專利名稱：發電裝置的制作方法
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I)。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I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I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I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I壓電元件設置在變形部件上，所以，隨變形部件的變形，第I壓電元件也發生變形。其結果，由于壓電效應而在第I壓電元件上產生正負電荷。當第I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I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I壓電元件的變形。由此，還能夠抑制設有第I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I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I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I壓電元件的變形量越大，該第I壓電元件的電荷產生量越多。并且，第I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I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I壓電元件所產生的電荷最多時，第I壓電元件與電感器連接而形成諧振電路。于是，在第I壓電元件中產生的電荷流入電感器。而且，第I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I壓電元件的相反側的端子。該期間(即，從第I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I壓電元件內的期間)是由第I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I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I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I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I壓電元件內蓄積電荷。并且，隨著在第I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I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I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I壓電元件的變形量以外，如上所述還能夠產生較高的電壓。
圖I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I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I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；llla :上部電極；lllb :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。
具體實施例方式下面，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I變形例C.第2變形例A.實施例A-1.發電裝置的構造圖I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I (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，壓電兀件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、llla以及下部電極 109b、lllb 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LI，該電感器LI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LI串聯地)設有用于使該諧振電路通/斷的開關SW1。開關SWl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Dl 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Cl)。另一方面，壓電元件110是為了控制開關SWl而設置的，設于壓電元件110上的上部電極11 Ia和下部電極Illb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I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I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Cl的電壓VCl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VCl+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Cl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VCl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Cl中。即，即使斷開了圖I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Cl中。圖2 (C)示出了接通本實施例的發電裝置100的開關SWl的定時。并且，圖2(d)示出了開關SWl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SWl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SWl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VCl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Cl中。另外，電荷從壓電元件108流入輸出用電容器Cl的結果是，壓電元件108的端子間電壓被鉗位于VCl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VCl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SWl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SWl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Cl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Cl中而使輸出用電容器Cl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Cl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Cl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Cl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Cl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SWl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SWl。圖3(c)示出了剛剛接通開關SWl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SWl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“O”。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。S卩，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SWl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 = 2ji (LC) °_5給出該諧振現象的周期。因此，從接通了開關SWl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SWl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SWl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SWl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SWl之后，如果經過了時間T/2就斷開開關SWl，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SWl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VCl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Cl。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SWl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。S卩，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VCl與2Vf之和的電壓的部分的電荷流入到輸出用電容器Cl，所以，壓電元件108的上部電極109a與下部電極10%之間的電壓被鉗位于VCl與2Vf之和的電壓。然后，當以諧振周期的一半時間接通開關SWl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Cl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Cl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Cl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Cl中蓄積電荷，輸出用電容器Cl的端子間的電壓逐漸增加。于是，此后，當輸出用電容器Cl的端子間電壓成為比VCl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Cl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SWl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SWl。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SWl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SWl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Cl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Cl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SWl，則能夠高效地進行發電。以上，說明了按上述定時接通開關SWl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SWl斷開時的梁104 (和壓電元件108)的位移，虛線表示開關SWl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SWl斷開的情況(實線)與開關SWl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SWl的情況相比，在接通了開關SWl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SWl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VI)。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SWl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SWl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。S卩，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Illa與下部電極Illb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SWl (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SWl (步驟 S108)。在通過進行以上的步驟SlOO S108的處理來執行諧振電路的開關SWl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SWl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SWl (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SlOO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SlOO :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SI 10)。在其結果是該電壓值已達到限制電壓Vl的情況下(步驟SllO :是)，接通SWl，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SI 12)。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SWl (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SI 10 :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SllO SI 18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10%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SWl的定時進行控制，能夠高效地進行發電(步驟SlOO S108)，并且，能夠抑制梁104的變形量(步驟SllO SI 18)。即，為了高效地進行發電而設置的開關SWl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I變形例上述實施例存在各種變形例。下面，對第I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I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I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I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I變形例的發電裝置IOOA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LI、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。
S卩，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Cl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Cl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LI。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 SlOO 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SWl的處理(圖8的步驟SllO S118)，能夠抑制梁104的變形。如上所述，第2變形例的發電裝置IOOb在抑制了部件數量(電感器LI)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Cl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SWl的狀態下在輸出電容器Cl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。
權利要求
1.一種發電裝置，該發電裝置具有 變形部件，其設有第I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I壓電兀件上； 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I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I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I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I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I壓電元件和所述第2壓電元件為多個。
6.—種電子設備,該電子設備具有權利要求I 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I 5中任意一項所述的發電裝置。
全文摘要
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。
文檔編號H02N2/18GK102647109SQ20121003556
公開日2012年8月22日 申請日期2012年2月16日 優先權日2011年2月17日
發明者井出典孝, 小野泰弘, 平林篤哉, 田端邦夫 申請人:精工愛普生株式會社