JP2015084618A - Energy conversion system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エネルギー変換システムに関し、特に、カムおよび圧電素子を用いて機械的なエネルギーを電気的なエネルギーに変換するエネルギー変換システムに関する。 The present invention relates to an energy conversion system, and more particularly to an energy conversion system that converts mechanical energy into electrical energy using a cam and a piezoelectric element.
国際公開第2013/069516号(特許文献1)は、カム、圧電素子およびスライド部材を備えた圧電発電素子を開示している。スライド部材が移動することによって、スライド部材はカムを回転させる。カムの回転により圧電素子に荷重が周期的に加えられ、圧電素子の圧電効果により電力が発生する。 International Publication No. 2013/069516 (Patent Document 1) discloses a piezoelectric power generation element including a cam, a piezoelectric element, and a slide member. As the slide member moves, the slide member rotates the cam. A load is periodically applied to the piezoelectric element by the rotation of the cam, and electric power is generated by the piezoelectric effect of the piezoelectric element.
スライド部材などを用いてカムを回転させる場合、カムの回転に伴って圧電素子に荷重が加えられる。その一方で、駆動部にはその荷重の反力が作用する。駆動部がカムから受ける反力は、駆動部の動作に対して抵抗となるように作用する場合がある。複数の圧電素子および複数のカムを用いる場合、駆動部が複数のカムから受ける反力は、合成された状態で駆動部に作用する。駆動部が個々のカムから受ける反力の合成値は、小さい方が好ましい。 When the cam is rotated using a slide member or the like, a load is applied to the piezoelectric element as the cam rotates. On the other hand, the reaction force of the load acts on the drive unit. The reaction force received by the drive unit from the cam may act to be a resistance to the operation of the drive unit. When a plurality of piezoelectric elements and a plurality of cams are used, reaction forces received by the drive unit from the plurality of cams act on the drive unit in a combined state. It is preferable that the combined value of the reaction forces that the driving unit receives from the individual cams is small.
本発明は、複数の圧電素子および複数のカムを用いる場合において、駆動部が個々のカムから受ける反力の合成値を小さくすることが可能なエネルギー変換システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an energy conversion system capable of reducing a combined value of reaction forces received by a drive unit from individual cams when a plurality of piezoelectric elements and a plurality of cams are used.
本発明に基づくエネルギー変換システムは、荷重を加えられることにより発電する複数の圧電素子と、複数の上記圧電素子の各々に対応して設けられた複数のカムを有し、それぞれの上記カムが回転することにより、対応する上記圧電素子に荷重を周期的に加える複数のカム機構と、複数の上記カム機構の上記カムに対して相対的に移動することにより、複数の上記カム機構の上記カムを回転させる駆動部と、を備え、上記駆動部の相対移動により上記駆動部が上記カムを回転させる際、上記駆動部には、上記カムの回転に伴って生じた反力が周期的に作用しており、上記駆動部が所定の距離だけ相対移動する間に上記駆動部が複数の上記カム機構の上記カムの回転により受ける上記反力は、周期が同一であり且つ位相が異なっている。 An energy conversion system according to the present invention has a plurality of piezoelectric elements that generate electric power when a load is applied, and a plurality of cams provided corresponding to each of the plurality of piezoelectric elements, and each of the cams rotates. By doing so, the cams of the plurality of cam mechanisms are moved relative to the cams of the plurality of cam mechanisms that periodically apply loads to the corresponding piezoelectric elements, and the cams of the plurality of cam mechanisms. And when the drive unit rotates the cam by relative movement of the drive unit, a reaction force generated by the rotation of the cam periodically acts on the drive unit. The reaction force received by the rotation of the cams of the plurality of cam mechanisms during the relative movement of the drive unit by a predetermined distance has the same cycle and different phases.
好ましくは、複数の上記カム機構の上記カムは、同一形状を有している。好ましくは、上記の上記カム機構の上記カムは、正方形の4つの角部が丸みを帯びるように変形された形状を有している。 Preferably, the cams of the plurality of cam mechanisms have the same shape. Preferably, the cam of the cam mechanism has a shape deformed so that four corners of a square are rounded.
好ましくは、上記駆動部は、往復移動を行う。好ましくは、上記駆動部は、回転移動を行う。好ましくは、上記カムの回転速度を変える変速機構をさらに備える。 Preferably, the drive unit performs reciprocal movement. Preferably, the driving unit performs rotational movement. Preferably, a speed change mechanism for changing the rotational speed of the cam is further provided.
本発明によれば、複数の圧電素子および複数のカムを用いる場合において、駆動部材が個々のカムから受ける反力の合成値を小さくすることが可能なエネルギー変換システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when using a some piezoelectric element and a some cam, the energy conversion system which can make small the synthetic value of the reaction force which a drive member receives from each cam can be provided.
本発明に基づいた各実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。個数および量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数およびその量などに限定されない。同一の部品および相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。 Embodiments based on the present invention will be described below with reference to the drawings. When referring to the number, amount, etc., the scope of the present invention is not necessarily limited to the number, amount, etc., unless otherwise specified. The same parts and corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description may not be repeated.
[実施の形態1]
(エネルギー変換システム100)
図1は、実施の形態1におけるエネルギー変換システム100を示す図である。エネルギー変換システム100は、発電部10,20および駆動部材50を備える。
[Embodiment 1]
(Energy conversion system 100)
FIG. 1 is a diagram showing an
発電部10,20および駆動部材50は、互いに相対移動可能である。たとえば、発電部10,20は扉枠に取り付けられ、駆動部材50は扉に取り付けられる。扉の移動に伴って駆動部材50が矢印AR方向に沿って移動することにより、発電部10,20は発電する(詳細は後述する)。発電によって図示しない無線通信ユニットなどが駆動されることにより、遠隔地にて扉の開閉状態を検知することができる。
The
(発電部10)
図2は、発電部10を示す平面図である。図3は、発電部10の分解した状態を示す斜視図である。図1〜図3を参照して、発電部10について説明する。図示上の便宜のため、図2および図3においては、駆動部材50は部分的に図示しており、ラック歯51の側は記載しているが、ラック歯52(図1参照)の側は記載していない。
(Power generation unit 10)
FIG. 2 is a plan view showing the
図1〜図3に示すように、発電部10は、圧電素子11、支持体12およびカム機構15を備える。圧電素子11は、四角柱状の圧電体と、一対の電極とを有しており、長手方向の両端には面11A,11Bがそれぞれ形成されている。圧電素子11の圧電体は、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
支持体12は、ストッパ13およびレバー14を備え、これらは一体的に形成されている。ストッパ13は、当接部13Aを有する。当接部13Aは、圧電素子11の面11Aに当接している。ストッパ13には、カム機構15のカム16および歯車17が回転可能に取り付けられている。
The
レバー14は、接続部14A、当接部14Bおよび変位部14Cを有する。レバー14は、剛性の高い金属またはセラミック等で形成される。接続部14Aは、当接部14Bと変位部14Cとを接続している。当接部14Bは、当接部14Dを有する。当接部14Dは、圧電素子11の面11Bに当接している。
The
カム機構15は、カム16(第1カムともいう)、歯車17および突起部18を備える。カム16の平面形状は、非円形である。平面視において、本実施の形態のカム16は、正方形の4つの角部が丸みを帯びるように変形された形状(略正方形状)を有している。カム16は、歯車17と一体化されており、カム16と歯車17とは一体的に回転する。
The
歯車17は、駆動部材50のラック歯51(駆動部)に歯合するように配置される。突起部18は、円柱状の形状を有し、レバー14の変位部14Cに固定されている。カム16および突起部18は、互いに当接するように配置される。変形を抑制したり、耐摩耗性を向上させたりする観点から、カム16および突起部18は、POMや金属などにより形成し、これらの表面には摺動性を向上させる処理をするとよい。
The
駆動部材50が矢印AR方向(図1)に往復移動した際、ラック歯51は歯車17に対して相対的に移動する。歯車17およびカム16は、一体的に回転する。歯車17およびカム16の回転に伴って、カム16の中心軸と突起部18との間の距離は周期的に変化し、変位部14Cは揺動する。
When the
変位部14Cが揺動すると、レバー14は、ストッパ13とレバー14との接続部分近傍に位置する回転軸19を中心とした回転方向に揺動する。当接部14Bの当接部14Dは、圧電素子11の長手方向において、当接部13Aに対して相対的に変位する。当接部14Dが圧電素子11の面11Bを押圧し、圧電素子11は繰り返し圧縮される。
When the
その結果、圧電素子11に荷重が加わり、圧電素子11は圧電効果により発電する。駆動部材50の移動量に応じた分だけ圧電素子11に荷重が周期的に加えられ、圧電素子11において発生した電力は図示しないコンデンサ等に蓄えられることになる。
As a result, a load is applied to the
(発電部20)
図1を再び参照して、発電部20は、圧電素子21、支持体22およびカム機構25を備える。発電部20は、発電部10と略同一の構成を有しており、圧電素子21、支持体22およびカム機構25は、発電部10の圧電素子11、支持体12およびカム機構15にそれぞれ対応している。
(Power generation unit 20)
Referring again to FIG. 1, the
カム機構25は、カム26(第2カムともいう)、歯車27および突起部28を備える。カム26の平面形状は、非円形である。平面視において、カム26は、正方形の4つの角部が丸みを帯びるように変形された形状(略正方形状)を有している。発電部10のカム16と発電部20のカム26とは、同一形状である。
The
駆動部材50が往復移動した際、ラック歯52(駆動部)は歯車27に対して相対的に移動する。歯車27およびカム26は、一体的に回転する。歯車27およびカム26の回転に伴って、カム26の中心軸と突起部28との間の距離は変化し、圧電素子21が繰り返し圧縮される。その結果、圧電素子21に荷重が加わり、圧電素子21は圧電効果により発電する。駆動部材50の移動量に応じた分だけ圧電素子21に荷重が周期的に加えられ、圧電素子21において発生した電力は図示しないコンデンサ等に蓄えられることになる。
When the
本実施の形態では、2つの圧電素子11,21に対応するように2つのカム16,26がそれぞれ設けられている。駆動部材50の駆動部(ラック歯51,52)がカム16,26に対して相対移動することにより、カム16,26が回転する。カム16,26の回転に伴って、圧電素子11,21には周期的な荷重が加えられる。その一方で、駆動部材50には、その荷重の反力が周期的に作用する。本実施の形態では、駆動部材50が所定の距離だけ相対移動する間に駆動部材50がカム16,26の回転により受ける上記反力が、周期が同一であり且つ位相が異なるように構成されている。
In the present embodiment, two
図4〜図7を参照して、当該構成についてより具体的に説明する。図4は、駆動部材50が矢印AR1方向に移動している際のある時点におけるエネルギー変換システム100の様子を示す平面図である。図4では、歯車17,27を模式的に図示している。
The configuration will be described more specifically with reference to FIGS. FIG. 4 is a plan view showing the state of the
駆動部材50が矢印AR1方向に移動した場合、カム16は矢印DR1方向に回転し、カム26は矢印DR2方向に回転する。カム16,26については、カム16の頂点(上死点)が突起部18に当接している時に、カム26の下点(下死点)が突起部28に当接するように構成されている。したがって、図4に示す時点においては、カム16についてはカム16の頂点から下点に向かうように突起部18がカム16の周面に摺接するのに対して、カム26についてはカム26の下点から頂点に向かうように突起部28がカム26の周面に摺接する。
When the
カム16については、頂点から下点に向かうように突起部18がカム16の周面に摺接するため、カム16が突起部18から受ける回転方向における力の向きは、矢印DR3に示す方向である。矢印DR3方向は、駆動部材50の矢印AR1方向の移動によりカム16が回転する方向、すなわち矢印DR1方向と同じである。矢印DR3方向に示す力は、歯車17を通して駆動部材50に荷重として伝達され、駆動部材50が移動する方向と同じ方向に作用する。
With respect to the
カム26については、下点から頂点に向かうように突起部28がカム26の周面に摺接するため、カム26が突起部28から受ける回転方向における力の向きは、矢印DR4に示す方向となる。矢印DR4方向は、駆動部材50の矢印AR1方向の移動によりカム26が回転する方向、すなわち矢印DR2方向と逆向きである。矢印DR4方向に示す力は、歯車27を通して駆動部材50に荷重として伝達され、駆動部材50が移動する方向とは逆の方向に作用する。
With respect to the
カム16,26においては、別のタイミングでは上記と反対の動作が行なわれる。すなわち、駆動部材50が移動する際にカム16,26は同期して回転する(周期および位相を維持したまま回転する)。駆動部材50が移動する際に駆動部材50がカム16,26から受ける力には、駆動部材50の移動方向に作用する力と、駆動部材50の移動方向とは逆向きに作用する力とが含まれている。これらをグラフにして説明すると、以下のようになる。
In the
図5および図6は、それぞれ、カム16(第1カム)およびカム26(第2カム)の回転に伴って駆動部材50が受ける力の大きさ(荷重)と、駆動部材50の位置との関係を示す図である。図5および図6中には、カム16,26の径方向に作用する力とカム16,26の回転方向に作用する力とを分けて記載している。カム16,26の径方向とは、図4において、カム16,26の回転軸の中心と、突起部18,28の中心を通る線上の方向である。また、カム16,26の回転方向とは、図4において、カム16,26の径方向に対して垂直な方向である。図中において、回転方向にかかる力は、突起部がカムの山を登る方向に移動しているときに発生する力を+とし、突起部がカムの山を下る方向に移動しているときに発生する力を−としている。カム16,26の回転方向に作用する力とは、図4中に矢印DR3,DR4で示した力である。
5 and 6 show the magnitude (load) of the force received by the
図5および図6に示すように、駆動部材50が所定距離だけ移動する間に駆動部材50がカム16,26の回転により受ける反力は、周期が同一であり且つ位相が異なっている。これは、径方向の力および回転方向の力の双方について共通している。ここで言う位相が異なっているとは、カム16の頂点(上死点)が突起部18に当接するタイミングと、カム26の頂点(上死点)が突起部28に当接するタイミングとが同一でないことを意味する。なお、カム16,26の回転に伴って径方向に作用する力は、駆動部材50の移動にはほとんど影響しないため、詳細は説明しないものとする。
As shown in FIGS. 5 and 6, the reaction force that the driving
図7は、カム16(第1カム)およびカム26(第2カム)の回転に伴って駆動部材50が受ける力の大きさ(荷重)と、駆動部材50の位置との関係を示す図である。図7中には、カム16,26の回転方向に作用する力と、これらの力の合成力として作用する、駆動部材50が受ける力とを記載している。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the magnitude (load) of the force received by the
図7に示すように、カム16(第1カム)の回転に伴って駆動部材50が受ける力と、カム26(第2カム)の回転に伴って駆動部材50が受ける力とは、互いに打ち消しあう関係にある。したがって、合成力として駆動部材50に作用する荷重の最大値は、個々のカム16,26から駆動部材50が受ける荷重の最大値に比べて小さい。駆動部材50を駆動するための力のpeak-to-peakを小さくすることができるため、入力される力あたりの発電量を大きくすることができる。換言すると、圧電素子ひとつあたりの発電効率を向上させることができる。
As shown in FIG. 7, the force received by the
peak-to-peak間を360°とした場合、カム16の回転に伴って駆動部材50が受ける力と、カム26の回転に伴って駆動部材50が受ける力との間には、90°より大きく270°未満のずれが設けられていることが好ましく、さらに好ましくは180°のずれが設けられていることが好ましい。カムの周面の形状は、回転方向にかかる力の波形がサイン波形にできるだけ近い形状となるようにすることによって、力同士の打ち消す効果を高くできる。
When the peak-to-peak interval is 360 °, the force received by the
本実施の形態では、発電部10で圧電素子11を圧縮する際に蓄えられた機械的なエネルギーは、発電部20で圧電素子21を圧縮する際に活用される。換言すると、圧電素子11に荷重を付与する際には圧電素子21に荷重を付与していた間のエネルギーが使用され、圧電素子21に荷重を付与する際には圧電素子11に荷重を付与していた間のエネルギーが使用されるため、エネルギー使用効率がよい。
In the present embodiment, the mechanical energy stored when the
したがって、圧電素子11,21に荷重を加えるためのエネルギーを少なくすることができる。駆動部材50を駆動するためには、圧電素子11,21がエネルギーを変換した際に消費されたエネルギーや、圧電素子11,21が変形した際に消費されたエネルギー、ならびに、カム16,26と突起部18,28との間の摩擦や熱などが発生した際に消費されたエネルギーの分だけ補充するといった、必要最小限の駆動量を有する駆動が付与されればよい。
Therefore, energy for applying a load to the
本実施の形態では、駆動部材50を挟んで発電部10,20(カム16,26)が対向するように配置されているが、発電部10,20(カム16,26)は駆動部材50の移動方向にずれるように配置されていてもよいし、ラック歯51の側に2つが並んで配置されていてもよい。これらの配置であっても、上記と同様の作用および効果を得ることができる。
In the present embodiment, the
[比較例]
図8は、比較例におけるエネルギー変換システム101を示す平面図である。図8は、駆動部材50が矢印AR1方向に移動している際のある時点におけるエネルギー変換システム101の様子を示している。
[Comparative example]
FIG. 8 is a plan view showing the
エネルギー変換システム101においては、駆動部材50が矢印AR1方向に移動した場合、カム16は矢印DR1方向に回転し、カム26は矢印DR2方向に回転する。カム16,26については、カム16の頂点(上死点)が突起部18に当接している時に、カム26の頂点(上死点)が突起部28に当接するように構成されている。カム16については、カム16の頂点から下点に向かうように突起部18がカム16の周面に摺接し、カム26についても、カム26の頂点から下点に向かうように突起部28がカム26の周面に摺接する。
In the
カム16,26が突起部18,28から受ける回転方向における力の向きは、それぞれ、矢印DR3,DR4に示す方向である。矢印DR3,DR4方向は、駆動部材50の矢印AR1方向の移動によりカム16が回転する方向、すなわち矢印DR1方向と同じである。駆動部材50がカム16,26から受ける力には、駆動部材50の移動方向に作用する力と、駆動部材50の移動方向とは逆向きに作用する力とが含まれている。
The directions of the forces in the rotational direction that the
しかしながら、カム16が駆動部材50の移動方向に作用する力を発生させている間、カム26も駆動部材50の移動方向に作用する力を発生させている。逆の場合も同様であり、カム16が駆動部材50の移動方向の反対方向に作用する力を発生させている間、カム26も駆動部材50の移動方向の反対方向に作用する力を発生させている。これらをグラフにして説明すると、以下のようになる。
However, while the
図9は、カム16(第1カム)およびカム26(第2カム)の回転に伴って駆動部材50が受ける力の大きさ(荷重)と、駆動部材50の位置との関係を示す図である。図9中には、カム16,26の回転方向に作用する力と、これらの力の合成力として作用する、駆動部材50が受ける力とを記載している。
FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between the magnitude (load) of the force received by the
図9に示すように、駆動部材50がカム16,26の回転により受ける反力は、周期が同一であり且つ位相も同一である。カム16(第1カム)の回転に伴って駆動部材50が受ける力と、カム26(第2カム)の回転に伴って駆動部材50が受ける力とは、互いに強め合う関係にある。
As shown in FIG. 9, the reaction force that the driving
したがって、合成力として駆動部材50に作用する荷重の最大値は、個々のカム16,26から駆動部材50が受ける荷重の最大値に比べて大きい。エネルギー変換システム101の構成では、駆動部材50を駆動するための力のpeak-to-peakを小さくすることができない。入力される力あたりの発電量を大きくすることもできず、エネルギー使用効率も低い。
Therefore, the maximum value of the load acting on the driving
これに対して上述の実施の形態1では、駆動部材50が所定距離だけ移動する間に駆動部材50がカム16,26の回転により受ける反力は、周期が同一であり且つ位相が異なっている。駆動部材50を駆動するための力のpeak-to-peakを小さくすることができるため、入力される力あたりの発電量を大きくすることができる。
On the other hand, in the first embodiment described above, the reaction force received by the rotation of the
[実施の形態2]
図10を参照して、実施の形態2におけるエネルギー変換システム102について説明する。上述の実施の形態1(図1参照)では、往復移動する駆動部材50に対して、発電部10,20が駆動部材50の移動方向に沿って延びるように配置されていた。
[Embodiment 2]
With reference to FIG. 10, the
エネルギー変換システム102のように、往復移動する駆動部材50に対して、発電部10,20が駆動部材50の移動方向に直交する方向に延びるように配置されていてもよい。当該構成によっても、上述と同様の作用および効果を得ることができる。発電部10,20および駆動部材50の周辺の機器の配置関係に応じて、発電部10,20は駆動部材50の移動方向に対して傾斜するように配置されていてもよい。
As in the
[実施の形態3]
図11を参照して、実施の形態3におけるエネルギー変換システム103について説明する。上述の実施の形態1(図1参照)では、駆動部材50が往復移動する。これに対して本実施の形態のエネルギー変換システム103においては、中心軸55により支持された駆動部材50Aが回転する。駆動部材50Aは、歯車56(駆動部)を外周に有しており、たとえば回転するドアノブなどと連動して回転するように構成される。
[Embodiment 3]
With reference to FIG. 11, the
駆動部材50Aの歯車56が矢印AR2方向に回転移動した場合、カム16は矢印DR1方向に回転し、カム26は矢印DR2方向に回転する。カム16,26については、カム16の頂点(上死点)が突起部18に当接している時に、カム26の下点(下死点)が突起部28に当接するように構成されている。
When the
図11に示す時点においては、カム16についてはカム16の頂点から下点に向かうように突起部18がカム16の周面に摺接するのに対して、カム26についてはカム26の下点から頂点に向かうように突起部28がカム26の周面に摺接する。
At the time shown in FIG. 11, the
カム16については、カム16が突起部18から受ける回転方向における力の向きは、矢印DR3に示す方向である。矢印DR3方向は、駆動部材50Aの矢印AR2方向の回転移動によりカム16が回転する方向、すなわち矢印DR1方向と同じである。矢印DR3方向に示す力は、歯車17を通して駆動部材50Aに荷重として伝達され、駆動部材50Aが移動する方向と同じ方向に作用する。
Regarding the
カム26については、カム26が突起部28から受ける回転方向における力の向きは、矢印DR4に示す方向となる。矢印DR4方向は、駆動部材50Aの矢印AR2方向の回転移動によりカム26が回転する方向、すなわち矢印DR2方向と逆向きである。矢印DR4方向に示す力は、歯車27を通して駆動部材50Aに荷重として伝達され、駆動部材50Aが移動する方向とは逆の方向に作用する。
Regarding the
カム16,26においては、別のタイミングでは上記と反対の動作が行なわれる。すなわち、駆動部材50Aが回転移動する際にカム16,26は同期して回転する(周期および位相を維持したまま回転する)。駆動部材50Aの歯車56(駆動部)が所定距離だけ回転移動する間に駆動部材50Aがカム16,26の回転により受ける反力は、周期が同一であり且つ位相が異なっている。
In the
カム16の回転に伴って駆動部材50Aが受ける力と、カム26の回転に伴って駆動部材50Aが受ける力とは、互いに打ち消しあう関係にある。したがって、合成力として駆動部材50Aに作用する荷重の最大値は、個々のカム16,26から駆動部材50Aが受ける荷重の最大値に比べて小さい。駆動部材50Aを駆動するための力のpeak-to-peakを小さくすることができるため、入力される力あたりの発電量を大きくすることができる。換言すると、圧電素子を複数用いる場合に、圧電素子ひとつあたりの発電効率を向上させることができる。
The force received by the
[実験例]
図12を参照して、上述の各実施の形態に関して行なった実験例について説明する。図12に示すように、正方形の4つの角部が丸みを帯びるように変形された形状(略正方形状)を有するカムを2種類準備し、これらのカムが回転する際に駆動部材に作用する荷重の大きさを検証した。
[Experimental example]
With reference to FIG. 12, an experimental example performed on each of the above-described embodiments will be described. As shown in FIG. 12, two types of cams having shapes (substantially square shapes) deformed so that four corners of a square are rounded are prepared, and act on the drive member when these cams rotate. The magnitude of the load was verified.
図12中において、カムの相互に対向する下点間の間隔L1は、4.0mmであり、カムの相互に対向する頂点間の間隔L2は、4.3mmである。これら間隔L1,L2の値は、2種類のカムにおいて共通している。一方で、頂部に形成される円弧部分の半径Rは1つのカムでは1.0mmであり、もう1つのカムでは0.8mmであり、2種類のカムで異なる値を採用した。1つのカムには、R1.0を有する4つの頂点が設けられており、もう1つのカムには、R0.8を有する4つの頂点が設けられている。 In FIG. 12, the distance L1 between the lower points of the cams facing each other is 4.0 mm, and the distance L2 between the vertices of the cams facing each other is 4.3 mm. The values of the intervals L1 and L2 are common to the two types of cams. On the other hand, the radius R of the arc portion formed at the top is 1.0 mm for one cam and 0.8 mm for the other cam, and different values are adopted for the two types of cams. One cam is provided with four vertices having R1.0, and the other cam is provided with four vertices having R0.8.
図13を参照して、これらのカムが回転する際に駆動部材に作用する荷重の大きさを検証した結果、R1.0の頂点を有するカムを用いる場合の方が、R0.8の頂点を有するカムを用いる場合に比べて荷重の最大値は小さくなった。 Referring to FIG. 13, as a result of verifying the magnitude of the load acting on the drive member when these cams rotate, the case where the cam having the vertex of R1.0 is used has the vertex of R0.8. The maximum load was smaller than when using a cam with this.
さらに、R1.0の頂部を有するカムを2つ用いた場合と、R0.8の頂部を有するカムを2つ用いた場合とのそれぞれについて、上述の実施の形態1(図1参照)のようにエネルギー変換システムとして組み立てて合成力を検証したところ、R1.0の場合の方がR0.8の場合に比べて60%程度低減できることが分かった。したがって、駆動部材が個々のカムから受ける反力の合成値を小さくするという観点では、R1.0の場合の方がR0.8の場合に比べてよい結果が得られることが分かった。 Furthermore, the case of using two cams having the top of R1.0 and the case of using two cams having the top of R0.8 are as in the first embodiment (see FIG. 1). As a result of assembling as an energy conversion system and verifying the synthesis force, it was found that the case of R1.0 can be reduced by about 60% compared to the case of R0.8. Therefore, from the viewpoint of reducing the combined value of the reaction forces received by the driving members from the individual cams, it has been found that better results can be obtained with R1.0 than with R0.8.
[実施の形態4]
図14を参照して、実施の形態4におけるエネルギー変換システム104について説明する。エネルギー変換システム104は、3つの発電部10,20,30を備えており、3つの圧電素子11,21,31および3つのカム機構15,25,35が用いられる。発電部10,20,30(カム機構15,25,35)は、略同一の構成を有している。
[Embodiment 4]
With reference to FIG. 14, the
駆動部材50が矢印AR1方向に移動した場合、カム機構15,25,35の歯車17,27,37がそれぞれ回転し、カム機構15のカム16は矢印DR1方向に回転し、カム機構25のカム26は矢印DR2方向に回転し、カム機構35のカム36は矢印DR5方向に回転する。駆動部材50が所定距離だけ移動する間に駆動部材50が3つのカム16,26,36の回転により受ける反力は、周期が同一であり且つ位相が異なるように構成されている。
When the
図14に示す時点において、カム16が突起部18から受ける回転方向の力の向きは、矢印DR3に示す方向であり、駆動部材50の矢印AR1に示す移動方向とは逆向きである。カム26が突起部28から受ける回転方向の力の向きは、矢印DR4に示す方向であり、駆動部材50の矢印AR1に示す移動方向と同じ方向である。カム36が突起部38から受ける回転方向の力の向きは、矢印DR6に示す方向であり、駆動部材50の矢印AR1に示す移動方向とは逆向きである。
At the time shown in FIG. 14, the direction of the rotational force that the
これらの3つの力は、互いに打ち消しあう関係にある。したがって、合成力として駆動部材50に作用する荷重の最大値は、個々のカム16,26,36から駆動部材50が受ける荷重の最大値に比べて小さい。peak-to-peak間を360°とした場合、カム機構15,25,35のカム16,26,36の回転に伴って駆動部材50が受ける力の間には、120°のずれが設けられていることが好ましい。力同士の打ち消す効果を高くできる。
These three forces are in a mutually canceling relationship. Therefore, the maximum value of the load acting on the driving
本実施の形態では3つのカム16,26,36および3つの圧電素子11,21,31が用いられているが、これらが4つ以上用いられる場合であっても、駆動部材50がカムの回転により受ける反力を周期が同一であり且つ位相が異なるように構成することで、同様の作用および効果を得ることができる。カムが4つ用いられる場合には、4つのカムの回転に伴って駆動部材50が受ける力同士の間には、90°のずれが設けられていることが好ましい。カムが5つ用いられる場合には、5つのカムの回転に伴って駆動部材50が受ける力同士の間には、72°のずれが設けられていることが好ましい。
In the present embodiment, three
[実施の形態5]
図15を参照して、実施の形態5におけるエネルギー変換システム105について説明する。エネルギー変換システム105は、3つの発電部10,20,30を備えており、上述の実施の形態3の場合と同様に駆動部材50Aが用いられる。
[Embodiment 5]
With reference to FIG. 15, the
駆動部材50Aの歯車56が矢印AR2方向に回転移動した場合、カム機構15,25,35の歯車17,27,37がそれぞれ回転し、カム機構15のカム16は矢印DR1方向に回転し、カム機構25のカム26は矢印DR2方向に回転し、カム機構35のカム36は矢印DR5方向に回転する。駆動部材50Aの歯車56が所定距離だけ回転移動する間に駆動部材50Aが3つのカム16,26,36の回転により受ける反力は、周期が同一であり且つ位相が異なるように構成されている。
When the
図15に示す時点において、カム16が突起部18から受ける回転方向の力の向きは、矢印DR3に示す方向であり、駆動部材50Aの矢印AR2に示す回転方向に沿った方向である。カム26が突起部28から受ける回転方向の力の向きは、矢印DR4に示す方向であり、駆動部材50Aの矢印AR2に示す回転方向に沿った方向である。カム36が突起部38から受ける回転方向の力の向きは、矢印DR6に示す方向であり、駆動部材50Aの矢印AR2に示す回転方向に沿った方向の力とは逆向きである。
At the time shown in FIG. 15, the direction of the rotational force that the
これらの3つの力は、互いに打ち消しあう関係にある。したがって、合成力として駆動部材50Aに作用する荷重の最大値は、個々のカム16,26,36から駆動部材50Aが受ける荷重の最大値に比べて小さい。peak-to-peak間を360°とした場合、カム機構15,25,35のカム16,26,36の回転に伴って駆動部材50Aが受ける力の間には、120°のずれが設けられていることが好ましい。力同士の打ち消す効果を高くできる。
These three forces are in a mutually canceling relationship. Therefore, the maximum value of the load acting on the driving
本実施の形態では3つのカム16,26,36および3つの圧電素子11,21,31が用いられているが、これらが4つ以上用いられる場合であっても、駆動部材50Aがカムの回転により受ける反力を周期が同一であり且つ位相が異なるように構成することで、同様の作用および効果を得ることができる。
In the present embodiment, three
[実施の形態6]
図16を参照して、実施の形態6におけるエネルギー変換システム106について説明する。上述の各実施の形態においては、同一の形状を有する複数のカムが用いられる。本実施の形態のエネルギー変換システム106では、互いに異なる形状を有するカム16,26と、カム16の回転速度を変える変速機構40とが用いられる。
[Embodiment 6]
With reference to FIG. 16, the
カム16は、平面視楕円形状に形成され、2つの頂点を有している。カム26は、平面視略正方形状に形成され、4つの頂点を有している。変速機構40は、ギアにより構成されている。変速機構40は、駆動部材50の移動速度に対するカム16の回転速度、すなわち減速比を変化させる。変速機構40を設けることで、駆動部材50に作用する反力の周期および位相などを調整することが可能となる。
The
本実施の形態の場合、変速機構40によってカム16の回転数が変更されており、カム26が1回転する間にカム16は2回転する。これにより、駆動部材50がカム16,26の回転により受ける反力は、周期が同一であり且つ位相が異なるように構成されており、上記の各実施の形態と同様の作用および効果を得ることが可能となっている。
In the present embodiment, the rotational speed of the
異なる頂点数を有する複数のカムを組み合わせて用いる場合、複数のカムの回転力同士を、変速機構40を用いることにより合わせる(同一の値に近づける)ことが好ましい。ここで言う回転力とは、突起部がカムの頂点を乗り越えるために必要な値(トルク)であり、この回転力は、駆動部材50に対して図中の矢印F1,F2で示されるように作用する。複数のカムの回転力同士を合わせるためには、たとえば、(カム16の山数)/(カム26の山数)=(カム16の半径R13)/(カム26の半径R23)といった関係を成立させればよい。当該構成によれば、駆動部材50がカム16,26の回転により受ける反力の合成値をより小さくすることが可能となる。
When a plurality of cams having different numbers of vertices are used in combination, it is preferable that the rotational forces of the plurality of cams are matched by using the speed change mechanism 40 (close to the same value). The rotational force referred to here is a value (torque) necessary for the protrusion to get over the top of the cam, and this rotational force is shown by arrows F1 and F2 in the figure relative to the
また、突起部がカムの頂点を乗り越えるために必要な回転力は、カムの頂点半径で自由に設計できる。2つのカムの振幅(頂点と下点との間の寸法差)を同じとした場合には、駆動部材50がカム16,26の回転により受ける反力の合成値をより小さくすることが可能となる。図16に示す構成の場合、カム16,26の各々について、(頂点高さR11−下点高さR12)=(頂点高さR21−下点高さR22)とし、R11=R12/2の関係が成立していれば、複数のカムの回転力同士をより打ち消すことが可能となる。
Further, the rotational force required for the protrusion to get over the top of the cam can be freely designed by the top radius of the cam. When the amplitudes of the two cams (the dimensional difference between the apex and the lower point) are the same, the combined value of the reaction forces that the driving
以上、本発明に基づいた各実施の形態、変形例、および実施例について説明したが、上記で開示された内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 As mentioned above, although each embodiment, modification, and Example based on this invention were described, the content disclosed above is an illustration and restrictive at no points. The technical scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
10,20,30 発電部、11,21,31 圧電素子、12,22 支持体、13 ストッパ、13A,14B,14D 当接部、14 レバー、14A 接続部、14C 変位部、15,25,35 カム機構、16,26,36 カム、17,27,37 歯車、18,28,38 突起部、19 回転軸、40 変速機構、50,50A 駆動部材、51,52 ラック歯(駆動部)、55 中心軸、56 歯車(駆動部)、100,101,102,103,104,105,106 エネルギー変換システム。 10, 20, 30 Power generation part, 11, 21, 31 Piezoelectric element, 12, 22 Support body, 13 Stopper, 13A, 14B, 14D Contact part, 14 Lever, 14A Connection part, 14C Displacement part, 15, 25, 35 Cam mechanism, 16, 26, 36 Cam, 17, 27, 37 Gear, 18, 28, 38 Protruding part, 19 Rotating shaft, 40 Speed change mechanism, 50, 50A Drive member, 51, 52 Rack tooth (drive part), 55 Central shaft, 56 gears (drive unit), 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106 Energy conversion system.
Claims (6)
複数の前記圧電素子の各々に対応して設けられた複数のカムを有し、それぞれの前記カムが回転することにより、対応する前記圧電素子に荷重を周期的に加える複数のカム機構と、
複数の前記カム機構の前記カムに対して相対的に移動することにより、複数の前記カム機構の前記カムを回転させる駆動部と、を備え、
前記駆動部の相対移動により前記駆動部が前記カムを回転させる際、前記駆動部には、前記カムの回転に伴って生じた反力が周期的に作用しており、
前記駆動部が所定の距離だけ相対移動する間に前記駆動部が複数の前記カム機構の前記カムの回転により受ける前記反力は、周期が同一であり且つ位相が異なっている、
エネルギー変換システム。 A plurality of piezoelectric elements that generate electricity by applying a load;
A plurality of cam mechanisms provided corresponding to each of the plurality of piezoelectric elements, and a plurality of cam mechanisms for periodically applying a load to the corresponding piezoelectric elements by rotation of the respective cams;
A drive unit configured to rotate the cams of the plurality of cam mechanisms by moving relative to the cams of the plurality of cam mechanisms;
When the drive unit rotates the cam by the relative movement of the drive unit, the reaction force generated along with the rotation of the cam is periodically acting on the drive unit,
The reaction force received by the rotation of the cams of the plurality of cam mechanisms during the relative movement of the drive unit by a predetermined distance has the same period and different phases.
Energy conversion system.
請求項1に記載のエネルギー変換システム。 The cams of the plurality of cam mechanisms have the same shape,
The energy conversion system according to claim 1.
請求項1または2に記載のエネルギー変換システム。 The cam of the cam mechanism has a shape deformed so that four corners of a square are rounded.
The energy conversion system according to claim 1 or 2.
請求項1から3のいずれか1項に記載のエネルギー変換システム。 The drive unit performs reciprocal movement;
The energy conversion system of any one of Claim 1 to 3.
請求項1から3のいずれか1項に記載のエネルギー変換システム。 The drive unit performs rotational movement.
The energy conversion system of any one of Claim 1 to 3.
請求項1から5のいずれか1項に記載のエネルギー変換システム。 A transmission mechanism for changing the rotational speed of the cam;
The energy conversion system according to any one of claims 1 to 5.
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