JP2007143353A - Power generation system and electronic device applying the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は発電システム並びにこれを応用した電子機器に関するものである。 The present invention relates to a power generation system and an electronic apparatus to which the power generation system is applied.
圧電素子を用いて発電する発電システムは構成が簡単なこと、信頼性が比較的高いことなどの理由により、従来多くの方法が提案されている。 Many methods have been proposed in the past for reasons such as a simple configuration of power generation systems that generate power using piezoelectric elements and relatively high reliability.
本発明に関する先行技術文献としては、例えば特許文献1をあげることができる。
上記特許文献1に記載された発電機は容易で安価な携帯機器用の発電機を実現することができるが、このような発電機に対して人力で加速度運動を起こさせ、発電を行おうとした場合、人力による加振の周波数は100Hz以下と低いため、この周波数で共振する機械共振部は非常に大きなものとなり、発電機の大型化は避けることができないため携帯機器等に使用しにくいという課題を有していた。 The generator described in Patent Document 1 can realize an easy and inexpensive generator for a portable device, but it is intended to generate power by causing an acceleration motion to such a generator by human power. In this case, since the frequency of vibration by human power is as low as 100 Hz or less, the mechanical resonance part that resonates at this frequency becomes very large, and the enlargement of the generator cannot be avoided, so that it is difficult to use it for portable devices etc. Had.
即ち、機械共振周波数をf、バネ定数をk、重りの質量をm、重りによる静止時のバネのたわみをx、重力加速度をgとしたときに、機械共振周波数fは That is, when the mechanical resonance frequency is f, the spring constant is k, the mass of the weight is m, the spring deflection due to the weight is x, and the gravitational acceleration is g, the mechanical resonance frequency f is
で表わされ、かつ
kx=mgであるため
重りによる静止時のバネのたわみは、x=g/(2πf)2
となる。
And kx = mg, the deflection of the spring at rest due to the weight is x = g / (2πf) 2
It becomes.
従って、3Hzの機械共振を作成するのには、約28mm、10Hzの機械共振を作成するためには約25mm板バネを撓ます必要がある。板バネに直接圧電素子を貼り付けた上記特許文献1の構成では、圧電素子の表面の歪みが破壊限界を超えないようにするためには、板バネ部を非常に長くする必要があり、発電システム自身が大きくなってしまうという課題を有していた。 Therefore, in order to create a mechanical resonance of 3 Hz, it is necessary to deflect a leaf spring of about 25 mm in order to create a mechanical resonance of about 28 mm and 10 Hz. In the configuration of Patent Document 1 in which the piezoelectric element is directly attached to the leaf spring, the leaf spring portion needs to be very long in order to prevent the distortion of the surface of the piezoelectric element from exceeding the fracture limit. The system itself had the problem of becoming large.
従って本発明は、人力による加振などの比較的低い周波数であっても大型化することなく、携帯機器などに最適な発電システムを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an optimal power generation system for portable devices and the like without increasing the size even at a relatively low frequency such as vibration by human power.
この目的を達成するために本発明の発電システムは、圧電素子を有する発電部と、機械共振部と、を少なくとも有し、この機械共振部により持続して発電を行う発電システムであり、機械共振部の共振周波数を容易に設定することができるため、人力による加振のような比較的低い周波数であっても効率的に発電することが可能であるとともに小型化の発電システムを提供することができる。 In order to achieve this object, a power generation system of the present invention is a power generation system that has at least a power generation unit having a piezoelectric element and a mechanical resonance unit, and generates power continuously by the mechanical resonance unit. It is possible to easily set the resonance frequency of the part, and it is possible to efficiently generate power even at a relatively low frequency such as vibration by human power, and to provide a downsized power generation system it can.
本発明の発電システムによると、機械共振により持続して発電を行うシステムとしたため、人力による加振などのような比較的低い周波数であっても効率的に発電することが可能であるとともに小型化の発電システムを提供することができるという効果を有する。 According to the power generation system of the present invention, since it is a system that continuously generates power by mechanical resonance, it is possible to generate power efficiently even at a relatively low frequency such as vibration by human power and downsizing. The power generation system can be provided.
(実施の形態1)
以下、実施の形態1について、図1を用いて説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the first embodiment will be described with reference to FIG.
図1は本実施の形態にかかる発電システムの一例を示す断面図であり、圧電素子からなる発電部11と重り12との間に位置し、発電部11と重り12と結合されている、繰り返し伸縮する部材であるコイルバネ13とを有する。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a power generation system according to the present embodiment, which is located between a
図1において機械共振部は重り12とコイルバネ13により構成されている。15は上記の発電部11と、重り12とコイルバネ13よりなる機械共振部14を保持する箱状の筐体である。
In FIG. 1, the mechanical resonance portion is composed of a
16は発電部11で発電された電気を出力するためのリード線などにより構成される端子であり、筐体15の外部に設けられたLEDなどの発光素子17に接続されている。
Reference numeral 16 denotes a terminal constituted by a lead wire or the like for outputting electricity generated by the
発電部11は、金属板18の片面に圧電体19が貼り付けられた構成で、金属板18の反対側は機械共振部14に接続されている。圧電体19は、表裏に電極が形成してあり厚み方向に分極してある。発電部11が撓むことにより、金属板に貼り付けられた圧電体19は、面内の伸びまたは圧縮の応力がかかり、圧電効果により発電し、リード線などにより接続された発光素子を点灯させる。
The
ここで、上記図1に示した筐体に、人力により振動又は衝撃を加えることにより機械共振部の重りが繰り返し振動し、持続的に発電部11を撓ますことで持続的な発電を実現することができる。人力での加振によって機械共振部14を効果的に共振させるためには、人力による加振の周波数と機械共振部14の共振周波数を出来るだけ近づける必要がある。そのために、機械共振部14の共振周波数は、100Hz以下、1Hz以上、望ましくは30Hz以下、3Hz以上にする必要があり、この条件を満たすようにコイルバネ13のバネ定数と、重り12の重さが設定される。
Here, by applying vibration or impact to the housing shown in FIG. 1 manually, the weight of the mechanical resonance unit repeatedly vibrates, and the
また、重り12の重さは、発電システム全体の重さより十分軽くなるように設定されており、発電システムの加振を停止しても、機械共振部のみの振動が持続するようにしている。重り12の重さが重過ぎると発電システムの加振を停止した後、発電システム自体が振動してしまい効率的な発電が出来ない。そのため、重り12の重さは、発電システム全体の1/2以下が好ましく、さらに1/5以下とすることが好ましい。そのため、発電システムに、機械共振部以外に発電システムの重量調整用のウエイト27を設けてもよい。ウエイト27は重りに対して対称に複数個配置しても良い。ただし、人力で加振するので発電システム全体の重さは、3kg以下、望ましくは300g以下にするのが好ましい。
Further, the
重りの材質は、出来るだけ形状を小さくするため比重の大きな物が好適で、例えば比重5以上の鉄、ステンレス、黄銅などが適している。 The material of the weight is preferably a material having a large specific gravity in order to make the shape as small as possible. For example, iron, stainless steel, brass or the like having a specific gravity of 5 or more is suitable.
本発明の実施の形態1に示した発電システムでは、機械共振部の作用により連続したエネルギーを発電部11に加えることができるため、1度の加振であっても、数秒にわたってLEDなどの発光素子17を持続して光らせることができ、また繰り返し加振することにより、さらに持続して発光素子17を光り続けさせることが可能となる。
In the power generation system shown in Embodiment 1 of the present invention, continuous energy can be applied to the
なお、圧電体は表裏に電極を形成した単板構成で説明したが、圧電体と電極を交互に積層した積層構造にすることで、なお発光素子の発光輝度を高めることが出来る。 Note that although the piezoelectric body has been described as a single plate structure in which electrodes are formed on the front and back surfaces, the light emission luminance of the light emitting element can be increased by using a laminated structure in which piezoelectric bodies and electrodes are alternately stacked.
発明の他の応用例としては、本発明の発電システムを腰や自転車に付けて、夜間に位置を知らせる役割をするシステムに利用することもできる。 As another application example of the invention, the power generation system of the present invention can be applied to a waist or a bicycle and used for a system that serves to inform the position at night.
なお、電力の使用用途として、発光素子を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば整流、蓄電することによりその他の電気、電子機器への電力の供給も可能になる。 In addition, although the light emitting element was demonstrated to the example as a use use of electric power, it is not limited to this, For example, electric power can be supplied to other electric and electronic devices by rectifying and storing electricity.
(実施の形態2)
図2は本発明の他の実施の形態における発電システムの一例を示す断面図であり、実施の形態2が実施の形態1と異なるのは、重り12が2個のコイルバネ13と対称に接続されていることである。それにより、重り12は対称に配置された発電部11の中心を結ぶ軸上(図示せず)に均等な力がかかるので、重り12は発電部11の中心を結ぶ軸(図示せず)を中心に往復振動する。重り12の振動が軸よりはずれると、発電効率が悪くなるので、このような構成を取ることで、効率の高い発電が可能になる。また持続的な加振があった場合、発電部11が2個になることで、2倍の電力が得られる。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a power generation system according to another embodiment of the present invention. The difference between the second embodiment and the first embodiment is that the
さらに、重り12の変位方向を規制するガイドが設けてあることで、より重り12の変位は軸上に規制され、効率の高い発電が出来る。
Furthermore, since the guide for restricting the displacement direction of the
また、過度の加振により重り12が大きく変位して発電部11などを破壊することのないように、重り12の変位を規制するストッパー20を設けている。
In addition, a
また本実施の形態2では、金属板18の両面に圧電体が接着されており、持続的な加振があった場合に、効率の高い発電が可能である。この構成を取る場合には、強度の弱い圧電体に機械共振部14を接着する必要があるため、破損防止の対策をとる必要がある。
In the second embodiment, the piezoelectric body is bonded to both surfaces of the
なお、繰り返し振動は、コイルバネ13で説明したが、それ以外の材質を使用しても良く、特にゴムを用いることで、軽量化が図れる。
In addition, although the repeated vibration was demonstrated with the
なお、本実施の形態では、一軸上に対称に重り12が2個のコイルバネ13と2個の発電部11と接続されている例を示したが、発電部11の中心を結ぶ複数軸に対称に2個のコイルバネ13と2個の発電部11を接続してもよい。例えば、図3に示すように筐体の中心に重り12を配置し、3軸に対称に6個のコイルバネ13と6個の発電部11を配置することにより、いかなる方向からの加振に対しても効率よく発電できる。
In the present embodiment, an example in which the
この発電ユニットを、ボールなどの内部に実装することで、ボールの中を光らせることが出来る。 By mounting this power generation unit inside a ball or the like, the inside of the ball can be illuminated.
(実施の形態3)
図4は本発明の他の実施の形態3における電子機器の一例を表すブロック図である。発電ユニット21は、本発明の実施の形態1または2に記載の発電部であり、筐体を加振する事で発電する。蓄電部22は、発電ユニット21で発電された電力をダイオードなどを用いて整流し、電気二重層コンデンサや二次電池などの蓄電部品に蓄電する。また、蓄電部品からの出力は、3端子レギュレータなどにより所定の電圧になるように調整される。制御部23は、蓄電部22を介して発電ユニット21で発電された電力により動作する。入力部24は、重力センサ、加速度センサ、角加速度センサ、方位センサなどの電子機器の位置情報、変位、加速度を元にする入力装置で、電子機器を人の力により加振または移動することにより情報を制御部23に伝達する。送信部25は制御部23により駆動され、入力部24からの情報を外部機器26に送信する。
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a block diagram showing an example of an electronic device according to another embodiment 3 of the present invention. The
従来のリモートコントロールユニット(以下リモコン)は、本体側とケーブルなどで結ばれて情報のやりとりおよび電力の供給を行うか、赤外線などで通信をワイヤレスで行う場合には電池などを内蔵していた。本発明では、特にゲーム機などでリモコンへの入力が、その位置情報による場合、センサなどを主とする入力部24と共に本発明の発電ユニット21を設けることで、入力時のリモコンの振動を発電ユニットにて電力に変換するので、ケーブルおよび一次電池などが不要になる。
A conventional remote control unit (hereinafter referred to as a remote controller) is connected to the main body with a cable or the like to exchange information and supply power, or has a built-in battery or the like when communicating wirelessly with infrared rays or the like. In the present invention, in particular, when the input to the remote control is based on the position information in a game machine or the like, the
なお、入力部は位置情報を元にした例で説明したが、通常のスイッチやレバーなどの入力装置でも問題ない。 Although the input unit has been described based on the example based on the position information, there is no problem even with a normal input device such as a switch or a lever.
本発明にかかる発電システムは、圧電素子を有する発電部と、機械共振部と、を少なくとも有し、この機械共振部により持続して発電を行う発電システムであり、機械共振部の共振周波数を容易に設定することができるため、人力による加振のような比較的低い周波数であっても効率的に発電することが可能であり、携帯用などの小型の発電システム等に有用である。 A power generation system according to the present invention is a power generation system that has at least a power generation unit having a piezoelectric element and a mechanical resonance unit, and generates power continuously by the mechanical resonance unit. Therefore, it is possible to efficiently generate power even at a relatively low frequency such as vibration by human power, which is useful for a portable power generation system and the like.
11 発電部
12 重り
13 コイルバネ
14 機械共振部
15 筐体
16 端子
17 発光素子
18 金属板
19 圧電体
20 ストッパー
21 発電ユニット
22 蓄電部
23 制御部
24 入力部
25 送信部
26 外部機器
27 ウエイト
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