JP2006262575A

JP2006262575A - 発電装置

Info

Publication number: JP2006262575A
Application number: JP2005074421A
Authority: JP
Inventors: Takemi Aizawa; 健実相沢
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】コンパクトで発電効率が高く、人によるキー操作が行われた場合の操作性が良好な発電装置を提供する。
【解決手段】発電装置１０は、可撓性を有する圧電素子１１と、圧電素子１１を屈曲自在に支持する支持部材１５と、座屈バネ１４とを有する。圧電素子１１は、圧電素子１１に外力Ｆを印加することにより座屈バネ１４が圧電素子１１から押圧されて座屈する際に、および、圧電素子１１に印加されている外力Ｆが取り除かれて座屈バネ１４が元の形状に戻る際に、急峻に屈曲変形して発電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を用いて構成される発電装置に関する。

近年、可撓性を有し、外力を受けて屈曲することで発電するバイモルフ型等の圧電素子等を用いた発電装置の用途開発が盛んに行われている。例えば、特許文献１に開示された携帯式電話機には、筐体内に圧電素子を内蔵し、携帯時や乗り物内で受ける外部振動によって筐体内部の圧電素子が機械的応力を受け、ここで発生する電気エネルギーを二次電池やコンデンサに蓄電し、この蓄電された電気エネルギーを電源電池の補助エネルギーとして利用する発電装置が記載されている。より具体的には、この発電装置では、矩形の圧電素子の一端を固定し、他端を自由端としてそこに錘を取り付け、この錘に加速度が加わることで圧電素子を屈曲、振動させて、圧電素子を発電させている。

しかしながら、携帯時に携帯電話に作用する加速度を利用する場合、その加速度の向きと圧電素子の屈曲する向きとが一致しなければ、大きな変位を得ることはできず、また圧電素子はゆっくり屈曲すると大きな電圧を発生することができないことから、このような発電装置では高い発電効率を得ることは難しいと考えられる。

また、携帯電話の利用方法としては電子メールの利用頻度が高いことも事実で、この場合にはキーが多くの回数押されるために、この押圧力を利用したコンパクトな発電装置を実現することができれば、電源電池の補助にきわめて有用になると考えられる。携帯電話のみならず、携帯型の電子機器、例えば、ノートパソコン等においても、キーボードを叩くことによって発電することができれば、電源電池の補助に有効に利用することができる。このように人がキーを叩くことにって発電させる際には、そのキータッチの感覚が自然で実感のあること、つまり操作性がよいことも考慮する必要がある。
特開２００２−１７１３４１号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、コンパクトで発電効率の高い発電装置を提供することを目的とする。また、本発明は、人によるキー操作が行われた場合の操作性が良好な発電装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、可撓性を有する圧電素子と、前記圧電素子を屈曲自在に支持する支持部材と、座屈バネと、を有し、
前記圧電素子は、前記圧電素子に外力を印加することにより前記座屈バネが前記圧電素子から押圧されて座屈する際に、および、前記圧電素子に印加されている外力が取り除かれて前記座屈バネが元の形状に戻る際に、屈曲して発電することを特徴とする発電装置、が提供される。

この発電装置においては、圧電素子に外力が作用していない状態で圧電素子は座屈バネに当接している構成とすることが好ましい。これにより、人が圧電素子を押圧する場合、圧電素子と座屈バネとが接触する感覚と、座屈バネが座屈する感覚とを混同しないようにすることができる。圧電素子としては矩形形状を有するものが好適であり、その長手方向の一端または両端が支持部材に支持された構成とすることが好ましい。圧電素子を両端支持した構造では、圧電素子の長手方向に一定の力が加えられて圧電素子が屈曲した状態に保持されている構造とすることが好ましい。このような構造では、圧電素子に押圧力が加わったときに、座屈バネの変形に加えて圧電素子そのもののバネ性を利用して圧電素子に急峻な撓み変形を生じさせることができ、また、圧電素子に掛かる押圧力が取り除かれた際にも、圧電素子そのもののバネ性を利用して圧電素子を元の姿勢に復帰させることが容易にでき、こうして発電効率を高めることができる。

本発明は、座屈バネが座屈する際に圧電素子が急速に変位するために、圧電素子に大きな電気エネルギーを発生させることができ、しかも圧電素子と座屈バネを押圧力の印加方向に重なるように配置しているのでコンパクトな構成とすることができるという優れた効果を奏する。また、本発明は、人が圧電素子に押圧力を加えた場合には、座屈バネに座屈変形が生ずる際の感触でキーを押したことを実感できるので、操作性にも優れているという効果を奏する。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１に発電装置１０の概略構造と動作状態を表す断面図を示す。図１（ａ）に示されるように、発電装置１０は、補強板１３と圧電板１２とを貼り合わせて構成される、可撓性を有する圧電素子１１と、圧電素子１１を屈曲自在に支持する支持部材１５と、座屈バネ１４とを有している。

圧電板１２は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電材料からなり、その厚み方向に分極され、図１における左右方向を長手方向とする矩形形状を有している。ここでは、圧電素子１１として、所謂、ユニモルフ型の構造のものを示しているが、これに限定されるものではなく、モノモルフ素子、バイモルフ素子、積層型バイモルフ素子等、種々の可撓性を有する圧電素子を用いることができる。補強板１３は金属または樹脂からなる。凹型の支持部材１５の内壁面には切り欠き部１６が形成されており、圧電素子１１は、その両端が各切り欠き部１６に可動な状態で挿入されて、支持されている。

座屈バネ１４は、広く知られているように、一定の大きさよりも小さい外力が作用しているときには変形せず、この一定の大きさ以上の外力が作用すると、急激に屈する性質を有するものであり、例えば、皿（椀）状の形状を有し、その外周で支持されて中央部がへこむものや、アーチ型の形状を有し、その長手方向端で支持されて中央部がへこむものを用いることができる。

なお、座屈バネ１４は一般的に金属製であり、座屈バネ１４が屈する側（支持部材１５の底板側）に接点（端子）を設けることで、スイッチとして用いられることは広く知られている。そのため、補強板１３が金属製の場合には、圧電素子１１と座屈バネ１４とを絶縁するために、圧電素子１１を可撓性を有するプラスチック板に挟み、または、ラミネートコーティングする等することが好ましい。このように圧電素子１１をプラスチック板に挟む等の構成とすることは、圧電素子１１を保護する観点から、また圧電素子１１の曲げ強度を調整する観点からも、好ましい。

圧電素子１１に外力が作用していない状態で、圧電素子１１は実質的に平坦であり、かつ、その下側は座屈バネ１４に接している。このような構成とする１つの理由は、例えば、人が圧電素子１１を押す用途では、圧電素子１１が座屈バネ１４に接触するときの感触を、座屈バネ１４を座屈させたという感触と勘違いしないようにするためである。

圧電素子１１の補強板１３を座屈バネ１４に接触させた構造としているのは、圧電板１２を座屈バネ１４に接触させると、その接触部分に大きな応力が掛かって、圧電板１２が破壊してしまうので、それを防止するためである。圧電素子１１をこのような状態で支持することを容易とするためには、後に図２に示す発電装置２０と同様に（但し、発電装置２０のように極端に圧電素子１１を曲げずに）、圧電素子１１がわずかに屈曲した状態で保持されるように、切り欠き部１６を形成するとよい。

上述の通りに構成された発電装置１０では、図１（ａ）に示す状態から図１（ｂ）に示す状態に移行するように、圧電素子１１に外力（押圧力）Ｆが作用すると、この外力Ｆが座屈バネ１４を座屈させることができる大きさである場合に、図１（ｂ）に示すように、圧電素子１１は弓形に変形し、座屈バネ１４は座屈変形する。このとき、座屈バネ１４は急速に座屈するために、圧電素子１１も急激に撓む。これにより圧電素子１１に大きな電気エネルギーが発生し、それを取り出すことができる。

なお、発電装置１０の変形例として、座屈バネ１４に圧電板１２（または圧電素子１１）を直接に貼り付けた構成とすることが考えられるが、座屈バネ１４は図１（ｂ）に示すように略Ｍ字型に変形するため、圧電板１２を直接に座屈バネ１４に貼り付けた構成では、圧電素子１１の変形が座屈バネ１４の変形に追従できずに破壊し易いという問題が生じる。これに対して、発電装置１０では、圧電素子１１は弓形に変形するだけで、座屈バネ１４の形状に沿って変形することはないので、圧電素子１１の耐久性が良好である。

圧電素子１１に印加された外力Ｆが取り除かれる、つまり座屈バネ１４に作用する力が一定の大きさよりも小さくなったときに、座屈バネ１４は元の形状に瞬時に戻り、その際に圧電素子１１も弓形の形状から図１（ａ）に示す元の形状に戻るか、または図１（ｃ）に示す状態のように、圧電素子１１が座屈バネ１４から受ける力によって、図１（ｂ）に示す向きとは逆向きに反る。このように、座屈バネ１４が元の形状に戻る際にも圧電素子１１は急激に撓み、これにより圧電素子１１に大きな電気エネルギーを発生させ、取り出すことができる。

図１（ｂ）から図１（ａ）に示す状態に戻る場合の構成としては、圧電素子１１の上側に圧電素子１１に外力を作用させるためのボタン類が取り付けられており、そのボタン類が一定の範囲で動くように位置決めされているために、圧電素子１１が上に凸の形状に反ることができない構造となっている場合が挙げられる。圧電素子１１がフリーな場合には、図１（ｃ）に示す状態となった後に、自由振動、減衰して、図１（ａ）に示す状態に落ち着く。

圧電素子１１が屈曲する際に発生する電圧は、圧電素子１１の屈曲する向きに依存して極性が変わるために、圧電素子１１からの電気エネルギーの取り出しは、ブリッジ整流回路を用いて行うことが好ましい。これにより負荷や蓄電池等に逆の極性の電圧が印加されることを防止することができる。

次に本発明の別の実施形態である発電装置について説明する。図２に発電装置２０の概略構造を表す断面図を示す。この発電装置２０では、圧電素子１１の長手方向に一定の力が加えられて圧電素子１１が上に凸となるように屈曲した状態に保持され、かつ、座屈バネ１４が圧電素子１１の下面に当接した構造となっている。

発電装置２０における圧電素子１１の屈曲形態および座屈バネ１４の座屈形態は発電装置１０と同様であるが、発電装置２０のように圧電素子１１の長手方向に一定の力が加えられて圧電素子１１が屈曲した状態に保持されている構造では、圧電素子１１に押圧力Ｆが加わったときに、座屈バネ１４の変形に加えて圧電素子１１自体のバネ性を利用して圧電素子１１に急峻な撓み変形を生じさせることができる。また、圧電素子１１に加えられた押圧力Ｆが取り除かれた際にも、座屈バネ１４から受ける力に加えて圧電素子１１自体のバネ性を利用して圧電素子を元の姿勢に急峻に復帰させることが容易である。このようにして圧電素子１１を撓ませることにより、高い発電効率が得られる。

このような図１および図２に示す発電装置１０・２０において、圧電素子１１にブリッジ整流回路を介して、発光ダイオードを取り付けたところ、座屈バネ１４が座屈する際と座屈した座屈バネ１４が元の姿勢に戻る際に発生する「カチッ」という音と同時に、発光ダイオードが最もよく光ることを確認した。

図３に本発明のさらに別の実施形態である発電装置３０の概略構造を表す断面図を示す。この発電装置３０において、圧電素子１１の一端は断面略Ｌ字型の保持部材３１に固定され、他端は自由端となっている。また、圧電素子１１の下面は座屈バネ１４に当接している。圧電素子１１の保持方法としては、図４に示すように、圧電素子１１の片端に円柱状部材３４を固定し、また保持部材３１に円柱状の孔部３３を設け、この円柱状部材３４を孔部３３に円柱状部材３４が回動自在となるように、嵌め込んだ構造とすることも好ましい。このような図４に示す圧電素子１１の保持方法は、先に説明した発電装置１０・２０にも適用することができる。

発電装置３０でも圧電素子１１による発電を発光ダイオードを発光させることができ、発光ダイオードが最もよく光るときは、座屈バネ１４の変形に伴う音の発生時であることを確認しているが、その発電プロセスは圧電素子１１の強度によって異なるものと考えられる。

すなわち、曲げ強度の高い圧電素子を用いた場合には、図３（ａ）に示す状態から図３（ｂ）に示す状態を経ずに、図３（ｃ）に示す状態となる。つまり、圧電素子１１が殆ど屈曲することなく座屈バネ１４を座屈させ、その際の屈曲変形によって電気エネルギーが発生する。保持部材３１には、圧電素子１１を過度に屈曲させることのないように、圧電素子１１の自由端の移動を制限するためのストッパ３２を設けることが好ましい。

圧電素子１１の曲げ強度と座屈バネ１４が座屈を起こす力とバランスが取れていれば、圧電素子１１は、図３（ｂ）に示すように、座屈バネ１４の形状に沿って湾曲変形した後に、座屈バネ１４を座屈させる。この場合、圧電素子１１の変形量が大きくなるので、より大きな電気エネルギーを得ることができる。

なお、発電装置３０において、圧電素子１１の曲げ強度が極めて小さいものを用いると、圧電素子１１の自由端側に外力Ｆが作用したときに、座屈バネ１４を座屈させることができずに、圧電素子１１が湾曲するだけとなってしまうので、外力Ｆによって圧電素子１１が急峻に屈曲しなければ、大きな電気エネルギーを得ることができない。しかし、前述した発電装置１０・２０では、発電装置３０には適用することが好ましくない、曲げ強度が小さい圧電素子を用いることは、何ら悪影響を及ぼさない。

本発明は、携帯電話、携帯型ゲーム機、ノート型パソコン等の携帯型電子機器に好適である。また、このような用途に限定されず自然の力または人的な設備等により振動が発生する場所のオンサイト発電装置として好適である。

発電装置の概略構造と動作状態を表す断面図。別の発電装置の概略構造と動作状態を表す断面図。さらに別の発電装置の概略構造と動作状態を表す断面図。圧電素子の別の保持形態を示す断面図。

符号の説明

１０・２０・３０；発電装置
１１；圧電素子
１２；圧電板
１３；補強板
１４；座屈バネ
１５；支持部材
１６；切り欠き部
３１；保持部材
３２；ストッパ
３３；孔部
３４；円柱状部材

Claims

可撓性を有する圧電素子と、前記圧電素子を屈曲自在に支持する支持部材と、座屈バネと、を有し、
前記圧電素子は、前記圧電素子に外力を印加することにより前記座屈バネが前記圧電素子から押圧されて座屈する際に、および、前記圧電素子に印加されている外力が取り除かれて前記座屈バネが元の形状に戻る際に、屈曲して発電することを特徴とする発電装置。
前記圧電素子に外力が作用していない状態で、前記圧電素子は前記座屈バネに当接していることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記圧電素子は矩形の形状を有し、その長手方向の一端または両端が前記支持部材に支持されてい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。
前記圧電素子は矩形の形状を有し、その長手方向に一定の力が加えられて屈曲した状態で、その長手方向の両端が前記支持部材に支持されてい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。