JP2013081278A - 発電装置、発電装置の制御方法、電子機器、および移動手段 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 変形方向を切り換えて変形する変形部材104と、前記変形部材に設けられた圧電素子(108、109a、109b)と、前記変形部材の変形量を検出し、前記変形量に関する情報である変形量情報を出力する変位センサー130と、前記圧電素子の一対の電極間(109a、109b)に設けられ、前記圧電素子の容量成分と共振回路を構成するインダクターLと、前記インダクターと直列に前記共振回路に設けられたスイッチSWと、前記変形量が所定の大きさ以上になると、前記一対の電極間を所定期間短絡状態とするように前記スイッチを制御するスイッチ制御手段112と、を備える。
【選択図】 図1
Description
(7)この発電装置において、前記変位センサーは、超音波式であってもよい。
(8)この発電装置において、前記変位センサーは、静電容量式であってもよい。
例を説明する。
A.実施例:
A−1.発電装置の構造:
A−2.発電装置の動作:
A−3.発電装置の動作原理:
A−4.スイッチの切換タイミング:
A−5.変位センサー:
B.第1変形例:
C.第2変形例:
D.第3変形例:
E.その他:
A−1.発電装置の構造 :
図1は、本実施例の発電装置100の構造を示した説明図である。図1(a)には、発電装置100の機械的な構造が示されており、図1(b)には電気的な構造が示されている。本実施例の発電装置100の機械的な構造は、先端に錘106が設けられた梁104が、基端側で支持端102に固定された片持ち梁構造となっており、支持端102は発電装置100内に固定されるのが望ましい。また、梁104の表面には、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電材料によって形成された圧電部材108が取り付けられており、圧電部材108の表面には、表側と裏側とに、金属薄膜によって形成された第1電極109a、第2電極109bがそれぞれ設けられている。圧電部材108、第1電極109a、第2電極109bとで圧電素子を構成している。なお、図1(a)に示した例では、梁104の上面側に圧電部材108が設けられているが、梁104の下面側に圧電部材108を設けても良く、あるいは梁104の上面側および下面側の両方に圧電部材108を設けても良い。また、圧電部材108は梁104の変形によって変形するから、梁104が本発明の「変形部材」に相当する。
図2は、本実施例の発電装置100の動作を示した説明図である。図2(a)には、梁104の振動に伴う、梁104の先端の変位が示されている。なお、プラスの変位(u)は、梁104が上向きに反った状態(梁104の上面側が凹となった状態)を表しており、マイナスの変位(−u)は、梁104が下向きに反った状態(梁104の下面側が凹となった状態)を表している。また、図2(b)には、梁104の変形に伴って、圧電部材108が発生する電流の様子と、その結果として圧電部材108の内部に生じる起電力とが示されている。なお、図2(b)では、圧電部材108に電荷が発生する様子は、単位時間あたりに発生する電荷量(すなわち、電流Ipzt )として表され、また、圧電部材108に生じる起電力は、第1電極109aと第2電極109bとの間に生じる電位差Vpzt として表されている。
図3は、本実施例の発電装置100の動作原理の前半部分を概念的に示した説明図である。また、図4は、本実施例の発電装置100の動作原理の後半部分を概念的に示した説明図である。図3および図4では、圧電部材108の変形に合わせてスイッチSWをONにしたときのコンデンサーCg(圧電部材108の容量成分)の電荷の動きが、概念的に示されている。図3(a)は、圧電部材108(正確には梁104)が上向きに(上面側が凹となるように)変形した状態を表している。圧電部材108が上向きに変形すると、電流源からは正方向の電流が流れ、Cgに電荷が蓄積され、Vgen は正方向の電圧が発生する。電圧値は、圧電部材108の変形が大きくなるほど増加する。そして、圧電部材108の変形が最大となったタイミング(電荷量が最も多くなったタイミング。図3(b)参照)で、スイッチSWをONにする。
以上に説明したように、本実施例の発電装置100では、圧電部材108(正確には梁104)に繰り返し変形を加えて、変形方向が切り換わるときに、共振周期の半分の時間だけ圧電部材108をインダクターLに接続することで、効率が良く、加えて昇圧回路が不要なために容易に小型化することができるという優れた特徴を得ることができる。もっとも、梁104の変形方向が切り換わるときにスイッチSWをONにすることは、それほど容易なことではない。例えば、梁104の変形方向が切り換わるときは、梁104の変位の大きさが最大となるときであるから、機械的な接点を用いて、梁104が最大変位となったときにONとなるように構成することも可能である。しかし、接点の調整がずれると、効率が大きく低下することになる。そこで、本実施例の発電装置100は、図1(b)に示したように、非接触型のセンサーである変位センサー130が振動する梁104の変位を検出することで、スイッチSWを制御している。
本実施例では、変位センサー130としては非接触型のセンサーを使用する。非接触であるため、圧電素子の変形を妨げることなく、振幅が様々である梁104の振動のピークを制御回路112に適切に判断させることができる。
上述した実施例には種々の変形例が存在している。以下では、第1変形例について簡単に説明する。
次に、第2変形例について簡単に説明する。
次に、第3変形例について簡単に説明する。
以上、実施例あるいは変形例について説明したが、本発明はこれら実施例あるいは変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。
Claims (11)
- 変形方向を切り換えて変形する変形部材と、
前記変形部材に設けられた圧電素子と、
前記変形部材の変形量を検出し、前記変形量に関する情報である変形量情報を出力する変位センサーと、
前記圧電素子の一対の電極間に設けられ、前記圧電素子の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、
前記インダクターと直列に前記共振回路に設けられたスイッチと、
前記変形量が所定の大きさ以上になると、前記一対の電極間を所定期間短絡状態とするように前記スイッチを制御するスイッチ制御手段と、を備える発電装置。 - 請求項1に記載の発電装置において、
前記スイッチ制御手段は、
前記変形量が前記所定の大きさに達しない期間では、前記変形部材の変形方向が切り換わるときに前記スイッチを接続した後、前記共振回路の共振周期の半周期に相当する時間が経過すると前記スイッチを切断する、発電装置。 - 請求項1又は2に記載の発電装置において、
前記スイッチ制御手段は、
前記変位センサーから前記変形量情報として前記変形部材の変形による変位を受け取り、
前記変位の大きさが所定の閾値以上の場合に、前記変形量が所定の大きさ以上であると判断する、発電装置。 - 請求項1又は2に記載の発電装置において、
前記スイッチ制御手段は、
前記変位センサーから前記変形量情報として前記変形部材の変形による変位を受け取り、
前記変位を2階微分して加速度を求め、
前記加速度の大きさが所定の閾値以上の場合に、前記変形量が所定の大きさ以上であると判断する、発電装置。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載の発電装置において、
前記変位センサーは、
渦電流式である発電装置。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載の発電装置において、
前記変位センサーは、
光学式である発電装置。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載の発電装置において、
前記変位センサーは、
超音波式である発電装置。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載の発電装置において、
前記変位センサーは、
静電容量式である発電装置 。 - 変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変形部材に設けられた圧電素子と、前記変形部材の変形量を検出し、前記変形量に関する情報である変形量情報を出力する変位センサーと、前記圧電素子の一対の電極間に設けられ、前記圧電素子の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、前記インダクターと直列に前記共振回路に設けられたスイッチと、を備える発電装置の制御方法であって、
前記変形量情報を取得するステップと、
前記変形量が所定の大きさ以上になると、前記一対の電極間を所定期間短絡状態とするように前記スイッチを制御するステップと、を含む発電装置の制御方法。 - 請求項1乃至8のいずれかに記載の発電装置を含む電子機器。
- 請求項1乃至8のいずれかに記載の発電装置を含む移動手段。
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