(57)【要約】【課題】自然界から得られる微弱な回転運動エネルギーを効率よく電力に変換する圧電式発電装置およびそれを用いた発光装置を提供すること。【解決手段】回転体１７内部の回転方向に配置されたガイド１と、ガイド１上の任意の位置に配置された圧電素子２と、ガイド１上の２つの圧電素子２の間に配置された回転に伴って移動自在な衝撃体３からなり、回転体１７の回転に伴って衝撃体３が移動し圧電素子２に衝突し発電し、回転体１７の回転によって連続して発電を繰り返す圧電式発電装置とする。また、この圧電式発電装置を風車に取り付け、風の力で発電し、発光体を発光させる視線誘導灯とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体内部で回転方向に移動自在な衝撃体と、衝撃体の移動経路を定めるガイドと、前記衝撃体の移動経路の任意の位置に少なくとも１個配置された圧電素子とからなり、前記回転体の回転および重力によって前記衝撃体が移動して前記圧電素子に衝突して発電することと前記衝撃体が前記圧電素子から離れることを交互に繰り返し、連続的に発電することを特徴とする圧電式発電装置。
【請求項２】
前記回転体の回転軸に対して、径方向に移動可能で、中心方向への弾性力によって拘束された重りを有し、前記回転体の回転数の変動による発電力の変動を抑制する回転速度調整機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電式発電装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧電式発電装置を電源として発光体を発光させることを特徴とする発光装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の圧電式発電装置が風車に取り付けられてなる風力を電力に変換する手段と、前記電力を光エネルギーに変換する手段とを備えることを特徴とする視線誘導灯。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に圧電素子を用いた発電装置および発光装置に係り、特に低速の回転運動からエネルギーを得て発光する視線誘導灯に好適な圧電式発電装置、発光装置および視線誘導灯に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の圧電素子を利用し発光体を発光させる場合には、通常、圧電素子に金属球または、セラミック球などの衝撃体を衝突させたり、圧電素子の一端を固定してこの反対の端を押圧し変形させて、圧電素子の歪みによって発電した電力を発光体の発光に利用したり、２次電池に充電してから取り出し利用している。
【０００３】
特許文献１（特開平６−２０９８０７号公報）には、この発電装置を靴底に取り付けて、歩行したり走ったりする動きに合わせ、圧電素子が変形し電気を発生させ発光体を発光させる発明が開示されている。
【０００４】
また、同種の発明として特許文献２（特開平１１−２５３０７１号公報）にはフィッシング用ルアーに発光ダイオードを内蔵し、ルアーの往復運動によって組み込まれた衝撃体で圧電素子を打撃する事による起電力を利用し発光ダイオードを発光させるルアーが開示されている。
【０００５】
また、圧電素子を用いた発電システムを視線誘導標に応用した例として特許文献３（特開２００１−１８２０１９号公報）には吊持された鋼球を圧電素子に衝突させて発電し視線誘導用の発光に用いる発明が開示されているが、自然の風を受けて吊り持ちされた鋼球を動かす方法では衝撃力が小さく、発電頻度も不安定で視線誘導に充分な発光力を得ることができない。
【０００６】
しかし、風車、水車、車軸等の回転運動を圧電素子への衝撃力に変換して発電可能となれば利用分野が広く有用である。
【０００７】
同種の発明として特許文献４（特開２００２−２６２５８４号公報）にはハンマー状の衝撃子を圧電素子周辺に配置し回転動力を加えると衝撃子が圧電素子に当たることにより発電する発明が開示されているが、ハンマー状の衝撃子が圧電素子をこするようにして衝撃を与えるため実際に圧電素子にかかる衝撃は小さく大きな発電力が得られない。また、衝撃子と圧電素子がこすれる事による摩耗が起き実用化が難しいという問題があった。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−２０９８０７号公報
【特許文献２】
特開平１１−２５３０７１号公報
【特許文献３】
特開２００１−１８２０１９号公報
【特許文献４】
特開２００２−２６２５８４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
既に、一部を説明したように、従来の圧電式発電装置においては、微弱な風力などから得られる回転運動を利用して発電するとき、例えば視線誘導灯に十分な視認性をもたらす程の電力が得られなかった。
【００１０】
この状況において、本発明の課題は、自然界から得られる微弱な回転運動エネルギーを効率よく電力に変換する圧電式発電装置およびそれを用いた発光装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電式発電装置は、回転体内部で回転方向に移動自在な衝撃体と、衝撃体の移動経路を定めるガイドと、前記衝撃体の移動経路の任意の位置に少なくとも１個配置された圧電素子とからなり、前記回転体の回転および重力によって前記衝撃体が移動して前記圧電素子に衝突して発電することと前記衝撃体が前記圧電素子から離れることを交互に繰り返し、連続的に発電することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の圧電式発電装置は、前記回転体の回転軸に対して、径方向に移動可能で、中心方向への弾性力によって拘束された重りを有し、前記回転体の回転数の変動による発電力の変動を抑制する回転速度調整機構を備えることができる。
【００１３】
また、本発明の発光装置は、前記圧電式発電装置を電源として発光体を発光させることを特徴とする。
【００１４】
そして、本発明の視線誘導灯は、前記圧電式発電装置が風車に取り付けられてなる風力を電力に変換する手段と、前記電力を光エネルギーに変換する手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図面に従って、本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
本発明の一実施の形態に係る圧電式発電装置の模式的断面図は図１のようである。この圧電式発電装置は、回転軸１５のまわりに回転する円柱状の回転体１７とこの回転体内部の同軸の円周上に配置されたガイド１、このガイド上の任意の位置に配置された圧電素子２、２つの圧電素子の間のガイド内に転動自在に備えられた衝撃体３で構成されている。
【００１７】
このガイド１、圧電素子２、および衝撃体３の位置関係は、衝撃体３が圧電素子２の長手方向、幅方向のそれぞれの中心部に衝突するようにガイド１を構成するときに最も高い出力を得ることができ、望ましい。また、図１では省略しているが、圧電素子の固定には衝撃体衝突後の圧電素子の自由振動を妨げないようにノード点と呼ばれる振動の節のみで支持することが望ましい。
【００１８】
前記のように構成した発電装置を回転軸が水平になるようにして外力により回転させると圧電素子に押し上げられる形で衝撃体が上部に持ち上げられ、さらに回転が進み衝撃体が最上部を過ぎると重力を受けて衝撃体が転がり圧電素子に衝突する。そして、回転に伴い前記の発電が繰り返し行われる。
【００１９】
発電される単位時間当たりの電気エネルギーは回転数に伴って増える。また、配置する圧電素子の枚数については多い方が単位時間当たりの発電回数が多くなるが、衝撃体の移動距離が短くなるため１回当たりに発電される電気エネルギーが低下する。従って、回転軸１回転当たりの発電回数と、衝撃の１回当たりに発電される電気エネルギーの積が最大になるように圧電素子の枚数を設定することが重要である。
【００２０】
前記方法で発生させた電力は、図２に示すような回路で発光ダイオード等の発光体を発光させる事ができる。図２において、２は圧電素子、４は発光体である。
【００２１】
また、図３に示すような回路で、整流素子５で整流後に発光ダイオード等の発光体４を発光させれば、より高輝度で発光させることができる。
【００２２】
さらに、図４に示すような回路で、いったんコンデンサなどの蓄電器１６に蓄電した後、任意のタイミングでスイッチ６によりスイッチングを行い、発光あるいは発音等に利用することも有用である。
【００２３】
次に、本発明の一実施の形態に係る回転速度調整機構について説明する。
【００２４】
本発明の圧電式発電装置は、圧電素子に衝撃体を衝突させることで発電することにより、比較的小さな入力から高い電圧を発生させることができることが特徴であり、従来の電磁式発電器では実用レベルの電力が得られなかったような低回転の入力や不連続な回転からも発電を行い、発光などに利用することができる。
【００２５】
また、本発明の発電装置では一定以上の回転数で回転すると、回転体の角速度が衝撃体のガイド内の自由落下速度を上回り、衝撃体が移動しなくなり発電が行われないという欠点がある。これらのことから、入力の変動による回転数の変化を抑制し、特に高回転にならないようにする機構があれば発電装置としてさらに有用である。
【００２６】
図５は、本発明の一実施の形態に係る回転速度調整機構の模式的断面図である。この回転速度調節機構を図１に示した圧電式発電装置に取り付けて使用する。７は重りであり、８のばねに固定されている。この重りは、９のレールに沿って中心から外周方向に、ばね８の伸び縮みに従って移動する。
【００２７】
発電装置が回転していない状態では、ばねが最も縮んだ状態で重りは回転軸１５に近い位置で静止している。発電装置が回転すると重りは遠心力を受けてばねが伸び外周方向に移動する。重量物が外周方向に移動することにより全体の慣性モーメントが大きくなり、回転体である発電装置には回転を妨げられる作用が働き回転は減速しようとする。この減速された分のエネルギーは慣性モーメントの増加による回転エネルギーとして蓄えられ、外部からの入力が小さくなり回転体である発電装置を回す力が小さくなった際に回転を維持するエネルギーとして働く。すなわち、回転数が下がると遠心力は小さくなり、ばねが重りを中心方向に引き戻し、重量物が中心方向に移動することで全体の慣性モーメントが小さくなり発電装置は回転しやすくなる。
【００２８】
このように、回転速度により発電装置内の重量配分が中心から外周間で変化することにより、結果として発電装置は入力の変動による回転速度の変化が抑制され、安定的に回転が行われ、また入力が大きい場合の回転速度の上がりすぎによる発電停止を抑制することができる。
【００２９】
本実施の形態の回転速度調整機構については、引っ張りばねを用いた重りの移動機構で説明したが、遠心力によって重りが外周部に移動する機構になっていれば、板ばね、圧縮ばね、あるいは一般の弾性体などを用いることもできる。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面に基づいて説明する。
【００３１】
図６は、本発明の一実施例による視線誘導灯の正面図である。図６において、１０は発電部であり、既に本発明の実施の形態おいて説明した図１に示す様に構成されている。１１は、風を受けて、発電部の回転体を回転させるための羽根であり、１２は発光ダイオードであり、スタンレー電気（株）製ＵＲ５３６６Ｘである。
【００３２】
図６において、１０の発電部は直径９０ｍｍ、高さ３０ｍｍの円柱状で、その内部には直径４０ｍｍの円周上に幅７．０ｍｍ、深さ７．０ｍｍの溝状のガイドが配置され、その外周には１１で示した１６枚の羽根が配置されており、この羽根が風を受けて１０の発電部全体が回転する。
【００３３】
このとき用いた電気回路は、本発明の実施の形態において、既に説明した図３のとおりであり、発電した電気を整流する整流素子５は新電元工業（株）製Ｓ１ＺＢ２０である。
【００３４】
図１を参照して圧電式発電装置の詳細について説明する。２は圧電素子を２枚貼り合わせて構成した圧電バイモルフ、３は圧電素子に衝撃を与えるための衝撃体であり、直径６．５ｍｍのステンレス球である。
【００３５】
２の圧電素子は長さ１８ｍｍ、幅８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの圧電セラミックス素子２枚で長さ１８ｍｍ、幅８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの鋼板を挟むようにして貼り合わせた構造にしている。これを、前記円周上に配置されたガイド１上に９０°おきに４枚を等間隔で配置した。
【００３６】
同ガイド１上の２つの圧電素子２の間に１個ずつ、衝撃体３である直径６．５ｍｍのステンレス球を配置する。このステンレス球は前記ガイド内でスムーズに移動可能な状態になっており発電装置が回転することにより圧電素子に衝突する。このとき前記圧電素子はステンレス球がその中央部に衝突するように位置決めする。
【００３７】
今回の実施例では４枚の圧電素子と４個のステンレス球で構成したが、その数量は何個でも良い。ただし、回転に従ってステンレス球が移動し圧電素子に衝撃を与えるためには、ある程度以上の移動距離が必要である為、圧電素子と圧電素子の間隔は一定以上とる必要があり、ガイドの直径に従って限定される。
【００３８】
また、図３における整流素子５は全波整流回路を構成して圧電素子にステンレス球が衝突する事によって生じる交流減衰型の電気を整流する。この電気で発電装置表面に配置した６個の発光ダイオード１２（図６参照）を発光させる。
【００３９】
本実施例では圧電素子として、金属板を挟むように圧電セラミックスを貼り合わせた圧電素子を使用したが、片持ち支持型の圧電バイモルフ、両端支持型の圧電バイモルフ、単板の圧電素子あるいは積層型の圧電素子等の機械的歪みに伴って電気エネルギーを発生するものであれば、いずれも適用可能である。
【００４０】
また、本実施例の視線誘導灯は、一方通行のトンネル内で進行方向に吹いている風速３〜６ｍ／ｓｅｃの風で発電し発光体を発光させ視線誘導を行うことを主な目的としているため、本発明の圧電式発電装置の外周に羽根を取り付けた多翼型風車の形態をとっている。従って、本実施例の形態では自然の風や自動車が通り過ぎた際に生じる不連続な風では視線誘導の可能レベルの発光はできないが、サボニウス型風車などの全方位型の風車を用いたり、風以外のエネルギー源を利用したりすることで様々な状況で発電あるいは発光が可能である。
【００４１】
実際の使用状況は次のとおりである。図６に示す本発明の一実施例の視線誘導灯を回転軸が水平になるようにし発光ダイオードが自動車等の運転者に見える向きに固定する。高速道路等の５００ｍ以上の一方通行のトンネルに設置した場合には通常風速３〜６ｍ／ｓｅｃの風が常に吹いているため、１１の羽根が風を受けて１０の発電部全体が回転する。発電装置が回転すると、図１に示すように、３のステンレス球は圧電素子に持ち上げられ発電装置の上端を過ぎると重力でガイドに沿って転がりながら移動し反対側の圧電素子に衝突する。この時、圧電素子のたわみに従って端子両端に交流減衰型電圧が発生する。
【００４２】
この電気は整流素子で正の電気のみに変換され１２の発光ダイオードを点灯させる。また発電装置が回転するたびに前記発電が次々に行われ、回転に従って１２の発光ダイオードが点滅発光する。
【００４３】
このように圧電効果では比較的小さな力からでも高い電圧を発生させることが可能なため、本実施例の様なステンレス球の衝突程度の小さな力でも高い電圧を発生させることができる。このため本実施例の発光時の輝度は５０００ｍｃｄ（ミリカンデラ）以上で自動車等の運転者に路側の位置を認識させるには充分である。
【００４４】
また、本実施例では圧電素子から発生した電気で直接発光ダイオードを発光させる方法を用いたが、例えば図４に示した回路を用い、発生した電気を一度充電器に充電し任意のタイミングでスイッチングする事でより安定した点滅発光を行うことができ、さらに有用である。
【００４５】
ところで、本実施例では視線誘導灯として点滅発光を行うことを主な目的としているが、発電した電気を充電器に充電し様々な電気電子機器の電力として利用することももちろん可能である。
【００４６】
これまで説明したように、本実施例による圧電式発電装置においては、電磁式の発電に比べて低速回転からの発電あるいは発光が可能で、風が弱い場所や風速の変動が大きいような場所でも発電あるいは発光が可能であり応用範囲が広い。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、比較的低速な回転運動からでも電気エネルギーを取り出す圧電式発電装置、この発電装置を電源として点滅発光を行う発光装置、および、商用電源が使用できない場所や、電池交換が行えないような場所で点滅発光を行う視線誘導灯を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電式発電装置に係る模式的断面図。
【図２】本発明の圧電式発電装置を用いて発光体を発光させる回路の一例。
【図３】本発明の圧電式発電装置を用いて発光体を発光させる回路の他の例。
【図４】本発明の圧電式発電装置を用い、任意のタイミングで発光体を発光させる回路の例。
【図５】本発明の圧電式発電装置に用いる回転速度調整機構を示す模式的断面図。
【図６】本発明の視線誘導灯を示す正面図。
【符号の説明】
１    ガイド
２    圧電素子
３    衝撃体
４    発光体
５    整流素子
６    スイッチ
７    重り
８    ばね
９    レール
１０    発電部
１１    羽根
１２    発光ダイオード
１５    回転軸
１６    蓄電器
１７    回転体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004282915.tif 000006
【図５】
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【図６】
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