JP2006158113A - 圧電型発電機構 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電型発電機構において、部材間の機械的なエネルギーロスを低減して外部からの駆動力に対して高効率に発電することを可能とする。
【解決手段】圧電型発電機構は、圧電素子１ａと、圧電素子１ａが固着された支持プレート１ｂとを備える圧電型発電素子１と、支持プレート１ｂの自由端部１ｃに固着された永久磁石２と、この永久磁石２と磁気吸引する強磁性体を有する可動片３と、可動片３が取り付けられ、外部から操作される操作部材４とを備えている。操作部材４に操作荷重が加えられると、永久磁石２と可動片３との磁気吸引によって支持プレート１ｂが変位する。支持プレート１ｂに生じた復元力が磁気吸引力よりも大きくなったときに、この吸引がリリースし、圧電型発電素子１が振動を始めて発電する。従って、部材間の摩擦等の機械的なエネルギーロスが低減し、操作荷重のエネルギーが失われることがなくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤレス通信装置用のワイヤレススイッチ等に応用される圧電型発電機構に関するものである。

従来の、外部操作力を受けて発電する圧電素子を用いた発電機構には、圧電素子と支持プレートが積層され、片端を変位可能な自由端、他端を固定された支持端とした梁構造の発電素子を備えた圧電型発電機構が知られている。この圧電型発電機構は、発電素子の自由端付近に外部力が作用し、圧電素子及び支持プレートが撓み、圧電素子に応力が発生することによって発電する。

このような圧電型発電機構を利用した装置として、特許文献１に開示されるように、回転機構が回転し、この回転のエネルギーが圧電型発電素子に伝達され、圧電型発電素子が周期的に撓むことによって発電して発光体を発光させる装置がある。この装置では、回転機構から圧電型発電素子にエネルギーを伝達する手段として、回転機構と圧電型発電素子とに磁石を設け、回転機構に設けた磁石と圧電素子に設けた磁石が近づいたときに、磁気の吸引力、反発力によってエネルギーを非接触で伝達させて圧電素子を周期的に撓ませて発電し、エネルギー伝達時に部材間の摩擦が発生しないようにしている。
特開２００３‐００３４３３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術は、回転機構を回転させる際に回転軸の軸受部等の回転を支持する部分でエネルギーロスが発生する。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、磁気の吸引力を利用して、外部力を発電素子を撓ませる力として直接伝達し、規定の撓み量まで発電素子を変位させてからリリースして発電素子を自由振動させて発電することにより、部材間の摩擦等の機械的なエネルギーロスを低減し、外部からの駆動力に対して高効率に発電することが可能な圧電型発電機構を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１の発明は、プレート状の圧電素子と、この圧電素子が固着され、一端が支持端部となり他端が変位可能な自由端部となる、弾性変形可能な支持プレートとを有した圧電型発電素子と、外部から操作される操作部材とを備えた圧電型発電機構において、前記支持プレートの自由端部に固着された永久磁石又は強磁性体と、前記永久磁石又は強磁性体と磁気吸引し、位置決めされた範囲で移動可能に前記操作部材に取り付けられた強磁性体又は永久磁石を有した可動片とを備え、前記可動片と前記永久磁石又は強磁性体とが磁気吸引された状態から、前記操作部材が操作されて前記支持プレートが変位し、その復元力が磁気吸引力よりも大きくなったときに前記吸引がリリースされ、前記支持プレートが振動して圧電型発電素子が発電するようにしたものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記可動片は、前記圧電素子が固着された支持プレートと別体に、前記支持プレートの支持端部から自由端部側に向けて延設された第２の支持プレートの自由端部に取り付けられているものである。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記永久磁石に、前記強磁性体と磁気的な閉路が構成されるように強磁性体からなる補助ヨークを備えたものである。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記永久磁石が、前記強磁性体が吸着する永久磁石面がＲ形状とされているものである。

請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記圧電型発電素子の最大の変形量を規定するように突出部を発電機構の筐体又は圧電型発電素子に設けたものである。

請求項１の発明によれば、磁気の吸引力により操作部材の操作荷重のエネルギーを圧電型発電素子の駆動力として直接伝達して圧電型発電素子を振動させることができるので、操作荷重のエネルギーが損失されることがなく、高効率に発電させることが可能となる。

請求項２の発明によれば、可動片の移動可能な範囲を位置決めし、発電後には可動片を初期位置まで戻すための部材として、圧電型発電素子の支持プレートを共用することが可能となるため、圧電型発電機構の構造をより単純にすることが可能となり、圧電型発電機構の低コスト化が可能となる。

請求項３の発明によれば、永久磁石に補助ヨークを固着して、可動片と永久磁石又は強磁性体とが磁気的に閉回路を構成するので、永久磁石の磁気効率が向上し、永久磁石を小さくして低コスト化することが可能となる。また、補助ヨークの重さを調整することで圧電型発電素子の固有振動数を発電用途に適した振動数となるように容易に調整可能となる。

請求項４の発明によれば、永久磁石の強磁性体との吸着面を、丸みを持ったＲ形状とするので、操作部材を操作して圧電型発電素子が撓んでも永久磁石と強磁性体との接触面積が一定となり、磁気吸引力が安定し、圧電型発電素子を駆動するのに必要な操作荷重が一定となる。

請求項５の発明によれば、圧電型発電素子が撓んで突起部と当接したときに、圧電型発電素子の見かけの復元力が急激に上昇して永久磁石又は強磁性体と可動片との磁気吸引がリリースする。このときの圧電型発電素子の変位量が動作毎に変化しないので、圧電型発電素子を駆動するのに必要な操作荷重が一定となる。

以下、本発明の第１乃至第５の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は第１の実施形態における圧電型発電機構の概略構成の一例を示す。この圧電型発電機構は、圧電型発電素子１と、この圧電型発電素子１の支持プレート１ｂの自由端部１ｃに固着された永久磁石２と、この永久磁石２と磁気吸引される強磁性体を有する可動片３と、この可動片３が取り付けられ外部から操作される操作部材４とを備えている。圧電型発電素子１はプレート状の圧電素子１ａと、この圧電素子１ａが固着された支持プレート１ｂを有している。この支持プレート１ｂは弾性変形可能であり、一端が変位可能な自由端部１ｃ、他端は固定部である圧電型発電機構の筐体１０に固定された支持端部１ｄである。可動片３は予め位置決めされた範囲で移動可能であり、本実施形態においては、操作部材４が図の矢印方向に移動するときには、可動片３もこれに伴って矢印方向へ移動するように設けられている。本実施形態における圧電型発電機構は、可動片３と永久磁石２とが磁気吸引された状態から、操作部材４に操作荷重が加えられることで動作する。

ここで、上記永久磁石２と可動片３の強磁性体との関係は逆であっても構わない。すなわち、永久磁石２に代えて強磁性体を用い、可動片３が、永久磁石を有するものとしてもよい。以下の各実施形態においても同様である。

図２（ａ）（ｂ）は、本実施形態における操作部材４へ加えられる操作荷重と、圧電型発電素子１の支持プレート１ｂの自由端部１ｃの変位量とを示す。説明のため、操作荷重は図２（ｂ）のように時刻ゼロから入力され、時間に比例して大きくされるものとするが、実際の用途において操作部材４に入力する操作荷重は任意に加えることができる。図２（ｂ）のように時刻ゼロから操作部材４に操作荷重が入力され始めると、操作部材４と可動片３とが図１の矢印方向へと移動し、支持プレート１ｂの自由端部１ｃに設けられた永久磁石２と可動片３との磁気吸引によって、図２（ａ）のように自由端部１ｃが変位し始める。支持プレート１ｂにはこの変位量に応じた復元力が生じ、変位量が増えるにつれて復元力が大きくなる。そして、時刻ｔにおいて、その復元力が、可動片３と永久磁石２との磁気吸引力よりも大きくなったときに、この永久磁石２と可動片３とが分離（磁気吸引がリリース）し、支持プレート１ｂが振動を始める。支持プレート１ｂが振動することで、圧電素子１ａに応力が発生して電力を発電する。

本実施形態においては、上述のようにして、磁気の吸引力により操作部材４に入力された操作荷重を圧電型発電素子１の駆動力として直接伝達し、圧電型発電素子１を振動させるので、操作荷重のエネルギーを伝達する部材間、つまり本実施形態においては永久磁石２と可動片３との間で、操作荷重のエネルギーが失われることがない。従って、入力された操作荷重のエネルギーに対して高効率に発電させることが可能となる。

また、操作部材４に操作荷重が入力されて時刻ｔにおいて発電が開始するとき、つまり可動片３と永久磁石２とが分離するとき、図２（ｂ）に示されるように時刻ｔにおいて操作荷重が急激に減少する。本実施形態の圧電型発電機構の操作部材４を操作者が操作して発電させるような場合には、この操作荷重の急激な減少は操作者にはクリック感として感じ取られ、操作者は発電の開始をこのクリック感から容易に確認することが可能となる。

図３は、第２の実施形態における圧電型発電機構の概略構成を示す。以下、上述の実施形態と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略し、相違点のみを説明する。本実施形態においては、可動片３は、上記支持プレート１ｂと同様に固定部である圧電型発電機構の筐体１０から自由端部側に向けて、圧電素子１が固着された支持プレート１ｂとは別体に延設された第２の支持プレート１ｅの自由端部１ｆに取り付けられている。支持プレート１ｅは支持プレート１ｂと同部材でなり、同一平面上に設けられている。支持プレート１ｂの自由端部１ｃには該自由端部１ｃの先端よりも延設方向に突出した状態に永久磁石２が固着され、この永久磁石２と可動片３とは、可動片３の上面と永久磁石２の下面とが互いに対向して面的に磁気吸引・吸着可能に構成されている。操作部材４は、支持プレート１ｅの自由端部１ｆ付近に設けられる。

この圧電型発電機構は、図の矢印方向に操作部材４に操作荷重が入力されると、支持プレート１ｅが支持プレート１ｂが撓む方向と同方向に撓み、操作部材４及び可動片３は下方に移動する。永久磁石２と可動片３との磁気吸引によって圧電素子１ａが固着された部分の支持プレート１ｂも撓み、この支持プレート１ｂの復元力が磁気吸引力よりも大きくなったときに、永久磁石２と可動片３が分離し、支持プレート１ｂと圧電素子１ａとが自由振動して発電する。発電が終了して操作部材４の操作荷重が解除されると、操作部材４及び可動片３は、支持プレート１ｅの復元力によって初期位置まで戻る。このように、支持プレート１ｅを、可動片３の移動可能な範囲を位置決めし、発電後には可動片３を初期位置まで戻すための部材として共用することができ、圧電型発電機構の構造をより単純にすることが可能となり、圧電型発電機構の低コスト化が可能となる。

図４は、第３の実施形態における圧電型発電機構の概略構成を示す。本実施形態においては、強磁性体からなる補助ヨーク５が圧電型発電素子１の支持プレート１ｂの自由端部１ｃに固着される。この補助ヨーク５の下面に永久磁石２が固着され、この永久磁石２と磁気吸引するように可動片３が設けられ、永久磁石２と可動片３の強磁性体とで磁気的な閉路を構成する。この圧電型発電機構は上記第１の実施形態における圧電型発電機構と同様に動作する。このように、永久磁石２と可動片３の強磁性体とで磁気的な閉路が構成されることで、永久磁石２の磁気効率が向上するので、永久磁石２を小さくすることが可能となり、低コスト化が可能となる。また、この補助ヨーク５の重さを調整することで、圧電型発電素子１の固有振動数を発電用途に適した振動数となるように容易に調整することができる。

ここで、本実施形態において、永久磁石２に変えて強磁性体が支持プレート１ｂの自由端部１ｃに固着され、可動片３が永久磁石を有する場合においては、可動片３に補助ヨーク５が設けられ、強磁性体と可動片３の永久磁石との間で磁気的な閉路が構成されるように補助ヨーク５を設ける構成とすればよい。

図５は、第４の実施形態における圧電型発電機構の概略構成を示す。本実施形態においては、永久磁石２は圧電型発電素子１の支持プレート１ｂの自由端部１ｃに固着されており、可動片３の強磁性体と磁気吸引・吸着する。可動片３の強磁性体と吸着する永久磁石２の吸着面がＲ形状とされている。この圧電型発電機構は上記第１の実施形態における圧電型発電機構と同様に動作し、操作部材４を操作して圧電型発電素子１の支持プレート１ｂが撓んでも、永久磁石２と可動片３の強磁性体との接触する面積が一定となって磁気吸引力が安定し、圧電型発電素子を駆動するのに必要な操作荷重が一定となる。

図６は、第５の実施形態における圧電型発電機構の概略構成を示す。圧電型発電機構の筐体１０に突出部６が設けられており、この突出部６は圧電型発電素子１の最大の変形量を規定している。つまり、圧電型発電機構が上記第１の実施形態における圧電型発電機構と同様に動作し、操作部材４に操作荷重を入力して圧電型発電素子１が変形していき、突出部６が圧電型発電素子１と当接すると、圧電型発電素子１の支持プレート１ｂの見かけの復元力が急激に上昇する。そして、さらに操作荷重を大きくすると、永久磁石２と可動片３とが分離する。この分離するときの圧電型発電素子１の変位量が動作毎に変位量が変化しないため、圧電型発電素子を駆動するのに必要な操作荷重が一定となる。

また、本実施形態において、突出部６は圧電型発電素子１に設けられるように構成してもよく、このときは圧電型発電素子１が変形して突出部６が圧電型発電機構の本体と当接することにより圧電型発電素子１の最大の変形量が規定され、上述と同様の効果が得られる。

なお、本発明は上記実施形態の構成や、学習条件例に限定するものではなく、発明の範囲を変更しない範囲で適宜に種々の変形が可能である。例えば、圧電型発電素子１の形状は矩形形状に限らず、自由端部１ｃ側より支持端部１ｄ側の方が幅が広い三角形又は台形として、支持プレート１ｂと圧電素子１ａが撓んだときに圧電素子１ａに発生する応力が均一となるようにしてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る圧電型発電機構の斜視図。 （ａ）は同上における圧電型発電機構の動作時の、時間と支持プレートの自由端部の変位量との関係を示す図、（ｂ）は操作部材に加えられる操作荷重と時間との関係を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る圧電型発電機構の斜視図。 本発明の第３の実施形態に係る圧電型発電機構の斜視図。 本発明の第４の実施形態に係る圧電型発電機構の側面図。 本発明の第５の実施形態に係る圧電型発電機構の斜視図。

符号の説明

１ 圧電型発電素子
１ａ 圧電素子
１ｂ 支持プレート
１ｃ 自由端部
１ｄ 支持端部
１ｅ 支持プレート
１ｆ 自由端部
２ 永久磁石
３ 可動片
４ 操作部材
５ 補助ヨーク
６ 突出部
１０ 筐体

Claims (5)

1. プレート状の圧電素子と、この圧電素子が固着され、一端が支持端部となり他端が変位可能な自由端部となる、弾性変形可能な支持プレートとを有した圧電型発電素子と、
   外部から操作される操作部材とを備えた圧電型発電機構において、
   前記支持プレートの自由端部に固着された永久磁石又は強磁性体と、
   前記永久磁石又は強磁性体と磁気吸引し、位置決めされた範囲で移動可能に前記操作部材に取り付けられた強磁性体又は永久磁石を有した可動片とを備え、
   前記可動片と前記永久磁石又は強磁性体とが磁気吸引された状態から、前記操作部材が操作されて前記支持プレートが変位し、その復元力が磁気吸引力よりも大きくなったときに前記吸引がリリースされ、前記支持プレートが振動して圧電型発電素子が発電することを特徴とする圧電型発電機構。
2. 前記可動片は、前記圧電素子が固着された支持プレートとは別体に、前記支持プレートの支持端部から自由端部側に向けて延設された第２の支持プレートの自由端部に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の圧電型発電機構。
3. 前記永久磁石に、前記強磁性体と磁気的な閉路が構成されるように強磁性体からなる補助ヨークを備えたことを特徴とする請求項１記載の圧電型発電機構。
4. 前記永久磁石は、前記強磁性体が吸着する永久磁石面がＲ形状とされていることを特徴とする請求項１記載の圧電型発電機構。
5. 前記圧電型発電素子の最大の変形量を規定するように突出部を発電機構の筐体又は圧電型発電素子に設けたことを特徴とする請求項１記載の圧電型発電機構。
   

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