（実施形態１）
以下では、本実施形態のエネルギ変換装置１について図１に基づいて説明する。
(Embodiment 1)
Below, the energy converter 1 of this embodiment is demonstrated based on FIG.
エネルギ変換装置１は、発電装置１０１と、整流平滑回路１０２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３と、監視回路１０４と、を備える。
The energy conversion device 1 includes a power generation device 101, a rectifying / smoothing circuit 102, a DC-DC converter 103, and a monitoring circuit 104.
発電装置１０１は、運動エネルギを電気エネルギに変換して交流電圧を発生する機能を有する。
The power generation device 101 has a function of generating an AC voltage by converting kinetic energy into electrical energy.
整流平滑回路１０２は、発電装置１０１の出力端間に接続されている。整流平滑回路１０２は、発電装置１０１で発生する交流電圧を直流電圧に整流する機能と、この直流電圧の直流成分のみを取り出すためにリップル成分（交流成分）を抑圧する機能と、を有する。要するに、整流平滑回路１０２は、発電装置１０１で発生した交流電圧を整流平滑した直流電圧を出力するように構成されている。
The rectifying / smoothing circuit 102 is connected between the output terminals of the power generation apparatus 101. The rectifying / smoothing circuit 102 has a function of rectifying an AC voltage generated in the power generation apparatus 101 into a DC voltage, and a function of suppressing a ripple component (AC component) in order to extract only the DC component of the DC voltage. In short, the rectifying / smoothing circuit 102 is configured to output a DC voltage obtained by rectifying and smoothing the AC voltage generated by the power generation apparatus 101.
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３は、整流平滑回路１０２の出力端間に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３は、整流平滑回路１０２の出力電圧を所定の直流電圧に変換する機能を有する。
The DC-DC converter 103 is connected between the output terminals of the rectifying / smoothing circuit 102. The DC-DC converter 103 has a function of converting the output voltage of the rectifying and smoothing circuit 102 into a predetermined DC voltage.
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３は、制御端子ＣＮを備え、制御端子ＣＮとＤＣ−ＤＣコンバータ１０３のグランドラインとの間の制御電圧が所定の起動電圧を超えたときに起動するように構成されている。
The DC-DC converter 103 includes a control terminal CN, and is configured to start when a control voltage between the control terminal CN and the ground line of the DC-DC converter 103 exceeds a predetermined start voltage.
監視回路１０４は、整流平滑回路１０２の出力端間の電圧を入力電圧として監視しながらＤＣ−ＤＣコンバータ１０３の起動、停止を指示する機能を有している。この監視回路１０４は、整流平滑回路１０２とＤＣ−ＤＣコンバータ１０３との間に設けられている。
The monitoring circuit 104 has a function of instructing start and stop of the DC-DC converter 103 while monitoring the voltage between the output terminals of the rectifying and smoothing circuit 102 as an input voltage. The monitoring circuit 104 is provided between the rectifying / smoothing circuit 102 and the DC-DC converter 103.
監視回路１０４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３を起動させるときの入力電圧である第１電圧とＤＣ−ＤＣコンバータ１０３を停止させるときの入力電圧である第２電圧とが異なるヒステリシス特性を有している。監視回路１０４は、第１電圧と第２電圧との差を、抵抗Ｒ１〜Ｒ６と半導体スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ３とで構成されるヒステリシス回路１４１により設定してある。これにより、エネルギ変換装置１は、回路効率の向上を図ることが可能となり、エネルギ変換効率の向上を図ることが可能となる。
The monitoring circuit 104 has a hysteresis characteristic in which a first voltage that is an input voltage when starting the DC-DC converter 103 and a second voltage that is an input voltage when stopping the DC-DC converter 103 are different. . In the monitoring circuit 104, the difference between the first voltage and the second voltage is set by a hysteresis circuit 141 including resistors R1 to R6 and semiconductor switching elements M1 to M3. As a result, the energy conversion device 1 can improve circuit efficiency, and can improve energy conversion efficiency.
発電装置１０１としては、圧電型の振動発電装置１０１ａを採用している。圧電型の振動発電装置１０１ａとは、圧電効果を利用して運動エネルギを電気エネルギに変換する発電装置である。
As the power generation device 101, a piezoelectric vibration power generation device 101a is employed. The piezoelectric vibration power generation device 101a is a power generation device that converts kinetic energy into electrical energy using the piezoelectric effect.
以下では、圧電型の振動発電装置１０１ａについて図２に基づいて説明する。
Hereinafter, the piezoelectric vibration power generation apparatus 101a will be described with reference to FIG.
振動発電装置１０１ａは、支持部１１１ａと、支持部１１１ａに対向する対向部１１１ｂと、支持部１１１ａと対向部１１１ｂとの間にあり支持部１１１ａに一端が固定され他端が対向部１１１ｂから離れている振動ブロック１１２と、を備える。これにより、振動発電装置１０１ａは、振動ブロック１１２の他端と対向部１１１ｂとの間に、流体が通過可能な流路１１５が形成されている。振動発電装置１０１ａは、支持部１１１ａと対向部１１１ｂとの相対的な位置関係が変わらないように構成されている。
The vibration power generation apparatus 101a is located between the support part 111a, the opposing part 111b facing the support part 111a, and the support part 111a and the opposing part 111b. One end is fixed to the support part 111a and the other end is separated from the opposing part 111b. The vibration block 112 is provided. Thus, in the vibration power generation apparatus 101a, a flow path 115 through which a fluid can pass is formed between the other end of the vibration block 112 and the facing portion 111b. The vibration power generator 101a is configured so that the relative positional relationship between the support portion 111a and the facing portion 111b does not change.
振動ブロック１１２は、支持部１１１ａに揺動自在に支持された梁部１１２ａと、梁部１１２ａの先端に設けられた錘部１１２ｂと、錘部１１２ｂにおける梁部１１２ａ側とは反対側に突出した突出部１１２ｃと、圧電変換部１１４と、を備える。振動ブロック１１２は、梁部１１２ａにおける支持部１１１ａ側の端が、振動ブロック１１２の一端を構成し、突出部１１２ｃにおける先端が、振動ブロック１１２の他端を構成している。
The vibration block 112 protrudes to the side opposite to the beam 112a side of the weight 112b, the beam 112a supported on the support 111a so as to be swingable, the weight 112b provided at the tip of the beam 112a. The protrusion part 112c and the piezoelectric conversion part 114 are provided. In the vibration block 112, the end of the beam portion 112 a on the support portion 111 a side constitutes one end of the vibration block 112, and the tip of the protruding portion 112 c constitutes the other end of the vibration block 112.
梁部１１２ａは、支持部１１１ａよりも薄い。錘部１１２ｂは、梁部１１２ａよりも厚い。また、突出部１１２ｃは、錘部１１２ｂ及び対向部１１１ｂよりも薄い。圧電変換部１１４は、振動ブロック１１２の振動に応じて交流電圧を発生する。振動ブロック１１２は、突出部１１２ｃの先端面１１２ｃｃの法線が対向部１１１ｂに交差しないように反っている。これにより、振動発電装置１０１ａは、流体励起振動が可能で且つ流体励起振動時の圧電変換効率の向上を図ることが可能となる。流体励起振動は、振動発電装置１０１ａを流れ場に配置した状態等において、流れ場を流れる流体が流路１１５を通過することによって発生する振動ブロック１１２の振動である。この流体励起振動は、自励振動である。流体としては、例えば、空気、ガス、空気とガスとの混合気体、液体等が挙がられる。流体が気体の場合、流れ場としては、例えば、空調機の給気ダクトの内部や、空調機の排気ダクトの内部等が挙げられるが、特に限定するものではない。
The beam portion 112a is thinner than the support portion 111a. The weight portion 112b is thicker than the beam portion 112a. Further, the protruding portion 112c is thinner than the weight portion 112b and the facing portion 111b. The piezoelectric conversion unit 114 generates an alternating voltage according to the vibration of the vibration block 112. The vibration block 112 is warped so that the normal line of the tip end surface 112cc of the protruding portion 112c does not intersect the facing portion 111b. As a result, the vibration power generation apparatus 101a can perform fluid excitation vibration and can improve the piezoelectric conversion efficiency during the fluid excitation vibration. The fluid excitation vibration is a vibration of the vibration block 112 generated when the fluid flowing through the flow field passes through the flow path 115 in a state where the vibration power generation apparatus 101a is disposed in the flow field. This fluid excitation vibration is self-excited vibration. Examples of the fluid include air, gas, a mixed gas of air and gas, a liquid, and the like. When the fluid is a gas, examples of the flow field include the inside of an air supply duct of an air conditioner and the inside of an exhaust duct of an air conditioner, but are not particularly limited.
振動発電装置１０１ａは、振動ブロック１１２が錘部１１２ｂを備えていることにより、錘部１１２ｂを備えていない場合に比べて、振動ブロック１１２の振動時の慣性力を大きくでき、振動ブロック１１２の振幅を大きくすることが可能となる。また、振動発電装置１０１ａは、振動ブロック１１２が錘部１１２ｂを備えていることにより、振動ブロック１１２の振動時に梁部１１２ａ及び圧電変換部１１４に集中的にひずみを発生させることが可能となり、圧電変換効率の向上を図ることが可能となる。また、振動発電装置１０１ａは、振動ブロック１１２が錘部１１２ｂを備えていることにより、振動ブロック１１２の共振周波数を小さくすることが可能となり、振動ブロック１１２が振動し始める流体の流速の低速化を図ることが可能となる。また、振動発電装置１０１ａは、対向部１１１ｂを備えていることにより、流路１１５を流れる流体の流束から、振動ブロック１１２の振動を誘起しやすくなる。
Since the vibration power generation apparatus 101a includes the weight portion 112b, the vibration power generation unit 101a can increase the inertial force during vibration of the vibration block 112 compared to the case where the vibration block 112 does not include the weight portion 112b. Can be increased. In addition, since the vibration power generation apparatus 101a includes the weight portion 112b, the vibration block 112 can generate strain intensively in the beam portion 112a and the piezoelectric conversion portion 114 when the vibration block 112 vibrates. It is possible to improve the conversion efficiency. In addition, the vibration power generation apparatus 101a can reduce the resonance frequency of the vibration block 112 by reducing the flow velocity of the fluid at which the vibration block 112 starts to vibrate because the vibration block 112 includes the weight portion 112b. It becomes possible to plan. In addition, the vibration power generation apparatus 101a includes the facing portion 111b, so that the vibration of the vibration block 112 is easily induced from the fluid flux flowing through the flow path 115.
振動発電装置１０１ａは、突出部１１２ｃの固有振動数が振動ブロック１１２の固有振動数よりも大きいことが好ましい。これにより、振動発電装置１０１ａは、突出部１１２ｃが錘部１１２ｂを基点として単独で振動するのを抑制することが可能となり、突出部１１２ｃ単独の振動に起因した振動エネルギの低下を抑制することが可能となる。
In the vibration power generation apparatus 101a, it is preferable that the natural frequency of the protrusion 112c is larger than the natural frequency of the vibration block 112. Accordingly, the vibration power generation apparatus 101a can suppress the protrusion 112c from vibrating independently with the weight 112b as a base point, and can suppress a decrease in vibration energy due to the vibration of the protrusion 112c alone. It becomes possible.
振動発電装置１０１ａの各構成要素については、以下に詳細に説明する。
Each component of the vibration power generator 101a will be described in detail below.
振動発電装置１０１ａは、ＭＥＭＳ（micro electromechanical systems）の製造技術を利用して製造されている。
The vibration power generation apparatus 101a is manufactured using a manufacturing technology of MEMS (micro electromechanical systems).
振動発電装置１０１ａは、支持部１１１ａ、対向部１１１ｂ、梁部１１２ａ、錘部１１２ｂ及び突出部１１２ｃが、基板１１０から形成されている。振動発電装置１０１ａは、基板１１０の一表面側において梁部１１２ａ及び突出部１１２ｃが形成されている。
In the vibration power generation apparatus 101a, a support portion 111a, a facing portion 111b, a beam portion 112a, a weight portion 112b, and a protruding portion 112c are formed from a substrate 110. In the vibration power generation apparatus 101a, a beam portion 112a and a protruding portion 112c are formed on one surface side of the substrate 110.
振動発電装置１０１ａは、支持部１１１ａと対向部１１１ｂとを有する枠状のフレーム部１１１を備えているのが好ましい。要するに、振動発電装置１０１ａは、フレーム部１１１、梁部１１２ａ、錘部１１２ｂ及び突出部１１２ｃが、基板１１０から形成されているのが好ましい。言い換えれば、支持部１１１ａ及び対向部１１１ｂは、フレーム部１１１の別々の一部により構成されているのが好ましい。これにより、振動発電装置１０１ａは、支持部１１１ａと対向部１１１ｂとの相対的な位置精度を高めることが可能となり、振動ブロック１１２と対向部１１１ｂとの相対的な位置精度を高めることが可能となる。なお、以下では、フレーム部１１１のうち、支持部１１１ａと対向部１１１ｂとを連結している２つの部位を「連結部１１１ｃ、１１１ｃ」という。
The vibration power generation apparatus 101a preferably includes a frame-shaped frame portion 111 having a support portion 111a and a facing portion 111b. In short, it is preferable that the vibration power generation apparatus 101a has the frame part 111, the beam part 112a, the weight part 112b, and the protruding part 112c formed from the substrate 110. In other words, it is preferable that the support part 111a and the opposing part 111b are constituted by separate parts of the frame part 111. Accordingly, the vibration power generation apparatus 101a can increase the relative positional accuracy between the support portion 111a and the facing portion 111b, and can increase the relative positional accuracy between the vibration block 112 and the facing portion 111b. Become. Hereinafter, two portions of the frame portion 111 that connect the support portion 111a and the facing portion 111b are referred to as “connecting portions 111c and 111c”.
基板１１０としては、シリコン基板１１０ａ上のシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜１１０ｂ上にシリコン層１１０ｃが形成されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いている。基板１１０の上記一表面は、（１００）面としてあるが、これに限らず、例えば、（１１０）面でもよい。
As the substrate 110, an SOI (Silicon on Insulator) substrate in which a silicon layer 110c is formed on a buried oxide film 110b made of a silicon oxide film on a silicon substrate 110a is used. The one surface of the substrate 110 is a (100) plane, but is not limited thereto, and may be a (110) plane, for example.
支持部１１１ａ、対向部１１１ｂ及び各連結部１１１ｃは、ＳＯＩ基板のうちシリコン基板１１０ａと埋込酸化膜１１０ｂとシリコン層１１０ｃとから形成されている。
The support part 111a, the opposing part 111b, and each connection part 111c are formed of a silicon substrate 110a, a buried oxide film 110b, and a silicon layer 110c in the SOI substrate.
梁部１１２ａは、ＳＯＩ基板のうちシリコン層１１０ｃから形成されている。梁部１１２ａは、支持部１１１ａに比べて厚み寸法が小さく、可撓性を有している。
The beam portion 112a is formed from the silicon layer 110c of the SOI substrate. The beam portion 112a has a thickness dimension smaller than that of the support portion 111a and has flexibility.
突出部１１２ｃは、ＳＯＩ基板のうちシリコン層１１０ｃから形成されており、支持部１１１ａ及び対向部１１１ｂに比べて厚み寸法が小さい。振動発電装置１０１ａは、突出部１１２ｃの固有振動数が振動ブロック１１２の固有振動数よりも大きくなるように、突出部１１２ｃの長さを梁部１１２ａの長さよりも短く設定してある。
The protruding portion 112c is formed from the silicon layer 110c of the SOI substrate, and has a smaller thickness than the support portion 111a and the facing portion 111b. In the vibration power generator 101a, the length of the protrusion 112c is set shorter than the length of the beam 112a so that the natural frequency of the protrusion 112c is larger than the natural frequency of the vibration block 112.
振動発電装置１０１ａは、基板１１０と圧電変換部１１４とが、基板１１０の上記一表面側に形成された絶縁膜１１８ａによって、電気的に絶縁されている。絶縁膜１１８ａは、例えば、シリコン酸化膜により構成することができる。このシリコン酸化膜は、例えば、熱酸化法により形成してあるが、これに限らず、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成することもできる。
In the vibration power generation apparatus 101a, the substrate 110 and the piezoelectric conversion unit 114 are electrically insulated by an insulating film 118a formed on the one surface side of the substrate 110. The insulating film 118a can be composed of, for example, a silicon oxide film. The silicon oxide film is formed by, for example, a thermal oxidation method, but is not limited thereto, and may be formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like.
振動発電装置１０１ａは、梁部１１２ａが、シリコン層１１０ｃの一部（以下、「第１部位」という。）と、シリコン層１１０ｃの厚み方向の一面側に形成された絶縁膜１１８ａの一部（以下、「第１部位」という。）と、で構成されている。ここで、絶縁膜１１８ａは、圧縮応力を有する。よって、梁部１１２ａは、シリコン層１１０ｃのうち梁部１１２ａを構成する第１部位（以下、「第１シリコン層１１０ｃａ」という。）と、絶縁膜１１８ａのうち第１シリコン層１１０ｃａの厚み方向の一面側に形成された第１部位（以下、「第１絶縁膜１１８ａａ」という。）と、で構成され、第１絶縁膜１１８ａａの圧縮応力によって反っている。
In the vibration power generation apparatus 101a, the beam portion 112a includes a part of the silicon layer 110c (hereinafter referred to as “first portion”) and a part of the insulating film 118a formed on one surface side in the thickness direction of the silicon layer 110c ( Hereinafter, it is referred to as “first portion”). Here, the insulating film 118a has a compressive stress. Therefore, the beam portion 112a includes a first portion (hereinafter, referred to as “first silicon layer 110ca”) constituting the beam portion 112a in the silicon layer 110c and a thickness direction of the first silicon layer 110ca in the insulating film 118a. And a first portion (hereinafter referred to as “first insulating film 118aa”) formed on one surface side, and warped by the compressive stress of the first insulating film 118aa.
また、振動発電装置１０１ａは、突出部１１２ｃが、シリコン層１１０ｃの一部（以下、「第２部位」という。）と、シリコン層１１０ｃの厚み方向の一面側に形成された絶縁膜１１８ａの一部（以下、「第２部位」という。）と、で構成されている。ここで、絶縁膜１１８ａは、圧縮応力を有する。よって、突出部１１２ｃは、シリコン層１１０ｃのうち突出部１１２ｃを構成する第２部位（以下、「第２シリコン層１１０ｃｃ」という。）と、絶縁膜１１８ａのうち第２シリコン層１１０ｃｃの厚み方向の一面側に形成された第２部位（以下、「第２絶縁膜１１８ａｃ」という。）と、で構成され、第２絶縁膜１１８ａｃの圧縮応力によって反っている。
Further, in the vibration power generation apparatus 101a, the protruding portion 112c has a part of the silicon layer 110c (hereinafter referred to as “second portion”) and a part of the insulating film 118a formed on one surface side in the thickness direction of the silicon layer 110c. Part (hereinafter referred to as “second part”). Here, the insulating film 118a has a compressive stress. Therefore, the protrusion 112c is formed in the thickness direction of the second silicon layer 110cc of the insulating film 118a and the second portion (hereinafter referred to as “second silicon layer 110cc”) of the silicon layer 110c. And a second portion (hereinafter referred to as “second insulating film 118ac”) formed on one surface side, and is warped by the compressive stress of the second insulating film 118ac.
振動発電装置１０１ａは、基板１１０の上記一表面側に形成した絶縁膜１１８ａが、基板１１０と圧電変換部１１４とを電気的に絶縁する機能だけでなく、梁部１１２ａ及び突出部１１２ｃを反らせる機能を有している。これにより、振動発電装置１０１ａは、絶縁膜１１８ａとは別途に、梁部１１２ａ及び突出部１１２ｃそれぞれに応力制御用の薄膜を形成する場合に比べて、製造プロセスを簡略化することが可能となる。
In the vibration power generation device 101a, the insulating film 118a formed on the one surface side of the substrate 110 not only functions to electrically insulate the substrate 110 and the piezoelectric conversion portion 114 but also functions to warp the beam portion 112a and the protruding portion 112c. have. As a result, the vibration power generation apparatus 101a can simplify the manufacturing process as compared with the case where a thin film for stress control is formed on each of the beam portion 112a and the protruding portion 112c separately from the insulating film 118a. .
基板１１０は、ＳＯＩ基板に限らず、単結晶のシリコン基板や多結晶のシリコン基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、金属基板、ガラス基板、ポリマー基板等を用いることも可能である。
The substrate 110 is not limited to an SOI substrate, and a single crystal silicon substrate, a polycrystalline silicon substrate, a magnesium oxide (MgO) substrate, a metal substrate, a glass substrate, a polymer substrate, or the like can also be used.
フレーム部１１１は、枠状の形状として、矩形枠状の形状を採用することが好ましい。つまり、フレーム部１１１は、外周形状が矩形状であることが好ましい。これにより、振動発電装置１０１ａは、製造時に、ダイシング工程の作業性を向上させることが可能となる。振動発電装置１０１ａの製造時には、例えば、まず、フレーム部１１１、梁部１１２ａ、錘部１１２ｂ及び突出部１１２ｃの基礎となるウェハ（ここでは、ＳＯＩウェハ）を準備する。振動発電装置１０１ａの製造時には、ウェハに多数の振動発電装置１０１ａを形成する前工程を行い、後工程において、ダイシング工程で個々の振動発電装置１０１ａに分離する。なお、振動発電装置１０１ａの製造方法については、後述する。
The frame portion 111 preferably employs a rectangular frame shape as the frame shape. That is, the frame part 111 preferably has a rectangular outer peripheral shape. As a result, the vibration power generation apparatus 101a can improve the workability of the dicing process at the time of manufacture. When manufacturing the vibration power generation apparatus 101a, for example, first, a wafer (here, an SOI wafer) serving as a basis for the frame part 111, the beam part 112a, the weight part 112b, and the protruding part 112c is prepared. When the vibration power generation apparatus 101a is manufactured, a pre-process for forming a large number of vibration power generation apparatuses 101a on a wafer is performed, and in a subsequent process, the vibration power generation apparatuses 101a are separated into individual vibration power generation apparatuses 101a in a dicing process. A method for manufacturing the vibration power generation apparatus 101a will be described later.
フレーム部１１１の内周形状は、矩形状に限らず、例えば、矩形状以外の多角形状や円形状、楕円形状等の形状でもよい。なお、フレーム部１１１の外周形状は矩形状以外の形状でもよい。
The inner peripheral shape of the frame portion 111 is not limited to a rectangular shape, and may be a polygonal shape other than the rectangular shape, a circular shape, an elliptical shape, or the like. The outer peripheral shape of the frame part 111 may be a shape other than a rectangular shape.
振動発電装置１０１ａは、振動ブロック１１２が、平面視においてフレーム部１１１の内側に配置されている。振動発電装置１０１ａは、基板１１０に、平面視において振動ブロック１１２を囲むＵ字状のスリット１１０ｄを形成することによって、振動ブロック１１２におけるフレーム部１１１との連結部位以外の部分が、フレーム部１１１と空間的に分離されている。これにより、振動ブロック１１２は、平面視形状が長方形状に形成されている。振動発電装置１０１ａは、スリット１１０ｄが、流路１１５を構成している。
In the vibration power generation apparatus 101a, the vibration block 112 is disposed inside the frame portion 111 in a plan view. In the vibration power generation apparatus 101a, a U-shaped slit 110d that surrounds the vibration block 112 in a plan view is formed on the substrate 110, so that a portion other than the connection portion with the frame portion 111 in the vibration block 112 is separated from the frame portion 111. Spatially separated. Thereby, the vibration block 112 is formed in a rectangular shape in plan view. In the vibration power generation device 101a, the slit 110d constitutes the flow path 115.
圧電変換部１１４は、絶縁膜１１８上に形成されている。圧電変換部１１４は、梁部１１２ａ側から順に、第１電極（下部電極）１１４ａ、圧電体層１１４ｂ及び第２電極（上部電極）１１４ｃを有している。要するに、圧電変換部１１４は、圧電体層１１４ｂと、この圧電体層１１４ｂを厚み方向の両側から挟んで互いに対向する第１電極１１４ａ及び第２電極１１４ｃと、を備えている。
The piezoelectric conversion unit 114 is formed on the insulating film 118. The piezoelectric conversion unit 114 includes a first electrode (lower electrode) 114a, a piezoelectric layer 114b, and a second electrode (upper electrode) 114c in order from the beam 112a side. In short, the piezoelectric conversion unit 114 includes a piezoelectric layer 114b, and a first electrode 114a and a second electrode 114c facing each other with the piezoelectric layer 114b sandwiched from both sides in the thickness direction.
振動発電装置１０１ａは、振動ブロック１１２の振動によって圧電変換部１１４の圧電体層１１４ｂが応力を受け、第２電極１１４ｃと第１電極１１４ａとに電荷の偏りが発生し、圧電変換部１１４において交流電圧が発生する。よって、振動発電装置１０１ａは、圧電変換部１１４が圧電材料の圧電効果を利用して交流電圧を発生する。
In the vibration power generation apparatus 101a, the piezoelectric layer 114b of the piezoelectric conversion unit 114 receives stress due to the vibration of the vibration block 112, and a bias of electric charge occurs between the second electrode 114c and the first electrode 114a. Voltage is generated. Therefore, in the vibration power generation apparatus 101a, the piezoelectric conversion unit 114 generates an AC voltage using the piezoelectric effect of the piezoelectric material.
圧電体層１１４ｂの平面形状は、第１電極１１４ａよりも平面サイズがやや小さく、且つ、第２電極１１４ｃよりもやや大きな、矩形状に形成されている。以下では、振動ブロック１１２の厚み方向において第１電極１１４ａと圧電体層１１４ｂと第２電極１１４ｃとが重なっている領域を、圧電変換領域という。
The planar shape of the piezoelectric layer 114b is formed in a rectangular shape having a slightly smaller planar size than the first electrode 114a and slightly larger than the second electrode 114c. Hereinafter, a region where the first electrode 114a, the piezoelectric layer 114b, and the second electrode 114c overlap in the thickness direction of the vibration block 112 is referred to as a piezoelectric conversion region.
振動発電装置１０１ａは、平面視で支持部１１１ａと振動ブロック１１２とを結ぶ方向において、圧電変換領域の支持部１１１ａ側の端を、支持部１１１ａと振動ブロック１１２との境界（以下、「第１境界」という。）に揃えてある。これにより、振動発電装置１０１ａは、圧電変換領域の支持部１１１ａ側の端が第１境界よりも振動ブロック１１２側にある場合に比べて、振動ブロック１１２の振動時に応力が高くなる部分に存在する圧電変換領域の面積を大きくでき、圧電変換効率を向上させることが可能となる。
The vibration power generation apparatus 101a is configured such that the end of the piezoelectric conversion region on the support unit 111a side is a boundary between the support unit 111a and the vibration block 112 (hereinafter referred to as “first” in the direction connecting the support unit 111a and the vibration block 112 in a plan view. "Boundary"). As a result, the vibration power generation apparatus 101a exists in a portion where the stress is increased when the vibration block 112 vibrates compared to the case where the end of the piezoelectric conversion region on the support portion 111a side is closer to the vibration block 112 than the first boundary. The area of the piezoelectric conversion region can be increased, and the piezoelectric conversion efficiency can be improved.
また、振動発電装置１０１ａは、平面視で支持部１１１ａと振動ブロック１１２とを結ぶ方向において、圧電変換領域の錘部１１２ｂ側の端を、梁部１１２ａと錘部１１２ｂとの境界（以下、「第２境界」という。）に揃えてある。これにより、振動発電装置１０１ａは、圧電変換領域の錘部１１２ｂ側の端が第２境界よりも梁部１１２ａ側にある場合に比べて、振動ブロック１１２の振動時に応力が高くなる部分に存在する圧電変換領域の面積を大きくでき、圧電変換効率を向上させることが可能となる。
In addition, the vibration power generation device 101a has an end on the weight portion 112b side of the piezoelectric conversion region in the direction connecting the support portion 111a and the vibration block 112 in a plan view, and a boundary between the beam portion 112a and the weight portion 112b (hereinafter, “ "Second boundary"). As a result, the vibration power generation apparatus 101a is present in a portion where stress is increased when the vibration block 112 vibrates compared to the case where the end of the piezoelectric conversion region on the weight 112b side is closer to the beam 112a side than the second boundary. The area of the piezoelectric conversion region can be increased, and the piezoelectric conversion efficiency can be improved.
圧電変換部１１４で発生する交流電圧は、圧電体層１１４ｂの振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。振動発電装置１０１ａの圧電変換部１１４は、流路１１５を流体が流れることによって発生する自励振動を利用して発電することができる。振動発電装置１０１ａの共振周波数は、振動ブロック１１２の構造パラメータ及び材料等により決まる。
The AC voltage generated in the piezoelectric conversion unit 114 is a sinusoidal AC voltage corresponding to the vibration of the piezoelectric layer 114b. The piezoelectric conversion unit 114 of the vibration power generation apparatus 101a can generate power using self-excited vibration generated by the fluid flowing through the flow path 115. The resonance frequency of the vibration power generator 101a is determined by the structural parameters, materials, and the like of the vibration block 112.
振動発電装置１０１ａは、支持部１１１ａに、第１電極１１４ａに第１配線１１６ａを介して電気的に接続された第１パッド１１７ａと、第２電極１１４ｃに第２配線１１６ｃを介して電気的に接続された第２パッド１１７ｃと、が設けられている。第１配線１１６ａ、第２配線１１６ｃ、第１パッド１１７ａ及び第２パッド１１７ｃの材料としては、Ａｕを採用しているが、これに限らず、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒ等でもよい。また、第１配線１１６ａ、第２配線１１６ｃ、第１パッド１１７ａ及び第２パッド１１７ｃの材料は、同じ材料に限らず、別々の材料を採用してもよい。
The vibration power generation apparatus 101a is electrically connected to the support portion 111a, the first pad 117a electrically connected to the first electrode 114a via the first wiring 116a, and the second electrode 114c electrically via the second wiring 116c. A connected second pad 117c is provided. The material of the first wiring 116a, the second wiring 116c, the first pad 117a, and the second pad 117c is Au, but is not limited to this. For example, Mo, Al, Pt, Ir, or the like may be used. The materials of the first wiring 116a, the second wiring 116c, the first pad 117a, and the second pad 117c are not limited to the same material, and different materials may be employed.
また、第１配線１１６ａ、第２配線１１６ｃ、第１パッド１１７ａ及び第２パッド１１７ｃは、単層構造の金属層により構成してあるが、単層構造に限らず、２層以上の多層構造でもよい。
In addition, the first wiring 116a, the second wiring 116c, the first pad 117a, and the second pad 117c are configured by a single-layer metal layer. However, the first wiring 116a, the second wiring 116c, and the second pad 117c are not limited to a single-layer structure. Good.
また、振動発電装置１０１ａは、第２配線１１６ｃと第１電極１１４ａとの短絡を防止する絶縁層１１９を設けてある。絶縁層１１９は、シリコン酸化膜により構成してあるが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。
In addition, the vibration power generation apparatus 101a is provided with an insulating layer 119 that prevents a short circuit between the second wiring 116c and the first electrode 114a. The insulating layer 119 is formed of a silicon oxide film, but is not limited to a silicon oxide film, and may be formed of, for example, a silicon nitride film.
圧電体層１１４ｂの圧電材料としては、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）を採用しているが、これに限らず、例えば、ＰＺＴ−ＰＭＮ（Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）やその他の不純物を添加したＰＺＴでもよい。また、圧電材料は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＫＮＮ（Ｋ0.5Ｎａ0.5ＮｂＯ3）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ3）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ3）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕ等）を添加したもの等でもよい。振動発電装置１０１ａは、圧電体層１１４ｂが、圧電薄膜により構成されている。
As the piezoelectric material of the piezoelectric layer 114b, PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) is adopted, but not limited thereto, for example, PZT-PMN (Pb (Mn, Nb) O 3 ) and others. PZT to which the impurities are added may be used. In addition, the piezoelectric material is AlN, ZnO, KNN (K 0.5 Na 0.5 NbO 3 ), KN (KNbO 3 ), NN (NaNbO 3 ), KNN, impurities (eg, Li, Nb, Ta, Sb, Cu, etc.). The thing etc. which added can be used. In the vibration power generation apparatus 101a, the piezoelectric layer 114b is formed of a piezoelectric thin film.
第１電極１１４ａの材料としては、Ｐｔを採用しているが、これに限らず、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｉｒ等でもよい。また、第２電極１１４ｃの材料としては、Ａｕを採用しているが、これに限らず、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒ等でもよい。
The material of the first electrode 114a is Pt, but is not limited thereto, and may be Au, Al, Ir, or the like, for example. The material of the second electrode 114c is Au, but is not limited to this, and may be, for example, Mo, Al, Pt, Ir, or the like.
振動発電装置１０１ａは、第１電極１１４ａの厚みを５００ｎｍ、圧電体層１１４ｂの厚みを３０００ｎｍ、第２電極１１４ｃの厚みを５００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。
In the vibration power generation apparatus 101a, the thickness of the first electrode 114a is set to 500 nm, the thickness of the piezoelectric layer 114b is set to 3000 nm, and the thickness of the second electrode 114c is set to 500 nm. It is not a thing.
振動発電装置１０１ａは、基板１１０と第１電極１１４ａとの間に緩衝層を設けた構造でもよい。緩衝層の材料は、圧電体層１１４ｂの圧電材料に応じて適宜選択すればよく、圧電体層１１４ｂの圧電材料がＰＺＴの場合には、例えば、ＳｒＲｕＯ3、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3、ＰｂＴｉＯ3、ＭｇＯ、ＬａＮｉＯ3等を採用することが好ましい。また、緩衝層は、例えば、Ｐｔ膜とＳｒＲｕＯ3膜との積層膜により構成してもよい。なお、振動発電装置１０１ａは、緩衝層を設けることにより、圧電体層１１４ｂの結晶性を向上させることが可能となる。
The vibration power generation apparatus 101a may have a structure in which a buffer layer is provided between the substrate 110 and the first electrode 114a. The material of the buffer layer may be appropriately selected according to the piezoelectric material of the piezoelectric layer 114b. When the piezoelectric material of the piezoelectric layer 114b is PZT, for example, SrRuO 3 , (Pb, La) TiO 3 , PbTiO 3 is used . 3 , MgO, LaNiO 3 or the like is preferably used. Further, the buffer layer may be constituted by a laminated film of a Pt film and a SrRuO 3 film, for example. The vibration power generation apparatus 101a can improve the crystallinity of the piezoelectric layer 114b by providing a buffer layer.
振動発電装置１０１ａの構成は、上述の例に限らず、例えば、圧電変換部１１４における梁部１１２ａの幅方向（図２（ａ）の上下方向）に沿った方向の幅寸法を小さくし、１つの梁部１１２ａの一面側において複数の圧電変換部１１４を上記幅方向に並設してもよい。この場合、振動発電装置１０１ａは、複数の圧電変換部１１４の直列回路の一端、他端を第１パッド１１７ａ、第２パッド１１７ｃそれぞれに電気的に接続するように構成することができる。
The configuration of the vibration power generation apparatus 101a is not limited to the above-described example, and for example, the width dimension in the direction along the width direction (vertical direction in FIG. 2A) of the beam portion 112a in the piezoelectric conversion portion 114 is reduced. A plurality of piezoelectric conversion portions 114 may be arranged side by side in the width direction on one surface side of the two beam portions 112a. In this case, the vibration power generation apparatus 101a can be configured to electrically connect one end and the other end of the series circuit of the plurality of piezoelectric conversion units 114 to the first pad 117a and the second pad 117c, respectively.
振動発電装置１０１ａに製造方法については、図３に基づいて以下に説明する。
A method for manufacturing the vibration power generation apparatus 101a will be described below with reference to FIG.
振動発電装置１０１ａの製造にあたっては、まず、ＳＯＩ基板からなる基板１１０（図３（ａ）参照）を準備し、その後、第１工程を行う。第１工程では、熱酸化法等を利用して、基板１１０の上記一表面側、他表面側それぞれに、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１１８ａ、１１８ｂを形成する（図３（ｂ）参照）。第１工程では、絶縁膜１１８ａ、１１８ｂを形成する方法として熱酸化法を採用しているが、これに限らず、ＣＶＤ法等を採用してもよい。
In manufacturing the vibration power generation apparatus 101a, first, a substrate 110 made of an SOI substrate (see FIG. 3A) is prepared, and then the first step is performed. In the first step, insulating films 118a and 118b made of a silicon oxide film are formed on the one surface side and the other surface side of the substrate 110 using a thermal oxidation method or the like (see FIG. 3B). In the first step, the thermal oxidation method is employed as a method of forming the insulating films 118a and 118b, but the present invention is not limited to this, and a CVD method or the like may be employed.
第１工程の後には、第２工程、第３工程を順次行う。第２工程では、基板１１０の上記一表面側の全面に、第１電極１１４ａ及び第１配線１１６ａの基礎となる第１導電層を形成する。第２工程において第１導電層を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法や蒸着法等を採用してもよい。第３工程では、圧電体層１１４ｂの基礎となる圧電材料層を形成する。第３工程において圧電材料層を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法やゾルゲル法等を採用してもよい。
After the first step, the second step and the third step are sequentially performed. In the second step, a first conductive layer serving as a basis for the first electrode 114a and the first wiring 116a is formed on the entire surface of the substrate 110 on the one surface side. As a method of forming the first conductive layer in the second step, the sputtering method is adopted, but not limited to this, for example, a CVD method or a vapor deposition method may be adopted. In the third step, a piezoelectric material layer that forms the basis of the piezoelectric layer 114b is formed. As a method of forming the piezoelectric material layer in the third step, the sputtering method is adopted, but not limited thereto, for example, a CVD method or a sol-gel method may be adopted.
第３工程の後には、第４工程、第５工程を順次行う。第４工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、圧電材料層を圧電体層１１４ｂの所定の形状にパターニングする。第５工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、第１導電層を第１電極１１４ａ及び第１配線１１６ａの所定の形状にパターニングする。
After the third step, the fourth step and the fifth step are sequentially performed. In the fourth step, the piezoelectric material layer is patterned into a predetermined shape of the piezoelectric layer 114b using a lithography technique and an etching technique. In the fifth step, the first conductive layer is patterned into a predetermined shape of the first electrode 114a and the first wiring 116a using a lithography technique and an etching technique.
第５工程の後には、第６工程、第７工程、第８工程を順次行う。第６工程では、基板１１０の上記一表面側に絶縁層１１９を形成する。第６工程では、リフトオフ法を利用して絶縁層１１９を形成する。第６工程において絶縁層１１９を形成する方法は、リフトオフ法に限らない。第７工程では、第２電極１１４ｃ及び第２配線１１６ｃの基礎となる第２導電層を、基板１１０の上記一表面側の全面に形成する。第７工程において第２導電層を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法や蒸着法等を採用してもよい。第８工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、第２導電層を第２電極１１４ｃ及び第２配線１１６ｃの所定の形状にパターニングする（図３（ｃ）参照）。
After the fifth step, the sixth step, the seventh step, and the eighth step are sequentially performed. In the sixth step, the insulating layer 119 is formed on the one surface side of the substrate 110. In the sixth step, the insulating layer 119 is formed using a lift-off method. The method for forming the insulating layer 119 in the sixth step is not limited to the lift-off method. In the seventh step, a second conductive layer serving as a basis for the second electrode 114c and the second wiring 116c is formed on the entire surface of the substrate 110 on the one surface side. As a method of forming the second conductive layer in the seventh step, the sputtering method is adopted, but not limited to this, for example, a CVD method or a vapor deposition method may be adopted. In the eighth step, the second conductive layer is patterned into a predetermined shape of the second electrode 114c and the second wiring 116c using a lithography technique and an etching technique (see FIG. 3C).
第８工程の後には、第９工程、第１０工程を順次行う。第９工程では、第１パッド１１７ａ及び第２パッド１１７ｃの基礎となる第３導電層を、基板１１０の上記一表面側の全面に形成する。第９工程において第３導電層を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法や蒸着法等を採用してもよい。第１０工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、第３導電層を第１パッド１１７ａ及び第２パッド１１７ｃの所定の形状にパターニングする。振動発電装置１０１ａの製造方法では、第９工程と第１０工程とを順次行う代わりに、リフトオフ法を利用して第１パッド１１７ａ及び第２パッド１１７ｃを形成してもよい。また、振動発電装置１０１ａの製造方法では、第９工程と第１０工程とを順次行う代わりに、メタルマスク等を利用して蒸着法等により第１パッド１１７ａ及び第２パッド１１７ｃを形成してもよい。
After the eighth step, the ninth step and the tenth step are sequentially performed. In the ninth step, a third conductive layer serving as a basis of the first pad 117a and the second pad 117c is formed on the entire surface of the substrate 110 on the one surface side. As a method of forming the third conductive layer in the ninth step, the sputtering method is adopted, but not limited to this, for example, a CVD method or a vapor deposition method may be adopted. In the tenth step, the third conductive layer is patterned into a predetermined shape of the first pad 117a and the second pad 117c using a lithography technique and an etching technique. In the method for manufacturing the vibration power generation apparatus 101a, the first pad 117a and the second pad 117c may be formed using a lift-off method instead of sequentially performing the ninth step and the tenth step. In the method for manufacturing the vibration power generation device 101a, instead of sequentially performing the ninth step and the tenth step, the first pad 117a and the second pad 117c may be formed by vapor deposition using a metal mask or the like. Good.
第１０工程の後には、第１１工程、第１２工程を順次行う。第１１工程では、基板１１０の上記一表面側から、スリット１１０ｄの形成予定領域を第１所定深さまでエッチングすることで第１溝１１０ｈを形成する（図３（ｄ）参照）。スリット１１０ｄの形成予定領域は、支持部１１１ａ、対向部１１１ｂ、各連結部１１１ｃ、梁部１１２ａ、錘部１１２ｂ及び突出部１１２ｃ以外の部位である。第１１工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用して、絶縁膜１１８ａ及びシリコン層１１０ｃをエッチングすることで第１溝１１０ｈを形成する。第１１工程でのエッチングは、垂直深堀が可能な誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置を用いたドライエッチングが好ましい。第１１工程では、基板１１０の埋込酸化膜１１０ｂをエッチングストッパ層として利用する。第１２工程では、基板１１０の上記他表面側から、支持部１１１ａ、対向部１１１ｂ、各連結部１１１ｃ及び錘部１１２ｂ以外の部位を第２所定深さまでエッチングすることで第２溝１１０ｉを形成する（図３（ｅ）参照）。第１２工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用して、絶縁膜１１８ｂ及びシリコン基板１１０ａをエッチングすることで第２溝１１０ｉを形成する。第１２工程でのエッチングは、垂直深堀が可能な誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置を用いたドライエッチングが好ましい。第１２工程では、基板１１０の埋込酸化膜１１０ｂをエッチングストッパ層として利用する。第１１工程と第１２工程との順番は、逆でもよい。
After the tenth step, the eleventh step and the twelfth step are sequentially performed. In the eleventh step, the first groove 110h is formed by etching the region where the slit 110d is to be formed to the first predetermined depth from the one surface side of the substrate 110 (see FIG. 3D). The region where the slit 110d is to be formed is a portion other than the support portion 111a, the facing portion 111b, each connecting portion 111c, the beam portion 112a, the weight portion 112b, and the protruding portion 112c. In the eleventh step, the first groove 110h is formed by etching the insulating film 118a and the silicon layer 110c using a lithography technique and an etching technique. The etching in the eleventh step is preferably dry etching using an inductively coupled plasma type dry etching apparatus capable of vertical deep drilling. In the eleventh step, the buried oxide film 110b of the substrate 110 is used as an etching stopper layer. In the twelfth step, the second groove 110i is formed by etching a portion other than the support portion 111a, the facing portion 111b, each connecting portion 111c, and the weight portion 112b to the second predetermined depth from the other surface side of the substrate 110. (See FIG. 3 (e)). In the twelfth step, the second groove 110i is formed by etching the insulating film 118b and the silicon substrate 110a using a lithography technique and an etching technique. Etching in the twelfth step is preferably dry etching using an inductively coupled plasma type dry etching apparatus capable of vertical deep drilling. In the twelfth step, the buried oxide film 110b of the substrate 110 is used as an etching stopper layer. The order of the eleventh step and the twelfth step may be reversed.
第１１工程、第１２工程の後、第１３工程を行う。第１３工程では、埋込酸化膜１１０ｂのうち、スリット１１０ｄの形成予定領域、梁部１１２ａの形成予定領域及び突出部１１２ｃの形成予定領域それぞれに存在している部分をエッチングすることで、スリット１１０ｄ、梁部１１２ａ及び突出部１１２ｃを形成する（図３（ｆ）参照）。また、第１３工程では、埋込酸化膜１１０ｂ及び絶縁膜１１８ｂをエッチングする。振動発電装置１０１ａの製造方法では、第１工程から第１３工程までの工程を行うことによって、振動発電装置１０１ａを得る。
After the 11th step and the 12th step, the 13th step is performed. In the thirteenth step, by etching the portions of the buried oxide film 110b that are present in the region where the slit 110d is to be formed, the region where the beam 112a is to be formed, and the region where the protrusion 112c is to be formed, the slit 110d is etched. The beam portion 112a and the protruding portion 112c are formed (see FIG. 3F). In the thirteenth step, the buried oxide film 110b and the insulating film 118b are etched. In the method for manufacturing the vibration power generation apparatus 101a, the vibration power generation apparatus 101a is obtained by performing the steps from the first step to the thirteenth step.
振動発電装置１０１ａの製造にあたっては、第１３工程が終了するまでをウェハレベルで行ってから、ダイシング工程を行うことで個々の振動発電装置１０１ａに分割するようにしている。
In manufacturing the vibration power generation apparatus 101a, the process until the end of the thirteenth step is performed at the wafer level, and then the dicing process is performed to divide the vibration power generation apparatus 101a into individual vibration power generation apparatuses 101a.
振動発電装置１０１ａの製造方法では、第１３工程で埋込酸化膜１１０ｂをエッチングすることで振動ブロック１１２を形成したときに、絶縁膜１１８ａの内部応力である圧縮応力によって、振動ブロック１１２を反らせることができる。振動発電装置１０１ａの製造方法では、絶縁膜１１８ａの形成時に絶縁膜１１８ａのプロセス条件を適宜設定することによって、絶縁膜１１８ａの内部応力を制御することが可能である。絶縁膜１１８ａの内部応力は、例えば、絶縁膜１１８ａを熱酸化法により形成する場合、酸化温度等のプロセス条件を適宜設定することによって制御することができる。また、絶縁膜１１８ａの内部応力は、例えば、絶縁膜１１８ａをスパッタ法やＣＶＤ法により成膜する場合、ガス圧や、温度等のプロセス条件を適宜設定することによって制御することができる。
In the method of manufacturing the vibration power generation device 101a, when the vibration block 112 is formed by etching the buried oxide film 110b in the thirteenth step, the vibration block 112 is warped by the compressive stress that is the internal stress of the insulating film 118a. Can do. In the method for manufacturing the vibration power generation apparatus 101a, the internal stress of the insulating film 118a can be controlled by appropriately setting the process conditions of the insulating film 118a when the insulating film 118a is formed. For example, when the insulating film 118a is formed by a thermal oxidation method, the internal stress of the insulating film 118a can be controlled by appropriately setting process conditions such as an oxidation temperature. Further, the internal stress of the insulating film 118a can be controlled by appropriately setting process conditions such as gas pressure and temperature when the insulating film 118a is formed by sputtering or CVD, for example.
振動発電装置１０１ａは、振動ブロック１１２に外部振動や流体等が作用していない初期状態において、振動ブロック１１２が、突出部１１２ｃの先端面１１２ｃｃの法線が対向部１１１ｂに交差しないように反っている。ここで、振動ブロック１１２は、厚み方向の一面側が凹曲面状となり且つ他面側が凸曲面状となるように、反っている。
In the initial state in which external vibration or fluid does not act on the vibration block 112, the vibration power generation apparatus 101a warps the vibration block 112 so that the normal line of the tip surface 112cc of the protrusion 112c does not intersect the facing portion 111b. Yes. Here, the vibration block 112 is warped so that one surface side in the thickness direction has a concave curved surface shape and the other surface side has a convex curved surface shape.
振動発電装置１０１ａは、振動ブロック１１２を流体励起振動させたい場合、基板１１０の上記一表面側が流体の上流側、基板１１０の上記他表面側が流体の下流側となるように配置して使用する。要するに、振動発電装置１０１ａは、対向部１１１ｂの厚み方向の一面（図２（ｂ）の上面）側が流体の上流側、対向部１１１ｂの厚み方向の他面（図２（ｂ）の下面）側が流体の下流側となるように配置して使用する。振動発電装置１０１ａでは、上流側から振動発電装置１０１ａに向って流れる流体が流路１１５を通る際に流速が速くなるので、錘部１１２ｂと突出部１１２ｃと対向部１１１ｂとで囲まれた空間１１０ｆの圧力が下がり、突出部１１２ｃが対向部１１１ｂに近づく向き（上記空間１１０ｆ側）へ変位する。そして、振動発電装置１０１ａでは、突出部１１２ｃの厚み方向の両側の圧力差がなくなると、振動ブロック１１２の弾性力によって振動ブロック１１２が元の位置に戻ろうとする力が作用するものと推考される。振動発電装置１０１ａは、このような動作が繰り返されることで振動ブロック１１２が自励振動し、圧電変換部１１４で交流電圧が発生することになると推考される。
The vibration power generation apparatus 101a is used by arranging the vibration block 112 such that the one surface side of the substrate 110 is the upstream side of the fluid and the other surface side of the substrate 110 is the downstream side of the fluid. In short, in the vibration power generation apparatus 101a, one surface in the thickness direction of the facing portion 111b (upper surface in FIG. 2B) is on the upstream side of the fluid, and the other surface in the thickness direction of the facing portion 111b (lower surface in FIG. 2B) is on the side. Arrange it so that it is on the downstream side of the fluid. In the vibration power generation device 101a, the fluid flowing from the upstream side toward the vibration power generation device 101a has a high flow velocity when passing through the flow path 115. Therefore, the space 110f surrounded by the weight portion 112b, the protruding portion 112c, and the facing portion 111b. And the protrusion 112c is displaced in a direction approaching the facing portion 111b (the space 110f side). In the vibration power generation apparatus 101a, when the pressure difference between the two sides in the thickness direction of the projecting portion 112c disappears, it is assumed that the force that causes the vibration block 112 to return to the original position is applied by the elastic force of the vibration block 112. . It is assumed that the vibration power generation apparatus 101a repeats such an operation so that the vibration block 112 self-excites and an AC voltage is generated in the piezoelectric conversion unit 114.
以下では、エネルギ変換装置１の具体的な回路構成例について図１の回路図に基づいて説明する。
Below, the specific circuit structural example of the energy converter 1 is demonstrated based on the circuit diagram of FIG.
図１では、振動発電装置１０１ａを等価回路で記載してある。この等価回路では、振動発電装置１０１ａを、交流電流源Ｉ0と、圧電変換部１１４の容量成分により構成されるコンデンサＣ0と、圧電変換部１１４の抵抗成分により構成される抵抗Ｒ0との並列回路で表してある。交流電流源Ｉ0の周波数は、外部振動の周波数が振動発電装置１０１ａの共振周波数と一致するときには、振動発電装置１０１ａの共振周波数と同じになる。
In FIG. 1, the vibration power generation apparatus 101 a is described with an equivalent circuit. In this equivalent circuit, the vibration power generation apparatus 101a is a parallel circuit of an alternating current source I0, a capacitor C0 composed of a capacitance component of the piezoelectric conversion unit 114, and a resistor R0 composed of a resistance component of the piezoelectric conversion unit 114. It is represented. The frequency of the alternating current source I0 is the same as the resonance frequency of the vibration power generator 101a when the frequency of the external vibration matches the resonance frequency of the vibration power generator 101a.
整流平滑回路１０２は、４個の整流用ダイオードＤ１〜Ｄ４がブリッジ接続された全波整流回路１２１と、全波整流回路１２１の出力端間に接続された蓄電素子Ｃ２とで構成してある。蓄電素子Ｃ２としては、セラミックコンデンサ、電気二重層キャパシタ等を挙げることができるが、特に限定するものではない。整流平滑回路１０２は、例えば、整流用のダイオードと、このダイオードに直列接続された蓄電素子とで構成してもよい。また、整流平滑回路１０２は、両波倍電圧整流回路により構成してもよく、この場合、両波倍電圧整流回路における２個のコンデンサの直列回路により蓄電素子を構成することになる。
The rectifying / smoothing circuit 102 includes a full-wave rectifier circuit 121 in which four rectifying diodes D <b> 1 to D <b> 4 are bridge-connected, and a storage element C <b> 2 connected between the output terminals of the full-wave rectifier circuit 121. Examples of the storage element C2 include a ceramic capacitor and an electric double layer capacitor, but are not particularly limited. The rectifying / smoothing circuit 102 may be constituted by, for example, a rectifying diode and a storage element connected in series to the diode. The rectifying / smoothing circuit 102 may be constituted by a double wave voltage doubler rectifier circuit. In this case, the storage element is constituted by a series circuit of two capacitors in the double wave voltage doubler rectifier circuit.
エネルギ変換装置１は、発電装置１０１の一方の出力端が、２個のダイオードＤ２、Ｄ４の直列回路における両ダイオードＤ２、Ｄ４の接続点に接続されている。また、エネルギ変換装置１は、発電装置１０１の他方の出力端が、２個のダイオードＤ１、Ｄ３の直列回路における両ダイオードＤ１、Ｄ３の接続点に接続されている。
In the energy conversion device 1, one output terminal of the power generation device 101 is connected to a connection point between both diodes D2 and D4 in a series circuit of two diodes D2 and D4. Further, in the energy conversion device 1, the other output terminal of the power generation device 101 is connected to a connection point of both diodes D1 and D3 in a series circuit of two diodes D1 and D3.
整流平滑回路１０２は、２個のダイオードＤ１、Ｄ２のカソード同士の接続点に蓄電素子Ｃ２の一端が接続され、２個のダイオードＤ３、Ｄ４のアノード同士の接続点に蓄電素子Ｃ２の他端が接続されている。
In the rectifying / smoothing circuit 102, one end of the storage element C2 is connected to the connection point between the cathodes of the two diodes D1 and D2, and the other end of the storage element C2 is connected to the connection point between the anodes of the two diodes D3 and D4. It is connected.
ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３は、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ用のＩＣ（IntegratedCircuit）素子１３１に加えて、コンデンサＣ４、Ｃ５を備えた構成を採用することができる。コンデンサＣ４、Ｃ５は、ＩＣ素子１３１に外付けした電子部品である。
The DC / DC converter 103 can employ, for example, a configuration including capacitors C4 and C5 in addition to an IC (Integrated Circuit) element 131 for a DC-DC converter. Capacitors C4 and C5 are electronic components externally attached to the IC element 131.
図１では、ＩＣ素子１３１として、LINEAR TECHNOROGY社製のＬＴ（登録商標）３００９を用いる場合を例示してある。ＬＴ（登録商標）３００９は、ＬＤＯ（low drop out）レギュレータ用のＩＣ素子の一種である。コンデンサＣ４は、ＩＣ素子１３１の電圧入力端子ＶＩＮとＤＣ−ＤＣコンバータ１０３のグランドライン１０３ｂとの間に接続されている。コンデンサＣ５は、ＩＣ素子１３１の電圧出力端子ＶＯＵＴとＤＣ−ＤＣコンバータ１０３のグランドライン１０３ｂとの間に接続されている。ＩＣ素子１３１のグランド端子ＧＮＤは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３のグランドライン１０３ｂと接続されている。ＬＴ（登録商標）３００９では、ＩＮ端子、ＯＵＴ端子、ＧＮＤ端子及びＳＨＤＮ端子、電圧入力端子ＶＩＮ、電圧出力端子、グランド端子ＧＮＤ及び制御端子ＣＮそれぞれを構成する。
In FIG. 1, the case where LT (registered trademark) 3009 manufactured by LINEAR TECHNOROGY is used as the IC element 131 is illustrated. LT (registered trademark) 3009 is a kind of IC element for an LDO (low drop out) regulator. The capacitor C4 is connected between the voltage input terminal VIN of the IC element 131 and the ground line 103b of the DC-DC converter 103. The capacitor C5 is connected between the voltage output terminal VOUT of the IC element 131 and the ground line 103b of the DC-DC converter 103. The ground terminal GND of the IC element 131 is connected to the ground line 103 b of the DC-DC converter 103. The LT (registered trademark) 3009 includes an IN terminal, an OUT terminal, a GND terminal, an SHDN terminal, a voltage input terminal VIN, a voltage output terminal, a ground terminal GND, and a control terminal CN.
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３は、制御端子ＣＮとグランドライン１０３ｂとの間の制御電圧が所定の起動電圧を超えるまでＩＣ素子１３１が起動しないので、低消費電力化を図ることが可能となる。
In the DC-DC converter 103, since the IC element 131 does not start until the control voltage between the control terminal CN and the ground line 103b exceeds a predetermined start voltage, the power consumption can be reduced.
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３のグランドライン１０３ｂは、例えば、ＩＣ素子１３１、コンデンサＣ４、Ｃ５を実装する回路基板においてグランド用にパターン化された導体層（配線）により構成することができる。この回路基板には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３の回路部品以外に、発電装置１０１、整流平滑回路１０２の回路部品等を実装することが好ましい。回路基板としては、例えば、プリント配線基板等を採用することができる。
The ground line 103b of the DC-DC converter 103 can be configured by, for example, a conductor layer (wiring) patterned for ground on a circuit board on which the IC element 131 and the capacitors C4 and C5 are mounted. In addition to the circuit components of the DC-DC converter 103, it is preferable to mount the power generation device 101, the circuit components of the rectifying and smoothing circuit 102, and the like on the circuit board. As a circuit board, a printed wiring board etc. are employable, for example.
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３は、ＩＣ素子１３１として、ＬＤＯレギュレータ用のＩＣ素子に限らず、例えば、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ用のＩＣ素子や、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ用のＩＣ素子や、チャージポンプ型のＤＣ−ＤＣコンバータ用のＩＣ素子等を用いてもよい。ＩＣ素子１３１は、製品によって端子（ピン）の機能や配置、端子の割り当て（ピンアサイン）が異なる場合がある。このため、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３は、採用するＩＣ素子１３１の種類等に基づいて、適宜、外付けの電子部品を接続すればよい。昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ用のＩＣ素子としては、例えば、Microchip Technology社のＭＣＰ１６４０／Ｂ／Ｃ／Ｄ、MaximIntegrated社製のＭＡＸ１７２４、LINEAR TECHNOROGY社製のＬＴＣ（登録商標）３５２６、TEXAS INSTRUMENT社のＴＰＳ６１２２０、トレックス・セミコンダクター株式会社のＸＣ９１３５等を用いることもできる。チャージポンプ型のＤＣ−ＤＣコンバータ用のＩＣ素子としては、例えば、Maxim Integrated社製のＭＡＸ１５９５等を用いることができる。
The DC-DC converter 103 is not limited to the IC element for the LDO regulator as the IC element 131. For example, the IC element for the step-up DC-DC converter, the IC element for the step-down DC-DC converter, An IC element or the like for a charge pump type DC-DC converter may be used. The IC element 131 may have different terminal (pin) functions and arrangement, and terminal assignment (pin assignment) depending on the product. For this reason, the DC-DC converter 103 should just connect an external electronic component suitably based on the kind etc. of the IC element 131 employ | adopted. Examples of IC elements for the step-up DC-DC converter include MCP1640 / B / C / D from Microchip Technology, MAX1724 from MaximIntegrated, LTC (registered trademark) 3526 from LINEAR TECHNOROGY, and TEXAS INSTRUMENT. TPS61220, XC9135 manufactured by Torex Semiconductor Co., Ltd., etc. can also be used. As an IC element for a charge pump type DC-DC converter, for example, MAX1595 manufactured by Maxim Integrated can be used.
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３は、ＩＣ素子１３１として、ＭＣＰ１６４０／Ｂ／Ｃ／Ｄを用いる場合、ＭＣＰ１６４０／Ｂ／Ｃ／ＤのＥＮ端子が、制御端子ＣＮを構成する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３は、ＩＣ素子１３１としてＭＡＸ１７２４を用いる場合、ＭＡＸ１７２４のＳＨＤＮ端子が、制御端子ＣＮを構成する。
When the MCP 1640 / B / C / D is used as the IC element 131 in the DC-DC converter 103, the EN terminal of the MCP 1640 / B / C / D constitutes the control terminal CN. In the DC-DC converter 103, when the MAX 1724 is used as the IC element 131, the SHDN terminal of the MAX 1724 constitutes the control terminal CN.
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３は、ＩＣ素子１３１としてＬＴＣ（登録商標）３５２６を用いる場合、ＬＴＣ（登録商標）３５２６のＳＨＤＮ端子が、制御端子ＣＮを構成する。
When the LTC (registered trademark) 3526 is used as the IC element 131 in the DC-DC converter 103, the SHDN terminal of the LTC (registered trademark) 3526 constitutes the control terminal CN.
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３は、ＩＣ素子１３１としてＴＰＳ６１２２０を用いる場合、例えば、ＴＰＳ６１２２０のＥＮ端子が、制御端子ＣＮを構成する。
When the DC-DC converter 103 uses the TPS 61220 as the IC element 131, for example, the EN terminal of the TPS 61220 constitutes the control terminal CN.
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３は、ＩＣ素子１３１としてＸＣ９１３５を用いる場合、ＸＣ９１３５のＥＮ端子が、制御端子ＣＮを構成する。
In the DC-DC converter 103, when the XC9135 is used as the IC element 131, the EN terminal of the XC9135 constitutes the control terminal CN.
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３は、ＩＣ素子１３１としてＭＡＸ１５９５を用いる場合、ＭＡＸ１５９５のＳＨＤＮ端子が、制御端子ＣＮを構成する。
In the DC-DC converter 103, when the MAX 1595 is used as the IC element 131, the SHDN terminal of the MAX 1595 constitutes the control terminal CN.
ＩＣ素子１３１は、停止されているときに入力側から出力側へ電流が流れないように入力側と出力側とを電気的に絶縁する機能（「負荷切断機能」とも呼ばれる。）を備えているのが好ましい。
The IC element 131 has a function of electrically insulating the input side and the output side (also referred to as “load disconnection function”) so that no current flows from the input side to the output side when the IC element 131 is stopped. Is preferred.
エネルギ変換装置１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３の出力端間に、負荷（図示せず）を接続すれば、負荷の電源として機能することとなる。負荷としては、例えば、無線回路、センサ、固体発光素子等を採用することが可能である。無線回路は、無線通信規格として、例えば、EnOcean（登録商標）、Zigbee（登録商標）、Bluetooth（登録商標）、特定小電力無線、微弱無線、Wi-Fi（登録商標）、UWB（Ultra Wide Band）等を採用することができるが、特に限定するものではない。センサとしては、例えば、温度センサ、湿度センサ、ガスセンサ（例えば、ＣＯ２センサ、ＣＯセンサ等）、浮遊粒子センサ（例えば、ほこりセンサ、花粉センサ等）、加速度センサ、圧力センサ等を採用することができる。固体発光素子としては、例えば、発光ダイオード、半導体レーザ等を採用することができる。
If a load (not shown) is connected between the output terminals of the DC-DC converter 103, the energy conversion device 1 functions as a power source for the load. As the load, for example, a wireless circuit, a sensor, a solid light emitting element, or the like can be employed. The wireless circuit includes, for example, EnOcean (registered trademark), Zigbee (registered trademark), Bluetooth (registered trademark), specific low power wireless, weak wireless, Wi-Fi (registered trademark), UWB (Ultra Wide Band) as wireless communication standards. ) Etc. can be employed, but is not particularly limited. As the sensor, for example, a temperature sensor, a humidity sensor, a gas sensor (for example, a CO 2 sensor, a CO sensor, etc.), a suspended particle sensor (for example, a dust sensor, a pollen sensor, etc.), an acceleration sensor, a pressure sensor, or the like may be employed. it can. For example, a light emitting diode, a semiconductor laser, or the like can be employed as the solid light emitting element.
監視回路１０４は、上述のように、第１電圧と第２電圧との差を、抵抗Ｒ１〜Ｒ６と半導体スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ３とで構成されるヒステリシス回路１４１により設定してある。なお、以下では、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３、抵抗Ｒ４、抵抗Ｒ５及び抵抗Ｒ６を、それぞれ、第１抵抗Ｒ１、第２抵抗Ｒ２、第３抵抗Ｒ３、第４抵抗Ｒ４、第５抵抗Ｒ５及び第６抵抗Ｒ６とも称する。また、以下では、半導体スイッチング素子Ｍ１、半導体スイッチング素子Ｍ２及び半導体スイッチング素子Ｍ３を、それぞれ、第１半導体スイッチング素子Ｍ１、第２半導体スイッチング素子Ｍ２及び第３半導体スイッチング素子Ｍ３とも称する。
As described above, the monitoring circuit 104 sets the difference between the first voltage and the second voltage by the hysteresis circuit 141 including the resistors R1 to R6 and the semiconductor switching elements M1 to M3. In the following description, the resistor R1, the resistor R2, the resistor R3, the resistor R4, the resistor R5, and the resistor R6 are respectively referred to as a first resistor R1, a second resistor R2, a third resistor R3, a fourth resistor R4, and a fifth resistor R5. Also referred to as a sixth resistor R6. Hereinafter, the semiconductor switching element M1, the semiconductor switching element M2, and the semiconductor switching element M3 are also referred to as a first semiconductor switching element M1, a second semiconductor switching element M2, and a third semiconductor switching element M3, respectively.
監視回路１０４は、入力電圧を監視する電圧検出端子とは別に電源端子を有し入力電圧を監視するコンパレータ１４２と、ヒステリシス回路１４１とで構成されている。
The monitoring circuit 104 includes a comparator 142 that has a power supply terminal separately from a voltage detection terminal that monitors the input voltage and monitors the input voltage, and a hysteresis circuit 141.
コンパレータ１４２としては、例えば、LINER TECHNOLOGY社製のＬＴＣ（登録商標）１５４０等を採用することができる。コンパレータ１４２は、ＬＴＣ（登録商標）１５４０を採用する場合、ＬＴＣ（登録商標）１５４０のＶ＋端子、ＩＮ＋端子が、電源端子、電圧検出端子それぞれを構成する。また、コンパレータ１４２は、ＬＴＣ（登録商標）１５４０を採用する場合、ＬＴＣ（登録商標）１５４０に内蔵されたツェナダイオードが、リファレンス電圧源Ｖref１を構成する。
As the comparator 142, for example, LTC (registered trademark) 1540 manufactured by LINER TECHNOLOGY can be used. When the LTC (registered trademark) 1540 is used for the comparator 142, the V + terminal and the IN + terminal of the LTC (registered trademark) 1540 constitute a power supply terminal and a voltage detection terminal, respectively. Further, when the LTC (registered trademark) 1540 is used as the comparator 142, a Zener diode built in the LTC (registered trademark) 1540 constitutes the reference voltage source Vref1.
ヒステリシス回路１４１は、整流平滑回路１０２の出力端間に、第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２とを直列接続した第１直列回路からなる第１抵抗分圧回路が接続されている。また、ヒステリシス回路１４１は、第１抵抗Ｒ１の両端間に、第２半導体スイッチング素子Ｍ２と第３抵抗Ｒ３とを直列接続した第２直列回路が並列接続されている。ヒステリシス回路１４１は、第２半導体スイッチング素子Ｍ２として、エンハンスメント型（ノーマリオフ型）のｐチャネルＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）を採用している。監視回路１０４は、第３抵抗Ｒ３と第２抵抗Ｒ２とを直列接続した第３直列回路が第２抵抗分圧回路を構成している。また、ヒステリシス回路１４１は、第２抵抗Ｒ２にコンデンサＣ３が並列接続されている。
The hysteresis circuit 141 is connected between the output terminals of the rectifying and smoothing circuit 102 with a first resistance voltage dividing circuit including a first series circuit in which a first resistor R1 and a second resistor R2 are connected in series. The hysteresis circuit 141 includes a second series circuit in which a second semiconductor switching element M2 and a third resistor R3 are connected in series between both ends of the first resistor R1. The hysteresis circuit 141 employs an enhancement type (normally off type) p-channel MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) as the second semiconductor switching element M2. In the monitoring circuit 104, a third series circuit in which a third resistor R3 and a second resistor R2 are connected in series constitutes a second resistor voltage dividing circuit. In the hysteresis circuit 141, a capacitor C3 is connected in parallel to the second resistor R2.
コンパレータ１４２は、第２抵抗Ｒ２の両端電圧とリファレンス電圧源Ｖref１の電圧（以下、「リファレンス電圧」という。）とを比較し、第２抵抗Ｒ２の両端電圧がリファレンス電圧を超えたときに出力電圧がＬレベルからＨレベルに変化するように構成されている。
The comparator 142 compares the voltage across the second resistor R2 with the voltage of the reference voltage source Vref1 (hereinafter referred to as “reference voltage”), and outputs an output voltage when the voltage across the second resistor R2 exceeds the reference voltage. Is configured to change from L level to H level.
また、ヒステリシス回路１４１は、第４抵抗Ｒ４と第５抵抗Ｒ５と第１半導体スイッチング素子Ｍ１とを直列接続した第４直列回路が、第１抵抗分圧回路に並列接続されている。ヒステリシス回路１４１は、第１半導体スイッチング素子Ｍ１として、エンハンスメント型（ノーマリオフ型）のｎチャネルＭＯＳＦＥＴを採用している。第１半導体スイッチング素子Ｍ１を構成するｎチャネルＭＯＳＦＥＴは、ゲートが、コンパレータ１４２の出力端子に接続されている。また、ヒステリシス回路１４１は、第５抵抗Ｒ５と第１半導体スイッチング素子Ｍ１との接続点が、第２半導体スイッチング素子Ｍ２を構成するｐチャネルＭＯＳＦＥＴのゲートに接続されている。
The hysteresis circuit 141 includes a fourth series circuit in which a fourth resistor R4, a fifth resistor R5, and a first semiconductor switching element M1 are connected in series, and is connected in parallel to the first resistor voltage dividing circuit. The hysteresis circuit 141 employs an enhancement type (normally off type) n-channel MOSFET as the first semiconductor switching element M1. The gate of the n-channel MOSFET constituting the first semiconductor switching element M <b> 1 is connected to the output terminal of the comparator 142. In the hysteresis circuit 141, the connection point between the fifth resistor R5 and the first semiconductor switching element M1 is connected to the gate of the p-channel MOSFET constituting the second semiconductor switching element M2.
また、ヒステリシス回路１４１は、第３半導体スイッチング素子Ｍ３と第６抵抗Ｒ６とを直列接続した第５直列回路が、第４直列回路に並列接続されている。ヒステリシス回路１４１は、第３半導体スイッチング素子Ｍ３として、エンハンスメント型（ノーマリオフ型）のｐチャネルＭＯＳＦＥＴを採用している。第３半導体スイッチング素子Ｍ３を構成するｐチャネルＭＯＳＦＥＴは、ゲートが、第４抵抗Ｒ４と第５抵抗Ｒ５との接続点に接続されている。
In the hysteresis circuit 141, a fifth series circuit in which the third semiconductor switching element M3 and the sixth resistor R6 are connected in series is connected in parallel to the fourth series circuit. The hysteresis circuit 141 employs an enhancement type (normally off type) p-channel MOSFET as the third semiconductor switching element M3. In the p-channel MOSFET constituting the third semiconductor switching element M3, the gate is connected to the connection point between the fourth resistor R4 and the fifth resistor R5.
監視回路１０４は、第３半導体スイッチング素子Ｍ３と第６抵抗Ｒ６との接続点が、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３の制御端子ＣＮに接続されている。また、監視回路１０４は、第５直列回路の両端間に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３のコンデンサＣ４が接続されている。
In the monitoring circuit 104, the connection point between the third semiconductor switching element M3 and the sixth resistor R6 is connected to the control terminal CN of the DC-DC converter 103. In the monitoring circuit 104, the capacitor C4 of the DC-DC converter 103 is connected between both ends of the fifth series circuit.
エネルギ変換装置１は、第２半導体スイッチング素子Ｍ２がオン状態のときに、コンパレータ１４２の入力電圧と蓄電素子Ｃ２の両端電圧とを略同じとみなせるように、第３抵抗Ｒ３の抵抗値を、第１抵抗Ｒ１の抵抗値及び第２抵抗Ｒ２の抵抗値よりも十分小さな値に設定してある。具体例としては、第３抵抗Ｒ３の抵抗値を１ｋΩ、第１抵抗Ｒ１の抵抗値を１０ＭΩ、第２抵抗Ｒ２の抵抗値を４０ＭΩに設定してあるが、これらの値は一例であり、特に限定するものではない。なお、抵抗Ｒ３は、上述のように抵抗Ｒ２とともに第２抵抗分圧回路を構成しているが、半導体スイッチング素子Ｍ２がオフからオンになったときにコンデンサＣ３に流れる電流を制限する限流用の抵抗として設けてある。
The energy conversion device 1 determines the resistance value of the third resistor R3 so that the input voltage of the comparator 142 and the voltage across the storage element C2 can be regarded as substantially the same when the second semiconductor switching element M2 is in the ON state. It is set to a value sufficiently smaller than the resistance value of the first resistor R1 and the resistance value of the second resistor R2. As a specific example, the resistance value of the third resistor R3 is set to 1 kΩ, the resistance value of the first resistor R1 is set to 10 MΩ, and the resistance value of the second resistor R2 is set to 40 MΩ. It is not limited. The resistor R3 forms a second resistor voltage dividing circuit together with the resistor R2 as described above. However, the resistor R3 is used for current limiting to limit the current flowing through the capacitor C3 when the semiconductor switching element M2 is turned on. It is provided as a resistor.
エネルギ変換装置１は、第６抵抗Ｒ６の両端電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ１０３の制御端子ＣＮとグランドライン１０３ｂとの間の制御電圧となるように構成されており、制御電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ１０３の所定の起動電圧以上の電圧になると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３が起動される。要するに、エネルギ変換装置１は、発電装置１０１の発電開始からＤＣ−ＤＣコンバータ１０３が起動されるまでの遅延時間を、監視回路１０４により決めることが可能となる。よって、エネルギ変換装置１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３を安定動作させることが可能となる。
The energy conversion device 1 is configured such that the voltage across the sixth resistor R6 is a control voltage between the control terminal CN of the DC-DC converter 103 and the ground line 103b, and the control voltage is the DC-DC converter 103. The DC-DC converter 103 is activated when the voltage exceeds a predetermined activation voltage. In short, the energy conversion device 1 can determine the delay time from the start of power generation by the power generation device 101 to the activation of the DC-DC converter 103 by the monitoring circuit 104. Therefore, the energy conversion device 1 can stably operate the DC-DC converter 103.
図４は、エネルギ変換装置１の動作説明図である。図４では、Ａが、蓄電素子Ｃ２の電圧波形、Ｂが、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３の出力電圧波形、Ｃが、コンパレータ１４２の入力電圧波形、Ｄが、コンパレータ１４２の出力電圧波形、Ｅが、制御電圧の波形それぞれを示している。また、図５は、図４において一点鎖線で囲んだ部分の横軸を拡大した動作説明図である。以下、図１、図４及び図５を参照しながら、エネルギ変換装置１の動作例について説明する。
FIG. 4 is an operation explanatory diagram of the energy conversion device 1. In FIG. 4, A is the voltage waveform of the storage element C2, B is the output voltage waveform of the DC-DC converter 103, C is the input voltage waveform of the comparator 142, D is the output voltage waveform of the comparator 142, E is Each waveform of the control voltage is shown. FIG. 5 is an operation explanatory diagram in which the horizontal axis of the portion surrounded by the alternate long and short dash line in FIG. 4 is enlarged. Hereinafter, an operation example of the energy conversion device 1 will be described with reference to FIGS. 1, 4, and 5.
エネルギ変換装置１は、発電装置１０１の出力電圧が発生し始めると、整流平滑回路１０２の蓄電素子Ｃ２への蓄電が開始され、蓄電素子Ｃ２の両端電圧が徐々に増加する（図４のＡ及び図５のＡを参照）。その後、エネルギ変換装置１は、コンパレータ１４２の入力電圧（図４のＣ及び図５のＣを参照）がリファレンス電圧Ｖref１よりも高くなると、コンパレータ１４２の出力電圧がＬレベルからＨレベルに変化する（図４のＤ及び図５のＤを参照）。すると、エネルギ変換装置１は、第１半導体スイッチング素子Ｍ１がオフ状態からオン状態に変化する。これにより、エネルギ変換装置１は、第２半導体スイッチング素子Ｍ２のゲート電圧がグランド電位に低下し、第２半導体スイッチング素子Ｍ２がオフ状態からオン状態に変化し、コンパレータ１４２の入力電圧と蓄電素子Ｃ２の両端電圧とが略同じとなる（図５のＡとＣとを参照）。続いて、エネルギ変換装置１は、第３スイッチング素子Ｍ３のゲート電圧がグランド電位付近まで低下するので、第３スイッチング素子Ｍ３がオフ状態からオン状態に変化する。エネルギ変換装置１は、第３スイッチング素子Ｍ３がオン状態になると、制御電圧が蓄電素子Ｃ２の両端電圧と略同じになり（図５のＡとＥとを参照）、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３が起動される。エネルギ変換装置１は、コンパレータ１４２の入力電圧がリファレンス電圧Ｖref１以下になると、コンパレータ１４２の出力電圧がＨレベルからＬレベルに変化し（図４のＤ及び図５のＤを参照）、その後、制御電圧がＬレベルになり（図４のＥ及び図５のＥ）、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３の動作が停止する（図４のＢ及び図５のＢ）。
When the output voltage of the power generation device 101 starts to be generated, the energy conversion device 1 starts to store electricity in the electricity storage device C2 of the rectifying and smoothing circuit 102, and the voltage across the electricity storage device C2 gradually increases (A and FIG. 4). (See A in FIG. 5). Thereafter, when the input voltage of the comparator 142 (see C in FIG. 4 and C in FIG. 5) becomes higher than the reference voltage Vref1, the energy conversion device 1 changes the output voltage of the comparator 142 from the L level to the H level ( (See FIG. 4D and FIG. 5D). Then, in the energy conversion device 1, the first semiconductor switching element M1 changes from the off state to the on state. Thereby, in the energy conversion device 1, the gate voltage of the second semiconductor switching element M2 decreases to the ground potential, the second semiconductor switching element M2 changes from the off state to the on state, and the input voltage of the comparator 142 and the storage element C2 Is substantially the same (see A and C in FIG. 5). Subsequently, in the energy conversion device 1, since the gate voltage of the third switching element M3 decreases to near the ground potential, the third switching element M3 changes from the off state to the on state. In the energy conversion device 1, when the third switching element M3 is turned on, the control voltage becomes substantially the same as the voltage across the storage element C2 (see A and E in FIG. 5), and the DC-DC converter 103 is activated. Is done. In the energy conversion device 1, when the input voltage of the comparator 142 becomes equal to or lower than the reference voltage Vref1, the output voltage of the comparator 142 changes from the H level to the L level (see D in FIG. 4 and D in FIG. 5), and then the control The voltage becomes L level (E in FIG. 4 and E in FIG. 5), and the operation of the DC-DC converter 103 is stopped (B in FIG. 4 and B in FIG. 5).
エネルギ変換装置１は、蓄電素子Ｃ２の放電開始電圧を第１電圧Ｖ１とすることができ、蓄電素子Ｃ２の放電停止電圧を第２電圧Ｖ２とすることができる。したがって、エネルギ変換装置１では、整流平滑回路１０２の蓄電素子Ｃ２からＤＣ−ＤＣコンバータ１０３へ引き渡せるエネルギをＥｎ、蓄電素子Ｃ２の容量をＣとすると、エネルギＥｎを下記の（１）式で表すことができる。
The energy conversion device 1 can set the discharge start voltage of the power storage element C2 to the first voltage V1, and can set the discharge stop voltage of the power storage element C2 to the second voltage V2. Therefore, in the energy conversion device 1, assuming that the energy that can be delivered from the power storage element C2 of the rectifying and smoothing circuit 102 to the DC-DC converter 103 is En and the capacity of the power storage element C2 is C, the energy En is expressed by the following equation (1). be able to.
エネルギ変換装置１は、（１）式より、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との差が大きいほうが、より大きなエネルギをＤＣ−ＤＣコンバータ１０３に伝えることが可能となることが分かる。
It can be seen from the equation (1) that the energy conversion device 1 can transmit larger energy to the DC-DC converter 103 as the difference between the first voltage V1 and the second voltage V2 is larger.
ところで、整流平滑回路１０２とＤＣ−ＤＣコンバータ１０３との間に監視回路１０４を備えていない比較例のエネルギ変換装置では、整流平滑回路１０２の蓄電素子Ｃ２の両端電圧をＶ、蓄電素子Ｃ２の蓄積エネルギをＥ１とすると、蓄積エネルギＥ１は、下記の（２）式で表すことができる。
By the way, in the energy conversion device of the comparative example that does not include the monitoring circuit 104 between the rectifying / smoothing circuit 102 and the DC-DC converter 103, the voltage across the storage element C2 of the rectifying / smoothing circuit 102 is V, and the storage element C2 is stored. If the energy is E1, the stored energy E1 can be expressed by the following equation (2).
比較例のエネルギ変換装置は、より消費電流の大きな負荷を駆動する用途で用いる場合、蓄電素子Ｃ２の容量を大きくする必要がある。しかしながら、比較例のエネルギ変換装置は、例えば、蓄電素子Ｃ２として、より容量の大きな電気二重層キャパシタ等を用いた場合、リーク電流が大きくなることや、大電流を出力することが難しいこと等から、回路効率が低下してしまう。これに対して、本実施形態のエネルギ変換装置１では、（１）式から分かるように第１電圧Ｖ１と第２電圧との差を利用して必要なエネルギを確保するので、蓄電素子Ｃ２の容量を大きくすることなく、より消費電流の大きな負荷を駆動する用途で用いることが可能となる。本実施形態のエネルギ変換装置１では、整流平滑回路１０２とＤＣ−ＤＣコンバータ１０３との間に、監視回路１０４を備えているので、蓄電素子Ｃ２に低損失で蓄電し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３を安定動作させることが可能となる。よって、本実施形態のエネルギ変換装置１では、エネルギ変換効率の向上を図ることが可能となる。また、本実施形態のエネルギ変換装置１では、監視回路１０４が、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３を起動させるときの入力電圧である第１電圧とＤＣ−ＤＣコンバータ１０３を停止させるときの入力電圧である第２電圧とが異なるヒステリシス特性を有している。監視回路１０４は、第１電圧と第２電圧との差を、抵抗Ｒ１〜Ｒ６と半導体スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ３とで構成されるヒステリシス回路１４１により設定してある。これにより、エネルギ変換装置１は、回路効率の向上を図ることが可能となり、エネルギ変換効率の向上を図ることが可能となる。
The energy conversion device of the comparative example needs to increase the capacity of the power storage element C2 when used in an application for driving a load with a larger current consumption. However, in the energy conversion device of the comparative example, when an electric double layer capacitor or the like having a larger capacity is used as the power storage element C2, for example, the leakage current becomes large or it is difficult to output a large current. The circuit efficiency will decrease. On the other hand, in the energy conversion device 1 of the present embodiment, as can be seen from the equation (1), the necessary energy is secured by utilizing the difference between the first voltage V1 and the second voltage. Without increasing the capacity, it can be used for driving a load with higher current consumption. In the energy conversion device 1 of the present embodiment, since the monitoring circuit 104 is provided between the rectifying / smoothing circuit 102 and the DC-DC converter 103, the power storage element C2 is charged with low loss and the DC-DC converter 103 is Stable operation is possible. Therefore, in the energy conversion device 1 of the present embodiment, it is possible to improve the energy conversion efficiency. In the energy conversion device 1 of the present embodiment, the monitoring circuit 104 has a first voltage that is an input voltage when starting the DC-DC converter 103 and a first voltage that is an input voltage when stopping the DC-DC converter 103. The two voltages have different hysteresis characteristics. In the monitoring circuit 104, the difference between the first voltage and the second voltage is set by a hysteresis circuit 141 including resistors R1 to R6 and semiconductor switching elements M1 to M3. As a result, the energy conversion device 1 can improve circuit efficiency, and can improve energy conversion efficiency.
図６は、実施形態１のエネルギ変換装置１の変形例の回路図である。この変形例では、実施形態１のエネルギ変換装置１におけるコンパレータ１４２の代わりに、入力電圧を監視する電圧検出端子ＶＩＮとは別に電源端子ＶＤＤを有し入力電圧を監視するボルテージディテクタ１４３を用いている点が相違する。すなわち、変形例では、監視回路１０４が、ヒステリシス回路１４１と、ボルテージディテクタ１４３と、で構成されている。
FIG. 6 is a circuit diagram of a modification of the energy conversion device 1 according to the first embodiment. In this modification, instead of the comparator 142 in the energy conversion device 1 of the first embodiment, a voltage detector 143 that has a power supply terminal V DD separately from the voltage detection terminal VIN that monitors the input voltage and monitors the input voltage is used. Is different. In other words, in the modification, the monitoring circuit 104 includes a hysteresis circuit 141 and a voltage detector 143.
ボルテージディテクタ１４３は、設定された電圧を検出するとリセット信号を出力するＩＣ素子である。ボルテージディテクタとしては、電源端子が電圧検出端子を兼ねたものもあるが、電源端子への入力電圧が最低動作電圧を下回ると、抵抗Ｒ１、Ｒ２によって電源端子に流れる電流が制限されてしまうため、ボルテージディテクタの動作が不安定になってしまう。これに対して、変形例では、電圧検出端子ＶＩＮとは別に電源端子ＶＤＤを有するボルテージディテクタ１４３を用いていることにより、監視回路１０４の動作を安定させることができる。電圧検出端子ＶＩＮとは別に電源端子ＶＤＤを有するボルテージディテクタ１４３としては、株式会社リコー製のＲ３１１１ｘ、Ｒ３１１８ｘ、Ｒ３１３２ｘ等を採用することができ、ＳＥＮＳＥ端子が電圧検出端子ＶＩＮに相当する。
The voltage detector 143 is an IC element that outputs a reset signal when a set voltage is detected. Some voltage detectors have a power supply terminal also serving as a voltage detection terminal. However, when the input voltage to the power supply terminal is lower than the minimum operating voltage, the current flowing through the power supply terminal is limited by the resistors R1 and R2. The operation of the voltage detector becomes unstable. On the other hand, in the modification, the operation of the monitoring circuit 104 can be stabilized by using the voltage detector 143 having the power supply terminal V DD in addition to the voltage detection terminal VIN . The voltage detector 143 with a separate power supply terminal V DD and the voltage detection terminal V IN, manufactured by Ricoh Company, Ltd. of R3111x, R3118x, can be employed R3132x like, SENSE terminal corresponds to the voltage detection terminal V IN.
変形例では、ボルテージディテクタ１４３の電源端子ＶＤＤを蓄電素子Ｃ２の一端に接続し、ボルテージディテクタ１４３のグランド端子ＧＮＤを蓄電素子Ｃ２の他端に接続してある。また、変形例では、第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２との接続点をボルテージディテクタ１４３の電圧検出端子ＶＩＮに接続してある。また、変形例では、ボルテージディテクタ１４３の出力端子ＶＯＵＴを第１スイッチング素子Ｍ１のゲートに接続してある。
In the modification, the power supply terminal V DD of the voltage detector 143 is connected to one end of the power storage element C2, and the ground terminal GND of the voltage detector 143 is connected to the other end of the power storage element C2. In the modification, the connection point between the first resistor R1 and the second resistor R2 is connected to the voltage detection terminal VIN of the voltage detector 143. In the modification, the output terminal VOUT of the voltage detector 143 is connected to the gate of the first switching element M1.
変形例のエネルギ変換装置１は、発電装置１０１の発電開始からＤＣ−ＤＣコンバータ１０３が起動されるまでの遅延時間を、監視回路１０４により決めることが可能となる。よって、変形例のエネルギ変換装置１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３を安定動作させることが可能となる。また、変形例のエネルギ変換装置１では、実施形態１のエネルギ変換装置１と同様、ヒステリシス回路１４１を備えていることにより、回路効率の向上を図ることが可能となり、エネルギ変換効率の向上を図ることが可能となる。
In the energy conversion device 1 of the modified example, the monitoring circuit 104 can determine the delay time from the start of power generation by the power generation device 101 until the DC-DC converter 103 is activated. Therefore, the energy conversion device 1 according to the modification can stably operate the DC-DC converter 103. Further, in the energy conversion device 1 of the modified example, as with the energy conversion device 1 of the first embodiment, since the hysteresis circuit 141 is provided, it is possible to improve the circuit efficiency and to improve the energy conversion efficiency. It becomes possible.
ヒステリシス回路１４１の回路構成は、特に限定するものではなく、抵抗分圧回路と半導体スイッチング素子とを備えた構成してあればよい。また、ヒステリシス回路１４１に用いる半導体スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴに限らず、例えば、ＨＥＭＴ（high electron mobility transistor）、ＭＥＳＦＥＴ（metalsemiconductor field effect transistor）、ＩＧＢＴ（insulatedgate bipolar transistor）、バイポーラトランジスタ等を採用することができる。
The circuit configuration of the hysteresis circuit 141 is not particularly limited as long as it includes a resistance voltage dividing circuit and a semiconductor switching element. The semiconductor switching element used for the hysteresis circuit 141 is not limited to a MOSFET, and for example, a high electron mobility transistor (HEMT), a metal field field effect transistor (MESFET), an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a bipolar transistor, or the like may be employed. it can.
（実施形態２）
以下では、本実施形態のエネルギ変換装置１について図７に基づいて説明する。なお、実施形態１のエネルギ変換装置１と同様の構成要素については同一の符号を付して説明を適宜省略する。
(Embodiment 2)
Below, the energy converter 1 of this embodiment is demonstrated based on FIG. In addition, about the component similar to the energy conversion apparatus 1 of Embodiment 1, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted suitably.
本実施形態のエネルギ変換装置１は、発電装置１０１として、電磁誘導型の振動発電装置１０１ｂを用いている点が相違する。電磁誘導型の振動発電装置１０１ｂとは、電磁誘導を利用して運動エネルギを電気エネルギに変換する発電装置である。
The energy conversion device 1 of this embodiment is different in that an electromagnetic induction type vibration power generation device 101b is used as the power generation device 101. The electromagnetic induction type vibration power generation apparatus 101b is a power generation apparatus that converts kinetic energy into electrical energy using electromagnetic induction.
本実施形態のエネルギ変換装置１は、発電装置１０１が電磁誘導型の振動発電装置１０１ｂにより構成されているので、発電装置１０１を圧電型の振動発電装置１０１ａや静電容量型の振動発電装置により構成する場合に比べて、整流平滑回路１０２の蓄電素子Ｃ２サの容量を大きくすることが可能となり、エネルギ変換効率の向上を図ることが可能となる。静電誘導型の振動発電装置とは、静電誘導を利用して運動エネルギを電気エネルギに変換する発電装置である。
In the energy conversion device 1 of the present embodiment, since the power generation device 101 is configured by an electromagnetic induction vibration power generation device 101b, the power generation device 101 is replaced by a piezoelectric vibration power generation device 101a or a capacitance type vibration power generation device. Compared to the configuration, the capacity of the power storage element C2 of the rectifying and smoothing circuit 102 can be increased, and the energy conversion efficiency can be improved. The electrostatic induction type vibration power generation device is a power generation device that converts kinetic energy into electric energy using electrostatic induction.
以下では、電磁誘導型の振動発電装置１０１ｂについて図８〜１３に基づいて説明する。
Below, the electromagnetic induction type vibration power generating apparatus 101b is demonstrated based on FIGS.
振動発電装置１０１ｂは、磁石２を備えた磁石ブロック３と、コイル４ａを備えたコイルブロック４と、を有し、磁石ブロック３とコイルブロック４とが第１方向（図８（ａ）の上下方向）で対向配置されている。振動発電装置１０１ｂは、磁石ブロック３とコイルブロック４とが上記第１方向に直交する第２方向（図８（ａ）の左右方向）において相対的に変位することで生じる電磁誘導により運動エネルギを電気エネルギに変換する機能を有する。
The vibration power generation apparatus 101b includes a magnet block 3 including a magnet 2 and a coil block 4 including a coil 4a. The magnet block 3 and the coil block 4 are arranged in a first direction (up and down in FIG. 8A). Direction). The vibration power generation apparatus 101b generates kinetic energy by electromagnetic induction generated when the magnet block 3 and the coil block 4 are relatively displaced in a second direction (left-right direction in FIG. 8A) orthogonal to the first direction. It has a function of converting into electrical energy.
振動発電装置１０１ｂは、磁石ブロック３を備えた可動部１２を外部から作動させ可動部１２を減衰振動させることが可能なものである。振動発電装置１０１ｂは、可動部１２と、支持部１４と、可動部１２と支持部１４との間に介在する弾性体部１５と、を備えている。振動発電装置１０１ｂは、支持部１４が弾性体部１５を介して可動部１２を支持しており、可動部１２が上記第２方向に振動可能となっている。弾性体部１５は、上記第２方向における剛性が上記第２方向に直交する方向の剛性に比べて小さい。これにより、振動発電装置１０１ｂは、可動部１２の振動方向を上記第２方向に単方向化することが可能となる。
The vibration power generation apparatus 101b can operate the movable part 12 including the magnet block 3 from the outside to dampen and vibrate the movable part 12. The vibration power generation apparatus 101 b includes a movable part 12, a support part 14, and an elastic body part 15 interposed between the movable part 12 and the support part 14. In the vibration power generation apparatus 101b, the support portion 14 supports the movable portion 12 via the elastic body portion 15, and the movable portion 12 can vibrate in the second direction. The elastic body portion 15 has a lower rigidity in the second direction than that in a direction orthogonal to the second direction. Accordingly, the vibration power generation apparatus 101b can make the vibration direction of the movable portion 12 unidirectional in the second direction.
振動発電装置１０１ｂは、可動部１２と支持部１４と各弾性体部１５とを有する振動ブロック１１を備えている。振動ブロック１１の可動部１２の振動方向については、例えば、可動部１２の重心を原点とする直交座標を仮定して説明することができる。この直交座標では、例えば、上記第２方向に沿ってｘ軸の正方向を決め、上記第１方向及び上記第２方向それぞれに直交する方向に沿ってｙ軸の正方向を決め、上記第１方向に沿って上記第２方向に直交するｚ軸の正方向を決めることができる。この場合、振動ブロック１１は、可動部１２の振動方向をｘ軸の正負方向に単方向化することが可能となり、ｙ軸の正負方向やｚ軸の正負方向への振動成分を抑制することが可能となる。
The vibration power generation apparatus 101 b includes a vibration block 11 having a movable portion 12, a support portion 14, and each elastic body portion 15. The vibration direction of the movable part 12 of the vibration block 11 can be described, for example, assuming orthogonal coordinates with the center of gravity of the movable part 12 as the origin. In the orthogonal coordinates, for example, the positive direction of the x axis is determined along the second direction, the positive direction of the y axis is determined along the direction orthogonal to the first direction and the second direction, and the first direction is determined. A positive direction of the z axis perpendicular to the second direction can be determined along the direction. In this case, the vibration block 11 can make the vibration direction of the movable portion 12 unidirectional in the positive / negative direction of the x-axis, and suppress the vibration component in the positive / negative direction of the y-axis or the positive / negative direction of the z-axis. It becomes possible.
したがって、振動発電装置１０１ｂは、図８（ｂ）でみれば、可動部１２の振動方向が上記第２方向である左右方向に単方向化され、図８（ｂ）の上下方向や可動部１２の厚み方向（図８（ｂ）の紙面に直交する方向）等への振動が抑制される。よって、振動発電装置１０１ｂは、不要な振動成分の発生を抑制することが可能となり、エネルギ変換効率の向上を図ることが可能となる。
Therefore, in the vibration power generation apparatus 101b, as viewed in FIG. 8B, the vibration direction of the movable portion 12 is unidirectional in the left-right direction which is the second direction, and the vertical direction and the movable portion 12 in FIG. Is suppressed in the thickness direction (direction perpendicular to the paper surface of FIG. 8B) and the like. Therefore, the vibration power generation apparatus 101b can suppress the generation of unnecessary vibration components, and can improve the energy conversion efficiency.
また、振動発電装置１０１ｂは、振動ブロック１１の厚み方向の一面（第１面）側に配置される第１キャップ２１と、振動ブロック１１の厚み方向の他面（第２面）側に配置される第２キャップ３１と、を備えている。振動発電装置１０１ｂは、第１キャップ２１及び第２キャップ３1の各々に、上述のコイルブロック４が保持されている。また、振動発電装置１０１ｂは、第１キャップ２１と振動ブロック１１との間に配置された第１スペーサ４１と、第２キャップ３１と振動ブロック１１との間に配置された第２スペーサ４２と、を備えている。
The vibration power generation apparatus 101b is disposed on the first cap 21 disposed on one surface (first surface) side in the thickness direction of the vibration block 11 and on the other surface (second surface) side in the thickness direction of the vibration block 11. And a second cap 31. In the vibration power generator 101b, the above-described coil block 4 is held in each of the first cap 21 and the second cap 3 1. The vibration power generation apparatus 101b includes a first spacer 41 disposed between the first cap 21 and the vibration block 11, a second spacer 42 disposed between the second cap 31 and the vibration block 11, It has.
振動発電装置１０１ｂの各構成要素については、以下に詳細に説明する。
Each component of the vibration power generation apparatus 101b will be described in detail below.
振動ブロック１１は、支持部１４の平面視形状を枠状としてある。また、振動ブロック１１は、支持部１４の内側に、可動部本体１３が配置されている。可動部本体１３は、支持部１４の内側面から離れて配置されている。また、振動ブロック１１は、上記第２方向において可動部本体１３の両側に弾性体部１５が配置されている。また、振動ブロック１１は、可動部本体１３の平面視形状を枠状としてある。振動ブロック１１は、可動部本体１３の内側に、磁石ブロック３が配置されている。磁石ブロック３は、可動部本体１３に固定されている。
The vibration block 11 has a frame shape in plan view of the support portion 14. The vibration block 11 has a movable portion main body 13 disposed inside the support portion 14. The movable part main body 13 is disposed away from the inner surface of the support part 14. In the vibration block 11, elastic body portions 15 are disposed on both sides of the movable portion main body 13 in the second direction. The vibration block 11 has a frame shape in plan view of the movable portion main body 13. In the vibration block 11, the magnet block 3 is disposed inside the movable part main body 13. The magnet block 3 is fixed to the movable part main body 13.
可動部本体１３の内周形状は、矩形状である。磁石ブロック３の外周形状は、可動部本体１３の内周形状よりも若干小さな矩形状としてある。磁石ブロック３を可動部本体１３に固定する方法としては、例えば、接着剤により固定する方法を採用することができる。この場合には、磁石ブロック３の外周面と可動部本体１３の内側面との間に接着剤からなる接合部が介在することになる。磁石ブロック３を可動部本体１３に固定する方法は、これに限らず、例えば、磁石ブロック３と可動部本体１３との間の隙間に別部材を圧入することで固定する方法等を採用することができる。また、磁石ブロック３を可動部本体１３に固定する方法は、可動部本体１３の外側面側から螺子により固定する方法を採用することもできる。
The inner peripheral shape of the movable part main body 13 is a rectangular shape. The outer peripheral shape of the magnet block 3 is a rectangular shape slightly smaller than the inner peripheral shape of the movable part main body 13. As a method of fixing the magnet block 3 to the movable part main body 13, for example, a method of fixing with an adhesive can be employed. In this case, a bonding portion made of an adhesive is interposed between the outer peripheral surface of the magnet block 3 and the inner surface of the movable portion main body 13. The method of fixing the magnet block 3 to the movable part main body 13 is not limited to this. For example, a method of fixing the magnet block 3 by press-fitting another member into the gap between the magnet block 3 and the movable part main body 13 may be adopted. Can do. Moreover, the method of fixing the magnet block 3 to the movable part main body 13 can also employ | adopt the method of fixing with a screw from the outer surface side of the movable part main body 13. FIG.
可動部本体１３と磁石ブロック３とで構成される可動部１２の平面視形状は、八角形状としてある。可動部１２の平面視形状は、八角形状に限らず、例えば、矩形状の形状としてもよい。振動ブロック１１では、可動部本体１３の外周形状及び内周形状それぞれが大きさの異なる矩形状となっていてもよい。また、可動部１２の平面視形状は、例えば、円形状や正多角形状としてもよい。
The planar view shape of the movable part 12 constituted by the movable part main body 13 and the magnet block 3 is an octagonal shape. The planar view shape of the movable part 12 is not limited to the octagonal shape, and may be a rectangular shape, for example. In the vibration block 11, the outer peripheral shape and the inner peripheral shape of the movable portion main body 13 may be rectangular shapes having different sizes. Moreover, the planar view shape of the movable part 12 is good also as circular shape and a regular polygon shape, for example.
磁石ブロック３は、複数個（例えば、４個）の磁石２を備えており、これら複数個の磁石２が上記第２方向に並んで配置されている。つまり、磁石ブロック３は、複数個の磁石２が１次元のアレイ状に配置されている。磁石２は、永久磁石により構成することが好ましい。永久磁石の材料としては、例えば、ネオジム（ＮｄＦｅＢ）、サマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）、アルニコ（Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｏ）、フェライト等を採用することができる。
The magnet block 3 includes a plurality of (for example, four) magnets 2, and the plurality of magnets 2 are arranged in the second direction. That is, the magnet block 3 has a plurality of magnets 2 arranged in a one-dimensional array. The magnet 2 is preferably composed of a permanent magnet. As a material of the permanent magnet, for example, neodymium (NdFeB), samarium cobalt (SmCo), alnico (Al—Ni—Co), ferrite, or the like can be employed.
磁石２は、短冊状に形成されている。また、磁石２は、厚み方向の一面側がＮ極、他面側がＳ極となるように着磁されている。磁石２を構成する永久磁石は、例えば、磁石材料を切削、研磨等で整形加工した後、パルス着磁法等によって着磁することにより、形成することができる。
The magnet 2 is formed in a strip shape. The magnet 2 is magnetized so that one surface side in the thickness direction is an N pole and the other surface side is an S pole. The permanent magnet constituting the magnet 2 can be formed, for example, by shaping a magnet material by cutting, polishing or the like and then magnetizing it by a pulse magnetization method or the like.
磁石ブロック３は、上述の複数個の磁石２の各々の幅方向が上記第２方向に一致するように各磁石２が配置されている。また、磁石ブロック３は、この磁石ブロック３の厚み方向の両面側それぞれで、上記第２方向においてＮ極とＳ極とが交互に並ぶように、複数個の磁石２が配置されている。要するに、磁石ブロック３は、上記第２方向において隣り合う磁石２同士の磁化の向きを逆向きとしてある。なお、磁石ブロック３は、複数個の磁石２が１次元のアレイ状に配置されているが、これに限らず、例えば、２次元のアレイ状に配置された構成としてもよい。
In the magnet block 3, the magnets 2 are arranged so that the width direction of each of the plurality of magnets 2 matches the second direction. Moreover, the magnet block 3 has a plurality of magnets 2 arranged so that N poles and S poles are alternately arranged in the second direction on both sides in the thickness direction of the magnet block 3. In short, in the magnet block 3, the magnetization directions of the magnets 2 adjacent in the second direction are opposite to each other. The magnet block 3 has a plurality of magnets 2 arranged in a one-dimensional array. However, the present invention is not limited to this. For example, the magnet block 3 may be arranged in a two-dimensional array.
振動ブロック１１は、可動部本体１３と支持部１４と各弾性体部１５とを、例えば、基板１０から形成することができる。基板１０としては、磁力線に対して低減衰で且つ電気絶縁性を有する絶縁性基板が好ましく、例えば、高抵抗率のシリコン基板を用いることができる。高抵抗率のシリコン基板は、例えば、抵抗率が１００Ωｃｍ以上であることが好ましく、１０００Ωｃｍ以上であることがより好ましい。
The vibration block 11 can form the movable part main body 13, the support part 14, and each elastic body part 15 from the board | substrate 10, for example. As the substrate 10, an insulating substrate having a low attenuation with respect to the lines of magnetic force and having an electrical insulating property is preferable. For example, a silicon substrate having a high resistivity can be used. For example, the high resistivity silicon substrate preferably has a resistivity of 100 Ωcm or more, and more preferably 1000 Ωcm or more.
基板１０としてシリコン基板を用いた場合、振動ブロック１１は、可動部本体１３、支持部１４及び各弾性体部１５の材料がシリコンとなる。このような振動ブロック１１は、例えば、ＭＥＭＳの製造技術を利用して製造することができる。この場合、振動ブロック１１では、可動部本体１３、支持部１４及び各弾性体部１５を一体に形成することができる。要するに、振動ブロック１１は、可動部本体１３と支持部１４と各弾性体部１５とが、１枚のシリコン基板から一体に形成された構成とすることができる。これにより、振動発電装置１０１ｂの製造時には、振動ブロック１１を形成する際に、可動部本体１３、支持部１４及び各弾性体部１５のアセンブリ工程が不要となり、製造が容易になる。
When a silicon substrate is used as the substrate 10, the vibration block 11 is made of silicon as the material of the movable portion main body 13, the support portion 14, and each elastic body portion 15. Such a vibration block 11 can be manufactured using, for example, a MEMS manufacturing technique. In this case, in the vibration block 11, the movable part main body 13, the support part 14, and each elastic body part 15 can be integrally formed. In short, the vibration block 11 can be configured such that the movable portion main body 13, the support portion 14, and the elastic body portions 15 are integrally formed from a single silicon substrate. As a result, when the vibration power generation apparatus 101b is manufactured, when the vibration block 11 is formed, the assembly process of the movable part main body 13, the support part 14, and each elastic body part 15 becomes unnecessary, and the manufacture becomes easy.
また、各弾性体部１５と可動部本体１３及び支持部１４とが接着用の樹脂からなる接続部で接続されている場合には、振動時に振動エネルギが接続部において熱エネルギとなって損なわれる。これに対して、可動部本体１３と支持部１４と各弾性体部１５とが、１枚のシリコン基板から一体に形成された構成では、各弾性体部１５と可動部本体１３及び支持部１４とが低減衰材料であるシリコンにより一体に形成されているので、振動時のエネルギ損失を低減することが可能となり、エネルギ変換効率を向上することが可能となる。なお、基板１０の材料に関して、磁力線に対して影響を及ぼさないという点では、比透磁率が低いほうが好ましい。
In addition, when each elastic body portion 15 and the movable portion main body 13 and the support portion 14 are connected by a connection portion made of an adhesive resin, vibration energy is lost as thermal energy at the connection portion during vibration. . On the other hand, in a configuration in which the movable body 13, the support 14, and each elastic body 15 are integrally formed from a single silicon substrate, each elastic body 15, the movable body 13, and the support 14. Are integrally formed of silicon, which is a low-damping material, so that energy loss during vibration can be reduced and energy conversion efficiency can be improved. In addition, regarding the material of the substrate 10, it is preferable that the relative permeability is low in that it does not affect the magnetic field lines.
基板１０は、高抵抗率のシリコン基板に限らず、例えば、高抵抗率のＳＯＩ基板等を用いることができる。また、振動ブロック１１は、基板１０の材料や抵抗率に応じて、適宜の絶縁膜を設けてもよい。
The substrate 10 is not limited to a high resistivity silicon substrate, and for example, a high resistivity SOI substrate can be used. The vibration block 11 may be provided with an appropriate insulating film according to the material and resistivity of the substrate 10.
弾性体部１５は、ばねであることが好ましい。これにより、振動発電装置１０１ｂは、弾性体部１５の１個当たりの蓄積エネルギを大きくすることが可能となり、振動発電装置１０１ｂの小型化を図ることが可能となる。
The elastic body portion 15 is preferably a spring. As a result, the vibration power generation apparatus 101b can increase the stored energy per elastic body portion 15, and the vibration power generation apparatus 101b can be downsized.
弾性体部１５は、上記第２方向における可動部１２の両側の各々に、複数個（例えば、５個）ずつ並んで設けられていることが好ましい。これにより、振動発電装置１０１ｂは、可動部１２の両側の各々に弾性体部１５が１個ずつ設けられている場合に比べて、可動部１２の振動方向の更なる単方向化が可能となり、エネルギ変換効率の更なる向上を図ることが可能となる。更に、振動発電装置１０１ｂは、個々の弾性体部１５にかかる応力を低減することが可能となり、耐久性の向上を図ることが可能となる。可動部１２の両側の弾性体部１５の数は、特に５個に限定するものではない。
It is preferable that a plurality of (for example, five) elastic body portions 15 are provided side by side on each side of the movable portion 12 in the second direction. Thereby, the vibration power generation apparatus 101b can further unidirectionally change the vibration direction of the movable portion 12 as compared with the case where one elastic body portion 15 is provided on each of both sides of the movable portion 12. It becomes possible to further improve the energy conversion efficiency. Furthermore, the vibration power generation apparatus 101b can reduce the stress applied to each elastic body portion 15, and can improve durability. The number of elastic body portions 15 on both sides of the movable portion 12 is not particularly limited to five.
弾性体部１５を構成するばねの材料は、半導体であるシリコンや金属等を採用することができるが、金属よりもシリコンであることが好ましい。これにより、振動発電装置１０１ｂは、弾性体部１５を構成するばねの材料が金属である場合に比べて、弾性体部１５での振動減衰に起因した運動エネルギの損失を低減することが可能となるから、エネルギ変換効率の向上を図れる。
The material of the spring that constitutes the elastic body portion 15 may be silicon or metal that is a semiconductor, but is preferably silicon rather than metal. Thereby, the vibration power generation apparatus 101b can reduce the loss of kinetic energy due to vibration attenuation in the elastic body portion 15 as compared with the case where the material of the spring constituting the elastic body portion 15 is metal. Therefore, the energy conversion efficiency can be improved.
弾性体部１５の材料としては、シリコンに限らず、例えば、ステンレス（例えば、ＳＵＳ３０４等）、鋼、銅、銅合金（真鍮、ベリリウム銅）、Ｔｉ合金、Ａｌ合金等を採用することができる。弾性体部１５の材料は、対数減衰率の低い材料が好ましく、例えば、対数減衰率が０．０４以下の材料が好ましい。
The material of the elastic body portion 15 is not limited to silicon, and for example, stainless steel (for example, SUS304), steel, copper, copper alloy (brass, beryllium copper), Ti alloy, Al alloy, or the like can be used. The material of the elastic body portion 15 is preferably a material having a low logarithmic attenuation rate, for example, a material having a logarithmic attenuation rate of 0.04 or less.
また、振動発電装置１０１ｂは、弾性体部１５を構成するばねの材料がシリコンであれば、金属である場合に比べて、弾性体部１５の耐久性を向上させることが可能となる。また、振動発電装置１０１ｂは、弾性体部１５を構成するばねの材料が、シリコンであることにより、基板１０としてシリコン基板を採用し、ＭＥＭＳ等の製造技術を利用して各々が基板１０の一部からなる各弾性体部１５を形成することが可能となる。これにより、振動発電装置１０１ｂは、ばねの形状の弾性体部１５において厚み寸法Ｗ１（図９参照）に対する幅寸法Ｈ１（図８（ａ）参照）の比で表されるアスペクト比を大きくすることが可能となる。ＭＥＭＳ等の製造技術を利用する場合には、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して基板１０をバルクマイクロマシニングすることにより、ばね形状の弾性体部１５の厚み寸法Ｗ１を高精度に制御することが可能となる。しかも、この場合には、ばね形状の弾性体部１５の幅寸法Ｈ１を基板１０の厚みと同じ値とすることが可能となるから、アスペクト比の大きなばね形状の弾性体部１５を寸法精度良く形成することが可能となる。なお、図８（ａ）に示した振動発電装置１０１ｂでは、弾性体部１５の形状として、つづら折れ状のばね形状を採用しており、ばね形状の弾性体部１５の厚み寸法Ｗ１を０．４ｍｍ、幅寸法Ｈ１を１ｍｍとしてある。この場合のアスペクト比は、２．５である。また、この一例の場合には、ｘ軸方向の剛性が約２７５４Ｎ／ｍ、ｙ軸方向の剛性が約３２６７Ｎ／ｍ、ｚ軸方向の剛性が約３１４６Ｎ／ｍである。つまり、この一例の場合には、上記第２方向における剛性が上記第２方向に直交する方向の剛性に比べて小さい。ただし、これらの数値例は、図９に示すように、つづら折れ状のばね形状の弾性体部１５自身において、折り返し箇所を２箇所だけ増やし、また、隣り合う部位同士の間隔Ｗ３を０．１２ｍｍ、ｘ軸方向における弾性体部１５全体の長さＸ１１を７ｍｍ、ｙ軸方向における弾性体部１５全体の長さＹ１１を７ｍｍとした場合の値である。剛性の測定に関しては、例えば、支持部１４を冶具で固定した後、微小引張試験機、あるいはフォースゲージとμメータとを組み合わせたものを用いることができる。この場合には、可動部１２に対してｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向それぞれの力を加えたときの変位を測定することで、ばね定数を算出することができる。
The vibration power generation apparatus 101b can improve the durability of the elastic body portion 15 as compared to the case where the elastic body portion 15 is made of metal if the spring material forming the elastic body portion 15 is silicon. Further, the vibration power generation apparatus 101b employs a silicon substrate as the substrate 10 because the material of the spring constituting the elastic body portion 15 is silicon, and each of the substrates is one of the substrates 10 using a manufacturing technique such as MEMS. It becomes possible to form each elastic body part 15 which consists of a part. As a result, the vibration power generation apparatus 101b increases the aspect ratio represented by the ratio of the width dimension H1 (see FIG. 8A) to the thickness dimension W1 (see FIG. 8A) in the elastic body portion 15 in the shape of a spring. Is possible. When manufacturing technology such as MEMS is used, the thickness dimension W1 of the spring-shaped elastic body portion 15 can be controlled with high accuracy by performing bulk micromachining of the substrate 10 using lithography technology and etching technology. It becomes possible. In addition, in this case, since the width dimension H1 of the spring-shaped elastic body portion 15 can be set to the same value as the thickness of the substrate 10, the spring-shaped elastic body portion 15 having a large aspect ratio can be formed with high dimensional accuracy. It becomes possible to form. In the vibration power generation apparatus 101b shown in FIG. 8A, a spring-shaped spring shape is adopted as the shape of the elastic body portion 15, and the thickness dimension W1 of the spring-shaped elastic body portion 15 is set to 0. 0. The width dimension H1 is 4 mm and 1 mm. In this case, the aspect ratio is 2.5. In this example, the rigidity in the x-axis direction is about 2754 N / m, the rigidity in the y-axis direction is about 3267 N / m, and the rigidity in the z-axis direction is about 3146 N / m. That is, in this example, the rigidity in the second direction is smaller than the rigidity in the direction orthogonal to the second direction. However, in these numerical examples, as shown in FIG. 9, in the spring-shaped elastic body portion 15 itself, the number of folded portions is increased by two, and the interval W3 between adjacent portions is 0.12 mm. These values are obtained when the length X11 of the entire elastic body portion 15 in the x-axis direction is 7 mm and the length Y11 of the entire elastic body portion 15 in the y-axis direction is 7 mm. Regarding the measurement of rigidity, for example, after the support portion 14 is fixed with a jig, a micro tensile tester or a combination of a force gauge and a μ meter can be used. In this case, the spring constant can be calculated by measuring the displacement when the forces in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction are applied to the movable portion 12.
振動発電装置１０１ｂは、弾性体部１５が上記第２方向における可動部１２の両側の各々に、複数個ずつ並んで設けられている場合、各複数個ずつの弾性体部１５の全ての材料をシリコンとすることができる。振動ブロック１１は、各複数個ずつの弾性体部１５のうち少なくとも１個ずつの材料がシリコンであればよく、他の弾性体部１５の材料を金属としてもよい。
When the elastic body portion 15 is provided with a plurality of elastic body portions 15 arranged on both sides of the movable portion 12 in the second direction, all the materials of the plurality of elastic body portions 15 are used. It can be silicon. In the vibration block 11, at least one material of the plurality of elastic body portions 15 may be silicon, and the material of the other elastic body portions 15 may be metal.
弾性体部１５を構成するばねの形状は、例えば、つづら折れ状であることが好ましい。この場合、弾性体部１５は、平面視形状において折り返し部分に角のないＵ字状に形成された形状のほうが、平面視形状において折り返し部分に角のあるＵ字状に形成された形状よりも好ましい。振動発電装置１０１ｂは、弾性体部１５の折り返し部分に角のない形状を採用することにより、弾性体部１５の折り返し部分での応力集中に起因した破損やクラックの発生等を抑制することが可能となる。
The shape of the spring constituting the elastic body portion 15 is preferably, for example, a folded shape. In this case, the shape of the elastic body portion 15 formed in a U shape without a corner in the folded portion in the plan view shape is more than the shape formed in a U shape having a corner in the folded portion in the plan view shape. preferable. The vibration power generation apparatus 101b can suppress the occurrence of breakage, cracks, and the like due to stress concentration at the folded portion of the elastic body portion 15 by adopting a shape without a corner at the folded portion of the elastic body portion 15. It becomes.
また、つづら折れ状の弾性体部１５としては、平面視において折り返し部分の厚み寸法を他の部位の厚み寸法よりも大きくした形状としてもよく、弾性体部１５の折り返し部分での応力集中に起因した破損やクラックの発生等を抑制することが可能となる。
Further, the zigzag-shaped elastic body portion 15 may have a shape in which the thickness dimension of the folded portion is larger than the thickness dimension of other portions in plan view, and is caused by stress concentration at the folded portion of the elastic body portion 15. It is possible to suppress the occurrence of breakage and cracks.
また、つづら折れ状の弾性体部１５としては、平面視において折り返し部分間の距離が徐々に短くなる形状としてもよい。
Further, the zigzag-shaped elastic body portion 15 may have a shape in which the distance between the folded portions is gradually shortened in plan view.
また、弾性体部１５は、平面視において蛇行した形状であれば、つづら折れ状の形状に限らず、例えば、波形状（平面視で正弦波状）の形状でもよい。
Further, the elastic body portion 15 is not limited to a zigzag shape as long as it has a meandering shape in a plan view, and may be, for example, a wave shape (sine wave shape in a plan view).
また、弾性体部１５を構成するばねの形状は、つづら折れ状や波形状等の蛇行した形状に限らず、他の形状でもよい。
The shape of the spring constituting the elastic body portion 15 is not limited to a meandering shape such as a zigzag shape or a wave shape, but may be another shape.
可動部本体１３の厚み寸法は、各弾性体部１５の厚み寸法と同じに設定してあるが、これに限らず、可動部１２の所望の質量等に基づいて各弾性体部１５の厚み寸法よりも大きくしてもよい。また、可動部本体１３の厚み寸法は、各弾性体部１５の厚み寸法よりも小さくしてもよい。この場合は、弾性体部１５の上記第１方向の剛性を高くすることが可能となる。
Although the thickness dimension of the movable part main body 13 is set to be the same as the thickness dimension of each elastic body part 15, it is not limited to this, and the thickness dimension of each elastic body part 15 is based on the desired mass of the movable part 12 or the like. May be larger. Moreover, the thickness dimension of the movable part main body 13 may be smaller than the thickness dimension of each elastic body part 15. In this case, the rigidity of the elastic body portion 15 in the first direction can be increased.
第１スペーサ４１及び第２スペーサ４２は、枠状に形成されている。振動発電装置１０１ｂは、第１スペーサ４１の形状と第２スペーサ４２の形状とを同じ形状に設定してあることが好ましい。これにより、振動発電装置１０１ｂは、部品共通化による低コスト化を図ることが可能となる。
The first spacer 41 and the second spacer 42 are formed in a frame shape. In the vibration power generator 101b, the shape of the first spacer 41 and the shape of the second spacer 42 are preferably set to the same shape. As a result, the vibration power generation apparatus 101b can achieve cost reduction by sharing parts.
また、第１スペーサ４１及び第２スペーサ４２の外形寸法は、振動ブロック１１の外形寸法に合わせてあることが好ましい。
In addition, the outer dimensions of the first spacer 41 and the second spacer 42 are preferably matched to the outer dimensions of the vibration block 11.
第１スペーサ４１及び第２スペーサ４２の各々の材料としては、例えば、エンジニヤリングプラスチック（例えば、ポリカーボネート等）等の樹脂、セラミック、シリコン等を採用することができる。第１スペーサ４１及び第２スペーサ４２の各々の材料としてシリコンを採用した場合には、第１スペーサ４１及び第２スペーサ４２の各々をシリコン基板から形成することができる。これにより、第１スペーサ４１及び第２スペーサ４２の各々と振動ブロック１１の支持部１４との接合方法としては、例えば、表面活性化接合法や、共晶接合法や、樹脂接合法等を採用することができる。
As the material of each of the first spacer 41 and the second spacer 42, for example, resin such as engineering plastic (for example, polycarbonate), ceramic, silicon, or the like can be used. When silicon is employed as the material of each of the first spacer 41 and the second spacer 42, each of the first spacer 41 and the second spacer 42 can be formed from a silicon substrate. Thereby, as a joining method of each of the first spacer 41 and the second spacer 42 and the support portion 14 of the vibration block 11, for example, a surface activated joining method, a eutectic joining method, a resin joining method, or the like is adopted. can do.
第１キャップ２１及び第２キャップ３１の外形寸法は、振動ブロック１１の外形寸法に合わせてあることが好ましい。
The outer dimensions of the first cap 21 and the second cap 31 are preferably matched with the outer dimensions of the vibration block 11.
振動発電装置１０１ｂは、第１キャップ２１の形状と第２キャップ３１の形状とを同じ形状に設定してあることが好ましい。これにより、振動発電装置１０１ｂは、部品共通化による低コスト化を図ることが可能となる。
In the vibration power generator 101b, the shape of the first cap 21 and the shape of the second cap 31 are preferably set to the same shape. As a result, the vibration power generation apparatus 101b can achieve cost reduction by sharing parts.
第１キャップ２１及び第２キャップ３１の各々の材料としては、例えば、エンジニヤリングプラスチック（例えば、ポリカーボネート等）等の樹脂、セラミック、シリコン等を採用することができる。第１キャップ２１及び第２キャップ３１の各々の材料としてシリコンを採用した場合には、第１キャップ２１及び第２キャップ３１の各々をシリコン基板から形成することができる。これにより、第１キャップ２１、第２キャップ３１と、第１スペーサ４１、第２スペーサ４２それぞれとの接合方法としては、例えば、表面活性化接合法や、共晶接合法や、樹脂接合法等を採用することができる。また、振動発電装置１０１ｂは、第１スペーサ４１及び第２スペーサ４２を設けずに、第１キャップ２１及び第２キャップ３１を振動ブロック１１に固定した構成としてもよい。
As each material of the first cap 21 and the second cap 31, for example, resin such as engineering plastic (for example, polycarbonate) or the like, ceramic, silicon or the like can be employed. When silicon is employed as the material for each of the first cap 21 and the second cap 31, each of the first cap 21 and the second cap 31 can be formed from a silicon substrate. Thereby, as a joining method of the 1st cap 21, the 2nd cap 31, and the 1st spacer 41 and the 2nd spacer 42, for example, a surface activation joining method, a eutectic joining method, a resin joining method, etc. Can be adopted. Further, the vibration power generation apparatus 101 b may be configured such that the first cap 21 and the second cap 31 are fixed to the vibration block 11 without providing the first spacer 41 and the second spacer 42.
振動発電装置１０１ｂは、第１キャップ２１と第１スペーサ４１と振動ブロック１１と第２スペーサ４２と第２キャップ３１とを、複数個（例えば、４個）のねじ（図示せず）により固定するようにしてもよいし、接着剤により固定するようにしてもよいし、固定部材として、ねじと接着剤とを併用してもよい。また、振動発電装置１０１ｂは、第１キャップ２１、第１スペーサ４１、振動ブロック１１、第２スペーサ４２及び第２キャップ３１それぞれからなる部材のうち、振動発電装置１０１ｂの厚み方向において隣り合う部材同士に、相互に嵌合可能な構造を設けて嵌合させることで固定するようにしてもよい。
The vibration power generation apparatus 101b fixes the first cap 21, the first spacer 41, the vibration block 11, the second spacer 42, and the second cap 31 with a plurality of (for example, four) screws (not shown). You may make it, it may make it fix with an adhesive agent, and may use a screw and an adhesive agent together as a fixing member. The vibration power generation apparatus 101b includes members adjacent to each other in the thickness direction of the vibration power generation apparatus 101b among members formed of the first cap 21, the first spacer 41, the vibration block 11, the second spacer 42, and the second cap 31, respectively. Further, a structure that can be fitted to each other may be provided and fixed by fitting.
振動発電装置１０１ｂは、図１１に示すように、第１キャップ２１、第１スペーサ４１、振動ブロック１１、第２スペーサ４２及び第２キャップ３１それぞれの四隅に、固定用のねじを挿通可能な貫通孔２１ａ、４１ａ、１１ａ、４２ａ及び３１ａをそれぞれ形成してある。各貫通孔２１ａ、４１ａ、１１ａ、４２ａ及び３１ａの平面視での開口形状は、円形状としてある。これらの開口形状は、円形状以外の形状でもよい。
As shown in FIG. 11, the vibration power generation apparatus 101 b penetrates through the four corners of the first cap 21, the first spacer 41, the vibration block 11, the second spacer 42, and the second cap 31. Holes 21a, 41a, 11a, 42a and 31a are formed, respectively. The opening shape of each through hole 21a, 41a, 11a, 42a, and 31a in plan view is a circular shape. These opening shapes may be other than circular shapes.
また、振動ブロック１１は、可動部本体１３から平面視において上記第２方向に直交する方向に突出する２つの突部１３ｂを一体に設けてある。各突部１３ｂの各々は、平面視矩形状に形成されている。また、振動ブロック１１は、枠状の支持部１４の内側面に、各突部１３ｂの各々を上記第２方向に変位可能とする２つの第１凹部（第１切欠部）１４ｂが形成されている。そして、第１キャップ２１及び第２キャップ３１には、各第１凹部１４ｂの各々の投影領域に、矩形状の貫通孔２１ｂ、３１ｂがそれぞれ形成されている。また、第１スペーサ４１及び第２スペーサ４２の内側面には、各第１凹部１４ｂの各々の投影領域に、第２凹部（第２切欠部）４１ｂ、４２ｂがそれぞれ形成されている。したがって、振動発電装置１０１ｂでは、外部から貫通孔２１ｂ、３１ｂ及び第２凹部４１ｂ、４２ｂを通して、両突部１３ｂに対して適宜の冶具により外力を与えて可動部１２を上記第２方向へ変位させることが可能となっている。これにより、振動発電装置１０１ｂでは、両突部１３ｂを変位させた後に冶具を引き抜けば、可動部１２が上記第２方向に振動することとなる。要するに、振動発電装置１０１ｂは、可動部１２を変位させて作動させることが可能である。この場合の可動部１２の振動は、減衰振動である。これにより、振動発電装置１０１ｂの出力電圧（振動発電装置１０１ｂで発生する交流電圧）の波形は、例えば、図１３に示すように時間の経過とともに減衰する波形となる。なお、冶具としては、例えば、二股のフォーク状の形状のものを採用することができる。
The vibration block 11 is integrally provided with two protrusions 13b that protrude from the movable part main body 13 in a direction orthogonal to the second direction in plan view. Each protrusion 13b is formed in a rectangular shape in plan view. The vibration block 11 has two first recesses (first notch portions) 14b that can displace each of the protrusions 13b in the second direction on the inner surface of the frame-shaped support portion 14. Yes. In the first cap 21 and the second cap 31, rectangular through holes 21b and 31b are formed in the respective projection regions of the first recesses 14b. Further, on the inner side surfaces of the first spacer 41 and the second spacer 42, second recesses (second notches) 41b and 42b are formed in the respective projection regions of the first recesses 14b. Therefore, in the vibration power generator 101b, the external force is applied to both the protrusions 13b with an appropriate jig through the through holes 21b and 31b and the second recesses 41b and 42b from the outside, and the movable part 12 is displaced in the second direction. It is possible. Thereby, in the vibration power generation device 101b, if the jig is pulled out after displacing both protrusions 13b, the movable portion 12 vibrates in the second direction. In short, the vibration power generation apparatus 101b can be operated by displacing the movable portion 12. The vibration of the movable part 12 in this case is a damped vibration. Thereby, the waveform of the output voltage of the vibration power generation apparatus 101b (AC voltage generated in the vibration power generation apparatus 101b) becomes a waveform that attenuates with time as shown in FIG. 13, for example. As the jig, for example, a bifurcated fork-shaped one can be adopted.
振動ブロック１１は、図８（ｂ）、図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示すように、支持部１４に、上記第２方向への可動部１２の変位量を制限するテーパ状のストッパ部１４ｃを設けてある。一方、可動部１２の外周面（可動部本体１３の外側面）には、ストッパ部１４ｃと略平行な傾斜面１２ｃを設けてある。支持部１４に設けられたストッパ部１４ｃは、支持部１４の内側面において上記第２方向に平行な面に対して傾斜している。可動部１２に設けられた傾斜面１２ｃは、可動部１２の外周面において上記第２方向に平行な面に対して傾斜している。
As shown in FIGS. 8B, 12A, and 12B, the vibration block 11 has a tapered shape that restricts the displacement of the movable portion 12 in the second direction on the support portion 14. A stopper portion 14c is provided. On the other hand, an inclined surface 12c substantially parallel to the stopper portion 14c is provided on the outer peripheral surface of the movable portion 12 (the outer surface of the movable portion main body 13). The stopper portion 14 c provided on the support portion 14 is inclined with respect to a plane parallel to the second direction on the inner side surface of the support portion 14. The inclined surface 12 c provided on the movable portion 12 is inclined with respect to a surface parallel to the second direction on the outer peripheral surface of the movable portion 12.
振動発電装置１０１ｂでは、両突部１３ｂに対して適宜の冶具により外力を与えて可動部１２を上記第２方向へ変位させる際に、傾斜面１２ｃがストッパ部１４ｃに接触することで可動部１２の変位が制限される。これにより、振動発電装置１０１ｂは、可動部１２を作動させる際に可動部１２の変位量（可動部１２の初期変位）を略一定値とすることが可能となる。また、振動発電装置１０１ｂでは、上記第２方向とは異なる方向への可動部１２の変位を抑制することが可能となる。これらにより、振動発電装置１０１ｂでは、外力を与える度に発電出力がばらつくのを抑制することが可能となる。なお、図１２（ａ）中の矢印は、可動部１２を変位させる向きの一例を示している。振動発電装置１０１ｂは、図１２（ａ）中の矢印とは逆向きへ変位させることも可能である。
In the vibration power generator 101b, when the movable portion 12 is displaced in the second direction by applying an external force to both the protrusions 13b with an appropriate jig, the movable portion 12 is brought into contact with the stopper portion 14c. The displacement of is limited. Thereby, the vibration power generation apparatus 101b can set the displacement amount of the movable portion 12 (initial displacement of the movable portion 12) to a substantially constant value when the movable portion 12 is operated. Further, in the vibration power generation apparatus 101b, it is possible to suppress the displacement of the movable portion 12 in a direction different from the second direction. As a result, the vibration power generation apparatus 101b can suppress variations in power generation output each time an external force is applied. In addition, the arrow in Fig.12 (a) has shown an example of the direction which displaces the movable part 12. FIG. The vibration power generation apparatus 101b can be displaced in the direction opposite to the arrow in FIG.
コイルブロック４は、複数個（例えば、５個）のコイル４ａを備えている。これら複数個のコイル４ａは、上記第２方向に並んで配置され接着剤によりブロック化されている。要するに、コイルブロック４は、コイル４ａが１次元のアレイ状に配置されたコイルアレイにより構成されている。また、磁石ブロック３は、磁石２が１次元のアレイ状に配置された磁石アレイにより構成されている。コイルブロック４のコイル４ａの数は、磁石ブロック３の磁石２の数より１だけ多いほうが好ましい。要するに、磁石ブロック３の磁石２の数をｍ（ｍは自然数）とすれば、コイルブロック４のコイル４ａの数は、ｍ＋１とすることが好ましい。また、コイルブロック４におけるコイル４ａのピッチと、磁石ブロック３における磁石２のピッチとは同じであることが好ましい。また、コイルブロック４は、対向する磁石ブロック３において隣り合う磁石２同士の境界とコイル４ａの中心線（口軸）とが同一平面上に揃うように各コイル４ａが配置されていることが好ましい。これにより、振動発電装置１０１ｂは、エネルギ変換効率を向上させることが可能となる。
The coil block 4 includes a plurality of (for example, five) coils 4a. The plurality of coils 4a are arranged side by side in the second direction and are blocked by an adhesive. In short, the coil block 4 is configured by a coil array in which the coils 4a are arranged in a one-dimensional array. The magnet block 3 is configured by a magnet array in which the magnets 2 are arranged in a one-dimensional array. The number of coils 4 a in the coil block 4 is preferably one more than the number of magnets 2 in the magnet block 3. In short, if the number of magnets 2 in the magnet block 3 is m (m is a natural number), the number of coils 4a in the coil block 4 is preferably m + 1. Moreover, it is preferable that the pitch of the coil 4a in the coil block 4 and the pitch of the magnet 2 in the magnet block 3 are the same. Moreover, it is preferable that each coil 4a is arrange | positioned so that the boundary of the adjacent magnets 2 and the centerline (mouth axis) of the coil 4a may be on the same plane. . As a result, the vibration power generation apparatus 101b can improve the energy conversion efficiency.
コイル４ａは、芯材４ｂに巻回されたコイル線材により構成されている。コイル線材としては、絶縁被覆付きの銅線を採用することができる。コイル線材は、巻線機により芯材４ｂに巻き付けて接着剤等により固定されている。芯材４ｂの材料としては、例えば、エンジニヤリングプラスチック（例えば、ポリカーボネート等）等の樹脂や、セラミック等の絶縁性材料を採用することが好ましい。銅線を被覆する絶縁膜の材料としては、例えば、ウレタン、ホルマール、ポリエステル、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド等を採用することができる。
The coil 4a is composed of a coil wire wound around the core material 4b. As the coil wire, a copper wire with an insulation coating can be employed. The coil wire is wound around the core 4b by a winding machine and fixed with an adhesive or the like. As the material of the core material 4b, it is preferable to employ, for example, a resin such as engineering plastic (for example, polycarbonate) or an insulating material such as ceramic. As a material for the insulating film covering the copper wire, for example, urethane, formal, polyester, polyesterimide, polyamideimide and the like can be employed.
芯材４ｂは、短冊状に形成されている。芯材４ｂは、厚み方向が上記第２方向に一致し、幅方向が振動ブロック１１の厚み方向に一致し、長手方向が平面視において上記第２方向に直交する方向に一致するように配置されている。
The core material 4b is formed in a strip shape. The core material 4b is disposed so that the thickness direction thereof coincides with the second direction, the width direction thereof coincides with the thickness direction of the vibration block 11, and the longitudinal direction thereof coincides with a direction orthogonal to the second direction in plan view. ing.
コイルブロック４は、磁石ブロック３との対向面側が平坦化されるように、各コイル４ａを各芯材４ｂの幅方向において磁石ブロック３側の一端部に巻回してある。第１キャップ２１に保持されるコイルブロック４（以下、「第１コイルブロック４Ａ」ともいう。）は、各芯材４ｂの幅方向の他端部を、第１キャップ２１に形成された複数の位置決め用の貫通孔２１ｃの各々に挿入し固定してある。第１キャップ２１に第１コイルブロック４Ａを組み込む際には、例えば、別途に用意したダミー部材（組立用の冶具）の平坦面に、磁石ブロック３との対向面となる側を突き当てた状態で、各芯材４ｂを第１キャップ２１に固定し、その後、ダミー部材を取り去ればよい。これにより、第１コイルブロック４Ａでは、複数のコイル４ａのコイル面が揃うこととなり、磁石ブロック３との対向面側が略平坦となる。
In the coil block 4, each coil 4a is wound around one end portion on the magnet block 3 side in the width direction of each core member 4b so that the surface facing the magnet block 3 is flattened. The coil block 4 held by the first cap 21 (hereinafter also referred to as “first coil block 4A”) has a plurality of other end portions in the width direction of the core members 4b formed on the first cap 21. It is inserted and fixed in each of the positioning through holes 21c. When the first coil block 4A is assembled in the first cap 21, for example, a state where the side that faces the magnet block 3 is abutted against the flat surface of a separately prepared dummy member (assembly jig). Then, each core member 4b may be fixed to the first cap 21, and then the dummy member may be removed. Thus, in the first coil block 4A, the coil surfaces of the plurality of coils 4a are aligned, and the surface facing the magnet block 3 is substantially flat.
また、第２キャップ３１に保持されるコイルブロック４（以下、「第２コイルブロック４Ｂ」ともいう。）は、各芯材４ｂの幅方向の他端部を、第２キャップ３１に形成された複数の位置決め用の貫通孔３１ｃの各々に挿入し固定してある。第２キャップ３１に第２コイルブロック４Ｂを組み込む際には、例えば、別途に用意したダミー部材（組立用の冶具）の平坦面に、磁石ブロック３との対向面となる側を突き当てた状態で、各芯材４ｂを第２キャップ３１に固定し、その後、ダミー部材を取り去ればよい。これにより、第２コイルブロック４Ｂでは、複数のコイル４ａのコイル面が揃うこととなり、磁石ブロック３との対向面側が略平坦となる。
The coil block 4 held by the second cap 31 (hereinafter also referred to as “second coil block 4B”) is formed on the second cap 31 at the other end in the width direction of each core member 4b. It is inserted and fixed in each of the plurality of positioning through holes 31c. When assembling the second coil block 4B into the second cap 31, for example, a state where the side that faces the magnet block 3 is abutted against the flat surface of a separately prepared dummy member (assembly jig) Then, each core member 4b may be fixed to the second cap 31, and then the dummy member may be removed. Thereby, in the 2nd coil block 4B, the coil surface of the some coil 4a will be gathered, and the opposing surface side with the magnet block 3 will become substantially flat.
コイルブロック４において隣り合うコイル４ａ同士は、第１の導電性接合材で接合され電気的に接続されている。第１の導電性接合材の材料としては、例えば、半田や銀ペースト等を採用することができる。隣り合うコイル４ａ同士は、それぞれ逆巻き方向となるように直列接続されている。
The adjacent coils 4a in the coil block 4 are joined and electrically connected by a first conductive joining material. As a material of the first conductive bonding material, for example, solder, silver paste, or the like can be employed. Adjacent coils 4a are connected in series so as to be in the reverse winding direction.
第１コイルブロック４Ａの両端のコイル４ａそれぞれにおいて隣り合うコイル４ａに接続されていない側の線端部は、第１キャップ２１に設けられた電極（図示せず）に電気的に接続されている。第２コイルブロック４Ｂの両端のコイル４ａそれぞれにおいて隣り合うコイル４ａに接続されていない側の線端部は、第２キャップ３１に設けられた電極（図示せず）に電気的に接続されている。線端部と電極とは、第２の導電性接合材で接合され電気的に接続されている。第２の導電性接合材の材料としては、例えば、半田や銀ペースト等を採用することができる。第２の導電性接合材としては、金属製のねじ等を用いてもよい。
In each of the coils 4a at both ends of the first coil block 4A, the line end on the side not connected to the adjacent coil 4a is electrically connected to an electrode (not shown) provided on the first cap 21. . In each of the coils 4a at both ends of the second coil block 4B, the line end on the side not connected to the adjacent coil 4a is electrically connected to an electrode (not shown) provided on the second cap 31. . The line end and the electrode are joined and electrically connected by the second conductive joining material. As the material of the second conductive bonding material, for example, solder, silver paste, or the like can be employed. A metal screw or the like may be used as the second conductive bonding material.
振動発電装置１０１ｂは、各コイル４ａの各々が芯材４ｂを備えている（つまり、各コイル４ａの各々は、いわゆる有芯コイルである）が、芯材４ｂを備えていないもの（いわゆる空芯コイル）でもよい。芯材４ｂを備えない構成とする場合には、例えば、第１キャップ２１及び第２キャップ３１の各々に各コイル４ａを各別に位置決めするリブ（突起）を設ければよい。この場合には、例えばリブにコイル４ａが巻装された状態で、リブとコイル４ａとを接着剤等で接着すればよい。
In the vibration power generation apparatus 101b, each coil 4a includes a core material 4b (that is, each coil 4a is a so-called cored coil), but does not include a core material 4b (a so-called air core). Coil). In the case where the core material 4b is not provided, for example, ribs (projections) for positioning the coils 4a individually may be provided on each of the first cap 21 and the second cap 31. In this case, for example, the rib and the coil 4a may be bonded with an adhesive or the like in a state where the coil 4a is wound around the rib.
また、各コイル４ａの各々は、例えば、平面コイルにより構成してもよい。この場合には、例えば、第１キャップ２１及び第２キャップ３１の各々に平面コイルを形成すればよい。
Further, each of the coils 4a may be constituted by a planar coil, for example. In this case, for example, a planar coil may be formed in each of the first cap 21 and the second cap 31.
平面コイルの材料としては、例えば、銅、金、銀等を採用することができる。また、平面コイルの材料としては、パーマロイ、コバルト基アモルファス合金、フェライト等を採用してもよい。平面コイルは、蒸着法、スパッタ法等の薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用して形成することができる。
As a material of the planar coil, for example, copper, gold, silver or the like can be adopted. Further, as a material for the planar coil, permalloy, cobalt-based amorphous alloy, ferrite, or the like may be employed. The planar coil can be formed using a thin film formation technique such as a vapor deposition method or a sputtering method, a photolithography technique, an etching technique, or the like.
ところで、図２０に示した構成の発電装置３００では、コイルバネ３３０の中間部が矢印Ｚ１方向へ変位可能であると推考される。このため、発電装置３００では、永久磁石３２０の厚み方向の振動に起因して上述の間隔が変動し、発電特性が不安定となったり、発電効率が低下する懸念がある。つまり、発電装置３００のようなエネルギ変換装置では、エネルギ変換特性が不安定となったり、エネルギ変換効率が低下する懸念がある。また、発電装置３００は、上述の間隔を狭くすると、永久磁石３２０が平面コイル３１４ａ及び３１４ｂに接触してしまう懸念がある。
By the way, in the electric power generating apparatus 300 of the structure shown in FIG. 20, it is estimated that the intermediate part of the coil spring 330 can be displaced to the arrow Z1 direction. For this reason, in the power generation device 300, there is a concern that the above-described interval fluctuates due to vibration in the thickness direction of the permanent magnet 320, power generation characteristics become unstable, and power generation efficiency decreases. That is, in an energy conversion device such as the power generation device 300, there is a concern that the energy conversion characteristics become unstable or the energy conversion efficiency decreases. Moreover, if the above-mentioned space | interval narrows the electric power generating apparatus 300, there exists a possibility that the permanent magnet 320 may contact flat coil 314a and 314b.
また、上述の発電装置３００は、プリント基板３１２の開口部３１２ａにおける矢印Ｘ１方向及び矢印Ｘ２方向に沿った側面と永久磁石３２０とが接することで、矢印Ｘ１方向と矢印Ｚ１方向とに直交する方向に対する永久磁石３２０の移動が規制されているものと推考される。しかしながら、このような場合には、永久磁石３２０が矢印Ｘ１方向（矢印Ｘ２方向）に振動する際に摺動抵抗が生じて、発電効率が低下してしまうものと考えられる。
Further, in the power generation device 300 described above, the permanent magnet 320 is in contact with the side surface along the arrow X1 direction and the arrow X2 direction in the opening 312a of the printed circuit board 312 so that the direction is perpendicular to the arrow X1 direction and the arrow Z1 direction. It is considered that the movement of the permanent magnet 320 with respect to is restricted. However, in such a case, it is considered that when the permanent magnet 320 vibrates in the direction of the arrow X1 (the direction of the arrow X2), sliding resistance is generated and power generation efficiency is reduced.
これに対し、振動発電装置１０１ｂにおける弾性体部１５は、上記第２方向における剛性が上記第２方向に直交する方向の剛性に比べて小さい。よって、振動発電装置１０１ｂは、可動部１２の振動方向を、上記第２方向に単方向化することが可能となり、エネルギ変換効率の向上を図ることが可能となる。
On the other hand, the elastic body portion 15 in the vibration power generation apparatus 101b is smaller in rigidity in the second direction than the rigidity in the direction orthogonal to the second direction. Therefore, the vibration power generation apparatus 101b can make the vibration direction of the movable portion 12 unidirectional in the second direction, and can improve the energy conversion efficiency.
また、振動発電装置１０１ｂは、上記第２方向における可動部１２の両側それぞれに複数の弾性体部１５が設けられている。これにより、振動発電装置１０１ｂは、可動部１２の両側の各々に弾性体部１５が１個ずつ設けられている場合に比べて、可動部１２の振動方向の更なる単方向化が可能となり、エネルギ変換効率の更なる向上を図ることが可能となる。
In addition, the vibration power generation apparatus 101b is provided with a plurality of elastic body portions 15 on both sides of the movable portion 12 in the second direction. Thereby, the vibration power generation apparatus 101b can further unidirectionally change the vibration direction of the movable portion 12 as compared with the case where one elastic body portion 15 is provided on each of both sides of the movable portion 12. It becomes possible to further improve the energy conversion efficiency.
また、振動発電装置１０１ｂは、第１キャップ２１、第２キャップ３1に、第１コイルブロック４Ａ、第２コイルブロック４Ｂそれぞれが保持されている。これにより、振動発電装置１０１ｂは、第１キャップ２１と第２キャップ３１との一方のみにコイルブロック４が保持されている場合に比べて、エネルギ変換効率の向上を図れる。
In the vibration power generation apparatus 101b, the first coil block 4A and the second coil block 4B are held by the first cap 21 and the second cap 31, respectively. Accordingly, the vibration power generation apparatus 101b can improve the energy conversion efficiency as compared with the case where the coil block 4 is held only in one of the first cap 21 and the second cap 31.
また、振動発電装置１０１ｂは、第１コイルブロック４Ａにおける複数個のコイル４ａの直列回路と、第２コイルブロック４Ｂにおける複数個のコイル４ａの直列回路とを直列接続することで、出力電圧を高めることも可能となる。
Further, the vibration power generation apparatus 101b increases the output voltage by connecting in series the series circuit of the plurality of coils 4a in the first coil block 4A and the series circuit of the plurality of coils 4a in the second coil block 4B. It is also possible.
また、振動発電装置１０１ｂは、第１キャップ２１と振動ブロック１１との間に配置された枠状の第１スペーサ４１を備えている。これにより、振動発電装置１０１ｂは、第１コイルブロック４Ａと磁石ブロック３との間のギャップ長を、第１スペーサ４１の厚みで規定することが可能となる。したがって、振動発電装置１０１ｂは、第１コイルブロック４Ａと磁石ブロック３との間のギャップの狭ギャップ化を図りながらも、第１コイルブロック４Ａと磁石ブロック３との接触を防止することが可能となる。振動発電装置１０１ｂは、第１コイルブロック４Ａと磁石ブロック３との間のギャップの狭ギャップ化により、磁束の利用効率の向上を図ることが可能となって、エネルギ変換効率の向上を図ることが可能となる。
The vibration power generation apparatus 101 b includes a frame-shaped first spacer 41 disposed between the first cap 21 and the vibration block 11. Thus, the vibration power generation apparatus 101b can define the gap length between the first coil block 4A and the magnet block 3 by the thickness of the first spacer 41. Therefore, the vibration power generation apparatus 101b can prevent the contact between the first coil block 4A and the magnet block 3 while narrowing the gap between the first coil block 4A and the magnet block 3. Become. The vibration power generation apparatus 101b can improve the use efficiency of magnetic flux by narrowing the gap between the first coil block 4A and the magnet block 3, and can improve the energy conversion efficiency. It becomes possible.
また、振動発電装置１０１ｂは、第２キャップ３１と振動ブロック１１との間に配置された枠状の第２スペーサ４２を備えている。これにより、振動発電装置１０１ｂは、第２コイルブロック４Ｂと磁石ブロック３との間のギャップ長を、第２スペーサ４２の厚みで規定することが可能となる。したがって、振動発電装置１０１ｂは、第２コイルブロック４Ｂと磁石ブロック３との間のギャップの狭ギャップ化を図りながらも、第２コイルブロック４Ｂと磁石ブロック３との接触を防止することが可能となる。振動発電装置１０１ｂは、第２コイルブロック４Ｂと磁石ブロック３との間のギャップの狭ギャップ化により、磁束の利用効率の向上を図ることが可能となって、エネルギ変換効率の向上を図ることが可能となる。
The vibration power generator 101 b includes a frame-shaped second spacer 42 disposed between the second cap 31 and the vibration block 11. Thus, the vibration power generation apparatus 101b can define the gap length between the second coil block 4B and the magnet block 3 by the thickness of the second spacer 42. Therefore, the vibration power generation apparatus 101b can prevent the contact between the second coil block 4B and the magnet block 3 while narrowing the gap between the second coil block 4B and the magnet block 3. Become. The vibration power generation apparatus 101b can improve the use efficiency of magnetic flux by narrowing the gap between the second coil block 4B and the magnet block 3, and can improve the energy conversion efficiency. It becomes possible.
振動発電装置１０１ｂは、可動部１２の上記第２方向への振動に伴って発生する電磁誘導によって、交流の誘導起電力が発生する。この場合、振動発電装置１０１ｂの開放電圧は、可動部１２の振動に応じた交流電圧となる。振動発電装置１０１ｂは、両突部１３ｂに冶具等により外力を与え後に冶具を引き抜けば、可動部１２が減衰振動するので、この減衰振動に応じた交流電圧を発生する。
The vibration power generation apparatus 101b generates an alternating induced electromotive force due to electromagnetic induction generated with the vibration of the movable portion 12 in the second direction. In this case, the open circuit voltage of the vibration power generator 101b is an AC voltage corresponding to the vibration of the movable part 12. The vibration power generation apparatus 101b generates an AC voltage corresponding to the damped vibration because the movable section 12 oscillates when the jig is pulled out after applying external force to the both protrusions 13b with a jig or the like.
よって、振動発電装置１０１ｂは、可動部１２を変位させて作動させることが可能であり、且つ、エネルギ変換効率の向上を図ることが可能となる。
Therefore, the vibration power generation apparatus 101b can be operated by displacing the movable portion 12, and the energy conversion efficiency can be improved.
なお、振動発電装置１０１ｂは、この振動発電装置１０１ｂの共振周波数と一致する環境振動（外部振動）を利用して発電させることもできる。環境振動としては、例えば、稼動中のＦＡ（factory automation）機器で発生する振動、車両の走行によって発生する振動、人の歩行によって発生する振動等、種々の環境振動がある。振動発電装置１０１ｂで発生する交流電圧の周波数は、環境振動の周波数が振動発電装置１０１ｂの共振周波数と一致する場合、振動発電装置１０１ｂの共振周波数と同じになる。
The vibration power generation apparatus 101b can also generate power using environmental vibration (external vibration) that matches the resonance frequency of the vibration power generation apparatus 101b. Examples of the environmental vibration include various environmental vibrations such as vibrations generated by an operating FA (factory automation) device, vibrations generated by traveling of the vehicle, and vibrations generated by human walking. The frequency of the alternating voltage generated in the vibration power generation apparatus 101b is the same as the resonance frequency of the vibration power generation apparatus 101b when the frequency of the environmental vibration matches the resonance frequency of the vibration power generation apparatus 101b.
図７では、振動発電装置１０１ｂを等価回路で記載してある。この等価回路では、振動発電装置１０１ｂを、交流電圧源Ｖｓと、振動発電装置１０１ｂの抵抗成分により構成される抵抗Ｒｓと、振動発電装置１０１ｂのインダクタンス成分により構成されるインダクタＬｓとの直列回路で表わしてある。振動発電装置１０１ｂの抵抗成分とは、コイルブロック４の各コイル４ａの抵抗成分の合成抵抗に相当する抵抗成分である。振動発電装置１０１ｂのインダクタンス成分とは、コイルブロック４の各コイル４ａのインダクタンス成分の合成インダクタンスに相当するインダクタンス成分である。
In FIG. 7, the vibration power generation apparatus 101b is described in an equivalent circuit. In this equivalent circuit, the vibration power generation apparatus 101b is a series circuit of an AC voltage source Vs, a resistor Rs configured by a resistance component of the vibration power generation apparatus 101b, and an inductor Ls configured by an inductance component of the vibration power generation apparatus 101b. It is shown. The resistance component of the vibration power generation apparatus 101 b is a resistance component corresponding to the combined resistance of the resistance components of the coils 4 a of the coil block 4. The inductance component of the vibration power generation apparatus 101b is an inductance component corresponding to the combined inductance of the inductance components of the coils 4a of the coil block 4.
本実施形態のエネルギ変換装置１は、実施形態１のエネルギ変換装置１と同様、発電装置１０１の発電開始からＤＣ−ＤＣコンバータ１０３が起動されるまでの遅延時間を、監視回路１０４により決めることが可能となる。よって、本実施形態のエネルギ変換装置１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３を安定動作させることが可能となる。また、本実施形態のエネルギ変換装置１では、実施形態１のエネルギ変換装置１と同様、ヒステリシス回路１４１を備えていることにより、回路効率の向上を図ることが可能となり、エネルギ変換効率の向上を図ることが可能となる。なお、本実施形態のエネルギ変換装置１では、監視回路１０４のコンパレータ１４２に代えて、実施形態１のエネルギ変換装置１の変形例で説明したボルテージディテクタ１４３（図６参照）を用いてもよい。
In the energy conversion device 1 of the present embodiment, the delay time from the start of power generation by the power generation device 101 to the activation of the DC-DC converter 103 can be determined by the monitoring circuit 104 as in the energy conversion device 1 of the first embodiment. It becomes possible. Therefore, the energy conversion device 1 according to this embodiment can stably operate the DC-DC converter 103. Further, in the energy conversion device 1 of the present embodiment, as with the energy conversion device 1 of the first embodiment, by including the hysteresis circuit 141, it is possible to improve the circuit efficiency, thereby improving the energy conversion efficiency. It becomes possible to plan. In the energy conversion device 1 of the present embodiment, the voltage detector 143 (see FIG. 6) described in the modification of the energy conversion device 1 of the first embodiment may be used instead of the comparator 142 of the monitoring circuit 104.
（実施形態３）
以下では、本実施形態のエネルギ変換装置について図１４〜図１８に基づいて説明する。
(Embodiment 3)
Below, the energy converter of this embodiment is demonstrated based on FIGS. 14-18.
本実施形態のエネルギ変換装置は、実施形態２のエネルギ変換装置１と比べて、振動発電装置１０１ｂの構成が相違し、可動部１２を上記第２方向に沿って変位させるための入力機構５を備えている点等が相違する。なお、本実施形態のエネルギ変換装置は、実施形態２のエネルギ変換装置１と同様、図７に示した、整流平滑回路１０２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３及び監視回路１０４を備えている。
The energy conversion device according to the present embodiment is different from the energy conversion device 1 according to the second embodiment in the configuration of the vibration power generation device 101b, and includes an input mechanism 5 for displacing the movable portion 12 along the second direction. Differences are provided. In addition, the energy conversion apparatus of this embodiment is provided with the rectification smoothing circuit 102, the DC-DC converter 103, and the monitoring circuit 104 which were shown in FIG. 7 similarly to the energy conversion apparatus 1 of Embodiment 2. FIG.
また、本実施形態のエネルギ変換装置は、可動部１２に接続された第１磁性材料部７と、入力機構５に接続された第２磁性材料部６とを備え、第１磁性材料部７と第２磁性材料部６との間に発生する磁力により可動部１２を変位可能である。
In addition, the energy conversion device of the present embodiment includes a first magnetic material unit 7 connected to the movable unit 12 and a second magnetic material unit 6 connected to the input mechanism 5, and the first magnetic material unit 7 The movable part 12 can be displaced by the magnetic force generated between the second magnetic material part 6 and the second magnetic material part 6.
第１磁性材料部７は、第１磁石もしくは第１磁性体のいずれかにより構成することができる。また、第２磁性材料部６は、第２磁石もしくは第２磁性体のいずれかにより構成することができる。
The first magnetic material portion 7 can be composed of either the first magnet or the first magnetic body. The second magnetic material portion 6 can be composed of either a second magnet or a second magnetic body.
振動ブロック１１は、支持部１４の平面視形状をＣ字状としてある。ここで、支持部１４は、互いに対向する２つの端面１４ｅ、１４ｅを有している。また、可動部１２は、可動部本体１３の外側面から上記第２方向に沿って突出する１つの突出部１８を備えている。突出部１８の先端面には、上述の第１磁性材料部７が接続されている。突出部１８と第１磁性材料部７とは、接着剤により接続されている。突出部１８の平面視形状は、上記第２方向を長手方向とする長方形状としてある。突出部１８の短手方向の寸法は、支持部１４の両端面１４ｅ、１４ｅ間の寸法よりもやや小さな寸法に設定してある。第１磁性材料部７の平面視形状は、矩形状としてある。
The vibration block 11 has a C-shaped plan view shape of the support portion 14. Here, the support part 14 has two end surfaces 14e and 14e that face each other. In addition, the movable portion 12 includes one projecting portion 18 that projects from the outer surface of the movable portion main body 13 along the second direction. The first magnetic material portion 7 described above is connected to the distal end surface of the protruding portion 18. The protrusion 18 and the first magnetic material part 7 are connected by an adhesive. The planar view shape of the protrusion 18 is a rectangular shape having the second direction as a longitudinal direction. The dimension in the short direction of the protrusion 18 is set to be slightly smaller than the dimension between both end faces 14e, 14e of the support part 14. The first magnetic material portion 7 has a rectangular shape in plan view.
第１磁性材料部７は、第１磁性体により構成してあるが、これに限らず、第１磁石により構成してもよい。第１磁性材料部７を第１磁性体により構成する場合の材料としては、例えば、鉄−コバルト合金、電磁軟鉄、電磁ステンレス、パーマロイ等を採用することができる。また、第１磁性材料部７を第１磁石により構成する場合の材料としては、例えば、ネオジム、サマリウムコバルト、アルニコ、フェライト等を採用することができる。
Although the 1st magnetic material part 7 is comprised with the 1st magnetic body, you may comprise not only this but a 1st magnet. For example, iron-cobalt alloy, electromagnetic soft iron, electromagnetic stainless steel, permalloy, or the like can be used as the material when the first magnetic material portion 7 is formed of the first magnetic body. Moreover, as a material when the 1st magnetic material part 7 is comprised with a 1st magnet, neodymium, samarium cobalt, alnico, a ferrite, etc. are employable, for example.
振動ブロック１１は、可動部本体１３と突出部１８と支持部１４と各弾性体部１５とを、例えば、基板１０から形成することができる。この場合、振動ブロック１１では、可動部本体１３、突出部１８、支持部１４及び各弾性体部１５を一体に形成することができる。要するに、振動ブロック１１は、可動部本体１３と突出部１８と支持部１４と各弾性体部１５とが、１枚のシリコン基板から一体に形成された構成とすることができる。これにより、振動発電装置１０１ｂの製造時には、振動ブロック１１を形成する際に、可動部本体１３、突出部１８、支持部１４及び各弾性体部１５のアセンブリ工程が不要となり、製造が容易になる。可動部本体１３と突出部１８と支持部１４と各弾性体部１５とが、１枚のシリコン基板から一体に形成された構成では、各弾性体部１５と可動部本体１３、突出部１８及び支持部１４とが低減衰材料であるシリコンにより一体に形成されているので、振動時のエネルギ損失を低減することが可能となり、エネルギ変換効率を向上することが可能となる。
In the vibration block 11, the movable part main body 13, the protruding part 18, the support part 14, and each elastic body part 15 can be formed from the substrate 10, for example. In this case, in the vibration block 11, the movable part main body 13, the protruding part 18, the support part 14, and each elastic body part 15 can be formed integrally. In short, the vibration block 11 can be configured such that the movable portion main body 13, the projecting portion 18, the support portion 14, and each elastic body portion 15 are integrally formed from a single silicon substrate. As a result, when the vibration power generation apparatus 101b is manufactured, when the vibration block 11 is formed, the assembly process of the movable part main body 13, the projecting part 18, the support part 14, and each elastic body part 15 becomes unnecessary, and the manufacture becomes easy. . In the configuration in which the movable body 13, the protrusion 18, the support 14, and each elastic body 15 are integrally formed from one silicon substrate, each elastic body 15, the movable body 13, the protrusion 18, and Since the support portion 14 is integrally formed of silicon, which is a low-damping material, energy loss during vibration can be reduced, and energy conversion efficiency can be improved.
振動ブロック１１は、上記第２方向における可動部１２の両側それぞれに、複数の弾性体部１５が並んで設けられていることが好ましい。これにより、振動発電装置１０１ｂは、可動部１２の両側の各々に弾性体部１５が１個ずつ設けられている場合に比べて、可動部１２の振動方向の更なる単方向化が可能となり、エネルギ変換効率の更なる向上を図ることが可能となる。更に、振動発電装置１０１ｂは、個々の弾性体部１５にかかる応力を低減することが可能となり、耐久性の向上を図ることが可能となる。可動部１２の両側それぞれの弾性体部１５の数は、特に限定するものではない。
The vibration block 11 is preferably provided with a plurality of elastic body portions 15 arranged on both sides of the movable portion 12 in the second direction. Thereby, the vibration power generation apparatus 101b can further unidirectionally change the vibration direction of the movable portion 12 as compared with the case where one elastic body portion 15 is provided on each of both sides of the movable portion 12. It becomes possible to further improve the energy conversion efficiency. Furthermore, the vibration power generation apparatus 101b can reduce the stress applied to each elastic body portion 15, and can improve durability. The number of the elastic body portions 15 on both sides of the movable portion 12 is not particularly limited.
第１スペーサ４１及び第２スペーサ４２は、平面視形状がＣ字状の形状である。振動発電装置１０１ｂは、第１スペーサ４１の形状と第２スペーサ４２の形状とを同じ形状に設定してあることが好ましい。これにより、エネルギ変換装置１は、部品共通化による低コスト化を図ることが可能となる。
The first spacer 41 and the second spacer 42 are C-shaped in plan view. In the vibration power generator 101b, the shape of the first spacer 41 and the shape of the second spacer 42 are preferably set to the same shape. Thereby, the energy conversion device 1 can achieve cost reduction by sharing parts.
また、第１スペーサ４１及び第２スペーサ４２の外形寸法は、振動ブロック１１の外形寸法に合わせてあることが好ましい。
In addition, the outer dimensions of the first spacer 41 and the second spacer 42 are preferably matched to the outer dimensions of the vibration block 11.
また、振動発電装置１０１ｂは、第１スペーサ４１及び第２スペーサ４２を設けずに、第１キャップ２１及び第２キャップ３１を振動ブロック１１に固定した構成としてもよい。
Further, the vibration power generation apparatus 101 b may be configured such that the first cap 21 and the second cap 31 are fixed to the vibration block 11 without providing the first spacer 41 and the second spacer 42.
エネルギ変換装置は、上述の入力機構５に外力を与えることで可動部１２を上記第２方向に沿って変位させた後で、第２磁性材料部６が第１磁性材料部７から離れれば、可動部１２が減衰振動するので、この減衰振動に応じた交流電圧を発生する。要するに、振動発電装置１０１ｂは、可動部１２を変位させて作動させることが可能である。
If the second magnetic material part 6 is separated from the first magnetic material part 7 after the movable part 12 is displaced along the second direction by applying an external force to the input mechanism 5 described above, Since the movable part 12 oscillates damped, an alternating voltage corresponding to the damped vibration is generated. In short, the vibration power generation apparatus 101b can be operated by displacing the movable portion 12.
入力機構５は、実装基板８に固定されている。実装基板８としては、例えば、実施形態１のエネルギ変換装置１で説明した回路基板を採用することができる。これにより、本実施形態のエネルギ変換装置は、振動発電装置１０１ｂと入力機構５との相対的な位置関係を規定することができる。
The input mechanism 5 is fixed to the mounting substrate 8. As the mounting substrate 8, for example, the circuit substrate described in the energy conversion device 1 of Embodiment 1 can be employed. Thereby, the energy converter of this embodiment can prescribe | regulate the relative positional relationship of the vibration electric power generating apparatus 101b and the input mechanism 5. FIG.
入力機構５は、実装基板８に固定される円柱状の回動軸５１と、回動軸５１に回動自在に保持された回動部本体５２と、回動部本体５２から突出された操作部５３と、回動部本体５２から操作部５３とは反対側に突出された突出部５４と、を備えている。操作部５３は、例えば、エネルギ変換装置の使用者等が指等で操作可能な大きさに形成されている。操作部５３と回動部本体５２と突出部５４とは、例えば、樹脂により形成することができる。第２磁性材料部６は、突出部５４の先端面に接続されている。突出部５４と第２磁性材料部６とは接着剤により接続されている。第２磁性材料部６の平面視形状は、矩形状としてある。
The input mechanism 5 includes a columnar rotation shaft 51 fixed to the mounting substrate 8, a rotation portion main body 52 rotatably held on the rotation shaft 51, and an operation protruding from the rotation portion main body 52. And a protruding portion 54 that protrudes from the rotating portion main body 52 to the side opposite to the operation portion 53. The operation unit 53 is formed in a size that can be operated by a user or the like of the energy conversion device with a finger or the like, for example. The operation part 53, the rotation part main body 52, and the protrusion part 54 can be formed with resin, for example. The second magnetic material portion 6 is connected to the distal end surface of the protruding portion 54. The protrusion 54 and the second magnetic material portion 6 are connected by an adhesive. The planar view shape of the second magnetic material portion 6 is a rectangular shape.
第２磁性材料部６は、第２磁石により構成されているが、これに限らず、第２磁性体により構成してもよい。第２磁性材料部６を第２磁石により構成する場合の材料としては、例えば、ネオジム、サマリウムコバルト、アルニコ、フェライト等を採用することができる。また、第２磁性材料部６を第２磁性体により構成する場合の材料としては、例えば、鉄−コバルト合金、電磁軟鉄、電磁ステンレス、パーマロイ等を採用することができる。
Although the 2nd magnetic material part 6 is comprised by the 2nd magnet, you may comprise not only this but a 2nd magnetic body. For example, neodymium, samarium cobalt, alnico, ferrite, or the like can be used as the material when the second magnetic material portion 6 is formed of the second magnet. Moreover, as a material when the 2nd magnetic material part 6 is comprised with a 2nd magnetic body, iron-cobalt alloy, electromagnetic soft iron, electromagnetic stainless steel, a permalloy etc. are employable, for example.
第１磁性材料部７と第２磁性材料部６との間に発生する磁力の方向は、吸引する方向であるが、これに限らず、反発する方向でもよい。例えば、第１磁性材料部７を第１磁石により構成し、第２磁性材料部６を第２磁石により構成し、第１磁石と第２磁石との同極同士が対向するように第１磁石と第２磁石とを配置すれば、第１磁性材料部７と第２磁性材料部６との間に発生する磁力の方向は、反発する方向となる。
The direction of the magnetic force generated between the first magnetic material part 7 and the second magnetic material part 6 is the direction of attraction, but is not limited thereto, and may be a repulsive direction. For example, the 1st magnetic material part 7 is comprised by the 1st magnet, the 2nd magnetic material part 6 is comprised by the 2nd magnet, and the 1st magnet so that the same polarity of a 1st magnet and a 2nd magnet may oppose And the second magnet are arranged, the direction of the magnetic force generated between the first magnetic material part 7 and the second magnetic material part 6 is a repulsive direction.
入力機構５は、操作部５３と突出部５４と第２磁性材料部６とが一直線上に配置されており、操作部５３と突出部５４と第２磁性材料部６とを結ぶ直線が上記第２方向と略直交するように配置されている。
In the input mechanism 5, the operation portion 53, the protruding portion 54, and the second magnetic material portion 6 are arranged on a straight line, and a straight line connecting the operating portion 53, the protruding portion 54, and the second magnetic material portion 6 is the first line. They are arranged so as to be substantially orthogonal to the two directions.
入力機構５は、例えば、図１７に示すように、ねじりコイルばねからなる復帰ばね５５を備えている。復帰ばね５５は、回動部本体５２内で回動軸５１を囲むように配置されており、一端部５５ａが実装基板８に固定され、他端部５５ｂが操作部５３に固定されている。
For example, as shown in FIG. 17, the input mechanism 5 includes a return spring 55 formed of a torsion coil spring. The return spring 55 is disposed so as to surround the rotation shaft 51 in the rotation unit main body 52, one end 55 a is fixed to the mounting substrate 8, and the other end 55 b is fixed to the operation unit 53.
図１７に示した入力機構５は、初期位置にある操作部５３に対して復帰ばね５５のばね力に抗して外力を与えることにより、上記第２方向に沿って突出部５４が突出部１８から離れる向きへ変位する。そして、入力機構５は、操作部５３へ与えられていた外力がなくなると、復帰ばね５５のばね力によって、操作部５３が初期位置に戻るようになっている。なお、入力機構５は、図１７の構成に限定するものではなく、他の構成でもよい。
The input mechanism 5 shown in FIG. 17 applies an external force against the spring force of the return spring 55 to the operating portion 53 in the initial position, so that the protruding portion 54 extends along the second direction. Displacement away from the direction. The input mechanism 5 is configured such that when the external force applied to the operation unit 53 disappears, the operation unit 53 returns to the initial position by the spring force of the return spring 55. The input mechanism 5 is not limited to the configuration shown in FIG. 17 and may have other configurations.
第１磁性材料部７が第１磁性体であり且つ第２磁性材料部６が第２磁性体である場合には、入力機構５が、第２磁性材料部６を磁化可能な磁石（以下、磁化用磁石と称する）を備えるようにすればよい。入力機構５は、磁化用磁石を第２磁性材料部６に接触させて第２磁性材料部６を磁化することにより第２磁性材料部６と第１磁性材料部７との間に磁力を発生させ、第２磁性材料部６から磁化用磁石を離すことにより第２磁性材料部６の磁気を消失させ第２磁性材料部６と第１磁性材料部７との間の磁力を消失させるようにすればよい。
When the first magnetic material portion 7 is a first magnetic body and the second magnetic material portion 6 is a second magnetic body, the input mechanism 5 is a magnet that can magnetize the second magnetic material portion 6 (hereinafter, referred to as a magnet). (Referred to as magnetizing magnet). The input mechanism 5 generates a magnetic force between the second magnetic material portion 6 and the first magnetic material portion 7 by magnetizing the second magnetic material portion 6 by bringing the magnetizing magnet into contact with the second magnetic material portion 6. The magnetism of the second magnetic material portion 6 is lost by separating the magnetizing magnet from the second magnetic material portion 6 so that the magnetic force between the second magnetic material portion 6 and the first magnetic material portion 7 is lost. do it.
振動ブロック１１は、支持部１４に、上記第２方向への可動部１２の変位量を規定値に制限するストッパ部１４ｃ（図１４（ｂ）参照）を設けてある。ストッパ部１４ｃは、支持部１４の内側面において上記第２方向に平行な面に対して傾斜したテーパ状である。これに対し、可動部１２の外周面（可動部本体１３の外側面）には、ストッパ部１４ｃと略平行な傾斜面１２ｃ（図１４（ｂ）参照）を設けてある。可動部１２に設けられた傾斜面１２ｃは、可動部１２の外周面において上記第２方向に平行な面に対して傾斜している。エネルギ変換装置では、上述の入力機構５に外力を与えて可動部１２を上記第２方向へ変位させる際に、傾斜面１２ｃがストッパ部１４ｃに接触することで可動部１２の変位量が規定値に制限されるから、可動部１２の変位量を略一定値とすることが可能となる。また、振動発電装置１０１ｂでは、上記第２方向とは異なる方向への可動部１２の変位を抑制することが可能となる。これらにより、振動発電装置１０１ｂでは、外力を与える度に発電出力がばらつくのを抑制することが可能となり、また、外力を与える際に弾性体部１５に上記第２方向以外の方向へ過大な力が作用するのを抑制することが可能となり、信頼性の向上を図ることが可能となる。
The vibration block 11 is provided with a stopper portion 14c (see FIG. 14B) for limiting the amount of displacement of the movable portion 12 in the second direction to a specified value on the support portion 14. The stopper portion 14c has a tapered shape inclined on the inner side surface of the support portion 14 with respect to the plane parallel to the second direction. On the other hand, an inclined surface 12c (see FIG. 14B) substantially parallel to the stopper portion 14c is provided on the outer peripheral surface of the movable portion 12 (the outer surface of the movable portion main body 13). The inclined surface 12 c provided on the movable portion 12 is inclined with respect to a surface parallel to the second direction on the outer peripheral surface of the movable portion 12. In the energy conversion device, when the movable portion 12 is displaced in the second direction by applying an external force to the input mechanism 5 described above, the displacement amount of the movable portion 12 is a specified value by the inclined surface 12c coming into contact with the stopper portion 14c. Therefore, the displacement amount of the movable part 12 can be set to a substantially constant value. Further, in the vibration power generation apparatus 101b, it is possible to suppress the displacement of the movable portion 12 in a direction different from the second direction. As a result, the vibration power generation apparatus 101b can suppress the variation in power generation output each time an external force is applied, and an excessive force in the elastic body portion 15 in a direction other than the second direction when the external force is applied. Can be suppressed, and reliability can be improved.
エネルギ変換装置における振動発電装置１０１ｂ及び入力機構５の動作の一例について図１８に基づいて説明するが、図１８は、第２磁性材料部６が第２磁石により構成され、第１磁性材料部７が第１磁性体により構成されている場合の動作例を説明するためのものである。
An example of the operation of the vibration power generation apparatus 101b and the input mechanism 5 in the energy conversion device will be described with reference to FIG. 18. In FIG. 18, the second magnetic material portion 6 is configured by a second magnet, and the first magnetic material portion 7 is configured. This is for explaining an example of the operation in the case where is constituted by the first magnetic body.
エネルギ変換装置は、図１８（ａ）に示すように操作部５３が初期位置にある状態では、第２磁性材料部６と第１磁性材料部７との間に発生している磁力により、第２磁性材料部６に第１磁性材料部７が吸着されている。エネルギ変換装置は、初期位置にある操作部５３に対して、操作部５３が発電装置ＥＨに近づく向き（図１８（ａ）中の矢印の向き）の外力が与えられると、図１８（ｂ）の矢印で示すように、操作部５３及び突出部５４が反時計回りに回動する。この際、エネルギ変換装置は、可動部１２が図１８（ｂ）の右側の弾性体部１５の弾性力に抗して移動し、第１磁性材料部７が第２磁性材料部６に吸着された状態が維持される。なお、図１８（ｂ）において入力機構５に付した矢印は、入力機構５の回動方向を示している。
As shown in FIG. 18 (a), the energy conversion device has a first magnetic force generated between the second magnetic material portion 6 and the first magnetic material portion 7 in a state where the operation portion 53 is in the initial position. The first magnetic material portion 7 is adsorbed to the two magnetic material portions 6. When the external force in the direction in which the operation unit 53 approaches the power generation device EH (the direction of the arrow in FIG. 18A) is applied to the operation unit 53 in the initial position, the energy conversion device in FIG. As indicated by the arrow, the operation portion 53 and the protruding portion 54 rotate counterclockwise. At this time, in the energy conversion device, the movable portion 12 moves against the elastic force of the elastic body portion 15 on the right side in FIG. 18B, and the first magnetic material portion 7 is attracted to the second magnetic material portion 6. Maintained. In addition, the arrow attached | subjected to the input mechanism 5 in FIG.18 (b) has shown the rotation direction of the input mechanism 5. FIG.
そして、エネルギ変換装置は、操作部５３が更に回動され弾性体部１５のばね力が第１磁性材料部７と第２磁性材料部６との間の磁力よりも大きくなると、図１８（ｃ）に示すように第１磁性材料部７が第２磁性材料部６から離れ、可動部１２が上記第２方向に沿って振動する。この振動は、減衰振動である。なお、図１８（ｃ）において、可動部１２に付した矢印は、可動部１２の振動方向を示し、入力機構５に付した矢印は、入力機構５の回動方向を示している。
When the operation portion 53 is further rotated and the spring force of the elastic body portion 15 becomes larger than the magnetic force between the first magnetic material portion 7 and the second magnetic material portion 6 in the energy conversion device, FIG. ), The first magnetic material portion 7 is separated from the second magnetic material portion 6, and the movable portion 12 vibrates along the second direction. This vibration is a damped vibration. In FIG. 18C, the arrow attached to the movable part 12 indicates the vibration direction of the movable part 12, and the arrow attached to the input mechanism 5 indicates the rotation direction of the input mechanism 5.
その後、入力機構５へ外力を与えるのを止めると、入力機構５は、復帰ばね５５のばね力によって初期位置に戻る。なお、図１８（ｄ）において入力機構５に付した矢印は、入力機構５の回動方向を示している。
Thereafter, when the application of external force to the input mechanism 5 is stopped, the input mechanism 5 returns to the initial position by the spring force of the return spring 55. In addition, the arrow attached | subjected to the input mechanism 5 in FIG.18 (d) has shown the rotation direction of the input mechanism 5. FIG.
エネルギ変換装置は、操作部５３を初期位置から第１所定角（例えば、５°）だけ回動させたときに可動部１２が上記規定値だけ変位し、操作部５３を初期位置から第２所定角（例えば、１０°）だけ回動させたときに弾性体部１５のばね力が第１磁性材料部７と第２磁性材料部６との間の磁力よりも大きくなるように、弾性体部１５のばね力を設計してある。第１所定角及び第２所定角は、特に限定するものでないが、第２磁性材料部６が上記第２方向に沿った一直線上で変位するように設計することが好ましい。
In the energy conversion device, when the operation unit 53 is rotated from the initial position by a first predetermined angle (for example, 5 °), the movable unit 12 is displaced by the specified value, and the operation unit 53 is moved from the initial position to the second predetermined value. The elastic body portion so that the spring force of the elastic body portion 15 is larger than the magnetic force between the first magnetic material portion 7 and the second magnetic material portion 6 when rotated by an angle (for example, 10 °). Fifteen spring forces are designed. The first predetermined angle and the second predetermined angle are not particularly limited, but it is preferable that the second magnetic material portion 6 is designed to be displaced on a straight line along the second direction.
本実施形態のエネルギ変換装置は、可動部１２を上記第２方向に沿って変位させるための入力機構５と、可動部１２に接続された第１磁性材料部７と、入力機構５に接続された第２磁性材料部６と、を備え、第１磁性材料部７と第２磁性材料部６との間に発生する磁力により、可動部１２を変位可能である。これにより、エネルギ変換装置は、入力機構５へ外力を適宜与えることで可動部１２を変位させて作動させることが可能であり、且つ、可動部１２へ上記第２方向とは異なる方向の力が作用するのを抑制することが可能となり、エネルギ変換効率及び信頼性の向上を図ることが可能となる。エネルギ変換装置は、入力機構５と第２磁性材料部６と第１磁性材料部７とで、可動部１２を変位させるアクチュエータを構成している。
The energy conversion device of the present embodiment is connected to the input mechanism 5 for displacing the movable part 12 along the second direction, the first magnetic material part 7 connected to the movable part 12, and the input mechanism 5. The movable part 12 can be displaced by a magnetic force generated between the first magnetic material part 7 and the second magnetic material part 6. Thereby, the energy conversion device can be operated by displacing the movable portion 12 by appropriately applying an external force to the input mechanism 5, and a force in a direction different from the second direction is applied to the movable portion 12. It is possible to suppress the action, and it is possible to improve energy conversion efficiency and reliability. In the energy conversion device, the input mechanism 5, the second magnetic material portion 6, and the first magnetic material portion 7 constitute an actuator that displaces the movable portion 12.
エネルギ変換装置は、第１磁性材料部７が、第１磁性体もしくは第１磁石のいずれかからなり、第２磁性材料部２が、第２磁性体もしくは第２磁石のいずれかからなるので、第１磁性材料部７と第２磁性材料部６との間に発生する磁力を適宜設定することが可能となる。
In the energy conversion device, the first magnetic material portion 7 is made of either the first magnetic body or the first magnet, and the second magnetic material portion 2 is made of either the second magnetic body or the second magnet. It is possible to appropriately set the magnetic force generated between the first magnetic material portion 7 and the second magnetic material portion 6.
また、エネルギ変換装置は、第１磁性材料部７と第２磁性材料部６との間に発生する磁力の方向が、吸引する方向なので、磁力の方向が反発する方向である場合に比べて、可動部１２を上記第２方向に沿って安定して変位させることが可能となる。
Moreover, since the direction of the magnetic force which generate | occur | produces between the 1st magnetic material part 7 and the 2nd magnetic material part 6 is an attraction | suction direction, an energy converter is compared with the case where the direction of a magnetic force is a repulsive direction, The movable portion 12 can be stably displaced along the second direction.
本実施形態のエネルギ変換装置は、実施形態１のエネルギ変換装置１と同様、発電装置１０１の発電開始からＤＣ−ＤＣコンバータ１０３が起動されるまでの遅延時間を、監視回路１０４により決めることが可能となる。よって、本実施形態のエネルギ変換装置は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３を安定動作させることが可能となる。また、本実施形態のエネルギ変換装置では、実施形態１のエネルギ変換装置１と同様、ヒステリシス回路１４１を備えていることにより、回路効率の向上を図ることが可能となり、エネルギ変換効率の向上を図ることが可能となる。なお、本実施形態のエネルギ変換装置では、監視回路１０４のコンパレータ１４２に代えて、実施形態１のエネルギ変換装置１の変形例で説明したボルテージディテクタ１４３（図６参照）を用いてもよい。
In the energy conversion device according to the present embodiment, the delay time from the start of power generation by the power generation device 101 to the activation of the DC-DC converter 103 can be determined by the monitoring circuit 104, as in the energy conversion device 1 according to the first embodiment. It becomes. Therefore, the energy conversion device of this embodiment can stably operate the DC-DC converter 103. Further, in the energy conversion device according to the present embodiment, as with the energy conversion device 1 according to the first embodiment, by including the hysteresis circuit 141, it becomes possible to improve the circuit efficiency and to improve the energy conversion efficiency. It becomes possible. In the energy conversion device of this embodiment, the voltage detector 143 (see FIG. 6) described in the modification of the energy conversion device 1 of Embodiment 1 may be used instead of the comparator 142 of the monitoring circuit 104.
ところで、上述の実施形態２、３では、可動部１２が磁石ブロック３を備え、第１キャップ２１及び第２キャップ３１の各々がコイルブロック４を備えているが、これらに限らず、可動部１２がコイルブロック４を備え、第１キャップ２１及び第２キャップ３１の少なくとも一方が磁石ブロック３を備えた構成としてもよい。また、弾性体部１５は、ゴムや樹脂等により形成してもよい。
By the way, in above-mentioned Embodiment 2, 3, the movable part 12 is provided with the magnet block 3, and each of the 1st cap 21 and the 2nd cap 31 is provided with the coil block 4, However, Not only these but the movable part 12 The coil block 4 may be provided, and at least one of the first cap 21 and the second cap 31 may include the magnet block 3. The elastic body portion 15 may be formed of rubber, resin, or the like.
