エネルギー変換装置およびこれを備えた移動体
【課題】 振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができるエネルギー変換装置、このエネルギー変換装置を備えた移動体を提供する。
【解決手段】 エネルギー変換装置１０は、圧電板１１と補強板１２からなる圧電素子１３と、補強板１２の外周端に設けられたリブ１４と、補強板１２の中心部に設けられたスペーサ１５と、複数の圧電素子１３をその厚み方向に一定間隔で保持することができるように、リブ１４を可動に保持する溝部１９が一定間隔で形成された保持部材１６と、保持部材１６に保持された複数の圧電素子１３の中央部に外力を作用させるための押圧部材１７と、保持部材１６に保持された複数の圧電素子１３の中心部において押圧部材１７側に予圧を加える予圧機構１８と、を具備する。押圧部材１７に外力が作用し、保持部材１６と押圧部材１７とが相対的に変位することにより、圧電素子１３が撓み、発電する。
【解決手段】 エネルギー変換装置１０は、圧電板１１と補強板１２からなる圧電素子１３と、補強板１２の外周端に設けられたリブ１４と、補強板１２の中心部に設けられたスペーサ１５と、複数の圧電素子１３をその厚み方向に一定間隔で保持することができるように、リブ１４を可動に保持する溝部１９が一定間隔で形成された保持部材１６と、保持部材１６に保持された複数の圧電素子１３の中央部に外力を作用させるための押圧部材１７と、保持部材１６に保持された複数の圧電素子１３の中心部において押圧部材１７側に予圧を加える予圧機構１８と、を具備する。押圧部材１７に外力が作用し、保持部材１６と押圧部材１７とが相対的に変位することにより、圧電素子１３が撓み、発電する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換装置と、このようなエネルギー変換装置を備えた移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、二酸化炭素等による地球温暖化を抑制するために、自動車等の車両の分野では、電気自動車やハイブリッド自動車、燃料電池自動車の開発が進められていることは周知の通りである。このような電気自動車等では、基本的にバッテリーに蓄えられた電気により駆動モータを回転させるために、走行中の車両の運動エネルギーを駆動モータの駆動に利用することにより、バッテリーへの負担を軽減して、走行距離を伸ばすことができるようになる。
【０００３】
また、電気自動車等は勿論のこと、一般的なガソリン等の液体燃料を用いる車両においても、カーナビゲーションシステム等の搭載によりバッテリーへの負担が増大しており、走行中の車両の運動エネルギーをこのような電装品の駆動に用いることによって、バッテリーへの負担を軽減することができる。
【０００４】
車両の運動エネルギーを有効に活用する方法として、例えば、特許文献１，２には、車両の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置、すなわちサスペンションで発電する装置が開示されている。しかし、これらの発電装置は、コイルと磁石を用いて電磁誘導により発電するものであるので、装置が大型となり、車両への取り付けが困難である。また、一般的に車両のサスペンションは、このような発電装置がない状態で車両を最適な状態に制動することができるように設計されているため、コイルと磁石との相対的な変位量を大きく取ることはできず、その結果、発電効率を高めることは困難である。
【特許文献１】特開２００１−５５０３３号公報
【特許文献２】特開平７−２７６９６３号公報
【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、振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができるエネルギー変換装置を提供することを目的とする。また、本発明はこのようなエネルギー変換装置を搭載した移動体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】
本発明によれば、圧電板と補強板とを貼り合わせてなる圧電素子と、
前記圧電素子を、複数、その厚み方向で互いに接触しないように一定間隔で保持する第１の保持部材と、
前記一定間隔で保持された複数の圧電素子に同等の変形が生ずるように、前記第１の保持部材が前記複数の圧電素子を保持する部分とは異なる部分で、前記複数の圧電素子を保持する第２の保持部材と、
を具備し、
前記第１の保持部材と前記第２の保持部材とが外力によって前記圧電素子の厚み方向で相対的に変位した際に前記圧電素子が撓んで発電し、電気エネルギーが得られることを特徴とするエネルギー変換装置、が提供される。
【０００７】
また本発明によれば、リング状の圧電板と、金属または樹脂の少なくとも一方からなり、外径が前記圧電板の外径よりも長い円板状の補強板と、を貼り合わせてなる圧電素子と、
前記補強板の外周端に設けられたリブと、
前記補強板の中心部に取り付けられた所定の厚さの円板状のスペーサと、
複数の前記圧電素子をその厚み方向に一定間隔で保持することができるように、前記リブを可動に保持する溝部が一定間隔で形成された保持部材と、
前記保持部材に保持された前記複数の圧電素子の一端に位置する圧電素子のスペーサに固定された押圧部材と、
前記保持部材に取り付けられ、前記保持部材に保持された前記複数の圧電素子の他端に位置する圧電素子の中心部を所定の力で他の圧電素子側に押圧することができる予圧機構と、
を具備し、
前記保持部材と前記押圧部材とが外力によって前記圧電素子の厚み方向で相対的に変位した際に前記圧電素子が撓んで発電し、電気エネルギーが得られることを特徴とするエネルギー変換装置、が提供される。
【０００８】
さらに本発明によれば、上記エネルギー変換装置を備え、接地した回転体の回転により移動する移動体であって、
前記移動体はさらに、前記回転体と前記移動体の本体との間に設けられたサスペンションと、前記移動体を駆動するための蓄電装置および電気装置と、を具備し、
前記エネルギー変換装置は前記回転体と前記移動体の本体との間において前記サスペンションと直列または並列に設けられ、前記移動体が接地面上を移動する際に受ける振動のエネルギーを前記エネルギー変換装置によって電気エネルギーに変換し、得られた電気エネルギーが前記電気装置の駆動または前記蓄電装置への充電に用いられることを特徴とする移動体、が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るエネルギー変換装置によれば、圧電素子を用いているので、小さい変位で大きな電気エネルギーを得ることができる。このため、本発明に係るエネルギー変換装置を車両の足回りに搭載することにより、振動を効率よく電気エネルギーに変換することができ、しかもサスペンション等の仕様を変更する必要がなく、車両の制動にも悪影響を及ぼさない。また、本発明に係るエネルギー変換装置は小型化が容易であり、圧電素子の形状や数、圧電素子を構成する補強板の硬さを変更することにより、発電量を容易に設計することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１にエネルギー変換装置１０の概略構造を示す断面図を示す。このエネルギー変換装置１０は、リング状の圧電板１１と円板状の補強板１２とを貼り合わせてなる圧電素子１３と、補強板１２の外周端に設けられたリブ１４と、補強板１２の中心部に取り付けられた円板状のスペーサ１５と、複数の圧電素子１３をその厚み方向（図１において、Ｚ方向）に一定間隔で保持することができるように、リブ１４を可動に保持する溝部１９が一定間隔で形成された保持部材１６と、保持部材１６に保持された複数の圧電素子１３の一端（＋Ｚ方向端）に位置する圧電素子（図１において、符号１３ａで示す）のスペーサ（図１において、符号１５ａで示す）に固定された押圧部材１７と、保持部材１６に取り付けられ、保持部材１６に保持された複数の圧電素子１３の他端（−Ｚ方向端）に位置する圧電素子（図１において、符号１３ｂで示す）の中心部を所定の力で他の圧電素子側（＋Ｚ方向側）に押圧する予圧機構１８と、を具備している。
【００１１】
圧電板１１は、リング状の圧電セラミックスの表裏面に電極膜（図示せず）が形成された構造を有し、圧電セラミックスは厚み方向に分極されている。また、圧電板１１は樹脂接着剤を用いて、補強板１２に接着されている。なお、圧電セラミックスの代わりに圧電ポリマーを用いてもよい。補強板１２は、金属または樹脂の少なくとも一方からなり、その外径が圧電板１１の外径よりも長い円板形状を有している。補強板１２として樹脂からなるものを用いる場合には、圧電板１１からの電極リード（図示せず）の取り出しを容易とするために、圧電板１１と貼り合わされる面に、金属箔が設けられているものを用いることが好ましい。
【００１２】
補強板１２の外周端に円周状に形成されたリブ１４には、樹脂材料、セラミックス材料、金属材料を用いることができる。セラミックス材料や金属材料を用いる場合には、例えば、断面略半円形の２つ割のリングを準備し、補強板１２の外周端部を挟み込んで、接着剤等で接着すればよい。また、補強板１２とリブ１４が共に金属材料であれば、これらは一体成形されたものであってもよく、溶接により接合されたものであってもよいし、補強板１２とリブ１４が共に樹脂であれば、これらは一体成形されたものであってもよい。リブ１４に樹脂材料を用いる場合には、補強板１２の外周に直接に補強板１２に密着するように成形することもできる。
【００１３】
なお、補強板１２の外周に設けられたリブ１４は、補強板１２の外周を可動に安定して保持するために設けられるものである。このため、図１では補強板１２の外周端面がリブ１４により覆われた構造を示しているが、例えば、補強板１２の外周端面が露出し、断面略半円形のリング部材が補強板１２の上下に接着されてリブを形成している構成でもよい。
【００１４】
スペーサ１５の外径は、圧電板１１に接触しないように、圧電板１１の内径よりも短ければよい。これは、スペーサ１５には押圧部材１７から圧電素子１３を撓ませるための力が直接に加わるので、その力によって圧電素子１３が破壊しないようにするためである。また、円板状のスペーサ１５の厚さは、複数の圧電素子１３を保持部材１６に一定間隔で配置した際に、１つの圧電素子に設けられたスペーサと対面する圧電素子の補強板との間に僅かな隙間が形成されるか、または隣接する圧電素子どうしが互いに撓むことがない程度に接触するように、定められる。さらに、スペーサ１５の材質は、図１に示されるように複数の圧電素子１３を一定間隔で配置した際に、隣接する圧電素子どうしが絶縁されるように選択される。例えば、補強板１２が金属からなる場合には絶縁性の樹脂やセラミックスが好適に用いられ、補強板１２が絶縁性の樹脂からなる場合には、金属、樹脂、セラミックスが好適に用いられる。
【００１５】
保持部材１６は、筒部２１と、筒部２１の開口端面をそれぞれ閉塞する上蓋２２および底蓋２３とから構成される。これらは、例えば、ボルト締め（図示せず）等により一体化される。筒部２１に形成されている溝部１９は、後述するように圧電素子１３の外周部ではＺ方向に変位することなくその中心部がＺ方向に変位して撓むことができるように（このとき、リブ１４に所定角度回転するような動きが生じる）、リブ１４よりも僅かにサイズが大きくなっている。
【００１６】
筒部２１としては、径方向で２つ割にされた構造のもの、または厚さ（高さ）方向に多段に分割された構造のもの、が好適に用いられる。２つ割構造のものでは、一方の型に溝部１９に圧電素子１３のリブ１４を嵌め込み、複数の圧電素子１３をこの型に仮保持させた状態で、リブ１４と他方の型の溝部１９とを嵌め合わせ、次いで上蓋２２および底蓋２３を取り付ければ、複数の圧電素子１３を保持部材１６に配置することができる。
【００１７】
一方、多段分割構造のものでは、内周の上下に溝部１９を２分する溝が形成されたリング状の型と圧電素子１３とを交互に積層することにより、リブ１４を上下の型により形成される溝部１９に嵌め込み、これらリング状の型を上蓋２２と底蓋２３で挟み込んで固定すれば、複数の圧電素子１３を保持部材１６に配置することができる。なお、このようなリング状の型を用いると、溝部１９の開口幅をリブ１４よりも薄くすることができるので、リブ１４を可動に保持しながら、リブ１４が溝部１９から容易には抜けない構造を実現することができる。
【００１８】
上蓋２３の中央部には貫通孔が形成されており、押圧部材１７は、この貫通孔にＺ方向に可動に挿通されている。また、予圧機構１８は、バネ２４と、バネ２４を保持するために−Ｚ方向端に設けられた圧電素子１３ｂの補強板１２に取り付けられた当接部材２５と、バネ２４を保持するために保持部材１６（底蓋２３）に設けられた棒部材２６から構成されており、バネ２４が＋Ｚ方向に圧電素子１３ｂに予圧を加えている。
【００１９】
このように予圧機構１８のバネ２４が圧電素子１３ｂに＋Ｚ方向に一定の予圧を加えている状態では、前述したようにある圧電素子のスペーサとこのスペーサと対面する別の圧電素子の補強板との間には僅かな隙間があるかまたは隙間がないために、玉突き状態となって、全ての圧電素子１３が＋Ｚ方向に凸となるように撓もうとする。そこで、エネルギー変換装置１０は、予圧機構１８による予圧によって圧電素子１３が撓むことのないように、押圧部材１７が圧電素子１３ａに−Ｚ方向に一定の予圧を加えた状態となるように、所定の場所に配置される。つまり、押圧部材１７は常に＋Ｚ方向端に配置された圧電素子１３ａのスペーサ１５と接し、圧電素子１３ａを−Ｚ方向に押圧している状態に維持される。押圧部材１７を圧電素子１３ａのスペーサ１５と接着しておけば、このスペーサ１５は押圧部材１７の変位量を制限するストッパとして機能する。
【００２０】
上述の通りに構成されたエネルギー変換装置１０では、保持部材１６と押圧部材１７とがＺ方向で相対的に変位することで圧電素子１３を発電させる。図２にエネルギー変換装置１０の駆動態様を示す断面図を示し、図３にエネルギー変換装置１０から電気エネルギーを回収するための回路構成図を示す。
【００２１】
図２（ａ）に示されるように、例えば、保持部材１６が固定された状態で押圧部材１７に−Ｚ方向の力が加わると、バネ２４は縮んで、全ての圧電素子１３が−Ｚ方向に凸となるように撓む。一方、図２（ｂ）に示されるように、保持部材１６が固定された状態で押圧部材１７に＋Ｚ方向の力が加わると、押圧部材１７が圧電素子１３に与える力が減少するので、バネ２４が伸びて、全ての圧電素子１３が＋Ｚ方向に凸となるように撓む。したがって、押圧部材１７にＺ方向の振動が加わると、圧電素子１３が図２（ａ）・（ｂ）に示すように変形する撓み振動を繰り返し、その際に圧電板１１が発電する。
【００２２】
こうして圧電素子１３から得られる電気エネルギーは交流電力であるために、通常は図３に示されるように、これを整流回路２７を通して直流電力に変換し、コンデンサや二次電池等の蓄電装置２８に充電するか、または直接に負荷２９に供給して負荷２９を駆動することができる。なお、複数の圧電素子１３は、上述の通り、一様に＋Ｚ方向または−Ｚ方向に凸となるように撓み振動するために、個々の圧電素子１３に整流回路２７を設ける必要はなく、これにより回路を単純に構成することができる。
【００２３】
エネルギー変換装置１０は、圧電素子１３を用いることによって、小型化が容易である。圧電素子１３の変位量は、補強板の材質や厚さ、圧電素子の形状や数を変えることによって調整することができるので、弱い力で大きく変位する圧電素子を用いたエネルギー変換装置を実現することもできれば、強い力で小さく変位する圧電素子を用いたエネルギー変換装置を実現することもでき、その場合でも、圧電素子を用いることで、十分に大きな電気エネルギーを得ることができる。さらに、エネルギー変換装置１０を直並列に接続することによって、押圧部材１７に印加される力の大きさに対するバランスを取ることもできる。
【００２４】
次に別のエネルギー変換装置の実施の形態について説明する。図４にエネルギー変換装置３０の概略構造を示す断面図を示す。このエネルギー変換装置３０は、リング状の圧電板３１をリング状の補強板３２に貼り合わせてなる圧電素子３３と、リング状の第１スペーサ３４ａと、リング状の第２スペーサ３４ｂと、を有している。
【００２５】
圧電板３１は先に説明したエネルギー変換装置１０を構成する圧電素子１３の圧電板１１と同じである。補強板３２の内径は圧電板３１の内径よりも短く、その外径は圧電板３１の外径よりも長くなっている。また、第１スペーサ３４ａの外径は圧電板３１の内径よりも短くなっており、第２スペーサ３４ｂの内径は圧電板３１の外径よりも長く、外径は補強板３２の外径よりも長くなっている。これは、補強板３２をその内孔側で第１スペーサ３４ａにより保持し、かつ、その外周側を第２スペーサ３４ｂにより保持するためである。
【００２６】
第２スペーサ３４ｂには等間隔で第２支持棒３６を挿通させるための孔部が形成されている。これら孔部は少なくとも周方向に等間隔に３カ所以上（図４では２カ所が示されている）に設けることが好ましい。これは、均等に圧電素子３３を撓ませるためには、均等な力で補強板３２（圧電素子３３）を保持することが望ましいからである。第１スペーサ３４ａ・第２スペーサ３４ｂには、硬質ゴム等の樹脂材料を用いることができる。
【００２７】
複数の圧電素子３３と複数の第１スペーサ３４ａは、これらの内孔に第１支持棒３５を挿通させて、交互に積層される。同様に、複数の圧電素子３３と複数の第２スペーサ３４ｂとが交互に積層され、第２スペーサ３４ｂの孔部に第２支持棒３６が挿通される。複数の第２支持棒３６はさらに連結部材３７により一体となっている。なお、図４に示されるように、このとき第１スペーサ３４ａと第２スペーサ３４ｂとは並列に配置される。
【００２８】
こうして積層された複数の第１スペーサ３４ａを第１締付部材３８により積層方向に所定の力で締め付けて、第１支持棒３５に保持させる。同様に、積層された第２スペーサ３４ｂを第２締付部材３９により積層方向に所定の力で締め付けて、第２支持棒３６に保持させる。これにより、複数の圧電素子３３は略等間隔で、その内周側は第１支持棒３５に、その外周側は第２支持棒３６に、それぞれ固定されることとなる。
【００２９】
このような構造を有するエネルギー変換装置３０では、例えば、連結部材３７（第２支持棒３６）を固定した状態で、圧電素子３３の積層方向であるＺ方向の力が第１支持棒３５に作用すると、第１支持棒３５と第２支持棒３６とが相対的に変位し、エネルギー変換装置１０と同様に、第１支持棒３５に作用する力の向きに応じて、圧電素子３３に＋Ｚ方向に凸となるか、または−Ｚ方向に凸になる撓みが生じ、これにより電気エネルギーを得ることができる。
【００３０】
次に上述したエネルギー変換装置１０を備え、接地した回転体の回転により移動する移動体について、図５に示す模式図を参照しながら説明する。なお、この図５ではエネルギー変換装置１０を簡略化して示している。移動体５０は、接地した回転体５１（自動車、二輪車等のタイヤ、電車等の車輪等）と、回転体５１と移動体５０の本体（ボディ）５０ａとの間に設けられたサスペンション５２と、移動体５０を駆動するための蓄電装置５３および電気装置５４と、を具備している。
【００３１】
図５では、エネルギー変換装置１０は、回転体５１と移動体５０の本体５０ａとの間に設けられるサスペンション５２と並列に配設されている。これは、一般的な車両にはエネルギー変換装置１０のような発電装置は取り付けられておらず、サスペンションはその状態で車両を最適な状態に制動することができるように設計されているために、サスペンション５２と並列にエネルギー変換装置１０を配設し、エネルギー変換装置１０の保持部材１６と押圧部材１７とがサスペンション５２の動きを妨げないように相対変位するように圧電素子１３の硬さ（撓みやすさ）を設計しておけば、サスペンション５２の設計を変更せずに移動体５０を適切に制動することができ、しかも既存の車両に搭載することができ、また新車販売時にはオプションとして取り付けることができる等のメリットがあるからである。
【００３２】
サスペンション５２は、通常、振動を吸収するための振動体であるバネと、バネの伸縮を調整する油圧シリンダーから構成される。移動体５０が走行すると、路面の凹凸等に起因する振動がサスペンション５２とエネルギー変換装置１０に加わり、その振動はサスペンション５２によって適切に減衰されて移動体５０の走行状態が良好に確保され、サスペンション５２の動きに追従してエネルギー変換装置１０では押圧部材１７と保持部材１６とが相対的に変位して、圧電素子１３が撓み、発電する。
【００３３】
エネルギー変換装置１０から取り出された電気エネルギーは、バッテリーやコンデンサ等の蓄電装置５３の充電に用いられ、または電気装置５４の駆動に用いられる。例えば、移動体５０が、自動車であるとしたならば、電気装置５４としては、ウインカーランプ、ストップランプ、ヘッドライト、テールライト、ワイパー、パワーウインドウ、カーナビゲーションシステム、オーディオ等が挙げられ、移動体５０がハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池自動車であれば、さらに、走行のための電気モータが挙げられる。また、移動体５０が電車等の車両であれば、電気装置５４として、車内表示板（停車駅案内、車内広告用液晶画面等）等が挙げられる。
【００３４】
このような移動体５０では、蓄電装置５３への負担を軽減することができるので、バッテリーとしてより小型のものを搭載することができるようになる。また、蓄電装置５３が鉛蓄電池等の比重の大きい二次電池の場合には、小型の鉛蓄電池を搭載することによって化石燃料の燃費を高めることができ、電気自動車では１回の充電あたりの走行距離を伸ばすことができ、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車でも、燃料を満タンとした場合の走行距離を伸ばすことができる。
【００３５】
エネルギー変換装置１０の移動体５０への取り付けは、上述した通りのサスペンション５２と並列に配設する形態に限定されるものではなく、図６に示すように、エネルギー変換装置１０は、回転体５１と移動体５０の本体５０ａとの間に設けられるサスペンション５２と直列に配設することもでき、その場合にエネルギー変換装置１０は、図６（ａ）に示すようにサスペンション５２と回転体５１との間に配置してもよいし、図６（ｂ）に示すようにサスペンション５２と移動体５０の本体５０ａとの間に配置してもよい。
【００３６】
このようにエネルギー変換装置１０をサスペンション５２と直列に接続配置する場合には、エネルギー変換装置１０は、回転体５１と本体５０ａとを接続する機械部品としての性能が確保されるように、かつ、圧電素子１３のバネ性によって乗り心地が悪くならないように設計されなければならず、例えば、補強板１２の材質や厚み、補強板１２を保持部材１６に保持させるためのリブ１４の材質や溝部１９の形状について、適切に設計する必要がある。
【００３７】
上述した移動体５０において、サスペンション５２と直列に接続するエネルギー変換装置としては、図７に示す構造を有するものを用いることも、好ましい。この図７に示すエネルギー変換装置７０は、円柱状の棒部材７１に一定の間隔で円板７２が一体的に形成されており、半円弧状の圧電板７３が円板７２上でリング状となるように円板７２に貼り付けられている。すなわち、円板７２と圧電板７３から圧電素子７４が形成されている。円板７２の外周端には、リブ７５が設けられており、リブ７５は円筒部材７６の内周面に形成された溝部７７に可動に嵌め込まれている。
【００３８】
このようなエネルギー変換装置７０を、例えば、回転体５１とサスペンション５２との間に配設する場合には、棒部材７１をサスペンション５２と回転体５１を回転可動に保持するシャフトとを接続するための部材として用い、円筒部材７６を直接に移動体５０の本体５０ａに連結保持する。このような構成とすることにより、移動体５０の足回りの機械的強度は棒部材７１によって確保される。また、サスペンション５２の伸縮にしたがって棒部材７１の位置が移動体５０の本体部５０ａに対して変化するので、そのときに圧電素子７４が撓み、発電を行うことができる。なお、円筒部材７６の両端面には、内部に収容された圧電素子７４を水等から保護するためのカバーが、棒部材７１の動きを妨げることのないように設けられる。
【００３９】
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の形態に限定されるものではない。例えば、エネルギー変換装置１０では、圧電素子１３を直列に配置されているが、圧電素子１３を並列に配置した構造としてもよく、さらに直並列に配置した構造としてもよい。
【００４０】
また、エネルギー変換装置１０を構成する圧電素子は、図１に示した構造のもの、つまり圧電素子１３に限定されるものではなく、図８に示す圧電素子１３′のように、内周側の圧電板１１ａと外周側の圧電板１１ｂとに分けて、これらを補強板１２に貼り付けた構造のものを用いてもよい。
【００４１】
これは、圧電素子１３を屈曲させると、図２に示したように一様な曲率で屈曲せずに、圧電素子１３の内側と外側とで屈曲の向きが逆になる（つまり、圧電素子１３の断面における内周端と外周端とを結ぶ線が略Ｓ字型となるように屈曲する）おそれがあり、その場合には、圧電板１１を構成する圧電セラミックスの内側と外側とでは同一表面に発生する電荷の正負が逆となってしまい、こうして圧電セラミックスの表面に発生した電荷は、圧電セラミックスに形成された電極膜で相殺され、外部に取り出すことができなくなってしまうおそれがあるからである。図８に示した構造の圧電素子１３′では、そのような電荷相殺を回避することができる。
【００４２】
なお、圧電素子１３′を構成する補強板１２は、圧電板１１ａの接着面側の電極膜と圧電板１１ｂの接着面側の電極膜とを短絡させない構造とする必要がある。このため、補強板１２として金属箔・金属板を用いる場合には、圧電板１１ａ・１１ｂの一方を、この金属箔・金属板と短絡しないように、絶縁膜を介して金属箔・金属板に接着する等の工夫が必要となる。また、補強板１２としてプリント配線基板のように樹脂基板に金属箔を取り付けてなるものを用いる場合には、圧電板１１ａ・１１ｂが絶縁されるように、その金属箔を内周側部と外周側部とに分かれたパターンとしておけばよい。
【００４３】
また、エネルギー変換装置１０では、圧電素子１３として、補強板１２の一方の面に圧電板１１が取り付けられた、所謂、ユニモルフ構造のものを示したが、補強板１２の両面にそれぞれ圧電板１１が取り付けられた、所謂、バイモルフ構造のものを用いてもよい。さらに、圧電板は単板に限定されず、積層構造（積層コンデンサ型構造）を有しているものであってもよい。このような圧電素子の設計は、エネルギー変換装置３０を構成する圧電素子３３にも同様に適用することができることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明に係るエネルギー変換装置は、自動車や電車等の車両の足回りに装着する発電装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係るエネルギー変換装置の概略構造を示す断面図。
【図２】図１に示すエネルギー変換装置の駆動態様を示す断面図
【図３】図１に示すエネルギー変換装置から電気エネルギーを回収するための回路構成図。
【図４】本発明に係る別のエネルギー変換装置の概略構造を示す断面図。
【図５】図１に示すエネルギー変換装置を備えた移動体の概略構成を示す模式図。
【図６】図１に示すエネルギー変換装置を備えた移動体の別の構成を示す模式図。
【図７】本発明に係るさらに別のエネルギー変換装置の概略構造を示す断面図。
【図８】本発明に係るエネルギー変換装置に用いられる圧電素子の概略構造を示す断面図。
【符号の説明】
【００４６】
１０・３０・７０；エネルギー変換装置
１１・３１・７３；圧電板
１２・３２；補強板
１３・１３ａ・１３ｂ・１３′・３３・７４；圧電素子
１４・７５；リブ
１５・１５ａ；スペーサ
１６；保持部材
１７；押圧部材
１８；予圧機構
１９；溝部
２１；筒部
２２；上蓋
２３；底蓋
２４；バネ
２５；当接部材
２６；棒部材
２７；整流回路
２８・５３；蓄電装置
２９；負荷
３４ａ；第１スペーサ
３４ｂ；第２スペーサ
３５；第１支持棒
３６；第２支持棒
３７；連結部材
３８；第１締付部材
３９；第２締付部材
５０；移動体
５０ａ；（移動体の）本体（ボディ）
５１；回転体
５２；サスペンション
５４；電気装置
７１；棒部材
７２；円板
７６；円筒部材
７７；溝部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換装置と、このようなエネルギー変換装置を備えた移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、二酸化炭素等による地球温暖化を抑制するために、自動車等の車両の分野では、電気自動車やハイブリッド自動車、燃料電池自動車の開発が進められていることは周知の通りである。このような電気自動車等では、基本的にバッテリーに蓄えられた電気により駆動モータを回転させるために、走行中の車両の運動エネルギーを駆動モータの駆動に利用することにより、バッテリーへの負担を軽減して、走行距離を伸ばすことができるようになる。
【０００３】
また、電気自動車等は勿論のこと、一般的なガソリン等の液体燃料を用いる車両においても、カーナビゲーションシステム等の搭載によりバッテリーへの負担が増大しており、走行中の車両の運動エネルギーをこのような電装品の駆動に用いることによって、バッテリーへの負担を軽減することができる。
【０００４】
車両の運動エネルギーを有効に活用する方法として、例えば、特許文献１，２には、車両の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置、すなわちサスペンションで発電する装置が開示されている。しかし、これらの発電装置は、コイルと磁石を用いて電磁誘導により発電するものであるので、装置が大型となり、車両への取り付けが困難である。また、一般的に車両のサスペンションは、このような発電装置がない状態で車両を最適な状態に制動することができるように設計されているため、コイルと磁石との相対的な変位量を大きく取ることはできず、その結果、発電効率を高めることは困難である。
【特許文献１】特開２００１−５５０３３号公報
【特許文献２】特開平７−２７６９６３号公報
【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、振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができるエネルギー変換装置を提供することを目的とする。また、本発明はこのようなエネルギー変換装置を搭載した移動体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】
本発明によれば、圧電板と補強板とを貼り合わせてなる圧電素子と、
前記圧電素子を、複数、その厚み方向で互いに接触しないように一定間隔で保持する第１の保持部材と、
前記一定間隔で保持された複数の圧電素子に同等の変形が生ずるように、前記第１の保持部材が前記複数の圧電素子を保持する部分とは異なる部分で、前記複数の圧電素子を保持する第２の保持部材と、
を具備し、
前記第１の保持部材と前記第２の保持部材とが外力によって前記圧電素子の厚み方向で相対的に変位した際に前記圧電素子が撓んで発電し、電気エネルギーが得られることを特徴とするエネルギー変換装置、が提供される。
【０００７】
また本発明によれば、リング状の圧電板と、金属または樹脂の少なくとも一方からなり、外径が前記圧電板の外径よりも長い円板状の補強板と、を貼り合わせてなる圧電素子と、
前記補強板の外周端に設けられたリブと、
前記補強板の中心部に取り付けられた所定の厚さの円板状のスペーサと、
複数の前記圧電素子をその厚み方向に一定間隔で保持することができるように、前記リブを可動に保持する溝部が一定間隔で形成された保持部材と、
前記保持部材に保持された前記複数の圧電素子の一端に位置する圧電素子のスペーサに固定された押圧部材と、
前記保持部材に取り付けられ、前記保持部材に保持された前記複数の圧電素子の他端に位置する圧電素子の中心部を所定の力で他の圧電素子側に押圧することができる予圧機構と、
を具備し、
前記保持部材と前記押圧部材とが外力によって前記圧電素子の厚み方向で相対的に変位した際に前記圧電素子が撓んで発電し、電気エネルギーが得られることを特徴とするエネルギー変換装置、が提供される。
【０００８】
さらに本発明によれば、上記エネルギー変換装置を備え、接地した回転体の回転により移動する移動体であって、
前記移動体はさらに、前記回転体と前記移動体の本体との間に設けられたサスペンションと、前記移動体を駆動するための蓄電装置および電気装置と、を具備し、
前記エネルギー変換装置は前記回転体と前記移動体の本体との間において前記サスペンションと直列または並列に設けられ、前記移動体が接地面上を移動する際に受ける振動のエネルギーを前記エネルギー変換装置によって電気エネルギーに変換し、得られた電気エネルギーが前記電気装置の駆動または前記蓄電装置への充電に用いられることを特徴とする移動体、が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るエネルギー変換装置によれば、圧電素子を用いているので、小さい変位で大きな電気エネルギーを得ることができる。このため、本発明に係るエネルギー変換装置を車両の足回りに搭載することにより、振動を効率よく電気エネルギーに変換することができ、しかもサスペンション等の仕様を変更する必要がなく、車両の制動にも悪影響を及ぼさない。また、本発明に係るエネルギー変換装置は小型化が容易であり、圧電素子の形状や数、圧電素子を構成する補強板の硬さを変更することにより、発電量を容易に設計することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１にエネルギー変換装置１０の概略構造を示す断面図を示す。このエネルギー変換装置１０は、リング状の圧電板１１と円板状の補強板１２とを貼り合わせてなる圧電素子１３と、補強板１２の外周端に設けられたリブ１４と、補強板１２の中心部に取り付けられた円板状のスペーサ１５と、複数の圧電素子１３をその厚み方向（図１において、Ｚ方向）に一定間隔で保持することができるように、リブ１４を可動に保持する溝部１９が一定間隔で形成された保持部材１６と、保持部材１６に保持された複数の圧電素子１３の一端（＋Ｚ方向端）に位置する圧電素子（図１において、符号１３ａで示す）のスペーサ（図１において、符号１５ａで示す）に固定された押圧部材１７と、保持部材１６に取り付けられ、保持部材１６に保持された複数の圧電素子１３の他端（−Ｚ方向端）に位置する圧電素子（図１において、符号１３ｂで示す）の中心部を所定の力で他の圧電素子側（＋Ｚ方向側）に押圧する予圧機構１８と、を具備している。
【００１１】
圧電板１１は、リング状の圧電セラミックスの表裏面に電極膜（図示せず）が形成された構造を有し、圧電セラミックスは厚み方向に分極されている。また、圧電板１１は樹脂接着剤を用いて、補強板１２に接着されている。なお、圧電セラミックスの代わりに圧電ポリマーを用いてもよい。補強板１２は、金属または樹脂の少なくとも一方からなり、その外径が圧電板１１の外径よりも長い円板形状を有している。補強板１２として樹脂からなるものを用いる場合には、圧電板１１からの電極リード（図示せず）の取り出しを容易とするために、圧電板１１と貼り合わされる面に、金属箔が設けられているものを用いることが好ましい。
【００１２】
補強板１２の外周端に円周状に形成されたリブ１４には、樹脂材料、セラミックス材料、金属材料を用いることができる。セラミックス材料や金属材料を用いる場合には、例えば、断面略半円形の２つ割のリングを準備し、補強板１２の外周端部を挟み込んで、接着剤等で接着すればよい。また、補強板１２とリブ１４が共に金属材料であれば、これらは一体成形されたものであってもよく、溶接により接合されたものであってもよいし、補強板１２とリブ１４が共に樹脂であれば、これらは一体成形されたものであってもよい。リブ１４に樹脂材料を用いる場合には、補強板１２の外周に直接に補強板１２に密着するように成形することもできる。
【００１３】
なお、補強板１２の外周に設けられたリブ１４は、補強板１２の外周を可動に安定して保持するために設けられるものである。このため、図１では補強板１２の外周端面がリブ１４により覆われた構造を示しているが、例えば、補強板１２の外周端面が露出し、断面略半円形のリング部材が補強板１２の上下に接着されてリブを形成している構成でもよい。
【００１４】
スペーサ１５の外径は、圧電板１１に接触しないように、圧電板１１の内径よりも短ければよい。これは、スペーサ１５には押圧部材１７から圧電素子１３を撓ませるための力が直接に加わるので、その力によって圧電素子１３が破壊しないようにするためである。また、円板状のスペーサ１５の厚さは、複数の圧電素子１３を保持部材１６に一定間隔で配置した際に、１つの圧電素子に設けられたスペーサと対面する圧電素子の補強板との間に僅かな隙間が形成されるか、または隣接する圧電素子どうしが互いに撓むことがない程度に接触するように、定められる。さらに、スペーサ１５の材質は、図１に示されるように複数の圧電素子１３を一定間隔で配置した際に、隣接する圧電素子どうしが絶縁されるように選択される。例えば、補強板１２が金属からなる場合には絶縁性の樹脂やセラミックスが好適に用いられ、補強板１２が絶縁性の樹脂からなる場合には、金属、樹脂、セラミックスが好適に用いられる。
【００１５】
保持部材１６は、筒部２１と、筒部２１の開口端面をそれぞれ閉塞する上蓋２２および底蓋２３とから構成される。これらは、例えば、ボルト締め（図示せず）等により一体化される。筒部２１に形成されている溝部１９は、後述するように圧電素子１３の外周部ではＺ方向に変位することなくその中心部がＺ方向に変位して撓むことができるように（このとき、リブ１４に所定角度回転するような動きが生じる）、リブ１４よりも僅かにサイズが大きくなっている。
【００１６】
筒部２１としては、径方向で２つ割にされた構造のもの、または厚さ（高さ）方向に多段に分割された構造のもの、が好適に用いられる。２つ割構造のものでは、一方の型に溝部１９に圧電素子１３のリブ１４を嵌め込み、複数の圧電素子１３をこの型に仮保持させた状態で、リブ１４と他方の型の溝部１９とを嵌め合わせ、次いで上蓋２２および底蓋２３を取り付ければ、複数の圧電素子１３を保持部材１６に配置することができる。
【００１７】
一方、多段分割構造のものでは、内周の上下に溝部１９を２分する溝が形成されたリング状の型と圧電素子１３とを交互に積層することにより、リブ１４を上下の型により形成される溝部１９に嵌め込み、これらリング状の型を上蓋２２と底蓋２３で挟み込んで固定すれば、複数の圧電素子１３を保持部材１６に配置することができる。なお、このようなリング状の型を用いると、溝部１９の開口幅をリブ１４よりも薄くすることができるので、リブ１４を可動に保持しながら、リブ１４が溝部１９から容易には抜けない構造を実現することができる。
【００１８】
上蓋２３の中央部には貫通孔が形成されており、押圧部材１７は、この貫通孔にＺ方向に可動に挿通されている。また、予圧機構１８は、バネ２４と、バネ２４を保持するために−Ｚ方向端に設けられた圧電素子１３ｂの補強板１２に取り付けられた当接部材２５と、バネ２４を保持するために保持部材１６（底蓋２３）に設けられた棒部材２６から構成されており、バネ２４が＋Ｚ方向に圧電素子１３ｂに予圧を加えている。
【００１９】
このように予圧機構１８のバネ２４が圧電素子１３ｂに＋Ｚ方向に一定の予圧を加えている状態では、前述したようにある圧電素子のスペーサとこのスペーサと対面する別の圧電素子の補強板との間には僅かな隙間があるかまたは隙間がないために、玉突き状態となって、全ての圧電素子１３が＋Ｚ方向に凸となるように撓もうとする。そこで、エネルギー変換装置１０は、予圧機構１８による予圧によって圧電素子１３が撓むことのないように、押圧部材１７が圧電素子１３ａに−Ｚ方向に一定の予圧を加えた状態となるように、所定の場所に配置される。つまり、押圧部材１７は常に＋Ｚ方向端に配置された圧電素子１３ａのスペーサ１５と接し、圧電素子１３ａを−Ｚ方向に押圧している状態に維持される。押圧部材１７を圧電素子１３ａのスペーサ１５と接着しておけば、このスペーサ１５は押圧部材１７の変位量を制限するストッパとして機能する。
【００２０】
上述の通りに構成されたエネルギー変換装置１０では、保持部材１６と押圧部材１７とがＺ方向で相対的に変位することで圧電素子１３を発電させる。図２にエネルギー変換装置１０の駆動態様を示す断面図を示し、図３にエネルギー変換装置１０から電気エネルギーを回収するための回路構成図を示す。
【００２１】
図２（ａ）に示されるように、例えば、保持部材１６が固定された状態で押圧部材１７に−Ｚ方向の力が加わると、バネ２４は縮んで、全ての圧電素子１３が−Ｚ方向に凸となるように撓む。一方、図２（ｂ）に示されるように、保持部材１６が固定された状態で押圧部材１７に＋Ｚ方向の力が加わると、押圧部材１７が圧電素子１３に与える力が減少するので、バネ２４が伸びて、全ての圧電素子１３が＋Ｚ方向に凸となるように撓む。したがって、押圧部材１７にＺ方向の振動が加わると、圧電素子１３が図２（ａ）・（ｂ）に示すように変形する撓み振動を繰り返し、その際に圧電板１１が発電する。
【００２２】
こうして圧電素子１３から得られる電気エネルギーは交流電力であるために、通常は図３に示されるように、これを整流回路２７を通して直流電力に変換し、コンデンサや二次電池等の蓄電装置２８に充電するか、または直接に負荷２９に供給して負荷２９を駆動することができる。なお、複数の圧電素子１３は、上述の通り、一様に＋Ｚ方向または−Ｚ方向に凸となるように撓み振動するために、個々の圧電素子１３に整流回路２７を設ける必要はなく、これにより回路を単純に構成することができる。
【００２３】
エネルギー変換装置１０は、圧電素子１３を用いることによって、小型化が容易である。圧電素子１３の変位量は、補強板の材質や厚さ、圧電素子の形状や数を変えることによって調整することができるので、弱い力で大きく変位する圧電素子を用いたエネルギー変換装置を実現することもできれば、強い力で小さく変位する圧電素子を用いたエネルギー変換装置を実現することもでき、その場合でも、圧電素子を用いることで、十分に大きな電気エネルギーを得ることができる。さらに、エネルギー変換装置１０を直並列に接続することによって、押圧部材１７に印加される力の大きさに対するバランスを取ることもできる。
【００２４】
次に別のエネルギー変換装置の実施の形態について説明する。図４にエネルギー変換装置３０の概略構造を示す断面図を示す。このエネルギー変換装置３０は、リング状の圧電板３１をリング状の補強板３２に貼り合わせてなる圧電素子３３と、リング状の第１スペーサ３４ａと、リング状の第２スペーサ３４ｂと、を有している。
【００２５】
圧電板３１は先に説明したエネルギー変換装置１０を構成する圧電素子１３の圧電板１１と同じである。補強板３２の内径は圧電板３１の内径よりも短く、その外径は圧電板３１の外径よりも長くなっている。また、第１スペーサ３４ａの外径は圧電板３１の内径よりも短くなっており、第２スペーサ３４ｂの内径は圧電板３１の外径よりも長く、外径は補強板３２の外径よりも長くなっている。これは、補強板３２をその内孔側で第１スペーサ３４ａにより保持し、かつ、その外周側を第２スペーサ３４ｂにより保持するためである。
【００２６】
第２スペーサ３４ｂには等間隔で第２支持棒３６を挿通させるための孔部が形成されている。これら孔部は少なくとも周方向に等間隔に３カ所以上（図４では２カ所が示されている）に設けることが好ましい。これは、均等に圧電素子３３を撓ませるためには、均等な力で補強板３２（圧電素子３３）を保持することが望ましいからである。第１スペーサ３４ａ・第２スペーサ３４ｂには、硬質ゴム等の樹脂材料を用いることができる。
【００２７】
複数の圧電素子３３と複数の第１スペーサ３４ａは、これらの内孔に第１支持棒３５を挿通させて、交互に積層される。同様に、複数の圧電素子３３と複数の第２スペーサ３４ｂとが交互に積層され、第２スペーサ３４ｂの孔部に第２支持棒３６が挿通される。複数の第２支持棒３６はさらに連結部材３７により一体となっている。なお、図４に示されるように、このとき第１スペーサ３４ａと第２スペーサ３４ｂとは並列に配置される。
【００２８】
こうして積層された複数の第１スペーサ３４ａを第１締付部材３８により積層方向に所定の力で締め付けて、第１支持棒３５に保持させる。同様に、積層された第２スペーサ３４ｂを第２締付部材３９により積層方向に所定の力で締め付けて、第２支持棒３６に保持させる。これにより、複数の圧電素子３３は略等間隔で、その内周側は第１支持棒３５に、その外周側は第２支持棒３６に、それぞれ固定されることとなる。
【００２９】
このような構造を有するエネルギー変換装置３０では、例えば、連結部材３７（第２支持棒３６）を固定した状態で、圧電素子３３の積層方向であるＺ方向の力が第１支持棒３５に作用すると、第１支持棒３５と第２支持棒３６とが相対的に変位し、エネルギー変換装置１０と同様に、第１支持棒３５に作用する力の向きに応じて、圧電素子３３に＋Ｚ方向に凸となるか、または−Ｚ方向に凸になる撓みが生じ、これにより電気エネルギーを得ることができる。
【００３０】
次に上述したエネルギー変換装置１０を備え、接地した回転体の回転により移動する移動体について、図５に示す模式図を参照しながら説明する。なお、この図５ではエネルギー変換装置１０を簡略化して示している。移動体５０は、接地した回転体５１（自動車、二輪車等のタイヤ、電車等の車輪等）と、回転体５１と移動体５０の本体（ボディ）５０ａとの間に設けられたサスペンション５２と、移動体５０を駆動するための蓄電装置５３および電気装置５４と、を具備している。
【００３１】
図５では、エネルギー変換装置１０は、回転体５１と移動体５０の本体５０ａとの間に設けられるサスペンション５２と並列に配設されている。これは、一般的な車両にはエネルギー変換装置１０のような発電装置は取り付けられておらず、サスペンションはその状態で車両を最適な状態に制動することができるように設計されているために、サスペンション５２と並列にエネルギー変換装置１０を配設し、エネルギー変換装置１０の保持部材１６と押圧部材１７とがサスペンション５２の動きを妨げないように相対変位するように圧電素子１３の硬さ（撓みやすさ）を設計しておけば、サスペンション５２の設計を変更せずに移動体５０を適切に制動することができ、しかも既存の車両に搭載することができ、また新車販売時にはオプションとして取り付けることができる等のメリットがあるからである。
【００３２】
サスペンション５２は、通常、振動を吸収するための振動体であるバネと、バネの伸縮を調整する油圧シリンダーから構成される。移動体５０が走行すると、路面の凹凸等に起因する振動がサスペンション５２とエネルギー変換装置１０に加わり、その振動はサスペンション５２によって適切に減衰されて移動体５０の走行状態が良好に確保され、サスペンション５２の動きに追従してエネルギー変換装置１０では押圧部材１７と保持部材１６とが相対的に変位して、圧電素子１３が撓み、発電する。
【００３３】
エネルギー変換装置１０から取り出された電気エネルギーは、バッテリーやコンデンサ等の蓄電装置５３の充電に用いられ、または電気装置５４の駆動に用いられる。例えば、移動体５０が、自動車であるとしたならば、電気装置５４としては、ウインカーランプ、ストップランプ、ヘッドライト、テールライト、ワイパー、パワーウインドウ、カーナビゲーションシステム、オーディオ等が挙げられ、移動体５０がハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池自動車であれば、さらに、走行のための電気モータが挙げられる。また、移動体５０が電車等の車両であれば、電気装置５４として、車内表示板（停車駅案内、車内広告用液晶画面等）等が挙げられる。
【００３４】
このような移動体５０では、蓄電装置５３への負担を軽減することができるので、バッテリーとしてより小型のものを搭載することができるようになる。また、蓄電装置５３が鉛蓄電池等の比重の大きい二次電池の場合には、小型の鉛蓄電池を搭載することによって化石燃料の燃費を高めることができ、電気自動車では１回の充電あたりの走行距離を伸ばすことができ、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車でも、燃料を満タンとした場合の走行距離を伸ばすことができる。
【００３５】
エネルギー変換装置１０の移動体５０への取り付けは、上述した通りのサスペンション５２と並列に配設する形態に限定されるものではなく、図６に示すように、エネルギー変換装置１０は、回転体５１と移動体５０の本体５０ａとの間に設けられるサスペンション５２と直列に配設することもでき、その場合にエネルギー変換装置１０は、図６（ａ）に示すようにサスペンション５２と回転体５１との間に配置してもよいし、図６（ｂ）に示すようにサスペンション５２と移動体５０の本体５０ａとの間に配置してもよい。
【００３６】
このようにエネルギー変換装置１０をサスペンション５２と直列に接続配置する場合には、エネルギー変換装置１０は、回転体５１と本体５０ａとを接続する機械部品としての性能が確保されるように、かつ、圧電素子１３のバネ性によって乗り心地が悪くならないように設計されなければならず、例えば、補強板１２の材質や厚み、補強板１２を保持部材１６に保持させるためのリブ１４の材質や溝部１９の形状について、適切に設計する必要がある。
【００３７】
上述した移動体５０において、サスペンション５２と直列に接続するエネルギー変換装置としては、図７に示す構造を有するものを用いることも、好ましい。この図７に示すエネルギー変換装置７０は、円柱状の棒部材７１に一定の間隔で円板７２が一体的に形成されており、半円弧状の圧電板７３が円板７２上でリング状となるように円板７２に貼り付けられている。すなわち、円板７２と圧電板７３から圧電素子７４が形成されている。円板７２の外周端には、リブ７５が設けられており、リブ７５は円筒部材７６の内周面に形成された溝部７７に可動に嵌め込まれている。
【００３８】
このようなエネルギー変換装置７０を、例えば、回転体５１とサスペンション５２との間に配設する場合には、棒部材７１をサスペンション５２と回転体５１を回転可動に保持するシャフトとを接続するための部材として用い、円筒部材７６を直接に移動体５０の本体５０ａに連結保持する。このような構成とすることにより、移動体５０の足回りの機械的強度は棒部材７１によって確保される。また、サスペンション５２の伸縮にしたがって棒部材７１の位置が移動体５０の本体部５０ａに対して変化するので、そのときに圧電素子７４が撓み、発電を行うことができる。なお、円筒部材７６の両端面には、内部に収容された圧電素子７４を水等から保護するためのカバーが、棒部材７１の動きを妨げることのないように設けられる。
【００３９】
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の形態に限定されるものではない。例えば、エネルギー変換装置１０では、圧電素子１３を直列に配置されているが、圧電素子１３を並列に配置した構造としてもよく、さらに直並列に配置した構造としてもよい。
【００４０】
また、エネルギー変換装置１０を構成する圧電素子は、図１に示した構造のもの、つまり圧電素子１３に限定されるものではなく、図８に示す圧電素子１３′のように、内周側の圧電板１１ａと外周側の圧電板１１ｂとに分けて、これらを補強板１２に貼り付けた構造のものを用いてもよい。
【００４１】
これは、圧電素子１３を屈曲させると、図２に示したように一様な曲率で屈曲せずに、圧電素子１３の内側と外側とで屈曲の向きが逆になる（つまり、圧電素子１３の断面における内周端と外周端とを結ぶ線が略Ｓ字型となるように屈曲する）おそれがあり、その場合には、圧電板１１を構成する圧電セラミックスの内側と外側とでは同一表面に発生する電荷の正負が逆となってしまい、こうして圧電セラミックスの表面に発生した電荷は、圧電セラミックスに形成された電極膜で相殺され、外部に取り出すことができなくなってしまうおそれがあるからである。図８に示した構造の圧電素子１３′では、そのような電荷相殺を回避することができる。
【００４２】
なお、圧電素子１３′を構成する補強板１２は、圧電板１１ａの接着面側の電極膜と圧電板１１ｂの接着面側の電極膜とを短絡させない構造とする必要がある。このため、補強板１２として金属箔・金属板を用いる場合には、圧電板１１ａ・１１ｂの一方を、この金属箔・金属板と短絡しないように、絶縁膜を介して金属箔・金属板に接着する等の工夫が必要となる。また、補強板１２としてプリント配線基板のように樹脂基板に金属箔を取り付けてなるものを用いる場合には、圧電板１１ａ・１１ｂが絶縁されるように、その金属箔を内周側部と外周側部とに分かれたパターンとしておけばよい。
【００４３】
また、エネルギー変換装置１０では、圧電素子１３として、補強板１２の一方の面に圧電板１１が取り付けられた、所謂、ユニモルフ構造のものを示したが、補強板１２の両面にそれぞれ圧電板１１が取り付けられた、所謂、バイモルフ構造のものを用いてもよい。さらに、圧電板は単板に限定されず、積層構造（積層コンデンサ型構造）を有しているものであってもよい。このような圧電素子の設計は、エネルギー変換装置３０を構成する圧電素子３３にも同様に適用することができることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明に係るエネルギー変換装置は、自動車や電車等の車両の足回りに装着する発電装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係るエネルギー変換装置の概略構造を示す断面図。
【図２】図１に示すエネルギー変換装置の駆動態様を示す断面図
【図３】図１に示すエネルギー変換装置から電気エネルギーを回収するための回路構成図。
【図４】本発明に係る別のエネルギー変換装置の概略構造を示す断面図。
【図５】図１に示すエネルギー変換装置を備えた移動体の概略構成を示す模式図。
【図６】図１に示すエネルギー変換装置を備えた移動体の別の構成を示す模式図。
【図７】本発明に係るさらに別のエネルギー変換装置の概略構造を示す断面図。
【図８】本発明に係るエネルギー変換装置に用いられる圧電素子の概略構造を示す断面図。
【符号の説明】
【００４６】
１０・３０・７０；エネルギー変換装置
１１・３１・７３；圧電板
１２・３２；補強板
１３・１３ａ・１３ｂ・１３′・３３・７４；圧電素子
１４・７５；リブ
１５・１５ａ；スペーサ
１６；保持部材
１７；押圧部材
１８；予圧機構
１９；溝部
２１；筒部
２２；上蓋
２３；底蓋
２４；バネ
２５；当接部材
２６；棒部材
２７；整流回路
２８・５３；蓄電装置
２９；負荷
３４ａ；第１スペーサ
３４ｂ；第２スペーサ
３５；第１支持棒
３６；第２支持棒
３７；連結部材
３８；第１締付部材
３９；第２締付部材
５０；移動体
５０ａ；（移動体の）本体（ボディ）
５１；回転体
５２；サスペンション
５４；電気装置
７１；棒部材
７２；円板
７６；円筒部材
７７；溝部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電板と補強板とを貼り合わせてなる圧電素子と、
前記圧電素子を、複数、その厚み方向で互いに接触しないように一定間隔で保持する第１の保持部材と、
前記一定間隔で保持された複数の圧電素子に同等の変形が生ずるように、前記第１の保持部材が前記複数の圧電素子を保持する部分とは異なる部分で、前記複数の圧電素子を保持する第２の保持部材と、
を具備し、
前記第１の保持部材と前記第２の保持部材とが外力によって前記圧電素子の厚み方向で相対的に変位した際に前記圧電素子が撓んで発電し、電気エネルギーが得られることを特徴とするエネルギー変換装置。
【請求項２】
リング状の圧電板と、金属または樹脂の少なくとも一方からなり、外径が前記圧電板の外径よりも長い円板状の補強板と、を貼り合わせてなる圧電素子と、
前記補強板の外周端に設けられたリブと、
前記補強板の中心部に取り付けられた所定の厚さの円板状のスペーサと、
複数の前記圧電素子をその厚み方向に一定間隔で保持することができるように、前記リブを可動に保持する溝部が一定間隔で形成された保持部材と、
前記保持部材に保持された前記複数の圧電素子の一端に位置する圧電素子のスペーサに固定された押圧部材と、
前記保持部材に取り付けられ、前記保持部材に保持された前記複数の圧電素子の他端に位置する圧電素子の中心部を所定の力で他の圧電素子側に押圧することができる予圧機構と、
を具備し、
前記保持部材と前記押圧部材とが外力によって前記圧電素子の厚み方向で相対的に変位した際に前記圧電素子が撓んで発電し、電気エネルギーが得られることを特徴とするエネルギー変換装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のエネルギー変換装置を備え、接地した回転体の回転により移動する移動体であって、
前記移動体はさらに、前記回転体と前記移動体の本体との間に設けられたサスペンションと、前記移動体を駆動するための蓄電装置および電気装置と、を具備し、
前記エネルギー変換装置は前記回転体と前記移動体の本体との間において前記サスペンションと直列または並列に設けられ、前記移動体が接地面上を移動する際に受ける振動のエネルギーを前記エネルギー変換装置によって電気エネルギーに変換し、得られた電気エネルギーが前記電気装置の駆動または前記蓄電装置への充電に用いられることを特徴とする移動体。
【請求項１】
圧電板と補強板とを貼り合わせてなる圧電素子と、
前記圧電素子を、複数、その厚み方向で互いに接触しないように一定間隔で保持する第１の保持部材と、
前記一定間隔で保持された複数の圧電素子に同等の変形が生ずるように、前記第１の保持部材が前記複数の圧電素子を保持する部分とは異なる部分で、前記複数の圧電素子を保持する第２の保持部材と、
を具備し、
前記第１の保持部材と前記第２の保持部材とが外力によって前記圧電素子の厚み方向で相対的に変位した際に前記圧電素子が撓んで発電し、電気エネルギーが得られることを特徴とするエネルギー変換装置。
【請求項２】
リング状の圧電板と、金属または樹脂の少なくとも一方からなり、外径が前記圧電板の外径よりも長い円板状の補強板と、を貼り合わせてなる圧電素子と、
前記補強板の外周端に設けられたリブと、
前記補強板の中心部に取り付けられた所定の厚さの円板状のスペーサと、
複数の前記圧電素子をその厚み方向に一定間隔で保持することができるように、前記リブを可動に保持する溝部が一定間隔で形成された保持部材と、
前記保持部材に保持された前記複数の圧電素子の一端に位置する圧電素子のスペーサに固定された押圧部材と、
前記保持部材に取り付けられ、前記保持部材に保持された前記複数の圧電素子の他端に位置する圧電素子の中心部を所定の力で他の圧電素子側に押圧することができる予圧機構と、
を具備し、
前記保持部材と前記押圧部材とが外力によって前記圧電素子の厚み方向で相対的に変位した際に前記圧電素子が撓んで発電し、電気エネルギーが得られることを特徴とするエネルギー変換装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のエネルギー変換装置を備え、接地した回転体の回転により移動する移動体であって、
前記移動体はさらに、前記回転体と前記移動体の本体との間に設けられたサスペンションと、前記移動体を駆動するための蓄電装置および電気装置と、を具備し、
前記エネルギー変換装置は前記回転体と前記移動体の本体との間において前記サスペンションと直列または並列に設けられ、前記移動体が接地面上を移動する際に受ける振動のエネルギーを前記エネルギー変換装置によって電気エネルギーに変換し、得られた電気エネルギーが前記電気装置の駆動または前記蓄電装置への充電に用いられることを特徴とする移動体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−１１５６６２（Ｐ２００６−１１５６６２Ａ）
【公開日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３０２９７４（Ｐ２００４−３０２９７４）
【出願日】平成１６年１０月１８日（２００４．１０．１８）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月１８日（２００４．１０．１８）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
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