JP2005229655A

JP2005229655A - 発電装置

Info

Publication number: JP2005229655A
Application number: JP2004032799A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Oda; 高広小田
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2005-08-25

Abstract

【課題】圧電素子から発生する電圧を効率よく取り出す発電装置を提供する。
【解決手段】発電装置は、本振動子に発生する撓み振動１１ａ、１１ｂの節２ａ、２ｂを中心軸とする丸穴１ｃ、小判穴１ｄに挿入された支持軸１ａ、１ｂにより可撓自在に支持された圧電振動子１と、圧電振動子１の撓み振動１１ａ、１１ｂの腹となる部分にそれぞれ貼り付けられた圧電素子３ａ、３ｂと、上面に磁石８が嵌め込まれ、バネ５を介して圧電振動子１と連結された強制振動部４と、外周面に中心軸方向に４個の磁石１０が嵌め込まれた円柱状の回転体９とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を用いて連続的に高電圧を取り出す発電装置に関するものである。

従来、この種の発電装置は、一端が固定され、圧電素子を２枚貼り合わせた構造の圧電バイモルフと、この圧電バイモルフの自由端側先端に取り付けられた永久磁石と、圧電バイモルフの先端側に設けられた回転体と、回転体に配置された永久磁石とからなり、双方の永久磁石は、互いに反発するように配置されている。回転体の回転により回転体の永久磁石が圧電バイモルフの先端側を通過する度に、その圧電バイモルフは、一端を支点として上下に振動し、この間に電圧を発生する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１８９６４１号公報

しかしながら、前述した従来の発電装置では、回転体の永久磁石が圧電バイモルフの先端側を通過した際に圧電バイモルフの上下振動の振幅が最大となるが、徐々に小さくなるため、２枚の圧電素子から発生する電圧が安定せず、発電効率が向上しないという課題があった。

本発明に係る発電装置は、撓み振動時に腹となる部分に圧電素子が設けられ、撓み振動時に節となる２箇所が支点として可撓自在に支持された圧電振動子と、その圧電振動子を撓み振動の腹方向に振動させる強制振動発生手段とを備えたものである。

本発明においては、撓み振動時に腹となる部分に圧電素子が設けられた圧電振動子を、撓み振動時に節となる２箇所を支点として撓み振動の腹方向に振動させるようにしたので、圧電振動子の自由振動状態よりも大きな撓みを圧電素子に発生させることができ、このため、その圧電素子から発生する電圧が安定し、発電効率のよい発電装置を提供できる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における発電装置の基本原理を示す構成図である。
図において、１は圧電振動子で、本振動子に発生する撓み振動１１ａ、１１ｂの節２ａ、２ｂを中心軸とする丸穴１ｃ、小判穴１ｄに挿入された支持軸１ａ、１ｂにより可撓自在に支持されている。この支持軸１ａ、１ｂの両端は、図示せぬフレームなどによって支持されている。３ａ、３ｂは圧電振動子１の撓み振動１１ａ、１１ｂの腹となる部分にそれぞれ貼り付けられた圧電素子である。４は強制振動部で、上面に磁石８が嵌め込まれ、バネ５を介して圧電振動子１と連結されている。このバネ５は、一端が強制振動部４に設けられた支持部６に、他端が圧電振動子１の中央部に設けられた支持部７にそれぞれ取り付けられている。

９は回転軸１２を中心として矢印方向に回転する例えば円柱状の回転体で、外周面に中心軸方向に４個の磁石１０が嵌め込まれている。この４個の磁石１０は、強制振動部４の磁石８とお互いに反発するように極性が設定されている。前述した強制振動部４は、図示せぬガイド部によって、圧電振動子１の面に対し支持部７を通る垂直軸線上を往復（撓み振動１１ａ、１１ｂの腹方向）するようになっている。

回転体９の回転により磁石１０が強制振動部４の磁石８と対向すると、その強制振動部４は、双方の磁石の反発力によって下方に移動してバネ５を押圧し、回転体９の磁石１０が強制振動部４の磁石８から離れると、強制振動部４は、バネ５の反発力により上方に移動し、この動作を回転体９の磁石１０が強制振動部４の磁石８を通過する毎に繰り返し行う。一方、圧電振動子１は、強制振動部４がバネ５を押圧した際、支持軸１ａ、１ｂを支点として下方に撓み（撓み振動１１ａ）、強制振動部４がバネ５の反発力により上方に移動した際には、支持軸１ａ、１ｂを支点として上方に撓み（撓み振動１１ｂ）、これを強制振動部４の垂直方向の往復動作（振動）に基づいて繰り返し行う。この時、圧電振動子１の撓みにより圧電素子３ａ、３ｂから電圧が発生する。

次に、強制振動部４の往復動作により圧電振動子１に与える撓みの振幅について図２に示す振動系のモデル図を用いて説明する。
強制振動部４の質量をｍ₂、バネ５のバネ定数をｋ₂、圧電振動子１の質量をｍ₁、圧電振動子１のバネ定数をｋ₁とし、強制振動部４の変位量をｘ₂、圧電振動子１の変位量をｘ₁とする。この時、回転体９の回転による双方の磁石８、１０の反発力から、強制振動部４に強制力fcosωt が作用し、圧電振動子１と強制振動部４の各変位量ｘ₁、ｘ₂を
ｘ₁＝ａ１cosωt …（１）
ｘ₂＝ａ２cosωt …（２）
と仮定した場合、圧電振動子１の振幅ａ₁は、次式のように求められる。つまり、次式の分母が０になるように、強制振動部４に強制力fcosωt を作用させることで、前記の振幅ａ₁を最大にできる。

以上のように実施の形態１によれば、圧電振動子１に貼り付けた圧電素子３ａ、３ｂが大きく撓むように、圧電振動子１の腹の位置（支持部７）にバネ５を介して強制振動部４を設けるようにしたので、圧電振動子１の自由振動状態よりも大きな振幅ａ₁を圧電素子３ａ、３ｂに発生させることができ、このため、２枚の圧電素子３ａ、３ｂから発生する電圧が安定し、発電効率のよい発電装置を提供できる。

ここで、ｍ₁＝ｍ₂、ω₁＝Ａω₂とすると、前記の式（３）の分母が０になるときのωは、ω²＝（ω₂）²｛（２Ａ²＋１）±（４Ａ⁴＋１）^1/2｝／２となる。例えば、Ａ＝２０とすると、ωはω≒２８ω₂又はω≒０．７ω₂となる。

なお、前記の実施の形態１では、強制振動部４の上面に磁石８を設けたことを述べたが、強制振動部４そのものを磁石で構成してもよい。また、強制振動部４の磁石８と回転体９の磁石１０とが反発するようにしたが、双方の磁石８、１０が対向したときに吸引するように極性を設定してもよい。さらに、回転体９に４個の磁石１０を配置したが、これに限定されることはなく、強制振動部４に発生させる振動に応じてその磁石１０の個数を決めるようにしてもよい。

実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２における発電装置の主要部を示す構成図である。なお、図１で説明した実施の形態１と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。
図において、１３は例えばほぼコの字状に形成された強制振動部で、圧電振動子１の一方の節２ｂを中心軸として丸穴１ｃに挿入された支持軸１ｂに揺動可能に支持されている。１４、１５はバネで、圧電振動子１の面に対し支持部７を通る垂直軸線上に配置されている。一方のバネ１４の両端は、支持部７と支持部４１とにより固定され、他方のバネ１５の両端は、支持部７と支持部４２とにより固定されている。１６ａ、１６ｂは強制振動部１３に形成された傾斜面にそれぞれ嵌め込まれた磁石である。

１７、１８は例えば円柱状の回転体で、それぞれの外周面に中心軸方向に４個の磁石１９、２０が嵌め込まれている。回転体１７の磁石１９と強制振動部１３の磁石１６ａとがお互いに反発するように極性が設定され、回転体１８の磁石２０と強制振動部１３の磁石１６ｂとがお互いに吸引するように極性が設定されている。一方の回転体１７は、回転軸２１を通してプーリー２４に連結され、他方の回転体１８は、回転軸２３を通してプーリー２５に連結されている。それぞれのプーリー２４、２５は、お互いに同期して回転するようにベルト２６によって連結されている。

前記のように構成された実施の形態２の発電装置においては、何らかの方法で何れか一方のプーリー２４又は２５を回転させると、２個の回転体１７、１８は、ベルト１６により同期して同一方向に回転する。この時、強制振動部１３は、磁石１９と磁石１６ａの反発力と、磁石２０と磁石１６ｂの吸引力とにより、実線の矢印方向に動作し、各回転体１７、１８の磁石１９、２０がそれぞれの磁石１６ａ、１６ｂを通過したときにバネ１４、１５の伸縮力により、破線の矢印方向に動作し、この動作を支持軸１ｂを支点として繰り返し行う。この強制振動部１３は、支点が圧電振動子１の節２ｂの同一軸上に位置しているため、強制振動部１３の揺動による圧電振動子１への影響はない。一方、圧電振動子１は、強制振動部１３が実線の矢印方向に動作したときに支持軸１ａ、１ｂを支点として下方に撓み（撓み振動１１ａ）、強制振動部１３が破線の矢印方向に動作したときに支持軸１ａ、１ｂを支点として上方に撓み（撓み振動１１ｂ）、これを繰り返し行う。強制振動部１３と圧電振動子１との関係は、図１で説明した原理と同様に振動する。この時、その振動による圧電振動子１の撓みにより圧電素子３ａ、３ｂから電圧が発生する。

以上のように実施の形態２によれば、強制振動部１３を圧電振動子１の一方の節２ｂを支点として周方向に揺動させるようにしたので、精度のよい機構を構成することが可能になり、圧電振動子１に高速で大きな振幅ａ₁を発生させることができ、このため、２枚の圧電素子３ａ、３ｂから発生する電圧が安定し、発電効率のよい発電装置を提供できる。

なお、前記の実施の形態２では、回転体１７の磁石１９と強制振動部１３の磁石１６ａとがお互いに反発するように極性を設定し、回転体１８の磁石２０と強制振動部１３の磁石１６ｂとがお互いに吸引するように極性を設定したことを述べたが、その逆でもよい。また、回転体１７、１８にそれぞれ４個の磁石１９、２０を配置したが、これに限定されることはなく、強制振動部１３に発生させる振動に応じて磁石１９、２０の個数を決めるようにしてもよい。さらに、強制振動部１３に２つの磁石１６ａ、１６ｂを設け、２つの回転体１７、１８で強制振動を与えるようにしたが、どちらか一方の回転体１７又は１８だけで、図２で説明した式（３）の分母を０にするような強制振動を発生させるようにしてもよい。この場合、２つのプーリー２４、２５とベルト１６が不要になる。

実施の形態３．
実施の形態３は、ハンドルとフライホィールを用いて図３に示す２つの回転体を回転させるようにしたものであり、以下、図４を参照しながら説明する。なお、図３で説明した実施の形態２と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。
図において、２７は回転体１７とプーリー２４とを貫通した回転軸２１に着脱自在に取り付けられた発電用のハンドルであり、２８は回転体１８とプーリー２５とを貫通した回転軸２３に固着されたフライホィール２８である。

図３に示す発電装置を発電させたい場合は、発電用のハンドル２７を回転軸２１に装着して回転させる。この時、ベルト２６により回転体１８が同期して回転体１７と同一方向に回転すると共に、フライホィール２８の遠心力によって勢いよく回転する。これによって、ハンドル２７で回転させる力をフライホィール２８の回転力によって低減し、安定した電圧を容易に発電させることが可能である。

なお、実施の形態３では、図３に示す実施の形態２の発電装置に適用したことを述べたが、図１に示す実施の形態１の発電装置に用いてもよい。この場合は、回転体９の回転軸１２をフライホィール２８の中心に貫通させて固着し、そのフライホィール２８を貫通した回転軸１２の端部に着脱自在に発電用のハンドル２７を取り付けるようにする。これによって、ハンドル２７で回転させる力をフライホィール２８の回転力によって低減し、安定した電圧を容易に発生させることができる。

実施の形態４．
実施の形態４に係る発電装置は、図３に示す発電装置を複数併設して構成したものであり、以下、図５に示す構成図に基づいて説明する。なお、この図は回転体側から見た側面図である。
図中に示す３個の圧電振動子１は、それぞれ上面及び下面に圧電素子３ａ、３ｂを有し、本振動子１の撓み振動１１ａ、１１ｂの節２ａ、２ｂを中心軸とする２つの丸穴１ｃ、小判穴１ｄにそれぞれ挿入された支持軸１ａ、１ｂによって支持されている。各強制振動部１３は、前記の支持軸１ｂを支点として揺動可能に支持され、それぞれの圧電振動子１にバネ１４、１５（図３参照）を介して連結されている。３個の回転体１７は、各強制振動部１３に嵌め込まれた磁石１６ａにそれぞれ対向するように設けられ、外周面に中心軸方向に４個の磁石１９が嵌め込まれており、同一回転軸２１が挿入されている。もう一方の回転体１８は、各強制振動部１３に嵌め込まれた磁石１６ｂにそれぞれ対向するように設けられ、前記と同様に４個の磁石２０が嵌め込まれており、同一回転軸２３が挿入されている。

前記のように構成された実施の形態４の発電装置においては、回転軸２１に発電用のハンドル２７を装着して回転させると、ベルト２６により３個の回転体１８が同期して回転体１７側と同一方向に回転し、フライホィール２８の遠心力によって勢いよく回転する。一方、強制振動部１３側の磁石１６ａと回転体１７側の磁石１９の反発力、及び強制振動部１３側の磁石１６ｂと回転体１８側の磁石２０の吸引力の間欠的な作用により、各強制振動部１３は、支持軸１ｂを支点として周方向に揺動し、それぞれの圧電振動子１を上下に繰り返し撓まさせて大きな振幅ａ₁を発生させる。

以上のように実施の形態４によれば、圧電振動子１の節２ｂを支点として周方向に揺動する強制振動部１３を構成したので、複数の圧電振動子１及び強制振動部１３を併設することが可能になり、このため、コンパクトな発電装置を提供でき、一度に多くの電力を発生させることができる。また、多くの電力発生させることが可能なため、携帯電話を始めとするモバイル端末のバッテリー装置の充電装置や、端末の駆動電源として利用することができる。

実施の形態５．
図６は本発明の実施の形態５における発電装置の主要部を示す構成図である。なお、図３で説明した実施の形態２と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。
図において、３０は円板状に形成された回転体で、その面に２個の磁石３９ａ、３９ｂが嵌入され、中心に回転軸３２が取り付けられている。３１は回転体３０と同一寸法に形成された強制振動部３１で、外周の一部が切り欠きされた切欠部３３と、切欠部３３の上部に支持部３６により固定されたバネ３４と、切欠部３３の下部に支持部３７により固定されたバネ３５と、中心に設けられた軸穴３８と、面に嵌入され、回転体の２個の磁石３９ａ、３９ｂと吸引し合うように極性が設定された１個の磁石４０とを有し、その軸穴３８に回転体３０の回転軸３２が挿入されて磁石３９ｂと磁石４０の吸引力により回転体３０と強制振動部３１の双方の面が接触している。前記の２本のバネ３４、３５は、後述する圧電振動子５０の中央部に設けられた支持部７に取り付けられている。

前記の圧電振動子５０は、本振動子に発生する撓み振動１１ａ、１１ｂの腹となる部分にそれぞれ貼り付けられた圧電素子３ａ、３ｂを有し、その撓み振動１１ａ、１１ｂの節２ａ、２ｂのうち、この図に図示していないが、節２ａを中心軸とする小判穴１ｄに挿入された支持軸１ａにより支持され、また、もう一方の節２ｂを中心軸とする丸穴１ｃに回転体３０の回転軸３２が挿入されている。

前記のように構成された実施の形態５の発電装置においては、何らかの方法で回転体３０を矢印方向に回転させると、回転体３０の例えば磁石３９ｂと強制振動部３１の磁石４０との吸引力により、強制振動部３１がバネ３４の張力に抗して回転体３０と同じ方向に回転し、前記の磁石３９ｂが強制振動部３１の磁石４０を通過したときに、強制振動部３１がバネ３４、３５の伸縮力により反対方向に回転し、この動作を回転体３０の磁石３９ａ、３９ｂが強制振動部３１の磁石４０に接近して通過する毎に繰り返し行う。一方、圧電振動子５０は、強制振動部３１が回転体３０と同じ方向に回転したときに支持軸１ａ及び回転軸３２を支点として上方に撓み、強制振動部１３が反対方向に回転したときに支持軸１ａ及び回転軸３２を支点として下方に撓み、この動作を回転体３０の回転方向に基づいて繰り返し行う。この時、圧電振動子１の上下方向（撓み振動１１ａ、１１ｂの腹方向）の繰り返し撓みにより圧電素子３ａ、３ｂから電圧が発生する。

以上のように実施の形態５によれば、強制振動部３１の軸穴３８と圧電振動子５０の節２ｂを中心軸とする丸穴１ｃに回転体３０に設けられた回転軸３２を挿入し、強制振動部３１の切欠部３３に設けられた２本のバネ３４、３５を圧電振動子５０の中央部の支持部７に固定するようにしたので、前述した各実施の形態の発電装置と比べ非常にコンパクトな発電装置を提供できる。

実施の形態６．
実施の形態６に係る発電装置は、図６に示す発電装置を複数併設して構成したものであり、以下、図７に示す構成図に基づいて説明する。なお、図４、図６で説明した実施の形態３、５と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。
本実施の形態６は、強制振動部３１の軸穴３８と圧電振動子５０の丸穴１ｃに回転体３０の回転軸３２を挿入してなる発電装置を複数用意し、各発電装置の回転軸３２により相互に着脱自在に連結して１つの発電装置を構成したものである（図７（ａ）参照）。なお、各発電装置の支持軸１ａは、相互に着脱自在に連結する必要はなく、各振動子５０の節２ａを支持する。但し、連結しても効果は同じとなる。例えば、各回転体３０の回転軸３２は、同図（ｂ）に示すように、一方の端面に十字状に形成された十字溝部３２ａが設けられ、他方の端面に十字状に形成された十字突部３２ｂが設けられている。個々の発電装置を連結する際は、回転軸３２の先端（十字突部３２ｂ）を他の回転体３０の中心に位置する十字溝部３２ａに差し込んで嵌合させる。また、発電用のハンドル２７には、回転体３０の中心に位置する十字溝部３２ａに着脱自在に嵌合する、即ち前記の十字突部３２ｂと同じ形状の突部（図示せず）が設けられている。

以上のように実施の形態６によれば、強制振動部３１の軸穴３８と圧電振動子５０の丸穴１ｃに回転体３０の回転軸３２を挿入してなる発電装置を組み合わせられるようにしたので、所望の電力に応じた発電装置を容易に組み立てることが可能になり、各発電装置から一度に多くの電力発生させることができる。このため、携帯電話を始めとするモバイル端末のバッテリー装置の充電装置や、端末の駆動電源として利用することができる。

なお、前述した実施の形態４、６では、回転軸２１、３２に発電用のハンドル２７を連結して発電させるようにしたが、このハンドル２７に代えて、回転軸２１、３２に自然な力、例えば風力や水力、波力などを利用した回転力を伝達して発電させるようにしてもよい。また、回転軸２１、３２を自動車の車輪軸に取り付けることが可能であり、電気自動車のエネルギー消費効率を向上させることにも十分有効である。

本発明の実施の形態１における発電装置の基本原理を示す構成図である。本発明における振動系のモデル図である。本発明の実施の形態２における発電装置の主要部を示す構成図である。本発明の実施の形態３における発電装置の回転系を示す構成図である。本発明の実施の形態４における発電装置の回転系を示す構成図である。本発明の実施の形態５における発電装置の主要部を示す構成図である。本発明の実施の形態６における発電装置の回転系を示す構成図である。

符号の説明

１圧電振動子、１ａ，１ｂ支持軸、１ｃ長穴、２ａ，２ｂ節、
３ａ，３ｂ圧電素子、４強制振動部、５バネ、６，７支持部、８磁石、
９回転体、１０磁石、１１ａ，１１ｂ撓み振動、１２回転軸。

Claims

撓み振動時に腹となる部分に圧電素子が設けられ、撓み振動時に節となる２箇所が支点として可撓自在に支持された圧電振動子と、
前記圧電振動子を撓み振動の腹方向に振動させる強制振動発生手段と
を備えたことを特徴とする発電装置。
前記強制振動発生手段は、磁石を有する強制振動部と、該強制振動部と前記圧電振動子とを連結するバネと、前記強制振動部の磁石と同じ或いは反対の極性が設定された磁石を有する回転体とを備え、
前記強制振動部は、前記回転体の回転による双方の磁石の反発力或いは吸引力に応じて前記圧電振動子を撓み振動の腹方向に前記バネを介して振動させることを特徴とする発電装置。
前記強制振動部は、前記２箇所の節のうち一方の節を支点として前記圧電振動子に揺動可能に支持され、前記回転体の回転による双方の磁石の反発力或いは吸引力に応じて前記圧電振動子を撓み振動の腹方向に前記バネを介して振動させることを特徴とする請求項２記載の発電装置。
前記回転体は、前記２箇所の節のうち一方の節を支点として前記圧電振動子に前記強制振動部を介して回動可能に支持され、前記強制振動部は、前記回転体の回転による双方の磁石の反発力或いは吸引力に応じて前記圧電振動子を撓み振動の腹方向に前記バネを介して強制的に振動させることを特徴とする請求項３記載の発電装置。
請求項３乃至４に記載の発電装置を、前記一方の節の中心軸方向に複数組み合わせたことを特徴とする発電装置。
前記回転体の中心軸上にフライホィールを設けたことを特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載の発電装置。