(57)【要約】【課題】  本発明は、自然の力または人為的な力によって発生する微弱な回転エネルギーから効率よく電気エネルギーに変換することができる圧電発電装置を提供することを目的とする。【解決手段】外力の受動部と、前期受動部に回動軸を有する第１の振動子と、前期第１の振動子に回動軸を有する第２の振動子及び前記第１の振動子に固着された圧電素子と、を含み、外力の受動部の運動により、第１の振動子が往復振動し、これに伴い第２の振動子が異なる周期で振動し、第２の振動子の一部が、前記圧電素子に接触して、これを弾いて振動させることにより発電することを特徴とする圧電発電装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力の受動部と、
前期受動部に回動軸を有する第１の振動子と、
前期第１の振動子に回動軸を有する第２の振動子及び前記第１の振動子に固着された圧電素子と、
を含み、
外力の受動部の運動により、第１の振動子が往復振動し、これに伴い第２の振動子が異なる周期で振動し、
第２の振動子の一部が、前記圧電素子に接触して、これを弾いて振動させることにより発電することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項２】
前記圧電素子が、圧電板と弾性補強板とを有する略矩形状圧電素子であって、前記補強板の長手方向に沿って、前記圧電素子が、その厚み方向に分極されて配置され、貼着され、
前記圧電素子の長手方向の一端が、平板状の第１の振動子の中抜部の回動軸側に固定され、一対の、曲面板状の第２の振動子が第１の振動子を対称軸とするように配置されて連結され、その連結部に、回動軸が第１の振動子の回動軸と並行となるように設置され、
外力の受動部の運動により、第１の振動子が往復振動し、これに伴い第２の振動子が異なる周期で振動し、第２の振動子の一部が、前記圧電素子を弾いて、その厚み方向に屈曲振動させる請求項１記載の圧電発電装置。
【請求項３】
請求項１乃至２のいずれかの圧電発電装置が、筐体に格納され、筐体内の外力受動部が自然又は人工の外力を受けて発電することを特徴とする圧電発電システム。
【請求項４】
前記筐体が、回転体に保持されて、前記回転体が、風力、水力、建物の振動、によって回転することで、外力受動部が運動することを特徴とする請求項３記載の圧電発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然界の微弱な機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、二酸化炭素等による地球温暖化を抑制するために、化石燃料を用いず、風力、水力、等の自然力を利用した圧電発電装置が注目されている。例えば、実用化されている風力発電装置は、プロペラを風力で回転させてモータを回し、電磁誘導で発電する。しかし、これらは、装置が大型であってコストが高い、設置場所が限定される、所定の広さと設置間隔を必要とする等の問題があった。
【０００３】
そこで、圧電素子による発電が注目される。この技術に関し、特許文献１には、外部からの水平の保持力によって、凸に屈曲した圧電素子と、前記圧電素子を屈曲自在に保持する保持部材と、弾性体部と、を有する発電素子で、前記圧電素子の凸状部分に外力を印加することにより弾性体が前記圧電素子から押圧されて縮み、凹に屈曲した圧電素子へと屈曲する際、および、前記圧電素子に印加されている外力が取り除かれて、前記弾性体が元の形状に戻るとともに該凹に屈曲した圧電素子が、凸に屈曲した圧電素子へと復元する際に、屈曲して発電することを特徴とする発電装置、が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特許３７６８５２０号公報
【０００５】
この発電装置は、ある閾値を持つ振動による機械的エネルギーに対して、瞬間的に大きな起電力を得られる利点があるが、比較的微弱な広範囲な機械的エネルギーから、起電力を得にくいという不利な点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、自然の力または人為的な力によって発生する機械エネルギーから効率よく電気エネルギーに変換することができる圧電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】
【０００７】
外力の受動部と、
前期受動部に回動軸を有する第１の振動子と、
前期第１の振動子に回動軸を有する第２の振動子及び前期第１の振動子に一端を固着された圧電素子と、
を含み、
外力の受動部の運動により、第１の振動子及び第２の振動子が異なる周期で往復振動し、第２の振動子の他の一端が、前記圧電素子に接触して、これを弾いて振動させることにより発電することを特徴とする圧電発電装置、を提供する。
【０００８】
前記圧電素子が、圧電板と弾性補強板とを有する略矩形状圧電素子であって、前記補強板の長手方向に沿って、その厚み方向に分極されて配置され、貼着され、
前記圧電素子の長手方向の一端が、平板状の第１の振動子の中抜部の回動軸側に固定され、一対の、曲面板状の第２の振動子が第１の振動子を対称軸とするように配置されて連結され、その連結部に、回動軸が第１の振動子の回動軸と平行位置に設置され、
外力の受動部の運動により、第１の振動子及び第２の振動子が異なる周期で往復振動し、
第２の振動子の一部が、前記圧電素子を弾いて、その厚み方向に屈曲振動させる請求項１記載の圧電発電装置。
【０００９】
請求項１乃至２のいずれかの圧電発電装置が、筐体に格納され、筐体内の外力受動部が自然又は人工の外力を受けて発電することを特徴とする圧電発電システム。
【００１０】
前記筐体が、回転体に保持されて、前記回転体が、風力、水力、建物の振動、によって回転することで、外力受動部が運動することを特徴とする請求項３記載の圧電発電システム、を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る圧電発電装置によれば、多様な形態の外力が、受動部を運動させ、振動子が圧電素子を弾いて、屈曲等変位することで、起電力が発生する。自然の力または人為的な力によって発生する微弱な機械的エネルギーから比較的大きなエネルギーまで、広範囲の機械的エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができる。しかも、部品点数が比較的少なく、組み立てが容易である。
【００１２】
また、本発明のシステムでは、自然力、人工的な力を得る事ができる場所であれば、どこでもこの力を有効に利用でき、稼働率、発電効率がいっそう高まる。化石燃料、原子力等の資源に頼らない、自然界の未利用のエネルギーの有効活用が可能となる。電源設備のない場所での警告、案内表示用照明用のメンテナンスフリー発電機としても好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１ａに圧電発電装置１００の概略構造の正面図、図１ｂにその側面断面図を示す。圧電発電装置１００は、矩形状の圧電板１２と矩形状の補強板１１とを貼り合わせてなる圧電素子１０と、外力受動部２０と、第１の振動子３０と、第２の振動子４０と、を含んで構成される。矩形状の圧電素子１０の一端を第１の振動子３０の中空部の回転軸３２側の固着部材１３で固着する。矩形状の圧電素子１０の他の一端は自由端であるが、一対の圧電素子１０で第１の圧電素子３０を挟むように前記中抜き部でスペーサ１４を介して固着することが望ましい。第１の振動子３０は、本体部３１の回転軸３２を外力受動部１０の軸受部で保持され、その先端部に重石３３を含む。第２の振動子４０は、本体部４１が曲面をなし、回転軸４２の軸受部を前記第１の振動子の本体部３１中に有し、その先端部に重石４３を含んで構成する。
【００１４】
外力受動部２０には、第１の振動子３０の回転軸３２の軸受部２１が固着されている。この軸３２が回動軸となり、第１の振動子が外力を伝達されて往復振動する。第１の振動子には、重石３３が本体部３１の先端に固着されている。重石３３は、第１の振動子の往復周期に直接影響しないが、第２の振動子からの打撃力、弾力を受け止め、往復運動を大きく乱されることなく、振動を持続するためにこれを装着することが好ましい。
【００１５】
第２の振動子４０は、第１の振動子３０の本体部３１側に屈曲した曲面の板状で、図１ｂに示すように、一対の第１の振動子３０が、本体部３１を対称軸として回転軸４２を連結部として左右対称形に一対が装着されている。本体部４１の先端には、重石４３が固着され、回転軸４２を回動中心として振動して圧電素子１０の一部に接触し、これに打撃を加え、弾いて振動を生起する。
【００１６】
外力受動部２０から振動等の運動による変位で、まず第１の振動子３０が往復運動を開始し、これに連成して、第２の振動子４０の運動が開始され、両振動子間の衝突による運動が加わり、本発明の振動子の運動が持続する。両振動子間の衝突運動が圧電素子１０に作用して、発電が生起し、持続する。図２には、第１の振動子３０が、外力を受けて左右に振動する際に、第２の振動子４０が小刻みに振動してその先端部にある重石４３が、圧電素子１０の補強板１１を弾く様子を示している。第１の振動子が比較的速く往復運動をする際に、第２の振動子の重石４３が左右から補強板を弾いて、一対の圧電素子の補強板、ひいては圧電板を屈曲させる振動を引き起こす。この屈曲振動により、発電板が発電する。地震波で振動するように、外力受動部の振動数が高く、第１の振動子がほとんど左右にふれないときに該当する。
【００１７】
図３には、第１の振動子３０が比較的大きな往復運動をしている際、第２の振動子４０が小刻みに振動してその先端部にある重石４３が、圧電素子１０の補強板１１を弾く様子を示している。第１の振動子３０が、同じような振幅のときも、第２の振動子の一対の内、どちらかが、第１の振動子に装着された圧電素子１０を弾いて、圧電素子に、打撃または、屈曲変位を与えて、電気エネルギーを生じさせる。
【００１８】
圧電素子を弾いて、打撃・屈曲変位を与える回数等の駆動態様は、外力受動部２０からの各振動子の各回動軸からの長さ（第１振動子、Ｌ１：第２振動子、Ｌ２）、各振動子の重さと重石の重量（第１振動子、Ｍ１：第２振動子）、回転軸間の距離等によって決定される。通常は、Ｌ１＞Ｌ２、  Ｍ１＞Ｍ２として設定し、第１の振動子の固有周波数を、第２の振動子の固有周波数を小さく設定するのが好ましい。圧電素子１０と第２の振動子を第１の振動子に設置する設計上の便宜のみでなく、より高い打撃の回数と打撃力が得られるからである。
【００１９】
図１において、圧電板１２は、矩形状の圧電セラミックスの表裏面に電極膜（図示せず）が形成された構造を有し、圧電板の圧電セラミックスは厚み方向に分極されている。圧電板１１は樹脂接着剤を用いて、補強板１２に接着されている。なお、圧電セラミックスの代わりに圧電ポリマーを用いてもよい。圧電セラミックス板と金属板、プラスチック等の補強板（以下、補強板１１）とを貼り合わせた構造を有するもの（例えば、電気編み機の運針駆動部、圧電スピーカの圧電音響素子に相当するものや、これらをユニモルフ素子、バイモルフ素子として構成するもの）を用いることができる。バイモルフ素子にあっては、分極方向が同一のパラレルタイプまたは、逆向きのシリーズタイプの両タイプを好適に用いることができる。また、圧電素子の材質は、特に問わないが、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム等のセラミックスを用いることができ、有機ポリマーの圧電材料、たとえば、ポリビリニデンジフルオライド、ポリフッ化ビニリデンを用いることもできる。さらに、圧電板は単板に限定されず、積層構造（積層コンデンサ型構造）を有しているものであってもよい。  
【００２０】
補強板１１は、金属または樹脂の少なくとも一方からなり、圧電板１２を装着するため、これより大きく、例えば、長い矩形状等、を有している。補強板１１として樹脂からなるものを用いる場合には、圧電板１２からの電極リード（図示せず）の取り出しを容易とするために、圧電板１２と貼り合わされる面に、金属箔が設けられているものを用いることが好ましい。
【００２１】
外力受動部２０について、その軸受部を含めて、プラスチック、金属等、ある程度剛性があり、耐久性に優れた部材で作成することが望ましい。第１の振動子３０の本体部は、堅牢性、剛性、加工性の面から合成樹脂、例えば、アクリル樹脂等が望ましい。回動軸３２は、金属性の中空管等であることが望ましい。堅牢製、軽量、耐磨耗性の点を考慮するためである。
【００２２】
また、第１の振動子の本体部３１は、可撓性部材（例えば、プラスチック製、布製、金属製等の薄板形状、ロープ編の薄板形状）とすることができる。又は、剛性部材とこれらを組み合わせた形状）とすることもできる。例えば、図１０に示すように、第１の振動子の本体部の圧電素子取り付け部３１ａ及び第１の振動子の本体部の第２の振動子取り付け部３１ｂのみを剛性部材を用い、他の部分を可撓性部材として組み合わせることができる。第２の振動子の本体部は、図１ｂのように、左右対称形で構成するときは、金属性であることが望ましい。また、左右の連結部、軸部分を金属で一体成形することもできる。軸の延長部分を第１の振動子の本体部の中抜き部にとりつけることもできる。回転軸でなく、ヒンジ（蝶番）を代替して採用することもできる。第１の振動子の本体部３１が、可撓性部材を含むときは、外力受動部２０からの各振動子の各回動軸からの長さ（第１振動子、Ｌ１：第２振動子、Ｌ２）において、Ｌ１＞２Ｌ２とすると第２の振動子による打撃を確実に圧電素子に伝えることができる。Ｌ１が十分大きくなく、第１の振動子と第２の振動子との周波数の差が小さいと、可撓性部材を用いた振動子では、周波数にばらつきが生ずやすいので、接触回数が減るためである。
【００２３】
また、第２の振動子の本体部は剛性部材でなく、柔軟なロープ状の部材或いは、テープ状の部材であっても良い。第２の振動子自体は、その形状を正確に保持することなく、堅牢であって、第１の振動子に取り付けられた圧電素子に弾く機能が付与されれば、充分であるからである。このとき、回転軸４２は、必須でなく、回転軸相当部に固着したロープ状の振動糸４１に代替できる。圧電振動子４０の重石４３は、剛性が大きく、耐摩耗性に優れた金属、合成樹脂製が良い。スペーサ１４は、ひとつの衝撃で一対の圧電素子の双方を弾くことのできるために挿入するものである。スペーサ４０を介して、３個以上の圧電素子を並べて第１の振動子の本体部に取り付けることもできる。このとき、同時に３個以上の圧電素子に衝撃を加え、振動させることができる。
【００２４】
図４に第２の振動子の本体部が、剛性部材でなく、柔軟なテープ状の部材を採用した場合の正面図４（ａ）と側面断面図４（ｂ）を示す。各部を説明する部材の番号は、図１の場合と同じである。図５では、第１の振動子の振幅が小さいときの第２の振動子が圧電素子と接触するときの態様を示し、図６では、第１の振動子の振幅が大きいときの第２の振動子と圧電素子との接触の対応を示している。両者の態様のいずれが生起するかは、図２、図３と近似していて、第１の振動子の重石等が大きく、第２の振動子との接触による影響を大きくうけないとき、第１の振動子の振動周期と外力受動部の振動数で大略決定する。
【００２５】
本発明の発電システムについては、上述の発電装置のいずれかが、筐体に格納され、筐体内の外力受動部が、様々な仕組みで自然又は人工の外力を受け、発電装置自体は、筐体の運動を介して間接的に受動するシステムを提供する。例えば、図８に発電装置１００が筐体に格納されて固定され、筐体は、軸支された棹の一方の端に、回転可能に保持され、棹の他端には、風受け尾翼を装着した圧電発電システムを示す。
【００２６】
棹は、地面又は構造物に立てられた支柱に設けた棹の回転軸で回転可能に保持される。棹の一方の端には、筐体が保持されていて、他の端には、尾翼が風力を受けて回転すると、筐体が回転する。回転は、等速運動に近いものや、不規則な順回転運動、逆回転運動を含むものである。棹の運動が筐体支持軸を通して、筐体の運動に伴い、発電装置が筐体内で揺動する。発電装置自体は、筐体内に格納されるので、雨に濡れることもなく、錆びの問題も小さく、塵埃による回転軸等の動きが悪くなる問題もおき難い。第２の振動子が圧電板等にぶつかる衝撃音の問題もおき難い。
【００２７】
例えば、圧電発電装置１００では、既述の過程で、外力が変換されて、圧電板１２は、図２及び図３に示されるように、第２の振動子４０の重石４３から弾かれ、打撃を受け、発電することになる。圧電素子１０は、固着部材１３で第１の振動子の中抜き部分側に一端を固着されており、他の一端は、中抜き部にあって、自由端である。また、第１の振動子本体を挟み込むように二つの圧電素子１０を設置し、自由端部を相互にスペーサ１４を介して連結しても良い。スペーサに剛性の大きなものを用いると、片側の圧電素子が受けた打撃力、弾く力がダイレクトに他側の圧電素子に伝達し、一つの接触による打撃が、双方に作用することにある。作用の態様は、打撃による変位、振動変位に分けて考えることができるが、打撃・弾力を受ける方向及びその逆方向に屈曲して凹凸を繰り返す圧電板の周期的変位をすることとなる。圧電板の反対面に配置した圧電板は、互いに伸縮方向が逆となり、分極方向を補強板の厚み方向でパラレルとしておくと、振幅方向が全く逆の周期的変位をおこない、起電力の向きが逆となる。
【００２８】
補強板１１の左右に配置する圧電板１２の分極方向をパラレルとするバイモルフ型の圧電素子にあっては、圧電板１２の接着面側の電極膜と反対面の圧電板の接着面側の電極膜とを短絡させる構造でよい。このため、補強板１１として金属箔・金属板を用いることが出来る。一方、両圧電板の分極方向が逆方向のときは、補強板１１は、圧電板１２の接着面側の電極膜と反対面の圧電板の接着面側の電極膜とを短絡させない構造とする必要がある。このため、補強板１１として金属箔・金属板を用いる場合には、左右に配置する圧電板の一方を、この金属箔・金属板と短絡しないように、絶縁膜を介して金属箔・金属板に接着する等の工夫が必要となる。また、補強板１１としてプリント配線基板のように樹脂基板に金属箔を取り付けてなるものを用いる場合には、左右に配置する圧電板が絶縁されるように、その金属箔を内周側部と外周側部とに分かれたパターンとしておけばよい。なお、第１の振動子の本体３１に金属材料を用い、かつ、圧電素子１０を構成する補強板１１にも金属材料を用いた場合において、本体３１が、導体であるので、配線の一部としても利用可能である。電気配線系統と接触が不利の場合は、絶縁被覆を考慮する。
【００２９】
従って、この起電力を図７ａに例示するように、正負を考慮した結線で取り出すことが出来る。こうして得られる電気エネルギーは交流電力であるために、図７ｂに示されるように、整流回路を通して直流電力に変換し、コンデンサや二次電池等の蓄電装置に充電するか、または直接に「負荷」に供給して負荷を駆動することもできる。
【００３０】
図９に、図７（ａ）の回路で得られた圧電発電装置（第１振動子をプラスチック製薄板形状とし、Ｌ１＞２Ｌ２としたもの）による起電力の発生状況の例を具体的に示す。所定周期で圧電素子の減衰振動が繰り返され、圧電素子は、周期的な変位を繰り返す。このとき、圧電板１2が長さ方向に所定周期で伸縮する。圧電板１２が伸縮変位すると、圧電板である圧電セラミックスは厚み方向に分極されているので、起電力が発生する。
【００３１】
こうして、効率良く得られた電気エネルギーは、コンデンサや二次電池等の蓄電装置に充電するか、または直接に負荷に供給して負荷を駆動することができる。負荷が、発光ダイオードのときは、これを発光させることになる。
【００３２】
圧電素子１０の変位量は、補強板の材質や厚さ、圧電素子の形状や数を変えることによって調整することができるので、弱い力でも変位する圧電素子を用いた圧電発電装置を実現することもできれば、強い力で小さく変位する圧電素子を用いた圧電発電装置を実現することもでき、その場合でも、圧電素子を用いることで、十分に大きな電気エネルギーを得ることができる。
【００３３】
また、圧電発電装置１００から取り出された電気エネルギーは、バッテリーやコンデンサ等の蓄電装置の充電にも用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明に係る圧電発電装置は、コンパクトで大きな起電力及び大電流が得られ、メンテナンスの容易な発電装置となる。電力供給のない場所での標示機、警報機に用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１ａに圧電発電装置１００の概略構造の正面図、図１ｂにその側面断面図
【図２】本発明に係る圧電発電装置１００の振動態様を示す正面図。
【図３】本発明に係る圧電発電装置１００の別の振動態様を示す正面図。
【図４】図４ａに圧電発電装置１００の概略構造の正面図、図４ｂにその側面断面図
【図５】本発明に係る圧電発電装置２００の振動態様を示す正面図。
【図６】本発明に係る圧電発電装置１００の別の振動態様を示す正面図。
【図７】図７ａに回路図、図７ｂに整流回路を含む別の回路図。
【図８】本発明に係る圧電発電システムの概念図
【図９】起電力発生図。
【図１０】本発明に係る圧電発電装置１００の別の実施態様を示す正面図。
【符号の説明】
【００３６】
１００・２００；圧電発電装置
３００；圧電発電システム
１０；圧電素子
１１；補強板
１２；圧電板
１３；保持部
１４；スペーサ
２０；外力受動部
２１；軸受部
３０；第１の振動子
３１；第１の振動子の本体部
３１ａ；第１の振動子の本体部の圧電素子取り付け部
３１ｂ；第１の振動子の本体部の第２の振動子取り付け部
３２；回転軸又はヒンジ部
３３；重石
４０；第２の振動子
４１；第２の振動子の本体部
４２；回転軸
４３；重石
５０；筐体
５１；筐体の支持軸
５２；筐体取付部
６０；棹
６１；棹の回転軸
７０；支柱
８０；尾翼
【図１】
2008295275.tif 000003
【図２】
2008295275.tif 000004
【図３】
2008295275.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008295275.tif 000007
【図６】
2008295275.tif 000008
【図７】
2008295275.tif 000009
【図８】
2008295275.tif 000010
【図９】
2008295275.tif 000011
【図１０】
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