JP3790255B1 - エネルギー変換装置並びにこれを備えた移動体及びエネルギー変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】 振動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エネルギー変換装置、を提供する。
【解決手段】 圧電板と補強板とを貼り合わせてなる圧電素子と、前記圧電素子を、2以上、その厚み方向で互いに接触しないように一定間隔で保持する第1の保持部材と、該圧電素子を、第1の保持部材で保持する部分以外で、その厚み方向で互いに接触しないように一定間隔で保持する第2の保持部材と、を有し、前記第2の保持部材を2以上に分割し、該2以上の圧電素子を２群に分割することとなる積層方向の間隙を設け、第2の保持部材に加えられる外力により、その間隙を積層方向に変位し、前記複数の圧電素子に変形が生ずることによって、前記圧電素子の厚み方向で相対的に変位した際に前記圧電素子が撓んで発電し、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、が提供される。
【選択図】 図1

Description

本発明は、振動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並びに、これを備えた移動体及びエネルギー変換システムに関する。

近年、二酸化炭素等による地球温暖化を抑制するために、自動車等の車両の分野では、基本的にバッテリーに蓄えられた電気により駆動モータを回転させるために、走行中の車両の運動エネルギーを駆動モータの駆動に利用することにより、バッテリーへの負担を軽減して、走行距離を伸ばす手段が検討されている（特開2001−55033号公報）。

車両の運動エネルギーを有効に活用する方法として、発明者らの未公開従前技術、例えば、特許出願1（特願2004−302974）があり、コイルと磁石を用いて電磁誘導によらず発電車両の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置、すなわちサスペンションで発電する装置がある。更に、クリーンなエネルギーを用いた発電方法として、装置の大型化を抑止し、電磁誘導発電によらず低コストで設置場所が制限される問題を解消した、発明者らの未公開特許出願２（特願2004−170371）がある。
特開2001−55033号公報

しかしながら、これら発明には、突発的な大きな変位に対して、保持部材から、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、未公開特許出願２では、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、外力を支持部から、スペーサ等を介して間接的に伝達するため、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、車両、構造物等の振動等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ことを目的とする。また、本発明はこのようなエネルギー変換装置を搭載した移動体および本装置を有するエネルギー変換システムを提供することを目的とする。

本発明の第1の観点によれば、圧電板と補強板とを貼り合わせてなる２以上の圧電素子と、
前記圧電素子を、その厚み方向で互いに接触しないように所定間隔で保持する第1の保持部材と、
該圧電素子を、第1の保持部材で保持する部分以外で、その厚み方向で互いに接触しないように所定間隔で保持する第2の保持部材と、
を有し、前記第2の保持部材を2以上に分割し、該2以上の圧電素子を2又は2群に分割することとなる積層方向の間隙を設け、第2の保持部材に加えられる外力により、その間隙を積層方向に変位し、更に、前記複数の圧電素子に変形が生ずることによって、前記圧電素子の厚み方向で相対的に変位した際に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、が提供される。

また、2以上に分割された前記第2の保持部材の前記間隙に予圧機構が装着され、外力が一定のとき、前記複数の圧電素子が静止状態で保持されて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、が提供される。

本発明の第2の観点によれば、
前記圧電板と前記補強板が略矩形状又は略扇形状であり、2以上に分割された前記第2の保持部材を円の中心に設置し、前記第1の保持部材を2以上、前記円の円周上に、前記圧電板を半径方向に配置したことを特徴とする請求項1又は2記載のエネルギー変換装置、が提供される。

本発明の第3の観点によれば、
前記発明において、更に前記複数の圧電素子の圧電板部分を第1保持部分と第2保持部分の中間で、隔離したことを特徴とするエネルギー変換装置が提供される。

本発明の第4の観点によれば、請求項1乃至4記載のエネルギー変換装置を備え、接地した回転体の回転により移動する移動体であって、
前記移動体はさらに、前記回転体と前記移動体の本体との間に設けられたサスペンションと、
前記移動体を駆動するための蓄電装置および電気装置と、
を具備し、前記エネルギー変換装置は前記回転体と前記移動体の本体との間において前記サスペンョンと直列または並列に設けられ、前記移動体が接地面上を移動する際に受ける振動のエネルギーを前記エネルギー変換装置によって電気エネルギーに変換し、得られた電気エネルギーが前記電気装置の駆動または前記蓄電装置への充電に用いられることを特徴とする移動体、が提供される。

更に、前記与圧機構を有する請求項2乃至4記載のエネルギー変換装置を備え、接地した回転体の回転により移動する移動体であって、前記回転体と前記移動体の本体との間に、前記エネルギー変換装置を有し、前記移動体が接地面上を移動する際に受ける振動のエネルギーを前記エネルギー変換装置によって電気エネルギーに変換し、得られた電気エネルギーが前記電気装置の駆動または前記蓄電装置への充電に用いられることを特徴とする移動体、が提供される。

本発明の第5の観点によれば、所定の構造物と、
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を支持するための力が変化した際に、その力の変化を利用して前記エネルギー変換装置と、を有する発電エネルギー変換システム、が提供される。

さらに、風力を受ける受風体と、前記受風体を保持する架線と、前記架線を支持し、前記受風体に風力が作用することによって前記架線に掛かる力が変化した際に、その力の変化を利用してエネルギー変換装置と、を有するエネルギー変換システム、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、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、支持部全体が移動するので、大きな変位に対しても、圧電素子が、支持部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、高集積化できる。支持部近辺の変位が少ないので、圧電素子端部での応力負担が軽く、長寿命である。

また、本発明に係るエネルギー変換装置を車両の足回りに搭載することにより、振動を効率よく電気エネルギーに変換することができ、請求項４の発明にあっては、圧電素子の変形による劣化がより軽減され、請求項５の発明にあっては、サスペンション等の仕様を変更する必要がなく、車両の制動にも悪影響を及ぼさない。また、本発明に係るエネルギー変換システムは、圧電素子の形状や数、圧電素子を構成する補強板の硬さを変更することにより、発電量を容易に設計することができる。

また、本発明システムでは、構造物に生ずる揺動や振動によって力が発生する部分に発電装置が配置されているために、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。また、発電装置を地中に埋設すること等できるために、外観や景観を損なうことなく、配置することができる利点もある。

図1ａにエネルギー変換装置100の概略構造を示す断面図を示す。図1ｂにエネルギー変換装置100の概略平面図を示す。矩形状の圧電素子13の一端が第一の保持部20に固着されている。他の一端が、第2の保持部30に固着されている。第2の保持部30は、その中間部分が間隙であり、上の第2保持部の上部及び下の第2保持部の下部には、連結部40、41が装着されている。図1aでは、間隙部に与圧バネ50を装着している例である。

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保持部と、第２保持部と、連結部から構成される。さらに第1保持部は、複数の圧電素子13をその厚み方向（図1において、Z方向）に一定間隔で保持することができるように、圧電素子の端部に取り付けられた矩形状のスペーサ21と、支持部（上）22、支持部（下）23、上下支持部間固定部24、第１支持部全体の結合部品25と、から構成される。第２保持部30にあっては、第1保持部と対応するが、これと比較して、上下支持部間固定部24に相当するものが無く、上下支持部の結合部品35とスペーサ31から構成され、これに連結部40が結合される。また、上下支持部間固定部24に替えて、連結部40,41に所定の力が加わったとき、圧電素子が静止するように、前記間隙に予圧機構50が装着されている。

圧電板11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、圧電板は、ほぼ中央部で２分割されている。圧電板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、分割部分でプラス、マイナスが逆方向である。また、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保持部20は、支持部22、23と、スペーサ21、固定部24を含み、例えば、ボルト締めによる結合部25により一体化される。

第２保持部30は、上部支持部32と、スペーサ31、下部支持部33、を含み、例えば、ボルトである結合部35により、一体化される。図1aでは、スペーサ31の間にリングを入れて、圧電素子13に過大な負荷がかかるのを避ける構造としている。第１保持部の固定部24に対応する部分は、第2保持部においては、空隙となるか、与圧機構50を挿入する。

スペーサ21・31の端部は、第１保持部では、圧電素子13の圧電セラミックス部分を噛みこむようにその長さを調節する。その変形時の応力緩和のために、楕円弧状の切り欠きを支持部20・23及びスペーサ21に入れることも望ましい。該切り欠きは、圧電素子13の変形時に保持されている圧電素子端部に応力集中するのを防ぐのに役立つからである。第２保持部でも楕円弧状の切り欠きを支持部32・33及びスペーサ31に入れることも望ましい。圧電素子の圧電セラミックス部分に連結部からの力が直接負荷されないように、第２保持部の上部支持部とスペーサ間隔、隣り合うスペーサ間隔、スペーサと下部支持部の間隔をほぼ一定に保つよう、剛性が高く、変形しにくいリングをボルト周囲に置くことも好ましい。スペーサ31は連結部40、41から圧電素子13を撓ませるための過度の力が加わり、その力によって圧電素子13が破壊しないようにするためである。

また、スペーサ21・31の厚さは、複数の圧電素子13を保持部材に一定間隔で配置した際に、1つの圧電素子に設けられたスペーサと対面する圧電素子の補強板との問に僅かな隙問が形成されるか、または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ように、定められることができる。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。スペーサ21、31の材質は、図1aに示されるように複数の圧電素子13を一定間隔で配置した際に、隣接する圧電素子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。

連結部材40・41は、空隙がZ方向に可動に設置されている。また、予圧機構50は、バネ51と、バネ51を保持するために結合部端に設けられた当接部材52から構成されており、バネが上下方向に上下保持部に予圧を加えている。

仮に、予圧機構50がなく、第２支持部間に空隙があるとき、これに圧縮力が加われば、上部支持部の圧電素子13は−Z方向に、同時に下部支持部の圧電素子13は＋Z方向に一定の力が加わる。この結果、全ての圧電素子13がＳ字状に撓もうとする。また、下部支持部の圧電素子13は、反Ｓ字状（Ｓ字を裏返した形）に撓もうとする。

そこで、エネルギー変換装置100は、予圧機構50よる予圧によって圧電素子13が撓むことのないように、与圧機構が圧電素子11に方向に一定の予圧を加えた状態となるように、所定の場所に配置することが好ましい。つまり、与圧機構50は圧電素子13に変位を生じない、いわばニュートラル状態に保つように、設置される。また、前述の通り、本発明に係る圧電素子の端部を保持する支持部、スペーサは、圧電板及び圧電板の変形を緩和するため、テーパーが設けられているときは、さらに圧電素子端部の劣化を防ぐことができる。

図1に例示されたエネルギー変換装置100では、外力が、連結部40を通して、第2保持部30に作用し、第1保持部20とで保持される圧電素子13がニュートラル状態から、圧縮時には、上部群の圧電素子が揃ってＳ字状に下部群の圧電素子が揃って反Ｓ字状に変位することによって、発電させる。図2にエネルギー変換装置100の駆動態様を示す断面図を模式的に示し、図3にエネルギー変換装置100から電気エネルギーを回収するための回路構成図を示す。

図2に示されるように、例えば、連結部40に−Z方向の力が加わり、連結部41に＋Z方向の力が加わると、バネ51は縮んで、第2保持部上部の一群の圧電素子13がＳ字状となるように撓む。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、右側の圧電素子が上に凸に、左側の圧電素子が下に凸に撓むことをいう。一方、第2保持部下部の一群の圧電素子11が反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、右側の圧電素子が下に凸に、左側の圧電素子が上に凸に、Ｓ字を裏がえした形に撓むことをいう。

また、連結部40に＋Z方向の力が加わり、連結部41に−Z方向の力が加わるとバネ50は伸びて、第2保持部上部の一群の圧電素子11が反Ｓ字状となるように撓む。一方、第2保持部下部の一群の圧電素子11がＳ字状となるように撓む。したがって、連結部にZ方向の振動が加わると、圧電素子11が、変形する撓み振動を繰り返し、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、起電力の正負は、補強板側では同じで、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。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、逆となり、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。

従って、この起電力を図3に例示するように、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3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、または直接に「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、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。

なお、図2に示す外力に対する圧電素子13の変形に伴い、第1保持部は、第2部保持部に対して、外力が圧縮力のときは近づき、外力が引張り力のときは遠くなる運動をする。このとき、ガイドレール60を設け、第1保持部の外力に応じた左右の往復運動をガイドし、外力によるエネルギーを効率よく、圧電素子13に伝達することもできる。ガイドレール60は、第1保持部の圧電素子の伸縮方向に対する直角方向（Y軸方向）の横ぶれ運動を制御する目的でも使用される。また、第1保持部の圧電素子の伸縮方向（Z軸方向）の縦ぶれを制御することができる。ガイドレール60は、防水ボックス61に固定し防水ボックス61の位置制御をおこなうことで、間接的に圧電素子の横ぶれを制御しても良い。

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、群ごとに＋Z方向または−Z方向に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、S字状及び反S字状の変形が対称性をたもって行われるときは、図3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を用いることによって、小型化が容易である。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ので、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、連結部40・41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。

連結部材40・41、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、公共施設等に設けられる大型構造物を支持する場合には、連結部材、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保持部の上下支持部、スペーサ部に、連結部分から一定の力が加わる。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。連結部材には、保持部材と同等の材料を用いることができる。

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、保持部20・30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。

図2に、連結部40,41に圧縮力が加えられたときの圧電素子13の変形を模式的に示す。一枚の補強板12上の圧電素子は、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字状変形（又は、反Ｓ字状変形）による撓みによって、起電力の正負は、補強板側では、逆で、また、圧電セラミックス単独面側でも逆となる。

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って、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。従って、この起電力を当該起電力の正負を考慮した結線で取り出すことができる。

こうして圧電素子から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3に示されるように、これを整流回路で直流電力に変換し、コンデンサや二次電池等の蓄電装置に充電するか、または直接に負荷に供給して負荷を駆動することができる。または、圧電素子毎の整流回路を入れることにより、或いは、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。

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。

別のエネルギー変換装置の実施形態について説明する。図4にエネルギー変換装置200の概略構造を示す平面図を示す。このエネルギー変換装置200は、第2保持部30を円の中心に、円周に向けた半径方向に、圧電素子13を配する。たとえば、放射線状に8個の第1保持部を配し、圧電素子13を前記第1保持部とで保持する。第2の保持部30に加えられる外力により、その間隙を変位し、前記8個の第1の保持部20と一定問隔で保持された複数の圧電素子13に変形が生ずることによって、前記圧電素子が、厚み方向で相対的に変位した際に前記圧電素子が撓んで発電し、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、が提供される。

第2保持部30の上下支持部、スペーサは、円形または、正八角形の正多角形とすると、組み立てに好都合である。固定する圧電素子は、必要に応じて、その端部を第2保持部の構成物とのかみ合わせを良好とするために、圧電板、補強板の角取りをしても良い。その中心線における側面の断面は、図1aとほぼ同じである。この実施形態のエネルギー変換装置では、外力を八方に配された複数の圧電素子に伝達可能である。同一変位ならば、約８倍の起電力と電流を得ることができることとなる。圧電素子の変位による、第１保持部の中心に対する移動も八方の放射線に対して対称に行われることとなり、各圧電素子の変形に偏りがなく、一部に応力集中がおきないので、堅牢であり、高寿命化が計れる。

また、エネルギー変換装置100では、圧電素子13として、補強板12の一方の面に圧電板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。このような圧電素子の設計は、エネルギー変換装置200を構成する圧電素子13にも同様に適用することができることは言うまでもない。

次に上述したエネルギー変換装置100を備え、接地した回転体の回転により移動する移動体について、図5に示す模式図を参照しながら説明する。移動体70は、接地した回転体71（自動車、二輪車等のタイヤ、電車等の車輪等）と、回転体71と移動体70の本体（ボディ）70aとの間に設けられたサスペンション72と、移動体70を駆動するための蓄電装置および電気装置と、を具備している。

図5では、エネルギー変換装置100は、回転体71と移動体70の本体70aとの間に設けられるサスペンション72と並列に配設されている。これは、一般的な車両にはエネルギー変換装置100のような発電装置は取り付けられておらず、サスペンションはその状態で車両を最適な状態に制動することができるように設計されているために、サスペンション72と並列にエネルギー変換装置100を配設し、エネルギー変換装置100の保持部材と連結部材40、41とがサスペンション72の動きを妨げないように相対変位するように圧電素子10の撓みやすさを設計しておけば、サスペンション72の設計を変更せずに移動体70を適切に制動することができ、しかも既存の車両に搭載することができ、また新車販売時にはオプションとして取り付けることができる等のメリットがあるからである。図5におけるように第１保持部をガイドするガイドレールを設けるときは、ニュートラル状態では、圧電素子13の変形がおきないように、防水ボックスの自重による効果を消去できるように、防水ボックス自体をばね等で支持することも好ましい。

サスペンション72は、通常、振動を吸収するための振動体であるバネと、バネの伸縮を調整する油圧シリンダーから構成される。移動体70が走行すると、路面の凹凸等に起因する振動がサスペンション72とエネルギー変換装置100に加わり、その振動はサスペンション72によって適切に減衰されて移動体70の走行状態が良好に確保され、サスペンション72の動きに追従してエネルギー変換装置100では連結部材40、41と保持部材20・30とが相対的に変位して、圧電素子13が撓み、発電する。エネルギー変換装置100の移動体70への取り付けは、上述した通りのサスペンションと並列に配設する形態に限定されるものではなく、図に示すように、エネルギー変換装置100は、回転体71と移動体70の本体70aとの問に設けられるサスペンション72と直列に配設することもできる。また、与圧装置50自体をサスペンションとしてもよい。この場合、サスペンションの弾性体部分を、与圧装置のバネと置換された形態となる。本発明が、サスペンションの役割を含むものとなる。

エネルギー変換装置100から取り出された電気エネルギーは、バッテリーやコンデンサ等の蓄電装置の充電に用いられ、または電気装置の駆動に用いられる。例えば、移動体70が、自動車であるとしたならば、電気装置としては、ウインカーランプ、ストップランプ、ヘッドライト、テールライト、ワイパー、パワーウインドウ、カーナピゲーションシステム、オーディオ等が挙げられ、移動体70がハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池自動車であれば、さらに、走行のための電気モータが挙げられる。また、移動体70が電車等の車両であれば、電気装置として、車内表示板（停車駅案内、車内広告用液晶画面等）等が挙げられる。

このような移動体70では、蓄電装置への負担を軽減することができるので、バッテリーとしてより小型のものを搭載することができるようになる。また、蓄電装置が鉛蓄電池等の比重の大きい二次電池の場合には、小型の鉛蓄電池を搭載することによって化石燃料の燃費を高めることができ、電気自動車では1回の充電あたりの走行距離を伸ばすことができ、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車でも、燃料を満タンとした場合の走行距離を伸ばすことができる。

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では、圧電素子13を直列に配置されているが、圧電素子13を並列に配置した構造としてもよく、さらに直並列に配置した構造としてもよい。

更に、図面を参照しながら本発明の構造物への実施の形態について詳細に説明する。図6は本発明の構造物への実施形態である発電システム300の概略構成を示す説明図である。発電システム300は、構造物と、構造物を支持する機能を備えた発電装置100から構成されている。

次に、架橋である発電システム300における本発明の使用態様について説明する。図６では、発電装置100を含む構造物に自然の力が作用することによって構造物を支持するための力が変化した際に、その力の変化を利用して発電が行われる。発電装置100は、圧電素子13がZ方向に所定間隔で並べられた集積構造を有していて、その屈曲形状がＳ字であるという特徴があるために、コンパクトでありながら大きな電気エネルギーを得ることができる。また、応力が、圧電素子に均一に伝えられ、圧電素子端部での変形が小さく、応力集中の発生が抑制されるために、長寿命であり、発電装置100が地中に埋設されていれば、構造物の外観を損なうことがない。

図6の架橋は、概略、道路部（鉄道等敷設を含む）81と、支柱82と、支柱に掛けられた主ワイヤー83と、主ワイヤー83と道路部とを連結する副ワイヤー84とを有している。発電装置100の構造は先に図１、2等を参照しながら説明した通りである。発電装置100は防水ボックスに収容され、この防水ボックスが道路部または、ワイヤー中間部に挿入され、発電システム300を構成する連結部材40、41が主ワイヤー83および副ワイヤー84に接続される。

このような発電装置100の使用態様では、風によって架橋300の各部が揺れることにより、また車両が道路部81を通過することにより、主ワイヤー83および副ワイヤー84にこれらを引っ張ったり撓ませたりする力が発生する。発電装置100では、こうして主ワイヤー83および副ワイヤー84に掛かる力の変化を利用して、発電装置100を構成する圧電素子13を撓ませて発電させる。

次に、本発明の発電装置の別の実施形態について説明する。図7は発電システム400の実施形態の概略構成を示す説明図である。発電装置200は、免震構造を有する家屋に取り付けられた水平可動部と免震台座の突起部の間に図示する位置（白抜両矢印部）に装着されている。発電装置は、図1aにおいて、連結部が左右に振動するように、９０度回転した形態で横向きに設置されている。与圧機構はなく、空隙のある発電装置を使用している。

例えば、地震の横波による横揺れで免震台座がゆれると、与圧機構のない発電装置は、台座からの水平方向の振動を家屋に伝えることが少なく、車輪を取り付けられ、水平方向可動に建設された家屋85は、横波に対して大きく揺れることなく、ほぼその場にとどまり、免震台座86のみが、左右に揺動することとなる。従って、図示された発電装置200は、水平稼動部と前記突起部にはさまれて、左右に伸縮を繰り返す。この結果、発電装置においては、図2等の圧電板の変形がおこり、起電力が得られることとなる。

次に、本発明の発電システムの別の実施形態について説明する。図8は発電システムの概略構成を示す説明図である。発電装置100又は発電装置200は、支柱91と、支柱91に懸架された主架線92aと、主架線92aから吊り下げられた副架線92bと、風力を受ける受風体93と、主架線92aおよび副架線92bを支持する複数の発電装置100と、を有している。
図8中の黒塗り四角が発電装置の設置位置例を示すが、当然、発電装置は発電装置100でもよいし、発電装置200でも良い。

受風体93の例としては、旗や風車等が挙げられる。受風体93は主架線92aおよび副架線92bに取り付けられているが、主架線92aまたは副架線92bのいずれか一方にのみ取り付けられていてもよい。この発電装置100では、受風体93に風力が作用することによって主架線92aおよび副架線92bに掛かる力が変化した際に、その力の変化を利用して発電装置100の圧電素子13を撓ませて発電させることができる。

さらに、図9に示すように、電車の車台部分と車両部分の間に本発電装置を装着し、発電システムとすることができる。更にまた、図10示すように、高速道路の道路本体部分と橋脚部分の間に本発電装置を装着して、発電システムとすることができる。

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、自動車や電車等の車両の足回りに装着する発電装置及び橋梁、家屋等構造体からの振動エネルギー等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断面図(a)及び平面図(b)。 図1に示すエネルギー変換装置の駆動態様を模式的に示す断面図。 図1に示すエネルギー変換装置から電気エネルギーを回収するための回路を例示する構成図。 本発明に係る別のエネルギー変換装置の概略構造を示す断面図。 図1に示すエネルギー変換装置を備えた移動体の概略構成を示す模式図。 本発明に係る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。 本発明に係るさらに更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。 本発明に係るさらに更に更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；エネルギー変換装置
300・400・500；エネルギー変換システム
11；圧電板
12；補強板
13・13a・13b；圧電素子
20；第1保持部
30；第2保持部
21・31；スペーサ
22・32；支持部（上）
23・33；支持部（下）
24；固定部
25.35；ボルト締めによる結合部
40・41；連結部（上、下）
50；与圧機構
51；バネ
52；当接部材
60；ガイドレール
61；防水ボックス
70；移動体
70a;移動体本体
71；車輪
72；サスペンジョン
81；道路部
82；支柱
83；主ワイヤー
84；副ワイヤー
85；家本体部
86；免振台座
91；支柱
92a；主架線
92b；副架線
93；受風体

Claims (10)

1. 圧電板と補強板とを有する略矩形状又は略扇形状圧電素子であって、前記補強板の長手方向又は半径方向に沿って、その厚み方向の分極の正負が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又は半径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又は半径方向の別の一端を保持する第２の保持部材と、
   を有し、
   第2の保持部材に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。
2. 複数の請求項1記載のエネルギー変換装置を、前記圧電素子の厚み方向に積層し、
   その厚み方向で互いに複数の前記圧電板が接触しないように長手方向又は半径方向の一端を第１の保持部材で、統合保持し、
   更に、その厚み方向で複数の前記圧電板が互いに接触しないように長手方向又は半径方向の別の一端を第２の保持部材で、統合保持し、
   第2の保持部材に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。
3. 前記統合保持する第2の保持部材を円の中心に配置し、前記統合保持する第1の保持部材を前記円の円周上に2以上配置し、厚み方向に積層された前記補強板を半径方向に配置するように、前記第2の保持部材ですべての圧電素子を保持した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. 前記統合保持する第2の保持部材を、２以上に分割し、前記複数の圧電素子を2又は2群に分割することとなる積層方向の間隙を設け、第2の保持部材に加えられる外力により、その間隙を積層方向に変位し、更に、前記複数の圧電素子に変形が生ずることによって、前記圧電素子の厚み方向で相対的に変位した際に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請求項2乃至３記載のエネルギー変換装置
5. 前記統合保持する第2の保持部材の前記間隙に予圧機構が装着され、前記複数の圧電素子が静止状態で保持されていることを特徴とする請求項4記載のエネルギー変換装置。
6. 前記複数の圧電素子の前記圧電板を、第1保持部材と第2保持部材の中間で、その厚み方向の分極の正負が逆方向となるように二分される境界に合わせて、隔離したことを特徴とする請求項1乃至5記載のエネルギー変換装置。
7. 請求項4乃至6記載のエネルギー変換装置を備え、接地した回転体の回転により移動する移動体であって、
   前記移動体はさらに、前記回転体と前記移動体の本体との間に設けられたサスペンションと、
   前記移動体を駆動するための蓄電装置および電気装置と、
   を具備し、前記エネルギー変換装置は前記回転体と前記移動体の本体との間において前記サスペンョンと直列または並列に設けられ、前記移動体が接地面上を移動する際に受ける振動のエネルギーを前記エネルギー変換装置によって電気エネルギーに変換し、得られた電気エネルギーが前記電気装置の駆動または前記蓄電装置への充電に用いられることを特徴とする移動体。
8. 前記与圧機構を有する請求項４乃至6記載のエネルギー変換装置を備え、接地した回転体の回転により移動する移動体であって、前記回転体と前記移動体の本体との間に、前記エネルギー変換装置を有し、前記移動体が接地面上を移動する際に受ける振動のエネルギーを前記エネルギー変換装置によって電気エネルギーに変換し、得られた電気エネルギーが前記電気装置の駆動または前記蓄電装置への充電に用いられることを特徴とする移動体。
9. 所定の構造物と、
   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を支持するための力が変化した際に、その力の変化を利用して発電する前記請求項1乃至6記載のエネルギー変換装置と、
   を有する発電エネルギー変換システム。
10. 風力を受ける受風体と、
    前記受風体を保持する架線と、
    前記架線を支持し、前記受風体に風力が作用することによって前記架線に掛かる力が変化した際に、その力の変化を利用して発電する前記請求項1乃至6記載のエネルギー変換装置と、
    を有するエネルギー変換システム。

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