JP7379296B2 - 振動発電デバイスおよびセンサモジュール - Google Patents

Description

本開示は、振動発電デバイスおよびセンサモジュールに関する。

ＩｏＴの普及により、対象物の多様な状態を検出して、さらには通信により検出データを送信するセンサモジュールの用途が増大するものと考えられる。このようなセンサモジュールを駆動するための電力エネルギーを、周辺環境から発生させることが検討されている。例えば、発電用圧電素子を周辺環境から受ける外力によって振動させ発電を行う発電素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１９／０２１４００号公報

特許文献１に記載の発電素子は、直線状の梁部を両端で固定した両持ち梁に発電用の
圧電素子を配置した構造を有している。両持ち梁を有することにより、梁部の振動に非線形効果が発現し、振動の共振周波数を広帯域化することができる。しかしながら、両持ち梁構造を採用すると、周辺環境から受ける振動に比べて梁部の共振周波数が高くなり、共振しにくくなる場合がある。また、周辺環境から効率よく電気エネルギーを発生させるためには、共振周波数のさらなる広帯域化が望ましい。

したがって、これらの点に着目してなされた本開示の目的は、発電量を増大させる振動発電デバイス及びセンサモジュールを提供することにある。

本開示の第１の観点による振動発電デバイスは、平面を有する梁部と、前記梁部の前記平面上に配置された圧電部と、固定部とを備える。前記固定部は、前記梁部を前記梁部の２つ以上の端部で、前記梁部の第１面側及び前記第１面側の反対側の第２面側から挟んで固定する。１つ以上の前記端部において、前記固定部と前記梁部との接触部分と非接触部分との境界位置が、前記第１面側と前記第２面側との間で異なる。

本開示の第２の観点によるセンサモジュールは、振動発電デバイスと、センサと、通信部と、コントローラとを備える。前記振動発電デバイスは、平面を有する梁部と、前記梁部の前記平面上に配置された圧電部と、固定部とを備える。前記固定部は、前記梁部を前記梁部の２つ以上の端部で、前記梁部の第１面側及び前記第１面側の反対側の第２面側から挟んで固定する。１つ以上の前記端部において、前記固定部と前記梁部との接触部分と非接触部分との境界位置が、前記第１面側と前記第２面側との間で異なる。前記センサは、前記振動発電デバイスから供給される電力で駆動する。前記通信部は、前記振動発電デバイスから供給される電力で駆動し、外部機器と通信する。前記コントローラは、前記振動発電デバイスから供給される電力で駆動し、前記センサおよび前記通信部を制御する。

本開示に係る振動発電デバイス及びセンサモジュールによれば、発電量を増大することができる。

一実施形態に係る振動発電デバイスを含むセンサモジュールの概略構成を示す機能ブロック図である。 一実施形態に係る振動発電デバイスの振動方向に沿った断面図である。 図２の振動発電デバイスから上側筐体を除いて振動方向から見た上面図である。 図２の圧電部を拡大して示す図である。 図２の境界部を拡大して示す図である。 従来の固定部を有する振動発電デバイスと本開示の固定部を有する振動発電デバイスとの、周波数特性の違いを説明するグラフである。 図２の境界部の変形例を拡大して示す図である。 図２の振動発電デバイスの変形例の振動方向に沿った断面図である。 図２の振動発電デバイスの他の変形例において上側筐体を除いて振動方向から見た上面図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。以下の説明で用いられる図は模式的なものである。図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。

図１に示すように、本開示の一実施形態に係る振動発電デバイス１０を含むセンサモジュール２１は、センサ２２、通信部２３、コントローラ２４および振動発電デバイス１０を含んで構成される。センサモジュール２１は、外部からの電力の供給を受けずに、多様な状態を検出し、検出結果として外部機器に送信する。センサモジュール２１は、例えば、橋、電車、および工場装置などにおいて用いられる。

センサ２２は、例えば、振動センサ、温度センサおよび圧力センサなどの任意の対象物の任意の状態を検出する。センサ２２は、振動発電デバイス１０から供給される電力で駆動する。

通信部２３は、ネットワークを介して外部機器と通信する通信モジュールを含む。通信部２３は、例えば、センサ２２が検出した任意の状態を示す検出値を信号として外部機器に送信する。通信部２３は、外部機器から指令を受信してコントローラ２４に送信してよい。通信部２３は、振動発電デバイス１０から供給される電力で駆動する。

コントローラ２４は、１以上のプロセッサおよびメモリを含む。プロセッサは、特定のプログラムを読み込ませて特定の機能を実行する汎用のプロセッサ、および特定の処理に特化した専用のプロセッサを含んでよい。専用のプロセッサは、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ；Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を含んでよい。プロセッサは、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ；Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）を含んでよい。ＰＬＤは、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）を含んでよい。コントローラ２４は、１つまたは複数のプロセッサが協働するＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ－ｏｎ－ａ－Ｃｈｉｐ）、およびＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎ ａ Ｐａｃｋａｇｅ）のいずれかであってもよい。コントローラ２４は、センサ２２および通信部２３の動作を制御する。コントローラ２４は、振動発電デバイス１０から供給される電力で駆動する。

図２に示すように、振動発電デバイス１０は、梁部１１、圧電部１２、及び、筐体１３を含んで構成される。筐体１３は、固定部である。さらに、振動発電デバイス１０は、錘１４を含んで構成されてよい。梁部１１及び錘１４は、周辺環境からの振動を受けて振動する振動部に含まれる。

梁部１１は、平面を有する。梁部１１は、例えばＳＵＳ板等の弾性を有する板状の部材である。梁部１１は、複数の端部を有することができる。錘１４が設けられる場合、錘１４は、梁部１１の中央部に設けられてよい。梁部１１は、錘１４から異なる複数の方向に向かって延在してよい。本実施形態において、図３に示すように、梁部１１は、平面視において一方向に長い長方形の形状を有している。本実施形態において、梁部１１は、該梁部１１の延在する方向の両端に端部を有する。

梁部１１は、梁部１１の延在する方向の両端の端部を筐体１３により固定される。すなわち、梁部１１は、筐体１３により両持ち支持される。梁部１１は、振動発電デバイス１０が周辺環境から振動を受けることにより、梁部１１の両面に垂直な方向に振動する。梁部１１の振動方向は、図２及び図３に図示される。

錘１４は、慣性力を与えることにより、筐体１３により支持される梁部１１の振動を増大させる。錘１４は、梁部１１に対して、振動させる方向として定められた振動方向側の面に設けられてよい。錘１４は、梁部１１における、当該振動方向に沿った両面に設けられてよい。錘１４は、梁部１１と別の部材ではなく、梁部１１と一体として形成されていてよい。

圧電部１２は、梁部１１の振動により応力が生じる位置に配置される。圧電部１２は、梁部１１の有する平面上に配置される。圧電部１２は、梁部１１における振動方向側の面に設けられてよい。複数の圧電部１２が、梁部１１の延在する方向に沿って並ぶように設けられてよい。複数の圧電部１２が、梁部１１の振動方向の両側の面に設けられてよい。図２及び図３においては、複数の圧電部１２のうち一つに、参照符号を付している。

圧電部１２は、図４に示すように、梁部１１側から順に積層された絶縁膜３１、下部電極３２、圧電膜３３、及び上部電極３４を含んで構成される。梁部１１が振動により変形すると、絶縁膜３１、下部電極３２、圧電膜３３、及び上部電極３４は梁部１１と共に変形する。これにより、梁部１１が振動すると、圧電膜３３に応力が加えられ、圧電膜３３の圧電効果によりこの応力が電力に変換される。圧電膜３３で生成された電力は、下部電極３２及び上部電極３４を介して、振動発電デバイス１０の外部に出力される。

筐体１３は、梁部１１の両端部を、梁部１１の第１面側１１ａ側及び第１面１１ａの反対側の第２面１１ｂ側から挟んで固定する。第１面１１ａは、例えば、図２における梁部１１の上面である。第２面１１ｂは、例えば、図２における梁部１１の下面である。筐体１３は、例えば、梁部１１の第１面１１ａ側に位置する上側筐体１５と、第２面１１ｂ側に位置する下側筐体１６とを含んでよい。上側筐体１５は、第１固定部である。下側筐体１６は第２固定部である。上側筐体１５及び下側筐体１６の双方またはいずれか一方の梁部１１を挟む位置には、梁部１１が部分的に収容される凹部が形成されてよい。

図２に示すように、本実施形態の梁部１１の第１面１１ａと上側筐体１５との接触部と非接触部との境界位置と、梁部１１の第２面１１ｂと下側筐体１６との接触部と非接触部との境界位置とは、梁部１１の両端部において同一方向にずれている。例えば、上側筐体１５と下側筐体１６とは、梁部１１を挟んで内側面が連続的につながる形状を有する２つの筐体の一方を、他方に対して梁部１１の延在する方向にずらした態様で結合される。

図５に示すように、梁部１１の第１面１１ａと上側筐体１５との接触部と非接触部との境界ｂ₁の位置と、梁部１１の第２面１１ｂと下側筐体１６との接触部と非接触部との境界ｂ₂の位置とは、梁部１１の延在する方向において異なっている。境界ｂ₁及び境界ｂ₂は、梁部１１の第１面１１ａ及び第２面１ｂの面内で梁部１１の延在方向に直交する方向に延びる。振動により梁部１１が第１面１１ａ側に湾曲するとき、境界ｂ₁の位置が梁部１１の振動の支点となる。一方、振動により梁部１１が第２面１１ｂ側に湾曲するとき、境界ｂ₂の位置が梁部１１の振動の支点となる。

このように、本実形態に係る振動発電デバイス１０では、梁部１１の振動周期中に振動の支点の位置が入れ替わる。振動周期中に支点のずれが生じると、梁部１１を梁部１１の延在する方向において同じ位置で固定して振動させる場合と比較して、共振周波数が低くなり、且つ、共振ピークの周波数半値幅が広くなる。このような効果が生じる原因には、振動の支点のずれによる振動の減衰が関係していると考えられる。

図６は、従来技術による振動発電デバイスの梁部の振幅の周波数特性を測定したグラフ（グラフＡ）と、本開示の振動発電デバイス１０の梁部１１の振幅の周波数特性を測定したグラフ（グラフＢ）とを対比して示す。グラフＡは、第１面１１ａ側の境界ｂ₁及び第２面１１ｂ側の境界ｂ₂が梁部１１の延在する方向で同じ位置となるように、梁部１１を上側筐体１５及び下側筐体１６により挟んで固定した場合のグラフである。梁部１１にはＳＵＳ板を用い、梁部１１の振動可能な長さ、すなわち、両端部の梁部１１と筐体１３との接触部分と非接触部との境界位置の間隔は、４０ｍｍとした。一方、グラフＢは、グラフＡの測定に用いた振動発電デバイス１０の上側筐体１５と下側筐体１６とを、互いに梁部１１の延在する方向に１ｍｍずらして固定したものである。従って、梁部１１と上側筐体１５との境界ｂ₁は、梁部１１と下側筐体１６との境界位置と、梁部１１の両端部において同一方向に１ｍｍずれている。

図６に示すように、本実施形態に従う振動発電デバイス１０の周波数特性を示すグラフＢでは、グラフＡと比較して共振周波数が低周波数化し、周波数半値幅が広くなることが確認された。上記グラフＡ及びＢの例よれば、上側筐体１５と下側筐体１６とを１ｍｍずらすことにより、共振周波数は、１９８Ｈｚから１９１Ｈｚに低下した。また、周波数半値幅は、９．４Ｈｚから１２．４Ｈｚに拡大した。共振周波数を低くすることにより、振動発電デバイス１０は、周辺環境のより周波数の低い振動を電力に変換することができる。また、共振周波数を広帯域化することにより、振動発電デバイス１０は周辺環境から得られるより広い振動周波数範囲に対応して発電をすることができる。このため、本開示の振動発電デバイス１０によれば、発電量を増大させることが可能になる。

図５に示す例では、梁部１１との境界ｂ₁及びｂ₂において、上側筐体１５及び下側筐体１６は、梁部１１に接する略直角の角部を有している。このため、振動中に梁部１１が、第１面１１ａ側に湾曲している状態から、第２面１１ｂ側に湾曲している状態に変化したとき、振動の支点のずれは瞬時に発生する。すなわち、梁部１１の振動中に、振動の支点のずれは断続的に発生する。これにより、共振周波数の低周波数化及び広帯域化の高い効果が得られる。

上側筐体１５及び下側筐体１６の梁部１１との境界部は、図５とは異なり図７に示すように、梁部１１に接する丸みを帯びた角部を有してよい。この場合、梁部１１の振動時の湾曲の大きさに追随して、梁部１１と上側筐体１５及び下側筐体１６との接触部分及び非接触部分の境界の位置が変化する。このため、梁部１１の振動中に、振動の支点が連続的に変化する。このようにすることによって、振動の支点の位置の変化が連続的であるため、振動発電デバイス１０の故障のリスクを低減することができる。

上記図２から図７を用いて説明した実施形態では、梁部１１の第１面１１ａと上側筐体１５との境界ｂ₁の位置と、梁部１１の第２面１１ｂと下側筐体１６との境界ｂ₂の位置とは、梁部１１の両端部において同一方向にずれていた。しかし、図８に示すように、梁部１１の第１面１１ａと上側筐体１５との境界ｂ₁の位置と、梁部１１の第２面１１ｂと下側筐体１６との境界ｂ₂の位置とのずれる方向は、前記梁部１１の両端部において反対方向であってよい。このような構成を有する場合も、振動発電デバイス１０は、第１面１１ａ側に湾曲している状態と第２面１１ｂ側に湾曲している状態とで、振動の支点のずれが生じるので、上記図２から図７を用いて説明した振動発電デバイス１０と同様の効果を有する。さらに、図８の振動発電デバイス１０では、梁部１１が第１面１１ａ側に湾曲している状態と、第２面１１ｂ側に湾曲している状態とで、振動可能な梁部１１の長さが変化する。これにより、共振周波数のさらなる広帯域化が期待できる。

振動発電デバイス１０は、平面視において一方向に延びる長方形状の梁部１１を有するものに限られない。梁部１１は、種々の形状を有してよい。例えば、図９に示すように、振動発電デバイス１０の梁部１１は、錘１４の配置された中央部から４方向に向かって延在してよい。この場合、梁部１１の４つの端部のうち１つ以上の端部で、筐体１３と梁部１１との接触部分と非接触部分との境界位置が、第１面１１ａ側と第２面１１ｂ側との間で異なることにより、本開示の効果が得られる。

本発明を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び／又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形及び／又は修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

例えば、上記実施形態において、梁部１１を固定する固定部を上側筐体１５及び下側筐体１６を含む筐体１３として説明した。しかし、梁部１１を固定する固定部は、上側筐体１５及び下側筐体１６を含む筐体１３に限られない。振動発電デバイス１０は、梁部１１を固定する筐体とは別の固定部を有してよい。固定部は、梁部１１を固定した状態で筐体１３に組み込まれてよい。また、筐体１３とは別の固定部がある場合、振動発電デバイス１０は、筐体１３を有さなくてよい。振動発電デバイス１０は、センサモジュール２１等の他のデバイスの内部に組み込まれることができる。

また、上記実施形態において用いた「上」及び「下」等を含む用語は例示の構成の説明のために用いたものである。これらの用語は、本開示の振動発電デバイス及びセンサモジュールの配置される向きを限定するものではない。本開示の振動発電デバイス及びセンサモジュールは、種々の向きに配置することが可能である。

１０ 振動発電デバイス
１１ 梁部
１２ 圧電部
１３ 筐体（固定部）
１４ 錘
１５ 上側筐体（第１固定部）
１６ 下側筐体（第２固定部）
１７ 境界部
２１ センサモジュール
２２ センサ
２３ 通信部
２４ コントローラ
３１ 絶縁膜
３２ 下部電極
３３ 圧電膜
３４ 上部電極

Claims (9)

1. 平面を有する梁部と、
   前記梁部の前記平面上に配置された圧電部と、
   前記梁部を前記梁部の２つ以上の端部で、前記梁部の第１面側及び前記第１面側の反対側の第２面側から挟んで固定する固定部と
   を備え、１つ以上の前記端部において、前記固定部と前記梁部との接触部分と非接触部分との境界位置が、前記第１面側と前記第２面側との間で異なる、
   振動発電デバイス。
2. 前記境界位置は、前記第１面側と前記第２面側との間で前記梁部の延在する方向に異なる、請求項１に記載の振動発電デバイス。
3. 前記梁部は、弾性を有する板状の部材である、請求項１又は２に記載の振動発電デバイス。
4. 前記固定部は、前記境界位置で、前記梁部に接する略直角の角部を有する、請求項１から３の何れか一項に記載の振動発電デバイス。
5. 前記固定部は、前記境界の位置で、前記梁部に接する丸みを帯びた角部を有する、請求項１から３の何れか一項に記載の振動発電デバイス。
6. 前記固定部は、前記梁部の前記第１面側に位置する第１固定部と、前記梁部の前記第２面側に位置する第２固定部を含み、
   前記梁部は前記梁部が延在する方向の両端部で前記第１固定部と前記第２固定部との間に挟まれ、前記梁部と前記第１固定部との前記境界位置と、前記梁部と前記第２固定部との前記境界位置とは、前記梁部の両端部において同一方向にずれている、請求項１から５の何れか一項に記載の振動発電デバイス。
7. 前記固定部は、前記梁部の前記第１面側に位置する第１固定部と、前記梁部の前記第２面側に位置する第２固定部とを含み、
   前記梁部は前記梁部が延在する方向の両端部で前記第１固定部と前記第２固定部との間に挟まれ、前記梁部と前記第１固定部との前記境界位置と、前記梁部と前記第２固定部との前記境界位置とは、前記梁部の両端部において反対方向にずれている、請求項１から５の何れか一項に記載の振動発電デバイス。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の振動発電デバイスと、
   前記振動発電デバイスから供給される電力で駆動するセンサと、
   前記振動発電デバイスから供給される電力で駆動し、外部機器と通信する通信部と、
   前記振動発電デバイスから供給される電力で駆動し、前記センサおよび前記通信部を制御するコントローラと、を備える
   センサモジュール。
9. 橋、電車、および工場装置で用いられる請求項８に記載のセンサモジュール。

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