JP6644501B2 - Power generation device and power generation method - Google Patents
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Description
本発明は、発電デバイス及び発電方法に関する。特に、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、発電デバイスを用いた車載応用システムに関する。 The present invention relates to a power generation device and a power generation method. In particular, it relates to a vibration power generation device that converts vibration energy into electric energy. Further, the present invention relates to an in-vehicle application system using a power generation device.
日常生活環境下には、広周波数帯域の振動が存在する。この振動のエネルギーを有効に活用する方法として、振動発電デバイスがあげられる。振動発電デバイスは、振動エネルギーを電力エネルギーに変換するデバイスで、これまで活用できなかった環境振動エネルギーを有効利用することができるエネルギーハーベスト（環境発電）技術である。 In a daily living environment, vibration in a wide frequency band exists. As a method of effectively utilizing the energy of this vibration, there is a vibration power generation device. A vibration power generation device is a device that converts vibration energy into electric power energy, and is an energy harvesting (environmental power generation) technology that can effectively use environmental vibration energy that could not be used until now.
振動発電デバイスの発電素子としては、圧電素子が一般的である。圧電素子を用いて、振動により振動面に発生する圧力を電力に変換する発電方法である(特許文献１及び２)。 As a power generation element of the vibration power generation device, a piezoelectric element is generally used. This is a power generation method that converts pressure generated on a vibration surface by vibration into electric power using a piezoelectric element (Patent Documents 1 and 2).
一般的な振動発電デバイスは、圧電素子が１つの固定端と、振動が作用する可動端とを有する片持ち梁の集合の構造を有する。しかしながら片持ち梁の構造は、特定の共振周波数でのみ振動するため、特定の条件が整う場所以外での利用に制約がある。 A general vibration power generation device has a structure in which a piezoelectric element has a fixed end and a movable end on which vibration acts. However, since the structure of the cantilever vibrates only at a specific resonance frequency, there are restrictions on its use in places other than those where specific conditions are satisfied.
環境中の振動をエネルギー源とする場合、特定の周波数に極端なピークが来るということはなく、ある程度広帯域での振動が観測される。そこで、広帯域での振動エネルギーを電気エネルギーに変換できる振動発電デバイスの実現が期待されている。 When vibration in the environment is used as an energy source, an extreme peak does not occur at a specific frequency, and vibration in a certain wide band is observed. Therefore, realization of a vibration power generation device capable of converting vibration energy in a wide band into electric energy is expected.
振動が作用する圧電素子が２つの固定端と、その間に位置する振動の作用点を有する両持ち梁の構造を有する場合、共振周波数は広帯域化することが知られている。 It is known that when a piezoelectric element to which vibration acts has a structure of a double-ended beam having two fixed ends and a point of action of vibration located between the two fixed ends, the resonance frequency is broadened.
本発明は、自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換するために、広い発電周波数帯を備えた発電デバイス及び発電方法を提供することを目的とする。また、その発電デバイスを用いた車載応用システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a power generation device and a power generation method having a wide power generation frequency band in order to efficiently convert vibration energy existing in a wide frequency band in a natural environment into electric energy. It is another object of the present invention to provide an in-vehicle application system using the power generation device.
本発明の一実施形態によると、保持部材と、ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、前記保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子を連結する連結部材と、を備えたことを特徴とする発電デバイスが提供される。 According to one embodiment of the present invention, each of the holding members includes a plurality of piezoelectric bodies disposed on the beams of a metal elastic plate having n (n is a natural number of 1 or more) beams. There is provided a power generation device comprising: a plurality of piezoelectric elements fixed to each other; and a connecting member that connects the plurality of piezoelectric elements.
また、前記梁の上面及び下面に、それぞれ、前記複数の圧電体を有するようにしてもよい。 Further, the plurality of piezoelectric bodies may be provided on the upper surface and the lower surface of the beam, respectively.
また、前記複数の圧電素子がｍ個（ｍは２以上の自然数）であり、ｍ個の前記圧電素子が（ｍ−１）個の前記連結部材によって連結されていてもよい。 Further, the plurality of piezoelectric elements may be m (m is a natural number of 2 or more), and the m piezoelectric elements may be connected by (m-1) connecting members.
また、前記圧電素子は、２ｎ本のスリットを有するようにしてもよい。 Further, the piezoelectric element may have 2n slits.
また、前記保持部材の内側、上部及び下部、又はどちらか一方にストッパーを備えてもよい。 Further, a stopper may be provided on the inside of the holding member, on the upper portion, on the lower portion, or on any one of the holding members.
また、前記連結部材は、円柱形及び角柱形、又はどちらか一方であってもよい。 Further, the connecting member may have a cylindrical shape, a prism shape, or any one of them.
また、前記保持部材の内壁面に固定潤滑層を備えてもよい。 Further, a fixed lubrication layer may be provided on an inner wall surface of the holding member.
また、前記連結部材が連結される連結部と前記保持部材に固定された固定部との間に配置された前記複数の前記圧電体は、その一部の圧電体が第１の電極に接続され、残りの圧電体が第２の電極に接続されてもよい。 Further, the plurality of piezoelectric bodies disposed between a connecting part to which the connecting member is connected and a fixing part fixed to the holding member, some of the piezoelectric bodies are connected to a first electrode. The remaining piezoelectric body may be connected to the second electrode.
また、前記梁の上面において、前記連結部材が連結される連結部と前記保持部材に固定された固定部との間に配置された前記複数の前記圧電体は、その一部の圧電体が第１の電極に接続され、残りの圧電体が第２の電極に接続されており、且つ、前記梁の下面において、前記連結部材が連結される連結部と前記保持部材に固定された固定部との間に配置された前記複数の前記圧電体は、その一部の圧電体が第３の電極に接続され、残りの圧電体が第４の電極に接続されていてもよい。 Further, on the upper surface of the beam, the plurality of piezoelectric bodies disposed between a connecting section to which the connecting member is connected and a fixing section fixed to the holding member, a part of the piezoelectric bodies is A connecting portion to which the connecting member is connected, and a fixing portion fixed to the holding member, on a lower surface of the beam, wherein the connecting portion is connected to the first electrode and the remaining piezoelectric body is connected to the second electrode; A part of the plurality of piezoelectric bodies disposed between them may be connected to a third electrode, and the remaining piezoelectric bodies may be connected to a fourth electrode.
保持部材と、ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、前記保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子を連結する連結部材と、を備えた発電デバイスによる発電方法であって、前記梁を振動させることにより発電する。 A holding member, and a plurality of piezoelectric elements each having a plurality of piezoelectric bodies disposed on the beam of a metal elastic plate having n (n is a natural number of 1 or more) beams and fixed to the holding member; And a connection member for connecting the plurality of piezoelectric elements, wherein the power generation device generates power by vibrating the beam.
保持部材、ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、前記保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子、及び前記複数の圧電素子を連結する連結部材を備えた発電デバイスと、前記発電デバイスが設置された車載応用システム本体と、を備えた車載応用システムが提供される。 A holding member, a plurality of piezoelectric elements each having a plurality of piezoelectric bodies disposed on the beam of a metal elastic plate having n (n is a natural number of 1 or more) beams, and a plurality of piezoelectric elements respectively fixed to the holding member; An in-vehicle application system including a power generation device including a connecting member that connects the plurality of piezoelectric elements and a vehicle-mounted application system main body in which the power generation device is installed is provided.
フレームと、前記フレームに連結され、保持部材、ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、前記保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子、及び前記複数の圧電素子を連結する連結部材を備えた発電デバイス、並びに、前記発電デバイスが設置された車載応用システム本体を備えた車載応用システムと、を有する自動車が提供される。 A frame, and a plurality of piezoelectric members connected to the frame, the holding member and a plurality of piezoelectric bodies disposed on the beams of a metal elastic plate having n (n is a natural number of 1 or more) beams. An automobile having a plurality of fixed piezoelectric elements, a power generation device including a connecting member that connects the plurality of piezoelectric elements, and an in-vehicle application system including an in-vehicle application system body in which the power generation device is installed is provided. Provided.
本発明の一実施形態によれば、自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するため広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a power generation device having a wide power generation frequency band for efficiently converting vibration energy existing in a wide frequency band in a natural environment into electric energy.
以下、図面を参照して本発明に発電デバイスについて説明する。但し、本発明の発電デバイスは多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, a power generation device according to the present invention will be described with reference to the drawings. However, the power generation device of the present invention can be implemented in many different modes, and should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in the drawings referred to in this embodiment, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
〈実施形態〉
（実施形態１）
［発電デバイスの概要］
図１から図３を用いて、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００の構造の概要を説明する。
<Embodiment>
(Embodiment 1)
[Overview of power generation device]
The outline of the structure of the power generation device 1000 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図１は、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００を示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係る発電デバイス１０００は、保持部材１１０、複数の圧電素子１２０ａ及び１２０ｂ、連結部材１３０を備えている。 FIG. 1 is a perspective view showing a power generation device 1000 according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the power generation device 1000 according to the present embodiment includes a holding member 110, a plurality of piezoelectric elements 120a and 120b, and a connecting member 130.
複数の圧電素子１２０は一定のスペースを介して上下に配置される。ここで、図１から４においては、説明の便宜上、２枚の圧電素子１２０有する発電デバイス１０００を一例として図示した。複数の圧電素子１２０は、端部を保持部材１１０に固定される。本実施形態に係る保持部材１１０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２）であるが、ステンレス他、耐久性を備えた材料ならこれに限定しない。 The plurality of piezoelectric elements 120 are vertically arranged via a certain space. Here, FIGS. 1 to 4 illustrate the power generation device 1000 having two piezoelectric elements 120 as an example for convenience of description. The ends of the plurality of piezoelectric elements 120 are fixed to the holding member 110. The material of the holding member 110 according to the present embodiment is aluminum (A5052), but the material is not limited to stainless steel and other durable materials.
図１に示すように、複数の圧電素子１２０は、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここで、図１から図４では、説明の便宜上、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を一例として図示した（ｍ＝２）。 As shown in FIG. 1, when the number of the piezoelectric elements 120 is m, the plurality of piezoelectric elements 120 may be connected by the connecting portion 131 in a structure that sandwiches the (m−1) connecting members 130 (m is 2). Natural numbers above). Here, FIGS. 1 to 4 show a structure in which one connecting member 130 is sandwiched between two piezoelectric elements 120 as an example (m = 2) for convenience of explanation.
図２は本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００の一例を示す平面図である。図１および図２に示すように、圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板の上面に複数配置された圧電体１２１とを含む。金属弾性板１２２は、高靭性と弾性を備え、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であればよい。本実施形態においては、金属弾性板１２２は、厚さが５０μｍの２ｃｍ四方の板状ステンレス素子（ＳＵＳ３０４）を用いている。 FIG. 2 is a plan view illustrating an example of the power generation device 1000 according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIGS. 1 and 2, the piezoelectric element 120 includes a metal elastic plate 122 and a plurality of piezoelectric bodies 121 arranged on the upper surface of the metal elastic plate. The metal elastic plate 122 may have a structure with high toughness and elasticity, a thin plate shape and low bending rigidity. In the present embodiment, the metal elastic plate 122 uses a 2 cm square stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 50 μm.
圧電素子１２０はｎ本の両持ち梁の構造を維持する配置に、２ｎ個のスリット１２３を有するようにしてもよい（ｎは自然数）。ここで、図１および２においては、説明の便宜上、４個のスリット１２３を有する圧電素子１２０を含む発電デバイス１０００を一例として図示した（ｎ＝２）。この結果、圧電素子１２０は２本の両持ち梁１２４が交差した十字構造を示す。 The piezoelectric element 120 may have 2n slits 123 (n is a natural number) in an arrangement for maintaining the structure of n doubly supported beams. Here, in FIGS. 1 and 2, for convenience of description, the power generation device 1000 including the piezoelectric element 120 having four slits 123 is illustrated as an example (n = 2). As a result, the piezoelectric element 120 has a cross structure in which two doubly supported beams 124 intersect.
本発明の実施形態に係る複数の圧電体１２１は、両持ち梁１２４上に配置される。図１から図４においては、説明の便宜上、１枚の金属弾性板１２２に上面計８個の圧電体１２１（１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅ、１２１ｆ、１２１ｇ、および１２１ｈ）を有する発電デバイス１０００を一例として図示した。 The plurality of piezoelectric bodies 121 according to the embodiment of the present invention are arranged on a doubly supported beam 124. 1 to 4, for convenience of description, a power generation device having a total of eight piezoelectric bodies 121 (121a, 121b, 121c, 121d, 121e, 121f, 121g, and 121h) on a single metal elastic plate 122. 1000 is shown as an example.
本実施形態において、圧電体１２１の材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。本実施形態の圧電体１２１の厚さは２μｍ以上１０μｍ以下である。 In the present embodiment, the material of the piezoelectric body 121 is aluminum nitride (AlN). The thickness of the piezoelectric body 121 of this embodiment is 2 μm or more and 10 μm or less.
本実施形態においては、圧電体１２１の材料には窒化アルミニウムを用いたが、スカンジウム含有窒化アルミニウム（Ｓｃ―ＡｌＮ）、マグネシウムおよびニオブ含有窒化アルミニウム（Ｍｇ／Ｎｂ−ＡｌＮ）、またはニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ) といった圧電体や強誘電体であってもよい。 In the present embodiment, aluminum nitride is used as the material of the piezoelectric body 121, but scandium-containing aluminum nitride (Sc—AlN), magnesium and niobium-containing aluminum nitride (Mg / Nb—AlN), or potassium sodium niobate ( A piezoelectric material such as KNN) or a ferroelectric material may be used.
本実施形態においては、連結部材１３０の連結部１３１は、圧電素子１２０の中央を示しているが、これに限るものではない。本実施形態においては、連結部材１３０の材料は快削真鍮（Ｃ３６０４）を用いているが、これに限るものではない。図１から図４では、円柱型の連結部材１３０を示したが、これに限るものではない。 In the present embodiment, the connecting portion 131 of the connecting member 130 indicates the center of the piezoelectric element 120, but is not limited to this. In the present embodiment, the material of the connecting member 130 is free cutting brass (C3604), but the material is not limited to this. 1 to 4 show the cylindrical connecting member 130, but the present invention is not limited to this.
図３は本発明の実施形態に係る発電デバイス１０００の一例を示す断面図である。圧電素子１２０の振動方向を連結部材１３０軸方向に制限するため、保持部材１１０の内側、上部及び下部それぞれに、ストッパー１１１を設ける構造を有するようにしてもよい。 FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an example of the power generation device 1000 according to the embodiment of the present invention. In order to limit the vibration direction of the piezoelectric element 120 to the axial direction of the connecting member 130, a structure may be employed in which stoppers 111 are provided inside, above, and below the holding member 110.
圧電素子１２０の振動方向を連結部材１３０軸方向に制限するため、保持部材１１０の内壁に固定潤滑層１１２を設ける構造を有するようにしてもよい。固定潤滑層１１２の材質は、耐摩擦性、耐摩耗性を有すればよい。本実施形態においては、テフロン（登録商標）無電解ニッケル（Ｎｉ−ＰＴＦＥ）を用いている。 In order to limit the vibration direction of the piezoelectric element 120 to the axial direction of the connecting member 130, a structure in which the fixed lubricating layer 112 is provided on the inner wall of the holding member 110 may be adopted. The material of the fixed lubricating layer 112 only needs to have friction resistance and wear resistance. In the present embodiment, Teflon (registered trademark) electroless nickel (Ni-PTFE) is used.
［発電デバイスの振動と発電原理］
次に、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００の振動と発電原理について、図４Ａ〜４Ｄを用いて詳細に説明する。図４Ａ〜４Ｄは、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００において、圧電素子１２０および連結部材１３０が振動している状態を示す断面図である。図４Ａ〜４Ｄでは、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を例示するが、この数に限定されず、（ｍ−１）個の連結部材１３０をｍ枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造でも同じ原理が適用できる（ｍは２以上の自然数）。
[Vibration of power generation device and power generation principle]
Next, the vibration and the power generation principle of the power generation device 1000 according to Embodiment 1 of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 4A to 4D are cross-sectional views illustrating a state in which the piezoelectric element 120 and the connecting member 130 are vibrating in the power generation device 1000 according to Embodiment 1 of the present invention. 4A to 4D, a structure in which one connecting member 130 is sandwiched between two piezoelectric elements 120 is illustrated, but the number is not limited to this, and (m-1) connecting members 130 are replaced by m piezoelectric members. The same principle can be applied to a structure sandwiched between the elements 120 (m is a natural number of 2 or more).
本発明の実施形態１に係る圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板１２２の上面に位置する計８個の圧電体１２１（１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅ、１２１ｆ、１２１ｇ、および１２１ｈ）とを有する。 The piezoelectric element 120 according to the first embodiment of the present invention includes a metal elastic plate 122 and a total of eight piezoelectric bodies 121 (121a, 121b, 121c, 121d, 121e, 121f, 121g, And 121h).
図４Ｂに示す状態が、外力が作用していない状態である。本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００に外力がかかるとき、その反作用により連結部材１３０の軸方向に加わる力は、外力の加えられる方向に対して凸状となるように圧電素子１２０を屈曲させる。
金属弾性板１２２は、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であることから、圧電素子１２０は収縮変位し、変位が増大するとともに反発力が増加し、反転により変位する。すなわち、外力の加えられる方向が図４Ａ〜４Ｃにおいて下方向である場合、図４（ｂ）から（ｃ）→（ｂ）→（ａ）→（ｂ）のくりかえしにより振動する。
The state shown in FIG. 4B is a state where no external force is applied. When an external force is applied to the power generating device 1000 according to the first embodiment of the present invention, the force applied in the axial direction of the connecting member 130 by the reaction causes the piezoelectric element 120 to bend so as to be convex in the direction in which the external force is applied. Let it.
Since the metal elastic plate 122 has a thin plate shape and a low bending rigidity, the piezoelectric element 120 contracts and displaces, the displacement increases, the repulsive force increases, and the metal element is displaced by inversion. That is, when the direction in which the external force is applied is the downward direction in FIGS. 4A to 4C, the vibration is caused by the repetition of (c) → (b) → (a) → (b) from FIG.
圧電素子１２０が屈曲する際に発生する電荷は、圧電体１２１の屈曲する向きに依存して極性が変わるため、各圧電体１２１から電気エネルギーを効率良く取り出すために、それぞれ別個の電気回路を用いる必要がある。 Since the polarity of the electric charge generated when the piezoelectric element 120 bends changes depending on the bending direction of the piezoelectric body 121, a separate electric circuit is used to efficiently extract electric energy from each piezoelectric body 121. There is a need.
圧電素子１２０のそれぞれの両持ち梁は、横からみるとS字状にまがるため、同一面でも場所により圧縮と伸張とが発生する。図４Ｄに、本発明の実施形態１に係る両持ち梁の一部の動きの拡大図を示す。連結部材１３０が図中（ｅ）、上方向に振動する時、圧電体１２１ａは圧縮し、圧電体１２１ｂは伸張する。連結部材１３０が図中（ｇ）、下方向に振動する時、圧電体１２１ａは伸張し、圧電体１２１ｂは圧縮する。すなわち、図４Ａ〜４Ｃにおいて、圧電素子１２０の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体１２１ａおよび１２１ｄと、外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂおよび１２１ｃとで、逆相の電荷を発生する。このため全面に電極を設けた場合はお互いに発生した逆相の電荷により打ち消しあってしまう。 Each doubly supported beam of the piezoelectric element 120 rolls in an S-shape when viewed from the side, so that compression and expansion occur in some places even on the same surface. FIG. 4D is an enlarged view of the movement of a part of the doubly supported beam according to Embodiment 1 of the present invention. When the connecting member 130 vibrates upward in the figure (e), the piezoelectric body 121a compresses and the piezoelectric body 121b expands. When the connecting member 130 vibrates downward in the figure (g), the piezoelectric body 121a expands and the piezoelectric body 121b compresses. That is, in FIGS. 4A to 4C, the piezoelectric bodies 121 a and 121 d located on the fixed end side fixed to the holding member 110 of the piezoelectric element 120 and the piezoelectric bodies 121 b and 121 c located on the connecting section 131 side where the external force is applied. As a result, charges having opposite phases are generated. For this reason, when the electrodes are provided on the entire surface, they are canceled by charges of opposite phases generated from each other.
このため、圧電素子に外力がかかるとき、圧電現象による発電量を打ち消し合わずに集電できるよう、圧電素子１２０の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体１２１ａおよび１２１ｄと、外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂおよび１２１ｃとで電極を分けた構造を有するようにしてもよい。 For this reason, when an external force is applied to the piezoelectric element, the piezoelectric bodies 121a and 121d located on the fixed end side fixed to the holding member 110 of the piezoelectric element 120 so that current can be collected without canceling out the amount of power generation due to the piezoelectric phenomenon, The structure may be such that the electrodes are separated from the piezoelectric bodies 121b and 121c located on the connecting portion 131 side where the external force acts.
これにより負荷や蓄電池等に逆の極性の電圧が印加されることを防止し、更に効率良く起電力を得ることができる。 This prevents a voltage of the opposite polarity from being applied to a load, a storage battery, or the like, and can more efficiently obtain an electromotive force.
発電デバイス１０００が設置される場所は必ずしも発生する振動がコントロールされているとは限らない。所望の周波数帯における予期せぬ大きな振動や、設計範囲外に生じる大きな振動において、圧電素子１２０が破壊されないようにしなければならない。 The generated vibration is not always controlled at the place where the power generation device 1000 is installed. It is necessary to prevent the piezoelectric element 120 from being destroyed by unexpected large vibration in a desired frequency band or large vibration occurring outside the design range.
発電に寄与する振動方向であっても、材料の弾性限界を超えた変位が生じないようにするため、上下にストッパー１１１を設ける。また、横方向からの振動に対してもは圧電素子１２０の破壊を防ぐため、周囲に固定潤滑層１１２を設ける。 Stoppers 111 are provided above and below in order to prevent the displacement exceeding the elastic limit of the material from occurring even in the vibration direction contributing to power generation. Further, a fixed lubricating layer 112 is provided around the piezoelectric element 120 in order to prevent the piezoelectric element 120 from being destroyed even in a lateral vibration.
以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、大きな振動にも壊れること無く、かつ、発生した電気エネルギーを無駄にすること無く、広帯域の振動エネルギーを電気エネルギーにすることが可能となる。自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。また、発生電荷の電極内打ち消しを防ぐために意図しない振動モードを抑制する構造を備えた発電デバイスを提供することができる。 With the above structure, the power generation device of the present invention according to the present embodiment converts the broadband vibration energy into electric energy without breaking even by large vibration and without wasting generated electric energy. It becomes possible. A power generation device having a wide power generation frequency band can be provided by utilizing the nonlinear spring effect in order to efficiently convert vibration energy existing in a natural environment in a wide frequency band into electric energy. Further, it is possible to provide a power generation device having a structure for suppressing an unintended vibration mode in order to prevent generated charges from canceling out in the electrode.
（実施形態２）
［発電デバイスの概要］
図５から図７を用いて、本発明の実施形態２に係る発電デバイス２０００の構造の概要を説明する。
(Embodiment 2)
[Overview of power generation device]
The outline of the structure of the power generation device 2000 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図５は、本発明の実施形態２に係る発電デバイス２０００を示す斜視図である。図５に示すように、本実施形態に係る発電デバイス２０００は、保持部材１１０、複数の圧電素子１２０ａ及び１２０ｂ、連結部材１３０を備えている。 FIG. 5 is a perspective view showing a power generation device 2000 according to Embodiment 2 of the present invention. As shown in FIG. 5, the power generation device 2000 according to the present embodiment includes a holding member 110, a plurality of piezoelectric elements 120a and 120b, and a connecting member 130.
複数の圧電素子１２０は一定のスペースを介して上下に配置される。ここで、図５から図８においては、説明の便宜上、２枚の圧電素子１２０有する発電デバイス２０００を一例として図示した。複数の圧電素子１２０は、端部を保持部材１１０に固定される。本実施形態に係る保持部材１１０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２）であるが、ステンレス他、耐久性を備えた材料ならこれに限定しない。 The plurality of piezoelectric elements 120 are vertically arranged via a certain space. Here, FIGS. 5 to 8 illustrate a power generation device 2000 having two piezoelectric elements 120 as an example for convenience of description. The ends of the plurality of piezoelectric elements 120 are fixed to the holding member 110. The material of the holding member 110 according to the present embodiment is aluminum (A5052), but the material is not limited to stainless steel and other durable materials.
図５に示すように、複数の圧電素子１２０は、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここで、図５から図８では、説明の便宜上、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を一例として図示した（ｍ＝２）。 As shown in FIG. 5, when the number of the plurality of piezoelectric elements 120 is m, the plurality of piezoelectric elements 120 may be connected by a structure that sandwiches (m−1) connecting members 130 at the connecting portion 131 (m is 2). Natural numbers above). Here, FIGS. 5 to 8 illustrate a structure in which one connecting member 130 is sandwiched between two piezoelectric elements 120 as an example (m = 2) for convenience of description.
図６は本発明の実施形態２に係る発電デバイス２０００の一例を示す平面図である。図５および図６に示すように、圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板の上面および下面に複数配置された圧電体１２１とを含む。金属弾性板１２２は、高靭性と弾性を備え、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であればよい。本実施形態においては、金属弾性板１２２は、厚さが５０μｍの２ｃｍ四方の板状ステンレス素子（ＳＵＳ３０４）を用いている。 FIG. 6 is a plan view illustrating an example of the power generation device 2000 according to Embodiment 2 of the present invention. As shown in FIGS. 5 and 6, the piezoelectric element 120 includes a metal elastic plate 122, and a plurality of piezoelectric bodies 121 arranged on the upper and lower surfaces of the metal elastic plate. The metal elastic plate 122 may have a structure with high toughness and elasticity, a thin plate shape and low bending rigidity. In the present embodiment, the metal elastic plate 122 uses a 2 cm square stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 50 μm.
圧電素子１２０はｎ本の両持ち梁の構造を維持する配置に、２ｎ個のスリット１２３を有するようにしてもよい（ｎは自然数）。ここで、図５および６においては、説明の便宜上、４個のスリット１２３を有する圧電素子１２０を含む発電デバイス２０００を一例として図示した（ｎ＝２）。この結果、圧電素子１２０は２本の両持ち梁１２４が交差した十字構造を示す。 The piezoelectric element 120 may have 2n slits 123 (n is a natural number) in an arrangement for maintaining the structure of n doubly supported beams. Here, in FIGS. 5 and 6, for convenience of description, a power generation device 2000 including the piezoelectric element 120 having four slits 123 is illustrated as an example (n = 2). As a result, the piezoelectric element 120 has a cross structure in which two doubly supported beams 124 intersect.
本発明の実施形態に係る複数の圧電体１２１は、両持ち梁１２４上に配置される。図５から図８においては、説明の便宜上、１枚の金属弾性板１２２に上面および下面計１６個の圧電体１２１（上面：１２１ａａ、１２１ａｂ、１２１ａｃ、１２１ａｄ、１２１ａｅ、１２１ａｆ、１２１ａｇ、１２１ａｈ、下面：１２１ｂａ、１２１ｂｂ、１２１ｂｃ、１２１ｂｄ、１２１ｂｅ、１２１ｂｆ、１２１ｂｇ、および１２１ｂｈ）を有する発電デバイス２０００を一例として図示した。 The plurality of piezoelectric bodies 121 according to the embodiment of the present invention are arranged on a doubly supported beam 124. 5 to 8, for convenience of explanation, a total of 16 piezoelectric bodies 121 (upper surface: 121aa, 121ab, 121ac, 121ad, 121ae, 121af, 121ag, 121ah, lower surface) are provided on one metal elastic plate 122 on the upper surface and the lower surface. : 121ba, 121bb, 121bc, 121bd, 121be, 121bf, 121bg, and 121bh) as an example.
本実施形態において、圧電体１２１の材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。本実施形態の圧電体１２１の厚さは２μｍ以上１０μｍ以下である。 In the present embodiment, the material of the piezoelectric body 121 is aluminum nitride (AlN). The thickness of the piezoelectric body 121 of this embodiment is 2 μm or more and 10 μm or less.
なお、以下の数式（１）は、出力電圧Ｖ[V]、発生電荷量Ｑ[C]、圧電体の静電容量Ｃ[F]、圧電体のヤング率Ｅｐ[Pa]、基板のヤング率Ｅｓ[Pa]、圧電体の厚みｈｐ[ｍ]、基板の厚みｈｓ[ｍ]との関係を表す理論式である。 The following equation (1) represents the output voltage V [V], the generated charge Q [C], the capacitance C [F] of the piezoelectric body, the Young's modulus Ep [Pa] of the piezoelectric body, and the Young's modulus of the substrate. It is a theoretical expression showing the relationship between Es [Pa], the thickness hp [m] of the piezoelectric body, and the thickness hs [m] of the substrate.
数式（１）に、本実施形態で用いる基板のヤング率（ＳＵＳ３０４ Ｅｓ＝１９７ＧＰａ）、圧電体のヤング率（ＡＩＮ Ｅｐ＝３００ ＧＰａ）、圧電体の静電容量（圧電体の誘電率（ε＝9.0））×電極面積÷圧電体の厚み）を代入すると、図９に示すとおり、本実施形態における出力電圧Ｖと圧電体の厚みｈｐと基板の厚みｈｓとの関係グラフが導き出される。図９においては、縦軸を発生電圧Ｖ（又は発生電荷量Q）とし、横軸を圧電体の厚みｈｐとし、基板の厚みｈｓを変化させてたときのグラフを示す。
図９に示すように、金属弾性板１２２の厚さが５０μｍで、圧電体１２１の厚さが半分の値２５μｍ程度であるときに、発電効率が最大となる。このため本実施形態の金属弾性板１２２の厚さは５０μｍ、圧電体１２１の厚さは２５μｍとしてもよい。一方、発電効率の最大化ではなく、設計上の目標とする共振周波数や製造コストを考慮して金属弾性板１２２の厚さや、圧電体１２１の厚さを適宜、本実施形態の範囲外にしてもよい。 As shown in FIG. 9, when the thickness of the metal elastic plate 122 is 50 μm and the thickness of the piezoelectric body 121 is about a half value of about 25 μm, the power generation efficiency is maximized. For this reason, the thickness of the metal elastic plate 122 of this embodiment may be 50 μm, and the thickness of the piezoelectric body 121 may be 25 μm. On the other hand, instead of maximizing the power generation efficiency, the thickness of the metal elastic plate 122 and the thickness of the piezoelectric body 121 are appropriately set out of the range of the present embodiment in consideration of the target resonance frequency and the manufacturing cost in design. Is also good.
本実施形態においては、圧電体１２１の材料には窒化アルミニウムを用いたが、スカンジウム含有窒化アルミニウム（Ｓｃ―ＡｌＮ）、マグネシウムおよびニオブ含有窒化アルミニウム（Ｍｇ／Ｎｂ−ＡｌＮ）、またはニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ)といった圧電体や強誘電体であってもよい。 In the present embodiment, aluminum nitride is used as the material of the piezoelectric body 121, but scandium-containing aluminum nitride (Sc—AlN), magnesium and niobium-containing aluminum nitride (Mg / Nb—AlN), or potassium sodium niobate ( A piezoelectric material such as KNN) or a ferroelectric material may be used.
本実施形態においては、連結部材１３０の連結部１３１は、圧電素子１２０の中央を示しているが、これに限るものではない。本実施形態においては、連結部材１３０の材料は快削真鍮（Ｃ３６０４）を用いているが、これに限るものではない。図５から図８では、円柱型の連結部材１３０を示したが、これに限るものではない。 In the present embodiment, the connecting portion 131 of the connecting member 130 indicates the center of the piezoelectric element 120, but is not limited to this. In the present embodiment, the material of the connecting member 130 is free cutting brass (C3604), but the material is not limited to this. 5 to 8, the columnar connecting member 130 is shown, but the present invention is not limited to this.
図７は本発明の実施形態に係る発電デバイス２０００の一例を示す断面図である。圧電素子１２０の振動方向を連結部材１３０軸方向に制限するため、保持部材１１０の内側、上部及び下部それぞれに、ストッパー１１１を設ける構造を有するようにしてもよい。 FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating an example of the power generation device 2000 according to the embodiment of the present invention. In order to limit the vibration direction of the piezoelectric element 120 to the axial direction of the connecting member 130, a structure may be employed in which stoppers 111 are provided inside, above, and below the holding member 110.
圧電素子１２０の振動方向を連結部材１３０軸方向に制限するため、保持部材１１０の内壁に固定潤滑層１１２を設ける構造を有するようにしてもよい。固定潤滑層１１２の材質は、耐摩擦性、耐摩耗性を有すればよい。本実施形態においては、テフロン無電解ニッケル（Ｎｉ−ＰＴＦＥ）を用いている。 In order to limit the vibration direction of the piezoelectric element 120 to the axial direction of the connecting member 130, a structure in which the fixed lubricating layer 112 is provided on the inner wall of the holding member 110 may be adopted. The material of the fixed lubricating layer 112 only needs to have friction resistance and wear resistance. In this embodiment, Teflon electroless nickel (Ni-PTFE) is used.
［発電デバイスの振動と発電原理］
次に、本発明の実施形態２に係る発電デバイスの振動と発電原理について、図８Ａ〜８Ｄを用いて詳細に説明する。図８Ａ〜８Ｄは、本発明の実施形態２に係る発電デバイスにおいて、圧電素子１２０および連結部材１３０が振動している状態を示す断面図である。図８Ａ〜８Ｄでは、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を例示するが、この数に限定されず、（ｍ−１）個の連結部材１３０をｍ枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造でも同じ原理が適用できる（ｍは２以上の自然数）。
[Vibration of power generation device and power generation principle]
Next, the vibration and the power generation principle of the power generation device according to Embodiment 2 of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 8A to 8D are cross-sectional views showing a state where the piezoelectric element 120 and the connecting member 130 are vibrating in the power generation device according to Embodiment 2 of the present invention. 8A to 8D, a structure in which one connecting member 130 is sandwiched between two piezoelectric elements 120 is illustrated, but the number is not limited thereto. (M−1) connecting members 130 may be replaced by m piezoelectric members. The same principle can be applied to a structure sandwiched between the elements 120 (m is a natural number of 2 or more).
本発明の実施形態２に係る圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板１２２の上面および下面に位置する計１６個の圧電体１２１（上面：１２１ａａ、１２１ａｂ、１２１ａｃ、１２１ａｄ、１２１ａｅ、１２１ａｆ、１２１ａｇ、１２１ａｈ、下面：１２１ｂａ、１２１ｂｂ、１２１ｂｃ、１２１ｂｄ、１２１ｂｅ、１２１ｂｆ、１２１ｂｇ、および１２１ｂｈ）とを有する。 The piezoelectric element 120 according to the second embodiment of the present invention includes a metal elastic plate 122 and a total of 16 piezoelectric bodies 121 (upper surfaces: 121aa, 121ab, 121ac, 121ad, 121ae, 121af, 121ag, 121ah, lower surface: 121ba, 121bb, 121bc, 121bd, 121be, 121bf, 121bg, and 121bh).
図８Ｂに示す状態が、外力が作用していない状態である。本発明の実施形態２に係る発電デバイス２０００に外力がかかるとき、その反作用により連結部材１３０の軸方向に加わる力は、外力の加えられる方向に対して凸状となるように圧電素子１２０を屈曲させる。
金属弾性板１２２は、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であることから、圧電素子１２０は収縮変位し、変位が増大するとともに反発力が増加し、反転により変位する。すなわち、外力の加えられる方向が図８Ａ〜８Ｃにおいて下方向である場合、図８（ｂ）から（ｃ）→（ｂ）→（ａ）→（ｂ）のくりかえしにより振動する。
The state shown in FIG. 8B is a state where no external force is applied. When an external force is applied to the power generation device 2000 according to the second embodiment of the present invention, the force applied in the axial direction of the connecting member 130 due to the reaction causes the piezoelectric element 120 to bend so as to be convex in the direction in which the external force is applied. Let it.
Since the metal elastic plate 122 has a thin plate shape and a low bending rigidity, the piezoelectric element 120 contracts and displaces, the displacement increases, the repulsive force increases, and the metal element is displaced by inversion. That is, when the direction in which the external force is applied is downward in FIGS. 8A to 8C, the vibration is caused by the repetition of (c) → (b) → (a) → (b) from FIG.
圧電素子１２０が屈曲する際に発生する電荷は、圧電体１２１の屈曲する向きに依存して極性が変わるため、各圧電体１２１から電気エネルギーを効率良く取り出すために、それぞれ別個の電気回路を用いる必要がある。 Since the polarity of the electric charge generated when the piezoelectric element 120 bends changes depending on the bending direction of the piezoelectric body 121, a separate electric circuit is used to efficiently extract electric energy from each piezoelectric body 121. There is a need.
圧電素子１２０のそれぞれの両持ち梁は、横からみるとS字状にまがるため、同一箇所でも上面、下面により圧縮と伸張とが発生する。図８Ｄに、本発明の実施形態２に係る両持ち梁の一部の動きの拡大図を示す。連結部材１３０が図中（ｅ）、上方向に振動する時、圧電体１２１ａａおよび１２１ｂｂは圧縮し、圧電体１２１ａｂおよび１２１ｂａは伸張する。連結部材１３０が図中（ｇ）、下方向に振動する時、圧電体１２１ａａおよび１２１ｂｂは伸張し、圧電体１２１ａｂおよび１２１ｂａは圧縮する。すなわち、図８Ａ〜８Ｃにおいて、圧電素子１２０の上面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうち１２１ａａおよび１２１ａｄと、下面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうち１２１ｂａおよび１２１ｂｄとで、逆相の電荷を発生する。さらに、図８Ａ〜８Ｃにおいて、圧電素子１２０の上面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ａｂおよび１２１ａｃと、下面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂｂおよび１２１ｂｃとで、逆相の電荷を発生する。このため両面に電極を設けた場合はお互いに発生した逆相の電荷により打ち消しあってしまう。 Each doubly supported beam of the piezoelectric element 120 rolls in an S-shape when viewed from the side, so that compression and expansion occur at the same location due to the upper and lower surfaces. FIG. 8D is an enlarged view of a part of the movement of the doubly supported beam according to the second embodiment of the present invention. When the connecting member 130 vibrates upward in the figure (e), the piezoelectric bodies 121aa and 121bb compress, and the piezoelectric bodies 121ab and 121ba expand. When the connecting member 130 vibrates downward in the figure (g), the piezoelectric bodies 121aa and 121bb expand, and the piezoelectric bodies 121ab and 121ba compress. That is, in FIGS. 8A to 8C, 121aa and 121ad of the piezoelectric body located on the fixed end side fixed to the holding member 110 on the upper surface of the piezoelectric element 120 and the piezoelectric body located on the fixed end side fixed to the holding member 110 on the lower surface Of the piezoelectric bodies that generate, 121ba and 121bd generate charges in opposite phases. 8A to 8C, the piezoelectric bodies 121ab and 121ac located on the connection portion 131 side of the upper surface of the piezoelectric element 120 where the external force is applied and the piezoelectric members 121ac and 121ac located on the lower surface of the connection portion 131 where the external force is applied. The bodies 121bb and 121bc generate charges of opposite phases. For this reason, when the electrodes are provided on both surfaces, they are canceled by charges of opposite phases generated from each other.
このため、圧電素子に外力がかかるとき、圧電現象による発電量を打ち消し合わずに集電できるよう、圧電素子１２０の上面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体１２１ａａおよび１２１ａｄと、上面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ａｂおよび１２１ａｃと、下面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうちｂａおよび１２１ｂｄと、下面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂｂおよび１２１ｂｃとで、電極を分けた構造を有するようにしてもよい。 Therefore, when an external force is applied to the piezoelectric element, the piezoelectric members 121aa and 121ad located on the fixed end side fixed to the holding member 110 on the upper surface of the piezoelectric element 120 so that current can be collected without canceling out the amount of power generated by the piezoelectric phenomenon. And piezoelectric members 121ab and 121ac located on the connecting portion 131 side where the external force acts on the upper surface, ba and 121bd among the piezoelectric members located on the fixed end side fixed to the holding member 110 on the lower surface, and The structure may be such that the electrodes are separated from the piezoelectric bodies 121bb and 121bc located on the connecting portion 131 side where the external force acts.
これにより負荷や蓄電池等に逆の極性の電圧が印加されることを防止し、更に効率良く起電力を得ることができる。 This prevents a voltage of the opposite polarity from being applied to a load, a storage battery, or the like, and can more efficiently obtain an electromotive force.
本実施形態の発電デバイス２０００において、梁をｎ本に増やし、それぞれの構造を変化させることにより共振周波数はより広帯域化することができる。図１０は、本実施形態に係る発電デバイス２０００における、非線形ばね効果による発電周波数帯域の拡大を示すグラフである。加速度９．８ｍ/ｓ２の調和振動を印加した場合では線形振動が、加速度２０ｍ/ｓ２の調和振動を印加した場合では非線形振動が示された。 In the power generation device 2000 of the present embodiment, the number of beams is increased to n and the respective structures are changed, so that the resonance frequency can be broadened. FIG. 10 is a graph showing the expansion of the power generation frequency band due to the non-linear spring effect in the power generation device 2000 according to the present embodiment. When the harmonic vibration with an acceleration of 9.8 m / s 2 was applied, a linear vibration was shown, and when the harmonic vibration with an acceleration of 20 m / s 2 was applied, a nonlinear vibration was shown.
発電デバイス２０００が設置される場所は必ずしも発生する振動がコントロールされているとは限らない。所望の周波数帯における予期せぬ大きな振動や、設計範囲外に生じる大きな振動において、圧電素子１２０が破壊されないようにしなければならない。 The generated vibration is not always controlled at the place where the power generation device 2000 is installed. It is necessary to prevent the piezoelectric element 120 from being destroyed by unexpected large vibration in a desired frequency band or large vibration occurring outside the design range.
発電に寄与する振動方向であっても、材料の弾性限界を超えた変位が生じないようにするため、上下にストッパー１１１を設ける。また、横方向からの振動に対してもは圧電素子１２０の破壊を防ぐため、周囲に固定潤滑層１１２を設ける。 Stoppers 111 are provided above and below in order to prevent the displacement exceeding the elastic limit of the material from occurring even in the vibration direction contributing to power generation. Further, a fixed lubricating layer 112 is provided around the piezoelectric element 120 in order to prevent the piezoelectric element 120 from being destroyed even in a lateral vibration.
以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、大きな振動にも壊れること無く、かつ、発生した電気エネルギーを無駄にすること無く、広帯域の振動エネルギーを電気エネルギーにすることが可能となる。自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。また、発生電荷の電極内打ち消しを防ぐために意図しない振動モードを抑制する構造を備えた発電デバイスを提供することができる。 With the above structure, the power generation device of the present invention according to the present embodiment converts the broadband vibration energy into electric energy without breaking even by large vibration and without wasting generated electric energy. It becomes possible. A power generation device having a wide power generation frequency band can be provided by utilizing the non-linear spring effect in order to efficiently convert vibration energy existing in a natural environment in a wide frequency band into electric energy. Further, it is possible to provide a power generation device having a structure for suppressing an unintended vibration mode in order to prevent generated charges from canceling out in the electrode.
（実施形態３）
［発電デバイスの概要］
図１１から図１３を用いて、本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００の構造の概要を説明する。
(Embodiment 3)
[Overview of power generation device]
The outline of the structure of the power generation device 3000 according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図１１は、本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００を示す斜視図である。図１１に示すように、本実施形態に係る発電デバイス３０００は、保持部材１１０、複数の圧電素子１２０ａ及び１２０ｂ、連結部材１３０を備えている。 FIG. 11 is a perspective view showing a power generation device 3000 according to Embodiment 3 of the present invention. As shown in FIG. 11, the power generation device 3000 according to the present embodiment includes a holding member 110, a plurality of piezoelectric elements 120a and 120b, and a connecting member 130.
複数の圧電素子１２０は一定のスペースを介して上下に配置される。ここで、図１１から図１３においては、説明の便宜上、２枚の圧電素子１２０有する発電デバイス３０００を一例として図示した。複数の圧電素子１２０は、端部を保持部材１１０に固定される。本実施形態に係る保持部材１１０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２）であるが、ステンレス他、耐久性を備えた材料ならこれに限定しない。 The plurality of piezoelectric elements 120 are vertically arranged via a certain space. Here, FIGS. 11 to 13 illustrate the power generation device 3000 having two piezoelectric elements 120 as an example for convenience of description. The ends of the plurality of piezoelectric elements 120 are fixed to the holding member 110. The material of the holding member 110 according to the present embodiment is aluminum (A5052), but the material is not limited to stainless steel and other durable materials.
図１１に示すように、複数の圧電素子１２０は、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここで、図１１から図１３では、説明の便宜上、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を一例として図示した（ｍ＝２）。 As shown in FIG. 11, when the number of the plurality of piezoelectric elements 120 is m, the plurality of piezoelectric elements 120 may be connected by a connecting portion 131 in a structure that sandwiches (m−1) connecting members 130 (m is 2). Natural numbers above). Here, FIGS. 11 to 13 illustrate a structure in which one connecting member 130 is sandwiched between two piezoelectric elements 120 as an example (m = 2) for convenience of description.
図１２は本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００の一例を示す平面図である。図１１および図１２に示すように、圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板の上面に複数配置された圧電体１２１とを含む。金属弾性板１２２は、高靭性と弾性を備え、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であればよい。本実施形態においては、金属弾性板１２２は、厚さが５０μｍの２ｃｍ四方の板状ステンレス素子（ＳＵＳ３０４）を用いている。 FIG. 12 is a plan view illustrating an example of the power generation device 3000 according to Embodiment 3 of the present invention. As shown in FIGS. 11 and 12, the piezoelectric element 120 includes a metal elastic plate 122 and a plurality of piezoelectric bodies 121 arranged on the upper surface of the metal elastic plate. The metal elastic plate 122 may have a structure with high toughness and elasticity, a thin plate shape and low bending rigidity. In the present embodiment, the metal elastic plate 122 uses a 2 cm square stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 50 μm.
圧電素子１２０はｎ本の両持ち梁の構造を維持する配置に、２ｎ個のスリット１２３を有するようにしてもよい（ｎは自然数）。ここで、図１１および図１２においては、説明の便宜上、４個のスリット１２３を有する圧電素子１２０を含む発電デバイス３０００を一例として図示した（ｎ＝２）。この結果、圧電素子１２０は２本の両持ち梁１２４が交差した十字構造を示す。 The piezoelectric element 120 may have 2n slits 123 (n is a natural number) in an arrangement for maintaining the structure of n doubly supported beams. Here, FIGS. 11 and 12 illustrate the power generation device 3000 including the piezoelectric element 120 having four slits 123 as an example for convenience of description (n = 2). As a result, the piezoelectric element 120 has a cross structure in which two doubly supported beams 124 intersect.
本発明の実施形態に係る複数の圧電体１２１は、両持ち梁１２４上に配置される。図１１から図１４においては、説明の便宜上、１枚の金属弾性板１２２の上面に計１６個の圧電体１２１（１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１、１２１ｃ２、１２１ｄ１、１２１ｄ２、１２１ｅ１、１２１ｅ２、１２１ｆ１、１２１ｆ２、１２１ｇ１、１２１ｇ２、１２１ｈ１および１２１ｈ２）を有する発電デバイス３０００を一例として図示した。 The plurality of piezoelectric bodies 121 according to the embodiment of the present invention are arranged on a doubly supported beam 124. 11 to 14, for convenience of explanation, a total of 16 piezoelectric bodies 121 (121a1, 121a2, 121b1, 121b2, 121c1, 121c2, 121d1, 121d2, 121e1, 121e2, 121f1, 121f2, 121g1, 121g2, 121h1, and 121h2) as an example.
本実施形態において、圧電体１２１の材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。本実施形態の圧電体１２１の厚さは２μｍ以上１０μｍ以下である。 In the present embodiment, the material of the piezoelectric body 121 is aluminum nitride (AlN). The thickness of the piezoelectric body 121 of this embodiment is 2 μm or more and 10 μm or less.
本実施形態においては、圧電体１２１の材料には窒化アルミニウムを用いたが、スカンジウム含有窒化アルミニウム（Ｓｃ―ＡｌＮ）、マグネシウムおよびニオブ含有窒化アルミニウム（Ｍｇ／Ｎｂ−ＡｌＮ）、またはニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ) といった圧電体や強誘電体であってもよい。 In the present embodiment, aluminum nitride is used as the material of the piezoelectric body 121, but scandium-containing aluminum nitride (Sc—AlN), magnesium and niobium-containing aluminum nitride (Mg / Nb—AlN), or potassium sodium niobate ( A piezoelectric material such as KNN) or a ferroelectric material may be used.
本実施形態においては、連結部材１３０の連結部１３１は、圧電素子１２０の中央を示しているが、これに限るものではない。本実施形態においては、連結部材１３０の材料は快削真鍮（Ｃ３６０４）を用いているが、これに限るものではない。図１１から図１４では、円柱型の連結部材１３０を示したが、これに限るものではない。 In the present embodiment, the connecting portion 131 of the connecting member 130 indicates the center of the piezoelectric element 120, but is not limited to this. In the present embodiment, the material of the connecting member 130 is free cutting brass (C3604), but the material is not limited to this. 11 to 14 show the columnar connecting member 130, but the present invention is not limited to this.
図１３は本発明の実施形態に係る発電デバイス３０００の一例を示す断面図である。圧電素子１２０の振動方向を連結部材１３０軸方向に制限するため、保持部材１１０の内側、上部及び下部それぞれに、ストッパー１１１を設ける構造を有するようにしてもよい。 FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating an example of the power generation device 3000 according to the embodiment of the present invention. In order to limit the vibration direction of the piezoelectric element 120 to the axial direction of the connecting member 130, a structure may be employed in which stoppers 111 are provided inside, above, and below the holding member 110.
圧電素子１２０の振動方向を連結部材１３０軸方向に制限するため、保持部材１１０の内壁に固定潤滑層１１２を設ける構造を有するようにしてもよい。固定潤滑層１１２の材質は、耐摩擦性、耐摩耗性を有すればよい。本実施形態においては、テフロン無電解ニッケル（Ｎｉ−ＰＴＦＥ）を用いている。 In order to limit the vibration direction of the piezoelectric element 120 to the axial direction of the connecting member 130, a structure in which the fixed lubricating layer 112 is provided on the inner wall of the holding member 110 may be adopted. The material of the fixed lubricating layer 112 only needs to have friction resistance and wear resistance. In this embodiment, Teflon electroless nickel (Ni-PTFE) is used.
［発電デバイスの振動と発電原理］
次に、本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００の振動と発電原理について、図１４Ａ〜１４Ｄを用いて詳細に説明する。図１４Ａ〜１４Ｄは、本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００において、圧電素子１２０および連結部材１３０が振動している状態を示す断面図である。図１４Ａ〜１４Ｄでは、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を例示するが、この数に限定されず、（ｍ−１）個の連結部材１３０をｍ枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造でも同じ原理が適用できる（ｍは２以上の自然数）。
[Vibration of power generation device and power generation principle]
Next, the vibration and the power generation principle of the power generation device 3000 according to Embodiment 3 of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 14A to 14D are cross-sectional views illustrating a state in which the piezoelectric element 120 and the connecting member 130 are vibrating in the power generation device 3000 according to Embodiment 3 of the present invention. 14A to 14D illustrate a structure in which one connecting member 130 is sandwiched between two piezoelectric elements 120, but the number is not limited to this, and (m-1) connecting members 130 may be replaced by m piezoelectric members. The same principle can be applied to a structure sandwiched between the elements 120 (m is a natural number of 2 or more).
本発明の実施形態３に係る圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板１２２の上面に位置する計１６個の圧電体１２１（１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１、１２１ｃ２、１２１ｄ１、１２１ｄ２、１２１ｅ１、１２１ｅ２、１２１ｆ１、１２１ｆ２、１２１ｇ１、１２１ｇ２、１２１ｈ１および１２１ｈ２）とを有する。 The piezoelectric element 120 according to the third embodiment of the present invention includes a metal elastic plate 122 and a total of 16 piezoelectric bodies 121 (121a1, 121a2, 121b1, 121b2, 121b2, 121c1, 121c2, 121d1, 121d2, 121e1, 121e2, 121f1, 121f2, 121g1, 121g2, 121h1, and 121h2).
図１４Ｂに示す状態が、外力が作用していない状態である。本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００に外力がかかるとき、その反作用により連結部材１３０の軸方向に加わる力は、外力の加えられる方向に対して凸状となるように圧電素子１２０を屈曲させる。
金属弾性板１２２は、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であることから、圧電素子１２０は収縮変位し、変位が増大するとともに反発力が増加し、反転により変位する。すなわち、外力の加えられる方向が図１４Ａ〜１４Ｃにおいて下方向である場合、図１４（ｂ）から（ｃ）→（ｂ）→（ａ）→（ｂ）のくりかえしにより振動する。
The state shown in FIG. 14B is a state where no external force is applied. When an external force is applied to the power generating device 3000 according to the third embodiment of the present invention, the force applied in the axial direction of the connecting member 130 due to the reaction causes the piezoelectric element 120 to bend so as to be convex in the direction in which the external force is applied. Let it.
Since the metal elastic plate 122 has a thin plate shape and a low bending rigidity, the piezoelectric element 120 contracts and displaces, the displacement increases, the repulsive force increases, and the metal element is displaced by inversion. That is, when the direction in which the external force is applied is the downward direction in FIGS. 14A to 14C, the vibration is caused by the repetition of (c) → (b) → (a) → (b) from FIG. 14 (b).
圧電素子１２０が屈曲する際に発生する電荷は、圧電体１２１の屈曲する向きに依存して極性が変わるため、各圧電体１２１から電気エネルギーを効率良く取り出すために、それぞれ別個の電気回路を用いる必要がある。 Since the polarity of the electric charge generated when the piezoelectric element 120 bends changes depending on the bending direction of the piezoelectric body 121, a separate electric circuit is used to efficiently extract electric energy from each piezoelectric body 121. There is a need.
圧電素子１２０のそれぞれの両持ち梁は、横からみるとS字状にまがるため、同一面でも場所により圧縮と伸張とが発生する。図１４Ｄに、本発明の実施形態３に係る両持ち梁の一部の動きの拡大図を示す。連結部材１３０が図中（ｅ）、上方向に振動する時、圧電体１２１ａ１および１２１ａ２は圧縮し、電体１２１ｂ１および１２１ｂ２は伸張する。連結部材１３０が図中（ｇ）、下方向に振動する時、圧電体１２１ａ１および１２１ａ２は伸張し、電体１２１ｂ１および１２１ｂ２は圧縮する。すなわち、図１４Ａ〜１４Ｃにおいて、圧電素子１２０の上面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうち１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｄ１および１２１ｄ２と、上面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１および１２１ｃ２とで、逆相の電荷を発生する。このため全面に電極を設けた場合はお互いに発生した逆相の電荷により打ち消しあってしまう。 Each doubly supported beam of the piezoelectric element 120 rolls in an S-shape when viewed from the side, so that compression and expansion occur in some places even on the same surface. FIG. 14D shows an enlarged view of the movement of a part of the doubly supported beam according to Embodiment 3 of the present invention. When the connecting member 130 vibrates upward in the figure (e), the piezoelectric bodies 121a1 and 121a2 compress, and the electric bodies 121b1 and 121b2 expand. When the connecting member 130 vibrates downward in the figure (g), the piezoelectric bodies 121a1 and 121a2 expand, and the electric bodies 121b1 and 121b2 compress. That is, in FIGS. 14A to 14C, 121 a 1, 121 a 2, 121 d 1, and 121 d 2 of the piezoelectric body located on the fixed end side fixed to the holding member 110 on the upper surface of the piezoelectric element 120, and a connecting portion which is an action point of an external force on the upper surface. The piezoelectric bodies 121b1, 121b2, 121c1, and 121c2 located on the 131 side generate charges of opposite phases. For this reason, when the electrodes are provided on the entire surface, they are canceled by charges of opposite phases generated from each other.
このため、圧電素子に外力がかかるとき、圧電現象による発電量を打ち消し合わずに集電できるよう、圧電素子１２０の上面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうち１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｄ１および１２１ｄ２と、上面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１および１２１ｃ２とで、電極を分けた構造を有するようにしてもよい。 For this reason, when an external force is applied to the piezoelectric element, 121a1 of the piezoelectric body 121a1 of the piezoelectric body positioned on the fixed end side fixed to the holding member 110 on the upper surface of the piezoelectric element 120 so that current can be collected without canceling out the power generation amount due to the piezoelectric phenomenon. , 121a2, 121d1, and 121d2, and the piezoelectric bodies 121b1, 121b2, 121c1, and 121c2 located on the connecting portion 131 side, which is the point of action of the external force on the upper surface, may have a structure in which the electrodes are separated.
これにより負荷や蓄電池等に逆の極性の電圧が印加されることを防止し、更に効率良く起電力を得ることができる。 This prevents a voltage of the opposite polarity from being applied to a load, a storage battery, or the like, and can more efficiently obtain an electromotive force.
発電デバイス３０００が設置される場所は必ずしも発生する振動がコントロールされているとは限らない。所望の周波数帯における予期せぬ大きな振動や、設計範囲外に生じる大きな振動において、圧電素子１２０が破壊されないようにしなければならない。 The place where the power generation device 3000 is installed is not always controlled for the generated vibration. It is necessary to prevent the piezoelectric element 120 from being destroyed by unexpected large vibration in a desired frequency band or large vibration occurring outside the design range.
発電に寄与する振動方向であっても、材料の弾性限界を超えた変位が生じないようにするため、上下にストッパー１１１を設ける。また、横方向からの振動に対しても圧電素子１２０の破壊を防ぐため、周囲に固定潤滑層１１２を設ける。 Stoppers 111 are provided above and below in order to prevent the displacement exceeding the elastic limit of the material from occurring even in the vibration direction contributing to power generation. Further, a fixed lubricating layer 112 is provided around the piezoelectric element 120 in order to prevent the piezoelectric element 120 from being destroyed even in a lateral vibration.
以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、大きな振動にも壊れること無く、かつ、発生した電気エネルギーを無駄にすること無く、広帯域の振動エネルギーを電気エネルギーにすることが可能となる。自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。また、発生電荷の電極内打ち消しを防ぐために意図しない振動モードを抑制する構造を備えた発電デバイスを提供することができる。 With the above structure, the power generation device of the present invention according to the present embodiment converts the broadband vibration energy into electric energy without breaking even by large vibration, and without wasting generated electric energy. It becomes possible. A power generation device having a wide power generation frequency band can be provided by utilizing the nonlinear spring effect in order to efficiently convert vibration energy existing in a natural environment in a wide frequency band into electric energy. Further, it is possible to provide a power generation device having a structure for suppressing an unintended vibration mode in order to prevent generated charges from canceling out in the electrode.
〈実施形態１乃至３の変形例１〉
図１５を用いて、本発明の実施形態１乃至３の変形例に係る連結部材１３０について説明する。連結部材１３０の形状、サイズ、および作用以外は、本発明の実施形態１乃至３と同じであり、その繰り返しの説明は省略する。
<Modification 1 of Embodiments 1 to 3>
A connecting member 130 according to a modified example of the first to third embodiments of the present invention will be described with reference to FIG. Except for the shape, size, and operation of the connecting member 130, it is the same as Embodiments 1 to 3 of the present invention, and a repeated description thereof will be omitted.
図１５は、本発明の実施形態に係る連結部材の一例と、その変形例を示す図である。図１５（ａ）では多段円柱型の連結部材１３０を示した。図１５（ｂ）では多段角柱型の連結部材１３０を示した。 FIG. 15 is a diagram illustrating an example of a connecting member according to the embodiment of the present invention and a modification thereof. FIG. 15A shows a multi-stage cylindrical connecting member 130. FIG. 15B shows a multi-stage prismatic connecting member 130.
本発明の実施形態１乃至３の変形例に係る発電デバイスは、複数の圧電素子１２０と、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここで、ｍが３以上であるとき、複数の連結部材１３０は別々の形状をとってもよい。 The power generation device according to the modified example of the first to third embodiments of the present invention has a structure in which, when the number of the piezoelectric elements 120 is m, the connection part 131 sandwiches the (m-1) connection members 130. (M is a natural number of 2 or more). Here, when m is 3 or more, the plurality of connecting members 130 may have different shapes.
連結部材１３０は、形状およびサイズによって、錘として機能しうる事を意味する。振動エネルギーを、複数の圧電素子１２０へ伝える外力に変換する１つの方法となる。このため連結部材１３０の形状およびサイズは、安定して振動エネルギーを圧電素子１２０へ伝える外力に変換できるかぎり限定されない。錘の位置も、連結部材１３０軸延長線上であり、安定して振動エネルギーを圧電素子１２０へ伝える外力に変換できるかぎり限定されない。
連結部材１３０の連結部１３１の位置も、安定して振動エネルギーを圧電素子１２０へ伝える外力に変換できるかぎり限定されない。
The connection member 130 can function as a weight depending on the shape and size. This is one method of converting vibration energy into an external force transmitted to the plurality of piezoelectric elements 120. For this reason, the shape and size of the connecting member 130 are not limited as long as the vibration energy can be stably converted into an external force that transmits to the piezoelectric element 120. The position of the weight is also on the extension of the axis of the connecting member 130, and is not limited as long as the vibration energy can be stably converted to an external force transmitted to the piezoelectric element 120.
The position of the connecting portion 131 of the connecting member 130 is not limited as long as the vibration energy can be stably converted into an external force transmitted to the piezoelectric element 120.
以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。 With the above structure, the power generating device of the present invention according to the present embodiment uses a non-linear spring effect to efficiently convert vibration energy existing in a wide frequency band in a natural environment into electric energy. A power generation device having a power generation frequency band can be provided.
これによって、配線給電や電池駆動が難しい、車載応用システムやインフラ健全性診断システムといったＩＴｏ向けセンサネットワークモジュールの電源用発電機を提供することができる。 As a result, it is possible to provide a power generator for a sensor network module for ITO such as an in-vehicle application system or an infrastructure soundness diagnosis system, which has difficulty in wiring power supply and battery driving.
〈実施形態１の変形例２〉
図１６および図１７を用いて、本発明の実施形態の変形例に係る圧電素子１２０について説明する。１２０の形状、および作用以外は、本発明の実施形態１から３と同じであり、その繰り返しの説明は省略する。
<Modification 2 of Embodiment 1>
A piezoelectric element 120 according to a modification of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Except for the shape and operation of 120, it is the same as Embodiments 1 to 3 of the present invention, and the repeated description thereof is omitted.
図１６は、本発明の実施形態の変形例に係る圧電素子１２０を備えた発電デバイス４０００を示す斜視図である。図１６に示すように、本実施形態に係る発電デバイスは、保持部材１１０、複数の圧電素子１２０ａ及び１２０ｂ、連結部材１３０を備えている。 FIG. 16 is a perspective view showing a power generation device 4000 including a piezoelectric element 120 according to a modification of the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 16, the power generation device according to the present embodiment includes a holding member 110, a plurality of piezoelectric elements 120a and 120b, and a connecting member 130.
複数の圧電素子１２０は一定のスペースを介して上下に配置される。ここで、図１６においては、説明の便宜上、２枚の圧電素子１２０有する発電デバイス４０００を一例として図示した。複数の圧電素子１２０は、端部を保持部材１１０に固定される。本実施形態に係る保持部材１１０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２）であるが、ステンレス他、耐久性を備えた材料ならこれに限定しない。 The plurality of piezoelectric elements 120 are vertically arranged via a certain space. Here, in FIG. 16, for convenience of description, a power generation device 4000 having two piezoelectric elements 120 is illustrated as an example. The ends of the plurality of piezoelectric elements 120 are fixed to the holding member 110. The material of the holding member 110 according to the present embodiment is aluminum (A5052), but the material is not limited to stainless steel and other durable materials.
図１６に示すように、複数の圧電素子１２０は、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここでは、説明の便宜上、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を一例として図示した（ｍ＝２）。 As shown in FIG. 16, when the number of the plurality of piezoelectric elements 120 is m, the plurality of piezoelectric elements 120 may be connected to each other by a structure that sandwiches (m−1) connecting members 130 at the connecting portion 131 (m is 2). Natural numbers above). Here, for convenience of explanation, a structure in which one connecting member 130 is sandwiched between two piezoelectric elements 120 is shown as an example (m = 2).
図１７は、本発明の実施形態の変形例２に係る発電デバイス１０００の一例を示す平面図である。図１６および図１７に示すように、圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板の上面に複数配置された圧電体１２１とを含む。金属弾性板１２２は、高靭性と弾性を備え、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であればよい。本実施形態においては、金属弾性板１２２は、厚さが５０μｍの２ｃｍ四方の板状ステンレス素子（２０１５Ｗ５−１００）を用いている。 FIG. 17 is a plan view illustrating an example of a power generation device 1000 according to Modification 2 of the embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 16 and 17, the piezoelectric element 120 includes a metal elastic plate 122 and a plurality of piezoelectric bodies 121 arranged on the upper surface of the metal elastic plate. The metal elastic plate 122 may have a structure with high toughness and elasticity, a thin plate shape and low bending rigidity. In the present embodiment, the metal elastic plate 122 uses a 2 cm square plate-shaped stainless steel element (2015W5-100) having a thickness of 50 μm.
圧電素子１２０はｎ本の両持ち梁の構造を維持する配置に、２ｎ個のスリット１２３を有するようにしてもよい（ｎは自然数）。ここで、図１６および図１７においては、２個のスリット１２３を有する圧電素子１２０を一例として図示した（ｎ＝１）。この結果、圧電素子１２０は１本の両持ち梁を有するＩ字構造を示す。 The piezoelectric element 120 may have 2n slits 123 (n is a natural number) in an arrangement for maintaining the structure of n doubly supported beams. Here, FIGS. 16 and 17 show the piezoelectric element 120 having two slits 123 as an example (n = 1). As a result, the piezoelectric element 120 has an I-shaped structure having one doubly supported beam.
以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、大きな振動にも壊れること無く、かつ、発生した電気エネルギーを無駄にすること無く、広帯域の振動エネルギーを電気エネルギーにすることが可能となる。自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。また、発生電荷の電極内打ち消しを防ぐために意図しない振動モードを抑制する構造を備えた発電デバイスを提供することができる。 With the above structure, the power generation device of the present invention according to the present embodiment converts the broadband vibration energy into electric energy without breaking even by large vibration and without wasting generated electric energy. It becomes possible. A power generation device having a wide power generation frequency band can be provided by utilizing the non-linear spring effect in order to efficiently convert vibration energy existing in a natural environment in a wide frequency band into electric energy. Further, it is possible to provide a power generation device having a structure for suppressing an unintended vibration mode in order to prevent generated charges from canceling out in the electrode.
（実施形態４）
本発明の実施形態１乃至３に係る発電デバイスを備えた車載応用システムについて説明する。本発明の実施形態１乃至３に係る発電デバイスの繰り返しの説明は省略する。
(Embodiment 4)
An in-vehicle application system including the power generation device according to Embodiments 1 to 3 of the present invention will be described. The repeated description of the power generation device according to Embodiments 1 to 3 of the present invention will be omitted.
本実施形態の発電デバイスは、車載応用システムに接続される。すなわち、発電デバイスは、車載応用システムに電源を供給することができる。 The power generation device of the present embodiment is connected to an in-vehicle application system. That is, the power generation device can supply power to the in-vehicle application system.
発電デバイスを有することで、レイアウトフリーになった車載応用システムは、電源、配線を気にすることなく車内外のいずれにも配置することができる。 The in-vehicle application system that has become layout-free by having the power generation device can be arranged inside or outside the vehicle without worrying about the power supply and wiring.
したがって、配線給電や電池駆動が難しい、車載応用システムや、インフラ健全性診断システムといったIoT向けセンサネットワークモジュールへ電源を供給することができる。 Therefore, it is possible to supply power to sensor network modules for IoT, such as in-vehicle application systems and infrastructure health diagnosis systems, in which wiring power supply and battery driving are difficult.
（実施形態５）
図１８を用いて、本発明の実施形態１乃至３に係る発電デバイスを備えた車載応用システムを装備した自動車６０００について説明する。本発明の実施形態１乃至３に係る発電デバイスと、その発電デバイスを備えた車載応用システムについての繰り返しの説明は省略する。
(Embodiment 5)
Referring to FIG. 18, a description will be given of an automobile 6000 equipped with an in-vehicle application system including the power generation device according to Embodiments 1 to 3 of the present invention. The repeated description of the power generation device according to Embodiments 1 to 3 of the present invention and the in-vehicle application system including the power generation device will be omitted.
図１８は、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００を備えた車載応用システムを装備した自動車６０００の一例を示す図である。 FIG. 18 is a diagram illustrating an example of an automobile 6000 equipped with an in-vehicle application system including the power generation device 1000 according to Embodiment 1 of the present invention.
自動車６０００は、フレームと、フレームに連結された車載応用システムと、車載応用システムに設置された発電デバイスとを有する自動車である。 The automobile 6000 is an automobile having a frame, an in-vehicle application system connected to the frame, and a power generation device installed in the in-vehicle application system.
発電デバイスを有することで、レイアウトフリーになった車載応用システムは、電源、配線を気にすることなく車内外のいずれにも配置することができる（図示せず）。 By having the power generation device, the in-vehicle application system which has become layout-free can be arranged anywhere inside and outside the vehicle without worrying about the power supply and wiring (not shown).
これによって、配線給電や電池駆動が難しい、車載応用システムや、インフラ健全性診断システムといったIoT向けセンサネットワークモジュールへ電源を供給することができる。 This makes it possible to supply power to sensor network modules for IoT, such as in-vehicle application systems and infrastructure soundness diagnosis systems, where wiring power supply and battery driving are difficult.
なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the gist.
１０００、２０００、３０００：発電デバイス
１１０：保持部材
１１１：ストッパー
１１２：固定潤滑層
１２０：圧電素子
１２１：圧電体
１２２：金属弾性板
１２３：スリット
１２４：両持ち梁
１３０：連結部材
１３１：連結部
６０００：自動車
1000, 2000, 3000: power generation device 110: holding member 111: stopper 112: fixed lubrication layer 120: piezoelectric element 121: piezoelectric body 122: metal elastic plate 123: slit 124: doubly supported beam 130: connecting member 131: connecting portion 6000 :Car
Claims (12)
前記保持部材の中に両端部がそれぞれ固定されたｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板に配置され、厚さが２μｍ以上２５μｍ以下である複数の圧電体をそれぞれ有する複数の圧電素子と、
軸を有する連結部材であって、前記複数の圧電素子の間を連結し、前記圧電素子の振動方向を前記軸方向に制限し、錘として機能する連結部材と、
を備え、
前記連結部材の共振によって発電することを特徴とする発電デバイス。 A housing-like holding member,
A plurality of piezoelectric bodies each having a thickness of 2 μm or more and 25 μm or less are arranged in the holding member on a metal elastic plate having n (n is a natural number of 1 or more) beams having both ends fixed to each other. A plurality of piezoelectric elements,
A connecting member having a shaft, connecting between the plurality of piezoelectric elements , restricting a vibration direction of the piezoelectric element in the axial direction, a connecting member functioning as a weight ,
Equipped with a,
A power generation device that generates power by resonance of the connection member .
前記梁の下面において、前記連結部材が連結される連結部と前記保持部材に固定された固定部との間に配置された前記複数の前記圧電体は、その一部の圧電体が第３の電極に接続され、残りの圧電体が第４の電極に接続されていることを特徴とする請求項２乃至７の何れか一に記載の発電デバイス。 On the upper surface of the beam, the plurality of piezoelectric bodies disposed between a connecting part to which the connecting member is connected and a fixing part fixed to the holding member, a part of the piezoelectric bodies is a first piezoelectric body. Connected to the electrode, the remaining piezoelectric body is connected to the second electrode, and
On the lower surface of the beam, the plurality of piezoelectric bodies disposed between a connecting part to which the connecting member is connected and a fixing part fixed to the holding member, a part of the piezoelectric bodies is a third one. The power generation device according to any one of claims 2 to 7, wherein the power generation device is connected to the electrode, and the remaining piezoelectric body is connected to the fourth electrode.
前記連結部材の共振によって発電することを特徴とする発電方法。 A housing-like holding member and a metal elastic plate having n (n is a natural number of 1 or more) beams each having both ends fixed to the holding member, and having a thickness of 2 μm to 25 μm. a plurality of piezoelectric elements to Yes are multiple piezoelectric bodies respectively, a coupling member having an axis, connected between said plurality of piezoelectric elements, to restrict the vibration direction of the piezoelectric element in the axial direction, the weight A connection member that functions as a power generation device, comprising:
A power generation method, wherein power is generated by resonance of the connection member .
前記発電デバイスが設置された車載応用システム本体と、
を備えたことを特徴とする車載応用システム。 A housing-like holding member, disposed on a metal elastic plate having n (n is a natural number of 1 or more) beams having both ends fixed to the holding member, and having a thickness of 2 μm or more and 25 μm or less; a plurality of piezoelectric elements to Yes plurality of piezoelectric bodies, respectively, and a connecting member having an axis, connected between said plurality of piezoelectric elements, to restrict the vibration direction of the piezoelectric element in the axial direction, as a weight A power generation device that includes a functioning connection member and generates power by resonance of the connection member ,
An in-vehicle application system main body in which the power generation device is installed,
An in-vehicle application system comprising:
前記フレームに連結され、筐体状の保持部材、前記保持部材の中に両端部がそれぞれ固定されたｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板に配置され、厚さが２μｍ以上２５μｍ以下である複数の圧電体をそれぞれ有する複数の圧電素子、及び軸を有する連結部材であって、前記複数の圧電素子の間を連結し、前記圧電素子の振動方向を前記軸方向に制限し、錘として機能する連結部材を備え、前記連結部材の共振によって発電する発電デバイス、並びに、前記発電デバイスが設置された車載応用システム本体を備えた車載応用システムと、
を有する自動車。
Frame and
Coupled to the frame, a box-shaped holding member, n the both end portions are respectively fixed in said holding member (n is a natural number of 1 or more) are arranged in the metal elastic plate having a beam of thickness a plurality of piezoelectric elements to Yes plurality of piezoelectric is 2μm or more 25μm or less, respectively, and a connecting member having an axis, connected between said plurality of piezoelectric elements, the axial direction of vibration of said piezoelectric element A power generation device that includes a connection member that functions as a weight, and generates power by resonance of the connection member, and an in-vehicle application system including an in-vehicle application system body in which the power generation device is installed.
The car with.
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