(57)【要約】【課題】入力された振動に対して安定して発電する振動発電装置を実現できるようにする。【解決手段】振動発電装置１００は、第１錘部材１１２を有し、第１の端部の位置が固定され、第２の端部の位置が上下に変動する第１の共振器を形成する支持台１０１と、支持台１０１に取り付けられ、第２の共振器を形成する発電素子１０３とを備えている。発電素子１０３は、圧電素子と一体となり、主面が支持台１０１の主面と対向するように配置され、一方の端部が支持台１０１に固定された固定端となり、他方の端部が自由端となった板ばね１３１と、板ばね１３１の自由端側に取り付けられた第２錘部材１３２とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１錘部材を有し、第１の端部の位置が固定され、第２の端部の位置が上下に変動する第１の共振器を形成する支持台と、
前記支持台に取り付けられ、第２の共振器を形成する発電素子とを備えている、振動発電装置。
【請求項２】
前記第１の端部は、振動の供給源となる部材にシャフトを介して固定されており、
前記支持台は、前記シャフトを軸に振り子運動する、請求項１に記載の振動発電装置。
【請求項３】
前記支持台を下方から支える支持弾性部材をさらに備えている、請求項２に記載の振動発電装置。
【請求項４】
前記支持台の上方への位置変位を制限する、上側弾性部材をさらに備えている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動発電装置。
【請求項５】
前記発電素子は、圧電素子と一体となり、主面が前記支持台の主面と対向するように配置され、一方の端部が前記支持台に固定された固定端となり、他方の端部が自由端となった板ばねと、前記板ばねの前記自由端側に取り付けられた第２錘部材とを有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動発電装置。
【請求項６】
前記発電素子の板ばねは、固定端が自由端よりも、前記支持台の前記第２の端部側に位置するように配置されている、請求項５に記載の振動発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、振動発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、特定方向に圧力を加えることにより、電気分極が誘起されて電圧を発生させる素子である。圧電素子を利用することにより、機械的変位を電圧に変換して、発電することができる。身近な機械的変位として、振動がある。振動により発電することができれば、ほとんどあらゆる所において電源を用意することなく電子機器を動作させることが可能になる。
【０００３】
振動を利用して発電を行う振動発電装置として、圧電素子が振動板に取り付けられた振動圧電体を用いる方法がある。しかし、一般的に利用できる外部振動は弱いため、単純な振動圧電体の場合、十分な発電量を得ることが困難である。さらに、振動圧電体の固有周波数と外部振動とが一致していなければ発電できないという問題もある。
【０００４】
発電量を大きくするために、錘とバネとを有し、揺動する第１の部材に、第１の部材の揺動に同期して屈曲振動する振動圧電体（発電素子）である第２の部材を取り付けた振動発電装置が検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。外部振動のエネルギーを第１の部材により揺動運動に変換して、第２の部材に伝達することにより、第２の部材の屈曲運動を大きくして発電量を増大させようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５７６１３３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の振動発電装置は、第１の部材に垂直方向に振動を加えても、ランダムな方向に揺動するため、第１の部材の振動方向と、第２の部材の振動方向とが必ずしも一致せず、得られる最大発電量は大きくなるが、ばらつきも大きくなるという問題がある。電子機器を動作させるための電源として考えた場合、最大発電量を大きくするよりも、一定の振動に対して安定して一定の発電量が得られる方が好ましい。
【０００７】
本開示の課題は、安定して発電する振動発電装置を実現できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の振動発電装置の一態様は、第１錘部材を有し、第１の端部の位置が固定され、第２の端部の位置が上下に変動する第１の共振器を形成する支持台と、支持台に取り付けられ、第２の共振器を形成する発電素子とを備えている。
【０００９】
振動発電装置の一態様において、第１の端部は、振動の供給源となる部材にシャフトを介して固定されており、支持台は、シャフトを軸に振り子運動するようにできる。
【００１０】
振動発電装置の一態様は、支持台を下方から支える支持弾性部材をさらに備えていてもよい。
【００１１】
振動発電装置の一態様は、支持台の上方への位置変位を制限する、上側弾性部材をさらに備えていてもよい。
【００１２】
振動発電装置の一態様において、発電素子は、圧電素子と一体となり、主面が支持台の主面と対向するように配置され、一方の端部が支持台に固定された固定端となり、他方の端部が自由端となった板ばねと、板ばねの自由端側に取り付けられた第２錘部材とを有する構成とすることができる。
【００１３】
この場合において、発電素子の板ばねは、固定端が自由端よりも、支持台の第２の端部側に位置するように配置されていてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本開示の振動発電装置によれば、入力された振動に対して安定して発電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施形態に係る振動発電装置を示す分解斜視図である。
【図２】一実施形態に係る振動発電装置を示す断面図である。
【図３】発電素子の構成例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１及び図２に示すように、一実施形態に係る振動発電装置１００は、基盤部１１１及び第１錘部材１１２を有する支持台１０１と、支持台１０１に取り付けられた発電素子１０３とを有している。また、振動発電装置１００は、筐体１０６内に収容されており、支持台１０１の第１の端部はシャフト１０４を介して筐体１０６の側壁に固定されており、支持台１０１の第２の端部は、筐体１０６の底面１６１との間に配置された支持弾性部材１０２により下方から支えられている。このため、筐体１０６が上下方向に振動すると、シャフト１０４を軸に振り子運動をする第１の共振器を形成している。
【００１７】
支持台１０１に取り付けられた発電素子１０３は、支持台１０１の主面と対向するように配置された板バネ１３１と、板バネ１３１に取り付けられた第２錘部材１３２とを有している。板バネ１３１は、一方の端部が取り付け台１３３を介して支持台１０１に固定された固定端となり、他方の端部は自由端となっている。第２錘部材１３２は、板バネ１３１の自由端側に取り付けられている。これにより、発電素子１０３は、固定端を支点として自由端が振動する第２の共振器を形成している。
【００１８】
支持台を下方から弾性部材により支えて共振器を形成した場合には、上下方向の揺れだけでなく横揺れが発生しやすい。一方、本実施形態においては、支持台１０１の第１の端部がシャフト１０４により固定されているため、支持台１０１の運動はシャフト１０４を軸とした振り子運動となり、第１の共振器の振動の方向を安定させることができる。
【００１９】
また、第２の共振器である発電素子１０３は、片持ち梁構造であり、板バネ１３１は、主面を第１の共振器を形成する支持台の主面に対向させて配置されており、その変位が最も大きくなる方向（振動方向）は上下方向となっている。このため、支持台１０１の振り子運動の方向と、第２の共振器を形成する板バネ１３１の振動方向とをほぼ一致させることができ、第１の共振器の振動のエネルギーを、第２の共振器に効率良く伝えることができる。
【００２０】
振り子運動をする支持台１０１の変位は、シャフト１０４により固定されている第１の端部側よりも第２の端部側において大きくなる。このため、発電素子１０３の板バネ１３１の固定端をできるだけ第２の端部側に固定した方が、板バネ１３１を大きく振動させることができる。このため、板ばね１３１は、固定端が自由端よりも、支持台１０１の第２の端部側に位置するように配置することが好ましい。但し、板バネ１３１の固定端が自由端よりも第１の端部側に位置していてもかまわない。
【００２１】
本実施形態において、支持台１０１は、シャフト１０４を介して筐体１０６の側壁に固定された第１の端部と支持弾性部材１０２とによって支えられている。このため、支持台１０１の重心よりも第２の端部側に支持弾性部材１０２を取り付けた方が、回転トルクにより支持弾性部材１０２の加わる力が小さくなり、同じ固有振動数を実現するために必要な支持弾性部材１０２のばね定数を小さくできる。但し、支持弾性部材１０２は、第２の端部付近に限らずどこに配置してもよい。
【００２２】
本実施形態において、支持弾性部材１０２は、３個の圧縮コイルばねとしているが、コイルばねの数は限定されず、１個であっても、複数であってもよい。但し、支持台１０１の幅方向に複数のコイルばねを配置することにより、１つのばねに加わる加重を分散することができ、ばね定数の小さいばねを用いることができる。また、荷重を均等に分散させることができ、横揺れや捻れを生じにくくすることができる。さらに、支持弾性部材１０２はコイルばねに限らず、板バネとしたり、ゴム等の他の弾性体としたりすることもできる。但し、振動に対するレスポンスの観点、温度によるばね定数の変動を小さくする観点、及び劣化を生じにくくする観点から、支持弾性部材１０２は金属製のコイルばねが好ましい。
【００２３】
本実施形態において、第１錘部材１１２を基盤部１１１と別体としている。これにより、第１錘部材１１２を交換することにより支持台１０１の質量を容易に調整することができる。また、第１錘部材１１２の取付け位置により支持台１１１の重心位置が変化し、支持弾性部材１０２に加わる質量が変化するため、固有振動数の微調整をすることも可能となる。但し、基盤部１１１と第１錘部材１１２とを一体とすることもできる。また、本実施形態において、第１錘部材１１２は１つであるが、第１錘部材１１２を複数に分割することもできる。このようにすれば、第１錘部材の質量を容易に調整することができる。
【００２４】
本実施形態において、支持台１０１の上面と筐体１０６の天面１６２との間に上側弾性部材１０７を設けている。上側弾性部材１０７は、大きな振動が入力された際に、支持台１０１の上方への変位を制限して、支持台１０１と支持弾性部材１０２とが分離しないようにするために設けられている。このため、上側弾性部材１０７は、支持弾性部材１０２と比べてばね定数が１／１０程度又はそれ以下の弾性体を用いることができる。上側弾性部材１０７にばね定数が小さいものを用いることにより、支持台１０１と支持弾性部材１０２とにより構成される第１の共振器の固有振動数に大きな影響を与えないようにすることができる。なお、上側弾性部材１０７は必要に応じて設ければよく、設けなくてもよい。例えば、支持台１０１が大きく跳ね上がらないように、支持台１０１と支持弾性部材１０２とがしっかりと固定されている場合には、上側弾性部材１０７を設けなくてもよい。
【００２５】
本実施形態において、上側弾性部材１０７は、３個の圧縮コイルばねとしたが、コイルばねの数は特に限定されない。また、上側弾性部材１０７はコイルばねに限らず、例えばシリコンゴムにより形成されたクッション材等を用いることもできる。
【００２６】
本実施形態において、上側弾性部材１０７を第１の端部側に配置したが、上側弾性部材１０７の位置は特に限定されない。但し、支持弾性部材１０２から離れた位置に上側弾性部材１０７を配置した方が、支持弾性部材１０２に与える影響を小さくできるので好ましい。
【００２７】
本実施形態において、発電素子１０３は、基盤部１１１の表面に取り付けられたブロック体である取り付け台１３３に取り付けられている。しかし、板ばね１３１の一方の端部を保持し、板ばね１３１が振動した際に基盤部１１１と接触しないようにできれば、発電素子１０３の取り付け方法は限定されない。
【００２８】
発電素子１０３は、振動の主面が振動中心に位置することが好ましく、板ばね１３１の主面が基盤部１１１の主面と平行になるように取り付けることにより、支持台１０１の上下方向の振動と振動方向を一致させて効率良く利用できる。但し、振動の主面が傾くことによる振動の減少を許容できる範囲であれば、完全に平行となっていなくてもよく、例えば±３０°程度平行からずれていてもよい。
【００２９】
本実施形態において、第２錘部材１３２は、板ばね１３１の固定端と反対側の端部付近に取り付けているが、第２錘部材１３２の取り付け位置は調整できるようにすることが好ましい。第２錘部材１３２の板ばね１３１上の位置をずらすことにより、発電素子１０３の固有振動数を調整することができる。
【００３０】
本実施形態において支持台１０１に２個の発電素子１０３が取り付けられている例を示したが、発電素子の１０３の数は１個でもよく、３個以上であってもよい。
【００３１】
本実施形態の振動発電装置１００は、第１の共振器の第１の固有振動数ｆ１と、第２の共振器の第２の固有振動数ｆ２とを略一致させることが好ましい。これにより、支持台１０１の振動に共振して発電素子１０３が振動するため、さらに効率良く振動発電を行うことができる。なお、ｆ１とｆ２とが略一致しているとは、ｆ１とｆ２との差が、ｆ１の±１５％以下、好ましくは±１０％以下、より好ましくは±５％以下であることである。なお、共振器の固有振動数は、共振器を構成する質量をｍ、ばね定数をｋとすると、１／２π（ｋ／ｍ）1/2として求めることができる。なお、本実施形態のように、共振器を構成する弾性部材が複数のばね等により構成されている場合には、そのばね定数は合成された全体のばね定数を意味する。なお、入力される振動にばらつきがある場合は、ｆ１とｆ２との差をある程度大きく設定した方がよい場合もある。
【００３２】
本実施形態においては、発電素子１０３は、図３に示すように、板ばね１３１と一体となった圧電素子１３４を有している。圧電素子１３４は、下部電極１３５、上部電極１３６、及び下部電極１３５と上部電極１３６との間に挟まれた圧電体層１３７を有している。板ばね１３１が弾性変形すると、板ばね１３１と一体となった圧電素子１３４も変形するため、電力が発生する。圧電素子１３４に生じた電力は、下部電極１３５及び上部電極１３６を介して外部に取り出すことができる。本実施形態において、圧電素子１３４を板バネ１３１の一方の面に設けたが、両面に設けることもできる。
【００３３】
圧電体層１３７は、セラミクス材料又は単結晶材料等からなる膜とすることができる。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、窒化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等からなる膜とすることができる。また、圧電体層１３７は、圧縮応力を付与した膜とすることができる。これにより、圧電体層１３７を大きく変形させることが可能となる。
【００３４】
なお、本実施形態において、発電素子１０３を片持ち梁構造の共振器構造を有する構成としたが、発電素子１０３はこのような構成に限らず、第２の共振器を形成し、振動エネルギーを電気エネルギーに変換できるものであればよい。
【００３５】
本実施形態において、振動発電装置１００は、筐体１０６内に収容されており、振動の供給源となる構造物等に筐体１０６を取り付けることにより、筐体１０６が振動の供給源となる。このように、振動発電装置１００を筐体１０６に収容することにより、シャフト１０４を取り付けるための加工を構造物自体にしなくてもよいため、振動発電装置１００の設置が容易となる。
【００３６】
また、振動発電装置１００を筐体１０６内に収容することにより、振動発電装置１００を保護することができ、信頼性を向上させることもできる。さらに、筐体１０６の底面を重力方向の下方に、天面を重力方向の上方にして設置すればよく、振動の供給源となる構造物等の上に筐体１０６の底面を下にして取り付けるだけでなく、構造物の下に筐体１０６の天面１６２を上にして吊り下げるように取り付けることもできる。但し、筐体１０６は必要に応じて用いればよく、振動発電装置１００は、筐体１０６に収容されていなくてもよい。
【００３７】
本実施形態は、圧縮コイルばねである支持弾性部材１０２により支持台１０１を下方から支持している。但し、支持台１０１の第１の端部の位置が固定され、第２の端部の位置が上下に変動する共振器を形成できれば、他の構成とすることもできる。例えば、支持弾性部材１０２を引張コイルばねとし、支持台１０１を上方から吊り下げるように支持する構成とすることもできる。また、基盤部１１１を板バネ等の弾性体として、基盤部１１１の第１の端部を筐体の壁面に直接固定することもできる。この場合、支持弾性部材１０２を設けなくても、第１の共振器をいわゆる片持ち梁構造の共振器とすることができる。
【００３８】
本実施形態の振動発電装置は、入力された振動に対して安定して発電することができるため、振動をモニタリングするセンサ自体又は振動をモニタリングするセンサの電源等として用いることができる。具体例としては、モータ若しくはエンジン等を有する機器、装置又は設備等の振動をモニタリングする装置に用いることができる。また、建物、橋、鉄道又は道路等の建造物の振動をモニタリングする装置に用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本開示の振動発電装置は、入力された振動に対して安定して発電することができるため、種々の振動をモニタリングする装置等に用いることができる。
【符号の説明】
【００４０】
１００      振動発電装置
１０１      支持台
１０２      支持弾性部材
１０３      発電素子
１０４      シャフト
１０６      筐体
１０７      上側弾性部材
１１１      基盤部
１１２      第１錘部材
１３１      板バネ
１３２      第２錘部材
１３３      取り付け台
１３４      圧電素子
１３５      下部電極
１３６      上部電極
１３７      圧電体層
１６１      底面
１６２      天面
【図１】
2020188630.tif 000003
【図２】
2020188630.tif 000004
【図３】
2020188630.tif 000005