CN104521130B - 压电发电装置 - Google Patents
压电发电装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104521130B CN104521130B CN201380041432.0A CN201380041432A CN104521130B CN 104521130 B CN104521130 B CN 104521130B CN 201380041432 A CN201380041432 A CN 201380041432A CN 104521130 B CN104521130 B CN 104521130B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- vibration
- hammer
- generating device
- piezoelectric
- free end
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 22
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 18
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 18
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 18
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 13
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 8
- NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N novaluron Chemical compound C1=C(Cl)C(OC(F)(F)C(OC(F)(F)F)F)=CC=C1NC(=O)NC(=O)C1=C(F)C=CC=C1F NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 5
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 4
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 229910003322 NiCu Inorganic materials 0.000 description 1
- VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N chromium nickel Chemical compound [Cr].[Ni] VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 230000005662 electromechanics Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002372 labelling Methods 0.000 description 1
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical class [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
- H02N2/186—Vibration harvesters
- H02N2/188—Vibration harvesters adapted for resonant operation
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
- H02N2/186—Vibration harvesters
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
- H10N30/304—Beam type
- H10N30/306—Cantilevers
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Abstract
本发明提供一种压电发电装置(1)，其具备：具有固定端(CE1)和自由端(FE1)的第1振动部(K1)、与第1振动部(K1)的自由端(FE1)接合的第1锤部(M1)、具有自由端(FE2)和与第1锤部(M1)接合的固定端(CE2)并具有振动板和设置于振动板的压电元件的第2振动部(K2)、以及与第2振动部(K2)的自由端(FE2)接合的第2锤部(M2)，在被配置于振动面(FS)并静止的状态下，当以振动面(FS)为基准时，在与振动面(FS)垂直的轴(CA)向上，第1振动部(K1)的自由端(FE1)的位置与第2振动部(K2)的固定端(CE2)的位置不同。
Description
技术领域
本发明涉及利用压电效应来将振动能转换成电能的压电发电装置。
背景技术
以往，提出了一种使用压电元件来发电的压电发电装置(例如参照专利文献1的第0078～0080段以及图12(a)。)。
图10是对参考了专利文献1的记载的以往的压电发电装置101的结构例进行说明的图，表示在除去了压电发电装置101的结构的一部分后的状态下的侧视图。
图10所示的压电发电装置101具备基座111、螺旋弹簧112、摆动部件113、第1锤114、压电元件121以及第2锤122。基座111呈圆板状，固定于作为振动体的底板131。螺旋弹簧112的一端与基座111连结，另一端与圆板状的摆动部件113连结，将摆动部件113以能够相对于基座111摆动的方式支承。第1锤114与摆动部件113的下方连结。压电元件121经由第1锤114与摆动部件113连结。第2锤122经由压电元件121与第1锤114连结。第2锤122和压电元件121和第1锤114被配置于螺旋弹簧112的卷线的内侧。在压电元件121的与第1锤114的接触面设置有电极121A。在压电元件121的与第2锤122的接触面设置有电极121B。
若借助来自外部的振动等力等而在底板131产生与底板131的平面垂直的方向的振动，则该振动经由基座111以及螺旋弹簧112传递至摆动部件113，与摆动部件113连结的第1锤114振动。然后，该振动经由压电元件121传递至第2锤122从而第2锤122也振动。这时，压缩应力和拉伸应力从第1锤114和第2锤122反复作用于压电元件121，利用压电效应在压电元件121产生电荷。产生的电荷被从设置于压电元件121的电极121A、121B取出。
专利文献1:日本特开2011-114884号公报
在借助来自外部的振动等力等而在底板131产生与底板131的平面垂直的方向的振动的情况下，优选在压电发电装置101的第1锤114、第2锤122仅产生与底板131的平面垂直的方向的振动亦即纵振动(以下，也称为主振动。)。然而，在现实中，由于作用于各部的转矩等的影响，在第1锤114、第2锤122，除了主振动之外，还产生与主振动(纵振动)的方向正交的方向的副振动(以下，也称为横振动。)。因此，如果在第1锤114、第2锤122产生的副振动较大，则在第1锤114、第2锤122产生的主振动减小相对应的量，压电发电装置101的发电效率有可能降低。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于实现一种能够调整与利用压电元件的发电所使用的主振动的方向正交的方向上产生的副振动，能够防止因产生副振动而引起的发电效率的降低的压电发电装置。
本发明所涉及的压电发电装置具备第1振动部、第1锤部、第2振动部以及第2锤部。第1振动部具备固定端和自由端。第1锤部与第1振动部的自由端接合。第2振动部具有自由端和与第1锤部接合的固定端。第2振动部具有振动板和设置于振动板的压电元件。第2锤部与第2振动部的自由端接合。在被配置于振动面并静止的状态下，当以振动面为基准时，在与振动面垂直的轴向上的第1振动部的自由端的位置与第2振动部的固定端的位置不同。
另外，优选上述的压电发电装置在被配置于振动面并静止的状态下，当以振动面为基准时，与第1振动部的自由端的位置相比，第2振动部的固定端在与振动面垂直的轴向上的位置更接近第1振动部的固定端的位置。
另外，优选上述的压电发电装置在被配置于振动面并静止的状态下，当以振动面为基准时，设在与振动面垂直的轴向上的、第1振动部的固定端的位置与第1振动部的自由端的位置之间的距离为T1，设第1振动部的固定端的位置与第2振动部的固定端的位置之间的距离为T2时，满足-2.1＜(T2-T1)/T1＜-0.1的关系。
另外，优选在上述的压电发电装置中，第1锤部由与第1振动部的自由端接合的锤板和设置于锤板中的与第1振动部的自由端接合的面的第1、第2固定部构成，压电发电装置具备第2锤部及与第1固定部接合的第2振动部的组，上述第2锤部及与第2固定部接合的第2振动部的组，与第1固定部接合的组的第2锤部的一部分位于第2固定部的下方，与第2固定部接合的组的第2锤部的一部分位于第1固定部的下方。
根据本发明，能够调整在第2振动部产生的主振动以及副振动的大小。因此，能够抑制在第2振动部产生的副振动，能够改善因副振动而引起的发电效率的降低从而提高发电效率。
附图说明
图1是对本发明的第1实施方式所涉及的压电发电装置的结构进行说明的示意图。
图2是对本发明的第1实施方式所涉及的压电发电装置的详细结构进行说明的立体图。
图3是表示将本发明的第1实施方式所涉及的压电发电装置分解后的状态的分解立体图。
图4是本发明的第1实施方式所涉及的压电发电装置的侧视图以及剖视图。
图5是本发明的第1实施方式所涉及的压电发电装置的侧视图以及剖视图。
图6是对本发明的第1实施方式所涉及的压电发电装置中的、螺旋弹簧的端部和发电元件的端部的高度位置与主振动以及副振动的机电耦合系数之间的关系进行说明的图。
图7是对本发明的第2实施方式所涉及的压电发电装置的结构的局部进行说明的局部立体图。
图8是对本发明的第3实施方式所涉及的压电发电装置的结构的局部进行说明的局部立体图。
图9是表示将本发明的第4实施方式所涉及的压电发电装置分解后的状态的分解立体图。
图10是对以往的压电发电装置的结构例进行说明的图。
具体实施方式
参照图1～6对本发明的第1实施方式所涉及的压电发电装置1的结构进行说明。
图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的压电发电装置1的结构的示意图。第1实施方式所涉及的压电发电装置1由第1振动部K1、第1锤部M1、第2振动部K2、第2锤部M2构成。压电发电装置1被配置于水平的振动面FS上。
第1振动部K1沿着与振动面FS垂直的轴CA伸缩。第1振动部K1具有固定于振动面FS的固定端CE1和与固定端CE1相反侧的自由端FE1。第1锤部M1与第1振动部K1的自由端FE1接合。第1振动部K1和第1锤部M1构成第1谐振器。
对于第1谐振器而言，在单体中，以与人步行时的振动、自行车、汽车的振动等一致的比较低的频域中的第1谐振频率谐振，沿着轴CA纵振动。因此，第1谐振器按被施加于振动面FS的来自外部的振动中的第1谐振频率的纵振动谐振。因此，通过第1谐振器谐振，与来自外部的振动直接传递至第1锤部M1那样的结构相比，第1锤部M1的振幅较大。
第2振动部K2沿着与振动面FS垂直的轴CA弯曲振动。第2振动部K2具有与第1锤部M1连结的固定端CE2和与固定端CE2相反侧的自由端FE2。第2锤部M2与第2振动部K2的自由端FE2接合。第2振动部K2和第2锤部M2构成第2谐振器。
对于第2谐振器而言，在单体中，以与第1谐振频率相同或者第1谐振频率附近的第2谐振频率谐振，沿着轴CA纵振动。因此，通过第2谐振器与第1谐振器相耦合，在2个谐振器之间授受振动能。因此，第2谐振器吸收第1谐振器的振动能，第2谐振器以更大的振幅振动。
另外，第1锤部M1的与第1振动部K1和第2振动部K2接合的面呈凹凸形状，当以振动面FS为基准时，与第1锤部M1接合的第2振动部K2的固定端CE2的高度位置T2和与第1锤部M1接合的第1振动部K1的自由端FE1的高度位置T1不同。更具体而言，在第1谐振器和第2谐振器静止的状态下，当以振动面FS为基准时，与第1振动部K1的自由端FE1在轴CA上的位置相比，第2振动部K2的固定端CE2在轴CA上的位置靠近第1振动部K1的固定端CE1在轴CA上的位置。由此，之后将进行详细叙述，第2振动部K2以及第2锤部M2成为易于使沿着轴CA产生的纵振动(主振动)变大，且使沿着与轴CA正交的方向产生的横振动(副振动)变小的结构。因此，压电发电装置1通过在第2振动部K2设置利用主振动发电的压电元件，能够实现高的发电效率。
以下，以被配置于水平的振动面FS上的压电发电装置为例，对第1实施方式所涉及的压电发电装置1进行说明。在以下的说明所使用的图中，标记由X轴、与X轴正交的Y轴、与X轴以及Y轴正交的Z轴构成的正交坐标系。这里，设与水平的振动面FS平行的面为X-Y面，设与水平的振动面FS正交的轴为Z轴。图2是本发明的第1实施方式所涉及的压电发电装置1的立体图。图3是表示将本发明的第1实施方式所涉及的压电发电装置1分解后的状态的分解立体图。图4(A)是从Y轴正方向观察本发明的第1实施方式所涉及的压电发电装置1时的X-Z面侧视图。图4(B)是从Y轴正方向观察本发明的第1实施方式所涉及的压电发电装置1时的X-Z面侧面剖视图，表示将后述的锤部82分割的位置处的X-Z面剖面。图4(C)从Y轴正方向观察本发明的第1实施方式所涉及的压电发电装置1时的X-Z面侧面剖视图，表示将后述的锤部81分割的位置处的X-Z面剖面。图5(A)是从X轴正方向观察本发明的第1实施方式所涉及的压电发电装置1时的Y-Z面侧视图。图5(B)是从X轴正方向观察本发明的第1实施方式所涉及的压电发电装置1时的Y-Z面侧面剖视图，表示将后述的发电元件61分割的位置处的Y-Z面剖面。图5(C)是从X轴正方向观察本发明的第1实施方式所涉及的压电发电装置1时的Y-Z面侧面剖视图，表示将后述的发电元件63分割的位置处的Y-Z面剖面。
压电发电装置1具备基座部2、螺旋弹簧31、32、33、34、35、36、锤板4、固定部51、52、发电元件61、62、63、64、锤部81、82。压电发电装置1，整体构成为大致六面体状，X轴方向的尺寸约为30mm，Y轴方向的尺寸约为30mm。
基座部2是在由分别与X轴、Y轴、Z轴垂直的面构成的六面体的上表面形成有沿着Y轴方向延伸的槽20的形状。如图3所示，基座部2具有底板部21、侧壁部22、侧壁部23。底板部21被设置成平面形状为矩形的平板状，且下表面(Z轴负方向侧的面)与水平的振动面FS接触。即，基座部2被设置成下表面与水平的振动面FS接触。侧壁部22、23分别被设置成长方体状，且与底板部21的上表面(Z轴正方向侧的面)正交。侧壁部22、23沿着底板部21的与Y轴平行的2边设置。由侧壁部22、23和底板部21包围的部分构成槽20的内部。其中，基座部2也可以是搭载压电发电装置1的电子设备的壳体的一部分等，只要是接受来自外部的振动的部件即可，其形状可以任意。
螺旋弹簧31、32、33被配置在侧壁部22的上表面(Z轴正方向侧的面)与锤板4的下表面(Z轴负方向侧的面)之间。螺旋弹簧31、32、33沿着Y轴方向依次排列。螺旋弹簧31、32、33的伸缩方向是Z轴方向。螺旋弹簧31、32、33的Z轴方向的一侧的端部与侧壁部22的上表面接合，是固定端CE1。螺旋弹簧31、32、33的Z轴方向的另一侧的端部与锤板4的下表面接合，是自由端FE1。
螺旋弹簧34、35、36被配置在侧壁部23的上表面(Z轴正方向侧的面)与锤板4的下表面(Z轴负方向侧的面)之间。螺旋弹簧34、35、36沿着Y轴方向依次排列。螺旋弹簧34、35、36的伸缩方向是Z轴方向。螺旋弹簧34、35、36的Z轴方向的一侧的端部与侧壁部23的上表面接合，是固定端CE1。螺旋弹簧34、35、36的Z轴方向的另一侧的端部与锤板4的下表面接合，是自由端FE1。
螺旋弹簧31～36构成上述的第1振动部K1。螺旋弹簧31～36配置在基座部2与锤板4之间。螺旋弹簧31～36各自的弹簧常数例如是0.075N/mm。其中，在本实施方式中，使用6个螺旋弹簧31～36，但是螺旋弹簧的总数也可以不是6个。另外，也可以替代螺旋弹簧31～36，由板簧、橡胶部件等其他弹性体构成第1振动部K1。
锤板4将Z轴方向作为厚度方向，是俯视时呈矩形的平板。俯视时，锤板4的外形与基座部2的外形一致。锤板4经由螺旋弹簧31～36与基座部2接合。因此，锤板4被配置于基座部2的上方，由螺旋弹簧31～36弹性支承于基座部2。锤板4由刚性及密度高的金属等构成，与固定部51、52一起构成上述的第1锤部M1。
固定部51、52与锤板4一起构成第1锤部M1，为了使第1锤部M1的下表面成为凹凸形状而被设置于锤板4的下表面。固定部51、52分别是以X轴方向为长边方向的长方体状，沿着锤板4的下表面的与X轴平行的2边设置。固定部51、52可以是由与锤板4分体的部件构成并与锤板4的下表面接合，也可以构成为与锤板4一体的部件。
发电元件61～64和外框部60构成发电部6。发电元件61～64沿着X轴方向依次排列。发电元件61～64与具有开口的外框部60接合。发电元件61～64构成上述的第2振动部K2。如图4以及图5所示，发电元件61～64分别具有振动板71和设置在振动板71的下表面(Z轴负向侧的面)的压电元件72，具有单压电晶片构造。其中，发电元件61～64也可以是在振动板71的上表面(Z轴正方向侧的面)设置压电元件72的单压电晶片构造。另外，发电元件61～64也可以是在振动板71的上表面以及下表面分别设置压电元件72的双压电晶片构造。
振动板71具有在俯视时宽度从固定端至自由端逐渐变窄的大致等腰三角形的部分和矩形的部分。在振动板71的大致等腰三角形部分设置有压电元件72。振动板71中的设置有压电元件的部分除了大致等腰三角形之外，也可以是长方形、大致弯曲形状等其他形状。振动板71由金属构成，与外框部60一体设置。振动板71也可以由硅、环氧玻璃等构成。振动板71的厚度是75μm。
压电元件72具有平板状的压电体和分别设置于压电体的相互对置的面的电极(未图示)。在本实施方式中，构成压电元件72的压电体由锆钛酸铅类的压电陶瓷构成，构成压电元件72的电极由NiCr合金、NiCu合金、金、银等构成。在发电元件61～64中，压电元件72被设置在振动板71的下表面，所以通过作用于锤部81、82的重力的影响，压缩应力总是作用于压电元件72。通常，与拉伸应力相比，压电陶瓷耐压缩应力的机械强度优异，所以通过在压缩应力作用的方向上设置压电元件72，能够提高由压电陶瓷构成的压电元件72的耐久性。此外，构成压电元件72的压电体，除了由压电陶瓷构成之外，也可以由能够将机械能转换成电能的材料、例如有机压电体、诱电聚合物构成。压电元件72的厚度是75μm。
发电元件61、62被设置成沿着Y轴正方向延伸。如图3所示，发电元件61、62的Y轴负方向侧的端部与外框部60接合，外框部60的与发电元件61、62接合的部分与固定部51的下表面(Z轴负方向侧的面)接合。因此，发电元件61、62的Y轴负方向侧的端部经由外框部60与固定部51的下表面接合。发电元件61、62的Y轴负方向侧的端部成为固定端，发电元件61、62的Y轴正方向侧的端部成为自由端，所以发电元件61、62是悬臂梁状且构成为能够沿着Z轴方向弯曲振动。
发电元件63、64被设置成沿着Y轴负方向延伸。如图3所示，发电元件63、64的Y轴正方向侧的端部与外框部60接合，外框部60的与发电元件63、64连结的部分与固定部52的下表面(Z轴负方向侧的面)接合。因此，发电元件63、64的Y轴正方向侧的端部经由外框部60与固定部52的下表面接合。发电元件63、64的Y轴正方向侧的端部成为固定端，发电元件63、64的Y轴负方向侧的端部成为自由端，所以发电元件63、64是悬臂梁状，构成为能够沿着Z轴方向弯曲振动。
锤部81、82分别构成上述的第2锤部M2。锤部81、82被配置于基座部2的上方，由发电元件61～64弹性支承。锤部81、82是长方体状。锤部81、82与锤板4同样由刚性及密度高的金属等构成，各自的质量是60.0g。
锤部81与发电元件61、62的Y轴正方向侧的端部的下表面(Z轴负方向侧的面)接合。具体而言，锤部81与构成发电元件61、62的振动板71的矩形部分的下表面(Z轴负方向侧的面)接合。锤部82与发电元件63、64的Y轴负方向侧的端部的下表面(Z轴负方向侧的面)接合。具体而言，锤部82与构成发电元件63、64的振动板71的矩形部分的下表面(Z轴负方向侧的面)接合。如图4以及图5所示，锤部81、82与发电元件61～64的自由端附近接合，重力作用于锤部81、82，所以发电元件61～64不振动时，发电元件61～64的自由端侧是沿Z轴负方向弯曲的状态。
优选由第1振动部K1和第1锤部M1构成的第1谐振器、换言之由螺旋弹簧31～36和锤板4和固定部51、52构成的第1谐振器的基本谐振频率(第1谐振频率)与由第2振动部K2和第2锤部M2构成的第2谐振器、换言之由发电元件61～64和锤部81、82构成的第2谐振器的基本谐振频率(第2谐振频率)相同，或者第1谐振频率是第2谐振频率附近的频率。在具有这种结构的压电发电装置1中，在因来自外部的振动等力等而产生与振动面FS垂直方向的振动的情况下，第1谐振器与第2谐振器以相同或者附近频率耦合从而在第1谐振器与第2谐振器之间授受振动能，第2谐振器从第1谐振器吸收振动能，第2谐振器以更大的振幅振动。而且，发电元件61～64构成第2谐振器，所以与发电元件单体的情况相比，能够得到大的电力。
其中，考虑来自外部的振动等力等，适当地将第1谐振器的基本谐振频率和第2谐振器的基本谐振频率设定为数Hz～100Hz中的任意频率。在压电发电装置1被搭载于人携带的电子设备、搭载于自行车/汽车等的电子设备的情况下，第1谐振器的基本谐振频率和第2谐振器的基本谐振频率例如为约15Hz。
在压电发电装置1中，由发电元件61、62和锤部81构成的第2谐振器以及由发电元件63、64和锤部82构成的第2谐振器被配置成各自的沿着Y轴的方向相互不同。换言之，锤部81的一部分位于发电元件63、64的固定端侧的Z轴负方向侧，锤部82的一部分位于发电元件61、62的固定端侧的Z轴负方向侧。因此，在狭窄的空间内配置2个第2谐振器。通过使这2个第2谐振器的基本谐振频率大致一致，并且使从各个发电元件输出的电力经由匹配电路进行调整，从而压电发电装置1能够实现高的发电效率。
如图4(A)所示，在压电发电装置1中，固定部51、52被设置于锤板4的下表面，发电元件61～64的固定端(CE2)经由外框部60与固定部51、52的下表面接合。另一方面，螺旋弹簧31～36的自由端(FE1)与锤板4的下表面接合。因此，在以与基座部2的下表面接触的振动面FS为基准时，发电元件61～64的固定端(CE2)的高度位置(Z轴方向的位置)T2与螺旋弹簧31～36的自由端(FE1)的高度位置(Z轴方向的位置)T1不同。更具体而言，在第1谐振器和第2谐振器静止的状态下，在以与基座部2的下表面接触的振动面FS为基准时，与螺旋弹簧31～36的自由端(FE1)的Z轴方向的位置相比，发电元件61～64的固定端(CE2)的Z轴方向的位置更靠近螺旋弹簧31～36的固定端(CE1)的位置。螺旋弹簧31～36的自由端(FE1)的高度位置T1和发电元件61～64的固定端(CE2)的高度位置T2对在发电元件61～64中沿着Z轴产生的纵振动(主振动)的振幅大小和沿着X轴方向、Y轴方向产生的副振动(横振动)的振幅大小造成影响，所以通过发电元件61～64的固定端(CE2)比螺旋弹簧31～36的自由端(FE1)更靠Z轴负方向侧，能够大幅度地抑制在发电元件61～64中沿着X轴方向、Y轴方向产生的副振动(横振动)。
这里，对为了确认螺旋弹簧31～36的自由端(FE1)的高度位置和发电元件61～64的固定端(CE2)的高度位置(Z轴方向的位置)对在发电元件61～64中沿着Z轴产生的纵振动(主振动)和沿着X轴方向、Y轴方向产生的副振动(横振动)造成的影响进行的仿真进行说明。在仿真中，以与上述实施方式相同的结构，计算出发电元件61～64的固定端(CE2)的高度位置与主振动的机电耦合系数之间的关系。另外，以构成为不是将主振动而是将副振动的振动能转换成电能的比较结构，计算出发电元件61～64的固定端(CE2)的高度位置与副振动的机电耦合系数之间的关系。
其中，这里，若在以第1谐振器和第2谐振器静止的状态下的、螺旋弹簧31～36的固定端(CE1)的高度位置(Z轴方向的位置)为基准时，螺旋弹簧31～36的自由端(FE1)的高度位置T1与发电元件61～64的固定端(CE2)的高度位置T2之差(T2-T1)为负，则发电元件61～64的固定端(CE2)与螺旋弹簧31～36的自由端(FE1)相比位于Z轴负方向侧。即，如在上述的实施方式中所示那样，发电元件61～64的固定端(CE2)与从锤板4的下表面突出的固定部51、52的下表面接合。另一方面，若T1与T2之差(T2-T1)为正，则发电元件61～64的固定端(CE2)与螺旋弹簧31～36的自由端(FE1)相比位于Z轴正方向侧。因此，需要通过在锤板4的下表面设置凹部、或者在锤板4与螺旋弹簧31～36之间夹设间隔件，来提高发电元件61～64的固定端(CE2)的高度位置T2，或者降低螺旋弹簧31～36的自由端(FE1)的高度位置T1。
图6(A)是表示T1和T2之差(T2-T1)与主振动以及副振动的机电耦合系数之间的关系的图。这里，T1与T2之差(T2-T1)在-18mm～+15mm的范围内变更。如图6的(A)所示，在T1与T2之差(T2-T1)为-15mm～+5mm的范围内，主振动的机电耦合系数较大。另一方面，在T1与T2之差(T2-T1)比-15mm小的范围内、即在固定部51、52的高度尺寸(Z轴方向的尺寸)超过15mm的范围内，主振动的机电耦合系数变小。另外，在T1与T2之差(T2-T1)比+5mm大的范围内、即在替代固定部51、52而将在底部接合有发电元件61～64的凹部设置于锤板4且该凹部的深度超过+5mm的范围内，主振动的机电耦合系数也变小。
如图6(A)所示，在T1与T2之差(T2-T1)为-10mm～-5mm的范围内，副振动的机电耦合系数小。另一方面，在T1与T2之差(T2-T1)比-10mm小的范围内、即在固定部51、52的高度(Z轴方向的尺寸)超过10mm的范围内，副振动的机电耦合系数变大。另外，在T1与T2之差(T2-T1)比-5mm大的范围内、即在固定部51、52的高度尺寸(Z轴方向的尺寸)比5mm小的情况下或在替代固定部51、52而将在底部接合有发电元件61～64的凹部设置于锤板4的情况下，副振动的机电耦合系数也变大。
根据此可知，发电元件61～64的固定端(CE2)的高度位置T2对在发电元件61～64中沿着Z轴产生的纵振动(主振动)的振幅大小和沿着X轴方向、Y轴方向产生的副振动(横振动)的振幅大小造成影响。换言之，可知发电元件61～64的固定端(CE2)的高度位置T2对在发电元件61～64中沿着Z轴产生的纵振动(主振动)的振幅大小和沿着X轴方向、Y轴方向产生的副振动(横振动)的振幅大小造成影响。另外，可知根据发电元件61～64的固定端(CE2)的高度位置T2的变化，主振动的机电耦合系数与副振动的机电耦合系数相反变化。另外，主振动的机电耦合系数大意味着压电发电装置1的发电效率高，所以可知在第1实施方式所涉及的压电发电装置1中，通过将螺旋弹簧31～36的自由端(FE1)的高度位置T1和发电元件61～64的固定端(CE2)的高度位置T2设定成T1与T2之差(T2-T1)在-15mm～+5mm的范围内，能够实现高的发电效率。另外，根据第1实施方式所涉及的压电发电装置1，通过使副振动的机电耦合系数减小，能够减小不需要的副振动，实现可靠性的提高。
图6(B)是表示利用T1将T1与T2之差(T2-T1)标准化后的标准差(T2-T1)/T1、与以标准差(T2-T1)/T1为0时为基准而将主振动以及副振动的机电耦合系数标准化后的标准化机电耦合系数之间的关系的图。如图6的(B)所示，在标准差(T2-T1)/T1满足-2.1＜(T2-T1)/T1＜-0.1的关系的情况下，主振动的标准化机电耦合系数大于副振动的标准化机电耦合系数。因此，在第1实施方式所涉及的压电发电装置1中，通过按照标准差(T2-T1)/T1满足-2.1＜(T2-T1)/T1＜-0.1的关系的方式设置螺旋弹簧31～36的自由端(FE1)的高度位置T1和发电元件61～64的固定端(CE2)的高度位置T2，能够实现高的发电效率，并且能够减小不需要的副振动，实现可靠性的提高。
以上，如说明那样，在本实施方式中，通过使螺旋弹簧31～36的自由端(FE1)的高度位置T1与发电元件61～64的固定端(CE2)的高度位置T2不同，能够调整在发电元件61～64中沿着Z轴产生的纵振动(主振动)和沿着X轴方向、Y轴方向产生的副振动(横振动)，实现高的发电效率，并且能够减少不需要的副振动，实现可靠性的提高。
此外，各部的具体的结构等能够适当地变更设计，上述实施方式所记载的作用及效应仅是列举出的由本发明产生的最好的作用及效应，基于本发明的作用及效应并不限定于上述实施方式所记载的作用及效应。
接下来，基于图7，对本发明的第2实施方式所涉及的压电发电装置进行说明。图7是表示构成本发明的第2实施方式所涉及的压电发电装置的发电部6A和锤部81A的部分立体图。其中，虽然这里没有图示，但是本实施方式所涉及的压电发电装置的除了发电部6A和锤部81A以外的其他结构，与第1实施方式所涉及的压电发电装置1相同。
发电部6A由俯视时具有矩形开口的外框部60A和在开口内与外框部60A接合的发电元件61A构成。发电元件61A构成第2振动部K2，具有振动板和设置于振动板的下表面(Z轴负方向侧的面)的压电元件(未图示)。锤部81A构成第2锤部M2。
更具体而言，发电元件61A具有固定端侧梁部62A、63A和自由端侧梁部64A。自由端侧梁部64A设置成从与锤部81A的上表面(Z轴正方向侧的面)接合的作为自由端的端部向Y轴负方向延伸。固定端侧梁部62A被设置成：与自由端侧梁部64A相比被配置于X轴负方向侧，一端与自由端侧梁部64A的Y轴负方向侧的端部连接，从该一端起向Y轴正方向侧引出后向Y轴负方向侧折返，并直至与外框部60A中的未图示的固定部的下表面(Z轴负方向侧的面)接合的部分进行延伸。固定端侧梁部63A被设置成：与自由端侧梁部64A相比被配置于X轴正方向侧，一端与自由端侧梁部64A的Y轴负方向侧的端部连接，从该一端起向Y轴正方向侧引出后向Y轴负方向侧折返，并直至与外框部60A中的未图示的固定部的下表面(Z轴负方向侧的面)接合的部分进行延伸。
发电元件61A成为由固定端侧梁部62A、63A和自由端侧梁部64A构成的实质上的蜿蜒状的结构，所以与第1实施方式的发电元件61～64相比，实质上的长度方向的尺寸变长。因此，能够在更广的范围内设定发电元件61A的弹簧弹性、谐振频率。
接下来，基于图8，对本发明的第3实施方式所涉及的压电发电装置进行说明。图8是表示构成本发明的第3实施方式所涉及的压电发电装置的发电部6B和锤部81B、82B的部分立体图。其中，虽然这里没有图示，但是除了本实施方式所涉及的压电发电装置的发电部6B和锤部81B、82B之外的其他结构，与第1实施方式所涉及的压电发电装置1相同。
发电部6B由俯视时具有矩形的开口的外框部60B和在开口内与外框部60A接合的发电元件61B、62B、63B。发电元件61B～63B构成第2振动部K2，具有振动板和设置于振动板的下表面(Z轴负方向侧的面)的压电元件(未图示)。锤部81B、82B分别构成第2锤部M2。
更具体而言，发电元件61B和发电元件62B分别设置成沿着Y轴正方向延伸。发电元件61B、62B的Y轴负方向侧的端部与外框部60B接合，外框部60B中的与发电元件61B、62B接合的部分与未图示的固定部的下表面(Z轴负方向侧的面)接合。发电元件61B、62B的Y轴正方向侧的端部与锤部81B的上表面(Z轴正方向侧的面)接合。发电元件63B设置成沿着Y轴负方向延伸。发电元件63B的Y轴正方向侧的端部与外框部60B接合，外框部60B中的与发电元件63B接合的部分与未图示的固定部的下表面(Z轴负方向侧的面)接合。发电元件63B的Y轴负方向侧的端部与锤部82B的上表面(Z轴正方向侧的面)接合。
锤部81B由发电元件61B、62B弹性支承，锤部82B由发电元件63B弹性支承。通过增大发电元件63B的宽度尺寸(X轴方向的尺寸)，能够使发电元件61B、62B的弹簧弹性及谐振频率与发电元件63B的弹簧弹性及谐振频率实质相等。
接下来，基于图9，对本发明的第4实施方式所涉及的压电发电装置1C进行说明。图9是表示将本发明的第4实施方式所涉及的压电发电装置1C分解后的状态的分解立体图。
本实施方式所涉及的压电发电装置1C具备与第1实施方式所涉及的压电发电装置1形状不同的锤板4C。压电发电装置1C中的除了锤板4C之外的结构与第1实施方式所涉及的压电发电装置1相同。
锤板4C具有顶板部41C和侧壁部42C、43C。顶板部41C将Z轴方向作为厚度方向，是俯视时呈矩形的平板。俯视时，顶板部41C的外形与基座部2的外形一致。侧壁部42C、43C分别为长方体状，设置成与顶板部41C的下表面(Z轴负方向侧的面)正交。侧壁部42C、43C在顶板部41C的下表面(Z轴负方向侧的面)侧，沿着俯视顶板部41C时顶板部41C的与Y轴平行的2边设置。
本实施方式所涉及的压电发电装置1C通过具备这种结构的锤板4C，能够将螺旋弹簧31～36的自由端的高度位置与发电元件61～64的固定端的高度位置相比更位于Z轴正方向侧。因此，能够使之前用图6所说明的T1与T2之差(T2-T1)成为正的值。
附图标记说明：K1…第1振动部；K2…第2振动部；M1…第1锤部；M2…第2锤部；FS…振动面；CA…轴；FE1、FE2…自由端；CE1、CE2…固定端；1、1C…压电发电装置；2…基座部；20…槽；21…底板部；22、23…侧壁部；4、4C…锤板；41C…顶板部；42C、43C…侧壁部；51、52…固定部；6、6A、6B…发电部；60、60A、60B…外框部；61、62、63、64、61A、61B、62B、63B…发电元件；62A、63A…固定端侧梁部；64A…自由端侧梁部；71…振动板；72…压电元件；81、82、81A、81B、82B…锤部。
Claims (3)
1.一种压电发电装置，其中，具备：
第1振动部，其具有固定端和自由端；
第1锤部，其与所述第1振动部的自由端接合；
第2振动部，其具有自由端和与所述第1锤部接合的固定端，并具有振动板和设置于所述振动板的压电元件；以及
第2锤部，其与所述第2振动部的自由端接合，
在所述压电发电装置被配置于振动面并静止的状态下，当以所述振动面为基准时，在与所述振动面垂直的轴向上的、所述第1振动部的自由端的位置与所述第2振动部的固定端的位置不同，
在所述压电发电装置被配置于所述振动面并静止的状态下，当以所述振动面为基准时，与所述第1振动部的自由端的位置相比，所述第2振动部的固定端在与所述振动面垂直的轴向上的位置更靠近所述第1振动部的固定端的位置。
2.根据权利要求1所述的压电发电装置，其中，
在所述压电发电装置被配置于所述振动面并静止的状态下，当以所述振动面为基准时，设在与所述振动面垂直的轴向上的、所述第1振动部的固定端的位置与所述第1振动部的自由端的位置之间的距离为T1，设所述第1振动部的固定端的位置与所述第2振动部的固定端的位置之间的距离为T2时，满足-2.1＜(T2-T1)/T1＜-0.1的关系。
3.根据权利要求1或2所述的压电发电装置，其中，
所述第1锤部由与所述第1振动部的自由端接合的锤板和设置于所述锤板的与所述第1振动部的自由端接合的面的第1固定部、第2固定部构成，
所述压电发电装置具备与所述第1固定部接合的所述第2振动部以及所述第2锤部的组和与所述第2固定部接合的所述第2振动部和所述第2锤部的组，
与所述第1固定部接合的组的第2锤部的一部分位于所述第2固定部的下方，
与所述第2固定部接合的组的第2锤部的一部分位于所述第1固定部的下方。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012-174612 | 2012-08-07 | ||
| JP2012174612 | 2012-08-07 | ||
| PCT/JP2013/069099 WO2014024638A1 (ja) | 2012-08-07 | 2013-07-12 | 圧電発電装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104521130A CN104521130A (zh) | 2015-04-15 |
| CN104521130B true CN104521130B (zh) | 2017-03-08 |
Family
ID=50067874
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201380041432.0A Active CN104521130B (zh) | 2012-08-07 | 2013-07-12 | 压电发电装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9893655B2 (zh) |
| JP (1) | JP5871073B2 (zh) |
| CN (1) | CN104521130B (zh) |
| DE (1) | DE112013003943B4 (zh) |
| WO (1) | WO2014024638A1 (zh) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014141557A1 (ja) * | 2013-03-13 | 2014-09-18 | 東海ゴム工業株式会社 | 発電装置 |
| WO2015087956A1 (ja) * | 2013-12-13 | 2015-06-18 | 住友理工株式会社 | 振動発電装置 |
| JP6406538B2 (ja) * | 2014-06-17 | 2018-10-17 | Toto株式会社 | トイレ装置用のリモコン装置 |
| US9773966B2 (en) * | 2014-09-08 | 2017-09-26 | Shimano Inc. | Piezoelectric sensor for bicycle component |
| JP6388396B2 (ja) * | 2014-10-21 | 2018-09-12 | キヤノン株式会社 | 振動波モータを備えた駆動装置 |
| JP6082863B2 (ja) * | 2015-03-18 | 2017-02-22 | 株式会社藤居 | 自転車用ライト装置 |
| US10505471B2 (en) | 2015-06-26 | 2019-12-10 | Roozbeh Khodambashi Emami | Piezoelectric generator, method of its operation and its application in production, storage and transmission of electric energy |
| US10361643B2 (en) * | 2016-09-06 | 2019-07-23 | Wacoh Corporation | Power generating element |
| CN110361563A (zh) * | 2019-06-21 | 2019-10-22 | 西人马（厦门）科技有限公司 | 电荷输出元件及压电加速度传感器 |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005086859A (ja) * | 2003-09-05 | 2005-03-31 | Hitachi Ltd | 圧電発電装置およびセンサシステム |
| JP4241435B2 (ja) * | 2004-03-01 | 2009-03-18 | 株式会社村田製作所 | 発音体 |
| US7538445B2 (en) * | 2006-05-05 | 2009-05-26 | Sri International | Wave powered generation |
| JP2009247106A (ja) * | 2008-03-31 | 2009-10-22 | Taiyo Yuden Co Ltd | 圧電振動型発電機 |
| JP5705440B2 (ja) * | 2009-03-19 | 2015-04-22 | 株式会社竹中工務店 | 発電装置、発電システム、構造物、及び発電装置の設計方法 |
| JP5503264B2 (ja) * | 2009-11-24 | 2014-05-28 | 株式会社竹中工務店 | 発電装置 |
| FR2954617B1 (fr) * | 2009-12-17 | 2014-08-01 | Univ Savoie | Generateur electrique a recuperation d'energie de vibrations mecaniques |
| WO2011093179A1 (ja) * | 2010-02-01 | 2011-08-04 | 株式会社村田製作所 | 圧電発電装置 |
| CN101741278B (zh) * | 2010-03-24 | 2012-09-05 | 上海交通大学 | 基于动力吸振器的压电振动能量收集装置 |
| MX2013000391A (es) | 2010-07-12 | 2013-03-08 | Hoffmann La Roche | 1-hidroxiimino-3-fenil-propanos. |
| WO2012073656A1 (ja) * | 2010-12-01 | 2012-06-07 | 株式会社村田製作所 | 圧電発電装置及びその製造方法 |
| EP2662971B1 (en) * | 2011-04-07 | 2016-01-20 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Piezoelectric power generator |
| US8736148B2 (en) * | 2011-05-04 | 2014-05-27 | James Douglass Penn | Multiple degree of freedom actuator and method |
| JP5610069B2 (ja) * | 2011-05-09 | 2014-10-22 | 株式会社村田製作所 | 圧電発電装置 |
-
2013
- 2013-07-12 DE DE112013003943.5T patent/DE112013003943B4/de active Active
- 2013-07-12 JP JP2014529398A patent/JP5871073B2/ja active Active
- 2013-07-12 WO PCT/JP2013/069099 patent/WO2014024638A1/ja active Application Filing
- 2013-07-12 CN CN201380041432.0A patent/CN104521130B/zh active Active
-
2015
- 2015-02-02 US US14/611,528 patent/US9893655B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US9893655B2 (en) | 2018-02-13 |
| DE112013003943T5 (de) | 2015-05-21 |
| DE112013003943B4 (de) | 2021-01-14 |
| CN104521130A (zh) | 2015-04-15 |
| JP5871073B2 (ja) | 2016-03-01 |
| US20150145375A1 (en) | 2015-05-28 |
| WO2014024638A1 (ja) | 2014-02-13 |
| JPWO2014024638A1 (ja) | 2016-07-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104521130B (zh) | 压电发电装置 | |
| JP5761336B2 (ja) | 圧電発電装置 | |
| CN107567427B (zh) | 用于从机械振动产生电能的微型动能采集器 | |
| JP5610069B2 (ja) | 圧電発電装置 | |
| US10033305B2 (en) | Energy harvesting device and method for forming the same | |
| JP5772910B2 (ja) | 振動片、振動子、センサー及び電子部品 | |
| JP5720703B2 (ja) | 圧電発電装置 | |
| US9871472B2 (en) | Energy-harvesting apparatus with plural mechanical amplifiers | |
| WO2018101017A1 (ja) | 振動発電素子 | |
| JPWO2011083762A1 (ja) | 圧電発電素子および圧電発電素子を用いた発電方法 | |
| US11329576B2 (en) | Power generating element | |
| JP2017055594A (ja) | 発電デバイスの実装構造及び発電方法 | |
| KR20180066787A (ko) | 확률 공진을 통한 진동 에너지 수확기 및 이를 이용한 진동 에너지 수확 시스템 | |
| KR20170017565A (ko) | 압전 에너지 하베스터 및 이를 포함하는 배터리 충전장치 | |
| JP2016092888A (ja) | 圧電発電装置 | |
| JPWO2018020639A1 (ja) | 発電装置と発電素子 | |
| KR101272583B1 (ko) | 압전소자가 장착된 바이브레이터 | |
| JP2020065438A (ja) | 発電デバイスの実装構造及び発電方法 | |
| JP2019062736A (ja) | 発電素子 | |
| KR20140073182A (ko) | 압전진동모듈 | |
| JP2020188630A (ja) | 振動発電装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |