JP2003209980A - 振動型発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電素子に衝突部材が衝突して発電する構造
で、効率よく衝突回数を増加させ、全体としてより大き
な発電量を得ることのできる振動型発電装置を提供する
ことを目的とするものである。 【解決手段】 圧電素子２１に衝突部材２２が衝突して
発電する発電部材２と、弾性を有し発電部材２に取り付
けられるとともに、外力が加えられることで衝突部材２
２が圧電素子２１への衝突を繰り返すよう発電部材２を
振動させる弾性部材３とを備えることで、上記課題を解
決する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子を用いた
発電装置に関する技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】圧電材料の機械的エネルギーと電気的エ
ネルギーを変換できる圧電効果を利用し、素子化して発
電装置に応用する技術が従来提案されている。圧電効果
を示す材料は無機、有機ともに多くの材料が知られてい
るが、その中でもＰＺＴ系等のセラミックス材料を用い
た圧電素子が注目され、実用化が進んでいる。

【０００３】例えば特開２００１−１４５３７５号公報
において、圧電素子を利用した発電装置を提案してい
る。この公報では、容器の内部に圧電素子を対向して配
置し、両圧電素子間を往復して各圧電素子に衝突する衝
突部材（殴打体）を設けて発電する構造を開示してい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したような構成で
は、容器を振ることで衝突部材が圧電素子に衝突して発
電が得られる。そのため、全体として大きな電力を取り
出すためには、１回の衝突での発電量を高めるか、ある
いは多数回衝突させることが必要であった。１回の発電
量を高めるためには、衝突部材に鋼製の球を用い、衝突
時の圧電素子の歪み量を大きくしている。しかし、鋼製
の球は、１回容器を振って衝突部材が圧電素子に衝突す
ると弾むことがなく、結局１回しか圧電素子に衝突しな
い。従って、全体としてさらに大きな電力を取り出すた
めには、いかに効率よく衝突回数を増加させるかが課題
であった。

【０００５】このような課題を考慮して、本発明は圧電
素子に衝突部材が衝突して発電する構造で、効率よく衝
突回数を増加させ、全体としてより大きな発電量を得る
ことのできる振動型発電装置を提供することを目的とす
るものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では次のような手段を採用する。

【０００７】すなわち、請求項１では、圧電素子に衝突
部材が衝突して発電する発電部材と、弾性を有し発電部
材に取り付けられるとともに、外力が加えられることで
衝突部材が圧電素子への衝突を繰り返すよう発電部材を
振動させる弾性部材とを備える。

【０００８】この手段では、一度外力として圧力や振動
が加えられると、弾性部材の弾性により発電部材が振動
状態に入り、圧電素子への衝突部材の衝突が繰り返され
発電が連続して発生する。

【０００９】また、請求項２では、対向して設けられた
圧電素子に衝突部材が衝突して発電する発電部材と、弾
性を有し発電部材に取り付けられるとともに、外力が加
えられることで衝突部材が圧電素子間での衝突を繰り返
すよう発電部材を振動させる弾性部材とを備える。

【００１０】この手段では、一度外力として圧力や振動
が加えられると、弾性部材の弾性により発電部材が振動
状態に入り、圧電素子への衝突部材の衝突が往復運動と
なって繰り返され発電が連続して発生する。

【００１１】また、請求項３では、請求項１または２記
載の振動型発電装置において、弾性部材には、外力と整
合して振動の周期を小さくするバネ定数の弾性体が選択
されることを特徴とする。

【００１２】この手段では、発電部材の振動の周期を小
さくすることによって、単位時間あたりの圧電素子への
衝突部材の衝突回数を増加させる。周期を小さくするに
は、発電部材の質量を小さく、バネ定数を大きくするこ
とが求められるが、短時間でエネルギーをたくさん消費
するので、外力も大きくなければならない。想定される
外力があまり大きくない場合には、その外力で加振でき
る範囲で周期の小さくなるバネ定数が選ばれる。

【００１３】また、請求項４では、請求項１から３のい
ずれかに記載の振動型発電装置において、弾性部材はバ
ネ定数に方向性を有する弾性体からなり、弾性部材の最
も小さいバネ定数の方向を、衝突部材が圧電素子に衝突
する方向と一致させるよう発電部材に取り付けられるこ
とを特徴とする。

【００１４】この手段では、弾性部材は、衝突部材が圧
電素子に衝突する方向に最も変位しやすくなる。そし
て、その他の方向へは変位しにくいため、圧電素子への
衝突部材の衝突を妨げる動きが抑制される。

【００１５】また、請求項５では、請求項１から４のい
ずれかに記載の振動型発電装置において、発電部材を支
持するために弾性部材を介して発電部材に連結される基
部材が備えられ、外力が発電部材と基部材と弾性部材と
の少なくとも１つに加えられるよう構成し、発電部材と
弾性部材とでできる固有振動と基部材の固有振動とを共
振させるように弾性部材を発電部材と基部材とに取り付
けることを特徴とする。

【００１６】この手段では、外力は、発電部材、基部
材、弾性部材のいずれか一箇所、もしくは組み合わせた
箇所、もしくは全てに加えられることにより、発電部材
の振動を開始させる。そして、共振により、発電部材の
振動エネルギーが基部材で消費されなくなり振動が効率
よく持続される。

【００１７】また、請求項６では、請求項１から４のい
ずれかに記載の振動型発電装置において、発電部材を支
持するために弾性部材を介して発電部材に連結される基
部材が備えられ、外力が発電部材と弾性部材の少なくと
も１つに加えられるよう構成し、基部材は振動しないよ
うに固定されることを特徴とする。

【００１８】この手段では、外力は、発電部材、弾性部
材のいずれか一箇所、もしくは全てに加えられることに
より、発電部材の振動を開始させる。そして、基部材を
振動しないよう固く固定することで、発電部材の振動エ
ネルギーが基部材で消費されなくなり振動が効率よく持
続される。

【００１９】また、請求項７では、請求項１から６のい
ずれかに記載の振動型発電装置において、弾性部材は板
バネで形成されることを特徴とする。

【００２０】この手段では、板バネはバネ定数に方向性
を有しているため、発電部材と基部材とを連結すること
により、発電部材に効率よく振動状態を発生させる。

【００２１】また、請求項８では、請求項１から６のい
ずれかに記載の振動型発電装置において、弾性部材は、
衝突部材が圧電素子に衝突する方向への振動のバネ定数
が弾性部材の最も小さいバネ定数となる形状に形成され
た部材であることを特徴とする。

【００２２】この手段では、弾性部材はその形状の縦横
高さを変えることでバネ定数に方向性をもたせることが
できる部材からなっており、衝突部材の衝突方向への振
動のバネ小数が最も小さくなるような形状に、成形や加
工により形成されている。

【００２３】また、請求項９では、圧電素子に衝突部材
が衝突して発電する発電部材と、発電部材を支持するた
めの基部材と、弾性を有し発電部材と基部材とを連結す
るとともに、外力が加えられることで衝突部材が圧電素
子への衝突を繰り返すよう発電部材を振動させる弾性部
材とを備え、発電部材は衝突部材が圧電素子に衝突する
方向にのみ振動するよう動作が規制されている。

【００２４】この手段では、一度外力として圧力や振動
が加えられると発電部材が振動状態に入るが、あらかじ
め振動の方向が規制されているため、圧電素子へ衝突部
材の衝突が繰り返す方向にのみ振動し、発電が連続して
発生する。

【００２５】また、請求項１０では、請求項９記載の振
動型発電装置において、発電部材は、衝突部材が圧電素
子に衝突する方向にのみ振動するよう支持されているこ
とを特徴とする。

【００２６】この手段では、発電部材自体が、その動作
を規制するよう支持される。

【００２７】また、請求項１１では、請求項９または１
０記載の振動型発電装置において、発電部材の近傍に、
衝突部材が圧電素子に衝突する方向にのみ発電部材が振
動するよう案内する案内部材が設けられていることを特
徴とする。

【００２８】この手段では、発電部材の近傍に設けられ
た案内部材によって、発電部材の振動する動作が規制さ
れる。

【００２９】また、請求項１２では、圧電素子に衝突部
材が衝突して発電する発電部材と、弾性を有する弾性部
材とを備え、発電部材は弾性部材に挟まれて取り付けら
れ、外力が加えられると発電部材は弾性部材の伸縮によ
り衝突部材が圧電素子への衝突を繰り返すよう振動す
る。

【００３０】この手段では、一度外力として圧力や振動
が加えられると、弾性部材の弾性による伸縮で発電部材
が振動状態に入り、圧電素子への衝突部材の衝突が繰り
返され発電が連続して発生する。また発電部材は弾性部
材に挟まれているために、その振動方向が規制される。

【００３１】また、請求項１３では、請求項１２記載の
振動型発電装置において、弾性部材はその伸縮方向が発
電部材の衝突部材の衝突方向と一致するよう発電部材の
対向する両端に取り付けられることを特徴とする。

【００３２】この手段では、圧電素子に衝突部材が衝突
して発電する発電部材と、弾性を有し発電部材に取り付
けられるとともに、外力が加えられることで衝突部材が
圧電素子への衝突を繰り返すよう発電部材を振動させる
弾性部材とを備え、発電部材が複数の振動方向に対して
発電可能に設けられている。

【００３３】また、請求項１４では、圧電素子に衝突部
材が衝突して発電する発電部材と、弾性を有し発電部材
に取り付けられるとともに、外力が加えられることで衝
突部材が圧電素子への衝突を繰り返すよう発電部材を振
動させる弾性部材とを備え、発電部材が複数の振動方向
に対して発電可能に設けられている。

【００３４】この手段では、一度外力として圧力や振動
が加えられると、弾性部材の弾性により発電部材が振動
状態に入り、圧電素子への衝突部材の衝突が繰り返され
発電が連続して発生する。そして、発電部材では、一定
の振動方向に対してのみ発電するのではなく、複数の振
動方向に対して発電可能であるため、外力に対する発電
の効率が向上される。

【００３５】また、請求項１５では、請求項１４記載の
振動型発電装置において、衝突部材と圧電素子はハウジ
ングに収納され、このハウジングは複数が交差して組ま
れて弾性部材に取り付けられていることを特徴とする。

【００３６】この手段では、ハウジングが交差して組ま
れているため、複数の振動方向に対して少なくともいず
れかのハウジング内の衝突部材が圧電素子と衝突し、発
電が行われる。また、衝突部材と圧電素子を組にしてハ
ウジング内に収納し、この組をハウジングごと交差させ
て組み立てているため、振動時に各衝突部材が互いにそ
の動きを邪魔しあうことなく発電が行われる。

【００３７】また、請求項１６では、請求項９から１５
のいずれかに記載の振動型発電装置において、弾性部材
はコイルバネで形成されることを特徴とする。

【００３８】この手段では、バネ定数に方向性を有して
いない弾性体であるコイルバネを弾性部材に使用して
も、発電部材の振動の方向を規制したり、複数の振動方
向でも発電可能にしたりすることにより、衝突部材を効
率よく圧電素子に衝突させ、連続して発電させることが
可能となる。

【００３９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（１）
について、図面に基づいて説明する。図１は実施の形態
（１）の外観の斜視図、図２は実施の形態（１）の動作
説明図、図３は実施の形態（１）の発電部材の詳細な断
面図、図４は実施の形態（１）の振動状態を説明するグ
ラフである。

【００４０】本発明の振動型発電装置１は、圧電素子２
１に衝突部材２２が衝突して発電する発電部材２と、弾
性を有し発電部材２に取り付けられるとともに、外力が
加えられることで衝突部材２２が圧電素子２１への衝突
を繰り返すよう発電部材２を振動させる弾性部材３とを
備えている。

【００４１】この実施の形態（１）では、発電部材２の
圧電素子２１が対向した２箇所に設けられ、衝突部材２
２が圧電素子２１、２１間で往復運動するように構成さ
れているが、圧電素子２１を１箇所または３箇所以上設
けてもよい。また、発電部材２を支持するために弾性部
材４を介して発電部材２に連結される基部材３が備えら
れている。

【００４２】弾性部材４は、その両端が発電部材２及び
基部材３とに適切な手段（接着や溶着等）により固定さ
れている。また、弾性部材４はバネ定数に方向性を有す
る弾性体からなっており、弾性部材４が有するバネ定数
の中で最も小さいバネ定数の方向を、衝突部材２２が圧
電素子２１に衝突する方向（以降、衝突方向と記載す
る）と一致させるよう発電部材２に取り付けられてい
る。すなわち、弾性部材４が有するＸ、Ｙ、Ｚ方向のバ
ネ定数のうち、最も小さいバネ定数を有する方向をＸ方
向とすると、図１中に示すようにこの矢印Ｘ方向を、衝
突方向（図１中の矢印Ｗ方向）と一致するように弾性部
材４を発電部材２に取り付けている。なお、図中では、
発電部材２の下側を弾性部材４で連結しているが、発電
部材２と基部材３との位置関係はこれに限定されない。
発電部材２の横側や上側に弾性部材４を取り付けて、適
切な位置の基部材３と連結してもよい。このように実施
の形態（１）の弾性部材４は、Ｘ方向へのバネ定数が小
さくこの方向への曲げを利用しているため、実施の形態
（１）では弾性部材４を曲げ弾性部材と言い換えること
ができる。

【００４３】また、弾性部材４の衝突方向へのバネ定数
は、外力と整合して発電部材２の振動の周期をできるだ
け小さくするものが選択されている。発電部材２の振動
の周期を小さくすることによって、単位時間あたりの圧
電素子２１への衝突部材２２の衝突回数を増加させ、全
体としての発電量を増加させることができる。周期を小
さくするには、発電部材の質量を小さく、バネ定数を大
きくすることが求められるが、短時間でエネルギーをた
くさん消費するので、外力も大きくなければならない。
外力の大きさは、振動型発電装置１が設置される環境に
よって異なるため、あらかじめ想定される外力に合わせ
て、その外力で加振、加圧できる範囲で、できるだけ振
動の周期を小さくするバネ定数が選ばれる。また、実施
の形態（１）では、外力が、発電部材２、基部材３、弾
性部材４の少なくとも１つに加えられるよう構成されて
いる場合を示している。この場合には発電部材２と弾性
部材４とでできる固有振動と基部材３の固有振動とを共
振させるように弾性部材４を発電部材２と基部材３とに
取り付けている。この取り付けは、発電部材２の総質量
等の諸条件と整合を図ることで、寄生振動による振動の
減衰を減らすことができる。なお、外力が発電部材２と
弾性部材４の少なくとも１つに加えられるよう構成され
る場合には、基部材３は振動しないようにがっちりと固
定することで、寄生振動による振動の減衰を減らすこと
ができる。（以降のその他の実施の形態でも同様であ
る。）

【００４４】実施の形態（１）では、弾性部材４に用い
る弾性体として板バネを用いている。板バネはバネ定数
に方向性を有する弾性体であり、保有するバネ定数の中
で一方向が特に小さなバネ定数を有している。そのた
め、この最も変位し易い方向（Ｘ方向）を衝突方向（Ｗ
方向）に一致させるよう発電部材２に取り付けている。
また板バネはＸ方向のバネ定数に比べて、Ｙ、Ｚ方向の
バネ定数が無限大に近い。そのため弾性部材４に外力が
加えられても、衝突方向に交差する方向（圧電素子の設
けられていないハウジング２３の側面に衝突部材２２が
衝突する方向や、発電部材２が上下に変位する方向等）
への変位が生じないため、衝突部材２２の衝突方向への
動きを邪魔する振動を発生しにくい。また、Ｘ方向のみ
が柔らく変位しやすいため、任意の方向から外力が加え
られたときにＸ方向への動きに転換されやすい。このよ
うに、板バネは衝突方向への振動を発生させるのに好適
である。

【００４５】発電部材２の構成を、図３を用いて説明す
る。箱形のハウジング２３の内部の相対する壁側にそれ
ぞれ取り付けた圧電素子２１に、ハウジング２３の内部
で転動する衝突部材２２が衝突するように構成されてい
る。衝突部材２２はボールからなっている。圧電素子２
１は、ＰＺＴ系の２枚の板形の圧電セラミックス板２１
１、２１２を分極が互いに逆になるように接合すること
により、直列に接続された発電構成として分極による打
ち消しが防止されて発電性能が高められるようになって
いる。また、圧電素子２１は、板形のクッション材２５
の中央部分にのみ接着剤２４（接着以外の固着方法でも
よい）で部分的に接着され、クッション材２５は接着剤
２４でハウジングに固定されている。従って、衝突部材
２２の衝突の衝撃から圧電素子２１が保護されるととも
に、圧電セラミック板２１１、２１２の振動が継続され
て発電性能が高められるようになっている。そして、圧
電素子２１の表裏面に形成された膜状の電極（図示され
ていない）には、リード線２６１〜２６４がそれぞれ接
続されて後述する回路部５に引き出される。また、圧電
素子２１の表面（衝突部材２２が衝突する面）には衝突
部材２２の衝撃から圧電素子２１を保護する薄板形のプ
ロテクタ２７が固着されている。また、相対する圧電素
子２１の間には、衝突部材２２の転動移動の方向を規制
して正確に圧電素子２１のプロテクタ２７が固着された
部分に衝突するように案内するガイド２８が設けられて
いる。ガイド２８としてここでは筒状のガイドを示して
いるが、仕切り板でもよい。

【００４６】各部の素材としては、まず圧電セラミック
ス板２１１、２１２には、チタンジルコン酸亜鉛系の素
材が好適であるがこれに限定されるものではない。ま
た、この圧電セラミックス板２１１、２１２は、振動を
長く持続してより多くの発電を得るために、できるだけ
硬くＱ値が高い物の方が望ましい。具体的にはＱ値は１
０００以上が好ましく、さらにはＱ値が２０００以上の
ものであることがより好ましい。クッション材２５の素
材としては、合成樹脂材、ゴム材、あるいはこれらをス
ポンジ状にした軟質材料が適しているが、具体的には、
発泡ポリエチレン等が好適である。衝突部材２２の素材
としては、その圧電素子２１を破壊しない程度に重量が
重い方が発電効率がよく、具体的にはタングステンや鉄
等が好適である。また、プロテクタ２７の素材として
は、硬い金属あるいは合成樹脂等が適しており、具体的
にはリン青銅やステンレス等が好適で、加工性の良いリ
ン青銅が使いやすい。

【００４７】なお、発電部材２の構成及び圧電素子２１
の発電のさせ方は、上述に限定されるものではない。例
えば、本発明者が特開２００１−１４５３７５号公報に
示した２つの衝突部材を用いる構成や、衝突部材をバネ
材で吊り下げる構成等も適用できる。また、単層の圧電
セラミックス板２１１にこれと歪み変形量が釣り合うよ
う厚み調整された金属板を貼り合わせて、金属板側から
衝突部材２２を衝突させて発電する構成を適用してもよ
い。

【００４８】基部材３は、発電部材２を取り付けるため
の任意の部位であり、独立した部材で形成しても、この
振動型発電装置１が収納される容器や装置の筐体と兼用
してもよい。なお、上述したように、この実施の形態で
は、基部材３にも外力が加えられるよう構成されてい
る。

【００４９】また、発電部材２で発生した電力は、回路
部５にリード線２６１〜２６４により取り出される。回
路部５には、発電部材２で発生した交流電力を整流する
整流回路や、充電する充電回路等が含まれ、回路部５を
介して外部に電力を供給する。図２では回路部５を省略
している（以降、その他の実施の形態でも同様の図面は
回路部５を省略する）。

【００５０】このように構成された振動型発電装置１の
動作について図２、図４を用いて説明する。図４は、衝
突部材２２と発電部材２のハウジング２３の運動をグラ
フ化したものである。まず、振動型発電装置１に何も力
が加えられていない場合には、弾性部材４は撓むことな
く中立の状態で、発電部材２と基部材３を連結してい
る。図２では、振動の状態を３つに代表させて示してお
り、以降、中立の状態（図２中の実線）を（ア）の状
態、左側に撓んだ状態（図２中の２点鎖線）を（イ）の
状態、右側に撓んだ状態（図２中の１点鎖線）を（ウ）
の状態と便宜上記載する。

【００５１】例えば図２に示すように発電部材２に外力
Ｐ１、もしくは基部材３に外力Ｐ３、もしくは弾性部材
４に外力Ｐ２が少なくとも１つが加えられると、発電部
材２は左側に撓んで（イ）の状態になる。外力Ｐ１〜Ｐ
３はいずれか単独でも、組み合わせて加えられても、全
てが加えられても良い。以下総称し外力はＰとして説明
する。もちろん外力Ｐ１〜Ｐ３は、図２中に矢印で示し
た方向と反対に加えられ、反対側に撓ませてもよい。

【００５２】ここで外力Ｐが開放されると、そのときか
ら発電部材２の変位Ｘと時間ｔとの関係は、

【数１】 で表す振動を繰り返す。 ｍ：発電部材２の総質量 ｃ：減衰係数（粘性抵抗、空気抵抗、衝突部材の運動エ
ネルギー消費等） ｋ：バネ定数 となる。図４中でａ（一点鎖線）は発電部材２のハウジ
ング２３の加速度、ｖ（実線）はハウジング２３の速度
を示している。外力Ｐが開放されたときをｔ＝０とする
と、図４に示すように発電部材２は周期Ｔの振動を行
う。すなわち、図２に示す（イ）の状態から矢印Ｘ方向
の周期Ｔの振動を開始する。このとき、衝突部材２２
は、図２に示す（ア）の状態であるｔ＝１のＶｍａｘま
では、ハウジング２３とほぼ同一の速度（一緒に動く）
であるが、Ｖｍａｘになったところで、加速度ａがゼロ
になるため、衝突部材２２はほぼＶｍａｘの速度のまま
進む（図４のグラフ中の２点鎖線）。そのため、すでに
減速しているハウジング２３とは、ｔ＝１とｔ＝２との
間、すなわち（ア）の状態と（ウ）の状態の間のどこか
で必ず衝突する。すなわち、衝突部材２２は圧電素子２
１に衝突して、このとき発電が行われる。そして、
（ア）〜（ウ）で示された状態の振動が収束するまで、
衝突部材２２と圧電素子２１との衝突が発生し発電が繰
り返される。この関係は、周期Ｔが小さく（運動が速
く）なっても変わらず、周期Ｔを小さくすることによ
り、単位時間で衝突回数を増やすことができる。このよ
うに、一度外力Ｐを加えるだけで、開放したときから発
電部材２が振動状態となって衝突を繰り返し、発電量を
増加することができる。

【００５３】このように、本発明では弾性部材４を用い
て外力Ｐを増幅しているが、この増幅は、単に発電部材
２の撓み量を大きくすることを目的とするものではな
く、振動状態での周期Ｔを小さくすることにより、単位
時間当たりの衝突回数を増加させている。そのため、弾
性部材４を長くして振動のストロークを大きく取る必要
は無く、外力Ｐと整合を図って周期Ｔをできるだけ小さ
くするバネ定数の弾性部材４を選択することが求められ
る。また、発電部材２と弾性部材４とが、基部材３と共
振することにより発電部材２の振動エネルギーが基部材
３で消費されなくなり、効率よく振動を発生、持続させ
ている。そのため、上述したように単に発電部材２の撓
み量を大きくする場合と異なり、弾性部材４の長さは必
ずしも周期Ｔに関係しないので、弾性部材４を設けても
全体として小型に形成できる。

【００５４】次に本発明の実施の形態（２）について説
明する。実施の形態（２）の動作説明図、図６は実施の
形態（２）の変形例の動作説明図である。実施の形態
（２）では実施の形態（１）と同様の説明には同一符号
を付して詳細を省略する。

【００５５】この実施の形態では、実施の形態（１）の
弾性部材４の板バネに替えてゴム材を用い、これ以外は
実施の形態（１）と同様の構成である。ゴム材は縦横高
さの形状を変えて形成することでバネ定数に方向性をも
たせている。そして、板バネと同様に弾性部材４が有す
る各方向へのバネ定数の中で、衝突方向（図５中のＷ方
向）に、ゴム材の最もバネ定数の小さい方向（Ｘ方向）
が一致するよう発電部材２に取り付けられている。すな
わち、ゴム材はバネ定数を小さくするために、X方向の
厚みがその他の方向の厚みに比べて薄く形成されてい
る。実施の形態（２）の弾性部材４もＸ方向へ曲がりや
すく形成されているため、実施の形態（２）でも弾性部
材４を曲げ弾性部材と言い換えることができる。弾性部
材４の上記バネ定数は、外力Ｐとの整合を図り振動の周
期Ｔを小さくするよう選択されているとともに、発電部
材２と弾性部材４とが基部材３と共振するように取り付
けられている。具体的には、ゴム材としてはシリコンゴ
ム等が適している。また、ゴム材に替えてゲル材（熱可
逆性エラストマー等）や、発泡材、低ヤング率Ｔｉ合金
（弾性変形の大きいＴｉ合金）を用いても良い。

【００５６】これによりこの実施の形態（２）の弾性部
材４は、実施の形態（１）と同様に発電部材２に効率よ
く振動を発生させ、単位時間あたりの衝突部材の衝突回
数を増加させ、発電量を高めることができる。また、ゴ
ム材やゲル材等は、縦横高さの形状を変えることで、容
易にバネ定数に方向性をもたせたり、バネ定数を変えた
りできる。その他の作用、効果は実施の形態（１）と同
様である。

【００５７】なお、図６に示すように弾性部材４を複数
箇所に分けて（ここでは２箇所）、発電部材２と基部材
３とを連結してもよい。もちろん、このときもいずれの
弾性部材４も、バネ定数の小さいＸ方向が衝突方向（Ｗ
方向）と一致するよう取り付けられる。また、図６の構
造は、実施の形態（１）に適用してもよい。

【００５８】次に、本発明の実施の形態（３）について
図面に基づいて説明する。図７は実施の形態（３）の外
観の斜視図、図８は実施の形態（３）の動作説明図であ
る。実施の形態（１）と同様の説明には同一符号を付し
詳細を省略する。

【００５９】実施の形態（３）では、実施の形態（１）
（２）の弾性部材４の取り付け方の変形例を示してお
り、弾性部材４として板バネの場合を説明する。図７、
図８に示すように、この実施の形態（３）では、長い薄
板状の弾性体からなる弾性部材４を湾曲させて基部材３
に取り付け、湾曲の頂点部分に発電部材２を狭い面接触
で固定している。このとき、発電部材２の衝突方向（Ｗ
方向）と、弾性部材４の両端を結ぶ線とを一致させるよ
うに発電部材２を取り付けている。このように湾曲させ
ることで弾性部材４の最も変位しやすい方向（Ｘ方向）
の動きで、衝突部材２２を圧電素子２１に衝突させるこ
とができる。弾性部材４には、板バネに替えて薄板状に
形成したゴム材やゲル材等を適用してもよい。この実施
の形態（３）の弾性部材４も、Ｘ方向へのバネ定数が小
さくこの方向への曲げを利用しているため、実施の形態
（３）でも弾性部材４を曲げ弾性部材と言い換えること
ができる。

【００６０】このように構成された振動型発電装置１
は、図８に示すように外力Ｐとして、Ｐ１〜Ｐ３の少な
くとも１つを受けると、発電部材２は横揺れと回転運動
が合成されたように振動する。そして、実施の形態
（１）と同様に、一度の外力Ｐでも、振動を持続させ発
電量を増やすことができる。その他の作用、効果は実施
の形態（１）と同様である。

【００６１】次に、本発明の実施の形態（４）について
図面に基づいて説明する。図９は実施の形態（４）の動
作説明図、図１０、図１１は実施の形態（４）の変形例
の説明図である。実施の形態（１）と同様の説明には同
一符号を付し詳細を省略する。

【００６２】実施の形態（４）の振動型発電装置１は、
弾性部材４により発電部材２と基部材３とを連結すると
ともに、発電部材２は衝突部材２２が圧電素子２１に衝
突する方向にのみ振動するよう動作が規制されているこ
とを特徴としている。

【００６３】この実施の形態では、弾性部材４としてコ
イルバネを用い、コイルバネの両端が発電部材２と基部
材３に取り付けられる。そして、基部材３と発電部材２
との間には発電部材２を回動自在に支持する支持部材６
が設けられ、発電部材２は、衝突部材２２が圧電素子２
１に衝突する方向にのみ振動するよう支持されている。
すなわち、この支持部材６により、発電部材２は衝突方
向（Ｗ方向）にのみ回動する。この実施の形態では、支
持部材６で発電部材２の振動の方向を規制しているた
め、バネ定数に方向性を有しないコイルバネを弾性部材
４に使用することができる。このように実施の形態
（４）の弾性部材４は振動の方向が規制され、伸縮方向
にのみ振動するため、実施の形態（４）では弾性部材４
を伸縮弾性部材と言い換えることができる。

【００６４】発電部材２に加えられる外力Ｐ１は、図９
に示すように発電部材２の横方向や上下方向等、いずれ
の方向から加えられても良い。また、図示していない
が、弾性部材４や支持部材６に外力が加えられても良
い。このように外力Ｐが加えられることで発生する発電
部材２の固有振動を利用し、実施の形態（１）と同様に
衝突部材２２の圧電素子２１への衝突回数を増加させ、
大きな発電量を得ることができる。その他の作用、効果
は実施の形態（１）と同様である。

【００６５】この実施の形態（４）の変形例として、弾
性部材４の取り付け位置を変えた形態を図１０、図１１
に示す。弾性部材４は、発電部材２に衝突方向への振動
を生じさせることができれば、発電部材２の任意の位置
に取り付けてよい。図１０は、発電部材２の横方向に弾
性部材４を取り付けた例で、図１１は、発電部材２の上
方向（支持部材６の反対方向）に弾性部材４を取り付け
た例である。いずれの位置でも、図９と同様に外力Ｐを
受けることにより発電部材２に振動を発生させることが
できる。なお、図１０、図１１では、支持部材６が取り
付けられる基部材３と、弾性部材４が取り付けられる基
部材３とを連続させているが、必要に応じて別体で構成
してもよい。

【００６６】次に、本発明の実施の形態（５）について
図面に基づいて説明する。図１２は実施の形態（５）の
外観の斜視図、図１３は実施の形態（５）の動作説明図
である。実施の形態（１）と同様の説明には同一符号を
付し詳細を省略する。

【００６７】実施の形態（５）では、弾性部材４により
発電部材２と基部材３とを連結するとともに、発電部材
２は衝突部材２２が圧電素子２１に衝突する方向にのみ
振動するよう動作が規制されていることを特徴としてい
る。

【００６８】この実施の形態では、弾性部材４としてコ
イルバネを用い、コイルバネの両端が発電部材２と基部
材３に取り付けられるとともに、発電部材２の近傍に案
内部材７が設けられて発電部材２の動作を規制してい
る。コイルバネは、発電部材２が上下に振動する方向の
Ｚ方向と、その他の方向のバネ定数に違いがあるもの
の、発電部材２の衝突方向（Ｗ方向）と一致する弾性部
材４のＸ方向のみを最も小さいバネ定数となるように設
定することができない。そのため、弾性部材４がＸ方向
以外の振動、例えばＹ方向や斜め方向の振動をするとき
に、その動きを阻止しＸ方向へ案内する案内部材７を設
けている。ここでは、発電部材２がＹ方向に振動できな
いように近接させた壁状の案内部材７を設けている。こ
れにより任意の方向から外力を受けてもＹ方向への振動
が阻止されて、より変位しやすいＸ方向への固有振動を
発生させることができる。なお、壁状の案内部材７に変
えて、レール状の案内部材を設けてもよいが、できるだ
け摩擦抵抗を少なくすることが望ましい。このように実
施の形態（５）の弾性部材４は、コイルバネを用いてい
るが、方向を規制して曲げを利用しているため、実施の
形態（５）では弾性部材４を曲げ弾性部材と言い換える
ことができる。

【００６９】このように、弾性部材４の最も小さいバネ
定数の方向を、衝突部材２２の衝突方向と一致させるよ
う発電部材２に取り付けることができない場合には、発
電部材２の動作を近傍に設けた案内部材７で規制するこ
とで、衝突部材２２が圧電素子２１に衝突する方向の振
動を発生させ、衝突回数を増加させて発電量を高めるこ
とができる。その他の作用、効果は実施の形態（１）と
同様である。

【００７０】次に、本発明の実施の形態（６）について
図面に基づいて説明する。図１４は実施の形態（６）の
断面図である。実施の形態（１）と同様の説明には同一
符号を付し詳細を省略する。

【００７１】実施の形態（６）の振動型発電装置１は、
発電部材２が弾性部材４に挟まれて基部材３に取り付け
られ、外力が加えられると発電部材２は弾性部材４の伸
縮により衝突部材２２が圧電素子２１への衝突を繰り返
すよう振動することを特徴としている。

【００７２】この実施の形態では、弾性部材４としてコ
イルバネを用い、２つの弾性部材４で発電部材２を挟ん
で、発電部材２を対向する基部材３、３に連結してい
る。基部材３、３は一体でも別体でもよい。そして、弾
性部材４はその伸縮方向（図１４の矢印Ｚ方向）が、発
電部材２の衝突部材２２の衝突方向（矢印Ｗ方向）と一
致するよう発電部材２の対向する両端（一端２９１、他
端２９２）に取り付けられている。

【００７３】コイルバネは前述したように伸縮するＺ方
向のバネ定数が最も小さいが、Ｚ方向以外の方向にも変
位が発生しやすい。そのため、発電部材２の一端にのみ
コイルバネである弾性部材４を接続して基部材３に取り
付けると、実施の形態（５）のような動作の規制がなけ
れば、発電部材２は自由端として運動し任意の方向への
振動が発生する。この実施の形態（６）では、対向する
基部材３、３の間に、弾性部材４、４に挟まれて発電部
材２が連結されているため、発電部材２や弾性部材４の
自由運動が妨げられ、外力が作用しない状態では、発電
部材２は弾性部材４、４に引っ張られ中立状態にある。
そして、外力が加えられると弾性部材４の最も変位しや
すいＺ方向への振動が促進される。このように実施の形
態（６）の弾性部材４は、伸縮方向に振動するため、実
施の形態（６）では弾性部材４を伸縮弾性部材と言い換
えることができる。そして、Ｚ方向の振動は、発電部材
２の衝突方向（Ｗ方向）の振動と方向が一致しているた
め、発電部材２の内部で衝突部材２２が圧電素子２１へ
の衝突を連続して発生することができる。また、図１４
では発電部材２の構成を省略して示しているが、その詳
細は図３と同様である。さらに、弾性部材４には、外力
と整合してＺ方向の振動の周期を小さくするバネ定数を
有するコイルバネが選択されている。

【００７４】なお、この発電部材２の周囲に、弾性部材
４の伸縮方向（Ｚ方向）以外の動作をさらに抑制する実
施の形態（５）の案内部材７を設けたり、案内部材７と
基部材３を兼用する容器に発電部材２と弾性部材４を収
納したりしてもよい。

【００７５】このように、発電部材２を弾性部材４で挟
んで基部材３に取り付けることにより、弾性部材４にコ
イルバネを用いても、動作を規制するための他部材を付
加することなく、発電部材２の衝突方向（Ｗ方向）以外
の動作を抑制して、連続した発電を得ることができる。
また、この実施の形態（６）では、発電部材２が振動状
態にあるときと静止状態とでは、Ｚ方向の位置が変位す
るのみであるため、振動状態での変位を考慮して発電部
材２の周囲に空間を確保する必要がなく、全体の小型化
が容易である。その他の作用、効果は実施の形態（１）
と同様である。

【００７６】次に本発明の実施の形態（７）に図面に基
づいて説明する。図１５は実施の形態（７）の外観の斜
視図、図１６は実施の形態（７）の変形例の外観の斜視
図である。実施の形態（１）と同様の説明には同一符号
を付し詳細を省略する。

【００７７】実施の形態（７）の振動型発電装置１は、
発電部材２が複数の振動方向に対して発電可能に設けら
れていることを特徴としている。

【００７８】この実施の形態でも、弾性部材４にコイル
バネを用いている。発電部材２の構成は、実施の形態
（１）の図３と同様に、ハウジング２３に衝突部材２２
と圧電素子２１やその他の部材が収納されているが、実
施の形態（７）では、ハウジング２３が複数交差して組
まれて発電部材２を構成している。図１５では、２つの
ハウジング２３（ハウジング２３１、２３２と記載）
が、９０°ずらして十字型に重ねられて固定され、その
交点に垂直にコイルバネの一端が取り付けられて基部材
３と連結されている。

【００７９】ハウジング２３１の内部では、衝突部材２
２が衝突方向として矢印Ｗｘ方向に運動し、ハウジング
２３２では衝突部材２２が衝突方向として矢印Ｗｙ方向
に運動し、それぞれが独立して圧電素子２１に衝突する
よう構成されている。弾性部材４はコイルバネであり、
その一端に図１５に示すように発電部材２が取り付けら
れているため、外力が加えられると発電部材２が自由端
として運動し、コイルバネのＺ方向だけでなく、Ｘ方向
やＹ方向の成分を有する任意の方向に変位可能である。
従って発電部材２では、Ｘ方向の外力Ｐｘが加えられる
と、ハウジング２３１の衝突部材２２がＷｘ方向に転動
し、圧電素子２１に衝突して発電し、Ｙ方向の外力Ｐｙ
が加えられると、ハウジング２３２の衝突部材２２がＷ
ｙ方向に転動し、圧電素子２１に衝突して発電する。ま
た、Ｘ方向とＹ方向を合成した外力Ｐｘｙが加えられる
と、ハウジング２３１、２３２の衝突部材２２、２２
が、それぞれガイド２８（図１５には図示していない）
に案内されたＷｘ方向とＷｙ方向に独立して転動し発電
する。すなわち、Ｘ方向とＹ方向の成分を有する外力が
加えられると、ハウジング２３１、２３２のいずれか一
方、または双方が発電する。もちろんこれらの発電は弾
性部材４の弾性によって振動状態が続くために、連続し
て発電が行われる。また、弾性部材４には、外力と整合
して振動の周期を小さくするバネ定数を有するコイルバ
ネが選択されている。この実施の形態（７）では、弾性
部材４は、ハウジング２３の設置の向きにより弾性部材
４の伸縮も曲げも利用することができる。

【００８０】このように発電部材２では、圧電素子２１
と衝突部材２２を収納したハウジング２３が複数交差し
て設けられているため、複数の方向の振動に対して発電
可能となり、外力Ｐに対する発電効率が大幅に向上す
る。

【００８１】なお、実施の形態（７）では、２つのハウ
ジング２３により発電部材２を構成しているが、３つ以
上のハウジング２３を交差するよう組み合わせてもよ
い。交差の形は十字型に限定するものではなく、全体と
して三角や四角に形成してもよい。また例えば、図１５
の構成に衝突部材２２がＷｚ方向に転動するハウジング
２３を付加して、弾性部材４のＺ方向の振動でも発電す
るよう構成してもよい。

【００８２】この実施の形態（７）の変形例として、１
つのハウジング２３内に複数の衝突方向を有する衝突部
材２２を収納した形態を図１６に示す。箱型のハウジン
グ２３の内部には、Ｘ方向、Ｙ方向の対向する４つの壁
面にそれぞれ圧電素子２１が配置され、これらの圧電素
子２１に衝突する１つの衝突部材２２が収納されてい
る。また、衝突部材２２が圧電素子２１の中央に衝突す
るよう案内するためにガイド２８が曲面を形成した仕切
り板が設けられている。すなわち、図１５では、複数の
振動方向に対して複数の衝突部材２２が異なる平面を独
立して運動したが、図１６では、複数の振動方向に対し
て１つの衝突部材２２が同一平面を運動し発電する。図
１５のように外力Ｐｘが加えられると、衝突部材２２は
Ｗｘ方向に転動し、外力Ｐｙが加えられると、衝突部材
２２はＷｙ方向に転動する。またＸ方向とＹ方向を合成
した外力Ｐｘｙが加えられると、衝突部材２２はガイド
２８の曲面に促されて、いずれかの圧電素子２１に衝突
する。これにより弾性部材４により発電部材２が複数の
振動方向に対して発電可能となり、発電効率が向上す
る。

【００８３】

【発明の効果】以上、詳述してきたように、本発明は、
圧電素子に衝突部材が衝突する発電部材と、この発電部
材が取り付けられる基部材との間に弾性部材を設けて連
結し、外力が加えられることで衝突部材が圧電素子への
衝突を繰り返すよう発電部材に振動を発生させることを
特徴としている。これにより、１つの外力によって発生
する発電部材の発電回数を増加させ、全体として発電さ
れる電力を高めることができる。

【００８４】また、弾性部材に発電部材の振動の周期を
小さくする素材が選択されることで、単位時間あたりの
衝突回数を増加させることができ、全体としての発電量
が高められる。

【００８５】また、特に弾性部材にバネ定数に方向性を
有する弾性体を用い、弾性部材の最も小さいバネ定数の
方向を、衝突部材が圧電素子に衝突する方向と一致させ
るよう発電部材に取り付けることで、圧電素子に衝突す
る衝突部材の動きを抑制する振動を発生しにくくし、衝
突の動きのみを効率的に発生させることができる。

【００８６】また、発電部材の振動の方向を、衝突部材
が圧電素子に衝突する方向のみに規制することで、バネ
定数に方向性を有しない弾性部材を利用しても、衝突回
数を増加させることができ、全体としての発電量が高め
られる。

【００８７】さらに、バネ定数に方向性を有しない弾性
部材を利用する場合に、複数の振動方向に対して発電可
能に発電部材を設けることによっても、衝突回数を増加
させ、全体としての発電量を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施の形態（１）の外観の斜視図である。

【図２】 実施の形態（１）の動作説明図である。

【図３】 実施の形態（１）の発電部材の詳細な断面図
である。

【図４】 実施の形態（１）の振動状態を説明するグラ
フである。

【図５】 実施の形態（２）の動作説明図である。

【図６】 実施の形態（２）の変形例の動作説明図であ
る。

【図７】 実施の形態（３）の外観の斜視図である。

【図８】 実施の形態（３）の動作説明図である。

【図９】 実施の形態（４）の動作説明図である。

【図１０】 実施の形態（４）の変形例の説明図であ
る。

【図１１】 実施の形態（４）の変形例の説明図であ
る。

【図１２】 実施の形態（５）の外観の斜視図である。

【図１３】 実施の形態（５）の動作説明図である。

【図１４】 実施の形態（６）の断面図である。

【図１５】 実施の形態（７）の斜視図である。

【図１６】 実施の形態（７）の変形例の斜視図であ
る。

【符号の説明】

１ 振動型発電装置 ２ 発電部材 ２１ 圧電素子 ２１１、２１２ 圧電セラミックス ２２ 衝突部材 ２３、２３１、２３２ ハウジング ２４ 接着剤 ２５ クッション材 ２６１〜２６４ リード線 ２７ プロテクタ ２８ ガイド ２９１ 一端 ２９２ 他端 ３ 基部材 ４ 弾性部材 ５ 回路部 ６ 支持部材 ７ 案内部材

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電素子に衝突部材が衝突して発電する
   発電部材と、弾性を有し発電部材に取り付けられるとと
   もに、外力が加えられることで衝突部材が圧電素子への
   衝突を繰り返すよう発電部材を振動させる弾性部材とを
   備える振動型発電装置。
2. 【請求項２】 対向して設けられた圧電素子に衝突部材
   が衝突して発電する発電部材と、弾性を有し発電部材に
   取り付けられるとともに、外力が加えられることで衝突
   部材が圧電素子間での衝突を繰り返すよう発電部材を振
   動させる弾性部材とを備える振動型発電装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の振動型発電装置
   において、弾性部材には、外力と整合して振動の周期を
   小さくするバネ定数の弾性体が選択されることを特徴と
   する振動型発電装置。
4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれかに記載の振動
   型発電装置において、弾性部材はバネ定数に方向性を有
   する弾性体からなり、弾性部材の最も小さいバネ定数の
   方向を、衝突部材が圧電素子に衝突する方向と一致させ
   るよう発電部材に取り付けられることを特徴とする振動
   型発電装置。
5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれかに記載の振動
   型発電装置において、発電部材を支持するために弾性部
   材を介して発電部材に連結される基部材が備えられ、外
   力が発電部材と基部材と弾性部材との少なくとも１つに
   加えられるよう構成し、発電部材と弾性部材とでできる
   固有振動と基部材の固有振動とを共振させるように弾性
   部材を発電部材と基部材とに取り付けることを特徴とす
   る振動型発電装置。
6. 【請求項６】 請求項１から４のいずれかに記載の振動
   型発電装置において、発電部材を支持するために弾性部
   材を介して発電部材に連結される基部材が備えられ、外
   力が発電部材と弾性部材の少なくとも１つに加えられる
   よう構成し、基部材は振動しないように固定されること
   を特徴とする振動型発電装置。
7. 【請求項７】 請求項１から６のいずれかに記載の振動
   型発電装置において、弾性部材は板バネで形成されるこ
   とを特徴とする振動型発電装置。
8. 【請求項８】 請求項１から６のいずれかに記載の振動
   型発電装置において、弾性部材は、衝突部材が圧電素子
   に衝突する方向への振動のバネ定数が弾性部材の最も小
   さいバネ定数となる形状に形成された部材であることを
   特徴とする振動型発電装置。
9. 【請求項９】 圧電素子に衝突部材が衝突して発電する
   発電部材と、弾性を有し発電部材に取り付けられるとと
   もに、外力が加えられることで衝突部材が圧電素子への
   衝突を繰り返すよう発電部材を振動させる弾性部材とを
   備え、発電部材は衝突部材が圧電素子に衝突する方向に
   のみ振動するよう動作が規制されている振動型発電装
   置。
10. 【請求項１０】 請求項９記載の振動型発電装置におい
    て、発電部材は、衝突部材が圧電素子に衝突する方向に
    のみ振動するよう支持されていることを特徴とする振動
    型発電装置。
11. 【請求項１１】 請求項９または１０記載の振動型発電
    装置において、発電部材の近傍に、衝突部材が圧電素子
    に衝突する方向にのみ発電部材が振動するよう案内する
    案内部材が設けられていることを特徴とする振動型発電
    装置。
12. 【請求項１２】 圧電素子に衝突部材が衝突して発電す
    る発電部材と、弾性を有する弾性部材とを備え、発電部
    材は弾性部材に挟まれて取り付けられ、外力が加えられ
    ると発電部材は弾性部材の伸縮により衝突部材が圧電素
    子への衝突を繰り返すよう振動する振動型発電装置。
13. 【請求項１３】 請求項１２記載の振動型発電装置にお
    いて、弾性部材はその伸縮方向が発電部材の衝突部材の
    衝突方向と一致するよう発電部材の対向する両端に取り
    付けられることを特徴とする振動型発電装置。
14. 【請求項１４】 圧電素子に衝突部材が衝突して発電す
    る発電部材と、弾性を有し発電部材に取り付けられると
    ともに、外力が加えられることで衝突部材が圧電素子へ
    の衝突を繰り返すよう発電部材を振動させる弾性部材と
    を備え、発電部材が複数の振動方向に対して発電可能に
    設けられている振動型発電装置。
15. 【請求項１５】 請求項１４記載の振動型発電装置にお
    いて、衝突部材と圧電素子はハウジングに収納され、こ
    のハウジングは複数が交差して組まれて弾性部材に取り
    付けられていることを特徴とする振動型発電装置。
16. 【請求項１６】 請求項９から１５のいずれかに記載の
    振動型発電装置において、弾性部材はコイルバネで形成
    されることを特徴とする振動型発電装置。