(57)【要約】【課題】本発明は、コンパクトで発電効率が高い発光装置及びそれを用いた懐中電灯であって、軽量で小型であり、災害非常時の手元の照明に特に便利で、保守の不要な懐中電灯を提供する。【解決手段】圧電板と補強板とを有する略矩形状であって、前記補強板の長手方向に沿って、その厚み方向の分極の正負が逆方向となるように二分されて配置され、貼着された圧電板を含む圧電素子と、前記圧電素子の長手方向の一端を保持する第１の保持部材と、前記圧電素子の長手方向の別の一端を保持する第２の保持部材と、圧電素子から電気エネルギーを取り出す電気回路と、前記電気回路に接続された発光ダイオードと、を有し、第2の保持部材に加えられる外力により、前記圧電素子の厚み方向に前記圧電素子を変位し、前記圧電素子に変形が生ずることによって、前記圧電板が撓んで発電し、電気エネルギーが得られ、前記発光ダイオードが発光することを特徴とする発光装置。【選択図】  図1
2007242439.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電板と補強板とを有する略矩形状であって、前記補強板の長手方向に沿って、その厚み方向の分極の正負が逆方向となるように二分されて配置され、貼着された圧電板を含む圧電素子と、
前記圧電素子の長手方向の一端を保持する第１の保持部材と、
前記圧電素子の長手方向の別の一端を保持する第２の保持部材と、
圧電素子から電気エネルギーを取り出す電気回路と、
前記電気回路に接続された発光ダイオードと、
を有し、
第2の保持部材に加えられる外力により、前記圧電素子の厚み方向に前記圧電素子を変位し、前記圧電素子に変形が生ずることによって、前記圧電板が撓んで発電し、電気エネルギーが得られ、前記発光ダイオードが発光することを特徴とする発光装置。
【請求項２】
複数の請求項1記載の圧電素子を、前記圧電素子の厚み方向に積層し、
その厚み方向で互いに複数の前記圧電板が接触しないように長手方向の一端を第１の保持部材で、統合保持し、
更に、その厚み方向で複数の前記圧電板が互いに接触しないように長手方向の別の一端を第２の保持部材で、統合保持し、
第２の保持部材に加えられる外力により、前記圧電素子の厚み方向に前記圧電素子を変位し、前記圧電素子に変形が生ずることによって、前記圧電板が一斉に撓んで発電し、電気エネルギーが得られ、請求項１記載の発光ダイオードが発光することを特徴とする発光装置。
【請求項３】
前記第１の保持部材が、握り部を兼ね、または、握り部に固定され、前記第２の保持部材に、前記圧電素子の長尺方向に長い振動子が固着され、又は、前記第２の保持部材が、前記圧電素子の長尺方向に長い振動子であり、握り部を握る手の振動によって外力を第２の保持部材及び／又は前記振動子に付与し、前期外力によって前記圧電素子に変形が生ずることによって電気エネルギーが得られ、前記発光ダイオードが発光することを特徴とする請求項１乃至2記載の発光装置を用いた懐中電灯。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動等外部エネルギーを電気エネルギーに変換する発光装置及びこれを用いた懐中電灯に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発光装置およびそれを用いた懐中電灯については、多くの発明がなされ、夜間の歩行用携行電灯、停電時の非常用電灯等、として使用されている。通常発光装置およびそれを用いた懐中電灯は、電池又は手動発電機と充電器を備えている。電池を備えるものは、電池の消耗による使用時の不点灯が問題となる。手動発電機と充電器を備えるものは、磁石とコイルを有する電磁誘導発電機等で構成され、部品点数も多く、軽量・小型で携行に便利とは言いがたい。また、圧電素子に付与された応力により発生させる起電力を利用し発光ダイオード等の発光体を発光させる圧電発光装置において、手に持って振る警告灯において、付与される振動、応力を利用して発光体を発光させることを特徴とした無電源圧電発光装置が開示されている。（特許文献1参照）また、大きな電気的エネルギーを得ようとして圧電素子を重ねると突発的な大きな変位に対して、保持部材から、圧電素子板が外れない工夫が別途必要であった。この改良タイプで圧電素子が矩形のとき、両端に保持部材を設けないで、圧電素子部の他端を自由端とする片もち支持も可能だが、長期の使用により、圧電素子自体の変形を避け、互いの接触を避けるために圧電素子の変形に対応して、保持部を長くとることが必要となった。  
【０００３】
【特許文献１】特開2001−351416号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、コンパクトで発電効率が高い発光装置及びそれを用いた懐中電灯であって、軽量で小型であり、災害非常時の手元の照明に特に便利で、保守の不要な懐中電灯を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第1の観点によれば、圧電板と補強板とを有する略矩形状であって、前記補強板の長手方向に沿って、その厚み方向の分極の正負が逆方向となるように二分されて配置され、貼着された圧電板を含む圧電素子と、前記圧電素子の長手方向の一端を保持する第１の保持部材と、前記圧電素子の長手方向の別の一端を保持する第２の保持部材と、圧電素子から電気エネルギーを取り出す電気回路と、前記電気回路に接続された発光ダイオードと、を有し、第２の保持部材に加えられる外力により、前記圧電素子の厚み方向に前記圧電素子を変位し、前記圧電素子に変形が生ずることによって、前記圧電板が一斉に撓んで発電し、電気エネルギーが得られ、前記発光ダイオードが発光することを特徴とする発光装置、を提供する。
【０００６】
また、複数の請求項1記載の圧電素子を、前記圧電素子の厚み方向に積層し、その厚み方向で互いに複数の前記圧電板が接触しないように長手方向の一端を第１の保持部材で、統合保持し、更に、その厚み方向で複数の前記圧電板が互いに接触しないように長手方向の別の一端を第２の保持部材で、統合保持し、第2の保持部材に加えられる外力により、前記圧電素子の厚み方向に前記圧電素子を変位し、前記圧電素子に変形が生ずることによって、前記圧電板が一斉に撓んで発電し、電気エネルギーが得られ、請求項１記載の発光ダイオードが発光することを特徴とする発光装置、を提供する。
【０００７】
本発明の第2の観点によれば、前記第１の保持部材が、握り部を兼ね、または、握り部に固定され、前記第２の保持部材に、前記圧電素子の長尺方向に長い振動子が固着され、又は、前記第２の保持部材が、前記圧電素子の長尺方向に長い振動子であり、握り部を握る手の振動によって外力を第２の保持部材及び／又は前記振動子に付与し、前期外力によって前記圧電素子に変形が生ずることによって電気エネルギーが得られ、前記発光ダイオードが発光することを特徴とする請求項１乃至2記載の発光装置を用いた懐中電灯、を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る発光装置によれば、圧電素子を用いているので、小さい変位で大きな電気エネルギーを得ることができる。また、支持部全体が移動するので、大きな変位に対しても、圧電素子が、支持部から脱落することなく、高効率で、電気エネルギーを取り出すことができる。更に、コンパクトな装置で、高集積化できる。支持部近辺の変位が少ないので、圧電素子端部での応力負担が軽く、長寿命である。また、これを用いた懐中電灯は、コンパクトで発電効率が高い懐中電灯であって、軽量で小型であり、災害非常時の手元の照明に特に便利で、保守の不要な懐中電灯となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１の発光装置100は、矩形状の圧電板11と矩形状の補強板12とを貼り合わせてなる圧電素子13を有する。前記補強板12の長手方向に沿って、その厚み方向の分極の正負が逆方向となるように二分されて配置され、貼着された圧電板を含む圧電素子１３である。前記圧電素子の長手方向の一端を保持する第１の保持部材20と、前記圧電素子の長手方向の別の一端を保持する第２の保持部材30、圧電素子から電気エネルギーを取り出す電気回路と、前記電気回路に接続された発光ダイオード70から構成される。外力は、例えば、部材20を兼ねる握り部を手で握って揺動させ、第2の保持部材30に取り付けた振動子60によって第2の保持部材30に加える。これにより、前記圧電素子の厚み方向に前記圧電素子を変位し、前記圧電素子に変形が生ずることによって、前記圧電板が撓んで発電し、電気エネルギーが得られ、前記発光ダイオード70が発光することを特徴とする発光装置100となる。
【００１０】
圧電板11は、矩形状の圧電セラミックスの表裏面に電極膜（図示せず）が形成された構造を有し、圧電板は、ほぼ中央部で２分割されている。圧電板の圧電セラミックスは厚み方向に分極されている。その分極方向は、分割部分でプラス、マイナスが逆方向である。また、圧電板11は樹脂接着剤を用いて、補強板12に接着されている。なお、圧電セラミックスの代わりに圧電ポリマーを用いてもよい。補強板12は、金属または樹脂の少なくとも一方からなり、圧電板11よりも長い矩形状を有している。補強板12として樹脂からなるものを用いる場合には、圧電板11からの電極リード（図示せず）の取り出しを容易とするために、圧電板11と貼り合わされる面に、金属箔が設けられているものを用いることが好ましい。
【００１１】
図1に例示されたエネルギー変換装置100では、第１の保持部材20を兼ねる握り部を手で握って揺動させ、第2の保持部材30に取り付けた振動子60によって第2の保持部材30に加えられる外力により、発電する。即ち、外力が、振動子60を通して、第2保持部30に作用し、第1保持部20とで保持される圧電素子13が直線又は平行線であるニュートラル状態図1（A）から、振動時には、前記圧電素子が揃って図１（C）のＳ字状に、又は図１（B）の反Ｓ字状に変位を繰り返すことによって、発電させる。図2にエネルギー変換装置100の駆動態様を示す断面図を模式的に示し、図3にエネルギー変換装置100から電気エネルギーを回収するための回路構成図を示す。複数の圧電素子から電気エネルギーを取り出す構成例である。
【００１２】
図2に示されるように、例えば、振動子60の振動の結果、第2保持部30に−Z方向の力が加わり、第1保持部20に＋Z方向の力が加わると、圧電素子13がＳ字状となるように撓む。Ｓ字状に撓むとは、圧電素子の側面からみたとき、圧電素子の長さ方向のほぼ中央部を変極点として、右側の圧電素子が上に凸に、左側の圧電素子が下に凸に撓むことをいう。
【００１３】
また、振動子60の振動の結果、第2保持部30に＋Z方向の力が加わり、第1保持部20に−Z方向の力が加わると、圧電素子13が反Ｓ字状となるように撓む。したがって、第2保持部30にZ方向の振動が加わると、圧電素子13が、変形する撓み振動を繰り返し、その際に圧電板11が発電する。上述の通り、一枚の補強板の圧電素子は、中央部分で2分割されているので、その分極方向を逆にしておくと、Ｓ字または、反Ｓ字状変形による撓みによる、起電力の正負は、補強板側では同じで、また、圧電セラミックス表面側でも同じとなる。Ｓ字でも反Ｓ字でも内側が縮み、外側が伸長する応力が加わりそれに応じた撓みが生ずるためである。その分極方向を同じにしておくと、Ｓ字または、反Ｓ字状変形による撓みによる、起電力の正負は、補強板側では、逆となり、また、圧電セラミックス表面側でも逆となる。Ｓ字でも反Ｓ字でも内側が縮み、外側が伸長する応力が加わりそれに応じた撓みが生ずるためである。
【００１４】
従って、この起電力を図3に例示するように、正負を考慮した結線で取り出すことが出来る。こうして得られる電気エネルギーは交流電力であるために、通常は図3に示されるように、前記電力を整流回路を通して直流電力に変換し、コンデンサや二次電池等の蓄電装置に充電するか、または直接に「負荷」に供給して負荷を駆動することができる。又は、圧電素子毎の整流回路を介することにより、若しくは、圧電素子群ごとの整流回路を入れることにより、直流電力を得ることができる。
【００１５】
発光装置100は、圧電素子13を用いることによって、小型化が容易である。圧電素子13の変位量は、補強板の材質や厚さ、圧電素子の形状や数を変えることによって調整することができるので、弱い力で大きく変位する圧電素子を用いたエネルギー変換装置を実現することもできれば、強い力で小さく変位する圧電素子を用いたエネルギー変換装置を実現することもでき、その場合でも、圧電素子を用いることで、十分に大きな電気エネルギーを得ることができる。
【００１６】
保持部材20・30、圧電素子13については、補強板12としては、一般的には樹脂基板や金属、金属板等の種々のバネ性を有する材料を用いることができるが、金属板が好適に用いられる。大きな力が必要な場合には、機械的強度に優れたエンジニアリングセラミックスやステンレス等の金属材料が好適に用いられる。
【００１７】
圧電素子13が変形する際には、保持部材、スペーサ部、振動子には、所定の力が加わる。このために、このような力が加えられた際に変形を起こさないような機械的強度が求められる。このような観点から、保持部材にはプラスチック樹脂、ステンレス、アルミニウム合金等の各種材料が好適に用いられる。スペーサ部には、保持部材と同等の材料を用いることができる。振動子には、外力を伝達できる剛性も求められる。振動子には、適宜、重しを付加して振動の周期等を最適化できる。
【００１８】
なお、保持部材に金属材料を用い、かつ、圧電素子13を構成する補強板12にも金属材料を用いた場合において、保持部材20・30として、機械的強度が大きく、かつ、絶縁性を有するセラミックス材料（例えば、アルミナ、ジルコニア、ムライト等）を用いることができる。
【００１９】
図2に、保持部材20・30に振動が加えられたときの圧電素子13の変形を模式的に示す。一枚の補強板12上の圧電素子は、中央部分で2分割されているので、その分極方向を逆にしておくと、Ｓ字状変形（又は、反Ｓ字状変形）による撓みによって、起電力の正負は、補強板側では、逆で、また、圧電セラミックス単独面側でも逆となる。
【００２０】
Ｓ字でも反Ｓ字でも内側が縮み、外側が伸長する応力が加わりそれに応じた撓みが生ずるためである。その分極方向を同じにしておくと、Ｓ字または、反Ｓ字状変形による撓みによって、起電力の正負は、補強板側では、同じとなり、また、圧電セラミックス表面側でも同じとなる。Ｓ字でも反Ｓ字でも内側が縮み、外側が伸長する応力が加わりそれに応じた撓みが生ずるためである。従って、この起電力を当該起電力の正負を考慮した結線で取り出すことができる。
【００２１】
こうして圧電素子から得られる電気エネルギーは交流電力であるために、通常は図3に示されるように、これを整流回路で直流電力に変換し、コンデンサや二次電池等の蓄電装置に充電するか、または直接に負荷に供給して負荷を駆動することができる。または、圧電素子毎の整流回路を入れることにより、或いは、圧電素子群ごとの整流回路を入れることにより、直流電力を得ることができる。
【００２２】
なお、2分割した、圧電板11の分極方向を異なるものとするときは、補強板12は、圧電板11aの接着面側の電極膜と圧電板11bの接着面側の電極膜とを短絡させる構造でよい。このため、補強板12として金属箔・金属板を用いることが出来る。一方、圧電板11の分極方向が同じときは、補強板12は、圧電板11aの接着面側の電極膜と圧電板11bの接着面側の電極膜とを短絡させない構造とする必要がある。このため、補強板12として金属箔・金属板を用いる場合には、圧電板11a・11bの一方を、この金属箔・金属板と短絡しないように、絶縁膜を介して金属箔・金属板に接着する等の工夫が必要となる。また、補強板12としてプリント配線基板のように樹脂基板に金属箔を取り付けてなるものを用いる場合には、圧電板11a・11bが絶縁されるように、その金属箔を内周側部と外周側部とに分かれたパターンとしておけばよい。
【００２３】
別の発光装置の実施形態について説明する。図4に発光装置200、300の概略構造を示す正面と平面の断面図を示す。この発光装置200、300は、ともに、第1保持部20を円筒状又は中空角型状握り部80の内側に固定し、棒状振動子60の作用点部分を保持部材30に固定した実施態様である。棒状振動子60の支点部分は、回転自在に握り部80の底部または、端部等に支持されている。発光装置200では、振動子の長さ全体に力点から支点の長さを確保でき、より小さな力で、圧電素子により大きな力を作用させることができるが、端部が開放端となる設計である。発光装置300では、力点から支点の長さと支点から作用点の長さの合計長さが振動子の長さとなる。第1保持部と第2保持部で前記圧電素子を保持し、圧電板を補強板の略中央で２分し、前記補強板の長手方向に沿って、その厚み方向の分極の正負が逆方向となるように二分されて配置され、貼着された圧電板を含む圧電素子を形成している。第2保持部30に加えられる外力により、Ｓ字変形、反Ｓ字状に圧電素子が変形し、圧電板が撓んで、前記圧電素子が、厚み方向で相対的に変位した際に前記圧電素子が撓んで発電し、電気エネルギーが得られ、電気エネルギーを取り出す電気回路と、前記電気回路に接続された発光ダイオードと、を有するので、素子に変形が生ずることによって、前記圧電板が撓んで発電し、電気エネルギーが得られ、前記発光ダイオードが発光することとなる。
【００２４】
また、発光装置100、200、300では、圧電素子13として、補強板12の両方の面に圧電板11が取り付けられた、所謂、バイモルフ構造のものを示したが、補強板12の片面にそれぞれ圧電板11が取り付けられた、所謂、ユニモルフ構造のものを用いてもよい。さらに、圧電板は単板に限定されず、積層構造（積層コンデンサ型構造）を有しているものであってもよい。
【００２５】
発光装置から取り出された電気エネルギーは、バッテリーやコンデンサ等の蓄電装置の充電に用いられ、または電気装置の駆動にも用いられる。例えば、移動体にもちいるとき、自動車であるとしたならば、電気装置としては、ウインカーランプ、ストップランプ、ヘッドライト、テールライト、ワイパー、パワーウインドウ、カーナピゲーションシステム、オーディオ等が挙げられ、移動体がハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池自動車であれば、さらに、走行のための電気モータが挙げられる。また、移動体が電車等の車両であれば、電気装置として、車内表示板（停車駅案内、車内広告用液晶画面等）等が挙げられる。
【００２６】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではない。例えば、発光装置では、圧電素子13を直列に配置されているが、圧電素子13を並列に配置した構造としてもよく、さらに直並列に配置した構造としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明に係る発光装置は、コンパクトで大きな起電力及び大電流が得られ、手等人体から或いは各種構造体からの振動エネルギー等を取り出して行う発光装置として好適であり、無電源の懐中電灯に用いる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る発光装置の駆動の概略構造を示す断面図
【図２】図1に示す発光装置の駆動態様を模式的に示す断面図。
【図３】図1に示す発光装置の電気エネルギーを回収するための回路を例示する構成図。
【図４】本発明に係る別の発光装置の概略構造を示す断面図。
【符号の説明】
【００２９】
100・200・300；発光装置
11,11a,11b；圧電板
12；補強板
13；圧電素子
20；第1保持部
30；第2保持部
21；スペーサ
60；振動子
70；発光ダイオード
80；握り部
【図１】
2007242439.tif 000003
【図２】
2007242439.tif 000004
【図３】
2007242439.tif 000005
【図４】
2007242439.tif 000006