JP6641134B2 - Mounting structure of power generation device and power generation method - Google Patents
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Description
本発明は、発電デバイスの実装構造及び発電方法に関する。特に、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電デバイスの実装構造に関する。また、発電デバイスを用いた車載応用システムに関する。 The present invention relates to a power generation device mounting structure and a power generation method. In particular, it relates to a mounting structure of a vibration power generation device that converts vibration energy into electric energy. The present invention also relates to an in-vehicle application system using a power generation device.
日常生活環境下には、広周波数帯域の振動が存在する。この振動のエネルギーを有効に活用する方法として、振動発電デバイスがあげられる。振動発電デバイスは、振動エネルギーを電力エネルギーに変換するデバイスで、これまで活用できなかった環境振動エネルギーを有効利用することができるエネルギーハーベスト（環境発電）技術である。 In a daily living environment, vibration in a wide frequency band exists. As a method of effectively utilizing the energy of this vibration, there is a vibration power generation device. A vibration power generation device is a device that converts vibration energy into electric power energy, and is an energy harvesting (environmental power generation) technology that can effectively use environmental vibration energy that could not be used until now.
振動発電デバイスの発電素子としては、圧電素子が一般的である。圧電素子を用いて、振動により振動面に発生する圧力を電力に変換する発電方法である(特許文献１及び２)。 As a power generation element of the vibration power generation device, a piezoelectric element is generally used. This is a power generation method that converts pressure generated on a vibration surface by vibration into electric power using a piezoelectric element (Patent Documents 1 and 2).
一般的な振動発電デバイスは、圧電素子が１つの固定端と、振動が作用する可動端とを有する片持ち梁の集合の構造を有する。しかしながら片持ち梁の構造は、特定の共振周波数でのみ振動するため、特定の条件が整う場所以外での利用に制約がある。 A general vibration power generation device has a structure in which a piezoelectric element has a fixed end and a movable end on which vibration acts. However, since the structure of the cantilever vibrates only at a specific resonance frequency, there are restrictions on its use in places other than those where specific conditions are satisfied.
環境中の振動をエネルギー源とする場合、特定の周波数に極端なピークが来るということはなく、ある程度広帯域での振動が観測される。そこで、広帯域での振動エネルギーを電気エネルギーに変換できる振動発電デバイスの実現が期待されている。 When vibration in the environment is used as an energy source, an extreme peak does not occur at a specific frequency, and vibration in a certain wide band is observed. Therefore, realization of a vibration power generation device capable of converting vibration energy in a wide band into electric energy is expected.
振動が作用する圧電素子が２つの固定端と、その間に位置する振動の作用点を有する両持ち梁の構造を有する場合、共振周波数は広帯域化することが知られている。 It is known that when a piezoelectric element to which vibration acts has a structure of a double-ended beam having two fixed ends and a point of action of vibration located between the two fixed ends, the resonance frequency is broadened.
本発明は、自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換するために、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスの実装構造及び発電方法を提供することを目的とする。また、その発電デバイスを用いた車載応用システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a mounting structure of a power generation device having a wide power generation frequency band and a power generation method in order to efficiently convert vibration energy existing in a natural environment in a wide frequency band into electric energy. It is another object of the present invention to provide an in-vehicle application system using the power generation device.
本発明の一実施形態によると、保持部材と、ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、前記保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子を連結する連結部材と、前記圧電素子に接続された複数のプリント配線を有する複数のプリント基板と、を備えたことを特徴とする発電デバイスが提供される。 According to one embodiment of the present invention, each of the holding members includes a plurality of piezoelectric bodies disposed on the beams of a metal elastic plate having n (n is a natural number of 1 or more) beams. A power generator, comprising: a plurality of piezoelectric elements fixed to each other; a connecting member for connecting the plurality of piezoelectric elements; and a plurality of printed boards having a plurality of printed wirings connected to the piezoelectric elements. A device is provided.
また、前記梁の上面及び下面に、それぞれ、前記複数の圧電体を有するようにしてもよい。 Further, the plurality of piezoelectric bodies may be provided on the upper surface and the lower surface of the beam, respectively.
また、前記複数の圧電素子がｍ個（ｍは２以上の自然数）であり、ｍ個の前記圧電素子が（ｍ−１）個の前記連結部材によって連結されていてもよい。 Further, the plurality of piezoelectric elements may be m (m is a natural number of 2 or more), and the m piezoelectric elements may be connected by (m-1) connecting members.
また、前記圧電素子は、２ｎ本のスリットを有するようにしてもよい。 Further, the piezoelectric element may have 2n slits.
また、前記保持部材の内側、上部及び下部、又はどちらか一方にストッパーを備えてもよい。 Further, a stopper may be provided on the inside of the holding member, on the upper portion, on the lower portion, or on any one of the holding members.
また、前記連結部材は、円柱形及び角柱形、又はどちらか一方であってもよい。 Further, the connecting member may have a cylindrical shape, a prism shape, or any one of them.
また、前記保持部材の内壁面に固定潤滑層を備えてもよい。 Further, a fixed lubrication layer may be provided on an inner wall surface of the holding member.
また、前記連結部材が連結される連結部と前記保持部材に固定された固定部との間に配置された前記複数の前記圧電体は、その一部の圧電体が前記プリント基板の第１の電極に接続され、残りの圧電体が前記プリント基板の第２の電極に接続されてもよい。 Further, the plurality of piezoelectric bodies disposed between a connecting part to which the connecting member is connected and a fixing part fixed to the holding member, a part of the piezoelectric bodies is a first part of the printed circuit board. The remaining piezoelectric body may be connected to an electrode, and the remaining piezoelectric body may be connected to a second electrode of the printed circuit board.
また、前記梁の上面において、前記連結部材が連結される連結部と前記保持部材に固定された固定部との間に配置された前記複数の前記圧電体は、その一部の圧電体が前記プリント基板の第１の電極に接続され、残りの圧電体が前記プリント基板の第２の電極に接続されており、且つ、前記梁の下面において、前記連結部材が連結される連結部と前記保持部材に固定された固定部との間に配置された前記複数の前記圧電体は、その一部の圧電体が前記プリント基板の第３の電極に接続され、残りの圧電体が前記プリント基板の第４の電極に接続されていてもよい。 Further, on the upper surface of the beam, the plurality of piezoelectric bodies disposed between a connecting part to which the connecting member is connected and a fixing part fixed to the holding member, a part of the piezoelectric bodies is A connecting portion to which the connecting member is connected on a lower surface of the beam, wherein the connecting portion is connected to a first electrode of the printed circuit board, and the remaining piezoelectric body is connected to a second electrode of the printed circuit board; The plurality of piezoelectric members disposed between the fixing portion fixed to the member, some of the piezoelectric members are connected to a third electrode of the printed board, and the remaining piezoelectric members are connected to the third electrode of the printed board. It may be connected to the fourth electrode.
保持部材と、ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、前記保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子を連結する連結部材と、を備えた発電デバイスによる発電方法であって、前記梁を振動させることにより発電する。 A holding member, and a plurality of piezoelectric elements each having a plurality of piezoelectric bodies disposed on the beam of a metal elastic plate having n (n is a natural number of 1 or more) beams and fixed to the holding member; And a connection member for connecting the plurality of piezoelectric elements, wherein the power generation device generates power by vibrating the beam.
保持部材、ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、前記保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子、及び前記複数の圧電素子を連結する連結部材を備えた発電デバイスと、前記発電デバイスが設置された車載応用システム本体と、を備えた車載応用システムが提供される。 A holding member, a plurality of piezoelectric elements each having a plurality of piezoelectric bodies disposed on the beam of a metal elastic plate having n (n is a natural number of 1 or more) beams, and a plurality of piezoelectric elements respectively fixed to the holding member; An in-vehicle application system including a power generation device including a connecting member that connects the plurality of piezoelectric elements and a vehicle-mounted application system main body in which the power generation device is installed is provided.
フレームと、前記フレームに連結され、保持部材、ｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板の前記梁に配置された複数の圧電体をそれぞれ有し、前記保持部材にそれぞれ固定された複数の圧電素子、及び前記複数の圧電素子を連結する連結部材を備えた発電デバイス、並びに、前記発電デバイスが設置された車載応用システム本体を備えた車載応用システムと、を有する自動車が提供される。 A frame, and a plurality of piezoelectric members connected to the frame, the holding member and a plurality of piezoelectric bodies disposed on the beams of a metal elastic plate having n (n is a natural number of 1 or more) beams. An automobile having a plurality of fixed piezoelectric elements, a power generation device including a connecting member that connects the plurality of piezoelectric elements, and an in-vehicle application system including an in-vehicle application system body in which the power generation device is installed is provided. Provided.
本発明の一実施形態によれば、自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するため広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a power generation device having a wide power generation frequency band for efficiently converting vibration energy existing in a wide frequency band in a natural environment into electric energy.
以下、図面を参照して本発明に発電デバイスについて説明する。但し、本発明の発電デバイスは多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, a power generation device according to the present invention will be described with reference to the drawings. However, the power generation device of the present invention can be implemented in many different modes, and should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in the drawings referred to in this embodiment, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
〈実施形態〉
（実施形態１）
［発電デバイスの概要］
図１から図６を用いて、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００の構造の概要を説明する。
<Embodiment>
(Embodiment 1)
[Overview of power generation device]
The outline of the structure of the power generation device 1000 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図１は、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００を示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係る発電デバイス１０００は、保持部材１１０、複数の圧電素子１２０ａ、１２０ｂ、複数のプリント基板１４０ａ、１４０ｂ、及び連結部材１３０を備えている。 FIG. 1 is a perspective view showing a power generation device 1000 according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the power generation device 1000 according to the present embodiment includes a holding member 110, a plurality of piezoelectric elements 120a and 120b, a plurality of printed boards 140a and 140b, and a connecting member 130.
複数の圧電素子１２０は一定のスペースを介して上下に配置される。複数のプリント基板１４０は、圧電素子１２０と重なるように配置される。ここで、図１、図２、図６、図７においては、説明の便宜上、２枚の圧電素子１２０と、２枚のプリント基板１４０とを有する発電デバイス１０００を一例として図示した。複数の圧電素子１２０は、端部を複数のプリント基板１４０を介して保持部材１１０に固定される。本実施形態に係る保持部材１１０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２）であるが、ステンレス他、耐久性を備えた材料ならこれに限定しない。 The plurality of piezoelectric elements 120 are vertically arranged via a certain space. The plurality of printed boards 140 are arranged so as to overlap the piezoelectric elements 120. Here, in FIGS. 1, 2, 6, and 7, a power generation device 1000 having two piezoelectric elements 120 and two printed boards 140 is illustrated as an example for convenience of description. The ends of the plurality of piezoelectric elements 120 are fixed to the holding member 110 via the plurality of printed boards 140. The material of the holding member 110 according to the present embodiment is aluminum (A5052), but the material is not limited to stainless steel and other durable materials.
図１に示すように、複数の圧電素子１２０は、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここで、図１、図２、図６、図７では、説明の便宜上、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を一例として図示した（ｍ＝２）。 As shown in FIG. 1, when the number of the piezoelectric elements 120 is m, the plurality of piezoelectric elements 120 may be connected by the connecting portion 131 in a structure that sandwiches the (m−1) connecting members 130 (m is 2). Natural numbers above). Here, FIGS. 1, 2, 6, and 7 show a structure in which one connecting member 130 is sandwiched between two piezoelectric elements 120 as an example (m = 2) for convenience of description.
図２は本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００の一例を示す平面図である。図３は本発明の実施形態１に係る圧電素子１２０の一例を示す図である。図１乃至図３に示すように、圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板の片面に複数配置された圧電体１２１とを含む。金属弾性板１２２は、高靭性と弾性を備え、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であればよい。本実施形態においては、金属弾性板１２２は、厚さが５０μｍの２ｃｍ四方の板状ステンレス素子（ＳＵＳ３０４）を用いている。 FIG. 2 is a plan view illustrating an example of the power generation device 1000 according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the piezoelectric element 120 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 1 to 3, the piezoelectric element 120 includes a metal elastic plate 122 and a plurality of piezoelectric bodies 121 arranged on one surface of the metal elastic plate. The metal elastic plate 122 may have a structure with high toughness and elasticity, a thin plate shape and low bending rigidity. In the present embodiment, the metal elastic plate 122 uses a 2 cm square stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 50 μm.
圧電素子１２０はｎ本の両持ち梁の構造を維持する配置に、２ｎ個のスリット１２３を有するようにしてもよい（ｎは自然数）。ここで、図１乃至図３においては、説明の便宜上、４個のスリット１２３を有する圧電素子１２０を含む発電デバイス１０００を一例として図示した（ｎ＝２）。この結果、圧電素子１２０は２本の両持ち梁１２４が交差した十字構造を示す。 The piezoelectric element 120 may have 2n slits 123 (n is a natural number) in an arrangement for maintaining the structure of n doubly supported beams. Here, FIGS. 1 to 3 illustrate the power generation device 1000 including the piezoelectric element 120 having four slits 123 as an example (n = 2) for convenience of description. As a result, the piezoelectric element 120 has a cross structure in which two doubly supported beams 124 intersect.
本発明の実施形態に係る複数の圧電体１２１は、両持ち梁１２４上に配置される。図１から図７においては、説明の便宜上、１枚の金属弾性板１２２の片面に計８個の圧電体１２１（１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅ、１２１ｆ、１２１ｇ、および１２１ｈ）を有する発電デバイス１０００を一例として図示した。 The plurality of piezoelectric bodies 121 according to the embodiment of the present invention are arranged on a doubly supported beam 124. In FIGS. 1 to 7, for convenience of description, a single metal elastic plate 122 has a total of eight piezoelectric bodies 121 (121a, 121b, 121c, 121d, 121e, 121f, 121g, and 121h) on one surface. The device 1000 is shown as an example.
本実施形態において、圧電体１２１の材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。本実施形態の圧電体１２１の厚さは２μｍ以上１０μｍ以下である。 In the present embodiment, the material of the piezoelectric body 121 is aluminum nitride (AlN). The thickness of the piezoelectric body 121 of this embodiment is 2 μm or more and 10 μm or less.
本実施形態においては、圧電体１２１の材料には窒化アルミニウムを用いたが、スカンジウム含有窒化アルミニウム（Ｓｃ―ＡｌＮ）、マグネシウムおよびニオブ含有窒化アルミニウム（Ｍｇ／Ｎｂ−ＡｌＮ）、またはニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ) といった圧電体や強誘電体であってもよい。 In the present embodiment, aluminum nitride is used as the material of the piezoelectric body 121, but scandium-containing aluminum nitride (Sc—AlN), magnesium and niobium-containing aluminum nitride (Mg / Nb—AlN), or potassium sodium niobate ( A piezoelectric material such as KNN) or a ferroelectric material may be used.
本実施形態においては、連結部材１３０の連結部１３１は、圧電素子１２０の中央を示しているが、これに限るものではない。本実施形態においては、連結部材１３０の材料は快削真鍮（Ｃ３６０４）を用いているが、これに限るものではない。図１から図７では、円柱型の連結部材１３０を示したが、これに限るものではない。 In the present embodiment, the connecting portion 131 of the connecting member 130 indicates the center of the piezoelectric element 120, but is not limited to this. In the present embodiment, the material of the connecting member 130 is free cutting brass (C3604), but the material is not limited to this. 1 to 7 show the columnar connecting member 130, but the present invention is not limited to this.
図４は本発明の実施形態１に係るプリント基板１４０の一例を示す図である。プリント基板１４０は、絶縁性基板１４３、複数のプリント配線１４１と、複数のダミー配線１４２とを含む。本実施形態において、絶縁性基板１４３にはガラスエポキシ樹脂を用いたが、これに限るものではない。 FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the printed circuit board 140 according to the first embodiment of the present invention. The printed board 140 includes an insulating substrate 143, a plurality of printed wirings 141, and a plurality of dummy wirings 142. In the present embodiment, glass epoxy resin is used for the insulating substrate 143, but the insulating substrate 143 is not limited to this.
複数のプリント配線１４１は薄い銅箔の配線パターンで、表面を保護のための絶縁フィルムなどで被覆されてもよい。複数のダミー配線１４２を厚みの調整用に配置してもよい。 The plurality of printed wirings 141 are wiring patterns of thin copper foil, and the surfaces may be covered with an insulating film or the like for protection. A plurality of dummy wirings 142 may be arranged for adjusting the thickness.
複数のプリント配線１４１は、それらの一端に外部への出力電極１４１ａを有し、それらの他端に圧電素子１２０からの入力電極１４１ｂを有する。プリント基板１４０は、圧電素子１２０と重なるように配置され、圧電素子１２０上の圧電体１２１が生じる電気エネルギーを回収するように接続される。すなわち、１対の電極の入力電極１４１ｂは、圧電体１２１の電位差が生じる両端にそれぞれ接続される。圧電体１２１で生じた電位差は、電気エネルギーとしてそれぞれの出力電極１４１ａから回収することができる。 The plurality of printed wirings 141 have an output electrode 141a to the outside at one end thereof, and an input electrode 141b from the piezoelectric element 120 at the other end thereof. The printed circuit board 140 is disposed so as to overlap with the piezoelectric element 120 and is connected so as to collect electric energy generated by the piezoelectric body 121 on the piezoelectric element 120. That is, the input electrodes 141b of the pair of electrodes are respectively connected to both ends of the piezoelectric body 121 where a potential difference occurs. The potential difference generated in the piezoelectric body 121 can be collected from each output electrode 141a as electric energy.
図５を用いてより詳しい配線構造について説明する。図５は本発明の実施形態１に係る圧電素子１２０とプリント基板１４０の配線を示す断面図である。１対のプリント配線１４１であるＰおよびＧは、入力電極１４１ｂが、それぞれ圧電体１２１および金属弾性板１２２に接続される。 A more detailed wiring structure will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating wiring between the piezoelectric element 120 and the printed circuit board 140 according to the first embodiment of the present invention. P and G, which are a pair of printed wirings 141, have input electrodes 141b connected to the piezoelectric body 121 and the metal elastic plate 122, respectively.
プリント基板１４０と、金属弾性板１２２の間、内側（ＢＴＭ側）に位置する圧電体１２１は、金属配線１２５および半田バンプまたは銀ペースト１４４を用いて、プリント基板１４０上のプリント配線１４１であるＰ１またはＰ２の入力電極１４１ｂに接続される。 The piezoelectric body 121 located on the inner side (BTM side) between the printed board 140 and the metal elastic plate 122 uses a metal wiring 125 and a solder bump or a silver paste 144 to form a printed wiring 141 on the printed board 140, P 1. Alternatively, it is connected to the input electrode 141b of P2.
一方、プリント基板１４０と、金属弾性板１２２の外側（ＴＯＰ側）に位置する圧電体１２１には、金属配線１２５およびボンディングワイヤー１４５を用いて、プリント基板１４０上のプリント配線１４１であるＰ１またはＰ２の入力電極１４１ｂに接続される。 On the other hand, the printed circuit board 140 and the piezoelectric body 121 located on the outside (TOP side) of the metal elastic plate 122 are connected to the printed wiring 141 P1 or P2 on the printed circuit board 140 using the metal wiring 125 and the bonding wire 145. Are connected to the input electrode 141b.
金属弾性板１２２は、半田バンプまたは銀ペースト１４４を用いて、プリント基板１４０上のプリント配線１４１であるＧ１またはＧ２の入力電極１４１ｂに接続される。 The metal elastic plate 122 is connected to the G1 or G2 input electrode 141b, which is the printed wiring 141 on the printed circuit board 140, using a solder bump or a silver paste 144.
本発明の実施形態１に係るプリント基板１４０は４対の電極を持つ。このため、各圧電体１２１が生ずる極性の異なる電気エネルギーを、それぞれ別個の電気回路を用いて効率良く取り出すことができる。 The printed circuit board 140 according to the first embodiment of the present invention has four pairs of electrodes. For this reason, electric energy having different polarities generated by each piezoelectric body 121 can be efficiently extracted using separate electric circuits.
図６は本発明の実施形態に係る発電デバイス１０００の一例を示す断面図である。図６において、プリント基板１４０ａ、１４０ｂは圧電素子１２０ａ、１２０ｂの連結部材１３０で連結される内側に配置される。このため図４および図６のプリント基板１４０には、連結部材１３０を通す穴が存在する。しかし、プリント基板１４０ａ、１４０ｂは圧電素子１２０ａ、１２０ｂの連結部材１３０で連結される外側に配置されてもよい。この場合、圧電素子１２０ａ、１２０ｂの振動を妨げないかぎり、プリント基板１４０には連結部材１３０を通す穴がなくてもよい。 FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating an example of the power generation device 1000 according to the embodiment of the present invention. In FIG. 6, the printed circuit boards 140a and 140b are disposed inside the piezoelectric elements 120a and 120b connected by the connecting member 130. For this reason, the printed board 140 of FIGS. 4 and 6 has a hole through which the connecting member 130 passes. However, the printed circuit boards 140a and 140b may be disposed outside the piezoelectric elements 120a and 120b that are connected by the connecting member 130. In this case, as long as the vibration of the piezoelectric elements 120a and 120b is not hindered, the printed board 140 may not have a hole through which the connecting member 130 passes.
発電に寄与する振動方向であっても、材料の弾性限界を超えた変位が生じないようにするため、保持部材１１０の内側、上部及び下部それぞれに、ストッパー１１１を設ける構造を有するようにしてもよい。 Even in a vibration direction contributing to power generation, a structure in which stoppers 111 are provided inside, above, and below the holding member 110 to prevent a displacement exceeding the elastic limit of the material from being generated. Good.
圧電素子１２０の振動方向を連結部材１３０軸方向に制限するため、保持部材１１０の内壁に固定潤滑層１１２を設ける構造を有するようにしてもよい。固定潤滑層１１２の材質は、耐摩擦性、耐摩耗性を有すればよい。本実施形態においては、テフロン（登録商標）無電解ニッケル（Ｎｉ−ＰＴＦＥ）を用いている。 In order to limit the vibration direction of the piezoelectric element 120 to the axial direction of the connecting member 130, a structure in which the fixed lubricating layer 112 is provided on the inner wall of the holding member 110 may be adopted. The material of the fixed lubricating layer 112 only needs to have friction resistance and wear resistance. In the present embodiment, Teflon (registered trademark) electroless nickel (Ni-PTFE) is used.
［発電デバイスの振動と発電原理］
次に、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００の振動と発電原理について、図７Ａ〜７Ｄを用いて詳細に説明する。図７Ａ〜７Ｄは、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００において、圧電素子１２０および連結部材１３０が振動している状態を示す断面図である。図７Ａ〜７Ｄでは、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を例示するが、この数に限定されず、（ｍ−１）個の連結部材１３０をｍ枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造でも同じ原理が適用できる（ｍは２以上の自然数）。
[Vibration of power generation device and power generation principle]
Next, the vibration and the power generation principle of the power generation device 1000 according to Embodiment 1 of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 7A to 7D are cross-sectional views showing a state where the piezoelectric element 120 and the connecting member 130 are vibrating in the power generation device 1000 according to Embodiment 1 of the present invention. 7A to 7D illustrate a structure in which one connecting member 130 is sandwiched between two piezoelectric elements 120, but the number is not limited thereto, and (m-1) connecting members 130 may be replaced by m piezoelectric members. The same principle can be applied to a structure sandwiched between the elements 120 (m is a natural number of 2 or more).
本発明の実施形態１に係る圧電素子１２０ａは、プリント基板１４０に対して金属弾性板１２２の外側（ＴＯＰ側）計８個の圧電体１２１（１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅ、１２１ｆ、１２１ｇ、および１２１ｈ）を有し、圧電素子１２０ｂは、プリント基板１４０に対して金属弾性板１２２の内側（ＢＴＭ側）計８個の圧電体１２１（１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅ、１２１ｆ、１２１ｇ、および１２１ｈ）を有する。ただし圧電素子１２０ａ、１２０ｂの圧電体１２１の配置される向きはいずれの組み合わせでも良く、これに限るものではない。 The piezoelectric element 120a according to the first embodiment of the present invention includes a total of eight piezoelectric bodies 121 (121a, 121b, 121c, 121d, 121e, 121f, 121g) on the outside (TOP side) of the metal elastic plate 122 with respect to the printed board 140. , 121h), and the piezoelectric element 120b includes a total of eight piezoelectric bodies 121 (121a, 121b, 121c, 121d, 121e, 121f, 121g) inside the metal elastic plate 122 (BTM side) with respect to the printed circuit board 140. , And 121h). However, the orientation in which the piezoelectric elements 121 of the piezoelectric elements 120a and 120b are arranged may be any combination, and is not limited to this.
図７Ｂに示す状態が、外力が作用していない状態である。本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００に外力がかかるとき、その反作用により連結部材１３０の軸方向に加わる力は、外力の加えられる方向に対して凸状となるように圧電素子１２０を屈曲させる。
金属弾性板１２２は、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であることから、圧電素子１２０は収縮変位し、変位が増大するとともに反発力が増加し、反転により変位する。すなわち、外力の加えられる方向が図７Ａ〜７Ｃにおいて下方向である場合、図７（ｂ）から（ｃ）→（ｂ）→（ａ）→（ｂ）のくりかえしにより振動する。
The state shown in FIG. 7B is a state where no external force is applied. When an external force is applied to the power generating device 1000 according to the first embodiment of the present invention, the force applied in the axial direction of the connecting member 130 by the reaction causes the piezoelectric element 120 to bend so as to be convex in the direction in which the external force is applied. Let it.
Since the metal elastic plate 122 has a thin plate shape and a low bending rigidity, the piezoelectric element 120 contracts and displaces, the displacement increases, the repulsive force increases, and the metal element is displaced by inversion. That is, when the direction in which the external force is applied is the downward direction in FIGS. 7A to 7C, the vibration is caused by the repetition of (c) → (b) → (a) → (b) from FIG. 7 (b).
圧電素子１２０が屈曲する際に発生する電荷は、圧電体１２１の屈曲する向きに依存して極性が変わるため、各圧電体１２１から電気エネルギーを効率良く取り出すために、それぞれ別個の電気回路を用いる必要がある。 Since the polarity of the electric charge generated when the piezoelectric element 120 bends changes depending on the bending direction of the piezoelectric body 121, a separate electric circuit is used to efficiently extract electric energy from each piezoelectric body 121. There is a need.
圧電素子１２０のそれぞれの両持ち梁は、横からみるとS字状にまがるため、同一面でも場所により圧縮と伸張とが発生する。図７Ｄに、本発明の実施形態１に係る両持ち梁の一部の動きの拡大図を示す。連結部材１３０が図中（ｅ）、上方向に振動する時、圧電素子１２０ａ及び１２０ｂの圧電体１２１ａは圧縮し、圧電体１２１ｂは伸張する。連結部材１３０が図中（ｇ）、下方向に振動する時、圧電体１２１ａは伸張し、圧電体１２１ｂは圧縮する。すなわち、図７Ａ〜７Ｃにおいて、圧電素子１２０の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体１２１ａおよび１２１ｄと、外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂおよび１２１ｃとで、逆相の電荷を発生する。このため全面に電極を設けた場合はお互いに発生した逆相の電荷により打ち消しあってしまう。 Each doubly supported beam of the piezoelectric element 120 rolls in an S-shape when viewed from the side, so that compression and expansion occur in some places even on the same surface. FIG. 7D is an enlarged view of the movement of a part of the doubly supported beam according to the first embodiment of the present invention. When the connecting member 130 vibrates upward in the figure (e), the piezoelectric bodies 121a of the piezoelectric elements 120a and 120b are compressed, and the piezoelectric bodies 121b are expanded. When the connecting member 130 vibrates downward in the figure (g), the piezoelectric body 121a expands and the piezoelectric body 121b compresses. That is, in FIGS. 7A to 7C, piezoelectric bodies 121 a and 121 d located on the fixed end side fixed to holding member 110 of piezoelectric element 120, and piezoelectric bodies 121 b and 121 c located on connecting section 131 side where the external force is applied. As a result, charges having opposite phases are generated. For this reason, when the electrodes are provided on the entire surface, they are canceled by charges of opposite phases generated from each other.
このため、圧電素子に外力がかかるとき、圧電現象による発電量を打ち消し合わずに集電できるよう、圧電素子１２０の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体１２１ａおよび１２１ｄと、外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂおよび１２１ｃとで電極を分けた構造を有するようにしてもよい。 For this reason, when an external force is applied to the piezoelectric element, the piezoelectric bodies 121a and 121d located on the fixed end side fixed to the holding member 110 of the piezoelectric element 120 so that current can be collected without canceling out the amount of power generation due to the piezoelectric phenomenon, The structure may be such that the electrodes are separated from the piezoelectric bodies 121b and 121c located on the connecting portion 131 side where the external force acts.
具体的には、本発明の実施形態１に係る圧電素子１２０ａは、金属弾性板１２２の外側（ＴＯＰ側）計８個の圧電体１２１（１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅ、１２１ｆ、１２１ｇ、および１２１ｈ）を有する。固定端側に位置する圧電体１２１ａ、１２１ｄ、１２１ｅ、および１２１ｈはＴＯＰ Ｐ２配線の入力電極１４１ｂへ、外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｆ、および１２１ｇはＴＯＰ Ｐ１配線の入力電極１４１ｂへ接続してもよい。 Specifically, the piezoelectric element 120a according to the first embodiment of the present invention includes a total of eight piezoelectric bodies 121 (121a, 121b, 121c, 121d, 121e, 121f, 121g, outside the metal elastic plate 122 (TOP side). And 121h). The piezoelectric bodies 121a, 121d, 121e, and 121h located on the fixed end side are connected to the input electrode 141b of the TOP P2 wiring, and the piezoelectric bodies 121b, 121c, 121f, and 121g located on the side of the connecting portion 131 where the external force is applied. It may be connected to the input electrode 141b of the TOP P1 wiring.
図２に示すように、それぞれの電極に接続される圧電体１２１は、電極ごとに金属配線１２５で直列に接続することができる。金属配線１２５から、ＴＯＰ Ｐ１およびＰ２配線の入力電極１４１ｂへは、ボンディングワイヤー１４５で接続される。 As shown in FIG. 2, the piezoelectric bodies 121 connected to the respective electrodes can be connected in series by metal wiring 125 for each electrode. The bonding wires 145 are connected from the metal wiring 125 to the input electrodes 141b of the TOP P1 and P2 wirings.
金属弾性板１２２は、半田バンプまたは銀ペースト１４４を用いて、ＴＯＰ Ｇ１またはＧ２配線の入力電極１４１ｂに接続される。 The metal elastic plate 122 is connected to the input electrode 141b of the TOP G1 or G2 wiring using a solder bump or a silver paste 144.
これにより、各々の圧電素子に外力がかかるとき、位相のずれた圧電現象による発生電荷を打ち消し合わずに、効率良く集電できる。 Thus, when an external force is applied to each of the piezoelectric elements, it is possible to efficiently collect current without canceling out the charges generated by the piezoelectric phenomenon having a phase shift.
発電デバイス１０００が設置される場所は必ずしも発生する振動がコントロールされているとは限らない。所望の周波数帯における予期せぬ大きな振動や、設計範囲外に生じる大きな振動において、圧電素子１２０が破壊されないようにしなければならない。 The generated vibration is not always controlled at the place where the power generation device 1000 is installed. It is necessary to prevent the piezoelectric element 120 from being destroyed by unexpected large vibration in a desired frequency band or large vibration occurring outside the design range.
発電に寄与する振動方向であっても、材料の弾性限界を超えた変位が生じないようにするため、上下にストッパー１１１を設ける。また、横方向からの振動に対しては、圧電素子１２０の破壊を防ぐため、周囲に固定潤滑層１１２を設ける。 Stoppers 111 are provided above and below in order to prevent the displacement exceeding the elastic limit of the material from occurring even in the vibration direction contributing to power generation. In addition, a fixed lubricating layer 112 is provided around the piezoelectric element 120 in order to prevent the piezoelectric element 120 from being destroyed against vibration from the lateral direction.
以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、大きな振動にも壊れること無く、かつ、発生した電気エネルギーを無駄にすること無く、広帯域の振動エネルギーを電気エネルギーにすることが可能となる。自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。また、発生電荷の電極内打ち消しを防ぐために意図しない振動モードを抑制する構造を備えた発電デバイスを提供することができる。 With the above structure, the power generation device of the present invention according to the present embodiment converts the broadband vibration energy into electric energy without breaking even by large vibration and without wasting generated electric energy. It becomes possible. A power generation device having a wide power generation frequency band can be provided by utilizing the non-linear spring effect in order to efficiently convert vibration energy existing in a natural environment in a wide frequency band into electric energy. Further, it is possible to provide a power generation device having a structure for suppressing an unintended vibration mode in order to prevent generated charges from canceling out in the electrode.
（実施形態２）
［発電デバイスの概要］
図８から図１３を用いて、本発明の実施形態２に係る発電デバイス２０００の構造の概要を説明する。
(Embodiment 2)
[Overview of power generation device]
The outline of the structure of the power generation device 2000 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図８は、本発明の実施形態２に係る発電デバイス２０００を示す斜視図である。図８に示すように、本実施形態に係る発電デバイス２０００は、保持部材１１０、複数の圧電素子１２０ａ、１２０ｂ、複数のプリント基板１４０ａ、１４０ｂ、及び連結部材１３０を備えている。 FIG. 8 is a perspective view showing a power generation device 2000 according to Embodiment 2 of the present invention. As shown in FIG. 8, the power generation device 2000 according to the present embodiment includes a holding member 110, a plurality of piezoelectric elements 120a and 120b, a plurality of printed boards 140a and 140b, and a connecting member 130.
複数の圧電素子１２０は一定のスペースを介して上下に配置される。複数のプリント基板１４０は、圧電素子１２０と重なるように配置される。ここで、図８、図９、図１３、図１４においては、説明の便宜上、２枚の圧電素子１２０と、２枚のプリント基板１４０とを有する発電デバイス２０００を一例として図示した。複数の圧電素子１２０は、端部を複数のプリント基板１４０を介して保持部材１１０に固定される。本実施形態に係る保持部材１１０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２）であるが、ステンレス他、耐久性を備えた材料ならこれに限定しない。 The plurality of piezoelectric elements 120 are vertically arranged via a certain space. The plurality of printed boards 140 are arranged so as to overlap the piezoelectric elements 120. Here, in FIG. 8, FIG. 9, FIG. 13, and FIG. 14, for convenience of description, a power generation device 2000 having two piezoelectric elements 120 and two printed boards 140 is illustrated as an example. The ends of the plurality of piezoelectric elements 120 are fixed to the holding member 110 via the plurality of printed boards 140. The material of the holding member 110 according to the present embodiment is aluminum (A5052), but the material is not limited to stainless steel and other durable materials.
図８に示すように、複数の圧電素子１２０は、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここで、図８、図９、図１３、図１４では、説明の便宜上、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を一例として図示した（ｍ＝２）。 As shown in FIG. 8, when the number of the plurality of piezoelectric elements 120 is m, the connection portions 131 may connect the (m−1) connection members 130 with each other (m is 2). Natural numbers above). Here, FIG. 8, FIG. 9, FIG. 13, and FIG. 14 show a structure in which one connecting member 130 is sandwiched between two piezoelectric elements 120 as an example (m = 2) for convenience of explanation.
図９は本発明の実施形態２に係る発電デバイス２０００の一例を示す平面図である。図１０は本発明の実施形態２に係る圧電素子１２０の一例を示す図である。図８乃至図１０に示すように、圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板の両面に複数配置された圧電体１２１とを含む。金属弾性板１２２は、高靭性と弾性を備え、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であればよい。本実施形態においては、金属弾性板１２２は、厚さが５０μｍの２ｃｍ四方の板状ステンレス素子（ＳＵＳ３０４）を用いている。 FIG. 9 is a plan view illustrating an example of the power generation device 2000 according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the piezoelectric element 120 according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 8 to 10, the piezoelectric element 120 includes a metal elastic plate 122 and a plurality of piezoelectric bodies 121 arranged on both surfaces of the metal elastic plate. The metal elastic plate 122 may have a structure with high toughness and elasticity, a thin plate shape and low bending rigidity. In the present embodiment, the metal elastic plate 122 uses a 2 cm square stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 50 μm.
圧電素子１２０はｎ本の両持ち梁の構造を維持する配置に、２ｎ個のスリット１２３を有するようにしてもよい（ｎは自然数）。ここで、図８乃至図１０においては、説明の便宜上、４個のスリット１２３を有する圧電素子１２０を含む発電デバイス２０００を一例として図示した（ｎ＝２）。この結果、圧電素子１２０は２本の両持ち梁１２４が交差した十字構造を示す。 The piezoelectric element 120 may have 2n slits 123 (n is a natural number) in an arrangement for maintaining the structure of n doubly supported beams. Here, FIGS. 8 to 10 illustrate the power generation device 2000 including the piezoelectric element 120 having four slits 123 as an example for convenience of description (n = 2). As a result, the piezoelectric element 120 has a cross structure in which two doubly supported beams 124 intersect.
本発明の実施形態に係る複数の圧電体１２１は、両持ち梁１２４上に配置される。図８から図１４においては、説明の便宜上、１枚の金属弾性板１２２に両面に計１６個の圧電体１２１（プリント基板１４０に対して金属弾性板１２２のＴＯＰ側：１２１ａａ、１２１ａｂ、１２１ａｃ、１２１ａｄ、１２１ａｅ、１２１ａｆ、１２１ａｇ、１２１ａｈ、ＢＴＭ側：１２１ｂａ、１２１ｂｂ、１２１ｂｃ、１２１ｂｄ、１２１ｂｅ、１２１ｂｆ、１２１ｂｇ、および１２１ｂｈ）を有する発電デバイス２０００を一例として図示した。 The plurality of piezoelectric bodies 121 according to the embodiment of the present invention are arranged on a doubly supported beam 124. 8 to 14, for convenience of explanation, a total of 16 piezoelectric bodies 121 (the TOP side of the metal elastic plate 122 with respect to the printed circuit board 140: 121aa, 121ab, 121ac, 121ad, 121ae, 121af, 121ag, 121ah, BTM side: 121ba, 121bb, 121bc, 121bd, 121be, 121bf, 121bg, and 121bh) are shown as an example.
本実施形態において、圧電体１２１の材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。本実施形態の圧電体１２１の厚さは２μｍ以上１０μｍ以下である。 In the present embodiment, the material of the piezoelectric body 121 is aluminum nitride (AlN). The thickness of the piezoelectric body 121 of this embodiment is 2 μm or more and 10 μm or less.
なお、以下の数式（１）は、出力電圧Ｖ[V]、発生電荷量Ｑ[C]、圧電体の静電容量Ｃ[F]、圧電体のヤング率Ｅｐ[Pa]、基板のヤング率Ｅｓ[Pa]、圧電体の厚みｈｐ[ｍ]、基板の厚みｈｓ[ｍ]との関係を表す理論式である。 The following equation (1) represents the output voltage V [V], the generated charge Q [C], the capacitance C [F] of the piezoelectric body, the Young's modulus Ep [Pa] of the piezoelectric body, and the Young's modulus of the substrate. It is a theoretical expression showing the relationship between Es [Pa], the thickness hp [m] of the piezoelectric body, and the thickness hs [m] of the substrate.
数式（１）に、本実施形態で用いる基板のヤング率（ＳＵＳ３０４ Ｅｓ＝１９７ＧＰａ）、圧電体のヤング率（ＡＩＮ Ｅｐ＝３００ ＧＰａ）、圧電体の静電容量（圧電体の誘電率（ε＝9.0））×電極面積÷圧電体の厚み）を代入すると、図１５に示すとおり、本実施形態における出力電圧Ｖと圧電体の厚みｈｐと基板の厚みｈｓとの関係が導き出される。図１５においては、縦軸を発生電圧Ｖ（又は発生電荷量Q）とし、横軸を圧電体の厚みｈｐとし、基板の厚みｈｓを変化させたときのグラフを示す。
図１５に示すように、金属弾性板１２２の厚さが５０μｍで、圧電体１２１の厚さが半分の値２５μｍ程度であるときに、発電効率が最大となる。このため本実施形態の金属弾性板１２２の厚さは５０μｍ、圧電体１２１の厚さは２５μｍとしてもよい。一方、発電効率の最大化ではなく、設計上の目標とする共振周波数や製造コストを考慮して金属弾性板１２２の厚さや、圧電体１２１の厚さを適宜、本実施形態の範囲外にしてもよい。 As shown in FIG. 15, when the thickness of the metal elastic plate 122 is 50 μm and the thickness of the piezoelectric body 121 is about half the value of about 25 μm, the power generation efficiency is maximized. For this reason, the thickness of the metal elastic plate 122 of this embodiment may be 50 μm, and the thickness of the piezoelectric body 121 may be 25 μm. On the other hand, instead of maximizing the power generation efficiency, the thickness of the metal elastic plate 122 and the thickness of the piezoelectric body 121 are appropriately set out of the range of the present embodiment in consideration of the target resonance frequency and the manufacturing cost in design. Is also good.
本実施形態においては、圧電体１２１の材料には窒化アルミニウムを用いたが、スカンジウム含有窒化アルミニウム（Ｓｃ―ＡｌＮ）、マグネシウムおよびニオブ含有窒化アルミニウム（Ｍｇ／Ｎｂ−ＡｌＮ）、またはニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ)といった圧電体や強誘電体であってもよい。 In the present embodiment, aluminum nitride is used as the material of the piezoelectric body 121, but scandium-containing aluminum nitride (Sc—AlN), magnesium and niobium-containing aluminum nitride (Mg / Nb—AlN), or potassium sodium niobate ( A piezoelectric material such as KNN) or a ferroelectric material may be used.
本実施形態においては、連結部材１３０の連結部１３１は、圧電素子１２０の中央を示しているが、これに限るものではない。本実施形態においては、連結部材１３０の材料は快削真鍮（Ｃ３６０４）を用いているが、これに限るものではない。図８から図１４では、円柱型の連結部材１３０を示したが、これに限るものではない。 In the present embodiment, the connecting portion 131 of the connecting member 130 indicates the center of the piezoelectric element 120, but is not limited to this. In the present embodiment, the material of the connecting member 130 is free cutting brass (C3604), but the material is not limited to this. 8 to 14 show the columnar connecting member 130, but the present invention is not limited to this.
図１１は本発明の実施形態２に係るプリント基板１４０の一例を示す図である。プリント基板１４０は、絶縁性基板１４３、複数のプリント配線１４１と、複数のダミー配線１４２とを含む。本実施形態において、絶縁性基板１４３にはガラスエポキシ樹脂を用いたが、これに限るものではない。 FIG. 11 is a diagram illustrating an example of the printed circuit board 140 according to the second embodiment of the present invention. The printed board 140 includes an insulating substrate 143, a plurality of printed wirings 141, and a plurality of dummy wirings 142. In the present embodiment, glass epoxy resin is used for the insulating substrate 143, but the insulating substrate 143 is not limited to this.
複数のプリント配線１４１は薄い銅箔の配線パターンで、表面を保護のための絶縁フィルムなどで被覆されてもよい。複数のダミー配線１４２を厚みの調整用に配置してもよい。 The plurality of printed wirings 141 are wiring patterns of thin copper foil, and the surfaces may be covered with an insulating film or the like for protection. A plurality of dummy wirings 142 may be arranged for adjusting the thickness.
複数のプリント配線１４１は、それらの一端に外部への出力電極１４１ａを有し、それらの他端に圧電素子１２０からの入力電極１４１ｂを有する。プリント基板１４０は、圧電素子１２０と重なるように配置され、圧電素子１２０上の圧電体１２１が生じる電気エネルギーを回収するように接続される。すなわち、１対の電極の入力電極１４１ｂは、圧電体１２１の電位差が生じる両端にそれぞれ接続される。圧電体１２１で生じた電位差は、電気エネルギーとしてそれぞれの出力電極１４１ａから回収することができる。 The plurality of printed wirings 141 have an output electrode 141a to the outside at one end thereof, and an input electrode 141b from the piezoelectric element 120 at the other end thereof. The printed circuit board 140 is disposed so as to overlap with the piezoelectric element 120 and is connected so as to collect electric energy generated by the piezoelectric body 121 on the piezoelectric element 120. That is, the input electrodes 141b of the pair of electrodes are respectively connected to both ends of the piezoelectric body 121 where a potential difference occurs. The potential difference generated in the piezoelectric body 121 can be collected from each output electrode 141a as electric energy.
図１２を用いてより詳しい配線構造について説明する。図１２は本発明の実施形態２に係る圧電素子１２０とプリント基板１４０の配線を示す断面図である。１対のプリント配線１４１であるＰおよびＧは、入力電極１４１ｂが、それぞれ圧電体１２１および金属弾性板１２２に接続される。 A more detailed wiring structure will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating wiring between the piezoelectric element 120 and the printed circuit board 140 according to the second embodiment of the present invention. P and G, which are a pair of printed wirings 141, have input electrodes 141b connected to the piezoelectric body 121 and the metal elastic plate 122, respectively.
プリント基板１４０と、金属弾性板１２２の間、内側（ＢＴＭ側）に位置する圧電体１２１は、金属配線１２５および半田バンプまたは銀ペースト１４４を用いて、プリント基板１４０上のプリント配線１４１であるＰ１またはＰ２の入力電極１４１ｂに接続される。 The piezoelectric body 121 located on the inner side (BTM side) between the printed board 140 and the metal elastic plate 122 uses a metal wiring 125 and a solder bump or a silver paste 144 to form a printed wiring 141 on the printed board 140, P 1. Alternatively, it is connected to the input electrode 141b of P2.
一方、プリント基板１４０と、金属弾性板１２２の外側（ＴＯＰ側）に位置する圧電体１２１には、金属配線１２５およびボンディングワイヤー１４５を用いて、プリント基板１４０上のプリント配線１４１であるＰ１またはＰ２の入力電極１４１ｂに接続される。 On the other hand, the printed circuit board 140 and the piezoelectric body 121 located on the outside (TOP side) of the metal elastic plate 122 are connected to the printed wiring 141 P1 or P2 on the printed circuit board 140 using the metal wiring 125 and the bonding wire 145. Are connected to the input electrode 141b.
金属弾性板１２２は、半田バンプまたは銀ペースト１４４を用いて、プリント基板１４０上のプリント配線１４１であるＧ１またはＧ２の入力電極１４１ｂに接続される。 The metal elastic plate 122 is connected to the G1 or G2 input electrode 141b, which is the printed wiring 141 on the printed circuit board 140, using a solder bump or a silver paste 144.
本発明の実施形態２に係るプリント基板１４０は４対の電極を持つ。このため、各圧電体１２１が生ずる極性の異なる電気エネルギーを、それぞれ別個の電気回路を用いて効率良く取り出すことができる。 The printed board 140 according to the second embodiment of the present invention has four pairs of electrodes. For this reason, electric energy having different polarities generated by each piezoelectric body 121 can be efficiently extracted using separate electric circuits.
図１３は本発明の実施形態に係る発電デバイス２０００の一例を示す断面図である。図１３において、プリント基板１４０ａ、１４０ｂは圧電素子１２０ａ、１２０ｂの連結部材１３０で連結される内側に配置される。このため図１１および図１３のプリント基板１４０には、連結部材１３０を通す穴が存在する。しかし、プリント基板１４０ａ、１４０ｂは圧電素子１２０ａ、１２０ｂの連結部材１３０で連結される外側に配置されてもよい。この場合、圧電素子１２０ａ、１２０ｂの振動を妨げないかぎり、プリント基板１４０には連結部材１３０を通す穴がなくてもよい。 FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating an example of the power generation device 2000 according to the embodiment of the present invention. In FIG. 13, the printed circuit boards 140a and 140b are disposed inside the piezoelectric elements 120a and 120b connected by the connecting member 130. For this reason, the printed board 140 of FIGS. 11 and 13 has a hole through which the connecting member 130 passes. However, the printed circuit boards 140a and 140b may be disposed outside the piezoelectric elements 120a and 120b that are connected by the connecting member 130. In this case, as long as the vibration of the piezoelectric elements 120a and 120b is not hindered, the printed board 140 may not have a hole through which the connecting member 130 passes.
発電に寄与する振動方向であっても、材料の弾性限界を超えた変位が生じないようにするため、保持部材１１０の内側、上部及び下部それぞれに、ストッパー１１１を設ける構造を有するようにしてもよい。 Even in a vibration direction contributing to power generation, a structure in which stoppers 111 are provided inside, above, and below the holding member 110 to prevent a displacement exceeding the elastic limit of the material from being generated. Good.
圧電素子１２０の振動方向を連結部材１３０軸方向に制限するため、保持部材１１０の内壁に固定潤滑層１１２を設ける構造を有するようにしてもよい。固定潤滑層１１２の材質は、耐摩擦性、耐摩耗性を有すればよい。本実施形態においては、テフロン（登録商標）無電解ニッケル（Ｎｉ−ＰＴＦＥ）を用いている。 In order to limit the vibration direction of the piezoelectric element 120 to the axial direction of the connecting member 130, a structure in which the fixed lubricating layer 112 is provided on the inner wall of the holding member 110 may be adopted. The material of the fixed lubricating layer 112 only needs to have friction resistance and wear resistance. In the present embodiment, Teflon (registered trademark) electroless nickel (Ni-PTFE) is used.
［発電デバイスの振動と発電原理］
次に、本発明の実施形態２に係る発電デバイスの振動と発電原理について、図１４Ａ〜１４Ｄを用いて詳細に説明する。図１４Ａ〜１４Ｄは、本発明の実施形態２に係る発電デバイスにおいて、圧電素子１２０および連結部材１３０が振動している状態を示す断面図である。図１４Ａ〜１４Ｄでは、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を例示するが、この数に限定されず、（ｍ−１）個の連結部材１３０をｍ枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造でも同じ原理が適用できる（ｍは２以上の自然数）。
[Vibration of power generation device and power generation principle]
Next, the vibration and the power generation principle of the power generation device according to Embodiment 2 of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 14A to 14D are cross-sectional views illustrating a state in which the piezoelectric element 120 and the connecting member 130 are vibrating in the power generation device according to Embodiment 2 of the present invention. 14A to 14D exemplify a structure in which one connecting member 130 is sandwiched between two piezoelectric elements 120, but the number is not limited thereto, and (m−1) connecting members 130 may be replaced by m piezoelectric members. The same principle can be applied to a structure sandwiched between the elements 120 (m is a natural number of 2 or more).
本発明の実施形態２に係る圧電素子１２０ａは、金属弾性板１２２と、金属弾性板１２２の両面に位置する計１６個の圧電体１２１（プリント基板１４０に対して金属弾性板１２２のＴＯＰ側：１２１ａａ、１２１ａｂ、１２１ａｃ、１２１ａｄ、１２１ａｅ、１２１ａｆ、１２１ａｇ、１２１ａｈ、ＢＴＭ側：１２１ｂａ、１２１ｂｂ、１２１ｂｃ、１２１ｂｄ、１２１ｂｅ、１２１ｂｆ、１２１ｂｇ、および１２１ｂｈ）とを有し、圧電素子１２０ｂは、金属弾性板１２２と、金属弾性板１２２の両面に位置する計１６個の圧電体１２１（プリント基板１４０に対して金属弾性板１２２のＢＴＭ側：１２１ａａ、１２１ａｂ、１２１ａｃ、１２１ａｄ、１２１ａｅ、１２１ａｆ、１２１ａｇ、１２１ａｈ、ＴＯＰ側：１２１ｂａ、１２１ｂｂ、１２１ｂｃ、１２１ｂｄ、１２１ｂｅ、１２１ｂｆ、１２１ｂｇ、および１２１ｂｈ）とを有する。 The piezoelectric element 120a according to the second embodiment of the present invention includes a metal elastic plate 122 and a total of 16 piezoelectric members 121 (a TOP side of the metal elastic plate 122 with respect to the printed board 140: 121aa, 121ab, 121ac, 121ad, 121ae, 121af, 121ag, 121ah, BTM side: 121ba, 121bb, 121bc, 121bd, 121be, 121bf, 121bg, and 121bh), and the piezoelectric element 120b has a metal elastic plate 122. And a total of 16 piezoelectric members 121 (BTM side of metal elastic plate 122 with respect to printed circuit board 140: 121aa, 121ab, 121ac, 121ad, 121ae, 121af, 121ag, 121ah, TOP) on both sides of metal elastic plate 122. Side: 121ba, 121 A b, 121bc, 121bd, 121be, 121bf, 121bg, and 121Bh) and.
図１４Ｂに示す状態が、外力が作用していない状態である。本発明の実施形態２に係る発電デバイス２０００に外力がかかるとき、その反作用により連結部材１３０の軸方向に加わる力は、外力の加えられる方向に対して凸状となるように圧電素子１２０を屈曲させる。
金属弾性板１２２は、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であることから、圧電素子１２０は収縮変位し、変位が増大するとともに反発力が増加し、反転により変位する。すなわち、外力の加えられる方向が図１４Ａ〜１４Ｃにおいて下方向である場合、図１４（ｂ）から（ｃ）→（ｂ）→（ａ）→（ｂ）のくりかえしにより振動する。
The state shown in FIG. 14B is a state where no external force is applied. When an external force is applied to the power generation device 2000 according to the second embodiment of the present invention, the force applied in the axial direction of the connecting member 130 due to the reaction causes the piezoelectric element 120 to bend so as to be convex in the direction in which the external force is applied. Let it.
Since the metal elastic plate 122 has a thin plate shape and a low bending rigidity, the piezoelectric element 120 contracts and displaces, the displacement increases, the repulsive force increases, and the metal element is displaced by inversion. That is, when the direction in which the external force is applied is the downward direction in FIGS. 14A to 14C, the vibration is caused by the repetition of (c) → (b) → (a) → (b) from FIG. 14 (b).
圧電素子１２０が屈曲する際に発生する電荷は、圧電体１２１の屈曲する向きに依存して極性が変わるため、各圧電体１２１から電気エネルギーを効率良く取り出すために、それぞれ別個の電気回路を用いる必要がある。 Since the polarity of the electric charge generated when the piezoelectric element 120 bends changes depending on the bending direction of the piezoelectric body 121, a separate electric circuit is used to efficiently extract electric energy from each piezoelectric body 121. There is a need.
圧電素子１２０のそれぞれの両持ち梁は、横からみるとS字状にまがるため、同一箇所でも上面、下面により圧縮と伸張とが発生する。図１４Ｄに、本発明の実施形態２に係る両持ち梁の一部の動きの拡大図を示す。連結部材１３０が図中（ｅ）、上方向に振動する時、圧電素子１２０ａ及び１２０ｂの圧電体１２１ａａおよび１２１ｂｂは圧縮し、圧電体１２１ａｂおよび１２１ｂａは伸張する。連結部材１３０が図中（ｇ）、下方向に振動する時、圧電体１２１ａａおよび１２１ｂｂは伸張し、圧電体１２１ａｂおよび１２１ｂａは圧縮する。すなわち、図１４Ａ〜１４Ｃにおいて、圧電素子１２０の上面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうち１２１ａａおよび１２１ａｄと、下面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうち１２１ｂａおよび１２１ｂｄとで、逆相の電荷を発生する。さらに、図１４Ａ〜１４Ｃにおいて、圧電素子１２０の上面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ａｂおよび１２１ａｃと、下面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂｂおよび１２１ｂｃとで、逆相の電荷を発生する。このため両面に電極を設けた場合はお互いに発生した逆相の電荷により打ち消しあってしまう。 Each doubly supported beam of the piezoelectric element 120 rolls in an S-shape when viewed from the side, so that compression and expansion occur at the same location due to the upper and lower surfaces. FIG. 14D shows an enlarged view of the movement of a part of the doubly supported beam according to Embodiment 2 of the present invention. When the connecting member 130 vibrates upward in the figure (e), the piezoelectric bodies 121aa and 121bb of the piezoelectric elements 120a and 120b are compressed, and the piezoelectric bodies 121ab and 121ba are expanded. When the connecting member 130 vibrates downward in the figure (g), the piezoelectric bodies 121aa and 121bb expand, and the piezoelectric bodies 121ab and 121ba compress. That is, in FIGS. 14A to 14C, 121aa and 121ad of the piezoelectric body located on the fixed end side fixed to the holding member 110 on the upper surface of the piezoelectric element 120 and the piezoelectric body located on the fixed end side fixed to the holding member 110 on the lower surface Of the piezoelectric bodies that generate, 121ba and 121bd generate charges in opposite phases. Further, in FIGS. 14A to 14C, piezoelectric bodies 121ab and 121ac located on the connection portion 131 side, which is the point of application of external force, on the upper surface of piezoelectric element 120, and piezoelectric members located on the connection portion 131 side, which is the point of application of external force on the lower surface. The bodies 121bb and 121bc generate charges of opposite phases. For this reason, when the electrodes are provided on both surfaces, they are canceled by charges of opposite phases generated from each other.
このため、圧電素子に外力がかかるとき、圧電現象による発電量を打ち消し合わずに集電できるよう、圧電素子１２０の上面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体１２１ａａおよび１２１ａｄと、上面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ａｂおよび１２１ａｃと、下面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうちｂａおよび１２１ｂｄと、下面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂｂおよび１２１ｂｃとで、電極を分けた構造を有するようにしてもよい。 Therefore, when an external force is applied to the piezoelectric element, the piezoelectric members 121aa and 121ad located on the fixed end side fixed to the holding member 110 on the upper surface of the piezoelectric element 120 so that current can be collected without canceling out the amount of power generated by the piezoelectric phenomenon. And piezoelectric members 121ab and 121ac located on the connecting portion 131 side where the external force acts on the upper surface, ba and 121bd among the piezoelectric members located on the fixed end side fixed to the holding member 110 on the lower surface, and The structure may be such that the electrodes are separated from the piezoelectric bodies 121bb and 121bc located on the connecting portion 131 side where the external force acts.
具体的には、本発明の実施形態２に係る圧電素子１２０ａは、金属弾性板１２２の両面に位置する計１６個の圧電体１２１（プリント基板１４０に対して金属弾性板１２２のＴＯＰ側：１２１ａａ、１２１ａｂ、１２１ａｃ、１２１ａｄ、１２１ａｅ、１２１ａｆ、１２１ａｇ、１２１ａｈ、ＢＴＭ側：１２１ｂａ、１２１ｂｂ、１２１ｂｃ、１２１ｂｄ、１２１ｂｅ、１２１ｂｆ、１２１ｂｇ、および１２１ｂｈ）とを有する。ＴＯＰ側の固定端側に位置する圧電体１２１ａａ、１２１ａｄ、１２１ａｅ、および１２１ａｈはＴＯＰ Ｐ２配線の入力電極１４１ｂへ、ＴＯＰ側の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ａｂ、１２１ａｃ、１２１ａｆ、および１２１ａｇはＴＯＰ Ｐ１配線の入力電極１４１ｂへ接続してもよい。ＢＴＭ側の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうち１２１ｂａ、１２１ｂｄ、１２１ｂｅ、および１２１ｂｈは、ＢＴＭ Ｐ２配線の入力電極１４１ｂへ、ＢＴＭ側の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂｂ、１２１ｂｃ、１２１ｂｆ、および１２１ｂｇはＢＴＭ Ｐ１配線の入力電極１４１ｂへ接続してもよい。 Specifically, the piezoelectric element 120a according to the second embodiment of the present invention includes a total of 16 piezoelectric members 121 (on the TOP side of the metal elastic plate 122 with respect to the printed board 140: 121aa) located on both surfaces of the metal elastic plate 122. , 121ab, 121ac, 121ad, 121ae, 121af, 121ag, 121ah, BTM side: 121ba, 121bb, 121bc, 121bd, 121be, 121bf, 121bg, and 121bh). The piezoelectric bodies 121aa, 121ad, 121ae, and 121ah located on the fixed end side on the TOP side are connected to the input electrode 141b of the TOP P2 wiring, and the piezoelectric bodies 121ab and 121ac located on the side of the connecting portion 131 that is the point of action of an external force on the TOP side. , 121af, and 121ag may be connected to the input electrode 141b of the TOP P1 wiring. Of the piezoelectric members 121ba, 121bd, 121be, and 121bh located on the fixed end side fixed to the holding member 110 on the BTM side, the connecting portions, which are the points of action of the external force on the BTM side, to the input electrode 141b of the BTM P2 wiring. The piezoelectric bodies 121bb, 121bc, 121bf, and 121bg located on the 131 side may be connected to the input electrode 141b of the BTM P1 wiring.
図９に示すように、それぞれの電極に接続される圧電体１２１は、電極ごとに金属配線１２５で直列に接続することができる。金属配線１２５から、ＴＯＰ Ｐ１およびＰ２配線の入力電極１４１ｂへは、ボンディングワイヤー１４５で接続される。 As shown in FIG. 9, the piezoelectric bodies 121 connected to the respective electrodes can be connected in series by metal wiring 125 for each electrode. The bonding wires 145 are connected from the metal wiring 125 to the input electrodes 141b of the TOP P1 and P2 wirings.
金属弾性板１２２は、半田バンプまたは銀ペースト１４４を用いて、ＴＯＰ Ｇ１またはＧ２配線の入力電極１４１ｂに接続される。 The metal elastic plate 122 is connected to the input electrode 141b of the TOP G1 or G2 wiring using a solder bump or a silver paste 144.
これにより、各々の圧電素子に外力がかかるとき、位相のずれた圧電現象による発生電荷を打ち消し合わずに、効率良く集電できる。 Thus, when an external force is applied to each of the piezoelectric elements, it is possible to efficiently collect current without canceling out the charges generated by the piezoelectric phenomenon having a phase shift.
本実施形態の発電デバイス２０００において、梁をｎ本に増やし、それぞれの構造を変化させることにより共振周波数はより広帯域化することができる。図１６は、本実施形態に係る発電デバイス２０００における、非線形ばね効果による発電周波数帯域の拡大を示すグラフである。加速度９．８ｍ/ｓ２の調和振動を印加した場合では線形振動が、加速度２０ｍ/ｓ２の調和振動を印加した場合では非線形振動が示された。 In the power generation device 2000 of the present embodiment, the number of beams is increased to n and the respective structures are changed, so that the resonance frequency can be broadened. FIG. 16 is a graph showing the expansion of the power generation frequency band due to the non-linear spring effect in the power generation device 2000 according to the present embodiment. When the harmonic vibration with an acceleration of 9.8 m / s 2 was applied, a linear vibration was shown, and when the harmonic vibration with an acceleration of 20 m / s 2 was applied, a nonlinear vibration was shown.
発電デバイス２０００が設置される場所は必ずしも発生する振動がコントロールされているとは限らない。所望の周波数帯における予期せぬ大きな振動や、設計範囲外に生じる大きな振動において、圧電素子１２０が破壊されないようにしなければならない。 The generated vibration is not always controlled at the place where the power generation device 2000 is installed. It is necessary to prevent the piezoelectric element 120 from being destroyed by unexpected large vibration in a desired frequency band or large vibration occurring outside the design range.
発電に寄与する振動方向であっても、材料の弾性限界を超えた変位が生じないようにするため、上下にストッパー１１１を設ける。また、横方向からの振動に対しては、圧電素子１２０の破壊を防ぐため、周囲に固定潤滑層１１２を設ける。 Stoppers 111 are provided above and below in order to prevent the displacement exceeding the elastic limit of the material from occurring even in the vibration direction contributing to power generation. In addition, a fixed lubricating layer 112 is provided around the piezoelectric element 120 in order to prevent the piezoelectric element 120 from being destroyed against vibration from the lateral direction.
以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、大きな振動にも壊れること無く、かつ、発生した電気エネルギーを無駄にすること無く、広帯域の振動エネルギーを電気エネルギーにすることが可能となる。自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。また、発生電荷の電極内打ち消しを防ぐために意図しない振動モードを抑制する構造を備えた発電デバイスを提供することができる。 With the above structure, the power generation device of the present invention according to the present embodiment converts the broadband vibration energy into electric energy without breaking even by large vibration and without wasting generated electric energy. It becomes possible. A power generation device having a wide power generation frequency band can be provided by utilizing the non-linear spring effect in order to efficiently convert vibration energy existing in a natural environment in a wide frequency band into electric energy. Further, it is possible to provide a power generation device having a structure for suppressing an unintended vibration mode in order to prevent generated charges from canceling out in the electrode.
（実施形態３）
［発電デバイスの概要］
図１７から図２２を用いて、本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００の構造の概要を説明する。
(Embodiment 3)
[Overview of power generation device]
The outline of the structure of the power generation device 3000 according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図１７は、本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００を示す斜視図である。図１７に示すように、本実施形態に係る発電デバイス３０００は、保持部材１１０、複数の圧電素子１２０ａ、１２０ｂ、複数のプリント基板１４０ａ、１４０ｂ、及び連結部材１３０を備えている。 FIG. 17 is a perspective view illustrating a power generation device 3000 according to Embodiment 3 of the present invention. As shown in FIG. 17, the power generation device 3000 according to the present embodiment includes a holding member 110, a plurality of piezoelectric elements 120a and 120b, a plurality of printed boards 140a and 140b, and a connecting member 130.
複数の圧電素子１２０は一定のスペースを介して上下に配置される。複数のプリント基板１４０は、圧電素子１２０と重なるように配置される。ここで、図１７、図１８、図２２、図２３においては、説明の便宜上、２枚の圧電素子１２０と、２枚のプリント基板１４０とを有する発電デバイス３０００を一例として図示した。複数の圧電素子１２０は、端部を複数のプリント基板１４０を介して保持部材１１０に固定される。本実施形態に係る保持部材１１０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２）であるが、ステンレス他、耐久性を備えた材料ならこれに限定しない。 The plurality of piezoelectric elements 120 are vertically arranged via a certain space. The plurality of printed boards 140 are arranged so as to overlap the piezoelectric elements 120. Here, in FIG. 17, FIG. 18, FIG. 22, and FIG. 23, a power generation device 3000 having two piezoelectric elements 120 and two printed boards 140 is illustrated as an example for convenience of description. The ends of the plurality of piezoelectric elements 120 are fixed to the holding member 110 via the plurality of printed boards 140. The material of the holding member 110 according to the present embodiment is aluminum (A5052), but the material is not limited to stainless steel and other durable materials.
図１７に示すように、複数の圧電素子１２０は、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここで、図１７、図１８、図２２、図２３では、説明の便宜上、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を一例として図示した（ｍ＝２）。 As shown in FIG. 17, when the number of the plurality of piezoelectric elements 120 is m, the plurality of piezoelectric elements 120 may be connected to each other by a structure that sandwiches (m−1) connecting members 130 at the connecting portion 131 (m is 2). Natural numbers above). Here, FIG. 17, FIG. 18, FIG. 22, and FIG. 23 illustrate, as an example, a structure in which one connecting member 130 is sandwiched between two piezoelectric elements 120 (m = 2) for convenience of explanation.
図１８は本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００の一例を示す平面図である。図１９は本発明の実施形態３に係る圧電素子１２０の一例を示す図である。図１７乃至図１９に示すように、圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板の片面に複数配置された圧電体１２１とを含む。金属弾性板１２２は、高靭性と弾性を備え、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であればよい。本実施形態においては、金属弾性板１２２は、厚さが５０μｍの２ｃｍ四方の板状ステンレス素子（ＳＵＳ３０４）を用いている。 FIG. 18 is a plan view illustrating an example of the power generation device 3000 according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 19 is a diagram illustrating an example of the piezoelectric element 120 according to Embodiment 3 of the present invention. As shown in FIGS. 17 to 19, the piezoelectric element 120 includes a metal elastic plate 122 and a plurality of piezoelectric bodies 121 arranged on one surface of the metal elastic plate. The metal elastic plate 122 may have a structure with high toughness and elasticity, a thin plate shape and low bending rigidity. In the present embodiment, the metal elastic plate 122 uses a 2 cm square stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 50 μm.
圧電素子１２０はｎ本の両持ち梁の構造を維持する配置に、２ｎ個のスリット１２３を有するようにしてもよい（ｎは自然数）。ここで、図１７乃至図１９においては、説明の便宜上、４個のスリット１２３を有する圧電素子１２０を含む発電デバイス３０００を一例として図示した（ｎ＝２）。この結果、圧電素子１２０は２本の両持ち梁１２４が交差した十字構造を示す。 The piezoelectric element 120 may have 2n slits 123 (n is a natural number) in an arrangement for maintaining the structure of n doubly supported beams. Here, FIGS. 17 to 19 illustrate the power generation device 3000 including the piezoelectric element 120 having four slits 123 as an example for convenience of description (n = 2). As a result, the piezoelectric element 120 has a cross structure in which two doubly supported beams 124 intersect.
本発明の実施形態に係る複数の圧電体１２１は、両持ち梁１２４上に配置される。図１７から図２３においては、説明の便宜上、１枚の金属弾性板１２２の片面に計１６個の圧電体１２１（１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１、１２１ｃ２、１２１ｄ１、１２１ｄ２、１２１ｅ１、１２１ｅ２、１２１ｆ１、１２１ｆ２、１２１ｇ１、１２１ｇ２、１２１ｈ１および１２１ｈ２）を有する発電デバイス３０００を一例として図示した。 The plurality of piezoelectric bodies 121 according to the embodiment of the present invention are arranged on a doubly supported beam 124. 17 to 23, for convenience of explanation, a total of 16 piezoelectric bodies 121 (121a1, 121a2, 121b1, 121b2, 121c1, 121c2, 121d1, 121d2, 121e1, 121e2, 121f1, 121f2, 121g1, 121g2, 121h1, and 121h2) as an example.
本実施形態において、圧電体１２１の材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。本実施形態の圧電体１２１の厚さは２μｍ以上１０μｍ以下である。 In the present embodiment, the material of the piezoelectric body 121 is aluminum nitride (AlN). The thickness of the piezoelectric body 121 of this embodiment is 2 μm or more and 10 μm or less.
本実施形態においては、圧電体１２１の材料には窒化アルミニウムを用いたが、スカンジウム含有窒化アルミニウム（Ｓｃ―ＡｌＮ）、マグネシウムおよびニオブ含有窒化アルミニウム（Ｍｇ／Ｎｂ−ＡｌＮ）、またはニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ) といった圧電体や強誘電体であってもよい。 In the present embodiment, aluminum nitride is used as the material of the piezoelectric body 121, but scandium-containing aluminum nitride (Sc—AlN), magnesium and niobium-containing aluminum nitride (Mg / Nb—AlN), or potassium sodium niobate ( A piezoelectric material such as KNN) or a ferroelectric material may be used.
本実施形態においては、連結部材１３０の連結部１３１は、圧電素子１２０の中央を示しているが、これに限るものではない。本実施形態においては、連結部材１３０の材料は快削真鍮（Ｃ３６０４）を用いているが、これに限るものではない。図１７から図２３では、円柱型の連結部材１３０を示したが、これに限るものではない。 In the present embodiment, the connecting portion 131 of the connecting member 130 indicates the center of the piezoelectric element 120, but is not limited to this. In the present embodiment, the material of the connecting member 130 is free cutting brass (C3604), but the material is not limited to this. FIGS. 17 to 23 show the cylindrical connecting member 130, but the present invention is not limited to this.
図２０は本発明の実施形態３に係るプリント基板１４０の一例を示す図である。プリント基板１４０は、絶縁性基板１４３、複数のプリント配線１４１と、複数のダミー配線１４２とを含む。本実施形態において、絶縁性基板１４３にはガラスエポキシ樹脂を用いたが、これに限るものではない。 FIG. 20 is a diagram illustrating an example of the printed circuit board 140 according to the third embodiment of the present invention. The printed board 140 includes an insulating substrate 143, a plurality of printed wirings 141, and a plurality of dummy wirings 142. In the present embodiment, glass epoxy resin is used for the insulating substrate 143, but the insulating substrate 143 is not limited to this.
複数のプリント配線１４１は薄い銅箔の配線パターンで、表面を保護のための絶縁フィルムなどで被覆されてもよい。複数のダミー配線１４２を厚みの調整用に配置してもよい。 The plurality of printed wirings 141 are wiring patterns of thin copper foil, and the surfaces may be covered with an insulating film or the like for protection. A plurality of dummy wirings 142 may be arranged for adjusting the thickness.
複数のプリント配線１４１は、それらの一端に外部への出力電極１４１ａを有し、それらの他端に圧電素子１２０からの入力電極１４１ｂを有する。プリント基板１４０は、圧電素子１２０と重なるように配置され、圧電素子１２０上の圧電体１２１が生じる電気エネルギーを回収するように接続される。すなわち、１対の電極の入力電極１４１ｂは、圧電体１２１の電位差が生じる両端にそれぞれ接続される。圧電体１２１で生じた電位差は、電気エネルギーとしてそれぞれの出力電極１４１ａから回収することができる。 The plurality of printed wirings 141 have an output electrode 141a to the outside at one end thereof, and an input electrode 141b from the piezoelectric element 120 at the other end thereof. The printed circuit board 140 is disposed so as to overlap with the piezoelectric element 120 and is connected so as to collect electric energy generated by the piezoelectric body 121 on the piezoelectric element 120. That is, the input electrodes 141b of the pair of electrodes are respectively connected to both ends of the piezoelectric body 121 where a potential difference occurs. The potential difference generated in the piezoelectric body 121 can be collected from each output electrode 141a as electric energy.
図２１を用いてより詳しい配線構造について説明する。図２１は本発明の実施形態３に係る圧電素子１２０とプリント基板１４０の配線を示す断面図である。１対のプリント配線１４１であるＰおよびＧは、入力電極１４１ｂが、それぞれ圧電体１２１および金属弾性板１２２に接続される。 A more detailed wiring structure will be described with reference to FIG. FIG. 21 is a cross-sectional view illustrating wiring between the piezoelectric element 120 and the printed circuit board 140 according to Embodiment 3 of the present invention. P and G, which are a pair of printed wirings 141, have input electrodes 141b connected to the piezoelectric body 121 and the metal elastic plate 122, respectively.
プリント基板１４０と、金属弾性板１２２の間、内側（ＢＴＭ側）に位置する圧電体１２１は、金属配線１２５および半田バンプまたは銀ペースト１４４を用いて、プリント基板１４０上のプリント配線１４１であるＰ１またはＰ２の入力電極１４１ｂに接続される。 The piezoelectric body 121 located on the inner side (BTM side) between the printed board 140 and the metal elastic plate 122 uses a metal wiring 125 and a solder bump or a silver paste 144 to form a printed wiring 141 on the printed board 140, P 1. Alternatively, it is connected to the input electrode 141b of P2.
一方、プリント基板１４０と、金属弾性板１２２の外側（ＴＯＰ側）に位置する圧電体１２１には、金属配線１２５およびボンディングワイヤー１４５を用いて、プリント基板１４０上のプリント配線１４１であるＰ１またはＰ２の入力電極１４１ｂに接続される。 On the other hand, the printed circuit board 140 and the piezoelectric body 121 located on the outside (TOP side) of the metal elastic plate 122 are connected to the printed wiring 141 P1 or P2 on the printed circuit board 140 using the metal wiring 125 and the bonding wire 145. Are connected to the input electrode 141b.
金属弾性板１２２は、半田バンプまたは銀ペースト１４４を用いて、プリント基板１４０上のプリント配線１４１であるＧ１またはＧ２の入力電極１４１ｂに接続される。 The metal elastic plate 122 is connected to the G1 or G2 input electrode 141b, which is the printed wiring 141 on the printed circuit board 140, using a solder bump or a silver paste 144.
本発明の実施形態３に係るプリント基板１４０は４対の電極を持つ。このため、各圧電体１２１が生ずる極性の異なる電気エネルギーを、それぞれ別個の電気回路を用いて効率良く取り出すことができる。 The printed board 140 according to the third embodiment of the present invention has four pairs of electrodes. For this reason, electric energy having different polarities generated by each piezoelectric body 121 can be efficiently extracted using separate electric circuits.
図２０は本発明の実施形態に係る発電デバイス３０００の一例を示す断面図である。図２０において、プリント基板１４０ａ、１４０ｂは圧電素子１２０ａ、１２０ｂの連結部材１３０で連結される内側に配置される。このため図１８および図２０のプリント基板１４０には、連結部材１３０を通す穴が存在する。しかし、プリント基板１４０ａ、１４０ｂは圧電素子１２０ａ、１２０ｂの連結部材１３０で連結される外側に配置されてもよい。この場合、圧電素子１２０ａ、１２０ｂの振動を妨げないかぎり、プリント基板１４０には連結部材１３０を通す穴がなくてもよい。 FIG. 20 is a cross-sectional view illustrating an example of the power generation device 3000 according to the embodiment of the present invention. In FIG. 20, the printed circuit boards 140a and 140b are arranged inside the piezoelectric elements 120a and 120b connected by the connecting member 130. For this reason, the printed board 140 of FIGS. 18 and 20 has a hole through which the connecting member 130 passes. However, the printed circuit boards 140a and 140b may be disposed outside the piezoelectric elements 120a and 120b that are connected by the connecting member 130. In this case, as long as the vibration of the piezoelectric elements 120a and 120b is not hindered, the printed board 140 may not have a hole through which the connecting member 130 passes.
発電に寄与する振動方向であっても、材料の弾性限界を超えた変位が生じないようにするため、保持部材１１０の内側、上部及び下部それぞれに、ストッパー１１１を設ける構造を有するようにしてもよい。 Even in a vibration direction contributing to power generation, a structure in which stoppers 111 are provided inside, above, and below the holding member 110 to prevent a displacement exceeding the elastic limit of the material from being generated. Good.
圧電素子１２０の振動方向を連結部材１３０軸方向に制限するため、保持部材１１０の内壁に固定潤滑層１１２を設ける構造を有するようにしてもよい。固定潤滑層１１２の材質は、耐摩擦性、耐摩耗性を有すればよい。本実施形態においては、テフロン（登録商標）無電解ニッケル（Ｎｉ−ＰＴＦＥ）を用いている。 In order to limit the vibration direction of the piezoelectric element 120 to the axial direction of the connecting member 130, a structure in which the fixed lubricating layer 112 is provided on the inner wall of the holding member 110 may be adopted. The material of the fixed lubricating layer 112 only needs to have friction resistance and wear resistance. In the present embodiment, Teflon (registered trademark) electroless nickel (Ni-PTFE) is used.
［発電デバイスの振動と発電原理］
次に、本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００の振動と発電原理について、図２３Ａ〜２３Ｄを用いて詳細に説明する。図２３Ａ〜２３Ｄは、本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００において、圧電素子１２０および連結部材１３０が振動している状態を示す断面図である。図２３Ａ〜２３Ｄでは、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を例示するが、この数に限定されず、（ｍ−１）個の連結部材１３０をｍ枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造でも同じ原理が適用できる（ｍは２以上の自然数）。
[Vibration of power generation device and power generation principle]
Next, the vibration and the power generation principle of the power generation device 3000 according to Embodiment 3 of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 23A to 23D are cross-sectional views illustrating a state where the piezoelectric element 120 and the connecting member 130 are vibrating in the power generation device 3000 according to Embodiment 3 of the present invention. FIGS. 23A to 23D illustrate a structure in which one connecting member 130 is sandwiched between two piezoelectric elements 120, but the number is not limited to this, and (m−1) connecting members 130 may be replaced by m piezoelectric members 120. The same principle can be applied to a structure sandwiched between the elements 120 (m is a natural number of 2 or more).
本発明の実施形態３に係る圧電素子１２０ａは、金属弾性板１２２と、プリント基板１４０に対して金属弾性板１２２の外側（ＴＯＰ側）計１６個の圧電体１２１（１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１、１２１ｃ２、１２１ｄ１、１２１ｄ２、１２１ｅ１、１２１ｅ２、１２１ｆ１、１２１ｆ２、１２１ｇ１、１２１ｇ２、１２１ｈ１および１２１ｈ２）とを有し、圧電素子１２０ｂは、プリント基板１４０に対して金属弾性板１２２の内側（ＢＴＭ側）計１６個の圧電体１２１（１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１、１２１ｃ２、１２１ｄ１、１２１ｄ２、１２１ｅ１、１２１ｅ２、１２１ｆ１、１２１ｆ２、１２１ｇ１、１２１ｇ２、１２１ｈ１および１２１ｈ２）を有する。ただし圧電素子１２０ａ、１２０ｂの圧電体１２１の配置される向きはいずれの組み合わせでも良く、これに限るものではない。 The piezoelectric element 120a according to the third embodiment of the present invention includes a metal elastic plate 122 and a total of 16 piezoelectric bodies 121 (121a1, 121a2, 121b1, 121b2) outside (TOP side) of the metal elastic plate 122 with respect to the printed circuit board 140. , 121 c 1, 121 c 2, 121 d 1, 121 d 2, 121 e 1, 121 e 2, 121 f 1, 121 f 2, 121 g 1, 121 g 2, 121 h 1 and 121 h 2), and the piezoelectric element 120 b is located inside the metal elastic plate 122 (BTM side) with respect to the printed board 140. ) A total of 16 piezoelectric bodies 121 (121a1, 121a2, 121b1, 121b2, 121c1, 121c2, 121d1, 121d2, 121e1, 121e2, 121f1, 121f2, 121g1, 121g2, 121h1, and 121h2) are provided. However, the orientation in which the piezoelectric elements 121 of the piezoelectric elements 120a and 120b are arranged may be any combination, and is not limited to this.
図２３Ｂに示す状態が、外力が作用していない状態である。本発明の実施形態３に係る発電デバイス３０００に外力がかかるとき、その反作用により連結部材１３０の軸方向に加わる力は、外力の加えられる方向に対して凸状となるように圧電素子１２０を屈曲させる。金属弾性板１２２は、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であることから、圧電素子１２０は収縮変位し、変位が増大するとともに反発力が増加し、反転により変位する。すなわち、外力の加えられる方向が図２３Ａ〜２３Ｃにおいて下方向である場合、図２３（ｂ）から（ｃ）→（ｂ）→（ａ）→（ｂ）のくりかえしにより振動する。 The state shown in FIG. 23B is a state where no external force is applied. When an external force is applied to the power generating device 3000 according to the third embodiment of the present invention, the force applied in the axial direction of the connecting member 130 due to the reaction causes the piezoelectric element 120 to bend so as to be convex in the direction in which the external force is applied. Let it. Since the metal elastic plate 122 has a thin plate shape and a low bending rigidity, the piezoelectric element 120 contracts and displaces, the displacement increases, the repulsive force increases, and the metal element is displaced by inversion. That is, when the direction in which the external force is applied is the downward direction in FIGS. 23A to 23C, the vibration is caused by the repetition of (c) → (b) → (a) → (b) from FIG.
圧電素子１２０が屈曲する際に発生する電荷は、圧電体１２１の屈曲する向きに依存して極性が変わるため、各圧電体１２１から電気エネルギーを効率良く取り出すために、それぞれ別個の電気回路を用いる必要がある。 Since the polarity of the electric charge generated when the piezoelectric element 120 bends changes depending on the bending direction of the piezoelectric body 121, a separate electric circuit is used to efficiently extract electric energy from each piezoelectric body 121. There is a need.
圧電素子１２０のそれぞれの両持ち梁は、横からみるとS字状にまがるため、同一面でも場所により圧縮と伸張とが発生する。図２３Ｄに、本発明の実施形態３に係る両持ち梁の一部の動きの拡大図を示す。連結部材１３０が図中（ｅ）、上方向に振動する時、圧電素子１２０ａ及び１２０ｂの圧電体１２１ａ１および１２１ａ２は圧縮し、圧電体１２１ｂ１および１２１ｂ２は伸張する。連結部材１３０が図中（ｇ）、下方向に振動する時、圧電体１２１ａ１および１２１ａ２は伸張し、圧電体１２１ｂ１および１２１ｂ２は圧縮する。すなわち、図２３Ａ〜２３Ｃにおいて、圧電素子１２０の上面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうち１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｄ１および１２１ｄ２と、上面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１および１２１ｃ２とで、逆相の電荷を発生する。このため全面に電極を設けた場合はお互いに発生した逆相の電荷により打ち消しあってしまう。 Each doubly supported beam of the piezoelectric element 120 rolls in an S-shape when viewed from the side, so that compression and expansion occur in some places even on the same surface. FIG. 23D is an enlarged view of a part of the movement of the doubly supported beam according to Embodiment 3 of the present invention. When the connecting member 130 oscillates upward in the figure (e), the piezoelectric bodies 121a1 and 121a2 of the piezoelectric elements 120a and 120b compress, and the piezoelectric bodies 121b1 and 121b2 expand. When the connecting member 130 vibrates downward in the figure (g), the piezoelectric bodies 121a1 and 121a2 expand, and the piezoelectric bodies 121b1 and 121b2 compress. In other words, in FIGS. 23A to 23C, 121a1, 121a2, 121d1, and 121d2 of the piezoelectric body located on the fixed end side fixed to the holding member 110 on the upper surface of the piezoelectric element 120, and the connecting portion which is an action point of the external force on the upper surface. The piezoelectric bodies 121b1, 121b2, 121c1, and 121c2 located on the 131 side generate charges of opposite phases. For this reason, when the electrodes are provided on the entire surface, they are canceled by charges of opposite phases generated from each other.
このため、圧電素子に外力がかかるとき、圧電現象による発電量を打ち消し合わずに集電できるよう、圧電素子１２０の上面の保持部材１１０に固定された固定端側に位置する圧電体のうち１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｄ１および１２１ｄ２と、上面の外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１および１２１ｃ２とで、電極を分けた構造を有するようにしてもよい。 For this reason, when an external force is applied to the piezoelectric element, 121a1 of the piezoelectric body 121a1 of the piezoelectric body positioned on the fixed end side fixed to the holding member 110 on the upper surface of the piezoelectric element 120 so that current can be collected without canceling out the power generation amount due to the piezoelectric phenomenon. , 121a2, 121d1, and 121d2, and the piezoelectric bodies 121b1, 121b2, 121c1, and 121c2 located on the connecting portion 131 side, which is the point of action of the external force on the upper surface, may have a structure in which the electrodes are separated.
具体的には、本発明の実施形態３に係る圧電素子１２０ａは、金属弾性板１２２の外側（ＴＯＰ側）計１６個の圧電体１２１（１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１、１２１ｃ２、１２１ｄ１、１２１ｄ２、１２１ｅ１、１２１ｅ２、１２１ｆ１、１２１ｆ２、１２１ｇ１、１２１ｇ２、１２１ｈ１および１２１ｈ２）を有する。固定端側に位置する圧電体１２１ａ１、１２１ａ２、１２１ｄ１、１２１ｄ２、１２１ｅ１、１２１ｅ２、１２１ｈ１および１２１ｈ２はＴＯＰ Ｐ２配線の入力電極１４１ｂへ、外力の作用点である連結部１３１側に位置する圧電体１２１ｂ１、１２１ｂ２、１２１ｃ１、１２１ｃ２、１２１ｆ１、１２１ｆ２、１２１ｇ１および１２１ｇ２はＴＯＰ Ｐ１配線の入力電極１４１ｂへ接続してもよい。 Specifically, the piezoelectric element 120a according to the third embodiment of the present invention includes a total of 16 piezoelectric members 121 (121a1, 121a2, 121b1, 121b2, 121c1, 121c2, 121d1, outside the metal elastic plate 122 (TOP side)). 121d2, 121e1, 121e2, 121f1, 121f2, 121g1, 121g2, 121h1, and 121h2). The piezoelectric bodies 121a1, 121a2, 121d1, 121d2, 121e1, 121e2, 121h1 and 121h2 located on the fixed end side are connected to the input electrode 141b of the TOP P2 wiring, and the piezoelectric bodies 121b1 located on the side of the connecting portion 131 where the external force is applied. 121b2, 121c1, 121c2, 121f1, 121f2, 121g1 and 121g2 may be connected to the input electrode 141b of the TOP P1 wiring.
図１８に示すように、それぞれの電極に接続される圧電体１２１は、電極ごとに金属配線１２５で直列に接続することができる。金属配線１２５から、ＴＯＰ Ｐ１およびＰ２配線の入力電極１４１ｂへは、ボンディングワイヤー１４５で接続される。 As shown in FIG. 18, the piezoelectric bodies 121 connected to the respective electrodes can be connected in series by metal wiring 125 for each electrode. The bonding wires 145 are connected from the metal wiring 125 to the input electrodes 141b of the TOP P1 and P2 wirings.
金属弾性板１２２は、半田バンプまたは銀ペースト１４４を用いて、ＴＯＰ Ｇ１またはＧ２配線の入力電極１４１ｂに接続される。 The metal elastic plate 122 is connected to the input electrode 141b of the TOP G1 or G2 wiring using a solder bump or a silver paste 144.
これにより、各々の圧電素子に外力がかかるとき、位相のずれた圧電現象による発生電荷を打ち消し合わずに、効率良く集電できる。 Thus, when an external force is applied to each of the piezoelectric elements, it is possible to efficiently collect current without canceling out the charges generated by the piezoelectric phenomenon having a phase shift.
発電デバイス３０００が設置される場所は必ずしも発生する振動がコントロールされているとは限らない。所望の周波数帯における予期せぬ大きな振動や、設計範囲外に生じる大きな振動において、圧電素子１２０が破壊されないようにしなければならない。 The place where the power generation device 3000 is installed is not always controlled for the generated vibration. It is necessary to prevent the piezoelectric element 120 from being destroyed by unexpected large vibration in a desired frequency band or large vibration occurring outside the design range.
発電に寄与する振動方向であっても、材料の弾性限界を超えた変位が生じないようにするため、上下にストッパー１１１を設ける。また、横方向からの振動に対しては、圧電素子１２０の破壊を防ぐため、周囲に固定潤滑層１１２を設ける。 Stoppers 111 are provided above and below in order to prevent the displacement exceeding the elastic limit of the material from occurring even in the vibration direction contributing to power generation. In addition, a fixed lubricating layer 112 is provided around the piezoelectric element 120 in order to prevent the piezoelectric element 120 from being destroyed against vibration from the lateral direction.
以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、大きな振動にも壊れること無く、かつ、発生した電気エネルギーを無駄にすること無く、広帯域の振動エネルギーを電気エネルギーにすることが可能となる。自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。また、発生電荷の電極内打ち消しを防ぐために意図しない振動モードを抑制する構造を備えた発電デバイスを提供することができる。 With the above structure, the power generation device of the present invention according to the present embodiment converts the broadband vibration energy into electric energy without breaking even by large vibration and without wasting generated electric energy. It becomes possible. A power generation device having a wide power generation frequency band can be provided by utilizing the non-linear spring effect in order to efficiently convert vibration energy existing in a natural environment in a wide frequency band into electric energy. Further, it is possible to provide a power generation device having a structure for suppressing an unintended vibration mode in order to prevent generated charges from canceling out in the electrode.
〈実施形態１乃至３の変形例１〉
図２４を用いて、本発明の実施形態１乃至３の変形例に係る連結部材１３０について説明する。連結部材１３０の形状、サイズ、および作用以外は、本発明の実施形態１乃至３と同じであり、その繰り返しの説明は省略する。
<Modification 1 of Embodiments 1 to 3>
A connecting member 130 according to a modification of the first to third embodiments of the present invention will be described with reference to FIG. Except for the shape, size, and operation of the connecting member 130, it is the same as Embodiments 1 to 3 of the present invention, and a repeated description thereof will be omitted.
図２４は、本発明の実施形態に係る連結部材の一例と、その変形例を示す図である。図２４（ａ）では多段円柱型の連結部材１３０を示した。図２４（ｂ）では多段角柱型の連結部材１３０を示した。 FIG. 24 is a diagram illustrating an example of a connecting member according to the embodiment of the present invention and a modification thereof. FIG. 24A shows a multi-stage cylindrical connecting member 130. FIG. 24B shows a multi-stage prism-shaped connecting member 130.
本発明の実施形態１乃至３の変形例に係る発電デバイスは、複数の圧電素子１２０と、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここで、ｍが３以上であるとき、複数の連結部材１３０は別々の形状をとってもよい。 The power generation device according to the modified example of the first to third embodiments of the present invention has a structure in which, when the number of the piezoelectric elements 120 is m, the connection part 131 sandwiches the (m-1) connection members 130. (M is a natural number of 2 or more). Here, when m is 3 or more, the plurality of connecting members 130 may have different shapes.
連結部材１３０は、形状およびサイズによって、錘として機能しうる事を意味する。振動エネルギーを、複数の圧電素子１２０へ伝える外力に変換する１つの方法となる。このため連結部材１３０の形状およびサイズは、安定して振動エネルギーを圧電素子１２０へ伝える外力に変換できるかぎり限定されない。錘の位置も、連結部材１３０軸延長線上であり、安定して振動エネルギーを圧電素子１２０へ伝える外力に変換できるかぎり限定されない。連結部材１３０の連結部１３１の位置も、安定して振動エネルギーを圧電素子１２０へ伝える外力に変換できるかぎり限定されない。 The connection member 130 can function as a weight depending on the shape and size. This is one method of converting vibration energy into an external force transmitted to the plurality of piezoelectric elements 120. For this reason, the shape and size of the connecting member 130 are not limited as long as the vibration energy can be stably converted into an external force that transmits to the piezoelectric element 120. The position of the weight is also on the extension of the connecting member 130 axis, and is not limited as long as the vibration energy can be stably converted into an external force transmitted to the piezoelectric element 120. The position of the connecting portion 131 of the connecting member 130 is not limited as long as the vibration energy can be stably converted into an external force transmitted to the piezoelectric element 120.
以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。 With the above structure, the power generating device of the present invention according to the present embodiment uses a non-linear spring effect to efficiently convert vibration energy existing in a wide frequency band in a natural environment into electric energy. A power generation device having a power generation frequency band can be provided.
これによって、配線給電や電池駆動が難しい、車載応用システムやインフラ健全性診断システムといったＩｏＴ向けセンサネットワークモジュールの電源用発電機を提供することができる。 As a result, it is possible to provide a power generator for the IoT sensor network module such as an in-vehicle application system or an infrastructure soundness diagnosis system in which wiring power supply and battery driving are difficult.
〈実施形態１の変形例２〉
図２５および図２６を用いて、本発明の実施形態の変形例に係る圧電素子１２０について説明する。１２０の形状、および作用以外は、本発明の実施形態１から３と同じであり、その繰り返しの説明は省略する。
<Modification 2 of Embodiment 1>
A piezoelectric element 120 according to a modification of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Except for the shape and operation of 120, it is the same as the first to third embodiments of the present invention, and the repeated description thereof will be omitted.
図２５は、本発明の実施形態の変形例に係る圧電素子１２０を備えた発電デバイス４０００を示す斜視図である。図２５に示すように、本実施形態に係る発電デバイスは、保持部材１１０、複数の圧電素子１２０ａ及び１２０ｂ、複数のプリント基板１４０ａ、１４０ｂ、及び連結部材１３０を備えている。 FIG. 25 is a perspective view showing a power generation device 4000 including a piezoelectric element 120 according to a modification of the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 25, the power generation device according to the present embodiment includes a holding member 110, a plurality of piezoelectric elements 120a and 120b, a plurality of printed boards 140a and 140b, and a connecting member 130.
複数の圧電素子１２０は一定のスペースを介して上下に配置される。複数のプリント基板１４０は、圧電素子１２０と重なるように配置される。ここで、図２５においては、説明の便宜上、２枚の圧電素子１２０と、２枚のプリント基板１４０とを有する発電デバイス４０００を一例として図示した。複数の圧電素子１２０は、端部を複数のプリント基板１４０を介して保持部材１１０に固定される。本実施形態に係る保持部材１１０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２）であるが、ステンレス他、耐久性を備えた材料ならこれに限定しない。 The plurality of piezoelectric elements 120 are vertically arranged via a certain space. The plurality of printed boards 140 are arranged so as to overlap the piezoelectric elements 120. Here, in FIG. 25, for convenience of explanation, a power generation device 4000 having two piezoelectric elements 120 and two printed boards 140 is illustrated as an example. The ends of the plurality of piezoelectric elements 120 are fixed to the holding member 110 via the plurality of printed boards 140. The material of the holding member 110 according to the present embodiment is aluminum (A5052), but the material is not limited to stainless steel and other durable materials.
図２５に示すように、複数の圧電素子１２０は、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここでは、説明の便宜上、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を一例として図示した（ｍ＝２）。 As shown in FIG. 25, when the number of the piezoelectric elements 120 is m, the connecting portions 131 may connect the (m−1) connecting members 130 with the connecting portion 131 (m is 2). Natural numbers above). Here, for convenience of explanation, a structure in which one connecting member 130 is sandwiched between two piezoelectric elements 120 is shown as an example (m = 2).
図２６は、本発明の実施形態の変形例２に係る発電デバイス４０００の一例を示す平面図である。図２５および図２６に示すように、圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板の片面に複数配置された圧電体１２１とを含む。金属弾性板１２２は、高靭性と弾性を備え、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であればよい。本実施形態においては、金属弾性板１２２は、厚さが５０μｍの２ｃｍ四方の板状ステンレス素子（ＳＵＳ３０４）を用いている。 FIG. 26 is a plan view illustrating an example of a power generation device 4000 according to Modification 2 of the embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 25 and 26, the piezoelectric element 120 includes a metal elastic plate 122 and a plurality of piezoelectric bodies 121 arranged on one surface of the metal elastic plate. The metal elastic plate 122 may have a structure with high toughness and elasticity, a thin plate shape and low bending rigidity. In the present embodiment, the metal elastic plate 122 uses a 2 cm square stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 50 μm.
圧電素子１２０はｎ本の両持ち梁の構造を維持する配置に、２ｎ個のスリット１２３を有するようにしてもよい（ｎは自然数）。ここで、図２５および図２６においては、２個のスリット１２３を有する圧電素子１２０を一例として図示した（ｎ＝１）。この結果、圧電素子１２０は１本の両持ち梁を有するＩ字構造を示す。 The piezoelectric element 120 may have 2n slits 123 (n is a natural number) in an arrangement for maintaining the structure of n doubly supported beams. Here, FIGS. 25 and 26 illustrate the piezoelectric element 120 having two slits 123 as an example (n = 1). As a result, the piezoelectric element 120 has an I-shaped structure having one doubly supported beam.
以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、大きな振動にも壊れること無く、かつ、発生した電気エネルギーを無駄にすること無く、広帯域の振動エネルギーを電気エネルギーにすることが可能となる。自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。また、発生電荷の電極内打ち消しを防ぐために意図しない振動モードを抑制する構造を備えた発電デバイスを提供することができる。 With the above structure, the power generation device of the present invention according to the present embodiment converts the broadband vibration energy into electric energy without breaking even by large vibration and without wasting generated electric energy. It becomes possible. A power generation device having a wide power generation frequency band can be provided by utilizing the non-linear spring effect in order to efficiently convert vibration energy existing in a natural environment in a wide frequency band into electric energy. Further, it is possible to provide a power generation device having a structure for suppressing an unintended vibration mode in order to prevent generated charges from canceling out in the electrode.
〈実施形態１の変形例３〉
図２７および図２８を用いて、本発明の実施形態の変形例に係るプリント基板１４０について説明する。プリント基板１４０の形状、および作用以外は、本発明の実施形態１から３と同じであり、その繰り返しの説明は省略する。
<Variation 3 of Embodiment 1>
A printed circuit board 140 according to a modification of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Except for the shape and operation of the printed circuit board 140, the third embodiment is the same as the first to third embodiments of the present invention, and a repeated description thereof will be omitted.
図２７は、本発明の実施形態の変形例に係るプリント基板１４０を備えた発電デバイス５０００を示す斜視図である。図２７に示すように、本実施形態に係る発電デバイスは、保持部材１１０、複数の圧電素子１２０ａ及び１２０ｂ、複数のプリント基板１４０ａ、１４０ｂ、及び連結部材１３０を備えている。 FIG. 27 is a perspective view showing a power generation device 5000 including a printed circuit board 140 according to a modification of the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 27, the power generation device according to the present embodiment includes a holding member 110, a plurality of piezoelectric elements 120a and 120b, a plurality of printed boards 140a and 140b, and a connecting member 130.
複数の圧電素子１２０は一定のスペースを介して上下に配置される。複数のプリント基板１４０は、圧電素子１２０と重なるように配置される。ここで、図２７においては、説明の便宜上、２枚の圧電素子１２０と、２枚のプリント基板１４０とを有する発電デバイス５０００を一例として図示した。複数の圧電素子１２０は、端部を複数のプリント基板１４０を介して保持部材１１０に固定される。本実施形態に係る保持部材１１０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２）であるが、ステンレス他、耐久性を備えた材料ならこれに限定しない。 The plurality of piezoelectric elements 120 are vertically arranged via a certain space. The plurality of printed boards 140 are arranged so as to overlap the piezoelectric elements 120. Here, in FIG. 27, for convenience of description, a power generation device 5000 having two piezoelectric elements 120 and two printed boards 140 is illustrated as an example. The ends of the plurality of piezoelectric elements 120 are fixed to the holding member 110 via the plurality of printed boards 140. The material of the holding member 110 according to the present embodiment is aluminum (A5052), but the material is not limited to stainless steel and other durable materials.
図２７に示すように、複数の圧電素子１２０は、その数がｍ個のとき、連結部１３１で、（ｍ−１）個の連結部材１３０を挟み込む構造で連結してもよい（ｍは２以上の自然数）。ここでは、説明の便宜上、１個の連結部材１３０を２枚の圧電素子１２０で挟みこむ構造を一例として図示した（ｍ＝２）。 As shown in FIG. 27, when the number of the piezoelectric elements 120 is m, the connecting portions 131 may connect the (m−1) connecting members 130 with the connecting portion 131 (m is 2). Natural numbers above). Here, for convenience of explanation, a structure in which one connecting member 130 is sandwiched between two piezoelectric elements 120 is shown as an example (m = 2).
図２８は、本発明の実施形態の変形例３に係る発電デバイス５０００の一例を示す平面図である。図２７および図２８に示すように、本発明の実施形態の変形例３に係るプリント基板１４０は、圧電素子１２０の一辺がプリント基板１４０の一辺に対して４５度傾いた状態で配置するが、これに限らない。圧電素子１２０は、金属弾性板１２２と、金属弾性板の片面に複数配置された圧電体１２１とを含む。金属弾性板１２２は、高靭性と弾性を備え、薄い板状で曲げ剛性が低い構造であればよい。本実施形態においては、金属弾性板１２２は、厚さが５０μｍの２ｃｍ四方の板状ステンレス素子（ＳＵＳ３０４）を用いている。 FIG. 28 is a plan view illustrating an example of a power generation device 5000 according to Modification 3 of the embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 27 and 28, the printed circuit board 140 according to the third modification of the embodiment of the present invention is arranged such that one side of the piezoelectric element 120 is inclined at 45 degrees with respect to one side of the printed circuit board 140. Not limited to this. The piezoelectric element 120 includes a metal elastic plate 122 and a plurality of piezoelectric bodies 121 arranged on one surface of the metal elastic plate. The metal elastic plate 122 may have a structure with high toughness and elasticity, a thin plate shape and low bending rigidity. In the present embodiment, the metal elastic plate 122 uses a 2 cm square stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 50 μm.
以上の構造とすることにより、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、大きな振動にも壊れること無く、かつ、発生した電気エネルギーを無駄にすること無く、広帯域の振動エネルギーを電気エネルギーにすることが可能となる。自然環境に広周波数帯域で存在する振動エネルギーを、効率よく電気エネルギーに変換するために非線形ばね効果を利用し、広い発電周波数帯を備えた発電デバイスを提供することができる。また、発生電荷の電極内打ち消しを防ぐために意図しない振動モードを抑制する構造を備えた発電デバイスを提供することができる。 With the above structure, the power generation device of the present invention according to the present embodiment converts the broadband vibration energy into electric energy without breaking even by large vibration and without wasting generated electric energy. It becomes possible. A power generation device having a wide power generation frequency band can be provided by utilizing the non-linear spring effect in order to efficiently convert vibration energy existing in a natural environment in a wide frequency band into electric energy. Further, it is possible to provide a power generation device having a structure for suppressing an unintended vibration mode in order to prevent generated charges from canceling out in the electrode.
（実施形態４）
本発明の実施形態１乃至３に係る発電デバイスを備えた車載応用システムについて説明する。本発明の実施形態１乃至３に係る発電デバイスの繰り返しの説明は省略する。
(Embodiment 4)
An in-vehicle application system including the power generation device according to Embodiments 1 to 3 of the present invention will be described. The repeated description of the power generation device according to Embodiments 1 to 3 of the present invention will be omitted.
本実施形態の発電デバイスは、車載応用システムに接続される。すなわち、発電デバイスは、車載応用システムに電源を供給することができる。 The power generation device of the present embodiment is connected to an in-vehicle application system. That is, the power generation device can supply power to the in-vehicle application system.
発電デバイスを有することで、レイアウトフリーになった車載応用システムは、電源、配線を気にすることなく車内外のいずれにも配置することができる。 The in-vehicle application system that has become layout-free by having the power generation device can be arranged inside or outside the vehicle without worrying about the power supply and wiring.
したがって、配線給電や電池駆動が難しい、車載応用システムや、インフラ健全性診断システムといったＩｏＴ向けセンサネットワークモジュールへ電源を供給することができる。 Therefore, power can be supplied to a sensor network module for IoT, such as an in-vehicle application system or an infrastructure soundness diagnosis system, in which wiring power supply and battery driving are difficult.
（実施形態５）
図２９を用いて、本発明の実施形態１乃至３に係る発電デバイスを備えた車載応用システムを装備した自動車６０００について説明する。本発明の実施形態１乃至３に係る発電デバイスと、その発電デバイスを備えた車載応用システムについての繰り返しの説明は省略する。
(Embodiment 5)
Referring to FIG. 29, an automobile 6000 equipped with an in-vehicle application system including the power generation device according to Embodiments 1 to 3 of the present invention will be described. The repeated description of the power generation device according to Embodiments 1 to 3 of the present invention and the in-vehicle application system including the power generation device will be omitted.
図２９は、本発明の実施形態１に係る発電デバイス１０００を備えた車載応用システムを装備した自動車６０００の一例を示す図である。 FIG. 29 is a diagram illustrating an example of an automobile 6000 equipped with an in-vehicle application system including the power generation device 1000 according to Embodiment 1 of the present invention.
自動車６０００は、フレームと、フレームに連結された車載応用システムと、車載応用システムに設置された発電デバイスとを有する自動車である。 The automobile 6000 is an automobile having a frame, an in-vehicle application system connected to the frame, and a power generation device installed in the in-vehicle application system.
発電デバイスを有することで、レイアウトフリーになった車載応用システムは、電源、配線を気にすることなく車内外のいずれにも配置することができる（図示せず）。 By having the power generation device, the in-vehicle application system which has become layout-free can be arranged anywhere inside and outside the vehicle without worrying about the power supply and wiring (not shown).
これによって、配線給電や電池駆動が難しい、車載応用システムや、インフラ健全性診断システムといったＩｏＴ向けセンサネットワークモジュールへ電源を供給することができる。 This makes it possible to supply power to a sensor network module for IoT, such as an in-vehicle application system or an infrastructure health diagnosis system, in which wiring power supply and battery driving are difficult.
なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。たとえば、発電デバイスを各種の慣性センサや圧電ミラーといった一般のMEMS素子に置き換えても、プリント基板を利用した本実装構造は適用できる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the gist. For example, even if the power generation device is replaced with a general MEMS element such as various inertial sensors or piezoelectric mirrors, the present mounting structure using a printed circuit board can be applied.
１０００、２０００、３０００、４０００、５０００：発電デバイス
１１０：保持部材
１１１：ストッパー
１１２：固定潤滑層
１２０：圧電素子
１２１：圧電体
１２２：金属弾性板
１２３：スリット
１２４：両持ち梁
１２５：金属配線
１３０：連結部材
１３１：連結部
１４０：プリント基板
１４１：プリント配線
１４１ａ：出力電極
１４１ｂ：入力電極
１４２：ダミー配線
１４３：絶縁性基板
１４４： 半田バンプまたは銀ペースト
１４５：ボンディングワイヤー
６０００：自動車
1000, 2000, 3000, 4000, 5000: power generation device 110: holding member 111: stopper 112: fixed lubrication layer 120: piezoelectric element 121: piezoelectric body 122: metal elastic plate 123: slit 124: doubly supported beam 125: metal wiring 130 : Connecting member 131: connecting portion 140: printed circuit board 141: printed wiring 141 a: output electrode 141 b: input electrode 142: dummy wiring 143: insulating substrate 144: solder bump or silver paste 145: bonding wire 6000: automobile
Claims (12)
前記保持部材に固定され、複数のプリント配線をそれぞれ有する複数のプリント基板と、
前記保持部材の中で、前記プリント基板に両端部がそれぞれ固定されたｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板に配置され、前記プリント配線と接続された厚さが２μｍ以上２５μｍ以下である複数の圧電体をそれぞれ有する複数の圧電素子と、
軸を有する連結部材であって、前記複数の圧電素子の間を連結し、前記圧電素子の振動方向を前記軸方向に制限し、錘として機能する連結部材と、
を備え、前記連結部材の共振によって発電することを特徴とする発電デバイス。 A housing-like holding member,
A plurality of printed circuit boards fixed to the holding member, each having a plurality of printed wiring,
In the holding member, a metal elastic plate having n (n is a natural number of 1 or more) beams having both ends fixed to the printed circuit board is connected to the printed wiring and has a thickness of 2 μm. a plurality of piezoelectric elements to Yes plurality of piezoelectric bodies respectively at 25μm inclusive,
A connecting member having a shaft, connecting between the plurality of piezoelectric elements , restricting the vibration direction of the piezoelectric element to the axial direction, a connecting member functioning as a weight ,
And generating power by resonance of the connecting member .
前記梁の下面において、前記連結部材が連結される連結部と前記保持部材に固定された固定部との間に配置された前記複数の前記圧電体は、その一部の圧電体が前記プリント基板の第３の電極に接続され、残りの圧電体が前記プリント基板の第４の電極に接続されていることを特徴とする請求項２乃至７の何れか一に記載の発電デバイス。 On the upper surface of the beam, the plurality of piezoelectric bodies disposed between a connecting part to which the connecting member is connected and a fixing part fixed to the holding member, a part of the piezoelectric bodies is formed on the printed circuit board. And the remaining piezoelectric body is connected to a second electrode of the printed circuit board, and
On the lower surface of the beam, the plurality of piezoelectric bodies arranged between a connecting part to which the connecting member is connected and a fixing part fixed to the holding member, a part of the piezoelectric bodies is formed on the printed circuit board. The power generation device according to any one of claims 2 to 7, wherein the power generation device is connected to the third electrode, and the remaining piezoelectric body is connected to the fourth electrode of the printed circuit board.
前記発電デバイスが設置された車載応用システム本体と、
を備えたことを特徴とする車載応用システム。 A housing-like holding member, a plurality of printed boards fixed to the holding member, each having a plurality of printed wirings, and n pieces of the holding members each having both ends fixed to the printed board (where n is 1 more disposed elastic metal plate having a beam of natural numbers), a plurality of piezoelectric elements, wherein the printed circuit and connected thickness is closed each a plurality of piezoelectric bodies is 2μm or more 25μm or less, and the connecting member having a shaft a is a power generation device that connects between the plurality of piezoelectric elements, to restrict the vibration direction of the piezoelectric element in the axial direction, a connecting member which functions as a weight, to generate power by the resonance of the connecting member,
An in-vehicle application system main body in which the power generation device is installed,
An in-vehicle application system comprising:
前記フレームに連結され、筐体状の保持部材、前記保持部材に固定され、複数のプリント配線をそれぞれ有する複数のプリント基板、前記保持部材の中で、前記プリント基板に両端部がそれぞれ固定されたｎ本（ｎは１以上の自然数）の梁を有する金属弾性板に配置され、前記プリント配線と接続された厚さが２μｍ以上２５μｍ以下である複数の圧電体をそれぞれ有する複数の圧電素子、及び軸を有する連結部材であって、前記複数の圧電素子の間を連結し、前記圧電素子の振動方向を前記軸方向に制限し、錘として機能する連結部材を備え、前記連結部材の共振によって発電する発電デバイス、並びに、前記発電デバイスが設置された車載応用システム本体を備えた車載応用システムと、
を有する自動車。
Frame and
Attached to the frame, a housing-shaped holding member, fixed to the holding member, a plurality of printed boards each having a plurality of printed wiring, among the holding members, both ends were fixed to the printed board, respectively. n (n is a natural number of 1 or more) are arranged in the metal elastic plate having a beam and a plurality of piezoelectric elements having a thickness that is connected to the printed circuit is closed each a plurality of piezoelectric bodies is 2μm or more 25μm or less, And a connecting member having a shaft, connecting between the plurality of piezoelectric elements , limiting a vibration direction of the piezoelectric element in the axial direction, and including a connecting member functioning as a weight, by a resonance of the connecting member. A power generation device for generating power, and an in-vehicle application system including an in-vehicle application system body in which the power generation device is installed,
The car with.
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