発電装置
【課題】外力に対する圧電素子の固定安定性に優れ、さらに集積化も容易で、小さい外力でも発電する発電装置を提供する。
【解決手段】発電装置１０は、圧電素子１１と圧電素子１１の長さ方向の端部を固定する保持部材１２を具備する。圧電素子１１は、長さ方向中心を通りその主面に垂直な面について対称な構造を有し、その長さ方向に一定の力が加えられることにより、弱い双安定状態に保持されている。この状態では、長さ方向の片側半分はそれぞれ緩やかなＳ字湾曲状態となっており、圧電素子１１の長さ方向中央部に外力を作用させることにより圧電素子１１の湾曲状態を変化させ、発電させる。
【解決手段】発電装置１０は、圧電素子１１と圧電素子１１の長さ方向の端部を固定する保持部材１２を具備する。圧電素子１１は、長さ方向中心を通りその主面に垂直な面について対称な構造を有し、その長さ方向に一定の力が加えられることにより、弱い双安定状態に保持されている。この状態では、長さ方向の片側半分はそれぞれ緩やかなＳ字湾曲状態となっており、圧電素子１１の長さ方向中央部に外力を作用させることにより圧電素子１１の湾曲状態を変化させ、発電させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電素子を用いた発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、風力等の自然エネルギーを利用したオンサイト発電装置の開発が積極的に行われており、電磁誘導を用いた発電機を駆動するものや、圧電素子の屈曲発電を利用するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ユニモルフ素子やバイモルフ素子等の屈曲変位型の圧電素子を用いた発電装置では、圧電素子は当初は平坦な状態に保持され、これに外力が作用して圧電素子が屈曲する際に発生する電気を取り出している。しかし、圧電素子を平坦な状態から屈曲させる場合、小さな外力では圧電素子は殆ど屈曲せず、そのために得られる電気エネルギーは極めて小さい。
【０００４】
また、平坦な状態にある圧電素子を屈曲させるためには、圧電素子の少なくとも一端を可動に保持しなければならず、その保持機構が複雑となる。特に、複数の圧電素子を集積配置する際には、特許文献１の図２に示されるように、圧電素子を保持するための治具に溝加工等が必要となり、治具のコストが高くなるとともに、圧電素子を集積配置する際の組立も必ずしも容易とは言えない。
【特許文献１】特開２００５−３５４７６５号公報（図２等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、外力に対する圧電素子の固定安定性に優れ、また集積化が容易であり、さらに小さい外力でも発電することができる発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の観点によれば、矩形形状を有し，その長さ方向中心を通りその主面に垂直な面について対称な構造を有する圧電素子と、前記圧電素子の長さ方向に一定の力を加えて当該圧電素子を湾曲させた状態において当該圧電素子の長さ方向端を固定する保持部材とを具備する発電装置であって、前記圧電素子の湾曲状態は当該圧電素子の長さ方向中心を通りその主面に垂直な面について対称な双安定状態であることを特徴とする発電装置が提供される。
【０００７】
本発明の第２の観点によれば、矩形形状を有し，その長さ方向中心を通りその主面に垂直な面について対称な構造を有する圧電素子と、前記圧電素子の長さ方向に一定の力を加えて当該圧電素子を湾曲させた状態において当該圧電素子の長さ方向端を固定する保持部材とを具備する発電装置であって、前記圧電素子の湾曲状態は当該圧電素子の長さ方向中心を通りその主面に垂直な面について対称であり、かつ、当該圧電素子の長さ方向半分が略Ｓ字型に湾曲していることを特徴とする発電装置が提供される。
【０００８】
本発明の第３の観点によれば、矩形の補強板と，当該補強板の主面においてその長さ方向に離間して設けられた第１圧電板および第２圧電板とを有する２個の矩形形状の圧電素子と、前記２個の圧電素子をその長さ方向の端部で長さ方向が一致するように連結する連結部材と、前記連結部材に保持された２個の圧電素子の他端部を、当該２個の圧電素子と当該連結部材とにその長さ方向に一定の力を加えて当該２個の圧電素子を湾曲させた状態において固定する保持部材とを具備する発電装置であって、前記２個の圧電素子の湾曲状態はそれぞれ、当該２個の圧電素子の連結方向中心を通りこの連結方向に垂直な面について対称な双安定状態であることを特徴とする発電装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の発電装置によれば、圧電素子の端部を不動に固定するので大きな外力が作用した場合にも安定性に優れている。また、集積化が容易であり、所望の電気エネルギーを得る構造とすることが容易である。圧電素子を双安定状態に保持するときの圧電素子の長さ方向に加える力を適切に設定することにより、小さい外力でも大きな変位を得て発電させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１Ａに本発明の一実施形態である発電装置１０の概略構造を表す側面図を、図１Ｂにその平面図を示す。この発電装置１０は、圧電素子１１と、圧電素子１１を保持する保持部材１２を有している。
【００１１】
圧電素子１１は、矩形の補強板１４と、補強板１４の長さ方向（Ｘ方向）の中央部で離間するように貼り付けられた８枚の圧電板１５Ａ〜１５ｄ，１５ａ〜１５ｄを有している。圧電板１５Ａ〜１５ｄ，１５ａ〜１５ｄの構造は詳細には示していないが、それぞれ、圧電セラミックス板の両面に電極膜が形成され、厚み方向に分極された構造を有している。この分極の向きは図１Ａの側面図に示した圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄに“＋”と“−”で示されている。この“＋”は分極処理時の高電位側を、“−”は低電位側（＝０Ｖ；アース電位）を示している。
【００１２】
圧電素子１１の長さ方向中央を通り圧電素子１１の主面と直交する軸をＺ軸とすると、圧電素子１１は、Ｚ軸を含み、かつ、Ｘ軸に直交する面（つまり、Ｙ−Ｚ面）について対称な構造を有している。
【００１３】
圧電板１５Ａ〜１５Ｄと圧電板１５ａ〜１５ｄはそれぞれ、Ｚ軸方向から見たときに重なり合う位置に配置されている。圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄの分極の向きは、圧電板１５Ａと圧電板１５ａは＋Ｚ側に“−”が、圧電板１５Ｂと圧電板１５ｂは＋Ｚ側に“＋”がくるように補強板１４に貼り付けられている。
【００１４】
前述の通り、圧電素子１１はＹ−Ｚ面対称構造を有しているので、圧電板１５Ｃと圧電板１５ｃは＋Ｚ側に“＋”が、圧電板１５Ｄと圧電板１５ｄは＋Ｚ側に“−”がくる。圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄの分極の向きは、圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄ全てについて逆転していてもよい。
【００１５】
補強板１４は金属であるとする。圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄの補強板１４側の図示しない電極は補強板１４と導通している。圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄにおいて表面に露出している図示しない電極の全てを、図１Ａの側面図に示すように、リード線１６ａで接続する。補強板１４にはリード線１６ｂを取り付け、これらリード線１６ａ，１６ｂを負荷またはコンデンサや二次電池等の充電器に接続する。なお、図１Ｂの平面図ではリード線１６ａ，１６ｂの図示は省略している。
【００１６】
なお、補強板１４が樹脂板等の絶縁材料である場合には、圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄの補強板１４側の全ての電極を接続する手段を設けることが必要となる。補強板１４として樹脂板を用いた場合には、圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄの分極の向きは図１Ａに示す形態に限定されないが、その場合には、圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄで発生する電圧の正負を考慮し、発生電圧が相殺しない接続となるように注意を要する。
【００１７】
補強板１４のＸ方向端にはそれぞれ、圧電素子１１を保持部材１２に固定するためのボルト２４，２５を挿通させるための穴部が、圧電素子１１の幅方向であるＹ方向に２つ形成されている。
【００１８】
保持部材１２は、基台２１と、ボルト２４〜２６により基台２１に固定される部品２２，２３ａ，２３ｂから構成されている。基台２１のＸ方向端の一方には＋Ｚ側に突出した突起部が設けられており、この突起部にはボルト２４と螺合するねじ穴が形成されている。また、基台２１のＸ方向端の他方には切欠部２１ａが形成されており、この切欠部２１ａには、ボルト２６を挿通させるための、Ｘ方向に長くＺ方向に貫通する穴部２１ｂが形成されている。なお、切欠部２１ａはボルト２６の頭部が基台２１の下面からはみ出さないようにする深さとなっている。
【００１９】
部品２２は、補強板１４を挟んでボルト２４によって基台２１の突起部に取り付けられ、これにより圧電素子１１のＸ方向の一端を基台２１に固定する。部品２３ａ，２３ｂは補強板１４を挟んでボルト２５により連結され、部品２３ａはさらに、穴部２１ｂに通したボルト２６により基台２１に固定される。こうして、圧電素子１１は保持部材１２に固定される。後述するように、穴部２１ｂがＸ方向に長い形状を有しているので、部品２３ａを基台２１に取り付ける位置をＸ方向において調節することができる。
【００２０】
発電装置１０において圧電素子１１は弱い双安定状態で保持されている。これについて図２を参照しながら説明する。図２は部品２３ａ，２３ｂのＸ方向取付位置の違いによる圧電素子１１の屈曲態様の違いを示している。なお、図２ではリード線１６ａ等の描画を省略している。また、図３に発電素子１０において圧電素子１１に＋Ｚ側から−Ｚ側に押圧力Ｆが印加されて、圧電素子１１の湾曲状態がＺ方向で逆転した状態を示す。
【００２１】
図２上図は、圧電素子１１がＸ方向において無負荷な状態、つまり補強板１４がＸ方向にまっすぐに伸びきって、しかも引っ張られてもいない状態を示している。
【００２２】
この図２上図の状態から、部品２３ａ，２３ｂを一体的に−Ｘ側にスライドさせて、圧電素子１１の補強板１４に圧縮力を加える。補強板１４はＸ方向で圧縮されるが、このときに補強板１４はＸ方向に印加されている応力を逃がそうとして、図２中図のように湾曲する。この図２中図に示す状態は図１Ａに示す状態と同じであり、図１Ａおよび図２中図での圧電素子１１の湾曲状態を“弱い双安定状態”と呼ぶこととする。この“弱い双安定状態”は、概略、緩やかなＳ字型湾曲状態であり、その湾曲状態は理想的にはＹ−Ｚ面について対称である。この図２中図の状態でボルト２６を固定すれば、圧電素子１１を弱い双安定状態で保持することができる。
【００２３】
発電装置１０では、圧電素子１１が弱い双安定状態にあるときに、圧電素子１１のＸ方向中央において＋Ｚ側から−Ｚ側に向けて押圧力Ｆを印加すると、図３に示すように、圧電素子１１の湾曲方向を逆転させることができるが、弱い双安定状態にある圧電素子１１では、この押圧力Ｆが小さくても、圧電素子１１の湾曲をＺ方向で反転させるような大きな変位を得ることができる。また、このときには変位速度も速くなるので、これにより大きな電気エネルギーを得ることができる。
【００２４】
この図２中図の状態から、ボルト２６を緩めて部品２３ａ，２３ｂを一体的にさらに−Ｘ側にスライドさせて圧電素子１１の補強板１４に圧縮応力を加えると、図２下図に示されるように、補強板１４の湾曲が大きくなった“強い双安定状態”となる。この“強い双安定状態”では、例えば、圧電素子１１の湾曲をＺ方向で逆転させるためには押圧力Ｆを大きくしなければならないが、その代わりに大きく速い変位を得ることができ、これにより大きな電気エネルギーを得ることができる。
【００２５】
“弱い双安定状態”と“強い双安定状態”についてさらに説明すれば、部品２３ａ，２３ｂを一体的に−Ｘ側にスライドさせるということは、圧電素子１１の長さ方向に加える圧縮力を変化させていることであるから、図２上図に示される状態から部品２３ａ，２３ｂを一定距離だけ−Ｘ側にスライドさせてそこで固定し（つまり、一定の圧縮力を加えた状態とし）、そのときに圧電素子１１にＺ方向で一定の変位量が得られるように、＋Ｚ側から−Ｚ側に向けて押圧力を加え、これを繰り返す。そうすると、圧電素子１１に加えた圧縮力と押圧力との相関関係を示すグラフが得られる。
【００２６】
なお、一定の変位量とは、結果的に圧電素子１１の湾曲状態を変化させることによって圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄに所望する電気エネルギーを発生させることができる変位量である。
【００２７】
こうして得られるグラフでは、圧縮力が大きくなっていくと、徐々に一定の変位量を得るために必要な押圧力の大きさが小さくなり、その後、また大きな押圧力が必要となる。この押圧力が極小を示した圧縮力にて圧電素子１１を保持した状態が“弱い双安定状態”に相当する。
【００２８】
この弱い双安定状態となる圧縮力を超えた圧縮力で圧電素子１１を保持すると、一定の変位量を得るために必要となる押圧力の大きさは大きくなる。しかし、が、より大きな押圧力が得られた場合には、“弱い双安定状態”では得られない大きな変位を得ることができるようになる。この状態が“強い双安定状態”に相当する。
【００２９】
したがって、“弱い双安定状態”は、小さい力で大きな電気エネルギーを得る場合に好適に用いられ、“強い双安定状態”は比較的大きな力で大きな電気エネルギーを得る場合に好適に用いられる。
【００３０】
発電装置１０では、圧電素子１１の長さ方向端を固定しているので、このような弱い双安定状態や強い双安定状態の形成が容易であり、しかも安定に維持することができる。また、発電装置１０は、従来の圧電素子の少なくとも一端を可動に保持しなければならない発電装置と比較すると、設計，作製が容易であり、また外力に対して安定な構造である。
【００３１】
図４は、図２上図において圧電素子１１の片端を部品２３ａ，２３ｂにより固定せずにスライド自在とした両持ち型の無負荷状態と、図２中図に示す弱い双安定状態と、図２下図に示す強い双安定状態のそれぞれの状態において、圧電素子１１のＸ方向中心のＺ方向での位置とＸ方向中心をその位置に止めるために必要な力との関係を示したグラフである。
【００３２】
この図４に示されるように、無負荷状態の両持ち型では、荷重と変位量とはほぼ比例関係にあり、大きな荷重を加えても大きな変位は生じにくい。また、強い双安定状態では、比較的小さい荷重で大きな変位を得ることができ、大きな荷重を加えると急激に大きな変位が生じることがわかる。これらに対して弱い双安定状態では、原点近傍においてＸ軸に沿って延びる領域が広い、つまり、極めて小さい荷重によっても大きな変位が得られることがわかる。強い双安定状態と弱い双安定状態のいずれの場合も、原点が変曲点となっていると判断することができ、変位量０の位置を速い速度で変位するため、無負荷状態の両持ち型と比較すると、圧電素子１１の同じ変位量であっても、発電量は大きくなる。
【００３３】
圧電素子を用いた従来の発電装置は、片持ちによる圧電素子の変形の不安定さを避けるために両持ちとしているが、これは小さな押圧力（外力）では小さな変位しか起こさない構造なので、小さな押圧力では実質的に電気エネルギーを得ることができなかった。しかし、発電装置１０では圧電素子１１を弱い双安定状態に保持することにより、小さな押圧力で圧電素子１１に大きな変位、かつ、速い変位を生じさせることができるので、電気エネルギーを十分に取り出すことができるようになる。
【００３４】
発電装置１０では上述した押圧力Ｆによる変形の際に、圧電板１５Ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５Ｄは圧縮状態から引張状態へ変化し、圧電板１５ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５ｄは圧縮状態から引張状態へ変化する。こうして、圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄの全てが発電し、その際の圧電板内での発生電荷のキャンセルアウトが殆どないために、大きな電気エネルギーを取り出すことができることも大きな特徴である。
【００３５】
さらに、圧電素子１１の両端は強固に保持部材１２に保持されているために、圧電素子１１に押圧力Ｆが加わったときに圧電素子１１が保持部材１２から外れるということはない。さらに、圧電素子１１と基台２１との距離を適切に設定して、大きな外力が圧電素子１１に作用した場合には、圧電素子１１が基台２１に接して圧電素子１１の過剰変位の発生を防止することにより、圧電素子１１を外力から保護することができる。
【００３６】
圧電素子１１は、弱い双安定状態における湾曲の程度（つまり、弱い双安定状態を実現するために圧電素子１１に印加されている力の大きさ）と押圧力Ｆの大きさとの関係で、押圧力Ｆにより変形した後にその押圧力Ｆが取り除かれると、弱い双安定状態へ自然に復帰させる構造とすることができる。その好適な構造例を図５Ａの側面図に示す。図５Ａでは、圧電素子１１の長さ方向端を圧電素子１１の湾曲に合わせて斜めに保持しており、これにより弱い双安定状態の押圧力Ｆが取り除かれた際に元の双安定状態に容易に戻るようになる。
【００３７】
これに対して、押圧力Ｆの大きさに依存せずに、圧電素子１１を確実に弱い双安定状態へ復帰させるために、発電装置１０を図５Ｂに示す発電装置１０Ａのように、バネ１７が、圧電素子１１を変形させる押圧力Ｆが取り除かれたときに、圧電素子１１を弱い双安定状態へ復帰させる構成とすることも好ましい。バネ１７の一端を基台２１に固定した場合、もう一方の先端は圧電素子１１の補強板１４に接続されていてもよいし、離間していてもよい。
【００３８】
発電装置１０，１０Ａの具体的な利用例について説明する。
【００３９】
発電装置１０，１０Ａを靴底に埋設し、靴表面に発電装置１０，１０Ａの発電により発光する発光ダイオードを配置すると、踵を地面に押し付ける力で圧電素子１１が発電し、この電気エネルギーで発光ダイオードを点滅させることができる。このような靴は、例えば、夜間利用時の視認性を高めることができる。
【００４０】
図６は発電装置１０Ａを用いた開閉センサ１００の概略構造とその動作態様を示す断面図である。この開閉センサ１００は、圧電素子１１および保持部材１２（発電装置１０を構成するものと同じ）と、圧電素子１１に取り付けられた棒部材３１と、棒部材３１に取り付けられた永久磁石３２と、これらを収容するケース３３とを有している。なお、図６においては、圧電素子１１の構造を略記しているが、図１Ａと容易に対比できる。
【００４１】
ケース３３は、金属アルミニウムやプラスチック、セラミックス非磁性材料からなる。発電装置１０Ａをケース３３に収容することにより発電装置１０Ａを防水することができる。
【００４２】
開閉センサ１００において、図６左図に示されるように永久磁石３２の磁力に作用する物体がない場合には、圧電素子１１はバネ１７によって保持部材１２の基台２１側に凸な弱い双安定状態に保持される。ケース３３は、例えば、開閉センサ１００をドアの開閉センサに用いるとすると、ドア枠に固定される。一方、ドアには金属部材３４を設ける。なお、金属部材３４と永久磁石３２とが入れ替わった構造であってもよい。
【００４３】
すると、図６右図に示されるように、ドアが閉じられて金属部材３４がケース３３に近接すると、永久磁石３２の磁力によって、永久磁石３２が金属部材３４側に引き寄せられ、バネ１７が伸びてこのときに圧電素子１１の湾曲状態が変化し、このときに圧電素子１１が発電する。また、ドアが開かれて金属部材３４がケース３３から離れると、永久磁石３２の磁力は金属部材３４に及ばなくなり、バネ１７が縮むことで図６左図の状態に戻る。このときにも圧電素子１１は発電し、電気エネルギーを得ることができる。このように金属部材３４がケース３３に接近したときに金属部材３４と永久磁石３２とが引き合うように、ケース３３の厚さを設定する必要がある。
【００４４】
このようなドアの開閉によって得られる電気エネルギーを用いて、発光素子を点灯（点滅）させたり、警報装置を動作させるための無線信号を飛ばしたりすることによって、ドアの開閉を監視することができる。開閉センサ１００はスイッチとして用いることもできる。
【００４５】
図７Ａは灯火装置１１０Ａの概略構造を示す断面図である。灯火装置１１０Ａは、２個の発電装置１０Ａ１，１０Ａ２（共に、図５Ｂに示した発電装置１０Ａと同じ）、これら２個の発電装置１０Ａ１，１０Ａ２を収容するケース４２ａと、羽根４５が取り付けられた棒部材４４ａと、ケース４２ａの底部中央に取り付けられ、棒部材４４ａを回動自在に保持する回動保持部材４３とを備えている。
【００４６】
２個の発電装置１０Ａ１，１０Ａ２はケース４２ａの内部に対面配置されており、圧電素子１１の各補強板１４の長さ方向中央部には直方体状の部品４１が取り付けられている。棒部材４４ａには半球状の突起部４６が設けられており、この突起部４６の先端が部品４１と接触または微少間隔で離間している。発電装置１０Ａ１，１０Ａ２には発光ダイオード４８が接続されている。なお、部品４１を設けることなく、突起部４６が直接に補強板１４と接する構成としてもよい。
【００４７】
この灯火装置１１０Ａでは、例えば、羽根４５が風を受けることによって、棒部材４４ａが反時計回りに回動すると、発電装置１０Ａ１における圧電素子１１が屈曲し、発電する。逆に、棒部材４４ａが時計回りに回動すると、発電装置１０Ａ２における圧電素子１１が屈曲し、発電する。こうして得られる電気エネルギーで発光ダイオード４８を点灯、点滅させることができる。
【００４８】
灯火装置１１０Ａは、例えば、高速道路等において、羽根４５が横風を受けることによって発電装置１０Ａ１，１０Ａ２が発電する構成とすることによって、横風警戒灯として利用することができる。具体的には、複数の発光ダイオード４８を「横風注意」等に文字配列して、これを複数の灯火装置１１０Ａで点灯，点滅させてもよいし、または１または数台の大型の灯火装置１１０Ａで点灯，点滅させてもよい。なお、羽根４５の形状や大きさを変えることによって、風速に対する選択性を持たせることができるので、風速を発光ダイオード４８によりレベルメータ表示させることもできる。
【００４９】
また、灯火装置１１０Ａは微弱な風でも発電させることができるので、例えば、灯火装置１１０Ａの羽根４５を路縁表示に用いると同時に、発光ダイオード４８で路縁を表示する表示器を構成することができる。
【００５０】
なお、灯火装置１１０Ａの羽根４５を錘に変え、例えば、人がケース４２ａを降ることによって発電装置１０Ａ１，１０Ａ２を発電させる構成とすれば、懐中電灯等として用いることもできる。
【００５１】
図７Ｂに示す灯火装置１１０Ｂは、図７Ａに示した灯火装置１１０Ａの変形例である。この灯火装置１１０Ｂでは、一端に羽根４５が取り付けられ他端に突起部４６が設けられた棒部材４４ｂが、ケース４２ｂに取り付けられた回動保持部材４７を支点として一定角度回動することができるようになっており、てこの原理を利用して発電装置１０Ａ１，１０Ａ２を発電させる。
【００５２】
図８に示す発電装置１０Ｂは、複数の圧電素子１１を集積配置させた構造を有するものである。図８においては、発電装置１０Ｂの構成要素のうち、その機能が発電装置１０Ａと同じであるものについては、これと同じ符号を用いている。発電装置１０Ｂにおいては、４個の圧電素子１１の一端は一定厚のスペーサ３６を介して部品２２と基台２１とに挟まれてボルト２４により固定されている。また、４個の圧電素子１１の他端も一定厚のスペーサ３６を介して部品２３ａと部品２３ｂに挟まれてボルト２５によって固定され、部品２３ａが基台２１にボルト２６により固定されている。
【００５３】
圧電素子１１の補強板１４の長さ方向中央にはボルト３８を挿通させるための穴部が形成され、ボルト３８を挿通させるための穴部を有するスペーサ３７が圧電素子１１間に配置されている。ボルト３８を固定するための部品３７ａにはボルト３８と螺合するネジ穴が設けられており、部品３７ｂにはボルト３８を挿通させつつその頭部を保持するための段差孔が形成されている。図８に示されるように、これらの部品により圧電素子１１の長さ方向中央部が連結される。バネ１７の機能は発電装置１０Ａのものと同じである。
【００５４】
発電装置１０Ｂでは、部品３７ｂに−Ｚ向きの力が印加されると、４個の圧電素子１１が同時に下に凸となるように湾曲し、その際に発電する。また、この負荷が取り除かれた際に、バネ１７により元の上に凸の状態にもどり、このときにも発電する。こうして発生する電気エネルギーは、圧電素子１１ごとに異なる負荷に供給してもよいし、整流回路を用いてまたは整流回路を用いずに集電した後に負荷に供給してもよい。
【００５５】
圧電素子１１の長さ方向両端を固定して圧電素子１１を弱い双安定状態に保持するという構造は、圧電素子１１の集積化を容易とする構造でもあり、こうして大きな電気エネルギーを得ることができるようになる。圧電素子１１の集積数は４個に限定されるものではないことは言うまでもない。
【００５６】
発電装置１０Ｂの利用例としては、例えば、これを床や階段、道路等に埋設し、人や車両の通過時にこれらの重さによって圧電素子１１を変形させ、発電させるものが挙げられる。
【００５７】
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形態に限定されるものではない。例えば、発電装置１０において、圧電素子１１のＸ方向中央を外れた位置で＋Ｚ側から−Ｚ側に応力が印加された場合にも、圧電素子１１は変形して発電することは言うまでもない。がしかし、湾曲が不均一になり発電効率も低下するので、例えば、図６，図７に示したように、圧電素子１１のＸ方向中心に応力が印加される構成とすることが好ましい。
【００５８】
また、開閉センサ１００，１１０Ａ等も発電装置１２０と同様に複数の圧電素子１１を集積させた構造としてもよい。
【００５９】
上記形態においては、１枚の補強板１４に８枚の圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄを取り付けた構造を有する圧電素子１１を用いて発電装置１０・１０Ａ・１０Ｂを構成したが、圧電素子はこれに限定されるものではない。
【００６０】
例えば、図９にさらに別の発電装置１０Ｃを示す。発電装置１０Ｃは、２個の圧電素子５１ａ，５１ｂをＸ方向で、平板部材５５とボルト５６とナット５７からなる連結部材５２によって固定連結し、圧電素子５１ａ，５１ｂの他端を保持部材（基台）５３にボルト５４により固定した構造となっている。圧電素子５１ａ，５１ｂが有する圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄは、圧電素子１１のものと同じであり、圧電素子５１ａ，５１ｂが有する補強板１４は圧電素子１１が有するものより長さが短いだけである。発電装置１０Ｃにおける発電態様は、先に説明した発電装置１０と同じであるので、ここでの説明は省略する。
【００６１】
圧電素子１１を集積化するために発電装置１０Ａを発電装置１０Ｂへ変形させたのと同様にして、圧電素子５１ａ，５１ｂを集積化することができることは言うまでもない。
【００６２】
なお、発電装置１０Ｃでは圧電素子５１ａ，５１ｂを構成する圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄをも固定する形態とした。一方、発電装置１０では、圧電素子１１を構成する補強板１４の端部を固定する形態としている。圧電素子の固定方法において、圧電板をも固定する構成は、変位量を大きくは取らない場合に好適である。圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄに最も大きな応力が掛かるのは、可動部分における固定端近傍だからである。しかし、大きな変位を取る場合には、圧電素子の一部を固定すると圧電素子が損傷するおそれがあるので、耐久性の観点から、補強板を固定することが好ましい。また、補強板は圧電素子の固定時にスペーサとして機能するので、補強板を固定する方法の方が、ボルト締めにより圧電素子を安定に固定することができる方法と言える。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１Ａ】発電装置の概略構造を示す側面図。
【図１Ｂ】発電装置の概略構造を示す平面図。
【図２】発電装置における圧電素子の固定状態を示す図。
【図３】図１Ａに示す発電装置の、図１Ａに示す状態から応力を受けて屈曲した状態を示す側面図。
【図４】圧電素子を無負荷状態，弱い双安定状態，強い双安定状態としたときの荷重とＸ方向中心の変位量との関係を示したグラフ。
【図５Ａ】図１Ａに示す発電装置の変形例を示す側面図。
【図５Ｂ】図１Ａに示す発電装置の別の変形例を示す側面図。
【図６】図５Ｂの発電装置を用いた発電装置の概略構造とその動作態様を示す断面図。
【図７Ａ】別の発電装置の概略構造を示す断面図。
【図７Ｂ】図７Ａの発電装置の変形例を示す断面図。
【図８】別の発電装置を示す側面図。
【図９】さらに別の発電装置を示す側面図。
【符号の説明】
【００６４】
１０・１０Ａ・１０Ａ１・１０Ａ２・１０Ｂ・１０Ｃ…発電装置、１１…圧電素子、１２…保持部材、１４…補強板、１５Ａ〜１５Ｄ・１５ａ〜１５ｄ…圧電板、１６ａ・１６ｂ…リード線、１７…バネ、２１…基台、２１ａ…切欠部、２１ｂ…穴部、２２・２３ａ・２３ｂ…部品、２４・２５・２６…ボルト、３１…棒部材、３２…永久磁石、３３…ケース、３４…金属部材、３５・３６・３７…スペーサ、３７ａ・３７ｂ…部品、３８…ボルト、４１…部品、４２ａ・４２ｂ…ケース、４３…回動保持部材、４４ａ・４４ｂ…棒部材、４５…羽根、４６…突起部、４７…回動保持部材、４８…発光ダイオード、５１ａ・５１ｂ…圧電素子、５２…連結部材、５３…保持部材（基台）、５４…ボルト、５５…平板部材、５６…ボルト、５７…ナット、１００…開閉センサ、１１０Ａ・１１０Ｂ…灯火装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電素子を用いた発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、風力等の自然エネルギーを利用したオンサイト発電装置の開発が積極的に行われており、電磁誘導を用いた発電機を駆動するものや、圧電素子の屈曲発電を利用するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ユニモルフ素子やバイモルフ素子等の屈曲変位型の圧電素子を用いた発電装置では、圧電素子は当初は平坦な状態に保持され、これに外力が作用して圧電素子が屈曲する際に発生する電気を取り出している。しかし、圧電素子を平坦な状態から屈曲させる場合、小さな外力では圧電素子は殆ど屈曲せず、そのために得られる電気エネルギーは極めて小さい。
【０００４】
また、平坦な状態にある圧電素子を屈曲させるためには、圧電素子の少なくとも一端を可動に保持しなければならず、その保持機構が複雑となる。特に、複数の圧電素子を集積配置する際には、特許文献１の図２に示されるように、圧電素子を保持するための治具に溝加工等が必要となり、治具のコストが高くなるとともに、圧電素子を集積配置する際の組立も必ずしも容易とは言えない。
【特許文献１】特開２００５−３５４７６５号公報（図２等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、外力に対する圧電素子の固定安定性に優れ、また集積化が容易であり、さらに小さい外力でも発電することができる発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の観点によれば、矩形形状を有し，その長さ方向中心を通りその主面に垂直な面について対称な構造を有する圧電素子と、前記圧電素子の長さ方向に一定の力を加えて当該圧電素子を湾曲させた状態において当該圧電素子の長さ方向端を固定する保持部材とを具備する発電装置であって、前記圧電素子の湾曲状態は当該圧電素子の長さ方向中心を通りその主面に垂直な面について対称な双安定状態であることを特徴とする発電装置が提供される。
【０００７】
本発明の第２の観点によれば、矩形形状を有し，その長さ方向中心を通りその主面に垂直な面について対称な構造を有する圧電素子と、前記圧電素子の長さ方向に一定の力を加えて当該圧電素子を湾曲させた状態において当該圧電素子の長さ方向端を固定する保持部材とを具備する発電装置であって、前記圧電素子の湾曲状態は当該圧電素子の長さ方向中心を通りその主面に垂直な面について対称であり、かつ、当該圧電素子の長さ方向半分が略Ｓ字型に湾曲していることを特徴とする発電装置が提供される。
【０００８】
本発明の第３の観点によれば、矩形の補強板と，当該補強板の主面においてその長さ方向に離間して設けられた第１圧電板および第２圧電板とを有する２個の矩形形状の圧電素子と、前記２個の圧電素子をその長さ方向の端部で長さ方向が一致するように連結する連結部材と、前記連結部材に保持された２個の圧電素子の他端部を、当該２個の圧電素子と当該連結部材とにその長さ方向に一定の力を加えて当該２個の圧電素子を湾曲させた状態において固定する保持部材とを具備する発電装置であって、前記２個の圧電素子の湾曲状態はそれぞれ、当該２個の圧電素子の連結方向中心を通りこの連結方向に垂直な面について対称な双安定状態であることを特徴とする発電装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の発電装置によれば、圧電素子の端部を不動に固定するので大きな外力が作用した場合にも安定性に優れている。また、集積化が容易であり、所望の電気エネルギーを得る構造とすることが容易である。圧電素子を双安定状態に保持するときの圧電素子の長さ方向に加える力を適切に設定することにより、小さい外力でも大きな変位を得て発電させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１Ａに本発明の一実施形態である発電装置１０の概略構造を表す側面図を、図１Ｂにその平面図を示す。この発電装置１０は、圧電素子１１と、圧電素子１１を保持する保持部材１２を有している。
【００１１】
圧電素子１１は、矩形の補強板１４と、補強板１４の長さ方向（Ｘ方向）の中央部で離間するように貼り付けられた８枚の圧電板１５Ａ〜１５ｄ，１５ａ〜１５ｄを有している。圧電板１５Ａ〜１５ｄ，１５ａ〜１５ｄの構造は詳細には示していないが、それぞれ、圧電セラミックス板の両面に電極膜が形成され、厚み方向に分極された構造を有している。この分極の向きは図１Ａの側面図に示した圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄに“＋”と“−”で示されている。この“＋”は分極処理時の高電位側を、“−”は低電位側（＝０Ｖ；アース電位）を示している。
【００１２】
圧電素子１１の長さ方向中央を通り圧電素子１１の主面と直交する軸をＺ軸とすると、圧電素子１１は、Ｚ軸を含み、かつ、Ｘ軸に直交する面（つまり、Ｙ−Ｚ面）について対称な構造を有している。
【００１３】
圧電板１５Ａ〜１５Ｄと圧電板１５ａ〜１５ｄはそれぞれ、Ｚ軸方向から見たときに重なり合う位置に配置されている。圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄの分極の向きは、圧電板１５Ａと圧電板１５ａは＋Ｚ側に“−”が、圧電板１５Ｂと圧電板１５ｂは＋Ｚ側に“＋”がくるように補強板１４に貼り付けられている。
【００１４】
前述の通り、圧電素子１１はＹ−Ｚ面対称構造を有しているので、圧電板１５Ｃと圧電板１５ｃは＋Ｚ側に“＋”が、圧電板１５Ｄと圧電板１５ｄは＋Ｚ側に“−”がくる。圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄの分極の向きは、圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄ全てについて逆転していてもよい。
【００１５】
補強板１４は金属であるとする。圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄの補強板１４側の図示しない電極は補強板１４と導通している。圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄにおいて表面に露出している図示しない電極の全てを、図１Ａの側面図に示すように、リード線１６ａで接続する。補強板１４にはリード線１６ｂを取り付け、これらリード線１６ａ，１６ｂを負荷またはコンデンサや二次電池等の充電器に接続する。なお、図１Ｂの平面図ではリード線１６ａ，１６ｂの図示は省略している。
【００１６】
なお、補強板１４が樹脂板等の絶縁材料である場合には、圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄの補強板１４側の全ての電極を接続する手段を設けることが必要となる。補強板１４として樹脂板を用いた場合には、圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄの分極の向きは図１Ａに示す形態に限定されないが、その場合には、圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄで発生する電圧の正負を考慮し、発生電圧が相殺しない接続となるように注意を要する。
【００１７】
補強板１４のＸ方向端にはそれぞれ、圧電素子１１を保持部材１２に固定するためのボルト２４，２５を挿通させるための穴部が、圧電素子１１の幅方向であるＹ方向に２つ形成されている。
【００１８】
保持部材１２は、基台２１と、ボルト２４〜２６により基台２１に固定される部品２２，２３ａ，２３ｂから構成されている。基台２１のＸ方向端の一方には＋Ｚ側に突出した突起部が設けられており、この突起部にはボルト２４と螺合するねじ穴が形成されている。また、基台２１のＸ方向端の他方には切欠部２１ａが形成されており、この切欠部２１ａには、ボルト２６を挿通させるための、Ｘ方向に長くＺ方向に貫通する穴部２１ｂが形成されている。なお、切欠部２１ａはボルト２６の頭部が基台２１の下面からはみ出さないようにする深さとなっている。
【００１９】
部品２２は、補強板１４を挟んでボルト２４によって基台２１の突起部に取り付けられ、これにより圧電素子１１のＸ方向の一端を基台２１に固定する。部品２３ａ，２３ｂは補強板１４を挟んでボルト２５により連結され、部品２３ａはさらに、穴部２１ｂに通したボルト２６により基台２１に固定される。こうして、圧電素子１１は保持部材１２に固定される。後述するように、穴部２１ｂがＸ方向に長い形状を有しているので、部品２３ａを基台２１に取り付ける位置をＸ方向において調節することができる。
【００２０】
発電装置１０において圧電素子１１は弱い双安定状態で保持されている。これについて図２を参照しながら説明する。図２は部品２３ａ，２３ｂのＸ方向取付位置の違いによる圧電素子１１の屈曲態様の違いを示している。なお、図２ではリード線１６ａ等の描画を省略している。また、図３に発電素子１０において圧電素子１１に＋Ｚ側から−Ｚ側に押圧力Ｆが印加されて、圧電素子１１の湾曲状態がＺ方向で逆転した状態を示す。
【００２１】
図２上図は、圧電素子１１がＸ方向において無負荷な状態、つまり補強板１４がＸ方向にまっすぐに伸びきって、しかも引っ張られてもいない状態を示している。
【００２２】
この図２上図の状態から、部品２３ａ，２３ｂを一体的に−Ｘ側にスライドさせて、圧電素子１１の補強板１４に圧縮力を加える。補強板１４はＸ方向で圧縮されるが、このときに補強板１４はＸ方向に印加されている応力を逃がそうとして、図２中図のように湾曲する。この図２中図に示す状態は図１Ａに示す状態と同じであり、図１Ａおよび図２中図での圧電素子１１の湾曲状態を“弱い双安定状態”と呼ぶこととする。この“弱い双安定状態”は、概略、緩やかなＳ字型湾曲状態であり、その湾曲状態は理想的にはＹ−Ｚ面について対称である。この図２中図の状態でボルト２６を固定すれば、圧電素子１１を弱い双安定状態で保持することができる。
【００２３】
発電装置１０では、圧電素子１１が弱い双安定状態にあるときに、圧電素子１１のＸ方向中央において＋Ｚ側から−Ｚ側に向けて押圧力Ｆを印加すると、図３に示すように、圧電素子１１の湾曲方向を逆転させることができるが、弱い双安定状態にある圧電素子１１では、この押圧力Ｆが小さくても、圧電素子１１の湾曲をＺ方向で反転させるような大きな変位を得ることができる。また、このときには変位速度も速くなるので、これにより大きな電気エネルギーを得ることができる。
【００２４】
この図２中図の状態から、ボルト２６を緩めて部品２３ａ，２３ｂを一体的にさらに−Ｘ側にスライドさせて圧電素子１１の補強板１４に圧縮応力を加えると、図２下図に示されるように、補強板１４の湾曲が大きくなった“強い双安定状態”となる。この“強い双安定状態”では、例えば、圧電素子１１の湾曲をＺ方向で逆転させるためには押圧力Ｆを大きくしなければならないが、その代わりに大きく速い変位を得ることができ、これにより大きな電気エネルギーを得ることができる。
【００２５】
“弱い双安定状態”と“強い双安定状態”についてさらに説明すれば、部品２３ａ，２３ｂを一体的に−Ｘ側にスライドさせるということは、圧電素子１１の長さ方向に加える圧縮力を変化させていることであるから、図２上図に示される状態から部品２３ａ，２３ｂを一定距離だけ−Ｘ側にスライドさせてそこで固定し（つまり、一定の圧縮力を加えた状態とし）、そのときに圧電素子１１にＺ方向で一定の変位量が得られるように、＋Ｚ側から−Ｚ側に向けて押圧力を加え、これを繰り返す。そうすると、圧電素子１１に加えた圧縮力と押圧力との相関関係を示すグラフが得られる。
【００２６】
なお、一定の変位量とは、結果的に圧電素子１１の湾曲状態を変化させることによって圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄに所望する電気エネルギーを発生させることができる変位量である。
【００２７】
こうして得られるグラフでは、圧縮力が大きくなっていくと、徐々に一定の変位量を得るために必要な押圧力の大きさが小さくなり、その後、また大きな押圧力が必要となる。この押圧力が極小を示した圧縮力にて圧電素子１１を保持した状態が“弱い双安定状態”に相当する。
【００２８】
この弱い双安定状態となる圧縮力を超えた圧縮力で圧電素子１１を保持すると、一定の変位量を得るために必要となる押圧力の大きさは大きくなる。しかし、が、より大きな押圧力が得られた場合には、“弱い双安定状態”では得られない大きな変位を得ることができるようになる。この状態が“強い双安定状態”に相当する。
【００２９】
したがって、“弱い双安定状態”は、小さい力で大きな電気エネルギーを得る場合に好適に用いられ、“強い双安定状態”は比較的大きな力で大きな電気エネルギーを得る場合に好適に用いられる。
【００３０】
発電装置１０では、圧電素子１１の長さ方向端を固定しているので、このような弱い双安定状態や強い双安定状態の形成が容易であり、しかも安定に維持することができる。また、発電装置１０は、従来の圧電素子の少なくとも一端を可動に保持しなければならない発電装置と比較すると、設計，作製が容易であり、また外力に対して安定な構造である。
【００３１】
図４は、図２上図において圧電素子１１の片端を部品２３ａ，２３ｂにより固定せずにスライド自在とした両持ち型の無負荷状態と、図２中図に示す弱い双安定状態と、図２下図に示す強い双安定状態のそれぞれの状態において、圧電素子１１のＸ方向中心のＺ方向での位置とＸ方向中心をその位置に止めるために必要な力との関係を示したグラフである。
【００３２】
この図４に示されるように、無負荷状態の両持ち型では、荷重と変位量とはほぼ比例関係にあり、大きな荷重を加えても大きな変位は生じにくい。また、強い双安定状態では、比較的小さい荷重で大きな変位を得ることができ、大きな荷重を加えると急激に大きな変位が生じることがわかる。これらに対して弱い双安定状態では、原点近傍においてＸ軸に沿って延びる領域が広い、つまり、極めて小さい荷重によっても大きな変位が得られることがわかる。強い双安定状態と弱い双安定状態のいずれの場合も、原点が変曲点となっていると判断することができ、変位量０の位置を速い速度で変位するため、無負荷状態の両持ち型と比較すると、圧電素子１１の同じ変位量であっても、発電量は大きくなる。
【００３３】
圧電素子を用いた従来の発電装置は、片持ちによる圧電素子の変形の不安定さを避けるために両持ちとしているが、これは小さな押圧力（外力）では小さな変位しか起こさない構造なので、小さな押圧力では実質的に電気エネルギーを得ることができなかった。しかし、発電装置１０では圧電素子１１を弱い双安定状態に保持することにより、小さな押圧力で圧電素子１１に大きな変位、かつ、速い変位を生じさせることができるので、電気エネルギーを十分に取り出すことができるようになる。
【００３４】
発電装置１０では上述した押圧力Ｆによる変形の際に、圧電板１５Ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５Ｄは圧縮状態から引張状態へ変化し、圧電板１５ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５ｄは圧縮状態から引張状態へ変化する。こうして、圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄの全てが発電し、その際の圧電板内での発生電荷のキャンセルアウトが殆どないために、大きな電気エネルギーを取り出すことができることも大きな特徴である。
【００３５】
さらに、圧電素子１１の両端は強固に保持部材１２に保持されているために、圧電素子１１に押圧力Ｆが加わったときに圧電素子１１が保持部材１２から外れるということはない。さらに、圧電素子１１と基台２１との距離を適切に設定して、大きな外力が圧電素子１１に作用した場合には、圧電素子１１が基台２１に接して圧電素子１１の過剰変位の発生を防止することにより、圧電素子１１を外力から保護することができる。
【００３６】
圧電素子１１は、弱い双安定状態における湾曲の程度（つまり、弱い双安定状態を実現するために圧電素子１１に印加されている力の大きさ）と押圧力Ｆの大きさとの関係で、押圧力Ｆにより変形した後にその押圧力Ｆが取り除かれると、弱い双安定状態へ自然に復帰させる構造とすることができる。その好適な構造例を図５Ａの側面図に示す。図５Ａでは、圧電素子１１の長さ方向端を圧電素子１１の湾曲に合わせて斜めに保持しており、これにより弱い双安定状態の押圧力Ｆが取り除かれた際に元の双安定状態に容易に戻るようになる。
【００３７】
これに対して、押圧力Ｆの大きさに依存せずに、圧電素子１１を確実に弱い双安定状態へ復帰させるために、発電装置１０を図５Ｂに示す発電装置１０Ａのように、バネ１７が、圧電素子１１を変形させる押圧力Ｆが取り除かれたときに、圧電素子１１を弱い双安定状態へ復帰させる構成とすることも好ましい。バネ１７の一端を基台２１に固定した場合、もう一方の先端は圧電素子１１の補強板１４に接続されていてもよいし、離間していてもよい。
【００３８】
発電装置１０，１０Ａの具体的な利用例について説明する。
【００３９】
発電装置１０，１０Ａを靴底に埋設し、靴表面に発電装置１０，１０Ａの発電により発光する発光ダイオードを配置すると、踵を地面に押し付ける力で圧電素子１１が発電し、この電気エネルギーで発光ダイオードを点滅させることができる。このような靴は、例えば、夜間利用時の視認性を高めることができる。
【００４０】
図６は発電装置１０Ａを用いた開閉センサ１００の概略構造とその動作態様を示す断面図である。この開閉センサ１００は、圧電素子１１および保持部材１２（発電装置１０を構成するものと同じ）と、圧電素子１１に取り付けられた棒部材３１と、棒部材３１に取り付けられた永久磁石３２と、これらを収容するケース３３とを有している。なお、図６においては、圧電素子１１の構造を略記しているが、図１Ａと容易に対比できる。
【００４１】
ケース３３は、金属アルミニウムやプラスチック、セラミックス非磁性材料からなる。発電装置１０Ａをケース３３に収容することにより発電装置１０Ａを防水することができる。
【００４２】
開閉センサ１００において、図６左図に示されるように永久磁石３２の磁力に作用する物体がない場合には、圧電素子１１はバネ１７によって保持部材１２の基台２１側に凸な弱い双安定状態に保持される。ケース３３は、例えば、開閉センサ１００をドアの開閉センサに用いるとすると、ドア枠に固定される。一方、ドアには金属部材３４を設ける。なお、金属部材３４と永久磁石３２とが入れ替わった構造であってもよい。
【００４３】
すると、図６右図に示されるように、ドアが閉じられて金属部材３４がケース３３に近接すると、永久磁石３２の磁力によって、永久磁石３２が金属部材３４側に引き寄せられ、バネ１７が伸びてこのときに圧電素子１１の湾曲状態が変化し、このときに圧電素子１１が発電する。また、ドアが開かれて金属部材３４がケース３３から離れると、永久磁石３２の磁力は金属部材３４に及ばなくなり、バネ１７が縮むことで図６左図の状態に戻る。このときにも圧電素子１１は発電し、電気エネルギーを得ることができる。このように金属部材３４がケース３３に接近したときに金属部材３４と永久磁石３２とが引き合うように、ケース３３の厚さを設定する必要がある。
【００４４】
このようなドアの開閉によって得られる電気エネルギーを用いて、発光素子を点灯（点滅）させたり、警報装置を動作させるための無線信号を飛ばしたりすることによって、ドアの開閉を監視することができる。開閉センサ１００はスイッチとして用いることもできる。
【００４５】
図７Ａは灯火装置１１０Ａの概略構造を示す断面図である。灯火装置１１０Ａは、２個の発電装置１０Ａ１，１０Ａ２（共に、図５Ｂに示した発電装置１０Ａと同じ）、これら２個の発電装置１０Ａ１，１０Ａ２を収容するケース４２ａと、羽根４５が取り付けられた棒部材４４ａと、ケース４２ａの底部中央に取り付けられ、棒部材４４ａを回動自在に保持する回動保持部材４３とを備えている。
【００４６】
２個の発電装置１０Ａ１，１０Ａ２はケース４２ａの内部に対面配置されており、圧電素子１１の各補強板１４の長さ方向中央部には直方体状の部品４１が取り付けられている。棒部材４４ａには半球状の突起部４６が設けられており、この突起部４６の先端が部品４１と接触または微少間隔で離間している。発電装置１０Ａ１，１０Ａ２には発光ダイオード４８が接続されている。なお、部品４１を設けることなく、突起部４６が直接に補強板１４と接する構成としてもよい。
【００４７】
この灯火装置１１０Ａでは、例えば、羽根４５が風を受けることによって、棒部材４４ａが反時計回りに回動すると、発電装置１０Ａ１における圧電素子１１が屈曲し、発電する。逆に、棒部材４４ａが時計回りに回動すると、発電装置１０Ａ２における圧電素子１１が屈曲し、発電する。こうして得られる電気エネルギーで発光ダイオード４８を点灯、点滅させることができる。
【００４８】
灯火装置１１０Ａは、例えば、高速道路等において、羽根４５が横風を受けることによって発電装置１０Ａ１，１０Ａ２が発電する構成とすることによって、横風警戒灯として利用することができる。具体的には、複数の発光ダイオード４８を「横風注意」等に文字配列して、これを複数の灯火装置１１０Ａで点灯，点滅させてもよいし、または１または数台の大型の灯火装置１１０Ａで点灯，点滅させてもよい。なお、羽根４５の形状や大きさを変えることによって、風速に対する選択性を持たせることができるので、風速を発光ダイオード４８によりレベルメータ表示させることもできる。
【００４９】
また、灯火装置１１０Ａは微弱な風でも発電させることができるので、例えば、灯火装置１１０Ａの羽根４５を路縁表示に用いると同時に、発光ダイオード４８で路縁を表示する表示器を構成することができる。
【００５０】
なお、灯火装置１１０Ａの羽根４５を錘に変え、例えば、人がケース４２ａを降ることによって発電装置１０Ａ１，１０Ａ２を発電させる構成とすれば、懐中電灯等として用いることもできる。
【００５１】
図７Ｂに示す灯火装置１１０Ｂは、図７Ａに示した灯火装置１１０Ａの変形例である。この灯火装置１１０Ｂでは、一端に羽根４５が取り付けられ他端に突起部４６が設けられた棒部材４４ｂが、ケース４２ｂに取り付けられた回動保持部材４７を支点として一定角度回動することができるようになっており、てこの原理を利用して発電装置１０Ａ１，１０Ａ２を発電させる。
【００５２】
図８に示す発電装置１０Ｂは、複数の圧電素子１１を集積配置させた構造を有するものである。図８においては、発電装置１０Ｂの構成要素のうち、その機能が発電装置１０Ａと同じであるものについては、これと同じ符号を用いている。発電装置１０Ｂにおいては、４個の圧電素子１１の一端は一定厚のスペーサ３６を介して部品２２と基台２１とに挟まれてボルト２４により固定されている。また、４個の圧電素子１１の他端も一定厚のスペーサ３６を介して部品２３ａと部品２３ｂに挟まれてボルト２５によって固定され、部品２３ａが基台２１にボルト２６により固定されている。
【００５３】
圧電素子１１の補強板１４の長さ方向中央にはボルト３８を挿通させるための穴部が形成され、ボルト３８を挿通させるための穴部を有するスペーサ３７が圧電素子１１間に配置されている。ボルト３８を固定するための部品３７ａにはボルト３８と螺合するネジ穴が設けられており、部品３７ｂにはボルト３８を挿通させつつその頭部を保持するための段差孔が形成されている。図８に示されるように、これらの部品により圧電素子１１の長さ方向中央部が連結される。バネ１７の機能は発電装置１０Ａのものと同じである。
【００５４】
発電装置１０Ｂでは、部品３７ｂに−Ｚ向きの力が印加されると、４個の圧電素子１１が同時に下に凸となるように湾曲し、その際に発電する。また、この負荷が取り除かれた際に、バネ１７により元の上に凸の状態にもどり、このときにも発電する。こうして発生する電気エネルギーは、圧電素子１１ごとに異なる負荷に供給してもよいし、整流回路を用いてまたは整流回路を用いずに集電した後に負荷に供給してもよい。
【００５５】
圧電素子１１の長さ方向両端を固定して圧電素子１１を弱い双安定状態に保持するという構造は、圧電素子１１の集積化を容易とする構造でもあり、こうして大きな電気エネルギーを得ることができるようになる。圧電素子１１の集積数は４個に限定されるものではないことは言うまでもない。
【００５６】
発電装置１０Ｂの利用例としては、例えば、これを床や階段、道路等に埋設し、人や車両の通過時にこれらの重さによって圧電素子１１を変形させ、発電させるものが挙げられる。
【００５７】
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形態に限定されるものではない。例えば、発電装置１０において、圧電素子１１のＸ方向中央を外れた位置で＋Ｚ側から−Ｚ側に応力が印加された場合にも、圧電素子１１は変形して発電することは言うまでもない。がしかし、湾曲が不均一になり発電効率も低下するので、例えば、図６，図７に示したように、圧電素子１１のＸ方向中心に応力が印加される構成とすることが好ましい。
【００５８】
また、開閉センサ１００，１１０Ａ等も発電装置１２０と同様に複数の圧電素子１１を集積させた構造としてもよい。
【００５９】
上記形態においては、１枚の補強板１４に８枚の圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄを取り付けた構造を有する圧電素子１１を用いて発電装置１０・１０Ａ・１０Ｂを構成したが、圧電素子はこれに限定されるものではない。
【００６０】
例えば、図９にさらに別の発電装置１０Ｃを示す。発電装置１０Ｃは、２個の圧電素子５１ａ，５１ｂをＸ方向で、平板部材５５とボルト５６とナット５７からなる連結部材５２によって固定連結し、圧電素子５１ａ，５１ｂの他端を保持部材（基台）５３にボルト５４により固定した構造となっている。圧電素子５１ａ，５１ｂが有する圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄは、圧電素子１１のものと同じであり、圧電素子５１ａ，５１ｂが有する補強板１４は圧電素子１１が有するものより長さが短いだけである。発電装置１０Ｃにおける発電態様は、先に説明した発電装置１０と同じであるので、ここでの説明は省略する。
【００６１】
圧電素子１１を集積化するために発電装置１０Ａを発電装置１０Ｂへ変形させたのと同様にして、圧電素子５１ａ，５１ｂを集積化することができることは言うまでもない。
【００６２】
なお、発電装置１０Ｃでは圧電素子５１ａ，５１ｂを構成する圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄをも固定する形態とした。一方、発電装置１０では、圧電素子１１を構成する補強板１４の端部を固定する形態としている。圧電素子の固定方法において、圧電板をも固定する構成は、変位量を大きくは取らない場合に好適である。圧電板１５Ａ〜１５Ｄ，１５ａ〜１５ｄに最も大きな応力が掛かるのは、可動部分における固定端近傍だからである。しかし、大きな変位を取る場合には、圧電素子の一部を固定すると圧電素子が損傷するおそれがあるので、耐久性の観点から、補強板を固定することが好ましい。また、補強板は圧電素子の固定時にスペーサとして機能するので、補強板を固定する方法の方が、ボルト締めにより圧電素子を安定に固定することができる方法と言える。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１Ａ】発電装置の概略構造を示す側面図。
【図１Ｂ】発電装置の概略構造を示す平面図。
【図２】発電装置における圧電素子の固定状態を示す図。
【図３】図１Ａに示す発電装置の、図１Ａに示す状態から応力を受けて屈曲した状態を示す側面図。
【図４】圧電素子を無負荷状態，弱い双安定状態，強い双安定状態としたときの荷重とＸ方向中心の変位量との関係を示したグラフ。
【図５Ａ】図１Ａに示す発電装置の変形例を示す側面図。
【図５Ｂ】図１Ａに示す発電装置の別の変形例を示す側面図。
【図６】図５Ｂの発電装置を用いた発電装置の概略構造とその動作態様を示す断面図。
【図７Ａ】別の発電装置の概略構造を示す断面図。
【図７Ｂ】図７Ａの発電装置の変形例を示す断面図。
【図８】別の発電装置を示す側面図。
【図９】さらに別の発電装置を示す側面図。
【符号の説明】
【００６４】
１０・１０Ａ・１０Ａ１・１０Ａ２・１０Ｂ・１０Ｃ…発電装置、１１…圧電素子、１２…保持部材、１４…補強板、１５Ａ〜１５Ｄ・１５ａ〜１５ｄ…圧電板、１６ａ・１６ｂ…リード線、１７…バネ、２１…基台、２１ａ…切欠部、２１ｂ…穴部、２２・２３ａ・２３ｂ…部品、２４・２５・２６…ボルト、３１…棒部材、３２…永久磁石、３３…ケース、３４…金属部材、３５・３６・３７…スペーサ、３７ａ・３７ｂ…部品、３８…ボルト、４１…部品、４２ａ・４２ｂ…ケース、４３…回動保持部材、４４ａ・４４ｂ…棒部材、４５…羽根、４６…突起部、４７…回動保持部材、４８…発光ダイオード、５１ａ・５１ｂ…圧電素子、５２…連結部材、５３…保持部材（基台）、５４…ボルト、５５…平板部材、５６…ボルト、５７…ナット、１００…開閉センサ、１１０Ａ・１１０Ｂ…灯火装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形形状を有し、その長さ方向中心を通りその主面に垂直な面について対称な構造を有する圧電素子と、
前記圧電素子の長さ方向に一定の力を加えて当該圧電素子を湾曲させた状態において当該圧電素子の長さ方向端を固定する保持部材とを具備する発電装置であって、
前記圧電素子の湾曲状態は、当該圧電素子の長さ方向中心を通りその主面に垂直な面について対称な双安定状態であることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
矩形形状を有し、その長さ方向中心を通りその主面に垂直な面について対称な構造を有する圧電素子と、
前記圧電素子の長さ方向に一定の力を加えて当該圧電素子を湾曲させた状態において当該圧電素子の長さ方向端を固定する保持部材とを具備する発電装置であって、
前記圧電素子の湾曲状態は、当該圧電素子の長さ方向中心を通りその主面に垂直な面について対称であり、かつ、当該圧電素子の長さ方向半分が略Ｓ字型に湾曲していることを特徴とする発電装置。
【請求項３】
前記圧電素子に外力が作用してその湾曲状態が変化するときにはその外力に従って伸張／収縮し、前記外力が取り除かれたときに前記圧電素子の変形を元に戻すための力を該圧電素子に付与するバネをさらに具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記圧電素子は、金属からなる矩形の補強板と、前記補強板の長さ方向の片側半分それぞれにおいてその中央部側と端部側に設けられる第１圧電板および第２圧電板とを具備し、
前記補強板の同一主面に設けられた前記第１圧電板と前記第２圧電板は、その分極の向きが逆であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項５】
前記圧電素子を複数具備し、
これら複数の圧電素子は、その主面に垂直な方向に所定の間隔で並べられ、その長さ方向の端部が前記保持部材に固定されるとともに、その長さ方向中央部においてその主面に垂直な方向に連結されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項６】
矩形の補強板と、当該補強板の主面においてその長さ方向に離間して設けられた第１圧電板および第２圧電板とを有する２個の矩形形状の圧電素子と、
前記２個の圧電素子をその長さ方向の端部で長さ方向が一致するように連結する連結部材と、
前記連結部材に保持された２個の圧電素子の他端部を、当該２個の圧電素子と当該連結部材とにその長さ方向に一定の力を加えて当該２個の圧電素子を湾曲させた状態において固定する保持部材とを具備する発電装置であって、
前記２個の圧電素子の湾曲状態はそれぞれ、当該２個の圧電素子の連結方向中心を通りこの連結方向に垂直な面について対称な双安定状態であることを特徴とする発電装置。
【請求項７】
前記圧電素子の双安定状態は、当該圧電素子の長さ方向に加える圧縮力を変化させたときに当該圧電素子に一定量の変位が生じるように当該圧電素子にその長さ方向に垂直な方向に押圧力を印加した場合に、当該圧縮力に対して当該押圧力が極小点を示す圧縮力を、前記保持部材が当該圧電素子に印加している状態であることを特徴とする請求項１から請求項６に記載の発電装置。
【請求項１】
矩形形状を有し、その長さ方向中心を通りその主面に垂直な面について対称な構造を有する圧電素子と、
前記圧電素子の長さ方向に一定の力を加えて当該圧電素子を湾曲させた状態において当該圧電素子の長さ方向端を固定する保持部材とを具備する発電装置であって、
前記圧電素子の湾曲状態は、当該圧電素子の長さ方向中心を通りその主面に垂直な面について対称な双安定状態であることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
矩形形状を有し、その長さ方向中心を通りその主面に垂直な面について対称な構造を有する圧電素子と、
前記圧電素子の長さ方向に一定の力を加えて当該圧電素子を湾曲させた状態において当該圧電素子の長さ方向端を固定する保持部材とを具備する発電装置であって、
前記圧電素子の湾曲状態は、当該圧電素子の長さ方向中心を通りその主面に垂直な面について対称であり、かつ、当該圧電素子の長さ方向半分が略Ｓ字型に湾曲していることを特徴とする発電装置。
【請求項３】
前記圧電素子に外力が作用してその湾曲状態が変化するときにはその外力に従って伸張／収縮し、前記外力が取り除かれたときに前記圧電素子の変形を元に戻すための力を該圧電素子に付与するバネをさらに具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記圧電素子は、金属からなる矩形の補強板と、前記補強板の長さ方向の片側半分それぞれにおいてその中央部側と端部側に設けられる第１圧電板および第２圧電板とを具備し、
前記補強板の同一主面に設けられた前記第１圧電板と前記第２圧電板は、その分極の向きが逆であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項５】
前記圧電素子を複数具備し、
これら複数の圧電素子は、その主面に垂直な方向に所定の間隔で並べられ、その長さ方向の端部が前記保持部材に固定されるとともに、その長さ方向中央部においてその主面に垂直な方向に連結されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項６】
矩形の補強板と、当該補強板の主面においてその長さ方向に離間して設けられた第１圧電板および第２圧電板とを有する２個の矩形形状の圧電素子と、
前記２個の圧電素子をその長さ方向の端部で長さ方向が一致するように連結する連結部材と、
前記連結部材に保持された２個の圧電素子の他端部を、当該２個の圧電素子と当該連結部材とにその長さ方向に一定の力を加えて当該２個の圧電素子を湾曲させた状態において固定する保持部材とを具備する発電装置であって、
前記２個の圧電素子の湾曲状態はそれぞれ、当該２個の圧電素子の連結方向中心を通りこの連結方向に垂直な面について対称な双安定状態であることを特徴とする発電装置。
【請求項７】
前記圧電素子の双安定状態は、当該圧電素子の長さ方向に加える圧縮力を変化させたときに当該圧電素子に一定量の変位が生じるように当該圧電素子にその長さ方向に垂直な方向に押圧力を印加した場合に、当該圧縮力に対して当該押圧力が極小点を示す圧縮力を、前記保持部材が当該圧電素子に印加している状態であることを特徴とする請求項１から請求項６に記載の発電装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−２８１０１５（Ｐ２００７−２８１０１５Ａ）
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１０２１１７（Ｐ２００６−１０２１１７）
【出願日】平成１８年４月３日（２００６．４．３）
【特許番号】特許第３９３９７３７号（Ｐ３９３９７３７）
【特許公報発行日】平成１９年７月４日（２００７．７．４）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月３日（２００６．４．３）
【特許番号】特許第３９３９７３７号（Ｐ３９３９７３７）
【特許公報発行日】平成１９年７月４日（２００７．７．４）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
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