(57)【要約】【課題】圧電型発電機構において、外部駆動力が作用したときのエネルギー損失を少なくし、外部からの駆動力に対して高効率に発電することを可能とする。【解決手段】圧電型発電機構は、圧電素子１ａと、圧電素子１ａが固着され、弾性変形可能な支持プレート１ｂとを備える圧電型発電素子１と、一端が固定端２ａ、他端が自由端２ｂであるバネ駆動部２とを備える。バネ駆動部２は、圧電型発電素子１の支持プレート１ｂを固着点１ｃにて固着保持する。バネ駆動部２は自由端２ｂに外部駆動力が作用して変位した後、この外部駆動力が開放されることで振動する。圧電型発電素子１はこのバネ駆動部２の振動を受けて振動し、支持プレート１ｂと圧電素子１ａとが撓んで圧電素子１ａに応力が生じることにより発電する。振動のエネルギーはお互いのバネの位置エネルギーとして保存されるので、振動が自己減衰しにくく、効率良く発電可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの駆動入力をもとに弾性振動により発電する圧電型発電素子を備えた圧電型発電機構であって、
プレート状の圧電素子と、この圧電素子が固着され、弾性変形可能な支持プレートとを有する圧電型発電素子と、
一端が固定端となり、他端が自由端となる、バネ性を有する部材からなり、前記他端寄りに前記圧電型発電素子の支持プレートを保持するバネ駆動部とを備え、
前記バネ駆動部は、前記自由端に外部駆動力が作用することにより振動し、
前記圧電型発電素子は、前記バネ駆動部の振動を受けて発電することを特徴とする圧電型発電機構。
【請求項２】
前記圧電型発電素子の固有振動数と、前記バネ駆動部の固有振動数が一致しており、前記圧電型発電素子とバネ駆動部とが共振動作することを特徴とする請求項１記載の圧電型発電機構。
【請求項３】
前記バネ駆動部は、前記圧電型発電素子の中央部を固着保持し、
前記圧電型発電素子は、その中央部に対して少なくとも２個以上の振動片が対称系に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電型発電機構。
【請求項４】
前記圧電型発電素子は、前記バネ駆動部が固着されている部位とは他の自由振動部位に、前記振動片の振動の対称性が確保されるように、少なくとも１つの質量を持った錘を有することを特徴とする請求項３記載の圧電型発電機構。
【請求項５】
前記バネ駆動部はコイルバネからなり、このコイルバネが外部駆動力により圧縮又は伸長された後、この外部駆動力が開放されることで振動して動作することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の圧電型発電機構。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の圧電型発電機構により発電した電力を電源として動作し、被制御機器に信号を送信するワイヤレス通信装置用のワイヤレススイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電型発電機構と、それを利用した小型薄型ワイヤレススイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧電素子を用いた発電機構としては、特許文献１に開示されるように、圧電素子と支持プレートが積層され、片端を変位可能な自由端、他端を支持端とした片持ち梁構造の発電素子を備えた圧電型発電機構が知られている。この発電素子は、支持端から外部の機械的エネルギーが伝達されて自由端に設けられた錘の慣性により加振力が作用し、この加振力によって1自由度系の振動を行い、圧電素子が撓むことにより電気エネルギーを発生させる。
【特許文献１】特開平１１‐１３６９６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のような片持ち梁構造の圧電型発電素子の振動においては、支持端にてこの振動エネルギーが漏れて損失されるために自己減衰しやすく、振動が長く続かない。このエネルギー損失を少なくするためには、支持端においての支持剛性を高くすれば良いが、支持構造が大型化してしまう。
【０００４】
本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、片持ち梁構造の問題を解消し、外部駆動力が作用したときのエネルギー損失が少なくなり、より長く振動が続き、外部からの駆動力に対して高効率に発電することが可能な圧電型発電機構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】
【０００５】
上記目的を達成するため請求項１の発明は、外部からの駆動入力をもとに弾性振動により発電する圧電型発電素子を備えた圧電型発電機構において、プレート状の圧電素子と、この圧電素子が固着され、弾性変形可能な支持プレートとを有する圧電型発電素子と、一端が固定端となり、他端が自由端となる、バネ性を有する部材からなり、前記他端寄りに前記圧電型発電素子の支持プレートを保持するバネ駆動部とを備え、前記バネ駆動部は、前記自由端に外部駆動力が作用することにより振動し、前記圧電型発電素子は、前記バネ駆動部の振動を受けて発電するように構成したものである。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記圧電型発電素子の固有振動数と、前記バネ駆動部の固有振動数が一致しており、前記圧電型発電素子とバネ駆動部とが共振動作するように構成したものである。
【０００７】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、前記バネ駆動部は、前記圧電型発電素子の中央部を固着保持し、前記圧電型発電素子は、その中央部に対して少なくとも２個以上の振動片が対称系に配置されている構成としたものである。
【０００８】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記圧電型発電素子は、前記バネ駆動部が固着されている部位とは他の自由振動部位に、前記振動片の振動の対称性が確保されるように、少なくとも１つの質量を持った錘を有する構成としたものである。
【０００９】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかの発明において、前記バネ駆動部はコイルバネからなり、このコイルバネが外部駆動力により圧縮又は伸長された後、この外部駆動力が開放されることで振動して動作するように構成したものである。
【００１０】
請求項６の発明は、被制御機器に信号を送信するワイヤレス通信装置用のワイヤレススイッチを、請求項１乃至請求項５のいずれかの発明における圧電型発電機構により発電した電力を電源として動作するような構成としたものである。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、外部駆動力が作用してバネ駆動部が振動すると、この振動は圧電素子が固着された弾性変形可能な支持プレートを振動させるので、二段構えの振動となり、振動のエネルギーはお互いのバネの位置エネルギーとして保存され、自己減衰が少なくなって圧電型発電素子の振動が長く続き、外部からの駆動力に対して高効率に発電することが可能となる。
【００１２】
請求項２の発明によれば、バネ駆動部と圧電型発電素子を共振させて発電するので、圧電型発電素子の振動の減衰も少なく、振幅が大きい振動が長く続き、外部からの駆動力に対して高効率に発電することが可能となる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、圧電型発電素子は少なくとも２個以上の振動片が対称系に配置され、この中央部にバネ駆動部が固着されるので、より効率良く、大きな発電力を得ることが可能となる。
【００１４】
請求項４の発明によれば、圧電型発電素子の自由振動部位に錘を設けるので、圧電型発電素子の大きさに関わらず、この錘の重さを調節することによって圧電型発電素子の固有振動数を設定可能となり、圧電型発電機構を小型化することが可能となる。
【００１５】
請求項５の発明によれば、バネ駆動部をコイルバネとするので、振動エネルギーの損失が少なく、圧電型発電素子の振動が長く続き、外部からの駆動力に対して高効率に発電することが可能となる。また、バネ駆動部を収納するのに必要なスペースが小さくなり、圧電型発電機構の小型化が可能となる。
【００１６】
請求項６の発明によれば、入力される外部駆動力に対して効率良く発電可能な圧電型発電機構をワイヤレススイッチの電源として用いるので、電池の交換などが不要となり、ワイヤレススイッチの使い勝手が良くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の第１乃至第５の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は第１の実施形態における圧電型発電機構の概略構成の一例を示す。この圧電型発電機構は、圧電型発電素子１とバネ駆動部２とを備えている。圧電型発電素子１は、プレート状の圧電素子１ａと、圧電素子１ａが固着され、弾性変形可能な支持プレート１ｂと、圧電素子１ａに設けられた電極（図示なし）とを有している。バネ駆動部２は、一端が固定された固定端２ａ、他端が自由端２ｂとなり、バネ性を有する部材からなる。圧電型発電素子１の支持プレート１ｂは固着点１ｃにおいてバネ駆動部２と固着され、バネ駆動部２は圧電型発電素子１を保持する。
【００１８】
圧電型発電素子１の支持プレート１ｂは両端部が自由振動部位１ｄとなり、圧電型発電素子１において、固着点１ｃから両端の自由振動部位１ｄまでのそれぞれが、振動可能な振動片Ａ（図の２点鎖線で示す部分）となる。バネ駆動部２は、自由端２ｂに外部駆動力が作用することによって変位し、外部駆動力の向きと反対方向の復元力を発生する。その後、この外部駆動力が開放されると、この復元力を以て図の矢印の方向に振動する。このバネ駆動部２の振動は圧電型発電素子１に伝達され、圧電型発電素子１の振動片Ａはこの振動を受けて図の矢印の方向に振動する。このとき、圧電型発電素子１は支持プレート１ｂと圧電素子１ａとが撓んで圧電素子１ａに応力が生じることにより電力を発生し、この電力は電極を通じて引き出される。
【００１９】
本実施形態における圧電型発電機構は、外部駆動力が自由端２ｂに作用してバネ駆動部２が振動し、この振動が圧電型発電素子１の支持プレート１ｂを振動させる、二段構えの振動により動作する。このようにすることで、支持プレート１ｂ及びバネ駆動部２の振動のエネルギーはお互いのバネの位置エネルギーとして保存されるため、バネ駆動部２の固定端２ａにおいての振動エネルギーの損失量が少なくなり、自己減衰が少なくなって圧電型発電素子１の振動が長く続き、外部駆動力に対して高効率に発電することが可能となる。
【００２０】
ここで、この圧電型発電機構を、圧電型発電素子１の固有振動数とバネ駆動部２の固有振動数とが一致するように構成することができる。このように固有振動数が一致するように構成すると、圧電型発電素子１とバネ駆動部２とが共振するので、圧電型発電素子１は、振幅が大きい振動を長く続け、効率良く大きな発電力を得ることができる。
【００２１】
図２は、第２の実施形態における圧電型発電機構の概略構成を示す。以下、上述の実施形態と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略し、相違点を説明する。本実施形態においては、圧電型発電素子１は、中央部に対して４個の振動片Ａが対称系に１つの平面状に配置された構成である。この圧電型発電機構においては、バネ駆動部２が圧電型発電素子１の中央部を固着点１ｃとして支持プレート１ｂを固着し、保持する。この圧電型発電機構は、上記第１の実施形態における圧電型発電機構と同様に動作して効率良く発電可能であり、また、４個の振動片Ａで発電を行うことにより、大きな発電力を得ることができる。ここで、このような効果を得るために圧電型発電素子１において対称系に配置される振動片は少なくとも２個以上であればよく、適宜設定することが可能である。
【００２２】
図３は、第３の実施形態における圧電型発電機構の概略構成を示す。この圧電型発電機構は、圧電型発電素子１の支持プレート１ｂの両端の自由振動部位１ｄに、質量を持った錘１ｅをそれぞれ有する。圧電型発電素子１は中央部に対して２個の振動片Ａが対称系に配置された構成であり、この錘１ｅは、振動片Ａの振動の対称性が確保されるように設けられている。このように、自由振動部位１ｄに錘１ｅを設けることで、圧電型発電素子１の大きさに関わらず、この錘１ｅの重さを調節することによって圧電型発電素子１の固有振動数を設定することができる。例えば、圧電型発電機構の小型化を目的として圧電型発電素子１を小さくすると固有振動数は高くなり、上記のようにバネ駆動部２と共振させるにはバネ駆動部２の固有振動数も高くなるように構成する必要がある。しかし、錘１ｅを設けることにより、この錘１ｅの質量を大きくすることにより圧電型発電素子１及びバネ駆動部２の固有振動数を低く調節することができる。つまり、上記のように錘１ｅを設けて、この錘１ｅを適切な質量に調整することで、固有振動数や共振の条件を保ちつつ圧電型発電機構を小型化することが可能となる。
【００２３】
図４は、第４の実施形態における圧電型発電機構の概略構成を示す。本実施形態において、バネ駆動部２はコイルバネからなる。このバネ駆動部２（コイルバネ２）は、自由端２ｂが圧電型発電素子１の支持プレート１ｂに固着される固着点１ｃとされ、この自由端２ｂに外部駆動力が入力されることでコイルバネ２が図の矢印方向に圧縮又は伸長し、外部駆動力の向きと反対方向の復元力を発生する。そして、外部駆動力が開放されると、コイルバネ２はこの復元力を以て図の矢印方向に振動し、圧電型発電素子１はこの振動により加振されて発電する。このように、バネ駆動部２を振動エネルギーの損失が少ないコイルバネとすることで、圧電型発電素子１の振動が長く続き、外部から入力された駆動力に対し、効率良く発電することが可能となる。また、バネ駆動部２を収納するのに必要なスペースが小さくなり、圧電型発電機構の小型化が可能となる。
【００２４】
図５は、第５の実施形態における圧電型発電機構の概略構成を示す。本実施形態において、バネ駆動部２は第４の実施形態と同様にコイルバネからなり、コイルバネ２が圧電型発電素子１の中央部を固着点１ｃとして圧電型発電素子１の支持プレート１ｂを保持し、圧電型発電素子１は、この中央部に対して４個の振動片Ａが対称系に配置された構成である。このように構成することで、圧電型発電機構は上記と同様に動作して効率良く発電することができ、また、４個の振動片Ａで発電を行うことで大きな発電力を得ることができる。このとき、このような効果を得るために圧電型発電素子１において対称系に配置される振動片Ａは少なくとも２個以上であればよく、適宜設定することが可能である。
【００２５】
次に、図６を参照して、上記第１乃至第５の実施形態の圧電型発電機構を備えたワイヤレス通信装置用のワイヤレススイッチの実施形態を説明する。このワイヤレススイッチは、圧電型発電機構により発電した電力を電源として動作し、被制御機器に信号を送信する。図６は、上記第４の実施形態と同様の構成でなる、バネ駆動部２がコイルバネとされた圧電型発電機構を備えるワイヤレススイッチを示す。このワイヤレススイッチにおいて、圧電型発電機構の固定端２ａと、ワイヤレス通信装置５０とが筐体５１に固定され、圧電型発電素子１に設けられた電極１ｆとワイヤレス通信装置５０とは配線５５で接続される。筐体５１にはスイッチハンドル５２がヒンジ５４を介して図の矢印の方向に回転移動可能に設けられる。スイッチハンドル５２には圧電型発電素子１の押圧手段５３が固着されており、スイッチハンドル５２が図の白抜き矢印の方向に押下されると、押圧手段５３は圧電型発電機構の自由端２ｂを押圧する。
【００２６】
スイッチハンドル５２に外部からの操作荷重が加えられて押下されることで、圧電型発電機構の自由端２ｂが押圧手段５３に押圧されると、バネ駆動部２（コイルバネ２）が図の白抜き矢印方向に圧縮し、これと反対方向の復元力を発生する。そして、スイッチハンドル５２に加えられた操作荷重がなくなり自由端２ｂに加えられた外部駆動力が開放されると、コイルバネ２はこの復元力を以て黒矢印方向に振動する。圧電型発電素子１はこのコイルバネ２の振動を受けて振動し、支持プレート１ｂと圧電素子１ａとが撓んで圧電素子１ａに応力が発生することで発電する。このように圧電型発電機構が発電した電力は、電極１ｆから配線５５を通じてワイヤレス通信装置５０に供給される。ワイヤレス通信装置５０は電力が供給されると、被制御機器に、例えば被制御機器の動作をオン・オフさせるような反転信号を送信する。このように、ワイヤレススイッチの電源を、入力される外部駆動力に対して効率力発電可能な圧電型発電機構とすることにより、電池の交換などが不要となるため、ワイヤレススイッチの使い勝手を良くすることが可能となる。
【００２７】
ここで、上述の各実施形態において説明した圧電型発電機構をワイヤレススイッチの電源として備える場合においては、上記のようなワイヤレススイッチの構成において、圧電型発電機構と押圧手段５３の配置を変更すればよい。つまり、スイッチハンドル５２に操作荷重が加えられたときに、圧電型発電機構の自由端２ｂを押圧手段５３が押圧し、バネ駆動部２が振動する方向に向けて変位するように、圧電型発電機構のバネ駆動部２を筐体５１に固定し、また、押圧手段５３の位置を変更する。このようにワイヤレススイッチを構成することにより、圧電型発電機構を駆動させることが可能となる。
【００２８】
なお、本発明は上記各実施形態の構成に限定するものではなく、発明の範囲を変更しない範囲で適宜に種々の変形が可能である。例えば、圧電型発電素子１を保持するバネ駆動部２はトーションスプリングであってもよく、このとき、外部駆動力が作用してバネ駆動部がねじられる方向に振動し、この振動を受けて圧電型発電素子１が振動するように圧電型発電機構が構成される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る圧電型発電機構の斜視図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る圧電型発電機構の平面図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る圧電型発電機構の斜視図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る圧電型発電機構の斜視図。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る圧電型発電機構の斜視図。
【図６】上記第４の実施形態と同様の構成でなる圧電型発電機構を備えたワイヤレススイッチの側断面図。
【符号の説明】
【００３０】
１  圧電型発電素子
１ａ  圧電素子
１ｂ  支持プレート
１ｃ  固着点
１ｄ  自由振動部位
１ｅ  錘
２  バネ駆動部
２ａ  固定端
２ｂ  自由端
Ａ  振動片
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006158112.tif 000005
【図４】
2006158112.tif 000006
【図５】
2006158112.tif 000007
【図６】
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