特開 2025-7464 振動発電デバイス

(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】P2025007464

(43)【公開日】2025-01-17

(54)【発明の名称】振動発電デバイス

(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】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023108885

(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

(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】田島 悠聖

【テーマコード（参考）】

5H681

【Ｆターム（参考）】

5H681BB08

5H681DD23

5H681EE10

(57)【要約】

【課題】温度変化による発電量の低下を抑制できる振動発電デバイスが提供される。
【解決手段】振動発電デバイス（１０）は、振動することができる振動部（１２）と、振動部を少なくとも２点で固定する固定部（１３）と、振動部の熱膨張と固定部の熱膨張との差によって少なくとも振動部に生じる張力を、固定部又は振動部に逆向きの力を与えることで緩和する緩和部（１８）と、を備える。振動発電デバイスは、振動部の熱膨張係数が固定部の熱膨張係数より小さい場合に、緩和部の熱膨張係数は振動部の熱膨張係数より小さくてよい。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

振動することができる振動部と、
前記振動部を少なくとも２点で固定する固定部と、
前記振動部の熱膨張と前記固定部の熱膨張との差によって少なくとも前記振動部に生じる張力を、前記固定部又は前記振動部に逆向きの力を与えることで緩和する緩和部と、を備える、振動発電デバイス。

【請求項2】

前記振動部の熱膨張係数が前記固定部の熱膨張係数より小さい場合に、前記緩和部の熱膨張係数は前記振動部の熱膨張係数より小さい、請求項１に記載の振動発電デバイス。

【請求項3】

前記振動部の熱膨張係数が前記固定部の熱膨張係数より大きい場合に、前記緩和部の熱膨張係数は前記振動部の熱膨張係数より大きい、請求項１に記載の振動発電デバイス。

【請求項4】

前記緩和部は、熱膨張係数が異なる２つ以上の層を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発電デバイス。

【請求項5】

前記緩和部は、前記固定部と前記振動部との間に設けられる、請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発電デバイス。

【請求項6】

前記緩和部は、前記固定部の外側に設けられる、請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発電デバイス。

【請求項7】

前記緩和部は、前記固定部の内側に設けられる、請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発電デバイス。

【請求項8】

前記緩和部は、前記固定部の上面及び前記固定部の底面の一部又は全部である、請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発電デバイス。

【請求項9】

前記緩和部は、前記固定部の内部に設けられる、請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発電デバイス。

【請求項10】

前記緩和部は、前記振動部の側面に設けられる、請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発電デバイス。

【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、振動する振動部と、振動部を固定する固定部との熱膨張係数が異なることが多いため、温度の変化によって、振動部に張力が加わることで、共振周波数が変化して、発電量が低下することがあった。

【0005】

かかる事情に鑑みてなされた本開示の目的は、温度変化による発電量の低下を抑制できる振動発電デバイス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、
振動することができる振動部と、
前記振動部を少なくとも２点で固定する固定部と、
前記振動部の熱膨張と前記固定部の熱膨張との差によって少なくとも前記振動部に生じる張力を、前記固定部又は前記振動部に逆向きの力を与えることで緩和する緩和部と、を備える。

【0007】

（２）本開示の一実施形態として、（１）において、
前記振動部の熱膨張係数が前記固定部の熱膨張係数より小さい場合に、前記緩和部の熱膨張係数は前記振動部の熱膨張係数より小さい。

【0008】

（３）本開示の一実施形態として、（１）において、
前記振動部の熱膨張係数が前記固定部の熱膨張係数より大きい場合に、前記緩和部の熱膨張係数は前記振動部の熱膨張係数より大きい。

【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、
前記緩和部は、熱膨張係数が異なる２つ以上の層を含む。

【0010】

（５）本開示の一実施形態として、（１）から（４）のいずれかにおいて、
前記緩和部は、前記固定部と前記振動部との間に設けられる。

【0011】

（６）本開示の一実施形態として、（１）から（４）のいずれかにおいて、
前記緩和部は、前記固定部の外側に設けられる。

【0012】

（７）本開示の一実施形態として、（１）から（４）のいずれかにおいて、
前記緩和部は、前記固定部の内側に設けられる。

【0013】

（８）本開示の一実施形態として、（１）から（４）のいずれかにおいて、
前記緩和部は、前記固定部の上面及び前記固定部の底面の一部又は全部である。

【0014】

（９）本開示の一実施形態として、（１）から（４）のいずれかにおいて、
前記緩和部は、前記固定部の内部に設けられる。

【0015】

（１０）本開示の一実施形態として、（１）から（４）のいずれかにおいて、
前記緩和部は、前記振動部の側面に設けられる。

【発明の効果】

【0016】

本開示によれば、温度変化による発電量の低下を抑制できる振動発電デバイスを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【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3A】図３Ａは、振動部、固定部及び緩和部の熱膨張の差を説明するための断面図である。

【図3B】図３Ｂは、振動部、固定部及び緩和部の熱膨張の差を説明するための断面図である。

【図4】図４は、振動発電デバイスにおける振動部及び固定部に対する緩和部の配置例を示す図である。

【図5A】図５Ａは、振動発電デバイスにおける振動部及び固定部に対する緩和部の配置例を示す図である。

【図5B】図５Ｂは、振動発電デバイスにおける振動部及び固定部に対する緩和部の配置例を示す図である。

【図6A】図６Ａは、振動発電デバイスにおける振動部及び固定部に対する緩和部の配置例を示す図である。

【図6B】図６Ｂは、振動発電デバイスにおける振動部及び固定部に対する緩和部の配置例を示す図である。

【図7】図７は、振動発電デバイスにおける振動部及び固定部に対する緩和部の配置例を示す図である。

【図8】図８は、振動発電デバイスにおける振動部及び固定部に対する緩和部の配置例を示す図である。

【図9】図９は、振動発電デバイスにおける振動部及び固定部に対する緩和部の配置例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。振動発電デバイス１０は、錘部１１、振動部１２、圧電部１７、緩和部１８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。本実施形態において、筐体１４が固定部１３として機能する。

【0024】

錘部１１は、慣性力を与えることにより、固定部１３に支持される振動部１２の振動を増大させる。錘部１１は、振動部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。

【0025】

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３Ａ～図９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。例えば固定部１３及び振動部１２の面のうち、上（ｚ軸正方向側）に位置する面は上面と称される。例えば固定部１３及び振動部１２の面のうち、下（ｚ軸負方向側）に位置する面は下面又は底面と称される。また、例えば固定部１３及び振動部１２の面のうち、上面と底面とを接続する面を側面と称することがある。

【0026】

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。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振動部１２に固定されてよい。

【0027】

振動部１２は例えば薄板状であり、板面が振動方向に垂直であってよい。振動部１２は、振動することができるものであればよく、形状が限定されるものでない。例えば振動部１２は、板状だけでなく、十字状、十字にさらに斜め方向にも延びた形状、円形状、多角形状、球状であってよい。振動部１２は電気的な接続のための配線を有する基板であってよい。振動部１２は、金属で形成されてよいし、樹脂で形成されてよい。振動部１２は、例えばＳＵＳなどにより形成されてよい。

【0028】

圧電部１７は、振動部１２に設けられる。圧電部１７は、振動部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、振動部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、振動部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、振動部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、振動部１２の上面及び底面に設けられてよい。

【0029】

圧電部１７は圧電体及び電極を含んで構成される。振動部１２が振動により変形すると、圧電部１７は、振動部１２と共に変形する。これにより、振動部１２が振動すると、圧電部１７内の圧電体に応力が加えられ、圧電体の圧電効果によりこの応力が電力に変換される。圧電体で生成された電力は電極を介して、振動発電デバイス１０の外部に出力される。

【0030】

固定部１３は、振動部１２を任意の方法により固定する。固定部１３は、振動部１２を少なくとも２点で固定する。ここで、「固定部１３が振動部１２を固定する」とは、固定部１３が直接的に振動部１２を固定する場合だけでなく、固定部１３が緩和部１８などの他の部材を介して振動部１２を固定する場合を含む。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。本実施形態において、錘部１１及び振動部１２を収容する筐体１４の一部が固定部１３として機能する。

【0031】

ここで、振動発電を行う装置において、振動部材と、振動部材を固定する固定部材との熱膨張係数が異なることが多い。そのため、温度の変化（例えば低温から高温への変化）に応じて、固定部材が振動部材を引っ張ったり、逆に緩めたりすることがある。つまり、温度の変化によって、振動部１２の張力が変化する。振動発電において、振動部材が所定の共振周波数で振動することによって効率よく電力を発生できるが、共振周波数は張力の平方根に比例して変化することが知られている。従来、例えば温度が高温に変化して、振動部材にかかる張力が大きくなると、共振周波数が高域側に変化して、発電量が低下することがあった。

【0032】

本実施形態に係る振動発電デバイス１０が備える緩和部１８は、振動部１２の熱膨張と固定部１３の熱膨張との差によって少なくとも振動部１２に生じる張力を、固定部１３又は振動部１２に逆向きの力を与えることで緩和する。ここで、熱膨張の差は、振動部１２と固定部１３の熱膨張係数の違いから得られる。熱膨張係数として、例えば線膨張係数を用いることができる。線膨張係数（α［１／℃］）は、α＝（Δｌ／Δｔ）×（１／Ｌ）で算出できる。ここで、Δｌ［ｍ］は長さの変化量である。Δｔ［℃］は温度の変化量である。また、Ｌ［ｍ］は長さである。

【0033】

図３Ａ及び図３Ｂは、振動部１２、固定部１３及び緩和部１８の熱膨張の差を説明するための断面図である。図３Ａ、図３Ｂ及び後で参照する図４～図９において、見やすさのために、図２で示されていた錘部１１及び圧電部１７の表示は省略されている。図３Ａ及び図３Ｂにおいて、α（１２）、α（１３）、α（１８）はそれぞれ振動部１２の線膨張係数、固定部１３の線膨張係数、緩和部１８の線膨張係数を意味する。また、矢印の長さは線膨張係数の相対的な大きさを示している。振動部１２の熱膨張係数が固定部１３の熱膨張係数より小さい場合に、緩和部１８の熱膨張係数は振動部１２の熱膨張係数より小さいように選択される。図３Ａのように、固定部１３の大きな熱膨張を、緩和部１８が抑える（逆向きの力を与える）ように作用している。また、振動部１２の熱膨張係数が固定部１３の熱膨張係数より大きい場合に、緩和部１８の熱膨張係数は振動部１２の熱膨張係数より大きいように選択される。図３Ｂのように、固定部１３の熱膨張は小さいが、緩和部１８が引っ張るように（逆向きの力を与える）ように作用している。このように振動部１２と固定部１３との熱膨張係数の大小関係に基づいて、適切な熱膨張係数を有するように緩和部１８が選択される。そして、緩和部１８は温度変化に伴う振動部１２への張力の変化を緩和し、振動発電デバイス１０の共振周波数の変化を抑制することができる。

【0034】

ここで、図３Ａ及び図３Ｂの例では、緩和部１８は、固定部１３と振動部１２との間に設けられている。ただし、緩和部１８の配置及び構成は、これに限定されない。

【0035】

例えば図４に示すように、緩和部１８は、熱膨張係数が異なる２つ以上の層を含んでよい。振動部１２の熱膨張係数が固定部１３の熱膨張係数より小さい場合に、緩和部１８のそれぞれの層の熱膨張係数は振動部１２の熱膨張係数より小さいように選択されることが好ましい。また、振動部１２の熱膨張係数が固定部１３の熱膨張係数より大きい場合に、緩和部１８のそれぞれの層の熱膨張係数は振動部１２の熱膨張係数より大きいように選択されることが好ましい。緩和部１８が複数の層で構成されることによって、温度変化に伴う振動部１２への張力の変化を緩和する効果をさらに高めることができる。

【0036】

例えば図５Ａ及び図５Ｂに示すように、緩和部１８は、固定部１３の外側に設けられてよい。ここで、筐体１４である固定部１３によって囲まれる空間に対する位置で内側と外側とが定められる。内側は固定部１３の空間に面する側である。また、外側は固定部１３の空間に面していない、空間から遠い側である。図５Ａのように、緩和部１８は、固定部１３の上面及び固定部１３の底面の外側に設けられてよい。また、図５Ｂのように、緩和部１８は、固定部１３の側面の外側に設けられてよい。この構成の場合に、緩和部１８を取り付ける加工が容易になる。

【0037】

例えば図６Ａ及び図６Ｂに示すように、緩和部１８は、固定部１３の内側に設けられてよい。図６Ａのように、緩和部１８は、固定部１３の上面及び固定部１３の底面の内側に設けられてよい。また、図５Ｂのように、緩和部１８は、固定部１３の側面の内側に設けられてよい。この構成の場合に、緩和部１８の面積を小さくできるので、緩和部１８の材料の量を少なくすることができる。

【0038】

例えば図７に示すように、緩和部１８は、固定部１３の上面及び固定部１３の底面の一部又は全部であってよい。この構成の場合に、振動発電デバイス１０の全体としての材料の量を少なくすることができる。

【0039】

さらに別の構成として、例えば図８に示すように、緩和部１８は、固定部１３の内部に設けられてよい。また、例えば図９に示すように、緩和部１８は、振動部１２の側面に設けられてよい。

【0040】

以上のように、本実施形態に係る振動発電デバイス１０は、上記の構成によって、緩和部１８が温度変化に伴う振動部１２への張力の変化を緩和し、振動発電デバイス１０の共振周波数の変化を抑制することができる。そのため、本実施形態に係る振動発電デバイス１０は、温度変化による発電量の低下を抑制できる。

【0041】

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。

【0042】

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内の圧電体で生成された電力とともに、振動の強さを示す信号などを出力してよい。例えばコントローラ２４が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、速度センサとしての機能が実現されてよい。

【符号の説明】

【0043】

１０ 発電振動デバイス
１１ 錘部
１２ 振動部
１３ 固定部
１４ 筐体
１５ 本体部
１６ 首部
１７ 圧電部
１８ 緩和部
２１ センサモジュール
２２ センサ
２３ 通信部
２４ コントローラ

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】