JP2005323430A - 発電ユニットおよび圧電素子の支持方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電素子を用いた、コンパクトで大きな電気エネルギーを得ることができる発電ユニットおよび発電ユニットに用いられる圧電素子の支持方法を提供する。
【解決手段】 発電ユニット１０は、略矩形形状を有し、屈曲することによって発電する複数のユニモルフ素子１１と、複数のユニモルフ素子１１がその厚み方向に一定の間隔で配置されるように、その長手方向端部を可動に保持する保持部材１２と、少なくとも隣接するユニモルフ素子１１の間にユニモルフ素子１１の厚み方向に変位自在に配置された複数のガイド部材１３と、複数のガイド部材１３を連結保持する連結部材１４とを具備する。連結部材１４に外力を作用させてガイド部材１３を変位させることにより、ユニモルフ素子１１を屈曲させて発電させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は圧電素子を用いた発電ユニットおよび発電ユニットに用いられる圧電素子の支持方法に関する。

近年、クリーンなエネルギーを用いた発電方法として、風力発電等の自然力を利用した発電方法が注目されている。例えば、一般的な風力発電装置としては、プロペラを風力で回転させてモータを回し、電磁誘導により発電するものが実用化されているが、これらは装置が大型であってコストが高いことや、設置場所が制限されること、また、所定の設置間隔を取らなければ発電効率が低下する等の問題がある。

このような問題を解決するために、圧電素子を用いた発電装置が提案されている。たとえば、特許文献１には、枠状のフレーム部材と、フレーム部材の上開口面を覆う振動板と、振動板の表面に取り付けられた受風翼とを具備し、振動板に屈曲変位を生ずることにより発電するバイモルフ型等の圧電素子が取り付けられた構造を有する風力発電装置が開示されている。この風力発電装置では、受風翼が風力を受けることによって振動し、この振動が振動板に伝えられて圧電素子を屈曲させることにより、電気エネルギーを得ることができる。

しかしながら、このような風力発電装置で大電気エネルギーを得ようとすると、複数の風力発電装置を並べなければならないために設置面積が広くなり、発電装置全体が大型化は避けられない。
特開２００１−２３１２７３号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、自然力を含めた種々の外力を利用することができ、コンパクトで大きな電気エネルギーを得ることができる発電ユニットを提供することを目的とする。また、本発明はこのような発電ユニットに用いられる圧電素子の支持方法を提供する。

すなわち、本発明の第１の観点によれば、略矩形形状を有し、屈曲することによって発電する複数の圧電素子と、
前記複数の圧電素子がその厚み方向に一定の間隔で配置されるように、その長手方向端部を可動に保持する保持部材と、
少なくとも隣接する前記圧電素子の間に前記圧電素子の厚み方向に変位自在に配置された複数のガイド部材と、
前記複数のガイド部材を連結保持する連結部材と、
を具備し、
前記ガイド部材が前記圧電素子を屈曲させるように前記連結部材に前記ガイド部材を変位させる外力を作用させることにより前記圧電素子を発電させることを特徴とする発電ユニット、が提供される。

この発電ユニットにおいて、ガイド部材としては、圧電素子の各両端から実質的に同じ距離だけ内側の２点で圧電素子に接して圧電素子を屈曲させるものが好適に用いられる。またガイド部材として、圧電素子が全体的に一定の曲率で略均等に屈曲するように、圧電素子に面接触するものを用いることも好ましい。圧電素子としては、金属板に平板状の圧電セラミック板を貼り付けてなるものが用いられ、この金属板の材質および厚さを調整して圧電素子を屈曲させるために必要な力を調整することにより連結部材に掛けることができる外力の大きさを調整することが好ましい。

本発明の第２の観点によれば、このような発電ユニットに用いられる圧電素子の支持方法が提供される。すなわち、略矩形形状を有する圧電素子をその長手方向端部において可動に支持し、かつ、一定の曲率を有する曲面を備えた部材を前記圧電素子に押し当てることによって前記圧電素子を面で可動に支持することによって、前記圧電素子を前記曲面に沿って均一に屈曲させることを特徴とする圧電素子の支持方法、が提供される。

このような圧電素子の支持方法においては、圧電素子をその厚み方向に一定の間隔で複数配置し、少なくともこれら複数の圧電素子を個々に屈曲させるために曲面を有する部材を複数同時に変位可能に配置することが好ましい。

本発明によれば、ガイド部材および連結部材を変位させて圧電素子を屈曲させる力として種々の外力を用いることができ、コンパクトでありながら、大きな電気エネルギーを得ることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１に本発明に係る発電ユニット１０の概略構造を示す断面図を示し、図２に発電ユニット１０の概略平面図を示す。

発電ユニット１０は、略矩形形状を有する複数のユニモルフ素子１１と、これら複数のユニモルフ素子１１がその厚み方向（Ｚ方向とする）に一定の間隔で配置されるように、その長手方向（Ｘ方向とする）の端部を可動に保持する保持部材１２と、各ユニモルフ素子１１を挟むように配置された複数のガイド部材１３と、これら複数のガイド部材１３を連結して保持する連結部材１４と、を備えている。

図１に示されるように、ユニモルフ素子１１は、公知の通り、表裏面に電極（図示せず）が形成され、厚み方向に分極された平板状の圧電セラミック板２２が補強板２１に貼り付けられた構造を有する。ユニモルフ素子１１の長手方向端にはそれぞれ、補強板２１と噛み合わせるための切り口が形成された棒状部材２３が取り付けられている。ユニモルフ素子１１は、補強板２１の片面に２枚以上の圧電セラミック板２２がＹ方向に並べて貼り付けられた構成であってもよい。

図３にユニモルフ素子１１からの集電を行うための集電回路３０の構成を示す説明図を示す（図１および図２では集電回路３０の図示を省略している）。集電回路３０は、所謂、整流ブリッジ回路３１を並列に接続した構成を有する。後述するように、発電ユニット１０では、ユニモルフ素子１１を屈曲変位させることによって電圧を発生させる。ユニモルフ素子１１で発生する電圧の正負は屈曲する向きによって変わるために、集電回路３０は、各ユニモルフ素子１１の屈曲のタイミングの微小なずれによって集電の際に正の電圧が負の電圧によって打ち消されることを抑制して、集電を行う構成となっている。集電回路３０を通して出力される電気エネルギーは、電力消費負荷に直接供給され、またはコンデンサや二次電池を備えた充電装置に送られてコンデンサ等に蓄えられる。

なお、複数のユニモルフ素子１１の変形（屈曲）の同期がかなりの程度で取れている場合には、集電回路として、各ユニモルフ素子からの出力を整流前に合流させ、その後に整流ブリッジ回路を通して整流する構成としてもよい。これにより整流ブリッジ回路は１個で足り、集電回路の構成を簡単にすることができる。

保持部材１２のＸ方向側壁の内側には、Ｚ方向に一定の間隔でＹ方向に延在する溝２５が形成されており、これらの溝２５にユニモルフ素子１１の両端に設けられた棒状部材２３が可動に嵌め込まれている。

ガイド部材１３は略棒状の形状を有し、その長さ方向がＹ方向（紙面に垂直な方向）に一致するように配置されている。また、ガイド部材１３は、Ｘ方向においては、ユニモルフ素子１１の長手方向両端から実質的に同じ距離だけ内側に２つ並べて配置されている。また、連結部材１４は、複数のガイド部材１３をそのＹ方向端で保持する縦連結部材１４ｃと、縦連結部材１４ｃをＺ方向端で連結保持する横連結部材１４ｂと、横連結部材１４ｂに設けられ、Ｚ方向に延在する突起部材１４ａと、を備えている。

このような構成により、連結部材１４がＺ方向に変位すると、全てのガイド部材１３もまたＺ方向に変位する。ガイド部材１３は、ユニモルフ素子１１の上下に配置されたガイド部材１３がユニモルフ素子１１を締め付けることがないように、かつ、連結部材１４がＺ方向に変位した際にそれが小さな変位であってもユニモルフ素子１１に接してユニモルフ素子１１を屈曲させることができるように、その大きさを設定することが好ましい。例えば、ガイド部材１３としては、隣接する２つのユニモルフ素子１１間の間隔よりも僅かに直径が短いものを用いることが好ましい。

なお、突起部材１４ａを挿通させる変位制御部材１５が、保持部材１２のＺ方向の上下において、保持部材１２に固定されている。この変位制御部材１５によって、連結部材１４のＸ方向とＹ方向へのずれを防止し、連結部材１４がＺ方向にのみ変位することができるようになっている。また、連結部材１４のＺ方向端を構成する横連結部材１４ｂが変位制御部材１５に接することによって、連結部材１４を一定以上に変位させることができない、つまり変位制御部材１５が連結部材１４のＺ方向変位におけるストッパの役割を担っている。

次に発電ユニット１０における発電方法について説明する。発電ユニット１０は、好ましくは保持部材１２が不動となるように固定して用いられる。その状態で、連結部材１４の突起部材１４ａにＺ方向の外力（自然力であっても、人為的な力であっても構わない）を作用させる。これにより連結部材１４全体がＺ方向に変位すると、ガイド部材１３もまたＺ方向に連結部材１４と同量変位する。

図４にユニモルフ素子１１の屈曲状態を示す説明図を示す。ガイド部材１３がＺ方向に変位すると、ガイド部材１３はユニモルフ素子１１に接してユニモルフ素子１１を屈曲させる。このとき、ユニモルフ素子１１のＸ方向端はそれぞれ可動であるから、棒状部材２３が溝２５内でＸ方向に滑りながら、ユニモルフ素子１１のＸ方向端は溝２５内で支持された状態が維持され、図４に示されるように、ユニモルフ素子１１はその長手方向両端とガイド部材１３との接点の計４箇所で支持されて屈曲する。このとき、圧電効果により圧電セラミック板２２に電圧を発生するので、こうして発生する電気エネルギーを集電回路３０を通して集電する。

発電ユニット１０では、ユニモルフ素子１１を４点で支持して屈曲させるために、ユニモルフ素子１１を構成する圧電セラミック板２２を全体的に均一に曲げることができる。これにより、１つのユニモルフ素子１１から大きな電気エネルギーを得ることができるようになる。またユニモルフ素子１１での応力集中が抑制されるために、ユニモルフ素子１１を長寿命化させることができる。

また、ユニモルフ素子１１がＺ方向に所定間隔で並べられた集積構造を有しているために、コンパクトでありながら、大きな電気エネルギーを得ることができる。さらにまた、連結部材１４に過大な力が作用しても、連結部材１４のＺ方向変位量は変位制御部材１５によって制限されているために、ユニモルフ素子１１を過度に屈曲させることはなく、これによりユニモルフ素子１１の破壊が防止される。

発電ユニット１０では、連結部材１４に作用する外力によるユニモルフ素子１１の屈曲変位量を、ユニモルフ素子１１を構成する補強板２１の材質および厚さを調整することにより、またユニモルフ素子１１の配設数を変えることにより調整することができる。逆に言えば、このような補強板２１の材質調整等により、連結部材１４に加えることができる外力の上限値を決めることができる。

例えば、連結部材１４に作用する外力が小さい場合であっても、ユニモルフ素子１１を大きく屈曲させたい場合には、補強板２１として樹脂基板や厚みの薄い金属箔を用いればよい。一方、連結部材１４に大きな力が作用することが前提である場合には、厚さの厚い金属板を補強板２１として用いればよい。また、補強板２１の大きさを変えることによっても、連結部材１４に加えることができる外力の上限値を変えることができる。なお、圧電セラミック板２２の厚さは、曲げ変位量を考慮して、曲げによる破壊が生じない範囲に設定すればよい。

続いて、発電ユニット１０を構成する各種部材の材質について説明する。ガイド部材１３には、ユニモルフ素子１１を屈曲させるための機械的強度が必要となる。前述したように、ユニモルフ素子１１を屈曲させるために必要な力は、補強板２１の材質や厚さによって変わるために、ガイド部材１３に用いる材料もまた、このような補強板２１の材質等に適応させて、種々に選択することができる。

例えば、ユニモルフ素子１１を小さな力で屈曲させることができる構成の場合には、ガイド部材１３として、プラスチック、ガラス、セラミックス、金属、木材等、一定の硬さと強度を有する各種材料を用いることができる。一方、ユニモルフ素子１１を屈曲させるために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。なお、必要に応じて、ガイド部材１３とユニモルフ素子１１とを絶縁する手段を設ける。

ユニモルフ素子１１が屈曲する際には、溝２５を形成している保持部材１２の突起部分に、棒状部材２３から一定の力が加わる。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、これら突起部分のみでなく保持部材１２全体に求められる。このような観点および溝２５を形成するための加工または成形が容易である観点から、保持部材１２にはステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金等の各種金属材料が好適に用いられる。勿論、ユニモルフ素子１１を小さな力で屈曲させることができる構成の場合には、保持部材１２にプラスチックや木材等を用いることができる。連結部材１４には、保持部材１２と同様の材料を用いることができる。

保持部材１２に金属材料を用い、かつ、ユニモルフ素子１１を構成する補強板２１にも金属材料を用いた場合において、この補強板２１をアース電極として用いる場合には、棒状部材２３に金属材料を用いることにより、保持部材１２をアース電極として用いることができる。一方、保持部材１２に金属材料を用いても、保持部材１２を電極として用いない場合には、棒状部材２３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、窒化珪素等）を用いることができる。

次に、本発明の別の実施形態について説明する。図５に発電ユニット５０の概略断面図を示す。この発電ユニット５０と先に説明した発電ユニット１０との相違点はガイド部材の構造のみであるので、以下、この点について説明する。

図６に、ユニモルフ素子１１のガイド部材１７による屈曲状態を示す説明図を示す。発電ユニット５０を構成するガイド部材１７は、ユニモルフ素子１１が全体的に一定の曲率で均等に屈曲するように、ユニモルフ素子１１に面接触する曲面を備えた構造を有している。これにより発電ユニット１０を構成するガイド部材１３を用いた場合と比較して、ユニモルフ素子１１を全体的にさらに均一に屈曲させることができるので、１つのユニモルフ素子１１から得ることができる電気エネルギーを大きくすることができる。また、ユニモルフ素子１１を面で支持して屈曲させるために、ユニモルフ素子１１への応力集中が抑制され、素子寿命をさらに長くすることができる。ガイド部材１７を構成する材料は、先に説明したガイド部材１３に準ずる。

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形態に限定されるものではない。例えば、発電ユニットに用いられる圧電素子としては、図７に示すように、補強板２１の両面に圧電セラミック板２２が貼り付けられたバイモルフ素子１１′を用いることも好ましい。これにより、発電ユニットの大きさを実質的に大型化することなく、より大きな電気エネルギーを得ることができる。また、圧電素子として圧電セラミックス板のみからなるモノモルフ素子を用いることもできる。

複数の発電ユニット１０・５０は、直列（Ｚ方向に相互接続された状態をいう）および／または並列（Ｘ方向またはＹ方向に相互接続された状態をいう）に連結して用いられてもよい。複数の発電ユニット１０・５０の連結は、各連結部材１４を直列および／または並列に連結し、各集電回路３０も同様に接続することにより行うことができる。これにより、より大きな電気エネルギーを得ることができるようになる。また、連結部材１４に加えることができる外力の大きさの上限値を調整することもできる。なお、発電ユニットの直列結合は、電気エネルギーを取り出そうとする振動の力が弱く、振幅（変位）が大きい場合に好適である。一方、並列連結は、電気エネルギーを取り出そうとする振動の力が大きく、振幅（変位）が小さい場合に好適である。

発電ユニット１０では、ユニモルフ素子１１は上に凸の状態と下に凸の状態のいずれの状態にも屈曲することができる構造としたが、ユニモルフ素子１１が一方にのみ屈曲することができる構成としてもよい。図８に、図１に示した発電ユニット１０をユニモルフ素子１１が上に凸の状態にのみ屈曲することができるように変形した発電ユニット１０′の概略構造を示す断面図を示す。

図８に示す状態から明らかなように、発電ユニット１０′では、連結部材１４にＺ方向下側に力が加えられている場合には、Ｚ方向上側の横連結部材１４ｂは保持部材１２のＺ方向上端部に接し、かつ、Ｚ方向下側の横連結部材１４ｂは保持部材１２のＺ方向下側に設けられた変位制御部材１５に接した状態となっており、ユニモルフ素子１１は平坦な状態に維持されている。

連結部材１４にＺ方向上向きの力が加えられた場合には、連結部材１４は図８に示した状態からＺ方向上側へしか変位できないので、ガイド部材１３がユニモルフ素子１１を上に凸の状態に屈曲させる。そして、連結部材１４の変位量は、Ｚ方向上側の横連結部材１４ｂは保持部材１２のＺ方向上側に設けられた変位制御部材１５に接し、かつ、Ｚ方向下側の横連結部材１４ｂは保持部材１２のＺ方向下端部に接した状態となることにより、制限される。これによりユニモルフ素子１１を過度に屈曲させることはない。

本発明はオンサイト発電設備または充電装置として好適である。

本発明に係る発電ユニットの概略構造を示す断面図。 図１に示す発電ユニットの概略平面図。 複数のユニモルフ素子からの集電を行うための集電回路の構成を示す説明図。 図１に示す発電ユニットにおける、ユニモルフ素子のガイド部材による屈曲状態を示す説明図 別の発電ユニットの概略構造を示す断面図。 図５に示す発電ユニットにおける、ユニモルフ素子のガイド部材による屈曲状態を示す説明図。 バイモルフ素子の概略構造を示す断面図。 さらに別の発電ユニットの概略構造を示す断面図。

符号の説明

１０・１０′・５０；発電ユニット
１１；ユニモルフ素子
１１′；バイモルフ素子
１２；保持部材
１３；ガイド部材
１４；連結部材
１４ａ；突起部材
１４ｂ；横連結部材
１４ｃ；縦連結部材
１５；変位制御部材
１７；ガイド部材
２１；補強板
２２；圧電セラミック板
２３；棒状部材
２５；溝
３０；集電回路
３１；整流ブリッジ回路

Claims (6)

1. 略矩形形状を有し、屈曲することによって発電する複数の圧電素子と、
   前記複数の圧電素子がその厚み方向に一定の間隔で配置されるように、その長手方向端部を可動に保持する保持部材と、
   少なくとも隣接する前記圧電素子の間に前記圧電素子の厚み方向に変位自在に配置された複数のガイド部材と、
   前記複数のガイド部材を連結保持する連結部材と、
   を具備し、
   前記ガイド部材が前記圧電素子を屈曲させるように前記連結部材に前記ガイド部材を変位させる外力を作用させることにより前記圧電素子を発電させることを特徴とする発電ユニット。
2. 前記ガイド部材は、前記圧電素子の各両端から実質的に同じ距離だけ内側の２点で前記圧電素子に接して前記圧電素子を屈曲させることを特徴とする請求項１に記載の発電ユニット。
3. 前記ガイド部材は、前記圧電素子が全体的に一定の曲率で屈曲するように、前記圧電素子に面接触することを特徴とする請求項１に記載の発電ユニット。
4. 前記圧電素子は補強板に平板状の圧電セラミック板を貼り付けた構成を有し、前記補強板の材質および厚さを調整して前記圧電素子を屈曲させるために必要な力を調整することにより、前記連結部材に掛けることができる外力の大きさを調整することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発電ユニット。
5. 略矩形形状を有する圧電素子をその長手方向端部において可動に支持し、かつ、一定の曲率を有する曲面を備えた部材を前記圧電素子に押し当てることによって前記圧電素子を面で可動に支持することによって、前記圧電素子を前記曲面に沿って均一に屈曲させることを特徴とする圧電素子の支持方法。
6. 前記圧電素子をその厚み方向に一定の間隔で複数配置し、少なくとも前記複数の圧電素子を個々に屈曲させるために前記曲面を有する部材を複数同時に変位可能に配置することを特徴とする請求項５に記載の圧電素子の支持方法。

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