JP2010035368A - 圧電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自由運動を効率よく発電することが可能な圧電発電装置を提供する。
【解決手段】可動体に外部から自由運動が加わると、突起状部材が他の突起状部材と接触することにより圧電素子が発電するので、自由運動を効率よく発電することが可能な発電装置の提供を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電体を用いた圧電発電装置に関する。

近年、環境問題の配慮から省エネルギー化が求められている。化石燃料による発電から風力発電、水力発電、太陽光発電等のような自然エネルギーを利用した発電が注目されている一方で人為的な動作を利用した発電、特に人の日常行動を利用した発電が注目されている。

例えば、交通量の多い通路の床を人が踏むことによる押力を利用した発電装置、道路を車両が走行することによる押力を利用した発電装置、及び人による階段の昇降時の押力を利用した発電装置等多くの発電装置が提案されている。

例えば、特許文献１にはリモコンの操作手段の操作による押力を利用して発電することが開示されている。操作手段の操作エネルギーを弾性部材に蓄積し、弾性部材から放出されるエネルギーにより加圧手段で圧電素子を加圧して発電している。操作手段の操作による押力で弾性部材の片方の自由端側に連結された鋼玉を打撃し、弾性部材の反対の自由端側に連結された鋼玉を振動させ、圧電素子を打撃して加圧し、発電するものである。このような人為的な動作を利用した発電は押力を利用したものである。
特開２００５−２４５１１５号公報

ところで、上述した特許文献１に記載の発明は、操作押しボタンの操作による操作エネルギーを利用して圧電素子を加圧して発電している。操作ボタンを押す動作から直接圧電素子を加圧すると発電時間が短くなってしまうため、操作ボタンを押す動作により発生する力を弾性部材で受け弾性エネルギーとして蓄積し利用することで圧電素子を加圧するための振動を持続させ、長時間にわたって発電することができるとしている。操作ボタンを押す動作から効率よく発電する発電装置を提供している。

しかし、特許文献１に示す日常行動のような人為的な動作は押力に限られたものではない。このような一次元運動だけではなく、自由度の高い多次元運動も多いが活用できていない。例えば電車やバスのつり革のように日常行動の中で多次元に動作する運動から発電を行うことができればより効率よく電力を発電することができる。

そこで、本発明はこれらを鑑みて提案されたものであって、自由運動を効率よく発電することが可能な圧電発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、支持体と、該支持体に揺動自在に支持され、外側に向かう複数の突起状部材を有する可動体と、前記可動体の近傍に配置された固定体と、前記固定体の前記可動体側に配置され、前記突起状部材に対向する他の複数の突起状部材を有する圧電素子とを備え、 前記可動体に外部から自由運動が加わると、前記突起状部材が前記他の突起状部材と接触することにより前記圧電素子が発電することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記支持体は、水平に配置された中空もしくは中実棒状部材であり、前記可動体は前記支持体に吊り下げられた吊り輪状部材であり、前記可動体が前記支持体に弾性体により連結されていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記支持体は、鉛直径方向に貫通孔を有し、水平に配置された中空もしくは中実棒状部材であり、前記可動体は、球状の頭部を有し、該頭部が球面スラスト軸受けに保持され、該球面スラスト軸受けが前記支持体に弾性体により連結され、前記頭部の上方に前記突起状部材に対向する他の複数の突起部材を有する前記固定体が配置されていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から３の何れか一項記載の発明において、前記突起状部材及び前記他の突起状部材は、大きさや厚みが異なることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１から３の何れか一項記載の発明において、前記突起状部材の間隔と、前記他の突起状部材との間隔が異なることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１から５の何れか一項記載の発明において、前記突起状部材及び前記他の突起状部材は、形状が棒状もしくは板状であり、少なくとも１つ以上の突起を有することを特徴とする。

本発明によれば、可動体に外部から自由運動が加わると、突起状部材が他の突起状部材と接触することにより圧電素子が発電するので、自由運動を効率よく発電することが可能な発電装置の提供を実現することができる。

＜実施形態１＞
図１、図２及び図３に本発明に係る圧電発電装置の実施形態１を示す。
図１は、本発明に係る圧電発電装置を横から見た断面図である。図２は、図１に示しした圧電発電装置の動作説明図である。図３（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る圧電発電装置を正面から見た図である。但し図３（ａ）、（ｂ）において固定体は断面図である。

本発明に係る圧電発電装置は、可動体1と、固定体2と、支持体3と、弾性体4とで構成されている。可動体1は棒状（図では中実であるが、中空でもよい。）の支持体3を中心に通した構造で、可動体1は支持体3に弾性体（例えば、スプリングもしくは樹脂）4で連結されている。
可動体1は、固定体2に対向する面に複数の突起状の棒あるいは板部材5を備えている。固定体2は可動体1に相対するように備えられ、可動体1に対向する面に複数の突起状の棒あるいは板部材6を備えている。

可動体1の端部1aに自由運動が加えられると、可動体1は支持体3に沿って変動する。例えば図２のように可動体端部1aにA方向の運動が加えられると可動体1は支持体3に沿って周回方向A'に変動する。

支持体3には図１には示さない爪部材7が備えられ、可動体端部1aにB方向の運動が加えられても可動体1がB方向に移動しない構成になっている。可動体端部1aにB方向の運動が加えられると可動体1は支持体3及び爪部材7に拘束され、傾き方向B'に変動する。ねじれ方向やその他の方向の運動が加えられると支持体3の拘束により周回方向と傾き方向に変動する。

このように可動体1が周回方向あるいは傾き方向に変動すると、可動体1の固定体2に対向する面に備えられた複数の突起状の棒あるいは板部材5が、固定体2の可動体1に対向する面に備えられた複数の突起状の棒あるいは板部材6と接触し、固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材6ははじかれて振動する。固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材6の端部には圧電素子が固着されている。固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材6が振動することにより発電する。

可動体1は図１に示すように例えばバネなどの弾性体4によって支持体3に連結されている。可動体に運動が加えられずに静止している場合は図１に示すように弾性力により可動体1と支持体3は重力方向に変動可能な空間を有している。可動体1に重力方向Cの運動が加えられると可動体1が重力方向に変動する。

＜変形例１＞
図４に可動体1及び固定体2に備えられた突起状部材としての突起状の棒あるいは板部材5,6の一例を示す。
可動体1及び固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材5,6には各々垂直方向に突起が備えられている。可動体に運動が加えられずに静止している場合、図４に示すように可動体1及び固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材5,6に備えられた突起同士が対向するように位置している。

可動体1に重力方向Cの運動が加えられ可動体1が重力方向に変動すると、可動体1及び固定体2の上部に備えられた突起状の棒あるいは板部材5,6に備えられた突起が接触し、はじかれて突起状の棒あるいは板部材6が振動する。

＜変形例２＞
可動体1及び固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材5,6に備えられた突起は図４に示すように鉤状のものでもよく、図５に示すような円盤等盤状のものでよい。
図５に可動体1及び固定体2に備えられた突起状部材としての突起状の棒あるいは板部材5,6の他の一例を示す。
盤状の突起は円盤に限るものではなくひし形でも多角形でもよく、一意の方向に限定されず任意の方向に重力方向の接触を発生させ固定体2に備えられた棒あるいは板部材6を振動させることができる。可動体1及び固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材5,6に備えられた突起は先端ではなく、図４に示すように突起状の棒あるいは板部材5,6の中腹に配置されている。可動体1に備えらた突起状の棒あるいは板部材5に備えられた突起と、固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材6に備えられた突起との重力方向の相対位置は、弾性体4の弾性力によって発生する重力方向に変動可能な空間の高さ以下となるよう構成される。重力方向に変動可能な空間の高さが可動体1の重力方向の変動幅となるため、互いの突起が接触しはじかれるように変動幅に合わせて配置されている。また重力方向に変動した状態で周回方向、傾き方向に変動する場合、棒あるいは板部材5,6に備えられた突起の先の部分が接触し、はじかれて、固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材6が振動する。

＜変形例３＞
図６は、可動体1及び固定体2に備えられた突起状部材としての突起状の棒あるいは板部材5,6のさらに他の一例を示す。
図６に示すように、可動体1及び固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材5,6に複数の突起が備えられている。
可動体1に備えられた突起状の棒あるいは板部材5に備えられた複数の突起間隔と、固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材6に備えられた複数の突起間隔が異なるように突起を配置する。重力方向の任意の変動幅に対しても複数の突起のいずれかが接触しはじかれ、固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材6が振動する。

可動体1に備えられた複数の突起状の棒あるいは板部材5の間隔と、固定体2に備えられた複数の突起状の棒あるいは板部材6の間隔が異なるように各突起状の棒あるいは板部材5,6を配置する。周回方向、傾き方向の任意の変動量に対しても複数の突起状の棒あるいは板部材5,6のいずれかが接触しはじかれ、固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材6が振動する。

可動体1及び固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材5,6及び棒あるいは板部材に備えられた突起は、可動体1及び固定体2に備えられた位置によって動作が変わる。
可動体1に重力方向Cの運動が加えられ可動体1が重力方向に変動すると、可動体1及び固定体2の側部に備えられた突起状の棒あるいは板部材5,6が接触しはじかれる。可動体1及び固定体2の上部に備えられた突起状の棒あるいは板部材5,6は、突起状の棒あるいは板部材5,6、に備えられた突起が接触しはじかれる。可動体1が周回方向、傾き方向に変動すると、可動体1及び固定体2の上部に備えられた突起状の棒あるいは板部材5,6が接触しはじかれる。可動体1及び固定体2の側部に備えられた突起状の棒あるいは板部材5,6は、突起状の棒あるいは板部材5,6、に備えられた突起が接触しはじかれる。このように可動体1及び固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材5,6及び突起状の棒あるいは板部材5,6に備えられた突起のいずれかあるいは両方が接触しはじかれ、固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材6が振動する。

＜変形例４＞
弾性体4の連結構造は支持体3下部に限るものではなく、支持体3上部で可動体1と連結していてもよい。
図７に本発明に係る圧電発電装置の変形例を示す。
図７に示すように可動体1に運動が加えられずに静止している場合は弾性体4の弾性力により重力と均衡が取れた位置に可動体1を保持している。可動体1に重力方向Cの運動が加えられると弾性体4が収縮し可動体1が重力方向に変動する。

＜実施形態２＞
図８に本発明に係る圧電発電装置の実施形態２を示す。
本発明に係る圧電発電装置は、可動体1と、固定体2と、支持体3と、弾性体（例えば、スプリングもしくは樹脂）4と、可動体支持部5とで構成されている。
可動体1は片端（頭部）が球状に構成され、ボールベアリング（球面スラスト軸受け）などで可動体支持部5に支持されている。可動体支持部5は支持体3に弾性体4で連結されている。可動体1は固定体2に対向する面に複数の突起状部材としての突起状の棒あるいは板部材6を備えている。固定体2は可動体1に相対するように備えられ、可動体1に対向する面に複数の他の突起状部材としての突起状の棒あるいは板部材7を備えている。

可動体1の端部1aに自由運動が加えられると可動体1は可動体支持部5に沿って変動する。つまり突起状の棒あるいは板部材6を備えた固定体2に対向する面は任意の方向に回転運動する。可動体1の突起状の棒あるいは板部材6を備えた固定体2に対向する面が回転すると、可動体1の固定体2に対向する面に備えられた複数の突起状の棒あるいは板部材5が、固定体2の可動体1に対向する面に備えられた複数の突起状の棒あるいは板部材6と接触し、固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材6がはじかれて振動する。固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材6の端部には圧電素子が固着されている。固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材6が振動することにより発電する。

可動体1を支持する可動体支持部5は図８に示すようにバネなどの弾性体4によって支持体3に連結されている。可動体1に運動が加えられずに静止している場合は、可動体支持部5は弾性体4の弾性力により重力と均衡が取れた位置に可動体1を保持している。可動体1に重力方向Cの運動が加えられると弾性体4が収縮し可動体支持部5が重力方向に変動し、同時に可動体1も重力方向に変動する。
可動体1及び固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材5,6には各々垂直方向に突起が備えられている。可動体に運動が加えられずに静止している場合、可動体1及び固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材5,6に備えられた突起が対向するように位置している。可動体1に重力方向Cの運動が加えられ可動体支持部5及び可動体1が重力方向に変動すると、可動体1及び固定体2の上部に備えられた突起状の棒あるいは板部材5,6に備えられた突起が接触し、はじかれて突起状の棒あるいは板部材6が振動する。

固定体2に備えられた突起状の棒あるいは板部材が振動することにより発電し、電力は整流回路で整流されて、例えばつり革の場合、車内灯の補助電力として利用したり、あるいは図示しない充電器で充電され利用したりすることもできる。

なお、上述した実施の形態は、本発明の好適な実施の形態の一例を示すものであり、本発明はそれに限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形実施が可能である。

＜作用効果＞
(１)複数の突起状の棒あるいは板部材を有する可動体と、可動体に対向する複数の突起状の棒あるいは板部材を有する圧電素子を固着した固定体とから構成され、可動体は支持体に弾性体で連結され、可動体および固定体に備えられた突起状の棒あるいは板部材は垂直方向に突起を備えているので、自由運動を効率よく振動に変換し、自由運動から高効率に発電することが可能な発電装置を提供することができる。

(２)複数の突起状の棒あるいは板部材を有する可動体は、突起状の棒あるいは板部材が備えられた面が周回方向、傾き方向及び重力方向に可動するので、自由運動から得られる周回方向、傾き方向に加え、重力方向の運動を効率よく振動に変換し、自由運動から高効率に発電することが可能な発電装置を提供することができる。

(３)複数の突起状の棒あるいは板部材を有する可動体は、突起状の棒あるいは板部材が備えられた面が可動方向を規制されることなく自由回転運動するので、自由運動を効率よく振動に変換し、自由運動から高効率に発電することが可能な発電装置を提供することができる。

(４)複数の突起状の棒あるいは板部材は大きさや厚みが異なるので、固定体に備えられた複数の突起状の棒あるいは板部材が異なる共振周波数を有し、可動体に備えられた複数の突起状の棒あるいは板部材と固定体に備えられた複数の突起状の棒あるいは板部材が接触してはじかれて発生する振動の共振周波数帯域が広がり、自由運動から得られた振動の変位を拡大、持続させることができる。

(５)可動体に備えられた複数の突起状の棒あるいは板部材の間隔と、固定体に備えられた複数の突起状の棒あるいは板部材の間隔が異なるので、任意の変動量に対しても確実に固定体に備えられた突起状の棒あるいは板部材を振動させることができ、自由運動を効率よく振動に変換することができる。

(６)可動体および固定体に備えられた突起状の棒あるいは板部材に垂直方向に備えられた突起は、可動体および固定体に備えられた突起状の棒あるいは板部材に複数設けられているので、任意の変動量に対しても確実に固定体に備えられた突起状の棒あるいは板部材を振動させることができ、自由運動を効率よく振動に変換することができる。

(７)可動体に備えられた突起状の棒あるいは板部材に垂直方向に備えられた複数の突起の間隔が、固定体に備えられた突起状の棒あるいは板部材に垂直方向に備えられた複数の突起の間隔と異なっているので、任意の変動量に対しても確実に固定体に備えられた突起状の棒あるいは板部材を振動させることができ、自由運動を効率よく振動に変換することができる。

本発明に係る圧電発電装置を横から見た断面図である。 図１に示しした圧電発電装置の動作説明図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明に係る圧電発電装置を正面から見た図である。 可動体1及び固定体2に備えられた突起状部材としての突起状の棒あるいは板部材5,6の一例を示す図である。 可動体1及び固定体2に備えられた突起状部材としての突起状の棒あるいは板部材5,6の他の一例を示す図である。 可動体1及び固定体2に備えられた突起状部材としての突起状の棒あるいは板部材5,6のさらに他の一例を示す。 本発明に係る圧電発電装置の変形例を示す図である。 本発明に係る圧電発電装置の実施形態２を示す図である。

符号の説明

１ 可動体
２ 固定体
３ 支持体
４ 弾性体
５ 可動体支持部
６ 突起状部材（突起状の棒あるいは板部材）
７ 他の突起状部材（突起状の棒あるいは板部材）

Claims (6)

1. 支持体と、
   該支持体に揺動自在に支持され、外側に向かう複数の突起状部材を有する可動体と、
   前記可動体の近傍に配置された固定体と、
   前記固定体の前記可動体側に配置され、前記突起状部材に対向する他の複数の突起状部材を有する圧電素子とを備え、
   前記可動体に外部から自由運動が加わると、前記突起状部材が前記他の突起状部材と接触することにより前記圧電素子が発電することを特徴とする圧電発電装置。
2. 前記支持体は、水平に配置された中空もしくは中実棒状部材であり、前記可動体は前記支持体に吊り下げられた吊り輪状部材であり、前記可動体が前記支持体に弾性体により連結されていることを特徴とする請求項１記載の圧電発電装置。
3. 前記支持体は、鉛直径方向に貫通孔を有し、水平に配置された中空もしくは中実棒状部材であり、前記可動体は、球状の頭部を有し、該頭部が球面スラスト軸受けに保持され、該球面スラスト軸受けが前記支持体に弾性体により連結され、前記頭部の上方に前記突起状部材に対向する他の複数の突起部材を有する前記固定体が配置されていることを特徴とする請求項１記載の圧電発電装置。
4. 前記突起状部材及び前記他の突起状部材は、大きさや厚みが異なることを特徴とする請求項１から３の何れか一項記載の圧電発電装置。
5. 前記突起状部材の間隔と、前記他の突起状部材との間隔が異なることを特徴とする請求項１から３の何れか一項記載の圧電発電装置。
6. 前記突起状部材及び前記他の突起状部材は、形状が棒状もしくは板状であり、少なくとも１つ以上の突起を有することを特徴とする請求項１から５の何れか一項記載の圧電発電装置。

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