JP5934926B2 - 振動発電装置、振動モニタリング装置及びシステム - Google Patents

Description

本開示は、振動発電装置、振動モニタリング装置及びシステムに関する。

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。

振動により発電する方法として、圧電素子が振動板に取り付けられた振動圧電体を用いる方法がある。しかし、この方法においては、振動圧電体の共振周波数が振動の周波数と一致している場合には大きな機械的変位が得られ、発電できるが、共振周波数が振動の周波数からずれるとほとんど発電できない。このため、共振周波数が異なる複数の振動圧電体を用いて、発電可能な振動の範囲を広げることが検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２０１１−１５２００４号公報

しかしながら、前記従来の方法では、複数の振動圧電体が必要である。また、個々の振動圧電体が対応する周波数が狭いため、振動圧電体を複数設けたとしても広い周波数帯域をカバーすることは困難である。

本発明は、広い周波数帯域幅を有する発電特性の振動発電装置を実現できるようにすることを目的とする。

本開示の振動発電装置の一態様は、振動部材に取り付けられた振動系を備え、振動系は、第１の振動系と、第１の振動系に取り付けられた第２の振動系とを有し、第１の振動系は、振動部材に取り付けられた弾性部材と、弾性部材に取り付けられた第１のマス部材とを含み、第２の振動系は、圧電素子と一体となった板バネと、板バネに取り付けられた第２のマス部材とを含み、第１の振動系の共振周波数と第２の振動系の共振周波数とは略一致している。

振動発電装置の一態様において、第２の振動系の共振応答倍率が第１の振動系の共振応答倍率よりも大きく、第１のマス部材の質量と第１の振動系の共振応答倍率との積が、第２のマス部材の質量と第２の振動系の共振応答倍率との積よりも大きくてもよい。

振動発電装置の一態様において、第１のマス部材の質量は、第２のマス部材の質量の５倍以上であってもよい。

振動発電装置の一態様において、第２の振動系の共振周波数は、第１の振動系の共振周波数の９０％以上、１１０％以下であってもよい。

振動発電装置の一態様において、圧電素子は、板バネの表面に設けられた圧電膜を含み、圧電膜には圧縮応力が付与されていてもよい。

振動発電装置の一態様において、第２のマス部材の板バネにおける位置は調整可能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の振動系は、第１のマス部材に取り付けられた、調整用マス部材を含んでいてもよい。

本開示の振動モニタリング装置の一態様は、本開示の振動発電装置と、振動発電装置により駆動される信号送信装置とを備えている。

振動モニタリング装置の一態様において、振動部材は、正常動作において第１の周波数帯域の振動を生じ、振動系の共振周波数は、第１の周波数帯域とすることができる。

振動モニタリング装置の一態様において、振動部材は、異常時において第２の周波数帯域の振動を生じ、振動系の共振周波数は、第２の周波数帯域としてもよい。

本開示の振動モニタリングシステムの一態様は、本開示の振動モニタリング装置を複数備え、振動部材は、異なる周波数帯域の振動を生じる複数の状態を有し、複数の振動モニタリング装置は、振動系の共振周波数が振動部材の異なる状態に対応している。

本開示に係る振動発電装置によれば、広い周波数帯域幅を有する発電特性が得られ、効率良く発電することができる。

一実施形態に係る振動発電装置を示す断面図である。 一実施形態に係る振動発電装置を説明するための振動モデルである。 一実施形態に係る振動発電装置の発電特性の一例を示すグラフである。 一実施形態に係る振動発電装置の発電特性の一例を示すグラフである。 一実施形態に係る振動発電装置の発電特性の一例を示すグラフである。 一実施形態に係る振動モニタリング装置を示すブロック図である。

一実施形態に係る振動発電装置は、図１に示すような構成を有している。図１に示すように、本実施形態の振動発電装置１００は、振動系１１０を備えており、振動系１１０は接着部材１０２を介して振動部材１０１に取り付けられている。振動発電装置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１０１側を下、振動部材１０１と反対側を上として説明する。

振動部材１０１は、振動が発生す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。

振動系１１０は、第１の振動系１１１と第２の振動系１１２とを有している。第１の振動系１１１は、振動部材１０１の上に取り付けられた弾性部材１３１及び弾性部材１３１の上に取り付けられた第１のマス部材１３２を有している。弾性部材１３１は、第１のマス部材１３２を振動部材１０１に弾性連結できればどのようなものであってもよい。図１においては、弾性部材１３１が矩形ブロック状のゴム弾性体である例を示している。弾性部材１３１と振動部材１０１とを接着部材１０２を介して接着する例を示したが、ボルト等により連結することもできる。弾性部材１３１は、専用の部材である必要はなく、振動部材の構造物の一部を利用してもよい。例えば、振動部材１０１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１３１として利用することができる。

第１のマス部材１３２は第１の振動系１１１の固有共振周波数を設定するための質量である。図１においては、第１のマス部材１３２は凹部１３２ａを有しており、凹部１３２ａに第２の振動系１１２が収容されている。また凹部１３２ａを覆う蓋体１３２Ａを有しており、凹部１３２ａを封止することができる。

第１のマス部材１３２の質量ｍ₁は、必要とする第１の振動系１１１の固有共振周波数に基づいて決定すればよい。但し、蓋体１３２Ａを含めた第１のマス部材１３２の質量ｍ ₁は、振動部材１０１の等価マス質量Ｍに対して１０％以上（ｍ１≧０．１×Ｍ）とすることができる。このようにすれば、第１のマス部材１３２が振動部材１０１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１０１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、振動発電装置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、第１のマス部材１３２の質量ｍ１は振動部材１０１の等価マス質量Ｍに対して１０％未満であってもよい。

第１のマス部材１３２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１３１と第１のマス部材１３２とはボルト等により連結したり、接着剤等により接着したりすることができる。

第２の振動系１１２は、弾性部材である板バネ１５１と、板バネ１５１の一の面に設けられた圧電素子１５３及び第２のマス部材１５２とを有している。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。板バネ１５１は、一方の端部が固定部材１５４を介して第１のマス部材１３２に取り付けられている。第２のマス部材１５２は、板バネ１５１の他方の端部に取り付けられている。このため、第２のマス部材１５２は、板バネ１５１により第１のマス部材１３２に弾性連結されている。従って、第２のマス部材１５２の第１のマス部材１３２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、第１の振動系１１１と第２の振動系１１２とは２自由度の振動系１１０を構成する。

図１においては、直方体状の固定部材１５４の側面に板バネ１５１が取り付けられ、固定部材１５４の底面が凹部１３２ａの底面に取り付けられている。しかし、これに限らず第２の振動系１１２は、振動方向が第１の振動系１１１の振動方向と一致するように第１の振動系１１１に取り付けられていればよい。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。

第２のマス部材１５２は、第２の振動系１１２の固有共振周波数を設定するための質量である。第２のマス部材１５２の質量ｍ₂は、必要とする第２の振動系１１２の固有共振周波数に基づいて決定すればよい。但し、第１の振動系１１１の固有振動数での応答倍率（共振応答倍率）Ｘは第２の振動系１１２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、第１のマス部材１３２の質量ｍ１は第２のマス部材１５２の質量ｍ２よりも十分に大きくすることでｍ₁×Ｘ＞ｍ₂×Ｑという関係を満たすように設定することが望ましい。このように設定することにより、大きな発電電力が得られる周波数帯域幅がより広くなるという効果が得られる。また、第１のマス部材１３２の質量ｍ₁を第２のマス部材１５２の質量ｍ₁の５倍以上とすることにより、さらにその効果を大きくすることができる。

図１においては、第２のマス部材１５２は板バネ１５１の端部に取り付けられているが、第２のマス部材１５２の取り付け位置は任意に変更することができる。第２のマス部材１５２の板バネ１５１上の位置を変更することにより、第２の振動系１１２の固有共振周波数を調整することができる。また、第２のマス部材１５２は、板バネ１５１の圧電素子１５３と反対側に設けることもできる。第２のマス部材１５２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。

圧電素子１５３は、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。振動部材１０１から第１のマス部材１３２に及ぼされた外力は、第２のマス部材１５２に伝達される。これにより、第１のマス部材１３２と第２のマス部材１５２とは相対変位し、板バネ１５１は弾性変形する。圧電素子１５３は、板バネ１５１と一体となっているため、第１のマス部材１３２と第２のマス部材１５２との相対変位による振動エネルギーが、圧電素子１５３に入力される。これにより、圧電素子１５３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、第１のマス部材１３２と第２のマス部材１５２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。

圧電素子１５３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１５９から取り出すことができる。リード１５９を電気回路と接続することにより、圧電素子１５３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、整流回路、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。

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。

圧電素子１５３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。

板バネ１５１は、例えば幅１２．５ｍｍ、長さ１８ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ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１２ｍｍ、長さ１２ｍｍ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とすることができる。焼結後の圧電体層１５８の厚さは２５μｍとすることができる。

圧電体層１５８は、例えば組成式（１）に示す材料により形成することができる。
Ｐｂ_1.015Ｚｒ_0.44Ｔｉ_0.46（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）_0.10Ｏ_3.015・・・（１）。
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（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）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。

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。

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。

このようにして得られた圧電素子１５３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１５３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。

第１の振動系１１１と第２の振動系１１２とは、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ｍ₁は第１のマス部材１３２の質量、ｍ₂は第２のマス部材１５２の質量、ｋ₁は弾性部材１３１のバネ定数、ｋ₂は板バネ１５１のバネ定数、ｘ₁は第１のマス部材１３２の変位量、ｘ₂は第２のマス部材１５２の変位量、Ｆ₀ｓｉｎ２πｆｔは、振動部材１０１から振動発電装置１００に入力される振動荷重である。

このような多自由度振動系において、第１の振動系１１１単体の機械的な共振周波数ｆ _r1と、第２の振動系１１２単体の機械的な共振周波数ｆ_r2との差がある程度以上小さく、略一致している場合には、第１の振動系１１１における振動と、第２の振動系１１２における振動とを相互に伝達させて連成的な振動状態とすることができる。ここで、共振周波数ｆ_r1とｆ_r2とが略一致しているとは、ｆ_r1とｆ_r2との差が、ｆ_r1の±１５％以下、好ましくは±１０％以下、より好ましくは±５％以下であることをいう。

振動部材１０１から入力される振動の周波数及び大きさが同じ場合、第２のマス部材１５２の変位量ｘ₂は、第１の振動系１１１と第２の振動系１１２との連成的な振動状態とすることで、第２の振動系１１２単独の場合よりも大きくすることができる。また、第２の振動系１１２単体の機械的な共振周波数ｆ_r2からずれた周波数の振動が振動部材１０１から入力された場合にも、第２のマス部材１５２を大きく変位させることが可能となり、大きな発電電力が得られる周波数帯域幅を広くすることができる。

なお、第１の振動系１１１の共振周波数ｆ_r1と第２の振動系１１２の共振周波数ｆ_r2は、上記の範囲内で互いに異なる値となるように設定してもよい。

図３は、ｆ_r1を４５Ｈｚに設定した第１の振動系１１１と、ｆ_r2を４４．８Ｈｚに設定した第２の振動系１１２とを組み合わせた振動発電装置１００の発電特性と、ｆ_r2を４４．８Ｈｚに設定した第２の振動系１１２単独の場合の発電特性とを示している。図３においえ振動発電装置１００の発電特性を実線で示し、第２の振動系１１２単独の発電特性を破線で示す。

発電特性は、加振機により第１の振動系１１１と第２の振動系１１２とを組み合わせた振動発電装置１００及び第２の振動系１１２単独の発電装置に振動を加え、リード１５９の両端の電圧Ｖ_rmsを検出することにより行った。発電電力ＰはＶ_rms ²／Ｒとして算出した。Ｒはリード１５９の間に接続した抵抗の値であり、１００ｋΩとした。加振機により加えた振動の加速度は０．１Ｇとした。

第１の振動系１１１は、弾性部材１３１を、縦４ｃｍ、横３ｃｍ、厚さ０．５ｃｍのゴム弾性体とした。第１のマス部材１３２の質量は２００ｇとした。振動加速度が０．１Ｇで、周波数が４５Ｈｚの場合における第１の振動系１１１単独の共振応答倍率は、６．８４であった。第１の振動系１１１の共振応答倍率は、所定の周波数の振動を加振機により第１の振動系１１１に与え、加振機の振動変位と、第１の振動系１１１の振動変位とをレーザ変位計により測定し、その比率を共振応答倍率とした。第１のマス部材１３２の質量と第１の振動系１１１単独の共振応答倍率との積は１３６８となった。

なお、弾性部材１３１であるゴム弾性体は、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を挙げることができる。

第２の振動系１１２は、圧電素子１５３が形成された幅１２．５ｍｍ、長さ１８ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの板バネ１５１と、その表面に取り付けた第２のマス部材１５２とした。圧電素子１５３は、先に例示した方法により形成した。圧電体層１５８は組成式（１）に示した材料とし、幅１２ｍｍ、長さ１２ｍｍで焼成後の厚さを３０μｍとした。第２のマス部材１５２の質量は、ｆｒ₂が４４．８Ｈｚとなるように調整した結果９．８ｇとなった。第１のマス部材１３２の質量は第２のマス部材１５２の質量の２０倍以上と十分に大きい値であった。また、この場合における第２の振動系１１２単独の共振応答倍率は３０．５であった。従って、第２のマス部材１５２の質量と第２の振動系１１２単独の共振応答倍率との積は２９９となり、第１のマス部材１３２の質量と第１の振動系１１１単独の共振応答倍率との積の０．２２倍と十分に小さい値であった。

図３において破線で示すように、第２の振動系１１２単独の場合にはｆ_r2である４４．８Ｈｚにおいて２１５μＷの電力が得られた。１００μＷ以上の発電電力が得られた範囲は、１．８Ｈｚであった。図３において実線で示す、第１の振動系１１１と第２の振動系１１２とを組み合わせた場合には、第１ピークと第２ピークが認められた。発電電力は最大となった第１ピークは４１．８Ｈｚであり、その値は５１０μＷであった。また、第２ピークは５０．１Ｈｚであり、２５９μＷの電力が得られた。１００μＷ以上の電力が得られた範囲ΔＦ１００は１３．９Ｈｚであった。１００μＷ以上の電力が得られた範囲の中心周波数Ｆ１００は４６．３Ｈｚであった。

ｆ_r1が４５Ｈｚの第１の振動系１１１と、ｆ_r2が異なる種々の第２の振動系１１２とを組み合わせた振動発電装置について発電特性を測定した。ｆ_r2は、第２のマス部材１５２の質量及び取り付け位置を調整することにより変化させた。ここで使用した最も重い第２のマス部材１５２の質量は１５．０ｇで、第１のマス部材１３２の質量は第２マス部材１５２の質量の１３．３倍と十分に大きい値であった。また、最も大きい第２の振動系単独の共振応答倍率は３８．２であり、質量と共振応答倍率との積の最大値は４０２で、第１のマス部材１３２の質量と第１の振動系１１１単独の共振応答倍率との積の０．２９倍と十分に小さい値であった。測定に用いた装置のｆ_r2及び発電特性等を表１にまとめて示す。ｆ_r1とｆ_r2とが｜ｆ_r1−ｆ_r2｜／ｆ_r1≦０．１の条件を満たす場合、つまりｆ_r2がｆ_r1の９０％以上、１１０％以下の場合には、１００μＷ以上の発電電力が得られる範囲ΔＦ１００を１０Ｈｚ以上とすることができた。

また、第１のマス部材１３２の質量を３００ｇとし、ｆ_r1を３８．１Ｈｚ、共振応答倍率を７．０６倍とした第１の振動系１１１と、第２のマス部材１５２の質量を１０．５ｇとし、ｆ_r2を３８．３Ｈｚ、共振応答倍率を２５倍とした第２の振動系１１２を組み合わせた振動発電装置の発電特性を図４に示す。なお、第１のマス部材１３２の質量と第１の振動系１１１単独の共振応答倍率との積は２１１８であった。第２のマス部材１５２の質量と第２の振動系１１２単独の共振応答倍率との積は２６３でああった。両者の比率は０．１２と十分に小さい値であった。

図４において破線で示すように、第２の振動系１１２単独の場合には、ｆ_r2である３８．３Ｈｚにおいて２０８μＷの電力が得られた。また１００μＷ以上の電力が得られた範囲ΔＦ１００は２．１Ｈｚであった。図４において実線で示す、第１の振動系１１１と第２の振動系１１２とを組み合わせた場合には、３４．９Ｈｚにおいて、発電電力は最大となり、その値は５８３μＷであった。また、４１．８Ｈｚにおいてもピークが認められ、４４２μＷの電力が得られた。１００μＷ以上の電力が得られた範囲ΔＦ１００は１２．４Ｈｚであった。１００μＷ以上の電力が得られた範囲の中心周波数Ｆ１００は３８．５Ｈｚであった。

第１の振動系１１１の固有共振周波数ｆ_r1及び第２の振動系１１２の固有共振周波数ｆ _r2の少なくとも一方を変化させることにより、最大の電力が得られる周波数を変化させることができる。また、１００μＷ以上の電力が得られる周波数の範囲ΔＦ１００も変化させることができる。ｆ_r1は、第１のマス部材１３２の質量を変化させることにより、調整することができる。第１のマス部材１３２の質量は、大きさ又は材質を変えることにより変化させることができる。また、例えば、調整用マス部材を第１のマス部材１３２に取り付けることにより変化させることもできる。ｆ_r2は、第２のマス部材１５２の質量及び取り付け位置の少なくとも一方を変化させることにより、調整することができる。

一方、第２の振動系１１２の共振応答倍率と第１の振動系１１１の共振応答倍率がほぼ等しい場合、又は第１の振動系１１１の共振応答倍率の方が第２の振動系１１２の共振応答倍率よりも大きい場合には、図５に示すような２つの鋭いピークを有し、ピーク間の周波数領域では発電電力が小さくなる発電電力−周波数特性となる。このため、１００μＷ以上の電力が得られる周波数の範囲ΔＦ１００が連続しなくなってしまう。また、第２の振動系１１２の共振応答倍率が第１の振動系１１１の共振応答倍率よりも大きい場合においても、第１のマス部材１３２の質量が小さすぎる、又は第２のマス部材１５２の質量が大きすぎる場合には、上記と同様の現象が生じる。これは、第１のマス部材１３２の質量と第１の振動系１１２の共振応答倍率との積が、第２のマス部材１５２の質量と第２の振動系１１２の共振応答倍率との積よりも小さくなることによる。

本実施形態においては、１００μＷ以上の電力が得られる範囲について説明したが、発電電力は、入力される振動の大きさ及び振動発電装置の大きさによって変化する。また、振動発電装置により駆動する電子回路によって、必要とする電力量は変化する。従って、１００μＷ以上という発電電力は一つの目安であり、振動発電装置の発電範囲は、実際の設置条件及び使用条件によって設定することができる。

本実施形態の振動発電装置は、振動周波数が変化する振動部材と組み合わせる場合に特に有用である。例えば、洗濯物の量等により振動周波数が変化する洗濯機、冷凍機の作動状態等により振動周波数が変化する冷蔵庫、走行状態及び路面状態等により振動周波数が変化する自動車等に、本実施形態の振動発電装置を取り付けることができる。

また、本実施形態の振動発電装置は、センサ等と組み合わせなくても、種々の装置及び設備等のモニターとして用いることができる。例えば、図６に示すように、所定の周波数範囲の振動により発電する振動発電装置２０１と、無線モジュール２０２とを組み合わせることにより、振動モニタリング装置２００を実現することができる。振動発電装置２０１が発電する周波数範囲を、装置２０３が正常動作している際に生じる振動の範囲とすることにより、装置２０３の正常動作をモニタリングすることができる。この場合、装置２０３が正常に運転されている場合には、振動による発電が行われるため信号を送信する。一方、異常が発生し、振動の周波数が正常範囲をはずれた場合には、発電が生じないか、発電電力が低下するため信号の送信を行わない。

振動モニタリング装置２００から送信された信号は、受信機により受信することができる。１００μＷ程度の電力により無線モジュールを駆動することができれば、見通しが良い場合には１００ｍ程度離れた位置に受信機を設置することが可能となる。なお、信号を有線で送信する構成とすることもできる。

従来の振動発電装置は、１００μＷ以上の電力を得られる範囲が数Ｈｚしかないため、わずかでも振動の周波数がずれると、信号が停止してしまう。しかし、本実施形態の振動発電装置は、１００μＷ以上の電力を得られる範囲が１０Ｈｚ以上あるため、正常な運転状態における振動範囲をカバーすることができる。

信号は、連続的に送信するようにしても、所定のタイミングで送信するようにしてもよい。また、送信する信号にモジュール番号又は位置情報等のデータを加えてもよい。このようにすれば、複数の装置等を同時に管理することができる。また、１つの装置等に複数の振動発電装置を取り付けることも可能となる。１つの装置等に複数の振動発電装置を取り付ける際に、発電周波数範囲が異なる振動発電装置を取り付けることができる。大きな装置等の場合には、部位によって振動の周波数が異なる場合がある。発電周波数範囲が異なる振動発電装置を取り付けることにより、部位毎にモニタリングすることが可能となる。また、振動の周波数範囲が広い場合には、発電周波数範囲をずらした複数の振動発電装置を取り付けることができる。振動の情報だけでなく、振動部材である装置の電源のオン・オフ等の情報を組み合わせるようにしてもよい。このようにすれば、装置の正常な停止による、信号の停止を容易に判定することが可能となる。

発電を行う周波数範囲を装置が正常動作している場合の周波数範囲とする例を示したが、装置に異常が生じた場合の周波数範囲としてもよい。この場合には、装置に異常が生じた際に信号が送信される。また、正常動作している場合の周波数範囲において発電する振動発電装置と、異常が生じた場合の周波数範囲において発電する振動発電装置とを設けてもよい。また、振動の周波数が異なる複数の運転状態を有する装置の場合には、それぞれの運転状態に対応するように複数の振動発電装置を設けることもできる。

振動モニタリング装置は、振動が生じる機器、装置、設備及び建築物等のどのようなものに取り付けることもできる。例えば、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ことができる。具体的に、圧縮機、ポンプ、ファン、冷蔵庫、洗濯機、掃除機、エアコン、及び自動車等の振動をモニタリングすることができる。また、橋又は道路等の建造物の振動をモニタリングすることもできる。

自動車の場合、例えばボディ等に取り付けることのより全体としての振動を検出することができる。また、エンジン、シャフト等の各構成部品に取り付けることにより、構成部品毎にモニタリングすることもできる。モニタリングにより装置全体又は各部品の寿命を予測することもできる。例えば、マフラに取り付けることにより、マフラの脱落等を予測することが可能となる。また、大きな衝撃による振動を検出するようにして、衝突事故等の発生を検出することも可能である。また、振動以外の特性を検出するセンサと組み合わせてもよい。例えば、タイヤ又はシャフトに取り付けることにより、タイヤの異常を検出することができる。この場合、空気圧又は温度等を別途モニタリングして、これらの情報と組み合わせるようにしてもよい。空気圧センサ又は温度センサ等は、振動発電装置により駆動してもよい。

本実施形態の振動発電装置は、３つ以上のマス部材をそれぞればね部材を介して直列的に弾性連結して、３自由度以上の多自由度振動系とすることもできる。これによれば、より一層広い周波数域の振動入力に対して、高い発電効率を得ることができる。なお、３自由度以上の多自由度振動系を採用する場合には、互いに弾性連結された２つのマス部材を選択して、それらマス部材の間にのみ発電素子を設けてもよい。また、隣接配置されて相互に弾性連結された複数組のマス部材間に、それぞれ発電素子を設けることもできる。

また、例えば、第１のマス部材に対して２つ以上の第２のマス部材を並列的に且つ互いに独立した２つ以上の第２のばね部材を介してそれぞれ弾性連結することで、発電装置の多自由度振動系を構成することもできる。これによれば、第２の振動系が複数構成されることから、それら第２の振動系単体の機械的な固有振動数を互いに異ならせて、より広い周波数域の振動入力に対する有効な発電を実現したり、第２の振動系単体の機械的な固有振動数を互いに同じにすることで、特定周波数域の振動入力に対する発電効率の向上を図ったりすることも可能である。

また、圧電素子に変えて電歪素子又は磁歪素子等の発電素子を用いてもよい。エレクトレット又は交差磁束の時間変化を使った電磁方式等を用いた発電構造を用いることもできる。第２の振動系に板バネを用いる例を示したが、板バネに代えてコイルスプリング、ゴム弾性体又は棒ばね等を用いることもできる。

本開示の振動発電装置は、広い周波数帯域をカバーすることができ、幅広い振動により発電する振動発電装置、又は幅広い振動をモニターする振動モニタリング装置及びシステム等として有用である。

１００ 振動発電装置
１０１ 振動部材
１０２ 接着部材
１１０ 振動系
１１１ 第１の振動系
１１２ 第２の振動系
１３１ 弾性部材
１３２ 第１のマス部材
１３２Ａ 蓋体
１３２ａ 凹部
１５１ 板バネ
１５２ 第２のマス部材
１５３ 圧電素子
１５４ 固定部材
１５６ 下部電極
１５７ 上部電極
１５８ 圧電体層
１５９ リード
２００ 振動モニタリング装置
２０１ 振動発電装置
２０２ 無線モジュール
２０３ 装置

Claims (10)

1. 振動部材に取り付けられた振動系を備え、
   前記振動系は、第１の振動系と、前記第１の振動系に取り付けられた第２の振動系とを有し、
   前記第１の振動系は、前記振動部材に取り付けられた弾性部材と、前記弾性部材に取り付けられた第１のマス部材とを含み、
   前記第２の振動系は、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第２のマス部材とを含み、
   前記第１の振動系の共振周波数と、前記第２の振動系の共振周波数とは略一致し、
   前記第２の振動系の共振応答倍率は、前記第１の振動系の共振応答倍率よりも大きく、
   前記第１のマス部材の質量と前記第１の振動系の共振応答倍率との積は、前記第２のマス部材の質量と前記第２の振動系の共振応答倍率との積よりも大きいことを特徴とする振動発電装置。
2. 前記第１のマス部材の質量は、前記第２のマス部材の質量の５倍以上である、請求項１に記載の振動発電装置。
3. 前記第２の振動系の共振周波数は、前記第１の振動系の共振周波数の９０％以上、１１０％以下である、請求項１又は２に記載の振動発電装置。
4. 前記圧電素子は、前記板バネの表面に設けられた圧電膜を含み、
   前記圧電膜には圧縮応力が付与されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動発電装置。
5. 前記第２のマス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１〜４のいずれか１項に記載の振動発電装置。
6. 前記第１の振動系は、前記第１のマス部材に取り付けられた、調整用マス部材を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動発電装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の振動発電装置と、
   前記振動発電装置により駆動される信号送信装置とを備えている、振動モニタリング装置。
8. 前記振動部材は、正常動作において第１の周波数帯域の振動を生じ、
   前記振動系の共振周波数は、前記第１の周波数帯域である、請求項７に記載の振動モニタリング装置。
9. 前記振動部材は、異常時において第２の周波数帯域の振動を生じ、
   前記振動系の共振周波数は、前記第２の周波数帯域である、請求項７に記載の振動モニタリング装置。
10. 請求項７に記載の振動モニタリング装置を複数備え、
    前記振動部材は、異なる周波数帯域の振動を生じる複数の状態を有し、
    複数の前記振動モニタリング装置は、前記振動系の共振周波数が前記振動部材の異なる状態に対応している、振動モニタリングシステム。

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