JP7172660B2

JP7172660B2 - Vibration power generation device

Info

Publication number: JP7172660B2
Application number: JP2019013593A
Authority: JP
Inventors: 直明北川
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2022-11-16
Anticipated expiration: 2039-01-29
Also published as: JP2020124017A

Description

本発明は、モータの振動、橋梁、人の動きなどから発電可能な振動発電デバイスに関する。特に、振動発電デバイスに設置されたセンサ類の電源として好適に使用可能な振動発電デバイスに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a vibration power generation device capable of generating power from motor vibration, bridges, human motion, and the like. In particular, it relates to a vibration power generation device that can be suitably used as a power source for sensors installed in the vibration power generation device.

振動を利用した発電技術としては、圧電素子を利用した方法が知られている。この方法は、圧電素子に何らかの方法で外部から力を加えることにより、圧電素子を変形させて発電するものである。圧電素子を利用した振動力発電装置として、例えば特許文献１に記載のものがある。 As a power generation technique using vibration, a method using a piezoelectric element is known. In this method, by applying force to the piezoelectric element from the outside in some way, the piezoelectric element is deformed to generate power. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-200000 discloses a vibration power generation device using a piezoelectric element.

特許文献１では、音による空気の圧力変動を利用して圧電素子により発電する音力発電装置、および、振動による圧力変動を利用して圧電素子により発電する振動力発電装置が記載されている。
これは人の声の振動により圧電セラミックを変形させて電力を得る方式だがスピーカから音を出すμＷレベルは出るがＩｏＴ通信に必要なｍＷレベルの電力は得られない。 Patent Literature 1 describes a sound power generation device that generates power with piezoelectric elements using air pressure fluctuations due to sound, and a vibration power generation device that generates power with piezoelectric elements using pressure fluctuations due to vibration.
This is a method of obtaining power by deforming piezoelectric ceramics with the vibration of the human voice, but although it produces a μW level of sound from the speaker, it cannot obtain the mW level of power required for IoT communication.

また、圧電素子に代えて磁歪素子に磁石、コイルを用いて逆磁歪効果を利用した発電方法も提案されている。磁歪素子を利用した発電方法として、例えば、特許文献２に記載のものが知られている。
特許文献２の磁歪素子を利用した振動発電装置は、磁歪材料を固定して片持ち梁構造とし、曲げ応力を印加することにより、磁歪材料が曲げられ変形し、逆磁歪効果によって、磁歪材料に巻かれているコイルを貫く磁束が変化することで、誘導電圧が発生する。 A power generation method has also been proposed in which magnets and coils are used as magnetostrictive elements instead of piezoelectric elements to utilize the inverse magnetostrictive effect. As a power generation method using a magnetostrictive element, for example, the method described in Patent Document 2 is known.
In the vibration power generator using the magnetostrictive element of Patent Document 2, the magnetostrictive material is fixed to have a cantilever structure, and when a bending stress is applied, the magnetostrictive material is bent and deformed, and the magnetostrictive material is deformed by the inverse magnetostrictive effect. An induced voltage is generated by changing the magnetic flux passing through the wound coil.

特開２００６－１６６６９４号公報JP 2006-166694 A 特許第４９０５８２０号公報Japanese Patent No. 4905820

特許文献１に記載された圧電素子を利用した振動力発電装置は、圧電素子を構成する圧電材料が脆性材料であり、曲げや衝撃に対して弱い材料である。そのため、過度な負荷を加えることはできず、発電量を増加するために大きな曲げや衝撃を加えることが困難であるという問題点がある。また、圧電素子は低周波数でインピーダンスが高く、圧電素子より低いインピーダンスを有する負荷を接続した際に、負荷に発生する電圧が小さくなるため、発電により得られる電力が小さくなり、発電の効率が低いという問題点もある。 In the vibration power generation device using the piezoelectric element described in Patent Document 1, the piezoelectric material forming the piezoelectric element is a brittle material that is weak against bending and impact. Therefore, it is difficult to apply an excessive load and it is difficult to apply a large bending or impact in order to increase the amount of power generation. In addition, the piezoelectric element has a high impedance at low frequencies, and when a load having an impedance lower than that of the piezoelectric element is connected, the voltage generated in the load decreases, so the power obtained by power generation decreases, resulting in low power generation efficiency. There is also a problem.

一方、特許文献２に記載されている磁歪材料を用いる方法は、磁歪材料は延性材料であり、圧電材料に比べて曲げや衝撃に強いため、大きな曲げや衝撃を加えることで発電量を増加することが可能である。また、発電素子のインピーダンスが圧電材料よりも低いことから、インピーダンスの低い負荷の接続による発電効率の低下が少なく、前述した圧電材料の問題点を解決することができる。
しかし、特許文献２に記載された振動発電装置は、バイアス磁界を加えるための磁石を備え、振動しながら磁歪棒のバネ変形を発生させて発電するために振動源から大きな加振力を必要とし、その分、振動エネルギーの吸収が悪くなってしまう懸念がある。また、磁歪棒を支持するフレーム（連結ヨーク）には鉄系などのフレームを用いているため、錆、金属疲労が生じ易く、且つ、磁石の置き場所を必要とするため小型化に限界があった。更に、フレームと磁歪材料との接合に接着剤やハンダを用いているため長期信頼性に課題があった。 On the other hand, in the method using a magnetostrictive material described in Patent Document 2, the magnetostrictive material is a ductile material and is more resistant to bending and impact than the piezoelectric material. It is possible. In addition, since the impedance of the power generation element is lower than that of the piezoelectric material, the power generation efficiency is less likely to decrease due to the connection of a load with a low impedance, and the above-described problems of the piezoelectric material can be resolved.
However, the vibration power generation device described in Patent Document 2 has a magnet for applying a bias magnetic field, and requires a large excitation force from the vibration source in order to generate electricity by generating spring deformation of the magnetostrictive rod while vibrating. , there is a concern that absorption of vibration energy will be deteriorated accordingly. In addition, since the frame (connecting yoke) that supports the magnetostrictive rods is made of iron, it is prone to rust and metal fatigue, and requires space to place the magnets, which limits miniaturization. rice field. Furthermore, since an adhesive or solder is used to join the frame and the magnetostrictive material, long-term reliability is a problem.

本発明は、振動発電デバイスの発電効率を向上させつつ信頼性を向上させることを技術的課題とする。 A technical object of the present invention is to improve reliability while improving power generation efficiency of a vibration power generation device.

前記技術的課題を解決するために、請求項１に記載の発明の振動発電デバイスは、
振動源から振動を受ける支持体と、
前記支持体に設けられて、前記支持体の少なくとも一部に磁場を作用させる磁場作用手段と、
前記支持体に支持され且つ前記支持体が受けた振動に応じて歪んだ場合に磁束が変化する磁歪材料と、
前記支持体に支持され、前記磁歪材料が歪んだ場合に電磁誘導で電力を発生させるコイルと、
を備え、
前記支持体は、樹脂材料で構成され、且つ、該樹脂材料に磁性粉が分散されていると共に、
前記磁場作用手段は、前記磁性粉が着磁された状態で構成された
ことを特徴とする。 In order to solve the technical problem, the vibration power generation device of the invention according to claim 1 is
a support that receives vibrations from a vibration source;
a magnetic field applying means provided on the support for applying a magnetic field to at least a part of the support;
a magnetostrictive material supported by the support and having a magnetic flux that changes when distorted in response to vibrations to which the support is subjected;
a coil that is supported by the support and generates electric power by electromagnetic induction when the magnetostrictive material is distorted;
with
The support is made of a resin material, and magnetic powder is dispersed in the resin material,
The magnetic field acting means is configured in such a manner that the magnetic powder is magnetized.

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の振動発電デバイスにおいて、
前記磁性粉は、フェライト系、ネオジム系、サマリウムコバルト系およびサマリウム鉄窒素系のいずれかで構成され、
前記磁性粉の粒径が１μｍ以上１０μｍ以下である
ことを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the vibration power generation device according to claim 1,
The magnetic powder is composed of any one of ferrite, neodymium, samarium cobalt, and samarium iron nitrogen,
The particle size of the magnetic powder is 1 μm or more and 10 μm or less.

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の振動発電デバイスにおいて、
前記磁性粉は、磁歪材料およびコイル近傍の密度が、磁歪材料およびコイルから離れた部位よりも、高くなるように分散された
ことを特徴とする。 The invention according to claim 3 is the vibration power generation device according to claim 1 or 2,
The magnetic powder is dispersed so that the density in the vicinity of the magnetostrictive material and the coil is higher than that in the area away from the magnetostrictive material and the coil.

前記技術的課題を解決するために、請求項４に記載の発明の振動発電デバイスは、
振動源から振動を受ける支持体と、
前記支持体に設けられて、前記支持体の少なくとも一部に磁場を作用させる磁場作用手段と、
前記支持体に支持され且つ前記支持体が受けた振動に応じて歪んだ場合に磁束が変化する磁歪材料と、
前記支持体に支持され、前記磁歪材料が歪んだ場合に電磁誘導で電力を発生させるコイルと、
を備え、
前記支持体は、樹脂材料で構成され、
前記磁場作用手段は、前記支持体に埋め込まれた磁石で構成された
ことを特徴とする。 In order to solve the technical problem, the vibration power generation device of the invention according to claim 4 is
a support that receives vibrations from a vibration source;
a magnetic field applying means provided on the support for applying a magnetic field to at least a part of the support;
a magnetostrictive material supported by the support and having a magnetic flux that changes when distorted in response to vibrations to which the support is subjected;
a coil that is supported by the support and generates electric power by electromagnetic induction when the magnetostrictive material is distorted;
with
The support is made of a resin material,
The magnetic field applying means is composed of a magnet embedded in the support.

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の振動発電デバイスにおいて、
前記樹脂材料に磁性粉が分散されている
ことを特徴とする。 The invention according to claim 5 is the vibration power generation device according to claim 4,
Magnetic powder is dispersed in the resin material.

前記技術的課題を解決するために、請求項６に記載の発明の振動発電デバイスは、
振動源から振動を受ける支持体と、
前記支持体に設けられて、前記支持体の少なくとも一部に磁場を作用させる磁場作用手段と、
前記支持体に支持され且つ前記支持体が受けた振動に応じて歪んだ場合に磁束が変化する磁歪材料と、
前記支持体に支持され、前記磁歪材料が歪んだ場合に電磁誘導で電力を発生させるコイルと、
を備え、
前記支持体は、可撓性の可撓部を有し、
前記磁歪材料は、前記可撓部に支持され、
前記可撓部は、樹脂材料で構成された
ことを特徴とする。 In order to solve the technical problem, the vibration power generation device of the invention according to claim 6 is
a support that receives vibrations from a vibration source;
a magnetic field applying means provided on the support for applying a magnetic field to at least a part of the support;
a magnetostrictive material supported by the support and having a magnetic flux that changes when distorted in response to vibrations to which the support is subjected;
a coil that is supported by the support and generates electric power by electromagnetic induction when the magnetostrictive material is distorted;
with
The support has a flexible flexible portion,
The magnetostrictive material is supported by the flexible portion,
The flexible portion is made of a resin material.

請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の振動発電デバイスにおいて、
前記樹脂材料は、オレフィン系樹脂、ポリアミド樹脂およびポリフェニレンサルファイド樹脂のいずれかで構成された
ことを特徴とする。 The invention according to claim 7 is the vibration power generation device according to any one of claims 1 to 6,
The resin material is composed of one of an olefin resin, a polyamide resin and a polyphenylene sulfide resin.

請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の振動発電デバイスにおいて、
前記支持体は、振動を受ける部位と前記磁場作用手段が支持される部位とが一体で形成された
ことを特徴とする。 The invention according to claim 8 is the vibration power generation device according to any one of claims 1 to 7,
The support body is characterized in that a portion that receives vibration and a portion that supports the magnetic field application means are integrally formed.

請求項９に記載の発明は、請求項１ないし８のいずれかに記載の振動発電デバイスにおいて、
前記支持体の振動を増幅する増幅手段、
を備えたことを特徴とする。 The invention according to claim 9 is the vibration power generation device according to any one of claims 1 to 8,
Amplifying means for amplifying the vibration of the support;
characterized by comprising

請求項１０に記載の発明は、請求項１ないし９のいずれかに記載の振動発電デバイスにおいて、
前記支持体に形成され、前記磁歪材料を収容した状態で支持する凹部、
を備えたことを特徴とする。 The invention according to claim 10 is the vibration power generation device according to any one of claims 1 to 9,
a concave portion formed in the support and supporting the magnetostrictive material while containing it;
characterized by comprising

請求項１に記載の発明によれば、支持体が樹脂で構成されており、金属で支持体が構成された従来の構成に比べて、支持体が軽量で振動に敏感であると共に、腐食などが発生しにくい。よって、振動発電デバイスの発電効率を向上させつつ信頼性を向上させることができる。また、支持体を構成する樹脂に磁性粉が分散され且つ磁性粉が磁化されているので、支持体に磁石を備える必要がなくなる。よって、振動発電デバイスを小型化できる。 According to the first aspect of the invention, the support is made of resin, and compared with the conventional structure in which the support is made of metal, the support is lighter, more sensitive to vibrations, and less prone to corrosion. is less likely to occur. Therefore, reliability can be improved while improving the power generation efficiency of the vibration power generation device. Further, since the magnetic powder is dispersed in the resin forming the support and the magnetic powder is magnetized, it is not necessary to provide the support with a magnet. Therefore, the vibration power generation device can be miniaturized.

請求項２に記載の発明によれば、磁石としての性能の高いフェライト系、ネオジム系、サマリウムコバルト系およびサマリウム鉄窒素系のいずれかで磁性粉を構成することで、磁束密度を高くすることができる。また、磁性粉の粒径が１μｍ以上１０μｍ以下であることで、磁性粉を樹脂材料内で分散させることができる。
請求項３に記載の発明によれば、磁性粉が支持体に均一に分散している場合に比べて、磁歪材料を通過する磁束密度を高くすることができる。 According to the second aspect of the invention, magnetic flux density can be increased by forming the magnetic powder from any one of ferrite, neodymium, samarium cobalt, and samarium iron-nitrogen, which have high performance as magnets. can. Further, by setting the particle size of the magnetic powder to be 1 μm or more and 10 μm or less, the magnetic powder can be dispersed in the resin material.
According to the third aspect of the invention, the magnetic flux density passing through the magnetostrictive material can be made higher than when the magnetic powder is uniformly dispersed on the support.

請求項４に記載の発明によれば、支持体が樹脂で構成されており、金属で支持体が構成された従来の構成に比べて、支持体が軽量で振動に敏感であると共に、腐食などが発生しにくい。よって、振動発電デバイスの発電効率を向上させつつ信頼性を向上させることができる。また、支持体に永久磁石が埋め込まれており、支持体の外側に永久磁石を備える必要がなくなる。よって、振動発電デバイスを小型化できる。
請求項５に記載の発明によれば、支持体に磁性粉が分散されており、磁性粉が分散されない場合に比べて、磁場を強くすることができ、発電効率を向上させることができる。 According to the fourth aspect of the invention, the support is made of resin, and compared with the conventional structure in which the support is made of metal, the support is lighter, more sensitive to vibrations, and more susceptible to corrosion. is less likely to occur. Therefore, reliability can be improved while improving the power generation efficiency of the vibration power generation device. Moreover, since the permanent magnet is embedded in the support, there is no need to provide a permanent magnet outside the support. Therefore, the vibration power generation device can be miniaturized.
According to the fifth aspect of the invention, the magnetic powder is dispersed in the support, so that the magnetic field can be strengthened and the power generation efficiency can be improved compared to the case where the magnetic powder is not dispersed.

請求項６に記載の発明によれば、支持体の可撓部が樹脂で構成されており、金属で可撓部が構成された従来の構成に比べて、支持体が軽量で振動に敏感であると共に、可撓部の腐食などが発生しにくい。よって、振動発電デバイスの発電効率を向上させつつ信頼性を向上させることができる。
請求項７に記載の発明によれば、オレフィン系樹脂、ポリアミド樹脂およびポリフェニレンサルファイド樹脂のいずれかで支持体を構成することで耐食性を向上させることができる。 According to the sixth aspect of the present invention, the flexible portion of the support is made of resin, and the support is lighter and more sensitive to vibration than the conventional structure in which the flexible portion is made of metal. In addition, corrosion of the flexible portion is less likely to occur. Therefore, reliability can be improved while improving the power generation efficiency of the vibration power generation device.
According to the seventh aspect of the invention, the corrosion resistance can be improved by configuring the support with any one of olefin resin, polyamide resin and polyphenylene sulfide resin.

請求項８に記載の発明によれば、振動を受ける部位と磁場作用手段が支持される部位とが一体で成形されているので、接合による損失がなく振動を効率よく磁歪材料に伝えられる。
請求項９に記載の発明によれば、増幅手段により、振動を効率良く持続させることができる。
請求項１０に記載の発明によれば、磁歪材料を凹部に収容して固定することができ、ハンダや接着剤が不要で樹脂のバネ性で安定して固定される。 According to the eighth aspect of the invention, since the portion that receives the vibration and the portion that supports the magnetic field application means are formed integrally, the vibration can be efficiently transmitted to the magnetostrictive material without any loss due to bonding.
According to the ninth aspect of the invention, the amplification means can efficiently sustain the vibration.
According to the tenth aspect of the present invention, the magnetostrictive material can be accommodated and fixed in the recess, and the spring property of the resin eliminates the need for soldering or adhesive and enables stable fixing.

図１は本発明の振動発電デバイスの実施の形態１の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of Embodiment 1 of the vibration power generation device of the present invention. 図２は増幅手段を設けた形態の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a form provided with an amplifying means. 図３は錘を設けた形態の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a form in which a weight is provided. 図４は実施の形態２の振動発電デバイスの説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of the vibration power generation device of Embodiment 2. FIG. 図５は実施の形態３の振動発電デバイスの説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of the vibration power generation device of Embodiment 3. FIG. 図６は実施の形態４の振動発電デバイスの説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of the vibration power generation device of Embodiment 4. FIG.

次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例を説明するが、本発明は以下の実施の形態の具体例に限定されるものではない。
なお、以下の図面を使用した説明において、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。 Next, specific examples of embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the specific examples of the following embodiments.
It should be noted that in the following explanation using the drawings, illustration of members other than those necessary for the explanation is omitted as appropriate for ease of understanding.

（実施の形態１）
図１は本発明の振動発電デバイスの実施の形態１の説明図である。
図１において、実施の形態１の振動発電デバイス１は、支持体の一例としてのフレーム２を有する。フレーム２は、横向きの略Ｊ字形状に形成されている。フレーム２の下側の一端部（固定端部）２ａは、図示しない基板に固定されている。また、フレーム２の上側の他端部（自由端部）２ｂは振動源３から振動を受けることが可能な自由端となっている。
固定端部２ａと自由端部２ｂとの間には、横向きのＵ字状に湾曲する湾曲部２ｃが形成されている。フレーム２には、自由端部２ｂと湾曲部２ｃとの間の位置に収容部の一例としての凹部２ｄが形成されている。 (Embodiment 1)
FIG. 1 is an explanatory diagram of Embodiment 1 of the vibration power generation device of the present invention.
In FIG. 1, a vibration power generation device 1 according to Embodiment 1 has a frame 2 as an example of a support. The frame 2 is formed in a substantially horizontal J-shape. One end (fixed end) 2a on the lower side of the frame 2 is fixed to a substrate (not shown). The other end (free end) 2b on the upper side of the frame 2 is a free end that can receive vibration from the vibration source 3. As shown in FIG.
Between the fixed end portion 2a and the free end portion 2b, there is formed a curved portion 2c curved in a sideways U-shape. The frame 2 is formed with a recess 2d as an example of a housing portion at a position between the free end portion 2b and the curved portion 2c.

凹部２ｄには、磁歪材料４が収容されている。
また、凹部２ｄの外周には、磁歪材料４を囲むようにコイル６が巻き付けられている。コイル６はフレーム２の長手方向に沿って、磁歪材料４の長さよりも長く巻かれることが好ましく、コイル６で磁歪材料４の全体が覆われるようにする方が、磁歪材料４での磁場の変化をコイル６でとらえられるため好ましい。
コイル６は、電極７に接続されており、電極７は、図示しない整流回路や昇圧回路、安定化回路等を介して、被給電デバイスの一例としてのセンサ類に電気的に接続される。 A magnetostrictive material 4 is accommodated in the recess 2d.
A coil 6 is wound around the outer periphery of the recess 2d so as to surround the magnetostrictive material 4. As shown in FIG. The coil 6 is preferably wound longer than the length of the magnetostrictive material 4 along the longitudinal direction of the frame 2 . It is preferable because the coil 6 can catch the change.
The coil 6 is connected to an electrode 7, and the electrode 7 is electrically connected to sensors, which are examples of power-supplied devices, via a rectifier circuit, a booster circuit, a stabilization circuit, and the like (not shown).

実施の形態１のフレーム２は、磁性粉（磁性粉体）１０１が分散された樹脂材料で構成されている。また、磁性粉１０１は磁歪材料に対して磁場１０２を作用させるように着磁されている。具体的には、磁性粉体１０１とバインダー樹脂とを含むプラスチックマグネットでフレーム２が構成されている。したがって、実施の形態１では、着磁された磁性粉１０１により磁場作用手段が構成されている。 The frame 2 of Embodiment 1 is made of a resin material in which magnetic powder (magnetic powder) 101 is dispersed. Also, the magnetic powder 101 is magnetized so as to apply a magnetic field 102 to the magnetostrictive material. Specifically, the frame 2 is composed of a plastic magnet containing magnetic powder 101 and a binder resin. Therefore, in Embodiment 1, the magnetic field applying means is constituted by the magnetized magnetic powder 101 .

使用する樹脂は、耐食性、耐熱性や機械的強度と柔軟性に富んだ樹脂材料が好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂またはナイロン１２、ナイロン６などのポリアミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド（PPS）樹脂を好適に使用可能である。
また、分散させる磁性粉１０１は、フェライト系、ネオジム系、サマリウムコバルト系、サマリウム鉄窒素系が好適に使用可能である。
また、磁性粉の平均粒径（遠心沈降法）は１μmから１０μｍにする。
プラスチックマグネット（フレーム２）は射出成型時に型内で磁化することが好ましいが、成型後に磁化することも可能である。 The resin used is preferably a resin material with high corrosion resistance, heat resistance, mechanical strength, and flexibility. Olefin resins such as polyethylene and polypropylene, polyamide resins such as nylon 12 and nylon 6, and polyphenylene sulfide (PPS) resins are used. It can be used preferably.
Ferrite-based, neodymium-based, samarium-cobalt-based, and samarium-iron-nitrogen-based materials can be suitably used as the magnetic powder 101 to be dispersed.
Also, the average particle diameter of the magnetic powder (by centrifugal sedimentation method) is set to 1 μm to 10 μm.
The plastic magnet (frame 2) is preferably magnetized in the mold during injection molding, but it is also possible to magnetize it after molding.

（実施の形態１の作用）
前記構成を備えた実施の形態１の振動発電デバイス１では、従来は鉄等の金属で構成されていたフレーム２が、プラスチックマグネットで構成されている。したがって、従来の金属製に比べて錆や腐食等が発生しにくく、長期に渡る信頼性、安定性を向上させることができる。また、従来の金属製のフレームに比べて、実施の形態１ではプラスチックマグネット製のフレーム２を使用することで、軽量化することもできる。特に、フレーム２が軽量化されると、振動に対して敏感になる（弱い振動でもフレーム２が撓んだり、振動しやすい）ため、発電効率が向上する。 (Action of Embodiment 1)
In the vibration power generation device 1 of Embodiment 1 having the above configuration, the frame 2, which has conventionally been made of metal such as iron, is made of a plastic magnet. Therefore, it is less likely to rust or corrode compared to the conventional metal ones, and it is possible to improve reliability and stability over a long period of time. Moreover, compared with a conventional metal frame, the use of the plastic magnet frame 2 in the first embodiment makes it possible to reduce the weight. In particular, when the frame 2 is lightened, it becomes more sensitive to vibration (the frame 2 is more likely to bend or vibrate even with weak vibration), so that the power generation efficiency is improved.

さらに、磁性粉体１０１とバインダー樹脂を含んだプラスチックマグネットは従来の焼結磁石と比べると機械的強度が強く、自由な形状に成形することができる。また、従来はフレームと磁石が別体であり、フレームに磁石を貼り付ける等の加工が必要であったが、実施の形態１では成形で磁化されたフレームを製作可能であるため、貼り付ける加工が必要なく、生産性も高い。さらに、別体の磁石を有しないことで、振動発電デバイス１を小型化することもできる。
なお、磁性粉１０１は、フレーム２に均一に分散させる構成とすることも可能であるが、磁歪材料４やコイル６の近傍に偏在させる、すなわち、磁歪材料４等の近傍の凹部２ｄの部分の磁性粉１０１の密度を、その他の部分よりも高くすることで磁歪材料４を通過する磁場１０２を強くすることも可能である。このように構成した場合、磁歪材料４を通過する磁場１０２が強くなり、振動発電デバイス１としての性能が向上する。 Furthermore, the plastic magnet containing the magnetic powder 101 and the binder resin has higher mechanical strength than conventional sintered magnets, and can be molded into any shape. In addition, conventionally, the frame and the magnet are separate bodies, and processing such as attaching the magnet to the frame was required. is not required and productivity is high. Furthermore, by not having a separate magnet, the vibration power generation device 1 can be miniaturized.
Although the magnetic powder 101 can be uniformly dispersed in the frame 2, it is unevenly distributed in the vicinity of the magnetostrictive material 4 and the coil 6. It is also possible to strengthen the magnetic field 102 passing through the magnetostrictive material 4 by making the density of the magnetic powder 101 higher than that of other portions. When configured in this way, the magnetic field 102 passing through the magnetostrictive material 4 is strengthened, and the performance of the vibration power generation device 1 is improved.

図２は増幅手段を設けた形態の説明図である。
また、実施の形態１の振動発電デバイス１では、振動する自由端部２ｂと固定される固定端部２ａとが一体で成形されているので接合による損失がなく振動を効率よく磁歪材料４に伝えられる。
また、効率良く振動を持続させるために、図２に示すように、振動する自由端部２ｂの下にバネやゴム等の反発する材料（増幅手段）１１を設置して、振動した自由端部２ｂの振動を増幅するようにすることも可能である。 FIG. 2 is an explanatory diagram of a form provided with an amplifying means.
In addition, in the vibration power generation device 1 of Embodiment 1, since the vibrating free end portion 2b and the fixed fixed end portion 2a are integrally molded, the vibration is efficiently transmitted to the magnetostrictive material 4 without loss due to bonding. be done.
Further, in order to efficiently sustain the vibration, as shown in FIG. It is also possible to amplify the vibration of 2b.

図１において、実施の形態１の振動発電デバイス１では、磁歪材料４はフレーム２の凹部２ｄに収容され、その外周にコイル６が巻き付けられることで磁歪材料４が固定されている。従来の構成では、金属製のフレームに対して磁歪材料をハンダやロウ付け、接着剤等で固定していた。したがって、従来の構成では、固定するための工程が必要になると共に、繰り返しの振動等で経時的に固定が外れる恐れもあった。これに対して、実施の形態１では、磁歪材料４が凹部（溝）２ｄに収容され、コイル６で固定されることで、ハンダ等が不要であると共に、樹脂のバネ性で安定して固定される。 In FIG. 1, in the vibration power generation device 1 of Embodiment 1, the magnetostrictive material 4 is accommodated in the concave portion 2d of the frame 2, and the magnetostrictive material 4 is fixed by winding the coil 6 around the outer periphery thereof. In the conventional structure, the magnetostrictive material is fixed to the metal frame by soldering, brazing, adhesive, or the like. Therefore, in the conventional structure, a process for fixing is required, and there is a possibility that the fixation may come off over time due to repeated vibrations or the like. On the other hand, in Embodiment 1, the magnetostrictive material 4 is accommodated in the recess (groove) 2d and fixed by the coil 6, thereby eliminating the need for soldering or the like and stably fixing due to the springiness of the resin. be done.

図３は錘を設けた形態の説明図である。
図３において、フレーム２の自由端部２ｂには共振周波数調整用の錘（増幅手段の一例）１６を取り付けることも可能であり、振動源３の共振周波数に合わせて調整することが好ましい。また、最適重量が決まっているなら成形時に錘１６を埋め込んだり、溝や凹部を形成して錘１６を収容したりしても良い。 FIG. 3 is an explanatory diagram of a form in which a weight is provided.
In FIG. 3, it is possible to attach a weight (an example of amplifying means) 16 for adjusting the resonance frequency to the free end 2b of the frame 2, which is preferably adjusted to match the resonance frequency of the vibration source 3. FIG. Also, if the optimum weight is determined, the weight 16 may be embedded during molding, or a groove or recess may be formed to accommodate the weight 16 .

（実施の形態２）
図４は実施の形態２の振動発電デバイスの説明図である。
図４において、実施の形態２の振動発電デバイス１′では、実施の形態１と異なり、フレーム２を、磁性粉１０１が分散されていない樹脂材料で構成されている。そして、固定端部２ａには、磁場作用手段の一例としての磁石２１が設置されている。磁石２１は、磁歪材料４を通過する磁場を作用させる。 (Embodiment 2)
FIG. 4 is an explanatory diagram of the vibration power generation device of Embodiment 2. FIG.
In FIG. 4, in the vibration power generation device 1' of the second embodiment, unlike the first embodiment, the frame 2 is made of a resin material in which the magnetic powder 101 is not dispersed. A magnet 21 as an example of a magnetic field acting means is installed at the fixed end portion 2a. Magnet 21 exerts a magnetic field that passes through magnetostrictive material 4 .

（実施の形態２の作用）
前記構成を備えた実施の形態２の振動発電デバイス１′では、フレーム２が樹脂で構成されており、実施の形態１と同様に、従来の鉄製のフレームに比べて、軽量で振動に対して敏感である。したがって、従来の鉄製のフレームに比べて発電効率を向上させることが可能である。また、鉄製のフレームに比べて、錆や腐食が発生しにくく長期信頼性が向上する。
なお、実施の形態２において、フレーム２に磁性粉１０１を分散させ、且つ、磁性粉１０１を磁化させない構成とすることも可能である。 (Action of Embodiment 2)
In the vibration power generation device 1' of Embodiment 2 having the above configuration, the frame 2 is made of resin, and as in Embodiment 1, it is lighter in weight and resistant to vibration than the conventional iron frame. sensitive. Therefore, it is possible to improve the power generation efficiency compared to the conventional steel frame. In addition, compared to steel frames, rust and corrosion are less likely to occur, improving long-term reliability.
In the second embodiment, it is also possible to disperse the magnetic powder 101 in the frame 2 and not magnetize the magnetic powder 101 .

（実施の形態３）
図５は実施の形態３の振動発電デバイスの説明図である。
図５において、実施の形態３の振動発電デバイス１″では、フレーム２において、可撓部の一例としての湾曲部２ｃが、固定端部２ａや自由端部２ｂとは異なる樹脂材料で構成されている点で実施の形態１とは異なる。実施の形態３では、湾曲部２ｃは、固定端部２ａや自由端部２ｂよりも撓みやすい（縦弾性率の小さい、軟らかい）樹脂材料で構成されている。また、実施の形態３では、湾曲部２ｃに磁歪材料４が設置されている。 (Embodiment 3)
FIG. 5 is an explanatory diagram of the vibration power generation device of Embodiment 3. FIG.
In FIG. 5, in the vibration power generation device 1″ of Embodiment 3, in the frame 2, the curved portion 2c as an example of the flexible portion is made of a resin material different from that of the fixed end portion 2a and the free end portion 2b. is different from Embodiment 1. In Embodiment 3, the bending portion 2c is made of a resin material that is more flexible (lower longitudinal elastic modulus, softer) than the fixed end portion 2a and the free end portion 2b. Moreover, in Embodiment 3, the magnetostrictive material 4 is installed in the curved portion 2c.

（実施の形態３の作用）
前記構成を備えた実施の形態３の振動発電デバイス１″では、振動時に、可撓部である樹脂製の湾曲部２ｃが優先的に撓む。したがって、振動に対して敏感に振動しやすく、発電効率が向上する。
なお、固定端部２ａや自由端部２ｂは硬い（縦弾性率の高い）樹脂材料で構成することも可能であるが、鉄等で構成することも可能である。固定端部２ａおよび自由端部２ｂを樹脂材料で構成する場合は、二色成形等で成形することが可能である。また、この時、固定端部２ａと自由端部２ｂとを同じ材料で構成することも可能であるし、異なる材料で構成することも可能である。また、フレーム２の全ての部位に磁性粉１０１を分散させる場合に限定されず、例えば、固定端部２ａのみ磁性粉１０１を分散させて、湾曲部２ｃや自由端部２ｂには磁性粉１０１を分散させない構成とすることも可能である。 (Action of Embodiment 3)
In the vibration power generation device 1″ of Embodiment 3 having the above configuration, the bending portion 2c made of resin, which is the flexible portion, bends preferentially when vibrating. Power generation efficiency is improved.
Note that the fixed end portion 2a and the free end portion 2b can be made of a hard (high longitudinal elastic modulus) resin material, but they can also be made of iron or the like. When the fixed end portion 2a and the free end portion 2b are made of a resin material, they can be molded by two-color molding or the like. At this time, the fixed end portion 2a and the free end portion 2b can be made of the same material, or can be made of different materials. Further, the magnetic powder 101 is not limited to the case where the magnetic powder 101 is dispersed in all parts of the frame 2. For example, the magnetic powder 101 is dispersed only in the fixed end portion 2a, and the magnetic powder 101 is dispersed in the curved portion 2c and the free end portion 2b. A non-dispersed configuration is also possible.

図６は実施の形態４の振動発電デバイスの説明図である。
図６において、実施の形態４の振動発電デバイス３１では、フレーム２は磁性粉１０１が分散されていない樹脂材料で構成されている。また、実施の形態４の振動発電デバイス３１では、自由端部２ｂに磁場作用手段の一例としての磁石３２が埋め込まれている。
なお、磁石３２は、自由端部２ｂに完全に収容された状態（埋め込まれた状態）とすることも可能であるが、磁石３２の一部が露出した形態とすることも可能である。また、磁石３２は、自由端部２ｂに設けることに限定されず、固定端部２ａや湾曲部２ｃに設けることも可能である。 FIG. 6 is an explanatory diagram of the vibration power generation device of Embodiment 4. FIG.
In FIG. 6, in the vibration power generation device 31 of Embodiment 4, the frame 2 is made of a resin material in which the magnetic powder 101 is not dispersed. Further, in the vibration power generation device 31 of Embodiment 4, a magnet 32 as an example of a magnetic field acting means is embedded in the free end portion 2b.
The magnet 32 can be completely accommodated (embedded) in the free end portion 2b, or can be partially exposed. Moreover, the magnet 32 is not limited to being provided at the free end portion 2b, and can also be provided at the fixed end portion 2a or the curved portion 2c.

（実施の形態４の作用）
前記構成を備えた実施の形態４の振動発電デバイス３１では、フレーム２が樹脂製であり、実施の形態１～３と同様に、振動に対して敏感に振動しやすく、発電効率が向上する。
また、実施の形態４では、磁石３２がフレーム２に埋め込まれており、磁石が外側に配置される場合に比べて、振動発電デバイス３１を小型化できる。 (Action of Embodiment 4)
In the vibration power generation device 31 according to the fourth embodiment having the above configuration, the frame 2 is made of resin, and similarly to the first to third embodiments, it vibrates sensitively and easily, and the power generation efficiency is improved.
Moreover, in Embodiment 4, the magnet 32 is embedded in the frame 2, and the vibration power generation device 31 can be made smaller than when the magnet is arranged outside.

以下、本発明の実施例について具体的に説明する。
［実施例１］
前記実施の形態１の構成において、等方性ネオジム射出成型用微粉（粒径２．５μｍ）をナイロン６樹脂重量の５０％になるように秤量し、図１に示す形状に金型を用い成型した。凹部２ｄに磁歪材料４であるＦｅ－Ｇａ結晶（幅３×長さ１２×厚さ０．５ｍｍ）をはさみ固定した。その上から径０．３ｍｍの銅線（コイル６）を２０００回転巻いた。
このとき用いた磁歪結晶（Ｆｅ－Ｇａ結晶）の磁歪定数は１８０ｐｐｍであった。先端に磁性粉が含まれた樹脂１ｇを錘と最大の電圧が得られる（共振周波数の）位置になるように調整した。このデバイスを用いて錘２ｇ、振動数１００Ｈｚ、加速度０．１Ｇの振動を与えた結果、ピーク電圧０．７Ｖを発生した。 Examples of the present invention will be specifically described below.
[Example 1]
In the structure of the first embodiment, the isotropic neodymium injection molding fine powder (particle size: 2.5 μm) is weighed so as to be 50% of the weight of the nylon 6 resin, and molded into the shape shown in FIG. did. An Fe—Ga crystal (width 3×length 12×thickness 0.5 mm) as the magnetostrictive material 4 was sandwiched and fixed in the recess 2d. A copper wire (coil 6) having a diameter of 0.3 mm was wound thereon 2000 times.
The magnetostrictive constant of the magnetostrictive crystal (Fe--Ga crystal) used at this time was 180 ppm. 1 g of resin containing magnetic powder at the tip was adjusted so that the weight and the position (resonant frequency) at which the maximum voltage was obtained were obtained. Using this device, a weight of 2 g, a frequency of 100 Hz, and an acceleration of 0.1 G were applied, and as a result, a peak voltage of 0.7 V was generated.

［実施例２］
前記実施の形態１において、等方性ネオジム射出成型用微粉（粒径２．５μｍ）をナイロン６樹脂重量の７０％になるように秤量し、図１に示す形状に金型を用い成型した。フレーム２の凹部２ｄに磁歪材料４であるＦｅ－Ｇａ結晶（幅４×長さ１２×厚さ１ｍｍ）をはさみ固定した。その上から径０．３ｍｍの銅線（コイル６）を３０００回転巻いた。
このとき用いた磁歪結晶４の磁歪定数は２３０ｐｐｍであった。
この振動発電デバイス１を用いて錘２ｇ、振動数１００Ｈｚ、加速度０．１Ｇの振動を与えた結果、ピーク電圧１．５Ｖを発生した。 [Example 2]
In Embodiment 1, the isotropic neodymium injection molding fine powder (particle size: 2.5 μm) was weighed to 70% of the nylon 6 resin weight, and molded into the shape shown in FIG. An Fe—Ga crystal (width 4×length 12×thickness 1 mm) as magnetostrictive material 4 was sandwiched and fixed in recess 2 d of frame 2 . A copper wire (coil 6) having a diameter of 0.3 mm was wound thereon for 3000 turns.
The magnetostriction constant of the magnetostrictive crystal 4 used at this time was 230 ppm.
Using this vibration power generation device 1, a weight of 2 g, a frequency of 100 Hz, and an acceleration of 0.1 G were applied, and as a result, a peak voltage of 1.5 V was generated.

［比較例］
比較例では、鋳鉄製フレーム２（樹脂製ではない）を用いた振動デバイスにおいて、磁気バイアスを加えるために長さ３×幅３×厚さ１．５ｍｍのネオジム磁石をフレーム２に接着剤で接合した。磁歪材料４やコイル６等は実施例１と同様で作製した。
ネオジム磁石の接合に１０分を要し大量生産には不向きである。また、比較例の振動デバイスでは、１０日後には錆がフレームに発生した。 [Comparative example]
In a comparative example, in a vibrating device using a cast iron frame 2 (not made of resin), a neodymium magnet of length 3 x width 3 x thickness 1.5 mm was bonded to the frame 2 with an adhesive to apply a magnetic bias. did. The magnetostrictive material 4, the coil 6, and the like were produced in the same manner as in the first embodiment.
It takes 10 minutes to join neodymium magnets and is not suitable for mass production. Also, in the vibrating device of the comparative example, rust occurred on the frame after 10 days.

本発明に係る振動発電デバイスは、振動発電デバイスの小型化、軽量化を容易に実現できる。このため、小型化、軽量化が求められるＩｏＴ向けの通信モジュールのセンサや通信用電源等に対して好適に使用可能である。 The vibration power generation device according to the present invention can easily achieve reduction in size and weight of the vibration power generation device. Therefore, it can be suitably used for sensors of communication modules for IoT and power sources for communication, etc., which are required to be small and light.

１，１′，１″，３１…振動発電デバイス、
２…支持体、
２ｃ…可撓部、
２ｄ…凹部、
３…振動源、
４…磁歪材料、
６…コイル、
１１…増幅手段、
２１，３２…磁場作用手段。 1, 1', 1", 31... vibration power generation device,
2 ... support,
2c... flexible portion,
2d ... concave portion,
3... Vibration source,
4 ... Magnetostrictive material,
6... Coil,
11 ... amplification means,
21, 32... Magnetic field applying means.

Claims

a support that receives vibrations from a vibration source;
a magnetic field applying means provided on the support for applying a magnetic field to at least a part of the support;
a magnetostrictive material supported by the support and having a magnetic flux that changes when distorted in response to vibrations to which the support is subjected;
a coil that is supported by the support and generates electric power by electromagnetic induction when the magnetostrictive material is distorted;
with
The support is made of a resin material, and magnetic powder is dispersed in the resin material,
A vibration power generation device, wherein the magnetic field applying means is configured in a state in which the magnetic powder is magnetized.

The magnetic powder is composed of any one of ferrite, neodymium, samarium cobalt, and samarium iron nitrogen,
The vibration power generation device according to claim 1, wherein the magnetic powder has a particle size of 1 µm or more and 10 µm or less.

The vibration power generation device according to claim 1 or 2, wherein the magnetic powder is dispersed so that the density near the magnetostrictive material and the coil is higher than the density in the area away from the magnetostrictive material and the coil.

a support that receives vibrations from a vibration source;
a magnetic field applying means provided on the support for applying a magnetic field to at least a part of the support;
a magnetostrictive material supported by the support and having a magnetic flux that changes when distorted in response to vibrations to which the support is subjected;
a coil that is supported by the support and generates electric power by electromagnetic induction when the magnetostrictive material is distorted;
with
The support is made of a resin material,
A vibration power generation device, wherein the magnetic field applying means is composed of a magnet embedded in the support.

The vibration power generation device according to claim 4, wherein magnetic powder is dispersed in the resin material.

a support that receives vibrations from a vibration source;
a magnetic field applying means provided on the support for applying a magnetic field to at least a part of the support;
a magnetostrictive material supported by the support and having a magnetic flux that changes when distorted in response to vibrations to which the support is subjected;
a coil that is supported by the support and generates electric power by electromagnetic induction when the magnetostrictive material is distorted;
with
The support has a flexible flexible portion,
The magnetostrictive material is supported by the flexible portion,
A vibration power generation device, wherein the flexible portion is made of a resin material.

The vibration power generation device according to any one of claims 1 to 6, wherein the resin material is composed of any one of an olefin resin, a polyamide resin, and a polyphenylene sulfide resin.

The vibration power generation device according to any one of claims 1 to 7, wherein the support has a portion that receives vibration and a portion that supports the magnetic field applying means, which are integrally formed.

Amplifying means for amplifying the vibration of the support;
The vibration power generation device according to any one of claims 1 to 8, comprising:

a concave portion formed in the support and supporting the magnetostrictive material while containing it;
The vibration power generation device according to any one of claims 1 to 9, comprising: