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特開2025-7460振動発電デバイス及びセンサモジュール
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025007460
(43)【公開日】2025-01-17
(54)【発明の名称】振動発電デバイス及びセンサモジュール
(51)【国際特許分類】
   H02N 2/18 20060101AFI20250109BHJP
【FI】
H02N2/18
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023108881
(22)【出願日】2023-06-30
(71)【出願人】
【識別番号】000006633
【氏名又は名称】京セラ株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】504157024
【氏名又は名称】国立大学法人東北大学
(71)【出願人】
【識別番号】517177729
【氏名又は名称】仙台スマートマシーンズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100132045
【弁理士】
【氏名又は名称】坪内 伸
(74)【代理人】
【識別番号】100180655
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 俊樹
(72)【発明者】
【氏名】北山 賢
(72)【発明者】
【氏名】船井 星那
(72)【発明者】
【氏名】桑野 博喜
(72)【発明者】
【氏名】レ バン ミン
(72)【発明者】
【氏名】グエン ホアン フン
【テーマコード(参考)】
5H681
【Fターム(参考)】
5H681BB08
5H681EE10
(57)【要約】
【課題】錘の重量を増やしても、ねじれモードの振動が生じにくい振動発電デバイス及びセンサモジュールが提供される。
【解決手段】振動発電デバイス(10)は、錘部(11)と、錘部に接続される接続部(19)を有する複数の梁部(12)と、を備え、複数の梁部は、それぞれが同一の平面上に位置し、かつ、錘部の重心を囲むように位置し、錘部の重心と接続部との距離はいずれも等しい。振動発電デバイスにおいて、接続部は正多角形の頂点となるように位置してよい。
【選択図】図3
【特許請求の範囲】
【請求項1】
錘部と、
前記錘部に接続される接続部を有する複数の梁部と、を備え、
前記複数の梁部は、それぞれが同一の平面上に位置し、かつ、前記錘部の重心を囲むように位置し、
前記錘部の重心と前記接続部との距離はいずれも等しい、振動発電デバイス。
【請求項2】
前記接続部は正多角形の頂点となるように位置する、請求項1に記載の振動発電デバイス。
【請求項3】
前記複数の梁部のそれぞれの長さはいずれも等しい、請求項2に記載の振動発電デバイス。
【請求項4】
前記複数の梁部の数は3つであり、
前記接続部は、正三角形の頂点となるように位置する、請求項3に記載の振動発電デバイス。
【請求項5】
前記複数の梁部の数は4つであり、
前記接続部は、正方形の頂点となるように位置する、請求項3に記載の振動発電デバイス。
【請求項6】
前記複数の梁部の数は5つであり、
前記接続部は、正五角形の頂点となるように位置する、請求項3に記載の振動発電デバイス。
【請求項7】
前記複数の梁部の数は6つであり、
前記接続部は、正六角形の頂点となるように位置する、請求項3に記載の振動発電デバイス。
【請求項8】
錘部と、
前記錘部に接続される接続部を有する複数の梁部と、を備え、
前記複数の梁部は、それぞれが同一の平面上に位置し、かつ、前記錘部の重心を囲むように位置し、
前記錘部の重心と前記接続部との距離はいずれも等しい、センサモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、振動発電デバイス及びセンサモジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
周囲環境の振動エネルギーから電気エネルギーを発生させる振動発電デバイスと、振動発電デバイスを利用したセンサモジュールが知られている。例えば特許文献1は、複数の板状可撓体と重錘部体とを組み合わせた構造の発電素子を開示する。また、例えば特許文献2は、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、振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換できる発電デバイスを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2019-103170号公報
【特許文献2】特開2020-061938号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ここで、振動発電デバイスでは、錘の重量を増やすとねじれモードが発生して発電量が低下するおそれがある。
【0005】
かかる事情に鑑みてなされた本開示の目的は、錘の重量を増やしても、ねじれモードの振動が生じにくい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。
【課題を解決するための手段】
【0006】
(1)本開示の一実施形態に係る振動発電デバイスは、
錘部と、
前記錘部に接続される接続部を有する複数の梁部と、を備え、
前記複数の梁部は、それぞれが同一の平面上に位置し、かつ、前記錘部の重心を囲むように位置し、
前記錘部の重心と前記接続部との距離はいずれも等しい。
【0007】
(2)本開示の一実施形態として、(1)において、
前記接続部は正多角形の頂点となるように位置する。
【0008】
(3)本開示の一実施形態として、(1)又は(2)において、
前記複数の梁部のそれぞれの長さはいずれも等しい。
【0009】
(4)本開示の一実施形態として、(1)から(3)のいずれかにおいて、
前記複数の梁部の数は3つであり、
前記接続部は、正三角形の頂点となるように位置する。
【0010】
(5)本開示の一実施形態として、(1)から(3)のいずれかにおいて、
前記複数の梁部の数は4つであり、
前記接続部は、正方形の頂点となるように位置する。
【0011】
(6)本開示の一実施形態として、(1)から(3)のいずれかにおいて、
前記複数の梁部の数は5つであり、
前記接続部は、正五角形の頂点となるように位置する。
【0012】
(7)本開示の一実施形態として、(1)から(3)のいずれかにおいて、
前記複数の梁部の数は6つであり、
前記接続部は、正六角形の頂点となるように位置する。
【0013】
(8)本開示の一実施形態に係るセンサモジュールは、
錘部と、
前記錘部に接続される接続部を有する複数の梁部と、を備え、
前記複数の梁部は、それぞれが同一の平面上に位置し、かつ、前記錘部の重心を囲むように位置し、
前記錘部の重心と前記接続部との距離はいずれも等しい。
【発明の効果】
【0014】
本開示によれば、錘の重量を増やしても、ねじれモードの振動が生じにくい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ができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
図1図1は、本開示の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。
図2図2は、本開示の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3図3は、図2の振動発電デバイスの錘部及び梁部の構成を示す斜視図である。
図4図4は、図2の振動発電デバイスの錘部及び梁部の構成を示す上面図である。
図5図5は、振動発電デバイスの錘部及び梁部の別の構成を示す上面図である。
図6図6は、比較例の振動発電デバイスの錘部及び梁部の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、図面を参照して本開示の一実施形態に係る振動発電デバイス及びセンサモジュールが説明される。各図中、同一又は相当する部分には、同一符号が付されている。本実施形態の説明において、同一又は相当する部分については、説明を適宜省略又は簡略化する。ただし、図面は模式的なものである。例えば厚さと幅との関係等は現実のものと異なる。また、以下に示す実施形態は、本開示の技術的思想を具体化するためのデバイス等を例示するものであって、構成部品の形状、構造、配置等を下記のものに限定するものでない。
【0017】
図1は、本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の概略構成を示す機能ブロック図である。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及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してよい。センサモジュール21は、例えば、橋、電車、車両、発電所、屋外機械装置又は工場装置などにおいて用いられる。
【0018】
センサ22は、例えば、振動センサ、温度センサ及び圧力センサなどであって、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。
【0019】
通信部23は、ネットワークを介して外部機器と通信するインタフェースである。通信部23は、例えば、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んでよい。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。ここで、検出値は、検出結果を数値化したものである。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。
【0020】
コントローラ24は、センサ22及び通信部23の動作を制御する。例えばコントローラ24は、1以上のプロセッサ及びメモリを含んで構成されてよい。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及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つ又は複数のプロセッサが協働するSoC(System-on-a-Chip)及びSiP(System In a Package)のいずれかであってよい。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。
【0021】
図2は、本実施形態に係る振動発電デバイス10の振動方向に沿った断面図である。図2は、図4に示されるA-Aにおける振動発電デバイス10の断面に対応する。振動発電デバイス10は、錘部11、複数の梁部12、圧電部17及び固定部13を含んで構成される。さらに、振動発電デバイス10は、筐体14を含んで構成されてよい。
【0022】
錘部11は、慣性力を与えることにより、固定部13に支持される梁部12の振動を増大させる。錘部11は、梁部12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。
【0023】
ここで、図2には直交座標が示されている。この直交座標は、後に参照する図3図6でも用いられる。z軸方向は、通常の使用時に錘部11が振動する方向、すなわち振動方向である。z軸方向は、振動発電デバイス10の厚さ方向(高さ方向)でもある。x軸方向は、振動発電デバイス10の幅方向に対応する。また、y軸方向は、振動発電デバイス10の奥行き方向に対応する。以下において、z軸正方向に位置する場合を上と、z軸負方向に位置する場合を下として、相対的な位置関係を説明することがある。例えば図2において、固定部13は梁部12の上及び下にあって、固定部13を支持している。また、図2において平面Sが示されている。平面Sは、錘部11が振動していない場合に梁部12の位置(高さ)にある仮想平面であって、xy平面に平行である。
【0024】
錘部11は、本体部15及び首部16を有してよい。本体部15は例えば板状である。首部16は、本体部15に比べて細い、円柱などの柱状であってよい。首部16の軸が本体部15の中心を通り、板状の本体部15に対して垂直であってよい。首部16は、軸が振動方向に平行となるように梁部12に固定されてよい。
【0025】
図3は、振動発電デバイス10の錘部11及び複数の梁部12の構成を示す斜視図である。また、図4は、振動発電デバイス10の錘部11及び複数の梁部12の構成を示す上面図である。図3及び図4では、見やすさのために、図2で示されていた固定部13、筐体14及び圧電部17を透過させている。図3に示すように、本実施形態において、複数の梁部12の数は4つである。また、図4に示すように、複数の梁部12のそれぞれの長さはいずれもLbで等しく、複数の梁部12のそれぞれの端部が隣接する梁部12の端部と接続されており、梁部12が全体で正方形の形状を有する。図3に示すように、複数の梁部12のそれぞれは、錘部11に接続される接続部19を有する。本実施形態において、複数の梁部12のそれぞれを上下の本体部15が挟む構造となっており、接続部19において錘部11の本体部15と梁部12とが接触している。
【0026】
図4に示すように、本実施形態に係る振動発電デバイス10では、複数の梁部12のそれぞれが同一の平面(図2の平面Sが対応)上に位置し、かつ、錘部11の重心Gを囲むように位置している。また、振動発電デバイス10において、錘部11の重心Gと接続部19との距離はいずれも等しいように構成されている。ここで、接続部19は一定の大きさを有するが、接続部19の最も重心Gに近い位置を用いて重心Gと接続部19との距離を測定する。図4に示すように、4つの梁部12のそれぞれについて、重心Gと接続部19との距離はいずれもLaで等しい。複数の梁部12が有する接続部19は、複数の梁部12の数に応じた形状の正多角形の頂点となるように位置する。接続部19が正多角形の頂点に位置することによって、重心G周りのモーメントが0となる。言い換えると、正多角形の頂点の中から3以上の頂点を、重心G周りのモーメントが0となるように選んでよい。本実施形態では、複数の梁部12の数が4つであり、接続部19は、正方形の頂点となるように位置している。
【0027】
以下、振動発電デバイス10の構成要素のそれぞれが説明される。まず、梁部12は薄板状であり、板面が振動方向に垂直であってよい。梁部12は、例えば、SUSなどの金属により形成されてよい。
【0028】
圧電部17は、複数の梁部12それぞれに設けられる。圧電部17は、梁部12の振動により応力が生じる位置に配置されてよい。圧電部17は、梁部12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17が、梁部12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17が、梁部12の振動方向の両側の面に設けられてよい。つまり、複数の圧電部17が、梁部12のz軸方向の上の面及び下の面に設けられてよい。
【0029】
圧電部17は、梁部12側から順に積層された絶縁膜、第1の電極、圧電膜及び第2の電極を含んで構成される。梁部12が振動により変形すると、圧電部17は、梁部12と共に変形する。これにより、梁部12が振動すると、圧電部17内の圧電膜に応力が加えられ、圧電膜の圧電効果によりこの応力が電力に変換される。圧電膜で生成された電力は、第1の電極及び第2の電極を介して、振動発電デバイス10の外部に出力される。
【0030】
固定部13は、複数の梁部12それぞれを任意の方法により固定する。固定部13は、剛性の大きな部材で形成されることが好ましく、例えば、Feなどの金属単体、Fe、Ni、Crなどを含む合金、SUS又は樹脂などの非金属の物質によって形成されてよい。
【0031】
筐体14は、錘部11及び梁部12を収容してよい。筐体14は、固定部13を支持してよい。
【0032】
ここで、図6は、従来構造を有する比較例の振動発電デバイス110の錘部11及び複数の梁部12の構成を示す斜視図である。振動発電デバイス110の複数の梁部12それぞれは、錘部11の中心から異なる複数の方向に向かって延在する。具体的に述べると、4つの梁部12が、錘部11から4方向に向かって延在している。振動発電では、錘の重量を増やすと発電量が増加することが知られている。ただし、比較例の振動発電デバイス110のような従来構造の場合に、例えば重心Gが一部の梁部12に対してだけ近い位置にあるなど、重心Gの微小なずれが生じやすい。重心Gのずれがあると、振動の際に梁部12周りに回転させようとする力が生じる。そして、発電量増加のために錘部11の重量を増やすと、梁部12周りに回転させようとする力が大きくなり、z軸方向だけでなく、ねじれながら振動するねじれモードが生じやすくなる。また、正常動作であるz軸方向の振動を行う1次モードの固有振動数に対して、ねじれモードの固有振動数が近いところにあると、発電量が低下する。錘部11の重量を増やすほど、ねじれモードの固有振動数が1次モードの固有振動数に近づく傾向があり、発電量の低下の影響が大きくなる。このように、比較例の振動発電デバイス110では、錘の重量を増やして発電量を増やすことに限界があった。
【0033】
これに対し、振動発電デバイス10では、上記のように複数の梁部12のそれぞれが同一の平面上に位置し、かつ、錘部11の重心Gを囲むように位置している。そのため、ねじれモードが生じにくい。ここで、比較例の振動発電デバイス110と本実施形態に係る振動発電デバイス10とで、ねじれモードによって発電量が低下するまでの錘部11の重量を比較した。ねじれモードの固有振動数(ft)が1次モードの固有振動数(f1)に近づいた状態である、(ft)/(f1)=1.2となる錘部11の重量が比較された。まず、比較例の振動発電デバイス110では10.6gであった。これに対し、振動発電デバイス10では42.5gであった。この比較から明らかなように、本実施形態に係る振動発電デバイス10は、ねじれモードが生じにくい。
【0034】
以上のように、本実施形態に係る振動発電デバイス10及びセンサモジュール21は、上記の構成によって、錘の重量を増やしても、ねじれモードが生じにくい。
【0035】
本開示の実施形態について、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、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。
【0036】
上記の実施形態において、振動発電デバイス10は、複数の梁部12の数が4つである。また、接続部19は、正方形の頂点となるように位置している。ただし、振動発電デバイス10は、複数の梁部12が錘部11の重心Gを囲むように位置していればよく、複数の梁部12の数及び形状について限定されない。図5は、振動発電デバイス10の錘部11及び複数の梁部12の別の構成を示す上面図である。図5に示すように、複数の梁部12の数が3つであり、接続部19は、正三角形の頂点となるように位置してよい。また、別の例として、複数の梁部12の数が5つであり、接続部19は、正五角形の頂点となるように位置してよい。また、さらに別の例として、複数の梁部12の数が6つであり、接続部19は、正六角形の頂点となるように位置してよい。ここで、図5におけるLa及びLbは図4と異なる値であってよい。つまり、Laは重心Gと接続部19との距離がいずれも等しいことを示すための記号である。また、Lbは複数の梁部12のそれぞれの長さがいずれも等しいことを示すための記号である。また、図5及び図6では、見やすさのために、図2で示されていた固定部13、筐体14及び圧電部17を透過させている。
【0037】
上記の実施形態において、センサモジュール21が図1に示される構成を有するとして説明したが、構成要素の全てを含む必要はない。例えばセンサモジュール21は、センサ22を備えずに、振動発電デバイス10がセンサ22の機能を兼ねる構成であってよい。例えば振動発電デバイス10は、圧電部17内の圧電膜で生成された電力とともに、例えば振動の強さを示す信号を出力してよい。コントローラ24は、振動の強さを示す信号に基づいてセンサモジュール21を搭載する移動体の速度を算出して、速度センサとしての機能が実現されてよい。
【符号の説明】
【0038】
10 発電振動デバイス
11 錘部
12 梁部
13 固定部
14 筐体
15 本体部
16 首部
17 圧電部
19 接続部
21 センサモジュール
22 センサ
23 通信部
24 コントローラ
110 発電振動デバイス
図1
図2
図3
図4
図5
図6