(57)【要約】  発電装置（１００）は、発電部（１８）と、力点、支点（２４）および作用点（２６）を有するテコ機構（２０）と、テコ機構（２０）に設けられた第１磁性体（３１）と、第１磁性体（３１）に引き付けられる磁気特性を有する第２磁性体（３２）とを備える。力点が押圧されることにより、作用点（２６）はテコの原理により発電部（１８）に荷重を加え、第１磁性体（３１）は第２磁性体（３２）に引き付けられながら第２磁性体（３２）に接近する。
2015072258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷重を加えられることにより発電する発電部と、
力点、支点、および前記発電部に対向するように配置された作用点を有し、前記力点が押圧されることによって前記作用点が前記発電部に近づく方向に前記支点の周りに回動するテコ機構と、
前記テコ機構に設けられ、前記支点の周りに前記テコ機構と一体的に回動する第１磁性体と、
前記第１磁性体に引き付けられる磁気特性を有する第２磁性体と、を備え、
前記力点が押圧されることにより、前記作用点はテコの原理により前記発電部に前記荷重を加え、前記第１磁性体は前記第２磁性体に引き付けられながら前記第２磁性体に接近する、
発電装置。
【請求項２】
前記発電部は、圧電素子を含む、請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記発電部は、磁歪素子を含む、請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】
前記支点と前記第１磁性体との間の距離は、前記支点と前記作用点との間の距離よりも長い、
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】
前記作用点が前記発電部に近づく方向に前記テコ機構が回動し終えた際、前記第１磁性体は前記第２磁性体に接触する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項６】
前記作用点が前記発電部に近づく方向に前記テコ機構が回動し終えた際、前記テコ機構には、前記発電部の変形により生じた反力が作用しており、
前記反力は、前記第１磁性体と前記第２磁性体との間の磁気結合力よりも弱い、
請求項１から５のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項７】
前記テコ機構の回動範囲は、第１回動範囲と、前記第１回動範囲よりも前記作用点が前記発電部に近づく方向の側に位置する第２回動範囲とを含み、
前記力点を変位させるために必要な力は、前記第１回動範囲では増加し、前記第２回動範囲では減少する、
請求項１から６のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項８】
前記発電部は、発電素子と、前記発電素子を直接押圧する押圧部と、を備え、
前記押圧部は、前記発電素子と前記テコ機構との間に設けられている、
請求項１から７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、テコ機構を用いて発電する発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００３−１１１４４５号公報（特許文献１）には、圧電素子およびテコ機構を備えた発電装置が開示されている。圧電素子は変形することによって発電する。テコ機構に加えられた荷重は、テコ機構により増大され、圧電素子に加えられる。テコ機構の活用により、圧電素子を効率的に変形させることが可能となる。【０００３】
特開２００５−２２９６５５号公報（特許文献２）には、圧電素子および複数の磁石を備えた発電装置が開示されている。磁石は、回転移動可能であり、回転移動することによって、他の磁石に吸引されたり反発されたりすることを繰り返す。吸引および反発により発生した力は、バネを介して圧電素子に荷重として加えられる。圧電素子は、バネから加えられた荷重により変形する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１１１４４５号公報
【特許文献２】特開２００５−２２９６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、従来に比して発電部をより効率的に変形させることが可能な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】
【０００６】
本発明に基づく発電装置は、荷重を加えられることにより発電する発電部と、力点、支点、および上記発電部に対向するように配置された作用点を有し、上記力点が押圧されることによって上記作用点が上記発電部に近づく方向に上記支点の周りに回動するテコ機構と、上記テコ機構に設けられ、上記支点の周りに上記テコ機構と一体的に回動する第１磁性体と、上記第１磁性体に引き付けられる磁気特性を有する第２磁性体と、を備え、上記力点が押圧されることにより、上記作用点はテコの原理により上記発電部に上記荷重を加え、上記第１磁性体は上記第２磁性体に引き付けられながら上記第２磁性体に接近する。【０００７】
好ましくは、上記発電部は、圧電素子を含む。好ましくは、上記発電部は、磁歪素子を含む。【０００８】
好ましくは、上記支点と上記第１磁性体との間の距離は、上記支点と上記作用点との間の距離よりも長い。【０００９】
好ましくは、上記作用点が上記発電部に近づく方向に上記テコ機構が回動し終えた際、上記第１磁性体は上記第２磁性体に接触する。【００１０】
好ましくは、上記作用点が上記発電部に近づく方向に上記テコ機構が回動し終えた際、上記テコ機構には、上記発電部の変形により生じた反力が作用しており、上記反力は、上記第１磁性体と上記第２磁性体との間の磁気結合力よりも弱い。【００１１】
好ましくは、上記テコ機構の回動範囲は、第１回動範囲と、上記第１回動範囲よりも上記作用点が上記発電部に近づく方向の側に位置する第２回動範囲とを含み、上記力点を変位させるために必要な力は、上記第１回動範囲では増加し、上記第２回動範囲では減少する。【００１２】
好ましくは、上記発電部は、発電素子と、上記発電素子を直接押圧する押圧部と、を備え、上記押圧部は、上記発電素子と上記テコ機構との間に設けられている。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成によれば、テコ機構および磁性体の活用によって、従来に比して発電部をより効率的に変形させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施の形態における発電装置を示す斜視図である。
【図２】第１の実施の形態における発電装置を示す平面図である。
【図３】第１の実施の形態における発電装置を示す側面図である。
【図４】第１の実施の形態における発電装置の分解した状態を示す斜視図である。
【図５】第１の実施の形態における発電装置のテコ機構が押圧され、テコ機構が第２磁性体に近づく方向に回動している様子を示す図である。
【図６】第１の実施の形態における発電装置の圧電素子が変形および発電している様子を模式的に示す図である。
【図７】第１の実施の形態における発電装置に関し、テコ機構の力点の変位量とテコ機構の力点を変位させるために必要な荷重との関係を説明するための図である。
【図８】第１の実施の形態における発電装置に関し、テコ機構の力点の変位量とテコ機構の力点を変位させるために必要な荷重との関係を示す図である。
【図９】第１の実施の形態の第１変形例における発電装置に関し、テコ機構の力点の変位量とテコ機構の力点を変位させるために必要な荷重との関係を示す図である。
【図１０】第１の実施の形態の第１変形例における発電装置のテコ機構が押圧され、テコ機構が第２磁性体に近づく方向に回動している様子を示す図である。
【図１１】第１の実施の形態の第１変形例における発電装置のテコ機構が第２磁性体から遠ざかる方向に回動している様子を示す図である。
【図１２】第１の実施の形態の第２変形例における発電装置に関し、テコ機構の力点の変位量とテコ機構の力点を変位させるために必要な荷重との関係を示す図である。
【図１３】第１の実施の形態の第２変形例における発電装置を示す側面図である。
【図１４】第１の実施の形態の第２変形例における発電装置の他の構成を示す側面図である。
【図１５】第１の実施の形態の第３変形例における発電装置を示す側面図である。
【図１６】第１の実施の形態の第４変形例における発電装置を示す平面図である。
【図１７】第１の実施の形態の第５変形例における発電装置を示す側面図である。
【図１８】第１の実施の形態の第６変形例における発電装置を示す側面図である。
【図１９】第１の実施の形態の第７変形例における発電装置を示す側面図である。
【図２０】第１の実施の形態の第７変形例における発電装置のテコ機構が押圧され、テコ機構が第２磁性体に近づく方向に回動している様子を示す図である。
【図２１】第２の実施の形態における発電装置の分解した状態を示す斜視図である。
【図２２】第２の実施の形態における発電装置の発電素子が発電している様子を模式的に示す図である。
【図２３】第３の実施の形態における発電装置を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に基づいた実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。個数および量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数およびその量などに限定されない。同一の部品および相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１〜図８を参照して、発電装置１００について説明する。図１〜図３は、それぞれ、発電装置１００を示す斜視図、平面図および側面図である。図４は、発電装置１００の分解した状態を示す斜視図である。図１〜図４に示すように、発電装置１００は、基台１０、固定部材１２，１４（図２および図４参照）、金属板１６、発電部としての圧電素子１８（発電素子）、テコ機構２０、磁石３１（第１磁性体）、および磁石３２（第２磁性体）を備えている。
【００１７】
基台１０は、平板状の形状を有し、たとえば樹脂からなる。基台１０は、発電装置１００を収容する筐体の一部（側壁など）であってもよい。固定部材１２，１４は、たとえば金属製の部材からなり、金属板１６の長手方向の両端を支持する。固定部材１２，１４は、金属板１６の長さ分だけ間隔を空けて相互に離間しており、基台１０上に固定されている。
【００１８】
金属板１６および圧電素子１８は、薄板状の形状を有している。金属板１６および圧電素子１８は、互いに貼り合わされ、ユニモルフ構造を構成している。金属板１６は、たとえばＦｅ−４２Ｎｉなどの合金からなる。圧電素子１８は、金属板１６を介して固定部材１２，１４に支持されている。圧電素子１８の表裏面には図示しない電極が設けられている。圧電素子１８が荷重を加えられて変形することにより、電圧が発生する。圧電素子１８で発生した電圧は、圧電素子１８の表裏面の電極と、図示しないリード線などとを通して取り出される。
【００１９】
一般的な圧電素子は、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス（ＰＺＴ）からなり、引張応力に弱く、圧縮応力に強いという特性を有している。圧電素子１８がＰＺＴからなる場合であっても、金属板１６と圧電素子１８とを貼り合せることにより、圧電素子１８に荷重が加えられた際に圧電素子１８に作用する引張応力を小さくすることができ、圧電素子１８に割れなどが発生することを防止できる。なお金属板１６は必須の構成ではない。圧電素子１８に加えられる荷重が小さく割れなどの発生の懸念がない場合には、発電装置１００は金属板１６を備えていなくてもよい。なお、圧電素子１８は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスに限るものではない。圧電素子１８は、例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系及びアルカリニオブ酸系セラミックス等の非鉛系圧電体セラミックスの圧電材料などから構成してもよい。
【００２０】
（テコ機構２０）
テコ機構２０は、レバー２１、支持部材２２，２３、および回動軸２４（支点ともいう）を含んでいる。レバー２１は、略板状であり、たとえば樹脂からなる。レバー２１は、表面２１Ｓ、裏面２１Ｔ、先端２１Ａ、基端２１Ｂ、および貫通孔２１Ｈを有している。貫通孔２１Ｈは、回動軸２４を挿通させるための部位であり、基端２１Ｂの近くに設けられている。
【００２１】
支持部材２２，２３は、支持部２２Ａ，２３Ａと、固定部２２Ｂ，２３Ｂとをそれぞれ有している。支持部２２Ａ，２３Ａは回動軸２４を支持する。固定部２２Ｂ，２３Ｂは、支持部２２Ａ，２３Ａと基台１０との間に位置している。支持部材２２，２３および回動軸２４によって、レバー２１は回動軸２４の周りに回動可能に支持（枢支）される。レバー２１の裏面２１Ｔは、圧電素子１８の表面に対向している。
【００２２】
支持部２２Ａ，２３Ａは、互いに平行であり、固定部２２Ｂ，２３Ｂの側から圧電素子１８が位置している側に向かってそれぞれ延在している。発電装置１００を平面視して（図２参照）、支持部２２Ａ，２３Ａのうちの先端部２２Ｃ，２３Ｃの側に位置する部分は、圧電素子１８に対向している。支持部２２Ａ，２３Ａは、先端部２２Ｃ，２３Ｃの近くで回動軸２４をそれぞれ支持している。回動軸２４は、回動軸２４を圧電素子１８の表面に対して直交する方向に投影したとすると、回動軸２４の投影像が圧電素子１８の表面に重なる位置に配置されている（図２および図３参照）。
【００２３】
レバー２１の裏面２１Ｔには、凸部２６（作用点ともいう）が設けられている。凸部２６は、平坦な裏面２１Ｔから圧電素子１８が位置している側に向かって突出している。凸部２６は、テコ機構２０の作用点として機能する部位であり、圧電素子１８の表面に対向するように設けられている。テコ機構２０が押圧されていない状態（無負荷状態）において、凸部２６は圧電素子１８に当接している。なお、無負荷状態において、凸部２６は圧電素子１８に必ずしも当接していなくても構わない。
【００２４】
以上のように構成されるテコ機構２０においては、レバー２１が押圧されることによって、凸部２６（作用点）が圧電素子１８に近づく方向に回動軸２４（支点）の周りに回動する。テコ機構２０に加えられた荷重は、荷重を加えられた部分である力点と、凸部２６（作用点）と、回動軸２４（支点）とのテコ比に応じて増大する。
【００２５】
図２を参照して、テコ機構２０の力点として機能する部位は、テコの原理を利用可能な箇所であればレバー２１の表面２１Ｓのうちの任意の箇所に設けることができる。力点として機能する部位は、発電装置１００を収容する筐体にボタンを設けた場合には、レバー２１の表面２１Ｓのうちのボタンからの荷重（押圧力）を受ける部分である。
【００２６】
テコ比を活用する観点によれば、力点として機能する部位は、レバー２１の表面２１Ｓのうちの図中の一点鎖線で囲まれる領域２５内に設けられることが好ましい。領域２５とは、レバー２１の表面２１Ｓのうちの、凸部２６（作用点）よりも先端２１Ａ（自由端）の側に位置する部分である。本実施の形態では、テコ機構２０の力点の位置は、次述する磁石３１に対応する位置に設けられている。具体的には、テコ機構２０の力点２５Ｆは、レバー２１の表面２１Ｓであって、レバー２１の裏面２１Ｔに設けられている磁石３１に対向するように設けられている。
【００２７】
磁石３１は、ネオジウムなどの永久磁石からなり、レバー２１の裏面２１Ｔに設けられている。レバー２１の短手方向において、磁石３１はレバー２１の裏面２１Ｔのうちの丁度中央に位置している。レバー２１の長手方向において、磁石３１はレバー２１の裏面２１Ｔのうちの先端２１Ａの近くに位置している。力点２５Ｆが押圧された際、磁石３１は回動軸２４の周りにレバー２１と一体的に回動する。
【００２８】
磁石３２は、ネオジウム磁石やフェライト磁石などの永久磁石からなり、基台１０上に設けられる。磁石３２は、磁石３１に引き付けられる磁気特性を有するように、磁石３１に対向する位置に配置されている。たとえば、磁石３１は、Ｓ極が磁石３２の側に向くように配置されており、磁石３２は、Ｎ極が磁石３１の側に向くように配置されている。これらの磁極の関係は上記と反対であってもよい。
【００２９】
磁石３１，３２のうちの一方が、鉄、コバルト、ニッケルとその合金、またはフェライトなどの磁性体からなるように構成してもよい。たとえば、レバー２１が鉄などの磁性体からなり、レバー２１が磁石３２と互いに引き付け合う特性を有していてもよい。この場合、磁石３１は必須の構成ではなく、レバー２１が第１磁性体として機能する。レバー２１そのものが永久磁石からなるように構成してもよい。この場合も、磁石３１は必須の構成ではなく、レバー２１のうちの磁石３２に引き付けられる部分が第１磁性体として機能する。
【００３０】
基台１０が鉄などの磁性体からなり、基台１０が磁石３１と互いに引き付け合う特性を有していてもよい。この場合、磁石３２は必須の構成ではなく、基台１０のうちの磁石３１に引き付けられる部分が第２磁性体として機能する。基台１０の一部もしくは全部が永久磁石からなるように構成してもよい。この場合も、磁石３２は必須の構成ではなく、基台１０のうちの永久磁石を構成している部分（磁石３１に引き付けられる部分）が第２磁性体として機能する。
【００３１】
図５を参照して、発電装置１００は、たとえば押しボタンスイッチの中に設けられる。ボタンが押圧された際に、押圧に伴う荷重は、テコ機構２０の力点２５Ｆに作用する（矢印ＤＲ１参照）。力点２５Ｆに作用した荷重は、凸部２６が圧電素子１８に近づく方向に、レバー２１を回動軸２４の周りに回動させる（矢印ＡＲ１参照）。荷重はテコの原理によりテコ比に応じて増大され、荷重は凸部２６（作用点）によって圧電素子１８に加えられる。
【００３２】
図６を参照して、凸部２６（図５）から荷重（矢印ＤＲ２）を受けた圧電素子１８は、金属板１６と一体的に弾性変形する（撓む）。荷重が圧電素子１８に加えられる際、磁石３１（図５）は磁石３２（図５）に引き付けられながら磁石３２に接近する。レバー２１が回動する際には、磁石３１，３２間に発生する引力（磁気結合力）が活用される。引力は、たとえば押しボタンスイッチを押圧した使用者の押圧動作を支援（アシスト）する。
【００３３】
冒頭で述べたように、特開２００３−１１１４４５号公報（特許文献１）には、圧電素子およびテコ機構を備えた発電装置が開示されている。この発電装置では、打片と基台との間にバネが配置されているが、このバネは、打片の最上位位置を規制するために設けられているものであり、支援機能をほとんど有していない。使用者の押圧動作に伴う負担を軽減するためには、圧電素子のバネ定数を小さくすることも考えられるが、この場合には発電量が小さくなる。
【００３４】
本実施の形態の発電装置１００では、テコ機構２０だけでなく磁石３１，３２間の引力（アシスト力）により、発電装置１００は圧電素子１８を効率的に変形させることが可能となる。テコ機構２０および磁石３１，３２の活用によって、使用者は従来に比して小さな力で従来と同じ発電量を得ることが可能となる。使用者は従来と同じ力（若しくは小さな力）で従来よりも大きな発電量を得ることも可能となる。
【００３５】
磁石３１，３２間の引力は、レバー２１の回動速度を速くすることもできる。すなわち、磁石３１，３２が用いられない場合に比べてレバー２１は速く回動し、圧電素子１８の単位時間当たりの変形量を増加させることができる。これにより、圧電素子１８で発生する電荷のリークが抑えられ、発電効率を向上させることが可能となる。発電効率とは、押し込み動作（入力エネルギー）に対する発電量（出力エネルギー）の割合である。
【００３６】
圧電素子１８の変形により発生した電圧は、たとえば、ボタンが押圧されたことを表わすライトを点灯させたり、ボタンが押圧されたことを表わす信号を無線で送信する機器に供給されたりする。発電装置１００は、使用者によって押圧される場合に限られず、歯車やハンマーなどの機械的手段に押圧されることによって発電してもよい。この場合も、機械的手段の負荷を減らせるという効果が得られる。
【００３７】
図３を再び参照して、上述の通り、磁石３１はレバー２１の裏面２１Ｔのうちの先端２１Ａの近くに位置し、磁石３２は磁石３１に対向する位置に配置されている。回動軸２４と磁石３１との間の距離Ｌ１は、回動軸２４と凸部２６との間の距離Ｌ２よりも長い。当該構成によれば、磁石３１，３２間に発生する引力もテコの原理により増大され、圧電素子１８をより効率的に変形させることが可能となる。
【００３８】
図７および図８を参照して、テコ機構２０の力点２５Ｆの変位量とテコ機構２０の力点２５Ｆを変位させるために必要な荷重との関係について説明する。力点２５Ｆが押圧され圧電素子１８が弾性変形した際、圧電素子１８には元の状態に戻ろうとする力（復元力）が発生する（図７中の矢印ＤＲ３）。圧電素子１８をさらに変形させるためには、この復元力よりも大きな荷重が圧電素子１８に加えられる必要がある。
【００３９】
図７および図８を参照して、力点２５Ｆを押圧した際の力点２５Ｆの変位量をｘ［ｍｍ］とする（図８中横軸）。力点２５Ｆの変位量ｘは、磁石３１の変位量と略同じである。圧電素子１８が変形する際、圧電素子１８の変形量と圧電素子１８を変形させるために必要な荷重とは、線形の関係を有している。磁石３１，３２を仮に用いていないとすると、力点２５Ｆの変位量ｘ（図７参照）と圧電素子１８を変形させるために必要な荷重（Ｆ１）とは、図８中の線ＬＮ１に示すような関係を有することとなる。この関係は、次の式１で表わされる。
Ｆ１（ｘ）＝ｋ’ｘ  ・・・（式１）
この式１の中でバネ定数をｋ’としていることは、テコ機構２０を利用していることに基づくものであり、たとえばテコ比が３の場合、ｋ’＝１／３ｋ（ｋは圧電素子１８の実際のバネ定数）となる。
【００４０】
一方で、磁石３１，３２の磁気結合によるアシスト力（Ｆ２）は、図８中の線ＬＮ２に示すような関係を有している。クーロンの法則によれば、対向配置された磁石３１，３２間に発生する磁気結合力Ｆ２（ｘ）は、次の式２で表わされる。
Ｆ２（ｘ）＝［１／（４πμ０）］×［（ｍ１×ｍ２）／（Ｌ−ｘ）２］  ・・・（式２）
この式の中で、Ｌは、初期（無負荷）状態の磁石３１，３２間の距離である（図７参照）。μ０は、真空の透磁率である。ｍ１は、磁石３１の磁極であり、ｍ２は、磁石３２の磁極である。磁極ｍ１と磁極ｍ２との正負の符号は反対である。
【００４１】
圧電素子１８に荷重を加えて圧電素子１８を変形させるために必要な荷重Ｆ３（ｘ）は、Ｆ３（ｘ）＝Ｆ１（ｘ）＋Ｆ２（ｘ）であり（Ｆ１（ｘ）＞０，Ｆ２（ｘ）＜０）、図８中の線ＬＮ３に示すような関係を有している。たとえば、力点２５Ｆを距離ｘａだけ変位させるためには、Ｆ３（ｘａ）の荷重で足りる（Ｆ３（ｘａ）＜Ｆ１（ｘａ））。
【００４２】
無負荷状態（ｘ＝０）の場合、磁石３１，３２が離れているため磁気結合力はほとんど発生しないが、押圧動作を行うことで磁石３１，３２が互いに近づく。磁気結合力は、徐々に増加しつつ、押圧動作を支援する。圧電素子１８への押し込み量に伴って圧電素子１８の復元力（図７中の矢印ＤＲ３）は大きくなるが、磁石３１，３２によってアシスト力が付与される。
【００４３】
したがって、本実施の形態の発電装置１００と、磁石３１，３２を備えていない発電装置（比較例）とを比較すると、本実施の形態の方はより小さな荷重で比較例と同じ発電量を得ることができる。本実施の形態は、比較例と同じ荷重で比較例よりも大きな発電量を得ることもできる。発電装置１００によれば、高い発電効率を得ることが可能となる。
【００４４】
本実施の形態では、圧電素子１８に荷重を加えて圧電素子１８を変形させるために必要な荷重Ｆ３（ｘ）は、図８中の点Ｐ１から点Ｐ２までの範囲では徐々に増加し、点Ｐ２から点Ｐ３までの範囲では徐々に減少する。力点２５Ｆを変位させるために必要な荷重も、点Ｐ１から点Ｐ２までの範囲では徐々に増加し、点Ｐ２から点Ｐ３までの範囲では徐々に減少する。
【００４５】
点Ｐ２とは、力点２５Ｆを変位量ｘｂだけ変位させるために必要な荷重である。力点２５Ｆを初期位置から変位量ｘｃ（最大ストローク量）まで変位させるまでの間において、変位量ｘｂまでは荷重が徐々に増加し、変位量ｘｂで荷重は極値となり、それ以降から変位量ｘｃまでは荷重は減少する。
【００４６】
発電装置１００では、磁石３１，３２の磁極ｍ１，ｍ２や、圧電素子１８のバネ定数ｋ、ならびにテコ機構２０のテコ比などが、この増加および減少を実現できるように構成されている。また、図８中の点Ｐ２の変位量であるｘｂは次の式３が成り立つときのｘと同じである。
ｄＦ１（ｘ）／ｄｘ＝−ｄＦ２（ｘ）／ｄｘ  ・・・（式３）
つまり、力点２５Ｆが変位量ｘｂだけ変位しているとき、圧電素子１８を変形させるために必要な荷重Ｆ１（式１参照）の瞬間的な増加量と、磁石３１，３２間に発生する磁気結合力Ｆ２（式２参照）の瞬間的な増加量とは、絶対値同士が同一となっている。これにより、力点２５Ｆを変位量ｘｂだけ変位させた時点において、力点２５Ｆを変位させるために必要な荷重Ｆ３は極値となる。
【００４７】
点Ｐ１から点Ｐ３までの範囲は、レバー２１の回動範囲に対応している。点Ｐ１から点Ｐ２までの範囲は、レバー２１の第１回動範囲に対応しており、点Ｐ２から点Ｐ３までの範囲は、レバー２１の第２回動範囲に対応している。第１回動範囲とは、無負荷状態の力点２５Ｆが変位量ｘｂに到達するまでの範囲である。第２回動範囲とは、変位量ｘｂに位置している力点２５Ｆが変位量ｘｃに到達するまでの範囲である。第２回動範囲は、第１回動範囲よりも凸部２６（作用点）が圧電素子１８に近づく方向の側に位置している。
【００４８】
力点２５Ｆを変位させるために必要な荷重は、第１回動範囲内では増加し、第２回動範囲内では減少する。当該構成によれば、使用者に作用する負荷は、押圧動作の完了が近づいてきたことに伴って増加から減少に転じる。負荷の減少により、使用者は指に作用している負荷が抜けたように感じる。使用者は、押圧動作が完了したという達成感を抱くことができ、たとえばボタンなどを適切に押せたということを実感することが可能となる。図８中の点Ｐ３に示すように、力点２５Ｆを変位量ｘｃ（最大ストローク量）まで変位させた時点において、力点２５Ｆをさらに変位させるために必要な荷重を実質的にゼロとしてもよい。
【００４９】
本実施の形態では、レバー２１の回動範囲は、凸部２６が圧電素子１８に近づく方向にレバー２１が回動し終えた際に磁石３１が磁石３２に接触するように設定されている。すなわち、図８中の変位量ｘｃは、無負荷状態の磁石３１，３２間の距離Ｌ（図７）と同じであり、レバー２１は変位量ｘｃ（＝距離Ｌ）の分だけ回動可能なようにストローク量が確保されている。
【００５０】
押圧動作が完了する位置にレバー２１が到達したのと同時に磁石３１，３２同士が接触するように構成することで、磁石３１，３２によるアシスト力を十分に活用することができる。磁石３１，３２同士が接触した際に発生する衝突音および感触は、使用者に押圧動作が完了したことを感じさせる。使用者は、押圧動作が完了したという達成感を抱くことができ、たとえばボタンなどを適切に押せたということをより強く実感することが可能となる。なおこの構成は必須ではなく、押圧動作が完了する位置にレバー２１が到達したときに磁石３１，３２同士が接触しないように構成されていてもよい。
【００５１】
（第１変形例）
図９〜図１１を参照して、第１変形例における発電装置１０１について説明する。本変形例では、圧電素子１８（図１０）に荷重を加えて圧電素子１８を変形させるために必要な荷重Ｆ３（ｘ）は、図９中の線ＬＮ３に示すような関係を有している。本変形例で用いられる磁石３１，３２間の磁気結合力は、上述の実施の形態で用いられる磁石３１，３２間の磁気結合力に比べて小さい。
【００５２】
図９中の点Ｐ３Ａに示すように、力点２５Ｆを変位量ｘｃ（最大ストローク量）まで変位させた時点において、力点２５Ｆをさらに変位させるために必要な荷重はゼロよりも大きい値となっている。換言すると、凸部２６が圧電素子１８に近づく方向にレバー２１が回動し終えた時点において、レバー２１には圧電素子１８の変形により生じた反力が作用しており、この反力は、磁石３１，３２の磁気結合力よりも強くなっている。
【００５３】
図１０は、力点２５Ｆを初期位置から変位量ｘｃ（最大ストローク量）まで変位させた時点の様子を示している。この状態でテコ機構２０に加えている荷重（矢印ＤＲ１）を解放すると、図１１に示すように、テコ機構２０のレバー２１は矢印ＡＲ２方向に回動する。力点２５Ｆの位置も、矢印ＤＲ１０に示すように、元の位置に戻る。当該構成は、たとえば押している間だけ接点がオンになる自動復帰型の押しボタンスイッチなどに適用できる。
【００５４】
（第２変形例）
図１２および図１３を参照して、第２変形例における発電装置１０２について説明する。本変形例では、圧電素子１８（図１３）に荷重を加えて圧電素子１８を変形させるために必要な荷重Ｆ３（ｘ）は、図１２中の線ＬＮ３に示すような関係を有している。本変形例で用いられる磁石３１，３２間の磁気結合力は、上述の実施の形態で用いられる磁石３１，３２間の磁気結合力に比べて大きい。
【００５５】
図１２中の点Ｐ３Ｂに示すように、力点２５Ｆを変位量ｘｃ（最大ストローク量）まで変位させた時点において、力点２５Ｆをさらに変位させるために必要な荷重はゼロよりも小さい値となっている。換言すると、凸部２６が圧電素子１８に近づく方向にレバー２１が回動し終えた時点において、レバー２１には圧電素子１８の変形により生じた反力が作用しており、この反力は、磁石３１，３２の磁気結合力よりも弱くなっている。
【００５６】
図１３は、力点２５Ｆを初期位置から変位量ｘｃ（最大ストローク量）まで変位させた時点の様子を示している。この状態でテコ機構２０に加えている荷重（矢印ＤＲ１）を解放したとしても、テコ機構２０のレバー２１は回動せず、力点２５Ｆの位置も変わらない。この状況は、磁石３１，３２の磁気結合力の大きさに応じて、磁石３１，３２が接触している場合であっても接触していない場合であっても実現できるものである。
【００５７】
図１４に示す発電装置１０２Ａのように、レバー２１は延出部２１Ｋを有しているとよい。延出部２１Ｋは、回動軸２４に対して力点２５Ｆの反対側に位置している。矢印ＤＲ４に示すように延出部２１Ｋを押圧することにより、磁石３１，３２を離間させ、レバー２１を初期位置に容易に戻すことが可能となる。当該構成は、たとえばシーソー型（ロッカー型ともいう）の押しボタンスイッチなどに適用できる。
【００５８】
（第３変形例）
図１５を参照して、第３変形例における発電装置１０３について説明する。本変形例でも、磁石３１，３２間の磁気結合力は、上述の実施の形態で用いられる磁石３１，３２間の磁気結合力に比べて大きい。上述の発電装置１０２Ａ（図１４）における延出部２１Ｋに相当する部分にもう一つの発電機構が設けられており、発電装置１０３は、回動軸２４を中心として左右対称の形状を有している。
【００５９】
図中の右側に位置する磁石３１，３２を離間させるために加えられた荷重（矢印ＤＲ４）は、図中の左側に位置する圧電素子１８の発電に活用される。当該構成も、たとえばシーソー型（ロッカー型ともいう）の押しボタンスイッチなどに適用できる。図１５中には、回動軸２４の右側と左側とのそれぞれに圧電素子１８が１つずつ設けられているが、これら計２つの圧電素子１８は１つの圧電素子から構成してもよい。この場合、その１つの圧電素子は２つの凸部２６の双方に対向する長さを有する。
【００６０】
（第４変形例）
図１６を参照して、第４変形例における発電装置１０４について説明する。本変形例の発電装置１０４は、１つの圧電素子１８と、この圧電素子１８に荷重を加える２つのテコ機構２０Ａ，２０Ｂとを備えている。テコ機構２０Ａが押圧された場合には、テコ機構２０Ａの側に配置された磁石３１，３２間の磁気結合力が活用される。テコ機構２０Ｂが押圧された場合には、テコ機構２０Ｂの側に配置された磁石３１，３２間の磁気結合力が活用される。このような構成は、２つの押圧部を有する押しボタンスイッチなどに適用できる。押しボタンスイッチの押圧部の数に応じて、１つの圧電素子１８に対して３以上のテコ機構２０および磁石３１，３２を適用してもよい。
【００６１】
（第５変形例）
図１７を参照して、第５変形例における発電装置１０５について説明する。上述の実施の形態（図３参照）では、回動軸２４と磁石３１との間の距離Ｌ１は、回動軸２４と凸部２６との間の距離Ｌ２よりも長い。これは上述の各変形例でも共通している。
【００６２】
図１７に示すように、発電装置１０５では、回動軸２４と磁石３１との間の距離Ｌ１は、回動軸２４と凸部２６との間の距離Ｌ２よりも短い。当該構成の場合、磁石３１，３２間の磁気結合力はテコ機構２０により増大されなくなる（もしくは増大されにくくなる）ため、磁石３１，３２にはより強い磁石を用いるとよい。
【００６３】
（第６変形例）
図１８を参照して、第６変形例における発電装置１０６について説明する。発電装置１０６では、磁石３１，３２が回動軸２４に対して力点２５Ｆの反対側に位置している。レバー２１に設けられた磁石３１は、力点２５Ｆが基台１０に近づく方向（矢印ＡＲ１）にレバー２１が回動した際、基台１０から離れる方向に移動する。
【００６４】
磁石３２は、Ｌ字状の支持体１９に取り付けられている。具体的には、支持体１９は、基台１０に立設された柱部１９Ａと、柱部１９Ａの先端に設けられた庇部１９Ｂとを有している。磁石３２は、磁石３１に対向するように庇部１９Ｂに取り付けられている。
【００６５】
当該構成によっても、レバー２１が回動する際には、磁石３１，３２間に発生する引力（磁気結合力）が活用される。本変形例の構成においても、回動軸２４と磁石３１との間の距離は、回動軸２４と凸部２６との間の距離よりも長いことが好ましい。磁石３１，３２間に発生する引力がテコの原理により増大され、圧電素子１８をより効率的に変形させることが可能となる。
【００６６】
（第７変形例）
図１９を参照して、第７変形例における発電装置１０７について説明する。上述の実施の形態（図３参照）では、磁石３１，３２が互いに対向するように配置されている。図１９に示すように、磁石３１，３２は、互いに対向するように配置されていなくても構わない。磁石３１は、レバー２１の先端２１Ａに設けられ、磁石３２は、基台１０に立設された柱部１９Ｃに設けられている。
【００６７】
図２０に示すように、上記構成であっても、力点２５Ｆが押圧された際には（矢印ＤＲ１）、磁石３１は磁石３２に引き付けられながら磁石３２に接近し、磁石３１，３２間に発生する引力（磁気結合力）が活用される。発電装置１０７は、レバー２１の回動動作の終わりの方で（押圧動作の完了間近で）磁石３１，３２同士が対向するように構成されている。この構成に限られず、磁石３１が磁石３２に引き付けられながら磁石３２に接近可能であれば、磁石３１，３２同士は終始対向しないように構成してもよい。
【００６８】
（その他の変形例）
上述の実施の形態および各変形例は、両端支持された圧電素子１８の中央に荷重が加えられ、圧電素子１８が撓み変形するという構成に基づいて説明した。この構成に限られず、片持ち梁状に一端支持された圧電素子１８にテコ機構２０および磁石３１，３２を適用してもよい。この場合も、圧電素子１８を撓み変形させる際に、テコ機構２０および磁石３１，３２が活用される。ただし、圧電素子１８を両端支持する場合の方が、圧電素子１８を片持ち状に一端支持する場合に比べて構造が簡素になるという利点が得られる。圧電素子１８を軸方向に圧縮変形させるという構成に、テコ機構２０および磁石３１，３２を適用してもよい。これらの場合であっても、上記と同様の作用および効果を得ることができる。
【００６９】
（第２の実施の形態）
図２１および図２２を参照して、第２の実施の形態における発電装置１０８について説明する。ここでは、第２の実施の形態と第１の実施の形態との相違点について主として説明する。図２１は、発電装置１０８の分解した状態を示す斜視図であり、上述の実施の形態１における図４に対応している。図２２は、発電装置１０８が発電している様子を模式的に示す図である。便宜上のため、図２２においてはテコ機構２０および磁石３１，３２を図示していない。
【００７０】
本実施の形態における発電装置１０８と上述の第１の実施の形態とは、発電部としての発電素子１８ｍ，１８ｎが、コイルが巻回された磁歪素子であるという点において相違し、その他の点においては略同じである。本実施の形態では、発電素子１８ｍ，１８ｎとして、コイルが巻回された２つの磁歪素子１８ａ，１８ｂが用いられる。これらは、いずれか一方のみが用いられてもよい。発電素子１８ｍは、磁歪素子１８ａおよびコイル１８ｃから構成され、発電素子１８ｎは、磁歪素子１８ｂおよびコイル１８ｄから構成される。
【００７１】
磁歪素子１８ａ，１８ｂは、たとえばテルビウム、ディスプロシウム、鉄などからなる。磁歪素子１８ａ，１８ｂは、たとえば細棒状または薄板状の形状を有し、固定部材１２，１４によってそれぞれ片持ち状に支持される。磁歪素子１８ａと、磁歪素子１８ａの周囲に巻回されたコイル１８ｃとによって、一つの発電素子１８ｍが構成される。磁歪素子１８ｂと、磁歪素子１８ｂの周囲に巻回されたコイル１８ｄとによって、一つの発電素子１８ｎが構成される。
【００７２】
レバー２１の裏面２１Ｔに設けられた凸部２６ａ，２６ｂ（作用点）は、それぞれ、磁歪素子１８ａ，１８ｂの自由端の付近に対向している。図２２に示す白色矢印は、テコ機構２０（図２１）のレバー２１（凸部２６ａ，２６ｂ）を介して磁歪素子１８ａ，１８ｂが荷重を受けている様子を示している。磁歪素子１８ａ，１８ｂが荷重を加えられて変形することにより、逆磁歪効果の作用によって磁歪素子１８ａ，１８ｂの周囲の磁力線が増減する。この際、電磁誘導の法則によりコイル１８ｃ，１８ｄに起電力が発生する。発電素子１８ｍ，１８ｎは、発電素子として発電することになる。
【００７３】
当該構成によっても、レバー２１が回動する際に、磁石３１，３２（図２１）間に発生する引力（磁気結合力）が活用される。本実施の形態の構成においても、図３を参照しながら説明した場合と同様に、回動軸２４と磁石３１との間の距離（図３に示すＬ１参照）は、回動軸２４と凸部２６ａ，２６ｂとの間の距離（図３に示すＬ２参照）よりも長いことが好ましい。磁石３１，３２間に発生する引力がテコの原理により増大され、発電素子１８ｍ，１８ｎの磁歪素子１８ａ，１８ｂをより効率的に変形させることが可能となる。発電素子として磁歪素子を用いるという思想は、磁歪素子が両端支持されている場合にも適用できるものである。なお、上述の第２の実施の形態では、発電素子は、コイルが巻回された磁歪素子であるが、これに限るものではない。たとえば、磁歪素子の周囲に電極パターンでコイルを模し、これを発電素子となしてもよい。
【００７４】
（第３の実施の形態）
図２３を参照して、第３の実施の形態における発電装置１０９について説明する。ここでは、第３の実施の形態と第１の実施の形態との相違点について主として説明する。図２３は、発電装置１０９の側面図であり、上述の実施の形態１における図３に対応している。
【００７５】
本実施の形態における発電装置１０９と上述の第１の実施の形態とは、発電装置１０９が、発電部として、圧電素子１８およびテコ機構４０をさらに備えているという点において相違し、その他の点においては略同じである。本実施の形態の発電部は、図２３中の二点鎖線で囲まれた部分に示されるようなモジュール構造をなしている。
【００７６】
具体的には、発電部の一部を構成しているテコ機構４０は、レバー４１、支持部材４２，４３、および回動軸４４（支点ともいう）を含んでおり、レバー４１のうちの圧電素子１８に対向している面４１Ｔには、凸部４６（作用点ともいう）が設けられている。凸部４６は、テコ機構２０（レバー２１）と圧電素子１８との間に位置するように設けられており、圧電素子１８を直接する押圧する押圧部として機能できる。
【００７７】
発電装置１０９においては、テコ機構２０のレバー２１に荷重を加えることにより、レバー２１が回動する。凸部２６がテコ機構４０のレバー４１に荷重を加えることにより、レバー４１が回動する。凸部４６は、圧電素子１８を押圧する。テコ機構２０に加えられた荷重は、押圧部としての凸部４６を介して圧電素子１８に加えられることになる。
【００７８】
当該構成によっても、レバー２１が回動する際に、磁石３１，３２間に発生する引力（磁気結合力）が活用される。本実施の形態の構成においても、図３を参照しながら説明した場合と同様に、回動軸２４と磁石３１との間の距離Ｌ１は、回動軸２４と凸部２６との間の距離Ｌ２よりも長いことが好ましい。磁石３１，３２間に発生する引力がテコの原理により増大され、圧電素子１８をより効率的に変形させることが可能となる。
【００７９】
距離Ｌ１，Ｌ２と同様な寸法関係や位置関係は、テコ機構４０と圧電素子１８との間の関係にも適用できる。テコ機構２０に加えられた荷重がテコ機構４０を介して効率良く圧電素子１８に伝わるように、テコ機構２０，４０および圧電素子１８の寸法関係や位置関係を最適化する。テコ機構２０，４０および圧電素子１８の間に適切なテコ比が成立していれば、発電装置１０９はより高い効率で発電することが可能となる。
【００８０】
なお本実施の形態では、押圧部としての凸部４６がテコ機構４０の一部を構成しているが、これに限るものではない。押圧部としては、テコ機構２０と圧電素子１８との間に位置するように設けられ、テコ機構２０に荷重が加えられた際に圧電素子１８を直接する押圧可能な構成を有するものであれば、いかなる部材ないし部位であっても構わない。
【００８１】
以上、本発明に基づいた実施の形態および変形例について説明したが、上記で開示された内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８２】
１０  基台、１２，１４  固定部材、１６  金属板、１８  圧電素子（発電部、発電素子）、１８ａ，１８ｂ  磁歪素子、１８ｃ，１８ｄ  コイル、１８ｍ，１８ｎ  発電素子（発電部）、１９  支持体、１９Ａ，１９Ｃ  柱部、１９Ｂ  庇部、２０，２０Ａ，２０Ｂ，４０  テコ機構、２１，４１  レバー、２１Ａ  先端、２１Ｂ  基端、２１Ｈ  貫通孔、２１Ｋ  延出部、２１Ｓ  表面、２１Ｔ  裏面、２２，２３，４２、４３  支持部材、２２Ａ，２３Ａ  支持部、２２Ｂ，２３Ｂ  固定部、２２Ｃ，２３Ｃ  先端部、２４，４４  回動軸（支点）、２５  領域、２５Ｆ  力点、２６，２６ａ，２６ｂ  凸部（作用点）、３１  磁石（第１磁性体）、３２  磁石（第２磁性体）、４１Ｔ  面、４６  凸部（押圧部）、１００，１０１，１０２，１０２Ａ，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８，１０９  発電装置。
【図１】
2015072258.tif 000003
【図２】
2015072258.tif 000004
【図３】
2015072258.tif 000005
【図４】
2015072258.tif 000006
【図５】
2015072258.tif 000007
【図６】
2015072258.tif 000008
【図７】
2015072258.tif 000009
【図８】
2015072258.tif 000010
【図９】
2015072258.tif 000011
【図１０】
2015072258.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2015072258.tif 000014
【図１３】
2015072258.tif 000015
【図１４】
2015072258.tif 000016
【図１５】
2015072258.tif 000017
【図１６】
2015072258.tif 000018
【図１７】
2015072258.tif 000019
【図１８】
2015072258.tif 000020
【図１９】
2015072258.tif 000021
【図２０】
2015072258.tif 000022
【図２１】
2015072258.tif 000023
【図２２】
2015072258.tif 000024
【図２３】
2015072258.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成29年1月16日(2017.1.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷重を加えられることにより発電する発電部と、
力点、支点、および前記発電部に対向するように配置された作用点を有し、前記力点が押圧されることによって前記作用点が前記発電部に近づく方向に前記支点の周りに回動するテコ機構と、
前記テコ機構に設けられ、前記支点の周りに前記テコ機構と一体的に回動する第１磁性体と、
前記第１磁性体に引き付けられる磁気特性を有する第２磁性体と、を備え、
前記力点が押圧されることにより、前記作用点はテコの原理により前記発電部に前記荷重を加え、前記第１磁性体と前記第２磁性体との間には前記第１磁性体と前記第２磁性体とを相互に近づける方向の磁気結合力が発生し、前記第１磁性体は前記磁気結合力により前記第２磁性体に引き付けられながら前記第２磁性体に接近する、
発電装置。
【請求項２】
前記発電部は、圧電素子を含む、請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記発電部は、磁歪素子を含む、請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】
前記支点と前記第１磁性体との間の距離は、前記支点と前記作用点との間の距離よりも長い、
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】
前記作用点が前記発電部に近づく方向に前記テコ機構が回動し終えた際、前記第１磁性体は前記第２磁性体に接触する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項６】
前記作用点が前記発電部に近づく方向に前記テコ機構が回動し終えた際、前記テコ機構には、前記発電部の変形により生じた反力が作用しており、
前記反力は、前記第１磁性体と前記第２磁性体との間の前記磁気結合力よりも弱い、
請求項１から５のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項７】
前記テコ機構の回動範囲は、第１回動範囲と、前記第１回動範囲よりも前記作用点が前記発電部に近づく方向の側に位置する第２回動範囲とを含み、
前記力点を変位させるために必要な力は、前記第１回動範囲では増加し、前記第２回動範囲では減少する、
請求項１から６のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項８】
前記発電部は、発電素子と、前記発電素子を直接押圧する押圧部と、を備え、
前記押圧部は、前記発電素子と前記テコ機構との間に設けられている、
請求項１から７のいずれか１項に記載の発電装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明に基づく発電装置は、荷重を加えられることにより発電する発電部と、力点、支点、および上記発電部に対向するように配置された作用点を有し、上記力点が押圧されることによって上記作用点が上記発電部に近づく方向に上記支点の周りに回動するテコ機構と、上記テコ機構に設けられ、上記支点の周りに上記テコ機構と一体的に回動する第１磁性体と、上記第１磁性体に引き付けられる磁気特性を有する第２磁性体と、を備え、上記力点が押圧されることにより、上記作用点はテコの原理により上記発電部に上記荷重を加え、上記第１磁性体と上記第２磁性体との間には上記第１磁性体と上記第２磁性体とを相互に近づける方向の磁気結合力が発生し、上記第１磁性体は上記磁気結合力により上記第２磁性体に引き付けられながら上記第２磁性体に接近する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
好ましくは、上記作用点が上記発電部に近づく方向に上記テコ機構が回動し終えた際、上記テコ機構には、上記発電部の変形により生じた反力が作用しており、上記反力は、上記第１磁性体と上記第２磁性体との間の上記磁気結合力よりも弱い。
【国際調査報告】
2015072258.tif 000026
2015072258.tif 000027