WO2017014003A1 - Power generation device and electric apparatus provided with same - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a power generation device and an electric device including the power generation device, and more particularly to a power generation device including a piezoelectric element and an electric device including the power generation device.
- Patent Document 1 discloses a manual operation device.
- the manual operation device includes a touch sensor type input unit, a control unit that executes a control operation in accordance with an instruction input to the input unit, a power generation unit configured of a piezoelectric material, and a power supply from the power generation unit. And a power supply unit that supplies power from the charging unit to the control unit.
- an input instruction can be detected even after the user relaxes the finger, so that the circuit operation can be started after waiting for the power generation by the restoration of the power generation unit.
- the operation of the control unit can be started after the charging unit is sufficiently charged, and the operation of the control unit is stabilized.
- Patent Document 2 discloses a power supply device.
- the power supply device includes switch means that does not start discharging until it is determined that the power charged in the charging unit has reached a predetermined level of charge. That is, according to this power supply device, the charging unit is supplied with electric power charged to a required amount at a stretch. As a result, even a piezoelectric element with generally small generated power can be applied as a power supply device to an external device that requires relatively large power.
- the manual operation device disclosed in Patent Document 1 further includes an operation start control unit.
- the operation start control unit includes a comparator, a voltage dividing resistor, a reference voltage generation circuit, and the like.
- the operation start control unit outputs a signal (enable signal) indicating whether or not the detected voltage exceeds the reference potential as an operation start command to the power supply unit.
- the enable signal becomes H (high) level
- the power supply unit converts the power stored in the charging unit into a predetermined voltage and starts power supply.
- the power supply device disclosed in Patent Document 2 further includes determination means for controlling the switch means.
- the determination unit includes a resistor and a capacitor, and determines whether or not the voltage of the charging unit has reached a predetermined level according to the power generation timing of the piezoelectric element.
- Each element constituting an electric circuit (operation start control unit or determination means) for detecting a voltage generated by the piezoelectric element may include manufacturing variations. Furthermore, the piezoelectric element can also include manufacturing variations. For this reason, the determination result varies due to manufacturing variation of each element, and depending on the apparatus, there is a possibility that the power supply control operation is not appropriately executed. Therefore, in order to ensure the reliability of the device, it is desirable to set a margin in consideration of device manufacturing variations when setting the threshold voltage.
- the margin is set assuming that the characteristic value of each element is the limit value of the allowable range of manufacturing variation. On the other hand, many elements have characteristic values close to the average value of characteristic values of all elements. For this reason, when the margin is set as described above, the electric power generated by the piezoelectric element cannot be used effectively, and the electric power use efficiency may be relatively lowered.
- the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to improve the utilization efficiency of the electric power generated by the piezoelectric element in the power generation device including the piezoelectric element.
- Another object of the present invention is to improve the utilization efficiency of electric power generated by a piezoelectric element in an electric device including a power generation device and an electric load that consumes electric power supplied from the power generation device.
- the power generation device supplies power generated by receiving external force to the output node.
- the power generation device includes a movable portion that is displaced according to an external force, a piezoelectric element that generates power by being deformed according to the displacement of the movable portion, a limiting portion configured to limit the displacement of the movable portion, and a switch.
- the switch is connected in series to a power line connecting the piezoelectric element and the output node, and is configured to conduct when the displacement amount of the movable portion reaches the displacement amount limited by the limiting portion.
- An electrical device includes the above power generation device and an external load.
- the external load receives power supplied from the power generation device via the output node.
- the external load consumes the electric power supplied from the power generator when the switch is in a conductive state.
- the limiting unit is configured such that when the deformation amount of the piezoelectric element reaches a predetermined value or more, the displacement amount of the movable unit reaches a displacement amount limited by the limiting unit.
- the predetermined value is a maximum value of an allowable deformation amount of the piezoelectric element.
- the piezoelectric element includes first and second output terminals.
- the power generation device further includes a full-wave rectifier circuit, a capacitor, and another switch.
- the full-wave rectifier circuit is connected between the first and second output terminals and the output node, and full-wave rectifies the output voltage of the piezoelectric element.
- the capacitor is connected in parallel to the full wave rectifier circuit and smoothes the voltage rectified by the full wave rectifier circuit.
- the limiting unit includes a first limiting unit configured to limit the displacement of the movable unit in a direction in which the deformation amount of the piezoelectric element is increased, and the displacement of the movable unit in a direction in which the deformation amount of the piezoelectric element is decreased. And a second restriction unit configured to restrict.
- the other switch is connected in parallel to the switch. The switch is configured to conduct when the displacement amount of the movable portion reaches the displacement amount limited by the first limiting portion. The other switch is configured to conduct when the amount of displacement of the movable portion reaches the amount of displacement limited by the second limiting portion.
- the piezoelectric element includes first and second output terminals.
- the power generator further includes a discharge switch connected to the first and second output terminals.
- the discharge switch is configured to be in a conductive state after the switch is in a conductive state.
- the piezoelectric element includes first and second output terminals.
- the power generation device further includes a diode having an anode and a cathode.
- the first output terminal is electrically connected to the cathode and the switch.
- the second output terminal is electrically connected to the anode.
- the switch includes a mechanical switch that conducts in accordance with the displacement of the movable part.
- the movable part includes a magnetic body.
- the switch includes a reed switch that is turned on by a change in the magnetic field according to the displacement of the movable part.
- the power generation device further includes a piezoelectric unit that deforms according to the displacement of the movable unit and outputs a control signal.
- the switch includes an electrical switch that conducts in response to a control signal from the piezoelectric unit.
- the utilization efficiency of electric power generated by the piezoelectric element can be improved.
- the present invention it is possible to improve the utilization efficiency of the electric power generated by the piezoelectric element in the electric device including the power generation device and the load.
- FIG. 1 is a circuit block diagram schematically showing a configuration of a remote controller equipped with a power generation device according to Embodiment 1.
- FIG. It is a figure which shows the structural example of a piezoelectric element. It is a figure which shows the other structural example of a piezoelectric element. It is a circuit block diagram which shows roughly the structure of the remote controller which mounts the electric power generation module which concerns on a comparative example.
- FIG. 3 is a diagram for explaining the configuration and operation of a piezoelectric element and a load switch in the first embodiment. 6 is a time chart for explaining the operation of the remote controller equipped with the power generation module according to the first embodiment.
- FIG. 4 is a circuit block diagram schematically showing a configuration of a remote controller equipped with a power generation device according to Embodiment 2.
- FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a piezoelectric element and a load switch in a second embodiment.
- 6 is a time chart for explaining the operation of a remote controller equipped with a power generation module according to a second embodiment.
- 6 is a circuit block diagram schematically showing a configuration of a remote controller equipped with a power generation module according to Embodiment 3.
- FIG. 10 is a time chart for explaining the operation of a remote controller equipped with a power generation module according to Embodiment 3.
- FIG. 6 is a circuit block diagram schematically showing a configuration of a remote controller equipped with a power generation module according to a fourth embodiment.
- 10 is a time chart for explaining the operation of a remote controller equipped with a power generation module according to a fourth embodiment.
- the application of the electric device including the power generation device according to the present invention is not limited to this.
- the power generation device according to the present invention can be applied to any electric device including an electric load that consumes the electric power generated by the power generation device. Examples of such an electric device include a vibration sensor, a microphone, an ignition device, and the like.
- FIG. 1 is a circuit block diagram schematically showing a configuration of a remote controller on which the power generation module according to Embodiment 1 is mounted.
- the remote controller 100 includes a power generation module 10 and a communication unit 50.
- the power generation module (power generation device) 10 supplies power to the communication unit 50 via the output nodes OUT1 and OUT2.
- the communication unit 50 includes an RF (Radio Frequency) circuit 52 and an RF antenna 54.
- the communication unit 50 is provided outside the power generation module 10 and receives power supplied from the power generation module 10. And the communication part 50 outputs RF signal as a control signal to the receiver (not shown) provided in the position away from the remote controller 100.
- the communication unit 50 may include a light emitting element such as an LED (Light Emitting Diode) instead of the RF circuit 52 and the RF antenna 54.
- the communication unit 50 corresponds to an “external load” according to the present invention. However, the configuration of the external load is not limited to this, and any mechanism that can convert electrical energy into another energy form (for example, light, radio wave, etc.) may be used.
- the power generation module 10 includes the piezoelectric element 1, a half-wave rectifier circuit 21, a capacitor C, and a load switch 31.
- the load switch 31 corresponds to a “switch” according to the present invention.
- the piezoelectric element 1 generates electric power by being deformed according to the displacement of the movable part 60 (see FIG. 5).
- the piezoelectric element 1 is provided with an output terminal T1 (first output terminal) and an output terminal T2 (second output terminal).
- the potential of the output terminal T1 based on the potential of the output terminal T2 is referred to as an output voltage V1.
- the configuration of the piezoelectric element 1 will be described in detail with reference to FIGS.
- the half-wave rectifier circuit 21 is connected between the output terminals T1 and T2 and the output nodes OUT1 and OUT2.
- Half-wave rectifier circuit 21 and output node OUT1 are electrically connected via load switch 31 by power line PL.
- Half-wave rectifier circuit 21 and output node OUT2 are electrically connected by power line GL.
- the power line GL is a ground wiring connected to the reference potential GND.
- the half-wave rectifier circuit 21 is a general single-phase half-wave rectifier circuit including a diode (not shown), for example, and half-wave rectifies the output voltage V1 of the piezoelectric element 1.
- the capacitor C is connected between the power line PL and the power line GL.
- Capacitor C smoothes the voltage half-wave rectified by half-wave rectifier circuit 21.
- a voltage obtained by smoothing the output voltage V1 by the capacitor C is referred to as a rectified voltage Vc.
- the load switch 31 is a switch that switches between a power supply state and a cut-off state to the communication unit 50.
- the load switch 31 is connected in series to a power line PL that connects the power generation module 10 and the output node OUT1.
- the load switch 31 is provided upstream of the output node OUT1, and the communication unit 50 is provided downstream of the output node OUT1.
- the load switch 31 may be provided on the power line GL instead of the power line PL.
- the power line PL or the power line GL corresponds to a “power line” according to the present invention, and a wiring that connects (in parallel) between the power line PL and the power line GL (for example, a wiring to which a capacitor C is connected) according to the present invention. It does not correspond to a “power line”.
- the configuration of the load switch 31 will be described in detail with reference to FIG.
- FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the piezoelectric element 1.
- FIG. 2A schematically shows the piezoelectric element 1 in a state (initial state) in which an external force F that is a force by a user operation is not applied, for example.
- the piezoelectric element 1 is, for example, a unimorph type piezoelectric element.
- the piezoelectric element 1 has a double-supported beam structure. That is, both end portions of the piezoelectric element 1 are supported by the support portion 16.
- the piezoelectric element 1 may have a cantilever structure.
- the piezoelectric element 1 includes a piezoelectric body 12 and a metal plate 14.
- a piezoelectric body 12 for example, lead zirconate titanate ceramics are employed.
- the material of the piezoelectric body 12 is not particularly limited, and lead-free piezoelectric ceramics (for example, potassium sodium niobate ceramics, alkali niobic ceramics, etc.) may be employed.
- the piezoelectric element 1 has a flat plate shape when no external force F is applied.
- An electrode 12A is provided on one main surface of the piezoelectric body 12.
- An output terminal T1 is connected to the electrode 12A.
- An electrode 12B is provided on the other main surface of the piezoelectric body 12. The electrode 12B electrically connects the piezoelectric body 12 and the metal plate 14.
- An output terminal T2 is connected to the electrode 12B.
- the piezoelectric body 12 is initialized by the restoring force of the piezoelectric element 1 and the spring 80 (see FIG. 5). Return to the state. At this time, the polarity of charges generated in the piezoelectric element 1 is reversed. That is, the electrode 12A is negatively charged while the electrode 12B is positively charged. Therefore, the output voltage V1 of the piezoelectric element 1 becomes a negative voltage. As described above, the sign of the output voltage V1 of the piezoelectric element 1 is reversed in accordance with the application of the external force F to the piezoelectric element 1 and the stop of the application.
- FIG. 3 is a diagram illustrating another configuration example of the piezoelectric element 1.
- a stacked element in which a plurality of piezoelectric bodies 12 are stacked may be employed as the piezoelectric element 1A.
- the amount of charge generated by the piezoelectric body 12 is larger than that of the single-layer type (see FIG. 2) configuration, so that a large amount of power can be supplied to the communication unit 50 (see FIG. 1).
- a bimorph type piezoelectric element 1A may be employed.
- FIG. 4 is a circuit block diagram schematically showing the configuration of a remote controller equipped with a power generation module according to a comparative example.
- power generation module 90 is provided with a load switch 39 instead of load switch 31, and a control circuit 9 for controlling load switch 39 is further provided with the first embodiment. This is different from the power generation module 10 according to (see FIG. 1).
- the control circuit 9 is connected between the power line PL and the power line GL.
- the control circuit 9 includes a comparator circuit and a reference voltage generation circuit, for example.
- the control circuit 9 starts operation using the rectified voltage Vc as the power supply voltage.
- the control circuit 9 detects the rectified voltage Vc, and determines the magnitude relationship between the detected rectified voltage Vc and a predetermined threshold voltage Vth. Then, the control circuit 9 outputs a control signal CTR corresponding to the determination result to the load switch 39.
- the conduction state and non-conduction state of the load switch 39 are switched by the control signal CTR.
- circuits such as the comparator circuit and the reference voltage generation circuit are formed including semiconductor elements, they may include manufacturing variations. Furthermore, the piezoelectric element 1 can also include manufacturing variations. Therefore, there is a possibility that the determination result varies due to manufacturing variation of each element, and the power supply control operation may not be appropriately executed depending on the power generation module 90. Therefore, in order to ensure the reliability of the power generation module 90, it is desirable to set a margin in consideration of device manufacturing variations when setting the threshold voltage Vth.
- the margin is set assuming that the characteristic value of each element is a limit value (upper limit value or lower limit value) of an allowable range of manufacturing variation.
- the margin is set as described above, the electric power generated by the piezoelectric element 1 cannot be used effectively, and there is a possibility that the power use efficiency becomes relatively low.
- FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration and operation of the piezoelectric element 1 and the load switch 31 in the first embodiment.
- the power generation module 10 includes the piezoelectric element 1, a load switch 31, a movable part 60, a base part 70, and a spring 80.
- the movable part 60 includes a hinge 62 and protrusions 64 and 66.
- the base part 70 includes a restriction part 71.
- an insulator such as a resin can be used as a material of the movable part 60 and the base part 70.
- the positive z direction in the figure is called “upward” and the negative z direction is called “downward”.
- the negative z direction does not mean a vertical direction, and can be an arbitrary direction.
- the movable part 60 is formed in a flat plate shape, for example.
- One end of the movable portion 60 is coupled to the base portion 70 by a hinge 62.
- One end of the spring 80 is connected to the vicinity of the other end of the movable portion 60.
- the other end of the spring 80 is fixed to the base 70. Thereby, the movable part 60 is displaced between the uppermost point and the lowermost point of the movable range R.
- the base 70 is a portion corresponding to the housing of the power generation module 10, and the piezoelectric element 1 is provided on the bottom surface of the base 70. Further, a load switch 31 is provided on the upper surface of the restricting portion 71.
- FIG. 6 is a time chart for explaining the operation of the remote controller 100 equipped with the power generation module 10 according to the first embodiment.
- the horizontal axis represents the elapsed time.
- the vertical axis indicates, in order from the top, the output voltage V1 and the rectified voltage Vc of the piezoelectric element 1, the conduction / non-conduction state of the load switch 31, and the operation / stop state of the communication unit 50.
- the movable part 60 reaches the lowest point of the movable range R (see FIG. 5C). Then, the protrusion 66 mechanically contacts the load switch 31, and the load switch 31 is switched from the non-conductive state to the conductive state. As a result, power is supplied to the communication unit 50, and the communication unit 50 operates to consume power supplied from the power generation module 10 via the output node OUT1.
- the communication unit 50 stops. However, during the period from time t13 to time t14, the rectified voltage Vc slightly decreases due to the leakage current from the capacitor C.
- FIG. 7 is a diagram for comparing the power use efficiency between the power generation module 10 according to Embodiment 1 (see FIG. 1) and the power generation module 90 according to the comparative example (see FIG. 4).
- the power use efficiency means the proportion of power that can be supplied to the communication unit 50 in the power (generated power) generated by the piezoelectric element 1.
- the horizontal axis indicates the external force F applied to the piezoelectric element 1.
- the left vertical axis represents the amount of deformation of the piezoelectric element 1 (1A), and the right vertical axis represents the rectified voltage Vc.
- a curve DIS indicated by a one-dot chain line represents a deformation amount of the piezoelectric element 1. Due to manufacturing variations of the piezoelectric element 1, the rectified voltage Vc may vary from one piezoelectric element 1 to another even if the deformation amount of the piezoelectric element 1 is equal.
- a curve LL indicated by a solid line represents the rectified voltage Vc at the lower limit of the allowable range of manufacturing variation.
- the threshold voltage Vth to be compared with the rectified voltage Vc may also vary.
- the load switch 39 is turned on at the latest when the rectified voltage Vc indicated by the curve LL exceeds the maximum value of the threshold voltage Vth (the upper limit value of the allowable range).
- the external force F at this time is f9 which is smaller than f1 which is an external force corresponding to the lowest point of the movable range R of the movable part 60.
- the protrusion 66 provided on the movable portion 60 is in mechanical contact with the load switch 31 so that the load switch 31 becomes conductive. Therefore, unlike the comparative example, it is not necessary to consider the variation of the rectified voltage Vc and the threshold voltage Vth. Therefore, the load switch 31 is turned on after allowing deformation of the piezoelectric element 1 until the external force F reaches f1. Is possible. Therefore, the power corresponding to the area S indicated by the oblique lines can be used effectively. Therefore, the utilization efficiency of the electric power generated by the piezoelectric element 1 can be improved.
- FIG. 8 is a diagram for explaining the configuration of the load switch employed in the power generation module according to the first modification of the first embodiment.
- the load switch 33 in the modification 1 is a reed switch provided in the inside of the glass tube with which the inert gas was enclosed.
- a magnet 68 for switching the contact point of the load switch 33 is embedded in the movable portion 60.
- FIG. 9 is a diagram for explaining a configuration of a load switch employed in the power generation module according to the second modification of the first embodiment.
- another piezoelectric portion 1 ⁇ / b> B is provided below the piezoelectric element 1. Therefore, when the movable part 60 is displaced by the application of the external force F, the piezoelectric element 1 is deformed to generate power and the piezoelectric part 1B is also deformed to generate power.
- the conduction signal CON is output using the voltage generated by the piezoelectric unit 1B.
- the load switch 34 conducts in response to a conduction signal CON from the piezoelectric unit 1B.
- FIG. 9B is a diagram illustrating a circuit configuration example of a peripheral circuit of the piezoelectric unit 1B.
- the peripheral circuit of the piezoelectric unit 1B includes switching elements (transistors) Q1 and Q2, diodes D1 to D3, and a resistor R1.
- the switching elements Q1 and Q2 are turned on in response to the output voltage from the piezoelectric unit 1B, the conduction signal CON is output.
- the configuration other than the load switches 33 and 34 of the power generation module according to the first and second modifications of the first embodiment is the same as the corresponding configuration of the power generation module 10 according to the first embodiment. Do not repeat.
- FIG. 10 is a circuit block diagram schematically showing a configuration of a remote controller equipped with the power generation module according to the second embodiment.
- power generation module 10A in remote controller 100A, power generation module 10A further includes a full-wave rectifier circuit 22 instead of half-wave rectifier circuit 21, and a load switch 32 connected in parallel to load switch 31. In this respect, it differs from the power generation module 10 (see FIG. 1) according to the first embodiment.
- the full wave rectifier circuit 22 is, for example, a general diode bridge circuit, and full wave rectifies the output voltage V1 of the piezoelectric element 1.
- FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the piezoelectric element 1 and the load switches 31 and 32 in the second embodiment.
- base portion 70 ⁇ / b> A includes a limiting portion 72 (second limiting portion) in addition to limiting portion 71 (first limiting portion).
- the limiting unit 72 is provided above the movable unit 60.
- a load switch 32 is provided on the lower surface of the restricting portion 72.
- FIG. 11 shows a state in which the movable portion 60 has reached the uppermost point of the movable range R when the piezoelectric element 1 is restored.
- the load switch 31 When the piezoelectric element 1 is deformed, the load switch 31 is conducted, and when the piezoelectric element 1 is restored, the load switch 32 is conducted. Therefore, according to the second embodiment, as described below, the electric power generated by the piezoelectric element 1 can be supplied to the communication unit 50 both when the piezoelectric element 1 is deformed and when it is restored.
- the load switches 31 and 32 correspond to “switches” and “other switches” according to the present invention, respectively.
- FIG. 12 is a time chart for explaining the operation of the remote controller 100A equipped with the power generation module 10A according to the second embodiment.
- the time chart shown in FIG. 12 is compared with the time chart of Embodiment 1 (see FIG. 6).
- the conduction / non-conduction state of the load switch 32 is further shown on the vertical axis.
- the movable part 60 reaches the highest point of the movable range R. In other words, the deformation amount of the piezoelectric element 1 reaches the deformation amount limited by the limiting unit 72. If it does so, the movable part 60 will contact the load switch 32 mechanically, and the load switch 32 will switch from a non-conduction state to a conduction
- the load switch 32 After time t25, the load switch 32 is maintained in a conductive state. As the communication unit 50 operates during a period from time t25 to time t26, the output voltage V1 and the rectified voltage Vc of the piezoelectric element 1 are lowered by an amount corresponding to the power consumed by the communication unit 50. When the rectified voltage Vc falls below the minimum drive voltage Vmin of the communication unit 50 at time t26, the communication unit 50 stops.
- the communication unit 50 by providing the two load switches 31 and 32 and the full-wave rectifier circuit 22, power is supplied to the communication unit 50 twice by applying the external force F once. It becomes possible. As a result, the communication unit 50 can be operated twice.
- FIG. 13 is a circuit block diagram schematically showing a configuration of a remote controller equipped with the power generation module according to the third embodiment.
- power generation module 10B is different from power generation module 10A according to Embodiment 2 (see FIG. 10) in that it further includes discharge switch 4 and input node IN.
- the discharge switch 4 is connected to the output terminals T1 and T2 of the piezoelectric element 1.
- the communication unit 50B is different from the communication unit 50 in the second embodiment in that it further includes an output circuit 56.
- the output circuit 56 outputs the discharge signal DCH after the load switches 31 and 32 are turned on and the communication unit 50 operates by receiving power supply (that is, after the RF signal is output from the RF antenna 54).
- Discharge signal DCH is transmitted to discharge switch 4 via input node IN.
- the discharge switch 4 switches from the non-conducting state to the conducting state in response to the discharge signal DCH.
- the discharge switch 4 is configured to be in a conductive state after the load switches 31 and 32 are in a conductive state. When the discharge switch 4 is turned on, the electric charge accumulated in the piezoelectric element 1 can be discharged.
- FIG. 14 is a time chart for explaining the operation of the remote controller 100B according to the third embodiment.
- the time chart shown in FIG. 14 is compared with the time chart of the second embodiment (see FIG. 12).
- the vertical axis further indicates the conduction / non-conduction state of the discharge switch 4.
- the communication unit 50 consumes power supplied from the piezoelectric element 1 and executes output control of the RF signal.
- the communication unit 50 outputs the discharge signal DCH (time t33).
- the discharge switch 4 is switched from the non-conductive state to the conductive state in response to the discharge signal DCH.
- the output terminal T1 and the output terminal T2 of the piezoelectric element 1 are short-circuited, so that the charge accumulated in the piezoelectric element 1 is discharged, and the output voltage V1 of the piezoelectric element 1 quickly reaches substantially zero V. .
- the rectified voltage Vc gradually decreases due to power supply to the communication unit 50.
- the communication unit 50 stops. Thereby, the output of the discharge signal DCH is stopped, and the discharge switch 4 is switched from the conductive state to the non-conductive state.
- the communication unit 50 performs output control of the RF signal at time t36 and output control of the discharge signal DCH at time t37. Since the operation after time t37 is equivalent to the operation from time t33 to time t34, the description will not be repeated.
- Embodiment 2 since the discharge switch is not provided, the electric charge accumulated in the piezoelectric element 1 is not discharged. Therefore, in the process in which the piezoelectric element 1 returns to the initial state, the output voltage V1 of the piezoelectric element 1 increases in the negative direction starting from a positive value (see time t24 in FIG. 12). Then, the rectified voltage Vc when the movable part 60 reaches the uppermost point is necessarily lower than the rectified voltage Vc when the movable part 60 reaches the lowest point (see time t22 and time t25). The positive value increases as the accumulated charge of the piezoelectric element 1 increases.
- the rectified voltage Vc when the movable part 60 reaches the highest point is lower than the lowest operating voltage Vmin of the communication part 50, and the communication part 50 is normally operated. It may not work.
- the accumulated charge of the piezoelectric element 1 is discharged by the discharge switch 4. Therefore, in the process in which the piezoelectric element 1 returns to the initial state, the output voltage V1 of the piezoelectric element 1 increases in the negative direction starting from substantially zero V (see time t35 in FIG. 14). Then, the rectified voltage Vc when the movable part 60 reaches the lowest point becomes substantially equal to the rectified voltage Vc when the movable part 60 reaches the lowest point (see time t32 and time t35). As a result, the rectified voltage Vc when the movable part 60 reaches the highest point becomes higher than the lowest operating voltage Vmin of the communication part 50. Therefore, the communication unit 50 can be more reliably operated twice by applying the external force F once.
- FIG. 15 is a circuit block diagram schematically showing a configuration of a remote controller equipped with the power generation module according to the fourth embodiment.
- power generation module 10 ⁇ / b> C includes diode D instead of half-wave rectifier circuit 21 and capacitor C, with respect to power generation module 10 according to Embodiment 1 (see FIG. 1). Different.
- the output terminal T1 of the piezoelectric element 1 is electrically connected to the cathode of the diode D and the load switch 31. That is, the cathode of the diode D and the load switch 31 are directly connected.
- the output terminal T2 of the piezoelectric element 1 is electrically connected to the anode of the diode D.
- FIG. 16 is a time chart for explaining the operation of the remote controller 100C equipped with the power generation module 10C according to the fourth embodiment.
- the time chart shown in FIG. 16 is compared with the time chart of the first embodiment (see FIG. 6).
- the output voltage V1 of the piezoelectric element 1 in the fourth embodiment is indicated by a solid line, and the output voltage V1 of the piezoelectric element 1 in the first embodiment is indicated by a broken line.
- the operation up to time t44 is the same as the operation up to time t24 in the time chart shown in FIG. 6, and therefore detailed description will not be repeated.
- Embodiment 1 since the electric charge accumulated in the piezoelectric element 1 is not discharged, the output voltage V1 becomes a negative value in the process of returning the piezoelectric element 1 to the initial state (see time t45 and thereafter). Therefore, although not shown, when the external force F is applied again (second time), the output voltage V1 increases in the positive direction starting from a negative value. Therefore, the rectified voltage Vc becomes lower than the minimum operating voltage Vmin of the communication unit 50, and the communication unit 50 may not operate normally.
- Embodiment 4 the accumulated charge of the piezoelectric element 1 is discharged via the diode D. Therefore, the output voltage V1 becomes substantially zero V in the process of returning the piezoelectric element 1 to the initial state. Therefore, when the external force F is applied again, the output voltage V1 increases starting from substantially zero V. In other words, the power generation module 10C at the start of the second operation returns to the state at the start of the first operation (the state at time t31). Therefore, the communication unit 50 can be reliably operated in the second and subsequent operations as in the first operation.
- the power generation module 10C is not provided with a rectifier circuit and a capacitor. Therefore, the occurrence of energy loss in the rectifier circuit (diode constituting the rectifier circuit) and the capacitor is suppressed. Therefore, the utilization efficiency of the electric power generated by the piezoelectric element 1 can be further improved by an amount corresponding to the energy loss.
- load switch 33 shown in the first modification of the first embodiment
- load switch 34 electric switch: see FIG. 9
- the power generation modules 10A to 10C according to the fourth to fourth embodiments can be applied as appropriate.
- the remote controller is taken as an example, and thus the force by the user operation has been described as the external force F.
- the external force F is not particularly limited as long as it is a force applied to the power generation module from the outside of the power generation module.
- the external force F may be a force applied by an actuator outside the power generation module, for example, or may be a force generated by an impact or vibration when the power generation module is transported.
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Electronic Switches (AREA)
Abstract
Description
本発明は、発電装置およびそれを備えた電気機器に関し、より特定的には、圧電素子を含む発電装置およびそれを備えた電気機器に関する。 The present invention relates to a power generation device and an electric device including the power generation device, and more particularly to a power generation device including a piezoelectric element and an electric device including the power generation device.
従来、圧電素子を含む発電装置に関する種々の技術が提案されている。たとえば特開2011-103729号公報(特許文献1)は手動操作機器を開示する。この手動操作機器は、タッチセンサ式の入力部と、入力部に入力された指示に応じた制御動作を実行する制御部と、圧電材料によって構成された発電部と、発電部からの電力を充電する充電部と、充電部からの電力を制御部に供給する電源供給部とを備える。タッチセンサを用いると、ユーザが指の力を緩めてからでも入力指示を検出できるので、発電部の復元による発電を待ってから回路動作を開始することができる。回路動作の開始タイミングを発電部の復元後とすることにより、充電部が十分に蓄電されてから制御部の動作を開始することができるようになり、制御部の動作が安定する。 Conventionally, various technologies related to power generation devices including piezoelectric elements have been proposed. For example, Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-103729 (Patent Document 1) discloses a manual operation device. The manual operation device includes a touch sensor type input unit, a control unit that executes a control operation in accordance with an instruction input to the input unit, a power generation unit configured of a piezoelectric material, and a power supply from the power generation unit. And a power supply unit that supplies power from the charging unit to the control unit. When the touch sensor is used, an input instruction can be detected even after the user relaxes the finger, so that the circuit operation can be started after waiting for the power generation by the restoration of the power generation unit. By setting the start timing of the circuit operation after the restoration of the power generation unit, the operation of the control unit can be started after the charging unit is sufficiently charged, and the operation of the control unit is stabilized.
また、たとえば国際公開第2003/25969号(特許文献2)は電源装置を開示する。この電源装置は、充電部に充電された電力が所定レベルの充電量に達したと判定されるまで放電を開始しないスイッチ手段を備える。つまり、この電源装置によれば、充電部に必要量まで充電された電力が一気に供給される。これにより、一般的には発電電力が小さい圧電素子であっても、比較的大きな電力を必要とする外部機器に電源装置として適用することが可能になる。 Also, for example, International Publication No. 2003/25969 (Patent Document 2) discloses a power supply device. The power supply device includes switch means that does not start discharging until it is determined that the power charged in the charging unit has reached a predetermined level of charge. That is, according to this power supply device, the charging unit is supplied with electric power charged to a required amount at a stretch. As a result, even a piezoelectric element with generally small generated power can be applied as a power supply device to an external device that requires relatively large power.
特許文献1に開示された手動操作装置は動作開始制御部をさらに備える。動作開始制御部は、コンパレータ、分圧抵抗、および基準電圧生成回路等を含む。動作開始制御部は、検出された電圧が基準電位を超えたか否かを示す信号(イネーブル信号)を動作開始指令として電源供給部に出力する。電源供給部は、イネーブル信号がH(ハイ)レベルになると、充電部に蓄えられた電力を所定電圧に変換して電力供給を開始する。
The manual operation device disclosed in
特許文献2に開示された電源装置は、スイッチ手段を制御するための判定手段をさらに備える。判定手段は、抵抗およびコンデンサを含み、充電部の電圧が所定レベルに達したか否かを圧電素子の発電タイミングに応じて判定する。 The power supply device disclosed in Patent Document 2 further includes determination means for controlling the switch means. The determination unit includes a resistor and a capacitor, and determines whether or not the voltage of the charging unit has reached a predetermined level according to the power generation timing of the piezoelectric element.
このように、特許文献1,2に開示された各装置においては、圧電素子により生じた電圧(より具体的には整流後の電圧)が検出される。そして、その検出電圧と予め定められたしきい値電圧との大小関係の判定結果に応じて、後段の負荷への電力供給が制御される。
Thus, in each device disclosed in
圧電素子により生じた電圧を検出するための電気回路(動作開始制御部または判定手段)を構成する各素子は、製造ばらつきを含み得る。さらに、圧電素子も製造ばらつきを含み得る。そのため、各素子の製造ばらつきに起因して上記判定結果にばらつきが生じ、装置によっては電力供給の制御動作が適切に実行されない可能性がある。したがって、装置の信頼性を確保するために、上記しきい値電圧の設定に際しては素子の製造ばらつきを考慮してマージンを設定することが望ましい。 Each element constituting an electric circuit (operation start control unit or determination means) for detecting a voltage generated by the piezoelectric element may include manufacturing variations. Furthermore, the piezoelectric element can also include manufacturing variations. For this reason, the determination result varies due to manufacturing variation of each element, and depending on the apparatus, there is a possibility that the power supply control operation is not appropriately executed. Therefore, in order to ensure the reliability of the device, it is desirable to set a margin in consideration of device manufacturing variations when setting the threshold voltage.
一般にマージンは、各素子の特性値が製造ばらつきの許容範囲の限界値である場合を想定して設定される。その一方で、多くの素子は、全素子の特性値の平均値に近い特性値を有する。そのため、上述のようにマージンを設定すると、圧電素子により生じた電力を有効に利用できず、電力の利用効率が相対的に低くなる可能性がある。 Generally, the margin is set assuming that the characteristic value of each element is the limit value of the allowable range of manufacturing variation. On the other hand, many elements have characteristic values close to the average value of characteristic values of all elements. For this reason, when the margin is set as described above, the electric power generated by the piezoelectric element cannot be used effectively, and the electric power use efficiency may be relatively lowered.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、圧電素子を含む発電装置において、圧電素子により生じた電力の利用効率を向上させることである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to improve the utilization efficiency of the electric power generated by the piezoelectric element in the power generation device including the piezoelectric element.
本発明の他の目的は、発電装置と、発電装置から供給された電力を消費する電気負荷とを備えた電気機器において、圧電素子により生じた電力の利用効率を向上させることである。 Another object of the present invention is to improve the utilization efficiency of electric power generated by a piezoelectric element in an electric device including a power generation device and an electric load that consumes electric power supplied from the power generation device.
本発明のある局面に従う発電装置は、外力を受けて発電した電力を出力ノードに供給する。発電装置は、外力に応じて変位する可動部と、可動部の変位に応じて変形することにより発電する圧電素子と、可動部の変位を制限するように構成された制限部と、スイッチとを備える。スイッチは、圧電素子と出力ノードとを結ぶ電力線に直列に接続され、可動部の変位量が、制限部により制限される変位量に達したときに導通するように構成される。 The power generation device according to an aspect of the present invention supplies power generated by receiving external force to the output node. The power generation device includes a movable portion that is displaced according to an external force, a piezoelectric element that generates power by being deformed according to the displacement of the movable portion, a limiting portion configured to limit the displacement of the movable portion, and a switch. Prepare. The switch is connected in series to a power line connecting the piezoelectric element and the output node, and is configured to conduct when the displacement amount of the movable portion reaches the displacement amount limited by the limiting portion.
本発明の他の局面に従う電気機器は、上記発電装置と、外部負荷とを備える。外部負荷は、発電装置から出力ノードを介して供給された電力を受ける。 An electrical device according to another aspect of the present invention includes the above power generation device and an external load. The external load receives power supplied from the power generation device via the output node.
好ましくは、外部負荷は、スイッチが導通状態の場合に発電装置から供給された電力を消費する。 Preferably, the external load consumes the electric power supplied from the power generator when the switch is in a conductive state.
好ましくは、制限部は、圧電素子の変形量が所定値以上に達したときに、可動部の変位量が、制限部により制限される変位量に達するように構成される。 Preferably, the limiting unit is configured such that when the deformation amount of the piezoelectric element reaches a predetermined value or more, the displacement amount of the movable unit reaches a displacement amount limited by the limiting unit.
好ましくは、上記所定値は、圧電素子の許容変形量の最大値である。
好ましくは、圧電素子は、第1および第2の出力端子を含む。発電装置は、全波整流回路と、コンデンサと、他のスイッチとをさらに備える。全波整流回路は、第1および第2の出力端子と出力ノードとの間に接続され、圧電素子の出力電圧を全波整流する。コンデンサは、全波整流回路に並列に接続され、全波整流回路により整流された電圧を平滑化する。制限部は、圧電素子の変形量を増大させる方向への可動部の変位を制限するように構成された第1の制限部と、圧電素子の変形量を減少させる方向への可動部の変位を制限するように構成された第2の制限部とを含む。上記他のスイッチは、上記スイッチに並列に接続される。上記スイッチは、可動部の変位量が、第1の制限部により制限される変位量に達したときに導通するように構成される。上記他のスイッチは、可動部の変位量が、第2の制限部により制限される変位量に達したときに導通するように構成される。
Preferably, the predetermined value is a maximum value of an allowable deformation amount of the piezoelectric element.
Preferably, the piezoelectric element includes first and second output terminals. The power generation device further includes a full-wave rectifier circuit, a capacitor, and another switch. The full-wave rectifier circuit is connected between the first and second output terminals and the output node, and full-wave rectifies the output voltage of the piezoelectric element. The capacitor is connected in parallel to the full wave rectifier circuit and smoothes the voltage rectified by the full wave rectifier circuit. The limiting unit includes a first limiting unit configured to limit the displacement of the movable unit in a direction in which the deformation amount of the piezoelectric element is increased, and the displacement of the movable unit in a direction in which the deformation amount of the piezoelectric element is decreased. And a second restriction unit configured to restrict. The other switch is connected in parallel to the switch. The switch is configured to conduct when the displacement amount of the movable portion reaches the displacement amount limited by the first limiting portion. The other switch is configured to conduct when the amount of displacement of the movable portion reaches the amount of displacement limited by the second limiting portion.
好ましくは、圧電素子は、第1および第2の出力端子を含む。発電装置は、第1および第2の出力端子に接続された放電スイッチをさらに備える。放電スイッチは、上記スイッチが導通状態となった後に導通状態となるように構成される。 Preferably, the piezoelectric element includes first and second output terminals. The power generator further includes a discharge switch connected to the first and second output terminals. The discharge switch is configured to be in a conductive state after the switch is in a conductive state.
好ましくは、圧電素子は、第1および第2の出力端子を含む。発電装置は、アノードおよびカソードを有するダイオードをさらに備える。第1の出力端子は、カソードおよびスイッチに電気的に接続される。第2の出力端子は、アノードに電気的に接続される。 Preferably, the piezoelectric element includes first and second output terminals. The power generation device further includes a diode having an anode and a cathode. The first output terminal is electrically connected to the cathode and the switch. The second output terminal is electrically connected to the anode.
好ましくは、上記スイッチは、可動部の変位に応じて導通する機械的スイッチを含む。
好ましくは、可動部は、磁性体を含む。上記スイッチは、可動部の変位に応じた磁場の変化により導通するリードスイッチを含む。
Preferably, the switch includes a mechanical switch that conducts in accordance with the displacement of the movable part.
Preferably, the movable part includes a magnetic body. The switch includes a reed switch that is turned on by a change in the magnetic field according to the displacement of the movable part.
好ましくは、発電装置は、可動部の変位に応じて変形して制御信号を出力する圧電部をさらに備える。上記スイッチは、圧電部からの制御信号に応答して導通する電気的スイッチを含む。 Preferably, the power generation device further includes a piezoelectric unit that deforms according to the displacement of the movable unit and outputs a control signal. The switch includes an electrical switch that conducts in response to a control signal from the piezoelectric unit.
本発明によれば、圧電素子を含む発電装置において、圧電素子により生じた電力の利用効率を向上させることができる。 According to the present invention, in a power generation device including a piezoelectric element, the utilization efficiency of electric power generated by the piezoelectric element can be improved.
また、本発明によれば、発電装置と負荷とを備えた電気機器において、圧電素子により生じた電力の利用効率を向上させることができる。 In addition, according to the present invention, it is possible to improve the utilization efficiency of the electric power generated by the piezoelectric element in the electric device including the power generation device and the load.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
以下においては、本発明の一実施形態として、発電モジュールを用いてリモートコントローラ(あるいはワイヤレススイッチ)が実現される構成について説明する。しかし、本発明に係る発電装置を備える電気機器の用途はこれに限定されるものでない。本発明に係る発電装置は、発電装置により生じた電力を消費する電気負荷を備える任意の電気機器に適用することができる。そのような電気機器の例としては、振動センサ、マイク、点火装置等が挙げられる。 Hereinafter, a configuration in which a remote controller (or a wireless switch) is realized using a power generation module will be described as an embodiment of the present invention. However, the application of the electric device including the power generation device according to the present invention is not limited to this. The power generation device according to the present invention can be applied to any electric device including an electric load that consumes the electric power generated by the power generation device. Examples of such an electric device include a vibration sensor, a microphone, an ignition device, and the like.
[実施の形態1]
図1は、実施の形態1に係る発電モジュールを搭載したリモートコントローラの構成を概略的に示す回路ブロック図である。図1を参照して、リモートコントローラ100は、発電モジュール10と、通信部50とを備える。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a circuit block diagram schematically showing a configuration of a remote controller on which the power generation module according to
発電モジュール(発電装置)10は、出力ノードOUT1,OUT2を介して通信部50に電力を供給する。通信部50は、RF(Radio Frequency)回路52と、RFアンテナ54とを含む。通信部50は、発電モジュール10の外部に設けられ、発電モジュール10から供給された電力を受ける。そして、通信部50は、リモートコントローラ100から離れた位置に設けられた受信器(図示せず)にRF信号を制御信号として出力する。なお、通信部50は、RF回路52およびRFアンテナ54に代えてLED(Light Emitting Diode)等の発光素子を含んでもよい。なお、通信部50は、本発明に係る「外部負荷」に相当する。ただし、外部負荷の構成はこれに限定されず、電気エネルギーを他のエネルギー形態(たとえば光、電波等)へと変換可能な機構であればよい。
The power generation module (power generation device) 10 supplies power to the
発電モジュール10は、圧電素子1と、半波整流回路21と、コンデンサCと、ロードスイッチ31とを備える。なお、ロードスイッチ31は、本発明に係る「スイッチ」に相当する。
The
圧電素子1は、可動部60(図5参照)の変位に応じて変形することにより発電する。圧電素子1には出力端子T1(第1の出力端子)および出力端子T2(第2の出力端子)が設けられている。以下、出力端子T2の電位を基準とした出力端子T1の電位を出力電圧V1と記載する。圧電素子1の構成については図2および図3にて詳細に説明する。
The
半波整流回路21は、出力端子T1,T2と出力ノードOUT1,OUT2との間に接続されている。半波整流回路21と出力ノードOUT1とは、電力線PLによってロードスイッチ31を介して電気的に接続されている。半波整流回路21と出力ノードOUT2とは電力線GLにより電気的に接続されている。電力線GLは、基準電位GNDに接続された接地配線である。半波整流回路21は、たとえばダイオード(図示せず)を含む一般的な単相半波整流回路であり、圧電素子1の出力電圧V1を半波整流する。
The half-
コンデンサCは、電力線PLと電力線GLとの間に接続されている。コンデンサCは、半波整流回路21により半波整流された電圧を平滑化する。以下、出力電圧V1がコンデンサCにより平滑化された電圧を整流電圧Vcと記載する。
The capacitor C is connected between the power line PL and the power line GL. Capacitor C smoothes the voltage half-wave rectified by half-
ロードスイッチ31は、通信部50への電力の供給状態と遮断状態とを切り替えるスイッチである。ロードスイッチ31は、発電モジュール10と出力ノードOUT1とを結ぶ電力線PLに直列に接続される。言い換えれば、圧電素子1からの電力の供給方向に関し、ロードスイッチ31は出力ノードOUT1よりも前段に設けられており、通信部50は出力ノードOUT1よりも後段に設けられている。なお、ロードスイッチ31は、電力線PLに代えて電力線GLに設けられてもよい。電力線PLまたは電力線GLが本発明に係る「電力線」に相当し、電力線PLと電力線GLとの間を(並列に)接続する配線(たとえばコンデンサCが接続された配線)は、本発明に係る「電力線」に相当するものではない。ロードスイッチ31の構成については図5において詳細に説明する。
The
図2は、圧電素子1の構成例を示す図である。図2(A)は、たとえばユーザ操作による力である外力Fが印加されていない状態(初期状態)の圧電素子1を模式的に示す。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the
図2(A)を参照して、圧電素子1は、たとえばユニモルフ型の圧電素子である。圧電素子1は両持ち梁構造を有する。すなわち、圧電素子1の両端部が支持部16によって支持されている。なお、圧電素子1は片持ち梁構造を有してもよい。
Referring to FIG. 2A, the
圧電素子1は、圧電体12と、金属板14とを含む。圧電体12の材料としては、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスが採用される。しかし、圧電体12の材料は特に限定されるものではなく、非鉛系圧電体セラミックス(たとえばニオブ酸カリウムナトリウム系セラミックス、アルカリニオブ酸系セラミックス等)を採用してもよい。
The
圧電素子1は、外力Fが印加されていない状態では平板状である。圧電体12の一方の主面には電極12Aが設けられている。電極12Aには出力端子T1が接続されている。圧電体12の他方の主面には電極12Bが設けられている。電極12Bは、圧電体12と金属板14とを電気的に接続する。電極12Bには出力端子T2が接続されている。
The
図2(B)に示すように、圧電素子1の中央部に外力Fが印加されると、圧電体12が変形する。その結果、圧電体12に分極が生じる。図2(B)および図2(C)では正電荷を「+」で示し、負電荷を「-」で示す。分極により、電極12Aが正に帯電する一方で、電極12Bは負に帯電する。そのため、出力端子T1の電位は、出力端子T2の電位よりも高くなる。すなわち、圧電素子1の出力電圧V1は正電圧になる。
As shown in FIG. 2 (B), when an external force F is applied to the central portion of the
これに対し、図2(C)に示すように、圧電素子1への外力Fの印加が停止されると、圧電体12は、圧電素子1およびバネ80(図5参照)の復元力により初期状態へと復帰する。このとき、圧電素子1に生じる電荷の極性が反転する。すなわち、電極12Aが負に帯電する一方で、電極12Bは正に帯電する。そのため、圧電素子1の出力電圧V1は負電圧になる。このように、圧電素子1への外力Fの印加および印加停止に応じて、圧電素子1の出力電圧V1の符号が逆転する。
On the other hand, as shown in FIG. 2C, when the application of the external force F to the
図3は、圧電素子1の他の構成例を示す図である。図3に示すように、圧電素子1Aとして複数の圧電体12が積層された積層型素子を採用してもよい。これにより、単層型(図2参照)の構成と比べて圧電体12により生じる電荷量が大きくなるので、通信部50(図1参照)により大きな電力を供給することが可能になる。図示しないが、バイモルフ型の圧電素子1Aを採用してもよい。
FIG. 3 is a diagram illustrating another configuration example of the
ここで、実施の形態1に係る発電モジュール10の特徴の理解を容易にするために比較例に係る発電モジュールの構成を説明する。
Here, in order to facilitate understanding of the characteristics of the
図4は、比較例に係る発電モジュールを搭載したリモートコントローラの構成を概略的に示す回路ブロック図である。図4を参照して、リモートコントローラ900において、発電モジュール90は、ロードスイッチ31に代えてロードスイッチ39を備える点、およびロードスイッチ39を制御する制御回路9をさらに備える点において、実施の形態1に係る発電モジュール10(図1参照)と異なる。
FIG. 4 is a circuit block diagram schematically showing the configuration of a remote controller equipped with a power generation module according to a comparative example. Referring to FIG. 4, in
制御回路9は、電力線PLと電力線GLとの間に接続されている。制御回路9は、いずれも図示しないが、たとえばコンパレータ回路および基準電圧生成回路を含んで構成される。出力電圧V1をコンデンサCにより平滑化した後の整流電圧Vcが制御回路9の最低動作電圧よりも高くなると、制御回路9は、整流電圧Vcを電源電圧として動作を開始する。制御回路9は、整流電圧Vcを検出し、検出された整流電圧Vcと、予め定められたしきい値電圧Vthとの大小関係を判定する。そして、制御回路9は、その判定結果に応じた制御信号CTRをロードスイッチ39に出力する。制御信号CTRにより、ロードスイッチ39の導通状態と非導通状態とが切り替えられる。
The
コンパレータ回路および基準電圧生成回路等の回路は半導体素子を含んで形成されるので、製造ばらつきを含み得る。さらに、圧電素子1も製造ばらつきを含み得る。そのため、各素子の製造ばらつきに起因して上記判定結果にばらつきが生じ、発電モジュール90によっては電力供給の制御動作が適切に実行されない可能性がある。したがって、発電モジュール90の信頼性を確保するために、しきい値電圧Vthの設定に際しては素子の製造ばらつきを考慮してマージンを設定することが望ましい。
Since circuits such as the comparator circuit and the reference voltage generation circuit are formed including semiconductor elements, they may include manufacturing variations. Furthermore, the
一般に、マージンは、各素子の特性値が製造ばらつきの許容範囲の限界値(上限値または下限値)である場合を想定して設定される。その一方で、多くの素子は、全素子の特性値の平均値に近い特性値を有する。そのため、上述のようにマージンを設定すると、圧電素子1により生じた電力を有効に利用できず、電力の利用効率が相対的に低くなる可能性がある。
Generally, the margin is set assuming that the characteristic value of each element is a limit value (upper limit value or lower limit value) of an allowable range of manufacturing variation. On the other hand, many elements have characteristic values close to the average value of characteristic values of all elements. For this reason, when the margin is set as described above, the electric power generated by the
そこで、本実施の形態によれば、整流電圧Vcとしきい値電圧Vthとの大小関係の判定に代えて、外力Fが印加される際の機械的作用によりロードスイッチ31が導通する構成が採用される。以下、本実施の形態におけるロードスイッチ31の構造および動作について詳細に説明する。
Therefore, according to the present embodiment, instead of determining the magnitude relationship between the rectified voltage Vc and the threshold voltage Vth, a configuration is adopted in which the
図5は、実施の形態1における圧電素子1およびロードスイッチ31の構成および動作を説明するための図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration and operation of the
図5(A)を参照して、発電モジュール10は、圧電素子1と、ロードスイッチ31と、可動部60と、基部70と、バネ80とを備える。可動部60は、ヒンジ62と、突起64,66とを含む。基部70は制限部71を含む。可動部60および基部70の材料としては樹脂等の絶縁体を用いることができる。
Referring to FIG. 5A, the
以下では説明の簡略化のため、図中正のz方向を「上方」と呼び、負のz方向を「下方」と呼ぶ。ただし、負のz方向は鉛直方向を意味するものではなく、任意の方向とすることができる。 In the following, for simplification of description, the positive z direction in the figure is called “upward” and the negative z direction is called “downward”. However, the negative z direction does not mean a vertical direction, and can be an arbitrary direction.
可動部60は、たとえば平板状に形成される。可動部60の一方端はヒンジ62により基部70に結合される。可動部60の他方端の近傍にはバネ80の一方端が接続されている。バネ80の他方端は基部70に固定されている。これにより、可動部60は、可動域Rの最上点と最下点との間を変位する。
The
基部70は、発電モジュール10のハウジングに相当する部分であり、基部70の底面に圧電素子1が設けられている。さらに、制限部71の上面にロードスイッチ31が設けられている。
The
図5(B)に示すように、外力Fの印加により可動部60が下方に変位すると、突起64が圧電素子1に押し当てられる。これにより、圧電素子1が変形し、圧電素子1から出力電圧V1が出力される。
As shown in FIG. 5B, when the
図5(C)に示すように、可動部60がさらに下方に押し込まれると、可動部60が可動域Rの最下点に達する。すなわち、可動部60の下方への変位が制限部71により制限される。このとき、突起66がロードスイッチ31に機械的に接触することにより、ロードスイッチ31が導通する。言い換えると、ロードスイッチ31は、可動部60の変位量が、制限部71により制限される変位量に達したときに導通する。
As shown in FIG. 5C, when the
図6は、実施の形態1に係る発電モジュール10を搭載したリモートコントローラ100の動作を説明するためのタイムチャートである。図6ならびに後述する図12、図14および図16において、横軸は経過時間を表す。縦軸は、上から順に、圧電素子1の出力電圧V1および整流電圧Vc、ロードスイッチ31の導通状態/非導通状態、ならびに通信部50の動作状態/停止状態を示す。
FIG. 6 is a time chart for explaining the operation of the
図1、図5および図6を参照して、時刻t11までは外力Fの印加による圧電素子1の変形は生じていない(図5(A)参照)。そのため、出力電圧V1および整流電圧Vcは、いずれも略ゼロV(ボルト)である。また、ロードスイッチ31は初期状態であり、非導通状態である。したがって、通信部50には電力が供給されておらず、通信部50は停止している。
Referring to FIG. 1, FIG. 5, and FIG. 6, deformation of
時刻t11において、ユーザによる外力Fの印加により圧電素子1の変形が始まる(図5(B)参照)。これに伴い、圧電素子1の出力電圧V1が増加する。また、出力電圧V1の増加に伴い、整流電圧Vcも増加する。一方、ロードスイッチ31は非導通状態に維持されるので、通信部50への電力供給は遮断されている。
At time t11, deformation of the
時刻t12において、可動部60が可動域Rの最下点に達する(図5(C)参照)。そうすると、突起66がロードスイッチ31に機械的に接触することにより、ロードスイッチ31が非導通状態から導通状態へと切り替わる。その結果、通信部50に電力が供給され、通信部50が動作して発電モジュール10から出力ノードOUT1を介して供給された電力を消費する。
At time t12, the
時刻t12から時刻t13までの期間、可動部60への外力Fの印加が継続され、ロードスイッチ31は導通状態に維持される。そのため、通信部50がその動作を継続することにより、圧電素子1の出力電圧V1および整流電圧Vcは、通信部50により消費された電力に相当する分だけ低くなる。
During the period from time t12 to time t13, the application of the external force F to the
時刻t13において、整流電圧Vcが通信部50の最低動作電圧Vminを下回ると、通信部50は停止する。ただし、時刻t13から時刻t14までの期間、コンデンサCからの漏れ電流により整流電圧Vcはわずかに低下する。
When the rectified voltage Vc falls below the minimum operating voltage Vmin of the
時刻t14においてユーザが可動部60に印加する力(外力F)を緩めると、外力Fの減少が始まる。これに伴い、圧電素子1がその復元力により初期状態(図5(A)参照)へと復帰する過程において、圧電素子1から負電圧が出力電圧V1として出力される(時刻t15)。この負電圧が半波整流回路21により半波整流されることにより、時刻t15以降の整流電圧Vcは略ゼロVになる。
When the user loosens the force (external force F) applied to the
図7は、実施の形態1に係る発電モジュール10(図1参照)と比較例に係る発電モジュール90(図4参照)との間で電力の利用効率を比較するための図である。電力の利用効率とは、圧電素子1により生じた電力(発電電力)のうち通信部50に供給可能な電力の割合を意味する。図7において、横軸は、圧電素子1に印加される外力Fを示す。左側の縦軸は圧電素子1(1A)の変形量を表し、右側の縦軸は整流電圧Vcを示す。
FIG. 7 is a diagram for comparing the power use efficiency between the
図7を参照して、1点鎖線で示す曲線DISは、圧電素子1の変形量を表す。圧電素子1の製造ばらつきにより、圧電素子1の変形量が等しくても整流電圧Vcは圧電素子1毎に異なり得る。実線で示す曲線LLは、製造ばらつきの許容範囲の下限における整流電圧Vcを表す。
Referring to FIG. 7, a curve DIS indicated by a one-dot chain line represents a deformation amount of the
比較例では、整流電圧Vcの比較対象となるしきい値電圧Vthもばらつき得る。ロードスイッチ39は、遅くとも曲線LLに示す整流電圧Vcがしきい値電圧Vthの最大値(許容範囲の上限値)を上回った時点で導通される。このときの外力Fは、可動部60の可動域Rの最下点に対応する外力であるf1よりも小さいf9である。
In the comparative example, the threshold voltage Vth to be compared with the rectified voltage Vc may also vary. The
これに対し、実施の形態1によれば、可動部60に設けられた突起66がロードスイッチ31に機械的に接触することにより、ロードスイッチ31が導通する。そのため、比較例のように整流電圧Vcおよびしきい値電圧Vthのばらつきを考慮しなくてよいので、外力Fがf1に達するまで圧電素子1の変形を許容してからロードスイッチ31を導通することが可能になる。よって、斜線で示す領域Sに相当する電力を有効に利用することができる。したがって、圧電素子1により生じた電力の利用効率を向上させることができる。
On the other hand, according to the first embodiment, the
[実施の形態1の変形例1]
実施の形態1ではロードスイッチ31として機械的スイッチが採用される構成を例に説明したが、ロードスイッチ31の種類はこれに限定されるものではない。実施の形態1の変形例1,2では、機械的スイッチとは異なる種類のスイッチが採用される構成について説明する。
[
In the first embodiment, the configuration in which a mechanical switch is employed as the
図8は、実施の形態1の変形例1に係る発電モジュールに採用されるロードスイッチの構成を説明するための図である。図8を参照して、変形例1におけるロードスイッチ33は、不活性ガスが封入されたガラス管内部に設けられたリードスイッチである。可動部60にはロードスイッチ33の接点を切り替えるための磁石68が埋設されている。
FIG. 8 is a diagram for explaining the configuration of the load switch employed in the power generation module according to the first modification of the first embodiment. With reference to FIG. 8, the
[実施の形態1の変形例2]
図9は、実施の形態1の変形例2に係る発電モジュールに採用されるロードスイッチの構成を説明するための図である。図9(A)を参照して、変形例2においては、圧電素子1の下方に別の圧電部1Bが設けられている。そのため、外力Fの印加により可動部60が変位すると、圧電素子1が変形して発電するとともに圧電部1Bも変形して発電する。圧電部1Bにより生じた電圧を用いて導通信号CONが出力される。ロードスイッチ34は、圧電部1Bからの導通信号CONに応答して導通する。
[Modification 2 of Embodiment 1]
FIG. 9 is a diagram for explaining a configuration of a load switch employed in the power generation module according to the second modification of the first embodiment. With reference to FIG. 9A, in Modification 2, another
図9(B)は、圧電部1Bの周辺回路の回路構成例を示す図である。圧電部1Bの周辺回路は、スイッチング素子(トランジスタ)Q1,Q2と、ダイオードD1~D3と、抵抗R1とを備える。圧電部1Bからの出力電圧に応答してスイッチング素子Q1,Q2がオンすることにより、導通信号CONが出力される。なお、実施の形態1の変形例1,2に係る発電モジュールのロードスイッチ33,34以外の構成は、実施の形態1に係る発電モジュール10の対応する構成と同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。
FIG. 9B is a diagram illustrating a circuit configuration example of a peripheral circuit of the
[実施の形態2]
実施の形態1では、1つのロードスイッチが設けられる構成について説明したが、複数のロードスイッチを設けることも可能である。実施の形態2においては、2つのロードスイッチが設けられる構成について説明する。
[Embodiment 2]
In the first embodiment, the configuration in which one load switch is provided has been described. However, a plurality of load switches may be provided. In the second embodiment, a configuration in which two load switches are provided will be described.
図10は、実施の形態2に係る発電モジュールを搭載したリモートコントローラの構成を概略的に示す回路ブロック図である。図10を参照して、リモートコントローラ100Aにおいて、発電モジュール10Aは、半波整流回路21に代えて全波整流回路22を備える点、およびロードスイッチ31に並列に接続されたロードスイッチ32をさらに備える点において、実施の形態1に係る発電モジュール10(図1参照)と異なる。全波整流回路22は、たとえば一般的なダイオードブリッジ回路であり、圧電素子1の出力電圧V1を全波整流する。
FIG. 10 is a circuit block diagram schematically showing a configuration of a remote controller equipped with the power generation module according to the second embodiment. Referring to FIG. 10, in
図11は、実施の形態2における圧電素子1およびロードスイッチ31,32の構成を示す図である。図11を参照して、基部70Aは、制限部71(第1の制限部)に加えて制限部72(第2の制限部)を含む。制限部72は、可動部60よりも上方に設けられている。制限部72の下面にはロードスイッチ32が設けられている。図11には圧電素子1の復元時に可動部60が可動域Rの最上点に達した状態が示されている。
FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the
圧電素子1の変形時にはロードスイッチ31が導通し、圧電素子1の復元時にはロードスイッチ32が導通する。そのため、実施の形態2によれば以下に説明するように、圧電素子1により生じた電力を圧電素子1の変形時および復元時の両方で通信部50に供給することが可能になる。なお、ロードスイッチ31,32は、本発明に係る「スイッチ」および「他のスイッチ」にそれぞれ相当する。
When the
図12は、実施の形態2に係る発電モジュール10Aを搭載したリモートコントローラ100Aの動作を説明するためのタイムチャートである。図12に示すタイムチャートは、実施の形態1のタイムチャート(図6参照)と対比される。図12に示すタイムチャートにおいては、縦軸にロードスイッチ31に加えてロードスイッチ32の導通状態/非導通状態がさらに示されている。
FIG. 12 is a time chart for explaining the operation of the
図10~図12を参照して、時刻t21までの期間、可動部60がロードスイッチ32に機械的に接触しているので、ロードスイッチ32は導通状態である。ただし、圧電素子1からの出力電圧V1が略ゼロVであるため、通信部50は停止している。時刻t21から時刻t24までの動作は、図6に示すタイムチャートにおける時刻t11から時刻t14までの動作と同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。
Referring to FIGS. 10 to 12, since the
時刻t24においてユーザが外力Fを緩めると、外力Fの減少が始まる。これに伴い、圧電素子1が復元力により初期状態(時刻t21までの期間の状態)へと復帰する過程において、圧電素子1から負電圧が出力電圧V1として出力される。実施の形態2では全波整流回路22が設けられているので、圧電素子1からの負電圧が全波整流されることにより、整流電圧Vcは時間の経過とともに増加する。
When the user loosens the external force F at time t24, the external force F starts to decrease. Accordingly, a negative voltage is output from the
時刻t25において、可動部60が可動域Rの最上点に達する。言い換えると、圧電素子1の変形量が、制限部72により制限される変形量に達する。そうすると、可動部60がロードスイッチ32に機械的に接触することにより、ロードスイッチ32が非導通状態から導通状態へと切り替わる。その結果、通信部50に電力が供給され、通信部50が動作する。
At time t25, the
時刻t25以降、ロードスイッチ32は導通状態に維持される。時刻t25から時刻t26までの期間、通信部50が動作することにより、圧電素子1の出力電圧V1および整流電圧Vcは、通信部50により消費された電力に相当する分だけ低くなる。時刻t26において、整流電圧Vcが通信部50の最低駆動電圧Vminを下回ると、通信部50は停止する。
After time t25, the
以上のように、実施の形態2によれば、2つのロードスイッチ31,32と全波整流回路22とを設けることにより、1回の外力Fの印加によって通信部50に2回電力を供給することが可能になる。その結果、通信部50を2回動作させることができる。
As described above, according to the second embodiment, by providing the two
[実施の形態3]
実施の形態3においては、圧電素子1に生じた電荷を放電するための放電スイッチがさらに設けられる構成について説明する。
[Embodiment 3]
In the third embodiment, a configuration in which a discharge switch for discharging charges generated in the
図13は、実施の形態3に係る発電モジュールを搭載したリモートコントローラの構成を概略的に示す回路ブロック図である。図13を参照して、リモートコントローラ100Bにおいて、発電モジュール10Bは、放電スイッチ4と、入力ノードINとをさらに備える点において、実施の形態2に係る発電モジュール10A(図10参照)と異なる。放電スイッチ4は、圧電素子1の出力端子T1,T2に接続されている。
FIG. 13 is a circuit block diagram schematically showing a configuration of a remote controller equipped with the power generation module according to the third embodiment. Referring to FIG. 13, in
通信部50Bは、出力回路56をさらに含む点において、実施の形態2における通信部50と異なる。出力回路56は、ロードスイッチ31,32が導通状態となり通信部50が電力供給を受けて動作した後(すなわちRFアンテナ54からRF信号が出力された後)に放電信号DCHを出力する。放電信号DCHは、入力ノードINを介して放電スイッチ4に伝送される。放電スイッチ4は、放電信号DCHに応答して、非導通状態から導通状態へと切り替わる。このように、放電スイッチ4は、ロードスイッチ31,32が導通状態となった後に導通状態となるように構成される。放電スイッチ4が導通状態となることにより、圧電素子1に蓄積された電荷を放電することができる。
The
図14は、実施の形態3に係るリモートコントローラ100Bの動作を説明するためのタイムチャートである。図14に示すタイムチャートは、実施の形態2のタイムチャート(図12参照)と対比される。図14に示すタイムチャートおいては、縦軸に放電スイッチ4の導通状態/非導通状態がさらに示されている。
FIG. 14 is a time chart for explaining the operation of the
図13および図14を参照して、時刻t32までの動作は、図12に示すタイムチャートにおける時刻t22までの動作と同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。 Referring to FIGS. 13 and 14, the operation up to time t32 is the same as the operation up to time t22 in the time chart shown in FIG. 12, and therefore detailed description will not be repeated.
時刻t32以降、通信部50は、圧電素子1から供給される電力を消費してRF信号の出力制御を実行する。通信部50は、この制御が完了すると放電信号DCHを出力する(時刻t33)。放電スイッチ4は、放電信号DCHに応答して非導通状態から導通状態へと切り替わる。これにより、圧電素子1の出力端子T1と出力端子T2との間が短絡するので、圧電素子1に蓄積されていた電荷が放電され、圧電素子1の出力電圧V1は速やかに略ゼロVに達する。
After time t32, the
一方、整流電圧Vcは、通信部50への電力供給により徐々に低下する。時刻t34において整流電圧Vcが通信部50の最低駆動電圧Vminを下回ると、通信部50は停止する。これにより、放電信号DCHの出力が停止され、放電スイッチ4は導通状態から非導通状態へと切り替わる。
On the other hand, the rectified voltage Vc gradually decreases due to power supply to the
時刻t35においてユーザが外力Fを緩めると、外力Fの減少が始まる。これに伴い、圧電素子1が復元力により初期状態へと復帰する過程において、圧電素子1から負電圧が出力電圧V1として出力される。
When the user loosens the external force F at time t35, the external force F starts to decrease. Accordingly, a negative voltage is output from the
その後、通信部50は、時刻t36におけるRF信号の出力制御と、時刻t37における放電信号DCHの出力制御とを実行する。時刻t37以降の動作は、時刻t33から時刻t34までの動作と同等であるため、説明は繰り返さない。
Thereafter, the
実施の形態2では放電スイッチが設けられていないので、圧電素子1に蓄積された電荷が放電されることはない。そのため、圧電素子1が初期状態へと復帰する過程において、圧電素子1の出力電圧V1は、正値を開始点として負方向に増加することになる(図12の時刻t24参照)。そうすると、可動部60が最上点に達したときの整流電圧Vcが、可動部60が最下点に達したときの整流電圧Vcよりも必然的に低くなる(時刻t22および時刻t25参照)。圧電素子1の蓄積電荷が大きいほど、上記正値は大きい。よって、圧電素子1の蓄積電荷が比較的大きい場合には、可動部60が最上点に達したときの整流電圧Vcが通信部50の最低動作電圧Vminよりも低くなり、通信部50が正常に動作しない可能性がある。
In Embodiment 2, since the discharge switch is not provided, the electric charge accumulated in the
これに対し、実施の形態3においては、放電スイッチ4により圧電素子1の蓄積電荷が放電される。そのため、圧電素子1が初期状態へと復帰する過程において、圧電素子1の出力電圧V1は、略ゼロVを開始点として負方向に増加することになる(図14の時刻t35参照)。そうすると、可動部60が最下点に達したときの整流電圧Vcが、可動部60が最下点に達したときの整流電圧Vcとほぼ等しくなる(時刻t32および時刻t35参照)。その結果、可動部60が最上点に達したときの整流電圧Vcが通信部50の最低動作電圧Vminよりも高くなる。したがって、1回の外力Fの印加により、通信部50をより確実に2回動作させることができる。
On the other hand, in Embodiment 3, the accumulated charge of the
[実施の形態4]
実施の形態4においては、整流回路および平滑コンデンサに代えてダイオードが設けられる構成について説明する。
[Embodiment 4]
In the fourth embodiment, a configuration in which a diode is provided instead of the rectifier circuit and the smoothing capacitor will be described.
図15は、実施の形態4に係る発電モジュールを搭載したリモートコントローラの構成を概略的に示す回路ブロック図である。図15を参照して、リモートコントローラ100Cにおいて、発電モジュール10Cは、半波整流回路21およびコンデンサCに代えてダイオードDを備える点において、実施の形態1に係る発電モジュール10(図1参照)と異なる。
FIG. 15 is a circuit block diagram schematically showing a configuration of a remote controller equipped with the power generation module according to the fourth embodiment. Referring to FIG. 15, in
圧電素子1の出力端子T1は、ダイオードDのカソードおよびロードスイッチ31に電気的に接続されている。つまり、ダイオードDのカソードとロードスイッチ31とは直接的に接続されている。圧電素子1の出力端子T2は、ダイオードDのアノードに電気的に接続されている。
The output terminal T1 of the
図16は、実施の形態4に係る発電モジュール10Cを搭載したリモートコントローラ100Cの動作を説明するためのタイムチャートである。図16に示すタイムチャートは、実施の形態1のタイムチャート(図6参照)と対比される。実施の形態4における圧電素子1の出力電圧V1を実線で示し、実施の形態1における圧電素子1の出力電圧V1を破線で示す。
FIG. 16 is a time chart for explaining the operation of the
図15および図16を参照して、時刻t44までの動作は、図6に示すタイムチャートにおける時刻t24までの動作と同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。 Referring to FIGS. 15 and 16, the operation up to time t44 is the same as the operation up to time t24 in the time chart shown in FIG. 6, and therefore detailed description will not be repeated.
時刻t44においてユーザが外力Fを緩めると、外力Fの減少が始まる。これに伴い、圧電素子1が復元力により初期状態(図5(A)参照)へと復帰する過程において、圧電素子1から負電圧が出力電圧V1として出力される。そうすると、圧電素子1の出力端子T2からダイオードDのアノードおよびカソードを介して出力端子T1に電流が流れることにより、圧電素子1に蓄積された電荷が放電される。その結果、圧電素子1の出力電圧V1は速やかに略ゼロVに達する。
When the user loosens the external force F at time t44, the external force F starts to decrease. Accordingly, in the process in which the
実施の形態1では、圧電素子1に蓄積された電荷が放電されないので、圧電素子1が初期状態へと復帰する過程において、出力電圧V1は負値になる(時刻t45以降参照)。そのため、図示しないが、外力Fがもう一度(2回目)印加された場合には出力電圧V1が負値を開始点として正方向に増加することになる。よって、整流電圧Vcが通信部50の最低動作電圧Vminよりも低くなり、通信部50が正常に動作しない可能性がある。
In
これに対し、実施の形態4においては、ダイオードDを介して圧電素子1の蓄積電荷が放電される。そのため、圧電素子1が初期状態へと復帰する過程において、出力電圧V1は略ゼロVになる。したがって、外力Fがもう一度印加された場合には、出力電圧V1が略ゼロVを開始点として増加することになる。言い換えると、2回目の動作開始時における発電モジュール10Cは、1回目の動作開始時の状態(時刻t31の状態)に復帰している。よって、2回目以降の動作においても1回目の動作と同様に通信部50を確実に動作させることができる。
On the other hand, in
さらに、実施の形態4によれば、発電モジュール10Cには整流回路およびコンデンサが設けられていない。そのため、整流回路(整流回路を構成するダイオード)およびコンデンサにおけるエネルギー損失の発生が抑制される。したがって、そのエネルギー損失に相当する分だけ、圧電素子1により生じた電力の利用効率を一層向上させることができる。
Furthermore, according to the fourth embodiment, the
なお、図7では、圧電素子1の変形量が最大値に達したときに、可動部60の変位量が制限部71により制限される変位量に達すると説明したが、最大値であることは必須ではない。圧電素子1の変形量が実験またはシミュレーションにより定められた設計値(所定値)に達したときに、可動部60の変位量が制限部71により制限される変位量に達すればよい。
In FIG. 7, it has been described that when the deformation amount of the
また、実施の形態1の変形例1に示したロードスイッチ33(リードスイッチ:図8参照)、および変形例2に示したロードスイッチ34(電気的スイッチ:図9参照)は、実施の形態2~4に係る発電モジュール10A~10Cにも適宜適用することが可能である。
Further, the load switch 33 (reed switch: see FIG. 8) shown in the first modification of the first embodiment and the load switch 34 (electric switch: see FIG. 9) shown in the second modification are the same as those in the second embodiment. The
さらに、実施の形態1~4ではリモートコントローラを例としたため、ユーザ操作による力を外力Fとして説明した。しかし、外力Fは、発電モジュールの外部から発電モジュールに印加される力であれば特に限定されるものではない。外力Fは、たとえば発電モジュール外部のアクチュエータにより印加される力であってもよいし、発電モジュールの搬送時の衝撃または振動により生じる力であってもよい。
Furthermore, in
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
1,1A 圧電素子、1B 圧電部、12 圧電体、12A,12B 電極、14 金属板、16 支持部、21 半波整流回路、22 全波整流回路、31~34,39 ロードスイッチ、4 放電スイッチ、9 制御回路、10,10A~10C 発電モジュール、50,50B 通信部、52 RF回路、54 RFアンテナ、56 出力回路、60 可動部、62 ヒンジ、64,66 突起、68 磁石、70 基部、71,72 制限部、80 バネ、100,100A~100C,900 リモートコントローラ、C コンデンサ、D,D1,D3 ダイオード、Q1,Q2 スイッチング素子、R1 抵抗、IN 入力ノード、OUT1,OUT2 出力ノード、T1,T2 出力端子。 1, 1A piezoelectric element, 1B piezoelectric part, 12 piezoelectric body, 12A, 12B electrode, 14 metal plate, 16 support part, 21 half-wave rectifier circuit, 22 full-wave rectifier circuit, 31-34, 39 load switch, 4 discharge switch , 9 control circuit, 10, 10A-10C power generation module, 50, 50B communication unit, 52 RF circuit, 54 RF antenna, 56 output circuit, 60 movable unit, 62 hinge, 64, 66 protrusion, 68 magnet, 70 base, 71 , 72 limiting unit, 80 spring, 100, 100A to 100C, 900 remote controller, C capacitor, D, D1, D3 diode, Q1, Q2 switching element, R1 resistor, IN input node, OUT1, OUT2 output node, T1, T2 Output terminal.
Claims (11)
前記外力に応じて変位する可動部と、
前記可動部の変位に応じて変形することにより発電する圧電素子と、
前記可動部の変位を制限するように構成された制限部と、
前記圧電素子と前記出力ノードとを結ぶ電力線に直列に接続され、前記可動部の変位量が、前記制限部により制限される変位量に達したときに導通するように構成されたスイッチとを備える、発電装置。 A power generator that supplies power generated by receiving external force to an output node,
A movable part that is displaced according to the external force;
A piezoelectric element that generates electric power by being deformed according to the displacement of the movable part;
A limiting portion configured to limit the displacement of the movable portion;
A switch connected in series to a power line connecting the piezoelectric element and the output node, and configured to be conductive when the displacement amount of the movable portion reaches a displacement amount limited by the limiting portion. , Power generator.
前記発電装置から前記出力ノードを介して供給された電力を受ける外部負荷とを備える、電気機器。 A power generator according to claim 1;
And an external load that receives electric power supplied from the power generation device via the output node.
前記発電装置は、
前記第1および第2の出力端子と前記出力ノードとの間に接続され、前記圧電素子の出力電圧を全波整流する全波整流回路と、
前記全波整流回路に並列に接続され、前記全波整流回路により整流された電圧を平滑化するコンデンサと、
前記スイッチに並列に接続された他のスイッチとをさらに備え、
前記制限部は、
前記圧電素子の変形量を増大させる方向への前記可動部の変位を制限するように構成された第1の制限部と、
前記圧電素子の変形量を減少させる方向への前記可動部の変位を制限するように構成された第2の制限部とを含み、
前記スイッチは、前記可動部の変位量が、前記第1の制限部により制限される変位量に達したときに導通するように構成され、
前記他のスイッチは、前記可動部の変位量が、前記第2の制限部により制限される変位量に達したときに導通するように構成される、請求項2~5のいずれか1項に記載の電気機器。 The piezoelectric element includes first and second output terminals,
The power generator is
A full-wave rectifier circuit connected between the first and second output terminals and the output node, for full-wave rectifying the output voltage of the piezoelectric element;
A capacitor connected in parallel to the full-wave rectifier circuit and smoothing the voltage rectified by the full-wave rectifier circuit;
And further comprising another switch connected in parallel to the switch,
The restriction unit is
A first limiter configured to limit the displacement of the movable part in a direction to increase the amount of deformation of the piezoelectric element;
A second limiter configured to limit the displacement of the movable part in a direction to reduce the amount of deformation of the piezoelectric element;
The switch is configured to conduct when a displacement amount of the movable portion reaches a displacement amount restricted by the first restriction portion,
6. The switch according to claim 2, wherein the other switch is configured to be turned on when a displacement amount of the movable portion reaches a displacement amount limited by the second restriction portion. The electrical equipment described.
前記発電装置は、前記第1および第2の出力端子に接続された放電スイッチをさらに備え、
前記放電スイッチは、前記スイッチが導通状態となった後に導通状態となるように構成される、請求項2~5のいずれか1項に記載の電気機器。 The piezoelectric element includes first and second output terminals,
The power generator further includes a discharge switch connected to the first and second output terminals,
The electrical device according to any one of claims 2 to 5, wherein the discharge switch is configured to be in a conductive state after the switch is in a conductive state.
前記発電装置は、アノードおよびカソードを有するダイオードをさらに備え、
前記第1の出力端子は、前記カソードおよび前記スイッチに電気的に接続され、
前記第2の出力端子は、前記アノードに電気的に接続される、請求項2~5のいずれか1項に記載の電気機器。 The piezoelectric element includes first and second output terminals,
The power generator further comprises a diode having an anode and a cathode,
The first output terminal is electrically connected to the cathode and the switch;
The electrical apparatus according to any one of claims 2 to 5, wherein the second output terminal is electrically connected to the anode.
前記スイッチは、前記可動部の変位に応じた磁場の変化により導通するリードスイッチを含む、請求項2~8のいずれか1項に記載の電気機器。 The movable part includes a magnetic body,
The electrical device according to any one of claims 2 to 8, wherein the switch includes a reed switch that is turned on by a change in a magnetic field according to a displacement of the movable part.
前記スイッチは、前記圧電部からの信号に応答して導通する電気的スイッチを含む、請求項2~8のいずれか1項に記載の電気機器。 Further comprising a piezoelectric part that deforms according to the displacement of the movable part and outputs a signal;
The electrical device according to any one of claims 2 to 8, wherein the switch includes an electrical switch that conducts in response to a signal from the piezoelectric unit.
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