JP6864317B2

JP6864317B2 - Vibration energy collector

Info

Publication number: JP6864317B2
Application number: JP2017013731A
Authority: JP
Inventors: 槙原　幹十朗; 幹十朗槙原; 阿部　晋一; 晋一阿部
Original assignee: Tessera Technology Inc
Current assignee: Tessera Technology Inc
Priority date: 2017-01-28
Filing date: 2017-01-28
Publication date: 2021-04-28
Anticipated expiration: 2037-01-28
Also published as: JP2018121509A

Description

本発明は、機械的な振動エネルギーを、磁歪トランスデューサを介して電気エネルギーに変換する振動エネルギー収集装置に関する。
特に、本発明は、磁歪トランスデューサのコイルに流れる電流の向きを反転させることで、この磁歪トランスデューサに蓄積されるエネルギーを増大させ、これにより振動エネルギーを高い効率で収集できる前記振動エネルギー収集装置に関する。 The present invention relates to a vibration energy collector that converts mechanical vibration energy into electrical energy via a magnetostrictive transducer.
In particular, the present invention relates to the vibration energy collecting device capable of increasing the energy stored in the magnetostrictive transducer by reversing the direction of the current flowing through the coil of the magnetostrictive transducer, thereby collecting vibration energy with high efficiency.

近年、磁歪トランスデューサを用いた振動エネルギーの収集技術（環境発電技術：Ｅｎｅｒｇｙ−ＨａｒｖｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）が注目されている。
図１は、磁歪トランスデューサを用いた典型的な振動エネルギー収集システムの説明図である。
図１において、振動エネルギー収集システム８は、磁歪トランスデューサ８１と、負荷回路８４と、構造体８５とからなる。
磁歪トランスデューサ８１は、コイル８１１と磁歪材８１２とからなる。 In recent years, attention has been paid to a technology for collecting vibration energy using a magnetic strain transducer (energy harvesting technology: Energy-Harvesting Technology).
FIG. 1 is an explanatory diagram of a typical vibration energy acquisition system using a magnetostrictive transducer.
In FIG. 1, the vibration energy acquisition system 8 includes a magnetostrictive transducer 81, a load circuit 84, and a structure 85.
The magnetostrictive transducer 81 is composed of a coil 811 and a magnetostrictive material 812.

コイル８１１および負荷回路８４が電気系を構成し、磁歪材８１２および構造体８５が機械系を構成し、電気系と機械系とは磁場を介して結合されている。
構造体８５は、振動マス８５１と構造剛性体８５２で表されている。振動マス８５１はバネとして機能する構造剛性体８５２により支えられており、加振外力ＥＦが加えられることで振動マス８５１は振動し、この振動は磁歪材８１２に伝えられる。なお、加振外力ＥＦがなくとも、構造体８５が取り付けられている床面が振動したり変形したりすることでも、振動マス８５１は振動し、この振動は磁歪材８１２に伝えられる。 The coil 811 and the load circuit 84 form an electric system, the magnetostrictive material 812 and the structure 85 form a mechanical system, and the electric system and the mechanical system are connected via a magnetic field.
The structure 85 is represented by a vibration mass 851 and a structural rigid body 852. The vibrating mass 851 is supported by a structural rigid body 852 that functions as a spring, and the vibrating mass 851 vibrates when an exciting external force EF is applied, and this vibration is transmitted to the magnetostrictive material 812. Even if the floor surface to which the structure 85 is attached vibrates or deforms without the excitation external force EF, the vibration mass 851 vibrates, and this vibration is transmitted to the magnetostrictive material 812.

磁歪材８１２が振動変位することにより磁場が発生し、コイル８１１には交流の誘導起電力（誘導電圧）が生じる。磁歪トランスデューサ８１の端子間に表れる起電力は負荷回路８４に与えられ負荷回路８４は電力を受け取ることができる。 A magnetic field is generated by the vibration displacement of the magnetostrictive material 812, and an AC induced electromotive force (induced voltage) is generated in the coil 811. The electromotive force appearing between the terminals of the magnetostrictive transducer 81 is given to the load circuit 84, and the load circuit 84 can receive the electric power.

図１に示した磁歪トランスデューサ８１はコイル８１１に磁歪材料８１２を巻回したものであり、等価回路は、図２に示すように電圧源ｖｍとインダクタＬｍと抵抗Ｒｍとの直列回路で表現される。負荷回路８４はコイルの端子間（磁歪トランスデューサの端子間）に接続される。
しかし、図２のように磁歪トランスデューサ８１に負荷回路８４を接続しただけでは電力（エネルギー）の収集は極めてわずかである。 The magnetostrictive transducer 81 shown in FIG. 1 is a coil 811 wound with a magnetostrictive material 812, and an equivalent circuit is represented by a series circuit of a voltage source vm, an inductor Lm, and a resistor Rm as shown in FIG. .. The load circuit 84 is connected between the terminals of the coil (between the terminals of the magnetostrictive transducer).
However, the collection of electric power (energy) is extremely small only by connecting the load circuit 84 to the magnetostrictive transducer 81 as shown in FIG.

本発明者は、この不都合を回避するべく、磁歪トランスデューサにコイル電流反転回路を接続した振動エネルギー収集装置を提案している。
この振動エネルギー収集装置９は、図３に示すように、磁歪トランスデューサ９１とコイル電流反転回路９２と制御装置９３とからなる。
磁歪トランスデューサ９１は、電圧源ｖｍとインダクタＬｍと抵抗Ｒｍとの直列接続回路で表される。 In order to avoid this inconvenience, the present inventor has proposed a vibration energy collecting device in which a coil current inversion circuit is connected to a magnetostrictive transducer.
As shown in FIG. 3, the vibration energy collecting device 9 includes a magnetostrictive transducer 91, a coil current inversion circuit 92, and a control device 93.
The magnetostrictive transducer 91 is represented by a series connection circuit of a voltage source vm, an inductor Lm, and a resistor Rm.

磁歪トランスデューサ９１の両端子には電流反転回路９２が接続されるとともに、負荷回路９４も接続されている。
電流反転回路９２は、単極双投型（ＳＰＤＴ型）のスイッチＳＷと反転用キャパシタＣｒｖとから構成されている。
後述するように、スイッチＳＷは、磁歪トランスデューサ９１の出力電圧ｖｔ、コイル電流ｉｃおよび振動マス９５１の振動を検知するセンサ情報に応じて、コイル電流ｉｃの向きを反転させるように、制御装置９３により制御される。
スイッチＳＷは、制御装置９３からの制御信号ＤＳに応じて接点ｃを接点ａまたは接点ｂに接続することができる。 A current inversion circuit 92 is connected to both terminals of the magnetostrictive transducer 91, and a load circuit 94 is also connected.
The current inverting circuit 92 is composed of a single-pole double-throw type (SPDT type) switch SW and an inverting capacitor Crv.
As will be described later, the switch SW is operated by the control device 93 so as to invert the direction of the coil current ic according to the sensor information for detecting the output voltage vt of the magnetostrictive transducer 91, the coil current ic, and the vibration of the vibration mass 951. Be controlled.
The switch SW can connect the contact c to the contact a or the contact b according to the control signal DS from the control device 93.

図３では、コイル９１１のインダクタＬｍと抵抗ｒｍ、および反転用キャパシタＣｒｖは、コイル電流反転のためのＲＬＣ回路を構成する。このＲＬＣ回路の電気的な自由振動の周期をτとする。このＲＬＣ回路は自由振動の振幅が小さくならないように、インダクタＬｍと抵抗ｒｍ、および反転用キャパシタＣｒｖの値が選ばれている。
図３の振動エネルギー収集装置９では、制御装置９３は、磁歪トランスデューサ９１の出力電圧ｖｔ、コイル電流ｉｃ、振動情報（変位量と時間の関数）を検出しており、これらの検出結果に基づき、ＰＤ制御等の制御手法によりスイッチＳＷの制御を行っている。 In FIG. 3, the inductor Lm and the resistor rm of the coil 911 and the inverting capacitor Crv form an RLC circuit for inverting the coil current. Let τ be the period of electrical free vibration of this RLC circuit. In this RLC circuit, the values of the inductor Lm, the resistor rm, and the inverting capacitor Crv are selected so that the amplitude of the free vibration does not become small.
In the vibration energy collecting device 9 of FIG. 3, the control device 93 detects the output voltage vt, coil current ic, and vibration information (function of displacement amount and time) of the magnetostrictive transducer 91, and based on these detection results, The switch SW is controlled by a control method such as PD control.

以下、図４を参照しながら、図３の振動エネルギー収集装置９の動作を説明する。
なお、以下の説明では、理解を容易にするために、磁歪トランスデューサ９１から負荷回路９４への電力供給を無視する。
図３において、磁歪材９１２に繰り返しの応力または歪が与えられると、磁歪材９１２の変位ｄに応じてコイル９１１には誘導起電力ｖｍが生じる。
図４（Ａ）は、コイル９１１に生じる誘導起電力ｖｍを示し、図４（Ｂ）は、磁歪材９１２の変位ｄおよびコイル電流ｉｃを示し、図４（Ｃ）は、スイッチＳＷの接続状態（ｃ−ａまたはｃ−ｂ）の変化を示している。図４（Ｃ）においては、α１およびα２部分の拡大図を併記する。 Hereinafter, the operation of the vibration energy collecting device 9 of FIG. 3 will be described with reference to FIG.
In the following description, the power supply from the magnetostrictive transducer 91 to the load circuit 94 is ignored for ease of understanding.
In FIG. 3, when the magnetostrictive material 912 is repeatedly stressed or strained, an induced electromotive force vm is generated in the coil 911 according to the displacement d of the magnetostrictive material 912.
FIG. 4A shows the induced electromotive force vm generated in the coil 911, FIG. 4B shows the displacement d of the magnetostrictive material 912 and the coil current ic, and FIG. 4C shows the connection state of the switch SW. It shows the change of (ca or c). In FIG. 4C, enlarged views of the α1 and α2 portions are also shown.

図３の振動エネルギー収集装置９では、コイル９１１に蓄えられているエネルギーが反転用キャパシタＣｒｖに一時的に収容され、この収容されたエネルギーがコイル９１１に戻される際に電流の向きが反転するように、制御装置９３がスイッチＳＷの接続状態（ｃ−ａまたはｃ−ｂ）を制御する。
これにより、コイル９１１に蓄積されるエネルギー（ｉｃ^２・Ｌｍ／２ジュール）を増大させることができる。
コイル電流ｉｃの反転が適性にできないと、磁歪トランスデューサ９１に蓄積されるエネルギーを増大することができなくなる。
このため、図３の振動エネルギー収集装置９では、コイル電流ｉｃの反転が終了する時点を予測し、次の反転が生じる前に（または生じたとしても速やかに）、反転用キャパシタＣｒｖを磁歪トランスデューサ９１から切り離す必要がある。 In the vibration energy collecting device 9 of FIG. 3, the energy stored in the coil 911 is temporarily stored in the inverting capacitor Crv so that the direction of the current is reversed when the stored energy is returned to the coil 911. In addition, the control device 93 controls the connection state (ca or cb) of the switch SW.
As a result, the energy (ic ² · Lm / 2 joules) stored in the coil 911 can be increased.
If the inversion of the coil current ic cannot be made appropriate, the energy stored in the magnetostrictive transducer 91 cannot be increased.
Therefore, in the vibration energy collecting device 9 of FIG. 3, the time point at which the inversion of the coil current ic ends is predicted, and before the next inversion occurs (or promptly even if it occurs), the inverting capacitor Crv is used as a magnetostrictive transducer. It is necessary to separate from 91.

しかし、図３の振動エネルギー収集装置９では、反転用キャパシタＣｒｖを磁歪トランスデューサ９１から切り離すタイミングを予測することが容易ではない。
本発明の目的は、磁歪トランスデューサに対する反転用キャパシタの接続および切り離しを所定タイミングで繰り返し行う振動エネルギー収集装置の制御において、前記磁歪トランスデューサに対する前記反転用キャパシタの切り離しを自動で行うことで、磁歪トランスデューサに蓄積される電流を効率良く増大させることである。 However, in the vibration energy collecting device 9 of FIG. 3, it is not easy to predict the timing of disconnecting the inverting capacitor Crv from the magnetostrictive transducer 91.
An object of the present invention is to make a magnetostrictive transducer by automatically disconnecting the inverting capacitor from the magnetostrictive transducer in the control of a vibration energy collecting device that repeatedly connects and disconnects the inverting capacitor to the magnetostrictive transducer at a predetermined timing. It is to efficiently increase the accumulated current.

本発明は、以下を要旨とする。
（１）
繰り返しの応力または歪が生じる磁歪材と、前記磁歪材に設けられたコイルとからなる磁歪トランスデューサ、および、
前記コイルの両端子間に接続され、所定のタイミングで前記コイルに流れる電流の向きを反転させるコイル電流反転回路、
を備えて構成され、
前記コイル電流反転回路は、前記トランスデューサとの間でエネルギーの受け渡しを行うエネルギー蓄積部と、当該受け渡しを制御するスイッチ回路とを備え、
前記エネルギー蓄積部を前記磁歪トランスデューサに接続することで、前記磁歪トランスデューサに蓄えられているエネルギーを前記エネルギー蓄積部に送出するとともに、
前記エネルギー蓄積部に送出されて蓄積されたエネルギーを前記コイルに流れる電流の向きを反転させて前記磁歪トランスデューサに送り返し、
前記送り返しが終了したときに、前記エネルギー蓄積部を前記磁歪トランスデューサから切り離すことで、前記磁歪トランスデューサに流れる電流の反転状態を補償する、
エネルギー収集装置であって、
前記スイッチ回路は、
前記エネルギー蓄積部の前記磁歪トランスデューサへの接続を前記スイッチ回路のスイッチングにより行い、
前記エネルギー蓄積部の前記磁歪トランスデューサからの切り離しを、前記送り返しの完了により自律動作する切り離し回路により行う、
エネルギー収集装置。
本発明のエネルギー収集装置では、負荷回路は、コイル電流が流れる経路であれば、エネルギー収集装置の何れの箇所に設けることができる。
負荷回路は、典型的には前記磁歪トランスデューサに直列または並列に設けられる。 The gist of the present invention is as follows.
(1)
A magnetostrictive transducer composed of a magnetostrictive material that causes repeated stress or strain and a coil provided in the magnetostrictive material, and a magnetostrictive transducer.
A coil current inversion circuit that is connected between both terminals of the coil and reverses the direction of the current flowing through the coil at a predetermined timing.
Is configured with
The coil current inversion circuit includes an energy storage unit that transfers energy to and from the transducer, and a switch circuit that controls the transfer.
By connecting the energy storage unit to the magnetostrictive transducer, the energy stored in the magnetostrictive transducer is transmitted to the energy storage unit and at the same time.
The energy sent to the energy storage unit and stored is reversed in the direction of the current flowing through the coil and sent back to the magnetostrictive transducer.
When the feedback is completed, the energy storage unit is separated from the magnetostrictive transducer to compensate for the reversal state of the current flowing through the magnetostrictive transducer.
It ’s an energy collector,
The switch circuit
The energy storage unit is connected to the magnetostrictive transducer by switching the switch circuit.
The energy storage unit is separated from the magnetostrictive transducer by a disconnection circuit that autonomously operates upon completion of the feedback.
Energy collector.
In the energy collecting device of the present invention, the load circuit can be provided at any position of the energy collecting device as long as it is a path through which the coil current flows.
The load circuit is typically provided in series or in parallel with the magnetostrictive transducer.

（２）
（１）に記載の振動エネルギー収集装置において、
前記スイッチ回路（半導体スイッチ回路，機械スイッチ）は、単極双投型スイッチと、二つの一方向導通回路からなり、前記単極双投型スイッチの単極端子は前記磁歪トランスデューサの一方端に接続され、前記単極双投型スイッチの双投端子は相互に逆極性に配向した前記２つの一方向導通回路を介して前記磁歪トランスデューサの他方端に接続され、
前記エネルギー蓄積部は、前記磁歪トランスデューサに並列に接続されているキャパシタからなる、
振動エネルギー収集装置。 (2)
In the vibration energy collecting device according to (1),
The switch circuit (semiconductor switch circuit, mechanical switch) includes a single-pole double-throw switch and two unidirectional conduction circuits, and the single-pole terminal of the single-pole double-throw switch is connected to one end of the magnetic distortion transducer. The double-throw terminals of the single-pole double-throw switch are connected to the other end of the magnetic strain transducer via the two one-way conduction circuits oriented in opposite polarities.
The energy storage unit comprises a capacitor connected in parallel to the magnetostrictive transducer.
Vibration energy collector.

（３）
（２）に記載の振動エネルギー収集装置において、
前記スイッチ回路の前記二つの一方向導通回路はダイオードにより構成されている、
振動エネルギー収集装置。 (3)
In the vibration energy collecting device according to (2),
The two unidirectional conduction circuits of the switch circuit are composed of diodes.
Vibration energy collector.

（４）
（１）に記載の振動エネルギー収集装置において、
前記スイッチ回路（半導体スイッチ回路，機械スイッチ）は、単極双投型スイッチ（ａ接点またはｂ接点の何れかにｃ接点が接続されるスイッチ）と、二つの一方向導通回路からなり、前記単極双投型スイッチの単極端子は前記磁歪トランスデューサの一方端に接続され、前記単極双投型スイッチの双投端子は相互に逆極性に配向した前記２つの一方向導通回路を介して前記磁歪トランスデューサの他方端に接続され、
前記エネルギー蓄積部は、前記２つの一方向導通回路にそれぞれ並列に接続された２つのキャパシタからなる、
振動エネルギー収集装置。 (4)
In the vibration energy collecting device according to (1),
The switch circuit (semiconductor switch circuit, mechanical switch) is composed of a single pole double throw type switch (a switch in which the c contact is connected to either the a contact or the b contact) and two unidirectional conduction circuits. The single pole terminal of the pole double throw type switch is connected to one end of the magnetic strain transducer, and the double throw terminal of the single pole double throw type switch is said via the two unidirectional conduction circuits oriented in opposite polarities to each other. Connected to the other end of the magnetic strain transducer,
The energy storage unit includes two capacitors connected in parallel to the two unidirectional conduction circuits.
Vibration energy collector.

（５）
（４）に記載の振動エネルギー収集装置において、
前記スイッチ回路の前記二つの一方向導通回路はダイオードにより構成されている
振動エネルギー収集装置。 (5)
In the vibration energy collecting device according to (4),
The two unidirectional conduction circuits of the switch circuit are vibration energy collectors composed of diodes.

本発明により、振動エネルギー収集装置の制御における、前記磁歪トランスデューサに対する前記反転用キャパシタの切り離しを自動で行うことができ、これにより磁歪トランスデューサに蓄積される電流を効率良く増大させることができる。 According to the present invention, in the control of the vibration energy collecting device, the inverting capacitor can be automatically disconnected from the magnetostrictive transducer, whereby the current accumulated in the magnetostrictive transducer can be efficiently increased.

図１は、磁歪トランスデューサを用いた典型的な振動エネルギー収集システムの説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a typical vibration energy acquisition system using a magnetostrictive transducer. 図２は、図１に示した磁歪トランスデューサ８１の等価回路を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of the magnetostrictive transducer 81 shown in FIG. 図３は、本出願人の出願に係る振動エネルギー収集装置９を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a vibration energy collecting device 9 according to the application of the applicant. 図４（Ａ）は、コイル９１１に生じる誘導起電力ｖｍを示す図である。図４（Ｂ）は、磁歪材９１２の変位ｄおよびコイル電流ｉｃを示す図である。図４（Ｃ）は、スイッチＳＷの接続状態（ｃ−ａまたはｃ−ｂ）の変化を示す図である。FIG. 4A is a diagram showing an induced electromotive force vm generated in the coil 911. FIG. 4B is a diagram showing the displacement d of the magnetostrictive material 912 and the coil current ic. FIG. 4C is a diagram showing changes in the connection state (ca or cb) of the switch SW. 図５は、振動エネルギー収集装置１Ａの概略を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an outline of the vibration energy collecting device 1A. 図６（Ａ）は、磁歪材１１２の変位ｄとコイル１１１に流れる電流（コイル電流）ｉｃとの関係を示す波形図である。図６（Ｂ）は、スイッチＳＷの接続状態（ｃ−ａまたはｃ−ｂ）の変化を示す図である。FIG. 6A is a waveform diagram showing the relationship between the displacement d of the magnetostrictive material 112 and the current (coil current) ic flowing through the coil 111. FIG. 6B is a diagram showing changes in the connection state (ca or cb) of the switch SW. 図７（Ａ）は、コイル１１１に生じる誘導起電力ｖｍを示す図である。図７（Ｂ）は、磁歪材１１２の変位ｄおよびコイル電流ｉｃを示す図である。図７（Ｃ）は、スイッチＳＷの接続状態（ｃ−ａまたはｃ−ｂ）の変化を示す図である。FIG. 7A is a diagram showing an induced electromotive force vm generated in the coil 111. FIG. 7B is a diagram showing the displacement d of the magnetostrictive material 112 and the coil current ic. FIG. 7C is a diagram showing changes in the connection state (ca or cb) of the switch SW. 図８は、図７（Ａ）の時刻ｔ１−ｔ６におけるコイル電流反転回路１２の動作を示す説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram showing the operation of the coil current inversion circuit 12 at the time t1-t6 of FIG. 7 (A). 図９は、振動エネルギー収集装置１Ｂの概略を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing an outline of the vibration energy collecting device 1B. 図１０（Ａ）は、磁歪材１１２の変位ｄとコイル１１１に流れる電流（コイル電流）ｉｃとの関係を示す波形図であｒ。図１０（Ｂ）は、スイッチＳＷの接続状態（ｃ−ａまたはｃ−ｂ）の変化を示す図である。FIG. 10A is a waveform diagram showing the relationship between the displacement d of the magnetostrictive material 112 and the current (coil current) ic flowing through the coil 111. FIG. 10B is a diagram showing changes in the connection state (ca or cb) of the switch SW. 図１１（Ａ）は、コイル１１１に生じる誘導起電力ｖｍを示す図である。図１１（Ｂ）は、磁歪材１１２の変位ｄおよびコイル電流ｉｃを示す図である。FIG. 11A is a diagram showing an induced electromotive force vm generated in the coil 111. FIG. 11B is a diagram showing the displacement d of the magnetostrictive material 112 and the coil current ic. 図１２は、図１１（Ａ）の時刻ｔ１−ｔ６におけるコイル電流反転回路１２の動作を示す説明図である。FIG. 12 is an explanatory diagram showing the operation of the coil current inversion circuit 12 at the time t1-t6 of FIG. 11 (A).

以下、本発明の振動エネルギー収集装置の第１実施形態を説明する。
図５は振動エネルギー収集装置１Ａの概略を示す図である。
図５に示すように、振動エネルギー収集装置１Ａは、磁歪トランスデューサ１１とコイル電流反転回路１２と制御装置１３とからなる。
図５では、振動源となる構造体１５を振動マス１５１と構造剛性体１５２とで示してある。
磁歪トランスデューサ１１は、電圧源ｖｍとインダクタＬｍと抵抗Ｒｍとの直列接続回路で表される。
インダクタＬｍは、磁歪トランスデューサ１１のコイル１１１のインダクタンスなので、図５ではインダクタＬｍをコイル１１１としても示す。また、図５では、コイル１１１のコアが磁歪材１１２である。 Hereinafter, the first embodiment of the vibration energy collecting device of the present invention will be described.
FIG. 5 is a diagram showing an outline of the vibration energy collecting device 1A.
As shown in FIG. 5, the vibration energy collecting device 1A includes a magnetostrictive transducer 11, a coil current inversion circuit 12, and a control device 13.
In FIG. 5, the structure 15 serving as a vibration source is shown by the vibration mass 151 and the structural rigid body 152.
The magnetostrictive transducer 11 is represented by a series connection circuit of a voltage source vm, an inductor Lm, and a resistor Rm.
Since the inductor Lm is the inductance of the coil 111 of the magnetostrictive transducer 11, the inductor Lm is also shown as the coil 111 in FIG. Further, in FIG. 5, the core of the coil 111 is a magnetostrictive material 112.

磁歪トランスデューサ１１の両端子にはコイル電流反転回路１２が接続されるとともに、負荷回路１４も接続されている。負荷回路１４は、コイル電流が流れる経路であれば、エネルギー変換装置の何れの箇所に設けることができる。
電流反転回路１２は、単極双投型（ＳＰＤＴ型）のスイッチＳＷと、反転用キャパシタＣｒｖと、ダイオードＤ１，Ｄ２とから構成されている。
反転用キャパシタＣｒｖが本発明におけるエネルギー蓄積部に相当し、スイッチＳＷとダイオードＤ１，Ｄ２が本発明におけるスイッチ回路を構成している。
スイッチＳＷは、半導体スイッチであってもよいし、リレー等から構成した機械スイッチであってもよい。
制御装置１３は、たとえば磁歪トランスデューサ１１の出力電圧ｖｔ、コイル電流ｉｃ、振動情報（変位量と時間の関数）に基づき、コイル電流ｉｃの向きを反転させるように、スイッチＳＷの制御信号を生成することができる。
また、制御装置１３は、出力電圧ｖｔ、コイル電流ｉｃまたは振動情報とは異なるその他の情報（たとえば、電力情報）に基づき、スイッチＳＷの制御信号を生成することもできる。
振動情報（変位量と時間の関数）は、振動マス１５１の振動状態（変位・速度・加速度等）に係る情報であり、通常は、適宜の光学的手段、機械的手段または電磁気学的手段を用いて検出される。
なお、制御装置１３は、出力電圧ｖｔ、コイル電流ｉｃ、振動情報、その他の情報のうち１つに基づいてスイッチＳＷを制御してもよいし、これらの２つ以上の組み合わせに基づいてスイッチＳＷを制御してもよい。
スイッチＳＷは、可動接点ｃと固定接点ａ，ｂを備えており、制御装置１３からの制御信号ＤＳに応じて接点ｃを接点ａまたは接点ｂに接続することができる。
スイッチＳＷのｃ接点端子は磁歪トランスデューサ１１の一方の端子（グランドＧＮＤと反対側の端子）に接続されている。また、スイッチＳＷのｃ接点端子と磁歪トランスデューサ１１の他方の端子（グランドＧＮＤ側の端子）との間には反転用キャパシタＣｒｖが接続されている。
スイッチＳＷのａ接点端子と磁歪トランスデューサ１１のグランＧＮＤ側の端子にはカソードがａ接点端子を向くようにダイオードＤ１が接続され、スイッチＳＷのｂ接点端子と磁歪トランスデューサ１１のグランＧＮＤ側の端子にはアノードがｂ接点端子を向くようにダイオードＤ２が接続されている。 A coil current inversion circuit 12 is connected to both terminals of the magnetostrictive transducer 11, and a load circuit 14 is also connected. The load circuit 14 can be provided at any position in the energy conversion device as long as it is a path through which the coil current flows.
The current inverting circuit 12 is composed of a single-pole double-throw type (SPDT type) switch SW, an inverting capacitor Crv, and diodes D1 and D2.
The inverting capacitor Crv corresponds to the energy storage unit in the present invention, and the switch SW and the diodes D1 and D2 constitute the switch circuit in the present invention.
The switch SW may be a semiconductor switch or a mechanical switch composed of a relay or the like.
The control device 13 generates a control signal for the switch SW so as to reverse the direction of the coil current ic based on, for example, the output voltage vt of the magnetostrictive transducer 11, the coil current ic, and vibration information (a function of displacement amount and time). be able to.
Further, the control device 13 can also generate a control signal for the switch SW based on the output voltage vt, the coil current ic, or other information (for example, power information) different from the vibration information.
The vibration information (function of displacement amount and time) is information related to the vibration state (displacement, velocity, acceleration, etc.) of the vibration mass 151, and usually, appropriate optical means, mechanical means, or electromagnetic means is used. Detected using.
The control device 13 may control the switch SW based on one of the output voltage vt, the coil current ic, the vibration information, and other information, or the switch SW may be based on a combination of two or more of these. May be controlled.
The switch SW includes a movable contact c and fixed contacts a and b, and the contact c can be connected to the contact a or b according to the control signal DS from the control device 13.
The c-contact terminal of the switch SW is connected to one terminal (terminal on the opposite side of the ground GND) of the magnetostrictive transducer 11. Further, an inverting capacitor Crv is connected between the c contact terminal of the switch SW and the other terminal (terminal on the ground GND side) of the magnetostrictive transducer 11.
A diode D1 is connected to the a contact terminal of the switch SW and the terminal on the Gran GND side of the magnetostrictive transducer 11 so that the cathode faces the a contact terminal, and to the b contact terminal of the switch SW and the terminal on the Gran GND side of the magnetostrictive transducer 11. The diode D2 is connected so that the anode faces the b-contact terminal.

図５の磁歪トランスデューサ１１では、コイル１１１のインダクタＬｍと抵抗ｒｍ、および反転用キャパシタＣｒｖは、コイル電流反転のためのＲＬＣ回路を構成する。このＲＬＣ回路の電気的な自由振動の周期をτとする。このＲＬＣ回路は自由振動の振幅が小さくならないように、インダクタＬｍと抵抗ｒｍ、および反転用キャパシタＣｒｖの値が選ばれている。 In the magnetostrictive transducer 11 of FIG. 5, the inductor Lm and the resistor rm of the coil 111 and the inverting capacitor Crv form an RLC circuit for inverting the coil current. Let τ be the period of electrical free vibration of this RLC circuit. In this RLC circuit, the values of the inductor Lm, the resistor rm, and the inverting capacitor Crv are selected so that the amplitude of the free vibration does not become small.

図５の振動エネルギー収集装置１Ａでは、制御装置１３は、磁歪トランスデューサ１１の出力電圧ｖｔおよびコイル電流ｉｃおよび振動マス９５１の振動を検知するセンサ情報を検出しており、ＰＤ制御等の制御手法によりスイッチＳＷの制御を行っている。 In the vibration energy collecting device 1A of FIG. 5, the control device 13 detects the output voltage vt of the magnetic strain transducer 11, the coil current ic, and the sensor information for detecting the vibration of the vibration mass 951, and uses a control method such as PD control. The switch SW is controlled.

以下、図６、図７および図８を参照しながら、図５の振動エネルギー収集装置１Ａの動作を説明する。
なお、図５においては、グランドＧＮＤから磁歪トランスデューサ１１に流れるコイル電流ｉｃの向きを正、磁歪トランスデューサ１１からグランドＧＮＤに流れるコイル電流ｉｃの向きを負とする。
図６（Ａ）は、磁歪材１１２の変位ｄとコイル１１１に流れる電流（コイル電流）ｉｃとの関係を示す波形図、図６（Ｂ）はスイッチＳＷの接続状態（ｃ−ａまたはｃ−ｂ）の変化を示す図である。
図７（Ａ）は、コイル１１１に生じる誘導起電力ｖｍを示す図である。
図７（Ｂ）は、磁歪材１１２の変位ｄおよびコイル電流ｉｃを示す図である。図７（Ｂ）においては、β１およびβ２部分の拡大図を併記する。
図７（Ｃ）は、スイッチＳＷの接続状態（ｃ−ａまたはｃ−ｂ）の変化を示す図である。
図８は、図７（Ａ）の時刻ｔ１−ｔ６におけるコイル電流反転回路１２の動作を示す説明図である。
なお、以下の説明では、理解を容易にするために、磁歪トランスデューサ１１から負荷回路１４への電力供給を無視する。したがって、図８では負荷回路１４は図示しない。 Hereinafter, the operation of the vibration energy collecting device 1A of FIG. 5 will be described with reference to FIGS. 6, 7 and 8.
In FIG. 5, the direction of the coil current ic flowing from the magnetostrictive transducer 11 to the magnetostrictive transducer 11 is positive, and the direction of the coil current ic flowing from the magnetostrictive transducer 11 to the ground GND is negative.
FIG. 6A is a waveform diagram showing the relationship between the displacement d of the magnetostrictive material 112 and the current (coil current) ic flowing through the coil 111, and FIG. 6B is the connection state (ca or c-) of the switch SW. It is a figure which shows the change of b).
FIG. 7A is a diagram showing an induced electromotive force vm generated in the coil 111.
FIG. 7B is a diagram showing the displacement d of the magnetostrictive material 112 and the coil current ic. In FIG. 7B, enlarged views of β1 and β2 portions are also shown.
FIG. 7C is a diagram showing changes in the connection state (ca or cb) of the switch SW.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the operation of the coil current inversion circuit 12 at the time t1-t6 of FIG. 7 (A).
In the following description, the power supply from the magnetostrictive transducer 11 to the load circuit 14 is ignored for ease of understanding. Therefore, the load circuit 14 is not shown in FIG.

図５の振動エネルギー収集装置１Ａにおいて、磁歪材１１２に繰り返しの応力または歪が与えられると、磁歪材１１２の変位ｄに応じてコイル１１１には誘導起電力ｖｍが生じる。
図７（Ａ）はコイル１１１に生じる誘導起電力ｖｍを示している。 In the vibration energy collecting device 1A of FIG. 5, when the magnetostrictive material 112 is repeatedly stressed or strained, an induced electromotive force vm is generated in the coil 111 according to the displacement d of the magnetostrictive material 112.
FIG. 7A shows the induced electromotive force vm generated in the coil 111.

図５の振動エネルギー収集装置１Ａでは、コイル１１１に蓄えられているエネルギーが反転用キャパシタＣｒｖに一時的に収容され、この収容されたエネルギーがコイル１１１に戻される際に電流の向きが反転するように、制御装置１３がスイッチＳＷの接続状態（ｃ−ａまたはｃ−ｂ）を制御する。
これにより、コイル１１１に蓄積されるエネルギー（ｉｃ^２・Ｌｍ／２ジュール）を増大させることができる。 In the vibration energy collecting device 1A of FIG. 5, the energy stored in the coil 111 is temporarily stored in the inverting capacitor Crv so that the direction of the current is reversed when the stored energy is returned to the coil 111. In addition, the control device 13 controls the connection state (ca or cb) of the switch SW.
As a result, the energy (ic ² · Lm / 2 joules) stored in the coil 111 can be increased.

以下、図７（Ａ）に示した時刻ｔ１−ｔ６における、コイル電流反転回路１２の動作を詳細に説明する。
まず、コイル電流ｉｃが負でその振幅が大きい時刻ｔ１においては、図８（Ａ）に示すように、スイッチＳＷは接点ｃが接点ａに接続されており、コイル電流ｉｃは、グランドＧＮＤ、ダイオードＤ１、スイッチＳＷのａ接点端子・ｃ接点端子、磁歪トランスデューサ１１、グランドＧＮＤの順でループしている。なお、本実施形態では、このときには、反転用キャパシタＣｒｖは充電されていない。 Hereinafter, the operation of the coil current inversion circuit 12 at the time t1-t6 shown in FIG. 7A will be described in detail.
First, at time t1 when the coil current ic is negative and its amplitude is large, as shown in FIG. 8A, the switch SW has the contact c connected to the contact a, and the coil current ic is the ground GND and the diode. D1, the a-contact terminal / c-contact terminal of the switch SW, the magnetostrictive transducer 11, and the ground diode are looped in this order. In this embodiment, the inverting capacitor Crv is not charged at this time.

次に、制御装置１３がスイッチＳＷの切り替えの命令を出す時刻ｔ２において、スイッチＳＷの接点ｃは、接点ａから接点ｂへの接続に切り替えられ、反転用キャパシタＣｒｖが磁歪トランスデューサ１１に接続される。時刻ｔ２は、コイル電流ｉｃが負かつコイル電流ｉｃの時間微分が正から負になる時刻とすることもできる。
この切り替えにより、コイル電流ｉｃは、図８（Ｂ）に示すように、もとの電流の向きを維持しようとする。このとき、ダイオードＤ２は、コイル１１１の誘導起電力ｖｍの向きとは逆方向に配向されているので、コイル電流ｉｃは、グランドＧＮＤ、反転用キャパシタＣｒｖ、磁歪トランスデューサ１１、グランドＧＮＤの順でループする。 Next, at time t2 when the control device 13 issues a command to switch the switch SW, the contact c of the switch SW is switched from the contact a to the contact b, and the inverting capacitor Crv is connected to the magnetostrictive transducer 11. .. The time t2 can also be a time when the coil current ic is negative and the time derivative of the coil current ic changes from positive to negative.
By this switching, the coil current ic tries to maintain the original current direction as shown in FIG. 8 (B). At this time, since the diode D2 is oriented in the direction opposite to the direction of the induced electromotive force vm of the coil 111, the coil current ic loops in the order of the ground GND, the inverting capacitor Crv, the magnetostrictive transducer 11, and the ground GND. To do.

前述したように、インダクタＬｍと抵抗ｒｍと反転用キャパシタＣｒｖとは、ＲＬＣ共振回路（共振周期をτとする）を構成している。
図５の振動エネルギー収集装置１Ａでは、τ／４の時間で、磁歪トランスデューサ１１に蓄えられていたエネルギー（ｉｃ^２・Ｌｍ／２ジュール）が反転用キャパシタＣｒｖに転送され、つぎのτ／４の時間で反転用キャパシタＣｒｖに蓄えられたエネルギーが、磁歪トランスデューサ１１に戻される。
なお、理論上は、反転開始時と反転終了時においては反転用キャパシタＣｒｖに蓄えられているエネルギーは０であり、コイル電流ｉｃが０となる時点で反転用キャパシタＣｒｖに蓄えられているエネルギーは最大（磁歪トランスデューサ１１に蓄えられていたエネルギーと等しい）とできる。ただし、反転開始時と反転終了時においては反転用キャパシタＣｒｖに蓄えられているエネルギーは０でなくてもかまわない。 As described above, the inductor Lm, the resistor rm, and the inverting capacitor Crv form an RLC resonance circuit (resonance period is τ).
In vibration energy collecting device 1A of FIG. 5, tau / 4 in the time, the energy stored in the magnetostrictive transducer 11 ^(ic 2 · Lm / 2 Joules) is transferred to the inverting capacitor Crv, the following tau / 4 The energy stored in the inverting capacitor Crv over time is returned to the magnetostrictive transducer 11.
Theoretically, the energy stored in the inverting capacitor Crv is 0 at the start and end of inverting, and the energy stored in the inverting capacitor Crv is 0 when the coil current ic becomes 0. It can be set to the maximum (equal to the energy stored in the magnetostrictive transducer 11). However, the energy stored in the inverting capacitor Crv does not have to be 0 at the start of inverting and the end of inverting.

時刻ｔ３は、コイル電流ｉｃが０となる時刻を過ぎた時刻（ただし、スイッチＳＷの接点ｃは接点ｂに接続されている）を示している。この時刻ｔ３には、図８（Ｃ）に示すように、反転用キャパシタＣｒｖの充電電荷は放出されつつあり、コイル電流ｉｃの向きは負から正に反転している。このとき、ダイオードＤ２は、コイル１１１の誘導起電力ｖｍの向きとは逆方向に配向されているので、コイル電流ｉｃが、ダイオードＤ２を介して流れることはない。 The time t3 indicates the time after the time when the coil current ic becomes 0 (however, the contact c of the switch SW is connected to the contact b). At this time t3, as shown in FIG. 8C, the charge charge of the inverting capacitor Crv is being released, and the direction of the coil current ic is reversed from negative to positive. At this time, since the diode D2 is oriented in the direction opposite to the direction of the induced electromotive force vm of the coil 111, the coil current ic does not flow through the diode D2.

時刻ｔ４では、反転用キャパシタＣｒｖの充電電荷が０になり、反転用キャパシタＣｒｖが磁歪トランスデューサ１１から切り離される。
時刻ｔ４直前においては、コイル電流ｉｃは正の向きに流れているので、反転用キャパシタＣｒｖの充電電荷が０になった時点で、コイル電流ｉｃは、図８（Ｄ）に示すように、グランドＧＮＤ、磁歪トランスデューサ１１、スイッチＳＷのｃ接点端子・ａ接点端子、ダイオードＤ２、グランドＧＮＤを介してループする。 At time t4, the charge charge of the inverting capacitor Crv becomes 0, and the inverting capacitor Crv is separated from the magnetostrictive transducer 11.
Immediately before time t4, the coil current ic is flowing in the positive direction. Therefore, when the charge charge of the inverting capacitor Crv becomes 0, the coil current ic becomes ground as shown in FIG. 8 (D). It loops through the GND, the magnetostrictive transducer 11, the c-contact terminal / a-contact terminal of the switch SW, the diode D2, and the ground GND.

時刻ｔ５では、スイッチＳＷの接点ｃは、接点ｂから接点ａへの接続に切り替えられ、反転用キャパシタＣｒｖが磁歪トランスデューサ１１に接続される。時刻ｔ２は、コイル電流ｉｃが負かつコイル電流ｉｃの時間微分が正から負になる時刻とすることもできる。この切り替えにより、図８（Ｅ）に示すように、コイル電流ｉｃはもとの電流の向きを維持しようとする。このとき、ダイオードＤ１は、コイル１１１の誘導起電力ｖｍの向きとは逆方向に配向されているので、コイル電流ｉｃは、グランドＧＮＤ、磁歪トランスデューサ１１、反転用キャパシタＣｒｖ、グランドＧＮＤの順でループする。 At time t5, the contact c of the switch SW is switched from the contact b to the contact a, and the inverting capacitor Crv is connected to the magnetostrictive transducer 11. The time t2 can also be a time when the coil current ic is negative and the time derivative of the coil current ic changes from positive to negative. By this switching, as shown in FIG. 8 (E), the coil current ic tries to maintain the original direction of the current. At this time, since the diode D1 is oriented in the direction opposite to the direction of the induced electromotive force vm of the coil 111, the coil current ic loops in the order of the ground GND, the magnetostrictive transducer 11, the inverting capacitor Crv, and the ground GND. To do.

時刻ｔ６は、コイル電流ｉｃが０となる時刻を過ぎた時刻（ただし、スイッチＳＷの接点ｃは接点ａに接続されている）を示している。この時刻ｔ６には、図８（Ｆ）に示すように、反転用キャパシタＣｒｖの充電電荷は放出されつつあり、コイル電流ｉｃの向きは負から正に反転している。このとき、ダイオードＤ１は、コイル１１１の誘導起電力ｖｍの向きとは逆方向に配向されているので、コイル電流ｉｃが、ダイオードＤ１を介して流れることはない。
この後、反転用キャパシタＣｒｖの充電電荷が全て放出されると、コイル電流Ｉｃは図８（Ａ）に示すように流れるようになる。
コイル電流ｉｃの反転制御が容易に行われる。これにより、制御装置１３の構成（または制御装置１３を動作させるプログラムの構成）が簡素化される。 The time t6 indicates the time after the time when the coil current ic becomes 0 (however, the contact c of the switch SW is connected to the contact a). At this time t6, as shown in FIG. 8 (F), the charge charge of the inverting capacitor Crv is being released, and the direction of the coil current ic is reversed from negative to positive. At this time, since the diode D1 is oriented in the direction opposite to the direction of the induced electromotive force vm of the coil 111, the coil current ic does not flow through the diode D1.
After that, when all the charge charges of the inverting capacitor Crv are released, the coil current Ic flows as shown in FIG. 8 (A).
Inversion control of the coil current ic is easily performed. This simplifies the configuration of the control device 13 (or the configuration of the program that operates the control device 13).

以下、本発明の振動エネルギー収集装置の第２実施形態を説明する。
図９は振動エネルギー収集装置１Ｂの概略を示す図である。
図９に示すように、振動エネルギー収集装置１Ｂは、磁歪トランスデューサ１１とコイル電流反転回路１２と制御装置１３とからなる。
図９では、振動源となる構造体１５を振動マス１５１と構造剛性体１５２とで示してある。
磁歪トランスデューサ１１の構成は、図５に示した磁歪トランスデューサ１１の構成と同じである。 Hereinafter, a second embodiment of the vibration energy collecting device of the present invention will be described.
FIG. 9 is a diagram showing an outline of the vibration energy collecting device 1B.
As shown in FIG. 9, the vibration energy collecting device 1B includes a magnetostrictive transducer 11, a coil current inversion circuit 12, and a control device 13.
In FIG. 9, the structure 15 serving as a vibration source is shown by the vibration mass 151 and the structural rigid body 152.
The configuration of the magnetostrictive transducer 11 is the same as the configuration of the magnetostrictive transducer 11 shown in FIG.

第１実施形態の振動エネルギー収集装置１Ａと同様、振動エネルギー収集装置１Ｂでも、磁歪トランスデューサ１１の両端子には電流反転回路１２が接続されるとともに、負荷回路１４も接続されている。負荷回路１４は、コイル電流が流れる経路であれば、エネルギー変換装置１Ａの何れの箇所に設けることができる。
電流反転回路１２は、単極双投型（ＳＰＤＴ型）のスイッチＳＷと、反転用キャパシタＣｒｖ１，Ｃｒｖ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とから構成されている。
スイッチＳＷの構成は、第１実施形態において使用されているスイッチＳＷと同じであり、その機能も第１実施形態において使用されているスイッチＳＷと概ね同じである。
スイッチＳＷのｃ接点端子は磁歪トランスデューサ１１の一方の端子（グランドＧＮＤと反対側の端子）に接続されている。
スイッチＳＷのａ接点端子と磁歪トランスデューサ１１のグランＧＮＤ側の端子には、カソードがａ接点端子を向くダイオードＤ１と反転用キャパシタＣｒｖ１との並列接続回路が接続されている。また、スイッチＳＷのｂ接点端子と磁歪トランスデューサ１１のグランＧＮＤ側の端子には、アノードがｂ接点端子を向くダイオードＤ２と反転用キャパシタＣｒｖ１との並列接続回路が接続されている。 Similar to the vibration energy collecting device 1A of the first embodiment, in the vibration energy collecting device 1B, the current inversion circuit 12 is connected to both terminals of the magnetostrictive transducer 11 and the load circuit 14 is also connected. The load circuit 14 can be provided at any position in the energy conversion device 1A as long as it is a path through which the coil current flows.
The current inverting circuit 12 is composed of a single-pole double-throw type (SPDT type) switch SW, inverting capacitors Crv1 and Crv2, and diodes D1 and D2.
The configuration of the switch SW is the same as that of the switch SW used in the first embodiment, and its function is also substantially the same as that of the switch SW used in the first embodiment.
The c-contact terminal of the switch SW is connected to one terminal (terminal on the opposite side of the ground GND) of the magnetostrictive transducer 11.
A parallel connection circuit of a diode D1 whose cathode faces the a contact terminal and a inverting capacitor Crv1 is connected to the a contact terminal of the switch SW and the terminal on the Gran GND side of the magnetostrictive transducer 11. Further, a parallel connection circuit of a diode D2 whose anode faces the b-contact terminal and a inverting capacitor Crv1 is connected to the b-contact terminal of the switch SW and the terminal on the Gran GND side of the magnetostrictive transducer 11.

第１実施形態の振動エネルギー収集装置１Ａと同様、図９の振動エネルギー収集装置１Ｂでも、コイル１１１のインダクタＬｍと抵抗ｒｍ、および反転用キャパシタＣｒｖは、コイル電流反転のためのＲＬＣ回路を構成する。このＲＬＣ回路の電気的な自由振動の周期をτとする。また、第１実施形態の振動エネルギー収集装置１Ａと同様、図９の振動エネルギー収集装置１Ｂでも、このＲＬＣ回路は自由振動の振幅が小さくならないように、インダクタＬｍと抵抗ｒｍ、および反転用キャパシタＣｒｖの値が選ばれている。 Similar to the vibration energy collecting device 1A of the first embodiment, in the vibration energy collecting device 1B of FIG. 9, the inductor Lm and the resistor rm of the coil 111 and the inverting capacitor Crv form an RLC circuit for coil current inverting. .. Let τ be the period of electrical free vibration of this RLC circuit. Further, as in the vibration energy collecting device 1A of the first embodiment, in the vibration energy collecting device 1B of FIG. 9, this RLC circuit has an inductor Lm, a resistor rm, and an inverting capacitor Crv so that the amplitude of free vibration does not become small. The value of is selected.

第１実施形態の振動エネルギー収集装置１Ａと同様、図９の振動エネルギー収集装置１Ｂでも、制御装置１３は、磁歪トランスデューサ１１の出力電圧ｖｔ、コイル電流ｉｃおよび振動マス１５１の振動を検知するセンサ情報を検出しており、ＰＤ制御等の制御手法によりスイッチＳＷの制御を行っている。 Similar to the vibration energy collecting device 1A of the first embodiment, in the vibration energy collecting device 1B of FIG. 9, the control device 13 detects the output voltage vt of the magnetic strain transducer 11, the coil current ic, and the vibration of the vibration mass 151. Is detected, and the switch SW is controlled by a control method such as PD control.

以下、図１０、図１１および図１２を参照しながら、図９の振動エネルギー収集装置１Ｂの動作を説明する。
なお、第１実施形態の振動エネルギー収集装置１Ａと同様、図９の振動エネルギー収集装置１Ｂでも、グランドＧＮＤから磁歪トランスデューサ１１に流れるコイル電流ｉｃの向きを正、磁歪トランスデューサ１１からグランドＧＮＤに流れるコイル電流ｉｃの向きを負とする。
図１０（Ａ）は、磁歪材１１２の変位ｄとコイル１１１に流れる電流（コイル電流）ｉｃとの関係を示す波形図、図１０（Ｂ）はスイッチＳＷの接続状態（ｃ−ａまたはｃ−ｂ）の変化を示す図である。
図１１（Ａ）は、コイル１１１に生じる誘導起電力ｖｍを示す図であり、図１１（Ｂ）は、磁歪材１１２の変位ｄおよびコイル電流ｉｃを示す図である。図１１（Ｂ）においては、β１およびβ２部分の拡大図を併記する。
図１１（Ｃ）は、スイッチＳＷの接続状態（ｃ−ａまたはｃ−ｂ）の変化を示す図である。
図１２は、図１１（Ａ）の時刻ｔ１−ｔ６におけるコイル電流反転回路１２の動作を示す説明図である。
なお、第１実施形態の振動エネルギー収集装置１Ａと同様、振動エネルギー収集装置１Ｂでも、理解を容易にするために、磁歪トランスデューサ１１から負荷回路１４への電力供給を無視する。したがって、図１２では負荷回路１４は図示しない。 Hereinafter, the operation of the vibration energy collecting device 1B of FIG. 9 will be described with reference to FIGS. 10, 11 and 12.
Similar to the vibration energy collecting device 1A of the first embodiment, also in the vibration energy collecting device 1B of FIG. 9, the direction of the coil current ic flowing from the ground GND to the magnetostrictive transducer 11 is positive, and the coil flowing from the magnetostrictive transducer 11 to the ground GND. The direction of the current ic is negative.
FIG. 10A is a waveform diagram showing the relationship between the displacement d of the magnetostrictive material 112 and the current (coil current) ic flowing through the coil 111, and FIG. 10B is the connection state (ca or c-) of the switch SW. It is a figure which shows the change of b).
FIG. 11A is a diagram showing an induced electromotive force vm generated in the coil 111, and FIG. 11B is a diagram showing a displacement d of the magnetostrictive material 112 and a coil current ic. In FIG. 11B, enlarged views of β1 and β2 portions are also shown.
FIG. 11C is a diagram showing changes in the connection state (ca or cb) of the switch SW.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing the operation of the coil current inversion circuit 12 at the time t1-t6 of FIG. 11 (A).
Similar to the vibration energy collecting device 1A of the first embodiment, the vibration energy collecting device 1B also ignores the power supply from the magnetostrictive transducer 11 to the load circuit 14 in order to facilitate understanding. Therefore, the load circuit 14 is not shown in FIG.

図９の振動エネルギー収集装置１Ｂにおいて、磁歪材１１２に繰り返しの応力または歪が与えられると、磁歪材１１２の変位ｄに応じてコイル１１１には誘導起電力ｖｍが生じる。
図１１（Ａ）はコイル１１１に生じる誘導起電力ｖｍを示している。 In the vibration energy collecting device 1B of FIG. 9, when the magnetostrictive material 112 is repeatedly stressed or strained, an induced electromotive force vm is generated in the coil 111 according to the displacement d of the magnetostrictive material 112.
FIG. 11A shows the induced electromotive force vm generated in the coil 111.

図９の振動エネルギー収集装置１Ｂでは、コイル１１１に蓄えられているエネルギーが反転用キャパシタＣｒｖ１またはＣｒｖ２に一時的に収容され、この収容されたエネルギーがコイル１１１に戻される際に電流の向きが反転するように、制御装置１３がスイッチＳＷの接続状態（ｃ−ａまたはｃ−ｂ）を制御する。
これにより、コイル１１１に蓄積されるエネルギー（ｉｃ^２・Ｌｍ／２ジュール）を増大させることができる。 In the vibration energy collecting device 1B of FIG. 9, the energy stored in the coil 111 is temporarily stored in the inverting capacitor Crv1 or Crv2, and the direction of the current is reversed when the stored energy is returned to the coil 111. The control device 13 controls the connection state (ca or cb) of the switch SW.
As a result, the energy (ic ² · Lm / 2 joules) stored in the coil 111 can be increased.

以下、図１１（Ａ）に示した時刻ｔ１−ｔ６における、コイル電流反転回路１２の動作を詳細に説明する。
まず、コイル電流ｉｃが負でその振幅が大きい時刻ｔ１においては、図１２（Ａ）に示すように、スイッチＳＷは接点ｃが接点ａに接続されており、コイル電流ｉｃは、グランドＧＮＤ、ダイオードＤ１、スイッチＳＷのａ接点端子・ｃ接点端子、磁歪トランスデューサ１１、グランドＧＮＤの順でループしている。なお、このときには、反転用キャパシタＣｒｖは充電されていない。 Hereinafter, the operation of the coil current inversion circuit 12 at the time t1-t6 shown in FIG. 11A will be described in detail.
First, at time t1 when the coil current ic is negative and its amplitude is large, as shown in FIG. 12A, the switch SW has the contact c connected to the contact a, and the coil current ic is the ground GND and the diode. D1, the a-contact terminal / c-contact terminal of the switch SW, the magnetostrictive transducer 11, and the ground diode are looped in this order. At this time, the inverting capacitor Crv is not charged.

次に、制御装置１３がスイッチＳＷの切り替えの命令を出す時刻ｔ２において、スイッチＳＷの接点ｃは、接点ａから接点ｂへの接続に切り替えられ、反転用キャパシタＣｒｖ２が磁歪トランスデューサ１１に接続される。時刻ｔ２は、コイル電流ｉｃが負かつコイル電流ｉｃの時間微分が正から負になる時刻とすることもできる。
この切り替えにより、コイル電流ｉｃは、図１２（Ｂ）に示すように、もとの電流の向きを維持しようとする。このとき、ダイオードＤ２は、コイル１１１の誘導起電力ｖｍの向きとは逆方向に配向されているので、コイル電流ｉｃは、グランドＧＮＤ、反転用キャパシタＣｒｖ２、スイッチＳＷのｂ接点端子・ｃ接点端子、磁歪トランスデューサ１１、グランドＧＮＤの順でループする。 Next, at time t2 when the control device 13 issues a command to switch the switch SW, the contact c of the switch SW is switched from the contact a to the contact b, and the inverting capacitor Crv2 is connected to the magnetostrictive transducer 11. .. The time t2 can also be a time when the coil current ic is negative and the time derivative of the coil current ic changes from positive to negative.
By this switching, the coil current ic tries to maintain the original current direction as shown in FIG. 12 (B). At this time, since the diode D2 is oriented in the direction opposite to the direction of the induced electromotive force vm of the coil 111, the coil current ic is the ground GND, the inverting capacitor Crv2, and the b-contact terminal / c-contact terminal of the switch SW. , Magnetostrictive transducer 11, ground GND, and so on.

前述したように、インダクタＬｍと抵抗ｒｍと反転用キャパシタＣｒｖとは、ＲＬＣ共振回路（共振周期をτとする）を構成している。
図９の振動エネルギー収集装置１Ｂでは、τ／４の時間で、磁歪トランスデューサ１１に蓄えられていたエネルギー（ｉｃ^２・Ｌｍ／２ジュール）が反転用キャパシタＣｒｖ２に転送され、つぎのτ／４の時間で反転用キャパシタＣｒｖ２に蓄えられたエネルギーが、磁歪トランスデューサ１１に戻される。
なお、理論上は、反転開始時と反転終了時においては反転用キャパシタＣｒｖ２に蓄えられているエネルギーは０であり、コイル電流ｉｃが０となる時点で反転用キャパシタＣｒｖ２に蓄えられているエネルギーは最大（磁歪トランスデューサ１１に蓄えられていたエネルギーと等しい）とできる。ただし、反転開始時と反転終了時においては反転用キャパシタＣｒｖに蓄えられているエネルギーは０でなくてもかまわない。 As described above, the inductor Lm, the resistor rm, and the inverting capacitor Crv form an RLC resonance circuit (resonance period is τ).
In the vibration energy harvester device 1B of FIG. 9, tau / 4 in the time, the energy stored in the magnetostrictive transducer 11 ^(ic 2 · Lm / 2 Joules) is transferred to the inverting capacitor Crv2, the following tau / 4 The energy stored in the inverting capacitor Crv2 over time is returned to the magnetostrictive transducer 11.
Theoretically, the energy stored in the inverting capacitor Crv2 is 0 at the start and end of inverting, and the energy stored in the inverting capacitor Crv2 is 0 when the coil current ic becomes 0. It can be set to the maximum (equal to the energy stored in the magnetostrictive transducer 11). However, the energy stored in the inverting capacitor Crv does not have to be 0 at the start of inverting and the end of inverting.

時刻ｔ３は、コイル電流ｉｃが０となる時刻を過ぎた時刻（ただし、スイッチＳＷの接点ｃは接点ｂに接続されている）を示している。この時刻ｔ３には、図１２（Ｃ）に示すように、反転用キャパシタＣｒｖ２の充電電荷は放出されつつあり、コイル電流ｉｃの向きは負から正に反転している。このとき、ダイオードＤ２は、コイル１１１の誘導起電力ｖｍの向きとは逆方向に配向されているので、コイル電流ｉｃが、ダイオードＤ２を介して流れることはない。 The time t3 indicates the time after the time when the coil current ic becomes 0 (however, the contact c of the switch SW is connected to the contact b). At this time t3, as shown in FIG. 12C, the charging charge of the inverting capacitor Crv2 is being released, and the direction of the coil current ic is reversed from negative to positive. At this time, since the diode D2 is oriented in the direction opposite to the direction of the induced electromotive force vm of the coil 111, the coil current ic does not flow through the diode D2.

時刻ｔ４では、反転用キャパシタＣｒｖ２の充電電荷が０になる。このとき、ダイオードＤ２は、コイル１１１の誘導起電力ｖｍの向きに対して順方向に配向されることになるで、コイル電流ｉｃはダイオードＤ２を介して流れるようになる。すなわち、コイル電流ｉｃは、グランドＧＮＤ、磁歪トランスデューサ１１、スイッチＳＷのｃ接点端子・ｂ接点端子、ダイオードＤ２、グランドＧＮＤの順でループする。 At time t4, the charge charge of the inverting capacitor Crv2 becomes zero. At this time, the diode D2 is oriented in the forward direction with respect to the direction of the induced electromotive force vm of the coil 111, so that the coil current ic flows through the diode D2. That is, the coil current ic loops in the order of the ground GND, the magnetostrictive transducer 11, the c-contact terminal / b-contact terminal of the switch SW, the diode D2, and the ground GND.

なお、コイル電流ｉｃの反転特性は、図１１（Ｂ）の自由振動波形ＦＯに依存する。自由振動波形ＦＯからわかるように、コイル電流ｉｃの反転開始からτ／２の時間が過ぎると、何らかの手段を講じない限り次の反転動作が開始してしまう。コイル電流ｉｃの反転が適性にできないと、磁歪トランスデューサ１１に蓄積されるエネルギーを増大することができなくなる。
既に説明したように、図３の振動エネルギー収集装置９では、コイル電流ｉｃの反転が終了する時点を予測し、次の反転が生じる前（または生じたとしても速やかに）、反転用キャパシタＣｒｖを磁歪トランスデューサ９１から切り離す必要があり、制御が容易ではなかった。
これに対して、図９の振動エネルギー収集装置１Ｂでは、反転用キャパシタＣｒｖ２が電荷の放出を終了した時点、すなわち、コイル電流ｉｃの反転が終了した時点で、反転用キャパシタＣｒｖ２が磁歪トランスデューサ１１から自動的に切り離されるので、コイル電流ｉｃの反転制御が容易に行われる。 The inversion characteristic of the coil current ic depends on the free vibration waveform FO shown in FIG. 11 (B). As can be seen from the free vibration waveform FO, when the time of τ / 2 has passed from the start of the inversion of the coil current ic, the next inversion operation starts unless some measures are taken. If the inversion of the coil current ic cannot be made appropriate, the energy stored in the magnetostrictive transducer 11 cannot be increased.
As described above, in the vibration energy collecting device 9 of FIG. 3, the time point at which the inversion of the coil current ic ends is predicted, and the inverting capacitor Crv is set before the next inversion occurs (or even if it occurs promptly). It had to be separated from the magnetostrictive transducer 91, which was not easy to control.
On the other hand, in the vibration energy collecting device 1B of FIG. 9, when the inverting capacitor Crv2 finishes discharging the electric charge, that is, when the inverting of the coil current ic ends, the inverting capacitor Crv2 starts from the magnetostrictive transducer 11. Since the capacitor is automatically disconnected, the inversion control of the coil current ic can be easily performed.

時刻ｔ５では、スイッチＳＷの接点ｃは、接点ｂから接点ａへの接続に切り替えられ、反転用キャパシタＣｒｖ１が磁歪トランスデューサ１１に接続される。この切り替えにより、図８（Ｅ）に示すように、コイル電流ｉｃはもとの電流の向きを維持しようとする。このとき、ダイオードＤ１は、コイル１１１の誘導起電力ｖｍの向きとは逆向きに配向されているので、コイル電流ｉｃは、グランドＧＮＤ、磁歪トランスデューサ１１、スイッチＳＷのｃ接点端子・ａ接点端子、反転用キャパシタＣｒｖ１、グランドＧＮＤの順でループする。 At time t5, the contact c of the switch SW is switched from the contact b to the contact a, and the inverting capacitor Crv1 is connected to the magnetostrictive transducer 11. By this switching, as shown in FIG. 8 (E), the coil current ic tries to maintain the original direction of the current. At this time, since the diode D1 is oriented in the direction opposite to the direction of the induced electromotive force vm of the coil 111, the coil current ic is the ground GND, the magnetostrictive transducer 11, the c-contact terminal / a-contact terminal of the switch SW, and so on. The inverting capacitor Crv1 and ground GND are looped in this order.

時刻ｔ６は、コイル電流ｉｃが０となる時刻を過ぎた時刻（ただし、スイッチＳＷの接点ｃは接点ａに接続されている）を示している。この時刻ｔ６には、図８（Ｆ）に示すように、反転用キャパシタＣｒｖ１の充電電荷は放出されつつあり、コイル電流ｉｃの向きは負から正に反転している。このとき、ダイオードＤ１は、コイル１１１の誘導起電力ｖｍの向きとは逆向きに配向されているので、コイル電流ｉｃが、ダイオードＤ１を介して流れることはない。
この後、反転用キャパシタＣｒｖ１の充電電荷が全て放出されると、コイル電流Ｉｃは図８（Ａ）に示すように流れるようになる。 The time t6 indicates the time after the time when the coil current ic becomes 0 (however, the contact c of the switch SW is connected to the contact a). At this time t6, as shown in FIG. 8 (F), the charging charge of the inverting capacitor Crv1 is being released, and the direction of the coil current ic is reversed from negative to positive. At this time, since the diode D1 is oriented in the direction opposite to the direction of the induced electromotive force vm of the coil 111, the coil current ic does not flow through the diode D1.
After that, when all the charge charges of the inverting capacitor Crv1 are released, the coil current Ic flows as shown in FIG. 8 (A).

以上述べたように、本発明では振動エネルギー収集装置１Ａまたは１Ｂの制御における、磁歪トランスデューサ１１に対する反転用キャパシタＣｒｖの切り離しを自動で行うことができるので、磁歪トランスデューサに蓄積される電流を効率良く増大させることができる。 As described above, in the present invention, in the control of the vibration energy collecting device 1A or 1B, the inverting capacitor Crv can be automatically disconnected from the magnetostrictive transducer 11, so that the current accumulated in the magnetostrictive transducer can be efficiently increased. Can be made to.

１Ａ，１Ｂエネルギー収集装置
１１磁歪トランスデューサ
１１１コイル
１１２磁歪材
１２コイル電流反転回路
１３制御装置
１４負荷回路
Ｒｍ抵抗
Ｌｍインダクタ
ｖｍ電圧源
Ｃｒｖ反転用キャパシタ
ＳＷスイッチ
ｉｃコイル電流 1A, 1B Magnetostriction device 11 Magnetostriction transducer 111 Coil 112 Magnetostriction material 12 Coil current inverting circuit 13 Controller 14 Load circuit Rm Resistance Lm Inductor vm Voltage source Crv Inversion capacitor SW switch ic Coil current

Claims

A magnetostrictive transducer composed of a magnetostrictive material that causes repeated stress or strain and a coil provided in the magnetostrictive material, and a magnetostrictive transducer.
A coil current inversion circuit that is connected between both terminals of the coil and reverses the direction of the current flowing through the coil at a predetermined timing.
Is configured with
The coil current inversion circuit includes an energy storage unit that transfers energy to and from the transducer, and a switch circuit that controls the transfer.
By connecting the energy storage unit to the magnetostrictive transducer, the energy stored in the magnetostrictive transducer is transmitted to the energy storage unit and at the same time.
The energy sent to the energy storage unit and stored is reversed in the direction of the current flowing through the coil and sent back to the magnetostrictive transducer.
When the feedback is completed, the energy storage unit is separated from the magnetostrictive transducer to compensate for the reversal state of the current flowing through the magnetostrictive transducer.
It ’s an energy collector,
The switch circuit
The energy storage unit is connected to the magnetostrictive transducer by switching the switch circuit.
The energy storage unit is separated from the magnetostrictive transducer by a disconnection circuit that autonomously operates upon completion of the feedback.
Energy collector.

In the vibration energy collecting device according to claim 1,
The switch circuit (semiconductor switch circuit, mechanical switch) includes a single-pole double-throw switch and two unidirectional conduction circuits, and the single-pole terminal of the single-pole double-throw switch is connected to one end of the magnetic distortion transducer. The double-throw terminals of the single-pole double-throw switch are connected to the other end of the magnetic strain transducer via the two one-way conduction circuits oriented in opposite polarities.
The energy storage unit comprises a capacitor connected in parallel to the magnetostrictive transducer.
Vibration energy collector.

In the vibration energy collecting device according to claim 2.
The two unidirectional conduction circuits of the switch circuit are composed of diodes.
Vibration energy collector.

In the vibration energy collecting device according to claim 1,
The switch circuit (semiconductor switch circuit, mechanical switch) is composed of a single pole double throw type switch (a switch in which the c contact is connected to either the a contact or the b contact) and two unidirectional conduction circuits. The single pole terminal of the pole double throw type switch is connected to one end of the magnetic strain transducer, and the double throw terminal of the single pole double throw type switch is said via the two unidirectional conduction circuits oriented in opposite polarities to each other. Connected to the other end of the magnetic strain transducer,
The energy storage unit includes two capacitors connected in parallel to the two unidirectional conduction circuits.
Vibration energy collector.

In the vibration energy collecting device according to claim 4,
The two unidirectional conduction circuits of the switch circuit are composed of diodes.
Vibration energy collector.