JP2017017939A - Oscillatory power generation device and wireless sensor terminal - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電デバイスに関する。また、この発明は、振動発電デバイスを用いて検出した振動に応じて無線送信を行う無線センサ端末に関する。 The present invention relates to a vibration power generation device that converts vibration energy into electric energy. The present invention also relates to a wireless sensor terminal that performs wireless transmission according to vibration detected using a vibration power generation device.
例えば特許文献１（特開平１０−６３３０１号公報）に開示されているように、モータ、発電機、タービンなどの回転機が稼働中に生じる種々の異常を検出するためには、振動センサ、温度センサ、圧力センサの各センサの検出値を監視し、それらの検出値のいずれかが所定の範囲を外れた場合には、回転機に異常が発生したと判断するようにする。 For example, as disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 10-63301), in order to detect various abnormalities occurring during operation of a rotating machine such as a motor, a generator, and a turbine, a vibration sensor, a temperature The detection value of each sensor of the sensor and the pressure sensor is monitored, and if any of these detection values is out of a predetermined range, it is determined that an abnormality has occurred in the rotating machine.
この場合に用いられる振動センサとして、近年、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電デバイスが注目されている。そして、この種の振動発電デバイスの例として、特許文献２（特開２０１１−９７６６１号公報）や特許文献３（特開２０１１‐２９２７４号公報）には、振動に応じた電圧を発生する圧電素子を用いた圧電振動発電機が開示されている。 In recent years, a vibration power generation device that converts vibration energy into electric energy has attracted attention as a vibration sensor used in this case. As examples of this type of vibration power generation device, Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-97661) and Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-29274) disclose a piezoelectric element that generates a voltage corresponding to vibration. A piezoelectric vibration generator using the above is disclosed.
特許文献２の圧電振動発電機は、中央に空洞が形成されている支持体（フレーム）の空洞内に、可動錘を、１対の弾性梁により支持体に対して振動可能に支持するようにした振動子を設けると共に、弾性梁の上に圧電薄膜を形成したもので、振動子の振動に応じた電圧が圧電薄膜を挟む２つの電極から得るようにしている。
In the piezoelectric vibration generator of
また、特許文献３には、可動錘が片持ち梁でフレームに支持された振動子を備える圧電振動発電機の例が開示されている。 Further, Patent Document 3 discloses an example of a piezoelectric vibration generator including a vibrator in which a movable weight is supported by a frame with a cantilever beam.
振動発電デバイスに設けられる振動子の振動は、一般に共振点（共振周波数）を有する。したがって、外部から振動発電デバイスに印加される振動加速度の周波数が、振動発電デバイスの振動子の共振周波数に近いほど、振動発電デバイスの振動子は、より大きな振幅で振動し、振動エネルギーを効率良くピックアップすることができる。そこで、振動発電デバイスの振動子の共振周波数を、検知対象の振動加速度の周波数に合致させ、かつ、共振鋭度Ｑを高くすることで、振動発電デバイスを高効率の振動センサとして利用することができる。 The vibration of the vibrator provided in the vibration power generation device generally has a resonance point (resonance frequency). Therefore, the closer the frequency of vibration acceleration applied to the vibration power generation device from the outside is to the resonance frequency of the vibration power generation device vibration, the more the vibration of the vibration power generation device vibrates with a larger amplitude and more efficiently Can be picked up. Accordingly, the vibration power generation device can be used as a highly efficient vibration sensor by matching the resonance frequency of the vibrator of the vibration power generation device with the frequency of vibration acceleration to be detected and increasing the resonance sharpness Q. it can.
しかしながら、圧電発電デバイスに設けられる振動子の共振鋭度Ｑを高くした場合には、当該振動子が振動する振動加速度の周波数帯域幅が狭くなり、発電デバイスとしては非効率となるという問題がある。 However, when the resonance sharpness Q of the vibrator provided in the piezoelectric power generation device is increased, there is a problem that the frequency bandwidth of vibration acceleration at which the vibrator vibrates becomes narrow, which makes the power generation device inefficient. .
また、例えば上述した回転機に発生する異常を検出するために振動発電デバイスを用いる場合には、軸受け部分が原因、クラッチ部が原因など、異常発生原因の違いにより検出対象となる振動加速度の周波数が異なる。また、軸受けに損傷が生じた等の一つの異常発生原因においても、一つの周波数の振動加速度に対する振動幅が大きくなるのではなく、複数の周波数の振動加速度に対する振動幅が大きくなるという事態も生じる。このように、検知対象の振動加速度の周波数が複数、存在する場合には、それらの複数の検出対象の振動加速度の周波数に応じて振動子の共振点を設定することが考えられるが、それら複数の振動子のそれぞれの共振鋭度Ｑを高くするように構成した場合には、同様に、振動子が振動する振動加速度の周波数帯域幅が狭くなり、発電デバイスとしては非効率となるという問題がある。 For example, when a vibration power generation device is used to detect an abnormality occurring in the rotating machine described above, the vibration acceleration frequency to be detected due to a difference in the cause of the abnormality such as a bearing portion or a clutch portion. Is different. In addition, even when one abnormality occurs such as damage to the bearing, the vibration width for vibration acceleration of one frequency does not increase, but the vibration width for vibration acceleration of a plurality of frequencies also increases. . As described above, when there are a plurality of vibration acceleration frequencies to be detected, it may be possible to set the resonance point of the vibrator according to the vibration acceleration frequencies of the plurality of detection objects. If the resonance sharpness Q of each of the vibrators is configured to be high, similarly, the frequency bandwidth of the vibration acceleration at which the vibrator vibrates becomes narrow, resulting in inefficiency as a power generation device. is there.
この発明は、以上の問題点に鑑み、検出対象の周波数の振動加速度を効率良くセンシングすることができると共に、効率の良い発電をすることを可能することができるようにした振動発電デバイスを提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention provides a vibration power generation device capable of efficiently sensing vibration acceleration at a frequency to be detected and capable of performing efficient power generation. For the purpose.
また、この発明は、当該振動発電デバイスを用いることで、検出対象の周波数の振動加速度を効率良くセンシングして、異常を検出したときには、迅速に通知することができる無線センサ端末を提供することを目的とする。 In addition, the present invention provides a wireless sensor terminal capable of efficiently sensing vibration acceleration of a frequency to be detected by using the vibration power generation device and quickly notifying when an abnormality is detected. Objective.
上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、
所定の高さを有する壁部で囲まれる空間を有するフレーム部と、
前記空間内において前記壁部の高さ方向に振動するように前記フレーム部に支持されている複数の振動子と、
前記複数の振動子のそれぞれに形成されており、振動に応じた電圧を発生する複数の発電部と、
を備え、
前記複数の振動子のそれぞれは、錘部と、前記錘部を前記フレーム部に、前記空間内において前記壁部の高さ方向に振動可能に支持する支持梁部とからなると共に、共振周波数が互いに異なるように構成されており、
前記複数の振動子は、前記錘部において柔軟性を有する連結子で連結されているものを含み、
前記複数の発電部のそれぞれは、下部電極と圧電薄膜と上部電極とからなり、
前記複数の発電部で前記下部電極と前記上部電極との間に得られる前記振動に応じた電圧の合成電圧を出力電圧として出力する
ことを特徴とする振動発電デバイスを提供する。
In order to solve the above problems, the invention of
A frame portion having a space surrounded by a wall portion having a predetermined height;
A plurality of vibrators supported by the frame portion so as to vibrate in the height direction of the wall portion in the space;
A plurality of power generation units that are formed in each of the plurality of vibrators and generate a voltage corresponding to the vibrations;
With
Each of the plurality of vibrators includes a weight part and a support beam part that supports the weight part on the frame part so as to vibrate in the height direction of the wall part in the space, and has a resonance frequency. Configured to be different from each other,
The plurality of vibrators include those connected by a flexible connector in the weight portion,
Each of the plurality of power generation units includes a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode,
Provided is a vibration power generation device that outputs, as an output voltage, a composite voltage of the voltage corresponding to the vibration obtained between the lower electrode and the upper electrode in the plurality of power generation units.
また、請求項５の発明は、
振動発電デバイスと、
前記振動発電デバイスでの発電電圧を蓄電するためのキャパシタと、
前記キャパシタの蓄電電圧を検出する検出回路と、
前記検出回路の検出結果に応じて無線送信回路からの信号送信を制御する制御回路と、
を備え、
前記振動発電デバイスは、
所定の高さを有する壁部で囲まれる空間を有するフレーム部と、
前記空間内において前記壁部の高さ方向に振動するように前記フレーム部に支持されている複数の振動子と、
前記複数の振動子のそれぞれに形成されており、振動に応じた電圧を発生する複数の発電部と、
を備え、
前記複数の振動子のそれぞれは、錘部と、前記錘部を前記フレーム部に、前記空間内において前記壁部の高さ方向に振動可能に支持する支持梁部とからなると共に、共振周波数が互いに異なるように構成されており、
前記複数の振動子は、前記錘部において柔軟性を有する連結子で連結されているものを含み、
前記複数の発電部のそれぞれは、下部電極と圧電薄膜と上部電極とからなり、
前記複数の発電部で前記下部電極と前記上部電極との間に得られる前記振動に応じた電圧の合成電圧を前記発電電圧として出力する
ことを特徴とする無線センサ端末を提供する。
The invention of claim 5
A vibration power generation device;
A capacitor for storing the generated voltage in the vibration power generation device;
A detection circuit for detecting a storage voltage of the capacitor;
A control circuit for controlling signal transmission from the wireless transmission circuit according to the detection result of the detection circuit;
With
The vibration power generation device includes:
A frame portion having a space surrounded by a wall portion having a predetermined height;
A plurality of vibrators supported by the frame portion so as to vibrate in the height direction of the wall portion in the space;
A plurality of power generation units that are formed in each of the plurality of vibrators and generate a voltage corresponding to the vibrations;
With
Each of the plurality of vibrators includes a weight part and a support beam part that supports the weight part on the frame part so as to vibrate in the height direction of the wall part in the space, and has a resonance frequency. Configured to be different from each other,
The plurality of vibrators include those connected by a flexible connector in the weight portion,
Each of the plurality of power generation units includes a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode,
Provided is a wireless sensor terminal characterized in that a combined voltage of the voltage corresponding to the vibration obtained between the lower electrode and the upper electrode is output as the generated voltage by the plurality of power generation units.
上述の構成の請求項１の発明による振動発電デバイス及び請求項５の発明における振動発電デバイスは、複数の振動子を備えるが、振動子の錘部が連結子で連結されている複数の振動子を含む。この構成により、振動子のそれぞれは、振動加速度に対する共振周波数を有するが、連結子で連結されている振動子は、他の振動子の振動に応じても振動するので、共振鋭度が高い場合よりも、より広い範囲の振動周波数でも振動を行う。 The vibration power generation device according to the first aspect of the present invention and the vibration power generation device according to the fifth aspect of the present invention include a plurality of vibrators, and a plurality of vibrators in which weight portions of the vibrators are connected by a connector. including. With this configuration, each of the vibrators has a resonance frequency with respect to vibration acceleration, but the vibrators connected by the connector vibrate in response to vibrations of other vibrators, so that the resonance sharpness is high. In addition, vibration is performed even in a wider range of vibration frequencies.
したがって、この発明による振動発電デバイスの振動子は、印加される振動加速度の周波数が、共振周波数のときには、感度良く振動すると共に、共振周波数以外でも効率良く振動するようになるので、発電デバイスとして高効率の発電が可能となる。 Therefore, the vibrator of the vibration power generation device according to the present invention vibrates with high sensitivity when the frequency of the applied vibration acceleration is the resonance frequency and efficiently vibrates at other frequencies than the resonance frequency. Efficient power generation is possible.
また、請求項５の発明の無線センサ端末は、上述のような特徴を備える振動発電デバイスで発電された電圧が閾値を超えたときに、無線信号を送出するようになる。このため、異常が発生していないときには、所定の周期で無線信号が送出される。そして、異常が発生したときには、前記所定の周期よりも短い周期で無線信号が送出されることになるので、無線センサ端末からの信号を受ける監視装置側では、無線信号の周囲を監視することで異常を検知することができる。 The wireless sensor terminal of the invention of claim 5 transmits a wireless signal when the voltage generated by the vibration power generation device having the above-described characteristics exceeds a threshold value. For this reason, when no abnormality has occurred, a radio signal is transmitted at a predetermined cycle. When an abnormality occurs, a wireless signal is transmitted with a period shorter than the predetermined period. Therefore, the monitoring device that receives the signal from the wireless sensor terminal monitors the surroundings of the wireless signal. Abnormality can be detected.
そして、この発明においては、振動発電デバイスが、請求項１のような構成を備え、上述のように、効率良く発電されるので、適格かつ迅速に異常を報知することができるという効果がある。
And in this invention, since a vibration electric power generation device is equipped with the structure like
この発明によれば、検出対象の周波数の振動を効率良くセンシングすることができると共に、発電デバイスとしても効率の良い発電をすることを可能することができるようにした振動発電デバイスを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a vibration power generation device capable of efficiently sensing vibration of a frequency to be detected and capable of generating power efficiently as a power generation device. it can.
また、当該振動発電デバイスを用いることで、検出対象の周波数の振動を効率良くセンシングして、異常を検出したときには、適格かつ迅速に通知することができる無線センサ端末を提供することができる。 In addition, by using the vibration power generation device, it is possible to provide a wireless sensor terminal that can efficiently and quickly detect vibration of a frequency to be detected and can be notified appropriately and quickly when an abnormality is detected.
以下、この発明による振動発電デバイス及び無線センサ端末の実施形態を、図を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of a vibration power generation device and a wireless sensor terminal according to the present invention will be described with reference to the drawings.
［振動発電デバイスの実施形態］
図１は、この実施形態の振動発電デバイス１０の構成例を示す図であり、図１（Ａ）は、振動子の振動方向の上方から見た構成の説明図、図１（Ｂ）は、振動子の振動方向に対して直交する方向から見た構成の説明図である。なお、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）におけるＢ−Ｂ断面図、また、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ断面図となっている。以下に説明する実施形態の振動発電デバイス１０は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）の構成とされている。なお、この発明の振動発電デバイスは、特にＭＥＭＳの構成に限定されるものではない。
[Embodiment of vibration power generation device]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a vibration
この実施形態の振動発電デバイス１０は、全体として略直方体形状に形成されているフレーム部１１を備える。フレーム部１１は、所定の高さを有する側壁部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ及び上壁部１１Ｅ、下壁部１１Ｆで囲まれる空間１２を有する形状とされている。
The vibration
このフレーム部１１の空間１２内には、複数個の振動子、この例では、片持ち梁の構成の２個の振動子１３，１４が連結子１５で連結された状態で設けられている。振動子１３，１４には、発電部１６，１７が形成されている。
In the
振動子１３、１４のそれぞれは、空間１２内に位置する錘部１３１，１４１と、これら錘部１３１，１４１をフレーム部の側壁部１１Ａ，１１Ｃを基部（振動の支点）として片持ち梁の構成で支持する支持梁部１３２，１４２とからなる。振動子１３，１４は、片持ち梁の構成により、空間１２内において錘部１３１，１４１側が、側壁部１１Ａ〜１１Ｄの高さ方向に振動することができる。
Each of the
なお、この例においては、支持梁部１３２，１４２の厚さは、１０〜５０μとされ、錘部１３１、１４１の振動方向の長さ（厚さ）は、約７００μとされている。また、フレーム部１１の側壁部１１Ａから側壁部１１Ｃ間の長さは、例えば４００μとされている。
In this example, the thickness of the
図１の例では、振動子１３は、基部を側壁部１１Ａとし、振動子１４は、基部を側壁部１１Ａと対向する側壁部１１Ｃとしたが、必ずしも、このように、振動子１３と振動子１４とで基部を異なる壁部とする必要はなく、同じ一つの側壁部を基部として、複数の振動子を形成するようにしても勿論よい。
In the example of FIG. 1, the
この実施形態の振動発電デバイス１０においては、フレーム部１１と、振動子１３，１４とは、基板から、例えばエッチングにより形成される。基板の例としては、単結晶のシリコン基板、多結晶のシリコン基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、セラミック基板、金属基板、ガラス基板、ポリマー基板等を用いることができる。この例では、基板としてＳＯＩ基板を用いており、図１（Ｂ）のフレーム部１１において、１１１は、それぞれ酸化膜を示しており、その他の部分はシリコンである。
In the vibration
この場合に、振動子１３と振動子１４とでは、振動角速度についての共振周波数が互いに異なるように、錘部１３１，１４１の体積、支持梁部１３２，１４２の長さや幅や厚さが、それぞれ選定されて構成されている。
In this case, in the
そして、振動子１３と振動子１４とは、この例では、錘部１３１と錘部１４１の部分において、柔軟性を有する連結子１５で連結されている。連結子１５は、柔軟性を有する形状であればどのような形状であってもよく、図１（Ｂ）のように階段状に形成されるほか、ジグザグ状、Ｓ字状など、種々の形状を用いることができる。ここで、柔軟性を有する形状とは、振動子１３と振動子１４とが連結により一体的に振動するような剛性を有せず、振動子１３及び振動子１４のそれぞれが共振周波数で所定値以上の共振鋭度Ｑを維持しながら連結されるような形状を意味している。
And the vibrator |
また、この例では、図１（Ｂ）に示すように、連結子１５は、錘部１３１，１４１の、振動方向に直交する方向の先端部を連結するように構成されている。しかし、錘部１３１、１４１の振動方向に直交する方向の中間部位置において、連結子１５により連結するように構成してもよい。
In this example, as shown in FIG. 1B, the
また、連結子１５は、この例では、錘部１３１，１４１の、振動子１３，１４の振動方向の長さの全体に亘って錘部１３１，１４１と連結されている。しかし、そのようにすることは必須ではなく、連結子１５は、錘部１３１，１４１の、振動子１３，１４の振動方向の長さの一部において錘部１３１と錘部１４１とを連結するように構成してもよい。
In this example, the
そして、この実施形態の振動発電デバイス１０においては、発電部１６及び１７は、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、振動子１３及び１４の支持梁部１３２及び１４２の、振動子１３、１４の振動方向に直交する方向の上面に形成されている。この例では、発電部１６及び１７は、支持梁部１３２及び１４２よりも錘部１３１及び１４１側や、支持梁部１３２及び１４２が張り出す側壁部１１Ａ，１１Ｃ側にも延長して設けられているが、発電部１６及び１７は、主として振動をする支持梁部１３２及び１４２の上面に形成されていればよい。
In the vibration
［発電部１６及び１７の構成例］
発電部１６及び１７は、この実施形態では、圧電素子を用いた構成とされている。発電部１６及び１７は、同一の構成を有するので、図２に、発電部１６の構成例を示し、発電部１７の構成例の説明は省略する。
[Configuration Example of
In this embodiment, the
発電部１６は、図２に示すように、圧電薄膜１６１が下部電極層１６２と上部電極層１６３との間に挟まれた構成とされている。そして、下部電極層１６２に設けられた電極パッド１６２ａと、上部電極層１６３に設けられた電極パッド１６３ａとが、発電部１６からの出力電圧の出力端子とされる。図１（Ａ）に示すように、発電部１７は発電部１６と同様に構成され、出力端子とされる電極パッド１７２ａ及び１７３ａが形成されている。
As shown in FIG. 2, the
そして、図示は省略するが、電極パッド１６２ａと１７２ａが導線により接続されると共に、電極パッド１６３ａと１７３ａとが導線で接続されている。そして、この実施形態の振動発電デバイス１０においては、電極パッド１６２ａ及び１６３ａ、あるいは電極パッド１７２ａ及び１７３ａのいずれかから、発電部１６と発電部１７で発生した電圧の合成電圧を出力電圧として出力するように構成されている。
And although illustration is abbreviate | omitted,
圧電薄膜１６１は、この例ではＡｌＮ（窒化アルミニウム）薄膜で構成されている。しかし、圧電薄膜１６１は、ＡｌＮ薄膜に限らず、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）薄膜や、その他の圧電材料で構成してもよい。
In this example, the piezoelectric
下部電極層１６２は、この例では、Ｐｔ（プラチナ）膜が用いられているが、これに限らず、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｒ（インジウム）等でもよい。また、上部電極層１６３は、この例では、Ａｕ（金）が用いられているが、これに限らず、Ｍｏ（モリブデン）、Ｐｔ（プラチナ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｒ（インジウム）等でもよい。
In this example, the
［２つの安定状態について］
この実施形態の振動発電デバイス１０においては、振動子１３及び１４は、より大きな振幅で振動を生じ易くなるように構成されている。すなわち、振動子１３及び１４の自由振動する側の端部に第１の磁化部が形成されていると共に、フレーム部１１の振動子１３及び１４の自由振動する側の端部と対向する側壁部１１Ｃ及び１１Ａの面には、第２の磁化部が形成されている。
[About two stable states]
In the vibration
例えば振動子１３の場合を例に取って説明すると、図３に示すように、この例では片持ち梁であるので、振動子１３において自由振動する側の端部である錘部１３１の上部の支持梁部１３２の延長部のシリコンの部分には、第１の磁化部１８１が、磁化の方向が振動方向とは直交する方向であって、予め定められた一方の磁極、図３の例ではＮ極が、先端側となるように形成されている。この第１の磁化部１８１は、スパッタリングにより形成される。なお、図３では、説明の簡単のために、振動子１３上に形成されている発電部１６は省略した。
For example, the case of the
一方、この振動子１３に形成された第１の磁化部１８１が対向する側壁部１１Ｃの部分には、第２の磁化部１８２が、スパッタリングにより、磁化の方向が振動子１３の振動方向とは直交する方向であって、振動子１３の先端の第１の磁化部１８１と対向する側の磁極が第１の磁化部１８１の先端側の磁極Ｎと同一となるように形成されている。
On the other hand, in the portion of the
このように、振動子１３に形成されている第１の磁化部１８１と、この第１の磁化部１８１と対向する側壁部１１Ｃに形成されている第２の磁化部１８２とでは、同一のＮ極が対向するので、第１の磁化部１８１と第２の磁化部１８２との間には、互いに排斥し合うような力が働く。このため、振動子１３は、図３において、点線１３Ｕに示す上方に偏倚した状態位置と、点線１３Ｄで示す下方に偏倚する状態位置との２つの安定状態位置を有し、振動の停止位置が不定となる。
As described above, the first magnetizing
振動子１４についても、自由振動する側の端部に、振動子１３の第１の磁化部１８１と同様の第１の磁化部が形成されていると共に、その振動子１４に形成された第１の磁化部と対向する側壁部１１Ａの部分には、側壁部１１Ｃに形成されている第２の磁化部１８２と同様の第２の磁化部が形成されている。したがって、振動子１４も、振動子１３と同様に、２つの安定状態位置を有し、振動の停止位置が不定となる。
Also for the
このため、振動子１３及び振動子１４は、第１の磁化部１８１及び第２の磁化部１８２等が存在しない場合に比べて、初期偏倚分のために、より大きな振幅で振動を行うようになり、振動発電デバイス１０は、対象の外部の振動を、より高効率で検出することができるようになる。
For this reason, the
なお、振動子１３，１４に形成される第１の磁化部は、錘部１３１、１４１の上端のみならず、錘部１３１，１４１の、側壁部１１Ｃ，１１Ａとの対向面の全体に亘って形成してもよい。
The first magnetized portions formed in the
［振動子１３、１４の振動の抑制］
この実施形態の振動発電デバイス１０においては、大きな振動によって、振動子１３，１４が基部の部分で破壊されてしまうのを防止するための抑制部が設けられている。すなわち、この実施形態の振動発電デバイス１０においては、振動子１３及び振動子１４の振動方向の上部には、フレーム部１１の一部である上壁部１１Ｅが形成されている。図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この上壁部１１Ｅは、少なくとも振動子１３及び振動子１４の錘部１３１及び錘部１４１の上部に形成されており、振動子１３及び振動子１４の基部側には、この例では、設けられていない。
[Suppression of vibration of
In the vibration
そして、上壁部１１Ｅは、振動子１３，１４が比較的大きな振動をしたときに、振動子の先端部が衝突するような位置に設けられている。したがって、上壁部１１Ｅは、振動のストッパ部（抑制部）の役割をする。これにより、振動子１３，１４は、異常な大きい振動幅での振動が抑制され、基部での破壊を防止することができる。
The
この場合に、振動子１３，１４は、上壁部１１Ｅとの衝突のために振動エネルギーが少なくなるが、その代わりに、振動子１３，１４の振動周波数の広帯域化が図れるというメリットがある。この振動子１３，１４の振動周波数の広帯域化について、図４を参照しながら、さらに説明する。
In this case, the
例えば、図４（Ａ）に示すように、振動子１３の錘部１３１の上方に設けられる上壁部１１Ｅの振動方向の高さ位置を、錘部１３１の上面との離間距離が大きいもの順に、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３とする。すると、各高さ位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３のときの、振動子１３の上面に設けられている発電部１６の出力電圧を検出すると、図４（Ｂ）に示すようになる。すなわち、上壁部１１Ｅの振動方向の高さ位置が、錘部１３１の上面との離間距離が小さくなるほど、振動子１３，１４の振動周波数は、広帯域化することが分かる。
For example, as shown in FIG. 4A, the height position in the vibration direction of the
この実施形態の振動発電デバイス１０においては、振動子１３，１４のそれぞれがセンシングして検出する振動加速度の周波数に対する共振鋭度Ｑの尖鋭度を、ある程度維持しながら、より広帯域化をはかることができるように、錘部１３１の上面と上壁部１１Ｅとの離間距離を選定するようにする。
In the vibration
なお、上述の実施形態では、振動子１３，１４の振動の上方において上壁部１１Ｅをストッパ（抑制部）として構成するようにしたが、振動の下方側の下壁部１１Ｆを、ストッパ（抑止部）として構成するようにしてもよい。また、上壁部１１Ｅと下壁部１１Ｆの両方を、ストッパ（抑止部）とするように構成してもよい。
In the above-described embodiment, the
［実施形態の振動発電デバイス１０の効果］
上述のように、この実施形態の振動発電デバイス１０は、振動子１３と振動子１４とが柔軟性を有する連結子１５で連結されているので、振動子１３，１４のそれぞれがセンシングして検出する振動加速度の周波数に対する共振鋭度Ｑの尖鋭度を、維持しながら、それぞれの共振周波数の間の振動周波数でも所定の振幅で振動するようになる。
[Effect of vibration
As described above, in the vibration
すなわち、振動子１３の共振周波数がｆ１、振動子１４の共振周波数がｆ２としたとき、振動子１３と振動子１４とが連結子１５で連結されていないときには、その振動発電デバイスの出力電圧の周波数特性は、図５の特性曲線１９１に示すようになる。したがって、その振動発電デバイスは、振動子１３の共振周波数ｆ１及び振動子１４の共振周波数ｆ２の近傍の振動周波数でのみ発電を行うようなものとなる。
That is, when the resonance frequency of the
これに対して連結子１５で振動子１３と振動子１４とが連結されているこの実施形態の振動発電デバイス１０の出力電圧の周波数特性は、図５の特性曲線１９２に示すようになる。すなわち、振動発電デバイス１０は、共振周波数ｆ１と共振周波数ｆ２との近傍の周波数の振動加速度のみならず、共振周波数ｆ１と共振周波数ｆ２との間の周波数帯の振動加速度においても振動して、発電を行うようなものとなる。
On the other hand, the frequency characteristic of the output voltage of the vibration
したがって、この実施形態の振動発電デバイス１０においては、振動子１３，１４のそれぞれの共振周波数における共振鋭度Ｑの尖鋭度を維持しながら、それぞれの共振周波数の間の周波数の振動加速度に対しても振動するようになり、振動発電のためのエネルギーを効率良くピックアップすることができるようになる。
Therefore, in the vibration
また、この実施形態の振動発電デバイス１０においては、振動子１３及び振動子１４の振動の自由端側に第１の磁化部が形成されていると共に、当該振動子１３及び振動子１４の振動の自由端側の第１の磁化部と対向するフレーム部の壁面に、第２の磁化部が、第１の磁化部との間で互い対向する磁極が同じとなるように形成されているので、振動子１３，１４の振動の初期振幅を大きくすることができ、これにより、振動子１３，１４の振動の振幅自体も大きくすることができ、この点でも振動発電エネルギーを効率良くピックアップすることができる。
Further, in the vibration
さらに、この実施形態の振動発電デバイス１０においては、上壁部１１Ｅが、振動子１３，１４の振動の振幅を抑制する抑制部として設けられているので、出力電圧を得る周波数帯域を、より広帯域にすることができ、この点でも振動発電エネルギーを効率良くピックアップすることができる。
Furthermore, in the vibration
［無線センサ端末の実施形態］
次に、上述した実施形態の振動発電デバイス１０を用いた無線センサ端末の実施形態について説明する。以下に説明する実施形態の無線センサ端末は、例えばモータなどの回転機に取り付けられて、軸受部に損傷が生じた場合の異常振動などを検出して、外部にその異常を無線信号により報知するものである。図６に、この実施形態の無線センサ端末２０の構成例の回路図を示す。
[Embodiment of wireless sensor terminal]
Next, an embodiment of a wireless sensor terminal using the vibration
この実施形態の無線センサ端末２においては、図６に示すように、上述した２個の振動子１３，１４上に形成されている２個の発電部１６，１７を備える振動発電デバイス１０の電圧出力端子１０ａ，１０ｂが整流回路２１に接続される。図６に示すように、振動発電デバイス１０の電圧出力端子１０ａは、発電部１６の電極パッド１６２ａに接続されると共に、発電部１７の電極パッド１７２ａに接続されている。また、振動発電デバイス１０の電圧出力端子１０ｂは、発電部１６の電極パッド１６３ａに接続されると共に、発電部１７の電極パッド１７３ａに接続されている。したがって、振動発電デバイス１０の電圧出力端子１０ａ及び１０ｂの間には、連結子１５で連結されている振動子１３，１４の振動に応じた出力電圧（交流電圧）が得られる。
In the
整流回路２１は、振動発電デバイス１０の出力電圧に応じた交流電流を整流し、キャパシタ２２に蓄電する。このキャパシタ２２の蓄電電圧は、電圧検出回路２３に供給されている。電圧検出回路２３は、キャパシタ２２の蓄電電圧を監視し、予め定められている閾値電圧を、キャパシタ２２の蓄電電圧が超えたときに、スイッチ回路２３ＳＷをオンとして、送信回路２４を駆動させるようにする。
The
送信回路２４は、送信アンテナを含み、スイッチ回路２３ＳＷがオンとされているときに、キャパシタ２２の蓄電電圧を電源電圧として動作して、無線信号を送信する。この送信回路２４において、無線送信が実行されるとキャパシタ２２の蓄電電圧は全て消費される。すると、電圧検出回路２３のスイッチ回路２３ＳＷは、キャパシタ２２の蓄電電圧の消失に基づいてオフとなる。これにより、無線センサ端末２０では、送信回路２４からの送信が停止し、振動発電デバイス１０の出力電圧に応じた交流電流を整流回路２１で整流してキャパシタ２２に蓄電する動作に戻る。無線センサ端末２０は、以上の動作を繰り返す。
The
図７は、軸受けにベアリングが用いられている回転機における振動周波数成分の変化を示すものである。図７において、変化曲線２０１は、回転機の軸受のベアリングの外輪に圧痕がある場合の回転機の振動周波数成分の変化を示すものであり、変化曲線２０２は、そのような不具合がない正常なベアリングの場合の回転機の振動周波数成分の変化を示すものである。
FIG. 7 shows changes in vibration frequency components in a rotating machine in which a bearing is used as a bearing. In FIG. 7, a
この図７から分かるように、軸受けのベアリングが正常なものである場合には、その回転機から発生する振動加速度は、比較的小レベルのものとなる。このため、振動発電デバイス１０から発生する出力電圧は低いものとなり、無線センサ端末２０からは、ほぼ一定の長周期で無線送信がなされる、あるいは殆ど無線送信はなされない。
As can be seen from FIG. 7, when the bearing of the bearing is normal, the vibration acceleration generated from the rotating machine is at a relatively small level. For this reason, the output voltage generated from the vibration
一方、回転機の軸受のベアリングの外輪に圧痕がある場合には、回転機から発生する振動加速度は、いくつかの振動周波数にピークを持つ、非常に大レベルのものとなる。このため、振動発電デバイス１０から発生する出力電圧が高くなり、無線センサ端末２０は、正常時の長周期よりも短い周期で、頻繁に無線送信が行うようになる。
On the other hand, when there is an impression on the outer ring of the bearing of the rotating machine, the vibration acceleration generated from the rotating machine becomes a very large level with peaks at several vibration frequencies. For this reason, the output voltage generated from the vibration
以上のことから、無線センサ端末２０からの無線送信信号の受信側においては、無線送信信号の周期を監視することで、回転機に異常が生じたことを容易に検知することができる。
From the above, the reception side of the wireless transmission signal from the
この場合に、振動発電デバイス１０の振動子１３、１４の共振周波数ｆ１、ｆ２は、図７における異常時に大レベルとなる振動加速度の周波数の近傍に選定することが一般に考えられる。しかし、この実施形態の振動発電デバイス１０においては、振動子１３及び１４は、連結子１５で連結されていて、共振周波数でない周波数帯の振動加速度においても振動するので、精細な共振周波数の設定は不要である。例えば、共振周波数ｆ１は、６０００Ｈｚ〜７０００Ｈｚの周波数とし、共振周波数ｆ２は８０００〜９０００Ｈｚの周波数としておけば、軸受のベアリングに異常が発生した場合の振動加速度の周波数成分を効率良くピックアップすることができる。
In this case, it is generally considered that the resonance frequencies f1 and f2 of the
［振動発電デバイスのその他の実施形態または変形例］
上述の実施形態の振動発電デバイス１０は振動子が２個の場合であったが、３個以上の振動子を備えるようにしても勿論よい。図８は、４個の振動子３１，３２，３３，３４を備える振動発電デバイス３０の例である。４個の振動子３１，３２，３３，３４は、それぞれ錘部３１１，３２１，３３１，３４１と、支持梁部３１２，３２２，３３２，３４２とを備える。そして、振動子３１，３２，３３，３４の支持梁部３１２，３２２，３３２，３４２のそれぞれに、発電部４１，４２，４３，４４が形成されている。
[Other Embodiments or Modifications of Vibration Power Generation Device]
Although the vibration
そして、図８の例では、振動子３１と３２とが、柔軟性を有する連結子３５により互いの錘部３１１，３２１との間が連結されている。また、振動子３２と３３とが、柔軟性を有する連結子３６により互いの錘部３２１，３３１との間が連結されている。さらに、振動子３３と３４とが、柔軟性を有する連結子３７により互いの錘部３３１，３４１との間が連結されている。
In the example of FIG. 8, the
この例の振動発電デバイス３０においては、振動子３１，３２，３３，３４のそれぞれは、フレーム部５０の側壁部５１Ａ側を基部として、当該側壁部５１Ａから張り出すように形成されている。そして、上述の実施形態の振動子１３，１４と同様に、錘部３１１，３２１，３３１，３４１の先端部には、図示のような第１の磁化部が形成されていると共に、これら錘部３１１，３２１，３３１，３４１の先端部が対向するフレーム部５０の側壁部５１Ｃには、第２の磁化部が形成されている。また、図８では、図示を省略するが、錘部３１１，３２１，３３１，３４１の振動方向の上部には、抑制部を構成する上壁部が形成されている。
In the vibration
この図８の実施形態の振動発電デバイス３０においては、振動子３１，３２，３３，３４の共振周波数ｆａ，ｆｂ，ｆｃ，ｆｄは、互いに異なるようにされると共に、順次に低く（あるいは高く）なるように構成されている。図８の例では、ｆａ＜ｆｂ＜ｆｃ＜ｆｄとされている。
In the vibration
したがって、この例の振動発電デバイス３０の出力電圧の周波数特性は、それぞれの共振周波数ｆａ，ｆｂ，ｆｃ，ｆｄでピーク値を備えると共に、周波数ｆａと周波数ｆｂとの間の周波数、周波数ｆｂと周波数ｆｃとの間の周波数、及び周波数ｆｃと周波数ｆｄとの間の周波数の振動加速度に対しても所定の電圧出力を呈するようなものとなる。
Therefore, the frequency characteristic of the output voltage of the vibration
なお、図８の例では、４個の振動子３１〜３４の全てを連結子で互いに連結するようにしたが、例えば振動子３１と３２を連結すると共に、振動子３３と３４とを連結するが、振動子３２と３３とは連結しない構成であってもよい。
In the example of FIG. 8, all of the four
また、振動子３１，３２，３３，３４のそれぞれは、全て、フレーム部５０の一方の側壁部５１Ａ側を基部として、当該側壁部５１Ａから張り出すように形成したが、振動子３１と振動子３３は、側壁部５１Ａ側を基部として、当該側壁部５１Ａから張り出すように形成し、振動子３２と振動子３４は、側壁部５１Ｃ側を基部として、当該側壁部５１Ｃから張り出すように形成してもよい。
In addition, each of the
また、振動子３１，３２，３３，３４は、共振周波数が徐々に変化するように構成したが、そのように配設する必要はなく、振動子３１〜３４を任意の順序で配設するようにしてもよい。例えば、振動子３１の隣に振動子３３を設け、振動子３３の隣に振動子３２を設けるようにしてもよい。そして、その場合に、図８の例と同様に、全ての振動子３１〜３４の錘部３１１〜３４１同士を連結するようにしてもよいし、例えば振動子３１と３３を連結すると共に、振動子３２と３４とを連結するが、振動子３２と３３とは連結しない構成であってもよい。
The
［その他の変形例］
上述の実施形態では、複数の振動子は、フレーム部の側壁部において同じ高さ位置に配設するようにしたが、同じ高さ位置に設けることは必須ではなく、異なる高さ位置に配設するようにしてもよい。その場合に、複数の振動子の幾つかは同じ高さ位置に設け、他の振動子は、異なる高さ位置に設けるようにしてもよい。
[Other variations]
In the above-described embodiment, the plurality of vibrators are arranged at the same height position on the side wall portion of the frame portion. However, it is not essential to provide them at the same height position, and the vibrators are arranged at different height positions. You may make it do. In that case, some of the plurality of vibrators may be provided at the same height position, and the other vibrators may be provided at different height positions.
また、上述の実施形態では、振動子は、片持ち梁の構成としたが、片持ち梁の構成に限らないことは言うまでもない。また、振動発電デバイスのフレーム部は、直方体形状に限らないことも言うまでもない。 In the above-described embodiment, the vibrator has a cantilever structure, but it goes without saying that the vibrator is not limited to the cantilever structure. Needless to say, the frame portion of the vibration power generation device is not limited to a rectangular parallelepiped shape.
１０、３０…振動発電デバイス、１１，５０…フレーム部、１１Ａ〜１１Ｄ，５０Ａ，５０Ｃ…壁部、１３１，１４１，３１１，３２１，３３１，３４１…錘部、１３２，１４２，３１２，３２２，３３２，３４２…支持梁部、１６，１７，４１，４２，４３，４４…発電部、１６１…圧電薄膜、１６２…下部電極、１６３…上部電極、１８１…第１の磁化部、１８２…第２の磁化部、１１Ｅ…上壁部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記空間内において前記壁部の高さ方向に振動するように前記フレーム部に支持されている複数の振動子と、
前記複数の振動子のそれぞれに形成されており、振動に応じた電圧を発生する複数の発電部と、
を備え、
前記複数の振動子のそれぞれは、錘部と、前記錘部を前記フレーム部に、前記空間内において前記壁部の高さ方向に振動可能に支持する支持梁部とからなると共に、共振周波数が互いに異なるように構成されており、
前記複数の振動子は、前記錘部において柔軟性を有する連結子で連結されているものを含み、
前記複数の発電部のそれぞれは、下部電極と圧電薄膜と上部電極とからなり、
前記複数の発電部で前記下部電極と前記上部電極との間に得られる前記振動に応じた電圧の合成電圧を出力電圧として出力する
ことを特徴とする振動発電デバイス。 A frame portion having a space surrounded by a wall portion having a predetermined height;
A plurality of vibrators supported by the frame portion so as to vibrate in the height direction of the wall portion in the space;
A plurality of power generation units that are formed in each of the plurality of vibrators and generate a voltage corresponding to the vibrations;
With
Each of the plurality of vibrators includes a weight part and a support beam part that supports the weight part on the frame part so as to vibrate in the height direction of the wall part in the space, and has a resonance frequency. Configured to be different from each other,
The plurality of vibrators include those connected by a flexible connector in the weight portion,
Each of the plurality of power generation units includes a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode,
A vibration power generation device characterized in that a combined voltage of the voltage corresponding to the vibration obtained between the lower electrode and the upper electrode in the plurality of power generation units is output as an output voltage.
ことを特徴とする請求項１に記載の振動発電デバイス。 2. The vibration power generation device according to claim 1, wherein the frame part, the support beam part of the plurality of vibrators, the weight part, and the connector are integrally formed.
前記フレーム部の前記複数の振動子の前記自由振動する側の端部に対向する壁面には、磁化の方向が前記振動子の振動方向とは直交する方向であって、前記振動子の先端と対向する側の磁極が前記振動子の先端の磁極と同一となるようにされた第２の磁化部が形成されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動発電デバイス。 At the end of the plurality of vibrators on the free vibration side, the first magnetization is such that the direction of magnetization is perpendicular to the vibration direction and one of the predetermined magnetic poles is on the tip side. Part is formed,
On the wall surface of the frame portion facing the free vibration end of the plurality of vibrators, the direction of magnetization is perpendicular to the vibration direction of the vibrator, and the tip of the vibrator 3. The vibration power generation device according to claim 1, wherein a second magnetized portion is formed such that the opposing magnetic pole is the same as the magnetic pole at the tip of the vibrator.
ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の振動発電デバイス。 The vibration power generation device according to any one of claims 1 to 3, wherein the frame unit includes a suppressing unit that suppresses a predetermined or larger vibration amplitude with respect to each of the plurality of vibrators.
前記振動発電デバイスでの発電電圧を蓄電するためのキャパシタと、
前記キャパシタの蓄電電圧を検出する検出回路と、
前記検出回路の検出結果に応じて無線送信回路からの信号送信を制御する制御回路と、
を備え、
前記振動発電デバイスは、
所定の高さを有する壁部で囲まれる空間を有するフレーム部と、
前記空間内において前記壁部の高さ方向に振動するように前記フレーム部に支持されている複数の振動子と、
前記複数の振動子のそれぞれに形成されており、振動に応じた電圧を発生する複数の発電部と、
を備え、
前記複数の振動子のそれぞれは、錘部と、前記錘部を前記フレーム部に、前記空間内において前記壁部の高さ方向に振動可能に支持する支持梁部とからなると共に、共振周波数が互いに異なるように構成されており、
前記複数の振動子は、前記錘部において柔軟性を有する連結子で連結されているものを含み、
前記複数の発電部のそれぞれは、下部電極と圧電薄膜と上部電極とからなり、
前記複数の発電部で前記下部電極と前記上部電極との間に得られる前記振動に応じた電圧の合成電圧を前記発電電圧として出力する
ことを特徴とする無線センサ端末。
A vibration power generation device;
A capacitor for storing the generated voltage in the vibration power generation device;
A detection circuit for detecting a storage voltage of the capacitor;
A control circuit for controlling signal transmission from the wireless transmission circuit according to the detection result of the detection circuit;
With
The vibration power generation device includes:
A frame portion having a space surrounded by a wall portion having a predetermined height;
A plurality of vibrators supported by the frame portion so as to vibrate in the height direction of the wall portion in the space;
A plurality of power generation units that are formed in each of the plurality of vibrators and generate a voltage corresponding to the vibrations;
With
Each of the plurality of vibrators includes a weight part and a support beam part that supports the weight part on the frame part so as to vibrate in the height direction of the wall part in the space, and has a resonance frequency. Configured to be different from each other,
The plurality of vibrators include those connected by a flexible connector in the weight portion,
Each of the plurality of power generation units includes a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode,
The wireless sensor terminal characterized in that a combined voltage of the voltage corresponding to the vibration obtained between the lower electrode and the upper electrode in the plurality of power generation units is output as the power generation voltage.
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