(57)【要約】【課題】煩雑な作業を必要とせず、簡単な構成で、高い信頼性の下で、流体の流れる方向に左右されない長期間の高効率な給電を実現する。【解決手段】受圧円筒１１は、中心軸Ｏの方向に延びる柱状で、中心軸Ｏの直交面内の断面形状の輪郭が回転対称である。圧電セラミック構造体１２では、圧電セラミックとその圧電セラミックの分極方向両端に接続された電極との組である圧電セラミックモジュールが、中心軸Ｏを中心として回転対称に配置されている。容器８、１０は、圧電セラミックモジュール１５の分極方向の一端と接続され、受圧円筒１１が受ける外力に対する応力を、受圧円筒１１及び圧電セラミック構造体１２に付与する。複数の圧電セラミックモジュール各々から出力される電圧は、加算される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定軸の方向に延びる柱状体であり、前記所定軸の直交断面の輪郭が前記所定軸を中心に回転対称である外周側面が形成され、圧電素子とその圧電素子の分極方向両端に接続された電極との組である複数の圧電モジュールが前記所定軸を中心として回転対称に配置された圧電モジュール構造体を有し、周囲の流体に発生する応力変動により内部に応力を発生させる応力発生部と、
前記複数の圧電モジュール各々の分極方向の一端と接続され、前記応力発生部に応力を発生させるために前記応力発生部の変位を抑制する抑制部と、
前記複数の圧電モジュール各々から出力される電圧を加算する加算部と、
を備える発電装置。
【請求項２】
前記複数の圧電モジュールが、前記所定軸を中心として対向配置され、
個々の圧電モジュールの分極方向が、
前記所定軸を中心とする半径方向に沿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】
前記応力発生部は、
前記所定軸の方向に延び、前記所定軸の直交断面の輪郭が前記所定軸を中心に回転対称である外周側面が形成された柱部をさらに有し、
前記複数の圧電モジュール各々の分極方向の一端は、
前記柱部の外周側面の一部と接続され、
前記抑制部は、
前記複数の圧電モジュール各々の分極方向の他端と接続され、前記半径方向内側に、前記応力発生部の変位を抑制することを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記抑制部が、
前記所定軸を軸芯として前記所定軸の方向に延びる柱状体であり、
前記複数の圧電モジュール各々の分極方向の一端が、
前記抑制部の外周側面に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
【請求項５】
前記圧電モジュール構造体は、
前記所定軸を軸芯として前記所定軸の方向に延び、前記抑制部を内包する筒状体であり、前記所定軸の直交断面の輪郭が前記所定軸を中心に回転対称である外周側面を有し、
前記圧電モジュール構造体の外周側面により、前記応力発生部の外周側面が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の発電装置。
【請求項６】
前記応力発生部が、
前記所定軸を軸芯として前記所定軸の方向に延びる、前記抑制部及び前記圧電モジュール構造体を内包する筒状体であり、前記所定軸の直交断面の輪郭が前記所定軸を中心に回転対称な外周側面及び内周側面を有し、その内周側面で前記複数の圧電モジュール各々の分極方向の他端と接続された柱部をさらに有することを特徴とする請求項４に記載の発電装置。
【請求項７】
前記所定軸に関し、
前記柱部の長さと、前記柱部と前記圧電モジュール構造体とが接続される部分の長さとの比率が、所定比率以上であることを特徴とする請求項６に記載の発電装置。
【請求項８】
前記抑制部が、
所定の位置に固定されていることを特徴とする請求項２乃至７のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項９】
前記抑制部が、
所定値以上の質量を有する錘であることを特徴とする請求項２乃至７のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１０】
前記複数の圧電モジュール各々の分極方向が、
前記所定軸を中心とする半径方向外側又は内側の一方向に揃えられていることを特徴とする請求項２乃至９のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１１】
前記複数の圧電モジュールが、前記所定軸を中心として対向配置され、
個々の圧電モジュール各々の分極方向が、前記所定軸の方向であり、
前記応力発生部が、
前記所定軸の方向に延び、前記所定軸の直交断面の輪郭が前記所定軸を中心に回転対称である柱部をさらに有し、
前記柱部と、固定された前記抑制部とが、前記圧電モジュール構造体を介して前記所定軸の方向に接続されることにより、前記柱部と前記圧電モジュール構造体とで、片持ち梁が形成されることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項１２】
周囲の流体に生じるカルマン渦による応力変動で発生する振動の周波数と、前記片持ち梁の共振周波数とが一致するように設定されていることを特徴とする請求項１１に記載の発電装置。
【請求項１３】
前記複数の圧電モジュール各々の分極方向が、
一方向に揃えられていることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の発電装置。
【請求項１４】
前記所定軸を中心として対向配置された一対の圧電モジュールが、分極方向について同じ側の電極同士が接続されることにより縦続接続され、
前記加算部では、
前記縦続接続された一対の圧電モジュールの両端に生じた電圧による電流を全波整流する整流回路が、前記一対の圧電モジュール毎に複数設けられ、
前記複数の整流回路が縦続接続され、縦続接続された整流回路の前後段の電圧が出力電圧として出力されることにより、前記一対の圧電モジュールの両端に生じた電圧が加算されることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１５】
前記圧電素子が、
台形若しくは矩形の単体の圧電素子又は分極方向に積層された圧電素子であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１６】
前記圧電素子が、前記所定軸を中心とする円筒形であり、
前記圧電モジュールが、
前記圧電素子の一部と、前記中心軸を中心として円周方向に配列され、その圧電素子の分極方向両端に設置された分割電極とによって形成されていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１７】
前記応力発生部では、
前記所定軸の直交断面の大きさが異なる複数の柱状体が、前記所定軸の方向に直列に接続されることにより、前記外周側面が形成されていることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１８】
４つの圧電モジュールが、前記中心軸を中心に、円筒形の１／４部分として４回回転対称に配列されていることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１９】
前記加算部によって加算された電圧を、
発電に用いられる第１の周波数帯域の成分と、センサ出力として用いられる第２の周波数帯域の成分とに分離するフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項２０】
複数の前記応力発生部が、近傍配置されていることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項２１】
前記応力発生部の近傍に乱流を発生させる少なくとも１つの乱流発生体をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項２２】
前記応力発生部と前記抑制部と前記加算部とが、複数設けられ、
複数の前記加算部でそれぞれ加算された電圧を、さらに加算することを特徴とする請求項１乃至２１のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項２３】
請求項１乃至２２のいずれか一項に記載の発電装置と、
前記発電装置から供給された電力を用いて流体中でセンシングを行うセンサモジュールと、
を備える流体用センサ。
【請求項２４】
前記発電装置と前記センサモジュールとが、所定距離以上離隔して配置されていることを特徴とする請求項２３に記載の流体用センサ。
【請求項２５】
請求項１乃至２２のいずれか一項に記載の発電装置と、
前記発電装置から供給された電力を用いて流体中でセンシングを行う複数の流体用センサと、
を備える流体用センサ網。
【請求項２６】
請求項２３又は２４に記載の流体用センサを複数備える流体用センサ網。
【請求項２７】
前記流体用センサ各々は、他の流体用センサから送られた計測情報に、自らの計測情報を付加して、さらに他の流体用センサに伝送し、
その伝送は、前記発電装置から供給された電力を用いて行われることを特徴とする請求項２６に記載の流体用センサ網。
【請求項２８】
複数の前記流体用センサのうちの１つは、
残りの前記流体用センサから計測情報を収集し、
収集された計測情報を含む音響信号を定期的に発信するピンガ機能又は外部からの要求に応じて、収集された計測情報を含む音響信号を発信するレスポンダ機能を有し、
前記ピンガ機能又は前記レスポンダ機能は、前記発電装置から供給される電力を用いて駆動されることを特徴とする請求項２７に記載の流体用センサ網。
【請求項２９】
前記流体用センサ各々が、
計測情報を含む音響信号を定期的に発信するピンガ機能又は外部からの要求に応じて計測情報を含む音響信号を発信するレスポンダ機能を有し、
前記ピンガ機能又は前記レスポンダ機能は、前記発電装置から供給される電力を用いて駆動されることを特徴とする請求項２６に記載の流体用センサ網。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海洋などの流体の流れを利用した発電装置、流体用センサ及び流体用センサ網に係り、さらに詳細には、流体環境下、例えば、海洋環境下でその海洋環境の計測を行うために、海底若しくは海中に配置され若しくは展開される発電装置、流体用センサ及び流体用センサ網に関する。
【背景技術】
【０００２】
海洋環境計測センサは、海洋環境の計測を計測するセンサである（例えば、特許文献１、２参照）。このようなセンサの計測対象としては、例えば、海水温、地震動、海中音などがある。
【０００３】
海洋環境計測センサを用いた観測を長い間継続するためには、その観測に必要な電力を、長期間に渡って確保する必要がある。このため、海洋環境計測センサには、１次電池又はバッテリ等の２次電池を予め組み込んでおくのが一般的である。また、海底などに設置された海洋環境計測センサに対して、陸上に設置した局舎、すなわち陸上局に設けられた電源設備から給電が行われることもある。また、海面付近で用いられることを前提として、波や太陽光を利用して発電を行うことにより、電力を得る方法も提案されている（例えば、特許文献３、４、５参照）。
【０００４】
この他、例えば河川の流れ、潮流、潮汐などの流体力を利用した種々の発電システムが提案され、そのいくつかは実用に供されている。
【０００５】
このような発電システムの発電方式としては、水車を用いて流体力を回転運動に変換し、その回転運動により生ずる回転力により、発電機を回すことで発電を行う方式が一般的である。この方式は、陸上においては、水力発電として広く一般に普及している。また、この方式は、海洋においても、潮流発電等の発電設備に採用され始めている。例えば、陸上においてはダムを設け、海洋においては整流構造体や翼などを設けることにより、取水された流体が効率良く水車に当たるようにした発電システムの構造が提案されている。（例えば、特許文献６参照）。
【０００６】
一方、流体力の持つエネルギを、簡単な構造で直接的に電力に変換する発電システムも検討されている。特に、近年では、円柱が流体から受ける力を利用した発電方式が提案されている。
【０００７】
例えば、流体の流れの中に円柱を置き、この円柱によりカルマン渦を発生させ、このカルマン渦により円柱自身が受ける振動を、圧電振動子や電磁気的な発電機構に伝達することにより、電力を得る方式が提案されている（例えば、特許文献７参照）。
【０００８】
また、円柱に発生する振動を、板などを介して圧電振動子に伝達することにより、電力を得る方式が提案されている（例えば、特許文献８参照）。
【０００９】
さらに、流体の流れの中に円筒形状物を置き、その背面にカルマン渦を発生させ、このカルマン渦により、この円筒形状物に直交するように設けられた別の円筒体の振動が励起される現象を利用して、広い流速範囲において効率的に発電しようとする方式が提案されている（例えば、特許文献９参照）。
【００１０】
一方、円柱を用いずに、圧電振動子を貼り付けた振動板を直接流体の流れにさらし、振動板を振動させる方式も提案されている（例えば、特許文献１０参照）。
【００１１】
このように、様々な発電システムが提案されているが、現状では、海洋などの過酷な環境下では、水車を用いて例えば潮流から回転運動を得て、この回転運動により発電機を回すことで発電を行う方式が、依然として主流である。
【００１２】
なお、発電を行わないものの、円柱により、カルマン渦を発生させ、流量の計測を行うものも提案されている（例えば、特許文献１１参照）。
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−３２３３９１号公報
【特許文献２】特開２００１−３３７１７３号公報
【特許文献３】特表２００２−５０６１７１号公報
【特許文献４】特開平６−２８０７３２号公報
【特許文献５】特開２００７−２３７８２３号公報
【特許文献６】特開２００７−００９８３３号公報
【特許文献７】特開２００１−１５７４３３号公報
【特許文献８】特開２００６−１３２３９７号公報
【特許文献９】特開２００８−１１６６９号公報
【特許文献１０】特開２００１−２７５３７０号公報
【特許文献１１】特開２０００−１４６６４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述のように、海洋環境計測センサの電力は、運用前に海洋環境計測センサに電池を組み込んでおくか、陸上局から給電することにより、まかなわれているのが一般的である。電池が組み込まれる代表的な海洋環境計測センサには、ブイに取り付けられる計測機器や所定時間経過後に揚収されるポップアップ式の計測機器などがある。しかしながら、このような電池は、寿命が短く、長期的な連続計測には不向きである。また、このような計測機器は、計測データのリアルタイム性に劣る。
【００１５】
リアルタイム性に優れた海底固定式の海洋環境計測センサには、陸上局からの給電が不可欠である。しかしながら、給電設備やケーブルの障害により給電が途絶えると、海洋環境計測センサの利用ができなくなる。また、陸上局からの送電に対するケーブルや海洋観測用センサの耐電圧の確保の必要性や、給電のためのメタルケーブルの内蔵によるケーブル全体の重量増加などから、このようなシステムは、その構成が複雑になり、システムの構築及び保守に多くの費用が必要となる。また、波や太陽光を利用した発電は、海底固定式の海洋環境計測センサには不向きである。
【００１６】
また、水車を介して回転力を得て、その回転力を発電機により電力に変換する発電システムにおいては、水中に晒される水車の回転軸と、収納容器内の気体或いは作動用絶縁油のような液体中に設置された発電機の回転軸とを、機械的に連結する連結機構が必要となる。このような連結機構では、回転軸と、その回転軸を支持する支持部との間の回転摺動面に、海水等の腐食性の強い流体が侵入して、回転軸が磨耗したり腐食したりすることのないように、回転部分の水密処理を行う必要がある。しかしながら、このような回転部分に対する水密処理は、技術的に極めて困難である。このような背景から、連結機構を有する発電システムでは、高い信頼性を長期に渡って維持するために、高頻度のメンテナンスが必須となる。
【００１７】
海底に設置された海洋環境計測センサのメンテナンスを行うためには、揚収・敷設のために、長期間に渡る専用船等の傭船による作業が必要となる。このような傭船作業には、煩雑な手間と高額な費用が必要となる。
【００１８】
また、回転軸や振動板といった機械的構造部材の回転や振動を、電磁誘導や圧電振動子による発電機構に伝えることにより発電を行う発電システムでは、必然的に、構成する部品点数が多くなり、その構造も複雑となる。部品点数が多くなり、構造が複雑になれば、それだけその装置は脆弱となり、高価となる。また、このような発電システムでは、回転や振動を伝達する過程での損失により、発電効率の低下が懸念される。
【００１９】
また、回転軸や振動板といった機械的構造部材の回転や振動を、電磁誘導や圧電振動子による発電機構に伝えることにより発電する発電システムは、必然的に、流体中に露出する構造部材の数が多くなるので、これら構造部材の耐腐食性（発錆防止性）を確保する必要がある。さらに、回転機構や振動機構は、とりわけ生物などの異物の付着に対して脆弱であり、それらの付着により出力が低下し易くなる。また、前述のように、回転機構や振動機構が流体に露出する構造は、確実な水密構造の実現が困難であるため、特に、海洋環境下で使用される場合の長期的信頼性に欠ける。
【００２０】
また、カルマン渦等により発生する振動を圧電振動子に伝え、電力を得る発電システムでは、流体の流れる方向が所定方向でなければ、発電を行うことができない。しかしながら、海流や潮汐による流れは、日時や時間によって、その方向が刻々変化するものである。したがって、流体の流れる方向が刻々変化する環境下にあっては、あらゆる流体の流れる方向に対処するために、設置向きが異なる発電システムを複数配置する必要がある。
【００２１】
また、カルマン渦の発生要件は、円柱の半径や、流体の流速に依存する。そして、何よりも、流体の流れが、ある程度規則正しいものであることが要求される。このため、それらの条件がカルマン渦を発生させる条件に合致しなければ、発電を効率良く行うことができない。
【００２２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、高頻度の保守や煩雑な作業を必要とせず、簡単な構成で、高い信頼性の下で、流体の流れる方向に左右されない長期間かつ高効率な給電と、その給電による長期間かつリアルタイムな計測とを可能とする発電装置、流体用センサ及び流体用センサ網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】
【００２３】
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る発電装置は、所定軸の方向に延びる柱状体であり、前記所定軸の直交断面の輪郭が前記所定軸を中心に回転対称である外周側面が形成され、圧電素子とその圧電素子の分極方向両端に接続された電極との組である複数の圧電モジュールが前記所定軸を中心として回転対称に配置された圧電モジュール構造体を有し、周囲の流体に発生する応力変動により内部に応力を発生させる応力発生部と、前記複数の圧電モジュール各々の分極方向の一端と接続され、前記応力発生部に応力を発生させるために前記応力発生部の変位を抑制する抑制部と、前記複数の圧電モジュール各々から出力される電圧を加算する加算部と、を備える。
【００２４】
本発明の第２の観点に係る流体用センサは、本発明の発電装置と、前記発電装置から供給された電力を用いて流体中でセンシングを行うセンサモジュールと、を備える。
【００２５】
本発明の第３の観点に係る流体用センサ網は、本発明の発電装置と、前記発電装置から供給された電力を用いて流体中でセンシングを行う複数の流体用センサと、を備える。
【００２６】
本発明の第４の観点に係る流体用センサ網は、本発明の流体用センサを複数備える。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、高頻度の保守や煩雑な作業を必要とせず、簡単な構成で、高い信頼性の下で、流体の流れる方向に左右されない長期間かつ高効率な給電と、その給電による長期間かつリアルタイムな計測とが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る流体用センサ網としての海洋環境計測センサ網１の概略的な構成を示す斜視図である。図１に示されるように、海洋環境計測センサ網１は、複数の海洋環境計測センサ２と、信号伝送ケーブル３と、を備えている。海洋環境計測センサ２は、海底に設置されている。個々の海洋環境計測センサ２は、信号伝送ケーブル３を介して接続されている。
【００３０】
海洋環境計測センサ２は、センサモジュール４と、発電モジュール５と、を備えている。センサモジュール４と発電モジュール５とは、一体化している。
【００３１】
図２に示されるように、センサモジュール４は、その水密性を保持するために、水密容器６に収納されている。センサモジュール４は、海洋環境に関する各種計測情報、例えば海中温度、海水の塩分濃度、海中音響、海水の水圧（圧力）、振動（地震動）、地殻変動（海底面の移動）などの様々な物理量の中から対象となるものを計測する。センサモジュール４には、その計測のための電力が必要となる。
【００３２】
発電モジュール５は、海流や潮流等といった周囲の流体の流れを利用して、発電を行い、発電により得られた電力をセンサモジュール４に供給する。センサモジュール４に必要な電力は、個々の海洋環境計測センサ２に内蔵された発電モジュール５でまかなわれる。したがって、海洋環境計測センサ２間で、電力の授受は行われない。
【００３３】
センサモジュール４によって計測される計測情報、例えば海水温、流速、塩分濃度などは、時間的に急激に変化することは無い。このため、これらの計測情報については、数時間単位あるいは数日単位で収集すれば十分であるのが通常である。したがって、センサモジュール４の稼働率を極めて低いものとすることができるので、結果的に、センサモジュール４の使用電力を、極めて微小なものとすることができる。
【００３４】
例えば、１回の計測に要する時間及び計測データを伝送する時間、すなわちセンサモジュール４の１回の稼働時間が１秒間であるとし、１日に１度の計測及び伝送でよいものとする。この場合、センサモジュール４の実際の稼働率は、約１０-5となる。ここで、１回の計測及び伝送に、１００Ｗの消費電力が必要であるものとする。この場合、センサモジュール４の駆動に必要な所要電力量は１００Ｗｓｅｃとなる。この条件によれば、センサモジュール４が作動していない時に、発電モジュール５を用いて、１ｍＷの発電を１日行って蓄電すれば、センサモジュール４を駆動するだけの十分な電力が得られる計算となる。
【００３５】
信号伝送ケーブル３としては、例えば光ファイバが用いられる。光ファイバは、簡便な構成であるため、コストなどの点で有利である。センサモジュール４で計測された各種計測情報は、信号伝送ケーブル３を介して、他の海洋環境計測センサ２に伝送される。個々の海洋環境計測センサ２は、他の海洋環境計測センサ２から送られた計測情報に、自らが計測した計測情報を付加してさらに他の海洋環境計計測センサ２に伝送する機能を有している。これにより、各海洋環境計計測センサ２によって取得された計測情報は、伝送の過程で１つにまとめられ、さらに、中継機能を有する他の海洋環境計測センサ２や、中継点、観測船、ブイ又は陸上局（いずれも図１では不図示）などに信号送出される。この機能により、海洋環境計測センサ網１が構成される。なお、このような伝送も、電力の計算について上述したように、発電モジュール５から供給される電力を用いて行われる。
【００３６】
発電モジュール５について、さらに詳細に説明する。発電モジュール５は、取付け座７と、下側の容器８と、支柱９と、上側の容器１０と、受圧円筒１１と、圧電セラミック構造体１２と、を備えている。
【００３７】
図３に拡大して示されるように、取付け座７は、ネジ止めなどによりセンサモジュール４と接合されている。その取付け座７に、容器８が固定されている。容器８上には、３本の支柱９が、発電モジュール５の中心軸Ｏを中心に、例えば、１２０°間隔で立設されている。それぞれの支柱９は鉛直方向に延びており、その上端で、容器１０を支持している。支柱９は、容器１０を所定の位置に固定することを目的として設けられている。
【００３８】
本実施形態では、取付け座７、容器８、支柱９、容器１０を含んで、抑制部が構成されている。これらの部材は、センサモジュール４とともに、その位置が固定であり、海流によってその位置を変えることがないように設置されている。これらの部材は、後述するように、受圧円筒１１や圧電セラミック構造体１２に応力を発生させるために、受圧円筒１１や圧電セラミック構造体１２の変位を抑制している。
【００３９】
応力発生部の一部を構成する柱部としての受圧円筒１１は、図４の中心軸Ｏを含む縦断面であるＡ−Ａ’断面図にも示されるように、中心軸Ｏの方向に延びた、中心軸Ｏを軸芯とする円筒状の部材である。言い換えれば、受圧円筒１１では、中心軸Ｏの直交断面の輪郭が中心軸Ｏを中心に回転対称である外周側面が形成されている。受圧円筒１１は、その上下端（中心軸Ｏの両端）において、圧電セラミック構造体１２を介して、容器８、容器１０と接続されている。
【００４０】
受圧円筒１１の外周側面は、海水に露出している。受圧円筒１１が、海流を受けると、受圧円筒１１の下流側にカルマン渦等が発生し、そのカルマン渦等により、受圧円筒１１が、海流の流れに直交する方向の振動力を受ける。この振動力と、容器８、１０などからの反力とを受けて、受圧円筒１１や圧電セラミック構造体１２に、繰り返し応力が発生する。この繰り返し応力の発生により、圧電セラミック構造体１２に電圧が発生する。
【００４１】
容器８、１０の周囲は、圧電セラミック構造体１２と海水とを絶縁するために、防水被覆１３で被われている。防水被覆１３は、例えば、ゴム等の合成樹脂がモールドされることにより形成されている。圧電セラミック構造体１２と海水との絶縁が確保できればよいので、防水被覆１３は、圧電セラミック構造体１２の部分のみを被うように設けられていればよい。容器８、１０や、受圧円筒１１が、耐腐食性材料で構成されていれば、本実施形態のように、防水被服１３で、発電モジュール５全体を被う必要はない。
【００４２】
受圧円筒１１及び容器８、１０内には、空洞１４が設けられている。空洞１４には、気体等を封入してもよいし、電力への変換効率の低下が許容範囲に収まるならば、大深度の水圧に耐えるために、絶縁性の液体を封入するようにしてもよい。絶縁性の液体を封入し、空洞１４内を高圧にすれば、受圧円筒１１及び容器８、１０の内外での圧力差を低減して、装置強度を高めることができる。
【００４３】
受圧円筒１１及び容器８、１０の耐水圧性は、容器８、１０及び受圧円筒１１の許容応力や、容器８、１０や受圧円筒１１に対する圧電セラミック構造体１２の接合強度に依存する。このため、容器８、１０や受圧円筒１１の材料や厚さ、圧電セラミック構造体１２の高さや厚さ、容器８、１０や受圧円筒１１に対する圧電セラミック構造体１２の接合強度は、必要な耐水圧を満足するように決定される必要がある。
【００４４】
圧電セラミック構造体１２について、さらに詳細に説明する。図５には、圧電セラミック構造体１２を説明するための図３のＢ−Ｂ’断面図が示されている。なお、図５では、紙面左右方向をＸ軸とし、紙面上下方向をＹ軸とし、紙面右方向、紙面上方向をそれぞれ＋Ｘ方向、＋Ｙ方向と定義している。
【００４５】
図５に示されるように、圧電セラミック構造体１２は、４つの圧電セラミックモジュール１５を含んで構成されている。圧電セラミックモジュール１５は、中心軸Ｏを中心に、Ｘ軸方向に２つ対向配置されており、Ｙ軸方向に２つ対向配置されている。すなわち、Ｘ軸方向に配列された圧電セラミックモジュール１５で一対の圧電セラミックモジュールが構成され、Ｙ軸方向に配列された圧電セラミックモジュール１５で一対の圧電セラミックモジュールが構成される。言い換えると、本実施形態では、４つの圧電セラミックモジュール１５が、中心軸Ｏを中心に全体の１／４部分として４回回転対称に配列されているとすることができる。
【００４６】
図５では、個々の圧電セラミックモジュール１５の分極方向が矢印で示されている。図５に示されるように、＋Ｘ側に設けられた圧電セラミックモジュール１５の分極方向は、＋Ｘ方向となっており、−Ｘ側に設けられた圧電セラミックモジュール１５の分極方向は、−Ｘ方向となっている。また、＋Ｙ側に設けられた圧電セラミックモジュール１５の分極方向は、＋Ｙ方向となっており、−Ｙ側に設けられた圧電セラミックモジュール１５の分極方向は、−Ｙ方向となっている。すなわち、個々の圧電セラミックモジュール１５の分極方向は、中心軸Ｏを中心とする半径方向に沿っており、本実施形態では、半径方向外向きに揃えられている。なお、これらの分極方向は、半径方向内向きに揃えられていてもよい。
【００４７】
個々の圧電セラミックモジュール１５の圧電素子（圧電セラミック）としては、図６に示されるような台形の単体の圧電セラミック１６が採用されている。圧電セラミック１６の分極方向両端には、それぞれ電極１７が接続されている。すなわち、圧電セラミック１６と、分極方向両端の両電極１７とで、圧電セラミックモジュール１５が構成されている。両電極１７から、圧電セラミック１６に生じた電圧が出力される。
【００４８】
なお、本実施形態では、受圧円筒１１と、圧電モジュール構造体１２とで応力発生部が構成される。圧電モジュール構造体１２を構成する圧電セラミックモジュール１５各々の分極方向の一端は、受圧円筒１１の中心軸Ｏの両端付近の外周側面と接続されている。また、圧電セラミックモジュール１５各々の分極方向の他端は、受圧円筒１１の中心軸Ｏの両端を覆う容器８、１０の内周側面と接続されている。この構成により、容器８、１０は、中心軸Ｏを中心とする半径方向内側に、受圧円筒１１及び圧電セラミック構造体１２の応力の変位を抑制する。
【００４９】
図７に示されるように、Ｘ軸方向に配列された一対の圧電セラミックモジュール１５の半径方向内側の電極１７同士（すなわち分極方向の逆側の電極１７同士）が、接続されている。また、Ｙ軸方向に配列された一対の圧電セラミックモジュール１５の半径方向内側の電極１７同士（すなわち分極方向にの逆側の電極１７同士）が、接続されている。このように、本実施形態では、同軸上の２つの圧電セラミックモジュール１５が、縦続接続されている。
【００５０】
個々の圧電セラミックモジュール１５の半径方向外側の電極１７は、加算部としての電力平均化部２０と接続されている。電力平均化部２０は、２つの整流回路２３Ａ、２３Ｂを備えている。
【００５１】
整流回路２３Ａは、Ｙ軸方向に配列された圧電セラミックモジュール１５の半径方向外側（分極方向側）の電極１７と接続されている。これにより、整流回路２３Ａには、Ｙ軸方向に配列され縦続接続された一対の圧電セラミックモジュール１５の両端に発生する電圧が入力される。一方、整流回路２３Ｂは、Ｘ軸方向に配列された圧電セラミックモジュール１５の半径方向外側（分極方向の逆側）の電極１７と接続されている。これにより、整流回路２３Ｂには、Ｘ軸方向に配列され縦続接続された一対の圧電セラミックモジュール１５の両端に発生する電圧が入力される。
【００５２】
整流回路２３Ａ、２３Ｂは、さらに縦続接続されている。整流回路２３Ａ、２３Ｂにそれぞれ入力された電圧は、整流回路２３Ａ、２３Ｂにより、その極性が同方向になるように全波整流される。電力平均化部２０の出力電圧は、縦続接続された整流回路２３Ａ、２３Ｂの前後段の電圧である。電力平均化部２０から出力された電圧は、負荷端３６に印加される。すなわち、電力平均化部２０は、複数の圧電セラミックモジュール１５各々から出力される電圧を加算して出力する。
【００５３】
電力平均化部２０から出力され、負荷端３６に印加される電圧は、極性が常に同じとなる。すなわち、電力平均化部２０は、それぞれ圧電セラミックモジュール１５に発生する応力の向きに関わらず、負荷端３６に加えられる電圧の極性が常に同じとなるような回路構成を有している。
【００５４】
負荷端３６には、例えば、センサモジュール４が接続される。図７では、このセンサモジュール４が、抵抗器として表現されている。なお、負荷端３６を、不図示の２次電池又は蓄電器に接続するようにしてもよい。このようにすれば、時間的な潮流の変動が見込まれる場合や、センサモジュール４が作動していない時には、電力平均化部２０から出力された電力を、不図示の２次電池又は蓄電器に１次的に蓄積しておき、必要に応じて蓄積された電力をセンサモジュール４に供給することができる。
【００５５】
次に、本実施形態に係る発電モジュール５の動作について説明する。
【００５６】
まず、最初に、海流の流れの方向がＸ軸方向又はＹ軸方向である場合について説明する。
【００５７】
海流の流れの方向が＋Ｘ方向である場合、受圧円筒１１には、カルマン渦により、流れに直交する方向、すなわちＹ軸方向に振動させようとする外力が加わる。この場合、ある瞬間では、図８に示されるように、−Ｙ方向の外力が受圧円筒１１に加わる。この外力と、容器８からの反力とにより、＋Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には引張り応力が発生し、−Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には圧縮応力が発生する。
【００５８】
このとき、図９に示されるように、Ｙ軸方向に配列された圧電セラミックモジュール１５には、それぞれ圧電効果により電圧が発生する。より具体的には、＋Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には、内側の電極１７の極性が正となり、外側の電極１７の極性が負となるような電圧が発生し、−Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には、外側の電極１７の極性が正となり、内側の電極１７の極性が負となるような電圧が発生する。このＹ軸方向に配列された圧電セラミックモジュール１５に生じた電圧により、整流回路２３Ａ、２３Ｂに、矢印で示されるような電流が流れ、負荷端３６に電圧が印加される。すなわち、Ｙ軸方向に配列された一対の圧電セラミックモジュール１５の両端に生じた電圧が、電力平均化部２０を介して、負荷端３６に印加される。
【００５９】
一方、Ｘ軸方向、すなわち海流の流れの方向には、応力が発生しないので、Ｘ軸方向に配列された圧電セラミックモジュール１５には電圧が発生しない。したがって、これらの圧電セラミックモジュール１５の電極１７に接続されている部分には電位差が生じず、等電位のままとなる。
【００６０】
図８の状態から、少し時間が経過すると、図１０に示されるように、＋Ｙ方向の外力が受圧円筒１１に加わる。この外力により、−Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には引張り応力が発生し、＋Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には圧縮応力が発生する。
【００６１】
このとき、図１１に示されるように、Ｙ軸方向に配列された圧電セラミックモジュール１５には、それぞれ圧電効果により電圧が発生する。より具体的には、−Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には、内側の電極１７の極性が正となる電圧が発生し、＋Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には、外側の電極１７側が正となる電圧が発生する。このＹ軸方向に配列された圧電セラミックモジュール１５に生じた電圧により、整流回路２３Ａ、２３Ｂに、矢印で示されるような電流が流れ、負荷端３６に電圧が印加される。すなわち、Ｙ軸方向に配列された一対の圧電セラミックモジュール１５の両端に生じた電圧が、電力平均化部２０を介して、負荷端３６に印加される。
【００６２】
一方、Ｘ軸方向、すなわち海流の流れの方向には応力は発生しないので、Ｘ軸方向に配列された圧電セラミックモジュール１５の間には電圧が発生しない。このため、これらの圧電セラミックモジュール１５の電極１７に接続されている部分には電位差が生じず、等電位のままとなる。
【００６３】
このように、海流の流れの方向が＋Ｘ方向である場合、図８の状態と図１０の状態とが交互に繰り返され、受圧円筒１１の下流側に発生するカルマン渦により受圧円筒１１に繰り返し加えられる＋Ｙ方向又は−Ｙ方向の外力により、Ｙ軸方向に配列された圧電セラミックモジュール１５に、引っ張り応力又は圧縮応力が繰り返し発生する。この結果、Ｙ軸方向に配列された圧電セラミックモジュール１５の間に、逆極性の電圧が繰り返し発生する。逆極性の電圧が繰り返し発生しても、整流回路２３Ａ、２３Ｂの整流作用により、負荷端３６に印加される電圧の極性は、常に同じとなる。
【００６４】
また、海流の流れが−Ｘ方向に流れる場合でも、受圧円筒１１の振動方向は、Ｙ軸方向となるので、上述のように、海流の流れが＋Ｘ方向に流れる場合と同様に、常に同じ極性の電圧が、負荷端３６に印加されるようになる。
【００６５】
海流の流れが＋Ｙ方向となった場合、受圧円筒１１には、カルマン渦により、流れに直交する方向、すなわちＸ軸方向に振動させようとする外力が加わる。この場合、ある瞬間では、図１２に示されるように、−Ｘ方向の応力が受圧円筒１１に加わる。この外力と、容器８からの反力とにより、＋Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には引張り応力が発生し、−Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には圧縮応力が発生する。
【００６６】
このとき、図１３に示されるように、Ｘ軸方向に並ぶ圧電セラミックモジュール１５の間には、圧電効果により電圧が発生する。このＸ軸方向に配列された圧電セラミックモジュール１５に生じた電圧により、整流回路２３Ａ、２３Ｂに、矢印で示されるような電流が流れ、負荷端３６に電圧が印加される。すなわち、Ｘ軸方向に配列された一対の圧電セラミックモジュール１５の両端に生じた電圧が、電力平均化部２０を介して、負荷端３６に印加される。
【００６７】
一方、Ｙ軸方向、すなわち海流の流れの方向には応力は発生しないので、Ｙ軸方向に並ぶ圧電セラミックモジュール１５の間には電圧が発生しない。このため、これらの圧電セラミックモジュール１５の電極１７に接続されている部分には電位差は生じず、等電位のままとなる。
【００６８】
図１２の状態から、少し時間が経過すると、＋Ｘ方向の外力が受圧円筒１１に加わる。この外力により、＋Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には圧縮応力が発生し、−Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には引張り応力が発生する。この結果、Ｘ軸方向に並ぶ圧電セラミックモジュール１５にはそれぞれ圧電効果により電圧が発生し、この電圧による電流が整流回路２３Ａ、２３Ｂで整流されて、負荷端３６に電圧が印加される。
【００６９】
この場合にも、Ｙ軸方向、すなわち海流の流れの方向には応力は発生しないので、Ｙ軸方向に並ぶ圧電セラミックモジュール１５には電圧が発生しない。このため、これらの圧電セラミックモジュール１５の電極１７に接続されている部分の電位はすべて等電位となる。
【００７０】
このように、受圧円筒１１に加えられる外力により、圧電セラミックモジュール１５に繰り返し応力が発生する。電力平均化部２０の整流回路２３Ａ、２３Ｂの作用により、海流の流れがＹ軸方向であっても、Ｘ軸方向であっても、負荷端３６には、常に極性が同じ電圧が印加される。
【００７１】
次に、海流の流れる方向がＸ軸方向及びＹ軸方向以外の方向である場合について説明する。
【００７２】
海流が、中心軸Ｏから見て、７時半の方向から到来する場合、受圧円筒１１には、カルマン渦により、この流れに直交する方向、すなわち、４時半の方向又は１０時半の方向の外力が加えられる。
【００７３】
例えば、ある瞬間では、図１４に示されるように、１０時半の外力が受圧円筒１１に加えられる。この外力は、−Ｘ方向の力と、＋Ｙ方向の力とにベクトル分解される。この場合、Ｘ軸方向に配列された圧電セラミックモジュール１５に関して、−Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には圧縮応力が発生し、＋Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には引っ張り応力が発生する。また、Ｙ軸方向に配列した圧電セラミックモジュール１５に関して、−Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には引張り応力が発生し、＋Ｙ側の圧電セラミックモジュールには圧縮応力が発生する。
【００７４】
このとき、図１５に示されるように、−Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には圧縮応力が加わるので、この圧電セラミックモジュール１５の外側の電極１７の極性が正となり、内側の電極１７の極性が負となるような電圧が発生する。また、＋Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には引張り応力が加わるので、圧電セラミックモジュール１５の外側の電極１７の極性が負となり、内側の電極１７の極性が正となるような電圧が発生する。両圧電セラミックモジュール１５は直列に接続されているので、全体として、−Ｘ側の極性が正、＋Ｘ側の極性が負となるような電圧が出力される。
【００７５】
一方、＋Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には圧縮応力が加わるので、その圧電セラミックモジュール１５の外側の電極１７の極性が正となり、内側の電極１７が負となるような電圧が発生する。また、−Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には引張り応力が加わるので、その圧電セラミックモジュール１５の外側の電極１７側の極性が負となり、内側の電極１７側の極性が正となるような電圧が発生する。両圧電セラミックモジュール１５は、直列に接続されているので、全体として、＋Ｙ側の極性が正、−Ｙ方向の極性が負となるような電圧が出力される。
【００７６】
これらの電圧による電流は、電力平均化部２０の整流回路２３Ａ、２３Ｂによって整流され、結果的に、負荷端３６に電圧が印加される。これにより、負荷端３６に印加される電圧は、Ｘ軸方向に発生した電圧が入力される整流回路２３ＢとＹ軸方向に発生した電圧が入力される整流回路２３Ａのそれぞれの出力電圧が直列に積算された電圧となり、その極性は、これまでと同じである。
【００７７】
図１４の状態から、しばらく時間が経過すると、図１６に示されるように、カルマン渦により、４時半の方向の外力が受圧円筒１１に加えられる。この場合、Ｘ軸方向に配列された圧電セラミックモジュール１５に関して、＋Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には圧縮応力が発生し、−Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には引っ張り応力が発生する。一方、Ｙ軸方向に配列した圧電セラミックモジュール１５に関して、＋Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には引張り応力が発生し、−Ｙ側の圧電セラミックモジュールには圧縮応力が発生する。
【００７８】
このとき、図１７に示されるように、＋Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には、圧縮応力が加わるので、この圧電セラミックモジュール１５の外側の電極１７の極性が正となり、内側の電極１７の極性が負となるような電圧が発生する。また、−Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には引張り応力が加わるので、圧電セラミックモジュール１５の外側の電極１７の極性が負となり、内側の電極１７の極性が正となるような電圧が発生する。両者は直列に接続されているので、全体として、−Ｘ側の極性が正、＋Ｘ側の極性が負となるような電圧が出力される。
【００７９】
一方、−Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には圧縮応力が発生するので、この圧電セラミックモジュール１５には、外側の電極１７の極性が正となり、内側の電極１７が負となるような電圧が発生する。また、＋Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には、引張り応力が発生するので、この圧電セラミックモジュール１５には、外側の電極１７の極性が負となり、内側の電極１７の極性が正となるような電圧が発生する。両者は、直列に接続されているので、全体として、＋Ｙ側の極性が負、−Ｙ方向の極性が正となるような電圧が出力される。
【００８０】
これらの電圧による電流は、電力平均化部２０の整流回路２３Ａ、２３Ｂによって整流され、結果的に、負荷端３６に電圧が印加される。これにより、負荷端３６に印加される電圧は、Ｘ軸方向に発生した電圧が入力される整流回路２３ＢとＹ軸方向に発生した電圧が入力される整流回路２３Ａのそれぞれの出力電圧が直列に積算された電圧となり、その極性は、これまでと同じである。
【００８１】
海流が、４時半の方位から到来する場合、受圧円筒１１には、カルマン渦により、この流れに直交する方向、すなわち、７時半の方向又は１時半の方向の外力が加えられる。
【００８２】
例えば、ある瞬間では、図１８に示されるように、７時半の外力が受圧円筒１１に加えられる。この応力は、−Ｘ方向の力と、−Ｙ方向の力とにベクトル分解される。したがって、Ｘ軸方向に配列された圧電セラミックモジュール１５に関して、−Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には圧縮応力が発生し、＋Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には引っ張り応力が発生する。また、Ｙ軸方向に配列した圧電セラミックモジュール１５に関して、＋Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には引張り応力が発生し、−Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には圧縮応力が発生する。
【００８３】
このとき、図１９に示されるように、−Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５に圧縮応力が加わるので、この圧電セラミックモジュール１５には、外側の電極１７の極性が正となり、内側の電極１７の極性が負となるような電圧が発生する。また、＋Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には引張り応力が加わるので、この圧電セラミックモジュール１５には、外側の電極１７の極性が負となり、内側の電極１７の極性が正となるような電圧が発生する。両者は直列に接続されているので、全体として、−Ｘ側の極性が正、＋Ｘ側の極性が負となるような電圧が出力される。
【００８４】
一方、−Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には圧縮応力が加わるので、この圧電セラミックモジュール１５には、外側の電極１７の極性が正となり、内側の電極１７が負となるような電圧が発生する。また、＋Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には引張り応力が加わるので、この圧電セラミックモジュール１５には、外側の電極１７側の極性が負となり、内側の電極１７側の極性が正となるような電圧が発生する。両者は、直列に接続されているので、全体として、＋Ｙ側の極性が負、−Ｙ方向の極性が正となるような電圧が出力される。
【００８５】
これらの電圧による電流は、電力平均化部２０の整流回路２３Ａ、２３Ｂによって整流され、結果的に、負荷端３６に電圧が印加される。これにより、負荷端３６に印加される電圧は、Ｘ軸方向に発生した電圧が入力される整流回路２３ＢとＹ軸方向に発生した電圧が入力される整流回路２３Ａのそれぞれの出力電圧が直列に積算された電圧となり、その極性は、これまでと同じである。
【００８６】
図１９の状態から、しばらく時間が経過すると、図２０に示されるように、カルマン渦により、１時半の方向の外力が、受圧円筒１１に加えられる。この場合、Ｘ軸方向に配列された圧電セラミックモジュール１５に関して、＋Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には圧縮応力が発生し、−Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には引っ張り応力が発生する。また、Ｙ軸方向に配列した圧電セラミックモジュール１５に関して、−Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には引張り応力が発生し、＋Ｙ側の圧電セラミックモジュールには圧縮応力が発生する。
【００８７】
このとき、図２１に示されるように、＋Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には圧縮応力が加わるので、この圧電セラミックモジュール１５には、外側の電極１７の極性が正となり、内側の電極１７の極性が負となるような電圧が発生する。また、−Ｘ側の圧電セラミックモジュール１５には引張り応力が加わるので、この圧電セラミックモジュール１５には、外側の電極１７の極性が負となり、内側の電極１７の極性が正となるような電圧が発生する。両者は直列に接続されているので、全体として、−Ｘ側の極性が負、＋Ｘ側の極性が正となるような電圧が出力される。
【００８８】
一方、＋Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には圧縮応力が加わるので、その圧電セラミックモジュール１５には、外側の電極１７の極性が正となり、内側の電極１７が負となるような電圧が発生する。また、−Ｙ側の圧電セラミックモジュール１５には引張り応力が加わるので、この圧電セラミックモジュール１５には、外側の電極１７側の極性が負となり、内側の電極１７側の極性が正となるような電圧が発生する。両者は、直列に接続されているので、全体として、＋Ｙ側の極性が負、−Ｙ方向の極性が正となるような電圧が出力される。
【００８９】
これらの電圧による電流は、電力平均化部２０の整流回路２３Ａ、２３Ｂによって整流され、結果的に、負荷端３６に電圧が印加される。これにより、負荷端３６に印加される電圧は、Ｘ軸方向に発生した電圧が入力される整流回路２３ＢとＹ軸方向に発生した電圧が入力される整流回路２３Ａのそれぞれの出力電圧が直列に積算された電圧となり、その極性は、これまでと同じである。
【００９０】
このように、発電モジュール５によれば、海流の流れが、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のような圧電セラミックモジュール１５の分極方向に沿った流れであっても、そうでない流れであっても、常に極性が同じ電圧を、負荷端３６に印加することができる。また、各軸方向の電圧は加算されて、負荷端３６に印加されるので、その電圧の大きさは、海流の到来方位に関わらず、ほぼ均一である。
【００９１】
なお、本実施形態では、取付け座７は、中心軸Ｏの方向の片端面にのみ設けられていたが、発電モジュールの上側にも固定できる部材がある場合には、取付け座７は、中心軸Ｏの両端面に設けられてもよい。このように、両端面にも取付け座７が設けられ、容器１０がその取付け座７を介して別の部材で固定される場合など、容器１０を確実に固定できる場合には、支柱９は、なくてもよい。
【００９２】
また、本実施形態では、カルマン渦等による発生する応力を大きなものとすべく、柱部を軽量な受圧円筒１１とした。しかしながら、軽量であれば、受圧円筒１１は、中実の円柱形状であってもよく、受圧円筒１１の周囲の流体の応力分布が不均一になればよいので、多角形や翼を配列した形状であってもよい。要は、受圧円筒１１は、海流により、その表面に、応力分布の変化が生じるような形状であればよい。
【００９３】
なお、本実施形態で用いられる整流回路２３Ａ、２３Ｂは、単に、圧電セラミックモジュール１５からの電圧の出力を、一定の直流電圧に変換するために使用するだけではなく、４つの電圧出力を、流体の到来方位によらず、一定の効率で平均化して負荷端３６に出力するために設けられている。したがって、整流回路２３Ａ、２３Ｂは、他に用いられているような電流を単に整流し直流電圧を出力する整流回路とは、用途及び機能が異なる。
【００９４】
また、容器８、１０は、受圧円筒１１の中心軸Ｏの方向両端で、受圧円筒１１等の変位を半径方向内側に抑制したが、流体の流れにより受圧円筒１１等に応力が発生するのであれば、受圧円筒１１の中心軸Ｏの方向の中央付近１カ所で、受圧円筒１１等の変位を半径方向内側に抑制するようにしてもよい。すなわち、本発明は、応力発生部の変位を抑制する位置には限られない。
【００９５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００９６】
本実施形態では、圧電セラミックモジュール１５として、図６に示される台形の圧電セラミック１６の代わりに、図２２に示されるように、矩形の単体の圧電セラミック３１が採用されている。このように、個々の圧電セラミックモジュール１５を矩形とすれば、その内部に生ずる電界を、より均一なものとすることができる。
【００９７】
本実施形態は、圧電セラミックモジュール１５の形状が異なる他は、上記第１の実施形態と同じである。
【００９８】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００９９】
本実施形態では、圧電セラミックモジュール１５として、図６に示される台形の圧電セラミック１６の代わりに、図２３に示されるように、矩形の圧電セラミック３２が積層されることにより形成されたものが採用されている。
【０１００】
隣接する圧電セラミック３２の分極方向は、逆向きとなっている。また、各圧電セラミック３２の分極方向の両端には、それぞれ電極１７が設けられている。
【０１０１】
各圧電セラミック３２の分極方向側の電極１７は互いに接続されている。また、各圧電セラミック３２の分極方向の反対側の電極１７も、互いに接続されている。これにより、この圧電セラミックモジュール１５の見かけ上の分極方向が形成され、この圧電セラミックモジュール１５は、上記第１の実施形態の単体の圧電セラミックによるものと同じように動作するようになる。本実施形態では、この圧電セラミックモジュール１５の構造が異なる他は、上記第１の実施形態と同じである。
【０１０２】
本実施形態に係る圧電セラミックモジュール１５は、出力効率が、単体のものに比べ、若干低下するが、圧電セラミックモジュール１５のサイズが大きすぎ、単体のセラミックを焼結して圧電セラミックモジュール１５を形成することができない場合に好適である。
【０１０３】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
【０１０４】
本実施形態は、圧電セラミックモジュール１５として、図６に示される圧電セラミック１６の代わりに、円筒形の圧電セラミック構造体が採用されている。
【０１０５】
図２４には、上記第１の実施形態における図５のＢ−Ｂ’断面図に相当する、本実施形態に係る発電モジュール５の横断面図が示されている。図２４に示されるように、本実施形態では、容器８と受圧円筒１１との間に、円筒形の圧電セラミック構造体３３が配置されている。この圧電セラミック構造体３３の分極方向は、中心軸Ｏを中心として半径方向外側を向いている。
【０１０６】
圧電セラミック構造体３３の内周側には、円周方向に均等に並ぶ（円筒形の１／４部分として４回回転対称に配置される）４つの内周電極３４Ａが形成されている。個々の内周電極３４Ａは、電極分割部３５により絶縁されている。また、圧電セラミック構造体３３の外周側には、円周方向に均等に並ぶ（円筒形の１／４部分として４回回転対称に配置される）４つの外周電極３４Ｂが形成されている。個々の外周電極３４Ｂは、電極分割部３５により絶縁されている。
【０１０７】
圧電セラミック構造体３３は、上記第１の実施形態に係る圧電セラミック構造体１２と、分極方向と、電極の配置がほぼ同じであるため、受圧円筒１１に加えられる外力により、圧電セラミック構造体１２と同じように動作する。したがって、内周電極３４Ａ、外周電極３４Ｂを、上記第１の実施形態と同様に、電力平均化部２０に接続すれば、本実施形態に係る発電モジュール５は、上記第１の実施形態に係る発電モジュール５と同じように動作する。
【０１０８】
圧電セラミック構造体３３が、円筒形の圧電セラミックを製造し、その圧電セラミックに内周電極３４Ａ、外周電極３４Ｂを貼り付けるだけでよいので、組み立てが容易に行えるという利点がある。
【０１０９】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。本実施形態に係る発電モジュールは、その構成が、上記第１の実施形態の発電モジュール５と異なっている。
【０１１０】
図２５には、本実施形態に係る発電モジュール４０の外観が示されており、図２６には、図２５のＣ−Ｃ’断面が示されており、図２７には、図２５のＤ−Ｄ’断面が示されている。
【０１１１】
図２５に示されるように、発電モジュール４０は、鉛直方向の中心軸Ｏを中心とする、全体として円柱状の物体である。図２６に示されるように、最も内周側に、中心軸Ｏを軸芯とし、中心軸Ｏの方向に延びる柱状体、より具体的には、円筒状の支柱４１が設けられている。支柱４１は、取付け座４２に固定されている。本実施形態では、この支柱４１と、取付け座４２によって抑制部が形成されている。
【０１１２】
受圧円筒４３は、支柱４１の外周側に設けられている。受圧円筒４３は、緩衝材４４を介して、取付け座４２に固定されている。緩衝材４４は、受圧円筒４３の振動を妨げないように、コルクゴムや積層紙などずれ弾性の小さな材料で構成されている。
【０１１３】
支柱４１と受圧円筒４３は、２つの圧電セラミック構造体４５で接合されている。一方の圧電セラミック構造体４５は、支柱４１の上端側で両者を接合し、他方の圧電セラミック構造体４５は、支柱４１の下端側で両者を接合する。
【０１１４】
受圧円筒４３は、中心軸Ｏを軸芯として中心軸Ｏの方向に延びる、支柱４１及び圧電モジュール構造体４５を内包する筒状体であり、中心軸Ｏの直交断面の輪郭が中心軸Ｏを中心に回転対称な外周側面及び内周側面を有している。
【０１１５】
圧電セラミック構造体４５としては、上記第１〜第４の実施形態に示されるもののいずれをも採用することができるが、図２７に示されるように、本実施形態では、上記第４の実施形態に係る円筒状の圧電セラミック構造体と同型のものが用いられている。すなわち、圧電セラミック構造体４５は、中心軸Ｏを中心とする半径方向外側が分極方向となっており、その分極方向の一端で、支柱４１の外周側面に接続され、分極方向の他端で、受圧円筒の内周側面に接続されている。
【０１１６】
受圧円筒４３の外周面は、海水に露出するため、その表面に防水被覆４６が施されている。このように、防水被覆４６は、受圧円筒４３の表面全体に施されているが、受圧円筒４２が耐腐食性材料で構成されている場合には、受圧円筒４３の表面全体に施される必要はない。
【０１１７】
空洞４７には、上記第１の実施形態と同様に、一般には気体が封入されるが、ここに、絶縁性液体を封入することも可能である。空洞４７に気体を封入した場合の耐水圧性は、受圧円筒４３の許容応力と、緩衝材４４の耐圧力により決定される。このため、受圧円筒４３の材質や厚み、緩衝材４４の厚さや構造は、必要な耐水圧を満足するように選択される。
【０１１８】
以上の構成により、外部の流体の流れが、受圧円筒４３に当たることによって発生するカルマン渦等により、受圧円筒４３が外力を受けると、その外力と、支柱４１との反力により、圧電セラミック構造体４５に応力が発生する。この応力により圧電セラミック構造体４５から電圧が出力される。
【０１１９】
圧電セラミック構造体４５は、上記第１の実施形態に係る圧電セラミック構造体１２と、分極方向と、電極の配置がほぼ同じであるため、受圧円筒１１に加えられる外力により、圧電セラミック構造体１２と同じように動作する。したがって、内周電極３４Ａ、外周電極３４Ｂを、上記第１の実施形態と同様に、電力平均化部２０に接続すれば、本実施形態に係る発電モジュール４０は、上記第１の実施形態に係る発電モジュール５と同じように動作する。
【０１２０】
なお、本実施形態では、圧電セラミック構造体４５は、受圧円筒４３の鉛直方向両端に２つだけ設けられている。しかしながら、圧電セラミック構造体４５は、支柱４１と受圧円筒４３の間に敷き詰められていてもよい。また、圧電セラミック構造体４５は、支柱４１と、受圧円筒４３との間に、鉛直方向に沿って、均等に複数敷き詰められていてもよい。
【０１２１】
本実施形態では受圧円筒４３と圧電セラミック構造体４５とが接する面積は、大きければ大きいほどよい。そこで、中心軸Ｏに関し、受圧円筒４３の長さと、受圧円筒４３と圧電セラミック構造体４５とが接続される部分の長さとの比率について考えると、この比率が所定比率以上であるのが望ましい。このようにすれば、圧電セラミック構造体４５に発生する応力を増大させて、その出力電圧を大きくし、発電効率を高めることができるからである。
【０１２２】
また、本実施形態では、支柱４１は、円筒形状であるが、これを円柱形状としてもよい。また、緩衝材４４と防水被覆４６とは共有化が可能である。すなわち、緩衝材４４と防水被覆４６とを合成したようなゴムなどを設置するようにしてもよい。
【０１２３】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。本実施形態は、発電モジュールの構成が、上記第１の実施形態と異なっている。
【０１２４】
図２８には、本実施形態に係る発電モジュール５０の外観が示されており、図２９には、図２８のＥ−Ｅ’断面が示されており、図３０には、図２８のＦ−Ｆ’断面図が示されている。
【０１２５】
図２８〜図３０に総合的に示されるように、発電モジュール５０は、鉛直方向の中心軸Ｏを中心とする、全体として円柱状の物体である。最も内周側に、上記第５の実施形態に係る支柱４１と同じ円筒状の支柱５１が設けられている。支柱５１は、取付け座５２に固定されている。支柱５１と取付け座５２とにより、抑制部が形成される。
【０１２６】
圧電セラミック構造体５３は、円筒状となっている。圧電セラミック構造体５３は、中心軸Ｏを軸芯として中心軸Ｏの方向に延び、支柱５１を内包する筒状体である。圧電セラミック構造体５３は、中心軸Ｏの直交断面の輪郭が中心軸Ｏを中心に回転対称である外周側面、すなわち円筒側面を有している。
【０１２７】
圧電セラミック構造体５３は、緩衝材５４を介して、取付け座５２に固定されている。緩衝材５４により、支柱５１と圧電セラミック構造体５３との間の干渉が防止される。緩衝材５４は、圧電セラミック構造体５３の振動を妨げないように、コルクゴムや積層紙などずれ弾性の小さな材料で構成されている。
【０１２８】
圧電セラミック構造体５３の分極方向や電極配置は、図３０に示されるように、上記第４の実施形態のものと同じである。したがって、上記第４の実施形態と同様な形態で、電力平均化部２０に接続すれば、上記第４の実施形態と同様の動作が可能となる。
【０１２９】
本実施形態では、圧電モジュール構造体５３の外周側面により、応力発生部の側面が形成されている。圧電セラミック構造体５３の外周側面は、海水に露出するため、その表面に防水被覆５５が施されている。
【０１３０】
発電モジュール５０は、圧電セラミック構造体５３が、周囲の流体からの外力を直接受ける構造となっている。圧電セラミック構造体５３の外側に、カルマン渦等により発生した流体の応力分布に不均一性が生じ、圧電セラミック構造体５３に外力が加わると、その外力と、支柱５１との反力とにより、圧電セラミック構造体５３内に応力が生じ、この応力により電圧が得られるようになる。
【０１３１】
本実施形態でも、支柱５１は、円筒状であってもよいし、円柱状であってもよい。
【０１３２】
空洞５６には、上記第１の実施形態と同様に、一般には気体が封入されるが、ここに、絶縁性液体を封入することも可能である。空洞５６を気体とした場合の耐水圧性は、支柱５１及び圧電セラミック構造体５３の許容応力と緩衝材５４の耐圧力により決定される。このため、圧電セラミック構造体５３の厚さや緩衝材５４の厚さおよび構造は、その耐水圧を満足するように選択される。
【０１３３】
なお、上記第５の実施形態と同様に、緩衝材５４と防水被覆５５とを、ともに同質のゴム等で構成し、共通化することも可能である。
【０１３４】
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。本実施形態は、発電モジュールの構成が、上記第１の実施形態と異なっている。
【０１３５】
図３１には、本実施形態に係る発電モジュール６０の外観が示されており、図３２には、図３１のＧ−Ｇ’断面図が示されており、図３３には、図３１のＨ−Ｈ’断面図が示されている。
【０１３６】
図３１〜図３３に総合的に示されるように、発電モジュール６０は、鉛直方向の中心軸Ｏを中心とする、全体として円柱状の物体である。最も内周側には、所定軸Ｏの方向に延びる円柱状の錘６１が設けられている。この錘６１により、抑制部が形成される。この錘６１の側面外周に、円筒形の圧電セラミック構造体６２が設けられている。錘６１と圧電セラミック構造体６２が、円筒状の容器６３に収納されている。
【０１３７】
容器６３の内底面、天井面と、錘６１及び圧電セラミック構造体６２との間には、空洞６４が形成されている。空洞６４は、圧電セラミック構造体６２の動きを妨げないように設けられている。この空洞６４には、コルクゴムや積層紙などを敷き詰めてもよい。容器６３内部の空洞６４を気体とした場合の耐水圧性は、容器６３の許容応力に依存する。このため、容器６３の材質や厚さおよび構造は、その耐水圧を満足するように選択される。
【０１３８】
容器６３は、緩衝材６５を介して、上下の取付け座６６と接続されている。緩衝材６５は、カルマン渦等による振動を阻害しないように挿入されている。
【０１３９】
圧電セラミック構造体６２の分極方向や電極配置は、上記第４の実施形態と同じである。したがって、上記第４の実施形態と同様に、圧電セラミック構造体６２の内周電極３４Ａ及び外周電極３４Ｂを電力平均化部２０に接続すれば、上記第４の実施形態と同様の動作が可能となる。
【０１４０】
本実施形態によれば、容器６３の下流にカルマン渦が発生し、そのカルマン渦により応力分布が変化すると、容器６３全体を変位させようとする力が発生する。この力と、中心の錘６１の静止しようとする慣性力とにより、圧電セラミック構造体６２に応力が発生する。このように、錘６１は、慣性力により、不動点として圧電セラミック構造体６２に応力を発生させるためのものであるため、その質量は大きいほうがよく、圧電セラミック構造体６２に十分な応力を発生させられるような所定の質量が既知であるならば、その質量以上であるのが望ましい。
【０１４１】
（第８の実施形態）
次に、本発明の第８の実施形態について説明する。本実施形態は、発電モジュールの構成が、上記第１の実施形態と異なっている。
【０１４２】
図３４には、本実施形態に係る発電モジュール７０の断面図が示されており、図３５には、図３４のＩ−Ｉ’断面図が示されており、図３６には、図３４のＪ−Ｊ’断面図が示されている。
【０１４３】
図３４、図３５、図３６を総合して示されているように、発電モジュール７０では、受圧円筒７１は、中心軸Ｏの方向に延び、中心軸Ｏの直交断面の輪郭が中心軸Ｏを中心に回転対称、より具体的には、円形となっている。受圧円筒７１の下端に、円筒形状の圧電セラミック構造体７２が設けられている。受圧円筒７１は、中心軸Ｏの方向に圧電セラミック構造体７２を介して、抑制部としての取付け座７３に接続されている。受圧円筒７１及び圧電セラミック構造体７２とで、取付け座７３を支点とする片持ち梁が形成されている。
【０１４４】
圧電セラミック構造体７２は、中心軸Ｏの方向（厚さ方向）を分極方向としている。本実施形態では、圧電セラミック構造体７２の分極方向は、中心軸Ｏの方向（厚さ方向）上側に揃えられているが、下側に揃えられていてもよい。図３７には、圧電セラミック構造体７２の斜視図が示されている。
【０１４５】
圧電セラミック構造体７２を構成する圧電素子７４の上面側には、円周方向に均等に並ぶ４つの電極７５が形成されている。また、圧電素子７４の下面側には、円周方向に均等に並ぶ４つの分割電極７５が形成されている。上下の分割電極７５は、一対一で対応している。分極電極７５の間には、電極を分割するための絶縁体である電極分割部７６が設けられている。この構成により、圧電セラミック構造体７２についても、複数の圧電モジュールが、中心軸Ｏを中心として対向配置された構造となっている。したがって、個々の分割電極７５を、上記第１の実施形態と同様に、電力平均化部２０に接続すれば、上記第１の実施形態と同様の動作が可能となる。
【０１４６】
すなわち、圧電セラミック構造体７２では、中心軸Ｏを中心として対向配置された一対の圧電モジュールを、その分極方向について同じ側の電極同士が接続されることにより縦続接続し、電力平均化部２０では、縦続接続された一対の圧電モジュールの両端に生じた電圧が整流回路２３Ａ、２３Ｂそれぞれに入力されるようにすればよい。
【０１４７】
図３８は、発電モジュール７０を上から見た図である。図３８に示されるように、受圧円筒７１が白い矢印に示されるような、海流の流れを受けると、カルマン渦等により、受圧円筒７１には、海流の流れに直交する方向に振動させようとする外力が働く。この外力により、図３９（Ａ）、図３９（Ｂ）のＫ−Ｋ’断面図に示されるように、受圧円筒７１及び圧電セラミック構造体７２に、取付け座７３を支点とする曲げ応力が発生する。この曲げ応力により、圧電セラミック構造体７２には、高さ方向（鉛直方向）の圧縮応力及び引張り応力が発生する。
【０１４８】
この応力により、圧電セラミック構造体７２内に電界が生じ、その電界による電圧により、電力平均化部２０を介して、出力された電圧が、負荷端３６に印加される。
【０１４９】
なお、圧電セラミック構造体７２として、図４０に示されるように、円周方向に均等に、配列された圧電素子７８から成るものを用いることも可能である。また、図４１に示されるように、４分割された圧電素子７８の間に絶縁体７９を挟むことにより、全体として、円筒形に形成された圧電セラミック構造体７２を用いることも可能である。
【０１５０】
上述のように、受圧円筒７１や圧電セラミック構造体７２は、取付け座７３を支点として、片持ち梁となる。そこで、受圧円筒７１や圧電セラミック構造体７２などの材質や肉厚などを調整し、質量及び剛性を最適化することにより、この片持ち梁の共振周波数を、カルマン渦等による応力変動で発生する振動の周波数と一致させるようにすれば、圧電セラミック構造体７２に発生する応力を増大させて、さらに効率良く電力を得ることができる。
【０１５１】
また、図４２に示されるように、受圧円筒７１の全長を長くすれば、圧電セラミック構造体７２に発生する応力を大きくすることができる。したがって、受圧円筒７１の全長を長くすればするほど、より多くの電力を得ることができる。
【０１５２】
また、発電モジュール７０は、海岸近くに設置するようにしてもよい。この場合でも、図４３に示されるように、一方向に繰り返し加わる波浪により発生する応力を用いて発電することが可能である。
【０１５３】
ところで、受圧円筒７１の下流でのカルマン渦の発生条件は、流体の流速と、受圧円筒７１の直径とに依存する。そこで、図４４に示される発電モジュール８０のように、受圧円筒７１を、中心軸Ｏの方向に連結された、直径の異なる円筒８１、８２で構成するようにしてもよい。すなわち、中心軸Ｏの直交断面の大きさが異なる複数の柱状体が、中心軸Ｏの方向に直列に接続されることにより、応力発生部の外周側面を形成するようにしてもよい。このようにすれば、カルマン渦が発生する流体の流速の条件を増やすことができる。これにより、より広い流速範囲で、カルマン渦をより確実に発生させ、そのカルマン渦による応力を発生させ、より効率よく電力を得ることができるようになる。
【０１５４】
（第９の実施形態）
次に、本発明の第９の実施形態について説明する。本実施形態は、発電モジュールが、センサモジュールから離隔されている点が、上記第１の実施形態と異なっている。
【０１５５】
図４５には、本実施形態に係る海洋環境計測センサ網１’の構成が示されている。図４５に示されるように、海洋環境計測センサ網１’は、複数の海洋環境計測センサ２’を備えている。海洋環境計測センサ２’では、センサモジュール４と発電モジュール５とが、所定距離以上、離隔して配置されている。この距離は、発電モジュール５での流体音が、センサモジュール４の計測に影響を与えない程度であればよい。
【０１５６】
センサモジュール４と発電モジュール５の間は、給電ケーブル９５を介して接続されている。発電モジュール５からの電力は、給電ケーブル９５を介して、センサモジュール４に供給される。各センサモジュール４は、信号伝送ケーブル３で接続されている。
【０１５７】
本実施形態に係る海洋環境計測センサ網１’は、特に、音響や振動などの計測等の場合に、発電モジュール５等で発生する流体音が、センサモジュール４での計測に雑音として影響を及ぼす場合に好適である。発電モジュール５をセンサモジュール４から離隔しておくことにより、その影響を低減することができるからである。
【０１５８】
（第１０の実施形態）
次に、本発明の第１０の実施形態について説明する。本実施形態に係る海洋環境計測センサ網９０では、海洋環境計測センサが、計測情報を中継点や陸上局に伝送するための信号伝送ケーブル３に接続されていない点が、上記第１の実施形態と異なっている。図４６には、本実施形態に係る海洋環境計測センサ網９０の構成が示されている。本実施形態では、海洋環境計測センサ網９０は、計測情報の伝送に水中音響を利用する。
【０１５９】
本実施形態では、海洋環境計測センサとして、定期的に音響信号を発するピンガ機能を有する海洋環境計測センサ９１又は観測船からの音響信号に応答して折り返し音響信号を発するレスポンダ機能を有する海洋環境計測センサ９２とのいずれかを用いる。海洋環境計測センサ９１、９２は、ともに、センサモジュール４と、発電モジュール５とを備えている。
【０１６０】
ここで、ピンガ機能とは、一般には、単に、定期的に予め決められた信号（ピング音）を、音響放射する機能をいう。本実施形態では、海洋環境計測センサ９１は、これらのピング音とともに、計測情報も音響信号としてまとめて発信する。
【０１６１】
また、レスポンダ機能とは、一般には、観測船やブイあるいは航空機から投下する計測ブイまたは中継ブイなどからの音響信号をトリガとして所定の音響信号を返信する機能をいう。本実施形態では、海洋環境計測センサ９２は、海洋環境計測センサにより得られた計測情報を含む応答としての音響信号を発信する。
【０１６２】
なお、このピンガ機能も、レスポンダ機能も、発電モジュール５から供給される電力により駆動される。
【０１６３】
図４６に示されるように、海洋環境計測センサ９１は、定期的に短時間の音響信号を発しており、海上の観測船１０１は、この音響信号を受信して、海洋環境計測センサ９１から発せられる音響信号を受信することにより、音響信号に含まれる計測情報を取得することができる。
【０１６４】
ピンガ機能は、海底から海面への一方向の伝送であるため、所定の時刻に定期的に計測情報を伝送する必要がある。これに対し、レスポンダ機能を用いれば、観測船１０１からの要求信号があったときにのみ計測を行えばよいので、その計測のために必要な電力を最小限に止めることができる。この結果、より長期的な観測が可能となる。
【０１６５】
このように、ピンガ機能やレスポンダ機能を用いて、それらの駆動時間、時期を予め設定しておけば、消費電力を大幅に削減することができるうえ、海流のような再生可能なエネルギを利用した発電を行って、非常に長期間に渡る継続的な計測が可能となる。
【０１６６】
このようなシステムは、例えば、地震や火山活動などによる海底面自体の移動など、計測対象の計測に長期間を要するような場合に好適である。例えば、ピンガ機能を用いて定期的に短時間の音響信号を発信し、その発信位置を計測することにより、海底面の移動情報を得ることができる。さらに、レスポンダを用いれば、海底面の移動をより長期間に渡って計測することができる。
【０１６７】
なお、海上の観測船１０１の代わりに、係留ブイあるいは航空機から投下する計測ブイまたは中継ブイなどを用いてもよい。
【０１６８】
（第１１の実施形態）
次に、本発明の第１１の実施形態について説明する。図４７には、本実施形態に係る海洋環境計測センサ網１００の斜視図が示されている。図４７に示されるように、本実施形態に係る海洋環境計測センサ網１００は、複数の海洋環境計測センサ９３を備えている。海洋環境計測センサ９３は、発電モジュールが設けられていない点が、上記第１０の実施形態に係る海洋環境計測センサ９１と異なっている。海洋環境計測センサ９３には、１つの発電モジュール５から、給電ケーブル９５を介して電力が供給されている。
【０１６９】
海洋環境計測センサ９３は、上記第１０の実施形態と同様に、ピンガ機能により、定期的に音響信号を発する。なお、海洋環境計測センサ９３の代わりに、レスポンダ機能を有する海洋環境計測センサを用いてもよいのは勿論である。
【０１７０】
海洋環境計測センサ９３は、各海洋環境計測センサ９３の計測頻度がさらに少なく、個々の海洋環境計測センサ９３の消費電力が極めて小さくて済む場合に好適である。
【０１７１】
（第１２の実施形態）
次に、本発明の第１２の実施形態について説明する。図４８には、本実施形態に係る海洋環境計測センサ網１１０の斜視図が示されている。図４８に示されるように、海洋環境計測センサ網１１０は、複数の海洋環境計測センサ２’を備えている。各海洋環境計測センサ２’は、センサモジュール４と発電モジュール５とが離隔して配置されている。各海洋環境計測センサ２’のセンサモジュール４は、信号伝送ケーブル３を介して接続されている。
【０１７２】
海洋環境計測センサ網１１０は、ビンガ機能を有する海洋環境計測センサ９３をさらに備えている。この海洋環境計測センサ９３も、センサモジュール４’と発電モジュール５とが離隔して配置されている。センサモジュール４’は、信号伝送ケーブル３を介して、他のセンサモジュール４と接続されている。
【０１７３】
この海洋計測センサ網１１０では、各センサモジュール４の海洋計測情報を、センサモジュール４’で収集する。センサモジュール４’は、所定の時刻に、海面の観測船１０１に向けて、計測情報を含む音響信号を伝送する。この伝送には、発電モジュール５からの電力が用いられるのは前述のとおりである。なお、観測船１０１ではなく、係留ブイあるいは航空機から投下する計測ブイまたは中継ブイなどに向けて音響信号として伝送するようにしてもよいのは前述のとおりである。
【０１７４】
（第１３の実施形態）
次に、本発明の第１３の実施形態について説明する。図４９には、本実施形態に係る海洋環境計測センサ網１２０の斜視図が示されている。図４９に示されるように、ビンガ機能を有する海洋環境計測センサ９３の代わりに、レスポンダ機能を有する海洋環境計測センサ９４が用いられている点が、上記第１１の実施形態と異なる。海洋環境計測センサ９４では、センサモジュールと発電モジュールとが一体化している。レスポンダ機能には、この発電モジュールからの電力が用いられる。
【０１７５】
（まとめ）
以上詳細に説明したように、上記各実施形態によれば、海底等に設置された海洋環境計測センサ２等は、センサモジュール４等と発電モジュール５等とが併設された自己給電型のセンサである。センシング等に必要な電力は、センサモジュール４等の近傍に設置された発電モジュール５等でまかなわれるので、外部給電が不要となる。
【０１７６】
この発電モジュール５等は、海流に含まれる再生可能な流体エネルギ（流体力）を利用して発電を行う。したがって、周囲に海流が流れている限り、発電が可能となる。このため、センサ内に１次電池を内蔵したり、陸上から給電を行ったりする必要がなくなる。これにより、センサの寿命を延ばし、長期間の計測、継続運用が可能になるとともに、海洋環境などのリアルタイム計測が可能となる。さらには、給電ケーブルなどを引く必要がなくなるので、複雑な電源供給システムを構築する必要がなくなるため、高頻度なメンテナンスを行う必要がなくなるうえ、センサ網に要するコストも削減することができる。
【０１７７】
また、上記各実施形態に係る発電モジュールは、海流の持つ流体エネルギを用いて発電を行うため、波がなく、太陽光が届かない海底でも発電が可能である。これにより、この発電により得られた電力を用いて、海底における計測も可能となる。
【０１７８】
また、上記各実施形態に係る発電モジュールは、圧電素子を用いて発電を行うので、発電のために、例えば、回転、摺動及び変位する機械的可動部を有する必要がない。このため、構造を水密性に優れたものとすることができる。また、構造を簡単なものとすることができるので、装置強度の低下を防止することができる。また、機械損失による発電効率の低下も防止することができる。このように、上記各実施形態に係る発電モジュールによれば、長期間の安定した計測、継続運用が可能になるとともに、装置コストも低減することができる。
【０１７９】
上記各実施形態に係る発電モジュールを、まとめて端的に説明する。この発電モジュールには、周囲の流体に発生する応力変動により内部に応力を発生させる応力発生部が設けられている。応力発生部は、中心軸Ｏの方向に延びる柱状体であり、中心軸Ｏの直交断面の輪郭が所定軸Ｏを中心に回転対称である外周側面が形成されている。また、応力発生部には、圧電セラミックとその圧電セラミックの分極方向両端に接続された電極との組である複数の圧電セラミックモジュールが中心軸Ｏを中心として回転対称に配置された圧電モジュール構造体を有している。
【０１８０】
この発電モジュールには、この応力発生部の変位を抑制する抑制部がさらに設けられている。抑制部は、複数の圧電セラミックモジュール各々の分極方向の一端と接続されている。この抑制部により、応力発生部に応力が発生し、複数の圧電セラミックモジュール各々に電圧が発生する。
【０１８１】
この発電モジュールには、複数の圧電モジュール各々から出力される電圧を加算する加算部がさらに設けられている。
【０１８２】
このように、上記各実施形態に係る発電モジュールによれば、流体から力を受け応力を発生させる応力発生部の断面形状が、中心軸Ｏを中心に回転対称となっており、複数の圧電モジュールが中心軸Ｏを中心に回転対称に配列されているので、海流の到来方位によらず、一定の効率で発電を行うことができる。
【０１８３】
なお、浅い海域では、潮汐などの流れが支配的であり、海流の到来方位は、日々刻々かつ時間経過ごとに変化し、一定となることはない。しかしながら、海流の流れは、ほとんど水平方向の流れになり、極端な上昇流や下降流となることはない。したがって、水平面内のいずれの方角から流れが到来しても電気出力が得られるようにすれば十分である。
【０１８４】
一方、深海域でも、極端な上昇流や下降流となることはなく、海底付近で、流れの方位や流速がほぼ一定の潮流が発生する。この潮流を、底層流と呼ぶ。したがって、深海底でも、水平面内のいずれの方角から流れが到来しても電気出力が得られるようにすれば十分である。
【０１８５】
なお、深海域では、底層流の方位が一定であるため、一方向の海流でしか発電できない発電モジュールでも、十分に発電が可能である。しかしながら、深海底では、センサの設置方位を管理することは大きな手間と労力を必要とする。したがって、深海域でも、水平面内のいずれの方向から流れが到来しても電気出力が得られ、設置時に、その設置方位を管理せずに済む上記各実施形態に係る海洋環境計測センサ２等を用いるのが望ましい。
【０１８６】
なお、受圧円筒１１などの構造、直径などについては、流速や時間の見積もりから総発電量を算出し、その総発電量に見合ったものを選定しておけば、最適な発電が可能となる。
【０１８７】
このように、上記各実施形態によれば、高頻度の保守や煩雑な作業を必要とせず、簡単な構成で、高い信頼性の下で、長期間に渡る、流体の流れる方向に左右されない高効率な給電と、その給電によるリアルタイムな計測とが可能となる。これにより、海洋環境計測センサ網の構築や運用の簡便化、耐障害性、信頼性、拡張性及び保守性の向上、初期費用やメンテナンス費用の大幅な削減が実現される。
【０１８８】
また、センサ間を例えば、光ファイバで接続するだけでよいので、大がかりなメタルケーブルを配線する必要がなくなる。
【０１８９】
なお、上記各実施形態のように、圧電セラミックモジュール１５の分極方向を半径方向外向きに又は内向きに揃えるなどすれば、圧電セラミックモジュール１５間の接続が簡単になる。Ｘ軸方向又はＹ軸方向に対向する圧電セラミックモジュール１５について、それぞれの分極方向が、半径方向外向きと半径方向内向きというように、上記各実施形態にように揃えられていないような場合には、対向する圧電セラミックモジュール１５間で、接続する電極を逆にするなど、それぞれの圧電セラミックモジュール１５に対しての配慮が必要となる。
【０１９０】
なお、上記各実施形態では、海流の到来方位に関わらず、一様な発電効率が得られるように、柱部を円筒形状とした。しかしながら、潮流が一定であるような深海域や河川など、あるいは潮流が反対方向に反転する海峡や湾口などにセンサを設置する場合には、応力を発生させる柱部の断面形状を、潮流の方向に対称な形状を有するフィン形状とするようにしてもよい。このようにすれば、応力をさらに効率的に発生させることができる。
【０１９１】
また、上記各実施形態によれば、カルマン渦を発生させ、そのカルマン渦により生ずる応力を発生させて電力を得た。しかしながら、本発明によれば、必ずしも、定常的なカルマン渦を発生させる必要はなく、周囲の流体に不均一な応力分布が生じれば発電が可能である。したがって、柱部が、定常的なカルマン渦が発生するような形状や寸法となっていなくても、効率的な発電が可能である。
【０１９２】
例えば、図５０に示されるように、複数の受圧円筒１１が近接に複数配列された発電モジュール５’を用いてもよい。発電モジュール５’を流体内に設置すれば、それらの下流側に、乱流が発生する。このような乱流も、受圧円筒１１の周囲の応力分布を周期的に変化させるため、各受圧円筒１１内の圧電セラミック構造体１２に応力を生じさせ、電力が得られるようになる。
【０１９３】
このように、本発明では、受圧円筒１１の周りに流体の圧力差が生じれば発電が可能である。例えば、図５１に示されるように、受圧円筒１１の近傍に、乱流を発生させるための複数の構造物１３０が設置された発電モジュール５”を用いてもよい。発電モジュール５”を流体内に設置すれば、受圧円筒１１の近傍に乱流が発生し、受圧円筒１１内の圧電セラミック構造体１２に応力を生じさせ、電力が得られるようになる。
【０１９４】
なお、図５０、図５１では、同じ取付け座７の上に複数の受圧円筒１１や構造物１３０が設けられているが、複数の発電モジュール５を、接近して設けて乱流を発生させるようにしてもよいし、発電モジュール５とは別体として設けられた乱流発生体を、発電モジュール５の近傍に配置するようにしてもよい。
【０１９５】
なお、カルマン渦のように、受圧円筒１１の長さ方向に関して、応力分布の変動が均一な渦が受圧円筒１１の下流に発生している場合には、受圧円筒１１の長さを長くすればするほど、応力を増大させることができる。しかしながら、乱流のように、受圧円筒１１の長さ方向に関して、応力分布の変動が均一でない流れが受圧円筒１１の下流に生じている場合には、受圧円筒１１の長手方向に関する積分効果によって、発生する応力が平均化されてしまうので、応力分布の変動が小さくなり、発電効率が落ちてしまう。
【０１９６】
そこで、このような場合には、受圧円筒１１を、中心軸Ｏの方向（鉛直方向）に、受圧円筒１１を幾つか分割して、受圧円筒を複数とするようにしてもよい。このようにすれば、応力の平均化による出力電圧の低下を防止することができる。
【０１９７】
このように、受圧円筒１１のような応力発生部を複数設けることができるが、複数の応力発生部各々に対応して、抑制部や加算部を複数設けるようにしてもよい。この場合、複数の加算部から出力された電圧を、さらに加算するようにすれば、より大きな出力電圧を得ることができるようになる。
【０１９８】
なお、上記各実施形態では、圧電素子として、圧電セラミックを用いたが、圧電素子として、圧電単結晶や高分子圧電材などを用いることも可能である。
【０１９９】
なお、上記各実施形態では、海洋環境情報を取得するセンサモジュールと、流体の流れにより発電する発電モジュールとを別としたが、これらのモジュールを統合することもできる。例えば、海洋環境情報として、音響信号などを取得する場合には、音圧を電圧に変換する変換素子として圧電セラミックが用いられる。この場合、センサモジュールと発電モジュールとで用いる圧電セラミック構造体を共用することができる。
【０２００】
この場合、カルマン渦等による応力による振動の周波数帯域は低く、計測信号の周波数帯域は高いのが一般的であるので、圧電セラミック構造体から出力される電圧信号をフィルタに通すことにより、海洋計測情報としての音響信号と、電源電圧信号とを、別々に抽出することができる。
【０２０１】
図５２には、センサモジュールと統合された発電モジュールの回路図の一例が示されている。これによれば、電力平均化部２０の前段に、フィルタ１４０が設けられている。フィルタ１４０は、各圧電セラミックモジュール１５から出力された電圧信号を、電力平均化部２０に出力され、発電に用いられる周波数帯域の成分と、センサ出力として用いられる周波数帯域の成分とに分離する。フィルタ１４０は、発電に用いられる成分の電圧信号を電力平均化部２０に出力し、センサ出力として用いられる成分の電圧信号を、計測信号出力端１５０に出力する。
【０２０２】
また、上記各実施形態では、海底に設置されるセンサについて説明したが、本発明は、海中に浮遊するセンサや海底からセンサに浮きをつけて中層部の海洋環境を計測する係留型のセンサ、すなわち海中に設置されるセンサなどにも適用可能である。また、上述のとおり、海岸近くに設置されるセンサに、本発明を適用することも可能である。また、本発明は、湖などにも適用可能なのは勿論である。
【０２０３】
なお、上述した海洋環境計測センサは、船舶により敷設・設置することができる。また、航空機からの投下により、施設・設置することも可能である。
【０２０４】
本発明は、あらゆる分野例えば、防災、減災、防衛、漁業、海洋開発及び理学的な分野に適用可能である。例えば、海底面の移動データは、防災、減災や物理学などに役立てることができる。また、水温分布データは、漁業などに役立てることができる。また、水中音速分布データは、防衛、海洋開発などに役立てることができる。
【図面の簡単な説明】
【０２０５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る海洋環境計測センサ群の概略的な構成を示す斜視図である。
【図２】海洋環境計測センサの構成の一例を示す斜視図である。
【図３】発電モジュールの外観を示す斜視図である。
【図４】図３のＡ−Ａ’断面図である。
【図５】図３のＢ−Ｂ’断面図である。
【図６】圧電セラミックモジュールの一例を示す図である。
【図７】発電モジュールの回路図である。
【図８】海流の流れが＋Ｘ方向の場合に、−Ｙ方向の応力が発生した瞬間を示す図である。
【図９】図８の瞬間での発電モジュールの動作を説明するための図である。
【図１０】海流の流れが＋Ｘ方向の場合に、＋Ｙ方向の応力が発生した瞬間を示す図である。
【図１１】図１０の瞬間での発電モジュールの動作を説明するための図である。
【図１２】海流の流れが＋Ｙ方向の場合に、−Ｘ方向の応力が発生した瞬間を示す図である。
【図１３】図１２に示される瞬間での発電モジュールの動作を説明するための図である。
【図１４】海流の流れが７時半方向の場合に、１０時半方向の応力が発生した瞬間を示す図である。
【図１５】図１４に示される瞬間での発電モジュールの動作を説明するための図である。
【図１６】海流が７時半方向から到来する場合に、４時半方向の応力が発生した瞬間を示す図である。
【図１７】図１６に示される瞬間での発電モジュールの動作を説明するための図である。
【図１８】海流が４時半方向から到来する場合に、７時半方向の応力が発生した瞬間を示す図である。
【図１９】図１８に示される瞬間での発電モジュールの動作を説明するための図である。
【図２０】海流が４時半方向から到来する場合に、１時半方向の応力が発生した瞬間を示す図である。
【図２１】図２０に示される瞬間での発電モジュールの動作を説明するための図である。
【図２２】本発明の第２の実施形態に係る発電モジュールに用いられる圧電セラミックモジュールを示す図である。
【図２３】本発明の第３の実施形態に係る発電モジュールに用いられる圧電セラミックモジュールを示す図である。
【図２４】本発明の第４の実施形態に係る発電モジュールに用いられる圧電セラミック構造を示す図である。
【図２５】本発明の第５の実施形態に係る発電モジュールの外観を示す斜視図である。
【図２６】図２５のＣ−Ｃ’断面図である。
【図２７】図２５のＤ−Ｄ’断面図である。
【図２８】本発明の第６の実施形態に係る発電モジュールの外観を示す斜視図である。
【図２９】図２８のＥ−Ｅ’断面図である。
【図３０】図２８のＦ−Ｆ’断面図である。
【図３１】本発明の第７の実施形態に係る発電モジュールの外観を示す斜視図である。
【図３２】図３１のＧ−Ｇ’断面図である。
【図３３】図３１のＨ−Ｈ’断面図である。
【図３４】本発明の第８の実施形態に係る発電モジュールの構造を示す断面図である。
【図３５】図３４のＩ−Ｉ’断面図である。
【図３６】図３４のＪ−Ｊ’断面図である。
【図３７】圧電セラミックモジュールの構造を示す図である。
【図３８】発電モジュールの上面図である。
【図３９】図３９（Ａ）及び図３９（Ｂ）は、曲げ応力が発生する様子を示す図である。
【図４０】圧電セラミックモジュールの構造の他の例（その１）を示す図である。
【図４１】圧電セラミックモジュールの構造の他の例（その２）を示す図である。
【図４２】受圧円筒の全長と、応力との関係を示す図である。
【図４３】海岸近くに設置された場合の応力の発生の様子を説明するための図である。
【図４４】半径が異なる複数の円筒を有する発電モジュールの断面図である。
【図４５】本発明の第９の実施形態に係る海洋環境計測センサ網の全体的な構成を示す斜視図である。
【図４６】本発明の第１０の実施形態に係る海洋環境計測センサ網の全体的な構成を示す斜視図である。
【図４７】本発明の第１１の実施形態に係る海洋環境計測センサ網の全体的な構成を示す斜視図である。
【図４８】本発明の第１２の実施形態に係る海洋環境計測センサ網の全体的な構成を示す斜視図である。
【図４９】本発明の第１３の実施形態に係る海洋環境計測センサ網の全体的な構成を示す斜視図である。
【図５０】複数の受圧円筒を有する発電モジュールを示す図である。
【図５１】乱流発生体を有する発電モジュールを示す図である。
【図５２】センサモジュールを兼ねる発電モジュールの回路図である。
【符号の説明】
【０２０６】
１、１’  海洋環境計測センサ網
２、２’  海洋環境計測センサ
３  信号伝送ケーブル
４、４’  センサモジュール
５、５’、５”  発電モジュール
６  水密容器
７  取付け座
８  容器
９  支柱
１０  容器
１１  受圧円筒
１２  圧電セラミック構造体
１３  防水被覆
１４  空洞
１５  圧電セラミックモジュール
１６  圧電セラミック
１７  電極
２０  電力平均化部
２３Ａ、２３Ｂ  整流回路
３１、３２  圧電セラミック
３３  圧電セラミック構造体
３４Ａ  内周電極
３４Ｂ  外周電極
３５  電極分割部
３６  負荷端
４０  発電モジュール
４１  支柱
４２  取付け座
４３  受圧円筒
４４  緩衝材
４５  圧電セラミック構造体
４６  防水被覆
４７  空洞
５０  発電モジュール
５１  支柱
５２  取付け座
５３  圧電セラミック構造体
５４  緩衝材
５５  防水被覆
５６  空洞
６０  発電モジュール
６１  錘
６２  圧電セラミック構造体
６３  容器
６４  空洞
６５  緩衝材
６６  取付け座
７０  発電モジュール
７１  受圧円筒
７２  圧電セラミック構造体
７３  取付け座
７４  圧電素子
７５  分割電極
７６  電極分割部
７７  防水被覆
７８  圧電素子
７９  絶縁体
８０  発電モジュール
８１、８２  円筒
９０  海洋環境計測センサ網
９１、９２、９３、９４  海洋環境計測センサ
９５  給電ケーブル
１００  海洋環境計測センサ網
１０１  観測船
１１０  海洋環境計測センサ網
１４０  フィルタ
１５０  計測信号出力端
【図１】
2010136535.tif 000003
【図２】
2010136535.tif 000004
【図３】
2010136535.tif 000005
【図４】
2010136535.tif 000006
【図５】
2010136535.tif 000007
【図６】
2010136535.tif 000008
【図７】
2010136535.tif 000009
【図８】
2010136535.tif 000010
【図９】
2010136535.tif 000011
【図１０】
2010136535.tif 000012
【図１１】
2010136535.tif 000013
【図１２】
2010136535.tif 000014
【図１３】
2010136535.tif 000015
【図１４】
2010136535.tif 000016
【図１５】
2010136535.tif 000017
【図１６】
2010136535.tif 000018
【図１７】
2010136535.tif 000019
【図１８】
2010136535.tif 000020
【図１９】
2010136535.tif 000021
【図２０】
2010136535.tif 000022
【図２１】
2010136535.tif 000023
【図２２】
2010136535.tif 000024
【図２３】
2010136535.tif 000025
【図２４】
2010136535.tif 000026
【図２５】
2010136535.tif 000027
【図２６】
2010136535.tif 000028
【図２７】
2010136535.tif 000029
【図２８】
2010136535.tif 000030
【図２９】
2010136535.tif 000031
【図３０】
2010136535.tif 000032
【図３１】
2010136535.tif 000033
【図３２】
2010136535.tif 000034
【図３３】
2010136535.tif 000035
【図３４】
2010136535.tif 000036
【図３５】
2010136535.tif 000037
【図３６】
2010136535.tif 000038
【図３７】
2010136535.tif 000039
【図３８】
2010136535.tif 000040
【図３９】
2010136535.tif 000041
【図４０】
2010136535.tif 000042
【図４１】
2010136535.tif 000043
【図４２】
2010136535.tif 000044
【図４３】
2010136535.tif 000045
【図４４】
2010136535.tif 000046
【図４５】
2010136535.tif 000047
【図４６】
2010136535.tif 000048
【図４７】
2010136535.tif 000049
【図４８】
2010136535.tif 000050
【図４９】
2010136535.tif 000051
【図５０】
2010136535.tif 000052
【図５１】
2010136535.tif 000053
【図５２】
2010136535.tif 000054