JP2005151759A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 打撃子を駆動する際の共振を確実に阻止して、発電能力の低下、および騒音の発生を確実に防止することのできる発電装置を提供すること。
【解決手段】 発電装置１は、外力により回転駆動される回転体７と、この回転体７の近傍に打撃子保持機構８によって保持されている打撃子８５と、この打撃子８５に隣接する位置に配置された圧電素子９とを有している。回転体７の外周面７１には、打撃子８５に推力を付与する突起７２が複数、形成され、これらの突起７２は等角度位置から周方向にずれた位置に形成されている。
【選択図】 図１

Description

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。

外力によって発電を行う発電装置としては、例えば、振動などの外力によって回転駆動する回転体によって打撃された打撃子が、圧電素子に衝撃を付与するものが案出されている（例えば、特許文献１参照）。

このような機構を利用してさらに発電効率を高めるとすれば、図７に示すように、打撃子に推力を付与する突起を増やせばよい。ここに示す例では、軸部８ｂを中心に回転可能な打撃子８５がねじりばね（図示せず）によって、図７に示す中立位置に保持されている一方、その近傍に配置された回転体７ｂの外周面７１には１４個の突起７２が２５．７°の等角度ピッチで形成されている。従って、回転体７ｂが１回転すると、打撃子８５は、突起７２により圧電素子９に向かう推力が加えられて、圧電素子９を１４回、打撃することになる。
特開平０９−２７１１８０号公報

しかしながら、図７に示す発電装置では、打撃子８５が突起７２で駆動される周波数と、打撃子８５の往復動作の周波数が共振した場合、打撃子８５が圧電素子９を打撃せず、安定した発電を行えないという問題点がある。例えば、外力によって回転体７ｂを回転駆動した後は、外力をさらに加えられない限り徐々に減速していくので、その過程では、必ず、打撃子８５が突起７２で駆動される周波数と、打撃子８５の往復動作の周波数が共振するタイミングが発生し、発電能力が低下する。また、回転体７ｂを一定速度で回転する場合や回転体７ｂの加減速を頻繁に行うような場合は、打撃子８５が突起７２で駆動される周波数と、打撃子８５の往復動作の周波数が共振すると、著しく発電能力が低下してしまう。その為、回転体７ｂの回転数または、打撃子８５の往復動作の周波数をその共振する周波数から大きくずらす必要がある。しかし、それらを大きくずらすと回転エネルギーが低下したり、打撃力が低下したりして、発電能力自身も低下してしまうので、大きくずらす事はできない。それ故、発電能力が低下しないように、共振しないギリギリでずらす為、部品精度などを高めなければならないという問題点がある。

また、回転体７ｂが打撃子８５を弾く時に発生する音、あるいは打撃子８５が圧電素子９に衝突するときに発生する音は、大きなものであるため、その音とケースが共振すると、騒音が発生することもある。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、打撃子を駆動する際の共振を確実に阻止して、発電能力の低下、および騒音の発生を確実に防止することのできる発電装置を提供することにある。

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繰り返し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打撃する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手段と、回転駆動された際、前記退避位置にある前記打撃子に前記打撃位置に向かう推力を付与する複数の推力付与部を備えた回転体とを有し、該複数の推力付与部は、少なくとも１つが、異なるインターバル、異なる大きさ、あるいは異なる方向の推力を前記打撃子に付与することを特徴とする。

本発明においては、例えば、前記複数の推力付与部は各々、前記回転体から半径方向外側に突き出た突起から構成され、当該複数の突起の各間のうちの少なくとも一つが、他の間と異なるピッチになっている。

本発明において、前記複数の推力付与部は各々、前記回転体から半径方向外側に突き出た突起から構成され、当該複数の突起のうちの少なくとも一つが、異なる形状、異なるサイズ、あるいは異なる材質で構成されている構成を採用してもよい。

本発明の発電装置において、回転体が回転すると、打撃子は、回転体の複数の推力付与部により推力を受けて退避位置から打撃位置に移動し、圧電素子を打撃するので、発電が行われる。ここで、打撃子が推力を受ける周波数と、打撃子の往復動作の周波数が共振しようとした場合でも、その途中で、打撃子は、それまでと異なるインターバル、異なる大きさ、あるいは異なる方向の推力を受けるため、共振モードに入らず、あるいは共振モードに入ってもすぐ脱出する。それ故、共振モードに起因する発電能力の低下を防止することができる。また、回転体が打撃子を弾く時に発生する音、あるいは打撃子が圧電素子に衝突するときに発生する音とケースとの共振を防止できるので、騒音の発生も防止することができる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した発電装置の一例を説明する。

［実施の形態１］
（全体構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る発電装置の要部の構成を示す正面図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る発電装置を示す分解斜視図である。図３は、本発明の実施の形態１に係る発電装置の回転体を示す図である。

図１および図２に示すように、本形態の発電装置１は、上ケース２１および下ケース２２からなるボックス状のケース２から作動軸３の上端部分３１が突出した構造になっており、ケース２の内部には、作動軸３と機構的に接続された歯車部材５と、この歯車部材５に同軸状に連結された慣性板６と、この慣性板６とともに回転する回転体７とが構成されている。

回転体７の近傍には、打撃子保持機構８によって打撃子８５が配置、保持されている。打撃子保持機構８は、下ケース２２と一体形成された受け部分２３１と、この受け部分２３１に嵌る円柱状の基部８１と、この基部８１から突き出た撚り線あるいは単線からなるサスペンションワイヤ８２とを有しており、打撃子８５は、サスペンションワイヤ８２の先端部に取り付けられている。このようにして、打撃子８５は、打撃子保持機構８によって、以下に説明する圧電素子９の被打撃面９０を打撃する打撃位置と、この打撃位置から退避した退避位置との間を移動可能に保持されている。

打撃子８５に隣接する位置には、被打撃面９０を打撃子８５に向ける圧電素子９が垂直に配置されており、打撃子８５は、サスペンションワイヤ８２によって圧電素子９の被打撃面９０を打撃する打撃位置と、この打撃位置から後方に退避した回転体７と圧電素子９との中立位置（退避位置）との間を移動可能に支持されている。

圧電素子９は、ケース２の内面に緩衝用スポンジ９５（緩衝手段）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９としてＰＺＴ系セラミックスのものを用いている。この種の圧電素子９は、一般的に衝撃に弱いので、本形態においては、緩衝用スポンジ９５が圧電素子９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９５は、衝撃により発生する圧電素子９の振動をなるべく持続する効果も併せ持つ。

本形態において、作動軸３の上端部分３１は、ケース２の上面に形成された矩形円筒状の開口部２４から突出している。これに対して、作動軸３の下半部は、細径部３２になっており、この細径部３２は、下ケース２２の底部に形成された受け部２５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。また、細径部３２の周りにはコイルばね２０が装着されており、このコイルばね２０は、作動軸３の長さ方向の略中央位置に形成された段部３５と受け部２５との間に保持されている。

ここで、作動軸３の長さ方向における所定の範囲にはラック３０が形成されており、このラック３０は、歯車部材５の一方側端面に形成されたピニオン５１と噛み合っている。但し、作動軸３が上方位置にあるときには、ラック３０とピニオン５１の噛合が解除され、作動軸３が下方に押圧されたとき、ラック３０とピニオン５１が噛み合う。換言すれば、作動軸３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、作動軸３は、コイルばね２０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３０とピニオン５１とは噛合した状態にあり、作動軸３が変位前の上方位置に完全に戻った以降、ラック３０とピニオン５１との噛合が解除される。このため、ラック３０とピニオン５１の噛み合いが解除された状態では、歯車部材５はフリーな状態にある。

歯車部材５の他方側端面には円筒状の突起５２が形成されており、この突起５２は、慣性板６の中心穴６０を通って回転体７の中心穴７０に嵌っている。また、歯車部材５、慣性板６、および回転体７は、歯車部材５において突起５２の周りに形成された複数の穴、慣性板６において中心穴６０の周りに形成された複数の穴、および回転体７において中心穴７０の周りに形成された複数の穴に連結ピン（図示せず）が嵌められて連結されている。この状態で、歯車部材５の突起５２の中空部５２１にはケース２に両端が保持された回転中心軸２８が差し込まれ、歯車部材５、慣性板６、および回転体７は、回転中心軸２８周りに回転可能である。なお、慣性板６は、比重が重い材料、例えば、真鍮によって形成されている。また、歯車部材５と回転体７は、慣性板６をインサートした樹脂による一体成形品とすると、組立性も向上しその合成もその剛性も高められる。

（回転体７の構成）
図３に示すように、本形態では、回転体７の外周面７１には、周方向に沿って複数の突起７２（推力付与部）が同一の形状および大きさに形成されている。ここで、複数の突起７２（１０個の突起７２ａ〜７２ｊ）は、等角度位置から周方向にずれた位置に形成され、複数の突起７２の各間のうちの少なくとも一つが、他の間と異なるピッチになっている。すなわち、突起７２ａと突起７２ｂ、および突起７２ｇと突起７２ｈは３１°の角度ピッチで形成されているのに対して、突起７２ｂと突起７２ｃ、および突起７２ｊと突起７２ａは３６°の角度ピッチで形成され、突起７２ｃと突起７２ｄ、および突起７２ｈと突起７２ｉは２６°の角度ピッチで形成され、突起７２ｄと突起７２ｅ、および突起７２ｆと突起７２ｇは４１°の角度ピッチで形成され、突起７２ｅと突起７２ｆ、および突起７２ｉと突起７２ｊは４６°の角度ピッチで形成されている。

（発電動作）
このように構成された発電装置１では、図１に示す状態から、外力によって作動軸３が矢印Ｄで示す方向に押圧されると、ラック３０とピニオン５１が噛合して歯車部材５、慣性板６、および回転体７が時計周りＣＷの方向に回転するとともに、コイルばね２０が圧縮される。その間、コイルばね２０には、作動軸３の変位が弾性エネルギーとして蓄えられる。

この状態で、作動軸３に対する押圧が解除されると、コイルばね２０の付勢力によって、作動軸３は矢印Ｕで示す上方向に押し上げられ、作動軸３は、元の上方位置に戻る。

この状態になる途中までは、ラック３０とピニオン５１とが噛み合っているので、コイルばね２０は、作動軸３を押し上げるとともに、歯車部材５、慣性板６、および回転体７を反時計周りＣＣＷの方向に回転させる。但し、作動軸３が元の上方位置に戻る直前に、ラック３０とピニオン５１との噛合が解除されるので、それ以降、回転体７は慣性板６の慣性力によって反時計周りＣＣＷに回転し続ける。

これにより、打撃子８５の端部近傍を回転体７の外周面７１が移動し、回転体７の外周面７１に形成された突起７２が打撃子８５の端部近傍を通過する際、打撃子８５が退避位置にあれば、打撃子８５は、突起７２に打撃されることになる。従って、打撃子８５は、退避位置から打撃位置に向かう推力が付与され、圧電素子９の被打撃面９０を打撃する。

そして、打撃子８５は、圧電素子９を打撃した反動、およびサスペンションワイヤ８２の形状復帰力により、圧電素子９に対する打撃位置から退避位置（中立位置、および中立位置を通りすぎた位置）に変位する。このタイミングに合わせて、回転体７の突起７２は、再び、打撃子８５を打撃する。また、突起７２は、図３に示すように、等角度間隔から周方向にずれた位置に形成されているため、例えば、回転体７の１回転周期において少なくとも１回は、異なるインターバルで打撃子８５に推力を付与する。

このような動作を繰り返すことによって回転体７の回転は徐々に減速していく。また、打撃子８５が圧電素子９を打撃することにより得られた電力は、整流回路（図示せず）に導かれる。よって、本形態の発電装置１は、さまざまな用途に応用することができる。例えば、外部侵入者が窓を開けたときにその外力が駆動源として回転体７を回転させれば、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。

（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、外力により回転体７が回転駆動されると、回転体７の外周面７１に形成された突起７２によって、打撃子８５には、圧電素子９に向かう推力が付与される。ここで、突起７２は、図３に示すように、等角度間隔から周方向にずれた位置に形成されている。このため、回転体７において、外力により回転駆動された後に回転が徐々に減速して行く過程の中で、打撃子８５が圧電素子９に対する打撃位置に向かう周期と、退避位置に戻った打撃子８５を回転体７が打撃する周期とが一致して共振状態になることがない。すなわち、打撃子８５への推力の付与動作と、打撃子の往復動作とが共振モードに入らず、あるいは共振モードに入ってもすぐ脱出する。それ故、共振モードに起因する発電能力の低下を防止することができる。また、回転体７が打撃子８５を弾く時に発生する音、あるいは打撃子８５が圧電素子９に衝突するときに発生する音とケース２のと共振を防止できるので、騒音の発生も防止することができる。

また、回転体７が一定速度で回転する期間を長く確保するような場合でも、打撃子８５への推力の付与動作と打撃子の往復動作とが共振モードに入ることを回避することを目的に各部材の寸法精度を高くする必要もない。

なお、仮に一回、突起７２の位置と打撃子８の位置とが一致しない期間が発生したとしても、次の動作で、突起７２は打撃子８に推力を確実に伝達するので、そのような期間は長時間、継続されない。それ故、発電能力が低下することがない。

［実施の形態１の変形例］
なお、回転体７の外周面７１に形成された突起７２の数や角度位置については、種々、変更可能である。例えば、突起７２の数が１４個の場合には、図４（ａ）に示すような角度間隔で突起７２を形成してもよい。すなわち、１４個の突起７２の角度ピッチが２０°、２５°、あるいは３０°に設定され、かつ、それらがランダムに配置されている。また、突起７２の数が１８個の場合には、図４（ｂ）に示すような角度間隔で突起７２を形成してもよい。すなわち、１８個の突起７２の角度ピッチが１５°、１７．５°、２０°あるいは２５°に設定され、かつ、それらがランダムに配置されている。

［実施の形態２］
図５は、本発明の実施の形態２に係る発電装置を示す概略構成図である。なお、以下に説明する実施の形態２に係る発電装置１は、基本的な構成が実施の形態１と同様であるため、共通する部分には、同一の符号を付して図示することにして、それらの説明を省略する。

図５に示すように、本形態の発電装置１でも、実施の形態１と同様、回転体７の外周面７１には、周方向に沿って複数の突起７２が形成されている。

ここで、複数の突起７２は、実施の形態１と違って、等角度位置（２５．７°ピッチ）に形成されている。

但し、本形態では、１４個の突起７２のうち、５つの突起７２ｍは、他の突起７２ｎと異なる形状を有している。具体的には、９つの突起７２ｎは、回転体７の外周面７１から台形の平面形状をもって突出しているのに対して、５つの突起７２ｍは、回転体７の外周面７１から三角形の平面形状をもって突出している。このため、突起７２ｎと突起７２ｍでは、回転体７が反時計周りＣＣＷに回転した際、打撃子８５との衝突面７２１ｎ、７２１ｍの角度が相違している。それ故、回転体７が反時計周りＣＣＷに回転した際、打撃子８５が突起７２ｎから受ける力の方向と、打撃子８５が突起７２ｍから受ける力の方向とがずれており、その結果、推力の大きさが異なる。すなわち、打撃子８５は、例えば、回転体７の１回転周期において少なくとも１回は、異なる大きさの推力、あるいは異なる方向の力を受ける。

それ故、本形態の発電装置１では、打撃子８５への推力の付与動作と、打撃子の往復動作とが共振モードに入らず、あるいは共振モードに入ってもすぐ脱出するので、共振モードに起因する発電能力の低下を防止することができるなど、実施の形態１と同様な効果を奏する。

［実施の形態２の変形例］
上記実施の形態２では、複数の突起７２のうちの少なくとも一つが、異なる形状で構成されていることにより、異なる大きさの推力、あるいは異なる方向の力が打撃子８５に付与される構成であったが、複数の突起７２のうちの少なくとも一つが、異なるサイズ、あるいは異なる材質で形成されている構成を採用してもよい。

［その他の実施の形態］
上記のいずれの形態においても、打撃子８５は、サスペンションワイヤ８２によって圧電素子９の被打撃面９０を打撃する打撃位置と、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に支持されていたが、例えば、図６に示すように、鋼球からなる打撃子８５ａが、板ばね８６を備えたガイド部材８ａ（打撃子保持体）によって、圧電素子９の被打撃面９０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に支持されているものに対して本発明を適用してもよい。

また、回転体７から打撃子８５への推力の付与は、衝突などの機構的な構成に限らず、磁気的吸引力や磁気的反発力を利用してもよい。

本発明の発電装置において、回転体の推力付与部から打撃子が推力を受ける周波数と、打撃子の往復動作の周波数が共振しようとした場合でも、その途中で、打撃子は、それまでと異なるインターバル、異なる大きさ、あるいは異なる方向の推力を受けるため、共振モードに入らず、あるいは共振モードに入ってもすぐ脱出する。それ故、共振モードに起因する発電能力の低下を防止することができる。また、回転体が打撃子を弾く時に発生する音、あるいは打撃子が圧電素子に衝突するときに発生する音とケースとの共振を防止できるので、騒音の発生も防止することができる。

本発明の実施の形態１に係る発電装置の要部の構成を示す正面図である。 図１に示す発電装置の分解斜視図である。 図１に示す発電装置に用いた回転体の平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、いずれも本発明の実施の形態１の変形例に係る発電装置に用いた回転体の平面図である。 本発明の実施の形態２に係る発電装置を示す概略構成図である。 本発明のその他の実施の形態に係る発電装置を示す概略構成図である。 従来の発電装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 発電装置
７ 回転体
８ 打撃子保持機構
９ 圧電素子
７１ 回転体の外周面
７２ 回転体の突起（推力付与部）
８５ 打撃子
９０ 圧電素子の被打撃面

Claims (3)

1. 圧電素子を打撃子により繰り返し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打撃する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手段と、
   回転駆動された際、前記退避位置にある前記打撃子に前記打撃位置に向かう推力を付与する複数の推力付与部を備えた回転体とを有し、
   該複数の推力付与部は、少なくとも一つが、異なるインターバル、異なる大きさ、あるいは異なる方向の推力を前記打撃子に付与するように構成されていることを特徴とする発電装置。
2. 圧電素子を打撃子により繰り返し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打撃する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手段と、
   回転駆動された際、前記退避位置にある前記打撃子に前記打撃位置に向かう推力を付与する複数の突起を備えた回転体とを有し、
   当該複数の突起の各間のうちの少なくとも一つが他の間と異なるピッチになっていることを特徴とする発電装置。
3. 圧電素子を打撃子により繰り返し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打撃する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手段と、
   回転駆動された際、前記退避位置にある前記打撃子に前記打撃位置に向かう推力を付与する複数の突起を備えた回転体とを有し、
   当該複数の突起のうちの少なくとも一つが、異なる形状、異なるサイズ、あるいは異なる材質で構成されていることを特徴とする発電装置。

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