JP2007166881A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで発電効率が高く、操作性が良好な発電装置を提供する。
【解決手段】中抜き部を有し、自己の形状の対象体へ反転可能な片面凸状、反対面凹状ののシムと、該シムに貼着された圧電素子と、該圧電素子からの電気エネルギーを取り出す電気回路と、弾性体とを有し、前記シムの凸状部分に外力を印加することによって、シムが反転して該凸状部分を含む凸面部が凹面形状となる対象体へ反転変化する際に、
前記圧電素子が屈曲して発電することを特徴とする発電装置であって、前記シムの片面又は反対面のそれぞれに前記圧電素子が2以上貼着され、前記圧電素子の各々に電気エネルギーを取り出す電気回路が装着され、且つ前記圧電素子に外力が作用していない状態または、前記反転変位する際に、前記シムは前記弾性体に当接することを特徴とする発電装置、を提供する。
【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を得ることは難しいと考えられる。

また、携帯電話の利用方法としては電子メールの利用頻度が高いことも事実で、この場合にはキーが多くの回数押されるために、この押圧力を利用したコンパクトな発電装置を実現することができれば、電源電池の補助にきわめて有用になると考えられる。携帯電話のみならず、携帯型の電子機器、例えば、ノートパソコン等においても、キーボードを叩くことによって発電することができれば、電源電池の補助に有効に利用することができる。さらに、キーボードを有さない携帯機器においても、日常生活で放出している人力が、電圧として有効に取り出せれば、携帯装置の電源として有効に活用できることとなる。
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の高い発電装置を提供することを目的とする。また、本発明は、人による押圧力、例えば、手によるキー操作、ボタン押し操作、あるいは足による靴のかかとを踏む操作、ボタン押し操作が行われた場合の効率の良い発電装置を提供することを目的とする。

中抜き部を有し、自己の形状の対象体へ反転可能な片面凸状、反対面凹状形状のシムと、
該シムに貼着された圧電素子と、
該圧電素子からの電気エネルギーを取り出す電気回路と、
弾性体とを有し、
前記シムの凸状部分に外力を印加することによって、シムが反転して該凸状部分を含む凸面部が凹面形状となる対象体へ反転変化する際に、
前記圧電素子が屈曲して発電することを特徴とする発電装置であって、
前記シムの片面又は反対面のそれぞれに前記圧電素子が2以上貼着され、前記圧電素子の各々に電気エネルギーを取り出す電気回路が装着され、且つ前記圧電素子に外力が作用していない状態または、前記反転変位する際に、前記シムは前記弾性体に当接することを特徴とする発電装置、を提供する。

前記シムが、中抜き部を有する矩形又は円形シムに、中抜き部まで達する切り込みを入れ、該切り込みを含む端部を重ね合わせて接合して得られる曲面形状のシムであることを特徴とする請求項１記載の発電装置（請求項２）を提供する。

前記シムが、金属板をプレス成型して、中抜き部を有し、自己の形状の対象体へ反転可能な片面凸状、反対面凹状形状とし、接合面を有さないことを特徴とする請求項１記載の発電装置（請求項３）を提供する。シムの急峻な反転変形がおこると圧電素子が発電する。また、すくなくとも、反転変位をする際に、前記シムが弾性体に当接しているので、一度生起した反転を更に復元する再反転が生起する。さらに、該シムの該片面又は該反対面のそれぞれに隔離して貼着された2以上の圧電素子を有するので、発電効率を高めることができる。ここで、対象体とは、単に、互いに鏡像をなす立体構造をもつ形状をいう。
凸面、凹面は、必ずしも曲率を有する曲面でなく、平面であってもよく、鏡像を映す鏡面に対して凸状又は凹状であることを示している。

本発明は、請求項１及び請求項２の要件を有するシムが反転する際に、これに隔離された状態で貼着した圧電素子が短時間に変位するために、圧電素子から、効率よく、大きな電気エネルギーを発生させることができ、さらに、圧電素子とシムが押圧力の印加方向に重なるように配置すると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、シムは、弾性体と当接するのでシムに押圧力を加えて反転させると、弾性体がシムに対して再反転の力を加えることとなる。従って、この力によって再反転したときは、繰り返して、外力を印加することで、連続的に発電が可能となる。また、請求項３のシムは、接合面を有さないため、繰り返しの反転に対して耐久性に良い発電装置を提供する。

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の概略構造の平面図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、シム13と、これに隔離して貼着された2以上の圧電素子11と、弾性体15及び支持部材16を加えて構成される。可撓性を有する圧電素子11は、圧電板12単独で構成されるか、又は、圧電板12とこれに貼着した金属性圧電素子シム板（図示せず）とその間の接着層（図示せず）で構成される。金属性圧電素子シム板は、圧電板12より一回りおおきなほぼ同一形状のものを用いている。

シム13を製造する金属板を、図2に示す。これは、略矩形の中抜き部を有する金属製の板で、中抜き部17まで達する切り込み18がある。該切り込み近傍の端部19を重ね合わせて矩形となるように接合して得られる「中空部を有し、自己の形状の対象体へ反転可能な片面凸状、反対面凹状のシム13」とした。接合は、溶接、リベット止め等、金属板が接着できる任意の方法でよい。

シムは、切り込みのない中抜き部を有する矩形状金属板をプレス成型で、「中空部を有し、自己の形状の対象体へ反転可能な片面凸状、反対面凹状のシム13」としても良い。このとき、成型型枠を要するが、プレス成型したシムは、接合部がなく、繰り返して行われる反転変化に対して応力が集中する程度が小さく、耐久性が向上する利点があり好ましい。シムに中空部17´を設けたのは、中空部を有さない面では、反転時の圧縮、伸長の変位を吸収することができず、過大な応力を発生させ、シムが破断する恐れがあるからである。また、シムの反転で圧縮、伸長部位の応力が大きくなり、シム及び圧電素子が破断する恐れがあるので、反転によるシム全体の最大変位が圧電素子の圧電材料部分の最長部の５％以下であることが耐久性の観点から好ましい。

図１においては、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状を有している。圧電材料は、これに限定されるものではない。ここでは、圧電素子11a、11b、11cとして、所謂、ユニモルフ型の構造のものを用いているが、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。圧電素子シム板及びシムは通常の金属製、プラスチック製の弾性を有する材料を用いて行われる。圧電素子11a、11b、11cは、シムの略中央部の中空部14をふさがない様式でシム13に隔離された状態で接着されている。

なお、シム13が金属製の場合には、圧電素子11a、11b、11cとシム13の電気的導通がとれる構成とすることができるので、シム13を電極として使用することができる。圧電素子11a、11b、11cとシム13の電気的導通をとらない構成とするときは、圧電素子11a、11b、11cと支持部材16とを絶縁するために、圧電素子11a、11b、11cを可撓性の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。

図1（a）に示すとおりシム13又は圧電素子11a、11b、11cに外力が作用していない状態で、圧電素子11は外力Ｆの加えられる方向に対して凸状となっている。圧電素子11a、11b、11cは、反転可能な片面凸状、反対面凹状のシム13に貼着されているので、シムの面形状を反映するからである。更に、圧電素子11a、11b、11cを貼付したシム13は、凹状の下面で楕円球状弾性体15に接し、該シム13と該弾性体15は、支持部材16で左右方向と下方をそれぞれ支持される構造を有している。

シム13の反転の前後で支持部材16でのシム13を支持することを容易とするために、支持部材16の支持端部に溝形成している。支持部材16の該溝18は、正面断面図では、Ｖ字谷の形状であり、側面断面図では、中央部で狭く、反転変形による変化の大きな矩形の端部で広くなる形状である。底面部は、シムの反転変形に応じた形状とするため、曲面構造としている。すなわち、反転変形によるシムの長手方向の変化に応じて、シムを安定して支持可能なように、支持部の底面は、中央部が最も凹んだ曲面形状をなしている。この曲面が、反転前の片面凸状曲面を反転させた凹面形状に対応する。

上述の通りに構成された発電装置10では、シム板13又は、２以上の圧電素子11a、11b、11cに上からの外力Fが作用すると、この外力Fがシム13を反転させることができる大きさである場合に、図1（a）に示す状態から図1（b）に示す状態に移行する。図1（b）に示すように、圧電素子11a、11b、11cは初期形状の対象体に反転変形し、弾性体15は収縮変形する。このとき、シム13は比較的短時間に反転するために、圧電素子11も比較的短時間に撓むこととなる。このとき、シム板13のサイズが大きく、或いは、外力Ｆが比較的局部にしか作用しない等の理由で、シム板13或いは圧電素子11a、11b、11cの撓み変形が短時間とはいえ、一定の時間差をもって撓むこととなる。従って、該片面又は該反対面のそれぞれに貼着された前記２以上の圧電素子を用いずに、該片面又は該反対面を一枚の広い面積の圧電素子を用いた場合は、一枚の圧電素子の各部に、屈曲する時間差が生じる。また、各部によって異なる応力により極性の異なる電圧が生ずることもある。このとき、ある時点で一枚の圧電素子に生じる起電力は、各部の起電力のベクトルの総和で表現されるものとなるため、その各部に生じる起電力の方向が異なることが多く、全体として起電力を示すベクトルの大きさが小さなものとなる。しかし、これを２以上の圧電素子に隔離してシム板に貼着し、各圧電素子に生じた撓みを独立にとりだすことによって、効率良く起電力を取り出すことができる。これらが屈曲する際に発生する電圧は、屈曲する時間差、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、各圧電素子11からの電気エネルギーを効率良く取り出すために、別個の電気回路を用いる。

図３は、同一のシム13上の圧電素子11a、11ｂ、11cが、別個に電気エネルギーを取り出す回路を有し、該回路が共通の整流回路に導かれている例である。また、図４は、同一のシム13上の圧電素子11a、11ｂ、11cからの電気エネルギーが、個別のブリッジ整流回路を用いて処理される例であり、このように処理を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し、更に効率良く起電力を得ることができる。弾性体15は、収縮変位し、変位が増大するとともに反発力が増加し、反転による変位は許容し、しかも反転後にシムを逆方向に逆反転することができる。この弾性率のものを選定する。弾性体15としては、ゴム弾性球以外にも、座屈ばね、プラスチック球、つるまきばね（コイルバネ）、サラバネ等が用いられる。これらを組み合わせて用いることもできる。外力Fは、シム13が反転変形すれば、その任意の一部に加えても良いが、中空部を跨ぐシム中央部に冶具（図示せず）を装着して、これを押すような形で反転変形させると、比較的均一な変位が得られる。また、中空部を跨ぐシム全体に同形状の板（比較的柔軟なプラスチック板又はゴム等の弾性板）を裏張りすることも望ましい。

弾性体15に弾性球を使用した場合、シム13の反転後に、印加された外力Fが取り除かれ、弾性球15に作用する力が一定の大きさよりも小さくなったときに、弾性球15は元の形状に瞬時に戻ろうとする。その際、シム13も圧電素子11も弓形の形状から図1a）に示す元の形状に戻る。このように、弾性球15が元の形状に戻る際にもシムの逆反転により、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、取り出すことができる。

図1（b）から図1（a）に示す状態に戻る場合の構成としては、シム13の上側に圧電素子11a、11b、11cに外力を作用させるためのボタン類を取り付け、そのボタン類が一定の範囲で動くように位置決めするときは、シム13が初期の状態上面が凸の形状に復元することができる位置に決めることが望ましい。

図５に発電装置20の概略構造の平面図とその動作状態を表す断面図を示す。図５（a）に示されるように、発電装置20は、中空円錐を輪切りした構造のシム23と8枚の圧電素子22とを貼り合わせて構成され、さらに、リング状弾性体25及び支持部材26を加えて構成される。可撓性を有する圧電素子22は、圧電板単独で構成されるか、又は、圧電板とこれに貼着した圧電素子シム板（図示せず）とその間の接着層（図示せず）で構成されるのは、図1の発電装置10と同様である。

中空円錐を輪切りした構造のシム23は、略ドーナツ状円形の中抜き部を有する金属製の板をプレス成型して中空円錐を輪切りした構造のシム23を作成してもよい。共に「中空部を有し、自己の形状の対象体へ反転可能な片面凸状、反対面凹状の中空円錐を輪切りした構造のシム23」とした。接合方法は、発電装置10と同様に任意でよい。プレス成型したシムは、接合部がなく、耐久性が向上する利点がある点、中空部27´を設けた点、シム及び圧電素子が破断する恐れがあるので、シム全体として、反転による最大変位が圧電素子の圧電材料部分の最長部の５％以下であることが耐久性の観点から好ましい点も圧電装置10と同様である。シム23は、球殻の輪切り構造シム等としてもよい。

図５（a）に示すとおり前記シム23又は圧電素子21に外力が作用していない状態で、圧電素子21は外力Ｆの加えられる方向に対して凸状となっている。圧電素子11は、反転可能な片面凸状、反対面凹状のシムに貼着されているので、シムの曲面形状を反映するからである。更に、圧電素子11を貼付したシム13は、凹状の下面で球状弾性体15に接し、該シム13と該弾性体15は、支持部材16で左右方向と下方をそれぞれ支持される構造を有している。

シムの反転の前後で圧電素子11を支持することを容易とするために、反転時に保持される辺端部が変動する部分に溝形成している。底面部は、シムの反転変形に応じた形状とするため、曲面構造としている。すなわち、反転変形によるシムの長手方向の変化に応じて、シムを安定して支持可能なように、支持部の底面は、中央部が最も凹んだ曲面形状をなしている。この曲面が、反転前の片面凸状面を反転させた凹面形状に対応する。

上述の通りに構成された発電装置20では、図５（a）に示す状態から図５（b）に示す状態に移行するように、圧電素子21に上からの外力Fが作用すると、この外力Fがシム23を反転させることができる大きさである場合に、図2（b）に示すように、圧電素子11は初期形状の対象体に反転変形し、弾性体25は収縮変形する。このとき、シム23は急速に反転するために、圧電素子21も急激に撓む。弾性体15は、収縮変位し、変位が増大するとともに反発力が増加し、反転による変位は許容し、しかも反転後にシムを逆方向に逆反転することができる。この弾性率のものを選定する。弾性体25としては、ゴム弾性球以外にも、座屈ばね、プラスチック球、つるまきばね（コイルバネ）、サラバネ、等が用いられる。これらを組み合わせて用いることもできる。外力Fは、シム23が反転変形すれば、その任意の一部に加えても良いが、中空部を跨ぐシム中央部に押し部を設け、これで23全体を押すような形で反転変形させると、比較的均一な変位が得られる。

弾性体25に弾性リング25を使用した場合、シム23の反転後に、印加された外力Fが取り除かれ、弾性リング25に作用する力が一定の大きさよりも小さくなったときに、弾性リング25は元の形状に瞬時に戻ろうとする。その際、シム23も圧電素子21も図５a）に示す元の形状に戻る。このように、弾性リング25が元の形状に戻る際にもシム23の逆反転により、圧電素子21は急激に撓み、これにより圧電素子21に大きな電気エネルギーを発生させ、取り出すことができる。発電装置20の場合も発電装置10と同様に、個々の圧電素子21に別個の電気回路を用いる。発電装置20にあっては、図３における、「同一のシム13上の圧電素子11a、11ｂ、11c」は、同一シム23上の各圧電素子21に対応する。このケースでは、該回路が共通の整流回路に導かれている例である。また、図４における、「同一のシム13上の圧電素子11a、11ｂ、11c」は、同一シム23上の各圧電素子21に対応する。このケースでは、個別のブリッジ整流回路を用いて処理される例であり、

図６は、支持部材36の少なくとも支持端近傍を弾性体で構成した例である。図６円内は、シム板33を支持する支持部材36の支持端部を含む拡大図を表している。図6(a)は、反転前を、図6(b)は、反転後を表している。支持部材36のシム板33との接触下部は、反転によって押圧され、圧縮されて復元力が保持される。本復元力によって、シム板33は、図6(a)に反転してもどる。

このような発電装置10、20（支持部材を除いたもの）の斜見図を図７に示す。圧電素子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、シムが反転する際とシムが逆反転して、元の姿勢に戻る際に、発光ダイオードが最もよく光ることを確認した。

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も好適である。

発電装置の概略構造と動作状態を表す図。 発電装置のシムを作成する金属板の図。 発電装置の電気回路を表す図。 発電装置の別の電気回路を表す図。 さらに別の発電装置の概略構造と動作状態を表す断面図。 発電装置の支持部材が弾性体を兼ねる実施態様を表す断面図。 発電装置のシムと圧電素子の構成例を示す斜視図

符号の説明

10、20；発電装置
11a、11b、11c、21；圧電素子
12；圧電板
13、23、33；シム
15、25；弾性体
16、26、36；支持部材
17； 中抜き部
17’；中空部
18；切り込み部
19；切り込み近傍の端部

Claims (3)

1. 中抜き部を有し、自己の形状の対象体へ反転可能な片面凸状、反対面凹状のシムと、
   該シムに貼着された圧電素子と、
   該圧電素子からの電気エネルギーを取り出す電気回路と、
   弾性体とを有し、
   前記シムの凸状部分に外力を印加することによって、シムが反転して該凸状部分を含む凸面部が凹面形状となる対象体へ反転変化する際に、
   前記圧電素子が屈曲して発電することを特徴とする発電装置であって、
   前記シムの片面又は反対面のそれぞれに前記圧電素子が2以上貼着され、前記圧電素子の各々に電気エネルギーを取り出す電気回路が装着され、且つ前記圧電素子に外力が作用していない状態または、前記反転変位する際に、前記シムは前記弾性体に当接することを特徴とする発電装置。
2. 前記シムが、中抜き部を有する略矩形、略円形、または略楕円形シムに、中抜き部まで達する切り込みを入れ、該切り込みを含む端部を重ね合わせて接合して得られる曲面形状のシムであることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
3. 前記シムが、金属板をプレス成型して、中抜き部を有し、自己の形状の対象体へ反転可能な片面凸状、反対面凹状とし、接合面を有さないことを特徴とする請求項１記載の発電装置。