JP2012104691A - Vibration power generating device - Google Patents

Vibration power generating device Download PDF

Info

Publication number
JP2012104691A
JP2012104691A JP2010252658A JP2010252658A JP2012104691A JP 2012104691 A JP2012104691 A JP 2012104691A JP 2010252658 A JP2010252658 A JP 2010252658A JP 2010252658 A JP2010252658 A JP 2010252658A JP 2012104691 A JP2012104691 A JP 2012104691A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
power generation
support substrate
vibration power
vibration
generation device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010252658A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Katsumi Abe
勝巳 阿部
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NEC Corp filed Critical NEC Corp
Priority to JP2010252658A priority Critical patent/JP2012104691A/en
Publication of JP2012104691A publication Critical patent/JP2012104691A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vibration power generating device capable of controlling resonance frequency and fetching vibrational energy in a curved surface shape.SOLUTION: The vibration power generating device comprises: a vibration power generating element 1; a support substrate 2 that is provided with the vibration power generating element 1 on at least one surface thereof and has a curved surface shape; and a housing 4 that has the support substrate 2 and the vibration power generating element 1 therein, fixes the support substrate 2 and has a curved surface shape in the same direction as the support substrate 2. The rigidity of the support substrate 2 is smaller than that of the housing 4.

Description

本発明は、振動等の運動エネルギーを電気エネルギーへ変換する振動発電デバイスに関する。   The present invention relates to a vibration power generation device that converts kinetic energy such as vibration into electric energy.

地球温暖化の要因となっているCO2の排出量を削減するための方策の一つとして、太陽光、地熱、風力、又は潮汐等のエネルギーを電気エネルギーへ変換して利用する環境発電が注目されている。   As one of the measures to reduce CO2 emissions that are a cause of global warming, energy harvesting that converts solar energy, geothermal energy, wind power, tides and other energy into electrical energy is drawing attention. ing.

携帯機器等においても、利用者が使い易いような高性能化、小型化、薄型化、及び軽量化を図った上で、充電頻度を減らすなどの電源供給の確保が求められている。   Also in portable devices and the like, it is required to secure power supply such as reducing the charging frequency after achieving high performance, miniaturization, thinning, and weight reduction that are easy for the user to use.

また携帯機器は、高性能化に伴って用途が拡大すると共に利用時間が長時間に亙るようになり、要求される電力需要は増加の一途を辿っている。しかし、携帯機器の電源として使用されているリチウムイオン等の電池容量は殆ど増加しておらず、ユビキタス環境での電力供給に対する期待は非常に大きい。   In addition, the use of portable devices has been increased along with the increase in performance and the usage time has been extended for a long time, and the demand for electric power has been steadily increasing. However, the capacity of batteries such as lithium ions used as power sources for portable devices has hardly increased, and expectations for power supply in a ubiquitous environment are very high.

ユビキタス環境での電力供給に関し、機械的な振動エネルギーから電力を取り出す発明が、特許文献1で提案されている。特許文献1に記載されている圧電型発電機構は、両端が保持された棒状のバネ材の中央部付近にアンバランスな質量モーメントを形成する振動子と、変形により電力の発電をする圧電素子とを備えている。そして、外部から振動を受けて、振動子の質量によってバネ材がねじれ振動を励起した際に、圧電素子が0.1〜0.6μWの電力を発電する。   Regarding power supply in a ubiquitous environment, Patent Document 1 proposes an invention for extracting power from mechanical vibration energy. A piezoelectric power generation mechanism described in Patent Document 1 includes a vibrator that forms an unbalanced mass moment near the center of a rod-shaped spring material held at both ends, a piezoelectric element that generates power by deformation, and It has. Then, when receiving vibration from the outside and the spring material excites torsional vibration by the mass of the vibrator, the piezoelectric element generates power of 0.1 to 0.6 μW.

特許文献1で提案されている圧電型発電機構は、ビルや橋梁などの建造物等に設置することによって、当該建造物が、風や周辺の移動体の通過により低い周波数で振動した際に、圧電型発電機構が電力を発電することができる。そして特許文献1では、その発電した電力を建造物に取り付けた加速度センサやひずみセンサ用の電源に用いることによって、長期的に建造物等に加わる応力等をモニタリングすることが可能となり、建造物に発生し得る損傷などを予測することができるとしている。   When the piezoelectric power generation mechanism proposed in Patent Document 1 is installed in a building such as a building or a bridge, when the building vibrates at a low frequency due to the passage of a wind or a surrounding moving body, The piezoelectric power generation mechanism can generate electric power. And in patent document 1, it becomes possible to monitor the stress etc. which are added to a building etc. in the long term by using the generated electric power for the power source for an acceleration sensor or a strain sensor attached to the building, It is said that damage that can occur can be predicted.

また近年では機械的な振動エネルギーから効率よく電力を取り出すために、機械的エネルギーの振動周波数に合わせて、振動体(振動子)の共振周波数を変える技術が求められている。   In recent years, in order to efficiently extract electric power from mechanical vibration energy, a technique for changing the resonance frequency of the vibrating body (vibrator) in accordance with the vibration frequency of the mechanical energy is required.

例えば、特許文献2で提案されている振動発電装置では、振動体の一端を固定するとともに、他端に可動磁石とこれに対向した固定磁石を設けている。そして、振動体の端部に設けたコイルバネの剛性を変化させ伸縮させることにより、可動磁石と固定磁石との距離を可変とすることで、振動体の共振周波数を制御する記載がされている、
また特許文献3では、振動エネルギーより電気エネルギーに変換された出力値を検出を行っている。そして検出した電気エネルギーに基づいて、振動体にとりつけられたばねのばね定数kや減衰係数cを変化させることで共振周波数を制御し、電気エネルギーの出力を最大に設定する記載がされている。
For example, in the vibration power generation device proposed in Patent Document 2, one end of a vibrating body is fixed, and a movable magnet and a fixed magnet facing the other end are provided at the other end. And, it is described that the resonance frequency of the vibrating body is controlled by changing the rigidity of the coil spring provided at the end of the vibrating body to make the distance between the movable magnet and the fixed magnet variable.
Moreover, in patent document 3, the output value converted into the electrical energy from the vibration energy is detected. And it is described that the resonance frequency is controlled by changing the spring constant k and the damping coefficient c of the spring attached to the vibrating body based on the detected electric energy, and the output of the electric energy is set to the maximum.

WO2008/053835号WO2008 / 053835 特開2001−157433号公報JP 2001-157433 A 特表2008−536470号公報Special table 2008-536470 gazette

上記の発電デバイスは、様々な分野に適用され始めており、薄型や小型だけでなく、曲面形状において振動エネルギーから電力を取り出すことが求められている。しかし、特許文献2および3に記載の実装構造は、直線形状の筐体を想定したものであり、曲面状に適用した場合、デットスペースが大きくなり装置が厚くなってしまうという問題点があった。   The above power generation device has begun to be applied to various fields, and it is required to extract electric power from vibration energy not only in a thin shape and a small size but also in a curved surface shape. However, the mounting structures described in Patent Documents 2 and 3 are intended for a linear housing, and when applied to a curved surface, there is a problem that the dead space becomes large and the device becomes thick. .

また振動エネルギーを電力エネルギーへ変換する場合、振動エネルギーは決まった周波数、振幅ではなく、また継続して与えられるものでもない。そのため、特許文献3に記載されている電気エネルギーの出力値をフィードバックして、周波数を制御するシステムは、効果が小さく、出力精度の点においても問題があった。   Further, when vibration energy is converted into electric power energy, the vibration energy is not a fixed frequency and amplitude, and is not continuously given. For this reason, the system for controlling the frequency by feeding back the output value of the electric energy described in Patent Document 3 has a small effect and has a problem in terms of output accuracy.

本発明の目的は、上述した課題を解決する振動発電デバイスを提供することである。   The objective of this invention is providing the vibration electric power generation device which solves the subject mentioned above.

本発明における振動発電デバイスは、圧電素子と、少なくとも一方の面に圧電素子を設け、曲面形状を有した支持基板と、支持基板と圧電素子とを内部に備え、支持基板を固定し、支持基板と同一方向に曲面形状を有した筺体とを備え、支持基板の剛性は、筺体の剛性よりも小さいことを特徴とする。   The vibration power generation device according to the present invention includes a piezoelectric element, a piezoelectric element provided on at least one surface, a support substrate having a curved surface, a support substrate and a piezoelectric element, and a support substrate fixed to the support substrate. And a support body having a curved surface shape in the same direction, and the rigidity of the support substrate is smaller than the rigidity of the support body.

本発明よれば、共振周波数が制御可能で、かつ曲面形状においても振動エネルギーを取り出すことのできる振動発電デバイスを提供する。   According to the present invention, there is provided a vibration power generation device capable of controlling a resonance frequency and extracting vibration energy even in a curved surface shape.

第1実施形態における振動発電デバイスの平面図である。It is a top view of the vibration power generation device in a 1st embodiment. 第1実施形態における振動発電デバイスの断面図である。It is sectional drawing of the vibration electric power generation device in 1st Embodiment. 第1実施形態における振動発電素子と支持基板の接続関係を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the connection relation of the vibration electric power generating element in 1st Embodiment, and a support substrate. 第2実施形態における振動発電デバイスの平面図である。It is a top view of the vibration electric power generation device in 2nd Embodiment. 第3実施形態における振動発電デバイスの平面図である。It is a top view of the vibration power generation device in a 3rd embodiment. 第4実施形態における振動発電デバイスの平面図である。It is a top view of the vibration electric power generation device in 4th Embodiment. 第4実施形態における振動発電デバイスの断面図である。It is sectional drawing of the vibration electric power generation device in 4th Embodiment. 第4実施形態における振動発電素子と支持基板の接続関係を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the connection relation of the vibration electric power generating element in 4th Embodiment, and a support substrate.

〔第1の実施形態〕以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。   [First Embodiment] A preferred embodiment for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the preferred embodiments described below are technically preferable for carrying out the present invention, but the scope of the invention is not limited to the following.

〔構成の説明〕図1は本実施形態の構成を示す平面図であり、図2は図1における断面図である。図1、および図2に示すように、本実施形態における振動発電デバイス10は、振動発電素子1と、支持基板2と、基板固定部3、筐体4とを少なくとも備えている。なお理解しやすいように、図1では筺体4中に設けている部品も実線で示している。また図2は、湾曲した支持基板2に沿ったA−A´の断面図である。   [Description of Configuration] FIG. 1 is a plan view showing the configuration of this embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view of FIG. As shown in FIGS. 1 and 2, the vibration power generation device 10 in this embodiment includes at least a vibration power generation element 1, a support substrate 2, a substrate fixing portion 3, and a housing 4. In addition, in order to understand easily, in FIG. 1, the components provided in the housing 4 are also shown by the solid line. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ along the curved support substrate 2.

振動発電素子1は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するものであれ特に限定されない。本実施形態における振動発電素子1は、薄膜フィルム状の強誘電体の表裏面に電極を形成した薄膜圧電フィルムを用いている。振動発電素子1は、導電性接着剤など導電性ペーストなどにより、支持基板2の中央部と電気的に接続している。   The vibration power generation element 1 is not particularly limited as long as it converts vibration energy into electric energy. The vibration power generation element 1 in the present embodiment uses a thin film piezoelectric film in which electrodes are formed on the front and back surfaces of a thin film film-like ferroelectric. The vibration power generation element 1 is electrically connected to the central portion of the support substrate 2 by a conductive paste such as a conductive adhesive.

支持基板2は平面形状であり、少なくとも一方の面における中央部に振動発電素子1を搭載している。そして支持基板2は、少なくとも一部に2次曲面を有している。2次曲面は、支持基板2の両端部が振動発電素子1を搭載している面方向のどちらか一方に湾曲した形状である。言い換えると、支持基板2の両端部は、所定の曲率半径で一方の方向に湾曲しており、支持基板2の湾曲方向に対して垂直方向の面に振動発電素子1を搭載している。   The support substrate 2 has a planar shape, and the vibration power generation element 1 is mounted on a central portion on at least one surface. The support substrate 2 has a quadric surface at least partially. The secondary curved surface is a shape in which both end portions of the support substrate 2 are curved in one of the surface directions on which the vibration power generation element 1 is mounted. In other words, both ends of the support substrate 2 are curved in one direction with a predetermined radius of curvature, and the vibration power generation element 1 is mounted on a surface perpendicular to the curve direction of the support substrate 2.

支持基板2は、ガラスエポキシ基板などの一般的な配線基板でも良いし、ABS(アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂)、PET(ポリエステル)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PC(ポリカーボネート)、PI(ポリイミド)、PTFE(ポリテトラフルオロチエン)、などの絶縁板上に導電性ペースト等を印刷、焼結させて配線を形成しても良い。   The support substrate 2 may be a general wiring substrate such as a glass epoxy substrate, ABS (acrylonitrile / butadiene / styrene resin), PET (polyester), PEN (polyethylene naphthalate), PC (polycarbonate), PI (polyimide). The wiring may be formed by printing and sintering a conductive paste or the like on an insulating plate such as PTFE (polytetrafluorothien).

図3は、振動発電素子1と支持基板2との接続関係を示す斜視図である。図3に示すように、振動発電素子1は、支持基板2の湾曲方向に対して垂直方向の面に搭載されているため、振動方向についても、矢印に示すように支持基板2の湾曲方向に対して垂直方向に振動する。そのため、支持基板2は、湾曲方向における厚さを大きくして、湾曲方向に垂直方向の厚さを小さくする形状としたほうが、振動させるのには好ましい。なお、支持基板2の湾曲面は、内側と外側とが同じ曲率半径の曲面であることが好ましい。   FIG. 3 is a perspective view showing a connection relationship between the vibration power generation element 1 and the support substrate 2. As shown in FIG. 3, since the vibration power generation element 1 is mounted on a surface perpendicular to the bending direction of the support substrate 2, the vibration direction is also in the bending direction of the support substrate 2 as indicated by the arrows. Visible in the vertical direction. For this reason, it is preferable for the support substrate 2 to vibrate when the thickness in the bending direction is increased and the thickness in the direction perpendicular to the bending direction is decreased. In addition, it is preferable that the curved surface of the support substrate 2 is a curved surface with the same curvature radius inside and outside.

筐体4は、支持基板2と同じ方向に湾曲した2次曲面を有した形状であり、内部に振動発電素子1と支持基板2とを設けている。支持基板2は、少なくとも2点の基板固定部3において筐体4と接続している。基板固定部3は、支持基板2に設けられた貫通孔を介してねじ止めにより筐体4と固定されている。   The housing 4 has a shape with a secondary curved surface that is curved in the same direction as the support substrate 2, and the vibration power generation element 1 and the support substrate 2 are provided inside. The support substrate 2 is connected to the housing 4 at at least two substrate fixing portions 3. The substrate fixing portion 3 is fixed to the housing 4 by screwing through a through hole provided in the support substrate 2.

支持基板2の曲げ剛性は、筐体4の曲げ剛性よりも小さい。また支持基板2の曲率半径は筐体4の曲率半径よりも小さい。支持基板2は、振動発電素子1を搭載する領域の近傍と、基板固定部3近傍に電極パッド(図示しない)を設けている。   The bending rigidity of the support substrate 2 is smaller than the bending rigidity of the housing 4. Further, the curvature radius of the support substrate 2 is smaller than the curvature radius of the housing 4. The support substrate 2 is provided with electrode pads (not shown) in the vicinity of the region where the vibration power generation element 1 is mounted and in the vicinity of the substrate fixing portion 3.

筐体4は、内部にセンサデバイスや無線通信デバイス、アンテナを設けてもよい。また、振動発電素子1により生じた交流電圧を直流電圧に変換する整流回路、直流電圧を安定化させるレギュレータ、直流電圧を所定の電圧に電圧変換する電圧コンバータ、電圧変換後の電荷を蓄電する蓄電手段を設けていてもよい。その他、電圧を調節する機器電源コントローラを搭載した電子基板や、液晶や電子ペーパーなどの表示デバイスやキースイッチ、タッチパネルなどの入力デバイスについても備えることができる(図示せず)。   The housing 4 may be provided with a sensor device, a wireless communication device, and an antenna inside. Also, a rectifier circuit that converts an alternating voltage generated by the vibration power generation element 1 into a direct current voltage, a regulator that stabilizes the direct current voltage, a voltage converter that converts the direct current voltage into a predetermined voltage, and an electric storage that stores electric charge after the voltage conversion. Means may be provided. In addition, an electronic board on which a device power supply controller for adjusting voltage is mounted, a display device such as liquid crystal or electronic paper, and an input device such as a key switch and a touch panel (not shown) can be provided.

振動発電デバイス10と上記の電子基板とは、直接配線ケーブルにより接続しても良いが、振動発電デバイス10の近傍は振動変位量が大きいため、振動変位量の小さい基板固定部3近傍で接続することが好ましい。また、支持基板2と電子基板を共通化、すなわち、電子基板上に振動発電デバイス10を搭載しても良い。しかし上記の場合、電子基板を積極的に振動させることにより他の実装部品に不具合が発生することが懸念されるため、部品レイアウト等に制約を設けるとよい。   The vibration power generation device 10 and the electronic board may be directly connected by a wiring cable. However, since the vibration displacement amount is large in the vicinity of the vibration power generation device 10, the vibration power generation device 10 is connected in the vicinity of the substrate fixing portion 3 having a small vibration displacement amount. It is preferable. Further, the support substrate 2 and the electronic substrate may be shared, that is, the vibration power generation device 10 may be mounted on the electronic substrate. However, in the above case, there is a concern that other mounted components may be defective due to positive vibration of the electronic substrate, and therefore it is preferable to place restrictions on the component layout and the like.

〔作用の説明〕本実施形態の振動発電デバイス10は、機械的エネルギー(振動エネルギー)により、支持基板2が湾曲している方向に対して垂直方向に振動する。つまり支持基板2は、振動発電素子1を搭載している面で振動を行う。そして振動発電素子1は、振動を電気エネルギーに変換する。   [Explanation of Action] The vibration power generation device 10 of this embodiment vibrates in a direction perpendicular to the direction in which the support substrate 2 is curved by mechanical energy (vibration energy). That is, the support substrate 2 vibrates on the surface on which the vibration power generation element 1 is mounted. The vibration power generation element 1 converts vibration into electric energy.

支持基板2は、筺体4より剛性が小さいため、支持基板2に比べて容易に形状を変化させることができる。例えば外部から所定の力を加えて筐体4を変形させ、曲率半径を変えたとしても、支持基板2は破損や筺体4と接触することはなく、容易に変形することができ曲率半径を変えることができる。   Since the support substrate 2 is less rigid than the housing 4, the shape can be easily changed compared to the support substrate 2. For example, even if the casing 4 is deformed by applying a predetermined force from the outside and the curvature radius is changed, the support substrate 2 does not break or come into contact with the housing 4 and can be easily deformed to change the curvature radius. be able to.

その結果、支持基板2の曲率半径を変えることで、支持基板2の形状変化、外周に発生する引っ張り応力、及び、内周に発生する圧縮応力などにより、支持基板2の共振周波数を容易に変更することが出来る。つまり支持基板2が振動する共振周波数は、支持基板2の曲率半径により、制御することができる。   As a result, by changing the radius of curvature of the support substrate 2, the resonance frequency of the support substrate 2 can be easily changed due to changes in the shape of the support substrate 2, tensile stress generated on the outer periphery, and compressive stress generated on the inner periphery. I can do it. That is, the resonance frequency at which the support substrate 2 vibrates can be controlled by the radius of curvature of the support substrate 2.

〔効果の説明〕本実施形態における振動発電デバイス10は、少なくとも一部に曲面形状を有する筐体4の曲率半径を変化させることにより、支持基板2の曲率半径を変化させ、容易に振動発電デバイス10の振動特性を変えることができる。そのため振動発電デバイス10は、設置場所や周囲の状況により変動する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換することができる。   [Explanation of Effects] The vibration power generation device 10 according to the present embodiment can easily change the curvature radius of the support substrate 2 by changing the curvature radius of the casing 4 having a curved surface at least partially, thereby easily generating the vibration power generation device. Ten vibration characteristics can be changed. Therefore, the vibration power generation device 10 can efficiently convert vibration energy, which varies depending on the installation location and surrounding conditions, into electric energy.

また支持基板2の曲率半径は、筐体4の曲率半径よりも小さい。そのため、支持基板2の基板固定部3間の円弧長は、筐体4の基板固定部3間の円弧長よりも長い。その結果、筐体4内の空間を有効に使うことができ、より低周波数の共振周波数に適応することが出来る。   Further, the curvature radius of the support substrate 2 is smaller than the curvature radius of the housing 4. Therefore, the arc length between the substrate fixing portions 3 of the support substrate 2 is longer than the arc length between the substrate fixing portions 3 of the housing 4. As a result, the space in the housing 4 can be used effectively, and can be adapted to a lower resonance frequency.

したがって本実施形態における振動発電デバイス10は、利用者に電池交換など発電のための動作を強いることなく、小型機器などにおいても使用することが出来る。例えば、人間の健康状態をモニタリングするウェアラブルセンサにおいても適用することができる。   Therefore, the vibration power generation device 10 in the present embodiment can be used in a small device or the like without forcing the user to perform an operation for power generation such as battery replacement. For example, the present invention can also be applied to a wearable sensor that monitors a human health condition.

以下、ウェアラブルセンサに適用した場合の効果について、詳細に説明する。ウェアラブルセンサとは、脈拍、血圧、血流、血中飽和酸素濃度(SpO2)、心電、体温などのバイタル情報を計測できるセンサ類と取得情報を送信する無線機能を搭載した、腕時計型や指輪型、あるいは、絆創膏型などの小型機器である。   Hereinafter, the effect when applied to a wearable sensor will be described in detail. Wearable sensors are wristwatches and rings equipped with sensors that can measure vital information such as pulse, blood pressure, blood flow, blood saturated oxygen concentration (SpO2), electrocardiogram, and body temperature, and wireless functions that transmit acquired information. It is a small device such as a mold or a bandage mold.

ウェアラブルセンサは、人間のバイタル情報を継続的にモニタリングすることにより、傷病の早期発見や治療後のケアなど遠隔医療の発展に大きく貢献することができる。しかし、現在提案されているウェアラブルセンサは、いずれもボタン電池を電力源としたものであり、数日置きの電池交換作業が普及の大きな妨げになっており、これら機器の自立動作を可能とするような発電システムが必要とされている。   Wearable sensors can greatly contribute to the development of telemedicine such as early detection of wounds and post-treatment care by continuously monitoring human vital information. However, all of the wearable sensors currently proposed use a button battery as a power source, and battery replacement work every few days has been a major obstacle to popularization, enabling these devices to operate independently. Such a power generation system is needed.

またウェアラブルセンサのように身体に装着する小型機器は、一般的にその形状は身体との親和性を担保するために曲面形状を有しており、さらに違和感無く装着するためには、薄型であることも必要条件であった。   In addition, small devices that are worn on the body, such as wearable sensors, generally have a curved surface shape in order to ensure compatibility with the body, and are thin in order to be worn comfortably. That was also a necessary condition.

本実施例における振動発電デバイス10は、筐体4の曲面形状の曲率半径を変化させることにより、容易に振動発電デバイス10の振動特性を変えることができる。そのため、振動発電デバイス10の装着位置や状況により変動する振動特性を、筐体の曲率半径を変化させ振動特性を制御することにより効率よく電気エネルギーに変換することができる。つまり、利用者に電池交換など発電のための動作を強いることなく、曲面形状を有するウェアラブルセンサ等においても薄型の発電システムを提供することができる。   The vibration power generation device 10 according to the present embodiment can easily change the vibration characteristics of the vibration power generation device 10 by changing the curvature radius of the curved shape of the housing 4. Therefore, vibration characteristics that vary depending on the mounting position and situation of the vibration power generation device 10 can be efficiently converted into electrical energy by changing the curvature radius of the housing and controlling the vibration characteristics. That is, a thin power generation system can be provided even in a wearable sensor having a curved surface shape without forcing the user to perform an operation for power generation such as battery replacement.

例えば、本実施形態における振動発電デバイス10を人体の足首に装着しバイタル情報をモニタするウェアラブルセンサに適用することができる。足首の形状は同心円状ではなく、前後の曲率半径は小さく、側面の曲率半径は大きい。そのため振動発電デバイス10を装着する位置を変えることにより、筐体4の2次曲面の曲率半径を変え、支持基板2の共振周波数を変えることが出来る。   For example, the vibration power generation device 10 according to the present embodiment can be applied to a wearable sensor that is mounted on an ankle of a human body and monitors vital information. The shape of the ankle is not concentric, the front and rear curvature radii are small, and the side curvature radii are large. Therefore, by changing the position where the vibration power generation device 10 is mounted, the radius of curvature of the secondary curved surface of the housing 4 can be changed, and the resonance frequency of the support substrate 2 can be changed.

一般的に、歩行時に発生する振動エネルギーの周波数は、走行時に発生する振動エネルギーの周波数より低い。そこで歩行時には振動発電デバイス10を側面に来る位置に装着して共振周波数を下げ、走行時には振動発電デバイス10を前面あるいは後面に来る位置に装着して共振周波数を上げることで、効率よく発電することが可能となる。   Generally, the frequency of vibration energy generated during walking is lower than the frequency of vibration energy generated during travel. Therefore, when walking, the vibration power generation device 10 is attached to a position that comes to the side to lower the resonance frequency, and during traveling, the vibration power generation device 10 is attached to a position that comes to the front or rear surface to increase the resonance frequency, thereby generating power efficiently. Is possible.

〔第2の実施形態〕次に第2の実施形態について説明をする。図4は本実施形態に関する振動発電デバイス10の平面図である。   [Second Embodiment] Next, a second embodiment will be described. FIG. 4 is a plan view of the vibration power generation device 10 according to this embodiment.

〔構造の説明〕本実施形態の振動発電デバイス10は、図4に示すように、第1の実施形態と異なる点は、回転ヒンジ5を備えている点である。それ以外の構成・接続関係は、第1の実施形態と同様である。つまり、第2の実施形態の振動発電デバイス10は、支持基板2と、基板固定部3と、筐体4とを備えている。   [Description of Structure] As shown in FIG. 4, the vibration power generation device 10 of the present embodiment is different from the first embodiment in that a rotary hinge 5 is provided. Other configurations and connection relationships are the same as those in the first embodiment. That is, the vibration power generation device 10 of the second embodiment includes the support substrate 2, the substrate fixing unit 3, and the housing 4.

図4に示すように、本実施形態における振動発電デバイス10は、筺体4の湾曲面の内側であって、しかも基板固定部3の間に回転ヒンジ5を設けている。筐体4は、回転ヒンジ5を中心として回転し、折り曲げることができる。   As shown in FIG. 4, the vibration power generation device 10 according to the present embodiment is provided inside the curved surface of the housing 4 and between the substrate fixing portions 3. The housing 4 can be rotated and bent about the rotary hinge 5.

〔作用・効果の説明〕本実施形態における振動発電デバイス10は、筐体4に回転ヒンジ5を設けることにより、筐体4の抗折応力を任意に設定することができる。つまり筐体4は、回転ヒンジ5を設けることで容易に形状を変化させて曲率半径を調整することができるため、支持基板2の曲率半径についても容易に制御することができる。その結果、振動発電デバイス10は共振周波数の調整が可能となる。   [Description of Action / Effect] The vibration power generation device 10 according to this embodiment can arbitrarily set the bending stress of the casing 4 by providing the casing 4 with the rotating hinge 5. In other words, since the casing 4 can be easily changed in shape by adjusting the curvature radius by providing the rotary hinge 5, the curvature radius of the support substrate 2 can be easily controlled. As a result, the vibration power generation device 10 can adjust the resonance frequency.

また振動発電デバイス10は、回転ヒンジを設けることで形状を変化が容易となるため、支持基板2や筐体4を構成する材料、実装構造の設計自由度が高くなる。つまり、筺体4は剛性が大きい材料を用いたとしても、容易に形状を変形することができ、また変形した形状を維持することができる。ここでは、デザイン性、安全性の点から、回転ヒンジ5を覆うように保護テープ6を設けてもよい。   Moreover, since the shape of the vibration power generation device 10 can be easily changed by providing a rotary hinge, the degree of freedom in designing the material and the mounting structure constituting the support substrate 2 and the housing 4 is increased. That is, even if the housing 4 is made of a material having high rigidity, the shape can be easily deformed and the deformed shape can be maintained. Here, from the viewpoint of design and safety, the protective tape 6 may be provided so as to cover the rotary hinge 5.

〔第3の実施形態〕次に第3の実施形態について説明をする。図5は本実施形態に関する振動発電デバイス10の平面図である。   [Third Embodiment] Next, a third embodiment will be described. FIG. 5 is a plan view of the vibration power generation device 10 according to this embodiment.

〔構造の説明〕本実施形態の振動発電デバイス10は、図5に示すように、第1の実施形態と異なる点は、支持基板2の形状である。それ以外の構成・接続関係は、第1の実施形態と同様である。つまり、第2の実施形態の振動発電デバイス10は、支持基板2と、基板固定部3と、筐体4とを備えている。   [Description of Structure] As shown in FIG. 5, the vibration power generation device 10 of this embodiment is different from the first embodiment in the shape of the support substrate 2. Other configurations and connection relationships are the same as those in the first embodiment. That is, the vibration power generation device 10 of the second embodiment includes the support substrate 2, the substrate fixing unit 3, and the housing 4.

本実施形態における振動発電デバイス10の支持基板2は、筐体4の内部に設けられており、筐体4が有する2次曲面に沿った多角形状である。支持基板2は、筐体4が有する2次曲面の外周側に向かって突出した形状であればよい。   The support substrate 2 of the vibration power generation device 10 in the present embodiment is provided inside the housing 4 and has a polygonal shape along a secondary curved surface of the housing 4. The support substrate 2 may have a shape protruding toward the outer peripheral side of the secondary curved surface of the housing 4.

また支持基板4は、両端部に設けられた基板固定部3にといて筐体4と接続している。そして、支持基板4の基板固定部3の間の距離は、筐体4の基板固定部3の間の円弧長より長さが長ければよい。   The support substrate 4 is connected to the housing 4 through the substrate fixing portions 3 provided at both ends. The distance between the substrate fixing portions 3 of the support substrate 4 may be longer than the arc length between the substrate fixing portions 3 of the housing 4.

〔作用・効果の説明〕本実施形態における振動発電デバイス10は、上記構造により支持基板2が曲面形状でなくても多角形状であっても同様の効果を得ることができる。その結果、筐体4内の他の実装部品のレイアウト上の問題で、支持基板2を曲面形状とすることが出来ない場合、多角形状を用いることで、筺体4内部の高密度化や、装置全体の更なる小型化を実現することができる。   [Description of Functions and Effects] The vibration power generation device 10 according to the present embodiment can obtain the same effect regardless of whether the support substrate 2 has a curved shape or a polygonal shape due to the above structure. As a result, when the support substrate 2 cannot be formed into a curved surface due to a problem in the layout of other mounted components in the housing 4, the polygon 4 can be used to increase the density inside the housing 4 and the device. Further downsizing of the whole can be realized.

〔第4の実施形態〕次に第4の実施形態について説明をする。図6は本実施形態に関する振動発電デバイス10の平面図であり、図7は断面図である。理解しやすいように、図6では筺体4中に設けている部品も実線で示している。また図7では、湾曲した支持基板2に沿ったB−B´の断面図であり、湾曲方向の外側から見た図である。   [Fourth Embodiment] Next, a fourth embodiment will be described. FIG. 6 is a plan view of the vibration power generation device 10 according to the present embodiment, and FIG. 7 is a cross-sectional view. For easy understanding, in FIG. 6, the parts provided in the housing 4 are also shown by solid lines. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ along the curved support substrate 2 and is a view seen from the outside in the bending direction.

〔構造の説明〕本実施形態の振動発電デバイス10は、図6、図7に示すように、第1の実施形態と異なる点は、支持基板2における振動発電素子1が搭載されている箇所である。それ以外の構成・接続関係は、第1の実施形態と同様である。つまり、第2の実施形態の振動発電デバイス10は、支持基板2と、基板固定部3と、筐体4とを備えている。   [Description of Structure] As shown in FIGS. 6 and 7, the vibration power generation device 10 of the present embodiment is different from the first embodiment in that the vibration power generation element 1 is mounted on the support substrate 2. is there. Other configurations and connection relationships are the same as those in the first embodiment. That is, the vibration power generation device 10 of the second embodiment includes the support substrate 2, the substrate fixing unit 3, and the housing 4.

本実施形態における振動発電デバイス10は、支持基板2が2次曲面を有しており、2次曲面の外側の面に振動発電素子1を設けている。なお図示していないが、支持基板2の内側の面に設けてもよい。つまり支持基板2が湾曲している方向の面に振動発電素子1を設けている。   In the vibration power generation device 10 according to the present embodiment, the support substrate 2 has a secondary curved surface, and the vibration power generation element 1 is provided on the outer surface of the secondary curved surface. Although not shown, it may be provided on the inner surface of the support substrate 2. That is, the vibration power generation element 1 is provided on the surface in the direction in which the support substrate 2 is curved.

図8は、振動発電素子1と支持基板2との接続関係を示す斜視図である。図8に示すように、振動発電素子1は、支持基板2の湾曲方向における外側の面に搭載されているため、振動方向についても、矢印に示すように支持基板2の湾曲方向に振動する。そのため、支持基板2は、湾曲方向における厚さを小さくして、湾曲方向に対して垂直方向の厚さを大きくしたほうが、振動させるには好ましい。   FIG. 8 is a perspective view showing a connection relationship between the vibration power generation element 1 and the support substrate 2. As shown in FIG. 8, since the vibration power generation element 1 is mounted on the outer surface in the bending direction of the support substrate 2, the vibration direction also vibrates in the bending direction of the support substrate 2 as indicated by the arrow. For this reason, it is preferable to vibrate the support substrate 2 by reducing the thickness in the bending direction and increasing the thickness in the direction perpendicular to the bending direction.

〔作用・効果の説明〕本実施形態における振動発電デバイス10は、振動エネルギーが加えられると、支持基板2が湾曲している方向に振動が発生し、振動発電素子1において電気エネルギーに変換する。   [Description of Functions and Effects] When vibration energy is applied to the vibration power generation device 10 in the present embodiment, vibration is generated in the direction in which the support substrate 2 is curved, and the vibration power generation element 1 converts the vibration energy into electric energy.

振動発電デバイス10は、装着性を良くするために、筐体4の2次曲面形状の厚さ方向は小さくする必要があるが、長さ方向には大きな制約を設ける必要は無い。図6に示すような本実施形態の振動発電デバイス10は、機械的エネルギーは支持基板2が有する2次曲面の湾曲方向に与えられる。そのため振動発電デバイス10の厚さ方向を小さくできるとともに、支持基板2の長さ方向を長くすることが可能であるため、発電量を増大することが可能となる。   The vibration power generation device 10 needs to reduce the thickness direction of the secondary curved surface shape of the housing 4 in order to improve the mounting property, but it is not necessary to provide a large restriction in the length direction. In the vibration power generation device 10 of the present embodiment as shown in FIG. 6, mechanical energy is applied in the bending direction of the secondary curved surface of the support substrate 2. Therefore, the thickness direction of the vibration power generation device 10 can be reduced, and the length direction of the support substrate 2 can be increased, so that the power generation amount can be increased.

また、上述の実装構造の場合、支持基板2の曲げ剛性が閾値を超えると挫屈変形を行うため著しく共振周波数が高くなる。この特性を利用して、必要となる共振周波数を大きく変化することなどもできる。   Further, in the case of the mounting structure described above, when the bending rigidity of the support substrate 2 exceeds a threshold value, the resonance frequency is remarkably increased due to buckling deformation. Using this characteristic, the required resonance frequency can be changed greatly.

なお、本発明は上記実施形態の構成にのみ制限されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得ることができる各種変形、修正を含むことは勿論である。例えば、振動発電デバイス10の搭載数は一つに限らす複数搭載しても良い。また、搭載位置も支持基板の中央に限定するものではなく、振動エネルギーの強く発生する位置に搭載した方が良い。   It should be noted that the present invention is not limited to the configuration of the embodiment described above, and of course includes various variations and modifications that can be made by those skilled in the art within the scope of the present invention. For example, the number of mounted vibration power generation devices 10 is not limited to one, and a plurality of vibration power generation devices 10 may be mounted. Further, the mounting position is not limited to the center of the support substrate, and it is better to mount it at a position where vibration energy is generated strongly.

1 振動発電素子
2 支持基板
3 基板固定部
4 筺体
5 回転ヒンジ
6 保護テープ
10 振動発電デバイス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vibration power generation element 2 Support substrate 3 Substrate fixing | fixed part 4 Housing 5 Rotating hinge 6 Protection tape 10 Vibration power generation device

Claims (10)

振動発電素子と、
少なくとも一方の面に前記振動発電素子を設け、曲面形状を有した支持基板と、
前記支持基板と前記振動発電素子とを内部に備え、前記支持基板を固定し、前記支持基板と同一方向に曲面形状を有した筺体とを備え、
前記支持基板の剛性は、前記筺体の剛性よりも小さいことを特徴とする振動発電デバイス。
A vibration power generation element;
Provide the vibration power generation element on at least one surface, a support substrate having a curved shape,
The support substrate and the vibration power generation element are provided inside, the support substrate is fixed, and a housing having a curved shape in the same direction as the support substrate is provided.
The vibration power generation device according to claim 1, wherein the rigidity of the support substrate is smaller than the rigidity of the housing.
前記支持基板と前記筺体とを少なくとも2点で固定する基板固定部を設け、
前記支持基板における前記基板固定部の間の長さは、前記筺体における前記基板固定部の間の長さより長いことを特徴とする請求項1に記載の振動発電デバイス。
A substrate fixing portion for fixing the support substrate and the housing at least at two points;
2. The vibration power generation device according to claim 1, wherein a length between the substrate fixing portions in the support substrate is longer than a length between the substrate fixing portions in the casing.
前記曲面は、2次曲面であることを特徴とする請求項2に記載の振動発電デバイス。   The vibration power generation device according to claim 2, wherein the curved surface is a quadratic curved surface. 前記支持基板の曲率半径は、前記筺体の曲率半径より小さいことを特徴とする請求項3に記載の振動発電デバイス。   The vibration power generation device according to claim 3, wherein a curvature radius of the support substrate is smaller than a curvature radius of the housing. 前記支持基板は、前記筺体が有する2次曲面の湾曲方向に突出した多角形であることを特徴とする請求項3に記載の振動発電デバイス。   The vibration power generation device according to claim 3, wherein the support substrate is a polygon projecting in a bending direction of a secondary curved surface of the housing. 前記筺体は、前記基板固定部の間に回転ヒンジを設けていることを特徴とする請求項1乃至5に記載の振動発電デバイス。   The vibration power generation device according to claim 1, wherein the casing is provided with a rotating hinge between the substrate fixing portions. 前記支持基板は、2次曲面の湾曲方向に対して垂直方向の面に、前記振動発電素子を搭載していることを特徴とする請求項1乃至6に記載の振動発電デバイス。   7. The vibration power generation device according to claim 1, wherein the vibration power generation element is mounted on a surface of the support substrate in a direction perpendicular to a bending direction of a secondary curved surface. 前記支持基板は、2次曲面の湾曲方向における外側、あるいは内側の面に前記振動発電素子を搭載していることを特徴とする請求項1乃至6に記載の振動発電デバイス。   The vibration power generation device according to claim 1, wherein the vibration power generation element is mounted on an outer surface or an inner surface of the support substrate in a bending direction of the secondary curved surface. 前記支持基板は、電子基板であることを特徴とする請求項1乃至8に記載の振動発電デバイス。   The vibration power generation device according to claim 1, wherein the support substrate is an electronic substrate. 前記筺体および前記支持基板の形状を変化させることで、共振周波数を変化することを特徴とする請求項1乃至9に記載の振動発電デバイス。   The vibration power generation device according to claim 1, wherein the resonance frequency is changed by changing the shapes of the casing and the support substrate.
JP2010252658A 2010-11-11 2010-11-11 Vibration power generating device Pending JP2012104691A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010252658A JP2012104691A (en) 2010-11-11 2010-11-11 Vibration power generating device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010252658A JP2012104691A (en) 2010-11-11 2010-11-11 Vibration power generating device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2012104691A true JP2012104691A (en) 2012-05-31

Family

ID=46394735

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010252658A Pending JP2012104691A (en) 2010-11-11 2010-11-11 Vibration power generating device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2012104691A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015028425A (en) * 2013-07-30 2015-02-12 俊 保坂 Semiconductor sensor device and method of manufacturing the same
CN104662684A (en) * 2012-09-25 2015-05-27 裴祥喆 Piezoelectric element for power generation and power generation device using same
JP2017158864A (en) * 2016-03-10 2017-09-14 旭化成エレクトロニクス株式会社 Measurement device, measurement system, shoes, biological information measurement method and self-contained power generation sensor
CN107342708A (en) * 2017-08-17 2017-11-10 浙江师范大学 A kind of self-powered shared bicycle positioner

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007198175A (en) * 2006-01-24 2007-08-09 Taiheiyo Cement Corp Wind power generator
JP2008099489A (en) * 2006-10-13 2008-04-24 Taiheiyo Cement Corp Energy converter
JP2010016974A (en) * 2008-07-03 2010-01-21 Casio Comput Co Ltd Power generating device
JP2010063321A (en) * 2008-09-05 2010-03-18 Sumida Corporation Piezoelectric power generator
WO2010067620A1 (en) * 2008-12-12 2010-06-17 株式会社村田製作所 Piezoelectric power generator

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007198175A (en) * 2006-01-24 2007-08-09 Taiheiyo Cement Corp Wind power generator
JP2008099489A (en) * 2006-10-13 2008-04-24 Taiheiyo Cement Corp Energy converter
JP2010016974A (en) * 2008-07-03 2010-01-21 Casio Comput Co Ltd Power generating device
JP2010063321A (en) * 2008-09-05 2010-03-18 Sumida Corporation Piezoelectric power generator
WO2010067620A1 (en) * 2008-12-12 2010-06-17 株式会社村田製作所 Piezoelectric power generator

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104662684A (en) * 2012-09-25 2015-05-27 裴祥喆 Piezoelectric element for power generation and power generation device using same
JP2015028425A (en) * 2013-07-30 2015-02-12 俊 保坂 Semiconductor sensor device and method of manufacturing the same
JP2017158864A (en) * 2016-03-10 2017-09-14 旭化成エレクトロニクス株式会社 Measurement device, measurement system, shoes, biological information measurement method and self-contained power generation sensor
CN107342708A (en) * 2017-08-17 2017-11-10 浙江师范大学 A kind of self-powered shared bicycle positioner
CN107342708B (en) * 2017-08-17 2023-06-16 浙江师范大学 Self-powered shared bicycle positioning device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Guo et al. Artificial intelligence-enabled caregiving walking stick powered by ultra-low-frequency human motion
Li et al. Towards real-time self-powered sensing with ample redundant charges by a piezostack-based frequency-converted generator from human motions
KR20150039605A (en) Protective case for mobile terminalproviding real time vibration feedback
JP4663035B2 (en) Vibration power generator, vibration power generation device, and communication device equipped with vibration power generation device
Hu et al. Vibration-driven triboelectric nanogenerator for vibration attenuation and condition monitoring for transmission lines
US9743166B2 (en) Device generating sound
JPWO2012105368A1 (en) Piezoelectric generator
JP2012104691A (en) Vibration power generating device
JPWO2018051917A1 (en) Sensors, bands, electronic devices and wristwatch-type electronic devices
WO2016145895A1 (en) Terminal charging device and terminal
EP3059657B1 (en) Input apparatus and electronic device provided therewith
Cheng et al. Energy harvesting from human motion for wearable devices
JP6657376B2 (en) Vibration presentation device
CN210776587U (en) Touch feedback module and touch device
CN113452284B (en) Energy harvester and wearable equipment
CN109768736A (en) A kind of pipeline liquid flow passive detection device and method
JP6816775B2 (en) Battery pack
US20150028722A1 (en) Piezoelectric energy recovery system
KR101332006B1 (en) Omnidirectional vibration based energy harvester
KR20090048974A (en) Portable generator using piezoelectric film
CN106992714A (en) A kind of electromagnetism Piezoelectric anisotropy formula Portable charging apparatus
KR101578806B1 (en) Flexible piezo-electric loudspeaker including battery
KR20170017565A (en) Piezoelectric energy harvester and battery charging device having thereof
CN107733283B (en) Power generation device and power generation system using same
CN212435606U (en) Touch feedback module and touch device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20131018

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20141016

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20141104

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20151006