JP5979353B2 - Power generation device, electronic device, moving means and battery - Google Patents
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Description
本発明は、発電装置、電子機器、移動手段及び電池に関する。 The present invention relates to a power generation device, electronic equipment, moving means, and a battery.
チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)や、水晶(SiO2)、酸化亜鉛(ZnO)などの圧電材料は、外力を受けて変形すると、材料内部に電気分極が誘起されて表面に正負の電荷が現れる。このような現象は、いわゆる圧電効果と呼ばれている。圧電材料が有するこのような性質を利用して、片持ち梁を振動させて圧電材料に繰り返し加重を作用させ、圧電材料の表面に生じた電荷を電気として取り出す発電方法が提案されている。 When piezoelectric materials such as lead zirconate titanate (PZT), quartz (SiO 2 ), and zinc oxide (ZnO) are deformed by external force, electric polarization is induced inside the material, and positive and negative charges appear on the surface. . Such a phenomenon is called a so-called piezoelectric effect. A power generation method has been proposed in which the cantilever beam is vibrated by repeatedly applying a load to the piezoelectric material by utilizing such properties of the piezoelectric material, and electric charges generated on the surface of the piezoelectric material are taken out as electricity.
例えば、先端に錘を設けると共に圧電材料の薄板を貼り付けた金属製の片持ち梁を振動させ、振動に伴って圧電材料に交互に生じる正負の電荷を取り出すことによって交流電流を発生させる。そして、この交流電流をダイオードによって整流した後、コンデンサーに蓄えておき、電力として取り出す技術が提案されている(特許文献1)。また、圧電素子で正の電荷が発生している間だけ接点が閉じるようにすることで、ダイオードでの電圧損失を発生させずに直流電流が得られるようにした技術も提案されている(特許文献2)。これら技術を用いれば、発電装置を小型化することができるので、例えば小型の電子部品に電池の代わりに組み込むなどの応用が期待されている。 For example, an alternating current is generated by providing a weight at the tip and vibrating a metal cantilever with a piezoelectric material thin plate and taking out positive and negative charges alternately generated in the piezoelectric material in accordance with the vibration. A technique has been proposed in which this alternating current is rectified by a diode, stored in a capacitor, and extracted as electric power (Patent Document 1). In addition, a technique has been proposed in which a direct current can be obtained without causing a voltage loss in a diode by closing a contact only while a positive charge is generated in a piezoelectric element (patent) Reference 2). If these technologies are used, the power generation device can be reduced in size, and therefore, for example, applications such as incorporation in a small electronic component instead of a battery are expected.
しかし、提案されている従来の技術では、得られる電圧が、圧電材料の電気分極によって生じる電圧までに限られるという問題があった。このため、ほとんどの場合は、別に昇圧回路が必要となり、発電装置を十分に小型化することが難しいという問題があった。 However, the proposed conventional technique has a problem that the obtained voltage is limited to the voltage generated by the electric polarization of the piezoelectric material. For this reason, in most cases, a separate booster circuit is required, and there is a problem that it is difficult to sufficiently reduce the size of the power generator.
この発明は、従来の技術が有する上述した課題を解決するためになされたものであり、圧電材料の圧電効果を利用した発電装置を大型化させることなく、高い電圧を発生させることが可能な発電装置、電子機器、移動手段及び電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems of the prior art, and is capable of generating a high voltage without increasing the size of a power generation device using the piezoelectric effect of a piezoelectric material. An object is to provide an apparatus, an electronic device, a moving unit, and a battery.
[適用例1]
適用例にかかる発電装置は、圧電材料によって形成された圧電部材と、前記圧電部材に設けられた一対の電極と、前記圧電部材を繰り返し変形させる変形部材と、前記一対の電極の間に設けられ、前記圧電部材の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、前記インダクターに対して直列に接続されたスイッチと、前記一対の電極に接続され、前記圧電部材が発生する交流電流を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電流を蓄電する蓄電素子と、前記圧電部材の電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部で検出される第1電圧が極大値又は極小値であるかを判断し、前記第1電圧が極大値であると判断したとき、前記第1電圧を検出した後に前記電圧検出部で検出される第2電圧が、前記極大値から基準電圧以上減少したときに前記スイッチを接続し、前記第1電圧が極小値であると判断したとき、前記第1電圧を検出された後に前記電圧検出部で検出される第2電圧が、前記極小値から基準電圧以上増加したときに前記スイッチを接続する制御部と、を含む、発電装置である。
[Application Example 1]
A power generation apparatus according to an application example is provided between a piezoelectric member formed of a piezoelectric material, a pair of electrodes provided on the piezoelectric member, a deformation member that repeatedly deforms the piezoelectric member, and the pair of electrodes. A capacitive component of the piezoelectric member and an inductor constituting a resonance circuit, a switch connected in series to the inductor, and a rectifier circuit connected to the pair of electrodes and rectifying an alternating current generated by the piezoelectric member A storage element that stores the output current of the rectifier circuit, a voltage detection unit that detects the voltage of the piezoelectric member, and whether the first voltage detected by the voltage detection unit is a maximum value or a minimum value When it is determined that the first voltage has a maximum value, the second voltage detected by the voltage detection unit after detecting the first voltage has decreased from the maximum value by a reference voltage or more. When the switch is connected and the first voltage is determined to be a minimum value, the second voltage detected by the voltage detection unit after the first voltage is detected increases from the minimum value by a reference voltage or more. And a control unit that connects the switch when the power is generated.
この適用例によれば、圧電部材が変形部材に設けられているので、変形部材が変形することによって、圧電部材も変形する。その結果、これら圧電部材には、圧電効果によって正負の電荷が発生する。なお、電荷の発生量は、圧電部材の変形量が大きくなるほど多くなる。また、圧電部材はインダクターと共に共振回路を構成しており、その共振回路にはスイッチが設けられている。そして、スイッチでの導通を切断した状態で変形部材の変形を開始して、変形量が大きくなったとき(例えば、変形方向が切り換わるとき)に、スイッチを導通状態とする。圧電部材は変形部材と共に変形し、変形量が大きくなるほど多くの電荷を発生させるから、例えば、圧電部材で発生した電荷が最も多くなったときに、圧電部材がインダクターに接続されて共振回路を形成する。すると、圧電部材に発生していた電荷がインダクターに流れ込む。そして、圧電部材及びインダクターは共振回路を構成しているから、インダクターに流れ込んだ電流はオーバーシュートして、圧電部材の反対側の端子に流れ込む。この期間(すなわち、圧電部材に設けられた一対の電極のうち一方の電極から流れ出した電荷が、インダクターを介して他方の電極から再び圧電部材内に流れ込むまでの期間)は、圧電部材及びインダクターによって形成される共振回路の共振周期の半分となる。したがって、圧電部材の変形方向が切り換わったときにスイッチを接続して共振回路を形成し、その後、共振周期の半分の時間が経過したときにスイッチを切断すれば、インダクターを接続する前に圧電部材内に発生していた正負の電荷の配置を逆転させることができる。そして、その状態から、今度は逆方向に変形部材を変形させれば、圧電部材が逆方向に変形するため、正負の電荷の配置が逆転した状態からさらに圧電効果によって発生した新たな電荷が積み増されるようにして圧電部材内に電荷が蓄積される。また、圧電部材内に電荷が蓄積されるにしたがって発生する電圧も増加するので、昇圧回路を別途用意しなくても、圧電部材を構成する圧電材料の電気分極によって生じる電圧よりも高い電圧を発生させることができる。さらに、こうして圧電部材内に効率よく電荷を蓄積するためには、圧電部材の変形方向が切り換わったときにスイッチを接続して共振回路を形成することが重要となる。制御部が、電圧検出部で検出される第1電圧が極大値又は極小値であるかを判断し、第1電圧が極大値であると判断したとき、第1電圧を検出した後に電圧検出部で検出される第2電圧が、極大値から基準電圧以上減少したときにスイッチを接続し、第1電圧が極小値であると判断したとき、第1電圧を検出された後に電圧検出部で検出される第2電圧が、極小値から基準電圧以上増加したときに前記スイッチを接続することによって、変形部材の変形方向が切り換わるタイミングで容易にスイッチを接続できる。そして、制御部は、圧電部材の変形方向の切り換わるタイミングから所定期間だけスイッチを導通状態とすることで、圧電部材内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。したがって、圧電効果を利用して、小型で効率的に高い電圧を発生させることが可能な発電装置を実現できる。なお、蓄電素子は、例えば、コンデンサーであっても二次電池であってもよい。 According to this application example, since the piezoelectric member is provided on the deformable member, the piezoelectric member is also deformed when the deformable member is deformed. As a result, positive and negative charges are generated in these piezoelectric members due to the piezoelectric effect. Note that the amount of generated charge increases as the amount of deformation of the piezoelectric member increases. The piezoelectric member forms a resonance circuit together with the inductor, and the resonance circuit is provided with a switch. Then, the deformation of the deformable member is started in a state where the conduction at the switch is cut off, and when the amount of deformation becomes large (for example, when the deformation direction is switched), the switch is turned on. The piezoelectric member is deformed together with the deforming member, and the larger the amount of deformation, the more electric charge is generated. For example, when the electric charge generated in the piezoelectric member is the largest, the piezoelectric member is connected to the inductor to form a resonance circuit. To do. Then, the electric charge generated in the piezoelectric member flows into the inductor. Since the piezoelectric member and the inductor constitute a resonance circuit, the current flowing into the inductor overshoots and flows into the terminal on the opposite side of the piezoelectric member. During this period (that is, the period until the electric charge flowing out from one of the pair of electrodes provided on the piezoelectric member flows again from the other electrode into the piezoelectric member through the inductor), the piezoelectric member and the inductor It becomes half of the resonance period of the formed resonance circuit. Therefore, when the deformation direction of the piezoelectric member is switched, a switch is connected to form a resonance circuit. After that, when the half of the resonance period has elapsed, the switch is cut off before the inductor is connected. The arrangement of positive and negative charges generated in the member can be reversed. From this state, if the deformable member is deformed in the opposite direction, the piezoelectric member is deformed in the opposite direction. Therefore, new charges generated by the piezoelectric effect are further accumulated from the state where the arrangement of positive and negative charges is reversed. The charge is accumulated in the piezoelectric member in such a manner as to be increased. In addition, since the voltage generated as the charge is accumulated in the piezoelectric member increases, a voltage higher than the voltage generated by the electric polarization of the piezoelectric material constituting the piezoelectric member is generated without the need for a separate booster circuit. Can be made. Further, in order to efficiently accumulate charges in the piezoelectric member in this way, it is important to connect a switch to form a resonance circuit when the deformation direction of the piezoelectric member is switched. When the control unit determines whether the first voltage detected by the voltage detection unit is a maximum value or a minimum value and determines that the first voltage is a maximum value, the voltage detection unit detects the first voltage and then detects the first voltage. The switch is connected when the second voltage detected in step 1 decreases from the maximum value to the reference voltage or more, and when the first voltage is determined to be the minimum value, the first voltage is detected and then detected by the voltage detection unit. By connecting the switch when the second voltage is increased from the minimum value to the reference voltage or more, the switch can be easily connected at the timing when the deformation direction of the deformation member is switched. And a control part can accumulate | store an electric charge efficiently in a piezoelectric member by making a switch into a conduction | electrical_connection state only for a predetermined period from the timing which the deformation | transformation direction of a piezoelectric member switches. Therefore, it is possible to realize a small-sized power generation device that can efficiently generate a high voltage by using the piezoelectric effect. The power storage element may be, for example, a capacitor or a secondary battery.
[適用例2]
上記適用例にかかる発電装置において、前記整流回路はダイオードを含む全波整流回路であり、前記基準電圧は前記ダイオードの順方向降下電圧値の2倍以下であることが好ましい。
[Application Example 2]
In the power generation device according to the application example described above, it is preferable that the rectifier circuit is a full-wave rectifier circuit including a diode, and the reference voltage is not more than twice a forward drop voltage value of the diode.
[適用例3]
適用例にかかる発電装置は、上述の発電装置を含む電子機器である。
[Application Example 3]
The power generation device according to the application example is an electronic device including the above-described power generation device.
[適用例4]
適用例にかかる発電装置は、上述の発電装置を含む移動手段である。
[Application Example 4]
The power generator according to the application example is a moving unit including the above-described power generator.
[適用例5]
適用例にかかる発電装置は、上述の発電装置を含む電池である。
[Application Example 5]
The power generator according to the application example is a battery including the above-described power generator.
これらの適用例によれば、本発明の発電装置を電池に組み込んだり、電池の代わりにリモコン等の小型電子機器に組み込んだりすることが可能であるため、小型電子機器の移動によって発電できるほか、例えば、車両や電車などの移動手段に本発明の発電装置を用いることで、移動に伴う振動によって発電し、移動手段に備わる機器に効率良く電力供給することもできる。 According to these application examples, since the power generation device of the present invention can be incorporated into a battery, or can be incorporated into a small electronic device such as a remote controller in place of the battery, power can be generated by movement of the small electronic device, For example, by using the power generation device of the present invention for a moving means such as a vehicle or a train, it is possible to generate electric power by vibration accompanying the movement and efficiently supply power to equipment provided in the moving means.
以下、本発明の好適な実施例について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施例は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。 Preferred embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings. In addition, the Example described below does not unduly limit the content of the present invention described in the claims. Also, not all of the configurations described below are essential constituent requirements of the present invention.
以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序にしたがって実施例を説明する。 Hereinafter, in order to clarify the contents of the present invention described above, examples will be described in the following order.
A.第1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SWの切換タイミング:
B.第2実施例:
C.第3実施例:
D.電子機器、移動手段及び電池:
A. First embodiment:
A-1. Structure of power generator:
A-2. Power generator operation:
A-3. The operating principle of the power generator:
A-4. Switch SW switching timing:
B. Second embodiment:
C. Third embodiment:
D. Electronic equipment, moving means and batteries:
A.第1実施例:
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、変形方向を切り換えて変形することができる。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、圧電素子108が設けられている。圧電素子108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108cと、圧電部材108cの表面に金属薄膜によって形成された第1電極(上部電極)108a及び第2電極(下部電極)108bとを含んで構成されている。第1電極(上部電極)108a及び第2電極(下部電極)108bは、圧電部材108cを挟んで対向配置されている。なお、梁104は圧電部材108cを繰り返し変形させることができるから、梁104が本発明の「変形部材」に相当する。また、第1電極108a及び第2電極108bが本発明の「一対の電極」に相当する。
A. First embodiment:
A-1. Structure of power generator:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the structure of the
梁104は、基端側が支持端102に固定されており、先端側には錘106が設けられているので、振動などが加わると、図中に白抜きの矢印で示したように、梁104の先端が大きく振動する。その結果、梁104の表面に設けられた圧電素子108には、圧縮力及び引張力が交互に作用する。すると、圧電素子108の圧電部材108cは圧電効果によって正負の電荷を発生し、その電荷が第1電極108a及び第2電極108bに現れる。また、錘106は必須ではないが、梁104の先端側と基端側とで重量のバランスが非均衡であることが望ましい。なぜなら、重量のバランスが非均衡であることで、例えば、1つの振動によって梁104の変位が反復しやすくなるためである。
The
図1(b)には、本実施例の発電装置100の回路図が例示されている。圧電素子108の圧電部材108cは、電気的には、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサー(容量成分)Cgとして表すことができる。インダクターLは、第1電極108aと第2電極108bとの間に設けられ、圧電部材108cに対して並列に接続されて、圧電素子108を含む共振回路を構成している。すなわち、インダクターLは、圧電部材108cの容量成分Cgと共に電気的な共振回路を形成している。そして、この共振回路には、共振回路をON/OFFするためのスイッチSWが、インダクターLに対して直列に接続されて設けられている。
FIG. 1B illustrates a circuit diagram of the
また、圧電素子108の圧電部材108cに設けられた第1電極108a及び第2電極108bは、圧電素子108の圧電部材108cが発生させる電流を整流する整流回路120に接続されている。本実施例においては、整流回路120は、4つのダイオードD1〜D4から構成される全波整流回路である。整流回路120を全波整流回路で構成することによって、圧電素子108の圧電部材108cから発生した電荷を効率よく引き出して、効率よく発電することができる。
The
蓄電素子C1は、整流回路120の出力電流を蓄電する。図1(b)に示される例では、蓄電素子C1は、整流回路120を介して圧電素子108と並列に接続されている。すなわち、圧電素子108の圧電部材108cに生じる電圧を利用して蓄電素子C1に充電できるように接続されている。蓄電素子C1としては、例えば、種々の公知のコンデンサーや、リチウムイオン電池やニッケル・カドミウム蓄電池などの種々の公知の二次電池などを採用できる。
The power storage element C1 stores the output current of the
電圧検出部130は、圧電部材108cの電圧Vgenを検出する。図1(b)に示される例では、電圧検出部130は、第1電極108aと第2電極108bとの間の電圧を検出する。電圧検出部130は、例えば、A/Dコンバーターを含んで構成され、圧電部材108cの電圧Vgenに関する情報を、後述される制御部140に出力してもよい。
The
制御部140は、スイッチSWを制御する。より具体的には、制御部140は、電圧検出部130で検出される第1電圧が極大値又は極小値であるかを判断し、第1電圧が極大値であると判断したとき、第1電圧を検出した後に電圧検出部130で検出される第2電圧が、極大値から基準電圧以上減少したときにスイッチSWを接続し、第1電圧が極小値であると判断したとき、第1電圧を検出された後に電圧検出部130で検出される第2電圧が、極小値から基準電圧以上増加したときにスイッチSWを接続する。また、制御部140は、スイッチSWを接続してから所定時間経過後にスイッチSWを切断してもよい。制御部140の動作の詳細については後述される。制御部140は、例えば、CPU(Central Processing Unit)を含んで構成されていてもよい。
The
A−2.発電装置の動作:
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の振動に伴って、梁104の先端の変位uが変化する様子が示されている。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108cが発生する電流の様子と、その結果として圧電部材108c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108c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108cに生じる起電力は、第1電極108aと第2電極108bとの間に生じる電圧Vpztとして表されている。
A-2. Power generator operation:
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the operation of the
図2(a)及び図2(b)に示されるように、梁104の変位が増加している間は、圧電部材108cは正方向の電流を発生させ(すなわち、電流Ipztがプラス値)、これに伴って第1電極108a及び第2電極108bの電圧Vpztは正方向へ増加する。正方向の電圧Vpztが、蓄電素子C1の電圧VC1と整流回路120を構成しているダイオードの順方向降下電圧Vfの2倍との和、すなわち、VC1+2Vfよりも大きくなれば、それ以降に発生した電荷は直流電流として取り出して、蓄電素子C1に蓄えておくことができる。また、梁104の変位が減少している間は、圧電部材108cは負方向の電流を発生させ(すなわち、電流Ipztがマイナス値)、これに伴って第1電極108a及び第2電極108bの電圧Vpztは負方向へ増加する。負方向の電圧Vpztが、Vc1と整流回路120の2Vfの和よりも大きくなれば、発生した電荷は直流電流として取り出して、蓄電素子C1に蓄えておくことができる。すなわち、図1のスイッチSWをOFFにしたままでも、図2(b)中に斜線を付して示した部分については、蓄電素子C1に電荷を蓄えることができる。
As shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), while the displacement of the
一定時間に圧電部材108cから取り出せる電荷量(発電効率)はスイッチSWがONするタイミングによって異なり、図2(c)に示すように、梁104の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチSWがONする場合に発電効率が最大となる。以下では、まず発電効率が最大となる場合の動作について説明する。
The amount of electric charge (power generation efficiency) that can be taken out from the
制御部140が、図2(c)に示すタイミングでSWをONにしたとする。すると、図2(d)に示すように、第1電極108aと第2電極108bとの間の電圧波形が、スイッチSWをONにしたときにシフトしたかのような現象が発生する。すなわち、例えば、図2(d)中に「B」と表示した期間Bでは、圧電部材108cの起電力に対応する細い破線で示した電圧Vpztの波形がマイナス方向にシフトしたような、太い破線で示した電圧波形が第1電極108aと第2電極108bとの間に現れる。このような現象が発生する理由については後述する。また、図2(d)中に「C」と表示した期間Cでは、圧電部材108cの起電力に対応する電圧Vpztの波形がプラス方向にシフトしたような、太い破線の電圧波形が現れる。以降の期間D、期間E、期間Fなどについても同様に、圧電部材108cの起電力に対応する電圧Vpztの波形がプラス方向あるいはマイナス方向にシフトしたような、太い破線の電圧波形が現れる。そして、シフトした電圧波形が、VC1と2Vfとの和を超えた部分(図2(d)中に斜線を付して示した部分)では、圧電部材108cで発生した電荷を蓄電素子C1に蓄えておくことができる。なお、圧電部材108cから蓄電素子C1に電荷が流れる結果、第1電極108aと第2電極108bとの間の電圧Vgenは、VC1と2Vfとの和の電圧でクリップされる。その結果、第1電極108a及び第2電極108bの間の電圧波形は、図2(d)に太い実線で示した波形となる。
Assume that the
図2(b)に示したスイッチSWをOFFにしたままの場合と、図2(d)に示したように、梁104の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチSWをONにした場合とを比較すれば明らかなように、本実施例の発電装置100では、適切なタイミングでスイッチSWをONにすることで、効率よく、蓄電素子C1に電荷を蓄えることが可能となる。そこで、第1実施例の発電装置100は、スイッチSWを適切なタイミングでONにするために、圧電部材108cの電圧Vgenを検出する電圧検出部130を設け、圧電部材108cの電圧Vgenに基づいてスイッチSWを制御している。この点については、後ほど詳しく説明する。
Comparison between the case where the switch SW shown in FIG. 2B is kept OFF and the case where the switch SW is turned ON at the timing when the deformation direction of the
また、蓄電素子C1に電荷が蓄えられて、蓄電素子C1の端子間電圧が増加すると、それにしたがって電圧波形のシフト量も大きくなる。例えば、図2(d)中の期間B(蓄電素子C1に電荷が蓄えられていない状態)と、図2(d)中の期間H(蓄電素子C1に少し電荷が蓄えられた状態)とを比較すると、期間Hの方が電圧波形のシフト量が大きくなっている。同様に、図2(d)中の期間Cと期間Iとを比較すると、蓄電素子C1に蓄えられた電荷が増えている期間Iの方が、電圧波形のシフト量が大きくなっている。このような現象が発生する理由については後述するが、この結果、本実施例の発電装置100では、圧電部材108cを変形させたことによって、第1電極108aと第2電極108bとの間に生じる電圧Vpzt以上の電圧を、蓄電素子C1に蓄えることも可能となる。その結果、特別な昇圧回路を設ける必要がなくなり、小型で高効率の発電装置を得ることが可能となる。
Further, when charge is stored in the storage element C1 and the voltage between the terminals of the storage element C1 increases, the shift amount of the voltage waveform increases accordingly. For example, a period B in FIG. 2D (a state in which no charge is stored in the storage element C1) and a period H in FIG. 2D (a state in which a little charge is stored in the storage element C1) are included. In comparison, the shift amount of the voltage waveform is larger in the period H. Similarly, when the period C and the period I in FIG. 2D are compared, the shift amount of the voltage waveform is larger in the period I in which the charge stored in the power storage element C1 is increasing. The reason why such a phenomenon occurs will be described later. As a result, in the
A−3.発電装置の動作原理:
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では、圧電部材108cの変形に合わせてスイッチSWをONにしたときのCg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108c(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108c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、圧電部材108cの端子間には正方向の電圧が発生する。電圧値は、圧電部材108cの変形が大きくなるほど増加する。そして、圧電部材108cの変形がピークとなったタイミング(電荷量がピークになったタイミング。図3(b)参照)で、スイッチSWをONにする。
A-3. The operating principle of the power generator:
FIG. 3 is an explanatory diagram conceptually showing the first half of the operating principle of the
図3(c)には、スイッチSWをONにした直後の状態が示されている。Cgには電荷が蓄えられているから、この電荷がインダクターLに流れようとする。インダクターLに電流が流れると磁束が生じる(磁束が増加する)が、インダクターLには、自らを貫く磁束の変化を妨げる方向に逆起電力が生じる性質(自己誘導作用)がある。スイッチSWをONにしたときには、電荷が流れることによって磁束が増加しようとするから、この磁束の増加を妨げる方向(換言すれば、電荷の流れを妨げる方向)に逆起電力が発生する。また、逆起電力の大きさは、磁束の変化速度(単位時間あたりの変化量)に比例する。図3(c)には、このようにしてインダクターLに生じる逆起電力が、斜線を付した矢印によって表されている。このような逆起電力が発生するため、スイッチSWをONにしても、圧電部材108cの電荷は少しずつしか流れ出さない。すなわち、インダクターLを流れる電流は少しずつしか増加しない。
FIG. 3C shows a state immediately after the switch SW is turned on. Since charge is stored in Cg, this charge tends to flow to the inductor L. When a current flows through the inductor L, a magnetic flux is generated (the magnetic flux increases), but the inductor L has a property (self-inducing action) in which a counter electromotive force is generated in a direction that prevents a change in the magnetic flux passing through the inductor L. When the switch SW is turned on, the magnetic flux tends to increase due to the flow of electric charge, so that a counter electromotive force is generated in a direction that prevents the increase of the magnetic flux (in other words, a direction that prevents the flow of electric charge). The magnitude of the back electromotive force is proportional to the magnetic flux change rate (change amount per unit time). In FIG. 3C, the back electromotive force generated in the inductor L in this way is represented by a hatched arrow. Since such a back electromotive force is generated, even if the switch SW is turned on, the electric charge of the
その後、インダクターLを流れる電流がピークになると、磁束の変化速度が「0」となるので、図3(d)に示したように逆起電力が「0」となる。そして、今度は電流が減少し始める。すると、インダクターLを貫く磁束が減少するので、インダクターLには、この磁束の減少を妨げる方向(電流を流そうとする方向)の起電力が発生する(図3(e)参照)。その結果、この起電力によってCgから電荷を引き抜きながら、インダクターLを電流が流れ続ける。そして、電荷の移動の途中で損失が発生しなければ、圧電部材108cの変形によって生じた全ての電荷が移動して、ちょうど正負の電荷が置き換わったような状態(すなわち、圧電部材108cの下面側に正電荷が分布し、上面側に負電荷が分布した状態)となる。図3(f)には、圧電部材108cの変形によって生じた正負の電荷が全て移動した状態が表されている。
Thereafter, when the current flowing through the inductor L reaches a peak, the change rate of the magnetic flux becomes “0”, so that the counter electromotive force becomes “0” as shown in FIG. This time, the current starts to decrease. Then, since the magnetic flux penetrating through the inductor L is reduced, an electromotive force is generated in the inductor L in a direction that prevents the magnetic flux from being reduced (direction in which a current is to flow) (see FIG. 3E). As a result, the current continues to flow through the inductor L while extracting electric charge from Cg by the electromotive force. If no loss occurs during the movement of the charge, all the charges generated by the deformation of the
仮に、このままスイッチSWをONにしておくと、今度は上述した内容と逆の現象が生じる。すなわち、圧電部材108cの下面側の正電荷がインダクターLに流れようとして、このときインダクターLには、電荷の流れを妨げる方向の逆起電力が発生する。その後、インダクターLを流れる電流がピークに達した後、減少に転じると、今度は電流の減少を妨げる方向(電流を流し続けようとする方向)の起電力がインダクターLに発生する。その結果、圧電部材108cの下面側にあった全ての正電荷が上面側に移動した状態(図3(b)に示した状態)となる。こうして圧電部材108cの上面側に戻った正電荷は、再び、図3(b)〜図3(f)を用いて前述したようにして、下面側に移動する。
If the switch SW is turned on as it is, a phenomenon opposite to the above-described content occurs. That is, the positive charge on the lower surface side of the
このように、Cgに電荷が蓄えられた状態でスイッチSWをONにした後、その状態を保っておくと、圧電部材108cとインダクターLとの間で電流の向きが交互に反転する一種の共振現象が発生する。そして、この共振現象の周期は、いわゆるLC共振回路の共振周期Tとなるから、圧電部材108cに含まれる容量成分Cgの大きさ(キャパシタンス)をC、インダクターLの誘導成分の大きさ(インダクタンス)をLとすると、T=2π(LC)0.5によって与えられる。したがって、スイッチSWをONにした直後(図3(b)に示した状態)から、図3(f)に示した状態となるまでの時間は、T/2となる。
In this way, after the switch SW is turned on with the electric charge stored in Cg, if the state is maintained, the direction of the current is alternately reversed between the
そこで、スイッチSWをONにしてからT/2が経過した時点で、図4(a)に示すようにスイッチSWをOFFにする。そしてこの状態から、圧電部材108c(正確には梁104)を今度は下向きに(下面側が凹となるように)変形させる。前述した図3(a)では、圧電部材108cを上向きに変形させたが、図4(a)では下向きに変形させているので、電流源から負方向の電流が流れ、圧電部材108cの端子間の電圧が負方向へ大きくなるようにCgに電荷が蓄積する。また、図3(a)〜図3(f)を用いて前述したように、圧電部材108c(正確には梁104)を下向きに変形させる前の段階で、圧電部材108cの下面側には正電荷が分布し、上面側には負電荷が分布しているから、これらの電荷に加えて、下面側には新たな正電荷が蓄積され、上面側には新たな負電荷が蓄積されることになる。図4(b)には、スイッチSWをOFFにした状態で圧電部材108c(正確には梁104)を変形させることによって、圧電部材108cに新たな電荷が蓄積された状態が示されている。
Therefore, when T / 2 has elapsed since the switch SW was turned on, the switch SW is turned off as shown in FIG. From this state, the
そして、この状態からスイッチSWをONにすると、圧電部材108cの下面側に蓄積された正電荷がインダクターLに流れようとする。このときインダクターLには逆起電力が発生するので(図4(c)参照)、電流は少しずつ流れ始めるが、やがてピークに達して、その後は減少に転じる。すると、インダクターLには、電流の減少を妨げる方向(電流を流し続けようとする方向)に起電力が発生し(図4(e)参照)、この起電力によって電流が流れ続けて、最終的には、圧電部材108cの下面側に分布していた全ての正電荷が上面側に移動し、上面側に分布していた全ての負電荷が下面側に移動した状態となる(図4(f)参照)。また、下面側の全ての正電荷が上面側に移動し、上面側の全ての負電荷が下面側に移動する時間は、LC共振回路の共振周期Tの半分に相当する時間T/2となる。そこで、スイッチSWをONにした後、時間T/2が経過したらスイッチSWをOFFにして、今度は圧電部材108c(正確には梁104)を上向きに(上面側が凹となるように)変形させれば、圧電部材108c内にさらに正負の電荷を蓄積することができる。
When the switch SW is turned on from this state, the positive charge accumulated on the lower surface side of the
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108cを変形させて電荷を発生させた後、圧電部材108cをインダクターLに接続して、共振周期Tの半分の時間だけ共振回路を形成することで、圧電部材108c内での正負の電荷の分布を反転させる。その後、圧電部材108cを今度は逆方向に変形させて新たな電荷を発生させる。圧電部材108c内での正負の電荷の分布は反転されているから、新たに発生させた電荷は圧電部材108cに蓄積されることになる。その後、再び、共振周期Tの半分の周期だけ圧電部材108cをインダクターLに接続して、圧電部材108c内での正負の電荷の分布を反転させた後、圧電部材108cを逆方向に変形させる。このような動作を繰り返すことで、圧電部材108cを繰り返し変形させる度に、圧電部材108cに蓄積された電荷を増加させることができる。
As described above, in the
図2を用いて前述したように本実施例の発電装置100では、スイッチSWをONにする度に第1電極108aと第2電極108bとの間に生じる電圧波形がシフトする特異な現象が生じるが、この現象は、以下のようなメカニズムによって発生する。すなわち、例えば図2(d)中に示した期間Aでは、圧電部材108c(正確には梁104)の変形にしたがって、第1電極108a及び第2電極108bの間に電圧が発生するが、第1電極108a及び第2電極108bは整流回路120に接続されているので、VC1と2Vfとの和の電圧を超えた部分の電荷は、整流回路120に接続された蓄電素子C1に流れ込む。その結果、梁104の変形がピークになった時点でスイッチSWをONにすると、そのときに圧電部材108c内に残っていた正負の電荷がインダクターLを介して移動して、圧電部材108c内での正負の電荷の配置が入れ代わる。
As described above with reference to FIG. 2, in the
そして、正負の電荷の配置が入れ代わった状態から梁104を逆方向に変形させると、圧電部材108cの第1電極108a及び第2電極108bの間には、圧電効果による電圧波形が現れる。すなわち、圧電部材108cの第1電極108a及び第2電極108bの極性が入れ代わった状態から、圧電部材108cに変形による電圧変化が発生することになる。その結果、図2(d)中に示した期間Bでは、梁104の変形によって圧電部材108cに生じる電圧波形をシフトさせたような、電圧波形が現れることになる。もっとも、前述したように、VC1と2Vfとの和の電圧を超えた部分の電荷は蓄電素子C1に流れ込むので、圧電部材108cの第1電極108a及び第2電極108bの間の電圧は、VC1と2Vfとの和の電圧でクリップされる。その後、共振周期Tの半分の時間だけスイッチSWをONにすると、圧電部材108cに残っていた正負の電荷の配置が入れ代わる。そして、その状態から梁104が変形することによって、圧電部材108cには圧電効果による電圧波形が現れる。このため、図2(d)中に示した期間Cにおいても、梁104の変形による電圧波形をシフトさせたような電圧波形が現れることになる。
When the
また、図2を用いて前述したように本実施例の発電装置100では、梁104が変形を繰り返しているうちに、電圧波形のシフト量が次第に大きくなるという現象も発生する。このため、圧電部材108cの圧電効果によって第1電極108aと第2電極108bとの間に生じる電位差よりも高い電圧を、蓄電素子C1に蓄えることができるという大きな効果を得ることができる。このような現象は、次のようなメカニズムによって生じる。
Further, as described above with reference to FIG. 2, in the
先ず、図2(d)中の期間Aあるいは期間Bに示したように、C1が充電されていない場合は、圧電部材108cの端子間で発生する電圧が、整流回路120の2Vfを超えると、圧電部材108cから蓄電素子C1に電荷が流れ込むので、第1電極108aと第2電極108bとの間に現れる電圧は、2Vfでクリップされている。しかし、こうして蓄電素子C1に電荷を蓄えるにしたがって蓄電素子C1の端子間の電圧が増加していく。すると、それ以降は、蓄電素子C1の端子間電圧がVC1と2Vfとの和よりも高い電圧になって始めて、圧電部材108cから電荷が流れ込むようになる。このため、第1電極108aと第2電極108bとの間の電圧がクリップされる値が、蓄電素子C1に電荷が蓄えられるにしたがって次第に上昇していく。
First, as shown in the period A or the period B in FIG. 2D, when C1 is not charged, the voltage generated between the terminals of the
加えて、図3及び図4を用いて前述したように、圧電部材108cから電荷を流出させない限り、圧電部材108c(正確には梁104)を変形させる度に、圧電部材108c内の電荷は増えて行き、それに伴って、第1電極108aと第2電極108bとの間の電圧は大きくなる。このため、電荷がインダクターLやスイッチSWを流れる際の損失などを考えなければ、第1電極108aと第2電極108bとの間の電圧を大きくすることができる。このため、本実施例の発電装置100によれば、特別な昇圧回路を設けなくても、電気負荷の駆動に必要な電圧まで自然に昇圧させた状態で、発電することが可能となる。
In addition, as described above with reference to FIGS. 3 and 4, unless the electric charge flows out from the
A−4.スイッチSWの切換タイミング:
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108c(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タイミングで、共振周期Tの半分の時間だけ圧電部材108cをインダクターLに接続することで、蓄電素子C1に効率良く電荷を蓄えることができ、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、制御部140やスイッチSWの動作速度などの事情から、制御部140がスイッチSWをONするタイミングは、梁104の変形方向が切り換わるタイミングと完全に一致するとは限らない。しかし、スイッチSWがONするタイミングが梁104の変形方向が切り換わるタイミングと完全に一致しなくても、梁104の固有振動周期と一致する周期で、LC共振回路の共振周期Tの半分の時間だけスイッチSWをONにすることで、第1電極108aと第2電極108bとの間に生じる電圧Vgenを昇圧させることが可能である。以下、この理由について説明する。
A-4. Switch SW switching timing:
As described above, in the
図5(a)は、仮に、梁104の変形方向が切り替わる時刻t1でスイッチSWをONした後OFFしない場合の、第1電極108aと第2電極108bとの間に生じる電圧Vgenの様子を示している。図5(b)は、図5(a)の時刻t1以降を拡大したものである。なお、図5の例では、整流回路120や蓄電素子C1はないものとしている。
FIG. 5A shows a state of the voltage Vgen generated between the
時刻t1において、Vgenはピークになっており、スイッチSWがONすることによって、LC共振回路の共振周期Tの1/2の周期(時刻t1,t2,t3,t4,t5,t6,・・・)で正負のピーク値Vp1,Vp2,Vp3,Vp4,Vp5,Vp6,・・・が交互に現れながら減衰していく。もし、時刻t1からT/2だけ経過後の時刻t2にスイッチSWをOFFにすると、前述したVgenのシフト量はVp1の絶対値とVp2の絶対値の和(|Vp1|+|Vp2|)となる。なお、図3及び図4を用いて説明したように、Vp2は、LC共振回路の共振によって、容量成分Cgの正負の電荷が入れ替わったときの電圧値であるから、Vp1の絶対値が大きいほどVp2の絶対値も大きくなる。したがって、Vp1の絶対値が大きいほどVgenのシフト量も大きくなる。 At time t1, Vgen has a peak, and when the switch SW is turned ON, the period of 1/2 of the resonance period T of the LC resonance circuit (time t1, t2, t3, t4, t5, t6,... ), The positive and negative peak values Vp1, Vp2, Vp3, Vp4, Vp5, Vp6,... If the switch SW is turned OFF at time t2 after T / 2 has elapsed from time t1, the above-described Vgen shift amount is the sum of the absolute value of Vp1 and the absolute value of Vp2 (| Vp1 | + | Vp2 |). Become. As described with reference to FIGS. 3 and 4, Vp2 is a voltage value when the positive and negative charges of the capacitance component Cg are switched due to resonance of the LC resonance circuit, so that the absolute value of Vp1 increases. The absolute value of Vp2 also increases. Therefore, the greater the absolute value of Vp1, the greater the shift amount of Vgen.
図6は、梁104の変形方向が切り替わるタイミング毎にスイッチSWがT/2だけONする場合の、第1電極108aと第2電極108bとの間に生じる電圧Vgenの様子を示している。なお、図6の例でも、整流回路120や蓄電素子C1はないものとしている。圧電部材108cが発生させる起電力による電圧Vpztの振幅が一定とすると、図6に示すように、最初にVgenが正のピーク値となる電圧値V1となるタイミングでスイッチSWがT/2だけONすると、VgenはV1+Vaだけマイナス方向にシフトする。すると、2回目にスイッチSWがONするときのVgenの電圧値V2=−(Va+2V1)であり、スイッチSWがT/2だけONするとVgenはVb+Va+2V1だけプラス方向にシフトする。同様に、3回目にスイッチSWがONするときのVgenの電圧値V3=Vb+2V1であり、スイッチSWがT/2だけONするとVgenはVc+Vb+2V1だけマイナス方向にシフトする。同様に、4回目にスイッチSWがONするときのVgenの電圧値V4=−(Vc+2V1)であり、スイッチSWがT/2だけONするとVgenはVd+Vc+2V1だけプラス方向にシフトする。同様に、5回目にスイッチSWがONするときのVgenの電圧値V5=−(Vd+2V1)である。ここで、V2=−(Va+2V1)であるから、明らかに|V2|>|V1|である。そして、V1,V2は図5(b)のVp1に対応する電圧値、Va,Vbは図5(b)のVp2に相当する電圧値であり、|V2|>|V1|であるから必ずVb>Vaとなる。すると、V2=−(Va+2V1),V3=Vb+2V1であり、Vb>Vaであるから|V3|>|V2|である。同様に、|V3|>|V2|であるから必ずVc>Vbとなり、V3=Vb+2V1,V4=−(Vc+2V1)であり、Vc>Vbであるから|V4|>|V3|である。同様に、|V4|>|V3|であるから必ずVd>Vcとなり、V4=−(Vc+2V1),V5=Vd+2V1であり、Vd>Vcであるから|V5|>|V4|である。要するに、梁104の変形方向が切り替わるタイミングでスイッチSWがT/2だけONすることによって、第1電極108aと第2電極108bとの間に生じる電圧Vgenの絶対値は|V1|<|V2|<|V3|<|V4|<|V5|<・・・と昇圧していく。
FIG. 6 shows a state of the voltage Vgen generated between the
梁104の変形方向が切り替わるタイミングとスイッチSWがONするタイミングがずれた場合も同様に考えることができる。図7(a)は、梁104の変形方向が切り替わるタイミングの後ろでスイッチSWがT/2だけONする場合に第1電極108aと第2電極108bとの間に生じる電圧Vgenの様子を示し、図7(b)は、梁104の変形方向が切り替わるタイミングの前でスイッチSWがT/2だけONする場合に第1電極108aと第2電極108bとの間に生じる電圧Vgenの様子を示している。なお、図7(a)、図7(b)の例でも、整流回路120や蓄電素子C1はないものとしている。
The case where the timing at which the deformation direction of the
図7(a)及び図7(b)の例では、図6の例と同様に、Vgenは、最初にスイッチSWがONするときの電圧値V1に対して、2回目にスイッチSWがONするときの電圧値V2=−(Va+2V1)、3回目にスイッチSWがONするときの電圧値V3=Vb+2V1、4回目にスイッチSWがONするときの電圧値V4=−(Vc+2V1)、5回目にスイッチSWがONするときの電圧値V5=−(Vd+2V1)、・・・となる。ここで、V2,V3,V4,V5,・・・は、それぞれ図6の場合のV2,V3,V4,V5,・・・と同じ式で表されるので、やはりV2>V1、V3>V2、V4>V3、V5>V4、・・・となる。したがって、梁104の変形方向が切り替わるタイミングから前後にずれたタイミングでスイッチSWをT/2だけONしても、Vgenは|V1|<|V2|<|V3|<|V4|<|V5|<・・・と昇圧していく。ただし、電圧値V1が高いほど、Va,Vb,Vc,Vd,・・・が大きくなるので、図6の例の方が、図7(a)及び図7(b)の例よりもVgenが昇圧するスピードが速く、発電効率が高い。
In the example of FIG. 7A and FIG. 7B, as in the example of FIG. 6, Vgen is the second time the switch SW is turned on with respect to the voltage value V 1 when the switch SW is first turned on. Voltage value V 2 = − (Va + 2V 1 ), voltage value V 3 = Vb + 2V 1 when the switch SW is turned on for the third time, voltage value V 4 when the switch SW is turned on for the fourth time V 4 = − (Vc + 2V) 1 ) Voltage value V 5 = − (Vd + 2V 1 ) when the switch SW is turned on for the fifth time,... Here, V 2 , V 3 , V 4 , V 5 ,... Are represented by the same equations as V 2 , V 3 , V 4 , V 5 ,. V 2 > V 1 , V 3 > V 2 , V 4 > V 3 , V 5 > V 4 , and so on. Therefore, even if the switch SW is turned ON by T / 2 at a timing deviated from the timing when the deformation direction of the
なお、梁104の変位が0(Vgenが0)となるタイミングでスイッチSWがT/2だけONする場合(図7(a)及び図7(b)でV1=0の場合)は、LC共振回路の共振が起こらずVgenは昇圧しない。
When the switch SW is turned ON by T / 2 at the timing when the displacement of the
以上に説明したように、スイッチSWがONするタイミングが任意のタイミング(ただし、梁104の変位が0(Vgenが0)となるタイミングを除く)であっても、LC共振回路の共振周期Tの半分の時間だけスイッチSWをONにすることで、第1電極108aと第2電極108bとの間に生じる電圧を昇圧させることができる。
As described above, even when the switch SW is turned on at any timing (except for the timing when the displacement of the
なお、発電効率を高めるために、LC共振回路の共振周期Tの半分の時間だけスイッチSWをONにすることが望ましいが、所定期間だけスイッチSWをONにしても第1電極108aと第2電極108bとの間に生じる電圧Vgenを昇圧させることは可能である。例えば、図8は、梁104の変形方向が切り替わるタイミングで共振周期Tの3/2倍の時間だけスイッチSWをONにした場合の、第1電極108aと第2電極108bとの間に生じる電圧Vgenの一例を示している。要するに、図5(b)に示した時刻t1でスイッチSWをONにして時刻t3でスイッチSWをOFFにする場合に対応する。なお、図8の例でも、整流回路120や蓄電素子C1はないものとしている。
In order to increase the power generation efficiency, it is desirable to turn on the switch SW for half the resonance period T of the LC resonance circuit. However, even if the switch SW is turned on for a predetermined period, the
図8の例では、図6の例と同様に、Vgenは、最初にスイッチSWがONするときの電圧値V1に対して、2回目にスイッチSWがONするときの電圧値V2=−(Va+2V1)、3回目にスイッチSWがONするときの電圧値V3=Vb+2V1、4回目にスイッチSWがONするときの電圧値V4=−(Vc+2V1)、5回目にスイッチSWがONするときの電圧値V5=−(Vd+2V1)、・・・となり、Vgenは|V1|<|V2|<|V3|<|V4|<|V5|<・・・と昇圧していく。ただし、電圧値V1が高いほど、Va,Vb,Vc,Vd,・・・が大きくなるので、図6の例の方が、図8の例よりもVgenが昇圧するスピードが速く、発電効率が高い。 In the example of FIG. 8, as in the example of FIG. 6, Vgen is the voltage value V 2 when the switch SW is turned on for the second time, with respect to the voltage value V 1 when the switch SW is first turned on. (Va + 2V 1 ) Voltage value V 3 when the switch SW is turned on for the third time = Vb + 2V 1 Voltage value when the switch SW is turned on for the fourth time V 4 = − (Vc + 2V 1 ) voltage value V 5 = the time of ON - (Vd + 2V 1) , ··· becomes, Vgen is | V 1 | <| V 2 | <| V 3 | <| V 4 | <| V 5 | <··· And boost the pressure. However, the higher the voltage value V 1, Va, Vb, Vc , Vd, since ... increases found the following example of FIG. 6, faster speed Vgen is boosted than the example of FIG. 8, the power generation efficiency Is expensive.
一方、図9は、梁104の変形方向が切り替わるタイミングで共振周期Tの1/4倍の時間だけスイッチSWをONにした場合の、第1電極108aと第2電極108bとの間に生じる電圧Vgenの様子を示している。要するに、図5(b)に示した時刻t1でスイッチSWをONにして時刻(t1+t2)/2でスイッチSWをOFFにする場合に対応する。なお、図9の例でも、整流回路120や蓄電素子C1はないものとしている。
On the other hand, FIG. 9 shows the voltage generated between the
図9の例では、Vgenは、最初にスイッチSWがONするときの電圧値V1に対して、2回目にスイッチSWがONするときの電圧値V2=−2V1、3回目にスイッチSWがONするときの電圧値V3=2V1、4回目にスイッチSWがONするときの電圧値V4=−2V1、5回目にスイッチSWがONするときの電圧値V5=2V1、・・・となる。すなわち、Vgenは2V1までは昇圧できるが、2V1を超えての昇圧はされない。 In the example of FIG. 9, Vgen is first with respect to the voltage value V 1 of the when the switch SW is turns ON, the voltage value when the switch SW to the second is ON V 2 = -2V 1, 3 time a switch SW Voltage value V 3 = 2V 1 when the switch SW is turned on, voltage value V 4 = −2V 1 when the switch SW is turned on for the fourth time, voltage value V 5 = 2V 1 when the switch SW is turned on for the fifth time, ... That, Vgen is up to 2V 1 can boost, are not boosted beyond 2V 1.
同様に、梁104の変形方向が切り替わるタイミングで共振周期Tの3/4倍、5/4倍、7/4倍、9/4倍、・・・のいずれかの時間だけスイッチSWをONにした場合もV2=−2V1、V3=2V1、V4=−2V1、V5=2V1、・・・となり、Vgenは2V1までは昇圧できるが、2V1を超えての昇圧はされない。
Similarly, at the timing when the deformation direction of the
以上より、LC共振回路の共振によって、少なくとも、VgenがスイッチSWをONにするときの極性と反対の極性となったときにスイッチSWをOFFすれば、Vgenが昇圧していく。要するに、LC共振回路の共振周期Tに対して、スイッチSWをONする所定期間を、少なくとも、(n+1/4)Tより長く(n+3/4)Tよりも短い時間(nは0以上の任意の整数)に設定すれば、Vgenを効率よく昇圧させることができる。 From the above, if the switch SW is turned OFF at least when the Vgen has a polarity opposite to the polarity when the switch SW is turned ON due to the resonance of the LC resonance circuit, the voltage Vgen is boosted. In short, with respect to the resonance period T of the LC resonance circuit, the predetermined period for turning on the switch SW is at least a time longer than (n + 1/4) T and shorter than (n + 3/4) T (n is an arbitrary value greater than or equal to 0) If it is set to (integer), Vgen can be boosted efficiently.
前述したように、LC共振回路の共振周期Tの1/2の時間だけスイッチSWをONするのが、スイッチSWの切り換えときのシフト量が最も大きくなるので、発電効率が最も高い。そこで、本実施例の発電装置100では、制御部140は、梁104の固有振動周期と一致する周期でスイッチSWをONにし、LC共振回路の共振周期Tの1/2の時間が経過するとスイッチSWをOFFにする。
As described above, when the switch SW is turned on only for a half of the resonance period T of the LC resonance circuit, the amount of shift at the time of switching the switch SW becomes the largest, so that the power generation efficiency is the highest. Therefore, in the
もっとも、梁104の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチ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タイミングでは、梁104の変位の大きさが最大と考えれば、機械的な接点を用いて、梁104が最大変位となったタイミングで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では、電圧検出部130を設けておき、圧電部材108cの電圧に基づいて、スイッチSWを制御している。これによって、梁104の変形方向の切り換わるときにスイッチSWを容易にONすることができる。
However, it is not so easy to turn on the switch SW at the timing when the deformation direction of the
図10は、圧電部材108cの電圧を検出することによって、梁104の変形方向が切り換わるタイミングを決定できる理由を示す説明図である。図10では整流回路120を構成するダイオードの順方向降下電圧Vfが常に一定であるとみなせる場合について説明する。
FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating the reason why the timing at which the deformation direction of the
図10(a)には、梁104の変位が示されている。また、図10(b)には、梁104の振動に伴って、圧電部材108cが発生させる電流Ipztと電圧Vpzt(起電力)とが変化する様子が示されている。また、図10(c)には、仮にスイッチSWを常にOFFにした状態での圧電部材108cの電圧Vgen、図10(d)には、破線で示したタイミングで実際にスイッチSWをONにした場合の圧電部材108cの電圧Vgenが変化する様子が示されている。また、図10(e)には、破線で示したタイミングでスイッチSWをONにした場合のスイッチSWのON/OFF状態が示されている。
FIG. 10A shows the displacement of the
図示されるように、梁104の変位が正方向に大きくなると、圧電部材108cの電圧Vgenは、蓄電素子C1のプラス側の電位VCとダイオードD1の順方向降下電圧VfとダイオードD4の順方向降下電圧Vfとの和の電位(VC+2Vf)にクランプされる。
As shown in the figure, when the displacement of the
同様に、梁104の変位が負方向に大きくなると、圧電部材108cの電圧Vgenは、蓄電素子C1のプラス側の電位VCとダイオードD2の順方向降下電圧VfとダイオードD3の順方向降下電圧Vfとの和の電位(−VC−2Vf)にクランプされる。
Similarly, when the displacement of the
また、梁104の変位の大きさがピークとなるタイミング(すなわち、梁104の変形方向が切り換わるタイミング)では、圧電部材108cの発生する電流Ipztの方向が反転する。例えば、圧電部材108cが正の起電力を発生している状態で、梁104の変位の大きさがピークになると、正方向に流れていた電流Ipztが負方向に反転する。したがって、ダイオードD1に流れていた電流が流れなくなり、電圧Vgenの値はVC+2Vfよりも小さくなる。
Further, at the timing when the magnitude of the displacement of the
したがって、梁104の変形方向が正から負に切り換わるタイミング(梁104の変位が正のピークとなるタイミング)は、圧電部材108cの電圧Vgenが降下し始めるタイミングと一致する。同様に、梁104の変形方向が負から正に切り換わるタイミング(梁104の変位が負のピークとなるタイミング)は、圧電部材108cの電圧Vgenが上昇し始めるタイミングと一致する。そこで、図1(b)に示したように、電圧検出部130を用いて、圧電部材108cの電圧が基準以上の変化をするタイミング(例えば、圧電部材108cの電圧Vgenが降下し始めることを検出したタイミング、及び、圧電部材108cの電圧Vgenが上昇し始めること検出したタイミング)から、図10(e)に破線で示す所定期間(例えば、LC共振回路の共振周期Tの1/2の時間)だけ、制御部140がスイッチSWを接続することによって、変形部材(梁104)の変形状態(振動状態)に同期した適切なタイミングで、圧電部材108cとインダクターLとの接続及び切断を周期的に繰り返すことができる。これによって、圧電部材108c内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。
Therefore, the timing at which the deformation direction of the
制御部140は、電圧検出部130で検出された圧電部材108cの電圧のVgenが(VC+2Vf)あるいは(―VC―2Vf)でクランプされ一定の状態から、圧電部材108cの電圧Vgenが基準電圧以上に変化したタイミングでスイッチSWを接続してもよい。具体的には、所定時間経過前後の圧電部材108cの電圧の差分が、0の状態から基準電圧以上の状態になったタイミングでスイッチSWを接続すればよい。これによって、変形部材(梁104)の変形状態(振動状態)に同期したタイミングで、圧電部材108cとインダクターLとの接続及び切断を周期的に繰り返すことができる。
The
図11は、第1実施例におけるスイッチSWのOF/OFFを切り換えるスイッチ制御処理を示したフローチャートである。この処理は、例えば、制御部140に内蔵されたCPUによって実行される。また、以下では、所定期間が圧電部材108cの容量成分CgとインダクターLとによって構成される共振回路の共振周期Tの1/2の時間である場合を例にとり説明する。
FIG. 11 is a flowchart showing a switch control process for switching the OF / OFF of the switch SW in the first embodiment. This process is executed by, for example, a CPU built in the
図11に示すスイッチ制御処理では、まず、制御部140は、電圧検出部130で検出した圧電部材108cの電圧Vgen1のデータを取り込む(ステップS100)。ステップS100の後に、制御部140は、制御部140に内蔵された図示しないタイマーをスタートする(ステップS102)。ステップS102の後に、制御部140は、時間ΔT1が経過したか否かを判断する(ステップS104)。時間ΔT1を経過していないと制御部140が判断した場合(ステップS104のN)には、制御部140はタイマーが時間ΔT1を経過するまでステップS104を繰り返す。時間ΔT1を経過したと制御部140が判断した場合(ステップS104のY)には、制御部140は、電圧検出部130で検出した圧電部材108cの電圧Vgen2のデータを取り込む(ステップS106)。
In the switch control process shown in FIG. 11, first, the
ステップS106の後に、制御部140は、圧電部材108cの電圧Vgen1とVgen2の差分が0か否かを判断する(ステップS108)。Vgen1とVgen2の差分が0ではないと制御部140が判断した場合(ステップS108のN)には、制御部140は、ステップS100を行う。Vgen1とVgen2の差分が0であると制御部140が判断した場合(ステップS108のY)には、制御部140は、制御部140に内蔵された図示しないタイマーをスタートする(ステップS110)。
After step S106, the
ステップS110の後に、制御部140は、時間ΔT2を経過したか否かを判断する(ステップS112)。時間ΔT2を経過していないと制御部140が判断した場合(ステップS112のN)には、制御部140はタイマーが時間ΔT2を経過するまでステップS112を繰り返す。時間ΔT2を経過したと制御部140が判断した場合(ステップS112のY)には、制御部140は、電圧検出部130で検出した圧電部材108cの電圧Vgen3のデータを取り込む(ステップS114)。
After step S110,
ステップS114の後に、制御部140は、圧電部材108cの電圧Vgen2とVgen3の差分が0か否かを判断する(ステップS116)。Vgen2とVgen3の差分が0ではないと制御部140が判断した場合(ステップS116のN)には、制御部140は、ステップS100を行う。Vgen2とVgen3の差分が0であると制御部140が判断した場合(ステップS116のY)には、Vgen3は極値であると判断し、制御部140は、制御部140に内蔵された図示しないタイマーをスタートする(ステップS118)。
After step S114, the
ステップS118の後に、制御部140は、時間ΔT3を経過したか否かを判断する(ステップS120)。時間ΔT3を経過していないと制御部140が判断した場合(ステップS120のN)には、制御部140はタイマーが時間ΔT3を経過するまでステップS120を繰り返す。時間ΔT3を経過したと制御部140が判断した場合(ステップS120のY)には、制御部140は、電圧検出部130で検出した圧電部材108cの電圧Vgen4のデータを取り込む(ステップS122)。
After step S118,
ステップS122の後に、制御部140は、圧電部材108cの電圧Vgen3とVgen4の差分の絶対値が基準電圧αを下回るか否かを判断する(ステップS124)Vgen3とVgen4の差分の絶対値が基準電圧α以上であると制御部140が判断した場合(ステップS124のY)には、制御部140は、ステップS118を行う。Vgen3とVgen4の差分の絶対値が基準電圧αを下回ると制御部140が判断した場合(ステップS124のN)には、制御部140は、スイッチSWをONに制御する(ステップS126)。
After step S122, the
図11に示す例では、ノイズ等の影響によって圧電部材108cの電圧の差分が偶然0になった場合を考慮して、Vgen2−Vgen1、Vgen3−Vgen2が全て0の場合に、圧電部材108cの電圧Vgenが極値であるものと判断している。判断の信頼性が装置の仕様上十分に確保できる場合には、ステップS110からステップS116を省略してもよい。
In the example illustrated in FIG. 11, in consideration of the case where the voltage difference of the
ステップS126の後に、制御部140は、制御部140に内蔵された図示しないタイマーをスタートする(ステップS128)。ステップS128の後に、制御部140は、圧電部材108cの容量成分CgとインダクターLとによって構成される共振回路の共振周期Tの1/2の時間(時間T/2)を経過したか否かを判断する(ステップS130)。時間T/2を経過していないと制御部140が判断した場合(ステップS130のN)には、制御部140はタイマーが時間T/2を経過するまでステップS130を繰り返す。時間T/2を経過したと制御部140が判断した場合(ステップS130のY)には、制御部140は、スイッチSWをOFFに制御する(ステップS132)。ステップS132の後に、上述のステップS100以降の処理を繰り返す。
After step S126, the
以上のようにしてスイッチSWのON/OFFを行えば、少なくとも、圧電部材108cの端子間の電圧を昇圧させることができるので、蓄電素子C1の電圧が上昇しても電荷を蓄えることができる。
If the switch SW is turned ON / OFF as described above, at least the voltage between the terminals of the
なお、図11並びに後述される図13及び図14に示されるフローチャートにおける時間ΔT1、時間ΔT2及び時間ΔT3は、梁104の固有振動周期よりも十分短い値に設定される。時間ΔT3は特に十分に短い値に設定することが望ましい。これは圧電部材108cの変形の方向が変化した瞬間に制御部140がスイッチSWを接続すると、効率的に昇圧することができるためである。時間ΔT3は、例えば、梁104の固有振動周期の1/100以下の長さに設定されることが望ましい。時間ΔT1及び時間ΔT2は時間ΔT3と比較して長い時間に設定されてもよい。圧電部材108cの電圧Vgenが長い時間一定である場合は梁104の変形が大きい場合であり、高い昇圧効果が期待できる一方、短い時間しか一定ではない場合は、梁104の変形が小さい場合であり、高い昇圧効果は期待できない。このため、時間ΔT1と時間ΔT2は固有振動周期の1/100から10/100程度の値に設定してもよい。このように、時間ΔT1と時間ΔT2に大きな値を設定し制御部140の演算量を減らすことで、制御部140の消費電力を減らし、発電装置100の出力する電力を増やすことができる。
Note that time ΔT1, time ΔT2, and time ΔT3 in the flowcharts shown in FIG. 11 and FIGS. 13 and 14 described later are set to values sufficiently shorter than the natural vibration period of the
B.第2実施例:
図12(a)は、図10(d)の一部を拡大したグラフ、図12(b)は、整流回路120に流れる電流Igenを示すグラフである。
B. Second embodiment:
12A is a graph obtained by enlarging a part of FIG. 10D, and FIG. 12B is a graph showing the current Igen flowing through the
整流回路120を構成するダイオードの順方向降下電圧Vfは、順方向電流が大きくなるほど大きくなる。したがって、圧電部材108cの電圧Vgenがクランプされる電圧VC+2Vfも厳密には一定ではない。本実施例におけるダイオードの順方向降下電圧Vfの最大値Vfmaxの値は0.3V程度である。図12(a)に示される例では、梁104の変位が0となるタイミングである時刻t1において、圧電部材108cの電圧VgenはVC+2Vfmaxとなっている。
The forward voltage drop Vf of the diode constituting the
図12(b)に示されるように、梁104の変形方向が切り換わるタイミングでは、整流回路120を構成するダイオードに流れる電流は0になるので、ダイオードの順方向降下電圧Vfも0となる。したがって、図12(a)に示されるように、梁104の変形方向が切り換わるタイミングである時刻t2において、圧電部材108cの電圧VgenはVCとなっている。
As shown in FIG. 12B, at the timing when the deformation direction of the
したがって、電圧検出部130で検出される電圧が、極大値から2Vfmax以上減少したときと、極小値から2Vfmax以上増加したときに、スイッチSWを接続することで、正確に圧電部材108cの変形方向の切り換わるタイミングでスイッチSWを接続できるので、圧電部材108c内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。
Therefore, when the voltage detected by the
制御部140は、電圧検出部130で検出される電圧Vgenの所定期間前後における差分が基準電圧以下である場合に、電圧検出部130で検出される電圧Vgenが極値であると判断してもよい。これによって、電圧検出部130で検出される電圧Vgenが極値となるタイミングを容易に検出できる。したがって、梁104の変形方向が切り換わるタイミングを適切に検出できる。
The
図13は、第2実施例におけるスイッチSWのOF/OFFを切り換えるスイッチ制御処理を示したフローチャートである。この処理は、例えば、制御部140に内蔵されたCPUによって実行される。また、以下では、所定期間が圧電部材108cの容量成分CgとインダクターLとによって構成される共振回路の共振周期Tの1/2の時間である場合を例にとり説明する。
FIG. 13 is a flowchart showing a switch control process for switching OF / OFF of the switch SW in the second embodiment. This process is executed by, for example, a CPU built in the
図13に示すスイッチ制御処理では、まず、制御部140は、電圧検出部130で検出した圧電部材108cの電圧Vgen1のデータを取り込む(ステップS200)。ステップS200の後に、制御部140は、制御部140に内蔵された図示しないタイマーをスタートする(ステップS202)。ステップS202の後に、制御部140は、時間ΔT1が経過したか否かを判断する(ステップS204)。時間ΔT1を経過していないと制御部140が判断した場合(ステップS204のN)には、制御部140はタイマーが時間ΔT1を経過するまでステップS204を繰り返す。時間ΔT1を経過したと制御部140が判断した場合(ステップS204のY)には、制御部140は、電圧検出部130で検出した圧電部材108cの電圧Vgen2のデータを取り込む(ステップS206)。
In the switch control process shown in FIG. 13, first, the
ステップS206の後に、制御部140は、圧電部材108cの電圧Vgen1とVgen2の差分の絶対値が基準電圧βを下回るか否かを判断する(ステップS208)。本実施例においては、基準電圧βは時間ΔT1に応じて適切な値に設定される。基準電圧βは式(1)以下の値に設定してもよい。
β < Vfmax×ΔT1/T0 ・・・(1)
Vgen1とVgen2の差分の絶対値が基準電圧β以上であると制御部140が判断した場合(ステップS208のN)には、制御部140は、ステップS200を行う。Vgen1とVgen2の差分の絶対値が基準電圧βを下回ると制御部140が判断した場合(ステップS208のY)には、制御部140は、Vgen2が極値であると判断し、制御部140に内蔵された図示しないタイマーをスタートする(ステップS210)。
After step S206, the
β <Vfmax × ΔT1 / T0 (1)
When the
ステップS210の後に、制御部140は、時間ΔT2を経過したか否かを判断する(ステップS212)。時間ΔT2を経過していないと制御部140が判断した場合(ステップS212のN)には、制御部140はタイマーが時間ΔT2を経過するまでステップS212を繰り返す。時間ΔT2を経過したと制御部140が判断した場合(ステップS212のY)には、制御部140は、電圧検出部130で検出した圧電部材108cの電圧Vgen3のデータを取り込む(ステップS214)。
After step S210,
ステップS214の後に、制御部140は、圧電部材108cの電圧Vgen2とVgen3の差分の絶対値が基準電圧γを上回るか否かを判断する(ステップS216)。Vgen2とVgen3の差分の絶対値が基準電圧γ以下であると制御部140が判断した場合(ステップS216のN)には、制御部140は、ステップS210を行う。本実施例においては、基準電圧γはダイオードの順方向降下電圧Vfの最大値Vfmaxの2倍以下の値に設定される。Vgen2とVgen3の差分の絶対値が基準電圧γを上回ると制御部140が判断した場合(ステップS216のY)には、制御部140は、スイッチSWをONに制御する(ステップS218)。
After step S214, the
ステップS218の後に、制御部140は、制御部140に内蔵された図示しないタイマーをスタートする(ステップS220)。ステップS220の後に、制御部140は、圧電部材108cの容量成分CgとインダクターLとによって構成される共振回路の共振周期Tの1/2の時間(時間T/2)を経過したか否かを判断する(ステップS222)。時間T/2を経過していないと制御部140が判断した場合(ステップS222のN)には、制御部140はタイマーが時間T/2を経過するまでステップS222を繰り返す。時間T/2を経過したと制御部140が判断した場合(ステップS222のY)には、制御部140は、スイッチSWをOFFに制御する(ステップS224)。ステップS224の後に、上述のステップS200以降の処理を繰り返す。
After step S218, the
以上のようにしてスイッチSWのON/OFFを行えば、少なくとも、圧電部材108cの端子間の電圧を昇圧させることができるので、蓄電素子C1の電圧が上昇しても電荷を蓄えることができる。
If the switch SW is turned ON / OFF as described above, at least the voltage between the terminals of the
C.第3実施例:
発電装置100において、制御部140は、電圧検出部130で検出される電圧Vgenの微分値の絶対値が基準値以下である場合に、電圧検出部130で検出される電圧Vgenの絶対値が極値であると判断してもよい。これによって、電圧検出部130で検出される電圧Vgenの絶対値が極値となるタイミングを容易に検出できる。また、第2実施例と比較して、電圧検出部130で検出される電圧Vgenの絶対値が極値となるタイミングをより正確に検出できる。したがって、梁104の変形方向が切り換わるタイミングを適切に検出できる。
C. Third embodiment:
In the
図14は、第3実施例におけるスイッチSWのOF/OFFを切り換えるスイッチ制御処理を示したフローチャートである。この処理は、例えば、制御部140に内蔵されたCPUによって実行される。また、以下では、所定期間が圧電部材108cの容量成分CgとインダクターLとによって構成される共振回路の共振周期Tの1/2の時間である場合を例にとり説明する。
FIG. 14 is a flowchart showing a switch control process for switching the OF / OFF of the switch SW in the third embodiment. This process is executed by, for example, a CPU built in the
図14に示すスイッチ制御処理では、まず、制御部140は、電圧検出部130で検出した圧電部材108cの電圧Vgen1のデータを取り込む(ステップS300)。ステップS300の後に、制御部140は、制御部140に内蔵された図示しないタイマーをスタートする(ステップS302)。ステップS302の後に、制御部140は、時間ΔT1が経過したか否かを判断する(ステップS304)。時間ΔT1を経過していないと制御部140が判断した場合(ステップS304のN)には、制御部140はタイマーが時間ΔT1を経過するまでステップS304を繰り返す。時間ΔT1を経過したと制御部140が判断した場合(ステップS304のY)には、制御部140は、電圧検出部130で検出した圧電部材108cの電圧Vgen2のデータを取り込む(ステップS306)。
In the switch control process shown in FIG. 14, first, the
ステップS306の後に、制御部140は、圧電部材108cの電圧Vgen1とVgen2の差分の絶対値をΔT1で除した値が基準値δを下回るか否かを判断する(ステップS308)。基準値δは式(2)以下の値に設定してもよい。
δ < Vfmax×ΔT1 ・・・(2)
本実施例においては、基準値δは時間ΔT1に応じて適切な値に設定される。Vgen1とVgen2の差分の絶対値をΔT1で除した値が基準値δ以上であると制御部140が判断した場合(ステップS308のN)には、制御部140は、ステップS200を行う。Vgen1とVgen2の差分の絶対値をΔT1で除した値が基準値δを下回ると制御部140が判断した場合(ステップS308のY)には、制御部140は、Vgen2が極値であると判断し、制御部140に内蔵された図示しないタイマーをスタートする(ステップS310)。
After step S306, the
δ <Vfmax × ΔT1 (2)
In this embodiment, the reference value δ is set to an appropriate value according to the time ΔT1. When the
ステップS310の後に、制御部140は、時間ΔT2を経過したか否かを判断する(ステップS312)。時間ΔT2を経過していないと制御部140が判断した場合(ステップS312のN)には、制御部140はタイマーが時間ΔT2を経過するまでステップS312を繰り返す。時間ΔT2を経過したと制御部140が判断した場合(ステップS312のY)には、制御部140は、電圧検出部130で検出した圧電部材108cの電圧Vgen3のデータを取り込む(ステップS314)。
After step S310,
ステップS314の後に、制御部140は、圧電部材108cの電圧Vgen2とVgen3の差分の絶対値が基準電圧γを上回るか否かを判断する(ステップS316)。Vgen2とVgen3の差分の絶対値が基準電圧γ以下であると制御部140が判断した場合(ステップS316のN)には、制御部140は、ステップS310を行う。本実施例においては、基準電圧γはダイオードの順方向降下電圧Vfの最大値Vfmaxの2倍以下の値に設定される。Vgen2とVgen3の差分の絶対値が基準電圧γを上回ると制御部140が判断した場合(ステップS316のY)には、制御部140は、スイッチSWをONに制御する(ステップS318)。
After step S314, the
ステップS318の後に、制御部140は、制御部140に内蔵された図示しないタイマーをスタートする(ステップS320)。ステップS320の後に、制御部140は、圧電部材108cの容量成分CgとインダクターLとによって構成される共振回路の共振周期Tの1/2の時間(時間T/2)を経過したか否かを判断する(ステップS322)。時間T/2を経過していないと制御部140が判断した場合(ステップS322のN)には、制御部140はタイマーが時間T/2を経過するまでステップS322を繰り返す。時間T/2を経過したと制御部140が判断した場合(ステップS322のY)には、制御部140は、スイッチSWをOFFに制御する(ステップS324)。ステップS324の後に、上述のステップS300以降の処理を繰り返す。
After step S318, the
以上のようにしてスイッチSWのON/OFFを行えば、少なくとも、圧電部材108cの端子間の電圧を昇圧させることができるので、蓄電素子C1の電圧が上昇しても電荷を蓄えることができる。
If the switch SW is turned ON / OFF as described above, at least the voltage between the terminals of the
D.電子機器、移動手段及び電池
図15は、発電装置100を備えた電子機器2の一例の電気的な構造を示す図である。図15に示される電子機器2は、構造物の健全性を判定するストラクチャヘルスモニタリングのセンサーノードとして用いられる。電子機器2は、センサー302と、センサー302が出力するデータを収集するマイクロプロセッサー303と、マイクロプロセッサー303が収集したデータを無線によって送信するトランスミッター304を含んで構成されている。センサー302は構造物の振動をモニタリングすることを目的に加速度センサーが用いられている。発電装置100は、センサー302、マイクロプロセッサー303及びトランスミッター304に電力を供給する。
D. Electronic Device, Moving Unit, and Battery FIG. 15 is a diagram illustrating an electrical structure of an example of the
図15に示される電子機器2は構造物のコンクリートなどに埋め込んで利用するため、電池交換や充電などのメンテナンスが極めて困難である。しかしながら、電子機器2は構造物の振動を利用して発電できる発電装置100を備えているので、メンテナンスを必要とせず、半永久的に動作できる。
Since the
また、本発明の発電装置100は振動や移動に応じて発電するため、例えば、橋梁や建築物あるいは地すべり想定箇所などに発電装置を設置すれば地震などの災害時に発電し、電子機器などのネットワーク手段に必要時(災害時)だけ電源供給することもできる。
In addition, since the
なお、電子機器に限らず、本発明の発電装置100は小型化が可能であるため、あらゆる機器に設置することもできる。例えば、自動車、自転車、電車、飛行機などの移動手段(移動装置)に本発明の発電装置100を用いることで、移動に伴う振動によって発電し、移動手段に備わる機器に効率良く電力供給することもできる。
Note that the
このとき、あらゆる振動に対応するために、梁104の長さや錘106の重さが異なる複数の発電装置100を移動手段に組み込んでもよい。例えば、複数の発電装置100が共通の支持端102に固定されている発電ユニットとして構成されていてもよい。
At this time, in order to cope with any vibration, a plurality of
また、本発明の発電装置100を電池の代わりに又は電池の補助としてリモコンや腕時計等の小型電子機器に組み込むこともできる。
Further, the
さらに、特定の機器等に設置されるのではなく、本発明の発電装置100が例えばボタン電池や乾電池と同じ形状の電池として構成され、電子機器一般で使用されてもよい。このとき、振動によって蓄電素子への充電が可能であるため、電力が喪失した災害時でも電池として使用可能である。また、一次電池より寿命が長いため、ライフサイクルの観点で環境負荷低減を図ることができる。
Furthermore, instead of being installed in a specific device or the like, the
以上、本実施例あるいは変形例について説明したが、本発明はこれら本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。 Although the present embodiment or modification has been described above, the present invention is not limited to the present embodiment or modification, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention.
例えば、上述した実施例では、圧電部材108cが片持ち梁構造の梁104に取り付けられているものとして説明した。しかし、圧電部材108cが取り付けられる部材は、振動などによって容易に繰り返し変形する部材であれば、どのような部材であっても構わない。例えば、薄膜の表面に圧電部材108cを取り付けても良いし、弦巻バネの側面に圧電部材108cを取り付けても構わない。
For example, in the above-described embodiment, the
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。 The present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same objects and effects). In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that exhibits the same operational effects as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. Further, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.
2…電子機器、100…発電装置、102…支持端、104…梁、106…錘、108a…第1電極、108b…第2電極、108c…圧電部材、120…整流回路、130…電圧検出部、140…制御部、302…センサー、303…マイクロプロセッサー、304…トランスミッター、L…インダクター、C0…容量成分、C1…蓄電素子、D1〜D4…ダイオード、SW…スイッチ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記圧電部材に設けられた一対の電極と、
前記圧電部材を繰り返し変形させる変形部材と、
前記一対の電極の間に設けられ、前記圧電部材の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、
前記インダクターに対して直列に接続されたスイッチと、
前記一対の電極に接続され、前記圧電部材が発生する交流電流を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力電流を蓄電する蓄電素子と、
前記圧電部材の電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部で検出される第1電圧が極大値又は極小値であるかを判断し、
前記第1電圧が極大値であると判断したとき、
前記第1電圧を検出した後に前記電圧検出部で検出される第2電圧が、前記極大値から基準電圧以上減少したときに前記スイッチを接続し、
前記第1電圧が極小値であると判断したとき、
前記第1電圧を検出された後に前記電圧検出部で検出される第2電圧が、前記極小値から前記基準電圧以上増加したときに前記スイッチを接続する制御部と、
を含み、
前記整流回路はダイオードを含む全波整流回路であり、
前記基準電圧は前記ダイオードの順方向降下電圧値の2倍以下である、発電装置。 A piezoelectric member formed of a piezoelectric material;
A pair of electrodes provided on the piezoelectric member;
A deformation member that repeatedly deforms the piezoelectric member;
An inductor which is provided between the pair of electrodes and forms a resonance circuit with a capacitive component of the piezoelectric member;
A switch connected in series to the inductor;
A rectifier circuit connected to the pair of electrodes and rectifying an alternating current generated by the piezoelectric member;
A storage element for storing the output current of the rectifier circuit;
A voltage detector for detecting the voltage of the piezoelectric member;
Determining whether the first voltage detected by the voltage detector is a maximum value or a minimum value;
When it is determined that the first voltage is a maximum value,
When the second voltage detected by the voltage detection unit after detecting the first voltage decreases from the maximum value by a reference voltage or more, the switch is connected,
When it is determined that the first voltage is a minimum value,
A control unit a second voltage detected by the voltage detection unit after detection of the first voltage, for connecting said switch when increased the reference voltage or more from the minimum value,
Only including,
The rectifier circuit is a full-wave rectifier circuit including a diode,
The power generation apparatus , wherein the reference voltage is not more than twice a forward voltage drop value of the diode .
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