(57)【要約】【課題】圧電素子の破損を防止し、寿命や信頼性を向上することができる、発電装置を提供する。【解決手段】一端が固定された平板状の圧電素子板１４と、回転可能な外周ケース１２の内周面に複数配設され、外周ケース１２の回転時に、圧電素子板１４の他端に接触しながら圧電素子板１４を第１ガイド（内側ガイド１５）へ押圧する、円弧状の突起部１２ａと、突起部１２ａにより押圧され接触する圧電素子板１４を、一様な円弧状に歪曲させる側面を有する第１ガイド（内側ガイド１５）とを備えることで、圧電素子の破損を防止し、寿命や信頼性を向上することができる、発電装置を提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が固定された平板状の圧電素子板と、
回転可能な外周ケースの内周面に複数配設され、当該外周ケースの回転時に、前記圧電素子板の他端に接触しながら当該圧電素子板を第１ガイドへ押圧する、円弧状の突起部と、
前記突起部により押圧され接触する前記圧電素子板を、一様な円弧状に歪曲させる側面を有する前記第１ガイドとを備える
ことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
さらに、
前記歪曲による反動で逆側に歪曲する前記圧電素子板を、一様な円弧状に歪曲させる側面を有する第２ガイドを備える
ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記圧電素子板は、主軸から離隔する位置に鉛直に配設される
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】
前記突起部は、押圧する前記圧電素子板が前記内側ガイドの前記側面に接触し一様な円弧状に歪曲すると、当該圧電素子板から外れる大きさである
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項５】
前記圧電素子板は、ＭＦＣからなる
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の発電装置。
【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】
従来の発電装置に用いられる圧電素子として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）やＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）等の圧電セラミックが採用されている。発電やアクチュエータとして使われる板状の圧電素子としては、薄手の圧電素子と金属板を貼り合わせた構造であるユニモルフ素子や、２枚の圧電素子を貼り合わせた構造の、一方が伸びると他方が縮むように構成したバイモルフ素子がある。
【０００３】
また、最近では、フィルム状で可撓性があり大面積を覆うことができるが、圧電感度の低いｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ  ｆｌｕｏｒｉｄｅ（ＰＶＤＦ）等の圧電高分子と、高感度で可撓性もあるＰＺＴとを混合した複合圧電体であるＭａｃｒｏ  Ｆｉｂｅｒ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ（ＭＦＣ）と呼ばれる柔軟性のある平板状の圧電素子（以下、ＭＦＣ素子）が知られている。
【０００４】
上述のような圧電素子を利用した発電装置として、下記特許文献１には、垂直軸風車と中心軸を共通する円周上に一端が固定され、円周の内部に垂直に張り出された、屈曲することによって発電する圧電素子部材、及び該圧電素子部材の固定されていない他端に取り付けられており、上記垂直板若しくは垂直溝から外れないように周期的に押されて振動してその振動を該圧電素子部材に伝えて発電させる受力板、を有する発電機構を具備する風力発電機が開示されている。
【０００５】
また、下記特許文献２には、外周に複数の屈曲型圧電素子が一定の間隔で放射状に固定された円板状の内輪部材と、内輪部材を囲繞する外輪部材と、内輪部材又は外輪部材を回転させる回転機構と、内輪部材又は外輪部材を回転させた際に、屈曲型圧電素子の先端部に接触して屈曲型圧電素子に屈曲変位を生じさせるように、外輪部材の内周面に一定間隔で設けられた突起部と、を具備する発電装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１２７６００号公報
【特許文献２】特開２００５−２３７１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来の発電装置の構造では、板状の圧電素子が平板、溝、突起により歪曲させられるが、圧電素子全体を一様に歪曲させるような機構はなく、圧電素子に歪曲を加えるほど、電気（高い電圧）が得られるため、圧電素子全体が一様に歪曲するよりも、部分的に無理な歪曲を加えている。このため、圧電素子の無理な歪曲を加えている部分の破損の原因となる課題があった。
【０００８】
また、従来の発電装置の構造では、板状の圧電素子に対して、圧電素子の歪曲の大きさを制御する構造を備えていないので、圧電素子の固定部や先端部の一部分が歪曲されやすく、圧電素子の歪曲の大きさが過大であれば、圧電素子の破損の原因となるため、寿命や信頼性にも課題があった。
【０００９】
特に回転側の平板、溝、突起と接触する圧電素子の先端部は、接触時に衝撃力が加わるので、圧電素子の先端部の破損の原因となりやすい課題があった。
【００１０】
また、圧電素子と接触した平板若しくは溝が圧電素子を歪曲させて離れるためには、圧電素子にかなりの歪曲の力が働く。この歪曲の力により圧電素子が破損しないように、下記特許文献１では圧電素子と回転する平板との間にさらに歪曲するための受力板を必要としていた。したがって、受力板を有する分、発電装置が大形化し、コストも上昇するという課題があった。また、受力板が平板若しくは溝と強固に接触するので、受力板を用いない場合と比較して、圧電素子を歪曲させて離れるまでの回転力を大きくする必要があるという課題があった。
【００１１】
本発明は、上述のような従来技術の課題を解決するためになされたもので、圧電素子の破損を防止し、寿命や信頼性を向上する、発電装置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】
上記課題を解決する第１の発明に係る発電装置は、
一端が固定された平板状の圧電素子板と、
回転可能な外周ケースの内周面に複数配設され、当該外周ケースの回転時に、前記圧電素子板の他端に接触しながら当該圧電素子板を内側ガイドへ押圧する、円弧状の突起部と、
前記突起部により押圧され接触する前記圧電素子板を、一様な円弧状に歪曲させる側面を有する第１ガイドとを備える
ことを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する第２の発明に係る発電装置は、
上記第１の発明に係る発電装置において、
さらに、
前記歪曲による反動で逆側に歪曲する前記圧電素子板を、一様な円弧状に歪曲させる側面を有する第２ガイドを備える
ことを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する第３の発明に係る発電装置は、
上記第１又は２の発明に係る発電装置において、
前記圧電素子板は、主軸から離隔する位置に鉛直に配設される
ことを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する第４の発明に係る発電装置は、
上記第１から３のいずれか１つの発明に係る発電装置において、
前記突起部は、押圧する前記圧電素子板が前記内側ガイドの前記側面に接触し一様な円弧状に歪曲すると、当該圧電素子板から外れる大きさである
ことを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する第５の発明に係る発電装置は、
上記第１から４のいずれか１つの発明に係る発電装置において、
前記圧電素子板は、ＭＦＣからなる
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る発電装置によれば、圧電素子の破損を防止し、寿命や信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例１に係る発電装置の概略的正面図である。
【図２】本発明の実施例１に係る発電装置の概略的斜視図である。
【図３】本発明の実施例１に係る発電装置の作動を説明する概略的拡大正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る発電装置を、実施例により図面を用いて説明する。
【００２０】
［実施例１］
本発明の実施例１に係る発電装置の装置構成について、まず、図１，２を用いて説明する。図１は、本発明の実施例１に係る発電装置の概略的正面図である。図２は、本発明の実施例１に係る発電装置の概略的斜視図である。
【００２１】
本発明の実施例１に係る発電装置は、圧電素子板ユニット１１、外側ケース１２、主軸１３及びＰ板（平滑回路）１７を備える。また、圧電素子板ユニット１１は、回転しないものであり、圧電素子板１４、内側ガイド１５及び外側ガイド１６を備える。なお、Ｐ板（平滑回路）１７は、圧電素子板１４により発電されたパルス状の電流を平滑化するための回路基板である。
【００２２】
圧電素子板１４は、略長方形の板状（平板状）の圧電素子であり、主軸１３から離隔する位置に、長手方向が鉛直向きとなるように配設され、内側ガイド１５と外側ガイド１６とに挟まれ固定された端部である固定部１４ａを有する。
【００２３】
また、圧電素子板１４の長さは、圧電素子板１４の先端部１４ｂが、外側ケース１２の回転時の突起部１２ａの軌道上に位置する長さとする。
【００２４】
さらに、本発明の実施例１に係る発電装置では、圧電素子板１４が軸方向に複数並べられた列が、軸対称に２列並んでいる。そして、一方の列は固定部１４ａが上方、先端部１４ｂが下方にあり、他方の列は固定部１４ａが下方、先端部１４ｂが上方にある。なお、各圧電素子板１４は、長手方向が鉛直向きとなるように配設されているため、重力による歪曲は無視できる。
【００２５】
内側ガイド１５は、各圧電素子板１４の径方向内側に固定され、軸方向に延伸しており、一端が外側ガイド１６と共に各圧電素子板１４の固定部１４ａを挟み、各圧電素子板１４側の側面１５ａが円弧状となっている。
【００２６】
外側ガイド１６は、各圧電素子板１４の径方向外側に、軸対称に２つ固定され、それぞれ、軸方向に延伸しており、一端が内側ガイド１５と共に各圧電素子板１４の固定部１４ａを挟み、各圧電素子板１４側の側面１６ａが円弧状となっている。
【００２７】
内側ガイド１５及び外側ガイド１６の側面１５ａ，１６ａは、圧電素子板１４を一様な円弧状（すなわち、曲率一定の円弧状）に歪曲させる形状とする。具体的には、凸形状のなだらかな曲面又は多角平面とする。
【００２８】
外側ケース１２は、圧電素子板ユニット１１の外周に配設された中空円筒状のものであり、軸方向に延伸している。また、内周面には、径方向内側に円弧状に突起し軸方向に延伸した突起部１２ａが、放射状に複数配設されている。
【００２９】
また、外側ケース１２は、主軸１３を回転軸として圧電素子板ユニット１１の外周を、各圧電素子板１４から内側ガイド１５に向かう方向に回転するものである。
【００３０】
さらに、突起部１２ａは、外側ケース１２が圧電素子板１４から内側ガイド１５に向かう方向に回転すると、圧電素子板１４の先端部１４ｂに接触しながら圧電素子板１４を内側ガイド１５へ押圧する。
【００３１】
さらに、突起部１２ａは、押圧した圧電素子板１４が内側ガイド１５の側面１５ａに接触し一様な円弧状に歪曲すると、圧電素子板１４から外れる程度の大きさとする。これにより、突起部１２ａから内側ガイド１５に過大な力を与えないようにしている。
【００３２】
また、突起部１２ａを円弧状としているのは、外側ケース１２の回転時に、突起部１２ａが圧電素子板１４を押圧し歪曲させる力によって、外側ケース１２の回転力が低下しないようにするためである。
【００３３】
また、突起部１２ａは、外側ケース１２の回転時に、軸方向に並んだ各圧電素子板１４の各先端部１５ｂに対し均一に力を加える。
【００３４】
本発明の実施例１に係る発電装置では、上記装置構成とすることにより、外力により外側ケース１２が回転すると、外側ケース１２に配設された各突起部１２ａが、各圧電素子板１４の先端部１４ｂに接触しながら各圧電素子板１４を内側ガイド１５側へ押圧し、押圧された圧電素子板１４は、内側ガイド１５の側面１５ａに接触することで、各圧電素子板１４は長手方向に一様な円弧状に歪曲する。
【００３５】
また、各圧電素子板１４は、各突起部１２ａに押圧され歪曲した後、反発力による反動で逆側に歪曲する。このとき、外側ガイド１６の側面１６ａがあることで、各圧電素子板１４は再度一様な円弧状に歪曲する。
【００３６】
従来の発電装置の構造では、上述の内側ガイド１５及び外側ガイド１６のようなガイドを備えていないため、圧電素子板１４の固定部１４ａ又は先端部１４ｂが歪曲してしまい、局所的に過大な負荷がかかる構造であったが、本発明の実施例１に係る発電装置は、上述のようにして各圧電素子板１４が一様な円弧状に歪曲することで発電するため、局所的に過大な負荷がかかることを防止することができる。
【００３７】
また、本発明の実施例１に係る発電装置は、突起部１２ａが円弧状であるために、従来の発電装置に比べ、圧電素子板１４の先端部１４ｂに過大な力が加わりにくい。したがって、上記特許文献１に開示された受力板が不要となる。また、圧電素子板１４が破損し難くなり、寿命及び信頼性が向上する。
【００３８】
ちなみに、本発明の実施例１に係る発電装置では、突起部１２ａの円弧の半径を調整するか、又は、先端部１４ｂと突起部１２ａとの重複する距離を調整することで、突起部１２ａと先端部１４ｂとの接触と重なりの程度を変更することができ、圧電素子板１４にかかる歪曲力、及び、突起部１２ａと先端部１４ｂとの接触時間の調整が可能である。
【００３９】
以下、本発明の実施例１に係る発電装置の作動について、図３を用いてより詳述する。図３は、本発明の実施例１に係る発電装置の作動を説明する概略的拡大正面図である。
【００４０】
まず、外周ケース１２が回転すると、突起部１２ａが圧電素子板１４を押圧し、圧電素子板１４は変形（歪曲）し始めることで、電気が発生し始める。
【００４１】
外側ケース１２がさらに回転し、突起部１２ａが移動するに従い、圧電素子板１４がさらに変形し、電気がさらに発生する。しかし、突起部１２ａが円弧状であるために、外側ケース１２が回転するに従い、圧電素子板１４の先端部１４ｂは徐々に突起部先端１２ａ‐１へ向かい移動する。
【００４２】
圧電素子板１４が突起部先端１２ａ‐１に到達したときに、圧電素子板１４が内側ガイド１５に接触し、圧電素子板１４の先端部１４ｂが突起部１２ａから外れる。
【００４３】
また、内側ガイド１５に接触した圧電素子板１４は、内側ガイド１５の側面１５ａの形状により一様な円弧状に歪曲する。
【００４４】
そして、内側ガイド１５により一様に歪曲した圧電素子板１４が、反発力による反動で逆側に歪曲する。逆側に歪曲した圧電素子板１４は、外側ガイド１６によって再度一様な円弧状に歪曲する。
【００４５】
本発明の実施例１に係る発電装置では、圧電素子板１４が、主軸１３から離隔する位置に、長手方向が鉛直向きとなるように配設され、また、外側ケース１２に配設された突起部１２ａは、押圧する圧電素子板１４が内側ガイド１５の側面１５ａに接触し一様な円弧状に歪曲すると、圧電素子板１４から外れる程度の大きさとすることで、内側ガイド１５に過大な力を与えないようにしているので、圧電素子板１４が歪曲力を受けても破損及び劣化が発生しない。
【００４６】
換言すれば、本発明の実施例１に係る発電装置は、圧電素子板１４が突起部先端１２ａ‐１に到達したときに、圧電素子板１４が内側ガイド１５に接触し、圧電素子板１４の先端部１４ｂが突起部１２ａから外れることで、圧電素子板１４の固定部１４ａ又は先端部１４ｂが局所的に激しく変形することなく、圧電素子板１４全体が無理なく変形するので、圧電素子板１４の固定部１４ａ及び先端部１４ｂの破損を防止することができる。
【００４７】
また、本発明の実施例１に係る発電装置は、突起部１２ａが径方向内側に円弧状に突起しているので、外側ケース１２の回転時に、突起部１２ａが圧電素子板１４を歪曲させる力による外側ケース１２の回転力の低下を防ぐことができる。
【００４８】
さらに、本発明の実施例１に係る発電装置は、突起部１２ａが円弧状であるので、突起部１２ａと先端部１４ｂとの接触は、円弧状の半径を調整するか、又は、先端部１４ｂと突起部１２ａとの重複する距離を調整することで、圧電素子板１４の先端部１４ｂにかかる歪曲力及び接触時間の調整が可能となる。
【００４９】
さらに、本発明の実施例１に係る発電装置は、突起部１２ａが円弧状であるので、従来の発電装置のよるに圧電素子板１４の先端部に過大な力が加わりにくく、引用文献１のような受力板が不要となる。また、圧電素子板１４が破損し難くなり、寿命及び信頼性が向上する。
【００５０】
さらに、本発明の実施例１に係る発電装置は、内側ガイド１５及び外側ガイド１６を備えており、圧電素子板１４が一様な円弧状に歪曲するので、内側ガイド１５及び外側ガイド１６により圧電素子板１４の歪曲の大きさが制御され、過大とならず、寿命及び信頼性が向上する。
【００５１】
さらに、本発明の実施例１に係る発電装置は、内側ガイド１５及び外側ガイド１６の側面１５ａ，１６ａは、圧電素子板１４全体を円弧状に歪曲させるように、それぞれ凸形状のなだらかな曲面又は多角平面としてもよいので、圧電素子板１４が一様な円弧状に歪曲するため、圧電素子板１４全面で発電することができ、発電効率が向上する。
【００５２】
なお、上述では、圧電素子板１４の固定部１４ａが、内側ガイド１５及び外側ガイド１６により固定されているものとしたが、本実施例はこれに限定されるものではなく、どのような手段で固定部１４ａが固定されていてもよい。
【００５３】
本実施例における圧電素子板１４は、ユニモルフ素子、バイモルフ素子及びＭＦＣ素子等、平板上に形成できる圧電素子であれば何にでも適用できる。特に、柔軟性のあるＭＦＣ素子を用いると、圧電素子板１４の破損をより防止することができ、寿命や信頼性をより向上することができる。
【００５４】
以上、本発明の実施例１に係る発電装置について説明したが、換言すれば、本発明の実施例１に係る発電装置は、一端が固定された平板状の圧電素子板と、回転可能な外周ケースの内周面に複数配設され、当該外周ケースの回転時に、前記圧電素子板の他端に接触しながら当該圧電素子板を第１ガイド（内側ガイド）へ押圧する、円弧状の突起部と、前記突起部により押圧され接触する前記圧電素子板を、一様な円弧状に歪曲させる側面を有する前記第１ガイドとを備えるものである。
【００５５】
また、本発明の実施例１に係る発電装置は、さらに、前記歪曲による反動で逆側に歪曲する前記圧電素子板を、一様な円弧状に歪曲させる側面を有する第２ガイド（外側ガイド）を備えるものである。
【００５６】
さらに、本発明の実施例１に係る発電装置では、前記圧電素子板が、主軸から離隔する位置に鉛直に配設されるものである。
【００５７】
さらに、本発明の実施例１に係る発電装置では、前記突起部が、押圧する前記圧電素子板が前記内側ガイドの前記側面に接触し一様な円弧状に歪曲すると、当該圧電素子板から外れる大きさであるものである。
【００５８】
さらに、本発明の実施例１に係る発電装置では、前記圧電素子板が、ＭＦＣからなるものとするとよい。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、圧電素子を用いた発電装置、特にＭＦＣ素子を用いた小型発電機として好適である。
【符号の説明】
【００６０】
１１  圧電素子板ユニット
１２  外側ケース
１２ａ  突起部
１２ａ‐１  突起部先端
１３  主軸
１４  圧電素子板
１４ａ  固定部
１４ｂ  先端部
１５  内側ガイド
１５ａ  側面
１６  外側ガイド
１６ａ  側面
１７  Ｐ板（平滑回路）
【図１】
2015142401.tif 000003
【図２】
2015142401.tif 000004
【図３】
2015142401.tif 000005