JP2011151954A - Oscillating generation device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oscillating generation device which can utilize a plurality of resonance frequencies, and has a novel technique of switching between power generation sources of different resonance frequencies. <P>SOLUTION: The oscillating generation device includes first and second cantilevers of different resonance frequencies disposed while aligning the oscillation directions and having a structure where a piezoelectric is sandwiched between counter electrodes respectively, a holding mechanism which holds the first and second cantilevers on a rotor, and a drawing electrode which is moved by a centrifugal force incident to rotation of the rotor and is switched between a state where it is connected electrically with the electrode of the first cantilever and a state where it is connected electrically with the electrode of the second cantilever. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、振動発電装置に関する。   The present invention relates to a vibration power generator.

従来、各種振動発電装置が提案されており、振動源の周波数における共振を用いることで、発電量を向上させる技術が提案されている。なお、振動発電装置は、振動により電圧を出力するので、振動を検出するセンサとしても利用できる。   Conventionally, various vibration power generation apparatuses have been proposed, and a technique for improving the amount of power generation by using resonance at the frequency of the vibration source has been proposed. Since the vibration power generator outputs a voltage by vibration, it can also be used as a sensor for detecting vibration.

しかし、振動源の周波数が時間的に変動し一定でない場合は、単一の共振周波数を利用する振動発電装置では、発電量の向上が難しい。そこで、複数の共振周波数を利用する振動発電装置が提案されている。しかし、共振周波数の切り替え制御に外部電源が必要となる。   However, when the frequency of the vibration source fluctuates with time and is not constant, it is difficult to improve the amount of power generated by the vibration power generation apparatus that uses a single resonance frequency. Therefore, a vibration power generation apparatus using a plurality of resonance frequencies has been proposed. However, an external power supply is required for resonance frequency switching control.

特開2002−369450号公報JP 2002-369450 A 特開平8−321642号公報JP-A-8-321642 特表2008−518573号公報Special table 2008-518573

本発明の一目的は、複数の共振周波数を利用可能であり、共振周波数の異なる発電源間の新規な切り替え技術を有する振動発電装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a vibration power generation apparatus that can use a plurality of resonance frequencies and has a novel switching technique between power generation sources having different resonance frequencies.

本発明の一観点によれば、それぞれ圧電体を対向電極で挟んだ構造を有し、共振周波数が互いに異なり、振動方向を揃えて配置された第1及び第2のカンチレバーと、前記第1及び第2のカンチレバーを、回転体に保持する保持機構と、前記回転体の回転に伴う遠心力により移動して、前記第1のカンチレバーの有する電極に電気的に接続する状態と、前記第2のカンチレバーの有する電極に電気的に接続する状態とが切り替わる引出電極とを有する振動発電装置が提供される。   According to one aspect of the present invention, first and second cantilevers each having a structure in which a piezoelectric body is sandwiched between counter electrodes, having different resonance frequencies and arranged in a uniform vibration direction, A holding mechanism for holding the second cantilever on the rotating body, a state in which the second cantilever is moved by a centrifugal force accompanying the rotation of the rotating body, and is electrically connected to an electrode of the first cantilever; There is provided a vibration power generation device having an extraction electrode that is switched to a state of being electrically connected to an electrode of a cantilever.

回転体の回転に伴う遠心力により、発電源である第1のカンチレバーと第2のカンチレバーとの間を切り替えることができる。   Switching between the first cantilever and the second cantilever which is the power generation source can be performed by the centrifugal force accompanying the rotation of the rotating body.

図1A及び図1Bは、それぞれ、本発明の第1実施例の振動発電装置と本発電装置が取り付けられた回転体の、概略正面図及び概略上面断面図(上面図)を示す。1A and 1B respectively show a schematic front view and a schematic top sectional view (top view) of a vibration power generation apparatus according to a first embodiment of the present invention and a rotating body to which the power generation apparatus is attached. 図1Cは、第1実施例の振動発電装置の概略側面断面図を示す。FIG. 1C is a schematic side cross-sectional view of the vibration power generator of the first embodiment. 図2Ap〜図2Dpは、発電構造体の製造工程を示す概略上面図であり、図2Af〜図2Dfは、発電構造体の製造工程を示す概略正面断面図であり、図2Dsは、発電構造体の製造工程を示す概略側面断面図である。2Ap to 2Dp are schematic top views showing the manufacturing process of the power generation structure, FIGS. 2Af to 2Df are schematic front sectional views showing the manufacturing process of the power generation structure, and FIG. 2Ds is the power generation structure. It is a schematic side sectional view showing the manufacturing process of. 図3は、第1応用例の振動発電装置のカンチレバーの長さに対する共振周波数の関係を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relationship of the resonance frequency with respect to the length of the cantilever of the vibration power generator of the first application example. 図4は、第1応用例の振動発電装置の回転の周波数と発生電圧との関係を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the frequency of rotation and the generated voltage of the vibration power generator of the first application example. 図5は、第2応用例の振動発電装置のカンチレバーの長さに対する共振周波数の関係を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the relationship of the resonance frequency with respect to the length of the cantilever of the vibration power generator of the second application example. 図6は、第2応用例の振動発電装置の回転の周波数と発生電圧との関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the rotation frequency and the generated voltage of the vibration power generator of the second application example. 図7A及び図7Bは、それぞれ、第1実施例の変形例の振動発電装置を示す概略正面図及び概略上面断面図である。7A and 7B are a schematic front view and a schematic top cross-sectional view, respectively, showing a vibration power generator according to a modification of the first embodiment. 図8A及び図8Bは、それぞれ、第2実施例の振動発電装置と本発電装置が取り付けられた回転体の、概略正面図及び概略上面図を示す。8A and 8B respectively show a schematic front view and a schematic top view of a rotating body to which the vibration power generation device of the second embodiment and the power generation device are attached.

まず、図1A〜図1Cを参照して、本発明の第1実施例による振動発電装置の構造及び動作について説明する。   First, the structure and operation of the vibration power generator according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A to 1C.

図1Aは、第1実施例の振動発電装置EG1、及び発電装置EG1が回転体50に取り付けられている状態の概略正面図を示す。図1Bは、図1Aの一点鎖線BBに沿った振動発電装置EG1の概略上面断面図(上から見た断面図)を示すとともに、発電装置EG1が回転体50に取り付けられている状態の概略上面図を示す。図1Cは、図1Aの一点鎖線CCに沿った振動発電装置EG1の概略側面断面図(横から見た断面図)を示す。なお、図1Aで、断面を示す一点鎖線BB、CCは、図の煩雑さを避けるため端部のみ示す。   FIG. 1A shows a schematic front view of the vibration power generation apparatus EG1 and the power generation apparatus EG1 of the first embodiment attached to the rotating body 50. FIG. FIG. 1B shows a schematic top cross-sectional view (a cross-sectional view seen from above) of the vibration power generation apparatus EG1 along the one-dot chain line BB in FIG. The figure is shown. FIG. 1C shows a schematic side cross-sectional view (cross-sectional view seen from the side) of the vibration power generator EG1 along the alternate long and short dash line CC in FIG. 1A. In FIG. 1A, alternate long and short dash lines BB and CC showing the cross section are shown only at the ends in order to avoid complication of the drawing.

図1A及び図1Bに示すように、振動発電装置EG1は、回転体50の回転軸50aに垂直な表面50p上に取り付けられている。回転体50の回転軸50aは、水平方向を向いており、表面50pは垂直面(鉛直面)をなす。回転体50は、動力源60(例えばエンジン)の動力を伝える回転部材であり、その回転運動から電力を取り出したい振動源である。   As shown in FIGS. 1A and 1B, the vibration power generator EG1 is mounted on a surface 50p perpendicular to the rotating shaft 50a of the rotating body 50. The rotating shaft 50a of the rotating body 50 faces the horizontal direction, and the surface 50p forms a vertical surface (vertical surface). The rotating body 50 is a rotating member that transmits power from a power source 60 (for example, an engine), and is a vibration source that wants to extract electric power from the rotational motion.

回転体50が静止した状態として説明を続ける。振動発電装置EG1は、複数の発電用カンチレバー1を有する。発電用カンチレバーを、単にカンチレバーと呼ぶこととする。各カンチレバー1は、長さ方向が、回転軸50aの方向に沿った水平方向を向き、幅方向が、回転軸50aの方向と交差した水平方向を向いており、振動方向が鉛直上下方向となる。振動方向を揃えた複数のカンチレバー1が、同一水平面上に平行に並んで配置されて、カンチレバー群CLが形成されている。   The description will be continued assuming that the rotating body 50 is stationary. The vibration power generator EG1 includes a plurality of power generation cantilevers 1. The power generation cantilever is simply called a cantilever. Each cantilever 1 has a length direction facing a horizontal direction along the direction of the rotation shaft 50a, a width direction facing a horizontal direction intersecting the direction of the rotation shaft 50a, and a vibration direction being a vertical vertical direction. . A plurality of cantilevers 1 having the same vibration direction are arranged in parallel on the same horizontal plane to form a cantilever group CL.

図示の実施例では、カンチレバー群CLが、7本のカンチレバー1a〜1gで形成される。中央のカンチレバー1dが最も長い。中央のカンチレバー1dの左右に配置された残りのカンチレバー1a〜1c、1e〜1gは、中央のカンチレバー1dから離れるほど短くなるように、中央のカンチレバー1dに対して左右対称な形状で配置されている。   In the illustrated embodiment, the cantilever group CL is formed by seven cantilevers 1a to 1g. The center cantilever 1d is the longest. The remaining cantilevers 1a to 1c and 1e to 1g arranged on the left and right of the central cantilever 1d are arranged in a symmetrical shape with respect to the central cantilever 1d so as to become shorter as the distance from the central cantilever 1d increases. .

なお、カンチレバー群CLは、複数のカンチレバー1が根元の部分でつながって、一体的に形成されている。複数のカンチレバー1が一体的に形成された発電構造体100の製造方法について、図2を参照して後述する。図1Bは、カンチレバー1の高さでの上面断面図を示すが、理解を容易にするため、発電構造体100の部分は断面図でなく上面図で示している。   The cantilever group CL is integrally formed by connecting a plurality of cantilevers 1 at the base portion. A method for manufacturing the power generation structure 100 in which the plurality of cantilevers 1 are integrally formed will be described later with reference to FIG. FIG. 1B shows a top cross-sectional view at the height of the cantilever 1, but for the sake of easy understanding, a portion of the power generation structure 100 is shown in a top view instead of a cross-sectional view.

図1Cは、中央のカンチレバー1dを通る側面断面図である。中央のカンチレバー1dを代表として、カンチレバー1の構造と、発電の仕組みについて説明する(他のカンチレバーについても同様である)。   FIG. 1C is a side cross-sectional view through the center cantilever 1d. The structure of the cantilever 1 and the mechanism of power generation will be described using the central cantilever 1d as a representative (the same applies to other cantilevers).

カンチレバー1は、支持層1sと、圧電体層1pと、上下電極層1eu、1edを含む。支持層1sは、例えばシリコンを用いて形成され、カンチレバー先端部で厚くなり錘部1swを形成する。圧電体層1pは、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)により、支持層1s上に形成される。   The cantilever 1 includes a support layer 1s, a piezoelectric layer 1p, and upper and lower electrode layers 1eu and 1ed. The support layer 1s is formed using, for example, silicon, and is thickened at the tip of the cantilever to form the weight portion 1sw. The piezoelectric layer 1p is formed on the support layer 1s by, for example, lead zirconate titanate (PZT).

下側電極1edが、支持層1s上に、支持層1sと圧電体層1pの間に介在して配置され、上側電極1euが、下側電極1edに対向して圧電体層1p上に配置され、上下電極層1eu、1edが、圧電体層1pを挟む。カンチレバー1が上下方向(電極の対向方向)に振動することにより、圧電体層1pが歪んで、上下電極1eu、1ed間に交流電圧が発生する。なお、錘部がなくとも、カンチレバーの自重により、振動発電を行うことは可能である。   The lower electrode 1ed is disposed on the support layer 1s between the support layer 1s and the piezoelectric layer 1p, and the upper electrode 1eu is disposed on the piezoelectric layer 1p so as to face the lower electrode 1ed. The upper and lower electrode layers 1eu and 1ed sandwich the piezoelectric layer 1p. When the cantilever 1 vibrates in the vertical direction (opposite direction of the electrodes), the piezoelectric layer 1p is distorted and an alternating voltage is generated between the upper and lower electrodes 1eu and 1ed. Even if there is no weight part, it is possible to perform vibration power generation by the weight of the cantilever.

特に図1Aに示されるように、振動発電装置EG1は、複数のリング電極2を含むリング電極群REを有する。各リング電極2は、例えばステンレス製であり、リング形状を有する。カンチレバー群CLが、リング電極群REに取り付けられており、各カンチレバー1が、対応するリング電極2に電気的に接続されている。なお、電気的な接続を、以下単に接続と呼ぶこともある。   In particular, as illustrated in FIG. 1A, the vibration power generator EG1 includes a ring electrode group RE including a plurality of ring electrodes 2. Each ring electrode 2 is made of, for example, stainless steel and has a ring shape. The cantilever group CL is attached to the ring electrode group RE, and each cantilever 1 is electrically connected to the corresponding ring electrode 2. The electrical connection may be simply referred to as connection hereinafter.

特に図1Cに示されるように、カンチレバー1の根元で、上側電極1euが、対応するリング電極2に接続されている。下側電極1edは、リング電極2から離れて配置されて、リング電極2と絶縁されており、基準電位を与える。   In particular, as shown in FIG. 1C, the upper electrode 1 eu is connected to the corresponding ring electrode 2 at the base of the cantilever 1. The lower electrode 1ed is disposed away from the ring electrode 2, is insulated from the ring electrode 2, and provides a reference potential.

支持層1sの根元部分1srは、すべてのカンチレバー1でつながっている。特に図1Bに示されるように、左右両端のカンチレバー1a、1gのさらに外側の根元部分1srに、下側電極1edの露出部10dが形成されており、基準電位が外部に取り出される。   The base portion 1 sr of the support layer 1 s is connected by all the cantilevers 1. In particular, as shown in FIG. 1B, an exposed portion 10d of the lower electrode 1ed is formed on the further outer base portion 1sr of the left and right cantilevers 1a and 1g, and the reference potential is extracted to the outside.

図示の実施例では、リング電極群REが、同心に配置された4つのリング電極2a〜2dで形成される。ただし、最も中心側の(中央の)リング電極2aは、中心に穴の開いたリング形状ではなく、中心のふさがった円板形状であるが、他のリング電極2b〜2dと共通の名称で呼ぶこととする。   In the illustrated embodiment, the ring electrode group RE is formed by four ring electrodes 2a to 2d arranged concentrically. However, the most central (center) ring electrode 2a is not in the shape of a ring with a hole in the center, but in the shape of a disk with a closed center, but is called with the same name as the other ring electrodes 2b to 2d. I will do it.

中央のリング電極2aに、中央のカンチレバー1dが接続される。中央のリング電極2aから1つ外側のリング電極2bに、中央のカンチレバー1dから1つ左右外側に配置されたカンチレバー1c、1eが共通に接続される。リング電極2bから1つ外側のリング電極2cに、カンチレバー1c、1eからそれぞれ1つ左右外側に配置されたカンチレバー1b、1fが共通に接続される。最も外側のリング電極2dに、最も左右外側に配置されたカンチレバー1a、1gが共通に接続される。つまり、左右対称に配置され、長さの等しい2本のカンチレバー1が、共通のリング電極2に接続されている。   A central cantilever 1d is connected to the central ring electrode 2a. Cantilevers 1c and 1e disposed on the left and right outer sides from the central cantilever 1d are connected in common to the outer ring electrode 2b from the central ring electrode 2a. Cantilevers 1b and 1f disposed on the left and right outer sides of cantilevers 1c and 1e, respectively, are connected in common to ring electrode 2c that is one outer side from ring electrode 2b. Cantilevers 1a and 1g disposed on the outermost left and right sides are commonly connected to the outermost ring electrode 2d. That is, two cantilevers 1 that are arranged symmetrically and have the same length are connected to a common ring electrode 2.

最も外側のリング電極2dを囲む枠状の内側ケーシング部材3が、リング電極群RE及びカンチレバー群CLを保持する。内側ケーシング部材3が、ベアリングボール5を用いたボールベアリング機構により、外側ケーシング部材4に回動自在に保持される。   A frame-shaped inner casing member 3 surrounding the outermost ring electrode 2d holds the ring electrode group RE and the cantilever group CL. The inner casing member 3 is rotatably held by the outer casing member 4 by a ball bearing mechanism using the bearing balls 5.

左右対称な形状で配置されたカンチレバー1が、重力に対するバランス構造を形成することにより、内側ケーシング部材3に取り付けられたカンチレバー群CLは、水平な姿勢を保つことができる。   When the cantilevers 1 arranged in a symmetrical shape form a balance structure against gravity, the cantilever group CL attached to the inner casing member 3 can maintain a horizontal posture.

外側ケーシング部材4が、回転体50の表面50pの縁近傍に(回転軸50aから離れた位置に)取り付けられている。回転体50が回転すると、振動発電装置EG1も、全体として回転軸50aの周りに回転する。   The outer casing member 4 is attached in the vicinity of the edge of the surface 50p of the rotating body 50 (at a position away from the rotating shaft 50a). When the rotating body 50 rotates, the vibration power generator EG1 also rotates around the rotation shaft 50a as a whole.

しかし、ボールベアリング機構による保持と、バランス構造により、回転体50が回転しても、カンチレバー群CLは、水平な姿勢を保つことができる。従って、回転体50の回転中も振動方向を鉛直上下方向に保ったまま、各カンチレバー1を、回転の周波数で振動させることができる。   However, the cantilever group CL can maintain a horizontal posture even when the rotating body 50 rotates due to the holding by the ball bearing mechanism and the balance structure. Therefore, each cantilever 1 can be vibrated at the frequency of rotation while maintaining the vibration direction in the vertical vertical direction even while the rotating body 50 is rotating.

回転体50として、所望の回転数(周波数)範囲内で、回転数を変化させるものを想定している。回転数が、あるカンチレバー1の共振周波数に等しいとき、最も効果的にこのカンチレバー1を振動させることができて、良好な振動発電が行われる。回転体50の回転数範囲内に含まれる複数の異なる周波数が、共振周波数となるように、各カンチレバー1の長さ等が選択されている。カンチレバー1が長いほど、共振周波数は低くなる。最も長いカンチレバー1d〜最も短いカンチレバー1a及び1gの、それぞれの共振周波数を、F1〜F4とする。   The rotating body 50 is assumed to change the rotation speed within a desired rotation speed (frequency) range. When the number of rotations is equal to the resonance frequency of a certain cantilever 1, this cantilever 1 can be vibrated most effectively and good vibration power generation is performed. The length and the like of each cantilever 1 are selected so that a plurality of different frequencies included in the rotation speed range of the rotating body 50 become resonance frequencies. The longer the cantilever 1 is, the lower the resonance frequency is. Resonant frequencies of the longest cantilever 1d to the shortest cantilevers 1a and 1g are F1 to F4.

振動発電装置EG1は、さらに、引出電極機構EEを有する。引出電極機構EEは、引出電極6とバネ機構7を含む。リング電極群REの裏面(カンチレバー群取付側と反対側の面)と、それに対向する外側ケーシング部材4の内面との間に、引出電極6が、リング電極2と接触可能に配置されている。   The vibration power generator EG1 further includes an extraction electrode mechanism EE. The extraction electrode mechanism EE includes an extraction electrode 6 and a spring mechanism 7. An extraction electrode 6 is disposed between the back surface of the ring electrode group RE (the surface opposite to the cantilever group mounting side) and the inner surface of the outer casing member 4 facing the ring electrode group RE so as to be in contact with the ring electrode 2.

引出電極6は、外側ケーシング部材4に、導電性のバネ7sを含むバネ機構7を介して、移動可能に取り付けられている。バネ7sは、引出電極6に対して、回転体50の回転軸50a側に取り付けられている。バネ機構7は、引出電極6の移動方向を回転体50の半径方向に制限するガイド構造を含んでもよい。なお、回転体50の半径方向を、以下単に、半径方向と呼ぶこともある。   The extraction electrode 6 is movably attached to the outer casing member 4 via a spring mechanism 7 including a conductive spring 7s. The spring 7 s is attached to the rotating shaft 50 a side of the rotating body 50 with respect to the extraction electrode 6. The spring mechanism 7 may include a guide structure that restricts the moving direction of the extraction electrode 6 in the radial direction of the rotating body 50. The radial direction of the rotating body 50 may be simply referred to as a radial direction hereinafter.

回転体50が回転すると、引出電極6は遠心力を受け、バネ7sの弾性力と釣り合う位置まで、半径方向に移動する。リング電極群REの中心を、引出電極6の移動方向が通るように、リング電極群REが配置されている(引出電極6は、回転体50の回転の中心とリング電極2の中心を結ぶ半径方向に沿って、遠心力により移動する)。   When the rotating body 50 rotates, the extraction electrode 6 receives a centrifugal force and moves in the radial direction to a position that balances with the elastic force of the spring 7s. The ring electrode group RE is arranged so that the moving direction of the extraction electrode 6 passes through the center of the ring electrode group RE (the extraction electrode 6 has a radius connecting the rotation center of the rotating body 50 and the center of the ring electrode 2). Move along the direction by centrifugal force).

回転体50が、周波数F1で回転するとき、リング電極2aに接触する位置に引出電極6が配置される。回転の周波数がF2に上昇したとき、引出電極6は、半径方向外側に移動して、リング電極2aの外側に隣接するリング電極2bに接触する位置に配置される。同様にして、回転の周波数F3、F4のとき、それぞれ、リング電極2c、2dに接触する位置に引出電極6が配置される。周波数F1〜F4で、それぞれ、リング電極2a〜2dに接触する位置に引出電極6が配置されるように、バネ7のバネ定数、リング電極2の幅、及び隣接リング電極2同士の間隔が選択されている。なお、バネそのものを使わなくとも、同等なバネ定数に相当する弾性係数を持った弾性材料を、バネ部材として利用することもできる。   When the rotating body 50 rotates at the frequency F1, the extraction electrode 6 is disposed at a position in contact with the ring electrode 2a. When the frequency of rotation rises to F2, the extraction electrode 6 moves to the outside in the radial direction and is disposed at a position in contact with the ring electrode 2b adjacent to the outside of the ring electrode 2a. Similarly, at the rotation frequencies F3 and F4, the extraction electrode 6 is disposed at a position where it contacts the ring electrodes 2c and 2d, respectively. The spring constant of the spring 7, the width of the ring electrode 2, and the interval between adjacent ring electrodes 2 are selected so that the extraction electrode 6 is disposed at a position in contact with the ring electrodes 2 a to 2 d at frequencies F1 to F4, respectively. Has been. Note that an elastic material having an elastic coefficient corresponding to an equivalent spring constant can be used as the spring member without using the spring itself.

このようにして、あるカンチレバー1の共振周波数の回転数のとき、このカンチレバー1に接続されたリング電極2に引出電極6を接触させて、このカンチレバー1の出力電圧を引出電極6に取り出すことができる。出力電圧を取り出すカンチレバー1の切り替えは、回転体50の回転数変化に応じた遠心力の変化により自動的に行われるので、カンチレバー切り替え制御のための電源を必要としない。   In this way, when the rotation speed of the resonance frequency of a certain cantilever 1 is, the extraction electrode 6 is brought into contact with the ring electrode 2 connected to the cantilever 1 and the output voltage of the cantilever 1 can be taken out to the extraction electrode 6. it can. Switching of the cantilever 1 for extracting the output voltage is automatically performed by a change in centrifugal force according to a change in the number of rotations of the rotating body 50, so that a power source for cantilever switching control is not required.

上述のように、外側ケーシング部材4は、回転体50に固定されて回転するのに対し、内側ケーシング部材3は、カンチレバー群CLの水平な姿勢を保つ。つまり、内側ケーシング部材3(及びそれに取り付けられた部材)は、回転体50、外側ケーシング部材4(及びそれに取り付けられた部材)に対して相対的に、回転体50の回転方向と反対向きに、回転体50の回転の周波数で回転する。   As described above, the outer casing member 4 is fixed to the rotating body 50 and rotates, whereas the inner casing member 3 maintains the horizontal posture of the cantilever group CL. That is, the inner casing member 3 (and the member attached thereto) is relatively opposite to the rotating body 50 and the outer casing member 4 (and members attached thereto) in the direction opposite to the rotating direction of the rotating body 50, The rotating body 50 rotates at the frequency of rotation.

一方、回転体50、外側ケーシング部材4(及びそれに取り付けられた部材)は、内側ケーシング部3(及びそれに取り付けられた部材)に対して相対的に、回転体50の回転方向に、回転体50の回転の周波数で回転する。   On the other hand, the rotating body 50 and the outer casing member 4 (and members attached thereto) are arranged in the rotational direction of the rotating body 50 relative to the inner casing portion 3 (and members attached thereto). Rotate at the frequency of rotation.

外側ケーシング部材4(及びそれに取り付けられた部材)と内側ケーシング部3(及びそれに取り付けられた部材)との相対的な回転動作の中心が、リング電極群REの中心と揃うように、リング電極群REが配置されている。   The ring electrode group so that the center of the relative rotational movement between the outer casing member 4 (and the member attached thereto) and the inner casing portion 3 (and the member attached thereto) is aligned with the center of the ring electrode group RE. RE is arranged.

従って、回転体50の回転中、あるリング電極2に接触している引出電極6は、接触状態を保ったまま、このリング電極2上を、周方向に、回転体50の回転と同じ向きで移動する(引出電極6の配置された半径方向位置に、リング電極2の存在する状態が保たれる)。なお、中央のリング電極2aは、引出電極6のリング電極群REに対する相対的な回転の中心に位置するので、引出電極6は、中央のリング電極2aに接触している場合は移動しない。このように、リング電極2をリング形状としたことにより、回転体50の回転に伴い引出電極6が移動しても、リング電極2との接触を保って、出力電圧を取り出すことができる。   Therefore, during the rotation of the rotating body 50, the extraction electrode 6 that is in contact with a certain ring electrode 2 is maintained in the contact state in the circumferential direction in the same direction as the rotation of the rotating body 50. It moves (the state in which the ring electrode 2 exists is maintained at the radial position where the extraction electrode 6 is disposed). Since the center ring electrode 2a is located at the center of rotation of the extraction electrode 6 relative to the ring electrode group RE, the extraction electrode 6 does not move when it is in contact with the center ring electrode 2a. Thus, by making the ring electrode 2 into a ring shape, even if the extraction electrode 6 moves as the rotating body 50 rotates, the output voltage can be extracted while maintaining contact with the ring electrode 2.

以上説明したように、回転体50に対する相対的な回転動作の中心にリング電極群REの中心が配置され、引出電極が、回転体50の回転中心とリング電極2の中心を結ぶ半径方向に沿って移動することにより、リング電極2の切り替えが良好に行われるとともに、引出電極6のリング電極2への接触状態が、回転中良好に維持される。   As described above, the center of the ring electrode group RE is arranged at the center of the rotation operation relative to the rotating body 50, and the extraction electrode extends along the radial direction connecting the rotation center of the rotating body 50 and the center of the ring electrode 2. Thus, the ring electrode 2 can be switched well, and the contact state of the extraction electrode 6 with the ring electrode 2 is maintained well during rotation.

リング電極2b〜2dには、それぞれ、共振周波数の等しい2本ずつのカンチレバー1c及び1e、1b及び1f、1a及び1gが接続されている。共通の周波数で2本のカンチレバー1が共振するので、1本のカンチレバー1だけが振動する場合に比べて、発電電力を増やせる。   Two cantilevers 1c and 1e, 1b and 1f, 1a and 1g having the same resonance frequency are connected to the ring electrodes 2b to 2d, respectively. Since the two cantilevers 1 resonate at a common frequency, the generated power can be increased as compared with the case where only one cantilever 1 vibrates.

カンチレバー群CLにおける、カンチレバー1の左右対称な配置は、水平なバランスを取るのに寄与するのみならず、共振周波数の等しいカンチレバー1が左右に2本配置されることで、発電電力の増加に寄与する。   The symmetrical arrangement of the cantilevers 1 in the cantilever group CL not only contributes to achieving a horizontal balance, but also contributes to an increase in generated power by arranging two cantilevers 1 having the same resonance frequency on the left and right. To do.

なお、回転の周波数がF1より低い状態では、引出電極6が、中央のリング電極2aよりも半径方向内側に配置され、例えば、リング電極2bに接触する。しかし、周波数がF1より低い状態では、リング電極2bに接続されたカンチレバー1c、1eの共振は起こらず、出力電圧は共振時に比べて少ない。   In the state where the frequency of rotation is lower than F1, the extraction electrode 6 is disposed radially inward of the center ring electrode 2a and contacts, for example, the ring electrode 2b. However, in a state where the frequency is lower than F1, resonance of the cantilevers 1c and 1e connected to the ring electrode 2b does not occur, and the output voltage is smaller than that at the time of resonance.

本実施例の振動発電装置EG1は、特に、周波数F1〜F4程度の回転数範囲において、異なる複数の周波数でカンチレバー1の共振が利用できることにより、1本のカンチレバーのみ用いる場合に比べて、この範囲の平均出力電圧を高めることができる。   The vibration power generation apparatus EG1 of the present embodiment has this range compared to the case where only one cantilever is used because the resonance of the cantilever 1 can be used at a plurality of different frequencies, particularly in the rotation speed range of the frequencies F1 to F4. The average output voltage can be increased.

バネ7sのバネ部分と外側ケーシング部材4の取付部との間に、補助引出電極8が配置されている。補助引出電極8は、半径方向の位置が固定されている。   An auxiliary extraction electrode 8 is disposed between the spring portion of the spring 7 s and the mounting portion of the outer casing member 4. The auxiliary extraction electrode 8 has a fixed radial position.

内側ケーシング部材3の、補助引出電極8と接触する位置に、補助リング電極9が配置されている。補助引出電極8は、回転体50の回転により、補助リング電極9との接触を保ったまま、補助リング電極9上を周方向に移動する。補助リング電極9が、内側ケーシング部材3の表側(カンチレバー群側)の面上に配置された端子電極10uに接続されている。   An auxiliary ring electrode 9 is disposed at a position of the inner casing member 3 that contacts the auxiliary extraction electrode 8. The auxiliary extraction electrode 8 moves on the auxiliary ring electrode 9 in the circumferential direction while maintaining contact with the auxiliary ring electrode 9 by the rotation of the rotating body 50. The auxiliary ring electrode 9 is connected to a terminal electrode 10 u disposed on the front side (cantilever group side) surface of the inner casing member 3.

カンチレバー1の上側電極1euの電位は、リング電極2、引出電極6、バネ7、補助引出電極8、及び補助リング電極9を経て、端子電極10uから取り出されて、配線11uを介して制御ユニット12に供給される。一方、下側電極1edの電位は、下側電極1edの露出部10dから取り出されて、配線11dを介して制御ユニット12に供給される。   The potential of the upper electrode 1eu of the cantilever 1 is taken out from the terminal electrode 10u through the ring electrode 2, the extraction electrode 6, the spring 7, the auxiliary extraction electrode 8, and the auxiliary ring electrode 9, and is controlled via the wiring 11u. To be supplied. On the other hand, the potential of the lower electrode 1ed is taken out from the exposed portion 10d of the lower electrode 1ed and supplied to the control unit 12 via the wiring 11d.

制御ユニット12は、生成された交流の整流回路、蓄電池、各種センサ等、必要に応じて各種の電気回路を含む。制御ユニット12は、カンチレバー群CLの下方で、リング電極群REに取り付けられており、リング電極群RE及びカンチレバー群CLとともに、内側ケーシング部材3に保持される。カンチレバー群CLで発電した電力を、内側ケーシング部材3に保持された制御ユニット12内で利用することにより、内側ケーシング部材3の外部に電力を取り出す配線を形成する煩雑さが避けられる。   The control unit 12 includes various electric circuits as necessary, such as the generated AC rectifier circuit, storage battery, and various sensors. The control unit 12 is attached to the ring electrode group RE below the cantilever group CL, and is held by the inner casing member 3 together with the ring electrode group RE and the cantilever group CL. By using the electric power generated by the cantilever group CL in the control unit 12 held by the inner casing member 3, the trouble of forming wiring for extracting electric power to the outside of the inner casing member 3 can be avoided.

制御ユニット12は、また、カンチレバー群CLの水平な姿勢を維持するための錘も兼ね、バランス構造の一部として機能する(このように、内側ケーシング部材3に取り付けられた部材、及び内側ケーシング部材3が、全体として、カンチレバー振動方向を鉛直上下方向とするような、重力に対するバランス構造を形成する)。   The control unit 12 also serves as a weight for maintaining the horizontal posture of the cantilever group CL, and functions as a part of the balance structure (in this way, the member attached to the inner casing member 3 and the inner casing member 3 forms a balance structure against gravity so that the cantilever vibration direction is the vertical vertical direction as a whole).

次に、図2を参照して、発電構造体100の製造方法について説明する。なお、図示の単純化のため、左側から右側に順に短くなる4本のカンチレバー1で形成されたカンチレバー群CLの製造方法を例示するが、図1A〜図1Cを参照して説明した形状のカンチレバー群CLも、同様にして製造することができる。   Next, with reference to FIG. 2, the manufacturing method of the electric power generation structure 100 is demonstrated. For the sake of simplicity of illustration, a method for manufacturing a cantilever group CL formed of four cantilevers 1 that are shortened in order from the left side to the right side is illustrated. The cantilever having the shape described with reference to FIGS. 1A to 1C The group CL can be manufactured in the same manner.

図2A〜図2Dについて、上面図に「p」を付し、正面断面図(正面方向から見た断面図)に「f」を付す。正面断面図は、図2Apに一点鎖線FFで示すように、カンチレバー1の上側電極1euの途中の長さで切った断面図である。図2Dpは、完成した発電構造体100の上面図を示す。   About FIG. 2A-FIG. 2D, "p" is attached | subjected to a top view, and "f" is attached to front sectional drawing (sectional drawing seen from the front direction). The front cross-sectional view is a cross-sectional view cut by a length in the middle of the upper electrode 1eu of the cantilever 1 as shown by a one-dot chain line FF in FIG. 2Ap. FIG. 2Dp shows a top view of the completed power generation structure 100.

図2Ap及び図2Afを参照する。酸化シリコン層61、シリコン層62、酸化シリコン層63、シリコン層64、及び酸化シリコン層65が積層されたSOI基板60を準備する。SOI基板60の酸化シリコン層65上に、Tiをスパッタリングで例えば厚さ10nm堆積し、その上にPtをスパッタリングで例えば厚さ100nm堆積する。Pt/Ti層をエッチングでパターニングして、下側電極1edを形成する。   Please refer to FIG. 2Ap and FIG. 2Af. An SOI substrate 60 in which a silicon oxide layer 61, a silicon layer 62, a silicon oxide layer 63, a silicon layer 64, and a silicon oxide layer 65 are stacked is prepared. On the silicon oxide layer 65 of the SOI substrate 60, Ti is deposited by sputtering, for example, to a thickness of 10 nm, and Pt is deposited thereon by sputtering, for example, by a thickness of 100 nm. The Pt / Ti layer is patterned by etching to form the lower electrode 1ed.

下側電極1euは、すべてのカンチレバー1に共通で、カンチレバー1の幅方向について、左右両端のカンチレバー1の両端にはみ出す長さで形成される。カンチレバー1の長さ方向について、カンチレバー先端側の端は、上側電極1euと対向するように、例えば、上側電極1euの端と同程度の位置に形成される(これ以上長くてもよい)。ただし、下側電極1edのカンチレバー根元側の端は、図1Cを参照して説明したように、リング電極との接触を避けるため、カンチレバー根元に露出しない位置に形成される。   The lower electrode 1eu is common to all the cantilevers 1 and is formed with a length that protrudes from both ends of the left and right cantilevers 1 in the width direction of the cantilever 1. With respect to the length direction of the cantilever 1, the end on the tip end side of the cantilever 1 is formed, for example, at the same position as the end of the upper electrode 1eu so as to face the upper electrode 1eu (may be longer than this). However, as described with reference to FIG. 1C, the end of the lower electrode 1ed on the cantilever root side is formed at a position where it is not exposed to the cantilever root in order to avoid contact with the ring electrode.

次に、下側電極1edを覆って、酸化シリコン層65上に、PZTをスパッタリングで例えば厚さ2μm堆積して、圧電体層1pを形成する。次に、SOI基板60の裏面側の酸化シリコン膜61を、エッチングで全面除去する。なお、酸化シリコン膜61を除去した後のSOI基板60も、SOI基板60と呼ぶこととする。   Next, covering the lower electrode 1ed, PZT is deposited on the silicon oxide layer 65 by sputtering, for example, to a thickness of 2 μm to form the piezoelectric layer 1p. Next, the entire surface of the silicon oxide film 61 on the back side of the SOI substrate 60 is removed by etching. Note that the SOI substrate 60 after the silicon oxide film 61 is removed is also referred to as an SOI substrate 60.

次に、圧電体層1p上に、各カンチレバー1の上側電極1euに対応した開口形状を持つレジストパターンを形成し、Ptをスパッタリングで例えば厚さ100nm堆積し、リフトオフにより、上側電極1euを形成する。上側電極1euのカンチレバー根元側の端は、図1Cを参照して説明したように、リング電極と接触させるため、カンチレバー根元に達するように形成される。   Next, a resist pattern having an opening shape corresponding to the upper electrode 1eu of each cantilever 1 is formed on the piezoelectric layer 1p, Pt is deposited to a thickness of, for example, 100 nm by sputtering, and the upper electrode 1eu is formed by lift-off. . As described with reference to FIG. 1C, the end of the upper electrode 1eu on the cantilever root side is formed so as to reach the cantilever root in order to contact the ring electrode.

図2Bp及び図2Bfを参照する。次に、圧電体層1p上に、発電構造体100の外形に沿った溝状の開口、及び、下側電極1edの露出部10dに対応する開口を有するレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとし、圧電体層1pをエッチングして、圧電体層1pに、発電構造体100の外形に沿った溝(破線で示す)を形成するとともに、下側電極1edの露出部10dを形成する。下側電極1edの露出部10dは、左右両端のカンチレバー1のさらに外側に配置される。エッチング後、レジストパターンを除去する。   Please refer to FIG. 2Bp and FIG. 2Bf. Next, a resist pattern having a groove-shaped opening along the outer shape of the power generation structure 100 and an opening corresponding to the exposed portion 10d of the lower electrode 1ed is formed on the piezoelectric layer 1p. Using this resist pattern as a mask, the piezoelectric layer 1p is etched to form grooves (indicated by broken lines) along the outer shape of the power generation structure 100 in the piezoelectric layer 1p, and the exposed portion 10d of the lower electrode 1ed. Form. The exposed portion 10d of the lower electrode 1ed is disposed further outside the cantilevers 1 at both the left and right ends. After the etching, the resist pattern is removed.

図2Cp及び図2Cfを参照する。次に、SOI基板60の裏面上に、カンチレバー先端の錘部1sw、カンチレバー根元部1sr、及び、発電構造体100の外側の不要部分を覆うレジストパターン(斜線で示す)を形成する。このレジストパターンをマスクとし、エッチングにより露出部のシリコン層62を除去して、シリコン層64によるカンチレバー支持層1sを残す。エッチングされないシリコン層62が、錘部1swと根元部1srを形成する。エッチング後、レジストパターンを除去する。   Please refer to FIG. 2Cp and FIG. 2Cf. Next, a resist pattern (indicated by hatching) is formed on the back surface of the SOI substrate 60 to cover the weight portion 1sw at the tip of the cantilever, the cantilever base portion 1sr, and an unnecessary portion outside the power generation structure 100. Using this resist pattern as a mask, the exposed silicon layer 62 is removed by etching, leaving the cantilever support layer 1 s made of the silicon layer 64. The unetched silicon layer 62 forms the weight portion 1sw and the root portion 1sr. After the etching, the resist pattern is removed.

図2Dp及び図2Dfを参照する。次に、レーザ加工機により、不要部分を切断して、発電構造体100を分離する。隣接するカンチレバー1の間は、根元部1srを残して分離される。なお、圧電体層1pには、レーザ切断による熱の影響を抑えるため既にエッチングで溝を形成している。SOI基板60と下側電極1edが、レーザにより切断される。   Please refer to FIG. 2Dp and FIG. 2Df. Next, unnecessary portions are cut by a laser processing machine to separate the power generation structure 100. Adjacent cantilevers 1 are separated leaving a root portion 1sr. Note that grooves are already formed in the piezoelectric layer 1p by etching in order to suppress the influence of heat due to laser cutting. The SOI substrate 60 and the lower electrode 1ed are cut by a laser.

図2Dsは、図2Dpに一点鎖線SSで示すように、カンチレバー1の幅方向の途中を通る側面断面図である。このようにして、カンチレバー群CLを一体的に形成した発電構造体100が形成される。   2Ds is a side cross-sectional view passing in the middle of the cantilever 1 in the width direction as indicated by a one-dot chain line SS in FIG. 2Dp. In this way, the power generation structure 100 in which the cantilever group CL is integrally formed is formed.

次に、第1実施例の振動発電装置を用いた第1応用例について検討する。第1応用例は、回転体として、自動車のエンジンの動力を伝える回転部材を想定し、実施例の振動発電装置を、エンジン部の異常発熱を検知する検知装置の電源として利用することを想定している。制御ユニットは、熱センサ及び無線機を含み、熱センサで検知した温度の情報を、無線機で外部の制御回路に送信する。   Next, a first application example using the vibration power generator of the first embodiment will be examined. The first application example assumes a rotating member that transmits the power of an automobile engine as a rotating body, and assumes that the vibration power generation device of the embodiment is used as a power source of a detection device that detects abnormal heat generation in the engine unit. ing. The control unit includes a heat sensor and a wireless device, and transmits information on the temperature detected by the heat sensor to an external control circuit using the wireless device.

第1応用例では、カンチレバーの幅を0.5mm、(錘のない部分の)厚さを0.02mmとし、錘の長さを4mm、錘の厚さを0.5mmとし、表面電極の長さを2mmとした。カンチレバーの長さを変えて、共振周波数を構造解析で計算した。   In the first application example, the width of the cantilever is 0.5 mm, the thickness (without the weight) is 0.02 mm, the weight length is 4 mm, the weight thickness is 0.5 mm, and the length of the surface electrode The thickness was 2 mm. Resonance frequency was calculated by structural analysis while changing the length of the cantilever.

図3は、第1応用例のカンチレバーの長さに対する共振周波数の関係を示すグラフである。カンチレバーの長さが約16mmで共振周波数が約39Hzとなり、カンチレバーの長さが約10mmで共振周波数が約77Hzとなる。   FIG. 3 is a graph showing the relationship of the resonance frequency with respect to the length of the cantilever in the first application example. The cantilever length is about 16 mm and the resonance frequency is about 39 Hz. The cantilever length is about 10 mm and the resonance frequency is about 77 Hz.

カンチレバー群として、10mm、12mm、14mm、及び16mmの4種類の長さのものを用いることとする。各カンチレバーの幅を0.5mmとし、共振周波数が約39Hzで長さが16mmのカンチレバーから、共振周波数が約77Hzで長さが10mmのカンチレバーまでを、0.2mm間隔で並べるとする。   As the cantilever group, four types of lengths of 10 mm, 12 mm, 14 mm, and 16 mm are used. Assume that the width of each cantilever is 0.5 mm, the cantilever having a resonance frequency of about 39 Hz and a length of 16 mm, and the cantilever having a resonance frequency of about 77 Hz and a length of 10 mm are arranged at intervals of 0.2 mm.

各カンチレバーに対応するリング電極も、カンチレバーと等しい幅、間隔で並べるとする。長さ16mmのカンチレバーに対応するリング電極の幅方向中心から、長さ10mmのカンチレバーに対応するリング電極の幅方向中心までの距離は、2.1mmとなる。   The ring electrodes corresponding to each cantilever are also arranged with the same width and interval as the cantilever. The distance from the center in the width direction of the ring electrode corresponding to the cantilever having a length of 16 mm to the center in the width direction of the ring electrode corresponding to the cantilever having a length of 10 mm is 2.1 mm.

回転体上の振動発電装置の取付位置を回転軸から5cmとし、引出電極の重さを5gとすると、回転の周波数が約39Hzのとき、引出電極に掛かる遠心力は約15.0Nとなり、回転の周波数が約77Hzのとき、引出電極に掛かる遠心力は約58.5Nとなる。   Assuming that the position of the vibration power generator on the rotating body is 5 cm from the rotation axis and the weight of the extraction electrode is 5 g, when the rotation frequency is about 39 Hz, the centrifugal force applied to the extraction electrode is about 15.0 N When the frequency is about 77 Hz, the centrifugal force applied to the extraction electrode is about 58.5N.

周波数約39Hzでの遠心力15.0Nと、周波数77Hzでの遠心力58.5Nとの差である43.5N当たり、長さ16mmのカンチレバーのリング電極から、長さ10mmのカンチレバーのリング電極までの距離2.1mmを、引出電極が移動すればよい。従って、引出電極を取り付けるバネのバネ定数は、約20.7N/mmと見積もられる。   From a cantilever ring electrode of 16 mm in length to a ring electrode of a cantilever of 10 mm in length per 43.5 N which is the difference between a centrifugal force of 15.0 N at a frequency of about 39 Hz and a centrifugal force of 58.5 N at a frequency of 77 Hz The distance of 2.1 mm should just move the extraction electrode. Therefore, the spring constant of the spring to which the extraction electrode is attached is estimated to be about 20.7 N / mm.

第1応用例のカンチレバー群による発生電圧を圧電解析で計算し、回転の周波数と発生電圧との関係について調べた。   The voltage generated by the cantilever group of the first application example was calculated by piezoelectric analysis, and the relationship between the rotation frequency and the generated voltage was examined.

図4は、回転の周波数と発生電圧との関係を示すグラフである。各カンチレバーの共振周波数(39Hz、47Hz、59Hz、77Hz)で、出力電圧のピークが得られている。例えば、静止状態から回転の周波数を上げていくと、まず、長さ16mmのカンチレバーの共振周波数約39Hzで出力電圧のピークが得られる。さらに周波数が上がると、長さ16mmのカンチレバーによる出力電圧は急激に減少するが、長さ14mmのカンチレバーによる出力電圧が徐々に上昇し、その共振周波数約47Hzで再び出力電圧のピークが得られる。   FIG. 4 is a graph showing the relationship between the rotation frequency and the generated voltage. The peak of the output voltage is obtained at the resonance frequency (39 Hz, 47 Hz, 59 Hz, 77 Hz) of each cantilever. For example, when the rotation frequency is increased from a stationary state, first, a peak of the output voltage is obtained at a resonance frequency of about 39 Hz of a 16 mm long cantilever. When the frequency is further increased, the output voltage due to the cantilever having a length of 16 mm rapidly decreases, but the output voltage due to the cantilever having a length of 14 mm is gradually increased, and the peak of the output voltage is obtained again at the resonance frequency of about 47 Hz.

周波数変化に応じてカンチレバーが切り替わり、複数の異なる共振周波数が利用できることにより、1つのカンチレバーのみ用いる場合に比べて、広い周波数範囲での平均出力電圧を上げることができる。   By switching the cantilever according to the frequency change and using a plurality of different resonance frequencies, the average output voltage in a wide frequency range can be increased as compared with the case where only one cantilever is used.

最低の共振周波数より少し低い30Hz(1800rpm)程度から、最高の共振周波数より少し高い80Hz(4800rpm)程度までの範囲で、常に1V以上の出力電圧が得られている。この範囲は、自動車の高速走行時のエンジン回転数をほとんどカバーでき、振動発電装置で得られた電力を、例えば、エンジン部の異常発熱を検知する熱センサ(及びデータを送信する無線機)の電源に利用することができる。   An output voltage of 1 V or higher is always obtained in a range from about 30 Hz (1800 rpm) slightly lower than the lowest resonance frequency to about 80 Hz (4800 rpm) slightly higher than the highest resonance frequency. This range can almost cover the engine speed when the automobile is traveling at high speed, and the electric power obtained by the vibration power generation device is, for example, a thermal sensor that detects abnormal heat generation in the engine unit (and a radio that transmits data). Can be used for power supply.

以上第1応用例で説明したように、振動発電装置で得られる電力を、振動発電装置に組み込まれた各種機器の電源に利用することができる。   As described above in the first application example, the electric power obtained by the vibration power generation device can be used as a power source for various devices incorporated in the vibration power generation device.

なお、長さの異なるカンチレバーの数を増やして、利用できる共振周波数を増やすことにより、平均出力電圧を上げることができる。また、回転体に取り付ける振動発電装置の数を増やすことによって、全体の発電電力を増加させることもできる。   The average output voltage can be increased by increasing the number of cantilevers having different lengths and increasing the available resonance frequencies. In addition, the total generated power can be increased by increasing the number of vibration power generators attached to the rotating body.

次に、第1実施例の振動発電装置を用いた第2応用例について検討する。第2応用例は、回転体として、掃除機のモータの回転を伝える回転部材を想定し、実施例の振動発電装置を、モータの回転数異常を検知する異常検知センサとして利用することを想定している。   Next, a second application example using the vibration power generator of the first embodiment will be examined. The second application example assumes a rotating member that conveys the rotation of the motor of the vacuum cleaner as the rotating body, and assumes that the vibration power generation device of the embodiment is used as an abnormality detection sensor that detects an abnormality in the rotational speed of the motor. ing.

第2応用例では、カンチレバーの幅を0.5mm、(錘のない部分の)厚さを0.02mmとし、錘の長さを1mm、錘の厚さを0.5mmとし、表面電極の長さを1mmとした。カンチレバーの長さを変えて、共振周波数を構造解析で計算した。   In the second application example, the width of the cantilever is 0.5 mm, the thickness (the portion without the weight) is 0.02 mm, the weight length is 1 mm, the weight thickness is 0.5 mm, and the length of the surface electrode The thickness was 1 mm. Resonance frequency was calculated by structural analysis while changing the length of the cantilever.

図5は、第2応用例のカンチレバーの長さに対する共振周波数の関係を示すグラフである。カンチレバーの長さが約3.5mmで共振周波数が約616Hzとなり、カンチレバーの長さが約2.5mmで共振周波数が約1050Hzとなる。   FIG. 5 is a graph showing the relationship of the resonance frequency with respect to the length of the cantilever in the second application example. The cantilever length is about 3.5 mm and the resonance frequency is about 616 Hz. The cantilever length is about 2.5 mm and the resonance frequency is about 1050 Hz.

カンチレバー群として、2.5mm、2.75mm、3.0mm、及び3.5mmの4種類の長さのものを用いることとする。これらのカンチレバーを、幅0.5mmとし、0.2mm間隔で並べるとする。   As the cantilever group, four types of lengths of 2.5 mm, 2.75 mm, 3.0 mm, and 3.5 mm are used. These cantilevers have a width of 0.5 mm and are arranged at intervals of 0.2 mm.

各カンチレバーに対応するリング電極も、カンチレバーと等しい幅、間隔で並べる。長さ3.5mmのカンチレバーに対応するリング電極の幅方向中心から、長さ2.5mmのカンチレバーに対応するリング電極の幅方向中心までの距離は、2.1mmとなる。   The ring electrodes corresponding to each cantilever are also arranged with the same width and interval as the cantilever. The distance from the center in the width direction of the ring electrode corresponding to the cantilever having a length of 3.5 mm to the center in the width direction of the ring electrode corresponding to the cantilever having a length of 2.5 mm is 2.1 mm.

回転体上の振動発電装置の取付位置を回転軸から3cmとし、引出電極の重さを5gとすると、回転の周波数が約616Hzのとき、引出電極に掛かる遠心力は約2.25kNとなり、回転の周波数が約1050Hzのとき、引出電極に掛かる遠心力は約6.53kNとなる。周波数616Hzと周波数約1050Hzでの遠心力の差である4.28kN当たり、距離2.1mmを、引出電極が移動すればよい。従って、引出電極を取り付けるバネのバネ定数は、約2.04kN/mmと見積もられる。   Assuming that the mounting position of the vibration power generator on the rotating body is 3 cm from the rotation axis and the weight of the extraction electrode is 5 g, when the rotation frequency is about 616 Hz, the centrifugal force applied to the extraction electrode is about 2.25 kN, Is about 1050 Hz, the centrifugal force applied to the extraction electrode is about 6.53 kN. The extraction electrode only needs to move a distance of 2.1 mm per 4.28 kN, which is the difference in centrifugal force between the frequency of 616 Hz and the frequency of about 1050 Hz. Therefore, the spring constant of the spring to which the extraction electrode is attached is estimated to be about 2.04 kN / mm.

第2応用例のカンチレバー群による発生電圧を圧電解析で計算し、回転の周波数と発生電圧との関係について調べた。   The voltage generated by the cantilever group of the second application example was calculated by piezoelectric analysis, and the relationship between the rotation frequency and the generated voltage was examined.

図6は、回転の周波数と発生電圧との関係を示すグラフである。各カンチレバーの共振周波数(616Hz、784Hz、902Hz、1050Hz)で、出力電圧のピークが得られている。第1応用例と同様に、複数の異なる共振周波数を利用することにより、広い周波数範囲での平均出力電圧の増加が図られる。   FIG. 6 is a graph showing the relationship between the rotation frequency and the generated voltage. The peak of the output voltage is obtained at the resonance frequency (616 Hz, 784 Hz, 902 Hz, 1050 Hz) of each cantilever. Similar to the first application example, the average output voltage can be increased in a wide frequency range by using a plurality of different resonance frequencies.

掃除機のモータが、正常な動作時に、例えば40000rpm(667Hz)〜60000rpm(1000Hz)で回転するとする。この回転数範囲で、出力電圧は、常に0.1V以上となっている。従って、例えば0.1Vを閾値電圧に設定しておき、正常な動作が期待される期間に、出力電圧が閾値0.1V未満となったら、回転数が高すぎるか低すぎるかの異常が生じていると判定できる。このような比較判定を行う回転数センサと、回転数センサで検知した回転数異常の情報を外部の制御回路に送信する無線機を、制御ユニットに含めることができる。   It is assumed that the motor of the vacuum cleaner rotates at a speed of, for example, 40000 rpm (667 Hz) to 60000 rpm (1000 Hz) during normal operation. In this rotation speed range, the output voltage is always 0.1 V or higher. Therefore, for example, when 0.1V is set as the threshold voltage and the output voltage becomes less than the threshold value 0.1V during a period in which normal operation is expected, an abnormality occurs whether the rotational speed is too high or too low. Can be determined. The control unit can include a rotation speed sensor that performs such comparison determination and a wireless device that transmits information on rotation speed abnormality detected by the rotation speed sensor to an external control circuit.

以上第2応用例で説明したように、振動発電装置の出力電圧を、回転状態(振動状態)を検出するセンサに利用することもできる。なお、必要に応じて、出力電圧を、電源とセンサの両方に用いることも可能である。   As described above in the second application example, the output voltage of the vibration power generator can be used as a sensor for detecting the rotation state (vibration state). If necessary, the output voltage can be used for both the power supply and the sensor.

なお、第1応用例と同様に、長さの異なるカンチレバーの数を増やして、平均出力電圧を上げることができる。また、異常を検出したい回転数範囲を分割して、複数の振動発電装置(センサ)を用いれば、全回転数範囲を網羅する1つの振動発電装置(センサ)を用いる場合に比べて、個々の振動発電装置(センサ)の小型化が図られる。   As in the first application example, the average output voltage can be increased by increasing the number of cantilevers having different lengths. In addition, if a plurality of vibration power generation devices (sensors) are used by dividing a rotation speed range in which an abnormality is to be detected, individual vibration power generation devices (sensors) that cover the entire rotation speed range are used. The vibration power generator (sensor) can be downsized.

次に、図7A及び図7Bを参照して、第1実施例の変形例の振動発電装置について説明する。図7A及び図7Bは、それぞれ、第1実施例の変形例の振動発電装置を示す概略正面図及び概略上面断面図である。図1A〜図1Cを参照して説明した第1実施例の振動発電装置は、外部ケーシング部材4に内部ケーシング部材3を回動自在に保持する構造として、ボールベアリング機構を採用したが、回動自在な保持構造として他のものを採用してもよい。本変形例の振動発電装置は、磁気浮上機構に対応したケーシング部材を用いて、外部ケーシング部材4Vに対し非接触的に、内部ケーシング部材3Vを回動自在に保持する。   Next, with reference to FIG. 7A and FIG. 7B, the vibration electric power generating apparatus of the modification of 1st Example is demonstrated. 7A and 7B are a schematic front view and a schematic top cross-sectional view, respectively, showing a vibration power generator according to a modification of the first embodiment. The vibration power generation apparatus according to the first embodiment described with reference to FIGS. 1A to 1C employs a ball bearing mechanism as a structure for rotatably holding the inner casing member 3 on the outer casing member 4. You may employ | adopt another as a flexible holding structure. The vibration power generation device of this modification uses a casing member corresponding to the magnetic levitation mechanism to hold the inner casing member 3V so as to be rotatable in a non-contact manner with respect to the outer casing member 4V.

次に、図8A及び図8Bを参照して、第2実施例による振動発電装置の構造及び動作について説明する。図8A及び図8Bは、それぞれ、第2実施例の振動発電装置EG2と発電装置EG2が取り付けられた回転体50の、概略正面図及び概略上面図を示す。なお、第1実施例と対応する構造には、参照符号付与の煩雑さを避けるため、同様の参照符号を流用する。例えばカンチレバーに「1」を付し、個々のカンチレバーを「a」等のアルファベットを付して区別している。   Next, with reference to FIG. 8A and FIG. 8B, the structure and operation | movement of the vibration electric power generating apparatus by 2nd Example are demonstrated. 8A and 8B respectively show a schematic front view and a schematic top view of the rotary power generator 50 to which the vibration power generator EG2 and the power generator EG2 of the second embodiment are attached. Note that the same reference numerals are used in the structure corresponding to the first embodiment in order to avoid the complication of the reference numerals. For example, “1” is attached to the cantilever, and each cantilever is distinguished by attaching an alphabet such as “a”.

第1実施例及びその変形例では、外側ケーシング部材に対し内側ケーシング部材を回動自在に保持することにより、回転体の回転中の振動方向が鉛直上下方向に維持されるように、カンチレバーの姿勢を保った。ただし、この構造では、回転状態によっては、カンチレバーの姿勢が一定に保たれない可能性がある。第2実施例では、以下説明するように、ギア機構を用いることにより、回転中のカンチレバーの姿勢を保つ。   In the first embodiment and its modification, the cantilever posture is such that the direction of vibration during rotation of the rotating body is maintained in the vertical vertical direction by holding the inner casing member rotatably with respect to the outer casing member. Kept. However, in this structure, the cantilever posture may not be kept constant depending on the rotation state. In the second embodiment, as described below, the posture of the rotating cantilever is maintained by using a gear mechanism.

回転体50は、第1実施例と同様に、回転軸50aの周りに回転し、回転軸50aに垂直な表面50p上に、振動発電装置EG2が取り付けられる。ただし、第2実施例では、取付機構IMを介して、振動発電装置EG2が回転体50上に取り付けられる。   As in the first embodiment, the rotating body 50 rotates around the rotating shaft 50a, and the vibration power generator EG2 is attached on the surface 50p perpendicular to the rotating shaft 50a. However, in the second embodiment, the vibration power generator EG2 is mounted on the rotating body 50 via the mounting mechanism IM.

なお、後述のように、第2実施例ではギア23に振動発電装置EG2が取り付けられ、振動発電装置EG2は、カンチレバー群CLとリング電極群REを含む。引出電極機構EEは、取付機構IM側に取り付けられる。   As will be described later, in the second embodiment, the vibration power generator EG2 is attached to the gear 23, and the vibration power generator EG2 includes a cantilever group CL and a ring electrode group RE. The extraction electrode mechanism EE is attached to the attachment mechanism IM side.

取付機構IMは、固定台20、固定歯車21、中間歯車22、取付歯車23、歯車取付板24、及び、支持アーム25を含む。なお、図示を容易にするため、図8Bの回転体50を示す図で、中間歯車24と支持アーム25を太線で示す。   The attachment mechanism IM includes a fixed base 20, a fixed gear 21, an intermediate gear 22, an attachment gear 23, a gear attachment plate 24, and a support arm 25. For ease of illustration, the intermediate gear 24 and the support arm 25 are indicated by bold lines in the view of the rotating body 50 in FIG. 8B.

固定台20が、地面(あるいは、回転体50の外部の装置)に対して固定されている。回転体50の回転軸50aと同軸の固定歯車21が、固定台20に取り付けられている。固定歯車21は、回転体50が回転しても、静止状態を保つ。   The fixed base 20 is fixed to the ground (or a device external to the rotating body 50). A fixed gear 21 coaxial with the rotation shaft 50 a of the rotating body 50 is attached to the fixed base 20. The fixed gear 21 remains stationary even when the rotating body 50 rotates.

回転体50の表面50pに、歯車取付板24が固定されており、歯車取付板24に、中間歯車22と取付歯車23が取り付けられている。中間歯車22と取付歯車23は、固定歯車21と、径も歯数も等しい。   A gear mounting plate 24 is fixed to the surface 50 p of the rotating body 50, and the intermediate gear 22 and the mounting gear 23 are mounted on the gear mounting plate 24. The intermediate gear 22 and the mounting gear 23 have the same diameter and the same number of teeth as the fixed gear 21.

中間歯車22は、固定歯車21と噛み合っており、回転体50の回転に伴い、全体として回転体50と一緒に回転するとともに、回転体50に対して相対的に、回転体50の回転方向と同じ方向に回転体50と同じ回転数で回転する。取付歯車23は、中間歯車22と噛み合っており、回転体50の回転に伴い、全体として回転体50と一緒に回転するとともに、回転体50に対して相対的に、回転体50の回転方向と反対方向に回転体50と同じ回転数で回転する。   The intermediate gear 22 meshes with the fixed gear 21, and rotates together with the rotating body 50 as a whole with the rotation of the rotating body 50, and relative to the rotating body 50 in the rotational direction of the rotating body 50. It rotates in the same direction at the same rotational speed as the rotating body 50. The attachment gear 23 meshes with the intermediate gear 22, and rotates together with the rotating body 50 as a whole with the rotation of the rotating body 50, and relative to the rotating body 50 in the rotational direction of the rotating body 50. It rotates in the opposite direction at the same rotational speed as the rotating body 50.

取付歯車23に、振動発電装置EG2が取り付けられている。第2実施例では、取付歯車23が、回転体50上で回転体50の回転方向と反対方向に回転体50と同じ回転数で回転することにより、カンチレバー群CLの姿勢を一定に維持することができる。   The vibration power generator EG2 is attached to the attachment gear 23. In the second embodiment, the mounting gear 23 rotates on the rotator 50 in the direction opposite to the rotation direction of the rotator 50 at the same rotational speed as that of the rotator 50, thereby maintaining the attitude of the cantilever group CL constant. Can do.

第1実施例では、重力を利用したバランスにより、カンチレバー群の姿勢を一定に保った。従って、カンチレバーの姿勢は水平に(振動方向は鉛直上下方向に)に制限された。一方、第2実施例では、ギア機構により積極的に、カンチレバー群CLを所望の取付姿勢に保つことができる。従って、カンチレバー1の振動方向は、回転体50の回転軸に直交する所望の方向を選択することができ、上下方向に制限されない。また、回転体50の回転軸50aも、水平方向に制限されない。   In the first embodiment, the posture of the cantilever group is kept constant by a balance using gravity. Therefore, the attitude of the cantilever was restricted to be horizontal (the vibration direction was vertically up and down). On the other hand, in the second embodiment, the cantilever group CL can be positively maintained in a desired mounting posture by the gear mechanism. Therefore, the vibration direction of the cantilever 1 can select a desired direction orthogonal to the rotation axis of the rotating body 50 and is not limited to the vertical direction. Further, the rotating shaft 50a of the rotating body 50 is not limited in the horizontal direction.

回転体50に、中心から半径方向に延びた支持アーム25が取り付けられており、支持アーム25に、引出電極機構EEが取り付けられている。支持アーム25のバネ取付部25aに取り付けられたバネ機構7を介して、引出電極6が保持される。回転体50の回転に伴い、支持アーム25とともに、バネ機構7及び引出電極6が回転する。   A support arm 25 extending in the radial direction from the center is attached to the rotating body 50, and an extraction electrode mechanism EE is attached to the support arm 25. The extraction electrode 6 is held via the spring mechanism 7 attached to the spring attachment portion 25 a of the support arm 25. Along with the rotation of the rotating body 50, the spring mechanism 7 and the extraction electrode 6 rotate together with the support arm 25.

特に図8Bに示すように、取付歯車23の軸部材23aが、歯車部材23bよりも手前側(歯車部材23に対し回転体50と反対側)に突出している。歯車部材23bは、中心部に手前側に突出する鞘部23cを有し、鞘部23cを軸部材23aが貫通する。鞘部23cに、発電構造体取付板23dが嵌め込まれている。   In particular, as shown in FIG. 8B, the shaft member 23a of the attachment gear 23 protrudes to the near side of the gear member 23b (the side opposite to the rotating member 50 with respect to the gear member 23). The gear member 23b has a sheath portion 23c protruding toward the front side at the center, and the shaft member 23a penetrates the sheath portion 23c. A power generation structure mounting plate 23d is fitted into the sheath portion 23c.

発電構造体取付板23dの表側(手前側)に、発電構造体100a及び100bが取り付けられており、発電構造体取付板23dの裏側に、リング電極2a〜2cが取り付けられている。第2実施例のリング電極群REを形成するリング電極2は、中心を鞘部23cが貫通し、すべてリング形状となっている。また、第2実施例のカンチレバー群CLを形成する発電構造体は、軸部材23a及び鞘部23cを挟んで左右に配置された発電構造体100aと100bの組で形成されている。   The power generation structures 100a and 100b are attached to the front side (front side) of the power generation structure attachment plate 23d, and the ring electrodes 2a to 2c are attached to the back side of the power generation structure attachment plate 23d. The ring electrode 2 forming the ring electrode group RE of the second embodiment has a ring shape with the sheath 23c passing through the center. Further, the power generation structure forming the cantilever group CL of the second embodiment is formed of a set of power generation structures 100a and 100b arranged on the left and right with the shaft member 23a and the sheath 23c interposed therebetween.

発電構造体100aと100bは、取付歯車23の軸を通る面を挟んで対称な形状で配置されている。発電構造体100aは、取付歯車23の軸に対して左方外側に、順に長くなるように、カンチレバー1a〜1cを含む。発電構造体100bは、取付歯車23の軸に対して右方外側に、順に長くなるように、カンチレバー1d〜1fを含む。カンチレバー群CLを形成するカンチレバー1a〜1fが、振動方向を揃えて平行に並んでいる。   The power generation structures 100a and 100b are arranged in a symmetrical shape with a surface passing through the axis of the attachment gear 23 interposed therebetween. The power generation structure 100a includes the cantilevers 1a to 1c so as to become longer in order on the left outer side with respect to the axis of the attachment gear 23. The power generation structure 100b includes the cantilevers 1d to 1f so as to become longer in order in the right outer side with respect to the axis of the attachment gear 23. The cantilevers 1a to 1f forming the cantilever group CL are arranged in parallel with the vibration direction aligned.

最も短く、等しい長さのカンチレバー1a及び1dが、最も内側のリング電極2aに接続され、次に短く、等しい長さのカンチレバー1b及び1eが、中間のリング電極2bに接続され、最も長く、等しい長さのカンチレバー1c及び1fが、最も外側のリング電極2cに接続されている。なお、第2実施例では、カンチレバー1とリング電極2との間に介在する発電構造体取付板23dに、各カンチレバー1から対応するリング電極2に接続される配線が形成されている。   The shortest and equal length cantilevers 1a and 1d are connected to the innermost ring electrode 2a, then the shortest and equal length cantilevers 1b and 1e are connected to the middle ring electrode 2b and are the longest and equal The long cantilevers 1c and 1f are connected to the outermost ring electrode 2c. In the second embodiment, the power generation structure mounting plate 23d interposed between the cantilever 1 and the ring electrode 2 is formed with wiring connected from each cantilever 1 to the corresponding ring electrode 2.

リング電極群REの裏面と、それに対向する歯車部材23bとの間に、引出電極6が配置されている。引出電極6の移動方向上に、リング電極群REの中心が配置されている。第1実施例と同様に、回転数に応じた遠心力で、引出電極6の半径方向位置を変化させて、接触するリング電極2を切り替えることができる。   The extraction electrode 6 is disposed between the back surface of the ring electrode group RE and the gear member 23b facing the ring electrode group RE. The center of the ring electrode group RE is disposed on the moving direction of the extraction electrode 6. Similar to the first embodiment, the ring electrode 2 in contact can be switched by changing the radial position of the extraction electrode 6 with a centrifugal force corresponding to the rotational speed.

第1実施例では(図1B参照)、リング電極群の中心に、最も長い、つまり最も共振周波数の低いカンチレバーを配置した。しかし、第2実施例では、リング電極群REの中心は取付歯車23の軸部分(以下単に軸部分と呼ぶこともある)が存在するので、軸部分により、引出電極6の半径方向外側への移動が制限される。   In the first embodiment (see FIG. 1B), the longest cantilever, that is, the lowest resonance frequency is arranged at the center of the ring electrode group. However, in the second embodiment, the center of the ring electrode group RE is the shaft portion of the attachment gear 23 (hereinafter, also simply referred to as the shaft portion), and therefore the shaft portion causes the extraction electrode 6 to be radially outward. Movement is restricted.

従って、第2実施例では、最も外側のリング電極2cに、最も長い(共振周波数の低い)カンチレバー1c及び1fを配置し、最も内側のリング電極2aに、最も短い(共振周波数の高い)カンチレバー1a及び1dを配置している。回転数が増えるに従って、半径方向内側から、軸部分に向かって引出電極が移動し、より高い共振周波数のカンチレバー1による出力電力が取り出される。なお、このようなカンチレバーの配列を、第1実施例の振動発電装置に採用することも可能である。   Accordingly, in the second embodiment, the longest (low resonance frequency) cantilevers 1c and 1f are arranged on the outermost ring electrode 2c, and the shortest (high resonance frequency) cantilever 1a is arranged on the innermost ring electrode 2a. 1d. As the rotational speed increases, the extraction electrode moves from the radially inner side toward the shaft portion, and the output power from the cantilever 1 having a higher resonance frequency is taken out. It should be noted that such an arrangement of cantilevers can be employed in the vibration power generator of the first embodiment.

また、第2実施例では、歯車部材23bを導電材料で形成し、引出電極6を歯車部材23bに接触させて、歯車部材23bを、上側電極1euからの電圧取り出し配線部材として用いる。特に図8Aに示すように、発電構造体取付板23dの嵌め込み部分に露出した、歯車部材23bの鞘部23cから、配線11uが制御ユニット12に接続される。なお、下側電極1edについては、第1実施例と同様に、下側電極1edの露出部10dに接続された配線11dが、制御ユニット12に接続される。   In the second embodiment, the gear member 23b is formed of a conductive material, the extraction electrode 6 is brought into contact with the gear member 23b, and the gear member 23b is used as a voltage extraction wiring member from the upper electrode 1eu. In particular, as shown in FIG. 8A, the wiring 11 u is connected to the control unit 12 from the sheath 23 c of the gear member 23 b exposed at the fitting portion of the power generation structure mounting plate 23 d. As for the lower electrode 1ed, the wiring 11d connected to the exposed portion 10d of the lower electrode 1ed is connected to the control unit 12 as in the first embodiment.

なお、ギアが回転体の直径外側にはみ出すことが問題となる場合は、各ギアの直径を小さくしチェーンや歯付きベルトを介して噛み合わせて接続したり、あるいは滑車とベルトを用いて接続したりする等の対応をすることができる。   If it is a problem that the gear protrudes outside the diameter of the rotating body, the diameter of each gear is reduced and meshed with a chain or a toothed belt, or connected with a pulley and a belt. It is possible to cope with it.

なお、振動発電装置EG2を回転体50に取り付ける取付機構IMも含めた全体を、振動発電装置と捉えることもできる。   The whole including the attachment mechanism IM for attaching the vibration power generation device EG2 to the rotating body 50 can also be regarded as the vibration power generation device.

以上第1及び第2実施例で説明したように、共振周波数の異なる複数のカンチレバーを発電源として回転体上に保持した振動発電装置を用いることで、回転体の回転数が変化しても、単一のカンチレバーを用いる場合に比べて、平均の出力電圧の向上を図ることができる。   As described above in the first and second embodiments, even if the rotational speed of the rotating body is changed by using the vibration power generation apparatus that holds a plurality of cantilevers having different resonance frequencies on the rotating body as a power generation source, Compared to the case where a single cantilever is used, the average output voltage can be improved.

出力電圧を取り出すカンチレバーの切り替えは、回転体の回転に伴う遠心力で引出電極を移動させることにより行うことができる。   Switching of the cantilever for extracting the output voltage can be performed by moving the extraction electrode by a centrifugal force accompanying the rotation of the rotating body.

回転体上のカンチレバーの姿勢を、例えばボールベアリング機構やギア機構等を用いて一定に保つことにより、カンチレバーの振動方向を一定に保つことができる。   By maintaining the posture of the cantilever on the rotating body constant using, for example, a ball bearing mechanism or a gear mechanism, the vibration direction of the cantilever can be kept constant.

回転体上のカンチレバーの姿勢を保つことに伴い、引出電極とカンチレバーとが相対的に回転する。リング形状のリング電極を介すことにより、カンチレバーからの出力電圧を引出電極に取り出すことが容易となる。   As the position of the cantilever on the rotating body is maintained, the extraction electrode and the cantilever rotate relatively. By passing through the ring-shaped ring electrode, the output voltage from the cantilever can be easily taken out to the extraction electrode.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

以上説明した第1及び第2の実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
(付記1)
それぞれ圧電体を対向電極で挟んだ構造を有し、共振周波数が互いに異なり、振動方向を揃えて配置された第1及び第2のカンチレバーと、
前記第1及び第2のカンチレバーを、回転体に保持する保持機構と、
前記回転体の回転に伴う遠心力により移動して、前記第1のカンチレバーの有する電極に電気的に接続する状態と、前記第2のカンチレバーの有する電極に電気的に接続する状態とが切り替わる引出電極と
を有する振動発電装置。
(付記2)
前記引出電極は、前記回転体の回転に伴う遠心力に抗して前記引出電極を前記回転体の中心方向に引っ張るバネ部材に取り付けられている付記1に記載の振動発電装置。
(付記3)
前記保持機構は、前記振動方向が前記回転体の回転軸に直交する第1の方向となる姿勢で、前記第1及び第2のカンチレバーを保持するとともに、前記回転体の回転中に、前記第1及び第2のカンチレバーを前記回転体に対して相対的に、前記回転体の回転方向と反対の方向に回転させて、前記振動方向を前記第1の方向に保つ付記1または2に記載の振動発電装置。
(付記4)
さらに、それぞれ前記第1のカンチレバーの有する電極、前記第2のカンチレバーの有する電極が電気的に接続され、同心に配置されたリング形状の第1及び第2のリング電極を有し、
前記回転体の回転中に前記保持機構により前記第1及び第2のカンチレバーが回転する回転動作の中心と、前記第1及び第2のリング電極の中心とが揃っており、
前記引出電極は、前記回転体の回転の中心と前記リング電極の中心を結ぶ前記回転体の半径方向に沿って、前記回転体の回転に伴う遠心力により移動して、前記第1のリング電極に接触する状態と、前記第2のリング電極に接触する状態とが切り替わる付記3に記載の振動発電装置。
(付記5)
さらに、圧電体を対向電極で挟んだ構造を有し、前記第1のカンチレバーと等しい共振周波数を持ち、前記第1及び第2のカンチレバーと振動方向を揃えて配置され、その電極が前記第1のリング電極に電気的に接続された第3のカンチレバーを有する付記4に記載の振動発電装置。
(付記6)
前記保持機構は、外側ケーシング部材が内側ケーシング部材を回動自在に保持する機構を含み、前記内側ケーシング部材に前記第1及び第2のカンチレバーが取り付けられ、また、前記内側ケーシング部材に取り付けられた部材及び前記内側ケーシング部材が、全体として、前記振動方向が鉛直上下方向となるようなバランス構造を形成し、前記外側ケーシング部材が、前記回転体に取り付けられる付記3または4に記載の振動発電装置。
(付記7)
さらに、それぞれ圧電体を対向電極で挟んだ構造を有し、前記第1及び第2のカンチレバーと振動方向を揃えて配置され、前記第1のカンチレバーと等しい共振周波数を持つ第3のカンチレバー、及び、前記第2のカンチレバーと等しい共振周波数を持つ第4のカンチレバーを有し、前記第3及び第4のカンチレバーは、前記内側ケーシング部材に取り付けられており、前記第1〜第4のカンチレバーが、前記バランス構造を形成するように左右対称な形状で配置されている付記6に記載の振動発電装置。
(付記8)
さらに、前記第1及び第2のカンチレバーから出力された電圧が供給される制御ユニットを有し、前記制御ユニットは、前記内側ケーシング部材に取り付けられており、前記制御ユニットは、前記バランス構造を形成するための錘として機能する付記6に記載の振動発電装置。
(付記9)
前記保持機構は、前記回転体の軸と同軸で、回転せずに静止した第1のギアと、前記回転体上に取り付けられ、前記第1のギアに噛み合い、前記回転体に対して相対的に前記回転体の回転方向と同じ方向に回転する第2のギアと、前記回転体上に取り付けられ、前記第2のギアに噛み合い、前記回転体に対して相対的に前記回転体の回転方向と反対方向に回転する第3のギアとを含み、前記第3のギアに前記第1及び第2のカンチレバーが取り付けられる付記3または4に記載の振動発電装置。
(付記10)
さらに、前記引出電極を介して取り出された前記第1及び第2のカンチレバーの出力電圧を、予め定められた閾値電圧と比較する回路を有する付記1に記載の振動発電装置。
The following additional notes are further disclosed with respect to the embodiment including the first and second examples described above.
(Appendix 1)
First and second cantilevers each having a structure in which a piezoelectric body is sandwiched between counter electrodes, having different resonance frequencies and arranged in a uniform vibration direction;
A holding mechanism for holding the first and second cantilevers on a rotating body;
A drawer that moves by centrifugal force accompanying the rotation of the rotating body and switches between a state of being electrically connected to the electrode of the first cantilever and a state of being electrically connected to the electrode of the second cantilever A vibration power generation device having an electrode.
(Appendix 2)
The vibration power generation apparatus according to appendix 1, wherein the extraction electrode is attached to a spring member that pulls the extraction electrode in a central direction of the rotating body against a centrifugal force accompanying rotation of the rotating body.
(Appendix 3)
The holding mechanism holds the first and second cantilevers in a posture in which the vibration direction is a first direction orthogonal to the rotation axis of the rotating body, and the rotating mechanism rotates the first cantilever during rotation of the rotating body. The supplementary note 1 or 2, wherein the first and second cantilevers are rotated relative to the rotating body in a direction opposite to the rotating direction of the rotating body to maintain the vibration direction in the first direction. Vibration power generator.
(Appendix 4)
Furthermore, the electrodes of the first cantilever and the electrodes of the second cantilever are electrically connected, and have ring-shaped first and second ring electrodes arranged concentrically,
The center of the rotation operation in which the first and second cantilevers are rotated by the holding mechanism during the rotation of the rotating body and the centers of the first and second ring electrodes are aligned,
The extraction electrode moves along the radial direction of the rotating body connecting the center of rotation of the rotating body and the center of the ring electrode by the centrifugal force accompanying the rotation of the rotating body, and the first ring electrode The vibration power generator according to appendix 3, wherein a state in contact with the second ring electrode and a state in contact with the second ring electrode are switched.
(Appendix 5)
Further, it has a structure in which a piezoelectric body is sandwiched between counter electrodes, has a resonance frequency equal to that of the first cantilever, and is arranged in the same vibration direction as the first and second cantilevers. The vibration power generation apparatus according to appendix 4, further comprising a third cantilever electrically connected to the ring electrode.
(Appendix 6)
The holding mechanism includes a mechanism in which an outer casing member rotatably holds the inner casing member, and the first and second cantilevers are attached to the inner casing member, and are attached to the inner casing member. The vibration power generator according to appendix 3 or 4, wherein the member and the inner casing member form a balance structure such that the vibration direction is a vertical vertical direction as a whole, and the outer casing member is attached to the rotating body. .
(Appendix 7)
A third cantilever having a structure in which each of the piezoelectric bodies is sandwiched between opposing electrodes, arranged in the same vibration direction as the first and second cantilevers, and having a resonance frequency equal to that of the first cantilevers; , Having a fourth cantilever having a resonance frequency equal to that of the second cantilever, the third and fourth cantilevers being attached to the inner casing member, and the first to fourth cantilevers being The vibration power generator according to appendix 6, which is arranged in a symmetrical shape so as to form the balance structure.
(Appendix 8)
Furthermore, it has a control unit to which the voltage output from the first and second cantilevers is supplied, the control unit is attached to the inner casing member, and the control unit forms the balance structure The vibration power generator according to appendix 6, which functions as a weight for
(Appendix 9)
The holding mechanism is coaxial with the axis of the rotating body, is stationary on the rotating body, and is mounted on the rotating body, meshes with the first gear, and is relative to the rotating body. A second gear that rotates in the same direction as the rotating body of the rotating body, and a second gear that is mounted on the rotating body and meshes with the second gear, relative to the rotating body. And a third gear that rotates in the opposite direction, and the first and second cantilevers are attached to the third gear.
(Appendix 10)
Furthermore, the vibration electric power generating apparatus of Claim 1 which has a circuit which compares the output voltage of the said 1st and 2nd cantilever taken out via the said extraction electrode with a predetermined threshold voltage.

EG1、EG2 振動発電装置
1、1a〜1f カンチレバー
1s 支持層
1sw 錘部
1sr 根元部
1p 圧電体層
1ed 下側電極
1eu 上側電極
CL カンチレバー群
2、2a〜2d リング電極
RE リング電極群
3 内側ケーシング部材
4 外側ケーシング部材
5 ベアリングボール
6 引出電極
7 バネ機構
7s バネ
EE 引出電極機構
8 補助引出電極
9 補助リング電極
10u (上側電極の)端子電極
10d (下側電極の)露出部
11u、11d 配線
12 制御ユニット
20 固定台
21 固定歯車
22 中間歯車
23 取付歯車
23a 軸部材
23b 歯車部材
23c 鞘部
23d 発電構造体取付板
24 歯車取付板
25 支持アーム
25a バネ取付部
IM 取付機構
50 回転体
50a 回転軸
50p (回転体の回転軸に垂直な)表面
100、100a、100b 発電構造体
EG1, EG2 Vibration power generator 1, 1a-1f Cantilever 1s Support layer 1sw Weight 1sr Root 1p Piezoelectric layer 1ed Lower electrode 1eu Upper electrode CL Cantilever group 2, 2a-2d Ring electrode RE Ring electrode group 3 Inner casing member 4 outer casing member 5 bearing ball 6 extraction electrode 7 spring mechanism 7s spring EE extraction electrode mechanism 8 auxiliary extraction electrode 9 auxiliary ring electrode 10u (upper electrode) terminal electrode 10d (lower electrode) exposed portions 11u, 11d wiring 12 control Unit 20 Fixing base 21 Fixed gear 22 Intermediate gear 23 Mounting gear 23a Shaft member 23b Gear member 23c Sheath 23d Power generation structure mounting plate 24 Gear mounting plate 25 Support arm 25a Spring mounting portion IM Mounting mechanism 50 Rotating body 50a Rotating shaft 50p ( Surfaces 100, 100a, 1 (perpendicular to the axis of rotation of the rotating body) 0b power generation structure

Claims (5)

それぞれ圧電体を対向電極で挟んだ構造を有し、共振周波数が互いに異なり、振動方向を揃えて配置された第1及び第2のカンチレバーと、
前記第1及び第2のカンチレバーを、回転体に保持する保持機構と、
前記回転体の回転に伴う遠心力により移動して、前記第1のカンチレバーの有する電極に電気的に接続する状態と、前記第2のカンチレバーの有する電極に電気的に接続する状態とが切り替わる引出電極と
を有する振動発電装置。
First and second cantilevers each having a structure in which a piezoelectric body is sandwiched between counter electrodes, having different resonance frequencies and arranged in a uniform vibration direction;
A holding mechanism for holding the first and second cantilevers on a rotating body;
A drawer that moves by centrifugal force accompanying the rotation of the rotating body and switches between a state of being electrically connected to the electrode of the first cantilever and a state of being electrically connected to the electrode of the second cantilever A vibration power generation device having an electrode.
前記保持機構は、前記振動方向が前記回転体の回転軸に直交する第1の方向となる姿勢で、前記第1及び第2のカンチレバーを保持するとともに、前記回転体の回転中に、前記第1及び第2のカンチレバーを前記回転体に対して相対的に、前記回転体の回転方向と反対の方向に回転させて、前記振動方向を前記第1の方向に保つ請求項1に記載の振動発電装置。   The holding mechanism holds the first and second cantilevers in a posture in which the vibration direction is a first direction orthogonal to the rotation axis of the rotating body, and the rotating mechanism rotates the first cantilever during rotation of the rotating body. 2. The vibration according to claim 1, wherein the first and second cantilevers are rotated relative to the rotating body in a direction opposite to a rotating direction of the rotating body to maintain the vibration direction in the first direction. Power generation device. さらに、それぞれ前記第1のカンチレバーの有する電極、前記第2のカンチレバーの有する電極が電気的に接続され、同心に配置されたリング形状の第1及び第2のリング電極を有し、
前記回転体の回転中に前記保持機構により前記第1及び第2のカンチレバーが回転する回転動作の中心と、前記第1及び第2のリング電極の中心とが揃っており、
前記引出電極は、前記回転体の回転の中心と前記リング電極の中心を結ぶ前記回転体の半径方向に沿って、前記回転体の回転に伴う遠心力により移動して、前記第1のリング電極に接触する状態と、前記第2のリング電極に接触する状態とが切り替わる請求項2に記載の振動発電装置。
Furthermore, the electrodes of the first cantilever and the electrodes of the second cantilever are electrically connected, and have ring-shaped first and second ring electrodes arranged concentrically,
The center of the rotation operation in which the first and second cantilevers are rotated by the holding mechanism during the rotation of the rotating body and the centers of the first and second ring electrodes are aligned,
The extraction electrode moves along the radial direction of the rotating body connecting the center of rotation of the rotating body and the center of the ring electrode by the centrifugal force accompanying the rotation of the rotating body, and the first ring electrode The vibration power generator according to claim 2, wherein a state in contact with the second ring electrode and a state in contact with the second ring electrode are switched.
前記保持機構は、外側ケーシング部材が内側ケーシング部材を回動自在に保持する機構を含み、前記内側ケーシング部材に前記第1及び第2のカンチレバーが取り付けられ、また、前記内側ケーシング部材に取り付けられた部材及び前記内側ケーシング部材が、全体として、前記振動方向が鉛直上下方向となるようなバランス構造を形成し、前記外側ケーシング部材が、前記回転体に取り付けられる請求項2または3に記載の振動発電装置。   The holding mechanism includes a mechanism in which an outer casing member rotatably holds the inner casing member, and the first and second cantilevers are attached to the inner casing member, and are attached to the inner casing member. The vibration power generation according to claim 2 or 3, wherein the member and the inner casing member as a whole form a balance structure in which the vibration direction is a vertical vertical direction, and the outer casing member is attached to the rotating body. apparatus. 前記保持機構は、前記回転体の軸と同軸で、回転せずに静止した第1のギアと、前記回転体上に取り付けられ、前記第1のギアに噛み合い、前記回転体に対して相対的に前記回転体の回転方向と同じ方向に回転する第2のギアと、前記回転体上に取り付けられ、前記第2のギアに噛み合い、前記回転体に対して相対的に前記回転体の回転方向と反対方向に回転する第3のギアとを含み、前記第3のギアに前記第1及び第2のカンチレバーが取り付けられる請求項2または3に記載の振動発電装置。   The holding mechanism is coaxial with the axis of the rotating body, is stationary on the rotating body, and is mounted on the rotating body, meshes with the first gear, and is relative to the rotating body. A second gear that rotates in the same direction as the rotating body of the rotating body, and a second gear that is mounted on the rotating body and meshes with the second gear, relative to the rotating body. The vibration power generator according to claim 2, wherein the first and second cantilevers are attached to the third gear.
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