(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波の力や振動によって揺れる基体と、前記基体の上に配置された発電モジュールとを有する発電装置であって、
前記発電モジュールが、
転動可能な球体と、
前記球体の転動路を構成する球体ガイド部材と、
転動する前記球体の衝突する位置に配置された圧電素子と、
前記基体への対向面が弧状を成し、前記対向面の一部が常に前記基体に接触して前記球体ガイド部材を前記基体の上で揺動自在に支える揺動部材と、
前記揺動部材の弧状の内面に転動自在に配置された錘と、
を備え、
前記基体が揺れに伴って傾斜すると、前記錘が前記揺動部材の内面の最も低い位置に移動することにより、前記揺動部材及び該揺動部材に支持された前記球体ガイド部材が、前記基体の傾斜角度よりも大きい角度で傾斜することを特徴とする発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発電装置であって、前記揺動部材が半円筒形の部材から成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に記載の発電装置であって、前記球体ガイド部材の一つの前記転動路を転動する前記球体が、複数個であることを特徴とする発電装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の発電装置であって、前記発電モジュールの複数個が、その向きを違えて、前記基体上に配置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から３のいずれかに記載の発電装置であって、前記発電モジュールが、その向きを自由に変えられるように、前記基体に支持されていることを特徴とする発電装置。
【請求項６】
波の力で揺れる基体と、前記基体の上に配置された発電モジュールと、通電により発光する発光体とを有する発光ブイであって、
前記発電モジュールが、
転動可能な球体と、
前記球体の転動路を構成する球体ガイド部材と、
転動する前記球体の衝突する位置に配置された圧電素子と、
前記基体への対向面が弧状を成し、前記対向面の一部が常に前記基体に接触して前記球体ガイド部材を前記基体の上で揺動自在に支える揺動部材と、
前記揺動部材の弧状の内面に転動自在に配置された錘と、
を備え、
前記基体が揺れに伴って傾斜すると、前記錘が前記揺動部材の内面の最も低い位置に移動することにより、前記揺動部材及び該揺動部材に支持された前記球体ガイド部材が、前記基体の傾斜角度よりも大きい角度で傾斜し、前記球体が前記転動路を転動して前記圧電素子に衝突し、
前記発光体が、前記球体に衝突された前記圧電素子から発生する電気エネルギーで発光することを特徴とする発光ブイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波の力や振動を利用して発電する発電装置と、その発電装置を備える発光ブイに関し、波の力や振動を利用した効率的な発電の実現を図るものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化への懸念から、化石燃料を使わない発電に対する関心が高まっている。波力発電もその一つであるが、現状では、開発段階にあり、本格的な利用には至っていない。そのため、波力発電に対する社会的な理解・認識は、必ずしも高くない。
下記特許文献１には、波の揺れを利用して圧電素子に球を衝突させ、このときに圧電素子から発生する電気エネルギーでブイの発光体を光らせる技術が開示されている。
この圧電素子に球を衝突させて発電する方式は、構成が簡単であり、低コストでの実現が可能である。
【特許文献１】特開２００２−３６９５５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
圧電素子に衝撃を与えたときに発生する電荷の量は、圧電素子の変形の大きさに依存する。そのため、圧電素子に衝撃を与える方式の波力発電では、圧電素子に如何に大きな衝撃を与えて、圧電素子を如何に大きく変形させるか、と言う点が重要な課題となる。
本発明は、こうした課題の解決を図るものであり、波の力や車の振動などを利用して効率的に発電することができる発電装置を提供し、また、その発電装置を用いた発光ブイを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の発電装置は、波の力や振動によって揺れる基体と、前記基体の上に配置された発電モジュールとを有する発電装置であって、前記発電モジュールが、転動可能な球体と、前記球体の転動路を構成する球体ガイド部材と、転動する前記球体の衝突する位置に配置された圧電素子と、前記基体への対向面が弧状を成し、前記対向面の一部が常に前記基体に接触して前記球体ガイド部材を前記基体の上で揺動自在に支える揺動部材と、前記揺動部材の弧状の内面に転動自在に配置された錘と、を備え、前記基体が揺れに伴って傾斜すると、前記錘が前記揺動部材の内面の最も低い位置に移動することにより、前記揺動部材及び該揺動部材に支持された前記球体ガイド部材が、前記基体の傾斜角度よりも大きい角度で傾斜することを特徴とする。
この装置では、基体が波や振動によって傾斜するとき、球体ガイド部材は、基体の傾斜角度よりも大きく傾斜する。そのため、この球体ガイド部材にガイドされた球体は、圧電素子に勢い良く衝突し、圧電素子は大きく変形する。
【０００５】
また、本発明の発電装置では、前記揺動部材が半円筒形の部材から成ることが望ましい。
この装置では、半円筒形状の揺動部材が基体の上で効率的に揺動する。
【０００６】
また、本発明の発電装置では、前記球体ガイド部材の一つの前記転動路を転動する前記球体の数を複数個とすることが望ましい。
球体の数を増やすことで、圧電素子に加わる衝撃を大きくすることができる。
【０００７】
また、本発明の発電装置では、前記発電モジュールの複数個を、その向きを違えて、前記基体上に配置することができる。
このように、向きを違えた複数の発電モジュールを基体に取り付けた場合は、波の進行方向や振動の方向がどちらであっても、いずれかの発電モジュールにより発電が行われる。
【０００８】
また、本発明の発電装置では、前記発電モジュールが、その向きを自由に変えられるように、前記基体で支持するようにしても良い。
このように発電モジュールの向きに対する自由度を与えることで、発電モジュールは、常に波の進行方向や振動の方向を自動的に向くことができる。
【０００９】
また、本発明の発光ブイは、波の力で揺れる基体と、前記基体の上に配置された発電モジュールと、通電により発光する発光体とを有する発光ブイであって、前記発電モジュールが、転動可能な球体と、前記球体の転動路を構成する球体ガイド部材と、転動する前記球体の衝突する位置に配置された圧電素子と、前記基体への対向面が弧状を成し、前記対向面の一部が常に前記基体に接触して前記球体ガイド部材を前記基体の上で揺動自在に支える揺動部材と、前記揺動部材の弧状の内面に転動自在に配置された錘と、を備え、前記基体が揺れに伴って傾斜すると、前記錘が前記揺動部材の内面の最も低い位置に移動することにより、前記揺動部材及び該揺動部材に支持された前記球体ガイド部材が、前記基体の傾斜角度よりも大きい角度で傾斜し、前記球体が前記転動路を転動して前記圧電素子に衝突し、前記発光体が、前記球体に衝突された前記圧電素子から発生する電気エネルギーで発光することを特徴とする。
この発光ブイは、波の力を利用して効率的に発光することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の発電装置は、波の力や振動を利用して、圧電素子に大きい衝撃力を与えて、圧電素子を大きく変形させることができ、圧電素子から大きな電気エネルギーを発生させることができる。
また、本発明の発光ブイは、この発電装置を用いて高輝度の光を発光することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施形態について、学習教材用に作成した装置（発光ブイ）を用いて説明する。
図１は、この装置（発光ブイ）の全体形状を示す図、図２は、その平面図、図３は、この装置を裏から見た図、図４は、発電モジュールの構成を示す図、図５及び図６は、基体が傾斜したときの発電モジュールの状態を示す図、また、図７及び図８は、この装置の電気回路を示す図である。
【００１２】
この装置（発光ブイ）は、図１及び図２に示すように、低発泡樹脂から成る基体１０と、透明のアクリル樹脂から成るカバー１１と、基体１０上に向きを違えて配置した複数個の発電モジュール２０と、二個で１セットを構成する発光ダイオード４０の複数セットとを有している。発光ダイオード４０は、後述するように、極性を逆にした二つを並列接続して１セットを構成している。
また、図３に示すように、この装置の基体１０の裏側には、金属板１３を取り付け、この金属板１３に磁石１４を吸着させている。この金属板１３及び磁石１４は、この装置を、バランスを取って海に浮かべるための重りの役割を果たしており、そのため、この装置は、横転すること無く、波に従ってあらゆる方向に揺れることができる。
【００１３】
発電モジュール２０は、図４（ａ）（平面図）及び図４（ｂ）（側面図）に示すように、球体ガイド部材を構成するアクリル樹脂から成るパイプ２１と、このパイプ２１に転動可能に収容された複数個の鋼球２２と、パイプ２１の両端に配置された圧電素子２３と、パイプ２１及び圧電素子２３を支持する基板２４と、太径パイプの半分から成り、揺動部材を構成する半円筒体２６と、半円筒体２６を取り付けたフレーム２５と、半円筒体２６の内側で自由に回転移動ができる黄銅丸棒製の重り２７とを有している。発光ダイオード４０は、圧電素子２３に電気接続した状態で発電モジュール２０の基板２４に支持されている。
この発電モジュール２０は、複数の鋼球２２を収容したパイプ２１を基板２４の上に固定し、パイプ２１の開口を塞ぐ基板２４上の位置に圧電素子２３を固定し、また、フレーム２５に対して、重り２７を収容した半円筒体２６を取り付け、このフレーム２５を基板２４の裏面に固定して形成されている。
【００１４】
また、基体１０側には、発電モジュール２０の揺動を制限するストッパー板２９が設けられている。このストッパー板２９は、発電モジュール２０の半円筒体２６の回転移動範囲を制限するストッパー２８を有している。発電モジュール２０は、半円筒体２６がストッパー２８に当接するまで、ストッパー板２９の上で自由に揺動することができる。
なお、ストッパー板２９には、発電モジュール２０が半円筒体２６の軸方向にずれるのを防ぐための位置規制部材を設けているが、図面では省略している。
【００１５】
圧電素子２３は、図７（ａ）（ｂ）に示すように、二枚の圧電セラミック２３１、２３２を貼り合わせたバイモルフ構造を有している。二枚の圧電セラミック２３１、２３２の分極方向が逆向きの場合は、図７（ａ）に示すように、二枚の圧電セラミック２３１、２３２の中間電極を一方の電極とし、二枚の圧電セラミック２３１、２３２の外側電極を接続して他方の電極として、圧電素子２３で発生した起電力を取り出す。また、二枚の圧電セラミック２３１、２３２の分極方向が同一のバイモルフでは、図７（ｂ）に示すように、圧電セラミック２３１の外側電極を一方の電極とし、圧電セラミック２３２の外側電極を他方の電極として、圧電素子２３で発生した起電力を取り出す。
発光ダイオード４０は、図７に示すように、極性を違えた二つを並列接続し、これを圧電素子２３のバイモルフに接続する。こうすると、衝撃を受けたバイモルフが一方向に撓んだときに一方の発光ダイオードが発光し、その反動で他方向に撓んだときに他方の発光ダイオードが発光する。こうした発光ダイオード４０による交互の発光は、衝撃によるバイモルフの振動が減衰するまで継続する。
【００１６】
この装置では、発電モジュール２０の重り２７が、重力を受けて、常に半円筒体２６内面の最も低い位置へ移動する。そのため、図５に示すように、基体１０が波を受けて右側に傾斜すると、現在の重り２７の位置よりも、半円筒体２６の右側の部分の方が低くなるので、重り２７が右側に移動し、半円筒体２６が右方向に回転する。その結果、パイプ２１が、基体１０の傾斜角度よりも更に大きく傾斜し、パイプ２１内を転動する鋼球２２は、速い速度で圧電素子２３に衝突する。この衝突で圧電素子２３は大きく変形し、大きな電気エネルギーを発生する。そのため、発光ダイオード４０が高い輝度で発光する。
また、図６に示すように、基体１０が波を受けて左側に傾斜した場合も同様である。
【００１７】
このように、この装置では、波の揺れが増幅されてパイプ２１に及ぶため、波が小さい場合でも、パイプ２１が大きく傾き、それ故、圧電素子２３から常に大きな電気エネルギーを取り出すことができる。
また、この発電モジュール２０を備えた発光ブイは、波が静かなときでも、発光ダイオード４０を明るく発光させることができる。
【００１８】
また、この装置では、パイプ２１に複数の鋼球２２を収容しているため、圧電素子２３に及ぼす衝撃力を強めることができる。
また、この装置では、向きを違えた複数の発電モジュール２０を基体１０に取り付けているため、波の進行方向がどちらであっても、いずれかの発電モジュール２０から発電することが可能である。
【００１９】
なお、ここでは、発電モジュール２０の電気エネルギーで発光ダイオード４０を直接、発光させているが、図８に示すように、発電モジュール２０の電気エネルギーを、整流装置を介して電気二重層コンデンサ５０に蓄積し、この電気二重層コンデンサ５０に蓄積された電気エネルギーを、スイッチ５１がオンになったときに、発光ダイオード４０などの負荷に供給するようにしても良い。特開２００３−７４９１号公報には、タイマー回路で設定した時間に達したときにスイッチ５１を閉じ、コンデンサ５０に蓄えられた電気エネルギーを一度に利用して大きな発光を行わせる例が開示されているが、こうした構成は、本発明にも適用できる。
【００２０】
また、ここでは、圧電素子２３としてバイモルフを使用したが、一枚の圧電セラミックから成るユニモルフを用いても良い。
また、ここでは、半円筒体２６によって揺動部材を構成したが、基体１０側の外面が弧状であり、また、重り２７を収容する内面が弧状である部材であれば、揺動部材に用いることができる。
また、ここでは、圧電素子２３に及ぼす衝撃力を強めるために、パイプ２１に複数の鋼球２２を収容しているが、鋼球２２は一つでも良い。
また、ここでは、波の力を利用して発電を行う場合について説明したが、本発明の装置は、自動車や鉄道車両の振動、設備機械の振動等を利用して発電を行うこともできる。
【００２１】
次に、他の実施形態として、基体に対して発電モジュールの向きを自由に変えることができるように構成した装置（発光ブイ）について説明する。
図９は、この装置の平面図、図１０は、この装置における発電モジュールの構成を示す図、図１１は、教材用に作成した発電モジュールの模型を示す図、また、図１２は、この装置で用いた軸受具を示す図である。
この装置では、図９に示すように、複数本のパイプ２１を有する発電モジュール２０がカバー１１内に収容され、ストッパー板２９の上を揺動する。発電モジュール２０、ストッパー板２９及びそれらの関係は、図９、図１０、図１１の記載が示すように、カバー１１内に収容された発電モジュール２０が一つである点、及び、その発電モジュール２０が複数本のパイプ２１を有している点を除けば、図１及び図４の構成と同じである。
図１及び図４との最大の相違点は、図１０に示すように、ストッパー板２９が、軸受具１２を介して、基体１０に回転自在に固定されている点である。
この軸受具１２は、図１２に示すように、リング状の膨らみを有する二枚の金属板と、このリング状の膨らみに収容された鋼球とを備えており、上下の金属板が自由に回転できるように構成されている。そのため、この金属板の一方をストッパー板２９に固定し、金属板の他方を基体１０に固定することにより、ストッパー板２９は、基体１０に対して回転自在となる。
この装置では、基体１０が波を受けて傾斜し、それに伴ってパイプ２１が傾くと、パイプ２１内の鋼球２２がパイプ２１の一方の側に集中する。このとき、鋼球２２の位置が最も低い位置で無ければ、発電モジュール２０は、鋼球２２の重さにより、鋼球２２が最も低い位置に来るように、基体１０に対して回転する。即ち、発電モジュール２０は、波が来たとき、最も大きく傾斜するように、常に波の進行方向を自動的に向くことになる。
このように、発電モジュール２０に対して向きの自由度を与えてやれば、発電モジュール２０は、鋼球２２の重さにより、波の進行方向に自動的に向きを変える。そのため、波の進行方向がどちらであっても、発電モジュール２０による発電が可能になる。特に、この装置は、並列した複数本のパイプ２１のそれぞれに鋼球２２が収容されているので、鋼球２２の総重量が重く、そのため、波への追従性能が高い。
なお、発電モジュール２０の向きの自由度は、発電モジュール２０の揺動部材２６を半球体とし、重り２７を球体とすることによっても、得ることができる。この場合、ストッパー板２９の回転を要しない。
【００２２】
ここでは、本発明の実施形態として学習教材用の装置を示した。これらの装置の素材や形状、固着方法などを適宜変更して、実際の装置を製作することは容易である。
また、これらの装置は、波力発電に関する関心・興味を児童・生徒に持たせるための教材としても有効である。
また、ここでは、波の力を利用して発電を行う場合について説明したが、図１の装置と同様に、自動車や鉄道車両の振動、設備機械の振動等を利用して発電を行う装置としても利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、海や湖、河川等において、波の力を利用して発電する波力発電装置として、また、波の力を利用して発光する発光ブイとして、広く利用することが可能である。
また、各種乗物の振動や設備機械の振動等を利用して発電を行う装置としても広く利用することが可能である。
また、本発明の装置は、波力発電などの関心を高める格好の教材として、教育現場等で広く用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る波力発電装置（発光ブイ）の全体形状を示す図
【図２】図１の波力発電装置（発光ブイ）の平面図
【図３】図１の波力発電装置（発光ブイ）の裏側を示す図
【図４】本発明の実施形態に係る発電モジュールの平面図（ａ）と側面図（ｂ）
【図５】図４の発電モジュールの右傾斜した状態を示す図
【図６】図４の発電モジュールの左傾斜した状態を示す図
【図７】本発明の実施形態に係る波力発電装置（発光ブイ）の回路構成を示す図
【図８】本発明の実施形態に係る波力発電装置（発光ブイ）の他の回路構成を示す図
【図９】本発明の他の実施形態に係る波力発電装置（発光ブイ）の平面図
【図１０】本発明の他の実施形態に係る発電モジュールの平面図（ａ）と側面図（ｂ）
【図１１】図１０の発電モジュールの模型を示す図
【図１２】図１０の装置で用いた軸受具を示す図
【符号の説明】
【００２５】
１０    基体
１１    カバー
１２    軸受具
１３    金属板
１４    磁石
２０    発電モジュール
２１    パイプ
２２    鋼球
２３    圧電素子
２４    基板
２５    フレーム
２６    半円筒体
２７    重り
２８    ストッパー
２９    ストッパー板
４０    発光ダイオード
５０    電気二重層コンデンサ
５１    スイッチ
２３１  圧電セラミック
２３２  圧電セラミック
【図１】
0005133106.tif 000002
【図２】
0005133106.tif 000003
【図３】
0005133106.tif 000004
【図４】
0005133106.tif 000005
【図５】
0005133106.tif 000006
【図６】
0005133106.tif 000007
【図７】
0005133106.tif 000008
【図８】
0005133106.tif 000009
【図９】
0005133106.tif 000010
【図１０】
0005133106.tif 000011
【図１１】
0005133106.tif 000012
【図１２】
0005133106.tif 000013