JP2012097673A - 発電装置および発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】風を効率よく利用して安定な電力を供給でき、かつ省スペースな風力発電技術を提供する。
【解決手段】ハーモニカ、アコーディオン等で用いられるフリーリード（自由簧）の原理を利用する。発電装置１は、窓１２が形成されたプレート１５と、一方の端部１３１がプレート１５に固定され、風を受けて他方の端部１３２が窓枠１２内を出入りするリード１３と、リード１３に固着された圧電素子１４と、を有する。風を受けて振動するリード１３に固定された圧電素子１４で、この振動エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電技術に関し、特に圧電素子を用いた風力発電技術に関する。

近年、二酸化炭素削減等の観点より、自然環境からエネルギーを取り出すエネルギーハーベスト（環境発電）が注目されている。エネルギーハーベストの一つに、例えば、風力から電力を取り出す風力発電がある。風車を利用して風力から電力を取り出す発電装置等の風力発電装置は、一般に、構造が複雑かつ部品点数も多く、またメンテナンス要素も多い。

そこで、構造が比較的簡単であり、かつメンテナンスが容易な風力発電装置として、以下のような、圧電素子を利用して風力から電力を取り出す発電装置が提案されている。

特許文献１には、圧電素子を保持する振動板の端部に渦発生部材が設けられた発電装置が開示されている。この発電装置は、風を受けた際に、渦発生部材により渦を発生させて振動板の端部を自由端として振動板を屈曲振動させ、その振動エネルギーを圧電素子で電気エネルギーに変換する。

また、特許文献２には、圧電素子を保持する振動板の先端に吹き流し部材が取り付けられた発電装置が開示されている。この発電装置は、風を受けた際に、吹き流し部材が吹き流され、これにより振動板の先端を自由端とする振動板の屈曲振動が助勢され、その振動エネルギーを圧電素子で電気エネルギーに変換する。

特開平１１−３０３７２６号公報 特開２００９−２４５８３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発電装置は、振動板の端部に渦発生部材を設ける必要がある。また、振動板を効率よく振動させるためには、カルマン渦を発生させる必要がある。つまり、カルマン渦の発生条件を満たす風を受けた場合にしか、振動板を効率よく振動させることができず、風の利用効率が悪い。さらに、振動板の後方にカルマン渦のためのスペースが必要になる。

また、特許文献２に記載の発電装置は、振動板の先端に、風を受けて吹き流れる吹き流し部材を設ける必要がある。また、この吹き流し部材のために、この発電装置には広い設置スペースが必要である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、風を効率よく利用して安定な電力を供給でき、かつ省スペースな風力発電技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、ハーモニカ、アコーディオン等で用いられるフリーリード（自由簧）の原理を利用する。そして、風を受けて振動するリードに固着された圧電素子で、この振動エネルギーを電気エネルギーに変換する。

例えば、本発明は、風力を利用して発電する発電装置であって、
窓が形成されたプレートと、
一方の端部が前記プレートに固定され、前記風力により振動して、他方の端部が前記窓内を出入するリードと、
前記リードに固着された圧電素子と、を有する。

ここで、前記プレートには、一対の前記窓が並列して形成されており、
前記リードは、前記一対の窓に対応して配置された一対のリード部と、前記リード部各々の一方の端部を連結するアーム部と、前記アーム部に設けられ、前記プレートに固定された取付部と、を有し、前記風力により振動して、前記リード部各々の他方の端部が前記窓内を出入りする音叉型リードであり、
前記圧電素子は、前記音叉型リードの前記リード部各々に固着されているものでもよい。

本発明によれば、風を効率よく利用して安定な電力を供給でき、かつ省スペースな風力発電技術を提供することができる。

図１（Ａ）は、本発明の第一実施の形態に係る発電装置１の概略正面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す発電装置１のＡ−Ａ断面図であり、図１（Ｃ）は図１（Ａ）に示す発電装置１のＢ−Ｂ断面図である。 図２（Ａ）は、本発明の第二実施の形態に係る発電装置２の概略正面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す発電装置２のＡ−Ａ断面図であり、図２（Ｃ）は図２（Ａ）に示す発電装置２のＢ−Ｂ断面図である。 図３（Ａ）および図３（Ｂ)は、本発明の第二実施の形態に係る発電装置２の配線例を説明するための図である。 図４（Ａ）は、音叉型リード２３の形状を説明するための図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す音叉型リード２３の振動形態を説明するための図である。 図５（Ａ）は、音叉型リード２３Ａの形状を説明するための図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す音叉型リード２３Ａの振動形態を説明するための図である。 図６（Ａ）は、本発明の第三実施の形態に係る発電装置３の概略正面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す発電装置３のＡ−Ａ断面図であり、図６（Ｃ）は図６（Ａ）に示す発電装置３の右側面図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

＜第一実施の形態＞
図１（Ａ）は、本発明の第一実施の形態に係る発電装置１の概略正面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す発電装置１のＡ−Ａ断面図、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示す発電装置１のＢ−Ｂ断面図である。

図示するように、発電装置１は、ベース１１と、圧電素子１４が固着されたリード１３と、を有する。

ベース１１は、中空構造を有し、その一面は、矩形の窓１２を有するプレート１５により形成されている。窓１２のサイズは、図１（Ａ）に示すように、窓１２に面したリード１３よりも一回り大きく、窓１２の縁部とリード１３との間には、気体Ｆが通過するわずかな隙間が形成されている。また、ベース１１の一方の端部（窓１２の長手方向に垂直な側面）には開口部１１１が形成されている。このため、ベース１１は、窓１２から侵入した気体Ｆを開口部１１１へ導くダクトとしての機能を有する。ただし、ベース１１は、窓１２が形成されたプレート１５を有するものであればよく、ダクトとしての機能はなくてもよい。

リード１３は、板厚方向に屈曲振動可能な可撓性を有している。例えば、リード１３は、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等で形成されたフレキシブルプリント基板であり、圧電素子１４の出力端子（不図示）を有する。このリード１３の一方の端部１３１は、窓１２に対して開口部１１１側の位置でプレート１５の上面（ベース１１の外面）に固定され、他方の端部１３２は、窓１２を自由に出入りできるように窓１２に面して位置付けられている。

また、図１（Ｂ）に示すように、リード１３は、端部１３２が窓１２の外側（気体Ｆが流れ込んでくる側）に位置するように、プレート１５の上面に対してわずかに傾斜している（上がっている）。ここで、振動していない状態におけるリード１３の端部１３２から窓１２（プレート１５の上面）までの距離ｔは、利用する風の強さに応じて設定されていることが好ましい。例えば、風力が弱いときでもリード１３を振動させるために、距離ｔをリード１３の端部１３２の板厚程度にしてもよく、あるいは、風力が強いときに大きなエネルギーを取り出すために、距離ｔを大きくしてもよい。また、リード１３は、振動していない状態において、途中で窓１２内に潜らないように湾曲していることが好ましい。

圧電素子１４は、バイモルフ圧電素子であり、図１（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、リード１３の表裏両面に固着されている。ただし、圧電素子１４は、リード１３の表面および裏面の一方に固着されたユニモルフ圧電素子でもよい。

以上のような構成において、プレート１５およびリード１３は、ハーモニカ、アコーディオン等で用いられるフリーリード（自由簧）と同様な機能を有する。本実施の形態の発電装置１は、以下に示すように、このフリーリードの原理を利用して、風力から電力を取り出す。

すなわち、図１（Ｂ)、（Ｃ）に示すように、リード１３の上面（ベース１１の外面）に気体Ｆが当たると、窓１２の縁部とリード１３との隙間から窓１２内に気体Ｆが流れ込む。このとき、窓１２内を流れる気体Ｆの流速が、リード１３の上面側を流れる気体Ｆの流速よりも速くなって、窓１２内の気圧が下がり、リード１３の上面側と窓１２内との間に圧力差が生じる。このため、リード１３が、窓１２の内側に吸い寄せられ、下方へ屈曲する。これにより、リード１３の上面側と窓１２内との間の圧力差が解消され、リード１３はその弾性により元の状態に戻る。以上の動作を繰り返すことにより、リード１３がその固有振動数と略同じ振動数で上下（リード１３の板厚方向）に屈曲振動する。そして、圧電素子１４は、リード１３に加えられた振動エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する。

なお、本発明者等は、風の向きに対して、開口部１１１を風下側にしてリード１３上面に風を斜めに当てたときに、最も効率よく風力から電力を取り出せることを見いだした。

以上、本発明の第一実施の形態を説明した。

本実施の形態の発電装置１は、ハーモニカ、アコーディオン等で用いられるフリーリードの原理を利用することにより、風力の強弱によらずリード１３をその固有振動数と略同じ振動数で振動させ、この振動エネルギーを、リード１３に固着された圧電素子１４で電気エネルギーに変換する。したがって、本実施の形態によれば、風を効率よく利用して、周波数の安定した電力を供給することができる。

また、渦発生部材、吹き流し部材等を取りつけなくてもリード１３を振動させることができるので、省スペースな風力発電を実現できる。

なお、本実施の形態では、図１（Ｂ)、（Ｃ）に示すように、気体Ｆが、リード１３の上面側（ベース１１の外部側）から、窓１２の縁部とリード１３との隙間を介してベース１１の内部に流れ込み、開口部１１１から排出される場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。気体Ｆが開口部１１１からベース１１の内部に流れ込むようにしてもよい。

この場合、プレート１５を裏返して、リード１３をベース１１の内部に配置すればよい。開口部１１１からベース１１の内部に流れ込んだ気体Ｆは、リード１３の上面に当たると、窓１２の縁部とリード１３との隙間から窓１２内に流れ込んでベース１１の外部に排出される。このとき、窓１２内を流れる気体Ｆの流速が、リード１３の上面側を流れる気体Ｆの流速よりも速くなって、窓１２内の気圧が下がり、リード１３の上面側（ベース１１の内部）と窓１２内との間に圧力差が生じる。このため、本実施の形態と同様に、リード１３がその固有振動数と略同じ振動数で上下（リード１３の板厚方向）に屈曲振動する。

＜第二実施の形態＞
図２（Ａ）は、本発明の第二実施の形態に係る発電装置２の概略正面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す発電装置２のＡ−Ａ断面図、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示す発電装置２のＢ−Ｂ断面図である。

図示するように、発電装置２は、ベース２１と、圧電素子２４Ａ、２４Ｂが固着された音叉型リード２３と、を有する。

ベース２１は、中空構造を有し、その一面は、並列された一対の矩形の窓２２Ａ、２２Ｂを有するプレート２５により形成されている。各窓２２Ａ、２２Ｂのサイズは、図２（Ａ）に示すように、窓２２Ａ、２２Ｂに面した音叉型リード２３（後述のリード部２３１Ａ、２３１Ｂ）よりも一回り大きく、窓１２の縁部と音叉型リード２３との間には、気体Ｆが通過するわずかな隙間が形成されている。また、ベース２１の一方の端部（窓２２Ａ、２２Ｂの長手方向に垂直な側面）に開口部２１１が形成されている。このため、ベース２１は、窓２２Ａ、２２Ｂから侵入した空気Ｆを開口部２１１へ導くダクトとしての機能を有する。ただし、ベース２１は、窓２２Ａ、２２Ｂが形成されたプレート２５を有するものであればよく、ダクトとしての機能はなくてもよい。

音叉型リード２３は、窓２２Ａ、２２Ｂに対応するように並列された一対のリード部２３１Ａ、２３１Ｂと、リード部２３１Ａ、２３１Ｂを互いに連結するアーム部２３２と、アーム部２３２の中央部分に対して、リード部２３１Ａ、２３１Ｂが設けられている側とは反対側に設けられた取付部２３５と、を有する。

取付部２３５は、窓２２Ａ、２２Ｂに対して開口部２１１側の位置でプレート２１の上面（ベース２１の外面）に固定されている。

リード部２３１Ａ、２３１Ｂは、それぞれ、板厚方向に屈曲振動可能な可撓性を有している。例えば、リード部２３１Ａ、２３１Ｂは、ＦＲＰ等で形成された同様なフレキシブルプリント基板であり、自身に固着された圧電素子２４Ａ、２４Ｂの出力端子（図３の２４１、２４２）を有する。両リード部２３１Ａ、２３１Ｂの一方の端部２３３Ａ、２３３Ｂはアーム部２３２に固定され、他方の端部２３４Ａ、２３４Ｂは、対応する窓２２Ａ、２２Ｂを自由に出入りできるように、窓２２Ａ、２２Ｂに面して位置付けられている。

また、リード部２３１Ａ、２３１Ｂは、図２（Ｂ）に示すように、端部２３４Ａ、２３４Ｂが窓２２Ａ、２２Ｂの外側（気体Ｆが流れ込んでくる側）に位置するように、プレート２１の上面に対してわずかに傾斜している（上がっている）。例えば、振動していない状態におけるリード部２３１Ａ、２３１Ｂの端部２３４Ａ、２３４Ｂから窓２２Ａ、２２Ｂ（プレート２５の上面）までの距離ｔは、利用する風の強さに応じて設定されていることが好ましい。例えば、風力が弱いときでもリード部２３１Ａ、２３１Ｂを振動させるために、距離ｔをリード部２３１Ａ、２３１Ｂの端部２３４Ａ、２３４Ｂの板厚程度にしてもよく、あるいは、風力が強いときに大きなエネルギーを取り出すために、距離ｔを大きくしてもよい。また、リード部２３１Ａ、２３１Ｂは、振動していない状態において、途中で窓１２内に潜らないように湾曲していることが好ましい。

また、リード部２３１Ａ、２３１Ｂは、同一の固有振動数を有しており、これらの端部２３３Ａ、２３３Ｂがアーム部２３２で互いに連結されることにより、音叉型リード２３は、この固有振動数と略同じ振動数で共振し、リード部２３１Ａ、２３１Ｂは、互いに逆位相で上下に屈曲振動する。なお、リード部２３１Ａ、２３１Ｂ間の距離ｄは、音叉型リード２３の固有振動波の波長より十分に短くされていることが好ましい。

圧電素子２４Ａ、２４Ｂは、同様な電気的特性を有するバイモルフ圧電素子であり、図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、対応するリード部２３１Ａ、２３１Ｂの表裏両面に固着されている。ただし、圧電素子２４Ａ、２４Ｂは、対応するリード部２３１Ａ、２３１Ｂの表面および裏面の一方に固着された、同様な電気的特性を有するユニモルフ圧電素子でもよい。

以上のような構成において、本実施の形態の発電装置２は、第一実施の形態の発電装置１と同様、以下に示すように、フリーリードの原理を利用して、風力から電力を取り出す。

すなわち、図２（Ｂ)、（Ｃ）に示すように、音叉型リード２３の上面（ベース１１の外面）に気体Ｆが当たると、窓２２Ａとリード部２３１Ａとの隙間、および窓２２Ｂとリード部２３１Ｂとの隙間から窓２２Ａ、２２Ｂ内に気体Ｆが流れ込む。

このとき、窓２２Ａ内を流れる気体Ｆの流速がリード部２３１Ａの上面側を流れる気体Ｆの流速より速くなって、窓２２Ａ内の気圧が下がり、リード部２３１Ａの上面側と窓２２Ａ内との間に圧力差が生じる。このため、リード部２３１Ａが窓２２Ａ内に吸い寄せられ、下方へ屈曲する。これにより、リード部２３１Ａの上面側と窓２２Ａ内との間の圧力差が解消され、リード部２３１Ａはその弾性により元の状態に戻る。

同様に、窓２２Ｂ内を流れる気体Ｆの流速がリード部２３１Ｂの上面側を流れる気体Ｆの流速より速くなって、窓２２Ｂ内の気圧が下がり、リード部２３１Ｂの上面側と窓２２Ｂ内との間に圧力差が生じる。このため、リード部２３１Ｂが窓２２Ｂ内に吸い寄せられ、下方へ屈曲する。これにより、リード部２３１Ｂの上面側と窓２２Ｂ内との間の圧力差が解消され、リード部２３１Ｂはその弾性により元の状態に戻る。

以上の動作を繰り返すことにより、音叉型リード２３は共振し、リード部２３１Ａ、２３１Ｂが、その固有振動数と略同一の振動数で、互いに逆位相で上下に屈曲振動する。圧電素子２４Ａ、２４Ｂは、対応するリード部２３１Ａ、２３１Ｂに加えられた振動エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する。

なお、本発明者等は、風の向きに対して、開口部２１１を風下側にして音叉型リード２３上面に風を斜めに当てたときに、最も効率よく風力から電力を取り出せることを見いだした。

ここで、リード部２３１Ａ、２３１Ｂは互いに逆位相で振動するので、同様な電気的特性を有する圧電素子２４Ａ、２４Ｂの出力波形も互いに逆位相となる。このため、圧電素子２４Ａ、２４Ｂ間を配線接続するだけで、圧電素子２４Ａ、２４Ｂのいずれか一方の出力波形の位相を反転させて、両者の位相を揃えることができ、交流のまま両者を加算することができる。

例えば、図３（Ａ）に示すように、圧電素子２４Ａの第一端子２４１と圧電素子２４Ｂの第二端子２４２とを接続するとともに、圧電素子２４Ａの第二端子２４２と圧電素子２４Ｂの第一端子２４１とを接続して、圧電素子２４Ｂを逆にして圧電素子２４Ａに並列接続させることにより、圧電素子単体の場合に比べて、負荷２５に、より大きな電流を供給できる。

また、図３（Ｂ）に示すように、圧電素子２４Ａの第二端子２４２と圧電素子２４Ｂの第二端子２４２とを接続して、圧電素子２４Ｂを逆にして圧電素子２４Ａに直列接続し、圧電素子２４Ａの第一端子２４１と圧電素子２４Ｂの第二端子２４２とを負荷２５に接続することにより、圧電素子単体の場合に比べて、負荷２５に、より大きな電圧を印加できる。

以上、本発明の第二実施の形態を説明した。

本実施の形態の発電装置２は、上述した第一実施の形態の発電装置１が有する効果に加えて、つぎの効果を有する。すなわち、音叉型リード２３を用いて共振させることにより、音叉型リード２３の振動に際しての重心移動が少なくなってより振動しやすくなり、かつ振動が継続するようになる。また、リード部２３１Ａ、２３１Ｂ間の距離ｄが音叉型リード２３の固有振動の波長より十分に短くされている場合、共振時にリード部２３１Ａ、２３１Ｂが互いに逆位相で振動するため、リード部２３１Ａ、２３１Ｂの屈曲によって生じる振動波が正帰還し、互いに他のリード部２３１Ｂ、２３１Ａの屈曲を付勢する。これにより、音叉型リード３３の振動が増幅する。したがって、第一実施の形態の発電装置１に比べ、同じ風力で、より大きな電力を継続して安定的に取り出すことができる。

また、本実施の形態の発電装置２は、共振時に互いに逆位相で振動するリード部２３１Ａ、２３１Ｂに、同じ電気的特性を有する圧電素子２４Ａ、２４Ｂを固着させ、圧電素子２４Ａ、２４Ｂのいずれか一方の出力波形の位相を反転させて、両者を直列接続または並列接続している。このように、交流のまま両者の電流または電圧を加算することにより、圧電素子２４Ａ、２４Ｂそれぞれの出力を整流してから加算する場合に比べて、部品点数を少なくすることができ、また電力ロスが低減する。

なお、本実施の形態では、並列された一対の窓２２Ａ、２２Ｂが形成された一枚のプレート２５に音叉型リード２３を固定しているが、本発明はこれに限定されない。音叉型リード２３のリード部２３１Ａ、２３１Ｂ毎にプレートを設けてもよい。例えば、第一実施の形態の発電装置１に用いたベース１１を二台用意し、これらのベース１１のプレート１５に音叉型リード２３を固定して、リード部２３１Ａ、２３１Ｂが、対応するプレート１５の窓１２内を自由の出入りできるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、図４（Ａ）に示すように、リード部２３１Ａ、２３１Ｂの表面（裏面）が同一平面上に位置する音叉型リード２３を用いているが、本発明はこれに限定されない。例えば、図５（Ａ）に示すように、リード部２３１Ａ、２３１Ｂの表面（裏面）が対向する音叉型リード２３Ａを用いてもよい。リード部２３１Ａ、２３１Ｂが共振時に互いに逆位相で振動するため、図４（Ａ）に示す音叉型リード２３では、図４（Ｂ）に示すように、軸φ周りの回転モーメントが発生するが、図５（Ａ）に示す音叉型リード２３Ａでは、図５（Ｂ)に示すように、軸φ周りの回転モーメントが発生しない。このため、図５（Ａ）に示す音叉型リード２３Ａによれば、ベースをより小さくできるなどの利点を有する。ただし、リード部２３１Ａ、２３１Ｂに当てる風の誘導に工夫が必要である。

また、本実施の形態では、図２（Ｂ)、（Ｃ）に示すように、気体Ｆが、リード部２３１Ａ、２３１Ｂの上面側（ベース２１の外部側）から、窓２２Ａ、２２Ｂの縁部とリード部２３１Ａ、２３１Ｂとの隙間を介してベース２１の内部に流れ込み、開口部２１１から排出される場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。気体Ｆが開口部２１１からベース２１の内部に流れ込むようにしてもよい。

この場合、プレート２５を裏返して、音叉型リード２３をベース２１の内部に配置すればよい。開口部２１１からベース２１の内部に流れ込んだ気体Ｆは、リード部２３１Ａ、２３１Ｂの上面に当たると、窓２２Ａ、２２Ｂの縁部とリード部２３１Ａ、２３１Ｂとの隙間から窓２２Ａ、２２Ｂ内に流れ込んでベース２１の外部に排出される。このとき、窓２２Ａ、２２Ｂ内を流れる気体Ｆの流速が、リード部２３１Ａ、２３１Ｂの上面側（ベース２１の内部）を流れる気体Ｆの流速よりも速くなって、窓２２Ａ、２２Ｂ内の気圧が下がり、リード部２３１Ａ、２３１Ｂの上面側（ベース２１の内部）と窓２２Ａ、２２Ｂ内との間に圧力差が生じる。このため、本実施の形態と同様に、音叉型リード２３は共振し、リード部２３１Ａ、２３１Ｂが、その固有振動数と略同一の振動数で、互いに逆位相で上下に屈曲振動する。

＜第三実施の形態＞
図６（Ａ）は、本発明の第三実施の形態に係る発電装置３の概略正面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す発電装置３のＡ−Ａ断面図であり、図６（Ｃ）は図６（Ａ）に示す発電装置３の右側面図である。

図示するように、発電装置３は、並列された一対の共鳴管３０Ａ、３０Ｂと、圧電素子３４Ａ、３４Ｂが固着された音叉型リード３３と、を有する。

共鳴管３０Ａ、３０Ｂは、一方の端部のみに開口部３０１Ａ、３０１Ｂが形成された閉管であり、隙間を介して開口部３０１Ａ、３０１Ｂが対向するように配置され、その結果、全体として、Ｕ字形状をなしている。共鳴管３０Ａ、３０Ｂの他方の端部（閉口端）側の上面には、音叉型リード３３を搭載するためのプレート部３１Ａ、３１Ｂが形成されている。

プレート部３１Ａ、３１Ｂは、図６（Ｂ）に示すように、共鳴管３０Ａ、３０Ｂの閉口端へ向けて下方に傾斜しており、音叉型リード３３の端部３３４Ａ、３３４Ｂとの間に隙間を形成する。ここで、振動していない状態における音叉型リード３３の端部３３４Ａ、３３４Ｂ（後述するリード部３３１Ａ、３３１Ｂの端部３３４Ａ、３３４Ｂ）からプレート部３１Ａ、３１Ｂの上面（気体Ｆが流れ込んでくる側の面）までの距離ｔは、利用する風の強さ応じて設定されていることが好ましい。例えば、風力が弱いときでも音叉型リード３３を振動させるために、距離ｔを音叉型リード３３の端部３３４Ａ、３３４Ｂの板厚程度にしてもよく、あるいは、風力が強いときに大きなエネルギーを取り出すために、距離ｔを大きくしてもよい。また、プレート部３１Ａ、３１Ｂには、それぞれが互いに平行となるように矩形の窓３２Ａ、３２Ｂが形成されている。窓３２Ａ、３２Ｂのサイズは、図６（Ａ）に示すように、窓３２Ａ、３２Ｂに面した音叉型リード３３（後述するリード部３３１Ａ、３３１Ｂ）に対して一回り大きく、窓３２Ａ、３２Ｂの縁と音叉型リード３３との間には、気体が通過するわずかな隙間が形成されている。

また、共鳴管３０Ａ、３０Ｂは、音叉型リード３３の共振振動数で共鳴し、この共鳴波を音叉型リード３３に正帰還させる長さ（例えば、音叉型リード３３の共振振動波形の１／４波長の長さ、共鳴管３０Ａ、３０Ｂ全体として、音叉型リード３３の共振振動波形の１／２波長の長さのＵ字形状）を有する。

音叉型リード３３は、窓３２Ａ、３２Ｂに対応するように並列された一対のリード部３３１Ａ、３３１Ｂと、リード部３３１Ａ、３３１Ｂを互いに連結するアーム部３３２と、アーム部３３２の中央部分に対して、リード部３３１Ａ、３３１Ｂが設けられている側とは反対側に設けられた取付部３３５と、を有する。

取付部３３５は、窓３２Ａ、３２Ｂに対して開口部３０１Ａ、３０１Ｂ側の位置でプレート部３１Ａ、３１Ｂの上面に固定されている。

リード部３３１Ａ、３３１Ｂは、それぞれ、板厚方向に屈曲振動可能な可撓性を有している。例えば、リード部３３１Ａ、３３１Ｂは、ＦＲＰ等で形成されたフレキシブルプリント基板であり、自身に固着された圧電素子３４Ａ、３４Ｂの出力端子（不図示）を有する。両リード部２３１Ａ、２３１Ｂの一方の端部３３３Ａ、３３３Ｂは、アーム部３３２に固定され、他方の端部３３４Ａ、３３４Ｂは、対応する窓３２Ａ、３２Ｂを自由に出入りできるように、窓３２Ａ、３２Ｂに面して位置付けられている。

また、リード部３３１Ａ、３３１Ｂは、同一の固有振動数を有しており、これらの端部３３３Ａ、３３３Ｂがアーム部３３２で互いに連結されることにより、音叉型リード３３は、この固有振動数と略同一の振動数で共振し、リード部２３１Ａ、２３１Ｂは、互いに逆位相で上下に屈曲振動する。

以上のような構成において、本実施の形態の発電装置３は、第一、第二実施の形態の発電装置１、２と同様、以下に示すように、フリーリードの原理を利用して、風力から電力を取り出す。

すなわち、リード部３３１Ａ、３３１Ｂの上面（窓３２Ａ、３２Ｂに対向する側の面と反対側の面）に気体を当てると、窓３２Ａの縁部とリード部３３１Ａとの隙間、および窓３２Ｂの縁部とリード部３３１Ｂとの隙間から、共鳴管３０Ａ、３０Ｂ内に気体が流れ込む。

このとき、窓３２Ａ内を流れる気体の流速が、リード部３３１Ａの上面側を流れる気体の流速より速くなって、窓３２Ａ内の気圧が下がり、リード部３３１Ａの上面側と窓３２Ａ内との間に圧力差が生じる。このため、リード部３３１Ａが、窓３２Ａ内に吸い寄せられ、下方へ屈曲する。これにより、リード部３３１Ａの上面側と窓３２Ａ内との間の圧力差が解消され、リード部３３１Ａはその弾性により元の状態に戻る。

同様に、窓３２Ｂ内を流れる気体の流速が、リード部３３１Ｂ上方を流れる気体の流速より速くなって、窓３２Ｂ内の気圧が下がり、リード部３３１Ｂの上面側と窓３２Ｂ内との間に圧力差が生じる。このため、リード部３３１Ｂが、窓３２Ｂ内に吸い寄せられ、下方へ屈曲する。これにより、リード部３３１Ｂの上面側と窓３２Ｂ内との間の圧力差が解消され、リード部３３１Ｂはその弾性により元の状態に戻る。

以上の動作を繰り返すことにより、音叉型リード３３は共振し、リード部３３１Ａ、３３１Ｂが、その固有振動数と略同一の振動数で、互いに逆位相で上下に屈曲振動する。また、共鳴管３０Ａ、３０Ｂは、音叉型リード３３の共振振動数で共鳴し、この共鳴波を音叉型リード３３に正帰還させることができる長さ（例えば音叉型リード３３の共振振動波形の１／４波長の長さ）を有するので、音叉型リード３３の一方のリード部３３１Ａ、３３１Ｂの振動波形が、１／２波長（位相１８０度）遅れで他方のリード部３３１Ｂ、３３１Ａに伝わり、共振時に互いに逆位相で振動するリード部３３１Ａ、３３１Ｂに正帰還として働いて、音叉型リード３３の共振振動波形を増幅させる。

圧電素子３４Ａ、３４Ｂは、対応するリード部３３１Ａ、３３１Ｂに加えられた振動エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する。

なお、本発明者等は、風の向きに対して、開口部３０１Ａ、３０１Ｂを風下側にして、音叉型リード３３に風を斜めに当てたときに、最も効率よく風力から電力を取り出せることを見いだした。

以上、本発明の第三実施の形態を説明した。

本実施の形態の発電装置３は、上述した第一、第二実施の形態の発電装置１、２が有する効果に加えて、つぎの効果を有する。すなわち、共鳴管３０Ａ、３０Ｂを介して、一方のリード部３３１Ａ、３３１Ｂの振動波形を他方のリード部３３１Ｂ、３３１Ａの振動波形に正帰還させることができるので、第一、第二実施の形態の発電装置１、２に比べ、リード部３３１Ａ、３３１Ｂの振動が減衰しにくく、同じ風力で、より大きな電力を継続して安定的に取り出すことができる。

なお、本実施の形態において、共鳴管３０Ａ、３０Ｂのそれぞれに、スライドして長さを調節する長さ調節機構３０２Ａ、３０２Ｂを設けてもよい。このようにすることで、様々な共振振動数の音叉型リード３３に対応することが可能となる。また、共鳴管３０Ａ、３０Ｂの一部を屈曲可能に構成し、共鳴管３０Ａ、３０Ｂの間に、アーム部３３２を固定するとともに、共鳴管３０Ａ、３０Ｂの閉口端部側の傾斜及び位置を調整可能に保持する台を設けることによって、プレート部３１Ａ、３１Ｂに対するリード部３３１Ａ、３３１Ｂの傾斜、および、窓３１Ａ、３１Ｂの縁部とリード部３３１Ａ、３３１Ｂとの隙間を調整可能としてもよい。

また、本実施の形態においても、第二実施の形態と同様に、音叉型リード３３を、リード部３３１Ａ、３３１Ｂの表面（裏面）が互いに対向するように形成してもよい。

１：発電装置、２：発電装置、３：発電装置、１１：ベース、１２：窓、１３：リード、１４：圧電素子、１５：プレート、２１：ベース、２２Ａ、２２Ｂ：窓、２３：音叉型リード、２３Ａ：音叉型リード、２４Ａ、２４Ｂ：圧電素子、２５：プレート、３０Ａ、３０Ｂ：共鳴管、３１Ａ、３１Ｂ：プレート部、３２Ａ、３２Ｂ：窓、３３：音叉型リード、３４Ａ、３４Ｂ：圧電素子、１１１：開口部、１３１：端部、１３２：端部、２１１：開口部、２３１Ａ、２３１Ｂ：リード部、２３２：アーム部、２３３Ａ、２３３Ｂ：端部、２３４Ａ、２３４Ｂ：端部、２３５：取付部、３０１Ａ、３０１Ｂ：開口部、３０２Ａ、３０２Ｂ：スライド部、３３１Ａ、３３１Ｂ：リード部、３３２：アーム部、３３３Ａ、３３３Ｂ：端部、３３４Ａ、３３４Ｂ：端部、３３５：取付部

Claims (6)

1. 風力を利用して発電する発電装置であって、
   窓が形成されたプレートと、
   一方の端部が前記プレートに固定され、前記風力により振動して、他方の端部が前記窓内を出入りするリードと、
   前記リードに固着された圧電素子と、を有する
   ことを特徴とする発電装置。
2. 請求項１に記載の発電装置であって、
   前記プレートには、一対の前記窓が並列して形成されており
   前記リードは、前記一対の窓に対応して配置された一対のリード部と、前記リード部各々の一方の端部を連結するアーム部と、前記アーム部に設けられ、前記プレートに固定された取付部と、を有し、前記風力により振動して、前記リード部各々の他方の端部が、対応する前記窓内を出入りする音叉型リードであり、
   前記圧電素子は、
   前記音叉型リードの前記リード部各々に固着されている
   ことを特徴とする発電装置。
3. 請求項２に記載の発電装置であって、
   前記一対の窓に対応するように配列された一対の共鳴管をさらに有し、
   前記共鳴管は、
   閉口端側の側面に、当該共鳴管に対応する前記窓を含む前記プレート部が形成され、かつ開口端が隙間を介して他方の前記共鳴管の開口端と対向する
   ことを特徴とする発電装置。
4. 請求項３に記載の発電装置であって、
   前記一対の共鳴管は、
   当該一対の共鳴管を介して、一方の前記リード部の振動波形を他方の前記リード部の振動波形に正帰還させる長さを有する
   ことを特徴とする発電装置。
5. 請求項２ないし４のいずれか一項に記載の発電装置であって、
   前記音叉型リードの前記リード部各々に固着されている一対の前記圧電素子は、
   一方の出力波形の位相を反転させるように直列もしくは並列に接続されている
   ことを特徴とする発電装置。
6. 風力を利用して発電する発電方法であって、
   前記風力により振動するフリーリードのリード部に固着された圧電素子により、当該リード部の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する
   ことを特徴とする発電方法。

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