JP4048175B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

＜技術分野＞
この発明は、圧電素子を用いた電源装置に係る技術分野に属する。
＜背景技術＞
圧電材料の機械的エネルギーと電気的エネルギーを変換できる圧電効果を利用し、素子化して電源装置に応用する技術が従来提案されている。圧電効果を示す材料は無機、有機ともに多くの材料が知られているが、その中でもＰＺＴ系等のセラミックス材料を用いた圧電素子が注目され、実用化が進んでいる。
しかしながら、圧電素子は発電量が少ないため、その発電を電源装置として利用するには、まだ実用性に欠けるという課題があった。そのためこのような電源装置は、比較的低い電力を必要とするものにしか用いることができなかった。
この従来の課題を解決するために、本発明者は圧電素子を利用した電源装置として考案した「発電装置」を、実用新案登録第３０７４１０５号公報において開示している。この発電装置は、圧電素子によって発電される電力を所望の設定レベルまで充電し、設定レベルに達した時点で充電された電力を一気に放電する。このように充電されたエネルギーを一気に放電することで、比較的高い電力を必要とする各種用途に用いることができる。具体的には、充電手段としてコンデンサと、このコンデンサの放電を開閉するスイッチと、トリガー回路としてスイッチとコンデンサに接続される定電圧ダイオードとが備えられている。そして、コンデンサの充電量が定電圧ダイオードの定電圧を超えた場合にスイッチを動作させ放電させている。
しかしながら、この発電装置ではトリガー回路として用いた定電圧ダイオードにより充電量を判定している。この定電圧ダイオードによる判定では、コンデンサに充電される電圧を直流で判定することになり、コンデンサを連続的に監視する状態になってしまう。すなわち、このトリガー回路は常時動作しており、この動作のために消費される電力が圧電素子による発電量に比べて無視できないほど大きかった。従って、多くの電力を充電しようとしても、定電圧ダイオードによる監視のために電力が消費されるので、大容量の充電ができなかった。そのため、比較的高い電力を必要とする機器の電源装置として利用するには、更なる改良の余地があった。
このような問題を考慮して、本発明は次のような目的を有している。
本発明の目的は、圧電素子を利用した電源装置であって、比較的高い電力を必要とする外部に十分電力を供給することができる電源装置を提供することである。
本発明の他の目的は、充電量の監視や判定のために、充電量を無駄に消費することがなく、より多くの電力を充電することができる電源装置を提供することである。
また本発明のさらに他の目的は、擬似的な交流電圧を発生させ、この交流電圧を充電量の判定に用いる電源装置を提供することである。
＜発明の開示＞
上記目的達成のため、本発明による電源装置は、圧電素子に歪みを加えることで発電させる発電部と、繰り返し発電された電力を充電する充電部とを備え、充電部では、充電量が所定レベルに達したか否かを圧電素子の発電のタイミングに応じて判定する判定手段を有する。
＜発明を実施するための最良の形態＞
本発明による電源装置は、圧電素子に歪みを加えることで発電させる発電部と、繰り返し発電された電力を充電する充電部とを備え、充電部では、充電量が所定レベルに達したか否かを圧電素子の発電のタイミングに応じて判定する判定手段を有する。
この構成によれば、圧電素子に歪みが発生することにより発電され、この電力は発電される度に次々と充電部に充電されるため、発電が繰り返される度に充電部の充電量が増加する。そして、充電部に貯められた充電量は、圧電素子の発電のタイミングに応じたとき、すなわち充電量の増加のタイミングに応じたときのみ、その量が所定レベルに達したか否かが判定される。
また、本発明の充電部には、前記判定手段で充電量が所定レベルに達したと判定されるまで放電を開始させないスイッチ手段が備えられる。
この構成によれば、スイッチ手段を設けることで、圧電素子の発電のたびに段階的に増加する充電量が、判定手段により所定のレベルに達したと判定されるまで放電されることなく貯められる。
また、本発明の発電部には、圧電素子と圧電素子に衝突する衝突部材が備えられ、衝突部材が圧電素子に衝突して発電させるタイミングに応じて、前記判定手段では充電量を判定する。
この構成によれば、衝突部材が衝突することで圧電素子が歪んで発電され、充電部の充電量がほぼ段階的に増加する。そして、この衝突部材の衝突のタイミングすなわち充電量が増加するタイミングに応じて、充電量の判定が行われる。
また、本発明の判定手段では、圧電素子から発電時に出力される交流電圧を用いて判定する。
この構成によれば、圧電素子から出力される交流電圧は、充電量に比例した電圧を有するため、これを用いて充電量が監視されるとともに、圧電素子に歪みが生じたときのみ（衝突部材の場合には、衝突部材が圧電素子に衝突したときのみ）発生する交流を利用することで間欠的な判定が行われる。
また、本発明の判定手段では、充電部の充電量に応じた電圧を有する擬似的な交流電圧を発生させ、この交流電圧を用いて判定する。
この構成によれば、充電量に応じた電圧を有する擬似的な交流電圧を発生させることで、間欠的な監視、判定が行われる。
以下、本発明の電源装置の実施の形態について図面に基づいて説明する。
第１図は第１の形態のブロック図、第２図は詳細なブロック図、第３図は第１の形態の回路図、第４図は第１の形態の発電部の断面図を示している。
第１の形態の電源装置１は、圧電素子２１に歪みを加えることで発電させる発電部２と、繰り返し発電された電力を充電する充電部３とを備え、充電部３では、充電量が所定レベルに達したか否かを圧電素子２１の発電のタイミングに応じて判定する判定手段３３を有している。
この電源装置１は、発電部２と充電部３と出力部４とから構成されている。発電部２には、圧電素子２１と衝突部材２２とを備え、衝突部材２２が圧電素子２１に衝突することで歪みを与え、圧電素子２１を発電させている。
充電部３には、整流手段３１と充電手段３２と判定手段３３とスイッチ手段３４とが備えられている。整流手段３１は、発電部２で出力された交流電力を整流して脈流にする手段である。充電手段３２は、整流手段３１により得られた脈流を直流として充電する手段である。判定手段３３は、充電手段３２の充電量を圧電素子の発電のタイミングに応じて間欠的に監視し判定する手段である。この手段では、充電量は監視の際にごく少量消費されるが、間欠的に監視しているので監視による電力の消費を抑え、充電量への影響を低減させている。スイッチ手段３４は、判定手段３３により充電手段３２の充電量が所定レベルに達したことが判定された時に、充電手段３２の放電を開始させる。そして、放電された電力は出力部４を介して接続されている外部に供給される。
次に各部の構成を、第３図、第４図を用いて詳細に説明する。
まず発電部２は、第４図に詳細が示されるように、箱形のハウジング２３の内部の相対する壁側にそれぞれ取り付けた圧電素子２１に、ハウジング２３の内部で転動する衝突部材２２が衝突するように構成されている。衝突部材２２はボールからなっている。圧電素子２１は、ＰＺＴ系の２枚の板形の圧電セラミックス板２１１、２１２を分極が互いに逆になるように接合することにより、直列に接続された発電構成として分極による打ち消しが防止されて発電性能が高められるようになっている。また、圧電素子２１は、板形のクッション材２５の中央部分あるいは両端部（第４図では中央部分の場合を図示している）に接着剤２４（接着以外の固着方法でもよい）で部分的に接着され、クッション材２５は接着剤２４でハウジングに固定されている。従って、圧電セラミック板２１１、２１２の振動が継続されて発電性能が高められるとともに、衝突部材２２の衝突の衝撃から圧電素子２１を保護する。そして、圧電素子２１の表裏面に形成された膜状の電極２９、２９には、リード線２６１〜２６４がそれぞれ接続されて、後段の整流手段３１に引き出される。また、圧電素子２１の表面（衝突部材２２が衝突する面）には衝突部材２２の衝撃から圧電素子２１を保護する薄板形のプロテクタ２７が固着されている。また、相対する圧電素子２１の間には、衝突部材２２の転動移動の方向を規制して正確に圧電素子２１のプロテクタ２７が固着された部分に衝突するように案内するガイド２８が設けられている。ガイド２８としてここでは筒状のガイドを示しているが、仕切り板でもよい。
各部の素材としては、まず圧電セラミックス板２１１、２１２には、チタンジルコン酸亜鉛系の素材が好適であるがこれに限定されるものではない。また、この圧電セラミックス板２１１、２１２は、振動を長く持続し、より多くの発電を得るために、できるだけ硬くＱ値が高い物の方が望ましい。具体的にはＱ値が１０００以上、さらにはＱ値が２０００以上のものであることが好ましい。クッション材２５の素材としては、合成樹脂材、ゴム材、あるいはこれらをスポンジ状にした軟質材料が適しているが、具体的には、発泡ポリエチレン等が好適である。衝突部材２２の素材としては、その圧電素子２１を破壊しない程度に重量が重い方が発電効率がよく、具体的にはタングステンや鉄等が好適である。また、プロテクタ２７の素材としては、硬い金属あるいは合成樹脂等が適しており、具体的にはリン青銅やステンレス等が好適で、加工性の良いリン青銅が使いやすい。
なお、発電部２の構成及び圧電素子２１の発電のさせ方は、上述に限定されるものではない。この第１の形態では、発電部２０の圧電素子２１が対向した２箇所に設けられ、衝突部材２２が圧電素子２１、２１間で往復運動するよう構成されているが、圧電素子２１を１箇所または３箇所以上設けてもよい。また例えば、本発明者が特開２００１−１４５３７５号公報に示した２つの衝突部材を用いる構成や、衝突部材をバネ材で吊り下げる構成等も適用できる。また、単層の圧電セラミックス板２１１にこれと歪み変形量が釣り合うよう厚み調整された金属板を貼り合わせて、金属板側から衝突部材２２を衝突させて発電する構成としてもよい。さらに、衝突部材２２を省略し、両持ち支持した圧電素子２１を押圧して発電させる構成や、片持ち支持した圧電素子２１の自由振動により発電させる構成や、圧電素子２１にその他の歪み形状（波状等）を生じさせて発電させる構成としてもよい。
整流手段３１は、第３図に示されるようにダイオードＤ１〜Ｄ６により全波整流の回路が形成されており、発電部２で出力された交流電力をここで整流し脈流として後段に出力する。発電部２から取り出された４本のリード線２６１〜２６４のうちリード線２６２、２６３が結線され、３本のリード線が６個のダイオードＤ１〜Ｄ６に接続されている。なお、ここでは、リード線２６２、２６３を結線してダイオードの数を削減する回路を形成しているが、リード線２６２、２６３を結線せずに８個のダイオードに接続して全波整流の回路を形成してもよい。
充電手段３２は、コンデンサＣ１を備えている。このコンデンサは充電電池に代替してもよい。整流手段３１で整流された脈流は、コンデンサＣ１に直流として逐次充電され、衝突部材２２が圧電素子２１に衝突して発電を繰り返すたびにコンデンサＣ１の両端の電圧が高くなる。
スイッチ手段３４には、自己保持型電流スイッチが用いられている。第１の形態では、相補トランジスタを用いており、ＰＮＰトランジスタＴｒ１とＮＰＮトランジスタＴｒ２とを組み合わせている。このスイッチ手段３４では、第３図中に示すｂ点に、ｃ点の電圧より約０．６Ｖ（Ｔｒ１により決まる値）低い電圧が印加されると、Ｔｒ１がＯＮとなりほぼ同時にＴｒ２がＯＮとなる。このようにスイッチ手段３４がＯＮ状態となると、第３図中に示すｃ点とｄ点の間はきわめて低いインピーダンスとなる。そして、充電手段３２のコンデンサＣ１に貯めた電力を放電し、きわめて少ないロスで出力部４から外部に出力する。そして、このＯＮ状態は、自己保持状態となり放電停止するまで継続する。
判定手段３３は、コンデンサＣ２、Ｃ３と抵抗Ｒ１、Ｒ２を備えている。Ｃ３は誤動作防止用に設けたものである。コンデンサＣ２と抵抗Ｒ１は、圧電素子２１からの出力であるａ点とスイッチ手段３４のｂ点との間に設けられている。そして、この時定数で充電量の判定の際にｂ点に電圧を印加する時間を決めている。ａ点には衝突部材２２が圧電素子２１に衝突する度に交流電力が発生するが、この電圧は、コンデンサＣ１の両端の電圧にダイオードＤ５の順方向の電圧を加えた値である。そして、コンデンサＣ１が充電により電圧上昇するとともにａ点の交流電圧も上昇する。つまり、ａ点ではコンデンサＣ１両端の直流電圧にほぼ比例した交流電圧が、衝突部材２２が衝突するたびに、すなわち間欠的に得られる。そしてこのａ点での交流電圧は、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ２の時定数で決めたごく短時間だけｂ点に印加される。ｂ点の電圧は抵抗Ｒ１、Ｒ２の分配比により決められ、上述したようにｂ点の電圧がｃ点の電圧よりも約０．６Ｖ（Ｔｒ１により決まる値）低い電圧の値を超えるとスイッチ手段３４がＯＮとなる。ここでは、ｂ点の電圧は「ｃ点の電圧×（１−Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２））」で示されるため、このｂ点の電圧がｃ点の電圧よりも約０．６Ｖ低い電圧「ｃ点の電圧−約０．６Ｖ」と等しくなった時が判定の閾値となり、これをもって充電量のレベルを判定する。そのため、Ｒ１とＲ２を調整することで放電を開始させる充電量の所定レベルを任意に設定することができる。なお、ここではリード線２６４側にａ点を設けているが、リード線２６１側や、接続されたリード線２６２、２６３側に設けてもよい。また、ここでは２つの圧電素子のうち、一方の圧電素子２１が発電するタイミング毎に判定を行うよう構成しているが、双方の圧電素子２１が発電するタイミングで判定を行ったり、あるいは、圧電素子２１が発電するタイミングのｎ回毎（ｎは任意の数）に判定を行ったりするよう構成してもよい。
出力部４は、外部の機器と接続するための手段であり、コネクタ等で構成される。そして、充電されていた電力はこの出力部４を介して一気に外部の機器に供給される。
このように構成された第１の形態の動作について説明する。まず、発電部２が揺動等を受けると、衝突部材２２が圧電素子２１に衝突し、圧電素子２１が歪みを受け振動することで交流電力を発生する。発電部２には対向して圧電素子２１、２１が設けられているため、１回の揺動で効率よく発電を生じさせている。この交流電力は充電部３の整流手段３１で整流され脈流となり、これが充電手段３２に直流として充電される。そして、圧電素子２１に衝突部材２２の衝突を繰り返すことで、徐々に充電手段３２の充電量が増加する。
一方の圧電素子２１に衝突部材２２の衝突する毎に、ａ点には交流電力が間欠的に発生し、充電手段３２の充電量の増加につれてａ点の電圧も上昇する。ａ点に交流電圧が発生すると、その度ごとに判定手段３３のコンデンサＣ２と抵抗Ｒ１の時定数で決められたごく短時間のみｂ点に電圧が印加される。このｂ点に印加される電圧が所定の値以上になればスイッチ手段３４がＯＮし自己保持状態となり、充電手段３２に充電された電力を放電し、出力部４を介して外部に一気に供給する。
そして、充電手段３２に充電されていた電力が外部で消費され、ゼロＶ近くまで下がると、自己保持状態は自動的に解除され、再び充電手段３２の充電が開始される。
この構成では、判定手段３３は、衝突部材２２が圧電素子２１に衝突するタイミングに応じて、間欠的に充電量を判定する。そして、充電量が所定のレベルを超えたときに、はじめてスイッチ手段３４をＯＮ状態にし放電を生じさせる。すなわち、衝突部材２２が圧電素子２１に衝突しない状態では、充電量を判定しないため、判定のために充電量を消費することがない。そして、所定レベルまで貯まった充電量を一気に放電させることで、大きな電力を外部に供給することが可能となる。
本発明の電源装置１が接続される外部の機器としては、一定時間動作させる電子機器が適しており、例えば、大きな光量を必要とするランプやＬＥＤ類が好適である。
このように、第１の形態では、圧電素子２１の出力から、衝突部材２２が圧電素子２１に衝突して発電するたびに発生する交流電圧を取り出し、これを判定手段３３に用いて充電手段３２の充電量が所定レベルに達したか否かを判定している。このような充電量の間欠的な判定は、連続的な判定に比較して、判定のために無駄な電力を消費することを大幅に抑制し、充電手段３２の充電量を高めることができる。これにより、発電量の少ない圧電素子２１を利用しても、高い電力を必要とする機器の電源として使用することができるようになる。
次に、本発明の電源装置の第２の形態について図面に基づいて説明する。第５図は第２の形態の詳細なブロック図、第６図は第２の形態の回路図である。なお、第２の形態は、第１の形態の変形例であるため、同じ説明は同一符号を付して詳細を省略する。
電源装置１の判定手段３３として、第１の形態ではａ点の交流電圧を用いたが、これに替えて第２の形態では充電手段３２の充電量に応じた電圧を有する擬似的な交流電圧を発生させ、この交流電圧を判定に用いるように構成している。
第２の形態では充電部３に交流発生手段３５として、発電部２と一体になって可動するメカニカルスイッチＳｗ１を備えている。このメカニカルスイッチＳｗ１の一方は充電手段３２のコンデンサＣ１のプラス側、他方が判定手段３３のコンデンサＣ２に接続されている。メカニカルスイッチＳｗ１は、発電部２が揺動する度にＯＮ、ＯＦＦし、このＯＮ、ＯＦＦ動作により充電手段３２のコンデンサＣ１両端の電圧を間欠的に擬似的な交流電圧としてコンデンサＣ２に印加する。そしてコンデンサＣ２と抵抗Ｒ１による時定数で決められたごく短時間のみｂ点に電圧を印加する。そして、ｂ点に印加される電圧が一定電圧以上になると、第１の形態と同様にスイッチ手段３４が動作し、充電手段３２が放電される。
このように、擬似的な交流電圧を発生させ、これを用いても第１の形態と同様の作用、効果を得ることができる。
次に、本発明の電源装置の第３の形態について図面に基づいて説明する。第７図は第３の形態の発電部の断面図である。第３の形態は第１の形態の発電部の変形例であるため、同じ説明は同一符号を付して詳細を省略する。
第３の形態の発電部２０では、第１の形態の発電部２で直列に接続されていた圧電素子２１が、並列に接続されていることを特徴としている。圧電素子２１は２枚の圧電セラミックス板２１１、２１２を分極が同一方向になるように組み合わせ、圧電セラミックス板２１１、２１２の間に電極２９２を挟んで接合している。電極２９２は第７図では拡大して図示しているが、実際は極めて薄い膜状（１０〜５０μｍ程度）の金属電極で、圧電素子２１が歪むときに機械的抵抗になりにくい材料、具体的にはリン青銅や真ちゅう等でできている。また、圧電セラミックス板２１１、２１２のそれぞれの電極２９２の反対面に電極２９１、２９１が形成されている。そして、電極２９２からリード線２６２（２６４）が引き出されるとともに、電極２９１、２９１から引き出されたリード線が結線されてリード線２６１（２６３）として、第３図と同様に後段に接続される。その他の構成は実施の形態（１）と同様である。
このように並列型の発電構成とすると直列型に比べて、約２倍の電流出力が得られる。そのため、コンデンサの蓄電に用いると、直列型の半分の運動エネルギーで、直列型と同じ量の電荷を得ることができる。
なお、第１〜第３の形態では、電源装置１は出力部４を介して外部に接続されるとして説明したが、もちろん電子機器等の装置に内蔵される電源として適用してもよい。
＜産業上の利用可能性＞
以上、本発明の電源装置は、圧電素子により発電した電力を充電する充電部の充電量を、圧電素子の発電のタイミングに応じて判定することを特徴としている。これにより、充電量が所定のレベルに達したかどうかを常時監視・判定するのではなく、充電量が増加するタイミングに応じて効率よく、間欠的に監視・判定するため、監視や判定のための充電量を無駄に消費することがなく、より多くの電力を充電することができる。
また、無駄なく充電された電力が所定レベルの充電量に達したと判定されるまで放電を開始しないスイッチ手段を設けることで、必要量まで充電した電力を一気に供給することができる。これにより、圧電素子を利用した電源装置であっても、高い電力を必要とする外部の機器の電源装置として、幅広い用途の機器に利用できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の第１の形態のブロック図である。
第２図は、本発明の第１の形態の詳細なブロック図である。
第３図は、本発明の第１の形態の回路図である。
第４図は、本発明の第１の形態の発電部の断面図である。
第５図は、本発明の第２の形態の詳細なブロック図である。
第６図は、本発明の第２の形態の回路図である。
第７図は、本発明の第３の形態の発電部の断面図である。

Claims (4)

1. 圧電素子に歪みを加えることで発電させる発電部と、繰り返し発電された電力を充電する充電部とを備え、充電部では、発電部で出力された交流電力を整流するための整流手段と、電力を蓄えるための充電手段と、前記充電手段の充電量が所定レベルに達したか否かを圧電素子の発電のタイミングに応じて判定する判定手段と、前記判定手段で充電量が所定レベルに達したと判定されるまで放電を開始させないスイッチ手段とを有することを特徴とする電源装置。
2. 請求の範囲１記載の電源装置において、発電部には、圧電素子と圧電素子に衝突する衝突部材が備えられ、衝突部材が圧電素子に衝突して発電させるタイミングに応じて、前記判定手段では充電量を判定することを特徴とする電源装置。
3. 請求の範囲１または２記載の電源装置において、前記判定手段では、圧電素子から発電時に出力される交流電圧を用いて判定することを特徴とする電源装置。
4. 請求の範囲１または２記載の電源装置において、前記判定手段では、充電部の充電量に応じた電圧を有する擬似的な交流電圧を発生させ、この交流電圧を用いて判定することを特徴とする電源装置。

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