• 検索結果がありません。

Study on Battery Free Remote Controller Using Magnetostrictive-Vibrational Power Generation Switch

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

シェア "Study on Battery Free Remote Controller Using Magnetostrictive-Vibrational Power Generation Switch"

Copied!
6
0
0

読み込み中.... (全文を見る)

全文

(1)

���������������������������������� �

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

81.4

Ga

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: ueno@ec.t.kanazawa-u.ac.jp

*1

����������� �

*2

����

�����

(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) ������

(3)

� � ����

� �

(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

-3

4370 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 �����������

(4)

�������������

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.).

(5)

������������

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

in

and V

out

(V

in

=5.5V, C =10

F).

Fig. 17 Time response of V

in

and V

out

(V

in

=4.6V, C =47

F).

������������������������

��������������������� S ��

������������������������

(6)

���� �������

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

c

by twice operation.

Fig. 20 Time response of V

c

and V

out

after 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.

参照

関連したドキュメント

The clamp capacitor in a forward topology needs to be discharged while powering down the converter. If the capacitor remains charged after power down it may damage the converter.

The featured power supply is a Fixed Frequency Flyback design utilizing ON Semiconductor NCP12700 PWM controller, the NCP4306 synchronous rectifier controller, FDMS86255 primary

Abstract: A new, efficient dc-dc converter is formed by combining buck and boost stages and controlling the switches to provide a pass-through zone such that when the value of

During standby or light load operation the duty ratio on the controller becomes very small. At this point, a significant portion of the power dissipation is related to the power

The NCP1032 has an extensive set of features including programmable cycle−by−cycle current limit, internal soft−start, input line under and over voltage detection comparators

When the voltage on CV CC reaches the startup threshold, the controller starts switching and providing power to the output circuit and the CV CC.. CV CC discharges as the

Lout_H DC−DC External Inductor Lout_L DC−DC External Inductor Cout Output Capacitor VCC Card Power Supply Input Icc Current at CRD_VCC Pin Class A 5.0 V Smart Card Class B 3.0 V

The clamp capacitor in a forward topology needs to be discharged while powering down the converter. If the capacitor remains charged after power down it may damage the converter.