(57)【要約】【課題】圧電素子を用いて制振しながら効率良く発電する。【解決手段】圧電素子２０を備える発電素子１０は、インダクタ３０とスイッチ４０との直列回路が接続されている。制御部５０は、発電素子１０の発生する電圧の絶対値が最大値となるタイミングＴＭ１を検出する。制御部５０は、電圧絶対値の最大値となるタイミングＴＭ１から電圧波形の位相が＋４５°進んだタイミングＴＯＮ１を検出し、スイッチ４０を導通するように制御する。制御部５０は、インダクタ３０のインダクタンスと素子容量２００のキャパシタンスによって決定される共振周期の１／２の時間長を計時して、スイッチ４０を切断するように制御する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動により電荷を発生する圧電素子と、
前記圧電素子に前記振動を伝達する振動伝達部材と、
インダクタとスイッチとの直列回路と、
前記スイッチの導通・切断の制御を行う制御部と、
を備え、
前記圧電素子と前記直列回路が並列接続された圧電発電装置であって、
前記制御部は、
前記圧電素子の発生する電荷による電圧の絶対値が最大となるタイミングから、電圧波形の位相が４５°進んだタイミングで、前記スイッチを導通制御し、
前記スイッチを導通制御したタイミングから、前記圧電素子と前記インダクタの共振周期の１／２の時間が経過したタイミングで、前記スイッチを切断制御する、
圧電発電装置。
【請求項２】
前記圧電素子と前記振動伝達部材の組は、複数備えられている、
請求項１に記載の圧電発電装置。
【請求項３】
前記圧電素子と前記振動伝達部材の組は、振動周波数が異なる、
請求項１または請求項２に記載の圧電発電装置。
【請求項４】
前記圧電素子と前記直列回路の並列回路の出力端に、整流回路が接続されている、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動を電気に変換して出力する圧電素子を備えた圧電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子を用いた圧電発電装置が各種考案されている。圧電発電装置は、例えば、特許文献１に示すような構造からなる。平板状の梁の一方端を固定し、他方端を自由端として、当該他方端に錘を装着する。梁には平板状の圧電素子が装着されている。外部からの振動を受けると、梁が曲がり、圧電素子は、平板面に直交する方向に変位する。この変位により、圧電素子は分極して、電荷を発生する。すなわち、従来の圧電発電装置では、圧電素子の屈曲変位によって発電を行う。
【０００３】
そして、特許文献１に記載の圧電発電装置は、インダクタとスイッチの直列回路を圧電素子に並列接続した回路構成を備える。特許文献１に記載の圧電発電装置では、圧電素子の変位が極大となるタイミングでスイッチを導通する。このスイッチが導通したタイミングから、圧電素子とインダクタの共振周期の半分の時間が経過すると、スイッチを切断する。このスイッチング制御によって、圧電素子の異なる方向の変位によって生じる電荷を加算し、昇圧している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１０５５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、圧電素子は、屈曲変位を繰り返すことによって劣化していく。そして、劣化が進むと破損してしまうことがある。この場合、圧電素子や梁を取り替えなければならない。また、圧電素子と振動源の共振を利用するため、振動源から大きな振動が印加された場合には、圧電素子が過度に変形し、圧電素子や梁が破損してしまう可能性がある。
【０００６】
圧電素子や梁の破損を抑制したり劣化速度を遅くするには、制振すればよいが、振動を完全に抑え込むと、発電できなくなってしまう。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、制振しながら効率良く発電する圧電発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、振動により電荷を発生する圧電素子と、圧電素子に前記振動を伝達する振動伝達部材と、インダクタとスイッチとの直列回路と、スイッチの導通・切断の制御を行う制御部と、を備え、圧電素子と直列回路が並列接続された圧電発電装置に関するものであり、次の特徴を有する。制御部は、圧電素子の発生する電荷による電圧の絶対値が最大となるタイミングから、電圧波形の位相が４５°進んだタイミングで、スイッチを導通制御する。制御部は、スイッチを導通制御したタイミングから、圧電素子とインダクタの共振周期の１／２の時間が経過したタイミングで、スイッチを切断制御する。
【０００９】
この構成では、圧電発電装置が装着される振動体の振動によって圧電素子が変形している状態で、当該振動体の振動による圧電素子の変形方向と逆方向に圧電素子を変形させる応力を発生している。これにより、２つの応力が相殺し、振動体の振動および振動伝達部材を制振することができる。この際、上述のスイッチング条件を用いることで、完全に制振されず振動は継続し、発電を継続できる。
【００１０】
また、この発明の圧電発電装置では、圧電素子と振動伝達部材の組は、複数備えられていることが好ましい。また、この発明の圧電発電装置では、圧電素子と振動伝達部材の組は、振動周波数が異なっていてもよい。
【００１１】
この構成では、全ての圧電素子と振動伝達部材の組の振動周波数が同じであれば、より高い電圧を出力できる。また、圧電素子と振動伝達部材の組の振動周波数がそれぞれ異なれば、複数の振動周波数に対応して振動でき、振動に対して効率的に発電することができる。
【００１２】
また、この発明の圧電発電装置では、圧電素子と直列回路の並列回路の出力端に、整流回路が接続されていてもよい。
【００１３】
この構成では、直流電圧を出力することができる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、印加された振動によって効率良く発電しながら、破損を抑制し、劣化速度を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の回路ブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の機構部の側面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る発電素子を振動源側から見た平面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の特性を示すグラフである。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の作用効果を説明するためのグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置の外観斜視図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置の出力電力特性を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置について、図を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の回路ブロック図である。
【００１７】
圧電発電装置１は、発電素子１０、インダクタ３０、スイッチ４０、制御部５０、および整流回路６０を備える。
【００１８】
発電素子１０は、圧電素子２０を備え、素子容量２００を含んでいる。図２は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の機構部の側面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る発電素子を振動源側から見た平面図である。
【００１９】
図２、図３に示すように、発電素子１０は、長尺形状で平板の梁１１を備える。梁１１は、外部からの振動により、平板面に直交する方向へ撓む材質からなる。例えば、梁１１は、ニッケル（Ｎｉ４２）を用いる。寸法は、例えば、幅が８ｍｍ、厚みが０．４ｍｍ、長さが６０ｍｍ程度である。
【００２０】
梁１１の長尺方向の一方端は、支持柱１２を介して、振動源９００に固定されている。梁１１の長尺方向の他方端には、錘１３が装着されている。錘１３は、例えば、銅（Ｃｕ）を用いる。寸法は、例えば、長さ×幅が１５ｍｍ×２０ｍｍ、厚みが４．５ｍｍである。
【００２１】
圧電素子２０は、梁１１と同様に、長尺形状で平板である。圧電素子２０は、梁１１の一方の平板面に装着されている。この際、圧電素子２０は、梁１１の長尺方向の一方端、すなわち支持柱１２に接続する端部側に配置されている。
【００２２】
圧電素子２０は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いる。寸法は、例えば、幅が８ｍｍ、厚みが０．２ｍｍ、長さが３５ｍｍである。圧電素子２０は、分極処理されている。例えば、３ｋＶ／ｍｍで予め分極処理されている。
【００２３】
圧電素子２０における梁１１が接触する面と反対側の面には、検出制御用電極２１と電荷取り出し用電極２２とが設けられている。検出制御用電極２１は、スイッチ４０の切り替えのタイミングを計るために、出力をモニタする電極である。電荷取り出し用電極２２は、圧電素子２０で発生した電荷を取り出すための電極である。検出制御用電極２１と電荷取り出し用電極２２とは、電気的に分離されている。
【００２４】
このような構造とすることで、振動源９００が厚み方向に振動すると（図２の太矢印の方向）、梁１１は、錘１３が装着されている端部側を最大振動部として、梁１１の平板面に直交する方向へ振動する。この梁１１が本発明の振動伝達部材に相当する。
【００２５】
この梁１１の振動に伴って、圧電素子２０は湾曲し、応力が加わる。圧電素子２０は、応力に応じた大きさの電荷が発生する。この電荷は、電荷取り出し用電極２２を用いて、外部へ電圧として出力することができる。
【００２６】
この際、振動源９００の固有振動数と発電素子１０の固有振動数とを一致させることで共振現象が起こる。共振状態では、振動源９００から伝搬する振動エネルギーを発電素子１０が増幅し、発電素子１０が振動する。このため、発電効率を高くすることができる。
【００２７】
インダクタ３０とスイッチ４０は、直列接続されている。この直列回路は、発電素子１０に接続されている。より具体的には、発電素子１０は、電気回路的には、図１に示すように、圧電素子２０と素子容量２００との直列回路からなる。したがって、インダクタ３０とスイッチ４０の直列回路は、圧電素子２０と素子容量２００の直列回路に並列接続されている。
【００２８】
インダクタ３０とスイッチ４０の直列回路と発電素子１０との２つの接続点には、全波整流回路６０が接続されている。そして、この全波整流回路６０には、発電された電圧を利用する負荷８００が接続されている。負荷８００は、コンデンサ等の二次電池であってもよく、他の各種負荷（光源や動力部）であってもよい。この負荷８００への接続端子が、圧電発電装置１の電圧出力端子である。
【００２９】
なお、本実施形態では、直流電圧を出力するために、全波整流回路６０を備えているが、当該全波整流回路とは異なる整流回路であってもよく、さらには整流回路を備えなくてもよい。
【００３０】
制御部５０は、発電素子１０の発生する電圧を検知して、スイッチ４０の導通・切断制御を行う。図４は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の特性を示すグラフである。図４（Ａ）は、制御部５０の発生するスイッチ制御信号の波形図である。図４（Ｂ）は、スイッチ制御を行った場合と、スイッチ制御を行っていない場合での発電素子１０の出力電圧波形を示す。図４（Ｃ）は、スイッチ制御を行った場合と、スイッチ制御を行っていない場合での振動源９００の振動変位量を示す。図４（Ｂ）、図４（Ｃ）において、実線はスイッチ制御を行った場合の波形を示し、破線はスイッチ制御を行っていない場合の波形を示す。
【００３１】
制御部５０は、発電素子１０の発生する電圧を観測する。制御部５０は、電圧最大値を検出する。この際、制御部５０は、電圧の絶対値を用いる。すなわち、正の電圧領域における電圧絶対値の最大値を検出する。当該電圧絶対値の最大値となるタイミングＴＭ１から電圧波形の位相が＋４５°進んだタイミングＴＯＮ１を検出する。この電圧波形の位相が＋４５°進んだタイミングＴＯＮ１は、例えば、上述のように発電素子１０の共振周波数が予め分かっているので、制御部５０は、当該共振周波数から算出すればよい。
【００３２】
制御部５０は、当該タイミングＴＯＮ１になると、スイッチ４０を導通するように制御する。制御部５０は、タイミングＴＯＮ１を計時開始タイミングとして、インダクタ３０のインダクタンスと素子容量２００のキャパシタンスによって決定される共振周期の１／２の時間長を計時する。制御部５０は、共振周期の１／２の時間長が経過したことを検出すると、すなわちタイミングＴＯＦＦ１になったことを検出すると、スイッチ４０を切断するように制御する。
【００３３】
図４（Ｂ）に示すように、タイミングＴＯＮ１では、発電素子１０は、正の電圧を発生するように湾曲している。ここで、スイッチ４０が導通すると、インダクタ３０と素子容量２００による共振回路が形成され、共振が生じる。共振が開始してから共振周期の１／２の時間迄の期間は、共振電圧は発電素子１０の発生する電圧と同じ極性となる。しかしながら、共振が開始してから共振周期の１／２以上１未満の時間が経過している状態では、共振電圧は発電素子１０の発生する電圧と逆極性となる。このような逆極性の電圧が発電素子１０に印加されると、その時点での湾曲方向とは逆方向に湾曲する応力が圧電素子２０に加わる。これにより、発電素子１０には、その時点での振動による湾曲を抑制する方向に応力が加わり、振動が抑制される。すなわち、発電素子１０は制振される。特に、共振が開始してから共振周期の１／２の時間が経過した状態において、上記の効果が大きい。
【００３４】
これにより、図４（Ｃ）に示すように、正電圧の領域において、振動源９００の振動による変位量を小さくすることができる。
【００３５】
引き続き、制御部５０は、発電素子１０の発生する電圧を観測する。制御部５０は、電圧最小値を検出する。この際、制御部５０は、電圧の絶対値を用いる。すなわち、負の電圧領域における電圧絶対値の最大値を検出する。当該電圧絶対値のとなるタイミングＴＭ２から電圧波形の位相が＋４５°進んだタイミングＴＯＮ２を検出する。この電圧波形の位相が＋４５°進んだタイミングＴＯＮ２は、タイミングＴＯＮ１と同様に、例えば、上述のように発電素子１０の共振周波数が予め分かっているので、制御部５０は、当該共振周波数から算出すればよい。
【００３６】
制御部５０は、当該タイミングＴＯＮ２になると、スイッチ４０を導通するように制御する。制御部５０は、タイミングＴＯＮ２を計時開始タイミングとして、インダクタ３０のインダクタンスと素子容量２００のキャパシタンスによって決定される共振周期の１／２の時間長を計時する。なお、本実施形態の例では、一例として、インダクタンスは５．６［ｍＨ］のものを用い、素子容量は４０［ｎＦ］のものを用いている。制御部５０は、共振周期の１／２の時間長が経過したことを検出すると、すなわちタイミングＴＯＦＦ２になったことを検出すると、スイッチ４０を切断するように制御する。
【００３７】
図４（Ｂ）に示すように、タイミングＴＯＮ２では、発電素子１０は、負の電圧を発生するように湾曲している。ここで、スイッチ４０が導通すると、インダクタ３０と素子容量２００による共振回路が形成され、共振が生じる。共振が開始してから共振周期の１／２の時間迄の期間は、共振電圧は発電素子１０の発生する電圧と同じ極性となる。しかしながら、共振が開始してから共振周期の１／２以上１未満の時間が経過している状態では、共振電圧は発電素子１０の発生する電圧と逆極性となる。このような逆極性の電圧が発電素子１０に印加されると、その時点での湾曲方向とは逆方向に湾曲する応力が圧電素子２０に加わる。これにより、発電素子１０には、その時点での振動による湾曲を抑制する方向に応力が加わり、振動が抑制される。すなわち、発電素子１０は制振される。特に、共振を開始してから共振周期の１／２の時間が経過した状態において、上記の効果が大きい。
【００３８】
これにより、図４（Ｃ）に示すように、負電圧の領域においても、振動源９００の振動による変位量を小さくすることができる。
【００３９】
制御部５０は、上述の処理を継続的に実行する。これにより、発電素子１０は、振動源９００、圧電素子２０および梁１１を制振することができる。
【００４０】
図５は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発電装置の作用効果を説明するためのグラフである。図５（Ａ）は電圧絶対値の最大値のタイミングからスイッチ４０を導通させるまでの位相変化量に対する発電素子１０の最大変位量の変化を示すグラフである。図５（Ｂ）は電圧絶対値の最大値のタイミングからスイッチ４０を導通させるまでの位相変化量に対する発電素子１０の発生する電圧の変化を示すグラフである。
【００４１】
図５（Ａ）に示すように、本実施形態の構成を用いることで、振動を最小にすることができる。具体的に、本実施形態の例では、８０％程度振動を抑制することができる。すなわち、最も効果的に制振することができる。
【００４２】
この際、図５（Ｂ）に示すように、発電素子１０から出力される電圧は、振動が最も抑制されていない位相の場合と比較して、大幅に低下していない。具体的に、本実施形態の例では、３０％程度しか電圧は低下しない。すなわち、７０％程度の電圧を確保することができる。
【００４３】
したがって、本実施形態の構成を用いることで、効果的に制振をしながら、さらに、発電を効率良く継続することができる。
【００４４】
次に、第２の実施形態に係る圧電発電装置について、図を参照して説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置の外観斜視図である。
【００４５】
本実施形態に係る圧電発電装置１Ａは、概略的には、上述の構成からなる発電素子を複数備えたものである。圧電発電装置１Ａは、振動源９００Ａと、複数の発電素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅを備える。
【００４６】
振動源９００Ａは、底壁９１０Ａと側壁９１１Ａ，９１２Ａを備える。底壁９１０Ａと側壁９１１Ａ，９１２Ａによって、凹部９０１Ａが設けられている。
【００４７】
発電素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅのそれぞれは、梁の幅が錘に近づくほど狭くなる形状であることを除き、上述の第１の実施形態に示した発電素子１０と同じである。
【００４８】
発電素子１０Ａ，１０Ｃ，１０Ｅは、それぞれの錘が凹部９１０Ａ内の側壁９１２Ａ付近に配置されるように、側壁９１１Ａに固定されている。発電素子１０Ｂ，１０Ｄは、それぞれの錘が凹部９１０Ａの側壁９１１Ａ付近に配置されるように、側壁９１２Ａに固定されている。発電素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅは、側壁９１１Ａ，９１２Ａの内壁面に平行に、この順で配置されている。このような構成とすることで、複数の発電素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅを配置していても、圧電発電装置１Ａを小型化することができる。
【００４９】
また、本実施形態に係る圧電発電装置１Ａの構成では、発電素子を複数個配置しているので、効率良く発電を行うことができる。具体的には、共振周波数を異なるように、各発電素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅの形状を決定する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発電装置の出力電力特性を表すグラフである。
【００５０】
このような構成とすることで、図７に示すように、複数の振動周波数で出力電力を得ることができる。すなわち、広い周波数範囲で出力電圧を発生することができる。これにより、効率良く発電を行うことができる。
【００５１】
なお、複数の発電素子の共振周波数を一致させてもよい。この場合、共振周波数を一致させた発電素子から生じる電圧を、相殺しないように加算すれば、振動に対する出力電圧の大きさを大きくすることができる。これにより、効率良く発電を行うことができる。
【００５２】
また、本実施形態に示す梁の形状を用いることで、信頼性が高くでき、振動を効率良く圧電素子に伝搬することができる。この梁の形状は、第１の実施形態の発電素子１０に適用してもよい。
【００５３】
なお、上述の各実施形態では、梁を導電体で形成する例を示したが、梁を絶縁体で形成してもよい。この場合、圧電素子の対向する両面に電荷取り出し用電極が設けられる。
【００５４】
また、上述の圧電素子の材料や形状、発電素子を構成する各部材の材料や形状は一例であり、スイッチタイミングを上述のように設定すれば、機構的な構成材料は、他の構成であってもよい。
【００５５】
また、上述の説明では、位相が＋４５°進んだ時にスイッチ４０を導通する例を示したが、位相が＋４５°進んだ時に限らず、例えば、位相が＋３０°から＋６０°進んだ位相範囲のいずれかの位相であっても、同様の作用効果を得ることができる。但し、上述の図５に示すように、位相が＋４５°進んだ時をスイッチ４０の導通タイミングとすることで、振動抑制効果は最も得られ、長寿命化には好適である。
【符号の説明】
【００５６】
１，１Ａ：圧電発電装置
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ：発電素子
１１：梁
１２：支持柱
１３：錘
２０：圧電素子
２１：検出制御用電極
２２：電荷取り出し用電極
３０：インダクタ
４０：スイッチ
５０：制御部
６０：整流回路
９００，９００Ａ：振動源
９１０Ａ：底壁
９１１Ａ，９１２Ａ：側壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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