太阳城集团

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摘要
申请专利号:

CN201210035566.9

申请日:

2012.02.16

公开号:

CN102647109B

公开日:

2015.01.21

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H02N 2/18申请日:20120216|||公开
IPC分类号: H02N2/18 主分类号: H02N2/18
申请人: 精工爱普生株式会社
发明人: 田端邦夫; 井出典孝; 平林笃哉; 小野泰弘
地址: 日本东京都
优先权: 2011.02.17 JP 2011-031718
专利代理机构: 北京三友知识产权代理有限公司 11127 代理人: 李辉;黄纶伟
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201210035566.9

授权太阳城集团号:

102647109B||||||

法律状态太阳城集团日:

2015.01.21|||2012.10.10|||2012.08.22

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

太阳城集团本发明提供能够实现小型化的利用了压电效应的发电装置。发电装置通过外力使由压电材料形成的第1压电元件变形,将该第1压电元件中产生的电荷作为电流取出,其中,检测设有第1压电元件的变形部件的变形量,在该变形量达到规定大小以上的情况下,使设于第1压电元件上的一对电极成为短接状态。其结果,抑制了该第1压电元件的变形,进而抑制了变形部件的超过预想的变形。

权利要求书

1.一种发电装置,该发电装置具有:
变形部件,其设有第1压电元件,且切换变形方向而变形;
变形量检测单元,其检测所述变形部件的变形量;
一对电极,它们设于所述第1压电元件上;
开关,其设于所述一对电极之间;以及
开关控制单元,其控制所述开关,使得当所述变形量达到规定大小以上时,使所
述一对电极之间在规定期间内为短接状态。
2.根据权利要求1所述的发电装置,其中,
所述变形量检测单元具有:
第2压电元件,其设于所述变形部件上,用于检测所述变形量;以及
电压检测单元,其检测所述第2压电元件所产生的电压。
3.根据权利要求1或2所述的发电装置,其中,
所述发电装置具有电感器,该电感器设于所述一对电极之间,并且与所述开关串
联连接,由此与所述第1压电元件的电容成分构成谐振电路,
所述开关控制单元是这样的单元:在所述变形量未达到所述规定大小的期间内,
当所述变形部件的变形方向发生了切换时连接所述开关,之后,当经过了相当于所述
谐振电路的谐振周期的半个周期的太阳城集团时,切断所述开关。
4.根据权利要求3所述的发电装置,其中,
所述第2压电元件被设置在隔着所述变形部件与所述第1压电元件相对的位置。
5.根据权利要求2~4中任意一项所述的发电装置,其中,
所述第1压电元件和所述第2压电元件为多个。
6.一种电子设备,该电子设备具有权利要求1~5中任意一项所述的发电装置。
7.一种移动单元,该移动单元具有权利要求1~5中任意一项所述的发电装置。

说明书

发电装置

技术领域

本发明涉及将压电元件等压电材料因外力变形时产生的电荷作为电能而取出的
发电装置。

背景技术

锆钛酸铅(PZT)、石英(SiO2)、氧化锌(ZnO)等压电材料在受到外力而变形
时,会在材料内部诱发电极化,从而在表面出现正负电荷。这种现象被称为所谓的压
电效应。已提出过如下的发电方法:利用压电材料所具有的这种性质,使悬臂梁振动,
使荷重反复作用于压电材料,将压电材料表面产生的电荷作为电力而取出。例如已提
出过如下技术:使末端设有施重部并粘贴了压电材料薄板的金属制悬臂梁振动,取出
随着振动而在压电材料中交替产生的正负电荷,由此产生交流电流。而且,在利用二
极管对该交流电流进行整流后,蓄积到电容器中,并作为电力取出(专利文献1)。

在使用这种技术的发电装置中,在对悬臂梁施加了超过预想的力而使悬臂梁过度
振动的情况下,该悬臂梁可能与周边部件发生碰撞而损坏。为了防止这种情况,提出
了如下技术:在收纳悬臂梁的筐体的内壁设置弹性体,缓和悬臂梁与筐体内壁发生碰
撞时的冲击(专利文献2)。

【专利文献1】日本特开平7-107752号公报

【专利文献2】日本特开2003-218418号公报

但是,在已提出的现有技术中,需要确保设置弹性体的空间,所以,存在难以使
发电装置充分小型化的问题。

发明内容

本发明是为了解决现有技术所存在的上述课题而完成的,其目的在于,提供如下
技术:通过抑制悬臂梁过度振动,能够使内置有悬臂梁的发电装置适当小型化。

为了解决上述课题的至少一部分,本发明的发电装置采用以下结构。即,其主旨
在于,发电装置具有:变形部件,其设有第1压电元件,切换变形方向而变形;变形
量检测单元,其检测所述变形部件的变形量;一对电极,它们设于所述第1压电元件
上;开关,其设于所述一对电极之间;以及开关控制单元,其控制所述开关,使得当
所述变形量达到规定大小以上时,使所述一对电极之间在规定期间内为短接状态。

在这样的本发明的发电装置中,第1压电元件设置在变形部件上,所以,随变形
部件的变形,第1压电元件也发生变形。其结果,由于压电效应而在第1压电元件上
产生正负电荷。当第1压电元件与变形部件一起反复变形时,也反复产生正负电荷,
将该电荷作为电流取出,由此进行发电。并且,当变形量达到规定大小以上时,使设
于第1压电元件上的一对电极之间成为短接状态。这样,由于压电元件具有在一对电
极之间短接的状态下难以变形的性质,所以,抑制了第1压电元件的变形。由此,还
能够抑制设有第1压电元件的变形部件的过度变形,所以,不需要设置用于缓和碰撞
时的冲击的部件,能够使发电装置小型化。

并且,在上述本发明的发电装置中,可以是,在变形部件上设置有用于检测变形
量的第2压电元件,通过检测第2压电元件所产生的电压来检测变形量。

这样,由于在变形部件上设有第2压电元件,所以,随着变形部件的变形,第2
压电元件也发生变形。即,在第2压电元件中产生与变形部件的变形量对应的电压。
因此,能够根据第2压电元件所产生的电压来检测变形部件的变形量。可利用与设置
第1压电元件的工序相同的工序设置第2压电元件,所以,能够提高生产性。

并且,在上述本发明的发电装置中,也可以为如下方式。首先,将设于一对电极
之间的开关与电感器串联连接,由第1压电元件的电容成分和电感器构成谐振电路。
而且,在变形部件的变形量未达到规定大小的期间内,当变形部件的变形方向发生了
切换时,连接开关,之后,当经过了相当于谐振电路的谐振周期的半个周期的太阳城集团时,
切断开关。

第1压电元件的变形量越大,该第1压电元件的电荷产生量越多。并且,第1
压电元件与电感器构成谐振电路,在该谐振电路中设有开关。而且,在切断了开关导
通的状态下开始变形部件的变形,当变形量达到极值时(即变形方向发生切换时),
使开关成为导通状态。由于第1压电元件与变形部件一起变形,且变形量越大,产生
的电荷越多,所以,当第1压电元件所产生的电荷最多时,第1压电元件与电感器连
接而形成谐振电路。于是,在第1压电元件中产生的电荷流入电感器。而且,第1
压电元件和电感器构成了谐振电路,所以,流入电感器的电流发生过冲,流入第1
压电元件的相反侧的端子。该期间(即,从第1压电元件的一个端子流出的电荷经由
电感器从相反侧的端子再次流入第1压电元件内的期间)是由第1压电元件和电感器
形成的谐振电路的谐振周期的一半。因此,当第1压电元件的变形方向发生了切换时,
连接开关而形成谐振电路,然后,如果在经过了谐振周期的一半太阳城集团时切断开关,则
能够使连接电感器之前在第1压电元件内产生的正负电荷的配置反转。而且,如果从
该状态起本次使变形部件反方向变形,则第1压电元件反方向变形,所以,从正负电
荷的配置发生反转的状态起,因压电效应产生的新的电荷进一步蓄积增加,在第1
压电元件内蓄积电荷。并且,随着在第1压电元件内蓄积电荷,所产生的电压也增加,
所以,即使不额外准备升压电路,也能够产生比通过构成第1压电元件的压电材料的
电极化产生的电压更高的电压。这里,如上所述,开关在抑制第1压电元件的变形量
的定时也被连接。即,通过控制开关的连接定时,除了能够抑制第1压电元件的变形
量以外,如上所述还能够产生较高的电压。

附图说明

图1是示出本实施例的发电装置的构造的说明图。

图2是示出本实施例的发电装置的动作的说明图。

图3是概念性地示出本实施例的发电装置的工作原理的前半部分的说明图。

图4是概念性地示出本实施例的发电装置的工作原理的后半部分的说明图。

图5是示出通过检测用于进行控制的压电元件的电压而能够在恰当的定时控制
开关的原因的说明图。

图6是示出对梁施加了振动时的梁的位移的说明图。

图7是示出在用于进行控制的压电元件所产生的电压达到规定值以上时进行短
接而抑制了压电元件的变形的状态的说明图。

图8是示出检测用于进行控制的压电元件的电压来切换开关的通/断的开关控制
处理的流程图。

图9是示出第1变形例的发电装置的压电元件的配置的说明图。

图10是示出第1变形例的发电装置的电气构造的说明图。

图11是示出第2变形例的发电装置的电气构造的说明图。

标号说明

100、100A、100B:发电装置;102:支承端;104:梁;106:施重部;108:压
电元件;109a:上部电极;109b:下部电极;110:压电元件;111a:上部电极;111b:
下部电极;112:控制电路;114:压电元件;115a:上部电极;115b:下部电极;116:
压电元件;117a:上部电极;117b:下部电极;120、121:全波整流电路;L1、L2:
电感器;C1:输出用电容器;D1~D8:二极管;SW1、SW2:开关。

具体实施方式

下面,为了明确上述本申请发明的内容,按照以下顺序对实施例进行说明。

A.实施例:

A-1.发电装置的构造:

A-2.发电装置的动作:

A-3.发电装置的工作原理:

A-4.开关的切换定时:

B.第1变形例:

C.第2变形例:

A.实施例:

A-1.发电装置的构造:

图1是示出本实施例的发电装置100的构造的说明图。图1(a)示出了发电装
置100的构造,图1(b)示出了电路图。本实施例的发电装置100的构造是设有施
重部106的梁104被固定在支承端102上的悬臂梁构造。并且,在梁104的表面安装
有由锆钛酸铅(PZT)等压电材料形成的压电元件108和压电元件110,在压电元件
108的表面设有由金属薄膜形成的上部电极109a、下部电极109b(一对电极)。并
且,压电元件110也同样设有由金属薄膜形成的上部电极111a、下部电极111b。在
图1(a)所示的例子中,压电元件108和压电元件110具有相同形状,但不是必须
为相同形状。例如,如果压电元件108为能够设置于梁104上的最大的长度和宽度,
则压电元件108的发电量变大。另一方面,如果压电元件110为能够设置的最小宽度
(梁104的短边方向上的长度),则由压电元件110引起的梁104的位移阻力降低,
所以发电效率提高。另外,压电元件108和压电元件110随梁104的变形而变形,所
以,梁104相当于本发明的“变形部件”。

梁104被固定于支承端102,且在末端侧设有施重部106,所以,通过施加振动
或者使发电装置100移动,从而如图中空心箭头所示,梁104的末端大幅振动。其结
果,压缩力和拉伸力交替作用于安装在梁104表面的压电元件108和压电元件110。
于是,各个压电元件108、110由于压电效应而产生正负电荷,该电荷出现在上部电
极109a、111a以及下部电极109b、111b上。

图1(b)例示了本实施例的发电装置100的电路图。压电元件108在电气上可
表示为电流源和蓄积电荷的电容器Cg。同样,压电元件110也可表示为电流源和蓄
积电荷的电容器Cs。其中,与压电元件108并联连接有电感器L1,该电感器L1与
压电元件108的电容成分一起形成电气的谐振电路。并且,在谐振电路内(与电感器
L1串联地)设有用于使该谐振电路通/断的开关SW1。开关SW1的通/断由控制电路
112(相当于本发明的“开关控制单元”)控制。并且,设于压电元件108上的上部电
极109a和下部电极109b与由四个二极管D1~D4构成的全波整流电路120连接。而
且,为了驱动电气负载,在全波整流电路120上连接着对整流后的电流进行蓄积的电
容器(输出用电容器C1)。

另一方面,压电元件110是为了控制开关SW1而设置的,设于压电元件110上
的上部电极111a和下部电极111b与控制电路112连接。因此,以下将压电元件108
称为“发电用压电元件”,将压电元件110称为“控制用压电元件”。另外,发电用压电
元件108对应于本发明的“第1压电元件”,控制用压电元件110对应于本发明的“第2
压电元件”。

A-2.发电装置的动作:

图2是示出本实施例的发电装置100的动作的说明图。图2(a)示出了随着梁
104的振动,梁104的末端的位移u发生变化的状态。另外,正位移u表示梁104向
上翘曲的状态(梁104的上表面侧成为凹状的状态),负位移(-u)表示梁104向下
翘曲的状态(梁104的下表面侧成为凹状的状态)。并且,图2(b)示出了随着梁
104的变形而由压电元件108产生的电流的状态、以及作为结果在压电元件108内部
产生的电动势的状态。另外,在图2(b)中,压电元件108中产生电荷的状态被表
示为每单位太阳城集团产生的电荷量(即电流Ipzt),压电元件108中产生的电动势被表示
为上部电极109a与下部电极109b之间产生的电位差Vpzt。

另外,如使用图1所述的那样,在梁104上还设有压电元件110,当梁104变形
时,压电元件110也与压电元件108同样地变形。因此,在压电元件110的内部,也
与压电元件108完全同样地产生图2(b)所示的电流Ipzt和电位差Vpzt。

如图2(a)和图2(b)所示,在梁104的位移增加的期间,压电元件108产生
正方向的电流(即电流Ipzt为正值),与此相伴,上部电极109a与下部电极109b
的电位差Vpzt向正方向增加。如果正方向的电位差Vpzt大于C1的电压VC1与构成
全波整流电路120的二极管的正向降低电压Vf的两倍之和、即VC1+2Vf,则能够将
此后产生的电荷作为直流电流取出,并蓄积到输出用电容器C1中。并且,在梁104
的位移减小的期间,压电元件108产生负方向的电流(即电流Ipzt为负值),与此相
伴,上部电极109a与下部电极109b的电位差Vpzt向负方向增加。如果负方向的电
位差Vpzt大于VC1与全波整流电路120的2Vf之和,则能够将产生的电荷作为直流
电流取出,并蓄积到输出用电容器C1中。即,即使断开了图1的开关SW1,对于图
2(b)中附加了斜线来表示的部分,也能够将电荷蓄积到输出用电容器C1中。

图2(c)示出了接通本实施例的发电装置100的开关SW1的定时。并且,图2
(d)示出了开关SW1动作时的压电元件108的端子间电压Vgen。按照图2(c)所
示的定时接通开关SW1。于是,如图2(d)的粗实线所示,在接通了开关SW1时,
产生压电元件108的端子间的电位反转。例如,在图2(d)中表示为“B”的期间B内,
当开关SW1接通时,压电元件108的端子间电压向负方向反转,然后,在压电元件
108的端子间出现粗虚线所示的电压波形。产生这种现象的原因将在后面叙述。并且,
在图2(d)中表示为“C”的期间C内,压电元件108的端子间电压向正方向反转,然
后出现粗虚线的电压波形。此后的期间D、期间E、期间F等也同样是在压电元件
108的端子间电压反转后,出现粗虚线的电压波形。而且,在压电元件108的电压波
形超过VC1与2Vf之和的部分(图2(d)中附加了斜线来表示的部分)中,能够将
压电元件108所产生的电荷蓄积到输出用电容器C1中。另外,电荷从压电元件108
流入输出用电容器C1的结果是,压电元件108的端子间电压被钳位于VC1与2Vf
之和的电压。换言之,压电元件108的端子间电压被保持为VC1与2Vf之和的电压。
其结果,上部电极109a和下部电极109b之间的电压波形成为图2(d)中粗实线所
示的波形。

对图2(b)所示的断开了开关SW1的情况与如图2(d)所示在梁104的变形方
向发生切换的定时接通开关SW1的情况进行比较可知,在本实施例的发电装置100
中,通过以恰当的定时接通开关SW1,能够高效地将电荷蓄积到输出用电容器C1中。
因此,在本实施例的发电装置100中,为了以恰当的定时接通开关SW1,设置了用
于进行控制的压电元件110,通过检测压电元件110的电压来控制开关SW1。这点将
在后面进行详细说明。

并且,当电荷被蓄积到输出用电容器C1中而使输出用电容器C1的端子间电压
增加时,电压波形的移位量也随之变大。例如,当对图2(d)中的期间B(在输出
用电容器C1中未蓄积电荷的状态)与图2(d)中的期间H(在输出用电容器C1中
蓄积了少量电荷的状态)进行比较时,期间H的电压波形的移位量更大。同样,当
对图2(d)中的期间C与期间I进行比较时,蓄积到输出用电容器C1中的电荷增加
的期间I的电压波形的移位量更大。产生这种现象的原因将在后面进行叙述,其结果
是,在本实施例的发电装置100中,通过使压电元件108变形,也能将上部电极109a
与下部电极109b之间产生的电压Vpzt以上的电压蓄积到输出用电容器C1中。其结
果,不需要设置特别的升压电路,就能够得到小型且高效的发电装置。

A-3.发电装置的工作原理:

图3是概念性地示出本实施例的发电装置100的工作原理的前半部分的说明图。
并且,图4是概念性地示出本实施例的发电装置100的工作原理的后半部分的说明图。
在图3和图4中,概念性地示出了随压电元件108的变形而接通了开关SW1时的Cg
(压电元件108的电容成分)内的电荷的动作。图3(a)表示压电元件108(准确地
说是梁104)向上(上表面侧变凹)变形后的状态。当压电元件108向上变形时,从
电流源流出正方向的电流,在Cg(压电元件108的电容成分)中蓄积电荷,Vgen产
生正方向的电压。压电元件108的变形量越大,电压值增加得越大。而且,在压电元
件108的变形量达到极值的定时(电荷量达到极值的定时(参照图3(b))),接通开
关SW1。

图3(c)示出了刚刚接通开关SW1之后的状态。由于在Cg(压电元件108的电
容成分)中蓄积有电荷,所以,该电荷欲流过电感器L。当电流流过电感器L时,会
产生磁通(磁通增加),但电感器L具有在阻碍磁通变化的方向上产生反向电动势的
性质(自感作用)。在接通开关SW1的瞬间,因电荷流动而使磁通增加,所以,在
阻碍该磁通增加的方向(换言之,阻碍电荷流动的方向)上产生反向电动势。并且,
反向电动势的大小与磁通的变化速度(每单位太阳城集团的变化量)成比例。在图3(c)
中,用附加了斜线的箭头来表示在电感器L中这样产生的反向电动势。由于产生了这
种反向电动势,因此,即使接通开关SW1,压电元件108的电荷也只是逐次少量地
流出。即,流过电感器L的电流只是逐次少量地增加。

然后,当流过电感器L的电流达到峰值时,磁通的变化速度为“0”,所以,如图
3(d)所示,反向电动势为“0”。然后,本次是电流开始减小。于是,贯通电感器L
的磁通减少,所以,在电感器L中产生阻碍该磁通减少的方向(欲流过电流的方向)
的电动势(参照图3(e))。其结果,通过该电动势从Cg(压电元件108的电容成分)
中抽出电荷,同时,电流继续流过电感器L。而且,如果在电荷的移动中途没有产生
损失,则因压电元件108的变形而产生的全部电荷均发生移动,正好成为正负电荷置
换后的状态(即,正电荷分布在压电元件108的下表面侧、负电荷分布在上表面侧的
状态)。在图3(f)中示出了因压电元件108的变形而产生的正负电荷全部移动后的
状态。

若假设在该状态下接通了开关SW1,则本次是产生与上述内容相反的现象。即,
压电元件108的下表面侧的正电荷欲流过电感器L,此时,在电感器L中产生阻碍电
荷流动的方向的反向电动势。然后,当流过电感器L的电流达到峰值后,转为减小,
此时,本次是在电感器L中产生阻碍电流减小的方向(欲继续流过电流的方向)的电
动势。其结果,成为位于压电元件108的下表面侧的全部正电荷均移动到上表面侧的
状态(图3(b)所示的状态)。如使用图3(b)~图3(f)所述的那样,这样返回
到压电元件108的上表面侧的正电荷再次向下表面侧移动。

这样,在Cg(压电元件108的电容成分)中蓄积有电荷的状态下接通了开关SW1
后,如果保持该状态,则会产生在压电元件108与电感器L之间电流的方向交替反转
的一种谐振现象。而且,该谐振现象的周期是所谓的LC谐振电路的周期T,所以,
当设Cg(压电元件108的电容成分)的大小(电容)为C、电感器L的感应成分的
大小(电感)为L时,由T=2π(LC)0.5给出该谐振现象的周期。因此,从接通了开
关SW1起(图3(c)所示的状态)到成为图3(f)所示的状态为止的太阳城集团为T/2。

因此,在从接通开关SW1后经过T/2的时刻,如图4(a)所示断开开关SW1。
然后,从该状态起,本次使压电元件108(准确地说是梁104)向下(下表面侧变成
凹状)变形。由于在所述图3(a)中是使压电元件108向上变形,而在图4(a)中
是使其向下变形,所以从电流源流出负方向的电流,电荷被蓄积到Cg中,使得Vgen
向负方向变大。并且,如使用图3(a)~图3(f)所述的那样,在使压电元件108
(准确地说是梁104)向下变形之前的阶段,正电荷分布在压电元件108的下表面侧,
负电荷分布在上表面侧,所以,在这些电荷的基础上,在下表面侧又蓄积了新的正电
荷,在上表面侧又蓄积了新的负电荷。在图4(b)中,示出了在断开了开关SW1的
状态下使压电元件108(准确地说是梁104)变形、从而在压电元件108中蓄积了新
的电荷的状态。

而且,当在压电元件108的变形量达到极值的定时(电荷量达到极值的定时)接
通了开关SW1时,在压电元件108下表面侧蓄积的正电荷欲流过电感器L。此时,
在电感器L中产生反向电动势(参照图4(c)),所以,电流开始逐次少量地流过,
不久达到峰值,然后转为减小。于是,在电感器L中,在阻碍电流减小的方向(欲继
续流过电流的方向)上产生电动势(参照图4(e)),通过该电动势使电流继续流过,
最终成为分布在压电元件108的下表面侧的全部正电荷均移动到上表面侧、分布在上
表面侧的全部负电荷均移动到下表面侧的状态(参照图4(f))。并且,下表面侧的
全部正电荷均移动到上表面侧、上表面侧的全部负电荷均移动到下表面侧的太阳城集团为相
当于LC谐振电路的半个周期的太阳城集团T/2。因此,在接通了开关SW1之后,如果经过
了太阳城集团T/2就断开开关SW1,并且这次使压电元件108(准确地说是梁104)向上(上
表面侧变成凹状)变形,则能够进一步在压电元件108内蓄积正负电荷。

如以上说明的那样,在本实施例的发电装置100中,在使压电元件108变形而产
生电荷后,将压电元件108与电感器L连接,以谐振周期的半个周期形成谐振电路,
从而使压电元件108内的正负电荷的分布反转。然后,本次使压电元件108反方向变
形而产生新的电荷。由于压电元件108内的正负电荷的分布已发生了反转,所以,新
产生的电荷被蓄积到压电元件108中。然后,再次将压电元件108与电感器L连接谐
振周期的半个周期,使压电元件108内的正负电荷的分布反转,之后,使压电元件
108反方向变形。通过反复进行这样的动作,由此,每次使压电元件108反复变形时,
都能够增加蓄积到压电元件108中的电荷。

如使用图2所述的那样,在本实施例的发电装置100中,每当接通开关SW1时,
都会产生压电元件108的端子间的电压波形发生移位的现象,而该现象是基于以上原
理产生的。即,例如在图2(d)中所示的期间A内,随着压电元件108(准确地说
是梁104)的变形,在上部电极109a与下部电极109b之间产生电压,但由于上部电
极109a和下部电极109b与全波整流电路120连接,所以,超过VC1与2Vf之和的
电压的部分的电荷流入与全波整流电路120连接的输出用电容器C1。其结果,若在
梁104的变形量达到极值的时刻接通开关SW1,则此时残留在压电元件108内的正
负电荷经由电感器L而移动,调换了压电元件108内的正负电荷的配置。另外,根据
使用图3和图4所述的原理可知,接通开关SW1的期间为由压电元件108的电容成
分和电感器L构成的谐振电路的谐振周期的一半太阳城集团。

然后,当从调换了正负电荷的配置的状态起使梁104反方向变形时,在压电元件
108的上部电极109a与下部电极109b之间出现基于压电效应的电压波形。即,从调
换了压电元件108的上部电极109a与下部电极109b的极性的状态起,在压电元件
108中产生因变形引起的电压变化。其结果,在图2(d)中所示的期间B内,出现
了因梁104的变形而使压电元件108中产生的电压波形发生移位后的电压波形。但是,
如上所述,超过VC1与2Vf之和的电压的部分的电荷流入到输出用电容器C1,所以,
压电元件108的上部电极109a与下部电极109b之间的电压被钳位于VC1与2Vf之
和的电压。然后,当以谐振周期的一半太阳城集团接通开关SW1时,调换了残留在压电元
件108中的正负电荷的配置。然后,从该状态起梁104发生变形,由此,在压电元件
108中出现基于压电效应的电压波形。因此,在图2(d)中所示的期间C内,也出
现了因梁104的变形而使电压波形发生了移位后的电压波形。

并且,如使用图2所述的那样,在本实施例的发电装置100中,在梁104反复变
形的过程中,还会产生电压波形的移位量逐渐变大的现象。因此,能够得到如下显著
的效果:能够将因压电元件108的压电效应而在上部电极109a与下部电极109b之间
产生的电位差高的电压蓄积到输出用电容器C1中。这种现象是基于以下原理产生的。

首先,如图2(d)中的期间A或期间B所示,在输出用电容器C1未被充电的
情况下,若在压电元件108的端子间产生的电压超过全波整流电路120的2Vf,则从
压电元件108向输出用电容器C1流入电荷,所以,在压电元件108的端子间出现的
电压被钳位于2Vf。但是,随着这样在输出用电容器C1中蓄积电荷,输出用电容器
C1的端子间的电压逐渐增加。于是,此后,当输出用电容器C1的端子间电压成为比
VC1与2Vf之和高的电压后,才从压电元件108流入电荷。因此,随着在输出用电
容器C1中蓄积电荷,压电元件108的端子间电压被钳位的值逐渐上升。

而且,如使用图3和图4所述的那样,只要不从压电元件108流出电荷,则每当
使压电元件108(准确地说是梁104)变形时,压电元件108内的电荷都会增加,压
电元件108的端子间电压变大。因此,根据本实施例的发电装置100,即使不设置特
别的升压电路,也能够在自然升压到驱动电气负载所需的电压的状态下进行发电。

A-4.本实施例的开关的切换定时:

如以上说明的那样,在本实施例的发电装置100中,反复对压电元件108(准确
地说是梁104)施加变形,在变形方向切换的瞬间,以谐振周期的一半太阳城集团将压电元
件108与电感器L连接,由此,能够得到高效、且不需要升压电路而容易实现小型化
的优良特征。不过,在梁104的变形方向切换的瞬间接通开关SW1也并非十分容易。
例如,如果认为在梁104的变形方向切换的瞬间,梁104的位移大小为最大,则可构
成为使用机械触点在梁104达到最大位移的瞬间进行接通。但是,当触点的调整出现
偏差时,效率会大幅降低。因此,在本实施例的发电装置100中,不仅设置了用于发
电的压电元件108,还设置了用于控制的压电元件110,通过检测在压电元件110中
产生的电压来控制开关SW1。

图5是示出通过检测在用于进行控制的压电元件110中产生的电压而能够按恰当
的定时控制开关SW1的原因的说明图。图5(a)示出了梁104的位移。并且,图5
(b)示出了随着梁104的振动而使压电元件110中产生的电动势Vpzt发生变化的状
态。

如使用图3和图4所述的那样,在梁104的位移u达到极值的定时接通开关SW1
的情况下,能够以最高效率进行发电。而且,对图5(a)与图5(b)进行比较可知,
梁104的位移u达到极值的定时与压电元件110的电动势Vpzt达到极值的定时一致。
这源于以下原因。首先,即使压电元件108因变形而产生电荷,也会在电感器L抽出
了该电荷、或者电荷流入输出用电容器C1的影响下,使得压电元件108的电动势
Vpzt不与梁104的位移完全相同。与此相对,由于压电元件110不与电感器L和输
出用电容器C1连接,所以,电荷的增减直接反映于压电元件110的电动势Vpzt的变
化中。因此,压电元件110的电动势Vpzt达到极值的定时与梁104的位移u达到极
值的定时一致。

因此,如图5(b)中箭头所示,如果检测出压电元件110的电动势Vpzt达到极
值的定时,并从该定时起以所述谐振周期的一半太阳城集团(T/2)接通开关SW1,则能够
高效地进行发电。

以上,说明了按上述定时接通开关SW1时能够高效地进行发电的情况。在本实
施例的发电装置100中,除了上述定时以外,通过在以下说明的定时接通开关SW1,
还能够抑制梁104的变形量。

图6是示出对梁104施加了振动时的梁104的位移(相当于本发明的“变形量”)
的说明图,示出了随着梁104的振动,梁104的末端的位移u发生变化的状态。图6
中的实线表示开关SW1断开时的梁104(和压电元件108)的位移,虚线表示开关
SW1接通时、即压电元件108的上部电极109a与下部电极109b处于短接状态时的
梁104(和压电元件108)的位移。另外,对于图6中的开关SW1断开的情况(实线)
与开关SW1接通的情况(虚线)双方而言,对梁104施加彼此相同的力。对图6的
虚线与实线进行比较可知,与断开开关SW1的情况相比,在接通了开关SW1而使上
部电极109a与下部电极109b成为短接状态的情况下,能抑制梁104(和压电元件108)
的变形。

在本实施例的发电装置100中,利用压电元件108的这种性质,通过压电元件
110对梁104(和压电元件108)的变形量进行控制。即,控制用压电元件110设于
梁104上,它们以相同程度发生变形,所以,梁104的变形量越大,在压电元件110
中产生的电压Vpzt的绝对值越大。而且,在该电压Vpzt的绝对值达到规定值以上(后
述的限制电压Vl以上)的情况下,通过接通开关SW1而使发电用压电元件108的上
部电极109a与下部电极109b成为短接状态,由此来抑制压电元件108(和梁104)
变形至规定的变形量以上。

图7是示出控制用压电元件110所产生的电压达到规定值以上时进行短接来抑制
压电元件108(和梁104)的变形的状态的说明图。图7(a)示出了梁104的位移。
并且,图7(b)示出了随着梁104的振动,压电元件110所产生的电压Vpzt发生变
化的状态。如图7(b)所示,压电元件110所产生的电压Vpzt在定时tl到达规定值
(限制电压Vl)。如图7(a)所示,该定时tl是梁104的位移达到一定值以上的定时。
而且,如图7(c)所示,通过在定时tl接通开关SW1而使发电用压电元件108的上
部电极109a与下部电极109b成为短接状态,来抑制压电元件108(和梁104)的变
形。即,在如果不接通开关SW1、则如图7(a)中虚线所示会发生大幅变形的位置
处,接通开关SW1,将压电元件108(和梁104)的变形抑制为实线所示的程度。

如上所述,由于能够控制梁104的变形量,所以,能够防止梁104与配置于梁
104周边的部件和筐体发生碰撞。其结果,不需要设置用于对该碰撞的冲击进行缓冲
的缓冲部件,能够使发电装置100小型化。

图8是示出检测在控制用压电元件110中产生的电压来切换开关SW1的通/断的
开关控制处理的流程图。该处理由内置于控制电路112中的CPU执行。即,控制用
压电元件110和控制电路112的CPU相当于“变形量检测单元”。并且,控制电路112
的CPU相当于“电压检测单元”。

当开始开关控制处理后,控制电路112的CPU检测控制用压电元件110的上部
电极111a与下部电极111b之间的电压,判断电压值是否已达到峰值(即电压值是否
已达到极值)(步骤S100)。太阳城集团电压值是否已达到峰值,进行电压波形的微分,如
果微分值的符号发生了改变,则可判断为电压值已达到峰值。

如果检测到控制用压电元件110所产生的电压值的峰值(S100:是),则接通谐
振电路(由压电元件108的电容成分Cg和电感器L构成的谐振电路)的开关SW1
(步骤S102),之后启动内置于控制电路112中的未图示的计时器(步骤S104)。
然后,判断是否经过了由压电元件108的电容成分Cg和电感器L构成的谐振电路的
谐振周期的1/2太阳城集团(步骤S106)。

在其结果是判断为尚未经过谐振周期的1/2太阳城集团的情况下(步骤S106:否),在
该状态下反复进行同样的判断,由此,在经过谐振周期的1/2太阳城集团之前成为待机状态。
然后,如果判断为经过了谐振周期的1/2太阳城集团(步骤S106:是),则断开谐振电路的
开关SW1(步骤S108)。

在通过进行以上的步骤S100~S108的处理来执行谐振电路的开关SW1的通/断
的情况下,能够与梁104的动作相应地在恰当的定时使开关SW1通/断,所以,能够
高效地进行发电。如果断开了谐振电路的开关SW1(步骤S108),则返回开关控制
处理的开头,重复进行上述一系列的处理。

在步骤S100的处理中未检测到控制用压电元件110所产生的电压值的峰值的情
况下(步骤S100:否),接着判断控制用压电元件110所产生的电压值是否已达到
限制电压Vl(步骤S110)。在其结果是该电压值已达到限制电压Vl的情况下(步骤
S110:是),接通SW1,使得上部电极109a与下部电极109b短接来抑制梁104的
变形(步骤S112)。然后,启动内置于控制电路112中的计时器(步骤S114)。然
后,判断是否经过了设定太阳城集团(相当于本发明的“规定太阳城集团”)(步骤S116)。这里,
设定太阳城集团是为了抑制梁104的变形而使上部电极109a与下部电极109b短接的太阳城集团。
作为该设定太阳城集团的长度,例如设定为梁104的振动周期的1/2左右的能够充分抑制梁
104的变形的太阳城集团。

在步骤S116的判断处理中判断为尚未经过设定太阳城集团的情况下(步骤S116:否),
在该状态下反复进行同样的判断,由此,在经过设定太阳城集团之前成为待机状态。然后,
如果判断为经过了设定太阳城集团(步骤S116:是),则断开开关SW1(步骤S118)。如
果断开了开关SW1、或者控制用压电元件110所产生的电压值未达到限制电压Vl(步
骤S110:否),则返回开关控制处理的开头,重复进行上述一系列的处理。

通过进行以上的步骤S110~S118的处理,由此,在控制用压电元件110所产生
的电压值达到了限制电压Vl的情况下(即梁104的变形量达到规定大小以上的情况
下),将上部电极109a与下部电极109b短接设定太阳城集团,能够抑制梁104变形至超过
预想的程度的状况。其结果,能够防止梁104与配置于梁104周边的部件和筐体发生
碰撞,不需要配置用于对该碰撞的冲击进行缓冲的缓冲部件,所以,能够使发电装置
100小型化。

并且,通过对接通一个开关SW1的定时进行控制,能够高效地进行发电(步骤
S100~S108),并且,能够抑制梁104的变形量(步骤S110~S118)。即,为了高
效地进行发电而设置的开关SW1还用于抑制梁104的变形量,所以,能够抑制构成
发电装置100的部件数量的增加。

B.第1变形例:

上述实施例存在各种变形例。下面,对第1变形例进行简单说明。

在上述实施例的发电装置100中,说明了发电用压电元件108和控制用压电元件
110各设置了一个的情况。但是,这些压电元件108、110并非必须仅为一个,也可
以分别设置有多个。下面,对这样的第1变形例进行说明。另外,太阳城集团与上述实施例
相同的结构,在变形例中也标注相同编号,并省略详细说明。

图9是示出具有多个发电用压电元件和控制用压电元件的第1变形例的发电装置
100A的说明图。图9(a)是从梁104的一个表面观察的平面图。图9(b)是从梁
104的另一个表面观察的平面图。图9(a)示出了在梁104的一个表面上设置的2个
发电用压电元件(压电元件108和压电元件116),图9(b)示出了在梁104的另一
个表面上设置的2个控制用压电元件(压电元件110和压电元件114)。如图9(a)
所示,发电用压电元件108、116沿着梁104的长度方向并列设置在梁104的一个表
面上。并且,对图9(a)与图9(b)进行比较可知,在隔着梁104与发电用压电元
件108相对的位置处设有控制用压电元件110,在隔着梁104与发电用压电元件116
相对的位置处设有控制用压电元件114。另外,发电用压电元件116和控制用压电元
件114也与发电用压电元件108和控制用压电元件110同样,设有由金属薄膜形成的
上部电极117a、115a、下部电极117b、115b。

图10是示出具有2个发电用压电元件108、116和2个控制用压电元件110、114
的第1变形例的发电装置100A的电气构造的说明图。对图10与图1(b)进行比较
可知,相对于上述实施例,第1变形例的发电装置100A追加了发电用压电元件116、
电感器L2、开关SW2、全波整流电路121、控制用压电元件114等。追加了这些部
件后的结构与上述实施例中说明的发电用压电元件108、电感器L1、开关SW1、全
波整流电路120、控制用压电元件110等同样地进行工作。

即,从控制用压电元件110所产生的电压达到峰值起到经过了谐振周期的1/2时
间为止,接通开关SW1,由此,发电用压电元件108所产生的电荷被高效地蓄积到
输出用电容器C1中。同样,从控制用压电元件114所产生的电压达到峰值起到经过
了谐振周期的1/2太阳城集团为止,接通开关SW2,由此,发电用压电元件116所产生的电
荷也被蓄积到输出用电容器C1中。

并且,从控制用压电元件110所产生的电压达到限制电压Vl以上起到经过了设
定太阳城集团为止,接通开关SW1,由此抑制发电用压电元件108的变形,同样,从控制
用压电元件114所产生的电压达到限制电压Vl以上起到经过了设定太阳城集团为止,接通
开关SW2,由此抑制发电用压电元件116的变形。通过分别抑制压电元件108、116
的变形,能够分别抑制设有压电元件108、116的梁104的各个部分(参照图7)的
变形。这样,分别抑制了梁104的各个部分的变形,所以,即使梁104的各个部分中
的仅一个部分产生了过度变形,也是仅抑制这一个部分的变形,能够在不对其他部分
抑制变形的情况下产生电力。因此,能够根据梁104的多种变形来抑制过度的变形,
且能够高效地进行发电。

C.第2变形例:

接着,对第2变形例进行简单说明。

图11是示出第2变形例的发电装置100B的电气构造的说明图。对图11与图1
(b)进行比较可清楚地看出,相对于上述实施例,第2变形例的发电装置100B未
连接电感器L1。即,在第2变形例的发电装置100B内,不构成上述实施例的LC谐
振电路。由此,能够省略由内置于控制电路112中的CPU执行的用于利用LC谐振
电路的控制处理(图8的步骤S100~S108)。

当然,在第2变形例的发电装置100B中,由于没有像上述实施例的发电装置100
那样利用LC谐振电路,所以,不能期望如实施例的发电装置100那样高效地蓄积电
荷,但是,通过进行当梁104的变形量达到规定值以上时接通SW1的处理(图8的
步骤S110~S118),能够抑制梁104的变形。如上所述,第2变形例的发电装置100b
在抑制了部件数量(电感器L1)和CPU的处理负载(用于利用LC谐振电路的控制
处理)的增大的基础上,能够防止梁104与配置于梁104周边的部件和筐体发生碰撞。

以上,对实施例或变形例进行了说明,但本发明不限于这些实施例或变形例,可
在不脱离其主旨的范围内以各种方式来实施。

例如,在上述实施例中,说明了在梁104的变形方向发生切换的定时接通开关
SW1、由此来高效地在输出电容器C1中蓄积电荷的情况。但不限于此,也可以是在
图2(b)所示的断开了开关SW1的状态下在输出电容器C1中蓄积电荷的结构。即,
只要能够以某种形式对压电元件108所产生的电荷进行蓄积即可,此时可以是任意结
构。

并且,在上述实施例中,说明了压电元件108被安装在悬臂梁构造的梁104上的
情况。但是,安装压电元件108和压电元件110等的部件只要是通过振动等容易反复
产生变形的部件即可,此时,也可以是双臂梁构造的梁,或者为任意的构造和形状。
例如,也可以在薄膜表面安装压电元件108和压电元件110等。

并且,本发明的发电装置是与振动或移动相应地进行发电,所以,例如,如果将
发电装置设置在桥梁、建筑物或预计地表滑落的地方等,则能够在地震等灾害时进行
发电,且仅在必要时(灾害时)对电子设备等网络单元供给电源。

另外,不限于电子设备,由于本发明的发电装置能够实现小型化,所以能够设置
在任何设备中。例如,通过在车辆或电车等移动手段中使用本发明的发电装置,由此,
通过与移动相伴的振动进行发电,能够高效地对移动手段所具有的设备供给电力。

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发电 装置
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