部材側の端部に、前記圧力伝達部材に近付く方向及びその反対方向に移動可能なように接続された第２棒状部材と；
前記第２棒状部材の前記第１棒状部材側とは反対側の端部に接続され、前記他端部を含む接触部材と；を備える、
ことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記第２棒状部材は、前記中心軸と平行な軸を回転中心軸として回動可能に、前記第１棒状部材の前記圧力伝達部材側の端部に接続される、ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記接触部材は、前記中心軸と平行な軸を回転中心軸として回動可能に、前記第２棒状部材の前記第１棒状部材側とは反対側の端部に接続される、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】
前記接触部材は、前記中心軸と平行な軸を中心軸とする円柱状部材である、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】
前記回転軸部材には、前記回転軸部材の円周方向に沿って、複数の前記押圧部材が固定されている、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。
【請求項６】
前記回転軸部材には、前記中心軸と平行な方向に沿って、複数の前記押圧部材が固定されている、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項７】
前記圧力伝達部材の前記中心軸側表面には、潤滑性材料による摩擦低減化処理が施されている、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項８】
円筒状の外枠部材の内壁面上に配列された複数の圧電素子と；前記外枠部材の中心軸を回転中心軸として回転する回転軸部材と；前記複数の圧電素子上に設けられ、前記外枠部材の中心軸と平行な中心軸を有した円筒状の圧力伝達部材と；前記回転軸部材に一端部が固定され、他端部が前記回転軸部材の回転に伴って前記圧力伝達部材上を移動するとともに、前記回転に起因して発生する遠心力により、前記圧力伝達部材を押圧する押圧部材と；を備え、前記押圧部材が、前記一端部を含み、前記圧力伝達部材に向かって延びる第１棒状部材と；前記第１棒状部材の前記圧力伝達部材側の端部に、前記圧力伝達部材に近付く方向及びその反対方向に移動可能なように接続された第２棒状部材と；前記第２棒状部材の前記第１棒状部材側とは反対側の端部に接続され、前記他端部を含む接触部材と；を備える発電装置において使用される発電方法であって、
前記回転軸部材を回転させる回転工程と；
前記回転軸部材の回転により前記接触部材を前記圧力伝達部材上の円周方向に沿って移動させつつ、前記回転に起因して発生する遠心力を利用して、前記接触部材により前記圧力伝達部材を押圧する押圧工程と；
を備えることを特徴とする発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置及び発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境の維持改善のために、なるべく環境負荷の少ない発電装置の開発が盛んに行われている。こうした発電装置の一つとして、圧電素子に印加する圧力を連続的に変化させることで発電する発電装置がある。【０００３】
かかる圧電素子を用いた発電装置の一つとして、複数の圧電体からなる圧電ブロック体と、回転体と、それぞれがバネにより回転体に外向きに付勢した状態で取り付けられた支持部材と、当該支持部材の先端に回転自在に支持されたローラとからなる発電装置が提案されている（特許文献１参照：以下、「従来例という」）。この従来例の発電装置では、回転体の回転に基づいて、ローラが順次圧電ブロックに乗り上げ、バネが発生する付勢力により圧電ブロックを加圧する。この周期的な加圧により、圧電ブロックにおいて周期的に変化する電圧が連続的に発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３３０５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来例の技術では、圧電ブロックに対する加圧の周期性の確保のために、バネ、支持部材及びローラを含めて回転体を回転させるとともに、圧電ブロックに対する加圧力の発生のためにバネを利用するようになっている。すなわち、従来例の技術では、圧電ブロックに対する加圧の周期性の確保のための機構と、圧電ブロックに対する加圧力の発生のため機構とが、互いに独立に用意されるようになっている。この結果、非常に簡易な構造となっているとはいい難かった。【０００６】
このため、圧電素子を用いつつ、従来例の技術よりも簡易化された構造の発電装置を実現するための技術が待望されている。かかる要請に応えることが、本発明が解決すべき課題の一つとして挙げられる。【０００７】
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、圧電素子を用いて高効率の発電を実現可能な新たな発電装置及び発電方法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】
【０００８】
本発明は、第１の観点からすると、円筒状の外枠部材の内壁面上に配列された複数の圧電素子と；前記外枠部材の中心軸を回転中心軸として回転する回転軸部材と；前記複数の圧電素子上に設けられ、前記外枠部材の中心軸と平行な中心軸を有した円筒状の圧力伝達部材と；前記回転軸部材に一端部が固定され、他端部が前記回転軸部材の回転に伴って前記圧力伝達部材上を移動するとともに、前記回転に起因して発生する遠心力により、前記圧力伝達部材を押圧する押圧部材と；を備え、前記押圧部材は、前記一端部を含み、前記圧力伝達部材に向かって延びる第１棒状部材と；前記第１棒状部材の前記圧力伝達部材側の端部に、前記圧力伝達部材に近付く方向及びその反対方向に移動可能なように接続された第２棒状部材と；前記第２棒状部材の前記第１棒状部材側とは反対側の端部に接続され、前記他端部を含む接触部材と；を備える、ことを特徴とする発電装置である。
【０００９】
本発明は、第２の観点からすると、円筒状の外枠部材の内壁面上に配列された複数の圧電素子と；前記外枠部材の中心軸を回転中心軸として回転する回転軸部材と；前記複数の圧電素子上に設けられ、前記外枠部材の中心軸と平行な中心軸を有した円筒状の圧力伝達部材と；前記回転軸部材に一端部が固定され、他端部が前記回転軸部材の回転に伴って前記圧力伝達部材上を移動するとともに、前記回転に起因して発生する遠心力により、前記圧力伝達部材を押圧する押圧部材と；を備え、前記押圧部材が、前記一端部を含み、前記圧力伝達部材に向かって延びる第１棒状部材と；前記第１棒状部材の前記圧力伝達部材側の端部に、前記圧力伝達部材に近付く方向及びその反対方向に移動可能なように接続された第２棒状部材と；前記第２棒状部材の前記第１棒状部材側とは反対側の端部に接続され、前記他端部を含む接触部材と；を備える発電装置において使用される発電方法であって、前記回転軸部材を回転させる回転工程と；前記回転軸部材の回転により前記接触部材を前記圧力伝達部材上の円周方向に沿って移動させつつ、前記回転に起因して発生する遠心力を利用して、前記接触部材により前記圧力伝達部材を押圧する押圧工程と；を備えることを特徴とする発電方法である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態である発電装置の外観図である。
【図２】図１の装置の構成を説明するための平面視図である。
【図３】図１及び図２の発電部の構成を説明するための図である。
【図４】図３の個別発電部の構成を説明するための断面図である。
【図５】図１及び図２の押圧部材が回転軸部材に固定されている状態を説明するための図である。
【図６】図１及び図２の押圧部材の構成を説明するための図である。
【図７】押圧部材が圧力伝達部材を押圧したときの状態を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態を、図１〜図７を参照して説明する。なお、以下の説明及び図面においては、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１２】
［構成］
図１には、一実施形態に係る発電装置１００の外観図が示されている。また、図２には、発電装置１００の平面視図が示されている。図１及び図２により総合的に示されるように、発電装置１００は、円筒状の外枠部材１１０と、発電部１２０と、圧力伝達部材１３０とを備えている。また、発電装置１００は、回転軸部材１４０と、押圧部材群１５０とを備えている。
【００１３】
なお、以下の説明においては、円筒状の外枠部材１１０の中心軸ＡＺと一致するＺ軸、Ｚ軸から延びるとともにＺ軸と直交する動径方向（Ｒ方向）、及び、Ｚ軸を中心軸とする左回り方向（θ方向）により定義される円柱座標系（Ｒ，θ，Ｚ）を用いて、要素間の位置関係を表現するものとする。
【００１４】
上記の外枠部材１１０は、上述したように、ＡＺ軸を中心軸とする円筒形状をしている。外枠部材１１０の材料には、例えば、強化プラスチック部材が用いられ、成形加工により、外枠部材１１０が形成される。
【００１５】
上記の発電部１２０は、外枠部材１１０の中心軸と同一の軸、すなわち、ＡＺ軸を中心軸とする円筒形状をしており、外枠部材１１０の内壁（外枠部材１１０のＲ方向の逆方向（以下「−Ｒ方向」という）側表面）に当着されている。この発電部１２０は、圧力伝達部材１３０を介して、押圧部材群１５０から遠心力を利用した押圧力を受ける。発電部１２０の構成については、後述する。
【００１６】
上記の圧力伝達部材１３０は、ＡＺ軸を中心軸とする円筒形状をしており、発電部１２０の内壁（発電部１２０の−Ｒ方向側表面）に当着されている。圧力伝達部材１３０は、可撓性の絶縁シートであり、材料には、例えば、シリコンゴム等のゴム部材が用いられ、成形加工により形成される。そして、圧力伝達部材１３０の中心軸側表面には、潤滑性材料による摩擦低減処理が施されている。この圧力伝達部材１３０は、押圧部材群１５０から受けた遠心力に起因する押圧力を、発電部１２０に伝達する。
【００１７】
上記の回転軸部材１４０は、例えば、鋼鉄製の部材であり、外枠部材１１０の中心軸、すなわち、ＡＺ軸を回転中心軸（以下、「回転中心軸ＡＺ」ともいう）とする円柱形状をしている。この回転軸部材１４０は、回転体９００に固定して取り付けられるようになっている。そして、回転軸部材１４０は、回転体９００とともに回転に伴って回転するようになっている。
【００１８】
ここで、回転体９００は、θ方向に回転する。なお、回転体９００としては、車両の車軸の回転と連動して回転する部材等を採用することができる。
【００１９】
上記の押圧部材群１５０は、回転軸部材１４０に接続された後述する複数の押圧部材１５２jk（ｊ＝１，…，Ｊ；ｋ＝１，…，６）（図５参照）から構成をされている。押圧部材群１５０の構成については、後述する。
【００２０】
次に、上述した発電部１２０の構成について説明する。この発電部１２０は、図３に示されるように、Ｚ方向に沿って配列されたＪ個の環状発電部１２１j（ｊ＝１，…，Ｊ）を備えている。そして、環状発電部１２１jのそれぞれは、θ方向に配列されたＰ個の個別発電部１２２jp（ｐ＝１，…，Ｐ）を備えている。
【００２１】
なお、個別発電部１２２jpのそれぞれは、圧力伝達部材１３０を介して、押圧部材１５２jkの後述する接触部材１５８から押圧力を受けるＺ位置に配置されるようになっている。
【００２２】
個別発電部１２２jpのＺ軸を含む平面の断面図が、図４に示されている。この図４に示されるように、個別発電部１２２jpのそれぞれは、外枠部材１１０の内壁面上に、不図示の絶縁シートを介して、Ｚ軸に向かって（すなわち、−Ｒ方向に沿って）、シート状に形成された端子板１２３と、本実施形態では４個の矩形形状の圧電素子１２４n（ｎ＝１，…，４）と、端子板１２８とが順次積層されて構成されている。そして、端子板１２８の−Ｒ方向側表面が、不図示の絶縁シートを介して、圧力伝達部材１３０のＲ方向側表面に当着するようになっている。
【００２３】
上記の圧電素子１２４ｎのそれぞれは、圧力伝達部材１３０を介してＲ方向の圧力を受けると電圧を発生する。そして、圧電素子１２４nのそれぞれから発生した電圧は、端子板１２３，１２８を通じて、外部に伝達される。かかる圧電素子１２４nのそれぞれは、圧電体１２６nを有し、当該圧電体１２６nのＲ方向側表面には電極１２５nが形成されるとともに、当該圧電体１２６nの−Ｒ方向側の表面には電極１２７nが形成されている。このようにして積層された圧電素子１２４1〜１２４4においては、電極１２７1，１２５2間、電極１２７2，１２５3間、及び、電極１２７3，１２５4間が当接していることから、４層に積層された圧電素子１２４1〜１２４4は、電気的に接続されている。
【００２４】
上記の圧電体１２６は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス等の圧電セラミックスや圧電単結晶により形成されている。また、上記の電極１２５n，１２７nは、Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｕなどの金属又は合金により形成される。
【００２５】
上記の端子板１２３，１２８は、外部装置である蓄電部８００と接続されている。圧電素子１２４1〜１２４4において発生した電圧は、端子板１２３，１２８から蓄電部８００へ向けて供給される。ここで、蓄電部８００としては、蓄電用キャパシタ、蓄電池等を採用することができる。
【００２６】
次に、上述した押圧部材群１５０の構成について説明する。押圧部材群１５０は、図５に示されるように、Ｚ軸方向に沿って等間隔で配列された押圧ユニット１５１j（ｊ＝１，…，Ｊ）を備えている。そして、押圧ユニット１５１jのそれぞれは、回転軸部材１４０の円周方向に沿って、等間隔に、本実施形態では６個の押圧部材１５２jk（ｋ＝１，…，６）が回転軸部材１４０に固定されて構成されている。
【００２７】
押圧部材１５２jkのそれぞれは、図６に示されるように、第１棒状部材１５６と、第２棒状部材１５７と、接触部材１５８とを備えている。
【００２８】
上記の第１棒状部材１５６は、例えば、鋼鉄製の部材であり、一方の端部が回転軸部材１４０に固定され、他方の端部が圧力伝達部材１３０に向かって延びている。そして、第１棒状部材１５６の他方の端部には、回動用の軸部材を挿入する孔が設けられ、回動用の軸部材を介して、第２棒状部材１５７の一方の端部と接続されている。
【００２９】
上記の第２棒状部材１５７は、例えば、鋼鉄製の部材であり、一方の端部に回動用の軸部材を挿入する孔が設けられ、回動用の軸部材を介して、回転中心軸ＡＺと平行な軸を回転中心軸として回動可能に、第１棒状部材１５６の他方の端部と接続されている。このため、第１棒状部材１５６と第２棒状部材１５７とを接続した形状は、Ｚ軸方向に沿って見た場合にＬ字状となっており、第２棒状部材１５７は、圧力伝達部材１３０に近づく方向及びその反対方向に回動可能となっている。また、第２棒状部材１５７は、他方の端部に回動用の軸部材を挿入する孔が設けられ、回動用の軸部材を介して、接触部材１５８と接続されている。
【００３０】
上記の接触部材１５８は、本実施形態では、回転中心軸ＡＺと平行な軸を中心軸とする円柱状部材となっている。そして、円柱状部材の円中心部分に回動用の軸部材を挿入する孔が設けられ、接触部材１５８は、第２棒状部材１５７の他方の端部と接続されている。この接触部材１５８が、圧力伝達部材１３０を押圧することにより、上述した圧電素子１２４1〜１２４4に押圧力が加えられるようになっている。
【００３１】
［動作］
以上のようにして構成された発電装置１００の動作について、押圧部材１５２jkにより圧力伝達部材１３０を押圧し、圧電素子に押圧力を加えることによる発電動作に主に着目して説明する。
【００３２】
まず、回転体９００がθ方向に回転すると、回転体９００に固定して取り付けられている回転軸部材１４０もθ方向に回転する。こうして回転軸部材１４０が回転すると、当該回転軸部材１４０に固定されている押圧部材１５２jk（ｊ＝１，…，Ｊ；ｋ＝１，…，６）に遠心力が作用する。
【００３３】
押圧部材１５２jkに遠心力が作用すると、図７に示されるように、第１棒状部材１５６の他方の端部と接続されている第２棒状部材１５７における他方の端部が、圧力伝達部材１３０に近づく方向に移動する。そして、第２棒状部材１５７の他方の端部に接続されている接触部材１５８が、摩擦低減処理が施されている圧力伝達部材１３０を押圧する。
【００３４】
こうして接触部材１５８により圧力伝達部材１３０が押圧されると、圧力伝達部材１３０の押圧された部分が褶曲する。そして、圧力伝達部材１３０の褶曲位置のＲ方向側に当着している発電部１２０に押圧力が伝達される。この結果、発電部１２０を構成する個別発電部１２２jpのうち、圧力伝達部材１３０の褶曲位置のＲ方向側に配置されている圧電素子１２４nに押圧力が加わる。この押圧力は、回転軸部材１４０の回転に起因して発生する遠心力を利用したものであるため、圧力伝達部材１３０の褶曲位置は回転方向に沿って連続的に変化し、圧電素子１２４nには周期的な押圧力が加えられる。
【００３５】
このようにして圧電素子１２４nに対してＲ方向の周期的な押圧力が加わると、当該圧電素子１２４nが電圧を連続的に発生する。こうして発生した連続的な電圧は、端子板１２３，１２８を通じて、蓄電部８００に供給される。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態では、回転体９００に固定して取り付けられている回転軸部材１４０が回転すると、当該回転軸部材１４０に固定されている（６×Ｊ）個の押圧部材１５２jk（ｊ＝１，…，Ｊ；ｋ＝１，…，６）に遠心力が作用する。押圧部材１５２jkに遠心力が作用すると、第１棒状部材１５６と接続されている第２棒状部材１５７における他方の端部が、圧力伝達部材１３０に近づく方向に移動し、第２棒状部材１５７の他方の端部に接続されている接触部材１５８が、摩擦低減処理が施されている圧力伝達部材１３０を押圧する。
【００３７】
こうして接触部材１５８により圧力伝達部材１３０が押圧されると、圧力伝達部材１３０への押圧位置のＲ方向側に当着している発電部１２０に押圧力が加わる。この結果、発電部１２０を構成する個別発電部１２２jpのうち、圧力伝達部材１３０への押圧位置のＲ方向側に配置されている圧電素子１２４nに押圧力が伝達される。このようにして圧電素子１２４nに対してＲ方向の押圧力が加わると、当該圧電素子１２４nが電圧を連続的に発生する。
【００３８】
したがって、本実施形態によれば、圧電素子を用いつつ、簡単な構造で高効率の発電を実現することができる。
【００３９】
［実施例の変形］
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００４０】
例えば、上記の実施形態では、押圧部材は、回転軸部材の円周方向に沿って、等間隔に６個の押圧部材が回転軸部材に固定されるとともに、当該６個の押圧部材から構成される押圧ユニットがＪ組用意され、回転軸部材の中心軸と平行な方向に沿って、等間隔に回転軸部材に固定されることとした。これに対して、回転軸部材の円周方向に沿って回転軸部材に固定する押圧部材の数を、１個以上５個以下、又は、７個以上としてもよい。また、回転軸部材の中心軸と平行な方向に沿って固定する各押圧ユニットを構成する押圧部材の数を、各押圧ユニットごとに異なるようにしてもよい。
【００４１】
また、上記の実施形態では、個別発電部は、４層の圧電素子を備えて構成されることとしたが、個別発電部を構成する圧電素子は、１層以上３層以下、又は、５層以上としてもよい。
【００４２】
また、上記の実施形態では、圧力伝達部材を押圧する接触部材の形状は、円柱状としたが、接触部材の形状としては、例えば、球状であってもよい。
【００４３】
また、圧力伝達部材の中心軸側表面には、潤滑性材料による摩擦低減処理が施されていることとしたが、当該摩擦低減処理方法としては、中心軸側表面の素材を潤滑性材料にするようにしてもよいし、中心軸側表面に液体状の潤滑性材料を塗布するようにしてもよい。
【００４４】
また、上記の実施形態では、押圧部材は、第１及び第２棒状部材を備え、第１棒状部材と第２棒状部材とを接続した形状は、Ｚ軸方向に沿って見た場合にＬ字状になっていることとした。これに対して、押圧部材としては、回転軸部材の回転に起因する遠心力が作用し、当該遠心力により、圧電素子を押圧するものであれば、他の形状であってもよい。
【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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【図７】
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