(57)【要約】【課題】効率的な発電が可能であり、且つ、耐久性に優れた発電装置を提供することを課題とする。【解決手段】自転車の移動時には、スポーク５４が発電ユニット１１の舌片部１１Ａに衝突する。その衝突時には、スポーク５４から舌片部１１Ａに矢印Ｘ方向の衝撃力が作用し、発電ユニット１１は大きく変形する。その衝突後、基盤材２１及び圧電フィルム２２には、矢印Ｘ方向とは略反対である矢印Ｙ２方向の復元力が働き、大きく変形する。その後、発電ユニット１１の舌片部１１Ａへスポーク５４が再度衝突し、矢印Ｘ方向の衝撃力が作用するため、衝撃力による変形と復元力による変形が繰り返され、発電ユニット１１は効率的な発電を行う。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両のフォークに固定され、前記フォークに支えられた車輪のスポークからの機械的入力を電気的出力に変換する発電装置であって、
弾性変形可能な平板形状の基盤材に圧電フィルムが積層された発電ユニットと、
前記基盤材から突出した舌片部と、を備え、
前記車輪の回動により形成される前記スポークの回動軌跡に前記舌片部が交わること、を特徴とする発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載する発電装置であって、
前記基盤材の長手方向両端を前記フォーク側から前記フォークに部分的に固定する固定部材を備えたこと、を特徴とする発電装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する発電装置であって、
前記スポークを回動軸として前記スポークに回動可能に設けられた回動体を備え、
前記回動体は、前記スポークが前記舌片部と交わる位置に設けられたこと、を特徴とする発電装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載する発電装置であって、
前記舌片部は、前記基盤材に前記圧電フィルムが積層されたものであること、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、車両用の発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両用の発電装置としては、例えば、下記特許文献１に記載の自転車用照明装置や、下記特許文献２に記載の自転車用尾灯がある。
【０００３】
下記特許文献１によれば、上記自転車用照明装置では、自転車に備えられた車輪のスポークに、衝撃部材が回動可能に装着される。さらに、自転車のフォークに、圧電セラミックスが装着される。車輪が回転すると、衝撃部材が遠心力でフォーク側に突出する。そのため、衝撃部材の打当部材が圧電セラミックスに当たる。その後、打当部材が車輪側に回動されるので、打当部材がフォークに殆ど接触しないでフォークを通過する。よって、衝撃部材は、殆ど負荷にならず、殆ど損傷しない。
【０００４】
一方、下記特許文献２によれば、上記自転車用尾灯では、車輪が回転すると、車輪のスポークで板などが弾かれる。その弾かれた板などの振動が圧電セラミックスにより電力に変換される。その電力が発光体に供給されることによって発光体が発光する。
【０００５】
つまり、上記自転車用照明装置や上記自転車用尾灯では、圧電セラミックスが電源として使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１５７８４号公報
【特許文献２】特開２００３−１９９８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記自転車用照明装置や上記自転車用尾灯では、圧電セラミックスの設置可能範囲が狭いため、大きな起電力を得られなかった。さらに、上記自転車用尾灯では、スポークにより板などが弾かれる際の衝撃が大きいため、スポークや圧電セラミックスが破損する虞があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した点を鑑みてなされたものであり、効率的な発電が可能であり、且つ、耐久性に優れた発電装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題を解決するためになされた請求項１に係る発明は、車両のフォークに固定され、前記フォークに支えられた車輪のスポークからの機械的入力を電気的出力に変換する発電装置であって、弾性変形可能な平板形状の基盤材に圧電フィルムが積層された発電ユニットと、前記基盤材から突出した舌片部と、を備え、前記車輪の回動により形成される前記スポークの回動軌跡に前記舌片部が交わること、を特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載する発電装置であって、前記基盤材の長手方向両端を前記フォーク側から前記フォークに部分的に固定する固定部材を備えたこと、を特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載する発電装置であって、前記スポークを回動軸として前記スポークに回動可能に設けられた回動体を備え、前記回動体は、前記スポークが前記舌片部と交わる位置に設けられたこと、を特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載する発電装置であって、前記舌片部は、前記基盤材に前記圧電フィルムが積層されたものであること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明の発電装置では、弾性変形可能な平板形状の基盤材に圧電フィルムが積層される。従って、基盤材及び圧電フィルムは、外力を受けると、一緒に大きく変形しやすい。一方、舌片部は、スポークの回動軌跡に交わる。よって、車両移動時に車輪が回動すると、スポークが舌片部に衝突する。その衝突時には、スポークから舌片部に車両移動方向の衝撃力が作用する。その衝撃力により基盤材及び圧電フィルムが大きく変形するので、発電ユニットから大きな起電力を得られる。さらに、その衝突後、基盤材及び圧電フィルムには、車両移動方向とは略反対方向の復元力が働き、基盤材及び圧電フィルムが大きく変形するので、発電ユニットから大きな起電力が得られる。その後、発電ユニットの舌片部へスポークが再度衝突し、衝撃力が作用するため、衝撃力による変形と復元力による変形が繰り返され、基盤材及び圧電フィルムは、車両移動時に振動する。この振動により、発電ユニットは効率的な発電を行う。
【００１４】
また、請求項１に係る発明の発電装置では、発電ユニットが弾性変形可能な基盤材及び樹脂製の圧電フィルムで構成される。このため、基盤材及び圧電フィルムは、車両移動時に振動しても、破損し難い。同様に、舌片部は、スポークとの衝突が繰り返されても、基盤材から裂け難い。よって、発電ユニットは耐久性に優れる。
【００１５】
また、請求項２に係る発明の発電装置では、基盤材の長手方向両端が部分的に固定される。このため、基盤材及び圧電フィルムは、変形自由度が高いので、大きく変形し易い。よって、発電ユニットは、一層に、効率的な発電を行う。
【００１６】
また、請求項３に係る発明の発電装置では、スポークが舌片部に衝突する際は、舌片部が回動体に当たる。この際、回転体が前記衝突で発生する衝撃力により回動し、スポーク及び舌片部への衝撃を受け流す。このため、スポーク及び舌片部は、衝撃力から保護され、スポークは破損し難く、且つ、発電ユニットは、より一層に、耐久性に優れる。
【００１７】
また、請求項４にかかる発明の発電装置では、基盤材に圧電フィルムが積層された舌片部の変形によっても、発電ユニットは発電を行う。よって、発電ユニットは、より一層に、効率的な発電を行う。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る発電装置を搭載した自転車が表された平面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａで自転車を切断した面で同発電装置が表された断面図である。
【図３】発電ユニットを長手方向に沿って切断した面で表された断面図である。
【図４】発電ユニットの発電原理を説明する図である。
【図５】発電ユニットと蓄電装置の回路構成を説明する図である。
【図６】整流回路を説明する図である。
【図７】図２の線Ｂ−Ｂで切断された面を用いて発電ユニットの振動原理を説明する断面図である。
【図８】他の実施形態で同発電装置が表された断面図である。
【図９】他の実施形態で同発電装置が表された断面図である。
【図１０】他の実施形態で同発電装置が表された断面図である。
【図１１】他の実施形態で同発電装置が表された断面図である。
【図１２】他の実施形態で同発電装置が表された断面図である。
【図１３】他の実施形態で発電ユニットが表された断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明に係る発電装置について、具体化した一実施形態に基づき、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２０】
［１．自転車］
図１に表されたように、自転車５１には、本実施形態の発電装置１が搭載される。本実施形態の発電装置１は、整流回路２、蓄電装置３、及びヘッドライト４に電気的に接続される。整流回路２、蓄電装置３、及びヘッドライト４も、自転車５１に搭載される。
【００２１】
自転車５１を説明する。自転車５１は、フレーム５２を備える。フレーム５２は、フォーク５２Ａとシートステー５２Ｂとを有する。フォーク５２Ａは、車輪５３を支える。車輪５３には、スポーク５４が設けられる。
【００２２】
自転車５１には、フォーク５２Ａの上に、ヘッドチューブ５５が設けられる。ヘッドチューブ５５は、ハンドル５６を支える。
【００２３】
本実施形態の発電装置１は、フォーク５２Ａ付近に設けられる。整流回路２及び蓄電装置３は、ヘッドチューブ５５に設けられる。ヘッドライト４は、ハンドル５６に設けられる。
【００２４】
［２．発電装置］
本実施形態の発電装置１を説明する。図２に表されたように、本実施形態の発電装置１は、発電ユニット１１、固定部材１２、回動体１３、及びかしめ部材１４を有する。
【００２５】
発電ユニット１１は、フォーク５２Ａ内で左右に設置される。その設置は、発電ユニット１１を固定部材１２でフォーク５２Ａに固定することにより行われる。この固定は、発電ユニット１１の長手方向両端において、フォーク５２Ａ側一部のみに対して行われる。
【００２６】
発電ユニット１１では、フォーク５２Ａの上下中央付近に、舌片部１１Ａが突出する。舌片部１１Ａは、スポーク５４と交差する。
【００２７】
回動体１３は、円筒形状であり、スポーク５４に貫通される。回動体１３の両端は、かしめ部材１４に挟まれる。かしめ部材１４は、スポーク５４に固定される。この構造により、回動体１３は、スポーク５４を回動軸として、回動可能である。回動体１３は、スポーク５４が舌片部１１Ａに当たる位置に設けられる。
【００２８】
［２．−１  発電ユニット］
図３に表されたように、発電ユニット１１は、基盤材２１を有する。基盤材２１の両面には、一対の圧電フィルム２２が貼り付けられる。圧電フィルム２２の両面には、電極膜２３，２４が設けられる。電極膜２３，２４には、電気配線２５，２６がそれぞれ接続される。発電ユニット１１の表面は、被覆材２７で被覆される。
【００２９】
尚、図２に表された舌片部１１Ａは、基盤材２１、圧電フィルム２２、電極膜２３，２４、及び被覆材２７で構成される（下記図７参照）。
【００３０】
基盤材２１は、平板形状を有し、ショアＡ（デュロメータタイプＡ）硬さが１５〜６０程度の範囲内の弾性体であり、弾性体には、エラストマー、シリコンなどが用いられる。よって、基盤材２１は、弾性変形可能である。
【００３１】
圧電フィルム２２は、圧電効果を有する圧電性物質で構成された樹脂フィルムである。圧電性物質には、例えば、ポリフッ化ビリニデン（ＰＶＤＦ）が用いられる。
【００３２】
電極膜２３，２４は、アルミニウムなどを材質とし、蒸着、スパッタリング、導電性ペーストなどによって設けられる。
【００３３】
発電ユニット１１では、基盤材２１が板厚方向へ変形・振動するに伴い、圧電フィルム２２が変形・振動する。この変形・振動の際は、図４に表されたように、圧電フィルム２２内の電荷が分極し、この分極によって、電位差が発生する。この電位差により、電極膜２３，２４の間に起電力が発生する。
【００３４】
尚、図２に表されたように、発電ユニット１１の長手方向両端一部が固定部材１２でフォーク５２Ａに固定される。この固定は、発電ユニット１１を構成する基盤材２１に対して行われる。
【００３５】
［２．−２  回路構成］
図５に表されたように、発電ユニット１１は、電気配線２５，２６により、整流回路２に接続される。整流回路２は、蓄電装置３に接続される。蓄電装置３は、発電ユニット１１から出力される電荷を蓄えるための装置である。蓄電装置３は、大容量コンデンサや二次電池などから構成される。尚、蓄電装置３は、図１に表されたヘッドライト４に電気的に接続される。
【００３６】
図６に表されたように、整流回路２は、ダイオードブリッジ回路などから構成される。整流回路２は、一対の入力端子を有する。その入力端子は、電気配線２５，２６により、発電ユニット１１に接続される。整流回路２は、一対の出力端子を有する。その出力端子は、正極端子と負極端子で構成される。整流回路２の正極端子は、蓄電装置３の正極端子に接続される。整流回路２の負極端子は、蓄電装置３の負極端子に接続される。
【００３７】
［２．−３  振動原理］
図１に表された自転車５１が前進する場合を例にして、発電ユニット１１の振動原理を説明する。
【００３８】
図７（ａ）に表されたように、発電ユニット１１では、スポーク５４の回動方向Ｘを表す白抜矢印の延長上に舌片部１１Ａが位置する。スポーク５４が回動方向Ｘに進むと、図７（ｂ）に表されたように、スポーク５４が回動体１３を介して舌片部１１Ａを弾く。
【００３９】
このとき、回動体１３は、舌片部１１Ａに擦られることにより、矢印Ｚの向きに回転する。同時に、発電ユニット１１は、スポーク５４及び回動体１３に押されることにより、矢印Ｙ１の向き（フォーク５２Ａの前方向）に撓って変形する。その後は、図７（ｃ）に表されたように、発電ユニット１１は、自らの復元力により、矢印Ｙ２の向き（フォーク５２Ａの後方向）に撓って変形する。さらにその後、図７（ｄ）に表されたように、発電ユニット１１は、再度スポーク５４及び回動体１３に押されることにより、矢印Ｙ１（図（ｂ）参照）の向きに撓って変形する。
【００４０】
図１に表された自転車５１が前進し続けると、発電ユニット１１では、図７（ｂ）に表された変形状態と図７（ｃ）に表された変形状態と図７（ｄ）に表された変形状態とが繰り返される。
【００４１】
［３．まとめ］
すなわち、本実施の形態に係る発電装置１では、図３に表されたように、弾性変形可能な平板形状の基盤材２１に圧電フィルム２２が積層される。従って、基盤材２１及び圧電フィルム２２は、外力を受けると、一緒に大きく変形しやすい。
【００４２】
一方、舌片部１１Ａは、スポーク５４の回動軌跡に交わる。その回動軌跡は、図７（ａ）の回動方向Ｘを表す白抜矢印がフォーク５２Ａの前方向に移動することによって描かれる。
【００４３】
よって、図７（ｂ）に表されたように、自転車５１の移動時に車輪５３が回動すると、スポーク５４が舌片部１１Ａに衝突する。その衝突時には、スポーク５４から舌片部１１Ａに矢印Ｘ方向（図７（ａ）参照）の衝撃力が作用する。その衝撃力により基盤材２１及び圧電フィルム２２が大きく変形するので、発電ユニット１１から大きな起電力を得られる。
【００４４】
さらに、図７（ｃ）に表されたように、その衝突後、基盤材２１及び圧電フィルム２２には、矢印Ｘ方向（図７（ａ）参照）とは略反対である矢印Ｙ２方向の復元力が働き、基盤材２１及び圧電フィルム２２が大きく変形するので、発電ユニット１１から大きな起電力が得られる。その後、図７（ｄ）に表されたように、発電ユニット１１の舌片部１１Ａへスポーク５４が再度衝突し、矢印Ｘ方向の衝撃力が作用する。
【００４５】
このため、衝撃力による変形と復元力による変形が繰り返され、基盤材２１及び圧電フィルム２２は、自転車５１の移動時に振動する。この振動により、発電ユニット１１は効率的な発電を行う。
【００４６】
また、本実施の形態に係る発電装置１では、図３に表されたように、発電ユニット１１が弾性変形可能な基盤材２１及び樹脂製の圧電フィルム２２で構成される。このため、基盤材２１及び圧電フィルム２２は、自転車５１の移動時に振動しても、破損し難い。同様に、舌片部１１Ａは、スポーク５４との衝突が繰り返されても、基盤材２１から裂け難い。よって、発電ユニット１１は耐久性に優れる。
【００４７】
また、本実施の形態に係る発電装置１では、図２に表されたように、基盤材２１の長手方向両端が固定部材１２で部分的に固定される。このため、基盤材２１及び圧電フィルム２２は、変形自由度が高いので、大きく変形し易い。よって、発電ユニット１１は、一層に、効率的な発電を行う。
【００４８】
また、本実施の形態に係る発電装置１では、図７（ｂ）に表されたように、スポーク５４が舌片部１１Ａに衝突する際は、舌片部１１Ａが回動体１３に当たる。この際、回動体１３が前記衝突で発生する衝撃力により回動し、スポーク５４及び舌片部１１Ａへの衝撃力を受け流す。このため、スポーク５４及び舌片部１１Ａは、衝撃力から保護され、スポーク５４は破損し難く、且つ、発電ユニット１１は、より一層に、耐久性に優れる。
【００４９】
また、本実施の形態に係る発電装置１では、図７（ｂ）（ｃ）（ｄ）に表されたように、舌片部１１Ａは基盤材２１に圧電フィルム２２が積層されたものである。従って、舌片部１１Ａの変形によっても、発電ユニット１１は発電を行う。よって、発電ユニット１１は、より一層に、効率的な発電を行う。
【００５０】
また、本実施の形態に係る発電装置１では、圧電フィルム２２が樹脂製のため、舌片部１１Ａを柔軟且つ薄肉化できる。そのため、発電ユニット１１がサイズアップしても、発電ユニット１１の重量増加が抑制される。従って、自転車５１の運転者に対する負担増加が小さく抑えられる。さらに、スポーク５４に対する衝撃力が抑えられる。よって、スポーク５４は破損し難い。
【００５１】
また、本実施の形態に係る発電装置１では、発電ユニット１１の設置スペース全体に圧電フィルム２２を設けることが可能である。つまり、発電ユニット１１は、その設置スペース全体を発電に利用できる。よって、発電ユニット１１は、発電効率が高い。
【００５２】
［４．その他］
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、本実施の形態に係る発電装置１は、フォーク５２Ａとスポーク５４とを有する車両の全てに搭載することができる。その車両には、例えば、オートバイ、三輪車、又は一輪車などがある。
【００５３】
蓄電装置３は、スマートフォンなどの電子機器に電気的に接続されてもよい。
【００５４】
発電ユニット１１は、シートステー５２Ｂ付近に設けられてもよい。つまり、本実施の形態に係る発電装置１は、自転車５１の後輪側フォークに搭載することが可能である。
【００５５】
次に、他の実施形態を説明する。以下の説明では、上記実施形態と実質的に共通する部分には同一の符号を付し、詳しい説明を省略する。
【００５６】
図８に表された発電装置１０１では、フォーク５２Ａの下端付近に、発電ユニット１１１の舌片部１１１Ａが突出する。従って、回動体１１３及びかしめ部材１１４も、スポーク５４の下端付近に設けられる。このようなケースでは、回動体１１３が密に配置される。そのため、自転車５１の移動時には、発電ユニット１１１（を構成する基盤材２１及び圧電フィルム２２）は、高周波数で振動し、その振動の振幅は小さい。よって、その振動は、自転車５１の運転者に伝わり難い。
【００５７】
図９に表された発電装置２０１では、車輪５３の付近に、発電ユニット２１１の舌片部２１１Ａが突出する。従って、回動体２１３及びかしめ部材２１４も、車輪５３の付近に設けられる。このようなケースでは、遠心力によりスポーク５４が回動体２１３を介して舌片部２１１Ａを大きな力で弾く。そのため、自転車５１の移動時には、発電ユニット２１１（を構成する基盤材２１及び圧電フィルム２２）は、より大きく変形する。よって、発電ユニット２１１は、より大きな発電出力を行う。
【００５８】
図１０に表された発電装置３０１では、車輪５３の付近に、発電ユニット３１１の舌片部３１１Ａが突出する。従って、回動体３１３Ａ及びかしめ部材３１４Ａも、車輪５３の付近に設けられる。さらに、フォーク５２Ａの下端付近に、発電ユニット３１１の舌片部３１１Ｂが突出する。従って、回動体３１３Ｂ及びかしめ部材３１４Ｂも、スポーク５４の下端付近に設けられる。このようなケースでは、発電ユニット３１１（を構成する基盤材２１及び圧電フィルム２２）は、全体的に大きく変形する。よって、発電ユニット３１１は、発電効率が向上する。
【００５９】
図１１に表された発電装置４０１は、車輪５３の付近に、発電ユニット４１１の舌片部４１１Ａが突出する。従って、回動体４１３及びかしめ部材４１４も、車輪５３の付近に設けられる。さらに、発電ユニット４１１は、フォーク４５２Ａの湾曲形状に適応した平板形状である。発電ユニット４１１は、固定部材４１２でフォーク４５２Ａに固定される。この固定は、発電ユニット４１１の長手方向両端において、フォーク４５２Ａ側一部のみに対して行われる。このようなケースを可能にした理由は、発電ユニット４１１（を構成する基盤材２１及び圧電フィルム２２）が樹脂製で形状自由度が高いためである。従って、本発明は、フォークのいかなる形状にも適応することができる。
【００６０】
図１２に表された発電装置５０１は、仮想垂直面上に配置されたスポーク５５４に適応する。発電ユニット５１１では、フォーク５２Ａの上下中央付近に、舌片部５１１Ａが突出する。舌片部５１１Ａは、スポーク５５４と交差する。従って、回動体５１３及びかしめ部材５１４も、フォーク５２Ａの上下中央付近に設けられる。このようなケースを可能にした理由は、発電ユニット５１１（を構成する基盤材２１及び圧電フィルム２２）が樹脂製で形状自由度が高いためである。従って、図１２に表された発電装置５０１のように、本発明は、スポークのいかなる形状にも適応することができる。
【００６１】
図１３に表された発電ユニット６１１では、２層の圧電フィルム３１，３２が積層されることにより、舌片部６１１Ａが構成される。舌片部６１１Ａは、２層の圧電フィルム３１，３２により重くなる。そのため、発電ユニット６１１（を構成する基盤材２１及び圧電フィルム２２）がより撓んで変形する。自転車５１の移動時には、発電ユニット６１１は、大きな振幅で振動することを促進される。よって、発電ユニット６０１は、より大きな発電出力を行う。
【符号の説明】
【００６２】
１    発電装置
１１    発電ユニット
１１Ａ  舌片部
１２    固定部材
１３    回動体
２１    基盤材
２２    圧電フィルム
５１    自転車
５２Ａ  フォーク
５３    車輪
５４    スポーク
Ｘ    スポークの回動方向
【図１】
2016159798.tif 000003
【図２】
2016159798.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】
2016159798.tif 000009
【図８】
2016159798.tif 000010
【図９】
2016159798.tif 000011
【図１０】
2016159798.tif 000012
【図１１】
2016159798.tif 000013
【図１２】
2016159798.tif 000014
【図１３】
2016159798.tif 000015