JP2018023214A - Vibration power generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動発電装置に関する。 The present invention relates to a vibration power generator.
近年、いろいろなものをネットワークで接続して新たなサービスを展開するＩｏＴ技術が急速に発展してきている。その一つとして、人の着衣等に取り付けることが可能なウェアラブルデバイスを用いてその人の生体データや行動パターンを示すデータを収集し、収集したデータに基づいて種々のサービスを提供する技術が注目されてきている。そして、ウェアラブルデバイスを駆動するための自立電源を実現する技術として、装着者が日常行う動作において発生する余剰エネルギを利用するマイクロ発電技術（環境発電）が注目されている。 In recent years, IoT technology that develops new services by connecting various things via a network has been rapidly developed. One of the technologies that attract attention is the technology that collects data indicating a person's biological data and behavior patterns using a wearable device that can be attached to a person's clothing, and provides various services based on the collected data. Has been. As a technique for realizing a self-sustained power source for driving the wearable device, a micro power generation technique (environmental power generation) that uses surplus energy generated in daily operations performed by the wearer is drawing attention.
このマイクロ発電技術を利用した発電装置として、振動現象からエネルギを取り出すいわゆる共振型の振動発電機が提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載された振動発電機は、永久磁石による吸引力や斥力を復元力として用いる磁気ばねと質量要素で振動子を構成しものである。この振動発電機は、振動子の振動周波数が運動体の振動周波数近傍のときに振動子が共振しエネルギがより効率的に取り出される構成となっている。 As a power generation device using this micro power generation technology, a so-called resonance type vibration power generator that extracts energy from a vibration phenomenon has been proposed (for example, see Patent Document 1). The vibration generator described in Patent Document 1 includes a vibrator with a magnetic spring and a mass element that use an attractive force or repulsive force by a permanent magnet as a restoring force. This vibration generator is configured such that when the vibration frequency of the vibrator is near the vibration frequency of the moving body, the vibrator resonates and energy is extracted more efficiently.
しかしながら、ウェアラブルデバイスにおいては装着者の身体運動がエネルギの源となる。装着者が日常行う動作は、装着者の各部位の変位量は比較的大きいものの、各部位の変位は極めて低い周波数であることが多い。そうすると、特許文献１に記載されたいわゆる共振型の振動発電機では、装着者の各部位の極めて低い周波数の振動に共振する振動子を備える必要がある。そうすると、振動子が大型化してしまいひいては振動発電機全体が大型化してしまう。また、電力は瞬時電力と周波数の積なので周波数が低いと発電電力も大きくできないという問題がある。 However, the wearer's physical movement is the source of energy in the wearable device. In the daily operations performed by the wearer, the displacement of each part of the wearer is relatively large, but the displacement of each part often has an extremely low frequency. In this case, the so-called resonance type vibration generator described in Patent Document 1 needs to include a vibrator that resonates with vibrations at extremely low frequencies in each part of the wearer. If it does so, a vibrator will enlarge and the whole vibration generator will also enlarge. Moreover, since electric power is the product of instantaneous power and frequency, there is a problem that generated power cannot be increased if the frequency is low.
本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、小型で発電電力量の大きい振動発電装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described reasons, and an object thereof is to provide a vibration power generation apparatus that is small and has a large amount of generated power.
上記目的を達成するために、本発明に係る振動発電装置は、
運動体の動きに応じて変位する可動体と、
前記可動体の一部に一部を接触する振動子を有し、前記可動体が前記振動子に対して相対的に変位するときに前記振動子に生じるスティック・スリップ振動により発生する力学的エネルギを電気エネルギに変換する発電ユニットと、
前記発電ユニットから入力される電気エネルギを外部へ出力する出力回路と、を備える。
ここで、「スティック・スリップ振動」とは、摩擦面間に生ずる微視的な摩擦面の付着、滑りの繰り返しによって引き起こされる自励振動を意味する。
In order to achieve the above object, a vibration power generation apparatus according to the present invention includes:
A movable body that is displaced according to the movement of the moving body;
A vibrator having a part in contact with a part of the movable body, and mechanical energy generated by stick-slip vibration generated in the vibrator when the movable body is displaced relative to the vibrator. A power generation unit that converts the energy into electrical energy;
And an output circuit that outputs electric energy input from the power generation unit to the outside.
Here, “stick-slip vibration” means self-excited vibration caused by repeated adhesion and sliding of microscopic friction surfaces generated between friction surfaces.
本発明によれば、発電ユニットが、可動体の一部に接触する振動子を有し、可動体が振動子に対して相対的に変位するときに振動子に生じるスティック・スリップ振動により発生する力学的エネルギを電気エネルギに変換する。これにより、可動体が振動子の共振周波数よりも極めて低い周波数帯域で振動する場合や可動体の動きがそもそも非振動的な動きである場合でも、電気エネルギを取り出すことができる。従って、例えば共振型の振動発電装置における振動子の大型化といった課題が存在しないので、振動発電装置全体の小型化を図れ、また発電電力量を大きくできるという利点がある。 According to the present invention, the power generation unit has a vibrator that contacts a part of the movable body, and is generated by stick-slip vibration generated in the vibrator when the movable body is displaced relative to the vibrator. Convert mechanical energy into electrical energy. Thereby, even when the movable body vibrates in a frequency band extremely lower than the resonance frequency of the vibrator, or even when the movement of the movable body is a non-vibrating movement, the electric energy can be extracted. Therefore, for example, there is no problem of increasing the size of the vibrator in the resonance-type vibration power generation apparatus, so that there is an advantage that the entire vibration power generation apparatus can be reduced in size and the amount of generated power can be increased.
以下、本発明の実施の形態に係る振動発電装置について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a vibration power generator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
本実施の形態に係る振動発電装置は、図１に示すように、可動体１４と、発電ユニット１０と、充電回路（出力回路）１８と、蓄電部２２と、を備える。可動体１４は、支持部５６に対して相対的に変位する運動体１００に固定されている。運動体１００は、例えば機械や動く構造体、人体が挙げられる。発電ユニット１０は圧電アクチュエータ（振動子）１６を中心に構成されている。そして、可動体１４は、運動体１００の圧電アクチュエータ１６の厚さ方向への動き（図１の矢印ＡＲ１参照）に応じて圧電アクチュエータ１６の厚さ方向へ変位する。可動体１４は金属、プラスチック等から形成され、平坦面１４１ａを有する基体１４１と、基体１４１の平坦面１４１ａに貼り付けられた圧電アクチュエータ１６の先端との摩擦を考慮してゴムシート（摩擦部）１４２と、を有する。そして、可動体１４のゴムシート１４２側の面は、圧電アクチュエータ１６の先端部に加圧接触している。ゴムシート１４２は、可動体１４が圧電アクチュエータ１６に対して圧電アクチュエータ１６の厚さ方向へ相対的に変位するときに圧電アクチュエータ１６との間に摩擦力を作用させる。 As shown in FIG. 1, the vibration power generation apparatus according to the present embodiment includes a movable body 14, a power generation unit 10, a charging circuit (output circuit) 18, and a power storage unit 22. The movable body 14 is fixed to the moving body 100 that is displaced relative to the support portion 56. Examples of the moving body 100 include a machine, a moving structure, and a human body. The power generation unit 10 is configured around a piezoelectric actuator (vibrator) 16. The movable body 14 is displaced in the thickness direction of the piezoelectric actuator 16 according to the movement of the moving body 100 in the thickness direction of the piezoelectric actuator 16 (see arrow AR1 in FIG. 1). The movable body 14 is made of metal, plastic or the like, and a rubber sheet (friction portion) in consideration of friction between the base 141 having a flat surface 141a and the tip of the piezoelectric actuator 16 attached to the flat surface 141a of the base 141. 142. The surface of the movable body 14 on the rubber sheet 142 side is in pressure contact with the tip of the piezoelectric actuator 16. The rubber sheet 142 applies a frictional force to the piezoelectric actuator 16 when the movable body 14 is displaced relative to the piezoelectric actuator 16 in the thickness direction of the piezoelectric actuator 16.
発電ユニット１０は、可動体１４の一部に接触する圧電アクチュエータ１６と、圧電アクチュエータ１６を支持する支持部５６と、圧電アクチュエータ１６で発生した電力を取り出すための電極５１、５２、５３と、を有する。圧電アクチュエータ１６は、全体として長尺の長方形板状、または台形板状である。圧電アクチュエータ１６は、長方形板状または台形板状（図１では長方形板状）の基板（弾性板）１６０と、基板１６０の両面に形成された圧電セラミクス層（圧電材料層）１６１、１６２と、を有する。基板１６０は、ステンレスやアルミニウム等の金属から形成されている。圧電セラミクス層１６１、１６２は、長方形板状、または台形板状に形成され、圧電セラミクス、圧電結晶、圧電プラスチック等の圧電材料単体、またはこれらの複合体で構成される。圧電セラミクスとしては、ＢａＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、Ｌａ添加Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３等を採用することができる。圧電セラミクス層１６１、１６２は、厚さ方向に分極している。 The power generation unit 10 includes a piezoelectric actuator 16 that contacts a part of the movable body 14, a support portion 56 that supports the piezoelectric actuator 16, and electrodes 51, 52, and 53 for extracting electric power generated by the piezoelectric actuator 16. Have. The piezoelectric actuator 16 has a long rectangular plate shape or a trapezoid plate shape as a whole. The piezoelectric actuator 16 includes a rectangular plate or trapezoidal plate (rectangular plate in FIG. 1) substrate (elastic plate) 160, piezoelectric ceramic layers (piezoelectric material layers) 161 and 162 formed on both surfaces of the substrate 160, Have The substrate 160 is made of a metal such as stainless steel or aluminum. The piezoelectric ceramic layers 161 and 162 are formed in a rectangular plate shape or a trapezoidal plate shape, and are composed of a single piezoelectric material such as piezoelectric ceramics, piezoelectric crystal, piezoelectric plastic, or a composite thereof. As the piezoelectric ceramic, BaTiO 3 , Pb (Zr, Ti) O 3 , La-added Pb (Zr, Ti) O 3, or the like can be used. The piezoelectric ceramic layers 161 and 162 are polarized in the thickness direction.
支持部５６は、圧電アクチュエータ１６の長手方向における一端部（基端部）を支持する。そして、圧電アクチュエータ１６の長手方向における他端部（先端部）は、その厚さ方向に揺動自在となっている。支持部５６は、例えば電気的絶縁性を有する材料から形成されている。 The support part 56 supports one end part (base end part) in the longitudinal direction of the piezoelectric actuator 16. The other end portion (tip portion) in the longitudinal direction of the piezoelectric actuator 16 is swingable in the thickness direction. The support portion 56 is made of, for example, a material having electrical insulation.
電極５１、５２は、それぞれ圧電セラミクス層１６１、１６２における互いに対向する面側とは反対側に設けられている。電極５３は、基板１６０に設けられている。 The electrodes 51 and 52 are provided on the opposite sides of the piezoelectric ceramic layers 161 and 162 that face each other. The electrode 53 is provided on the substrate 160.
発電ユニット１０は、可動体１４が圧電アクチュエータ１６の先端に対して相対的に変位するときに圧電アクチュエータ１６に生じるスティック・スリップ振動により発生する力学的エネルギを電気エネルギに変換する。可動体１４が、例えば図１の矢印ＡＲ１に示す方向へ移動するとする。この場合、圧電アクチュエータ１６の先端部は、可動体１４に固着した状態で矢印ＡＲ１方向へ変位する動き（図１の破線１６Ａ参照）と、矢印ＡＲ１方向へ変位した状態から固着がはずれて圧電アクチュエータ１６の復元力により元の位置に戻る動きと、を連続的に繰り返す。即ち、圧電アクチュエータ１６の先端部と可動体１４との間でスティック・スリップ現象が生じる。そして、圧電アクチュエータ１６には、スティック・スリップ振動に伴う圧電効果による起電力が発生する。 The power generation unit 10 converts mechanical energy generated by stick-slip vibration generated in the piezoelectric actuator 16 into electric energy when the movable body 14 is displaced relative to the tip of the piezoelectric actuator 16. Assume that the movable body 14 moves in the direction indicated by the arrow AR1 in FIG. In this case, the tip of the piezoelectric actuator 16 moves in the direction of the arrow AR1 in a state of being fixed to the movable body 14 (see the broken line 16A in FIG. 1), and the fixing is released from the state of displacement in the direction of the arrow AR1. The movement of returning to the original position by the restoring force of 16 is continuously repeated. That is, a stick-slip phenomenon occurs between the tip of the piezoelectric actuator 16 and the movable body 14. The piezoelectric actuator 16 generates an electromotive force due to the piezoelectric effect associated with stick-slip vibration.
充電回路１８は、発電ユニット１０から入力される電気エネルギを蓄電部２２へ出力する。充電回路１８は、整流回路ＢＲ１８と、平滑用のコンデンサＣ１８と、電圧変換回路１８１と、を有する。整流回路ＢＲ１８は、ダイオードブリッジから構成され、その入力端が電極５１、５２と電極５３との間に接続されている。コンデンサＣ１８は、整流回路ＢＲの出力端間に接続されている。電圧変換回路１８１は、ＤＣＤＣコンバータや力率改善回路を含み、コンデンサＣ１８の両端間に生じる直流電圧を昇圧または降圧して蓄電部２２へ出力する。蓄電部２２は、二次電池から構成され、充電回路１８により充電される。ここでは、発電ユニット１０を静止させて、可動体１４を移動させているが、相対的に移動すれば、発電ユニット１０を移動させて、可動体１４を静止させてもよい。 The charging circuit 18 outputs electric energy input from the power generation unit 10 to the power storage unit 22. The charging circuit 18 includes a rectifier circuit BR18, a smoothing capacitor C18, and a voltage conversion circuit 181. The rectifier circuit BR18 is configured by a diode bridge, and an input end thereof is connected between the electrodes 51 and 52 and the electrode 53. The capacitor C18 is connected between the output terminals of the rectifier circuit BR. Voltage conversion circuit 181 includes a DCDC converter and a power factor correction circuit, and boosts or steps down a DC voltage generated between both ends of capacitor C18 and outputs it to power storage unit 22. The power storage unit 22 includes a secondary battery and is charged by the charging circuit 18. Although the power generation unit 10 is stationary and the movable body 14 is moved here, the power generation unit 10 may be moved and the movable body 14 may be stationary as long as it moves relatively.
次に、本実施の形態に係る振動発電装置の一実施例について動作試験を実施した結果について説明する。本実施例に係る振動発電装置では、圧電アクチュエータ１６として、縦２５ｍｍ、横１４ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのステンレス板１６０の両面に圧電セラミクス層１６１、１６２が積層されたものを用いた。圧電セラミクス層１６１、１６２としては、ＰＺＴから形成されたものを使用した。動作試験では、発電ユニット１０の電極５１、５２と電極５３との間に抵抗を接続した状態で可動体１４を支持部５６に対して図１の矢印ＡＲ１方向へ移動させたときに、抵抗の両端間に生じる電圧を測定した。使用した抵抗の抵抗値は、１ｋΩとした。 Next, the result of performing an operation test on one example of the vibration power generator according to the present embodiment will be described. In the vibration power generation apparatus according to the present embodiment, the piezoelectric actuator 16 is obtained by laminating piezoelectric ceramic layers 161 and 162 on both surfaces of a stainless plate 160 having a length of 25 mm, a width of 14 mm, and a thickness of 0.2 mm. As the piezoelectric ceramic layers 161 and 162, those made of PZT were used. In the operation test, when the movable body 14 is moved in the direction of the arrow AR1 in FIG. 1 with respect to the support portion 56 in a state where the resistance is connected between the electrodes 51 and 52 of the power generation unit 10 and the electrode 53, the resistance is reduced. The voltage generated between both ends was measured. The resistance value of the resistor used was 1 kΩ.
本実施例に係る振動発電装置について動作試験を実施した結果を図２（Ａ）乃至（Ｃ）に示す。なお、図２（Ａ）乃至（Ｃ）における横軸は、可動体１４を移動させている時間を示す。図２（Ａ）に示すように、可動体１４を移動させると、スティック・スリップにより圧電アクチュエータ１６がスティック・スリップ振動をし、それに伴い、圧電アクチュエータ１６の電極５１、５２と電極５３との間にスティックスリップ振動に対応して連続的に電圧が発生していることが確認された。また、図２（Ｂ）は発電電力を表し、本実施例に係る振動発電装置の場合、同図に示すように、瞬時的に最大で５ｍＷ程度の発電電力を得ることができる。また、図２（Ｃ）に示すように、０．１２ｍＪ程度の累積エネルギを得ることができることも確認された。 The result of having performed the operation test about the vibration electric power generating apparatus which concerns on a present Example is shown to FIG. 2 (A) thru | or (C). 2A to 2C, the horizontal axis indicates the time during which the movable body 14 is moved. As shown in FIG. 2A, when the movable body 14 is moved, the piezoelectric actuator 16 vibrates with stick-slip due to stick-slip, and accordingly, between the electrodes 51 and 52 and the electrode 53 of the piezoelectric actuator 16. It was confirmed that voltage was continuously generated in response to stick-slip vibration. FIG. 2B shows the generated power. In the case of the vibration power generator according to the present embodiment, as shown in the figure, the generated power of about 5 mW at maximum can be instantaneously obtained. Moreover, as shown in FIG.2 (C), it was confirmed that the accumulated energy of about 0.12 mJ can be obtained.
以上説明したように、本実施の形態に係る振動発電装置によれば、発電ユニット１０が、可動体１４の一部に接触する圧電アクチュエータ１６を有する。そして、発電ユニット１０は、可動体１４が圧電アクチュエータ１６に対して相対的に変位するときに圧電アクチュエータ１６に生じるスティック・スリップ振動により発生する力学的エネルギを電気エネルギに変換する。これにより、可動体１４が圧電アクチュエータ１６の共振周波数よりも極めて低い周波数帯域で振動する場合や、可動体１４の動きがそもそも非振動的な動きである場合でも、高効率で大きな電気エネルギを取り出すことができるという利点がある。従って、例えば共振型の振動発電装置における振動子の大型化といった課題が存在しないので、振動発電装置全体の小型化を図れるという利点がある。 As described above, according to the vibration power generation apparatus according to the present embodiment, the power generation unit 10 includes the piezoelectric actuator 16 that contacts a part of the movable body 14. The power generation unit 10 converts mechanical energy generated by stick-slip vibration generated in the piezoelectric actuator 16 into electric energy when the movable body 14 is displaced relative to the piezoelectric actuator 16. Accordingly, even when the movable body 14 vibrates in a frequency band extremely lower than the resonance frequency of the piezoelectric actuator 16 or when the movement of the movable body 14 is a non-vibrating movement, high electric energy is extracted with high efficiency. There is an advantage that you can. Therefore, for example, there is no problem of increasing the size of the vibrator in the resonance type vibration power generation apparatus, so that there is an advantage that the whole vibration power generation apparatus can be reduced in size.
ところで、圧電アクチュエータを使用した振動発電装置として、円環状の枠体と、枠体の内側面から中心に向かって突出する複数枚の圧電アクチュエータと、枠体の中心を通るように配置された円柱状のシャフトと、シャフトの側面から放射状に突出した複数の突起部と、を備えるものが提案されている。この発電装置は、シャフトが回転するとそれに伴い複数の突起それぞれが複数の圧電アクチュエータのいずれかの先端部を間欠的に弾く構造を有する。しかしながら、この振動発電装置の場合、特にシャフトの回転速度が遅いと、圧電アクチュエータを持続的に振動させることは難しく、発電効率を高めることが難しく、形状も大きくなる。 By the way, as a vibration power generation apparatus using a piezoelectric actuator, an annular frame, a plurality of piezoelectric actuators protruding from the inner surface of the frame toward the center, and a circle disposed so as to pass through the center of the frame There has been proposed one including a columnar shaft and a plurality of protrusions protruding radially from the side surface of the shaft. This power generation device has a structure in which when the shaft rotates, each of the plurality of protrusions intermittently repels the tip of any of the plurality of piezoelectric actuators. However, in the case of this vibration power generator, particularly when the rotational speed of the shaft is slow, it is difficult to continuously vibrate the piezoelectric actuator, it is difficult to increase the power generation efficiency, and the shape becomes large.
これに対して、本実施の形態に係る振動発電装置は、圧電アクチュエータ１６に生じるスティック・スリップ振動により発生する力学的エネルギを電気エネルギに変換する。これにより、可動体１４が圧電アクチュエータ１６に対して動いている間、スティック・スリップ現象により圧電アクチュエータ１６を持続的に振動させることができるので、その分、発電効率が高く、発電量が大きいという利点がある。 In contrast, the vibration power generation apparatus according to the present embodiment converts mechanical energy generated by stick-slip vibration generated in the piezoelectric actuator 16 into electric energy. Thereby, while the movable body 14 is moving with respect to the piezoelectric actuator 16, the piezoelectric actuator 16 can be continuously vibrated by the stick-slip phenomenon, and accordingly, the power generation efficiency is high and the power generation amount is large. There are advantages.
また、本実施の形態に係る可動体１４は、可動体１４が圧電アクチュエータ１６に対して相対的に変位するときに圧電アクチュエータ１６の先端部との間に摩擦力を調整作用させるゴムシート１４２を有する。これにより、可動体１４が圧電アクチュエータ１６に対して相対的に変位するときに圧電アクチュエータ１６にスティック・スリップ振動が生じ易くなるので、その分、発電効率が高まるという利点がある。ここでは、摩擦力を調整作用させるものとしてゴムシートを用いたが、小さな凹凸を形成したプラスチックシートなど最大静止摩擦力／動摩擦力が大きいものを使用することができる。 In addition, the movable body 14 according to the present embodiment includes a rubber sheet 142 that adjusts the frictional force between the movable body 14 and the tip of the piezoelectric actuator 16 when the movable body 14 is displaced relative to the piezoelectric actuator 16. Have. Thereby, when the movable body 14 is displaced relative to the piezoelectric actuator 16, stick-slip vibration is likely to occur in the piezoelectric actuator 16, so that there is an advantage that the power generation efficiency is increased accordingly. Here, a rubber sheet is used to adjust the frictional force, but a material having a large maximum static frictional force / dynamic frictional force such as a plastic sheet having small irregularities can be used.
（変形例）
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明は前述の各実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば、図３（Ａ）に示すように、発電ユニット２１０が、振動ユニット（振動子）２１６と、支持部２５６と、電極２５１、２５３と、を備える構成であってもよい。なお、図３（Ａ）および（Ｂ）において実施の形態１と同様の構成については図１と同一の符号を付している。振動ユニット２１６は、長尺の主片２１６３と、主片２１６３に設けられた圧電素子部２１６１と、突出部２１６４と、を有する。支持部２５６は、主片２１６３の長手方向における一端部を支持する。
(Modification)
As mentioned above, although each embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the structure of each above-mentioned embodiment. For example, as illustrated in FIG. 3A, the power generation unit 210 may include a vibration unit (vibrator) 216, a support portion 256, and electrodes 251 and 253. 3A and 3B, the same reference numerals as those in FIG. 1 are assigned to the same configurations as those in the first embodiment. The vibration unit 216 includes a long main piece 2163, a piezoelectric element portion 2161 provided on the main piece 2163, and a protruding portion 2164. The support portion 256 supports one end portion of the main piece 2163 in the longitudinal direction.
主片２１６３は、平面視で長手方向における一端部（先端部）から他端部（基端部）に近づくにつれて短手方向幅が広くなるような台形の板状に形成されている。主片２１６３の先端部は、主片２１６３の厚さ方向に揺動自在となっている。圧電素子部２１６１、２１６２は、圧電セラミックス等の圧電材料から形成された簿膜あるいは薄板であり、主片２１６３の両面に設けられている。突出部２１６４は、主片２１６３と連続一体に形成され、主片２１６３の先端部から主片２１６３の厚さ方向に突出している。 The main piece 2163 is formed in a trapezoidal plate shape such that the width in the short-side direction increases as it approaches the other end (base end) from one end (tip end) in the longitudinal direction in plan view. The leading end of the main piece 2163 is swingable in the thickness direction of the main piece 2163. The piezoelectric element portions 2161 and 2162 are book films or thin plates made of a piezoelectric material such as piezoelectric ceramics, and are provided on both surfaces of the main piece 2163. The protruding portion 2164 is formed integrally with the main piece 2163 and protrudes from the tip end portion of the main piece 2163 in the thickness direction of the main piece 2163.
電極２５１は、圧電素子部２１６１における主片２１６３側とは反対側に設けられている。電極２５３は、圧電素子部２１６１の主片２１６３側に設けられている。電極２５１と電極２５３との間には、充電回路１８が接続されている。 The electrode 251 is provided on the side opposite to the main piece 2163 side in the piezoelectric element portion 2161. The electrode 253 is provided on the main piece 2163 side of the piezoelectric element portion 2161. A charging circuit 18 is connected between the electrode 251 and the electrode 253.
可動体２１４は、運動体（図示せず）の主片２１６３の長手方向への動き（図３（Ａ）の矢印ＡＲ２参照）に応じて主片２１６３の長手方向へ変位する。可動体２１４は、金属から板状に形成された基体２１４１と、基体２１４１の一面に貼り付けられたゴムシート（摩擦部）２１４２と、を有する。可動体２１４のゴムシート１４２は、突出部２１６４の先端部に接触している。ゴムシート２１４２は、可動体１４が振動ユニット２１６の突出部２１６４に対して主片２１６３の長手方向へ相対的に変位するときに突出部２１６４の先端部との間に摩擦力を作用させる。 The movable body 214 is displaced in the longitudinal direction of the main piece 2163 according to the movement of the moving body (not shown) in the longitudinal direction of the main piece 2163 (see arrow AR2 in FIG. 3A). The movable body 214 includes a base 2141 formed in a plate shape from a metal, and a rubber sheet (friction part) 2142 attached to one surface of the base 2141. The rubber sheet 142 of the movable body 214 is in contact with the distal end portion of the protruding portion 2164. The rubber sheet 2142 causes a frictional force to act between the distal end portion of the protruding portion 2164 when the movable body 14 is relatively displaced in the longitudinal direction of the main piece 2163 with respect to the protruding portion 2164 of the vibration unit 216.
可動体２１４が、例えば図３（Ａ）および（Ｂ）の矢印ＡＲ２に示す方向へ移動するとする。この場合、突出部２１６４の先端部は、可動体１４に固着した状態で矢印ＡＲ２方向へ変位する動きと、矢印ＡＲ２方向へ変位した状態から固着がはずれ主片２１６３の復元力により元の位置に戻る動きと、を連続的に繰り返す。即ち、突出部２１６４の先端部と可動体２１４との間でスティック・スリップ現象が生じる。このとき、図３（Ｂ）に示すように、主片２１６３および圧電素子部２１６１、２１６２は、その中央部が可動体２１４から離れる方向に撓む（図３の破線２１６Ａ参照）動きと、撓んだ状態から主片２１６３の復元力により元の状態にも戻る動きと、を連続的に繰り返す。そして、圧電素子部２１６１、２１６２には、スティック・スリップ振動に伴う圧電効果による起電力が発生する。 Assume that the movable body 214 moves in the direction indicated by the arrow AR2 in FIGS. 3A and 3B, for example. In this case, the tip of the protrusion 2164 is moved to the original position by the movement displaced in the direction of the arrow AR2 while fixed to the movable body 14 and the restoring force of the main piece 2163 from the state displaced in the direction of the arrow AR2. The return movement is repeated continuously. That is, a stick-slip phenomenon occurs between the tip of the protrusion 2164 and the movable body 214. At this time, as shown in FIG. 3 (B), the main piece 2163 and the piezoelectric element portions 2161 and 2162 bend in the direction in which the central portion is separated from the movable body 214 (see the broken line 216A in FIG. 3) and the flexure. The movement of returning to the original state by the restoring force of the main piece 2163 is continuously repeated. In the piezoelectric element portions 2161 and 2162, an electromotive force is generated due to the piezoelectric effect accompanying stick-slip vibration.
本構成によれば、可動体２１４が主片２１６３の長手方向に沿って動くので、可動体２１４と振動ユニット２１６の重なり方向の厚さを比較的小さくすることができる。従って、発電ユニット２１０の薄型化を図ることができる。 According to this configuration, since the movable body 214 moves along the longitudinal direction of the main piece 2163, the thickness in the overlapping direction of the movable body 214 and the vibration unit 216 can be made relatively small. Therefore, the power generation unit 210 can be thinned.
実施の形態では、非圧電材料の基板１６０と、基板１６０の両面に形成された圧電セラミクス層１６１、１６２と、を備える圧電アクチュエータ１６を採用しているが、これに限定されない。例えば、圧電アクチュエータ１６の代わりに、長尺の圧電材料の板を２枚貼り合わせてなる長尺の圧電バイモルフを採用してもよい。或いは、圧電アクチュエータ１６の代わりに、長尺の圧電材料の板と長尺の非圧電材料の板とを貼り合わせてなる圧電モノモルフ等を採用してもよい。これらの場合、圧電バイモルフまたは圧電モノモルフの一端部は、支持部５２により支持されている。また、可動体１４のゴムシート１４２は、圧電バイモルフまたは圧電モノモルフの長手方向における他端部に接触している。そして、可動体１４が圧電バイモルフまたは圧電モノモルフに対して、圧電バイモルフまたは圧電モノモルフの厚さ方向へ相対的に変位するときに圧電バイモルフまたは圧電モノモルフの他端部との間に摩擦力を作用させる。 In the embodiment, the piezoelectric actuator 16 including the substrate 160 of non-piezoelectric material and the piezoelectric ceramic layers 161 and 162 formed on both surfaces of the substrate 160 is employed, but the present invention is not limited to this. For example, instead of the piezoelectric actuator 16, a long piezoelectric bimorph formed by bonding two long plates of piezoelectric material may be employed. Alternatively, instead of the piezoelectric actuator 16, a piezoelectric monomorph formed by bonding a long piezoelectric material plate and a long non-piezoelectric material plate or the like may be employed. In these cases, one end portion of the piezoelectric bimorph or the piezoelectric monomorph is supported by the support portion 52. The rubber sheet 142 of the movable body 14 is in contact with the other end portion in the longitudinal direction of the piezoelectric bimorph or the piezoelectric monomorph. When the movable body 14 is displaced relative to the piezoelectric bimorph or the piezoelectric monomorph in the thickness direction of the piezoelectric bimorph or the piezoelectric monomorph, a frictional force is applied between the piezoelectric bimorph or the other end of the piezoelectric monomorph. .
実施の形態では、可動体１４が、金属から形成された基体１４１と、ゴムシート１４２と、を有する例について説明した。但し、可動体１４は、可動体１４が圧電アクチュエータ１６に対して相対的に変位するときに圧電アクチュエータ１６との間に最大静止摩擦力／動摩擦力が大きいものであればゴムシート１４２を備える構成に限定されない。例えば、可動体が、金属から形成された基体の一面にブラスト処理による凹凸処理が施され、当該一面に接触する圧電アクチュエータ１６の先端部との間に摩擦力を作用させるものであってもよい。また、この場合、圧電アクチュエータ１６の先端部にゴムから形成されたキャップが被覆されるものであってもよい。或いは、圧電アクチュエータ１６が、その先端部に可動体が圧電アクチュエータ１６に対して相対的に変位するときに可動体との間に摩擦力を作用させるゴムシート（摩擦部）を有する構成であってもよい。 In the embodiment, the example in which the movable body 14 includes the base 141 made of metal and the rubber sheet 142 has been described. However, the movable body 14 includes a rubber sheet 142 as long as the maximum static frictional force / dynamic frictional force is large between the movable body 14 and the piezoelectric actuator 16 when the movable body 14 is displaced relative to the piezoelectric actuator 16. It is not limited to. For example, the movable body may be one in which an uneven surface process is performed by blasting on one surface of a base made of metal, and a frictional force acts between the front surface of the piezoelectric actuator 16 that contacts the one surface. . In this case, the tip portion of the piezoelectric actuator 16 may be covered with a cap formed of rubber. Alternatively, the piezoelectric actuator 16 has a rubber sheet (friction part) that causes a frictional force to act between the movable body and the movable body when the movable body is displaced relative to the piezoelectric actuator 16 at the tip. Also good.
実施の形態では、圧電アクチュエータ１６の長手方向における一端部が支持部５６により支持されるいわゆる片持ち型の発電ユニット１０の例につい説明したが、圧電アクチュエータ１６の支持構造はこれに限定されない。例えば圧電アクチュエータ１６の短手方向における両端部が支持部により支持された構成であってもよい。この場合、圧電アクチュエータ１６の長手方向における両端部が、可動体に接触する構成とすることができる。 In the embodiment, the example of the so-called cantilever power generation unit 10 in which one end portion in the longitudinal direction of the piezoelectric actuator 16 is supported by the support portion 56 has been described, but the support structure of the piezoelectric actuator 16 is not limited thereto. For example, the structure which the both ends in the transversal direction of the piezoelectric actuator 16 were supported by the support part may be sufficient. In this case, it can be set as the structure which the both ends in the longitudinal direction of the piezoelectric actuator 16 contact a movable body.
以上、本発明の各実施の形態および変形例（なお書きに記載したものを含む。以下、同
様。）について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、実施
の形態及び変形例が適宜組み合わされたもの、それに適宜変更が加えられたものを含む。
As mentioned above, although each embodiment and modification (including what was written in the description. The same is true hereinafter) of the present invention have been described, the present invention is not limited to these. The present invention includes a combination of the embodiments and modifications as appropriate, and a modification appropriately added thereto.
本発明は、機械や動く構造体、人体等の運動体に取り付けられる振動発電装置として好適である。 The present invention is suitable as a vibration power generator attached to a moving body such as a machine, a moving structure, or a human body.
１０，２１０：発電ユニット、１４，２１４：可動体、１６：圧電アクチュエータ、１８：充電回路、２２：蓄電部、５１，５２，５３，２５１，２５３：電極、５６，２５６：支持部、１００：運動体、１４１，２１４１：基体、１４１ａ：平坦面、１４２，２１４２：ゴムシート、１６０：基板、１６１，１６２：圧電セラミクス層、１８１：電圧変換回路、２１６：振動ユニット、２１６１，２１６２：圧電素子部、２１６３：主片、２１６４：突出部、ＢＲ１８：整流回路、Ｃ１８：コンデンサ 10, 210: power generation unit, 14, 214: movable body, 16: piezoelectric actuator, 18: charging circuit, 22: power storage unit, 51, 52, 53, 251, 253: electrode, 56, 256: support unit, 100: Moving body, 141, 2141: base, 141a: flat surface, 142, 2142: rubber sheet, 160: substrate, 161, 162: piezoelectric ceramic layer, 181: voltage conversion circuit, 216: vibration unit, 2161, 1622: piezoelectric element Part, 2163: main piece, 2164: protrusion, BR18: rectifier circuit, C18: capacitor
Claims (7)
前記可動体の一部に一部を接触する振動子を有し、前記可動体が前記振動子に対して相対的に変位するときに前記振動子に生じるスティック・スリップ振動により発生する力学的エネルギを電気エネルギに変換する発電ユニットと、
前記発電ユニットから入力される電気エネルギを外部へ出力する出力回路と、を備える、
振動発電装置。 A movable body that is displaced according to the movement of the moving body;
A vibrator having a part in contact with a part of the movable body, and mechanical energy generated by stick-slip vibration generated in the vibrator when the movable body is displaced relative to the vibrator. A power generation unit that converts the energy into electrical energy;
An output circuit that outputs electric energy input from the power generation unit to the outside, and
Vibration power generator.
請求項１に記載の振動発電装置。 The movable body has a friction portion that applies a frictional force between the movable body and the vibrator when the movable body is displaced relative to the vibrator.
The vibration power generator according to claim 1.
前記発電ユニットは、前記振動子の長手方向における一端部を支持する支持部を更に有し、
前記摩擦部は、前記圧電アクチュエータの長手方向における他端部に接触し、前記可動体が前記圧電アクチュエータに対して前記圧電アクチュエータの厚さ方向へ相対的に変位するときに前記圧電アクチュエータの前記他端部との間に摩擦力を作用させる、
請求項２に記載の振動発電装置。 The vibrator is constituted by a long piezoelectric actuator having a long elastic plate and a piezoelectric material layer formed of a piezoelectric material and provided on both sides in the thickness direction of the elastic plate,
The power generation unit further includes a support portion that supports one end portion in the longitudinal direction of the vibrator,
The friction portion contacts the other end portion in the longitudinal direction of the piezoelectric actuator, and the other of the piezoelectric actuator is displaced when the movable body is displaced relative to the piezoelectric actuator in the thickness direction of the piezoelectric actuator. Apply frictional force between the ends,
The vibration power generator according to claim 2.
前記発電ユニットは、前記振動子の長手方向における一端部を支持する支持部を更に有し、
前記摩擦部は、前記圧電バイモルフの長手方向における他端部に接触し、前記可動体が前記圧電バイモルフに対して前記圧電バイモルフの厚さ方向へ相対的に変位するときに前記圧電バイモルフの前記他端部との間に摩擦力を作用させる、
請求項２に記載の振動発電装置。 The vibrator is composed of a long piezoelectric bimorph,
The power generation unit further includes a support portion that supports one end portion in the longitudinal direction of the vibrator,
The friction portion contacts the other end portion in the longitudinal direction of the piezoelectric bimorph, and the other of the piezoelectric bimorph is displaced when the movable body is displaced relative to the piezoelectric bimorph in the thickness direction of the piezoelectric bimorph. Apply frictional force between the ends,
The vibration power generator according to claim 2.
前記発電ユニットは、前記振動子の長手方向における一端部を支持する支持部を更に有し、
前記摩擦部は、前記圧電モノモルフの長手方向における他端部に接触し、前記可動体が前記圧電モノモルフに対して前記圧電モノモルフの厚さ方向へ相対的に変位するときに前記圧電モノモルフの前記他端部との間に摩擦力を作用させる、
請求項２に記載の振動発電装置。 The vibrator is composed of a long piezoelectric monomorph,
The power generation unit further includes a support portion that supports one end portion in the longitudinal direction of the vibrator,
The friction portion contacts the other end of the piezoelectric monomorph in the longitudinal direction, and the other of the piezoelectric monomorph is displaced when the movable body is displaced relative to the piezoelectric monomorph in the thickness direction of the piezoelectric monomorph. Apply frictional force between the ends,
The vibration power generator according to claim 2.
請求項１に記載の振動発電装置。 The vibrator has a friction portion that applies a friction force to the movable body when the movable body is displaced relative to the vibrator.
The vibration power generator according to claim 1.
前記発電ユニットは、前記主片の長手方向における他端部を支持する支持部を更に有し、
前記摩擦部は、前記突出部の先端部に接触し、前記可動体が前記突出部に対して前記主片の長手方向へ相対的に変位するときに前記突出部の前記先端部との間に摩擦力を作用させる、
請求項２に記載の振動発電装置。 The vibrator has a long main piece, a piezoelectric element portion provided on the main piece, and a protruding portion protruding from one end of the main piece in the thickness direction of the main piece,
The power generation unit further includes a support portion that supports the other end portion in the longitudinal direction of the main piece,
The friction portion is in contact with the distal end portion of the protruding portion, and when the movable body is relatively displaced in the longitudinal direction of the main piece with respect to the protruding portion, the friction portion is between the distal end portion of the protruding portion. Apply frictional force,
The vibration power generator according to claim 2.
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|---|---|---|---|---|
| CN109367557A (en) * | 2018-10-18 | 2019-02-22 | 上海工程技术大学 | A kind of comprehensive prompt system of vehicle arrival information |
| CN109756151A (en) * | 2018-10-08 | 2019-05-14 | 合肥工业大学 | A kind of multi-direction vibrational energy collector of Stackable based on nano friction power generation |
| CN114070121A (en) * | 2021-10-15 | 2022-02-18 | 西安理工大学 | Piezoelectric hybrid friction electric energy collecting device based on wind-induced vibration |
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