JP2004166442A - 発電装置および発電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】中規模電力または大規模電力の発電を行う発電装置および発電システムを提供する。
【解決手段】発電装置１は、外周に複数のユニモルフ素子２１が放射状に固定された内輪部材１１と、内輪部材１１を囲繞する外輪部材１２と、内輪部材１１を回転させる機軸部材１３および回転装置１４と、内輪部材１１を回転させた際にユニモルフ素子２１の先端部に接触してユニモルフ素子２１に屈曲変位を生じさせるように外輪部材１２の内周面に設けられた突起部２９と、ユニモルフ素子２１が屈曲変位する際に圧電効果によって発生するパルス電流を整流するブリッジ回路３０と、ブリッジ回路３０を通して集電した電力を二次電池等の外部負荷へ出力する出力機構１５と、を具備する。
【選択図】 図１
【解決手段】発電装置１は、外周に複数のユニモルフ素子２１が放射状に固定された内輪部材１１と、内輪部材１１を囲繞する外輪部材１２と、内輪部材１１を回転させる機軸部材１３および回転装置１４と、内輪部材１１を回転させた際にユニモルフ素子２１の先端部に接触してユニモルフ素子２１に屈曲変位を生じさせるように外輪部材１２の内周面に設けられた突起部２９と、ユニモルフ素子２１が屈曲変位する際に圧電効果によって発生するパルス電流を整流するブリッジ回路３０と、ブリッジ回路３０を通して集電した電力を二次電池等の外部負荷へ出力する出力機構１５と、を具備する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子の圧電効果を利用した発電装置および発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電体に変位を与えると圧電効果によって電力が発生するため、この電力を直接に電気製品や電子製品の作動に使用することができ、または発生した電力を電池やコンデンサに充電することによって、これら電池等を電気製品等の駆動電源または停電時や非常時のバックアップ電源として用いることができる。
【０００３】
例えば、特開平９−２３３８６２号公報の図９には、腕時計に用いられる発電装置が開示されている。この発電装置は、時計ケースの内周に一定間隔で片持ち梁状かつ放射状に固定された複数の振動片と、時計ケースの中央に設けられた回転錘と、回転錘に固定された回転部材とを有しており、振動片の両面には圧電体層が設けられ、回転部材の外周には所定間隔で突起が設けられている。ここで、特開平９−２３３８６２号公報の図１６に示されるように、回転錘は回転錘に加えられる外力の向きに応じて、所定角度（回転の中心と隣接する２カ所の突起とを結ぶ線の交差角度にほぼ一致する）の範囲内で時計回りと反時計回りのいずれにも回ることができるようになっており、回転部材はこの回転錘の動きと同じ動きをする。
【０００４】
このような発電装置では、腕の動きに反応して回転錘が回転し、このときに回転部材に設けられた突起が振動片の先端部（自由端）に接触して振動片および振動片に接着された圧電体層を屈曲させる。このとき、圧電体層に圧電効果による電力が発生するので、この電力がコンデンサ（または二次電池）に充電され、これによって、時計の駆動が維持される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２３３８６２号公報（第８−１２頁、第９図、第１６図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記発電装置を家庭用の給電設備としてそのまま応用することは困難である。具体的には、上記発電装置の回転部材に設けられた突起の数は振動片の数よりも少ないために、一度に発電する圧電体層の数が少なく、大きな電力が得られないという問題がある。
【０００７】
また、回転錘は一定の角度範囲でしか回転できないようになっているが、これは腕の動きの多くが振り子型の往復運動であることによるものと推測される。しかし、上記発電装置を家庭用の電力供給設備に応用しようとすると、この回転錘の動力源としては水力や風力等の自然力が用いられることが予想されるために、これらの力によって回転錘に振り子型の運動を与えることは困難である。
【０００８】
さらに、振動片は内周側が自由端であり、外周側が固定端となっているために、隣接する振動片の先端間の距離が短くなる。この場合には、振動片の自由端どうしが接触しないようにしなければならないために振動片の配置密度を高めることが困難であり、また、１個の振動片の変位量を大きくとることができないために高い電圧を得ることが困難である。
【０００９】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、家庭用電力等に用いられる中規模電力または大規模電力の発電を行う発電装置および発電システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、外周に複数の屈曲型圧電素子が所定の間隔で放射状に固定された円板状の内輪部材と、
前記内輪部材を囲繞する外輪部材と、
前記内輪部材または前記外輪部材を回転させる回転機構と、
前記内輪部材または前記外輪部材を回転させた際に、前記屈曲型圧電素子の先端部に接触して前記屈曲型圧電素子に屈曲変位を生じさせるように、前記外輪部材の内周面に所定間隔で設けられた突起部と、
前記複数の屈曲型圧電素子が屈曲変位する際に圧電効果によって発生するパルス電流を前記複数の屈曲型圧電素子ごとに整流する複数の整流回路と、
前記複数の整流回路から集電した電力を外部負荷へ出力する出力機構と、
を具備することを特徴とする発電装置、が提供される。
【００１１】
また本発明によれば、所定の定周波数の電力を出力する発電ユニットを複数備えた発電システムであって、
前記複数の発電ユニットを保持する機軸部材と、
前記機軸部材を回転させる回転機構と、
前記複数の発電ユニットにおいて発生する電力を集電して外部負荷へ出力する出力機構と、
を具備し、
前記複数の発電ユニットは個々に、
円板形状を有し、その外周に複数の屈曲型圧電素子が所定の間隔で放射状に固定され、前記機軸部材がその主面の中心を貫通するようにして前記機軸部材と接続された内輪部材と、
前記内輪部材を囲繞するように配置され、前記機軸部材の回転によって前記内輪部材が回転した際に前記屈曲型圧電素子の先端部に接触して前記屈曲型圧電素子に屈曲変位を生じさせる突起部が内周面に所定間隔で設けられた外輪部材と、
前記複数の屈曲型圧電素子が屈曲変位する際に圧電効果によって発生するパルス電流を前記複数の屈曲型圧電素子ごとに整流する複数の整流回路と、
を有し、
前記複数の発電ユニットは、前記機軸部材を回転させた際に、所定周波数の電力がその位相がずれるように前記機軸部材に取り付けられ、
前記出力機構からは、前記複数の発電ユニットから前記複数の整流回路を通して給電される電力が合成された直流電力が出力されることを特徴とする発電システム、が提供される。
【００１２】
このような本発明によれば、複数の屈曲型圧電素子を同時に変位させた場合には大きな電力を得ることができ、また複数の屈曲型圧電素子の変位のタイミングをずらすことによって容易に一定出力の直流電力を得ることができる。また、屈曲型圧電素子の一端を内輪部材の外周に固定しているために、隣接する屈曲型圧電素子の自由端間の距離が拡がり、これにより１個の屈曲型圧電素子の変位量を大きくして高い電圧を得ることができる。なお、屈曲型圧電素子は内輪部材の外周に高密度に配置することができ、これにより出力を大きくすることができる。さらに、内輪部材または外輪部材を一方向に回転させることができるために、動力源として水力や風力等の自然力を用いることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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は本発明に係る発電装置の概略側面図であり、図２は発電装置の部分拡大図である。発電装置１は、円板状の内輪部材１１と、内輪部材１１の外周に一定の間隔で放射状に固定された複数のユニモルフ素子２１と、複数のユニモルフ素子２１ごとに設けられたブリッジ回路３０と、内輪部材１１を囲繞するように配置された外輪部材１２と、外輪部材１２の内周面に一定間隔で設けられた突起部２９と、内輪部材１１の主面の中心を貫通するようにして内輪部材１１に固定された機軸部材１３と、機軸部材１３を回転させる回転装置１４と、を有している。
【００１４】
内輪部材１１にはユニモルフ素子２１と絶縁するために、絶縁材料が好適に用いられる。具体的には、ＡＢＳ樹脂やエポキシ樹脂等のエンジニアリングプラスチック材料が挙げられる。このような樹脂材料を用いると、内輪部材１１の成形時に、ユニモルフ素子２１の取付部や機軸部材１３の取付部を一体的に成形することができる。
【００１５】
内輪部材１１の表面には、複数のユニモルフ素子２１から集電を行い、また集電された電力を外部へ出力するための集電板１７ａ・１７ｂが設置されている。この集電板１７ａ・１７ｂとしては、例えば、銅リング等を用いることができる。集電板１７ａ・１７ｂは内輪部材１１に直接に設けてもよいし、後述するように、ブリッジ回路３０と一体的に配線基板に設けてもよい。
【００１６】
機軸部材１３は、回転装置１４によって時計回りと反時計回りのいずれにも回転可能となっている。機軸部材１３には、金属材料または樹脂材料が好適に用いられる。回転装置１４としては、風力や水力等の自然力や人力を利用したもの（風車や水車等）や、化石燃料を用いて駆動されるエンジン（自動車エンジン等）の動力を利用したものが好適に用いられる。なお、水力としては、河川を流れる水や、家庭用の上水配管等の給水設備も利用することができる。
【００１７】
外輪部材１２には、樹脂材料や金属材料が好適に用いられる。この外輪部材１２は、発電装置１全体を収容するためのハウジング等に固定される。突起部２９は、内輪部材１１を回転させた際に複数のユニモルフ素子２１が同時にいずれかの突起部２９に接触するように、等間隔で外輪部材１２の内周面に設けられている。
【００１８】
突起部２９は、ユニモルフ素子２１の先端部（金属板２２の先端部）に接触するために、耐摩耗性に優れた材料または摩擦係数の小さい材料で構成することが好ましい。例えば、耐摩耗性に優れた材料としては、窒化珪素や炭化珪素、炭化タングステン等のセラミックス材料が挙げられる。また、摩擦係数の小さい材料としては、フッ素樹脂等が挙げられる。
【００１９】
内輪部材１１に取り付けられたユニモルフ素子２１は屈曲型圧電素子の１つである。ユニモルフ素子２１は、図１に示す取り付け状態に限定されず、内輪部材１１の外周に高密度に配置することができる。
【００２０】
図２に示すように、ユニモルフ素子２１は金属板２２の片面に厚み方向に分極された圧電セラミックス薄板２３が接着剤で貼り付けられた構造を有している。圧電セラミックス薄板２３の表裏面には図示しない電極膜が形成されており、金属板２２側の電極膜は金属板２２と導通している。金属板２２と圧電セラミックス薄板２３の表面の電極膜にはそれぞれリード線が取り付けられており、これらのリード線はブリッジ回路３０に接続されており、各ブリッジ回路３０は、集電板１７ａ・１７ｂに接続されている。
【００２１】
なお、図１においては、ブリッジ回路３０の図示を省略しているが、ユニモルフ素子２１からの電力の取り出し方法を示すために、便宜的に、ユニモルフ素子２１に設けられたリード線を直接に内輪部材１１に設けられたリング状の集電板１７ａ・１７ｂに取り付けた状態を示している。
【００２２】
金属板２２としては、優れたバネ性を有する銅薄板、リン青銅薄板、ステンレス薄板、４２アロイ薄板等が好適に用いられる。また、圧電セラミックス薄板２３としては、厚み横振動モード（ｄ３１モード）の特性に優れるチタン酸ジルコン酸鉛系の圧電材料が好適に用いられ、接着剤としては嫌気性のアクリル系接着剤等が一般的に用いられる。なお、金属板２２の代わりに、樹脂フィルムの表面に金属箔が溶着等されたプリント配線基板を用いることも可能である。
【００２３】
ブリッジ回路３０は内輪部材１１の表面に設けられている。例えば、集電板１７ａ・１７ｂを有する所定の配線パターンが形成され、所定位置にダイオードが固定された円板状または平板リング状の配線基板を内輪部材１１に固定し、次いで内輪部材１１に固定されたユニモルフ素子２１が備えているリード線をこの配線基板の所定位置にハンダ付け等により接続すれば、ブリッジ回路３０とユニモルフ素子２１との接続を容易に行うことができる。
【００２４】
複数のブリッジ回路３０から出力されて集電板１７ａ・１７ｂで合成された電力を、電気・電子機器や二次電池等の外部負荷へ出力する出力機構１５としては、内輪部材１１が回転することを考慮すると、回転する機軸部材１３の端部から電力を取り出すブラシ機構を用いることができる。図１では、集電板１７ａ・１７ｂから機軸部材１３の表面に設けた配線１８ａ・１８ｂへ送電を行う形態を模式的に示している。
【００２５】
次に、上述した構造を有する発電装置１の駆動形態について説明する。内輪部材１１を回転させると、ユニモルフ素子２１の先端部が突起部２９に接触する。この状態から内輪部材１１を所定角度さらに回転させると、ユニモルフ素子２１の自由端の移動が突起部２９によって抑制されるために、ユニモルフ素子２１が屈曲する。この状態から内輪部材１１を所定角度さらに回転させると、ユニモルフ素子２１の先端は突起部２９から離れ、ユニモルフ素子２１は元の姿勢である真っ直ぐな状態に戻ろうとする。
【００２６】
このようにユニモルフ素子２１の先端を突起部２９で弾くようにしてユニモルフ素子２１を屈曲変位させることによって、圧電セラミックス薄板２３には圧電効果によって電力が発生する。なお、ユニモルフ素子２１が屈曲する際の変位速度と、ユニモルフ素子２１が屈曲状態から元の真直状態に戻る際の変位速度とがほぼ同じとなるように、内輪部材１１の回転速度を調節すると、電圧の立ち上がり時間と降下時間とをほぼ同じ時間とすることができる。発電装置１においては、ユニモルフ素子２１を内輪部材１１の外周に固定しているために、隣接するユニモルフ素子２１どうしの自由端間の距離が拡がり、これにより１個のユニモルフ素子２１の変位量を大きくして高い電圧を得ることができる。
【００２７】
こうして各ユニモルフ素子２１で発生する電力はブリッジ回路３０を通して集電される。一般的に、圧電セラミックスの圧電効果によって発生する電力は、高電圧／低電流である。したがって、より多くの電流が得られるように、各ブリッジ回路３０は並列に接続することが好ましい。但し、高い電圧が必要とされる場合もあり、この場合には、複数のブリッジ回路３０を直列に接続すればよい。
【００２８】
図３はブリッジ回路３０に入力される電力とブリッジ回路３０から出力される電圧を比較した説明図である。ユニモルフ素子２１は、その先端が突起部２９から離れてから次の突起部２９に接触するまでに要する時間が長い場合には、金属板２２のバネ性に起因して、反りの方向が逐次逆になるように、かつ、反りの振幅が減少するように屈曲する。このように反りの方向が逆転すると、圧電セラミックス薄板２３には交流パルスが発生し、このような交流パルスがブリッジ回路３０に入力される（図３（ａ））。
【００２９】
しかし、ブリッジ回路３０は電流を一方向に制限する整流機能を有しているために、ブリッジ回路３０からは直流パルスの電力が出力される（図３（ｂ））。各種のバックアップ電源や駆動用電源として用いられるコンデンサや鉛蓄電池、リチウムイオン電池等の二次電池を、こうして得られる直流電力で充電することができる。
【００３０】
なお、ブリッジ回路３０をユニモルフ素子２１ごとに設けない場合には、ユニモルフ素子２１の内輪部材１１への取り付け精度や、ユニモルフ素子ごとの屈曲特性のわずかな差によって、あるユニモルフ素子２１の発電のタイミングと別のユニモルフ素子２１の発電のタイミングがわずかにずれる場合が生じる可能性がある。この場合には、ユニモルフ素子２１が突起部２９から離れた後にユニモルフ素子２１の反りの方向が逆転することによって、一方のユニモルフ素子２１で正の電圧が発生しているとき（例えば、図３（ａ）に示す最初の正の電圧のピーク発生時）に、別のユニモルフ素子２１で負の電圧が発生し（例えば、図３（ａ）に示す最初の負の電圧のピーク発生時）、これらが互いにうち消し合って所定の電圧が得られなくなる。発電装置１においては、ブリッジ回路３０をユニモルフ素子２１ごとに設けることによって、このような事態が発生することを回避している。
【００３１】
発電装置１においては、内輪部材１１に配設するユニモルフ素子２１の数を調整することにより、または図１に示す突起部２９の中間にさらに突起部を設ける等して外輪部材１２に設ける突起部２９の数を調整することにより、または内輪部材１１の回転数を調整することによって、ユニモルフ素子２１の一連の屈曲動作（突起部２９に接して屈曲し始め、突起部２９から離れて元のほぼ真直な姿勢に戻るまでの動作）に要する時間を確保しながら、かつ、ユニモルフ素子２１の駆動周期、つまりユニモルフ素子２１がある突起部２９に接触してから次の突起部２９に接触するまでの時間を短くした場合には、圧電セラミックス薄板２３に、図３（ｃ）に示す波形のほぼ連続した電力を発生させることもできる。このような電力を用いれば、直接に電気・電子機器を動作させることも可能である。
【００３２】
上述した発電装置１は任意の大きさに設計することができる。ユニモルフ素子２１の大きさは、製造が可能な圧電セラミックス薄板２３の大きさに制限されるから、最初にユニモルフ素子２１の形状を定める。これによりユニモルフ素子２１の発電特性が定められるから、所望する電力から必要なユニモルフ素子２１の数を決定することができる。そして、内輪部材１１の外径を必要な数のユニモルフ素子２１を取り付けることができる長さに設定すればよい。
【００３３】
図４は、内輪部材１１とユニモルフ素子２１の大きさを考慮した組み合わせの形態の例を示す説明図である。例えば、長さが一定のユニモルフ素子２１を用いた場合において、少ない電力で足りる場合には、図４（ａ）に示すように、外径の小さい内輪部材１１´を用いることができる。これに対して、より大きい電力が必要な場合には、図４（ｂ）に示すように、外径の長い内輪部材１１″を用いて、多くのユニモルフ素子２１を取り付けることもできる。なお、図４（ａ）と図４（ｂ）では縮尺度は異なる。
【００３４】
上述した発電装置１を複数組み合わせることによって、所望する電力を発生させる発電システムを構成することができる。図５は発電システム１００の概略構成を示す斜視図であり、図６は図５に示すＡＡ〜ＣＣ概略断面図である。なお、図５は細部を省略して概略の外形のみを示しており、また、以下の説明を分かりやすくするために、図６の各断面図ではブリッジ回路３０等の細部を省略し、内輪部材１１に少ない数のユニモルフ素子２１ａ〜２１ｃを示している。
【００３５】
発電システム１００は、機軸部材１３が共用されるようにして、機軸部材１３の長手方向に発電装置１が複数並べられた構造を有している。以下、このようにして発電システム１００を構成する個々の発電装置１を発電ユニットと呼ぶこととする。
【００３６】
発電システム１００は、発電ユニット１０１〜１０３を１つのグループとし、このグループを機軸部材１３の長手方向に複数設けた構成となっている。発電ユニット１０１〜１０３の各内輪部材１１ａ〜１１ｃは、機軸部材１３の長手方向から見たときに、ユニモルフ素子２１ａ〜２１ｃが一直線状に並ぶように、機軸部材１３に取り付けられている（図６各図参照）。また、発電ユニット１０１〜１０３の全てのユニモルフ素子２１ａ〜２１ｃは、ユニモルフ素子２１ａ〜２１ｃごとに設けられたブリッジ回路（図示せず）を通して、並列接続されている。
【００３７】
なお、発電ユニット１０１〜１０３からなるグループどうしの電気的な接続は、高電圧が必要であれば直列接続に、大電流が必要であれば並列接続にすればよく、直列接続と並列接続とを組み合わせて接続してもよい。発電システム１００は、発電装置１と同様に、機軸部材１３を利用したブラシ機構等の出力機構１５によって、各グループから出力される電力を一括して取り出すことができるようになっている。
【００３８】
これに対して、発電ユニット１０１〜１０３のそれぞれの外輪部材１２ａ〜１２ｃに設けられた突起部２９ａ〜２９ｃは、機軸部材１３の長手方向から見たときに、周方向に一定の間隔でずれている。例えば、発電ユニット１０１の突起部２９ａは、図６（ａ）に示されるように、外輪部材１２ａの内周のＡ点（最上部を頂点の１つに有する正八角形の頂点）に設けられている。これに対して、発電ユニット１０２の突起部２９ｂは、各Ａ点から時計回りに１５度（ｄｅｇ）回ったＢ点に設けられている（図６（ｂ））。同様に、発電ユニット１０３の突起部２９ｃは各Ｂ点から時計回りに１５度回ったＣ点に設けられている（図６（ｃ））。
【００３９】
図７は機軸部材１３を回転させた際に、発電ユニット１０１〜１０３において発生する電力の電圧波形を示す説明図である。機軸部材１３を回転させている状態において、ある時間Ｔ１では、発電ユニット１０１で発電が始まり（つまり、発電ユニット１０１が具備するユニモルフ素子２１ａが突起部２９ａに接して屈曲が始まる）、電圧Ｖ１が発生する。なお、後述するように、この時間Ｔ１の時点では後の時間Ｔ４と同様に、発電ユニット１０３の発電による電圧Ｖ３がピークに達している。次に、時間Ｔ１から一定時間ΔＴが経過して機軸部材１３が一定角度回転した時間Ｔ２においては、発電ユニット１０１よる電圧Ｖ１がピークに達するとともに、発電ユニット１０２での発電が始まり、電圧Ｖ２が発生する。
【００４０】
時間Ｔ２から一定時間ΔＴが経過した時間Ｔ３においては、発電ユニット１０２による電圧Ｖ２がピークに達するとともに、発電ユニット１０３での発電が始まり、電圧Ｖ３が発生する。時間Ｔ３から一定時間ΔＴが経過した時間Ｔ４においては、発電ユニット１０３による電圧Ｖ３がピークに達するとともに、発電ユニット１０１での発電が始まる。つまり時間Ｔ４においては時間Ｔ１と同じ状態となり、以下、このようなサイクルが繰り返される。
【００４１】
このように、機軸部材１３を回転させた際に発電ユニット１０１〜１０３それぞれから出力される電力は一定の周波数を有する電力であるが、その位相を相互にずらすことによって、図７に示すように、これらの電力が合成されて直流電力を得ることができる。このようなグループを機軸部材１３に複数設けることによって、より大きな電力を取り出すことができる。
【００４２】
次に、本発明の発電装置の別の実施形態について説明する。図８は発電装置１ａの概略側面図である。発電装置１ａは、先に説明した発電装置１と比較すると、内輪部材１１に固定されているユニモルフ素子（以下「ユニモルフ素子２１ｐ〜２１ｓ」とする）の数が少なく、かつ、外輪部材１２に設けられた突起部（以下「突起部２９ｐ〜２９ｔ」とする）の配置の形態が異なるだけである。
【００４３】
図９は発電装置１ａによって得られる電圧波形を示す説明図である。発電装置１ａにおいては、例えば、ある時間ｔ１においては、等間隔で内輪部材１１に固定された複数のユニモルフ素子２１ｐ〜２１ｓのうちの３個のユニモルフ素子２１ｐは突起部２９ｐに接触するが、その他のユニモルフ素子２１ｑ〜２１ｓはフリーな状態にある。なお、突起部２９ｐ間が１周期となっている。
【００４４】
時間ｔ１から一定時間Δｔが経過した時間ｔ２においては、内輪部材１１が回転することによってユニモルフ素子２１ｐは突起部２９ｐから離れるとする。したがって、時間ｔ２ではユニモルフ素子２１ｐで発生する電圧Ｖｐはほぼ最大値に達する。一方、この時間ｔ２において、ユニモルフ素子２１ｑが突起部２９ｑに接触して屈曲が始まるように、突起部２９ｑの位置が定められている。時間ｔ２において、ユニモルフ素子２１ｒ・２１ｓはフリーな状態にある。
【００４５】
時間ｔ２から一定時間Δｔが経過した時間ｔ３において、ユニモルフ素子２１ｐはほぼフリーな状態に戻っている。また、この時間ｔ３において、ユニモルフ素子２１ｑは突起部２９ｑから離れようとする。したがって、時間ｔ３ではユニモルフ素子２１ｑで発生する電圧Ｖｑはほぼ最大値に達する。さらに、時間ｔ３において、ユニモルフ素子２１ｒの屈曲が始まるように突起部２９ｒの位置を定める。時間ｔ３において、ユニモルフ素子２１ｓはフリーな状態にある。
【００４６】
時間ｔ３から一定時間Δｔが経過した時間ｔ４において、ユニモルフ素子２１ｐ・２１ｑはフリーな状態となっている。また、この時間ｔ４において、ユニモルフ素子２１ｒは突起部２９ｒから離れる。したがって、時間ｔ４ではユニモルフ素子２１ｒで発生する電圧Ｖｒはほぼ最大値に達する。さらに、時間ｔ４において、ユニモルフ素子２１ｓの屈曲が始まるように突起部２９ｓの位置を定める。
【００４７】
時間ｔ４から一定時間Δｔが経過した時間ｔ５では、ユニモルフ素子２１ｑ・２１ｒはフリーな状態となっている。また、この時間ｔ５において、ユニモルフ素子２１ｓは突起部２９ｓから離れようとする。したがって、時間ｔ５ではユニモルフ素子２１ｓで発生する電圧Ｖｓはほぼ最大値に達する。さらに時間ｔ５では、ユニモルフ素子２１ｐは突起部２９ｔに接触して屈曲し始める。時間ｔ５から一定時間Δｔが経過した時間ｔ６では、ユニモルフ素子２１ｑが突起部２９ｐに接して屈曲を始める。以下、このような動作サイクルが繰り返される。
【００４８】
このように、発電装置１ａは、突起部２９ｐ〜２９ｔを設ける位置を制御することによって、ユニモルフ２１ｐ〜２１ｓの屈曲のタイミングをずらしており、その結果として、ユニモルフ素子２１ｐ〜２１ｓから出力される電力を合成した際に、直流電力が得られるようになっている。複数の発電装置１を構成ユニットとして並列（または直列）に接続することにより発電システム１００を構成したように、複数の発電装置１ａを同時に駆動することによって、より大きな電力を得ることができる。
【００４９】
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、ユニモルフ素子２１に用いられる金属板２２は一般的にその厚みが薄いために、外輪部材１２の内周面に設けられた突起部２９が直接に金属板２２の先端部（自由端）に接触するようにすると、金属板２２の先端部だけが屈曲する等の経時変化が生じて、突起部２９からユニモルフ素子２１に正確に力が伝わらなくなるおそれがある。
【００５０】
そこで、ユニモルフ素子２１の先端部に、機械的強度と耐摩耗性に優れる窒化珪素や炭化珪素、炭化タングステン等のセラミックス片を取り付けるか、または、このようなセラミックス片を取り付ける代わりに、このような材料で金属板２２の先端部をコーティングすることが好ましい。これによって、ユニモルフ素子２１の屈曲性を保持し、発電特性を長期にわたって維持することができる。
【００５１】
図１にはユニモルフ素子２１の数と突起部２９の数とが等しい形態を示したが、突起部２９の数は、これに限定されるものではない。例えば、ユニモルフ素子２１の一連の屈曲動作に要する時間が確保される範囲で、図１に示す突起部２９の間にさらに１個以上の突起部２９を設けることも可能である。この場合には、内輪部材１１が１回転する間にユニモルフ素子２１が突起部２９に接触する回数が多くなるために、より大きな電力を発生させることができる。これとは逆に、突起部２９の数を減らすこともできる。
【００５２】
発電装置に用いられる屈曲型圧電素子は、ユニモルフ素子２１に限定されるものではなく、図１０に示すような金属板（シム）２２の両面に圧電セラミックス薄板２３を貼り付けたバイモルフ素子２５を用いることもできる。バイモルフ素子２５の場合には、圧電セラミックス薄板２３の一方には、分極方向とは逆方向に電圧が発生するために、分極が消滅しない程度にバイモルフ素子２５の屈曲を抑えることが好ましい。
【００５３】
ユニモルフ素子２１やバイモルフ素子は、直接に内輪部材１１に取り付けなくてはならないものではない。例えば、ユニモルフ素子２１の一端に金属板２２を保持する治具を取り付け、この治具を内輪部材１１に固定してもよい。
【００５４】
図１および図２に示した発電装置１は、外輪部材１２を固定し、内輪部材１１を回転させることによって発電を行う構造を有しているが、これとは逆に、内輪部材１１を固定し、外輪部材１２を回転させることによって発電を行う構造とすることもできる。図１１は外輪部材１２を回転させる機構の一例を示す側面図である。図１１に示されるように、外輪部材１２の一方の開口面に円板１９を取り付け、この円板１９の中心に枢軸部材４２を取り付ける。この枢軸部材４２をベアリング４３を介してハウジング４１に回転自在な状態で取り付ける。また、内輪部材１１をハウジング４１に固定する。枢軸部材４２を回転装置１４によって回転することによって、ユニモルフ素子２１は突起部２９に接触して屈曲し、発電が行われる。
【００５５】
この他にも、例えば、外周が歯車状となっている外輪部材を用い、この外輪部材を少なくとも３個の回転自在な小さい歯車で保持して、これら小さい歯車の中の１個を回転装置によって回転させることによって、外輪部材を回転させることもできる。
【００５６】
発電装置１や発電システム１００から出力される電力は、二次電池等の充電に用いられるのみでなく、直接にＤＣ／ＡＣコンバータを用いて交流変換し、トランスによって昇圧することによって、直接に家庭やオフィスビル等の各所で使用することも可能である。また、本発明に係る発電システムを小型化したものは、各種の充電装置、例えば、自動車用バッテリーの充電装置等としても用いることができる。
【００５７】
発電装置１ａでは、ユニモルフ素子２１を４個１単位として各ユニモルフ素子１をタイミングをずらして屈曲させ、これによって位相の異なる電力を発生させたが、５個以上のユニモルフ素子２１を１単位としてタイミングをずらして屈曲させ、これによって位相の異なる電力を発生させてもよく、逆に、２個または３個のユニモルフ素子２１を１単位としてもよい。また、発電システム１００では、１グループを構成する発電ユニットの数を３個としたが、より多くの発電ユニットから１グループを構成してもよく、２個の発電ユニットを１グループとしてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
上述の通り、本発明によれば、複数の屈曲型圧電素子を変位させることによって大きな電力を得ることができる。また、複数の屈曲型圧電素子の変位のタイミングをずらすことによって一定出力の直流電力を得ることができる。さらに、屈曲型圧電素子の一端を内輪部材の外周に固定しているために、隣接する屈曲型圧電素子の自由端間の距離が拡がり、これにより１個の屈曲型圧電素子の変位量を大きくして高い電圧を得ることができる。本発明の発電装置を複数組み合わせた発電システムでは、家庭用等に使用できる中規模または大規模な電力の発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る発電装置の概略側面図。
【図２】図１に示す発電装置の部分拡大図。
【図３】ブリッジ回路に入力される電力とブリッジ回路から出力される電圧の説明図。
【図４】内輪部材とユニモルフ素子の大きさを考慮した組み合わせの形態の例を示す説明図。
【図５】本発明に係る発電システムの概略構成を示す斜視図。
【図６】図５に示すＡＡ〜ＣＣ断面図。
【図７】発電システムを構成する発電ユニットにおいて発生する電力の電圧波形を示す説明図。
【図８】本発明に係る別の発電装置の概略側面図。
【図９】図８に示すユニモルフ素子の駆動により得られる電圧波形を示す説明図。
【図１０】バイモルフ素子の概略構造を示す斜視図。
【図１１】外輪部材を回転させる機構の一実施形態を示す側面図。
【符号の説明】
１；発電装置
１１・１１´・１１″・１１ａ〜１１ｃ；内輪部材
１２・１２ａ〜１２ｃ；外輪部材
１３；機軸部材
１４；回転装置
１５；出力機構
１７ａ・１７ｂ；集電板
１８ａ・１８ｂ；配線
１９；円板
２１・２１ａ〜２１ｃ・２１ｐ〜２１ｓ；ユニモルフ素子
２２；金属板
２３；圧電セラミックス薄板
２５；バイモルフ素子
２９・２９ａ〜２９ｄ・２９ｐ〜２９ｓ；突起部
３０；ブリッジ回路
４１；ハウジング
４２；枢軸部材
４３；ベアリング
１００；発電システム
１０１〜１０３；発電ユニット
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子の圧電効果を利用した発電装置および発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電体に変位を与えると圧電効果によって電力が発生するため、この電力を直接に電気製品や電子製品の作動に使用することができ、または発生した電力を電池やコンデンサに充電することによって、これら電池等を電気製品等の駆動電源または停電時や非常時のバックアップ電源として用いることができる。
【０００３】
例えば、特開平９−２３３８６２号公報の図９には、腕時計に用いられる発電装置が開示されている。この発電装置は、時計ケースの内周に一定間隔で片持ち梁状かつ放射状に固定された複数の振動片と、時計ケースの中央に設けられた回転錘と、回転錘に固定された回転部材とを有しており、振動片の両面には圧電体層が設けられ、回転部材の外周には所定間隔で突起が設けられている。ここで、特開平９−２３３８６２号公報の図１６に示されるように、回転錘は回転錘に加えられる外力の向きに応じて、所定角度（回転の中心と隣接する２カ所の突起とを結ぶ線の交差角度にほぼ一致する）の範囲内で時計回りと反時計回りのいずれにも回ることができるようになっており、回転部材はこの回転錘の動きと同じ動きをする。
【０００４】
このような発電装置では、腕の動きに反応して回転錘が回転し、このときに回転部材に設けられた突起が振動片の先端部（自由端）に接触して振動片および振動片に接着された圧電体層を屈曲させる。このとき、圧電体層に圧電効果による電力が発生するので、この電力がコンデンサ（または二次電池）に充電され、これによって、時計の駆動が維持される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２３３８６２号公報（第８−１２頁、第９図、第１６図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記発電装置を家庭用の給電設備としてそのまま応用することは困難である。具体的には、上記発電装置の回転部材に設けられた突起の数は振動片の数よりも少ないために、一度に発電する圧電体層の数が少なく、大きな電力が得られないという問題がある。
【０００７】
また、回転錘は一定の角度範囲でしか回転できないようになっているが、これは腕の動きの多くが振り子型の往復運動であることによるものと推測される。しかし、上記発電装置を家庭用の電力供給設備に応用しようとすると、この回転錘の動力源としては水力や風力等の自然力が用いられることが予想されるために、これらの力によって回転錘に振り子型の運動を与えることは困難である。
【０００８】
さらに、振動片は内周側が自由端であり、外周側が固定端となっているために、隣接する振動片の先端間の距離が短くなる。この場合には、振動片の自由端どうしが接触しないようにしなければならないために振動片の配置密度を高めることが困難であり、また、１個の振動片の変位量を大きくとることができないために高い電圧を得ることが困難である。
【０００９】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、家庭用電力等に用いられる中規模電力または大規模電力の発電を行う発電装置および発電システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、外周に複数の屈曲型圧電素子が所定の間隔で放射状に固定された円板状の内輪部材と、
前記内輪部材を囲繞する外輪部材と、
前記内輪部材または前記外輪部材を回転させる回転機構と、
前記内輪部材または前記外輪部材を回転させた際に、前記屈曲型圧電素子の先端部に接触して前記屈曲型圧電素子に屈曲変位を生じさせるように、前記外輪部材の内周面に所定間隔で設けられた突起部と、
前記複数の屈曲型圧電素子が屈曲変位する際に圧電効果によって発生するパルス電流を前記複数の屈曲型圧電素子ごとに整流する複数の整流回路と、
前記複数の整流回路から集電した電力を外部負荷へ出力する出力機構と、
を具備することを特徴とする発電装置、が提供される。
【００１１】
また本発明によれば、所定の定周波数の電力を出力する発電ユニットを複数備えた発電システムであって、
前記複数の発電ユニットを保持する機軸部材と、
前記機軸部材を回転させる回転機構と、
前記複数の発電ユニットにおいて発生する電力を集電して外部負荷へ出力する出力機構と、
を具備し、
前記複数の発電ユニットは個々に、
円板形状を有し、その外周に複数の屈曲型圧電素子が所定の間隔で放射状に固定され、前記機軸部材がその主面の中心を貫通するようにして前記機軸部材と接続された内輪部材と、
前記内輪部材を囲繞するように配置され、前記機軸部材の回転によって前記内輪部材が回転した際に前記屈曲型圧電素子の先端部に接触して前記屈曲型圧電素子に屈曲変位を生じさせる突起部が内周面に所定間隔で設けられた外輪部材と、
前記複数の屈曲型圧電素子が屈曲変位する際に圧電効果によって発生するパルス電流を前記複数の屈曲型圧電素子ごとに整流する複数の整流回路と、
を有し、
前記複数の発電ユニットは、前記機軸部材を回転させた際に、所定周波数の電力がその位相がずれるように前記機軸部材に取り付けられ、
前記出力機構からは、前記複数の発電ユニットから前記複数の整流回路を通して給電される電力が合成された直流電力が出力されることを特徴とする発電システム、が提供される。
【００１２】
このような本発明によれば、複数の屈曲型圧電素子を同時に変位させた場合には大きな電力を得ることができ、また複数の屈曲型圧電素子の変位のタイミングをずらすことによって容易に一定出力の直流電力を得ることができる。また、屈曲型圧電素子の一端を内輪部材の外周に固定しているために、隣接する屈曲型圧電素子の自由端間の距離が拡がり、これにより１個の屈曲型圧電素子の変位量を大きくして高い電圧を得ることができる。なお、屈曲型圧電素子は内輪部材の外周に高密度に配置することができ、これにより出力を大きくすることができる。さらに、内輪部材または外輪部材を一方向に回転させることができるために、動力源として水力や風力等の自然力を用いることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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は本発明に係る発電装置の概略側面図であり、図２は発電装置の部分拡大図である。発電装置１は、円板状の内輪部材１１と、内輪部材１１の外周に一定の間隔で放射状に固定された複数のユニモルフ素子２１と、複数のユニモルフ素子２１ごとに設けられたブリッジ回路３０と、内輪部材１１を囲繞するように配置された外輪部材１２と、外輪部材１２の内周面に一定間隔で設けられた突起部２９と、内輪部材１１の主面の中心を貫通するようにして内輪部材１１に固定された機軸部材１３と、機軸部材１３を回転させる回転装置１４と、を有している。
【００１４】
内輪部材１１にはユニモルフ素子２１と絶縁するために、絶縁材料が好適に用いられる。具体的には、ＡＢＳ樹脂やエポキシ樹脂等のエンジニアリングプラスチック材料が挙げられる。このような樹脂材料を用いると、内輪部材１１の成形時に、ユニモルフ素子２１の取付部や機軸部材１３の取付部を一体的に成形することができる。
【００１５】
内輪部材１１の表面には、複数のユニモルフ素子２１から集電を行い、また集電された電力を外部へ出力するための集電板１７ａ・１７ｂが設置されている。この集電板１７ａ・１７ｂとしては、例えば、銅リング等を用いることができる。集電板１７ａ・１７ｂは内輪部材１１に直接に設けてもよいし、後述するように、ブリッジ回路３０と一体的に配線基板に設けてもよい。
【００１６】
機軸部材１３は、回転装置１４によって時計回りと反時計回りのいずれにも回転可能となっている。機軸部材１３には、金属材料または樹脂材料が好適に用いられる。回転装置１４としては、風力や水力等の自然力や人力を利用したもの（風車や水車等）や、化石燃料を用いて駆動されるエンジン（自動車エンジン等）の動力を利用したものが好適に用いられる。なお、水力としては、河川を流れる水や、家庭用の上水配管等の給水設備も利用することができる。
【００１７】
外輪部材１２には、樹脂材料や金属材料が好適に用いられる。この外輪部材１２は、発電装置１全体を収容するためのハウジング等に固定される。突起部２９は、内輪部材１１を回転させた際に複数のユニモルフ素子２１が同時にいずれかの突起部２９に接触するように、等間隔で外輪部材１２の内周面に設けられている。
【００１８】
突起部２９は、ユニモルフ素子２１の先端部（金属板２２の先端部）に接触するために、耐摩耗性に優れた材料または摩擦係数の小さい材料で構成することが好ましい。例えば、耐摩耗性に優れた材料としては、窒化珪素や炭化珪素、炭化タングステン等のセラミックス材料が挙げられる。また、摩擦係数の小さい材料としては、フッ素樹脂等が挙げられる。
【００１９】
内輪部材１１に取り付けられたユニモルフ素子２１は屈曲型圧電素子の１つである。ユニモルフ素子２１は、図１に示す取り付け状態に限定されず、内輪部材１１の外周に高密度に配置することができる。
【００２０】
図２に示すように、ユニモルフ素子２１は金属板２２の片面に厚み方向に分極された圧電セラミックス薄板２３が接着剤で貼り付けられた構造を有している。圧電セラミックス薄板２３の表裏面には図示しない電極膜が形成されており、金属板２２側の電極膜は金属板２２と導通している。金属板２２と圧電セラミックス薄板２３の表面の電極膜にはそれぞれリード線が取り付けられており、これらのリード線はブリッジ回路３０に接続されており、各ブリッジ回路３０は、集電板１７ａ・１７ｂに接続されている。
【００２１】
なお、図１においては、ブリッジ回路３０の図示を省略しているが、ユニモルフ素子２１からの電力の取り出し方法を示すために、便宜的に、ユニモルフ素子２１に設けられたリード線を直接に内輪部材１１に設けられたリング状の集電板１７ａ・１７ｂに取り付けた状態を示している。
【００２２】
金属板２２としては、優れたバネ性を有する銅薄板、リン青銅薄板、ステンレス薄板、４２アロイ薄板等が好適に用いられる。また、圧電セラミックス薄板２３としては、厚み横振動モード（ｄ３１モード）の特性に優れるチタン酸ジルコン酸鉛系の圧電材料が好適に用いられ、接着剤としては嫌気性のアクリル系接着剤等が一般的に用いられる。なお、金属板２２の代わりに、樹脂フィルムの表面に金属箔が溶着等されたプリント配線基板を用いることも可能である。
【００２３】
ブリッジ回路３０は内輪部材１１の表面に設けられている。例えば、集電板１７ａ・１７ｂを有する所定の配線パターンが形成され、所定位置にダイオードが固定された円板状または平板リング状の配線基板を内輪部材１１に固定し、次いで内輪部材１１に固定されたユニモルフ素子２１が備えているリード線をこの配線基板の所定位置にハンダ付け等により接続すれば、ブリッジ回路３０とユニモルフ素子２１との接続を容易に行うことができる。
【００２４】
複数のブリッジ回路３０から出力されて集電板１７ａ・１７ｂで合成された電力を、電気・電子機器や二次電池等の外部負荷へ出力する出力機構１５としては、内輪部材１１が回転することを考慮すると、回転する機軸部材１３の端部から電力を取り出すブラシ機構を用いることができる。図１では、集電板１７ａ・１７ｂから機軸部材１３の表面に設けた配線１８ａ・１８ｂへ送電を行う形態を模式的に示している。
【００２５】
次に、上述した構造を有する発電装置１の駆動形態について説明する。内輪部材１１を回転させると、ユニモルフ素子２１の先端部が突起部２９に接触する。この状態から内輪部材１１を所定角度さらに回転させると、ユニモルフ素子２１の自由端の移動が突起部２９によって抑制されるために、ユニモルフ素子２１が屈曲する。この状態から内輪部材１１を所定角度さらに回転させると、ユニモルフ素子２１の先端は突起部２９から離れ、ユニモルフ素子２１は元の姿勢である真っ直ぐな状態に戻ろうとする。
【００２６】
このようにユニモルフ素子２１の先端を突起部２９で弾くようにしてユニモルフ素子２１を屈曲変位させることによって、圧電セラミックス薄板２３には圧電効果によって電力が発生する。なお、ユニモルフ素子２１が屈曲する際の変位速度と、ユニモルフ素子２１が屈曲状態から元の真直状態に戻る際の変位速度とがほぼ同じとなるように、内輪部材１１の回転速度を調節すると、電圧の立ち上がり時間と降下時間とをほぼ同じ時間とすることができる。発電装置１においては、ユニモルフ素子２１を内輪部材１１の外周に固定しているために、隣接するユニモルフ素子２１どうしの自由端間の距離が拡がり、これにより１個のユニモルフ素子２１の変位量を大きくして高い電圧を得ることができる。
【００２７】
こうして各ユニモルフ素子２１で発生する電力はブリッジ回路３０を通して集電される。一般的に、圧電セラミックスの圧電効果によって発生する電力は、高電圧／低電流である。したがって、より多くの電流が得られるように、各ブリッジ回路３０は並列に接続することが好ましい。但し、高い電圧が必要とされる場合もあり、この場合には、複数のブリッジ回路３０を直列に接続すればよい。
【００２８】
図３はブリッジ回路３０に入力される電力とブリッジ回路３０から出力される電圧を比較した説明図である。ユニモルフ素子２１は、その先端が突起部２９から離れてから次の突起部２９に接触するまでに要する時間が長い場合には、金属板２２のバネ性に起因して、反りの方向が逐次逆になるように、かつ、反りの振幅が減少するように屈曲する。このように反りの方向が逆転すると、圧電セラミックス薄板２３には交流パルスが発生し、このような交流パルスがブリッジ回路３０に入力される（図３（ａ））。
【００２９】
しかし、ブリッジ回路３０は電流を一方向に制限する整流機能を有しているために、ブリッジ回路３０からは直流パルスの電力が出力される（図３（ｂ））。各種のバックアップ電源や駆動用電源として用いられるコンデンサや鉛蓄電池、リチウムイオン電池等の二次電池を、こうして得られる直流電力で充電することができる。
【００３０】
なお、ブリッジ回路３０をユニモルフ素子２１ごとに設けない場合には、ユニモルフ素子２１の内輪部材１１への取り付け精度や、ユニモルフ素子ごとの屈曲特性のわずかな差によって、あるユニモルフ素子２１の発電のタイミングと別のユニモルフ素子２１の発電のタイミングがわずかにずれる場合が生じる可能性がある。この場合には、ユニモルフ素子２１が突起部２９から離れた後にユニモルフ素子２１の反りの方向が逆転することによって、一方のユニモルフ素子２１で正の電圧が発生しているとき（例えば、図３（ａ）に示す最初の正の電圧のピーク発生時）に、別のユニモルフ素子２１で負の電圧が発生し（例えば、図３（ａ）に示す最初の負の電圧のピーク発生時）、これらが互いにうち消し合って所定の電圧が得られなくなる。発電装置１においては、ブリッジ回路３０をユニモルフ素子２１ごとに設けることによって、このような事態が発生することを回避している。
【００３１】
発電装置１においては、内輪部材１１に配設するユニモルフ素子２１の数を調整することにより、または図１に示す突起部２９の中間にさらに突起部を設ける等して外輪部材１２に設ける突起部２９の数を調整することにより、または内輪部材１１の回転数を調整することによって、ユニモルフ素子２１の一連の屈曲動作（突起部２９に接して屈曲し始め、突起部２９から離れて元のほぼ真直な姿勢に戻るまでの動作）に要する時間を確保しながら、かつ、ユニモルフ素子２１の駆動周期、つまりユニモルフ素子２１がある突起部２９に接触してから次の突起部２９に接触するまでの時間を短くした場合には、圧電セラミックス薄板２３に、図３（ｃ）に示す波形のほぼ連続した電力を発生させることもできる。このような電力を用いれば、直接に電気・電子機器を動作させることも可能である。
【００３２】
上述した発電装置１は任意の大きさに設計することができる。ユニモルフ素子２１の大きさは、製造が可能な圧電セラミックス薄板２３の大きさに制限されるから、最初にユニモルフ素子２１の形状を定める。これによりユニモルフ素子２１の発電特性が定められるから、所望する電力から必要なユニモルフ素子２１の数を決定することができる。そして、内輪部材１１の外径を必要な数のユニモルフ素子２１を取り付けることができる長さに設定すればよい。
【００３３】
図４は、内輪部材１１とユニモルフ素子２１の大きさを考慮した組み合わせの形態の例を示す説明図である。例えば、長さが一定のユニモルフ素子２１を用いた場合において、少ない電力で足りる場合には、図４（ａ）に示すように、外径の小さい内輪部材１１´を用いることができる。これに対して、より大きい電力が必要な場合には、図４（ｂ）に示すように、外径の長い内輪部材１１″を用いて、多くのユニモルフ素子２１を取り付けることもできる。なお、図４（ａ）と図４（ｂ）では縮尺度は異なる。
【００３４】
上述した発電装置１を複数組み合わせることによって、所望する電力を発生させる発電システムを構成することができる。図５は発電システム１００の概略構成を示す斜視図であり、図６は図５に示すＡＡ〜ＣＣ概略断面図である。なお、図５は細部を省略して概略の外形のみを示しており、また、以下の説明を分かりやすくするために、図６の各断面図ではブリッジ回路３０等の細部を省略し、内輪部材１１に少ない数のユニモルフ素子２１ａ〜２１ｃを示している。
【００３５】
発電システム１００は、機軸部材１３が共用されるようにして、機軸部材１３の長手方向に発電装置１が複数並べられた構造を有している。以下、このようにして発電システム１００を構成する個々の発電装置１を発電ユニットと呼ぶこととする。
【００３６】
発電システム１００は、発電ユニット１０１〜１０３を１つのグループとし、このグループを機軸部材１３の長手方向に複数設けた構成となっている。発電ユニット１０１〜１０３の各内輪部材１１ａ〜１１ｃは、機軸部材１３の長手方向から見たときに、ユニモルフ素子２１ａ〜２１ｃが一直線状に並ぶように、機軸部材１３に取り付けられている（図６各図参照）。また、発電ユニット１０１〜１０３の全てのユニモルフ素子２１ａ〜２１ｃは、ユニモルフ素子２１ａ〜２１ｃごとに設けられたブリッジ回路（図示せず）を通して、並列接続されている。
【００３７】
なお、発電ユニット１０１〜１０３からなるグループどうしの電気的な接続は、高電圧が必要であれば直列接続に、大電流が必要であれば並列接続にすればよく、直列接続と並列接続とを組み合わせて接続してもよい。発電システム１００は、発電装置１と同様に、機軸部材１３を利用したブラシ機構等の出力機構１５によって、各グループから出力される電力を一括して取り出すことができるようになっている。
【００３８】
これに対して、発電ユニット１０１〜１０３のそれぞれの外輪部材１２ａ〜１２ｃに設けられた突起部２９ａ〜２９ｃは、機軸部材１３の長手方向から見たときに、周方向に一定の間隔でずれている。例えば、発電ユニット１０１の突起部２９ａは、図６（ａ）に示されるように、外輪部材１２ａの内周のＡ点（最上部を頂点の１つに有する正八角形の頂点）に設けられている。これに対して、発電ユニット１０２の突起部２９ｂは、各Ａ点から時計回りに１５度（ｄｅｇ）回ったＢ点に設けられている（図６（ｂ））。同様に、発電ユニット１０３の突起部２９ｃは各Ｂ点から時計回りに１５度回ったＣ点に設けられている（図６（ｃ））。
【００３９】
図７は機軸部材１３を回転させた際に、発電ユニット１０１〜１０３において発生する電力の電圧波形を示す説明図である。機軸部材１３を回転させている状態において、ある時間Ｔ１では、発電ユニット１０１で発電が始まり（つまり、発電ユニット１０１が具備するユニモルフ素子２１ａが突起部２９ａに接して屈曲が始まる）、電圧Ｖ１が発生する。なお、後述するように、この時間Ｔ１の時点では後の時間Ｔ４と同様に、発電ユニット１０３の発電による電圧Ｖ３がピークに達している。次に、時間Ｔ１から一定時間ΔＴが経過して機軸部材１３が一定角度回転した時間Ｔ２においては、発電ユニット１０１よる電圧Ｖ１がピークに達するとともに、発電ユニット１０２での発電が始まり、電圧Ｖ２が発生する。
【００４０】
時間Ｔ２から一定時間ΔＴが経過した時間Ｔ３においては、発電ユニット１０２による電圧Ｖ２がピークに達するとともに、発電ユニット１０３での発電が始まり、電圧Ｖ３が発生する。時間Ｔ３から一定時間ΔＴが経過した時間Ｔ４においては、発電ユニット１０３による電圧Ｖ３がピークに達するとともに、発電ユニット１０１での発電が始まる。つまり時間Ｔ４においては時間Ｔ１と同じ状態となり、以下、このようなサイクルが繰り返される。
【００４１】
このように、機軸部材１３を回転させた際に発電ユニット１０１〜１０３それぞれから出力される電力は一定の周波数を有する電力であるが、その位相を相互にずらすことによって、図７に示すように、これらの電力が合成されて直流電力を得ることができる。このようなグループを機軸部材１３に複数設けることによって、より大きな電力を取り出すことができる。
【００４２】
次に、本発明の発電装置の別の実施形態について説明する。図８は発電装置１ａの概略側面図である。発電装置１ａは、先に説明した発電装置１と比較すると、内輪部材１１に固定されているユニモルフ素子（以下「ユニモルフ素子２１ｐ〜２１ｓ」とする）の数が少なく、かつ、外輪部材１２に設けられた突起部（以下「突起部２９ｐ〜２９ｔ」とする）の配置の形態が異なるだけである。
【００４３】
図９は発電装置１ａによって得られる電圧波形を示す説明図である。発電装置１ａにおいては、例えば、ある時間ｔ１においては、等間隔で内輪部材１１に固定された複数のユニモルフ素子２１ｐ〜２１ｓのうちの３個のユニモルフ素子２１ｐは突起部２９ｐに接触するが、その他のユニモルフ素子２１ｑ〜２１ｓはフリーな状態にある。なお、突起部２９ｐ間が１周期となっている。
【００４４】
時間ｔ１から一定時間Δｔが経過した時間ｔ２においては、内輪部材１１が回転することによってユニモルフ素子２１ｐは突起部２９ｐから離れるとする。したがって、時間ｔ２ではユニモルフ素子２１ｐで発生する電圧Ｖｐはほぼ最大値に達する。一方、この時間ｔ２において、ユニモルフ素子２１ｑが突起部２９ｑに接触して屈曲が始まるように、突起部２９ｑの位置が定められている。時間ｔ２において、ユニモルフ素子２１ｒ・２１ｓはフリーな状態にある。
【００４５】
時間ｔ２から一定時間Δｔが経過した時間ｔ３において、ユニモルフ素子２１ｐはほぼフリーな状態に戻っている。また、この時間ｔ３において、ユニモルフ素子２１ｑは突起部２９ｑから離れようとする。したがって、時間ｔ３ではユニモルフ素子２１ｑで発生する電圧Ｖｑはほぼ最大値に達する。さらに、時間ｔ３において、ユニモルフ素子２１ｒの屈曲が始まるように突起部２９ｒの位置を定める。時間ｔ３において、ユニモルフ素子２１ｓはフリーな状態にある。
【００４６】
時間ｔ３から一定時間Δｔが経過した時間ｔ４において、ユニモルフ素子２１ｐ・２１ｑはフリーな状態となっている。また、この時間ｔ４において、ユニモルフ素子２１ｒは突起部２９ｒから離れる。したがって、時間ｔ４ではユニモルフ素子２１ｒで発生する電圧Ｖｒはほぼ最大値に達する。さらに、時間ｔ４において、ユニモルフ素子２１ｓの屈曲が始まるように突起部２９ｓの位置を定める。
【００４７】
時間ｔ４から一定時間Δｔが経過した時間ｔ５では、ユニモルフ素子２１ｑ・２１ｒはフリーな状態となっている。また、この時間ｔ５において、ユニモルフ素子２１ｓは突起部２９ｓから離れようとする。したがって、時間ｔ５ではユニモルフ素子２１ｓで発生する電圧Ｖｓはほぼ最大値に達する。さらに時間ｔ５では、ユニモルフ素子２１ｐは突起部２９ｔに接触して屈曲し始める。時間ｔ５から一定時間Δｔが経過した時間ｔ６では、ユニモルフ素子２１ｑが突起部２９ｐに接して屈曲を始める。以下、このような動作サイクルが繰り返される。
【００４８】
このように、発電装置１ａは、突起部２９ｐ〜２９ｔを設ける位置を制御することによって、ユニモルフ２１ｐ〜２１ｓの屈曲のタイミングをずらしており、その結果として、ユニモルフ素子２１ｐ〜２１ｓから出力される電力を合成した際に、直流電力が得られるようになっている。複数の発電装置１を構成ユニットとして並列（または直列）に接続することにより発電システム１００を構成したように、複数の発電装置１ａを同時に駆動することによって、より大きな電力を得ることができる。
【００４９】
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、ユニモルフ素子２１に用いられる金属板２２は一般的にその厚みが薄いために、外輪部材１２の内周面に設けられた突起部２９が直接に金属板２２の先端部（自由端）に接触するようにすると、金属板２２の先端部だけが屈曲する等の経時変化が生じて、突起部２９からユニモルフ素子２１に正確に力が伝わらなくなるおそれがある。
【００５０】
そこで、ユニモルフ素子２１の先端部に、機械的強度と耐摩耗性に優れる窒化珪素や炭化珪素、炭化タングステン等のセラミックス片を取り付けるか、または、このようなセラミックス片を取り付ける代わりに、このような材料で金属板２２の先端部をコーティングすることが好ましい。これによって、ユニモルフ素子２１の屈曲性を保持し、発電特性を長期にわたって維持することができる。
【００５１】
図１にはユニモルフ素子２１の数と突起部２９の数とが等しい形態を示したが、突起部２９の数は、これに限定されるものではない。例えば、ユニモルフ素子２１の一連の屈曲動作に要する時間が確保される範囲で、図１に示す突起部２９の間にさらに１個以上の突起部２９を設けることも可能である。この場合には、内輪部材１１が１回転する間にユニモルフ素子２１が突起部２９に接触する回数が多くなるために、より大きな電力を発生させることができる。これとは逆に、突起部２９の数を減らすこともできる。
【００５２】
発電装置に用いられる屈曲型圧電素子は、ユニモルフ素子２１に限定されるものではなく、図１０に示すような金属板（シム）２２の両面に圧電セラミックス薄板２３を貼り付けたバイモルフ素子２５を用いることもできる。バイモルフ素子２５の場合には、圧電セラミックス薄板２３の一方には、分極方向とは逆方向に電圧が発生するために、分極が消滅しない程度にバイモルフ素子２５の屈曲を抑えることが好ましい。
【００５３】
ユニモルフ素子２１やバイモルフ素子は、直接に内輪部材１１に取り付けなくてはならないものではない。例えば、ユニモルフ素子２１の一端に金属板２２を保持する治具を取り付け、この治具を内輪部材１１に固定してもよい。
【００５４】
図１および図２に示した発電装置１は、外輪部材１２を固定し、内輪部材１１を回転させることによって発電を行う構造を有しているが、これとは逆に、内輪部材１１を固定し、外輪部材１２を回転させることによって発電を行う構造とすることもできる。図１１は外輪部材１２を回転させる機構の一例を示す側面図である。図１１に示されるように、外輪部材１２の一方の開口面に円板１９を取り付け、この円板１９の中心に枢軸部材４２を取り付ける。この枢軸部材４２をベアリング４３を介してハウジング４１に回転自在な状態で取り付ける。また、内輪部材１１をハウジング４１に固定する。枢軸部材４２を回転装置１４によって回転することによって、ユニモルフ素子２１は突起部２９に接触して屈曲し、発電が行われる。
【００５５】
この他にも、例えば、外周が歯車状となっている外輪部材を用い、この外輪部材を少なくとも３個の回転自在な小さい歯車で保持して、これら小さい歯車の中の１個を回転装置によって回転させることによって、外輪部材を回転させることもできる。
【００５６】
発電装置１や発電システム１００から出力される電力は、二次電池等の充電に用いられるのみでなく、直接にＤＣ／ＡＣコンバータを用いて交流変換し、トランスによって昇圧することによって、直接に家庭やオフィスビル等の各所で使用することも可能である。また、本発明に係る発電システムを小型化したものは、各種の充電装置、例えば、自動車用バッテリーの充電装置等としても用いることができる。
【００５７】
発電装置１ａでは、ユニモルフ素子２１を４個１単位として各ユニモルフ素子１をタイミングをずらして屈曲させ、これによって位相の異なる電力を発生させたが、５個以上のユニモルフ素子２１を１単位としてタイミングをずらして屈曲させ、これによって位相の異なる電力を発生させてもよく、逆に、２個または３個のユニモルフ素子２１を１単位としてもよい。また、発電システム１００では、１グループを構成する発電ユニットの数を３個としたが、より多くの発電ユニットから１グループを構成してもよく、２個の発電ユニットを１グループとしてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
上述の通り、本発明によれば、複数の屈曲型圧電素子を変位させることによって大きな電力を得ることができる。また、複数の屈曲型圧電素子の変位のタイミングをずらすことによって一定出力の直流電力を得ることができる。さらに、屈曲型圧電素子の一端を内輪部材の外周に固定しているために、隣接する屈曲型圧電素子の自由端間の距離が拡がり、これにより１個の屈曲型圧電素子の変位量を大きくして高い電圧を得ることができる。本発明の発電装置を複数組み合わせた発電システムでは、家庭用等に使用できる中規模または大規模な電力の発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る発電装置の概略側面図。
【図２】図１に示す発電装置の部分拡大図。
【図３】ブリッジ回路に入力される電力とブリッジ回路から出力される電圧の説明図。
【図４】内輪部材とユニモルフ素子の大きさを考慮した組み合わせの形態の例を示す説明図。
【図５】本発明に係る発電システムの概略構成を示す斜視図。
【図６】図５に示すＡＡ〜ＣＣ断面図。
【図７】発電システムを構成する発電ユニットにおいて発生する電力の電圧波形を示す説明図。
【図８】本発明に係る別の発電装置の概略側面図。
【図９】図８に示すユニモルフ素子の駆動により得られる電圧波形を示す説明図。
【図１０】バイモルフ素子の概略構造を示す斜視図。
【図１１】外輪部材を回転させる機構の一実施形態を示す側面図。
【符号の説明】
１；発電装置
１１・１１´・１１″・１１ａ〜１１ｃ；内輪部材
１２・１２ａ〜１２ｃ；外輪部材
１３；機軸部材
１４；回転装置
１５；出力機構
１７ａ・１７ｂ；集電板
１８ａ・１８ｂ；配線
１９；円板
２１・２１ａ〜２１ｃ・２１ｐ〜２１ｓ；ユニモルフ素子
２２；金属板
２３；圧電セラミックス薄板
２５；バイモルフ素子
２９・２９ａ〜２９ｄ・２９ｐ〜２９ｓ；突起部
３０；ブリッジ回路
４１；ハウジング
４２；枢軸部材
４３；ベアリング
１００；発電システム
１０１〜１０３；発電ユニット
Claims (7)
- 外周に複数の屈曲型圧電素子が所定の間隔で放射状に固定された円板状の内輪部材と、
前記内輪部材を囲繞する外輪部材と、
前記内輪部材または前記外輪部材を回転させる回転機構と、
前記内輪部材または前記外輪部材を回転させた際に、前記屈曲型圧電素子の先端部に接触して前記屈曲型圧電素子に屈曲変位を生じさせるように、前記外輪部材の内周面に所定間隔で設けられた突起部と、
前記複数の屈曲型圧電素子が屈曲変位する際に圧電効果によって発生するパルス電流を前記複数の屈曲型圧電素子ごとに整流する複数の整流回路と、
前記複数の整流回路から集電した電力を外部負荷へ出力する出力機構と、
を具備することを特徴とする発電装置。 - 前記外輪部材の内周面において、前記突起部は前記複数の屈曲型圧電素子を同時に屈曲させる位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
- 前記外輪部材の内周面において、前記突起部は前記複数の屈曲型圧電素子のうち隣接する屈曲型圧電素子を時間をずらして屈曲させる位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
- 前記屈曲型圧電素子は、金属薄板またはプリント配線基板と圧電セラミックス薄板を貼り合わせたユニモルフ素子またはバイモルフ素子であ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項に記載の発電装置。
- 所定の定周波数の電力を出力する発電ユニットを複数備えた発電システムであって、
前記複数の発電ユニットを保持する機軸部材と、
前記機軸部材を回転させる回転機構と、
前記複数の発電ユニットにおいて発生する電力を集電して外部負荷へ出力する出力機構と、
を具備し、
前記複数の発電ユニットは個々に、
円板形状を有し、その外周に複数の屈曲型圧電素子が所定の間隔で放射状に固定され、前記機軸部材がその主面の中心を貫通するようにして前記機軸部材と接続された内輪部材と、
前記内輪部材を囲繞するように配置され、前記機軸部材の回転によって前記内輪部材が回転した際に前記屈曲型圧電素子の先端部に接触して前記屈曲型圧電素子に屈曲変位を生じさせる突起部が内周面に所定間隔で設けられた外輪部材と、
前記複数の屈曲型圧電素子が屈曲変位する際に圧電効果によって発生するパルス電流を前記複数の屈曲型圧電素子ごとに整流する複数の整流回路と、
を有し、
前記複数の発電ユニットは、前記機軸部材を回転させた際に、所定周波数の電力がその位相がずれるように前記機軸部材に取り付けられ、
前記出力機構からは、前記複数の発電ユニットから前記複数の整流回路を通して給電される電力が合成された直流電力が出力されることを特徴とする発電システム。 - 前記複数の発電ユニットの全てにおいて前記外輪部材は前記突起部が前記機軸部材の長手方向で一直線状に並ぶように配置され、かつ、前記複数の発電ユニットごとに前記内輪部材の前記機軸部材への取り付け角度が所定角度ずつずらされていることを特徴とする請求項５に記載の発電システム。
- 前記複数の発電ユニットの全てにおいて前記内輪部材は前記屈曲型圧電素子が前記機軸部材の長手方向で一直線状に並ぶように前記機軸部材に取り付けられ、かつ、前記複数の発電ユニットごとに前記外輪部材は前記突起部が前記機軸部材の長手方向で所定間隔ずつずれているよう配置されていることを特徴とする請求項５に記載の発電システム。
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| JP2002331844A JP2004166442A (ja) | 2002-11-15 | 2002-11-15 | 発電装置および発電システム |
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| JP2002331844A Pending JP2004166442A (ja) | 2002-11-15 | 2002-11-15 | 発電装置および発電システム |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007016756A (ja) * | 2005-07-11 | 2007-01-25 | Taiheiyo Cement Corp | 風力発電装置 |
| JP2007051561A (ja) * | 2005-08-16 | 2007-03-01 | Taiheiyo Cement Corp | 風力発電装置 |
| US7239066B2 (en) * | 2004-06-17 | 2007-07-03 | Par Technologies, Llc | Piezoelectric generators and methods of operating same |
| DE102006009717A1 (de) * | 2006-03-02 | 2007-09-06 | Siemens Ag | Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie |
| CN102946211A (zh) * | 2012-11-21 | 2013-02-27 | 南京航空航天大学 | 一种电压可调的压电发电装置 |
| US20140182100A1 (en) * | 2012-12-31 | 2014-07-03 | Volcano Corporation | Pre-Polarized Film Flex Circuit Based Ultrasonic Transducer |
-
2002
- 2002-11-15 JP JP2002331844A patent/JP2004166442A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7239066B2 (en) * | 2004-06-17 | 2007-07-03 | Par Technologies, Llc | Piezoelectric generators and methods of operating same |
| JP2007016756A (ja) * | 2005-07-11 | 2007-01-25 | Taiheiyo Cement Corp | 風力発電装置 |
| JP4651015B2 (ja) * | 2005-07-11 | 2011-03-16 | 太平洋セメント株式会社 | 風力発電装置 |
| JP2007051561A (ja) * | 2005-08-16 | 2007-03-01 | Taiheiyo Cement Corp | 風力発電装置 |
| JP4562617B2 (ja) * | 2005-08-16 | 2010-10-13 | 太平洋セメント株式会社 | 風力発電装置 |
| DE102006009717A1 (de) * | 2006-03-02 | 2007-09-06 | Siemens Ag | Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie |
| CN102946211A (zh) * | 2012-11-21 | 2013-02-27 | 南京航空航天大学 | 一种电压可调的压电发电装置 |
| US20140182100A1 (en) * | 2012-12-31 | 2014-07-03 | Volcano Corporation | Pre-Polarized Film Flex Circuit Based Ultrasonic Transducer |
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