JP2020188629A - 振動発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】弾性部材を容易に交換可能な振動発電装置を実現できるようにする。【解決手段】振動発電装置１００は、下側部材１６１と上側部材１６２との間に配置され、第１錘部材１１２を含む支持台１０１と、支持台１０１と下側部材１６１との間に配置された第１の弾性部材１０２と、支持台１０１と上側部材１６２との間に配置された第２の弾性部材１０７と、支持台１０１に取り付けられ、振動を電気エネルギーに変換する発電素子１０３とを備えている。第２の弾性部材１０７のばね定数は、第１の弾性部材１０２のばね定数よりも小さく、支持台１０１と第１の弾性部材１０２とにより第１の共振器が形成され、発電素子１０３により第２の共振器が形成される。【選択図】図１

Description

本開示は振動発電装置に関する。

圧電素子は、特定方向に圧力を加えることにより、電気分極が誘起されて電圧を発生させる素子である。圧電素子を利用することにより、機械的変位を電圧に変換して、発電することができる。身近な機械的変位として、振動がある。振動により発電することができれば、ほとんどあらゆる所において電源を用意することなく電子機器を動作させることが可能になる。

振動を利用して発電を行う振動発電装置として、ばねと錘とを含む共振器に圧電素子を取り付けた振動圧電体を用いる方法がある。しかし、一般的に利用できる外部振動は弱いため、単純な振動圧電体の場合、十分な発電量を得ることが困難である。さらに、振動圧電体の固有周波数と外部振動とが一致していなければ発電できないという問題もある。

発電量を大きくするために、錘とばねとを有し、揺動する第１の共振器に、第１の共振器の揺動に同期して屈曲振動する振動圧電体（発電素子）である第２の共振器を取り付けた振動発電装置が検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。外部振動のエネルギーを第１の共振器により揺動運動に変換して、第２の共振器に伝達することにより、第２の共振器の屈曲運動を大きくして発電量を増大させようとしている。

特許第５７６１３３６号公報

振動発電装置は、効率良く発電を行うために、設置場所の振動に共振するように共振器の固有振動数が設計されている。しかし、発電効率にはいろいろなファクターが影響するため、設置場所においてカットアンドトライによる最終調整を行いたいという要求がある。固有振動数を調整するためにばね定数を変更使用とすると、ばね自体を交換する必要がある。また、経年劣化によりばねが劣化するとばね定数が変動して発電効率が低下するおそれがあり、このような場合にもばねの交換が必要となる。しかし、従来の振動発電装置は、ばねの交換が容易でないという問題がある。また、ばね以外の弾性部材を用いた場合にも同様の問題がある。

本開示の課題は、弾性部材を容易に交換可能な振動発電装置を実現できるようにすることである。

本開示の振動発電装置の一態様は、下側部材と上側部材との間に配置され、第１錘部材を含む支持台と、支持台と下側部材との間に配置された第１の弾性部材と、支持台と上側部材との間に配置された第２の弾性部材と、支持台に取り付けられ、振動を電気エネルギーに変換する発電素子とを備え、第２の弾性部材のばね定数は、第１の弾性部材のばね定数よりも小さく、支持台と第１の弾性部材とにより第１の共振器が形成され、発電素子により第２の共振器が形成される。

振動発電装置の一態様において、第２の弾性部材のばね定数は、第１の弾性部材のばね定数の１０％以下とすることができる。

振動発電装置の一態様において、第１の弾性部材は、コイルばねであり、コイルばねは、支持台と、下側部材の対応する位置とにそれぞれ設けられた円錐台状の突部の間に保持されているようにできる。

振動発電装置の一態様において、複数の発電素子のそれぞれは、圧電素子と一体となり、主面が支持台の主面と対向するように配置され、一方の端部が支持台に固定された固定端となり、他方の端部が自由端となった板ばねと、板ばねの自由端側に取り付けられた第２錘部材とを有するようにできる。

振動発電装置の一態様は、支持台を収容する筐体をさらに備え、下側部材は、筐体の底面であり、上側部材は筐体の天面とすることができる。

本開示の振動発電装置によれば、共振周波数の調整のため又は劣化等による弾性部材の交換が容易である。

一実施形態に係る振動発電装置を示す分解斜視図である。 図１のII−II線における断面図である。 発電素子の配置を示す平面図である。 発電素子の構成例を示す断面図である。

図１〜図３に示すように、本実施形態に係る振動発電装置１００は、下側部材である筐体１０６の底面１６１と、上側部材である筐体１０６の天面１６２との間に配置され、第１錘部材１１２を含む支持台１０１と、支持台１０１と底面１６１との間に配置された第１の弾性部材１０２と、支持台１０１と天面１６２との間に配置された第２の弾性部材１０７と、支持台１０１に取り付けられた発電素子１０３とを備えている。発電素子１０３が取り付けられた支持台１０１と第１の弾性部材１０２とにより、第１の共振器が形成され、発電素子１０３は第２の共振器を形成している。

底面１６１が上下方向に振動すると、第１の弾性部材１０２に振動が伝わり、第１の共振器を構成する支持台１０１も上下方向に振動する。第２の弾性部材１０７を設けていない場合、振幅がある程度以上になると、支持台１０１は第１の弾性部材１０２から浮き上がり、最悪の場合支持台１０１と弾性部材１０２とが分離してしまう。しかし、本実施形態の振動発電装置１００は、第１の弾性部材１０２と第２の弾性部材１０７との間に支持台１０１が挟まれている。このため、振幅が大きくなっても支持台１０１が第１の弾性部材１０２から浮き上がらないようにすることができる。

振動が大きくなっても支持台１０１の浮き上がりを防止する方法として、第１の弾性部材１０１を底面１６１と支持台１０１とに固着させることが考えられる。しかし、このようにすると、第１の弾性部材１０２の交換が困難となる。本実施形態の振動発電装置１００は、第１の弾性部材１０２と第２の弾性部材１０１との間に発電素子１０３が取り付けられた支持台１０１が挟み込まれており、第１の弾性部材１０２及び第２の弾性部材１０１は支持台１０１に固着させていない。このため、支持台１０１が第１の弾性部材１０２から浮き上がらないようにできると共に、第１の弾性部材１０２及び第２の弾性部材１０２の交換も容易である。

第２の弾性部材１０７は、支持台１０１が第１の弾性部材１０２から浮き上がらないようにできればよい。このため、第２の弾性部材１０７のばね定数は、第１の弾性部材１０２のばね定数よりも遙かに小さくてよい。第２の弾性部材１０７のばね定数を小さくすることにより、支持台１０１及び第１の弾性部材１０２により構成される第１の共振器の固有振動数に大きな影響を与えないようにすることができる。

用途によって異なるが、共振器の固有振動数は数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度に設定され、±５％程度のずれを許容することができる。共振器の固有振振動数ｆは、共振器の錘の質量をｍ、弾性部材のばね定数をｋとするとｆ＝１／２π（ｋ／ｍ）^1/2となるため、ｋが１０％ずれたとしても、ｆの変動は４％〜５％である。このため、第２の弾性部材１０７のばね定数は、第１の弾性部材１０２のばね定数の１０％以下が好ましく、５％以下がより好ましい。なお、本実施形態のように共振器を構成する弾性部材が、複数のコイルばね等により構成されている場合には、そのばね定数は合成された全体のばね定数を意味する。

なお、第１の共振器の第１の固有振動数ｆ１と、第２の共振器の第２の固有振動数ｆ２とを略一致させることが好ましい。これにより、支持台１０１の振動に共振して発電素子１０３が振動するため、さらに効率良く振動発電を行うことができる。なお、ｆ１とｆ２とが略一致しているとは、ｆ１とｆ２との差が、ｆ１の±１５％以下、好ましくは±１０％以下、より好ましくは±５％以下であることである。なお、入力される振動にばらつきがある場合は、ｆ１とｆ２との差をある程度大きく設定した方がよい場合もある。

本実施形態において、第１の弾性部材１０２は、６個の圧縮コイルばねとしたが、ばねの個数は特に限定されない。但し、支持台１０１が平面方形状の場合には、少なくとも各角部にコイルバネを配置できるように、４個以上のコイルばねを用いることが好ましい。少なくとも各角部にコイルばねを配置することにより、支持台１０１を安定して支えることが可能となる。

また、コイルばねの配置も特に限定されないが、支持台１０１の重心に対して回転対称となる位置に配置することにより、振幅を安定させることができる。

なお、振動に対するレスポンスの観点、温度によるばね定数の変動を小さくする観点、及び劣化を生じにくくする観点から、第１の弾性部材１０２は金属製のコイルばねが好ましい。但し、これに限らず他の弾性部材とすることができ、例えば、板バネやゴムを用いることもできる。

本実施形態において、第２の弾性部材１０７は、４個の圧縮コイルばねとしたが、ばねの個数は特に限定されない、また、第２の弾性部材１０７は、コイルばねに限らず、他の弾性材料により形成することができる。例えば、シリコンゴムにより形成されたクッション材等を用いることができる。また、第２の弾性部材１０７を平面方形状の支持台１０１の各角部に配置することにより、支持台１０１を均等に抑えることができ、支持台１０１をより外れにくくすることができる。但し、第２の弾性部材１０７の配置位置はこれに限らず、例えば、支持台１０１の中央部に設けることも可能である。

本実施形態において、コイルばねである第１の弾性部材１０２は、底面１６１に設けられた円錐台状の底面突起１６１Ａと、鍔状部１１４に設けられた円錐台状の支持部突起１１４Ａとの間に挟まれている。このようにすれば、第１の弾性部材１０２を支持台１０１に固着させなくても、容易に位置決めをして取り付けることができる。また、底面突起１６１Ａ及び支持部突起１１４Ａを円錐台状とすることにより、取り付けるコイルばねの内径が細いものから太いものまで同じように取り付けることができる。このため、ばね定数が異なるコイルばねの選択の自由度が高くなり、調整が容易となる。但し、第１の弾性部材１０２の取り付け方法は、このような方法に限定されない。

本実施形態において、第２の弾性部材１０７は、鍔状部１１４の上面に設けられたリング状凹部１１４Ｂにはめ込まれている。このような構成とすることにより、第２の弾性部材１０７の位置決めが容易となる。但し、第２の弾性部材１０７の取り付け方法はこのような方法に限定されない。例えば、第２の弾性部材１０７がコイルばねである場合には、第１の弾性部材１０２と同様に、円錐台状の突起の間に挟んで取り付けることができる。

本実施形態において、筐体１０６の底面１６１と天面１６２との間には、柱状部１６３が設けられている。柱状部１６３を設けることにより筐体の強度を向上させることができると共に、柱状部１６３がコイルばねを貫通するように配置すれば、コイルばねの取付が容易となる。

本実施形態の支持台１０１は、平面視において方形状の基盤部１１１と、基盤部１１１の裏面に固定された第１錘部材１１２とを有している。本実施形態において、基盤部１１１自体の重心と、基盤部１１１に第１錘部材１１２を取り付けた状態の支持台１０１の重心とは一致している。但し、重心の位置を一致させなくてもよい。

本実施形態において、基盤部１１１は平面方形状であり、基盤部１１１の質量の片寄りを容易に小さくすることができると共に、重心の把握も容易となる。これにより、発電素子１０３の配置や、第１の弾性部材１０２の配置設計が容易となる。また、スペースを効率良く利用できるという利点がある。但し、基盤部１１１の平面形状は、方形状に限らずどのような形状としてもよく、例えば正三角形状、正多角形状又は円形状等とすることもできる。

本実施形態において、基盤部１１１は、第１錘部材１１２を収容して固定する凹部となった中央部１１３と、中央部１１３の両側方に配置された鍔状部１１４とを有している。このような形状とすることにより、第１錘部材１１２を位置決めして固定することが容易にできると共に、第１の弾性部材１０２の取り付けも容易となる。また、基盤部１１１の強度を確保することも容易となる。但し、基盤部１１１は、このような形状に限らず、例えば、全体を平板とすることもできる。

本実施形態において、第１錘部材１１２を基盤部１１１と別体としている。これにより、支持台１０１の質量の調整が容易となる。但し、支持台１０１全体として必要な質量を満たすことができればよく、第１錘部材１１２と基盤部１１１とを一体とすることもできる。また、本実施形態において、第１錘部材１１２は１つであるが、第１錘部材１１２を複数に分割して取り付けることもできる。このようにすれば、第１錘部材１１２の質量を容易に調整することができる。

本実施形態において発電素子１０３の数は２個であり、２個の発電素子１０３の構成は同じである。本実施形態の発電素子１０３は、圧電素子と一体になった板ばね１３１と、板ばね１３１に取り付けられた第２錘部材１３２とを有している。板ばね１３１は、第２錘部材１３２と反対側の端部が基盤部１１１の表面に設けられた取り付け台１３３に固定されており、いわゆる片持ち梁構造を有している。板ばね１３１は、主面が基盤部１１１の主面と対向し且つ離間しており、取り付け台１３３に固定された固定端を支点として、第２錘部材１３２が取り付けられた自由端が揺動可能となっている。

本実施形態において、取り付け台１３３は基盤部１１１の表面に取り付けられたブロック体とした。しかし、取り付け台１３３は、板ばね１３１の一方の端部を保持し、板ばね１３１が振動した際に基盤部１１１と接触しないようにできれば、どのような構成としてもよい。

発電素子１０３は、振動の主面が振動中心に位置することが好ましく、板ばね１３１の主面が基盤部１１１の主面と平行になるように取り付けることにより支持台１０１の上下方向の振動と振動方向を一致させて効率良く利用できる。但し、振動の主面が傾くことによる振動の減少は許容範囲であれば、完全に平行となっていなくてもよく、例えば±３０°程度平行からずれていてもよい。

本実施形態において、第２錘部材１３２は、板ばね１３１の固定端と反対側の端部付近に取り付けているが、第２錘部材１３２の取り付け位置は調整できるようにすることが好ましい。第２錘部材１３２の板ばね１３１上の位置をずらすことにより、発電素子１０３の固有振動数を調整することができる。

本実施形態において支持台１０１に２個の発電素子１０３が取り付けられている例を示したが、発電素子の１０３の数は１個でもよく、３個以上であってもよい。また、２個の発電素子１０３が、互いに逆方向に一列に配置されている例を示したが、このような配置に限らずどのように配置してもよい。但し、複数の発電素子１０３を、支持台１０１の重心Ｇに対して回転対称となるように配置することにより、全体としての質量のバランスを取り、振動を安定させる効果が得られる。

本実施形態においては、発電素子１０３は、図４に示すように、板ばね１３１と一体となった圧電素子１３４を有している。圧電素子１３４は、下部電極１３５、上部電極１３６、及び下部電極１３５と上部電極１３６との間に挟まれた圧電体層１３７を有している。板ばね１３１が弾性変形すると、板ばね１３１と一体となった圧電素子１３４も変形するため、電力が発生する。圧電素子１３４に生じた電力は、下部電極１３５及び上部電極１３６を介して外部に取り出すことができる。本実施形態において、圧電素子１３４を板バネ１３１の一方の面に設けたが、両面に設けることもできる。

圧電体層１３７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。また、圧電体層１３７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１３７を大きく変形させることが可能となる。

なお、本実施形態において、発電素子１０３を片持ち梁構造の共振器構造を有する構成としたが、発電素子１０３はこのような構成に限らず、第２の共振器を形成し、振動エネルギーを電気エネルギーに変換できるものであればよい。

本実施形態のように、振動発電装置１００を筐体１０６内に収容することにより、振動発電装置１００を保護することができ、信頼性を向上させることができる。また、筐体１０６の底面を重力方向の下方に、天面を重力方向の上方にして設置すればよく、振動の供給源となる構造物等の上に筐体１０６の底面を下にして取り付けるだけでなく、構造物等の下に筐体１０６の天面１６２を上にして吊り下げるように取り付けることもできる。但し、適切な範囲の間隔の下側部材と上側部材との間に配置することができれば、振動発電装置１００が筐体１０６を有していなくてもよい。

本実施形態の振動発電装置は、入力された振動に対して安定して発電することができるため、振動をモニタリングするセンサ自体又は振動をモニタリングするセンサの電源等として用いることができる。具体例としては、モータ若しくはエンジン等を有する機器、装置又は設備等の振動をモニタリングする装置に用いることができる。また、建物、橋、鉄道又は道路等の建造物の振動をモニタリングする装置に用いることもできる。

本開示の振動発電装置は、弾性部材の交換が容易であり、共振周波数の調整又は劣化時に弾性部材を容易に交換でき、発電装置等として有用である。

１００ 振動発電装置
１０１ 支持台
１０２ 第１の弾性部材
１０３ 発電素子
１０６ 筐体
１０７ 第２の弾性部材
１１１ 基盤部
１１２ 第１錘部材
１１３ 中央部
１１４ 鍔状部
１１４Ａ 支持部突起
１１４Ｂ リング状凹部
１３１ 板バネ
１３２ 第２錘部材
１３３ 取り付け台
１３４ 圧電素子
１３５ 下部電極
１３６ 上部電極
１３７ 圧電体層
１６１ 底面
１６１Ａ 底面突起
１６２ 天面
１６３ 柱状部

Claims (5)

1. 下側部材と上側部材との間に配置され、第１錘部材を含む支持台と、
   前記支持台と前記下側部材との間に配置された第１の弾性部材と、
   前記支持台と前記上側部材との間に配置された第２の弾性部材と、
   前記支持台に取り付けられ、振動を電気エネルギーに変換する発電素子とを備え、
   前記第２の弾性部材のばね定数は、前記第１の弾性部材のばね定数よりも小さく、
   前記支持台と前記第１の弾性部材とにより第１の共振器が形成され、前記発電素子により第２の共振器が形成される、振動発電装置。
2. 前記第２の弾性部材のばね定数は、前記第１の弾性部材のばね定数の１０％以下である、請求項１に記載の振動発電装置。
3. 前記第１の弾性部材は、コイルばねであり、
   前記コイルばねは、前記支持台と、前記下側部材の対応する位置とにそれぞれ設けられた円錐台状の突部の間に保持されている、請求項１又は２に記載の振動発電装置。
4. 複数の前記発電素子のそれぞれは、圧電素子と一体となり、主面が前記支持台の主面と対向するように配置され、一方の端部が前記支持台に固定された固定端となり、他方の端部が自由端となった板ばねと、前記板ばねの前記自由端側に取り付けられた第２錘部材とを有している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動発電装置。
5. 前記支持台を収容する筐体をさらに備え、
   前記下側部材は、前記筐体の底面であり、前記上側部材は前記筐体の天面である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動発電装置。
   

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