(57)【要約】【課題】移動体の車輪の回転運動等を活用して簡便な圧電発電装置を提供する。また、自転車等の移動体の運動から圧電素子に歪みを与えて電気エネルギーを取り出し発光素子の点滅等に利用する場合に点滅動作を安定にする。【解決手段】回転運動から圧電性を用いて連続的に電気エネルギーを取り出す為に半径方向に一定の荷重を受ける回転車輪内に圧電素子を設け、車輪の回転に応じた半径方向の圧力変化で圧電素子の歪み量の変化として発電をすることで簡便な構成と安定した発電作用を可能とする。また、この構成を自転車等の車輪に応用して発電の安定性を得る。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の半径方向に荷重を受ける回転車輪内に圧電素子を設け、車輪の回転に応じた半径方向の圧力変化で、圧電素子の歪み量が変化することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の圧電発電装置において、回転車輪が複数の輻（スポーク）を備え、少なくとも一つのスポークに圧電素子を設けたことを特徴とする圧電発電装置。
【請求項３】
請求項２に記載の圧電発電装置において、輻（スポーク）は長さ方向に弾性変形により伸び縮み、または屈曲できる構成で回転時に荷重を受けたときの変形に伴って圧電素子が屈曲変形することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載の圧電発電装置を具備した回転車輪を、人力や他の動力で駆動される移動体に設置し、移動の過程で前記回転車輪から得られた運動エネルギーを前記圧電発電装置で電気エネルギーに変換し、蓄積し、活用することを特徴とする玩具、遊具または乗り物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電材料が外力により歪みを受けたときに発生する電気エネルギーを活用するための圧電発電装置、及びこれを用いた遊具、玩具または自転車等の乗り物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電材料が外力により歪んだ時に発生する電気エネルギーを活用するための圧電発電装置に関しては、特許公開公報第２０００−２８７４６４号等に見られるように圧電素子を活用した多くの実施例が示されている。自転車に関しては、走行時の揺動を容器内の鋼球移動に利用して圧電素子に衝撃を与えるか、もしくは、走行に伴うサドル部の揺動を圧電素子に伝えて圧電素子に発生する電気エネルギーを発光ダイオード等の発光素子の点滅に活用するものである。また、回転運動を利用した圧電発電装置の例としては、特許公開公報平１１−３３０５８２号に示されているように回転体の外周部に放射状に設けられた複数のローラーが回転に応じて圧電素子に接触、加圧しながら連続的に発電を行うものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、自転車の走行から圧電性を用いて発電する場合、車体揺動やサドル部の荷重変化を利用すると、発電動作が不規則となり、その電気エネルギーを発光素子の点滅等に利用する場合には、点滅が不規則になりやすいという欠点があった。
【０００４】
また、通常、豊富に活用できる移動体の車輪の回転運動等を利用して、前述の特許公開公報第１１−３３０５８２号の発明を実施する場合は、装置が複雑になりやすくまた、一定のスペースを必要とするために構成上の制約があるという欠点があった。
【０００５】
この改善策として、本発明は、豊富に活用できる移動体の車輪の回転運動等を利用して圧電発電をする場合、装置が単純で、構成上の制約がなく、また、自転車等の移動体の運動から圧電素子に歪みを与えて電気エネルギーを取り出し、発光素子の点滅等に利用する場合に点滅動作が安定になることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
移動体等の車輪は全体の重量を各車輪で分担しているが、一個の車輪について部分的にみると車軸直下の鉛直下方向の半径方向に最大の応力が発生し、回転の進行でその部分が移動するに従い、順次応力が減少し回転軸の鉛直上方向の半径方向にある時、応力はほぼ０の状態になっている。
【０００７】
従って、本発明に係る第１の発明は、車輪の一部の半径方向にこの応力変化を受けるように圧電素子を配置することで回転に応じて周期的な応力変化が圧電素子に得られるために連続的な圧電発電機能を構成してなるものである。
【０００８】
また、第２の発明は、車輪構成としては、輻（スポーク）を備えている場合にスポーク一本一本が応力を半径方向に受けているためにスポークに圧電素子を組み込む構成からなるものである。
【０００９】
また、第３の発明としては、周期的な応力を受けるスポークの弾性変形を利用し、スポークに接合された圧電素子が屈曲変位して連続的に発電をする簡便な構成で安定した発電作用を可能とするものである。
【００１０】
さらに、第４の発明として、移動用の車輪に発明１乃至３の構成を用いることで移動過程での車輪から得られる運動エネルギーを前記圧電発電装置を介して電気エネルギーに変換し、発光素子の点滅等に活用することを特徴とする玩具、遊具または乗り物である。特に、この構成を自転車等の車輪に応用して発電の安定性と得られた電気エネルギーを有効に利用することが可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
移動体等の車輪は、全体の重量を各車輪で分担し、一個の車輪について部分的にみると車輪の外周方向で応力が分布するので、車輪の一部の半径方向にこの応力変化を受けるように圧電素子を配置することで、回転に応じて周期的な応力変化が圧電素子に加わるために連続的な圧電発電機能を構成することが可能である。圧電素子を構成する材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス材料の他にチタン酸バリウム系、チタン酸ビスマス系材料等の圧電性を有する材料ならいずれでも適用可能である。
【００１２】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
【００１３】
（実施例１）
図１は、本発明の圧電発電装置の一実施例を示す図である。１は車輪で、２は車輪に設けられた圧電素子挿入用のスリット、３はスリットに実装された圧電素子をそれぞれ示す。圧電素子は、車軸に鉛直下方向に荷重を受けている場合、車輪が設置している点と車軸を結ぶ線上で最大の応力６が発生している。車輪の回転により、この応力最大の位置は車輪の外周に添って順次移動し、この位置に達すると圧電素子に最大の歪みが生じる。また、圧電素子が鉛直上方向にある時は応力が最も小さくなる。従って、圧電素子は、車輪の回転に伴い連続的な応力変化を受けて、発電を行うことができる。
【００１４】
図１では、圧電素子３は厚み方向に分極された１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍの圧電セラミックス板（ＮＥＣトーキン（株）製Ｎ１０材）を１００層、分極方向を交互に違えて積層し、各層には分極方向に対して同じ側の電極同士を接続した、いわゆる積層型圧電アクチュエータと同じ構造のものを用いている。車輪は直径が３００ｍｍで、２ヶの圧電素子が、放射状に設けられたスリットに嵌合されている。同じ大きさの車輪が二つ、３０ｍｍφの中空車軸４で連結され、車軸には６０ｋｇの応力６が加えられている。
【００１５】
前記車輪を水平速度１ｍ／ｓｅｃで移動させた時に、一個の圧電素子の端子間の発生電圧を測定した結果を図２に示す。図２から分かるように、連続的な波形の電圧の出力が観察された。また、各圧電素子１１に全波整流回路１２を取り付け、一個のコンデンサ１３に接続した、図３に示した回路構成によれば、発生する電気エネルギーをコンデンサ１３に蓄積することが可能である。図４は、図２に示した発電の条件で１００μＦのコンデンサに蓄積される電気エネルギーを、コンデンサ両端の電圧測定の結果から計算したもので、約０．０８ｍＪ／秒の速度で電気エネルギーを蓄積できたことがわかる。
【００１６】
（実施例２）
図５は、本発明の複数の輻（スポーク）２１がついた車輪を用いる場合の圧電発電装置の一実施例を示す図である。各スポークは、図６に示すように、スポークＡ３１、スポークＢ３２の二つに分離しており、一方の径の太くなった部分は空洞３３になっており、この部分に圧電素子３４を挿入して双方のスポーク軸で挟み込んだ構造になっている。作用は前述の実施例１と基本的にはおなじであるが、より効果的に圧電素子が荷重を受ける構成である。
【００１７】
（実施例３）
図７は、本発明の圧電発電装置の一実施例を示す図である。板状の輻（スポーク）４２に圧電素子４１を貼り付けた構造で、圧電素子４１は、圧電バイモルフ素子が曲げ応力で出力電圧が大きくなるので、発電装置としては好ましい。圧電バイモルフ素子の基本構造を図８に示した。該圧電バイモルフ素子は、分極処理を施した２枚の矩形板状圧電素子５１を、分極の極性が同じ面同士、向かい合う様に、シム材５２を挟んで接着剤にて張り合わせ、電極面にリード線５３を半田付けした構造で、撓みの応力が付与されることにより、高効率に機械エネルギーを電気エネルギーに変換することが出来る。
【００１８】
図７に用いた圧電バイモルフ素子は、表裏面をメタライズした寸法１０ｍｍ×５０ｍｍ×０．２ｍｍの圧電セラミックス（ＮＥＣトーキン（株）製Ｎ−１０材）の矩形板を２枚用いて、分極方向が向き合うように、同面積で厚みが５０μｍの銅板を中央に挟んで張り合わせて試作した。
【００１９】
最大荷重を受ける軸の鉛直下にきたスポークは、わずかに座屈変形を生じる程度にスポークの巾と厚みを調整してある。試作品では、車輪の直径２００ｍｍで、板状スポークはステンレススティール製で、長さ８０ｍｍ、厚み０．５ｍｍ、巾１０ｍｍとした。板状スポークに前記圧電バイモルフ素子が貼りあわされている。同形状の車輪４ヶを３００ｍｍ×２００ｍｍ×１００ｍｍの筐体の底部に車軸を通して固定した。筐体に１０ｋｇの荷重を載せて筐体を移動させた時、車輪の回転に応じて最下部に来たスポークは、座屈により、わずかに屈曲して、圧電バイモルフ素子が変形し、圧電発電することが確認できた。
【００２０】
（実施例４）
図９は、図５の実施例を自転車に適用し、発電エネルギーを利用して発光素子を点滅させ夜間の安全走行に活用した一実施例のイラストである。自転車の輻（スポーク）６１に取り付けられた各圧電発電装置６２が発光ダイオード６３に直結されて発光するが、自転車車輪の回転周期で確実に発電できるために安定した発光が可能になった。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、生活環境の広い範囲で使用されている移動体用の車輪の半径方向に作用する応力の周期的変化を活用して、簡便な構成で有効に電気エネルギ−を取り出せる圧電発電装置が実現でき、これを応用した遊具、玩具あるいは自転車の提供が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車輪に圧電素子を組み込んだ圧電発電装置の一実施例を示す説明図。
【図２】図１の構成で発電したとき圧電素子の両端に発生する電圧の時間変化の観測値を示す図、縦軸は電圧（Ｖ）、横軸は時間（秒）をそれぞれ示す。
【図３】圧電素子から発生した電気エネルギーをコンデンサに蓄積する場合の回路構成を示す図。
【図４】圧電素子から発生した電気エネルギーをコンデンサに蓄積する場合のエネルギー蓄積の推移を示す図。１００μＦのコンデンサに図２の状態の出力レベルで図３の回路構成で電気エネルギーを蓄積した時、コンデンサ端子間の電圧から蓄積エネルギ−Ｅを次式　Ｅ＝（１／２）×Ｃ×Ｖ２で計算した。但し、Ｃはコンデンサの容量、Ｖはコンデンサ端子間の電圧を示す。
【図５】輻（スポーク）がついた車輪を用いた圧電発電装置の実施例を示す図。
【図６】輻（スポーク）に圧電素子を内蔵する場合の構成例を示す図。
【図７】輻（スポーク）が板状で圧電バイモルフを貼り付けた圧電発電装置の実施例を示す図。
【図８】圧電バイモルフ素子の基本構成を示す図。
【図９】自転車の輻（スポーク）への応力変化を利用して圧電発電をさせ安全走行用の発光素子を点滅させる実施例を示すイラスト図。
【符号の説明】
１　　車輪
２　　圧電素子挿入用のスリット
３　　圧電素子
４　　中空車軸
５　　床（または）大地の面
６　　最大応力
１１　　圧電素子
１２　　全波整流回路
１３　　コンデンサ
２１　　スポーク
２２　　車軸
２３　　圧電素子収納部
３１　　スポークＡ
３２　　スポークＢ
３３　　入れ子用空洞
３４　　圧電素子
４１　　圧電素子
４２　　スポーク
４３　　車軸
４４　　荷重方向
４５　　大地（床面）
５１　　矩形板状圧電素子
５２　　シム材
５３　　リード線
６１　　自転車のスポーク
６２　　圧電発電装置
６３　　発光ダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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