JP2021170916A - 複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器 - Google Patents

Abstract

【課題】振動中に多重安定性変換を繰り返させることができるように複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器を提供する。【解決手段】ベース層２と、永久磁石構成要素と、圧電層３と、ベース振動台１上に配置された支持フレーム４とを備える複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器である。ベース層は、両端がねじりばね５を介して支持フレームの２つの対向する裏側壁に着脱可能に取り付けられた円弧状アーチ構造である。ベース層は複合材料からなる。複合材料が金属材料よりも突出した力学的性能を持つため、収集器がより顕著な振動特徴を有されることで、収集器の動力分岐および多重安定性をトリガすることにより補助する。さらに、この収集器の圧電効率を向上させる。【選択図】図１

Description

本発明は、振動エネルギーの収集技術分野に関するもので、具体的には、複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器に関するものである。

現在、エネルギー収集力学構造でよく使われる材料の多くは、金属材料であるが、金属材料の弾性と抗疲労性能は良くなく、振動エネルギー収集器のエネルギー効率が低下するという問題がある。そのため、振動エネルギー収集器のエネルギー効率をどのように高めるかは、現在早急に解決すべき技術問題になってしまう。

中国特許出願公開第105846711号

本発明は、ピッチ可変式可変コンデンサー構造と、バイアス電圧生成手段とを備える静電式振動エネルギー収集器を開示する。ピッチ可変式可変コンデンサー構造は、固定極板と可動極板とを含み、固定極板は、第1基体と第1電極層とを含み、第1基体には溝が設けられ、第1電極層は第1基体に溝が設けられた一面に形成され、可動極板は固定極板に対向して配置され、可動極板は支持部材と、可動重量ブロックと第2電極層とを含み、支持部材は、可動重量ブロックを支持することにより可動重量ブロックが溝の上方に位置するようにし、可動重量ブロック上の溝に対向する面および溝内の少なくとも1箇所の上に凸点が設けられる。バイアス電圧生成手段は、固定極板と可動極板との間に固定電界を形成するためのものである。前記静電式振動エネルギー収集器は、構造が簡単で安定性が良いという利点を有する。本発明は、静電式振動エネルギー収集器の製造方法にさらに関する。

本発明の第１の目的は、上記問題を解決するために、複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器を提供することである。

本発明の用いる技術方案は、以下のとおりである。

ベース層と、永久磁石構成要素と、圧電層と、ベース振動台上に配置された支持フレームとを備え、
前記ベース層は、両端がねじりばねを介して前記支持フレームの2つの対向する裏側壁に着脱可能に取り付けられた円弧状アーチ構造であり、ここで、前記ベース層は、繊維強化複合材料、ナノ複合材料、圧電複合材料および超弾性複合材料の複合材料のうちの1つからなり、
前記永久磁石構成要素は、第1永久磁石、第2永久磁石、および第3永久磁石を備え、前記第1永久磁石は、前記ベース層の中心位置に配置され、前記第2永久磁石、第3永久磁石は、前記第1永久磁石と同一鉛直面内にあり、かつ、前記第1永久磁石は、前記第2永久磁石と第3永久磁石との間に位置し、ここで、前記第2永久磁石は、前記支持フレームの裏天盤に取り付けられ、前記第3永久磁石は、前記支持フレームの裏底壁に取り付けられ、前記第1永久磁石の上表面磁性は、前記第2永久磁石の下表面磁性と同じであり、前記第1永久磁石の下表面磁性は、前記第3永久磁石の上表面磁性と同じであり、
前記圧電層は、前記ベース層の長手方向に沿って前記ベース層上に設けられている複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器を提供することである。

代替的な実施の形態では、前記圧電層は、第1圧電層と第2圧電層を備え、前記第1圧電層と第2圧電層は、前記ベース層の上下両側に分布され、かつ、前記ベース層とサンドイッチのような構造を構成する。

代替的な実施の形態では、前記圧電層は、前記第1永久磁石の一側又は両側に配置されている。

代替的な実施の形態では、前記圧電層は、前記第1永久磁石を中心として、前記第1永久磁石の両側に対称的に配置されている。

代替的な実施の形態では、前記第2永久磁石は、第2長さ調整可能な部材を介して前記支持フレームの裏天盤に取り付けられている。

代替的な実施の形態では、前記第2長さ調整可能な部材は、一端が前記支持フレームの裏天盤に固定され、他端が前記第2永久磁石に接続された長さ調整可能な伸縮ロッドである。

代替的な実施の形態では、前記第3永久磁石は、第3長さ調整可能な部材を介して前記支持フレームの裏天盤に取り付けられている。

代替的な実施の形態では、前記第3長さ調整可能な部材は、一端が前記支持フレームの裏天盤に固定され、他端が前記第3永久磁石に接続された長さ調整可能な伸縮ロッドである。

代替的な実施の形態では、前記第2永久磁石は、第2弾性部材を介して前記支持フレームの裏天盤に取り付けられ、かつ、鉛直方向において、前記第2永久磁石は、第1閉合コイルで囲まれている。および/または、前記第3永久磁石は、第3弾性部材を介して前記支持フレームの裏底壁に取り付けられ、かつ、鉛直方向において、前記第3永久磁石は、第2閉合コイルで囲まれている。

代替的な実施の形態では、前記第2弾性部材は、コイルバネ、ゴムバネのうちの1種または複数種であり、前記第3弾性部材は、コイルバネ、ゴムバネのうちの1種または複数種である。

本発明は、従来技術に比べて、以下有益な効果を有する。
本発明は、金属材料に比べて、複合材料が金属材料よりも突出した力学的性能を持つため、前記収集器がより顕著な振動特徴を有されることで、前記収集器の動力分岐および多重安定性をトリガすることに補助することができ、また、振動中に多重安定性変換を繰り返させることができるように複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器を提供することを目的とする。さらに、この収集器の圧電効率を向上させる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施例がさらに説明されるが、添付図面に基づいて本発明の実施形態は、特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、以下の記載における図面はただ本発明の一部の実施例に過ぎず、当業者の場合、創造的な労働を付与しない前提で、これらの図面によって他の図面を得ることができる。

本発明の一実施形態にかかる複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器の構成図である。 本発明の一実施形態にかかる別の複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器の構成図である。 本発明の一実施形態にかかるさらに別の複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器の構成図である。

以下、発明を実施するための形態を組み合わせて本発明について更に説明する。

図1は、ベース層2と、永久磁石構成要素と、圧電層3と、ベース振動台1上に配置された支持フレーム4とを備える複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器を示す。

ベース層2は、両端がねじりばね5を介して支持フレーム4の2つの対向する裏側壁に着脱可能に取り付けられた円弧状アーチ構造である。ベース層2は、ねじりばね5を介して支持フレーム4の2つの対向する裏側壁に着脱可能に取り付けられているため、このアーチ構造の固定周波数を調整する必要がある場合には、異なる剛性のねじりばねを選択するだけで実現できる。異なる剛性のねじりばねを選択することによって、このアーチ構造の異なる拘束状態、例えば固定拘束、枢支拘束、非対称拘束と弾性拘束などを実現することができ、これによって、このアーチ構造の固有周波数を調整する目的を達成することができる。

好ましくは、ここで、前記ベース層2が繊維強化複合材料、ナノ複合材料、圧電複合材料および超弾性複合材料の複合材料のうちの1つまたは複数種からなり、金属材料に比べて、複合材料が金属材料よりも突出した力学的性能を持つため、この収集器がより顕著な振動特徴を有されることで、この収集器の動力分岐および多重安定性をトリガすることに補助することができ、また、振動中に多重安定性変換を繰り返させることができるように、さらに、この収集器の圧電効率を向上させる。

代替的な実施の形態では、ベース層は繊維強化複合材料からなり、金属材料に比べて、繊維強化複合材料はより高い強度と弾性率を持ち、アーチが非線形振動が発生する過程において常に弾性状態を維持することを保証することができ、アーチの動力分岐および多重安定性をトリガすることの方が有利であり、アーチの多重安定性の繰り返し変換を実現し、それによって収集器の圧電効率を向上させることができる。

前記永久磁石構成要素は、第1永久磁石6、第2永久磁石7、および第3永久磁石8を備え、前記第1永久磁石6は、前記ベース層の中心位置に配置され、前記第2永久磁石7、第3永久磁石8は、前記第1永久磁石6と同一鉛直面内にあり、かつ、前記第1永久磁石6は、前記第2永久磁石7と第3永久磁石8との間に位置し、ここで、前記第2永久磁石7は、前記支持フレーム4の裏天盤に取り付けられ、前記第3永久磁石8は、前記支持フレーム4の裏底壁に取り付けられ、前記第1永久磁石6の上表面磁性は、前記第2永久磁石7の下表面磁性と同じであり、いずれもS極であり、前記第1永久磁石6の下表面磁性は、前記第3永久磁石8の上表面磁性と同じであり、いずれもN極である。。他の実施形態においては、前記第1永久磁石6の上表面磁性と前記第2永久磁石7の下表面磁性と、いずれもS極であり、前記第1永久磁石6の下表面磁性と前記第3永久磁石8の上表面磁性と、いずれもN極である。

前記圧電層3は、前記ベース層2上に設けられている。前記圧電層3は、第1圧電層と第2圧電層を備え、前記第1圧電層と第2圧電層は、前記ベース層2の上下両側に分布され、かつ、前記ベース層2とサンドイッチのような構造を構成する。他の実施形態においては、圧電層3は、前記ベース層2の上側または下側に分布され、前記ベース層2と共に積層構造を構成してもよい。

好ましくは、前記圧電層3が前記第1永久磁石6を中心として、前記ベース層2に沿って前記第1永久磁石6の両側に対称的に配置されている。他の実施形態においては、ベース層2の任意側にのみ圧電層を設けてもよいし、その第1永久磁石6の両側の圧電層が完全に同様または対称であることを保証することなく、ベース層2の両側に圧電層を同時に設けてもよい。好適実施形態として、前記圧電層3は、前記第1永久磁石6を中心として、前記ベース層2に沿って前記第1永久磁石6の両側に対称分布され、かつ、前記圧電層3が前記第1永久磁石6に近づくほど、この収集器の圧電効率がより高くなる。

本発明の上記実施形態に係る収集器の動作原理は、ベース振動台1によりベース層2に大幅な振動を与え、それにより圧電層3の機械的変形により電荷変化が生じ、さらに電流が形成され、さらに、圧電効果による電流を収集することである。

図2は、第2永久磁石7が第2長さ調整可能な部材9を介して支持フレームの裏天盤に取り付けられている点というで、図1の収集器とは異なるアーチ非線形振動エネルギー収集器を示す。好ましくは、前記第2長さ調整可能な部材9が一端が前記支持フレーム4の裏天盤に固定され、他端が前記第2永久磁石7に接続された長さ調整可能な伸縮ロッドである。第2長さ調整可能な部材9の長さを調整することにより、第1永久磁石6と第2永久磁石7との間の磁気間隔の調整を実現することができ、さらに、この収集器の動力分岐および多重安定性をトリガすることに補助することができ、この収集器が振動中に多重安定性変換を繰り返させることによって、この収集器の圧電効率を向上させることができる。

前記第3永久磁石8が第3長さ調整可能な部材10を介して支持フレーム4の裏天盤に取り付けられている。前記第3長さ調整可能な部材10は、一端が前記支持フレームの裏天盤に固定され、他端が前記第3永久磁石に接続された長さ調整可能な伸縮ロッドである。第3長さ調整可能な部材10の長さを調整することにより、第1永久磁石6と第3永久磁石8との間の磁気間隔の調整を実現することができ、さらに、この収集器の動力分岐および多重安定性をトリガすることに補助することができ、この収集器が振動中に多重安定性変換を繰り返させることによって、この収集器の圧電効率を向上させることができる。

図3は、ベース層2と、永久磁石構成要素と、圧電層3と、ベース振動台1上に配置された支持フレーム4とを備える別のアーチ非線形振動エネルギー収集器を示す。
ベース層2は、両端がねじりばね5を介して支持フレーム4の2つの対向する裏側壁に着脱可能に取り付けられた円弧状アーチ構造である。ベース層2は、ねじりばね5を介して支持フレーム4の2つの対向する裏側壁に着脱可能に取り付けられているため、このアーチ構造の固定周波数を調整する必要がある場合には、異なる剛性のねじりばねを選択するだけで実現できる。異なる剛性のねじりばねを選択することによって、このアーチ構造の異なる拘束状態、例えば固定拘束、枢支拘束、非対称拘束と弾性拘束などを実現することができ、これによって、このアーチ構造の固有周波数を調整する目的を達成することができる。

好ましくは、ここで、前記ベース層2が繊維強化複合材料、ナノ複合材料、圧電複合材料および超弾性複合材料の複合材料のうちの1つまたは複数種からなり、金属材料に比べて、複合材料が金属材料よりも突出した力学的性能を持つため、この収集器がより顕著な振動特徴を有されることで、この収集器の動力分岐および多重安定性をトリガすることに補助することができ、また、振動中に多重安定性変換を繰り返させることができるように、さらに、この収集器の圧電効率を向上させる。

代替的な実施の形態では、ベース層は繊維強化複合材料からなり、金属材料に比べて、繊維強化複合材料はより高い強度と弾性率を持ち、アーチが非線形振動が発生する過程において常に弾性状態を維持することを保証することができ、アーチの動力分岐および多重安定性をトリガすることの方が有利であり、アーチの多重安定性の繰り返し変換を実現し、それによって収集器の圧電効率を向上させることができる。

永久磁石構成要素は、第1永久磁石6、第2永久磁石7、および第3永久磁石8を備え、第1永久磁石6は、ベース層2の中心位置に配置され、第2永久磁石7、第3永久磁石8は、前記第1永久磁石6と同一鉛直面内にあり、かつ、前記第1永久磁石6は、前記第2永久磁石7と第3永久磁石8との間に位置し、ここで、前記第1永久磁石6の上表面磁性は、前記第2永久磁石7の下表面磁性と同じであり、いずれもN極であり、前記第1永久磁石6の下表面磁性は、前記第3永久磁石8の上表面磁性と同じであり、いずれもS極である。。他の実施形態においては、前記第1永久磁石6の上表面磁性と前記第2永久磁石7の下表面磁性と、いずれもS極であり、前記第1永久磁石6の下表面磁性と前記第3永久磁石8の上表面磁性と、いずれもN極である。

前記第2永久磁石7は、第2弾性部材11を介して前記支持フレーム4の裏天盤に取り付けられ、かつ、鉛直方向において、前記第2永久磁石7は、第1閉合コイル12で囲まれている。好ましくは、第2弾性部材11がコイルバネであり、他の実施形態においては、この第2弾性部材11は、ゴムバネ等の他の弾性性質を有する部材であってもよい。

前記第3永久磁石8は、第3弾性部材を介して前記支持フレーム4の裏底壁に取り付けられ、かつ、鉛直方向において、前記第3永久磁石8は、第2閉合コイル14で囲まれている。好ましくは、第3弾性部材13がコイルバネであり、他の実施形態においては、この第3弾性部材13は、ゴムバネ等の他の弾性性質を有する部材であってもよい。

前記圧電層3は、前記ベース層2の長手方向に沿って前記ベース層2上に設けられている。好ましくは、圧電層3が第1圧電層と第2圧電層を備え、前記第1圧電層と第2圧電層は、前記ベース層2の上下両側に分布され、かつ、前記ベース層2とサンドイッチのような構造を構成する。他の実施形態においては、圧電層3は、前記ベース層2の上側または下側に分布され、前記ベース層2と共に積層構造を構成してもよい。

代替的な実施の形態では、圧電層3は前記第1永久磁石6の両側に配置され、かつ、圧電層3は、前記第1永久磁石6を中心として、前記第1永久磁石6の両側に対称的に配置されている。他の実施形態においては、ベース層2の任意側にのみ圧電層を設けてもよいし、その第1永久磁石6の両側の圧電層が完全に同様または対称であることを保証することなく、ベース層2の両側に圧電層を同時に設けてもよい。好適実施形態として、前記圧電層3は、前記第1永久磁石6を中心として、前記ベース層2に沿って前記第1永久磁石6の両側に対称分布され、かつ、前記圧電層3が前記第1永久磁石6に近づくほど、この収集器の圧電効率がより高くなる。

本発明の上記実施形態に係る収集器の動作原理は、ベース振動台1によりベース層2に大幅な振動を与え、それにより圧電層3の機械的変形により電荷変化が生じ、さらに電流が形成されるとともに、ベース層2の往復振動過程において磁極反発作用により、フレーム上の第2永久磁石7および第3永久磁石8が第2弾性部材11および第3弾性部材の駆動により往復可動が発生することで、第1閉合コイル12および第2閉合コイル10の磁束が変化させて誘導電流を生成する。これにより、この収集器は圧電効果と電磁効果による電流を同時に収集し、収集器のエネルギー効率を大幅に向上させることができる。

なお、他の実施形態においては、第2永久磁石7を長さ調整可能な部材により前記支持フレーム4の裏天盤に取り付けるのみを選択してもよいし、第3永久磁石8を長さ調整可能な部材により支持フレーム4の裏底盤に取り付けるようにしてもよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

1 ベース振動台
2 ベース層
3 圧電層
4 支持フレーム
5 ねじりばね
6 第1永久磁石
7 第2永久磁石
8 第3永久磁石
9 第2長さ調整可能な部材
10 第3長さ調整可能な部材
11 第2弾性部材
12 第1閉合コイル
13 第3弾性部材
14 第2閉合コイル

Claims (10)

1. 複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器であって、
   ベース層と、永久磁石構成要素と、圧電層と、ベース振動台上に配置された支持フレームとを備え、
   前記ベース層は、両端がねじりばねを介して前記支持フレームの2つの対向する裏側壁に着脱可能に取り付けられた円弧状アーチ構造であり、ここで、前記ベース層は、繊維強化複合材料、ナノ複合材料、圧電複合材料および超弾性複合材料のうちの1つからなり、
   前記永久磁石構成要素は、第1永久磁石、第2永久磁石、および第3永久磁石を備え、前記第1永久磁石は、前記ベース層の中心位置に配置され、前記第2永久磁石、第3永久磁石は、前記第1永久磁石と同一鉛直面内にあり、かつ、前記第1永久磁石は、前記第2永久磁石と第3永久磁石との間に位置し、ここで、前記第2永久磁石は、前記支持フレームの裏天盤に取り付けられ、前記第3永久磁石は、前記支持フレームの裏底壁に取り付けられ、前記第1永久磁石の上表面磁性は、前記第2永久磁石の下表面磁性と同じであり、前記第1永久磁石の下表面磁性は、前記第3永久磁石の上表面磁性と同じであり、
   前記圧電層は、前記ベース層の長手方向に沿って前記ベース層上に設けられていることを特徴とする複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器。
2. 前記圧電層は、第1圧電層と第2圧電層を備え、前記第1圧電層と第2圧電層は、前記ベース層の上下両側に分布され、かつ、前記ベース層とサンドイッチのような構造を構成することを特徴とする請求項1に記載の複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器。
3. 前記圧電層は、前記第1永久磁石の一側又は両側に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器。
4. 前記圧電層は、前記第1永久磁石を中心として、前記第1永久磁石の両側に対称的に配置されていることを特徴とする請求項3に記載の複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器。
5. 前記第2永久磁石は、第2長さ調整可能な部材を介して前記支持フレームの裏天盤に取り付けられていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器。
6. 前記第2長さ調整可能な部材は、一端が前記支持フレームの裏天盤に固定され、他端が前記第2永久磁石に接続された長さ調整可能な伸縮ロッドであることを特徴とする請求項5に記載の複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器。
7. 前記第3永久磁石は、第3長さ調整可能な部材を介して前記支持フレームの裏天盤に取り付けられていることを特徴とする請求項6に記載の複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器。
8. 前記第3長さ調整可能な部材は、一端が前記支持フレームの裏天盤に固定され、他端が前記第3永久磁石に接続された長さ調整可能な伸縮ロッドであることを特徴とする請求項7に記載の複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器。
9. 前記第2永久磁石は、第2弾性部材を介して前記支持フレームの裏天盤に取り付けられ、かつ、鉛直方向において、前記第2永久磁石は、第1閉合コイルで囲まれている。および/または、前記第3永久磁石は、第3弾性部材を介して前記支持フレームの裏底壁に取り付けられ、かつ、鉛直方向において、前記第3永久磁石は、第2閉合コイルで囲まれていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器。
10. 前記第2弾性部材は、コイルバネ、ゴムバネのうちの1種または複数種であり、
    前記第3弾性部材は、コイルバネ、ゴムバネのうちの1種または複数種であることを特徴とする請求項9に記載の複合材料によるアーチ非線形振動エネルギー収集器。

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