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振動発電装置 UPDATE

国内特許コード P190016074
整理番号 (S2016-0932-N0)
掲載日 2019年5月24日
出願番号 特願2018-528891
出願日 平成29年7月21日(2017.7.21)
国際出願番号 JP2017026446
国際公開番号 WO2018016620
国際出願日 平成29年7月21日(2017.7.21)
国際公開日 平成30年1月25日(2018.1.25)
優先権データ
  • 特願2016-143534 (2016.7.21) JP
発明者
  • 増田 新
出願人
  • 国立大学法人京都工芸繊維大学
発明の名称 振動発電装置 UPDATE
発明の概要 負性インピーダンス変換回路(26)は、非線形振動子(50)に振動を与える。スイッチ切替部(24)は、非線形振動子(50)の振動の振幅が予め設定された閾値以上の場合、負性インピーダンス変換回路(26)が非線形振動子(50)に非接続である第1状態にし、非線形振動子(50)の振動の振幅が閾値未満の場合、負性インピーダンス変換回路(26)が非線形振動子(50)に接続され、非線形振動子(50)を励振する第2状態にする。振幅・周波数検出部(41)は、非線形振動子(50)の振動周波数を検出する。閾値設定部(4212)は、非線形振動子(50)の複数動作点共存帯域を含む励振部が励振する周波数帯域に振動周波数が含まれるか否かに応じて、閾値を設定する。
従来技術、競合技術の概要

近年、エネルギハーベスティング(環境発電)の注目度が増している。環境発電に用いるエネルギは、太陽光や照明光等の光、機械や構造物の発する振動、熱等の身の回りにある密度の小さいエネルギであり、この通常捨てられるエネルギを効率よく電力に変換し活用するものである。

振動エネルギを電力に変換する共振型の振動発電装置は、質量要素とばね要素から成る振動子と電気機械変換器を組み込んで構成される。振動する機械などの振動源に振動発電装置を機械的に結合し、振動源の振動により振動子を機械的に共振させて電気機械変換器で振動源の振動エネルギの一部を電気エネルギに変換する。

このような振動発電装置としては、電気機械変換器として、電磁型変換器を用いたもの、圧電素子を用いたもの、磁歪素子を用いたものなどが考案され、また、振動子は、板バネ、コイルばね、振り子などをばね要素として用いた線形振動子を有するものが提案されている(例えば非特許文献1、非特許文献2参照)。或いは、永久磁石による吸引力や斥力を復元力として用いる磁気ばねを用いた振動発電装置も提案されている(例えば特許文献1、特許文献2参照)。

これらの振動発電装置は、振動子の力学的エネルギを電気エネルギに変換するいわゆる電気機械変換器を備え、振動源の振動周波数と振動子の固有振動周波数とを一致させて共振させることで振動子の振動振幅を大きくしている。電気機械変換器は、振動子の振動振幅が大きいほど大きな発電電力を生じる。振動子の共振周波数での振動振幅を大きくするには、振動子の機械損失を低くする、即ち、振動子の機械的Q値が大きくなるように振動子を設計することが好ましい。但し、振動子の機械的Q値が大きくなると、その分、有効動作帯域が縮小し,振動源の振動周波数と振動子の固有振動周波数がずれたときの発電性能の低下が顕著になってしまう。特に、現実に存在する振動源の多くは、振動周波数が経時的に変動する。従って、振動発電装置において、振動子の機械的Q値を大きく設計することには限度がある。

また、振動源の振幅変動に応じて振動子の動作を変化させる制御回路を備えた振動発電装置が提案されている(例えば特許文献3参照)。この振動発電装置は、電磁型の電気機械変換器を備えており、振動源の振幅変動に応じて電気機械変換器の特性を調節する。但し、この振動発電装置は、振動源の振動周波数が変動した場合は発電電力が低下してしまう。

更に、複数の振動子を備え、振動源の振動周波数の変動に対して、最適な振動子に切り替える可変容量型の振動発電装置が提案されている(特許文献4参照)。ところが、特許文献4に記載された振動発電装置は、振動源の振動周波数が連続的に変動する場合に十分に最適化されない虞がある。また、振動子の動作を能動的に制御することにより、任意の振動源に対応して振動子が共振した状態を実現する手法が提案されている(特許文献5参照)。ところが、特許文献5に記載された技術では、振動源の速度を計測するセンサが必要となり、構成が複雑になる虞がある。

これに対して、質量要素と非線形ばね要素とを有する非線形振動子と、非線形振動子で生じる力学的エネルギを電気エネルギに変換する電気機械変換器と、を備える共振型の振動発電装置が提案されている(例えば特許文献6参照)。この振動発電装置は、非線形ばね要素を使用することにより,機械的Q値を大きくしつつ有効動作帯域を広くとることを可能にする。しかし、非線形振動子は、共振周波数帯域において、大振幅振動動作点と小振幅振動動作点とを共存的にとりうる。そこで、この振動発電装置は、予め非線形振動子の振幅閾値を設定し、非線形振動子の振動振幅が振幅閾値未満の場合、電気機械変換器から見た出力側のインピーダンスを負にすることにより電気機械変換器を介して非線形振動子側へエネルギを環流させる。これにより、非線形振動子を励振して動作点を大振幅振動動作点に強制的に変化させることにより、発電効率を高めている。

産業上の利用分野

本発明は、振動発電装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
質量要素と非線形ばね要素とを有する非線形振動子と、
振動源から前記非線形振動子に与えられる力学的エネルギを電気エネルギに変換する電気機械変換器と、
前記電気機械変換器から入力される電気エネルギを外部へ出力する出力回路と、
前記非線形振動子に振動を与える励振部と、
前記非線形振動子の振動の振幅が予め設定された閾値以上の場合、前記励振部が前記非線形振動子に非接続である第1状態にし、前記非線形振動子の振動の振幅が前記閾値未満の場合、前記励振部が前記非線形振動子に接続され、前記非線形振動子を励振する第2状態にする状態切替部と、
前記振動源の振動周波数を検出する周波数検出部と、
前記非線形振動子が複数の動作点をとりうる複数動作点共存帯域を含む励振部が励振する周波数帯域に、前記振動周波数が含まれるか否かに応じて、前記閾値を設定する閾値設定部と、を備える、
振動発電装置。

【請求項2】
前記非線形振動子の振動周波数と前記振動周波数に対応する閾値との相関関係を示す相関情報を記憶する相関情報記憶部を更に備え、
前記閾値設定部は、前記相関情報を参照して、前記閾値を、前記振動周波数に応じた値に設定する、
請求項1に記載の振動発電装置。

【請求項3】
前記閾値は、前記複数動作点共存帯域の小振幅安定点よりも高く、大振幅安定点よりも低く設定されている、
請求項1に記載の振動発電装置。

【請求項4】
前記閾値設定部は、前記複数動作点共存帯域を含む励振部が励振する周波数帯域以外の周波数帯域に前記振動周波数が含まれる場合、前記閾値を第1閾値に設定し、前記励振部が励振する周波数帯域に前記振動周波数が含まれる場合、前記閾値を第1閾値よりも大きい第2閾値に設定する、
請求項1から3のいずれか1項に記載の振動発電装置。

【請求項5】
前記複数の動作点は、安定な小振幅振動動作点および大振幅振動動作点を含み、
前記第1閾値は、0であり、
前記第2閾値は、前記非線形振動子が前記小振幅振動動作点で振動するときの振動振幅よりも大きい、
請求項4に記載の振動発電装置。

【請求項6】
前記閾値設定部は、前記複数動作点共存帯域を含む励振部が励振する周波数帯域および前記閾値の大きさを適応的に変化させる、
請求項1に記載の振動発電装置。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 公開
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