JP2024148064A - Resonator and vibration power generation device using the resonator - Google Patents
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Abstract
【課題】共鳴器と、共鳴器で増幅した振動をより効率的に振動発電素子に到達させ利用する振動発電装置を提供する。
【解決手段】空洞および前記空洞に連通する開口部とを有する筐体と、前記開口部に設けられ、前記筐体と共に閉鎖空間を画定する振動部と、を有し、前記振動部は音圧により前記閉鎖空間内の空気を振動させることで共鳴することを特徴とする、共鳴器を提供する。また、当該共鳴器の振動部に振動発電素子を設けた振動発電装置も提供する。
【選択図】図1
The present invention provides a resonator and a vibration power generation device that utilizes vibrations amplified by the resonator by more efficiently transmitting the vibrations to a vibration power generation element.
[Solution] A resonator is provided, comprising a housing having a cavity and an opening communicating with the cavity, and a vibration part provided in the opening and defining a closed space together with the housing, the vibration part resonating by vibrating the air in the closed space with sound pressure. Also provided is a vibration power generation device having a vibration power generation element provided in the vibration part of the resonator.
[Selected Figure] Figure 1
Description
本発明は、共鳴器を用いた音振動発電に関する。 The present invention relates to sound vibration power generation using a resonator.
振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電素子は、センサ等の電子機器に用いられている。 Vibration power generation elements that convert vibrational energy into electrical energy are used in electronic devices such as sensors.
振動発電素子は、振動の大きさが大きいほど、発電量が大きくなる。そのため、音に対応する振動発電素子では、音の振動を大きくすることで、発電量を増やすことができる。 The greater the vibration, the more electricity a vibration power generation element can generate. Therefore, in a vibration power generation element that responds to sound, the amount of electricity generated can be increased by increasing the vibration of the sound.
音の振動を大きくする方法の一つに、ヘルムホルツ共鳴器が知られている。ヘルムホルツ共鳴器は、空洞と、当該空洞に連通し、一つの側面に開口部を有するネック部とを備えた箱体からなり、この箱体の空洞部に、ネック部を介して、音波を導入し、特定の周波数の振動に対して共鳴させるものである。 One method for amplifying sound vibrations is the Helmholtz resonator. A Helmholtz resonator consists of a box with a cavity and a neck that is connected to the cavity and has an opening on one side. Sound waves are introduced into the cavity of the box through the neck, causing it to resonate with vibrations of a specific frequency.
ヘルムホルツ共鳴器を用いて音エネルギーを増幅する方法が特許文献1に記載されている。特許文献1では、ヘルムホルツ共鳴器の開口部に対向するように発電装置が設置され、発電装置のコイルを振動させて発電を行っている。 A method for amplifying sound energy using a Helmholtz resonator is described in Patent Document 1. In Patent Document 1, a power generation device is installed facing the opening of the Helmholtz resonator, and electricity is generated by vibrating the coil of the power generation device.
しかし、特許文献1では、ヘルムホルツ共鳴器の開口部に対向するように発電装置が設置されているため、ヘルムホルツ共鳴器で共鳴され増幅された音が、ヘルムホルツ共鳴器を出るまでに、またヘルムホルツ共鳴器から出てコイルに到達する前に減衰するおそれがあった。 However, in Patent Document 1, the power generation device is installed facing the opening of the Helmholtz resonator, so there is a risk that the sound resonated and amplified by the Helmholtz resonator will attenuate before it leaves the Helmholtz resonator, and before it leaves the Helmholtz resonator and reaches the coil.
これらを鑑み、本発明は、共鳴器と、当該共鳴器で増幅した振動をより効率的に振動発電素子へと到達させ利用する振動発電装置を提供することを目的とする。 In view of these issues, the present invention aims to provide a resonator and a vibration power generation device that more efficiently transmits the vibrations amplified by the resonator to a vibration power generation element and utilizes them.
上記課題を解決するために、本発明に係る一実施態様の共鳴器は、空洞および前記空洞に連通する開口部とを有する筐体と、前記開口部に設けられ、前記筐体と共に閉鎖空間を画定する振動部と、を有し、前記振動部は音圧により前記閉鎖空間内の空気を振動させることで共鳴することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a resonator according to one embodiment of the present invention has a housing having a cavity and an opening communicating with the cavity, and a vibrating part that is provided in the opening and defines a closed space together with the housing, and the vibrating part resonates by vibrating the air in the closed space with sound pressure.
また、本発明に係る他の実施形態では、当該共鳴器の振動部に振動発電素子を備える振動発電装置を提供する。 In another embodiment of the present invention, a vibration power generation device is provided that includes a vibration power generation element in the vibrating portion of the resonator.
本発明は、共鳴器と、当該共鳴器で増幅した振動をより効率的に振動発電素子へと到達させ利用する振動発電装置を提供することができる。 The present invention provides a resonator and a vibration power generation device that more efficiently transmits the vibrations amplified by the resonator to a vibration power generation element and utilizes them.
以下、本発明の実施形態について、詳細に説明するが、本発明はこれらに限られない。 The following describes in detail the embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these.
1.振動発電装置
図1(a)は本発明の一実施形態に係る振動発電装置100の斜視図であり、図1(b)はその断面図である。図1(a)に示されるように、振動発電装置100は、共鳴器50と、共鳴器50に設けられた振動発電素子70とを備える。以下、振動発電装置100の各構成を順に説明する。
1. Vibration Power Generation Device Fig. 1(a) is a perspective view of a vibration
なお、詳細は後述するが、本実施形態においては、閉鎖空間を有する共鳴器50と、振動発電素子70とを一体的に構成することにより、特許文献1のように、ヘルムホルツ共鳴器により増幅された音が振動発電素子を振動させる前に減衰されてしまうことを防ぐものである。
In addition, although details will be described later, in this embodiment, the
(共鳴器)
共鳴器50は、空洞22および空洞22に連通する開口部24を有する筐体20と、開口部24に設けられ、筐体20と共に閉鎖空間を画定する振動部40とを有する。
(Resonator)
The
ここで、筐体20において、空洞22は、開口部24に振動部40が設けられることにより閉鎖空間となり、振動部40の振動に対し空気ばねとして共鳴することができる空間である。筐体20は、任意の形状であってよく、例えば、円筒形状や直方体形状であってもよい。
Here, in the
振動部40は、筐体20よりも剛性が低い部分であり、筐体20よりも可撓性が高いため、音圧を受けて振動することができる。
The
振動部40は、筐体20の一部に肉薄部を設け、筐体20の他の部分と一体的に形成してもよい。また、振動部40として別個の部品である振動板を筐体20に接合し、閉鎖空間を画定してもよい。振動板の接合方法は、これに限定されないが、例えば、接着、溶着、およびねじ留めなどを用いることができる。
The
振動部40は任意の形状であってもよい。例えば、円盤状であってもよく、また多角形盤状であってもよい。後述するように、振動部40には振動発電素子70が設けられるため、振動発電素子70を保持する形状をさらに有してもよい。
The
振動部40は、筐体20と同じ材料から形成されていてもよく、また異なる材料で形成されてもよい。筐体20と振動部40とが同じ材料で形成される場合、材料としてポリエチレンテレフタレート(PET)、アクリル樹脂、ポリカーボネート、および金属などを用いることができる。また、筐体20と振動部40とが異なる材料から形成される場合、上記の材料の組み合わせで作成することができる。例えば筐体20をアクリル樹脂で形成し、PETで形成された振動板を接合して、共鳴器50を形成してもよい。
The
(振動発電素子)
振動発電素子70は、振動部40における振幅が大きくなる領域に設けられ、振動部40が外部からの音圧により振動し、さらに閉鎖空間内の空気ばねの共鳴によって増幅された振動で振動部40が振動することにより、発電を行う素子である。振動発電素子70により発電された電気エネルギーは、配線(不図示)により外部に伝達され、センサ信号などに利用することができる。
(Vibration power generation element)
The vibration power generating
振動発電素子70は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する素子であれば任意の素子を用いることができる。例えば、振動発電素子として、櫛歯型電極を有する静電誘導型振動発電素子を用いてもよい。また、振動発電素子70は静電誘導型振動発電素子以外にもエレクトレット型発電素子、ピエゾ型発電素子、電磁誘導型、または磁歪型の発電素子を用いてもよい。
The vibration
また振動部40自体が振動発電素子70を形成してもよい。例えば、振動部40に圧電膜を成型した圧電型振動発電素子を設けることができる。
The
一方、振動発電素子70として、櫛歯型電極を有する静電誘導型振動発電素子を用いた場合、振動発電素子70の可動電極の振動方向は、振動部40の振動方向と一致することが好ましい。図1に記載の本発明の一実施形態の振動部40は両矢印Aの方向に振動するため、振動発電素子70の可動電極の振動方向も実質的に両矢印Aの方向であるように設置されている。
On the other hand, when an electrostatic induction type vibration power generating element having a comb-tooth electrode is used as the vibration power generating
(共振周波数)
上述するように、共鳴器50は、振動部40が外部からの音圧により振動し、さらに閉鎖空間内の空気ばねの共鳴によって振動を増幅する。以下、共鳴器50の共振周波数について、図2のモデルを用いて説明する。
(Resonant frequency)
As described above, in the
図2のモデルでは、筐体55で囲まれた閉鎖空間を有する第1室(共鳴室)が振動部45を介し、閉鎖空間を有する第2室と隣接する。第1室の閉鎖空間はV1の容積とP1の内部圧力とを有し、第2室の閉鎖空間はV2の容積とP2の内部圧力とを有する。第2室は第1室(共鳴室)の外部空間を模しており、V2>>V1の関係を有する。振動部45には質量mの振動子80が存在し、振動子80の変位量はxで表される。振動部45上の振動子80が振動すると、第1室の容積V1の空気は空気ばねとして機能する。
In the model of FIG. 2, a first chamber (resonance chamber) having a closed space surrounded by a
ここで、閉鎖空間内の空気が理想気体であり、第1室および第2室の空気が振動部45の振動により断熱圧縮すると仮定すると、以下の関係が成り立つ。なお、式(1)は運動方程式である。式(2)および式(3)は、第1室および第2室のそれぞれの内部エネルギーを示す。さらに、式(4)および式(5)は、第1室および第2室におけるポアソン関係式を表す。
Assuming that the air in the closed space is an ideal gas and that the air in the first and second chambers is adiabatically compressed by the vibration of the
(P0:大気圧
P1:第1室の圧力
P2:第2室の圧力
m:振動発電素子80の質量
x:質量mの変位量
S:振動部45の面積
V1:第1室の容積
V2:第2室の容積
α:振動部45の変位と容積変化の関係を表す係数
γ:比熱比)
( P0 : atmospheric pressure, P1 : pressure in the first chamber, P2 : pressure in the second chamber, m: mass of the vibration
さらに、xの変位に対し、各室の圧力P1およびP2が速やかかつ均一に変化するものと仮定すると第1室および第2室の内部エネルギーU1およびU2は、以下のように表すことができる。 Furthermore, assuming that the pressures P 1 and P 2 in each chamber change rapidly and uniformly with respect to the displacement of x, the internal energies U 1 and U 2 in the first and second chambers can be expressed as follows:
ここで、式(6)の右辺の第1項は一定であり、第2項はばね定数kを有する空気ばねV1と解することができる。これにより、第1室の空気ばねV1の共振周波数f0は以下の式により求めることができる。 Here, the first term on the right side of equation (6) is constant, and the second term can be interpreted as an air spring V1 having a spring constant k. Thus, the resonant frequency f0 of the air spring V1 in the first chamber can be calculated by the following equation.
なお、上記式(7)は第1室の閉鎖空間内の圧力が均一である場合を仮定して求めているため、閉鎖空間の大きさは、外部からの音圧が有する波長よりも小さいことが好ましい。一実施形態において、第1室の閉鎖空間を構成するすべての寸法は、波長λ/4=c(音速)/(4×f0)未満であることが好ましい。例えば、共振周波数f0が1kHzの場合、容積V1は20×20×3mm3以下であれば問題ない。 In addition, since the above formula (7) is calculated assuming that the pressure in the closed space of the first chamber is uniform, the size of the closed space is preferably smaller than the wavelength of the sound pressure from the outside. In one embodiment, all dimensions constituting the closed space of the first chamber are preferably less than the wavelength λ/4 = c (sound speed)/(4 x f 0 ). For example, when the resonant frequency f 0 is 1 kHz, there is no problem if the volume V 1 is 20 x 20 x 3 mm 3 or less.
(振動発電)
振動発電素子70は、特定の共振周波数付近の振動を受けると、効率よく発電を行うことができる。そのため、本発明の一実施形態において、振動発電素子70の共振周波数は、共鳴器50の共鳴周波数近傍に一致させることが好ましい。例えば50Hz~2000Hzである。
(Vibration power generation)
The vibration
このように、振動発電装置100は、共鳴器50の閉鎖空間による空気ばねの共鳴を引き起こす音圧を振動部40が受けた際、振動部40の振動は共鳴器50の空気ばねと共鳴して増幅し、振動部40をより強く振動させることができる。その結果、振動部40に設置された振動発電素子70を振動させ、発電が行われることとなる。
In this way, when the
本実施形態の振動発電装置100は、音圧を受けることができる環境であれば任意の場所に設置することができる。好ましくは外部振動の影響を抑制した環境に取り付けることが好ましい。例えば、ゴムやエラストマーなどの外部振動を遮断する部材に設置されてもよく、また機械的に振動を遮断する装置上に設けてもよい。
The vibration
さらに、本実施形態の振動発電装置100は、閉鎖空間で共鳴が行われるため、共鳴器内部に水やゴミなどの異物が混入することを防ぐことができる。
Furthermore, since the vibration
以上説明した実施の形態によれば、以下の作用効果を奏する。 The above-described embodiment provides the following advantages:
(1)共鳴器は、空洞および前記空洞に連通する開口部とを有する筐体と、前記開口部に設けられ、前記筐体と共に閉鎖空間を画定する振動部と、を有し、前記振動部は音圧により前記閉鎖空間内の空気を振動させることで共鳴することを特徴とする。 (1) The resonator has a housing having a cavity and an opening communicating with the cavity, and a vibrating part provided in the opening and defining a closed space together with the housing, and is characterized in that the vibrating part resonates by vibrating the air in the closed space with sound pressure.
このように構成したので、共鳴器で増幅した振動をより効率的に増幅させる共鳴器を提供することができる。 This configuration makes it possible to provide a resonator that more efficiently amplifies the vibrations amplified by the resonator.
(2)前記振動部は前記筐体の他の部分よりも剛性が低い。 (2) The vibration part has lower rigidity than other parts of the housing.
このように構成したので、共鳴器の振動部は、音圧を受けて振動することができる。 Because of this configuration, the vibrating part of the resonator can vibrate when subjected to sound pressure.
(3)前記振動部は、前記筐体の他の部分よりも厚さが薄い。 (3) The vibration part is thinner than other parts of the housing.
このように構成したので、振動部は他の部分よりも剛性が低く形成することができる。 Because of this configuration, the vibration part can be made to have lower rigidity than other parts.
(4)前記振動部は前記筐体の他の部分と異なる材料から形成された振動板が接合されている。 (4) The vibration part is joined to a diaphragm made of a material different from that of the other parts of the housing.
このように構成したので、振動部は他の部分よりも剛性が低く形成することができる。 Because of this configuration, the vibration part can be made to have lower rigidity than other parts.
(5)前記接合は、接着、溶着またはねじ留めにより行われる。 (5) The joining is performed by gluing, welding or screwing.
このように構成したので、振動板を筐体に強固に接合することができる。 This configuration allows the diaphragm to be firmly attached to the housing.
(6)振動発電装置は、(1)~(5)のいずれか一項に記載の共鳴器と、前記振動部に設けられた振動発電素子と、を備える。 (6) The vibration power generation device includes a resonator according to any one of (1) to (5) and a vibration power generation element provided in the vibration part.
このように構成したので、振動発電装置は、共鳴器により増幅された音圧の振動により効率よく発電を行うことができる。 Because of this configuration, the vibration power generation device can generate electricity efficiently by using the vibrations of sound pressure amplified by the resonator.
(7)前記振動発電素子の可動子の振動方向が、前記振動部の振動方向と実質的に一致する。 (7) The vibration direction of the movable element of the vibration power generation element substantially coincides with the vibration direction of the vibration part.
このように構成したので、効率よく振動発電素子が発電を行うことができる。 This configuration allows the vibration power generation element to generate power efficiently.
(8)前記振動発電素子は、圧電型振動発電素子からなる。 (8) The vibration power generation element is a piezoelectric vibration power generation element.
このように構成したのでこのように構成したので、振動発電装置を小型化することができる。 Because of this configuration, the vibration power generation device can be made smaller.
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定
されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の
範囲内に含まれる。
Although various embodiments and modifications have been described above, the present invention is not limited to these. Other embodiments that are conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included within the scope of the present invention.
また、上述の各実施の形態および変形例の一つもしくは複数を、適宜組合せてもよい。 Furthermore, one or more of the above-mentioned embodiments and variations may be combined as appropriate.
20 筐体
22 空洞
24 開口部
25 第1室の閉鎖空間
35 第2室の閉鎖空間
40 振動部
45 振動部
50 共鳴器
55 筐体
70 振動発電素子
80 振動子
100 振動発電装置
20
Claims (8)
前記開口部に設けられ、前記筐体と共に閉鎖空間を画定する振動部と、を有し、
前記振動部は音圧により前記閉鎖空間内の空気を振動させることで共鳴することを特徴とする、共鳴器。 a housing having a cavity and an opening communicating with the cavity;
a vibration part provided in the opening and defining a closed space together with the housing,
A resonator, characterized in that the vibration part resonates by vibrating the air in the closed space by sound pressure.
前記振動部に設けられた振動発電素子と、
を備える振動発電装置。 A resonator according to any one of claims 1 to 5,
A vibration power generating element provided on the vibration part;
A vibration power generation device comprising:
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