JP2009017769A - Vibration type generator - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vibration type generator which realizes, for example, the method of securing a high generating efficiency under the environment having an arbitrary vibrating frequency, by so performing substantially actively the movement control of its inner mass as to make the movement of its inner mass synchronize intentionally with external vibrations. <P>SOLUTION: The vibration type generator so controls its inner mass as to be able to perform a high-efficiency generation even in an arbitrary environmental vibrations, by making the movement of its inner mass synchronize actively with environmental vibrations. The movement control of its inner mass is performed in the form of consuming no energy at least in a long-term average or is performed in the form of consuming no energy even in an individual elemental control. As an especial example, when so controlling the generator as to proportion the reaction of its inner mass exerting on its main body to the velocity of its main body, its generating performance becomes same as the performance of a pendulum which is present in the resonance state occurring at an arbitrary frequency interposed between the upper-limit and lower-limit frequencies defined on its design. The generator comprises a sensor of its movement state, a controlling circuit, a controlling element of modulating its movement, an inner mass or a plurality of inner masses, an energy converter, and an output circuit. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置に係り、それに加わる圧縮力や引っ張り力等でなく外部環境によって引き起こされた発電機本体の加速度の時間変化から発電する、即ち環境中の相対運動を利用しない、内部質量を有する振動発電装置に関する。The present invention relates to a power generation device that converts vibration energy into electrical energy, and generates power from a change in acceleration of a generator body caused by an external environment rather than compression force or tensile force applied thereto, that is, relative to the environment. The present invention relates to a vibration power generator having an internal mass that does not use motion.

時間変化する加速度から発電する機械振動エネルギー変換の方式としては、従来回転運動を行う内部質量を用いた振動発電型腕時計(例えば、非特許文献1参照)や、ばねで支持された内部質量の並進運動により発電を行う方式の提案(例えば、非特許文献2参照)がある。即ちこれらのような発電機内の運動質量が受動的にふるまう振動発電技術は共振状態の有無に関わらず周知である。As a method of mechanical vibration energy conversion that generates electric power from time-varying acceleration, a vibration-powered wristwatch using an internal mass that performs a conventional rotational motion (for example, see Non-Patent Document 1), or translation of an internal mass supported by a spring There is a proposal of a method for generating power by movement (for example, see Non-Patent Document 2). That is, such a vibration power generation technique in which a kinetic mass in a generator behaves passively is well known regardless of the presence or absence of a resonance state.

この他にも、機械的共振器を用いた可変容量振動発電装置の提案(例えば、特許文献1参照)や、振動発電装置と加速度計を融合した装置の提案(例えば、特許文献2参照)がある。前者においては、共振型振動発電装置が共振周波数近辺以外においては低効率になる点は発明者らにより認識されており、その解決法として異なる共振周波数をもつ複数の共振器を同時に使う方法が記述されている。後者の発明ではデジタル計算機により発電装置内を運動する質量を能動的に制御し、加速度測定の精度改善に使用する。In addition to this, there are proposals for a variable capacity vibration power generation apparatus using a mechanical resonator (for example, see Patent Document 1) and proposals for a device in which a vibration power generation apparatus and an accelerometer are integrated (for example, see Patent Document 2). is there. In the former, the inventors have recognized that the resonance-type vibration power generation device has low efficiency except in the vicinity of the resonance frequency, and a method for simultaneously using a plurality of resonators having different resonance frequencies is described as a solution. Has been. In the latter invention, the mass that moves in the power generator is actively controlled by a digital computer, which is used to improve the accuracy of acceleration measurement.

大規模な振動発電機に目を転ずると海洋波発電分野において水面波の振動エネルギーを電気エネルギーへ変換する多くの発明がある。陸地か浅海底と海洋波面との間に起こる相対運動を利用した発電法が本出願人の調査結果では圧倒的多数を占める。特に、特許文献3に記載された発明では一定の決まった周波数の水面波エネルギーからは90%の高効率でエネルギーが取り出せることが示されていることから、当該分野において今日でも新たな発明の水準をそれと比較すべき高水準の考案であると見なされている。ところが実際の海洋波においては周波数スペクトルが大きく広がっているために、実用的応用が見込まれる状況下では上記の発明による発電は極めて低効率にならざるを得ない。この点は特許文献3の出願人により認識されており、発電装置の能動制御により一定でない周波数の海洋波運動にも対応する発明が報告されている(特許文献4参照)。そこでは海洋波の運動と発電機の運動のカップリングを発電機の見かけの硬さなどを制御することにより改善する方法が述べられている。Turning to large-scale vibration generators, there are many inventions that convert vibration energy of water surface waves into electrical energy in the ocean wave power generation field. The power generation method using the relative motion that occurs between the land or the shallow sea floor and the ocean wavefront accounts for the overwhelming majority in the applicant's survey results. In particular, the invention described in Patent Document 3 shows that energy can be extracted with a high efficiency of 90% from the water surface wave energy of a fixed frequency. Is considered a high-level device to be compared with. However, since the frequency spectrum of an actual ocean wave is greatly widened, the power generation according to the above-described invention must be extremely low in a situation where practical application is expected. This point has been recognized by the applicant of Patent Document 3, and an invention corresponding to ocean wave motion of a non-constant frequency by active control of a power generator has been reported (see Patent Document 4). It describes a method for improving the coupling between ocean wave motion and generator motion by controlling the apparent hardness of the generator.

特開2005−137071号広報  JP 2005-137071 PR 特開2006−329800号広報  JP 2006-329800 A 米国特許第3,928,967号  U.S. Pat. No. 3,928,967 米国特許第4,134,023号  U.S. Pat. No. 4,134,023

日本時計学会誌,No.120,1987年の第40〜48ページJournal of the Japan Watch Association, No. 120, 1987, pages 40-48 センサーズ アンド アクチュエーターズ A,vol.52,(1996年),第8〜11頁(Sensors and Actuators A,vol.52,1996,pp8−11)Sensors and Actuators A, vol. 52, (1996), 8-11 (Sensors and Actuators A, vol. 52, 1996, pp 8-11).

代替エネルギーへの移行は現在から将来へむけての重要なトレンドの一つである。そのうち機械的エネルギーの社会における役割は風力発電や海洋波力発電において見られるように重要性を増しており、将来は主要なエネルギー源の一つになる可能性がある。一方で、分散化された情報システムやセンサーネットワークの社会への浸透も近未来の主要なトレンドとなる。その中で使用されるネットワークノードは数が多く、分散しているために現実的なエネルギー供給の方法が問題となり、熱エネルギーや光エネルギーのほか振動エネルギーを利用した自律的なエネルギー調達法が提案・研究されている。これら2つのトレンドを包含した大きな流れとしては発電装置の規模の多様化が期待される。本発明は発電装置の規模の大小の如何によらず、将来利用が見込まれる機械的振動エネルギーの利用効率を、時間変化する加速度から発電する場合において最大化する。更に本発明は発電装置の規模の如何に依存しないのみならず、具体的な機械電気エネルギー変換の方法の如何にも依存しない一般性を持つ。The transition to alternative energy is one of the important trends from the present to the future. Among them, the role of mechanical energy in society is increasing in importance as seen in wind power generation and ocean wave power generation, and may become one of the major energy sources in the future. On the other hand, the penetration of decentralized information systems and sensor networks into society will be a major trend in the near future. There are many network nodes used in the network, so there is a problem with realistic energy supply methods due to their dispersion, and an autonomous energy procurement method using vibration energy as well as thermal energy and light energy is proposed.・ Researched. As a large flow that includes these two trends, diversification of the scale of power generation equipment is expected. The present invention maximizes the utilization efficiency of mechanical vibration energy, which is expected to be used in the future, regardless of the size of the power generation device, when generating power from time-varying acceleration. Furthermore, the present invention not only does not depend on the scale of the power generation apparatus, but also has a generality that does not depend on any specific method of converting mechanical electric energy.

機械的エネルギー資源の潜在能力を生かした発電を実現するには、高効率な機械電気エネルギー変換機構が必要である。ところが、従来技術には数々の問題点がありスペクトルの広がった現実の機械的エネルギー資源に基づく高効率発電には適さない。幾つかのケースをここで検討する。まず従来提案あるいは使用された小型発電装置を検討すると、非特許文献1、2においては受動的内部質量の発電装置内の運動による発電方法が記述されているが、前者においては共振器を用いた効率増幅はなされていない。後者では共振条件下で発電効率は良くなるが、純粋な受動素子であるため共振周波数以外の動作周波数ではそのような利点を享受できない。実際、共振器がもつ共振点での発電効率の増加は発電可能周波数帯域幅が狭くなるという代償を伴うことは広く認識されている。例えば、特許文献1の申請者らは複数の共振周波数の異なる共振器を具備して環境の持つ広帯域振動スペクトルに対応した発電を行う方法を提案している。しかしながら、この解決法では帯域を広げるに従って発電機の大きさと質量が増加することに注意すべきである。振動発電装置の設計の優劣の指標の一つとしては、与えられた環境における質量あたりの発電量が考察されなければならない。In order to realize power generation that makes use of the potential of mechanical energy resources, a highly efficient mechanical-electrical energy conversion mechanism is required. However, the conventional technology has many problems and is not suitable for high-efficiency power generation based on real mechanical energy resources with a wide spectrum. Several cases are considered here. First, when considering a conventionally proposed or used small power generator, Non-Patent Documents 1 and 2 describe a power generation method based on the movement of a passive internal mass in a power generator, but the former used a resonator. There is no efficiency amplification. In the latter, power generation efficiency is improved under resonance conditions, but since it is a purely passive element, such an advantage cannot be enjoyed at operating frequencies other than the resonance frequency. In fact, it is widely recognized that an increase in power generation efficiency at the resonance point of a resonator is accompanied by the price of a narrower power generation frequency bandwidth. For example, the applicants of Patent Document 1 have proposed a method of generating power corresponding to the broadband vibration spectrum of the environment by including a plurality of resonators having different resonance frequencies. However, it should be noted that this solution increases the size and mass of the generator as the bandwidth is increased. As an index of superiority or inferiority in the design of vibration power generators, the amount of power generation per mass in a given environment must be considered.

本発明では共振点における発電効率の増加を得る利点を享受しつつ、同時に発電可能周波数帯域幅を広くする方法を実現する。それは発電機内部の質量の運動を能動的に制御することによって行われる。特許文献2においては、内部質量の運動に計算機によって算出された影響を及ぼしつつ発電と加速度計測を同時に行う方法が述べられている。しかしながら、この発明では発電を行いつつ加速度の計測を行うことに目標が置かれ、能動的制御による発電効率の改善に関しては記述されていない。The present invention realizes a method of widening the power generation possible frequency bandwidth while enjoying the advantage of increasing the power generation efficiency at the resonance point. It is done by actively controlling the motion of the mass inside the generator. Patent Document 2 describes a method of simultaneously performing power generation and acceleration measurement while exerting the influence calculated by a computer on the motion of the internal mass. However, in the present invention, the goal is to measure acceleration while generating power, and there is no description regarding improvement of power generation efficiency by active control.

特許文献4ではそこに示された発電装置が共振周波数で最大効率を持つことが指摘された上で、海洋波の持つ広いエネルギー周波数スペクトル帯域から効率よく発電するために調和振動子の見かけのQ値を減らすことにより性能を改善する方法が記述されている。しかし、この方法ではQ値が減少した分だけ共振の利益を享受できなくなる問題がある。In Patent Document 4, it is pointed out that the power generation device shown therein has the maximum efficiency at the resonance frequency, and in order to efficiently generate power from the wide energy frequency spectrum band of ocean waves, the apparent Q of the harmonic oscillator A method for improving performance by reducing the value is described. However, in this method, there is a problem that it is not possible to enjoy the benefit of resonance as much as the Q value is reduced.

従って本発明の目的は、振動エネルギー利用技術一般において従来存在した共振器のエネルギー変換効率とエネルギー変換周波数バンド幅のトレードオフの問題を抜本的に取り除き、高帯域幅でかつ高効率発電を実現することにある。実際、受動的な調和振動子の場合、発電最大量は振動子の質量m、共振周波数・、環境中の振動振幅スペクトル密度(単位周波数あたり長さの二乗の次元を持つ)Aのみで厳しく制限される。実際、発電量をPとするとこれは

Figure 2009017769
で与えられる。この状況はとりわけMEMS(Micro Electromechanical Systems)技術に代表されるような超小型発電技術分野において発電量に厳しい限界を課している。本発明ではこの限界の制限を受けない方法を実現する。Therefore, the object of the present invention is to drastically eliminate the trade-off problem between the energy conversion efficiency of the resonator and the energy conversion frequency bandwidth that existed conventionally in the vibration energy utilization technology in general, and realize high power generation with high bandwidth. There is. In fact, in the case of a passive harmonic oscillator, the maximum power generation amount is only the mass m of the oscillator, the resonance frequency 0 , and the vibration amplitude spectral density in the environment (having a dimension of the length squared per unit frequency) A 2 only. Strictly limited. In fact, if the power generation amount is P, this is
Figure 2009017769
Given in. This situation imposes strict limits on the amount of power generation, particularly in the field of microminiature power generation technology represented by MEMS (Micro Electromechanical Systems) technology. The present invention implements a method that is not subject to this limitation.

上記の目的を達成するために本願によって開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。To briefly explain the summary of typical inventions among the inventions disclosed by the present application in order to achieve the above object, it is as follows.

すなわち、本発明の振動発電装置のうち代表的なものは、運動状態検出器、内部質量制御信号を出力する制御回路、運動を制御する制御素子、発電装置内を移動する内部質量、エネルギー変換装置、出力回路を具備して構成される。運動状態検出器は加速度計および一個あるいは複数の積分器を含む制御回路から構成され、位置、速度、加速度等の発電装置の運動状態のうち必要なものを出力する。制御回路は内部質量の運動をどのようなタイミングでどのように制御するかを計算する。運動を制御する制御素子は制御回路の出力する信号に従い、内部質量の運動に補正を加える。内部質量は発電装置の内部を移動できる適切な慣性質量を持った物体要素である。エネルギー変換装置は内部質量の運動エネルギーの一部を電気エネルギーに変換する機械電気変換素子である。出力回路は前記エネルギー変換装置の出力を応用に適した形の電圧、電流、直交流の形に整形する。That is, typical vibration power generators of the present invention include a motion state detector, a control circuit that outputs an internal mass control signal, a control element that controls motion, an internal mass that moves within the power generator, and an energy conversion device. And an output circuit. The motion state detector is composed of an accelerometer and a control circuit including one or a plurality of integrators, and outputs necessary ones of the motion states of the power generation device such as position, speed, and acceleration. The control circuit calculates how and at what timing the motion of the internal mass is controlled. The control element for controlling the motion corrects the motion of the internal mass according to the signal output from the control circuit. The internal mass is an object element having an appropriate inertial mass that can move inside the power generator. The energy conversion device is a mechanoelectric conversion element that converts a part of the kinetic energy of the internal mass into electric energy. The output circuit shapes the output of the energy conversion device into a voltage, current, or cross-flow shape suitable for the application.

前記運動状態検出器は、例えば加速度計の出力を時間積分して速度信号を出力するものが好適である。The motion state detector is preferably, for example, one that time-integrates the output of the accelerometer and outputs a speed signal.

前記運動状態検出器は、例えば前記速度信号をネガティブフィードバックして加速度信号を補正することによって速度信号がある時定数以上の長時間スケールにおいてドリフトしないようにするものであれば好適である。この時定数の逆数は本発明の振動発電装置の下限動作周波数を与え得る要素の一つになる。下限動作周波数が発電装置のサイズで制限される場合もあることに留意する。The motion state detector is suitable, for example, as long as the speed signal is not negatively fed back to correct the acceleration signal so that the speed signal does not drift on a long-time scale that exceeds a certain time constant. The reciprocal of this time constant is one of the factors that can provide the lower limit operating frequency of the vibration power generator of the present invention. Note that the lower limit operating frequency may be limited by the size of the generator set.

より具体的には、出力速度信号vが下記の積分方程式によって記述されるものが好適である。

Figure 2009017769
ここにa、Tはそれぞれ計測された加速度および充分に大きな時定数である。この両辺を微分することにより粘性流体中の質点の運動方程式への類似が明らかであり、そのことから更に、T以下のタイムスケールでは出力が加速度の積分を与える一方でT以上のタイムスケールでは出力がドリフトしないようにゼロ近辺にとどまることが分かる。従って下限動作周波数を下げるために大きなTが望ましいが、積分中の第二項が加速度計の誤差やノイズとコンパラブルなほど小さくなってはならない。More specifically, it is preferable that the output speed signal v is described by the following integral equation.
Figure 2009017769
Here, a and T are the measured acceleration and a sufficiently large time constant, respectively. By differentiating both sides, the similarity to the equation of motion of the mass point in a viscous fluid is clear, and further, the output gives the integral of acceleration at the time scale below T, while the output at the time scale above T It can be seen that it stays near zero so that it does not drift. Therefore, a large T is desirable to lower the lower limit operating frequency, but the second term during integration should not be so small that it is comparable to accelerometer errors and noise.

前記制御回路は、前記速度情報を使用して前記速度と外部環境が発電装置に及ぼす力との積、即ち環境が発電装置に及ぼす仕事率、を与えられた状況の下で最大にするものであれば好適である。ここに、外部環境が発電装置に及ぼす力は発電装置が外部環境に及ぼす反作用力に大きさが等しく、後者は内部質量の運動状態に依存することに留意する。The control circuit uses the speed information to maximize the product of the speed and the force that the external environment exerts on the power generator, that is, the work rate that the environment exerts on the power generator under a given situation. Any is suitable. Note that the force that the external environment exerts on the power generation device is equal in magnitude to the reaction force that the power generation device exerts on the external environment, the latter depending on the state of motion of the internal mass.

一つの特別の場合をとりわけここで述べる価値がある。この特別な構成の場合、制御回路は前記速度信号に比例した力を制御素子を通じて内部質量に及ぼす。このような制御は共振状態にある調和振動子においては自然に行われており、それが共振状態における発電効率の増大の本質である。言い換えれば、この制御を人工的に施すことにより周波数によらず共振状態にある調和振動子と同じく外部環境の運動と内部質量の運動の同期を得ることが出来る。One special case is especially worth mentioning here. In this special configuration, the control circuit exerts a force proportional to the velocity signal on the internal mass through the control element. Such control is naturally performed in the harmonic oscillator in the resonance state, which is the essence of the increase in power generation efficiency in the resonance state. In other words, by performing this control artificially, the motion of the external environment and the motion of the internal mass can be synchronized in the same manner as the harmonic oscillator in the resonance state regardless of the frequency.

とりわけ発電機の規模が大きい場合、前記の発電効率は環境の運動について知識がある場合にはさらに改善される余地がある。そのため可能な場合は前記制御回路は、前記運動状態検出器からの信号に加えて他のセンサーなどによって得られる副次的情報も考慮して発電量の最大化を図ることが望ましい。例えば、そのようなセンサーは海洋波の波形を光学的にモニターして制御回路が一定時間経過後の発電装置にどのような力が加わるか計算するのを補助する情報を提供する。Especially when the scale of the generator is large, the power generation efficiency can be further improved if there is knowledge about the environmental movement. Therefore, when possible, it is desirable that the control circuit maximizes the amount of power generation in consideration of side information obtained by other sensors in addition to the signal from the motion state detector. For example, such a sensor provides information that optically monitors the ocean wave waveform to assist the control circuit in calculating what force is applied to the generator after a period of time.

前記制御回路は状況に応じて簡単なアナログ回路でもあり得るし汎用コンピューターでもあり得る。これらの運動状態検出器および制御回路はエネルギーを消費するが、装置をスケールアップした場合にその様なエネルギーは定数項として振る舞い、発電量に対して常に無視できる。しかしながら実際上の場合、とりわけ発電装置が小さいマイクロエネルギー源の場合は運動状態検出器および制御回路のエネルギー消費が設計上考慮されなくてはならない。The control circuit may be a simple analog circuit or a general-purpose computer depending on the situation. These motion state detectors and control circuits consume energy, but when the device is scaled up, such energy behaves as a constant term and is always negligible for the amount of power generated. In practice, however, the energy consumption of the motion state detector and the control circuit must be considered in the design, especially when the power generator is a small micro energy source.

前記制御素子は、前記内部質量の運動を制御する電磁相互作用、静電相互作用などをもちいた電気機械エネルギー変換素子が好適である。The control element is preferably an electromechanical energy conversion element using electromagnetic interaction, electrostatic interaction, or the like that controls the movement of the internal mass.

前記制御素子は内部質量とエネルギーの受け渡しを行う。エネルギーの授受も行われる場合は装置をスケールアップした場合に前記のように定数として振舞わないのでエネルギー損失をできるだけ低く抑えられる素子が好適である。この他、制御素子から正味のエネルギーを得る設計も考えられる。この場合は制御素子が後記のエネルギー変換装置を兼ねることになる。The control element delivers internal mass and energy. In the case where energy is also transferred, an element that can keep energy loss as low as possible is preferable because it does not behave as a constant as described above when the device is scaled up. In addition, a design for obtaining net energy from the control element is also conceivable. In this case, the control element also serves as an energy conversion device described later.

前記内部質量は、これを装置内部にばねで吊るす設計やレールの上を転がる設計、反磁性を利用して浮上させる設計などが考えられるが、移動可能性のみが本質的であるので個々の応用目的に合った最適な方法が選択されれば好適である。ただし摩擦力や内部機械ロスは可能な限り小さいことが望ましい。The internal mass may be designed to hang it inside the device with a spring, roll on the rail, or float using diamagnetism, but only the possibility of movement is essential. It is preferable that an optimal method that suits the purpose is selected. However, it is desirable that the frictional force and internal mechanical loss be as small as possible.

前記エネルギー変換装置は、磁性体や強誘電体などの材料に基礎を置いた電磁相互作用、静電相互作用などをもちいた電気機械エネルギー変換素子が好適である。発電装置の大きさの制限を考慮に入れない場合、内部質量の運動のエネルギー変換即ち発電による実効的摩擦係数・は逆説的ながら小さいほど良いことに留意する。ここに、実行摩擦による制動力Fは・と内部質量の速度vの積である。・が小さいことが望ましい理由は共振状態にある調和振動子との類似から自明である。ただし、エネルギー変換による実効的摩擦は装置自体の内部摩擦に比べて大きく取らなければならない。また、単位時間に機械的エネルギーのうちどれだけを電気エネルギーに変換するかは定量的に制御される必要がある。The energy conversion device is preferably an electromechanical energy conversion element using electromagnetic interaction or electrostatic interaction based on a material such as a magnetic material or a ferroelectric material. It should be noted that if the size limitation of the power generation device is not taken into consideration, the energy conversion of the motion of the internal mass, that is, the effective coefficient of friction due to power generation, is paradoxically better. Here, the braking force F F by running friction is the product of the velocity v of-the internal mass. The reason why it is desirable to have a small value is obvious from the similarity to the harmonic oscillator in the resonance state. However, the effective friction due to energy conversion must be greater than the internal friction of the device itself. Further, it is necessary to quantitatively control how much mechanical energy is converted into electrical energy per unit time.

エレクトレット材料を用いた電気機械エネルギー変換は本発明の実現にとりわけ好適である。その理由として内部質量と受け渡しされるエネルギーを自然にコンデンサーに蓄えられることが挙げられる。コンデンサーに蓄えられた静電エネルギーはコイルに蓄えられた磁気エネルギーと比較して低損失である。内部質量素子に帯電したエレクトレット材料が塗布されている場合、その近傍にある電極に電圧を加えて内部質量に外力を加えることが出来るほか、内部質量の運動は電極間に流れる電流として得ることが出来る。Electromechanical energy conversion using electret materials is particularly suitable for the realization of the present invention. The reason is that the internal mass and the energy delivered can be stored in the capacitor naturally. The electrostatic energy stored in the capacitor is low loss compared to the magnetic energy stored in the coil. When electret material is applied to the internal mass element, an external force can be applied to the internal mass by applying a voltage to the nearby electrode, and the movement of the internal mass can be obtained as a current flowing between the electrodes. I can do it.

実際、前記電圧をVとすると前記外力Fは以下の式で与えられる。

Figure 2009017769
ここにσ、w、V、ε、g、dはそれぞれエレクトレット膜の表面電荷密度、エレクトレット膜の運動方向に垂直な方向の実効的な長さ(電気機械エネルギー変換機構が複数個集積されている場合それに応じて実効的長さも大きくなる)、エレクトレット膜の比誘電率、エレクトレット膜表面と対向電極間のギャップ距離、そしてエレクトレット膜の厚さである。また、電極間に流れる電流Iは
Figure 2009017769
で与えられる。ここにvは内部質量の運動速度である。Actually, when the voltage is V, the external force F is given by the following equation.
Figure 2009017769
Here, σ, w, V, ε, g, and d are the surface charge density of the electret film and the effective length in the direction perpendicular to the movement direction of the electret film (a plurality of electromechanical energy conversion mechanisms are integrated. The effective length also increases accordingly), the dielectric constant of the electret film, the gap distance between the electret film surface and the counter electrode, and the thickness of the electret film. The current I flowing between the electrodes is
Figure 2009017769
Given in. Here, v is the motion speed of the internal mass.

前記エレクトレット電気機械エネルギー変換を用いた場合、制御素子として可変電圧の内部コンデンサーからの電荷ソース・シンク回路を実現すると、適切な制御を行うことにより内部コンデンサー、即ち回路中のエネルギー貯蔵装置に次第にエネルギーを蓄えていくことができる。本特許は具体的な回路方式を開示するものではないが、そのような回路が物理学的に可能であることは充分に荷電した可変電極間隔をもった並行平板コンデンサーがこの目的に使用できることから明らかである。平板間の吸引力は他の力(例えば補助的なばねによる力)によりキャンセルできるので、エネルギーを消費せずに電極間隔を制御しながら出力電圧を調節することができる。When the electret electromechanical energy conversion is used, if a charge source / sink circuit from an internal capacitor with a variable voltage is realized as a control element, the internal capacitor, that is, the energy storage device in the circuit is gradually energized by performing appropriate control. Can be stored. Although this patent does not disclose a specific circuit scheme, the fact that such a circuit is physically possible is that parallel plate capacitors with sufficiently charged variable electrode spacing can be used for this purpose. it is obvious. Since the attractive force between the flat plates can be canceled by another force (for example, a force by an auxiliary spring), the output voltage can be adjusted while controlling the electrode interval without consuming energy.

エネルギー変換装置の電力出力は直流、交流、その他の波形のいずれでもあり得るし、出力インピーダンスもエネルギー変換装置の物理的原理に応じて様々であり得る。前記出力回路は、前記エネルギー変換装置からの電力出力の整形に加え、場合によってはエネルギー貯蔵装置と組み合わせることにより外部への安定した連続的あるいは間欠的な電力供給を実現すると好適である。The power output of the energy conversion device can be direct current, alternating current, or any other waveform, and the output impedance can also vary depending on the physical principle of the energy conversion device. In addition to shaping the power output from the energy conversion device, the output circuit is preferably combined with an energy storage device to realize stable continuous or intermittent power supply to the outside.

本発明によれば、従来技術にある共振型振動発電装置において問題であった望ましくない周波数選択性を除去するという効果がある。異なる共振周波数をもつ複数の振動子を並列に使用する方法でも同じ目標を達成できるが、この解決法では装置の質量あたりの発電量の増加は望めないことに留意する。振動発電装置においては装置の質量あたりの発電量が設計の優劣の評価指標を策定する上で考慮されるべきである。According to the present invention, there is an effect of removing an undesirable frequency selectivity which has been a problem in the resonance type vibration power generation device in the prior art. Note that the same goal can be achieved by using multiple oscillators with different resonant frequencies in parallel, but this solution does not allow an increase in power generation per unit mass. In a vibration power generator, the amount of power generated per unit mass should be taken into account when developing an evaluation index for design superiority or inferiority.

振動発電機の評価指標、あるいは性能指数としては無次元の

Figure 2009017769
が適切である。ここにP、m、C、ωはそれぞれ発電量(仕事率)、内部質量素子の質量(複数個の場合はその和)、環境中の振動のr.m.s.(平均からのずれの2乗平均の平方根)振幅、環境中の振動振幅の2乗のスペクトルの平均周波数である。発電量は内部質量素子の質量や外部振動エネルギーを増やすと当然大きくなるので、発電装置の性能を比較するには単純な発電量の比較では不十分であり、このような数値指標の使用が助けになる。ただし、この指標は外部環境の振動スペクトルの形に依存することに注意すべきであり、違うスペクトルに対するγ値の比較にはあまり意味がない。にもかかわらず、特定の発電装置がどのようなスペクトルに適しており他のスペクトルに適さないかなどを判断する材料にはなると考えられる。Dimensionless as evaluation index or performance index of vibration generator
Figure 2009017769
Is appropriate. Here, P, m, C, and ω a are the power generation amount (power), the mass of the internal mass element (the sum in the case of a plurality of elements), and the r. m. s. (Root mean square of deviation from the mean) Amplitude, average frequency of spectrum of square of vibration amplitude in environment. The amount of power generation naturally increases as the mass of the internal mass element and external vibration energy increase, so a simple comparison of the power generation amount is not sufficient to compare the performance of the power generation equipment. become. However, it should be noted that this index depends on the shape of the vibration spectrum of the external environment, and it does not make much sense to compare γ values for different spectra. Nevertheless, it can be considered as a material for determining what kind of spectrum a specific power generation device is suitable for and what is not suitable for another spectrum.

例えば比較的静かな場所に置かれた小型発電機の例として、m=100g(例えばタングステン約5cc)、c=10μm、ω=100Hzの場合を考えると、発電量Pは(5)式よりγ・10μWとなることがわかる。即ち、実用になる発電量となる例えば1mWを得るには、自然な広帯域スペクトルに対してγ値として少なくとも100程度を得ることが望ましい。制御回路はこの電力出力のうちごく一部で動作させる必要があるが、近年のnWレベルのFETなどの超低消費電力能動電子デバイスの出現と普及がこれらの数字を現実的なものとしている。尚、本発明は、より大きな発電装置をより大きな振動エネルギーのある自然・人工環境中で使う場合は上記の例よりも大幅に適用が容易になると考えられる。その一方でMEMS技術などを使用するマイクロ発電に応用する場合は、性能を若干犠牲にしても制御回路の単純化、即ちその低消費電力化が図られるべきである。For example, as an example of a small generator placed in a relatively quiet place, considering the case of m = 100 g (for example, about 5 cc of tungsten), c = 10 μm, and ω a = 100 Hz, the power generation amount P is calculated from the equation (5). It can be seen that γ · 10 μW. That is, in order to obtain, for example, 1 mW, which is a practical power generation amount, it is desirable to obtain at least about 100 as a γ value for a natural broadband spectrum. The control circuit needs to operate with only a part of this power output, but the recent emergence and widespread use of ultra-low power active electronic devices such as nW level FETs make these numbers realistic. It should be noted that the present invention is significantly easier to apply than the above example when a larger power generation device is used in a natural / artificial environment with greater vibrational energy. On the other hand, when it is applied to micro power generation using MEMS technology or the like, the control circuit should be simplified, that is, its power consumption can be reduced, even if performance is slightly sacrificed.

まず単色のデルタ関数型の外部振動スペクトルについて従来の調和振動子を用いた発電機を評価すると、外部振動の振動数と調和振動子の固有振動数が一致している場合にはγ値は最大振動子のQ値に等しくなる。最大といった意味は、これが上限で通常内部エネルギー損失によりγ値は減少するからである。これは規則的な外部励起に対してはQ値の高い振動子がより効率よく発電できる事実を表わしている。しかし、共振条件を少しでも外れるとγ値は急激に小さくなる。これに対して、本発明で記述された装置の場合γ値は最大で

Figure 2009017769
で与えられる。ここにμは外部振動速度vに比例した内部質量に加える力F=μvの表式に現れる比例係数である。そもそも共振の有無がないためにγ値が外部振動周波数ωに極めて弱い依存性を持つことがわかる。これが本発明の最も顕著な帰結である。比例係数μ大きいほどQ値の大きな振動子同様に高性能になるが、内部質量の運動距離が長くなるので発電機のサイズの上限が考慮されなくてはならない。この制限を満たす限りにおいて、μを大きく設定することにより広帯域にわたって高性能の発電装置を構成することが出来る。First, when evaluating a generator using a conventional harmonic oscillator for a single-color delta function-type external vibration spectrum, if the frequency of the external vibration matches the natural frequency of the harmonic oscillator, the γ value is maximum. It becomes equal to the Q value of the vibrator. The meaning of maximum is because this is the upper limit, and the γ value usually decreases due to internal energy loss. This represents the fact that an oscillator with a high Q value can generate power more efficiently for regular external excitation. However, the γ value decreases rapidly if the resonance condition is deviated even a little. On the other hand, in the case of the device described in the present invention, the γ value is maximum.
Figure 2009017769
Given in. Here, μ 0 is a proportional coefficient appearing in the expression of force F = μ 0 v applied to the internal mass proportional to the external vibration speed v. In the first place, since there is no resonance, it can be seen that the γ value has a very weak dependence on the external vibration frequency ωa. This is the most significant consequence of the present invention. The larger the proportionality coefficient μ 0 is, the higher the performance is as in a vibrator having a large Q value, but the movement distance of the internal mass becomes longer, so the upper limit of the size of the generator must be considered. As long as this restriction is satisfied, a high-performance power generator can be configured over a wide band by setting μ 0 large.

上記の結果はγ値をより現実の環境振動に近い広帯域の外部振動スペクトルについて評価することにより更に明らかになる。例えば、周波数の逆5乗に比例するスペクトルの場合(全エネルギーの発散を抑えるために低周波端にカットオフ周波数を設定する)、従来の調和振動子を用いた発電装置のγ値は上限0.994で抑えられ、いわば実用にならないのに対して、本発明で記述される装置の場合は上限が

Figure 2009017769
となる。前者ではQ値が表式から消えているのに対して、後者では単色励起の場合と本質的に同等な性能指数が得られている。実用上重要な顕著な違いであると言える。尚、周波数スペクトルの指数5が自然である根拠は幾つかあるが、その議論は本発明において特段の重要性はない。The above results are further clarified by evaluating the γ value for a broad-band external vibration spectrum that is closer to the actual environmental vibration. For example, in the case of a spectrum that is proportional to the inverse fifth power of the frequency (a cutoff frequency is set at the low frequency end in order to suppress the divergence of the total energy), the γ value of the power generator using the conventional harmonic oscillator has an upper limit of 0. .994, which is not practical, in the case of the device described in the present invention, the upper limit is
Figure 2009017769
It becomes. In the former, the Q value disappears from the expression, whereas in the latter, a figure of merit substantially equivalent to that in the case of monochromatic excitation is obtained. It can be said that this is a significant difference that is important for practical use. There are several reasons why the frequency spectrum index 5 is natural, but the discussion is not particularly important in the present invention.

また、本発明によれば、周波数選択性を除去しているにも関わらず、単に調和振動子のダンピングを増加する等の自明な解決法とは異なり鋭い共振による発電効率の増幅効果を犠牲にしないことが可能であるという効果がある。In addition, according to the present invention, unlike the obvious solution such as simply increasing the damping of the harmonic oscillator in spite of eliminating the frequency selectivity, the amplification effect of the power generation efficiency due to the sharp resonance is sacrificed. There is an effect that it is possible not to.

さらに、本発明によれば、高効率を保っているにも関わらず、内部質量と発電装置本体の相対運動から発電するために環境中の相対運動を必要としないという効果がある。言い換えれば、慣性系に対する加減速運動さえあれば発電が出来るという効果がある。Furthermore, according to the present invention, there is an effect that relative movement in the environment is not required in order to generate power from the relative movement between the internal mass and the power generation device body, despite maintaining high efficiency. In other words, there is an effect that electric power can be generated if there is an acceleration / deceleration movement with respect to the inertial system.

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。なお、いわゆる当業者は特許請求の範囲内における本発明を変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、これらの変更・修正はこの特許請求の範囲に含まれるものであり、以下の説明はこの発明における最良の形態の例であって、この特許請求の範囲を限定するものではない。The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that it is easy for a person skilled in the art to make other embodiments by changing or correcting the present invention within the scope of the claims, and these changes and modifications are included in the scope of the claims. The following description is an example of the best mode of the present invention, and does not limit the scope of the claims.

本発明の一実施例によると、運動状態検出器は加速度計の出力に後記速度信号の反転信号を大きな時定数で割ったものとの和を時間積分して速度信号として出力する。したがってネガティブフィードバック制御により長期的に見て速度信号はゼロ点近辺に保持される。この構成により加速度信号の誤差が時間積分により蓄積して速度信号の信頼性を損なう事態を防止できる。According to one embodiment of the present invention, the motion state detector time-integrates the sum of the output of the accelerometer and the inverted signal of the speed signal described later by a large time constant and outputs the result as a speed signal. Therefore, the speed signal is held near the zero point in the long term by negative feedback control. With this configuration, it is possible to prevent a situation where acceleration signal errors accumulate due to time integration and impair the reliability of the speed signal.

図2は、前記運動状態検出器を示す図である。加速度計ACCはMEMS素子に基づくもので加速度信号を出力する。この出力から速度信号を大きな時定数で割った結果を差し引いた信号を積分器ITG1で時間積分して速度信号出力を得る。加算器や積分器などはアナログ電圧信号に対して作用するものであり、低消費電力オペアンプもしくはFET、および受動電子部品により構成される。FIG. 2 is a diagram illustrating the motion state detector. The accelerometer ACC is based on a MEMS element and outputs an acceleration signal. A signal obtained by subtracting the result obtained by dividing the speed signal by a large time constant from this output is time-integrated by the integrator ITG1 to obtain a speed signal output. An adder, an integrator, or the like operates on an analog voltage signal, and includes a low power operational amplifier or FET and passive electronic components.

この実施例における運動状態検出器の機能をまとめると次のようになる。この運動状態検出器の唯一の機能は発電機の速度を電気信号として出力することにある。ところが、力学においては全ての慣性系は同等であるから出力速度は加速度の積分によってのみ得られ、従って任意のオフセットがある。このオフセットは速度信号の長期平均がゼロになるようにフィードバック制御される。すなわち、長期的に見て発電装置が動かないような慣性系に対する速度信号が出力される。前記速度信号を除算するのに使われた時定数は発電装置の対応できる最低振動数の逆数を与えうる要素の一つとなる。The functions of the motion state detector in this embodiment are summarized as follows. The only function of this motion state detector is to output the generator speed as an electrical signal. However, in mechanics, all inertial systems are equivalent, so the output velocity can only be obtained by integrating the acceleration, so there is an arbitrary offset. This offset is feedback controlled so that the long-term average of the speed signal is zero. That is, a speed signal for the inertial system is output so that the power generator does not move over the long term. The time constant used to divide the speed signal is one of the factors that can give the reciprocal of the lowest frequency that the generator can handle.

本実施例によると、内部質量は水平に置かれたレールの上を一次元的に滑らかに移動する。内部質量はレール上におけるその位置が余り中央から逸れない様に弱いばねで支えられていても良いが、その場合においても、ばねの自然長付近では発電装置の扱わない低周波領域を除いて内部質量は自由物体のように振舞う。内部質量はレール上を出来るだけ低摩擦で移動する必要があるが、そのためにはベアリング、車輪、反磁性体を用いた磁気浮上など多くの周知の技術のうち適切なものを選択すればよい。一次元のレールが上記のように水平に置かれている場合、内部質量の運動にカップリングする環境の運動はレールに沿った平行移動、レールの中央点を中心としてレールを軸としない2つの回転運動の3つになる。According to this embodiment, the internal mass moves smoothly one-dimensionally on the rail placed horizontally. The internal mass may be supported by a weak spring so that its position on the rail does not deviate too much from the center, but even in that case, the internal mass is not in the vicinity of the natural length of the spring except for the low frequency region that is not handled by the generator. Mass behaves like a free object. The internal mass needs to move on the rail with as little friction as possible. For this purpose, an appropriate one of many known techniques such as bearings, wheels, and magnetic levitation using a diamagnetic material may be selected. When a one-dimensional rail is placed horizontally as described above, the movement of the environment that couples to the movement of the internal mass is parallel translation along the rail, two rails that are not centered about the rail center point. It becomes three of rotational movement.

本発明の他の実施例によると、鉛直方向の外部環境の運動から発電するために内部質量は鉛直に置かれたレール上を移動する。この場合弱いばねの重力下での伸長による長すぎる鉛直方向のサイズを抑えるために複数個のステージをばねで直列に吊るし、かつ各々のステージが下端で前段から吊るされ上端から次段のステージを吊るすことにより全体の長さが抑えられているために、充分にばね定数が弱くしかも鉛直方向に使えるばねが、発電装置の高さ制限がある場合でも実効的に提供される。図3に一段ステージの場合を示す。According to another embodiment of the present invention, the internal mass moves on a vertically placed rail to generate electricity from vertical external environmental motion. In this case, a plurality of stages are hung in series with a spring in order to suppress a vertical size that is too long due to extension of a weak spring under gravity, and each stage is hung from the previous stage at the lower end, and the next stage from the upper end is hung. Since the entire length is suppressed by hanging, a spring having a sufficiently low spring constant and usable in the vertical direction is effectively provided even when the height of the power generator is limited. FIG. 3 shows the case of a single stage.

本発明のもとの実施例に戻ると、内部質量表面にエレクトレット材料を塗布して帯電させておき周辺に2枚の金属板を配置して電圧をかけて内部質量に力を与えることにより制御素子を実現する。またこれにエネルギー変換装置を兼用させるか、同様の原理に基づくエネルギー変換装置を独立に構成する。Returning to the original embodiment of the present invention, the electret material is applied to the surface of the internal mass to be charged, and two metal plates are arranged around it to apply a voltage to control the internal mass. Realize the element. In addition, the energy conversion device is also used as this, or the energy conversion device based on the same principle is configured independently.

より具体的には、図4は制御素子による静電相互作用に基づく内部質量制御の一実施例を示す図である。電気的に接地された内部質量IM1の下部表面はエレクトレット材料ELMでコートされている。内部質量は図面には示されていない弱いばねで支えられて、左右に移動できる。下部には電極ELR1,ELR2が配置され、ELR2が接地されている一方でELR1には任意の電圧を加えることができる。内部質量には前記の電圧に比例した力が加わる。逆に、内部質量が運動しているときに同じ構成をエネルギー変換装置として使うには、機械的エネルギーをELR1から接地電極に流れる電流として取り出すことが出来る。両電極ELR1,ELR2間にコンデンサー、インダクター、あるいは抵抗を接続すると其々実効的にばね、質量、あるいは摩擦要素として働く。More specifically, FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of internal mass control based on electrostatic interaction by the control element. The lower surface of the electrically grounded internal mass IM1 is coated with the electret material ELM. The internal mass is supported by a weak spring not shown in the drawing and can move left and right. Electrodes ELR1 and ELR2 are arranged in the lower part, and ELR2 is grounded, while an arbitrary voltage can be applied to ELR1. A force proportional to the voltage is applied to the internal mass. Conversely, in order to use the same configuration as an energy conversion device when the internal mass is moving, mechanical energy can be extracted as current flowing from ELR 1 to the ground electrode. When a capacitor, an inductor, or a resistor is connected between the electrodes ELR1 and ELR2, each effectively acts as a spring, mass, or friction element.

前記の内部質量制御を用いた発電の例を挙げる。図4の内部質量IM1は弱いばねで支えられているので、電極ELR1,ELR2が電気抵抗の充分に低い導線で電気的に接続されている場合ばねの自然長付近では自由質点のように振舞う。まず簡明さのため外部振動がない場合を考察する。いま内部質量が左から右へ等速直線運動をしているとする。次に電極間の導線を電界効果トランジスター(FET)スイッチを使用してオープンにし、同様のFETスイッチにより帯電していないコンデンサーに切り替えると内部質量は更に右に移動するが、それに伴う電流の発生によりコンデンサーをチャージアップし、帯電したコンデンサーは電圧を持つので内部質量に制動力を及ぼし、最終的にはコンデンサーが完全に放電した時には内部質量は同じ速度で右から左に運動している。この瞬間にコンデンサーから元の導線に切り替えなおすと内部質量は更に逆方向に等速直線運動を開始する。即ち、内部質量はあたかも壁で弾性衝突をしたかの如く運動し、コンデンサーの帯電状態も全過程の前後で変わらないのでエネルギーの損失が無い。導線とコンデンサーの切り替えは本質的にはエネルギーを要さない過程である。An example of power generation using the internal mass control will be given. Since the internal mass IM1 in FIG. 4 is supported by a weak spring, when the electrodes ELR1 and ELR2 are electrically connected by a conducting wire having a sufficiently low electrical resistance, it behaves like a free mass in the vicinity of the natural length of the spring. First, consider the case where there is no external vibration for simplicity. Suppose that the internal mass is moving at a constant linear velocity from left to right. Next, when the lead wire between the electrodes is opened using a field effect transistor (FET) switch and switched to an uncharged capacitor by a similar FET switch, the internal mass moves further to the right. When the capacitor is charged up, the charged capacitor has a voltage, so it exerts a braking force on the internal mass, and finally the internal mass moves from right to left at the same speed when the capacitor is completely discharged. At this moment, when the capacitor is switched back to the original conductor, the internal mass starts a constant velocity linear motion in the opposite direction. That is, the internal mass moves as if it collided elastically with the wall, and the charged state of the capacitor does not change before and after the entire process, so there is no energy loss. Switching between conductors and capacitors is essentially a process that does not require energy.

外部環境の振動がある場合、前記の要素過程を使って等速運動の速度を次第に上げていくことが出来る。そのためには運動状態検出器から得られている発電機の速度信号を利用する。再び図4で、発電装置全体が左から右に運動している場合は右から左に運動している内部質量を前記の要素過程を使用して右方向に弾性的に跳ね返す。逆に、発電装置全体が右から左に運動している場合は左から右に運動している内部質量を上記の要素過程を使用して左方向に弾性的に跳ね返す。跳ね返る度に内部質量は外部環境から機械的エネルギーを受取り増速する。When there is vibration in the external environment, the speed of the uniform motion can be gradually increased using the above element process. For this purpose, the generator speed signal obtained from the motion state detector is used. In FIG. 4 again, when the entire power generation apparatus is moving from the left to the right, the internal mass moving from the right to the left is elastically bounced to the right using the element process. Conversely, when the entire power generation apparatus is moving from right to left, the internal mass moving from left to right is elastically rebounded to the left using the above element process. Each time it bounces, the internal mass receives mechanical energy from the external environment and accelerates it.

前記の過程を使用して内部質量の速度を増加させた分量のエネルギーはエネルギー変換装置を用いて内部質量の速度を一定に保つように回収することにより定常的な発電ができる。もう一つの方法として、前記の要素過程で加速させないように内部質量を跳ね返すことにより、差分のエネルギーはコンデンサーに残った電荷の帯電エネルギーとして取り出すことが出来る。The amount of energy obtained by increasing the speed of the internal mass using the above process can be recovered by using an energy conversion device so as to keep the speed of the internal mass constant. As another method, the energy of the difference can be taken out as the charging energy of the electric charge remaining in the capacitor by rebounding the internal mass so as not to accelerate in the element process.

前記の記述においては、発電装置の運動状態に応じて弾性的な跳ね返しを行う方法を記述したが、どのようなタイミングでこの操作を行うかは指定しなかった。これには様々な方法が考えられるが、一つの方法は発電装置の速度に比例した操作回数を単位時間当たり実行する確率的制御が考えられる。このような制御を多数の内部質量に対して行った場合には、全体としてある範囲内の周波数においてどのような周波数の外部振動に対しても共振状態にある調和振動子と同じ発電効率が得られる。単一の内部質量の場合でも長時間平均を取れば同様である。このような発電ができる上限周波数は前記要素過程を行うことが出来る頻度によって決定される。下限周波数は前記運動状態検出器の積分時定数(図2)によって決まる周波数あるいは内部質量が運動できる経路の長さによって決定される。In the above description, a method of performing elastic rebound according to the motion state of the power generation device has been described, but the timing at which this operation is performed is not specified. Various methods are conceivable for this, but one method is probabilistic control in which the number of operations in proportion to the speed of the power generation device is executed per unit time. When such control is performed on a large number of internal masses, the same power generation efficiency as that of a harmonic oscillator in resonance can be obtained with respect to external vibrations of any frequency at a frequency within a certain range as a whole. It is done. Even in the case of a single internal mass, it is the same if an average is taken for a long time. The upper limit frequency at which such power generation can be performed is determined by the frequency with which the element process can be performed. The lower limit frequency is determined by the frequency determined by the integration time constant (FIG. 2) of the motion state detector or the length of the path through which the internal mass can move.

本発明の他の実施例によると、弾性的な跳ね返しを行う代わりに電極に電圧を連続的に印加することにより、内部質量の運動の連続制御を行う。とりわけ、発電機の速度に比例した力を内部質量におよぼす制御が共振状態にある調和振動子との類似により重要である。この場合、電極ELR1に制御電圧を加えることになるが、制御回路と電極間の電流の方向は内部質量の運動状態に依存することに注意する。According to another embodiment of the present invention, continuous control of the movement of the internal mass is performed by continuously applying a voltage to the electrodes instead of elastic rebound. In particular, the control of exerting a force proportional to the generator speed on the internal mass is more important due to its similarity to the harmonic oscillator in resonance. In this case, a control voltage is applied to the electrode ELR1, but it should be noted that the direction of the current between the control circuit and the electrode depends on the motion state of the internal mass.

従って、制御回路は任意の電圧を出力する機能のみならず、出入りする電流に伴うエネルギーの移動を内部のエネルギー貯蔵装置(自然な選択としてはコンデンサー)を使って低損失にマネジメントする機能を備えていなくてはならない。エネルギー損失が充分に小さければ、前記の運動制御をすることにより外界の振動エネルギーが次第に前記内部エネルギー貯蔵装置に移動することになる。このような制御回路の具体的実現法については本発明では詳述しないが、物理学的見地から原理的に可能であることについては0027項で述べた通りである。Therefore, the control circuit has not only the function of outputting an arbitrary voltage, but also the function of managing the energy transfer associated with the current flowing in and out with a low loss using an internal energy storage device (a natural selection is a capacitor). Must-have. If the energy loss is sufficiently small, the vibrational energy of the outside world gradually moves to the internal energy storage device by performing the motion control. Although a specific method for realizing such a control circuit is not described in detail in the present invention, it is as described in the section 0027 that it is theoretically possible from a physical point of view.

前記の比例制御では、与えられた発電装置のサイズを高周波の振動成分について有効活用していない。何故ならば、単一周波数の外部振動を考えると(6)式で表わされる実効的なQ値は周波数に反比例して小さくなる。即ち、Q値に比例する振幅も同様に周波数に反比例して小さくなるからである。この無駄を無くすには高周波成分に対して内部質量の運動制御を低周波成分に比較して敏感に行う必要がある。一つの方法としては、(6)式の説明で述べたような出力速度信号vに比例した力F=μvを内部質量に加える比例制御を行う代わりに、この表式に非線形項を持たせて高い速度に線形以上の反応性を持たせることが挙げられる。具体的には、

Figure 2009017769
のように3次の項を持たせる。今、外部振動エネルギースペクトルが0033項で述べたf−5型であると仮走する。さらに外部振動のr.m.s.振幅Cおよび平均振動数fを用いて(8)式内の非線形性パラメータρを無次元化した量ρ をρと定義する。今ρを0から2まで変化させて非線形性の応答を組み入れた装置の数値シミュレーションを行うと実際図5に示すように前記γ値は著しく増大する。但し図6に示すように、内部質量の原点からの平均的に期待されるずれの距離を前記Cで規格化した量λも、ρ=1までは緩やかとは言え、増大するので考慮に入れなければならない。これらのシミュレーションにおいてはμ/mf=4であり、また0040項で述べられたように、無制限な位置ドリフトを防ぐために固有振動数がfの0.25倍の弱いばねによって内部質量が支えられていることを前提とした。In the proportional control described above, the size of a given power generator is not effectively used for high-frequency vibration components. This is because when considering external vibration of a single frequency, the effective Q value expressed by the equation (6) becomes smaller in inverse proportion to the frequency. That is, the amplitude proportional to the Q value is similarly reduced in inverse proportion to the frequency. In order to eliminate this waste, it is necessary to control the movement of the internal mass more sensitively to the high frequency component than to the low frequency component. As one method, instead of performing proportional control to apply force F = μ 0 v proportional to the output speed signal v to the internal mass as described in the explanation of the equation (6), this expression has a nonlinear term. In other words, it is possible to have a reactivity higher than linear at a high speed. In particular,
Figure 2009017769
A third-order term is given as follows. Now, it is assumed that the external vibration energy spectrum is the f- 5 type described in Section 0033. Furthermore, the external vibration r. m. s. An amount ρ 0 C 2 f a 2 obtained by making the nonlinearity parameter ρ 0 in the equation (8) dimensionless using the amplitude C and the average frequency f a is defined as ρ. If a numerical simulation of an apparatus incorporating a non-linear response is performed by changing ρ from 0 to 2, the γ value actually increases as shown in FIG. However, as shown in FIG. 6, the amount λ obtained by normalizing the distance of the average expected deviation from the origin of the internal mass by the C increases, although it is moderate until ρ = 1, but is taken into consideration. There must be. In these simulations are μ 0 / mf a = 4, and as mentioned in 0040 Section internal mass by 0.25 times the weak spring natural frequency is f a to prevent unrestricted position drift It was assumed that it was supported.

本発明の更に他の実施例によると、例えば外部振動が正弦波と先験的に知れている場合には速度が最大値になった時点で内部質量に撃力を瞬間的に加えることによって最大の発電効率を実現する。つまり、外部環境について知識がある場合には一般に発電量を増やす余地がある。According to yet another embodiment of the present invention, for example, if the external vibration is known a priori as a sine wave, it can be maximized by momentarily applying a striking force to the internal mass when the speed reaches a maximum value. Realize the power generation efficiency. In other words, if there is knowledge about the external environment, there is generally room for increasing the amount of power generation.

本発明の更に他の実施例によると、前記項目を一般化して、例えば海洋波力発電において適切なセンサーを発電装置に装備することによって海洋波の形態および時間発展に関する情報を取得し制御回路に入力することによってこれを発電効率改善に供する。また、この例のような大規模な応用においては、外部振動と発電装置の内部質量の運動の間の機械的インピーダンスのマッチングを考慮することにより更に発電効率改善に供する。According to still another embodiment of the present invention, the above items are generalized, for example, by installing an appropriate sensor in the power generation device in ocean wave power generation, information on the form and time evolution of ocean waves is obtained and the control circuit is provided. This is used to improve power generation efficiency. In a large-scale application such as this example, the power generation efficiency is further improved by considering the matching of mechanical impedance between the external vibration and the motion of the internal mass of the power generation apparatus.

本発明の更に他の実施例によると、内部質量に強磁性体材料を使用し周辺に2組のコイルを配置して電流を与えることにより内部質量に力を与える。またこれにエネルギー変換装置を兼用させるか、同様の原理に基づくエネルギー変換装置を独立に構成する。According to still another embodiment of the present invention, a force is applied to the internal mass by using a ferromagnetic material for the internal mass and arranging two sets of coils in the periphery to apply an electric current. In addition, the energy conversion device is also used as this, or the energy conversion device based on the same principle is configured independently.

本発明の更に他の実施例によると、出力回路は整流回路、同期整流回路、インピーダンス変換器、平滑回路、フライングキャパシター昇圧装置、コッククロフトーウォルトン型昇圧装置、エネルギー貯蔵回路、2次電池、電力制御回路のうちの単数あるいは複数の要素を含む構成になっており、外部に安定した連続的電力もしくは間欠動作に適した電力を供給する。According to still another embodiment of the present invention, the output circuit includes a rectifier circuit, a synchronous rectifier circuit, an impedance converter, a smoothing circuit, a flying capacitor booster, a Cockcroft-Walton booster, an energy storage circuit, a secondary battery, and power control. It is configured to include one or more elements of the circuit, and supplies stable continuous power or power suitable for intermittent operation to the outside.

本発明の実施例の構成図。The block diagram of the Example of this invention. 運動状態検出器の実施例の構成図。The block diagram of the Example of a movement state detector. 鉛直方向内部質量吊り下げ機構の構成図。The block diagram of a perpendicular direction internal mass suspension mechanism. 静電相互作用に基づく発電装置の実施例の構成図。The block diagram of the Example of the electric power generating apparatus based on an electrostatic interaction.

符号の説明Explanation of symbols

ACC 加速度計
ELM エレクトレット材料
ELR1,ELR2 電極
IM1 内部質量
INV 反転アンプ
ITG1 積分器
SPRING1,SPRING2,SPRING3 ばね
ACC Accelerometer ELM Electret material ELR1, ELR2 Electrode IM1 Internal mass INV Inverting amplifier ITG1 Integrator SPRING1, SPRING2, SPRING3 Spring

Claims (6)

発電装置本体の運動を検出しその信号を出力する運動状態検出器と、
前記の信号を入力して内部質量制御信号を出力する制御回路と、
前記制御信号を入力して内部質量の運動を制御する制御素子と、
前記素子によって運動を制御される一つまたは複数の内部質量と、
前記内部質量の運動から電気エネルギーをエネルギー出力として取り出すエネルギー変換装置と、
前記エネルギー出力を使用に適した形に変換する出力回路と
を具備して成り、
振動エネルギーを電気エネルギーに変換して発電することを特徴とする振動発電装置。
A motion state detector that detects the motion of the power generation device body and outputs the signal;
A control circuit for inputting the signal and outputting an internal mass control signal;
A control element for inputting the control signal and controlling the motion of the internal mass;
One or more internal masses whose movement is controlled by the element;
An energy conversion device that extracts electrical energy as energy output from the movement of the internal mass;
An output circuit for converting the energy output into a form suitable for use, and
A vibration power generation apparatus that generates electric power by converting vibration energy into electric energy.
請求項1において、
前記制御素子と前記エネルギー変換装置が実質的に同一の装置であることを特徴とする振動発電装置。
In claim 1,
The vibration power generator, wherein the control element and the energy conversion device are substantially the same device.
請求項1において、
前記制御素子に接続される前記制御回路の出力部分がエネルギー貯蔵部を含み、例えば制御信号に従った電圧を出力するにもかかわらず電流が双方向に流れ、その際に出入りするエネルギーが低損失でエネルギー貯蔵部から供給あるいは貯蔵されるような回路により実現されていることを特徴とする振動発電装置。
In claim 1,
The output part of the control circuit connected to the control element includes an energy storage unit, for example, a current flows in both directions in spite of outputting a voltage according to the control signal, and energy entering and exiting at that time is low loss The vibration power generator is realized by a circuit that is supplied or stored from an energy storage unit.
請求項1において、
前記制御素子および前記エネルギー変換装置のいずれか若しくは双方がエレクトレット材料を含む材料を使用した設計による静電相互作用、磁性体材料を含む材料を使用した設計による電磁相互作用、あるいはピエゾエレクトリック材料を含む材料を使用した設計による機械電気エネルギー変換に基づくことを特徴とする振動発電装置。
In claim 1,
Either or both of the control element and the energy conversion device include an electrostatic interaction by a design using a material containing an electret material, an electromagnetic interaction by a design using a material containing a magnetic material, or a piezoelectric material. A vibration power generator characterized in that it is based on mechanical and electrical energy conversion by design using materials.
請求項1、2、3、4において、前記内部質量に前記制御素子によって及ぼされる力もしくは及ぼされる一定撃力の頻度が前期運動状態検出器によって出力される発電装置の速度信号に比例もしくはそれよりも速く非線形に増大することを特徴とする振動発電装置。5. A method according to claim 1, wherein the force exerted on the internal mass by the control element or the frequency of the constant impact force exerted on the internal mass is proportional to or from the speed signal of the power generator output by the previous motion state detector. A vibration power generator characterized by rapidly increasing non-linearly. 請求項1において、これらの発電装置を組み合わせることにより3種類までの並進運動並びに3種類までの回転運動から同時に発電を行う振動発電装置。The vibration power generator according to claim 1, wherein by combining these power generators, power is generated simultaneously from up to three kinds of translational movements and up to three kinds of rotational movements.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009123022A1 (en) * 2008-03-31 2009-10-08 旭硝子株式会社 Acceleration sensor device and sensor network system
US8129869B2 (en) 2008-09-19 2012-03-06 Asahi Glass Company, Limited Electret and electrostatic induction conversion device
US8212433B2 (en) 2008-03-27 2012-07-03 Asahi Glass Company, Limited Electret and electrostatic induction conversion device
US8277927B2 (en) 2008-04-17 2012-10-02 Asahi Glass Company, Limited Electret and electrostatic induction conversion device
JP2013128392A (en) * 2011-11-14 2013-06-27 Tohoku Univ Vibration power generating device and vibration power generating device control method
JP2014011921A (en) * 2012-07-02 2014-01-20 Rohm Co Ltd Vibration power generating circuit, electronic apparatus using the same, and wireless sensor
WO2014024487A1 (en) * 2012-08-07 2014-02-13 パナソニック株式会社 Energy conversion device
WO2014069483A1 (en) * 2012-11-05 2014-05-08 旭硝子株式会社 Vibratory generator device and power source module

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005519572A (en) * 2002-02-28 2005-06-30 サーコス・エルシー Resonant power generation system
JP2008536470A (en) * 2005-04-12 2008-09-04 パーペトゥーム、リミテッド Conversion of mechanical vibration energy to electrical energy

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005519572A (en) * 2002-02-28 2005-06-30 サーコス・エルシー Resonant power generation system
JP2008536470A (en) * 2005-04-12 2008-09-04 パーペトゥーム、リミテッド Conversion of mechanical vibration energy to electrical energy

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8212433B2 (en) 2008-03-27 2012-07-03 Asahi Glass Company, Limited Electret and electrostatic induction conversion device
WO2009123022A1 (en) * 2008-03-31 2009-10-08 旭硝子株式会社 Acceleration sensor device and sensor network system
US8763461B2 (en) 2008-03-31 2014-07-01 Asahi Glass Company, Limited Acceleration sensor device and sensor network system
US8277927B2 (en) 2008-04-17 2012-10-02 Asahi Glass Company, Limited Electret and electrostatic induction conversion device
US8129869B2 (en) 2008-09-19 2012-03-06 Asahi Glass Company, Limited Electret and electrostatic induction conversion device
JP2013128392A (en) * 2011-11-14 2013-06-27 Tohoku Univ Vibration power generating device and vibration power generating device control method
JP2014011921A (en) * 2012-07-02 2014-01-20 Rohm Co Ltd Vibration power generating circuit, electronic apparatus using the same, and wireless sensor
WO2014024487A1 (en) * 2012-08-07 2014-02-13 パナソニック株式会社 Energy conversion device
WO2014069483A1 (en) * 2012-11-05 2014-05-08 旭硝子株式会社 Vibratory generator device and power source module

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