JP2005045870A

JP2005045870A - 発電装置

Info

Publication number: JP2005045870A
Application number: JP2003200415A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Ozawa; 滋小澤
Original assignee: Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】圧電素子の被打撃面を略垂直方向から打撃することにより、発電効率の向上を図ることが可能な発電装置を提案すること。
【解決手段】発電装置１において、外力によって軸体４が下方向に押圧されると、コイルばね６には、軸体４の変位が弾性エネルギーとして蓄えられる。軸体４に対する押圧を解除すると、コイルばね６の押し上げ力によって、軸体４は元の上方位置に戻るが、その間にラック４２とピニオン３５との噛み合いが解除されるので、回転体３は慣性力によって回転し続ける。それにより、第２のマグネット１２は、第１のマグネット３１の磁気的吸引力および磁気的反発力によって変位し、その結果、打撃子１０は、圧電素子２の被打撃面２０を推力方向から繰り返し打撃する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子を利用した発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
外力によって発電を行う発電装置としては、例えば、外力によって打撃子を回転させて圧電素子を打撃するものが案出されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここに開示されている発電装置は、図３に示すように、円筒状のケース１０２の内周面に沿って複数の圧電素子１０３が配置されており、入力軸１０５が外力により回転することにより、打撃子１０４が圧電素子１０３を打撃して発電するように構成されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２６２５８４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３に示す発電装置では、圧電素子１０３に対する打撃子１０４の打撃方向が圧電素子の被打撃面に対して斜め方向であるため、打撃力が小さく、発電効率が低いという問題がある。
【０００６】
以上の問題を鑑みて、本発明の課題は、圧電素子の被打撃面を略垂直方向から打撃することにより、発電効率の向上を図ることが可能な発電装置を提案することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、圧電素子を打撃子により打撃することにより発電を行う発電装置において、前記打撃子を前記圧電素子の被打撃面を略垂直な方向から打撃可能な打撃位置と該打撃位置から退避した退避位置との間を移動可能に保持する打撃子保持体と、外力により駆動されたときに前記退避位置近傍を通過する移動面を備えた被駆動体と、該被駆動体が駆動された際、前記退避位置にある前記打撃子に対して前記打撃位置に向かう推力を前記移動面から断続的に付与する推力付与手段とを有することを特徴とする。
【０００８】
本発明の発電装置では、打撃子は、打撃子保持体によって、圧電素子の被打撃面を略垂直な方向から打撃可能な打撃位置と、この打撃位置から退避した退避位置との間を移動するように保持されているため、被駆動体が外力により駆動されたとき、被駆動体の動きにかかわらず、打撃子は、圧電素子の被打撃面を略垂直方向から打撃する。このため、圧電素子に大きな衝撃を付与することができるので、発電効率を向上することができる。また、打撃子が圧電素子の被打撃面を打撃したときの反力は、打撃子を反転させて退避位置に向かう力として作用するので、打撃子は、圧電素子を次に打撃する準備体勢に速やかに入ることになる。
【０００９】
本発明において、前記推力付与手段は、前記被駆動体の駆動に同期して前記打撃体に対して推力を繰り返し付与する同期手段を備えていることが好ましい。
【００１０】
本発明において、前記推力付与手段は、前記被駆動体の前記移動面に対して、当該移動面の移動方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に並ぶように形成された第１のマグネットと、前記被駆動体が駆動された際に前記第１のマグネットとの間に発生する磁気的吸引力および磁気的反発力により変位して前記打撃子に対して前記退避位置から前記打撃位置に向かう推力を付与するとともに、当該打撃子を前記退避位置に引き戻す第２のマグネットとを備えていることが好ましい。このように構成すると、第１のマグネットは、非接触状態のまま、第２のマグネットを変位させるので、被駆動体側と打撃子側との干渉によるエネルギーの損失が少なくて済む。また、非接触状態で動力を伝達できるので、接触部分での磨耗や損傷がない。さらに、第１のマグネットと第２のマグネットとの間に発生する磁気的吸引力を利用して、打撃子を退避位置に引き戻すことができるので、ばねなどによって打撃子を退避位置に引き戻さなくても、圧電素子を次に打撃する準備体勢に速やかに入ることになる。また、このような構成は、被駆動体の駆動に同期して打撃体に対して推力を繰り返し付与する同期手段として機能する。
【００１１】
本発明において、前記被駆動体は、外力により回転運動を行う回転体であることが好ましい。このように構成すると、被駆動体が直線移動する形態と違って被駆動体を反転させなくても、移動面は、退避位置の近傍を通過し続ける。しかも、被駆動体を狭い空間内で駆動することができる。
【００１２】
本発明において、さらに、外力により変位する外力伝達部材と、該外力伝達部材の変位を前記回転体に伝達する動力伝達機構とを有し、前記動力伝達機構は、前記外力伝達部材の変位を前記回転体に伝達した後、所定のタイミングで前記回転体と前記外力伝達部材との連動を解除することが好ましい。このように構成すると、回転体と外力伝達部材との連動が解除された以降、回転体は、慣性によって回転し続ける。それ故、外力伝達部材に１回、外力を加えるだけで、回転体は、長い間、回転し続け、打撃子は圧電素子を繰り返し打撃する。それ故、発電効率が高い。
【００１３】
本発明において、さらに、前記外力伝達部材の変位をエネルギーとして蓄え、前記外力伝達部材が外力から解放されたときに動力源になるエネルギー蓄積手段とを有し、前記動力伝達機構は、前記外力伝達部材が外力から解放されたときに、前記エネルギー蓄積手段から放出される動力によって前記回転体を回転駆動し、該外力伝達部材が変位前の位置に戻るまでの間に連動を解除することが好ましい。このように構成すると、外力伝達部材が外力から解放されると、エネルギー蓄積手段から放出される動力によって、外力伝達部材が変位前の位置に戻る。それまでの間に動力伝達機構では、回転体と外力伝達部材との機構的な接続が解除されるため、回転体は慣性力で回転し続ける。特に、エネルギー蓄積手段から放出される動力は一定なので、安定した発電を行うことができる。
【００１４】
本発明において、前記回転体は、前記エネルギー蓄積手段から放出される動力による回転駆動が終了した後も当該回転体の慣性力による回転を持続させる慣性回転持続手段を備えていることが好ましい。このように構成すると、回転体の回転を持続できるので、発電効率が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、図面に参照して、本発明を適用した発電装置を説明する。
【００１６】
図１（ａ）および（ｂ）に示すように、本形態の発電装置１は、ボックス状のケース５から軸体４（外力伝達部材）の上端部分４８が突出した構造になっており、ケース５の内部には、軸体４と機構的に接続されたピニオン３５と、このピニオン３５に同軸状に連結された回転体３（被駆動体）と、この回転体３の回転運動を水平方向の往復直線運動に後述する打撃子１０に推力を付与する推力付与手段１３とが構成されている。
【００１７】
回転体３は、ケース５に両端が保持された回転中心軸６２に対して回転可能に支持され、ピニオン３５が固着されている反対側の端面には、その外周側にフライホイール７（慣性回転持続手段）が固着されている。
【００１８】
回転体３の近傍には、底部１１４を回転体３の外周面３０に向けたガイド部材１１（打撃子保持体）が配置されている。ガイド部材１１には、鋼球からなる打撃子１０を収納可能な凹部からなる収納部１１３が形成され、収納部１１３の開口１１１に対向するように、圧電素子２が垂直に配置されている。
【００１９】
打撃子１０は、収納部１１３において、収納部１１３の開口１１１からわずかに突出して圧電素子２を被打撃面２０を垂直方向から打撃可能な打撃位置と、この打撃位置から後方に退避した退避位置との間を移動可能である。また、収納部１１３の開口１１１の寸法は、打撃子１０の直径よりも僅かに小さく設定されている一方、収納部１１３の奥は、内径が打撃子１０の直径よりも大きく設定されているので、打撃子１０は、開口１１１から突出したときでも収納部１１３から抜け出ることはない。
【００２０】
圧電素子２は、ケース５の内面に緩衝用スポンジ９を介して垂直に取り付けられている。本形態では、圧電素子２としてＰＺＴ系セラミックス系のものが用いられ、この種の圧電素子２は、一般的に衝撃に弱いが、本形態においては、緩衝用スポンジ９が圧電素子２に加わった衝撃を緩和するようになっている。また、緩衝用スポンジ９は、衝撃により発生する圧電素子２の振動をなるべく持続する効果も併せ持つ。
【００２１】
また、本形態では、推力付与手段１３を構成するにあたって、まず、回転体３は、外周面３０（移動面）の周方向（駆動方向）に沿ってＮ極とＳ極が交互に並ぶように着磁された焼結フェライトマグネットからなる第１のマグネット１２として構成されている。このため、回転体３は、それ自身が重いので、フライホールとしての機能も備えている。
【００２２】
また、ガイド部材１１には、収納部１１３の奥に連通して底部１１４で開口する貫通孔１１２が水平に形成されており、この貫通孔１１２の内部には焼結フェライトマグネットからなる第２のマグネット１２が配置されている。第２のマグネット１２は、回転体３の方に位置する一方の端部がＳ極に着磁されているとともに、打撃子１０の方に位置する他方の端部は、Ｎ極に着磁されている。また、打撃子１０は、鋼球からなるため、マグネット１２は、打撃子１０に対して常に磁気的吸引力を作用させている。
【００２３】
本形態の発電装置１において、軸体４の上端部分４８は、ケース５の上面に形成された円筒状の上端開口５１から突出している一方、軸体４の下半部は、細径部４９になっており、この細径部４９は、ケース５の底部に形成された円筒状の受け部５２に嵌って上下方向（軸線方向）に移動可能に支持されている。
【００２４】
また、細径部４９の周りにはコイルばね６（エネルギー蓄積手段）が装着されており、このコイルばね６は、上端部が軸体４の長さ方向の略中央位置に形成された段部４７に保持されている一方、下端部はケース５の受け部５２に嵌って保持されている。
【００２５】
この状態で、軸体４は、コイルばね６によって上方に付勢されているが、軸体４のやや上端側に形成されている段部４６がケース５の上端開口５１の開口縁に当接し、軸体４がケース５の上端開口５１から抜け出ることを防止するストッパーとして機能している。
【００２６】
ここで、軸体４の長さ方向における所定の範囲にはラック４２が形成されており、ラック４２は、回転体３のピニオン３５とともに、コイルばね６から放出される動力によって軸体４を上方位置に戻すとともに回転体３を回転駆動する動力伝達機構４０を構成している。但し、軸体４が上方位置にあるときには、ラック４２とピニオン３５の噛合が解除され、軸体４が下方に押圧されたとき、ラック４２とピニオン３５が噛み合う。換言すれば、軸体４が外力で下方に押圧された後、その外力から解放されたとき、軸体４は、コイルばね６に付勢されて変位前の上方位置に戻るが、変位前の上方位置に戻るまでの間にラック４２とピニオン３５の噛合が解除されることになる。このように構成した動力伝達機構４０において、ラック４２とピニオン３５の噛み合いが解除された状態では、回転体３はフリーな状態にある。
【００２７】
なお、打撃子１０が圧電素子２を殴打することにより発生した電力は、出力端子（不図示）を介して制御用基板８に供給され、制御用基板８で調整が行われた後、発電装置１の外側に配置されている外部装置（不図示）にケース５の正面に形成された出力窓（図示せず）を介して、または電波等の手段で出力される。
【００２８】
（発電動作）
図２（ａ）ないし（ｃ）は、本発明に係る発電装置を用いて発電を行う動作を示す説明図である。
【００２９】
まず、図１（ｂ）の状態で、外力によって軸体４が矢印Ｄで示す下方向に押圧されると、図２（ａ）に示すように、軸体４が下方に変位し、ラック４２とピニオン３５が噛合して回転体３が時計周りＣＷの方向に回転するとともに、コイルばね６が圧縮される。そして、図２（ｂ）に示すように、軸体４が完全に押し込まれた状態で、軸体４の段部４７がケース５の受け部５２の上端部に突き当たる。その間、コイルばね６には、軸体４の変位が弾性エネルギーとして蓄えられる。
【００３０】
この状態で、軸体４に対する外力を解除すると、コイルばね６の押し上げ力によって、軸体４は矢印Ｕに示す上方向に押し上げられ、図２（ｃ）に示すように、軸体４は、元の上方位置に戻る。
【００３１】
この状態になる途中まで、動力伝達機構４０では、ラック４２とピニオン３５とが噛み合っているので、コイルばね６は、軸体４を押し上げるとともに、回転体３を反時計周りＣＣＷの方向に回転させる。但し、軸体４が元の上方位置に戻る直前に、動力伝達機構４０では、ラック４２とピニオン３５との噛合が解除されるので、それ以降、回転体３は慣性力によって反時計周りＣＣＷに回転し続ける。
【００３２】
それにより、第２のマグネット１２においてＳ極に形成された端部近傍を回転体３の外周面３０が移動する。その際、第１のマグネット３１のうち、Ｎ極が第２のマグネット１２のＳ極近傍を通過する際、第２のマグネット１２は、第１のマグネット３１の磁気吸着力によって回転体３の側に引き戻される。その結果、打撃子１０は、打撃位置から退避位置に変位する。
【００３３】
次に、第１のマグネット３１のうち、Ｓ極が第２のマグネット１２のＳ極近傍を通過する際、第２のマグネット１２は、第１のマグネット３１の磁気的反発力によって打撃子１０の方に押し退けられる。その結果、打撃子１０は、第２のマグネット１２から圧電素子２に向かう推力が付与される。その結果、打撃子１０は、収納部１１３の開口１１１からわずかに突出し、圧電素子２の被打撃面２０を垂直方向から打撃する。
【００３４】
そして、打撃子１０は、圧電素子２を打撃した反動で、圧電素子２に対する打撃位置から退避位置に向かう。そのタイミングに合わせて、第２のマグネット１２は、第１のマグネット３１のＮ極によって回転体３の側に引き戻される。その結果、打撃子１０は、第２のマグネット１２の磁気的吸引力によって打撃位置から退避位置に変位する。
【００３５】
このような動作時、第１のマグネット３１、および第２のマグネット１２は、回転体３の駆動に同期して打撃体１０に対して推力を繰り返し付与する同期手段として機能し、打撃子１０は、圧電素子２を繰り返し打撃する。それにより、圧電素子２では発電が行われ、それにより得られた電力は、制御用基板８を介して発電装置１の外部に供給される。
【００３６】
（本形態の効果）
以上説明したように、本形態の発電装置１では、回転体３が回転駆動されたと同時に、推力付与手段１３によって、打撃子１０には、圧電素子２の被打撃面２０を打撃する推力が付与される。また、ガイド部材１１において、収納部１１３は、打撃子１０が圧電素子２の被打撃面２０を垂直な方向から打撃可能な構造になっているため、打撃子１０は、回転体３の回転に連動して圧電素子２の被打撃面２０を略垂直方向から打撃する。このため、圧電素子２に大きな衝撃を付与することができるので、発電効率を向上することができる。また、打撃子１０が圧電素子２の被打撃面２０を打撃したときの反力は、打撃子１０を退避位置に向かう力として作用するので、打撃子１０は、圧電素子２を次に打撃する準備体勢に速やかに入ることになる。
【００３７】
また、本形態では、推力付与手段１３として、第１のマグネット３１と第２のマグネット１２の磁気的作用を利用しているので、マグネット同士が非接触状態であっても、動力の伝達が可能である。このため、第１のマグネット３１と第２のマグネット１２との摩擦や干渉などによって回転体３の回転エネルギーがロスすることがなく、かつ、打撃子１０が圧電素子２を打撃したときの反力は回転体３には伝達されない。それ故、回転体３の回転が比較的長い時間にわたって持続されるので、発電効率が高い。
【００３８】
さらに、本形態において、動力伝達機構４０は、軸体４からの動力を回転体３に伝達した後、回転体３と軸体４との連動を解除しているので、回転体３と軸体４との連動が解除された以降、回転体３は、慣性によって回転し続ける。それ故、軸体４に１回、外力を加えるだけで、回転体３は、長い間、回転し続け、打撃子１０は圧電素子２を繰り返し打撃する。
【００３９】
しかも、本形態では、軸体４が外力から解放されたときに、コイルばね６から放出される動力によって回転体４を回転駆動し、軸体４が変位前の位置に戻るまでの間に連動を解除するようになっているので、軸体４が外力から解放されると、コイルばね６から放出される動力によって、軸体４が変位前の位置に戻る。それまでの間に動力伝達機構４０では、回転体３と軸体４との機構的な接続が解除されるため、回転体３は慣性力で回転し続ける。特に、コイルばね６から放出される動力は一定なので、安定した発電を行うことができる。また、動力伝達機構４０としてラック４２とピニオン３５とを利用したので、ラック４２の形成領域を限定するという簡素な構成で、回転体３と軸体４との機構的な接続、および解除を所定のタイミングで行うことができる。
【００４０】
さらにまた、回転体３に対しては、コイルばね６から放出される動力による回転駆動が終了した後も回転体３の慣性力による回転を持続させるフライホイール７が構成されている。また、回転体３の外周面３０に構成された焼結フェライトマグネットからなる第１のマグネット３１は重量があるので、本形態では、回転体３の回転を約１分以上も持続できるので、発電効率が高い。
【００４１】
それ故、本形態の発電装置１は、電源をもたない発信機器として使用することができる。例えば、外部侵入者がドアノブや室内の所定箇所を触ったときにその外力が軸体４を変位させるように構成すれば、発電装置１で得られた電力をトリガーにして発信装置の起動や監視センターへの通報などを行う機器として利用できる。また、発電装置１で得た電力で異常を放置するためのＬＥＤを点灯させてもよい。
【００４２】
［その他の実施の形態］
上記実施の形態では、推力付与手段１３として、２つのマグネット同士の磁気的作用を利用しているが、打撃子１０自身をマグネットで形成してもよい。このように構成すると、回転体３の第１のマグネット３１から、直接、打撃子１０に磁気的吸引力および磁気的反発力を作用させることができる。
【００４３】
また、第１マグネット３１および第２のマグネット１２としてフェライトマグネットを用いていたが、その他のマグネットとして、例えば、アルニコマグネットや希土類系マグネットを用いてもよい。
【００４４】
さらに、上記形態において、推力付与手段１３では、２つのマグネットの磁気的作用を利用して、打撃子１０を往復直線運動させていたが、機構的な構成を採用してもよい。例えば、回転体３の外周面３０に凹凸を形成するとともに、付勢手段によって、この外周面３０に向けて打撃子１０を常に付勢する構成を採用してもよい。すなわち、打撃子１０が回転体３に形成された凸部で押されたとき、当該凸部によって打撃子１０は圧電素子２の側に押し出される一方、打撃子１０が回転体３に形成された凹部と対向したときは、付勢手段によって打撃子１０は圧電素子２の側に押し戻される。また、このような構成を採用した場合には、打撃子を強磁性材料から構成しなくてもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の発電装置は、外力伝達部材の移動方向が如何なる方向であったにしてもガイド部によって、打撃子が圧電素子の被打撃面に対して直交する方向へ往復移動され、打撃子が圧電素子の被打撃面を略直交方向から打撃する。このため、圧電素子に大きな衝撃を付与することができるので、発電効率を向上することができる。また、打撃子が圧電素子の被打撃面を打撃したときの反力は打撃子を反転させる力として作用し、次に、打撃子が圧電素子を打撃する体勢に速やかに入ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る発電装置の要部の構成を示す正面図、および右側面図である。
【図２】（ａ）ないし（ｃ）は、本発明に係る発電装置を用いて発電を行う動作を示す説明図である。
【図３】従来の発電装置の説明図である。
【符号の説明】
１発電装置
２圧電素子
３回転体（被駆動体）
４軸体（外力伝達部材）
５ケース
６コイルばね（エネルギー蓄積手段）
７フライホイール（慣性回転持続手段）
９緩衝用スポンジ（緩衝手段）
１０打撃子
１１ガイド部材（衝撃子保持部材）
１２第２のマグネット（同期手段）
１３推力付与手段
２０被打撃面
３０外周面（着磁面）
３１第１のマグネット（同期手段）
３５ピニオン
４０動力伝達機構
４２ラック
５１ケースの上端開口
１１１開口
１１２貫通孔
１１３収納部

Claims

圧電素子を打撃子により打撃することにより発電を行う発電装置において、
前記打撃子を前記圧電素子の被打撃面を略垂直な方向から打撃可能な打撃位置と該打撃位置から退避した退避位置との間を移動可能に保持する打撃子保持体と、外力により駆動されたときに前記退避位置近傍を通過する移動面を備えた被駆動体と、該被駆動体が駆動された際、前記退避位置にある前記打撃子に対して前記打撃位置に向かう推力を前記移動面から断続的に付与する推力付与手段とを有することを特徴とする発電装置。
請求項１において、前記推力付与手段は、前記被駆動体の駆動に同期して前記打撃体に対して推力を繰り返し付与する同期手段を備えていることを特徴とする発電装置。
請求項１において、前記推力付与手段は、前記被駆動体の前記移動面に対して、当該移動面の移動方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に並ぶように形成された第１のマグネットと、前記被駆動体が駆動された際に前記第１のマグネットとの間に発生する磁気的吸引力および磁気的反発力により変位して前記打撃子に対して前記退避位置から前記打撃位置に向かう推力を付与するとともに、当該打撃子を前記退避位置に引き戻す第２のマグネットとを備えていることを特徴とする発電装置。
請求項２または３において、前記被駆動体は、外力により回転運動を行う回転体であることを特徴とする発電装置。
請求項４において、さらに、外力により変位する外力伝達部材と、該外力伝達部材の変位を前記回転体に伝達する動力伝達機構とを有し、
前記動力伝達機構は、前記外力伝達部材の変位を前記回転体に伝達した後、所定のタイミングで前記回転体と前記外力伝達部材との連動を解除することを特徴とする発電装置。
請求項５において、さらに、前記外力伝達部材の変位をエネルギーとして蓄え、前記外力伝達部材が外力から解放されたときに動力源になるエネルギー蓄積手段とを有し、
前記動力伝達機構は、前記外力伝達部材が外力から解放されたときに、前記エネルギー蓄積手段から放出される動力によって前記回転体を回転駆動し、該外力伝達部材が変位前の位置に戻るまでの間に連動を解除することを特徴とする発電装置。
請求項６において、前記回転体は、前記エネルギー蓄積手段から放出される動力による回転駆動が終了した後も当該回転体の慣性力による回転を持続させる慣性回転持続手段を備えていることを特徴とする発電装置。