JP2012191787A - Power generation device - Google Patents

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Haruo Ono
晴夫 小野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power generation device that efficiently generates power in a simple configuration and enables a compact and lightweight overall package when embedded in various devices and apparatuses.SOLUTION: A moving magnet 91 is disposed at a free end of a piezoelectric element module 9 for generating electromotive force by oscillatory displacement with external vibration, and coils 5 for generating electromotive force on magnetic flux density changes in the influence of approach and separation of the moving magnet 91 are arranged along the orbit of operation of the moving magnet 91. When the piezoelectric element module 9 oscillates with external vibration, electromotive force is generated on the piezoelectric element module 9 and coils 5.

Description

本発明は、外部からの振動により発電する発電装置に関する。   The present invention relates to a power generation device that generates power by vibration from the outside.

従来、腕時計等の小型の機器に適用される発電手段として、回転錘を備え、その動きにより発電する発電手段が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
回転錘を用いた発電手段は、発電手段を組み込んだ機器が腕の揺動等により動くと、これに伴って回転錘が揺動し、その機械的な運動エネルギーが発電用コイルに伝えられて、電気的エネルギーに変換され、蓄電されるものである。
このような発電手段は、人の腕の動き等により、自然にエネルギーを生み出し蓄電するものであって、各種機器における電池に代わるエネルギー供給手段として期待されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, as a power generation unit applied to a small device such as a wristwatch, a power generation unit that includes a rotating weight and generates power by its movement has been proposed (for example, see Patent Document 1).
In the power generation means using the rotary weight, when the device incorporating the power generation means moves due to the swinging of the arm or the like, the rotary weight swings accordingly, and the mechanical kinetic energy is transmitted to the power generation coil. , Converted into electrical energy and stored.
Such power generation means naturally generate and store energy by the movement of a person's arm and the like, and is expected as an energy supply means to replace batteries in various devices.

特開２００２−００６０６３号公報JP 2002-006063 A

しかしながら、特許文献１に記載されているような回転錘を用いた発電手段は、一般に、回転錘によって生み出された運動エネルギーを輪列機構により増速してＡＧロータ（ＡＧ rotor）に伝達し、ＡＧロータが高速回転することにより発電用コイルに電圧が生じて電流が流れるという構成となっている。
このため、回転錘の運動エネルギーを電気的エネルギーに変換するための機構が複雑であり、小型化・軽量化することが難しいという問題がある。 However, the power generation means using the rotary weight as described in Patent Document 1 generally transmits the kinetic energy generated by the rotary weight to the AG rotor by increasing the speed by a gear train mechanism, When the AG rotor rotates at a high speed, a voltage is generated in the power generating coil and a current flows.
For this reason, the mechanism for converting the kinetic energy of the rotating weight into electrical energy is complicated, and there is a problem that it is difficult to reduce the size and weight.

本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で効率よく発電することができ、これを各種装置・機器に組み込んだ場合にも全体の小型化・軽量化を図ることができる発電装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and can efficiently generate power with a simple configuration. Even when this is incorporated into various apparatuses and devices, the overall size and weight can be reduced. An object of the present invention is to provide a power generation device that can perform the above-described operation.

前記課題を解決するために、本発明に係る発電装置は、
揺動可能となるように基端において片持ち支持され、外部からの振動で揺動することにより変位して起電力を発生させる圧電素子モジュールと、
前記圧電素子モジュールの自由端に設けられ、前記圧電素子モジュールの揺動に伴い、前記基端を基点とした円弧状の軌跡に沿って動作する磁石と、
前記磁石が動作する軌跡に沿って配置され、前記磁石の接離により生じる磁束密度の変化により起電力を発生させるコイルと、
を備えていることを特徴としている。 In order to solve the above problems, a power generation device according to the present invention includes:
A piezoelectric element module that is cantilevered at the base end so as to be swingable, and generates an electromotive force by being displaced by swinging by external vibration;
A magnet that is provided at a free end of the piezoelectric element module and that operates along an arcuate locus with the base end as a base point as the piezoelectric element module swings;
A coil that is arranged along a trajectory in which the magnet operates, and that generates an electromotive force by a change in magnetic flux density caused by contact and separation of the magnet;
It is characterized by having.

この発明によれば、片持ち支持された圧電素子モジュールが、外部からの振動で揺動することにより変位して起電力を発生させるとともに、この圧電素子モジュールの自由端に設けられた磁石がコイルに対して接離することによりコイルに起電力を発生させる。このため、簡易な構成で、装置全体の小型化を図ることができるとともに、効率よく発電することができるとの効果を奏する。   According to the present invention, the cantilevered piezoelectric element module is displaced by swinging from the outside to generate an electromotive force, and the magnet provided at the free end of the piezoelectric element module is a coil. An electromotive force is generated in the coil by making contact with and away from the coil. For this reason, it is possible to reduce the size of the entire apparatus with a simple configuration and to produce power efficiently.

本実施形態に係る発電装置を示した正面図である。It is the front view which showed the electric power generating apparatus which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る発電装置の側断面図である。It is a sectional side view of the power generator concerning this embodiment. ３枚の圧電素子を貼り合せて並列接続した場合の回路構成例を示したものである。An example of a circuit configuration when three piezoelectric elements are bonded and connected in parallel is shown. ２枚の圧電素子を貼り合せて直列接続した場合の回路構成例を示したものである。An example of a circuit configuration when two piezoelectric elements are bonded and connected in series is shown. 圧電素子の圧電効果を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the piezoelectric effect of a piezoelectric element. （Ａ）は、圧電素子に電圧をかけることにより圧電素子が延伸する例を示した図であり、（Ｂ）は、圧電素子に電圧をかけることにより圧電素子が収縮する例を示した図である。(A) is a diagram showing an example in which the piezoelectric element is stretched by applying a voltage to the piezoelectric element, and (B) is a diagram showing an example in which the piezoelectric element is contracted by applying a voltage to the piezoelectric element. is there. 圧電素子モジュールに生じる起電力を時系列的に示した図である。It is the figure which showed the electromotive force which arises in a piezoelectric element module in time series. 移動磁石とコイルとの関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between a moving magnet and a coil. 移動磁石の接離とコイルから生じる起電力との関係を時系列的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the relationship between the contact / separation of a moving magnet and the electromotive force produced from a coil in time series. 実際の回路におけるコイルから生じる起電力を時系列的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the electromotive force which arises from the coil in an actual circuit in time series. 本実施形態におけるブロック図である。It is a block diagram in this embodiment. 本実施形態に係る発電装置を腕時計に組み込む例を示した分解斜視図である。It is the disassembled perspective view which showed the example which incorporates the electric power generating apparatus which concerns on this embodiment in a wristwatch. 図１２の腕時計の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the wristwatch of FIG.

以下、図１から図１３を参照しつつ、本発明にかかる発電装置の一実施形態について説明する。なお、本実施形態において発電装置は、例えば人の腕の動き（腕を振ることによる揺動等）等の外部からの振動によって発電するものであり、例えば、腕時計等の小型の装置（電子機器）の電源としての利用が想定される小型の発電装置である。   Hereinafter, an embodiment of a power generator according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 13. In the present embodiment, the power generation device generates power by external vibration such as movement of a person's arm (swing by swinging the arm, etc.), for example, a small device such as a wristwatch (electronic device) ) Is a small generator that is expected to be used as a power source.

図１は、本実施形態における発電装置の正面図であり、図２は、図１のII-II線に沿う断面図である。
図１及び図２に示すように、発電装置１は、樹脂等で形成された中空の円盤状に形成された筐体２を備えている。
筐体２の内部には、圧電素子モジュール９が設けられている。
本実施形態において、圧電素子モジュール９は、筐体２の一端側に設けられた固定部２１に基端を片持ち支持されており、筐体２の底面に沿って水平方向に揺動可能とされている。圧電素子モジュール９は、外部からの振動で揺動することにより変位して起電力を発生させるものである。
なお、圧電素子モジュール９の数や配置等はここに例示したものに限定されない。 FIG. 1 is a front view of the power generator according to the present embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG.
As shown in FIG.1 and FIG.2, the electric power generating apparatus 1 is provided with the housing | casing 2 formed in the hollow disc shape formed with resin etc. As shown in FIG.
A piezoelectric element module 9 is provided inside the housing 2.
In the present embodiment, the piezoelectric element module 9 is cantilevered at the base end by a fixing portion 21 provided on one end side of the housing 2, and can swing in the horizontal direction along the bottom surface of the housing 2. Has been. The piezoelectric element module 9 generates an electromotive force by being displaced by being swung by external vibration.
The number and arrangement of the piezoelectric element modules 9 are not limited to those exemplified here.

筐体２の底面及び上面には、圧電素子モジュール９を上下方向からガイドするガイド部材２２，２３が設けられている。圧電素子モジュール９は、ガイド部材２２，２３の間を揺動することにより、上下方向（図２において上下方向）の移動範囲が規制されるようになっている。   Guide members 22 and 23 for guiding the piezoelectric element module 9 from above and below are provided on the bottom and top surfaces of the housing 2. The piezoelectric element module 9 swings between the guide members 22 and 23 so that the movement range in the vertical direction (vertical direction in FIG. 2) is regulated.

各圧電素子モジュール９の自由端には、移動磁石９１が付設されている。移動磁石９１は、圧電素子モジュール９の揺動に伴い、固定部２１に固定されている基端を基点とした円弧状の軌跡に沿って動作するようになっている。本実施形態において、移動磁石９１は、圧電素子モジュール９を水平方向に振動させ、圧電素子モジュール９に変位を生じさせる錘としての機能も果たすものである。   A moving magnet 91 is attached to the free end of each piezoelectric element module 9. As the piezoelectric element module 9 swings, the moving magnet 91 moves along an arcuate locus with the base end fixed to the fixed portion 21 as a base point. In the present embodiment, the moving magnet 91 also functions as a weight that vibrates the piezoelectric element module 9 in the horizontal direction and causes the piezoelectric element module 9 to be displaced.

本実施形態において、圧電素子モジュール９は、図３に示すように、薄板状に形成された複数の圧電素子９０を貼り合わせた積層構造となっている。なお、圧電素子モジュール９は、振動等により揺動可能な厚みであればよく、圧電素子９０を貼り合わせる枚数や構成は特に限定されない。例えば圧電素子モジュール９は、２枚の圧電素子９０を積層したバイモルフ（bimorph）型であってもよいし、４枚以上の圧電素子９０を積層したものであってもよいし、１枚の圧電素子９０を金属板等に貼り付ることによって構成されたモノモルフ（monomorph）型であってもよい。圧電素子９０を複数枚積層して圧電素子モジュール９にある程度の厚みを持たせることにより、板バネのように、圧電素子モジュール９に変位が生じた後、もとの水平状態（初期位置）に戻ろうとする復元力を持たせることができる。   In the present embodiment, the piezoelectric element module 9 has a laminated structure in which a plurality of piezoelectric elements 90 formed in a thin plate shape are bonded together as shown in FIG. The piezoelectric element module 9 may have any thickness that can be swung by vibration or the like. For example, the piezoelectric element module 9 may be a bimorph type in which two piezoelectric elements 90 are stacked, or may be a stack of four or more piezoelectric elements 90, or one piezoelectric element. The element 90 may be a monomorph type formed by attaching the element 90 to a metal plate or the like. By laminating a plurality of piezoelectric elements 90 to give the piezoelectric element module 9 a certain thickness, after the piezoelectric element module 9 is displaced like a leaf spring, it returns to its original horizontal state (initial position). You can have the resilience to return.

また、圧電素子９０を複数積層することにより、容量を大きくすることができ、圧電素子９０を単体で用いる場合よりも大きな起電力を発生させることができる。
例えば、本実施形態では、３枚の圧電素子９０を貼り合せて、起電力を取り出している。この場合、図３に示すように、各圧電素子９０を並列接続した場合には、電力値を大きくすることができる。
また、図４に示すように、各圧電素子９０を直列接続した場合には、電圧値を大きくすることができ、例えば各圧電素子９０から１Ｖの電圧の起電力を取り出すことができる場合、２枚の圧電素子９０を貼り合わせることによって、２Ｖの電圧の起電力を取り出すことができる。 Further, by stacking a plurality of piezoelectric elements 90, the capacity can be increased, and a larger electromotive force can be generated than when the piezoelectric elements 90 are used alone.
For example, in the present embodiment, three piezoelectric elements 90 are bonded together to extract the electromotive force. In this case, as shown in FIG. 3, when the piezoelectric elements 90 are connected in parallel, the power value can be increased.
As shown in FIG. 4, when each piezoelectric element 90 is connected in series, the voltage value can be increased. For example, when an electromotive force of a voltage of 1 V can be extracted from each piezoelectric element 90, 2 An electromotive force having a voltage of 2 V can be taken out by bonding the piezoelectric elements 90 of one sheet.

圧電素子９０は、例えば圧電効果を有するポリフッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ；Polyvinylidene fluoride）の一軸延伸フィルムを高電圧で分極処理することにより形成された圧電フィルム（ピエゾフィルム）である。フィルムの厚みは、例えば数十μｍ程度に成形されている。
圧電フィルムは、圧電セラミックスのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等と同様に、押したり、引張ったりして変位を生じさせることにより、起電力を発生させる特性を有している。ポリフッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ）から形成された圧電フィルムは、有機材料であるため、柔軟性、伸縮性、耐衝撃性、耐水性、化学的安定性等に優れるとともに、加工性がよく、大面積で薄膜化が容易な圧電素子である。
なお、圧電素子９０は、圧電フィルムに限定されない。例えば、薄い金属板(ステンレス鋼、チタン、銅等)に圧電皮膜(チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）など)を設けたものを用いてもよい。この場合、金属板の上に形成する圧電皮膜の層の数は特に限定されない。また、圧電皮膜を形成する手法は、例えばスパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法、水熱合成法等によることができる。 The piezoelectric element 90 is a piezoelectric film (piezo film) formed by, for example, polarizing a uniaxially stretched film of polyvinylidene fluoride resin (PVDF) having a piezoelectric effect with a high voltage. The film has a thickness of, for example, about several tens of μm.
The piezoelectric film has a characteristic of generating an electromotive force by generating a displacement by pushing or pulling, like the piezoelectric ceramic lead zirconate titanate (PZT). Piezoelectric film made of polyvinylidene fluoride resin (PVDF) is an organic material, so it has excellent flexibility, stretchability, impact resistance, water resistance, chemical stability, etc., good workability, large area Thus, the piezoelectric element can be easily thinned.
The piezoelectric element 90 is not limited to a piezoelectric film. For example, a thin metal plate (stainless steel, titanium, copper, etc.) provided with a piezoelectric film (lead zirconate titanate (PZT), etc.) may be used. In this case, the number of layers of the piezoelectric film formed on the metal plate is not particularly limited. The method for forming the piezoelectric film can be, for example, a sputtering method, a vapor deposition method, a CVD method, a hydrothermal synthesis method, or the like.

ここで、図５から図７を参照しつつ、圧電素子モジュール９に起電力を発生させる原理について説明する。   Here, the principle of generating an electromotive force in the piezoelectric element module 9 will be described with reference to FIGS.

圧電素子モジュール９を構成する個々の圧電素子９０は、図５に示すように、板状の圧電素子９０の長手方向と厚み方向に大きな圧電性を有する。
例えば圧電素子９０を長手方向に延伸することにより変位（歪み、変形）させると、圧電素子９０の延伸方向の応力σ１によって生じる圧電素子９０の表面に垂直方向の分極Ｐ３は、圧電歪定数ｄ31によって表され、分極した圧電素子９０内では、分極方向と反対方向に圧電素子９０内に電界が発生する。なお、変位とは逆に、圧電素子９０に、電界Ｅ３を加えると、電界に沿って分極が発生し、分極するための変位量γiに相当する変位（変形）が起こる。このことは下記の式で表すことができる。
∇Ｐ3/∇σi＝ｄ31＝∇γi/∇Ｅ3(i＝1,2,3) As shown in FIG. 5, each piezoelectric element 90 constituting the piezoelectric element module 9 has a large piezoelectricity in the longitudinal direction and the thickness direction of the plate-like piezoelectric element 90.
For example, when the piezoelectric element 90 is displaced (strained or deformed) by stretching in the longitudinal direction, the polarization P3 perpendicular to the surface of the piezoelectric element 90 caused by the stress σ1 in the stretching direction of the piezoelectric element 90 is expressed by the piezoelectric strain constant d31. In the illustrated and polarized piezoelectric element 90, an electric field is generated in the piezoelectric element 90 in a direction opposite to the polarization direction. In contrast to the displacement, when the electric field E3 is applied to the piezoelectric element 90, polarization occurs along the electric field, and displacement (deformation) corresponding to the displacement amount γi for polarization occurs. This can be expressed by the following equation.
∇P3 / ∇σi ＝ d31 ＝ ∇γi / ∇E3 (i = 1,2,3)

すなわち、圧電素子９０は、その両面に電圧を加えると、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように長手方向に伸縮するとともに、長手方向（図５において延伸方向）に、押したり、引張ったりして変位（歪み、変形）を生じさせることにより、起電力を発生させる。   That is, when a voltage is applied to both sides of the piezoelectric element 90, the piezoelectric element 90 expands and contracts in the longitudinal direction as shown in FIGS. 6A and 6B, and pushes in the longitudinal direction (extension direction in FIG. 5). The electromotive force is generated by pulling and generating displacement (distortion, deformation).

本実施形態では、前述のように、発電装置１に外部から振動が加えられると、圧電素子モジュール９が水平方向に揺動する。これにより圧電素子モジュール９に変位が生ずる。このとき、圧電素子モジュール９の自由端に付設されている移動磁石９１が錘の機能を果たすため、圧電素子モジュール９の揺動した際の反動が増幅され、圧電素子モジュール９をより大きく反復して揺動させることができる。   In the present embodiment, as described above, when external vibration is applied to the power generation apparatus 1, the piezoelectric element module 9 swings in the horizontal direction. As a result, displacement occurs in the piezoelectric element module 9. At this time, since the moving magnet 91 attached to the free end of the piezoelectric element module 9 functions as a weight, the reaction when the piezoelectric element module 9 swings is amplified, and the piezoelectric element module 9 is repeated more greatly. Can be swung.

なお、圧電素子モジュール９は、例えば一方向（例えば右方向）に変位した際に正の向きの起電力（図７において「＋Ｖ」とする。）が発生し、他方向（例えば左方向）に変位した際に負の向きの起電力（図７において「−Ｖ」とする。）が発生する、というように、変位した方向によって発生する起電力のプラス・マイナス（極性）が異なっている。
本実施形態では、圧電素子モジュール９は水平方向に左右交互に揺動するため、圧電素子モジュール９が右方向、左方向、右方向…の順に揺動・変位した場合には、図７に示すように、圧電素子モジュール９には、正の向きの起電力、負の向きの起電力、正の向きの起電力…が交互に順次発生する。 The piezoelectric element module 9 generates a positive electromotive force (referred to as “+ V” in FIG. 7) when displaced in one direction (for example, the right direction), for example, and the other direction (for example, the left direction). The electromotive force generated in the negative direction (referred to as “−V” in FIG. 7) is generated when the electromotive force is displaced.
In the present embodiment, since the piezoelectric element module 9 swings alternately left and right in the horizontal direction, when the piezoelectric element module 9 swings / displaces in the order of right direction, left direction, right direction,... As described above, in the piezoelectric element module 9, a positive electromotive force, a negative electromotive force, a positive electromotive force,...

また、筐体２の内部には、移動磁石９１が動作する軌跡に沿って複数のコイル５が設けられている。本実施形態では、７個のコイル５ａ〜５ｇが移動磁石９１の軌跡に沿って円弧状に、ほぼ等間隔に配置されている。これら一群のコイル５ａ〜５ｇの両側部には、それぞれ樹脂等で形成されたストッパ部材２４が設けられている。
コイル５は、移動磁石９１の接離により生じる磁束密度の変化により起電力を発生させるものである。なお、コイル５は移動磁石９１の可動範囲内に設けられていればよく、コイル５を設ける数や位置、範囲等は図示例に限定されない。 In addition, a plurality of coils 5 are provided inside the housing 2 along a locus along which the moving magnet 91 operates. In the present embodiment, seven coils 5 a to 5 g are arranged in a circular arc along the trajectory of the moving magnet 91 at substantially equal intervals. Stopper members 24 made of resin or the like are provided on both sides of the group of coils 5a to 5g.
The coil 5 generates an electromotive force by a change in magnetic flux density caused by the contact and separation of the moving magnet 91. In addition, the coil 5 should just be provided in the movable range of the moving magnet 91, and the number, position, range, etc. which provide the coil 5 are not limited to the example of illustration.

本実施形態においてコイル５は、フェライト等の導電材料でほぼコ字状に形成されたコア５１に巻き線５２を施したものであり、コア５１の両端部がそれぞれ発電装置１の上下方向（図２において上下方向）に位置するように固定されている。
本実施形態では、コア５１の下側の端部は上側に、上側の端部は下側に突出して、それぞれ突起部５３を構成している。 In the present embodiment, the coil 5 is obtained by applying a winding 52 to a core 51 formed in a substantially U shape with a conductive material such as ferrite, and both ends of the core 51 are respectively in the vertical direction of the power generator 1 (see FIG. 2 in the vertical direction).
In the present embodiment, the lower end portion of the core 51 protrudes upward, and the upper end portion protrudes downward to form a protrusion 53.

移動磁石９１は各コイル５の上下の突起部５３の間を移動（揺動）するようになっており、移動磁石９１がコイル５に対して接近又は離間（接離）すると、その磁束密度に変化（すなわち、電磁誘導）を生じさせ、これにより起電力（すなわち、誘導起電力）を発生させるようになっている。   The moving magnet 91 moves (oscillates) between the upper and lower protrusions 53 of each coil 5, and when the moving magnet 91 approaches or separates (contacts or separates) from the coil 5, the magnetic flux density is increased. A change (that is, electromagnetic induction) is generated, and thereby an electromotive force (that is, induced electromotive force) is generated.

ここで、図８から図１０を参照しつつ、コイル５に起電力を発生させる原理について説明する。
図８は、移動磁石９１とコイル５ａ〜５ｇとの関係を示した説明図である。
発電装置を組み込んだ機器を人が振る等によって発電装置に外部から振動等が加えられると、移動磁石９１は、コイル５のコア５１の突起部５３の間を往復移動する。
そして、移動磁石９１がコイル５に接近すると、例えば、コイル５を正の向きに貫く磁束ΨBは、増加する方向（ΔΨB／Δｔ＞０）となり、負の向きの起電力（Vaｒ＜０）が生じる。このことは、ファラデーの法則を示す下記の式で表すことができる。
Var ＝ − ΔΨB／Δｔ
逆に、移動磁石９１がコイル５から離間すると、例えば、コイル５を正の向きに貫く磁束ΨBは、減少する方向（ΔΨB／Δｔ＜０）となり、正の向きの起電力（Vaｒ＞０）が生じる。 Here, the principle of generating an electromotive force in the coil 5 will be described with reference to FIGS.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the relationship between the moving magnet 91 and the coils 5a to 5g.
When a vibration or the like is applied to the power generation device from the outside by a person shaking a device incorporating the power generation device, the moving magnet 91 reciprocates between the protrusions 53 of the core 51 of the coil 5.
When the moving magnet 91 approaches the coil 5, for example, the magnetic flux ΨB penetrating the coil 5 in the positive direction becomes an increasing direction (ΔΨB / Δt> 0), and the electromotive force in the negative direction (Var <0) is obtained. Arise. This can be expressed by the following equation showing Faraday's law.
Var =-ΔΨB / Δt
On the contrary, when the moving magnet 91 is separated from the coil 5, for example, the magnetic flux ΨB penetrating the coil 5 in the positive direction becomes a decreasing direction (ΔΨB / Δt <0), and the electromotive force in the positive direction (Var> 0). Occurs.

図９は、移動磁石９１がコイル５ｄの突起部５３の間にある状態から圧電素子モジュール９の揺動が開始され、移動磁石９１がコイル５ａ〜５ｇの間を往復移動した場合の各コイル５ａ〜５ｇで発生する起電圧の様子を時系列的に示した図である。なお、図９における起電力の向きは、前記式で示した例によっている。
まず、移動磁石９１がコイル５ｄからコイル５ｇに向かって移動すると、図９に示すように、移動磁石９１がコイル５ｄから離間するに伴って、コイル５ｄから正の向きの起電力（図９において「＋Ｖ」とする。）が発生する。
次に、移動磁石９１がコイル５ｅに接近すると、コイル５ｅから負の向きの起電力が発生し、コイル５ｅから離間するに伴って、コイル５ｅから正の向きの起電力（図９において「＋Ｖ」とする。）が発生する。同様に、コイル５ｆ、５ｇ等についても、移動磁石９１が接近すると負の向きの起電力が発生し、離間すると正の向きの起電力が発生する。
そして、移動磁石９１は、ストッパ部材２４に突き当たると、再度コイル５ｇからコイル５ａまで順に接離を繰り返して、コイル５ｇ〜５ａから負の向きの起電力、正の向きの起電力を交互に発生させる。 FIG. 9 shows each coil 5a when the swing of the piezoelectric element module 9 is started from a state in which the moving magnet 91 is between the protrusions 53 of the coil 5d, and the moving magnet 91 reciprocates between the coils 5a to 5g. It is the figure which showed the mode of the electromotive voltage which generate | occur | produces at -5g in time series. In addition, the direction of the electromotive force in FIG. 9 is based on the example shown by the above formula.
First, when the moving magnet 91 moves from the coil 5d toward the coil 5g, as the moving magnet 91 moves away from the coil 5d, as shown in FIG. 9, an electromotive force (positive in FIG. 9) from the coil 5d. "+ V") occurs.
Next, when the moving magnet 91 approaches the coil 5e, an electromotive force in a negative direction is generated from the coil 5e, and as it moves away from the coil 5e, an electromotive force in the positive direction from the coil 5e ("+ V in FIG. 9"") Occurs. Similarly, for the coils 5f, 5g, etc., an electromotive force in a negative direction is generated when the moving magnet 91 approaches, and an electromotive force in a positive direction is generated when the moving magnet 91 is separated.
When the moving magnet 91 hits against the stopper member 24, the moving magnet 91 repeats contact and separation again sequentially from the coil 5g to the coil 5a, and alternately generates negative electromotive force and positive electromotive force from the coils 5g to 5a. Let

図１０は、図９に示したコイル５ａ〜５ｇで発生する起電圧を１つの時系列上に示した図である。
本実施形態における実際の回路では、コイル５ａ〜５ｇを結線して起電力を取り出している。
このため、１つに結線されているコイル５ａ〜５ｇから発生する起電圧を１つの時系列上に示すと、図１０に示すように、各コイル５ａ〜５ｇから負の向きの起電力、正の向きの起電力が交互に発生する。 FIG. 10 is a diagram showing the electromotive voltages generated in the coils 5a to 5g shown in FIG. 9 on one time series.
In the actual circuit in the present embodiment, the electromotive force is taken out by connecting the coils 5a to 5g.
For this reason, when the electromotive voltages generated from the coils 5a to 5g connected to one are shown on one time series, as shown in FIG. 10, the electromotive force in the negative direction from each of the coils 5a to 5g, positive The electromotive force in the direction of is generated alternately.

なお、本実施形態では、コア５１の両端部が突起部５３となっており、移動磁石９１の移動を捉える面積が小さくなっている。これにより、移動磁石９１の微小な振動（動き）に対しても磁束密度の変化を俊敏に捉えることできる。   In the present embodiment, both end portions of the core 51 are the protruding portions 53, and the area for capturing the movement of the moving magnet 91 is small. Thereby, a change in magnetic flux density can be quickly captured even with a minute vibration (movement) of the moving magnet 91.

図１１は、本実施形態における発電装置１の要部ブロック図である。
前述のように、本実施形態の発電装置１は起電力を発生させる手段として、複数の圧電素子モジュール２と複数のコイル５とを備えており、圧電素子モジュール２から発生した起電力を直流電力に変換する整流回路１１（第１の整流回路１１ａ）及びコイル５から発生した起電力を直流電力に変換する整流回路１１（第２の整流回路１１ｂ）を備えている。
第１の整流回路１１ａ及び第２の整流回路１１ｂは、例えばダイオードやコンデンサで構成された半波整流回路、4つのダイオードを用いてブリッジを構成した全波整流回路のいずれでもよい。
また、各整流回路１１（第１の整流回路１１ａ及び第２の整流回路１１ｂ）には、それぞれ平滑回路１２が接続されている。平滑回路１２は、コンデンサの充放電を利用して、電圧を平滑化し、変動の少ない電圧を得るものである。
また、各平滑回路１２は、蓄電回路１３に接続されている。蓄電回路１３は、整流回路１１により変換された直流電力を蓄電する蓄電手段であり、整流回路１１において直流電力に変換され平滑回路１２において平滑化された起電力は、蓄電回路１３において蓄電される。
また、蓄電回路１３には小型の携帯機器等に電力を出力するための電源出力端子１４が接続されている。 FIG. 11 is a principal block diagram of the power generation device 1 in the present embodiment.
As described above, the power generation device 1 of the present embodiment includes a plurality of piezoelectric element modules 2 and a plurality of coils 5 as means for generating an electromotive force, and the electromotive force generated from the piezoelectric element module 2 is converted into DC power. And a rectifier circuit 11 (second rectifier circuit 11b) that converts the electromotive force generated from the coil 5 into DC power.
The first rectifier circuit 11a and the second rectifier circuit 11b may be, for example, a half-wave rectifier circuit configured with a diode or a capacitor, or a full-wave rectifier circuit configured with a bridge using four diodes.
A smoothing circuit 12 is connected to each rectifier circuit 11 (the first rectifier circuit 11a and the second rectifier circuit 11b). The smoothing circuit 12 uses the charge / discharge of the capacitor to smooth the voltage and obtain a voltage with less fluctuation.
Each smoothing circuit 12 is connected to a power storage circuit 13. The storage circuit 13 is a storage unit that stores the DC power converted by the rectifier circuit 11, and the electromotive force that is converted into DC power by the rectifier circuit 11 and smoothed by the smoothing circuit 12 is stored in the storage circuit 13. .
The power storage circuit 13 is connected to a power output terminal 14 for outputting power to a small portable device or the like.

図１２は、本実施形態における発電装置１を小型の電子機器である腕時計１００に組み込む場合の一例を示した分解斜視図であり、図１３は、図１２に示す腕時計１００の要部断面図である。
腕時計１００は、金属等で形成された時計ケース１０１、時計ガラス１０２、文字板１０３、指針１０４、及び指針１０４等を動作させる時計モジュール１０５等を備えている。時計ケース１０１には、時計バンド１０６が取り付けられている。また、時計ケース１０１の裏面側（図１３において下側）は裏蓋部材１０７により閉塞されるようになっている。
図１２及び図１３に示すように、発電装置１は、腕時計１００の時計モジュール１０５と裏蓋部材１０７との間に配置されるようになっている。時計ケース１０１内には、発電装置１の電源出力端子１４と時計モジュール１０５の回路基板等（図示せず）とを電気的に接続するためのコネクタ部１０９が設けられている。コネクタ部１０９を時計モジュール１０５の回路基板等に接続し、このコネクタ部１０９に発電装置１の電源出力端子１４を接続することにより、発電装置１において発電された電力が腕時計１００の時計モジュール１０５に供給される。 FIG. 12 is an exploded perspective view showing an example of the case where the power generation device 1 according to the present embodiment is incorporated into a wristwatch 100 that is a small electronic device, and FIG. 13 is a cross-sectional view of a main part of the wristwatch 100 shown in FIG. is there.
The watch 100 includes a watch case 101 made of metal or the like, a watch glass 102, a dial plate 103, a pointer 104, a watch module 105 that operates the pointer 104, and the like. A watch band 106 is attached to the watch case 101. Further, the back side (the lower side in FIG. 13) of the watch case 101 is closed by the back cover member 107.
As shown in FIGS. 12 and 13, the power generator 1 is arranged between the timepiece module 105 and the back cover member 107 of the wristwatch 100. In the watch case 101, a connector portion 109 is provided for electrically connecting the power output terminal 14 of the power generation device 1 and a circuit board (not shown) of the watch module 105. The connector unit 109 is connected to a circuit board or the like of the timepiece module 105, and the power output terminal 14 of the power generation device 1 is connected to the connector unit 109, whereby the power generated in the power generation device 1 is transmitted to the timepiece module 105 of the wristwatch 100. Supplied.

次に、本実施形態の作用を説明する。
本実施形態において、発電装置１が設けられた小型の装置、機器等（例えば、図１２及び図１３に示す腕時計１００）をユーザが振る等の動きにより、発電装置１に外部から振動が与えられると、圧電素子モジュール９が揺動する。これにより圧電素子モジュール９に変位が生じ、起電力が発生する。圧電素子モジュール９から発生した起電力は、第１の整流回路１１ａにおいて直流電力に変換され、平滑回路１２において平滑化された上で、蓄電回路１３に送られ、蓄電される。
また、圧電素子モジュール９が揺動すると、移動磁石９１がコイル５ａ〜５ｇの突起部５３の間を往復移動する。
この移動磁石９１がコイル５に接近すると、コイル５から負の向きの起電力が発生する。また、移動磁石９１がコイル５から離間すると、コイル５から正の向きの起電力が発生する。コイル５から発生した起電力は、第２の整流回路１１ｂにおいて直流電力に変換され、平滑回路１２において平滑化された上で、蓄電回路１３に送られ、蓄電される。
電源出力端子１４に各種電子機器等の端子が接続されると、蓄電回路１３に蓄電された電力は、適宜取り出されて、接続先の電子機器等に送られ、電子機器等に電力を供給する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
In the present embodiment, the power generation device 1 is externally vibrated by a movement such as a user swinging a small device, device, or the like (for example, the wristwatch 100 shown in FIGS. 12 and 13) provided with the power generation device 1. Then, the piezoelectric element module 9 swings. As a result, the piezoelectric element module 9 is displaced, and an electromotive force is generated. The electromotive force generated from the piezoelectric element module 9 is converted into DC power by the first rectifier circuit 11a, smoothed by the smoothing circuit 12, and then sent to the power storage circuit 13 for storage.
Further, when the piezoelectric element module 9 swings, the moving magnet 91 reciprocates between the protrusions 53 of the coils 5a to 5g.
When the moving magnet 91 approaches the coil 5, a negative electromotive force is generated from the coil 5. Further, when the moving magnet 91 is separated from the coil 5, a positive electromotive force is generated from the coil 5. The electromotive force generated from the coil 5 is converted into DC power by the second rectifier circuit 11b, smoothed by the smoothing circuit 12, and then sent to the power storage circuit 13 for storage.
When a terminal such as various electronic devices is connected to the power output terminal 14, the power stored in the power storage circuit 13 is appropriately taken out and sent to the connected electronic device or the like to supply power to the electronic device or the like. .

以上のように、本実施形態によれば、発電装置１が組み込まれた小型の装置をユーザが身につけて腕を振る等により発電装置１に外部から振動が加えられると、圧電素子モジュール９が水平方向に揺動して変位を生じ、起電力を発生させる。また、圧電素子モジュール９の自由端に設けられている移動磁石９１が、圧電素子モジュール９の揺動に伴ってコイル５に接近及び離間を繰り返すことにより、コイル５に磁束密度の変化を生じさせ、これにより起電力を発生させる。
このため、ユーザが腕を振る等の日常的な動作によって、圧電素子モジュール９及びコイル５から効率的に電力を得ることができ、これを腕時計１００等の小型機器に供給することができるため、簡易な構成で電池等を用いずに各種機器を動作させることが可能となる。
また、本実施形態では、圧電素子モジュール９の自由端に付設された移動磁石９１は、錘としての機能も果たすため、外部から振動等が加えられた際に、圧電素子モジュール９を大きく撓らせて圧電素子モジュール９を大きく揺動させることができる。これによって圧電素子モジュール９に大きな変位を生じさせ、効率よく起電力を発生させることができる。
圧電素子モジュール９は、薄板状に形成された複数の圧電素子９０を貼り合わせた積層構造となっているため、多くの電力を効率よく発生させることができる。また、圧電素子９０を複数積層することで圧電素子モジュール９の強度を上げることができるとともに、板バネのような復元力を持たせることができ、コイル５の間を反復移動させることが可能となる。
さらに、コイル５は、移動磁石９１が動作する円弧状の軌跡に沿って複数配置されているため、移動磁石９１の移動により、多くの起電力を発生させることが可能である。
また、本実施形態の発電装置１は、圧電素子モジュール９及びコイル５から発生した起電力を直流電力に変換する整流回路１１とこの整流回路１１により変換された直流電力を蓄電する蓄電回路１３とを備えている。このため、発電装置１によって発電された電力を外部機器等に適宜供給可能な状態で蓄積させておくことができる。 As described above, according to the present embodiment, when a user wears a small device in which the power generation device 1 is incorporated and shakes his arm, the piezoelectric element module 9 is Swing in the horizontal direction to cause displacement and generate electromotive force. Further, the moving magnet 91 provided at the free end of the piezoelectric element module 9 repeatedly approaches and separates from the coil 5 as the piezoelectric element module 9 swings, thereby causing the coil 5 to change in magnetic flux density. This generates an electromotive force.
For this reason, it is possible to efficiently obtain power from the piezoelectric element module 9 and the coil 5 by a daily operation such as a user swinging his arm, and this can be supplied to a small device such as the wristwatch 100. Various devices can be operated without using a battery or the like with a simple configuration.
In the present embodiment, the moving magnet 91 attached to the free end of the piezoelectric element module 9 also functions as a weight. Therefore, when vibration or the like is applied from the outside, the piezoelectric element module 9 is greatly bent. Thus, the piezoelectric element module 9 can be largely swung. As a result, a large displacement is generated in the piezoelectric element module 9, and an electromotive force can be generated efficiently.
Since the piezoelectric element module 9 has a laminated structure in which a plurality of piezoelectric elements 90 formed in a thin plate shape are bonded together, a large amount of electric power can be generated efficiently. Further, by stacking a plurality of piezoelectric elements 90, the strength of the piezoelectric element module 9 can be increased, and a restoring force such as a leaf spring can be provided, and the coil 5 can be repeatedly moved. Become.
Furthermore, since a plurality of coils 5 are arranged along an arcuate locus on which the moving magnet 91 operates, a large electromotive force can be generated by the movement of the moving magnet 91.
Further, the power generation device 1 of the present embodiment includes a rectifier circuit 11 that converts the electromotive force generated from the piezoelectric element module 9 and the coil 5 into DC power, and a storage circuit 13 that stores the DC power converted by the rectifier circuit 11. It has. For this reason, the electric power generated by the power generator 1 can be stored in a state where it can be appropriately supplied to an external device or the like.

なお、本実施形態では、筐体２の一端側に固定部２１を設けて、この固定部２１に１つの圧電素子モジュール９を片持ち支持させる構成としたが、圧電素子モジュール９の配置等はこれに限定されない。例えば、円盤状の筐体２のほぼ中央部に固定部２１を設け、複数の圧電素子モジュール９をこの固定部２１から筐体２の周方向に向かって放射状に配置してもよい。この場合には、コイル５も各移動磁石９１が動作する円弧状の軌跡に沿って、筐体２の内周に沿って配置することが好ましい。   In the present embodiment, the fixing portion 21 is provided on one end side of the housing 2 and one piezoelectric element module 9 is cantilevered on the fixing portion 21. However, the arrangement of the piezoelectric element module 9 is as follows. It is not limited to this. For example, the fixing portion 21 may be provided at substantially the center of the disk-shaped housing 2, and the plurality of piezoelectric element modules 9 may be arranged radially from the fixing portion 21 toward the circumferential direction of the housing 2. In this case, it is preferable that the coil 5 is also disposed along the inner circumference of the housing 2 along an arcuate locus on which each moving magnet 91 operates.

また、本実施形態では、整流回路１１、平滑回路１２、蓄電回路１３を発電装置１側が備えている構成としたが、発電装置１がこれら各回路を備えることは必須の要素ではない。これらの回路は、発電装置１を組み込む先の装置（例えば腕時計）内に設けられていてもよい。   In the present embodiment, the rectifier circuit 11, the smoothing circuit 12, and the power storage circuit 13 are provided on the power generation device 1 side. However, it is not an essential element that the power generation device 1 includes these circuits. These circuits may be provided in a device (for example, a wristwatch) into which the power generation device 1 is incorporated.

また、本実施形態では、発電装置を腕時計に適用する場合を例として説明したが、発電装置を適用する装置・機器は、必ずしも腕時計に限定されない。例えば、発電装置を携帯電話機や歩数計などの携帯型の機器にも適用してもよい。   Moreover, although this embodiment demonstrated as an example the case where a power generator is applied to a wristwatch, the apparatus and apparatus to which a power generator is applied are not necessarily limited to a wristwatch. For example, the power generation device may be applied to a portable device such as a mobile phone or a pedometer.

なお、本発明が上記実施の形態に限らず適宜変更可能であるのは勿論である。   Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as appropriate.

以上本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明の範囲は、上述の実施の形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲とその均等の範囲を含む。
以下に、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲に記載した発明を付記する。付記に記載した請求項の項番は、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲の通りである。
〔付記〕
＜請求項１＞
揺動可能となるように基端において片持ち支持され、外部からの振動で揺動することにより変位して起電力を発生させる圧電素子モジュールと、
前記圧電素子モジュールの自由端に設けられ、前記圧電素子モジュールの揺動に伴い、前記基端を基点とした円弧状の軌跡に沿って動作する磁石と、
前記磁石が動作する軌跡に沿って配置され、前記磁石の接離により生じる磁束密度の変化により起電力を発生させるコイルと、
を備えていることを特徴とする発電装置。
＜請求項２＞
前記圧電素子モジュールは、薄板状に形成された複数の圧電素子を貼り合わせた積層構造となっていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
＜請求項３＞
前記コイルは、前記磁石が動作する円弧状の軌跡に沿って複数配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発電装置。
＜請求項４＞
前記圧電素子モジュール及び前記コイルから発生した起電力を直流電力に変換する整流回路と、
この整流回路により変換された直流電力を蓄電する蓄電手段と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発電装置。 Although several embodiments of the present invention have been described above, the scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof. .
The invention described in the scope of claims attached to the application of this application will be added below. The item numbers of the claims described in the appendix are as set forth in the claims attached to the application of this application.
[Appendix]
<Claim 1>
A piezoelectric element module that is cantilevered at the base end so as to be swingable, and generates an electromotive force by being displaced by swinging by external vibration;
A magnet that is provided at a free end of the piezoelectric element module and that operates along an arcuate locus with the base end as a base point as the piezoelectric element module swings;
A coil that is arranged along a trajectory in which the magnet operates, and that generates an electromotive force by a change in magnetic flux density caused by contact and separation of the magnet;
A power generator characterized by comprising:
<Claim 2>
The power generation apparatus according to claim 1, wherein the piezoelectric element module has a laminated structure in which a plurality of piezoelectric elements formed in a thin plate shape are bonded together.
<Claim 3>
The power generator according to claim 1 or 2, wherein a plurality of the coils are arranged along an arcuate locus on which the magnet operates.
<Claim 4>
A rectifier circuit for converting electromotive force generated from the piezoelectric element module and the coil into direct current power;
Power storage means for storing DC power converted by the rectifier circuit;
The power generator according to any one of claims 1 to 3, further comprising:

１ 発電装置
２１ 固定部
５ コイル
９ 圧電素子モジュール
９０ 圧電素子
９１ 移動磁石 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power generator 21 Fixed part 5 Coil 9 Piezoelectric element module 90 Piezoelectric element 91 Moving magnet

Claims (4)

揺動可能となるように基端において片持ち支持され、外部からの振動で揺動することにより変位して起電力を発生させる圧電素子モジュールと、
前記圧電素子モジュールの自由端に設けられ、前記圧電素子モジュールの揺動に伴い、前記基端を基点とした円弧状の軌跡に沿って動作する磁石と、
前記磁石が動作する軌跡に沿って配置され、前記磁石の接離により生じる磁束密度の変化により起電力を発生させるコイルと、
を備えていることを特徴とする発電装置。 A piezoelectric element module that is cantilevered at the base end so as to be swingable, and generates an electromotive force by being displaced by swinging by external vibration;
A magnet that is provided at a free end of the piezoelectric element module and that operates along an arcuate locus with the base end as a base point as the piezoelectric element module swings;
A coil that is arranged along a trajectory in which the magnet operates, and that generates an electromotive force by a change in magnetic flux density caused by contact and separation of the magnet;
A power generator characterized by comprising: 前記圧電素子モジュールは、薄板状に形成された複数の圧電素子を貼り合わせた積層構造となっていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。   The power generation apparatus according to claim 1, wherein the piezoelectric element module has a laminated structure in which a plurality of piezoelectric elements formed in a thin plate shape are bonded together. 前記コイルは、前記磁石が動作する円弧状の軌跡に沿って複数配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発電装置。   The power generator according to claim 1 or 2, wherein a plurality of the coils are arranged along an arcuate locus on which the magnet operates. 前記圧電素子モジュール及び前記コイルから発生した起電力を直流電力に変換する整流回路と、
この整流回路により変換された直流電力を蓄電する蓄電手段と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発電装置。 A rectifier circuit for converting electromotive force generated from the piezoelectric element module and the coil into direct current power;
Power storage means for storing DC power converted by the rectifier circuit;
The power generator according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
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