JP2008067451A - エネルギー変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 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高い稼動効率と発電効率を得る、エネルギー変換装置、を提供する。
【解決手段】 複数の矩形状圧電素子の厚み方向が円の接線方向となり長手方向が半径方向となるよう放射状に配置してなり、互いに複数の前記圧電板が接触しないように長手方向の一端を円周上で第１の保持部材で、統合固着保持し、更に、複数の前記圧電板が互いに接触しないように長手方向の別の一端を第２の輪状保持部材で、円の中心部で統合固着保持し、第2の輪状保持部材から前記圧電素子の厚み方向に加えられる外力により前記圧電板の両端に力が生じて、これにより、前記圧電素子の厚み方向に前記圧電素子を変位し、前記圧電板が一斉に撓んで発電し、電気エネルギーが得られることを特徴とするエネルギー変換装置、が提供される。
【選択図】 図1

Description

本発明は、振動、回転等エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換装置に関する。

近年、二酸化炭素等による地球温暖化を抑制するために、化石燃料を用いず、風力、水力、等の自然力を利用したエネルギー変換装置が注目されている。例えば、実用化されている風力発電装置は、プロペラを風力で回転させてモータを回し、電磁誘導で発電する。しかし、これらは、装置が大型であってコストが高い、設置場所が限定される、所定の広さと設置間隔を必要とする等の問題があった。

特許文献１には、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された圧電素子の集積ユニットであり、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が開示されている。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エネルギー変換装置である。（特開2006−136078号公報）

特開2006−136078号公報

この発明には、多くの圧電素子をコンパクトに配置することが可能で、外力が効率的に変換されて圧電素子を屈曲させることができ、高い可動効率と発電効率を得ることができる。一方、しかしながら、部品点数が比較的多く、組み立てがやや複雑であった。また、圧電素子の少なくとも一方が、可動状態であるので、突発的な大きな変位に対して、保持部材（外輪部材・内輪部材等）から、圧電素子板が外れない工夫が別途必要であった。この改良タイプで圧電素子が矩形のとき、両端に保持部材を設けないで、圧電素子部の他端を自由端とする片もち支持も可能だが、長期の使用により、圧電素子自体の変形を避け、互いの接触を避けるために圧電素子の変形に対応して、保持部を長くとることが必要となった。また、振幅の大きな変位を拘束するために、変位制御部材を用いると、大きなエネルギーをもつ振動からのエネルギーを取り出せない場合も生じた。また、外力を保持部から、スペーサ等を介して間接的に伝達するときは、高速振動を外力とするときその追随性も十全とはいえなかった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、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エネルギー変換装置であって、高い可動効率と発電効率を得ることができる。しかも、部品点数が比較的少なく、組み立てが容易であり、また、圧電素子の両端が、固定状態であるので、突発的な大きな変位に対しても対応可能で、保持部材からの振動、回転のエネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができる応用範囲が広いエネルギー変換装置を提供する。

本発明によれば、略矩形状の圧電板と補強板とを有し、前記補強板の長手方向に沿って、その厚み方向の分極の正負が同方向または、逆方向となるように二分されて配置され、貼着された圧電板を含む圧電素子と、前記圧電素子の長手方向の一端を保持する第１の保持部材と、前記圧電素子の長手方向の別の一端を保持する第２の保持部材と、を有し、第１の保持部材又は第2の保持部材から加えられる外力により、前記圧電素子の厚み方向に前記圧電素子を変位し、前記圧電素子に変形が生ずることによって、前記圧電板が撓んで発電し、電気エネルギーが得られることを特徴とするエネルギー変換装置であって、複数の前記圧電素子をその厚み方向が円の接線方向となり長手方向が半径方向となるよう放射状に配置してなり、互いに複数の前記圧電板が接触しないように長手方向の一端を円周側の第１の保持部材で、統合固着保持し、更に、複数の前記圧電板が互いに接触しないように長手方向の別の一端を円の中心部側の第２の保持部材で、統合固着保持し、両保持部材が同心で回転可動であり、前記外力により両保持部材が、相対的に回動して、前記補強板の両端に力が生じて、前記圧電素子の厚み方向に前記圧電素子を変位し、前記圧電板が一斉に撓んで発電し、電気エネルギーが得られることを特徴とするエネルギー変換装置、を提供する。

両保持部材が同心で回転可動となる手段として、前記統合固着保持する第2の保持部材に対して、第１の保持部材に対して位置を固定された軸受けを用いることを特徴とする請求項１記載のエネルギー変換装置、を提供する。

更に、前記第2の保持部材と第１の保持部材との相対的な回転を所定角度に制限する回動停止部材を具備することを特徴とするエネルギー変換装置、を提供する。更にまた、前記第２の保持部材に受風翼を装着し、これに加えられる外力が風力であることを特徴とするエネルギー変換装置、を提供する。

前記第２の保持部材に受風翼を装着し、これに加えられる外力が風力であることを特徴とする前記のエネルギー変換装置、及び所定の構造物に組み込まれた前記エネルギー変換装置であって、前記構造物に自然の力または人為的な力が作用することによって前記構造物に加わる力が変化した際に、その力の変化を利用して発電するエネルギー変換装置、が提供される。

本発明に係るエネルギー変換装置によれば、分極が逆又は同じに２分された圧電板を配置した略矩形状の圧電素子を用いているので、小さい変位で大きな電気エネルギーを得ることができる。また、圧電素子の両端が固着保持されているので、大きな変位に対しても、圧電素子が、保持部材から脱落することなく、高効率で、電気エネルギーを取り出すことができる。更に、コンパクトな装置で、圧電素子を高集積化できる。保持部材近辺は、変位速度が大であるのに、変位自体は少ないので、圧電素子端部での応力負担が軽く、長寿命である。

また、本発明のシステムでは、構造物に生ずる回転、揺動や振動によって力が発生する部分に発電装置を配置すると、この力を有効に利用でき、稼働率、発電効率がいっそう高まる。化石燃料、原子力等の資源に頼らない、未利用のエネルギーの有効活用が可能となる。

このエネルギー変換装置100は、矩形状の圧電板11と矩形状の補強板12とを貼り合わせてなる圧電素子13と、第１の保持部材と、第２の保持部材とから構成される。図1ａにエネルギー変換装置100の概略構造を示す平面図を示す。図1ｂにエネルギー変換装置100の概略断面図を示す。矩形状の圧電素子13の一端が第１の保持部材20に固着されている。他の一端が、第2の保持部材30に固着されている。第2の保持部材30は、円柱状であり、これを紙面の方向に回転軸31が貫いている。また、第１の保持部材20は、前記矩形状の圧電素子の一端を円周上で等間隔に保持する形状であり、円柱をくり抜いた底面が正方形の直方体構造を有し、前記くり抜き円柱の側面にあたる面で圧電素子13を保持する。このくり抜き円柱、第２の保持部材の円柱、回転軸31の底面の円の中心は同心となる構造である。くり抜き円柱の底面に当たる部分に部材21を組み込み、これに軸受け32を固着している。

また、第1の保持部材を複数設け、連結部を設ける形態でも良い。このとき、第1の保持部材は、複数の圧電素子13をその厚み方向（紙面に並行な方向）に一定間隔で保持することができるように設ける。第１の保持部材及び連結部は、大略同一円周上に位置することとなる。

ひとつの圧電素子13は、補強板12と圧電板11を含む。圧電素子13は、矩形状の圧電セラミックスの表裏面に電極膜（図示せず）が形成された構造を有し、圧電板11は、２分割されている。分割する位置は、例えば、後述するように圧電素子の変形をＳ字で表現するとき、そのＳの変曲点を境にするのが好ましい。圧電板11の圧電セラミックスは厚み方向に分極されている。その分極方向は、分割された各部分でプラス、マイナスが同方向となるか、逆方向となるようにする。図２では、逆方向としている。図２では、補強板12の両面に各2枚の圧電板が貼着され、両面に貼着された圧電板の分極方向は同一である。分極方向を矢印でしめす。圧電板11は樹脂接着剤を用いて、補強板12に接着されている。なお、圧電セラミックスの代わりに圧電ポリマーを用いてもよい。補強板12は、金属または樹脂の少なくとも一方からなり、圧電板11よりも長い矩形状を有している。補強板12として樹脂からなるものを用いる場合には、圧電板11からの電極リード（図示せず）の取り出しを容易とするために、圧電板11と貼り合わされる面に、金属箔が設けられているものを用いることが好ましい。

第1の保持部材20と圧電素子13との固着方法については、例えば、第１の保持部材を、全体として円柱をくり抜いた直方体として、くり抜いた円柱の側面対応部分に切り込みを入れ、矩形状の圧電素子13の一端をここで固着保持する形態とすることができる。また、又前記円柱をくり抜いた直方体を図１のように中心線4本で8分割し、これらを再度直方体に組んだとき、分割面で前記矩形状の圧電素子13の一端を挟み込むように、接着、ボルト（図示せず）締めして統合固着保持する形態としても良い。

第２の保持部材30は、矩形状の圧電素子13の他の一端を統合固着保持した円柱状とすることができる。例えば、図１aに示すように、円柱側面に、紙面に垂直方向のスリットを入れて、ここで、矩形状の圧電素子13の他の一端を統合固着保持しすることができる。また、円柱を図のような放射線に沿って、縦（紙面に垂直）に8分割し、これらを再度円柱に組んだとき、分割面で前記矩形状の圧電素子13の他の一端を挟み込むように、接着し、組み上げた円柱をリング（図示せず）締めして統合固着保持する形態としても良い。第２の保持部材30は、図１bに示す第２の保持部材20に固着した部材21に取り付けられた軸受け32に回転軸31を介して、両保持部材が同心で回転可動となっている。

また、複数の圧電素子13を両保持部材に所定間隔で放射状に配置した際に、隣接する圧電素子どうしが互いに撓むことがない程度に接触するまでを限度として、その数を定めることができる。但し、圧電素子の変形による起電力の取り出しのための電極形成、接触する圧電素子間で絶縁の必要のあるときは、接触をさける。保持部材の材質は、図1aに示されるように複数の圧電素子13を所定間隔で配置した際に、隣接する圧電素子13どうしが絶縁されるように選択される。例えば、補強板12が金属からなる場合には絶縁性の樹脂やセラミックスが好適に用いられ、補強板12が絶縁性の樹脂からなる場合には、金属、樹脂、セラミックスが好適に用いられる。

図1に例示されたエネルギー変換装置100では、外力が、紙面からみて第２の保持部材30に反時計方向に作用すると、これを、反時計方向に回転する力となり、第１の保持部材20が相対的に時計方向に回転しようとする力が作用する。すると、両者で保持される圧電素子13がニュートラル状態から、両端に力が作用し、反S字状に変位する。図３には、外力が作用し、圧電素子に変形が生じたときのエネルギー変換装置100を示す。外力が、紙面からみて第２の保持部材30に時計方向に作用すると、これを、時計方向に回転する力となり、第１の保持部材20が相対的に反時計方向に回転しようとする力が作用する。すると、両者で保持される圧電素子13がニュートラル状態から、両端に力が作用し、S字状に変位することによって発電する。図3ａは、エネルギー変換装置100の駆動態様を示す平面断面図を模式的に示す。図3ｂは、正面断面図である。圧電板11上の符号はその表面における分極の極性を示す。

図2に示されるように、例えば、白抜き矢印でしめすように、圧電素子１３ａの第１の保持部材による保持端に−Z方向の力が加わり、第２の保持部材による保持端に＋Z方向の力が加わると、両端部は、固着されているので、補強板が弾性で伸びて紙面に対して反Ｓ字状となるように撓む。反Ｓ字状に撓むとは、圧電素子の側面からみたとき、圧電素子の長さ方向のほぼ中央部を変極点として、左側の圧電素子が上に凸に、右側の圧電素子が下に凸にＳ字形を裏返したように撓むことをいう。両端に働く力は、略同じ大きさ、接線方向で略反対方向の力ではあるが、厳密には、第２の保持部材の回転角度は、第１の保持部材による回転角度より大となるので、Ｓ字変位は、完全なＳ字ではなく、若干ずれを生ずる。図２はその変形を模式的にしめす。圧電板が分割されている位置は、Ｓ字の変曲点を境とする位置である。圧電素子１３ａの第１の保持部材による保持端に＋Z方向の力が加わり、第２の保持部材による保持端に−Z方向の力が加わると、大略Ｓ字状に撓む。このとき、圧電素子の側面からみたとき、圧電素子の長さ方向のほぼ中央部を変極点として、左側の圧電素子が下に凸に、右側の圧電素子が上に凸に、大略Ｓ字形に撓む。

したがって、第２の保持部材に反転する回転力が交互に作用し、圧電素子の両端に交互に力が生ずると、圧電素子1３が、所定の変形を繰り返し、その際に圧電板11が発電する。上述の通り、一枚の補強板の圧電素子は、中央部分で2分割されているので、その分極方向を逆にしておくと、Ｓ字または、反Ｓ字状変形による撓みによる、２分割された圧電板の起電力の正負は、補強板側では逆で、また、圧電セラミックス表面側でも逆となる。Ｓ字でも反Ｓ字でも内側が縮み、外側が伸長する応力が加わりそれに応じた撓みが生ずるためである。その分極方向を同じにしておくと、Ｓ字または、反Ｓ字状変形による撓みによる、起電力の正負は、補強板側では、同じとなり、また、圧電セラミックス表面側でも同じとなる。Ｓ字でも反Ｓ字でも内側が縮み、外側が伸長する応力が加わりそれに応じた撓みが生ずるためである。

なお、2分割した圧電素子11の分極方向を異なるものとするときは、補強板12は、圧電板11aの接着面側の電極膜と圧電板11bの接着面側の電極膜とを短絡させる構造でよい。このため、補強板12として金属箔・金属板を用いることが出来る。一方、圧電素子11の分極方向が同じときは、補強板12は、圧電板11aの接着面側の電極膜と圧電板11bの接着面側の電極膜とを短絡させない構造とする必要がある。このため、補強板12として金属箔・金属板を用いる場合には、圧電板11a・11bの一方を、この金属箔・金属板と短絡しないように、絶縁膜を介して金属箔・金属板に接着する等の工夫が必要となる。また、補強板12としてプリント配線基板のように樹脂基板に金属箔を取り付けてなるものを用いる場合には、圧電板11a・11bが絶縁されるように、その金属箔を内周側部と外周側部とに分かれたパターンとしておけばよい。

従って、この起電力を図4に例示するように、Ｓ字変位により生ずる起電力の正負を考慮した結線で取り出すことが出来る。こうして得られる電気エネルギーは交流電力であるために、通常は図4に示されるように、該電力を、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、または充電せずに直接、「負荷」に供給して負荷を駆動することができる。又は、圧電素子毎の整流回路を介することにより、若しくは、一部の圧電素子群ごとの整流回路を入れることにより、直流電力を得ることができる。

こうして、効率良く得られた電気エネルギーは、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13は、上述の通り、一斉にS字または、反Ｓ字状となるように撓み振動するために、特に、例えば、S字状及び反S字状の変形が回転対称性をたもって行われるときは、図4に示すように、個々の圧電素子13に整流回路を設ける必要はなく、1組の整流回路で整流が可能であり、回路を単純に構成することもできる。

エネルギー変換装置100は、圧電素子13の変位量は、補強板の材質や厚さ、圧電素子の形状や数を変えることによって調整することができる。弱い力で大きく変位する圧電素子を用いたエネルギー変換装置を実現することもできれば、強い力で小さく変位する圧電素子を用いたエネルギー変換装置を実現することもでき、その場合でも、圧電素子を用いることで、十分に大きな電気エネルギーを得ることができる。さらに、エネルギー変換装置100を直並列に接続することによって、第２の支持部に印加される力の大きさに対応する電力を得ることもできる。

圧電素子13については、補強板12としては、一般的には樹脂基板や金属、金属板等の種々のバネ性を有する材料を用いることができるが、例えば、構造物からの外力で発電する場合には、支持部材、補強板として所定の強度を有する金属棒、金属柱、金属板が好適に用いられる。大きな力が必要な場合には、機械的強度に優れたエンジニアリングセラミックスやステンレス等の金属材料が好適に用いられる。

圧電素子13が変形する際には、第２の保持部材から所定の力が加わる。このために、このような力が加えられた際に保持部材が変形を起こさないような機械的強度が、保持部材全体に求められる。このような観点から、保持部材にはステンレス、アルミニウム合金等の各種金属材料が好適に用いられる。

なお、保持部材に金属材料を用い、かつ、圧電素子13を構成する補強板12にも金属材料を用いた場合において、第１の保持部材、第２の保持部材として、機械的強度が大きく、かつ、絶縁性を有するセラミックス材料（例えば、アルミナ、ジルコニア、ムライト等）を用いることができる。

別のエネルギー変換装置の実施形態について例示して説明する。図５は、風力を受ける受風体４０と、前記受風体４０を保持する棒状体４１と、前記棒状体４１に風力が作用することによって変位する前記棒状体４１を第２の支持部材に連結させたエネルギー変換装置２００を示す。受風体４０は、三角翼とし、微風にたいしても比較的敏感に力を第２の支持部材に作用できるように、比較的長い棒状体４１を使用し、これを第２の支持部材（図示せず）に固着した回転軸31に垂直に固定している。風向が一定するような場所では、受風体４０´である受風翼に角度を設け、適度の風力を受けるようにすることができる。本装置を防風フェンスにとりつけ、発電した電力はそのまま「横風注意」等の発光案内表示に用いることもできる。

更に別のエネルギー変換装置の実施形態について例示して説明する。エネルギー変換装置は、第１の支持部材または第２の支持部材に外力を作用させて、回転力等を取り出せるものならば、風力に限定されるものではない。その一例として、図６にエネルギー変換装置３００を階段に適用した例を模式的に示した。図６では、エネルギー変換装置は、簡略化して示した。圧電素子はその一部が表示されている。階段50の踏み板51を第２の支持部材に連結して、踏み板を踏む外力を第２の支持部材の回転力として作用させる。過度の力が加わり、エネルギー変換装置が破損しないように、円柱軸状とした第２の支持部材の回転軸の回転角度を所定に制限するストッパー52が、併設されている。踏み板を踏むとき、踏み板の開放端が違和感のない程度、下方に変位させることができる。こうして、所定の構造物に組み込まれたエネルギー変換装置３００であって、前記構造物を支持し、前記構造物に自然の力または人為的な力が作用することによって前記構造物に加わる力が変化した際に、その力の変化を利用して発電するエネルギー変換装置を実現できる。

また、エネルギー変換装置100等では、圧電素子13として、補強板12の両方の面に圧電板11が取り付けられた、所謂、バイモルフ構造のものを示したが、補強板12の片面にそれぞれ圧電板11が取り付けられた、所謂、ユニモルフ構造のものを用いてもよい。さらに、圧電板は単板に限定されず、積層構造（積層コンデンサ型構造）を有しているものであってもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではない。例えば、エネルギー変換装置100等を直列または並列に配置した集合構造としてもよく、集合構造に対して、纏めて整流回路を設けて、直流電力をうることもでき、整流回路を設けることなく、交流電力を使用する構造とすることもできる。

本発明に係るエネルギー変換装置は、コンパクトで大きな起電力及び大電流が得られ、メンテナンスの容易な発電装置となる。電力供給のない場所での標示機、警報機に用いることもできる。家屋等の構造体からの振動・回転エネルギーを取り出す発電装置として好適である。

本発明に係るエネルギー変換装置の概略構造を示す平面図(a)及び正面断面図(b)。 図1に示すエネルギー変換装置の駆動時の圧電素子の変位態様を模式的に示す図。 図1に示すエネルギー変換装置の駆動時の概略構造を示す平面図(a)及び正面断面図(b)。 図1に示すエネルギー変換装置の圧電素子から起電力を取り出す整流回路を含め結線図の例。 本発明に係る別のエネルギー変換システムの概略構造を示す概念図。 本発明に係るさらに別のエネルギー変換システムの概略構造を示す概念図。

符号の説明

100・200・300；エネルギー変換装置
11；圧電板
12；補強板
13・13a；圧電素子
20；第１の保持部材
21；部材
30；第２の保持部材
31；回転軸
32；軸受け
40・40´；受風翼
50；階段
51；踏み板
52；ストッパー

Claims (5)

1. 略矩形状の圧電板と補強板とを有し、前記補強板の長手方向に沿って、その厚み方向の分極の正負が同方向または、逆方向となるように二分されて配置され、貼着された圧電板を含む圧電素子と、
   前記圧電素子の長手方向の一端を保持する第１の保持部材と、
   前記圧電素子の長手方向の別の一端を保持する第２の保持部材と、
   を有し、
   第１の保持部材又は第2の保持部材から加えられる外力により、前記圧電素子の厚み方向に前記圧電素子を変位し、前記圧電素子に変形が生ずることによって、前記圧電板が撓んで発電し、電気エネルギーが得られることを特徴とするエネルギー変換装置であって、
   複数の前記圧電素子をその厚み方向が円の接線方向となり長手方向が半径方向となるよう放射状に配置してなり、互いに複数の前記圧電板が接触しないように長手方向の一端を円周側の第１の保持部材で、統合固着保持し、
   更に、複数の前記圧電板が互いに接触しないように長手方向の別の一端を円の中心部側の第２の保持部材で、統合固着保持し、両保持部材が同心で回転可動であり、
   前記外力により両保持部材が、相対的に回動して、前記補強板の両端に力が生じて、前記圧電素子の厚み方向に前記圧電素子を変位し、前記圧電板が一斉に撓んで発電し、電気エネルギーが得られることを特徴とするエネルギー変換装置。
2. 両保持部材が同心で回転可動となる手段として、前記統合固着保持する第2の保持部材に対して、第１の保持部材に対して位置を固定された軸受けを用いることを特徴とする請求項１記載のエネルギー変換装置。
3. 前記円柱状の第2の保持部材と第１の保持部材との相対的な回転を所定角度に制限する回動停止部材を具備することを特徴とする請求項2記載のエネルギー変換装置。
4. 前記第２の保持部材に受風翼を装着し、これに加えられる外力が風力であることを特徴とする請求項１乃至３記載のエネルギー変換装置。
5. 所定の構造物に組み込まれた請求項１乃至３記載のエネルギー変換装置であって、前記構造物に自然の力または人為的な力が作用することによって前記構造物に加わる力が変化した際に、その力の変化を利用して発電するエネルギー変換装置。

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