JP2012191787A

JP2012191787A - 発電装置

Info

Publication number: JP2012191787A
Application number: JP2011054101A
Authority: JP
Inventors: Haruo Ono; 晴夫小野
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2012-10-04

Abstract

【課題】簡易な構成で効率よく発電することができ、これを各種装置・機器に組み込んだ場合にも全体の小型化・軽量化を図ることができる発電装置を提供する。
【解決手段】外部からの振動で揺動することにより変位して起電力を発生させる圧電素子モジュール９の自由端に移動磁石９１を設けるとともに、移動磁石９１が動作する軌跡に沿って移動磁石９１の接離により生じる磁束密度の変化により起電力を発生させるコイル５を配置し、外部からの振動で圧電素子モジュール９が揺動すると、圧電素子モジュール９及びコイル５に起電力が発生するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、外部からの振動により発電する発電装置に関する。

従来、腕時計等の小型の機器に適用される発電手段として、回転錘を備え、その動きにより発電する発電手段が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
回転錘を用いた発電手段は、発電手段を組み込んだ機器が腕の揺動等により動くと、これに伴って回転錘が揺動し、その機械的な運動エネルギーが発電用コイルに伝えられて、電気的エネルギーに変換され、蓄電されるものである。
このような発電手段は、人の腕の動き等により、自然にエネルギーを生み出し蓄電するものであって、各種機器における電池に代わるエネルギー供給手段として期待されている。

特開２００２−００６０６３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているような回転錘を用いた発電手段は、一般に、回転錘によって生み出された運動エネルギーを輪列機構により増速してＡＧロータ（ＡＧ rotor）に伝達し、ＡＧロータが高速回転することにより発電用コイルに電圧が生じて電流が流れるという構成となっている。
このため、回転錘の運動エネルギーを電気的エネルギーに変換するための機構が複雑であり、小型化・軽量化することが難しいという問題がある。

本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で効率よく発電することができ、これを各種装置・機器に組み込んだ場合にも全体の小型化・軽量化を図ることができる発電装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る発電装置は、
揺動可能となるように基端において片持ち支持され、外部からの振動で揺動することにより変位して起電力を発生させる圧電素子モジュールと、
前記圧電素子モジュールの自由端に設けられ、前記圧電素子モジュールの揺動に伴い、前記基端を基点とした円弧状の軌跡に沿って動作する磁石と、
前記磁石が動作する軌跡に沿って配置され、前記磁石の接離により生じる磁束密度の変化により起電力を発生させるコイルと、
を備えていることを特徴としている。

この発明によれば、片持ち支持された圧電素子モジュールが、外部からの振動で揺動することにより変位して起電力を発生させるとともに、この圧電素子モジュールの自由端に設けられた磁石がコイルに対して接離することによりコイルに起電力を発生させる。このため、簡易な構成で、装置全体の小型化を図ることができるとともに、効率よく発電することができるとの効果を奏する。

本実施形態に係る発電装置を示した正面図である。本実施形態に係る発電装置の側断面図である。３枚の圧電素子を貼り合せて並列接続した場合の回路構成例を示したものである。２枚の圧電素子を貼り合せて直列接続した場合の回路構成例を示したものである。圧電素子の圧電効果を説明する説明図である。（Ａ）は、圧電素子に電圧をかけることにより圧電素子が延伸する例を示した図であり、（Ｂ）は、圧電素子に電圧をかけることにより圧電素子が収縮する例を示した図である。圧電素子モジュールに生じる起電力を時系列的に示した図である。移動磁石とコイルとの関係を示す説明図である。移動磁石の接離とコイルから生じる起電力との関係を時系列的に示した説明図である。実際の回路におけるコイルから生じる起電力を時系列的に示した説明図である。本実施形態におけるブロック図である。本実施形態に係る発電装置を腕時計に組み込む例を示した分解斜視図である。図１２の腕時計の要部断面図である。

以下、図１から図１３を参照しつつ、本発明にかかる発電装置の一実施形態について説明する。なお、本実施形態において発電装置は、例えば人の腕の動き（腕を振ることによる揺動等）等の外部からの振動によって発電するものであり、例えば、腕時計等の小型の装置（電子機器）の電源としての利用が想定される小型の発電装置である。

図１は、本実施形態における発電装置の正面図であり、図２は、図１のII-II線に沿う断面図である。
図１及び図２に示すように、発電装置１は、樹脂等で形成された中空の円盤状に形成された筐体２を備えている。
筐体２の内部には、圧電素子モジュール９が設けられている。
本実施形態において、圧電素子モジュール９は、筐体２の一端側に設けられた固定部２１に基端を片持ち支持されており、筐体２の底面に沿って水平方向に揺動可能とされている。圧電素子モジュール９は、外部からの振動で揺動することにより変位して起電力を発生させるものである。
なお、圧電素子モジュール９の数や配置等はここに例示したものに限定されない。

筐体２の底面及び上面には、圧電素子モジュール９を上下方向からガイドするガイド部材２２，２３が設けられている。圧電素子モジュール９は、ガイド部材２２，２３の間を揺動することにより、上下方向（図２において上下方向）の移動範囲が規制されるようになっている。

各圧電素子モジュール９の自由端には、移動磁石９１が付設されている。移動磁石９１は、圧電素子モジュール９の揺動に伴い、固定部２１に固定されている基端を基点とした円弧状の軌跡に沿って動作するようになっている。本実施形態において、移動磁石９１は、圧電素子モジュール９を水平方向に振動させ、圧電素子モジュール９に変位を生じさせる錘としての機能も果たすものである。

本実施形態において、圧電素子モジュール９は、図３に示すように、薄板状に形成された複数の圧電素子９０を貼り合わせた積層構造となっている。なお、圧電素子モジュール９は、振動等により揺動可能な厚みであればよく、圧電素子９０を貼り合わせる枚数や構成は特に限定されない。例えば圧電素子モジュール９は、２枚の圧電素子９０を積層したバイモルフ（bimorph）型であってもよいし、４枚以上の圧電素子９０を積層したものであってもよいし、１枚の圧電素子９０を金属板等に貼り付ることによって構成されたモノモルフ（monomorph）型であってもよい。圧電素子９０を複数枚積層して圧電素子モジュール９にある程度の厚みを持たせることにより、板バネのように、圧電素子モジュール９に変位が生じた後、もとの水平状態（初期位置）に戻ろうとする復元力を持たせることができる。

また、圧電素子９０を複数積層することにより、容量を大きくすることができ、圧電素子９０を単体で用いる場合よりも大きな起電力を発生させることができる。
例えば、本実施形態では、３枚の圧電素子９０を貼り合せて、起電力を取り出している。この場合、図３に示すように、各圧電素子９０を並列接続した場合には、電力値を大きくすることができる。
また、図４に示すように、各圧電素子９０を直列接続した場合には、電圧値を大きくすることができ、例えば各圧電素子９０から１Ｖの電圧の起電力を取り出すことができる場合、２枚の圧電素子９０を貼り合わせることによって、２Ｖの電圧の起電力を取り出すことができる。

圧電素子９０は、例えば圧電効果を有するポリフッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ；Polyvinylidene fluoride）の一軸延伸フィルムを高電圧で分極処理することにより形成された圧電フィルム（ピエゾフィルム）である。フィルムの厚みは、例えば数十μｍ程度に成形されている。
圧電フィルムは、圧電セラミックスのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等と同様に、押したり、引張ったりして変位を生じさせることにより、起電力を発生させる特性を有している。ポリフッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ）から形成された圧電フィルムは、有機材料であるため、柔軟性、伸縮性、耐衝撃性、耐水性、化学的安定性等に優れるとともに、加工性がよく、大面積で薄膜化が容易な圧電素子である。
なお、圧電素子９０は、圧電フィルムに限定されない。例えば、薄い金属板(ステンレス鋼、チタン、銅等)に圧電皮膜(チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）など)を設けたものを用いてもよい。この場合、金属板の上に形成する圧電皮膜の層の数は特に限定されない。また、圧電皮膜を形成する手法は、例えばスパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法、水熱合成法等によることができる。

ここで、図５から図７を参照しつつ、圧電素子モジュール９に起電力を発生させる原理について説明する。

圧電素子モジュール９を構成する個々の圧電素子９０は、図５に示すように、板状の圧電素子９０の長手方向と厚み方向に大きな圧電性を有する。
例えば圧電素子９０を長手方向に延伸することにより変位（歪み、変形）させると、圧電素子９０の延伸方向の応力σ１によって生じる圧電素子９０の表面に垂直方向の分極Ｐ３は、圧電歪定数ｄ31によって表され、分極した圧電素子９０内では、分極方向と反対方向に圧電素子９０内に電界が発生する。なお、変位とは逆に、圧電素子９０に、電界Ｅ３を加えると、電界に沿って分極が発生し、分極するための変位量γiに相当する変位（変形）が起こる。このことは下記の式で表すことができる。
∇Ｐ3/∇σi＝ｄ31＝∇γi/∇Ｅ3(i＝1,2,3)

すなわち、圧電素子９０は、その両面に電圧を加えると、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように長手方向に伸縮するとともに、長手方向（図５において延伸方向）に、押したり、引張ったりして変位（歪み、変形）を生じさせることにより、起電力を発生させる。

本実施形態では、前述のように、発電装置１に外部から振動が加えられると、圧電素子モジュール９が水平方向に揺動する。これにより圧電素子モジュール９に変位が生ずる。このとき、圧電素子モジュール９の自由端に付設されている移動磁石９１が錘の機能を果たすため、圧電素子モジュール９の揺動した際の反動が増幅され、圧電素子モジュール９をより大きく反復して揺動させることができる。

なお、圧電素子モジュール９は、例えば一方向（例えば右方向）に変位した際に正の向きの起電力（図７において「＋Ｖ」とする。）が発生し、他方向（例えば左方向）に変位した際に負の向きの起電力（図７において「−Ｖ」とする。）が発生する、というように、変位した方向によって発生する起電力のプラス・マイナス（極性）が異なっている。
本実施形態では、圧電素子モジュール９は水平方向に左右交互に揺動するため、圧電素子モジュール９が右方向、左方向、右方向…の順に揺動・変位した場合には、図７に示すように、圧電素子モジュール９には、正の向きの起電力、負の向きの起電力、正の向きの起電力…が交互に順次発生する。

また、筐体２の内部には、移動磁石９１が動作する軌跡に沿って複数のコイル５が設けられている。本実施形態では、７個のコイル５ａ〜５ｇが移動磁石９１の軌跡に沿って円弧状に、ほぼ等間隔に配置されている。これら一群のコイル５ａ〜５ｇの両側部には、それぞれ樹脂等で形成されたストッパ部材２４が設けられている。
コイル５は、移動磁石９１の接離により生じる磁束密度の変化により起電力を発生させるものである。なお、コイル５は移動磁石９１の可動範囲内に設けられていればよく、コイル５を設ける数や位置、範囲等は図示例に限定されない。

本実施形態においてコイル５は、フェライト等の導電材料でほぼコ字状に形成されたコア５１に巻き線５２を施したものであり、コア５１の両端部がそれぞれ発電装置１の上下方向（図２において上下方向）に位置するように固定されている。
本実施形態では、コア５１の下側の端部は上側に、上側の端部は下側に突出して、それぞれ突起部５３を構成している。

移動磁石９１は各コイル５の上下の突起部５３の間を移動（揺動）するようになっており、移動磁石９１がコイル５に対して接近又は離間（接離）すると、その磁束密度に変化（すなわち、電磁誘導）を生じさせ、これにより起電力（すなわち、誘導起電力）を発生させるようになっている。

ここで、図８から図１０を参照しつつ、コイル５に起電力を発生させる原理について説明する。
図８は、移動磁石９１とコイル５ａ〜５ｇとの関係を示した説明図である。
発電装置を組み込んだ機器を人が振る等によって発電装置に外部から振動等が加えられると、移動磁石９１は、コイル５のコア５１の突起部５３の間を往復移動する。
そして、移動磁石９１がコイル５に接近すると、例えば、コイル５を正の向きに貫く磁束ΨBは、増加する方向（ΔΨB／Δｔ＞０）となり、負の向きの起電力（Vaｒ＜０）が生じる。このことは、ファラデーの法則を示す下記の式で表すことができる。
Var ＝ − ΔΨB／Δｔ
逆に、移動磁石９１がコイル５から離間すると、例えば、コイル５を正の向きに貫く磁束ΨBは、減少する方向（ΔΨB／Δｔ＜０）となり、正の向きの起電力（Vaｒ＞０）が生じる。

図９は、移動磁石９１がコイル５ｄの突起部５３の間にある状態から圧電素子モジュール９の揺動が開始され、移動磁石９１がコイル５ａ〜５ｇの間を往復移動した場合の各コイル５ａ〜５ｇで発生する起電圧の様子を時系列的に示した図である。なお、図９における起電力の向きは、前記式で示した例によっている。
まず、移動磁石９１がコイル５ｄからコイル５ｇに向かって移動すると、図９に示すように、移動磁石９１がコイル５ｄから離間するに伴って、コイル５ｄから正の向きの起電力（図９において「＋Ｖ」とする。）が発生する。
次に、移動磁石９１がコイル５ｅに接近すると、コイル５ｅから負の向きの起電力が発生し、コイル５ｅから離間するに伴って、コイル５ｅから正の向きの起電力（図９において「＋Ｖ」とする。）が発生する。同様に、コイル５ｆ、５ｇ等についても、移動磁石９１が接近すると負の向きの起電力が発生し、離間すると正の向きの起電力が発生する。
そして、移動磁石９１は、ストッパ部材２４に突き当たると、再度コイル５ｇからコイル５ａまで順に接離を繰り返して、コイル５ｇ〜５ａから負の向きの起電力、正の向きの起電力を交互に発生させる。

図１０は、図９に示したコイル５ａ〜５ｇで発生する起電圧を１つの時系列上に示した図である。
本実施形態における実際の回路では、コイル５ａ〜５ｇを結線して起電力を取り出している。
このため、１つに結線されているコイル５ａ〜５ｇから発生する起電圧を１つの時系列上に示すと、図１０に示すように、各コイル５ａ〜５ｇから負の向きの起電力、正の向きの起電力が交互に発生する。

なお、本実施形態では、コア５１の両端部が突起部５３となっており、移動磁石９１の移動を捉える面積が小さくなっている。これにより、移動磁石９１の微小な振動（動き）に対しても磁束密度の変化を俊敏に捉えることできる。

図１１は、本実施形態における発電装置１の要部ブロック図である。
前述のように、本実施形態の発電装置１は起電力を発生させる手段として、複数の圧電素子モジュール２と複数のコイル５とを備えており、圧電素子モジュール２から発生した起電力を直流電力に変換する整流回路１１（第１の整流回路１１ａ）及びコイル５から発生した起電力を直流電力に変換する整流回路１１（第２の整流回路１１ｂ）を備えている。
第１の整流回路１１ａ及び第２の整流回路１１ｂは、例えばダイオードやコンデンサで構成された半波整流回路、4つのダイオードを用いてブリッジを構成した全波整流回路のいずれでもよい。
また、各整流回路１１（第１の整流回路１１ａ及び第２の整流回路１１ｂ）には、それぞれ平滑回路１２が接続されている。平滑回路１２は、コンデンサの充放電を利用して、電圧を平滑化し、変動の少ない電圧を得るものである。
また、各平滑回路１２は、蓄電回路１３に接続されている。蓄電回路１３は、整流回路１１により変換された直流電力を蓄電する蓄電手段であり、整流回路１１において直流電力に変換され平滑回路１２において平滑化された起電力は、蓄電回路１３において蓄電される。
また、蓄電回路１３には小型の携帯機器等に電力を出力するための電源出力端子１４が接続されている。

図１２は、本実施形態における発電装置１を小型の電子機器である腕時計１００に組み込む場合の一例を示した分解斜視図であり、図１３は、図１２に示す腕時計１００の要部断面図である。
腕時計１００は、金属等で形成された時計ケース１０１、時計ガラス１０２、文字板１０３、指針１０４、及び指針１０４等を動作させる時計モジュール１０５等を備えている。時計ケース１０１には、時計バンド１０６が取り付けられている。また、時計ケース１０１の裏面側（図１３において下側）は裏蓋部材１０７により閉塞されるようになっている。
図１２及び図１３に示すように、発電装置１は、腕時計１００の時計モジュール１０５と裏蓋部材１０７との間に配置されるようになっている。時計ケース１０１内には、発電装置１の電源出力端子１４と時計モジュール１０５の回路基板等（図示せず）とを電気的に接続するためのコネクタ部１０９が設けられている。コネクタ部１０９を時計モジュール１０５の回路基板等に接続し、このコネクタ部１０９に発電装置１の電源出力端子１４を接続することにより、発電装置１において発電された電力が腕時計１００の時計モジュール１０５に供給される。

次に、本実施形態の作用を説明する。
本実施形態において、発電装置１が設けられた小型の装置、機器等（例えば、図１２及び図１３に示す腕時計１００）をユーザが振る等の動きにより、発電装置１に外部から振動が与えられると、圧電素子モジュール９が揺動する。これにより圧電素子モジュール９に変位が生じ、起電力が発生する。圧電素子モジュール９から発生した起電力は、第１の整流回路１１ａにおいて直流電力に変換され、平滑回路１２において平滑化された上で、蓄電回路１３に送られ、蓄電される。
また、圧電素子モジュール９が揺動すると、移動磁石９１がコイル５ａ〜５ｇの突起部５３の間を往復移動する。
この移動磁石９１がコイル５に接近すると、コイル５から負の向きの起電力が発生する。また、移動磁石９１がコイル５から離間すると、コイル５から正の向きの起電力が発生する。コイル５から発生した起電力は、第２の整流回路１１ｂにおいて直流電力に変換され、平滑回路１２において平滑化された上で、蓄電回路１３に送られ、蓄電される。
電源出力端子１４に各種電子機器等の端子が接続されると、蓄電回路１３に蓄電された電力は、適宜取り出されて、接続先の電子機器等に送られ、電子機器等に電力を供給する。

以上のように、本実施形態によれば、発電装置１が組み込まれた小型の装置をユーザが身につけて腕を振る等により発電装置１に外部から振動が加えられると、圧電素子モジュール９が水平方向に揺動して変位を生じ、起電力を発生させる。また、圧電素子モジュール９の自由端に設けられている移動磁石９１が、圧電素子モジュール９の揺動に伴ってコイル５に接近及び離間を繰り返すことにより、コイル５に磁束密度の変化を生じさせ、これにより起電力を発生させる。
このため、ユーザが腕を振る等の日常的な動作によって、圧電素子モジュール９及びコイル５から効率的に電力を得ることができ、これを腕時計１００等の小型機器に供給することができるため、簡易な構成で電池等を用いずに各種機器を動作させることが可能となる。
また、本実施形態では、圧電素子モジュール９の自由端に付設された移動磁石９１は、錘としての機能も果たすため、外部から振動等が加えられた際に、圧電素子モジュール９を大きく撓らせて圧電素子モジュール９を大きく揺動させることができる。これによって圧電素子モジュール９に大きな変位を生じさせ、効率よく起電力を発生させることができる。
圧電素子モジュール９は、薄板状に形成された複数の圧電素子９０を貼り合わせた積層構造となっているため、多くの電力を効率よく発生させることができる。また、圧電素子９０を複数積層することで圧電素子モジュール９の強度を上げることができるとともに、板バネのような復元力を持たせることができ、コイル５の間を反復移動させることが可能となる。
さらに、コイル５は、移動磁石９１が動作する円弧状の軌跡に沿って複数配置されているため、移動磁石９１の移動により、多くの起電力を発生させることが可能である。
また、本実施形態の発電装置１は、圧電素子モジュール９及びコイル５から発生した起電力を直流電力に変換する整流回路１１とこの整流回路１１により変換された直流電力を蓄電する蓄電回路１３とを備えている。このため、発電装置１によって発電された電力を外部機器等に適宜供給可能な状態で蓄積させておくことができる。

なお、本実施形態では、筐体２の一端側に固定部２１を設けて、この固定部２１に１つの圧電素子モジュール９を片持ち支持させる構成としたが、圧電素子モジュール９の配置等はこれに限定されない。例えば、円盤状の筐体２のほぼ中央部に固定部２１を設け、複数の圧電素子モジュール９をこの固定部２１から筐体２の周方向に向かって放射状に配置してもよい。この場合には、コイル５も各移動磁石９１が動作する円弧状の軌跡に沿って、筐体２の内周に沿って配置することが好ましい。

また、本実施形態では、整流回路１１、平滑回路１２、蓄電回路１３を発電装置１側が備えている構成としたが、発電装置１がこれら各回路を備えることは必須の要素ではない。これらの回路は、発電装置１を組み込む先の装置（例えば腕時計）内に設けられていてもよい。

また、本実施形態では、発電装置を腕時計に適用する場合を例として説明したが、発電装置を適用する装置・機器は、必ずしも腕時計に限定されない。例えば、発電装置を携帯電話機や歩数計などの携帯型の機器にも適用してもよい。

なお、本発明が上記実施の形態に限らず適宜変更可能であるのは勿論である。

以上本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明の範囲は、上述の実施の形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲とその均等の範囲を含む。
以下に、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲に記載した発明を付記する。付記に記載した請求項の項番は、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲の通りである。
〔付記〕
＜請求項１＞
揺動可能となるように基端において片持ち支持され、外部からの振動で揺動することにより変位して起電力を発生させる圧電素子モジュールと、
前記圧電素子モジュールの自由端に設けられ、前記圧電素子モジュールの揺動に伴い、前記基端を基点とした円弧状の軌跡に沿って動作する磁石と、
前記磁石が動作する軌跡に沿って配置され、前記磁石の接離により生じる磁束密度の変化により起電力を発生させるコイルと、
を備えていることを特徴とする発電装置。
＜請求項２＞
前記圧電素子モジュールは、薄板状に形成された複数の圧電素子を貼り合わせた積層構造となっていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
＜請求項３＞
前記コイルは、前記磁石が動作する円弧状の軌跡に沿って複数配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発電装置。
＜請求項４＞
前記圧電素子モジュール及び前記コイルから発生した起電力を直流電力に変換する整流回路と、
この整流回路により変換された直流電力を蓄電する蓄電手段と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発電装置。

１発電装置
２１固定部
５コイル
９圧電素子モジュール
９０圧電素子
９１移動磁石

Claims

揺動可能となるように基端において片持ち支持され、外部からの振動で揺動することにより変位して起電力を発生させる圧電素子モジュールと、
前記圧電素子モジュールの自由端に設けられ、前記圧電素子モジュールの揺動に伴い、前記基端を基点とした円弧状の軌跡に沿って動作する磁石と、
前記磁石が動作する軌跡に沿って配置され、前記磁石の接離により生じる磁束密度の変化により起電力を発生させるコイルと、
を備えていることを特徴とする発電装置。
前記圧電素子モジュールは、薄板状に形成された複数の圧電素子を貼り合わせた積層構造となっていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記コイルは、前記磁石が動作する円弧状の軌跡に沿って複数配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発電装置。
前記圧電素子モジュール及び前記コイルから発生した起電力を直流電力に変換する整流回路と、
この整流回路により変換された直流電力を蓄電する蓄電手段と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発電装置。