(57)【要約】【課題】外力によって圧電素子を打撃して発電を行う発電装置において、発電効率を向上可能な構成を提供すること。【解決手段】発電装置１において、外力によって軸体４が矢印Ｄで示す下方向に押圧されると、コイルばね６には、軸体４の変位が弾性エネルギーとして蓄えられる。軸体４に対する押圧を解除すると、コイルばね６の押し上げ力によって、軸体４は元の上方位置に戻るが、その間にラック４２とピニオン３５との噛み合いが解除されるので、回転体３は慣性力によって回転し続ける。その間、回転体３において、保持穴３２内の球状打撃体１０は、遠心力によって半径方向外側に変位し、保持穴３２の開口３２１から突出し、発電素子２において回転体３の外周面３０に対向する内面２０を打撃していく。【選択図】      図２
2004320880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体と、該回転体に支持された打撃体と、前記回転体が回転したときに前記打撃体によって打撃される圧電素子とを有する発電装置において、
さらに、外力により変位する外力伝達部材と、該外力伝達部材の変位をエネルギーとして蓄え、当該外力伝達部材が外力から解放されたときに動力源となるエネルギー蓄積手段と、該エネルギー蓄積手段、前記外力伝達部材および前記回転体を機構的に接続する動力伝達機構とを有し、
当該動力伝達機構は、前記外力伝達部材が外力から解放されたときに、前記エネルギー蓄積手段から放出される動力によって前記回転体を回転駆動し、前記外力伝達部材が変位前の位置に戻るまでの間に前記回転体と前記外力伝達部材との機構的な接続を解除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、前記動力伝達機構は、前記外力伝達部材の側に構成されたラックと、前記回転体の側に構成されたピニオンとを備え、
前記ラックと前記ピニオンは、前記外力伝達部材が変位前の位置に戻るまでの間に噛み合いが解除されることを特徴とする発電装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記エネルギー蓄積手段は、前記外力伝達部材の変位を弾性エネルギーとして蓄えるばね部材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、前記打撃体は、前記回転体に対して半径方向に変位可能に支持され、
前記圧電素子は、前記回転体の半径方向外側に配置されて、前記回転体が回転したときに半径方向外側位置にある前記打撃体によって打撃されることを特徴とする発電装置。
【請求項５】
請求項４において、前記打撃体は、前記回転体の外周面で開口する保持穴内に保持され、
当該保持穴は、当該保持穴内で前記打撃体が前記回転体の半径方向に移動可能、かつ、前記回転体の外周面から前記打撃体が脱落不能な状態で当該打撃体の一部がはみ出るように構成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、前記圧電素子は、前記回転体の外周面に対向する内面が前記打撃体によって打撃されることを特徴とする発電装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、前記打撃体は、前記回転体に複数、保持されていることを特徴とする発電装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかにおいて、前記圧電素子に対しては、前記圧電素子が前記打撃体によって打撃されたときに当該打撃方向に変位可能に支持する緩衝手段を有していることを特徴とする発電装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかにおいて、前記回転体に対しては、前記エネルギー蓄積手段から放出される動力による回転駆動が終了した後も当該回転体の慣性力による回転を持続させる慣性回転持続手段を有し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】
人為的に加えられた外力によって発電を行う発電装置としては、例えば、外力によって圧電素子を打撃するものが案出されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここに開示されている発電装置は、図３（ａ）に示すように、円盤状の台１０２に等角度で配置された複数の圧電素子１０４と、複数の打撃体１０６とを有し、打撃体１０６が所定の角度範囲で往復回転運動することにより圧電素子１０４を打撃して発電する。打撃体１０６は、図３（ｂ）に示すように、螺旋溝１０５を介して心棒１０８と噛み合う筒体１０７に連結されている。従って、心棒１０８を下方に押圧すると筒体１０７が一方向に回転して打撃体１０６が圧電素子１０４を打撃する一方、心棒１０８の押圧を解除すると、ばね１０９の押し上げ力によって心棒１０８が上昇することにより筒部１０７が逆方向に回転し、打撃体１０６が圧電素子１０４を打撃する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１４０３６９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３（ａ）、（ｂ）に示す発電装置では、心棒１０８を押圧し、あるいは心棒１０８がばね１０９で押し上げられる短い期間しか、打撃体１０６が圧電素子１０４を打撃しないため、発電効率が著しく低いという問題点がある。
【０００６】
以上の問題を鑑みて、本発明の課題は、外力によって圧電素子を打撃して発電を行う発電装置において、発電効率を向上可能な構成を提供することにある。
【０００７】
【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、本発明では、回転体と、該回転体に支持された打撃体と、前記回転体が回転したときに前記打撃体によって打撃される圧電素子とを有する発電装置において、さらに、外力により変位する外力伝達部材と、該外力伝達部材の変位をエネルギーとして蓄え、当該外力伝達部材が外力から解放されたときに動力源となるエネルギー蓄積手段と、該エネルギー蓄積手段、前記外力伝達部材および前記回転体を機構的に接続する動力伝達機構とを有し、当該動力伝達機構は、前記外力伝達部材が外力から解放されたときに、前記エネルギー蓄積手段から放出される動力によって前記回転体を回転駆動し、前記外力伝達部材が変位前の位置に戻るまでの間に前記回転体と前記外力伝達部材との機構的な接続を解除することを特徴とする。
【０００８】
本発明では、外力伝達部材が外力から解放されると、エネルギー蓄積手段から放出される動力によって、外力伝達部材が変位前の位置に戻る。それまでの間に、動力伝達機構では、回転体と外力伝達部材との機構的な接続が解除されるため、それ以降、回転体は慣性力で回転し続ける。それ故、外力伝達部材に１回、外力を加えるだけで、回転体は、長い時間、回転し続け、打撃体は圧電素子を繰り返し打撃する。それ故、本発明によれば、発電効率が高い。
【０００９】
本発明において、前記動力伝達機構は、前記外力伝達部材の側に構成されたラックと、前記回転体の側に構成されたピニオンとを備え、前記ラックと前記ピニオンは、前記外力伝達部材が変位前の位置に戻るまでの間に噛み合いが解除される構成を採用することが好ましい。このように構成した場合には、ラックの形成領域を限定するという簡素な構成で、回転体と外力伝達部材との機構的な接続、および解除を所定のタイミングで行うことができる。
【００１０】
本発明において、前記エネルギー蓄積手段としては、前記外力伝達部材の変位を弾性エネルギーとして蓄えるばね部材を利用することができる。
【００１１】
本発明において、前記打撃体は、前記回転体に対して半径方向に変位可能に支持され、前記圧電素子は、前記回転体の半径方向外側に配置されて、前記回転体が回転したときに半径方向外側位置にある前記打撃体によって打撃されることが好ましい。このように構成すると、打撃体は、圧電素子を打撃した後、半径方向内側に変位するので、打撃体と圧電素子との干渉によって回転体を停止することがない。
【００１２】
本発明において、前記打撃体は、例えば、前記回転体の外周面で開口する保持穴内に保持され、当該保持穴は、当該保持穴内で前記打撃体が前記回転体の半径方向に移動可能、かつ、前記回転体の外周面から前記打撃体が脱落不能な状態で当該打撃体の一部がはみ出るように構成されている。このように構成すると、打撃体が圧電素子を打撃したときの力が回転体を停止させようと作用するのを緩和することができる。
【００１３】
本発明において、前記圧電素子は、前記回転体の外周面に対向する内面が前記打撃体によって打撃されることが好ましい。このように構成すると、打撃体が圧電素子を打撃したときの力が回転体を停止させようと作用するのを緩和することができる。
【００１４】
本発明において、前記打撃体は、前記回転体に複数、保持されていることが好ましい。このように構成すると、打撃体が圧電素子を打撃する回数が増えるので、発電効率が向上する。
【００１５】
本発明において、前記圧電素子に対しては、前記圧電素子が前記打撃体によって打撃されたときに当該打撃方向に変位可能に支持する緩衝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、圧電素子が打撃体による打撃で破損することはなく、かつ、打撃体が圧電素子を打撃したときの力が回転体を停止させようと作用するのを緩和することもできる。
【００１６】
本発明において、前記回転体に対しては、前記エネルギー蓄積手段から放出される動力による回転駆動が終了した後も当該回転体の慣性力による回転を持続させる慣性回転持続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、回転体の回転を持続できるので、発電効率が向上する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、図面に参照して、本発明を適用した発電装置を説明する。
【００１８】
（全体構成）
図１（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る発電装置の要部の構成を示す正面図、および右側面図である。
【００１９】
図１（ａ）および（ｂ）に示すように、本形態の発電装置１は、ケース５内に、圧電素子２と、この圧電素子２に隣接する位置で外周面３０を圧電素子２に向ける回転体３と、この回転体３を回転させることによって生じる遠心力によって回転体３から突出して圧電素子２を打撃する複数の球状打撃体１０とを有している。
【００２０】
回転体３は、ケース５に両端が保持された回転中心軸６２に対して回転可能に支持され、回転体３の一方側端面には、ピニオン３５が固着されている。また、回転体３５の他方側端面には、その外周側にフライホイール７（慣性回転持続手段）が固着されている。
【００２１】
回転体３には、外周面３０で開口する４つの保持穴３２が等間隔で形成されており、これらの保持穴３２の各々の内部に球状打撃体１０が配置されている。保持穴３２の開口３２１の寸法は、球状打撃体１０の直径よりも僅かに小さく設定されている一方、保持穴３２の奥では、内径が球状打撃体１０の直径よりも大きく設定されている。また、保持穴３２の半径方向における寸法は、内部で回転体３が半径方向に変位可能な寸法に設定されている。このため、球状打撃体１０は、保持穴３２の内部で半径方向に移動可能であるとともに、球状打撃体１０が開口３２１から突出したときでも保持穴３２から抜け出ることはない。
【００２２】
本形態では、例えば、回転体３の外形寸法は１５ｍｍに設定され、球状打撃体１０の直径は４ｍｍに設定されている。また、保持穴３２の奥は内径が４．７ｍｍに設定されている。
【００２３】
このように構成した回転体３の外周側において、ケース５の内面には圧電素子２が緩衝用スポンジ９（緩衝手段）を介して取り付けられている。本形態では、圧電素子２としてＰＺＴ系セラミックス系のものが用いられ、この種の圧電素子２は、一般的に衝撃に弱いが、本形態においては、緩衝用スポンジ９が圧電素子２に加わった衝撃を緩和するようになっている。且つ、衝撃により発生する圧電素子２の振動をなるべく持続する効果も併せ持つ。
【００２４】
また、本形態の発電装置１では、ケース５内には軸体４（外力伝達部材）が上下方向に配置されている。軸体４の上端部分４８は、ケース５の上面に形成された円筒状の上端開口５１から突出している。これに対して、軸体４の下半部は、細径部４９になっており、この細径部４９は、ケース５の底部に形成された円筒状の受け部５２に嵌って上下方向（軸線方向）に移動可能に支持されている。
【００２５】
また、細径部４９の周りにはコイルばね６（エネルギー蓄積手段）が装着されており、このコイルばね６は、上端部が軸体４の長さ方向の略中央位置に形成された段部４７に保持されている一方、下端部はケース５の受け部５２に嵌って保持されている。
【００２６】
この状態で、軸体４は、コイルばね６によって上方に付勢されているが、軸体４のやや上端側に形成されている段部４６がケース５の上端開口５１の開口縁に当接し、軸体４がケース５の上端開口５１から抜け出ることを防止するストッパーとして機能している。
【００２７】
ここで、軸体４の長さ方向における所定の範囲にはラック４２が形成されており、ラック４２は、回転体３のピニオン３５とともに、コイルばね６から放出される動力によって軸体４を上方位置に戻すとともに回転体３を回転駆動する動力伝達機構４０を構成している。但し、軸体４が上方位置にあるときには、ラック４２とピニオン３５の噛合が解除され、軸体４が下方に押圧されたとき、ラック４２とピニオン３５が噛み合う。換言すれば、軸体４が外力で下方に押圧された後、その外力から解放されたとき、軸体４は、コイルばね６に付勢されて変位前の上方位置に戻るが、変位前の上方位置に戻るまでの間にラック４２とピニオン３５の噛合が解除されることになる。このように構成した動力伝達機構４０において、ラック４２とピニオン３５の噛み合いが解除された状態では、回転体３はフリーな状態にある。
【００２８】
なお、球状打撃体１０が圧電素子２を殴打することにより発生した電力は、出力端子（不図示）を介して制御用基板８に供給され、制御用基板８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（不図示）にケース５の正面に形成された出力窓（図示せず）を介して、または電波等の手段で出力される。
【００２９】
（発電動作）
図２（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。
【００３０】
まず、図１（ｂ）の状態で、外力によって軸体４が矢印Ｄで示す下方向に押圧されると、図２（ａ）に示すように、軸体４が下方に変位し、ラック４２とピニオン３５が噛合して回転体３が時計周りＣＷの方向に回転するとともに、コイルばね６が圧縮される。そして、図２（ｂ）に示すように、軸体４が完全に押し込まれた状態で、軸体４の段部４７がケース５の受け部５２の上端部に突き当たる。その間、コイルばね６には、軸体４の変位が弾性エネルギーとして蓄えられる。
【００３１】
この状態で、軸体４に対する押圧を解除すると、コイルばね６の押し上げ力によって、軸体４は矢印Ｕに示す上方向に押し上げられ、図２（ｃ）に示すように、軸体４は、元の上方位置に戻る。
【００３２】
この状態になる途中までは、動力伝達機構４０では、ラック４２とピニオン３５とが噛み合っているので、コイルばね６は、軸体４を押し上げるとともに、回転体３を反時計周りＣＣＷの方向に回転させる。但し、軸体４が元の上方位置に戻る直前に、動力伝達機構４０では、ラック４２とピニオン３５との噛合が解除されるので、それ以降、回転体３は慣性力によって反時計周りＣＣＷに回転し続ける。その間、回転体３において、保持穴３２内の球状打撃体１０は、遠心力によって半径方向外側に変位し、保持穴３２の開口３２１から突出し、発電素子２において回転体３の外周面３０に対向する内面２０を打撃していく。その結果、発電素子２で発電された電力は、制御用基板８を介して発電装置１の外部に供給出力される。その際、球状打撃体１０は、圧電素子２を打撃した反動で回転体３の保持穴３２の内部で半径方向内側に引っ込む。
【００３３】
（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、軸体４が外力から解放されると、コイルばね６から放出される動力によって、軸体４が変位前の上方位置に戻るが、それまでの間に、動力伝達機構４０では、ラック４２とピニオン３５との噛み合いが解除される。このため、回転体３と軸体４との機構的な接続が解除されるので、それ以降、回転体３は慣性力で回転し続ける。それ故、軸体４に１回、外力を加えるだけで、回転体３は、長い時間、回転し続け、球状打撃体１０は圧電素子２を繰り返し打撃する。それ故、本形態によれば、発電効率が高い。
【００３４】
しかも、本形態では、回転体３に対しては、コイルばね６から放出される動力による回転駆動が終了した後も回転体３の慣性力による回転を持続させるフライホイール７が構成されているので、回転体３の回転を、約１分以上も持続できるので、発電効率が高い。
【００３５】
また、本形態では、動力伝達機構４０としてラック４２とピニオン３５とを利用したので、ラック４２の形成領域を限定するという簡素な構成で、回転体３と軸体４との機構的な接続、および解除を所定のタイミングで行うことができる。
【００３６】
さらに、本形態において、球状打撃体１０は、圧電素子２の内面を打撃した反動で回転体３の保持穴３２の内部で半径方向内側に引っ込むため、球状打撃体１０と圧電素子２との干渉によって回転体３が停止することがなく、かつ、球状打撃体１０が圧電素子２を打撃したときの力が回転体３を停止させようと作用するのを緩和することができる。それ故、本形態では、回転体３の回転が比較的長い時間にわたって持続されるので、発電効率が高い。
【００３７】
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、例えば、外部侵入者がドアノブや室内の所定箇所を触ったときにその外力が軸体４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監視カメラ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。
【００３８】
［その他の実施の形態］
上記実施の形態では、軸体４の変位を弾性エネルギーとして蓄えるエネルギー蓄積手段として圧縮ばね（コイルばね６）を用いたが、引張りコイルばね、あるいは捻りコイルばねを用いてもよい。またゼンマイを巻き込むことによって動力を蓄える構成を採用してもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の発電装置は、外力伝達部材が外力から解放されると、エネルギー蓄積手段から放出される動力によって、外力伝達部材が変位前の位置に戻る。それまでの間に、動力伝達機構では、回転体と外力伝達部材との機構的な接続が解除されるため、それ以降、回転体は慣性力で回転し続ける。それ故、外力伝達部材に１回、外力を加えるだけで、回転体は、長い時間、回転し続け、打撃体は圧電素子を繰り返し打撃する。それ故、本発明によれば、発電効率が高い。
【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要部の構成を示す正面図、および右側面図である。
【図２】（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。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、従来の発電装置の説明図である。
【符号の説明】
１  発電装置
２  圧電素子
３  回転体
４  軸体（外力伝達部材）
５  ケース
６  コイルばね（エネルギー蓄積手段）
７  フライホイール（慣性回転持続手段）
９  緩衝用スポンジ（緩衝手段）
１０  球状打撃体
３２  回転体の保持穴
３５  ピニオン
４０  動力伝達機構
４２  ラック
５１  ケースの上端開口
３２１  保持穴の開口
【図１】
2004320880.tif 000003
【図２】
2004320880.tif 000004
【図３】
2004320880.tif 000005