JP2010041813A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電量を増加させることが可能な発電装置を提供する。
【解決手段】この発電装置５０は、ホイール３０ａに固定的に設置され、円弧形状を有する固定部１と、固定部１の円弧形状に沿って揺動可能に配置されるとともに、固定部１の円弧形状に沿って振動することにより発電が行われるように構成された可動部２とを備え、固定部１の円弧形状部分の曲率半径は、回転体２の曲率半径よりも小さい。
【選択図】図４

Description

本発明は、発電装置に関し、特に、可動部を備えた発電装置に関する。

従来、可動部を備えた発電装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、ホイール（回転体）と、ホイールに配置された単振り子（可動部）と、単振り子とバネによって接続されたハンマーと、ハンマーを挟む位置にそれぞれ配置された圧電セラミックスとを備えた発電装置が開示されている。上記特許文献１に記載の発電装置では、ホイールの回転によって単振り子が振動するとともに、単振り子の振動に連動してハンマーも振動する。そして、振動するハンマーにより圧電セラミックスに打撃が加えられることによって発電が行われるように構成されている。

特開２００７−２０２３８１号公報

上記特許文献１に開示された従来の発電装置では、単振り子がバネによってハンマーと接続されている分、単振り子の振動の振幅が制限されるので、その分、発電量を増加するのが困難であるという問題点がある。

この発明は、発電量を増加させることが可能な発電装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による発電装置は、回転体に固定的に設置されるものであって、略円弧形状の移動経路を有する固定部と、移動経路に沿って移動可能に配置されるとともに、固定部に対する移動により発電が行われるように構成された可動部とを備え、移動経路の曲率半径は、回転体の曲率半径よりも小さい。

この発明の第２の局面による車両は、回転体と、請求項１〜４のいずれかに記載の発電装置と、電子機器とを備え、電子機器に対して、発電装置により発電された電力を供給するように構成される。

この発明の第１の局面による発電装置では、上記の構成により、発電量を増加させることができる。

この発明の第２の局面による車両では、上記の構成により、電子機器により大きな電力を供給することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による発電装置５０の構造を示した平面図である。図２は、図１の１００―１００線における断面図である。図３は、図１の２００―２００線における断面図である。図４〜図６は、本発明の第１実施形態による発電装置５０の動作を説明するための図である。

発電装置５０は、図１および図２に示すように、筐体としての固定部１と、固定部１に対して移動可能な可動部２とを備えている。固定部１の内部には、第１発電部１０と第２発電部２０とが構成されている。

固定部１は、内部空間を有するとともに、互いに対向する内部空間の上面および下面が略円弧形状に形成されている。固定部１には、内部空間の上面および下面の表面に沿って、それぞれ、略円弧形状の固定基板１ａが設けられている。各固定基板１ａ上には、それぞれ、集電部３ａおよび連結部３ｂからなる集電電極３と、集電部４ａおよび連結部４ｂからなる集電電極４とが形成されている。集電電極３および集電電極４は、それぞれ、集電部３ａおよび集電部４ａが互いに所定の間隔を隔てて隣接し合うように配置されている。連結部３ｂおよび４ｂは、それぞれ、集電電極３ａ同士および集電電極４ａ同士を連結している。また、集電電極３の連結部３ｂと、集電電極４の連結部４ｂとは、それぞれ、負荷５を介して接続されている。なお、集電電極３および４は、それぞれ、本発明の「第１電極」の一例である。

可動部２は、固定部１の円弧形状に沿うようにして上面および下面が略円弧形状に形成された錘２ａを備えている。錘２ａは、たとえば、ステンレスまたはタングステンにより構成されている。錘２ａには、上面および下面の表面上に、それぞれ、円弧形状に沿って形成されるとともに錘２ａに伴って移動可能な可動基板２ｂが設けられている。各可動基板２ｂの表面上には、それぞれ、シリコン酸化膜２ｃが形成されている。

シリコン酸化膜２ｃの表面上には、所定の間隔を隔ててガード電極２ｄが形成されている。シリコン酸化膜２ｃのガード電極２ｄ間における領域には、電荷を注入することにより形成されたエレクトレット２ｅが設けられている。エレクトレット２ｅは、一定の電荷を半永久的に保持する機能を有する。また、ガード電極２ｄは接地されている（図示せず）。なお、エレクトレット２ｅは、本発明の「第２電極」の一例である。

可動基板２ｂ上のエレクトレット２ｅと、固定基板１ａ上の集電電極３および４とは、それぞれ、対向するように配置されている。また、上述した第１発電部１０および２０は、それぞれ、互いに対向する可動基板２ｂ上のエレクトレット２ｅと、固定基板１ａ上の集電電極３および４とから構成されている。

図１および図３に示すように、固定部１の内部空間の上面および下面には、それぞれ、Ｙ方向側の端部近傍に、Ｘ方向に延びる溝部５ａおよび５ｂが形成されている。同様に、錘２ａの上面および下面にも、それぞれ、Ｙ方向側の端部近傍に、Ｘ方向に延びる溝部６ａおよび６ｂが形成されている。そして、固定部１の溝部５ａと錘２ａの溝部６ａとの間、および、固定部１の溝部５ｂと錘２ａの溝部６ｂとの間には、それぞれ、ベアリングボール７が配置されている。また、固定部１および錘２ａのＹ方向側の両側面にも、それぞれ、溝部５ｃおよび６ｃが形成されている。そして、固定部１の溝部５ｃと錘２ａの溝部６ｃとの間にもベアリングボール７が配置されている。なお、固定部１の溝部５ａ、５ｂおよび５ｃと、錘２ａの溝部６ａ、６ｂおよび６ｃと、ベアリングボール７とは、それぞれ、本発明の「ガイド部」の一例である。

以上の構成により、可動部２は、略円弧形状に沿って形成された各溝部により、略円弧形状の移動経路をＡ方向に移動可能に構成されている。なお、円弧形状とは、固定部１と可動部２とがそれぞれ１つの曲率半径を有する状態だけでなく、可動部２の振動時に、固定部１と可動部２とが互いに接触しない程度ずれた略円弧形状の状態を含んでいる。

各エレクトレット２ｅに対向配置された集電電極３および４には、それぞれ、エレクトレット２ｅに保持された電荷によって静電誘導が発生することにより電荷が誘導されるように構成されている。そして、可動部２が固定部１に対してＡ方向に往復移動する際、各エレクトレット２ｅと各集電電極３および４とは、それぞれ、対向状態を維持しながら相対的に略円弧形状に移動する。これにより、各集電電極３および４にそれぞれ誘導された電荷量が変化するとともに、電荷量の変化分に相当する電位差が発生する（発電する）。そして、発生した電位差によって負荷５が動作するように構成されている。なお、このとき、可動部２は、固定部１内を共振周波数によって移動（振動）する場合に最大の発電量が得られるように構成されている。

ここで、第１実施形態による発電装置５０は、図４に示すように、たとえば、自動車のタイヤ３０のホイール３０ａに固定的に配置される。

ホイール３０ａが回転する際にはホイール３０ａの回転に伴って固定部１も回転し、錘２ａには重力とともに遠心力が加わる。また、たとえば、遠心力の働く方向を下向きとした場合、錘２ａに働く重力（重力加速度）は、ホイール３０ａの回転により相対的に変化するとともに振動のための加速度となる。したがって、錘２ａは、固定部１の中を振り子のように振動するようになる。

すなわち、図５に示すように、ホイール３０ａの中心点Ｏ１から発電装置５０が配置された位置までの曲率半径をｒとし、発電装置５０の固定部１の上面における円弧形状の移動経路の曲率半径をｌとした場合、本発明の第１実施形態による発電装置５０は、図６に示すような曲率半径がｒの回転体４０（ホイール３０ａに相当）に取り付けられた軸の長さがｌ（曲率半径がｌ）の振り子４１（可動部２に相当）の振動と同様の構成に置き換えることが可能である。

常に共振周波数により可動部２が振動する場合に、常に最大の発電量が得られる。したがって、以下、可動部２（振り子４１）がホイール３０ａ（回転体４０）の速度の変化にその都度対応した共振周波数によって常に振動する条件について説明する。

具体的には、中心点Ｏ２を有する振り子４１は、中心点Ｏ１を有する回転体４０の軸の頂点が中心線Ｃ１上に配置されているとともに、回転体４０の回転運動に伴って振動する。このとき、振り子４１が中心線Ｃ１に対して、角度θだけ振動した場合、中心線Ｃ１と、中心点Ｏ１と振り子４１とを繋ぐ線との成す角をαとすると、振り子４１には、遠心力Ｆが加えられる。遠心力Ｆ、および、振り子４１に加えられる周方向に働く力Ｆｘは、以下の式（１）および（２）により表される。

Ｆ＝−ｍｒω_ｒｏ ^２・・・（１）
Ｆｘ＝−ｍｒω_ｒｏ ^２・ｓｉｎ（θ−α）・・・（２）
なお、ω_ｒｏは、回転体４０の角速度である。

このとき、振り子の最下点から移動点まで移動した分に相当する円弧の距離をｘとした場合、θは、以下の式（３）のように近似される。

θ＝ｘ／ｌ・・・（３）
また、角度αおよびθが小さい場合には、上記（３）を以下の式（４）に近似可能である。

α≒ｘ／ｒ・・・（４）
このとき、θおよびαが微小である場合、式（２）におけるｓｉｎ（θ−α）を（θ−α）と近似することが可能であるとともに、その近似式に上記式（３）および（４）を代入することにより、上記式（２）は以下の式（５）になる。

Ｆｘ≒−ｍｒω_ｒｏ ^２・（ｘ／ｌ−ｘ／ｒ）＝−ｍｒω_ｒｏ ^２（ｒ−ｌ）ｘ／（ｌ・ｒ）・・・（５）
ここで、振り子４１の周方向に加えられる力Ｆｘについては、公式Ｆ＝ｍａ＝ｍ・ｄ^２ｘ／ｄｔ^２を当てはめると、上記式（５）は以下の微分方程式（６）として表される。

ｍ・ｄ^２ｘ／ｄｔ^２＝−ｍｒω_ｒｏ ^２・（ｒ−ｌ）ｘ／（ｌ・ｒ）・・・（６）
これにより、上記式（６）を展開することにより以下の式（７）が導かれる。

ｄｘ／ｄｔ＝∫{ｒω_ｒｏ ^２・（ｒ−ｌ）／（ｌ・ｒ）}・ｘ・ｄｘ・・・（７）
ここで、上記の微分方程式（７）におけるｄｘ／ｄｔ＝ω_ｒｅ（振り子４１の共振周波数）とすることにより、微分方程式（７）から以下の式が導き出される。

ω_ｒｅ＝{ω_ｒｏ ^２・（ｒ−ｌ）／ｌ}^１／２・・・（８）
なお、ω_ｒｅは、振り子４１の共振周波数（最も振動する周波数）である。

このとき、回転体４０の角速度ω_ｒｏと振り子４１の共振周波数ω_ｒｅが常に一致するための条件は、上記式（８）により、以下のように導かれる。

ω_ｒｏ＝ω_ｒｅ＝{ω_ｒｏ ^２・（ｒ−ｌ）／ｌ}^１／２・・・（９）
そして、上記式（９）から、ｌ＝ｒ／２という条件が導き出される。これにより、回転体４０の角速度ω_ｒｏと振り子４１の共振周波数ω_ｒｅが常に一致するための条件は、ｌ＝ｒ／２となる。

以上により、ホイール３０ａに対して発電装置５０をｌ＝ｒ／２となるように構成することによって、可動部２は、ホイール３０ａの速度変化に対応した共振周波数で常に振動することが可能となる。

なお、発電装置５０をホイール３０ａに設置する場合、発電された電力が供給される負荷５（図２参照）の一例としては、タイヤの空気圧センサの電源、または車両に供えられた電子機器などの電源として使用可能である。

図７は、上記したホイール３０ａに対してｌ＝ｒ／２となるように発電装置５０を配置した場合におけるシミュレーションの結果を示している。

発電装置５０を上記のように配置したホイール３０ａを備えた自動車を走行させた際、自動車の速度の増加に伴って発電量が増加した。これは、可動部２が、自動車の速度変化にその都度対応した共振周波数によって振動することにより、常に所定の速度においての最大の発電量を得ていることを示している。

本発明の第１実施形態に係る発電装置によれば、以下の効果を得ることができる。

（１）可動部２を固定部１の円弧形状の移動経路に沿って移動可能に設けるとともに、円弧形状の移動経路に沿って振動するように構成する。これによって、円弧形状部分に沿った経路の長さを調整することにより、振幅を調整することができる。したがって、バネにより可動部２を移動可能に固定する場合に比べて振幅を大きくするように調整することができるので、その分、発電量を増加させることができる。

（２）固定部１の円弧形状部分の曲率半径の大きさｌを、ホイール３０ａの曲率半径の大きさｒの２分の１の大きさになるように構成することによって、発電装置５０の可動部２は、ホイール３０ａの角速度の変化に対応して共振周波数を変化させるとともに、常に共振周波数により振動するので、より発電量を増加させることができる。

（３）固定部１および可動部２にそれぞれ溝部５ａ、５ｂおよび５ｃと、溝部６ａ、６ｂおよび６ｃとを設けるとともに、固定部１の溝部５ａ、５ｂおよび５ｃと可動部２の溝部６ａ、６ｂおよび６ｃとの間にベアリングボール７を配置する。これによって、可動部２は、各溝部間に設けられたベアリングボール７の配列方向（溝部が延びる方向）に沿って振動する。したがって、可動部２を各溝部に沿って確実に振動させることができる。また、ベアリングボール７を配置することにより、可動部２の振動の際に発生する摩擦力を低減させることができる。

（４）可動部２にエレクトレット２ｅを設けるとともに、エレクトレット２ｅに対向する位置に集電電極３および４を設けることによって、可動部２が振動する際に、集電電極３および４とエレクトレット２ｅとの間において、静電誘導による発電を行うことができる。

（５）振り子の動作と同様の動作を行うことが可能なように、固定部に対して可動部が円弧形状に沿って振動することが可能なように構成しているので、実際に振り子を構成する場合に比べて、振り子の軸部を構成する領域を必要としない分、装置本体を小型化することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態では、図８〜図９を参照して、第１実施形態の構成において示した可動部が常に共振周波数により振動する条件について、さらに摩擦および発電負荷などの種々の条件を考慮した場合について説明する。

可動部２が振動する際に、第１実施形態の条件（遠心力および重力）に以下の条件を加える。すなわち、遠心力と振り子との作用による力、および、重力と振り子との作用からなる力（以下の式（１０））と、静電気力、遠心力および重力によって発生する各々の摩擦力（以下の式（１１））と、入力エネルギー（以下の式（１２））と、発電に使う力Ｆｅとを新たに加える。

−ｍ{（ｒ−ｌ）ω^２／ｌ＋ｇｃｏｓ（ωｔ）／ｌ}・ｘ・・・（１０）
μ{Ｆｚ＋｜ｍｒω^２−ｍｇｃｏｓ（ωｔ）｜}・・・（１１）
ｍｇｓｉｎ（ωｔ）・・・（１２）
式（１０）における−ｍ（ｒ−ｌ）ω^２・ｘ／ｌは遠心力と振り子との作用からなる力であるとともに、−ｍｇｃｏｓ（ωｔ）・ｘ／ｌは重力と振り子との作用からなる力である。

式（１１）におけるμＦｚは静電気力による摩擦であり、μｍｒω^２は遠心力による摩擦である。そして、−μｍｇｃｏｓ（ωｔ）は重力による摩擦である。なお、μは、摩擦係数である。

式（１２）における入力エネルギーとは、可動部２に対する重力の方向が反転する際に加えられる力である。また、発電に使う力Ｆｅとは、静電誘導により発生した電子のうち、電圧として負荷５に供給されずに集電電極３および４に残った電子が、エレクトレット２ｅに引っ張られることにより発生する力である。

上記の式（１０）〜（１２）からなる条件を、第１実施形態と同様に、公式Ｆ＝ｍａ＝ｍ・ｄ^２ｘ／ｄｔ^２に対応させることにより、以下の微分方程式（１３）が導かれる。

ｍ・ｄ^２ｘ／ｄｔ^２＝−ｍ{（ｒ−ｌ）ω^２／ｌ＋ｇｃｏｓ（ωｔ）／ｌ}・ｘ±[Ｆｅ＋μ{Ｆｚ＋｜ｍｒω^２−ｍｇｃｏｓ（ωｔ）｜}]＋ｍｇｓｉｎ（ωｔ）・・・（１３）
以下、上記の微分方程式（１３）に基づいてシミュレーションを行った結果について説明する。

図８は、上記の微分方程式（１３）に基づいて、固定部１の曲率半径ｌに対する発電量の変化についてシミュレーションを行った結果を示す図である。図９は、図８を詳細に示した図である。なお、シミュレーションの条件としては、可動部２の振幅の制限を４ｃｍとするとともに、車両が時速６０ｋｍで走行した場合とする。また、摩擦係数μ＝０（摩擦力を考慮しない場合）から、摩擦係数μ＝０．００５（摩擦力が大きい場合）までの範囲についてシミュレーションを行った。

図８および図９に示すように、シミュレーションの結果、摩擦係数μ＝０の場合と、摩擦係数μ＝０．００１の場合とには、固定部１の曲率半径ｌが１０ｃｍの場合（ホイール３０ａの曲率半径ｒの２分の１の大きさの場合）に最大の発電量が得られた。すなわち、摩擦力をほとんど考慮しない場合においては、静電気力などの他の条件を加えたとしても第１実施形態と同様に、固定部１の曲率半径ｌをホイール３０ａの曲率半径ｒの２分の１の大きさに設定した場合に最大の発電量が得られることが判明した。

これに対して、摩擦係数がμ＝０．００２、μ＝０．００３およびμ＝０．００５の場合では、固定部１の曲率半径ｌが６ｃｍ以上８ｃｍ以下の範囲（ホイール３０ａの曲率半径ｒの２分の１よりも小さい場合）において、それぞれ、最大の発電量を得た。すなわち、摩擦を考慮する場合においては、固定部１の曲率半径ｌを、ホイール３０ａの曲率半径ｒの２分の１近傍で、かつ、曲率半径ｒの２分の１よりも小さくする方がより好ましいことが判明した。

本発明の第２実施形態に係る発電装置によれば、以下の効果を得ることができる。

（６）固定部１の円弧形状部分の曲率半径の大きさｌを、ホイール３０ａの曲率半径の大きさｒの２分の１よりも小さくなるように構成することによって、摩擦力およびその他の条件を考慮した場合においても、発電装置５０において常に最大の発電量を得ることができる。その結果、発電量の増加を図ることができる。

なお、第２実施形態のその他の効果は、第１実施形態の効果と同様である。

（第３実施形態）
第３実施形態では、図１０〜図１１を参照して、第１実施形態の構成において、固定部１と可動部２との互いに対向する側面同士に第１発電部１０および第２発電部２０を設ける例について説明する。

図１０および図１１に示すように、固定部１の両側の側面に集電電極３および集電電極４が配置されている。また、可動部２の両側の側面にエレクトレット２ｅが配置されている。そして、集電電極３および４とエレクトレット２ｅとは互いに対向するように構成されている。これにより、固定部１の側面と、可動部２の側面との間の領域に第１発電部１０および第２発電部２０がそれぞれ形成されている。

なお、第３実施形態のその他の構成および動作は、第１実施形態の構成および動作と同様である。

本発明の第３実施形態に係る発電装置によれば、以下の効果を得ることができる。

（７）固定部１と可動部２との互いに対向する側面に第１発電部１０と第２発電部２０とを設ける場合においても、第１実施形態と同様に、可動部２にバネを設ける場合に比べて発電量を増加させることができる。

なお、第３実施形態のその他の効果は、第１実施形態の効果と同様である。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、可動部２が真円の円弧形状に沿って振動する例を示したが、本発明はこれに限らず、円弧形状とは、真円の円弧形状だけでなく、可動部２が移動する際の妨げにならない程度に円弧形状からずれた状態であってもよい。

また、上記実施形態では、固定部１および可動部２にそれぞれ設けられた溝部とベアリングボール７とによるガイド部を設ける例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、固定部１に設けられた溝部に対して嵌合するような凸部を可動部２に設けるなど、ベアリングボール７を使用したガイド部以外のガイド部を形成してもよい。

また、上記実施形態では、固定部１側に集電電極３および４を設けるとともに、可動部２側にエレクトレット２ｅを設ける例を示したが、本発明はこれに限らず、固定部１側にエレクトレット２ｅを設けるとともに、可動部２側に集電電極３および４を設けてもよい。

また、上記実施形態では、静電誘導による発電を行う例を示したが、本発明はこれに限らず、静電誘導以外の発電方法を用いてもよい。この場合、たとえば、電磁誘導であってもよいし、また、可動部が圧電体などに衝突することによって発電する方法であってもよい。

本発明の第１実施形態による発電装置の構造を示した平面図である。 図１に示した１００−１００線における断面図である。 図１に示した２００−２００線における断面図である。 本発明の第１実施形態による発電装置の配置例について示した図である。 本発明の第１実施形態による発電装置について説明するための図である。 本発明の第１実施形態による発電装置について説明するための図である。 本発明の第１実施形態による発電装置について説明するための図である。 本発明の第２実施形態による発電装置について説明するための図である。 本発明の第２実施形態による発電装置について説明するための図である。 本発明の第３実施形態による発電装置の構造を説明するための平面図である。 図１０に示した３００−３００線における断面図である。

符号の説明

１ 固定部
２ 可動部
２ｅ エレクトレット（第２電極）
３ 集電電極（第１電極）
４ 集電電極（第１電極）
５ａ、５ｂ、５ｃ、６ａ、６ｂ、６ｃ 溝部（ガイド部）
７ ベアリングボール（ガイド部）
３０ａ ホイール（回転体）
５０ 発電装置

Claims (5)

1. 回転体に固定的に設置される発電装置であって、
   略円弧形状の移動経路を有する固定部と、
   前記移動経路に沿って移動可能に配置されるとともに、前記固定部に対する移動により発電が行われるように構成された可動部とを備え、
   前記移動経路の曲率半径は、前記回転体の曲率半径よりも小さい、発電装置。
2. 前記移動経路の曲率半径の大きさは、前記回転体の曲率半径の大きさの２分の１近傍以下の大きさである、請求項１に記載の発電装置。
3. 前記移動経路に沿って設けられたガイド部をさらに備える、請求項１または２に記載の発電装置。
4. 前記固定部は第１電極を含むとともに、前記可動部は第２電極を含み、
   前記第１電極および前記第２電極は、互いに対向するようにそれぞれ配置されるとともに、前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方の電極は、エレクトレットである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電装置。
5. 回転体と、
   請求項１〜４のいずれかに記載の発電装置と、
   電子機器とを備え、
   前記電子機器に対して、前記発電装置により発電された電力を供給するように構成された、車両。

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