JP7288718B1

JP7288718B1 - バイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置

Info

Publication number: JP7288718B1
Application number: JP2022170633A
Authority: JP
Inventors: 楠呉; 継陽傅; 運成何; 愛栄劉; 超熊
Original assignee: ▲広▼州大学
Priority date: 2022-09-28
Filing date: 2022-10-25
Publication date: 2023-06-08
Anticipated expiration: 2042-10-25
Also published as: JP2024049272A

Abstract

【課題】バイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置を提供する。【解決手段】多安定振動エネルギー収集装置は、ベース１と、ベースに設置された２つの長方体２と、ベースに設置された円筒形の棒３を含む制限部材、２つの長方体及び円筒形の棒で支えられた圧電性バイオニック曲り梁５、中心質量ブロック４及び圧電シート６を含み、バイオニック曲り梁の一端は、長方体に可動に接続され、他端は中心質量ブロック４に固定される。圧電シートは、バイオニック曲り梁に固定された圧電性バイオニック曲り梁と、圧電シートに接続され、圧電性バイオニック曲り梁によって周囲環境の振動を感知し、バイオニック曲がり梁に固定された圧電シートに歪みを発生させる。バイオニック曲り梁は、ウェル内の動きからウェル間の動きに変化する場合、周囲環境の振動エネルギーを効率的に収集して電気エネルギーに変換する。【選択図】図１

Description

本発明は、計測器工学の分野に関し、具体的には、バイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置に関するものである。

無線センサネットワーク技術は、分散型センサネットワークであり、システムの末端は、外部を感知して監視できる無数のセンサで構成される。センサ間は、無線手段によってネットワーク通信システムを形成し、ネットワークのカバレッジエリア内の環境パラメータを協力して感知、収集、及び処理できるように構成される。機器、又は、温度、圧力、応力、湿度などの環境の様々なパラメータを監視するために、多数のセンサノードが必要であり、各センサノードはいずれも一定量の電気エネルギーを供給する必要がある。

現在、センサノードは主に化学電池で給電するが、ノードの耐用年数と容量制限のある電池との間の競合はますます激しくなっている。一方で、センサノードはサイズが小さいことが多く、大容量の電池を搭載できないため、ノードの耐用年数が制限され、その一方で、電池を頻繁に交換すると、ネットワークのメンテナンスに膨大な作業負荷がかかり、ネットワーク配置コストが間接的に向上する。特に過酷な環境に配置された一部の監視ネットワークでは、メンテナンスごとに膨大な人件費がかかり、その環境が町から遠く離れ又は二次メンテナンスが難しいから、電池さえもまったく交換できず、又は充電操作を行わないために、バイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置を提供する。

従来技術の不足に対して、上記問題を解決するために、本発明は、バイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置を提供する。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の技術的解決手段を提供し、バイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置は、
ベースと、
前記ベースに設置された支持部材であって、２つの長方体を含む支持部材と、
前記ベースに設置された制限部材であって、円筒形の棒を含む制限部材と、
前記長方体及び円筒形の棒で支えられた圧電性バイオニック曲り梁であって、バイオニック曲り梁、中心質量ブロック及び圧電シートを含み、前記バイオニック曲り梁の一端は長方体に接続され、バイオニック曲り梁と長方体との間に調整可能な接続機構が設置され、前記バイオニック曲り梁において長方体から離れた一端は、中心質量ブロックに固定され、前記圧電シートは、バイオニック曲り梁に固定して取り付けられる圧電性バイオニック曲り梁と、
前記圧電シートに接続された電力収集モジュールとを含む。

前記バイオニック曲り梁は、曲線型で、ガルの翼を大きく上下させる動作を模倣するように設計されたものである。

前記中心質量ブロックには、円筒形の棒を通る中央開口部があり、前記円筒形の棒は、ベースの中心位置にある。

好ましくは、前記円筒形の棒の表面に黄色ワセリンが塗布され、中心質量ブロックとの接触摩擦力を低減する。

好ましくは、前記圧電シートは、エポキシ樹脂又はポリプロピレンのうちの１種によってバイオニック曲り梁に固定され、圧電シートは、バイオニック曲り梁の上面及び下面に対称に分布し、前記圧電シートの材料はいずれもＰＶＤＦポリフッ化ビニリデンである。

好ましくは、前記調整可能な接続機構は、スライドロッドと、移動ブロックと、挿入ロッドとを含み、前記長方体においてバイオニック曲り梁に接続された側面外壁に開放式貫通溝が開けられ、前記貫通溝の頂部と底部内壁との間にスライドロッドが固定して取り付けられ、前記スライドロッドには、貫通溝の内壁に密着する移動ブロックがスライド可能に嵌着され、前記バイオニック曲り梁において中心質量ブロックから離れた一端は、移動ブロックに固定して接続され、前記長方体の側面外壁、移動ブロックの側面外壁の中心点及びスライドロッドには、同じ水平線にある貫通孔が開けられ、長方体、スライドロッド及び移動ブロックには、同じ水平線にある貫通孔によって挿入ロッドが挿入される。

好ましくは、前記長方体の側面外壁及びスライドロッドに開けられた貫通孔は、複数群あり、垂直方向で等距離に配列される。

好ましくは、前記ベースの４つの側面の外壁に複数群の取り付けリングが固定して取り付けられる。

好ましくは、操作プロセスは、
バイオニック圧電振動エネルギー収集装置を取り付け、前記ベースが取り付けリングによって外部振動環境に剛性接続されることを確保するステップと、
外部環境の振動周波数に基づいて、中心質量ブロックの質量を調整し、調整可能な接続機構によってバイオニック曲り梁と長方体との接続高さを調整し、バイオニック圧電振動エネルギー収集装置の共振周波数を環境の励起周波数と一致させ又はそれに近づけるステップと、
第１リード線で前記圧電シートを接続するステップと、
第２リード線で前記誘電部材を接続するステップと、
第１リード線及び第２リード線を前記電力収集モジュールに接続し、出力した電気エネルギーを収集するステップとを含む。

従来技術に比べて、本発明は、バイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置を提供し、以下の有益な効果を有する。

該バイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置は、圧電性バイオニック曲り梁によって周囲環境の振動を感知し、中心質量ブロックが円筒形の棒のレールに沿って上下に移動することにより、バイオニック曲り梁は歪みが発生し、バイオニック曲り梁に固定された圧電シートに歪みを発生させ、その結果、電気エネルギーを生成し、動作状態がＡＢ間に動作することである場合、該動作状態は、ウェル内の動きであり、動作状態がＡＣ間に動作することである場合、ポテンシャルエネルギー障壁を突破し、より高いエネルギーの放出が伴い、該動作状態は、ウェル間の動きであり、バイオニック曲り梁がウェル内の動きからウェル間の動きへ変換する場合、ポテンシャルエネルギー障壁を突破すると同時に、大量のエネルギーを放出し、周囲環境の振動エネルギーを効率的に収集して電気エネルギーに変換することができ、同時に、この装置はシンプルで、無人地帯又は過酷な環境でも動作することができ、適用範囲が広く、実用性が高い。

本発明の構造概略図である。本発明の長方体の模式断面図である。ウェル間の動き及びウェル内の動きの概略図である。本発明の発電梁の概略図である。本発明の制限装置の概略図である。

以下、本発明の実施例における図面を参照し、本発明の実施例における技術的解決手段を明確、完全に説明し、明らかに、説明された実施例は、本発明の全てではないが一部の実施例に過ぎない。本発明における実施例に基づき、創造的な作業なしに当業者によって得られる他の全ての実施例は、本発明の保護範囲に属する。

図１～５に示すように、バイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置は、
ベース１と、
ベース１に設置された支持部材であって、２つの長方体２を含む支持部材と、
ベース１に設置された制限部材であって、円筒形の棒３を含む制限部材と、
長方体２及び円筒形の棒３で支えられた圧電性バイオニック曲り梁であって、バイオニック曲り梁５、中心質量ブロック４及び圧電シート６を含み、バイオニック曲り梁５の一端は長方体２に接続され、バイオニック曲り梁５と長方体２との間に調整可能な接続機構７が設置され、バイオニック曲り梁５において長方体２から離れた一端は、中心質量ブロック４に固定され、圧電シート６は、バイオニック曲り梁５に固定して取り付けられる圧電性バイオニック曲り梁と、
圧電シート６に接続された電力収集モジュールとを含む。

バイオニック曲り梁５は、曲線型で、ガルの翼を大きく上下させる動作を模倣するように設計されたものである。

中心質量ブロック４には、円筒形の棒３を通る中央開口部があり、円筒形の棒３は、ベース１の中心位置にある。

円筒形の棒３の表面に黄色ワセリンが塗布され、中心質量ブロック４との接触摩擦力を低減する。

圧電シート６は、エポキシ樹脂又はポリプロピレンのうちの１種によってバイオニック曲り梁５に固定され、圧電シート６は、バイオニック曲り梁５の上面及び下面に対称に分布し、圧電シート６の材料はいずれもＰＶＤＦポリフッ化ビニリデンである。

調整可能な接続機構７は、スライドロッド９と、移動ブロック１０と、挿入ロッド１１とを含み、長方体２においてバイオニック曲り梁５に接続された側面外壁に開放式貫通溝１２が開けられ、貫通溝１２の頂部と底部内壁との間にスライドロッド９が固定して取り付けられ、スライドロッド９には、貫通溝１２の内壁に密着する移動ブロック１０がスライド可能に嵌着され、バイオニック曲り梁５において中心質量ブロック４から離れた一端は、移動ブロック１０に固定して接続され、長方体２の側面外壁、移動ブロック１０の側面外壁の中心点及びスライドロッド９には、同じ水平線にある貫通孔１３が開けられ、長方体２、スライドロッド９及び移動ブロック１０には、同じ水平線にある貫通孔１３によって挿入ロッド１１が挿入される。

長方体２の側面外壁及びスライドロッド９に開けられた貫通孔１３は、複数群あり、垂直方向で等距離に配列される。

ベース１の４つの側面の外壁には、該バイオニック圧電振動エネルギー収集装置を取り付けるための複数群の取り付けリング８が固定して取り付けられる。

操作プロセスは、
バイオニック圧電振動エネルギー収集装置を取り付け、ベース１が取り付けリング８によって外部振動環境に剛性接続されることを確保するステップと、
外部環境の振動周波数に基づいて、中心質量ブロック４の質量を調整し、調整可能な接続機構７によってバイオニック曲り梁５と長方体２との接続高さを調整し、バイオニック圧電振動エネルギー収集装置の共振周波数を環境の励起周波数と一致させ又はそれに近づけるステップと、
第１リード線で圧電シート６を接続するステップと、
第２リード線で誘電部材を接続するステップと、
第１リード線及び第２リード線を電力収集モジュールに接続し、出力した電気エネルギーを収集するステップとを含む。

操作原理は以下のとおりであり、ベース１によって該バイオニック圧電振動エネルギー収集装置を取り付け、ベース１が外部環境に剛性接続されることを確保し、外部環境の振動周波数に基づいて、中心的ウェイド４の質量を調整し、また、調整可能な接続機構７によってバイオニック曲り梁５と長方体２との接続高さを調整し、バイオニック圧電振動エネルギー収集装置の共振周波数を環境の励起周波数と一致させ又はそれに近づける、第１リード線で前記圧電シート６を接続し、第２リード線で前記誘電部材を接続し、第１リード線及び第２リード線を電力収集モジュールに接続し、出力した電気エネルギーを収集し、調整可能な接続機構７で調整する場合、挿入ロッド１１を貫通孔１３から引き抜くだけで済み、その結果、移動ブロック１０を移動させることにより、バイオニック曲り梁５と長方体２との接続高さを調整し、その高さを決定した後、移動ブロック１０における貫通孔１３を長方体２及びスライドロッド９における貫通孔１３と位置合わせし、挿入ロッド１１を挿入して固定し、そして、圧電性バイオニック曲り梁によって周囲環境の振動を感知し、中心質量ブロック４が円筒形の棒３のレールに沿って上下に移動することにより、バイオニック曲り梁５は歪みが発生し、バイオニック曲り梁５に固定された圧電シート６に歪みを発生させ、その結果、電気エネルギーを生成し、動作状態がＡＢ間に動作することである場合、該動作状態は、ウェル内の動きであり、動作状態がＡＣ間に動作することである場合、ポテンシャルエネルギー障壁を突破し、より高いエネルギーの放出が伴い、該動作状態は、ウェル間の動きであり、バイオニック曲り梁５がウェル内の動きからウェル間の動きへ変換する場合、ポテンシャルエネルギー障壁を突破すると同時に、大量のエネルギーを放出し、周囲環境の振動エネルギーを効率的に収集して電気エネルギーに変換することができ、同時に、この装置はシンプルで、無人地帯又は過酷な環境でも動作することができ、適用範囲が広く、実用性が高い。

本発明の実施例を示して説明するが、当業者には理解されるように、本発明の原理及び精神から逸脱することなく、これらの実施例に対して様々な変更、修正、置換及び変形を行うことができ、本発明の範囲は、請求の範囲及びそれらの同等物によって限定される。

図面では、１．ベース、２．長方体、３．円筒形の棒、４．中心質量ブロック、５．バイオニック曲り梁、６．圧電シート、７．調整可能な接続機構、８．取り付けリング、９．スライドロッド、１０．移動ブロック、１１．挿入ロッド、１２．貫通溝、１３．貫通孔

Claims

バイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置であって、
ベース（１）と、
前記ベース（１）に設置された支持部材であって、２つの長方体（２）を含む支持部材と、
前記ベース（１）に設置された制限部材であって、円筒形の棒（３）を含む制限部材と、
前記長方体（２）及び円筒形の棒（３）で支えられた圧電性バイオニック曲り梁であって、バイオニック曲り梁（５）、中心質量ブロック（４）及び圧電シート（６）を含み、前記バイオニック曲り梁（５）の一端は長方体（２）に接続され、バイオニック曲り梁（５）と長方体（２）との間に調整可能な接続機構（７）が設置され、前記バイオニック曲り梁（５）において長方体（２）から離れた一端は、中心質量ブロック（４）に固定され、前記圧電シート（６）は、バイオニック曲り梁（５）に固定して取り付けられる圧電性バイオニック曲り梁と、
前記圧電シート（６）に接続された電力収集モジュールとを含むことを特徴とする、バイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置。
前記バイオニック曲り梁（５）は、曲線型であることを特徴とする、請求項１に記載のバイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置。
前記中心質量ブロック（４）には、円筒形の棒（３）を通る中央開口部があり、前記円筒形の棒（３）は、ベース（１）の中心位置にあることを特徴とする、請求項１に記載のバイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置。
前記円筒形の棒（３）の表面に黄色ワセリンが塗布されることを特徴とする、請求項３に記載のバイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置。
前記圧電シート（６）は、エポキシ樹脂又はポリプロピレンのうちの１種によってバイオニック曲り梁（５）に固定され、圧電シート（６）は、バイオニック曲り梁（５）の上面及び下面に対称に分布し、前記圧電シート（６）の材料はいずれもＰＶＤＦポリフッ化ビニリデンであることを特徴とする、請求項１に記載のバイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置。
前記調整可能な接続機構（７）は、スライドロッド（９）と、移動ブロック（１０）と、挿入ロッド（１１）とを含み、前記長方体（２）においてバイオニック曲り梁（５）に接続された側面外壁に開放式貫通溝（１２）が開けられ、前記貫通溝（１２）の頂部と底部内壁との間にスライドロッド（９）が固定して取り付けられ、前記スライドロッド（９）には、貫通溝（１２）の内壁に密着する移動ブロック（１０）がスライド可能に嵌着され、前記バイオニック曲り梁（５）において中心質量ブロック（４）から離れた一端は、移動ブロック（１０）に固定して接続され、前記長方体（２）の側面外壁、移動ブロック（１０）の側面外壁の中心点及びスライドロッド（９）には、同じ水平線にある貫通孔（１３）が開けられ、長方体（２）、スライドロッド（９）及び移動ブロック（１０）には、同じ水平線にある貫通孔（１３）によって挿入ロッド（１１）が挿入されることを特徴とする、請求項１に記載のバイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置。
前記長方体（２）の側面外壁及びスライドロッド（９）に開けられた貫通孔（１３）は、複数群あり、垂直方向で等距離に配列されることを特徴とする、請求項６に記載のバイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置。
前記ベース（１）の４つの側面の外壁に複数群の取り付けリング（８）が固定して取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載のバイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置。
操作プロセスは、
バイオニック圧電振動エネルギー収集装置を取り付け、前記ベース（１）が取り付けリング（８）によって外部振動環境に剛性接続されることを確保するステップと、
外部環境の振動周波数に基づいて、中心質量ブロック（４）の質量を調整し、調整可能な接続機構（７）によってバイオニック曲り梁（５）と長方体（２）との接続高さを調整し、バイオニック圧電振動エネルギー収集装置の共振周波数を環境の励起周波数と一致させ又はそれに近づけるステップと、
第１リード線で前記圧電シート（６）を接続するステップと、
第２リード線で誘電部材を接続するステップと、
第１リード線及び第２リード線を前記電力収集モジュールに接続し、出力した電気エネルギーを収集するステップとを含むことを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載のバイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置。