JP2006136078A - 圧電素子の集積方法および発電ユニット - Google Patents
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Abstract
【課題】 外力が作用した際に略同等形状に撓むように複数の圧電素子を集積配置するための圧電素子の集積方法、その集積方法を用いた発電ユニットを提供する。
【解決手段】 発電ユニット10は、内輪部材21と外輪部材22とこれらを連結する連結部材23とを有する車輪部材11と、内輪部材21と外輪部材22に架設された圧電素子12と、車輪部材11と同心に配置され、車輪部材11と相対的に回動自在である円板部材13a・13bと、円板部材13a・13bに同一円周上に位置するように取り付けられた複数の押圧部材14と、を具備する。車輪部材11または円板部材13a・13bに外力が作用することによって車輪部材11と円板部材13a・13bとが相対的に回動し、押圧部材14が圧電素子12を屈曲させて、発電させる。
【選択図】 図1
Description
本発明は、屈曲変位により電圧を発生する圧電素子の集積方法と、この圧電素子の集積方法を用い、自然の力または人為的な力による振動エネルギー等を電気エネルギーに変換する発電ユニットに関する。
近年、クリーンなエネルギーを用いた発電方法として、風力発電等の自然力を利用した発電方法が注目されている。例えば、一般的な風力発電装置としては、プロペラを風力で回転させてモータを回し、電磁誘導により発電するものが実用化されている。しかし、これらは装置が大型であってコストが高いことや、設置場所が制限されること、また、所定の設置間隔を取らなければ発電効率が低下する等の問題がある。
このような問題を解決するために、圧電素子を用いた発電装置が提案されている。たとえば、特許文献1には、枠状のフレーム部材と、フレーム部材の上開口面を覆う振動板と、振動板の表面に取り付けられた受風翼とを具備し、振動板に屈曲変位を生ずることにより発電するバイモルフ型等の圧電素子が取り付けられた構造を有する風力発電装置が開示されている。この風力発電装置では、受風翼が風力を受けることによって振動し、この振動が振動板に伝えられて圧電素子を屈曲させることにより、電気エネルギーを得ることができる。
しかしながら、特許文献1に開示された風力発電装置では、1個の風力発電装置に配設することができる圧電素子は、振動板の面積の制限を受けるために、圧電素子の集積化は困難である。このため、大きな電力を得るためには複数の風力発電装置を配置するための広い設置面積が必要になるという問題が生じる。また、振動板の振動がフレームによって抑制されることにより、発電効率が低下する問題がある。一方、このような振動板のフレームによる振動抑制を低減させるためには、フレームを大きくしなければならず、設置面積が広くなってしまうという問題が生じる。さらにまた、特許文献1に開示された風力発電装置では、受風翼の面が風向きと平行になると、受風翼が風圧を受けなくなって、稼働しなくなるという問題が生ずる。
特開2001−231273号公報
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、外力が作用した際に略同等形状に撓むように複数の圧電素子を集積配置するための圧電素子の集積方法を提供することを目的とする。また本発明は、このような圧電素子の集積方法を用い、自然の力または人為的な力によって発生する振動エネルギー等を効率よく電気エネルギーに変換することができる発電ユニットを提供することを目的とする。
本発明の第1の観点によれば、複数の板状の圧電素子を、同心に配置された内輪部材と外輪部材との間に、その両端部の少なくとも一方を可動として放射状に架設し、前記複数の圧電素子に個々に外力を加えて前記複数の圧電素子を略同等に屈曲させる複数の押圧部材を、前記内輪部材および前記外輪部材とは独立して回動自在に同一円周上に配置することを特徴とする圧電素子の集積方法、が提供される。
本発明の第2の観点によれば、同心に配置された相対的に回動自在な内輪部材と外輪部材と間に、複数の板状の圧電素子を、前記内輪部材と前記外輪部材とが相対的に回動した際に屈曲するように、その両端部の少なくとも一方を可動として放射状に架設することを特徴とする圧電素子の集積方法、が提供される。
本発明によれば、上記第1の観点に係る圧電素子の集積方法を用いた発電ユニットが提供される。すなわち、本発明の第3の観点によれば、内輪部材と、外輪部材と、前記内輪部材と前記外輪部材とを連結する連結部材と、を有する車輪部材と、
前記内輪部材の外周部と前記外輪部材の内周部との間に、その両端部の少なくとも一方が可動な状態で放射状に架設された板状の複数の圧電素子と、
前記車輪部材と同心に配置され、前記車輪部材と相対的に回動自在である円板部材と、
前記円板部材に同一円周上に位置するように取り付けられ、前記車輪部材と前記円板部材とが相対的に回動した際に、前記複数の圧電素子を個々に押圧して前記複数の圧電素子を屈曲させる複数の押圧部材と、
を具備し、
前記車輪部材または前記円板部材に外力が作用することによって前記車輪部材と前記円板部材とが相対的に回動し、前記複数の押圧部材が前記複数の圧電素子を屈曲させて、前記複数の圧電素子が発電することを特徴とする発電ユニット、が提供される。
前記内輪部材の外周部と前記外輪部材の内周部との間に、その両端部の少なくとも一方が可動な状態で放射状に架設された板状の複数の圧電素子と、
前記車輪部材と同心に配置され、前記車輪部材と相対的に回動自在である円板部材と、
前記円板部材に同一円周上に位置するように取り付けられ、前記車輪部材と前記円板部材とが相対的に回動した際に、前記複数の圧電素子を個々に押圧して前記複数の圧電素子を屈曲させる複数の押圧部材と、
を具備し、
前記車輪部材または前記円板部材に外力が作用することによって前記車輪部材と前記円板部材とが相対的に回動し、前記複数の押圧部材が前記複数の圧電素子を屈曲させて、前記複数の圧電素子が発電することを特徴とする発電ユニット、が提供される。
この発電ユニットにおいては、押圧部材は圧電素子に固定されていてもよい。また、円板部材は車輪部材を挟み込むように2枚配置され、押圧部材がこれら2枚の円板部材を連結している構成とすることが好ましい。また、円板部材に取り付けられ、車輪部材と円板部材とが相対的に回動した際に連結部材に当接し、車輪部材と円板部材との相対的な回動角度を制限する回動停止部材をさらに具備する構成とすることが好ましい。
本発明によれば、上記第2の観点に係る圧電素子の集積方法を用いた発電ユニットが提供される。すなわち、本発明の第4の観点によれば、内輪部材と、
前記内輪部材を囲うように同心に配置され、前記内輪部材と相対的に回動自在な外輪部材と、
前記内輪部材の外周部と前記外輪部材の内周部との間に、その両端部の少なくとも一方を可動として放射状に架設された板状の複数の圧電素子と、
を具備し、
前記内輪部材と前記外輪部材とを相対的に回動させることにより、前記複数の圧電素子が屈曲し、発電することを特徴とする発電ユニット、が提供される。
前記内輪部材を囲うように同心に配置され、前記内輪部材と相対的に回動自在な外輪部材と、
前記内輪部材の外周部と前記外輪部材の内周部との間に、その両端部の少なくとも一方を可動として放射状に架設された板状の複数の圧電素子と、
を具備し、
前記内輪部材と前記外輪部材とを相対的に回動させることにより、前記複数の圧電素子が屈曲し、発電することを特徴とする発電ユニット、が提供される。
本発明によれば、多くの圧電素子がコンパクトに集積配置され、外力が回動振動に効率よく変換されて圧電素子を屈曲させることができるために、高い稼働効率と発電効率が得られる。
図1に発電ユニット10の概略構造を示す平面図(a)と正面図(b)を、図2に発電ユニット10を構成する車輪部材11の概略平面図(a)と円板部材13aの概略平面図(b)を、それぞれ示す。この発電ユニット10は、車輪部材11と、車輪部材11と同心に配置され、車輪部材11と相対的に回動自在である円板部材13a,13bと、を備えている。車輪部材11は、内輪部材21と、外輪部材22と、内輪部材21と外輪部材22とを連結する連結部材23と、を有しており、内輪部材21の外周部と外輪部材22の内周部との間には、矩形板状の複数の圧電素子12がその長手方向の両端がそれぞれ可動に保持された状態で放射状に架設されている。また、円板部材13a・13bには、同一円周上に位置するように複数の押圧部材14が取り付けられている。
圧電素子12としては、車輪部材11の径方向を長手方向とする矩形のユニモルフ素子またはバイモルフ素子が好適に用いられる。発電ユニット10では、図1および図2(a)に示すように、圧電素子12として、圧電セラミックス板25と補強板26とを貼り合わせたユニモルフ素子を示している。
図2(a)および後に示す図3に示されるように、圧電素子12の両端(つまり、補強板26の両端)にはそれぞれリブ27a・27bが設けられており、一方のリブ27aは内輪部材21の外周面に形成された保持溝28に可動な状態で嵌め込まれ、他方のリブ27bは内輪部材21の外周面に形成された保持溝29に可動な状態で嵌め込まれている。
圧電素子12を構成する補強板26としては、一般的に、金属板やプリント配線基板が用いられる。このため、リブ27a・27bには、このような金属板やプリント配線基板に直接に成形することができるか、または接着剤等で取り付けすることができる材料、例えば、金属、樹脂、セラミックスが好適に用いられる。また、補強板26とリブ27a・27bとは、一体成形されたものであってもよい。
連結部材23は、内輪部材21と外輪部材22のバランスを考慮して、2カ所以上に等間隔に設けることが好ましい。但し、連結部材23が多すぎると、圧電素子12を配置するスペースが少なくなるので、実質的には、2〜4カ所に設けることが好ましい。内輪部材21と外輪部材22と連結部材23とは一体であってもよい。車輪部材11は、後述する発電ユニット10の稼働、つまり圧電素子12を屈曲させた状態で保持することができる機械的な強度を有する材料であればよく、好ましくは、金属、樹脂(エンジニアリングプラスチック)、セラミックスまたはこれらの複合材料等で構成される。
内輪部材21の内孔には、2枚の円板部材13a,13bを連結している軸芯19が挿通されている。この軸芯19が固定された状態で、車輪部材11は軸芯19回りに回動することができるようになっている。逆に、車輪部材11を固定した場合には、円板部材13a,13bが一体となって軸芯19を中心に回動することができる。つまり、車輪部材11と円板部材13a,13bとは、相対的に回動させることができる。
2枚の円板部材13a,13bは、この軸芯19のみでなく、複数の押圧部材14によっても連結されている。これらの押圧部材14は円柱形状を有し、車輪部材11と円板部材13a・13bとが相対的に回動した際に、複数の圧電素子12を個々に押圧して同様の屈曲を生じさせることができるように、圧電素子12が配設されている位置に合わせて同一円周上に配置されている。押圧部材14は、圧電素子12の長手方向中央部に当接するように配置することが好ましく、これにより、車輪部材11と円板部材13a・13bとが相対的に回動した際に、圧電素子12をほぼ均一に円弧状に屈曲させることができるようになる。
円板部材13a・13bには、車輪部材11と円板部材13a・13bとが相対的に回動した際に、連結部材23と接して、その回動を止めるストッパ18a,18bが取り付けられている。このようなストッパ18a・18bを設けることにより、車輪部材11と円板部材13a・13bとを相対的に回動させる予想外に強い外力が作用した際にも、押圧部材14が圧電素子12をその限度を超えて圧電素子12を屈曲させ、また破壊することを防止することができる。
上述の通りに発電ユニット10を構成する各部は、必要に応じて圧電素子と12と絶縁される。
図3に発電ユニット10の駆動態様を示す断面図を示し、図4に発電ユニット10から電気エネルギーを回収するための回路構成図を示す。車輪部材11が固定された状態で、円板部材13a・13bを時計回りに回動させる外力が作用すると、図3(a)に示すように、押圧部材14が圧電素子12に接して、圧電素子12を屈曲させる。これにより圧電素子12には圧電効果により電圧が発生する。
円板部材13a・13bに掛かっている外力が除去されると、圧電素子12はバネ性を有しているので、円板部材13a・13bは押圧部材14が圧電素子12の復元力により圧電素子12と離間する。このとき、圧電素子12は図3(b)に示すように逆向きに屈曲することがある。また、圧電素子12が図3(a)に示されるように屈曲している状態で、円板部材13a・13bを反時計回りに回動させる力が作用すると、圧電素子12のバネ性に依存することなく、押圧部材14は圧電素子12から離間し、圧電素子12はそのバネ性より元の平坦な状態に戻ろうとする。このとき、圧電素子12は図3(b)に示すように逆向きに屈曲することがある。
図3(a),(b)の状態を繰り返す屈曲振動によって圧電素子12に生ずる電圧は交流であり、その周波数は外力の作用状態によって変化し、電圧も一定ではないので、そのままでは電力として使用し難い。そのため、これを図4に示すように整流回路16を通して直流に変換した後に負荷に直接に電力を供給して負荷を動作させ、または二次電池やコンデンサ等の充電装置に充電し、適宜、二次電池等から負荷に電力を供給するようにすることが好ましい。
発電ユニット10の大きさは任意である。例えば、直径が数センチメートルのものでもよく、数メートルまたはそれ以上のものであってもよい。大型の発電ユニットの場合には、圧電素子として補強板の表面に複数の圧電板を貼り付けたものを用いることができる。また、発電ユニット10は、弱い力で大きく屈曲する圧電素子(つまり補強板として撓みやすい材料を用いて構成された圧電素子)を用いて構成してもよいし、逆に強い力でも屈曲が少ない圧電素子12を用いて構成してもよい。換言すれば、車輪部材11と円板部材13a・13bとを相対的に回動させる外力の大きさに適合するように、圧電素子12を設計すればよい。
また、発電ユニット10では、例えば、軸芯19どうしを連結自在な構造とすることによって、複数の発電ユニット10を連結させることができる。したがって、所定数の発電ユニット10を連結させることのよって、車輪部材11と円板部材13a・13bとを相対的に回動させる外力の大きさに適合させることもできる。
次に、発電ユニット10を用いた発電装置について説明する。図5に風力を利用する発電装置の側面図(a)および正面図(b)を示す。この発電装置では、発電ユニット10を構成する円板部材13a(または13b)に直径方向に延びる棒状部材41を取り付け、棒状部材41の先端に、例えば、風力を受ける風受け部材42(ここでは、平板状のものを図示している)を取り付ける。一方、車輪部材11を、例えば地面に固定されたアンカー43等に固定する。この風受け部材42が、X方向の成分を有する風を受けると、棒状部材41はX−Y面内で回動するように傾倒し、これによって圧電素子12を屈曲させ、発電させることができる。
なお、棒状部材41そのものを、平板状、2つ折り状、断面略円弧状とすることによっても、これらの風受け部材が風力を受けて、回動することにより、圧電素子12を屈曲させ、発電させることができる。また、この図5に示す発電装置は、例えば、風受け部材42として国旗等、棒状部材41として掲揚ポール、アンカー43として掲揚台を、それぞれ適用させた形態に変形することもできる。
また、図5に示す発電装置は、図6の斜視図に示すように変形することができる。すなわち、図6に示す発電装置は、軸芯19が長さ方向に伸張されており、その先端部に円板部材13a・13bと平行に4本の枝部材45(図5に示す棒状部材41と同等)が直交するように設けられており、枝部材45の先端に風を受けるためのカップ46が取り付けられた構造となっている。
先に図5に示した発電装置では、Y方向に風が吹くと風受け部材42は風力を受けることができなくなって発電することができなくなるが、図6に示した発電装置ではX−Y面のどの方向から風が吹いても少なくとも1つのカップ45が他のカップに比べて相対的に大きな風力を受け、軸芯19を回動させる(これにより円板部材13a・13bが回動する)ので、高い稼働効率が得られる利点がある。なお、カップ46に代えて、平板をその主面がZ方向と平行となるように枝部材45に取り付けてもよい。
なお、図6に示す発電装置で、さらにZ方向からの風をも利用して軸芯19を回動させる方法としては、Z方向からの風を受けることができるように、Z方向に対して、例えば、20〜60度の角度で主面が傾斜した板部材を枝部材45に取り付ける方法を挙げることができる。
発電ユニット10を駆動させるためには、棒状部材41に棒状部材41を回動させる外力が作用すればよいから、外力は風力に限定されるものではない。その一例として、図7に発電ユニット10を階段に適用した例を模式的に示した図を示す。この図7では発電ユニット10は簡略化して示されている。階段50の踏み板51を円板部材13a・13b(13bは図示せず)に連結し、踏み板51の解放端を人が踏みつけたときに違和感のない程度に下向きに変位するように設置する。また、車輪部材11は階段50が設けられている構造物のフレーム(図示せず)に固定する。こうして、階段50を人が上り下りする際に、踏み板51に力が加わることにより、円板部材13a・13bが回動し、圧電素子12を発電させることができる。
発電ユニット10のさらなる応用としては、橋梁、戸建住宅、病院や店舗、集合住宅等の免震に用いられる支承部を挙げることができる。周知の通り、支承は外力を受けて伸縮するものであり、ゴムやバネ(金属)が用いられている。そこで、例えば、その長手方向が円板部材13a・13bの主面と平行となるように棒部材を円板部材13a・13bに取り付ければ(さらにこのような棒部材を板材で連結してもよい)、これら棒部材と押圧部材14と圧電素子12とがバネを構成するので、車輪部材11と円板部材13a・13bとを相対的に回動させるように外力が棒部材に作用させれば、発電ユニット10を支承として用いることができる。
次に、発電ユニット10の変形例について説明する。図8に、発電ユニット10′の一部の概略構造を示す平面図(a)および発電ユニット10′を構成する圧電素子12の保持状態を示す断面図(b)を示す。先に説明した発電ユニット10では、圧電素子12を屈曲させる押圧部材14は、円板部材13a・13bを連結する部材でもあり、圧電素子12に対して当接/離間する部材であるが、図8に示される発電ユニット10′を構成する押圧部材14′は、圧電素子12の長手方向の略中央部に固定されており、押圧部材14′の両端は円板部材13a′13b′設けられた孔部15に挿入されている(図8(b)参照)。発電ユニット10′のその他の構成部分は発電ユニット10と実質的に同じである。
円板部材13a′13b′は軸心19によって連結されているので、例えば、軸心19を回動させる力が作用すると、円板部材13a′・13b′が回動し、これによって押圧部材14′が周方向に動き、圧電素子12を屈曲させることができる。なお、発電ユニット10′において、押圧部材14′の両端は円板部材13a′・13b′に固定されていてもよい。
続いて発電ユニットのさらに別の実施形態について説明する。図9に発電ユニット10″の概略平面図を示す。図9(a)は圧電素子12に力が作用していない状態を、図9(b)は圧電素子12を屈曲させた一形態を、それぞれ示している。
この発電ユニット10″は、内輪部材61と、内輪部材61を囲うように同心に配置され、内輪部材61と相対的に回動自在な外輪部材62とを有しており、複数の圧電素子12が、その長手方向の一端が内輪部材61の外周部に固定され、その他端が外輪部材62の内周部に可動な状態で、内輪部材61と外輪部材62との間に放射状に架設された構造を有している。なお、図9において、符号29′は外輪部材62に形成された保持溝である。
この発電ユニット10″では、内輪部材61と外輪部材62とを相対的に回動させることにより、複数の圧電素子12を屈曲させ、発電させることができる。なお、この発電ユニット10″は、圧電素子12が外輪部材62側で固定され、内輪部材61側で可動に保持された形態、圧電素子12が内輪部材61と外輪部材62の両方で可動に保持された形態にそれぞれ変形することができる。
なお、発電ユニット10″では、圧電素子12が外輪部材62から外れないように、図9において、外輪部材62の紙面に垂直な方向に圧電素子12のずれを防止するガイドを設けるか、または、内輪部材61と外輪部材62をそれぞれ回動自在に保持するガイド(カバー)を設けることが好ましい。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、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、発電ユニット10では、円柱状の押圧部材14を、1個の圧電素子12に対して1個配置した構成としたが、図10に示すように、略円弧状の当接面を有する押圧部材14″を用いてもよく、このような押圧部材14″を用いることにより、圧電素子12を均等に曲げて、発電効率を高めることができる。
上記実施の形態においては、圧電素子12を保持する方法として、その両端を可動に保持する方法を示したが、圧電素子12の保持方法はこれに限定されるものではなく、長手方向両端の一端を完全に固定し、他端のみを可動に保持してもよい。また、リブ27a・27bは必ずしも圧電素子12に設けなければならないものではなく、内輪部材21と外輪部材22にそれぞれV字型や凹型の溝を形成し、これに板状の補強板26の端部を圧電素子12が可動となるように差し込んだ構成としてもよい。
本発明は、オンサイト型の発電ユニットに好適である。
10・10′・10″;発電ユニット
11;車輪部材
12;圧電素子
13a・13b;円板部材
14・14′・14″;押圧部材
15;孔部
16;整流回路
18a・18b;ストッパ
19;軸芯
21・61;内輪部材
22・62;外輪部材
23;連結部材
25;圧電セラミックス板
26;補強板
27a・27b;リブ
28・29・29′;保持溝
41;棒状部材
42・42a・42b・42c;風受け部材
43;アンカー
45;枝部材
46;カップ
50;階段
51;踏み板
11;車輪部材
12;圧電素子
13a・13b;円板部材
14・14′・14″;押圧部材
15;孔部
16;整流回路
18a・18b;ストッパ
19;軸芯
21・61;内輪部材
22・62;外輪部材
23;連結部材
25;圧電セラミックス板
26;補強板
27a・27b;リブ
28・29・29′;保持溝
41;棒状部材
42・42a・42b・42c;風受け部材
43;アンカー
45;枝部材
46;カップ
50;階段
51;踏み板
Claims (7)
- 複数の板状の圧電素子を、同心に配置された内輪部材と外輪部材との間に、その両端部の少なくとも一方を可動として放射状に架設し、
前記複数の圧電素子に個々に外力を加えて前記複数の圧電素子を略同等に屈曲させる複数の押圧部材を、前記内輪部材および前記外輪部材とは独立して回動自在に同一円周上に配置することを特徴とする圧電素子の集積方法。 - 同心に配置された相対的に回動自在な内輪部材と外輪部材と間に、複数の板状の圧電素子を、前記内輪部材と前記外輪部材とが相対的に回動した際に屈曲するように、その両端部の少なくとも一方を可動として放射状に架設することを特徴とする圧電素子の集積方法。
- 内輪部材と、外輪部材と、前記内輪部材と前記外輪部材とを連結する連結部材と、を有する車輪部材と、
前記内輪部材の外周部と前記外輪部材の内周部との間に、その両端部の少なくとも一方が可動な状態で放射状に架設された板状の複数の圧電素子と、
前記車輪部材と同心に配置され、前記車輪部材と相対的に回動自在である円板部材と、
前記円板部材に同一円周上に位置するように取り付けられ、前記車輪部材と前記円板部材とが相対的に回動した際に、前記複数の圧電素子を個々に押圧して前記複数の圧電素子を屈曲させる複数の押圧部材と、
を具備し、
前記車輪部材または前記円板部材に外力が作用することによって前記車輪部材と前記円板部材とが相対的に回動し、前記複数の押圧部材が前記複数の圧電素子を屈曲させて、前記複数の圧電素子が発電することを特徴とする発電ユニット。 - 前記押圧部材は前記圧電素子に固定されていることを特徴とする請求項3に記載の発電ユニット。
- 前記円板部材は前記車輪部材を挟み込むように2枚配置され、
前記押圧部材がこれら2枚の円板部材を連結していることを特徴とする請求項3に記載の発電ユニット。 - 前記円板部材に取り付けられ、前記車輪部材と前記円板部材とが相対的に回動した際に前記連結部材に当接し、前記車輪部材と前記円板部材との相対的な回動角度を制限する回動停止部材をさらに具備することを特徴とする請求項3から請求項5のいずれか1項に記載の発電ユニット。
- 内輪部材と、
前記内輪部材を囲うように同心に配置され、前記内輪部材と相対的に回動自在な外輪部材と、
前記内輪部材の外周部と前記外輪部材の内周部との間に、その両端部の少なくとも一方を可動として放射状に架設された板状の複数の圧電素子と、
を具備し、
前記内輪部材と前記外輪部材とを相対的に回動させることにより、前記複数の圧電素子が屈曲し、発電することを特徴とする発電ユニット。
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