(57)【要約】【課題】  回転体、打撃子および圧電素子の位置関係を最適化して、発電効率および信頼性の双方の向上を図ることのできる発電装置を提供すること。【解決手段】  発電装置は、外力により回転駆動される回転体７と、この回転体７の近傍に打撃子保持機構８によって保持されている打撃子８５と、この打撃子８５に隣接する位置に配置された圧電素子９とを有している。回転体７、打撃子８５、および圧電素子９において、打撃子８５が圧電素子９を打撃する瞬間における回転体７の突起７２の移動軌跡と打撃子８５とのクリアランスＣを約０ｍｍ、例えば、下式    −０．２ｍｍ≦Ｃ≦＋０．２ｍｍに設定する。【選択図】    図３
2005176435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子、該圧電素子の被打撃面を打撃する打撃位置と該打撃位置から退避した退避位置との間を変位可能な打撃子、および該打撃子近傍を移動して当該打撃子に前記打撃位置に向かう推力を繰り返し付与する推力付与部を有する発電装置において、
前記打撃子が前記圧電素子を打撃する瞬間における前記推力付与部の移動軌跡と前記打撃子とのクリアランスと、前記打撃子が前記圧電素子を打撃した際の１打撃当りのエネルギー最大値との関係を示すグラフを描いたときに出現する当該エネルギー最大値の複数のピークのうち、当該エネルギー最大値が小さなピークとなるように前記クリアランスを設定したことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
圧電素子、該圧電素子の被打撃面を打撃する打撃位置と該打撃位置から退避した退避位置との間を変位可能な打撃子、および該打撃子近傍を移動して当該打撃子に前記打撃位置に向かう推力を繰り返し付与する推力付与部を有する発電装置において、
前記打撃子が前記圧電素子を打撃する瞬間における前記推力付与部の移動軌跡と前記打撃子とのクリアランスＣが約０ｍｍに設定され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、前記クリアランスＣは、下式
０ｍｍ≦Ｃ≦＋０．２ｍｍ
を満たす値に設定されていることを特徴とする発電装置。
【請求項４】
請求項２において、さらに、前記圧電素子が前記打撃子によって打撃されたときに当該圧電素子の打撃方向への変位を許容する緩衝手段を有し、
前記クリアランスＣは下式
−０．２ｍｍ≦Ｃ≦＋０．２ｍｍ
を満たす値に設定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】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
外力によって発電を行う発電装置としては、例えば、振動などの外力によって回転駆動するレバーなどの推力付与体によって打撃子に推力を付与し、推力を付与された打撃子が圧電素子に直接、あるいは他の部材を介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）。
【特許文献１】特開平０９−２７１１８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このように構成した発電装置では、推力付与体、打撃子、および圧電素子の位置関係によって、推力付与体の運動継続時間や打撃子の圧電素子に対する打撃エネルギーが変わってくるので、高い発電効率を得るには、上記各部材の位置関係を最適な条件に設定する必要がある。また、圧電素子として一般に用いられているＰＺＴ系セラミックスは衝撃に弱いので、推力付与体、打撃子、および圧電素子の位置関係を所定の条件に設定して、打撃子の圧電素子に対する衝撃エネルギーをコントロールすることにより、発電装置の信頼性を確保する必要がある。
【０００４】
しかしながら、上記引用文献１においては、回転体、打撃子、および圧電素子の位置関係の最適化については開示されておらず、高い発電効率、および高い信頼性が得られるまでには到っていないという問題点がある。
【０００５】
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、回転体、打撃子および圧電素子の位置関係を最適化して、発電効率および信頼性の双方の向上を図ることのできる発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明では、圧電素子、該圧電素子の被打撃面を打撃する打撃位置と該打撃位置から退避した退避位置との間を変位可能な打撃子、および該打撃子近傍を移動して当該打撃子に前記打撃位置に向かう推力を繰り返し付与する推力付与部を有する発電装置において、前記打撃子が前記圧電素子を打撃する瞬間における前記推力付与部の移動軌跡と前記打撃子とのクリアランスと、前記打撃子が前記圧電素子を打撃した際の１打撃当りのエネルギー最大値との関係を示すグラフを描いたときに出現する当該エネルギー最大値の複数のピークのうち、当該エネルギー最大値が小さなピークとなるように前記クリアランスを設定したことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の別の形態では、圧電素子、該圧電素子の被打撃面を打撃する打撃位置と該打撃位置から退避した退避位置との間を変位可能な打撃子、および該打撃子近傍を移動して当該打撃子に前記打撃位置に向かう推力を繰り返し付与する推力付与部を有する発電装置において、前記打撃子が前記圧電素子を打撃する瞬間における前記推力付与部の移動軌跡と前記打撃子とのクリアランスＣが約０ｍｍに設定されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明において、前記クリアランスＣは、例えば、下式
０ｍｍ≦Ｃ≦＋０．２ｍｍ
を満たす値に設定される。
【０００９】
また、前記圧電素子が前記打撃子によって打撃されたときに当該圧電素子の打撃方向への変位を許容する緩衝手段を有する場合、前記クリアランスＣは、下式
−０．２ｍｍ≦Ｃ≦＋０．２ｍｍ
を満たす値に設定されることもある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の発電装置では、外力により推力付与部が駆動されると、打撃子には、圧電素子に向かう推力が付与され、打撃子は圧電素子を打撃するので、発電が行われる。ここで、打撃子が圧電素子を打撃する瞬間における推力付与部の移動軌跡と打撃子とのクリアランスＣが約０ｍｍ、例えば、下式
０ｍｍ≦Ｃ≦＋０．２ｍｍ
を満たす値に設定されており、このような条件に設定すると、クリアランスＣと打撃子が圧電素子を打撃した際の１打撃当りのエネルギー最大値との関係において出現する当該エネルギー最大値の複数のピークのうち、当該エネルギー最大値が小さなピークとなるようにクリアランスが設定されることになる。このような条件では、エネルギー最大値のレベルという面では最大ピークには相当しないが、その代わり、推力付与部は、打撃子に推力を付与した後もスムーズに回転し続け、打撃子に推力を繰り返し付与することになるので、発電効率の向上を図ることができる。また、このような条件であれば、打撃子の圧電素子に対する衝撃エネルギーをあるレベル以下にコントロールできるので、ＰＺＴ系セラミックス製の圧電素子を用いた場合でも、圧電素子が破損しない。それ故、発電装置の信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、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。
【００１２】
（全体構成）
図１は、本発明に係る発電装置の要部の構成を示す正面図である。図２は、本発明に係る発電装置を示す分解斜視図である。
【００１３】
図１および図２に示すように、本形態の発電装置１は、上ケース２１および下ケース２２からなるボックス状のケース２から作動軸３の上端部分３１が突出した構造になっており、ケース２の内部には、作動軸３と機構的に接続された歯車部材５と、この歯車部材５に同軸状に連結された慣性板６と、この慣性板６とともに回転する回転体７とが構成されている。
【００１４】
回転体７の近傍には、打撃子保持機構８によって打撃子８５が配置、保持されている。打撃子保持機構８は、円筒状のボス部材８１と、このボス部材８１の外周面に形成された突出片８２とを有し、打撃子８５は、突出片８２の先端部に取り付けられている。ボス部材８１は、その中空部８１１に下ケース２２から突出した回転中心軸２７が差し込まれ、回転中心軸２７周りにボス部材８１が回転することにより、打撃子８５は、以下に説明する圧電素子９の被打撃面９０を打撃する打撃位置と、この打撃位置から後方に退避した退避位置との間を移動可能である。すなわち、打撃子８５に隣接する位置には、被打撃面９０を打撃子８５に向ける圧電素子９がほぼ垂直に配置されており、打撃子８５は、打撃子保持機構８によって圧電素子９の被打撃面９０を打撃する打撃位置と、この打撃位置から後方に退避した回転体７との噛み合い位置（退避位置）との間を移動可能に支持されている。
【００１５】
また、ボス部材８１の周りには一点鎖線で示すネジリコイルバネ４が装着されており、このネジリコイルバネ４によって、打撃子８５は、図１に示す回転体７との噛み合い位置に弾性をもって保持されている。
【００１６】
圧電素子９は、ケース２の内面に緩衝用スポンジ９５（緩衝手段）を介してほぼ垂直に取り付けられている。本形態では、圧電素子９としてＰＺＴ系セラミックスのものを用いている。この種の圧電素子９は、一般的に衝撃に弱いので、本形態においては、緩衝用スポンジ９５が圧電素子９に加わった衝撃を緩和するようになっている。また、緩衝用スポンジ９５は、衝撃により発生する圧電素子９の振動をなるべく持続する効果も併せ持つ。
【００１７】
作動軸３の上端部分３１は、ケース２の上面に形成された矩形円筒状の開口部２４から突出している。これに対して、作動軸３の下半部は、細径部３２になっており、この細径部３２は、下ケース２２の底部に形成された受け部２５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。また、細径部３２の周りにはコイルばね２０が装着されており、このコイルばね２０は、作動軸３の長さ方向の略中央位置に形成された段部３５と受け部２５との間に保持されている。
【００１８】
作動軸３の長さ方向における所定の範囲にはラック３０が形成されており、このラック３０は、歯車部材５の一方側端面に形成されたピニオン５１と噛み合っている。但し、作動軸３が上方位置にあるときには、ラック３０とピニオン５１の噛合が解除され、作動軸３が下方に押圧されたとき、ラック３０とピニオン５１が噛み合う。換言すれば、作動軸３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、作動軸３は、コイルばね２０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３０とピニオン５１とは噛合した状態にあり、作動軸３が変位前の上方位置に完全に戻った以降、ラック３０とピニオン５１との噛合が解除される。このため、ラック３０とピニオン５１の噛み合いが解除された状態では、歯車部材５はフリーな状態にある。
【００１９】
歯車部材５の他方側端面には円筒状の突起５２が形成されており、この突起５２は、慣性板６の中心穴６０を通って回転体７の中心穴７０に嵌っている。また、歯車部材５、慣性板６、および回転体７は、歯車部材５において突起５２の周りに形成された複数の穴、慣性板６において中心穴６０の周りに形成された複数の穴、および回転体７において中心穴７０の周りに形成された複数の穴に連結ピン（図示せず）が嵌められて連結されている。この状態で、歯車部材５の突起５２の中空部５２１にはケース２に両端が保持された回転中心軸２８が差し込まれ、歯車部材５、慣性板６、および回転体７は、回転中心軸２８周りに回転可能である。なお、慣性板６は、比重が重い材料、例えば、真鍮によって形成されている。
【００２０】
回転体７の外周面７１には、周方向に沿って同一の形状および大きさの突起７２（衝撃付与部）が複数、等角度間隔に形成されている。この突起７２との噛み合い位置には、打撃子８５がネジリコイルバネ４によって保持されている。
【００２１】
（発電動作）
このように構成された発電装置１では、図１に示す状態から、外力によって作動軸３が矢印Ｄで示す方向に押圧されると、ラック３０とピニオン５１が噛合して歯車部材５、慣性板６、および回転体７が時計周りＣＷの方向に回転するとともに、コイルばね２０が圧縮される。その間、コイルばね２０には、作動軸３の変位が弾性エネルギーとして蓄えられる。
【００２２】
この状態で、作動軸３に対する押圧が解除されると、コイルばね２０の付勢力によって、作動軸３は矢印Ｕで示す上方向に押し上げられ、作動軸３は、元の上方位置に戻る。
【００２３】
この状態になる途中までは、ラック３０とピニオン５１とが噛み合っているので、コイルばね２０は、作動軸３を押し上げるとともに、歯車部材５、慣性板６、および回転体７を反時計周りＣＣＷの方向に回転させる。但し、作動軸３が元の上方位置に戻る直前に、ラック３０とピニオン５１との噛合が解除されるので、それ以降、回転体７は慣性板６の慣性力によって反時計周りＣＣＷに回転し続ける。
【００２４】
これにより、打撃子８５の端部８５１近傍を回転体７の外周面７１が移動し、回転体７の外周面７１に形成された突起７２が打撃子８５の端部８５１近傍を通過する際、打撃子８５が突起７２との噛み合い位置にあれば、打撃子８５は、突起７２に打撃されることになる。従って、打撃子８５は、噛み合い位置から打撃位置に向かう推力が付与され、圧電素子９の被打撃面９０を打撃する。
【００２５】
そして、打撃子８５は、圧電素子９を打撃した反動、およびネジリコイルバネ４の形状復帰力により、圧電素子９に対する打撃位置から退避位置（噛み合い位置、および噛み合い位置を通りすぎた位置）に変位する。それにより、回転体７の突起７２は、再び、打撃子８５を打撃する。このような動作を繰り返すことによって回転体７の回転は徐々に減速していく。
【００２６】
その際、圧電素子９は、緩衝用スポンジ９５で支持されているため、打撃子８５によって打撃されたときに後方（打撃方向）に変位し、打撃されたときの衝撃が緩和される。
【００２７】
このようにして圧電素子９は、打撃子８５により繰り返し打撃されて発電を行い、圧電素子９で得られた電力は、整流回路（図示せず）に導かれる。よって、本形態の発電装置１は、さまざまな用途に応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駆動源として回転体７を回転させれば、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。また、発電装置１で得た電力で異常を放置するためのＬＥＤを点灯させてもよい。
【００２８】
（回転体、打撃子、および圧電素子の位置関係）
図３（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る発電装置において、打撃子が回転体との噛み合い位置にあるときの状態を示した拡大図、および打撃子が圧電素子に対する打撃位置にあるときの状態を示した拡大図である。図４（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用した発電装置において、後述するクリアランスＣと、打撃子８５の圧電素子９に対する打撃エネルギーとの関係を示すグラフ、上記クリアランスＣと１打撃当りのエネルギー平均値との関係を示すグラフである。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、本発明を適用した発電装置において、作動軸３を押圧してその押圧を解除するという１動作において、後述するクリアランスＣと回転体７の回転継続時間との関係を示すグラフ、上記クリアランスＣと打撃子８５の圧電素子９に対する打撃回数との関係を示すグラフ、および上記クリアランスＣと打撃子８５の圧電素子９に対する打撃エネルギーの総和との関係を示すグラフである。
【００２９】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、本形態では、回転体７、打撃子８５、および圧電素子９の各々の位置関係は、以下に説明するように設定されている。まず、打撃子８５がネジリコイルバネ４によって図３（ａ）に示す回転体７の突起７２との噛み合い位置に保持されている状態において、打撃子８５の一方側端部８５１と、回転体７の回転に伴う突起７２の先端部の移動軌跡Ｌとの間隔（打撃子８５と回転体７との噛み合い量）をＡとし、打撃子８５の他方側端部８５２と圧電素子９の被打撃面９０との隙間をＢとしたとき、Ｂ−Ａの値が概ね−０．２ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲内に設定されている。
【００３０】
このため、図３（ｂ）に示すように、打撃子８５が圧電素子９に対する打撃位置に変位して、打撃子８５が圧電素子９を打撃する瞬間において、打撃子８５の端部８５１と突起７２の先端部の移動軌跡Ｌとの間隔（クリアランス）をＣとした場合、クリアランスＣは、約０ｍｍ、例えば、以下の式
−０．２ｍｍ≦Ｃ≦＋０．２ｍｍ
を満たす値に設定されている。
【００３１】
ここで、クリアランスＣが負の値の場合、打撃子８５が圧電素子９を打撃する瞬間においても打撃子８５の端部８５１と突起７２とが噛み合っていることになるが、本形態では、圧電素子９が緩衝用スポンジ９５によって支持されているので、圧電素子９は後方（打撃方向）に変位し、この変位した状態では、打撃子８５の端部８５１と突起７２の先端部の移動軌跡Ｌとの間隔は正の値となる。
【００３２】
ここで、クリアランスＣを上記のように設定する理由は、図４および図５を参照して以下に説明する通りである。
【００３３】
まず、作動軸３を押圧してその押圧を解除するという１動作を行うと、打撃子８５は、圧電素子９を繰り返し打撃するが、その１打撃当りの打撃エネルギーの最大値は、図４（ａ）に示すように、クリアランスＣが０ｍｍのときと、０．６５ｍｍのときにピークが出現する。本形態では、図４（ａ）に示す２つのピークのうち、小さい側のピークを出現させるようなクリアランスＣを設定している。このため、打撃子８５の圧電素子９に対する衝撃エネルギーをあるレベル以下にコントロールすることができる。
【００３４】
また、クリアランスＣが下式
−０．２ｍｍ≦Ｃ≦０．２ｍｍ
を満たすように条件を設定すると、図４（ｂ）に示すように、作動軸３を押圧してその押圧を解除するという１動作において、１打撃当りのエネルギー平均値が高い。
【００３５】
しかも、クリアランスＣが下式
−０．２ｍｍ≦Ｃ≦０．２ｍｍ
を満たすように条件を設定すると、図５（ａ）に示すように、作動軸３を押圧してその押圧を解除するという１動作において、回転体７は、作動軸３を押圧してその押圧を解除するという１動作において、長い時間、回転し続け、その結果、図５（ｂ）に示すように、打撃子８５は、圧電素子９を数多く打撃することになる。それ故、クリアランスＣが上記条件範囲であれば、図５（ｃ）に示すように、打撃子８５の圧電素子９に対する打撃エネルギーの総和が一番高く、発電効率が高い。
【００３６】
（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、打撃子８５が圧電素子９を打撃する瞬間における回転体７の突起７２の移動軌跡と打撃子８５とのクリアランスＣが約０ｍｍ、例えば、下式
−０．２ｍｍ≦Ｃ≦＋０．２ｍｍ
を満たす値に設定されており、このような条件に設定すると、クリアランスＣと打撃子８５が圧電素子９を打撃した際の１打撃当りのエネルギー最大値との関係において出現する当該エネルギー最大値の複数のピークのうち、当該エネルギー最大値が小さなピークとなるようにクリアランスが設定されることになる。このような条件では、エネルギー最大値のレベルという面では最大ピークには相当しないが、その代わり、回転体７の突起７２は、打撃子８５に推力を付与した後もスムーズに回転し続け、打撃子８５に推力を繰り返し付与することになるので、発電効率の向上を図ることができる。
【００３７】
また、このような条件であれば、打撃子８５の圧電素子９に対する衝撃エネルギーをあるレベル以下にコントロールできるので、ＰＺＴ系セラミックス製の圧電素子９を用いた場合でも、圧電素子９が破損しない。それ故、発電装置１の信頼性を向上することができる。
【００３８】
［その他の実施の形態］
上記形態では、圧電素子９が緩衝用スポンジ９５によって支持されているので、圧電素子９は後方（打撃方向）に変位するとして、クリアランスＣを、以下の式
−０．２ｍｍ≦Ｃ≦＋０．２ｍｍ
を満たす値に設定したが、圧電素子９がケース２の内面に直接、取り付けられ、緩衝手段が構成されていない場合には、圧電素子９は、打撃子８５によって打撃された際に打撃方向に変位することができないので、クリアランスＣは下式
０ｍｍ≦Ｃ≦＋０．２ｍｍ
を満たすように、回転体７、打撃子８５、および圧電素子９の各々の位置関係を設定すればよい。
【００３９】
また、上記形態では、打撃子８５は、ネジリコリルバネ４によって圧電素子９の被打撃面９０を打撃する打撃位置と、この打撃位置から後方に退避した退避位置との間を移動可能に支持されていたが、例えば、図６に示すように、鋼球からなる打撃子８５ａが、板ばね８６を備えたガイド部材８ａ（打撃子保持体）によって、圧電素子９の被打撃面９０を垂直方向から打撃可能な打撃位置と、この打撃位置から後方に退避した退避位置との間を移動可能に支持されているものに対して本発明を適用してもよい。勿論、打撃子８５、８５ａが、打撃子保持体８、８ａによって、圧電素子９の被打撃面９０を打撃する打撃位置と、この打撃位置から後方に退避した退避位置との間を移動可能に支持されているものであれば、本形態以外の構成のものを採用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の発電装置では、本発明の発電装置では、打撃子が圧電素子を打撃する瞬間における推力付与部の移動軌跡と打撃子とのクリアランスＣが約０ｍｍ、例えば、下式
０ｍｍ≦Ｃ≦＋０．２ｍｍ
を満たす値に設定されており、このような条件に設定すると、推力付与部は、打撃子に推力を付与した後もスムーズに回転し続け、打撃子に推力を繰り返し付与することになるので、発電効率の向上を図ることができる。また、このような条件であれば、打撃子の圧電素子に対する衝撃エネルギーをあるレベル以下にコントロールできるので、ＰＺＴ系セラミックス製の圧電素子を用いた場合でも、圧電素子が破損しない。それ故、発電装置の信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る発電装置の要部の構成を示す正面図である。
【図２】本発明に係る発電装置を示す分解斜視図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る発電装置において、打撃子が回転体との噛み合い位置にあるときの状態を示した拡大図、および打撃子が圧電素子に対する打撃位置にあるときの状態を示した拡大図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る発電装置において、作動軸を押圧してその押圧を解除するという１動作によって打撃子が圧電素子を繰り返し打撃した際におけるクリアランスと打撃子の圧電素子に対する１打撃当りのエネルギー最大値との関係を示すグラフ、およびクリアランスと１打撃当りのエネルギー平均値との関係を示すグラフである。
【図５】（ａ）ないし（ｃ）はそれぞれ、本発明に係る発電装置において、作動軸を押圧してその押圧を解除するという１動作によって打撃子が圧電素子を繰り返し打撃した際におけるクリアランスと回転体の回転継続時間との関係を示すグラフ、クリアランスと打撃子の圧電素子に対する打撃回数との関係を示すグラフ、およびクリアランスと打撃子の圧電素子に対する打撃エネルギーの総和との関係を示すグラフである。
【図６】本発明のその他の実施の形態に係る発電装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  発電装置
７  回転体
８  打撃子保持機構
９  圧電素子
７１  回転体の外周面
７２  回転体の突起（推力付与部）
８５  打撃子
９０  圧電素子の被打撃面
９５  緩衝用スポンジ（緩衝手段）
Ｃ  打撃子と突起の移動軌跡とのクリアランス
Ｌ  回転体の回転駆動に伴う突起先端部の移動軌跡
【図１】
2005176435.tif 000003
【図２】
2005176435.tif 000004
【図３】
2005176435.tif 000005
【図４】
2005176435.tif 000006
【図５】
2005176435.tif 000007
【図６】
2005176435.tif 000008