JP2003111444A - 圧電素子を利用した発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電素子１を利用した発電を、実用に十分供
せられる程度に実現する。 【解決手段】 圧電素子１に周期的な応力を付与する応
力付与手段２と、応力付与手段２によって圧電素子１か
ら発生する電力を蓄える電源部３と、を備える。圧電素
子１は、互いに間隔をあけた状態で一対設ける。応力付
与手段２は、一対の圧電素子１に、交互に周期的な応力
を付与自在である。応力付与手段２は、ゼンマイ４と、
該ゼンマイ４を巻き取る巻取り手段５と、ゼンマイ４を
巻き取った状態に保持及び保持解除自在なストッパ６
と、該ゼンマイ４の弾性力を伝達する伝達手段７と、該
伝達手段７によって伝達される上記弾性力を、互いに対
向する一方向と他方向とに交互に付与自在とする周期的
応力付与手段８と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、圧電素子（ピエ
ゾ素子）を利用して発電を行なう、圧電素子を利用した
発電装置に関する。

【０００２】

【発明の背景】従来から、外力を加えて歪ませることに
より電場を発生し、逆に電場を加えることにより自身が
歪む、圧電素子（ピエゾ素子）が知られている。この圧
電素子は、上述のような性質を有するために、圧力セン
サ等をはじめとする種々の分野で利用されている。

【０００３】ところで、近年のパーソナルコンピュータ
や電気機器の小型化は著しく、我々の生活の利便性を高
める要因ともなっている。このような多種多様な小型化
された機器においては、小型化された機器の寸法に見合
った電源装置が必要である。このため、例えば電池の小
型化・長寿命化の開発が進められているが、化学変化に
よって電力を得る構造における小型化・長寿命化には限
界がある。

【０００４】このような事情に鑑みて、本発明者は、上
記圧電素子を利用した継続的な発電の実現を思い立っ
た。従来から圧電素子を用いて発電することは考えられ
てはいたが、従来の圧電素子を利用した発電装置は飽く
まで人力を利用しており、単発的な発電しかできないも
のであった。本発明者は、鋭意研究の末、人力を利用す
ることなく、圧電素子を用いた実用的な発電装置を発明
するに至った。

【０００５】この発明に係る圧電素子を利用した発電装
置は、このような背景に基づいて創案されたもので、安
価且つ簡易な構成にも拘わらず長時間に亙って発電で
き、もって小型電気機器の駆動源として実用に供するこ
とのできる圧電素子を利用した発電装置を提供するもの
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係る圧電素子
を利用した発電装置は、請求項１に記載したように、圧
電素子を利用して発電を行なう、圧電素子を利用した発
電装置であって、圧電素子に周期的な応力を付与する応
力付与手段と、この応力付与手段によって圧電素子から
発生する電力を蓄える電源部と、を備えたことを特徴と
するものである。。

【０００７】また、請求項２に記載した発明は、上記圧
電素子が、互いに間隔をあけた状態で一対設けられてお
り、上記応力付与手段は、これら一対の圧電素子に、交
互に周期的な応力を付与自在としたものである。

【０００８】上記応力付与手段としては、請求項３に記
載したように、ゼンマイと、このゼンマイを巻き取る巻
取り手段と、ゼンマイを巻き取った状態に保持及び保持
解除自在なストッパと、このゼンマイの弾性力を伝達す
る伝達手段と、この伝達手段によって伝達される上記弾
性力を、互いに対向する一方向と他方向とに周期的に付
与自在とする周期的応力付与手段と、を備えた構成を採
用できる。

【０００９】また、請求項４に記載したように、上記ゼ
ンマイは複数設けられ、一のゼンマイを巻き取ることに
より、この一のゼンマイの回転軸に固定された一の歯車
に噛合する他のゼンマイの回転軸に固定された他の歯車
が回転して該他のゼンマイが巻き取られるものであり、
上記ストッパを解除することによって一のゼンマイが弾
性力を開放する向きに回転し、この一のゼンマイの回転
終了に伴って順次次段のゼンマイが弾性力を開放する向
きに回転するようにした構成を採用できる。

【００１０】更には、請求項５に記載したように、上記
ゼンマイは複数設けられ、巻き取られた一のゼンマイが
弾性力を開放する向きに回転するのに伴って他のゼンマ
イが巻き取られるものであり、一のゼンマイの回転終了
に伴って他のゼンマイが弾性力を開放する向きに回転す
るようにした構成を採用することもできる。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、この発明の実施の形態例に
ついて図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、この
発明の実施の第一形態例を示している。本形態例に係る
圧電素子を利用した発電装置は、互いに間隔をあけた状
態で設けられた一対の圧電素子１と、これら圧電素子１
に交互に周期的な応力を付与する応力付与手段２と、こ
の応力付与手段２によって圧電素子１から発生する電力
を蓄える電源部３と、を備えている。

【００１２】上記応力付与手段２は、ゼンマイ４と、こ
のゼンマイ４を巻き取る巻取り手段５と、ゼンマイ４を
巻き取った状態に保持及び保持解除自在なストッパ６
と、このゼンマイ４の弾性力を伝達する伝達手段７と、
この伝達手段７によって伝達される上記弾性力を、互い
に対向する一方向と他方向とに交互に付与自在とする周
期的応力与手段８と、を備えている。

【００１３】上記ゼンマイ４は、その一端を回転軸９に
固定され、この回転軸９に巻き付ける状態で巻取り自在
としている。上記回転軸９の一端部には回転円板１０を
固定しており、この回転円板１０の外側面に略十字形の
つまみ１１を設けている。このつまみ１１を摘んで上記
回転円板１０を回転させることにより、回転軸９を介し
て上記ゼンマイ４を巻き取れる。また、上記回転円板１
０の周面には線状部材１２が巻き掛けられており、この
線状部材１２の一端部に設けた取っ手１３を持って該線
状部材１２を引くことによっても、このゼンマイ４を巻
き取れるようにしている。上記摘み１１を設けた回転円
板１０及び取っ手１３を設けた線状部材１２が、上記巻
取り手段５をなす。

【００１４】尚、上記ストッパ６は、従来から知られた
ものを採用できる。

【００１５】上記回転軸９の他端部には、第一の歯車１
４を固定している。この第一の歯車１４には、小径の歯
車の表面に大径の歯車を合体させてなる第二の歯車１５
の上記小径の歯車を噛合させている。更に、第二の歯車
１５の大径の歯車には、この第二の歯車１５と同様構成
の第三の歯車１６の小径の歯車を噛合させている。更
に、この第三の歯車１６の大径の歯車は、後述する第四
の歯車１７に噛合させている。上記第三の歯車１６と対
向する位置には、上下方向に間隔をあけて設けられた一
対の圧電素子１を配置している。これら一対の圧電素子
１の間部分には、後述する楕円ディスク１８を配置して
いる。この楕円ディスク１８は、回転軸１９の一端に固
定されており、この回転軸１９の他端に上記第四の歯車
１７が固定されている。上記第一の歯車１４、第二の歯
車１５の大径の歯車、第三の歯車１６の大径の歯車、第
四の歯車１７のそれぞれの径の大きさは、第一の歯車１
４、第二の歯車１５の大径の歯車、第三の歯車１６の大
径の歯車、第四の歯車１７の順に小さくしている。これ
ら第一の歯車１４、第二の歯車１５、第三の歯車１６、
第四の歯車１７が、上記ゼンマイ４の弾性力を伝達する
伝達手段７を構成している。

【００１６】上記楕円ディスク１８は、その中心位置に
上記回転軸１９の一端が固定されている。従って、回転
軸１９の回転に伴って楕円ディスク１８は、長径側が上
下方向に位置する状態と、長径側が水平方向に位置する
状態とを交互に取る。楕円ディスク１８が、その長径側
が上下方向に位置する状態においては、上記一対の圧電
素子１を押圧し、長径側が水平方向に位置する状態にお
いては、上記押圧を停止する。この結果、上記一対の圧
電素子１は、周期的に応力が付与される。この楕円ディ
スク１８が、周期的応力付与手段８をなす。

【００１７】また、本形態例においては上記電源部３と
して、基板２０上にコンデンサ等の充電器２１を備えた
構成を採用している。従って、上記充電器２１には、圧
電素子１に対する周期的な応力の付与に伴って電力が蓄
積される。この蓄積された電力は、他の機器の電源とし
て使用される。

【００１８】上述のように構成される本形態例に係る圧
電素子を利用した発電装置を用いて発電する際の作用
は、次のとおりである。すなわち、上記回転円板１０に
設けたつまみ１１を回すか或いは上記取っ手１３を持っ
て線状部材１２を引くかすることにより、ゼンマイ４を
巻き取る。巻き取られたゼンマイ４に対しては上記スト
ッパ６が自動的に作動してゼンマイ４が開放されるのを
阻止する。

【００１９】次いで、上記ストッパ６を解除する。これ
により、ゼンマイ４は巻取り方向とは逆向きに回転す
る。上記回転力は、伝達手段７を構成する上記第一乃至
第四の各歯車１４、１５、１６、１７を介して減速しつ
つ伝達される。上記第四の歯車１７の回転に伴い、回転
軸１９を介して楕円ディスク１８が回転する。この楕円
ディスク１８の回転に伴い、上記一対の圧電素子１に周
期的に応力が加えられる。

【００２０】上記一対の圧電素子１に周期的に応力が加
えられる結果、圧電素子１から電力を得ることができ
る。このようにして得られた電力は、圧電素子１から延
出したリード線２２から上記電源部３を構成する基板２
０に設けられた充電器２１に送られ、ここで蓄えられ
る。蓄えられた電力は外部の機器等の電源として利用で
きる。

【００２１】本形態例に係る圧電素子を利用した発電装
置においては、ゼンマイ４の回転力を伝達手段７を介し
て減速して周期的応力付与手段８に伝達するようにして
いるため、従来では達成できなかった長時間に亙る周期
的な応力付与を可能にできる。このため、長時間に亙る
発電が可能になり、実用面での大きな効果を得られる。

【００２２】尚、上述の例においては、図２（Ａ）に示
すように、上記楕円ディスク１８の中心部を回転軸１９
に固定した構造を採用しているが、これに代えて、図２
（Ｂ）に示すように、偏心させて固定しても良い。この
場合においては、一対の圧電素子１に、交互に周期的な
応力を付与できる。

【００２３】また、周期的応力付与手段８としては、上
述の例の構造の他、図３に示すように回転リンク２３を
利用して応力付与板２４をピストン運動させることによ
り、互いに間隔をあけて水平に設けられた一対の圧電素
子１に、交互に周期的な応力を付与するように構成でき
る。また、図４に示すように、従来知られた機構によ
り、応力付与球２５を振り子のごとく周期運動させて、
互いに間隔をあけて水平に設けられた一対の圧電素子１
に、交互に周期的な応力を付与するように構成すること
もできる。

【００２４】次に、図５は、この発明の実施の第二形態
例を示している。本形態例に係る圧電素子を利用した発
電装置は、上述した第一形態例と同様、互いに間隔をあ
けた状態で設けられた一対の圧電素子１と、これら圧電
素子１に交互に周期的な応力を付与する応力付与手段２
と、この応力付与手段２によって圧電素子１から発生す
る電力を蓄える電源部３と、を備えている。これら構成
各手段１、２、３のうち、圧電素子１、電源部３につい
ては上記第一形態例と全く同様である。

【００２５】本形態例に係る応力付与手段２は、２個の
ゼンマイ４が設けられ、巻き取られた一のゼンマイ４が
弾性力を開放する向きに回転するのに伴って他のゼンマ
イ４が巻き取られるものである。更に、一のゼンマイ４
の回転終了に伴って他のゼンマイ４が弾性力を開放する
向きに回転するようにした構成を有する。すなわち、上
記各ゼンマイ４の回転軸９の他端部には、第五の歯車２
６を固定している。この第五の歯車２６には、小径の歯
車の表面に大径の歯車を合体させてなる第六の歯車２７
の上記小径の歯車を噛合させている。更に、第六の歯車
２７の大径の歯車には、この第六の歯車２７と同様構成
の第七の歯車２８の小径の歯車を噛合させている。更
に、この第七の歯車２８の大径の歯車は、後述する第八
の歯車２９に噛合させている。上記第七の歯車２８と対
向する位置には、上下方向に間隔をあけて設けられた一
対の圧電素子１を配置している。これら一対の圧電素子
１の間部分には、第一形態例と同様の楕円ディスク１８
を配置している。この楕円ディスク１８は、回転軸１９
の一端に固定されており、この回転軸１９の他端に上記
第八の歯車２９が固定されている。上記第五の歯車２
６、第六の歯車２７の大径の歯車、第七の歯車２８の大
径の歯車、第八の歯車２９のそれぞれの径の大きさは、
第五の歯車２６、第六の歯車２７の大径の歯車、第七の
歯車２８の大径の歯車、第八の歯車２９の順に小さくし
ている。これら第五の歯車２６、第六の歯車２７、第七
の歯車２８、第八の歯車２９が、上記ゼンマイ４の弾性
力を伝達する伝達手段を構成している。

【００２６】上述のように構成される本形態例の場合、
一のゼンマイ４を固定した回転軸９が弾性力を開放する
向きに回転すると、図示から明らかなように、他のゼン
マイ４の回転軸９は、上記一のゼンマイ４の回転軸９と
は逆方向に回転する。言い換えれば、一のゼンマイ４の
巻き取り時には他のゼンマイ４は、巻き取られた状態を
開放し、この他のゼンマイ４が開放し終えた後には、直
ちに一のゼンマイ４が開放する向きに回転しつつ他のゼ
ンマイ４が巻き取られる。この結果、長期間に亙る作動
が可能になり、きわめて長期間に亙って圧電素子に周期
的な応力を付与できる。すなわち、きわめて長期間に亙
る発電が可能になる。

【００２７】その他の構成並びに作用は、上述した第一
形態例と同様である。

【００２８】尚、図示は省略したが、上記第二形態例と
同様、上記ゼンマイを複数設け、一のゼンマイを巻き取
ることにより、この一のゼンマイの固定軸に固定された
一の歯車に噛合する他のゼンマイの固定軸に固定された
他の歯車が回転して該他のゼンマイが巻き取られ、上記
ストッパを解除することによって一のゼンマイが回転
し、この一のゼンマイの回転終了に伴って順次次段のゼ
ンマイが回転するようにした構成を採用することもでき
る。

【００２９】それぞれ上述したように構成される各形態
例の構造の場合、従来なし得なかった圧電素子１を利用
した発電を、実用に十分供せられる程度に実現できる。
また、これら各形態例の構造の場合、バッテリが不要で
あるために、電源のない場所で各種機器を使用可能であ
る。また、この発明を他の機器に組み込む場合でも、取
り付け位置の制約が小さく、しかも小型であるために取
り付けの自由度が大きい。例えば、この発明に係る圧電
素子を利用した発電装置を、ライフジャケット、無線器
等に組み込むことで、遭難等の事態に遭遇しても、長時
間に亙ってランプを点し続けたり、緊急連絡を行なえる
等、安全確保の観点からも効果が大きい。

【００３０】或いは、この発明に係る圧電素子を利用し
た発電装置を、玄関や窓の開閉センサの電源として採用
すれば、商用電源の使用量を低減してコスト低減を図れ
る。また、急病人の発生警報用の電源として使用するこ
ともできる。懐中電灯や表示灯に組み込んで使用するこ
とも可能である。

【００３１】

【発明の効果】この発明に係る圧電素子を利用した発電
装置は、上述のように構成され作用するため、従来なし
得なかった圧電素子を利用した発電を、実用に十分供せ
られる程度に実現できる。また、バッテリが不要である
ために、電源のない場所で各種機器を使用可能となる。
また、この発明を他の機器に組み込む場合でも、取り付
け位置の制約が小さく、しかも小型であるために取り付
けの自由度が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の第一形態例の構成を示す略斜
視図である。

【図２】同じく楕円ディスクの各例を示す、それぞれ正
面図である。

【図３】周期的応力付与手段の別例を示す側面図。

【図４】同じく周期的応力付与手段の他の別例を示す側
面図。

【図５】この発明の実施の第二形態例の構成を示す略斜
視図である。

【符号の説明】

１ 圧電素子 ２ 応力付与手段 ３ 電源部 ４ ゼンマイ ５ 巻き取り手段 ６ ストッパ ７ 伝達手段 ８ 周期的応力付与手段 ９ 回転軸 １０ 回転円板 １２ 線状部材 １４ 第一の歯車 １５ 第二の歯車 １６ 第三の歯車 １７ 第四の歯車 １８ 楕円ディスク １９ 回転軸 ２０ 基板 ２１ 充電器 ２２ リード線 ２３ 回転リンク ２４ 応力付与板 ２５ 応力付与球

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電素子を利用して発電を行なう、圧電
   素子を利用した発電装置であって、圧電素子に周期的な
   応力を付与する応力付与手段と、この応力付与手段によ
   って圧電素子から発生する電力を蓄える電源部と、を備
   えたことを特徴とする圧電素子を利用した発電装置。
2. 【請求項２】 前記圧電素子は、互いに間隔をあけた状
   態で一対設けられており、前記応力付与手段は、これら
   一対の圧電素子に、交互に周期的な応力を付与自在とし
   たことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子を利用し
   た発電装置。
3. 【請求項３】 前記応力付与手段は、ゼンマイと、この
   ゼンマイを巻き取る巻取り手段と、ゼンマイを巻き取っ
   た状態に保持及び保持解除自在なストッパと、このゼン
   マイの弾性力を伝達する伝達手段と、この伝達手段によ
   って伝達される上記弾性力を、互いに対向する一方向と
   他方向とに周期的に付与自在とする周期的応力付与手段
   と、を備えたことを特徴とする請求項２に記載の圧電素
   子を利用した発電装置。
4. 【請求項４】 前記ゼンマイは複数設けられ、一のゼン
   マイを巻き取ることにより、この一のゼンマイの回転軸
   に固定された一の歯車に噛合する他のゼンマイの回転軸
   に固定された他の歯車が回転して該他のゼンマイが巻き
   取られるものであり、前記ストッパを解除することによ
   って一のゼンマイが弾性力を開放する向きに回転し、こ
   の一のゼンマイの回転終了に伴って順次次段のゼンマイ
   が弾性力を開放する向きに回転するようにしたことを特
   徴とする請求項２または請求項３に記載の圧電素子を利
   用した発電装置。
5. 【請求項５】 前記ゼンマイは複数設けられ、巻き取ら
   れた一のゼンマイが弾性力を開放する向きに回転するの
   に伴って他のゼンマイが巻き取られるものであり、一の
   ゼンマイの回転終了に伴って他のゼンマイが弾性力を開
   放する向きに回転するようにしたことを特徴とする請求
   項２または請求項３に記載の圧電素子を利用した発電装
   置。