CN102545690A - 发电装置以及电子设备、移动单元 - Google Patents
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Abstract
发电装置以及电子设备、移动单元。本发明提供一种利用压电效应，能够小型化的高效率的发电装置以及电子设备、移动单元。使设有第1压电元件和第2压电元件的变形部件反复变形，在切换变形方向时将第1压电元件与电感器连接，当经过第1压电元件和电感器构成的谐振电路的谐振周期的一半时，断开电感器。每当连接电感器时，第1压电元件内的正负电荷的配置由于谐振而瞬间反转，第1压电元件从该状态开始反向变形，由此，因压电效应而产生的电荷存储在第1压电元件内。此外在切换第1压电元件的变形方向时，第2压电元件产生的电压取极值，因此如果在第2压电元件的电压达到极值时将第1压电元件与电感器连接，则能在第1压电元件内高效地存储电荷。
Description
技术领域
本发明涉及将压电元件等的压电材料因外力而变形时产生的电荷作为电能取出的发电装置。
背景技术
提出了如下发电方法：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，会在材料内部引起电极化，表面出现正负电荷。这样的现象一般被称作压电效应。利用压电材料具有的这种性质，使悬臂梁振动而反复使负荷作用于压电材料，将压电材料表面产生的电荷作为电能取出。
例如，提出了如下技术：使在前端设有锤并且贴有压电材料薄板的金属制悬臂梁振动，取出伴随振动而在压电材料交替产生的正负电荷，从而产生交流电。该交流电经过二极管整流之后，蓄积于电容器，作为电能取出(专利文献1)。此外，提出了仅在压电元件产生正电荷的期间关闭接点，从而不产生二极管的电压损失地得到直流电的技术(专利文献2)。如果使用这些技术，则能够将发电装置小型化，因此可期待例如代替电池而嵌入小型电子部件等的应用。
专利文献
专利文献1：日本特开平7-107752号公报
专利文献2：日本特开2005-312269号公报
但是，在以往提出的技术中，存在所获得的电压受限于最高由压电材料的电极化产生的电压为止的电压量的问题。因此，往往需要与从压电材料取出电能的发电电路分开的升压电路，存在发电装置难以小型化的问题。
发明内容
本发明正是为了解决现有技术具有的上述课题而完成的，其目的在于，提供一种不使利用压电材料的压电效应的发电装置大型化即可产生高电压的技术。
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，该发电装置具有：变形部件，其切换变形方向而变形；第1压电元件，其设于上述变形部件；第2压电元件，其设于上述变形部件；电感器，其构成包含上述第1压电元件的谐振电路；开关，其设于上述谐振电路；以及控制单元，其通过检测产生于上述第2压电元件的电压，使上述开关在预定期间内为导通状态。
在这样的本发明的发电装置中，第1压电元件和第2压电元件设于变形部件，因此，变形部件变形时，第1压电元件和第2压电元件也变形。结果，在这些压电元件上，因压电效应而产生正负电荷。此外，压电元件的变形量越大，电荷的产生量越多。此外，第1压电元件与电感器一起构成谐振电路，该谐振电路中设有开关。在切断开关导通的状态下变形部件开始变形，当变形量达到极值时(即切换变形方向时)，开关变成导通状态。第1压电元件(和第2压电元件)与变形部件一起变形，由于变形量越大产生的电荷越多，因此在第1压电元件(和第2压电元件)内产生的电荷最多时，第1压电元件与电感器连接而形成谐振电路。这样，第1压电元件内产生的电荷流入电感器。由于第1压电元件和电感器构成谐振电路，因此流入电感器的电流过冲(overshoot)，流入第1压电元件相反侧的端子。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压电元件内为止的期间)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，切换第1压电元件的变形方向时连接开关而形成谐振电路，之后，如果在经过谐振周期的一半时间时切断开关，则能够在连接电感器之前使在第1压电元件内产生的正负电荷的配置反转。如果本次从该状态开始使变形部件反向变形，则第1压电元件反向变形，因此，从正负电荷的配置反转的状态开始，进一步增加蓄积因压电效应而产生的新的电荷，将电荷蓄积在第1压电元件内。此外，随着将电荷蓄积在第1压电元件内而产生的电压也增加，即使不另行准备升压电路，也能够生成比由于构成第1压电元件的压电材料的电极化而产生的电压高的电压。进而，为了这样在第1压电元件内高效地蓄积电荷，在切换第1压电元件的变形方向时连接开关而形成谐振电路非常重要。这里，在变形部件设有第1压电元件和第2压电元件，因此，在切换第1压电元件的变形方向时，第2压电元件的变形方向也被切换。而且，第2压电元件的变形量越大产生的电压越高，因此，在切换第2压电元件的变形方向时，第2压电元件产生的电压达到极值。因此，检测产生于第2压电元件的电压，如果使开关在从该电压达到极值时开始的规定期间为导通状态，则能够在第1压电元件内高效地蓄积电荷。
在上述本发明的发电装置中，可以将第1压电元件和第2压电元件设于变形部件的不同表面。
假定将第1压电元件和第2压电元件设于变形部件的相同表面，则第1压电元件的设置面积就会变小第2压电元件存在的部分。而且，如果变形量相同，则压电元件的设置面积越大，发电能力越高。因此，如果将第1压电元件和第2压电元件设于变形部件的不同表面，则能够增大第1压电元件的设置面积，因此能够提高发电装置的发电能力。
或者，在上述本发明的发电装置中，也可以将第1压电元件和第2压电元件设于变形部件的相同表面。
如果将第1压电元件和第2压电元件设于变形部件的相同表面，则能够一次(在同一工序中)将第1压电元件和第1压电元件设于变形部件。因此，能够生产性良好地制造发电装置。
附图说明
图1是表示第1实施例的发电装置的构造的说明图。
图2是表示第1实施例的发电装置的动作的说明图。
图3是概要地表示第1实施例的发电装置的动作原理的前半部分的说明图。
图4是概要地表示第1实施例的发电装置的动作原理的后半部分的说明图。
图5是表示能够通过检测控制用压电元件的电压在适当的定时控制开关的理由的说明图。
图6是表示检测控制用压电元件的电动势来切换开关的接通/断开的开关控制处理的流程图。
图7是表示第2实施例的发电装置的构造的说明图。
图8是表示设有发电用压电元件和两个控制用压电元件的第1变形例的说明图。
图9是表示发电用压电元件和控制用压电元件设置于梁的相同表面的第2变形例的说明图。
图10是表示发电用压电元件和控制用压电元件设置于梁的相同表面的第2变形例的另一方式的说明图。
图11是表示在与发电用压电元件相同的表面上设有多个控制用压电元件的第3变形例的说明图。
图12是表示在与发电用压电元件相同的表面上设有多个控制用压电元件的第3变形例的另一方式的说明图。
符号说明
100：发电装置；102：支承端；104：梁；106：锤；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；120：全波整流电路；L：电感器；C1：输出用电容器；D1～D4：二极管；SW：开关。
具体实施方式
下面，为了明确上述本发明的内容，按以下顺序说明实施例。
A.第1实施例：
A-1.第1实施例的发电装置的构造：
A-2.第1实施例的发电装置的动作：
A-3.第1实施例的发电装置的动作原理：
A-4.第1实施例的开关的切换定时：
B.第2实施例：
C.变形例：
C-1.第1变形例：
C-2.第2变形例：
C-3.第3变形例：
A.第1实施例：
A-1.第1实施例的发电装置的构造：
图1是表示第1实施例的发电装置100的构造的说明图。图1(a)中示出发电装置100的机械结构。图1(b)中示出电路结构。在第1实施例的发电装置100的机械结构中，前端设有锤106的梁104是基端侧固定在支承端102的悬臂梁构造。在梁104的表面上安装有由锆钛酸铅(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。压电元件110同样地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与压电元件110具有相同形状，但也可以不是相同形状。例如，如果压电元件108是能够设置于梁104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是能够设置的最小的宽度(梁104在短边方向的长度)，则梁104基于压电元件110的位移阻力降低，因此发电效率变高。另外，压电元件108和压电元件110因梁104的变形而变形，因此梁104相当于本发明的“变形部件”。
梁104的基端侧固定于支承端102，前端侧设有锤106，因此通过施加振动或者发电装置100移动，如图中中空箭头所示，梁104的前端大幅振动。结果，压缩力和伸张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。这样，各个压电元件108、110因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。
图1(b)例示本实施例的发电装置100的电路图。压电元件108在电气上能够表示为电流源和蓄积电荷的电容器Cg。同样地，压电元件110也能够表示为电流源和蓄积电荷的电容器Cs。与压电元件108并联连接有电感器L，与压电元件108的电容分量一起形成电气的谐振电路。用于接通/断开该谐振电路的开关SW设置于谐振电路内(与电感器L串联)。开关SW的接通/断开由控制电路112(相当于控制单元)控制。此外，设于压电元件108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。为了驱动电子负载，全波整流电路120上连接有蓄积整流后的电流的电容器(输出用电容器C1)。
另一方面，为了控制开关SW而设有压电元件110，设于压电元件110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称作“发电用压电元件”，将压电元件110称作“控制用压电元件”。压电元件108对应于本发明的“第1压电元件”，压电元件110对应于本发明的“第2压电元件”。
A-2.第1实施例的发电装置的动作：
图2是表示第1实施例的发电装置100的动作的说明图。图2(a)中示出随着梁104的振动，梁104的前端的位移u变化的情况。正位移u表示梁104向上翘起的状态(梁104的上表面侧成为凹状的状态)，负位移(-u)表示梁104向下翘起的状态(梁104的下表面侧成为凹状的状态)。图2(b)表示随着梁104的变形，压电元件108产生的电流的情况与作为结果在压电元件108内部产生的电动势。在图2(b)中，将压电元件108产生电荷的情况表示为每单位时间产生的电荷量(即电流Ipzt)，将压电元件108产生的电动势表示为上部电极109a与下部电极109b之间产生的电位差Vpzt。
如使用图1所述，梁104上还设有压电元件110，如果梁104变形，则压电元件110和压电元件108变形。因此，与压电元件108同样地，压电元件110的内部也产生图2(b)所示的电流Ipzt和电位差Vpzt。
如图2(a)、图2(b)所示，在梁104的位移增加的期间，压电元件108产生正向电流(即电流Ipzt为正值)，与此同时上部电极109a与下部电极109b的电位差Vpzt向正向增加。如果正向电位差Vpzt比C1的电压VC1与构成全波整流电路120的二极管的正向下降电压Vf的两倍之和即VC1+2Vf大，则能够将之后产生的电荷作为直流电取出，蓄积到输出用电容器C1。在梁104的位移减少的期间，压电元件108产生负向电流(即电流Ipzt为负值)，与此同时上部电极109a与下部电极109b的电位差Vpzt向负向增加。如果负向电位差Vpzt比VC1与全波整流电路120的2Vf之和大，则能够将产生的电荷作为直流电取出，蓄积到输出用电容器C1。即，即使在将图1的开关SW设为断开的状态下，对于图2(b)中加斜线示出的部分，也能够在输出用电容器C1中蓄积电荷。
在第1实施例的发电装置100中，在图2(c)中表示的定时，将开关SW设为接通。这样，如图2(d)所示，产生压电元件108的端子间的电压波形在将开关SW设为接通的瞬间转换(shift)这样的现象。例如，在图2(d)中表示为“B”的期间B，在压电元件108的端子间出现与压电元件108的电动势对应的细虚线所示的电压波形Vpzt转换成负向这样的粗虚线所示的电压波形。对于出现这样的现象的理由在后面进行论述。而且，在图2(d)中表示为“C”的期间C，出现与压电元件108的电动势对应的电压波形Vpzt转换成正向这样的粗虚线的电压波形。之后的期间D、期间E、期间F等也同样地，与压电元件108的电动势对应的电压波形Vpzt转换成正向或负向，出现粗虚线的电压波形。在转换后的电压波形超过VC1与2Vf之和的部分(图2(d)中加斜线示出的部分)，能够将压电元件108产生的电荷蓄积到输出电容器C1。电荷从压电元件108流入输出用电容器C1之后，压电元件108的端子间的电压被钳位至VC1与2Vf之和的电压。换言之，压电元件108的端子间的电压保持在VC1与2Vf之和的电压。结果，上部电极109a与下部电极109b之间的电压波形成为图2(d)中粗实线表示的波形。
对图2(b)所示的将开关SW设为保持断开的情况与图2(d)所示的在切换梁104的变形方向的定时将开关SW设为接通的情况进行比较可知，在第1实施例的发电装置100中，通过在适当的定时将开关SW设为接通，能够高效地在输出用电容器C1中蓄积电荷。因此，第1实施例的发电装置100为了在适当的定时将开关SW设为接通，设有控制用压电元件110，检测压电元件110的电压来控制开关SW。关于这一点，之后再详细说明。
在输出用电容器C1中蓄积电荷，输出用电容器C1的端子间电压增加时，电压波形的转换量也由此变大。例如，如果比较图2(d)中的期间B(输出用电容器C1中没有蓄积电荷的状态)与图2(d)中的期间H(输出用电容器C1中蓄积有一些电荷的状态)，则期间H的电压波形的转换量大。同样地，如果比较图2(d)中的期间C与期间I，则蓄积在输出用电容器C1中的电荷增加的期间I的电压波形的转换量大。关于出现这样的现象的理由在后面说明，结果，在本实施例的发电装置100中，通过使压电元件108变形，能够将上部电极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。结果，不需要设置特别的升压电路即可得到小型且高效的发电装置。
A-3.第1实施例的发电装置的动作原理：
图3是概要地表示第1实施例的发电装置100的动作原理的前半部分的说明图。图4是概要地表示第1实施例的发电装置100的动作原理的后半部分的说明图。在图3、图4中概括表示按照压电元件108的变形将开关SW设为接通时Cg(压电元件108的电容分量)内的电荷的动作。图3(a)表示压电元件108(正确说是梁104)向上(上表面侧变凹)变形的状态。如果压电元件108向上变形，则从电流源开始流正向电流，Cg(压电元件108的电容分量)中储存电荷，Vgen产生正向电压。压电元件108的变形量越大，电压值增加越多。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)))，将开关SW设为接通。
图3(c)中示出紧接在将开关SW设为接通之后的状态。Cg(压电元件108的电容分量)中蓄积有电荷，因此该电荷将要流向电感器L。电流流向电感器L时产生磁通量(磁通量增加)，但是电感器L具有在阻碍贯穿自身的磁通量变化方向上产生反电动势的性质(自感作用)。在将开关SW设为接通的瞬间，电荷流动导致磁通量增加，因此在阻碍该磁通量增加的方向(换言之，阻碍电荷流动的方向)上产生反电动势。反电动势的大小与磁通量的变化速度(每单位时间的变化量)成正比。图3(c)中，这样的电感器L中产生的反电动势由加斜线的箭头表示。由于产生了这样的反电动势，因此，即使将开关SW设为接通，压电元件108的电荷也只流出一点。即，流过电感器L的电流只增加一点。
之后，如果流过电感器L的电流达到峰值，则磁通量的变化速度变为“0”，因此，如图3(d)所示，反电动势变为“0”。然后，本次电流开始减小。于是，穿过电感器L的磁通量减少，因此在电感器L中产生妨碍该磁通量减少的方向(将要流过电流的方向)的电动势(参照图3(e))。结果，由该电动势将电荷从Cg(压电元件108的电容分量)拉出，而且电流持续流过电感器L。如果在电荷的移动过程中不产生损耗，则因压电元件108的变形而产生的电荷全部移动，变成正负电荷置换后的状态(即，压电元件108的下表面侧分布有正电荷，上表面侧分布有负电荷的状态)。图3(f)中表示由压电元件108的变形而产生的正负电荷全部移动后的状态。
假设在该状态下将开关SW设为接通，则本次发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将要流向电感器L，此时电感器L中产生阻碍电荷流动的方向的反电动势。此后，当流过电感器L的电流达到峰值后转向减少时，则本次在电感器L中产生阻碍电流减少的方向(将要持续流过电流的方向)的电动势。结果，压电元件108的下表面侧的全部正电荷变成向上表面侧移动的状态(图3(b)所示的状态)。这样回到压电元件108的上表面侧的正电荷再次如使用图3(b)～图3(f)所述，向下表面侧移动。
这样，在Cg(压电元件108的电容分量)中蓄积有电荷的状态下将开关SW设为接通之后保持该状态时，在压电元件108与电感器L之间产生一种电流的流向交替反转的谐振现象。该谐振现象的周期一般称作LC谐振电路的周期T，将Cg(压电元件108的电容分量)的大小(电容)设为C，将电感器L的感应分量的大小(电感)设为L，则T由T＝2π(LC)0.5给出。因此，从紧接在将开关SW设为接通之后(图3(c)所示的状态)到变成图3(f)所示的状态为止的时间为T/2。
因此，在从将开关SW设为接通开始经过T/2的定时，如图4(a)所示将开关SW设为断开。然后，从该状态开始，本次使压电元件108(正确说是梁104)向下(下表面侧变成凹状)变形。上述图3(a)中，使压电元件108向上变形，图4(a)中使之向下变形，因而从电流源流出负向电流，电荷蓄积于Cg，使得Vgen向负向变大。如使用图3(a)～图3(f)所述，在使压电元件108(正确说是梁104)向下变形之前的阶段，压电元件108的下表面侧分布有正电荷，上表面侧分布有负电荷。因而，加上这些电荷，下表面侧蓄积新的正电荷，上表面侧蓄积新的负电荷。图4(b)中，表示在将开关SW设为断开的状态下使压电元件108(正确说是梁104)变形，由此压电元件108蓄积有新的电荷的状态。
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)将开关SW设为接通的情况下，蓄积在压电元件108下表面侧的正电荷将要流向电感器L。此时电感器L中产生反电动势(参照图4(c))，因此电流开始一点一点地流动，不久达到峰值，之后转为减少。于是，电感器L中在阻碍电流减少的方向(将要继续流过电流的方向)上产生电动势(参照图4(e))，该电动势导致电流继续流过，最终，变成分布在压电元件108下表面侧的全部正电荷向上表面侧移动，分布在上表面侧的全部负电荷向下表面侧移动的状态(参照图4(f))。而且，下表面侧的全部正电荷向上表面侧移动，上表面侧的全部负电荷向下表面侧移动的时间成为相当于LC谐振电路的半个周期的时间T/2。因此，当将开关SW设为接通之后经过时间T/2的情况下，将开关SW设为断开，本次如果使压电元件108(正确说是梁104)向上(上表面侧变成凹状)变形，则能够在压电元件108内进一步蓄积正负电荷。
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变形而产生电荷之后，将压电元件108与电感器L连接，在谐振周期的一半周期内形成谐振电路，使压电元件108内的正负电荷的分布反转。之后，本次使压电元件108反向变形而产生新的电荷。使压电元件108内的正负电荷的分布反转，因此，新产生的电荷将蓄积在压电元件108中。之后，再次在谐振周期的一半周期内将压电元件108与电感器L连接，使压电元件108内的正负电荷的分布反转后，使压电元件108反向变形。通过反复进行这样的动作，每当反复使压电元件108变形时，能够使蓄积在压电元件108中的电荷增加。
如使用图2所述，在本实施例的发电装置100中，每当将开关SW设为接通时，产生压电元件108的端子间的电压波形转换的现象。该现象由于以上的原理而发生。即，例如在图2(d)中表示的期间A，按照压电元件108(正确说是梁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，因此，超过VC1与2Vf之和的电压的部分电荷流入与全波整流电路120连接的输出用电容器C1。结果，在梁104的变形量达到极值时将开关SW设为接通时，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，取代压电元件108内的正负电荷的配置。使用图3、图4根据上述原理可知，将开关SW设为接通的期间成为由压电元件108的电容分量和电感器L构成的谐振电路的谐振周期的一半时间。
当从正负电荷的配置交替后的状态开始使梁104反向变形时，在压电元件108的上部电极109a与下部电极109b之间，因压电效应而出现电压波形。即，从压电元件108的上部电极109a和下部电极109b的极性交替后的状态开始，压电元件108中将发生变形引起的电压变化。结果，在图2(d)所示的期间B，将出现因梁104的变形而使压电元件108产生的电压波形转换这样的电压波形。可是，如前所述，超过VC1与2Vf之和的电压的部分电荷流入输出用电容器C1，因此，压电元件108的上部电极109a与下部电极109b之间的电压被钳位至VC1与2Vf之和的电压。之后，当在谐振周期的一半时间内将开关SW设为接通时，交替残留在压电元件108中的正负电荷的配置。然后，从该状态开始梁104发生变形，由此，压电元件108出现因压电效应而产生的电压波形。因此，在图2(d)所示的期间C，也将出现因梁104的变形而使电压波形转换这样的电压波形。
此外，如使用图2所述，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转换量逐渐变大的现象。因此，能够获取将比由于压电元件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中这样的的显著效果。这样的现象由以下原理产生。
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，当压电元件108的端子间产生的电压超过全波整流电路120的2Vf时，电荷从压电元件108流入输出用电容器C1，因此压电元件108的端子间出现的电压被钳位至2Vf。但是，随着这样将电荷蓄积到输出用电容器C1中，输出用电容器C1的端子间的电压增加。这样，以后，输出用电容器C1的端子间电压开始变成比VC1与2Vf之和高的电压，电荷将从压电元件108流入。因此，压电元件108的端子间的电压被钳位的值随着将电荷蓄积到输出用电容器C1而逐渐上升。
而且，如使用图3、图4所述，只要不使电荷从压电元件108流出，每当使压电元件108(正确说是梁104)变形时，压电元件108内的电荷就增加，压电元件108的端子间电压就变大。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，也能够在自然地升压到驱动电子负载所需要的电压的状态下进行发电。
A-4.第1实施例的开关的切换定时：
如以上说明的那样，在第1实施例的发电装置100中，使压电元件108(正确说是梁104)反复变形，在变形方向切换的瞬间，通过在谐振周期的一半时间内将压电元件108与电感器L连接，能够获得高效、因不需要升压电路而能容易地实现小型化的优良特性。但是，在梁104的变形方向切换的瞬间将开关SW设为接通也并不那么容易。例如，如果考虑梁104的变形方向切换的瞬间，梁104位移的大小最大，则能够构成为使用机械式的接点，在梁104达到最大位移的瞬间设成接通。但是，如果接点的调整产生偏差，则效率大幅降低。因此，在第1实施例的发电装置100中，不仅设有发电用压电元件108，而且设有控制用压电元件110，通过检测压电元件110中产生的电压，控制开关SW。
图5是表示能够通过检测控制用压电元件110中产生的电压，在适当的定时控制开关SW的理由的说明图。在图5(a)中表示梁104的位移。在图5(b)中表示随着梁104的振动，压电元件110中产生的电动势Vpzt变化的情况。
如使用图3、图4所述，在梁104的位移u达到极值的定时将开关SW设为接通的情况下，能够效率最高地发电。而且，比较图5(a)和图5(b)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。这是因为以下的理由。首先，即使压电元件108因变形而产生电荷，在该电荷被电感器L拉出，或者电荷流向输出用电容器C1的影响下，压电元件108的电动势Vpzt也不会与梁104的位移完全相同。相对于此，压电元件110没有与电感器L和输出用电容器C1连接，因此电荷的增减直接反映在压电元件110的电动势Vpzt的变化上。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，检测压电元件110的电动势Vpzt达到极值的定时，如果从该定时开始，在上述谐振周期的一半时间(T/2)内将开关SW设成接通，则能够高效地发电。
图6是表示检测控制用压电元件110的电动势来切换开关SW的接通/断开的开关控制处理的流程图。该处理由内置于控制电路112的CPU执行。
在开始开关控制处理时，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，判断电压值是否达到峰值(即，电压值是否达到极值)(步骤S100)。电压值是否达到峰值能够通过进行电压波形的微分来判断，如果微分值的符号改变，则判断为电压值达到峰值。
或者，可认为梁104位移的振幅大致恒定，因此，可认为控制用压电元件110中产生的电压大致相等。因此，预先记录有最大电压值Vmax和最小电压值Vmin，将压电元件110产生的电压与最大电压值Vmax和最小电压值Vmin进行比较。而且，也可以在压电元件110产生的电压超过最大电压值Vmax的情况下，或者低于最小电压值Vmin的情况下，判断为电压值达到峰值。而且，由于梁104不限于以完全相同的振幅进行变形，因此压电元件110产生的电压的振幅也不限于完全相同。但是，在这样的情况下，只要将最大电压值Vmax设为稍低的值，将Vmin设为稍高的值，则即使梁104的振幅只存在一点差别，也能够以充分的精度检测出电压值达到峰值。
如上所述，如果检测出控制用压电元件110产生的电压值的峰值(S100：是)，则在将谐振电路(由压电元件108的电容分量Cg和电感器L构成的谐振电路)的开关SW设为接通之后(步骤S102)，启动内置于控制电路112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的电容分量Cg和电感器L构成的谐振电路的谐振周期的1/2的时间(步骤S106)。当未检测出控制用压电元件110产生的电压值的峰值的情况下(S100：否)，等待到检测出控制用压电元件110产生的电压值的峰值为止。
结果，在判断为未经过谐振周期的1/2的时间的情况下(步骤S106：否)，成为等待状态，直到通过在该状态下反复进行同样的判断，经过谐振周期的1/2的时间为止。如果判断为经过了谐振周期的1/2的时间(步骤S106：是)，则将谐振电路的开关SW设为断开(S108)。之后，回到开关控制处理的前面，反复进行上述一系列处理。
如上所述，如果进行谐振电路的开关SW的接通/断开，则能够按照梁104的动作在适当的定时将开关SW设为接通/断开，因此，能够采用发电装置100高效地发电。
B.第2实施例：
在以上说明的第1实施例的发电装置100中，说明了只设有一个控制用压电元件110的情况。但是，控制用压电元件110没有必要只有一个，也可以设置多个控制用压电元件。下面，对这样的第2实施例进行说明。对于与第1实施例同样的构造，在第2实施例中标注相同的编号，省略详细说明。
图7是表示具有多个控制用压电元件的第2实施例的发电装置100的说明图。图7(a)是从梁104的一个表面进行观察的平面图。图7(b)是从梁104的另一个表面进行观察的平面图。图7(a)中表示设置于梁104的一个表面上的发电用压电元件108，图7(b)中表示设置于梁104的另一个表面上的两个控制用压电元件(压电元件110和压电元件114)。比较图7(a)和图7(b)可知，控制用压电元件110、114的压电元件的长度(梁104在长边方向的长度)与发电用压电元件108相同，压电元件的宽度(梁104在短边方向的长度)比发电用压电元件108的一半更短。两个控制用压电元件110、114设置于靠近梁104的宽度的两侧的位置。压电元件114与压电元件108和压电元件110同样，设置有由金属薄膜形成的上部电极115a、下部电极115b。
如果发电用压电元件108是能够设置于梁104的的最大的长度和宽度，则发电用压电元件108的发电量变大，如果控制用压电元件110、114是能够设置的最小的宽度(梁104在短边方向的长度)，则梁104的基于控制用压电元件110、114的位移阻力降低，因此发电效率高。
通过将两个控制用压电元件110、114设于靠近梁104的宽度的两侧的位置，即使在梁104产生上下左右不同的位移时，控制用压电元件110、114也能够在适当的定时将开关SW设为接通/断开，因此能够在多种情况下使用发电装置100。
在图7(c)中表示具有两个控制用压电元件110、114的第2实施例的发电装置100的电路图。第一个控制用压电元件110由电流源、蓄积电荷的电容器Cs1组合而成，第二个控制用压电元件114由电流源、蓄积电荷的电容器Cs2组合而成。第一个控制用压电元件110的上部电极111a和下部电极111b与控制电路112连接，第二个控制用压电元件114的上部电极115a和下部电极115b也与控制电路112连接。
在控制电路112中，选择上部电极111a和下部电极111b的组或者上部电极115a和下部电极115b的组中的任意一个，检测选择出的压电元件110或者压电元件114的电压值，控制开关SW。例如，在设置发电装置100时，在检测压电元件110的电压值进行发电的情况下，以及在检测压电元件114的电压值进行发电的情况下，计测发电量。使用设于控制电路112的开关等，选择发电量多的一方。如果这样预先选择压电元件110或压电元件114中的一方，则使用图6进行上述的开关控制处理，由此，能够控制开关SW的接通/断开。
两个压电元件110和压电元件114虽然产生大致同样的电压波形，但由于梁104的构造或制造偏差等原因，电压波形、电压振幅的大小可能产生若干差异。如果电压波形产生差异，则发电量有可能产生不同，如果电压振幅的大小产生差异，则使用得到大的电压振幅(传感器的灵敏度高)，有可能在更加适当的定时控制开关SW。因此，在检测压电元件110的电压值进行发电的情况下，以及在检测压电元件114的电压值进行发电的情况下，预先计测发电量，选择发电量多的一方，由此，能够高效地发电。
在以上的说明中，说明了选择压电元件110侧的端子的组(上部电极111a和下部电极111b)或者压电元件114侧的端子的组(上部电极115a和下部电极115b)中的任意一方，用于开关SW的控制。但是，也可以连接上部电极111a与上部电极115a，连接下部电极111b与下部电极115b，检测上部电极侧与下部电极侧的电位差(电压值)，控制开关SW。当控制开关SW时，能够使用图6应用上述开关控制处理。
在梁104的构造、发电装置100的设置环境等的影响下，会引起将梁104扭转这样的变形。而且，当梁104扭转时，会引起压电元件110或压电元件114产生的电压波形的位相转换的情况。但是，如图7(b)所示，如果将压电元件110和压电元件114靠近梁104的两侧地设置，则与梁104的弯曲对应的扭转的影响相反。因此，如果连接上部电极111a与上部电极115a，连接下部电极111b与下部电极115b，则能够消除梁104的扭转给压电元件110和压电元件114带来的影响。结果，即使在梁104发生扭转的情况下，由于能够不受转动的影响地在适当的定时控制开关SW，因此能够高效地发电。
C变形例：
上述第1实施例或第2实施例存在几种变形例。下面，对这些变形例进行简单的说明。
C-1.第1变形例：
上述的第2实施例中，说明了两个控制用压电元件110、114具有与发电用压电元件108相同的长度，控制用压电元件110、114设于靠近梁104的宽度的两端的位置的情况。但是，也可以将比发电用压电元件108的长度的一半短的两个压电元件110、114在长边方向排成一列设于梁104的中央位置。
图8是表示在第1变形例的发电装置100的梁104上设有发电用压电元件108和两个控制用压电元件110、114的情况的说明图。图8(a)是从梁104的一个表面观察的平面图。图8(b)是从梁104的另一个表面观察的平面图。图8(a)中示出设有发电用压电元件108的情况。图8(b)中示出设有两个控制用压电元件110、114的情况。
由于梁104的构造、发电装置100的设置环境，会产生梁104波动变形的情况。这样，梁104扭转时的变形变大的地方和变小的地方沿着梁104的长度方向产生。因此，如图8(b)所示，将短的两个压电元件110、114在梁104的中央沿着长边方向设置成一列，如果选择产生充分振幅的电压波形的压电元件，则即使梁104发生波动变形，也能够在适当的定时控制开关SW。
如果连接上部电极111a与上部电极115a，连接下部电极111b与下部电极115b，则能够消除梁104波动变形带来的影响。结果，即使梁104产生波动变形，也能够不受其影响地在适当的定时控制开关SW。
在图8中，说明了作为控制用压电元件，设有压电元件110和压电元件114这两个压电元件的情况，但是，也可以设置三个以上的压电元件。
C-2.第2变形例：
在上述各种实施例或第1变形例中，说明了控制用压电元件110(和压电元件114)设于与发电用压电元件108不同的表面的情况。但是，也可以将控制用压电元件110设于与发电用压电元件108相同的表面。
图9是表示在第2变形例的发电装置100的梁104的相同表面上设置有发电用压电元件108和控制用压电元件110的情况的说明图。在图9所示的例子中，发电用压电元件108和控制用压电元件110设于梁104的相同表面。控制用压电元件110具有与压电元件108相同的长度，但宽度变窄。这样，如果相对于发电用压电元件108，将具有大致相同长度的控制用压电元件110与压电元件108平行地设置，则压电元件108与压电元件110大致相同地变形。因而，能够高精度地检测压电元件108的位移达到极值的定时，在适当的定时控制开关SW。
在将发电用压电元件108和控制用压电元件110设于梁104的相同表面时，发电用压电元件108的大小(面积)变小控制用压电元件110的量。结果，如上述的各种实施例或第1变形例所示，与将发电用压电元件108和控制用压电元件110设于不同表面的情况相比，发电能力降低。但是，如图9所示，控制用压电元件110宽度窄，因此能够将发电用压电元件108的面积减少抑制为较小的值，能够使发电能力的降低较小。
另一方面，如图9所示的第2变形例所示，如果将发电用压电元件108与控制用压电元件110设于相同表面，则能够在同一工序设置压电元件108和压电元件110。相对于此，如上述各种实施例、第1变形例所示，在将发电用压电元件108与控制用压电元件110设于不同表面的情况下，难以在同一工序中将压电元件108和压电元件110设于梁104，因此必须将设置压电元件108的工序和设置压电元件110的工序在不同的工序中完成。因此，如第2变形例所示，通过将发电用压电元件108和控制用压电元件110设置在相同表面，能够使发电装置100的制造工序更有效率。反言之，如上述的各种实施例、第1变形例所示，在将发电用压电元件108和控制用压电元件110设置在不同表面的情况下，发电装置100的制造工序变得复杂，但能够增大发电用压电元件108的面积，因此，能够提高发电能力。
上面说明了控制用压电元件110具有与发电用压电元件108大致相同的长度，但宽度比压电元件108窄的情况。但是，也可以使用宽度与发电用压电元件108大致相同但长度短的控制用压电元件110，将这些压电元件108和压电元件110设于梁104的相同表面。
图10是表示将发电用压电元件108和控制用压电元件110设于梁104的相同表面的第2变形例的另一方式的说明图。在梁104这样的所谓悬臂梁上，弯矩随着从前端接近支承端102而变大，与此相伴，每单位长度的梁104的变形量也变大。因此，通过将控制用压电元件110设于支承端102附近，传感器的灵敏度变高，相应地，控制用压电元件110的宽度能够变窄。结果，能够扩大发电用压电元件108的面积，因此，能够抑制由于将发电用压电元件108和控制用压电元件110设于相同表面而引起的发电能力的降低。
C-3.第3变形例：
在上述第2变形例中，说明了发电用压电元件108和控制用压电元件110设于梁104的相同表面，只设置一个控制用压电元件110的情况。但是，在发电用压电元件108和控制用压电元件100设于梁104的相同表面的情况下，也可以设置多个控制用压电元件。
图11是表示在与发电用压电元件108相同的表面上设有多个控制用压电元件110、114的第3变形例的说明图。在图示的例子中，将宽度比发电用压电元件108窄，长度也只有发电用压电元件108的一半以下的短的控制用压电元件110、114排成一列，与压电元件108平行地设置。
如上所述，根据梁104的构造、发电装置100的设置环境，会出现梁104波动变形的情况。这样，沿着梁104的长边方向出现梁104转动时的变形变大的地方和变小的地方。因此，根据控制用压电元件110、114的设置位置，会出现不能得到充分的灵敏度(检测出的电压值)的情况。因此，如图11所示，如果将短的两个压电元件110、114沿着梁104的长边方向设成一列，选择能够得到充分的灵敏度的压电元件，则即使在梁104出现波动变形的情况下，也能够在适当的定时控制开关SW。当然，作为控制用压电元件，不限于压电元件110和压电元件114这两个，也可以设置三个以上的压电元件。
如果连接压电元件110的上部电极111a和压电元件114的上部电极115a，连接压电元件110的下部电极111b和压电元件114的下部电极115b，检测上部电极侧与下部电极侧的电位差，则能够消除因梁104波动变形而引起的影响。结果，即使在梁104波动变形的情况下，也能够在适当的定时控制开关SW。
在图11所示的第3变形例中，说明了两个短的控制用压电元件110、114在梁104的长边方向排成一列进行设置的情况。因此，两个短的控制用压电元件110、114将相对于发电用压电元件108设置在一侧。相对于此，可以在发电用压电元件108的两侧，设置长度与发电用压电元件108大致相同但宽度窄的控制用压电元件110、114。
图12是表示在与发电用压电元件108相同的表面上设有多个控制用压电元件110、114的第3变形例的另一方式的说明图。如上所述，在梁104的构造、发电装置100的设置环境等的影响下，会引起梁104扭转这样的变形。如果梁104产生扭转，则会产生压电元件110、压电元件114产生的电压波形的位相转换，不能在适当的定时切换开关SW的情况。但是，如图12所示，在发电用压电元件108的两侧设有宽度窄的压电元件110和压电元件114，使用压电元件110、114各自的电压值计测控制开关SW时的发电量，选择发电量多的压电元件110、114。这样，即使在梁104产生扭转的情况下，也能够减少发电能力的降低。
如图12所示，如果在发电用压电元件108的两侧设有宽度窄的压电元件110和压电元件114，则与梁104的扭转对应的扭转的影响相反。因此，如果连接压电元件110的上部电极111a和压电元件114的上部电极115a，连接压电元件110的下部电极111b和压电元件114的下部电极115b，则能够消除梁104的扭转给压电元件110和压电元件114带来的影响。结果，即使在梁104产生扭转的情况下，也能够不受扭转的影响地在适当的定时控制开关SW，因此能够高效地发电。
以上，说明了各种实施例或各种变形例，但本发明不限于这些实施例或变形例，可以在不脱离其宗旨的范围内以各种方式来实施。
例如，上述实施例中，说明了压电元件108安装在悬臂梁构造的梁104上的情况。但是，只要安装压电元件108、压电元件110等的部件是由于振动等而容易反复进行变形的部件，则无论什么部件都可。例如，可以在薄膜表面上安装压电元件108、压电元件110等。
本发明的发电装置根据振动或移动来进行发电，例如，如果在桥梁、建筑物或预计土地滑坡的地方等设置发电装置，则能够在地震等灾害时进行发电，仅在必要时(灾害时)对电子设备等网络单元供给电源。
本发明不限于电子设备，还可以在车辆、电车等移动单元中使用本发明的发电装置，由此，利用伴随移动的振动进行发电，能够高效地向移动单元供给电力。
Claims (7)
1.一种发电装置，其中，该发电装置具有：
变形部件，其切换变形方向而变形；
第1压电元件，其设于上述变形部件；
第2压电元件，其设于上述变形部件；
电感器，其构成包含上述第1压电元件的谐振电路；
开关，其设于上述谐振电路；以及
控制单元，其通过检测产生于上述第2压电元件的电压，使上述开关在预定期间内为导通状态。
2.根据权利要求1所述的发电装置，其中，
上述第1压电元件和上述第2压电元件设于上述变形部件的不同表面。
3.根据权利要求1所述的发电装置，其中，
上述第1压电元件和上述第2压电元件设于上述变形部件的相同表面。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的发电装置，其特征在于，
上述第1压电元件的发电量比上述第2压电元件的发电量大。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的发电装置，其特征在于，
在上述变形部件上具有多个上述第2压电元件。
6.一种电子设备，其中，该电子设备具有权利要求1～5中的任意一项所述的发电装置。
7.一种移动单元，其中，该移动单元具有权利要求1～5中的任意一项所述的发电装置。
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