JP5418246B2 - 振動発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動発電装置に関する。

従来、各種振動発電装置が提案されており、振動源の周波数における共振を用いることで、発電量を向上させる技術が提案されている。なお、振動発電装置は、振動により電圧を出力するので、振動を検出するセンサとしても利用できる。

しかし、振動源の周波数が時間的に変動し一定でない場合は、単一の共振周波数を利用する振動発電装置では、発電量の向上が難しい。そこで、複数の共振周波数を利用する振動発電装置が提案されている。しかし、共振周波数の切り替え制御に外部電源が必要となる。

特開２００２−３６９４５０号公報 特開平８−３２１６４２号公報 特表２００８−５１８５７３号公報

本発明の一目的は、複数の共振周波数を利用可能であり、共振周波数の異なる発電源間の新規な切り替え技術を有する振動発電装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、それぞれ圧電体を対向電極で挟んだ構造を有し、共振周波数が互いに異なり、振動方向を揃えて配置された第１及び第２のカンチレバーと、前記第１及び第２のカンチレバーを、回転体に保持する保持機構と、前記回転体の回転に伴う遠心力により移動して、前記第１のカンチレバーの有する電極に電気的に接続する状態と、前記第２のカンチレバーの有する電極に電気的に接続する状態とが切り替わる引出電極とを有する振動発電装置が提供される。

回転体の回転に伴う遠心力により、発電源である第１のカンチレバーと第２のカンチレバーとの間を切り替えることができる。

図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、本発明の第１実施例の振動発電装置と本発電装置が取り付けられた回転体の、概略正面図及び概略上面断面図（上面図）を示す。 図１Ｃは、第１実施例の振動発電装置の概略側面断面図を示す。 図２Ａｐ〜図２Ｄｐは、発電構造体の製造工程を示す概略上面図であり、図２Ａｆ〜図２Ｄｆは、発電構造体の製造工程を示す概略正面断面図であり、図２Ｄｓは、発電構造体の製造工程を示す概略側面断面図である。 図３は、第１応用例の振動発電装置のカンチレバーの長さに対する共振周波数の関係を示すグラフである。 図４は、第１応用例の振動発電装置の回転の周波数と発生電圧との関係を示すグラフである。 図５は、第２応用例の振動発電装置のカンチレバーの長さに対する共振周波数の関係を示すグラフである。 図６は、第２応用例の振動発電装置の回転の周波数と発生電圧との関係を示すグラフである。 図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ、第１実施例の変形例の振動発電装置を示す概略正面図及び概略上面断面図である。 図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ、第２実施例の振動発電装置と本発電装置が取り付けられた回転体の、概略正面図及び概略上面図を示す。

まず、図１Ａ〜図１Ｃを参照して、本発明の第１実施例による振動発電装置の構造及び動作について説明する。

図１Ａは、第１実施例の振動発電装置ＥＧ１、及び発電装置ＥＧ１が回転体５０に取り付けられている状態の概略正面図を示す。図１Ｂは、図１Ａの一点鎖線ＢＢに沿った振動発電装置ＥＧ１の概略上面断面図（上から見た断面図）を示すとともに、発電装置ＥＧ１が回転体５０に取り付けられている状態の概略上面図を示す。図１Ｃは、図１Ａの一点鎖線ＣＣに沿った振動発電装置ＥＧ１の概略側面断面図（横から見た断面図）を示す。なお、図１Ａで、断面を示す一点鎖線ＢＢ、ＣＣは、図の煩雑さを避けるため端部のみ示す。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、振動発電装置ＥＧ１は、回転体５０の回転軸５０ａに垂直な表面５０ｐ上に取り付けられている。回転体５０の回転軸５０ａは、水平方向を向いており、表面５０ｐは垂直面（鉛直面）をなす。回転体５０は、動力源６０（例えばエンジン）の動力を伝える回転部材であり、その回転運動から電力を取り出したい振動源である。

回転体５０が静止した状態として説明を続ける。振動発電装置ＥＧ１は、複数の発電用カンチレバー１を有する。発電用カンチレバーを、単にカンチレバーと呼ぶこととする。各カンチレバー１は、長さ方向が、回転軸５０ａの方向に沿った水平方向を向き、幅方向が、回転軸５０ａの方向と交差した水平方向を向いており、振動方向が鉛直上下方向となる。振動方向を揃えた複数のカンチレバー１が、同一水平面上に平行に並んで配置されて、カンチレバー群ＣＬが形成されている。

図示の実施例では、カンチレバー群ＣＬが、７本のカンチレバー１ａ〜１ｇで形成される。中央のカンチレバー１ｄが最も長い。中央のカンチレバー１ｄの左右に配置された残りのカンチレバー１ａ〜１ｃ、１ｅ〜１ｇは、中央のカンチレバー１ｄから離れるほど短くなるように、中央のカンチレバー１ｄに対して左右対称な形状で配置されている。

なお、カンチレバー群ＣＬは、複数のカンチレバー１が根元の部分でつながって、一体的に形成されている。複数のカンチレバー１が一体的に形成された発電構造体１００の製造方法について、図２を参照して後述する。図１Ｂは、カンチレバー１の高さでの上面断面図を示すが、理解を容易にするため、発電構造体１００の部分は断面図でなく上面図で示している。

図１Ｃは、中央のカンチレバー１ｄを通る側面断面図である。中央のカンチレバー１ｄを代表として、カンチレバー１の構造と、発電の仕組みについて説明する（他のカンチレバーについても同様である）。

カンチレバー１は、支持層１ｓと、圧電体層１ｐと、上下電極層１ｅｕ、１ｅｄを含む。支持層１ｓは、例えばシリコンを用いて形成され、カンチレバー先端部で厚くなり錘部１ｓｗを形成する。圧電体層１ｐは、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）により、支持層１ｓ上に形成される。

下側電極１ｅｄが、支持層１ｓ上に、支持層１ｓと圧電体層１ｐの間に介在して配置され、上側電極１ｅｕが、下側電極１ｅｄに対向して圧電体層１ｐ上に配置され、上下電極層１ｅｕ、１ｅｄが、圧電体層１ｐを挟む。カンチレバー１が上下方向（電極の対向方向）に振動することにより、圧電体層１ｐが歪んで、上下電極１ｅｕ、１ｅｄ間に交流電圧が発生する。なお、錘部がなくとも、カンチレバーの自重により、振動発電を行うことは可能である。

特に図１Ａに示されるように、振動発電装置ＥＧ１は、複数のリング電極２を含むリング電極群ＲＥを有する。各リング電極２は、例えばステンレス製であり、リング形状を有する。カンチレバー群ＣＬが、リング電極群ＲＥに取り付けられており、各カンチレバー１が、対応するリング電極２に電気的に接続されている。なお、電気的な接続を、以下単に接続と呼ぶこともある。

特に図１Ｃに示されるように、カンチレバー１の根元で、上側電極１ｅｕが、対応するリング電極２に接続されている。下側電極１ｅｄは、リング電極２から離れて配置されて、リング電極２と絶縁されており、基準電位を与える。

支持層１ｓの根元部分１ｓｒは、すべてのカンチレバー１でつながっている。特に図１Ｂに示されるように、左右両端のカンチレバー１ａ、１ｇのさらに外側の根元部分１ｓｒに、下側電極１ｅｄの露出部１０ｄが形成されており、基準電位が外部に取り出される。

図示の実施例では、リング電極群ＲＥが、同心に配置された４つのリング電極２ａ〜２ｄで形成される。ただし、最も中心側の（中央の）リング電極２ａは、中心に穴の開いたリング形状ではなく、中心のふさがった円板形状であるが、他のリング電極２ｂ〜２ｄと共通の名称で呼ぶこととする。

中央のリング電極２ａに、中央のカンチレバー１ｄが接続される。中央のリング電極２ａから１つ外側のリング電極２ｂに、中央のカンチレバー１ｄから１つ左右外側に配置されたカンチレバー１ｃ、１ｅが共通に接続される。リング電極２ｂから１つ外側のリング電極２ｃに、カンチレバー１ｃ、１ｅからそれぞれ１つ左右外側に配置されたカンチレバー１ｂ、１ｆが共通に接続される。最も外側のリング電極２ｄに、最も左右外側に配置されたカンチレバー１ａ、１ｇが共通に接続される。つまり、左右対称に配置され、長さの等しい２本のカンチレバー１が、共通のリング電極２に接続されている。

最も外側のリング電極２ｄを囲む枠状の内側ケーシング部材３が、リング電極群ＲＥ及びカンチレバー群ＣＬを保持する。内側ケーシング部材３が、ベアリングボール５を用いたボールベアリング機構により、外側ケーシング部材４に回動自在に保持される。

左右対称な形状で配置されたカンチレバー１が、重力に対するバランス構造を形成することにより、内側ケーシング部材３に取り付けられたカンチレバー群ＣＬは、水平な姿勢を保つことができる。

外側ケーシング部材４が、回転体５０の表面５０ｐの縁近傍に（回転軸５０ａから離れた位置に）取り付けられている。回転体５０が回転すると、振動発電装置ＥＧ１も、全体として回転軸５０ａの周りに回転する。

しかし、ボールベアリング機構による保持と、バランス構造により、回転体５０が回転しても、カンチレバー群ＣＬは、水平な姿勢を保つことができる。従って、回転体５０の回転中も振動方向を鉛直上下方向に保ったまま、各カンチレバー１を、回転の周波数で振動させることができる。

回転体５０として、所望の回転数（周波数）範囲内で、回転数を変化させるものを想定している。回転数が、あるカンチレバー１の共振周波数に等しいとき、最も効果的にこのカンチレバー１を振動させることができて、良好な振動発電が行われる。回転体５０の回転数範囲内に含まれる複数の異なる周波数が、共振周波数となるように、各カンチレバー１の長さ等が選択されている。カンチレバー１が長いほど、共振周波数は低くなる。最も長いカンチレバー１ｄ〜最も短いカンチレバー１ａ及び１ｇの、それぞれの共振周波数を、Ｆ１〜Ｆ４とする。

振動発電装置ＥＧ１は、さらに、引出電極機構ＥＥを有する。引出電極機構ＥＥは、引出電極６とバネ機構７を含む。リング電極群ＲＥの裏面（カンチレバー群取付側と反対側の面）と、それに対向する外側ケーシング部材４の内面との間に、引出電極６が、リング電極２と接触可能に配置されている。

引出電極６は、外側ケーシング部材４に、導電性のバネ７ｓを含むバネ機構７を介して、移動可能に取り付けられている。バネ７ｓは、引出電極６に対して、回転体５０の回転軸５０ａ側に取り付けられている。バネ機構７は、引出電極６の移動方向を回転体５０の半径方向に制限するガイド構造を含んでもよい。なお、回転体５０の半径方向を、以下単に、半径方向と呼ぶこともある。

回転体５０が回転すると、引出電極６は遠心力を受け、バネ７ｓの弾性力と釣り合う位置まで、半径方向に移動する。リング電極群ＲＥの中心を、引出電極６の移動方向が通るように、リング電極群ＲＥが配置されている（引出電極６は、回転体５０の回転の中心とリング電極２の中心を結ぶ半径方向に沿って、遠心力により移動する）。

回転体５０が、周波数Ｆ１で回転するとき、リング電極２ａに接触する位置に引出電極６が配置される。回転の周波数がＦ２に上昇したとき、引出電極６は、半径方向外側に移動して、リング電極２ａの外側に隣接するリング電極２ｂに接触する位置に配置される。同様にして、回転の周波数Ｆ３、Ｆ４のとき、それぞれ、リング電極２ｃ、２ｄに接触する位置に引出電極６が配置される。周波数Ｆ１〜Ｆ４で、それぞれ、リング電極２ａ〜２ｄに接触する位置に引出電極６が配置されるように、バネ７のバネ定数、リング電極２の幅、及び隣接リング電極２同士の間隔が選択されている。なお、バネそのものを使わなくとも、同等なバネ定数に相当する弾性係数を持った弾性材料を、バネ部材として利用することもできる。

このようにして、あるカンチレバー１の共振周波数の回転数のとき、このカンチレバー１に接続されたリング電極２に引出電極６を接触させて、このカンチレバー１の出力電圧を引出電極６に取り出すことができる。出力電圧を取り出すカンチレバー１の切り替えは、回転体５０の回転数変化に応じた遠心力の変化により自動的に行われるので、カンチレバー切り替え制御のための電源を必要としない。

上述のように、外側ケーシング部材４は、回転体５０に固定されて回転するのに対し、内側ケーシング部材３は、カンチレバー群ＣＬの水平な姿勢を保つ。つまり、内側ケーシング部材３（及びそれに取り付けられた部材）は、回転体５０、外側ケーシング部材４（及びそれに取り付けられた部材）に対して相対的に、回転体５０の回転方向と反対向きに、回転体５０の回転の周波数で回転する。

一方、回転体５０、外側ケーシング部材４（及びそれに取り付けられた部材）は、内側ケーシング部３（及びそれに取り付けられた部材）に対して相対的に、回転体５０の回転方向に、回転体５０の回転の周波数で回転する。

外側ケーシング部材４（及びそれに取り付けられた部材）と内側ケーシング部３（及びそれに取り付けられた部材）との相対的な回転動作の中心が、リング電極群ＲＥの中心と揃うように、リング電極群ＲＥが配置されている。

従って、回転体５０の回転中、あるリング電極２に接触している引出電極６は、接触状態を保ったまま、このリング電極２上を、周方向に、回転体５０の回転と同じ向きで移動する（引出電極６の配置された半径方向位置に、リング電極２の存在する状態が保たれる）。なお、中央のリング電極２ａは、引出電極６のリング電極群ＲＥに対する相対的な回転の中心に位置するので、引出電極６は、中央のリング電極２ａに接触している場合は移動しない。このように、リング電極２をリング形状としたことにより、回転体５０の回転に伴い引出電極６が移動しても、リング電極２との接触を保って、出力電圧を取り出すことができる。

以上説明したように、回転体５０に対する相対的な回転動作の中心にリング電極群ＲＥの中心が配置され、引出電極が、回転体５０の回転中心とリング電極２の中心を結ぶ半径方向に沿って移動することにより、リング電極２の切り替えが良好に行われるとともに、引出電極６のリング電極２への接触状態が、回転中良好に維持される。

リング電極２ｂ〜２ｄには、それぞれ、共振周波数の等しい２本ずつのカンチレバー１ｃ及び１ｅ、１ｂ及び１ｆ、１ａ及び１ｇが接続されている。共通の周波数で２本のカンチレバー１が共振するので、１本のカンチレバー１だけが振動する場合に比べて、発電電力を増やせる。

カンチレバー群ＣＬにおける、カンチレバー１の左右対称な配置は、水平なバランスを取るのに寄与するのみならず、共振周波数の等しいカンチレバー１が左右に２本配置されることで、発電電力の増加に寄与する。

なお、回転の周波数がＦ１より低い状態では、引出電極６が、中央のリング電極２ａよりも半径方向内側に配置され、例えば、リング電極２ｂに接触する。しかし、周波数がＦ１より低い状態では、リング電極２ｂに接続されたカンチレバー１ｃ、１ｅの共振は起こらず、出力電圧は共振時に比べて少ない。

本実施例の振動発電装置ＥＧ１は、特に、周波数Ｆ１〜Ｆ４程度の回転数範囲において、異なる複数の周波数でカンチレバー１の共振が利用できることにより、１本のカンチレバーのみ用いる場合に比べて、この範囲の平均出力電圧を高めることができる。

バネ７ｓのバネ部分と外側ケーシング部材４の取付部との間に、補助引出電極８が配置されている。補助引出電極８は、半径方向の位置が固定されている。

内側ケーシング部材３の、補助引出電極８と接触する位置に、補助リング電極９が配置されている。補助引出電極８は、回転体５０の回転により、補助リング電極９との接触を保ったまま、補助リング電極９上を周方向に移動する。補助リング電極９が、内側ケーシング部材３の表側（カンチレバー群側）の面上に配置された端子電極１０ｕに接続されている。

カンチレバー１の上側電極１ｅｕの電位は、リング電極２、引出電極６、バネ７、補助引出電極８、及び補助リング電極９を経て、端子電極１０ｕから取り出されて、配線１１ｕを介して制御ユニット１２に供給される。一方、下側電極１ｅｄの電位は、下側電極１ｅｄの露出部１０ｄから取り出されて、配線１１ｄを介して制御ユニット１２に供給される。

制御ユニット１２は、生成された交流の整流回路、蓄電池、各種センサ等、必要に応じて各種の電気回路を含む。制御ユニット１２は、カンチレバー群ＣＬの下方で、リング電極群ＲＥに取り付けられており、リング電極群ＲＥ及びカンチレバー群ＣＬとともに、内側ケーシング部材３に保持される。カンチレバー群ＣＬで発電した電力を、内側ケーシング部材３に保持された制御ユニット１２内で利用することにより、内側ケーシング部材３の外部に電力を取り出す配線を形成する煩雑さが避けられる。

制御ユニット１２は、また、カンチレバー群ＣＬの水平な姿勢を維持するための錘も兼ね、バランス構造の一部として機能する（このように、内側ケーシング部材３に取り付けられた部材、及び内側ケーシング部材３が、全体として、カンチレバー振動方向を鉛直上下方向とするような、重力に対するバランス構造を形成する）。

次に、図２を参照して、発電構造体１００の製造方法について説明する。なお、図示の単純化のため、左側から右側に順に短くなる４本のカンチレバー１で形成されたカンチレバー群ＣＬの製造方法を例示するが、図１Ａ〜図１Ｃを参照して説明した形状のカンチレバー群ＣＬも、同様にして製造することができる。

図２Ａ〜図２Ｄについて、上面図に「ｐ」を付し、正面断面図（正面方向から見た断面図）に「ｆ」を付す。正面断面図は、図２Ａｐに一点鎖線ＦＦで示すように、カンチレバー１の上側電極１ｅｕの途中の長さで切った断面図である。図２Ｄｐは、完成した発電構造体１００の上面図を示す。

図２Ａｐ及び図２Ａｆを参照する。酸化シリコン層６１、シリコン層６２、酸化シリコン層６３、シリコン層６４、及び酸化シリコン層６５が積層されたＳＯＩ基板６０を準備する。ＳＯＩ基板６０の酸化シリコン層６５上に、Ｔｉをスパッタリングで例えば厚さ１０ｎｍ堆積し、その上にＰｔをスパッタリングで例えば厚さ１００ｎｍ堆積する。Ｐｔ／Ｔｉ層をエッチングでパターニングして、下側電極１ｅｄを形成する。

下側電極１ｅｕは、すべてのカンチレバー１に共通で、カンチレバー１の幅方向について、左右両端のカンチレバー１の両端にはみ出す長さで形成される。カンチレバー１の長さ方向について、カンチレバー先端側の端は、上側電極１ｅｕと対向するように、例えば、上側電極１ｅｕの端と同程度の位置に形成される（これ以上長くてもよい）。ただし、下側電極１ｅｄのカンチレバー根元側の端は、図１Ｃを参照して説明したように、リング電極との接触を避けるため、カンチレバー根元に露出しない位置に形成される。

次に、下側電極１ｅｄを覆って、酸化シリコン層６５上に、ＰＺＴをスパッタリングで例えば厚さ２μｍ堆積して、圧電体層１ｐを形成する。次に、ＳＯＩ基板６０の裏面側の酸化シリコン膜６１を、エッチングで全面除去する。なお、酸化シリコン膜６１を除去した後のＳＯＩ基板６０も、ＳＯＩ基板６０と呼ぶこととする。

次に、圧電体層１ｐ上に、各カンチレバー１の上側電極１ｅｕに対応した開口形状を持つレジストパターンを形成し、Ｐｔをスパッタリングで例えば厚さ１００ｎｍ堆積し、リフトオフにより、上側電極１ｅｕを形成する。上側電極１ｅｕのカンチレバー根元側の端は、図１Ｃを参照して説明したように、リング電極と接触させるため、カンチレバー根元に達するように形成される。

図２Ｂｐ及び図２Ｂｆを参照する。次に、圧電体層１ｐ上に、発電構造体１００の外形に沿った溝状の開口、及び、下側電極１ｅｄの露出部１０ｄに対応する開口を有するレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとし、圧電体層１ｐをエッチングして、圧電体層１ｐに、発電構造体１００の外形に沿った溝（破線で示す）を形成するとともに、下側電極１ｅｄの露出部１０ｄを形成する。下側電極１ｅｄの露出部１０ｄは、左右両端のカンチレバー１のさらに外側に配置される。エッチング後、レジストパターンを除去する。

図２Ｃｐ及び図２Ｃｆを参照する。次に、ＳＯＩ基板６０の裏面上に、カンチレバー先端の錘部１ｓｗ、カンチレバー根元部１ｓｒ、及び、発電構造体１００の外側の不要部分を覆うレジストパターン（斜線で示す）を形成する。このレジストパターンをマスクとし、エッチングにより露出部のシリコン層６２を除去して、シリコン層６４によるカンチレバー支持層１ｓを残す。エッチングされないシリコン層６２が、錘部１ｓｗと根元部１ｓｒを形成する。エッチング後、レジストパターンを除去する。

図２Ｄｐ及び図２Ｄｆを参照する。次に、レーザ加工機により、不要部分を切断して、発電構造体１００を分離する。隣接するカンチレバー１の間は、根元部１ｓｒを残して分離される。なお、圧電体層１ｐには、レーザ切断による熱の影響を抑えるため既にエッチングで溝を形成している。ＳＯＩ基板６０と下側電極１ｅｄが、レーザにより切断される。

図２Ｄｓは、図２Ｄｐに一点鎖線ＳＳで示すように、カンチレバー１の幅方向の途中を通る側面断面図である。このようにして、カンチレバー群ＣＬを一体的に形成した発電構造体１００が形成される。

次に、第１実施例の振動発電装置を用いた第１応用例について検討する。第１応用例は、回転体として、自動車のエンジンの動力を伝える回転部材を想定し、実施例の振動発電装置を、エンジン部の異常発熱を検知する検知装置の電源として利用することを想定している。制御ユニットは、熱センサ及び無線機を含み、熱センサで検知した温度の情報を、無線機で外部の制御回路に送信する。

第１応用例では、カンチレバーの幅を０．５ｍｍ、（錘のない部分の）厚さを０．０２ｍｍとし、錘の長さを４ｍｍ、錘の厚さを０．５ｍｍとし、表面電極の長さを２ｍｍとした。カンチレバーの長さを変えて、共振周波数を構造解析で計算した。

図３は、第１応用例のカンチレバーの長さに対する共振周波数の関係を示すグラフである。カンチレバーの長さが約１６ｍｍで共振周波数が約３９Ｈｚとなり、カンチレバーの長さが約１０ｍｍで共振周波数が約７７Ｈｚとなる。

カンチレバー群として、１０ｍｍ、１２ｍｍ、１４ｍｍ、及び１６ｍｍの４種類の長さのものを用いることとする。各カンチレバーの幅を０．５ｍｍとし、共振周波数が約３９Ｈｚで長さが１６ｍｍのカンチレバーから、共振周波数が約７７Ｈｚで長さが１０ｍｍのカンチレバーまでを、０．２ｍｍ間隔で並べるとする。

各カンチレバーに対応するリング電極も、カンチレバーと等しい幅、間隔で並べるとする。長さ１６ｍｍのカンチレバーに対応するリング電極の幅方向中心から、長さ１０ｍｍのカンチレバーに対応するリング電極の幅方向中心までの距離は、２．１ｍｍとなる。

回転体上の振動発電装置の取付位置を回転軸から５ｃｍとし、引出電極の重さを５ｇとすると、回転の周波数が約３９Ｈｚのとき、引出電極に掛かる遠心力は約１５．０Ｎとなり、回転の周波数が約７７Ｈｚのとき、引出電極に掛かる遠心力は約５８．５Ｎとなる。

周波数約３９Ｈｚでの遠心力１５．０Ｎと、周波数７７Ｈｚでの遠心力５８．５Ｎとの差である４３．５Ｎ当たり、長さ１６ｍｍのカンチレバーのリング電極から、長さ１０ｍｍのカンチレバーのリング電極までの距離２．１ｍｍを、引出電極が移動すればよい。従って、引出電極を取り付けるバネのバネ定数は、約２０．７Ｎ／ｍｍと見積もられる。

第１応用例のカンチレバー群による発生電圧を圧電解析で計算し、回転の周波数と発生電圧との関係について調べた。

図４は、回転の周波数と発生電圧との関係を示すグラフである。各カンチレバーの共振周波数（３９Ｈｚ、４７Ｈｚ、５９Ｈｚ、７７Ｈｚ）で、出力電圧のピークが得られている。例えば、静止状態から回転の周波数を上げていくと、まず、長さ１６ｍｍのカンチレバーの共振周波数約３９Ｈｚで出力電圧のピークが得られる。さらに周波数が上がると、長さ１６ｍｍのカンチレバーによる出力電圧は急激に減少するが、長さ１４ｍｍのカンチレバーによる出力電圧が徐々に上昇し、その共振周波数約４７Ｈｚで再び出力電圧のピークが得られる。

周波数変化に応じてカンチレバーが切り替わり、複数の異なる共振周波数が利用できることにより、１つのカンチレバーのみ用いる場合に比べて、広い周波数範囲での平均出力電圧を上げることができる。

最低の共振周波数より少し低い３０Ｈｚ（１８００ｒｐｍ）程度から、最高の共振周波数より少し高い８０Ｈｚ（４８００ｒｐｍ）程度までの範囲で、常に１Ｖ以上の出力電圧が得られている。この範囲は、自動車の高速走行時のエンジン回転数をほとんどカバーでき、振動発電装置で得られた電力を、例えば、エンジン部の異常発熱を検知する熱センサ（及びデータを送信する無線機）の電源に利用することができる。

以上第１応用例で説明したように、振動発電装置で得られる電力を、振動発電装置に組み込まれた各種機器の電源に利用することができる。

なお、長さの異なるカンチレバーの数を増やして、利用できる共振周波数を増やすことにより、平均出力電圧を上げることができる。また、回転体に取り付ける振動発電装置の数を増やすことによって、全体の発電電力を増加させることもできる。

次に、第１実施例の振動発電装置を用いた第２応用例について検討する。第２応用例は、回転体として、掃除機のモータの回転を伝える回転部材を想定し、実施例の振動発電装置を、モータの回転数異常を検知する異常検知センサとして利用することを想定している。

第２応用例では、カンチレバーの幅を０．５ｍｍ、（錘のない部分の）厚さを０．０２ｍｍとし、錘の長さを１ｍｍ、錘の厚さを０．５ｍｍとし、表面電極の長さを１ｍｍとした。カンチレバーの長さを変えて、共振周波数を構造解析で計算した。

図５は、第２応用例のカンチレバーの長さに対する共振周波数の関係を示すグラフである。カンチレバーの長さが約３．５ｍｍで共振周波数が約６１６Ｈｚとなり、カンチレバーの長さが約２．５ｍｍで共振周波数が約１０５０Ｈｚとなる。

カンチレバー群として、２．５ｍｍ、２．７５ｍｍ、３．０ｍｍ、及び３．５ｍｍの４種類の長さのものを用いることとする。これらのカンチレバーを、幅０．５ｍｍとし、０．２ｍｍ間隔で並べるとする。

各カンチレバーに対応するリング電極も、カンチレバーと等しい幅、間隔で並べる。長さ３．５ｍｍのカンチレバーに対応するリング電極の幅方向中心から、長さ２．５ｍｍのカンチレバーに対応するリング電極の幅方向中心までの距離は、２．１ｍｍとなる。

回転体上の振動発電装置の取付位置を回転軸から３ｃｍとし、引出電極の重さを５ｇとすると、回転の周波数が約６１６Ｈｚのとき、引出電極に掛かる遠心力は約２．２５ｋＮとなり、回転の周波数が約１０５０Ｈｚのとき、引出電極に掛かる遠心力は約６．５３ｋＮとなる。周波数６１６Ｈｚと周波数約１０５０Ｈｚでの遠心力の差である４．２８ｋＮ当たり、距離２．１ｍｍを、引出電極が移動すればよい。従って、引出電極を取り付けるバネのバネ定数は、約２．０４ｋＮ／ｍｍと見積もられる。

第２応用例のカンチレバー群による発生電圧を圧電解析で計算し、回転の周波数と発生電圧との関係について調べた。

図６は、回転の周波数と発生電圧との関係を示すグラフである。各カンチレバーの共振周波数（６１６Ｈｚ、７８４Ｈｚ、９０２Ｈｚ、１０５０Ｈｚ）で、出力電圧のピークが得られている。第１応用例と同様に、複数の異なる共振周波数を利用することにより、広い周波数範囲での平均出力電圧の増加が図られる。

掃除機のモータが、正常な動作時に、例えば４００００ｒｐｍ（６６７Ｈｚ）〜６００００ｒｐｍ（１０００Ｈｚ）で回転するとする。この回転数範囲で、出力電圧は、常に０．１Ｖ以上となっている。従って、例えば０．１Ｖを閾値電圧に設定しておき、正常な動作が期待される期間に、出力電圧が閾値０．１Ｖ未満となったら、回転数が高すぎるか低すぎるかの異常が生じていると判定できる。このような比較判定を行う回転数センサと、回転数センサで検知した回転数異常の情報を外部の制御回路に送信する無線機を、制御ユニットに含めることができる。

以上第２応用例で説明したように、振動発電装置の出力電圧を、回転状態（振動状態）を検出するセンサに利用することもできる。なお、必要に応じて、出力電圧を、電源とセンサの両方に用いることも可能である。

なお、第１応用例と同様に、長さの異なるカンチレバーの数を増やして、平均出力電圧を上げることができる。また、異常を検出したい回転数範囲を分割して、複数の振動発電装置（センサ）を用いれば、全回転数範囲を網羅する１つの振動発電装置（センサ）を用いる場合に比べて、個々の振動発電装置（センサ）の小型化が図られる。

次に、図７Ａ及び図７Ｂを参照して、第１実施例の変形例の振動発電装置について説明する。図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ、第１実施例の変形例の振動発電装置を示す概略正面図及び概略上面断面図である。図１Ａ〜図１Ｃを参照して説明した第１実施例の振動発電装置は、外部ケーシング部材４に内部ケーシング部材３を回動自在に保持する構造として、ボールベアリング機構を採用したが、回動自在な保持構造として他のものを採用してもよい。本変形例の振動発電装置は、磁気浮上機構に対応したケーシング部材を用いて、外部ケーシング部材４Ｖに対し非接触的に、内部ケーシング部材３Ｖを回動自在に保持する。

次に、図８Ａ及び図８Ｂを参照して、第２実施例による振動発電装置の構造及び動作について説明する。図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ、第２実施例の振動発電装置ＥＧ２と発電装置ＥＧ２が取り付けられた回転体５０の、概略正面図及び概略上面図を示す。なお、第１実施例と対応する構造には、参照符号付与の煩雑さを避けるため、同様の参照符号を流用する。例えばカンチレバーに「１」を付し、個々のカンチレバーを「ａ」等のアルファベットを付して区別している。

第１実施例及びその変形例では、外側ケーシング部材に対し内側ケーシング部材を回動自在に保持することにより、回転体の回転中の振動方向が鉛直上下方向に維持されるように、カンチレバーの姿勢を保った。ただし、この構造では、回転状態によっては、カンチレバーの姿勢が一定に保たれない可能性がある。第２実施例では、以下説明するように、ギア機構を用いることにより、回転中のカンチレバーの姿勢を保つ。

回転体５０は、第１実施例と同様に、回転軸５０ａの周りに回転し、回転軸５０ａに垂直な表面５０ｐ上に、振動発電装置ＥＧ２が取り付けられる。ただし、第２実施例では、取付機構ＩＭを介して、振動発電装置ＥＧ２が回転体５０上に取り付けられる。

なお、後述のように、第２実施例ではギア２３に振動発電装置ＥＧ２が取り付けられ、振動発電装置ＥＧ２は、カンチレバー群ＣＬとリング電極群ＲＥを含む。引出電極機構ＥＥは、取付機構ＩＭ側に取り付けられる。

取付機構ＩＭは、固定台２０、固定歯車２１、中間歯車２２、取付歯車２３、歯車取付板２４、及び、支持アーム２５を含む。なお、図示を容易にするため、図８Ｂの回転体５０を示す図で、中間歯車２４と支持アーム２５を太線で示す。

固定台２０が、地面（あるいは、回転体５０の外部の装置）に対して固定されている。回転体５０の回転軸５０ａと同軸の固定歯車２１が、固定台２０に取り付けられている。固定歯車２１は、回転体５０が回転しても、静止状態を保つ。

回転体５０の表面５０ｐに、歯車取付板２４が固定されており、歯車取付板２４に、中間歯車２２と取付歯車２３が取り付けられている。中間歯車２２と取付歯車２３は、固定歯車２１と、径も歯数も等しい。

中間歯車２２は、固定歯車２１と噛み合っており、回転体５０の回転に伴い、全体として回転体５０と一緒に回転するとともに、回転体５０に対して相対的に、回転体５０の回転方向と同じ方向に回転体５０と同じ回転数で回転する。取付歯車２３は、中間歯車２２と噛み合っており、回転体５０の回転に伴い、全体として回転体５０と一緒に回転するとともに、回転体５０に対して相対的に、回転体５０の回転方向と反対方向に回転体５０と同じ回転数で回転する。

取付歯車２３に、振動発電装置ＥＧ２が取り付けられている。第２実施例では、取付歯車２３が、回転体５０上で回転体５０の回転方向と反対方向に回転体５０と同じ回転数で回転することにより、カンチレバー群ＣＬの姿勢を一定に維持することができる。

第１実施例では、重力を利用したバランスにより、カンチレバー群の姿勢を一定に保った。従って、カンチレバーの姿勢は水平に（振動方向は鉛直上下方向に）に制限された。一方、第２実施例では、ギア機構により積極的に、カンチレバー群ＣＬを所望の取付姿勢に保つことができる。従って、カンチレバー１の振動方向は、回転体５０の回転軸に直交する所望の方向を選択することができ、上下方向に制限されない。また、回転体５０の回転軸５０ａも、水平方向に制限されない。

回転体５０に、中心から半径方向に延びた支持アーム２５が取り付けられており、支持アーム２５に、引出電極機構ＥＥが取り付けられている。支持アーム２５のバネ取付部２５ａに取り付けられたバネ機構７を介して、引出電極６が保持される。回転体５０の回転に伴い、支持アーム２５とともに、バネ機構７及び引出電極６が回転する。

特に図８Ｂに示すように、取付歯車２３の軸部材２３ａが、歯車部材２３ｂよりも手前側（歯車部材２３に対し回転体５０と反対側）に突出している。歯車部材２３ｂは、中心部に手前側に突出する鞘部２３ｃを有し、鞘部２３ｃを軸部材２３ａが貫通する。鞘部２３ｃに、発電構造体取付板２３ｄが嵌め込まれている。

発電構造体取付板２３ｄの表側（手前側）に、発電構造体１００ａ及び１００ｂが取り付けられており、発電構造体取付板２３ｄの裏側に、リング電極２ａ〜２ｃが取り付けられている。第２実施例のリング電極群ＲＥを形成するリング電極２は、中心を鞘部２３ｃが貫通し、すべてリング形状となっている。また、第２実施例のカンチレバー群ＣＬを形成する発電構造体は、軸部材２３ａ及び鞘部２３ｃを挟んで左右に配置された発電構造体１００ａと１００ｂの組で形成されている。

発電構造体１００ａと１００ｂは、取付歯車２３の軸を通る面を挟んで対称な形状で配置されている。発電構造体１００ａは、取付歯車２３の軸に対して左方外側に、順に長くなるように、カンチレバー１ａ〜１ｃを含む。発電構造体１００ｂは、取付歯車２３の軸に対して右方外側に、順に長くなるように、カンチレバー１ｄ〜１ｆを含む。カンチレバー群ＣＬを形成するカンチレバー１ａ〜１ｆが、振動方向を揃えて平行に並んでいる。

最も短く、等しい長さのカンチレバー１ａ及び１ｄが、最も内側のリング電極２ａに接続され、次に短く、等しい長さのカンチレバー１ｂ及び１ｅが、中間のリング電極２ｂに接続され、最も長く、等しい長さのカンチレバー１ｃ及び１ｆが、最も外側のリング電極２ｃに接続されている。なお、第２実施例では、カンチレバー１とリング電極２との間に介在する発電構造体取付板２３ｄに、各カンチレバー１から対応するリング電極２に接続される配線が形成されている。

リング電極群ＲＥの裏面と、それに対向する歯車部材２３ｂとの間に、引出電極６が配置されている。引出電極６の移動方向上に、リング電極群ＲＥの中心が配置されている。第１実施例と同様に、回転数に応じた遠心力で、引出電極６の半径方向位置を変化させて、接触するリング電極２を切り替えることができる。

第１実施例では（図１Ｂ参照）、リング電極群の中心に、最も長い、つまり最も共振周波数の低いカンチレバーを配置した。しかし、第２実施例では、リング電極群ＲＥの中心は取付歯車２３の軸部分（以下単に軸部分と呼ぶこともある）が存在するので、軸部分により、引出電極６の半径方向外側への移動が制限される。

従って、第２実施例では、最も外側のリング電極２ｃに、最も長い（共振周波数の低い）カンチレバー１ｃ及び１ｆを配置し、最も内側のリング電極２ａに、最も短い（共振周波数の高い）カンチレバー１ａ及び１ｄを配置している。回転数が増えるに従って、半径方向内側から、軸部分に向かって引出電極が移動し、より高い共振周波数のカンチレバー１による出力電力が取り出される。なお、このようなカンチレバーの配列を、第１実施例の振動発電装置に採用することも可能である。

また、第２実施例では、歯車部材２３ｂを導電材料で形成し、引出電極６を歯車部材２３ｂに接触させて、歯車部材２３ｂを、上側電極１ｅｕからの電圧取り出し配線部材として用いる。特に図８Ａに示すように、発電構造体取付板２３ｄの嵌め込み部分に露出した、歯車部材２３ｂの鞘部２３ｃから、配線１１ｕが制御ユニット１２に接続される。なお、下側電極１ｅｄについては、第１実施例と同様に、下側電極１ｅｄの露出部１０ｄに接続された配線１１ｄが、制御ユニット１２に接続される。

なお、ギアが回転体の直径外側にはみ出すことが問題となる場合は、各ギアの直径を小さくしチェーンや歯付きベルトを介して噛み合わせて接続したり、あるいは滑車とベルトを用いて接続したりする等の対応をすることができる。

なお、振動発電装置ＥＧ２を回転体５０に取り付ける取付機構ＩＭも含めた全体を、振動発電装置と捉えることもできる。

以上第１及び第２実施例で説明したように、共振周波数の異なる複数のカンチレバーを発電源として回転体上に保持した振動発電装置を用いることで、回転体の回転数が変化しても、単一のカンチレバーを用いる場合に比べて、平均の出力電圧の向上を図ることができる。

出力電圧を取り出すカンチレバーの切り替えは、回転体の回転に伴う遠心力で引出電極を移動させることにより行うことができる。

回転体上のカンチレバーの姿勢を、例えばボールベアリング機構やギア機構等を用いて一定に保つことにより、カンチレバーの振動方向を一定に保つことができる。

回転体上のカンチレバーの姿勢を保つことに伴い、引出電極とカンチレバーとが相対的に回転する。リング形状のリング電極を介すことにより、カンチレバーからの出力電圧を引出電極に取り出すことが容易となる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

以上説明した第１及び第２の実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
それぞれ圧電体を対向電極で挟んだ構造を有し、共振周波数が互いに異なり、振動方向を揃えて配置された第１及び第２のカンチレバーと、
前記第１及び第２のカンチレバーを、回転体に保持する保持機構と、
前記回転体の回転に伴う遠心力により移動して、前記第１のカンチレバーの有する電極に電気的に接続する状態と、前記第２のカンチレバーの有する電極に電気的に接続する状態とが切り替わる引出電極と
を有する振動発電装置。
（付記２）
前記引出電極は、前記回転体の回転に伴う遠心力に抗して前記引出電極を前記回転体の中心方向に引っ張るバネ部材に取り付けられている付記１に記載の振動発電装置。
（付記３)
前記保持機構は、前記振動方向が前記回転体の回転軸に直交する第１の方向となる姿勢で、前記第１及び第２のカンチレバーを保持するとともに、前記回転体の回転中に、前記第１及び第２のカンチレバーを前記回転体に対して相対的に、前記回転体の回転方向と反対の方向に回転させて、前記振動方向を前記第１の方向に保つ付記１または２に記載の振動発電装置。
（付記４）
さらに、それぞれ前記第１のカンチレバーの有する電極、前記第２のカンチレバーの有する電極が電気的に接続され、同心に配置されたリング形状の第１及び第２のリング電極を有し、
前記回転体の回転中に前記保持機構により前記第１及び第２のカンチレバーが回転する回転動作の中心と、前記第１及び第２のリング電極の中心とが揃っており、
前記引出電極は、前記回転体の回転の中心と前記リング電極の中心を結ぶ前記回転体の半径方向に沿って、前記回転体の回転に伴う遠心力により移動して、前記第１のリング電極に接触する状態と、前記第２のリング電極に接触する状態とが切り替わる付記３に記載の振動発電装置。
（付記５）
さらに、圧電体を対向電極で挟んだ構造を有し、前記第１のカンチレバーと等しい共振周波数を持ち、前記第１及び第２のカンチレバーと振動方向を揃えて配置され、その電極が前記第１のリング電極に電気的に接続された第３のカンチレバーを有する付記４に記載の振動発電装置。
（付記６）
前記保持機構は、外側ケーシング部材が内側ケーシング部材を回動自在に保持する機構を含み、前記内側ケーシング部材に前記第１及び第２のカンチレバーが取り付けられ、また、前記内側ケーシング部材に取り付けられた部材及び前記内側ケーシング部材が、全体として、前記振動方向が鉛直上下方向となるようなバランス構造を形成し、前記外側ケーシング部材が、前記回転体に取り付けられる付記３または４に記載の振動発電装置。
（付記７）
さらに、それぞれ圧電体を対向電極で挟んだ構造を有し、前記第１及び第２のカンチレバーと振動方向を揃えて配置され、前記第１のカンチレバーと等しい共振周波数を持つ第３のカンチレバー、及び、前記第２のカンチレバーと等しい共振周波数を持つ第４のカンチレバーを有し、前記第３及び第４のカンチレバーは、前記内側ケーシング部材に取り付けられており、前記第１〜第４のカンチレバーが、前記バランス構造を形成するように左右対称な形状で配置されている付記６に記載の振動発電装置。
（付記８）
さらに、前記第１及び第２のカンチレバーから出力された電圧が供給される制御ユニットを有し、前記制御ユニットは、前記内側ケーシング部材に取り付けられており、前記制御ユニットは、前記バランス構造を形成するための錘として機能する付記６に記載の振動発電装置。
（付記９）
前記保持機構は、前記回転体の軸と同軸で、回転せずに静止した第１のギアと、前記回転体上に取り付けられ、前記第１のギアに噛み合い、前記回転体に対して相対的に前記回転体の回転方向と同じ方向に回転する第２のギアと、前記回転体上に取り付けられ、前記第２のギアに噛み合い、前記回転体に対して相対的に前記回転体の回転方向と反対方向に回転する第３のギアとを含み、前記第３のギアに前記第１及び第２のカンチレバーが取り付けられる付記３または４に記載の振動発電装置。
（付記１０）
さらに、前記引出電極を介して取り出された前記第１及び第２のカンチレバーの出力電圧を、予め定められた閾値電圧と比較する回路を有する付記１に記載の振動発電装置。

ＥＧ１、ＥＧ２ 振動発電装置
１、１ａ〜１ｆ カンチレバー
１ｓ 支持層
１ｓｗ 錘部
１ｓｒ 根元部
１ｐ 圧電体層
１ｅｄ 下側電極
１ｅｕ 上側電極
ＣＬ カンチレバー群
２、２ａ〜２ｄ リング電極
ＲＥ リング電極群
３ 内側ケーシング部材
４ 外側ケーシング部材
５ ベアリングボール
６ 引出電極
７ バネ機構
７ｓ バネ
ＥＥ 引出電極機構
８ 補助引出電極
９ 補助リング電極
１０ｕ （上側電極の）端子電極
１０ｄ （下側電極の）露出部
１１ｕ、１１ｄ 配線
１２ 制御ユニット
２０ 固定台
２１ 固定歯車
２２ 中間歯車
２３ 取付歯車
２３ａ 軸部材
２３ｂ 歯車部材
２３ｃ 鞘部
２３ｄ 発電構造体取付板
２４ 歯車取付板
２５ 支持アーム
２５ａ バネ取付部
ＩＭ 取付機構
５０ 回転体
５０ａ 回転軸
５０ｐ （回転体の回転軸に垂直な）表面
１００、１００ａ、１００ｂ 発電構造体

Claims (5)

1. それぞれ圧電体を対向電極で挟んだ構造を有し、共振周波数が互いに異なり、振動方向を揃えて配置された第１及び第２のカンチレバーと、
   前記第１及び第２のカンチレバーを、回転体に保持する保持機構と、
   前記回転体の回転に伴う遠心力により移動して、前記第１のカンチレバーの有する電極に電気的に接続する状態と、前記第２のカンチレバーの有する電極に電気的に接続する状態とが切り替わる引出電極と
   を有する振動発電装置。
2. 前記保持機構は、前記振動方向が前記回転体の回転軸に直交する第１の方向となる姿勢で、前記第１及び第２のカンチレバーを保持するとともに、前記回転体の回転中に、前記第１及び第２のカンチレバーを前記回転体に対して相対的に、前記回転体の回転方向と反対の方向に回転させて、前記振動方向を前記第１の方向に保つ請求項１に記載の振動発電装置。
3. さらに、それぞれ前記第１のカンチレバーの有する電極、前記第２のカンチレバーの有する電極が電気的に接続され、同心に配置されたリング形状の第１及び第２のリング電極を有し、
   前記回転体の回転中に前記保持機構により前記第１及び第２のカンチレバーが回転する回転動作の中心と、前記第１及び第２のリング電極の中心とが揃っており、
   前記引出電極は、前記回転体の回転の中心と前記リング電極の中心を結ぶ前記回転体の半径方向に沿って、前記回転体の回転に伴う遠心力により移動して、前記第１のリング電極に接触する状態と、前記第２のリング電極に接触する状態とが切り替わる請求項２に記載の振動発電装置。
4. 前記保持機構は、外側ケーシング部材が内側ケーシング部材を回動自在に保持する機構を含み、前記内側ケーシング部材に前記第１及び第２のカンチレバーが取り付けられ、また、前記内側ケーシング部材に取り付けられた部材及び前記内側ケーシング部材が、全体として、前記振動方向が鉛直上下方向となるようなバランス構造を形成し、前記外側ケーシング部材が、前記回転体に取り付けられる請求項２または３に記載の振動発電装置。
5. 前記保持機構は、前記回転体の軸と同軸で、回転せずに静止した第１のギアと、前記回転体上に取り付けられ、前記第１のギアに噛み合い、前記回転体に対して相対的に前記回転体の回転方向と同じ方向に回転する第２のギアと、前記回転体上に取り付けられ、前記第２のギアに噛み合い、前記回転体に対して相対的に前記回転体の回転方向と反対方向に回転する第３のギアとを含み、前記第３のギアに前記第１及び第２のカンチレバーが取り付けられる請求項２または３に記載の振動発電装置。

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