JP5954729B2

JP5954729B2 - 発電装置

Info

Publication number: JP5954729B2
Application number: JP2012016022A
Authority: JP
Inventors: 俊司熊谷; 周笠井; 誠司橋本
Original assignee: Mitsuba Corp; Gunma University NUC
Current assignee: Mitsuba Corp; Gunma University NUC
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2032-01-30
Also published as: JP2013158117A

Description

この発明は、圧電素子を用いた発電装置に関し、特に、自動車等の車両に取り付けられ、車両の振動により発電する発電装置に関する。

自動車等の車両に取り付けられ、車両の振動により発電することができる発電装置として、例えば、特許文献１に示される発電装置が提案されている。この発電装置は、圧電素子が一体的に固着された梁と、重り（質量）とを備え、梁の一端が固定されるとともに他端に重りが取り付けられた構造となっている。そして、この発電装置では、車両の振動により梁が屈曲振動を行い、この屈曲振動により梁に固着された圧電素子が発電する。

しかしながら、上記の発電装置において圧電素子が取り付けられた梁は、１次モードの周波数帯においてのみ変位の大きな屈曲振動を行い、その他の周波数帯では変位の大きな屈曲振動を行わない。そのため、この発電装置は、車両においてこの１次モードの周波数帯の振動が形成されたときのみ、効率よく発電することができ、その他の周波数帯においては効率のよい発電を行うことができない。

特開２００５−５７９８２号公報

そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、多数の周波数帯において効率よく発電することができる発電装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載された発電装置は、車両に取り付けられる固定部材と、第１、第２、第３の質量、第１、第２、第３の圧電素子、および第１、第２、第３の変位部材を備えた２つの振動部と、を備え、前記２つの振動部は、互いに前記固定部材を中心に互いに直交する方向に配置されており、前記２つの振動部のそれぞれにおいて、前記第１の変位部材の一方の端部は、前記固定部材に固定されており、前記第１の変位部材の他方の端部には、前記第１の質量が固定されており、前記固定部材と前記第１の質量の間には、前記第１の圧電素子が設けられており、前記第２の変位部材の一方の端部は、前記第１の質量に固定されており、前記第２の変位部材の他方の端部には、前記第２の質量が固定されており、前記第１の質量と前記第２の質量の間には、前記第２の圧電素子が設けられており、前記第３の変位部材の一方の端部は、前記第２の質量に固定されており、前記第３の変位部材の他方の端部には、前記第３の質量が固定されており、前記第２の質量と前記第３の質量の間には、前記第３の圧電素子が設けられており、前記第１、第２、第３の質量は、前記第１、第２、第３の変位部材によって直列に連成されていることを特徴とする。

請求項１に記載された発電装置において、圧電素子が備えられた各変位部材は、複数個の振動モードにおいて、変位の大きな振動を行うことができる。そのため、請求項１に記載された発電装置は、多数の周波数帯において効率よく発電することができる。

請求項２に記載された発電装置は、請求項１に記載された発電装置において、複数の変位部材のそれぞれは梁状に形成されており、これらそれぞれの変位部材は、互いに対向して配置されていることを特徴とする。

請求項２に記載された発電装置における固定部材、変位部材、質量、変位部材、質量、・・・の順に、直列に配置された配列構造において、この配列構造を形成する変位部材は梁状であるとともに、互いに対向して配置されている。このように変位部材が対向して、すなわち折り返されて配置されることにより、固定部材から各質量までの距離を短くすることができる。そのため、請求項２に記載された発電装置は、小型でコンパクトである。

本発明によれば、多数の周波数帯において効率よく発電することができる発電装置を提供することができる。

本発明の参考例における発電装置の正面図である。本発明の参考例における発電装置の解析モデルである。等価質量の変位の周波数特性を説明する図である。共振モードにおける等価質量の振幅を説明する図である。走行中における自動車の振動の周波数特性を説明する図である。本発明の第実施形態における発電装置の正面図である。

次に、参考例の発電装置を図１に基づいて説明する。ここで、図１は、参考例における発電装置の正面図である。

図１に示すように、発電装置１は、車両（図示せず）に取り付けられる固定部材５と、第１から第３の質量（３１，３２，３３）と、複数の質量（３１，３２，３３）と同数であり圧電素子（２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ）が備えられた第１から第３の変位部材（２１，２２，２３）と、を備える。

第１の変位部材２１は、板状の起歪体２１ａと、起歪体２１ａの一側面に一体的に固着された圧電素子２１ｂとを備え、梁状に形成されている。同様に、第２の変位部材２２は、板状の起歪体２２ａと、起歪体２２ａの一側面に一体的に固着された圧電素子２２ｂとを備え、梁状に形成され、第３の変位部材２３は、板状の起歪体２３ａと、起歪体２３ａの一側面に一体的に固着された圧電素子２３ｂとを備え、梁状に形成されている。なお、第１から第３の変位部材（２１，２２，２３）は、略同じ長さに形成されている。

そして、第１の変位部材２１は、一端部が固定部材５に固定されるとともに他端部には第１の質量３１が取り付けられており、第１の変位部材２１により、固定部材５と第１の質量３１が連成される。また、第２の変位部材２２は、一端部が第１の質量３１に固定されるとともに他端部には第２の質量３２が取り付けられており、第２の変位部材２２により、第１および第２の質量（３１，３２）が連成される。また、第３の変位部材２３は、一端部が第２の質量３２に固定されるとともに他端部には第３の質量３３が取り付けられており、第３の変位部材２３により、第２および第３の質量（３２，３３）が連成される。

上記のように、第１から第３の変位部材（２１，２２，２３）により、第１から第３の質量（３１，３２，３３）のそれぞれは直列に連成される。

ここで、第１から第３の変位部材（２１，２２，２３）は、互いに対向して、すなわち第１および第２の質量（３１，３２）を介して折り返して略平行に配置されている。

次に、図２、図３および図４に基づき、本参考例における発電装置１の振動について説明する。ここで、図２は、発電装置１の解析モデルを示す図であり、図３は、解析モデルにおける等価質量の変位の周波数特性を説明する図であり、図４は、共振モードにおける等価質量の振幅を説明する図である。

図２に示すように、解析モデルでは、発電装置１の第１から第３の変位部材（２１，２２，２３）は、それぞれ第１から第３の等価部材（２１ｅｑ，２２ｅｑ，２３ｅｑ）に置
き換えられ、発電装置１の第１から第３の質量（３１，３２，３３）は、それぞれ第１から第３の等価質量（３１ｅｑ，３２ｅｑ，３３ｅｑ）に置き換えられている。そして、第１から第３の等価質量（３１ｅｑ，３２ｅｑ，３３ｅｑ）の質量はそれぞれｍ１[ｋｇ]，ｍ２[ｋｇ]，ｍ３[ｋｇ]とされ、第１から第３の等価部材（２１ｅｑ，２２ｅｑ，２３ｅｑ）の減衰係数はそれぞれｃ１[Ｎ・ｓ／ｍ]，ｃ２[Ｎ・ｓ／ｍ] ，ｃ３[Ｎ・ｓ／ｍ]とされ、ばね定数はそれぞれκ１[Ｎ／ｍ] ，κ２[Ｎ／ｍ]， κ３[Ｎ／ｍ]とされる。

そして、第１の等価部材２１ｅｑの固定部にＸ軸方向に所定の変位ｕ（ｕ＝ｕ０・ｓｉｎωｔ）を与えたときの、各等価質量（３１ｅｑ，３２ｅｑ，３３ｅｑ）のＸ軸方向の変位をそれぞれｘ１（ｘ１＝φ１・ｓｉｎ（ωｔ＋θ１）），ｘ２（ｘ２＝φ２・ｓｉｎ（ωｔ＋θ２）），ｘ３（ｘ３＝φ３・ｓｉｎ（ωｔ＋θ３））とする。

図３は、ｍ１〜ｍ３[ｋｇ]，ｃ１〜ｃ３[Ｎ・ｓ／ｍ]，およびκ１〜κ３[Ｎ／ｍ]の値を所定の値に設定したときの、変位ｕの振幅ｕ０に対する変位ｘ１〜ｘ３の振幅φ１〜φ３の周波数特性（ゲイン特性）を示したものである。図３に示すゲイン特性から、第１から第３の等価質量（３１ｅｑ，３２ｅｑ，３３ｅｑ）は、ともに複数（多数）の周波数帯であるω１，ω２，ω３において、共振していることが確認できる。

図４は、各共振周波数ω１，ω２，ω３における第１から第３の等価質量（３１ｅｑ，３２ｅｑ，３３ｅｑ）の振幅を示すものである。同図では、第１の等価質量３１ｅｑの振幅値（φ１１，φ１２，φ１３）を「１」（φ１１＝φ１２＝φ１３＝１）としたときの、第１から第３の等価質量（３１ｅｑ，３２ｅｑ，３３ｅｑ）の振幅比を示すものであり、同図に示されるように、各共振周波数ω１，ω２，ω３において、第１から第３の等価質量（３１ｅｑ，３２ｅｑ，３３ｅｑ）は所定以上の振幅比で振動していることが確認できる。

参考として、各種の走行路（市街地，ワインディングロード，未舗装路）において自動車を走行させたときに検出される走行振動の周波数特性の実験例を図５に示す。同図に示すように数Ｈｚの低周波数から数百Ｈｚの高周波数における広範囲の周波数帯において、走行振動が検出され、本実験例においては、特に１５Ｈｚ、４３Ｈｚ、および９４Ｈｚにおいて高いレベルの走行振動が検出されている。そして、この傾向は、いずれの走行路（市街地，ワインディングロード，未舗装路）においても同様であることが確認できる。

このように走行振動の実験例から複数の周波数帯において、高いレベルの走行振動の検出が確認されており、上記のように、複数の周波数帯において共振することができる本参考例の発電装置１によれば、多数の周波数帯において効率よく発電することができるといえる。

次に、この発明の実施形態の発電装置を図６に基づいて説明する。ここで、図６は、本発明の実施形態における発電装置の正面図である。

図６に示すように、発電装置１００は、車両（図示せず）に取り付けられる固定部材１０５と、固定部材１０５に対し所定の方向（Ｘ軸方向）に配置される第１の振動部１１１と、固定部材１０５に対し第１の振動部１１１が配置される方向に直交する方向（Ｙ軸方向）に配置される第２の振動部１１２とを備える。

第１の振動部１１１は、第１から第３の質量（１３１，１３２，１３３）と、複数の質量（１３１，１３２，１３３）と同数であり圧電素子（１２１ｂ，１２２ｂ，１２３ｂ）が備えられた第１から第３の変位部材（１２１，１２２，１２３）と、を備える。

第１の変位部材１２１は、板状の起歪体１２１ａと、起歪体１２１ａの一側面に一体的に固着された圧電素子１２１ｂとを備え、梁状に形成されている。同様に、第２の変位部材１２２は、板状の起歪体１２２ａと、起歪体１２２ａの一側面に一体的に固着された圧電素子１２２ｂとを備え、梁状に形成され、第３の変位部材１２３は、板状の起歪体１２３ａと、起歪体１２３ａの一側面に一体的に固着された圧電素子１２３ｂとを備え、梁状に形成されている。なお、第１から第３の変位部材（１２１，１２２，１２３）は、略同じ長さに形成されている。

そして、第１の変位部材１２１は、一端部が固定部材１０５に固定されるとともに他端部には第１の質量１３１が取り付けられており、第１の変位部材１２１により、固定部材１０５と第１の質量１３１が連成される。また、第２の変位部材１２２は、一端部が第１の質量１３１に固定されるとともに他端部には第２の質量１３２が取り付けられており、第２の変位部材１２２により、第１および第２の質量（１３１，１３２）が連成される。また、第３の変位部材１２３は、一端部が第２の質量１３２に固定されるとともに他端部には第３の質量１３３が取り付けられており、第３の変位部材１２３により、第２および第３の質量（１３２，１３３）が連成される。

上記のように、第１から第３の変位部材（１２１，１２２，１２３）により、第１から第３の質量（１３１，１３２，１３３）のそれぞれは直列に連成される。

ここで、第１から第３の変位部材（１２１，１２２，１２３）は、互いに対向して、すなわち第１および第２の質量（１３１，１３２）を介して折り返して略平行に配置されている。

第２の振動部１１２は、第１から第３の質量（１５１，１５２，１５３）と、複数の質量（１５１，１５２，１５３）と同数であり圧電素子（１４１ｂ，１４２ｂ，１４３ｂ）が備えられた第１から第３の変位部材（１４１，１４２，１４３）と、を備える。

第１の変位部材１４１は、板状の起歪体１４１ａと、起歪体１４１ａの一側面に一体的に固着された圧電素子１４１ｂとを備え、梁状に形成されている。同様に、第２の変位部材１４２は、板状の起歪体１４２ａと、起歪体１４２ａの一側面に一体的に固着された圧電素子１４２ｂとを備え、梁状に形成され、第３の変位部材１４３は、板状の起歪体１４３ａと、起歪体１４３ａの一側面に一体的に固着された圧電素子１４３ｂとを備え、梁状に形成されている。なお、第１から第３の変位部材（１４１，１４２，１４３）は、略同じ長さに形成されている。

そして、第１の変位部材１４１は、一端部が固定部材１０５に固定されるとともに他端部には第１の質量１５１が取り付けられており、第１の変位部材１４１により、固定部材１０５と第１の質量１５１が連成される。また、第２の変位部材１４２は、一端部が第１の質量１５１に固定されるとともに他端部には第２の質量１５２が取り付けられており、第２の変位部材１４２により、第１および第２の質量（１５１，１５２）が連成される。また、第３の変位部材１４３は、一端部が第２の質量１５２に固定されるとともに他端部には第３の質量１５３が取り付けられており、第３の変位部材１４３により、第２および第３の質量（１５２，１５３）が連成される。

上記のように、第１から第３の変位部材（１４１，１４２，１４３）により、第１から第３の質量（１５１，１５２，１５３）のそれぞれは直列に連成される。

ここで、第１から第３の変位部材（１４１，１４２，１４３）は、互いに対向して、すなわち第１および第２の質量（１５１，１５２）を介して折り返して略平行に配置されて
いる。

前述のように、実施形態における発電装置１００は、固定部材１０５に対し所定の方向（Ｘ軸方向）に配置される第１の振動部１１１と、固定部材１０５に対し第１の振動部１１１が配置される方向に直交する方向（Ｙ軸方向）に配置される第２の振動部１１２とを備えることを特徴とする。このように、互いに直交する方向に圧電素子（１２１ｂ〜１２３ｂ，１４１ｂ〜１４３ｂ）を備える振動部（１１１，１１２）を配置することにより、発電装置１００は、上下左右に変位する車両の振動エネルギーをより効果的に電気エネルギーへと変換すること（発電すること）ができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。

１，１００発電装置
５，１０５固定部材
２１，１２１，１４１第１の変位部材
２２，１２２，１４２第２の変位部材
２３，１２３，１４３第３の変位部材
２１ａ，２２ａ，２３ａ，１２１ａ，１２２ａ，１２３ａ，１４１ａ，１４２ａ，１４２ａ起歪体
２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，１２１ｂ，１２２ｂ，１２３ｂ，１４１ｂ，１４２ｂ，１４２ｂ圧電素子
２１ｅｑ第１の等価部材
２２ｅｑ第２の等価部材
２３ｅｑ第３の等価部材
３１，１３１，１５１第１の質量
３２，１３２，１５２第２の質量
３３，１３３，１５３第３の質量
３１ｅｑ第１の等価質量
３２ｅｑ第２の等価質量
３３ｅｑ第３の等価質量
１１１第１の振動部
１１２第２の振動部

Claims

車両に取り付けられる固定部材と、
第１、第２、第３の質量、第１、第２、第３の圧電素子、および第１、第２、第３の変位部材を備えた２つの振動部と、を備え、
前記２つの振動部は、互いに前記固定部材を中心に互いに直交する方向に配置されており、
前記２つの振動部のそれぞれにおいて、
前記第１の変位部材の一方の端部は、前記固定部材に固定されており、
前記第１の変位部材の他方の端部には、前記第１の質量が固定されており、
前記固定部材と前記第１の質量の間には、前記第１の圧電素子が設けられており、
前記第２の変位部材の一方の端部は、前記第１の質量に固定されており、
前記第２の変位部材の他方の端部には、前記第２の質量が固定されており、
前記第１の質量と前記第２の質量の間には、前記第２の圧電素子が設けられており、
前記第３の変位部材の一方の端部は、前記第２の質量に固定されており、
前記第３の変位部材の他方の端部には、前記第３の質量が固定されており、
前記第２の質量と前記第３の質量の間には、前記第３の圧電素子が設けられており、
前記第１、第２、第３の質量は、前記第１、第２、第３の変位部材によって直列に連成されていることを特徴とする発電装置。
請求項１に記載された発電装置において、
前記複数の変位部材のそれぞれは梁状に形成されており、前記それぞれの変位部材は、互いに対向して配置されていることを特徴とする発電装置。