(57)【要約】【課題】圧電素子を用いた発電装置の発電効率を改善する。【解決手段】圧電素子を利用した発電装置２が提供される。発電装置２は、面材２０、支持部材２２、緩衝部材２４、圧電膜２６を備える。支持部材２２は、ガラスパネルや壁面パネルなどの面材２０を支持する。緩衝部材２４は、面材２０と支持部材２２の間に設けられる。圧電膜２６は、発電機能を有し、緩衝部材２４の表面に設けられる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
面材と、
前記面材を支持する支持部材と、
前記面材と前記支持部材の間に設けられる緩衝部材と、
前記緩衝部材の表面に設けられた発電機能を有する圧電膜と、
を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記圧電膜は、前記緩衝部材の表面であって前記面材との接触部分に設けら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】
前記面材は、前記緩衝部材に対して遊びをもった状態で支持されることを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記圧電膜は、前記緩衝部材の表面に塗布により形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の省エネ化の要請から、光、熱、振動などの再生可能エネルギー（環境エネルギーともいう）が注目されており、それらを有効利用するためのエネルギーハーベスト素子（環境発電素子とも称される）の開発が進められている。こうした環境発電素子のひとつとして、圧電素子が着目されている。
【０００３】
本発明者らは、ビルや工場、一般家屋などの建造物において利用可能な、圧電素子を利用した発電装置について検討した。図１は、本発明者らが検討した発電装置１ｒを示す図である。発電装置１ｒは、主としてガラス１０と、発電機能を有する圧電膜１２と、を有する。圧電膜１２は、ガラス１０の全面を覆うようにして、その表面に設けられている。
【０００４】
建造物において、ガラス１０は、風等の影響によって振動し、あるいは変形する。ガラス１０が変形すると、その変形に追従して圧電膜１２が変形する。その結果、圧電膜１２から引き出された電極１４から、電力を取り出すことができる。なお、図１の発電装置１ｒを、公知技術と認定してはならず、本発明者が独自に検討したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４８６８４７５号公報
【特許文献２】特開２０１３−７７６４６号公報
【特許文献３】特開平１０−１７３４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らは、図１の発電装置１ｒについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。圧電膜１２はその形成手法を問わずに高価である。したがって図１の発電装置１ｒのように、ガラス１０の全面に圧電膜１２を形成する場合、発電装置１ｒが高くなる。発電装置１ｒのコストを下げるためには、発電効率のさらなる改善が望まれる。
【０００７】
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、発電装置の発電効率の改善にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様は、発電装置に関する。発電装置は、面材と、面材を支持する支持部材と、面材と支持部材の間に設けられる緩衝部材と、緩衝部材の表面に設けられた発電機能を有する圧電膜と、を備える。
【０００９】
面材が外力により振動し、あるいは変形すると、緩衝部材は面材に作用した荷重すべてを負担し伝達する。圧電膜を緩衝部材に設けた場合と、圧電膜を面材に広く形成した場合とを比較すると、同一の面材に同一の外力を与えたときに、圧電膜に生じるひずみは圧縮応力度に比例し、前者の方が格段に大きくなる。また、支持部材と緩衝材は縦弾性係数が異なるため、さらにひずみが大きくなる。したがってこの態様によれば、発電効率を高めることができる。これにより、同じ電力を発生させるために必要な圧電膜の面積を小さくでき、発電装置を低コスト化できる。あるいは、同じ面積の圧電膜を用いた場合の発電量を増大できる。
【００１０】
圧電膜は、緩衝部材の表面であって面材との接触部分に設けられてもよい。
この場合、面材からの力が、緩衝部材に直接伝達することとなるため、発電効率をより高めることができる。
【００１１】
面材は、緩衝部材に対して遊びをもった状態で支持されてもよい。
この場合、面材から圧電膜に対して衝撃力が加えられることとなるため、発電効率をより高めることができる。
【００１２】
圧電膜は、緩衝部材の表面に塗布により形成されてもよい。
緩衝部材に圧電膜を貼り付ける場合、それらの間には、微少な間隙が生じムラとなりやすく、この間隙が面材から圧電膜への荷重伝達を不均一にし減少させるおそれがある。これに対して、塗布することで、緩衝部材と圧電膜の一体性が高まることで荷重伝達能力が向上され、発電効率を高めることができる。
【００１３】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のある態様によれば、発電効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明者らが検討した発電装置を示す図である。
【図２】実施の形態に係る発電装置の外観斜視図である。
【図３】図２の発電装置のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】発電装置の分解斜視図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態に係る発電装置の発電モードを説明する図である。
【図６】実施の形態に係る発電装置の発生電圧を示す図である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、測定に用いた比較技術、実施の形態に係る発電装置を示す平面図である。
【図８】図８（ａ）〜（ｄ）は、変形例に係る発電装置を示す断面図である。
【図９】図９（ａ）〜（ｃ）は、別の変形例に係る発電装置を示す断面図である。
【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）は、別の変形例に係る発電装置を示す断面図である。
【図１１】図１１（ａ）〜（ｄ）は、変形例に係る発電装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１７】
実施の形態に係る発電装置は、ビル、工場、一般家庭などの建造物、建築物に好適に利用され、風や人間の歩行などによってもたらされる環境エネルギーを利用して発電を行うものである。より具体的は、（１）ガラス窓、外壁パネル、屋根などの、風などによる圧力を受ける箇所、（２）床などの、人間の歩行による圧力を受ける箇所などに利用される。本実施の形態では、窓ガラスに利用した場合を例に説明する。
【００１８】
図２は、実施の形態に係る発電装置２の外観斜視図である。
発電装置２は、面材２０、支持部材２２、緩衝部材２４、２８、圧電膜２６を備える。図２には、面材２０および支持部材２２のみが現れている。面材２０はガラス窓である。支持部材２２は、面材２０をその４辺において支持するフレームであり、たとえばサッシに相当する。支持部材２２は、建造物の壁面５０に設けられた開口部５２に取り付けられる。
【００１９】
図３は、図２の発電装置２のＡ−Ａ線断面図である。緩衝部材２４、２８は、面材２０と支持部材２２の間に設けられる。緩衝部材２４および２８はゴムなどの弾性体であり、その機能に応じて、ガスケット、グレイジングチャネル、グレイジングビード、シーリング材あるいはパッキンでありえる。
【００２０】
支持部材２２は、第１部分２２ａ、第２部分２２ｂおよびそれらを連結するねじや嵌合などの連結手段２２ｃを含む。支持部材２２は一体に構成されてもよい。
【００２１】
圧電膜２６は、発電機能を有しており、緩衝部材２４の表面に設けられる。より具体的には圧電膜２６は、面材２０の４辺の外周に沿って、緩衝部材２４と面材２０の接触部分に設けられる。圧電膜２６の構造や種類は特に限定されるものではない。構造に関して、ユニモルフ、バイモルフ、積層型そのた公知の構造のいずれであってもよい。またその材料も、有機系材料を用いたもの、セラミックスを用いたもの等が利用可能である。
【００２２】
図４は、発電装置２の分解斜視図である。図４には、面材２０、支持部材２２、緩衝部材２４、圧電膜２６が示される。圧電膜２６は、緩衝部材２４の表面に、塗布により形成される。
【００２３】
面材２０は、緩衝部材２４（すなわち圧電膜２６）に対して遊びをもった状態で支持される。面材２０と圧電膜２６のクリアランス（間隙）２８の長さ（以下、ギャップ長と称する）は、数百ミクロン〜数ミリメートル程度が好ましく、後述する発電効率と、窓に要求される密閉性等を考慮して定めればよい。
【００２４】
以上が発電装置２の構造である。続いて、発電装置２による発電動作を説明する。
【００２５】
面材２０に風が当たったり、振動すると、面材２０は、その支持端部において圧電膜２６に力を及ぼす。この力により圧電膜２６が変形すると圧電膜２６が発電し、電極３０から電力を取り出すことができる。発電装置２はいくつかの異なるモードで発電する。
図５（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態に係る発電装置２の発電モードを説明する図である。図５（ａ）のモードでは、面材２０は、圧電膜２６に接触した状態で、圧電膜２６の表面に沿って、つまり面内方向（ＸＺ平面）で振動する。図５（ｂ）のモードでは、面材２０は、圧電膜２６に接触した状態で、圧電膜２６と垂直な面外方向（Ｙ方向）に振動するモードである。
【００２６】
さらに、圧電膜２６と面材２０の間にクリアランス２８を設けているため、図５（ｃ）に示すように、面材２０が、圧電膜２６に対して衝突するモードも存在する。
【００２７】
図６は、実施の形態に係る発電装置２の発生電圧を示す図である。図６の中央のＢが、実施の形態に係る発電装置２の発生電圧を示す。比較のために、図６の左のＡには、図１の比較技術に係る発電装置１ｒの発生電圧を示す。図６の右のＣは変形例に係る発電装置２の発生電圧を示す。変形例については後述する。
【００２８】
図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、測定に用いた比較技術、実施の形態に係る発電装置１ｒ、２ｒを示す平面図である。実験は、面材２０として５０ｃｍ×５０ｃｍのガラスを用いて行った。比較技術においては、図７（ａ）に示すように、ガラス全面に圧電膜２６を形成した。実施の形態においては、図７（ｂ）に示すように、ガラス全面の４辺の幅１ｃｍの外周部に、圧電膜２６を形成した。
【００２９】
つまり比較技術における有効発電面積は５０ｃｍ×５０ｃｍ＝２５００ｃｍ２であり、実施の形態における有効発電面積は、１ｃｍ×（５０−１）ｃｍ×４＝１９６ｃｍ２である。
【００３０】
図６に戻る。図６のＢに関して、（i）はギャップ長を１ｍｍとしたとき、（ii）はギャップ長を０ｍｍつまり面材２０と圧電膜２６を密着させ、遊びを無くしたときの発電電圧を示す。
【００３１】
比較技術Ａでは、１２８０ｍＶ（ｐ−ｐ：ピークトゥピーク）の発生電圧が得られる。これに対して、実施の形態Ｂでは、ギャップ長を１ｍｍとした状態（i）において、１０８０ｍＶ（ｐ−ｐ）と、比較技術Ａと遜色のない発生電圧が得られることがわかる。実施の形態では比較技術と比べて有効発電面積が８％しかないにもかかわらず、同等の発電電圧が得られることから、発電効率（＝発電電圧／有効発電面積）としては、１０倍程度高められていることがわかる。
【００３２】
実施の形態Ｂのギャップ長を０ｍｍとした状態（ii）においては、４００ｍＶ（ｐ−ｐ）の発電電圧が得られており、この値はギャップ長を１ｍｍとした状態（ii）の３８％である。これは、ギャップ長をゼロとすると、図５（ｃ）に示す衝突を利用した発電モードが無効となることに起因するものと理解される。しかしながら、実施の形態Ｂのギャップ長を０ｍｍとした状態であっても、発電効率としては、比較技術Ａの４倍程度と高い値を得ることができる。
【００３３】
以上が発電装置２の動作である。続いて、発電装置２によって奏される効果を説明する。
【００３４】
実施の形態に係る発電装置２では、圧電膜２６を緩衝部材２４の表面に設けることとした。これにより、面材２０に同じ外力を与えたときに圧電膜２６が受ける力は、面材２０の全面にわたり圧電膜２６を形成したときと比べて格段に大きくなる。したがって、上述のように、比較技術と比べて発電効率を高めることができる。
【００３５】
このことは、同じ電力を発生させるために必要な圧電膜の面積を小さくでき、発電装置を低コスト化できることを意味する。あるいは、同じ面積の圧電膜を用いた場合の発電量を増大できる。
【００３６】
また製造工程においては、緩衝部材２４の表面に圧電膜２６を形成する方が、面材２０全面に圧電膜２６を形成するよりも容易であることから、製造コストを下げ、あるいは製造期間を短縮できる。また、メンテナンス性の観点でも、緩衝部材２４の表面に圧電膜２６を形成する方が優れている。
【００３７】
また、図１の比較技術では、圧電膜が面材全体を覆っており、透明な圧電膜を形成することは困難であることから、圧電膜が外観に影響を及ぼすのに対して、実施の形態では、圧電膜２６は、支持部材２２や緩衝部材２４により隠蔽されるため、外観に及ぼす影響を低減できる。これは、デザイン性が要求される建築業界において極めて重要な利点である。
【００３８】
また、圧電膜２６を、緩衝部材２４の表面であって面材２０との接触部分に設けることした。これにより、面材２０からの力が、緩衝部材２４に直接伝達することとなるため、発電効率をより高めることができる。この利点は、変形例で改めて説明する。
【００３９】
さらに面材２０を、緩衝部材２４に対して遊びをもった状態で支持することとした。これにより図５（ｃ）の発電モードによって効率よく発電できるため、発電効率をより高めることができる。クリアランス幅を長くとれば、図５（ｃ）のモードでの発電量は増大するが、図５（ａ）、（ｂ）のモードでの発電量は減少する可能性がある。したがって、クリアランス幅は、面材２０および緩衝部材２４それぞれの形状、面積、材質などに応じて、実験あるいはシミュレーションにもとづいて最適化すればよい。実験により得られた知見によれば、０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度のクリアランス幅が好適である。
【００４０】
さらに実施の形態では、圧電膜２６を、緩衝部材２４の表面に塗布により形成した。緩衝部材２４に圧電膜２６を貼り付ける場合、それらの間には、微少な間隙が生じ、この間隙が面材２０から圧電膜２６への荷重の伝達を減少させるおそれがある。これに対して、塗布することで、緩衝部材２４と圧電膜２６の一体性が高まるため、荷重の伝達効率を高め、発電効率を高めることができる。
【００４１】
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
【００４２】
実施の形態では、面材２０の全周にわたり圧電膜２６を設ける場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。圧電膜２６は、任意の３辺、任意の２辺、任意の１辺に設けることができる。
【００４３】
図８（ａ）〜（ｄ）は、変形例に係る発電装置２を示す断面図である。
図８（ａ）の変形例では、圧電膜２６が、緩衝部材２４の表面であって、面材２０とは反対側の面に形成される。図６のＣは、図８（ａ）の変形例による発電電圧を示す。この変形例では、緩衝部材２４の面材２０に対する接触面に圧電膜２６を設けた場合に比べて発電電圧（発電効率）は低下するが、比較技術と比べれば、依然として高い発電効率が実現できることがわかる。
【００４４】
図８（ｂ）の変形例では、緩衝部材２４の表面のうち、面材２０と平行な二面に、圧電膜２６ａ、２６ｂが形成される。図８（ｃ）の変形例では、緩衝部材２４の側面に圧電膜２６が形成される。図８（ｄ）の変形例では、圧電膜２６の底面および側面の両方に圧電膜２６が形成される。当業者によれば、図８（ａ）〜（ｄ）に示した以外にも、全周囲に圧電膜２６を形成したもの、両側面に圧電膜２６を形成したもの、任意の三面に圧電膜２６を形成したものなどが存在し、これらも本発明の範囲に含まれる。
【００４５】
図９（ａ）〜（ｃ）は、別の変形例に係る発電装置２を示す断面図である。図９（ａ）の緩衝部材２４は、その表面に規則的な、あるいはランダムな突起が設けられ、その上に圧電膜２６が形成される。これにより圧電膜２６の表面積を増大させることができ、発電効率を高めることができる。
【００４６】
図９（ｂ）の緩衝部材２４は中空に形成される。図９（ｃ）の緩衝部材２４は、断面がコの字形状を有し、変形自在な左右の２辺の一方、あるいは両方に、圧電膜２６が形成される。これらの変形例では、緩衝部材２４が変形容易となって、圧電膜２６に加わる力を増大させることができ、発電効率を高めることができる。
【００４７】
実施の形態では、圧電膜２６が、面材２０の平面と接触する場合を説明したが本発明はそれには限定されない。図１０（ａ）、（ｂ）は、別の変形例に係る発電装置２を示す断面図である。図１０（ａ）の変形例では、圧電膜２６が、緩衝部材２４の表面であって、面材２０の側面Ｓ１と接触する面に形成される。図１０（ｂ）の変形例では、圧電膜２６は、面材２０の平面Ｓ２と側面Ｓ１の両方と接触する箇所に形成される。これらの変形例によっても、実施の形態と同様の高い発電効率を得ることができる。
【００４８】
最後に、発電装置２の用途に関する変形例を説明する。実施の形態では、発電装置２を窓に取り付ける場合を説明したが、本発明はそれに限定されない。
図１１（ａ）〜（ｄ）は、変形例に係る発電装置２を示す図である。図１１（ａ）の変形例では、発電装置２は建物の屋根のパネルに利用される。図１１（ｂ）の変形例では、発電装置２は建物の外壁パネルに利用される。図１１（ｃ）の変形例では、発電装置２は人間が歩行する床に利用される。図１１（ｄ）の変形例では、発電装置２は、自動車のパネルに利用される。自動車のパネルとは、ボンネットパネル、フェンダーパネル、ドアパネルなどが例示される。自動車以外にも、飛行機、船舶、鉄道、風力発電のプロペラの羽根、机やいす、トレイの便座など、パネルの組み合わせで構成される移動手段にも適用可能である。
【００４９】
また発電装置２の用途に関し、発電に加えてあるいはそれに代えて、振動の検知に利用してもよい。
【００５０】
上述の実施の形態および任意の変形例は組み合わせ可能であり、それらの組み合わせも本発明の範囲に含まれる。
【００５１】
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【００５２】
２…発電装置、２０…面材、２２…支持部材、２４…緩衝部材、２６…圧電膜、２８…緩衝部材、３０…電極、５０…壁面、５２…開口部。
【図１】
2015164153.tif 000003
【図２】
2015164153.tif 000004
【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】
2015164153.tif 000009
【図８】
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【図９】
2015164153.tif 000011
【図１０】
2015164153.tif 000012
【図１１】
2015164153.tif 000013