JP2018182941A - Vibration power generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、環境に存在する力学的な振動を利用して誘導起電力を生じさせるように構成された振動発電装置に関する。 The present invention relates to a vibration power generation apparatus configured to generate an induced electromotive force by utilizing mechanical vibration present in the environment.
図7[A]は、特許文献1に開示された振動発電装置(1自由度型)の概念図である。振動発電装置80は、筐体81と、コイルバネ82と、筐体81にコイルバネ82を介して支持された磁石83と、筐体81に固定された導電コイル84とを備える。コイルバネ82のバネ定数k1と磁石83の重さm1とで決まる固有角振動数ω1=√(k1/m1)の振動を筐体81に与えることにより、磁石83がコイルバネ82を介して振動するので、導電コイル84から誘導起電力が発生する。振動発電装置80によれば、環境に存在する力学的な振動エネルギを電気的エネルギに変換することにより、電池交換などのメンテナンスを不要にした例えばビーコン発信装置などが実現可能となる。
FIG. 7A is a conceptual view of a vibration power generation apparatus (one degree of freedom type) disclosed in Patent Document 1. As shown in FIG. The vibration
振動発電装置80は、1自由度型と呼ぶことができ、固有角振動数ω1の振動のときに発電量が最大になり、それ以外の角振動数の振動では発電量が著しく低下する。つまり、固有角振動数ω1が一つであるため、発電可能な周波数帯域幅が狭いという問題があった。この問題を解決する技術が特許文献2に開示されている。
The vibration
図7[B]は、特許文献2に開示された振動発電装置(直列2自由度型)の概念図である。振動発電装置90は、筐体91と、コイルバネ92,94と、筐体91にコイルバネ92を介して支持されたオモリ93と、オモリ93にコイルバネ94を介して支持された磁石95と、オモリ93に固定された導電コイル96とを備える。磁石95がコイルバネ92、オモリ93及びコイルバネ94を介して振動し、導電コイル96がコイルバネ92及びオモリ93を介して振動することにより、導電コイル96から誘導起電力が発生する。振動発電装置90は、直列2自由度型と呼ぶことができ、二つの固有角振動数を有するので、発電可能な周波数帯域幅が広がる。
FIG. 7 [B] is a conceptual view of a vibration power generation device (series two degrees of freedom type) disclosed in Patent Document 2. FIG. The vibration
しかしながら、振動発電装置90では、二つの固有角振動数を近づけるほど、二個のオモリ(磁石95とオモリ93)の質量比(質量小/質量大)が非常に小さくなるという問題があった。例えば、二つの固有角振動数の中間及び差をそれぞれ周波数に換算して50Hz及び5Hzにしたい場合、二個のオモリの質量比は約1/100倍に設定しなければならない。一般に、得られる電力はオモリの合計質量に比例する(効率が同じとき)。小さい側のオモリの質量を1自由度型程度にし、大きい側のオモリの質量を100倍にすると、大きな電力が得られるものの、全体の重さが1自由度型の100倍程になってしまう。逆に、大きい側のオモリの質量を1自由度型程度にし、小さい側のオモリの質量を1/100倍にすると、小さい側のオモリが小さくなり過ぎ、磁石95と導電コイル96からなる発電部を構成することが困難となる。以下に、この問題について更に詳しく説明する。
However, in the vibration
特許文献2の段落0059に示されているように、1自由度型の各固有角振動数
Ω1=√(k1/m1)、Ω2=√(k2/m2)
から直列2自由度型の固有角振動数ω1、ω2を求める式は次のようになる。
ω1 2=(1/2){Ω1 2+(1+μ)Ω2 2}-(1/2)√[{Ω1 2+(1+μ)Ω2 2}2-4Ω1 2Ω2 2] (1)
ω2 2=(1/2){Ω1 2+(1+μ)Ω2 2}+(1/2)√[{Ω1 2+(1+μ)Ω2 2}2-4Ω1 2Ω2 2] (2)
ここで、μ=m2/m1であり、m1,m2はオモリ質量(m1はオモリ93の質量、m2は磁石95の質量)であり、k1,k2はバネ定数(k1はコイルバネ92のバネ定数、k2はコイルバネ94のバネ定数)である。なお、オモリ93の質量には導電コイル96の質量も含まれる。
As shown in paragraph 0059 of Patent Document 2, each natural angular frequency of one degree of freedom type Ω 1 = √ (k 1 / m 1 ), Ω 2 = √ (k 2 / m 2 )
The equation for obtaining the natural angular frequencies ω 1 and ω 2 of the series two degrees of freedom from is as follows.
ω 1 2 = (1/2) {Ω 1 2 + (1 + μ) Ω 2 2 }-(1/2) [[{Ω 1 2 + (1 + μ) Ω 2 2 } 2 −4 Ω 1 2 Ω 2 2 ] (1)
ω 2 2 = (1/2) {Ω 1 2 + (1 + μ) Ω 2 2 } + (1/2) √ {{Ω 1 2 + (1 + μ) Ω 2 2 } 2 −4Ω 1 2 Ω 2 2 ] (2)
Here, μ = m 2 / m 1 , m 1 and m 2 are mass of mass (m 1 is mass of
しかし、実際の設計では設置場所の加速度要求によりω1,ω2がまず与えられ、これに合うΩ1,Ω2,μを求めることになる。そこで、式(1)及び(2)を逆にΩ1,Ω2について解くと、
Ω1 4-(ω1 2+ω2 2)Ω1 2+(1+μ)ω1 2ω2 2=0 (3)
(1+μ)Ω2 4-(ω1 2+ω2 2)Ω2 2+ω1 2ω2 2=0 (4)
という二次方程式が得られる。
However, in an actual design, ω 1 and ω 2 will be given first according to the acceleration requirements of the installation site, and Ω 1 , Ω 2 and μ will be found to be appropriate. Then, when equations (1) and (2) are solved for Ω 1 and Ω 2 in reverse,
Ω 1 4 - (ω 1 2 + ω 2 2) Ω 1 2 + (1 + μ) ω 1 2 ω 2 2 = 0 (3)
(1 + μ) Ω 2 4 - (ω 1 2 + ω 2 2) Ω 2 2 + ω 1 2 ω 2 2 = 0 (4)
The quadratic equation is obtained.
ω1,ω2が与えられたとき、Ω1,Ω2が存在する(実数解を持つ)条件は、式(3)及び(4)の判別式Dが正になることである。式(3)及び(4)の判別式は次のように同じ式になる。
D=(ω1 2+ω2 2)2-4(1+μ)ω1 2ω2 2≧0 (5)
When ω 1 and ω 2 are given, the condition that Ω 1 and Ω 2 exist (have a real solution) is that the discriminant D of equations (3) and (4) becomes positive. The discriminants of equations (3) and (4) are the same as follows.
D = (ω 1 2 + ω 2 2 ) 2-4 (1 + μ) ω 1 2 ω 2 2 ≧ 0 (5)
式(5)をμについて整理すると、次式が得られる。
μ≦{(ω2 2-ω1 2)/(2ω1ω2)}2 (6)
すなわち“質量比μは上限値を持つ”ことになる。
If equation (5) is rearranged for μ, the following equation is obtained.
μ ≦ {(ω 2 2 −ω 1 2 ) / ( 2 ω 1 ω 2 )} 2 (6)
That is, "mass ratio μ has an upper limit value".
また、ω0>>Δωのとき近似的に次式が成り立つ。
μ≦(Δω/ω0)2 (7)
ここで、ω0 =(ω1+ω2)/2、Δω=ω2-ω1である。よって、μは角振動数差比(Δω/ω0)の2乗に比例する。このように、直列2自由度型の振動発電装置90では、二つの固有角振動数ω1,ω2を近づけるほど、二個のオモリ(磁石95とオモリ93)の質量比μ(質量小/質量大)が非常に小さくなる。
Also, when ω 0 >> Δω, the following equation holds approximately.
μ ≦ (Δω / ω 0 ) 2 (7)
Here, ω 0 = (ω 1 + ω 2 ) / 2 and Δω = ω 2 −ω 1 . Therefore, μ is proportional to the square of the angular frequency difference ratio (Δω / ω 0 ). Thus, in the series two degrees of freedom type
そこで、本発明の目的は、全体の質量及び寸法を大きく増やさずに幅広い周波数帯域の振動に対して発電可能な振動発電装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a vibration power generator capable of generating power against vibrations in a wide frequency band without significantly increasing the overall mass and size.
本発明に係る振動発電装置は、
筐体と、磁石側バネ部材と、コイル側バネ部材と、
前記筐体に前記磁石側バネ部材を介して支持され、磁石を有する磁石側ユニットと、
前記筐体に前記コイル側バネ部材を介して支持され、導電コイルを有するコイル側ユニットと、を備え、
前記磁石側ユニットが前記磁石側バネ部材を介して振動するとともに前記コイル側ユニットが前記コイル側バネ部材を介して振動することにより、前記磁石から生じている磁束を前記導電コイルが横切って当該導電コイルから誘導起電力が発生するように構成され、
前記磁石側ユニットが振動する際の固有角振動数と前記コイル側ユニットが振動する際の固有角振動数とが異なる値に設定された、
ものである。
The vibration power generation device according to the present invention is
A housing, a magnet side spring member, and a coil side spring member;
A magnet side unit supported by the housing via the magnet side spring member and having a magnet;
A coil side unit supported by the case via the coil side spring member and having a conductive coil;
When the magnet side unit vibrates via the magnet side spring member and the coil side unit vibrates via the coil side spring member, the conductive coil crosses the magnetic flux generated from the magnet and the conductive state Configured to generate an induced electromotive force from the coil,
The natural angular frequency when the magnet side unit vibrates and the natural angular frequency when the coil side unit vibrates are set to different values.
It is a thing.
本発明に係る振動発電装置によれば、磁石側ユニットが磁石側バネ部材を介して振動するとともにコイル側ユニットがコイル側バネ部材を介して振動することにより導電コイルから誘導起電力が発生するように構成され、かつ磁石側ユニットの固有角振動数とコイル側ユニットの固有角振動数とが異なる値に設定されたことにより、独立した二つの1自由度型が並列に二つ置かれた並列2自由度型として動作可能となる。したがって、磁石側ユニットの固有角振動数とコイル側ユニットの固有角振動数との差に応じて磁石側ユニットとコイル側ユニットとの質量比(質量小/質量大)を小さくする必要がないので、全体の質量及び寸法を大きく増やすことなく、幅広い周波数帯域の振動に対して発電可能となる。 According to the vibration power generation apparatus of the present invention, the magnet side unit vibrates via the magnet side spring member and the coil side unit vibrates via the coil side spring member so that an induced electromotive force is generated from the conductive coil. And two independent single one-degree-of-freedom units placed in parallel by having the natural angular frequency of the magnet side unit and the natural angular frequency of the coil side unit set to different values. It can operate as a two degree of freedom type. Therefore, it is not necessary to reduce the mass ratio (mass small / mass large) between the magnet side unit and the coil side unit according to the difference between the natural angular frequency of the magnet side unit and the natural angular frequency of the coil side unit. Power can be generated for vibrations in a wide frequency band without significantly increasing the overall mass and size.
本明細書及び特許請求の範囲における「備える」とは、明示した構成要素以外の構成要素を備える場合も含まれる。「有する」や「含む」なども同様である。本明細書での「上下左右」は、図面で見た場合の上下左右をいうものとし、上下左右が固定される意味ではない。以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態(以下「実施形態」という。)について説明する。なお、各図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を使用することにより、重複説明を省略する。 The term "comprising" in the present specification and claims also includes the case of including components other than the explicitly stated components. The same applies to "having" and "including". The "upper, lower, left, and right" in the present specification refer to the upper, lower, left, and right when viewed in the drawings, and does not mean that the upper, lower, left, or right is fixed. Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as "embodiment") will be described with reference to the attached drawings. In each of the drawings, the same reference numerals are used for substantially the same components, and the redundant description will be omitted.
まず、本実施形態の振動発電装置の構成について、図1乃至図4に基づき説明する。以下で述べる符号は、図1乃至図4のいずれかに記載されている。 First, the configuration of the vibration power generation device of the present embodiment will be described based on FIGS. 1 to 4. The reference numerals described below are described in any of FIGS. 1 to 4.
本実施形態の振動発電装置10は、筐体20と、磁石側バネ部材としてのコイルバネ31と、コイル側バネ部材としてのコイルバネ41と、筐体20にコイルバネ31を介して支持され、磁石32を有する磁石側ユニット30と、筐体20にコイルバネ41を介して支持され、導電コイル42を有するコイル側ユニット40と、を備えている。そして、振動発電装置10は、磁石側ユニット30がコイルバネ31を介して振動するとともにコイル側ユニット40がコイルバネ41を介して振動することにより、磁石32から生じている磁束を導電コイル42が横切って導電コイル42から誘導起電力(出力電圧Vout)が発生するように構成されている。これに加え、磁石側ユニット30が振動する際の固有角振動数ω1とコイル側ユニット40が振動する際の固有角振動数ω2とが、異なる値に設定されている。
The vibration
磁石側ユニット30とコイル側ユニット40との質量比(コイル側ユニット40の質量/磁石側ユニット30の質量)は、例えば0.5〜1.5の範囲内にある。
The mass ratio of the
磁石側バネ部材及びコイル側バネ部材はそれぞれ四本のコイルバネ31,41からなり、コイルバネ31,41の伸縮方向が磁石側ユニット30及びコイル側ユニット40の振動方向11である。図3に示すように、磁石側ユニット30は、異なる磁極同士を空隙を介して向かい合わせた少なくとも一対の磁石32を保持する四角板状の磁石ホルダ33と、磁石ホルダ33内の空隙からなりコイル側ユニット40を隙間をもって挿し通す挿通穴34と、磁石ホルダ33の四隅に設けられ四本のコイルバネ31の一端をそれぞれ固定するユニット側バネ固定部35とを更に有する。図4に示すように、コイル側ユニット40は、導電コイル42を中央に嵌め込んだ四角板状のコイルホルダ43と、コイルホルダ43の四隅に設けられ四本のコイルバネ41の一端をそれぞれ固定するユニット側バネ固定部45とを有する。
The magnet side spring member and the coil side spring member consist of four
図1に示すように、筐体20は、磁石ホルダ33に固定されたコイルバネ31の他端を固定する四個の筐体側バネ固定部21と、コイルホルダ43に固定されたコイルバネ41の他端を固定する四個の筐体側バネ固定部22とを有する。コイル側ユニット40が挿通穴34に挿し通された状態で、八本のコイルバネ31,41の両端がそれぞれユニット側バネ固定部35,45及び筐体側バネ固定部21,22に固定されている。
As shown in FIG. 1, the
コイルホルダ43に固定された少なくとも二本のコイルバネ41は、導電性を有し、導電コイル42と出力端子44(図1[B])とを電気的に接続する。
At least two
次に、振動発電装置10の各構成要素について詳しく説明する。
Next, each component of the vibration
図1に示すように、筐体20は、例えば合成樹脂からなるベースであり、必要に応じてキャップ(図示せず)が嵌合され、磁石側ユニット30、コイル側ユニット40、コイルバネ31,41などを内蔵し、全体として直方体状である。筐体20の内側には、筐体側バネ固定部21,22の他に、コイルバネ31を収容するバネ収容凹部23、コイルバネ41を収容するバネ収容凹部24などが形成されている。筐体側バネ固定部21,22は、筐体20の厚さ方向に埋め込まれた係止ピンであり、それぞれコイルバネ31,41の他端が係止される。
As shown in FIG. 1, the
また、筐体20内には、コイル側ユニット40の出力端子44に接続される回路基板(図示せず)を内蔵させてもよい。その回路基板は例えばコイル側ユニット40で発生した誘導起電力から得た電気エネルギにより個体識別信号などの情報を送信する機能を有し、その機能は市販の電源回路モジュールやBLEモジュールを用いることによって実現可能である。
In addition, a circuit board (not shown) connected to the
図3に示すように、磁石側ユニット30は、磁石32、磁石ホルダ33、挿通穴34及びユニット側バネ固定部35の他に、ヨーク36を有する。磁石ホルダ33は、四個の磁石32及び二個のヨーク36を保持する、磁石32は、どのような種類でもよいが、小型でも強い磁力を有するネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石などの希土類磁石が適している。ヨーク36は例えば軟鉄板である。
As shown in FIG. 3, the
磁石ホルダ33は、例えば合成樹脂などからなるキャップ側枠37とベース側枠38とが貼り合わされた横長の四角板状である。キャップ側枠37とベース側枠38との間には、コイルホルダ43を挿し通す挿通穴34が左右端を貫いて形成されている。キャップ側枠37及びベース側枠38には、それぞれ二個の磁石32と一個のヨーク36が嵌め込まれている。そのため、挿通穴34内のコイルホルダ43を挟んで二個ずつ二組の磁石32が向き合うことにより、四個の磁石32と二個のヨーク36とからなる磁気回路を形成する。磁石ホルダ33の四隅に設けられたユニット側バネ固定部35は、磁石ホルダ33を厚さ方向に貫通する係止ピンであり、コイルバネ31の一端が係止される。
The
図4に示すように、コイルホルダ43は、四角板状の合成樹脂からなり、中央に導電コイル42が嵌め込まれ、導電コイル42に出力端子44(図1[B])が電気的に接続されている。導電コイル42は、導線が巻回されて横長の円筒形状を呈しており、中央に空芯が形成されている。コイルホルダ43の四隅に設けられたユニット側バネ固定部45は、コイルホルダ43を厚さ方向に貫通する係止ピンであり、コイルバネ41の一端が係止される。
As shown in FIG. 4, the
図1に示すように、コイル側ユニット40を磁石側ユニット30の挿通穴34内に挿し通した状態で、コイル側ユニット40又は磁石側ユニット30はそれぞれコイルバネ31,41を介して上下に振動する。このとき、導電コイル42を貫く磁石32の磁束が、導電コイル42と磁石32との相対位置に応じて変化することにより、導電コイル42から誘導起電力が発生する。
As shown in FIG. 1, in the state where the
合計八本のコイルバネ31,41は、引張バネであり、対称になるように一本ずつ配置される。なお、コイルバネでは、荷重がかかっていない状態での長さを自然長(又は自由長)と呼び、機械構造に組み付けた場合の少し伸ばした状態での長さをセット長と呼ぶ。つまり、初期状態においてコイルバネ31,41には、自然長とセット長の差に応じた張力が加えられている。なお、磁石側バネ部材及びコイル側バネ部材は、引張コイルバネに限らず、例えば圧縮コイルバネや特許文献2に記載の板バネなどを用いてもよい。
A total of eight
次に、振動発電装置10の動作について、図5及び図7[C]を中心に説明する。
Next, the operation of the vibration
振動発電装置10は、図7[A]に示す1自由度型、図7[B]に示す直列2自由度型に対して、図7[C]に示す並列2自由度型と呼ぶことができる。図5において、磁石側ユニット30及びコイル側ユニット40の振動方向11(すなわちコイルバネ31,41の伸縮方向)を正方向12と逆方向13とに分け、磁石側ユニット30及びコイル側ユニット40の振動方向11における初期状態での中心位置をバランス位置14とする。正方向12は、上側のコイルバネ31,41が縮む方向かつ下側のコイルバネ31,41が伸びる方向である。これとは逆に逆方向13は、上側のコイルバネ31,41が伸びる方向かつ下側のコイルバネ31,41が縮む方向である。
The vibration
磁石側ユニット30及びコイル側ユニット40は、それぞれ独立に振動する(並列2自由度型)。そのため、磁石側ユニット30の質量、ばね定数、固有角振動数をk1,m1,ω1とし、コイル側ユニット40の質量、ばね定数、固有角振動数をk2,m2,ω2とすると、固有角振動数ω1,ω2は次式で与えられる。
ω1=√(k1/m1)、ω2=√(k2/m2) (11)
The
ω 1 = √ (k 1 / m 1 ), ω 2 = √ (k 2 / m 2 ) (11)
ただし、式(11)において例えばω1<ω2となるように、各値を設定する。m1,m2については、各ユニットの材質や大きさを変えたり、オモリを付加したりすることにより調整する。一般に磁石側ユニット30よりもコイル側ユニット40の方が軽いので、図7[C]に示す例ではコイル側ユニット40にオモリ46を付加している。
However, each value is set so that, for example, ω 1 <ω 2 in equation (11). m 1 and m 2 are adjusted by changing the material and size of each unit or adding a weight. Generally, the
ここで、振動発電装置10に角振動数ωの振動を加えて、角振動数ωを零付近から徐々に増加させる。この場合、磁石側ユニット30及びコイル側ユニット40は、それぞれ1自由度型の強制振動における振幅と位相の関係を満たすことになる。つまり、磁石側ユニット30の振幅は、ωがω1に近づくにつれて急上昇し、ω=ω1のときに共振して最大となり、ωがω1から離れるにつれて大きく低下する。磁石側ユニット30の応答変位の位相差は、ω<ω1のときに概ね0、ω=ω1のときに-π/2、ω>ω1のときに概ね-πとなる。同様に、コイル側ユニット40の振幅は、ωがω2に近づくにつれて急上昇し、ω=ω2のときに共振して最大となり、ωがω2から離れるにつれて大きく低下する。コイル側ユニット40の応答変位の位相差は、ω<ω2のときに概ね0、ω=ω2のときに-π/2、ω>ω2のときに概ね-πとなる。
Here, vibration of the angular frequency ω is applied to the vibration
よって、ω=ω1のときに磁石側ユニット30が共振し、ω=ω2のときにコイル側ユニット40が共振し、ω<ω1又はω2<ωのときに磁石側ユニット30及びコイル側ユニット40が同相で振動し、ω1<ω<ω2のときに磁石側ユニット30及びコイル側ユニット40が逆相で振動する。磁石側ユニット30及びコイル側ユニット40が同相で振動するとは、磁石側ユニット30が逆方向13へ動くときにコイル側ユニット40も逆方向13へ動き、磁石側ユニット30が正方向12へ動くときにコイル側ユニット40も正方向12へ動くことを意味する。磁石側ユニット30及びコイル側ユニット40が逆相で振動するとは、磁石側ユニット30が逆方向13へ動くときにコイル側ユニット40が正方向12へ動き(図5[A])、磁石側ユニット30が正方向12へ動くときにコイル側ユニット40が逆方向13へ動く(図5[B])ことを意味する。磁石側ユニット30及びコイル側ユニット40の少なくとも一方が振動すると、磁石32から生じている磁束を導電コイル42が横切るので、導電コイル42から誘導起電力(出力電圧Vout)が発生する。
Therefore, resonance
次に、振動発電装置10の作用及び効果について説明する。
Next, the operation and effects of the vibration
<1>.振動発電装置10によれば、磁石側ユニット30がコイルバネ31を介して振動するとともにコイル側ユニット40がコイルバネ41を介して振動することにより導電コイル42から誘導起電力が発生するように構成され、かつ磁石側ユニット30の固有角振動数ω1とコイル側ユニット40の固有角振動数ω2とが異なる値に設定されたことにより、独立した二つの1自由度型が並列に二つ置かれた並列2自由度型として動作可能となる。したがって、磁石側ユニット30の固有角振動数ω1とコイル側ユニット40の固有角振動数ω2との差に応じて磁石側ユニット30とコイル側ユニット40との質量比(質量小/質量大)を小さくする必要がないので、全体の質量及び寸法を大きく増やすことなく、幅広い周波数帯域の振動に対して発電可能である。
<1>. According to the vibration
<2>.振動発電装置10によれば、ω<ω1又はω2<ωのときに磁石側ユニット30及びコイル側ユニット40が同相で振動し、ω1<ω<ω2のときに磁石側ユニット30及びコイル側ユニット40が逆相で振動することにより、ω<ω1又はω2<ωのときに磁石側ユニット30及びコイル側ユニット40の振幅が減算され、ω1<ω<ω2のときに磁石側ユニット30及びコイル側ユニット40の振幅が加算されるので、出力電力の周波数特性が矩形になりやすい。つまり、ω1<ω<ω2の帯域において発電量を概ね一定にできる。
<2>. According to the
<3>.磁石側ユニット30とコイル側ユニット40との質量比(コイル側ユニット40の質量m2/磁石側ユニット30の質量m1)を0.5〜1.5の範囲内にした場合は、出力電力(発電量)の二つのピークを同レベルにしやすいので、出力電力の周波数特性をより矩形に近づけることができる。出力電力は質量に比例することにより、両者の質量比が1に近いほど、出力電力の二つのピークが等しくなるからである。
<3> When the mass ratio of the
<4>.コイルホルダ43に固定された少なくとも二本のコイルバネ41が、導電性を有し、導電コイル42と出力端子44とを電気的に接続する場合は、導電コイル42と出力端子44とを電気的に接続する配線が不要になるので、構成を簡素化できる。
<4>. When at least two
<5>.直列2自由度型と比較した具体例で説明する。図7[B]に示す直列2自由度型において、二つの固有角振動数ω1,ω2の中間及び差をそれぞれ周波数に換算して50Hz及び5Hzにしたい場合ω0=50Hz、Δω=5Hzになるので、式(7)からΔω/ω0=0.1、μ=0.01となる。出力電力はオモリの合計質量に比例する(効率が同じとき)。そのため、図7[C]に示す本実施形態の並列2自由度型で各オモリの質量m1,m2を10gとし合計20gとするとき、これと同じ出力電力が得られる直列2自由度型のオモリは、μ=0.01以下の質量比を持たなければならないことから、m1=19.8g以上、m2=0.2g以下となる。しかし、0.2gでは磁石と導電コイルからなる発電部を構成することは困難である。よって、直列2自由度型では、m2を大きくせざるを得ず、これに伴いm1も大きくなるので、全体の質量及び寸法を大きく増やすことになる。 <5> It demonstrates with the specific example compared with the serial 2 freedom degree type | mold. When it is desired to convert the middle and the difference of two natural angular frequencies ω 1 and ω 2 to 50 Hz and 5 Hz respectively in the series 2 degrees of freedom shown in FIG. 7B, ω 0 = 50 Hz, Δω = 5 Hz From equation (7), Δω / ω 0 = 0.1 and μ = 0.01. The output power is proportional to the total mass of the weight (when the efficiency is the same). Therefore, when the mass m 1 and m 2 of each omori are 10 g and the total mass is 20 g in the parallel 2 DOF type of the present embodiment shown in FIG. Since the weight of must have a mass ratio of μ = 0.01 or less, m 1 = 19.8 g or more and m 2 = 0.2 g or less. However, at 0.2 g, it is difficult to configure a power generation unit including a magnet and a conductive coil. Therefore, in the in-line two-degree-of-freedom type, m 2 has to be increased, and m 1 is also increased accordingly, so that the overall mass and size are greatly increased.
次に、本実施形態の振動発電装置を更に具体化した実施例について説明する。 Next, an example in which the vibration power generation device of the present embodiment is further embodied will be described.
図6は、本実施例の振動発電装置における出力電力の周波数特性を示すグラフであり、図6[A]は調整前、図6[B]は調整後である。図6[A][B]において、横軸が周波数[Hz]、縦軸が出力電力(平均値)[mW]、×が実測値、実線が解析値である。 FIG. 6 is a graph showing the frequency characteristic of the output power in the vibration power generation apparatus of the present embodiment. FIG. 6 [A] is before adjustment, and FIG. 6 [B] is after adjustment. 6A and 6B, the horizontal axis represents frequency [Hz], the vertical axis represents output power (average value) [mW], x represents an actual measurement value, and a solid line represents an analysis value.
本実施例では、並列2自由度型の振動発電装置を試作し、出力電力の周波数特性を実測した。得られた実測値とこれにフィッティングさせた解析値を図6[A]に示す。解析により実測値を再現することができ、理論通りの動作をすることが確認できた。 In the present embodiment, a parallel two-degree-of-freedom vibration power generator was made as an experiment, and frequency characteristics of output power were measured. The obtained measured value and the analysis value fitted to this are shown in FIG. 6 [A]. The measured values can be reproduced by analysis, and it has been confirmed that the theoretical operation is performed.
試作装置の定数は目標値から若干ずれている(製造組立誤差による)。その結果、二つのピークにおける発電量が異なりアンバランスとなっている。そこで、理論式上でバランスに関わる定数(質量、減衰係数等)を調整し、本来得られる特性を解析した。その結果を図6[B]に示す。図6[A][B]の解析で用いた主要な定数値を表1に示す。 The constant of the prototype is slightly deviated from the target value (due to manufacturing and assembly error). As a result, the amount of power generation at the two peaks is different and unbalanced. Therefore, the constants (mass, damping coefficient, etc.) related to the balance were adjusted on the theoretical formula, and the originally obtained characteristics were analyzed. The results are shown in FIG. 6 [B]. The main constant values used in the analysis of FIG. 6 [A] [B] are shown in Table 1.
[表1]
項目 図6[A] 図6[B]
低周波側オモリ質量[g] 33 31
高周波側オモリ質量[g] 32 32
低周波側機械的Q値[−] 55 130
高周波側機械的Q値[−] 130 130
負荷抵抗[kΩ] 8.2 4.2
[Table 1]
Item Fig. 6 [A] Fig. 6 [B]
Low frequency side weight [g] 33 31
High frequency side weight mass [g] 32 32
Low frequency side mechanical Q value [-] 55 130
High frequency mechanical Q value [-] 130 130
Load resistance [kΩ] 8.2 4.2
図6[B]及び表1からわかるように、本実施例の振動発電装置では、二つのオモリの質量がほぼ等しく小型であり、かつ出力電圧の周波数特性が矩形に近い形状になっている。 As can be seen from FIG. 6 [B] and Table 1, in the vibration power generation device of this example, the masses of the two weights are almost equal and small, and the frequency characteristics of the output voltage are shaped like a rectangle.
次に、本発明について補足説明をする。本発明は、入力端から並列に接続されたオモリ2個の構成とする。オモリは一方に磁石を、他方にコイルを含むものとする。これら2個のオモリの質量比を1程度に設定する。二つの固有振動数は応答させたい入力加速度周波数の上下限に近い所望の値に設定する。これにより、固有振動数が二つとなるので、広帯域の振動に対する発電が可能となる。また、二つの固有振動数における発電量は同程度になり、バランスの良い(矩形に近い)周波数特性となる。 Next, the present invention will be supplementarily described. The present invention has a configuration of two weights connected in parallel from the input end. The weight includes a magnet on one side and a coil on the other side. The mass ratio of these two weights is set to about 1. The two natural frequencies are set to desired values close to the upper and lower limits of the input acceleration frequency to be responded. As a result, since the natural frequency is two, it is possible to generate power for vibration in a wide band. In addition, the amount of power generation at the two natural frequencies is approximately the same, and the balanced (close to rectangular) frequency characteristics are obtained.
以上、上記実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。 As mentioned above, although the present invention was explained with reference to the above-mentioned embodiment, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention.
本発明は、一定周波数帯域の振動に対して発電可能な振動発電装置、例えば、微小振動を伴った機械、ポンプ、空調ダクト等の屋内外設備、橋脚、電柱、建物等の建築物、電車、自動車等のビークル、それらの機器でのセンサを用いた異常検知装置、及び、それらの情報を送信する装置等の電源に利用可能である。 The present invention is a vibration power generator capable of generating power in response to vibrations in a constant frequency band, for example, machines with minute vibrations, indoor / outdoor facilities such as pumps and air conditioning ducts, buildings such as bridge piers, electric poles, buildings, trains, The present invention can be used as a power source for vehicles such as automobiles, abnormality detection devices using sensors in these devices, and devices for transmitting information thereof.
10 振動発電装置
11 振動方向
12 正方向
13 逆方向
14 バランス位置
20 筐体
21,22 筐体側バネ固定部
23,24 バネ収容凹部
30 磁石側ユニット
31 コイルバネ(磁石側バネ部材)
32 磁石
33 磁石ホルダ
34 挿通穴
35 ユニット側バネ固定部
36 ヨーク
37 キャップ側枠
38 ベース側枠
40 コイル側ユニット
41 コイルバネ(コイル側バネ部材)
42 導電コイル
43 コイルホルダ
44 出力端子
45 ユニット側バネ固定部
46 オモリ
80 振動発電装置
81 筐体
82 コイルバネ
83 磁石
84 導電コイル
90 振動発電装置
91 筐体
92,94 コイルバネ
93 オモリ
95 磁石
96 導電コイル
DESCRIPTION OF
32
42
Claims (4)
前記筐体に前記磁石側バネ部材を介して支持され、磁石を有する磁石側ユニットと、
前記筐体に前記コイル側バネ部材を介して支持され、導電コイルを有するコイル側ユニットと、を備え、
前記磁石側ユニットが前記磁石側バネ部材を介して振動するとともに前記コイル側ユニットが前記コイル側バネ部材を介して振動することにより、前記磁石から生じている磁束を前記導電コイルが横切って当該導電コイルから誘導起電力が発生するように構成され、
前記磁石側ユニットが振動する際の固有角振動数と前記コイル側ユニットが振動する際の固有角振動数とが異なる値に設定された、
振動発電装置。 A housing, a magnet side spring member, and a coil side spring member;
A magnet side unit supported by the housing via the magnet side spring member and having a magnet;
A coil side unit supported by the case via the coil side spring member and having a conductive coil;
When the magnet side unit vibrates via the magnet side spring member and the coil side unit vibrates via the coil side spring member, the conductive coil crosses the magnetic flux generated from the magnet and the conductive state Configured to generate an induced electromotive force from the coil,
The natural angular frequency when the magnet side unit vibrates and the natural angular frequency when the coil side unit vibrates are set to different values.
Vibration generator.
請求項1記載の振動発電装置。 The mass ratio of the magnet-side unit to the coil-side unit (mass of the coil-side unit / mass of the magnet-side unit) is in the range of 0.5 to 1.5.
The vibration power generation device according to claim 1.
これらのコイルバネの伸縮方向が前記磁石側ユニット及び前記コイル側ユニットの振動方向であり、
前記磁石側ユニットは、異なる磁極同士を空隙を介して向かい合わせた少なくとも一対の前記磁石を保持する四角板状の磁石ホルダと、この磁石ホルダ内の前記空隙からなり前記コイル側ユニットを隙間をもって挿し通す挿通穴と、前記磁石ホルダの四隅に設けられ四本の前記コイルバネの一端をそれぞれ固定するユニット側バネ固定部を更に有し、
前記コイル側ユニットは、前記導電コイルを中央に嵌め込んだ四角板状のコイルホルダと、前記コイルホルダの四隅に設けられ四本の前記コイルバネの一端をそれぞれ固定するユニット側バネ固定部とを更に有し、
前記筐体は、前記磁石ホルダに固定された前記コイルバネの他端を固定する四個の筐体側バネ固定部と、前記コイルホルダに固定された前記コイルバネの他端を固定する四個の筐体側バネ固定部とを有し、
前記コイル側ユニットが前記挿通穴に挿し通された状態で、八本の前記コイルバネの両端がそれぞれ前記ユニット側バネ固定部及び前記筐体側バネ固定部に固定された、
請求項1又は2記載の振動発電装置。 Each of the magnet side spring member and the coil side spring member comprises four coil springs,
The expansion and contraction direction of these coil springs is the vibration direction of the magnet side unit and the coil side unit,
The magnet-side unit comprises a square plate-like magnet holder for holding at least a pair of magnets in which different magnetic poles face each other via a gap, and the gap in the magnet holder, and the coil-side unit is inserted with a gap And a unit-side spring fixing portion provided at four corners of the magnet holder for fixing one end of each of the four coil springs.
The coil side unit further includes a square plate-like coil holder in which the conductive coil is fitted at the center, and a unit side spring fixing portion provided at four corners of the coil holder and fixing one end of four coil springs. Have
The housing includes four housing-side spring fixing portions for fixing the other end of the coil spring fixed to the magnet holder, and four housing sides for fixing the other end of the coil spring fixed to the coil holder. And a spring fixing portion,
In a state where the coil side unit is inserted into the insertion hole, both ends of eight coil springs are respectively fixed to the unit side spring fixing portion and the housing side spring fixing portion.
The vibration power generator according to claim 1 or 2.
請求項3記載の振動発電装置。 At least two of the coil springs fixed to the coil holder have conductivity and electrically connect the conductive coil and the output terminal.
The vibration power generation device according to claim 3.
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|---|---|---|---|---|
| CN113746297A (en) * | 2021-09-01 | 2021-12-03 | 西安工程大学 | Variable mass linear generator capable of drawing vibration energy |
| CN113852296A (en) * | 2021-09-07 | 2021-12-28 | 华中科技大学 | A bi-level bistable structure with elastic collision |
| WO2022043710A1 (en) | 2020-08-28 | 2022-03-03 | 8power Limited | Vibrational energy harvester |
| US12233436B2 (en) | 2019-08-05 | 2025-02-25 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Haptic actuator and electronic device including same |
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- 2017-04-17 JP JP2017081485A patent/JP2018182941A/en active Pending
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