JP5396883B2

JP5396883B2 - 発電装置

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Publication number: JP5396883B2
Application number: JP2009015051A
Authority: JP
Inventors: 晴夫小野
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2029-01-27
Also published as: JP2010177236A

Description

本発明は、振動変位に応じて圧電発電する発電装置に関する。

振動エネルギーを有効に利用して発電する技術が各種開発されている。例えば特許文献１には、浮力材内部に圧電膜を設けたマット状の可撓性発電装置浮体を波浪海面に浮揚係止し、海面の波浪により可撓性発電装置浮体が変形することで、それに応じて圧電膜がピエゾ効果により圧電発電する装置が開示されている。

特開平６−３３６７１６号公報

上記特許文献１に開示の発電装置は、単に波浪の上下変位を用いて圧電発電するだけなので、３軸成分（前後方向、左右方向および上下方向）の振動変位をそれぞれ利用した効率的な圧電圧電を行うことが出来ない、という問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、３軸成分（前後方向、左右方向および上下方向）の振動変位をそれぞれ利用した効率的な圧電発電を行うことができる発電装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、容器状の筐体内部に錘体を懸架する複数の圧電素子モジュールが、当該筐体に加えられる３軸成分の振動に応じた撓み変化を生じて圧電発電する第１の圧電発電手段と、前記錘体の内部に設けられた複数の圧電素子モジュールが、当該錘体の動きに応じた撓み変化を生じて圧電発電する第２の圧電発電手段とを具備し、前記第１の圧電発電手段は、一端側が筐体の上部枠体各縁に支持固定され、他端側が錘体の上部各縁に可動自在に係止され、逆U字状に湾曲した形で筐体内部に錘体を懸架する複数の圧電素子モジュールを備えることを特徴とする。

上記請求項１に従属する請求項２記載の発明では、前記第２の圧電発電手段は、容器状の錘体の内部に複数の圧電素子モジュールと作動流体とを備え、錘体の動きに応じて作動流体が各圧電素子モジュールに撓み変化を与えることを特徴とする。

また上記目的を達成するため、請求項３に記載の発明では、容器状の筐体内部に錘体を懸架する複数の圧電素子モジュールが、当該筐体に加えられる３軸成分の振動に応じた撓み変化を生じて圧電発電する第１の圧電発電手段と、前記錘体の内部に設けられた複数の圧電素子モジュールが、当該錘体の動きに応じた撓み変化を生じて圧電発電する第２の圧電発電手段とを具備し、前記第２の圧電発電手段は、少なくとも、錘体の内部底面の対角線上に対向配置される第１〜第４の圧電素子モジュールと、錘体の内壁側面周囲に所定の撓みを与えて貼設される第５の圧電素子モジュールとを備えることを特徴とする。

上記請求項３に従属する請求項４に記載の発明では、前記第１〜第４の圧電素子モジュールは、基端側が錘体の内部底面に支持固定され、先端側近傍にバランスウェイトを備えた長方形状を為して立設されることを特徴とする。

本発明では、３軸成分（前後方向、左右方向および上下方向）の振動変位をそれぞれ利用した効率的な圧電発電を行うことができる。

実施の一形態による発電装置の全体構造を示す上面および断面図である。圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄの形状および取り付け構造を示す断面図である。第１圧電発電ユニット（圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄ）の発電原理を説明するための図である。第１圧電発電ユニット（圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄ）の発電原理を説明するための図である。第１圧電発電ユニット（圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄ）の発電原理を説明するための図である。第１圧電発電ユニット（圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄ）の発電原理を説明するための図である。錘体２０の内部構造を示す断面図である。第２圧電発電ユニット（圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｅ）の発電原理を説明するための図である。第２圧電発電ユニット（圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｅ）の発電原理を説明するための図である。第２圧電発電ユニット（圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｅ）の発電原理を説明するための図である。第２圧電発電ユニット（圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｅ）の発電原理を説明するための図である。第２圧電発電ユニット（圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｅ）の発電原理を説明するための図である。回路部８０の構成を示すブロック図である。錘体２０の圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｄの配置の一例を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は実施の一形態による発電装置の全体構造を示す上面および断面図である。この図に示す発電装置は、後述する圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄから構成される第１圧電発電ユニットと、後述する圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｅから構成される第２圧電発電ユニットとを備えて３軸成分（前後方向、左右方向および上下方向）の振動変位に応じて圧電発電する。

一つの圧電素子モジュール３０は、可撓性を有する屈曲自在な基材に圧電素子（例えばプラスチックＰＶＤＦ）を一体形成した構造を有する。こうした構造の圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄは、図１の断面図に図示するように、逆Ｕ字状に湾曲した形で容器形状のケーシング１０の内部に錘体２０を懸架する。圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄは、図２（ｂ）に図示するように、基端側に電極（不図示）を有し、他端側に貫通孔ＴＨが穿設される長方形状を為している。なお、錘体２０は、後述する圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｅから構成される第２圧電発電ユニットを備える。

図２（ａ）に図示するように、圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄの基端側の電極（不図示）は、ケーシング１０の上部枠体各縁に支持固定され、他端側は上記の貫通孔ＴＨを介して締結部４０によって錘体２０の上部各縁に可動自在に係止される。すなわち、貫通孔ＴＨに貫装される締結部４０の締結ピン（不図示）が当該貫通孔ＴＨの左端又は右端に内接するまでのストローク範囲で圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄの基端側は錘体２０の上部各縁に沿って左右方向へ可動自在となっている。このような圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄから構成される第１圧電発電ユニットは、ケーシング１０に加わる振動変位に応じて圧電発電する。以下では、図３〜図６を参照して第１圧電発電ユニットの発電原理について説明する。

＜低周波で振幅の大きい振動変位が左右方向／前後方向に加えられた場合＞
図３（ａ）は、ケーシング１０に左方向（−Ｘ方向）の振動変位が加えられた状態を示す図である。低周波で振幅の大きい振動変位によってケーシング１０が左方向（−Ｘ方向）に変位すると、錘体２０は相対的に右方向（＋Ｘ方向）へ移動する。この為、圧電素子モジュール３０ａの撓みが減る一方で圧電素子モジュール３０ｂの撓みが増す。これにより、圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｂでは、撓み変化に応じたピエゾ効果に基づく起電力を発生する。なお、圧電素子モジュール３０ｃ〜３０ｄでは、錘体２０の上部各縁に対して可動自在なので、撓み変化が無く起電力を発生しない。

図３（ｂ）は、ケーシング１０に右方向（＋Ｘ方向）の振動変位が加えられた状態を示す図である。この場合には、ケーシング１０が右方向（＋Ｘ方向）に変位するので、錘体２０は相対的に左方向（−Ｘ方向）へ移動する結果、圧電素子モジュール３０ａの撓みが増す一方で圧電素子モジュール３０ｂの撓みが減り、こうした撓み変化に応じて圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｂが起電力を発生する。この場合も圧電素子モジュール３０ｃ〜３０ｄは撓み変化が無く起電力を発生しない。

図４（ａ）は、ケーシング１０に前方向（−Ｙ方向）の振動変位が加えられた状態を示す図である。この場合には、ケーシング１０が前方向（−Ｙ方向）に変位するので、錘体２０は相対的に後方向（＋Ｙ方向）へ移動する結果、圧電素子モジュール３０ｄの撓みが増す一方で圧電素子モジュール３０ｃの撓みが減り、こうした撓み変化に応じて圧電素子モジュール３０ｃ〜３０ｄが起電力を発生する。圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｂは撓み変化が無く起電力を発生しない。

図４（ｂ）は、ケーシング１０に後方向（＋Ｙ方向）の振動変位が加えられた状態を示す図である。この場合には、ケーシング１０が後方向（＋Ｙ方向）に変位するから錘体２０は相対的に前方向（−Ｙ方向）へ移動する結果、圧電素子モジュール３０ｃの撓みが増す一方で圧電素子モジュール３０ｄの撓みが減り、こうした撓み変化に応じて圧電素子モジュール３０ｃ〜３０ｄが起電力を発生する。圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｂは撓み変化が無く起電力を発生しない。

＜低周波で振幅の大きい振動変位が上下方向に加えられた場合＞
加振されていない状態では、図５（ａ）に図示する通り、圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄは、逆Ｕ字状に湾曲した形でケーシング１０の内部に錘体２０を懸架している。この状態でケーシング１０に上方向（＋Ｚ方向）の振動変位が加えられた場合には、図５（ｂ）に図示するように、ケーシング１０が上方向（＋Ｚ方向）に変位する為、錘体２０は相対的に下降する。

これにより、圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄの各撓みが変化し、それに応じて圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄが各々起電力を発生する。これに対し、ケーシング１０に下方向（−Ｚ方向）の振動変位が加えられると、図５（ｃ）に図示するように、ケーシング１０が下方向（−Ｚ方向）に変位する為、錘体２０は相対的に上昇する結果、圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄの各撓みが変化し、それに応じて圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄが各々起電力を発生する。

＜高周波で振幅の小さい振動変位が左右方向（前後方向）に加えられた場合＞
加振されていない状態では、図６（ａ）に図示する通り、圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄは、逆Ｕ字状に湾曲した形でケーシング１０の内部に錘体２０を懸架しているが、この状態からケーシング１０が小刻みに左右方向に揺すられる場合、つまり高周波で振幅の小さい振動変位が左右方向に加えられると、図６（ｂ）、（ｃ）に図示する通り、錘体２０は傾斜しながら左方または右方へ変位する。

例えばケーシング１０が左方向に揺すられると、図６（ｂ）に図示するように、錘体２０は右方向（＋Ｘ方向）に傾ぎながら変位する。この結果、圧電素子モジュール３０ａの撓みが減る一方で圧電素子モジュール３０ｂの撓みが増し、この撓み変化に応じて圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｂが起電力を発生する。なお、圧電素子モジュール３０ｃ〜３０ｄでは、錘体２０の上部各縁に対して可動自在なので、撓み変化が無く起電力を発生しない。

一方、例えばケーシング１０が右方向に揺すられると、図６（ｃ）に図示するように、錘体２０は左方向（−Ｘ方向）に傾ぎながら変位する。この場合、圧電素子モジュール３０ａの撓みが増す一方で圧電素子モジュール３０ｂの撓みが減り、この撓み変化に応じて圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｂが起電力を発生する。なお、圧電素子モジュール３０ｃ〜３０ｄでは、錘体２０の上部各縁に対して可動自在なので、撓み変化が無く起電力を発生しない。

図示していないが、ケーシング１０が小刻みに前後方向に揺すられる場合も上述と同様でる。すなわち、ケーシング１０が後方向に揺すられると、錘体２０は前方向（＋Ｙ方向）に傾ぎながら変位する為、圧電素子モジュール３０ｃの撓みが減る一方で圧電素子モジュール３０ｄの撓みが増し、この撓み変化に応じて圧電素子モジュール３０ｃ〜３０ｄが起電力を発生する。

一方、ケーシング１０が前方向に揺すられると、錘体２０は後方向（−Ｙ方向）に傾ぎながら変位する為、圧電素子モジュール３０ｄの撓みが増す一方で圧電素子モジュール３０ｃの撓みが減り、この撓み変化に応じて圧電素子モジュール３０ｃ〜３０ｄが起電力を発生する。なお、圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｂでは、錘体２０の上部各縁に対して可動自在なので、撓み変化が無く起電力を発生しない。

次に、図７を参照して錘体２０の内部構造を説明する。図７は錘体２０の内部構造を示す断面図である。この図に示すように、略立方容器状の錘体２０は、その内部に圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｅから構成される第２圧電発電ユニットと作動流体７０とを備える。錘体２０の内部に配設される圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｅは、上述した第１圧電発電ユニットの圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄと同様、可撓性を有する屈曲自在な基材に圧電素子（例えばプラスチックＰＶＤＦ）を一体形成した構造を有し、撓み変化に応じたピエゾ効果に基づく起電力を発生する。

錘体２０の底面の対角線上に対向配置される圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｄは、底面の支持固定される基端Ｂ側に電極（不図示）を有し、先端側近傍に２つのバランスウェイト６０を備えた長方形状を為して立設される。圧電素子モジュール５０ｅは、錘体２０の内壁側面周囲に所定の撓みを与えて貼設される。作動流体７０は、錘体２０が傾斜した場合に、圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｅに撓み変化を生じさせる役割を担うものであり、例えばシリコンオイルなど所定以上の粘性を有する流体（液体）であることが望ましい。

次に、図８〜図１２を参照して第２圧電発電ユニットの発電原理について説明する。例えば、図８に図示するように、ケーシング１０が左方向に揺すられて錘体２０が右方向（＋Ｘ方向）に傾斜したとすると、図９（ａ）に図示するように、その傾斜により作動流体７０が右側に流れ、左側の液面が低下する一方、右側の液面が上昇する。左側の液面が低下すると、圧電素子モジュール５０ａ、５０ｄでは、浮力減少により先端側近傍に配設される２つのバランスウェイト６０の影響が支配的になる為に先端側が下向きに垂れるように撓み、この撓み変化に応じて圧電素子モジュール５０ａ、５０ｄが起電力を発生する。

また、錘体２０の傾斜により作動流体７０が右側に流れると、その流圧により内壁右側面の圧電素子モジュール５０ｅが撓みが減少し、一方、内壁左側面の圧電素子モジュール５０ｅでは、右側に流れる作動流体７０に引っ張られる為に撓みが増す。こうした撓み変化に応じて圧電素子モジュール５０ｅが起電力を発生する。圧電素子モジュール５０ｂ、５０ｃでは、撓み変化が無く起電力を発生しない。

これに対し、図１０に図示するように、ケーシング１０が右方向に揺すられて錘体２０が左方向（−Ｘ方向）に傾斜したとすると、図１１（ａ）に図示するように、その傾斜により作動流体７０が左側に流れ、右側の液面が低下する一方、左側の液面が上昇する。右側の液面が低下すると、圧電素子モジュール５０ｂ、５０ｃでは、浮力減少により先端側近傍に配設される２つのバランスウェイト６０の影響が支配的になる為に先端側が下向きに垂れるように撓み、この撓み変化に応じて圧電素子モジュール５０ｂ、５０ｃが起電力を発生する。

また、錘体２０の傾斜により作動流体７０が左側に流れると、その流圧により内壁左側面の圧電素子モジュール５０ｅが撓みが減少し、一方、内壁右側面の圧電素子モジュール５０ｅでは、左側に流れる作動流体７０に引っ張られる為に撓みが増す。こうした撓み変化に応じて圧電素子モジュール５０ｅが起電力を発生する。圧電素子モジュール５０ａ、５０ｂでは、撓み変化が無く起電力を発生しない。

次に、図１２を参照して錘体２０が上下方向に揺すられた場合の、圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｄの発電原理について説明する。上述したように、圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｄの各先端部近傍には２つのバランスウェイト６０が配設される。この為、上下方向への振動変位が加えられていない場合には、図１２（ａ）に図示するように、厳密には若干先端が重力方向に傾いだ形となっている。

そして、錘体２０が上方変位すると、その変位の加速度に対応した重力方向の力がバランスウェイト６０に加えられる結果、圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｄでは撓みが増し、この撓み変化に応じた起電力を発生する。一方、錘体２０が下方変位する場合には、その変位の加速度に対応した反重力方向の力がバランスウェイト６０に加えられる結果、圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｄでは撓みが減り、この撓み変化に応じた起電力を発生する。なお、錘体２０が上下方向に揺すられた場合には、圧電素子モジュール５０ｅに撓み変化が生じないので、起電力は発生しない。

次に、図１３を参照して回路部８０の構成について説明する。上述した第１圧電発電ユニット（圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄ）が発生する起電力と、第２圧電発電ユニット（圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｅ）が発生する起電力とは、図示していないが、ケーシング１０の構造壁内部に設けられる回路部８０に供給される。回路部８０は、全波整流回路８１、蓄電回路８２および出力回路８３を備える。なお、第２圧電発電ユニット（圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｅ）が発生する起電力は、錘体２０の構造壁内部からケーシング１０の構造壁内部に至る配線経路（不図示）を介して回路部８０に入力される。

全波整流回路８１は、第１圧電発電ユニット（圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄ）が発生する起電力と、第２圧電発電ユニット（圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｅ）が発生する起電力とを全波整流して蓄電回路８２に供給する。蓄電回路８２は、全波整流回路８１の出力を蓄電するキャパシタを備える。出力回路８３は、蓄電回路８２に蓄電された電荷に基づき所定電圧に昇圧した出力電圧ＯＵＴを発生する。

以上説明したように、本実施形態では、容器状を為すケーシング１０の内部に錘体２０を懸架する圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄが、ケーシング１０に加えられる３軸成分（前後、左右および上下）の振動に応じた撓み変化を生じて圧電発電する第１の圧電発電ユニットと、錘体２０の内部に設けられた圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｅが、当該錘体２０の動きに応じた撓み変化を生じて圧電発電する第２の圧電発電ユニットとを有するので、３軸成分（前後方向、左右方向および上下方向）の振動変位をそれぞれ利用した効率的な圧電発電を行うことができる。

また、本実施形態では、一端側がケーシング１０の上部枠体各縁に支持固定され、他端側が錘体２０の上部各縁に可動自在に係止され、逆Ｕ字状に湾曲した形でケーシング１０の内部に錘体２０を懸架する圧電素子モジュール３０ａ〜３０ｄを備えるので、３軸成分（前後方向、左右方向および上下方向）の振動変位をそれぞれ利用した効率的な圧電発電が可能になる。

さらに、本実施形態では、略立方容器状の錘体２０の内部に圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｅと作動流体７０とを備え、錘体２０の動きに応じて作動流体７０が各圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｅに撓み変化を与えるので、３軸成分（前後方向、左右方向および上下方向）の振動変位をそれぞれ利用した効率的な圧電発電が可能になる。

なお、上述した実施形態では、圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｄを錘体２０の底面の対角線上に対向配置する一例について言及したが、これに限らず、例えば図１４に図示するように、圧電素子モジュール５０ａ〜５０ｄをそれぞれ錘体２０の底面の各辺に直交するよう十字状に配置する態様であっても構わない。

１０ケーシング
２０錘体
３０ａ〜３０ｄ圧電素子モジュール（第１圧電発電ユニット）
４０締結部
５０ａ〜５０ｅ圧電素子モジュール（第２圧電発電ユニット）
６０バランスウェイト
７０作動流体
８０回路部

Claims

容器状の筐体内部に錘体を懸架する複数の圧電素子モジュールが、当該筐体に加えられる３軸成分の振動に応じた撓み変化を生じて圧電発電する第１の圧電発電手段と、
前記錘体の内部に設けられた複数の圧電素子モジュールが、当該錘体の動きに応じた撓み変化を生じて圧電発電する第２の圧電発電手段と
を具備し、
前記第１の圧電発電手段は、一端側が筐体の上部枠体各縁に支持固定され、他端側が錘体の上部各縁に可動自在に係止され、逆U字状に湾曲した形で筐体内部に錘体を懸架する複数の圧電素子モジュールを備えることを特徴とする発電装置。
前記第２の圧電発電手段は、容器状の錘体の内部に複数の圧電素子モジュールと作動流体とを備え、錘体の動きに応じて作動流体が各圧電素子モジュールに撓み変化を与えることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
容器状の筐体内部に錘体を懸架する複数の圧電素子モジュールが、当該筐体に加えられる３軸成分の振動に応じた撓み変化を生じて圧電発電する第１の圧電発電手段と、
前記錘体の内部に設けられた複数の圧電素子モジュールが、当該錘体の動きに応じた撓み変化を生じて圧電発電する第２の圧電発電手段と
を具備し、
前記第２の圧電発電手段は、少なくとも、錘体の内部底面の対角線上に対向配置される第１〜第４の圧電素子モジュールと、錘体の内壁側面周囲に所定の撓みを与えて貼設される第５の圧電素子モジュールとを備えることを特徴とする発電装置。
前記第１〜第４の圧電素子モジュールは、基端側が錘体の内部底面に支持固定され、先端側近傍にバランスウェイトを備えた長方形状を為して立設されることを特徴とする請求項３記載の発電装置。