(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】  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、貼着された圧電板を含む圧電素子と、前記圧電素子の長手方向の一端を固定する固定部材と、前記圧電素子を厚み方向に屈曲させる外力伝達棒と、外力により回転する回転部と、を有し、前記外力伝達棒が一端を回動自在に保持され、前記回転部により周期的に押圧されて、移動して、前記圧電素子に外力を伝達して、これを周期的に屈曲させることにより、発電することを特徴とする圧電発電装置、を提供する。【選択図】  図1
2008245483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、貼着された圧電板を含む圧電素子と、
前記圧電素子の長手方向の一端を固定する固定部材と、
前記圧電素子を厚み方向に屈曲させる外力伝達棒と、
外力により回転する回転部と、
を有し、
前記外力伝達棒が一端を回動自在に保持され、前記回転部により周期的に押圧されて、移動して、前記圧電素子に外力を伝達して、これを周期的に屈曲させることにより、発電することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項２】
前記回転部が、回転軸とこれに固着された複数の回転体とを含み、
回転体が外力伝達棒を押圧する力点が、前記圧電素子を外力伝達棒が押圧する作用点より、外力伝達棒の支点である保持点から長距離にあり、前記圧電素子に外力を伝達して、これを周期的に屈曲する際、外力伝達棒が回転体から押圧される力が回転体から外れて急激になくなり、圧電素子の補強板の屈曲が弾性力で復元し、圧電素子が振動し、元の形状に戻る際に、圧電素子が変位することにより電気エネルギーが得られることを特徴とする請求項１記載の圧電発電装置。
【請求項３】
外力が風車からの力であり、前記回転部の回転軸が、前記風車の車軸と連動していることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の圧電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転による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、回転力による比較的微弱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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、貼着された圧電板を含む圧電素子と、
前記圧電素子の長手方向の一端を固定する固定部材と、
前記圧電素子を厚み方向に屈曲させる外力伝達棒と、
外力により回転する回転部と、
を有し、
前記外力伝達棒が一端を回動自在に保持され、前記回転部により周期的に押圧されて、移動して、前記圧電素子に外力を伝達して、これを周期的に屈曲させることにより、発電することを特徴とする圧電発電装置、
前記回転部が、回転軸とこれに固着された複数の回転体とを含み、
回転体が外力伝達棒を押圧する力点が、前記圧電素子を外力伝達棒が押圧する作用点より、外力伝達棒の支点である保持点から長距離にあり、前記圧電素子に外力を伝達して、これを周期的に屈曲する際、外力伝達棒が回転体から押圧される力が回転体から外れて急激になくなり、圧電素子の補強板の屈曲が弾性力で復元し、圧電素子が振動し、元の形状に戻る際に、圧電素子が変位することにより電気エネルギーが得られることを特徴とする前記の圧電発電装置、を提供する。
【０００８】
さらに、外力が風車からの力であり、前記回転部の回転軸が、前記風車の車軸と連動していることを特徴とする前期圧電発電装置、を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る圧電発電装置によれば、外力である回転力が外力伝達棒を介して、周期的に矩形状圧電素子を屈曲変位することで、起電力が発生する。保持部は、圧電素子の一端を可動に支持し、圧電素子に長さ方向への応力を小さくするので、圧電素子自体の局部に応力が集中することが少なく、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の機械的エネルギーから比較的大きな回転エネルギーまで、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。
【００１０】
また、本発明のシステムでは、風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、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】
【００１１】
図1に圧電発電装置１００の概略構造、図2に圧電素子１０の変位状態を示す正面断面図を示す。圧電発電装置１００は、矩形状の圧電板11と矩形状の補強板12とを貼り合わせてなる圧電素子１０と、保持部２０と、外力伝達部３０と、回転部４０とから構成される。矩形状の圧電素子１０の一端を保持部２０に固着する。矩形状の圧電素子１０の他の一端は自由端である。外力伝達部３０は、外力伝達棒３１の一端を回転軸３２で回動自在に保持する。外力伝達棒３１は、回転部４０の回転体４１から押圧されて、圧電素子側に傾斜し、圧電素子を押圧し、屈曲させながら回動する。回転体４１は、外力伝達棒３１を押圧しながら回転（公転運動）する。回転体４１は、外力伝達棒３１との接触を失っても、回転をさらに持続し、再度、外力伝達棒３１を押圧する動作を繰り返す。そして、この一連の動作が継続される。回転体４１は、軸抜き部を有する円柱状であり、底面の円中心部分を通る軸状の空隙が設けられている。前期空隙に回転体回転軸４３が挿入され回転体４１を軸支し、自転可能に設置している。
【００１２】
圧電素子１０の駆動態様は、回転部４０と圧電素子１０の形状、寸法、保持部２０に対する位置、外力伝達部３０を固定すると、その振動態様が、大略決定する。即ち、外力伝達部３０は、上記の通り、外力伝達棒３１の一端を回転軸３２で回動自在に保持され、回転部の回転体４０から押圧されて、圧電素子側に傾斜し、圧電素子の一部に密接して押圧するが、この押圧する位置は、伝達棒３０が比較的長く、最初に接触する位置が圧電素子の端部であれば、端部を押し続ける。一方、図１のように、伝達棒が比較的短く、最初に接触する位置が、端部でなく、圧電素子の端部から内側であったときは、伝達棒３０の先端が圧電素子の内側を更に内側方向に移動しながら、圧電素子を押圧、屈曲させる。更に、回転中心４２から外力伝達部までの距離、回転中心４２から回転体４１までの長さ、圧電素子１０の保持部材２０に対する角度、伝達棒３１の長さ、圧電素子１０と外力伝達棒３１の接触位置等によって起電力に与える効果は大きく変化する。
【００１３】
図２は、回転体４１の外力により、外力伝達棒３１が、圧電素子に最大の屈曲変位を与える状態を図示する。この後、更に回転体４１が、時計方向に回転すると、外力伝達棒３１を外れる。押圧力が開放された圧電素子は、補強板１２の弾性により、初期状態に復元しようとする。また、この復元を他の弾性体（例えば、コイルバネ、板バネ、ゴム等の弾性体で、押圧方向と反対に復元させるもの）によって補強して行っても良い。圧電素子１０の形状は、補強板１２が略矩形状であり、これに一回り小さな略矩形状の圧電体１１を貼着したものである。圧電体１１は補強板の片側に貼着されたモノモルフ構造のものでも良く、補強板の両側に貼着されたバイモルフ構造のものでも良い。また、略矩形状の補強板に限定されず、幅方向の長さ変化のある、扇形や、逆三角形等であっても良い。圧電素子の長手方向の一端は、保持部２０で固着、固定される。保持部２０は、外力伝達棒３１の保持部を兼ねることができる。コイルバネ等の弾性体を付加したときは、外力伝達棒３０の自由端近辺、圧電素子１０の自由端近辺に弾性体の復元力が作用されるように設置する。このとき、回転体４１が外力伝達棒３１から離れると外力伝達棒３１及び圧電素子１０は、図１に示す初期状態に復帰する方向に動くことになる。
【００１４】
圧電板１１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１２）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。
【００１５】
補強板１２は、金属または樹脂の少なくとも一方からなり、圧電板１１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１２として樹脂からなるものを用いる場合には、圧電板１１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１１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。
【００１６】
図３、図４は、自然からの回転力を風車から得る本発明の実施形態の一例を示す。この実施形態を例に、更に詳細に実施態様の説明をおこなう。図３で、風車のプロペラの回転軸と、回転部４０の回転軸４２が、直結している。外力伝達棒３１がその一端を回転軸３２で回動自在に保持されている。風車による回転力は、回転体４１に伝達され、外力伝達棒３１が圧電素子１０を屈曲させる。図３は、時計回りに回転する回転体４１が、外力伝達棒３１に接触する直前の状態を示す。外力伝達棒３１は、初期状態では、直立した状態で設定されている。更に回転体４１の回転が進むと、外力伝達棒３１が、左側に振られ、図４（ａ）の状態となるまで、外力伝達棒３１を押圧し、外力伝達棒３１は、圧電素子１０の補強板１１の一端を押圧する。回転体４１は、回転体回転軸４３が挿入されて軸支され、自転しながら、外力伝達棒３１を押圧するので、摩擦力が軽減されて、効率良く、外力を伝達できる。なお、外力伝達棒３１が、円柱状のときは、回転体４１との接触部は、点接触に近いものとなり、摩擦力を更に軽減することができる。
【００１７】
図３に示す通り、外力伝達棒３１の回転軸３２中心である支点から回転体４１との接触点である力点までの距離は、前記支点から圧電素子１０までの接触点までの距離より短い。従って、てこの原理が働き、回転体４０の小さな回転力を拡大して、圧電素子１０に伝達してこれを屈曲させることとなる。図４の状態から更に時計方向の回転が進むと、回転体４１が、伝達棒３１を外れる。このとき、押圧力が開放された圧電素子１０は、補強板１２の弾性が十分であれば、一挙に初期状態に復元し、自由振動する。このとき補強板１２の弾性に加えて、他の弾性体（例えば、コイルバネ、板バネ、ゴム等の弾性体を押圧方向と反対側に挿入するもの）によってこの復元を行っても良い。
【００１８】
保持部２０及び回転体支持部材２１は、プラスチック、金属等、ある程度剛性があり、耐久性にすぐれた部材で作成することが望ましい。なお、保持部材に金属材料を用い、かつ、圧電素子１０を構成する補強板１２にも金属材料を用いた場合において、保持部材２０として、機械的強度が大きく、かつ、絶縁性を有するセラミックス材料（例えば、アルミナ、ジルコニア、ムライト等）を用いることができる。保持部２０及び回転体支持部材２１が金属性の場合は、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。これらを一体成形してもよい。圧電素子１０の補強板１２、外力伝達板３０の回転軸３２、回転部４０の回転軸４２を一体として保持してもよい。
【００１９】
また、図示しない弾性体部は、コイルバネ等と、これを保持するために結合部端を保持部２０及び回転体支持部材２１に設けて構成することができる。コイルバネ等の一部を保持部材の端面に固定して当接部材を省略することもできる。弾性体が保持部に加えられた外力に抗して反発力を与え圧電素子の屈曲の復元を加速させる。
【００２０】
圧電発電装置２００は、図３に示すとおり、回転体支持部材２１に回転体４１と外力伝達棒３１がとりつけられている。圧電素子１０は、保持部２０に、回転体支持部材側に傾斜した状態で取り付けられている。この傾斜により、回動し、傾斜する外力伝達棒３１からの力を効率の良い方向で伝達可能となる。圧電素子１０が屈曲していない初期状態では、外力伝達棒３１は、回転体支持部材とほぼ重なる状態で保持される。図４（ｂ）は、回転部４０の回転軸４２が風車のシャフトと直結し、回転体４１は、回転（公転）する円軌道の直径方向に二つ取り付けられているものを図示する。
【００２１】
図３に例示されたニュートラル状態の圧電発電装置２００に対し、外力が、回転体４１
を回転し、回転体４１の一方が外力伝達棒３１の一端を押圧し、外力伝達棒３１が、回転軸３２を中心に紙面左方向に回動する。このとき、圧電素子１０の補強板１２の最端部が外力伝達棒３１によって押圧される。前記最端部は、外力の力点である回転体４０と外力伝達棒の接触点より、回転軸に対して近距離にあるため、てこの原理により、比較的大きな外力として圧電素子１０に外力を伝達可能である。
【００２２】
外力伝達棒３１は、エンジニアリングプラスチック、セラミックス、金属等、軽量で剛性がある耐久性部材で作成する。特に、軽量で剛性のある金属中空管構造のものを用いることが望ましい。復元を速やかに、容易にするためである。例示する圧電発電体２００では、アルミニウム合金の中空管を用いている。図４（ａ）は、外部伝達棒３１が、一番左方に回動している状態である。圧電素子１０の補強板１２の最端部は、外力を受けて、圧電素子１０全体が最も屈曲している。回転部が、この状態から更に時計方向に回転して、回転体４１が、外力伝達棒３１から離れると、外力が急激に失われる。すると、補強板１１の弾性力により、圧電素子１０は、図３の状態に復元しようとする。このとき、外力伝達棒３１は、この復元しようとする力により、図３の初期状態に戻ることとなる。外力伝達棒が、過度に右方向に回動しないように、回転体支持部材２１にストッパー（図示せず）を設けて回動をとめることができる。
【００２３】
更に、補強板１２の弾性力を補強するために、他の弾性体（例えば、コイルバネ、板バネ、ゴム等の弾性体を押圧方向と反対側に挿入するもの）を設置することができる。このとき、圧電素子１０の屈曲がとれ、さらに、外力伝達棒３１と圧電素子１０の間には、間隙が生ずると、圧電素子１０は、屈曲が急速に復元してさらに振動をおこなう。この振動は、無負荷状態が維持される間、次に回転体４１が外力伝達棒３１を通して補強板１２を押圧するまで持続して、減衰振動を持続することとなる。引き続き、外力が印加されると、一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11が長さ方向に所定周期で伸縮する。圧電板11が伸縮変位すると、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ので、起電力が発生する。図５に圧電発電装置２００から電気エネルギーを回収するための回路構成例を示す。
【００２４】
例えば、圧電発電装置２００では、圧電板11は、外力に対して、図3及び図４に示されるような外力を変換して得られた外力伝達棒３１の回動する方向及びその逆方向に屈曲して凹凸を繰り返す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。
【００２５】
補強板１２の上下に配置する圧電板１１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１１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１２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１２は、圧電板１１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１２として金属箔・金属板を用いる場合には、上下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１２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、上下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。
【００２６】
従って、この起電力を図５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６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。又、複数の圧電素子を用いるときは、圧電素子毎の整流回路を介することにより、若しくは、圧電素子群ごとの整流回路を入れることにより、直流電力を得ることもできる。図７に、図５の回路で得られた圧電発電装置２００に、風車の回転力で発生した起電力の状況の例を具体的に示す。これは、3回測定した結果を重ねがきしたものである。起電力の発生の再現性は比較的良い。第一ピークは、例示装置固有のもので、圧電素子の減衰振動に乱れによるものと思われる。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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】
【００３０】
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】
【００３１】
【図１】本発明に係る圧電発電装置100のニュートラル状態の概略構造を示す正面断面図。
【図２】本発明に係る圧電発電装置100の押圧時の概略構造を示す正面断面図。
【図３】本発明に係る圧電発電装置200のニュートラル状態の概略構造を示す正面断面図。
【図４】本発明に係る圧電発電装置200の押圧時の概略構造を示す正面断面図。
【図５】回路図の一例。
【図６】別の回路図の一例。
【図７】圧電発電装置200の風車による回転力で発生する起電力の例。
【符号の説明】
【００３２】
100・200；圧電発電装置
10；圧電素子
11；圧電板
12；補強板
20；保持部
21；回転体支持部材
30；外力伝達部
31；外力伝達棒
40；回転部
41；回転体
42；回転部回転軸
43；回転体回転軸
【図１】
2008245483.tif 000003
【図２】
2008245483.tif 000004
【図３】
2008245483.tif 000005
【図４】
2008245483.tif 000006
【図５】
2008245483.tif 000007
【図６】
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【図７】
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