(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変形可能な圧電材料を有し、基端が固定された圧電シートと、
前記圧電シートの先端部に連結され、風を受けるフィンと、
前記圧電シートの先端部に取り付けられ、前記フィンの中心より前記圧電シートの前記先端部側に配置された部分と前記圧電シートとを連結させる連結部材と、
を含むことを特徴とする発電素子。
【請求項２】
前記圧電シートの先端部が風上に向けて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
【請求項３】
前記フィンは、前記連結部材を介した前記圧電シートとの連結位置より前記圧電シートの基端側に配置された部分の面積が、前記連結位置より前記圧電シートの先端側に配置された部分の面積より大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発電素子。
【請求項４】
前記連結部材は、
前記圧電シートの先端部に接着された一方の端部と、
前記フィンに接着された他方の端部と、
前記一方の端部から前記他方の端部に至るまでの間に設けられ、前記圧電シートと前記一方の端部との接着部分より先端側に配置された曲げ部分と、
を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発電素子。
【請求項５】
前記圧電シートは、短冊形状を有し、短冊形状の前記圧電シートの先端部で前記連結部材に連結されており、
前記フィンは、細長の四角形状を有し、前記圧電シートの長辺方向と略直交する方向に前記フィンの長辺が配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の発電素子。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の前記発電素子と、
前記発電素子から出力される電力を蓄積するバッテリーと、
前記バッテリーからの電力供給を受けるセンサと、
を含むことを特徴とするモニタリングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電素子及びモニタリングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、建物が地震や経時変化によって受ける損傷を検出する構造ヘルスモニタリングシステムの構築が進められている。構造ヘルスモニタリングシステムは、損傷を検出するセンサと、センサを駆動させるバッテリーと、解析装置とを有し、センサは建物に生じた振動などを検出したときにデータを解析装置に出力する。さらに、解析装置は、データの解析結果に応じて警告などを発令する。また、構造ヘルスモニタリングシステムは、センサでデータを間欠的に取得し、データを取得する度に、又は一定量ごとにまとめたデータを解析装置に送信することも可能である。
【０００３】
ここで、センサがデータを間欠的に送信するケースでは、センサの稼動やデータ送信のための電力が定期的に必要になるので、バッテリーを数ヶ月毎に交換する必要がある。このために、構造ヘルスモニタリングシステムの構築にあたっては、バッテリー交換の工数や、交換のための費用を考慮する必要がある。
【０００４】
従って、従来の構造ヘルスモニタリングシステムには、バッテリーに発電素子を接続してバッテリーに充電しながら使用することで、センサの使用時間を長くすることが検討されている。これは、データを間欠的に送信するとき以外はセンサをスリープ状態にすれば、消費電力を大幅に低減できるので、発電素子が大きな電力を発電できない場合であっても十分にセンサの使用時間を延長できるためである。
【０００５】
バッテリーに接続する発電素子としては、環境に内在するエネルギー、例えば風などの空気流や、振動、太陽光、熱、電磁波などを利用して発電する装置がある。このような発電素子であれば環境等に負荷を与えることなく、必要な電力を発電できる。
【０００６】
例えば、空気流を利用した発電は、大規模な風車による風力発電として実用化されているが、構造ヘルスモニタリングシステムに使用するような小電力の発電には、風によって圧電シートを振動させて発電する方式が提案されている。
【０００７】
圧電シートを用いた発電素子の従来例としては、短冊状の圧電シートの一端を固定し、他端にヒンジを介してシート状の振り子（Pendulum）の端部を取り付けた構成が知られている。この発電素子では、固定端側から振り子に向かって風が吹いたときに発生する渦流によって、木の葉をイメージした振り子を揺らし、振り子に連結されている圧電シートを振動させて発電する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】VERTICAL−STALK FLAPPING-LEAF GENERATOR FOR WIND ENERGY HARVESTING（Proceedings of the ASME 2009 Conference）
【非特許文献２】SMIT、SMIT PRODUCTS PROJECTS、［on line］、［平成２３年１２月５日検索］、インターネット〈URL：http://s-m-i-t.com/#projects_target〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の発電素子では、空気流があってもその流れが殆ど変動しない環境では、振り子の位置が特定の姿勢に維持されるので、圧電シートの撓み量及び撓み方向も一定になる。この状態では圧電シートによる発電量は少なくなる。従って、圧電シートを効率良く振動させて効率良く発電きる発電装置の開発が望まれていた。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、センサに供給する電力を風力を用いて効率良く発電させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態の一観点によれば、変形可能な圧電材料を有し、基端が固定された圧電シートと、前記圧電シートの先端部に連結され、風を受けるフィンと、前記圧電シートの先端部に取り付けられ、前記フィンの中心より前記圧電シートの前記先端部側に配置された部分と前記圧電シートとを連結させる連結部材と、を含むことを特徴とする発電素子が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
フィンが風から受ける力を先端側と基端側とで異ならせることができるので、フィンの位置を変動させ易くなる。圧電シートを確実に振動させられるので、必要な電力が安定して得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係るモニタリングシステムの概略構成の一例を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る発電素子の一例を示す平面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施の形態に係る連結部材であるヒンジの一例を示す展開図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の実施の形態に係る連結部材であるヒンジの一例を示す斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る発電素子の作用の一例を説明する模式図である。（その１）
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係る発電素子の作用の一例を説明する模式図である。（その２）
【図６】図６は、本発明の実施の形態に係る発電素子の作用の一例を説明する模式図である。（その３）
【図７】図７は、本発明の実施の形態に係る発電素子の作用の一例を説明する模式図である。（その４）
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係る発電素子から出力される電圧波形と、比較例の電圧波形の一例を示す図である。
【図９】図９は、図８の比較例となる発電素子の概略構成を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態に係る発電装置の充電回路における電荷の時間変化の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態に係るモニタリングシステムの適用例を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態に係るモニタリングシステムの別の適用例を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態に係るモニタリングシステムのさらに別の適用例を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の変形例に係る連結部材であるヒンジの展開図である。（その１）
【図１５】図１５は、本発明の実施の変形例に係る連結部材であるヒンジの展開図である。（その２）
【図１６】図１６は、本発明の実施の変形例に係る連結部材であるヒンジの展開図である。（その３）
【発明を実施するための形態】
【００１４】
発明の目的及び利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素及び組み合わせによって実現され達成される。
前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明は、典型例及び説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない。
【００１５】
図１に、モニタリングシステムの一例としての構造ヘルスモニタリングシステムの概略構造を示す。構造ヘルスモニタリングシステム１には、建物などの構造物の状態を検出するセンサ２と、センサ２に電力を供給するバッテリー３と、バッテリー３に充電する発電装置４とが含まれている。さらに、構造ヘルスモニタリングシステム１には、センサ２が出力するデータを受け取って処理する不図示の解析装置が有線又は無線でセンサ２に接続されている。
【００１６】
ここで、発電装置４は、充電回路５と発電素子６とを有する。図１と、図２の平面図に示すように、発電素子６は、建築物の壁などに固定される固定端１０を有する。固定端１０には、圧電シート１１の基端が固定されている。圧電シート１１は、短冊形状を有し、先端部には連結部材である柔構造のヒンジ１２を介して風受けフィン１３が連結されている。圧電シート１１から出力される電流は、固定端１０を介して電気的に接続された充電回路５に入力される。充電回路５は、ダイオードブリッジで構成される整流回路１５を有し、コンデンサ１６を経た後にＤＣ／ＤＣコンバータ１７を介してバッテリーに接続されている。
【００１７】
圧電シート１１は、例えば薄膜圧電材料をポリエステルでラミネート加工したものが用いられる。薄膜圧電素子材料には、例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：Polyvinylidenefluoride）がある。薄膜圧電素子材料をラミネート加工することで、圧電シートの曲げに対しての反発力（元に戻ろうとする力）を発生させ易くなっている。
【００１８】
図３Ａに展開図を示すように、柔構造のヒンジ１２は、長方形の薄板状の部材からなる。図１と、図３Ｂの斜視図に示すように、ヒンジ１２は、薄板状の部材を中央で曲げて形成され、一方の端部が圧電シート１１の先端部に接着される。さらに、図１に示すように、ヒンジ１２は、圧電シート１１との接着部分２１から圧電シート１１の先端に向かって、かつ圧電シート１１に沿って配置され、圧電シート１１の先端面より手前で曲げられた後、他方の端部において風受けフィン１３に接着されている。
【００１９】
ヒンジ１２を曲げることで形成される一方の片１２Ａは、その端部のみが圧電シート１１の先端部に接着されている。接着部分２１から曲げ部分２２に至るまでの間は、圧電シート１１に沿って配置されているが、圧電シート１１には接着されていない。ヒンジ１２を曲げて形成された他方の片１２Ｂは、その端部のみが接着部分２３によって風受けフィン１３に接着されている。接着部分２３から曲げ部分２２に至るまでの間は、風受けフィン１３に沿って配置されているが、風受けフィン１３には接着されていない。従って、ヒンジ１２は、一部分のみで圧電シート１１に接続されており、接着部分２１と曲げ部分２２とは、圧電シート１１の長辺方向にオフセットさせてある。また、ヒンジ１２は、一部分のみで風受けフィン１３に接続されており、接着部分２３と曲げ部分２２とは、風受け
フィン１３の短辺方向にオフセットさせてある。
【００２０】
このために、図３Ｂに示すように、ヒンジ１２は、曲げ部分２２を中心として矢印Ａ１に示すような曲げ（開閉）方向のみの移動だけでなく、矢印Ａ２や矢印Ａ３に一例を示すようなヒンジ１２の薄板状の部材を捻る方向にも移動が可能である。これに伴って、図１や図２に示すように、風受けフィン１３もヒンジ１２の曲げ方向（Ａ１）だけでなく、矢印Ａ２や矢印Ａ３に例示される方向のように、高い自由度を持って圧電シート１１に対して移動可能に連結される。
【００２１】
ここで、矢印Ａ１に示す曲げ方向とは、ヒンジ１２の２つの接着部分２１，２３が曲げ部分２２を基点として近接したり離間したりする運動の方向をいう。矢印Ａ２に示す方向とは、例えば風受けフィン１３が面内回転する方向である。矢印Ａ３に示す方向とは、例えば風受けフィン１３を軸線回りに傾斜させる方向である。
【００２２】
このようなヒンジ１２は、例えば天然ゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴムなどの樹脂や、アルミニウムやステンレスなどの金属性薄板を用いて製造されている。
【００２３】
風受けフィン１３は、細長の四角形状を有し、圧電シート１１の長辺方向と略直交する方向に風受けフィン１３の長辺が配置されている。風受けフィン１３の長辺は、圧電シート１１の短辺（幅）より大きい。従って、風受けフィン１３の両側部は、圧電シート１１の側面を越えて延びている。
【００２４】
さらに、図１及び図２に示すように、風受けフィン１３とヒンジ１２の接着部分２３は、風受けフィン１３の短辺方向の中点から先端側にオフセットさせた位置に設けられている。このために、接着部分２３の中点から風受けフィン１３の先端までの距離Ｄ１は、接着部分２３の中点から風受けフィン１３の反対側の端面までの距離Ｄ２より短い。即ち、接着部分２３の中点より先端側の領域Ｒ１の面積Ｓ１は、接着部分２３の中点より基端側の領域Ｒ２の面積Ｓ２より小さい。このような風受けフィン１３は、風に対して所定の剛性を有する材料、例えば、樹脂シートや、紙を用いて製造され、必要に応じてプラスチック等の樹脂でラミネートされる。
【００２５】
次に、構造ヘルスモニタリングシステム１の作用について説明する。
まず、発電素子６の発電メカニズムについて説明する。発電素子６は、構造ヘルスモニタリングシステム１の設置時に、構造物に固定端１０を固定する。このときに、想定される空気流の風上側に風受けフィン１３が配置されるように発電素子６の向きを調整する。このために、発電素子６は、基端側が風下に配置され、先端側が風上に配置されることになる。
【００２６】
以下、図４から図７を主に参照して、発電素子６の圧電シート１１が空気流によって振動する仕組みを説明する。各図において、空気流は、矢印Ｗ１に示すように左から右に流れている。即ち、風上が圧電シート１１の先端側になり、固定端１０が風下になる。また、風受けフィン１３に重ねて表示されている矢印は、風受けフィン１３が空気流から受ける力を模式的に示している。
【００２７】
最初に、図４に示すように、想定された向きに風が吹いて風受けフィン１３が傾斜した姿勢になったとする。このとき、風受けフィン１３は、接着部分２３より先端（風上）側の領域Ｒ１が接着部分２３より上側に、接着部分２３から基端（風下）側の領域Ｒ２が接着部分２３より下側に配置されている。従って、この状態では、風受けフィン１３は、空気流を下面１３Ｂで受けており、空気流は風受けフィン１３を押し上げるように作用する。これに伴って、風受けフィン１３に連結された圧電シート１１は、先端部分が起き上が
るように変形させられている。圧電シート１１の基端部は固定端１０に固定されているので、圧電シート１１には先端部分の変形量及び変形方向に応じた電流が発生する。このときに発生した電流は、充電回路５に入力される。
【００２８】
ここで、風受けフィン１３は、中心から風上側にオフセットした位置でヒンジ１２に連結されているので、先端（風上）側の領域Ｒ１と、基端（風下）側の領域Ｒ２とで、それぞれの領域の面積Ｓ１，Ｓ２の比に応じて空気流から受ける力の大きさが異なる。具体的には、先端側の領域Ｒ１の面積Ｓ１に比べて基端側の領域Ｒ２の面積Ｓ２が大きいので、空気流から受ける力も基端側の領域Ｒ２の方が大きくなる。
【００２９】
このように、発電素子６は、風受けフィン１３が空気流から受ける力が主に風上側と風下側でアンバランスになるように構成されているので、空気流によって風受けフィン１３の姿勢が変化させられる。即ち、より多くの力を受ける基端側の領域Ｒ２が、相対的に、先端側の領域Ｒ１よりも上方に押し上げられるが、風受けフィン１３は、ヒンジ１２を介して圧電シート１１に連結されているので、ヒンジ１２の接着部分２３を支点にして領域Ｒ２が領域Ｒ１に対して相対的に持ち上げられる方向に回動する。これに伴って、風受けフィン１３の先端側の領域Ｒ１が下がる。このために、風受けフィン１３が空気流に略平行な姿勢に近づく。
【００３０】
図５に示すように、風受けフィン１３が空気流に略平行な姿勢に近づくと、風受けフィン１３が風から受ける力は小さくなる。従って、圧電シート１１を曲げようとする力が弱まるので、圧電シート１１の反発力によって、風受けフィン１３が元の位置に戻る。そして、圧電シート１１の変形量が減少することによって圧電シート１１の発電量が減少する。
【００３１】
また、風受けフィン１３が空気流に略平行な姿勢に近づくことで、先端側の領域Ｒ１と基端側の領域Ｒ２のそれぞれで受ける風の力が小さくなる。これに伴って、２つの領域差Ｒ１，Ｒ２が受ける風の力の差も小さくなる。しかしながら、面積が大きい領域Ｒ２側の方が風から受ける力が相対的に大きいので、風受けフィン１３は、下流側の領域Ｒ２が押し上げられる状態が継続する。即ち、風受けフィン１３が風から受ける力は小さくなって、圧電シート１１の変形は殆どなくなるが、圧電シート１１にヒンジ１２を介して連結されている風受けフィン１３は下流側の領域Ｒ２が相対的に押し上げられる。
【００３２】
そして、風受けフィン１３の下流側の領域Ｒ２が風に略平行な位置を越えて上側に押し上げられると、風受けフィン１３は上面１３Ａで空気流を受けるようになる。これによって、図６に示すように、風受けフィン１３は、圧電シート１１の先端部分を下方に押し下げる方向に移動し始める。風受けフィン１３の傾斜角度が大きくなると、風受けフィン１３が風から受ける力が大きくなり、風受けフィン１３が全体として押し下げられる。これに伴って、風受けフィン１３にヒンジ１２を介して連結されている圧電シート１１が先端部分を中心にして下方に曲げられ、圧電シート１１が発電する。風受けフィン１３が下方に押し下げられる程、圧電シート１１は、大きく変形し、発電量も大きくなる。圧電シート１１の変更方向が図４の反対方向なので、発電によって形成される電圧の極性が反対になる。
【００３３】
また、風受けフィン１３においては、より多くの力を受ける下流側の領域Ｒ２が領域Ｒ１より押し下げられる。風受けフィン１３はヒンジ１２を介して圧電シート１１に連結されているので、ヒンジ１２の接着部分２３を支点にして領域Ｒ１が領域Ｒ２に対して相対的に持ち上げられる方向に回動する。これによって、風受けフィン１３は空気流に略平行な姿勢になるように回動させられる。
【００３４】
図７に示すように、風受けフィン１３が回動して傾斜角度が小さくなると、風受けフィン１３が空気流から受ける力が小さくなるので、圧電シート１１を変形させる力も小さくなる。その結果、圧電シート１１が反発力によって復元して元に戻る。圧電シート１１の変形量が小さくなるので、発電量は小さくなる。
【００３５】
この状態で、再び、風受けフィン１３の上流側の領域Ｒ１が空気流に略平行な位置を越えて上側に押し上げられると、風受けフィン１３は下面１３Ｂで空気流を受けるようになる。この後は、図４に示す姿勢に風受けフィン１３が押し上げられる。
【００３６】
以上の動作が繰り返されることによって、圧電シート１１が振動し、継続的に発電することができる。図４から図７を参照して説明したように、この発電素子６では、風受けフィン１３の中心からヒンジ１２の連結位置をずらすことで、風受けフィン１３のバランスが変化し易くなっている。さらに、ヒンジ１２が風受けフィン１３と圧電シート１１が高い自由度を有して連結されているので、上下の振動だけでなく、捩れ方向にも風受けフィン１３を移動させることができ、風受けフィン１３が受けた風を容易に逃がすことができる。これらのことから、発電素子６は、先端部分を容易に、かつ確実に振動させることが可能である。従って、空気流が殆ど一定であっても、風受けフィン１３及び圧電シート１１を継続的に振動させることが可能で、安定した発電が見込める。
【００３７】
ここで、この発電素子６で発電する電圧の最大値は、圧電シート１１の変形量が最も大きくなったときに発生する。
図８に、発電素子６から出力される電圧波形の一例を示す。横軸は時間の経過を示し、縦軸は出力電圧を示す。ラインＬ１は、実施の形態における発電素子６の出力波形を示す。図４から図７を参照して説明したように圧電シート１１が振動することによって、発電素子６は±２Ｖ程度の範囲で周期的に変動する電圧を出力する。ラインＬ１に示す電圧波形において、上側のピーク値は、風受けフィン１３が空気流で最も押し上げられたとき、即ち圧電シート１１の変形量が上向きに最大になるところで出力される。下側のピーク値は、風受けフィン１３が空気流で最も押し下げられたとき、即ち圧電シート１１の変形量が下向きに最大になるところで出力される。ここで、出力電圧値の大きさは、圧電シート１１の面積等に依存する量である。
【００３８】
これに対して、比較例として、図９に示すように、圧電シート１１に風受けフィン１３を固定した発電素子４１の発電特性を調べた。ここで、発電素子４１は、風受けフィン１３が圧電シート１１に２つの固定部４２，４３で固定されている。固定部４２は、風受けフィン１３の下流側に形成されており、固定部４３は中点より上流側に形成されている。従って、発電素子４１は、風受けフィン１３と圧電シート１１とが略一体となって振動し、圧電シート１１の振動に伴って電圧が発生する。
【００３９】
図８のラインＬ２に示すように、比較例の発電素子４１の出力電圧値は±０．５Ｖ程度であった。これは、風受けフィン１３が圧電シート１１に固定されているために風受けフィン１３が受けた風力を逃がすことができずに一方向に圧電シート１１が曲がった状態が維持され易いためであると考えられる。また、比較例の発電素子４１では、空気流による圧電シート５の振動幅は小さく、風力の変化がなければ効率的に振動を発生することができないため、小さな出力電圧しか得られない。以上、比較例を参照して説明したように、この実施の形態の発電素子６では、一定風力の場合でも、より大きな振動エネルギーを得ることができる。
【００４０】
ここで、図８のラインＬ１に示したような発電素子６で発生した電圧は、図１に示す充電回路５に入力される。充電回路５では、発電素子６で発電した電圧によって生じる電流が整流回路１５によって整流され、このときに生成された電荷がコンデンサ１６に蓄積さ
れる。充電回路５で生成される電圧波形の一例を、図１０に示す。図１０の横軸は時間の経過を示し、縦軸は電圧を示す。図１０の上段は、コンデンサ１６に蓄積される電荷量の時間変化を示す。さらに、下段は、バッテリー３に充電される電荷を示す。図１０の上段に示すように、コンデンサ１６には、時間の経過と共に、電荷が蓄積される。そして、蓄積電荷量が一定量に達すると、図１０の下段に示すようにＤＣ／ＤＣコンバータ１７によって所定の電圧が出力され、バッテリー３に充電される。
【００４１】
圧電シート１１の変形は、主に風受けフィン１３の位置が空気流によって変動させられることによって発生する。風受けフィン１３は、ヒンジ１２の開閉方向だけでなく、その他の方向にも移動することができるので、風受けフィン１３及び圧電シート１１の振動は周期的にはならないことがある。この場合でも、圧電シート１１が継続して振動することで、発電が継続的に行われる。
【００４２】
この実施の形態に係る構造ヘルスモニタリングシステム１を用いた構造物の検査では、センサ２がバッテリー３の電力を使用して、構造物の状態を検出したデータを取得する。取得したデータは、不図示の解析装置に送信され、データ解析される。例えば、センサ２が加速度センサであった場合には、センサ２が加速度を検出したときにデータを解析装置に送信する。解析装置は、取得したデータに基づいて建物の異常を判断する。また、センサ２が間欠的に動作するタイプでは、バッテリー３からの電力供給を受けてセンサ２が駆動し、取得したデーが解析装置に送信される。いずれのケースにおいても、センサ２の稼動に伴ってバッテリー３の充電量は低下するが、発電装置４によって随時充電される。
【００４３】
また、例えば、図１１に示すように、河川や港湾にかかる橋などの構造物の梁４４に発電素子６を取り付けた場合には、梁４４に向かって吹く風によって風受けフィン１３が振動する。これに伴って、圧電シード１１が発電する。梁４４にセンサ２として例えば不図示の加速度センサが取り付けられた場合には、梁４４や、梁４４を含む橋の振動を検出できる。バッテリー３には発電素子６によって電力が蓄積されるので、バッテリー３の交換頻度を大幅に抑制しつつ、梁４４や橋の振動をモニターできる。また、梁４４に不図示のセンサとして超音波センサを取り付けると、梁４４に亀裂が入ったときなどに、そのような変化を検出できる。発電素子６の発電力が少ない場合であっても、センサを間欠的に稼動させる場合には、十分な電力を供給することができる。
【００４４】
以上、説明したように、この実施の形態では、発電素子６の風受けフィン１３を空気流の上流側に配置し、風受けフィン１３の中心から上流側にオフセットさせた位置で圧電シート１１に連結した。これによって、ヒンジ１２との連結位置を基点とした上流側と下流側とで風受けフィン１３が空気流から受ける力にばらつきを生じさせることが可能になるので、風受けフィン１３のバランスを変化させ易くなる。このために、空気流が殆ど一定の流れになっている場合でも、風受けフィン１３の位置を容易に変動させられる。圧電シート１１の振動は、風受けフィン１３の位置が変動することによって生じるので、圧電シート１１を振動させ易くなり、圧電シート１１において継続的な発電が可能になる。さらに、圧電シート１１の振動を大きくすることができるので、発電量を増大できる。
【００４５】
また、この実施の形態では、圧電シート１１と風受けフィン１３の連結を柔構造のヒンジ１２にした。柔構造のヒンジ１２は、曲げ方向に加えて捩れ方向の移動も許容するような高い自由度を有して圧電シート１１と風受けフィン１３を連結できるので、風受けフィン１３の位置を空気流に応答して変動させ易い。これによって、より確実に、安定した発電が可能になる。さらに、ヒンジ１２の接着部分２１，２３の位置と、曲げ部分２２を空気流の流れ方向にオフセットさせたので、風受けフィン１２を面内回転や傾斜などが容易になっている。このことも、圧電シート１１を振動させ易くする要因になっている。これらのことから、この実施の形態の圧電素子６では、安定した発電と、効率の良い発電が実
現できる。
【００４６】
また、この実施の形態のモニタリングシステムでは、バッテリー３に適宜充電しながら運用できるので、環境や構造物のモニタリングを長時間行える。バッテリー３の交換頻度を低下できるので、環境や構造物の効率良く管理できる。
【００４７】
ここで、モニタリングシステムの他の適用例について説明する。図１２に示すモニタリングシステム４５は、屋内の産業用機器、例えば冷却ファン４６のセンサシステムとして構築されている。センサ２は、例えば、冷却ファン４６の電力モニターになっている。発電素子６は、冷却ファン４６の吹き出し口の近傍に設けられ、固定端１０が風下に、風受けフィン１３が風上に配置されている。
【００４８】
このモニタリングシステム４５では、産業用機器を、産業用機器が発生する風を利用した発電によってバッテリー３に充電しながら、産業用機器の動作をモニターすることができる。冷却ファン４６が稼動している間、圧電シート１１が継続して振動するので、発電素子６は安定した発電が可能である。産業用機器は、冷却ファイン４６に限定されない。また、センサ２は、冷却ファン４６以外の装置をモニターしても良い。
【００４９】
また、図１３に示すモニタリングシステム４７は、屋内の空調用ファン４８からの風を利用して発電するように構築されている。センサ２は、空調用ファン４８の動作を監視するセンサでも良いし、空調用ファン４８が設置された建物の状態を検出するセンサでも良い。また、建物内に設置された他の装置のために用いられるセンサでも良い。発電素子６は、空調用ファン４８の吹き出し口の近傍に設けられ、固定端１０が風下に、風受けフィン１３が風上に配置されている。
この環境モニタリングシステム４７では、空調用ファン４８から出力される風を利用した発電によってバッテリー３に充電しながら、建物などの動作をモニターすることができる。空調用ファン４８が稼動している間、圧電シート１１が継続して振動するので、発電素子６は安定した発電が可能である。
【００５０】
さらに、発電素子６の連結部材は、ヒンジ１２に限定されない。また、連結部材にヒンジを用いる場合の変形例を以下に説明する。
図１４に展開図を示すヒンジ５１は、薄板状の部材の中央部分の幅が切り欠き５２によって減少させられている。切り欠き５２は、両側のそれぞれに三角形状になっている。折り曲げられる中央部分の幅を減少させることで、圧電シート１１に対する風受けフィン１３の連結の自由度をさらに増加させられる。その結果、圧電シート１１がさらに振動し易くなって、発電量が増加する。切り欠き５２の曲面形状でも良い。
【００５１】
また、図１５に展開図を示すヒンジ６１は、薄板状の部材の中央部分の幅が四角形の切り欠き６２によって減少させられている。切り欠き６２は、両側のそれぞれに形成されており、中央部分の幅を減少させることで、圧電シート１１に対する風受けフィン１３の連結の自由度をさらに増加させられる。その結果、圧電シート１１がさらに振動し易くなって、発電量が増加する。
【００５２】
図１６に展開図を示すヒンジ７１は、薄板状の部材の中央部分に四角形の開口部７２が形成されることで、曲げ部分２２の幅を減少させている。これによって、圧電シート１１に対する風受けフィン１３の連結の自由度をさらに増加させられる。その結果、圧電シート１１がさらに振動し易くなって、発電量が増加する。
【００５３】
ここで挙げた全ての例及び条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明及び概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例及び条
件に限定することなく解釈するものであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換及び変形を施すことができる。
【００５４】
以下に、前記の実施の形態の特徴を付記する。
（付記１）
変形可能な圧電材料を有し、基端が固定された圧電シートと、前記圧電シートの先端部に連結され、風を受けるフィンと、前記フィンを中心から先端側にオフセットさせた位置で、前記フィンと前記圧電シートを連結させる連結部材と、を含むことを特徴とする発電素子。
（付記２）  前記圧電シートの先端部が風上に向けて配置されていることを特徴とする付記１に記載の発電素子。
（付記３）  前記フィンは、連結位置より先端側の面積が連結位置より基端側の面積が大きいことを特徴とする付記１又は付記２に記載の発電素子。
（付記４）  前記フィンは、板状部材を曲げて形成した前記連結部材を介して前記圧電シートに連結されており、前記連結部材は、一端部が前記圧電シートに固定され、他端部が前記フィンに固定され、一端部から他端部に至るまでの間に、先端側に凸となるように曲げて形成されていることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか一項に記載の発電素子。
（付記５）  前記連結部材は、曲げられている部分の幅が他に比べて減少させられていることを特徴とする付記４に記載の発電素子。
（付記６）  付記１乃至付記４のいずれか一項に記載の前記発電素子と、前記発電素子から出力される電力を蓄積するバッテリーと、前記バッテリーからの電力供給を受けるセンサと、を含むことを特徴とするモニタリングシステム。
【符号の説明】
【００５５】
１  構造ヘルスモニタリングシステム（モニタリングシステム）
２  センサ
３  バッテリー
６  発電素子
１１  圧電シート
１２，５１，６１，７１  ヒンジ（連結部材）
１３  風受けフィン
４５，４７  モニタリングシステム
Ｒ１  風上側の領域
Ｒ２  風下側の領域
Ｓ１  風上側の面積
Ｓ２  風下側の面積
【図１】
0005961991.tif 000002
【図２】
0005961991.tif 000003
【図３Ａ】
0005961991.tif 000004
【図３Ｂ】
0005961991.tif 000005
【図４】
0005961991.tif 000006
【図５】
0005961991.tif 000007
【図６】
0005961991.tif 000008
【図７】
0005961991.tif 000009
【図８】
0005961991.tif 000010
【図９】
0005961991.tif 000011
【図１０】
0005961991.tif 000012
【図１１】
0005961991.tif 000013
【図１２】
0005961991.tif 000014
【図１３】
0005961991.tif 000015
【図１４】
0005961991.tif 000016
【図１５】
0005961991.tif 000017
【図１６】
0005961991.tif 000018