(57)【要約】【課題】外部振動により発電を行う振動発電素子を利用した電源装置において、外部振動による振動発電の効率を向上させるとともに、電力供給対象への電力量を可及的に増やす。【解決手段】制御部を介して、発電部からの発電電力を電力供給対象へ出力する電源装置であって、発電部は、少なくとも、電源装置の外部からの外部振動によって振動発電を行う振動発電素子と、該振動発電素子の出力を整流する整流回路との組合せからなる直流発電ユニットを複数組含み、複数の直流発電ユニットは制御部に対して並列に接続され、各直流発電ユニットにおいて整流回路を経たユニット出力電力が該制御部に並列に入力される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御部を介して、発電部からの発電電力を電力供給対象へ出力する電源装置であって、
前記発電部は、少なくとも、前記電源装置の外部からの外部振動によって振動発電を行う振動発電素子と、該振動発電素子の出力を整流する整流回路との組合せからなる直流発電ユニットを複数組含み、
前記複数の直流発電ユニットは前記制御部に対して並列に接続され、各直流発電ユニットにおいて前記整流回路を経たユニット出力電力が該制御部に並列に入力される、
電源装置。
【請求項２】
前記複数の直流発電ユニットに含まれる前記振動発電素子のそれぞれは、前記外部振動の周波数が所定周波数であるときに、該振動発電素子の発電電力がピーク値を迎えるように形成され、
前記複数の直流発電ユニットには、前記所定周波数が異なる少なくとも２種類の前記振動発電素子が含まれる、
請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記異なる所定周波数には、第１周波数と第２周波数が含まれ、
前記第１周波数は、前記第２周波数に対して、該第２周波数に対応する前記振動発電素子である第２発電素子による、振動周波数に対する発電量の推移の半値幅以上ずれ、且つ、該第１周波数に対応する前記振動発電素子である第１発電素子による、振動周波数に対する発電量の推移と、該第２発電素子に関する該推移とは互いに重なるように、該第１周波数と該第２周波数は設定される、
請求項２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記第１周波数は、前記第２周波数に対して、前記第２発電素子に関する前記推移の半値幅ずれるように、該第１周波数と該第２周波数は設定される、
請求項３に記載の電源装置。
【請求項５】
前記異なる所定周波数には、第１周波数と第２周波数が含まれ、
前記第１周波数及び前記第２周波数のそれぞれは、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの倍数とされる、
請求項２に記載の電源装置。
【請求項６】
前記複数の直流発電ユニットのそれぞれは、前記整流回路と前記制御部との間に、電流が該整流回路側に流れ込む逆流を禁止する逆流禁止回路を有する、
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の電源装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記複数の直流発電ユニットからの発電電力を蓄電する二次電池を有する、
請求項１から請求項６の何れか１項に記載の電源装置。
【請求項８】
前記複数の直流発電ユニットのうち少なくとも一部の直流発電ユニットが、フレキシブル基板上に配置される、
請求項１から請求項７の何れか１項に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部振動により発電を行う振動発電素子を利用した電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今の省エネルギーの流れから、化石燃料等に依存しない日常的に存在する環境エネルギーが注目されている。環境エネルギーとして太陽光や風力等による発電エネルギーは広く知られているが、これらに劣らないエネルギー密度を有する環境エネルギーとして、日常周囲に存在する振動エネルギーを挙げることができる。そして、この振動エネルギーを利用して発電を行う振動発電素子が開発されており、その一例として、発電装置には電荷を半永久的に保持できるエレクトレットが広く利用されている。
【０００３】
また、振動発電素子を用いて得られる監視対象機器の振動状態に基づいて、その異常状態を判断する技術も開示されている（例えば、特許文献１を参照）。当該技術では、振動発電素子で発電された電力を利用して情報処理装置側へ所定の無線送信を行い、そして該情報処理装置によるその受信間隔に基づいて監視対象機器の異常状態の判断が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−６２７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
振動エネルギーを電力に変換する振動発電素子は、工場等で多く使用されているモーター等の振動に基づいて発電を行うことが可能であるため、そのような振動が多く存在する場所では、実質的に外部からの電力供給を行うことなく、所定のセンシングを行うセンサ等の負荷を長期にわたって駆動することが可能となる。一方で、このような振動発電素子による発電量は、外部振動の振幅や周波数に依存するのが一般であり、負荷での消費電力と比較して必ずしも十分な量を常に発電できるとは限らない。
【０００６】
上記の従来技術のように、無線を利用して監視対象機器の異常判断を行うことは、その異常判定のためのシステム構築において配線を省略することができ、メンテナンス面やコスト面で極めて有用である。しかし、一方で、振動発電素子の発電電力を利用して異常判断のための無線送信を、振動発電素子を有する監視対象装置側で行う場合、監視対象機器の異常に起因するのではなく、そもそも外部振動による十分な振動発電が行えなくなると本来行うべき異常監視や無線送信が行われなくなり、監視対象装置に関し誤った異常判断を下してしまう恐れもある。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、外部振動により発電を行う振動発電素子を利用した電源装置において、外部振動による振動発電の効率を向上させるとともに、電力供給対象への電力量を可及的に増やすことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明においては、上記課題を解決するために、電源装置からの電力出力を制御する制御部に対して、振動発電素子とそれに対応する整流回路を複数組接続する構成を採用した。これにより、可及的に多くの発電電力が制御部にまとめられることになり、電源装置における振動発電効率を高めることが可能となる。
【０００９】
そこで、詳細には、本発明は、制御部を介して、発電部からの発電電力を電力供給対象へ出力する電源装置であって、前記発電部は、少なくとも、前記電源装置の外部からの外部振動によって振動発電を行う振動発電素子と、該振動発電素子の出力を整流する整流回路との組合せからなる直流発電ユニットを複数組含み、そして、前記複数の直流発電ユニットは前記制御部に対して並列に接続され、各直流発電ユニットにおいて前記整流回路を経たユニット出力電力が該制御部に並列に入力される。
【００１０】
上記に示す本発明に係る電源装置は、外部振動によって振動発電を行う振動発電素子とその出力を整流する整流回路との組合せからなる直流発電ユニットを複数組含む。当該複数組の直流発電ユニットにおける各振動発電素子の発電能力、例えば、付与される外部振動の振動エネルギーに対する発電電力の比率等は全て同一であってもよく、別法として、一部の振動発電素子の発電能力は他の振動発電素子の発電能力と異なっていてもよい。本発明において注目すべきは、振動発電素子を含む直流発電ユニットの直流出力であるユニット出力電力が、それぞれ、電源装置による発電電力の電力供給対象への供給を制御する制御部に対して並列に入力される構成が採用されていることである。
【００１１】
このような構成を採用することで、制御部は、各直流発電ユニットからのユニット出力電力を重ねて発電電力とすることになり、電源装置としての発電能力を増大させることができる。また、重ねられる複数のユニット出力電力は直流電力であるため、交流電力のように波形を打ち消しあうことなく発電電力の増大を図ることができる。また、電源装置としては、各直流発電ユニットが共通する制御部によって制御されることになる。すなわち、発電電力の出力のために制御部が消費する電力を各直流発電ユニットで分担する形になるため、一つの直流発電ユニットにおける制御部の消費電力による電力ロスの比率を低減させ、結果として、電源装置としては発電効率の高い電力供給を実現することが可能となる。なお、本発明に係る電源装置において含まれる直流発電ユニットの数は、特に限定されない。好ましくは、電力供給対象において必要とされる電力が賄える程度に、直流発電ユニットの数が決定される。また、振動発電素子の構成は、特定の構成に限定されない。
【００１２】
また、上記の電源装置において、前記複数の直流発電ユニットに含まれる前記振動発電素子のそれぞれは、前記外部振動の周波数が所定周波数であるときに、該振動発電素子の発電電力がピーク値を迎えるように形成されてもよい。換言すれば、各振動発電素子においては、外部振動に対して共振周波数を有するように構成されるものであり、以て、外部振動が共振周波数成分を多く有する振動である場合には、当該共振周波数に対応する振動発電素子は、より効率的な振動発電を実現することが可能となる。
【００１３】
そして、このように振動発電素子が構成される場合において、前記複数の直流発電ユニットには、前記所定周波数が異なる少なくとも２種類の前記振動発電素子が含まれてもよい。この結果、外部振動の振動周波数が変化した場合や、外部振動に複数の振動周波数成分が含まれる場合等に、効率的な振動発電を実現することが可能となる。なお、本発明に係る電源装置においては、所定周波数が異なる少なくとも２種類の振動発電素子が含まれることから、複数の直流発電ユニットにおいて含まれる振動発電素子の所定周波数が、必ずしも全て互いに異なる必要はなく、例えば、一又は複数の振動発電素子を含む第１の振動発電素子群の所定周波数と、その他の振動発電素子を含む第２振動発電素子群の所定周波数が異なっていてもよく、別法として、更に異なる所定周波数に対応する別の振動発電素子群が形成されてもよい。
【００１４】
また、上記の電源装置において、前記異なる所定周波数に、第１周波数と第２周波数が含まれる場合、前記第１周波数は、前記第２周波数に対して、該第２周波数に対応する前記振動発電素子である第２発電素子による、振動周波数に対する発電量の推移の半値幅以上ずれ、且つ、該第１周波数に対応する前記振動発電素子である第１発電素子による、振
動周波数に対する発電量の推移と、該第２発電素子に関する該推移とは互いに重なるように、該第１周波数と該第２周波数は設定されてもよい。このように第１発電素子の第１周波数と第２発電素子の第２周波数の相対関係が設定されると、電源装置における外部振動の振動周波数に対する発電量の推移において、外部振動の振動周波数が変化しても発電量が安定する領域を広く確保することができる。これは、第１周波数と第２周波数とが上記半値幅以上のずれをもって設定された上で、第１発電素子による発電電力が対応する整流回路によって整流された出力と、第２発電素子による発電電力が対応する整流回路によって整流された出力とが重ねられて、電源装置の当該推移が形成されるからである。特に好ましくは、前記第１周波数は、前記第２周波数に対して、前記第２発電素子に関する前記推移の半値幅ずれるように、該第１周波数と該第２周波数は設定される。
【００１５】
ここで、上記の電源装置において、前記異なる所定周波数に第１周波数と第２周波数が含まれる場合の、第１周波数と第２周波数の設定手法の別法として、前記第１周波数及び前記第２周波数のそれぞれは、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの倍数とされてもよい。このように構成されることで、本発明に係る電源装置は、商用電源の周波数である５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの何れかに起因した外部振動を利用して、電力供給対象への電力供給を実現することができる。
【００１６】
ここで、上述までの電源装置において、前記複数の直流発電ユニットのそれぞれは、前記整流回路と前記制御部との間に、電流が該整流回路側に流れ込む逆流を禁止する逆流禁止回路を有してもよい。上記の通り、本発明に係る電源装置においては、制御部に対して複数の直流発電ユニットが並列に接続される。そして、各直流発電ユニットに含まれる振動発電素子は、外部振動による振動発電を行っている場合でも、必ずしもすべての振動発電素子が同じ発電量を出力するとは限らず、その発電量の差によって各直流発電ユニットの出力端子上に電位差が生じる。そのため、その電位差によって整流回路側への逆流が生じてしまうと、結果として電源装置としての発電電力が低下してしまうことになる。そこで、上記のように当該逆流を禁止するための逆流禁止回路を、各直流発電ユニットの整流回路と制御部との間に設けることで、電源装置の発電電力低下を抑制することができる。
【００１７】
ここで、上述までの電源装置において、前記制御部は、前記複数の直流発電ユニットからの発電電力を蓄電する二次電池を有してもよい。これにより制御部は、各直流発電ユニットからの発電電力を二次電池に蓄電することで、電力供給対象への発電電力の供給時期を好適に制御することが可能となる。
【００１８】
また、上述までの電源装置において、前記複数の直流発電ユニットのうち少なくとも一部の直流発電ユニットが、フレキシブル基板上に配置されてもよい。このように直流発電ユニットがフレキシブル基板を介して接続されることで、適切に外部振動が付与され、効率的な振動発電が実現可能となる。また、フレキシブル基板上の配置の一例として、前記複数の直流発電ユニットのうち一部の直流発電ユニットは、一つのフレキシブル基板の一方の面上に配置され、該複数の直流発電ユニットのうち残りの直流発電ユニットは、該フレキシブル基板の他方の面上に配置されてもよい。このようにフレキシブル基板を挟んでそれぞれの面上に直流発電ユニットを配置することで、一部の直流発電ユニットと残りの直流発電ユニットとを、それぞれ異なる位置に配置できる。その結果、一部の直流発電ユニットと残りの直流発電ユニットのそれぞれに対して適切に外部振動が付与される環境を形成でき、以て、より効率的な振動発電を実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
外部振動により発電を行う振動発電素子を利用した電源装置において、外部振動による振動発電の効率を向上させるとともに、電力供給対象への電力量を可及的に増やす。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の電源装置が有する振動発電素子の概略構成を示す第１の図である。
【図２】本発明の電源装置が有する振動発電素子の概略構成を示す第２の図である。
【図３】本発明の電源装置が有する振動発電素子の概略構成を示す第３の図である。
【図４】本発明の電源装置の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の電源装置に関する回路図である。
【図６】本発明の電源装置における、振動周波数に対する発電量の推移を示す第１の図である。
【図７】本発明の電源装置における、振動周波数に対する発電量の推移を示す第２の図である。
【図８】本発明の電源装置における、振動周波数に対する発電量の推移を示す第３の図である。
【図９】本発明の電源装置における、振動周波数に対する発電量の推移を示す第４の図である。
【図１０】本発明の電源装置を含むセンサモジュールが電力供給対象物に配置された状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、図面を参照して、本発明の実施形態に係る振動発電素子について説明する。なお、以下の実施形態の構成は例示であり、本発明はこの実施の形態の構成に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２２】
先ず、図１、図２、図３に基づいて、本発明に係る電源装置に含まれる振動発電素子１０の概略構成について説明する。図１は、外部振動による振動発電を行う振動発電素子１０における、可動部材１と固定部材５のそれぞれに設けられたエレクトレット群１ａおよび電極群５ａの構成を示す。なお、図１においては、エレクトレットおよび電極が並べられる方向であって、固定部材５に対する可動部材１の相対移動方向をＸ方向、可動部材１と固定部材が対向する方向をＺ方向、Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。そして、図１は振動発電素子１０をＺＸ平面で切断したときの断面図である。
【００２３】
振動発電素子１０において、可動部材１及び固定部材５は、後述する図２等に示す筐体１１の内部に収納される。可動部材１と、固定部材５は、互いに対向した状態を保ったまま、相対的に移動可能に構成されており、当該相対移動を可能とする可動部材１の支持構造については後述する。また、固定部材５は筐体１１に固定されている。これに対して、可動部材１は、その両端がそれぞれバネ１４によって筺体１１につながれているため（図２等を参照）、可動部材１そのものは、外部振動によって筐体１１に固定された固定部材５に対して相対的に往復運動（振動）するように構成されている。
【００２４】
なお、可動部材１と固定部材５は、互いに対向した状態で、かつ互いに平行な状態を保ったまま、つまり対向する面の間隔が一定の状態を保ったまま、相対的に移動可能に構成されている。これにより、可動部材１側のエレクトレット２の作用によって固定部材５側の一対の電極６、７に電気信号を生成することが可能となる。この電気信号の生成原理については従来技術であることから、本明細書ではその詳細な説明は割愛する。
【００２５】
ここで、可動部材１側の構造について説明する。可動部材１は、可動基板１ｂ上に、エレクトレット群１ａが形成されている。このエレクトレット群１ａは、可動部材１における固定部材５との対向面側に設けられ、それぞれ導電体上に形成された複数のエレクトレット２と、いずれも接地されていない複数のガード電極４を含む。そして、固定部材５に対する可動部材１の相対移動方向（Ｘ方向）に沿って、エレクトレット２とガード電極４
が交互に並ぶように配置されている。この複数のエレクトレット２と複数のガード電極４はそれぞれ櫛状に形成され、それぞれのエレクトレット２と、それぞれのガード電極４が入れ子状に配置されているが、上記のとおり、図１はＺＸ断面図であるため、エレクトレット２とガード電極４が交互に配置されているように図示される。本実施形態においては、エレクトレット２はマイナスの電荷を半永久的に保持するように構成されている。なお、ガード電極４については、本実施形態では上記の通り接地させない構成を採用しているが、それに代えて接地させる構成を採用してもよい。
【００２６】
次に、固定部材５側の構造について説明する。固定部材５は、固定基板５ｂ上に、電極群５ａが形成されている。この電極群５ａは、固定部材５おける可動部材１との対向面側に設けられ、一対の電極（第一電極６と第二電極７）を一組とする小電極群を複数組み含む。
【００２７】
このように構成される振動発電素子１０では、外部振動によるエレクトレット２を有する可動部材１の固定部材５に対する相対的な位置変動に起因して、電極６、７間に当該相対的位置変動（振動）に応じた起電力が生じ、発電が行われる。そして、発電された電力は整流回路２０によって整流される。
【００２８】
次に、図２は、振動発電素子１０の上面図（ＸＹ平面における上面図）であり、図３は、図２におけるＡ−Ａ断面図（ＺＹ平面における断面図）である。ただし、図２は、筐体１１の上面１１ｃが外され、その内部が上方より可視化された状態を表している。これらの図からも分かるように、電極群５ａおよび固定基板５ｂを含む固定部材５と、エレクトレット群１ａおよび可動基板１ｂを含む可動部材１は、振動発電素子１０の筐体１１に収容されている。当該筐体１１は、略直方体の形状を有し、上面１１ｃと底面１１ｂ、可動部材１の相対移動方向であるＸ方向に延在する一組の側面１１ａと、当該相対移動方向に直交する側面であってＹ方向に延在する一組の側面１１ｄを有する。
【００２９】
そして、図３に示すように、固定部材５は、電極群５ａが上方（筐体１１の内側）を向くようにして、筐体１１の底面１１ｂに固定されている。一方で、このように筐体１１に固定された固定部材５に対して、可動部材１は複数の支持用鋼球１２を介して該固定部材５に対して相対移動が可能となるように支持されている。すなわち、底面１１ｂの内壁面上に配置された複数の支持用鋼球１２の上に、更に可動部材１が配置される構成となっている。このように可動部材が支持用鋼球１２で支持された状態で、可動部材１側のエレクトレット群１ａと、固定部材５の電極群５ａとの間の間隔距離が、振動発電に適した所定の距離に規定される。
【００３０】
また、図２に示すように、可動部材１については、可動部材１と側面１１ａの内壁面との間に更なる支持用鋼球１３が配置されている。側面１１ａの内壁面と対向する、可動基板１ｂの側面の両端に端部側突起１ｄと、当該可動基板１ｂの側面の中央部分に中央突起１ｃが設置され、端部側突起１ｄと中央突起１ｃとの間に、支持用鋼球１３が配置可能な支持用溝１ｅが形成される。したがって、図２に示すように、可動部材１の左右それぞれに２つずつ、支持用溝１ｅが形成され、それぞれに支持用鋼球１３が配置される。このように可動部材１の側方において、筐体１１の内壁面との間に支持用鋼球１３を配置させることで、固定部材５に対する可動部材１の相対移動方向に沿った移動を円滑に行わせることが可能となる。
【００３１】
更に、可動部材１のＸＹ平面における概ね中央部分に設けられた接続部１５を介して、可動部材１と筐体１１の２つの側面１１ｄのそれぞれとの間にバネ１４が配置されている。図２に示す状態では、バネ１４は側面１１ｄの概ね中央部分に接続され、各バネ１４による弾性力は、相対移動方向（Ｘ方向）に作用するように配置されている。バネ１４の弾
性力により、外部振動を受けた可動部材１は筐体１１内で往復運動を行い、効率的な振動発電が実現される。
【００３２】
このように、本実施例に係る振動発電素子１０では、可動部材１については、支持用鋼球１２による底面１１ｂに対する支持と、支持用鋼球１３による側面１１ａに対する支持が独立して行われていることになる。ここで、振動発電素子１０に外部振動が付与された場合、その物理的特性から外部振動の周波数が所定周波数のときに固定部材５に対する可動部材１の振幅が最大となる共振現象が発生する。可動部材１の振幅が最大となることによって、単位時間あたりに可動部材１側のエレクトレットが横切る電極数が増えるため、振動発電素子１０の発電量が増加することになる。したがって、発電効率の観点に立てば、振動発電素子１０における可動部材１の共振周波数（以下、単に「振動発電素子１０の共振周波数」という）が、可及的に外部振動の周波数に近づく又は一致するのが好ましい。そして、この振動発電素子１０の共振周波数は、可動部材１の重量やバネ１４のバネ定数を調整することで所望の周波数に設定可能である。
【００３３】
ここで、図４及び図５に基づいて、本実施例に係る電源装置６０を有するセンサモジュール７０の概略構成について説明する。図４は、電源装置６０及びセンサモジュール７０の概略構成を示し、図５は、図４に示す電源装置６０に対応する回路構成を示す。センサモジュール７０は、電源装置６０及び当該電源装置からの電力供給を受けて作動する負荷５０を含む。この負荷５０は、本発明における電力供給対象に相当する。
【００３４】
ここで、電源装置６０には、上記振動発電素子１０、整流・平滑回路２０、逆流禁止回路２１を含んで構成される直流発電ユニット３０が、複数組（本実施例においては４組）含まれる。なお、本明細書においては、直流発電ユニットを総じて指す場合にはその参照番号を３０とし、各直流発電ユニットを指す場合には、それぞれの直流発電ユニットに対応する添え字（ａ〜ｄ）を番号３０に添付して参照する。また、直流発電ユニット３０に含まれる振動発電素子１０、整流・平滑回路２０、逆流禁止回路２１の参照番号についても、同様である。
【００３５】
外部振動による振動発電素子１０の発電電力は、図１に示す振動発電素子１０の構成から交流電力であることが分かる。そこで、その発電電力を直流電力に変換するために、当該発電電力が、整流・平滑回路２０に通される。具体的には、図５に示すように、直流発電ユニット３０ａの整流・平滑回路２０ａは、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４によるフルブリッジ回路とコンデンサＣ１によって形成され、直流発電ユニット３０ｂの整流・平滑回路２０ｂは、４つのダイオードＤ５〜Ｄ８によるフルブリッジ回路とコンデンサＣ２によって形成され、直流発電ユニット３０ｃの整流・平滑回路２０ｃは、４つのダイオードＤ９〜Ｄ１２によるフルブリッジ回路とコンデンサＣ３によって形成され、直流発電ユニット３０ｄの整流・平滑回路２０ｄは、４つのダイオードＤ１３〜Ｄ１６によるフルブリッジ回路とコンデンサＣ４によって形成されている。
【００３６】
そして、直流発電ユニット３０において、整流・平滑回路２０を経た発電電力は、逆流禁止回路２１を経て、直流発電ユニット３０の出力となる。具体的には、図５に示すように、直流発電ユニット３０ａの逆流禁止回路２１ａはダイオードＤＡ１で形成され、直流発電ユニット３０ｂの逆流禁止回路２１ｂはダイオードＤＡ２で形成され、直流発電ユニット３０ｃの逆流禁止回路２１ｃはダイオードＤＡ３で形成され、直流発電ユニット３０ｄの逆流禁止回路２１ｄはダイオードＤＡ４で形成される。これらのダイオードＤ１〜Ｄ４により、直流発電ユニット３０ａ〜３０ｄでは、外部からの電流の流入（逆流）が禁止されることになる。後述するように、振動発電素子１０ａ〜１０ｄの共振周波数等の振動発電条件は必ずしも同じではなく、また仮に振動発電条件が同じであっても製造上の個体差も存在するため、整流・平滑回路２０を出た端子での電位は、直流発電ユニット３０ご
とにばらつきやすい。その結果、直流発電ユニット３０間に電位差が生じ、その電位差に従い特定の直流発電ユニット３０に外部から電流が流れ込むと、電源装置６０としての発電電力が低下してしまうため、それを回避するために逆流禁止回路２１が各直流発電ユニット３０に設けられている。そして、逆流禁止回路２１の出力が、各直流発電ユニット３０の出力となる。
【００３７】
本実施例の電源装置では、図４に示すように、これらの４組の直流発電ユニット３０が並列に制御部４０に対して接続される。すなわち、電源装置６０を含むセンサモジュール７０に対して外部振動が付与されると、各直流発電ユニット３０内の振動発電素子１０による振動発電が行われ、その発電電力が整流・平滑回路２０、逆流禁止回路２１を経て直流発電ユニット３０の出力となる電力（本発明におけるユニット出力電力に相当する）が重ねて制御部４０に入力されるように、各直流発電ユニット３０と制御部４０の電気的な接続関係が設定されている。
【００３８】
また、制御部４０は、電源装置６０の電力供給、すなわち各振動発電素子１０による発電電力の負荷５０への供給を制御するための機能部であり、具体的には、所定の電源制御回路４１や図示しないマイコンで形成される。また、制御部４０は、二次電池４２を有しており、各直流発電ユニット３０からのユニット出力電力を二次電池４２に蓄電し、又は、二次電池４２に蓄電された電力を負荷５０に対して放電する蓄電・放電に関する制御を行う。
【００３９】
また、負荷５０は、上記の通り電源装置６０からの供給電力により駆動されるものであり、具体的には、無線通信デバイス５１と加速度センサ５２を有している。加速度センサ５２は、センサモジュール７０が配置される測定対象物に生じている加速度を検出するセンサであり、その検出データが、無線通信デバイス５１によってセンサモジュール外の受信装置に送信される。このように構成されるセンサモジュール７０は、電源装置６０が外部振動により振動発電を行うことで、センサモジュール外部から電力の供給を受けることなく、センサモジュール７０が配置された測定対象物の加速度の検出、及びその検出データの収集のためのデータ送信を実現する。なお、本実施例ではセンサモジュール７０に含まれるセンサとして加速度センサ５２を例示したが、本発明としては加速度センサに拘泥されるものではなく、データ収集の目的に応じて、その他のセンサ、例えば、圧力センサや温度センサが、加速度センサ５２とともに、又は加速度センサ５２に代わって、センサモジュール７０に搭載されてもよい。
【００４０】
ここで、図６に、外部振動の振動周波数に対する電源装置６０による発電量の推移（以下、「発電量推移」という）を示す。なお、図６に示す発電量推移は、外部振動の加速度が０．１５Ｇの場合のものである。図中、線Ｌ１で示されるのが電源装置６０の発電量推移であり、線Ｌ２で示されるのが、直流発電ユニット３０を一組のみ有する電源装置の発電量推移である。なお、本実施例の場合、直流発電ユニット３０内の振動発電素子１０の共振周波数が全て同じとなるように（例えば、２９．５Ｈｚ）、振動発電素子１０のバネ１４のバネ定数が調整されている。また、線Ｌ２で示される発電量推移の振動発電素子の共振周波数も同じく２９．５Ｈｚとされている。
【００４１】
図６から理解できるように、電源装置６０には、制御部４０に対して４組の直流発電ユニット３０が並列に接続されているため、外部振動の周波数が共振周波数２９．５Ｈｚの近傍の領域（例えば、２９．５Ｈｚ〜３０．１Ｈｚ）にある場合には、各振動発電素子１０の発電電力が重ね合わされ、電源装置６０としての発電量が、直流発電ユニットが一組の場合と比べて４倍程度の出力に増大されている。この結果、負荷５０での無線通信デバイス５１や加速度センサ５２による消費電力に対して、十分量の電力を電源装置６０が供給することが可能となる。
【００４２】
また、外部振動周波数が共振周波数から若干外れた、上記近傍領域の周囲の領域（例えば、２８．６Ｈｚ〜２９．５Ｈｚ、３０．１Ｈｚ〜３１．０Ｈｚ）にある場合、やはり、電源装置６０の発電量は直流発電ユニットが一組の場合と比べて大きいが、その比率が直流発電ユニットが一組の場合を基準としたときの４倍を超えている。これは、電源装置６０では、４組の直流発電ユニット３０の制御を１つの制御部４０が行う構成となっており、制御部４０の負荷が各ユニットで分散されるのに対して、直流発電ユニットが一組の場合は１つの直流発電ユニットの制御を１つの制御部が行う構成となっているため、直流発電ユニットのユニット出力電力のうち、制御部４０によって消費される電力の占める比率が大きくなるからである。外部振動周波数が上記の周囲領域にある場合には、振動発電素子１０による発電電力が、外部振動周波数の近傍領域にある場合と比べて低くなるため、線Ｌ２で示すケースでは制御部４０の消費電力が及ぼす影響が大きくなり、図６に示す結果となる。
【００４３】
以上より、電源装置６０は、制御部４０に対して４組の直流発電ユニット３０を並列に接続する構成を採用することで、電源装置６０の発電量を増大させているとともに、外部振動周波数が、振動発電素子１０の共振周波数を若干外れた場合でも、効率的な直流出力を実現する。これにより、負荷５０を駆動する観点に立てば、対応できる外部振動の周波数領域を上記近傍領域から上記周辺領域まで拡大させ、また、発電量そのものも増大させることが可能となる。
【００４４】
＜変形例＞
上記実施例においては、制御部４０に二次電池４２が設けられたが、当該二次電池は必ずしも必要ではない。二次電池が設けられない場合には、各直流発電ユニット３０のユニット出力電力がそのまま負荷５０に対して供給されることになる。また、各直流発電ユニット３０に逆流禁止回路２１が設けられたが、逆流による発電量低下への影響が無視し得る等の理由により、当該逆流禁止回路２１の設置を回避してもよい。
【実施例２】
【００４５】
次に、本発明に係る電源装置６０の第２の実施例について説明する。本実施例では、４組の直流発電ユニット３０に含まれる振動発電素子１０ａ〜１０ｄの共振周波数を、それぞれ２７．５Ｈｚ、２８．５Ｈｚ、２９．５Ｈｚ、３０．５Ｈｚとなるように、各振動発電素子１０のバネ１４のバネ定数が調整されている。そして、この場合の電源装置６０の発電量推移が、図７に線Ｌ３で示されている。また、図７には、直流発電ユニット３０を一組のみ有する電源装置の発電量推移（すなわち、図６で線Ｌ２で示された発電量推移）が、参考として線Ｌ４で示されている。なお、図７に示す発電量推移は、外部振動の加速度が０．１５Ｇの場合のものである。
【００４６】
なお、振動発電素子１０ａ〜１０ｄの共振周波数は、共振周波数が２９．５Ｈｚである振動発電素子１０ｃを基準として設定される。具体的には、共振周波数が２９．５Ｈｚである振動発電素子１０ｃ単独の発電量推移（すなわち、線Ｌ４で示される推移）の半値幅が約１Ｈｚであることを踏まえ、基準の２９．５Ｈｚから１Ｈｚずつずらして、上記の通り振動発電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｄの共振周波数を２７．５Ｈｚ、２８．５Ｈｚ、３０．５Ｈｚとするものである。このように基準の発電量推移を半値幅ずつずらすことで、４つの直流発電ユニット３０のユニット出力電力は周波数領域において好適に重ねられ、以て電源装置６０の発電量推移において発電量が比較的大きくなる周波数領域を可及的に広く取得することが可能となる。例えば、図７で線Ｌ３で示す発電量推移では、発電量が１００μＷを超える周波数領域を、概ね２７．５Ｈｚ〜３１．０Ｈｚと見定めることができる。
【００４７】
ここで、図６で線Ｌ１で示される発電量推移（すなわち、振動発電素子１０ａ〜１０ｄの共振周波数が全て２９．５Ｈｚの場合の推移）と、図７で線Ｌ３で示される発電量推移（すなわち、振動発電素子１０ａ〜１０ｄの共振周波数がそれぞれ２７．５Ｈｚ、２８．５Ｈｚ、２９．５Ｈｚ、３０．５Ｈｚの場合の推移）とを、図８に、それぞれ線Ｌ５、Ｌ６で示す。更に、外部振動の加速度が０．０３Ｇのときの、すなわち図８での加速度の１／５のときの、振動発電素子１０ａ〜１０ｄの共振周波数が全て２９．５Ｈｚの場合の発電量推移と、振動発電素子１０ａ〜１０ｄの共振周波数がそれぞれ２７．５Ｈｚ、２８．５Ｈｚ、２９．５Ｈｚ、３０．５Ｈｚの場合の発電量推移を、図９に、それぞれ線Ｌ７、Ｌ８で示す。この０．０３Ｇの外部振動の加速度は、電源装置６０において振動発電が可能な最小の加速度として設定されるものである。
【００４８】
線Ｌ５、Ｌ６で示される発電量推移を比較して理解できるように、前者（線Ｌ５で示すケース）の場合は、外部振動周波数が設定されている共振周波数に近ければ比較的大きい発電量を得ることができるが、外部振動周波数が当該共振周波数よりも離れると発電量が低下してしまう。一方で、後者（線Ｌ６で示すケース）の場合は、上記の通り比較的広い周波数領域で、前者よりも発電量のピーク値は下がるものの、直流発電ユニット１つの場合の発電量よりも大きい発電量を得ることができ、負荷５０の駆動を安定的に行うことができる。この傾向は、図９に示すように外部振動の加速度が最小の場合も同じである。
【００４９】
したがって、電源装置６０に前者の構成を採用するか後者の構成を採用するかについては、電源装置６０に付与される外部振動の周波数の状況に応じて適宜選択すればよい。また、付与される外部振動の周波数の状況において、特定の周波数成分が比較的高いことが分かっている場合には、例えば、４個の振動発電素子のうち、２個の振動発電素子については当該特定の周波数を共振周波数として設定し、他の２個の振動発電素子については、特定の周波数から半値幅分ずらした周波数をそれぞれの共振周波数として設定してもよい。具体的には、特定の周波数が２９．５Ｈｚの場合、振動発電素子１０ａ、１０ｂの共振周波数を２９．５Ｈｚとし、振動発電素子１０ｃ、１０ｄの共振周波数を２８．５Ｈｚ、３０．５Ｈｚとする。このようにすることで、効率的な振動発電を実現できる。
【００５０】
＜変形例＞
上記の実施例では、振動発電素子が１つの場合の発電量推移の半値幅を考慮して、電源装置６０に含まれる各直流発電ユニット３０内の振動発電素子１０の共振周波数を決定したが、その態様に代えて、振動発電素子１０の共振周波数を、商用電源の周波数とされる５０Ｈｚ、６０Ｈｚに基づいて決定してもよい。商用電源からの供給電力により駆動されるモーター等から発生する振動、すなわち電源装置６０に付与される外部振動となり得る振動には、その商用電源の周波数の影響を受けたものが含まれる。したがって、振動発電素子１０の共振周波数を、商用電源の周波数とされる５０Ｈｚ、６０Ｈｚに基づいて決定することで、何れの周波数の商用電源が使用されても、効率的な振動発電を実現することが可能となる。
【００５１】
例えば、電源装置６０に含まれる各直流発電ユニット３０内の振動発電素子１０ａ、１０ｂの共振周波数を６０Ｈｚに基づいて決定し、振動発電素子１０ｃ、１０ｄの共振周波数を５０Ｈｚに基づいて決定してもよい。具体的には、前者の共振周波数、後者の共振周波数を、それぞれ６０Ｈｚ、５０Ｈｚの倍数とし、一例として、前者を３０Ｈｚ、後者を２５Ｈｚとしてもよい。その他には、前者、後者の組合せを、それぞれ、１５Ｈｚ、１２．５Ｈｚの組合せ、６０Ｈｚ、５０Ｈｚの組合せ、１２０Ｈｚ、１００Ｈｚの組合せとしてもよい。
【実施例３】
【００５２】
次に、電源装置６０を含むセンサモジュール７０の別の実施例について、図１０に基づ
いて説明する。図１０は、加速度センサ５２による加速度検出の対象物１００において、センサモジュール７０が設置された状態を示している。対象物１００においては、図１０に示すように段差が形成されている。振動発電素子３０は、外部振動が振動発電素子３０に適切に付与されなければ効率的な振動発電を行うことが難しい。そこで、このような段差を有する対象物において、センサモジュール７０を設置する場合、各振動発電素子３０が対象物１００に接触し、対象物１００から外部振動が適切に伝播してくるようにするために、当該センサモジュール７０は形成されている。
【００５３】
具体的には、本実施例のセンサモジュール７０は、形状が可変であるいわゆるフレキシブル基板８０の上面側と下面側のそれぞれに振動発電伝素子１０を含む直流発電ユニット３０がそれぞれ配置される。フレキシブル基板８０の上面側に、対象物１００の段差の上段に対応する直流発電ユニット３０ａ、３０ｂが配置され、フレキシブル基板８０の下面側には、対象物１００の段差の下段に対応する直流発電ユニット３０ｃ、３０ｄが配置されている。そして、各直流発電ユニット３０及び制御部４０、負荷５０とは、図４に示す電気的構成を形成するために、フレキシブル基板８０の表面又は内部で配線される。このようにセンサモジュール７０を構成し、フレキシブル基板８０の変形性も利用することで、各直流電源ユニット３０を段差形状を有する対象物１００に対して適切に配置することができる。
【００５４】
また、図１０に示す場合において、対象物１００の段差上段で生じている振動の周波数と、段差下段で生じている振動の周波数が異なっている場合には、それぞれの振動周波数に合わせて、直流発電ユニット３０ａ、３０ｂ内の振動発電素子１０ａ、１０ｂの共振周波数、及び直流発電ユニット３０ｃ、３０ｄ内の振動発電素子１０ｃ、１０ｄの共振周波数を設定してもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１・・・・可動部材
１ａ・・・・エレクトレット群
１ｂ・・・・可動基板
１ｅ・・・・支持用溝
２・・・・エレクトレット
５・・・・固定部材
５ａ・・・・電極群
５ｂ・・・・固定基板
６、７・・・・電極
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ・・・・振動発電素子
１１・・・・筐体
１１ａ・・・・側面
１１ｂ・・・・底面
１１ｄ・・・・側面
１２・・・・支持用鋼球
１３・・・・支持用鋼球
１４・・・・バネ
１５・・・・連結部
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ・・・・整流・平滑回路
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ・・・・逆流禁止回路
３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ・・・・直流発電ユニット
４０・・・・制御部
５０・・・・負荷
６０・・・・電源装置
７０・・・・センサモジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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