JP5880578B2

JP5880578B2 - 発電装置

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Publication number: JP5880578B2
Application number: JP2013552371A
Authority: JP
Inventors: 栗原　和明; 和明栗原
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2032-01-05
Also published as: US20140311544A1; WO2013103009A1; JPWO2013103009A1; US9780281B2

Description

本発明は、発電装置に関する。

近年、センサ機能及び無線機能を一体化した小型の無線センサを設置し、各無線センサをネットワーク化した無線センサシステムの開発が進められている。無線センサシステムでは、各無線センサのセンサ機能で検出した情報をデータセンタ等で収集する。また、無線センサには、設置環境も様々であるため、給電を行うことができない環境下でも無線センサが動作できるように、発電装置が内蔵されている。

また、無線センサシステムでは、例えば、モータ、エンジンやボイラー等の対象物に無線センサを設置する。そして、データセンタは、無線センサのセンサ機能で対象物の動作状況を計測し、その計測結果をネットワーク経由で収集する。

また、無線センサに内蔵される発電装置の発電方式は、無線センサの設置環境に応じて、例えば、太陽光発電、熱発電や振動発電等、様々である。また、発電装置としては、複数の発電方式を併用した発電装置も知られている。例えば、無線センサに内蔵されるものではないが、発電装置として、熱発電及び振動発電を併用する技術を採用した発電装置が知られている。

特開２００９−２４００８６号公報特開２００１−１５８２３号公報

しかしながら、発電装置の発電方式として、熱発電及び振動発電を併用する場合、熱変換で発電する熱発電部、及び、振動変換で発電する振動発電部を熱源及び振動源となる対象物毎に設定されるため、発電装置自体が大型化してしまう。

一つの側面では、熱発電及び振動発電を併用できる小型の発電装置を提供することを目的とする。

開示の態様では、熱源及び振動源となる対象物に設置され、前記対象物から伝達された振動に応じて発電する振動変換素子と、前記対象物に設置され、前記対象物からの熱を伝導する熱伝導体とを有する。更に、開示の態様では、前記振動変換素子の前記対象物側の設置面と反対側の設置面に積層して設置され、前記熱伝導体の熱伝導で得た吸熱側の温度と放熱側の温度との内部温度差に応じて発電する熱電変換素子を有する。

開示の態様では、熱発電及び振動発電が併用できる小型の発電装置を提供する。

図１は、本実施例の無線センサシステムの一例を示す説明図である。図２は、実施例１の発電装置の一例を示す断面図である。図３は、実施例１の発電装置の一例を示す平面図である。図４は、実施例１の発電装置で使用する高分子積層型圧電素子の一例を示す説明図である。図５は、実施例１の発電装置で使用する熱電素子の発電量と第１の熱伝導体（Ｃｕ金属ウール）の厚さとの関係の一例を示す説明図である。図６は、実施例１の発電装置で使用する高分子積層型圧電素子の発電量と対象物の振動周波数との関係の一例を示す説明図である。図７は、実施例１の発電装置の振動比と対象物の振動周波数との関係の一例を示す説明図である。図８は、実施例２の発電装置の一例を示す断面図である。図９は、実施例２の発電装置の振動比と対象物の振動周波数との関係の一例を示す説明図である。図１０は、実施例３の発電装置の一例を示す断面図である。図１１は、実施例３の発電装置の一例を示す平面図である。図１２は、実施例３の発電装置で使用するムーニー型圧電素子の一例を示す説明図である。図１３は、実施例３の発電装置で使用する熱電素子の発電量と第１の熱伝導体（Ｃｕ金属ウール）の厚さとの関係の一例を示す説明図である。図１４は、実施例３の発電装置で使用するムーニー型圧電素子の発電量と振動周波数との関係の一例を示す説明図である。図１５は、実施例３の発電装置の振動比と対象物の振動周波数との関係の一例を示す説明図である。図１６は、実施例４の発電装置の一例を示す断面図である。図１７は、実施例４の発電装置の一例を示す平面図である。図１８は、実施例４の発電装置で使用するシンバル型圧電素子の一例を示す説明図である。

以下、図面に基づいて、本願の開示する発電装置の実施例を詳細に説明する。尚、本実施例により、開示技術が限定されるものではない。また、以下に示す各実施例は、矛盾を起こさない範囲で適宜組み合わせても良い。

図１は、本実施例の無線センサシステムの一例を示す説明図である。図１に示す無線センサシステム１は、複数の無線センサ２と、複数のゲートウェイ３と、管理端末４と、データセンタサーバ５とを有する。無線センサ２は、熱源及び振動源となる、例えば、エンジンやモータ等の対象物に設置される。無線センサ２は、例えば、対象物の動作状況を計測するものである。無線センサ２は、ゲートウェイ３と無線通信する。ゲートウェイ３は、無線通信エリア内に設置された複数の無線センサ２と無線通信すると共に、管理端末４と通信する。

管理端末４は、複数のゲートウェイ３及びネットワーク６と通信し、各無線センサ２の計測結果をゲートウェイ３経由で収集する、例えば、コンピュータ等の端末装置である。データセンタサーバ５は、ネットワーク６経由で管理端末４と通信し、各無線センサ２の計測結果を収集する。

無線センサ２は、センサ１１と、無線部１２と、マイクロコンピュータ（以下、単にマイコンと称する）１３と、発電装置１４と、電源制御部１５と、蓄電部１６とを有する。センサ１１は、例えば、加速度や温度等の、対象物から各種情報を検出することで、対象物の動作状況等を計測する。無線部１２は、ゲートウェイ３との無線通信を司るものである。マイコン１３は、無線センサ２全体を制御する。マイコン１３は、例えば、センサ１１で検出した計測結果に信号処理や演算処理を施すものである。

発電装置１４は、後述する熱発電及び振動発電を併用して発電する装置である。電源制御部１５は、発電装置１４で発電した電力を整流器で直流変換したり、ＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧したりして所定レベルで安定化させ、安定化させた電力を蓄電部１６に蓄電する。更に、電源制御部１５は、蓄電部１６に蓄電された電力をセンサ１１、無線部１２及びマイコン１３に供給する。

また、発電装置１４は、無線センサ２が設置された対象物３０の熱及び振動に応じて発電する。図２は、実施例１の発電装置１４の一例を示す断面図である。図３は、実施例１の発電装置１４の一例を示す平面図である。図２に示す発電装置１４は、伝導板２１と、圧電素子２２と、第１の熱伝導体２３と、第２の熱伝導体２４と、熱電素子２５と、放熱器２６とを有する。伝導板２１は、対象物３０の表面に設置され、対象物３０が発する熱を第１の熱伝導体２３へ伝導すると共に、対象物３０が発する振動を圧電素子２２へ伝達する。

圧電素子２２は、振動変換素子であって、伝達された振動に応じて発電する高分子積層型圧電素子２２Ａである。図４は、実施例１の高分子積層型圧電素子２２Ａの一例を示す説明図である。図４に示す高分子積層型圧電素子２２Ａは、高分子圧電材料層４１と、電極層４２と多数積層した積層型構造である。高分子圧電材料層４１には、例えば、ポリビニリデンフロライド（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデン共重合体や奇数ナイロンポリアミド系、シアン化ビニリデン系共重合体等の高分子材料を使用する。また、電極層４２には、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）及びニッケル（Ｎｉ）等の導電性材料を使用する。

高分子積層型圧電素子２２Ａは、高分子圧電材料を使用するため、ヤング率が低く柔軟性がある。その結果、高分子積層型圧電素子２２Ａは、対象物３０のＹ方向の振動変位に応じてＹ方向に伸縮することで発電する。

第１の熱伝導体２３は、熱導電性の柔軟性部材で構成する。尚、第１の熱伝導体２３は、例えば、ＣｕやＡｌ等の金属や、ＳｉＣ（炭化珪素）及びＡｌＮ（窒化アルミニウム）等の高熱伝導性セラミック等の熱導電性材料と、合成樹脂等の柔軟性材料との複合体等を使用する。また、第１の熱伝導体２３は、金属又はセラミック繊維の集合体、又は金属バネ等を使用しても良い。第１の熱伝導体２３は、その中央部分を表裏に貫通する四角形状の収容孔５１を有する。尚、第１の熱伝導体２３は、伝導板２１に設置される。そして、第１の熱伝導体２３の収容孔５１には、高分子積層型圧電素子２２Ａが収容される。そして、高分子積層型圧電素子２２Ａは、第１の熱伝導体２３の収容孔５１に収容された状態で、伝導板２１に設置される。

第２の熱伝導体２４は、熱導電性部材で構成する。第２の熱伝導体２４は、第１の熱伝導体２３の収容孔５１の開口を閉塞するように第１の熱伝導体２３及び高分子積層型圧電素子２２Ａ上に設置されることになる。

更に、熱電素子２５は、熱電変換素子であって、対象物３０からの熱と周辺環境の熱との熱電素子２５内の温度差に応じて発電する。熱電素子２５は、例えば、ｎ型半導体及びｐ型半導体を交互に複数配置して直列に配線したπ型方式である。尚、熱電素子２５は、π型方式に限定されるものではなく、他の方式であっても良い。また、熱電素子２５の材料は、例えば、ＢｉＴｅ（ビスマス−テルル）等の重金属系の他に、ＭｇＳｉ等のシリサイド系、酸化物系、クラストレート系等の使用温度に応じて適宜選択するものとする。

また、熱電素子２５の発電出力はＰｈ、熱電素子２５の周辺環境（外気）と対象物３０との温度差はＴｅｘ、熱電素子２５内の温度差はＴｄである。また、放熱器２６の熱抵抗はＲｏｕｔ、熱電素子２５の熱抵抗はＲｄ、熱電素子２５の吸熱側の熱抵抗はＲｉｎ、熱電素子２５の熱起電力はＳ、熱電素子２５の電気抵抗はｒである。そして、熱電素子２５の発電出力Ｐｈは、Ｐｈ＝１／（４ｒ）×Ｓ^２Ｔｄ^２で算出できる。尚、Ｔｄ＝Ｔｅｘ×Ｒｄ／（Ｒｉｎ＋Ｒｄ＋Ｒｏｕｔ）である。熱電素子２５は、第２の熱伝導体２４の内、収容孔５１内の圧電素子２２と積層する部位に設置される。

更に、放熱器２６は、熱電素子２５の第２の熱伝導体２４側の設置面と反対側の設置面に搭載され、熱電素子２５に伝導された熱を放熱する。

また、放熱器２６が搭載された熱電素子２５及び、熱電素子２５が設置された第２の熱伝導体２４は、その自重で高分子積層型圧電素子２２Ａを対象物３０側に押圧する。その結果、放熱器２６及び熱電素子２５は、高分子積層型圧電素子２２Ａの錘を設けなくても、高分子積層型圧電素子２２Ａの錘として作用する。

また、発電装置１４の共振周波数は、対象物３０の振動周波数よりも低く設定する。更に、高分子積層型圧電素子２２Ａの共振周波数は、熱電素子２５の共振周波数よりも低く設定する。その結果、熱電素子２５の振動が抑制できる。

発電装置１４の高分子積層型圧電素子２２Ａは、対象物３０で発する振動が伝達されると、振動に応じて発電する。また、発電装置１４の熱電素子２５には、対象物３０で発した熱が伝導板２１、第１の熱伝導体２３及び第２の熱伝導体２４を通じて伝導される。尚、熱電素子２５は、高分子積層型圧電素子２２Ａ及び第２の熱伝導体２４を通じても対象物３０が発した熱が伝導される。そして、熱電素子２５は、伝導された熱と周辺環境の熱との内部温度差に応じて発電する。

尚、金属の接触による熱電素子２５の受熱側の熱抵抗は、周辺環境の熱伝達による放熱側の熱抵抗に比較して小さい。従って、対象物３０と熱電素子２５との間に圧電素子２２及び第１の熱伝導体２３を設置した場合、圧電素子２２及び第１の熱伝導体２３の挿入による熱電素子２５への熱伝導の低下で熱電素子２５の発電量が低下する。

図５は、実施例１の発電装置１４の第１の熱伝導体２３（Ｃｕ金属ウール）の厚さと熱電素子２５の発電量との関係の一例を示す説明図である。尚、例えば、熱電素子２５を１５ｍｍ角、放熱器２６を５０ｍｍ角、Ｃｕ金属ウールの第１の熱伝導体２３を５０ｍｍ角、収容孔５１を２５ｍｍ角とする。第１の熱伝導体２３の厚さは、第２の熱伝導体２４との設置面と伝導板２１との設置面との間の区間Ｌ１である。図５に示す通り、例えば、第１の熱伝導体２３の厚さＬ１が１０ｍｍでも熱電素子２５の発電量の低下は、第１の熱伝導体２３の厚さＬ１が０ｍｍの場合に比較して２０％以下である。その結果、第１の熱伝導体２３の収容孔５１内に収容された圧電素子２２の厚さＬ２が１０ｍｍ以下の場合、熱電素子２５の発電量の低下は２０％以下となる。

図６は、実施例１の発電装置１４で使用する高分子積層型圧電素子２２Ａの発電量と対象物３０の振動周波数との関係の一例を示す説明図である。尚、高分子積層型圧電素子２２Ａは、例えば、高分子圧電材料４１としてＰＶＤＦ（ポリビニリデンフロライド）、電極層４２としてＡｌ、寸法２５ｍｍ角、厚さＬ２を５ｍｍとする。この場合、図５を参照すると、厚さＬ２が５ｍｍ相当の高分子積層型圧電素子２２Ａとした場合、熱電素子２５の発電量の低下分は、例えば、１５ｍＷとなる。従って、図６に示す通り、熱電素子２５の発電量の低下分が１５ｍＷの場合、対象物３０の振動周波数が例えば３００Ｈｚ以上であれば、圧電素子２２Ａで１５ｍＷを超える発電量が得られる。

また、前述した通り、発電装置１４は、その共振周波数を対象物３０の振動周波数よりも低く、高分子積層型圧電素子２２Ａの共振周波数を熱電素子２５の共振周波数よりも低く設定することで、熱電素子２５への振動を抑制できる。図７は、実施例１の発電装置１４の振動比と対象物３０の振動周波数との関係を示す説明図である。尚、振動比は、熱電素子２５の振動と対象物３０の振動との比である。高分子積層型圧電素子２２Ａの共振周波数は１０Ｈｚに設計してあるため、図７に示す通り、対象物３０の振動周波数が１００Ｈｚ以上の場合、熱電素子２５の振動は、対象物３０の振動の１／１０以下となるため、その防振効果が大きい。

実施例１では、高分子積層型圧電素子２２Ａに熱電素子２５が積層される構造であるため、高分子積層型圧電素子２２Ａ及び熱電素子２５を対象物３０上に個別に設置する場合に比較して設置スペースを削減できる。その結果、発電装置１４の小型化は勿論のこと、発電装置１４を内蔵した無線センサ２の小型化も図れる。

実施例１では、熱電素子２５及び放熱器２６が高分子積層型圧電素子２２Ａの錘として作用するため、高分子積層型圧電素子２２Ａのための錘を設ける必要がない。従って、高分子積層型圧電素子２２Ａ及び熱電素子２５を個別に設置する場合に比較して、発電装置１４の重量及び体積を削減できる。その結果、発電装置１４の小型化は勿論のこと、発電装置１４を内蔵した無線センサ２の小型化も図れる。

実施例１では、発電装置１４の共振周波数が、対象物３０の振動周波数よりも低く設定する。更に、高分子積層型圧電素子２２Ａの共振周波数が、熱電素子２５の共振周波数よりも低く設定する。従って、対象物３０から熱電素子２５への振動の伝播が高分子積層型圧電素子２２Ａで吸収され、熱電素子２５への振動の伝播が抑制できる。その結果、熱電素子２５の信頼性を確保できる。

実施例１では、対象物３０と熱電素子２５との間に高分子積層型圧電素子２２Ａを設置したので、対象物３０から熱電素子２５への熱の流入が少なくなるが、熱電素子２５から放熱器２６を通じて空気への放出量も制限される。その結果、対象物３０及び熱電素子２５間の高分子積層型圧電素子２２Ａの挿入による熱電素子２５の発電量の低下を抑制できる。

尚、上記実施例１では、第１の熱伝導体２３の厚さＬ１を収容孔５１に収容される高分子積層型圧電素子２２Ａの厚さＬ２以上にしたが、第１の熱伝導体２３の厚さＬ１を高分子積層型圧電素子２２Ａの厚さＬ２未満にしても良い。そこで、この場合の実施の形態につき、実施例２として以下に説明する。

図８は、実施例２の発電装置の一例を示す断面図である。尚、実施例１の発電装置１４と同一の構成には同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。図８に示す発電装置１４Ａの第１の熱伝導体２３Ａの厚さＬ１Ａは、高分子積層型圧電素子２２Ａの厚さＬ２未満とする。第２の熱伝導体２４Ａの厚さＬ３は、実施例１の第２の熱伝導体２４Ａの厚さに比較して厚くする。更に、第２の熱伝導体２４Ａは、第１の熱伝導体２３Ａ及び高分子積層型圧電素子２２Ａと対向する設置面側に収容孔５２を備える。

第２の熱伝導体２４Ａは、第１の熱伝導体２３Ａに設置すると共に、第１の熱伝導体２３Ａの収容孔５１Ａに設置された高分子積層型圧電素子２２Ａの上面部分を収容孔５２に収容する。その結果、第１の熱伝導体２３Ａの厚さＬ１Ａは、実施例１の第１の熱伝導体２３Ａの厚さＬ１に比較して薄くなるため、第１の熱伝導体２３Ａを介して熱電素子２５に伝達する熱量が大きくなる。その結果、熱電素子２５の発電量も大きくなる。

また、第１の熱伝導体２３Ａの厚さＬ１Ａは、実施例１の第１の熱伝導体２３Ａの厚さＬ１に比較して薄くなるため、発電装置１４Ａの共振周波数が高くなる。その結果、熱電素子２５への防振を確保できる。図９は、実施例２の発電装置１４Ａで使用する振動比と対象物３０の振動周波数との関係を示す説明図である。尚、振動比は、熱電素子２５の振動と対象物３０の振動との比である。高分子積層型圧電素子２２Ａの共振周波数は１０Ｈｚに設計してあるため、図９に示す通り、対象物３０の振動周波数が１００Ｈｚ以上の場合、熱電素子２５の振動は、対象物３０の振動の１／１０以下となるため、その防振効果が大きい。

実施例２では、第２の熱伝導体２４の厚さＬ３を厚くし、第１の熱伝導体２３Ａの厚さＬ１を薄くしたので、対象物３０から熱電素子２５に伝達する熱量が大きくなるため、熱電素子２５の発電量も大きくなる。

また、上記実施例１では、圧電素子２２として高分子積層型圧電素子２２Ａを採用したが、例えば、ムーニー型圧電素子を採用しても良い。この場合の実施の形態につき、実施例３として以下に説明する。

図１０は、実施例３の発電装置の一例を示す断面図である。尚、実施例１の発電装置１４と同一の構成には同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。図１１は、実施例３の発電装置１４Ｂの一例を示す平面図である。図１２は、実施例３の発電装置１４Ｂで使用するムーニー型圧電素子２２Ｂの一例を示す説明図である。

図１０及び図１１に示す発電装置１４Ｂ内の第１の熱伝導体２３は、その中央部分に表裏に貫通する円形状の収容孔５１Ｂを有する。更に、収容孔５１Ｂに収容される圧電素子２２は、ムーニー型圧電素子２２Ｂである。図１２に示すムーニー型圧電素子２２Ｂは、積層圧電セラミック素子４３と、ドーム型の金属部品４４とを有し、ドーム型の金属部品４４で積層圧電セラミック素子４３の表裏を挟む構造である。積層圧電セラミック素子４３は、圧電セラミック層４３Ａと、電極層４３Ｂとを複数積層した構造である。ムーニー型圧電素子２２Ｂは、Ｙ方向の応力による変位を縮小して積層圧電セラミック素子４３の横方向の変位に変換する。その結果、積層圧電セラミック素子４３の横方向の変位に変換することで、積層圧電セラミック素子４３への大きな応力で大きな発電量が得られる。ムーニー型圧電素子２２Ｂは、対象物３０の振動による応力に応じて発電する。

図１３は、実施例３の発電装置１４Ｂの第１の熱伝導体２３（Ｃｕ金属ウール）の厚さと熱電素子２５の発電量との関係の一例を示す説明図である。尚、例えば、熱電素子２５を１５ｍｍ角、放熱器２６を５０ｍｍ角、Ｃｕ金属ウールの第１の熱伝導体２３を５０ｍｍ角、収容孔５１Ｂを直径３０ｍｍとする。図１３に示す通り、例えば、第１の熱伝導体２３の厚さＬ１が１０ｍｍでも熱電素子２５の発電量の低下は、第１の熱伝導体２３の厚さＬ１が０ｍｍの場合に比較して２０％以下である。その結果、第１の熱伝導体２３の収容孔５１Ｂ内に収容されたムーニー型圧電素子２２Ｂの厚さＬ２Ａが１０ｍｍ以下の場合、熱電素子２５の発電量の低下は２０％以下となる。

図１４は、実施例３の発電装置１４Ｂで使用するムーニー型圧電素子２２Ｂの発電量と対象物３０の振動周波数との関係の一例を示す説明図である。尚、ムーニー型圧電素子２２Ｂは、例えば、直径３０ｍｍ及び厚さ１ｍｍのＰＺＴ系の圧電セラミック層４３Ａと、Ｐｔ系の電極層４３Ｂとを積層した多層積層セラミック素子４３を使用する。更に、ムーニー型圧電素子２２Ｂは、直径３０ｍｍ及び厚さ２ｍｍのＢｅ−Ｃｕ系金属のドーム型の金属部品４４を使用する。この場合、図１３を参照すると、厚さ５ｍｍ相当のムーニー型圧電素子２２Ｂとした場合、熱電素子２５の発電量の低下分は、例えば、１５ｍＷとなる。従って、図１４に示す通り、熱電素子２５の発電量の低下分が１５ｍＷとした場合、対象物３０の振動周波数が例えば１００Ｈｚ以上であれば、ムーニー型圧電素子２２Ｂで１５ｍＷを超える発電量が得られる。

また、前述した通り、発電装置１４Ｂは、その共振周波数を対象物３０の振動周波数よりも低く、ムーニー型圧電素子２２Ｂの共振周波数を熱電素子２５の共振周波数よりも低く設定することで、熱電素子２５への振動を抑制できる。図１５は、実施例３の発電装置１４Ｂの振動比と対象物３０の振動周波数との関係を示す説明図である。尚、振動比は、熱電素子２５の振動と対象物３０の振動との比である。ムーニー型圧電素子２２Ｂの共振周波数は１０Ｈｚに設計してあるため、図１５に示す通り、対象物３０の振動周波数が１００Ｈｚ以上の場合、熱電素子２５の振動は、対象物３０の振動の１／１０以下となるため、その防振効果が大きい。

実施例３では、ムーニー型圧電素子２２Ｂに熱電素子２５が積層される構造であるため、対象物３０上の設置スペースを削減できる。その結果、発電装置１４Ｂの小型化は勿論のこと、発電装置１４Ｂを内蔵した無線センサ２の小型化も図れる。

実施例３では、熱電素子２５及び放熱器２６がムーニー型圧電素子２２Ｂの錘として作用するため、ムーニー型圧電素子２２Ｂのための錘を設ける必要がないため、発電装置１４Ｂの重量及び体積を削減できる。その結果、発電装置１４Ｂの小型化は勿論のこと、発電装置１４Ｂを内蔵した無線センサ２の小型化も図れる。

実施例３では、発電装置１４Ｂの共振周波数が、対象物３０の振動周波数よりも低く設定する。更に、ムーニー型圧電素子２２Ｂの共振周波数が、熱電素子２５の共振周波数よりも低く設定する。従って、対象物３０から熱電素子２５への振動の伝播がムーニー型圧電素子２２Ｂで吸収され、熱電素子２５への振動の伝播が抑制できる。その結果、熱電素子２５の信頼性を確保できる。

実施例３では、対象物３０と熱電素子２５との間にムーニー型圧電素子２２Ｂを設置したので、対象物３０から熱電素子２５への熱の流入が少なくなるが、熱電素子２５から放熱器２６を通じて空気への放出量も制限される。その結果、対象物３０及び熱電素子２５間のムーニー型圧電素子２２Ｂの挿入による熱電素子２５の発電量の低下を抑制できる。

また、上記実施例１では、圧電素子２２として高分子積層型圧電素子２２Ａを採用したが、例えば、シンバル型圧電素子を採用しても良い。この場合の実施の形態につき、実施例４として以下に説明する。

図１６は、実施例４の発電装置の一例を示す断面図である。尚、実施例１の発電装置１４と同一の構成には同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。図１７は、実施例４の発電装置１４Ｃの一例を示す平面図である。図１８は、実施例４の発電装置１４Ｃで使用するシンバル型圧電素子２２Ｃの一例を示す説明図である。

図１６及び図１７に示す発電装置１４Ｃ内の第１の熱伝導体２３は、その中央部分に表裏に貫通する円形状の収容孔５１Ｃを有する。更に、収容孔５１Ｃに収容される圧電素子２２は、シンバル型圧電素子２２Ｃである。図１８に示すシンバル型圧電素子２２Ｃは、積層圧電セラミック素子４５と、シンバル型の金属部品４６とを有し、シンバル型の金属部品４６で積層圧電セラミック素子４５の表裏を挟む構造である。積層圧電セラミック素子４５は、圧電セラミック層４５Ａと、電極層４５Ｂとを複数積層した構造である。シンバル型圧電素子２２Ｃは、Ｙ方向の応力による変位を縮小して積層圧電セラミック素子４５の横方向の変位に変換する。その結果、積層圧電セラミック素子４５の横方向の変位に変換することで、積層圧電セラミック素子４５への大きな応力で大きな発電量が得られる。シンバル型圧電素子２２Ｃは、対象物３０の振動による応力に応じて発電する。

また、前述した通り、発電装置１４Ｃは、その共振周波数を対象物３０の振動周波数よりも低く、シンバル型圧電素子２２Ｃの共振周波数を熱電素子２５の共振周波数よりも低く設定することで、熱電素子２５への振動を抑制できる。

実施例４では、シンバル型圧電素子２２Ｃに熱電素子２５が積層される構造であるため、設置スペースを削減できる。その結果、発電装置１４Ｃの小型化は勿論のこと、発電装置１４Ｃを内蔵した無線センサ２の小型化も図れる。

実施例４では、熱電素子２５及び放熱器２６がシンバル型圧電素子２２Ｃの錘として作用するため、シンバル型圧電素子２２Ｃのための錘を設ける必要がないため、発電装置１４Ｃの重量及び体積を削減できる。その結果、発電装置１４Ｃの小型化は勿論のこと、発電装置１４Ｃを内蔵した無線センサ２の小型化も図れる。

実施例４では、発電装置１４Ｃの共振周波数が、対象物３０の振動周波数よりも低く設定する。更に、シンバル型圧電素子２２Ｃの共振周波数が、熱電素子２５の共振周波数よりも低く設定する。従って、対象物３０から熱電素子２５への振動の伝播がシンバル型圧電素子２２Ｃで吸収され、熱電素子２５への振動の伝播が抑制できる。その結果、熱電素子２５の信頼性を確保できる。

実施例４では、対象物３０と熱電素子２５との間にシンバル型圧電素子２２Ｃを設置したので、対象物３０から熱電素子２５への熱の流入が少なくなるが、熱電素子２５から放熱器２６を通じて空気への放出量も制限される。その結果、対象物３０及び熱電素子２５間のシンバル型圧電素子２２Ｃの挿入による熱電素子２５の発電量の低下を抑制できる。

また、上記実施例では、発電装置１４（１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ）を内蔵した無線センサ２を例に挙げて説明したが、無線センサに限定されるものではなく、対象物３０の振動及び熱に応じて自律的に発電する発電装置を備えた装置に適用可能である。

１４発電装置
２２圧電素子
２２Ａ高分子積層型圧電素子
２２Ｂムーニー型圧電素子
２２Ｃシンバル型圧電素子
２３第１の熱伝導体
２４第２の熱伝導体
２５熱電素子
２６放熱器
３０対象物

Claims

熱源及び振動源となる対象物に設置され、前記対象物から伝達された振動に応じて発電する振動変換素子と、
前記対象物に設置され、前記対象物からの熱を伝導する熱伝導体と、
前記振動変換素子の前記対象物側の設置面と反対側の設置面に積層して設置され、前記熱伝導体の熱伝導で得た吸熱側の温度と放熱側の温度との内部温度差に応じて発電する熱電変換素子とを有し、
前記熱伝導体は、
前記対象物に設置され、前記対象物からの熱を伝導する柔軟性部材を含む第１の熱伝導体と、
前記第１の熱伝導体の前記対象物側の設置面と反対側の設置面に設置され、かつ、前記振動変換素子と前記熱電変換素子とが積層する間に設置され、前記第１の熱伝導体から前記熱電変換素子に熱を伝導する第２の熱伝導体と
を有することを特徴とする発電装置。
当該装置本体の共振周波数は、
前記対象物の振動周波数よりも低く設定したことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記振動変換素子の共振周波数は、
前記熱電変換素子の共振周波数よりも低く設定したことを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
前記熱電変換素子の前記振動変換素子側の設置面と反対側の設置面に設置され、前記熱電変換素子を放熱すると共に、前記熱電変換素子を介在して前記振動変換素子を前記対象物側に押圧する放熱器を有することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
熱源及び振動源となる対象物に設置され、前記対象物から伝達された振動に応じて発電する振動変換素子と、
前記対象物に設置され、前記対象物からの熱を伝導する熱伝導体と、
前記振動変換素子の前記対象物側の設置面と反対側の設置面に積層して設置され、前記熱伝導体の熱伝導で得た吸熱側の温度と放熱側の温度との内部温度差に応じて発電する熱電変換素子とを有し、
当該装置本体の共振周波数は、
前記対象物の振動周波数よりも低く設定したことを特徴とする発電装置。
前記振動変換素子の共振周波数は、
前記熱電変換素子の共振周波数よりも低く設定したことを特徴とする請求項５に記載の発電装置。
熱源及び振動源となる対象物に設置され、前記対象物から伝達された振動に応じて発電する振動変換素子と、
前記対象物に設置され、前記対象物からの熱を伝導する熱伝導体と、
前記振動変換素子の前記対象物側の設置面と反対側の設置面に積層して設置され、前記熱伝導体の熱伝導で得た吸熱側の温度と放熱側の温度との内部温度差に応じて発電する熱電変換素子と、
前記熱電変換素子の前記振動変換素子側の設置面と反対側の設置面に設置され、前記熱電変換素子を放熱すると共に、前記熱電変換素子を介在して前記振動変換素子を前記対象物側に押圧する放熱器と
を有することを特徴とする発電装置。