(57)【要約】【課題】人の動作等、日常的な外部刺激によって効率よく発電することができる発電装置を提供する。【解決手段】変位により起電力を発生させる板状の圧電素子２０を波型に成形して環状とした圧電素子モジュール２を、同軸上に複数並設し接合した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変位により起電力を発生させる板状の圧電素子を波型に成形して環状とした圧電素子モジュールを、同軸上に複数並設し接合したことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記圧電素子モジュールは、隣り合う同士で前記波型の頂点位置がずれるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記圧電素子モジュール同士を接合する接合部は、可撓性を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
全ての前記圧電素子モジュールの電極の結線部を一端面側にまとめて配置したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項５】
前記圧電素子モジュールから発生した起電力を直流電力に変換する整流回路と、
この整流回路により変換された直流電力を蓄電する蓄電手段と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部からの刺激により発電する発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、小型の機器に利用可能な発電手段として、変位により起電力を生じる圧電素子を利用したものが提案されている。
例えば特許文献１には、効率よく発電を行うために、圧電素子を１つにまとめてベルト状に形成し、このベルト状の圧電素子を、交互に入れ子状に並べた内外周の２列のローラ間で強制走行させることにより、圧電素子を強制的に波状変形させて発電を行うものが開示されている。
このような発電手段は、圧電素子に加えられる押圧力からエネルギーを生み出すものであって、各種機器における電池に代わるエネルギー供給手段として期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１６４１６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載されている技術では、圧電素子を変位させるための強制的な外因素子が必要である。このため、発電装置として機器に組み込む場合に、小型化・軽量化を図ることが難しいという問題がある。
【０００５】
本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、人の動作等、日常的な外部刺激によって効率よく発電することができる発電装置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】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明に係る発電装置は、
変位により起電力を発生させる板状の圧電素子を波型に成形して環状とした圧電素子モジュールを、同軸上に複数並設し接合したことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、変位により起電力を発生させる板状の圧電素子を波型に成形して環状としているため、僅かな外的刺激に対しても変位しやすい。また、このような圧電素子で構成される圧電素子モジュールを複数備えているため、簡易な構成で、効率よく、多くの起電力を発生させることができるとの効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態に係る発電装置を示した正面図である。
【図２】本実施形態に係る発電装置の断面図である。
【図３】発電装置を構成する部材を示す要部分解斜視図である。
【図４】圧電素子の圧電効果を説明する説明図である。
【図５】（Ａ）は、圧電素子に電圧をかけることにより圧電素子が延伸する例を示した図であり、（Ｂ）は、圧電素子に電圧をかけることにより圧電素子が収縮する例を示した図である。
【図６】圧電素子モジュールの電気的接続を模式的に示した図である。
【図７】本実施形態におけるブロック図である。
【図８】本実施形態に係る発電装置を腕時計用のバンドに適用した例を示す斜視図である。
【図９】本実施形態に係る発電装置をペン軸部分に適用した例を示す斜視図である。
【図１０】本実施形態に係る発電装置を鞄の持ち手部分に適用した例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図１から図１０を参照しつつ、本発明にかかる発電装置の一実施形態について説明する。なお、本実施形態において発電装置は、例えば人の腕や手の動き（腕を振ることによる揺動、手を握ることによる押圧等）等の外部からの刺激によって発電するものであり、例えば、腕時計等の小型の装置（電子機器）の電源としての利用が想定される小型の発電装置である。
【００１０】
図１は、本実施形態における発電装置の斜視図であり、図２は、発電装置の断面図であり、図３は、発電装置を構成する一部の部材（図３では圧電素子モジュール２ａ〜２ｃと、これらを接合する接合部材４）を示す分解斜視図である。
本実施形態において、発電装置１は、図１に示すように、板状の圧電素子を波型に成形して環状とした圧電素子モジュール２を複数備えており、各圧電素子モジュール２は、同軸上に複数並設され、接合部材４を介して接合されている。
【００１１】
圧電素子モジュール２同士を接合する接合部となる接合部材４の材料は特に限定されないが、接合部は可撓性を有していることが好ましく、接合部材４は、例えば可撓性を有する樹脂等で形成される。
接合部となる接合部材４が可撓性を有する場合には、ユーザが発電装置１を手で握ったり、延伸したりした場合に、接合部が柔軟に撓んで発電装置１の変形等に対応することができる。
なお、圧電素子モジュール２と接合部材４との接合手法は特に限定されないが、接合部に可撓性を損なわないように、例えばシリコーン樹脂等をベースとした弾性のある接着剤等を用いて接合することが好ましい。
【００１２】
本実施形態では、６個の圧電素子モジュール２（２ａ〜２ｆ）が接合されている例を例示しているが、接合される圧電素子モジュール２の数は特に限定されない。また、圧電素子の波型の数や、波型の凹凸の深さ、幅等は特に限定されない。
【００１３】
また、本実施形態では、圧電素子モジュール２は、隣り合う同士で波型の頂点である山部２１の位置がずれるように配置されている。
すなわち、図１及び図２に示すように、圧電素子モジュール２には波型の頂点（山部２１）と谷部とがあるが、隣り合う圧電素子モジュール２では、頂点（山部２１）同士が重ならないようになっている。
このように隣り合う圧電素子モジュール２同士で波型の山部２１（頂点）の位置をずらすことにより、外部から加えられた刺激による変位を生じやすくなる。
【００１４】
なお、各圧電素子モジュール２同士で山部２１（頂点）の位置をどの程度ずつずらすかは特に限定されない。本実施形態では、図２に示すように、隣り合う圧電素子モジュール２の山部２１（頂点）と谷部とが交互に互い違いとなるように配置されているが、山部２１（頂点）の位置のずれ量はこれより小さくてもよい。
【００１５】
ここで、圧電素子モジュール２を構成する圧電素子２０について説明する。
圧電素子２０は、例えば圧電効果を有するポリフッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ；Polyvinylidene fluoride）の一軸延伸フィルムを高電圧で分極処理することにより形成された圧電フィルム（ピエゾフィルム）である。フィルムの厚みは、例えば数十μｍ程度に成形されている。
圧電フィルムは、圧電セラミックスのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等と同様に、押したり、引張ったりして変位を生じさせることにより、起電力を発生させる特性を有している。ポリフッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ）から形成された圧電フィルムは、有機材料であるため、柔軟性、伸縮性、耐衝撃性、耐水性、化学的安定性等に優れるとともに、加工性がよく、大面積で薄膜化が容易な圧電素子である。
なお、圧電素子２０は、圧電フィルムに限定されない。例えば、薄い金属板(ステンレス鋼、チタン、銅等)に圧電皮膜(チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）など)を設けたものを用いてもよい。この場合、金属板の上に形成する圧電皮膜の層の数は特に限定されない。また、圧電皮膜を形成する手法は、例えばスパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法、水熱合成法等によることができる。
【００１６】
ここで、図４及び図５を参照しつつ、圧電素子モジュール２に起電力を発生させる原理について説明する。
【００１７】
圧電素子モジュール２を構成する圧電素子２０は、図４に示すように、板状の圧電素子２０の長手方向と厚み方向に大きな圧電性を有する。
例えば圧電素子２０を長手方向に延伸することにより変位（歪み、変形）させると、圧電素子２０の延伸方向の応力σ１によって生じる圧電素子２０の表面に垂直方向の分極Ｐ３は、圧電歪定数ｄ31によって表され、分極した圧電素子２０内では、分極方向と反対方向に圧電素子２０内に電界が発生する。なお、変位とは逆に、圧電素子２０に、電界Ｅ３を加えると、電界に沿って分極が発生し、分極するための変位量γiに相当する変位（変形）が起こる。このことは下記の式で表すことができる。
∇Ｐ3/∇σi＝ｄ31＝∇γi/∇Ｅ3(i＝1,2,3)
【００１８】
すなわち、圧電素子２０は、その両面に電圧を加えると、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように長手方向に伸縮するとともに、長手方向（図４において延伸方向）に、押したり、引張ったりして変位（歪み、変形）を生じさせることにより、起電力を発生させる。
【００１９】
なお、各圧電素子モジュール２は、単体の板状の圧電素子２０から構成されていてもよいし、薄板状に形成された圧電素子２０を複数の貼り合わせた積層構造であってもよい。
圧電素子２０を複数積層することにより、容量を大きくすることができ、圧電素子２０を単体で用いる場合よりも大きな起電力を発生させることができる。
【００２０】
図６は、圧電素子モジュール２の電気的接続を模式的に示した図である。
圧電素子モジュール２（２ａ〜２ｆ）は、図６における矢印方向（延伸方向）に力が加えられることにより起電力を生じるようになっている。６個の圧電素子モジュール２（２ａ〜２ｆ）にはそれぞれ電極が設けられており、図６に示すように、各圧電素子モジュール２（２ａ〜２ｆ）からは電極と接続された配線が引き出されている。
本実施形態では、図１及び図６に示すように、各圧電素子モジュール２（２ａ〜２ｆ）から引き出された配線を結線する電極の結線部５が、発電装置１の一端面側、すなわち、本実施形態では、端部に位置する圧電素子モジュール２ｆの側部にまとめて配置されており、全ての圧電素子モジュール２ａ〜２ｆの配線は、この結線部５において結線されるようになっている。
結線部５には一対の電極パッド６，６が設けられており、各圧電素子モジュール２（２ａ〜２ｆ）において発生した電力は、この電極パッド６，６を介して電源出力端子１４（図７参照）に出力される。
【００２１】
図７は、本実施形態における発電装置１の要部ブロック図である。
前述のように、本実施形態の発電装置１は起電力を発生させる手段として、複数の圧電素子モジュール２を備えており、圧電素子モジュール２から発生した起電力を直流電力に変換する整流回路１１を備えている。
整流回路１１は、例えばダイオードやコンデンサで構成された半波整流回路、４つのダイオードを用いてブリッジを構成した全波整流回路のいずれでもよい。
また、整流回路１１には、平滑回路１２が接続されている。平滑回路１２は、コンデンサの充放電を利用して、電圧を平滑化し、変動の少ない電圧を得るものである。
また、各平滑回路１２は、蓄電回路１３に接続されている。蓄電回路１３は、整流回路１１により変換された直流電力を蓄電する蓄電手段であり、整流回路１１において直流電力に変換され平滑回路１２において平滑化された起電力は、蓄電回路１３において蓄電される。
また、蓄電回路１３には小型の携帯機器等に電力を出力するための電源出力端子１４が接続されている。
【００２２】
図８は、本実施形態における発電装置１を腕時計のバンド部分に適用した例を示した斜視図である。
発電装置１は、前述のように図６における矢印方向（延伸方向）に引っ張られる等により圧電素子モジュール２が変位すると起電力を生じる。
このため、発電装置１を腕時計３１に適用する場合には、図８に示すように、延伸方向の一端を時計本体３２の上端部に固定し、他端部を時計本体３２の下端部に固定する。これにより、ユーザが腕時計３１を着脱する際に時計ベルトとしての発電装置１が延伸方向に伸縮し、圧電素子モジュール２が変位して起電力を発生させる。
本実施形態では、圧電素子２０が波型に形成され、各圧電素子モジュール２の波型の頂点位置がずれるように配置されているため、発電装置１の内外周の圧電素子２０の凹凸が現れている。このため、ユーザの筋肉の微妙な動き等によっても圧電素子モジュール２に歪み（変位）を生じさせることができ、効率よく発電することができる。
発電装置１によって発電した電力は、例えば時計本体３２内の図示しない時計モジュールを動作させるための電源等として利用することができる。
【００２３】
図９は、発電装置１をペン３３のペン軸３４に適用した例を示した斜視図である。
発電装置１をペン軸３４に適用する場合には、図９に示すように、例えばペン軸３４のグリップ部分の周面を覆うように発電装置１を取り付ける。これにより、ユーザがペン３３を用いて筆記等を行う際に、グリップ部分を握ると、その押圧力によって圧電素子モジュール２ａ〜２ｆに変位を生じ、起電力が発生する。また、例えばペン３３自体がペン軸３４のペン先近傍に可動部を有し、筆記等を行う際に図９に矢印で示したように反りを生じたり、伸縮したりする場合には、これによっても圧電素子モジュール２ａ〜２ｆに変位を生じ、起電力が発生する。
なお、前述のように本実施形態における発電装置１は、各圧電素子モジュール２ａ〜２ｆを、波型の頂点位置（山部２１）がずれて配置されているため、グリップ部分を握ることにより与えられる押圧力が、より多く圧電素子モジュール２ａ〜２ｆに影響を与え、変位を生じさせることができる。
発電装置１によって発電した電力は、例えばペン３３に蓄電手段を備え、発電装置１により得られた電力を蓄電して携帯機器等の補助電源として用いてもよい。また、ペン３３自体が情報を送受信する情報機器としての機能を備えているような場合には、それらの機能部を動作させるための電源等として利用することができる。これによりバッテリーレスで情報機器等を動作させることができる。
【００２４】
図１０は、発電装置１を鞄３５の持ち手部分３６に適用した例を示した斜視図である。
発電装置１を鞄３５の持ち手部分３６に適用する場合には、図１０に示すように、例えば、持ち手部分３５の伸縮を生じる部分に、持ち手部分３５の伸縮方向と圧電素子モジュール２ａ〜２ｅの延伸方向とが一致するように発電装置１を取り付ける。これにより、鞄３５を持って移動している際に生じる上下動等により持ち手部分３５が伸縮すると、これに伴って圧電素子モジュール２ａ〜２ｅに変位が生じ、起電力が発生する。
例えば、鞄３５の本体内に蓄電手段を搭載し、発電装置１により得られた電力を蓄電可能に構成すれば、この電力を携帯機器の充電に利用する等が可能である。また、例えば鞄３５内にスポット照明機器等を設け、発電装置１をその電源として利用すること等も考えられる。
なお、発電装置１を取り付ける位置は図示例に限定されない。例えば、持ち手部分３５のうち手で握持する部分に発電装置１を取り付けてもよい。この場合には、手で持ち手部分３５を握る押圧力により圧電素子モジュール２ａ〜２ｅに変位を生じさせ、起電力を発生させることができる。
【００２５】
なお、図８及び図９では、発電装置１が６個の圧電素子モジュール２ａ〜２ｆを備えて構成されている例を示し、図１０では、発電装置１が５個の圧電素子モジュール２ａ〜２ｅを備えて構成されている例を示しているが、各適用例における発電装置１の構成等はこれに限定されない。
【００２６】
また、ここに例示したものの他、発電装置１は、腕の曲げ伸ばし、物の握持等、人の腕や足等の日常的な動作によって自然と圧電素子モジュール２に伸縮が生じるような箇所であればどこにでも適用することが可能である。例えば膝や肘に着用するサポーターや包帯等の全部又は一部に本実施形態のような発電装置１を設けることにより、膝や肘が伸縮する度に発電を行うことができる。
【００２７】
次に、本実施形態の作用を説明する。
本実施形態において、発電装置１が設けられた装置等（例えば、図８〜図１０に示す腕時計３１、ペン３３のペン軸３４、鞄３５の持ち手部分３６）をユーザが握ることで押圧力を加えたり、伸縮させる等により、発電装置１に外部から刺激が与えられると、各圧電素子モジュール２に変位が生じ、起電力が発生する。各圧電素子モジュール２から発生した起電力は、結線部５の電極パッド６，６を介して電源出力端子１４に出力される。
なお、本実施形態では、発電装置１自体に整流回路１１、平滑回路１２、蓄電回路１３が設けられているため、各圧電素子モジュール２から発生した起電力は、整流回路１１において直流電力に変換され、平滑回路１２において平滑化された上で、蓄電回路１３に送られ、蓄電される。
そして、電源出力端子１４に各種電子機器等の端子が接続されると、蓄電回路１３に蓄電された電力は、適宜取り出されて、接続先の電子機器等に送られ、電子機器等に電力を供給する。
【００２８】
以上のように、本実施形態によれば、板状の圧電素子２０を波型に成形して環状とした圧電素子モジュール２を、同軸上に複数並設し接合している。このため、柔軟に伸縮運動することが可能となり、ユーザが腕を曲げ伸ばす、物を握る等の日常的な動作によって効率よく電力を発生させることができる。これにより、各種機器に供給する電力を簡易に発生させることができ、電池等を用いずに各種機器を動作させることが可能となる。
また、圧電素子モジュール２同士を接合する接合部として機能する接合部材４は可撓性を有している。このため、様々な動きや変形に柔軟に対応することができる。
さらに、本実施形態では、圧電素子モジュール２は、隣り合う同士で波型の頂点位置（山部２１）がずれるように配置されている。これにより、発電装置１の内側、外側の外的変化に適用して、効率よく圧電素子モジュール２を変位させることができ、効率よく多くの起電力を発生させることが可能である。
また、発電装置１を構成する複数の圧電素子モジュール２の電極の結線部５を一端面側にまとめた構成としている。このため、配線を気にせずに各種の機器等に適用が可能であり、例えば図８から図１０に示すような適用を行う場合でも加工等を簡易に行うことができる。
また、本実施形態の発電装置１は、圧電素子モジュール２から発生した起電力を直流電力に変換する整流回路１１とこの整流回路１１により変換された直流電力を蓄電する蓄電回路１３とを備えている。このため、発電装置１によって発電された電力を外部機器等に適宜供給可能な状態で蓄積させておくことができる。
【００２９】
なお、本実施形態では、各圧電素子モジュール２が接合部材４を介して接合されている場合を例として説明したが、接合部材４を介して接合することは本発明の必須の要素ではなく、圧電素子モジュール２同士を直接接着剤等で接合する構成としてもよい。この場合には、圧電素子モジュール２同士の接合部に可撓性を持たせるように、例えばシリコーン樹脂等をベースとした弾性のある接着剤等を用いて接合する。
【００３０】
また、本実施形態では、発電装置１が円筒状の形状である場合を例としたが、発電装置１の形状はこれに限定されない。発電装置１は、これを取り付ける対象物の形状等に応じて、圧電素子モジュール２の大きさや形状等を適宜変更することも可能である。例えば、径の異なる圧電素子モジュール２を同軸上に複数併設して接合し、錘状の発電装置１としてもよい。
【００３１】
なお、本発明が上記実施の形態に限らず適宜変更可能であるのは勿論である。
【００３２】
以上本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明の範囲は、上述の実施の形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲とその均等の範囲を含む。
以下に、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲に記載した発明を付記する。付記に記載した請求項の項番は、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲の通りである。
〔付記〕
＜請求項１＞
変位により起電力を発生させる板状の圧電素子を波型に成形して環状とした圧電素子モジュールを、同軸上に複数並設し接合したことを特徴とする発電装置。
＜請求項２＞
前記圧電素子モジュールは、隣り合う同士で前記波型の頂点位置がずれるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
＜請求項３＞
前記圧電素子モジュール同士を接合する接合部は、可撓性を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発電装置。
＜請求項４＞
全ての前記圧電素子モジュールの電極の結線部を一端面側にまとめて配置したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発電装置。
＜請求項５＞
前記圧電素子モジュールから発生した起電力を直流電力に変換する整流回路と、
この整流回路により変換された直流電力を蓄電する蓄電手段と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発電装置。
【符号の説明】
【００３３】
１  発電装置
２  圧電素子モジュール
４  接合部材
５  結線部
２０  圧電素子
２１  山部
【図１】
2012191788.tif 000003
【図２】
2012191788.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2012191788.tif 000011
【図１０】
2012191788.tif 000012