JP2005168182A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸受が不要で、かつ、安価な打撃子を用いることにより、コストの低減を図ることのできる発電装置を提供すること。
【解決手段】 発電装置は、外力により回転駆動される回転体７と、回転体７の突起７２で打撃される打撃子８０と、この打撃子８０で打撃される圧電素子９とを有している。打撃子８０は鋼製の球体であり、板ばね部分８６１、８７１を備えたガイド板８６、８７に保持され、これらのガイド板８６、８７に案内されて、圧電素子９への打撃位置と、突起７２で打撃される退避位置との間を変位する。
【選択図】 図４

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レバー形状の推力付与体によって、同じくレバー形状の打撃子に推力を付与し、推力を付与された打撃子が回転して圧電素子に直接、あるいは他の部材を介して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）。
特開平０９−２７１１８０号公報

このように構成した発電装置において、推力付与体や打撃子にレバー形状のものを用いた場合には、玉軸受、特殊な樹脂からなる軸受、貴金属製の軸受などが必要であるため、部品コストや組立コストが嵩むという問題点がある。また、動力の伝達ロスを軽減するには、軸受での摩擦を低減する必要があるので、軸受を構成する部品には高い精度が要求され、この点でも、部品コストが嵩むという問題点がある。また、打撃子が直接、あるいは他の部材を介して圧電素子を打撃した際、打撃子にはねじり力が加わるため、レバー形状の打撃子にそのような強度をもたせるには、特殊な材料を用いる必要がある。しかも、打撃子をレバーという複雑な形状に製造すると、打撃子自身の部品コストが嵩むという問題点がある。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、軸受が不要で、かつ、安価な打撃子を用いることにより、コストの低減を図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、圧電素子と、該圧電素子を打撃するための打撃子と、前記圧電素子を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で変位可能に前記打撃子を保持する打撃子保持機構と、前記退避位置にある前記打撃子を打撃して当該打撃子に前記打撃位置に向かう推力を付与する推力付与体とを有する発電装置において、前記打撃子は、当該打撃子の変位方向に直交する方向での切断面が円形の外周面を備えた部材であり、前記打撃子保持機構は、前記打撃子の変位方向を規定するガイド部と、前記圧電素子を打撃した後の前記打撃子を前記退避位置に向けて付勢する付勢手段とを備えていることを特徴とする。

本発明の別の形態では、圧電素子と、該圧電素子を打撃するための打撃子と、前記圧電素子を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で変位可能に前記打撃子を保持する打撃子保持機構と、前記退避位置にある前記打撃子を打撃して当該打撃子に前記打撃位置に向かう推力を付与する推力付与体とを有する発電装置において、前記打撃子は、当該打撃子の変位方向に対して平行な方向での切断面が円形の外周面を備えた部材であり、前記打撃子保持機構は、前記打撃子の変位方向を規定するガイド部と、前記圧電素子を打撃した後の前記打撃子を前記退避位置に向けて付勢する付勢手段とを備えていることを特徴とする。

本発明において、前記打撃子は、前記推力付与体に打撃される被打撃面が球面であることが好ましい。このように構成すると、打撃子が推力付与体によって斜め方向から打撃されても、その力は、打撃子が圧電素子に向かう推力として作用するので、発電効率が高い。

本発明において、前記打撃子は、球体であることが好ましい。このように構成すると、最も安価、かつ、強度が最も高い打撃子を実現できる。また、打撃子が球体であれば、打撃子をどのような向きで打撃子保持機構に保持させてもよいので、組立作業を効率よく行うことができる。さらに、球体からなる打撃子であれば、転動するので、ガイド部との摩擦が小さい。それ故、摩擦による動力のロスを最小限に抑えることができる。

本発明において、前記付勢手段は、ばねであることが好ましい。この場合、前記ばねは、前記ガイド部を構成するガイド板に形成された板ばね部分を利用することができる。また、前記ばねについては、少なくとも前記圧電素子および前記打撃子が収納されるケースの一部として形成されている構成を採用してもよい。

本発明では、変位方向に対して直交する方向での切断面が円形の外周面を備えた部材からなる打撃子をガイド部で案内して打撃位置と退避位置との間で変位させる。このため、レバー形状の打撃子を用いた場合と違って、打撃子に対しては、軸受が不要であるため、部品コストや組立コストを低く抑えることができる。また、打撃子が圧電素子を打撃した際、ねじり力が加わっても、このようなねじり力は、打撃子がその変位方向に延びる軸線周りに自転することで吸収される。従って、打撃子は、通常の強度をもつ安価なもので十分である。また、打撃子は、その変位方向に延びる軸線周りに自転しても、同一の姿勢を保持するため、打撃子に推力を付与して圧電素子を打撃する動作を繰り返し行うのに支障がない。

また、変位方向に対して平行な方向での切断面が円形の外周面を備えた部材からなる打撃子を用いた場合にも同様であり、打撃子が圧電素子を打撃した際、ねじり力が加わっても、このようなねじり力は、打撃子がその変位方向に直交する方向に延びる軸線周りに自転してすることで吸収される。従って、打撃子は、通常の強度をもつ安価なもので十分である。また、打撃子は、その変位方向と直交する方向に延びる軸線周りに自転しても、同一の姿勢を保持するため、打撃子に推力を付与して圧電素子を打撃する動作を繰り返し行うのに支障がない。

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。

（全体構成）
図１、図２、図３はそれぞれ、本発明を適用した発電装置において、上ケースを外した状態における斜視図、当該発電装置の分解斜視図、当該発電装置の要部のレイアウトを示す平面図である。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明を適用した発電装置に用いた打撃子保持機構、および打撃子を拡大して示す説明図である。

図１、図２、および図３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から作動軸３の先端部分３１が突出した構造になっており、下ケース２２の内側には、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（推力付与体）とが配置されている。回転体７の外周面７１には、周方向（移動方向）に沿って等間隔に複数の突起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。

回転体７の近傍には、打撃子保持機構８によって打撃子８０が配置、保持されている。本形態において、打撃子８０としては、鋼製の球体が用いられており、打撃子８０の変位方向（図３に矢印Ａで示す）に直交する方向での切断面が円形の外周面を備え、かつ、打撃子８０の変位方向に平行な方向での切断面も円形の外周面を備えていることになる。また、打撃子８０に隣接する位置には、被打撃面９０を打撃子８０に向ける圧電素子９が配置されている。

本形態において、打撃子保持機構８は、下ケース２２の内壁から相対向するように上方に突出した一対の突起８１、８２と、突起８１、８２に取り付けられた一対のガイド板８６、８７（ガイド部）とから構成されている。一対の突起８１、８２の各上端面には凹部８１１、８２１が形成され、これらの凹部８１１、８２１の底部には小突起８１２、８２２が形成されている。これに対して、一対のガイド板８６、８７は、板ばね部分８６１、８７１（付勢手段）と、板ばね部分８６１、８７１から外側に向けて断面Ｌ字形状に折り曲げられた連結板部８６２、８７２とから構成されており、連結板部８６２、８７２には、突起８１、８２の小突起８１２、８２２が嵌る小穴８６３、８７３が形成されている。従って、小穴８６３、８７３に小突起８１２、８２２を嵌めれば、ガイド板８６、８７を突起８１、８２に取り付けることができる。

ガイド板８６、８７のいずれにおいても、板ばね部分８６１、８７１は、両端部が打撃子８０に対するストッパとして機能するように内側に向けて斜めに折り曲げられている。このため、板ばね部分８６１、８７１同士が対向するようにガイド板８６、８７を各突起８１、８２に取り付けると、図３および図４（ａ）に示すように、板ばね部分８６１、８７１の間には、回転体７の側から圧電素子９に向けて延びる打撃子保持空間８８が区画形成される。また、打撃子保持空間８８内に打撃子８０を装着すると、打撃子８０は、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変位可能にその外周面が弾性をもって保持され、かつ、打撃子８０に外力が加わらない状態において、ガイド板８６、８７は、圧電素子９から離間した退避位置に打撃子８０を保持する。

本形態において、圧電素子９は、下ケース２２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の振動を持続する効果も併せ持つ。

本形態において、作動軸３の先端部分３１は、下ケース２２の側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の基端部は、細径部３２になっており、この細径部３２は、下ケース２２に形成された受け部２５に嵌って軸線方向に移動可能に支持されている。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。

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（図３を参照）と噛み合っている。但し、作動軸３が軸線方向における先端側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がケース２の内部に押圧されたとき、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位置に戻るが、変位前の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。

（発電動作）
本形態の発電装置１では、図３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で示す方向に押し出され、作動軸３は、元の位置に戻る。

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を押し出すとともに、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８０の近傍で回転体７の外周面７１が移動し、図４（ａ）に示すように、回転体７の外周面７１に形成された突起７２が打撃子８０の近傍を通過する。

ここで、打撃子８０は、外力が加わらない状態では、ガイド板８６、８７によって圧電素子９から離間した退避位置に保持されているため、打撃子８０は、図４（ｂ）に示すように、突起７２によって打撃される。その結果、打撃子８０は、圧電素子９に向かう推力が付与され、図４（ｃ）に示すように、ガイド板８６、８７に案内されながら圧電素子９の被打撃面９０に向かって変位し、圧電素子９の被打撃面９０を垂直に打撃する。

その後、打撃子８０は、圧電素子９を打撃した反動、およびガイド板８６、８７のばね力により、図４（ａ）に示すように、圧電素子９に対する打撃位置から退避位置（回転体７の側の位置）に戻る。そして、打撃子８０は、回転体７の突起７２によって再び、打撃され、推力を受ける。

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８０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報知するための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、打撃子８０が圧電素子９を打撃すると、圧電素子９が変形して起電力が発生し、発電が行われる。また、本形態では、打撃子８０として、変位方向に直交する方向での切断面が円形の外周面を備える球体を用いたため、レバー形状の打撃子を用いた場合と違って、軸受が不要である。従って、部品コストや組立コストを低く抑えることができる。また、打撃子８０が圧電素子９を打撃した際、打撃子８０にねじり力が加わっても、このようなねじり力は、打撃子８０が自転することで吸収される。従って、打撃子８０は、通常の強度をもつ安価な部品でよいので、コストを低減できる。しかも、打撃子８０は球体であるため、打撃子８０の変位方向に平行に延びる軸線周り、あるいは打撃子８０の変位方向に直交する方向に延びる軸線周りに自転した場合でも、打撃子８０の姿勢に変化がない。それ故、打撃子８０が自転しても、打撃子８０に推力を付与して圧電素子９を打撃する動作を繰り返し行うのに支障がない。

しかも、本形態では、打撃子８０として球体を用いたため、打撃子８０を打撃子保持空間８８内に装着する際、その向きなどを一切、考慮する必要がない。それ故、組立コストを低く抑えることができる。また、打撃子８０として球体を用いたため、打撃子８０は、圧電素子９に対する打撃面、および突起７２に打撃される被打撃面が常に球面である。このため、打撃子８０は、突起７２によって斜め方向から打撃されても、その力は、打撃子８０が圧電素子９に向かう推力として作用するので、発電効率が高い。さらに、球体からなる打撃子８０であれば、転動するので、ガイド板８６、８７との摩擦が小さい。それ故、摩擦による動力のロスを最小限に抑えることができる。

［その他の実施の形態］
上記形態では、板ばね部分８６１、８７１を備えたガイド板８６、８７が、下ケース２２などと別部品であったが、ガイド板８６、８７全体、あるいは板ばね部分８６１、８７１については、下ケース２２の一部として形成してもよい。このように構成すると、部品点数の削減を図ることができる。

また、上記形態では、打撃子８０として球体を用いたが、図５（ａ）に示すように、変位方向に直交する方向での切断面が円形の外周面を備えるフランジ状の胴部８０１ａから両側に半球部分８０２ａ、８０３ａが膨出した打撃子８０ａを用いてもよい。このような打撃子８０ａを用いる場合、打撃子保持機構８ａには、下ケース２２などによって円筒状の打撃子保持空間８８ａ、およびガイド部８９ａを形成し、打撃子８０ａの両側にコイルばね８５１ａ、８５２ａ（付勢手段）を配置すればよい。このように構成すると、打撃子８０ａが圧電素子９を打撃した際、たとえ打撃子８０ａにねじり力が加わっても、このようなねじり力は、打撃子８０ａが変位方向に平行に延びる軸線周りに自転することで吸収され、かつ、このように自転しても、打撃子８０ａの姿勢に変化がないので、打撃子８０ａに推力を付与して圧電素子９を打撃する動作を繰り返し行うのに支障がない。

また、図５（ｂ）に示すように、変位方向に直交する方向での切断面が円形の外周面を備える胴部８０１ｂから両側に円錐台部分８０２ｂ、８０３ｂが膨出した打撃子８０ｂを用いてもよい。ここで円錐台部分８０２ｂ、８０３ｂの先端面は、球面８０４ｂ、８０５ｂなっている。このような打撃子８０ｂを用いる場合も、打撃子保持機構８ｂには、下ケース２２などによって円筒状の打撃子保持空間８８ｂ、およびガイド部８９ｂを形成し、打撃子８０ｂの両側にコイルばね８５１ｂ、８５２ｂ（付勢手段）を配置すればよい。このような構成を採用した場合も、打撃子８０ｂが圧電素子９を打撃した際、たとえ打撃子８０ｂにねじり力が加わっても、このようなねじり力は、打撃子８０ｂが変位方向に平行に延びる軸線周りに自転することで吸収され、かつ、このように自転しても、打撃子８０ｂの姿勢に変化がないので、打撃子８０ｂに推力を付与して圧電素子９を打撃する動作を繰り返し行うのに支障がない。

さらに、上記形態のいずれにおいても、打撃子は、その変位方向に対して直交する方向での切断面が円形の外周面を備えた部材であったが、図６に示すように、変位方向に対して平行な方向での切断面が円形の外周面を備えた打撃子８０ｃを用いてもよい。このような打撃子８０ｃを用いる場合も、打撃子保持機構８ｃには、下ケース２２などによって円筒状の打撃子保持空間８８ｃ、およびガイド部８９ｃを形成し、打撃子８０ｃの変位方向における両側にコイルばね８５１ｃ、８５２ｃ（付勢手段）が配置される。このような構成を採用した場合も、打撃子８０ｃが圧電素子９を打撃した際、たとえ打撃子８０ｃにねじり力が加わっても、このようなねじり力は、打撃子８０ｃが変位方向に直交する方向に延びる軸線周りに自転することで吸収され、かつ、このように自転しても、打撃子８０ｃ
の姿勢に変化がないので、打撃子８０ｃに推力を付与して圧電素子９を打撃する動作を繰り返し行うのに支障がない。

なお、打撃子保持空間の所定位置に打撃子を保持する付勢手段としては、ばねに限らず、磁石を用いてもよい。

本発明の発電装置では、変位方向に対して直交する方向、あるいは平行な方向での切断面が円形の外周面を備えた部材からなる打撃子をガイド部で案内して打撃位置と退避位置との間で変位させる。このため、レバー形状の打撃子を用いた場合と違って、打撃子に対しては、軸受が不要であるため、部品コストや組立コストを低く抑えることができる。また、打撃子が圧電素子を打撃した際、ねじり力が加わっても、このようなねじり力は、打撃子が自転することで吸収される。従って、打撃子は、通常の強度をもつ安価なもので十分である。

本発明を適用した発電装置において、上ケースを外した状態における斜視図である。 本発明を適用した発電装置の分解斜視図である。 本発明を適用した発電装置の要部のレイアウトを示す平面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明を適用した発電装置に用いた打撃子保持機構、および打撃子を拡大して示す説明図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明を適用した発電装置の別の打撃子、および打撃子保持機構の構成を示す説明図である。 本発明を適用した発電装置のさらに別の別の打撃子、および打撃子保持機構の構成を示す説明図である。

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
８０ 打撃子
８６、８７ ガイド板（ガイド部）
８６１、８７１ 板ばね部分（付勢手段）

Claims (7)

1. 圧電素子と、該圧電素子を打撃するための打撃子と、前記圧電素子を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で変位可能に前記打撃子を保持する打撃子保持機構と、前記退避位置にある前記打撃子を打撃して当該打撃子に前記打撃位置に向かう推力を付与する推力付与体とを有する発電装置において、
   前記打撃子は、当該打撃子の変位方向に対して直交する方向での切断面が円形の外周面を備えた部材であり、
   前記打撃子保持機構は、前記打撃子の変位方向を規定するガイド部と、前記圧電素子を打撃した後の前記打撃子を前記退避位置に向けて付勢する付勢手段とを備えていることを特徴とする発電装置。
2. 圧電素子と、該圧電素子を打撃するための打撃子と、前記圧電素子を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で変位可能に前記打撃子を保持する打撃子保持機構と、前記退避位置にある前記打撃子を打撃して当該打撃子に前記打撃位置に向かう推力を付与する推力付与体とを有する発電装置において、
   前記打撃子は、当該打撃子の変位方向に対して平行な方向での切断面が円形の外周面を備えた部材であり、
   前記打撃子保持機構は、前記打撃子の変位方向を規定するガイド部と、前記圧電素子を打撃した後の前記打撃子を前記退避位置に向けて付勢する付勢手段とを備えていることを特徴とする発電装置。
3. 請求項１または２において、前記打撃子は、前記推力付与体に打撃される被打撃面が球面であることを特徴とする発電装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記打撃子は、球体であることを特徴とする発電装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記付勢手段は、ばねであることを特徴とする発電装置。
6. 請求項５において、前記ばねは、前記ガイド部を構成するガイド板に形成された板ばね部分であることを特徴とする発電装置。
7. 請求項５において、前記ばねは、少なくとも前記圧電素子および前記打撃子が収納されるケースの一部として形成されていることを特徴とする発電装置。

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