JP2011193665A - Power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、音や振動等の運動エネルギーを電気エネルギーへ変換する発電システムに関するものである。 The present invention relates to a power generation system that converts kinetic energy such as sound and vibration into electrical energy.
近年、地球温暖化の要因となっているCO2の排出量を削減するための方策の一つとして、太陽光、地熱、風力、又は潮汐等のエネルギーを電気エネルギーへ変換して利用する環境発電が注目されている。 In recent years, as one of the measures to reduce CO 2 emissions that are a cause of global warming, energy harvesting that converts sunlight, geothermal, wind power, tides, etc. into electrical energy Is attracting attention.
これらの発電方式は、現在多用されている石油を用いた発電や原子力発電等に比べれば未だコスト高であるが、安全性やクリーンであるという点で優れており、今後積極的に導入されることが期待されている。 These power generation methods are still more expensive than oil-based power generation and nuclear power generation, which are widely used at present, but they are superior in terms of safety and cleanliness and will be actively introduced in the future. It is expected that.
また、一方では、人工知能や通信機能を搭載した計測機器等の設置に際し、これらの機器に対する電力需給を自動的に調整する機能を持たせるスマートグリッド等に代表される、電気エネルギーの生成及び蓄積のネットワークも検討されている。このスマートグリッドのように、社会全体で電力消費抑制と効率的な利用とが確立されれば、電気自動車等の新たなシステムの導入も容易となり、更なるCO2排出量が抑制されて、環境に優しい社会への移行が期待できる。 On the other hand, when installing measuring instruments equipped with artificial intelligence and communication functions, the generation and storage of electrical energy represented by smart grids, etc., which have the function of automatically adjusting the power supply and demand for these devices. Other networks are also being considered. If power consumption control and efficient use are established throughout the society like this smart grid, it will be easy to introduce new systems such as electric vehicles, further reducing CO 2 emissions, and reducing environmental impact. A transition to a friendly society can be expected.
上述のような比較的大規模な電力の需給に対し、携帯機器等においては、利用者が使い易いように携帯機器の高性能化、小型化、薄型化、及び軽量化を図った上で、充電頻度を減らすなどの電源供給の確保が求められている。近年では、携帯機器の高性能化に伴ってその用途が拡大すると共に利用時間が長時間に亙るようになっており、要求される電力需要は増加の一途を辿っている。しかし、携帯機器の電源として使用されているリチウムイオン等の電池容量は殆ど増加しておらず、ユビキタス環境での電力供給に対する期待は非常に大きい。 In response to the supply and demand of relatively large-scale power as described above, in portable devices and the like, after improving the performance, size, thickness, and weight of portable devices so that users can easily use them, Ensuring power supply such as reducing charging frequency is required. In recent years, as the performance of portable devices has increased, their applications have been expanded and the usage time has been extended for a long time, and the required power demand has been increasing. However, the capacity of batteries such as lithium ions used as power sources for portable devices has hardly increased, and expectations for power supply in a ubiquitous environment are very high.
ユビキタス環境での電力供給に関し、機械的な振動エネルギーから電力を取り出す発明が、特許文献1で提案されている。特許文献1で提案されている圧電型発電機構では、両端が保持された棒状のバネ材の中央部付近にアンバランスな質量モーメントを形成する振動子と、変形により電力の発電をする圧電素子とを配置している。そして、外部から振動を受けて、前記振動子の質量によって前記バネ材がねじれ振動を励起した際に、前記圧電素子が0.1〜0.6μWの電力を発電するとしている。 Regarding power supply in a ubiquitous environment, Patent Document 1 proposes an invention for extracting power from mechanical vibration energy. In the piezoelectric power generation mechanism proposed in Patent Document 1, a vibrator that forms an unbalanced mass moment near the center of a rod-shaped spring material held at both ends, a piezoelectric element that generates power by deformation, and Is arranged. The piezoelectric element generates power of 0.1 to 0.6 μW when receiving vibration from the outside and exciting the torsional vibration of the spring material by the mass of the vibrator.
特許文献1で提案されている圧電型発電機構を、ビルや橋梁などの建造物等に設置することによって、当該建造物が、風や周辺の移動体の通過により低い周波数で振動した際に、当該圧電型発電機構が電力を発電することができる。特許文献1では、その発電した電力を建造物に取り付けた加速度センサーやひずみセンサー用の電源に用いることによって、長期的に建造物等に加わる応力等をモニタリングすることが可能となり、建造物に発生し得る損傷などを予測することができるとしている。 When the piezoelectric power generation mechanism proposed in Patent Document 1 is installed in a building such as a building or a bridge, when the building vibrates at a low frequency due to the passage of a wind or a surrounding moving body, The piezoelectric power generation mechanism can generate electric power. In Patent Document 1, it is possible to monitor the stress applied to a building, etc. over a long period of time by using the generated electric power for a power source for an acceleration sensor or a strain sensor attached to the building. It is possible to predict possible damage.
また、センシング機能と無線通信機能を合わせ持ったセンサネットワーク端末の電源として利用することが可能な圧電振動型発電機が、特許文献2で提案されている。特許文献2で提案されている圧電振動型発電機は、表裏にそれぞれ電極を形成した発電フィルムを湾曲変形可能な長方形のベースフィルムに貼り付け、当該発電フィルムの一端を支持柱で固定するとともに他端を自由端とした片持ち梁構造とし、自由端の先端部に振幅を増すための錘を備えている。 In addition, Patent Literature 2 proposes a piezoelectric vibration generator that can be used as a power source for a sensor network terminal having both a sensing function and a wireless communication function. In the piezoelectric vibration generator proposed in Patent Document 2, a power generation film with electrodes formed on the front and back surfaces is attached to a rectangular base film that can be bent and deformed, and one end of the power generation film is fixed with a support pillar. A cantilever structure with the end as a free end is provided with a weight for increasing the amplitude at the tip of the free end.
特許文献2で提案されている圧電振動型発電機を用いることによって、小型化及び底面積化を図りつつ、発電量の増大を図ることができるとしている。当該圧電振動型発電機を、温度、湿度、加速度等を検出して無線通信により伝達するセンサネットワーク端末の電源として用いることにより、電池交換が不要となり、様々な場所や生体に長寿命のセンサネットワーク端末を取り付けることができるようになるとしている。 By using the piezoelectric vibration generator proposed in Patent Document 2, the amount of power generation can be increased while reducing the size and the bottom area. By using the piezoelectric vibration generator as a power source for a sensor network terminal that detects temperature, humidity, acceleration, etc., and transmits it by wireless communication, battery replacement is unnecessary, and a long-life sensor network in various places and living organisms The terminal can be attached.
また、特許文献3には、人力駆動による携帯発電機が提案されている。特許文献3で提案されている携帯発電機は、ケース内において両端支持した矩形状の弾性板に圧電素子を貼り付けて構成したバイモルフと、利用者が外力を加えることにより当該バイモルフ中央に撓みを生じさせる加圧機構とを備えている。 Patent Document 3 proposes a portable generator driven by human power. The portable generator proposed in Patent Document 3 includes a bimorph formed by attaching a piezoelectric element to a rectangular elastic plate supported at both ends in a case, and the bimorph center is bent by a user applying an external force. And a pressurizing mechanism for generating the pressure.
特許文献3で提案されている携帯発電機のコネクターを携帯機器に接続して、利用者が加圧機構を押す操作を繰り返すと、ケース内のバイモルフが加圧機構の押圧力によって繰り返し撓み、バイモルフに張り付けられている圧電素子の電極には圧電正効果により交番の電界が生じて、圧電素子の電極には(+)(−)の電荷が発生する。これを電気エネルギーとして整流用ダイオードを通して直流に変換し、コネクターを介して携帯機器に送電することによって、携帯機器の2次電池を充電することができるとしている。 When the connector of the portable generator proposed in Patent Document 3 is connected to a portable device and the user repeatedly presses the pressing mechanism, the bimorph in the case is repeatedly bent by the pressing force of the pressing mechanism. An alternating electric field is generated by the piezoelectric positive effect on the electrode of the piezoelectric element attached to the electrode, and (+) (−) charges are generated on the electrode of the piezoelectric element. This is converted into direct current through rectifying diodes as electric energy and transmitted to the portable device via the connector, whereby the secondary battery of the portable device can be charged.
特許文献1に記載されている圧電型発電機構の固有振動数は、6〜10Hz程度と比較的高めの固有振動数を有している。したがって、ビルや橋梁に取り付けて発電を行うのには都合が良いと思われるが、人が携行する端末等に用いても6〜10Hzという振動数での共振を得ることは困難である。また、配置されている圧電素子が0.1mm程度と小型であるために、発電する電力が少ないという問題点がある。同様に、特許文献2に記載されている圧電振動型発電機も、低い固有振動数では共振しにくいという問題がある。 The natural frequency of the piezoelectric power generation mechanism described in Patent Document 1 has a relatively high natural frequency of about 6 to 10 Hz. Therefore, it seems convenient to generate electricity by attaching it to a building or bridge, but it is difficult to obtain resonance at a frequency of 6 to 10 Hz even when used for a terminal carried by a person. In addition, since the arranged piezoelectric element is as small as about 0.1 mm, there is a problem that power to be generated is small. Similarly, the piezoelectric vibration generator described in Patent Document 2 also has a problem that it is difficult to resonate at a low natural frequency.
特許文献3に記載されている携帯発電機では、発電の際には利用者が加圧機構に外力を加え続けて、意識的に「充電する」という行為を続ける必要がある。 In the portable generator described in Patent Document 3, it is necessary for the user to continue to apply an external force to the pressurizing mechanism and to consciously “charge” during power generation.
なお、一部で実用化されている太陽電池による発電では、近年、光電気変換効率が高まっており、その発電効率は30%以上となるものも存在している。しかし、強力な太陽光から得られる電力と、屋内等における蛍光灯から得られる電力の差は非常に大きく、携帯機器用の安定的な電力供給源としては十分ではない。また、太陽電池を用いた発電では、受光する光に対する設置角度も大きな問題であり、太陽電池に対して垂直に光が入射する場合は効率が最大になるが、傾斜角がつくにつれて効率が低下してしまう。したがって、例えば車のダッシュボード等に太陽電池を設置しておく場合であれば、多くの発電量を期待できるが、人が携行しながら光による発電を行おうとすると、一般的に十分な発電量を確保することは困難である。 In addition, in photovoltaic power generation that is partly put into practical use, photoelectric conversion efficiency has increased in recent years, and there is a power generation efficiency of 30% or more. However, the difference between the power obtained from strong sunlight and the power obtained from a fluorescent lamp indoors is very large, and is not sufficient as a stable power supply source for portable devices. In addition, in power generation using solar cells, the installation angle with respect to the received light is also a major problem, and the efficiency is maximized when light is incident perpendicular to the solar cells, but the efficiency decreases as the tilt angle increases. Resulting in. Therefore, for example, if solar cells are installed on the dashboard of a car, etc., a large amount of power generation can be expected. It is difficult to ensure.
太陽光発電の他に、熱電変換素子を用いる発電も考えられるが、人が携行している状態において温度差を確保することは非常に困難である。一方、人の運動エネルギーの一部を電気エネルギーに変換するデバイスとして、セラミック系圧電素子や高帯電材料を用いたコンデンサがある。圧電素子については、上述の特許文献1〜3に記載されている発電機の他にも、例えば道や階段に埋め込んで人の踏力や車の走行振動を利用して発電を行うものや、電子機器等におけるキー入力を利用したものが知られている。 In addition to solar power generation, power generation using a thermoelectric conversion element is also conceivable, but it is very difficult to ensure a temperature difference in the state that a person is carrying. On the other hand, as a device for converting a part of human kinetic energy into electric energy, there are a capacitor using a ceramic piezoelectric element or a highly charged material. Regarding the piezoelectric element, in addition to the generators described in the above-mentioned Patent Documents 1 to 3, for example, an element that is embedded in a road or stairs and generates power by using human treading force or driving vibration of a vehicle, A device using key input in a device or the like is known.
これらの圧電素子を用いた発電機の場合、セラミック系の強誘電体を用いているために、薄型化や柔軟性に対しての限界がある。したがって、入力すべき運動エネルギーが大きくなければ成らなかった。また、高帯電材料を用いたコンデンサによる発電においては、ある程度の表面積を確保する必要性と、電極間隔を極力薄く維持する必要性とがあり、機械要素部品やセンサーを電子回路と共に一つのシリコン基板上に集積化したMEMSデバイス(Micro Electro Mechanical Systems)にする必要があるなど、構造が限定されるという問題もある。 In the case of a generator using these piezoelectric elements, there is a limit to reduction in thickness and flexibility because a ceramic ferroelectric is used. Therefore, it was not possible if the kinetic energy to be input was not large. In addition, in power generation using a capacitor using a highly charged material, there is a need to ensure a certain surface area and a need to maintain the electrode spacing as thin as possible. There is also a problem that the structure is limited, such as the need for a MEMS device (Micro Electro Mechanical Systems) integrated on the top.
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、利用者に発電のための動作を強いることなく、振動等の運動エネルギーを電気エネルギーへ効率良く変換して発電を行うことが可能な小型の発電システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to generate power by efficiently converting kinetic energy such as vibration into electric energy without forcing the user to perform power generation. An object of the present invention is to provide a small-sized power generation system that can be used.
上記課題を解決するための本発明に係る発電システムは、運動エネルギーを受けて湾曲運動を行う強誘電体の薄膜フィルム並びに前記薄膜フィルムの表裏に形成した第1電極及び第2電極から構成される発電フィルムと、前記薄膜フィルムの湾曲運動により前記第1電極及び第2電極に生じた電圧を直流に変換する整流回路と、前記変換した直流の電圧を所定の電圧に電圧変換する電圧コンバータと、前記電圧変換後の電荷を蓄電する蓄電手段とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a power generation system according to the present invention includes a ferroelectric thin film that undergoes a bending motion upon receiving kinetic energy, and first and second electrodes formed on the front and back of the thin film. A power generation film, a rectifier circuit that converts the voltage generated in the first electrode and the second electrode by the bending motion of the thin film into DC, a voltage converter that converts the converted DC voltage into a predetermined voltage, and And a storage means for storing the charge after the voltage conversion.
本発明に係る発電システムにおいて、前記発電フィルムは、複数の湾曲部を有する蛇腹状に成型されているように構成する。 In the power generation system according to the present invention, the power generation film is configured to be formed into a bellows shape having a plurality of curved portions.
本発明に係る発電システムにおいて、前記発電フィルムの一部には、前記湾曲運動の振幅を増すための錘を備えるように構成する。 In the power generation system according to the present invention, a part of the power generation film is configured to include a weight for increasing the amplitude of the bending motion.
本発明に係る発電システムにおいて、前記錘は、前記発電フィルムにおける第1電極又は第2電極に取り付けられているように構成する。 In the power generation system according to the present invention, the weight is configured to be attached to the first electrode or the second electrode in the power generation film.
本発明に係る発電システムにおいて、前記発電フィルムの固定端は、回転軸に対してアンバランスな質量モーメントを有する非対称回転体に固定されているように構成する。 In the power generation system according to the present invention, the fixed end of the power generation film is configured to be fixed to an asymmetric rotating body having a mass moment unbalanced with respect to the rotation axis.
本発明に係る発電システムは、運動エネルギーを電気エネルギーへ変換する発電システムにおいて、前記運動エネルギーを受けて揺動運動を行う非対称回転体に配され、高帯電のエレクトレットフィルムに第1電極を形成した発電フィルムと、前記エレクトレットフィルムと対向する固定側に形成した第2電極と、前記発電フィルムの揺動運動により前記第1電極及び第2電極に生じた電圧を直流に変換する整流回路と、前記変換した直流の電圧を所定の電圧に電圧変換する電圧コンバータと、前記電圧変換後の電荷を蓄電する蓄電手段と、を備えるように構成してもよい。 The power generation system according to the present invention is a power generation system that converts kinetic energy into electrical energy, and is arranged on an asymmetric rotating body that performs oscillating motion in response to the kinetic energy, and the first electrode is formed on a highly charged electret film. A power generation film, a second electrode formed on a fixed side facing the electret film, a rectifier circuit that converts a voltage generated in the first electrode and the second electrode by a swinging motion of the power generation film into direct current, and A voltage converter that converts the converted DC voltage into a predetermined voltage and a power storage unit that stores the electric charge after the voltage conversion may be provided.
本発明に係る発電システムによれば、音や振動等の運動エネルギーを用いて発電フィルムを大きく湾曲運動させることによって、発電する電力を増やして携帯機器等の電源に利用することができる。また、本発明に係る発電システムによれば、利用者に発電のための動作を強いることなく、携帯機器用の発電を行うことができる。 According to the power generation system of the present invention, the power generation film can be largely bent using kinetic energy such as sound and vibration, so that the power to be generated can be increased and used as a power source for portable devices and the like. In addition, according to the power generation system of the present invention, it is possible to generate power for a portable device without forcing the user to perform an operation for power generation.
次に、本発明に係る発電システムの実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。 Next, an embodiment of a power generation system according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.
図1に、本発明に係る発電システムの構成をブロック図で示す。本発明に係る発電システム10は、図1に示すように、音や振動等の運動エネルギーを電気エネルギーへ変換する発電フィルム14と、発電フィルム14の湾曲運動により生じた交流電圧を直流電圧に変換する整流回路20と、直流電圧を安定化させるレギュレータ22と、直流電圧を所定の電圧に電圧変換する電圧コンバータ24と、電圧変換後の電荷を蓄電する蓄電手段26と、携帯機器にて使用する電圧に調節する機器電源コントローラ28とを備えている。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a power generation system according to the present invention. As shown in FIG. 1, a
蓄電手段26は携帯機器用の電源であり、例えばリチウムイオン電池等の2次電池や、電気2重層キャパシタ等の大容量のコンデンサ等を用いることができる。整流回路20として、半波整流回路又は、全波整流回路を用いることができる。
The power storage means 26 is a power source for portable equipment, and for example, a secondary battery such as a lithium ion battery or a large capacity capacitor such as an electric double layer capacitor can be used. As the
図2に、本発明に係る発電システム10に用いる発電フィルム14の断面図を示す。発電フィルム14は、図2に示すように、湾曲運動を行うことが可能な強誘電体の薄膜フィルム12と、薄膜フィルム12の表面に形成した第1電極16及び裏面に形成した第2電極17と、第1電極16及び第2電極17の表面にそれぞれ形成した保護層18とから構成されている。この保護層18は、PE(ポリエチレン;Polyethylene)又はPP(ポリプロピレン;polypropylene)等の絶縁性の樹脂を用いることができる。
In FIG. 2, sectional drawing of the electric
強誘電体の薄膜フィルム12は、図2に示す厚さ方向に分極している樹脂フィルムで、例えばPVDF(ポリフッ化ビニリデン;Poly Vinylidene DiFluoride)等のシート材を用いることができる。薄膜フィルム12の表裏にそれぞれ形成した第1電極16及び第2電極17を介して高電圧を加えることにより、薄膜フィルム12を厚さ方向に分極させて、圧電性を持たせることができる。なお、第1電極16と第2電極17については特に限定されないが、Ni−Cu、Ag、Ag−Pd、等の金属材料を用いることができる。
The ferroelectric
この圧電性を備えた薄膜フィルム12を湾曲変形させて分極方向に機械的な歪を生じさせると、薄膜フィルム12の表面に電荷が発生して発電が可能となる。また、この薄膜フィルム12は、機械的なQが低いことと音響インピーダンスが低いこととにより、共振ゲインは小さいものの、広い周波数範囲でゲインを稼ぐことが可能であって、微小な音波を拾うことや、微小な振動を拾って電力に変換することが可能となる。また、薄膜フィルム12として樹脂系材料を用いることにより、柔軟な構造物への実装も容易であり、形状も比較的自由に成型することができるといった特徴がある。
When the piezoelectric
運動エネルギーにより薄膜フィルム12が振動することによって、薄膜フィルム12の表裏に形成されている第1電極16及び第2電極17には、擬似的な交流の電圧が発生する。交流の電圧は携帯機器用の電源としては扱いにくいので、直流電源に変換する必要がある。そこで、図1に示す整流回路20を通し、その後レギュレータ22にて安定化した直流電圧を得ることができる。その後、必要となる電圧まで電圧コンバータ24にて電圧を昇降圧させ、携帯機器用電源となる蓄電手段26へ充電する。蓄電手段26を介さずに、直接携帯機器搭載の各デバイスへ電力を給電することも可能ではあるが、発電フィルム14を常時振動させておくことは困難であるので、常時電力が供給される保障は無い。したがって、携帯機器に搭載されている蓄電手段26に対して充電を行なうことが妥当である。
When the
なお、上記の強誘電体の薄膜フィルム12を用いた発電フィルム14に代えて、高帯電のエレクトレットフィルムを用いたコンデンサ形発電素子を用いることもできる。具体的には、運動エネルギーを受けて揺動運動を行う非対称回転体に配され、高帯電のエレクトレットフィルムに第1電極を形成した発電フィルムと、そのエレクトレットフィルムと対向する固定側に形成した第2電極と、その発電フィルムの揺動運動により第1電極及び第2電極に生じた電圧を直流に変換する整流回路と、その変換した直流の電圧を所定の電圧に電圧変換する電圧コンバータと、その電圧変換後の電荷を蓄電する蓄電手段と、を備えるように構成してもよい。
In place of the
コンデンサ形発電素子は、主にマイナス電荷の帯電保持性能に優れているため負極として使用し、正極を金属材料としてコンデンサを形成する。そして、コンデンサ容量を減少させる方向へ力を加え、変位させることによって電荷を取り出すことができる。そして、人体の移動、運動等によって励起される振動を発電フィルムの変形へと変換し、電力を取り出すことができる。 Capacitor-type power generation elements are mainly used as a negative electrode because they are excellent in charge retention performance of negative charges, and capacitors are formed using a positive electrode as a metal material. The electric charge can be taken out by applying a force in the direction of decreasing the capacitor capacity and displacing it. And the vibration excited by the movement of a human body, an exercise | movement, etc. can be converted into a deformation | transformation of a power generation film, and electric power can be taken out.
図3に、音の運動エネルギーを電気エネルギーへ変換する発電装置40の断面図を示す。発電装置40は、図3に示すように、空気の振動である音の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電フィルム14と、発電フィルム14を保持するケース42とから構成されている。発電フィルム14は、図3に示す左方向から音圧を受けると振動して、発電フィルム14の表裏に形成されている第1電極16及び第2電極17(図2参照)を介して電力を出力することができる。
FIG. 3 shows a cross-sectional view of a
なお、発電フィルム14として高帯電のエレクトレットフィルムを用いる場合には、発電フィルム14の裏面(図3に示すケース42の内側の面。)に負極の第2電極を形成する代わりに、発電フィルム14の裏側の離間した位置に負極の固定電極44(図3には、破線で記載してある。)を設けることもできる。
When a highly charged electret film is used as the
図4に、振動による運動エネルギーを電気エネルギーへ変換する発電装置51の側面図を示す。図4に示すように、発電装置51は、固定端52にて一端が固定され、複数の湾曲部を有する蛇腹状に成型した発電フィルム55と、発電フィルム55の自由端に配した湾曲運動の振幅を増すための錘56と、発電フィルム55及び錘56の振動方向を図4に示すL方向に制限する筒状の変位拘束機構58とを備えている。蛇腹状に形成した発電フィルム55には、図4に示すL方向にバネ定数が存在するので、錘56を重力に対抗して、所定の位置に保持しておくことができる。
In FIG. 4, the side view of the electric
発電フィルム55の固定端52は、利用者が携行する携帯機器の筐体等に固定しておく。携帯機器が図4に示すL方向に振動すると、錘56が携帯機器の筐体に対して図4に示すL方向に振動する。すると、携帯機器の筐体と、錘56との間で相対的な変位が発生して、発電フィルム55が伸縮運動を行う。このとき、発電フィルム55には湾曲運動が連続的に発生するので、携帯機器が振動することによって効率よく発電を行うことができる。なお、錘56は、発電フィルム55の表裏に形成した第1電極16又は第2電極17(図2参照)に取り付けると良い。
The
次に、発電フィルムの他の構成例について説明する。図5に、本発明に係る発電システム10に用いることが可能な発電フィルム54の正面図、右側面図および背面図を示す。図5に示すように、発電フィルム54は、湾曲運動を行うことが可能な強誘電体の薄膜フィルム12と、薄膜フィルム12の第1面に形成した第1電極16a及び第2電極17aと、薄膜フィルム12の第2面に形成した第1電極16b及び第2電極17bと、から構成されている。
Next, another configuration example of the power generation film will be described. FIG. 5 shows a front view, a right side view, and a rear view of a
図5の正面図に示される第1電極16aの出力線と、背面図に示される第1電極16bの出力線とは、後段の整流回路20に入力する手前で接続する。同様に、正面図に示される第2電極17aの出力線と、背面図に示される第2電極17bの出力線とは、後段の整流回路20に入力する手前で接続する。
The output line of the
このように発電フィルム54の電極を構成することによって、図5の右側面図に示す発電フィルム54の凸形状の内周側の電極が、常に第1電極16a、16bとなる。そして、凸形状の外周側の電極が、常に第2電極17a、17bとなる。
By configuring the electrodes of the
なお、図5には示していないが、第1電極16a、16b及び第2電極17a、17bの表面には、それぞれ保護層を形成してある。この保護層は、PE又はPP等の絶縁性の樹脂を用いることができる。また、強誘電体の薄膜フィルム12は、図2にて説明したように、厚さ方向に分極させたPVDFのシート材を用いることができる。
Although not shown in FIG. 5, protective layers are formed on the surfaces of the
図6に、振動による運動エネルギーを電気エネルギーへ変換する発電装置50の側面図を示す。発電装置50は、図6に示すように、固定端52にて一端が固定され、複数の湾曲部を有する蛇腹状に成型した発電フィルム54と、発電フィルム54の自由端に配した湾曲運動の振幅を増すための錘56と、発電フィルム54及び錘56の振動方向を図6に示すL方向に制限する筒状の変位拘束機構58とを備えている。発電フィルム54は、前述の図5にて説明した構造のものを用いる。蛇腹状に形成した発電フィルム54には、図6に示すL方向にバネ定数が存在するので、錘56を重力に対抗して、所定の位置に保持しておくことができる。
In FIG. 6, the side view of the electric
発電フィルム54の固定端52は、利用者が携行する携帯機器の筐体等に固定しておく。携帯機器が図6に示すL方向に振動すると、錘56が携帯機器の筐体に対して図6に示すL方向に振動する。すると、携帯機器の筐体と、錘56との間で相対的な変位が発生して、発電フィルム54が伸縮運動を行う。このとき、発電フィルム54には湾曲運動が連続的に発生するので、携帯機器が振動することによって図5に示した第1電極16a、16bと第2電極17a、17bとの間で電位差が発生し、効率よく発電を行うことができる。なお、錘56は、発電フィルム54の表裏に形成した第1電極16a、16b又は第2電極17a、b(図5参照)に取り付けると良い。
The
次に、図6に示した発電装置50を非対称回転体62に適用することによって、自動的に錘56が重力方向に向くように構成した実施例を図7に示す。R方向に揺動可能な非対称回転体62は、図7に示すように、回転軸63に対してアンバランスな質量モーメントを有している。そして、発電フィルム54の固定端52は、非対称回転体62に固定してある。変位拘束機構58は、発電フィルム54及び錘56の振動方向を図7に示すL方向に制限するものである。
Next, FIG. 7 shows an embodiment in which the
図7に示すように、発電装置50を非対称回転体に適用することによって、自動的に錘56が重力方向に向くようになる。そして、発電装置50を搭載する携帯機器の方向依存性を排除し、効率よく発電を継続することができる。
As shown in FIG. 7, when the
次に、振動等の運動エネルギーを電気エネルギーへ変換するコンデンサ形発電素子を、非対称回転体72に実装した実施例について図8を用いて説明する。図8に示す実施例では、発電フィルム74、75、76として上述のコンデンサ形発電素子を用いており、非対称回転体72に正極の第1電極16を形成し、固定側の携帯機器の筐体側に負極の第2電極17(図8では、破線で示してある。)を形成する。
Next, an embodiment in which a capacitor-type power generating element that converts kinetic energy such as vibration into electric energy is mounted on the asymmetric
R方向に揺動可能な非対称回転体72は、図8に示すように、回転軸73に対してアンバランスな質量モーメントを有している。そして、発電フィルム74、75、76は非対称回転体72に固定する。このように構成することにより、携帯機器を揺動させると非対称回転体72に揺動が発生し、この揺動に応じて発電が行なわれる。更に、分割された発電フィルム74、75、76の第1電極16によってダンピングをかけること可能となり、図7に示したような発電フィルム54を蛇腹状に形成することや、錘56等の機構部品等を省略することができる。
The asymmetric
なお、本発明は上記実施形態の構成にのみ制限されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得ることができる各種変形、修正を含むことは勿論である。 It should be noted that the present invention is not limited to the configuration of the embodiment described above, and of course includes various variations and modifications that can be made by those skilled in the art within the scope of the present invention.
10 発電システム
12 薄膜フィルム
14、54、55、74、75、76 発電フィルム
16、16a、16b 第1電極
17、17a、17b 第2電極
18 保護層
20 整流回路
22 レギュレータ
24 電圧コンバータ
26 蓄電手段
28 機器電源コントローラ
40、50、51 発電装置
42 ケース
44 固定電極
52 固定端
56 錘
58 変位拘束機構
62、72 非対称回転体
63、73 回転軸
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記運動エネルギーを受けて湾曲運動を行う強誘電体の薄膜フィルム、該薄膜フィルムの表裏に形成した第1電極及び第2電極から構成される発電フィルムと、
前記薄膜フィルムの湾曲運動により前記第1電極及び第2電極に生じた電圧を直流に変換する整流回路と、
前記変換した直流の電圧を所定の電圧に電圧変換する電圧コンバータと、
前記電圧変換後の電荷を蓄電する蓄電手段と、を備えることを特徴とする発電システム。 In a power generation system that converts kinetic energy into electrical energy,
A ferroelectric thin film that receives the kinetic energy and performs a bending motion, a power generation film composed of a first electrode and a second electrode formed on the front and back of the thin film,
A rectifier circuit for converting the voltage generated in the first electrode and the second electrode by the bending motion of the thin film into direct current;
A voltage converter that converts the converted DC voltage into a predetermined voltage;
And a power storage means for storing the charge after the voltage conversion.
前記発電フィルムは、複数の湾曲部を有する蛇腹状に成型されている、発電システム。 The power generation system according to claim 1,
The power generation system, wherein the power generation film is molded into a bellows shape having a plurality of curved portions.
前記発電フィルムの一部には、前記湾曲運動の振幅を増すための錘を備える、発電システム。 The power generation system according to claim 1 or 2,
A power generation system comprising a weight for increasing an amplitude of the bending motion in a part of the power generation film.
前記錘は、前記発電フィルムにおける第1電極又は第2電極に取り付けられている、発電システム。 The power generation system according to claim 3,
The power generation system, wherein the weight is attached to a first electrode or a second electrode in the power generation film.
前記発電フィルムの固定端は、回転軸に対してアンバランスな質量モーメントを有する非対称回転体に固定されている、発電システム。 The power generation system according to claim 2, wherein
The power generation system, wherein a fixed end of the power generation film is fixed to an asymmetric rotating body having an unbalanced mass moment with respect to a rotation axis.
前記運動エネルギーを受けて揺動運動を行う非対称回転体に配され、高帯電のエレクトレットフィルムに第1電極を形成した発電フィルムと、
前記エレクトレットフィルムと対向する固定側に形成した第2電極と、
前記発電フィルムの揺動運動により前記第1電極及び第2電極に生じた電圧を直流に変換する整流回路と、
前記変換した直流の電圧を所定の電圧に電圧変換する電圧コンバータと、
前記電圧変換後の電荷を蓄電する蓄電手段と、を備えることを特徴とする発電システム。 In a power generation system that converts kinetic energy into electrical energy,
A power generation film that is arranged on an asymmetric rotating body that performs rocking motion in response to the kinetic energy, and in which a first electrode is formed on a highly charged electret film;
A second electrode formed on the fixed side facing the electret film;
A rectifier circuit that converts a voltage generated in the first electrode and the second electrode by a swinging motion of the power generation film into a direct current;
A voltage converter that converts the converted DC voltage into a predetermined voltage;
And a power storage means for storing the charge after the voltage conversion.
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-
2010
- 2010-03-16 JP JP2010058640A patent/JP2011193665A/en not_active Withdrawn
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