JP6265059B2 - エネルギー変換システム - Google Patents

Description

本発明は、カムを用いて圧電素子に荷重を加えることにより発電するエネルギー変換システムに関する。

国際公開第２０１３／０６９５１６号（特許文献１）は、カム、圧電素子およびスライド部材を備えた圧電発電素子を開示している。スライド部材が移動することによって、スライド部材はカムを回転させる。カムの回転により圧電素子に荷重が周期的に加えられ、圧電素子の圧電効果により電力が発生する。

国際公開第２０１３／０６９５１６号

スライド部材などの駆動部材を用いてカムを回転させた場合、カムの動作により圧電素子に荷重が加えられる。その一方で、駆動部材には、圧電素子に加えられた荷重の分の反力がトルクとして作用する。駆動部材に作用するトルクは、駆動部材の動作に対して抵抗として作用する場合がある。複数のカムを用いる場合、複数のカムにより駆動部材に作用するトルクは、合成された状態で駆動部材に作用する。複数のカムにより駆動部材に作用するトルクの合成値は、小さい方が好ましい。

本発明は、複数のカムにより駆動部材に反力として作用するトルクの合成値を小さくすることが可能なエネルギー変換システムを提供することを目的とする。

本発明に基づくエネルギー変換システムは、圧電素子に荷重を加えることにより発電するエネルギー変換システムであって、第１カム機構および第２カム機構と、上記第１カム機構の回転により荷重を受ける圧電素子を含み、上記圧電素子が荷重を受けることに伴って、上記第１カム機構に反力を付与する第１従節機構と、上記第２カム機構の回転により荷重を受ける圧縮部材を含み、上記圧縮部材が荷重を受けることに伴って、上記第２カム機構に反力を付与する第２従節機構と、上記第１カム機構および上記第２カム機構に対して相対移動することにより、上記第１カム機構および上記第２カム機構を回転させる駆動部材と、を備え、上記駆動部材が上記第１カム機構および上記第２カム機構を回転させる際、上記駆動部材には、上記第１従節機構から上記第１カム機構を通して受ける第１トルクと、上記第２従節機構から上記第２カム機構を通して受ける第２トルクとが、互いに同一の周期で作用し、上記駆動部材が所定の距離だけ相対移動する間に上記駆動部材に作用する上記第１トルクの波形および上記第２トルクの波形は、位相が逆であり、変位の絶対値が互いに同一である。

好ましくは、上記圧縮部材は、圧電素子である。
好ましくは、任意係数をＡとし、上記第１カム機構および上記第２カム機構の双方に備えられるカムについて、上記カムの山部の数をｎ（ｎ＝１，２，３，４・・・）とし、上記カムの回転方向における位置をｒとし、上記カムの平均半径をＲ_ａｖｇとした場合には、次の式（１）により関数ｆ（ｒ）が表される。

上記圧電素子を含む上記第１従節機構と、上記圧縮部材を含む上記第２従節機構との双方のバネ定数をｋとした場合には、次の式（２）により、上記カムの回転角度ｒにおける変位ｙ_ｒが表される。

上記カムのカム曲線Ｌ１は、次の式（３）により表される。

好ましくは、任意係数をＡとし、上記第１カム機構および上記第２カム機構の双方に備えられるカムについて、上記カムの山部の数をｎ（ｎ＝１，２，３，４・・・）とし、上記カムの回転方向における位置をｒとし、上記カムの平均半径をＲ_ａｖｇとした場合には、次の式（４）により関数ｆ（ｒ）が表される。

上記圧電素子を含む上記第１従節機構と、上記圧縮部材を含む上記第２従節機構との双方のバネ定数をｋとした場合には、次の式（５）により、上記カムの回転角度ｒにおける変位ｙ_ｒが表される。

上記カムのカム曲線Ｌ２は、次の式（６）により表される。

好ましくは、任意係数をＡとし、上記第１カム機構および上記第２カム機構の双方に備えられるカムについて、上記カムの山部の数をｎ（ｎ＝１，２，３，４・・・）とし、上記カムの回転方向における位置をｒとし、上記カムの平均半径をＲ_ａｖｇとした場合には、次の式（７）により関数ｆ（ｒ）が表される。

上記圧電素子を含む上記第１従節機構と、上記圧縮部材を含む上記第２従節機構との双方のバネ定数をｋとした場合には、次の式（８）により、上記カムの回転角度ｒにおける変位ｙ_ｒが表される。

上記カムのカム曲線Ｌ３は、次の式（９）により表される。

上記の各構成によれば、複数のカムにより駆動部材に反力として作用するトルクの合成値を小さくすることができる。

実施の形態１におけるエネルギー変換システムを示す平面図である。 実施の形態１におけるエネルギー変換システムに備えられるカム機構および従節機構を示す平面図である。 実施の形態１におけるエネルギー変換システムに備えられるカム機構および従節機構の分解した状態を示す斜視図である。 実施の形態１におけるエネルギー変換システムの動作を説明するための平面図である。 実施の形態１におけるエネルギー変換システムに採用されるカムのカム曲線、ならびに駆動部材に作用する第１トルク、第２トルクおよび合成トルクを示すグラフである。 カム曲線の第１構成例を算出するために用いられるカムおよび従節機構を示す第１モデル図である。 カム曲線の第１構成例を算出するために用いられるカムおよび従節機構を示す第２モデル図である。 カム曲線の第１構成例を算出するために用いられるカムおよび従節機構を示す第３モデル図である。 カム曲線の第１構成例を算出するために用いられるカムおよび従節機構を示す第４モデル図である。 実施の形態２におけるエネルギー変換システムの動作を説明するための平面図である。 実施の形態２におけるエネルギー変換システムのカムおよび従節機構を示すモデル図である。 カム曲線の第２構成例、ならびにカム曲線の第２構成例を採用した場合に駆動部材に作用する第１トルク、第２トルクおよび合成トルクを示すグラフである。 カム曲線の第２構成例に基づく第１のカム形状（ｎ＝１）を示す平面図である。 カム曲線の第２構成例に基づく第２のカム形状（ｎ＝３）を示す平面図である。 カム曲線の第２構成例に基づく第３のカム形状（ｎ＝５）を示す平面図である。 カム曲線の第３構成例、ならびにカム曲線の第３構成例を採用した場合に駆動部材に作用する第１トルク、第２トルクおよび合成トルクを示すグラフである。 カム曲線の第４構成例、ならびにカム曲線の第４構成例を採用した場合に駆動部材に作用する第１トルクおよび第２トルクを示すグラフである。 第２構成例に基づいて実測トルクと計算トルクとの対比を説明するためのグラフである。

実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。同一の部品および相当部品には同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

［実施の形態１］
（エネルギー変換システム１００）
図１は、実施の形態１におけるエネルギー変換システム１００を示す図である。エネルギー変換システム１００は、圧電素子１１，２１に荷重が加えられることにより発電する。具体的には、エネルギー変換システム１００は、カム機構１（第１カム機構）と、カム機構２（第２カム機構）と、従節機構１０（第１従節機構）と、従節機構２０（第２従節機構）と、駆動部材５０とを備える。従節機構１０は、圧電素子１１を含み、カム機構１に直動従節している。従節機構２０は、圧電素子２１を含み、カム機構２に直動従節している。

駆動部材５０は、カム機構１，２に対して相対移動可能である。たとえば、駆動部材５０は、スライド式の扉に取り付けられる。カム機構１，２は、従節機構１０，２０とともに、扉の枠体に取り付けられる。扉の移動に伴って駆動部材５０が矢印ＡＲ方向に移動することにより、カム機構１，２のカム３，４は回転する。カム３，４の回転運動は、従節機構１０，２０によって圧電素子１１，２１を圧縮するためのエネルギーに変換される。

圧縮エネルギー（荷重）を受けた圧電素子１１，２１は、圧電効果によって発電する（詳細は後述する）。すなわち、駆動部材５０に加えられた機械的エネルギーは、圧電素子１１，２１によって電気的エネルギーに変換される。圧電素子１１，２１の発電によって図示しない無線通信ユニットなどが駆動され、遠隔地にて扉の開閉状態を検知することができる。

（カム機構１および従節機構１０）
図２は、カム機構１および従節機構１０を示す平面図である。図３は、カム機構１および従節機構１０の分解した状態を示す斜視図である。図１〜図３を参照して、従節機構１０について説明する。図示上の便宜のため、図２および図３においては、駆動部材５０は部分的に図示しており、駆動部材５０のラック歯５１の側は記載しているが、駆動部材５０のラック歯５２（図１参照）の側は記載していない。

図１〜図３に示すように、カム機構１に従節する従節機構１０は、圧電素子１１、支持体１２および突起部１５を備える。圧電素子１１は、四角柱状の圧電体と、一対の電極とを有しており、長手方向の両端には面１１Ａ，１１Ｂがそれぞれ形成されている。圧電素子１１の圧電体は、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる。

支持体１２は、ストッパ１３およびレバー１４を備え、これらは一体的に形成されている。ストッパ１３は、当接部１３Ａを有する。当接部１３Ａは、圧電素子１１の面１１Ａに当接している。ストッパ１３には、カム機構１が回転可能に取り付けられている。レバー１４は、接続部１４Ａ、当接部１４Ｂおよび変位部１４Ｃを有する。レバー１４は、剛性の高い金属またはセラミック等から形成される。接続部１４Ａは、当接部１４Ｂと変位部１４Ｃとを接続している。当接部１４Ｂは、当接部１４Ｄを有する。当接部１４Ｄは、圧電素子１１の面１１Ｂに当接している。

カム機構１は、カム３および歯車５を備える。平面視において、本実施の形態のカム３は、略楕円形状を有している。カム３は、歯車５と一体化されており、カム３と歯車５とは一体的に回転する。歯車５は、駆動部材５０のラック歯５１に歯合するように配置される。突起部１５は、円柱状の形状を有し、レバー１４の変位部１４Ｃに固定されている。カム３および突起部１５は、互いに当接するように配置される。変形を抑制したり、耐摩耗性を向上させたりする観点から、カム３および突起部１５は、ＰＯＭや金属などにより形成し、これらの表面には摺動性を向上させる処理をするとよい。

駆動部材５０が矢印ＡＲ方向（図１）に往復移動した際、ラック歯５１は歯車５に対して相対的に移動する。歯車５およびカム３は、一体的に回転する。歯車５およびカム３の回転に伴って、カム３の中心軸と突起部１５との間の距離は周期的に変化し、変位部１４Ｃは揺動する。変位部１４Ｃが揺動すると、レバー１４は、ストッパ１３とレバー１４との接続部分近傍に位置する回転軸１６を中心とした回転方向に揺動する。当接部１４Ｄは、圧電素子１１の長手方向において、当接部１３Ａに対して相対的に変位する。当接部１４Ｄが圧電素子１１の面１１Ｂを押圧し、圧電素子１１は繰り返し圧縮される。

すなわち、カム機構１のカム３の回転により圧電素子１１が荷重を受けることになり、圧電素子１１は圧電効果により発電する。駆動部材５０の移動量に応じた分だけ圧電素子１１に荷重が周期的に加えられ、圧電素子１１において発生した電力は図示しないコンデンサ等に蓄えられることになる。

（カム機構２および従節機構２０）
図１を再び参照して、カム機構２に従節する従節機構２０は、圧電素子２１、支持体２２および突起部２５を備える。カム機構２および従節機構２０は、それぞれ、カム機構１および従節機構１０と略同一の構成を有している。カム機構２、圧電素子２１、支持体２２および突起部２５は、それぞれ、カム機構１、従節機構１０の圧電素子１１、支持体１２および突起部１５にそれぞれ対応している。カム機構２は、カム４および歯車６を備える。平面視において、本実施の形態のカム４は、略楕円形状を有している。従節機構１０のカム３と従節機構２０のカム４とは、同一形状である。

駆動部材５０が往復移動した際、ラック歯５２は歯車６に対して相対的に移動する。歯車６およびカム４は、一体的に回転する。歯車６およびカム４の回転に伴って、カム４の中心軸と突起部２５との間の距離は変化し、圧電素子２１が繰り返し圧縮される。すなわち、カム機構２のカム４の回転により圧電素子２１が荷重を受けることになり、圧電素子２１は圧電効果により発電する。駆動部材５０の移動量に応じた分だけ圧電素子２１に荷重が周期的に加えられ、圧電素子２１において発生した電力は図示しないコンデンサ等に蓄えられることになる。

（第１トルク・第２トルク）
本実施の形態では、２つの圧電素子１１，２１に対応するように２つのカム３，４がそれぞれ設けられている。駆動部材５０のラック歯５１，５２がカム３，４に対して相対移動することにより、カム３，４が回転する。カム３，４の回転に伴って、従節機構１０，２０の圧電素子１１，２１には周期的な荷重が加えられる。その一方で、従節機構１０，２０（突起部１５，２５）は、圧電素子１１，２１がカム機構１，２の回転による荷重を受けることに伴って、カム機構１，２に反力を付与する。反力は、トルクとして駆動部材５０に周期的に作用する。

駆動部材５０がカム機構１，２のカム３，４を回転させる際、駆動部材５０には、従節機構１０（突起部１５）からカム機構１を通して受ける第１トルク（図４中の矢印ＤＲ３）と、従節機構２０からカム機構２を通して受ける第２トルク（図４中の矢印ＤＲ４）とが、互いに同一の周期で作用する。ここでいう互いに同一の周期とは、第１トルクの周期と第２トルクの周期とが互いに同一の周期であるという意味である。そして、駆動部材５０が所定の距離だけ相対移動する間に駆動部材５０に作用する第１トルクの波形（図５参照）および第２トルクの波形（図５参照）は、位相が逆であり、変位（トルク）の絶対値が互いに同一である（図５，図１２，図１６，図１７参照）。

図４および図５を参照して、上記の構成についてより具体的に説明する。図４は、駆動部材５０が矢印ＡＲ１方向に移動している際のある時点におけるエネルギー変換システム１００の様子を示す平面図である。図４では、歯車５，６を模式的に図示している。駆動部材５０が矢印ＡＲ１方向に移動した場合、カム機構１のカム３は矢印ＤＲ１方向に回転し、カム機構２のカム４は矢印ＤＲ２方向に回転する。カム３，４については、カム３の頂点（上死点）が突起部１５に当接している時に、カム４の下点（下死点）が突起部２５に当接するように構成されている。図４に示す時点では、カム３についてはカム３の頂点から下点に向かうように突起部１５がカム３の周面に摺接するのに対して、カム４についてはカム４の下点から頂点に向かうように突起部２５がカム４の周面に摺接する。

カム３については、頂点から下点に向かうように突起部１５がカム３の周面に摺接するため、カム３が突起部１５から受ける回転方向における力の向きは、矢印ＤＲ３に示す方向である。矢印ＤＲ３方向は、駆動部材５０の矢印ＡＲ１方向の移動によりカム３が回転する方向、すなわち矢印ＤＲ１方向と同じである。矢印ＤＲ３方向に示す力は、歯車５を通して駆動部材５０にトルク（図５に示す第１トルク）として伝達され、駆動部材５０が移動する方向と同じ方向に作用する。

カム４については、下点から頂点に向かうように突起部２５がカム４の周面に摺接するため、カム４が突起部２５から受ける回転方向における力の向きは、矢印ＤＲ４に示す方向となる。矢印ＤＲ４方向は、駆動部材５０の矢印ＡＲ１方向の移動によりカム４が回転する方向、すなわち矢印ＤＲ２方向と逆向きである。矢印ＤＲ４方向に示す力は、歯車６を通して駆動部材５０にトルク（図５に示す第２トルク）として伝達され、駆動部材５０が移動する方向とは逆の方向に作用する。

カム３，４においては、別のタイミングでは上記と正反対の動作が行なわれる。すなわち、駆動部材５０が移動する際に、カム３，４は同期して回転する（周期および位相を維持したまま回転する）。駆動部材５０が移動している際、駆動部材５０がカム３，４から受けるトルクには、駆動部材５０の移動方向に作用する力と、駆動部材５０の移動方向とは逆向きに作用する力とが含まれている。

図５は、カム３，４のカム曲線と、カム３，４の回転角度とカム３，４の回転に伴って駆動部材５０が受けるトルクの大きさとの関係を示す図である。カム３，４は同一のカム曲線を有している。ここでいうカム３，４のカム曲線とは、カム３，４の回転角度と従節機構１０，２０の突起部１５，２５の変位ｙ_ｒ（図６参照）との関係に等しい。また、駆動部材５０が受けるトルクとは、カム３，４の回転軸の中心と突起部１５，２５の中心とを通る線に対して直交する方向に作用するものである。

図５中において、駆動部材５０が受けるトルクは、突起部１５，２５がカムの山を登る方向に移動しているときに発生する力を＋とし、突起部がカムの山を下る方向に移動しているときに発生する力を−としている。駆動部材５０が受けるトルクとは、図４中に矢印ＤＲ３，ＤＲ４で示した力である。矢印ＤＲ３，ＤＲ４で示した力（トルク）の絶対値は、互いに同一である。

図５に示すように、駆動部材５０が所定の距離だけ相対移動する間に（カムが３６０°だけ回転する間に）駆動部材５０に作用する第１トルクの波形（図５参照）および第２トルクの波形（図５参照）は、位相が逆であり、変位（トルク）の絶対値が互いに同一となっている。図５には、カム３，４の回転に伴って駆動部材５０が受ける合成トルクと、カム３，４の回転角度との関係も示している。

カム３の回転に伴って駆動部材５０が受ける第１トルクと、カム４の回転に伴って駆動部材５０が受ける第２トルクとは、互いに打ち消しあう関係にある。したがって、合成トルクとして駆動部材５０に作用するトルクの最大値は、個々のカム３，４により駆動部材５０が受けるトルクの最大値に比べて十分に小さくなる（たとえば５％以下）。駆動部材５０を駆動するためのトルクのｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋを小さくすることができるため、駆動部材５０に入力されるトルクあたりの発電量を大きくすることができる。換言すると、圧電素子ひとつあたりの発電効率を向上させることができる。

従節機構１０で圧電素子１１を圧縮する際に蓄えられた機械的なエネルギーは、従節機構２０で圧電素子２１を圧縮する際に活用される。換言すると、圧電素子１１に荷重を付与する際には圧電素子２１に荷重を付与していた間に蓄えられたエネルギーが使用され、圧電素子２１に荷重を付与する際には圧電素子１１に荷重を付与していた間に蓄えられたエネルギーが使用されるため、エネルギー使用効率がよい。

したがって、圧電素子１１，２１に荷重を加えるためのエネルギーを少なくすることができる。駆動部材５０を駆動するためには、圧電素子１１，２１がエネルギーを変換した際に消費されたエネルギーや、圧電素子１１，２１が変形した際に消費されたエネルギー、ならびに、カム３，４と突起部１５，２５との間の摩擦や熱などが発生した際に消費されたエネルギーの分だけ補充するといった、必要最小限の駆動量を有する駆動が付与されればよい。

実施の形態１では、駆動部材５０を挟んで従節機構１０，２０（カム３，４）が互いに対向するような位置に配置されているが、従節機構１０，２０（カム３，４）は、駆動部材５０の移動方向にずれた位置に配置されていてもよいし、ラック歯５１の側に２つが並んで配置されていてもよい。これらの配置であっても、上記と同様の作用および効果を得ることができる。

実施の形態１では、従節機構１０が圧電素子１１を含んでおり、従節機構２０が圧電素子２１を含んでいる。圧電素子１１が発電機能を有していれば、圧電素子２１は、必ずしも圧電素子として機能する必要はない。圧電素子２１が発電機能を有していない部材（圧縮部材）から構成される場合であっても、その部材を圧電素子１１と同様のばね定数を有するように構成することによって、第１トルクの波形（図５参照）および第２トルクの波形（図５参照）について、位相が逆であるものとし、変位（トルク）の絶対値が互いに同一であるものとすることが可能である。この場合も、上記と同様の作用および効果を得ることができる。

［カム曲線の第１構成例］
ここで、上記の実施の形態１の思想を採用する場合に、好適に実施し得るカム３，４のカム曲線の第１構成例について説明する。第１構成例（図５参照）のカム曲線を採用した場合には、カムが３６０°回転したときに、１周期分の正弦波形状を有するトルク曲線が表れることを特徴としている。具体的には、まず任意係数をＡとする。係数Ａは、従節機構１０，２０の突起部１５，２５の変位ｙ_ｒの振動振幅に対応する値である。次に、カム機構１およびカム機構２の双方にそれぞれ備えられるカム３，４について、カムの山部の数をｎ（ｎ＝１，２，３，４・・・）とし、カムの回転方向における位置をｒとし、カムの平均半径をＲ_ａｖｇとする。これらの値は、カム３，４で共通する値（同一の値）である。次の式（１）により、関数ｆ（ｒ）が表される。

圧電素子１１を含む従節機構１０と、圧電素子２１を含む従節機構２０との双方のバネ定数をｋとした場合には、次の式（２）により、カムの回転方向における位置ｒの際の変位ｙ_ｒが表される。

以上の式（１），（２）を用いることによって、カム３，４のカム曲線Ｌ１は、次の式（３）により表すことができる。

図６を参照して、上記の（１）〜（３）の式は、次のような考え方に基づき算出されるものである。すなわち、カム機構１（カム３）および従節機構１０（突起部１５）を図６に示すようにモデル化したとする。ここでは、カム３の山部の数ｎは１とし、カム３の最小半径をＲ_ｍｉｎとし、カム３の最大半径をＲ_ｍｉｎ＋ｙ_{ｒ（ｍａｘ）}としている。このカム３は、矢印Ａ方向に回転する。

図７を参照して、上記の実施の形態１の場合と同様に、駆動部材５０に作用するトルクを考えると、図７に示すようなモデルが得られる。すなわち、従節機構１０および従節機構２０が駆動部材５０（図示せず）を挟んで互いに対向するように配置される。従節機構１０および突起部１５は、矢印Ａ１方向に移動するカム曲線１Ｓによって変位（移動）するものとみなすことができ、従節機構２０および突起部２５は、矢印Ａ２方向に移動するカム曲線２Ｓによって変位（移動）するものとみなすことができる。

図８を参照して、突起部１５のカム曲線１Ｓに対する圧力角をψとすると、突起部１５がカム３（カム曲線１Ｓ）から受ける力Ｆ１のうち、突起部１５（圧電素子１１）などの変位に供される力Ｆ１ｙは、Ｆ１ｃｏｓψとなる。同様に、突起部２５のカム曲線２Ｓに対する圧力角をψとすると、突起部２５がカム４（カム曲線２Ｓ）から受ける力Ｆ２のうち、突起部２５（圧電素子２１）などの変位に供される力Ｆ２ｙは、Ｆ２ｃｏｓψとなる。ここではカム曲線１Ｓ，２Ｓと突起部１５，２５との間に発生する摩擦は、これらの間に十分な潤滑手段が設けられることによって、無視できるものとする。

以上に基づいて、図５に示す第１トルクおよび第２トルクのような、３６０°の間に１つの正弦波の波形を有するトルクとなるカム曲線を算出すると、トルクＴは次の式（Ａ）により表される。
Ｔ＝ｋ・｛ｔａｎψ・ｙ_ｒ・（Ｒ_ｍｉｎ＋ｙ_ｒ）｝＝Ａ・ｓｉｎ（ｎ・θ） ・・・（Ａ）
図９を参照して、圧力角は、ψ＝ｄｙ／ｄｒで表されるため、上記の式（Ａ）においては、θ＝ｒ／Ｒ_ａｖｇの関係が成り立つ。ここでは、Ｒ_ａｖｇ＝Ｒ_ｍｉｎ＋ｙ_{ｒ（ｍａｘ）}の関係が成立しているものとする。ｙ_ｒはｒの関数であるため、上記の式（Ａ）を解くと、上記の（１）〜（３）の式が得られる。上記の実施の形態１の思想に上記の式（１）〜（３）を適用し、シミュレーションによる実験を行なったところ、駆動部材に反力として作用するトルクの合成値を十分に小さくできることが分かった。

［実施の形態２］
図１０を参照して、実施の形態２におけるエネルギー変換システム１００Ａについて説明する。上記の実施の形態１（図１参照）では、駆動部材５０が往復移動する。これに対して本実施の形態のエネルギー変換システム１００Ａにおいては、中心軸５５により支持された駆動部材５０Ａがカム機構１，２に対して相対的に回転移動する。駆動部材５０Ａは、歯車５６を外周に有しており、たとえば回転するドアノブなどと連動して回転するように構成される。

駆動部材５０Ａの歯車５６が矢印ＡＲ２方向に回転移動した場合、３つの山を有するカム３Ａは矢印ＤＲ１方向に回転し、同様に３つの山を有するカム４Ａは矢印ＤＲ２方向に回転する。カム３Ａ，４Ａについては、カム３Ａの頂点（上死点）が突起部１５に当接している時に、カム４Ａの下点（下死点）が突起部２５に当接するように構成されている。

図１０に示す時点においては、カム３Ａについてはカム３Ａの頂点から下点に向かうように突起部１５がカム３Ａの周面に摺接するのに対して、カム４Ａについてはカム４Ａの下点から頂点に向かうように突起部２５がカム４Ａの周面に摺接する。

カム３Ａについては、カム３Ａが突起部１５から受ける回転方向における力の向きは、矢印ＤＲ３に示す方向である。矢印ＤＲ３方向は、駆動部材５０Ａの矢印ＡＲ２方向の回転移動によりカム３Ａが回転する方向、すなわち矢印ＤＲ１方向と同じである。矢印ＤＲ３方向に示す力は、歯車５を通して駆動部材５０Ａに第１トルクとして伝達され、駆動部材５０Ａが移動する方向と同じ方向に作用する。

カム４Ａについては、カム４Ａが突起部２５から受ける回転方向における力の向きは、矢印ＤＲ４に示す方向となる。矢印ＤＲ４方向は、駆動部材５０Ａの矢印ＡＲ２方向の回転移動によりカム４Ａが回転する方向、すなわち矢印ＤＲ２方向と逆向きである。矢印ＤＲ４方向に示す力は、歯車６を通して駆動部材５０Ａに第２トルクとして伝達され、駆動部材５０Ａが移動する方向とは逆の方向に作用する。

カム３Ａ，４Ａにおいては、別のタイミングでは上記と正反対の動作が行なわれる。すなわち、駆動部材５０Ａが回転移動する際にカム３Ａ，４Ａは同期して回転する（周期および位相を維持したまま回転する）。駆動部材５０Ａの歯車５６が所定距離だけ回転移動する間に駆動部材５０Ａがカム３Ａ，４Ａの回転により受ける第１トルクの波形および第２トルクの波形は、位相が逆であり、変位（トルク）の絶対値が互いに同一となっている。

カム３Ａの回転に伴って駆動部材５０Ａが受ける第１トルクと、カム４Ａの回転に伴って駆動部材５０Ａが受ける第２トルクとは、互いに打ち消しあう関係にある。したがって、合成力として駆動部材５０Ａに作用するトルクの最大値は、個々のカム３Ａ，４Ａにより駆動部材５０Ａが受けるトルクの最大値に比べて十分に小さくなる（たとえば５％以下）。駆動部材５０Ａを駆動するためのトルクのｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋを小さくすることができるため、入力されるトルクあたりの発電量を大きくすることができる。換言すると、圧電素子を複数用いる場合に、圧電素子ひとつあたりの発電効率を向上させることができる。

図１１を参照して、実施の形態２の場合についても、図１１に示すようなモデルが得られる。すなわち、従節機構１０および従節機構２０は、駆動部材５０Ａ（図示せず）を挟んで互いに対向するように配置される。従節機構１０および突起部１５は、矢印Ａ１方向に移動するカム曲線１Ｓによって変位するものとみなすことができ、従節機構２０および突起部２５は、矢印Ａ２方向に移動するカム曲線２Ｓによって変位するものとみなすことができる。矢印Ａ１方向と矢印Ａ２方向とは、互いに逆向きである。

突起部１５のカム曲線１Ｓに対する圧力角をψとすると、突起部１５がカム３（カム曲線１Ｓ）から受ける力Ｆ１のうち、突起部１５（圧電素子１１）などの変位に供される力Ｆ１ｙは、Ｆ１ｃｏｓψとなる。同様に、突起部２５のカム曲線２Ｓに対する圧力角をψとすると、突起部２５がカム４（カム曲線２Ｓ）から受ける力Ｆ２のうち、突起部２５（圧電素子２１）などの変位に供される力Ｆ２ｙは、Ｆ２ｃｏｓψとなる。ここではカム曲線１Ｓ，２Ｓと突起部１５，２５との間に発生する摩擦は、これらの間に十分な潤滑手段が設けられることによって、無視できるものとする。以上のモデルに基づけば、上記の実施の形態１の場合で述べた式（１）〜（３）の思想を本実施の形態にも当てはめることが可能である。

［カム曲線の第２構成例］
図１２を参照して、上記の実施の形態１，２の思想を採用する場合に、好適に実施し得るカム３，４のカム曲線の第２構成例について説明する。第２構成例のカム曲線を採用した場合には、カムが３６０°回転したときに、２周期分の正弦波形状を有するトルク曲線が表れることを特徴としている。具体的には、まず任意係数をＡとする。係数Ａは、従節機構１０，２０の突起部１５，２５の変位ｙ_ｒの振動振幅に対応する値である。次に、カム機構１およびカム機構２の双方にそれぞれ備えられるカム３，４について、カムの山部の数をｎ（ｎ＝１，２，３，４・・・）とし、カムの回転方向における位置をｒとし、カムの平均半径をＲ_ａｖｇとする。これらの値は、カム３，４で共通する値（同一の値）である。次の式（４）により、関数ｆ（ｒ）が表される。

圧電素子１１を含む従節機構１０と、圧電素子２１を含む従節機構２０との双方のバネ定数をｋとした場合には、次の式（５）により、カムの回転方向における位置ｒの際の変位ｙ_ｒが表される。

以上の式（４），（５）を用いることによって、カム３，４のカム曲線Ｌ２は、次の式（６）により表すことができる。

上記の（４）〜（６）の式は、次のような考え方に基づき算出されるものである。すなわち、上記の第１構成例の場合（図６参照）と同様に、カム機構１（カム３）および従節機構１０（突起部１５）をモデル化したとする。ここでは、カム３の山部の数ｎは１とし、カム３の最小半径をＲ_ｍｉｎとし、カム３の最大半径をＲ_ｍｉｎ＋ｙ_{ｒ（ｍａｘ）}としている。

上記の第１構成例の場合と同様に、突起部１５のカム曲線１Ｓに対する圧力角をψとすると、突起部１５がカム３（カム曲線１Ｓ）から受ける力Ｆ１のうち、突起部１５（圧電素子１１）などの変位に供される力Ｆ１ｙは、Ｆ１ｃｏｓψとなる。同様に、突起部２５のカム曲線２Ｓに対する圧力角をψとすると、突起部２５がカム４（カム曲線２Ｓ）から受ける力Ｆ２のうち、突起部２５（圧電素子２１）などの変位に供される力Ｆ２ｙは、Ｆ２ｃｏｓψとなる。ここではカム曲線１Ｓ，２Ｓと突起部１５，２５との間に発生する摩擦は、これらの間に十分な潤滑手段が設けられることによって、無視できるものとする。

以上に基づいて、図１２に示す第１トルクおよび第２トルクのような、３６０°の間に２つの正弦波の波形を有するトルクとなるカム曲線を算出すると、トルクＴは次の式（Ｂ）で表される。
Ｔ＝ｋ・｛ｔａｎψ・ｙ_ｒ・（Ｒ_ｍｉｎ＋ｙ_ｒ）｝＝Ａ・｛ｓｉｎ（２・θ−π／２）＋２｝ ・・・（Ｂ）
上記の第１構成例の場合と同様に、圧力角は、ψ＝ｄｙ／ｄｒで表されるため、上記の式（Ｂ）においては、θ＝ｒ／Ｒ_ａｖｇの関係が成り立つ。ここでは、Ｒ_ａｖｇ＝Ｒ_ｍｉｎ＋ｙ_{ｒ（ｍａｘ）}の関係が成立しているものとする。ｙ_ｒはｒの関数であるため、上記の式（Ｂ）を解くと、上記の（４）〜（６）の式が得られる。上記の実施の形態１の思想に上記の式（４）〜（６）を適用し、シミュレーションによる実験を行なったところ、駆動部材に反力として作用するトルクの合成値を十分に小さくできることが分かった。

（カム曲線の第２構成例に基づくカム形状）
図１３は、カムの山数をｎ＝１とした場合の、上記の第２構成例に基づくカム３Ｂの形状を示す平面図である。図１４は、カムの山数をｎ＝３とした場合の、上記の第２構成例に基づくカム３Ｃの形状を示す平面図である。図１５は、カムの山数をｎ＝５とした場合の、上記の第２構成例に基づくカム３Ｄの形状を示す平面図である。これらのカム３Ｂ，３Ｃ，３Ｄのいずれの構成を採用した場合であっても、第１トルクおよび第２トルクの位相が逆であるものとし、変位（トルク）の絶対値が互いに同一であるものとすることによって、駆動部材に反力として作用するトルクの合成値を小さくできる。

上記の第１構成例のカム曲線（図５）を採用した場合には、カムの回転角度が０°（３６０°）のタイミングにおいて、変位ｙ_ｒの変化が急峻となっており、わずかな音が発生することが懸念される。第２構成例を採用した場合には、カムの回転角度が０°（３６０°）および１８０°のタイミングにおいて、変位ｙ_ｒの変化が滑らか変化するものになっており、音や不要な振動の発生はほとんどないものと考えられる。

［カム曲線の第３構成例］
図１６を参照して、上記の実施の形態１，２の思想を採用する場合に、好適に実施し得るカム３，４のカム曲線の第３構成例について説明する。第３構成例のカム曲線を採用した場合には、カムが３６０°回転したときに、１周期分の三角波形状を有するトルク曲線が表れることを特徴としている。具体的には、まず任意係数をＡとする。係数Ａは、従節機構１０，２０の突起部１５，２５の変位ｙ_ｒの振動振幅に対応する値である。次に、カム機構１およびカム機構２の双方にそれぞれ備えられるカム３，４について、カムの山部の数をｎ（ｎ＝１，２，３，４・・・）とし、カムの回転方向における位置をｒとし、カムの平均半径をＲ_ａｖｇとする。これらの値は、カム３，４で共通する値（同一の値）である。次の式（７）により、関数ｆ（ｒ）が表される。

圧電素子１１を含む従節機構１０と、圧電素子２１を含む従節機構２０との双方のバネ定数をｋとした場合には、次の式（８）により、カムの回転方向における位置ｒの際の変位ｙ_ｒが表される。

以上の式（７），（８）を用いることによって、カム３，４のカム曲線Ｌ３は、次の式（９）により表すことができる。

［カム曲線の第４構成例］
図１７を参照して、上記の実施の形態１，２の思想を採用する場合に、好適に実施し得るカム３，４のカム曲線の第４構成例について説明する。第４構成例のカム曲線は、１つのトルク曲線の中に異なる２つの周期Ｃ１，Ｃ２が表れている。第４構成例においても、駆動部材が所定の距離だけ相対移動する間に駆動部材に作用する第１トルクの波形および第２トルクの波形は、位相が逆であり、変位（トルク）の絶対値が互いに同一である。これらの点については、第４構成例は、上記の第１〜第３構成例と同様である。

第１〜第３構成例と同様な考え方に基づき、第４構成例のカム曲線においては、トルクＴは、次の式（Ｃ）で表される。
Ｔ＝ｋ・｛ｔａｎψ・ｙ_ｒ・（Ｒ_ｍｉｎ＋ｙ_ｒ）｝＝Ａ・ｆ（θ） ・・・（Ｃ）
第１トルクは、ｆ１（θ）という所定関数で表されるものであり、第２トルクは、ｆ２（θ）という所定関数で表されるものである。

［実測トルクと計算トルクとの対比］
図１８を参照して、上記の各構成例で特定している式の妥当性について検証した結果について説明する。ここでは、代表例として、上記の第２構成例に基づき検証した結果について説明する。設定条件は、カムの山数はｎ＝１であり、変位ｙ_ｒの振動振幅に関する係数はＡ＝０．０１６であり、カムの最小半径はＲ_ｍｉｎ＝６．５ｍｍであり、バネ定数はｋ＝３．２Ｎ／ｍｍであり、カムの回転方向における位置の最小変化量（単位変化量）はｄｒ＝０．２３８ｍｍであり、カムの最大変位はｙ_{ｒ（ｍａｘ）}＝０．６５ｍｍである。

以上の条件を上記の第２構成例の式に当てはめたところ、最大トルクＴは０．２２３ｍＮ・ｍ（計算トルクの最大値）であった。合成トルクとして駆動部材５０に作用するトルクの最大値は、個々のカム３，４により駆動部材５０が受けるトルクの最大値に比べて３．３％以下となり、十分に小さくすることが可能であった。一方で、実測トルクを測定してみたところ、その最大値は計算トルクの最大値よりも０．００６ｍＮ・ｍだけ大きかった。その差を割合で示すと２．９％であった。したがって、第２構成例で特定している式については、十分な妥当性を有しているものと考えられる。

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、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ことが意図される。

１，２ カム機構、１Ｓ，２Ｓ，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ カム曲線、３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，４，４Ａ カム、５，６，５６ 歯車、１０，２０ 従節機構、１１ 圧電素子、１１Ａ，１１Ｂ 面、１２，２２ 支持体、１３ ストッパ、１３Ａ，１４Ｂ，１４Ｄ 当接部、１４ レバー、１４Ａ 接続部、１４Ｃ 変位部、１５，２５ 突起部、１６ 回転軸、２１ 圧電素子（圧縮部材）５０，５０Ａ 駆動部材、５１，５２ ラック歯、５５ 中心軸、１００，１００Ａ エネルギー変換システム。

Claims (5)

1. 圧電素子に荷重を加えることにより発電するエネルギー変換システムであって、
   第１カム機構および第２カム機構と、
   前記第１カム機構の回転により荷重を受ける圧電素子を含み、前記圧電素子が荷重を受けることに伴って、前記第１カム機構に反力を付与する第１従節機構と、
   前記第２カム機構の回転により荷重を受ける圧縮部材を含み、前記圧縮部材が荷重を受けることに伴って、前記第２カム機構に反力を付与する第２従節機構と、
   前記第１カム機構および前記第２カム機構に対して相対移動することにより、前記第１カム機構および前記第２カム機構を回転させる駆動部材と、を備え、
   前記駆動部材が前記第１カム機構および前記第２カム機構を回転させる際、前記駆動部材には、前記第１従節機構から前記第１カム機構を通して受ける第１トルクと、前記第２従節機構から前記第２カム機構を通して受ける第２トルクとが、互いに同一の周期で作用し、
   前記駆動部材が所定の距離だけ相対移動する間に前記駆動部材に作用する前記第１トルクの波形および前記第２トルクの波形は、位相が逆であり、変位の絶対値が互いに同一である、
   エネルギー変換システム。
2. 前記圧縮部材は、圧電素子である、
   請求項１に記載のエネルギー変換システム。
3. 任意係数をＡとし、
   前記第１カム機構および前記第２カム機構の双方に備えられるカムについて、
   前記カムの山部の数をｎ（ｎ＝１，２，３，４・・・）とし、
   前記カムの回転方向における位置をｒとし、
   前記カムの平均半径をＲ_ａｖｇとした場合には、
   次の式（１）により関数ｆ（ｒ）が表され、
   

   

   
   前記圧電素子を含む前記第１従節機構と、前記圧縮部材を含む前記第２従節機構との双方のバネ定数をｋとした場合には、
   次の式（２）により、前記カムの回転角度ｒにおける変位ｙ_ｒが表され、
   

   

   
   前記カムのカム曲線Ｌ１は、次の式（３）により表される、
   

   

   
   請求項１または２に記載のエネルギー変換システム。
4. 任意係数をＡとし、
   前記第１カム機構および前記第２カム機構の双方に備えられるカムについて、
   前記カムの山部の数をｎ（ｎ＝１，２，３，４・・・）とし、
   前記カムの回転方向における位置をｒとし、
   前記カムの平均半径をＲ_ａｖｇとした場合には、
   次の式（４）により関数ｆ（ｒ）が表され、
   

   

   
   前記圧電素子を含む前記第１従節機構と、前記圧縮部材を含む前記第２従節機構との双方のバネ定数をｋとした場合には、
   次の式（５）により、前記カムの回転角度ｒにおける変位ｙ_ｒが表され、
   

   

   
   前記カムのカム曲線Ｌ２は、次の式（６）により表される、
   

   

   
   請求項１または２に記載のエネルギー変換システム。
5. 任意係数をＡとし、
   前記第１カム機構および前記第２カム機構の双方に備えられるカムについて、
   前記カムの山部の数をｎ（ｎ＝１，２，３，４・・・）とし、
   前記カムの回転方向における位置をｒとし、
   前記カムの平均半径をＲ_ａｖｇとした場合には、
   次の式（７）により関数ｆ（ｒ）が表され、
   

   

   
   前記圧電素子を含む前記第１従節機構と、前記圧縮部材を含む前記第２従節機構との双方のバネ定数をｋとした場合には、
   次の式（８）により、前記カムの回転角度ｒにおける変位ｙ_ｒが表され、
   

   

   
   前記カムのカム曲線Ｌ３は、次の式（９）により表される、
   

   

   
   請求項１または２に記載のエネルギー変換システム。

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