JP2002369554A - 標示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】寸法が限定される標示装置の場合、径の大きさ
が制限された比較的小さな回転翼での磁石の吸引、反発
力を用いて圧電素子に歪みを与える風力発電方式は無風
状態で一端回転が停止し次に風が吹いたとしても磁石間
の吸引または反発力のために回転を起動するための起動
トルクが大きく一定以上の風力に達しないと回転が開始
できないという問題があることが判明した。 【解決手段】回転機構に取り付けた磁石５の数と圧電素
子７の数は２つ以上として回転の過程において向かい合
う磁石５，６間で作用する磁力が最大になる瞬間の対の
数を複数となるようにして一部の対では反発力が作用し
残りの他の対では吸引力が作用するように調節して解決
できることを見いだした。さらにこの圧電素子７が発光
した電気エネルギーを蓄電器に蓄電し、後に必要な時に
取り出し発光体に供給することも可能となった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、標示装置に関し、
特に車道や歩道における道路標識や車線標示の照明、ま
たは電車の走行路に設けられる標識の発光に係わる標示
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、交通標識、視線道路標等の標示装
置を発光させる発光体の電源には、商用電源や太陽電池
等が使用されているが商用電源を使用する場合は空中ケ
ーブル等の配線、地下埋設配線工事等の手間がかかるた
め現在では実開昭６１−１５３１４号公報に記載ある設
置に容易な太陽電池が使用されている。又、実開昭５５
−８８４２１号公報、実開昭６３−７６９９５号公報に
記載ある風力発電機も利用されている。さらに特開平７
−２５９０２９号公報には風力発電機で発電した電気エ
ネルギーを電気二重層コンデンサに充電した後利用する
デリネーターが考案されている。さらに発電機としては
実開昭６３−１１２０１号公報に記載ある圧電素子と磁
石を利用した発電機を車両用の車輪に取り付ける考案が
なされている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、太陽電池や風
力発電機を利用した標示装置は太陽電池や風力発電機で
発電した電気エネルギーを一旦蓄電池に充電し、夜間、
その充電したエネルギーを使用して発光体を発光させて
いるが、この蓄電池は一定期間毎に水を補充する等のメ
ンテナンスが煩わしい他、蓄電池の寿命が数年であるた
め、この蓄電池を取り替える必要がある。又、太陽電池
はトンネル内や山間部の日陰等の太陽が照射しない場所
には設置出来ない。さらに、風力発電機に使用される小
型直流モータ等も寿命が１年程度と短いという欠点があ
った。

【０００４】本発明者等は上記問題を解決すべく鋭意検
討した結果、自然界で容易に得られる風のエネルギーで
風車を回転させ、この回転機構を利用して圧電素子に撓
みの応力を付与することにより発生する電気エネルギー
を利用することで発光体を発光させる電力を供給できる
標示装置の実現が可能となることを知見した。また、こ
の過程で回転機構から圧電素子に力を伝達する手段とし
て磁石間の吸引、反発力を活用する方式が非接触で力を
伝達可能であり部材間での摩耗がなくなり信頼性の向上
に有望であると判断した。

【０００５】この圧電素子に力を伝達する手段としての
磁石の採用については実願 昭６１−１０５１６１、特
願平１０−１３２３８５等に同様の提案がなされてい
る。ところがこれらの場合回転機構が車両の車輪のよう
な大きな機械エネルギーが付与される場合であり、回転
を起動するためのトルクが十分であり回転の起動時の問
題は少ないと判断される。一方寸法が限定される標示装
置の場合、径の大きさが制限された比較的小さな回転翼
での磁石の吸引、反発力を用いて圧電素子に歪みを与え
る風力発電方式は無風状態で一端回転が停止し次に風が
吹いたとしても磁石間の吸引または反発力のために回転
を起動するための起動トルクが大きく一定以上の風力に
達しないと回転が開始できないという問題があることが
判明した。例えば、風速２ｍ以下の微風でも容易に回転
を開始できるように磁石間の距離を離してゆくと圧電素
子への影響力が急激に低下し発電性能も低下し目的を達
し得ないことが判った。また、ある程度大きなトルクを
風力で得ようとすると回転翼の径を増大させることが必
用になり結果的に寸法が大きくなり設置上の問題を生じ
ることになった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者等は上記問題を
解決すべく鋭意検討した結果から風力から付与された機
械的エネルギーを受け回転する回転機構と前記回転機構
に取り付けられた磁石と圧電素子の一部に取り付けられ
た磁石との吸引もしくは反発の磁力により周期的に歪み
が付与される様に回転系の近傍に配置された圧電素子と
を有し前記回転機構に取り付けた磁石の数と前記圧電素
子の数は２つ以上として回転の過程において向かい合う
磁石間で作用する磁力が最大になる瞬間の対の数が複数
であり一部の対では反発力が作用し残りの他の対では吸
引力が作用するように各磁石の位置と磁石の極性を調節
して配置する方式で解決できることを見いだした。

【０００７】また、圧電素子の構成としてはコンプライ
アンスが小さな片持ち梁式の圧電ユニモルフや圧電バイ
モルフさらには圧電板を多層に積層した素子がこの方式
の圧電素子に有効であることが判った。さらに減速機構
を介して回転数を落とすことで回転翼側からの起動のト
ルクを逆に下げることができ上記の手段と組み合わせる
ことで微風での回転を容易にする有効な手段であること
が判った。もちろん減速比を大きくしすぎると単位時間
に圧電素子に与える歪みの回数は減少し実効的な電力の
減少になる。そこで必用に応じて発生電力を一次コンデ
ンサに蓄積し、一定量たまったところで発光素子に電力
を供給することで間欠的に発光させれば小電力でも標示
機能を失わない標示装置を提供できることを確認し本発
明に至った。

【０００８】即ち本発明に係る第一の発明は風力から付
与された機械的エネルギーを受け回転する回転機構に取
り付けられた磁石と圧電素子の一部に取り付けられた磁
石との吸引もしくは反発の磁力により周期的に歪みが付
与される様に回転系の近傍に配置された圧電素子とを有
し前記回転機構に取り付けた磁石の数と前記圧電素子の
数は２つ以上とし回転の過程において向かい合う磁石間
で作用する磁力が最大になる瞬間になる対の数は複数で
あり一部の対では反発力が作用し残りの他の対では吸引
力が作用するように各磁石の位置と磁石の極性を調節し
て配置したことを特徴とし、前記圧電素子が発生した電
気エネルギーを発光ダイオード等の発光体に供給し発光
させるよう構成して成るものである。

【０００９】さらに、本発明に係る第二の発明は、圧電
素子について、両面に電極を有する矩形板状圧電素子単
体、或いは弾性板を介して少なくとも２枚以上を接合し
たバイモルフ構造もしくは積層構造として一端を固定、
他端を自由とした圧電素子の自由端に磁石を配置して成
るもので、この構成により磁石間の吸引、反発作用を圧
電素子の変位に比較的弱い力で容易に変換できるもので
ある。

【００１０】本発明に係る第三の発明は、風力から付与
された機械的エネルギーを受け回転する回転機構に適度
の減速機構を設けることで磁石間の力に抗して回転を生
ずるための起動トルクを軽減でき弱い風での回転を容易
にするものである。例えば３：１に減速した場合回転翼
側へのトルクの負担は１／３に軽減できることになる。

【００１１】さらに、本発明に係る第四の発明は、前記
圧電素子が発生した電気エネルギーを一時、蓄電器に蓄
電し、そのエネルギーを必用に応じて取り出して利用す
るよう構成して成るものであり、微風で回転が遅く単位
時間に発生できる電気エネルギーが少ない場合でも一定
量蓄積した電気エネルギーを瞬間的に放出する事で発光
ダイオードに十分な輝度を生じさせることで標示の機能
を維持させることが可能になる。

【００１２】

【作用】本発明による標示装置においては、風力から付
与された機械的エネルギーを受け回転する回転機構に取
り付けられた磁石が回転することにより、一端を固定さ
れた圧電素子の自由端に配置された磁石上部を前記磁石
が通過する際反発あるいは引き合う事により、圧電素子
に周期的に撓みの応力を付与する。このとき圧電現象に
より圧電素子が発生する電気エネルギーを発光体に供給
することにより発光体を発光させることが可能となる。

【００１３】また回転機構に取り付けられた磁石と圧電
素子の一部に取り付けられた磁石との吸引もしくは反発
の磁力により周期的に歪みが付与される様に回転系の近
傍に配置された圧電素子とを有し前記回転機構に取り付
けた磁石の数と前記圧電素子の数は２つ以上とし回転の
過程において向かい合う磁石間で作用する磁力が最大に
なる瞬間になる対の数は複数にして一部の対では反発力
が作用し残りの他の対では吸引力が作用するように各磁
石の位置と磁石の極性を調節して配置することにより風
がなく回転系が停止するときは吸引と反発が折り合う適
当な角度で停止する事になる。一方、全てが吸引もしく
は反発の状態で構成する場合は起動トルクが最大になる
位置で停止する事になる。両者を比較すると、本発明の
構成では停止状態から起動するときには大幅に起動トル
クが下げられることになり弱い風でも回転が起動できる
ことになる。即ち道路を車両が走行する際に起こる風力
や自然に発生する風力等でもスムーズに回転を起動し、
発光体を発光させる電力を供給できる標示装置の実現が
可能となる。

【００１４】圧電素子について説明すると両面に電極を
有する矩形板状圧電素子単体、或いは弾性板を介して少
なくとも２枚以上を接合しバイモルフ構造もしくは積層
構造として一端を固定、他端を自由とした圧電素子の自
由端に磁石を配置して成る構成により磁石間の吸引、反
発作用の比較的弱い力で圧電素子の変位に容易に変換で
きるものである。

【００１５】また、風力から付与された機械的エネルギ
ーを受け回転する回転機構に適度の減速機構を設けるこ
とで磁石間の力に抗して回転を生ずるための起動トルク
を軽減でき弱い風での回転をさらに容易にするものであ
る。

【００１６】圧電素子が発生した電気エネルギーを一
時、蓄電器に蓄電し、そのエネルギーを必用に応じて取
り出して利用するよう構成することにより微風で回転が
遅く単位時間に発生できる電気エネルギーが少ない場合
でも一定量蓄積した後電気エネルギーを間欠的に放出す
る事で発光ダイオードに十分な輝度を生じさせることで
標示の機能を維持させることができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を、図面を参照しな
がら説明する。図１は本発明の一実施例を示す斜視図で
ある。風力を受ける羽根１が風力を受けた際、回転する
ように構成された回転軸２及び軸受け３を有する回転部
と、前記回転軸２と一体となって回転するカラー４に固
定された回転側の磁石５を４個配置し、自由端に揺動側
の磁石６が配置されている矩形板状のバイモルフ構造の
圧電素子７が４個軸受け３を固定する台座部８に片持ち
梁となるよう固定固定部９で固定される。圧電素子７で
発生した電気エネルギーは標示部１０に導かれて発光す
る。

【００１８】圧電素子７は図２に示すように、例えばチ
タン酸ジルコン酸鉛系の焼結体の両面に電極を付け分極
処理を施した矩形板状圧電素子１１を、矩形板状弾性体
１２を挟むように接合したバイモルフ構造である。又、
圧電素子７の自由端部近傍には磁石６が接合された構造
となっており、固定端は前記固定部９により台座部によ
り８に固定されている。この様に構成することにより、
磁石５と磁石６が磁力により反発又は引き合うことによ
り、圧電素子７の自由端に撓みの応力が付与され、その
際圧電素子７はこの機械エネルギーを電気エネルギーに
変換する。圧電素子７を構成する材料としてはチタン酸
ジルコン酸鉛系の他にチタン酸バリウム系、チタンビス
マス系材料等の圧電性を有する材料ならいずれでも適用
可能である。また、中間の弾性体はガラス繊維を含む有
機物で構成しているが、金属箔等を用いても可能であ
る。

【００１９】図３は本発明の一実施例における回転側磁
石５と圧電素子７の配置を示す図である。カラー４に磁
石５が９０度の角度で４個配置され、圧電素子７はカラ
ー４の外側に４個を９０度の角度で且つ揺動側磁石６は
全てＮ極性が回転軸２を向くように配置し、さらに回転
するカラー４に配置された磁石５は隣り合う磁石５とは
極性を異にするよう配置されている。図３の状態におい
ては左右２組みの磁石５と磁石６は引き合い、圧電素子
は軸２に向かって撓み、上下２組みの磁石５と磁石６は
反発し、圧電素子は外に向かって撓む様構成してある。
この撓みによって圧電素子に歪みが生じ、圧電現象によ
り圧電素子の両電極に電圧が発生する。カラー４がさら
に９０度回転すると圧電素子は前述した方向と逆の磁力
が作用し、反対向きの撓みが生じ、この際も極性が反対
向きの電圧が発生することになる。この発生電圧を標示
部１０に供給することにより発光素子を発光させること
が可能となる。

【００２０】例えば、図５に示す様に、４対の磁石につ
いて全て吸引力が作用するように配置した場合、風がな
く回転翼が停止するときは図５に示す通りの位置にな
る。風が吹き初めて回転を起動するためには、全ての吸
引力によるモーメントを振り切るだけの回転トルクが必
要となり、この位置が起動トルク最大になる。この起動
トルクの大きさは、角度の変化に応じて周期的に変化
し、停止の位置から４５度回転した図６に示した位置で
最小となり、以降４５度間隔で最大、最小を繰り返す。
一方、図３に示す本発明では磁石の数と圧電素子の数を
２つ以上とし、回転の過程において向かい合う磁石間で
作用する磁力が最大になる瞬間の対の一部では反発力が
作用し、残りの他の対では吸引力が作用するように構成
することにより、風がなく風車が停止するときは図４に
示す位置になる。図４に示す停止位置で風が吹き初めて
回転を起動するために振り切る磁石の回転トルクは一部
が吸引、一部が反発となっているため最小になり図５の
構成の場合に比較して起動のトルクが大幅に低減される
ことになる。図４の停止位置から４５度回転した図３の
位置では回転トルクは最大となるが、この値は図５の場
合の１／２となる。この角度と起動トルクの関係を両者
比較して図７に示す。いずれも角度０の時が停止状態と
してある。本発明による回転軸２の回転を始動させる為
に必要な始動トルクは磁石５と磁石６が対向する０度、
４５度、９０度、１３５度、１８０度で最大瞬間値が図
５における構成に比較して１／２となり微少な風力でも
この起動トルクを越えて回転の起動が可能となることが
解る。また、図８のように回転翼と上記回転機構との間
に適当な減速機構１７を設けると回転翼側からの起動ト
ルクはさらに軽減され回転の起動は容易になる。

【００２１】以上の図面４〜図面６を用いた説明では回
転の過程において向かい合う磁石間で作用する磁力が最
大になる瞬間の対の数は偶数である場合で半分が吸引、
半分が反発の場合について説明したが、これらの吸引と
反撥の数の比率は自由であって一部が吸引、一部が反発
で適当に分散していれば起動モーメントの軽減に有効で
あることは言うまでもない。また、以上の条件が満足さ
れる場合には回転側の磁石の数と、磁石の付いた圧電素
子の数についても何ら制限されるものではない。圧電素
子７は例えば図９に示すように、標示として使用する発
光ダイオード１３に電気的に接続され、前記機械エネル
ギーが変換され、発生した電気エネルギーにより発光す
るよう構成されている。圧電素子７が前記応力を受けた
際に発生する電気エネルギーと前記応力が解放され圧電
素子に蓄えられた弾性エネルギーでもとの状態に戻る際
に発生する電気エネルギーの極性は反対向きとなるた
め、この電気エネルギーを有効に利用するためには、発
光ダイオード１３は２個を逆向きの並列に圧電素子に接
続するか、或いは整流回路を介して接続する方法が有効
である。

【００２２】さらに、発光ダイオード１３で標示をする
際には、標示部１０は標示面積を大きくするため、発光
ダイオード１３を複数個配置し、さらに、図１０に示す
様に、光を拡散、或いは集光するため、凸状或いは凹状
のレンズ１６を発光ダイオード１３の光軸上に配置して
ある。こうする事により、圧電素子７にて発電された電
力により発光ダイオード１５が発光する光量を制御し、
有効に運転者や歩行者に標示を認識させることが出来
る。

【００２３】又、図１１に示す様に、圧電素子７が発生
した電気エネルギーを整流回路１５で整流し、蓄電機１
６に蓄電する事により、必要な時に標示部１０を発光さ
せることも可能となる。

【００２４】図１２は本発明の一実施例を図１に示した
構造とは違った配置で実施した例を示す図である。圧電
素子７は回転軸２に対して垂直に配置してある。この様
な構造にしても上述した効果と全く同様の効果が得られ
る。

【発明の効果】以上のべた如く、本発明によれば標示装
置において、風力或いは外部から付与された機械的エネ
ルギーを受け回転する回転機構と前記回転機構に取り付
けられた磁石と圧電素子の一部に取り付けられた磁石と
の吸引もしくは反発の磁力により周期的に歪みが付与さ
れる様に回転系の近傍に配置された圧電素子とを有し前
記回転機構に取り付けた磁石の数と前記圧電素子の数は
２つ以上とし回転の過程において向かい合う磁石間で作
用する磁力が最大になる瞬間の対の一部では反発力が作
用し残りの他の対では吸引力が作用するように各磁石の
位置と磁石の極性を調節して配置し前記圧電素子が発生
した電気エネルギーを発光ダイオード等の発光体に供給
し発光させる様構成したので微弱な風力でも発電可能な
高信頼性を有する標示装置の提供が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す斜視図。

【図２】本発明の一実施例における圧電素子の構造を説
明する断面図

【図３】本発明の一実施例における発電部における磁石
の配置を説明する図。

【図４】本発明の一実施例における発電部における磁石
の配置を説明する図。

【図５】本発明の効果を比較する為の発電部における磁
石の配置を示す図。

【図６】本発明の効果を比較する為の発電部における磁
石の配置を示す図。

【図７】本発明による効果を示す為の起動トルクの回転
角度依存性を示すグラフ。

【図８】本発明の回転機構に減速機構を取り込んだ場合
の図

【図９】本発明の一実施例における標示部の回路構成を
説明する図。

【図１０】本発明の一実施例における標示部の構成を説
明する図。

【図１１】本発明の一実施例における回路構成を説明す
る図。

【図１２】本発明のさらなる一実施例を示す正面図およ
び側面図。

【符号の説明】

１ 羽根 ２ 回転軸 ３ 軸受け ４ 回転部のカラー ５ 回転側磁石 ６ 揺動側磁石 ７ 圧電素子 ８ 台座部 ９ 固定部 １０ 標示部 １１ 矩形板状圧電セラミックス板 １２ 矩形板状弾性体板 １３ 発光素子 １４ レンズ １５ 整流回路 １６ 蓄電機 １７ 減速機構

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】風力から付与された機械的エネルギーを受
   け回転する回転機構に取り付けられた磁石と圧電素子の
   一部に取り付けられた磁石との吸引もしくは反発の磁力
   により前記圧電素子に周期的に歪みが付与されるように
   した構成で前記回転機構に取り付けた磁石の数と前記圧
   電素子の数は２つ以上とし回転の過程において向かい合
   う磁石間で作用する磁力が最大になる瞬間の対数は常に
   複数となり一部の対では反発力が作用し残りの他の対で
   は吸引力が作用するように各磁石の位置と極性を調節し
   て配置したことを特徴とし前記圧電素子が発生した電気
   エネルギーを発光ダイオード等の発光体に供給し発光さ
   せる事を特徴とする標示装置。
2. 【請求項２】 前記圧電素子について、両面に電極を有
   する矩形板状圧電素子単体と弾性板を接合したユニモル
   フ、或いは弾性板を介して少なくとも２枚以上を接合し
   バイモルフ構造もしくは積層構造として一端を固定、他
   端を自由とした圧電素子の自由端に磁石を配置した事を
   特徴とする請求項１記載の標示装置。
3. 【請求項３】 風力から付与された機械的エネルギーを
   受け回転する回転機構に減速機構を設けた事を特徴とす
   る請求項１および２記載の標示装置。
4. 【請求項４】 前記圧電素子が発生した電気エネルギー
   を一時、蓄電器に蓄電し、そのエネルギーを必用に応じ
   て取り出して利用することを特徴とする請求項１、２お
   よび３記載の標示装置。