JP2015161229A - power generator - Google Patents

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貴司 中川
Takashi Nakagawa
貴司 中川
純矢 小川
Junya Ogawa
純矢 小川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power generator capable of achieving improvement of the generation efficiency.SOLUTION: A power generator 1 includes a power generating element 3 and a housing 2. The power generating element 3 includes: a support part 31; a vibration part 32; and a piezoelectric conversion part 33. A first end 32a and second end 32b in the vibration part 32 respectively form a fixed end and a free end. The piezoelectric conversion part 33 is provided overlapping with a part of a surface 321 of the vibration part 32 and generates AC voltage by vibration of the vibration part 32. The housing 2 includes: a fluid inlet 21; a fluid outlet 23; a passage 22; and a fluid introduction part 24 which gathers a fluid flowed from the inlet 21 to the power generating element 3. The power generating element 3 includes a surface area increase part 325 which is formed on the surface 321 of the vibration part 32 by a protruding part and increases a surface area of the vibration part 32.

Description

本発明は、発電装置に関し、より詳細には、流体励起振動を利用して発電する流体振動発電装置に関する。   The present invention relates to a power generation device, and more particularly to a fluid vibration power generation device that generates power using fluid excitation vibration.

近年、振動エネルギを電気エネルギに変換する発電装置は、環境発電等の分野で注目されている。   In recent years, power generation devices that convert vibration energy into electrical energy have attracted attention in fields such as energy harvesting.

この種の発電装置としては、例えば、図10(a)、10(b)及び10(c)に示す構成の発電装置201が提案されている(特許文献1)。   As this type of power generation device, for example, a power generation device 201 having a configuration shown in FIGS. 10A, 10B, and 10C has been proposed (Patent Document 1).

発電装置201は、ベース211と、圧電素子214が固着されたリード213と、を有する。   The power generation apparatus 201 includes a base 211 and a lead 213 to which the piezoelectric element 214 is fixed.

ベース211は、矩形の窓212が形成されたプレート215を有する。窓212のサイズは、図10(a)に示すように、窓212に面したリード213よりも一回り大きく、窓212の縁部とリード213との間には、気体F1が通過するわずかな隙間が形成されている。   The base 211 has a plate 215 on which a rectangular window 212 is formed. As shown in FIG. 10A, the size of the window 212 is slightly larger than the lead 213 facing the window 212, and a slight amount of gas F1 passes between the edge of the window 212 and the lead 213. A gap is formed.

リード213は、板厚方向に屈曲振動可能な可撓性を有している。例えば、リード213は、FRP等で形成されたフレキシブルプリント基板である。リード213は、一方の端部231が、プレート215の上面に固定され、他方の端部232が、窓212を自由に出入りできるように窓212に面して位置付けられている。   The lead 213 has flexibility that allows bending vibration in the plate thickness direction. For example, the lead 213 is a flexible printed board formed of FRP or the like. The lead 213 is positioned so that one end 231 is fixed to the upper surface of the plate 215 and the other end 232 faces the window 212 so that the window 212 can freely enter and exit.

また、リード213は、図10(b)に示すように、端部232が窓212の外側(気体F1が流れ込んでくる側)に位置するように、プレート215の上面に対してわずかに傾斜している(上がっている)。   Further, as shown in FIG. 10B, the lead 213 is slightly inclined with respect to the upper surface of the plate 215 so that the end 232 is located outside the window 212 (the side into which the gas F1 flows). (Up)

圧電素子214は、バイモルフ圧電素子であり、図10(b)及び10(c)に示すように、リード213の表裏両面に固着されている。特許文献1には、圧電素子214が、リード213の表面及び裏面の一方に固着されたユニモルフ圧電素子でもよい旨が記載されている。   The piezoelectric element 214 is a bimorph piezoelectric element, and is fixed to both the front and back surfaces of the lead 213 as shown in FIGS. 10 (b) and 10 (c). Patent Document 1 describes that the piezoelectric element 214 may be a unimorph piezoelectric element fixed to one of the front surface and the back surface of the lead 213.

発電装置201に限らず、流体振動発電装置の技術分野においては、発電効率の更なる向上が求められている。   In the technical field of the fluid vibration power generation device as well as the power generation device 201, further improvement in power generation efficiency is required.

特開2012−97673号公報JP 2012-97673 A

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、発電効率の向上を図ることが可能な発電装置を提供することにある。   This invention is made | formed in view of the said reason, The objective is to provide the electric power generating apparatus which can aim at the improvement of electric power generation efficiency.

本発明の発電装置は、発電素子と、ハウジングと、を備える。前記発電素子は、支持部と、振動部と、圧電変換部と、を備える。前記振動部は、第1端と、第2端と、を備える。前記振動部は、記第1端が前記支持部に固定された固定端であり、前記第2端が自由端であり、流体のエネルギを受けて振動可能である。前記圧電変換部は、前記振動部の表面の一部に重ねて設けられ前記振動部の振動により交流電圧を発生するように構成されている。前記ハウジングは、流体の入口と、流体の出口と、前記入口と前記出口との間の流路と、前記入口から流入した流体を前記流路に配置されている前記発電素子に集める流体導入部と、を備える。前記発電素子は、前記振動部の前記表面に、凸部もしくは凹部により構成されて前記振動部の表面積を増大させる表面積増大部を備える。   The power generation device of the present invention includes a power generation element and a housing. The power generation element includes a support portion, a vibration portion, and a piezoelectric conversion portion. The vibration unit includes a first end and a second end. The vibration portion is a fixed end whose first end is fixed to the support portion, and the second end is a free end, and can vibrate upon receiving fluid energy. The piezoelectric conversion unit is provided so as to overlap a part of the surface of the vibration unit, and is configured to generate an alternating voltage by vibration of the vibration unit. The housing includes a fluid inlet, a fluid outlet, a channel between the inlet and the outlet, and a fluid introduction unit that collects the fluid flowing in from the inlet in the power generation element disposed in the channel. And comprising. The power generation element includes a surface area increasing portion that is configured by a convex portion or a concave portion on the surface of the vibrating portion to increase the surface area of the vibrating portion.

この発電装置において、前記発電素子は、前記表面積増大部を複数備えるのが好ましい。   In this power generation device, the power generation element preferably includes a plurality of the surface area increasing portions.

この発電装置において、前記発電素子は、前記支持部の形状が枠状であり、前記振動部の外側面の全体に亘って前記外側面と前記支持部の内側面との間に隙間がある。ここで、前記表面積増大部は、前記振動部の前記表面のうち前記圧電変換部が設けられた第1領域よりも前記第2端側の第2領域における外周部に設けてあるのが好ましい。   In this power generation device, the power generation element has a frame shape in the support portion, and there is a gap between the outer surface and the inner surface of the support portion over the entire outer surface of the vibration portion. Here, it is preferable that the surface area increasing portion is provided in an outer peripheral portion in the second region on the second end side of the first region where the piezoelectric conversion unit is provided in the surface of the vibration unit.

この発電装置においては、前記発電素子で発生した電気エネルギを蓄電する蓄電部と、温度、湿度及び流速の群から選択される少なくとも1つの環境情報を検知するセンサ部と、前記センサ部で検知した環境情報を送信する送信部と、を更に備える。ここで、前記蓄電部、前記センサ部及び前記送信部は、前記ハウジングに保持され、前記センサ部及び前記送信部が前記蓄電部を電源として動作するように構成されているのが好ましい。   In this power generation device, a power storage unit that stores electrical energy generated by the power generation element, a sensor unit that detects at least one environmental information selected from the group of temperature, humidity, and flow velocity, and the sensor unit detect A transmission unit that transmits environmental information. Here, it is preferable that the power storage unit, the sensor unit, and the transmission unit are held in the housing, and the sensor unit and the transmission unit are configured to operate using the power storage unit as a power source.

本発明の発電装置は、前記ハウジングが、前記入口から流入した流体を前記流路内に配置されている前記発電素子に集める流体導入部を備える。更に、本発明の発電装置は、前記発電素子が、前記振動部の前記表面に、凸部もしくは凹部により構成されて前記振動部の表面積を増大させる表面積増大部を備える。よって、本発明の発電装置は、流体をより効率良く前記発電素子の振動部へ当てることが可能となり、発電効率を向上させることが可能となる。   In the power generation device of the present invention, the housing includes a fluid introduction part that collects the fluid flowing in from the inlet into the power generation element disposed in the flow path. Furthermore, in the power generation device of the present invention, the power generation element includes a surface area increasing portion that is configured by a convex portion or a concave portion on the surface of the vibration portion to increase the surface area of the vibration portion. Therefore, the power generation device of the present invention can more efficiently apply the fluid to the vibrating portion of the power generation element, and can improve the power generation efficiency.

図1は、実施形態の発電装置を示す概略断面図である。Drawing 1 is an outline sectional view showing the power generator of an embodiment. 図2は、実施形態の発電装置を示す概略平面図である。FIG. 2 is a schematic plan view showing the power generation device of the embodiment. 図3は、実施形態の発電装置を示す概略下面図である。Drawing 3 is an outline bottom view showing the power generator of an embodiment. 図4は、図2のY−Y概略断面図である。4 is a schematic YY sectional view of FIG. 図5(a)は、実施形態の発電装置における発電素子を示す概略平面図である。図5(b)は、図5(a)のX−X概略断面図である。Fig.5 (a) is a schematic plan view which shows the electric power generation element in the electric power generating apparatus of embodiment. FIG.5 (b) is XX schematic sectional drawing of Fig.5 (a). 図6(a)は、実施形態の発電装置の第1変形例における発電素子を示す概略平面図である。図6(b)は、図6(a)のX−X概略断面図である。Fig.6 (a) is a schematic plan view which shows the electric power generation element in the 1st modification of the electric power generating apparatus of embodiment. FIG. 6B is a schematic cross-sectional view taken along the line XX in FIG. 図7(a)は、実施形態の発電装置の第2変形例における発電素子を示す概略平面図である。図7(b)は、図7(a)のX−X概略断面図である。Fig.7 (a) is a schematic plan view which shows the electric power generating element in the 2nd modification of the electric power generating apparatus of embodiment. FIG.7 (b) is XX schematic sectional drawing of Fig.7 (a). 図8(a)は、実施形態の発電装置の第3変形例における発電素子を示す概略平面図である。図8(b)は、図8(a)のX−X概略断面図である。Fig.8 (a) is a schematic plan view which shows the electric power generation element in the 3rd modification of the electric power generating apparatus of embodiment. FIG.8 (b) is XX schematic sectional drawing of Fig.8 (a). 図9(a)は、実施形態の発電装置の第4変形例における発電素子を示す概略平面図である。図9(b)は、図9(a)のX−X概略断面図である。Fig.9 (a) is a schematic plan view which shows the electric power generation element in the 4th modification of the electric power generating apparatus of embodiment. FIG.9 (b) is XX schematic sectional drawing of Fig.9 (a). 図10(a)は、従来例の発電装置の概略平面図である。図10(b)は、図10(a)のX−X断面図である。図10(c)は、図10(a)のY−Y断面図である。FIG. 10A is a schematic plan view of a conventional power generator. FIG.10 (b) is XX sectional drawing of Fig.10 (a). FIG. 10C is a YY sectional view of FIG.

以下では、本実施形態の発電装置1について図1〜4、5(a)及び5(b)に基づいて説明する。なお、図1は、図2のX−X概略断面図である。   Below, the electric power generating apparatus 1 of this embodiment is demonstrated based on FIGS. 1-4, 5 (a) and 5 (b). 1 is a schematic cross-sectional view taken along the line XX of FIG.

発電装置1は、発電素子3と、ハウジング2と、を備える。発電素子3は、支持部31と、振動部32と、圧電変換部33と、を備える。振動部32は、第1端32aと、第2端32bと、を備える。振動部32は、第1端32aが支持部31に固定された固定端であり、第2端32bが自由端である。振動部32は、流体のエネルギを受けて振動可能である。圧電変換部33は、振動部32の表面321の一部に重ねて設けられ振動部32の振動により交流電圧を発生するように構成されている。ハウジング2は、流体の入口21と、流体の出口23と、入口21と出口23との間の流路22と、入口21から流入した流体を流路22内に配置されている発電素子3に集める流体導入部24と、を備える。発電素子3は、振動部32の表面321に、凸部により構成されて振動部32の表面積を増大させる表面積増大部325を備える。よって、発電装置1は、流体を受ける面積が増大し、流体をより効率良く発電素子3の振動部32へ当てることが可能となり、発電効率を向上させることが可能となる。   The power generation device 1 includes a power generation element 3 and a housing 2. The power generating element 3 includes a support part 31, a vibration part 32, and a piezoelectric conversion part 33. The vibration part 32 includes a first end 32a and a second end 32b. The vibration part 32 is a fixed end in which the first end 32a is fixed to the support part 31, and the second end 32b is a free end. The vibration unit 32 can vibrate upon receiving fluid energy. The piezoelectric conversion unit 33 is provided so as to overlap a part of the surface 321 of the vibration unit 32, and is configured to generate an alternating voltage by the vibration of the vibration unit 32. The housing 2 includes a fluid inlet 21, a fluid outlet 23, a flow path 22 between the inlet 21 and the outlet 23, and a fluid flowing from the inlet 21 into the power generation element 3 disposed in the flow path 22. And a fluid introduction part 24 to be collected. The power generating element 3 includes a surface area increasing portion 325 that is formed of a convex portion and increases the surface area of the vibrating portion 32 on the surface 321 of the vibrating portion 32. Therefore, the power receiving device 1 has an increased area for receiving the fluid, and can more efficiently apply the fluid to the vibrating portion 32 of the power generating element 3, thereby improving the power generation efficiency.

発電装置1は、流体が振動部32に当たることにより、振動部32において振動エネルギが発生し、圧電変換部33において電気エネルギが発生する。圧電変換部33は、振動部32の振動に応じて交流電圧を発生する。よって、発電素子3は、圧電変換部33で発生する電圧が交流電圧である。発電素子3は、圧電変換部33で発生する交流電圧のピーク値の絶対値が、流体の流速が速くなるにしたがって増加する傾向にある。   In the power generation device 1, when the fluid hits the vibration unit 32, vibration energy is generated in the vibration unit 32, and electric energy is generated in the piezoelectric conversion unit 33. The piezoelectric conversion unit 33 generates an alternating voltage according to the vibration of the vibration unit 32. Therefore, in the power generation element 3, the voltage generated in the piezoelectric conversion unit 33 is an AC voltage. In the power generation element 3, the absolute value of the peak value of the AC voltage generated in the piezoelectric conversion unit 33 tends to increase as the fluid flow rate increases.

発電装置1は、図4に示すように、発電素子3で発生した電気エネルギを蓄電する蓄電部4と、温度、湿度及び流速の群から選択される少なくとも1つの環境情報を検知するセンサ部5と、センサ部5で検知した環境情報を送信する送信部6と、を更に備えた構成とすることができる。発電装置1は、蓄電部4、センサ部5及び送信部6が、ハウジング21に保持され、センサ部5及び送信部6が蓄電部4を電源として動作するように構成されているのが好ましい。これにより、発電装置1は、設置場所の自由度が高くなる。   As shown in FIG. 4, the power generation device 1 includes a power storage unit 4 that stores electrical energy generated by the power generation element 3 and a sensor unit 5 that detects at least one environmental information selected from the group of temperature, humidity, and flow velocity. And the transmission part 6 which transmits the environmental information detected by the sensor part 5 can be set as the structure further provided. The power generation device 1 is preferably configured such that the power storage unit 4, the sensor unit 5, and the transmission unit 6 are held in the housing 21, and the sensor unit 5 and the transmission unit 6 operate using the power storage unit 4 as a power source. Thereby, as for the electric power generating apparatus 1, the freedom degree of an installation place becomes high.

発電装置1の各構成要素については、以下に、より詳細に説明する。   Each component of the power generator 1 will be described in more detail below.

支持部31の形状は、枠状の形状として、例えば、矩形枠状とすることができる。支持部31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、支持部31の外周形状は、矩形状以外の形状でもよい。   The shape of the support part 31 can be, for example, a rectangular frame shape as a frame shape. The inner peripheral shape of the support portion 31 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 support portion 31 may be a shape other than a rectangular shape.

振動部32は、平面視において、支持部31の内側に配置されている。これにより、発電素子3は、振動部32の外側面と支持部31の内側面との間に、流体が通過可能な隙間35が形成されている。   The vibration part 32 is disposed inside the support part 31 in plan view. Thus, in the power generating element 3, a gap 35 through which a fluid can pass is formed between the outer side surface of the vibrating portion 32 and the inner side surface of the support portion 31.

振動部32は、第1端32aが、振動部32の長さ方向の一端により構成され、第2端32bが、振動部32の長さ方向の他端により構成されている。   The vibration part 32 has a first end 32 a constituted by one end in the length direction of the vibration part 32, and a second end 32 b constituted by the other end in the length direction of the vibration part 32.

振動部32は、支持部31に揺動自在に支持されている。振動部32は、第1端32a側の部分が支持部31よりも薄く形成されていることにより、支持部31に揺動自在に支持されている。振動部32は、第2端32b側に、第1端32a側の部分に比べて厚い錘部34を備えているのが好ましい。   The vibration part 32 is supported by the support part 31 in a swingable manner. The vibration part 32 is supported by the support part 31 so as to be swingable because the part on the first end 32 a side is formed thinner than the support part 31. The vibrating part 32 preferably includes a weight part 34 on the second end 32b side that is thicker than the part on the first end 32a side.

振動部32は、先端面32c(図5(b)参照)の法線(図示せず)が支持部31に交差しないように反っている。これにより、発電素子3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」とは、流体が隙間35を通過することによって発生する振動部32の振動を意味する。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、液体等が挙げられる。流体が気体の場合、発電装置1を設置する流れ場としては、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。   The vibration part 32 is warped so that the normal line (not shown) of the tip end face 32 c (see FIG. 5B) does not intersect the support part 31. Thereby, the power generation element 3 can perform fluid excitation vibration and can improve the piezoelectric conversion efficiency during the fluid excitation vibration. “Fluid excitation vibration” means the vibration of the vibration part 32 generated when the fluid passes through the gap 35. This fluid excitation vibration is self-excited vibration. Examples of the fluid include air, gas, a mixed gas of air and gas, and liquid. When the fluid is gas, examples of the flow field in which the power generation device 1 is installed include the inside of an air supply duct of an air conditioner and the inside of an exhaust duct of an air conditioner.

発電素子3は、振動部32が錘部34を備えることにより、錘部34を備えていない場合に比べて、振動部32の振動時の慣性力を大きくでき、振動部32の振幅を大きくすることが可能となる。また、発電素子3は、振動部32が錘部34を備えることにより、振動部32の振動時に振動部32における錘部34と支持部31との間の部分及び圧電変換部33に集中的にひずみを発生させることが可能となる。よって、発電素子3は、錘部34を備えることにより、圧電変換効率の向上を図ることが可能となる。また、発電素子3は、振動部32が錘部34を備えることにより、振動部32の共振周波数を小さくすることが可能となり、振動部32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。   In the power generation element 3, since the vibration part 32 includes the weight part 34, the inertial force at the time of vibration of the vibration part 32 can be increased and the amplitude of the vibration part 32 can be increased as compared with the case where the vibration part 32 is not provided. It becomes possible. In addition, since the vibration part 32 includes the weight part 34, the power generating element 3 is concentrated on the part of the vibration part 32 between the weight part 34 and the support part 31 and the piezoelectric conversion part 33 when the vibration part 32 vibrates. Distortion can be generated. Therefore, the power generation element 3 can improve the piezoelectric conversion efficiency by including the weight portion 34. Further, in the power generating element 3, since the vibration part 32 includes the weight part 34, the resonance frequency of the vibration part 32 can be reduced, and the flow velocity of the fluid at which the vibration part 32 starts to vibrate can be reduced. It becomes possible.

発電素子3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。   The power generating element 3 can be manufactured using, for example, a MEMS manufacturing technique.

この場合、支持部31及び振動部32は、1枚の基板から形成することができる。これにより、発電素子3は、支持部31と振動部32との相対的な位置精度を高めることが可能となる。基板としては、例えば、シリコン基板上のシリコン酸化膜からなる絶縁層上にシリコン層が形成されたSOI基板を用いることができる。   In this case, the support part 31 and the vibration part 32 can be formed from a single substrate. Thereby, the power generating element 3 can improve the relative positional accuracy of the support part 31 and the vibration part 32. As the substrate, for example, an SOI substrate in which a silicon layer is formed on an insulating layer made of a silicon oxide film on a silicon substrate can be used.

発電素子3は、基板の第1面側に圧電変換部33が形成されており、基板と圧電変換部33との間に、基板と圧電変換部33とを電気的に絶縁する絶縁膜を備えているのが好ましい。この場合、発電素子3は、振動部32の表面321が、絶縁膜の表面の一部により構成される。絶縁膜は、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することができるが、これに限らず、CVD法等により形成することもできる。   The power generation element 3 includes a piezoelectric conversion portion 33 formed on the first surface side of the substrate, and includes an insulating film that electrically insulates the substrate and the piezoelectric conversion portion 33 between the substrate and the piezoelectric conversion portion 33. It is preferable. In this case, in the power generating element 3, the surface 321 of the vibration part 32 is configured by a part of the surface of the insulating film. The insulating film can be composed of, for example, a silicon oxide film. This silicon oxide film can be formed by, for example, a thermal oxidation method, but is not limited thereto, and can also be formed by a CVD method or the like.

発電素子3は、例えば、絶縁膜の圧縮応力によって振動部32が反っている構成とすることができる。この場合、発電素子3は、基板の第1面側に形成した絶縁膜が、基板と圧電変換部33とを電気的に絶縁する機能だけでなく、振動部32を反らせる機能を有している。これにより、発電素子3は、絶縁膜とは別途に、振動部32に応力制御用の薄膜を形成して振動部32を反らせる場合に比べて、製造プロセスを簡略化することが可能となる。発電素子3の製造方法では、絶縁膜を形成するためのプロセス条件を適宜設定することによって、絶縁膜の内部応力を制御することが可能である。発電素子3の製造方法では、例えば、絶縁膜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絶縁膜の内部応力を制御することができる。また、発電素子3の製造方法では、例えば、絶縁膜をスパッタ法や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絶縁膜の内部応力を制御することができる。   For example, the power generating element 3 can be configured such that the vibration part 32 is warped by the compressive stress of the insulating film. In this case, the power generating element 3 has not only a function of electrically insulating the substrate and the piezoelectric conversion unit 33 but also a function of warping the vibration unit 32 by the insulating film formed on the first surface side of the substrate. . As a result, the power generating element 3 can simplify the manufacturing process as compared with a case where a thin film for stress control is formed on the vibration part 32 separately from the insulating film and the vibration part 32 is warped. In the method for manufacturing the power generating element 3, the internal stress of the insulating film can be controlled by appropriately setting process conditions for forming the insulating film. In the method for manufacturing the power generation element 3, for example, when the insulating film is formed by a thermal oxidation method, the internal stress of the insulating film can be controlled by appropriately setting process conditions such as an oxidation temperature. In the method for manufacturing the power generating element 3, for example, when the insulating film is formed by sputtering or CVD, the internal stress of the insulating film is controlled by appropriately setting process conditions such as gas pressure and temperature. Can do.

発電素子3は、振動部32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、振動部32が、振動部32の先端面32cの法線が支持部31に交差しないように反っている。ここで、振動部32は、表面321が凹曲面状となり且つ裏面322が凸曲面状となるように、反っている。   In the initial state where no external vibration or fluid acts on the vibration part 32, the power generation element 3 is warped so that the normal line of the tip surface 32 c of the vibration part 32 does not intersect the support part 31. . Here, the vibration part 32 is warped so that the front surface 321 has a concave curved surface shape and the back surface 322 has a convex curved surface shape.

基板は、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 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.

圧電変換部33は、振動部32側から順に、第1電極、圧電体層及び第2電極を備えている。要するに、圧電変換部33は、圧電体層と、圧電体層を厚み方向の両側から挟んで互いに対向する第1電極及び第2電極と、を備える。圧電体層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に不純物を添加した材料等でもよい。不純物としては、例えば、Li,Nb,Ta,Sb,Cu等を挙げることができる。発電素子3は、圧電体層が、圧電薄膜により構成されている。 The piezoelectric conversion unit 33 includes a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode in order from the vibration unit 32 side. In short, the piezoelectric conversion unit 33 includes a piezoelectric layer, and a first electrode and a second electrode facing each other with the piezoelectric layer sandwiched from both sides in the thickness direction. As the piezoelectric material of the piezoelectric layer, PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) is adopted, but not limited to this, for example, PZT-PMN (Pb (Mn, Nb) O 3 ) or impurities are used. Added PZT may also be used. Further, the piezoelectric material may be AlN, ZnO, KNN (K 0.5 Na 0.5 NbO 3 ), KN (KNbO 3 ), NN (NaNbO 3 ), a material obtained by adding impurities to KNN, or the like. Examples of the impurity include Li, Nb, Ta, Sb, and Cu. In the power generation element 3, the piezoelectric layer is formed of a piezoelectric thin film.

発電素子3は、絶縁膜と第1電極との間に緩衝層を設けた構造でもよい。緩衝層は、第1電極上の圧電体層の結晶性を向上させるために設ける層である。緩衝層の材料は、圧電体層の圧電材料に応じて適宜選択するのが好ましい。圧電体層の圧電材料がPZTの場合、緩衝層の材料は、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。発電素子3は、緩衝層を設けることにより、圧電体層の結晶性を向上させることが可能となる。 The power generating element 3 may have a structure in which a buffer layer is provided between the insulating film and the first electrode. The buffer layer is a layer provided to improve the crystallinity of the piezoelectric layer on the first electrode. The material of the buffer layer is preferably selected as appropriate according to the piezoelectric material of the piezoelectric layer. When the piezoelectric material of the piezoelectric layer is PZT, it is preferable to employ, for example, SrRuO 3 , (Pb, La) TiO 3 , PbTiO 3 , MgO, LaNiO 3 or the like as the buffer layer material. Further, the buffer layer may be constituted by a laminated film of a Pt film and a SrRuO 3 film, for example. The power generating element 3 can improve the crystallinity of the piezoelectric layer by providing a buffer layer.

発電素子3は、振動部32の振動によって圧電変換部33の圧電体層が応力を受け、第2電極と第1電極とに電荷の偏りが発生し、圧電変換部33において交流電圧が発生する。要するに、発電素子3は、圧電変換部33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 power generating element 3, the piezoelectric layer of the piezoelectric conversion unit 33 receives stress due to the vibration of the vibration unit 32, and a bias of charge occurs between the second electrode and the first electrode, and an AC voltage is generated in the piezoelectric conversion unit 33. . In short, in the power generating element 3, the piezoelectric conversion unit 33 generates an alternating voltage using the piezoelectric effect of the piezoelectric material.

圧電変換部33で発生する交流電圧は、圧電体層の振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。発電素子3は、隙間35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。発電素子3の共振周波数は、振動部32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 33 is a sinusoidal AC voltage corresponding to the vibration of the piezoelectric layer. The power generation element 3 can generate power using self-excited vibration generated by the fluid flowing through the gap 35. The resonance frequency of the power generation element 3 is determined by the structural parameters, material, and the like of the vibration unit 32.

発電素子3は、第1電極に第1配線を介して電気的に接続された第1パッド電極36と、第2電極に第2配線を介して電気的に接続された第2パッド電極37と、が、支持部31に設けられている。なお、発電素子3は、圧電変換部33を1つだけ備えているが、これに限らず、圧電変換部33を複数備えた構成としてもよい。   The power generating element 3 includes a first pad electrode 36 electrically connected to the first electrode via the first wiring, and a second pad electrode 37 electrically connected to the second electrode via the second wiring. Are provided on the support 31. In addition, although the electric power generation element 3 is provided with only one piezoelectric conversion part 33, it is good not only as this but the structure provided with two or more piezoelectric conversion parts 33. FIG.

発電素子3は、MEMSの製造技術を利用して製造する場合、支持部31の形状が矩形枠状であるのが好ましい。つまり、支持部31は、外周形状が矩形状であることが好ましい。これにより、発電素子3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。発電素子3の製造時には、例えば、まず、支持部31と振動部32との基礎となるウェハ(例えば、SOIウェハ)を準備する。発電素子3の製造時には、ウェハに多数の発電素子3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発電素子3に分離する。   When the power generating element 3 is manufactured by using a MEMS manufacturing technique, it is preferable that the support portion 31 has a rectangular frame shape. That is, it is preferable that the outer peripheral shape of the support part 31 is rectangular. Thereby, the power generating element 3 can improve the workability of the dicing process at the time of manufacture. At the time of manufacturing the power generation element 3, for example, first, a wafer (for example, an SOI wafer) serving as a basis for the support portion 31 and the vibration portion 32 is prepared. At the time of manufacturing the power generation element 3, a pre-process for forming a large number of power generation elements 3 on the wafer is performed, and in a post-process, the individual power generation elements 3 are separated in a dicing process.

発電素子3は、振動部32の表面321がハウジング2の入口21側となり、裏面322がハウジング2の出口23側となるようにハウジング21に保持されている。   The power generating element 3 is held by the housing 21 such that the front surface 321 of the vibration part 32 is on the inlet 21 side of the housing 2 and the back surface 322 is on the outlet 23 side of the housing 2.

発電素子3は、流路22を通る流体のエネルギを振動エネルギに変換し振動エネルギを電気エネルギに変換することができる。   The power generation element 3 can convert the energy of the fluid passing through the flow path 22 into vibration energy and convert the vibration energy into electric energy.

発電素子3では、流路22の上流側から発電素子3に向って流れる流体が隙間35を通る際に流速が速くなるので、振動部32と支持部31とで囲まれた空間の圧力が下がり、振動部32の第2端32bが支持部31に近づく向きへ変位する。そして、発電素子3では、振動部32の厚み方向の両側の空間同士の圧力差がなくなると、振動部32の弾性力によって振動部32が元の位置に戻ろうとする力が作用するものと推定される。発電素子3は、このような動作が繰り返されることで振動部32が自励振動し、圧電変換部33で交流電圧が発生する、と推定される。なお、本実施形態の発電装置1は、仮に推定メカニズムが別であっても、本発明の範囲内である。   In the power generation element 3, since the fluid flowing from the upstream side of the flow path 22 toward the power generation element 3 passes through the gap 35, the flow velocity increases, so the pressure in the space surrounded by the vibration part 32 and the support part 31 decreases. The second end 32 b of the vibration part 32 is displaced in a direction approaching the support part 31. In the power generating element 3, it is estimated that when the pressure difference between the spaces on both sides in the thickness direction of the vibration part 32 disappears, a force that causes the vibration part 32 to return to the original position by the elastic force of the vibration part 32 acts. Is done. In the power generating element 3, it is presumed that the vibration unit 32 self-excites and the piezoelectric conversion unit 33 generates an AC voltage by repeating such an operation. Note that the power generation apparatus 1 of the present embodiment is within the scope of the present invention even if the estimation mechanism is different.

発電装置1は、発電素子3が実装された回路基板7を備えているのが好ましい。回路基板7としては、例えば、プリント基板を用いることができる。回路基板7は、発電素子3の第1パッド電極36が第1ワイヤを介して電気的に接続される第1導体部(図示せず)を備える。また、回路基板7は、発電素子3の第2パッド電極37が第2ワイヤを介して電気的に接続される第2導体部を備えている。回路基板7には、流路22に連通する孔71が、回路基板7の厚さ方向に貫通して形成されている。回路基板7は、孔71を形成したものに限らず、例えば、U字状の形状に形成したものでもよい。   The power generation device 1 preferably includes a circuit board 7 on which the power generation element 3 is mounted. For example, a printed circuit board can be used as the circuit board 7. The circuit board 7 includes a first conductor portion (not shown) to which the first pad electrode 36 of the power generating element 3 is electrically connected via the first wire. In addition, the circuit board 7 includes a second conductor portion to which the second pad electrode 37 of the power generating element 3 is electrically connected via the second wire. A hole 71 communicating with the flow path 22 is formed in the circuit board 7 so as to penetrate in the thickness direction of the circuit board 7. The circuit board 7 is not limited to the one in which the hole 71 is formed, and may be formed in a U-shape, for example.

ハウジング2は、入口21が形成された第1構造体2aと、出口23が形成された第2構造体2b、を、2本の第1螺子26(図3参照)により固定して構成されている。発電装置1は、第1構造体2aと第2構造体2bとの間に、発電素子3及び回路基板7が配置されており、発電素子3及び回路基板7がハウジング2に保持されている。第1構造体2a及び第2構造体2bは、それぞれ樹脂成形品により構成してある。よって、発電装置1は、ハウジング2を金属により形成する場合に比べて、ハウジング2の形状の自由度が高くなり、流体の渦の発生を抑制するための、より複雑な形状のハウジング2を形成可能となる。また、発電装置1は、ハウジング2を金属により形成する場合に比べて、低コスト化を図ることが可能となる。   The housing 2 is configured by fixing a first structure 2a in which an inlet 21 is formed and a second structure 2b in which an outlet 23 is formed by two first screws 26 (see FIG. 3). Yes. In the power generation device 1, the power generation element 3 and the circuit board 7 are disposed between the first structure 2 a and the second structure 2 b, and the power generation element 3 and the circuit board 7 are held by the housing 2. The first structure 2a and the second structure 2b are each formed of a resin molded product. Therefore, the power generation device 1 has a higher degree of freedom in the shape of the housing 2 than in the case where the housing 2 is made of metal, and forms the housing 2 having a more complicated shape for suppressing the generation of fluid vortices. It becomes possible. In addition, the power generation device 1 can be reduced in cost compared to the case where the housing 2 is formed of metal.

ハウジング2は、直方体状に形成されており、各角部が丸みを有するように形成されているのが好ましい。要するに、ハウジング2は、隣り合う面同士が滑らかに連続しているのが好ましい。特に、ハウジング2は、入口が形成された前面20aと、前面20aに隣り合う側面20bと、が滑らかに連続しているのが好ましい。これにより、発電装置1は、ハウジング2の入口21の周部付近で渦等が発生するのを抑制することが可能となる。よって、発電装置1は、ハウジング2の外部から流体を流路22に効率良く導入することが可能となる。これにより、発電装置1は、流体を、より効率良く発電素子3の振動部32へ当てることが可能となり、発電効率を向上させることが可能となる。発電装置1は、より少ない流体で効率良く発電させることが可能となる。   The housing 2 is preferably formed in a rectangular parallelepiped shape so that each corner is rounded. In short, it is preferable that the adjacent surfaces of the housing 2 are smoothly continuous. In particular, in the housing 2, it is preferable that the front surface 20a where the entrance is formed and the side surface 20b adjacent to the front surface 20a are smoothly continuous. As a result, the power generation device 1 can suppress the occurrence of vortices or the like in the vicinity of the peripheral portion of the inlet 21 of the housing 2. Therefore, the power generation device 1 can efficiently introduce the fluid into the flow path 22 from the outside of the housing 2. Thereby, the power generation device 1 can apply the fluid to the vibration part 32 of the power generation element 3 more efficiently, and the power generation efficiency can be improved. The power generation device 1 can efficiently generate power with less fluid.

流体導入部24は、第1構造体2aに一体に形成されている。流体導入部24の内部空間は、流路22の一部を構成する。流体導入部24は、入口21から離れて発電素子3に近づくにつれて開口面積が徐々に小さくなる枠状に形成されている。発電装置1は、流体導入部24を備えることにより、流路22の開口面積が一様である場合に比べて、流体を発電素子3に集中させることが可能となる。また、発電装置1は、流体導入部24を備えることにより、発電素子3に当たる流体の流速を速くすることが可能となる。よって、発電装置1は、発電効率及び発電電圧の向上を図ることが可能となる。   The fluid introduction part 24 is integrally formed with the first structure 2a. The internal space of the fluid introduction part 24 constitutes a part of the flow path 22. The fluid introduction part 24 is formed in a frame shape in which the opening area gradually decreases as the distance from the inlet 21 approaches the power generation element 3. By providing the fluid introduction unit 24, the power generation device 1 can concentrate the fluid on the power generation element 3 as compared with the case where the opening area of the flow path 22 is uniform. In addition, the power generation device 1 includes the fluid introduction unit 24, so that the flow velocity of the fluid that strikes the power generation element 3 can be increased. Therefore, the power generation device 1 can improve power generation efficiency and power generation voltage.

流体導入部24は、発電素子3のうち振動部32bの第2端32b側の部分を含む略半分を露出させるように形成されている。これにより、発電装置1は、振動部32の第2端32b側に効率良く流体が当たりやすくなり、発電効率の向上を図ることが可能となる。   The fluid introduction part 24 is formed so as to expose substantially half of the power generating element 3 including the part on the second end 32b side of the vibration part 32b. As a result, the power generation device 1 can easily make the fluid easily hit the second end 32b side of the vibration unit 32, and can improve the power generation efficiency.

発電素子3は、支持部31の形状が枠状であり、振動部32の外側面の全体に亘って外側面と支持部31の内側面との間に隙間35がある。ここで、表面積増大部325は、振動部32の表面321のうち圧電変換部33が設けられた第1領域321aよりも第2端32b側の第2領域321bにおける外周部に設けてあるのが好ましい。これにより、発電装置1は、振動部32に当たった流体が逃げにくくなり、発電効率の向上を図ることが可能となる。第1領域321a及び第2領域321bは、それぞれ矩形状の領域である。表面積増大部325は、例えば、基板の一部と、絶縁膜の一部と、で構成することができる。また、表面積増大部325は、絶縁膜上に形成した単層若しくは多層の膜により構成することもできる。   In the power generating element 3, the shape of the support portion 31 is a frame shape, and there is a gap 35 between the outer surface and the inner surface of the support portion 31 over the entire outer surface of the vibration portion 32. Here, the surface area increasing portion 325 is provided on the outer peripheral portion of the second region 321b on the second end 32b side of the surface 321 of the vibration portion 32, which is closer to the second end 32b than the first region 321a where the piezoelectric conversion portion 33 is provided. preferable. Thereby, in the power generation device 1, the fluid that has hit the vibrating portion 32 is less likely to escape, and the power generation efficiency can be improved. Each of the first area 321a and the second area 321b is a rectangular area. The surface area increasing portion 325 can be constituted by, for example, a part of the substrate and a part of the insulating film. Further, the surface area increasing portion 325 can also be configured by a single layer or a multilayer film formed on the insulating film.

蓄電部4は、発電素子3で発生した電気エネルギを蓄電する。しかしながら、発電素子3で発生する電気エネルギは、交流電圧である。   The power storage unit 4 stores the electrical energy generated by the power generation element 3. However, the electrical energy generated by the power generation element 3 is an alternating voltage.

このため、発電装置1は、例えば、発電素子3で発生する交流電圧を整流する整流回路を備えた構成であるのが好ましい。この場合、回路基板7には、整流回路の回路部品も実装されているのが好ましい。蓄電部4は、例えば、コンデンサにより構成することができる。蓄電部4を構成するコンデンサは、例えば、整流回路の出力端間に接続することができる。整流回路は、例えば、ダイオードブリッジからなる全波整流回路を採用することができる。   For this reason, it is preferable that the electric power generating apparatus 1 is a structure provided with the rectifier circuit which rectifies | straightens the alternating voltage generated in the electric power generation element 3, for example. In this case, it is preferable that circuit components of the rectifier circuit are also mounted on the circuit board 7. The power storage unit 4 can be configured by a capacitor, for example. The capacitor which comprises the electrical storage part 4 can be connected between the output terminals of a rectifier circuit, for example. As the rectifier circuit, for example, a full-wave rectifier circuit composed of a diode bridge can be adopted.

また、発電装置1は、整流回路として全波整流回路を備えた構成に限らず、例えば、整流回路として両波倍電圧整流回路を備えた構成としてもよい。両波倍電圧整流回路は、2個のダイオードの直列回路と2個のコンデンサの直列回路とが並列接続された構成を採用することができる。要するに、両波倍電圧整流回路は、2個のダイオードと2個のコンデンサとがブリッジ接続されている構成を採用することができる。この場合、蓄電部4は、両波倍電圧整流回路の2個のコンデンサの直列回路により構成することができる。   Further, the power generation device 1 is not limited to a configuration including a full-wave rectification circuit as a rectification circuit, and may be configured to include a double-wave voltage doubler rectification circuit as a rectification circuit, for example. The double voltage rectifier circuit can employ a configuration in which a series circuit of two diodes and a series circuit of two capacitors are connected in parallel. In short, the double-wave voltage doubler rectifier circuit can adopt a configuration in which two diodes and two capacitors are bridge-connected. In this case, the power storage unit 4 can be configured by a series circuit of two capacitors of a double wave voltage doubler rectifier circuit.

センサ部5は、環境情報として温度を検知する温度センサ、環境情報として湿度を検知する湿度センサ、環境情報として温度と湿度とを検知する温湿度センサ、環境情報として流速を検知する流速センサ等を採用することができる。温度は、流体の温度である。湿度は、流体の湿度である。温湿度は、流体の温湿度である。流速は、流体の速度である。   The sensor unit 5 includes a temperature sensor that detects temperature as environmental information, a humidity sensor that detects humidity as environmental information, a temperature and humidity sensor that detects temperature and humidity as environmental information, a flow rate sensor that detects flow velocity as environmental information, and the like. Can be adopted. The temperature is the temperature of the fluid. Humidity is the humidity of the fluid. The temperature / humidity is the temperature / humidity of the fluid. The flow rate is the velocity of the fluid.

送信部6は、センサ部5で検知した環境情報を含む無線信号を送信する無線送信部により構成されているのが好ましい。これにより、発電装置1は、設置場所の自由度が高くなり、汎用性を高めることが可能となる。無線送信部の無線通信規格としては、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等を採用することができる。無線通信規格は、特に限定するものではない。   The transmission unit 6 is preferably configured by a wireless transmission unit that transmits a wireless signal including environment information detected by the sensor unit 5. Thereby, the electric power generating apparatus 1 becomes high in the freedom degree of an installation place, and can improve versatility. For example, EnOcean (registered trademark), Zigbee (registered trademark), Bluetooth (registered trademark), specific low-power wireless, weak wireless, Wi-Fi (registered trademark), UWB, etc. are adopted as wireless communication standards for the wireless transmitter. can do. The wireless communication standard is not particularly limited.

発電装置1は、上述のように、センサ部5及び送信部6が蓄電部4を電源として動作するように構成されているのが好ましい。   As described above, the power generation device 1 is preferably configured such that the sensor unit 5 and the transmission unit 6 operate using the power storage unit 4 as a power source.

発電装置1は、切替回路を備えるのが好ましい。切替回路は、発電素子3と蓄電部4とを電気的に接続する第1状態と、発電素子3とセンサ部5とを電気的に接続する第2状態とを切り替え可能に構成されているのが好ましい。また、発電装置1は、蓄電部4からセンサ部5及び送信部6への電力供給路に設けられたスイッチング素子と、蓄電部4の蓄電量を監視する監視部と、を備えているのが好ましい。スイッチング素子は、例えば、MOSFET等により構成することができる。監視部は、蓄電部4の出力端間の電圧を蓄電量として監視し、蓄電量と予め設定した規定値との比較結果に基づいてスイッチング素子をオン、オフする機能を有している。例えば、監視部は、蓄電部4の蓄電量がセンサ部5及び送信部6の駆動のために予め設定した上記規定値に到達すると、スイッチング素子をオンさせ、上記規定値よりも低下すると、スイッチング素子をオフさせる。これにより、センサ部5及び送信部6は、蓄電部4から間欠的に電力供給され、駆動される。切替回路は、例えば、1乃至複数のスイッチ要素により構成することができる。監視部は、例えば、IC素子やマイクロコンピュータ等により構成することができる。   The power generation device 1 preferably includes a switching circuit. The switching circuit is configured to be switchable between a first state in which the power generation element 3 and the power storage unit 4 are electrically connected and a second state in which the power generation element 3 and the sensor unit 5 are electrically connected. Is preferred. Further, the power generation device 1 includes a switching element provided in a power supply path from the power storage unit 4 to the sensor unit 5 and the transmission unit 6 and a monitoring unit that monitors the amount of power stored in the power storage unit 4. preferable. The switching element can be constituted by, for example, a MOSFET or the like. The monitoring unit has a function of monitoring the voltage between the output terminals of the power storage unit 4 as a power storage amount, and turning on and off the switching element based on a comparison result between the power storage amount and a preset specified value. For example, the monitoring unit turns on the switching element when the amount of power stored in the power storage unit 4 reaches the predetermined value set in advance for driving the sensor unit 5 and the transmission unit 6, and switches the switching element when the power storage unit 4 falls below the predetermined value. Turn off the element. Thereby, the sensor unit 5 and the transmission unit 6 are intermittently supplied with power from the power storage unit 4 and driven. The switching circuit can be composed of, for example, one or more switch elements. The monitoring unit can be configured by, for example, an IC element or a microcomputer.

発電装置1は、切替回路を備えていることにより、蓄電部4の充電毎に蓄電部4の蓄電量が上記規定値に達するまでの時間を短縮することが可能となる。   Since the power generation device 1 includes the switching circuit, it is possible to shorten the time until the amount of power stored in the power storage unit 4 reaches the specified value every time the power storage unit 4 is charged.

発電装置1は、例えば、空調管理システムに利用することができる。   The power generator 1 can be used for an air conditioning management system, for example.

空調管理システムは、例えば、発電装置1と、空調機と、を備えた構成とすることができる。発電装置1は、空調機の給気用のダクト(図示せず)もしくは排気用のダクト(図示せず)の内部に配置することができる。   The air conditioning management system can be configured to include, for example, the power generation device 1 and an air conditioner. The power generation device 1 can be disposed inside an air supply duct (not shown) or an exhaust duct (not shown).

空調機は、例えば、ファンと、ファンを回転させるモータと、運転スイッチと、モータを制御することでファンの運転状態を制御する制御部と、リモートコントローラからのリモコン信号等に基づいて流量や流速の目標値を設定する設定部と、を備える。空調機は、運転スイッチをオンさせることにより、制御部がモータを駆動してファンを回転させる。制御部は、設定部により設定された流量もしくは流速の目標値となるようにモータの回転速度をフィードバック制御する。これにより、空調管理システムは、省エネルギ化を図ることが可能となる。なお、制御部は、例えば、適宜のプログラムを搭載したマイクロコンピュータ等からなる制御回路、モータを駆動する駆動回路等を備えた構成とすることができる。   The air conditioner includes, for example, a fan, a motor that rotates the fan, an operation switch, a control unit that controls the operation state of the fan by controlling the motor, a remote control signal from a remote controller, and the like. And a setting unit for setting the target value. In the air conditioner, when the operation switch is turned on, the control unit drives the motor to rotate the fan. The control unit feedback-controls the rotation speed of the motor so that the flow rate or the flow velocity set by the setting unit becomes a target value. Thus, the air conditioning management system can save energy. The control unit can be configured to include, for example, a control circuit composed of a microcomputer or the like on which an appropriate program is mounted, a drive circuit that drives a motor, and the like.

空調機は、送信部6からの無線信号を受信する受信部と、受信部で受信した無線信号に基づいて流体の流量もしくは流速が目標値となるようにファンの運転状態を制御する制御部と、を備える。これにより、空調管理システムは、低消費電力化及び小型化が可能な発電装置1を備えているので、空調管理システム全体の低消費電力化を図ることが可能となる。   The air conditioner includes a receiving unit that receives a radio signal from the transmitting unit 6, and a control unit that controls the operating state of the fan so that the flow rate or flow velocity of the fluid becomes a target value based on the radio signal received by the receiving unit. . Thereby, since the air-conditioning management system includes the power generation device 1 that can reduce power consumption and size, it is possible to reduce power consumption of the entire air-conditioning management system.

発電装置1は、上述の実施形態に限らない。例えば、発電装置1の第1変形例では、図6(a)及び6(b)に示す構成の発電素子3bを採用することができる。発電素子3bは、振動部32の第2領域321bにおける外周部の一部のみに表面積増大部325を備えている点が発電素子3と相違する。   The power generation device 1 is not limited to the above-described embodiment. For example, in the 1st modification of the electric power generating apparatus 1, the electric power generation element 3b of a structure shown to Fig.6 (a) and 6 (b) is employable. The power generation element 3 b is different from the power generation element 3 in that the surface area increasing portion 325 is provided only in a part of the outer peripheral portion in the second region 321 b of the vibration portion 32.

また、発電装置1の第2変形例では、図7(a)及び7(b)に示す構成の発電素子3cを採用することができる。発電素子3cは、振動部32の第2領域321bにおける外周部に、表面積増大部325を複数備えた構成とすることができる。   Moreover, in the 2nd modification of the electric power generating apparatus 1, the electric power generation element 3c of a structure shown to Fig.7 (a) and 7 (b) is employable. The power generating element 3c may be configured to include a plurality of surface area increasing portions 325 on the outer peripheral portion in the second region 321b of the vibrating portion 32.

また、発電装置1の第3変形例では、図8(a)及び8(b)に示す構成の発電素子3を採用することができる。発電素子3dは、振動部32の幅方向に直交する断面が三角形状の凸部からなる表面積増大部325を複数備えた構成とすることができる。表面積増大部325の断面は、三角形状に限らず、例えば、半球状でもよい。   Moreover, in the 3rd modification of the electric power generating apparatus 1, the electric power generation element 3 of a structure shown to Fig.8 (a) and 8 (b) is employable. The power generating element 3d may be configured to include a plurality of surface area increasing portions 325 each having a triangular cross section perpendicular to the width direction of the vibration portion 32. The cross section of the surface area increasing portion 325 is not limited to a triangular shape, and may be a hemispherical shape, for example.

また、発電装置1の第4変形例では、図9(a)及び9(b)に示す構成の発電素子3eを採用することができる。発電素子3eは、表面積増大部325が凹部により構成されている点が実施形態の発電素子3と相違するだけである。   Moreover, in the 4th modification of the electric power generating apparatus 1, the electric power generation element 3e of a structure shown to Fig.9 (a) and 9 (b) is employable. The power generating element 3e is different from the power generating element 3 of the embodiment only in that the surface area increasing portion 325 is configured by a concave portion.

また、発電装置1は、発電素子3が、凸部からなる表面積増大部325と、凹部からなる表面積増大部325と、を備えていてもよい。   In the power generation device 1, the power generation element 3 may include a surface area increasing portion 325 including a convex portion and a surface area increasing portion 325 including a concave portion.

上述の実施形態等において説明した各図は、模式的なものであり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際のものの寸法比を反映しているとは限らない。   Each figure explained in the above-mentioned embodiment etc. is typical, and the ratio of each size and thickness of each component does not necessarily reflect the actual size ratio.

以上、本願発明の構成を、実施形態等に基いて説明したが、本願発明は、実施形態の構成に限らず、例えば、実施形態等の部分的な構成を、適宜組み合わせてある構成であってもよい。また、実施形態に記載した材料、数値等は、好ましいものを例示しているだけであり、それに限定するものではない。更に、本願発明は、その技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、構成に適宜変更を加えることが可能である。   The configuration of the present invention has been described above based on the embodiment and the like. However, the present invention is not limited to the configuration of the embodiment, and for example, a configuration in which partial configurations such as the embodiment are appropriately combined. Also good. In addition, the materials, numerical values, and the like described in the embodiments are merely preferable examples, and are not limited thereto. Furthermore, the present invention can be appropriately modified in configuration without departing from the scope of its technical idea.

1 発電装置
2 ハウジング
3 発電素子
4 蓄電部
5 センサ部
6 送信部
21 入口
22 流路
23 出口
31 支持部
32 振動部
32a 第1端
32b 第2端
33 圧電変換部
35 隙間
321 表面
321a 第1領域
321b 第2領域
325 表面積増大部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power generation device 2 Housing 3 Power generation element 4 Power storage part 5 Sensor part 6 Transmission part 21 Inlet 22 Flow path 23 Outlet 31 Support part 32 Vibration part 32a 1st end 32b 2nd end 33 Piezoelectric conversion part 35 Gap 321 Surface 321a 1st area | region 321b 2nd area | region 325 Surface area increase part

Claims (4)

発電素子と、ハウジングと、を備え、
前記発電素子は、支持部と、振動部と、圧電変換部と、を備え、
前記振動部は、第1端と、第2端と、を備え、前記第1端が前記支持部に固定された固定端であり、前記第2端が自由端であり、流体のエネルギを受けて振動可能であり、
前記圧電変換部は、前記振動部の表面の一部に重ねて設けられ前記振動部の振動により交流電圧を発生するように構成され、
前記ハウジングは、流体の入口と、流体の出口と、前記入口と前記出口との間の流路と、前記入口から流入した流体を前記流路に配置されている前記発電素子に集める流体導入部と、を備え、
前記発電素子は、前記振動部の前記表面に、凸部もしくは凹部により構成されて前記振動部の表面積を増大させる表面積増大部を備える、
ことを特徴とする発電装置。
A power generation element and a housing,
The power generation element includes a support portion, a vibration portion, and a piezoelectric conversion portion,
The vibrating portion includes a first end and a second end, the first end is a fixed end fixed to the support portion, and the second end is a free end, and receives fluid energy. Can vibrate,
The piezoelectric conversion unit is configured to overlap with a part of the surface of the vibration unit and generate an alternating voltage by vibration of the vibration unit,
The housing includes a fluid inlet, a fluid outlet, a channel between the inlet and the outlet, and a fluid introduction unit that collects the fluid flowing in from the inlet in the power generation element disposed in the channel. And comprising
The power generating element includes a surface area increasing portion that is configured by a convex portion or a concave portion on the surface of the vibrating portion to increase the surface area of the vibrating portion.
A power generator characterized by that.
前記発電素子は、前記表面積増大部を複数備える、
ことを特徴とする請求項1記載の発電装置。
The power generating element includes a plurality of the surface area increasing portions.
The power generator according to claim 1.
前記発電素子は、前記支持部の形状が枠状であり、前記振動部の外側面の全体に亘って前記外側面と前記支持部の内側面との間に隙間があり、
前記表面積増大部は、前記振動部の前記表面のうち前記圧電変換部が設けられた第1領域よりも前記第2端側の第2領域における外周部に設けてある、
ことを特徴とする請求項1又は2記載の発電装置。
In the power generation element, the shape of the support portion is a frame shape, and there is a gap between the outer surface and the inner surface of the support portion over the entire outer surface of the vibration portion,
The surface area increasing portion is provided in an outer peripheral portion in the second region on the second end side of the first region where the piezoelectric conversion portion is provided in the surface of the vibration unit.
The power generator according to claim 1 or 2, characterized by the above.
前記発電素子で発生した電気エネルギを蓄電する蓄電部と、温度、湿度及び流速の群から選択される少なくとも1つの環境情報を検知するセンサ部と、前記センサ部で検知した環境情報を送信する送信部と、を備え、
前記蓄電部、前記センサ部及び前記送信部は、前記ハウジングに保持され、前記センサ部及び前記送信部が前記蓄電部を電源として動作するように構成されている、
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の発電装置。
A power storage unit that stores electrical energy generated by the power generation element, a sensor unit that detects at least one environmental information selected from the group of temperature, humidity, and flow velocity, and a transmission that transmits environmental information detected by the sensor unit And comprising
The power storage unit, the sensor unit, and the transmission unit are held in the housing, and the sensor unit and the transmission unit are configured to operate using the power storage unit as a power source.
The power generation device according to claim 1, wherein the power generation device is a power generation device.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017098304A (en) * 2015-11-18 2017-06-01 京セラ株式会社 Piezoelectric device, sensor apparatus, and power generation apparatus
CN114830201A (en) * 2020-01-27 2022-07-29 株式会社鹭宫制作所 Measurement system and diagnostic system

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