WO2020230509A1 - 振動発電装置 - Google Patents
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
Definitions
- This disclosure relates to a vibration power generator.
- Piezoelectric elements are elements that generate voltage by inducing electric polarization by applying pressure in a specific direction. By using a piezoelectric element, mechanical displacement can be converted into a voltage to generate electricity. Vibration is a familiar mechanical displacement. If power can be generated by vibration, it will be possible to operate electronic devices almost everywhere without preparing a power source.
- vibration power generation device As a vibration power generation device that generates power using vibration, there is a method of using a vibration piezoelectric body in which a piezoelectric element is attached to a vibration plate.
- the external vibration that can be generally used is weak, it is difficult to obtain a sufficient amount of power generation in the case of a simple vibration piezoelectric material. Further, there is a problem that power cannot be generated unless the natural frequency of the vibrating piezoelectric body and the vibration match.
- a second vibrating piezoelectric body that has a weight and a spring and bends and vibrates in synchronization with the swing of the first member on the swinging first member in order to increase the amount of power generation.
- a vibration power generation device to which the member is attached is being studied (see, for example, Patent Document 1). The energy of the external vibration is converted into a oscillating motion by the first member and transmitted to the second member, thereby increasing the bending motion of the second member and increasing the amount of power generation.
- the support base including a first weight and having a shape having rotational symmetry in a plan view, a plurality of elastic bodies supporting the support base, and the support base.
- a plurality of power generation elements are provided, the support base and the plurality of elastic bodies form a first resonator, the plurality of power generation elements form a second resonator, and the plurality of power generation elements are the same.
- the plurality of elastic bodies are arranged rotationally symmetrically with respect to the center of gravity of the support base, and the plurality of elastic bodies are arranged rotationally symmetrically with respect to the center of gravity of the support base.
- the conventional vibration power generation device described above swings in a random direction even when vibration is applied to the first member in the vertical direction, the vibration direction of the first member and the vibration direction of the second member are different. It does not always match, and the maximum amount of power generation that can be obtained increases, but there is a problem that the variation also increases.
- vibration power generation device 100 of the present disclosure will be described.
- the vibration power generation device 100 of the present embodiment includes a support base 101, a coil spring which is a support elastic member 102 that supports the support base 101, and a plurality of power generators attached to the support base 101. It includes an element 103. Further, the vibration power generation device 100 is housed in the housing 106.
- the support base 101 to which the power generation element 103 is attached and the support elastic member 102 form a first resonator having a first natural frequency, and the power generation element 103 sets the second natural frequency. It constitutes a second resonator to have.
- the support base 101 of the present embodiment has a rectangular base portion 111 in a plan view and a first weight member 112 fixed to the back surface of the base portion 111.
- the center of gravity of the base portion 111 itself coincides with the center of gravity of the support base 101 in a state where the first weight member 112 (first weight) is attached to the base portion 111.
- the base portion 111 has a planar rectangular shape, so that the bias of the mass of the base portion 111 can be easily reduced and the center of gravity can be easily grasped. This facilitates the arrangement of the power generation element 103 and the arrangement design of the support elastic member 102. In addition, there is an advantage that the space can be used efficiently.
- the base portion 111 is not limited to a square shape, but has a plane shape having a rotational symmetry of two or more times in a plane view such as a regular triangle shape, a regular polygonal shape, or a circular shape in which the position of the center of gravity is easily determined. Can be done.
- the base portion 111 includes a central portion 113 which is a recess for accommodating and fixing the first weight member 112 (first weight), and a collar-shaped portion 114 arranged on both sides of the central portion 113. have.
- the central portion 113 a concave portion
- the first weight member 112 can be easily fixed. Further, it becomes easy to secure the strength of the base portion 111.
- the support elastic member 102 elastic body
- the base portion 111 is not limited to such a shape, and for example, the entire base portion 111 may be a flat plate.
- the first weight member 112 is separate from the base portion 111. This facilitates the adjustment of the mass of the support base 101. However, as long as the required mass can be satisfied as the entire support base 101, the base portion 111 and the first weight member 112 can be integrated. Further, in the present embodiment, the first weight member 112 is one, but the first weight member 112 can be divided into a plurality of parts. In this way, the mass of the first weight member can be easily adjusted.
- the number of power generation elements 103 is two, and the configurations of the two power generation elements 103 are the same.
- the power generation element 103 of the present embodiment has a leaf spring 131 integrated with the piezoelectric element and a second weight member 132 attached to the leaf spring 131.
- the other end (fixed end) opposite to the end (free end) in the vicinity where the second weight member 132 (second weight) is attached is fixed to the mounting base 133.
- the mounting base 133 is provided on the surface of the base portion 111.
- the power generation element 103 of the present embodiment has a so-called cantilever structure.
- the main surface of the leaf spring 131 faces and is separated from the main surface of the base portion 111, and the free end to which the second weight member 132 is attached swings with the fixed end fixed to the mounting base 133 as a fulcrum. It is possible.
- the power generation element 103 is not limited to such a configuration as long as it has a second natural frequency and can convert the vibration into electrical energy.
- the second weight member 132 is provided on the leaf spring 131 so as to be located slightly inside the end portion, but is provided on the free end of the leaf spring 131 so as to be located on the outermost side. It may be provided. That is, in the present embodiment, the second weight member 132 is provided so as to be adjacent to the free end of the leaf spring 131 instead of the free end of the leaf spring 131, but may be provided at the free end. ..
- the mounting base 133 is a block body mounted on the surface of the base portion 111.
- the mounting base 133 may have any configuration as long as it can hold one end of the leaf spring 131 so that it does not come into contact with the base portion 111 when the leaf spring 131 vibrates.
- the power generation element 103 preferably has the main surface of vibration located at the center of vibration, and by mounting the main surface of the leaf spring 131 so as to be parallel to the main surface of the base portion 111, the support base 101 vibrates in the vertical direction. It can be used efficiently by matching the vibration direction with. However, as long as the reduction of vibration due to the inclination of the main surface of vibration can be tolerated, it may not be completely parallel, and may be deviated from parallel by, for example, about ⁇ 30 °.
- the second weight member 132 is attached near the end opposite to the fixed end of the leaf spring 131, but it is preferable that the attachment position of the second weight member 132 can be adjusted.
- the natural frequency of the power generation element 103 can be adjusted by shifting the position of the second weight member 132 on the leaf spring 131.
- the mounting base 133 has a shape rotationally symmetric with respect to the center of gravity G of the support base 101, and the two power generation elements 103 are arranged rotationally symmetrically with respect to the center of gravity of the support base 101. ..
- the center of gravity of the support base 101 can be aligned between the state in which the power generation element 103 is attached and the state in which the power generation element 103 is not attached.
- the two power generation elements 103 extend in opposite directions from the support base 101 and are arranged so as to be located on the same line, but the two power generation elements 103 rotate with respect to the center of gravity G of the support base 101. It suffices if they can be arranged symmetrically. For example, as shown in FIG. 4, they can be arranged in antiparallel to each other. Further, the number of power generation elements 103 is not limited to two, and may be three or more. For example, in the case of three pieces, as shown in FIG. 5, they can be arranged radially from the position of the center of gravity of the support base 101.
- the support elastic member 102 of the present embodiment is six compression coil springs arranged between the bottom surface 161 of the housing 106 and the support base 101.
- the sizes and lengths of the six coil springs are the same, and the spring constants are also the same.
- the six coil springs are arranged symmetrically with respect to the center line of the support 101 in which the two power generation elements 103 are attached. Specifically, three coil springs are arranged at the midpoint and both ends of one side of the base portion 111, and three coil springs are arranged at the midpoint and both ends of the other side facing each other.
- the support base 101 can be supported without bias.
- the arrangement of the coil springs is not limited to such an arrangement, and other arrangements can be made as long as they are rotationally symmetrical with respect to the center of gravity of the support base 101.
- the vibration power generation device 100 of the present embodiment employs the shape of the base portion 111, the shape and arrangement of the weight member 112, and the arrangement of the power generation element 103 so that the bias of the mass of the support base 101 is as small as possible. .. Further, the support base 101 is supported by a plurality of coil springs, and the plurality of coil springs are arranged so as to be rotationally symmetric with respect to the center of gravity of the support base 101. As a result, the center of gravity can be positioned at the center of vibration, rolling can be less likely to occur due to the balance effect due to the symmetrical arrangement, and the support base 101 can be stably vibrated in the vertical direction.
- the leaf spring 131 is attached substantially parallel to the support 101, and the direction in which the displacement is maximum (vibration direction) is the vertical direction. Therefore, the vibration direction of the support base 101 and the vibration direction of the power generation element 103 can be matched by reducing the rolling of the support base 101 and causing the support base 101 to vibrate stably in the vertical direction. Therefore, the generated power can be increased and stabilized.
- the first natural frequency f1 of the first resonator and the second natural frequency f2 of the second resonator are substantially the same.
- the power generation element 103 vibrates in resonance with the vibration of the support base 101, so that vibration power generation can be performed more efficiently.
- the fact that f1 and f2 are substantially the same means that the difference between f1 and f2 is ⁇ 15% or less, preferably ⁇ 10% or less, and more preferably ⁇ 5% or less of f1.
- the natural frequency of the resonator can be obtained as 1 / 2 ⁇ (k / m) 1/2 , where m is the mass constituting the resonator and k is the spring constant.
- the spring constant means the combined total spring constant. If there are variations in the input vibration, it may be better to set the difference between f1 and f2 to some extent.
- the support elastic member 102 has six coil springs, but it is preferable that the number of coil springs is four or more from the viewpoint of suppressing rolling. If the arrangement is designed so as to be balanced, the number of coil springs can be set to 2 or 3. Further, the supporting elastic member 102 is not limited to the coil spring, but may be a leaf spring, rubber, or the like.
- the coil spring which is the support elastic member 102, has a truncated cone-shaped support protrusion 114A provided on the flange-shaped portion 114 and a truncated cone-shaped bottom protrusion provided on the bottom surface 161 of the housing 106. It is fixed by sandwiching it with 161A. With such a configuration, since the coil spring is not fixed to the base portion 111, the coil spring can be easily replaced. However, the support elastic member 102 can be attached to the base portion 111 by another method.
- the upper elastic member 107 is provided between the upper surface of the flange-shaped portion 114 and the top surface 162 of the housing 106.
- the upper elastic member 107 is four compression coil springs.
- the upper elastic member 107 is provided so as not to separate the support base 101 and the support elastic member 102 when a large vibration is input. Therefore, as the upper elastic member 107, an elastic body having a spring constant of about 1/10 or less as compared with the support elastic member 102 can be used. By using the upper elastic member 107 having a small spring constant, it is possible to prevent the natural frequency of the first resonator composed of the support base 101 and the support elastic member 102 from being significantly affected.
- the upper elastic member 107 may not be provided. Further, the upper elastic member 107 is not limited to the coil spring, and for example, a cushion material formed of silicon rubber or the like can be used.
- the upper elastic member 107 which is a coil spring, is fitted in the ring-shaped recess 114B provided on the upper surface of the flange-shaped portion 114. With such a configuration, the positioning of the upper elastic member 107 becomes easy.
- the method of attaching the upper elastic member 107 is not limited to such a method.
- a columnar portion 163 is provided between the bottom surface 161 and the top surface 162 of the housing 106.
- the strength of the housing can be improved by providing the columnar portion 163, and if the columnar portion 163 is arranged so as to penetrate the coil spring, the coil spring can be easily attached.
- the vibration power generation device 100 can be protected and the reliability can be improved.
- the bottom surface of the housing 106 may be installed below the gravity direction and the top surface may be installed above the gravity direction, and the housing 106 may be mounted on a structure or the like that is a source of vibration with the bottom surface facing down. Not only that, it can also be attached so as to be suspended under a structure or the like with the top surface 162 of the housing 106 facing up.
- the housing 106 may be used as needed, and the vibration power generation device 100 may not be housed in the housing 106.
- the power generation element 103 has the piezoelectric element 134 integrated with the leaf spring 131.
- the piezoelectric element 134 has a lower electrode 135, an upper electrode 136, and a piezoelectric layer 137 sandwiched between the lower electrode 135 and the upper electrode 136.
- the piezoelectric element 134 integrated with the leaf spring 131 is also deformed, so that electric power is generated.
- the electric power generated in the piezoelectric element 134 can be taken out to the outside through the lower electrode 135 and the upper electrode 136.
- the piezoelectric element 134 is provided on one surface of the leaf spring 131, but it can also be provided on both sides.
- the piezoelectric layer 137 can be a film made of a ceramic material, a single crystal material, or the like. For example, a film made of lead zirconate titanate, aluminum nitride, lithium tantalate, lithium niobate, or the like can be used. Further, the piezoelectric layer 137 can be a film to which compressive stress is applied. This makes it possible to greatly deform the piezoelectric layer 137.
- the power generation element 103 has a resonator structure having a cantilever structure.
- the power generation element 103 is not limited to such a configuration, and a second resonator is formed to generate vibration energy. Anything that can be converted into electrical energy will do.
- the vibration power generation device of the present embodiment can stably generate power with respect to the input vibration, it can be used as the sensor itself for monitoring the vibration or as the power source for the sensor for monitoring the vibration.
- it can be used as a device for monitoring vibration of a device, a device, or a device having a motor, an engine, or the like. It can also be used as a device for monitoring the vibration of buildings such as buildings, bridges, railways or roads.
- the vibration power generation device 100 of one aspect of the present disclosure includes a first weight member 112 (first weight), a support base 101 having a shape having rotational symmetry in a plan view, and a plurality of support elastic supports the support base 101.
- a member 102 (elastic body) and a plurality of power generation elements 103 provided on the support base 101 are provided, and the support base 101 and the plurality of support elastic members 102 (elastic body) form a first resonator, and a plurality of members 102 (elastic body) are provided.
- the power generation element 103 constitutes the second resonator, the plurality of power generation elements 103 are arranged rotationally symmetrically with respect to the center of gravity of the support base 101, and the plurality of support elastic members 102 (elastic bodies) of the support base 101. It is arranged rotationally symmetrically with respect to the center of gravity.
- the support base 101 is rectangular in a plan view, has four corners, and each of the four support elastic members 102 (elastic body) is a support base. It is arranged in the corresponding one of the four corners of 101.
- the plurality of supporting elastic members 102 are metal springs.
- each of the plurality of power generation elements 103 includes a leaf spring 131, a second weight member 132, and a piezoelectric element 134, and the main surface of the power generation element 103 is a support 101.
- the leaf spring 131 is provided with the piezoelectric element 134 and the second weight member 132, and the leaf spring 131 has one end fixed to the support base 101 and the other end. Is swingable, and the second weight member 132 is provided so as to be adjacent to the other end of the leaf spring 131 or the other end of the leaf spring 131.
- the difference between the natural frequency of the first resonator and the natural frequency of the second resonator is ⁇ 15 of the natural frequency of the first resonator. % Or less.
- the vibration power generation device of the present disclosure can stably generate power with respect to the input vibration, it can be used as a device for monitoring various vibrations.
- Vibration power generator 101 Support base 102 Support elastic member (elastic body) 103 Power generation element 106 Housing 107 Upper elastic member 111 Base portion 112 First weight member (first weight) 113 Central part 114 Claw-shaped part 114A Support part protrusion 131 Leaf spring 132 Second weight member (second weight) 133 Mounting base 134 Piezoelectric element 135 Lower electrode 136 Upper electrode 137 Piezoelectric layer 161 Bottom surface 161A Bottom surface protrusion 162 Top surface 163 Columnar part
Abstract
振動発電装置は、錘を含み、平面視において回転対称性を有する形状である支持台と、前記支持台を支える複数の弾性体と、前記支持台に設けられた複数の発電素子と、を備え、前記支持台と前記複数の弾性体とが第１共振器を構成し、前記複数の発電素子が第２共振器を構成し、前記複数の発電素子は、前記支持台の重心に対して回転対称に配置され、前記複数の弾性体は、前記支持台の重心に対して回転対称に配置されている。
Description
本開示は、振動発電装置に関する。
圧電素子は、特定方向に圧力を加えることにより、電気分極が誘起されて電圧を発生させる素子である。圧電素子を利用することにより、機械的変位を電圧に変換して、発電することができる。身近な機械的変位として、振動がある。振動により発電することができれば、ほとんどあらゆる所において電源を用意することなく電子機器を動作させることが可能になる。
振動を利用して発電を行う振動発電装置として、圧電素子が振動板に取り付けられた振動圧電体を用いる方法がある。しかし、一般的に利用できる外部振動は弱いため、単純な振動圧電体の場合、十分な発電量を得ることが困難である。さらに、振動圧電体の固有周波数と振動とが一致していなければ発電できないという問題もある。
発電量を大きくするために、錘とバネとを有し、揺動する第１の部材に、第１の部材の揺動に同期して屈曲振動する振動圧電体（発電素子）である第２の部材を取り付けた振動発電装置が検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。外部振動のエネルギーを第１の部材により揺動運動に変換して、第２の部材に伝達することにより、第２の部材の屈曲運動を大きくして発電量を増大させている。
本開示の振動発電装置の一態様は、第１錘を含み、平面視において回転対称性を有する形状である支持台と、前記支持台を支える複数の弾性体と、前記支持台に設けられた複数の発電素子と、を備え、前記支持台と前記複数の弾性体とが第１共振器を構成し、前記複数の発電素子が第２共振器を構成し、前記複数の発電素子は、前記支持台の重心に対して回転対称に配置され、前記複数の弾性体は、前記支持台の重心に対して回転対称に配置されている。
上述した従来の振動発電装置は、第１の部材に垂直方向に振動を加えても、ランダムな方向に揺動するため、第１の部材の振動方向と、第２の部材の振動方向とが必ずしも一致せず、得られる最大発電量は大きくなるが、ばらつきも大きくなるという問題がある。電子機器を動作させるための電源として考えた場合、最大発電量を大きくするよりも、一定の振動に対して安定して一定の発電量が得られる方が好ましい。
ここで本開示の振動発電装置１００について説明する。
（実施形態）
図１～図３に示すように、本実施形態の振動発電装置１００は、支持台１０１と、支持台１０１を支える支持弾性部材１０２であるコイルばねと、支持台１０１に取り付けられた複数の発電素子１０３とを備えている。また、振動発電装置１００は、筐体１０６に収容されている。本実施形態において、発電素子１０３が取り付けられた支持台１０１と支持弾性部材１０２とにより第１の固有振動数を有する第１の共振器が構成され、発電素子１０３が第２の固有振動数を有する第２の共振器を構成している。
図１～図３に示すように、本実施形態の振動発電装置１００は、支持台１０１と、支持台１０１を支える支持弾性部材１０２であるコイルばねと、支持台１０１に取り付けられた複数の発電素子１０３とを備えている。また、振動発電装置１００は、筐体１０６に収容されている。本実施形態において、発電素子１０３が取り付けられた支持台１０１と支持弾性部材１０２とにより第１の固有振動数を有する第１の共振器が構成され、発電素子１０３が第２の固有振動数を有する第２の共振器を構成している。
本実施形態の支持台１０１は、平面視において方形状の基盤部１１１と、基盤部１１１の裏面に固定された第１錘部材１１２とを有している。本実施形態において、基盤部１１１自体の重心と、基盤部１１１に第１錘部材１１２（第１錘）を取り付けた状態の支持台１０１の重心とは一致している。
本実施形態において、基盤部１１１は平面方形状であり、基盤部１１１の質量の片寄りを容易に小さくすることができると共に、重心の把握も容易となる。これにより、発電素子１０３の配置や、支持弾性部材１０２の配置設計が容易となる。また、スペースを効率良く利用できるという利点がある。但し、基盤部１１１は、方形状に限らず容易に重心位置が決まる形状、例えば正三角形状、正多角形状又は円形状等の平面視において２回以上の回転対称性を有する平面形状とすることができる。
本実施形態において、基盤部１１１は、第１錘部材１１２（第１錘）を収容して固定する凹部となった中央部１１３と、中央部１１３の両側方に配置された鍔状部１１４とを有している。中央部１１３を凹部とすることにより、第１錘部材１１２の固定が容易となる。また、基盤部１１１の強度を確保することも容易となる。さらに、鍔状部１１４を設けることにより、支持弾性部材１０２（弾性体）の取り付けが容易となる。但し、基盤部１１１は、このような形状に限らず、例えば、全体を平板とすることもできる。
本実施形態において、第１錘部材１１２を基盤部１１１と別体としている。これにより、支持台１０１の質量の調整が容易となる。但し、支持台１０１全体として必要な質量を満たすことができればよく、基盤部１１１と第１錘部材１１２とを一体とすることもできる。また、本実施形態において、第１錘部材１１２は１つであるが、第１錘部材１１２を複数に分割することもできる。このようにすれば、第１錘部材の質量を容易に調整することができる。
本実施形態において発電素子１０３の数は２個であり、２個の発電素子１０３の構成は同じである。図２および図３に示すように、本実施形態の発電素子１０３は、圧電素子と一体になった板ばね１３１と、板ばね１３１に取り付けられた第２錘部材１３２とを有している。板ばね１３１は、第２錘部材１３２（第２錘）が取り付けられたた付近の端部（自由端）と反対側の他方の端部（固定端）が取り付け台１３３に固定されている。取り付け台１３３は基盤部１１１の表面に設けられている。本実施形態の発電素子１０３は、いわゆる片持ち梁構造を有している。板ばね１３１は、主面が基盤部１１１の主面と対向し且つ離間しており、取り付け台１３３に固定された固定端を支点として、第２錘部材１３２が取り付けられた自由端が揺動可能となっている。但し、発電素子１０３は、第２の固有振動数を有し、振動を電気エネルギーに変換できれば、このような構成に限定されない。
なお、本実施の形態においては、第２錘部材１３２は、端部より少し内側に位置するように板ばね１３１に設けられているが、最も外側に位置するように板ばね１３１の自由端に設けてられてもよい。つまり、本実施の形態では、第２錘部材１３２は、板ばね１３１の自由端ではなく、板ばね１３１の自由端に隣接するように設けられているが、自由端に設けられていてもよい。
本実施形態において、取り付け台１３３は基盤部１１１の表面に取り付けられたブロック体とした。しかし、取り付け台１３３は、板ばね１３１の一方の端部を保持し、板ばね１３１が振動した際に基盤部１１１と接触しないようにできれば、どのような構成としてもよい。
発電素子１０３は、振動の主面が振動中心に位置することが好ましく、板ばね１３１の主面が基盤部１１１の主面と平行になるように取り付けることにより、支持台１０１の上下方向の振動と振動方向を一致させて効率良く利用できる。但し、振動の主面が傾くことによる振動の減少を許容できる範囲であれば、完全に平行となっていなくてもよく、例えば±３０°程度平行からずれていてもよい。
本実施形態において、第２錘部材１３２は、板ばね１３１の固定端と反対側の端部付近に取り付けているが、第２錘部材１３２の取り付け位置は調整できるようにすることが好ましい。第２錘部材１３２の板ばね１３１上の位置をずらすことにより、発電素子１０３の固有振動数を調整することができる。
本実施形態において、取り付け台１３３は支持台１０１の重心Ｇに対して回転対称な形状を有しており、２つの発電素子１０３は、支持台１０１の重心に対して回転対称に配置されている。これにより、２個の発電素子１０３が取り付けられた状態の支持台１０１の質量の片寄りを小さくすることができる。また、発電素子１０３が取り付けられた状態と、取り付けられていない状態とで、支持台１０１の重心を一致させることができる。
本実施形態において２個の発電素子１０３が、互いに支持台１０１から逆方向に延伸し、同一線上に位置するように配置されている例を示したが、支持台１０１の重心Ｇに対して回転対称に配置できればよい。例えば、図４に示すように、互いに逆並行に配置することもできる。また、発電素子１０３の数は、２個に限らず、３個以上であってもよい。例えば、３個の場合には図５に示すように、支持台１０１の重心位置から放射状に配置することができる。
本実施形態の支持弾性部材１０２は、筐体１０６の底面１６１と支持台１０１との間に配置された６個の圧縮コイルばねである。６個のコイルばねの大きさ及び長さは揃っており、ばね定数も揃っている。６個のコイルばねは、２つの発電素子１０３が取り付けられた状態の支持台１０１の中心線に対して対称に配置されている。具体的には基盤部１１１の一の辺の中点及び両端部に３個のコイルばねが配置され、対向する他辺の中点及び両端部に３個のコイルばねが配置されている。これにより、支持台１０１を片寄りなく支持することができる。但し、コイルばねの配置はこのような配置に限らず、支持台１０１の重心に対して回転対称となっていれば、他の配置とすることができる。
本実施形態の振動発電装置１００は、支持台１０１の質量の片寄りができるだけ小さくなるような、基盤部１１１の形状、錘部材１１２の形状及び配置、並びに発電素子１０３の配置を採用している。また、支持台１０１を複数のコイルばねにより支持すると共に、複数のコイルばねを支持台１０１の重心に対して回転対称となるように配置している。これにより、振動の中心に重心が位置するようにでき、対称配置によるバランス効果により横揺れを生じにくくすることができ、支持台１０１を上下方向に安定して振動させることができる。
また、片持ち梁構造の発電素子１０３は、板ばね１３１が支持台１０１とほぼ平行に取り付けられており、その変位が最も大きくなる方向（振動方向）は上下方向となっている。このため、支持台１０１の横揺れを低減して上下方向に安定して振動させることにより、支持台１０１の振動方向と発電素子１０３の振動方向とを一致させることができる。したがって、発電電力を大きくすると共に安定させることができる。
本実施形態の振動発電装置１００は、第１の共振器の第１の固有振動数ｆ１と、第２の共振器の第２の固有振動数ｆ２とを略一致させることが好ましい。これにより、支持台１０１の振動に共振して発電素子１０３が振動するため、さらに効率良く振動発電を行うことができる。なお、ｆ１とｆ２とが略一致しているとは、ｆ１とｆ２との差が、ｆ１の±１５％以下、好ましくは±１０％以下、より好ましくは±５％以下であることである。なお、共振器の固有振動数は、共振器を構成する質量をｍ、ばね定数をｋとすると、１／２π（ｋ／ｍ）1/2として求めることができる。なお、本実施形態のように、共振器を構成する弾性部材が複数のばね等により構成されている場合には、そのばね定数は合成された全体のばね定数を意味する。なお、入力される振動にばらつきがある場合は、ｆ１とｆ２との差をある程度大きく設定した方がよい場合もある。
本実施形態において、支持弾性部材１０２を６個のコイルばねとしたが、横揺れを抑える観点からコイルばねの数は４個以上とすることが好ましい。なお、バランスが取れるように配置を設計すれば、コイルばねの数を２個又は３個とすることもできる。また、支持弾性部材１０２はコイルばねに限らず、板ばねやゴム等とすることもできる。
本実施形態において、支持弾性部材１０２であるコイルばねは、鍔状部１１４に設けられた円錐台状の支持部突部１１４Ａと筐体１０６の底面１６１に設けられた円錐台状の底面突部１６１Ａとの間に挟むことにより固定している。このような構成とすれば、コイルばねが基盤部１１１に固着されていないため、コイルばねの交換が容易となる。但し、基盤部１１１への支持弾性部材１０２の取り付けは、他の方法により行うこともできる。
本実施形態においては、鍔状部１１４の上面と筐体１０６の天面１６２との間に上側弾性部材１０７を設けている。本実施形態においては、上側弾性部材１０７は４個の圧縮コイルばねである。上側弾性部材１０７は、大きな振動が入力された際に、支持台１０１と支持弾性部材１０２とが分離しないようにするために設けられている。このため、上側弾性部材１０７は、支持弾性部材１０２と比べてばね定数が１／１０程度又はそれ以下の弾性体を用いることができる。上側弾性部材１０７にばね定数が小さいものを用いることにより、支持台１０１と支持弾性部材１０２とにより構成される第１の共振器の固有振動数に大きな影響を与えないようにすることができる。なお、支持台１０１と支持弾性部材１０２とが分離しないように固定されている場合には、上側弾性部材１０７を設けなくてもよい。また、上側弾性部材１０７はコイルばねに限らず、例えばシリコンゴムにより形成されたクッション材等を用いることもできる。
本実施形態において、コイルばねである上側弾性部材１０７は、鍔状部１１４の上面に設けられたリング状凹部１１４Ｂにはめ込まれている。このような構成とすることにより、上側弾性部材１０７の位置決めが容易となる。但し、上側弾性部材１０７の取り付け方法はこのような方法に限定されない。
本実施形態において、筐体１０６の底面１６１と天面１６２との間には、柱状部１６３が設けられている。柱状部１６３を設けることにより筐体の強度を向上させることができると共に、柱状部１６３がコイルばねを貫通するように配置すれば、コイルばねの取付が容易となる。
本実施形態のように、振動発電装置１００を筐体１０６内に収容することにより、振動発電装置１００を保護することができ、信頼性を向上させることができる。また、筐体１０６の底面を重力方向の下方に、天面を重力方向の上方にして設置すればよく、振動の供給源となる構造物等の上に筐体１０６の底面を下にして取り付けるだけでなく、構造物等の下に筐体１０６の天面１６２を上にして吊り下げるように取り付けることもできる。但し、筐体１０６は必要に応じて用いればよく、振動発電装置１００は、筐体１０６に収容されていなくてもよい。
本実施形態においては、発電素子１０３は、図６に示すように、板ばね１３１と一体となった圧電素子１３４を有している。圧電素子１３４は、下部電極１３５、上部電極１３６、及び下部電極１３５と上部電極１３６との間に挟まれた圧電体層１３７を有している。板ばね１３１が弾性変形すると、板ばね１３１と一体となった圧電素子１３４も変形するため、電力が発生する。圧電素子１３４に生じた電力は、下部電極１３５及び上部電極１３６を介して外部に取り出すことができる。本実施形態において、圧電素子１３４を板ばね１３１の一方の面に設けたが、両面に設けることもできる。
圧電体層１３７は、セラミクス材料又は単結晶材料等からなる膜とすることができる。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、窒化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等からなる膜とすることができる。また、圧電体層１３７は、圧縮応力を付与した膜とすることができる。これにより、圧電体層１３７を大きく変形させることが可能となる。
なお、本実施形態において、発電素子１０３を片持ち梁構造の共振器構造を有する構成としたが、発電素子１０３はこのような構成に限らず、第２の共振器を形成し、振動エネルギーを電気エネルギーに変換できるものであればよい。
本実施形態の振動発電装置は、入力された振動に対して安定して発電することができるため、振動をモニタリングするセンサ自体又は振動をモニタリングするセンサの電源等として用いることができる。具体例としては、モータ若しくはエンジン等を有する機器、装置又は設備等の振動をモニタリングする装置に用いることができる。また、建物、橋、鉄道又は道路等の建造物の振動をモニタリングする装置に用いることもできる。
（まとめ）
本開示の一態様の振動発電装置１００は、第１錘部材１１２（第１錘）を含み、平面視において回転対称性を有する形状である支持台１０１と、支持台１０１を支える複数の支持弾性部材１０２（弾性体）と、支持台１０１に設けられた複数の発電素子１０３と、を備え、支持台１０１と複数の支持弾性部材１０２（弾性体）とが第１共振器を構成し、複数の発電素子１０３が第２共振器を構成し、複数の発電素子１０３は、支持台１０１の重心に対して回転対称に配置され、複数の支持弾性部材１０２（弾性体）は、支持台１０１の重心に対して回転対称に配置されている。
本開示の一態様の振動発電装置１００は、第１錘部材１１２（第１錘）を含み、平面視において回転対称性を有する形状である支持台１０１と、支持台１０１を支える複数の支持弾性部材１０２（弾性体）と、支持台１０１に設けられた複数の発電素子１０３と、を備え、支持台１０１と複数の支持弾性部材１０２（弾性体）とが第１共振器を構成し、複数の発電素子１０３が第２共振器を構成し、複数の発電素子１０３は、支持台１０１の重心に対して回転対称に配置され、複数の支持弾性部材１０２（弾性体）は、支持台１０１の重心に対して回転対称に配置されている。
本開示の別の態様の振動発電装置１００は、支持台１０１は、平面視において方形状であり、４つの角部を有し、４つの支持弾性部材１０２（弾性体）のそれぞれは、支持台１０１の４つの角部のうち対応する１つに配置されている。
本開示の別の態様の振動発電装置１００は、複数の支持弾性部材１０２（弾性体）は、金属バネである。
本開示の更に別の態様の振動発電装置１００は、複数の発電素子１０３のそれぞれは、板ばね１３１と第２錘部材１３２と圧電素子１３４とを含み、発電素子１０３の主面が支持台１０１の主面に対向しており、板ばね１３１に、圧電素子１３４と第２錘部材１３２が設けられており、板ばね１３１は、一方の端部が支持台１０１に固定され、他方の端部が揺動可能であり、第２錘部材１３２は、板ばね１３１の他方の端部または板ばね１３１の他方の端部に隣接するように設けられている。
本開示の更に別の態様の振動発電装置１００は、第１の共振器の固有振動数と第２の共振器の固有振動数との差は、第１の共振器の固有振動数の±１５％以下である。
本開示の振動発電装置は、入力された振動に対して安定して発電することができるため、種々の振動をモニタリングする装置等に用いることができる。
１００ 振動発電装置
１０１ 支持台
１０２ 支持弾性部材（弾性体）
１０３ 発電素子
１０６ 筐体
１０７ 上側弾性部材
１１１ 基盤部
１１２ 第１錘部材（第１錘）
１１３ 中央部
１１４ 鍔状部
１１４Ａ 支持部突部
１３１ 板ばね
１３２ 第２錘部材（第２錘）
１３３ 取り付け台
１３４ 圧電素子
１３５ 下部電極
１３６ 上部電極
１３７ 圧電体層
１６１ 底面
１６１Ａ 底面突部
１６２ 天面
１６３ 柱状部
１０１ 支持台
１０２ 支持弾性部材（弾性体）
１０３ 発電素子
１０６ 筐体
１０７ 上側弾性部材
１１１ 基盤部
１１２ 第１錘部材（第１錘）
１１３ 中央部
１１４ 鍔状部
１１４Ａ 支持部突部
１３１ 板ばね
１３２ 第２錘部材（第２錘）
１３３ 取り付け台
１３４ 圧電素子
１３５ 下部電極
１３６ 上部電極
１３７ 圧電体層
１６１ 底面
１６１Ａ 底面突部
１６２ 天面
１６３ 柱状部
Claims (5)
- 第１錘を含み、平面視において回転対称性を有する形状である支持台と、
前記支持台を支える複数の弾性体と、
前記支持台に設けられた複数の発電素子と、
を備え、
前記支持台と前記複数の弾性体とが第１共振器を構成し、
前記複数の発電素子が第２共振器を構成し、
前記複数の発電素子は、前記支持台の重心に対して回転対称に配置され、
前記複数の弾性体は、前記支持台の重心に対して回転対称に配置されている、
振動発電装置。 - 前記支持台は、平面視において方形状であり、４つの角部を有し、
前記複数の弾性体は、４つの弾性体を含み、
前記４つの弾性体のそれぞれは、前記４つの角部のうち対応する１つに配置されている、
請求項１に記載の振動発電装置。 - 前記複数の弾性体は、金属バネである、
請求項１又は２に記載の振動発電装置。 - 前記複数の発電素子のそれぞれは、
板ばねと第２錘と圧電素子とを含み、
主面が前記支持台の主面に対向しており、
前記板ばねに、前記圧電素子と前記第２錘が設けられており、
前記板ばねは、一方の端部が前記支持台に固定され、他方の端部が揺動可能であり、
前記第２錘は、前記板ばねの前記他方の端部または前記板ばねの前記他方の端部に隣接するように設けられている、
請求項１～３のいずれか１項に記載の振動発電装置。 - 前記第１の共振器の固有振動数と前記第２の共振器の固有振動数との差は、前記第１の共振器の固有振動数の±１５％以下である、
請求項１～４のいずれか１項に記載の振動発電装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021519316A JPWO2020230509A1 (ja) | 2019-05-16 | 2020-04-16 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2019-092987 | 2019-05-16 | ||
| JP2019092987 | 2019-05-16 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2020230509A1 true WO2020230509A1 (ja) | 2020-11-19 |
Family
ID=73289921
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2020/016667 WO2020230509A1 (ja) | 2019-05-16 | 2020-04-16 | 振動発電装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPWO2020230509A1 (ja) |
| WO (1) | WO2020230509A1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230149316A (ko) | 2021-04-28 | 2023-10-26 | 미쓰이 가가쿠 가부시키가이샤 | 고분자 압전성 필름 소자와 그것을 이용한 축전 디바이스 및 하중 검지 디바이스 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015517791A (ja) * | 2012-05-25 | 2015-06-22 | ケンブリッジ エンタープライズ リミテッド | 環境発電装置および方法 |
| JP6274546B1 (ja) * | 2017-09-22 | 2018-02-07 | 株式会社ワコー | 発電素子 |
| JP6380944B1 (ja) * | 2017-11-29 | 2018-08-29 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 発電素子 |
-
2020
- 2020-04-16 JP JP2021519316A patent/JPWO2020230509A1/ja active Pending
- 2020-04-16 WO PCT/JP2020/016667 patent/WO2020230509A1/ja active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015517791A (ja) * | 2012-05-25 | 2015-06-22 | ケンブリッジ エンタープライズ リミテッド | 環境発電装置および方法 |
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| JP6380944B1 (ja) * | 2017-11-29 | 2018-08-29 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 発電素子 |
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|---|---|---|---|---|
| KR20230149316A (ko) | 2021-04-28 | 2023-10-26 | 미쓰이 가가쿠 가부시키가이샤 | 고분자 압전성 필름 소자와 그것을 이용한 축전 디바이스 및 하중 검지 디바이스 |
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|---|---|
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