JP2007056809A - 電飾装置 - Google Patents

Abstract

【課題】任意な方向からの微弱な風でも有効に利用し、得られたねじれ振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができ、また、受風翼の耐風力以上の強風を受けた場合は、この強風から受風翼の損傷、破壊を防止することができる簡易な構造の風力発電装置を有した電飾装置を提供する。
【解決手段】長尺状で、その長さ方向に垂直な断面がＶ字形状または円弧形状であり、その長手方向の一端が保持され他端が開放された状態でその凹面側が風力を受けた際にねじれ振動を生ずる受風翼１１と、圧電体を備えた発電板２１とから構成される発電ユニット２と、発光体１４とから構成される。さらに、発電板を支持する磁性の台座部材と、土台に設けられた前記台座部材を磁力により吸着する永久磁石と、前記台座部材が前記永久磁石に対して着脱可能であるように前記台座部材に取り付けられた蝶番様部材とを具備する受風翼保護機構を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電体を利用して風力から電気エネルギーを取り出し、該電気エネルギーを利用した電飾装置に関するものである。

電飾装置としては、太陽電池によって発生する電気エネルギーを利用して発光体を発光させる電飾装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

これらの電飾装置は、種々の装飾体の電飾やイルミネーション等に使用されている。

ところで、上述の太陽電池を利用して電気エネルギーを取り出す従来の方法では、太陽電池自体が高価であること、曇り等では必要な電力が得られない等の問題があった。
この問題を解決する方法として、風力発電と発光体を組み合わせた風力式電飾装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

一方、風力から電気エネルギーを取り出す方法しては、風力により羽根を有する回転部材を回転させ、この回転に伴う運動（回転）エネルギーを電気エネルギーとして取り出す電磁型発電装置や、風力によって圧電振動板を振動させ、この振動エネルギーを電気エネルギーとして取り出す圧電型発電装置（例えば、特許文献３参照）等が知られている。

ところが、上述の圧電振動板を振動させ、この振動エネルギーを電気エネルギーとして取り出す従来の圧電型発電装置では、回転軸を用いた支持構造を有するため、構造が複雑であり、より一層の小型化を図ることが困難であった。
この問題を解決する方法として、風を受けてフレーム部材に支持された圧電振動板を屈曲運動させる板状の受風部材を用いる方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開平０５−２２６６８２ 特開２００５−０２５０８１ 特開平１１−３０３７２６ 特開２００１−２３１２７３

しかしながら、風を受けてフレーム部材に支持された圧電振動板を屈曲運動させる板状の受風部材を用いる方法では、振動板の振動がフレームによって抑制されるため、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、これらの発電方式で効率良く発電できるためには、風が不規則であったり、定常流の場合にも、板状受風部の固有振動数が風下にできるカルマン渦の周期に合致するといった特殊な条件が必要である。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、微弱な、しかも任意な方向からの任意の種類の風も有効に利用して電気エネルギーに変換することのできる、簡易な構造の風力発電装置を有した電飾装置を提供することにある。

さらには、受風翼の耐風力以上の強風を受けた場合は、この強風から受風翼の損傷、破壊を防止する機構を具備している風力発電装置を有した電飾装置を提供することにある。

即ち、本発明は、任意の方向からの風に対しても微風力でねじれ振動を生じさせ、このねじれ振動のエネルギーを電気エネルギーに変換し、発光ダイオード（ＬＥＤ）や有機電界発光素子（有機ＥＬ素子）等の発光体を発光させることを可能とする簡易な小規模風力発電装置を有した電飾装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、下記の方法を見出し、本発明を完成した。
先ず本発明者は、長尺状で、その長さ方向に垂直な断面がＶ字形状または円弧形状であり、その長手方向の一端が保持され他端が開放された状態でその凹面側が風力を受けた際にねじれ振動を生ずることのできる受風翼を設けることによって、如何なる方向から来る風に対しても風のエネルギーを効率的にねじれ振動に変換することができることを見出した。

そして、さらに、受風翼に連結している発電板が取り付けられている磁性台座部材と、土台上に設けられた永久磁石とを蝶番様部材で連結することによって、風力が永久磁石の吸着保持力よりも大きくなると、自然に台座部材と永久磁石とが離れて蝶番様部材が開き受風翼が傾斜して保持されるので、受ける風力が小さくなり受風翼が保護されることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明の電飾装置は、風力によって得られたねじれ振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電ユニットと、該電気エネルギーによって発光する発光体とから構成される。
発電ユニットは、風力を振動エネルギーに変換する受風翼と、該振動エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電体を備えた発電板とから構成される。

すなわち、本発明は、風力で得られたねじれ振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電ユニットと発光体とからなることを特徴とする電飾装置（請求項１）であり、その発電ユニットが、長尺状で、その長さ方向に垂直な断面がＶ字形状または円弧形状であり、その長手方向の一端が保持され他端が開放された状態でその凹面側が風力を受けた際にねじれ振動を生ずる受風翼と、圧電体を備えた発電板とから構成されることを特徴とする請求項１に記載の電飾装置である（請求項２）。
さらに、発電ユニットを複数個、放射線状に、受風翼の自由端を下方に向けて配置することにより、任意の方向からの風に対して前記受風翼のねじれ振動が前記発電板に伝えられて前記発電板が振動することにより、前記圧電体に発生する電力で発光体を発光させることを特徴とする請求項１、及び請求項２に記載の電飾装置である（請求項３）。
また、発電板を支持する磁性の台座部材と、土台に設けられた前記台座部材を磁力により吸着する永久磁石と、前記台座部材が前記永久磁石に対して着脱可能であるように前記台座部材に取り付けられた蝶番様部材とを具備する受風翼保護機構を有することを特徴とする請求項１、請求項２、及び請求項３に記載の電飾装置である（請求項４）。
そして、整流回路、電力貯蔵体、照度センサー回路を具備し、ねじれ振動により前記発電板で得られる電力を整流回路で整流して電力貯蔵体に蓄積し、日没を照度センサー回路で感知し、夜間に発光することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、及び請求項４に記載の電飾装置であり（請求項５）、太陽電池を具備し、日中は、太陽電池から得られる電力も電力貯蔵体に溜め、夜間発光することを特徴とする請求項５に記載の電飾装置である（請求項６）。

受風翼の好ましい形状としては、固定端側の幅が開放端側の幅よりも狭くなっている形状や、固定端と開放端の幅が長さ方向中央部の幅よりも狭くなっている形状が挙げられ、小さな風力でねじれ振動を生じさせることができる。また、受風翼の幅が一定の形状の場合には、その幅をＤ、長さをＬとした場合に、Ｌ／Ｄ≧５の関係を満たせば、ねじれ振動が生じやすくなる。また、放射状に配置される各受風翼は、その折り曲げ線が放射状配置軸の中心から−10°〜30°外側に向けて配置されることが望ましい。

本発明によれば、受風翼にねじれ振動を生じさせて発電させ、発光させる風力発電発光電飾装置において、如何なる方向から来る風に対しても、複数の受風翼のうちのいずれかの受風翼が風を受けてねじれ振動を生じて、該ねじれ振動エネルギーを電気エネルギーへ変換することができ、該電気エネルギーで発光体を発光させるという機能を小規模容易に実現できるという効果が得られる。

さらに、受風翼の耐風力以上の強風を受けた場合は、この強風から受風翼の損傷、破壊を防止することができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に電飾装置１０の概略構造を平面図（ａ）と側面図（ｂ）と斜視図（ｃ）を示す。
この電飾装置１０は、受風翼１１と、発電板２１と、受風翼１１を発電板２１に取り付けるための支持部材１３とからなる発電ユニット２と、発光体１４とを複数有しているものである。
図１のように、上記発電ユニット２を複数個放射状に下方に向けて配置する。発電ユニットの数は図１のように4個でも良いし、3個でも良いが、あらゆる角度からの風で発電発光するためには、好ましくは4個以上であることが望ましい。また、発光体としての例えば発光ダイオードの形状または、個数、設置位置は任意に設定することができる。また、イルミネーション効果を高めるために、受風翼１１にフォログラムフィルム等を貼って反射機能を持たせることも効果的である。

また、発電ユニット２と発光体１４との結線も任意に設定することができる。各発電ユニット２と各発光体１４を個別に結線すること、あるいは各発電ユニット２の出力を整流回路９１で整流した後に並列とし、その電力を全発光体１４に共通に供給する結線も可能である。また、整流回路９１を用いずに発光体１４を極性を逆に並列とした回路と結線することもできる。この場合、発光体１４の点滅が多くなりイルミネーション効果を高めることができる。

図２に受風翼１１の斜視図を示す。受風翼１１は長尺状をなし、その幅方向で一定角度θ（以下「内角θ」という）に二つ折りされた断面略Ｖ字型の形状を有している。また、受風翼１１は、後述する‘ねじれ振動’を微弱風でも生じさせることができるように、その幅を長さ方向で変化させた形状を有している。
受風翼１１にはバネ性を有する金属材料または樹脂材料が好適に用いられる。受風翼１１は、薄板を用いて構成する場合には、その材料となる薄板を折り曲げ加工することにより作製することができ、一方、このような折り曲げ加工を用いることができない場合において、金属材料を用いる場合には鋳造や接合（溶接）を、樹脂材料を用いる場合には射出成形や押出成形等を用いて作製することができる。
なお、受風翼１１の長手方向をＺ方向、発電板２１の主面と平行な方向をＸ方向、発電板２１の主面と直交する方向をＹ方向としている。

次に、発電ユニット２の動作について説明する。最初に、受風翼１１と発電板２１の変位（振動）の態様について説明する。図３（ａ）に受風翼１１に生じるねじれ振動の態様を、図３（ｂ）に発電板２１に生じるねじれ振動の態様を、それぞれ模式的に示す。受風翼１１の内角θ側の面（凹面）が風を受けると、受けた風を逃がそうとして受風翼１１に‘ねじれ振動’が生じ、このねじれ振動が支持部材１３を介して発電板２１に伝えられ、発電板２１にもねじれ振動が生じる。

つまり、受風翼１１の開放端における折り曲げ部をＰ点とすると、受風翼１１が静止している状態ではＰ点はＸ軸とＹ軸の交点に位置している。受風翼１１の内角θ側の面がＸ方向からの風を受けると、受風翼１１は受けた風を逃がそうとし、受けた風が逃げると元の姿勢に戻ろうとし、このとき受風翼１１は慣性を有しているので、受風翼１１には、図３（ａ）に示す点線間での変位、すなわち、受風翼１１の開放端側のＰ点が、風下側でＹ方向にずれたＰ₁点とＰ₂点との間をＸ軸とＹ軸の交点を通って往復しながら回動する振動が生じる。このとき、受風翼１１の支持部材１３側の端面の変位量は、発電板２１と支持部材１３による拘束によって、開放端の変位量よりは小さくなるので、受風翼１１にはねじれが生ずることとなる。なお、Ｐ₁点とＰ₂点の位置は風向きや風速によって変化する。

受風翼１１の形状がＸ軸を含む平面について対称であると、実験上、安定したねじれ振動を生じさせることができる。このとき、Ｐ₁点側とＰ₂点側のそれぞれの振動振幅はほぼ等しくなっていると考えられる。受風翼１１の長さ、幅、内角θは、このねじれ振動を発生させることができる限りおいて制限されない。受風翼１１の内角θは４５°〜１３５°の間に設定することが好ましく、９０°近傍とすることがより好ましい。内角θが４５°より小さいと風を受ける力が小さくなってねじれ振動が生じ難くなり、一方、１３５°より大きいと受風翼１１が風下側へ倒されやすくなる。

受風翼１１にこのようなねじれ振動が発生すると、このねじれ振動が支持部材１３によって発電板２１に伝えられ、発電板２１にも、発電板２１の受風翼１１側の端面が、図３（ｂ）に示す点線間で変位するような‘ねじれ振動’が発生し、圧電板２１ｂ、２１ｃ（図９及び図１０参照）が発電する。なお、図３（ｂ）では発電板２１の構造を簡略化して示している。圧電板２１ｂ、２１ｃ（図９及び図１０参照）から取り出される電流は交流電流なので、ＬＥＤの場合は２個を極性を逆にして並列に接続するか、整流回路を通してこれを直流電流に変換してＬＥＤに供給することが好ましい。

発電板２１としては、いわゆる、圧電バイモルフや圧電ユニモルフ等の屈曲変位型の圧電体を用いることができる。

続いて、発電ユニット２における受風翼１１の破壊回避動作について説明する。図１０に発電ユニット２に破壊回避動作を行う受風翼保護機構３５を装備した場合の例を示す。発電ユニット２では、風速が大きくなって、永久磁石３２が台座部材３１を吸着保持する力よりも受風翼１１が受ける風力が大きくなると、自然に台座部材３１と永久磁石３２とが離れて蝶番様部材３３が開く。これにより受風翼１１と発電板２１と支持部材１３（以下、「受風翼１１等」という）が一体的に傾斜して保持され、受風翼１１が受ける風力が小さくなる。台座部材３１が永久磁石３２から離れる条件は、風速、受風翼１１の形状、永久磁石３２の磁力の強さに大きく支配されるので、逆に、これらのパラメータを適切に定めることにより、受風翼１１等の傾倒条件を定めることができる。

こうして、受風翼１１等の破壊を回避することができるが、受風翼１１等が傾倒した状態においても、受風翼１１にねじれ振動を発生させて発電を行うことができるように、受風翼１１等を保持する角度ηを設定することが好ましい。例えば、この角度ηの設定は、蝶番様部材３３の開閉角度をその機械的構造によって制限することにより、行うことができる。
風速が小さくなると、バネ部材３４が台座部材３１を永久磁石３２側に引き戻そうとする。台座部材３１が永久磁石３２に徐々に近づくと、ある位置で急激に台座部材３１は永久磁石３２に吸い寄せられるため、バネ部材３４はその位置まで台座部材３１を移動させるだけのバネ定数を有していればよい。こうして、風速が小さくなると、受風翼１１等は元の姿勢に復帰する。

なお、図１１のように受風翼１１等が吊り下げられて配置されている場合は、強風により台座部材３１が永久磁石３２から離れて受風翼１１等が傾倒しても、風が弱まれば受風翼１１等は重力の作用により自然に元の姿勢に復帰することができるので、バネ部材３４は受風翼保護機構３５に必ずしも必要とされない。

次に、電力貯蔵体９５を有する電飾装置について説明する。図４(a)に電力貯蔵体９５を有する集電回路９０の概略構造を示す。この集電回路９０は、整流回路９１、電力貯蔵体９５、照度センサー回路１００を具備し、この電力貯蔵体９５に発電ユニット２からの発電電力を蓄電し、CｄSなどを用いた照度センサー回路１００を用いて、日没を感知し、夜間にのみ効率的に蓄電された電力と、新規に発電される電力を用いて発光することを可能とする。
尚、照度センサー回路１００は、光を感知して回路の開閉を制御するものである。

発光方法としては、連続発光する方法だけでなく、点滅回路を用いて点滅し、警告効果やイルミネーション効果を挙げることもできる。
また、赤、青、白等の複数の色の発光体をそれぞれ複数組み合わせたり、さらに発光体１４の点灯および消灯のタイミングをずらすことによって、より効果的なイルミネーション効果を挙げることもできる。

次に、太陽電池１０１も併用する電飾装置について説明する。図４(b)に前記の電力貯蔵体９５を備えた発電ユニット２において、太陽電池１０１を具備した集積回路９０の概略構造を示す。この集積回路９０では、電力貯蔵体９５は、発電ユニット２からの発電電力と、太陽電池１０１で発電される電力とを蓄電し、照度センサー回路１００を用いて、夜間にのみ、蓄電された電力と、新規に発電される電力を用いて発光することを可能とする。照度センサー回路１００として太陽電池１０１自身を用いることもできる。

次に、発電ユニット集合体を連結した電飾装置について説明する。
この場合の概略構造を図５に示す。発電ユニット集合体は、受風翼１１、発電板２１、支持部材１３、とからなる発電ユニット２を複数個、放射線状に下方に向けて配置する構成になっているものを一単位として、これを複数単位で連結したしたものである。この発電ユニット集合体と複数の発光体１４とから構成されるのが、発電ユニット集合体を連結した電飾装置である。尚、発光体１４は適宜必要な箇所に必要な個数だけ発電ユニット集合体に装備される。

一方、発電ユニット集合体を屋外に設置し、発光体１４を発電ユニット集合体から離れた屋外の場所や屋内に設置して使用することもできる。この場合、前述した電力貯蔵体９５や太陽電池１０１を併用すれば、日中のみならず夜間にも使用することができる。

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、上記説明においては、受風翼１１としてその一翼が台形のものを示したが、受風翼１１の形状はこれに限定されるものではない。図６の斜視図に示す受風翼１１ａのように、両端部よりも中央部の幅が広くなっている形状のものもまた、微弱風でもねじれ振動が生じることから、好適に用いられる。また、図７の斜視図に示す受風翼１１ｂのように、長尺状でその長さ方向に垂直な断面の形状が円弧状のものを用いることもできる。受風翼１１ｂを用いて前述の電飾装置と同様の構成とした場合にも、発電板２１の主面が、受風翼１１ｂの幅方向の両端面を含む平面に直交する方向、すなわち、受風翼１１ｂの弧形状の断面の中心を通り、その弧の法線方向と平行な構造とすることが好ましい。さらに、図８に示す受風翼１１ｃのように、幅Ｄが一定で、長さがＬであるものでは、Ｌ／Ｄ≧５の関係を満たせばねじれ振動が生じやすくなり、実用に供することができる。

本発明の電飾装置では、支持部材１３と発電板２１を用いず、受風翼１１等を直接に台座部材３１に取り付けて、受風翼１１等の表面（内角θ側でも、その反対側でもよい）に圧電板２１ｂ、２１ｃを貼り付けた構造としてもよい。

以上説明したように、本発明の風力によるねじれ振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電ユニット２と発光体１４から構成される電飾装置１０は、自然のエネルギーを活用でき、しかも安価で簡易な構造であるという点で、従来の風力発電による電磁型の発電方法による電飾や太陽電池による電飾よりも優れている。

本発明により、安価な設置費用と維持費用で種々の装飾体の電飾やイルミネーション等に用いることが容易となる。
尚、本発明の電飾装置の実施形態の一例を図１１と図１２に示す。

本発明に係る電飾装置の一例を示す概略構造の平面図、側面図と斜視図である。 受風翼の斜視図である。 受風翼と発電板のねじれ振動の態様を模式的に示す図である。 電力貯蔵体、太陽電池を組合わせた電飾装置の態様を模式的に示す図である。 電飾装置を複数集合させた概略構造を示す図である。 別の受風翼を示す斜視図である。 さらに別の受風翼を示す斜視図である。 さらに別の受風翼を示す斜視図である。 本発明に係る発電ユニットの一例を示す概略構造の正面図と側面図である。 本発明に係る発電ユニットの別の一例を示す概略構造の正面図と側面図である。 本発明に係る電飾装置の使用の一例を示す斜視図である。 本発明に係る電飾装置の使用の別の一例を示す斜視図である。

符号の説明

２…発電ユニット
１０…電飾装置
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…受風翼
１３…支持部材
１４…発光体
２１…発電板
２１ａ…補強板
２１ｂ、２１ｃ…圧電板
３１…台座部材
３２…永久磁石
３３…蝶番様部材
３４…バネ部材
３５…受風翼保護機構
４１…土台
９０…集電回路
９１…整流回路
９２…負荷
９３…充放電回路
９４…ダイオード
９５…電力貯蔵体
１００…照度センサー回路
１０１…太陽電池

Claims (6)

1. 風力で得られたねじれ振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電ユニットと発光体とからなることを特徴とする電飾装置。
2. 発電ユニットが、長尺状で、その長さ方向に垂直な断面がＶ字形状または円弧形状であり、その長手方向の一端が保持され他端が開放された状態でその凹面側が風力を受けた際にねじれ振動を生ずる受風翼と、圧電体を備えた発電板とから構成されることを特徴とする請求項１に記載の電飾装置。
3. 発電ユニットを複数個、放射線状に、受風翼の自由端を下方に向けて配置することにより、任意の方向からの風に対して前記受風翼のねじれ振動が前記発電板に伝えられて前記発電板が振動することにより、前記圧電体に発生する電力で発光体を発光させることを特徴とする請求項１、及び請求項２に記載の電飾装置。
4. 発電板を支持する磁性の台座部材と、土台に設けられた前記台座部材を磁力により吸着する永久磁石と、前記台座部材が前記永久磁石に対して着脱可能であるように前記台座部材に取り付けられた蝶番様部材とを具備する受風翼保護機構を有することを特徴とする請求項１、請求項２、及び請求項３に記載の電飾装置。
5. 整流回路、電力貯蔵体、照度センサーを具備し、ねじれ振動により前記発電板で得られる電力を整流回路で整流して電力貯蔵体に蓄積し、日没を照度センサーで感知し、夜間に発光することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、及び請求項４に記載の電飾装置。
6. 太陽電池を具備し、日中は、太陽電池から得られる電力も電力貯蔵体に溜め、夜間発光することを特徴とする請求項５に記載の電飾装置。
   
   
   
   
   

Images