(57)【要約】【課題】外力をトリガーとして、発電のためのイニシャル動作と発電とを連続して行うことができる発電装置を提案すること。【解決手段】発電装置１において、外力により衝撃付与ユニット３が上下反転すると、下方にあった衝撃付与体７が上方に位置するイニシャル状態となる。このようなイニシャル動作が行われると、衝撃付与体７は自重により落下路５に沿って落下しながら圧電素子６５を繰り返し打撃し始める。衝撃付与ユニット３が上下反転する際、コイルバネ４４、４５が発生させる偶力の差は、衝撃付与ユニット３を回転させる力として作用するとともに、互いの偶力が打ち消しあって、衝撃付与ユニット３を直立姿勢で停止させる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
衝撃付与体、および該衝撃付与体の落下路を備え、上下反転したいずれの姿勢でも前記衝撃付与体が前記落下路に沿って自重で落下可能な衝撃付与ユニットと、
前記落下路に沿って自重で落下する前記衝撃付与体によって打撃されて発電を行う圧電素子と、
前記衝撃付与ユニットを上下反転させるための支点を備えるとともに、前記衝撃付与ユニットに外力を伝達して当該衝撃付与ユニットを上下反転させることにより、前記衝撃付与体の前記落下路に沿っての自重落下を開始させる上下反転機構と
を有することを特徴とする発電装置。
【請求項２】
請求項１において、前記衝撃付与ユニットが上下反転するときの支点は、当該衝撃付与ユニットの高さ方向の中央位置にあることを特徴とする発電装置。
【請求項３】
請求項２において、前記上下反転機構は、前記衝撃付与ユニットに各々、前記支点周りの逆向きの偶力を作用させる第１の付勢部材および第２の付勢部材を備え、
前記第１の付勢部材および前記第２の付勢部材は、前記衝撃付与ユニットが外力によって傾いたときには互いの偶力の差で前記衝撃付与ユニットを回転させた後、当該前記衝撃付与ユニットを直立姿勢で停止させることを特徴とする発電装置。
【請求項４】
請求項３において、前記上下反転機構は、さらに、前記支点として前記衝撃付与ユニットから両側に延びた一対の支軸と、該一対の支軸を回転可能に支持する軸受け部と、前記一対の支軸の少なくとも一方に対して連結され、外力により前記支軸を軸線周りに回転させる作動部材とを備え、
前記第１の付勢部材および前記第２の付勢部材は、前記作動部材の前記支軸の連結位置からずれた位置を各々、同等の力で反対側に付勢可能に配置されていることを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子を利用した発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子を利用した発電装置としては、従来、人為的にコイルバネなどを変位させることにより弾性エネルギーを蓄え、この弾性エネルギーを駆動源として衝撃付与体を駆動させることにより圧電素子を打撃して発電を行うものが知られている。また、このように構成された発電装置では、コイルバネへの変位を解除した瞬間に発電が開始されるタイプのものと、コイルバネを変位させた状態で保持し、そこに外力が加わることによりコイルバネへの変位が解除されるタイプのものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような発電装置のうち、前者のものでは、無人操作や遠隔操作などといった状況下では使用できないため不便である。また、後者のものでは、このような不便さがないが、両者とも、１回の発電動作ごとにイニシャル動作として、コイルバネを変位させて衝撃付与体を駆動させるためのエネルギーを蓄える必要があるため、面倒である。
【０００４】
以上の問題を鑑みて、本発明の課題は、外力をトリガーとして、発電のためのイニシャル動作と発電とを連続して行うことができる発電装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る発電装置では、衝撃付与体、および該衝撃付与体の落下路を備え、上下反転したいずれの姿勢でも前記衝撃付与体が前記落下路に沿って自重で落下可能な衝撃付与ユニットと、前記落下路に沿って自重で落下する前記衝撃付与体によって打撃されて発電を行う圧電素子と、前記衝撃付与ユニットを上下反転させるための支点を備えるとともに、前記衝撃付与ユニットに外力を伝達して当該衝撃付与ユニットを上下反転させることにより、前記衝撃付与体の前記落下路に沿っての自重落下を開始させる上下反転機構とを有することを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る発電装置では、外力で衝撃付与ユニットが反転するだけで、下方にあった衝撃付与体が上方に持ち上げられて位置エネルギーをもつイニシャル動作を実現でき、かつ、このイニシャル動作に続いて、衝撃付与体が落下し始めるので、発電が自動的に開始される。従って、外力で衝撃付与ユニットが反転したことをトリガーとして自動的に発電を開始することができるので、例えば、監視システムに用いた場合、何らかの異常が外力として印加された場合、発電装置が発電を開始することで異常の発生を検出できる。
【０００７】
本発明において、前記衝撃付与ユニットが上下反転するときの支点は、当該衝撃付与ユニットの高さ方向の中央位置にあることが好ましい。このように構成すると、衝撃付与ユニットが上下反転するためのスペースが最小で済む。
【０００８】
本発明において、前記上下反転機構は、前記衝撃付与ユニットに各々、前記支点周りの逆向きの偶力を作用させる第１の付勢部材および第２の付勢部材を備え、前記第１の付勢部材および前記第２の付勢部材は、前記衝撃付与ユニットが外力によって傾いたときには互いの偶力の差で前記衝撃付与ユニットを回転させた後、当該前記衝撃付与ユニットを直立姿勢で停止させるように構成されていることが好ましい。
【０００９】
本発明においては、例えば、前記上下反転機構は、さらに、前記支点として前記衝撃付与ユニットから両側に延びた一対の支軸と、該一対の支軸を回転可能に支持する軸受け部と、前記一対の支軸の少なくとも一方に対して連結された作動部材とを備え、前記第１の付勢部材および前記第２の付勢部材は、前記作動部材の前記支軸の連結位置からずれた位置を各々、反対側に付勢するように配置される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、本発明を適用した発電装置の一例を説明する。
【００１１】
（全体構成）
図１（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る発電装置のイニシャル動作が完了して発電を開始する直前の様子を示す概略斜視図、および発電装置の衝撃付与ユニットの概略斜視図である。図２は、図１に示す発電装置の要部の分解斜視図である。
【００１２】
図１（ａ）、（ｂ）および図２に示すように、本形態の発電装置１は、ボックス状のケース２と、このケース内２に収納された衝撃付与ユニット３と、この衝撃付与ユニット３により打撃されて発電を行う圧電素子６５と、外力を衝撃付与ユニット３に伝達して衝撃付与ユニット３を上下反転させるための上下反転機構４とを有しており、これらの構成を以下、順に説明していく。
【００１３】
衝撃付与ユニット３は、溝開口からなる落下路５が相対向する位置に形成されたガイド部材６と、２本の落下路５に沿って落下していく途中位置で圧電素子６５を打撃する衝撃付与体７とを有している。ガイド部材６は円筒状に形成され、その内部には、中心軸線上に小径のガイド軸６１が配置されて、ガイド部材６の上下開口を塞ぐ蓋材６０で支持されている。
【００１４】
ガイド部材６の外周面には、ガイド軸６１を中心とした対象位置に溝開口からなる落下路５が２本、形成されている。これら２本の落下路５のいずれにおいても、約１８０°の角度範囲にわたって斜め下方に延びた第１の落下部５２と、約１８０°の角度範囲にわたって第１の落下部５２とは逆方向の斜め下方に延びた第２の落下部５３とが交互に形成され、第１の落下部５２から第２の落下部５３への折り返し部分、および第２の落下部５３から第１の落下部５２への折り返し部分には、ガイド部材６の中心軸線Ｃに対して平行に、すなわち、真下方向に延びた第３の落下部５４が形成されている。
【００１５】
落下路５の上端部分には、衝撃付与体７を保持しておく保持部５１が形成されている。また、落下路５は、上下対称であり、落下路５の下端部分にも、衝撃付与体７を保持しておく保持部５５が形成されている。保持部５１、５５は、落下路５となだらかに繋がっている。
【００１６】
このように構成したガイド部材６において、その内側には、衝撃付与体７が配置、保持されている。衝撃付与体７は、円盤状の摺動部材７１と、摺動部材７１の外周面から互いに反対側に突き出た丸棒あるいは円形パイプからなる２本のスライド軸７２と、２本のスライド軸７２の先端部の各々に取り付けられた２つの球形の衝撃子７３とを有している。ここで、２本のスライド軸７２は、落下路５の開口幅よりやや細いものが用いられており、先端部はガイド部材６の外側に突き出ている。このため、２つの衝撃子７３はいずれも、ガイド部材６の外側に位置している。
【００１７】
摺動部材７１において、その中心部分には、ガイド穴７１１が形成されており、このガイド穴７１１には、ガイド部材６と同軸状態で配置されているガイド軸６１が差し込まれている。摺動部材７１のガイド穴７１１の内径寸法は、ガイド軸６１の外形寸法よりも僅かに大きく設定されているため、摺動部材７１は、ガイド軸６１に沿って、ガイド部材６の内側を中心軸線Ｃの方向に摺動自在となっている。
【００１８】
このように構成した衝撃付与体７は、落下路５上をスライド軸７２が摺動して落下路５に沿って落下していくが、その際、摺動部材７１は、重りとしての役割を果している。また、摺動部材７１とガイド軸６１とは、衝撃付与体７がスライド軸７２の軸線方向に傾くのを防止する位置規定手段としての機能も果たすことになる。
【００１９】
また、衝撃付与体７は、落下路５に沿って落下していく際、その両端部が揺動する。そこで、本形態では、落下路５のうち、第１の落下部５２から第２の落下部５３への折り返し部分の近傍、および第２の落下部５３から第１の落下部５２への折り返し部分の近傍の各々に圧電素子６５が計４枚、配置されている。これらの圧電素子６５は、ケース２の両側板２１、２２に固定されているフレーム８４、８５の固定溝８４１、８４２、８５１、８５２にそれぞれ嵌め込み固定されている。
【００２０】
上下反転機構４は、衝撃付与ユニット３の高さ寸法の中央位置から各々反対側に水平に突き出た支軸８１、８２と、これらの支軸８１、８２のうち、一方の支軸８１の先端部に連結された作動部材４０とを有している。
【００２１】
支軸８１、８２は、衝撃付与ユニット３が上下反転するときの支点となるもので、各々、圧電素子６５の間を通ってフレーム８４、８５の軸穴８４３、８５３に回転可能に支持されている。また、支軸８１の先端部は、フレーム８４およびケース２の側板２１を貫通しており、側板２１から突き出た部分に作動部材４０が連結されている。
【００２２】
作動部材４０は、支軸８１の先端部が固着されたクランク板４１と、このクランク板４１における支軸８１から離れた位置から外側に突き出た入力軸４２とを有している。
【００２３】
ケース２の側板２１には、支軸８１と同じ高さ位置であって、支軸８１を挟んで相対向する等距離の所に２本の円柱状の突起２３、２４が外側に突き出ており、これらの突起２３、２４と入力軸４２との間には、特性が同じ第１のコイルバネ４４（第１の付勢部材）、および第２のコイルバネ４５（第２の付勢部材）が掛け渡されている。従って、図１（ａ）に示すように、入力軸４２に外力が加わっていない状態では、２本のコイルバネ４４、４５が発生する偶力は互いに打ち消し合うので、ガイド部材６は直立姿勢に保持されている。
【００２４】
（発電動作）
図３は、図１に示す発電装置の待機状態（発電動作終了状態）を示す概略斜視図である。図４は、図１に示す発電装置において、外力により衝撃付与ユニットが９０°回転した状態を示す概略斜視図である。
【００２５】
本形態の発電装置１は、まず、図３に示す状態で待機する。この待機状態では、衝撃付与ユニット３は、図１（ａ）に示す状態とは上下反転した状態にある。従って、衝撃付与体７のスライド軸７２は、落下路５の最下位の保持部５１内に位置している。
【００２６】
この待機状態から、外力によって入力軸４２が、例えば、矢印Ｆで示す方向に押圧されると、クランク板４１が支軸８１を中心に反時計方向ＣＣＷに回転し、それに連動して、衝撃付与ユニット３も支軸８１、８２を中心に反時計方向ＣＣＷに回転する。その際、前方（矢印Ｆで示す方向）に位置するコイルバネ４５は圧縮される一方、後方（矢印Ｒで示す方向）に位置するコイルバネ４４は引き伸ばされるため、２本のコイルバネ４４、４５が発生する偶力の均衡が破られる。そして、図４に示すように、入力軸４２が反時計方向ＣＣＷに９０°をわずかでも越えると、２本のコイルバネ４４、４５が発生する偶力（引っ張り力）の差は、作動部材４１を介して衝撃付与ユニット３をさらに反時計方向ＣＣＷに９０°回転させる。
【００２７】
そして、図１（ａ）に示すように、衝撃付与ユニット３が上下反転して直立姿勢となったとき、コイルバネ４４、４５の引っ張り力は、互いに相殺し合って衝撃付与ユニット３を直立姿勢で停止させる。このようにして、衝撃付与ユニット３のイニシャル動作が完了し、それに続いて、発電動作が自動的に開始される。
【００２８】
すなわち、衝撃付与ユニット３が上下反転して図１（ａ）に示す直立姿勢となったとき、その反動で、衝撃付与体７は、保持部５１から落下路５の第１の落下部５２に送り出されて、第１の落下部５２に沿って時計方向ＣＷに揺動運動しながら落下し始める。
【００２９】
そして、衝撃付与体７が第１の落下部５２の下死点付近に到達したとき、２つの衝撃子７３が圧電素子６５を各々、同時に打撃する。
【００３０】
次に、衝撃付与体７は、落下路５の第３の落下部５４を経て第２の落下部５３に移り、衝撃付与体７は、反時計方向ＣＣＷに揺動運動しながら落下する。そして、衝撃付与体７が第２の落下部５３の下死点付近に到達したとき、２つの衝撃子７３が圧電素子６５を前回とは反対側の面を各々、同時に打撃する。
【００３１】
次に、衝撃付与体７は、落下路５の第３の落下部５４を経て、さらに下方に続く第１の落下部５２に移り、衝撃付与体７は、反時計方向ＣＣＷに揺動運動しながら落下していき、落下路５の終端の保持部５５に到達するまで、同様な動作を繰り返す。
【００３２】
その間、衝撃付与体７の衝撃子７３が圧電素子６５を打撃することにより発生した電力は、出力端子（図示せず）を介して制御用基板（図示せず）に供給され、制御用基板で調整が行われた後、発電装置１の外側に配置されている外部装置（図示せず）に出力される。
【００３３】
そして、衝撃付与体７のスライド軸７２は、図１（ａ）に示す状態において、落下路５の最下位の保持部５５内に位置することになり、待機状態に戻る。従って、この待機状態で、外力によって入力軸４２が、矢印Ｆで示す方向、あるいは矢印Ｒで示す方向に押圧されると、上記と同様なイニシャル動作が行われ、しかる後に再び、発電動作が行われることになる。
【００３４】
（本形態の効果）
以上説明したように、本形態の発電装置１では、外力で衝撃付与ユニット３が反転するだけで衝撃付与体７が上方に持ち上げられて位置エネルギーをもつイニシャル動作を実現でき、かつ、このイニシャル動作に続いて、衝撃付与体７が落下して発電が自動的に開始される。従って、本形態の発電装置１を監視システムに用いた場合、何らかの異常が外力として上下反転機構４の入力軸４２に印加されることで、発電装置１のイニシャル動作が行われた後、自動的に発電を開始するので、異常の発生を検出できる。それ故、本形態の発電装置１は、電源をもたない発信機器として使用することができる。例えば、外部侵入者が窓を開けたときにその外力が入力軸４２を変位させるように構成すれば、発電装置１で得られた電力をトリガーにして発信装置の起動や監視センターへの通報などを行う機器として利用できる。
【００３５】
また、本形態では、衝撃付与ユニット３が上下反転するときの支点となる支軸８１、８２が衝撃付与ユニット３の高さ方向の中央位置にあるため、衝撃付与ユニット３が上下反転するためのスペースが最小で済む。
【００３６】
さらに、本発明では、コイルバネ４４、４５は、衝撃付与ユニット３に各々逆向きの偶力をさせて衝撃付与ユニット３を直立姿勢に保持するとともに、衝撃付与ユニット３が外力によって傾いたときには互いの偶力の差が衝撃付与ユニット３を傾き姿勢から直立姿勢まで回転させる力として作用する。従って、衝撃付与ユニット３は、必ず、直立姿勢で停止するので、発電動作を確実に行うことができる。
【００３７】
また、本形態では、第１の落下部５２から第２の落下部５３への折り返し部分、および第２の落下部５３から第１の落下部５２への折り返し部分に圧電素子６５が配置されているため、衝撃付与体７が折り返し部分を通過するたびに圧電素子６５が打撃されるので、衝撃付与体７の１回の落下で大きな発電量を確保することができる。また、第１の落下部５２と第２の落下部５３が各々反対側に延びているので、衝撃付与体７が圧電素子６５を打撃したときの反力を利用して衝撃付与体７を第１の落下部５２から第２の落下部５３に、あるいは第２の落下部５３から第１の落下部５２にスムーズに移動させることができる。しかも、折り返し部分には、第１の落下部５２と第２の落下部５３とを真下に向かって延びて接続する第３の落下部５４が形成されているため、第１の落下部５２と第２の落下部５３との間の折り返し部分が鋭角になっていない。それ故、衝撃付与体７は、折り返し部分で引っ掛かることなく、第１の落下部５２から第２の落下部５３に、あるいは第２の落下部５３から第１の落下部５２にスムーズに移動することができる。
【００３８】
さらに、本形態において、衝撃付与体７は、２つの衝撃子７３によって圧電素子６５を同時に打撃するため、発電効率が高いという利点がある。
【００３９】
しかも、ガイド部材６は円筒状であり、衝撃付与体７は、周方向に揺動しながら落下路５に沿って落下していくため、衝撃付与ユニット３をコンパクトに構成することができる。
【００４０】
また、摺動部材７１とガイド軸８からなる位置規定手段によって衝撃付与体７の傾きを防止してあるので、衝撃付与体７は、引っ掛かることなく、落下路５をスムーズに落下していく。
【００４１】
さらに、本形態において、圧電素子６５は、第１の落下部５２から第２の落下部５３、および第２の落下部５３から第１の落下部５２に切り替わる第３の落下部５４の近傍、つまり、衝撃付与体７が落下路５に沿って揺動運動することによって発生する運動エネルギーが最大となる位置に配置されているので、発電効率が高い。
【００４２】
（その他の実施の形態）
上記実施の形態では、上下反転機構４において、２本のコイルバネ４４、４５を用いていたが、板バネ、あるいはカムを用いてもよい。また、衝撃付与ユニット３が自動的に回転してイニシャル動作が完了するしきい値は９０°であったが、２本のコイルバネ４４、４５を特性や、取り付け位置を変更することにより、しきい値を小さい角度に設定することも可能である。さらに、カムを採用することによって、しきい値をさらに小さな角度に設定することもできる。
【００４３】
また、上記実施の形態では、圧電素子６５はフレーム８４、８５によって固定されていたが、圧電素子６５から制御用基板（図示せず）への配線に、すべり対応の接点バネを採用すれば配線が捩れることがないので、圧電素子６５をガイド部材６とともに上下反転する構成を採用してもよい。
【００４４】
また、例えば、砂時計のような容器内に複数の鋼球が収納されたものを衝撃付与ユニットとし、その容器内に形成されている鋼球の落下路の途中位置に圧電素子を配置してもよい。この場合も、衝撃付与ユニットを上下反転させると鋼球が容器内（落下路）を落下しながら圧電素子に衝撃を付与するので、発電を行うことができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の発電装置では、外力で衝撃付与ユニットが反転するだけで、下方にあった衝撃付与体が上方に持ち上げられて位置エネルギーをもつイニシャル動作を実現でき、かつ、このイニシャル動作に続いて、衝撃付与体が落下し始めるので、発電が自動的に開始される。従って、外力で衝撃付与ユニットが反転したことをトリガーとして自動的に発電を開始することができるので、例えば、監視システムに用いた場合、何らかの異常が外力として印加された場合、発電装置が発電を開始することで異常の発生を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る発電装置のイニシャル動作が完了して発電を開始する直前の様子を示す概略斜視図、および発電装置の衝撃付与ユニットの概略斜視図である。
【図２】図１に示す発電装置の要部の分解斜視図である。
【図３】図１に示す発電装置の待機状態（発電動作終了状態）を示す概略斜視図である。
【図４】図１に示す発電装置において、外力により衝撃付与ユニットが９０°回転した状態を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１  発電装置
２  ケース
３  衝撃付与ユニット
４  上下反転機構
５  落下路
６  ガイド部材
７  衝撃付与体
４０  作動部材
４１  クランク板
４２  入力軸
４４、４５  コイルバネ（付勢部材）
６５  圧電素子
７２  スライド軸
７３  衝撃子
８１、８２  支軸
【図１】
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【図２】
2004346758.tif 000004
【図３】
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【図４】
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