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壓電發(fā)電模塊以及遙控器的制造方法

文檔序號(hào):10494579閱讀:309來源:國知局
壓電發(fā)電模塊以及遙控器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及壓電發(fā)電模塊以及遙控器。本發(fā)明的壓電元件(1)與二極管(2)并聯(lián)連接,在按壓時(shí)輸出發(fā)電電壓(Vpe)。若發(fā)電電壓超過第一閾值電壓(Vth),則負(fù)荷開關(guān)控制電路(3)使負(fù)荷開關(guān)(4)接通,若發(fā)電電壓低于第二閾值電壓(Vtl),則斷開負(fù)荷開關(guān)。并且,在按壓釋放時(shí),二極管對(duì)壓電元件的殘留電荷放電,使其成為零。
【專利說明】
壓電發(fā)電模塊以及遙控器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及壓電發(fā)電模塊以及搭載了該壓電發(fā)電模塊的遙控器,例如,涉及將對(duì)壓電元件施加的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,并向處理電路供給電力的壓電發(fā)電模塊以及遙控器。
【背景技術(shù)】
[0002]提出有一種涉及不需要電池的內(nèi)置壓電元件的遙控器,并提高其發(fā)電效率的結(jié)構(gòu)。在日本特開2011-103729號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)I)中,公開了一種在檢測(cè)出被用戶的手指壓入的輸入部復(fù)原了之后,執(zhí)行輸入指令的帶有發(fā)電功能的遙控器的結(jié)構(gòu)。該遙控器利用整流部將在針對(duì)輸入部的壓入時(shí)以及復(fù)原時(shí)產(chǎn)生的交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力,并通過蓄電部(電容器)保存該直流電力。在日本特開2004-201376號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)2)中,公開了一種利用整流器將通過使致動(dòng)器的自由端自由振動(dòng)而產(chǎn)生的交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力的結(jié)構(gòu)。
[0003]專利文獻(xiàn)1:日本特開2011-103729號(hào)公報(bào)
[0004]專利文獻(xiàn)2:日本特開2004-201376號(hào)公報(bào)
[0005]在專利文獻(xiàn)I以及專利文獻(xiàn)2中,壓電元件所生成的電荷經(jīng)由全波整流電路,移動(dòng)至蓄電部即電容器。全波整流電路能夠?qū)⒃谄桨鍫畹膲弘娫灰频那闆r下,由相對(duì)于壓電元件未發(fā)生位移的狀態(tài)下的電位即基準(zhǔn)電位向第一主面?zhèn)茸冃味玫降恼娢弧⒁约跋虻诙髅鎮(zhèn)茸冃味玫降呢?fù)電位生成的電荷雙方供給至后段的電路。然而,在全波整流電路中,由于發(fā)生伴隨著該電荷移動(dòng)的能量損失,所以存在相對(duì)于所產(chǎn)生的能量的能夠使用的能量的比率(能量效率)惡化的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]基于本發(fā)明的壓電發(fā)電模塊具備:壓電元件,具有第一端子以及第二端子;二極管,具有與上述壓電元件的上述第一端子連接的陰極和與上述壓電元件的上述第二端子連接的陽極;開關(guān)控制電路,具有與上述陰極連接的第一輸入端子、與上述陽極連接的第二輸入端子、以及輸出開關(guān)控制信號(hào)的輸出端子;以及第一開關(guān),與上述開關(guān)控制電路的上述第一輸入端子連接,并響應(yīng)于上述開關(guān)控制信號(hào)而切換接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)。
[0007]在該結(jié)構(gòu)中,由于并沒有在壓電元件與開關(guān)控制電路之間以串聯(lián)的方式設(shè)置像二極管那樣的非線性元件,所以能夠減少由壓電元件生成的電荷在移動(dòng)中所受到的能量損失。另外,由于在壓電元件與開關(guān)控制電路之間,相對(duì)于基準(zhǔn)電位成為負(fù)的電壓進(jìn)行鉗位的二極管設(shè)置為與壓電元件并聯(lián)連接,所以在壓電元件的兩端電壓為基準(zhǔn)電位以下的情況下,迅速釋放壓電元件的電荷。因此,即使初次將由壓電元件生成的電荷供給至后段,也不會(huì)產(chǎn)生由于基準(zhǔn)電位降低而在第二次及以后不能進(jìn)行穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)的問題。因此,能夠?qū)崿F(xiàn)可進(jìn)行穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng),且能量效率良好的壓電發(fā)電模塊。
[0008]優(yōu)選上述壓電元件是發(fā)電元件,由于上述壓電元件的兩端電壓超過比基準(zhǔn)電位大的第一閾值電壓,上述第一開關(guān)成為接通狀態(tài),由于上述壓電元件的兩端電壓成為比上述第一閾值電壓低的第二閾值電壓,上述開關(guān)成為斷開狀態(tài)。
[0009]優(yōu)選上述壓電元件因被施加載荷而在上述壓電元件的第一端子產(chǎn)生電壓,若釋放對(duì)上述壓電元件施加的載荷,則上述壓電元件的兩端電壓成為基準(zhǔn)電位。
[0010]優(yōu)選上述開關(guān)控制電路具有比較電路和溫度補(bǔ)償元件,上述溫度補(bǔ)償元件相對(duì)于上述上述開關(guān)控制電路的上述第一輸入端子和上述第二輸入端子并聯(lián)連接。
[0011]由此,能夠減少產(chǎn)生能量以及發(fā)電電壓的溫度依存性。
[0012]優(yōu)選上述開關(guān)控制電路還具有第二開關(guān),上述第二開關(guān)相對(duì)于上述溫度補(bǔ)償元件并聯(lián)連接,上述第二開關(guān)與上述第一開關(guān)的狀態(tài)同步地對(duì)開閉進(jìn)行切換。
[0013]由此,由于能夠減少壓電元件的第一端子上的電壓成為第一閾值電壓后的溫度依存性,所以能夠進(jìn)一步提高能量效率。
[0014]優(yōu)選還具備電容元件,上述電容元件相對(duì)于上述開關(guān)控制電路的上述第一輸入端子和上述第二輸入端子并聯(lián)連接。
[0015]由此,能夠更加精密地對(duì)朝向開關(guān)的后段的供給電壓進(jìn)行控制。
[0016]基于本發(fā)明的遙控器具備壓電發(fā)電模塊和RF電路,在上述壓電元件的第一端子上的電壓從超過上述第一閾值電壓到成為上述第二閾值電壓期間,上述RF電路執(zhí)行通信處理。
[0017]在該結(jié)構(gòu)中,由于并沒有在壓電元件與開關(guān)控制電路之間以串聯(lián)的方式設(shè)置像二極管那樣的非線性元件,所以能夠減少由壓電元件生成的電荷在移動(dòng)中所受到的能量損失。另外,由于在壓電元件與開關(guān)控制電路之間,以與壓電元件并聯(lián)的方式設(shè)置有對(duì)相對(duì)于基準(zhǔn)電位成為負(fù)的電壓進(jìn)行鉗位的二極管,所以在壓電元件的兩端電壓成為基準(zhǔn)電位以下的情況下,迅速釋放壓電元件的電荷。因此,能夠?qū)崿F(xiàn)可進(jìn)行穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng),且能量效率良好的遙控器。
[0018]能夠?qū)崿F(xiàn)可進(jìn)行穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng),且能量效率良好的壓電發(fā)電模塊以及遙控器。
【附圖說明】
[0019]圖1是實(shí)施方式I的壓電發(fā)電模塊的電路圖。
[0020]圖2是對(duì)針對(duì)實(shí)施方式I的壓電發(fā)電模塊所具備的壓電元件的按壓狀態(tài)與產(chǎn)生電荷的關(guān)系進(jìn)行說明的剖視圖。
[0021]圖3是實(shí)施方式I的壓電元件的變形例的剖視圖。
[0022]圖4是實(shí)施方式I的壓電發(fā)電模塊所具備的負(fù)荷開關(guān)控制電路的電路圖。
[0023]圖5是對(duì)實(shí)施方式I的壓電發(fā)電模塊的動(dòng)作進(jìn)行說明的時(shí)序圖。
[0024]圖6是實(shí)施方式2的壓電發(fā)電模塊的電路圖。
[0025]圖7是實(shí)施方式2的負(fù)荷開關(guān)控制電路的電路圖。
[0026]圖8是實(shí)施方式3的壓電發(fā)電模塊的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]以下,參照附圖對(duì)實(shí)施方式進(jìn)行說明。在實(shí)施方式的說明中,在不提及個(gè)數(shù)、數(shù)量等的情況下,除了有特別記載的情況以外,沒必要對(duì)其個(gè)數(shù)、數(shù)量等進(jìn)行限定。在實(shí)施方式的附圖中,相同參照符號(hào)、參照編號(hào)表示相同部分或者相當(dāng)部分。另外,在實(shí)施方式的說明中,存在對(duì)于標(biāo)注了相同參照符號(hào)等的部分等不反復(fù)重復(fù)的說明的情況。
[0028]<實(shí)施方式1>
[0029]圖1是實(shí)施方式I的壓電發(fā)電模塊100的電路圖。
[0030]壓電發(fā)電模塊100具備壓電元件1、二極管2、負(fù)荷開關(guān)控制電路3、負(fù)荷開關(guān)4、第一信號(hào)線Tpel、第二信號(hào)線Tpe2、輸出節(jié)點(diǎn)NI以及輸出節(jié)點(diǎn)N2。
[0031]在輸出節(jié)點(diǎn)NI以及輸出節(jié)點(diǎn)N2間連接負(fù)載5。負(fù)載5例如是RF電路或者微型計(jì)算機(jī)等處理電路。這些處理電路從壓電發(fā)電模塊100的輸出節(jié)點(diǎn)NI以及輸出節(jié)點(diǎn)N2供給電源電壓,并輸出對(duì)處于分離位置的電子設(shè)備進(jìn)行控制的信號(hào)(識(shí)別編碼ID等)。因此,通過使負(fù)載5與壓電發(fā)電模塊100連接,可實(shí)現(xiàn)遙控器或者無線開關(guān)。此外,負(fù)荷開關(guān)控制電路3相當(dāng)于本申請(qǐng)的開關(guān)控制電路。負(fù)荷開關(guān)4相當(dāng)于本申請(qǐng)的第一開關(guān)。
[0032]圖2(a)是示意性地表示未施加應(yīng)力的壓電元件I的狀態(tài)的剖視圖。壓電元件I具有壓電體IC和金屬板1D。壓電體IC具有平板狀的形狀,例如由鋯鈦酸鉛系陶瓷構(gòu)成。在壓電體IC的一個(gè)主面設(shè)置有電極1A,在另一個(gè)主面設(shè)置有電極1B。壓電元件I經(jīng)由電極IB使金屬板ID和壓電體IC電接合。電極IA與第一信號(hào)線Tpel連接,金屬板ID與第二信號(hào)線Tpe2連接。第二信號(hào)線Tpe2與基準(zhǔn)電位(GND)連接。
[0033]如圖2(b)所示,壓電元件I的兩端被支承部IE保持。壓電元件I被向圖2(b)所示的箭頭方向極化。此外,電極IA相當(dāng)于本申請(qǐng)的壓電元件的第一端子。電極IB相當(dāng)于本申請(qǐng)的壓電元件的第二端子。
[0034]二極管2例如是鉗位二極管。二極管2的陽極以及陰極分別與壓電元件I的第二信號(hào)線Tpe2以及第一信號(hào)線Tpel連接。即,二極管2與壓電元件I以并聯(lián)的方式連接。為了不對(duì)負(fù)載5施加相對(duì)于壓電元件I未發(fā)生位移的狀態(tài)的電位即基準(zhǔn)電位成為負(fù)的電壓而設(shè)置二極管2。
[0035]負(fù)荷開關(guān)控制電路3的電源節(jié)點(diǎn)Ncl以及電源節(jié)點(diǎn)Nc2分別與壓電元件I的第一信號(hào)線Tpe I以及第二信號(hào)線Tpe2連接。負(fù)荷開關(guān)4的第一輸入端子與負(fù)荷開關(guān)控制電路3的電源節(jié)點(diǎn)Ne I連接。負(fù)荷開關(guān)4的第二輸入端子與電源節(jié)點(diǎn)Nc2連接。負(fù)荷開關(guān)控制電路3從負(fù)荷開關(guān)4的輸出端子輸出負(fù)荷開關(guān)控制信號(hào)S4,來對(duì)負(fù)荷開關(guān)4的接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)進(jìn)行切換。
[0036]圖4是圖1的壓電發(fā)電模塊100所具備的負(fù)荷開關(guān)控制電路3的電路圖。
[0037]負(fù)荷開關(guān)控制電路3例如由CMOS電路構(gòu)成。負(fù)荷開關(guān)控制電路3具備與電源節(jié)點(diǎn)Ncl連接的第一輸入端子、與電源節(jié)點(diǎn)Nc2連接的第二輸入端子以及輸出端子。負(fù)荷開關(guān)控制電路3在電源節(jié)點(diǎn)Ncl與電源節(jié)點(diǎn)Nc2之間,具備從電源節(jié)點(diǎn)Ncl側(cè)開始依次以串聯(lián)的方式連接的電阻R1、電阻R2以及電阻R3。另外,負(fù)荷開關(guān)控制電路3例如具備作為電子開關(guān)的開關(guān)3A、例如作為帶隙基準(zhǔn)的比較電壓生成電路33、例如作為運(yùn)算放大器的比較電路32。
[0038]電阻Rl的一端與電源節(jié)點(diǎn)Ncl連接,另一端與電阻R2的一端連接。電阻R2的一端與電阻Rl的另一端連接,另一端與電阻R3的一端連接。電阻R3的一端與電阻R2的另一端連接,另一端與電源節(jié)點(diǎn)Nc2連接。開關(guān)3A的一端與電源節(jié)點(diǎn)Ncl連接,另一端與電阻Rl的另一端連接。
[0039]比較電壓生成電路33的輸入端子與電源節(jié)點(diǎn)Nc2連接,輸出端子與比較電路32的反轉(zhuǎn)輸入端子連接。比較電路32的非反轉(zhuǎn)輸入端子與電阻R3的一端連接,輸出端子與開關(guān)3A以及負(fù)荷開關(guān)4連接。此外,開關(guān)3A相當(dāng)于本申請(qǐng)的第二開關(guān)。
[0040]負(fù)荷開關(guān)控制電路3被設(shè)定為相對(duì)于在電源節(jié)點(diǎn)Ncl以及電源節(jié)點(diǎn)Nc2間輸入的發(fā)電電壓Vpe的變化,輸出的負(fù)荷開關(guān)控制信號(hào)S4的邏輯電平的變化具有磁滯特性。通過根據(jù)比較電路32輸出的負(fù)荷開關(guān)控制信號(hào)S4,切換開關(guān)3A的接通狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)該磁滯特性。
[0041](壓電元件的動(dòng)作)
[0042]在圖2(b)中,示意性地示出了施加有負(fù)載的狀態(tài)下的壓電元件I的剖視圖。通過按壓(施加應(yīng)力)壓電元件I的中央部,將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。圖2(b)示出了壓電元件I的壓電體IC通過由按壓引起的變形而極化,在與第一信號(hào)線Tpel連接的電極IA帶有正電荷,在與第二信號(hào)線Tpe2連接的電極IB帶有負(fù)電荷的情況。
[0043]在圖2(c)中,示出了針對(duì)壓電元件I的按壓釋放中,S卩,釋放對(duì)壓電元件I施加的應(yīng)力,而從圖2(b)恢復(fù)到圖2(a)的狀態(tài)中的情況。在按壓釋放中的壓電元件I中,壓電體IC在與第一信號(hào)線Tpel連接的電極IA上帶有負(fù)電荷,在與第二信號(hào)線Tpe2連接的電極IB上帶有負(fù)電荷的情況。
[0044]若按壓(施加應(yīng)力)壓電元件I,則伴隨著壓電元件I的變形,第一信號(hào)線Tpel的電位相對(duì)于第二信號(hào)線Tpe2的電位上升。而且,在第一信號(hào)線Tpel上生成發(fā)電電壓Vpe。另一方面,若釋放針對(duì)壓電元件I的按壓,則壓電元件I自動(dòng)恢復(fù)到初始形狀,第一信號(hào)線Tpel的發(fā)電電壓Vpe為零。
[0045](負(fù)荷開關(guān)控制電路的動(dòng)作)
[0046]如上所述,圖4的負(fù)荷開關(guān)控制電路3根據(jù)對(duì)電源節(jié)點(diǎn)Ncl以及電源節(jié)點(diǎn)Nc2間施加的發(fā)電電壓Vpe的增減,來使輸出的負(fù)荷開關(guān)控制信號(hào)S4的邏輯電平變化。在負(fù)荷開關(guān)控制信號(hào)S4的邏輯電平被設(shè)定為高電平以及低電平的情況下,負(fù)荷開關(guān)4分別被設(shè)定為接通狀態(tài)(0N狀態(tài))以及斷開狀態(tài)(OFF狀態(tài))。若負(fù)荷開關(guān)4被設(shè)定為接通狀態(tài),則將在輸出節(jié)點(diǎn)NI以及輸出節(jié)點(diǎn)N2間產(chǎn)生的發(fā)電電壓Vpe供給至負(fù)載5。隨著負(fù)載5消耗電流,壓電元件I所存儲(chǔ)的電荷量逐漸減少,而使發(fā)電電壓Vpe的值降低。此外,壓電元件未發(fā)生位移的狀態(tài)下的電源節(jié)點(diǎn)Nc2的電位相當(dāng)于本申請(qǐng)的基準(zhǔn)電位。
[0047]負(fù)荷開關(guān)控制電路3被設(shè)定為相對(duì)于輸入的發(fā)電電壓Vpe的變化,輸出的負(fù)荷開關(guān)控制信號(hào)S4的邏輯電平的變化具有磁滯特性。若發(fā)電電壓Vpe的值從零上升到閾值電壓Vth,則負(fù)荷開關(guān)4從斷開狀態(tài)向接通狀態(tài)迀移。之后,若伴隨著向負(fù)載5的電流供給,發(fā)電電壓Vpe的值下降到比閾值電壓Vth低的閾值電壓Vtl,則負(fù)荷開關(guān)4從接通狀態(tài)迀移至斷開狀態(tài)。此外,閾值電壓Vth相當(dāng)于本申請(qǐng)的第一閾值電壓,閾值電壓Vtl相當(dāng)于本申請(qǐng)的第二閾值電壓。
[0048]在開關(guān)3A是斷開狀態(tài)的情況下,發(fā)電電壓Vpe被在電源節(jié)點(diǎn)Ncl以及電源節(jié)點(diǎn)Nc2間以串聯(lián)的方式連接的電阻R1、電阻R2以及電阻R3分壓。比較電路32對(duì)電阻R3的兩端間的電位和比較電壓生成電路33生成的電位進(jìn)行比較,并決定負(fù)荷開關(guān)控制信號(hào)S4的邏輯電平。
[0049]以閾值電壓Vth(參照?qǐng)D1)為目的值,來適當(dāng)?shù)卦O(shè)定電阻Rl?R3的值以及比較電壓的值。由于以串聯(lián)的方式連接的電阻Rl?R3與壓電元件I以并聯(lián)的方式連接,所以也是壓電元件I的漏電電流路徑。因此,電阻Rl?R3的值設(shè)定成以相對(duì)于壓電元件I的由按壓引起的發(fā)電電壓Vpe的充電時(shí)常量的值而言,漏電時(shí)常量的值增大。
[0050 ]若發(fā)電電壓Vpe的值超過閾值電壓Vth,則比較電路3 2使負(fù)荷開關(guān)控制信號(hào)S4的邏輯電平從低電平變化為高電平。對(duì)該負(fù)荷開關(guān)控制信號(hào)S4的變化進(jìn)行響應(yīng),負(fù)荷開關(guān)4被設(shè)定為接通狀態(tài),以輸出節(jié)點(diǎn)N2為基準(zhǔn),對(duì)輸出節(jié)點(diǎn)NI施加發(fā)電電壓Vpe(參照?qǐng)D1)。
[0051]若負(fù)荷開關(guān)控制信號(hào)S4被設(shè)定為高電平,則與電阻Rl并聯(lián)連接的開關(guān)3A也被設(shè)定為接通狀態(tài),電源節(jié)點(diǎn)Ncl的電壓(發(fā)電電壓Vpe)被電阻R2以及電阻R3分壓。與開關(guān)3A處于斷開狀態(tài)的情況相比較,電阻R3的兩端間的電壓的值增加,所以在發(fā)電電壓Vpe的值達(dá)到比閾值電壓Vth低的閾值電壓Vt I時(shí),比較電路32使負(fù)荷開關(guān)控制信號(hào)S4的邏輯電平從高電平變化為低電平。對(duì)該負(fù)荷開關(guān)控制信號(hào)S4的變化進(jìn)行響應(yīng),負(fù)荷開關(guān)4被設(shè)定為斷開狀態(tài),停止對(duì)輸出節(jié)點(diǎn)NI的發(fā)電電壓Vpe的供給。
[0052]圖5是對(duì)圖1的壓電發(fā)電模塊100的動(dòng)作進(jìn)行說明的時(shí)序圖。
[0053]參照?qǐng)D5以及圖1,對(duì)壓電發(fā)電模塊100的動(dòng)作進(jìn)行說明。在圖5中,示意性地用橫軸表不時(shí)刻,縱軸表不發(fā)電電壓Vpe。圖5所不的壓電發(fā)電模塊100的動(dòng)作分為以下3個(gè)期間的動(dòng)作:I)時(shí)刻tl?時(shí)刻t2的對(duì)壓電元件I施加應(yīng)力的第一次按壓的期間;2)時(shí)刻t2?時(shí)刻t3的釋放對(duì)壓電元件I的按壓的期間;以及3)時(shí)刻13?時(shí)刻t4的對(duì)壓電元件I的第二次按壓的期間。
[0054](第一次按壓期間)
[0055]若在時(shí)刻tl開始對(duì)壓電元件I的按壓,則隨著在壓電元件I上產(chǎn)生的形變的增加,發(fā)電電壓Vpe增加。若從時(shí)刻tl經(jīng)過時(shí)間Tl后,發(fā)電電壓Vpe的值達(dá)到閾值電壓Vth,則負(fù)荷開關(guān)控制電路3使負(fù)荷開關(guān)控制信號(hào)S4的邏輯電平從低電平變化為高電平。對(duì)該負(fù)荷開關(guān)控制信號(hào)S4的變化進(jìn)行響應(yīng),負(fù)荷開關(guān)4成為接通狀態(tài),壓電發(fā)電模塊100開始向負(fù)載5供給發(fā)電電壓Vpe。
[0056]負(fù)載5在時(shí)間T2期間,消耗壓電元件I所存儲(chǔ)的電荷,來執(zhí)行規(guī)定的處理(朝向電子設(shè)備的信號(hào)發(fā)送處理),在時(shí)間T2的結(jié)束時(shí)刻,發(fā)電電壓Vpe的值急劇降低到閾值電壓Vt I附近。在整個(gè)時(shí)間T3,處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)的負(fù)載5消耗電荷,并在時(shí)間T3的結(jié)束時(shí)刻,發(fā)電電壓Vpe的值達(dá)到閾值電壓VtI。若在時(shí)間T4的開始時(shí)刻,發(fā)電電壓Vpe達(dá)到閾值電壓VtI,則負(fù)荷開關(guān)控制電路3將負(fù)荷開關(guān)控制信號(hào)S4的邏輯電平設(shè)定為低電平并使負(fù)荷開關(guān)4成為斷開狀態(tài),停止針對(duì)負(fù)載5的電力供給。
[0057](按壓釋放期間)
[0058]若在時(shí)間T5的開始時(shí)刻t2,釋放對(duì)壓電元件I的按壓,則在壓電元件I上產(chǎn)生的電荷的極性反轉(zhuǎn),第二信號(hào)線Tpe2的電位變得比第一信號(hào)線Tpel的電位高。即,Tpe2的電位相對(duì)于基準(zhǔn)電位成為負(fù)。因此,通過電流從二極管2的陽極流入陰極,電壓被鉗位,壓電元件I所存儲(chǔ)的電荷被放電。其結(jié)果,發(fā)電電壓Vpe的值從閾值電壓Vtl急劇降低到零。直到按壓釋放的時(shí)間結(jié)束的時(shí)間T6的結(jié)束時(shí)刻,發(fā)電電壓Vpe的值被維持在零。
[0059](第二次按壓期間)
[0060]在時(shí)間T7的開始時(shí)刻t3,開始針對(duì)壓電元件I的第二次按壓。與第一次按壓期間相同,壓電元件I使發(fā)電電壓Vpe的值從零上升到閾值電壓Vth。在時(shí)間T7以后,也與第一次按壓期間的情況相同,壓電發(fā)電模塊100反復(fù)時(shí)間T2?時(shí)間T6的動(dòng)作。
[0061](從壓電發(fā)電模塊100刪除二極管2后的情況下的波形)
[0062 ]在圖5中,虛線的發(fā)電電壓Vpe的波形是比較例,是從壓電發(fā)電模塊100刪除二極管2后的情況下的發(fā)電電壓Vpe的波形。以下,對(duì)比較例即虛線的發(fā)電電壓Vpe和實(shí)施方式I的上述實(shí)線的發(fā)電電壓Vpe的波形進(jìn)行對(duì)比,并且對(duì)壓電發(fā)電模塊100所具備的以并聯(lián)的方式與壓電元件I連接的二極管2的效果進(jìn)行說明。
[0063]由于比較例的時(shí)刻tl?時(shí)刻t2的第一次按壓期間、以及按壓釋放的期間所包含的時(shí)間T5的發(fā)電電壓Vpe的波形與實(shí)施方式I相同,所以省略記載。
[0064]若在時(shí)間T5的開始時(shí)刻t2,釋放對(duì)壓電元件I的按壓,則在壓電元件I上產(chǎn)生的電荷的極性反轉(zhuǎn),第二信號(hào)線Tpe2的電位變得比第一信號(hào)線Tpel的電位高。即,Tpe2的電位相對(duì)于基準(zhǔn)電位成為負(fù)。在時(shí)刻t2對(duì)壓電元件I施加的應(yīng)力為在期間Tl對(duì)壓電元件I施加的應(yīng)力反轉(zhuǎn)的而成的應(yīng)力。
[0065]因此,在被釋放了按壓的壓電元件I上感應(yīng)出可以在第一信號(hào)線Tpel以及第二信號(hào)線Tpe2間產(chǎn)生閾值電壓Vth的電荷。其結(jié)果,在時(shí)刻t2以后,第一信號(hào)線Tpel的值從閾值電壓Vtl下降了與閾值電壓Vth相等的量。即,第一信號(hào)線Tpel的值具有從閾值電壓Vth減去了閾值電壓Vtl的值所得的值的相對(duì)于基準(zhǔn)電位成為負(fù)的電壓。
[0066]若在時(shí)刻t3開始第二次按壓,則第一信號(hào)線Tpel的電壓從相對(duì)于上述基準(zhǔn)電位成為負(fù)的電壓開始上升,所以不能到達(dá)閾值電壓Vtl。因此,負(fù)荷開關(guān)控制電路3不能使負(fù)荷開關(guān)4成為接通狀態(tài)。其結(jié)果,不進(jìn)行針對(duì)負(fù)載5的電極供給,即使按壓壓電元件I,負(fù)載5也不能夠執(zhí)行所希望的處理。
[0067]與此相對(duì),由于實(shí)施方式I的壓電發(fā)電模塊100具備與壓電元件I以并聯(lián)的方式連接的二極管2,所以按壓釋放后的壓電元件I所存儲(chǔ)的電荷在壓電元件I的第一信號(hào)線Tpel以及第二信號(hào)線Tpe2間放電。其結(jié)果,即使在按壓釋放后按壓了壓電元件I的情況下,壓電元件I也能夠產(chǎn)生具有負(fù)載5的處理動(dòng)作所需要的電壓值的發(fā)電電壓Vpe。
[0068]對(duì)實(shí)施方式I的壓電發(fā)電模塊100的效果進(jìn)行說明。
[0069](減少由全波整流電路引起的能量損失)
[0070]在壓電發(fā)電模塊100中,將被按壓的壓電元件I所生成的直流電力供給至負(fù)載5,但不將按壓釋放的壓電元件I所生成的直流電力供給至負(fù)載5。因此,與利用全波整流電路將被按壓以及按壓釋放的壓電元件所生成的交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力并供給至負(fù)荷的以往的信號(hào)產(chǎn)生裝置不同,壓電發(fā)電模塊100不是必須需要全波整流電路以及充電用電容器(均未圖示)。
[0071 ]通過刪除全波整流電路,由構(gòu)成全波整流電路的二極管,即以串聯(lián)的方式設(shè)置在壓電元件I與負(fù)載5之間的二極管產(chǎn)生的電荷移動(dòng)的能量損失被減少。換言之,減少與被削減的電荷移動(dòng)的能量損失相當(dāng)?shù)臋C(jī)械勢(shì)能,提高相對(duì)于壓電元件I的發(fā)電能量的負(fù)載5的消耗能量的比率即能量利用效率。
[0072]并且,通過刪除充電用電容器,由電荷移動(dòng)引起的能量損失被削減。若將壓電元件I的等效電容值設(shè)為Cs,將由壓電元件I產(chǎn)生的電荷量設(shè)為Qs,將充電用電容器的電容值設(shè)為Ce,則充電能量Pl通過式I來求出。另一方面,只有壓電元件I的情況下的充電能量P2通過式2來求出。
[0073]P1=Qs2/2(Cc+Cs)……式 I
[0074]P2 = Qs2/2Cs……式 2
[0075]由于P1<P2,所以不設(shè)置充電用電容器,而是通過壓電元件I來直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載5的壓電發(fā)電模塊100相對(duì)于具備整流電路以及充電用電容器的一般的結(jié)構(gòu)來說,能夠?qū)⒏蟮某潆娔芰抗┙o至負(fù)載5。
[0076](并聯(lián)二極管)
[0077]壓電發(fā)電模塊100具備與壓電元件I以并聯(lián)的方式連接的二極管2。被按壓到按壓最低點(diǎn)的壓電元件I雖然取決于由壓電元件I生成的電荷量與負(fù)載5的消耗電荷量的平衡,但通常輸出具有負(fù)載5的最低動(dòng)作電壓以上的值的發(fā)電電壓Vpe。若在負(fù)載5的處理動(dòng)作后,按壓被釋放,則因在壓電元件I上生成的電荷,相對(duì)于第二信號(hào)線Tpe2的第一信號(hào)線Tpel的電位經(jīng)由基準(zhǔn)電位即零,降低到相對(duì)于基準(zhǔn)電位成為負(fù)的值。
[0078]于是,在壓電元件I上生成的電荷從二極管2的陽極經(jīng)由陰極,在壓電元件I的內(nèi)部被消耗,壓電元件I的第一信號(hào)線Tpel的電壓在按壓釋放后,也維持零。其結(jié)果,在按壓釋放后又被按壓的壓電元件I再次輸出具有負(fù)載5的最低動(dòng)作電壓以上的值的發(fā)電電壓Vpe,確保負(fù)載5的正常動(dòng)作。
[0079](磁滯特性)
[0080 ]若壓電元件I的發(fā)電電壓Vpe的值超過閾值電壓Vth,則負(fù)荷開關(guān)控制電路3將負(fù)荷開關(guān)4設(shè)定為接通狀態(tài),將壓電元件I所存儲(chǔ)的電荷供給至負(fù)載5。之后,若由于負(fù)載5的電力消耗、或者壓電元件I的按壓釋放,發(fā)電電壓Vpe的值低于被設(shè)定為比閾值電壓Vth的值低的閾值電壓Vtl的值,則負(fù)荷開關(guān)4被設(shè)定為斷開狀態(tài),停止針對(duì)負(fù)載5的電荷即電力供給。
[0081]像這樣,設(shè)定為相對(duì)于輸入的發(fā)電電壓Vpe的變化,負(fù)荷開關(guān)4的接通狀態(tài)的變化具有磁滯特性,從而通過針對(duì)壓電元件I的I次按壓動(dòng)作,來向負(fù)載5供給電力,并使搭載有壓電發(fā)電模塊100的遙控器的響應(yīng)高速化。
[0082]<實(shí)施方式I的變形例>
[0083]圖3是作為圖2的壓電元件I的變形例的壓電元件11的剖視圖。
[0084]在圖3中,標(biāo)注了與圖2相同符號(hào)的部件具有相同結(jié)構(gòu)或者功能,省略重復(fù)說明。在圖3中,壓電元件11具有將壓電體IlC層疊為在按壓時(shí),在各壓電體IlC對(duì)面的面上產(chǎn)生具有相同的極性的電荷的結(jié)構(gòu)。成為層疊壓電體11的結(jié)構(gòu),從而由壓電元件11生成的電荷量增加,并能夠更長時(shí)間地驅(qū)動(dòng)負(fù)載5(參照?qǐng)D1)。
[0085]此外,在上述實(shí)施方式中,壓電元件I由鋯鈦酸鉛系陶瓷構(gòu)成,但并不限于此。例如,也可以由鈮酸鉀鈉系以及鈮酸堿系陶瓷等非鉛系壓電體陶瓷的壓電材料等構(gòu)成。
[0086]并且,在上述實(shí)施方式中,壓電元件I的支承構(gòu)造為利用兩個(gè)支承部IE的支承,但并不限于此。例如,也可以為通過懸臂梁保持壓電元件I的一端,并對(duì)成為自由端的另一端施加應(yīng)力的結(jié)構(gòu)。另外,也可以使壓電元件I成為棒狀的形狀,通過懸臂梁保持其一端,并對(duì)另一端施加應(yīng)力的結(jié)構(gòu)。即,壓電元件I的支承方式是能夠通過按壓而變形的結(jié)構(gòu)即可。
[0087]<實(shí)施方式2>
[0088]圖6是實(shí)施方式2的壓電發(fā)電模塊200的電路圖。
[0089]在圖6中,標(biāo)注了與圖1相同的符號(hào)的部件具有相同的結(jié)構(gòu)或者功能,省略它們的重復(fù)說明。圖6所示的壓電發(fā)電模塊200對(duì)應(yīng)于在圖1的壓電發(fā)電模塊100中,將負(fù)荷開關(guān)控制電路3置換為負(fù)荷開關(guān)控制電路31的結(jié)構(gòu)。
[0090]圖7是圖6的負(fù)荷開關(guān)控制電路31的電路圖。
[0091]圖7的負(fù)荷開關(guān)控制電路31對(duì)應(yīng)于在圖4的負(fù)荷開關(guān)控制電路3中,將電阻Rl置換為溫度補(bǔ)償元件RlS的結(jié)構(gòu)。
[0092]作為壓電體IC例如使用了PZT(鋯鈦酸鉛)的壓電元件1(參照?qǐng)D2)為了增大發(fā)電能量,通常將組成調(diào)整到相變附近,其結(jié)果,壓電元件I的電容以及發(fā)電電壓的值具有較大的溫度特性。在壓電體IC的介電常數(shù)具有正的溫度系數(shù)的情況下,隨著周圍溫度的上升,壓電元件I的電容值增加,壓電元件I的發(fā)電電壓Vpe的值減少。其結(jié)果,存在在周圍溫度的高溫偵叭比常溫的25°C高的溫度范圍),壓電元件I的發(fā)電電壓Vpe的值達(dá)不到閾值電壓Vth,負(fù)荷開關(guān)4維持?jǐn)嚅_狀態(tài),而不能將發(fā)電電壓Vpe供給至負(fù)載5的問題。
[0093]因此,在圖7的負(fù)荷開關(guān)控制電路31中,溫度補(bǔ)償元件RlS作為電阻值具有負(fù)的溫度特性的元件,例如應(yīng)用熱敏電阻。隨著周圍溫度的上升,溫度補(bǔ)償元件RlS的電阻值減少,電阻R2與電阻R3的連接點(diǎn)的電位上升。其結(jié)果,在周圍溫度是高溫側(cè),比較電路32也使負(fù)荷開關(guān)控制信號(hào)S4的邏輯電平反轉(zhuǎn),而將發(fā)電電壓Vpe供給至負(fù)載5。即,通過電阻值具有負(fù)的溫度特性的溫度補(bǔ)償元件R1S,對(duì)負(fù)荷開關(guān)控制電路31設(shè)定的閾值電壓Vth的值被賦予了負(fù)的溫度系數(shù)。
[0094]此外,在壓電體IC的介電常數(shù)具有負(fù)的溫度系數(shù)的情況下,作為溫度補(bǔ)償元件R1S,應(yīng)用電阻值具有正的溫度系數(shù)的部件、或使R3具有負(fù)的溫度系數(shù)的、例如熱敏電阻。另夕卜,代替電阻RU參照?qǐng)D4)的值具有溫度依存性,也可以構(gòu)成為比較電壓生成電路33所生成的比較電壓具有溫度依存性。
[0095]通過對(duì)負(fù)荷開關(guān)控制電路31設(shè)定的閾值電壓的值采用溫度補(bǔ)償元件,從而閾值電壓Vth隨著溫度變化。其結(jié)果,即使在壓電元件I的電容值因溫度而發(fā)生變化的情況下,也不取決于周圍溫度,而能夠?qū)l(fā)電電壓Vpe可靠地供給至負(fù)載5。此外,在上述實(shí)施方式中,將圖4的電阻Rl置換為溫度補(bǔ)償元件R1S,但并不限于此。即使將圖4中的電阻R2或者電阻R3置換為溫度補(bǔ)償元件,也能夠得到相同的效果。
[0096]<實(shí)施方式3>
[0097]圖8是實(shí)施方式3的壓電發(fā)電模塊300的電路圖。
[0098]在圖8中,標(biāo)注了與圖1相同符號(hào)的部件具有相同的結(jié)構(gòu)或者功能,省略它們的重復(fù)說明。圖8所示的壓電發(fā)電模塊300對(duì)應(yīng)于在圖1所示的壓電發(fā)電模塊100中,在第一信號(hào)布線Tpel以及第二信號(hào)布線Tpe2間連接了存儲(chǔ)電容器6的結(jié)構(gòu)。此外,存儲(chǔ)電容器6相當(dāng)于本申請(qǐng)的電容元件。
[0099]如上所述,壓電元件I的電容值以及發(fā)電電壓Vpe的值存在根據(jù)周圍溫度而變動(dòng)的情況。例如,在周圍溫度是低溫側(cè)(比常溫的25°C低的溫度范圍),若由于壓電元件I的電容值的減少,發(fā)電電壓Vpe的值與常溫時(shí)相比增加,則有可能對(duì)負(fù)載5施加過電壓。通過以并聯(lián)的方式將存儲(chǔ)電容器6連接于壓電元件I,將壓電元件I生成的電荷分配給壓電元件I和存儲(chǔ)電容器6,并抑制發(fā)電電壓Vpe的增加。
[0100]壓電發(fā)電模塊300是對(duì)沒有閾值電壓Vth的溫度補(bǔ)償?shù)呢?fù)荷開關(guān)控制電路3和存儲(chǔ)電容器6進(jìn)行組合而成的結(jié)構(gòu),但也可以對(duì)圖6所示的壓電發(fā)電模塊200的具有閾值電壓Vth的溫度補(bǔ)償?shù)呢?fù)荷開關(guān)控制電路31和存儲(chǔ)電容器6進(jìn)行組合。在該情況下,能夠解決在周圍溫度是高溫側(cè)可能發(fā)生的問題和在上述低溫側(cè)可能發(fā)生的過電壓施加的問題。
[0101]應(yīng)該認(rèn)為本次公開的實(shí)施方式在全部的點(diǎn)上都是例示,并不是限制性的內(nèi)容。本發(fā)明的范圍并不是上述的說明而是通過權(quán)利要求書來示出,旨在包含與權(quán)利要求書等效的意思以及范圍內(nèi)的全部的變更。[0?02] 附圖標(biāo)記的說明:I…壓電兀件;IA…電極;IB…電極;IC…壓電體;ID…金屬板;IE…支承部;2…二極管;3…負(fù)荷開關(guān)控制電路;4…負(fù)荷開關(guān);5…負(fù)載;6…存儲(chǔ)電容器;11…壓電體;11C..?壓電體;3Α.._開關(guān);31…負(fù)荷開關(guān)控制電路;32…比較電路;33…比較電壓生成電路;100…壓電發(fā)電模塊;200…壓電發(fā)電模塊;300…壓電發(fā)電模塊;GND…基準(zhǔn)電位;N1、Ν2…輸出節(jié)點(diǎn);Ncl、Nc2…電源節(jié)點(diǎn);Rl?R3…電阻;RlS…溫度補(bǔ)償元件;S4..?負(fù)荷開關(guān)控制信號(hào);Tpel…第一信號(hào)線;Tpe2…第二信號(hào)線;Vpe…發(fā)電電壓;Vth、Vt I…閾值電壓。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種壓電發(fā)電模塊,具備: 壓電元件,具有第一端子以及第二端子; 二極管,具有與上述壓電元件的上述第一端子連接的陰極、和與上述壓電元件的上述第二端子連接的陽極; 開關(guān)控制電路,具有與上述陰極連接的第一輸入端子、與上述陽極連接的第二輸入端子、以及輸出開關(guān)控制信號(hào)的輸出端子;以及 第一開關(guān),與上述開關(guān)控制電路的上述第一輸入端子連接,并響應(yīng)于上述開關(guān)控制信號(hào)而切換接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電發(fā)電模塊,其中, 上述壓電元件是發(fā)電元件,由于上述壓電元件的兩端電壓超過比基準(zhǔn)電位大的第一閾值電壓,上述第一開關(guān)成為接通狀態(tài), 由于上述壓電元件的兩端電壓成為比上述第一閾值電壓低的第二閾值電壓,上述第一開關(guān)成為斷開狀態(tài)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電發(fā)電模塊,其中, 上述壓電元件因被施加負(fù)載而在上述壓電元件的第一端子產(chǎn)生電壓,若釋放對(duì)上述壓電元件施加的負(fù)載,則上述壓電元件的兩端電壓成為基準(zhǔn)電位。4.根據(jù)權(quán)利要求1?3中任一項(xiàng)所述的壓電發(fā)電模塊,其中, 上述開關(guān)控制電路具有比較電路和溫度補(bǔ)償元件, 上述溫度補(bǔ)償元件相對(duì)于上述開關(guān)控制電路的上述第一輸入端子和上述第二輸入端子并聯(lián)連接。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電發(fā)電模塊,其中, 上述開關(guān)控制電路還具有第二開關(guān), 上述第二開關(guān)相對(duì)于上述溫度補(bǔ)償元件并聯(lián)連接, 上述第二開關(guān)與上述第一開關(guān)的狀態(tài)同步地對(duì)開閉進(jìn)行切換。6.根據(jù)權(quán)利要求1?5中任一項(xiàng)所述的壓電發(fā)電模塊,其中, 還具備電容元件,上述電容元件相對(duì)于上述開關(guān)控制電路的上述第一輸入端子和上述第二輸入端子并聯(lián)連接。7.—種遙控器, 具備權(quán)利要求1?6中任一項(xiàng)所述的壓電發(fā)電模塊和RF電路, 在上述壓電元件的第一端子的電壓從超過上述第一閾值電壓到成為上述第二閾值電壓期間,上述RF電路執(zhí)行通信處理。
【文檔編號(hào)】H01L41/113GK105849925SQ201480071275
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2014年10月17日
【發(fā)明人】堀口睦弘, 高橋講平
【申請(qǐng)人】株式會(huì)社村田制作所
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