�
�
���������������������������������� �
�
Study on Battery Free Remote Controller Using Magnetostrictive-Vibrational Power Generation Switch
�
��� ��
*1����� ��
*2���������� ��
*2�����
�
Shigeyuki HATTA , Toshiyuki UENO (Mem.), Sotoshi YAMADA (Mem.)
This research aims at realization of a battery free remote controller by switch type magnetostrictive-power generator using an iron-gallium alloy (Galfenol). The principle of power generation is based on parallel beam structure of Galfenol plate and yoke, by which input mechanical energy by pushing button is converted to electrical energy via free vibration. Our proposing controller consists of the generator, power conversion circuit (rectifier and capacitor), DC-DC converter and wireless module. In order to maximize the energy at the capacitor, the conversion circuit should be designed by considering equivalent model of the generator, coupling of mechanical and electrical circuit. We identified the parameters of the model by measurements of displacement and vibration, which the parameters were used to design the conversion circuit by LTSPICE, conventional circuit simulator. The combinations of capacitors in rectifier circuit providing the maximum energy at simulation and experiment were coincident, which verifies the validity of our design method. The operating condition of converter and module was investigated and twice of switch operation of combined system could send wireless sensor signal.
Keywords:Vibrational power generation switch, Iron-gallium alloy, Inverse magnetostrictive effect, Remote controller.
�
�����
�����������������������
������������������������
����������������� ��������
������������������������
������������������������
���� Fe
81.4Ga
18.6� Galfenol[1,2] ���������
��������� [3] ��������������
������������������������
������������������������
������������������������
������������������������
������������������������
0.15 mJ ��������������� 1 �����
������������������������
������������������������
������������������������
������������������������
��������������������� ����
������������������������
������������������������
������������
���������
Fig. 1 ��������������������
�����������������������
����������� Galfenol ���������
������������������������
�����������������������
������������������������
�����������������������
�� 2 ��������������������
�����������������������
��� Al ��������������������
�����������������������
�������������������� Fig. 2(a)
������������������������
������������������������
������������������������
��������������� Fig. 2(b) ������
������������������������
������������������������
������������������������
������������������������
���������������
�����������������������
������������������ 6×13.7×80
3 3
���� ��� ����920-1192 ���������
e-mail: [email protected]
*1
����������� �
*2����
�����
�������� 0.05 mm � 1872 ���� 0.5 mm � 113
�
� �������� SUS430 ��������� 3×2×2 mm
3������� 8 ������ Fig.3 ������
������������������������
�������� 3 N ������� 1.1 mm ����
�� 10 V ���� 0.12 s ������������ = �
��������������� / { � × ����� /2} �
� 24.5 % ������������ [4,5] ������
������������������������
������������������������
������������������������
������������������������
������������������������
Fig. 1 Configuration of switch type power generator.
Fig.2 Principle, bias (a) and power generation (b).
Fig. 3 Time response of open voltage (top), displacement of tip of switch (bottom).
Fig. 4 Configuration of battery free remote control.
�� ��������
3.1
�����������
� ������������� Fig. 4 �������
������������������������
��������� DC-DC �����������
������������������������
������������������������
��������������
�����������������������
����� Fig. 5 ����������������
�������
F������������
V��
������������������V �����
�������������������������
�
I��������������������
I�
��������������
E������
I��
���������
I�����
V���������
��������� (1) � (2) ����� [6] �
� � ��� � ���
(1)
� � ��� � ��
(2)
��
�
�����������������������
������������������������
���������������������� 1 �
����� - �� - ��������
���������
���
�� � � � ��� � �
��
(3)
���
k������
m������
c������
���������������
�������
R��
������
L������������
��� � � ���
(4)
�������������
m�
k�
c�
L�
R�����
������������������������
������������������������
������� [7] ����������������
������� � (1) ���
F= 0 ���
V�� (2) �
������������ (5) ������
� � ������
��� �
(5)
��� Fig. 6 �������
L�
R��������
�����������������������
������������
k����������
����������
x������������
���
F=kx��������
m�
c�������
�����������������������
������
m����������������
c
����������������
���� (1) �
���
V = 0������ (6) ����������
���
I���
x�����
x/I�
k�������
������
� ��
� � �
�
�
(6)
� �����������������������
���
V= 0 ��� LCR ���� ZM2372 � NF ����
�� 1 � 1000 Hz ����������������
���
R�
L������������������
�����������������������
x������ Fig. 3 ��������
f�
c������
��
k������ Fig. 7 �������������
������������������������
��� LVS-A1KA ����������������
F�������� LC2440 ������������
x������������
f�
k��
m�������
���������� WF1943 � NF ��������
�� BWS120-2.5 �����������������
�������
I����
x���������� (6)
������
Fig. 5 Equivalent circuit of transducer.
Fig. 6 Equivalent circuit of generator in case of F = 0.
Fig. 7 Measurement apparatus of spring constant.
Fig. 8 Relationship between I and �.
Table 1 Result of parameter.
f0
[Hz]
R[
�]
L[mH]
m[kg] �
k[N/m] �
c[Ns/m]
��[N/A]
422 224 29.1 0.62×10
-34370 0.029 3.7
�
� ����������� Fig. 8 ����� �
I���
�������������� ±15 mA ������
����������� 0 A �������������
����
R�
L�
c�
m�
k������ Table 1 ����
�����������������������
����������� LTspice ����������
��������������� Fig. 9 ������
������������������������
��������������������
F= 4.8 N
������������ Fig. 10 ���������
���� ���������������������
������������������������
������������������������
������������������������
������������������������
�������
3.2
����������
�����������������������
��������� Fig. 11 �����������
�������������
Ein���������
���
C1����������
Ein��������
����
C2������
C1�����������
Ein
� 2 ����
Eo���������������
����������������������
Vf�
������������������������
������������������������
�����
Vf������������������
��������
��������
C1�
C2���������
C2�
������������������������
������������������������
������������������������
����������������� 1S4 � �
C1���
������������������������
���� �
C2������������������
���
C1����������
L���������
��������������� 0.1 � 10
�F����
�������
C2���������������
0.5 mJ ����� 1 � 470
�F������������
��� (1/2)C
2Eo2[J] ������
�������������������� Fig. 12
� 13 ���� ������������������
��
C2� 10
�F�����������������
������������ ����� ����
C1= 1
�F �
C2=10
�F ������� 0.26 mJ ���������
��
C1= 2
�F �
C2= 10
�F � 0.3 mJ �����
C1��
������������
C1� 1 � 4.7
�F ����
�������� 0.02 mJ ������������
������������������������
������������������������
������������������������
������������������������
������������������������
�������������������������
����
�
Fig. 9 Circuit model of simulator.
�
Fig. 10 Comparison of time response open voltage.
Fig. 11 Half-wave voltage doubler.
Fig. 12 Relation between C
1,
���and energy (Sim.).
Fig. 13 Relation between C
1,
���and energy (Exp.).
������������
4.1
������
������������������ Fig. 14 ��
���� DC-DC ����������������
������������������������
������ ������� IC ����������
���������������� DC-DC ����
�� TPS63000 ������������������
��� ����� 1.8 � 5.5 V � ����� 3.3 V ����
��������� TESSERA ����������
������������ 2.2 � 3.3 V ���� 3 ��
������������������������
��� 0.15 mJ �����������������
���������������������
�����������������������
������������������������
������������������������
������������������ Fig. 14 � 15 �
������������������������
������������������� PMC18-1A �
������������
C�����������
�����
S������������������
�����������
C���
Vin�������
��
Vout��������������������
�������
C� 4.7 � 10 � 22 � 33 � 47
�F ���
Vin������������ 5.5 V �� 0.1 V �����
������������������������
�������
Vin
�
Vout�����������������
C =10
�F �
Vin= 5.5 V ���� Fig. 16 ��������
C= 47
�F �
Vin= 4.6 V ���� Fig. 17 ����
C = 10 �F
������������������������
������������������������
������������������
C = 47 �F ��
������������������������
��������� 2.2 � 3.3 V ���� 5 ms ����
������������������������
��������������� ����������
������������������������
�� 47
�F ���� 4.6 V �� 0.5 mJ ��������
������������
4.2
��������������
Fig. 14 Circuit to test operation of wireless transmitter.
Fig. 15 Picture of experimental apparatus.
Fig. 16 Time response of V
inand V
out(V
in=5.5V, C =10
�F).
Fig. 17 Time response of V
inand V
out(V
in=4.6V, C =47
�F).
������������������������
��������������������� S ��
������������������������
���� �������
C2= 47 �F �
C1� 1
�F����
��� 1 ���������� 3.6 V �������
4.6 V ������������������ 2 ���
�������� S � ON ������������
2 �����
Vc�������� ON ��
Vc�
Vout�
��������� Fig. 19 � 20 ���� 2 ����
�� 5.5 V � 0.7 mJ ����������������
���� 3.3 V ������������������
�������� ��� ���� 2 ���������
������������������������
�������������
�����
����������������������
������������������������
������������������������
Fig. 18 Circuit of battery free remote control.
Fig. 19 Time response of V
cby twice operation.
Fig. 20 Time response of V
cand V
outafter switch S on.
������� 2 ���������������
������������������������
������������������������
��� [8] ��������������������
������������������������
������������������������
������������������������
������������������������
������������������������
������������������������
������������������������
������� 1 ����������������
�������������������������
��
� �������
25��������������
���
B��������������
(2014 � 3 � 15 ���� 2014 � 10 � 18 ���� )
����
[1] A.E.Clark, M.Wun-Fogle, J.b.Restorff, “Magnetostrictive Properties of Body-Centerd Cubic Fe-Ga and Fe-Ga-Al Alloy”, IEEE, Trans.Mag., Vol.37, pp.3238-3240 , 2000.
[2] A.E.Clark, M.Wun-Fogle, J.b.Restorff, “Magnetostrictive Properties of Galfenol alloys under compressive stress”, Materials Transaction, Vol.43, pp.881-886, 2002.
[3] �������������������������
���������AEM����Vol. 20�1�pp. 168-173, 2012.
[4] �������������������������
�����������23�� �����������
����������pp. 381-384, 2011.
[5] �������������������������
�����������������21�MAGDA �
������ in �� ������pp.461-464, 2012.
[6] �������������������������
���������������, ���������
MAG-13-085�094, pp.51-56, 2013.
[7] �������������������������
�������������������������
�������CD-ROM, 2013.
[8] �������������������������
�����26�������������������
��, 2014.