(57)【要約】【課題】本発明は、構造物各部の接合部における応力変動を利用することで、制振装置などのエネルギー変換の媒体となる特別な装置やそのための設置スペースを確保する必要のないエネルギー変換システムを提供することを目的とするものである。【解決手段】上記課題を解決するため、本発明は、構造物内の接合部に圧電／電歪手段を配設し、当該部分の応力変動により電気エネルギーを発生させることを特徴とするエネルギー変換システムである。【選択図】図４
2005090152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物内の接合部に圧電／電歪手段を配設し、当該部分の応力変動により電気エネルギーを発生させることを特徴とするエネルギー変換システム。
【請求項２】
構造物内の接合部に圧電／電歪手段を配設し、当該部分の応力変動により電気エネルギーを発生させることを特徴とするエネルギー変換システムを備えた構造物。
【請求項３】
圧電／電歪手段の配設を、構造物の外壁と該外壁を取着するための取り付け金具との接合部としたことを特徴とする請求項２に記載のエネルギー変換システムを備えた構造物。
【請求項４】
圧電／電歪手段の配設を、構造物の基礎と積層ゴムとの間の接合部としたことを特徴とする請求項２に記載のエネルギー変換システムを備えた構造物。
【請求項５】
圧電／電歪手段の配設を、構造物の柱と梁との接合部としたことを特徴とする請求項２に記載のエネルギー変換システムを備えた構造物。
【請求項６】
圧電／電歪手段の配設を、構造物の柱・梁架構と該柱・梁架構内に設置された壁との接合部としたことを特徴とする請求項２に記載のエネルギー変換システムを備えた構造物。
【請求項７】
圧電／電歪手段の配設を、構造物の床スラブと梁との接合部としたことを特徴とする請求項２に記載のエネルギー変換システムを備えた構造物。
【請求項８】
圧電／電歪手段の配設を、構造物の柱・梁からなる架構と、該架構内に設けたブレースとの接合部としたことを特徴とする請求項２に記載のエネルギー変換システムを備えた構造物。
【請求項９】
圧電／電歪手段の配設を、構造物の柱脚と基礎との接合部としたことを特徴とする請求項２に記載のエネルギー変換システムを備えた構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物内の接合部に生じる応力変動を利用して電力を得るエネルギー変換システムを備えた構造物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
構造物の振動エネルギー等から電力を取り出すものとして、従来よりいくつかの技術が提案されている。
下記に示す特許文献１のように、構造体内部に流体を有するピストンとシリンダーを支持台上に設置し、該構造体により橋梁、高速道路等の構造物を支持するように構成する。  該構造物上を電車・自動車等の走行車輌が通過するときに生じる荷重や振動によるシリンダー内の流体にかかる圧力を、機械的・電気的エネルギーに変換するエネルギー発生装置が提案されている。
【０００３】
また、下記に示す特許文献２のように、可動質量を加力する加力手段と、該可動質量の振動を電気エネルギーに変換して該可動質量の振動を減衰する減衰手段とを備えたものがある。上記減衰手段は、建築・土木構造物等における強風時或いは地震時の制振対策として採用される制振装置に係るものである。
【０００４】
更に、下記に示す特許文献３のように、風や地震等の外乱により発生する構造物や機器の振動を抑えるためのもので、リニア案内で支持された付加質量をバネと電動機で駆動して制振するアクティブ制振装置を備え、蓄電池とエネルギ回収装置により、蓄電池を介して電動機に電力を供給し、制動に伴い該電動機に発生するエネルギーを、前記エネルギ回収装置を介して該蓄電池に回収するエネルギ回収型アクティブ制振装置に係るものが提案されている。
【０００５】
また、下記に示す特許文献４のように、機械構造物或いは建築構造物の振動を抑えるためのもので、構造物に装着された振動エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電素子と、該圧電素子に接続された共振回路と、該共振回路によって取り出された電気エネルギーを蓄積又は回生する蓄電・回生回路とを備えた構造物制振装置に係るものが提案されている。  
【０００６】
更に、下記に示す特許文献５のように、制振対象構造物に装着された圧電素子と、該圧電素子に接続されたシャント回路で構成される制振装置において、上記圧電素子が制振対象構造物と固定系（固定基礎等）との間に挿入された構造物制振装置に係るものが提案されている。
【０００７】
また、下記に示す特許文献６のように、階段、床又は道路に設置した建築用床板素材で、該建築用床板素材が人又は車等による加重を利用して発電させる機能を有するセラミック複合材料を組み込んだものである技術が提案されている。
【０００８】
【特許文献１】実願平４−６４４０３（実開平６−２２５７５号）のＣＤ−ＲＯＭ
【特許文献２】特開平８−１８４２１４号公報
【特許文献３】特開平１０−２６７０７６号公報
【特許文献４】特開２００２−６１７０８号公報
【特許文献５】特開２００２−７０９３３号公報
【特許文献６】特開平５−３９６６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記従来例の内、「エネルギー発生装置」及び「建築用床板素材」以外は、制振装置を伴うものであり、装置のエネルギー供給における合理化等を目的として、制振装置に生じる振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、該電気エネルギーを電力として回生するもので、これ等の装置を電気エネルギーの供給装置とした場合、制振装置が必ず必要となり、また、その振動に起因したものだけを扱うため、供給されるエネルギーには限界があった。  
【００１０】
他方、「建築用床板素材」によるエネルギー供給にあっては、発電のために専用の装置が必要であり、また、「エネルギー発生装置」は、特に橋梁や高速道路等の構造物にシリンダーを用い、電車・自動車等の走行車が通過するときにかかる荷重や振動を利用してエネルギーを供給するものであるが、建築構造物への適用においては難点があるとともに、適用部位としてはやはり制振装置を応用することに限られていた。
本発明は、上記問題点を解決するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
構造物内の接合部に圧電／電歪手段を配設し、当該部分の応力変動により電気エネルギーを発生させるエネルギー変換システムを特徴とする。
【００１２】
また、上記圧電／電歪手段の配設を、構造物の外壁と該外壁を取着するための取り付け金具との接合部としたエネルギー変換システムを備えた構造物を特徴とする。
【００１３】
更に、上記圧電／電歪手段の配設を、構造物の基礎と積層ゴムとの間の接合部としたエネルギー変換システムを備えた構造物を特徴とする。
【００１４】
また、上記圧電／電歪手段の配設を、構造物の柱と梁との接合部としたエネルギー変換システムを備えた構造物を特徴とする。
【００１５】
更に、上記圧電／電歪手段の配設を、構造物の柱・梁架構と、該柱・梁架構内に設置された壁との接合部としたエネルギー変換システムを備えた構造物を特徴とする。
【００１６】
また、上記圧電／電歪手段の配設を、構造物の床スラブと梁との接合部としたエネルギー変換システムを備えた構造物を特徴とする。
【００１７】
更に、上記圧電／電歪手段の配設を、構造物の柱・梁からなる架構と、該架構内に設けたブレースとの接合部としたエネルギー変換システムを備えた構造物を特徴とする。
【００１８】
また、上記圧電／電歪手段の配設を、構造物の柱脚と基礎との接合部としたことを特徴とするエネルギー変換システムを備えた構造物を特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
構造物各部の接合部における応力変動を利用することで、制振装置などのエネルギー変換の媒体となる特別な装置やそのための設置スペースを確保する必要がなくなった。
【００２０】
また、外力そのもの、外力による振動、熱による伸縮など、多様な応力変動により同時に効率的に電気エネルギーを取り出すことができ、大きなエネルギ−供給が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施の形態の全体イメージを図１に示す。構造物１には様々な部位に接合部が存在し、その部位に外力或いは部材特性により常に応力の変動が生じている。
上記変動は、構造物１の振動に起因するのみならず、外乱により直接生じるもの、熱を原因とする部材に対する歪等様々なものが含まれる。
そこで、接合部に応力変動、すなわち荷重の変動により電力を生じることができる圧電／電歪手段２を当該部分に配設することにより電力を得ることを可能とするものである。
【００２２】
発電にいたるまでの概略フローチャートを図２に示す。本発明では、上記構造物１の様々な部位での接合部に生じる地震、風、交通振動及びその他人的活動等の外乱そのものによる応力変動、並びにそれらに起因する振動による応力変動、更には太陽による輻射熱等の温度変動による部材歪に起因する応力変動等を利用して、上記接合部に配設された圧電／電歪手段２により電力を取り出すことができるものである。上記構造により効率的により大きな電力供給を可能とするものである。
そして、構造物１において元々存在する接合部を利用することによりエネルギー変換のためだけの媒体を必要とすることがなくなった。また、構造物１の各接合部は、元来大きな応力を負担する部位であり、更に、その応力変動の絶対値も大きなものとなるため、大電力を発生させる手段としては有効なものである。
【００２３】
上記圧電／電歪手段２としては、チタン酸バリウム、又はチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電／電歪セラミクスを使用する。圧電／電歪セラミクスは、高温で焼き固めた多結晶の強誘電体で、図３に示すように、温度を上昇させながら直流強電界を与え、内部の電気双極子を一定方向に揃える分極処理を行うことで強誘電性を持つことができる。
その他の圧電／電歪手段２としては、圧電／電歪高分子材料や複合材料等、各分野で新しい素材による圧電／電歪手段が開発されており、これらの材料が活用できることは言うまでもない。応力変動の中には、もちろん太陽の輻射などによる建物各部の温度変動に起因するものも含まれる。
以下に、具体的な実施形態を述べる。
【実施例１】
【００２４】
本発明の実施例１は、図４に示すように、ＰＣカーテンウォール等の外壁３と該外壁３を取り付けるための取り付け金物４との部位に圧電／電歪手段２を配設したものである。
図４の上方部での接合部は、外壁３の背面側５と、L字型取り付け金具４の外壁３に対面する側の外側立設面６との間に圧電／電歪手段２を配設している。配設手段としては、予め、外壁３の背面側５に該圧電／電歪手段２を取り付けておくか、取り付け金具４の外側立設面６に取り付けておくか、或いは、連結時に両者間に間挿させるかのいずれでもよい。
また、図４の下方部での接合部は、外壁３の背面側５に取着したL字型取り付け金具７の外側下面部８と、梁９に固定された他の取り付け金具１０の外側下面部１１との間に圧電／電歪手段２を配設している。配設手段としては、予め、取り付け金具７及び他の取り付け金具１０に取り付けるか、連結時に両者間に間挿させるかは適宜選択することができる。
【００２５】
上記構造により、地震や風等の直接作用する外力により生じる取り付け部の応力変動により電力をもたらすものである。また、外壁の取り付け部には、構築物の振動や風の振動に起因する外力も作用し、それらの応力変動からも電力を得ることが可能となる。本実施例１では、外壁全面を活用することができ、大きな発電量を確保し易いメリットがある。
【００２６】
風力発電と比較すると、本発明の場合、風を受けるための構造物は建物として用意されるため、そのための建設費を要しない。また、風の風向方向以外の方向、特に風向直行方向に対しても外力を受けるため、建物の風向面のみならず、建物全面で発電することが可能である。さらに、風力発電では、機器の安全のため発電を停止する２５ｍ／ｓ程度以上の強風時にも発電が可能であり、逆にこの場合のほうがより大きな発電を行うことができる。
【実施例２】
【００２７】
本発明の実施例２は、図５に示すように、構築物の基礎１２における下部基礎１３と上部基礎１４との間に設置した積層ゴム１５との取着部位に圧電／電歪手段２を配設したものである。構造物の免振を目的として基礎部位に積層ゴム１５を設置するが、下部基礎１３と積層ゴム１５間、又は上部基礎１４と積層ゴム１５間のいずれか、或いはその両者間に圧電／電歪手段２を挿入したものである。
配設手段としては、積層ゴム免振装置の下ベースプレート１６及び上ベースプレート１７のいずれか又は両者に予め圧電／電歪手段２を取り付けるか、下部又は上部基礎１３、１４に予め取り付ける。また、施工時に該上部・下部基礎１４、１３と上・下ベースプレート１７、１６間に間挿させる。
上記基礎１２には、風や地震による上下振動はもとより、自動車等の生活振動による振動も伝わることになるので大きな電力を得ることが可能となる。
【実施例３】
【００２８】
本発明の実施例３は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、構造物の梁と柱との接合部に圧電／電歪手段２を配設したものである。図６（ａ）は、ＲＣ造を示したもので、ＲＣ造の柱１８にＰＣ梁１９を連結する場合を示している。ＰＣ梁１９より突出したＰＣ鋼線２０をＲＣ柱１８に挿入連結することにより両者を一体化するが、該ＲＣ柱１８の側面２１に予め圧電／電歪手段２を取着しておくか、施工時にＲＣ柱側面２１とＰＣ梁１９とが連結される部位に充填モルタル２２に先行して圧電／電歪手段２を配設する。
【００２９】
図６（ｂ）は、鉄骨柱２３と鉄骨梁２４とを連結する場合を示し、該鉄骨柱２３の側面２５と鉄骨梁２４を取着する取り付け金具２６との間に圧電／電歪手段２を配設し、ボルト・ナットにより連結したものである。
本実施例３によれば、風や地震による水平振動による応力変動に加え、床上を歩行する人的な振動による応力変動によっても電力を供給することが可能となる。
【実施例４】
【００３０】
本発明の実施例４は、図７に示すように、構造物の柱２７と梁２８によって囲まれた架構内に設置された壁２９とよりなる該柱・梁２７、２８と壁２９との接合部位に、圧電／電歪手段２を配設したものである。
上記柱２７の側面３０及び／又は梁２８の下面３１、或いは壁２９の側縁部３２に予め圧電／電歪手段２を取着しておくことが可能であるし、施工時に柱・梁２７、２８と壁２９間に挿入配設してもよい。上記柱２７や梁２８は、ＲＣ造、Ｓ造等いずれのものでもよい。
これにより、外乱によって壁２９に作用する応力変動や振動によって電力を供給することができる。この場合の応用手法として、該圧電／電歪手段２を間仕切壁と床との間に配設することも可能である。
【実施例５】
【００３１】
本発明の実施例５は、図８に示すように、構造物の床スラブ３３と該床スラブ３３を支える梁３４との部位に圧電／電歪手段２を配設したものである。該梁３４の上フランジ３５と床スラブ３３の下面部３６との間に圧電／電歪手段２を配設している。
該圧電／電歪手段２は、床スラブ３３の下面部３６或いは梁３４の上フランジ３５の上面部３７のいずれかに予め取着しておくことが可能であるし、施工時に梁３４と床スラブ間に挿入配設してもよい。上記床スラブ３３は、鋼板でもＰＣ板でもよいし、ＲＣ造における現場打ち工法によるものでもよい。
これにより、人の歩行による応力変動、及び人的振動によって電力を供給することができる。この場合には、接触面積が大きいため、広い範囲での発電が可能である。
【実施例６】
【００３２】
本発明の実施例６は、図９に示すように、構造物の柱３８と梁３９間相互、柱・梁３８、３９の接合部間相互、或いは柱・梁３８、３９の接合部と柱３８、梁３９のいずれか相互間に取り付けられるブレース４０の構造において、該柱３８、梁３９とブレース４０との接続部に圧電／電歪手段２を配設したものである。
図９に示す接続部にあっては、柱・梁３８、３９の取り付け部となる隅部に取着したブラケット４１と梁３９の下部側中央部に取着したブラケット４２間に取り付けたブレース４０の該ブラケット４１、４２の端部４３、４４とブレース４０の端部４５、４６との接合部に圧電／電歪手段２を配設する。該圧電／電歪手段２は、ブレース４０の端部４５、４６或いはブラケット４１、４２の端部４３、４４に予め取り付けておくことができるし、施工時に該ブレース４０の端部４５、４６とブラケット４１、４２の端部４３、４４間に挿入配設してもよい。
上記により、外乱によってブレース４０に作用する応力変動や振動により電力を供給することができる。
【実施例７】
【００３３】
本発明の実施例７は、図１０に示すように、構造物の基礎４７と柱脚４８との接続部に圧電／電歪手段２を配設したものである。
該圧電／電歪手段２は、基礎４７と該柱脚４８の下端部のベースプレート４９間に配設されることになる。また、該圧電／電歪手段２は、基礎４７に上面部５０或いはベースプレート４９の下面部５１に予め取り付けておくことができるし、施工時に該基礎４７とベースプレート４９間に挿入配設することもできる。該ベースプレート４９は、アンカーボルト５２によって基礎４７と固定される。
これにより、風や地震による上下振動はもとより、自動車などの生活振動によっても電力を供給することが可能となる。
【００３４】
上記実施例のものは全て、制振装置などのエネルギー変換の媒体となる別用途の機器の設置が必要なく、設置のためにほとんど場所を取ることがない。また、外力そのもの、外力による振動、熱による伸縮など、多様な応力変動から同時に効率的に電気エネルギーを取り出すことができ、大きなエネルギ−供給が可能である。
【００３５】
また、この技術は、建物の新築時のみならず、改修時にも取り替え部位に応じて適用することができるため、今後の無公害・再生可能エネルギー供給の普及に向けて有益な技術となり得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の概念図である。
【図２】本発明のフローチャートである。
【図３】圧電／電歪手段の原理を示す概略図である。
【図４】本発明の構造物の接合部を示す断面図である。（実施例１）
【図５】本発明の構造物の接合部を示す断面図である。（実施例２）
【図６ａ】本発明の構造物の接合部を示す断面図である。（実施例３）
【図６ｂ】本発明の構造物の接合部を示す断面図である。（実施例３の他の例）
【図７】本発明の構造物の接合部を示す断面図である。（実施例４）
【図８】本発明の構造物の接合部を示す断面図である。（実施例５）
【図９】本発明の構造物の接合部を示す断面図である。（実施例６）
【図１０】本発明の構造物の接合部を示す断面図である。（実施例７）
【符号の説明】
【００３７】
１        構造物
２        圧電／電歪手段
３        外壁
４        取り付け金具
５        背面側
６        外側立設面
７        取り付け金具
８        外側下面部
９        梁
１０        取り付け金具
１１        外側上面部
１２        基礎
１３        下部基礎
１４        上部基礎
１５        積層ゴム
１６、１７  ベースプレート
１８        ＲＣ柱
１９        ＰＣ梁
２０        ＰＣ鋼線
２１        側面
２２        充填モルタル
２３        鉄骨柱
２４        鉄骨梁
２５        側面
２６        取り付け金具
２７        柱
２８        梁
２９        壁
３０        側面
３１        下面
３２        側縁部
３３        床スラブ
３４        梁
３５        上フランジ
３６        下面部
３７        上面部
３８        柱
３９        梁
４０        ブレース
４１、４２  ブラケット
４３、４４  端部
４５、４６  端部
４７        基礎
４８        柱脚
４９        ベースプレート
５０        上面部
５１        下面部
５２        アンカーボルト
【図１】
2005090152.tif 000003
【図２】
2005090152.tif 000004
【図３】
2005090152.tif 000005
【図４】
2005090152.tif 000006
【図５】
2005090152.tif 000007
【図６】
2005090152.tif 000008
【図７】
2005090152.tif 000009
【図８】
2005090152.tif 000010
【図９】
2005090152.tif 000011
【図１０】
2005090152.tif 000012