JP2010051945A - Resonance frequency-adjustable apparatus for collecting piezoelectric vibration energy - Google Patents

Resonance frequency-adjustable apparatus for collecting piezoelectric vibration energy Download PDF

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▲曉▼明 伍
Lin Jianhui
建▲輝▼ 林
Tianling Ren
天令 任
理天 ▲劉▼
Liu Litian
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a resonance frequency-adjustable apparatus for collecting piezoelectric vibration energy. <P>SOLUTION: The apparatus for collecting energy has a supporting substrate 2 as a vibration structure. The vibration energy is collected by a piezoelectric layer 1 fixed on the supporting substrate 2. The apparatus for collecting energy simply and precisely adjusts the resonance frequency in a relatively wide range by combining a fixed type mass block 5 and a movable mass block 6 and consequently the capability of collecting the vibration energy is maximized by keeping mechanical resonance with the environmental vibration. The apparatus for collecting energy is usable for various vibration environments in a relatively wide range of frequency and in the case of using the apparatus for a sensor, the sensor is provided with self-power feeding capability. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、エネルギー回収装置に関し、特に共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置に関する。   The present invention relates to an energy recovery apparatus, and more particularly to a piezoelectric vibration energy collection apparatus that can adjust a resonance frequency.

現代社会の生産活動や生活において、建設分野における環境監視から、さまざまな機械の稼動状況に対する監視まで、無線センサを含め各種のセンサが使用されている。センサの使用に当たり、どのようにエネルギーを供給するかが重要な課題である。稼働環境によっては、交換しにくい箇所に設置されたり空間や量的制限を受けたりして通常の電池では給電できない場合があり、センサの利用にとってエネルギーの供給がネックになっている。一方、センサの稼動環境では、大小の差はあるものの、必ずといっていいほど振動が発生する。そのため、稼動環境に固有の振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための小型エネルギー回収装置が際立った将来性を有している。   Various sensors including wireless sensors are used in production activities and daily lives in modern society, ranging from environmental monitoring in the construction field to monitoring of the operating status of various machines. In using the sensor, how to supply energy is an important issue. Depending on the operating environment, it may not be possible to supply power with a normal battery because it is installed in a place that is difficult to replace or is restricted in terms of space and quantity, and energy supply becomes a bottleneck for the use of sensors. On the other hand, in the sensor operating environment, although there is a difference in size, vibrations are always generated. Therefore, a small energy recovery device for converting vibration energy unique to the operating environment into electric energy has a promising future.

振動エネルギーの収集は、圧電材料を備えた振動構造を形成することによって実現することができる。振動構造の相対運動によって圧電材料に応力を発生させると共に、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。できるだけ多くの振動エネルギーを収集するために、できるだけ振動構造を共振状態で稼動させ、即ち振動構造の固有周波数をできるだけ環境に固有の振動の周波数に近づける必要がある。しかしながら、製造面や操作面などにおける種々の固有の影響要素のため、かかる共振状態を正確に実現することが極めて難しい。また、振動エネルギーの収集にとって周波数の偏差が極めて大きな影響要素であり、振動構造は、共振状態にない場合には、構造の相対運動が早いスピードで減少し、そのため収集できる振動エネルギーも大幅に減少する。   The collection of vibration energy can be realized by forming a vibration structure with a piezoelectric material. Stress can be generated in the piezoelectric material by relative movement of the vibration structure, and vibration energy can be converted into electric energy. In order to collect as much vibration energy as possible, it is necessary to operate the vibration structure in a resonance state as much as possible, that is, to bring the natural frequency of the vibration structure as close as possible to the vibration frequency specific to the environment. However, it is extremely difficult to accurately realize such a resonance state due to various inherent influencing factors on the manufacturing surface and operation surface. In addition, frequency deviation is an influential factor for the collection of vibration energy, and if the vibration structure is not in resonance, the relative motion of the structure will decrease at a faster speed, thus greatly reducing the vibration energy that can be collected. To do.

従って、圧電材料を用いた共振周波数調整可能なエネルギー収集装置が所望されている。当該装置は、周波数の調整範囲が比較的広く、稼動環境の状況に応じて共振周波数を調整することが可能である。また、当該装置は、最大限に稼動環境から振動エネルギーを収集してセンサに給電することができるので、センサに自己給電能力を付与することができる。さらに、当該装置は、比較的広い周波数調整範囲を有しているので、構造を変更することなく様々な稼動環境で使用できることができる。   Therefore, an energy collecting device using a piezoelectric material and capable of adjusting the resonance frequency is desired. The device has a relatively wide frequency adjustment range, and can adjust the resonance frequency according to the operating environment. In addition, since the apparatus can collect vibration energy from the operating environment to the maximum and supply power to the sensor, the sensor can be provided with a self-power supply capability. Furthermore, since the apparatus has a relatively wide frequency adjustment range, it can be used in various operating environments without changing the structure.

本発明は、稼動環境から振動エネルギーを収集すると共に、振動エネルギーを電気エネルギーに変換してセンサに給電することによってセンサに自己給電能力を付与できる共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置を提供することを目的とする。   The present invention provides a piezoelectric vibration energy collecting device capable of adjusting a resonance frequency capable of collecting a vibration energy from an operating environment and providing the sensor with a self-feeding capability by converting the vibration energy into electric energy and feeding the sensor. For the purpose.

本発明における共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置は、支持基板と、支持基板が稼動環境の振動に応じて振動するように前記支持基板を固定するライニングシートと、圧電層と、前記支持基板に固定された固定式質量ブロックと、前記固定式質量ブロックに固定された可動式質量ブロックとを備えたことを特徴とする。   The piezoelectric vibration energy collecting device capable of adjusting the resonance frequency according to the present invention includes a support substrate, a lining sheet for fixing the support substrate so that the support substrate vibrates according to vibrations in an operating environment, a piezoelectric layer, and the support substrate. A fixed mass block fixed to the fixed mass block and a movable mass block fixed to the fixed mass block.

前記支持基板が圧電材料または非圧電材料からなり、前記支持基板が非圧電材料からなる場合には、少なくとも１つの圧電層が前記支持基板に固定される。   When the support substrate is made of a piezoelectric material or a non-piezoelectric material, and the support substrate is made of a non-piezoelectric material, at least one piezoelectric layer is fixed to the support substrate.

前記圧電層は、好ましくは、圧電単結晶、圧電セラミック（チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ））、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、ポリピニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）圧電膜またはその他の圧電性質を持つ材料とされる。 The piezoelectric layer preferably has a piezoelectric single crystal, a piezoelectric ceramic (lead zirconate titanate (PZT)), barium titanate (BaTiO 3 ), a polypinidene fluoride (PVDF) piezoelectric film or other piezoelectric properties. Made of material.

前記固定式質量ブロック及び前記可動式質量ブロックは、例えば、アルミニウム、銅またはステンレスとされる。   The fixed mass block and the movable mass block are, for example, aluminum, copper, or stainless steel.

好ましくは、前記可動式質量ブロックの密度は、前記固定式質量ブロックの密度よりも大きい。   Preferably, the density of the movable mass block is greater than the density of the fixed mass block.

好ましくは、前記固定式質量ブロックと前記可動式質量ブロックの中心線が前記支持基板の中心線と平行となっている。   Preferably, the center line of the fixed mass block and the movable mass block is parallel to the center line of the support substrate.

本発明によれば、稼動環境の振動によってエネルギー収集装置の支持基板が振動し、これにより支持基板上の圧電層に応力の作用下で電位差が発生し、振動エネルギーの電気エネルギーへの変換が実現される。また、本発明のエネルギー収集装置は、固定式質量ブロックと可動式質量ブロックとを組み合わせることによって比較的広い周波数の範囲内で精度よく固有周波数を調整することができるため、共振周波数を精度よく調整することが困難であった従来のエネルギー収集装置の欠点を克服し、さまざまな振動環境でエネルギーの収集能力を最大化することができる。   According to the present invention, the support substrate of the energy collecting device vibrates due to the vibration of the operating environment, thereby generating a potential difference in the piezoelectric layer on the support substrate under the action of stress and realizing the conversion of the vibration energy into electrical energy. Is done. In addition, the energy collection device of the present invention can adjust the natural frequency with high accuracy within a relatively wide frequency range by combining the fixed mass block and the movable mass block, so that the resonance frequency can be adjusted with high accuracy. Overcoming the shortcomings of conventional energy collection devices that were difficult to do and maximizing the ability to collect energy in various vibration environments.

以下に、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１及び図２には、本発明の一実施形態にかかるエネルギー収集装置が示されている。このエネルギー収集装置は、支持基板２と圧電層１とがライニングシート３を介して振動台４に固定されて振動台４から振動エネルギーを収集するようになっている。
ライニングシート３は、このライニングシート３に対して支持基板２を接着可能なように金属等の硬度の高い材料によって構成されている。また、ライニングシート３は、支持基板２と振動台４とが衝突することを避けるとともに、支持基板２と振動台４とが相対移動できるように十分な厚さを有している。
支持基板２の対向する上下両側に圧電層１が固定されている。支持基板２は、圧電層１を支持基板２に対して接着可能なようにプラスチックや金属またはその他の非圧電材料によって構成されてもよい。
稼動環境の振動により、圧電層１が支持基板２を介して相対運動して所定程度に湾曲し、これによって圧電層１に応力が発生する。その応力によって電荷が圧電層１に蓄積すると共に、圧電層１に電位差が形成され、それによって振動エネルギーの電気エネルギーへの変換が実現される。 1 and 2 show an energy collecting apparatus according to an embodiment of the present invention. In this energy collecting apparatus, the support substrate 2 and the piezoelectric layer 1 are fixed to the vibrating table 4 via the lining sheet 3, and the vibration energy is collected from the vibrating table 4.
The lining sheet 3 is made of a material having high hardness such as a metal so that the support substrate 2 can be bonded to the lining sheet 3. Further, the lining sheet 3 has a sufficient thickness so that the support substrate 2 and the vibration table 4 can be prevented from colliding and the support substrate 2 and the vibration table 4 can move relative to each other.
Piezoelectric layers 1 are fixed to the upper and lower sides of the support substrate 2 facing each other. The support substrate 2 may be made of plastic, metal, or other non-piezoelectric material so that the piezoelectric layer 1 can be bonded to the support substrate 2.
Due to the vibration of the operating environment, the piezoelectric layer 1 moves relative to the support substrate 2 to bend to a predetermined degree, and thereby stress is generated in the piezoelectric layer 1. Electric charges accumulate in the piezoelectric layer 1 due to the stress, and a potential difference is formed in the piezoelectric layer 1, thereby realizing conversion of vibration energy into electric energy.

支持基板２と圧電層１には、支持基板２の共振周波数を調整するために、固定式質量ブロック５及び可動式質量ブロック６が固定されている。
可動式質量ブロック６は、表面に雄ねじが形成された柱状体である。固定式質量ブロック５は、可動式質量ブロック６の表面に形成された雄ねじと螺合可能とされた雌ねじ穴が内部に形成されている。固定式質量ブロック５及び可動式質量ブロック６は、可動式質量ブロック６が弛まないように固定用ねじ７によって強固に固定されている。また、固定式質量ブロック５及び可動式質量ブロック６は、可動式質量ブロック６が弛まないように接着剤や溶接などによって固定するようにしてもよい。
支持基板２及び圧電層１に対する固定式質量ブロック５の固定位置は、支持基板２及び圧電層１の端部であってもよく、また、端部以外の場所であってもよい。可動式質量ブロック６を回して固定式質量ブロック５に対する相対位置を変化させることによって、支持基板２における可動式質量ブロック６の重心の相対位置を調整することができる。支持基板２の共振周波数を効果的に微調整できるように、固定式質量ブロック５と可動式質量ブロック６をアルミニウムや銅、ステンレスなどの金属で構成し、可動式質量ブロック６の密度を固定式質量ブロック５の密度より幾らか大きくしてもよい。固定式質量ブロック５と可動式質量ブロック６の協働作用により、支持基板２の共振周波数を比較的広い範囲内で精度よく調整することが可能である。 A fixed mass block 5 and a movable mass block 6 are fixed to the support substrate 2 and the piezoelectric layer 1 in order to adjust the resonance frequency of the support substrate 2.
The movable mass block 6 is a columnar body having a male screw formed on the surface. The fixed mass block 5 has a female screw hole formed therein so that it can be screwed into a male screw formed on the surface of the movable mass block 6. The fixed mass block 5 and the movable mass block 6 are firmly fixed by fixing screws 7 so that the movable mass block 6 does not loosen. Further, the fixed mass block 5 and the movable mass block 6 may be fixed by an adhesive or welding so that the movable mass block 6 does not loosen.
The fixed position of the fixed mass block 5 with respect to the support substrate 2 and the piezoelectric layer 1 may be the end of the support substrate 2 and the piezoelectric layer 1 or may be a place other than the end. By rotating the movable mass block 6 and changing the relative position with respect to the fixed mass block 5, the relative position of the center of gravity of the movable mass block 6 on the support substrate 2 can be adjusted. In order to effectively fine-tune the resonance frequency of the support substrate 2, the fixed mass block 5 and the movable mass block 6 are made of metal such as aluminum, copper, and stainless steel, and the density of the movable mass block 6 is fixed. It may be somewhat larger than the density of the mass block 5. By the cooperative action of the fixed mass block 5 and the movable mass block 6, the resonance frequency of the support substrate 2 can be adjusted with high accuracy within a relatively wide range.

図３には、本発明の他の実施形態にかかるエネルギー収集装置が示されている。このエネルギー収集装置は、支持基板２及び圧電層１の両端がライニングシート３を介して振動台４に固定されており、振動台４から振動エネルギーを収集するようになっている。
ライニングシート３は、これら２枚のライニングシート３上に支持基板２を接着可能なように金属など硬度の高い材料によって構成してもよい。また、２枚のライニングシートは、支持基板２と振動台４とが衝突することを避けるとともに、支持基板２と振動台４とが相対移動できるように十分な厚さを有していなければならない。
支持基板２の対向する両側に圧電層１が固定されている。支持基板２は、圧電層１を支持基板２に接着可能なようにプラスチックや金属またはその他の非圧電材料によって構成されてもよい。稼動環境の振動により、圧電層１が支持基板２を介して相対運動して所定程度に湾曲し、これによって圧電層１に応力が発生する。その応力によって電荷が圧電層１に蓄積すると共に、圧電層１に電位差が形成され、それによって振動エネルギーの電気エネルギーへの変換が実現される。 FIG. 3 shows an energy collecting device according to another embodiment of the present invention. In this energy collection device, both ends of the support substrate 2 and the piezoelectric layer 1 are fixed to the vibration table 4 via the lining sheet 3, and vibration energy is collected from the vibration table 4.
The lining sheet 3 may be made of a material having high hardness such as a metal so that the support substrate 2 can be bonded onto the two lining sheets 3. In addition, the two lining sheets must have sufficient thickness so that the support substrate 2 and the vibration table 4 can be prevented from colliding and the support substrate 2 and the vibration table 4 can move relative to each other. .
Piezoelectric layers 1 are fixed on opposite sides of the support substrate 2. The support substrate 2 may be made of plastic, metal, or other non-piezoelectric material so that the piezoelectric layer 1 can be bonded to the support substrate 2. Due to the vibration of the operating environment, the piezoelectric layer 1 moves relative to the support substrate 2 to bend to a predetermined degree, and thereby stress is generated in the piezoelectric layer 1. Electric charges accumulate in the piezoelectric layer 1 due to the stress, and a potential difference is formed in the piezoelectric layer 1, thereby realizing conversion of vibration energy into electric energy.

支持基板２及び圧電層１には、支持基板２の共振周波数を調整するために、固定式質量ブロック５及び可動式質量ブロック６が固定されている。
可動式質量ブロック６は、表面に雄ねじが形成されている柱状体である。固定式質量ブロック５は、可動式質量ブロック６の表面に形成された雄ねじと螺合可能とされた雌ねじ穴が内部に形成されている。固定式質量ブロック５と可動式質量ブロック６は、可動式質量ブロック６が弛まないように固定用ねじ７によって強固に固定されている。また、固定式質量ブロック５及び可動式質量ブロック６は、可動式質量ブロック６が弛まないように接着剤や溶接などによって固定するようにしてもよい。
固定式質量ブロック５が支持基板２に接着される。この接着箇所は、支持基板２の固定端部を除く任意の位置であってもよい。可動式質量ブロック６を回して固定式質量ブロック５に対する相対位置を変化させることによって、支持基板２における可動式質量ブロック６の相対位置を調整することができる。支持基板の共振周波数を効果的に微調整できるように、固定式質量ブロック５と可動式質量ブロック６をアルミニウムや銅、ステンレスなどの金属で構成し、可動式質量ブロック６の密度を固定式質量ブロック５の密度より幾らか大きくしてもよい。固定式質量ブロック５と可動式質量ブロック６の協働作用により、支持基板の共振周波数を比較的広い範囲内で精度よく調整することが可能である。 A fixed mass block 5 and a movable mass block 6 are fixed to the support substrate 2 and the piezoelectric layer 1 in order to adjust the resonance frequency of the support substrate 2.
The movable mass block 6 is a columnar body having a male screw formed on the surface. The fixed mass block 5 has a female screw hole formed therein so that it can be screwed into a male screw formed on the surface of the movable mass block 6. The fixed mass block 5 and the movable mass block 6 are firmly fixed by fixing screws 7 so that the movable mass block 6 does not loosen. Further, the fixed mass block 5 and the movable mass block 6 may be fixed by an adhesive or welding so that the movable mass block 6 does not loosen.
A fixed mass block 5 is bonded to the support substrate 2. This bonding location may be an arbitrary position excluding the fixed end portion of the support substrate 2. By rotating the movable mass block 6 and changing the relative position with respect to the fixed mass block 5, the relative position of the movable mass block 6 on the support substrate 2 can be adjusted. In order to effectively fine-tune the resonance frequency of the support substrate, the fixed mass block 5 and the movable mass block 6 are made of metal such as aluminum, copper, and stainless steel, and the density of the movable mass block 6 is fixed to the fixed mass. It may be somewhat larger than the density of block 5. By the cooperative action of the fixed mass block 5 and the movable mass block 6, the resonance frequency of the support substrate can be accurately adjusted within a relatively wide range.

圧電層１には、圧電単結晶、圧電セラミック（チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ））、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、ポリピニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）圧電膜またはその他の圧電性質を持つ材料が好適に用いられる。 The piezoelectric layer 1 includes a piezoelectric single crystal, a piezoelectric ceramic (lead zirconate titanate (PZT)), barium titanate (BaTiO 3 ), a polypinidene fluoride (PVDF) piezoelectric film, or other materials having piezoelectric properties. Preferably used.

共振周波数調整可能な簡易型圧電振動エネルギー収集装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the simple type piezoelectric vibration energy collection apparatus which can adjust a resonant frequency. 本発明の好ましい一実施形態を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a preferred embodiment of the present invention. 本発明の他の好ましい一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows other preferable embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１ 圧電層
２ 支持基板
３ ライニングシート
４ 振動台
５ 固定式質量ブロック
６ 可動式質量ブロック
７ 固定用ねじ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric layer 2 Support substrate 3 Lining sheet 4 Shaking table 5 Fixed mass block 6 Movable mass block 7 Fixing screw

Claims (6)

共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置において、
支持基板と、
該支持基板が稼動環境の振動に応じて振動するように該支持基板を固定するライニングシートと、
圧電層と、
前記支持基板に固定された固定式質量ブロックと、
前記固定式質量ブロックに固定された可動式質量ブロックと、
を備えたことを特徴とする共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置。 In the piezoelectric vibration energy collecting device with adjustable resonance frequency,
A support substrate;
A lining sheet for fixing the support substrate so that the support substrate vibrates according to the vibration of the operating environment;
A piezoelectric layer;
A fixed mass block fixed to the support substrate;
A movable mass block fixed to the fixed mass block;
A piezoelectric vibration energy collecting device capable of adjusting a resonance frequency. 請求項１に記載の共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置において、
前記支持基板が圧電材料または非圧電材料からなり、
前記支持基板が非圧電材料からなる場合には、少なくとも１つの圧電層が前記支持基板に固定されていることを特徴とする共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置。 The piezoelectric vibration energy collecting device according to claim 1, wherein the resonance frequency is adjustable.
The support substrate is made of a piezoelectric material or a non-piezoelectric material,
In the case where the support substrate is made of a non-piezoelectric material, at least one piezoelectric layer is fixed to the support substrate. 請求項１に記載の共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置において、
前記圧電層は、圧電単結晶、圧電セラミック（チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ））、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、またはポリピニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）圧電膜であることを特徴とする共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置。 The piezoelectric vibration energy collecting device according to claim 1, wherein the resonance frequency is adjustable.
The piezoelectric layer is a piezoelectric single crystal, a piezoelectric ceramic (lead zirconate titanate (PZT)), barium titanate (BaTiO 3 ), or a polypinylidene fluoride (PVDF) piezoelectric film. Adjustable piezoelectric vibration energy collection device. 請求項１に記載の共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置において、
前記固定式質量ブロックと前記可動式質量ブロックは、アルミニウム、銅、ステンレス、またはポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置。 The piezoelectric vibration energy collecting device according to claim 1, wherein the resonance frequency is adjustable.
The fixed mass block and the movable mass block are made of aluminum, copper, stainless steel, or polytetrafluoroethylene. 請求項１に記載の共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置において、
前記可動式質量ブロックの密度が前記固定式質量ブロックの密度よりも大きいことを特徴とする共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置。 The piezoelectric vibration energy collecting device according to claim 1, wherein the resonance frequency is adjustable.
The density of the movable mass block is larger than the density of the fixed mass block, and the resonance frequency adjustable piezoelectric vibration energy collecting device. 請求項１に記載の共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置において、
前記固定式質量ブロックと前記可動式質量ブロックの中心線が前記支持基板の中心線と重なることを特徴とする共振周波数調整可能な圧電振動エネルギー収集装置。 The piezoelectric vibration energy collecting device according to claim 1, wherein the resonance frequency is adjustable.
A piezoelectric vibration energy collecting apparatus capable of adjusting a resonance frequency, wherein center lines of the fixed mass block and the movable mass block overlap with a center line of the support substrate.
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