JP2005237156A - Power generation device and power generation system - Google Patents

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JP2005237156A JP2004045557A JP2004045557A JP2005237156A JP 2005237156 A JP2005237156 A JP 2005237156A JP 2004045557 A JP2004045557 A JP 2004045557A JP 2004045557 A JP2004045557 A JP 2004045557A JP 2005237156 A JP2005237156 A JP 2005237156A
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Takemi Aizawa
Kenji Kumamoto
Noboru Miyata
昇 宮田
憲二 熊本
健実 相沢
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Taiheiyo Cement Corp
太平洋セメント株式会社
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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、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、を具備し、突起部29の数とユニモルフ素子21の数が互いに素となる関係にある。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power generation apparatus and a power generation system for generating medium scale power or large scale power.
A power generator includes a radially fixed inner ring member, an outer ring member that surrounds the inner ring member, an axle member and a rotating device that rotate the inner ring member, and an inner ring member that rotates the inner ring member. When the unimorph element 21 is bent and displaced, and the protrusion 29 provided on the inner peripheral surface of the outer ring member 12 so as to be brought into contact with the tip of the unimorph element 21 and causing the unimorph element 21 to bend and bend. A bridge circuit 30 for rectifying a pulse current generated by the piezoelectric effect; and an output mechanism 15 for outputting the power collected through the bridge circuit 30 to an external load such as a secondary battery. The number of elements 21 is in a relatively prime relationship.
[Selection] Figure 1

Description

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。   The present invention relates to a power generation apparatus and a power generation system that utilize the piezoelectric effect of a piezoelectric element.

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。   Displacement of the piezoelectric body generates power due to the piezoelectric effect, so this power can be used directly for the operation of electrical and electronic products, or the generated power can be charged to batteries and capacitors. A battery or the like can be used as a drive power source for electric products or the like, or as a backup power source in the event of a power failure or emergency.

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。   For example, FIG. 9 of Japanese Patent Laid-Open No. 9-233862 discloses a power generator used in a wristwatch. This power generator includes a plurality of vibrating pieces fixed in a cantilever shape and a radial shape at regular intervals on the inner periphery of a watch case, a rotating weight provided in the center of the watch case, and a rotating member fixed to the rotating weight. A piezoelectric layer is provided on both surfaces of the resonator element, and protrusions are provided on the outer periphery of the rotating member at predetermined intervals. Here, as shown in FIG. 16 of Japanese Patent Laid-Open No. 9-233862, the rotary weight connects a predetermined angle (the center of rotation and two adjacent protrusions) according to the direction of the external force applied to the rotary weight. The rotation member can be rotated clockwise or counterclockwise within a range of approximately coincident with the crossing angle of the line, and the rotating member moves in the same manner as the movement of the rotating weight.

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。
特開平9−233862号公報(第8−12頁、第9図、第16図)
In such a power generation device, the rotating weight rotates in response to the movement of the arm, and at this time, the protrusion provided on the rotating member comes into contact with the tip (free end) of the vibrating piece so as to contact the vibrating piece and the vibrating piece. The bonded piezoelectric layer is bent. At this time, since electric power is generated by the piezoelectric effect in the piezoelectric layer, this electric power is charged in the capacitor (or the secondary battery), thereby maintaining the driving of the timepiece.
JP-A-9-233862 (pages 8-12, FIGS. 9, 16)

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。即ち、背景技術では、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。   However, it is difficult to directly apply the power generation apparatus as a household power supply facility. That is, in the background art, the rotating weight can only be rotated within a certain angle range, and this is presumably due to the fact that most of the movement of the arm is a pendulum type reciprocating movement. However, if the power generator is applied to household power supply equipment, it is expected that natural power such as hydraulic power or wind power will be used as the power source for the rotating weight. It is difficult to give a pendulum type movement.

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。   Further, since the vibrating piece has a free end on the inner peripheral side and a fixed end on the outer peripheral side, the distance between the tips of adjacent vibrating pieces is shortened. In this case, since it is necessary to prevent the free ends of the vibrating pieces from contacting each other, it is difficult to increase the arrangement density of the vibrating pieces, and the displacement amount of one vibrating piece cannot be increased. Therefore, it is difficult to obtain a high voltage.

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直流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。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a power generation apparatus and a power generation system that perform DC power generation of medium-scale power or large-scale power used for household power.

外周に複数の屈曲型圧電素子が一定の間隔で放射状に固定された円板状の内輪部材と、
前記内輸部材を囲繞する外輪部材と、
前記内輸部材または前記外輪部材を回転させる回転機構と、
前記内輸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一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、
を具備する発電装置において、
該屈曲型圧電素子の数と該突起部の数が数学的に互いに素の関係にあることを特徴とする
発電装置、が提供される。
A disc-shaped inner ring member in which a plurality of bent piezoelectric elements are radially fixed on the outer periphery at regular intervals;
An outer ring member surrounding the inward member;
A rotation mechanism for rotating the inner member or the outer ring member;
When the inner ring member or the outer ring member is rotated, the inner peripheral surface of the outer ring member is constant so as to contact the tip of the bent piezoelectric element and cause bending displacement in the bent piezoelectric element. Projections provided at intervals, and
A plurality of rectifying circuits for rectifying a pulse current generated by a piezoelectric effect when the plurality of bending-type piezoelectric elements are bent and displaced for each of the plurality of bending-type piezoelectric elements;
An output mechanism for outputting the power collected from the plurality of rectifier circuits to an external load;
In a power generator comprising:
There is provided a power generation device characterized in that the number of the bent piezoelectric elements and the number of the projecting portions are mathematically relatively prime to each other.

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、
該屈曲型圧電素子の数と該突起部数の数が数学的に素の関係にあり、
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合致するか又は、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。
Moreover, according to the present invention, the power generation system includes a plurality of power generation units that output power of a predetermined constant frequency,
An axle member for holding the plurality of power generation units;
A rotating mechanism for rotating the axle member;
An output mechanism for collecting electric power generated in the plurality of power generation units and outputting the collected electric power to an external load;
Each of the plurality of power generation units has a disk shape, and a plurality of bending-type piezoelectric elements are radially fixed to the outer periphery thereof at a predetermined interval, and the axle member penetrates the center of the main surface. An inner ring member connected to the axle member,
Protrusions that are arranged so as to surround the inner ring member, and contact the tip of the bending piezoelectric element when the inner ring member is rotated by the rotation of the axle member to cause bending displacement in the bending piezoelectric element An outer ring member provided at predetermined intervals on the inner peripheral surface;
A plurality of rectifying circuits for rectifying a pulse current generated by a piezoelectric effect when the plurality of bending-type piezoelectric elements are bent and displaced for each of the plurality of bending-type piezoelectric elements;
Have
The number of the bent piezoelectric elements and the number of the protrusions are in a prime relationship mathematically,
The plurality of power generation units are attached to the axle member such that when the axle member is rotated, the electric power of a predetermined frequency is matched in phase or shifted.
From the output mechanism, there is provided a power generation system in which DC power obtained by combining power fed from the plurality of power generation units through the plurality of rectifier circuits is output.

このような本発明によれば、複数の屈曲型圧電素子を発電ユニットの組み合わせで同時に突起に衝突させ変位させた場合には大きな電力を得ることができ、またひとつの発電ユニットにおいては、複数の屈曲型圧電素子が同時に突起に衝突することが原理的にありえないため、その衝突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。   According to the present invention, a large amount of electric power can be obtained when a plurality of bending-type piezoelectric elements are simultaneously collided with the protrusions and displaced by a combination of power generation units. Since it is impossible in principle that the bending-type piezoelectric element collides with the protrusion at the same time, it is possible to easily obtain a constant output DC power by shifting the collision timing. In addition, since one end of the bending type piezoelectric element is fixed to the outer periphery of the inner ring member, the distance between the free ends of the adjacent bending type piezoelectric elements increases, thereby increasing the displacement amount of one bending type piezoelectric element. Thus, a high voltage can be obtained. In addition, the bending type piezoelectric element can be arranged at a high density on the outer periphery of the inner ring member, and thereby the output can be increased. Furthermore, since the inner ring member or the outer ring member can be rotated in one direction, a natural force such as hydraulic power or wind power can be used as a power source.

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は発電装置の内輪部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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic side view of a power generator according to the present invention, and FIG. 2 is a partially enlarged view of an inner ring portion of the power generator. The power generation device 1 includes a disk-shaped inner ring member 11, a plurality of unimorph elements 21 radially fixed to the outer periphery of the inner ring member 11, and a bridge circuit 30 provided for each of the plurality of unimorph elements 21. The outer ring member 12 disposed so as to surround the inner ring member 11, the protrusions 29 provided at regular intervals on the inner peripheral surface of the outer ring member 12, and the center of the main surface of the inner ring member 11 are penetrated. An axle member 13 fixed to the inner ring member 11 and a rotating device 14 that rotates the axle member 13 are provided.

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。   In order to insulate the inner ring member 11 from the unimorph element 21, an insulating material is preferably used. Specific examples include engineering plastic materials such as ABS resin and epoxy resin. When such a resin material is used, when the inner ring member 11 is formed, the attachment portion of the unimorph element 21 and the attachment portion of the axle member 13 can be integrally formed.

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。
On the surface of the inner ring member 11, current collecting plates 17 a and 17 b for collecting current from the plurality of unimorph elements 21 and outputting the collected power to the outside are installed.
As the current collecting plates 17a and 17b, for example, a copper ring or the like can be used. The current collecting plates 17a and 17b may be provided directly on the inner ring member 11 or may be provided on the wiring board integrally with the bridge circuit 30 as described later.

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。   The axle member 13 can be rotated clockwise or counterclockwise by the rotating device 14. A metal material or a resin material is preferably used for the machine shaft member 13. As the rotating device 14, a device using natural power such as wind power or hydraulic power or human power (such as a windmill or a water wheel) or a device using the power of an engine driven by fossil fuel (such as an automobile engine) is preferably used. It is done. As hydropower, water flowing through rivers and water supply facilities such as domestic water supply pipes can be used.

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が同時に突起部29に接触しないように、数学的に圧電体素子の数と突起部の数が素となるよう、等間隔で外輪部材12の内周面に設けられている。数学的に圧電体素子の数と突起部の数が素となるためには、両者が素数である場合も含め、文字通り互いに素となればよい。小型発電機においては、その内輪部材、外輪部材の周の長さと実際の屈曲型圧電素子及び突起のサイズから判断して、配列間隔のサイズ誤差も考慮すると20以下の数、例えば19と17などが好適であるが、大型発電機にあっては、例えば5011というおおきな素数も採用しうる。これと適当な素数を選択し、組合わせて採用することができる。圧電素子は、等間隔で外輪部材12の内周面に設けられている。図1には、ユニモルフ素子21の数を8とし、突起部29の数を5とする例を示している。   A resin material or a metal material is preferably used for the outer ring member 12. The outer ring member 12 is fixed to a housing or the like for housing the entire power generation device 1. The protrusions 29 are mathematically arranged so that the number of piezoelectric elements and the number of protrusions are prime so that the plurality of unimorph elements 21 do not simultaneously contact the protrusions 29 when the inner ring member 11 is rotated. It is provided on the inner peripheral surface of the outer ring member 12 at intervals. Mathematically, in order for the number of piezoelectric elements and the number of protrusions to be prime, they may literally be prime, including the case where both are prime numbers. In a small power generator, a number of 20 or less, for example, 19 and 17, etc., considering the size error of the arrangement interval, judging from the circumferential length of the inner ring member and outer ring member and the size of the actual bent piezoelectric element and protrusion However, a large prime number such as 5011 can be used for a large generator. This and an appropriate prime number can be selected and used in combination. The piezoelectric elements are provided on the inner peripheral surface of the outer ring member 12 at equal intervals. FIG. 1 shows an example in which the number of unimorph elements 21 is eight and the number of protrusions 29 is five.

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。   The protrusion 29 is preferably made of a material having excellent wear resistance or a material having a small friction coefficient in order to contact the tip of the unimorph element 21 (tip of the metal plate 22). For example, as a material excellent in wear resistance, ceramic materials such as silicon nitride, silicon carbide, and tungsten carbide can be given. Examples of the material having a small friction coefficient include fluororesins.

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。   The unimorph element 21 attached to the inner ring member 11 is one of bending type piezoelectric elements. The unimorph element 21 is not limited to the attached state shown in FIG. 1, and can be arranged at a high density on the outer periphery of the inner ring member 11.

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。
As shown in FIG. 2, the unimorph element 21 has a structure in which a piezoelectric ceramic thin plate 23 polarized in the thickness direction is attached to one surface of a metal plate 22 with an adhesive.
An electrode film (not shown) is formed on the front and back surfaces of the piezoelectric ceramic thin plate 23, and the electrode film on the metal plate 22 side is electrically connected to the metal plate 22. Lead wires are attached to the electrode films on the surfaces of the metal plate 22 and the piezoelectric ceramic thin plate 23, respectively, and these lead wires are connected to the bridge circuit 30. Each bridge circuit 30 is connected to the current collecting plates 17a and 17b. It is connected to the.

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。   In FIG. 1, the bridge circuit 30 is not shown, but for the sake of convenience, a lead wire provided on the unimorph element 21 is directly connected to the inner ring to show a method of extracting power from the unimorph element 21. The state attached to the ring-shaped collector plates 17a and 17b provided in the member 11 is shown.

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。 As the metal plate 22, a copper thin plate having excellent spring properties, a phosphor bronze thin plate, a stainless thin plate, a 42 alloy thin plate, or the like is preferably used. Moreover, as the piezoelectric ceramic thin plate 23, the piezoelectric material of lead zirconate titanate having excellent characteristics of thick lateral vibration mode (d 31 mode) are preferably used, acrylic adhesives such as anaerobic as adhesive Generally used. Instead of the metal plate 22, it is also possible to use a printed wiring board in which a metal foil is welded to the surface of the resin film.

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。   The bridge circuit 30 is provided on the surface of the inner ring member 11. For example, a predetermined wiring pattern having current collecting plates 17a and 17b is formed, and a disk-shaped or flat ring-shaped wiring substrate having a diode fixed at a predetermined position is fixed to the inner ring member 11, and then fixed to the inner ring member 11. If the lead wire provided in the unimorph element 21 is connected to a predetermined position of the wiring board by soldering or the like, the bridge circuit 30 and the unimorph element 21 can be easily connected.

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。   As the output mechanism 15 that outputs the power output from the plurality of bridge circuits 30 and synthesized by the current collector plates 17a and 17b to an external load such as an electric / electronic device or a secondary battery, the inner ring member 11 rotates. In consideration of this, a brush mechanism that takes out electric power from the end of the rotating axle member 13 can be used. FIG. 1 schematically shows a mode in which power is transmitted from the current collecting plates 17 a and 17 b to the wirings 18 a and 18 b provided on the surface of the axle member 13.

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。
Next, the drive form of the electric power generating apparatus 1 which has the structure mentioned above is demonstrated. When the inner ring member 11 is rotated, the tip of the unimorph element 21 comes into contact with the protrusion 29.
When the inner ring member 11 is further rotated by a predetermined angle from this state, the movement of the free end of the unimorph element 21 is suppressed by the protrusion 29, so that the unimorph element 21 bends. When the inner ring member 11 is further rotated by a predetermined angle from this state, the tip of the unimorph element 21 moves away from the protrusion 29, and the unimorph element 21 attempts to return to the straight state that is the original posture.

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。   In this way, by bending and displacing the unimorph element 21 by flipping the tip of the unimorph element 21 with the protrusion 29, electric power is generated in the piezoelectric ceramic thin plate 23 by the piezoelectric effect. When the rotational speed of the inner ring member 11 is adjusted so that the displacement speed when the unimorph element 21 bends and the displacement speed when the unimorph element 21 returns from the bent state to the original straight state are substantially the same. The rise time and fall time of the voltage can be made substantially the same time. In the power generation device 1, since the unimorph element 21 is fixed to the outer periphery of the inner ring member 11, the distance between the free ends of the adjacent unimorph elements 21 is widened, whereby the amount of displacement of one unimorph element 21 is reduced. Larger voltage can be obtained.

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。   Thus, the electric power generated in each unimorph element 21 is collected through the bridge circuit 30. Generally, the electric power generated by the piezoelectric effect of piezoelectric ceramics is high voltage / low current. Therefore, it is preferable to connect the bridge circuits 30 in parallel so that more current can be obtained. However, a high voltage may be required. In this case, a plurality of bridge circuits 30 may be connected in series.

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))。   FIG. 3 is an explanatory diagram comparing the power input to the bridge circuit 30 and the voltage output from the bridge circuit 30. When the time required for the unimorph element 21 to contact the next projection 29 after the tip is separated from the projection 29 is long, the warping direction is sequentially reversed due to the spring property of the metal plate 22. And bend so that the amplitude of warpage decreases. When the direction of warping is reversed in this way, an AC pulse is generated in the piezoelectric ceramic thin plate 23, and such AC pulse is input to the bridge circuit 30 (FIG. 3A).

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。
However, since the bridge circuit 30 has a rectification function that limits the current in one direction, the bridge circuit 30 outputs DC pulse power (FIG. 3B).
A secondary battery such as a capacitor, a lead storage battery, or a lithium ion battery used as various backup power sources or driving power sources can be charged with the DC power thus obtained.

発電装置1においては、回転軸を、例えば、2Π×10-2秒で1回転の速度で回転させたとき、圧電素子29aは、5個の突起に2Π×10-2秒間に5回衝突し、即ち0.4Π×10-2秒の等間隔で電圧パルスを生じ、圧電素子29bは、圧電素子による圧電素子29aによる電圧パルス発生から0.125Π×10-2秒遅れで電圧パルスを生ずる。同様に、29cから29hの圧電素子がそれぞれ0.125Π×10-2秒遅れで等間隔の電圧パルスを生ずることとなる。こうして、屈曲型圧電素子の数と突起部の数が数学的に互いに素となるので、発電装置1において、ひとつの圧電素子が突起部と衝突して、パルスを発生させているとき、他の圧電素子が突起部と衝突することはなく、ひとつ圧電素子が生ずるパルス最大値をあたえる時刻と他の圧電素子が生ずるパルス最大値をあたえる時刻が一致することはない。例では、内輪部材11に配設するユニモルフ素子21の数、または図1に示す突起部29の数を互いに素となるように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容易にできる。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。 In the power generation device 1, for example, when the rotating shaft is rotated at a speed of 1 revolution in 2Π × 10 −2 seconds, the piezoelectric element 29a collides with five protrusions 5 times in 2Π × 10 −2 seconds. That is, voltage pulses are generated at equal intervals of 0.4 Π × 10 −2 seconds, and the piezoelectric element 29b generates voltage pulses with a delay of 0.125 Π × 10 −2 seconds from the voltage pulse generated by the piezoelectric elements 29a by the piezoelectric elements. Similarly, the piezoelectric elements 29c to 29h generate voltage pulses at equal intervals with a delay of 0.125 cm × 10 −2 seconds, respectively. Thus, since the number of the bent piezoelectric elements and the number of the protrusions are mathematically prime to each other, when one piezoelectric element collides with the protrusion and generates a pulse in the power generation device 1, The piezoelectric element does not collide with the protrusion, and the time for giving the maximum pulse value generated by one piezoelectric element does not coincide with the time for giving the maximum pulse value generated by other piezoelectric elements. In the example, by adjusting the number of unimorph elements 21 arranged on the inner ring member 11 or the number of protrusions 29 shown in FIG. 1 so as to be relatively prime to each other, or by adjusting the rotation speed of the inner ring member 11. The unimorph element 21 has a sufficient time required for a series of bending operations (operation until it begins to bend in contact with the protrusion 29 and returns to the original substantially straight posture), and the unimorph element. When the drive period of 21, that is, the time from when the unimorph element 21 comes into contact with one protrusion 29 to the next protrusion 29 is shortened, the piezoelectric ceramic thin plate 23 is shown in FIG. It is also possible to easily generate electric power having a substantially continuous waveform. If such electric power is used, it is also possible to operate electric / electronic devices directly.

また、屈曲型圧電素子の数と突起部の数が数学的に互いに素とならない場合であって、例えば、ブリッジ回路30をユニモルフ素子21ごとに設けないときは、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た結果、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ごとに設けなくとも、このような事態が発生することを容易に回避できる場合がある。   Further, in the case where the number of flexural piezoelectric elements and the number of protrusions are not mathematically prime to each other, for example, when the bridge circuit 30 is not provided for each unimorph element 21, the inner ring member 11 of the unimorph element 21. As a result of the slight difference between the mounting accuracy of each unimorph element and the bending characteristics of each unimorph element, the power generation timing of one unimorph element 21 and the power generation timing of another unimorph element 21 may be slightly shifted. When a positive voltage is generated in one unimorph element 21 by reversing the warping direction of the unimorph element 21 after leaving the portion 29 (for example, the first positive voltage shown in FIG. 3A). A negative voltage is generated in another unimorph element 21 when the peak occurs (for example, when the first negative voltage peak shown in FIG. 3A occurs). , And they cancel each one another a predetermined voltage not be obtained. In the power generation device 1, even if the bridge circuit 30 is not provided for each unimorph element 21, such a situation may be easily avoided.

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。   The power generator 1 described above can be designed to have an arbitrary size. Since the size of the unimorph element 21 is limited to the size of the piezoelectric ceramic thin plate 23 that can be manufactured, the shape of the unimorph element 21 is first determined. As a result, the power generation characteristics of the unimorph elements 21 are determined, so that the number of necessary unimorph elements 21 can be determined from the desired power. Then, the outer diameter of the inner ring member 11 may be set to a length that allows the necessary number of unimorph elements 21 to be attached.

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。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of a combination form in consideration of the size of the inner ring member 11 and the unimorph element 21. For example, in the case where the unimorph element 21 having a constant length is used, when a small amount of power is sufficient, an inner ring member 11 with a small outer diameter can be used as shown in FIG. On the other hand, when a larger electric power is required, a large number of unimorph elements 21 can be attached using an inner ring member 11 ″ having a long outer diameter, as shown in FIG. FIG. 4A and FIG. 4B have different scales.

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〜BB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等の細部を省略している。   A power generation system that generates desired power can be configured by combining a plurality of the power generation apparatuses 1 described above. FIG. 5 is a perspective view illustrating a schematic configuration of the power generation system 100, and FIG. 6 is a schematic cross-sectional view taken along lines AA to BB illustrated in FIG. Note that FIG. 5 shows only a schematic outer shape with details omitted, and details of the bridge circuit 30 and the like are omitted in each cross-sectional view of FIG. 6 for easy understanding of the following description.

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。   The power generation system 100 has a structure in which a plurality of power generation devices 1 are arranged in the longitudinal direction of the axle member 13 so that the axle member 13 is shared. Hereinafter, the individual power generation apparatuses 1 constituting the power generation system 100 in this way are referred to as power generation units.

発電システム100は、発電ユニット101と102を交互に、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と102の各内輪部材11a、11b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と21b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と102の全てのユニモルフ素子21aと21bは、各ユニモルフ素子21a、21b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。   The power generation system 100 has a configuration in which a plurality of power generation units 101 and 102 are alternately provided in the longitudinal direction of the axle member 13. The inner ring members 11a and 11b of the power generation units 101 and 102 are attached to the axle member 13 so that the unimorph elements 21a and 21b are aligned in a straight line when viewed from the longitudinal direction of the axle member 13 (FIG. 6). (See each figure). Further, all the unimorph elements 21a and 21b of the power generation units 101 and 102 are connected in parallel through a bridge circuit (not shown) provided for each of the unimorph elements 21a and 21b.

なお、発電ユニット101と102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。   The electrical connection between the power generation units 101 and 102 may be a serial connection if a high voltage is required, or a parallel connection if a large current is required, and a combination of a series connection and a parallel connection is used. May be. Similar to the power generation apparatus 1, the power generation system 100 can collectively extract the power output from each group by the output mechanism 15 such as a brush mechanism using the axle member 13.

これに対して、発電ユニット101と102のそれぞれの外輪部材12a、12bに設けられた突起部29a、29bは、機軸部材13の長手方向から見たときに、周方向にすべて一致するように設定すると、一度に発電する圧電体層の数が増加し、大きな電力が得ることができる。また、突起部29aと29bを所定の間隔でずらせて設置することもできる。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つに有する正五角形の頂点)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0.0625Π(11.25deg)回ったB点に設けられている(図6(b))。   On the other hand, the protrusions 29a and 29b provided on the outer ring members 12a and 12b of the power generation units 101 and 102 are all set to coincide with the circumferential direction when viewed from the longitudinal direction of the axle member 13. Then, the number of piezoelectric layers that generate power at a time increases, and a large amount of power can be obtained. In addition, the protrusions 29a and 29b can be installed at a predetermined interval. For example, as shown in FIG. 6A, the projecting portion 29 a of the power generation unit 101 is provided at a point A on the inner periphery of the outer ring member 12 a (a regular pentagonal vertex having the top as one of the vertices). Yes. On the other hand, the protrusion 29b of the power generation unit 102 is provided at a point B that is rotated 0.0625 mm (11.25 deg) clockwise from each point A (FIG. 6B).

発電ユニットAを、例えば、2Π×10-2秒で1回転の速度で回転させたとき、圧電素子21aは、5個の突起に2Π×10-2秒間に5回衝突し、即ち0.4Π×10-2秒の等間隔で電圧パルスを生じ、符号を付さない他の圧電素子からも一定間隔で電圧パルスを生ずる。また、圧電素子と突起部が互いに素となる関係にあるので、同時に圧電パルスが重複して発生することはなく、平滑な直流電圧を得るように設計ができる。これに対し発電ユニットBを、所定角ずらして設置すると発電ユニットAで得られる個々のパルス頂点の中間に位置するパルスを発生させることができる。こうして、より緻密なパルス発生により、発生パルス幅の小さい屈曲型圧電素子からも、直流電圧・直流電流を取り出す設計の幅がひろくなる。
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。
For example, when the power generation unit A is rotated at a speed of one revolution in 2 Π × 10 −2 seconds, the piezoelectric element 21a collides with five protrusions 5 times in 2 10 × 10 −2 seconds, that is, 0.4 Π ×. Voltage pulses are generated at regular intervals of 10 -2 seconds, and voltage pulses are also generated at regular intervals from other piezoelectric elements that are not labeled. In addition, since the piezoelectric element and the protrusion are in a relatively prime relationship, the piezoelectric pulse is not generated at the same time and can be designed to obtain a smooth DC voltage. On the other hand, if the power generation unit B is installed at a predetermined angle, a pulse located in the middle of the individual pulse vertices obtained by the power generation unit A can be generated. In this way, the finer pulse generation expands the range of design for extracting DC voltage and DC current from a bent piezoelectric element having a small generated pulse width.
As mentioned above, although embodiment of this invention has been described, this invention is not limited to such a form. For example, since the metal plate 22 used in the unimorph element 21 is generally thin, the protrusion 29 provided on the inner peripheral surface of the outer ring member 12 is directly on the tip (free end) of the metal plate 22. If they are brought into contact with each other, a change with time, such as bending of only the tip of the metal plate 22, may occur, and the force may not be accurately transmitted from the protrusion 29 to the unimorph element 21.

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。   Therefore, instead of attaching a ceramic piece such as silicon nitride, silicon carbide, tungsten carbide or the like having excellent mechanical strength and wear resistance to the tip of the unimorph element 21 or attaching such a ceramic piece, It is preferable to coat the tip of the metal plate 22 with a material. Thereby, the flexibility of the unimorph element 21 can be maintained, and the power generation characteristics can be maintained over a long period of time.

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7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。   The bending-type piezoelectric element used in the power generation apparatus is not limited to the unimorph element 21, but uses a bimorph element 25 in which a piezoelectric ceramic thin plate 23 is attached to both surfaces of a metal plate (shim) 22 as shown in FIG. You can also. In the case of the bimorph element 25, since a voltage is generated on one side of the piezoelectric ceramic thin plate 23 in the direction opposite to the polarization direction, it is preferable to suppress the bending of the bimorph element 25 to the extent that polarization does not disappear.

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。   The unimorph element 21 and the bimorph element need not be directly attached to the inner ring member 11. For example, a jig for holding the metal plate 22 may be attached to one end of the unimorph element 21 and the jig may be fixed to the inner ring member 11.

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8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8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。   The power generation device 1 shown in FIGS. 1 and 2 has a structure in which the outer ring member 12 is fixed and the inner ring member 11 is rotated to generate power. On the contrary, the inner ring member 11 is fixed. However, a structure in which power generation is performed by rotating the outer ring member 12 can also be adopted. FIG. 8 is a side view showing an example of a mechanism for rotating the outer ring member 12. As shown in FIG. 8, the disc 19 is attached to one opening surface of the outer ring member 12, and the pivot member 42 is attached to the center of the disc 19. The pivot member 42 is attached to the housing 41 through a bearing 43 in a rotatable state. Further, the inner ring member 11 is fixed to the housing 41. By rotating the pivot member 42 by the rotating device 14, the unimorph element 21 contacts and bends the protrusion 29, and power generation is performed.

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。   In addition, for example, an outer ring member having a gear shape on the outer periphery is used, the outer ring member is held by at least three rotatable small gears, and one of these small gears is rotated by a rotating device. The outer ring member can also be rotated by rotating it.

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。   The electric power output from the power generation apparatus 1 and the power generation system 100 is not only used for charging a secondary battery or the like, but also directly converted into an alternating current using a DC / AC converter and boosted by a transformer to directly It can also be used in various places such as office buildings. Moreover, what reduced the electric power generation system which concerns on this invention can be used also as various charging devices, for example, the charging device of the battery for motor vehicles.

上述の通り、本発明によれば、突起数と互いに素の関係にある複数の屈曲型圧電素子を変位させることによって容易に直流電力を得ることができる。また、複数の圧電ユニットのタイミングを同期させることにより大きな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。   As described above, according to the present invention, DC power can be easily obtained by displacing a plurality of bending-type piezoelectric elements having a prime relationship with the number of protrusions. Further, large electric power can be obtained by synchronizing the timings of the plurality of piezoelectric units. Further, since one end of the bending type piezoelectric element is fixed to the outer periphery of the inner ring member, the distance between the free ends of the adjacent bending type piezoelectric elements increases, thereby increasing the amount of displacement of one bending type piezoelectric element. Thus, a high voltage can be obtained. In a power generation system in which a plurality of power generation apparatuses according to the present invention are combined, medium-scale or large-scale power generation that can be used for home use or the like can be performed.

本発明に係る発電装置の概略側面図。The schematic side view of the electric power generating apparatus which concerns on this invention. 図1に示す発電装置の部分拡大図。The elements on larger scale of the electric power generating apparatus shown in FIG. 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。Explanatory drawing of the electric power input into a bridge circuit, and the voltage output from a bridge circuit. 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。Explanatory drawing which shows the example of the form of the combination which considered the magnitude | size of the inner ring member and the unimorph element. 本発明に係る発電システムの概略構成を示す斜視図。The perspective view which shows schematic structure of the electric power generation system which concerns on this invention. 図5に示すAA〜BB断面図。AA-BB sectional view shown in FIG. バイモルフ素子の概略構造を示す斜視図。The perspective view which shows schematic structure of a bimorph element. 外輪部材を回転させる機構の一実施形態を示す側面図。The side view which shows one Embodiment of the mechanism which rotates an outer ring member.

符号の説明Explanation of symbols

1;発電装置
11・11・・11″・11a、11b;内輪部材
12・12a、12b;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、21b、21c、21d、21e、21f、21g、21h;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
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、102;発電ユニット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1; Power generation device 11,11,11 ", 11a, 11b; Inner ring member 12,12a, 12b; Outer ring member 13; Axle member 14; Rotating device 15; Output mechanism 17a, 17b; Current collecting plate 18a, 18b; 19; discs 21 and 21a, 21b, 21c, 21d, 21e, 21f, 21g, 21h; unimorph element 22; metal plate 23; piezoelectric ceramic thin plate 25; bimorph element 30; bridge circuit 41; housing 42; Bearing 100; power generation system 101, 102; power generation unit

Claims (5)

  1. 外周に複数の屈曲型圧電素子が一定の間隔で放射状に固定された円板状の内輪部材と、
    前記内輸部材を囲繞する外輪部材と、
    前記内輸部材または前記外輪部材を回転させる回転機構と、
    前記内輸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一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、
    を具備する発電装置において、
    該屈曲型圧電素子の数と該突起部の数が数学的に互いに素の関係にあることを特徴とする発電装置。
    A disc-shaped inner ring member in which a plurality of bent piezoelectric elements are radially fixed on the outer periphery at regular intervals;
    An outer ring member surrounding the inward member;
    A rotation mechanism for rotating the inner member or the outer ring member;
    When the inner ring member or the outer ring member is rotated, the inner peripheral surface of the outer ring member is constant so as to contact the tip of the bent piezoelectric element and cause bending displacement in the bent piezoelectric element. Projections provided at intervals, and
    A plurality of rectifying circuits for rectifying a pulse current generated by a piezoelectric effect when the plurality of bending-type piezoelectric elements are bent and displaced for each of the plurality of bending-type piezoelectric elements;
    An output mechanism for outputting the power collected from the plurality of rectifier circuits to an external load;
    In a power generator comprising:
    A power generation device characterized in that the number of the bent piezoelectric elements and the number of the protrusions are mathematically relatively prime.
  2. 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講求項1に記載の発電装置。 The power generator according to claim 1, wherein the bending-type piezoelectric element is a unimorph element or a bimorph element obtained by bonding a metal thin plate or a printed wiring board and a piezoelectric ceramic thin plate.
  3. 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一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輸部材と、
    前記内輸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一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、
    該屈曲型圧電素子の数と該突起部数の数が数学的に素の関係にあり、
    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合致するか、又は、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。
    A power generation system including a plurality of power generation units that output power of a predetermined constant frequency,
    An axle member for holding the plurality of power generation units;
    A rotating mechanism for rotating the axle member;
    An output mechanism for collecting electric power generated in the plurality of power generation units and outputting the collected electric power to an external load;
    Comprising
    The plurality of power generation units individually
    An internal transportation device having a disk shape, a plurality of bending-type piezoelectric elements radially fixed on the outer periphery thereof, and connected to the axle member so that the axle member penetrates the center of the main surface. Members,
    Protrusions that are arranged so as to surround the inner member, and contact the tip of the bending piezoelectric element when the inner ring member is rotated by rotation of the axle member to cause bending displacement in the bending piezoelectric element An outer ring member whose parts are provided on the inner peripheral surface at regular intervals;
    A plurality of rectifying circuits for rectifying a pulse current generated by a piezoelectric effect when the plurality of bending-type piezoelectric elements are bent and displaced for each of the plurality of bending-type piezoelectric elements;
    Have
    The number of the bent piezoelectric elements and the number of the protrusions are in a prime relationship mathematically,
    The plurality of power generation units are attached to the axle member so that when the axle member is rotated, the phase of the power of a predetermined frequency matches or shifts.
    The power generation system, wherein the output mechanism outputs DC power obtained by combining power supplied from the plurality of power generation units through the plurality of rectifier circuits.
  4. 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3に記載の発電システム。 In all of the plurality of power generation units, the outer ring member is arranged such that the protrusions are aligned in a straight line in the longitudinal direction of the axle member, and the inner ring member is connected to the axle member for each of the plurality of power generation units. The power generation system according to claim 3, wherein the attachment angle is shifted by a predetermined angle.
  5. 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角度ずつずらされて配置されていることを特徴とする請求項3に記載の発電システム。 In all of the plurality of power generation units, the inner ring member is attached to the axle member so that the bent piezoelectric elements are aligned in the longitudinal direction of the axle member, and the outer ring member is provided for each of the plurality of power generation units. 4. The power generation system according to claim 3, wherein the protrusions are arranged so as to be shifted by a predetermined angle in the longitudinal direction of the axle member. 5.
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