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發電裝置.pdf

摘要
申請專利號:

CN201210035566.9

申請日:

2012.02.16

公開號:

CN102647109B

公開日:

2015.01.21

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H02N 2/18申請日:20120216|||公開
IPC分類號: H02N2/18 主分類號: H02N2/18
申請人: 精工愛普生株式會社
發明人: 田端邦夫; 井出典孝; 平林篤哉; 小野泰弘
地址: 日本東京都
優先權: 2011.02.17 JP 2011-031718
專利代理機構: 北京三友知識產權代理有限公司 11127 代理人: 李輝;黃綸偉
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210035566.9

授權公告號:

102647109B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.21|||2012.10.10|||2012.08.22

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供能夠實現小型化的利用了壓電效應的發電裝置。發電裝置通過外力使由壓電材料形成的第1壓電元件變形,將該第1壓電元件中產生的電荷作為電流取出,其中,檢測設有第1壓電元件的變形部件的變形量,在該變形量達到規定大小以上的情況下,使設于第1壓電元件上的一對電極成為短接狀態。其結果,抑制了該第1壓電元件的變形,進而抑制了變形部件的超過預想的變形。

權利要求書

1.一種發電裝置,該發電裝置具有:
變形部件,其設有第1壓電元件,且切換變形方向而變形;
變形量檢測單元,其檢測所述變形部件的變形量;
一對電極,它們設于所述第1壓電元件上;
開關,其設于所述一對電極之間;以及
開關控制單元,其控制所述開關,使得當所述變形量達到規定大小以上時,使所
述一對電極之間在規定期間內為短接狀態。
2.根據權利要求1所述的發電裝置,其中,
所述變形量檢測單元具有:
第2壓電元件,其設于所述變形部件上,用于檢測所述變形量;以及
電壓檢測單元,其檢測所述第2壓電元件所產生的電壓。
3.根據權利要求1或2所述的發電裝置,其中,
所述發電裝置具有電感器,該電感器設于所述一對電極之間,并且與所述開關串
聯連接,由此與所述第1壓電元件的電容成分構成諧振電路,
所述開關控制單元是這樣的單元:在所述變形量未達到所述規定大小的期間內,
當所述變形部件的變形方向發生了切換時連接所述開關,之后,當經過了相當于所述
諧振電路的諧振周期的半個周期的時間時,切斷所述開關。
4.根據權利要求3所述的發電裝置,其中,
所述第2壓電元件被設置在隔著所述變形部件與所述第1壓電元件相對的位置。
5.根據權利要求2~4中任意一項所述的發電裝置,其中,
所述第1壓電元件和所述第2壓電元件為多個。
6.一種電子設備,該電子設備具有權利要求1~5中任意一項所述的發電裝置。
7.一種移動單元,該移動單元具有權利要求1~5中任意一項所述的發電裝置。

說明書

發電裝置

技術領域

本發明涉及將壓電元件等壓電材料因外力變形時產生的電荷作為電能而取出的
發電裝置。

背景技術

鋯鈦酸鉛(PZT)、石英(SiO2)、氧化鋅(ZnO)等壓電材料在受到外力而變形
時,會在材料內部誘發電極化,從而在表面出現正負電荷。這種現象被稱為所謂的壓
電效應。已提出過如下的發電方法:利用壓電材料所具有的這種性質,使懸臂梁振動,
使荷重反復作用于壓電材料,將壓電材料表面產生的電荷作為電力而取出。例如已提
出過如下技術:使末端設有施重部并粘貼了壓電材料薄板的金屬制懸臂梁振動,取出
隨著振動而在壓電材料中交替產生的正負電荷,由此產生交流電流。而且,在利用二
極管對該交流電流進行整流后,蓄積到電容器中,并作為電力取出(專利文獻1)。

在使用這種技術的發電裝置中,在對懸臂梁施加了超過預想的力而使懸臂梁過度
振動的情況下,該懸臂梁可能與周邊部件發生碰撞而損壞。為了防止這種情況,提出
了如下技術:在收納懸臂梁的筐體的內壁設置彈性體,緩和懸臂梁與筐體內壁發生碰
撞時的沖擊(專利文獻2)。

【專利文獻1】日本特開平7-107752號公報

【專利文獻2】日本特開2003-218418號公報

但是,在已提出的現有技術中,需要確保設置彈性體的空間,所以,存在難以使
發電裝置充分小型化的問題。

發明內容

本發明是為了解決現有技術所存在的上述課題而完成的,其目的在于,提供如下
技術:通過抑制懸臂梁過度振動,能夠使內置有懸臂梁的發電裝置適當小型化。

為了解決上述課題的至少一部分,本發明的發電裝置采用以下結構。即,其主旨
在于,發電裝置具有:變形部件,其設有第1壓電元件,切換變形方向而變形;變形
量檢測單元,其檢測所述變形部件的變形量;一對電極,它們設于所述第1壓電元件
上;開關,其設于所述一對電極之間;以及開關控制單元,其控制所述開關,使得當
所述變形量達到規定大小以上時,使所述一對電極之間在規定期間內為短接狀態。

在這樣的本發明的發電裝置中,第1壓電元件設置在變形部件上,所以,隨變形
部件的變形,第1壓電元件也發生變形。其結果,由于壓電效應而在第1壓電元件上
產生正負電荷。當第1壓電元件與變形部件一起反復變形時,也反復產生正負電荷,
將該電荷作為電流取出,由此進行發電。并且,當變形量達到規定大小以上時,使設
于第1壓電元件上的一對電極之間成為短接狀態。這樣,由于壓電元件具有在一對電
極之間短接的狀態下難以變形的性質,所以,抑制了第1壓電元件的變形。由此,還
能夠抑制設有第1壓電元件的變形部件的過度變形,所以,不需要設置用于緩和碰撞
時的沖擊的部件,能夠使發電裝置小型化。

并且,在上述本發明的發電裝置中,可以是,在變形部件上設置有用于檢測變形
量的第2壓電元件,通過檢測第2壓電元件所產生的電壓來檢測變形量。

這樣,由于在變形部件上設有第2壓電元件,所以,隨著變形部件的變形,第2
壓電元件也發生變形。即,在第2壓電元件中產生與變形部件的變形量對應的電壓。
因此,能夠根據第2壓電元件所產生的電壓來檢測變形部件的變形量。可利用與設置
第1壓電元件的工序相同的工序設置第2壓電元件,所以,能夠提高生產性。

并且,在上述本發明的發電裝置中,也可以為如下方式。首先,將設于一對電極
之間的開關與電感器串聯連接,由第1壓電元件的電容成分和電感器構成諧振電路。
而且,在變形部件的變形量未達到規定大小的期間內,當變形部件的變形方向發生了
切換時,連接開關,之后,當經過了相當于諧振電路的諧振周期的半個周期的時間時,
切斷開關。

第1壓電元件的變形量越大,該第1壓電元件的電荷產生量越多。并且,第1
壓電元件與電感器構成諧振電路,在該諧振電路中設有開關。而且,在切斷了開關導
通的狀態下開始變形部件的變形,當變形量達到極值時(即變形方向發生切換時),
使開關成為導通狀態。由于第1壓電元件與變形部件一起變形,且變形量越大,產生
的電荷越多,所以,當第1壓電元件所產生的電荷最多時,第1壓電元件與電感器連
接而形成諧振電路。于是,在第1壓電元件中產生的電荷流入電感器。而且,第1
壓電元件和電感器構成了諧振電路,所以,流入電感器的電流發生過沖,流入第1
壓電元件的相反側的端子。該期間(即,從第1壓電元件的一個端子流出的電荷經由
電感器從相反側的端子再次流入第1壓電元件內的期間)是由第1壓電元件和電感器
形成的諧振電路的諧振周期的一半。因此,當第1壓電元件的變形方向發生了切換時,
連接開關而形成諧振電路,然后,如果在經過了諧振周期的一半時間時切斷開關,則
能夠使連接電感器之前在第1壓電元件內產生的正負電荷的配置反轉。而且,如果從
該狀態起本次使變形部件反方向變形,則第1壓電元件反方向變形,所以,從正負電
荷的配置發生反轉的狀態起,因壓電效應產生的新的電荷進一步蓄積增加,在第1
壓電元件內蓄積電荷。并且,隨著在第1壓電元件內蓄積電荷,所產生的電壓也增加,
所以,即使不額外準備升壓電路,也能夠產生比通過構成第1壓電元件的壓電材料的
電極化產生的電壓更高的電壓。這里,如上所述,開關在抑制第1壓電元件的變形量
的定時也被連接。即,通過控制開關的連接定時,除了能夠抑制第1壓電元件的變形
量以外,如上所述還能夠產生較高的電壓。

附圖說明

圖1是示出本實施例的發電裝置的構造的說明圖。

圖2是示出本實施例的發電裝置的動作的說明圖。

圖3是概念性地示出本實施例的發電裝置的工作原理的前半部分的說明圖。

圖4是概念性地示出本實施例的發電裝置的工作原理的后半部分的說明圖。

圖5是示出通過檢測用于進行控制的壓電元件的電壓而能夠在恰當的定時控制
開關的原因的說明圖。

圖6是示出對梁施加了振動時的梁的位移的說明圖。

圖7是示出在用于進行控制的壓電元件所產生的電壓達到規定值以上時進行短
接而抑制了壓電元件的變形的狀態的說明圖。

圖8是示出檢測用于進行控制的壓電元件的電壓來切換開關的通/斷的開關控制
處理的流程圖。

圖9是示出第1變形例的發電裝置的壓電元件的配置的說明圖。

圖10是示出第1變形例的發電裝置的電氣構造的說明圖。

圖11是示出第2變形例的發電裝置的電氣構造的說明圖。

標號說明

100、100A、100B:發電裝置;102:支承端;104:梁;106:施重部;108:壓
電元件;109a:上部電極;109b:下部電極;110:壓電元件;111a:上部電極;111b:
下部電極;112:控制電路;114:壓電元件;115a:上部電極;115b:下部電極;116:
壓電元件;117a:上部電極;117b:下部電極;120、121:全波整流電路;L1、L2:
電感器;C1:輸出用電容器;D1~D8:二極管;SW1、SW2:開關。

具體實施方式

下面,為了明確上述本申請發明的內容,按照以下順序對實施例進行說明。

A.實施例:

A-1.發電裝置的構造:

A-2.發電裝置的動作:

A-3.發電裝置的工作原理:

A-4.開關的切換定時:

B.第1變形例:

C.第2變形例:

A.實施例:

A-1.發電裝置的構造:

圖1是示出本實施例的發電裝置100的構造的說明圖。圖1(a)示出了發電裝
置100的構造,圖1(b)示出了電路圖。本實施例的發電裝置100的構造是設有施
重部106的梁104被固定在支承端102上的懸臂梁構造。并且,在梁104的表面安裝
有由鋯鈦酸鉛(PZT)等壓電材料形成的壓電元件108和壓電元件110,在壓電元件
108的表面設有由金屬薄膜形成的上部電極109a、下部電極109b(一對電極)。并
且,壓電元件110也同樣設有由金屬薄膜形成的上部電極111a、下部電極111b。在
圖1(a)所示的例子中,壓電元件108和壓電元件110具有相同形狀,但不是必須
為相同形狀。例如,如果壓電元件108為能夠設置于梁104上的最大的長度和寬度,
則壓電元件108的發電量變大。另一方面,如果壓電元件110為能夠設置的最小寬度
(梁104的短邊方向上的長度),則由壓電元件110引起的梁104的位移阻力降低,
所以發電效率提高。另外,壓電元件108和壓電元件110隨梁104的變形而變形,所
以,梁104相當于本發明的“變形部件”。

梁104被固定于支承端102,且在末端側設有施重部106,所以,通過施加振動
或者使發電裝置100移動,從而如圖中空心箭頭所示,梁104的末端大幅振動。其結
果,壓縮力和拉伸力交替作用于安裝在梁104表面的壓電元件108和壓電元件110。
于是,各個壓電元件108、110由于壓電效應而產生正負電荷,該電荷出現在上部電
極109a、111a以及下部電極109b、111b上。

圖1(b)例示了本實施例的發電裝置100的電路圖。壓電元件108在電氣上可
表示為電流源和蓄積電荷的電容器Cg。同樣,壓電元件110也可表示為電流源和蓄
積電荷的電容器Cs。其中,與壓電元件108并聯連接有電感器L1,該電感器L1與
壓電元件108的電容成分一起形成電氣的諧振電路。并且,在諧振電路內(與電感器
L1串聯地)設有用于使該諧振電路通/斷的開關SW1。開關SW1的通/斷由控制電路
112(相當于本發明的“開關控制單元”)控制。并且,設于壓電元件108上的上部電
極109a和下部電極109b與由四個二極管D1~D4構成的全波整流電路120連接。而
且,為了驅動電氣負載,在全波整流電路120上連接著對整流后的電流進行蓄積的電
容器(輸出用電容器C1)。

另一方面,壓電元件110是為了控制開關SW1而設置的,設于壓電元件110上
的上部電極111a和下部電極111b與控制電路112連接。因此,以下將壓電元件108
稱為“發電用壓電元件”,將壓電元件110稱為“控制用壓電元件”。另外,發電用壓電
元件108對應于本發明的“第1壓電元件”,控制用壓電元件110對應于本發明的“第2
壓電元件”。

A-2.發電裝置的動作:

圖2是示出本實施例的發電裝置100的動作的說明圖。圖2(a)示出了隨著梁
104的振動,梁104的末端的位移u發生變化的狀態。另外,正位移u表示梁104向
上翹曲的狀態(梁104的上表面側成為凹狀的狀態),負位移(-u)表示梁104向下
翹曲的狀態(梁104的下表面側成為凹狀的狀態)。并且,圖2(b)示出了隨著梁
104的變形而由壓電元件108產生的電流的狀態、以及作為結果在壓電元件108內部
產生的電動勢的狀態。另外,在圖2(b)中,壓電元件108中產生電荷的狀態被表
示為每單位時間產生的電荷量(即電流Ipzt),壓電元件108中產生的電動勢被表示
為上部電極109a與下部電極109b之間產生的電位差Vpzt。

另外,如使用圖1所述的那樣,在梁104上還設有壓電元件110,當梁104變形
時,壓電元件110也與壓電元件108同樣地變形。因此,在壓電元件110的內部,也
與壓電元件108完全同樣地產生圖2(b)所示的電流Ipzt和電位差Vpzt。

如圖2(a)和圖2(b)所示,在梁104的位移增加的期間,壓電元件108產生
正方向的電流(即電流Ipzt為正值),與此相伴,上部電極109a與下部電極109b
的電位差Vpzt向正方向增加。如果正方向的電位差Vpzt大于C1的電壓VC1與構成
全波整流電路120的二極管的正向降低電壓Vf的兩倍之和、即VC1+2Vf,則能夠將
此后產生的電荷作為直流電流取出,并蓄積到輸出用電容器C1中。并且,在梁104
的位移減小的期間,壓電元件108產生負方向的電流(即電流Ipzt為負值),與此相
伴,上部電極109a與下部電極109b的電位差Vpzt向負方向增加。如果負方向的電
位差Vpzt大于VC1與全波整流電路120的2Vf之和,則能夠將產生的電荷作為直流
電流取出,并蓄積到輸出用電容器C1中。即,即使斷開了圖1的開關SW1,對于圖
2(b)中附加了斜線來表示的部分,也能夠將電荷蓄積到輸出用電容器C1中。

圖2(c)示出了接通本實施例的發電裝置100的開關SW1的定時。并且,圖2
(d)示出了開關SW1動作時的壓電元件108的端子間電壓Vgen。按照圖2(c)所
示的定時接通開關SW1。于是,如圖2(d)的粗實線所示,在接通了開關SW1時,
產生壓電元件108的端子間的電位反轉。例如,在圖2(d)中表示為“B”的期間B內,
當開關SW1接通時,壓電元件108的端子間電壓向負方向反轉,然后,在壓電元件
108的端子間出現粗虛線所示的電壓波形。產生這種現象的原因將在后面敘述。并且,
在圖2(d)中表示為“C”的期間C內,壓電元件108的端子間電壓向正方向反轉,然
后出現粗虛線的電壓波形。此后的期間D、期間E、期間F等也同樣是在壓電元件
108的端子間電壓反轉后,出現粗虛線的電壓波形。而且,在壓電元件108的電壓波
形超過VC1與2Vf之和的部分(圖2(d)中附加了斜線來表示的部分)中,能夠將
壓電元件108所產生的電荷蓄積到輸出用電容器C1中。另外,電荷從壓電元件108
流入輸出用電容器C1的結果是,壓電元件108的端子間電壓被鉗位于VC1與2Vf
之和的電壓。換言之,壓電元件108的端子間電壓被保持為VC1與2Vf之和的電壓。
其結果,上部電極109a和下部電極109b之間的電壓波形成為圖2(d)中粗實線所
示的波形。

對圖2(b)所示的斷開了開關SW1的情況與如圖2(d)所示在梁104的變形方
向發生切換的定時接通開關SW1的情況進行比較可知,在本實施例的發電裝置100
中,通過以恰當的定時接通開關SW1,能夠高效地將電荷蓄積到輸出用電容器C1中。
因此,在本實施例的發電裝置100中,為了以恰當的定時接通開關SW1,設置了用
于進行控制的壓電元件110,通過檢測壓電元件110的電壓來控制開關SW1。這點將
在后面進行詳細說明。

并且,當電荷被蓄積到輸出用電容器C1中而使輸出用電容器C1的端子間電壓
增加時,電壓波形的移位量也隨之變大。例如,當對圖2(d)中的期間B(在輸出
用電容器C1中未蓄積電荷的狀態)與圖2(d)中的期間H(在輸出用電容器C1中
蓄積了少量電荷的狀態)進行比較時,期間H的電壓波形的移位量更大。同樣,當
對圖2(d)中的期間C與期間I進行比較時,蓄積到輸出用電容器C1中的電荷增加
的期間I的電壓波形的移位量更大。產生這種現象的原因將在后面進行敘述,其結果
是,在本實施例的發電裝置100中,通過使壓電元件108變形,也能將上部電極109a
與下部電極109b之間產生的電壓Vpzt以上的電壓蓄積到輸出用電容器C1中。其結
果,不需要設置特別的升壓電路,就能夠得到小型且高效的發電裝置。

A-3.發電裝置的工作原理:

圖3是概念性地示出本實施例的發電裝置100的工作原理的前半部分的說明圖。
并且,圖4是概念性地示出本實施例的發電裝置100的工作原理的后半部分的說明圖。
在圖3和圖4中,概念性地示出了隨壓電元件108的變形而接通了開關SW1時的Cg
(壓電元件108的電容成分)內的電荷的動作。圖3(a)表示壓電元件108(準確地
說是梁104)向上(上表面側變凹)變形后的狀態。當壓電元件108向上變形時,從
電流源流出正方向的電流,在Cg(壓電元件108的電容成分)中蓄積電荷,Vgen產
生正方向的電壓。壓電元件108的變形量越大,電壓值增加得越大。而且,在壓電元
件108的變形量達到極值的定時(電荷量達到極值的定時(參照圖3(b))),接通開
關SW1。

圖3(c)示出了剛剛接通開關SW1之后的狀態。由于在Cg(壓電元件108的電
容成分)中蓄積有電荷,所以,該電荷欲流過電感器L。當電流流過電感器L時,會
產生磁通(磁通增加),但電感器L具有在阻礙磁通變化的方向上產生反向電動勢的
性質(自感作用)。在接通開關SW1的瞬間,因電荷流動而使磁通增加,所以,在
阻礙該磁通增加的方向(換言之,阻礙電荷流動的方向)上產生反向電動勢。并且,
反向電動勢的大小與磁通的變化速度(每單位時間的變化量)成比例。在圖3(c)
中,用附加了斜線的箭頭來表示在電感器L中這樣產生的反向電動勢。由于產生了這
種反向電動勢,因此,即使接通開關SW1,壓電元件108的電荷也只是逐次少量地
流出。即,流過電感器L的電流只是逐次少量地增加。

然后,當流過電感器L的電流達到峰值時,磁通的變化速度為“0”,所以,如圖
3(d)所示,反向電動勢為“0”。然后,本次是電流開始減小。于是,貫通電感器L
的磁通減少,所以,在電感器L中產生阻礙該磁通減少的方向(欲流過電流的方向)
的電動勢(參照圖3(e))。其結果,通過該電動勢從Cg(壓電元件108的電容成分)
中抽出電荷,同時,電流繼續流過電感器L。而且,如果在電荷的移動中途沒有產生
損失,則因壓電元件108的變形而產生的全部電荷均發生移動,正好成為正負電荷置
換后的狀態(即,正電荷分布在壓電元件108的下表面側、負電荷分布在上表面側的
狀態)。在圖3(f)中示出了因壓電元件108的變形而產生的正負電荷全部移動后的
狀態。

若假設在該狀態下接通了開關SW1,則本次是產生與上述內容相反的現象。即,
壓電元件108的下表面側的正電荷欲流過電感器L,此時,在電感器L中產生阻礙電
荷流動的方向的反向電動勢。然后,當流過電感器L的電流達到峰值后,轉為減小,
此時,本次是在電感器L中產生阻礙電流減小的方向(欲繼續流過電流的方向)的電
動勢。其結果,成為位于壓電元件108的下表面側的全部正電荷均移動到上表面側的
狀態(圖3(b)所示的狀態)。如使用圖3(b)~圖3(f)所述的那樣,這樣返回
到壓電元件108的上表面側的正電荷再次向下表面側移動。

這樣,在Cg(壓電元件108的電容成分)中蓄積有電荷的狀態下接通了開關SW1
后,如果保持該狀態,則會產生在壓電元件108與電感器L之間電流的方向交替反轉
的一種諧振現象。而且,該諧振現象的周期是所謂的LC諧振電路的周期T,所以,
當設Cg(壓電元件108的電容成分)的大小(電容)為C、電感器L的感應成分的
大小(電感)為L時,由T=2π(LC)0.5給出該諧振現象的周期。因此,從接通了開
關SW1起(圖3(c)所示的狀態)到成為圖3(f)所示的狀態為止的時間為T/2。

因此,在從接通開關SW1后經過T/2的時刻,如圖4(a)所示斷開開關SW1。
然后,從該狀態起,本次使壓電元件108(準確地說是梁104)向下(下表面側變成
凹狀)變形。由于在所述圖3(a)中是使壓電元件108向上變形,而在圖4(a)中
是使其向下變形,所以從電流源流出負方向的電流,電荷被蓄積到Cg中,使得Vgen
向負方向變大。并且,如使用圖3(a)~圖3(f)所述的那樣,在使壓電元件108
(準確地說是梁104)向下變形之前的階段,正電荷分布在壓電元件108的下表面側,
負電荷分布在上表面側,所以,在這些電荷的基礎上,在下表面側又蓄積了新的正電
荷,在上表面側又蓄積了新的負電荷。在圖4(b)中,示出了在斷開了開關SW1的
狀態下使壓電元件108(準確地說是梁104)變形、從而在壓電元件108中蓄積了新
的電荷的狀態。

而且,當在壓電元件108的變形量達到極值的定時(電荷量達到極值的定時)接
通了開關SW1時,在壓電元件108下表面側蓄積的正電荷欲流過電感器L。此時,
在電感器L中產生反向電動勢(參照圖4(c)),所以,電流開始逐次少量地流過,
不久達到峰值,然后轉為減小。于是,在電感器L中,在阻礙電流減小的方向(欲繼
續流過電流的方向)上產生電動勢(參照圖4(e)),通過該電動勢使電流繼續流過,
最終成為分布在壓電元件108的下表面側的全部正電荷均移動到上表面側、分布在上
表面側的全部負電荷均移動到下表面側的狀態(參照圖4(f))。并且,下表面側的
全部正電荷均移動到上表面側、上表面側的全部負電荷均移動到下表面側的時間為相
當于LC諧振電路的半個周期的時間T/2。因此,在接通了開關SW1之后,如果經過
了時間T/2就斷開開關SW1,并且這次使壓電元件108(準確地說是梁104)向上(上
表面側變成凹狀)變形,則能夠進一步在壓電元件108內蓄積正負電荷。

如以上說明的那樣,在本實施例的發電裝置100中,在使壓電元件108變形而產
生電荷后,將壓電元件108與電感器L連接,以諧振周期的半個周期形成諧振電路,
從而使壓電元件108內的正負電荷的分布反轉。然后,本次使壓電元件108反方向變
形而產生新的電荷。由于壓電元件108內的正負電荷的分布已發生了反轉,所以,新
產生的電荷被蓄積到壓電元件108中。然后,再次將壓電元件108與電感器L連接諧
振周期的半個周期,使壓電元件108內的正負電荷的分布反轉,之后,使壓電元件
108反方向變形。通過反復進行這樣的動作,由此,每次使壓電元件108反復變形時,
都能夠增加蓄積到壓電元件108中的電荷。

如使用圖2所述的那樣,在本實施例的發電裝置100中,每當接通開關SW1時,
都會產生壓電元件108的端子間的電壓波形發生移位的現象,而該現象是基于以上原
理產生的。即,例如在圖2(d)中所示的期間A內,隨著壓電元件108(準確地說
是梁104)的變形,在上部電極109a與下部電極109b之間產生電壓,但由于上部電
極109a和下部電極109b與全波整流電路120連接,所以,超過VC1與2Vf之和的
電壓的部分的電荷流入與全波整流電路120連接的輸出用電容器C1。其結果,若在
梁104的變形量達到極值的時刻接通開關SW1,則此時殘留在壓電元件108內的正
負電荷經由電感器L而移動,調換了壓電元件108內的正負電荷的配置。另外,根據
使用圖3和圖4所述的原理可知,接通開關SW1的期間為由壓電元件108的電容成
分和電感器L構成的諧振電路的諧振周期的一半時間。

然后,當從調換了正負電荷的配置的狀態起使梁104反方向變形時,在壓電元件
108的上部電極109a與下部電極109b之間出現基于壓電效應的電壓波形。即,從調
換了壓電元件108的上部電極109a與下部電極109b的極性的狀態起,在壓電元件
108中產生因變形引起的電壓變化。其結果,在圖2(d)中所示的期間B內,出現
了因梁104的變形而使壓電元件108中產生的電壓波形發生移位后的電壓波形。但是,
如上所述,超過VC1與2Vf之和的電壓的部分的電荷流入到輸出用電容器C1,所以,
壓電元件108的上部電極109a與下部電極109b之間的電壓被鉗位于VC1與2Vf之
和的電壓。然后,當以諧振周期的一半時間接通開關SW1時,調換了殘留在壓電元
件108中的正負電荷的配置。然后,從該狀態起梁104發生變形,由此,在壓電元件
108中出現基于壓電效應的電壓波形。因此,在圖2(d)中所示的期間C內,也出
現了因梁104的變形而使電壓波形發生了移位后的電壓波形。

并且,如使用圖2所述的那樣,在本實施例的發電裝置100中,在梁104反復變
形的過程中,還會產生電壓波形的移位量逐漸變大的現象。因此,能夠得到如下顯著
的效果:能夠將因壓電元件108的壓電效應而在上部電極109a與下部電極109b之間
產生的電位差高的電壓蓄積到輸出用電容器C1中。這種現象是基于以下原理產生的。

首先,如圖2(d)中的期間A或期間B所示,在輸出用電容器C1未被充電的
情況下,若在壓電元件108的端子間產生的電壓超過全波整流電路120的2Vf,則從
壓電元件108向輸出用電容器C1流入電荷,所以,在壓電元件108的端子間出現的
電壓被鉗位于2Vf。但是,隨著這樣在輸出用電容器C1中蓄積電荷,輸出用電容器
C1的端子間的電壓逐漸增加。于是,此后,當輸出用電容器C1的端子間電壓成為比
VC1與2Vf之和高的電壓后,才從壓電元件108流入電荷。因此,隨著在輸出用電
容器C1中蓄積電荷,壓電元件108的端子間電壓被鉗位的值逐漸上升。

而且,如使用圖3和圖4所述的那樣,只要不從壓電元件108流出電荷,則每當
使壓電元件108(準確地說是梁104)變形時,壓電元件108內的電荷都會增加,壓
電元件108的端子間電壓變大。因此,根據本實施例的發電裝置100,即使不設置特
別的升壓電路,也能夠在自然升壓到驅動電氣負載所需的電壓的狀態下進行發電。

A-4.本實施例的開關的切換定時:

如以上說明的那樣,在本實施例的發電裝置100中,反復對壓電元件108(準確
地說是梁104)施加變形,在變形方向切換的瞬間,以諧振周期的一半時間將壓電元
件108與電感器L連接,由此,能夠得到高效、且不需要升壓電路而容易實現小型化
的優良特征。不過,在梁104的變形方向切換的瞬間接通開關SW1也并非十分容易。
例如,如果認為在梁104的變形方向切換的瞬間,梁104的位移大小為最大,則可構
成為使用機械觸點在梁104達到最大位移的瞬間進行接通。但是,當觸點的調整出現
偏差時,效率會大幅降低。因此,在本實施例的發電裝置100中,不僅設置了用于發
電的壓電元件108,還設置了用于控制的壓電元件110,通過檢測在壓電元件110中
產生的電壓來控制開關SW1。

圖5是示出通過檢測在用于進行控制的壓電元件110中產生的電壓而能夠按恰當
的定時控制開關SW1的原因的說明圖。圖5(a)示出了梁104的位移。并且,圖5
(b)示出了隨著梁104的振動而使壓電元件110中產生的電動勢Vpzt發生變化的狀
態。

如使用圖3和圖4所述的那樣,在梁104的位移u達到極值的定時接通開關SW1
的情況下,能夠以最高效率進行發電。而且,對圖5(a)與圖5(b)進行比較可知,
梁104的位移u達到極值的定時與壓電元件110的電動勢Vpzt達到極值的定時一致。
這源于以下原因。首先,即使壓電元件108因變形而產生電荷,也會在電感器L抽出
了該電荷、或者電荷流入輸出用電容器C1的影響下,使得壓電元件108的電動勢
Vpzt不與梁104的位移完全相同。與此相對,由于壓電元件110不與電感器L和輸
出用電容器C1連接,所以,電荷的增減直接反映于壓電元件110的電動勢Vpzt的變
化中。因此,壓電元件110的電動勢Vpzt達到極值的定時與梁104的位移u達到極
值的定時一致。

因此,如圖5(b)中箭頭所示,如果檢測出壓電元件110的電動勢Vpzt達到極
值的定時,并從該定時起以所述諧振周期的一半時間(T/2)接通開關SW1,則能夠
高效地進行發電。

以上,說明了按上述定時接通開關SW1時能夠高效地進行發電的情況。在本實
施例的發電裝置100中,除了上述定時以外,通過在以下說明的定時接通開關SW1,
還能夠抑制梁104的變形量。

圖6是示出對梁104施加了振動時的梁104的位移(相當于本發明的“變形量”)
的說明圖,示出了隨著梁104的振動,梁104的末端的位移u發生變化的狀態。圖6
中的實線表示開關SW1斷開時的梁104(和壓電元件108)的位移,虛線表示開關
SW1接通時、即壓電元件108的上部電極109a與下部電極109b處于短接狀態時的
梁104(和壓電元件108)的位移。另外,對于圖6中的開關SW1斷開的情況(實線)
與開關SW1接通的情況(虛線)雙方而言,對梁104施加彼此相同的力。對圖6的
虛線與實線進行比較可知,與斷開開關SW1的情況相比,在接通了開關SW1而使上
部電極109a與下部電極109b成為短接狀態的情況下,能抑制梁104(和壓電元件108)
的變形。

在本實施例的發電裝置100中,利用壓電元件108的這種性質,通過壓電元件
110對梁104(和壓電元件108)的變形量進行控制。即,控制用壓電元件110設于
梁104上,它們以相同程度發生變形,所以,梁104的變形量越大,在壓電元件110
中產生的電壓Vpzt的絕對值越大。而且,在該電壓Vpzt的絕對值達到規定值以上(后
述的限制電壓Vl以上)的情況下,通過接通開關SW1而使發電用壓電元件108的上
部電極109a與下部電極109b成為短接狀態,由此來抑制壓電元件108(和梁104)
變形至規定的變形量以上。

圖7是示出控制用壓電元件110所產生的電壓達到規定值以上時進行短接來抑制
壓電元件108(和梁104)的變形的狀態的說明圖。圖7(a)示出了梁104的位移。
并且,圖7(b)示出了隨著梁104的振動,壓電元件110所產生的電壓Vpzt發生變
化的狀態。如圖7(b)所示,壓電元件110所產生的電壓Vpzt在定時tl到達規定值
(限制電壓Vl)。如圖7(a)所示,該定時tl是梁104的位移達到一定值以上的定時。
而且,如圖7(c)所示,通過在定時tl接通開關SW1而使發電用壓電元件108的上
部電極109a與下部電極109b成為短接狀態,來抑制壓電元件108(和梁104)的變
形。即,在如果不接通開關SW1、則如圖7(a)中虛線所示會發生大幅變形的位置
處,接通開關SW1,將壓電元件108(和梁104)的變形抑制為實線所示的程度。

如上所述,由于能夠控制梁104的變形量,所以,能夠防止梁104與配置于梁
104周邊的部件和筐體發生碰撞。其結果,不需要設置用于對該碰撞的沖擊進行緩沖
的緩沖部件,能夠使發電裝置100小型化。

圖8是示出檢測在控制用壓電元件110中產生的電壓來切換開關SW1的通/斷的
開關控制處理的流程圖。該處理由內置于控制電路112中的CPU執行。即,控制用
壓電元件110和控制電路112的CPU相當于“變形量檢測單元”。并且,控制電路112
的CPU相當于“電壓檢測單元”。

當開始開關控制處理后,控制電路112的CPU檢測控制用壓電元件110的上部
電極111a與下部電極111b之間的電壓,判斷電壓值是否已達到峰值(即電壓值是否
已達到極值)(步驟S100)。關于電壓值是否已達到峰值,進行電壓波形的微分,如
果微分值的符號發生了改變,則可判斷為電壓值已達到峰值。

如果檢測到控制用壓電元件110所產生的電壓值的峰值(S100:是),則接通諧
振電路(由壓電元件108的電容成分Cg和電感器L構成的諧振電路)的開關SW1
(步驟S102),之后啟動內置于控制電路112中的未圖示的計時器(步驟S104)。
然后,判斷是否經過了由壓電元件108的電容成分Cg和電感器L構成的諧振電路的
諧振周期的1/2時間(步驟S106)。

在其結果是判斷為尚未經過諧振周期的1/2時間的情況下(步驟S106:否),在
該狀態下反復進行同樣的判斷,由此,在經過諧振周期的1/2時間之前成為待機狀態。
然后,如果判斷為經過了諧振周期的1/2時間(步驟S106:是),則斷開諧振電路的
開關SW1(步驟S108)。

在通過進行以上的步驟S100~S108的處理來執行諧振電路的開關SW1的通/斷
的情況下,能夠與梁104的動作相應地在恰當的定時使開關SW1通/斷,所以,能夠
高效地進行發電。如果斷開了諧振電路的開關SW1(步驟S108),則返回開關控制
處理的開頭,重復進行上述一系列的處理。

在步驟S100的處理中未檢測到控制用壓電元件110所產生的電壓值的峰值的情
況下(步驟S100:否),接著判斷控制用壓電元件110所產生的電壓值是否已達到
限制電壓Vl(步驟S110)。在其結果是該電壓值已達到限制電壓Vl的情況下(步驟
S110:是),接通SW1,使得上部電極109a與下部電極109b短接來抑制梁104的
變形(步驟S112)。然后,啟動內置于控制電路112中的計時器(步驟S114)。然
后,判斷是否經過了設定時間(相當于本發明的“規定時間”)(步驟S116)。這里,
設定時間是為了抑制梁104的變形而使上部電極109a與下部電極109b短接的時間。
作為該設定時間的長度,例如設定為梁104的振動周期的1/2左右的能夠充分抑制梁
104的變形的時間。

在步驟S116的判斷處理中判斷為尚未經過設定時間的情況下(步驟S116:否),
在該狀態下反復進行同樣的判斷,由此,在經過設定時間之前成為待機狀態。然后,
如果判斷為經過了設定時間(步驟S116:是),則斷開開關SW1(步驟S118)。如
果斷開了開關SW1、或者控制用壓電元件110所產生的電壓值未達到限制電壓Vl(步
驟S110:否),則返回開關控制處理的開頭,重復進行上述一系列的處理。

通過進行以上的步驟S110~S118的處理,由此,在控制用壓電元件110所產生
的電壓值達到了限制電壓Vl的情況下(即梁104的變形量達到規定大小以上的情況
下),將上部電極109a與下部電極109b短接設定時間,能夠抑制梁104變形至超過
預想的程度的狀況。其結果,能夠防止梁104與配置于梁104周邊的部件和筐體發生
碰撞,不需要配置用于對該碰撞的沖擊進行緩沖的緩沖部件,所以,能夠使發電裝置
100小型化。

并且,通過對接通一個開關SW1的定時進行控制,能夠高效地進行發電(步驟
S100~S108),并且,能夠抑制梁104的變形量(步驟S110~S118)。即,為了高
效地進行發電而設置的開關SW1還用于抑制梁104的變形量,所以,能夠抑制構成
發電裝置100的部件數量的增加。

B.第1變形例:

上述實施例存在各種變形例。下面,對第1變形例進行簡單說明。

在上述實施例的發電裝置100中,說明了發電用壓電元件108和控制用壓電元件
110各設置了一個的情況。但是,這些壓電元件108、110并非必須僅為一個,也可
以分別設置有多個。下面,對這樣的第1變形例進行說明。另外,關于與上述實施例
相同的結構,在變形例中也標注相同編號,并省略詳細說明。

圖9是示出具有多個發電用壓電元件和控制用壓電元件的第1變形例的發電裝置
100A的說明圖。圖9(a)是從梁104的一個表面觀察的平面圖。圖9(b)是從梁
104的另一個表面觀察的平面圖。圖9(a)示出了在梁104的一個表面上設置的2個
發電用壓電元件(壓電元件108和壓電元件116),圖9(b)示出了在梁104的另一
個表面上設置的2個控制用壓電元件(壓電元件110和壓電元件114)。如圖9(a)
所示,發電用壓電元件108、116沿著梁104的長度方向并列設置在梁104的一個表
面上。并且,對圖9(a)與圖9(b)進行比較可知,在隔著梁104與發電用壓電元
件108相對的位置處設有控制用壓電元件110,在隔著梁104與發電用壓電元件116
相對的位置處設有控制用壓電元件114。另外,發電用壓電元件116和控制用壓電元
件114也與發電用壓電元件108和控制用壓電元件110同樣,設有由金屬薄膜形成的
上部電極117a、115a、下部電極117b、115b。

圖10是示出具有2個發電用壓電元件108、116和2個控制用壓電元件110、114
的第1變形例的發電裝置100A的電氣構造的說明圖。對圖10與圖1(b)進行比較
可知,相對于上述實施例,第1變形例的發電裝置100A追加了發電用壓電元件116、
電感器L2、開關SW2、全波整流電路121、控制用壓電元件114等。追加了這些部
件后的結構與上述實施例中說明的發電用壓電元件108、電感器L1、開關SW1、全
波整流電路120、控制用壓電元件110等同樣地進行工作。

即,從控制用壓電元件110所產生的電壓達到峰值起到經過了諧振周期的1/2時
間為止,接通開關SW1,由此,發電用壓電元件108所產生的電荷被高效地蓄積到
輸出用電容器C1中。同樣,從控制用壓電元件114所產生的電壓達到峰值起到經過
了諧振周期的1/2時間為止,接通開關SW2,由此,發電用壓電元件116所產生的電
荷也被蓄積到輸出用電容器C1中。

并且,從控制用壓電元件110所產生的電壓達到限制電壓Vl以上起到經過了設
定時間為止,接通開關SW1,由此抑制發電用壓電元件108的變形,同樣,從控制
用壓電元件114所產生的電壓達到限制電壓Vl以上起到經過了設定時間為止,接通
開關SW2,由此抑制發電用壓電元件116的變形。通過分別抑制壓電元件108、116
的變形,能夠分別抑制設有壓電元件108、116的梁104的各個部分(參照圖7)的
變形。這樣,分別抑制了梁104的各個部分的變形,所以,即使梁104的各個部分中
的僅一個部分產生了過度變形,也是僅抑制這一個部分的變形,能夠在不對其他部分
抑制變形的情況下產生電力。因此,能夠根據梁104的多種變形來抑制過度的變形,
且能夠高效地進行發電。

C.第2變形例:

接著,對第2變形例進行簡單說明。

圖11是示出第2變形例的發電裝置100B的電氣構造的說明圖。對圖11與圖1
(b)進行比較可清楚地看出,相對于上述實施例,第2變形例的發電裝置100B未
連接電感器L1。即,在第2變形例的發電裝置100B內,不構成上述實施例的LC諧
振電路。由此,能夠省略由內置于控制電路112中的CPU執行的用于利用LC諧振
電路的控制處理(圖8的步驟S100~S108)。

當然,在第2變形例的發電裝置100B中,由于沒有像上述實施例的發電裝置100
那樣利用LC諧振電路,所以,不能期望如實施例的發電裝置100那樣高效地蓄積電
荷,但是,通過進行當梁104的變形量達到規定值以上時接通SW1的處理(圖8的
步驟S110~S118),能夠抑制梁104的變形。如上所述,第2變形例的發電裝置100b
在抑制了部件數量(電感器L1)和CPU的處理負載(用于利用LC諧振電路的控制
處理)的增大的基礎上,能夠防止梁104與配置于梁104周邊的部件和筐體發生碰撞。

以上,對實施例或變形例進行了說明,但本發明不限于這些實施例或變形例,可
在不脫離其主旨的范圍內以各種方式來實施。

例如,在上述實施例中,說明了在梁104的變形方向發生切換的定時接通開關
SW1、由此來高效地在輸出電容器C1中蓄積電荷的情況。但不限于此,也可以是在
圖2(b)所示的斷開了開關SW1的狀態下在輸出電容器C1中蓄積電荷的結構。即,
只要能夠以某種形式對壓電元件108所產生的電荷進行蓄積即可,此時可以是任意結
構。

并且,在上述實施例中,說明了壓電元件108被安裝在懸臂梁構造的梁104上的
情況。但是,安裝壓電元件108和壓電元件110等的部件只要是通過振動等容易反復
產生變形的部件即可,此時,也可以是雙臂梁構造的梁,或者為任意的構造和形狀。
例如,也可以在薄膜表面安裝壓電元件108和壓電元件110等。

并且,本發明的發電裝置是與振動或移動相應地進行發電,所以,例如,如果將
發電裝置設置在橋梁、建筑物或預計地表滑落的地方等,則能夠在地震等災害時進行
發電,且僅在必要時(災害時)對電子設備等網絡單元供給電源。

另外,不限于電子設備,由于本發明的發電裝置能夠實現小型化,所以能夠設置
在任何設備中。例如,通過在車輛或電車等移動手段中使用本發明的發電裝置,由此,
通過與移動相伴的振動進行發電,能夠高效地對移動手段所具有的設備供給電力。

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發電 裝置
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