专利名称：电源装置的制作方法
技术领域：
本发明属于采用压电元件的电源装置所涉及的技术领域。
背景技术：
过去的技术方案是利用压电材料的可转换机械能和电能的压电效应，制成元件应用到电源装置中。显示压电效应的材料，已有无机和有机的许多种材料，其中，引人注目的是利用PZT(锆钛酸铅)类等陶瓷材料的压电元件，并已实用化。
但是，存在的问题是由于压电元件发电量小，将其发电用作电源装置，尚缺乏实用性。因此，这种电源装置只能用于需要的电力比较小的地方。
为了解决这一问题，本发明人在实用新型登录第3074105号公报中公开了利用压电元件的电源装置的设计方案“发电装置”。该发电装置把利用压电元件发出的电力充电到所需的设定电平，在达到设定电平时把充入的电力一下子放出。通过一下子放出这样充电的能量，能够将其用于需要较大电力的各种用途。具体来说，该发电装置具备用作充电装置的电容器、对该电容器的放电进行开闭的开关、作为触发电路的开关和与电容器相连接的稳压二极管。并且，在电容器的充电量超过稳压二极管的恒压时，使开关动作进行放电。
然而，在该发电装置中是利用作为触发电路用的稳压二极管来判断充电量。利用该稳压二极管进行判断时，是通过直流来判断电容器中充电的电压，成为连续监视电容器的状态。也就是说，该触发电路经常动作，该动作所消耗的电力相当大，已达到与压电元件的发电量相比不能忽视的程度。所以，即使想要充入较多的电力，由于用稳压二极管进行监视要消耗电力，而不能进行大容量充电。所以，为了将其用作需要较大电力的机器的电源装置，需要进一步改进。
发明内容
考虑到上述问题，本发明具有以下目的。
本发明的目的在于提供一种是利用压电元件的电源装置，该电源装置能向需要较大电力的外部供给充分的电力。
本发明的另一目的在于提供一种不会为了监视和判断充电量而浪费充电量，且能充入更多电力的电源装置。
此外，本发明的另一目的在于提供一种产生模拟交流电压，并用该交流电压来判断充电量的电源装置。
为了达到上述目的，本发明的电源装置具有使压电元件产生变形来发电的发电部、以及充电反复发电的电力的充电部，充电部具有判断装置，该判断装置与压电元件发电时间相对应地判断充电量是否达到预定电平。
图1是本发明第1实施方式的方框图。
图2是本发明第1实施方式的详细方框图。
图3是本发明第1实施方式的电路图。
图4是本发明第1实施方式的发电部的断面图。
图5是本发明第2实施方式的详细方框图。
图6是本发明第2实施方式的电路图。
图7是本发明第3实施方式的发电部的断面图。
具体实施例方式
本发明的电源装置具有使压电元件产生变形来发电的发电部、以及充电反复发电的电力的充电部，充电部具有判断装置，该判断装置与压电元件发电时间相对应地判断充电量是否达到预定电平。
根据该结构，通过在压电元件上产生变形来发电，该电力是在每次发电时接连地充入到充电部，所以，每重复一次发电，充电部的充电量就增加。并且，充电部内存储的充电量，仅在压电元件的发电时，即在充电量增加时，才判断该量是否达到了预定电平。
并且，在本发明的充电部内备有开关装置，该开关装置在用上述判断装置判断出充电量已达到预定电平之前不开始放电。
根据该结构，通过设置开关装置，在由判断装置判断出已达到预定电平之前，压电元件每次发电时分阶段增加的充电量，不被放电而一直蓄积。
并且，在本发明的发电部内备有压电元件和对压电元件进行冲撞的冲撞构件，在上述判断装置中，在冲撞构件对压电元件进行冲撞而使其发电时判断充电量。
根据该结构，通过冲撞构件进行冲撞，压电元件产生变形而发电，充电部的充电量大致分阶段地增加。并且，与该冲撞构件冲撞时间即充电量增加的时间相对应地，对充电量进行判断。
并且，在本发明的判断装置中，利用压电元件发电时输出的交流电压来进行判断。
根据该结构，从压电元件输出的交流电压具有与充电量成正比的电压，所以，用它来监视充电量，并且，利用仅在压电元件产生变形时(在冲撞构件的情况下，仅在冲撞构件冲撞压电元件时)才产生的交流，来进行间歇性的判断。
并且，在本发明的判断装置中，产生一种具有与充电部的充电量相对应的电压的模拟交流电压，利用该交流电压进行判断。
根据该结构，通过产生具有与充电量相对应的电压的模拟交流电压，来进行间歇性的监视和判断。
以下根据附图，详细说明本发明电源装置的实施方式。
图1是第1实施方式的方框图，图2是详细方框图，图3是第1实施方式的电路图，图4是第1实施方式的发电部的断面图。
第1实施方式的电源装置1具有通过使压电元件21产生变形来发电的发电部2，以及充电反复发电的电力的充电部3，充电部3中具有判断装置33，该判断装置33与压电元件21发电的时间相对应地判断充电量是否已达到预定电平。
该电源装置1由发电部2和充电部3以及输出部4构成。在发电部2中具有压电元件21和冲撞构件22，通过冲撞构件22冲撞压电元件21而赋予变形，使压电元件21发电。
在充电部3中具有整流装置31、充电装置32、判断装置33和开关装置34。整流装置31是对由发电部2输出的交流电力进行整流而形成脉动电流的装置。充电装置32是把用整流装置31取得的脉动电流作为直流进行充电的装置。判断装置33是与压电元件发电时间相对应地，对充电装置32的充电量间歇性地进行监视和判断的装置。该装置在监视时消耗极小的电力，因为是间歇式监视，所以，能抑制监视的电力消耗，减少对充电量的影响。开关装置34在利用判断装置33判断出充电装置32的充电量已达到预定电平时，使充电装置32开始放电。并且，放出的电力被供给到通过输出部4而连接的外部。
以下利用图3、图4，详细说明各部分结构。
首先，发电部2的详细结构如图4所示，构成为在外壳23内部转动的冲撞构件22对压电元件21进行冲撞，该压电元件21分别安装在盒形外壳23内部的相对的壁上。冲撞构件22由球构成。压电元件21，把PZT类的2块板形压电陶瓷板211、212接合在一起，并使其极化方向相反，这样串联连接的发电结构，防止因极化的抵消，提高发电性能。并且，压电元件21在板形缓冲材料25的中央部分或者两端部(图4中表示中央部分的情况)用粘合剂24(也可以用粘接以外的固定方法)局部粘接，缓冲材料25由粘合剂25固定在外壳上。所以，压电陶瓷板211、212的振动持续提高发电性能，并保护压电元件21不受冲撞构件22的冲击。并且，在压电元件21的表面和背面上形成的膜状电极29、29上，分别连接引线261～264，引出到后级的整流装置31上。并且，在压电元件21的表面(冲撞构件22冲撞的面)上，安装有薄板形的保护器27，用于保护压电元件21免受冲撞构件22的冲击。再者，在相对的压电元件21之间，设置了用于导向的导向器28，以便限制冲撞构件22的转动移动方向，使准确地冲撞到压电元件21的、固定保护器27的部分。该导向器28，在此示出了筒状的导向器，但也可以是隔板。
各部分的材料，首先，压电陶瓷板211、212，宜采用钛锆酸锌类材料，但并非仅限于此。并且，该压电陶瓷板211、212，为了长时间持续振动，并获得更多的发电，希望尽量采用硬质的Q值高的物质。具体来说，希望是Q值不低于1000，最好是Q值不低于2000。缓冲材料25的材质，宜采用合成树脂材料、橡胶材料或者将其制成海绵状的软质材料。具体来说，宜采用泡沫聚乙烯等。冲撞构件22的材料，宜采用在不破坏该压电元件21的条件下重量较重的发电效率高的材料，具体来说是钨或铁等。并且，保护器27的材料，宜采用硬质金属或合成树脂等，具体来说，宜采用磷青铜和不锈钢等，加工性良好的磷青铜使用方便。
而且，发电部2的构成和压电元件21的发电方法，并非仅限于上述方法。在第1实施方式中，发电部20的压电元件21设置在对置的2个部位上，构成为能使冲撞构件22在压电元件21、21之间进行往复运动。但也可以在1个或3个以上部位，设置压电元件21。并且，例如，本发明也可适用特开2001-145375号公报所示的采用2个冲撞构件的结构，或者用弹簧材料垂吊冲撞构件的结构等。并且，也可以采用这样的结构，即在单层的压电陶瓷板211上粘贴一种厚度已调整到使变形量与其相均衡的金属板，使冲撞构件22从金属板侧进行冲撞实现发电。另外，也可以是这样的结构，即省略冲撞构件22，对被双支承的压电元件21进行按压使其发电，或者利用被单支承的压电元件21的自由振动进行发电，或者使压电元件21产生其他变形形状(波状等)进行发电。
如图3所示，整流装置31由二极管D1～D6来形成全波整流电路。在此将发电部2输出的交流电力进行整流，变成脉动电流输出到后一级。从发电部2中取出的4条引线261～264中，对引线262、263进行接线，3条引线连接到6个二极管D1～D6上。而且，在此，对引线262、263进行接线，形成削减二极管数的电路。但也可以将引线262、263不连接，而连接到8个二极管上，形成全波整流电路。
充电装置32具有电容器C1。该电容器也可用充电电池代替。由整流装置31整流后的脉动电流，作为直流依次充入电容器C1内，冲撞构件22冲撞压电元件21，反复发电，每次都使电容器C1两端的电压升高。
开关装置34采用自保持式电流开关。在第1实施方式中，采用互补晶体管，把PNP晶体管Tr1和NPN型晶体管Tr2组合在一起。该开关装置34，若在图3所示的b点上施加比c点电压约低0.6v(由Tr1决定的值)的电压，则Tr1导通，Tr2几乎同时导通。这样，当开关装置34接通时，图3所示的c点和d点之间形成极低的阻抗。并且使充电装置32的电容器C1中存储的电力进行放电，以很少的损耗从输出部4向外部输出。并且该导通状态变成自保持状态，一直持续到放电停止。
判断装置33具有电容器C2、C3和电阻R1、R2。设置C3是为了防止误动作。电容器C2和电阻R1设置在作为从压电元件2的输出的a点和开关装置34的b点之间。并且，按照其时间常数来决定在判断充电量时在b点上外加电压的时间。在a点上，冲撞构件22每次冲撞压电元件21时产生交流电压，该电压是在电容器C1两端的电压上加上二极管D5的正向电压后的值。并且，在电容器C1因充电而电压升高的同时a点的交流电压也升高。也就是说，在a点上，与电容器c1两端的直流电压几乎成正比的交流电压，在冲撞构件22进行冲撞时产生，即间歇性地产生。并且，在该a点上的交流电压，仅很短时间外加在b点上，该时间由电阻R1和电容器C2的时间常数决定。b点的电压，由电阻R1、R2的分配比来决定，如上所述，当b点的电压超过比c点电压约低0.6v(由Tr1决定的值)的电压值时，开关装置34导通。在此，b点的电压可用[c点的电压×(1-R2/(R1+R2))来表示，所以，该b点的电压在等于比c点电压约低0.6v的电压[c点的电压-约0.6v)时，变成判定阈值，以此来判定充电量的电平。因此，通过调整R1和R2能任意设定开始放电的充电量的预定电平。而且，在此，把a点设置在引线264侧，但也可以设置在引线261侧或被连接的引线262、263侧。并且，在此，2个压电元件中，一个压电元件21每一次发电的时间，进行一次判定。但也可以在2个压电元件21每一次发电的时间，进行一次判定，或者(n为任意数)压电元件21每n次发电的时间，进行一次判定。
输出部4是用于和外部机器相连接的装置，它由连接器等构成。并且，充电的电力通过该输出部4一次全部供给到外部机器。
以下说明这样构成的第1实施方式的动作。首先，当发电部2受到摇动等时，冲撞构件22冲撞压电元件21，压电元件21产生变形而振动，由此产生交流电力。由于对发电部2设置了压电元件21、21，所以，摇动一次能高效率地发电。该交流电力由充电部3的整流部31进行整流，变成脉动电流，它作为直流充入充电装置32。并且，冲撞构件22反复冲撞压电元件21，使充电装置32的充电量徐徐增加。
另一方面，每当冲撞构件22冲撞压电元件21时，在a点间歇地产生交流电压，随着充电装置32的充电量增加，a点的电压也升高。当a点上产生交流电压时，每次都仅以很短时间在b点上外加电压，该时间由判断装置33的电容器C1和电阻R1的时间常数来决定。若外加在该b点上的电压达到预定值以上，则开关装置34接通，变成自保持状态，使充电装置32中充的电力进行放电，通过输出部4一次全部供给到外部。
并且，当充电装置32内充入的电力被外部消耗而下降到接近零V时，自保持状态自动被解除，再次开始对充电装置32进行充电。
该结构中，由判断装置33在冲撞构件22对压电元件21进行冲撞时，间歇地对充电量进行判断。并且，当充电量超过预定电平时，才使开关装置34达到接通状态，并产生放电。也就是说，在冲撞构件22不冲撞压电元件21的状态下，不判断充电量，所以不会因进行判断而消耗充电量。并且，由于蓄积到预定电平的充电量一下子放完，所以能向外部供给大的电力。
适宜连接本发明电源装置1的外部机器是工作一定时间的电子设备，例如需要大的光量的灯或LED等。
这样，在第1实施方式中，从压电元件21的输出中获取冲撞构件22每次冲撞压电元件21而发电时所产生的交流电压，将其用于判断装置33，判断充电装置32的充电量是否达到了预定电平。这种充电量的间歇式判断，与连续的判断相比较，可大量减少因判断而浪费的电力，能提高充电装置32的充电量。因此，即使利用充电量少的压电元件21，也能用作需要大的电力的机器的电源。
以下根据附图，说明本发明电源装置的第2实施方式。图5是第2实施方式的详细方框图，图6是第2实施方式的电路图。而且，第2实施方式是第1实施方式的变形例，所以对相同的部分标注相同的标记，其详细说明从略。
电源装置1的判断装置33在第1实施方式中利用了a点的交流电压，在第2实施方式中代之产生一种与充电装置32的充电量相对应的模拟交流电压，用该交流电压来进行判断。
在第2实施方式中，在充电部3中作为交流发生装置35具有与发电部2形成一体并能活动的机械开关Sw1。该机械开关Sw1的一边与充电装置32的电容器C1的正侧相连接；另一边与判断装置33的电容器C2相连接。机械开关Sw1，每当发电部2摇动时就进行接通或断开，并利用该通断动作来把充电装置32的电容器C1两端的电压作为模拟交流电压间歇性地外加到电容器C2上。并且，仅在根据电容器C2和电阻R1的时间常数所决定的极短时间内，在b点上外加电压。并且，当b点上所外加的电压达到一定电压以上时，和第1实施方式一样，使开关装置34动作，充电装置32放电。
这样，产生模拟交流电压，用该电压也能获得与第1实施方式相同的作用和效果。
以下根据附图，详细说明本发明电源装置的第3实施方式。图7是第3实施方式的发电部断面图。第3实施方式是第1实施方式的发电部的变形例，所以对同样的部分标注同样的标记，其详细说明从略。
第3实施方式的发电部20，其特征在于在第1实施方式的发电部2中串联连接的压电元件21，在本实施方式中并联连接。压电元件21是把2块压电陶瓷板211、212组合在一起使其在同一方向极化，电极292被夹持并接合在压电陶瓷板211、212之间。电极292在图7中用放大图表示。实际上是极薄的膜状(10～50μm)的金属电极，它利用在压电元件21产生变形时很难成为机械阻力的材料构成，具体来说由磷青铜和黄铜等构成。并且，在压电陶瓷板211、212的各个电极292的反面上形成了电极291、291。并且，从电极292中引出引线262(264)，且对从电极291、291中引出的引线进行连接，使其作为引线261(263)，如图3一样连接到后一级上。其他结构与第1实施方式相同。
若采用这种并联型的发电结构，则与串联型相比，能获得约2倍的电流输出。因此，若用于电容器储电，则能用串联型的一半的运动能量来获得与串联型相同量的电荷。
而且，在第1～第3实施方式中，说明了电源装置1通过输出部4连接到外部。但是，当然也可以作为电子设备等装置中内置的电源来使用。
工业上的实用性本发明的电源装置，其特征在于在压电元件发电时，判断利用压电元件发电的电力进行充电的充电部的充电量。这样，并非随时都在监视和判断充电量是否已达到预定电平，而在充电量增加时，高效且间歇地进行监视和判断，所以不会浪费监视和判断用的充电量，能充入更多的电力。
并且，设置了开关装置，其作用是在判断出充电电力已达到预定电平的充电量之前不开始放电，不会浪费电，所以能将充电达到必要量的电力能一下子供给出去。因此，即使利用了压电元件的电源装置，也能作为需要大电力的外部机器的电源装置使用，可用于各种用途的机器。
权利要求
1.一种电源装置，其特征在于具有使压电元件产生变形来发电的发电部、以及充电反复发电的电力的充电部，在充电部具有判断装置，该判断装置与压电元件发电的时间相对应地判断充电量是否达到预定电平。
2.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于在充电部内具有开关装置，该开关装置使充电部在上述判断装置判断出充电量已达到预定电平之前不开始放电。
3.如权利要求1或2所述的电源装置，其特征在于在发电部内具有压电元件和冲撞压电元件的冲撞构件，在上述判断装置中，与冲撞构件冲撞压电元件使其发电的时间相对应地，判断充电量。
4.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于在上述判断装置中，利用在发电时从压电元件输出的交流电压，进行判断。
5.如权利要求2所述的电源装置，其特征在于在上述判断装置中，利用在发电时从压电元件输出的交流电压，进行判断。
6.如权利要求3所述的电源装置，其特征在于在上述判断装置中，利用在发电时从压电元件输出的交流电压，进行判断。
7.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于在上述判断装置中，产生具有与充电部的充电量相对应的电压的模拟交流电压，利用该交流电压进行判断。
8.如权利要求2所述的电源装置，其特征在于在上述判断装置中，产生具有与充电部的充电量相对应的电压的模拟交流电压，利用该交流电压进行判断。
9.如权利要求3所述的电源装置，其特征在于在上述判断装置中，产生与具有充电部的充电量相对应的电压的模拟交流电压，利用该交流电压进行判断。
全文摘要
本发明提供一种采用压电元件的电源装置。采用压电元件的电源装置存在的问题是发电量小，在利用作为触发电路用的稳压二极管来对充电量进行判断的情况下，触发电路随时都在工作，其所消耗的电力，与采用压电元件时的充电量相比已大到不能再忽视的程度。本发明的电源装置具有使压电元件产生变形来发电的发电部、以及充电反复发电的电力的充电部，在充电部具有判断装置，该判断装置与压电元件发电时间相对应地判断在充电量是否达到预定电平。
文档编号H02N2/18GK1555566SQ0281794
公开日2004年12月15日 申请日期2002年9月9日 优先权日2001年9月12日
发明者坂井康弘 申请人:株式会社U·S·C·, 株式会社U S C