JP2020099105A - Measurement device - Google Patents

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Abstract

To apply measurement of a physical amount such as temperature, pressure, and vibration to an IoT-related technology.SOLUTION: A measurement device comprises a vibration power generation element 101, a radiation portion 102, a receiving portion 103, a detection portion 104, and a calculation portion 105. The vibration power generation element 101 has a vibrator composed of a piezoelectric single crystal body. The radiation portion 102 radiates electromagnetic waves of a frequency swept in a set range to the vibration power generation element 101. The receiving portion 103 receives the electromagnetic waves radiated from the vibration power generation element 101 vibrated by receiving the electromagnetic waves radiated from the radiation portion 102. The detection portion 104 detects the frequency in which the strength of the electromagnetic wave received by the receiving portion 103 is the highest.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、測定装置に関し、より詳しくは、振動発電素子を用いた測定装置に関する。 The present invention relates to a measuring device, and more particularly, to a measuring device using a vibration power generating element.

近年、あらゆるモノがインターネットを介して接続され、モノ同士あるいは人とモノが相互に情報を交換し、新たな価値を生み出すIoT(Internet to Things)技術の発展が目覚しい。IoT関連デバイスとして、温度や圧力、加速度などの物理量を測定するセンサがある。このようなセンサを駆動するには、電源が必須であり、従来、ボタン電池などの蓄電池から電源をデバイスに供給している。センサを構成する回路の低消費電力化により、電池寿命が延びているが、定期的な充電や電池交換は非常な手間となり、IoT技術の普及の妨げとなっている。 In recent years, all things have been connected via the Internet, and the development of IoT (Internet to Things) technology that creates new value by exchanging information between things or between people and things is remarkable. As IoT-related devices, there are sensors that measure physical quantities such as temperature, pressure, and acceleration. A power source is indispensable for driving such a sensor, and conventionally, power is supplied to the device from a storage battery such as a button battery. Although the battery life has been extended due to the reduction in power consumption of the circuit that configures the sensor, periodic charging and battery replacement are extremely troublesome, which hinders the spread of the IoT technology.

このような中、環境に存在するエネルギーから電力を取り出すエナジーハーベスト(環境発電)が注目されている。環境に存在する振動や熱、光、電磁波などのエネルギーを電力に変換する各種技術が提案されている。例えば、環境中の振動による力学的エネルギーを利用する振動発電が提案されている。 Under such circumstances, energy harvesting (environmental power generation), which extracts electric power from energy existing in the environment, is drawing attention. Various technologies for converting energy such as vibration, heat, light, and electromagnetic waves existing in the environment into electric power have been proposed. For example, vibration power generation that utilizes mechanical energy due to vibration in the environment has been proposed.

振動を利用した発電技術としては、圧電体を利用した方法が良く知られている(特許文献1,特許文献2参照)。圧電体は、歪むと電荷を発生する特性があり、圧電体を振動させて歪ませることで電荷を回収でき、電源として用いることができる。また、振動発電やワイヤレス給電を用いた配管検査装置が提案されている(特許文献3参照)。 As a power generation technique using vibration, a method using a piezoelectric body is well known (see Patent Documents 1 and 2). The piezoelectric body has a characteristic of generating an electric charge when it is distorted, so that the electric charge can be recovered by vibrating the piezoelectric body to distort it, and can be used as a power source. A pipe inspection device using vibration power generation or wireless power supply has been proposed (see Patent Document 3).

特開2013−243821号公報JP, 2013-243821, A 特開2012−005192号公報JP 2012-005192 A 特開2018−109649号公報JP, 2008-109649, A

ところで、振動を利用して発電する振動発電素子では、一般に、人の動きや橋梁・建物・乗り物等の振動を利用している。これらの場合、環境から得られる振動周波数が数百Hz未満と低周波であることが多いので、従来用いられているセンサの電源として用いるために十分な量の発電をするためには、振動発電素子の固有振動数を、環境から得られる振動周波数に合わせる必要がある。 By the way, in a vibration power generation element that generates power using vibration, generally, the motion of a person or the vibration of a bridge, a building, a vehicle, or the like is used. In these cases, the vibration frequency obtained from the environment is often a low frequency of less than several hundreds Hz, so in order to generate a sufficient amount of power to use it as a power source for a conventionally used sensor, the vibration power generation It is necessary to match the natural frequency of the element to the vibration frequency obtained from the environment.

しかしながら、振動発電素子の固有振動数を上述したような環境から得られる低い振動周波数に合わせるためには、素子形状を棒状に長くする必要があるので、振動発電素子の小型化の妨げになり、振動発電素子を、従来用いられているセンサの電源としてIoT関連デバイスに適用させることが難しい。また、圧電体を用いた振動発電では、無線通信を行うために十分な電力が得られないため、圧電体を用いた振動発電を、この点でも、従来のセンサに組み合わせてIoT関連デバイスに適用させることが難しい。 However, in order to match the natural frequency of the vibration power generation element to the low vibration frequency obtained from the environment as described above, it is necessary to lengthen the element shape into a rod shape, which hinders the miniaturization of the vibration power generation element. It is difficult to apply the vibration power generation element to a IoT-related device as a power source of a conventionally used sensor. In addition, since vibration power generation using a piezoelectric body does not provide sufficient power for wireless communication, vibration power generation using a piezoelectric body is also applied to IoT-related devices in this respect in combination with conventional sensors. Difficult to make

他の環境発電と組み合わせることにより、得られる電力量を増やすことが可能であるが、デバイスのサイズが大きくなるなどの弊害がある。また、他の環境発電を用いる場合、振動以外の光・熱などの環境エネルギーが同時に得られる環境に設置場所が限定されるため、これもIoT関連デバイスに適用させることが難しい。 It is possible to increase the amount of electric power that can be obtained by combining it with other energy harvesting, but this has the adverse effect of increasing the size of the device. In addition, when other energy harvesting is used, the installation location is limited to an environment where environmental energy such as light and heat other than vibration can be obtained at the same time, which is also difficult to apply to the IoT related device.

上述したように、小型の振動発電素子を電源とした従来の技術による温度、圧力、振動などの物理量の測定では、IoT関連技術に適用させることが容易ではないという問題があった。 As described above, the measurement of physical quantities such as temperature, pressure, and vibration by the conventional technique using the small vibration power generation element as a power source has a problem that it is not easy to apply to the IoT-related technique.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、小型の振動発電素子を用いた温度、圧力、加速度などの物理量の測定を、IoT関連技術に適用させることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to apply the measurement of physical quantities such as temperature, pressure, and acceleration using a small vibration power generation element to IoT-related technology. And

本発明に係る測定装置は、圧電単結晶体から構成された振動子を有する振動発電素子と、設定されている範囲で掃引される周波数の電磁波を振動発電素子に放射する放射部と、放射部から放射された電磁波を受けて振動する振動発電素子から放射される電磁波を受信する受信部と、受信部が受信した電磁波の強度が最も高くなる周波数を検知する検知部と、検知部が検知した周波数を元に、振動発電素子が置かれた環境に関する物理量を求める算出部とを備える。 The measuring apparatus according to the present invention includes a vibration power generation element having a vibrator made of a piezoelectric single crystal body, a radiation unit that radiates an electromagnetic wave having a frequency swept within a set range to the vibration power generation element, and a radiation unit. The receiving unit receives the electromagnetic wave emitted from the vibration power generation element that vibrates by receiving the electromagnetic wave emitted from the detector, the detecting unit that detects the frequency at which the intensity of the electromagnetic wave received by the receiving unit is the highest, and the detecting unit detects And a calculation unit that obtains a physical quantity related to the environment in which the vibration power generation element is placed based on the frequency.

上記測定装置の一構成例において、振動発電素子に電気的に接続されて、振動発電素子で発生した電荷を蓄積するコンデンサをさらに備える。 In one configuration example of the above-described measuring device, a capacitor that is electrically connected to the vibration power generation element and that accumulates charges generated in the vibration power generation element is further included.

上記測定装置の一構成例において、電荷が蓄積されたコンデンサを電源として駆動し、振動発電素子が置かれた環境に関する物理量を計測する計測部と、計測部が計測した物理量に対応して振動発電素子に接続される負荷抵抗および負荷容量の少なくとも一方を変更する負荷変更部とをさらに備える。 In one configuration example of the above-mentioned measuring device, a capacitor that stores electric charges is driven as a power supply, and a measurement unit that measures a physical quantity related to the environment in which the vibration power generation element is placed, and a vibration power generation corresponding to the physical quantity measured by the measurement unit. And a load changing unit that changes at least one of a load resistance and a load capacitance connected to the element.

上記測定装置の一構成例において、振動子は、圧電単結晶体の分極軸の−面に形成された第1電極と、圧電単結晶体の分極軸の+面に形成された第2電極とをさらに備える。 In one configuration example of the above-described measuring apparatus, the vibrator includes a first electrode formed on the − surface of the polarization axis of the piezoelectric single crystal body, and a second electrode formed on the + surface of the polarization axis of the piezoelectric single crystal body. Is further provided.

上記測定装置の一構成例において、振動子は、コイルバネである。 In one configuration example of the measuring device, the vibrator is a coil spring.

上記測定装置の一構成例において、コイルバネを構成する圧電単結晶体の、コイルバネの軸芯に平行な面の断面における圧電単結晶体の結晶状態は、コイルバネの発電領域において同一とされている。 In one configuration example of the above measuring device, the piezoelectric single crystal body constituting the coil spring has the same crystal state in a cross section of a plane parallel to the axis of the coil spring in the power generation region of the coil spring.

上記測定装置の一構成例において、圧電単結晶体の分極軸とコイルバネの軸芯の方向とは同一とされている。 In one configuration example of the above-described measuring device, the polarization axis of the piezoelectric single crystal body and the direction of the axial center of the coil spring are the same.

上記測定装置の一構成例において、圧電単結晶体は、LiTaO3またはLiNbO3から構成されている。 In one configuration example of the above measuring device, the piezoelectric single crystal body is composed of LiTaO 3 or LiNbO 3 .

以上説明したように、本発明によれば、振動発電素子の共振周波数の変化を、放射部から放射された電磁波を受信した振動発電素子より放射され、受信部で受信された電磁波より検知部で検知するので、小型の振動発電素子を用いた温度、圧力、加速度などの物理量の測定を、IoT関連技術に適用させることができる。 As described above, according to the present invention, the change in the resonance frequency of the vibration power generation element is radiated from the vibration power generation element that has received the electromagnetic wave radiated from the radiation section, and is detected by the detection section from the electromagnetic wave received by the reception section. Since detection is performed, measurement of physical quantities such as temperature, pressure, and acceleration using a small vibration power generation element can be applied to IoT-related technology.

図1は、実施の形態1における測定装置の構成を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of the measuring apparatus according to the first embodiment. 図2は、振動発電素子101の構成を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the vibration power generation element 101. 図3は、振動発電素子101の一部構成を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a partial configuration of the vibration power generation element 101. 図4は、実施の形態2における測定装置の構成を示す構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram showing the configuration of the measuring device according to the second embodiment. 図5は、実施の形態3における測定装置の構成を示す構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram showing the configuration of the measuring device according to the third embodiment.

以下、本発明の実施の形態に係る測定装置について説明する。 Hereinafter, a measuring device according to an embodiment of the present invention will be described.

[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1に係る測定装置について図1を参照して説明する。この測定装置は、振動発電素子101、放射部102、受信部103、検知部104、算出部105を備える。
[Embodiment 1]
First, a measuring device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This measuring device includes a vibration power generation element 101, a radiation unit 102, a reception unit 103, a detection unit 104, and a calculation unit 105.

振動発電素子101は、圧電単結晶体から構成された振動子を有する。振動発電素子101は、例えば、図2に示すように、圧電単結晶体111のコイルバネより構成されている。圧電単結晶体111は、例えば、LiTaO3またはLiNbO3から構成されている。圧電単結晶体111の断面は、例えば、軸芯方向の厚さ0.8mm、幅2mmの概略矩形である。 The vibration power generation element 101 has a vibrator made of a piezoelectric single crystal body. The vibration power generation element 101 is composed of, for example, a coil spring of a piezoelectric single crystal body 111 as shown in FIG. The piezoelectric single crystal body 111 is made of, for example, LiTaO 3 or LiNbO 3 . The cross section of the piezoelectric single crystal body 111 is, for example, a substantially rectangular shape having a thickness of 0.8 mm and a width of 2 mm in the axial direction.

コイルバネは、固定端112より軸芯方向に螺旋状に延在している。固定端112は、台座(図示せず)に、接着剤やはんだなどを用いて固定されている。また、コイルバネの自由端113には、真鍮などなら構成された錘114が固定されている。圧電単結晶体111の分極軸とコイルバネの伸縮方向(軸芯方向)とは同一とされている。圧電単結晶体111がLiTaO3またはLiNbO3から構成されている場合、圧電単結晶体111のZ軸とコイルバネの伸縮方向とは同一とされていることになる。軸芯方向に振動が加わると、コイルバネが軸芯方向に伸縮するように振動する。 The coil spring spirally extends from the fixed end 112 in the axial direction. The fixed end 112 is fixed to a pedestal (not shown) using an adhesive agent or solder. A weight 114 made of brass or the like is fixed to the free end 113 of the coil spring. The polarization axis of the piezoelectric single crystal body 111 and the expansion/contraction direction (axial center direction) of the coil spring are the same. When the piezoelectric single crystal body 111 is composed of LiTaO 3 or LiNbO 3 , the Z axis of the piezoelectric single crystal body 111 and the expansion/contraction direction of the coil spring are the same. When vibration is applied in the axial direction, the coil spring vibrates so as to expand and contract in the axial direction.

また、振動発電素子101は、図3の断面図に示すように、圧電単結晶体111の分極軸の−面(LiTaO3の場合−Z軸面)に形成された第1電極131と、圧電単結晶体111の分極軸の+面(LiTaO3の場合+Z軸面)に形成された第2電極132とを備える。第1電極131および第2電極132は、コイルバネの軸芯方向に圧電単結晶体111を挟んで設けられている。また、第1電極131および第2電極132は、コイルバネとした圧電単結晶体111の全域に設けられている。第1電極131および第2電極132は、例えば、厚さ0.4μmに形成する。なお、LiNbO3の場合も同様である。 In addition, as shown in the cross-sectional view of FIG. 3, the vibration power generation element 101 includes a piezoelectric single crystal body 111, a first electrode 131 formed on the − surface (in the case of LiTaO 3 −Z axis surface) of the polarization axis, The second electrode 132 formed on the + plane (+Z axis plane in the case of LiTaO 3 ) of the polarization axis of the single crystal body 111. The first electrode 131 and the second electrode 132 are provided to sandwich the piezoelectric single crystal body 111 in the axial direction of the coil spring. Further, the first electrode 131 and the second electrode 132 are provided over the entire area of the piezoelectric single crystal body 111 that is a coil spring. The first electrode 131 and the second electrode 132 are formed to have a thickness of 0.4 μm, for example. The same applies to the case of LiNbO 3 .

各電極は、電荷回収のために設けられている。電極は、少なくとも1つ設けられている。電極は、圧電分極軸方向に概略垂直となる面に形成されていることが最もよい。また、各電極は、例えば、真空成膜装置を用いて堆積したAgやCuなどの金属から構成することができる。また、電極は、複数の金属による多層構造金属とすることもできる。また、電極は、導電ペーストなどの導電体から構成することもできる。 Each electrode is provided for charge collection. At least one electrode is provided. The electrode is best formed on a surface that is substantially perpendicular to the piezoelectric polarization axis direction. Further, each electrode can be made of, for example, a metal such as Ag or Cu deposited using a vacuum film forming apparatus. The electrodes can also be a multi-layered metal composed of a plurality of metals. The electrodes can also be made of a conductor such as a conductive paste.

また、コイルバネとしている圧電単結晶体111の、コイルバネの軸芯を通る平面に平行な面の断面における圧電単結晶体111の結晶方位,組成,物理特性などの結晶状態は、振動発電素子101の発電領域において同一(一定)とされている。発電領域は、振動発電素子101の実質的に発電に寄与する領域である。発電領域は、振動発電素子101の全域であってもよく、振動発電素子101の一部であってもよい。例えば、振動発電素子101のコイルバネの基点となる固定端112や終点となる自由端113などの両端部は、結晶の方位が、発電領域と異なっていてもよい。 Further, the crystal state such as the crystal orientation, composition, and physical characteristics of the piezoelectric single crystal body 111 of the vibration power generation element 101 in the cross section of the plane parallel to the plane passing through the axis of the coil spring of the piezoelectric single crystal body 111 used as the coil spring It is the same (constant) in the power generation area. The power generation region is a region that substantially contributes to power generation of the vibration power generation element 101. The power generation region may be the entire area of the vibration power generation element 101 or may be a part of the vibration power generation element 101. For example, crystal orientations at both ends such as the fixed end 112 serving as the base point of the coil spring of the vibration power generating element 101 and the free end 113 serving as the end point may be different from the power generation region.

上記構成とした圧電単結晶体111による螺旋構造(コイルバネ)は、マイクロ引き下げ法により育成することで形成することができる。マイクロ引き下げ法は、坩堝の下端に設けられたダイから溶融した材料を徐々に引き下げることにより、結晶育成を行う結晶育成法である。通常は、下方に引き下げるのみであるが、引き下げ方向を3次元的に制御することで、コイルバネのような螺旋構造を得ることができる。育成した圧電単結晶体111による螺旋構造の断面は、ダイの形状を変えることで、矩形や丸あるいは楕円など任意の形状を得ることができる。螺旋構造を形成する別の方法として、棒状の単結晶体をNCマシンやレーザー加工などを用いて形成することもできる。圧電単結晶体111の分極方向は、コイルバネの軸芯方向と平行に設定するが、必要に応じて変更することも可能である。 The spiral structure (coil spring) made of the piezoelectric single crystal body 111 having the above structure can be formed by growing the structure by the micro-pulling-down method. The micro-pulling-down method is a crystal growing method in which a molten material is gradually pulled down from a die provided at a lower end of a crucible to grow a crystal. Normally, it is only pulled down, but by controlling the pulling direction three-dimensionally, a spiral structure like a coil spring can be obtained. The cross section of the spiral structure formed by the grown piezoelectric single crystal body 111 can have any shape such as a rectangle, a circle, or an ellipse by changing the shape of the die. As another method of forming the spiral structure, a rod-shaped single crystal body can be formed by using an NC machine or laser processing. The polarization direction of the piezoelectric single crystal body 111 is set parallel to the axial center direction of the coil spring, but it can be changed as necessary.

一般に単結晶材料は、X,Y,Zで表される結晶軸を有している。コイルバネとした圧電単結晶体111では、螺旋構造のどの部分をとっても、結晶軸がほぼ同じ方向を向いている。これは、種結晶を引き下げ方向に徐々に引き下げつつ、引き下げ方向に垂直な面内で円を描くように種結晶を移動することにより螺旋構造を形成するため、螺旋構造の任意の位置の結晶軸は、種結晶の結晶軸と一致するためである。なお、種結晶を移動する際に、自転する運動を加えることにより、螺旋構造の任意の位置における結晶軸を変化させることも可能である。 Generally, a single crystal material has crystal axes represented by X, Y and Z. In the piezoelectric single crystal body 111 that is a coil spring, the crystal axis is oriented in substantially the same direction regardless of the portion of the spiral structure. This is because the spiral structure is formed by gradually pulling down the seed crystal in the pulling direction and moving the seed crystal in a circle in a plane perpendicular to the pulling direction to form a spiral structure. Is because it coincides with the crystal axis of the seed crystal. It is also possible to change the crystal axis at an arbitrary position of the spiral structure by applying a rotation motion when moving the seed crystal.

振動発電素子101の固有振動数と近い周期の振動が加わると共振が生じ、振動発電素子101が大きく振動する。固有振動数は、コイルバネとした圧電単結晶体111の材料や断面の寸法、コイルバネの螺旋径、螺旋のピッチ、ターン数により決定される。さらに錘114を付加することにより、コイルバネに加わる力が大きくなり、振動発電素子101は、より大きな振動を得ることができる。 When vibration having a period close to the natural frequency of the vibration power generation element 101 is applied, resonance occurs and the vibration power generation element 101 vibrates greatly. The natural frequency is determined by the material of the piezoelectric single crystal body 111 used as the coil spring, the size of the cross section, the spiral diameter of the coil spring, the pitch of the spiral, and the number of turns. Further, by adding the weight 114, the force applied to the coil spring is increased, and the vibration power generation element 101 can obtain larger vibration.

振動発電素子101は圧電単結晶体111から構成されているため、逆圧電効果により振動発電素子101に生じた歪等により、圧電単結晶体111に表面電荷が発生する。発生した電荷は、第1電極131,第2電極132により回収される。発生した起電力は、交流となるため、例えば、所定の整流回路を介して接続される蓄電回路に蓄積可能である。このようにして蓄えられる電力は、所定のタイミングで、必要な回路に供給することができる。 Since the vibration power generation element 101 is composed of the piezoelectric single crystal body 111, surface charges are generated in the piezoelectric single crystal body 111 due to strain or the like generated in the vibration power generation element 101 due to the inverse piezoelectric effect. The generated charges are collected by the first electrode 131 and the second electrode 132. Since the generated electromotive force becomes an alternating current, it can be stored in, for example, a power storage circuit connected via a predetermined rectifying circuit. The electric power thus stored can be supplied to necessary circuits at a predetermined timing.

圧電単結晶体111のコイルバネの作製について、より具体的な数字を用いて説明する。マイクロ引き下げ法によりLiTaO3からなる圧電単結晶体111によるコイルバネを育成する。螺旋の半径は1.5cm、ターン数は8ターンで、ピッチは1cmである。コイルバネの固定端112を所定の台座上にエポキシ樹脂系の接着剤を用いて固定し、自由端113には真鍮製の重さ5gの錘114を、接着剤を用いて固定する。 The production of the coil spring of the piezoelectric single crystal body 111 will be described using more specific numbers. A coil spring made of a piezoelectric single crystal body 111 made of LiTaO 3 is grown by a micro pulling down method. The spiral radius is 1.5 cm, the number of turns is 8 and the pitch is 1 cm. The fixed end 112 of the coil spring is fixed on a predetermined pedestal with an epoxy resin adhesive, and the free end 113 is fixed with a weight 114 made of brass and having a weight of 5 g.

なお、圧電単結晶体は、LiTaO3に限らず、LiNbO3、KNbO3、ランガサイト系圧電体、単結晶セラミックスなどの単結晶圧電材料を用いることができる。 The piezoelectric single crystal body is not limited to LiTaO 3 , but may be a single crystal piezoelectric material such as LiNbO 3 , KNbO 3 , Langasite-based piezoelectric body, or single crystal ceramics.

放射部102は、掃引回路121,出力回路122,アンテナ123を有し、掃引回路121により設定されている範囲で周波数を掃引し、出力回路122,アンテナ123により振動発電素子101に電磁波を放射する。例えば、放射部102は、900MHz帯において、予め分かっている振動発電素子101の共振周波数の決定値を中心に周波数を、所定の周波数間隔で掃引しながら振動発電素子101に電磁波を放射する。また、放射部102は、複数の周波数の電磁波を、所定の時間間隔で放射する。放射された電磁波は、振動発電素子101で受信され、例えば、振動発電素子101の共振周波数920MHzを中心波長として受信された電磁波が再励起され、振動発電素子101から放射される。 The radiating unit 102 has a sweep circuit 121, an output circuit 122, and an antenna 123, sweeps a frequency within a range set by the sweep circuit 121, and radiates an electromagnetic wave to the vibration power generation element 101 by the output circuit 122 and the antenna 123. .. For example, the radiating unit 102 radiates electromagnetic waves to the vibration power generation element 101 while sweeping the frequency at predetermined frequency intervals around the predetermined value of the resonance frequency of the vibration power generation element 101 in the 900 MHz band. Further, the radiating unit 102 radiates electromagnetic waves having a plurality of frequencies at predetermined time intervals. The radiated electromagnetic wave is received by the vibration power generation element 101. For example, the electromagnetic wave received with the resonance frequency of 920 MHz of the vibration power generation element 101 as the central wavelength is re-excited and radiated from the vibration power generation element 101.

受信部103は、放射部102から電磁波を放射したときに、振動発電素子101から放射される電磁波を受信する。受信部103は、放射部102が上述した電磁波の放射をした後、受信動作を開始する。例えば、放射部102が、1つの周波数の電磁波を放射したあと、受信部103は受信動作を開始し、放射部102が次の周波数の電磁波を放射する前に、受信部103は受信動作を停止する。受信部103は、上述した受信動作の開始と停止とを、放射部102による電磁波の放射間隔にあわせ、放射部102が全ての周波数の電磁波の放射を終了するまで行う。 The receiving unit 103 receives the electromagnetic wave emitted from the vibration power generation element 101 when the electromagnetic wave is emitted from the emitting unit 102. The receiving unit 103 starts the receiving operation after the emitting unit 102 emits the electromagnetic wave described above. For example, after the radiating unit 102 radiates an electromagnetic wave of one frequency, the receiving unit 103 starts the receiving operation, and the receiving unit 103 stops the receiving operation before the radiating unit 102 radiates the electromagnetic wave of the next frequency. To do. The receiving unit 103 starts and stops the above-described receiving operation according to the electromagnetic wave emission interval of the emitting unit 102 until the emitting unit 102 finishes emitting electromagnetic waves of all frequencies.

振動発電素子101は、共振周波数の電磁波を受けると、所定の時間が経過してから電磁波を放射する。したがって、上述したように、放射部102が、所定の時間の間隔で各々異なる周波数の電磁波を放射する中で、共振周波数の電磁波が放射されると、この電磁波は、次の周波数の電磁波が放射部102より放射されるまでの間に、受信部103で受信される。 When the vibration power generation element 101 receives an electromagnetic wave having a resonance frequency, the vibration power generation element 101 emits the electromagnetic wave after a predetermined time has elapsed. Therefore, as described above, when the radiation unit 102 radiates electromagnetic waves of different frequencies at predetermined time intervals, when an electromagnetic wave of a resonance frequency is radiated, this electromagnetic wave radiates an electromagnetic wave of the next frequency. The signal is received by the receiving unit 103 before being emitted from the unit 102.

検知部104は、受信部103が受信した電磁波のなかで最も高い強度の電磁波の周波数を検知する。算出部105は、検知部104が検知した周波数を元に、振動発電素子101が受けた物理量を求める。 The detection unit 104 detects the frequency of the electromagnetic wave having the highest intensity among the electromagnetic waves received by the reception unit 103. The calculation unit 105 calculates the physical quantity received by the vibration power generation element 101 based on the frequency detected by the detection unit 104.

例えば、温度が変化すると、振動発電素子101の共振周波数が変化する。この変化が、検知部104で検知される周波数の変化として現れる。このようにして検知された振動発電素子101の共振周波数を元に、振動発電素子101が配置されている箇所の温度を求めることができる。したがって、この測定装置は、振動発電素子101が受けた物理量として、温度を測定することができる。 For example, when the temperature changes, the resonance frequency of the vibration power generation element 101 changes. This change appears as a change in the frequency detected by the detection unit 104. Based on the resonance frequency of the vibration power generation element 101 detected in this way, the temperature of the place where the vibration power generation element 101 is arranged can be obtained. Therefore, this measuring device can measure the temperature as the physical quantity received by the vibration power generation element 101.

上述した実施の形態1の測定装置は、振動発電素子101が受けた物理量を、振動発電素子101に電力を供給するとなく、かつ非接触(ワイヤレス)で求めることができ、IoT関連技術に適用することができる。このように、実施の形態1によれば、放射部から設定されている範囲で掃引される周波数の電磁波を放射して、この電磁波を受けて振動する振動発電素子から放射される電磁波の強度が最も高くなる周波数を検知して、振動発電素子の共振周波数を元に振動発電素子が置かれた環境に関する物理量を求めるようにしたので、振動発電素子の共振周波数の変化から温度、圧力、加速度などの物理量を測定することができ、IoT関連技術に適用させることができる。 The measuring apparatus according to the first embodiment described above can obtain the physical quantity received by the vibration power generation element 101 in a contactless (wireless) manner without supplying power to the vibration power generation element 101, and is applied to the IoT-related technology. be able to. As described above, according to the first embodiment, the intensity of the electromagnetic wave emitted from the vibration power generation element that radiates the electromagnetic wave having the frequency swept within the range set by the radiation unit and vibrates in response to the electromagnetic wave. Since the highest frequency is detected and the physical quantity related to the environment in which the vibration power generation element is placed is calculated based on the resonance frequency of the vibration power generation element, changes in the resonance frequency of the vibration power generation element cause changes in temperature, pressure, acceleration, etc. Can be measured and can be applied to IoT related technology.

[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2に係る測定装置について、図4を参照して説明する。この測定装置は、振動発電素子101、放射部102、受信部103、検知部104、および算出部105を備える。これらは、実施の形態1と同様である。実施の形態2では、振動発電素子101に電気的に接続し、振動発電素子101で発生した電荷を蓄積するコンデンサ106を備える。コンデンサ106は、振動発電素子101の第1電極131、第2電極132に接続される。
[Second Embodiment]
Next, a measuring device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This measuring device includes a vibration power generation element 101, a radiation unit 102, a reception unit 103, a detection unit 104, and a calculation unit 105. These are the same as those in the first embodiment. In the second embodiment, the capacitor 106 that is electrically connected to the vibration power generation element 101 and stores the charge generated in the vibration power generation element 101 is provided. The capacitor 106 is connected to the first electrode 131 and the second electrode 132 of the vibration power generation element 101.

振動発電素子101が、振動発電素子101の機械的な共振周波数の振動を受け付けると、歪が生じる、この歪による逆圧電効果により表面電荷が発生する(発電する)。発生した電荷は、第1電極131,第2電極132により回収される。なお、振動発電素子101の振動による発電の電力は、交流となるため、コンデンサ106は、整流回路107を介し、振動発電素子101の第1電極131、第2電極132に接続される。 When the vibration power generation element 101 receives the vibration of the mechanical resonance frequency of the vibration power generation element 101, a strain is generated, and a surface charge is generated (power is generated) by the inverse piezoelectric effect due to this strain. The generated charges are collected by the first electrode 131 and the second electrode 132. Since the electric power generated by the vibration of the vibration power generation element 101 is an alternating current, the capacitor 106 is connected to the first electrode 131 and the second electrode 132 of the vibration power generation element 101 via the rectifier circuit 107.

例えば、検知用の電磁波周波数と大きく異なる400Hz近傍の機械振動に共振するように振動発電素子101を形成する。このように形成した振動発電素子101を、モータなどの振動を発生する振動構造物に固定する。振動構造物がおよそ400Hzの周波数で振動すると、前述したように、振動発電素子101は発電し、コンデンサ106に電荷が蓄積される。振動発電素子101は、コンデンサ106に蓄積された電荷により、共振周波数が変化する。 For example, the vibration power generation element 101 is formed so as to resonate with mechanical vibration in the vicinity of 400 Hz, which is significantly different from the electromagnetic wave frequency for detection. The vibration power generation element 101 thus formed is fixed to a vibration structure such as a motor that generates vibration. When the vibrating structure vibrates at a frequency of about 400 Hz, the vibration power generation element 101 generates power and the electric charge is stored in the capacitor 106, as described above. In the vibration power generation element 101, the resonance frequency changes due to the electric charge accumulated in the capacitor 106.

上述した振動発電素子101の共振周波数の変化は、前述した実施の形態1と同様に、放射部102から放射された電磁波を受信した振動発電素子101より放射され、受信部103で受信された電磁波より、検知部104で検知される。このようにして検知された共振周波数の変化を元に、算出部105が、振動発電素子101が受けた物理量である振動の大きさを求める。 The change in the resonance frequency of the vibration power generation element 101 described above is radiated from the vibration power generation element 101 that has received the electromagnetic wave radiated from the radiation unit 102 and is received by the reception unit 103, as in the above-described first embodiment. Therefore, it is detected by the detection unit 104. Based on the change in the resonance frequency detected in this way, the calculation unit 105 determines the magnitude of vibration, which is a physical quantity received by the vibration power generation element 101.

このように、実施の形態2によれば、振動構造物の振動状況を、ワイヤレスで監視することができる。例えば、算出部105が求める振動の大きさについて、予め正常と判断できる範囲を設定しておけば、算出部105が求める振動の大きさが、正常と判断できる範囲を逸脱した場合、振動構造物に異常が発生しているものと判断できる。また、この異常の判断が、振動構造物から離れた箇所で行える。なお、コンデンサ106に蓄積された電荷が一定量を超えたら放電する回路を接続することが可能である。また、コンデンサ106に蓄積された電荷が一定量に達すると、振動発電素子101に、コンデンサ106以外の負荷素子が、さらに接続される機構を設けるようにしてもよい。 As described above, according to the second embodiment, it is possible to wirelessly monitor the vibration state of the vibrating structure. For example, if a range in which the magnitude of vibration calculated by the calculation unit 105 can be determined to be normal is set in advance, if the magnitude of vibration determined by the calculation unit 105 deviates from the range that can be determined to be normal, the vibration structure It can be determined that an abnormality has occurred in the. In addition, the determination of this abnormality can be made at a location away from the vibrating structure. Note that it is possible to connect a circuit that discharges when the charge accumulated in the capacitor 106 exceeds a certain amount. Further, when the electric charge accumulated in the capacitor 106 reaches a certain amount, the vibration power generating element 101 may be provided with a mechanism to which a load element other than the capacitor 106 is further connected.

[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3に係る測定装置について、図5を参照して説明する。この測定装置は、振動発電素子101、放射部102、受信部103、検知部104、算出部105、およびコンデンサ106を備える。これらは、前述した実施の形態2と同様である。実施の形態3では、電荷が蓄積されたコンデンサ106を電源として駆動し、物理量を検知する計測部108と、計測部108が検知(計測)した物理量に対応して振動発電素子101に接続される負荷抵抗および負荷容量の少なくとも一方を変更する負荷変更部109とをさらに備える。
[Third Embodiment]
Next, a measuring device according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. This measuring device includes a vibration power generation element 101, a radiation unit 102, a reception unit 103, a detection unit 104, a calculation unit 105, and a capacitor 106. These are the same as those in the second embodiment described above. In the third embodiment, the capacitor 106 in which electric charges are accumulated is driven as a power source and is connected to the measurement unit 108 that detects a physical quantity, and the vibration power generation element 101 corresponding to the physical quantity detected (measured) by the measurement unit 108. A load changing unit 109 that changes at least one of the load resistance and the load capacitance is further included.

計測部108は、例えば、圧力を測定する。負荷変更部109は、計測部108が測定した圧力の変化に対応し、振動発電素子101に接続される負荷抵抗を変更する。振動発電素子101は、接続される負荷抵抗が変更されると、この変更に伴って共振周波数が変化する。 The measuring unit 108 measures, for example, pressure. The load changing unit 109 changes the load resistance connected to the vibration power generation element 101 in response to the change in pressure measured by the measuring unit 108. When the load resistance connected to the vibration power generation element 101 is changed, the resonance frequency changes with this change.

上述した振動発電素子101の共振周波数の変化は、前述した実施の形態1と同様に、放射部102から放射された電磁波を受信した振動発電素子101より放射され、受信部103で受信された電磁波より、検知部104で検知される。このようにして検知された共振周波数の変化を元に、算出部105が、計測部108が測定した圧力の大きさを求める。このように、実施の形態3によれば、計測部108を用いることで、振動発電素子101が受ける物理量以外の物理量の変化を、ワイヤレスで求めることができる。 The change in the resonance frequency of the vibration power generation element 101 described above is radiated from the vibration power generation element 101 that has received the electromagnetic wave radiated from the radiation unit 102 and is received by the reception unit 103, as in the above-described first embodiment. Therefore, it is detected by the detection unit 104. Based on the change in the resonance frequency detected in this way, the calculation unit 105 obtains the magnitude of the pressure measured by the measurement unit 108. As described above, according to the third embodiment, by using the measurement unit 108, it is possible to wirelessly obtain a change in a physical quantity other than the physical quantity received by the vibration power generation element 101.

以上説明したように、本発明によれば、振動発電素子の共振周波数の変化を、放射部から放射された電磁波を受信した振動発電素子より放射され、受信部で受信された電磁波より検知部で検知するので、小型の振動発電素子を用いた温度、圧力、加速度などの物理量の測定を、IoT関連技術に適用させることができる As described above, according to the present invention, the change in the resonance frequency of the vibration power generation element is radiated from the vibration power generation element that has received the electromagnetic wave radiated from the radiation section, and is detected by the detection section from the electromagnetic wave received by the reception section. Since it is detected, measurement of physical quantities such as temperature, pressure, and acceleration using a small vibration power generation element can be applied to IoT-related technology.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications and combinations can be implemented by a person having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. That is clear.

101…振動発電素子、102…放射部、103…受信部、104…検知部、105…算出部。 101... Vibration power generation element, 102... Radiating section, 103... Receiving section, 104... Detecting section, 105... Calculating section.

Claims (8)

圧電単結晶体から構成された振動子を有する振動発電素子と、
設定されている範囲で掃引される周波数の電磁波を前記振動発電素子に放射する放射部と、
前記放射部から放射された電磁波を受けて振動する前記振動発電素子から放射される電磁波を受信する受信部と、
前記受信部が受信した電磁波の強度が最も高くなる周波数を検知する検知部と、
前記検知部が検知した周波数を元に、前記振動発電素子が置かれた環境に関する物理量を求める算出部と
を備える測定装置。
A vibration power generation element having a vibrator composed of a piezoelectric single crystal body,
A radiation unit that radiates an electromagnetic wave having a frequency swept in a set range to the vibration power generation element,
A receiving unit that receives an electromagnetic wave emitted from the vibration power generation element that vibrates by receiving an electromagnetic wave emitted from the emitting unit;
A detection unit that detects a frequency at which the intensity of the electromagnetic wave received by the reception unit is highest,
And a calculation unit that obtains a physical quantity related to the environment in which the vibration power generation element is placed, based on the frequency detected by the detection unit.
請求項1記載の測定装置において、
前記振動発電素子に電気的に接続されて、前記振動発電素子で発生した電荷を蓄積するコンデンサをさらに備えることを特徴とする測定装置。
The measuring device according to claim 1,
The measuring apparatus further comprising a capacitor electrically connected to the vibration power generation element and storing a charge generated in the vibration power generation element.
請求項2記載の測定装置において、
電荷が蓄積された前記コンデンサを電源として駆動し、前記振動発電素子が置かれた環境に関する物理量を計測する計測部と、
前記計測部が計測した物理量に対応して前記振動発電素子に接続される負荷抵抗および負荷容量の少なくとも一方を変更する負荷変更部と
をさらに備えることを特徴とする測定装置。
The measuring device according to claim 2,
A measurement unit that drives the capacitor storing electric charge as a power source and measures a physical quantity related to the environment in which the vibration power generation element is placed,
And a load changing unit that changes at least one of a load resistance and a load capacitance connected to the vibration power generation element according to the physical quantity measured by the measuring unit.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の測定装置において、
前記振動子は、
前記圧電単結晶体の分極軸の−面に形成された第1電極と、
前記圧電単結晶体の分極軸の+面に形成された第2電極と
をさらに備えることを特徴とする測定装置。
The measuring device according to any one of claims 1 to 3,
The oscillator is
A first electrode formed on the negative surface of the polarization axis of the piezoelectric single crystal;
A second electrode formed on the + surface of the polarization axis of the piezoelectric single crystal body.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の測定装置において、
前記振動子は、コイルバネであることを特徴とする測定装置。
The measuring device according to any one of claims 1 to 4,
The measuring device, wherein the vibrator is a coil spring.
請求項5記載の測定装置において、
前記コイルバネを構成する前記圧電単結晶体の、前記コイルバネの軸芯に平行な面の断面における前記圧電単結晶体の結晶状態は、前記コイルバネの発電領域において同一とされている
ことを特徴とする測定装置。
The measuring device according to claim 5,
In the piezoelectric single crystal body forming the coil spring, the crystal state of the piezoelectric single crystal body in a cross section of a plane parallel to the axis of the coil spring is the same in the power generation region of the coil spring. measuring device.
請求項6記載の測定装置において、
前記圧電単結晶体の分極軸と前記コイルバネの軸芯の方向とは同一とされていることを特徴とする測定装置。
The measuring device according to claim 6,
The measuring device, wherein the polarization axis of the piezoelectric single crystal body and the direction of the axis of the coil spring are the same.
請求項1〜7のいずれか1項に記載の測定装置において、
前記圧電単結晶体は、LiTaO3またはLiNbO3から構成されていることを特徴とする測定装置。
The measuring device according to any one of claims 1 to 7,
The piezoelectric single crystal body, measuring device characterized in that it is composed of LiTaO 3 or LiNbO 3.
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