(57)【要約】  発電装置は、固有振動数がｆAである保持部１０１と、保持部１０１に保持され、固有振動数が互いに異なる２以上の振動発電素子１０５とを備えている。振動発電素子１０５のうち、固有振動数が最も低い振動発電素子の固有振動数ｆBminは以下の式１を満たし、固有振動数が最も高い振動発電素子の固有振動数ｆBmaxは以下の式２を満たす。但し、Ｎは振動発電素子１０５の個数である。ｆBmin≧（０．９２５−２．５Ｎ／１００）ｆA・・・（式１）ｆBmax≦（１．０７５＋２．５Ｎ／１００）ｆA・・・（式２）
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固有振動数がｆAである保持部と、
前記保持部に保持され、固有振動数が互いに異なる２以上の振動発電素子とを備え、
前記振動発電素子のうち、固有振動数が最も低い振動発電素子の固有振動数ｆBminは以下の式１を満たし、固有振動数が最も高い振動発電素子の固有振動数ｆBmaxは以下の式２を満たす、発電装置。
ｆBmin≧（０．９２５−２．５Ｎ／１００）ｆA  ・・・  （式１）
ｆBmax≦（１．０７５＋２．５Ｎ／１００）ｆA  ・・・  （式２）
但し、Ｎは振動発電素子の個数である。
【請求項２】
前記振動発電素子のうち、固有振動数が低い方からｎ番目の振動発電素子の固有振動数ｆBnと、ｎ＋１番目の振動発電素子の固有振動数ｆBn+1とは、以下の式３を満たす、請求項１に記載の発電装置。
ｆBｎ＜０．９５５ｆBn+1  ・・・  （式３）
【請求項３】
前記振動発電素子のうち、固有振動数が低い方からｎ番目の振動発電素子の固有振動数ｆBnと、ｎ＋１番目の振動発電素子の固有振動数ｆBn+1とは、以下の式４を満たす、請求項１又は２に記載の発電装置。
ｆBｎ+1≦１．１５ｆBn  ・・・  （式４）
【請求項４】
前記振動発電素子は、それぞれ圧電素子と一体となった板バネと、前記板バネに取り付けられた振動素子質量部材とを有している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項５】
前記圧電素子は、前記板バネの表面に設けられた圧電体膜を有し、
前記圧電体膜には圧縮応力が付与されている、請求項４に記載の発電装置。
【請求項６】
前記板バネは、一方の端部が前記保持部に固定され、他方の端部は自由端となっている、請求項４又は５に記載の発電装置。
【請求項７】
前記振動素子質量部材の前記板バネにおける位置は、調整可能である、請求項４〜６のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項８】
前記保持部は、保持部質量部材を有し、
前記保持部質量部材は、前記振動発電素子を収容する収容空間を有し、
前記保持部質量部材の重心は、前記収容空間内に設定されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、発電装置に関し、特に振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、特定方向に圧力を加えられることにより、電気的な分極を誘起して電圧を発生させる。圧電素子を利用した発電装置は、機械的変位を電圧に変換し発電する。身近な機械的変位として、例えば、振動がある。振動により発電できれば、電源を用意することなく電子機器を動作させることができる。【０００３】
振動により発電する方法として、例えば、圧電素子を振動板に取り付けた振動発電素子を用いる方法がある。この方法は、振動発電素子の固有振動数と入力される振動の振動数とが一致している場合に、振動発電素子に大きな機械的変位を与えられるため、効率良く発電できる。【０００４】
しかし、この方法は、振動発電素子の固有振動数と入力される振動の振動数とが異なっている場合に、振動発電素子に与えられる機械的変位を減少させてしまう。そのため、この方法を用いた発電装置は、効率良く発電できる振動数範囲が狭くなってしまう。【０００５】
機械装置や構造物等の振動は、種々の条件により変動し、一定ではない。そのため、この方法を用いた発電装置は、安定して電力を供給できる電源を構築することが困難である。【０００６】
効率よく発電できる振動数範囲を拡げるために、それぞれ固有振動数の異なる複数の振動発電素子を組み合わせる方法が検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。しかし、この方法は、各振動発電素子がばらばらに作動しているに過ぎない。そのため、この方法を用いた発電装置は、広い振動数範囲で効率良く発電しにくい。【０００７】
広い振動数範囲において効率良く発電するために、振動発電素子とは異なる固有振動数の保持部に振動発電素子を取り付けた、２自由度の振動系とする方法が検討されている（例えば、特許文献２を参照。）。この方法は、２つの振動系を組み合わせることによって、振動発電素子単独の場合と比べて数倍の振動数範囲において発電できる。そのため、この方法を用いた発電装置は、トータルの発電量を増大させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−１５２００４号公報
【特許文献２】国際公開２０１５／０８７５３７号パンフレット
【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、さらに発電量を増大させることが要求されている。また、振動数が変動しても安定して発電できる、発電量の振動数依存の小さい発電装置が望まれている。固有振動数が異なる発電装置を複数設置すれば、発電量を増大させたり、発電量の振動数依存性を低減したりできる。しかし、複数の発電装置を設置しようとすると、設置面積が増大するという問題がある。共通の保持部に複数の振動発電素子を取り付けることができれば、設置面積を縮小できるだけでなく、発電装置のコストも低減できると期待される。【００１０】
ところが、本願発明者らは、１つの保持部に取り付ける振動発電素子の数を単純に増やして発電装置を構成した場合、振動発電素子同士の干渉を生じさせ、発電効率の低下や発電量の振動数依存性の増大を引き起こすという問題を見出した。【００１１】
本開示の課題は、本願発明者らの見出した問題を解決し、複数の振動発電素子を１つの保持部に取り付けた発電装置において、発電効率の向上及び発電量の振動数依存の低減の少なくとも一方を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発電装置の一態様は、固有振動数がｆAである保持部と、保持部に保持され、固有振動数が互いに異なる２以上の振動発電素子とを備え、振動発電素子のうち、固有振動数が最も低い振動発電素子の固有振動数ｆBminは以下の式１を満たし、固有振動数が最も高い振動発電素子の固有振動数ｆBmaxは以下の式２を満たす。
ｆBmin≧（０．９２５−２．５Ｎ／１００）ｆA・・・（式１）
ｆBmax≦（１．０７５＋２．５Ｎ／１００）ｆA・・・（式２）
但し、Ｎは振動発電素子の個数である。
【発明の効果】
【００１３】
本開示の発電装置によれば、発電効率の向上及び発電量の振動数依存の低減の少なくとも一方を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は一実施形態に係る発電装置を示す断面図である。
【図２】図２は一実施形態に係る発電装置を説明するための振動モデルである。
【図３】図３は振動発電素子を示す断面図である。
【図４】図４は一実施形態に係る発電装置の第１変形例を示す断面図である。
【図５】図５は一実施形態に係る発電装置の第２変形例を示す断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは装置１の測定結果を示すグラフである。
【図６Ｂ】図６Ｂは装置２の測定結果を示すグラフである。
【図６Ｃ】図６Ｃは装置３の測定結果を示すグラフである。
【図６Ｄ】図６Ｄは装置４の測定結果を示すグラフである。
【図６Ｅ】図６Ｅは装置５の測定結果を示すグラフである。
【図６Ｆ】図６Ｆは装置６の測定結果を示すグラフである。
【図６Ｇ】図６Ｇは装置７の測定結果を示すグラフである。
【図６Ｈ】図６Ｈは装置８の測定結果を示すグラフである。
【図６Ｉ】図６Ｉは装置９の測定結果を示すグラフである。
【図６Ｊ】図６Ｊは装置１０の測定結果を示すグラフである。
【図７Ａ】図７Ａは装置１１の測定結果を示すグラフである。
【図７Ｂ】図７Ｂは装置１２の測定結果を示すグラフである。
【図７Ｃ】図７Ｃは装置１３の測定結果を示すグラフである。
【図７Ｄ】図７Ｄは装置１４の測定結果を示すグラフである。
【図７Ｅ】図７Ｅは装置１５の測定結果を示すグラフである。
【図７Ｆ】図７Ｆは装置１６の測定結果を示すグラフである。
【図７Ｇ】図７Ｇは装置１７の測定結果を示すグラフである。
【図７Ｈ】図７Ｈは装置１８の測定結果を示すグラフである。
【図７Ｉ】図７Ｉは装置１９の測定結果を示すグラフである。
【図７Ｊ】図７Ｊは装置２０の測定結果を示すグラフである。
【図７Ｋ】図７Ｋは装置２１の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、一実施形態の発電装置１００が、振動部材２００に取り付けられている状態を示している。発電装置１００を使用する方向に限定はないが、以下においては振動部材２００側を下、振動部材２００と反対側を上として説明する。
【００１６】
図１に示すように、発電装置１００は、保持部１０１と、保持部１０１に取り付けられたＮ（Ｎ≧２）個の振動発電素子１０５とを有している。図１において保持部１０１は、弾性部材１１１と保持部質量部材１１３とを有し、保持部振動系を構成している。振動発電素子１０５は、板バネ１５１と、素子質量部材１５３と、圧電素子１５５とを有し、素子振動系を構成している。図１には、Ｎが２である例を示している。
【００１７】
振動部材２００は、振動を発生させるあらゆるものが含まれる。例えば、運輸機械、工作機械及び家電製品等を含む機械類並びにその構成部品が含まれる。例えば、自動車、電車航空機、冷蔵庫及び洗濯機等が含まれる。また、これらに使用されているボディ、エンジン、モータ、シャフト、マフラ、バンパ、タイヤ、コンプレッサ及びファン等が含まれる。さらに、建物、道路及び橋等を含む建造物並びにそれに付随する柱、壁及び床等の構造部材や、エレベータ及びダクト等の設備などが含まれる。
【００１８】
保持部質量部材１１３は、弾性部材１１１により振動部材２００に弾性連結されている。保持部質量部材１１３は、振動発電素子１０５を収容する収容空間１１３ａを有するケース１１５と蓋１１６とを含む。
【００１９】
図１においては、ケース１１５に収容された振動発電素子１０５のそれぞれは、板バネ１５１の一方の端部が、ケース１１５の底面から突出する固定用突部１１７に固定されている。また、板バネ１５１の反対側の自由端には素子質量部材１５３が取り付けられている。このため、各素子質量部材１５３が保持部質量部材１１３に対して板バネ１５１により弾性連結された片持梁状の構造となっている。従って、素子質量部材１５３の保持部質量部材１１３に対する相対変位は、板バネ１５１の板厚方向における弾性変形によって許容される。このように、保持部振動系と、それぞれの素子振動系とは２自由度の振動系を構成し、全体としては自由度がＮ＋１の振動系を構成する。
【００２０】
Ｎ個の振動発電素子を有する発電装置は、図２に示すような振動モデルで表現することができる多自由度振動系となる。なお、図２においてｍAは保持部質量部材１１３の質量、ｋAは弾性部材１１１のバネ定数、ｘAは保持部質量部材１１３の変位量である。また、ｍBnはｎ番目の振動発電素子の素子質量部材１５３の質量、ｋBnはｎ番目の振動発電素子の板バネ１５１のバネ定数、ｘBnはｎ番目の振動発電素子の素子質量部材１５３の変位量である。Ｆ0sin2πftは、振動部材２００から発電装置１００に入力される振動荷重である。
【００２１】
保持部１０１単体の１自由度振動系の固有振動数ｆAは、以下の式に示すように、弾性部材１１１のｋAと、保持部質量部材１１３の質量ｍAとにより決定される。なお、ｍAを保持部質量部材１１３の質量として表現するが、厳密にはケース１１５及び蓋１１６を含む保持部質量部材１１３の質量と、それに取り付けられている発電素子等の質量の総和である。
【００２２】
【数１】
2018142714.tif 000003
【００２３】
ｎ番目の振動発電素子１０５単体の１自由度振動系の固有振動数ｆBnは、以下の式に示すように、板バネ１５１の弾性係数ｋBnと、素子質量部材１５３の質量ｍBnとにより決定される。なお、ｍBnを素子質量部材１５３の質量として表現するが、厳密には板バネ１５１及び圧電素子１５５の寄与分が含まれる。
【００２４】
【数２】
2018142714.tif 000004
【００２５】
本実施形態の発電装置において、１つの保持部１０１に固定されている複数の振動発電素子１０５の固有振動数は互いに異なっている。また、最も低い固有振動数ｆBminは以下の式１を満たし、最も高い固有振動数ｆBmaxは以下の式２を満たす。
ｆBmin≧（０．９２５−２．５Ｎ／１００）ｆA  ・・・  （式１）
ｆBmax≦（１．０７５＋２．５Ｎ／１００）ｆA  ・・・  （式２）
ここで、Ｎは、１つの保持部１０１に固定されている振動発電素子１０５の個数である。
【００２６】
保持部１０１に取り付けられている複数の振動発電素子１０５の固有振動数をこのような範囲とすることにより、発電素子単体の場合と比べて、発電効率の向上及び振動数依存性の低減をすることができる。
【００２７】
さらに、ｆBmin及びｆBmaxが式１及び式２を満たす範囲において、振動発電素子１０５の固有振動数同士が所定の関係を有するように調整することにより、種々の利点を得ることができる。例えば、固有振動数が低い方からｎ番目の振動発電素子の固有振動数がｆBnであり、ｎ＋１番目の固有振動数がｆBn+1であるとすると、式１及び式２を満たすと共に、以下の式３を満たせばよい。
ｆBｎ＜０．９５５ｆBn+1  ・・・  （式３）
【００２８】
このようにｆBnをｆBn+1の０．９５５倍よりも小さくすることにより、振動発電素子同士の干渉を抑え、発電量を大幅に増大させることができる。この場合、対応する固有振動数の振動発電素子が１個だけ保持部に取り付けられたＮ個の発電装置の発電量の合計よりも大きな発電量を得ることができ、発電効率を大幅に向上できる。
【００２９】
本実施形態の発電装置において、ｆBnとｆBn+1とが式３を満たす場合には、トータルとしての発電量を大きくできる。しかし、本実施形態の発電装置において、入力される振動の振動数に対して発電量をプロットすると、通常は、振動数により発電量が変動し、振動発電素子の数＋１個のピークが出現する。発電量の振動数依存性を小さくして、安定した発電を行う観点からは、ピークの山と谷との差が小さい方が好ましい。ピークの山と谷との差を小さくする観点からは、ｆBnとｆBn+1との差をある程度小さくすることが好ましく、例えば、式４に示すようにｆBn+1をｆBnの１．１５倍以下とすることが好ましい。
ｆBn+1≦１．１５ｆBn  ・・・  （式４）
【００３０】
さらにピークの山と谷との差を小さくする観点から、式５に示すようにｆBn+1をｆBnの１．０７倍以下（ｆBn+1≦１．０７ｆBn）とすることが好ましい。このようにすれば、最も深い谷における発電量Ｐvと最も高いピークＰtにおける発電量との比を小さくできる。
ｆBn+1≦１．０７ｆBn  ・・・  （式５）
【００３１】
式１及び式２と共に式４又は式５を満たすようにすれば、発電量が大きく低下する谷の発生を抑え、安定した発電ができる。また、式１及び式２と共に式４又は式５を満たす状態で、さらに式３を満たすようにすれば、トータルとしての発電量を大きくすると共に、安定して発電できる。
【００３２】
保持部質量部材１１３の質量ｍAは、必要とする保持部振動系の固有振動数に基づいて決定すればよい。但し、質量ｍAを振動部材２００の等価マス質量Ｍに対して１０％以上（ｍA≧０．１×Ｍ）とすれば、保持部質量部材１１３が振動部材２００の振動状態に対して十分な影響を及ぼして、ダイナミックダンパとして機能する。従って、振動が相殺され、振動部材２００の振動が低減されるという効果を得ることができる。但し、発電装置１００はダイナミックダンパ等の制振装置としての機能を有していなくてもよい。この場合には、保持部質量部材１１３の質量ｍAは振動部材２００の等価マス質量Ｍに対して１０％未満であってもよい。
【００３３】
それぞれの素子質量部材１５３は、対応する振動発電素子１０５の固有振動数を設定するための質量である。それぞれの素子質量部材１５３の質量ｍは、必要とする振動発電素子１０５の固有振動数に基づいて決定すればよい。但し、保持部１０１の固有振動数での応答倍率（共振応答倍率）Ｘは振動発電素子１０５の固有振動数での応答倍率（共振応答倍率）Ｑよりも十分に小さくし、かつ、保持部質量部材１１３の質量ｍAは素子質量部材１５３の質量の総和ｍBtotalよりも十分に大きくすることでｍA×Ｘ＞ｍBtotal×Ｑという関係を満たすように設定することが望ましい。このような設定によって、大きな発電電力を得られる振動数帯域幅は、より広くなる。また、保持部質量部材１１３の質量ｍAを素子質量部材１５３の質量の総和ｍBtotalの５倍以上とすることにより、さらにその効果を大きくできる。
【００３４】
それぞれの素子質量部材１５３の質量を、保持部質量部材１１３の質量と比べて小さくすることにより、板ばね１５１のばね定数を充分に小さく設定できる。これにより、保持部質量部材１１３の素子質量部材１５３に対する相対変位を有効に生じさせることが可能となる。
【００３５】
各振動発電素子１０５において板バネ１５１は、バネ鋼又はバネ用ステンレス鋼等により形成された長手板状の金属部材とすることができる。
【００３６】
各振動発電素子１０５において素子質量部材１５３は、例えば、鉄等の高比重の材料からなる矩形ブロック状の部材である。図１においては、素子質量部材１５３が板バネ１５１の端部に取り付けられている例を示したが、素子質量部材１５３の取り付け位置は任意に変更することができる。素子質量部材１５３の板バネ１５１上の位置を変更することにより、振動発電素子１０５の固有振動数を調整することができる。また、素子質量部材１５３は、板バネ１５１の圧電素子１５５と反対側に設けることもできる。素子質量部材１５３は、板バネ１５１に接着材等により取り付けることができる。また、取り付け位置が調整できるようにボルト等により固定することもできる。
【００３７】
各振動発電素子１０５において圧電素子１５５は、図３に示すように下部電極１５６、上部電極１５７、及び下部電極１５６と上部電極１５７との間に挟まれた圧電体層１５８を有している。図３において、圧電素子１５５は、板バネ１５１の一方の面にのみ形成されているが、両面に形成することもできる。
【００３８】
振動部材２００から保持部質量部材１１３に及ぼされた外力は、素子質量部材１５３に伝達される。これにより、保持部質量部材１１３と素子質量部材１５３とは相対変位し、板バネ１５１は弾性変形する。圧電素子１５５は、板バネ１５１と一体となっているため、保持部質量部材１１３と素子質量部材１５３との相対変位による振動エネルギーが、圧電素子１５５に入力される。これにより、圧電素子１５５が板バネ１５１と共に変形し、電圧が発生する。従って、本実施形態の振動発電装置は、保持部質量部材１１３と素子質量部材１５３との相対変位量に応じて、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００３９】
各圧電素子１５５に生じた電力は、下部電極１５６及び上部電極１５７にそれぞれ接続されたリードから取り出すことができる。各圧電素子１５５の出力は、それぞれ整流回路により整流した後、直列又は並列に接続することができる。圧電素子１５５に生じた電力により、電気回路を駆動することができる。電気回路は特に限定されないが、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路、蓄電回路、センサ回路又は無線送受信回路等とすることができる。
【００４０】
圧電体層１５８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。圧電体層１５８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１５８を大きく変形させることが可能となる。
【００４１】
圧電素子１５５は、例えば以下のようにして形成することができる。まず、アルミニウムを少量含むＳＵＳ４３０等の耐熱性ステンレス板からなる板バネ１５１の主面上に、銀−パラジウム合金ペースト層をスクリーン印刷する。次に、圧電材料組成粉を含有する圧電材料ペースト層を銀−パラジウム合金ペースト層の上にスクリーン印刷する。次に、圧電材料ペースト層の上に銀−パラジウム合金ペースト層をスクリーン印刷して、未焼結素子を形成する。次に、未焼結素子を焼成さやの中に配置して８７５℃で２時間焼成する。これにより、銀−パラジウムペースト層及び圧電材料ペースト層を焼結緻密化する。これにより、板バネ１５１と一体となった、下部電極１５６、圧電体層１５８及び上部電極１５７を有する焼結素子が形成される。次に、下部電極１５６と上部電極１５７との間に、１００Ｖの電圧を、１２０℃にて３０分間印加して、圧電体層１５８を分極させる。
【００４２】
板バネ１５１は、例えば幅１５ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ程度とすることができる。銀−パラジウムペースト層及び圧電材料ペースト層は、幅１４．５ｍｍ、長さ２４ｍｍ程度とすることができる。焼結後の下部電極１５６及び上部電極１５７の厚さは５μｍ程度とすることができる。焼結後の圧電体層１５８の厚さは２５μｍ程度とすることができる。
【００４３】
圧電体層１５８は、例えばＰｂ1.015Ｚｒ0.44Ｔｉ0.46（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）0.10Ｏ3.015により形成することができる。この組成は、優れた圧電特性を示し、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のＢサイトをＰｂ（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3で１０モル％置換している。Ｐｂサイト比は１．０１５でありストイキオメトリーよりも過剰である。この場合、圧電材料ペーストは、以下のようにして作成することができる。純度９９．９％以上の酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）粉末を原料に、固相法により組成式（１）に示すモル比の圧電材料組成粉末を調製する。なお、圧電体層の焼結温度を９００℃未満とするために、粉末の粒径は０．５μｍ未満とする。
【００４４】
次に、有機バインダと溶剤とを配合した有機ビヒクルを調製する。有機バインダには、例えばエチルセルロース樹脂、アクリル樹脂及びブチラール樹脂等から選ばれた少なくとも１つを用いることができる。溶剤には、例えばα−テルピネオール又はブチルカルビトール等を用いることができる。有機バインダと溶剤との配合比は、例えば２：８とすることができる。有機ビヒクルと、圧電材料組成分末とを、適量のリン酸エステル系分散剤と共に混合して、混練することにより圧電材料ペーストが得られる。有機ビヒクルと圧電材料組成分末との混合比は重量比率にて２０：８０とすることができる。混練には３本ボールミル等を用いることができる。
【００４５】
銀−パラジウムペーストは、例えば、銀を９０％、パラジウムを１０％含む銀パラジウム合金粒子を含むペーストとすればよい。銀パラジウム合金粒子の粒径は０．９μｍ程度とすることができる。
【００４６】
このようにして得られた圧電素子１５５の圧電体層１５８の表面には、例えば４５０ＭＰａ程度の圧縮応力が付与されている。これは、室温から焼成温度の９００℃までの平均の熱膨張係数が、ＰＺＴ系の圧電材料においては５ｐｐｍ／Ｋ程度であるのに対し、耐熱性ステンレス板においては１２ｐｐｍ／Ｋ程度とかなり大きいことによる。圧電体層１５８の表面における残留応力は、圧電素子１５５の上部電極１５７を研磨により除去して圧電体層１５８を露出させた後、圧電体層１５８の露出面において結晶格子間隔をＸ線解析法により測定することにより求めることができる。残留応力の測定には、例えば解析角２θが３８°付近に出現する面指数（１１１）のピークを用いることができる。
【００４７】
図１においては、ケース１１５内に２つの振動発電素子１０５が収容されている。それぞれの振動発電素子１０５は、振動方向が保持部振動系と一致するように固定されている。振動方向が一致しているとは、主たる振動の方向が一致していることをいい、振動の位相は問わない。主たる振動の方向とは、変位が最も大きくなる方向をいう。方向が一致しているとは、方向のずれが±３０°、好ましくは±２０°、より好ましくは±１０°以内であることをいう。
【００４８】
本実施形態において、各振動発電素子１０５は、ケース１１５の底面から突出する固定用突部１１７に固定されている。このため、保持部質量部材１１３の重心位置と、素子質量部材１５３の重心位置との高さ方向の差を小さくすることができる。また、板バネ１５１の支持箇所がケース１１５の中央部よりになり、素子質量部材１５３と、保持部質量部材１１３の重心位置との水平方向の差も小さくできる。これにより、保持部質量部材１１３の上下振動が板ばね１５１に対して直接的に効率良く伝達され、発電に有効な曲げ変形を板ばね１５１に生じさせる。一方、ケース１１５の外縁部において振動振幅が最大となるような揺れ変位及び回動変位等の板バネ１５１の曲げ変形を阻害するような振動は、振動発電素子１０５への伝達が抑えられるため、発電効率を向上させることができる。
【００４９】
図１において、複数の振動発電素子１０５を１つの固定用突部１１７に上下方向に並べて配置した例を示している。しかし、振動発電素子１０５のサイズ及び保持部質量部材１１３のサイズ等に応じて、固定用突部１１７を複数設けて、複数の振動発電素子１０５を水平方向に並べて配置してもよい。この場合、それぞれの固定用突部１１７に複数の振動発電素子１０５を上下方向に並べて配置することもできる。例えば、保持部質量部材１１３を構成するケース１１５を幅９０ｍｍ、長さ６０ｍｍ、高さ３０ｍｍ程度とすると、幅１５ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ程度の振動発電素子１０５を４つ程度収容することができる。
【００５０】
図１においては、保持部質量部材１１３は、連結部材１８１を介して振動部材２００に固定されている。連結部材１８１は、保持部質量部材１１３の外周側面と対向するように設けられた壁部１８３を有しており、保持部質量部材１１３の外周側面と壁部１８３との間に弾性部材１１１が配置されている。図１において、連結部材１８１の壁部１８３は、保持部質量部材１１３の外周側面の２面に対向して設けられているが、３面又は４面に対向して壁部１８３が設けられていてもよい。弾性部材１１１は、壁部１８３と対向する全ての外周側面に設けることができる。また、弾性部材１１１は、全周に亘って設けることも、周上の数カ所に設けることもできる。
【００５１】
このように、保持部質量部材１１３の外周側面が弾性部材１１１により保持される構成とすることにより、振動部材２００からの振動が入力される方向において弾性部材１１１は主に剪断変形する。このため、低動ばね化することが容易にでき、チューニングの自由度が向上する。
【００５２】
保持部質量部材１１３及び弾性部材１１１の形状及び配置は、振動部材２００からの振動が効率良く入力できればこれに限らない。例えば、図４に示す第１変形例のように、保持部質量部材１１３の底面に弾性部材１１１が配置された構成とすることもできる。
【００５３】
また、保持部質量部材１１３を収容空間１１３ａを有するケース１１５とすることにより、振動発電素子１０５を封止して、振動発電素子の劣化を抑えることが容易となる。但し、保持部質量部材１１３の形状及び板バネ１５１の取り付け位置等は、自由に設計することができる。例えば、図５に示す第２変形例のように、保持部質量部材１１３の上に振動発電素子１０５を取り付けることもできる。この場合、振動発電素子１０５を覆うカバー１１８は必要に応じて設ければよい。なお、振動発電素子１０５を保持部質量部材１１３の上に取り付ける場合においても、弾性部材１１１を保持部質量部材１１３の外周側面に設ける構成とすることもできる。
【００５４】
保持部質量部材１１３は、特に限定されないが比重が大きな材料により形成することができる。例えば、鉄を用いることができる。弾性部材１１１は、保持部質量部材１１３を振動部材２００に弾性連結できればどのようなものであってもよい。例えば、矩形ブロック状のゴム弾性体とすることができる。天然ゴム、合成ゴム、又は天然ゴムと合成ゴムとのブレンドゴムとすることができる。合成ゴムとしては、スチレン−ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、クロロプレンゴム、イソブチレン−イソプレンゴム、塩素化−イソブチレン−イソプレンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、水素化−アクリロニトリル−ブタジエンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、エチレン−プロピレンゴム、アクリルゴム、及びシリコーンゴム等のいずれかを挙げることができる。また、ゴム弾性体に限らず、コイルスプリング、板ばね、又は棒ばね等の金属ばねを用いることもできる。
【００５５】
弾性部材１１１は、専用の部材である必要はなく、振動部材２００の構造物の一部を利用してもよい。例えば、振動部材２００が自動車である場合、自動車に設けられている制振用ダイナミックダンパの弾性部を、弾性部材１１１として利用することができる。
【００５６】
本実施形態において、発電装置１００を連結部材１８１を介して振動部材２００に取り付ける例を示したが、連結部材１８１は必要に応じて設ければよく、発電装置１００を直接振動部材２００に取り付けることもできる。また、連結部材１８１の形状は、発電装置１００及び振動部材２００の形状等に応じて自由に設計することができる。連結部材１８１と振動部材２００とがボルトにより固定されている例を示したが、これに限らず接着剤等により固定したり、溶接して固定したりすることもできる。
【００５７】
本実施形態においては、保持部１０１に取り付けられた全ての振動発電素子１０５が、所定の固有振動数の関係を満たしている例を示した。しかし、保持部１０１に３個以上の振動発電素子１０５が取り付けられている場合には、少なくとも２つの振動発電素子１０５が所定の固有振動数の関係を満たしていれば、所定の固有振動数の関係を満たしていない１以上の振動発電素子１０５が存在していてもよい。
【００５８】
本実施形態の発電装置は、取り付けスペースが小さくすることができる。その上で、発電量を大きくする、発電量の振動数依存性を小さくする、又はこれらの両方を実現することができる。本実施形態の発電装置は特に限定されないが、例えば振動が発生する装置の状態をモニタリングするセンサの電源、人の歩行によって点灯する誘導灯等の電源、人や車、装置等の動きによる振動をモニタリングするセンサの電源、等に用いることができる。また、センサとして用いることもできる。
【実施例】
【００５９】
以下に、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。なお、以下の実施例は、例示であり本発明を限定する意図を有するものではない。【００６０】
＜発電特性の測定＞
保持部と複数の振動発電素子とを組み合わせた振動発電装置に、加振機を用いて振動を加えて発電をさせた。発電電力は、各振動発電素子の出力リードの両端の電圧Ｖrmsnを検出することにより行った。各振動発電素子の発電電力Ｐnは、Ｖrmsn2／Ｒにより算出した。ここで、Ｒはリードの間に接続した抵抗の値であり、１００ｋΩとした。各振動発電素子の発電電力Ｐnの総和を発電装置の発電電力Ｐとした。振動数を８０Ｈｚ〜１５０Ｈｚの範囲で変化させ、振動数毎の発電電力Ｐを求め、その積分値を総発電電力Ｐtotalとした。加振機により加えた振動の加速度は０．１Ｇとした。【００６１】
（実施例１）
保持部に、２個の振動発電素子を取り付けた発電装置を用いた。保持部の固有振動数ｆAは１１１．１４Ｈｚとし、一方の振動発電素子の固有振動数は１１４Ｈｚに固定し、他方の振動発電素子の固有振動数は９０Ｈｚ〜１３０Ｈｚの所定の値とした。それぞれの発電装置の発電電力の振動数依存性及び総発電電力Ｐtotalを評価した。また、所定の固有振動数の振動発電素子を取り付けた比較発電装置の総発電電力の測定を行い、各発電装置と同じ振動数の組み合わせとなるように総発電電力の和Ｐ1+2を求め、ＰtotalとＰ1+2との差を評価した。発電電力の最も高いピーク値Ｐt及び複数のピークの間の最も低い谷の値Ｐvを評価した。周波数範囲の広がりをみる一つの指標として、１００μＷを基準として１００μＷ以上の発電電力が得られた振動数範囲Δｆ100を求めた。【００６２】
固有振動数を９０Ｈｚとした装置１のＰtotalは５０１３μＷであり、Ｐ1+2との差は１４６８μＷであり、Δｆ100は１８．６Ｈｚであった。【００６３】
固有振動数を９４Ｈｚとした装置２のＰtotalは５２３６μＷであり、Ｐ1+2との差は９７４μＷであり、Δｆ100は２０．１Ｈｚであった。【００６４】
固有振動数を９８Ｈｚとした装置３のＰtotalは５７２７μＷであり、Ｐ1+2との差は１２２１μＷであり、Δｆ100は２５．６Ｈｚであった。【００６５】
固有振動数を１０２Ｈｚとした装置４のＰtotalは５８２９μＷであり、Ｐ1+2との差は１６１４μＷであり、Δｆ100は２２．８Ｈｚであった。【００６６】
固有振動数を１０６Ｈｚとした装置５のＰtotalは５８３０μＷであり、Ｐ1+2との差は１３２２μＷであり、Δｆ100は２０．６Ｈｚであった。【００６７】
固有振動数を１１０Ｈｚとした装置６のＰtotalは３２４６μＷであり、Ｐ1+2との差は−１７２３μＷであり、Δｆ100は１７．３Ｈｚであった。【００６８】
固有振動数を１１８Ｈｚとした装置７のＰtotalは４２７８μＷであり、Ｐ1+2との差は−８７９μＷであり、Δｆ100は２０．０Ｈｚであった。【００６９】
固有振動数を１２２Ｈｚとした装置８のＰtotalは５７５４μＷであり、Ｐ1+2との差は１１８５μＷであり、Δｆ100は２３．２Ｈｚであった。【００７０】
固有振動数を１２６Ｈｚとした装置９のＰtotalは５０１２μＷであり、Ｐ1+2との差は８１５μＷであり、Δｆ100は２３．５Ｈｚであった。【００７１】
固有振動数を１３０Ｈｚとした装置１０のＰtotalは４４７１μＷであり、Ｐ1+2との差は６５５μＷであり、Δｆ100は１８．３Ｈｚであった。【００７２】
【表１】
2018142714.tif 000005
【００７３】
表１に装置１〜装置１の評価結果をまとめて示す。また、図６Ａ〜図６Ｊに装置１〜装置１０の発電電力の振動数依存性を示す。最も低い固有振動数ｆminが式１を満たし、最も高い固有振動数ｆmaxが式２を満たしている、装置３〜装置８では、ピークの間に発電量が非常に低い谷が生じておらず、安定して発電できている。【００７４】
ｆmin及びｆmaxがそれぞれ式１及び式２の条件を満たしている装置のうち、２つの振動発電素子の固有振動数が式４を満たしている、装置４〜８は、いずれもＰv／Ｐtが４０％以上であり、より安定した発電が可能である。さらに、式５を満たす装置６〜装置８では、Ｐv／Ｐtが４５％以上であり、さらに安定した発電が可能である。【００７５】
ｆmin及びｆmaxがそれぞれ式１及び式２の条件を満たしている装置のうち、２つの振動発電素子の固有振動数が、式３を満たしている装置３〜装置５及び装置８は、総発電電力が増大し、発電効率が大きく向上している。【００７６】
（実施例２）
保持部に、３個の振動発電素子を取り付けた発電装置を用いた。保持部の固有振動数ｆAは１０５．８Ｈｚとし、２個の振動発電素子の固有振動数はそれぞれ１０７．１Ｈｚ及び１１９．３Ｈｚに固定し、１個の振動発電素子の固有振動数は８９Ｈｚ〜１２２．７Ｈｚの所定の値とした。それぞれの発電装置の発電電力の振動数依存性及び総発電電力Ｐtotalを評価した。発電電力の最も高いピーク値Ｐt及び複数のピークの間の最も低い谷の値Ｐvを評価した。周波数範囲の広がりをみる一つの指標として、１００μＷを基準として１００μＷ以上の発電電力が得られた振動数範囲Δｆ100を求めた。【００７７】
固有振動数を８９Ｈｚとした装置１１のＰtotalは８１６６μＷであり、Δｆ100は２５．０Ｈｚであった。【００７８】
固有振動数を９１．１Ｈｚとした装置１２のＰtotalは８７９８μＷであり、Δｆ100は２５．２Ｈｚであった。【００７９】
固有振動数を９２．６Ｈｚとした装置１３のＰtotalは８９８７μＷであり、Δｆ100は３１．３Ｈｚであった。【００８０】
固有振動数を９４．４Ｈｚとした装置１４のＰtotalは９０９４μＷであり、Δｆ100は３３．４Ｈｚであった。【００８１】
固有振動数を１０１．５Ｈｚとした装置１５のＰtotalは９１６４μＷであり、Δｆ100は２８．９Ｈｚであった。【００８２】
固有振動数を１０３．４Ｈｚとした装置１６のＰtotalは８７２３μＷであり、Δｆ100は２８．３Ｈｚであった。【００８３】
固有振動数を１１１．７Ｈｚとした装置１７のＰtotalは８０７３μＷであり、Δｆ100は２６．９Ｈｚであった。【００８４】
固有振動数を１１１．８Ｈｚとした装置１８のＰtotalは８９３５μＷであり、Δｆ100は２７．３Ｈｚであった。【００８５】
固有振動数を１１３．４Ｈｚとした装置１９のＰtotalは８７０９μＷであり、Δｆ100は２６．３Ｈｚであった。【００８６】
固有振動数を１１５．５Ｈｚとした装置２０のＰtotalは８２０７μＷであり、Δｆ100は２７．６Ｈｚであった。【００８７】
固有振動数を１２２．７Ｈｚとした装置２１のＰtotalは７５１３μＷであり、Δｆ100は２５．７Ｈｚであった。【００８８】
【表２】
2018142714.tif 000006
【００８９】
表２に装置１１〜装置２１の評価結果をまとめて示す。また、図７Ａ〜図７Ｋに装置１１〜装置２１の発電電力の振動数依存性を示す。最も低い固有振動数ｆminが式１を満たし、最も高い固有振動数ｆmaxが式２を満たしている、装置１２〜装置２０では、ピークの間に発電量が非常に低い谷が生じておらず、安定した発電ができている。【００９０】
ｆmin及びｆmaxがそれぞれ式１及び式２の条件を満たしている装置のうち、３つの振動発電素子の固有振動数が式４を満たしている、装置１４〜装置２０は、Ｐv／Ｐtが２０％以上であり、より安定した発電が可能である。さらに、式５を満たす装置１５〜装置２０では、Ｐv／Ｐtが２５％以上であり、さらに安定した発電が可能である。【００９１】
ｆmin及びｆmaxがそれぞれ式１及び式２の条件を満たしている装置のうち、３つの振動発電素子の固有振動数が、式３を満たしている装置１２〜装置１５及び装置１９は、総発電電力が増大し、発電効率が大きく向上している。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本開示の発電装置は、発電量の向上及び発電量の振動数依存の低減の少なくとも一方を実現でき、振動により発電する発電装置等として有用である。
【符号の説明】
【００９３】
１００      発電装置
１０１      保持部
１０５      振動発電素子
１１１      弾性部材
１１１      面指数
１１３      保持部質量部材
１１３ａ    収容空間
１１５      ケース
１１６      蓋
１１７      固定用突部
１１８      カバー
１５１      板バネ
１５３      素子質量部材
１５５      圧電素子
１５６      下部電極
１５７      上部電極
１５８      圧電体層
１８１      連結部材
１８３      壁部
２００      振動部材
【図１】
2018142714.tif 000007
【図２】
2018142714.tif 000008
【図３】
2018142714.tif 000009
【図４】
2018142714.tif 000010
【図５】
2018142714.tif 000011
【図６Ａ】
2018142714.tif 000012
【図６Ｂ】
2018142714.tif 000013
【図６Ｃ】
2018142714.tif 000014
【図６Ｄ】
2018142714.tif 000015
【図６Ｅ】
2018142714.tif 000016
【図６Ｆ】
2018142714.tif 000017
【図６Ｇ】
2018142714.tif 000018
【図６Ｈ】
2018142714.tif 000019
【図６Ｉ】
2018142714.tif 000020
【図６Ｊ】
2018142714.tif 000021
【図７Ａ】
2018142714.tif 000022
【図７Ｂ】
2018142714.tif 000023
【図７Ｃ】
2018142714.tif 000024
【図７Ｄ】
2018142714.tif 000025
【図７Ｅ】
2018142714.tif 000026
【図７Ｆ】
2018142714.tif 000027
【図７Ｇ】
2018142714.tif 000028
【図７Ｈ】
2018142714.tif 000029
【図７Ｉ】
2018142714.tif 000030
【図７Ｊ】
2018142714.tif 000031
【図７Ｋ】
2018142714.tif 000032
【国際調査報告】
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2018142714.tif 000034
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