JP7316706B1 - Piezoelectric Vibration Electricity Converter and Piezoelectric Vibration Electricity Conversion Method - Google Patents

Piezoelectric Vibration Electricity Converter and Piezoelectric Vibration Electricity Conversion Method Download PDF

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Abstract

【課題】アンプと電源が不要であり且つ安価で耐久性が高い圧電振動電気変換器を提供する。【解決手段】対象物1の振動を電気信号に変換する圧電振動電気変換器W1であって、平板11の略中央部に圧電素子12が貼付された振動板10と、対象物1に設置され且つ振動板10の両端部やその近傍或いは周囲を支持する、弾性体の第1振動板支持部20、20と、対象物1に設置され且つ振動板10の略中央部を支持する第2振動板支持部30と、振動板10に取り付けられた重り50とを有し、対象物1の振動による重り50の慣性力で振動板1にひずみを発生させて圧電素子12がひずみを電気信号に変換するようになっている。【選択図】図1Kind Code: A1 A piezoelectric vibration-to-electricity converter that does not require an amplifier and a power supply, is inexpensive, and has high durability is provided. A piezoelectric vibration electric converter W1 for converting vibration of an object 1 into an electric signal includes a vibration plate 10 having a piezoelectric element 12 attached to a substantially central portion of a flat plate 11, and a vibration plate 10 installed on the object 1. Also, elastic first diaphragm support parts 20, 20 that support both ends, the vicinity thereof, or the periphery of the diaphragm 10, and a second diaphragm that is installed on the object 1 and supports the substantially central part of the diaphragm 10. It has a plate support portion 30 and a weight 50 attached to the diaphragm 10, and strain is generated in the diaphragm 1 by the inertial force of the weight 50 due to vibration of the object 1, and the piezoelectric element 12 converts the strain into an electric signal. It is designed to convert. [Selection drawing] Fig. 1

Description

本発明は、圧電振動電気変換器及び圧電振動電気変換方法に関し、例えば、圧電素子を用いて、対象物の振動を電気信号に変換する圧電振動電気変換器及び圧電振動電気変換方法に関する。 The present invention relates to a piezoelectric vibration electrical converter and a piezoelectric vibration electrical conversion method, and more particularly, to a piezoelectric vibration electrical converter and a piezoelectric vibration electrical conversion method for converting vibration of an object into an electrical signal using a piezoelectric element.

従来から、構造物や装置等の対象物の振動測定に、様々なタイプの振動センサが用いられている。例えば、この振動センサには、ひずみ式或いは圧電式のものがある。また、近年では、振動センサとして、電気回路で構成されたMEMSセンサも実用化されている。 Conventionally, various types of vibration sensors have been used for vibration measurement of objects such as structures and devices. For example, the vibration sensor may be strain or piezoelectric. Moreover, in recent years, MEMS sensors configured by electric circuits have also been put to practical use as vibration sensors.

また、特許文献1には、フィルム状圧電素子と補強材とが積層された積層体を備えた圧電型振動センサが提案されている。この圧電型振動センサは、上記の積層体の一方の端部が片持ち支持されているとともに、積層体の他方の端部に錘が負荷されており、振動により上記積層体に曲げ応力が作用することで圧電素子から電気信号を発生させるようになっている。 In addition, Patent Document 1 proposes a piezoelectric vibration sensor provided with a laminated body in which a film-shaped piezoelectric element and a reinforcing member are laminated. In this piezoelectric vibration sensor, one end of the laminate is cantilevered and a weight is applied to the other end of the laminate, and bending stress acts on the laminate due to vibration. By doing so, an electric signal is generated from the piezoelectric element.

特許第6170388号公報Japanese Patent No. 6170388

ところで、上述した従来技術は、それぞれ、以下の課題を有している。
具体的には、「ひずみ式或いは圧電式の振動センサ」の多くは、振動を電気信号に変換するためのアンプを必要としている。また、この振動センサは、検知範囲における直線性、周波数応答の平たん性等を備える特性を持たせるために様々な工夫が設けられており、その結果、装置が高額になるという課題も有している。
By the way, the conventional techniques described above each have the following problems.
Specifically, many of the "strain or piezoelectric vibration sensors" require amplifiers for converting vibrations into electrical signals. In addition, this vibration sensor has been devised in various ways in order to have characteristics such as linearity in the detection range and flatness of the frequency response. ing.

また、MEMSセンサは、動作をするために電源供給が必要であるという課題を有している。そのため、MEMSセンサは、有線での電源供給ができない設置環境で用いられる場合には、蓄電池や発電機等を設けなくてはならない。
また、特許文献1に記載された圧電型振動センサは、フィルム状圧電素子と補強材とが積層された積層体の一方の端部が片持ち支持されているとともに、積層体の他方の端部に錘が負荷された構成を採用している。このような、一方が片持ち支持されている積層体の他方の端部に錘を付けた構成は、その構造上、振動による耐久性が低く、製品寿命が短いという課題を有している。
なお、上記の圧電型振動センサが、例えば、非常に多数の箇所に設置する必要があり、且つ長期間にわたって振動を検知するための用途に用いられた場合、交換頻度が多くなり、その運用に多大な労力とコストがかかる。
MEMS sensors also have the problem that they require a power supply to operate. Therefore, when the MEMS sensor is used in an installation environment where a wired power supply is not possible, a storage battery, a generator, or the like must be provided.
Further, in the piezoelectric vibration sensor described in Patent Document 1, one end of a laminate in which a film-shaped piezoelectric element and a reinforcing material are laminated is supported by a cantilever, and the other end of the laminate is supported by a cantilever. It adopts a configuration in which a weight is loaded on the Such a configuration in which a weight is attached to the other end of the laminate, one of which is supported by a cantilever, has the problem of low durability against vibration and a short product life due to its structure.
For example, if the above piezoelectric vibration sensor needs to be installed in a large number of locations and is used for long-term vibration detection, the frequency of replacement will increase, and the operation will be difficult. It takes a lot of effort and costs.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、アンプと電源が不要であり且つ安価で耐久性が高い圧電振動電気変換器及び圧電振動電気変換方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to provide a piezoelectric vibration electric converter and a piezoelectric vibration electric conversion method which do not require an amplifier and a power supply, are inexpensive and have high durability. be.

上記課題を解決するための本発明は、圧電素子を備えており、対象物の振動を電気信号に変換する圧電振動電気変換器であって、略中央部に前記圧電素子が貼付された振動板と、前記対象物に設置され且つ前記振動板の両端部やその近傍或いは周囲を支持する、弾性体の第1振動板支持部と、前記対象物に設置され且つ前記振動板の略中央部を支持する第2振動板支持部と、前記振動板に取り付けられた重りとを有し、前記対象物の振動による前記重りの慣性力で前記振動板にひずみを発生させて前記圧電素子が自体に発生する該ひずみを電気信号に変換するようになっていることを特徴とする。 The present invention for solving the above-mentioned problems is a piezoelectric vibration-electricity converter that includes a piezoelectric element and converts the vibration of an object into an electric signal, comprising: a vibration plate having the piezoelectric element attached substantially in the center thereof; an elastic first diaphragm supporting portion that is installed on the object and supports both ends, the vicinity thereof, or the periphery of the diaphragm; and a substantially central portion of the diaphragm that is installed on the object and supports It has a second diaphragm supporting portion for supporting and a weight attached to the diaphragm, and the inertial force of the weight caused by the vibration of the object generates strain in the diaphragm, so that the piezoelectric element self-supports. It is characterized in that the generated strain is converted into an electric signal.

このように本発明の上記構成によれば、重りの慣性力により、圧電素子を貼付した振動板を効率的に大きく変形させ、大きなひずみを発生させることができるため、アンプを設けなくても、対象物の振動に対応する電気信号を取得することができる。その結果、本発明の上記構成によれば、アンプを設けなくても振動を検知することができる圧電振動電気変換器が提供される。また、本発明の圧電振動電気変換器は、圧電素子を用いて対象物の振動を電気信号に変換するものであるため、上述したMEMSセンサと違い電源が必要ない。
すなわち、本発明の上記構成によれば、アンプや電源が不要となる、安価な圧電振動電気変換器が提供できる。
As described above, according to the above configuration of the present invention, the inertia force of the weight can efficiently and greatly deform the diaphragm to which the piezoelectric element is attached, thereby generating a large strain. An electrical signal corresponding to the vibration of the object can be obtained. As a result, according to the above configuration of the present invention, there is provided a piezoelectric vibration-to-electricity converter capable of detecting vibration without providing an amplifier. Further, the piezoelectric vibration-electricity converter of the present invention uses a piezoelectric element to convert the vibration of an object into an electric signal, so unlike the MEMS sensor described above, it does not require a power source.
That is, according to the above configuration of the present invention, it is possible to provide an inexpensive piezoelectric vibration electric converter that does not require an amplifier or a power supply.

また、本発明では、略中央部に圧電素子が貼付された振動板は、その両端部やその近傍或いは周囲を支持する、弾性体の第1振動板支持部と、その略中央部を支持する第2振動板支持部とを介して、対象物に設置されている。この構成により、振動板が圧電素子の貼付位置を中心に曲がるようになる。
また、振動板の両端部やその近傍或いは周囲を支持する「弾性体の第1振動板支持部」を設けているのは以下の理由による。
具体的には、第1振動板支持部を設けずに、振動板の略中央部を支持する第2振動板支持部だけを設けることも可能である。
しかし、振動板の略中央部を支持する第2振動板支持部だけの構成にした場合、振動板の支持が安定しないという問題が生じる。
また、振動板の略中央部を支持する第2振動板支持部だけの構成にした場合、振動板の振動特性の山谷が大きくなる虞がある。特に、振動板の材料が金属のように減衰特性が小さいものの場合、Q値(品質係数、振動増幅係数)が大きくなり、振動に対する出力電圧の周波数応答特性が悪化(山谷が大きく、平たんでない)する。この周波数応答特性を改善するために、振動板単体に減衰特性を付与することも考えられるが、振動板の材料自体を変更するなど一般的には容易ではない。
そのため、本発明では、振動板の両端部やその近傍或いは周囲を支持する第1振動板支持部を設けることで、振動板の支持を安定させている。また、本発明では、第1振動板支持部を設けることで、第1振動板支持部に弾性特性や減衰を付与することを可能にし、振動板や圧電素子の構造を変更することなく、周波数応答特性の調整をできるようにしている。
In addition, in the present invention, the diaphragm having the piezoelectric element attached to the substantially central portion supports the first elastic diaphragm support portion which supports both ends, the vicinity thereof, or the periphery thereof, and the substantially central portion thereof. It is installed on the object via the second diaphragm support portion. With this configuration, the diaphragm bends around the attachment position of the piezoelectric element.
The reason why the "elastic first diaphragm supporting portion" is provided to support both ends of the diaphragm and the vicinities or surroundings thereof is as follows.
Specifically, it is also possible to provide only the second diaphragm support portion that supports the substantially central portion of the diaphragm without providing the first diaphragm support portion.
However, in the case where only the second diaphragm supporting portion that supports the substantially central portion of the diaphragm is configured, there arises a problem that the diaphragm is not stably supported.
Further, if only the second diaphragm supporting portion that supports the substantially central portion of the diaphragm is configured, there is a possibility that peaks and valleys of the vibration characteristics of the diaphragm become large. In particular, if the diaphragm is made of a material such as metal that has a low damping characteristic, the Q value (quality factor, vibration amplification factor) increases, and the frequency response characteristic of the output voltage against vibration deteriorates (peaks and valleys are large and uneven). )do. In order to improve this frequency response characteristic, it is conceivable to impart damping characteristics to the diaphragm itself, but it is generally not easy to do so by changing the material of the diaphragm itself.
Therefore, in the present invention, the support of the diaphragm is stabilized by providing the first diaphragm support portion that supports both ends, the vicinity thereof, or the periphery of the diaphragm. In addition, in the present invention, by providing the first diaphragm support portion, it is possible to impart elastic characteristics and damping to the first diaphragm support portion. It is possible to adjust the response characteristics.

また、本発明では、振動板が第1振動板支持部及び第2振動板支持部により支持されているため、上述した特許文献1のような振動板(フィルム状圧電素子と補強材とが積層された積層体)が片持ち支持されているものと比べて、耐久性が高い構成になっている。そのため、例えば、本発明の圧電振動電気変換器が、「振動を発生する駆動部のある装置(機器)」、「鉄道車両や自動車等の移動体」、或いは「建物や道路等の構造物」等の振動測定等の用途に用いられた場合でも、交換頻度を減少させることができ、これらの管理者にかかる労力とコストを抑えることができる。 In addition, in the present invention, since the diaphragm is supported by the first diaphragm supporting portion and the second diaphragm supporting portion, the diaphragm (a film-like piezoelectric element and a reinforcing member laminated together) as described in Patent Document 1 described above can be used. It has a structure with high durability compared to the one in which the laminated body is supported in a cantilever manner. Therefore, for example, the piezoelectric vibration-to-electricity converter of the present invention can be used as a "device (equipment) having a drive unit that generates vibration", "a moving object such as a railway vehicle or automobile", or "a structure such as a building or road". Even if it is used for applications such as vibration measurement, etc., the frequency of replacement can be reduced, and the labor and cost required for these administrators can be suppressed.

また、前記重りは、前記振動板の両端に渡る一体物で形成されていても良い。
このように、重りを振動板の両端に渡す構成にすることによって、重りの慣性力が振動板に対して、振動板の略中央部を支持する第2振動板支持部を中心に対称に作用する効果が得られる。また、重りが振動板の両端に渡る一体物で形成されているため、部品点数を減らすことができる。
Also, the weight may be formed as an integral body extending over both ends of the diaphragm.
In this way, by setting the weight across both ends of the diaphragm, the inertial force of the weight acts on the diaphragm symmetrically about the second diaphragm supporting portion that supports the substantially central portion of the diaphragm. effect to be obtained. In addition, since the weight is formed as a single body extending over both ends of the diaphragm, the number of parts can be reduced.

また、前記重りは、前記振動板の両端部あるいは周縁部にそれぞれ取り付けられていても良い。
上記の構成によれば、重りにより振動板の振動を効果的に増幅させることができる。
Also, the weights may be attached to both ends or the peripheral edge of the diaphragm.
According to the above configuration, the vibration of the diaphragm can be effectively amplified by the weight.

また、本発明は、圧電素子を備えており、対象物の振動を電気信号に変換する圧電振動電気変換器であって、略中央部に前記圧電素子が貼付された振動板と、前記対象物に設置される磁性体により形成された基盤と、前記基盤に設置され且つ前記振動板の両端部やその近傍或いは周囲を支持する、弾性体の第1振動板支持部と、前記基盤に設置され且つ前記振動板の略中央部を支持する第2振動板支持部と、前記振動板の上面に取り付けられた重りとを有し、前記対象物の振動による重りの慣性力で前記振動板にひずみを発生させて前記圧電素子が自体に発生する該ひずみを電気信号に変換するようになっており、前記基盤、前記第1振動板支持部、前記第2振動板支持部、前記振動板及び前記重りは、その外周囲を中空箱状の磁性体で形成されたケースに覆われており、前記重り、前記振動板及び前記ケースのうちの少なくともいずれかに、前記振動板の振動を増幅する磁石が取り付けられていることを特徴とする。 The present invention also provides a piezoelectric vibration-to-electricity converter that includes a piezoelectric element and converts the vibration of an object into an electric signal, comprising: a vibration plate having the piezoelectric element attached to a substantially central portion thereof; a base formed of a magnetic material installed in the base, a first diaphragm support portion of an elastic body that is installed on the base and supports both ends, the vicinity thereof, or the periphery of the diaphragm, and the base mounted on the and a second diaphragm supporting portion that supports a substantially central portion of the diaphragm, and a weight attached to the upper surface of the diaphragm, wherein the diaphragm is distorted by the inertial force of the weight caused by the vibration of the object. is generated and the strain generated in the piezoelectric element itself is converted into an electric signal. The outer periphery of the weight is covered with a case formed of a hollow box-shaped magnetic material, and at least one of the weight, the diaphragm, and the case has a magnet that amplifies the vibration of the diaphragm. is attached.

本発明の上記構成によれば、アンプと電源が不要であり且つ安価で耐久性が高い圧電振動電気変換器を提供することができる。
さらに、本発明の上記構成では、対象物に設置される磁性体により形成された基盤が設けられている。また、「基盤、第1振動板支持部、第2振動板支持部、振動板及び重り」は、その外周囲を中空箱状の磁性体で形成されたケースに覆われている。また、重り、振動板及びケースのうちの少なくともいずれかに振動板の振動を増幅する磁石が取り付けられている。
この構成によれば、磁力による吸引力の影響により振動板の振動を増幅させ、効率的に振動を電気信号に変換することができる。
According to the above configuration of the present invention, it is possible to provide a piezoelectric vibration electric converter that does not require an amplifier and a power supply, is inexpensive, and has high durability.
Furthermore, in the above configuration of the present invention, a base made of a magnetic material and placed on the object is provided. Further, the “base, first diaphragm support portion, second diaphragm support portion, diaphragm and weight” are covered with a case formed of a hollow box-shaped magnetic material. At least one of the weight, the diaphragm and the case is attached with a magnet for amplifying the vibration of the diaphragm.
According to this configuration, the vibration of the diaphragm can be amplified by the influence of the magnetic attraction force, and the vibration can be efficiently converted into an electric signal.

また、本発明は、圧電素子を用いて、対象物の振動を電気信号に変換する圧電振動電気変換方法であって、平板の略中央部に前記圧電素子を貼付して振動板を形成し、前記振動板の両端部やその近傍或いは周囲を支持する、弾性体の第1振動板支持部と、前記振動板の略中央部を支持する第2振動板支持部とを介して、前記対象物に前記振動板を取り付け、さらに、前記振動板に重りを取り付け、前記対象物の振動による重りの慣性力で前記振動板にひずみを発生させて前記圧電素子に自体に発生する該ひずみを電気信号に変換させることを特徴とする。 Further, the present invention is a piezoelectric vibration-to-electricity conversion method for converting vibration of an object into an electric signal using a piezoelectric element, wherein the piezoelectric element is attached to a substantially central portion of a flat plate to form a vibration plate, Through a first elastic diaphragm supporting portion that supports both ends, the vicinity thereof, or the periphery of the diaphragm, and a second diaphragm supporting portion that supports a substantially central portion of the diaphragm, the object is Further, a weight is attached to the diaphragm, strain is generated in the diaphragm by the inertial force of the weight due to vibration of the object, and the strain generated in the piezoelectric element itself is output as an electric signal. It is characterized by converting to

本発明によれば、アンプと電源が不要であり且つ安価で耐久性が高い圧電振動電気変換器、及び圧電振動電気変換方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an inexpensive and highly durable piezoelectric vibration electric converter and a piezoelectric vibration electric conversion method that do not require an amplifier and a power supply.

本発明の第1実施形態の圧電振動電気変換器の構成を説明するための模式図であり、圧電振動電気変換器を側面から見た模式図を示している。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic diagram for demonstrating the structure of the piezoelectric vibration electric converter of 1st Embodiment of this invention, and the schematic diagram which looked at the piezoelectric vibration electric converter from the side is shown. 本発明の第1実施形態の圧電振動電気変換器を下面から見た模式図である。1 is a schematic diagram of a piezoelectric vibration electric transducer according to a first embodiment of the present invention viewed from below; FIG. 本発明の第1実施形態の振動板を構成する平板及び圧電素子と振動板の上面に取り付けられた重り支持部とを説明するための模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a flat plate and piezoelectric elements that constitute the diaphragm of the first embodiment of the present invention, and a weight support attached to the upper surface of the diaphragm; 本発明の第2実施形態の圧電振動電気変換器の構成を説明するための模式図であり、圧電振動電気変換器を側面から見た模式図を示している。FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the configuration of the piezoelectric vibration electric converter of the second embodiment of the present invention, and shows a schematic view of the piezoelectric vibration electric converter viewed from the side. 本発明の第3実施形態の圧電振動電気変換器の構成を説明するための模式図であり、圧電振動電気変換器を側面から見た模式図を示している。FIG. 11 is a schematic diagram for explaining the configuration of the piezoelectric vibration electric converter of the third embodiment of the present invention, and shows a schematic view of the piezoelectric vibration electric converter viewed from the side. 本発明の第1実施形態の圧電振動電気変換器を振動台に取り付けて加振した際の圧電素子の出力電圧の周波数応答関数の大きさと、重りを載せていない振動板を両端支持材のみで振動台に取り付けて加振した際の圧電素子の出力電圧の周波数応答関数の大きさとを示した模式図である。The size of the frequency response function of the output voltage of the piezoelectric element when the piezoelectric vibration electric transducer of the first embodiment of the present invention is attached to the vibration table and vibrated, and the vibration plate without weights mounted only with both end supports. FIG. 4 is a schematic diagram showing the magnitude of the frequency response function of the output voltage of the piezoelectric element when it is attached to a vibration table and vibrated.

以下、本発明の実施形態(第1実施形態、第2実施形態、第3実施形態)の圧電振動電気変換器W1、W2、W3について図面を用いて説明する。
本実施形態の圧電振動電気変換器W1、W2、W3は、圧電素子12を用いて、「振動を発生する駆動部のある装置(機器)」、「鉄道車両や自動車等の移動体」、或いは「建物や道路等の構造物」等の対象物1の振動を電気信号に変換する装置である。
この圧電振動電気変換器W1、W2、W3は、例えば、装置、移動体、或いは構造物の振動の測定に利用されたり、道路や線路等に敷設されて、自動車や鉄道が通行する際の振動で発電する発電システムに利用されたりする。
Hereinafter, piezoelectric vibration electrical converters W1, W2, and W3 of embodiments (first embodiment, second embodiment, and third embodiment) of the present invention will be described with reference to the drawings.
The piezoelectric vibration-electric converters W1, W2, and W3 of the present embodiment use the piezoelectric element 12 to "apparatus (equipment) having a drive unit that generates vibration", "moving objects such as railway vehicles and automobiles", or It is a device that converts the vibration of an object 1 such as "a structure such as a building or a road" into an electric signal.
The piezoelectric vibration electric transducers W1, W2, and W3 are used, for example, to measure the vibration of devices, moving bodies, or structures, or are installed on roads, railroad tracks, etc., and are used to measure vibrations when automobiles and railways pass by. It is used in power generation systems that generate electricity in

《第1実施形態》
先ず、第1実施形態の圧電振動電気変換器について、図1~図3を参照しながら説明する。
ここで、図1は、第1実施形態の圧電振動電気変換器の構成を説明するための模式図であり、圧電振動電気変換器を側面から見た模式図を示している。図2は、第1実施形態の圧電振動電気変換器を下面から見た模式図である。図3は、第1実施形態の振動板を構成する平板及び圧電素子と振動板の上面に取り付けられた重り支持部とを説明するための模式図である。
<<1st Embodiment>>
First, the piezoelectric vibration electric converter of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG.
Here, FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the configuration of the piezoelectric vibration electric converter of the first embodiment, and shows a schematic side view of the piezoelectric vibration electric converter. FIG. 2 is a schematic diagram of the piezoelectric vibration electrical transducer of the first embodiment viewed from below. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the flat plate and the piezoelectric element that constitute the diaphragm of the first embodiment, and the weight support attached to the upper surface of the diaphragm.

第1実施形態の圧電振動電気変換器W1は、圧電素子12が貼付された振動板10の両端部に、1つの重り50を渡して載せる構成を採用したものでる。
具体的には、図1に示すように、第1実施形態の圧電振動電気変換器W1は、平板11の略中央部に圧電素子12が貼付された振動板10と、装置や移動体或いは構造物等の対象物1に設置され且つ振動板10の両端部を支持する第1振動板支持部(両端支持材)20、20と、対象物1に設置され且つ振動板10の略中央部を支持する第2振動板支持部(中央支持材)30と、振動板10に取り付けられた重り50とを有している。
なお、第1振動板支持部20、20及び第2振動板支持部30は、その下端部が対象物1に設置され固定されている。また、第1振動板支持部20、20は、ゴム等の弾性体で形成されている。
The piezoelectric vibration electric converter W1 of the first embodiment employs a configuration in which one weight 50 is placed across both ends of the diaphragm 10 to which the piezoelectric element 12 is attached.
Specifically, as shown in FIG. 1, the piezoelectric vibration electric converter W1 of the first embodiment includes a vibration plate 10 having a piezoelectric element 12 attached to a substantially central portion of a flat plate 11, a device, a moving body, or a structure. First diaphragm support parts (both end support members) 20, 20 which are installed on an object 1 such as an object and support both ends of the diaphragm 10, and a substantially central part of the diaphragm 10 which is installed on the object 1. It has a second diaphragm support portion (central support member) 30 for supporting and a weight 50 attached to the diaphragm 10 .
The lower end portions of the first diaphragm support portions 20 and 20 and the second diaphragm support portion 30 are installed and fixed to the object 1 . Further, the first diaphragm support portions 20, 20 are made of an elastic material such as rubber.

また、第1実施形態では、振動板10の上面(表面)の両端部に重り支持部40、40が取り付けられている。そして、重り50は、重り支持部(重り支持材)40、40の上に載置され、重り支持部40、40を介して振動板10に取り付けられている。
また、圧電素子12には、「ひずみから変換した電気信号」を出力するための出力線70が取り付けられている。
以下、圧電振動電気変換器W1の構成を順番に説明する。
Further, in the first embodiment, weight support portions 40 and 40 are attached to both ends of the upper surface (surface) of the diaphragm 10 . The weight 50 is placed on weight support portions (weight support members) 40 , 40 and attached to the diaphragm 10 via the weight support portions 40 , 40 .
An output line 70 is attached to the piezoelectric element 12 for outputting an "electrical signal converted from strain".
Hereinafter, the configuration of the piezoelectric vibration electric converter W1 will be described in order.

振動板10の両端部を支持する第1振動板支持部20、20は、例えば、図1、2に示すように、細長の直方体状(四角柱状)に形成されており、その上面部が振動板10の裏面の両端部(図示する例では左右・両端部)に取り付けられている。また、第1振動板支持部20、20は、その下端部が対象物1に取り付けられて固定できるようになっている。 For example, as shown in FIGS. 1 and 2, the first diaphragm support portions 20, 20 that support both ends of the diaphragm 10 are formed in an elongated rectangular parallelepiped shape (square prism shape), and the upper surface thereof vibrates. It is attached to both ends of the back surface of the plate 10 (left and right ends in the illustrated example). Further, the lower ends of the first diaphragm supporting portions 20, 20 are attached to the object 1 so that they can be fixed.

なお、図示する例では、第1振動板支持部20、20が細長の直方体状(四角柱状)に形成されているが、この形状に限定されるものではない。第1振動板支持部20、20は、下端部を対象物1に固定でき、且つ振動板10の両端部等を支持することができる形状のものであれば良い。
また、図示する例では、第1振動板支持部20、20は、振動板10の両端部に取り付けられているが、両端部以外の位置に取り付けられていても良い。例えば、第1振動板支持部20、20は、振動板10の両端部の近傍、或いは周囲に取り付けられ、振動板1の両端部の近傍、或いは周囲を支持するように構成されていても良い。
また、振動板10が、後述する図5に示すように、第1振動板支持部20、20よりオーバハングした状態で、第1振動板支持部20、20に取り付けられていても良い。
In the illustrated example, the first diaphragm support portions 20, 20 are formed in an elongated rectangular parallelepiped shape (square prism shape), but the shape is not limited to this shape. The first diaphragm support portions 20, 20 may have any shape as long as the lower end thereof can be fixed to the object 1 and both ends of the diaphragm 10 can be supported.
In addition, in the illustrated example, the first diaphragm support parts 20, 20 are attached to both ends of the diaphragm 10, but they may be attached to positions other than both ends. For example, the first diaphragm supports 20, 20 may be attached near or around both ends of the diaphragm 10, and may be configured to support near or around both ends of the diaphragm 1. .
Further, the diaphragm 10 may be attached to the first diaphragm support parts 20, 20 in a state of overhanging from the first diaphragm support parts 20, 20, as shown in FIG. 5, which will be described later.

また、第2振動板支持部30は、例えば、図1、2に示すように、略円柱状に形成されており、その上面部が振動板10の裏面の略中央部に取り付けられている。また、第2振動板支持部30は、その下端部が対象物1に取り付けられて固定できるようになっている。この第2振動板支持30は、例えば、金属等の固体の材料で形成されている。
なお、図示する例では、第2振動板支持部30が円柱状に形成されているが、特にこれに限定されるものではない。第2振動板支持部30は、下端部を対象物1に固定でき、且つ振動板10の略中央部を支持することができる形状であればよい。
1 and 2, for example, the second diaphragm support part 30 is formed in a substantially columnar shape, and the upper surface thereof is attached to the substantially central part of the rear surface of the diaphragm 10. As shown in FIGS. Further, the second diaphragm support part 30 is attached to the object 1 at its lower end so that the second diaphragm support part 30 can be fixed. The second diaphragm support 30 is made of a solid material such as metal, for example.
In addition, in the illustrated example, the second diaphragm support portion 30 is formed in a cylindrical shape, but it is not particularly limited to this. The second diaphragm support part 30 may have any shape as long as the lower end part can be fixed to the object 1 and the substantially central part of the diaphragm 10 can be supported.

また、振動板10を構成する圧電素子12は、圧電セラミック(例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛))等で形成されている。
また、振動板10を構成する平板11は、金属や合成樹脂等の材質で形成されている。
そして、圧電素子12は、図3に示すように、平板11の上面の略中央部に貼付されて強固に接合されている。
Also, the piezoelectric element 12 constituting the diaphragm 10 is made of piezoelectric ceramic (for example, PZT (lead zirconate titanate)) or the like.
Further, the flat plate 11 forming the diaphragm 10 is made of a material such as metal or synthetic resin.
Then, as shown in FIG. 3, the piezoelectric element 12 is adhered to the substantially central portion of the upper surface of the flat plate 11 and firmly joined.

なお、図3に示す例では、圧電素子12が、平面視・円形のシート状に形成されているが、圧電素子12の形状は適宜設計されるものである。例えば、圧電素子12が、平面視・多角形のシート状に形成されていても良い。
また、平板11は、例えば、金属製や合成樹脂製のものが用いられるが、圧電素子12を強固に接合できるものであれば、金属や合成樹脂以外の材料で形成されたものでも良い。
また、第1実施形態の振動板10は、平板11に圧電素子12を貼付した構成になっているが、圧電素子12を貼付する対象が、必ずしも平板形状である必要は無い。
In the example shown in FIG. 3, the piezoelectric element 12 is formed in a circular sheet shape in a plan view, but the shape of the piezoelectric element 12 is appropriately designed. For example, the piezoelectric element 12 may be formed in a polygonal sheet shape in plan view.
The flat plate 11 is made of metal or synthetic resin, for example, but may be made of any material other than metal or synthetic resin as long as it can firmly join the piezoelectric element 12 .
Further, although the diaphragm 10 of the first embodiment has a configuration in which the piezoelectric element 12 is attached to the flat plate 11, the object to which the piezoelectric element 12 is attached does not necessarily have to be a flat plate.

また、重り支持部40、40は、例えば、図1、3に示すように、細長の直方体状(四角柱状)に形成されており、振動板10の上面の両端部(図示する例では左右両端部)に取り付けられている。この重り支持部40、40は、例えば、弾性体或いは固体の材料でされている。 1 and 3, the weight support portions 40, 40 are formed in an elongated rectangular parallelepiped shape (square prism shape), and both ends of the upper surface of the diaphragm 10 (left and right ends in the illustrated example) are formed. part). The weight supports 40, 40 are made of, for example, an elastic or solid material.

また、重り50は、振動板10の両端に渡る一体物で形成されており、重り支持部40、40の上に、振動板10の両端部を渡すように配置された状態で取り付けられている。すなわち、第1実施形態では、圧電素子12が貼付された振動板10の両端部に、1つの重り50を渡して載せる構成になっている。 Also, the weight 50 is formed as an integral body extending over both ends of the diaphragm 10, and is mounted on the weight support parts 40, 40 so as to span both ends of the diaphragm 10. . That is, in the first embodiment, one weight 50 is placed across both ends of the diaphragm 10 to which the piezoelectric element 12 is attached.

上記のように構成された圧電振動電気変換器W1は、対象物1の振動による重り50の慣性力で振動板10にひずみを発生させて圧電素子12が自体(自身)に発生するひずみを電気信号に変換するようになっている。また、圧電素子12が変換した電気信号は、出力線70を介して、外部の装置(図示せず)に出力される。 The piezoelectric vibration-electricity converter W1 configured as described above causes strain to be generated in the vibration plate 10 by the inertial force of the weight 50 due to the vibration of the object 1, and the strain generated in the piezoelectric element 12 itself (self) is converted into electricity. It is designed to convert into a signal. Also, the electric signal converted by the piezoelectric element 12 is output to an external device (not shown) via the output line 70 .

このように、第1実施形態の圧電振動電気変換器W1の構成によれば、重り50の慣性力により、圧電素子12を貼付した振動板10を効率的に大きく変形させ、より大きなひずみを発生させることができる。そのため、第1実施形態の構成によれば、アンプを設けなくても、対象物1の振動に対応する電気信号を取得することができる。また、第1実施形態の圧電振動電気変換器W1は、平板11に貼付した圧電素子12を用いて、対象物1の振動を電気信号に変換するものであるため、上述したMEMSセンサと違い電源が必要ない。
したがって、第1実施形態によれば、アンプや電源を設けなくても振動を測定したり、或いは、発電システムに利用したりすることができる圧電振動電気変換器W1が提供される。
As described above, according to the configuration of the piezoelectric vibration electric converter W1 of the first embodiment, the inertial force of the weight 50 efficiently and largely deforms the diaphragm 10 to which the piezoelectric element 12 is attached, thereby generating a larger strain. can be made Therefore, according to the configuration of the first embodiment, it is possible to acquire an electric signal corresponding to the vibration of the object 1 without providing an amplifier. Further, the piezoelectric vibration electric converter W1 of the first embodiment uses the piezoelectric element 12 attached to the flat plate 11 to convert the vibration of the object 1 into an electric signal. is not necessary.
Therefore, according to the first embodiment, there is provided a piezoelectric vibration-to-electricity converter W1 that can measure vibration without providing an amplifier or power supply, or that can be used in a power generation system.

また、上述した第1実施形態では、略中央部に圧電素子12が貼付された振動板10が、その両端部を支持する、弾性体の第1振動板支持部20、20と、その略中央部を支持する第2振動板支持部30とを介して、対象物1に設置されている。この構成によれば、振動板10が圧電素子12の貼付位置を中心に曲がるようになる。 Further, in the above-described first embodiment, the diaphragm 10 to which the piezoelectric element 12 is affixed substantially in the central portion has the elastic first diaphragm support portions 20, 20 supporting both ends thereof, and the substantially central portion thereof. It is installed on the object 1 via a second diaphragm support portion 30 that supports the portion. According to this configuration, the diaphragm 10 bends around the attachment position of the piezoelectric element 12 .

また、第1実施形態において、振動板10の両端部が第1振動板支持部20、20で支持されるようにしているのは以下の理由による。
具体的には、第1振動板支持部20、20を設けずに、振動板10の略中央部を支持する第2振動板支持部30だけを設ける構成にすることもできる。
しかし、振動板10の略中央部を支持する第2振動板支持部40だけの構成にした場合、振動板10の支持が安定しないという問題が生じる。
さらに、このようにした場合、振動板10の振動特性の山谷が大きくなる虞がある。特に振動板10の材料が金属のように減衰特性が小さいものの場合、Q値(品質係数、振動増幅係数)が大きくなり、振動に対する出力電圧の周波数応答特性が悪化(山谷が大きく、平たんでない)する。この周波数応答特性を改善するために、振動板10・単体に減衰特性を付与することも考えられるが、振動板10の材料自体を変更するなど一般的には容易ではない。
Further, in the first embodiment, both ends of the diaphragm 10 are supported by the first diaphragm support portions 20, 20 for the following reasons.
Specifically, it is also possible to provide a configuration in which only the second diaphragm support portion 30 that supports the substantially central portion of the diaphragm 10 is provided without providing the first diaphragm support portions 20 , 20 .
However, if only the second diaphragm support portion 40 that supports the substantially central portion of the diaphragm 10 is configured, there arises a problem that the support of the diaphragm 10 is unstable.
Furthermore, in this case, there is a possibility that peaks and valleys of the vibration characteristics of the diaphragm 10 become large. In particular, when the diaphragm 10 is made of a material such as metal that has a small damping characteristic, the Q value (quality factor, vibration amplification factor) increases, and the frequency response characteristic of the output voltage to vibration deteriorates (peaks and valleys are large and uneven). )do. In order to improve this frequency response characteristic, it is conceivable to give damping characteristics to the diaphragm 10 alone, but it is generally not easy to change the material of the diaphragm 10 itself.

そのため、第1実施形態では、振動板10の両端部が第1振動板支持部20、20で支持される構成にすることで、振動板10の支持を安定させている。
また、第1実施形態では、振動板10の両端部が第1振動板支持部20、20で支持される構成にすることで、第1振動板支持部20、20に弾性特性や減衰を付与することを可能にしている。その結果、第1実施形態によれば、振動板10や圧電素子12の構造を変更することなく、周波数応答特性の調整ができるようになる。
Therefore, in the first embodiment, both ends of the diaphragm 10 are supported by the first diaphragm support portions 20, 20, thereby stabilizing the support of the diaphragm 10. FIG.
In the first embodiment, both ends of the diaphragm 10 are supported by the first diaphragm support parts 20, 20, thereby imparting elastic characteristics and damping to the first diaphragm support parts 20, 20. make it possible to As a result, according to the first embodiment, it is possible to adjust the frequency response characteristics without changing the structures of the diaphragm 10 and the piezoelectric element 12 .

また、第1実施形態では、振動板10が第1振動板支持部20、20及び第2振動板支持部30により支持されているため、上述した特許文献1のような振動板(フィルム状圧電素子と補強材とが積層された積層体)が片持ち支持されている構造のものと比べて、耐久性が高い構造になっている。すなわち、第1実施形態の圧電振動電気変換器W1は、上述した特許文献1のものと比べて、故障しにくい構造になっている。
そのため、例えば、圧電振動電気変換器W1が、装置、移動体、或いは構造物の振動測定等の用途に用いられた場合でも、交換頻度を減少させることができ、これらの管理者にかかる労力とコストを抑えることができる。
また、例えば、圧電振動電気変換器W1が、道路や線路等に敷設されて、自動車や鉄道車両が通行する際の振動で発電する発電システムのような、多数の箇所に設置する必要があり、且つ長期間にわたって設置される用途に用いられた場合でも管理者の労力とコストを軽減することができる。
さらに、第1実施形態の圧電振動電気変換器W1は、電源供給が不要であるため、電源設備を設けたり、或いは、電池交換したりする必要もない。
Further, in the first embodiment, since the diaphragm 10 is supported by the first diaphragm support portions 20, 20 and the second diaphragm support portion 30, the diaphragm (film-like piezoelectric element) as described in Patent Document 1 described above can be used. It has a structure with high durability compared to a structure in which a laminated body in which an element and a reinforcing member are laminated) is supported by a cantilever. That is, the piezoelectric vibration electric converter W1 of the first embodiment has a structure that is less likely to break down than that of Patent Document 1 described above.
Therefore, for example, even when the piezoelectric vibration electric transducer W1 is used for vibration measurement of a device, a moving body, or a structure, the frequency of replacement can be reduced, and the labor and labor required for the administrator can be reduced. You can keep costs down.
In addition, for example, the piezoelectric vibration electric converter W1 is laid on roads, railroad tracks, etc., and it is necessary to install it in many places, such as a power generation system that generates power by vibration when automobiles and railroad vehicles pass. Moreover, even when used for long-term installation, the labor and cost of the administrator can be reduced.
Furthermore, since the piezoelectric vibration electric converter W1 of the first embodiment does not require power supply, there is no need to provide power supply equipment or to replace batteries.

また、第1実施形態では、重り50は、振動板10の上面の両端部に取り付けられた重り支持部40、40を介して振動板10に取り付けられている。また、重り50は、振動板10の両端に渡る形状の一体物で形成されている。
このように、重り50が、振動板10の両端に渡って配置される構成になっていることにより、重り50の慣性力が振動板10に中央支持部30を中心に対称に作用する効果が得られる。また、重り50が振動板10の両端に渡る形状の一体物で形成されているため、部品点数を減らすことができる。
Further, in the first embodiment, the weight 50 is attached to the diaphragm 10 via the weight support portions 40 , 40 attached to both ends of the upper surface of the diaphragm 10 . Also, the weight 50 is formed as an integrated body extending over both ends of the diaphragm 10 .
Since the weights 50 are arranged over both ends of the diaphragm 10 in this manner, the inertial force of the weights 50 acts symmetrically on the diaphragm 10 with respect to the central support portion 30. can get. In addition, since the weight 50 is formed as a single body extending over both ends of the diaphragm 10, the number of parts can be reduced.

このように、第1実施形態によれば、アンプと電源が不要であり且つ安価で耐久性が高い圧電振動電気変換器W1、及び圧電振動電気変換方法を提供することができる。 Thus, according to the first embodiment, it is possible to provide the piezoelectric vibration electric converter W1 and the piezoelectric vibration electric conversion method which do not require an amplifier and a power supply, are inexpensive and have high durability.

《第2実施形態》
次に、第2実施形態の圧電振動電気変換器W2について、図4を参照しながら説明する。
ここで、図4は、第2実施形態の圧電振動電気変換器の構成を説明するための模式図であり、圧電振動電気変換器を側面から見た模式図を示している。
なお、第2実施形態の圧電振動電気変換器W2は、第1実施形態の圧電振動電気変換器W1の構成の一部を変形したものである。そのため、第2実施形態の圧電振動電気変換器W2の構成のうち、第1実施形態と同じ構成については、同じ符号を付けて説明を省略或いは簡略化する。
<<Second embodiment>>
Next, the piezoelectric vibration electric converter W2 of the second embodiment will be described with reference to FIG.
Here, FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the configuration of the piezoelectric vibration electric converter of the second embodiment, and shows a schematic side view of the piezoelectric vibration electric converter.
The piezoelectric vibration electric converter W2 of the second embodiment is obtained by partially modifying the configuration of the piezoelectric vibration electric converter W1 of the first embodiment. Therefore, among the configurations of the piezoelectric vibration electric converter W2 of the second embodiment, the same configurations as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted or simplified.

第2実施形態の圧電振動電気変換器W2は、圧電素子12が貼付された振動板10の両端部に、それぞれ、重り52、52を載せる構成(振動板10に2つの重り52、52を載せる構成)を採用したものでる。
具体的には、図4に示すように、第2実施形態の圧電振動電気変換器W2は、平板11の略中央部に圧電素子12が貼付された振動板10と、対象物1に設置され且つ振動板10の両端部を支持する第1振動板支持部20、20と、対象物1に設置され且つ振動板10の略中央部を支持する第2振動板支持部30と、振動板10の両端部に取り付けられた重り52、52とを有している。
The piezoelectric vibration electric converter W2 of the second embodiment has a configuration in which weights 52, 52 are respectively placed on both ends of the diaphragm 10 to which the piezoelectric element 12 is attached (two weights 52, 52 are placed on the diaphragm 10). configuration).
Specifically, as shown in FIG. 4, the piezoelectric vibration electric converter W2 of the second embodiment includes a vibration plate 10 having a piezoelectric element 12 attached to a substantially central portion of a flat plate 11, and an object 1. Also, first diaphragm support parts 20, 20 that support both ends of the diaphragm 10, a second diaphragm support part 30 that is installed on the object 1 and supports substantially the central part of the diaphragm 10, and the diaphragm 10 It has weights 52, 52 attached to the ends thereof.

第2実施形態の圧電振動電気変換器W2は、振動板10の上面に重り支持部40を設けずに、振動板10の上面・両端部(図4に示す例では、左右の両端部)に、それぞれ、直接、重り52、52が取り付けられている。
この重り52、52は、例えば、細長の直方体状(四角柱状)に形成されており、振動板10の上面の両端部(図示する例では左右両端部)に取り付けられている。また、重り52、52は、第1実施形態の重り50とことなり、個別の物体で形成されている。
The piezoelectric vibration electric converter W2 of the second embodiment does not provide the weight support part 40 on the upper surface of the diaphragm 10, and the upper surface and both ends of the diaphragm 10 (in the example shown in FIG. 4, both left and right ends). , respectively, are directly attached with weights 52,52.
The weights 52 , 52 are formed, for example, in the shape of an elongated rectangular parallelepiped (quadrangular prism), and attached to both ends (left and right ends in the illustrated example) of the upper surface of the diaphragm 10 . Also, the weights 52, 52 are formed of individual objects unlike the weight 50 of the first embodiment.

第2実施形態の圧電振動電気変換器W2の構成においても、第1実施形態と同様、対象物1の振動による重り52、52の慣性力で振動板10にひずみを発生させて圧電素子12が自体に発生するひずみを電気信号に変換し、その変換した電気信号が出力線70を介して、外部の装置(図示せず)に出力される。 In the configuration of the piezoelectric vibration electric transducer W2 of the second embodiment, as in the first embodiment, strain is generated in the vibration plate 10 by the inertial force of the weights 52, 52 due to the vibration of the object 1, and the piezoelectric element 12 is displaced. The strain generated in itself is converted into an electric signal, and the converted electric signal is output to an external device (not shown) via the output line 70 .

このように、第2実施形態においても、第1実施形態と同様、アンプと電源が不要であり且つ安価で耐久性が高い圧電振動電気変換器W2、及び圧電振動電気変換方法を提供することができる。 As described above, in the second embodiment, similarly to the first embodiment, it is possible to provide the piezoelectric vibration electric converter W2 and the piezoelectric vibration electric conversion method that do not require an amplifier and a power supply, are inexpensive, and have high durability. can.

《第3実施形態》
次に、第3実施形態の圧電振動電気変換器W3について、図5を参照しながら説明する。
ここで、図5は、第3実施形態の圧電振動電気変換器の構成を説明するための模式図であり、圧電振動電気変換器を側面から見た模式図を示している。
なお、第3実施形態の圧電振動電気変換器W3は、第1実施形態の圧電振動電気変換器W1の構成の一部を変形したものである。そのため、第3実施形態の圧電振動電気変換器W3の構成のうち、第1実施形態と同じ構成については、同じ符号を付けて説明を省略或いは簡略化する。
<<Third Embodiment>>
Next, the piezoelectric vibration electric converter W3 of the third embodiment will be described with reference to FIG.
Here, FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the configuration of the piezoelectric vibration electric converter of the third embodiment, and shows a schematic side view of the piezoelectric vibration electric converter.
The piezoelectric vibration electric converter W3 of the third embodiment is obtained by partially modifying the configuration of the piezoelectric vibration electric converter W1 of the first embodiment. Therefore, among the configurations of the piezoelectric vibration electric converter W3 of the third embodiment, the same configurations as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted or simplified.

第3実施形態の圧電振動電気変換器W3は、第1実施形態の構成に対して、さらに、重り50及び振動板10に磁石100、102、102を付けて振動板10の振動を増幅させる構成を採用したものである。
具体的には、図5に示すように、第3実施形態の圧電振動電気変換器W3は、平板11の略中央部に圧電素子12が貼付された振動板10と、対象物1に設置され固定される磁性体により形成された基盤80と、基盤80の上面に設置され且つ振動板10の両端部を支持する弾性体の第1振動板支持部20、20と、基盤80の上面に設置され且つ振動板10の略中央部を支持する固体の第2振動板支持部30と、振動板10の上面に取り付けられた重り支持部40、40と、重り支持部40、40の上に取り付けられた重り50とを有している。
なお、第3実施形態では、振動板10は、第1振動板支持部20、20よりオーバハングした状態で、第1振動板支持部20、20に取り付けられている。具体的には、振動板10は、その裏面の両端部よりも所定寸法だけ内側の位置に、第1振動板支持部20、20の上端部が取り付けられている。また、第1振動板支持部20、20、及び第2振動板支持部30は、基盤80の上面に固定されている。
In addition to the configuration of the first embodiment, the piezoelectric vibration electric converter W3 of the third embodiment has a configuration in which magnets 100, 102, and 102 are attached to the weight 50 and the diaphragm 10 to amplify the vibration of the diaphragm 10. is adopted.
Specifically, as shown in FIG. 5, the piezoelectric vibration electric converter W3 of the third embodiment includes a vibration plate 10 having a piezoelectric element 12 attached to a substantially central portion of a flat plate 11, and an object 1. A base 80 made of a fixed magnetic material, elastic first diaphragm support parts 20, 20 installed on the top surface of the base 80 and supporting both ends of the diaphragm 10, and set on the top surface of the base 80. a solid second diaphragm support portion 30 that supports approximately the central portion of the diaphragm 10; weight support portions 40, 40 attached to the upper surface of the diaphragm 10; and a weight 50 attached to it.
In the third embodiment, the diaphragm 10 is attached to the first diaphragm support parts 20, 20 in a state of overhanging from the first diaphragm support parts 20, 20. As shown in FIG. Specifically, the diaphragm 10 has the upper ends of the first diaphragm support portions 20, 20 attached at positions inside by a predetermined dimension from both ends of the rear surface thereof. Also, the first diaphragm support portions 20 and 20 and the second diaphragm support portion 30 are fixed to the upper surface of the base 80 .

さらに、第3実施形態では、「基盤80、第1振動板支持部20、20、第2振動板支持部30、振動板10、重り支持部40、40、及び重り50」は、その外周囲を中空箱状の磁性体で形成されたケース82に覆われている。 Furthermore, in the third embodiment, "the base 80, the first diaphragm support parts 20, 20, the second diaphragm support part 30, the diaphragm 10, the weight support parts 40, 40, and the weight 50" is covered with a case 82 made of a hollow box-shaped magnetic material.

また、第3実施形態の圧電振動電気変換器W3では、振動板10の下面・両端部に、磁石102、102が取り付けられている。
また、第3実施形態の圧電振動電気変換器W3では、重り50の上面に、磁石100が取り付けられている。
Magnets 102 and 102 are attached to the lower surface and both ends of the diaphragm 10 in the piezoelectric vibration electric converter W3 of the third embodiment.
Moreover, in the piezoelectric vibration electric converter W3 of the third embodiment, a magnet 100 is attached to the upper surface of the weight 50. As shown in FIG.

この構成によれば、「振動板10の取り付けた磁石102と、磁性体の基盤80との間で生じる磁力による吸引力」と、「重り50に取り付けた磁石100と、磁性体のケース82との間に生じる磁力による吸引力」の影響により、振動板10の振動を増幅させることができる。
具体的には、振動板10と基盤80との間に磁力による吸引力が作用すると、振動板10と基盤80の間の距離の2乗に応じて吸引力が大きくなる。同様に、重り50と、ケース82との間に磁力による吸引力が作用すると、重り50とケース82の間の距離の2乗に応じて吸引力が大きくなる。そのため、振動板10がより大きく振動するようになる。
したがって、第3実施形態の圧電振動電気変換器W3の構成によれば、第1実施形態のものと比べて、効率的に振動を電気信号に変換することができる。
According to this configuration, "attractive force due to the magnetic force generated between the magnet 102 attached to the diaphragm 10 and the magnetic substrate 80" and "the magnet 100 attached to the weight 50 and the magnetic case 82 The vibration of the diaphragm 10 can be amplified due to the influence of the "attraction force due to the magnetic force generated between".
Specifically, when a magnetic attractive force acts between the diaphragm 10 and the base 80 , the attractive force increases in accordance with the square of the distance between the diaphragm 10 and the base 80 . Similarly, when a magnetic attractive force acts between the weight 50 and the case 82 , the attractive force increases in accordance with the square of the distance between the weight 50 and the case 82 . Therefore, the diaphragm 10 vibrates more.
Therefore, according to the configuration of the piezoelectric vibration-electricity converter W3 of the third embodiment, vibration can be efficiently converted into an electric signal as compared with that of the first embodiment.

また、図5に示す第3実施形態では、振動板10の下面・両端部と、重り50の上面とに磁石(102、102、100)が取り付けられているが、特にこれに限定されるものではない。磁石の取り付け位置は、適宜設計されるものであり、例えば、磁石がケース82に取り付けられていても良い。
なお、第3実施形態では、磁石は、振動板10、重り50、及びケース82のうちの少なくともいずれかに取り付けられていれば良い。
また、第3実施形態では、振動板10の上面に、重り支持部40、40を介して、一体物の磁石50が取り付けられているが、特にこれに限定されるものではない。例えば、上述した第2実施形態のように、振動板10の両端部に、それぞれ、別体の重り52、52が取り付けられ、その重り52、52の上に、それぞれ、磁石(図示せず)が取り付けられた構成であっても良い。
In addition, in the third embodiment shown in FIG. 5, the magnets (102, 102, 100) are attached to the lower surface/both ends of the diaphragm 10 and the upper surface of the weight 50, but it is particularly limited to this. isn't it. The attachment position of the magnet is appropriately designed, and the magnet may be attached to the case 82, for example.
In addition, in the third embodiment, the magnet may be attached to at least one of the diaphragm 10, the weight 50, and the case 82.
In addition, in the third embodiment, the magnet 50 is attached to the upper surface of the diaphragm 10 via the weight support portions 40, 40, but the magnet 50 is not particularly limited to this. For example, as in the above-described second embodiment, separate weights 52, 52 are attached to both ends of the diaphragm 10, respectively, and magnets (not shown) are mounted on the weights 52, 52, respectively. may be attached.

《性能試験》
次に、本発明の圧電振動電気変換器に対して実施した性能試験について説明する。
"performance test"
Next, performance tests conducted on the piezoelectric vibration electrical transducer of the present invention will be described.

この性能試験では、実施例(重りあり)として、本発明の第1実施形態の圧電振動電気変換器W1を振動台に取り付け、振動台を加振させた際の、振動台の振動加速度に対する圧電素子12の出力電圧を測定し、振動台の振動加速度に対する圧電素子12の出力電圧の周波数応答関数を求めた。
また、実施例に対する比較例として、振動台に対して、重りを載せていない振動板10を弾性体の両端振動板支持材のみで取り付け、振動台を加振させた際の、振動台の振動加速度に対する圧電素子12の出力電圧を測定し、振動台の振動加速度に対する圧電素子12の出力電圧の周波数応答関数を求めた。この比較例では、重りなしの状態の振動板10の両端部が、弾性体の両端振動板支持材を介して振動台に取り付けられている。
実施例及び比較例のそれぞれの、振動動台の振動加速度に対する圧電素子12の出力電圧の周波数応答関数の大きさを示したグラフを図6に示す。
In this performance test, as an example (with a weight), the piezoelectric vibration electric transducer W1 of the first embodiment of the present invention was attached to a vibration table, and when the vibration table was vibrated, the piezoelectric vibration relative to the vibration acceleration of the vibration table was measured. The output voltage of the element 12 was measured, and the frequency response function of the output voltage of the piezoelectric element 12 with respect to the vibration acceleration of the shaking table was obtained.
In addition, as a comparative example for the embodiment, the vibration of the vibration table when the vibration table 10 with no weight placed thereon is attached to the vibration table only with elastic diaphragm support members at both ends, and the vibration table is vibrated. The output voltage of the piezoelectric element 12 with respect to acceleration was measured, and the frequency response function of the output voltage of the piezoelectric element 12 with respect to the vibration acceleration of the shaking table was obtained. In this comparative example, both ends of the diaphragm 10 without weights are attached to a vibration table via elastic both-ends diaphragm support members.
FIG. 6 is a graph showing the magnitude of the frequency response function of the output voltage of the piezoelectric element 12 with respect to the vibration acceleration of the vibrating table in each of the example and the comparative example.

図示するように、本試験では、周波数が100Hz以下において、実施例(重りありの状態の圧電振動電気変換器W1)の方が、重りなし状態の比較例と比べて、振動レベルが概ね「30~40dB」大きいことが確認された。
上記の試験結果をみると、圧電素子12からは圧電効果により電圧が発生するため、例えば、発生した電圧をデータ収録装置等にそのまま記録することができることがわかる。すなわち、本発明の構成によれば、専用のアンプを使用せずに振動を測定したり、振動を検知したりすることができる安価な圧電振動電気変換器W1、W2、W3が提供できる。なお、本発明の圧電振動電気変換器W1、W2、W3は、MEMSのように電源供給が必要でなないため、電源が不要な装置が提供できる。
As shown in the figure, in this test, at a frequency of 100 Hz or less, the vibration level of the example (piezoelectric vibration electric transducer W1 in the state with weight) was approximately "30" compared to the comparative example in the state without weight. ~40 dB” was confirmed.
From the above test results, it can be seen that since the piezoelectric element 12 generates a voltage due to the piezoelectric effect, the generated voltage can be recorded as it is in a data recording device or the like. That is, according to the configuration of the present invention, it is possible to provide inexpensive piezoelectric vibration electric transducers W1, W2, and W3 that can measure and detect vibration without using a dedicated amplifier. Note that the piezoelectric vibration electric transducers W1, W2, and W3 of the present invention do not require power supply unlike MEMS, so a device that does not require a power supply can be provided.

以上、説明したように、本発明の実施形態(第1、第2、第3実施形態)によれば、アンプと電源が不要であり且つ安価で耐久性が高い圧電振動電気変換器W1、W2、W3を提供することができる。 As described above, according to the embodiments (first, second, and third embodiments) of the present invention, the piezoelectric vibration electric converters W1 and W2 do not require an amplifier and a power supply, are inexpensive, and have high durability. , W3 can be provided.

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変更が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention.

例えば、上述した実施形態(第1、第2、第3実施形態)の振動板10は、平板11の上面に圧電素子12を貼付した構成になっているが、この構成に限定されるものではない。振動板10は、平板11の下面に圧電素子12を貼付した構成になっていても良い。 For example, the diaphragm 10 of the above-described embodiments (first, second, and third embodiments) has a configuration in which the piezoelectric element 12 is attached to the upper surface of the flat plate 11, but it is not limited to this configuration. do not have. The vibration plate 10 may have a configuration in which a piezoelectric element 12 is attached to the lower surface of a flat plate 11 .

また、本発明の圧電振動電気変換器W1、W2、W3は、振動板10や重り50を水平方向だけでなく、垂直方向や斜め方向に取り付けることもできる。 Moreover, in the piezoelectric vibration electric transducers W1, W2, and W3 of the present invention, the diaphragm 10 and the weight 50 can be attached not only horizontally but also vertically or obliquely.

本発明の実施形態(第1、第2、第3実施形態)の圧電振動電気変換器W1、W2、W3は、装置、移動体、或いは構造物の振動の測定に用いることができる。
そして、圧電振動電気変換器W1、W2、W3は、上述した通り、アンプと電源が不要であり且つ安価で耐久性が高いものになっている。その結果、本発明の圧電振動電気変換器W1、W2、W3が、例えば、装置、移動体、或いは構造物の振動に用いた場合、その費用を大幅に抑えることができる。
The piezoelectric vibration electric transducers W1, W2 and W3 of the embodiments (first, second and third embodiments) of the present invention can be used to measure vibrations of devices, moving bodies or structures.
As described above, the piezoelectric vibration electric converters W1, W2, and W3 do not require amplifiers and power supplies, and are inexpensive and highly durable. As a result, when the piezoelectric vibration electric transducers W1, W2 and W3 of the present invention are used for vibration of a device, a moving body or a structure, the cost can be greatly reduced.

また、本実施形態(第1、第2、第3実施形態)の圧電振動電気変換器W1、W2、W3は、振動発電に用いることができる。圧電素子を用いた発電として、既に床発電等が開発されているが、これまでのものは人等が振動板を直接踏む場合に発電する装置が多かった。
しかし、本実施形態(第1、第2、第3実施形態)の圧電振動電気変換器W1、W2、W3の構成によれば、近傍で発生する振動により振動板10を振動させて発電することができる。その結果、本発明の実施形態(第1、第2、第3実施形態)の圧電振動電気変換器W1、W2、W3を振動発電に用いた場合、より多くの発電量が得られることが期待される。
例えば、本実施形態(第1、第2、第3実施形態)の圧電振動電気変換器W1、W2、W3、は、人が踏むところだけでなく、道路や線路等に敷設されることで、自動車や鉄道が通行する際の振動を利用した振動発電にも適用される。
Moreover, the piezoelectric vibration electric converters W1, W2, and W3 of the present embodiments (first, second, and third embodiments) can be used for vibration power generation. Floor power generation and the like have already been developed as power generation using piezoelectric elements, but most of the devices up until now have generated power when a person or the like directly steps on the diaphragm.
However, according to the configuration of the piezoelectric vibration electric converters W1, W2, and W3 of the present embodiments (first, second, and third embodiments), the vibrating plate 10 is vibrated by vibrations generated nearby to generate power. can be done. As a result, when the piezoelectric vibration electric converters W1, W2, and W3 of the embodiments (first, second, and third embodiments) of the present invention are used for vibration power generation, it is expected that a larger amount of power generation can be obtained. be done.
For example, the piezoelectric vibration-electric converters W1, W2, and W3 of the present embodiments (first, second, and third embodiments) can It can also be applied to vibration power generation using the vibrations of cars and trains passing by.

1…対象物

W1、W2、W3…圧電振動電気変換器
10…振動板
11…平板
12…圧電素子
20…第1振動板支持部
30…第2振動板支持部
40…重り支持部
50…重り
52…重り
70…出力線
80…基盤
82…ケース
100、102…磁石
1 ... Object

W1, W2, W3 Piezoelectric vibration electric converter 10 Diaphragm 11 Flat plate 12 Piezoelectric element 20 First diaphragm support 30 Second diaphragm support 40 Weight support 50 Weight 52 Weight 70 ... output line 80 ... base 82 ... case 100, 102 ... magnet

Claims (5)

圧電素子を備えており、対象物の振動を電気信号に変換する圧電振動電気変換器であって、
略中央部に前記圧電素子が貼付された振動板と、
前記対象物に設置され且つ前記振動板の両端部やその近傍或いは周囲を支持する、弾性体の第1振動板支持部と、
前記対象物に設置され且つ前記振動板の略中央部を支持する第2振動板支持部と、
前記振動板に取り付けられた重りとを有し、
前記対象物の振動による前記重りの慣性力で前記振動板にひずみを発生させて前記圧電素子が自体に発生する該ひずみを電気信号に変換するようになっていることを特徴とする圧電振動電気変換器。
A piezoelectric vibration-to-electricity converter that includes a piezoelectric element and converts the vibration of an object into an electrical signal,
a diaphragm to which the piezoelectric element is attached substantially in the center;
an elastic first diaphragm supporting portion that is installed on the object and supports both ends, the vicinity thereof, or the periphery of the diaphragm;
a second diaphragm supporting portion installed on the object and supporting a substantially central portion of the diaphragm;
a weight attached to the diaphragm;
A piezoelectric vibrating electricity characterized in that strain is generated in the vibration plate by the inertial force of the weight due to the vibration of the object, and the strain generated in the piezoelectric element itself is converted into an electric signal. converter.
前記重りは、前記振動板の両端に渡る一体物で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動電気変換器。 2. The piezoelectric vibratory electrical converter of claim 1, wherein said weight is formed in one piece extending across said diaphragm. 前記重りは、前記振動板の両端部あるいは周縁部にそれぞれ取り付けられていることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動電気変換器。 2. The piezoelectric vibration-electricity converter according to claim 1, wherein said weights are attached to both ends or a peripheral edge of said diaphragm. 圧電素子を備えており、対象物の振動を電気信号に変換する圧電振動電気変換器であって、
略中央部に前記圧電素子が貼付された振動板と、
前記対象物に設置される磁性体により形成された基盤と、
前記基盤に設置され且つ前記振動板の両端部やその近傍或いは周囲を支持する、弾性体の第1振動板支持部と、
前記基盤に設置され且つ前記振動板の略中央部を支持する第2振動板支持部と、
前記振動板の上面に取り付けられた重りとを有し、
前記対象物の振動による重りの慣性力で前記振動板にひずみを発生させて前記圧電素子が自体に発生する該ひずみを電気信号に変換するようになっており、
前記基盤、前記第1振動板支持部、前記第2振動板支持部、前記振動板及び前記重りは、その外周囲を中空箱状の磁性体で形成されたケースに覆われており、
前記重り、前記振動板及び前記ケースのうちの少なくともいずれかに、前記振動板の振動を増幅する磁石が取り付けられていることを特徴とする圧電振動電気変換器。
A piezoelectric vibration-to-electricity converter that includes a piezoelectric element and converts the vibration of an object into an electrical signal,
a diaphragm to which the piezoelectric element is attached substantially in the center;
a base made of a magnetic material installed on the object;
an elastic first diaphragm supporting portion that is installed on the base and supports both ends, the vicinity thereof, or the periphery of the diaphragm;
a second diaphragm supporting portion installed on the base and supporting a substantially central portion of the diaphragm;
a weight attached to the upper surface of the diaphragm;
The inertial force of the weight caused by the vibration of the object causes the vibration plate to generate strain, and the piezoelectric element converts the strain generated in itself into an electric signal,
The base, the first diaphragm support part, the second diaphragm support part, the diaphragm and the weight are covered with a case formed of a hollow box-shaped magnetic material, and
A piezoelectric vibration-electricity converter, wherein a magnet for amplifying vibration of the diaphragm is attached to at least one of the weight, the diaphragm and the case.
圧電素子を用いて、対象物の振動を電気信号に変換する圧電振動電気変換方法であって、
平板の略中央部に前記圧電素子を貼付して振動板を形成し、
前記振動板の両端部やその近傍或いは周囲を支持する、弾性体の第1振動板支持部と、前記振動板の略中央部を支持する第2振動板支持部とを介して、前記対象物に前記振動板を取り付け、
さらに、前記振動板に重りを取り付け、
前記対象物の振動による重りの慣性力で前記振動板にひずみを発生させて前記圧電素子に自体に発生する該ひずみを電気信号に変換させることを特徴とする圧電振動電気変換方法。
A piezoelectric vibration-to-electricity conversion method for converting vibration of an object into an electrical signal using a piezoelectric element,
forming a vibration plate by attaching the piezoelectric element to a substantially central portion of a flat plate;
Through a first elastic diaphragm supporting portion that supports both ends, the vicinity thereof, or the periphery of the diaphragm, and a second diaphragm supporting portion that supports a substantially central portion of the diaphragm, the object is Attach the diaphragm to
Furthermore, a weight is attached to the diaphragm,
A method of converting piezoelectric vibrations to electricity, wherein strain is generated in the vibration plate by inertial force of a weight due to vibration of the object, and the strain generated in the piezoelectric element itself is converted into an electric signal.
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