JP2020061938A - 発電デバイス及び発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換するために、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供すること。【解決手段】本発明の発電デバイスは、保持部材と、ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子と、複数の圧電素子を連結する連結部材と、を備えている。梁の上面及び下面に、それぞれ、複数の圧電体を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、発電デバイス及び発電方法に関する。特に、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電デバイスに関する。また、発電デバイスを用いた車載応用システムに関する。

日常生活環境下には、広周波数帯域の振動が存在する。この振動のエネルギーを有効に活用する方法として、振動発電デバイスがあげられる。振動発電デバイスは、振動エネルギーを電力エネルギーに変換するデバイスで、これまで活用できなかった環境振動エネルギーを有効利用することができるエネルギーハーベスト（環境発電）技術である。

振動発電デバイスの発電素子としては、圧電素子が一般的である。圧電素子を用いて、振動により振動面に発生する圧力を電力に変換する発電方法である(特許文献１及び２)。

一般的な振動発電デバイスは、圧電素子が１つの固定端と、振動が作用する可動端とを有する片持ち梁の集合の構造を有する。しかしながら片持ち梁の構造は、特定の共振周波数でのみ振動するため、特定の条件が整う場所以外での利用に制約がある。

環境中の振動をエネルギー源とする場合、特定の周波数に極端なピークが来るということはなく、ある程度広帯域での振動が観測される。そこで、広帯域での振動エネルギーを電気エネルギーに変換できる振動発電デバイスの実現が期待されている。

振動が作用する圧電素子が２つの固定端と、その間に位置する振動の作用点を有する両持ち梁の構造を有する場合、共振周波数は広帯域化することが知られている。

特開２００７―２０２２９３号公報 特開２００８―１９２９４４号公報

本発明は、自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換するために、広い発電周波数帯を備えた発電デバイス及び発電方法を提供することを目的とする。また、その発電デバイスを用いた車載応用システムを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によると、保持部材と、ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、前記保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子を連結する連結部材と、を備えたことを特徴とする発電デバイスが提供される。

また、前記梁の上面及び下面に、それぞれ、前記複数の圧電体を有するようにしてもよい。

また、前記複数の圧電素子がｍ個（ｍは２以上の自然数）であり、ｍ個の前記圧電素子が（ｍ−１）個の前記連結部材によって連結されていてもよい。

また、前記圧電素子は、２ｎ本のスリットを有するようにしてもよい。

また、前記保持部材の内側、上部及び下部、又はどちらか一方にストッパーを備えてもよい。

また、前記連結部材は、円柱形及び角柱形、又はどちらか一方であってもよい。

また、前記保持部材の内壁面に固定潤滑層を備えてもよい。

また、前記連結部材が連結される連結部と前記保持部材に固定された固定部との間に配置された前記複数の前記圧電体は、その一部の圧電体が第１の電極に接続され、残りの圧電体が第２の電極に接続されてもよい。

また、前記梁の上面において、前記連結部材が連結される連結部と前記保持部材に固定された固定部との間に配置された前記複数の前記圧電体は、その一部の圧電体が第１の電極に接続され、残りの圧電体が第２の電極に接続されており、且つ、前記梁の下面において、前記連結部材が連結される連結部と前記保持部材に固定された固定部との間に配置された前記複数の前記圧電体は、その一部の圧電体が第３の電極に接続され、残りの圧電体が第４の電極に接続されていてもよい。

保持部材と、ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、前記保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子を連結する連結部材と、を備えた発電デバイスによる発電方法であって、前記梁を振動させることにより発電する。

保持部材、ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、前記保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子、及び前記複数の圧電素子を連結する連結部材を備えた発電デバイスと、前記発電デバイスが設置された車載応用システム本体と、を備えた車載応用システムが提供される。

フレームと、前記フレームに連結され、保持部材、ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、前記保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子、及び前記複数の圧電素子を連結する連結部材を備えた発電デバイス、並びに、前記発電デバイスが設置された車載応用システム本体を備えた車載応用システムと、を有する自動車が提供される。

本発明の一実施形態によれば、自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するため広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。

本発明の実施形態１に係る発電デバイスの一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態１に係る発電デバイスの一例を示す平面図である。 本発明の実施形態１に係る発電デバイスの一例を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る発電デバイスにおいて、圧電素子および連結部材が振動している状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る発電デバイスにおいて、圧電素子および連結部材が振動している状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る発電デバイスにおいて、圧電素子および連結部材が振動している状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る発電デバイスにおいて、圧電素子および連結部材が振動している状態を示す断面の拡大図（ｅ，ｆ，およびｇ）である。 本発明の実施形態２に係る発電デバイスの一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態２に係る発電デバイスの一例を示す平面図である。 本発明の実施形態２に係る発電デバイスの一例を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る発電デバイスにおいて、圧電素子およびが振動している状態を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る発電デバイスにおいて、圧電素子およびが振動している状態を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る発電デバイスにおいて、圧電素子およびが振動している状態を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る発電デバイスにおいて、圧電素子およびが振動している状態を示す断面の拡大図（ｅ，ｆ，およびｇ）である。 本発明の実施形態２に係る金属弾性板と圧電体、それぞれの厚さに対する発電量の理論値を示すグラフである。 本発明の実施形態２に係る非線形ばね効果による発電周波数帯域の拡大を示すグラフである。 本発明の実施形態３に係る発電デバイスの一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態３に係る発電デバイスの一例を示す平面図である。 本発明の実施形態３に係る発電デバイスの一例を示す断面図である。 本発明の実施形態３に係る発電デバイスにおいて、圧電素子およびが振動している状態を示す断面図である。 本発明の実施形態３に係る発電デバイスにおいて、圧電素子およびが振動している状態を示す断面図である。 本発明の実施形態３に係る発電デバイスにおいて、圧電素子およびが振動している状態を示す断面図である。 本発明の実施形態３に係る発電デバイスにおいて、圧電素子およびが振動している状態を示す断面の拡大図（ｅ，ｆ，およびｇ）である。 本発明の実施形態に係る連結部材の一例と、その変形例１を示す図である。 本発明の実施形態１の変形例２に係る発電デバイスの一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態１の変形例２に係る発電デバイスの一例を示す平面図である。 本発明の実施形態４に係る発電デバイスを備えた自動車の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に発電デバイスについて説明する。但し、本発明の発電デバイスは多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

〈実施形態〉
（実施形態１）
［発電デバイスの概要］
図１から図３を用いて、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００の構造の概要を説明する。

図１は、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００を示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係る発電デバイス１０００は、保持部材１１０、複数の圧電素子１２０ａ及び１２０ｂ、連結部材１３０を備えている。

複数の圧電素子１２０は一定のスペースを介して上下に配置される。ここで、図１から４においては、説明の便宜上、２枚の圧電素子１２０有する発電デバイス１０００を一例として図示した。複数の圧電素子１２０は、端部を保持部材１１０に固定される。本実施形態に係る保持部材１１０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２）であるが、ステンレス他、耐久性を備えた材料ならこれに限定しない。

図１に示すように、複数の圧電素子１２０は、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここで、図１から図４では、説明の便宜上、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を一例として図示した（ｍ＝２）。

図２は本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００の一例を示す平面図である。図１および図２に示すように、圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板の上面に複数配置された圧電体１２１とを含む。金属弾性板１２２は、高靭性と弾性を備え、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であればよい。本実施形態においては、金属弾性板１２２は、厚さが５０μｍの２ｃｍ四方の板状ステンレス素子（ＳＵＳ３０４）を用いている。

圧電素子１２０はｎ本の両持ち梁の構造を維持する配置に、２ｎ個のスリット１２３を有するようにしてもよい（ｎは自然数）。ここで、図１および２においては、説明の便宜上、４個のスリット１２３を有する圧電素子１２０を含む発電デバイス１０００を一例として図示した（ｎ＝２）。この結果、圧電素子１２０は２本の両持ち梁１２４が交差した十字構造を示す。

本発明の実施形態に係る複数の圧電体１２１は、両持ち梁１２４上に配置される。図１から図４においては、説明の便宜上、１枚の金属弾性板１２２に上面計８個の圧電体１２１（１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅ、１２１ｆ、１２１ｇ、および１２１ｈ）を有する発電デバイス１０００を一例として図示した。

本実施形態において、圧電体１２１の材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。本実施形態の圧電体１２１の厚さは２μｍ以上１０μｍ以下である。

本実施形態においては、圧電体１２１の材料には窒化アルミニウムを用いたが、スカンジウム含有窒化アルミニウム（Ｓｃ―ＡｌＮ）、マグネシウムおよびニオブ含有窒化アルミニウム（Ｍｇ／Ｎｂ−ＡｌＮ）、またはニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ) といった圧電体や強誘電体であってもよい。

本実施形態においては、連結部材１３０の連結部１３１は、圧電素子１２０の中央を示しているが、これに限るものではない。本実施形態においては、連結部材１３０の材料は快削真鍮（Ｃ３６０４）を用いているが、これに限るものではない。図１から図４では、円柱型の連結部材１３０を示したが、これに限るものではない。

図３は本発明の実施形態に係る発電デバイス１０００の一例を示す断面図である。圧電素子１２０の振動方向を連結部材１３０軸方向に制限するため、保持部材１１０の内側、上部及び下部それぞれに、ストッパー１１１を設ける構造を有するようにしてもよい。

圧電素子１２０の振動方向を連結部材１３０軸方向に制限するため、保持部材１１０の内壁に固定潤滑層１１２を設ける構造を有するようにしてもよい。固定潤滑層１１２の材質は、耐摩擦性、耐摩耗性を有すればよい。本実施形態においては、テフロン（登録商標）無電解ニッケル（Ｎｉ−ＰＴＦＥ）を用いている。

［発電デバイスの振動と発電原理］
次に、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００の振動と発電原理について、図４Ａ〜４Ｄを用いて詳細に説明する。図４Ａ〜４Ｄは、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００において、圧電素子１２０および連結部材１３０が振動している状態を示す断面図である。図４Ａ〜４Ｄでは、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を例示するが、この数に限定されず、（ｍ−１）個の連結部材１３０をｍ枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造でも同じ原理が適用できる（ｍは２以上の自然数）。

本発明の実施形態１に係る圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板１２２の上面に位置する計８個の圧電体１２１（１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅ、１２１ｆ、１２１ｇ、および１２１ｈ）とを有する。

図４Ｂに示す状態が、外力が作用していない状態である。本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００に外力がかかるとき、その反作用により連結部材１３０の軸方向に加わる力は、外力の加えられる方向に対して凸状となるように圧電素子１２０を屈曲させる。金属弾性板１２２は、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であることから、圧電素子１２０は収縮変位し、変位が増大するとともに反発力が増加し、反転により変位する。すなわち、外力の加えられる方向が図４Ａ〜４Ｃにおいて下方向である場合、図４（ｂ）から（ｃ）→（ｂ）→（ａ）→（ｂ）のくりかえしにより振動する。

圧電素子１２０が屈曲する際に発生する電荷は、圧電体１２１の屈曲する向きに依存して極性が変わるため、各圧電体１２１から電気エネルギーを効率良く取り出すために、それぞれ別個の電気回路を用いる必要がある。

圧電素子１２０のそれぞれの両持ち梁は、横からみるとS字状にまがるため、同一面でも
場所により圧縮と伸張とが発生する。図４Ｄに、本発明の実施形態１に係る両持ち梁の一部の動きの拡大図を示す。連結部材１３０が図中（ｅ）、上方向に振動する時、圧電体１２１ａは圧縮し、圧電体１２１ｂは伸張する。連結部材１３０が図中（ｇ）、下方向に振動する時、圧電体１２１ａは伸張し、圧電体１２１ｂは圧縮する。すなわち、図４Ａ〜４Ｃにおいて、圧電素子１２０の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体１２１ａおよび１２１ｄと、外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂおよび１２１ｃとで、逆相の電荷を発生する。このため全面に電極を設けた場合はお互いに発生した逆相の電荷により打ち消しあってしまう。

このため、圧電素子に外力がかかるとき、圧電現象による発電量を打ち消し合わずに集電できるよう、圧電素子１２０の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体１２１ａおよび１２１ｄと、外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂおよび１２１ｃとで電極を分けた構造を有するようにしてもよい。

これにより負荷や蓄電池等に逆の極性の電圧が印加されることを防止し、更に効率良く起電力を得ることができる。

発電デバイス１０００が設置される場所は必ずしも発生する振動がコントロールされているとは限らない。所望の周波数帯における予期せぬ大きな振動や、設計範囲外に生じる大きな振動において、圧電素子１２０が破壊されないようにしなければならない。

発電に寄与する振動方向であっても、材料の弾性限界を超えた変位が生じないようにするため、上下にストッパー１１１を設ける。また、横方向からの振動に対してもは圧電素子１２０の破壊を防ぐため、周囲に固定潤滑層１１２を設ける。

以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、大きな振動にも壊れること無く、かつ、発生した電気エネルギーを無駄にすること無く、広帯域の振動エネルギーを電気エネルギーにすることが可能となる。自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。また、発生電荷の電極内打ち消しを防ぐために意図しない振動モードを抑制する構造を備えた発電デバイスを提供することができる。

（実施形態２）
［発電デバイスの概要］
図５から図７を用いて、本発明の実施形態２に係る発電デバイス２０００の構造の概要を説明する。

図５は、本発明の実施形態２に係る発電デバイス２０００を示す斜視図である。図５に示すように、本実施形態に係る発電デバイス２０００は、保持部材１１０、複数の圧電素子１２０ａ及び１２０ｂ、連結部材１３０を備えている。

複数の圧電素子１２０は一定のスペースを介して上下に配置される。ここで、図５から図８においては、説明の便宜上、２枚の圧電素子１２０有する発電デバイス２０００を一例として図示した。複数の圧電素子１２０は、端部を保持部材１１０に固定される。本実施形態に係る保持部材１１０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２）であるが、ステンレス他、耐久性を備えた材料ならこれに限定しない。

図５に示すように、複数の圧電素子１２０は、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここで、図５から図８では、説明の便宜上、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を一例として図示した（ｍ＝２）。

図６は本発明の実施形態２に係る発電デバイス２０００の一例を示す平面図である。図５および図６に示すように、圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板の上面および下面に複数配置された圧電体１２１とを含む。金属弾性板１２２は、高靭性と弾性を備え、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であればよい。本実施形態においては、金属弾性板１２２は、厚さが５０μｍの２ｃｍ四方の板状ステンレス素子（ＳＵＳ３０４）を用いている。

圧電素子１２０はｎ本の両持ち梁の構造を維持する配置に、２ｎ個のスリット１２３を有するようにしてもよい（ｎは自然数）。ここで、図５および６においては、説明の便宜上、４個のスリット１２３を有する圧電素子１２０を含む発電デバイス２０００を一例として図示した（ｎ＝２）。この結果、圧電素子１２０は２本の両持ち梁１２４が交差した十字構造を示す。

本発明の実施形態に係る複数の圧電体１２１は、両持ち梁１２４上に配置される。図５から図８においては、説明の便宜上、１枚の金属弾性板１２２に上面および下面計１６個の圧電体１２１（上面：１２１ａａ、１２１ａｂ、１２１ａｃ、１２１ａｄ、１２１ａｅ、１２１ａｆ、１２１ａｇ、１２１ａｈ、下面：１２１ｂａ、１２１ｂｂ、１２１ｂｃ、１２１ｂｄ、１２１ｂｅ、１２１ｂｆ、１２１ｂｇ、および１２１ｂｈ）を有する発電デバイス２０００を一例として図示した。

本実施形態において、圧電体１２１の材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。本実施形態の圧電体１２１の厚さは２μｍ以上１０μｍ以下である。

なお、以下の数式（１）は、出力電圧Ｖ[V]、発生電荷量Ｑ[C]、圧電体の静電容量Ｃ[F]
、圧電体のヤング率Ｅｐ[Pa]、基板のヤング率Ｅｓ[Pa]、圧電体の厚みｈｐ[ｍ]、基板の厚みｈｓ[ｍ]との関係を表す理論式である。

数式（１）に、本実施形態で用いる基板のヤング率（ＳＵＳ３０４ Ｅｓ＝１９７ＧＰａ）、圧電体のヤング率（ＡＩＮ Ｅｐ＝３００ ＧＰａ）、圧電体の静電容量（圧電体の誘電率（ε＝9.0））×電極面積÷圧電体の厚み）を代入すると、図９に示すとおり、本
実施形態における出力電圧Ｖと圧電体の厚みｈｐと基板の厚みｈｓとの関係グラフが導き出される。図９においては、縦軸を発生電圧Ｖ（又は発生電荷量Q）とし、横軸を圧電体
の厚みｈｐとし、基板の厚みｈｓを変化させてたときのグラフを示す。
・・・（１）

図９に示すように、金属弾性板１２２の厚さが５０μｍで、圧電体１２１の厚さが半分の値２５μｍ程度であるときに、発電効率が最大となる。このため本実施形態の金属弾性板１２２の厚さは５０μｍ、圧電体１２１の厚さは２５μｍとしてもよい。一方、発電効率の最大化ではなく、設計上の目標とする共振周波数や製造コストを考慮して金属弾性板１２２の厚さや、圧電体１２１の厚さを適宜、本実施形態の範囲外にしてもよい。

本実施形態においては、圧電体１２１の材料には窒化アルミニウムを用いたが、スカンジウム含有窒化アルミニウム（Ｓｃ―ＡｌＮ）、マグネシウムおよびニオブ含有窒化アルミニウム（Ｍｇ／Ｎｂ−ＡｌＮ）、またはニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ)といった
圧電体や強誘電体であってもよい。

本実施形態においては、連結部材１３０の連結部１３１は、圧電素子１２０の中央を示しているが、これに限るものではない。本実施形態においては、連結部材１３０の材料は快削真鍮（Ｃ３６０４）を用いているが、これに限るものではない。図５から図８では、円柱型の連結部材１３０を示したが、これに限るものではない。

図７は本発明の実施形態に係る発電デバイス２０００の一例を示す断面図である。圧電素子１２０の振動方向を連結部材１３０軸方向に制限するため、保持部材１１０の内側、上部及び下部それぞれに、ストッパー１１１を設ける構造を有するようにしてもよい。

圧電素子１２０の振動方向を連結部材１３０軸方向に制限するため、保持部材１１０の内壁に固定潤滑層１１２を設ける構造を有するようにしてもよい。固定潤滑層１１２の材質は、耐摩擦性、耐摩耗性を有すればよい。本実施形態においては、テフロン（登録商標）無電解ニッケル（Ｎｉ−ＰＴＦＥ）を用いている。

［発電デバイスの振動と発電原理］
次に、本発明の実施形態２に係る発電デバイスの振動と発電原理について、図８Ａ〜８Ｄを用いて詳細に説明する。図８Ａ〜８Ｄは、本発明の実施形態２に係る発電デバイスにおいて、圧電素子１２０および連結部材１３０が振動している状態を示す断面図である。図８Ａ〜８Ｄでは、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を例示するが、この数に限定されず、（ｍ−１）個の連結部材１３０をｍ枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造でも同じ原理が適用できる（ｍは２以上の自然数）。

本発明の実施形態２に係る圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板１２２の上面および下面に位置する計１６個の圧電体１２１（上面：１２１ａａ、１２１ａｂ、１２１ａｃ、１２１ａｄ、１２１ａｅ、１２１ａｆ、１２１ａｇ、１２１ａｈ、下面：１２１ｂａ、１２１ｂｂ、１２１ｂｃ、１２１ｂｄ、１２１ｂｅ、１２１ｂｆ、１２１ｂｇ、および１２１ｂｈ）とを有する。

図８Ｂに示す状態が、外力が作用していない状態である。本発明の実施形態２に係る発電デバイス２０００に外力がかかるとき、その反作用により連結部材１３０の軸方向に加わる力は、外力の加えられる方向に対して凸状となるように圧電素子１２０を屈曲させる。金属弾性板１２２は、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であることから、圧電素子１２０は収縮変位し、変位が増大するとともに反発力が増加し、反転により変位する。すなわち、外力の加えられる方向が図８Ａ〜８Ｃにおいて下方向である場合、図８（ｂ）から（ｃ）→（ｂ）→（ａ）→（ｂ）のくりかえしにより振動する。

圧電素子１２０が屈曲する際に発生する電荷は、圧電体１２１の屈曲する向きに依存して極性が変わるため、各圧電体１２１から電気エネルギーを効率良く取り出すために、それぞれ別個の電気回路を用いる必要がある。

圧電素子１２０のそれぞれの両持ち梁は、横からみるとS字状にまがるため、同一箇所で
も上面、下面により圧縮と伸張とが発生する。図８Ｄに、本発明の実施形態２に係る両持ち梁の一部の動きの拡大図を示す。連結部材１３０が図中（ｅ）、上方向に振動する時、圧電体１２１ａａおよび１２１ｂｂは圧縮し、圧電体１２１ａｂおよび１２１ｂａは伸張する。連結部材１３０が図中（ｇ）、下方向に振動する時、圧電体１２１ａａおよび１２１ｂｂは伸張し、圧電体１２１ａｂおよび１２１ｂａは圧縮する。すなわち、図８Ａ〜８Ｃにおいて、圧電素子１２０の上面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうち１２１ａａおよび１２１ａｄと、下面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうち１２１ｂａおよび１２１ｂｄとで、逆相の電荷を発生する。さらに、図８Ａ〜８Ｃにおいて、圧電素子１２０の上面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ａｂおよび１２１ａｃと、下面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂｂおよび１２１ｂｃとで、逆相の電荷を発生する。このため両面に電極を設けた場合はお互いに発生した逆相の電荷により打ち消しあってしまう。

このため、圧電素子に外力がかかるとき、圧電現象による発電量を打ち消し合わずに集電できるよう、圧電素子１２０の上面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体１２１ａａおよび１２１ａｄと、上面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ａｂおよび１２１ａｃと、下面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうちｂａおよび１２１ｂｄと、下面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂｂおよび１２１ｂｃとで、電極を分けた構造を有するようにしてもよい。

これにより負荷や蓄電池等に逆の極性の電圧が印加されることを防止し、更に効率良く起電力を得ることができる。

本実施形態の発電デバイス２０００において、梁をｎ本に増やし、それぞれの構造を変化させることにより共振周波数はより広帯域化することができる。図１０は、本実施形態に係る発電デバイス２０００における、非線形ばね効果による発電周波数帯域の拡大を示すグラフである。加速度９．８ｍ/ｓ²の調和振動を印加した場合では線形振動が、加速度
２０ｍ/ｓ²の調和振動を印加した場合では非線形振動が示された。

発電デバイス２０００が設置される場所は必ずしも発生する振動がコントロールされているとは限らない。所望の周波数帯における予期せぬ大きな振動や、設計範囲外に生じる大きな振動において、圧電素子１２０が破壊されないようにしなければならない。

発電に寄与する振動方向であっても、材料の弾性限界を超えた変位が生じないようにするため、上下にストッパー１１１を設ける。また、横方向からの振動に対してもは圧電素子１２０の破壊を防ぐため、周囲に固定潤滑層１１２を設ける。

以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、大きな振動にも壊れること無く、かつ、発生した電気エネルギーを無駄にすること無く、広帯域の振動エネルギーを電気エネルギーにすることが可能となる。自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。また、発生電荷の電極内打ち消しを防ぐために意図しない振動モードを抑制する構造を備えた発電デバイスを提供することができる。

（実施形態３）
［発電デバイスの概要］
図１１から図１３を用いて、本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００の構造の概要を説明する。

図１１は、本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００を示す斜視図である。図１１に示すように、本実施形態に係る発電デバイス３０００は、保持部材１１０、複数の圧電素子１２０ａ及び１２０ｂ、連結部材１３０を備えている。

複数の圧電素子１２０は一定のスペースを介して上下に配置される。ここで、図１１から図１３においては、説明の便宜上、２枚の圧電素子１２０有する発電デバイス３０００を一例として図示した。複数の圧電素子１２０は、端部を保持部材１１０に固定される。本実施形態に係る保持部材１１０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２）であるが、ステンレス他、耐久性を備えた材料ならこれに限定しない。

図１１に示すように、複数の圧電素子１２０は、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここで、図１１から図１３では、説明の便宜上、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を一例として図示した（ｍ＝２）。

図１２は本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００の一例を示す平面図である。図１１および図１２に示すように、圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板の上面に複数配置された圧電体１２１とを含む。金属弾性板１２２は、高靭性と弾性を備え、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であればよい。本実施形態においては、金属弾性板１２２は、厚さが５０μｍの２ｃｍ四方の板状ステンレス素子（ＳＵＳ３０４）を用いている。

圧電素子１２０はｎ本の両持ち梁の構造を維持する配置に、２ｎ個のスリット１２３を有するようにしてもよい（ｎは自然数）。ここで、図１１および図１２においては、説明の便宜上、４個のスリット１２３を有する圧電素子１２０を含む発電デバイス３０００を一例として図示した（ｎ＝２）。この結果、圧電素子１２０は２本の両持ち梁１２４が交差した十字構造を示す。

本発明の実施形態に係る複数の圧電体１２１は、両持ち梁１２４上に配置される。図１１から図１４においては、説明の便宜上、１枚の金属弾性板１２２の上面に計１６個の圧電体１２１（１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１、１２１ｃ２、１２１ｄ１、１２１ｄ２、１２１ｅ１、１２１ｅ２、１２１ｆ１、１２１ｆ２、１２１ｇ１、１２１ｇ２、１２１ｈ１および１２１ｈ２）を有する発電デバイス３０００を一例として図示した。

本実施形態において、圧電体１２１の材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。本実施形態の圧電体１２１の厚さは２μｍ以上１０μｍ以下である。

本実施形態においては、圧電体１２１の材料には窒化アルミニウムを用いたが、スカンジウム含有窒化アルミニウム（Ｓｃ―ＡｌＮ）、マグネシウムおよびニオブ含有窒化アルミニウム（Ｍｇ／Ｎｂ−ＡｌＮ）、またはニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ) といった圧電体や強誘電体であってもよい。

本実施形態においては、連結部材１３０の連結部１３１は、圧電素子１２０の中央を示しているが、これに限るものではない。本実施形態においては、連結部材１３０の材料は快削真鍮（Ｃ３６０４）を用いているが、これに限るものではない。図１１から図１４では、円柱型の連結部材１３０を示したが、これに限るものではない。

図１３は本発明の実施形態に係る発電デバイス３０００の一例を示す断面図である。圧電素子１２０の振動方向を連結部材１３０軸方向に制限するため、保持部材１１０の内側、上部及び下部それぞれに、ストッパー１１１を設ける構造を有するようにしてもよい。

圧電素子１２０の振動方向を連結部材１３０軸方向に制限するため、保持部材１１０の内壁に固定潤滑層１１２を設ける構造を有するようにしてもよい。固定潤滑層１１２の材質は、耐摩擦性、耐摩耗性を有すればよい。本実施形態においては、テフロン（登録商標）無電解ニッケル（Ｎｉ−ＰＴＦＥ）を用いている。

［発電デバイスの振動と発電原理］
次に、本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００の振動と発電原理について、図１４Ａ〜１４Ｄを用いて詳細に説明する。図１４Ａ〜１４Ｄは、本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００において、圧電素子１２０および連結部材１３０が振動している状態を示す断面図である。図１４Ａ〜１４Ｄでは、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を例示するが、この数に限定されず、（ｍ−１）個の連結部材１３０をｍ枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造でも同じ原理が適用できる（ｍは２以上の自然数）。

本発明の実施形態３に係る圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板１２２の上面に位置する計１６個の圧電体１２１（１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１、１２１ｃ２、１２１ｄ１、１２１ｄ２、１２１ｅ１、１２１ｅ２、１２１ｆ１、１２１ｆ２、１２１ｇ１、１２１ｇ２、１２１ｈ１および１２１ｈ２）とを有する。

図１４Ｂに示す状態が、外力が作用していない状態である。本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００に外力がかかるとき、その反作用により連結部材１３０の軸方向に加わる力は、外力の加えられる方向に対して凸状となるように圧電素子１２０を屈曲させる。
金属弾性板１２２は、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であることから、圧電素子１２０は収縮変位し、変位が増大するとともに反発力が増加し、反転により変位する。すなわち、外力の加えられる方向が図１４Ａ〜１４Ｃにおいて下方向である場合、図１４（ｂ）から（ｃ）→（ｂ）→（ａ）→（ｂ）のくりかえしにより振動する。

圧電素子１２０が屈曲する際に発生する電荷は、圧電体１２１の屈曲する向きに依存して極性が変わるため、各圧電体１２１から電気エネルギーを効率良く取り出すために、それぞれ別個の電気回路を用いる必要がある。

圧電素子１２０のそれぞれの両持ち梁は、横からみるとS字状にまがるため、同一面でも
場所により圧縮と伸張とが発生する。図１４Ｄに、本発明の実施形態３に係る両持ち梁の一部の動きの拡大図を示す。連結部材１３０が図中（ｅ）、上方向に振動する時、圧電体１２１ａ１および１２１ａ２は圧縮し、電体１２１ｂ１および１２１ｂ２は伸張する。連結部材１３０が図中（ｇ）、下方向に振動する時、圧電体１２１ａ１および１２１ａ２は伸張し、電体１２１ｂ１および１２１ｂ２は圧縮する。すなわち、図１４Ａ〜１４Ｃにおいて、圧電素子１２０の上面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうち１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｄ１および１２１ｄ２と、上面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１および１２１ｃ２とで、逆相の電荷を発生する。このため全面に電極を設けた場合はお互いに発生した逆相の電荷により打ち消しあってしまう。

このため、圧電素子に外力がかかるとき、圧電現象による発電量を打ち消し合わずに集電できるよう、圧電素子１２０の上面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうち１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｄ１および１２１ｄ２と、上面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１および１２１ｃ２とで、電極を分けた構造を有するようにしてもよい。

これにより負荷や蓄電池等に逆の極性の電圧が印加されることを防止し、更に効率良く起電力を得ることができる。

発電デバイス３０００が設置される場所は必ずしも発生する振動がコントロールされているとは限らない。所望の周波数帯における予期せぬ大きな振動や、設計範囲外に生じる大きな振動において、圧電素子１２０が破壊されないようにしなければならない。

発電に寄与する振動方向であっても、材料の弾性限界を超えた変位が生じないようにするため、上下にストッパー１１１を設ける。また、横方向からの振動に対しても圧電素子１２０の破壊を防ぐため、周囲に固定潤滑層１１２を設ける。

以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、大きな振動にも壊れること無く、かつ、発生した電気エネルギーを無駄にすること無く、広帯域の振動エネルギーを電気エネルギーにすることが可能となる。自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。また、発生電荷の電極内打ち消しを防ぐために意図しない振動モードを抑制する構造を備えた発電デバイスを提供することができる。

〈実施形態１乃至３の変形例１〉
図１５を用いて、本発明の実施形態１乃至３の変形例に係る連結部材１３０について説明する。連結部材１３０の形状、サイズ、および作用以外は、本発明の実施形態１乃至３と同じであり、その繰り返しの説明は省略する。

図１５は、本発明の実施形態に係る連結部材の一例と、その変形例を示す図である。図１５（ａ）では多段円柱型の連結部材１３０を示した。図１５（ｂ）では多段角柱型の連結部材１３０を示した。

本発明の実施形態１乃至３の変形例に係る発電デバイスは、複数の圧電素子１２０と、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここで、ｍが３以上であるとき、複数の連結部材１３０は別々の形状をとってもよい。

連結部材１３０は、形状およびサイズによって、錘として機能しうる事を意味する。振動エネルギーを、複数の圧電素子１２０へ伝える外力に変換する１つの方法となる。このため連結部材１３０の形状およびサイズは、安定して振動エネルギーを圧電素子１２０へ伝える外力に変換できるかぎり限定されない。錘の位置も、連結部材１３０軸延長線上であり、安定して振動エネルギーを圧電素子１２０へ伝える外力に変換できるかぎり限定されない。
連結部材１３０の連結部１３１の位置も、安定して振動エネルギーを圧電素子１２０へ伝える外力に変換できるかぎり限定されない。

以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。

これによって、配線給電や電池駆動が難しい、車載応用システムやインフラ健全性診断システムといったＩＴｏ向けセンサネットワークモジュールの電源用発電機を提供することができる。

〈実施形態１の変形例２〉
図１６および図１７を用いて、本発明の実施形態の変形例に係る圧電素子１２０について説明する。１２０の形状、および作用以外は、本発明の実施形態１から３と同じであり、その繰り返しの説明は省略する。

図１６は、本発明の実施形態の変形例に係る圧電素子１２０を備えた発電デバイス４０００を示す斜視図である。図１６に示すように、本実施形態に係る発電デバイスは、保持部材１１０、複数の圧電素子１２０ａ及び１２０ｂ、連結部材１３０を備えている。

複数の圧電素子１２０は一定のスペースを介して上下に配置される。ここで、図１６においては、説明の便宜上、２枚の圧電素子１２０有する発電デバイス４０００を一例として図示した。複数の圧電素子１２０は、端部を保持部材１１０に固定される。本実施形態に係る保持部材１１０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２）であるが、ステンレス他、耐久性を備えた材料ならこれに限定しない。

図１６に示すように、複数の圧電素子１２０は、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここでは、説明の便宜上、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を一例として図示した（ｍ＝２）。

図１７は、本発明の実施形態の変形例２に係る発電デバイス１０００の一例を示す平面図である。図１６および図１７に示すように、圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板の上面に複数配置された圧電体１２１とを含む。金属弾性板１２２は、高靭性と弾性を備え、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であればよい。本実施形態においては、金属弾性板１２２は、厚さが５０μｍの２ｃｍ四方の板状ステンレス素子（２０１５Ｗ５−１００）を用いている。

圧電素子１２０はｎ本の両持ち梁の構造を維持する配置に、２ｎ個のスリット１２３を有するようにしてもよい（ｎは自然数）。ここで、図１６および図１７においては、２個のスリット１２３を有する圧電素子１２０を一例として図示した（ｎ＝１）。この結果、圧電素子１２０は１本の両持ち梁を有するＩ字構造を示す。

以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、大きな振動にも壊れること無く、かつ、発生した電気エネルギーを無駄にすること無く、広帯域の振動エネルギーを電気エネルギーにすることが可能となる。自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。また、発生電荷の電極内打ち消しを防ぐために意図しない振動モードを抑制する構造を備えた発電デバイスを提供することができる。

（実施形態４）
本発明の実施形態１乃至３に係る発電デバイスを備えた車載応用システムについて説明する。本発明の実施形態１乃至３に係る発電デバイスの繰り返しの説明は省略する。

本実施形態の発電デバイスは、車載応用システムに接続される。すなわち、発電デバイスは、車載応用システムに電源を供給することができる。

発電デバイスを有することで、レイアウトフリーになった車載応用システムは、電源、配線を気にすることなく車内外のいずれにも配置することができる。

したがって、配線給電や電池駆動が難しい、車載応用システムや、インフラ健全性診断システムといったIoT向けセンサネットワークモジュールへ電源を供給することができる。

（実施形態５）
図１８を用いて、本発明の実施形態１乃至３に係る発電デバイスを備えた車載応用システムを装備した自動車６０００について説明する。本発明の実施形態１乃至３に係る発電デバイスと、その発電デバイスを備えた車載応用システムについての繰り返しの説明は省略する。

図１８は、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００を備えた車載応用システムを装備した自動車６０００の一例を示す図である。

自動車６０００は、フレームと、フレームに連結された車載応用システムと、車載応用システムに設置された発電デバイスとを有する自動車である。

発電デバイスを有することで、レイアウトフリーになった車載応用システムは、電源、配線を気にすることなく車内外のいずれにも配置することができる（図示せず）。

これによって、配線給電や電池駆動が難しい、車載応用システムや、インフラ健全性診断システムといったIoT向けセンサネットワークモジュールへ電源を供給することができる
。

なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０００、２０００、３０００：発電デバイス
１１０：保持部材
１１１：ストッパー
１１２：固定潤滑層
１２０：圧電素子
１２１：圧電体
１２２：金属弾性板
１２３：スリット
１２４：両持ち梁
１３０：連結部材
１３１：連結部
６０００：自動車

Claims (1)

1. 保持部材と、
   ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、前記保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子と、
   前記複数の圧電素子を連結する連結部材と、
   を備えたことを特徴とする発電デバイス。