(57)【要約】【課題】加えられる外力の大小、および外力が伝達される時間に関係なく発電を行うことができる発電装置を提供すること。【解決手段】発電装置１において、レバー９１に加えられた外力によって、衝撃付与体７のスライド軸７２が保持部５１の段部５１１を乗り越えると、衝撃付与体７は、自重により落下するときに、案内路５に沿って揺動運動する。従って、レバー９１に１回、衝撃付与体７のスライド軸７２が保持部５１の段部５１１を乗り越えるだけの外力を加えるだけで、衝撃付与体７は、落下する間、案内路５に沿って揺動運動し続け、衝撃子７３は圧電素子４１、４２を繰り返し打撃していく。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
衝撃付与体と、該衝撃付与体の落下経路を規定する案内路と、該案内路に沿って落下してく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、
さらに、前記衝撃付与体を前記案内路の上方位置に保持し、外力によって前記衝撃付与体を解放して当該衝撃付与体の前記案内路に沿っての落下を開始させる発電タイミング規定手段を有してい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、
前記発電タイミング規定手段は、前記衝撃付与体が係合して当該衝撃付与体を上方に保持可能に前記案内路に形成された段部と、外力によって前記衝撃付与体を前記段部を乗り越えさせて当該衝撃付与体の前記案内路に沿っての落下を開始させる外力伝達部材とを備えていることを特徴とする発電装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
上下反転させたいずれの姿勢で前記案内路に沿って前記衝撃付与体を落下させても、前記衝撃付与体が前記圧電素子を打撃して発電可能に構成されていることを特徴とする発電装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記案内路は、斜め下方に向かって延びる第１の落下路と、前記第１の落下路とは反対側に向かって斜め下方に延びる第２の落下路とを交互に複数、備え、
前記第１の落下路から前記第２の落下路への折り返し部分、および前記第２の落下路から前記第１の落下路への折り返し部分に前記圧電素子が配置されていることを特徴とする発電装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記折り返し部分には、前記第１の落下路と前記第２の落下路とを真下に向かって延びて接続する第３の落下路が形成されていることを特徴とする発電装置。
【請求項７】
請求項５または６において、
前記案内路は、支持体の相対向する位置に溝開口として形成され、
前記衝撃付与体は、両端部が前記案内路を貫通して当該案内路に沿って摺動あるいは転動するスライド軸と、前記支持体の外側に突き出た当該スライド軸の両端部の各々に形成された一対の衝撃子とを備え、
前記一対の衝撃子は各々、前記支持体の外側の相対向する位置に配置された一対の前記圧電素子を同時に打撃することを特徴とする発電装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記支持体は円筒状であり、
前記第１の落下路および前記第２の落下路は、前記支持体の中心軸を中心とする点対称位置に螺旋状に形成されていることにより、前記衝撃付与体は、周方向に揺動しながら前記案内路に沿って落下していくことを特徴とする発電装置。
【請求項９】
請求項７または８において、
さらに、前記衝撃付与体の前記スライド軸の軸線方向における位置を規定する位置規定手段を備え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】
外力によって発電を行う発電装置としては、従来、振動などの外力を回転運動に変換することにより慣性盤を回転させ、その運動エネルギーを利用して衝撃体を駆動させることにより、圧電素子に対して衝撃を付与するものが案出されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１６４８６５号公報（第３頁−第４頁、図１−図５）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献に開示の発電装置では、外力が小さい場合には、慣性盤を回転させることができないため、十分な発電が行えないという問題点がある。また、加えられた外力（振動）を、衝撃体を駆動させるための駆動源としているため、外力が印加されている期間しか発電を行うことができないという問題点がある。
【０００５】
以上の問題を鑑みて、本発明の課題は、加えられる外力の大小、および外力が伝達される時間に関係なく発電を行うことができる発電装置を提案することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の発電装置では、衝撃付与体と、該衝撃付与体の落下経路を規定する案内路と、該案内路に沿って落下してく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を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明では、衝撃付与体の位置エネルギーを案内路に沿って落下する運動エネルギーに変換し、その運動エネルギーによって圧電素子を打撃することにより、発電を行う。このため、加えられる外力の大小、および外力が伝達される時間に関係なく発電を行うことができる。
【０００８】
本発明において、さらに、前記衝撃付与体を前記案内路の上方位置に保持し、外力によって前記衝撃付与体を解放して当該衝撃付与体の前記案内路に沿っての落下を開始させる発電タイミング規定手段を有していることが好ましい。このように構成すると、外力をトリガーとして発電を行うことができるので、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。
【０００９】
本発明において、前記発電タイミング規定手段は、前記衝撃付与体が係合して当該衝撃付与体を上方に保持可能に前記案内路に形成された段部と、外力によって前記衝撃付与体を前記段部を乗り越えさせて当該衝撃付与体の前記案内路に沿っての落下を開始させる外力伝達部材とを備えていることが好ましい。このように構成すると、簡素な構成で発電タイミング規定手段を構成することができる。
【００１０】
本発明において、上下反転させたいずれの姿勢で前記案内路に沿って前記衝撃付与体を落下させても、前記衝撃付与体が前記圧電素子を打撃して発電可能に構成されていることが好ましい。このように構成すると、発電装置のリセットを容易に行うことができる。
【００１１】
本発明において、前記案内路は、斜め下方に向かって延びる第１の落下路と、前記第１の落下路とは反対側に向かって斜め下方に延びる第２の落下路とを交互に複数、備え、前記第１の落下路から前記第２の落下路への折り返し部分、および前記第２の落下路から前記第１の落下路への折り返し部分に前記圧電素子が配置されていることが好ましい。このように構成すると、衝撃付与体が折り返し部分を通過するたびに圧電素子が打撃されるので、衝撃付与体の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の落下路と第２の落下路が各々反対側に延びているので、衝撃付与体が圧電素子を打撃したときの反力を利用して衝撃付与体を第１の落下路から第２の落下路に、あるいは第２の落下路から第１の落下路にスムーズに移動させることができる。
【００１２】
本発明において、前記折り返し部分には、前記第１の落下路と前記第２の落下路とを真下に向かって延びて接続する第３の落下路が形成されていることが好ましい。このように構成すると、第１の落下路と第２の落下路との間の折り返し部分が鋭角になるのを避けることができるので、衝撃付与体は、折り返し部分で引っ掛かることなく、第１の落下路から第２の落下路に、あるいは第２の落下路から第１の落下路にスムーズに移動することができる。
【００１３】
本発明において、前記案内路は、支持体の相対向する位置に溝開口として形成され、前記衝撃付与体は、両端部が前記案内路を貫通して当該案内路に沿って摺動あるいは転動するスライド軸と、前記支持体の外側に突き出た当該スライド軸の両端部の各々に形成された一対の衝撃子とを備え、前記一対の衝撃子は各々、前記支持体の外側の相対向する位置に配置された一対の前記圧電素子を同時に打撃することが好ましい。このように構成すると、１つの衝撃付与体で２つの圧電素子を同時に打撃することができるので、発電効率が高いという利点がある。
【００１４】
本発明において、前記支持体は円筒状であり、前記第１の落下路および前記第２の落下路は、前記支持体の中心軸を中心とする点対称位置に螺旋状に形成されていることにより、前記衝撃付与体は、周方向に揺動しながら前記案内路に沿って落下していくことが好ましい。このように構成すると、発電装置全体をコンパクトに構成することができる。
【００１５】
本発明において、さらに、前記衝撃付与体の前記スライド軸の軸線方向における位置を規定する位置規定手段を備えていることが好ましい。このように構成すると、衝撃付与体がスライド軸の軸線方向に傾いて引っ掛かることがないので、衝撃付与体は、案内路をスムーズに落下していく。
【００１６】
【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。
【００１７】
（全体構成）
図１は、本発明に係る発電装置の概略斜視図である。図２は、本発明に係る発電装置の分解斜視図である。
【００１８】
図１および図２に示すように、本形態の発電装置１は、円筒状のケース２の内部に発電機構３が構成されている。発電機構３は、板状の圧電素子４１、４２と、溝開口からなる案内路５が相対向する位置に形成されたガイド部材６（支持体）と、案内路５に沿って落下していく途中位置で圧電素子４１、４２を打撃する衝撃付与体７とを有している。
【００１９】
ガイド部材６は円筒状に形成され、その上面および下面はケース２によって支持されている。ガイド部材６の内部には、その中心軸線上に小径のガイド軸８が配置されている。
【００２０】
ガイド部材６の外周面には、ガイド軸８を中心とした対象位置に溝開口からなる案内路５が２本、形成されている。これら２本の案内路５のいずれにおいても、下方に向かって時計回りＣＷに約１８０°の角度範囲にわたって螺旋状に形成された第１の落下部５２と、下方に向かって反時計回りＣＣＷに約１８０°の角度範囲にわたって螺旋状に形成されている第２の落下部５３とが交互に２箇所ずつ形成され、第１の落下路５２から第２の落下路５３への折り返し部分、および第２の落下路５３から第１の落下路５２への折り返し部分には、ガイド部材６の中心軸線Ｆ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。
【００２１】
案内路５の上端部分は、後述する衝撃付与体を保持しておく段部５１１を備えた保持部５１が形成されている。また、案内路５は、上下対称であり、案内路５の下端部分にも、後述する衝撃付与体を保持しておく段部５５１を備えた保持部５５が形成されている。
【００２２】
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の外周面から各々が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、案内路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。
【００２３】
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８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８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８に沿って、ガイド部材６の内側を中心軸線Ｆの方向に摺動自在となっている。
【００２４】
このように構成した衝撃付与体７は、案内路５上をスライド軸７２が摺動して案内路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８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。
【００２５】
また、衝撃付与体７は、案内路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、衝撃付与体７が案内路５に沿って落下していく際、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に圧電素子４１、４２が相対向するように配置されている。ここで、圧電素子４１、４２は、ガイド部材６と略同じ長さ寸法の平板であり、１枚の圧電素子４１、４２で複数の折り返し部分に跨るように配置されている。
【００２６】
また、ケース２には開口２１が形成されており、この開口２１からは、四角柱状のレバー９１（外力伝達部材）がケース２の外側から内側に差し込まれている。ここで、レバー９１は、発電装置１の待機状態において、衝撃付与体７を案内路５の上端部（保持部５１）に保持しておくものであり、保持部５１の段部５１１とともに、衝撃付与体７を案内路５の上方位置に保持し、かつ、外力によって衝撃付与体７を解放して衝撃付与体７の案内路５に沿っての落下を開始させる発電タイミング規定手段を構成している。すなわち、発電装置１の待機状態では、衝撃付与体７のスライド軸７２は段部５１１に係合して衝撃付与体７を保持部５１で待機させておくが、外力によってレバー９１の先端部が持ち上げられたとき、レバー９１は、衝撃付与体７のスライド軸７２を段部５１１を乗り越えさせて衝撃付与体７の案内路５に沿っての落下を開始させる。
【００２７】
なお、衝撃付与体７の衝撃子７３が圧電素子４１、４２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。
【００２８】
（発電動作）
図３（ａ）ないし（ｃ）は、本発明に係る発電装置１を用いて発電を行う動作を示す説明図である。
【００２９】
図３（ａ）に示すように、発電装置１の待機状態では、衝撃付与体７のスライド軸７２が保持部５１の段部５１１によって保持されている。この状態から、例えば、外力によってレバー９１の基端部分が矢印Ｄで示す下方向に押圧されると、レバー９１の先端部分が矢印Ｕで示す上方向に持ち上げられ、レバー９１の先端部分によって衝撃付与体７のスライド軸７２がわずかに持ち上げられる。その結果、スライド軸７２が保持部５１の段部５１１を乗り越え、図３（ｂ）に示すように、衝撃付与体７は、まず、案内路５の第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。
【００３０】
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４１、４２を各々、同時に打撃する。
【００３１】
次に、衝撃付与体７は、案内路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４１、４２を前回とは反対側の面を各々、同時に打撃する（図３（ｃ）に示す状態）。
【００３２】
次に、衝撃付与体７は、案内路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、案内路５の下端に形成されている保持部５５に到達するまで、同様な動作を繰り返す。その間、圧電素子４１、４２で発電された電力は、制御用基板（図示せず）を介して発電装置１の外部に供給される。
【００３３】
ここで、本形態の発電装置１は、案内路５、衝撃付与体７、および圧電素子４１、４２が上下対称に形成され、かつ、案内路５の下端部には、保持部５１と同様な段部５５１を備えた保持部５５が形成されている。このため、発電装置１を上下反転させて、衝撃付与体７をレバー９１によって保持部５５に保持させておけば、待機状態になる。しかも、前記と同様、レバー９１によって、衝撃付与体７が持ち上げられれば、スライド軸７２が保持部５５の段部５５１を乗り越え、衝撃付与体７は、案内路５を落下しながら圧電素子４１、４２を打撃し、発電を行うことができる。
【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、衝撃付与体７の位置エネルギーを案内路５に沿って落下する運動エネルギーに変換し、その運動エネルギーによって圧電素子４１、４２を打撃することにより、発電を行う。このため、加えられる外力の大小、および外力が伝達される時間に関係なく発電を行うことができる。すなわち、外力は、レバー９１および段部５１１、５５１によって構成された発電タイミング規定手段によって発電を開始するトリガーとして利用されるだけである。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レバー９１に印加されることで、発電装置１が発電を開始することで異常の発生を検出できるので、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レバー９１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、本形態の発電装置１は、上下反転させたいずれの姿勢で案内路５に沿って衝撃付与体７を落下させても、衝撃付与体７が圧電素子４１、４２を打撃して発電可能である。それ故、発電装置１のリセットを容易に行うことができる。
【００３６】
さらに、本形態では、第１の落下路５２から第２の落下路５３への折り返し部分、および第２の落下路５３から第１の落下路５２への折り返し部分に圧電素子４１、４２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４１、４２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の落下路５２と第２の落下路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４１、４２を打撃したときの反力を利用して衝撃付与体７を第１の落下路５２から第２の落下路５３に、あるいは第２の落下路５３から第１の落下路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の落下路５２と第２の落下路５３とを真下に向かって延びて接続する第３の落下路５４が形成されているため、第１の落下路５２と第２の落下路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の落下路５２から第２の落下路５３に、あるいは第２の落下路５３から第１の落下路５２にスムーズに移動することができる。
【００３７】
また、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４１、４２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。
【００３８】
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案内路５に沿って落下していくため、発電装置１全体をコンパクトに構成することができる。
【００３９】
さらに、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が傾くのを防止しているので、衝撃付与体７は、引っ掛かることなく、案内路５をスムーズに落下していく。
【００４０】
また、本形態では、衝撃付与体７が自重により案内路５を滑り降りるように構成されているので、複雑な機構を必要とせず、簡素な構成で装置を製作できる。
【００４１】
また、本形態において、圧電素子４１、４２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が案内路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】
さらに、本形態では、衝撃付与体７による発電が行われた後は、発電装置１を引っ繰り返して上下を逆にするという簡単な動作だけで、発電装置１を待機状態にすることができる。このため、すぐに次の発電動作に移すことができる。
【００４３】
（その他の実施の形態）
上記実施の形態では、案内路５の落下部５２、５３は、ガイド部材６の外周面に対して半周（１８０°）ずつ形成されていたが、要求されている条件、例えば、発電時間、発電電力などにより最適な角度を設定すればよい。また、圧電素子４１、４２の特性上、例えば、裏面に衝撃を加えられない場合においても、案内路５の落下部５２、５３の角度を調整することにより、表面のみに衝撃を加えるようにすることも可能である。さらに、衝撃子７３による圧電素子４１、４２への繰り返し打撃回数も、上記同様、要求されている条件により最適な回数を設定すればよい。
【００４４】
また、スライド軸７２の本数については、ガイド部材６に形成された案内路５の本数と、圧電素子の個数に応じて設定すればよい。さらに、スライド軸７２の形状は、先端に取り付けられている衝撃子７３が螺旋状に揺動運動すれば、どのような形状のものを採用してもよい。
【００４５】
また、上記形態では、ガイド部材６の内部にガイド軸８が配置されていたが、衝撃付与体７において、衝撃子７３が螺旋状に揺動運動する軌跡の中心であれば、どこにガイド軸８を配置してもよい。
【００４６】
さらに、上記形態では、ガイド部材６の内側を衝撃付与体７の摺動部材７１が移動するように構成されていたが、これとは逆に、ガイド部材６の外側を摺動部材７１が移動するように構成してもよい。この時、ガイド部材６については、円筒状に限らず、円柱状のものを採用してもよい。
【００４７】
さらにまた、衝撃付与体７を保持する保持部５１、５５の保持構造については、段部５１１、５５１に代えて、板バネやコイルバネなどを用いても良い。また、保持部５１、５５の段部５１１、５５１をなくして、案内路５に続くなだらかな斜面に形成すれば、外力により発電装置１が傾けられたときに、衝撃付与体７による発電動作が開始されるようにすることも可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の発電装置では、衝撃付与体の位置エネルギーを案内路に沿って落下する運動エネルギーに変換し、その運動エネルギーによって圧電素子を打撃することにより、発電を行う。このため、加えられる外力の大小、および外力が伝達される時間に関係なく発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る発電装置の概略斜視図である。
【図２】本発明に係る発電装置の分解斜視図である。
【図３】（ａ）ないし（ｃ）は、本発明に係る発電装置を用いて発電を行う動作を示す説明図である。
【符号の説明】
１  発電装置
２  ケース
３  発電機構
４１、４２  圧電素子
５  案内路
６  ガイド部材
７  衝撃付与体
５１、５５  保持部
５２  第１の落下路
５３  第２の落下路
５４  第３の落下路
７１  摺動部材
７２  スライド軸
７３  衝撃子
９  レバー（外力伝達部材）
【図１】
2004343882.tif 000003
【図２】
2004343882.tif 000004
【図３】
2004343882.tif 000005