JP2015012762A - Piezoelectric power generation device - Google Patents

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仁志 坂口
Hitoshi Sakaguchi
仁志 坂口
睦弘 堀口
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睦弘 堀口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently generate power while controlling vibration by using a piezoelectric element.SOLUTION: In a power generation element 10 comprising a piezoelectric element 20, a serial circuit of an inductor 30 and a switch 40 is connected. A control part 50 detects timing Tin which an absolute value of a voltage generated by the power generation element 10 becomes a maximum value. The control part 50 detects timing Tin which a phase of a voltage waveform is advanced by +45° from the timing Tin which the voltage absolute value becomes the maximum value, and performs control to conduct the switch 40. The control part 50 performs control to turn off the switch 40 by counting a time length of a 1/2 resonance cycle determined by inductance of the inductor 30 and capacitance of an element capacitor 200.

Description

本発明は、振動を電気に変換して出力する圧電素子を備えた圧電発電装置に関する。   The present invention relates to a piezoelectric power generation device including a piezoelectric element that converts vibrations into electricity and outputs the electricity.

従来、圧電素子を用いた圧電発電装置が各種考案されている。圧電発電装置は、例えば、特許文献1に示すような構造からなる。平板状の梁の一方端を固定し、他方端を自由端として、当該他方端に錘を装着する。梁には平板状の圧電素子が装着されている。外部からの振動を受けると、梁が曲がり、圧電素子は、平板面に直交する方向に変位する。この変位により、圧電素子は分極して、電荷を発生する。すなわち、従来の圧電発電装置では、圧電素子の屈曲変位によって発電を行う。   Conventionally, various piezoelectric power generation devices using piezoelectric elements have been devised. The piezoelectric power generation device has a structure as shown in Patent Document 1, for example. One end of the flat beam is fixed, the other end is a free end, and a weight is attached to the other end. A flat piezoelectric element is mounted on the beam. When receiving vibration from the outside, the beam is bent and the piezoelectric element is displaced in a direction perpendicular to the flat plate surface. Due to this displacement, the piezoelectric element is polarized and generates electric charges. That is, in the conventional piezoelectric power generation device, power generation is performed by bending displacement of the piezoelectric element.

そして、特許文献1に記載の圧電発電装置は、インダクタとスイッチの直列回路を圧電素子に並列接続した回路構成を備える。特許文献1に記載の圧電発電装置では、圧電素子の変位が極大となるタイミングでスイッチを導通する。このスイッチが導通したタイミングから、圧電素子とインダクタの共振周期の半分の時間が経過すると、スイッチを切断する。このスイッチング制御によって、圧電素子の異なる方向の変位によって生じる電荷を加算し、昇圧している。   The piezoelectric power generation device described in Patent Document 1 includes a circuit configuration in which a series circuit of an inductor and a switch is connected in parallel to a piezoelectric element. In the piezoelectric power generation device described in Patent Document 1, the switch is turned on at the timing when the displacement of the piezoelectric element becomes maximum. When a time that is half the resonance period of the piezoelectric element and the inductor has elapsed from the timing when the switch is turned on, the switch is disconnected. By this switching control, charges generated by displacements of the piezoelectric elements in different directions are added and boosted.

特開2012−105518号公報JP 2012-105518 A

しかしながら、圧電素子は、屈曲変位を繰り返すことによって劣化していく。そして、劣化が進むと破損してしまうことがある。この場合、圧電素子や梁を取り替えなければならない。また、圧電素子と振動源の共振を利用するため、振動源から大きな振動が印加された場合には、圧電素子が過度に変形し、圧電素子や梁が破損してしまう可能性がある。   However, the piezoelectric element is deteriorated by repeated bending displacement. And when deterioration progresses, it may be damaged. In this case, the piezoelectric element and the beam must be replaced. In addition, since resonance between the piezoelectric element and the vibration source is used, when a large vibration is applied from the vibration source, the piezoelectric element may be excessively deformed and the piezoelectric element or the beam may be damaged.

圧電素子や梁の破損を抑制したり劣化速度を遅くするには、制振すればよいが、振動を完全に抑え込むと、発電できなくなってしまう。   In order to suppress damage to the piezoelectric element and the beam and to slow down the deterioration rate, vibration suppression may be performed. However, if vibration is completely suppressed, power generation cannot be performed.

したがって、本発明の目的は、制振しながら効率良く発電する圧電発電装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a piezoelectric power generator that efficiently generates power while suppressing vibration.

この発明は、振動により電荷を発生する圧電素子と、圧電素子に前記振動を伝達する振動伝達部材と、インダクタとスイッチとの直列回路と、スイッチの導通・切断の制御を行う制御部と、を備え、圧電素子と直列回路が並列接続された圧電発電装置に関するものであり、次の特徴を有する。制御部は、圧電素子の発生する電荷による電圧の絶対値が最大となるタイミングから、電圧波形の位相が45°進んだタイミングで、スイッチを導通制御する。制御部は、スイッチを導通制御したタイミングから、圧電素子とインダクタの共振周期の1/2の時間が経過したタイミングで、スイッチを切断制御する。   The present invention includes a piezoelectric element that generates an electric charge by vibration, a vibration transmission member that transmits the vibration to the piezoelectric element, a series circuit of an inductor and a switch, and a control unit that controls conduction / disconnection of the switch. And a piezoelectric power generation apparatus in which a piezoelectric element and a series circuit are connected in parallel, and has the following characteristics. The control unit controls the conduction of the switch at a timing at which the phase of the voltage waveform is advanced by 45 ° from the timing at which the absolute value of the voltage due to the charge generated by the piezoelectric element is maximized. The control unit controls the disconnection of the switch at the timing when a half of the resonance period of the piezoelectric element and the inductor has elapsed from the timing at which the switch is controlled to conduct.

この構成では、圧電発電装置が装着される振動体の振動によって圧電素子が変形している状態で、当該振動体の振動による圧電素子の変形方向と逆方向に圧電素子を変形させる応力を発生している。これにより、2つの応力が相殺し、振動体の振動および振動伝達部材を制振することができる。この際、上述のスイッチング条件を用いることで、完全に制振されず振動は継続し、発電を継続できる。   In this configuration, in a state where the piezoelectric element is deformed by the vibration of the vibrating body on which the piezoelectric power generation device is mounted, a stress that deforms the piezoelectric element in a direction opposite to the deformation direction of the piezoelectric element due to the vibration of the vibrating body is generated. ing. Accordingly, the two stresses cancel each other, and the vibration of the vibrating body and the vibration transmitting member can be suppressed. At this time, by using the above-described switching conditions, vibrations continue without being completely damped, and power generation can be continued.

また、この発明の圧電発電装置では、圧電素子と振動伝達部材の組は、複数備えられていることが好ましい。また、この発明の圧電発電装置では、圧電素子と振動伝達部材の組は、振動周波数が異なっていてもよい。   In the piezoelectric power generation device of the present invention, it is preferable that a plurality of pairs of piezoelectric elements and vibration transmission members are provided. In the piezoelectric power generation device of the present invention, the combination of the piezoelectric element and the vibration transmitting member may have different vibration frequencies.

この構成では、全ての圧電素子と振動伝達部材の組の振動周波数が同じであれば、より高い電圧を出力できる。また、圧電素子と振動伝達部材の組の振動周波数がそれぞれ異なれば、複数の振動周波数に対応して振動でき、振動に対して効率的に発電することができる。   In this configuration, a higher voltage can be output if all the piezoelectric elements and the vibration transmitting members have the same vibration frequency. Further, if the vibration frequency of the set of the piezoelectric element and the vibration transmitting member is different, vibration can be generated corresponding to a plurality of vibration frequencies, and power can be efficiently generated with respect to the vibration.

また、この発明の圧電発電装置では、圧電素子と直列回路の並列回路の出力端に、整流回路が接続されていてもよい。   In the piezoelectric power generator of the present invention, a rectifier circuit may be connected to the output terminal of the parallel circuit of the piezoelectric element and the series circuit.

この構成では、直流電圧を出力することができる。   In this configuration, a DC voltage can be output.

この発明によれば、印加された振動によって効率良く発電しながら、破損を抑制し、劣化速度を抑制することができる。   According to the present invention, it is possible to suppress breakage and suppress the deterioration rate while efficiently generating power by the applied vibration.

本発明の第1の実施形態に係る圧電発電装置の回路ブロック図である。1 is a circuit block diagram of a piezoelectric power generator according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る圧電発電装置の機構部の側面図である。It is a side view of the mechanism part of the piezoelectric power generator concerning the 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る発電素子を振動源側から見た平面図である。It is the top view which looked at the power generating element concerning a 1st embodiment of the present invention from the vibration source side. 本発明の第1の実施形態に係る圧電発電装置の特性を示すグラフである。It is a graph which shows the characteristic of the piezoelectric power generator concerning the 1st Embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る圧電発電装置の作用効果を説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating the effect of the piezoelectric electric power generating apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る圧電発電装置の外観斜視図である。It is an external appearance perspective view of the piezoelectric electric power generating apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る圧電発電装置の出力電力特性を表すグラフである。It is a graph showing the output electric power characteristic of the piezoelectric power generator which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

本発明の第1の実施形態に係る圧電発電装置について、図を参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る圧電発電装置の回路ブロック図である。   A piezoelectric power generator according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit block diagram of the piezoelectric power generation apparatus according to the first embodiment of the present invention.

圧電発電装置1は、発電素子10、インダクタ30、スイッチ40、制御部50、および整流回路60を備える。   The piezoelectric power generation apparatus 1 includes a power generation element 10, an inductor 30, a switch 40, a control unit 50, and a rectifier circuit 60.

発電素子10は、圧電素子20を備え、素子容量200を含んでいる。図2は、本発明の第1の実施形態に係る圧電発電装置の機構部の側面図である。図3は、本発明の第1の実施形態に係る発電素子を振動源側から見た平面図である。   The power generation element 10 includes a piezoelectric element 20 and includes an element capacitance 200. FIG. 2 is a side view of the mechanism portion of the piezoelectric power generation apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a plan view of the power generation element according to the first embodiment of the present invention as viewed from the vibration source side.

図2、図3に示すように、発電素子10は、長尺形状で平板の梁11を備える。梁11は、外部からの振動により、平板面に直交する方向へ撓む材質からなる。例えば、梁11は、ニッケル(Ni42)を用いる。寸法は、例えば、幅が8mm、厚みが0.4mm、長さが60mm程度である。   As shown in FIGS. 2 and 3, the power generation element 10 includes a long and flat plate beam 11. The beam 11 is made of a material that bends in a direction orthogonal to the flat plate surface due to external vibration. For example, the beam 11 uses nickel (Ni42). The dimensions are, for example, a width of 8 mm, a thickness of 0.4 mm, and a length of about 60 mm.

梁11の長尺方向の一方端は、支持柱12を介して、振動源900に固定されている。梁11の長尺方向の他方端には、錘13が装着されている。錘13は、例えば、銅(Cu)を用いる。寸法は、例えば、長さ×幅が15mm×20mm、厚みが4.5mmである。   One end of the beam 11 in the longitudinal direction is fixed to the vibration source 900 via the support column 12. A weight 13 is attached to the other end of the beam 11 in the longitudinal direction. For the weight 13, for example, copper (Cu) is used. The dimensions are, for example, length × width 15 mm × 20 mm and thickness 4.5 mm.

圧電素子20は、梁11と同様に、長尺形状で平板である。圧電素子20は、梁11の一方の平板面に装着されている。この際、圧電素子20は、梁11の長尺方向の一方端、すなわち支持柱12に接続する端部側に配置されている。   The piezoelectric element 20 is long and flat like the beam 11. The piezoelectric element 20 is mounted on one flat surface of the beam 11. At this time, the piezoelectric element 20 is disposed on one end of the beam 11 in the longitudinal direction, that is, on the end side connected to the support column 12.

圧電素子20は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いる。寸法は、例えば、幅が8mm、厚みが0.2mm、長さが35mmである。圧電素子20は、分極処理されている。例えば、3kV/mmで予め分極処理されている。   The piezoelectric element 20 uses, for example, lead zirconate titanate (PZT). The dimensions are, for example, a width of 8 mm, a thickness of 0.2 mm, and a length of 35 mm. The piezoelectric element 20 is polarized. For example, the polarization treatment is performed in advance at 3 kV / mm.

圧電素子20における梁11が接触する面と反対側の面には、検出制御用電極21と電荷取り出し用電極22とが設けられている。検出制御用電極21は、スイッチ40の切り替えのタイミングを計るために、出力をモニタする電極である。電荷取り出し用電極22は、圧電素子20で発生した電荷を取り出すための電極である。検出制御用電極21と電荷取り出し用電極22とは、電気的に分離されている。   A detection control electrode 21 and a charge extraction electrode 22 are provided on the surface of the piezoelectric element 20 opposite to the surface with which the beam 11 contacts. The detection control electrode 21 is an electrode that monitors the output in order to measure the switching timing of the switch 40. The charge extraction electrode 22 is an electrode for extracting charge generated in the piezoelectric element 20. The detection control electrode 21 and the charge extraction electrode 22 are electrically separated.

このような構造とすることで、振動源900が厚み方向に振動すると(図2の太矢印の方向)、梁11は、錘13が装着されている端部側を最大振動部として、梁11の平板面に直交する方向へ振動する。この梁11が本発明の振動伝達部材に相当する。   With such a structure, when the vibration source 900 vibrates in the thickness direction (in the direction of the thick arrow in FIG. 2), the beam 11 has the end portion side where the weight 13 is mounted as the maximum vibration portion. Vibrates in a direction perpendicular to the flat plate surface. This beam 11 corresponds to the vibration transmitting member of the present invention.

この梁11の振動に伴って、圧電素子20は湾曲し、応力が加わる。圧電素子20は、応力に応じた大きさの電荷が発生する。この電荷は、電荷取り出し用電極22を用いて、外部へ電圧として出力することができる。   As the beam 11 vibrates, the piezoelectric element 20 is bent and stress is applied. The piezoelectric element 20 generates a charge having a magnitude corresponding to the stress. This charge can be output to the outside as a voltage using the charge extracting electrode 22.

この際、振動源900の固有振動数と発電素子10の固有振動数とを一致させることで共振現象が起こる。共振状態では、振動源900から伝搬する振動エネルギーを発電素子10が増幅し、発電素子10が振動する。このため、発電効率を高くすることができる。   At this time, the resonance phenomenon occurs by matching the natural frequency of the vibration source 900 with the natural frequency of the power generation element 10. In the resonance state, the power generation element 10 amplifies the vibration energy propagating from the vibration source 900, and the power generation element 10 vibrates. For this reason, power generation efficiency can be increased.

インダクタ30とスイッチ40は、直列接続されている。この直列回路は、発電素子10に接続されている。より具体的には、発電素子10は、電気回路的には、図1に示すように、圧電素子20と素子容量200との直列回路からなる。したがって、インダクタ30とスイッチ40の直列回路は、圧電素子20と素子容量200の直列回路に並列接続されている。   The inductor 30 and the switch 40 are connected in series. This series circuit is connected to the power generation element 10. More specifically, the electric power generation element 10 is composed of a series circuit of a piezoelectric element 20 and an element capacitance 200 as shown in FIG. Therefore, the series circuit of the inductor 30 and the switch 40 is connected in parallel to the series circuit of the piezoelectric element 20 and the element capacitor 200.

インダクタ30とスイッチ40の直列回路と発電素子10との2つの接続点には、全波整流回路60が接続されている。そして、この全波整流回路60には、発電された電圧を利用する負荷800が接続されている。負荷800は、コンデンサ等の二次電池であってもよく、他の各種負荷(光源や動力部)であってもよい。この負荷800への接続端子が、圧電発電装置1の電圧出力端子である。   A full-wave rectifier circuit 60 is connected to two connection points of the inductor 30 and the series circuit of the switch 40 and the power generation element 10. The full-wave rectifier circuit 60 is connected to a load 800 that uses the generated voltage. The load 800 may be a secondary battery such as a capacitor, or may be other various loads (light source or power unit). A connection terminal to the load 800 is a voltage output terminal of the piezoelectric power generator 1.

なお、本実施形態では、直流電圧を出力するために、全波整流回路60を備えているが、当該全波整流回路とは異なる整流回路であってもよく、さらには整流回路を備えなくてもよい。   In the present embodiment, the full-wave rectifier circuit 60 is provided to output a DC voltage. However, a rectifier circuit different from the full-wave rectifier circuit may be used, and further, no rectifier circuit may be provided. Also good.

制御部50は、発電素子10の発生する電圧を検知して、スイッチ40の導通・切断制御を行う。図4は、本発明の第1の実施形態に係る圧電発電装置の特性を示すグラフである。図4(A)は、制御部50の発生するスイッチ制御信号の波形図である。図4(B)は、スイッチ制御を行った場合と、スイッチ制御を行っていない場合での発電素子10の出力電圧波形を示す。図4(C)は、スイッチ制御を行った場合と、スイッチ制御を行っていない場合での振動源900の振動変位量を示す。図4(B)、図4(C)において、実線はスイッチ制御を行った場合の波形を示し、破線はスイッチ制御を行っていない場合の波形を示す。   The control unit 50 detects the voltage generated by the power generation element 10 and controls conduction / disconnection of the switch 40. FIG. 4 is a graph showing characteristics of the piezoelectric power generation device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4A is a waveform diagram of a switch control signal generated by the control unit 50. FIG. 4B shows output voltage waveforms of the power generation element 10 when the switch control is performed and when the switch control is not performed. FIG. 4C shows the vibration displacement amount of the vibration source 900 when the switch control is performed and when the switch control is not performed. 4B and 4C, a solid line indicates a waveform when the switch control is performed, and a broken line indicates a waveform when the switch control is not performed.

制御部50は、発電素子10の発生する電圧を観測する。制御部50は、電圧最大値を検出する。この際、制御部50は、電圧の絶対値を用いる。すなわち、正の電圧領域における電圧絶対値の最大値を検出する。当該電圧絶対値の最大値となるタイミングTM1から電圧波形の位相が+45°進んだタイミングTON1を検出する。この電圧波形の位相が+45°進んだタイミングTON1は、例えば、上述のように発電素子10の共振周波数が予め分かっているので、制御部50は、当該共振周波数から算出すればよい。 The control unit 50 observes the voltage generated by the power generation element 10. The control unit 50 detects the maximum voltage value. At this time, the control unit 50 uses the absolute value of the voltage. That is, the maximum value of the voltage absolute value in the positive voltage region is detected. A timing T ON1 in which the phase of the voltage waveform is advanced by + 45 ° from the timing T M1 at which the voltage absolute value becomes the maximum value is detected. For example, since the resonance frequency of the power generating element 10 is known in advance as described above, the control unit 50 may calculate the timing T ON1 at which the phase of the voltage waveform has advanced by + 45 ° from the resonance frequency.

制御部50は、当該タイミングTON1になると、スイッチ40を導通するように制御する。制御部50は、タイミングTON1を計時開始タイミングとして、インダクタ30のインダクタンスと素子容量200のキャパシタンスによって決定される共振周期の1/2の時間長を計時する。制御部50は、共振周期の1/2の時間長が経過したことを検出すると、すなわちタイミングTOFF1になったことを検出すると、スイッチ40を切断するように制御する。 The control unit 50 controls the switch 40 to be conductive at the timing TON1 . The control unit 50 measures the time length of 1/2 of the resonance period determined by the inductance of the inductor 30 and the capacitance of the element capacitor 200, with the timing T ON1 as the timing start timing. When detecting that the time length of ½ of the resonance period has elapsed, that is, when detecting that the timing T OFF1 is reached, the control unit 50 controls the switch 40 to be disconnected.

図4(B)に示すように、タイミングTON1では、発電素子10は、正の電圧を発生するように湾曲している。ここで、スイッチ40が導通すると、インダクタ30と素子容量200による共振回路が形成され、共振が生じる。共振が開始してから共振周期の1/2の時間迄の期間は、共振電圧は発電素子10の発生する電圧と同じ極性となる。しかしながら、共振が開始してから共振周期の1/2以上1未満の時間が経過している状態では、共振電圧は発電素子10の発生する電圧と逆極性となる。このような逆極性の電圧が発電素子10に印加されると、その時点での湾曲方向とは逆方向に湾曲する応力が圧電素子20に加わる。これにより、発電素子10には、その時点での振動による湾曲を抑制する方向に応力が加わり、振動が抑制される。すなわち、発電素子10は制振される。特に、共振が開始してから共振周期の1/2の時間が経過した状態において、上記の効果が大きい。 As shown in FIG. 4B, at the timing TON1 , the power generation element 10 is curved so as to generate a positive voltage. Here, when the switch 40 is turned on, a resonance circuit is formed by the inductor 30 and the element capacitance 200, and resonance occurs. The resonance voltage has the same polarity as the voltage generated by the power generation element 10 during the period from the start of the resonance to the time half the resonance period. However, the resonance voltage has a polarity opposite to that of the voltage generated by the power generation element 10 in a state in which a time of ½ or more and less than 1 of the resonance period has elapsed since the resonance started. When such a reverse polarity voltage is applied to the power generation element 10, a stress that bends in a direction opposite to the bending direction at that time is applied to the piezoelectric element 20. As a result, stress is applied to the power generation element 10 in a direction to suppress bending due to vibration at that time, and vibration is suppressed. That is, the power generation element 10 is damped. In particular, the above-described effect is significant in a state in which a half of the resonance period has elapsed since the start of resonance.

これにより、図4(C)に示すように、正電圧の領域において、振動源900の振動による変位量を小さくすることができる。   As a result, as shown in FIG. 4C, the amount of displacement due to vibration of the vibration source 900 can be reduced in the positive voltage region.

引き続き、制御部50は、発電素子10の発生する電圧を観測する。制御部50は、電圧最小値を検出する。この際、制御部50は、電圧の絶対値を用いる。すなわち、負の電圧領域における電圧絶対値の最大値を検出する。当該電圧絶対値のとなるタイミングTM2から電圧波形の位相が+45°進んだタイミングTON2を検出する。この電圧波形の位相が+45°進んだタイミングTON2は、タイミングTON1と同様に、例えば、上述のように発電素子10の共振周波数が予め分かっているので、制御部50は、当該共振周波数から算出すればよい。 Subsequently, the control unit 50 observes the voltage generated by the power generation element 10. The control unit 50 detects the minimum voltage value. At this time, the control unit 50 uses the absolute value of the voltage. That is, the maximum value of the voltage absolute value in the negative voltage region is detected. The timing T ON2 in which the phase of the voltage waveform is advanced by + 45 ° from the timing T M2 at which the voltage absolute value is obtained is detected. Timing T ON2 that phase + 45 ° proceeds of the voltage waveform, similar to the timing T ON1, for example, the resonance frequency of the power generating element 10 as described above is known in advance, the control unit 50, from the resonant frequency What is necessary is just to calculate.

制御部50は、当該タイミングTON2になると、スイッチ40を導通するように制御する。制御部50は、タイミングTON2を計時開始タイミングとして、インダクタ30のインダクタンスと素子容量200のキャパシタンスによって決定される共振周期の1/2の時間長を計時する。なお、本実施形態の例では、一例として、インダクタンスは5.6[mH]のものを用い、素子容量は40[nF]のものを用いている。制御部50は、共振周期の1/2の時間長が経過したことを検出すると、すなわちタイミングTOFF2になったことを検出すると、スイッチ40を切断するように制御する。 The control unit 50 controls the switch 40 to be conductive at the timing TON2 . The control unit 50 measures a time length that is ½ of the resonance period determined by the inductance of the inductor 30 and the capacitance of the element capacitor 200, with the timing T ON2 as a timing start timing. In the example of this embodiment, as an example, an inductance of 5.6 [mH] is used, and an element capacitance of 40 [nF] is used. When detecting that the time length of ½ of the resonance period has elapsed, that is, when detecting that the timing T OFF2 is reached, the control unit 50 controls the switch 40 to be disconnected.

図4(B)に示すように、タイミングTON2では、発電素子10は、負の電圧を発生するように湾曲している。ここで、スイッチ40が導通すると、インダクタ30と素子容量200による共振回路が形成され、共振が生じる。共振が開始してから共振周期の1/2の時間迄の期間は、共振電圧は発電素子10の発生する電圧と同じ極性となる。しかしながら、共振が開始してから共振周期の1/2以上1未満の時間が経過している状態では、共振電圧は発電素子10の発生する電圧と逆極性となる。このような逆極性の電圧が発電素子10に印加されると、その時点での湾曲方向とは逆方向に湾曲する応力が圧電素子20に加わる。これにより、発電素子10には、その時点での振動による湾曲を抑制する方向に応力が加わり、振動が抑制される。すなわち、発電素子10は制振される。特に、共振を開始してから共振周期の1/2の時間が経過した状態において、上記の効果が大きい。 As shown in FIG. 4B, at the timing TON2 , the power generation element 10 is curved so as to generate a negative voltage. Here, when the switch 40 is turned on, a resonance circuit is formed by the inductor 30 and the element capacitance 200, and resonance occurs. The resonance voltage has the same polarity as the voltage generated by the power generation element 10 during the period from the start of the resonance to the time half the resonance period. However, the resonance voltage has a polarity opposite to that of the voltage generated by the power generation element 10 in a state in which a time of ½ or more and less than 1 of the resonance period has elapsed since the resonance started. When such a reverse polarity voltage is applied to the power generation element 10, a stress that bends in a direction opposite to the bending direction at that time is applied to the piezoelectric element 20. As a result, stress is applied to the power generation element 10 in a direction to suppress bending due to vibration at that time, and vibration is suppressed. That is, the power generation element 10 is damped. In particular, the above-described effect is significant in a state where a time of 1/2 of the resonance period has elapsed since the start of resonance.

これにより、図4(C)に示すように、負電圧の領域においても、振動源900の振動による変位量を小さくすることができる。   As a result, as shown in FIG. 4C, the amount of displacement due to vibration of the vibration source 900 can be reduced even in the negative voltage region.

制御部50は、上述の処理を継続的に実行する。これにより、発電素子10は、振動源900、圧電素子20および梁11を制振することができる。   The control unit 50 continuously executes the above processing. Thereby, the power generation element 10 can control the vibration source 900, the piezoelectric element 20, and the beam 11.

図5は、本発明の第1の実施形態に係る圧電発電装置の作用効果を説明するためのグラフである。図5(A)は電圧絶対値の最大値のタイミングからスイッチ40を導通させるまでの位相変化量に対する発電素子10の最大変位量の変化を示すグラフである。図5(B)は電圧絶対値の最大値のタイミングからスイッチ40を導通させるまでの位相変化量に対する発電素子10の発生する電圧の変化を示すグラフである。   FIG. 5 is a graph for explaining the operational effects of the piezoelectric power generation apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5A is a graph showing a change in the maximum displacement amount of the power generation element 10 with respect to the phase change amount from the timing of the maximum value of the voltage absolute value until the switch 40 is turned on. FIG. 5B is a graph showing a change in the voltage generated by the power generation element 10 with respect to the phase change amount from the timing of the maximum value of the voltage absolute value until the switch 40 is turned on.

図5(A)に示すように、本実施形態の構成を用いることで、振動を最小にすることができる。具体的に、本実施形態の例では、80%程度振動を抑制することができる。すなわち、最も効果的に制振することができる。   As shown in FIG. 5A, vibration can be minimized by using the configuration of this embodiment. Specifically, in the example of this embodiment, vibration can be suppressed by about 80%. That is, vibration can be suppressed most effectively.

この際、図5(B)に示すように、発電素子10から出力される電圧は、振動が最も抑制されていない位相の場合と比較して、大幅に低下していない。具体的に、本実施形態の例では、30%程度しか電圧は低下しない。すなわち、70%程度の電圧を確保することができる。   At this time, as shown in FIG. 5B, the voltage output from the power generation element 10 is not significantly reduced as compared with the case where the vibration is most suppressed. Specifically, in the example of this embodiment, the voltage is reduced only by about 30%. That is, a voltage of about 70% can be secured.

したがって、本実施形態の構成を用いることで、効果的に制振をしながら、さらに、発電を効率良く継続することができる。   Therefore, by using the configuration of this embodiment, it is possible to continue power generation more efficiently while effectively suppressing vibration.

次に、第2の実施形態に係る圧電発電装置について、図を参照して説明する。図6は、本発明の第2の実施形態に係る圧電発電装置の外観斜視図である。   Next, a piezoelectric power generator according to a second embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is an external perspective view of the piezoelectric power generation apparatus according to the second embodiment of the present invention.

本実施形態に係る圧電発電装置1Aは、概略的には、上述の構成からなる発電素子を複数備えたものである。圧電発電装置1Aは、振動源900Aと、複数の発電素子10A,10B,10C,10D,10Eを備える。   The piezoelectric power generating apparatus 1A according to the present embodiment generally includes a plurality of power generating elements having the above-described configuration. The piezoelectric power generation apparatus 1A includes a vibration source 900A and a plurality of power generation elements 10A, 10B, 10C, 10D, and 10E.

振動源900Aは、底壁910Aと側壁911A,912Aを備える。底壁910Aと側壁911A,912Aによって、凹部901Aが設けられている。   The vibration source 900A includes a bottom wall 910A and side walls 911A and 912A. A recess 901A is provided by the bottom wall 910A and the side walls 911A and 912A.

発電素子10A,10B,10C,10D,10Eのそれぞれは、梁の幅が錘に近づくほど狭くなる形状であることを除き、上述の第1の実施形態に示した発電素子10と同じである。   Each of the power generating elements 10A, 10B, 10C, 10D, and 10E is the same as the power generating element 10 shown in the first embodiment, except that the beam width is narrower as it approaches the weight.

発電素子10A,10C,10Eは、それぞれの錘が凹部910A内の側壁912A付近に配置されるように、側壁911Aに固定されている。発電素子10B,10Dは、それぞれの錘が凹部910Aの側壁911A付近に配置されるように、側壁912Aに固定されている。発電素子10A,10B,10C,10D,10Eは、側壁911A,912Aの内壁面に平行に、この順で配置されている。このような構成とすることで、複数の発電素子10A,10B,10C,10D,10Eを配置していても、圧電発電装置1Aを小型化することができる。   The power generation elements 10A, 10C, and 10E are fixed to the side wall 911A so that the respective weights are arranged in the vicinity of the side wall 912A in the recess 910A. The power generating elements 10B and 10D are fixed to the side wall 912A so that the respective weights are arranged in the vicinity of the side wall 911A of the recess 910A. The power generating elements 10A, 10B, 10C, 10D, and 10E are arranged in this order in parallel with the inner wall surfaces of the side walls 911A and 912A. By setting it as such a structure, even if it has arrange | positioned several electric power generation element 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, the piezoelectric power generator 1A can be reduced in size.

また、本実施形態に係る圧電発電装置1Aの構成では、発電素子を複数個配置しているので、効率良く発電を行うことができる。具体的には、共振周波数を異なるように、各発電素子10A,10B,10C,10D,10Eの形状を決定する。図7は、本発明の第2の実施形態に係る圧電発電装置の出力電力特性を表すグラフである。   In addition, in the configuration of the piezoelectric power generating apparatus 1A according to the present embodiment, since a plurality of power generating elements are arranged, power generation can be performed efficiently. Specifically, the shapes of the power generating elements 10A, 10B, 10C, 10D, and 10E are determined so that the resonance frequencies are different. FIG. 7 is a graph showing the output power characteristics of the piezoelectric power generator according to the second embodiment of the present invention.

このような構成とすることで、図7に示すように、複数の振動周波数で出力電力を得ることができる。すなわち、広い周波数範囲で出力電圧を発生することができる。これにより、効率良く発電を行うことができる。   With such a configuration, as shown in FIG. 7, output power can be obtained at a plurality of vibration frequencies. That is, an output voltage can be generated in a wide frequency range. Thereby, electric power generation can be performed efficiently.

なお、複数の発電素子の共振周波数を一致させてもよい。この場合、共振周波数を一致させた発電素子から生じる電圧を、相殺しないように加算すれば、振動に対する出力電圧の大きさを大きくすることができる。これにより、効率良く発電を行うことができる。   Note that the resonance frequencies of the plurality of power generating elements may be matched. In this case, if the voltage generated from the power generation element having the same resonance frequency is added so as not to cancel, the magnitude of the output voltage against vibration can be increased. Thereby, electric power generation can be performed efficiently.

また、本実施形態に示す梁の形状を用いることで、信頼性が高くでき、振動を効率良く圧電素子に伝搬することができる。この梁の形状は、第1の実施形態の発電素子10に適用してもよい。   Further, by using the beam shape shown in the present embodiment, the reliability can be increased, and the vibration can be efficiently propagated to the piezoelectric element. This beam shape may be applied to the power generation element 10 of the first embodiment.

なお、上述の各実施形態では、梁を導電体で形成する例を示したが、梁を絶縁体で形成してもよい。この場合、圧電素子の対向する両面に電荷取り出し用電極が設けられる。   In each of the above-described embodiments, an example in which the beam is formed of a conductor has been described. However, the beam may be formed of an insulator. In this case, charge extraction electrodes are provided on both opposing surfaces of the piezoelectric element.

また、上述の圧電素子の材料や形状、発電素子を構成する各部材の材料や形状は一例であり、スイッチタイミングを上述のように設定すれば、機構的な構成材料は、他の構成であってもよい。   In addition, the material and shape of the above-described piezoelectric element and the material and shape of each member constituting the power generation element are examples, and if the switch timing is set as described above, the mechanical constituent material has other configurations. May be.

また、上述の説明では、位相が+45°進んだ時にスイッチ40を導通する例を示したが、位相が+45°進んだ時に限らず、例えば、位相が+30°から+60°進んだ位相範囲のいずれかの位相であっても、同様の作用効果を得ることができる。但し、上述の図5に示すように、位相が+45°進んだ時をスイッチ40の導通タイミングとすることで、振動抑制効果は最も得られ、長寿命化には好適である。   In the above description, the switch 40 is turned on when the phase has advanced by + 45 °. However, the switch 40 is not limited to when the phase has advanced by + 45 °. For example, any phase range in which the phase has advanced from + 30 ° to + 60 °. Even in this phase, the same effect can be obtained. However, as shown in FIG. 5 described above, when the phase advances by + 45 ° is set as the conduction timing of the switch 40, the vibration suppressing effect is most obtained and is suitable for extending the life.

1,1A:圧電発電装置
10,10A,10B,10C,10D,10E:発電素子
11:梁
12:支持柱
13:錘
20:圧電素子
21:検出制御用電極
22:電荷取り出し用電極
30:インダクタ
40:スイッチ
50:制御部
60:整流回路
900,900A:振動源
910A:底壁
911A,912A:側壁
1, 1A: Piezoelectric generators 10, 10A, 10B, 10C, 10D, 10E: Power generation element 11: Beam 12: Support column 13: Weight 20: Piezoelectric element 21: Detection control electrode 22: Charge extraction electrode 30: Inductor 40: Switch 50: Control unit 60: Rectifier circuit 900, 900A: Vibration source 910A: Bottom wall 911A, 912A: Side wall

Claims (4)

振動により電荷を発生する圧電素子と、
前記圧電素子に前記振動を伝達する振動伝達部材と、
インダクタとスイッチとの直列回路と、
前記スイッチの導通・切断の制御を行う制御部と、
を備え、
前記圧電素子と前記直列回路が並列接続された圧電発電装置であって、
前記制御部は、
前記圧電素子の発生する電荷による電圧の絶対値が最大となるタイミングから、電圧波形の位相が45°進んだタイミングで、前記スイッチを導通制御し、
前記スイッチを導通制御したタイミングから、前記圧電素子と前記インダクタの共振周期の1/2の時間が経過したタイミングで、前記スイッチを切断制御する、
圧電発電装置。
A piezoelectric element that generates electric charge by vibration;
A vibration transmitting member that transmits the vibration to the piezoelectric element;
A series circuit of an inductor and a switch;
A control unit for controlling conduction / disconnection of the switch;
With
A piezoelectric power generator in which the piezoelectric element and the series circuit are connected in parallel,
The controller is
From the timing at which the absolute value of the voltage due to the electric charge generated by the piezoelectric element is maximized, at a timing at which the phase of the voltage waveform advances by 45 °, the switch is conductively controlled,
The switch is controlled to be cut off at a timing at which a half of the resonance period of the piezoelectric element and the inductor has elapsed from the timing at which the switch is conductively controlled.
Piezoelectric generator.
前記圧電素子と前記振動伝達部材の組は、複数備えられている、
請求項1に記載の圧電発電装置。
A plurality of sets of the piezoelectric element and the vibration transmitting member are provided.
The piezoelectric power generation device according to claim 1.
前記圧電素子と前記振動伝達部材の組は、振動周波数が異なる、
請求項1または請求項2に記載の圧電発電装置。
The set of the piezoelectric element and the vibration transmitting member has different vibration frequencies.
The piezoelectric power generation device according to claim 1 or 2.
前記圧電素子と前記直列回路の並列回路の出力端に、整流回路が接続されている、
請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の圧電発電装置。
A rectifier circuit is connected to an output terminal of a parallel circuit of the piezoelectric element and the series circuit.
The piezoelectric power generation device according to any one of claims 1 to 3.
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