Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

JP2012005192A - Power generation component, power generator using the same, and communication module - Google Patents

Power generation component, power generator using the same, and communication module Download PDF

Info

Publication number
JP2012005192A
JP2012005192A JP2010135787A JP2010135787A JP2012005192A JP 2012005192 A JP2012005192 A JP 2012005192A JP 2010135787 A JP2010135787 A JP 2010135787A JP 2010135787 A JP2010135787 A JP 2010135787A JP 2012005192 A JP2012005192 A JP 2012005192A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
vibration
power generation
piezoelectric
unit
mechanical vibration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010135787A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akihiko Nanba
昭彦 南波
Katsu Takeda
克 武田
Shinsuke Nakazono
晋輔 中園
Kazuki Komaki
一樹 小牧
Shigeo Furukawa
成男 古川
Susumu Fukushima
奨 福島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp filed Critical Panasonic Corp
Priority to JP2010135787A priority Critical patent/JP2012005192A/en
Publication of JP2012005192A publication Critical patent/JP2012005192A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that, if expanding a frequency band of high power generation amount in the power generation characteristic of a power generation component by arranging piezoelectric vibrators having different frequency characteristics, a piezoelectric element that contributes to power generation comes to be a single unit among a plurality of units at one moment, resulting in reduction in the maximum power generation amount when compared with a piezoelectric component having the same size.SOLUTION: There are provided a mechanical vibration propagation part 102 for propagating mechanical vibration, a first vibration part 103 connected to the mechanical vibration propagation part 102, and a second vibration part 104 connected to the mechanical vibration propagation part 102. The first vibration part 103 includes a first piezoelectric part 105, and the second vibration part 104 includes a second piezoelectric part 106. The first vibration part 103 and the second vibration part 104 are combined with each other through the mechanical vibration propagation part 102 so that a power generation component and a power generator are vibrated in symmetrical mode, or diagonally symmetrical mode, otherwise in both of them.

Description

本発明は、外部からの振動などによって、電気を発生する圧電部品を使った発電装置に関するものである。   The present invention relates to a power generator using a piezoelectric component that generates electricity by external vibration or the like.

家庭内や地球規模に至るまで、ネットワークでつなげてしまおうという社会の到来により、それらに使われる無数の機器端末や、センサー端末へのエネルギー供給をどうするのかという問題が出てくる。そこで、機器端末自体で、発電システムを持ち、自立的な電源供給を可能にするという自立型の端末が望まれる。そのキーとなる部品の一つが、自然環境中に分散して存在する、希薄分散エネルギーを回収し、活用する発電部品である。圧電材料を使った発電部品もその一つで、応力、或いは、歪みを電気に変える、いわゆる、圧電効果を使って電気を発生させ、それを取り出して使おうと言うものである。応力を発生させる元になるのが、希薄分散エネルギーで、例えば、自然環境中に存在する振動(以下、環境振動という)である。環境振動には、さまざまなものがあり、人体の歩行や走行などは、1〜4Hzの周波数で振動するものであり、家庭内や工場内の機器、或いは、車、電車などの移動体は、数十〜数百Hzの周波数で振動するものが多い。圧電材料を使った発電装置は、このような環境振動を元に、錘などを付けた片持ち梁構造の発電部品を振動させ、発生する電気(電荷)を取り出すものである。そして、環境振動の振動数(周波数)が、発電部品が有する固有振動数の時に、取り出す電力が最大となる。このような部品は、通常、100〜数百のQ値を有し、固有振動数で振動する、いわゆる共振の時に取りだせるエネルギーは、共振以外の時に比べ、最大で、Q値の2乗倍に相当することになる。つまり、大電力を取り出そうとすると、環境振動の周波数と、圧電部品の共振周波数をあわせる必要があり、急峻なピークを持つ圧電部品の共振特性に合致した環境振動しか取りだせないことになる。図17、及び、図18に、異なる共振周波数を有する圧電素子を複数並べて、発電装置の周波数特性を広帯域化させる従来技術を示す。図18で、211a〜211cは、圧電振動子であり、各々、異なる共振周波数を持つ。各々の振動子で、発生した電荷(電流)を整流回路212a〜212cで、整流し、コンデンサ213で平滑化し、直流電圧として取り出している。ここで、214は、保護用のツェナーダイオードである。図17は、各々の圧電振動子211a〜211cで発生する電荷量と、周波数の関係を示したもので、221a〜221cのように異なる共振特性を有すため、装置全体として、広帯域化が図られている。   With the advent of the society to connect to networks at home and on a global scale, the issue of how to supply energy to the myriad device terminals and sensor terminals used for them will arise. Thus, a self-supporting terminal that has a power generation system and enables independent power supply is desired. One of the key components is a power generation component that collects and uses dilute dispersed energy that is dispersed in the natural environment. One of the power generation parts using piezoelectric materials is to generate electricity using the so-called piezoelectric effect that changes stress or strain into electricity, and to take it out for use. The source of the stress is dilute dispersion energy, for example, vibration existing in the natural environment (hereinafter referred to as environmental vibration). There are various types of environmental vibrations, such as walking and running of the human body that vibrate at a frequency of 1 to 4 Hz, and devices such as homes and factories, or moving objects such as cars and trains, Many of them vibrate at a frequency of several tens to several hundreds of Hz. A power generation device using a piezoelectric material vibrates a power generation component having a cantilever structure with a weight or the like based on such environmental vibration, and extracts generated electricity (electric charge). And when the frequency (frequency) of environmental vibration is the natural frequency which a power generation component has, the electric power taken out becomes the maximum. Such a component usually has a Q value of 100 to several hundreds, vibrates at a natural frequency, and the energy that can be taken out at the time of so-called resonance is a maximum of 2 times the Q value compared to other times than resonance. It is equivalent to. That is, when trying to extract a large electric power, it is necessary to match the frequency of the environmental vibration and the resonance frequency of the piezoelectric component, and only the environmental vibration that matches the resonance characteristic of the piezoelectric component having a steep peak can be extracted. 17 and 18 show a conventional technique in which a plurality of piezoelectric elements having different resonance frequencies are arranged to broaden the frequency characteristic of the power generation device. In FIG. 18, 211a to 211c are piezoelectric vibrators, each having a different resonance frequency. The electric charges (current) generated by each vibrator are rectified by rectifier circuits 212a to 212c, smoothed by a capacitor 213, and taken out as a DC voltage. Here, 214 is a protective Zener diode. FIG. 17 shows the relationship between the amount of electric charge generated in each of the piezoelectric vibrators 211a to 211c and the frequency, and has different resonance characteristics such as 221a to 221c. It has been.

特開平07−245970号公報JP 07-245970 A

しかしながら、特許文献1に開示の方法では、異なる周波数特性の圧電振動子を用いるため、ある瞬間に、特定の周波数の環境振動しか得られない場合、発電に寄与する圧電素子は、3個のうち1個となってしまう。従って、同じ大きさの圧電部品と比較すると、その最大発電量は、3分の1程度に、減ってしまうことになる。これを補おうとすると、実質的に、圧電部品を大型化したり、数を増やしたりするなどの工夫が必要となり、発電装置が大型化してしまうことになる。   However, since the method disclosed in Patent Document 1 uses piezoelectric vibrators having different frequency characteristics, if only environmental vibrations having a specific frequency can be obtained at a certain moment, out of three piezoelectric elements that contribute to power generation. It will be one. Therefore, the maximum power generation amount is reduced to about one third when compared with a piezoelectric component of the same size. In order to compensate for this, a device such as increasing the number of piezoelectric components or increasing the number of the piezoelectric components is required, and the power generation device is increased in size.

そこで、本発明は、複数の圧電部品が同時に動作できるような構造とすることで、実質的な発電量を下げることなく、特性の広帯域化を図るというものである。広帯域化は、従来とは異なる振動モードを使うこと、或いは、複数の振動モードを使うことにより実現している。以上のことから、高い発電量と装置の小型化の両立を図ることを目的としている。   Therefore, the present invention aims at widening the characteristics without reducing the substantial power generation amount by adopting a structure in which a plurality of piezoelectric parts can operate simultaneously. Broadbanding is realized by using a vibration mode different from the conventional one or by using a plurality of vibration modes. From the above, the object is to achieve both high power generation and downsizing of the device.

この目的を達成するために、本発明では、機械振動を伝播する機械振動伝播部と、機械振動伝播部に接続された第1振動部と機械振動伝播部に接続された第2振動部とを備え、第1振動部は第1圧電部を有し、第2振動部は第2圧電部を有し、第1振動部と第2振動部とが機械振動伝播部を介して結合することにより対称モード、或いは、斜対称モード、或いは、その両方で振動する発電部品、または発電装置としている。   In order to achieve this object, in the present invention, a mechanical vibration propagation unit that propagates mechanical vibration, a first vibration unit connected to the mechanical vibration propagation unit, and a second vibration unit connected to the mechanical vibration propagation unit are provided. The first vibration part has a first piezoelectric part, the second vibration part has a second piezoelectric part, and the first vibration part and the second vibration part are coupled via a mechanical vibration propagation part. The power generation component or the power generation device vibrates in the symmetric mode or the oblique symmetric mode or both.

上記構成により、同時に複数の振動部が動作することにより、効率的に発電することができ、発電装置を大型化することなく、広帯域な環境振動に対応する発電装置を提供することができる。   With the above configuration, it is possible to efficiently generate electric power by operating a plurality of vibration units at the same time, and it is possible to provide a power generation device that can cope with broadband environmental vibration without increasing the size of the power generation device.

第1の実施の形態における発電部品の上面図Top view of power generation component in the first embodiment 図1の1点鎖線ABでの断面図1 is a cross-sectional view taken along one-dot chain line AB in FIG. (a)第1の実施の形態におけるシリコン部分のみを取り出した上面図、(b)(a)の1点鎖線CDでの断面図(A) The top view which took out only the silicon part in 1st Embodiment, (b) Sectional drawing in the dashed-dotted line CD of (a) 第1の実施の形態におけるPZT部分のみを示した上面図The top view which showed only the PZT part in 1st Embodiment 第1の実施の形態における整流回路と平滑コンデンサを示す回路図The circuit diagram which shows the rectifier circuit and smoothing capacitor in 1st Embodiment 第1の実施の形態における発電装置の発電量と周波数の関係を示す図The figure which shows the relationship between the electric power generation amount and frequency of the electric power generating apparatus in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における発電部品の比較例の上面図The top view of the comparative example of the electric power generation components in 1st Embodiment 第1の実施の形態における比較例の構造でのコンダクタンスの周波数特性を示す図The figure which shows the frequency characteristic of the conductance in the structure of the comparative example in 1st Embodiment 第1の実施の形態におけるコンダクタンスと周波数の関係を示す図The figure which shows the relationship between the conductance and the frequency in 1st Embodiment (a)第1振動部103と第2振動部104の振動を模式的に表した斜視図(対称モード)、(b)x−z平面を見た時の断面図(対称モード)(A) Perspective view schematically showing the vibration of the first vibrating portion 103 and the second vibrating portion 104 (symmetric mode), (b) Cross-sectional view when viewing the xz plane (symmetric mode) (a)第1振動部103と第2振動部104の振動を模式的に表した斜視図(斜対称モード)、(b)x−z平面を見た時の断面図(斜対称モード)(A) Perspective view schematically showing vibrations of the first vibrating portion 103 and the second vibrating portion 104 (oblique symmetry mode), (b) a cross-sectional view when viewing the xz plane (oblique symmetry mode) 実施の形態2の発電量と周波数の関係を示す図The figure which shows the electric power generation amount and frequency relationship of Embodiment 2. 実施の形態3における間隔を変えた時の発電特性の変化を示す図The figure which shows the change of the electric power generation characteristic when the space | interval in Embodiment 3 is changed. 実施の形態3における機械振動伝播部の第2構成部材の厚みを変えた場合の発電量と周波数の関係を示す図The figure which shows the relationship between the electric power generation amount and frequency at the time of changing the thickness of the 2nd structural member of the mechanical vibration propagation part in Embodiment 3. 実施の形態3における機械振動伝播部の第2構成部材の厚みを変えた場合の対称モードの共振周波数f1と斜対称モードの共振周波数f2の関係を示す図The figure which shows the relationship between the resonant frequency f1 of a symmetrical mode and the resonant frequency f2 of a diagonally symmetrical mode at the time of changing the thickness of the 2nd structural member of the mechanical vibration propagation part in Embodiment 3. 本発明の発電装置を使った通信モジュールのブロック図Block diagram of a communication module using the power generator of the present invention 従来例を示す図Figure showing a conventional example 従来例を示す図Figure showing a conventional example

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態における発電部品101の上面図である。図中にx、y、zの方向を定義している。以降、本発明では、この定義に従う。図2は、図1の1点鎖線ABでの断面図である。図1、及び、図2で、第1振動部103、及び、第2振動部104は、機械振動伝播部102に連結・支持されており、各々の振動は、機械振動伝播部102を介して互いの振動部へ伝播する。言い換えると、第1振動部103と、第2振動部104は、機械振動伝播部102を介して、機械的に結合している。また、第1振動部103と第2振動部104は、単独では、概略、同じ共振周波数を有する片持ち梁構造の振動部となっている。なお、機械振動伝播部102は、図1及び図2では、102の破線で囲んだ領域内の部分がそれに相当する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a top view of a power generation component 101 according to an embodiment of the present invention. The x, y, and z directions are defined in the figure. Hereinafter, the present invention follows this definition. 2 is a cross-sectional view taken along one-dot chain line AB in FIG. In FIG. 1 and FIG. 2, the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104 are connected to and supported by the mechanical vibration propagation unit 102, and each vibration is transmitted through the mechanical vibration propagation unit 102. Propagates to each other's vibration part. In other words, the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104 are mechanically coupled via the mechanical vibration propagation unit 102. Moreover, the 1st vibration part 103 and the 2nd vibration part 104 are the vibration parts of the cantilever structure which has the substantially same resonance frequency independently. The mechanical vibration propagation unit 102 corresponds to the portion in the region surrounded by the broken line 102 in FIGS. 1 and 2.

第1振動部103(図1及び図2において103の破線で囲んだ領域内の部分が相当する)は、第1振動板111の上方に設けられた第1下面電極113と、第1下面電極113の上面に当接して設けられた第1圧電部105と、第1圧電部105の上面に当接して設けられた第1上面電極部107と、第1振動板111の下方に設けられた錘119とから構成されている。第1圧電部105の上面に当接して設けられた第1上面電極部107は、引き出し電極を通して、第1aの端子電極115と接続されている。また、第1下面電極113は、第1bの端子電極117と電気的に接続されている。   The first vibrating portion 103 (corresponding to a portion surrounded by a broken line 103 in FIGS. 1 and 2) is a first lower surface electrode 113 provided above the first diaphragm 111, and a first lower surface electrode. The first piezoelectric portion 105 provided in contact with the upper surface of 113, the first upper surface electrode portion 107 provided in contact with the upper surface of the first piezoelectric portion 105, and provided below the first diaphragm 111. And a weight 119. The first upper surface electrode portion 107 provided in contact with the upper surface of the first piezoelectric portion 105 is connected to the 1a terminal electrode 115 through the extraction electrode. The first lower surface electrode 113 is electrically connected to the 1b terminal electrode 117.

また、第2振動部104(図1及び図2において104の破線で囲んだ領域内の部分が相当する)は、第2振動板112の上方に設けられた第2下面電極114と、第2下面電極114の上面に当接して設けられた第2圧電部106と、第2圧電部106の上面に当接して設けられた第2上面電極部108と、第2振動板112の下方に設けられた錘119から構成されている。第2圧電部106の上面に当接して設けられた第2上面電極部108は、引き出し電極を通して、第2aの端子電極116と接続されており、第2圧電部106の下面に当接して設けられた第2下面電極114は、第2bの端子電極118と電気的に接続されている。   Further, the second vibrating portion 104 (corresponding to the portion surrounded by the broken line 104 in FIGS. 1 and 2) corresponds to the second lower surface electrode 114 provided above the second vibrating plate 112, and the second Provided below the second piezoelectric portion 106 provided in contact with the upper surface of the lower surface electrode 114, the second upper surface electrode portion 108 provided in contact with the upper surface of the second piezoelectric portion 106, and the second diaphragm 112. It is comprised from the weight 119 made. The second upper surface electrode portion 108 provided in contact with the upper surface of the second piezoelectric portion 106 is connected to the terminal electrode 116 of the second a through the extraction electrode, and provided in contact with the lower surface of the second piezoelectric portion 106. The second bottom electrode 114 thus formed is electrically connected to the second-b terminal electrode 118.

なお、錘119は、環境振動による慣性力を拡大する役割を持ち、その重さを大きくすることにより、より低い環境振動強度で、大きく振動する構造とすることができる。   Note that the weight 119 has a role of expanding inertial force due to environmental vibration, and by increasing its weight, the weight 119 can be configured to vibrate greatly with lower environmental vibration strength.

なお、特許請求の範囲に記載の第1電極部とは、第1振動部103の電極部分の事であり、具体的には第1下面電極と第1上面電極部のことを指す。同様に、特許請求の範囲に記載の第2電極部とは、第2振動部104の電極部分の事であり、具体的には第2下面電極と第2上面電極部のことを指す。   In addition, the 1st electrode part as described in a claim is the electrode part of the 1st vibration part 103, and specifically points out the 1st lower surface electrode and the 1st upper surface electrode part. Similarly, the second electrode portion described in the claims refers to the electrode portion of the second vibrating portion 104, and specifically refers to the second lower surface electrode and the second upper surface electrode portion.

また、機械振動伝播部102は、その第1構成部材109(図1及び図2において109の破線で囲んだ領域内の部分が相当する)と、第2構成部材110で構成されており、図2で、機械振動伝播部102の第2構成部材110の底面(z−x平面内)で、土台149に固定されている。この土台は、製品の場合、例えば、パッケージ等に相当する。なお、土台149は、図1には、図示していない。なお、第1構成部材109は、第1振動部103、及び、第2振動部104とに連結されており、第2構成部材110は、第1構成部材109と直接的または間接的に連結されている。   Further, the mechanical vibration propagation unit 102 includes a first component member 109 (corresponding to a portion in a region surrounded by a broken line 109 in FIGS. 1 and 2) and a second component member 110. 2, the bottom of the second component 110 of the mechanical vibration propagation unit 102 (in the zx plane) is fixed to the base 149. In the case of a product, this foundation corresponds to, for example, a package. The base 149 is not shown in FIG. The first component member 109 is connected to the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104, and the second component member 110 is directly or indirectly connected to the first component member 109. ing.

次に、本実施の形態での構成、材料に関して、更に、詳細に説明する。第1振動板111と、第2振動板112と、錘119と、機械振動伝播部102の第1構成部材109の第1下面電極113よりも下の部分とは、シリコンをエッチングで部分的に除去することで、一体的に構成されている。図3(a)に、シリコン部分のみを取り出した上面図を、図3(b)に、1点鎖線CDでの断面図を示す。図3(b)において、斜線部分が、第1振動部103の構成部位で、波線部が、機械振動伝播部の構成部位となる。z方向を厚み方向とすると、第1振動板111の厚みは100μmで、錘119の厚みは480μmである。第1振動板111の上方に配置された第1下面電極113は白金からなる電極で、1μm以下の非常に薄い層で構成されている。   Next, the configuration and materials in this embodiment will be described in more detail. The first diaphragm 111, the second diaphragm 112, the weight 119, and the portion below the first lower surface electrode 113 of the first constituent member 109 of the mechanical vibration propagation portion 102 are partially etched by silicon. By removing, it is comprised integrally. FIG. 3A shows a top view in which only the silicon portion is taken out, and FIG. 3B shows a cross-sectional view taken along one-dot chain line CD. In FIG. 3B, the hatched portion is the component part of the first vibration unit 103, and the wavy line part is the component part of the mechanical vibration propagation unit. When the z direction is the thickness direction, the thickness of the first diaphragm 111 is 100 μm, and the thickness of the weight 119 is 480 μm. The first lower surface electrode 113 disposed above the first diaphragm 111 is an electrode made of platinum, and is composed of a very thin layer of 1 μm or less.

また、第1圧電部105はチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)であり、スパッタリング等により形成されている。その厚みは、例えば、数μm〜10μm程度となっている。なお、図4に、PZT部分のみを示した上面図を示す。破線部分は、図3(a)に示したシリコン部分を示している。   The first piezoelectric portion 105 is lead zirconate titanate (PZT), and is formed by sputtering or the like. The thickness is, for example, about several μm to 10 μm. FIG. 4 is a top view showing only the PZT portion. The broken line portion indicates the silicon portion shown in FIG.

図2において、機械振動伝播部102の第1構成部材109の厚みは、第1bの端子電極の厚みを無視すると、概略、第1振動板111と、第1振動板111の錘119が接続されていない側の端部に連結されたシリコン部分の厚みと、第1圧電部105(PZT)の厚みの和に等しく、580〜590μm程度となる。また、機械振動伝播部102の第2構成部材110は、ガラスエポキシで構成されており、その厚みは0.5〜数mmである。機械振動伝播部102の第1構成部材109と第2構成部材110とは、接着剤で接着されており、その材料としては、本実施の形態では、エポキシ系の材料を用いているが、他に、アクリレート系の材料やシリコーン系の材料などを用いても良い。   In FIG. 2, the thickness of the first component 109 of the mechanical vibration propagation unit 102 is roughly the connection of the first diaphragm 111 and the weight 119 of the first diaphragm 111 ignoring the thickness of the terminal electrode 1b. It is equal to the sum of the thickness of the silicon portion connected to the end portion on the non-side and the thickness of the first piezoelectric portion 105 (PZT), which is about 580 to 590 μm. Moreover, the 2nd structural member 110 of the mechanical vibration propagation part 102 is comprised with the glass epoxy, and the thickness is 0.5-several mm. The first constituent member 109 and the second constituent member 110 of the mechanical vibration propagation unit 102 are bonded with an adhesive, and in this embodiment, an epoxy material is used as the material. In addition, an acrylate-based material or a silicone-based material may be used.

以上説明した発電部品101は、環境振動によって、第1振動部103及び第2振動部104が振動し、第1圧電部105と第2圧電部106とで発生する応力に応じて電荷が発生し、発電動作を行うことになる。また、振動は周期的に起こり、プラスとマイナスの応力が交互に発生することになるため、発生電荷の正負も交互に入れ替わることになり、結果、交流として発電されることになる。   In the power generation component 101 described above, the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104 vibrate due to environmental vibration, and electric charges are generated according to the stress generated in the first piezoelectric unit 105 and the second piezoelectric unit 106. The power generation operation will be performed. In addition, vibrations occur periodically, and positive and negative stresses are alternately generated, so that the positive and negative of the generated charges are also alternately switched, and as a result, power is generated as alternating current.

一般的な、電子機器は、直流を電源とすることから、圧電部品からの交流電圧(電流)を直流に変換する必要がある場合が多い。その回路を図5に示す。   Since general electronic devices use direct current as a power source, it is often necessary to convert alternating voltage (current) from piezoelectric components into direct current. The circuit is shown in FIG.

図5において、交流電圧(電流)を直流に変換する整流回路150は、正の電圧のみを出力するダイオードをリング状に並べた全波整流回路120と、整流された信号を平滑化して、直流出力とするためのコンデンサ121で構成されている。   In FIG. 5, a rectifier circuit 150 that converts alternating voltage (current) into direct current includes a full-wave rectifier circuit 120 in which diodes that output only a positive voltage are arranged in a ring shape, and smoothes the rectified signal to generate direct current. The capacitor 121 is used for output.

本実施の形態では、図1における第1aの端子電極115と第2aの端子電極116とは、図5における第1の入力端子122へ電気的に接続され、また、図1における第1bの端子電極117と第2bの端子電極118とは、図5における第2の入力端子123へ電気的に接続されている。これにより、第1振動部103と第2振動部104で発電した同位相の電荷を合わせて、直流として、取り出すことができる。   In the present embodiment, the 1a terminal electrode 115 and the 2a terminal electrode 116 in FIG. 1 are electrically connected to the first input terminal 122 in FIG. 5, and the 1b terminal in FIG. The electrode 117 and the second-b terminal electrode 118 are electrically connected to the second input terminal 123 in FIG. As a result, the charges having the same phase generated by the first vibrating unit 103 and the second vibrating unit 104 can be combined and taken out as a direct current.

図6に、本実施の形態の発電部品を用いた発電装置の発電量と周波数の関係を示す。ここで、発電装置とは、第1圧電部105に当接した第1電極部(第1上面電極部107と第1下面電極113とが該当)と、第2圧電部106に当接した第2電極部(第2上面電極部108と第2下面電極114とが該当)と、図5に示すように、第1電極部及び第2電極部と電気的に接続された整流回路150とを有したものである。図6において、横軸は、周波数で、縦軸が発電量である。本実施の形態の発電装置に対する比較例として、図7に示した第1振動部103と同じ構造の片持ち梁を単独で支持した構成の発電装置の特性124も、図6には併記している。尚、特性124は、図7に示す構造の発電部品を使った発電装置から得られる発電量を2倍にして標記したものである。図7における片持ち梁126は、第1振動部103(或いは、第2振動部104)と同じ構造を有しており、土台127に固定されている。端子電極128と端子電極129は、それぞれ、振動板の上面に当接した上面電極と、振動板の下面に当接した下面電極につながっており、同様に、図5で示した整流回路へつながっている。この発電部品が二つあると仮定して、その発電量を合計した値を図6中にプロットしたのが特性124に相当する。なお、図6の測定は、ある周波数の環境振動を想定して、発電部品101を加振器の上に乗せて、強制的に想定した強度の振動を加えることで、第1振動部103と第2振動部104を振動させ、発電量を測定している。また、加振する周波数を変化させることで、周波数特性を測定している。   FIG. 6 shows the relationship between the power generation amount and the frequency of the power generation device using the power generation component of the present embodiment. Here, the power generation device refers to a first electrode portion that contacts the first piezoelectric portion 105 (corresponding to the first upper surface electrode portion 107 and the first lower surface electrode 113) and a second electrode portion that contacts the second piezoelectric portion 106. A two-electrode portion (corresponding to the second upper surface electrode portion 108 and the second lower surface electrode 114) and a rectifier circuit 150 electrically connected to the first electrode portion and the second electrode portion as shown in FIG. I have it. In FIG. 6, the horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents the amount of power generation. As a comparative example for the power generation device of the present embodiment, the characteristics 124 of the power generation device configured to support a cantilever having the same structure as that of the first vibrating unit 103 shown in FIG. 7 are also shown in FIG. Yes. The characteristic 124 is obtained by doubling the power generation amount obtained from the power generation device using the power generation component having the structure shown in FIG. The cantilever 126 in FIG. 7 has the same structure as the first vibrating portion 103 (or the second vibrating portion 104), and is fixed to the base 127. The terminal electrode 128 and the terminal electrode 129 are connected to the upper surface electrode that is in contact with the upper surface of the diaphragm and the lower surface electrode that is in contact with the lower surface of the diaphragm, respectively, and similarly to the rectifier circuit shown in FIG. ing. Assuming that there are two power generation components, a value obtained by plotting the total power generation amount in FIG. Note that the measurement in FIG. 6 is performed by assuming the environmental vibration of a certain frequency and placing the power generation component 101 on the vibration exciter and forcibly applying the vibration of the assumed strength. The second vibration unit 104 is vibrated to measure the power generation amount. Moreover, the frequency characteristic is measured by changing the frequency to be excited.

図6で、本実施の形態の発電装置の場合の特性125は、特性124にくらべ、発電特性における発電量の高い周波数帯域が広がっているのが分かる。同じ振動で、意図的に発電部品のQのみを落とした場合、その発電量のピーク値も大きく下がることになるが、特性125は、発電量のピーク値をほぼ維持したまま、発電特性における発電量の高い周波数帯域が広がっている。このように、本実施の形態の構造を採用することで、大きな最大発電量を保った状態で、広帯域化を図ることが可能となる。   In FIG. 6, it can be seen that the characteristic 125 in the case of the power generation device according to the present embodiment has a wider frequency band with a high power generation amount in the power generation characteristic than the characteristic 124. If only Q of the power generation component is intentionally dropped with the same vibration, the peak value of the power generation amount will be greatly lowered. However, the characteristic 125 is that the power generation characteristic is generated while the peak value of the power generation amount is substantially maintained. A high frequency band is spreading. Thus, by adopting the structure of the present embodiment, it is possible to achieve a wide band while maintaining a large maximum power generation amount.

次に、この理由に関して、説明する。図8は、図7で説明した比較例の発電部品の構造におけるコンダクタンスの周波数特性を示す。コンダクタンスは、圧電特性を示すパラメータであり、その特性は、発電特性との相関も高い。つまり、コンダクタンスが高い部分では、発電量も高いという関係にあり、そのピーク周波数と発電量のピーク周波数は、概ね近い値を取る。また、複数の共振がある場合の、周波数の位置関係に関しても、概ね近い値を取ることになる。本実施の形態では、このコンダクタンス特性を、発電性能を推定する一つの指標としている。ここでは、例えば、周波数を掃引しながら、±0.3Vの振幅を持つ正弦波電圧を部品に印加して、測定を行っている。加振器などを用いた、振動測定では、発電部品101のように、複数の素子のうち一つだけ、例えば、第1振動部103のみを振動させて、測定すると言うことは、容易ではないが、このような電気的手法を用いた測定では、容易にそれが可能となる。これは、本来、電圧(或いは、電界)を加えた時に応力が発生するという圧電逆効果を見ていることになる。発電は、応力が加わった時に、電圧(或いは、電束密度)が発生するという圧電効果を使っているが、圧電逆効果と圧電効果が、基本的に、可逆性があるという特徴に着目して、発電性能を推定している。   Next, this reason will be described. FIG. 8 shows the frequency characteristics of conductance in the structure of the power generation component of the comparative example described in FIG. Conductance is a parameter indicating piezoelectric characteristics, and the characteristics are highly correlated with power generation characteristics. That is, in the portion where the conductance is high, the amount of power generation is also high, and the peak frequency and the peak frequency of the power generation amount are approximately close. In addition, when there are a plurality of resonances, the frequency positional relationship is generally close. In this embodiment, this conductance characteristic is used as one index for estimating the power generation performance. Here, for example, the measurement is performed by applying a sine wave voltage having an amplitude of ± 0.3 V to the component while sweeping the frequency. In vibration measurement using a vibrator or the like, it is not easy to measure by vibrating only one of a plurality of elements, for example, only the first vibration unit 103, as in the power generation component 101. However, measurement using such an electrical method can be easily performed. This means that the piezoelectric inverse effect that stress is generated when a voltage (or electric field) is applied is seen. Power generation uses the piezoelectric effect that voltage (or electric flux density) is generated when stress is applied, but the piezoelectric inverse effect and the piezoelectric effect are basically reversible. The power generation performance is estimated.

図9に、本実施の形態のコンダクタンスと周波数の関係を示す。破線131は、第1振動部103のみのコンダクタンスを測定した場合の特性である。これは、第1aの端子電極115と第1bの端子電極117との間のコンダクタンスを測定している、つまり、この電極間にのみ正弦波電圧を印加しており、第1振動部103のみに環境振動が加わった状態に相当する。一方の素子にのみ環境振動が加わるような状態は、現実ではあまり想定できないが、今回は振動モードの識別のために、このような状態を仮に実現している。   FIG. 9 shows the relationship between conductance and frequency in this embodiment. A broken line 131 is a characteristic when the conductance of only the first vibration unit 103 is measured. This is because the conductance between the 1a terminal electrode 115 and the 1b terminal electrode 117 is measured, that is, a sine wave voltage is applied only between the electrodes, and only the first vibrating portion 103 is applied. This corresponds to a state in which environmental vibration is applied. Although a situation in which environmental vibration is applied only to one element cannot be expected in reality, this state is temporarily realized for identification of the vibration mode this time.

また、図9中の実線132は、第1振動部103と第2振動部104の両方を同時に測定した場合の特性である。これは、第1aの端子電極115と第2aの端子電極116をショートし、第1bの端子電極117と第2bの端子電極118をショートし、第1aの端子電極115と第1bの端子電極117との間を測定している状態である。この状態は、両方の素子に振動が加わった状態に相当する。   A solid line 132 in FIG. 9 is a characteristic when both the first vibrating unit 103 and the second vibrating unit 104 are measured simultaneously. This is because the 1a terminal electrode 115 and the 2a terminal electrode 116 are short-circuited, the 1b terminal electrode 117 and the 2b terminal electrode 118 are short-circuited, and the 1a terminal electrode 115 and the 1b terminal electrode 117 are short-circuited. It is the state which is measuring between. This state corresponds to a state in which vibration is applied to both elements.

特性131に着目すると、3つの共振ピークが存在する。低い周波数から順に、各ピークを、ピーク131a、131b、131cとすると、ピーク131cが、最も高いピークとなっている。このピーク131cは、第1振動部103が単独で存在した場合の共振周波数と概略一致する。これは、図8に示したコンダクタンスの周波数特性との比較で分かる。これに対して、131a、131bは、第1振動部103が動くことによって、振動が機械振動伝播部102を伝わり、第2振動部104へ伝播することにより発生した振動である事がわかった。これは、圧電効果の測定に当たるコンダクタンス測定と、第1振動部103に電圧を印加しながら、その振動状態(変位、速度など)を直接測定する振動測定(圧電逆効果の測定に当たる)と、の2つの測定方法を併用することにより判明した。   When paying attention to the characteristic 131, there are three resonance peaks. If the peaks are the peaks 131a, 131b, and 131c in order from the lowest frequency, the peak 131c is the highest peak. This peak 131c substantially matches the resonance frequency when the first vibration unit 103 is present alone. This can be seen by comparison with the frequency characteristic of conductance shown in FIG. On the other hand, it has been found that 131a and 131b are vibrations that are generated when the first vibration unit 103 moves and the vibration propagates through the mechanical vibration propagation unit 102 and propagates to the second vibration unit 104. This is a conductance measurement corresponding to the measurement of the piezoelectric effect, and a vibration measurement (corresponding to the measurement of the piezoelectric inverse effect) in which the vibration state (displacement, speed, etc.) is directly measured while applying a voltage to the first vibration unit 103. It was found by using two measurement methods in combination.

131aの周波数での振動モードを模式的に示した斜視図を、図10(a)に示す。また、その時の、x−z平面を見た時の断面図(y軸を法線とした場合)を図10(b)に示す。図では、第1振動部103と第2振動部104の振動の振幅(変位)が同じように描かれているが、実際は、正弦波電圧が印加されている第1振動部103の振動振幅の方が大きい。この振動振幅は、レーザードップラー振動計により、速度を測定し、その結果から、変位量、つまり、振動振幅値を算出することにより実測し、確認している。このモードは、第1振動部103が振動することによって、その振動が機械振動伝播部102を介して伝播し、第2振動部104に伝わり、振動させることで起こっており、前記のように、振動振幅は異なるが、第1振動部103と第2振動部104は、同じ位相で振動(変位)している。なお、131aの周波数が、131cの周波数よりも下がっているのは、第1振動部103から見ると、機械振動伝播部102との結合によって、本来、動かす必要のなかった第2振動部104も同時に動かす必要が出たため、周波数が下がることになる。これは、錘が付加されることにより、共振周波数が下がるという影響と類似である。   A perspective view schematically showing a vibration mode at a frequency of 131a is shown in FIG. In addition, FIG. 10B shows a cross-sectional view (when the y-axis is a normal line) when viewing the xz plane at that time. In the figure, the vibration amplitudes (displacements) of the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104 are depicted in the same way, but actually, the vibration amplitude of the first vibration unit 103 to which a sine wave voltage is applied is illustrated. Is bigger. The vibration amplitude is measured and confirmed by measuring the speed with a laser Doppler vibrometer and calculating the displacement, that is, the vibration amplitude value from the result. This mode occurs when the first vibration unit 103 vibrates, so that the vibration propagates through the mechanical vibration propagation unit 102, is transmitted to the second vibration unit 104, and is vibrated. Although the vibration amplitude is different, the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104 vibrate (displace) at the same phase. Note that the frequency of 131a is lower than the frequency of 131c because, from the viewpoint of the first vibration unit 103, the second vibration unit 104 that originally did not need to be moved is also coupled to the mechanical vibration propagation unit 102. Since it is necessary to move simultaneously, the frequency will drop. This is similar to the effect that the resonance frequency is lowered by adding the weight.

次に、第1振動部103と第2振動部104の両方に正弦波電圧を印加し(第1aの端子電極115と第2aの端子電極116をショートし、第1bの端子電極117と第2bの端子電極118をショートし、第1aの端子電極115と第1bの端子電極117との間に正弦波電圧を印加)、それらが励振した状態での第1aの端子電極115と第1bの端子電極117との間のコンダクタンスを測定した結果について説明する。結果は図9の特性132である。ここで、励振する周波数を132aの周波数に設定して、前記したように、レーザードップラー振動計により振動振幅値を測定した。その結果は、第1振動部103と第2振動部104は、図10(a)、図10(b)で示したように、同じ位相で変位していることがわかった。なお、ここでは、第1振動部103、第2振動部104共に、主体的に振動しているため、その振動振幅は、ほぼ同じ振幅となっていた。また、ここで、131aの周波数と、132aの周波数は、近い値となっている。   Next, a sine wave voltage is applied to both the first vibrating portion 103 and the second vibrating portion 104 (the first a terminal electrode 115 and the second a terminal electrode 116 are short-circuited, and the first b terminal electrode 117 and the second b Terminal electrode 118 is short-circuited, and a sinusoidal voltage is applied between the first-a terminal electrode 115 and the first-b terminal electrode 117), and the first-a terminal electrode 115 and the first-b terminal in a state where they are excited. The result of measuring the conductance with the electrode 117 will be described. The result is the characteristic 132 of FIG. Here, the frequency to be excited was set to 132a, and the vibration amplitude value was measured with a laser Doppler vibrometer as described above. As a result, it was found that the first vibrating portion 103 and the second vibrating portion 104 were displaced at the same phase as shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b). Here, since both the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104 vibrate mainly, the vibration amplitudes are substantially the same. Here, the frequency of 131a and the frequency of 132a are close to each other.

以上説明したように、ピーク132aの共振は、第1振動部103の振動と第2振動部104の振動が機械振動伝播部102を介して結合した同位相で振動する振動モードである。以降、この振動モードを対称モードと呼ぶことにする。この対称モードを使うことによって、共振周波数における発電量のピーク値を大きく下げることなく、発電特性における発電量の高い周波数帯域を広げるような発電部品及び発電装置が構成できる。これは、図6で説明した結果からも明らかである。以上より、本実施の形態の発電部品は、対応する環境振動の振動数(周波数)の幅も広がり、例えば、環境振動の周波数が変化した場合に、発電量の急激な減少を抑えることができたり、広帯域な環境振動が存在した場合に、より大きな発電量を得ることができる。   As described above, the resonance of the peak 132a is a vibration mode in which the vibration of the first vibration unit 103 and the vibration of the second vibration unit 104 vibrate in the same phase coupled via the mechanical vibration propagation unit 102. Hereinafter, this vibration mode is referred to as a symmetric mode. By using this symmetric mode, it is possible to configure a power generation component and a power generation device that widen a frequency band with a high power generation amount in the power generation characteristics without greatly reducing the peak value of the power generation amount at the resonance frequency. This is also clear from the results described in FIG. As described above, the power generation component of the present embodiment also has a wider range of frequencies (frequency) of the corresponding environmental vibrations.For example, when the frequency of environmental vibrations changes, a rapid decrease in the amount of power generation can be suppressed. Or, when there is broadband environmental vibration, a larger amount of power generation can be obtained.

また、異なる共振周波数の素子を並べることによって広帯域化する従来構成では、ある瞬間には、単一の素子しか動作しないため、所定の発電量を得ようとすると、発電部品全体のサイズが大きくなってしまう。これに対し、本実施の形態の構成では、発電動作時に二つの振動子(第1振動部103と第2振動部104)が同時に振動することになり、従来構成と比較して発電量が大きくなるため、結果、部品、装置の小型化が可能となる。   In addition, in the conventional configuration in which a wide band is obtained by arranging elements having different resonance frequencies, only a single element operates at a certain moment. Therefore, when trying to obtain a predetermined power generation amount, the size of the entire power generation component increases. End up. On the other hand, in the configuration of the present embodiment, the two vibrators (the first vibrating unit 103 and the second vibrating unit 104) vibrate simultaneously during the power generation operation, and the power generation amount is larger than that in the conventional configuration. As a result, the parts and the device can be downsized.

次に、図9中の特性132におけるもう一つのピーク131bについて説明する。このピークの検証には、ピーク131aの対称モードの検証と同じ手法を用いているので、手法の詳細は割愛する。131bのピークは、第1振動部103が、第2振動部104と機械振動伝播部102を介して、結合しているという点では同じであるが、振動の位相が、逆位相で、振動しているモードである。図11(a)に振動の概略の斜視図を、図11(b)にx−z平面の断面図を示す。図11(a)、(b)では、図10(a)、(b)と同様に、本来は、正弦波電圧が印加されている第1振動部103の変位の方が、正弦波電圧が印加されていない第2振動部104に比べて大きいが、現象が明確になるよう、同等程度に記載している。ここでも、第1振動部103の振動が、機械振動伝播部102を介して、第2振動部104と結合して、第2振動部104の振動を起こしているが、図10と異なり、第1振動部103と第2振動部104の振動が逆位相で振動している振動モードとなっている。このモードを、以降、斜対称モードと呼ぶことにする。ピーク131bは、この斜対称モードの共振が現れている。両方の振動部103、104を同時に励振した場合である図9の特性132におけるピーク132bが、概略、ピーク131bの周波数に一致していることから、ピーク132bについても斜対称モードの振動であると言える。   Next, another peak 131b in the characteristic 132 in FIG. 9 will be described. Since the same method as the verification of the symmetry mode of the peak 131a is used for the verification of the peak, the details of the method are omitted. The peak of 131b is the same in that the first vibration unit 103 is coupled via the second vibration unit 104 and the mechanical vibration propagation unit 102, but the vibration phase is in an opposite phase and vibrates. Mode. FIG. 11A shows a schematic perspective view of vibration, and FIG. 11B shows a cross-sectional view of the xz plane. 11 (a) and 11 (b), as in FIGS. 10 (a) and 10 (b), the displacement of the first vibration unit 103 to which the sine wave voltage is originally applied is more sine wave voltage. Although it is larger than that of the second vibrating portion 104 that is not applied, it is described to the same extent so that the phenomenon becomes clear. Also here, the vibration of the first vibration unit 103 is coupled to the second vibration unit 104 via the mechanical vibration propagation unit 102 to cause the vibration of the second vibration unit 104, but unlike FIG. The vibration mode is such that the vibrations of the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104 are vibrating in opposite phases. This mode is hereinafter referred to as an oblique symmetry mode. The peak 131b shows the resonance in the oblique symmetry mode. Since the peak 132b in the characteristic 132 of FIG. 9, which is a case where both the vibrating parts 103 and 104 are excited simultaneously, roughly matches the frequency of the peak 131b, the peak 132b is also in the oblique symmetry mode. I can say that.

なお、図9のピーク131cに一致するピークは、特性132には存在していない。これは、機械振動伝播部102を介した結合によって、元の単独の振動は小さくなったということである。   Note that a peak corresponding to the peak 131c in FIG. This means that the original single vibration is reduced by the coupling through the mechanical vibration propagation unit 102.

なお、斜対称モードは、逆位相であるため、電荷が打ち消しあって、結果として、消えてしまうことになる。図9の132bや、図6の斜対称モードの発電量が小さいのは、そのためである。なお、完全に、振幅が一致しないため、若干のピークは残っている。   In addition, since the oblique symmetry mode has an opposite phase, the charges cancel each other, and as a result, they disappear. This is why the power generation amount in 132b in FIG. 9 and the oblique symmetry mode in FIG. 6 is small. Since the amplitudes do not completely match, some peaks remain.

なお、本実施の形態では、対称モードを使った発電装置に関して、説明したが、整流回路150との接続を変えることで、斜対称モードを使った発電装置の構成も可能である。例えば、図1の第1aの端子電極115と第2bの端子電極118をショートして、第1入力端子122へ接続し、第2aの端子電極116と第1bの端子電極117をショートして、第2入力端子123へ接続すればよい。対称モードを使うか、斜対称モードを使うかは、対象とする環境振動の周波数を考慮して決めれば良い。   In this embodiment, the power generator using the symmetric mode has been described. However, by changing the connection with the rectifier circuit 150, a configuration of the power generator using the oblique symmetric mode is also possible. For example, the 1a terminal electrode 115 and the 2b terminal electrode 118 of FIG. 1 are short-circuited and connected to the first input terminal 122, the 2a terminal electrode 116 and the 1b terminal electrode 117 are short-circuited, and What is necessary is just to connect to the 2nd input terminal 123. FIG. Whether to use the symmetric mode or the oblique symmetric mode may be determined in consideration of the frequency of the target environmental vibration.

以上説明した圧電部品では、第1振動部103と第2振動部104とが同時に振動し、発電に寄与しているため、従来例と異なり、広帯域化を図りながら、小型で大きな発電量を得ることができる。   In the piezoelectric component described above, the first vibrating unit 103 and the second vibrating unit 104 vibrate simultaneously and contribute to power generation. Therefore, unlike the conventional example, a small and large power generation amount is obtained while achieving a wide band. be able to.

(実施の形態2)
本発明の実施の形態2に係る発電部品および発電装置では、対称モードと斜対称モードを両方使って、更に、発電特性における発電量の高い周波数帯域を広げるというものである。ゆえに、実施の形態2に係る発電部品の構成は、実施の形態1に係る発電部品の構成と同一である。ただし、実施の形態1では、図5に示す整流回路150を一つしか用いなかったため、逆位相(接続を逆すると、同位相)の状態での発生電荷は打ち消しあってしまう事になる。そこで、実施の形態2に係る発電装置は、図5に示した整流回路150を二つ用意し、第1aの端子電極115と第1bの端子電極117との間に一方の整流回路を接続し、第2aの端子電極116と第2bの端子電極118との間に他方の整流回路を接続することにより、この問題を解消する。
(Embodiment 2)
In the power generation component and the power generation device according to Embodiment 2 of the present invention, both the symmetric mode and the oblique symmetric mode are used to further widen the frequency band with high power generation amount in the power generation characteristics. Therefore, the configuration of the power generation component according to the second embodiment is the same as the configuration of the power generation component according to the first embodiment. However, in Embodiment 1, since only one rectifier circuit 150 shown in FIG. 5 is used, the generated charges in the reverse phase state (the reverse phase is the same phase) cancel each other. Therefore, the power generation apparatus according to Embodiment 2 prepares two rectifier circuits 150 shown in FIG. 5, and connects one rectifier circuit between the 1a terminal electrode 115 and the 1b terminal electrode 117. The other rectifier circuit is connected between the 2a terminal electrode 116 and the 2b terminal electrode 118 to solve this problem.

図12に、本実施の形態の発電装置についての発電量と周波数の関係を示す。図12で、破線で示した特性125は、実施の形態1で説明した対称モードの見つかった図6の特性125の発電特性である。特性133は、本実施の形態において示されている対称モードと、斜対称モードを両方使った場合の発電装置の発電特性であり、斜対称モードを使うことにより、更なる、広帯域化を図る事ができる。ここで、周波数f1付近では、発電部品は対称モードで動作し、f2付近では斜対称モードで動作しているが、常に、第1振動部103と第2振動部104の両方が振動し、発電に寄与している。   FIG. 12 shows the relationship between the power generation amount and the frequency for the power generation device of the present embodiment. In FIG. 12, a characteristic 125 indicated by a broken line is a power generation characteristic of the characteristic 125 of FIG. 6 in which the symmetric mode described in the first embodiment is found. The characteristic 133 is a power generation characteristic of the power generator when both the symmetric mode shown in the present embodiment and the oblique symmetric mode are used. By using the oblique symmetric mode, the bandwidth can be further increased. Can do. Here, the power generation component operates in the symmetric mode near the frequency f1, and operates in the oblique symmetric mode near f2, but both the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104 always vibrate and generate power. It contributes to.

なお、通常、一つの素子で、複数のモードが発生するように設計する場合は、主たる共振周波数よりも、低い周波数のモードの高次振動を使う場合が多い。例えば、厚みすべり振動や、厚み縦振動などの厚み系の振動子の場合、輪郭振動や幅振動などのより低周波の振動モードの高次モードをその主共振近くに持っていき、広帯域化を図ったりすることがある。発電部品の場合、部品に加わる応力が発電量と相関があることから、大きな変位の得られる屈曲振動を主たるモードにする場合が多い。屈曲振動は、種々の振動モードの中でも、最も低い振動モードであり、先に説明した手法を使うことができない。従って、本実施の形態のような、二つの振動部を結合させて、広帯域化するという新たな手法は、特に屈曲振動を用いた場合には、非常に有効な手法となる。   In general, when a single element is designed to generate a plurality of modes, higher-order vibrations in a mode having a frequency lower than the main resonance frequency are often used. For example, in the case of thickness-type vibrators such as thickness shear vibration and thickness longitudinal vibration, the higher-order modes of lower-frequency vibration modes such as contour vibration and width vibration are brought close to the main resonance to increase the bandwidth. It may be planned. In the case of a power generation component, since the stress applied to the component has a correlation with the amount of power generation, flexural vibration with a large displacement is often set as the main mode. Bending vibration is the lowest vibration mode among the various vibration modes, and the method described above cannot be used. Therefore, the new method of combining the two vibration parts as in the present embodiment to widen the band is a very effective method particularly when bending vibration is used.

また、実施の形態1に係る発電素子においても、振動の強度が強い屈曲振動では、第1振動部103と第2振動部104の機械振動伝播部102を介した結合が強くできるため有効である。   In addition, the power generation element according to the first embodiment is also effective in bending vibration with strong vibration strength because the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104 can be strongly coupled via the mechanical vibration propagation unit 102. .

(実施の形態3)
本発明の実施の形態3に係る発電部品および発電装置は、実施の形態1および実施の形態2における発電部品または発電装置の第1振動部103と第2振動部104の結合の度合いを変えて、圧電部品の発電特性における発電量の高い周波数帯域を変化させられる構成である。結合の度合いである結合度を上げると、より第1振動部103の振動が第2振動部104へ伝わりやすくなり(逆も言える)、発電部品の発電特性における発電量の高い周波数帯域が広くなることになる。なお、実施の形態3に係る発電部品及び発電装置の基本構造としては、実施の形態1および実施の形態2の発電部品及び発電装置と同様であるため、以下、図1、2等に示した発電部品等を基に説明する。
(Embodiment 3)
The power generation component and the power generation device according to Embodiment 3 of the present invention change the degree of coupling between the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104 of the power generation component or power generation device in the first and second embodiments. In this configuration, the frequency band with high power generation in the power generation characteristics of the piezoelectric component can be changed. When the degree of coupling, which is the degree of coupling, is increased, the vibration of the first vibration unit 103 is more easily transmitted to the second vibration unit 104 (and vice versa), and the frequency band with high power generation in the power generation characteristics of the power generation component is widened. It will be. The basic structure of the power generation component and power generation device according to the third embodiment is the same as that of the power generation component and power generation device of the first and second embodiments, and is shown in FIGS. A description will be given based on power generation components.

結合度を変化させるには、まず第1に、第1振動部103と第2振動部104の配置間隔を変えることが挙げられる。本発明における「第1振動部と第2振動部の配置間隔」とは、第1振動部103の端部(例えば、第1振動部103の機械振動伝播部102と接続された部位)と第2振動部104の端部(例えば、第2振動部104の機械振動伝播部102と接続された部位)の間隔(例えば、機械振動伝播部102での第1振動部103と第2振動部104の間隔)だけでなく、第1振動部103の端部以外の部位と第2振動部104の端部以外の部位との間隔(例えば、第1振動部103と第2振動部104とで空間的に最も近接した部位間の距離)をも含んでいる。これは、第1振動部103と第2振動部104の周囲に充填された気体を媒体としても、相互に結合するためである。   In order to change the degree of coupling, first, the arrangement interval between the first vibrating unit 103 and the second vibrating unit 104 can be changed. In the present invention, the “arrangement distance between the first vibration unit and the second vibration unit” refers to the end of the first vibration unit 103 (for example, the portion connected to the mechanical vibration propagation unit 102 of the first vibration unit 103) and the first vibration unit 103. The distance (for example, the 1st vibration part 103 and the 2nd vibration part 104 in the mechanical vibration propagation part 102) of the edge part (For example, site | part connected with the mechanical vibration propagation part 102 of the 2nd vibration part 104) of the 2 vibration part 104 Space between the part other than the end part of the first vibration part 103 and the part other than the end part of the second vibration part 104 (for example, the space between the first vibration part 103 and the second vibration part 104). (Distance between the closest parts). This is because the gas filled around the first vibrating portion 103 and the second vibrating portion 104 is coupled to each other even when used as a medium.

一例として、図13には、機械振動伝播部102での第1振動部103と第2振動部104の間隔(第1振動部103の機械振動伝播部102側の端部と第2振動部104の機械振動伝播部102側の端部との間隔)を1.2mm(図13中の特性134)から、0.3mm(図13中の特性135)に変化させた時の発電特性の状態を示している。この部分の間隔が、結合度に最も影響を与えるためである。この間隔を小さくすることで、結合度は高くなり、図13に示す発電特性の発電量の高くなる周波数帯域は広がることになる。図13からもわかるように、機械振動伝播部102での第1振動部103と第2振動部104の間隔を狭くすると、対称モード及び斜対称モード共に、共振周波数は低下するが、対称モードの低下の度合いが大きいため、発電特性における発電量の高い周波数帯域が広がることになる。   As an example, FIG. 13 shows an interval between the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104 in the mechanical vibration propagation unit 102 (the end of the first vibration unit 103 on the mechanical vibration propagation unit 102 side and the second vibration unit 104. The state of power generation characteristics when the distance from the end on the mechanical vibration propagation unit 102 side is changed from 1.2 mm (characteristic 134 in FIG. 13) to 0.3 mm (characteristic 135 in FIG. 13). Show. This is because the interval between these portions has the greatest influence on the degree of coupling. By reducing this interval, the degree of coupling increases, and the frequency band in which the power generation amount of the power generation characteristics shown in FIG. As can be seen from FIG. 13, when the interval between the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104 in the mechanical vibration propagation unit 102 is narrowed, the resonance frequency decreases in both the symmetric mode and the oblique symmetric mode. Since the degree of reduction is large, the frequency band with high power generation amount in the power generation characteristics is widened.

なお、第1振動部103と第2振動部104の先端部等のその他の間隔も結合度に影響を与えることがある。例えば、パッケージに発電部品を入れて、窒素などで気密封止した場合、振動部103,104が変位した時、振動部103,104の周囲の気体の流体的な影響により、振動部103,104が相互に結合することがある。これは振動部103,104の周囲空間が少なかったり、気体の分子量が大きかったりすることで、より結合の度合いが大きくなる。このような場合には、振動の幅が大きく、かつ、厚みが厚い第1振動部103の先端の錘と第2振動部104の先端の錘との間隔を変えることで、結合度を変化させても良い。この部位は、振動の幅が大きく、かつ、厚みが厚いため、周囲空間への影響度が大きいためである。   Note that other intervals such as the tip portions of the first vibrating portion 103 and the second vibrating portion 104 may also affect the degree of coupling. For example, when a power generation component is put in a package and hermetically sealed with nitrogen or the like, when the vibrating parts 103 and 104 are displaced, the vibrating parts 103 and 104 are affected by the fluid effect of the gas around the vibrating parts 103 and 104. May bind to each other. This is because the space around the vibrating parts 103 and 104 is small or the molecular weight of the gas is large, so that the degree of coupling is further increased. In such a case, the coupling degree can be changed by changing the distance between the weight at the tip of the first vibrating part 103 and the weight at the tip of the second vibrating part 104 that has a large vibration width and a large thickness. May be. This is because this part has a large vibration width and a large thickness, and thus has a large influence on the surrounding space.

上記のように、第1振動部103と第2振動部104の配置間隔を調整する発電部品の設計方法を採用することにより、実施の形態3に係る発電部品および発電装置は、容易に所望の発電特性を実現でき、製造効率を向上させることができる。具体的な第1振動部103と第2振動部104の配置間隔の調整方法としては、第1振動部103および第2振動部104のうち、少なくとも一方の振動部の一部をレーザアブレーションやドライエッチング等により除去する方法や、機械振動伝播部102における第1振動部103と第2振動部104とをつなぐ部位の一部を同様の手法により除去する方法などが考えられる。   As described above, the power generation component and the power generation apparatus according to the third embodiment can be easily obtained by adopting the power generation component design method that adjusts the arrangement interval between the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104. Power generation characteristics can be realized and manufacturing efficiency can be improved. As a specific method of adjusting the arrangement interval between the first vibrating unit 103 and the second vibrating unit 104, at least a part of at least one of the first vibrating unit 103 and the second vibrating unit 104 may be laser ablated or dried. A method of removing by etching or the like, a method of removing a part of the mechanical vibration propagation unit 102 connecting the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104 by the same method, and the like are conceivable.

第1振動部103と第2振動部104との間の結合度を変化させる第2の方法としては、機械振動伝播部102の第1構成部材109及び第2構成部材110の材料定数である弾性率を変える方法が挙げられる。例えば、機械振動伝播部102の第2構成部材110を大きな弾性率を有するシリコンで構成すると、結合は、非常に小さくなり、特に、斜対称モードは、ほとんど観測されなくなる。一方、第1構成部材109を構成するシリコンよりも弾性率の低いガラエポにより第2構成部材110を実現すると、図12の特性133のように、斜対称モードで振動しているf2の周波数においても高い発電量を得ることができる。ゆえに、第2構成部材110は、機械振動伝播部102の第1構成部材109の弾性率よりも小さい材料とすることが好ましい。例えば、機械振動伝播部102の第2構成部材110としては、弾性率の小さい樹脂等を主材料とすることで、第1振動部103と第2振動部104との間の大きな結合が得られる。   As a second method of changing the degree of coupling between the first vibrating unit 103 and the second vibrating unit 104, elasticity which is a material constant of the first component member 109 and the second component member 110 of the mechanical vibration propagation unit 102 is used. A method of changing the rate is mentioned. For example, when the second constituent member 110 of the mechanical vibration propagation unit 102 is made of silicon having a large elastic modulus, the coupling becomes very small, and in particular, the oblique symmetry mode is hardly observed. On the other hand, when the second constituent member 110 is realized by the glass epoxy having a lower elastic modulus than the silicon constituting the first constituent member 109, even at the frequency of f2 oscillating in the oblique symmetry mode as shown by the characteristic 133 in FIG. High power generation can be obtained. Therefore, the second component member 110 is preferably made of a material having a smaller elastic modulus than the first component member 109 of the mechanical vibration propagation unit 102. For example, as the second component 110 of the mechanical vibration propagation unit 102, a large coupling between the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104 can be obtained by using a resin having a low elastic modulus as a main material. .

尚、本発明の発電部品を小型化する目的で、発電部品の周囲に配置されているセラミック等の硬いパッケージ等に機械振動伝播部102の第1構成部材109を直接固着させ、固着の際に使用する接着剤を機械振動伝播部102の第2構成部材110の代わりにすることもできる。この場合、その接着剤の弾性率を下げる、厚みを厚くするなどして、結合を大きくすることができる。接着剤としては、シリコーン系や、エポキシ系の接着剤が好ましい。また、接着剤の厚みのばらつきは、結合度のばらつきにつながり、結果、発電特性の発電量の高い周波数帯域のばらつきにつながるため、その厚み精度には、注意を払うほうが好ましい。ゆえに、接着剤の塗布も、液状接着剤を用いる場合は、ディスペンサーなどにより、塗布量を制御することがより好ましい。また、シート接着剤などにより、厚みを制御してもよい。これにより接着剤の厚みのばらつきを抑圧することができる。シート接着剤は、半硬化状態で、所定の寸法に切断して、貼り付けてもよいし、大判の状態で、ラミネート等の手法により、土台に貼り付け、発電部品101を上から押し当てることで、接着してもよい。この際、大判の状態で、接着を行った後、ダイシングにより、個片の部品に切断すれば、効率良く素子を作製できる。   For the purpose of reducing the size of the power generation component of the present invention, the first component member 109 of the mechanical vibration propagating portion 102 is directly fixed to a hard package such as ceramic disposed around the power generation component. The adhesive used may be substituted for the second component 110 of the mechanical vibration propagation unit 102. In this case, the bond can be increased by reducing the elastic modulus of the adhesive or increasing the thickness. As the adhesive, a silicone-based or epoxy-based adhesive is preferable. Moreover, since the variation in the thickness of the adhesive leads to a variation in the degree of coupling, and as a result, the variation in the frequency band in which the amount of power generation of the power generation characteristics is high, it is preferable to pay attention to the thickness accuracy. Therefore, the application amount of the adhesive is more preferably controlled by a dispenser or the like when a liquid adhesive is used. Further, the thickness may be controlled by a sheet adhesive or the like. Thereby, the dispersion | variation in the thickness of an adhesive agent can be suppressed. The sheet adhesive may be cut and affixed to a predetermined dimension in a semi-cured state, or pasted on the base by a method such as laminating in a large format, and pressed the power generation component 101 from above. Then, it may be adhered. At this time, after bonding in a large format, the device can be efficiently manufactured by cutting into individual parts by dicing.

なお、機械振動伝播部102の第1構成部材109を樹脂などの弾性率の小さい材料とした場合、第1構成部材109と第1振動部103との連結部(支持部)付近において、弾性的な損失が増えてしまい、発電量のピーク値自体が小さくなってしまう。ゆえに、機械振動伝播部102の第1構成部材109は、弾性率の大きな材料が好ましく、土台149に固定される機械振動伝播部102の第2構成部材110は、それよりも弾性率の小さい材料が好ましい。このような弾性率の選択を行うことにより、第1振動部103と第2振動部104の結合度をあげつつ、弾性的な損失を低く抑えることができる。   When the first constituent member 109 of the mechanical vibration propagating portion 102 is made of a material having a low elastic modulus such as a resin, the first constituent member 109 is elastic in the vicinity of the connecting portion (supporting portion) between the first constituent member 109 and the first vibrating portion 103. Loss increases and the peak value of power generation itself decreases. Therefore, the first constituent member 109 of the mechanical vibration propagation portion 102 is preferably made of a material having a large elastic modulus, and the second constituent member 110 of the mechanical vibration propagation portion 102 fixed to the base 149 is made of a material having a smaller elastic modulus. Is preferred. By selecting such an elastic modulus, it is possible to suppress the elastic loss while increasing the degree of coupling between the first vibrating unit 103 and the second vibrating unit 104.

なお、機械振動伝播部102の第2構成部材110は直接、土台149に固定されている必要はなく、別の材料を介して、間接的に固定されていても良い。要は、機械振動伝播部の第1構成部材109よりも、より固定部に近い位置に配置されれば良い。なお、第1振動部103を機械振動伝播部102の第1構成部材109と接着剤などで固着させて、連結・支持する場合、その接着層の厚みは薄いほうが好ましい。弾性的な損失を低く抑えるためである。また、接着剤の弾性率は第2構成部材110よりも大きい方がより好ましく、例えば、アクリレート系やエポキシ系の接着剤が好ましい。   The second component member 110 of the mechanical vibration propagation unit 102 does not need to be directly fixed to the base 149, and may be indirectly fixed via another material. In short, it may be arranged at a position closer to the fixed portion than the first component member 109 of the mechanical vibration propagation portion. In addition, when the first vibration part 103 is fixed to the first constituent member 109 of the mechanical vibration propagation part 102 with an adhesive or the like and connected and supported, the thickness of the adhesive layer is preferably thin. This is to keep the elastic loss low. Further, the elastic modulus of the adhesive is preferably larger than that of the second component 110, and for example, an acrylate-based or epoxy-based adhesive is preferable.

上記のように、機械振動伝播部102の第1構成部材109及び第2構成部材110の材料定数である弾性率を調整する発電部品の設計方法を採用することにより、実施の形態3に係る発電部品および発電装置は容易に所望の発電特性を実現でき、製造効率を向上させることができる。   As described above, the power generation component according to the third embodiment is adopted by adopting the power generation component design method that adjusts the elastic modulus that is the material constant of the first structural member 109 and the second structural member 110 of the mechanical vibration propagation unit 102. The components and the power generation device can easily achieve desired power generation characteristics and improve manufacturing efficiency.

第1振動部103と第2振動部104との間の結合度を変化させる第3の方法としては、機械振動伝播部102の第2構成部材110の厚みを変えることである。図14に厚みを変えた場合の発電特性(発電量と周波数の関係)を示す。特性136は機械振動伝播部102の第2構成部材110の厚みが0.3mmの場合の特性で、特性137は、厚みが1mmの場合の特性である。斜対称モードの共振周波数は、あまり変わらないが、対称モードの共振周波数が大きく変わっており、結果として、発電特性における発電量の高い周波数帯域が広がっている。   As a third method of changing the degree of coupling between the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104, changing the thickness of the second component member 110 of the mechanical vibration propagation unit 102. FIG. 14 shows power generation characteristics (relationship between power generation amount and frequency) when the thickness is changed. A characteristic 136 is a characteristic when the thickness of the second component 110 of the mechanical vibration propagation unit 102 is 0.3 mm, and a characteristic 137 is a characteristic when the thickness is 1 mm. Although the resonance frequency of the oblique symmetry mode does not change so much, the resonance frequency of the symmetry mode is greatly changed. As a result, a frequency band having a high power generation amount in the power generation characteristics is widened.

図15には、機械振動伝播部102の第2構成部材110の厚みを変えた場合の対称モードの共振周波数f1と斜対称モードの共振周波数f2を示す。図15からわかるように、第2構成部材110の厚みが厚くなることで、f1は低下傾向にある。f2も若干低下するが、f1に比べると、非常に小さい変化になる。   FIG. 15 shows the resonance frequency f1 in the symmetric mode and the resonance frequency f2 in the oblique symmetry mode when the thickness of the second component member 110 of the mechanical vibration propagation unit 102 is changed. As can be seen from FIG. 15, as the thickness of the second component member 110 increases, f1 tends to decrease. Although f2 also decreases slightly, it is a very small change compared to f1.

上記のように、機械振動伝播部102の第2構成部材110の厚みを調整する発電部品の設計方法を採用することにより、実施の形態3に係る発電部品および発電装置は容易に所望の発電特性を実現でき、製造効率を向上させることができる。   As described above, the power generation component and the power generation apparatus according to Embodiment 3 can easily achieve desired power generation characteristics by adopting the power generation component design method that adjusts the thickness of the second component 110 of the mechanical vibration propagation unit 102. And manufacturing efficiency can be improved.

以上説明したような手法により、振動部間の結合度を変えて、発電部品の発電特性における発電量の高い周波数帯域を調整することが可能となる。   With the method described above, it is possible to adjust the frequency band where the power generation amount is high in the power generation characteristics of the power generation component by changing the degree of coupling between the vibration parts.

(実施の形態4)
実施の形態4に係る本発明の発電装置を使った通信モジュールを、図16に示す。製造中の商品に取り付けられ、工場内の製品管理に用いられる通信モジュール147は、工場内のロボット148や、工場内に配置されたデータ管理サーバー(図示なし)、人が操作する管理装置(図示なし)、端末(図示なし)などと情報をやり取りする。これにより、通信モジュール147が取り付けられた製品がどういう状態にあるのかをモニタリングしたり、リアルタイムで管理したりすることができる。
(Embodiment 4)
A communication module using the power generator of the present invention according to Embodiment 4 is shown in FIG. A communication module 147 attached to a product being manufactured and used for product management in the factory includes a robot 148 in the factory, a data management server (not shown) arranged in the factory, and a management device (not shown) operated by a person. None) and a terminal (not shown). Thereby, it is possible to monitor the state of the product to which the communication module 147 is attached or to manage in real time.

通信モジュール147は、実施の形態1または実施の形態2(具体的には、対称モードと斜対称モードの両方を使った広帯域の発電装置である)に示した発電装置138と、発電装置138と電気的に接続されたDC−DCコンバータ139と、DC−DCコンバータ139と電気的に接続された無線端末140とを有している。   The communication module 147 includes the power generation device 138 shown in the first embodiment or the second embodiment (specifically, a broadband power generation device using both the symmetric mode and the oblique symmetric mode), the power generation device 138, It has a DC-DC converter 139 that is electrically connected, and a wireless terminal 140 that is electrically connected to the DC-DC converter 139.

DC−DCコンバータ139は、発電装置138からの直流出力を、無線端末140の電源電圧のレベルに昇圧、或いは、降圧する回路である。無線端末140は、送信部142と受信部143とアンテナ146とを備えた通信部141と、通信部141と電気的に接続された信号処理部144と、信号処理部144と電気的に接続されたメモリ145とを有している。通信部141は、ロボット148等とのデータの送受信を行う機能ブロックである。信号処理部144は、受信部143から受け取ったデータの処理を行って、メモリ145に格納したり、ロボット148へ送信するためのデータをメモリ145から取り出して送信部142へ出力したりする。   The DC-DC converter 139 is a circuit that boosts or lowers the direct current output from the power generation device 138 to the level of the power supply voltage of the wireless terminal 140. The wireless terminal 140 is electrically connected to the communication unit 141 including the transmission unit 142, the reception unit 143, and the antenna 146, the signal processing unit 144 electrically connected to the communication unit 141, and the signal processing unit 144. And a memory 145. The communication unit 141 is a functional block that transmits and receives data to and from the robot 148 and the like. The signal processing unit 144 processes the data received from the receiving unit 143 and stores the data in the memory 145 or takes out data to be transmitted to the robot 148 from the memory 145 and outputs the data to the transmitting unit 142.

商品は、通常、コンベアー等の決まった設備に配置され、そこから得られる環境振動は、決まったものであるため、この振動数(周波数)に合わせて、発電部品を設計すれば良いことになる。しかしながら、その振動源は、設備の機械振動であることが多く、その周波数の偏差は、±1〜3%程度になることが多い。例えば、図7で説明した比較例のような単一の共振周波数を有する発電部品を使うと、共振周波数が1%ずれただけで、発電量が最大の時と比較して、10%以下にまで落ちてしまうこともある。本発明の発電部品は、発電量が高い周波数帯域が広帯域となるため、振動源の周波数偏差が1%程度のずれなら、発電量は最大時と比較しても90%以内のレベルに収まることになる。また、実施の形態2および3で説明したような広帯域化の手法を用いることで、振動源の周波数偏差が±3%程度の範囲なら、発電量の最大値比較で80%以上のレベルに発電量を維持することが可能となる。   Products are usually placed in fixed equipment such as conveyors, and the environmental vibrations obtained from them are fixed. Therefore, it is only necessary to design power generation components according to this frequency (frequency). . However, the vibration source is often mechanical vibration of equipment, and the frequency deviation is often about ± 1 to 3%. For example, when a power generation component having a single resonance frequency as in the comparative example described with reference to FIG. 7 is used, the resonance frequency is shifted by 1%, so that the power generation amount is 10% or less compared to when the power generation amount is maximum. It may fall down. Since the power generation component of the present invention has a wide frequency band where the power generation amount is high, if the frequency deviation of the vibration source is a deviation of about 1%, the power generation amount is within 90% even when compared to the maximum. become. Further, by using the wideband method as described in the second and third embodiments, if the frequency deviation of the vibration source is in the range of about ± 3%, power generation can be performed to a level of 80% or more by comparing the maximum value of power generation. The amount can be maintained.

以上のように、本実施の形態で説明した発電装置138を備えた通信モジュール147では、電池を持つことなく、自分自身で発電し、電源供給するような自立型のモジュールを実現することができる。また、設備の振動など、その周波数が決まっており、かつ、その周波数の偏差が数%程度あるような場合には、特に、本発明の効果は大きい。   As described above, the communication module 147 provided with the power generation device 138 described in this embodiment can realize a self-supporting module that generates power and supplies power without itself having a battery. . The effect of the present invention is particularly great when the frequency is determined, such as vibration of equipment, and the frequency deviation is about several percent.

なお、本実施の形態では、電池を完全に持たない構成として用いたが、2次電池を備え、そこに、充電しておき、必要な時に、利用するという方法で用いても良い。これにより、使用しない時の電力を備蓄できるため、モジュール使用時の消費電力が大きい場合でも対応できることになる。これは、一般的な通信モジュールは、常時通信していることは少なく、間欠的に通信することが多いためである。また、通信モジュール147の消費電力が低くても良い場合には、発電部品をその分、小型にしてもよい(特に第1振動部103、第2振動部104)。   In this embodiment, the battery is used as a structure that does not have a battery completely. However, a secondary battery may be provided, and the battery may be charged and used when necessary. Thereby, since the electric power when not in use can be stored, it is possible to cope with the case where the power consumption when the module is used is large. This is because a general communication module rarely communicates constantly and often communicates intermittently. Further, when the power consumption of the communication module 147 may be low, the power generation component may be made smaller by that amount (particularly, the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104).

以上説明した実施の形態1〜4に係る発電部品および発電装置は、第1振動部103、及び第2振動部104とを同時に振動させることにより、発電特性の広帯域化を図ることができ、小型な発電部品、発電装置を実現できる。その結果、自立型の通信モジュールの小型化を実現することができる。   The power generation component and the power generation apparatus according to Embodiments 1 to 4 described above can achieve a wide band of power generation characteristics by simultaneously vibrating the first vibration unit 103 and the second vibration unit 104, and are compact. Power generation parts and power generation devices can be realized. As a result, downsizing of the self-supporting communication module can be realized.

なお、実施の形態1〜4では、二つの振動部を有した構成に関して説明したが、振動部は二つ以上であってもよい。その場合、斜対称モードの組み合わせが複数でてくることになり、更なる広帯域化を図ることができる。   In the first to fourth embodiments, the configuration having two vibration parts has been described. However, two or more vibration parts may be provided. In that case, a plurality of combinations of the oblique symmetry modes are provided, and a further broadening of the bandwidth can be achieved.

なお、実施の形態1〜4では、二つの振動部が完全に単独で動いた時の共振周波数を同じにしているが、完全に同じである必要はない。尚、一つの振動部の共振周波数は、もう一つの振動部の共振周波数と反共振周波数の間にあるように設計されても良い。これは、反共振周波数においては発電量が下がるためである。例えば、一方の振動部の共振周波数と他方の振動部の反共振周波数が近くなると、一方の共振周波数付近の発電量は、もう一方の反共振の影響により、激減してしまうためである。   In the first to fourth embodiments, the resonance frequencies when the two vibrating parts move completely independently are made the same, but they need not be completely the same. Note that the resonance frequency of one vibration part may be designed to be between the resonance frequency and the anti-resonance frequency of another vibration part. This is because the amount of power generation decreases at the anti-resonance frequency. For example, when the resonance frequency of one vibration part becomes close to the anti-resonance frequency of the other vibration part, the amount of power generation near one resonance frequency is drastically reduced due to the influence of the other anti-resonance.

なお、実施の形態1〜4において、機械振動伝播部102の第1構成部材109の底面(z−x面に平行な面)は、機械振動伝播部102の第2構成部材110と当接していたが、第1構成部材109の側面(y−z面に平行な面)が機械振動伝播部102の第2構成部材110と当接していても同様の効果が得られる。この場合、機械振動伝播部102の第2構成部材110の底面で土台149と固定されていても良いし、第2構成部材110の側面で固定されていても良い。更に、第2構成部材110は、第1構成部材109と直接的に連結されていても良いし、他の部材を介して間接的に連結されていてもよい。どちらの場合でも、実施の形態1〜4において説明した本発明の発電部品の効果を有している。   In the first to fourth embodiments, the bottom surface (the surface parallel to the zx plane) of the first component member 109 of the mechanical vibration propagation unit 102 is in contact with the second component member 110 of the mechanical vibration propagation unit 102. However, the same effect can be obtained even if the side surface (the surface parallel to the yz plane) of the first component member 109 is in contact with the second component member 110 of the mechanical vibration propagation unit 102. In this case, it may be fixed to the base 149 on the bottom surface of the second component member 110 of the mechanical vibration propagation unit 102, or may be fixed to the side surface of the second component member 110. Further, the second component member 110 may be directly connected to the first component member 109, or may be indirectly connected via another member. In either case, the power generation component of the present invention described in the first to fourth embodiments has the effect.

尚、上記においては、第1圧電部105の上面及び下面に、それぞれ当接させて、第1上面電極部107及び第1下面電極113とを配置したが、第1圧電部105の上方に第1上面電極部107を配置し、第1圧電部105の下方に第1下面電極113を配置してもよい。同様に、上記においては、第2圧電部106の上面及び下面に、それぞれ当接させて、第2上面電極部108及び第2下面電極114とを配置したが、第2圧電部106の上方に第2上面電極部108を配置し、第2圧電部106の下方に第2下面電極114を配置してもよい。このような構成においても、上記同様の効果を得ることができる。   In the above description, the first upper surface electrode portion 107 and the first lower surface electrode 113 are disposed in contact with the upper surface and the lower surface of the first piezoelectric portion 105, respectively. The first upper surface electrode portion 107 may be disposed, and the first lower surface electrode 113 may be disposed below the first piezoelectric portion 105. Similarly, in the above description, the second upper surface electrode portion 108 and the second lower surface electrode 114 are disposed in contact with the upper surface and the lower surface of the second piezoelectric portion 106, respectively, but above the second piezoelectric portion 106. The second upper surface electrode portion 108 may be disposed, and the second lower surface electrode 114 may be disposed below the second piezoelectric portion 106. Even in such a configuration, the same effect as described above can be obtained.

以上のように、本発明の発電部品と、これを用いた発電装置により、小型の自立電源を提供することができ、センサーネットワーク端末などの電子機器の電池を不要としたり、発電した電力を2次電池に充電することで、電池交換を不要にしたりすることができる。従って、メンテナンスフリーの電子機器を実現できる。   As described above, the power generation component of the present invention and a power generation apparatus using the power generation component can provide a small self-supporting power source, eliminate the need for batteries for electronic devices such as sensor network terminals, and generate 2 By charging the secondary battery, battery replacement can be made unnecessary. Therefore, a maintenance-free electronic device can be realized.

101 発電部品
102 機械振動伝播部
103 第1振動部
104 第2振動部
105 第1圧電部
106 第2圧電部
107 第1上面電極部
108 第2上面電極部
109 機械振動伝播部の第1構成部材
110 機械振動伝播部の第2構成部材
111 第1振動板
112 第2振動板
113 第1下面電極
114 第2下面電極
115 第1aの端子電極
116 第2aの端子電極
117 第1bの端子電極
118 第2bの端子電極
119 錘
120 全波整流回路
121 コンデンサ
126 片持ち梁
150 整流回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Power generation component 102 Mechanical vibration propagation part 103 1st vibration part 104 2nd vibration part 105 1st piezoelectric part 106 2nd piezoelectric part 107 1st upper surface electrode part 108 2nd upper surface electrode part 109 1st structural member of a mechanical vibration propagation part DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 2nd structural member of mechanical vibration propagation part 111 1st diaphragm 112 2nd diaphragm 113 1st lower surface electrode 114 2nd lower surface electrode 115 1a terminal electrode 116 2a terminal electrode 117 1b terminal electrode 118 1st 2b terminal electrode 119 weight 120 full wave rectifier circuit 121 capacitor 126 cantilever 150 rectifier circuit

Claims (9)

機械振動を伝播する機械振動伝播部と、
前記機械振動伝播部に接続された第1振動部と
前記機械振動伝播部に接続された第2振動部とを備え、
前記第1振動部は第1圧電部を有し、
前記第2振動部は第2圧電部を有し、
前記第1振動部と前記第2振動部とが前記機械振動伝播部を介して結合することにより対称モードで振動する発電部品。
A machine vibration propagation unit for propagating machine vibrations;
A first vibration part connected to the mechanical vibration propagation part and a second vibration part connected to the mechanical vibration propagation part,
The first vibration part has a first piezoelectric part,
The second vibrating part has a second piezoelectric part,
A power generation component that vibrates in a symmetric mode by coupling the first vibration part and the second vibration part via the mechanical vibration propagation part.
機械振動を伝播する機械振動伝播部と、
前記機械振動伝播部に接続された第1振動部と
前記機械振動伝播部に接続された第2振動部とを備え、
前記第1振動部は第1圧電部を有し、
前記第2振動部は第2圧電部を有し、
前記第1振動部と前記第2振動部とが前記機械振動伝播部を介して結合することにより斜対称モードで振動する発電部品。
A machine vibration propagation unit for propagating machine vibrations;
A first vibration part connected to the mechanical vibration propagation part and a second vibration part connected to the mechanical vibration propagation part,
The first vibration part has a first piezoelectric part,
The second vibrating part has a second piezoelectric part,
A power generation component that vibrates in an obliquely symmetric mode by coupling the first vibrating section and the second vibrating section via the mechanical vibration propagation section.
機械振動を伝播する機械振動伝播部と、
前記機械振動伝播部に接続された第1振動部と
前記機械振動伝播部に接続された第2振動部とを備え、
前記第1振動部は第1圧電部を有し、
前記第2振動部は第2圧電部を有し、
前記第1振動部と前記第2振動部とが前記機械振動伝播部を介して結合することにより対称モード及び斜対称モードで振動する発電部品。
A machine vibration propagation unit for propagating machine vibrations;
A first vibration part connected to the mechanical vibration propagation part and a second vibration part connected to the mechanical vibration propagation part,
The first vibration part has a first piezoelectric part,
The second vibrating part has a second piezoelectric part,
A power generation component that vibrates in a symmetric mode and a diagonally symmetric mode by coupling the first vibration part and the second vibration part via the mechanical vibration propagation part.
請求項1または請求項2に記載の発電部品と、
前記第1圧電部に当接した第1電極部と、
前記第2圧電部に当接した第2電極部と、
前記第1電極部及び前記第2電極部に電気的に接続された第1整流回路とを有した発電装置。
The power generation component according to claim 1 or 2,
A first electrode portion in contact with the first piezoelectric portion;
A second electrode portion in contact with the second piezoelectric portion;
And a first rectifier circuit electrically connected to the first electrode portion and the second electrode portion.
請求項1または請求項2または請求項3のいずれか1つに記載の発電部品と、
前記第1圧電部に当接した第1電極部と、
前記第2圧電部に当接した第2電極部と、
前記第1電極部に電気的に接続された第1整流回路と、
前記第2電極部に電気的に接続された第2整流回路とを有した発電装置。
The power generation component according to claim 1, claim 2, or claim 3,
A first electrode portion in contact with the first piezoelectric portion;
A second electrode portion in contact with the second piezoelectric portion;
A first rectifier circuit electrically connected to the first electrode portion;
And a second rectifier circuit electrically connected to the second electrode portion.
前記第1振動部及び前記第2振動部の振動が屈曲振動である請求項1または請求項2または請求項3のいずれか1つに記載の発電部品。 4. The power generation component according to claim 1, wherein vibrations of the first vibration part and the second vibration part are bending vibrations. 機械振動を伝播する機械振動伝播部と、
前記機械振動伝播部に接続された第1振動部と
前記機械振動伝播部に接続された第2振動部とを備え、
前記第1振動部は第1圧電部を有し、
前記第2振動部は第2圧電部を有し、
前記第1振動部と前記第2振動部とが前記機械振動伝播部を介して結合することにより、対称モード及び斜対称モードの少なくとも一方で振動する発電装置において、
前記第1振動部と前記第2振動部の配置間隔、または、前記機械振動伝播部の弾性率、または、前記機械振動伝播部の厚みを変化させて、前記第1振動部と前記第2振動部の結合度を調整する発電部品。
A machine vibration propagation unit for propagating machine vibrations;
A first vibration part connected to the mechanical vibration propagation part and a second vibration part connected to the mechanical vibration propagation part,
The first vibration part has a first piezoelectric part,
The second vibrating part has a second piezoelectric part,
In the power generator that vibrates in at least one of a symmetric mode and an oblique symmetric mode by coupling the first vibration unit and the second vibration unit via the mechanical vibration propagation unit,
The first vibration portion and the second vibration are changed by changing an arrangement interval between the first vibration portion and the second vibration portion, an elastic modulus of the mechanical vibration propagation portion, or a thickness of the mechanical vibration propagation portion. Power generation component that adjusts the degree of coupling of parts.
前記機械振動伝播部は少なくとも2種類の部材である第1構成部材と第2構成部材により構成され、
前記第1構成部材は、前記第1振動部、及び、前記第2振動部とに連結され、
前記第2構成部材は、前記第1構成部材と直接的または間接的に連結され、
前記第2構成部材の弾性率は前記第1構成部材の弾性率より小さい請求項1または請求項2または請求項3のいずれか1つに記載の発電部品。
The mechanical vibration propagation part is composed of a first component member and a second component member which are at least two types of members,
The first component member is connected to the first vibrating part and the second vibrating part,
The second component member is directly or indirectly connected to the first component member,
The power generation component according to claim 1, wherein the elastic modulus of the second component member is smaller than the elastic modulus of the first component member.
請求項4または請求項5に記載の発電装置と、
前記発電装置と電気的に接続された無線端末とを有する通信モジュール。
The power generation device according to claim 4 or 5,
A communication module having a wireless terminal electrically connected to the power generation device.
JP2010135787A 2010-06-15 2010-06-15 Power generation component, power generator using the same, and communication module Pending JP2012005192A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010135787A JP2012005192A (en) 2010-06-15 2010-06-15 Power generation component, power generator using the same, and communication module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010135787A JP2012005192A (en) 2010-06-15 2010-06-15 Power generation component, power generator using the same, and communication module

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2012005192A true JP2012005192A (en) 2012-01-05

Family

ID=45536548

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010135787A Pending JP2012005192A (en) 2010-06-15 2010-06-15 Power generation component, power generator using the same, and communication module

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2012005192A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014141557A1 (en) * 2013-03-13 2014-09-18 東海ゴム工業株式会社 Power generator
KR20160036708A (en) * 2014-09-25 2016-04-05 전남대학교산학협력단 Energy harvester using cantilever
JP6309698B1 (en) * 2016-07-28 2018-04-11 株式会社トライフォース・マネジメント Power generation device and power generation element
DE112014003466B4 (en) 2013-12-13 2021-11-04 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Vibratory power generating device

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014141557A1 (en) * 2013-03-13 2014-09-18 東海ゴム工業株式会社 Power generator
JP5796229B2 (en) * 2013-03-13 2015-10-21 住友理工株式会社 Power generator
CN105009442A (en) * 2013-03-13 2015-10-28 住友理工株式会社 Power generator
JPWO2014141557A1 (en) * 2013-03-13 2017-02-16 住友理工株式会社 Power generator
US9735710B2 (en) 2013-03-13 2017-08-15 Sumitomo Riko Company Limited Power generator having a multiple-degree-of-freedom vibration system and a power generating element attached to the vibration system while converting vibration energy of a vibrating member to electrical energy
DE112014003466B4 (en) 2013-12-13 2021-11-04 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Vibratory power generating device
KR20160036708A (en) * 2014-09-25 2016-04-05 전남대학교산학협력단 Energy harvester using cantilever
KR101652815B1 (en) * 2014-09-25 2016-09-02 전남대학교산학협력단 Energy harvester using cantilever
JP6309698B1 (en) * 2016-07-28 2018-04-11 株式会社トライフォース・マネジメント Power generation device and power generation element

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7928634B2 (en) System and method for providing a piezoelectric electromagnetic hybrid vibrating energy harvester
Clementi et al. LiNbO3 films–A low-cost alternative lead-free piezoelectric material for vibrational energy harvesters
JP4663035B2 (en) Vibration power generator, vibration power generation device, and communication device equipped with vibration power generation device
US9135906B2 (en) Ultrasonic generator
CN101714834B (en) Collision type piezoelectric vibration energy collection device
CN103199736A (en) Composite structure piezoelectric energy collector driven by cantilever
Fang et al. Exploring piezoelectric for sound wave as energy harvester
JP2011152004A (en) Power generation unit and power generation devic
CN102099940A (en) Autonomous piezoelectric device for generating an electrical voltage
JP5734874B2 (en) Electroacoustic transducer, electronic device, electroacoustic conversion method, and sound wave output method of electronic device
CN103560640A (en) Magneto-electricity/electromagnetic compound type low-frequency wideband vibration energy collector
JP2012005192A (en) Power generation component, power generator using the same, and communication module
JP2016086599A (en) Power generator
JPH11146663A (en) Piezoelectric generator
JPWO2013099512A1 (en) Vibration device, sound generator, speaker system, electronic equipment
JP2017017939A (en) Oscillatory power generation device and wireless sensor terminal
JP5960828B2 (en) SOUND GENERATOR, SOUND GENERATOR, AND ELECTRONIC DEVICE
JP6304168B2 (en) Piezoelectric module
KR20110006884A (en) Frequency converter, energy harvester using frequency converter and method for harvesting energy
CN113422490B (en) Broadband vibration energy collecting device
JP6309698B1 (en) Power generation device and power generation element
EP2908554B1 (en) Oscillator and electronic device
WO2018189545A1 (en) A vibration-based energy harvester comprising a proof mass surrounding a central anchor
JP5525351B2 (en) Piezoelectric sounding body
Saadon et al. Vibration-based MEMS piezoelectric energy harvesters using cantilever beams