JP2006294947A

JP2006294947A - 発電装置

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Publication number: JP2006294947A
Application number: JP2005115191A
Authority: JP
Inventors: Takemi Aizawa; 健実相沢
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2005-04-13
Filing date: 2005-04-13
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2025-04-13
Also published as: JP3768520B1

Abstract

【課題】コンパクトで発電効率が高く、人によるキー操作が行われた場合の操作性が良好な発電装置を提供する。
【解決手段】可撓性を有し、凸に屈曲した圧電素子と、前記圧電素子を屈曲自在に支持する支持部材と、弾性体と、を有し、前記圧電素子は、前記圧電素子の凸状部分に外力を印加することにより前記弾性体が前記圧電素子から押圧されて縮み、凹に屈曲した圧電素子へと屈曲する際、および、前記圧電素子に印加されている外力が取り除かれて、前記弾性体が元の形状に戻るとともに該凹に屈曲した圧電素子が、凸に屈曲した圧電素子へと復元する際に、屈曲して発電することを特徴とする発電装置、が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を用いて構成される発電装置に関する。

近年、可撓性を有し、外力を受けて屈曲することで発電するバイモルフ型等の圧電素子等を用いた発電装置の用途開発が盛んに行われている。例えば、特許文献１に開示された携帯式電話機には、筐体内に圧電素子を内蔵し、携帯時や乗り物内で受ける外部振動によって筐体内部の圧電素子が機械的応力を受け、ここで発生する電気エネルギーを二次電池やコンデンサに蓄電し、この蓄電された電気エネルギーを電源電池の補助エネルギーとして利用する発電装置が記載されている。より具体的には、この発電装置では、矩形の圧電素子の一端を固定し、他端を自由端としてそこに錘を取り付け、この錘に加速度が加わることで圧電素子を屈曲、振動させて、圧電素子を発電させている。

しかしながら、携帯時に携帯電話に作用する加速度を利用する場合、その加速度の向きと圧電素子の屈曲する向きとが一致しなければ、大きな変位を得ることはできず、また圧電素子はゆっくり屈曲すると大きな電圧を発生することができないことから、このような発電装置では高い発電効率と大電圧自体を得ることは難しいと考えられる。さらに、振動エネルギーでない比較的大きな外力から電力を得るには、不向きであった。

特開２００２−１７１３４１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、コンパクトで発電効率が高く、大電圧を取り出すことが可能な発電装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、可撓性を有し、水平方向の圧縮力により、垂直方向に凸に屈曲した圧電素子と、前記圧電素子を屈曲自在に支持する支持部材と、弾性体と、を有し、
前記圧電素子は、前記圧電素子の凸状部分に外力を印加することにより前記弾性体が前記圧電素子から押圧されて縮み、凹に屈曲した圧電素子へと屈曲する際、および、前記圧電素子に印加されている外力が取り除かれて、前記弾性体が元の形状に戻るとともに該凹に屈曲した圧電素子が、凸に屈曲した圧電素子へと復元する際に、屈曲して発電することを特徴とする発電装置、が提供される。

この発電装置においては、圧電素子に外力が作用していない状態で圧電素子は弾性体に当接している構成とすることが好ましい。これにより、人が圧電素子を押圧する場合、圧電素子に当接する弾性体に無駄なくその変位を加えることができる。圧電素子としては矩形形状を有するものが好適であり、その長手方向の一端または両端が支持部材に支持された構成とすることが好ましい。圧電素子を両端支持した構造では、その長手方向に該圧電素子の屈曲の程度に応じた可変の力が加えられて、その長手方向の両端が前記支持部材に支持されていることが好ましい。これのような構造では、圧電素子に押圧力が加わったときに、弾性体の変形に加えて圧電素子そのもののバネ性を利用して圧電素子に急峻な撓み変形を生じさせることができ、また、圧電素子に掛かる押圧力が取り除かれた際にも、圧電素子そのもののバネ性を利用して圧電素子を元の姿勢に復帰させることが容易にでき、こうして高い発電効率と高電圧を得ることができる。

本発明は、圧縮力により凸に屈曲した圧電素子が、外力により屈曲がとれ、更にわずかな外力を加えると、凹に屈曲した圧電素子へと急速に変位する。このとき、圧電素子に大きな電気エネルギーを発生させることができ、さらに、圧電素子自体の板バネとしての弾性定数、弾性体の弾性定数を適切に選定して、大きな外力にたいしても小さな外力に対しも、効率がよく、外力に対応した高電圧が得られる。しかも、圧電素子と弾性体を押圧力の印加方向に重なるように配置しているのでコンパクトな構成とすることができるという効果を奏する。また、本発明は、人が圧電素子に押圧力を加えた場合には、圧電素子が、屈曲がとれ、平坦になった状態から凹に屈曲した状態へと急速に変位して、加圧力が少なくて済む状態が生ずる際の力の抜けた感触でキーを押したことを実感できる。従って、操作性にも優れているという効果も奏する。

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に発電装置１０の概略構造と動作状態を表す断面図を示す。図１（ａ）に示されるように、発電装置１０は、補強板１３と圧電板１２とを貼り合わせて構成される、可撓性を有する圧電素子１１と、圧電素子１１を屈曲自在に支持する支持部材１５と、弾性体１４とを有している。圧電素子１０は、可撓性を有し、凸に屈曲した圧電素子である。

圧電板１２は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電材料からなり、その厚み方向に分極され、図１における左右方向を長手方向とする矩形形状を有している。ここでは、圧電素子１１として、所謂、ユニモルフ型の構造のものを示しているが、これに限定されるものではなく、モノモルフ素子、バイモルフ素子、積層型バイモルフ素子等、種々の可撓性を有する圧電素子を用いることができる。補強板１３は金属、樹脂又はこれらの複合体からなる。補強板１３は、長さ方向の変形が小さく、厚み方向の復元力に優れ、強靭なはがね、燐青銅等のバネ材が好ましい。支持部材１５の内壁面にはV字型の切り欠き部１６が形成されており、圧電素子１１は、その両端が各切り欠き部１６に可動な状態で挿入されて、支持されている。

弾性体１４は、金属製弾性体である「つるまきばね」等、イソプレン重合体等のいわゆるゴム、プラスチック性弾性体等種々のものが、用いられる。外圧に対してほぼ比例する量の歪を生じ、その歪に対応した応力を生ずるものが良い。一定の大きさよりも小さい外力が作用しているときには変形せず、この一定の大きさ以上の外力が作用すると、急激に屈する性質を有するいわゆる座屈バネは、含まない。

なお、弾性体１４が金属製であるとき、圧電素子１１と弾性体１４とを絶縁するために、圧電素子１１を可撓性を有するプラスチック板に挟み、または、ラミネートコーティングする等することが好ましい。このように圧電素子１１をプラスチック板に挟む等の構成とすることは、圧電素子１１を保護する観点から、また圧電素子１１の曲げ強度を調整する観点からも、好ましい。

圧電素子１１に外力が作用していない状態で、圧電素子１１は可撓性を有し、凸に屈曲している。また、その下側は弾性体１４に接していることが好ましい。このような構成とする１つの理由は、例えば、人が圧電素子１１を押す用途では、圧電素子１１が弾性体１４に接触するときの感触を、弾性体１４が、後述する急激に反転する感触と勘違いしないようにするためである。また、前述のとおり、弾性体に無駄なく変位を与えて、後述する復元力を得るためである。

圧電素子１１の補強板１３を弾性体１４に接触させた構造としているのは、圧電板１２を弾性体１４に接触させると、その接触部分に大きな応力が掛かって、圧電板１２が破壊してしまうので、それを防止するためである。圧電素子１１をこのような状態で支持することを容易とするためには、圧電素子１１が凸に屈曲した状態で支持され、且つ、圧電素子が平坦になるとき水平力によって、過度のストレスが圧電素子に懸からぬように、切り欠き部１６を形成するとよい。具体的には、図のように支持部をV字型に切欠き、凸に屈曲した圧電板は、Vの側面で受けとめ、平坦時には、V字の谷の最深部でこれを受けとめ、凹に屈曲した圧電板は、先と反対側のV字の側面で支持する構造とする事も好ましい。更には、後述する通り、その長手方向に圧電素子の屈曲に応じたの可変の力が加えられて、その長手方向の両端が前記支持部材に支持されることが更に好ましい。

上述の通りに構成された発電装置１０では、図１（ａ）に示す状態から図１（ｂ）に示すように、ほぼ屈曲がとれた状態に移行するように、圧電素子１１に外力（押圧力）を徐々に作用すると、所定の外力Fで、図１（ｃ）に変化する。このときの外力Ｆが圧電素子１０を反転させることができる臨界的な大きさである。Fは、図１（ｂ）における弾性体１４の復元力と圧電素子１１の板バネとしての復元力の合力より大きな力である。Fより大きな力を所定時間以上印加すると、図１（ｂ）に示す状態を経由して、ほぼ一瞬に、圧電素子１１は凹に屈曲変形し、弾性体１４は収縮変形する。これにより圧電素子１１に大きな電気エネルギーが発生し、電気回路で取り出すことができる。

図１（ｃ）に示す状態は、これ以上、圧電素子が屈曲しない状態である。この状態では、支持部からの水平方向の力が圧電素子を屈曲させ、弾性体を下に押し付ける力と外力の垂直成分の合力が弾性体の復元力と一時的にバランスするからである。仮の安定状態といえる。ついで、圧電素子１１に印加された外力が（ｂ）に示す状態での一定の大きさよりも小さくなると、弾性体１４の下からの復元力が弾性体を圧電素子が押す力を上回り、圧電素子１１は、元の形状である凸状態に瞬時に戻り、その際に圧電素子１１も図１（ｃ）のから図１（ａ）に示す元の形状に戻る。このように、弾性体１４が元の形状に戻る際にも圧電素子１１は急激に撓み、これにより圧電素子１１に大きな電気エネルギーを発生させ、電気回路で取り出すことができる。圧電素子の板バネとしての復元力と弾性体からの復元力が同時に働くこととなるからである。

図１（ｃ）から図１（ａ）に示す状態に戻る場合の構成としては、圧電素子１１の上側に圧電素子１１に外力を作用させるためのボタン類が取り付けられており、そのボタン類が一定の範囲で動くように位置決めされているために、圧電素子１１が上に凸の形状に反ることができる構造ではあるが、安定な位置まで反ることができない場合も含まれる。圧電素子１１がフリーな場合には、図１（ｃ）に示す安定状態に落ち着く。

圧電素子１１が屈曲する際に発生する電圧は、圧電素子１１の屈曲する向きに依存して極性が変わるために、圧電素子１１からの電気エネルギーの取り出しは、ブリッジ整流回路を用いて行うことが好ましい。これにより負荷や蓄電池等に逆の極性の電圧が印加されることを防止することができる。

次に本発明の別の実施形態である発電装置について説明する。図２に発電装置２０の概略構造を表す断面図を示す。この発電装置２０では、複数の圧電素子１１の長手方向に一定の力が加えられて圧電素子１１が上に凸となるように屈曲した状態に支持され、かつ、隣接する圧電素子のほぼ中央部にスペーサ２２が設けられ、最下の圧電素子１１の下面が弾性体１４に当接した構造となっている。更に、最上位の圧電素子１１の凸部に接するように押圧部材２１が設けられている。押圧部材２１及びスペーサ２２は、金属、プラスチック、セラミックス等が良いが、外力を伝達させるため、部材全体として剛性が高く、圧電素子１１と、スペーサ２２との接触部分は、平滑で、耐磨耗性がよく、圧電素子表面を傷めないものが良い。また、圧電素子１１の圧電板に押圧部材２１及びスペーサ２２が接触しないように、当該部分は、圧電板１２を設けない構成とすることが好ましい。例えば、分離した圧電板または、圧電板の一部をくりぬく等で対応することも好ましい。

発電装置２０における各圧電素子１１の屈曲形態および弾性体１４の形態は発電装置１０と同様であるが、圧電素子１１にこれを平坦にする押圧力Ｆよりおおきな力が加わったときに、弾性体１４の変形による応力を超えて複数の圧電素子１１自体のバネ性を利用して圧電素子１１に急峻な撓み変形を生じさせることができる。また、圧電素子１１に加えられた押圧力が取り除かれた際にも、弾性体１４から受ける力に加えて圧電素子１１自体のバネ性を利用して圧電素子を元の姿勢に急峻に復帰させることが容易である。即ち図2（ｂ）に示されるように、例えば、押圧部材２１に外力が加わり圧電素子１１を平坦にし、更に押圧部材２１に外力が加わると、支持部から圧電素子に与えられる水平方向の力で、圧電素子の補強板の板バネとしての作用により、全ての圧電素子1１が凹状となるように一瞬に撓む。外力が所定の大きさで印加されていると、弾性体１４の復元力と拮抗するまで変位が進む。一方、図2（ｃ）に示されるように、押圧部材２１への外力が取り除かれるか、小さくなると、圧電素子1１が図2（a）に示す状態まで一瞬に変形する運動または、その力に応じて図２（ａ）に復する運動を行う。こうして外力を一定周期で繰り返し印加することで、圧電板11が効率の良い発電をする。

こうして圧電素子１１から得られる電気エネルギーは交流電力であるために、通常は、これを整流回路を通して直流電力に変換し、コンデンサや二次電池等の蓄電装置に充電するか、または直接に負荷に供給して負荷を駆動することができる。なお、複数の圧電素子１１は、上述の通り、一様に凸又は凹状となるように撓み運動をするために、個々の圧電素子１１に整流回路を設ける必要はない。

このようにして複数の圧電素子１１を撓ませることにより、単独の圧電素子では対応できないような、大きな外力に対して、同等の発電効率が得られる。しかも、各圧電素子から、並列に電力を取り出せば、圧電素子数に比例したおおきな電流が得られる。また、各圧電素子から、直列に電力を取り出せば、圧電素子数に比例したおおきな電圧が得られる。

このような図１および図２に示す発電装置１０・２０において、圧電素子１１にブリッジ整流回路を介して、発光ダイオードを取り付けたところ、圧電素子１１が平坦となる（ｂ）状態から（ｃ）状態になるまで、及び弾性体１４が元の姿勢に戻り、（ａ）となるとき、発光ダイオードが最もよく光ることを確認した。

図３に本発明のさらに別の実施形態である発電装置３０の概略構造を表す断面図を示す。この発電装置３０において、圧電素子１１の一端は可動支持部材３１に支持され、他端は固定支持部材１５に支持されている。また、圧電素子１１の下面は弾性体１４に当接している。圧電素子１１の固定方法としては、図４に示すように、圧電素子１１の片端に円柱状部材３４を固定し、また支持部材３２に円柱状の孔部３３を設け、この円柱状部材３４を孔部３３に円柱状部材３４が回動自在となるように、嵌め込んだ構造とすることも好ましい。しかし、図1および図２の発電装置におけるきり欠き部１６は、V字形状としたときは、屈曲時には、V字側面で支持し、屈曲のないときは、V字谷の奥で支持することにより、圧電板支持間隔を可変に支持することがある程度可能であるが、図４に示す支持方法においては、支持部が回転可動に支持される。このような固定的な支持部材においては、支持間隔は、一定にたもたれる。そこで、可動支持部材３１を設けて、支持間隔を可変とする仕組みを設けたものである。特に図３（ｂ）の状態では、可動支持部材３１が左に移動して、支持間隔が広がるので、圧電素子全体へのストレスを軽減することができる。さらに、後述する図５（ａ）、（ｂ）等に示す可動支持部材を用いた支持方法により、少ない外力で、電力を取り出せる利点もある。

そこで、圧電素子の一端を可動支持部に支持させ、これを圧電素子の屈曲に応じて水平力が可変に加えられ、圧電素子を支持することにより、圧電素子全体の水平方向からのストレスを軽減して、長寿命化を計り、適度の水平力で（ｂ）状態から（ｃ）状態へと変化することが可能となる。これにより、スムースな圧電素子の変化が可能となり、高い起電力がストレスなく発揮される。このような図４に示す圧電素子１１の支持方法は、先に説明した支持部に切欠き部を有する発電装置１０、２０にも適用することができる。また、圧電素子の一端又は、両端を可動支持部に支持させる実施形態として、図５（ｂ）とすることも好ましい。図５（ａ）においては、可動支持部が、水平方向にスライドして、支持間隔を可変とするのに対し、図５（ｂ）では、支持部が回転軸を有しており、水平に設けられたガイドに沿って、回転しながら支持間隔を広げることによって、可動となる。圧電素子が屈曲した状態、図（ａ）、図（ｂ）では、回転式可動支持部は、ガイドに装着された復元弾性体によって、元の位置に復元する。

発電装置３０でも圧電素子１１にブリッジ整流回路を介して、発光ダイオードを取り付けたところ、圧電素子１１が平坦となる図３（ｂ）状態から図３（ｃ）状態になるまで、及び、図３（ｃ）状態から、図３（ａ）となり、弾性体１４がもとに戻るとき、発光ダイオードが最もよく光ることを確認した。

発電装置４０、５０は、本発明の更に別の実施形態を示す断面図である。ともに、可撓性のある凸に屈曲した圧電素子１１と弾性体１４と圧電素子を屈曲自在に支持する支持部１５と、分離した圧電部を有するバイモルフ発電素子１１を上下に対向するように配し、圧電素子１１の間に外力印加させる打撃物４１、５１を配した構造である。該打撃物４１、５１は、支持部材１５を含む筐体全体を振動させたとき、圧電素子の凸部に効率よく外力を印加するように工夫されている。該打撃物４１、５１は、圧電板１２と接触しないので、圧電板の打撃による損傷は生じない。即ち、図６（a）では、該打撃物４１が、棒状物４２の一端に上下可動にピン止めされ、棒状物の他の一端は、支持部の中間部に回転可能にピン止めされている。図６（ｂ）では、打撃物５１は、その幅よりわずかに広い幅のガイド５２に左右の運動を制限されながら、上下運動を行う。

打撃物４１，５１は、鋼球等の金属球、プラスチック球、セラミックス球又はこれらと同材質の立方体形状物等でよい。鋼球等の打撃物が、他方の圧電素子の凸部に当たり、外力を印加すると、弾性体が圧電素子により押されて縮み、凹に屈曲した圧電素子に急激に変化した際、及び打撃物が圧電素子から離れて、弾性体がもとの形状に戻り、凹状部を有する圧電素子が、凸状部を有する圧電素子へと急激に復する際に大きな電力を発現する。この起電力は、圧電素子の圧電板の変位速度にほぼ比例するからである。発電装置が発生する最大の起電力は、単位時間あたりの圧電素子の変位速度の積分値が最大となる条件で得られる。これは、打撃物の大きさ,重量、打撃回数、弾性体の弾性定数、圧電素子自体の板バネとしての特性に依存する。

発電装置６０、７０は、本発明の更に、更に別の実施形態を示す断面図である。ともに、可撓性圧電素子１１と弾性体１４と支持部１５とを有するバイモルフ発電素子１１を上下に対向するように配し、圧電素子１１の間に外力を印加させる作用物６１、７１を置いた構造である。該作用物は、圧電素子の凸部に効率よく外力をくわえられるように、てこの原理を応用している。即ち、図６（a）では、該作用物６１が、棹の一端に上下可動にピン止めされ、棹の他の一端は、支持部１５を含む筐体外に延長されており、その中間部に支持部の中間部１５´で回転可能にピン６３でピン止めされている。図６（ｂ）では、棹７２の一端が、支持部１５の中間部１５´にピン止めされ、棹７２の他端は、ピン止め部７３を有する支持部中間部１５´と対向する支持部間を貫通して、筐体外におかれている。該棹７２の圧電素子の凸部の近傍に作用物７１が固着されている。該作用物６１、７１は、ともに、圧電素子１１の凸状部分に、てこの原理で外力を印加する。

作用物６１、７１は、鋼球等の金属球、プラスチック球、セラミックス球又はこれらと同材質の立方体形状物等でよい。鋼球等の作用物が、一方の圧電素子の凸状部に当たり、外力を印加すると、弾性体が圧電素子により押されて縮み、凹状に屈曲した圧電素子に急激に変化した際、及び、打撃物が圧電素子から離れて、弾性体がもとの形状に戻り、凹状に屈曲した圧電素子が、凸状部を有する圧電素子へと急激に復する際に大きな電力を発現する。この起電力は、圧電素子の圧電板の変位速度にほぼ比例するからである。発電装置が発生する最大の起電力は、単位時間あたりの圧電素子の変位速度の積分値が最大となる条件で得られる。これは、鋼球の大きさ,重量、打撃回数、弾性体の弾性定数、圧電素子自体の板バネとしての特性に依存する。

本発明は、携帯電話、携帯型ゲーム機、ノート型パソコン等の携帯型電子機器に好適である。また、このような用途に限定されず自然の力または人的な設備等により振動が発生する場所のオンサイト発電装置として好適である。

発電装置１０の概略構造と動作状態を表す断面図。別の発電装置２０の概略構造と動作状態を表す断面図。さらに別の発電装置３０の概略構造と動作状態を表す断面図。圧電素子の別の支持形態を示す断面図。矩形状圧電素子を長手方向に可変支持力で支持する構造を表す断面図別の発電装置４０、５０の概略構造を表す断面図更に別の発電装置６０、７０の概略構造を表す断面図

符号の説明

１０・２０・３０・３０´・３０´´・４０・５０・６０・７０；発電装置
１１；圧電素子
１２；圧電板
１３；補強板
１４；弾性体
１５・１５´；固定支持部材
１６；切り欠き部
３１；可動支持部材
３２；支持部材
３３；円柱状孔部
３４；円柱状部材
４１・５１；打撃物
４２；棒状物
５２；ガイド
６１・７１；作用物
６２・７２；棹
６３・７３；ピン

Claims

可撓性を有し、圧縮力により凸に屈曲した圧電素子と、前記圧電素子を屈曲自在に支持する支持部材と、弾性体と、を有し、
前記圧電素子は、前記圧電素子の凸状部分に外力を印加することにより前記弾性体が前記圧電素子から押圧されて縮み、凹に屈曲した圧電素子へと屈曲する際、および、前記圧電素子に印加されている外力が取り除かれて、前記弾性体が元の形状に戻るとともに該凹に屈曲した圧電素子が、凸に屈曲した圧電素子へと復元する際に、屈曲して発電することを特徴とする発電装置。
前記圧電素子に外力が作用していない状態で、前記圧電素子は前記弾性体に当接していることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記圧電素子は矩形の形状を有し、その長手方向の両端が前記支持部材に支持されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電装置。
前記圧電素子は矩形の形状を有し、その長手方向に該圧電素子の屈曲の程度に応じた可変の力が加えられて、その長手方向の両端が前記支持部材に支持されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電装置。