(57)【要約】【課題】共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置を提供する。【解決手段】エネルギー収集装置は、支持基板２を振動構造として用いる。支持基板２上に固定された圧電層１によって振動エネルギーを収集する。エネルギー収集装置は、固定式質量ブロック５と可動式質量ブロック６とを組み合わせることによって、比較的広い範囲内で簡単かつ精度よく共振周波数を調整することができ、これによって環境振動との間に機械的共振を保持し振動エネルギーの収集能力を最大化することができる。本発明によって実現されるエネルギー収集装置によれば、比較的広い周波数範囲内でさまざまな振動環境に適用することができ、センサなどに適用する場合には、センサに自己給電能力を付与することができる。【選択図】図１
2010051945.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置において、
支持基板と、
該支持基板が稼動環境の振動に応じて振動するように該支持基板を固定するライニングシートと、
圧電層と、
前記支持基板に固定された固定式質量ブロックと、
前記固定式質量ブロックに固定された可動式質量ブロックと、
を備えたことを特徴とする共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置。
【請求項２】
請求項１に記載の共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置において、
前記支持基板が圧電材料または非圧電材料からなり、
前記支持基板が非圧電材料からなる場合には、少なくとも１つの圧電層が前記支持基板に固定されていることを特徴とする共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置。
【請求項３】
請求項１に記載の共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置において、
前記圧電層は、圧電単結晶、圧電セラミック（チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ））、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、またはポリピニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）圧電膜であることを特徴とする共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置。
【請求項４】
請求項１に記載の共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置において、
前記固定式質量ブロックと前記可動式質量ブロックは、アルミニウム、銅、ステンレス、またはポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置。
【請求項５】
請求項１に記載の共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置において、
前記可動式質量ブロックの密度が前記固定式質量ブロックの密度よりも大きいことを特徴とする共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置。
【請求項６】
請求項１に記載の共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置において、
前記固定式質量ブロックと前記可動式質量ブロックの中心線が前記支持基板の中心線と重なることを特徴とする共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー回収装置に関し、特に共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代社会の生産活動や生活において、建設分野における環境監視から、さまざまな機械の稼動状況に対する監視まで、無線センサを含め各種のセンサが使用されている。センサの使用に当たり、どのようにエネルギーを供給するかが重要な課題である。稼働環境によっては、交換しにくい箇所に設置されたり空間や量的制限を受けたりして通常の電池では給電できない場合があり、センサの利用にとってエネルギーの供給がネックになっている。一方、センサの稼動環境では、大小の差はあるものの、必ずといっていいほど振動が発生する。そのため、稼動環境に固有の振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための小型エネルギー回収装置が際立った将来性を有している。
【０００３】
振動エネルギーの収集は、圧電材料を備えた振動構造を形成することによって実現することができる。振動構造の相対運動によって圧電材料に応力を発生させると共に、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。できるだけ多くの振動エネルギーを収集するために、できるだけ振動構造を共振状態で稼動させ、即ち振動構造の固有周波数をできるだけ環境に固有の振動の周波数に近づける必要がある。しかしながら、製造面や操作面などにおける種々の固有の影響要素のため、かかる共振状態を正確に実現することが極めて難しい。また、振動エネルギーの収集にとって周波数の偏差が極めて大きな影響要素であり、振動構造は、共振状態にない場合には、構造の相対運動が早いスピードで減少し、そのため収集できる振動エネルギーも大幅に減少する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、圧電材料を用いた共振周波数調整可能なエネルギー収集装置が所望されている。当該装置は、周波数の調整範囲が比較的広く、稼動環境の状況に応じて共振周波数を調整することが可能である。また、当該装置は、最大限に稼動環境から振動エネルギーを収集してセンサに給電することができるので、センサに自己給電能力を付与することができる。さらに、当該装置は、比較的広い周波数調整範囲を有しているので、構造を変更することなく様々な稼動環境で使用できることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、稼動環境から振動エネルギーを収集すると共に、振動エネルギーを電気エネルギーに変換してセンサに給電することによってセンサに自己給電能力を付与できる共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明における共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置は、支持基板と、支持基板が稼動環境の振動に応じて振動するように前記支持基板を固定するライニングシートと、圧電層と、前記支持基板に固定された固定式質量ブロックと、前記固定式質量ブロックに固定された可動式質量ブロックとを備えたことを特徴とする。
【０００７】
前記支持基板が圧電材料または非圧電材料からなり、前記支持基板が非圧電材料からなる場合には、少なくとも１つの圧電層が前記支持基板に固定される。
【０００８】
前記圧電層は、好ましくは、圧電単結晶、圧電セラミック（チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ））、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、ポリピニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）圧電膜またはその他の圧電性質を持つ材料とされる。
【０００９】
前記固定式質量ブロック及び前記可動式質量ブロックは、例えば、アルミニウム、銅またはステンレスとされる。
【００１０】
好ましくは、前記可動式質量ブロックの密度は、前記固定式質量ブロックの密度よりも大きい。
【００１１】
好ましくは、前記固定式質量ブロックと前記可動式質量ブロックの中心線が前記支持基板の中心線と平行となっている。
【００１２】
本発明によれば、稼動環境の振動によってエネルギー収集装置の支持基板が振動し、これにより支持基板上の圧電層に応力の作用下で電位差が発生し、振動エネルギーの電気エネルギーへの変換が実現される。また、本発明のエネルギー収集装置は、固定式質量ブロックと可動式質量ブロックとを組み合わせることによって比較的広い周波数の範囲内で精度よく固有周波数を調整することができるため、共振周波数を精度よく調整することが困難であった従来のエネルギー収集装置の欠点を克服し、さまざまな振動環境でエネルギーの収集能力を最大化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
【００１４】
図１及び図２には、本発明の一実施形態にかかるエネルギー収集装置が示されている。このエネルギー収集装置は、支持基板２と圧電層１とがライニングシート３を介して振動台４に固定されて振動台４から振動エネルギーを収集するようになっている。
ライニングシート３は、このライニングシート３に対して支持基板２を接着可能なように金属等の硬度の高い材料によって構成されている。また、ライニングシート３は、支持基板２と振動台４とが衝突することを避けるとともに、支持基板２と振動台４とが相対移動できるように十分な厚さを有している。
支持基板２の対向する上下両側に圧電層１が固定されている。支持基板２は、圧電層１を支持基板２に対して接着可能なようにプラスチックや金属またはその他の非圧電材料によって構成されてもよい。
稼動環境の振動により、圧電層１が支持基板２を介して相対運動して所定程度に湾曲し、これによって圧電層１に応力が発生する。その応力によって電荷が圧電層１に蓄積すると共に、圧電層１に電位差が形成され、それによって振動エネルギーの電気エネルギーへの変換が実現される。
【００１５】
支持基板２と圧電層１には、支持基板２の共振周波数を調整するために、固定式質量ブロック５及び可動式質量ブロック６が固定されている。
可動式質量ブロック６は、表面に雄ねじが形成された柱状体である。固定式質量ブロック５は、可動式質量ブロック６の表面に形成された雄ねじと螺合可能とされた雌ねじ穴が内部に形成されている。固定式質量ブロック５及び可動式質量ブロック６は、可動式質量ブロック６が弛まないように固定用ねじ７によって強固に固定されている。また、固定式質量ブロック５及び可動式質量ブロック６は、可動式質量ブロック６が弛まないように接着剤や溶接などによって固定するようにしてもよい。
支持基板２及び圧電層１に対する固定式質量ブロック５の固定位置は、支持基板２及び圧電層１の端部であってもよく、また、端部以外の場所であってもよい。可動式質量ブロック６を回して固定式質量ブロック５に対する相対位置を変化させることによって、支持基板２における可動式質量ブロック６の重心の相対位置を調整することができる。支持基板２の共振周波数を効果的に微調整できるように、固定式質量ブロック５と可動式質量ブロック６をアルミニウムや銅、ステンレスなどの金属で構成し、可動式質量ブロック６の密度を固定式質量ブロック５の密度より幾らか大きくしてもよい。固定式質量ブロック５と可動式質量ブロック６の協働作用により、支持基板２の共振周波数を比較的広い範囲内で精度よく調整することが可能である。
【００１６】
図３には、本発明の他の実施形態にかかるエネルギー収集装置が示されている。このエネルギー収集装置は、支持基板２及び圧電層１の両端がライニングシート３を介して振動台４に固定されており、振動台４から振動エネルギーを収集するようになっている。
ライニングシート３は、これら２枚のライニングシート３上に支持基板２を接着可能なように金属など硬度の高い材料によって構成してもよい。また、２枚のライニングシートは、支持基板２と振動台４とが衝突することを避けるとともに、支持基板２と振動台４とが相対移動できるように十分な厚さを有していなければならない。
支持基板２の対向する両側に圧電層１が固定されている。支持基板２は、圧電層１を支持基板２に接着可能なようにプラスチックや金属またはその他の非圧電材料によって構成されてもよい。稼動環境の振動により、圧電層１が支持基板２を介して相対運動して所定程度に湾曲し、これによって圧電層１に応力が発生する。その応力によって電荷が圧電層１に蓄積すると共に、圧電層１に電位差が形成され、それによって振動エネルギーの電気エネルギーへの変換が実現される。
【００１７】
支持基板２及び圧電層１には、支持基板２の共振周波数を調整するために、固定式質量ブロック５及び可動式質量ブロック６が固定されている。
可動式質量ブロック６は、表面に雄ねじが形成されている柱状体である。固定式質量ブロック５は、可動式質量ブロック６の表面に形成された雄ねじと螺合可能とされた雌ねじ穴が内部に形成されている。固定式質量ブロック５と可動式質量ブロック６は、可動式質量ブロック６が弛まないように固定用ねじ７によって強固に固定されている。また、固定式質量ブロック５及び可動式質量ブロック６は、可動式質量ブロック６が弛まないように接着剤や溶接などによって固定するようにしてもよい。
固定式質量ブロック５が支持基板２に接着される。この接着箇所は、支持基板２の固定端部を除く任意の位置であってもよい。可動式質量ブロック６を回して固定式質量ブロック５に対する相対位置を変化させることによって、支持基板２における可動式質量ブロック６の相対位置を調整することができる。支持基板の共振周波数を効果的に微調整できるように、固定式質量ブロック５と可動式質量ブロック６をアルミニウムや銅、ステンレスなどの金属で構成し、可動式質量ブロック６の密度を固定式質量ブロック５の密度より幾らか大きくしてもよい。固定式質量ブロック５と可動式質量ブロック６の協働作用により、支持基板の共振周波数を比較的広い範囲内で精度よく調整することが可能である。
【００１８】
圧電層１には、圧電単結晶、圧電セラミック（チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ））、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、ポリピニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）圧電膜またはその他の圧電性質を持つ材料が好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】共振周波数調整可能な簡易型圧電振動エネルギー収集装置を示す断面図である。
【図２】本発明の好ましい一実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明の他の好ましい一実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１  圧電層
２  支持基板
３  ライニングシート
４  振動台
５  固定式質量ブロック
６  可動式質量ブロック
７  固定用ねじ
【図１】
2010051945.tif 000003
【図２】
2010051945.tif 000004
【図３】
2010051945.tif 000005