JPH11341837A

JPH11341837A - 圧電型電源装置

Info

Publication number: JPH11341837A
Application number: JP10147865A
Authority: JP
Inventors: Atsuhiro Sumiya; 篤宏角谷; Etsuro Yasuda; 悦朗安田; Michiyasu Moritsugu; 通泰森次; Mamoru Ishikiriyama; 守石切山
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1998-05-28
Filing date: 1998-05-28
Publication date: 1999-12-10

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電素子３０が非共振周波数で振動している
場合の電気的エネルギーをも効率よく利用して蓄える圧
電型電源装置を提供する。【解決手段】トランジスタＴ１は、圧電素子３０から
ダイオードＤ２及び抵抗素子Ｒ１を通して圧電電圧ＶＰ
の正の部分を印加されるとオンする。すると、平滑用コ
ンデンサＣ１から電磁コイルＫ１を通してトランジスタ
Ｔ１に電流が流れ込むため、電磁コイルＫ１に電磁エネ
ルギーが蓄えられる。その後、トランジスタＴ１がオフ
すると、電磁コイルＫ１のエネルギーがダイオードＤ３
を通して蓄電用コンデンサＣ２に移しかえられる。これ
により、蓄電用コンデンサＣ２は蓄電されることにな
る。以後、トランジスタＴ１がオン、オフを繰り返すこ
とにより、蓄電用コンデンサＣ２は蓄電されることにな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子を利用し
た圧電型電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば、自動車等に装備した各種
機器への電力供給は、発電機器等の発電装置から電源線
を介して行うか、電池を用いて行っている。ところで、
通常、発電装置は大きな外形形状を有し静止部材に固定
されており、しかも、電源線も長い。このため、電力供
給を行う箇所が、狭い空間にある機器の可動部である場
合には、可動部の近くでの発電装置の配置は困難であ
り、また配線困難、接触不良、電力損失等を招きやす
い。

【０００３】従って、機器の可動部に対して電源線を介
して容易かつ良好な電力供給を行うのは困難である。ま
た、電池による場合、充電可能であっても、その寿命に
問題がある。このため、半永久的な寿命を有し、かつ長
い配線を用いることなく、機器の可動部に良好かつ容易
に電力供給できる小型電源装置の開発が要請されてい
る。

【０００４】これに対して、特開昭５９−１９４６７７
号公報にて示されているように、圧電素子を用いて、機
械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する電源装置
が提案されている。具体的には、この電源装置では、圧
電素子が発生した圧電電圧は、整流回路により整流さ
れ、その整流した電圧に基づく電気的エネルギーが蓄電
用コンデンサに蓄えられるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記電源装
置は、圧電素子が共振周波数にて振動しているとき、最
大の電気的エネルギーが得られるようになっている。こ
のため、圧電素子が共振周波数で振動する場合、圧電電
圧に基づく電気的エネルギーは、蓄電用コンデンサへ十
分に蓄えられる。

【０００６】しかし、圧電素子が共振周波数以外の周波
数にて振動する場合、蓄電用コンデンサに蓄電した電圧
と比較して圧電素子の電圧の方が低くなることがある。
このような場合、圧電電圧に基づく電気的ネルギーは、
蓄電用コンデンサに蓄えられない。従って、圧電素子が
共振周波数以外の周波数で振動する場合の電気的エネル
ギーは、無駄になるという不具合がある。

【０００７】そこで、本発明は、上記問題に鑑みたもの
で、昇圧手段を採用して、圧電素子が非共振周波数で振
動している場合の電気的エネルギーをも効率よく利用し
て蓄える圧電型電源装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明においては、圧電素子（３
０、３１）を備える圧電振動子であってその振動に応じ
て前記圧電素子から圧電電圧を発生させる圧電振動子
（Ｐ）と、圧電電圧を整流して整流出力を発生する整流
手段（４０）と、整流出力に応じて蓄電されて蓄電電圧
を発生する蓄電用コンデンサ（Ｃ２）とを備えた圧電型
電源装置において、整流手段（４０）及び蓄電用コンデ
ンサ（Ｃ２）間に設けられて整流出力を昇圧して蓄電用
コンデンサ（Ｃ２）に蓄電する昇圧手段（５０）を備え
る。

【０００９】このように、整流出力を昇圧し蓄電用コン
デンサ（Ｃ２）に蓄電するため、圧電型電源装置は、圧
電素子が共振周波数で振動している場合の電気的エネル
ギーを効率よく蓄え得ることは勿論のこと圧電素子（３
０、３１）が非共振周波数で振動している場合の電気的
エネルギーをも効率よく蓄えることができる。また、請
求項２に記載の発明においては、圧電素子（３０、３
１）を備える圧電振動子であってその振動に応じて前記
圧電素子から圧電電圧を発生させる圧電振動子（Ｐ）
と、圧電電圧を整流して整流出力を発生する整流手段
（４０）と、整流出力に応じて蓄電されて蓄電電圧を発
生する蓄電用コンデンサ（Ｃ２）と、蓄電電圧に基づき
レギュレータ電圧を発生するレギュレータ（７０）とを
備えた圧電型電源装置において、整流手段（４０）及び
蓄電用コンデンサ（Ｃ２）間に設けられて整流出力を昇
圧して昇圧電圧を発生し蓄電用コンデンサ（Ｃ２）に蓄
電する昇圧手段（５０）を備える。

【００１０】この場合も、請求項１に記載の発明と同様
の作用効果が得られる。また、請求項３に記載の発明の
ように、請求項１又は２に記載の昇圧手段（５０）は、
圧電電圧に基づきスイッチング作動する半導体スイッチ
ング素子（Ｔ１）と、この半導体スイッチング素子（Ｔ
１）のスイッチング作動に応じ整流出力を昇圧して蓄電
用コンデンサ（Ｃ２）に蓄電する昇圧素子（Ｋ１）とを
備えるようにしてもよい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。図１は、本発明に係る圧電型電源装
置が、タイヤ状態センサ装置１０に適用された例を示し
ており、この電源装置は、当該車両のタイヤ内にてタイ
ヤ・リムの外周壁に設けられている。

【００１２】この電源装置は、図２及び図３に示すよう
に、圧電振動子Ｐを備えている。圧電振動子Ｐは、その
固定部にて、タイヤ・リム２０の一部に嵌め込められて
おり、この圧電振動子Ｐは、タイヤの径方向且つ外方向
（図示右方向）に延出している。圧電振動子Ｐは、図１
及び図３に示すように、振動部材Ｐ１を備えており、こ
の振動部材Ｐ１は、図３に示すように両圧電素子３０、
３１の間に金属板３２を挟持して構成されている。両圧
電素子３０、３１は金属板３２を介して電気的に直列接
続されている。また、振動部材Ｐ１は圧電素子３０の外
表面に正側電極３３を備えるとともに圧電素子３１の外
表面に負側電極３４を備えている。

【００１３】圧電振動子Ｐは、図２及び図３に示すよう
に、重りＰ2 を備えており、この重りＰ２は、圧電振動
子Ｐの先端部に固定されている。これにより、タイヤ・
リムに振動が加わると、圧電振動子Ｐは、この振動に応
じて固定端部を基準に図２に示す図示上下に振動する。
これに伴い、圧電振動子Ｐは、当該振動を交流波形の圧
電電圧に変換し、この圧電電圧を振動部材Ｐ１の両電極
３３、３４間から発生させる。

【００１４】また、電源装置は、整流回路４０を備えて
いる。整流回路４０は、ダイオードによるフルブリッジ
回路から構成されており、この整流回路４０は振動部材
Ｐ１から発生する圧電電圧を全波整流する。なお、整流
回路４０の各入力端子は、振動部材Ｐ１の両電極３３、
３４にそれぞれ接続されている。また、電源装置は、平
滑用コンデンサＣ１を備えており、この平滑用コンデン
サＣ１は、整流回路４０から出力された整流電圧を平滑
化する。なお、平滑用コンデンサＣ１の両端子は、整流
回路４０の両出力端子にそれぞれ接続されている。

【００１５】また、電源装置は昇圧回路５０を備えてい
る。この昇圧回路５０はトランジスタＴ１を備えてお
り、このトランジスタＴ１は、振動部材Ｐ１からダイオ
ードＤ２及び抵抗素子Ｒ１を通して圧電電圧の正の部分
を印加されてオンする。なお、トランジスタＴ１は、Ｎ
ＰＮ型トランジスタから構成されている。また、ダイオ
ードＤ２は、そのアノード端子にて、振動部材Ｐ１の正
側電極３３に接続され、そのカソード端子にて、抵抗素
子Ｒ１を通してトランジスタＴ１のベース端子に接続さ
れており、このダイオードＤ２は、振動部材Ｐ１の圧電
電圧を整流して上記圧電電圧の正の部分を出力する。ま
た、ツェナーダイオードＺ１は、トランジスタＴ１を過
大な圧電電圧により故障することを防止する。

【００１６】また、昇圧回路５０は電磁コイルＫ１を備
えており、この電磁コイルＫ１は、トランジスタＴ１の
スイッチング作動に応じて、電磁誘導作用を発揮する。
具体的には、トランジスタＴ１のオン時にて電磁コイル
Ｋ１に蓄えられたエネルギーがトランジスタＴ１のオフ
に伴いダイオードＤ３を通じて蓄電用コンデンサＣ２に
移しかえられ、蓄電用コンデンサＣ２の電圧が上昇す
る。なお、電磁コイルＫ１は、トランジスタＴ１のコレ
クタ端子及び蓄電用コンデンサＣ２の正側端子間に接続
されている。

【００１７】また、昇圧回路５０は逆流阻止用ダイオー
ドＤ３を備えており、このダイオードＤ３は、後述する
蓄電用コンデンサＣ２から電磁コイルＫ１に電流が流れ
ることを防止する。電源装置は、蓄電用コンデンサＣ２
を備えており、この蓄電用コンデンサＣ２は、電磁コイ
ルＫ１からダイオードＤ３を通して供給される電流に応
じて蓄電される。

【００１８】また、電源装置は、動作間隔決定回路６０
を備えており、この動作間隔決定回路６０はタイマー６
１を備えている。このタイマー６１は、その充放電回路
により後述するトランジスタＦ１のオン、オフ周期を決
定する。なお、この充放電回路は、蓄電用コンデンサＣ
２から抵抗素子Ｒ２を通して給電されて所定の周期で充
放電を繰り返す。

【００１９】また、動作間隔決定回路６０はトランジス
タＦ１を備えており、このトランジスタＦ１は、タイマ
ー６１の充放電回路によりその充放電の周期でもってオ
ン、オフ制御される。なお、トランジスタＦ１はＰチャ
ネル電界効果型トランジスタから構成されている。ま
た、電源装置は、レギュレータ７０を備えている。この
レギュレータ７０は、蓄電用コンデンサＣ２から給電さ
れて、レギュレータ電圧を発生してタイヤ状態センサ装
置１０に出力する。

【００２０】このタイヤ状態センサ装置１０は、タイヤ
・リムの外周壁に設けたタイヤセンサ及び送信機を備え
ている。このタイヤ状態センサ装置１０は、レギュレー
タ７０から給電される度に、上記タイヤセンサーにより
タイヤの空気圧力及びその温度を測定し、その測定した
データを上記送信機により電波として車両の車室内に設
けた受信機に送信する。なお、レギュレータ７０からの
給電は、上記タイヤセンサー及び上記送信機になされ
る。

【００２１】以上のように構成した電源装置において、
圧電振動子Ｐが、当該車両のタイヤ・リムを通して振動
を受けると、振動部材Ｐ１は振動し交流波形の圧電電圧
（図４にて符号ＶＰ参照）を発生する。そして、整流回
路４０は、振動部材Ｐ１の圧電電圧ＶＰを全波整流し全
波整流電圧（図５にて符号Ｖ０参照）を出力する。

【００２２】すると、平滑用コンデンサＣ１は、全波整
流電圧Ｖ０を平滑化して平滑電圧（図５にて符号Ｖ１参
照）を発生する。なお、この平滑電圧Ｖ１は、全波整流
電圧Ｖ０のピーク電圧の約０．７倍である。しかして、
トランジスタＴ１は、振動部材Ｐ１からダイオードＤ２
及び抵抗素子Ｒ１を通して圧電電圧ＶＰの正の部分を印
加されるとオンする。すると、平滑用コンデンサＣ１か
ら電磁コイルＫ１を通してトランジスタＴ１に電流が流
れ込むため、電磁コイルＫ１に電磁エネルギーが蓄えら
れる。

【００２３】その後、トランジスタＴ１がオフすると、
電磁コイルＫ１のエネルギーがダイオードＤ３を通して
蓄電用コンデンサＣ２に移しかえられる。これにより、
蓄電用コンデンサＣ２は蓄電されることになる。以後、
上述したように、トランジスタＴ１がオン、オフを繰り
返すことにより、蓄電用コンデンサＣ２は蓄電されるこ
とになる。

【００２４】また、タイマー６１は、その充放電回路に
て、蓄電用コンデンサＣ２により給電されて充放電を開
始する。このため、トランジスタＦ１は、一定の周期で
もってオン、オフを繰り返す。よって、レギュレータ７
０は、蓄電用コンデンサＣ２からトランジスタＦ１を通
して一定の周期でもって間欠的に給電されることにな
る。このレギュレータ７０は、蓄電用コンデンサＣ２か
ら給電される度に、レギュレータ電圧をタイヤ状態セン
サ装置１０に印加する。

【００２５】以上説明したように、電源装置では、トラ
ンジスタＴ１がオン、オフを繰り返す状態で、電磁コイ
ルＫ１に電磁エネルギーが蓄えられ、このエネルギーが
ダイオードＤ３を通して蓄電用コンデンサＣ２に移しか
えられる。このため、振動部材Ｐ１が非共振状態にある
圧電電圧ＶＰをも含め振動部材Ｐ１の圧電電圧ＶＰの全
てを有効に活用して効率よく蓄電用コンデンサＣ２に蓄
電することができる。

【００２６】なお、上記実施形態にて、昇圧回路６０内
のトランジスタＴ１として電界効果トランジスタを採用
してもよい。また、上記実施形態にて、ＮＰＮ型のトラ
ンジスタＴ１の代わりにＰＮＰ型のトランジスタを採用
してもよい。この場合、ダイオードＤ２のアノード端子
を、図１に示すように、振動部材Ｐ１の正側電極３３に
接続するのではなく、抵抗素子Ｒ１を通して上記ＰＮＰ
型のトランジスタのベース端子に接続し、ダイオードＤ
２のカソード端子を、振動部材Ｐ１の正側電極３３に接
続しておく。

【００２７】このような構成により、上記ＰＮＰ型のト
ランジスタは、圧電電圧の負の部分を印加されてオンす
る。また、上記実施形態では、圧電型電源を車両に装備
した例について説明したが、これに限らず、船舶等の各
種の移動体や産業機器等の電源を必要とする機械的振動
発生体に本発明を適用して実施してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る車両用圧電型電源装置の一実施形
態を示す電気回路図である。

【図２】図１の圧電振動子を示す側面図である。

【図３】当該圧電振動子を示す斜視図である。

【図４】図１の振動部材の出力を示すタイミングチャー
トである。

【図５】図１の整流回路４０及び平滑用コンデンサの各
出力を示すタイミングチャートである。

【符号の説明】

３０、３１…圧電素子、４０…整流回路、５０…昇圧回
路、７０…レギュレータ、Ｃ２…蓄電用コンデンサ、Ｋ
１…電磁コイル、Ｐ…圧電振動子、Ｔ１…トランジス
タ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森次通泰愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者石切山守愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子（３０、３１）を備える圧電振
動子であってその振動に応じて前記圧電素子から圧電電
圧を発生させる圧電振動子（Ｐ）と、前記圧電電圧を整流して整流出力を発生する整流手段
（４０）と、前記整流出力に応じて蓄電されて蓄電電圧を発生する蓄
電用コンデンサ（Ｃ２）とを備えた圧電型電源装置にお
いて、前記整流手段（４０）及び前記蓄電用コンデンサ（Ｃ
２）間に設けられて前記整流出力を昇圧して前記蓄電用
コンデンサ（Ｃ２）に蓄電する昇圧手段（５０）を備え
ることを特徴とする圧電型電源装置。
【請求項２】圧電素子（３０、３１）を備える圧電振
動子であってその振動に応じて前記圧電素子から圧電電
圧を発生させる圧電振動子（Ｐ）と、前記圧電電圧を整流して整流出力を発生する整流手段
（４０）と、前記整流出力に応じて蓄電されて蓄電電圧を発生する蓄
電用コンデンサ（Ｃ２）と、前記蓄電電圧に基づきレギュレータ電圧を発生するレギ
ュレータ（７０）とを備えた圧電型電源装置において、前記整流手段（４０）及び前記蓄電用コンデンサ（Ｃ
２）間に設けられて前記整流出力を昇圧して前記蓄電用
コンデンサ（Ｃ２）に蓄電する昇圧手段（５０）を備え
ることを特徴とする圧電型電源装置。
【請求項３】前記昇圧手段（５０）は、前記圧電電圧に基づきスイッチング作動する半導体スイ
ッチング素子（Ｔ１）と、この半導体スイッチング素子（Ｔ１）のスイッチング作
動に応じ前記整流出力を昇圧して前記蓄電用コンデンサ
（Ｃ２）に蓄電する昇圧素子（Ｋ１）とを備えることを
特徴とする請求項１又は２に記載の圧電型電源装置。