JP6015917B2 - 発電装置、電子機器及び移動手段 - Google Patents
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Description
本適用例の発電装置は、変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変形部材に備えられた第1の圧電素子と、前記変形部材に備えられた第2の圧電素子と、前記第1の圧電素子と電気的に接続されるインダクターと、前記第1の圧電素子と前記インダクターとの間に設けられたスイッチと、前記第2の圧電素子に生じる電流を検出し、検出された前記電流が所定以上の大きさのとき、前記スイッチを介して前記第1の圧電素子と前記インダクターとを電気的に接続する制御部と、を備える、発電装置である。
で、変形部材が変形することによって、第1の圧電素子及び第2の圧電素子も変形する。その結果、これら圧電素子には、圧電効果によって正負の電荷が発生する。電荷の発生量は、圧電素子の変形量が大きくなるほど多くなる。第1の圧電素子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。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、変形量が極値となったとき(すなわち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。第1の圧電素子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、第1の圧電素子で発生した電荷が最も多くなったときに、第1の圧電素子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、第1の圧電素子に発生していた電荷がインダクターに流れ込む。第1の圧電素子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、第1の圧電素子の反対側の端子に流れ込む。この期間(すなわち、第1の圧電素子の一方の端子から流れ出した電荷が、インダクターを介して反対側の端子から再び第1の圧電素子内に流れ込むまでの期間)は、第1の圧電素子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、第1の圧電素子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第1の圧電素子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。その状態から、今度は逆方向に変形部材を変形させれば、第1の圧電素子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第1の圧電素子内に電荷が蓄積される。第1の圧電素子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、第1の圧電素子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、こうして第1の圧電素子内に効率よく電荷を蓄積するためには、第1の圧電素子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。ここで、変形部材には第1の圧電素子及び第2の圧電素子が備えられているので、第1の圧電素子の変形方向が切り換わるときには、第2の圧電素子の変形方向も切り換わる。第2の圧電素子の変形方向が切り換わるタイミングは、第2の圧電素子が発生させる電荷による電流の向きが切り換わるタイミング(電流が0となるタイミング)と一致する。したがって、第2の圧電素子に生じる電流を検出することによって、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導通状態にできる。制御部は、第1の圧電素子の変形方向の切り換わりから所定期間だけスイッチを導通状態とすることで、第1の圧電素子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。
上述の適用例において、前記制御部は、前記変形部材の変形方向が切り換わるタイミングで前記スイッチを電気的に接続した後、所定期間が経過するタイミングで前記スイッチを電気的に切断することが好ましい。
上述の適用例において、前記制御部は、前記第2の圧電素子と並列に接続された蓄電素子と、前記蓄電素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、を含むことが好ましい。
と同位相の電流が蓄電素子に流れる。したがって、蓄電素子に流れる電流を検出することによって、第2の圧電素子が発生させる電荷による電流の向きが切り換わるタイミング(電流が0となるタイミング)を容易に検出できる。
上述の適用例において、前記変形部材は複数の面を有し、前記第1の圧電素子は前記変形部材の第1の面に備えられ、前記第2の圧電素子は、前記変形部材の第1の面とは異なる第2の面に設けられていることが好ましい。
上述の適用例において、前記変形部材は複数の面を有し、前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子とは、前記変形部材の同じ面に設けられていることが好ましい。
上述の適用例において、前記変形部材は、変形しない固定端を有し、前記第2の圧電素子は、前記変形部材の前記第1の圧電素子が備えられている箇所より、前記変形部材の前記固定端に近い箇所に備えられていることが好ましい。
本適用例の電子機器は、上述の発電装置を用いた、電子機器である。
本適用例の移動手段は、上述の発電装置を用いた、移動手段である。
本適用例の発電装置の制御方法は、変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変
形部材に備えられた第1の圧電素子と、前記変形部材に備えられた第2の圧電素子と、前記第1の圧電素子と電気的に接続されたインダクターと、前記第1の圧電素子と前記インダクターとの間に設けられたスイッチと、を備える発電装置の制御方法であって、前記第2の圧電素子に生じる電流を検出することと、前記電流の検出結果に基づいて、前記スイッチを介して前記第1の圧電素子と前記インダクターとを電気的に接続することと、を含む、発電装置の制御方法である。
本適用例の発電装置は、変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変形部材に備えられた第1の圧電素子と、前記変形部材に備えられ、前記第1の圧電素子よりも生じる発電量が小さい第2の圧電素子と、前記第1の圧電素子と電気的に接続されるインダクターと、前記第1の圧電素子と前記インダクターとの間に設けられたスイッチと、前記第2の圧電素子に生じた電圧を検出し、検出された前記電圧が所定以上の大きさのとき、前記スイッチを用いて前記第1の圧電素子と前記インダクターとを電気的に接続する制御部と、を備える、発電装置である。
る。さらに、こうして第1の圧電素子内に効率よく電荷を蓄積するためには、第1の圧電素子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。ここで、変形部材には第1の圧電素子及び第2の圧電素子が設けられているので、第1の圧電素子の変形方向が切り換わるときには、第2の圧電素子の変形方向も切り換わる。第2の圧電素子も変形量が大きくなるほど高い電圧を発生させるから、第2の圧電素子の変形方向が切り換わるところでは、第2の圧電素子の発生する電圧が極値である。このことから、第2の圧電素子に生じた電圧を検出して、その電圧が極値となった時点から所定期間だけスイッチを導通状態とすれば、第1の圧電素子内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。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。
上述の適用例において、前記第1の圧電素子は、前記第2の圧電素子よりも圧電定数が大きいことが好ましい。
上述の適用例において、前記第1の圧電素子は、前記第2の圧電素子よりも発電可能な面積が大きいことが好ましい。
上述の適用例において、前記第1の圧電素子は、複数であることが好ましい。
上述の適用例において、前記変形部材は複数の面を有し、前記第1の圧電素子は前記変形部材の第1の面に備えられ、前記第2の圧電素子は、前記変形部材の第1の面とは異なる第2の面に備えられていることが好ましい。
上述の適用例において、前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子とは、前記変形部材
の同じ面に備えられていることが好ましい。
上述の適用例において、前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子とは、長手方向の長さが同じであることが好ましい。
上述の適用例において、前記変形部材は、変形しない固定端を有し、前記第2の圧電素子は、前記変形部材の前記第1の圧電素子が備えられている箇所より、前記変形部材の前記固定端に近い箇所に備えられていることが好ましい。
本適用例の電子機器は、上述の発電装置を用いた、電子機器である。
本適用例の移動手段は、上述の発電装置を用いた、移動手段である。
A−1.発電装置の構造:
A−2.発電装置の動作:
A−3.発電装置の動作原理:
A−4.スイッチの切換タイミング:
B.第2実施例:
C.第3実施例:
D.第4実施例:
E.変形例:
E−1.第1変形例:
E−2.第2変形例:
E−3.第3変形例:
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1Aには、発電装置100の機械的な構造が示されており、図1B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。梁104の表面には、圧電素子108及び圧電素子110が備えられている。圧電素子108は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電材料で形成された圧電部材108cと、圧電部材108cの表面に金属薄膜で形成された第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。圧電素子110は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電材料で形成された圧電部材110cと、圧電部材110cの表面に金属薄膜で形成された第1電極(上部電極)110a及び第2電極(下部電極)110bとを含んで構成されている。第1電極(上部電極)110a及び第2電極(下部電極)110bは、圧電部材110cを挟んで対向配置されている。図1Aに示す例では、圧電素子108と圧電素子110とは同じ形状を有しているが、必ずしも同じ形状でなくてもよい。例えば、圧電素子108が梁104に対して設置可能な最大の長さと幅であれば、圧電素子108の発電量は大きくなる。一方、圧電素子110が設置可能な最小の幅(梁104の短手方向への長さ)であれば、圧電素子110による梁104の変位抵抗が低減するため、発電効率が良くなる。圧電素子108及び圧電素子110は梁104の変形によって変形するから、梁104が本発明の「変形部材」に相当する。
gとして表すことができる。圧電素子110の圧電部材110c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)Csとして表すことができる。インダクターLは、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は圧電素子108と電気的に接続され、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。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。
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。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。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。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、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。
zt2が発生する。
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。
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。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。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。
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。
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。
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130やスイッチSWの動作速度などの事情から、制御部130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。
5|<・・・と昇圧していく。
子110に生じる電流Ipzt2が0となるタイミングと一致する。その理由は、圧電素子110は、インダクターLや蓄電素子C1と接続していないため、電荷の増減が圧電素子110に生じる電流Ipzt2の変化に直接反映されるからである。
イッチSWをON状態に切り換える。
以上に説明した第1実施例の発電装置100では、制御用の圧電素子110が1つだけ設けられているものとして説明した。しかし、制御用の圧電素子110は必ずしも1つだけである必要はなく、複数の制御用の圧電素子を設けてもよい。以下では、このような第2実施例について説明する。第1実施例と同様な構成については、第2実施例においても同じ番号を符番するものとして、詳細な説明は省略する。
図14は、第3実施例の発電装置100の電気的な構造を示す回路図である。第3実施例の発電装置100の機械的な構造は、図1Aに示される構造と同一である。第1実施例と同様な構成については、第3実施例においても同じ番号を符番するものとして、詳細な説明は省略する。
電圧値Vminを記憶しておき、圧電素子110で発生する電圧を、最大電圧値Vmax及び最小電圧値Vminと比較する。圧電素子110の発生電圧が最大電圧値Vmaxを超えた場合、あるいは最小電圧値Vminを下回った場合に、電圧値がピークに達したものと判断してもよい。梁104も完全に同じ振幅で変形するとは限らないから、圧電素子110で発生する電圧の振幅も、完全に同じになるとは限らない。しかしこのような場合でも、最大電圧値Vmaxを少しだけ低めの値に設定し、Vminを少しだけ高めの値に設定しておけば、梁104の振幅に僅かなばらつきが存在していても、電圧値がピークに達したことを十分な精度で検出することが可能となる。
以上に説明した第3実施例の発電装置100では、制御用の圧電素子110が1つだけ設けられているものとして説明した。しかし、制御用の圧電素子110は必ずしも1つだけである必要はなく、複数の制御用の圧電素子を設けてもよい。以下では、このような第4実施例について説明する。第2実施例及び第3実施例と同様な構成については、第4実施例においても同じ番号を符番するものとして、詳細な説明は省略する。
上述した第1実施例、第2実施例、第3実施例及び第4実施例には種々の変形例が存在している。以下では、これらの変形例について簡単に説明する。
上述した第2実施例及び第4実施例では、2つの制御用の圧電素子110及び114が、発電用の圧電素子108と同じ長さを有しており、それら制御用の圧電素子110及び114が、梁104の幅の両端に寄せた位置に設けられているものとして説明した。しかし、発電用の圧電素子108の長さの半分よりも短い2つの圧電素子110及び114を、梁104の中央の位置に、長手方向に向けて一列に並べて設けるようにしてもよい。
上述した各種の実施例、あるいは第1変形例では、制御用の圧電素子110(及び圧電素子114)が、発電用の圧電素子108とは異なる面に設けられているものとして説明した。しかし、制御用の圧電素子110を、発電用の圧電素子108と同じ面に設けるようにしてもよい。
した例では、発電用の圧電素子108と、制御用の圧電素子110とが、梁104の同じ面に設けられている。制御用の圧電素子110は、圧電素子108と同じ長さを有するが幅は狭くなっている。このように、発電用の圧電素子108に対して、ほぼ同じ長さを有する制御用の圧電素子110を、圧電素子108と平行に設けておけば、圧電素子108と圧電素子110とはほぼ同じ変形をする。したがって、圧電素子108の変形方向が切り換わるタイミングを精度良く検出して、適切なタイミングでスイッチSWを制御することが可能となる。
上述した第2変形例では、発電用の圧電素子108と制御用の圧電素子110とが、梁104の同じ面に設けられており、制御用の圧電素子110は、1つしか設けられていないものとして説明した。しかし、発電用の圧電素子108と制御用の圧電素子110とが、梁104の同じ面に設けられている場合でも、複数の制御用の圧電素子を設けるように
してもよい。
4は、制御に必要な発電量だけ確保すればよく、発電用の圧電素子108の圧電定数が大きいことで圧電素子108の発電量を多くできる。その結果、発電用の圧電素子108の面積を小さくすることも可能となるため、梁104の小型化が図られる。
上述した実施例及び変形例において、発電用の圧電素子は、複数であってもよい。発電用の圧電素子は複数で多いほど発電量は多くなる。したがって、発電用の圧電素子を複数としておけば、外部へ電荷を供給することに用いる発電用の圧電素子から制御用の圧電素子よりも高い電圧が発生し、発電装置の発電能力を高くすることができる。
1〜D4…ダイオード、SW…スイッチ
Claims (18)
- 変形方向を切り換えて変形する変形部材と、
前記変形部材に備えられた第1の圧電素子と、
前記変形部材に備えられた第2の圧電素子と、
前記第1の圧電素子と電気的に接続されるインダクターと、
前記第1の圧電素子と前記インダクターとの間に設けられたスイッチと、
前記第2の圧電素子に生じる電流を検出し、検出された前記電流が所定以上の大きさのとき、前記スイッチを介して前記第1の圧電素子と前記インダクターとを電気的に接続する制御部と、
を備える、発電装置。 - 請求項1に記載の発電装置において、
前記制御部は、
前記変形部材の変形方向が切り換わるタイミングで前記スイッチを電気的に接続した後、所定期間が経過するタイミングで前記スイッチを電気的に切断する、発電装置。 - 請求項1又は2に記載の発電装置において、
前記制御部は、
前記第2の圧電素子と並列に接続された蓄電素子と、
前記蓄電素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、
を含む、発電装置。 - 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の発電装置において、
前記変形部材は複数の面を有し、
前記第1の圧電素子は前記変形部材の第1の面に備えられ、
前記第2の圧電素子は、前記変形部材の第1の面とは異なる第2の面に設けられている、発電装置。 - 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の発電装置において、
前記変形部材は複数の面を有し、
前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子とは、前記変形部材の同じ面に設けられている、発電装置。 - 請求項1ないし5のいずれか1項に記載の発電装置において、
前記変形部材は、変形しない固定端を有し、
前記第2の圧電素子は、前記変形部材の前記第1の圧電素子が備えられている箇所より、前記変形部材の前記固定端に近い箇所に備えられている、発電装置。 - 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の発電装置を用いた、電子機器。
- 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の発電装置を用いた、移動手段。
- 変形方向を切り換えて変形する変形部材と、
前記変形部材に備えられた第1の圧電素子と、
前記変形部材に備えられ、前記第1の圧電素子よりも生じる発電量が小さい第2の圧電素子と、
前記第1の圧電素子と電気的に接続されるインダクターと、
前記第1の圧電素子と前記インダクターとの間に設けられたスイッチと、
前記第2の圧電素子に生じた電圧を検出し、検出された前記電圧が所定以上の大きさのとき、前記スイッチを用いて前記第1の圧電素子と前記インダクターとを電気的に接続する制御部と、
を備える、発電装置。 - 請求項9に記載の発電装置において、
前記第1の圧電素子は、前記第2の圧電素子よりも圧電定数が大きい、発電装置。 - 請求項9又は10に記載の発電装置において、
前記第1の圧電素子は、前記第2の圧電素子よりも発電可能な面積が大きい、発電装置。 - 請求項9ないし11のいずれか1項に記載の発電装置において、
前記第1の圧電素子は、複数である、発電装置。 - 請求項9ないし12のいずれか1項に記載の発電装置において、
前記変形部材は複数の面を有し、
前記第1の圧電素子は前記変形部材の第1の面に備えられ、
前記第2の圧電素子は、前記変形部材の第1の面とは異なる第2の面に備えられている、発電装置。 - 請求項9ないし12のいずれか1項に記載の発電装置において、
前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子とは、前記変形部材の同じ面に備えられている、発電装置。 - 請求項9ないし14のいずれか1項に記載の発電装置において、
前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子とは、長手方向の長さが同じである、発電装置。 - 請求項9ないし15のいずれか1項に記載の発電装置において、
前記変形部材は、変形しない固定端を有し、
前記第2の圧電素子は、前記変形部材の前記第1の圧電素子が備えられている箇所より、前記変形部材の前記固定端に近い箇所に備えられている、発電装置。 - 請求項9ないし16のいずれか1項に記載の発電装置を用いた、電子機器。
- 請求項9ないし16のいずれか1項に記載の発電装置を用いた、移動手段。
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