JP2013081273A - 発電装置、発電装置の制御方法、電子機器、および移動手段 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電材料の圧電効果を利用した小型の発電装置において、効率的に高い電圧を発生させることが可能な技術を提供する。
【解決手段】 変形方向を切り換えて変形する変形部材１０４と、前記変形部材１０４に設けられた圧電素子（１０８、１０９ａ、１０９ｂ）と、前記変形部材の変形による変位を検出する変位センサー１３０と、前記圧電素子を含む共振回路を構成するインダクターＬと、前記共振回路に設けられたスイッチＳＷと、前記変位センサーが検出した変位に基づいて前記スイッチを所定期間導通状態とする制御手段１１２と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ピエゾ素子などの圧電材料が外力によって変形したときに発生する電荷を電気エネルギーとして取り出す発電装置、その制御方法、この発電装置を含む電子機器、および移動手段等に関する。

チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）や、水晶（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの圧電材料は変形すると、材料内部に電気分極が誘起されて表面に正負の電荷が現れる。このような現象は、いわゆる圧電効果と呼ばれている。圧電材料が有するこのような性質を利用して、片持ち梁を振動させて圧電材料に繰り返し加重を作用させ、圧電材料の表面に生じた電荷を電気として取り出す発電方法が提案されている。

例えば、先端に錘を設けると共に圧電材料の薄板を貼り付けた金属製の片持ち梁を振動させ、振動に伴って圧電材料に交互に生じる正負の電荷を取り出すことによって交流電流を発生させる。そして、この交流電流をダイオードによって整流した後、コンデンサーに蓄えておき、電力として取り出す技術が提案されている（特許文献１）。また、圧電素子で正の電荷が発生している間だけ接点が閉じるようにすることで、ダイオードでの電圧損失を発生させずに直流電流が得られるようにした技術も提案されている（特許文献２）。これら技術を用いれば、発電装置を小型化することができるので、例えば小型の電子部品に電池の代わりに組み込むなどの応用が期待されている。

特開平７−１０７７５２号公報 特開２００５−３１２２６９号公報

しかし、提案されている従来の技術では、得られる電圧が、圧電材料の電気分極によって生じる電圧までに限られるという問題があった。このため、ほとんどの場合は、別に昇圧回路が必要となり、発電装置を十分に小型化することが難しいという問題があった。

この発明は、従来の技術が有する上述した課題を解決するためになされたものであり、圧電材料の圧電効果を利用した小型の発電装置において、効率的に高い電圧を発生させることが可能な技術の提供を目的とする。

（１）本発明は、発電装置であって、変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変形部材に設けられた圧電素子と、前記変形部材の変形による変位を検出する変位センサーと、前記圧電素子を含む共振回路を構成するインダクターと、前記共振回路に設けられたスイッチと、前記変位センサーが検出した変位に基づいて前記スイッチを所定期間導通状態とする制御手段と、を備える。

本発明によれば、圧電素子が変形部材に設けられているので、変形部材が変形することにより、圧電素子も変形する。その結果、圧電素子には、圧電効果によって正負の電荷が発生する。なお、電荷の発生量は、圧電素子の変形量が大きくなるほど多くなる。また、圧電素子はインダクターと共に共振回路を構成しており、その共振回路にはスイッチが設けられている。そして、スイッチでの導通を切断した状態で変形部材の変形を開始して、変形量が極値となったとき（すなわち変形方向が切り換わるとき）に、スイッチを導通状態とする。圧電素子は変形部材と共に変形し、変形量が大きくなるほど多くの電荷を発生させるから、圧電素子で発生した電荷が最も多くなった時に、圧電素子がインダクターに接続されて共振回路を形成する。すると、圧電素子に発生していた電荷がインダクターに流れ込む。そして、圧電素子およびインダクターは共振回路を構成しているから、インダクターに流れ込んだ電流はオーバーシュートして、圧電素子の反対側の端子に流れ込む。この期間（すなわち、圧電素子の一方の端子から流れ出した電荷が、インダクターを介して反対側の端子から再び圧電素子内に流れ込むまでの期間）は、圧電素子およびインダクターによって形成される共振回路の共振周期の半分となる。従って、圧電素子の変形方向が切り換わったときにスイッチを接続して共振回路を形成し、その後、共振周期の半分の時間が経過したときにスイッチを切断すれば、インダクターを接続する前に圧電素子内に発生していた正負の電荷の配置を逆転させることができる。そして、その状態から、今度は逆方向に変形部材を変形させれば、圧電素子が逆方向に変形するため、正負の電荷の配置が逆転した状態から更に圧電効果によって発生した新たな電荷が積み増されるようにして圧電素子内に電荷が蓄積される。また、圧電素子内に電荷が蓄積されるに従って発生する電圧も増加するので、昇圧回路を別途用意しなくても、圧電素子を構成する圧電材料の電気分極によって生じる電圧よりも高い電圧を発生させることができる。更に、こうして圧電素子内に効率よく電荷を蓄積するためには、圧電素子の変形方向が切り換わったときにスイッチを接続して共振回路を形成することが重要となる。ここで、本発明に係る発電装置は、変形部材の変形による変位を検出する変位センサーを備えている。変位センサーが検出した変位に基づいて、制御手段は変形部材の変位の方向の切り換わり（すなわち圧電素子の変形方向の切り換わり）を把握することができる。そして、制御手段は、圧電素子の変形方向の切り換わりから所定期間だけスイッチを導通状態とすることで、圧電素子内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。よって、圧電効果を利用した小型の発電装置において、効率的に高い電圧を発生させることが可能である。

（２）この発電装置において、前記変位センサーは、前記圧電素子が設けられた前記変形部材の面の変位を測定してもよい。

本発明によれば、変位センサーが測定する変形部材の面は圧電素子が設けられた面である。そのため、完全に圧電素子の変形と連動した変形部材の変位を正確に検出することができる。そして、結果として効率的に高い電圧を発生させること、すなわち昇圧効果を高めることが可能である。

（３）この発電装置において、制御手段は、前記変位センサーが検出した変位を微分して、微分値の符号が変わった場合に前記スイッチを所定期間導通状態としてもよい。

本発明によれば、制御手段は、変形部材の変位の方向の切り換わり（すなわち圧電素子の変形方向の切り換わり）を検出するのに、変位センサーが検出した変位を微分する。そして、微分値の符号の変化（正から負、又は負から正）があったときに、スイッチを導通状態にする。このとき、変形部材の振動の振幅が様々であって一定でない場合でも、正確に圧電素子の変形方向の切り換わりのタイミングを捉えることができ、昇圧効果を高めることが可能である。

（４）この発電装置において、前記変位センサーは、渦電流式であってもよい。

（５）この発電装置において、前記変位センサーは、光学式であってもよい。

（６）この発電装置において、前記変位センサーは、超音波式であってもよい。

（７）この発電装置において、前記変位センサーは、静電容量式であってもよい。

これらの発明によれば、変位センサーとして特定の方式を選択することで、検出精度を高めることができる。変位センサーとしては、圧電素子の変形を妨げない非接触型のセンサーを使用することができる。そして、非接触型のセンサーには光学式、超音波式、渦電流式、静電容量式などの種類がある。このうち、渦電流式のセンサーは高周波磁界を生じる検出コイルを含む。そして、検出物体が近づくと検出物体に渦電流（電磁誘導による誘導電流）が流れるので、検出コイルのインピーダンスが変化する。このインピーダンスの変化に基づいて変位を測定できる。一方、光学式のセンサーは発光素子と光位置検出素子を含む。そして、発光素子から検出物体に光（例えばレーザー光）を照射する。対象物体からの表面反射光は受光レンズを通って光位置検出素子の上にスポットをつくる。このスポットの位置の変化に基づいて変位を測定できる。渦電流式および光学式のセンサーは、その他の方式に比べて応答周波数が高い。そのため、渦電流式および光学式のセンサーを変位センサーとして用いることで、正確に圧電素子の変形方向の切り換わりのタイミングを捉えることができ、昇圧効果を高めることが可能である。

そして、変位センサーは超音波式、静電容量式であってもよい。超音波式の変位センサーは、超音波を発信して対象物で反射する超音波波を受信する。送受信間の時間に基づいて比較的簡単な計算で正確に距離を求めることができる。また、静電容量式の変位センサーは、静電容量の変化に基づいて変位を測定するので、微小な変位の測定が可能である。

（８）本発明は、変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変形部材に設けられた圧電素子と、前記変形部材の変形による変位を検出する変位センサーと、前記圧電素子を含む共振回路を構成するインダクターと、前記共振回路に設けられたスイッチと、を備える発電装置の制御方法であって、前記変位センサーが検出した変形部材の変位情報を取得するステップと、前記変位情報に基づいて前記スイッチを所定期間導通状態とするステップと、を含む。

本発明によれば、発電装置の制御方法として、変位センサーが検出した変形部材の変位情報を取得するステップと、変位情報に基づいてスイッチを所定期間導通状態とするステップとを含む。まず、変位センサーが検出した直接的で正確な変形部材の変位の情報を取得する。そのため、例えば変位の極値のタイミング等を演算で求める場合にも、誤差が少ない正確なタイミングを得ることができる。そして、スイッチを導通状態にするステップでは、このような変位の極値を表す正確なタイミングを用いることができる。このとき、圧電素子内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。よって、圧電効果を利用した小型の発電装置において、効率的に高い電圧を発生させることが可能な制御方法を実現できる。

（９）本発明は、前記のいずれかに記載の発電装置を含む電子機器である。

（１０）本発明は、前記のいずれかに記載の発電装置を含む移動手段である。

これらの発明は、前記の発電装置を電池の代わりに組み込んだ例えばリモコン等の小型電子機器、又は前記の発電装置を搭載した例えば車両や電車等の移動手段である。この電子機器は、例えば持ち運ばれるとき、又は使用されるときに、振動が伴うことで発電が可能である。この電子機器では、電池交換といった作業も不要である。また、この移動手段（例えば車両や電車等）は、その移動に伴う振動により発電し、例えば移動手段に備わる機器に効率良く電力供給することが可能である。

本実施例の発電装置の構造を示した説明図である。 本実施例の発電装置の動作を示した説明図である。 本実施例の発電装置の動作原理の前半部分を概念的に示した説明図である。 本実施例の発電装置の動作原理の後半部分を概念的に示した説明図である。 変位を検出することによってスイッチＳＷを適切なタイミングで制御可能な理由を示す説明図である。 スイッチのＯＮ／ＯＦＦを切り換えるスイッチ制御処理を示したフローチャートである。 渦電流式のセンサーの説明図である。 光学式のセンサーの説明図である。

以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施例を説明する。
Ａ．発電装置の構造：
Ｂ．発電装置の動作：
Ｃ．発電装置の動作原理：
Ｄ．スイッチの切換タイミング：
Ｅ．変位センサー：
Ｆ．その他：

Ａ．発電装置の構造 ：
図１は、本実施例の発電装置１００の構造を示した説明図である。図１（ａ）には、発電装置１００の機械的な構造が示されており、図１（ｂ）には電気的な構造が示されている。本実施例の発電装置１００の機械的な構造は、先端に錘１０６が設けられた梁１０４が、基端側で支持端１０２に固定された片持ち梁構造となっており、支持端１０２は発電装置１００内に固定されるのが望ましい。また、梁１０４の表面には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料によって形成された圧電部材１０８が取り付けられており、圧電部材１０８の表面には、表側と裏側とに、金属薄膜によって形成された第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂがそれぞれ設けられている。圧電部材１０８、第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂとで圧電素子を構成している。なお、図１（ａ）に示した例では、梁１０４の上面側に圧電部材１０８が設けられているが、梁１０４の下面側に圧電部材１０８を設けても良く、あるいは梁１０４の上面側および下面側の両方に圧電部材１０８を設けても良い。また、圧電部材１０８は梁１０４の変形によって変形するから、梁１０４が本発明の「変形部材」に相当する。

梁１０４は、基端側が支持端１０２に固定されており、先端側には錘１０６が設けられているので、振動などが加わると、図中に白抜きの矢印で示したように、梁１０４の先端が大きく振動する。その結果、梁１０４の表面に取り付けられた圧電部材１０８には、圧縮力および引張力が交互に作用する。すると、圧電部材１０８は圧電効果によって正負の電荷を発生し、その電荷が第１電極１０９ａ、および第２電極１０９ｂに現れる。また、錘１０６は必須ではないが、梁１０４の先端側と基端側とで重量のバランスが非均衡であることが望ましい。なぜなら、重量のバランスが非均衡であることで、たとえば、１つの振動により梁１０４の変位が反復しやすくなるためである。

変位センサー１３０は、発電装置１００内に固定されており、変形部材である梁１０４の変位を測定する。変位センサー１３０は、本実施例のように、圧電部材１０８の変形を妨げない非接触型のセンサーであることが好ましい。なお、非接触型のセンサーについての詳細な説明は後述する。

本実施例では、非接触型のセンサーである変位センサー１３０が、梁１０４の圧電部材１０８が設けられた面（上面）と対向して設置されている。そして、梁１０４の上面の測定位置と変位センサー１３０との間の距離１３２を測定する。

変位センサー１３０は、正確な変位検出のために梁１０４の先端側の変位を測定することが好ましい。振動などが加わると、梁１０４の先端側の方が、基端側に比べて大きく振動するからである。一方で、梁１０４の上面のうち圧電部材１０８が取り付けられた部分と、その他の部分とでは、振動に差が生じる可能性がある。すると、圧電部材１０８の変形を把握するためには、圧電部材１０８が取り付けられた部分の変位を測定することが好ましい。そこで、本実施例の変位センサー１３０は、梁１０４の上面に対向して設置され、圧電部材１０８が取り付けられた部分のうち梁１０４の先端側にあたる部分との距離１３２を測定する。

なお、変位センサー１３０は、梁１０４の下面に対向して設置されてもよい。しかし、この場合、梁１０４の先端側を測定しようとすると、厚みのある錘１０６が変位センサー１３０と梁１０４の下面との間に入ったり、入らなかったりすることで正確な測定が妨げられるおそれがある。そのため、変位センサー１３０を梁１０４の下面に対向して設置した場合、梁１０４の先端部分を避けて測定しなければならない可能性が生じてしまう。よって、変位センサー１３０は、梁１０４の上面に対向して設置されることが好ましい。

また、梁１０４の上面の測定位置を変位センサー１３０にて距離１３２を測定するとして説明したが、変位が測定できるものを梁１０４に設置し、設置したものを測定しても良く、発電装置１００の設置状況や変位センサーによっては、梁１０４の側面などでも良い。

図１（ｂ）には、本実施例の発電装置１００の回路図が例示されている。圧電部材１０８は、電気的には、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサーＣ０として表すことができる。この圧電部材１０８に対して並列にインダクターＬが接続されて、圧電部材１０８の容量成分（コンデンサーＣ０）と共に電気的な共振回路を形成している。そして、この共振回路をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチＳＷが、インダクターＬに対して直列に接続されている。スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦは、制御回路１１２（制御手段に対応）によって制御されている。また、圧電部材１０８に設けられた第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂは、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４から構成される全波整流回路１２０に接続されている。更に、全波整流回路１２０には、電気負荷を駆動するために、整流後の電流を蓄えておくコンデンサー（蓄電素子Ｃ１）が接続されている。

ここで、制御回路１１２は変位センサー１３０からの梁１０４の変位の情報に基づいてスイッチＳＷをＯＮするタイミングを決定する。そのため、後述するように、正確に圧電素子の変形方向の切り換わりのタイミングを捉えることができ、昇圧効果を高めることが可能である。

Ｂ．発電装置の動作 ：
図２は、本実施例の発電装置１００の動作を示した説明図である。図２（ａ）には、梁１０４の振動に伴う、梁１０４の先端の変位が示されている。なお、プラスの変位（ｕ）は、梁１０４が上向きに反った状態（梁１０４の上面側が凹となった状態）を表しており、マイナスの変位（−ｕ）は、梁１０４が下向きに反った状態（梁１０４の下面側が凹となった状態）を表している。また、図２（ｂ）には、梁１０４の変形に伴って、圧電部材１０８が発生する電流の様子と、その結果として圧電部材１０８の内部に生じる起電力とが示されている。なお、図２（ｂ）では、圧電部材１０８に電荷が発生する様子は、単位時間あたりに発生する電荷量（すなわち、電流Ｉpzt ）として表され、また、圧電部材１０８に生じる起電力は、第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電位差Ｖpzt として表されている。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるように、梁１０４の変位が増加している間は、圧電部材１０８は正方向の電流を発生させ（すなわち、電流Ｉpzt がプラス値）、これに伴って第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの電位差Ｖpzt は正方向へ増加する。正方向の電位差Ｖpzt が、Ｃ１の電圧ＶＣ１と全波整流回路１２０を構成しているダイオードの順方向降下電圧Ｖｆの２倍との和、すなわち、ＶＣ１＋２Ｖｆよりも大きくなれば、それ以降に発生した電荷は直流電流として取り出して、蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。また、梁１０４の変位が減少している間は、圧電部材１０８は負方向の電流を発生させ（すなわち、電流Ｉpzt がマイナス値）、これに伴って第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの電位差Ｖpzt は負方向へ増加する。負方向の電位差Ｖpzt が、ＶＣ１と全波整流回路１２０の２Ｖｆの和よりも大きくなれば、発生した電荷は直流電流として取り出して、蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。すなわち、図１のスイッチＳＷをＯＦＦにしたままでも、図２（ｂ）中に斜線を付して示した部分については、蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えることができる。

本実施例の発電装置１００では、図２（ｃ）に示すタイミングで、スイッチＳＷをＯＮにする。すると、図２（ｄ）に示すように、圧電部材１０８を含む圧電素子の端子間（以下、圧電部材１０８の端子間と表す）の電圧波形が、スイッチＳＷをＯＮにしたときにシフトしたかのような現象が発生する。すなわち、例えば、図２（ｄ）中に「Ｂ」と表示した期間Ｂでは、圧電部材１０８の起電力に対応する細い破線で示した電圧波形Ｖpzt がマイナス方向にシフトしたような、太い破線で示した電圧波形が圧電部材１０８の端子間に現れる。このような現象が発生する理由については後述する。また、図２（ｄ）中に「Ｃ」と表示した期間Ｃでは、圧電部材１０８の起電力に対応する電圧波形Ｖpzt がプラス方向にシフトしたような、太い破線の電圧波形が現れる。以降の期間Ｄ、期間Ｅ、期間Ｆなどについても同様に、圧電部材１０８の起電力に対応する電圧波形Ｖpzt がプラス方向あるいはマイナス方向にシフトしたような、太い破線の電圧波形が現れる。そして、シフトした電圧波形が、ＶＣ１と２Ｖｆとの和を超えた部分（図２（ｄ）中に斜線を付して示した部分）では、圧電部材１０８で発生した電荷を蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。なお、圧電部材１０８から蓄電素子Ｃ１に電荷が流れる結果、圧電部材１０８の端子間の電圧は、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧でクリップされる。その結果、第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間の電圧波形は、図２（ｄ）に太い実線で示した波形となる。

図２（ｂ）に示したスイッチＳＷをＯＦＦにしたままの場合と、図２（ｄ）に示したように、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチＳＷをＯＮにした場合とを比較すれば明らかなように、本実施例の発電装置１００では、適切なタイミングでスイッチＳＷをＯＮにすることで、効率よく、蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えることが可能となる。

また、蓄電素子Ｃ１に電荷が蓄えられて、蓄電素子Ｃ１の端子間電圧が増加すると、それに従って電圧波形のシフト量も大きくなる。例えば、図２（ｄ）中の期間Ｂ（蓄電素子Ｃ１に電荷が蓄えられていない状態）と、図２（ｄ）中の期間Ｈ（蓄電素子Ｃ１に少し電荷が蓄えられた状態）とを比較すると、期間Ｈの方が電圧波形のシフト量が大きくなっている。同様に、図２（ｄ）中の期間Ｃと期間Ｉとを比較すると、蓄電素子Ｃ１に蓄えられた電荷が増えている期間Ｉの方が、電圧波形のシフト量が大きくなっている。このような現象が発生する理由については後述するが、この結果、本実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８を変形させたことによって、第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電圧Ｖpzt 以上の電圧を、蓄電素子Ｃ１に蓄えることも可能となる。その結果、特別な昇圧回路を設ける必要がなくなり、小型で高効率の発電装置を得ることが可能となる。

Ｃ．発電装置の動作原理 ：
図３は、本実施例の発電装置１００の動作原理の前半部分を概念的に示した説明図である。また、図４は、本実施例の発電装置１００の動作原理の後半部分を概念的に示した説明図である。図３では、圧電部材１０８の変形に合わせてスイッチＳＷをＯＮにしたときのＣ０の電荷の動きが、概念的に示されている。図３（ａ）は、圧電部材１０８（正確には梁１０４）が上向きに（上面側が凹となるように）変形した状態を表している。圧電部材１０８が上向きに変形すると、電流源からは正方向の電流が流れ、Ｃ０に電荷が蓄積され、Ｖgen は正方向の電圧が発生する。電圧値は、圧電部材１０８の変形が大きくなるほど増加する。そして、圧電部材１０８の変形が最大となったタイミング（電荷量が最も多くなったタイミング。図３（ｂ）参照）で、スイッチＳＷをＯＮにする。

図３（ｃ）には、スイッチＳＷをＯＮにした直後の状態が示されている。Ｃ０には電荷が蓄えられているから、この電荷がインダクターＬに流れようとする。インダクターＬに電流が流れると磁束が生じる（磁束が増加する）が、インダクターＬには、自らを貫く磁束の変化を妨げる方向に逆起電力が生じる性質（自己誘導作用）がある。スイッチＳＷをＯＮにしたときは、電荷が流れることによって磁束が増加しようとするから、この磁束の増加を妨げる方向（換言すれば、電荷の流れを妨げる方向）に逆起電力が発生する。また、逆起電力の大きさは、磁束の変化速度（単位時間あたりの変化量）に比例する。図３（ｃ）には、このようにしてインダクターＬに生じる逆起電力が、斜線を付した矢印によって表されている。このような逆起電力が発生するため、スイッチＳＷをＯＮにしても、圧電部材１０８の電荷は少しずつしか流れ出さない。すなわち、インダクターＬを流れる電流は少しずつしか増加しない。

その後、インダクターＬを流れる電流がピークになると、磁束の変化速度が「０」となるので、図３（ｄ）に示したように逆起電力が「０」となる。そして、今度は電流が減少し始める。すると、インダクターＬを貫く磁束が減少するので、インダクターＬには、この磁束の減少を妨げる方向（電流を流そうとする方向）の起電力が発生する（図３（ｅ）参照）。その結果、この起電力によってＣ０から電荷を引き抜きながら、インダクターＬを電流が流れ続ける。そして、電荷の移動の途中で損失が発生しなければ、圧電部材１０８の変形によって生じた全ての電荷が移動して、ちょうど正負の電荷が置き換わったような状態（すなわち、圧電部材１０８の下面側に正電荷が分布し、上面側に負電荷が分布した状態）となる。図３（ｆ）には、圧電部材１０８の変形によって生じた正負の電荷が全て移動した状態が表されている。

仮に、このままスイッチＳＷをＯＮにしておくと、今度は上述した内容と逆の現象が生じる。すなわち、圧電部材１０８の下面側の正電荷がインダクターＬに流れようとして、このときインダクターＬには、電荷の流れを妨げる方向の逆起電力が発生する。その後、インダクターＬを流れる電流がピークに達した後、減少に転じると、今度は電流の減少を妨げる方向（電流を流し続けようとする方向）の起電力がインダクターＬに発生する。その結果、圧電部材１０８の下面側にあった全ての正電荷が上面側に移動した状態（図３（ｂ）に示した状態）となる。こうして圧電部材１０８の上面側に戻った正電荷は、再び、図３（ｂ）〜図３（ｆ）を用いて前述したようにして、下面側に移動する。

このように、Ｃ０に電荷が蓄えられた状態でスイッチＳＷをＯＮにした後、その状態を保っておくと、圧電部材１０８とインダクターＬとの間で電流の向きが交互に反転する一種の共振現象が発生する。そして、この共振現象の周期は、いわゆるＬＣ共振回路の共振周期Ｔとなるから、圧電部材１０８に含まれるコンデンサーＣ０（容量成分）の大きさ（キャパシタンス）をＣ、インダクターＬの誘導成分の大きさ（インダクタンス）をＬとすると、Ｔ＝２π（ＬＣ）０．５によって与えられる。従って、スイッチＳＷをＯＮにした直後（図３（ｃ）に示した状態）から、図３（ｆ）に示した状態となるまでの時間は、Ｔ／２となる。

そこで、スイッチＳＷをＯＮにしてからＴ／２が経過した時点で、図４（ａ）に示すようにスイッチＳＷをＯＦＦにする。そしてこの状態から、圧電部材１０８（正確には梁１０４）を今度は下向きに（下面側が凹となるように）変形させる。前述した図３（ａ）では、圧電部材１０８を上向きに変形させたが、図４（ａ）では下向きに変形させているので、電流源から負方向の電流が流れ、Ｖgen が負方向へ大きくなるようにＣｏに電荷が蓄積する。また、図３（ａ）〜図３（ｆ）を用いて前述したように、圧電部材１０８（正確には梁１０４）を下向きに変形させる前の段階で、圧電部材１０８の下面側には正電荷が分布し、上面側には負電荷が分布しているから、これらの電荷に加えて、下面側には新たな正電荷が蓄積され、上面側には新たな負電荷が蓄積されることになる。図４（ｂ）には、スイッチＳＷをＯＦＦにした状態で圧電部材１０８（正確には梁１０４）を変形させることによって、圧電部材１０８に新たな電荷が蓄積された状態が示されている。

そして、この状態からスイッチＳＷをＯＮにすると、圧電部材１０８の下面側に蓄積された正電荷がインダクターＬに流れようとする。このときインダクターＬには逆起電力が発生するので（図４（ｃ）参照）、電流は少しずつ流れ始めるが、やがてピークに達して、その後は減少に転じる。すると、インダクターＬには、電流の減少を妨げる方向（電流を流し続けようとする方向）に起電力が発生し（図４（ｅ）参照）、この起電力によって電流が流れ続けて、最終的には、圧電部材１０８の下面側に分布していた全ての正電荷が上面側に移動し、上面側に分布していた全ての負電荷が下面側に移動した状態となる（図４（ｆ）参照）。また、下面側の全ての正電荷が上面側に移動し、上面側の全ての負電荷が下面側に移動する時間は、ＬＣ共振回路の半周期に相当する時間Ｔ／２となる。そこで、スイッチＳＷをＯＮにした後、時間Ｔ／２が経過したらスイッチＳＷをＯＦＦにして、今度は圧電部材１０８（正確には梁１０４）を上向きに（上面側が凹となるように）変形させれば、圧電部材１０８内に更に正負の電荷を蓄積することができる。

以上に説明したように本実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８を変形させて電荷を発生させた後、圧電部材１０８をインダクターＬに接続して、共振周期の半分の周期だけ共振回路を形成することで、圧電部材１０８内での正負の電荷の分布を反転させる。その後、圧電部材１０８を今度は逆方向に変形させて新たな電荷を発生させる。圧電部材１０８内での正負の電荷の分布は反転されているから、新たに発生させた電荷は圧電部材１０８に蓄積されることになる。その後、再び、共振周期の半分の周期だけ圧電部材１０８をインダクターＬに接続して、圧電部材１０８内での正負の電荷の分布を反転させた後、圧電部材１０８を逆方向に変形させる。このような動作を繰り返すことで、圧電部材１０８を繰り返し変形させる度に、圧電部材１０８に蓄積された電荷を増加させることができる。

なお、ＬＣ共振回路の共振により、少なくとも、ＶｇｅｎがスイッチＳＷをＯＮにする時の極性と反対の極性となった時にスイッチＳＷをＯＦＦすれば、Ｖｇｅｎが昇圧していく。前述の説明（および以下の説明）では便宜上“Ｔ／２（共振周期の半分）”としているが、これに限定されるものではなく、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔに対して、スイッチＳＷをＯＮする所定期間を、少なくとも、（ｎ＋１／４）Ｔより長く（ｎ＋３／４）Ｔよりも短い時間（ｎは０以上の任意の整数）に設定すれば、Ｖｇｅｎを効率よく昇圧させることができる。

図２を用いて前述したように本実施例の発電装置１００では、スイッチＳＷをＯＮにする度に圧電部材１０８の端子間の電圧波形がシフトする現象が生じる。すなわち、例えば図２（ｄ）中に示した期間Ａでは、圧電部材１０８（正確には梁１０４）の変形に従って、第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間に電圧が発生するが、第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂは全波整流回路１２０に接続されているので、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧を超えた部分の電荷は、全波整流回路１２０に接続された蓄電素子Ｃ１に流れ込む。その結果、梁１０４の変形が最大になった時点でスイッチＳＷをＯＮにすると、その時に圧電部材１０８内に残っていた正負の電荷がインダクターＬを介して移動して、圧電部材１０８内での正負の電荷の配置が入れ代わる。なお、図３および図４を用いて前述したメカニズムから明らかなように、スイッチＳＷをＯＮにしておく期間は、圧電部材１０８のコンデンサーと、インダクターＬとによって構成される共振回路の共振周期の半分の時間となる。

そして、正負の電荷の配置が入れ代わった状態から梁１０４を逆方向に変形させると、圧電部材１０８の第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間には、圧電効果による電圧波形が現れる。すなわち、圧電部材１０８の第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの極性が入れ代わった状態から、圧電部材１０８に変形による電圧変化が発生することになる。その結果、図２（ｄ）中に示した期間Ｂでは、梁１０４の変形によって圧電部材１０８に生じる電圧波形をシフトさせたような、電圧波形が現れることになる。もっとも、前述したように、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧を超えた部分の電荷は蓄電素子Ｃ１に流れ込むので、圧電部材１０８の第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間の電圧は、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧でクリップされる。その後、共振周期の半分の時間だけスイッチＳＷをＯＮにすると、圧電部材１０８に残っていた正負の電荷の配置が入れ代わる。そして、その状態から梁１０４が変形することによって、圧電部材１０８には圧電効果による電圧波形が現れる。このため、図２（ｄ）中に示した期間Ｃにおいても、梁１０４の変形による電圧波形をシフトさせたような電圧波形が現れることになる。

また、図２を用いて前述したように本実施例の発電装置１００では、梁１０４が変形を繰り返しているうちに、電圧波形のシフト量が次第に大きくなるという現象も発生する。このため、圧電部材１０８の圧電効果によって第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電位差よりも高い電圧を、蓄電素子Ｃ１に蓄えることができるという大きな効果を得ることができる。このような現象は、次のようなメカニズムによって生じる。

先ず、図２（ｄ）中の期間Ａあるいは期間Ｂに示したように、Ｃ１が充電されていない場合は、圧電部材１０８の端子間で発生する電圧が、全波整流回路１２０の２Ｖｆを超えると、圧電部材１０８から蓄電素子Ｃ１に電荷が流れ込むので、圧電部材１０８の端子間に現れる電圧は、２Ｖｆでクリップされている。しかし、こうして蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えるに従って蓄電素子Ｃ１の端子間の電圧が増加していく。すると、それ以降は、蓄電素子Ｃ１の端子間電圧がＶＣ１と２Ｖｆとの和よりも高い電圧になって始めて、圧電部材１０８から電荷が流れ込むようになる。このため、圧電部材１０８の端子間の電圧がクリップされる値が、蓄電素子Ｃ１に電荷が蓄えられるに従って次第に上昇していく。

加えて、図３および図４を用いて前述したように、圧電部材１０８から電荷を流出させない限り、圧電部材１０８（正確には梁１０４）を変形させる度に、圧電部材１０８内の電荷は増えて行き、それに伴って、圧電部材１０８の端子間の電圧は大きくなる。このため、本実施例の発電装置１００によれば、特別な昇圧回路を設けなくても、電気負荷の駆動に必要な電圧まで自然に昇圧させた状態で、発電することが可能となる。

Ｄ．スイッチの切換タイミング ：
以上に説明したように、本実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８（正確には梁１０４）に繰り返し変形を加えて、変形方向が切り換わるときに、共振周期の半分の時間だけ圧電部材１０８をインダクターＬに接続することで、効率が良く、加えて昇圧回路が不要なために容易に小型化することができるという優れた特徴を得ることができる。もっとも、梁１０４の変形方向が切り換わるときにスイッチＳＷをＯＮにすることは、それほど容易なことではない。例えば、梁１０４の変形方向が切り換わるときは、梁１０４の変位の大きさが最大となるときであるから、機械的な接点を用いて、梁１０４が最大変位となったときにＯＮとなるように構成することも可能である。しかし、接点の調整がずれると、効率が大きく低下することになる。そこで、本実施例の発電装置１００は、図１（ｂ）に示したように、非接触型のセンサーである変位センサー１３０が振動する梁１０４の変位を検出することで、スイッチＳＷを制御している。

図５は、変位センサー１３０が振動する梁１０４の変位を検出することによって、スイッチＳＷを適切なタイミングで制御可能な理由を示す説明図である。図５（ａ）には、梁１０４の変位が示されている。また、図５（ｂ）には、その変位を表す関数ｆを時間で微分した関数ｆ´が示されている。ここで、変位センサー１３０からの変位情報は離散的に得られるものとする。このとき、微分値は、具体的にはサンプリングタイミングｎの変位ｆ（ｎ）と１つ前のサンプリングタイミングの変位ｆ（ｎ−１）との差分値が対応する。

図３および図４を用いて前述したように、梁１０４の変位が極値に達したタイミングでスイッチＳＷをＯＮにした場合に、最も効率よく発電することができる。そして、図５（ａ）と図５（ｂ）とを比較すれば明らかなように、梁１０４の変位が極値となるのは、微分値がゼロとなるタイミングである。実際には、変位センサー１３０からの変位情報は離散的に得られるので、微分値の符号が変化するタイミングとすればよい。

そこで、図５（ｂ）に示すように、制御回路１１２は符号が＋から−に変化するタイミング、又は−から＋に変化するタイミングを検出し、そのタイミングから、前述した共振周期の半分の時間（Ｔ／２）だけスイッチＳＷをＯＮにしてやれば、効率よく発電することが可能となる。

このとき、梁１０４は外力によって振動するため、その振動の変位の大きさ（振幅）は様々である。しかし、本実施例では、非接触型の変位センサー１３０を用いて梁１０４の変位を検出し、制御回路１１２は変位情報に基づいて、その微分値から変位が極値となるタイミングを正確に求めることができる。つまり、振幅によらず梁１０４の変位が極値となるタイミングを正確に得られる。

また、制御回路１１２は符号の反転だけを検出すればよいので、回路規模は小型化が図られる。具体的には、サンプリングタイミングが２つ前までの変位ｆ（ｎ）、ｆ（ｎ−１）、ｆ（ｎ−２）を取得して、これらの比較を行うだけで判定が可能である。

図６は、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを切り換えるスイッチ制御処理を示したフローチャートである。この処理は、例えば制御回路１１２に内蔵されたＣＰＵによって実行される。

スイッチ制御処理を開始すると、制御回路１１２のＣＰＵは、変位センサー１３０から梁１０４の変位を表す変位情報を取得する（ステップＳ１００）。そして、変位情報に基づいて、梁１０４の変位がピーク（極値）に達したか否かを判断する（ステップＳ１０１）。前記のように、梁１０４の変位がピークに達したか否かは、微分値の符号が変わることで判断できる。

以上のようにして、梁１０４の変位のピークを検出したら（Ｓ１０１：ｙｅｓ）、共振回路（圧電部材１０８のコンデンサーＣ０とインダクターＬとによって構成される共振回路）のスイッチＳＷをＯＮにした後（ステップＳ１０２）、制御回路１１２に内蔵された図示しない計時タイマーをスタートする（ステップＳ１０４）。そして、圧電部材１０８のコンデンサーＣ０とインダクターＬとによって構成される共振回路の共振周期の１／２の時間が、経過したか否かを判断する（ステップＳ１０６）。なお、梁１０４の変位のピークを検出しなかった場合は（Ｓ１０１：ｎｏ）、ピークを検出するまで新たな変位情報の取得を続ける。

その結果、共振周期の１／２の時間が経過していないと判断した場合は（ステップＳ１０６：ｎｏ）、そのまま同様な判断を繰り返すことによって、共振周期の１／２の時間が経過するまで待機状態となる。そして、共振周期の１／２の時間が経過したと判断したら（ステップＳ１０６：ｙｅｓ）、共振回路のスイッチＳＷをＯＦＦにする（ステップＳ１０８）。その後、スイッチ制御処理の先頭に戻って、上述した一連の処理を繰り返す。

以上のようにして共振回路のスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを行えば、梁１０４の動きに合わせて容易に適切なタイミングでスイッチＳＷをＯＮ／ＯＦＦすることができるので、発電装置１００を用いて効率よく発電することが可能となる。

Ｅ．変位センサー ：
本実施例では、変位センサー１３０としては非接触型のセンサーを使用する。非接触であるため、圧電素子の変形を妨げることなく、振幅が様々である梁１０４の振動のピークを制御回路１１２に適切に判断させることができる。

ここで、非接触型のセンサーには光学式、超音波式、渦電流式、静電容量式などの種類がある。いずれの方式の非接触型のセンサーによっても、梁１０４の変位を測定することは可能である。しかし、応答周波数の高い渦電流式と光学式を用いることで、検出精度を高めることができる。例えば、超音波式や静電容量式のセンサーでは、応答周波数は数十Ｈｚ程度であるが、渦電流式や光学式のセンサーでは応答周波数が数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚであるものが存在する。

図７（ａ）〜図７（ｂ）は、渦電流式の変位センサーの説明図である。図７（ａ）には変位センサーのヘッドＨａと、検出物体Ｔａが記載されている。検出物体ＴａはヘッドＨａに対して近づいたり遠ざかったりする。

渦電流式のセンサーは、ヘッドＨａに含まれる検出コイルに例えば数ＭＨｚの高周波信号を供給する。すると検出コイルから図７（ａ）のように高周波磁界が生じる。そして、金属である検出物体Ｔａが近づくと、金属の表面に渦電流Ｉａが発生する。このとき、渦電流Ｉａの大きさは、ヘッドＨａ（検出コイル）と検出物体Ｔａとの距離により変化する。

図７（ｂ）はヘッドＨａの検出コイルの等価回路を示すものである。検出コイルの等価回路は、図７（ｂ）のように抵抗（その抵抗値はＲｃ）とインダクター（そのインダクタンスはＬｃ）とを含み、高周波信号が供給されている。ここで、ヘッドＨａと検出物体Ｔａとの距離をｘとする。このとき、抵抗値ＲｃはＲｃ＝Ｒ０＋ΔＲ（ｘ）、インダクタンスＬｃはＬｃ＝Ｌ０＋ΔＬ（ｘ）と表すことができる。

ここで、Ｒ０、Ｌ０はそれぞれｘが無限大のときの抵抗値Ｒｃ、インダクタンスＬｃの値である。検出物体ＴａとヘッドＨａとの距離ｘが近くなると、渦電流Ｉａが生じることでΔＲ（ｘ）とΔＬ（ｘ）とは非ゼロの値になる。渦電流Ｉａは検出物体Ｔａの周囲の磁界の変化を打ち消す磁界を生じるように流れるので、ΔＲ（ｘ）とΔＬ（ｘ）は距離ｘに応じて変化する。すると、ヘッドＨａの検出コイルのインピーダンスＺｃも距離ｘに応じて変化することになる。

渦電流式の変位センサーは、この検出コイルのインピーダンスＺｃの変化に基づいて距離ｘを求めることができる。つまり、検出物体Ｔａの変位を求めることができる。

図８は、光学式の変位センサーの説明図である。図８には変位センサーのヘッドＨｂと、検出物体Ｔｂが記載されている。検出物体ＴｂはヘッドＨｂに対して近づいたり遠ざかったりする。ヘッドＨｂは、発光素子Ｈｂ１と光位置検出素子Ｈｂ２を含む。そして、発光素子Ｈｂ１から検出物体Ｔｂに光Ｌｉ（例えばレーザー光）を照射する。対象物体からの表面反射光Ｌｒは受光レンズＨｂ３を通って光位置検出素子Ｈｂ２の上にスポットＳｐをつくる。光学式の変位センサーは、スポットＳｐの位置の変化に基づいて検出物体Ｔｂの変位を測定できる。

ここで、渦電流式の変位センサーは金属の表面に生じる渦電流を利用するものである。よって、検出物体（本実施例では梁１０４）は金属等の導体に限られる。従って、本実施例の梁１０４が金属であるか金属コーティングされているならば、変位センサー１３０として渦電流式のセンサーを使用することができる。そうでない場合には、変位センサー１３０として光学式のセンサーを使用してもよい。

なお、超音波式の変位センサーは、センサヘッドから超音波を発信し、対象物（ここでは梁１０４）で反射してくる超音波を受信する。そして、超音波の発信から受信までの時間を計測して、梁１０４との距離（すなわち、梁１０４の変位）を測定する。梁１０４との距離ＬＳは、超音波の発信から受信までの時間をＴＳ、音速をＣＳとして、ＬＳ＝ＴＳ＊ＣＳ／２で求められる。比較的簡単な計算で、正確に距離ＬＳを求めることができる。また、静電容量式の変位センサーは、電極間の距離に逆比例して静電容量が変化することを利用して変位を測定する。そのため、微小な変位の測定が可能である。

Ｆ．その他 ：
以上、本実施例について説明したが、本発明は本実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

例えば、上述した実施例では、圧電部材１０８が片持ち梁構造の梁１０４に取り付けられているものとして説明した。しかし、圧電部材１０８が取り付けられる部材は、振動などによって容易に繰り返し変形する部材であれば、どのような部材であっても構わない。例えば、薄膜の表面に圧電部材１０８を取り付けても良いし、弦巻バネの側面に圧電部材１０８を取り付けても構わない。

そして、超小型で低消費電力の変位センサー１３０が利用可能な場合、電池の代わりにリモコン等の小型電子機器に組み込む、といった応用が可能である。このとき、使用時に前回の発電で蓄電素子Ｃ１に蓄えたエネルギーを優先的に変位センサー１３０に供給するような制御が行われてもよい。

なお、本発明の発電装置は小型化が可能であるが、設置する対象は電子機器に限らない。例えば、車両や電車などの移動手段に本発明の発電装置を用いることで、移動に伴う振動により発電し、移動手段に備わる機器に効率良く電力供給することもできる。

このとき、あらゆる振動に対応するために、梁１０４の長さや錘１０６の重さが異なる複数の発電装置１００を移動手段に組み込んでもよい。このとき、複数の発電装置１００が共通の支持端１０２に固定されている発電ユニットとして構成されていてもよい。

また、本発明の発電装置は振動や移動に応じて発電するため、例えば、橋梁や建築物あるいは地すべり想定箇所などに発電装置を設置すれば地震などの災害時に発電し、電子機器などのネットワーク手段に必要時（災害時）だけ電源供給することもできる。

さらに、特定の機器等に設置されるのではなく、本発明の発電装置が例えばボタン電池、乾電池と同じ形状であって、電子機器一般で使用されてもよい。このとき、振動によって蓄電素子への充電が可能であるため、電力が喪失した災害時でも電池として使用可能である。このとき、一次電池より寿命が長いため、ライフサイクルの観点で環境負荷低減を図ることができる。

１００…発電装置、１０２…支持端、１０４…梁、１０６…錘、１０８…圧電部材、１０９ａ…第１電極、１０９ｂ…第２電極、１１２…制御回路、１２０…全波整流回路、１３０…変位センサー、Ｌ…インダクター、Ｃ１…蓄電素子、Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード、ＳＷ…スイッチ

Claims (10)

1. 変形方向を切り換えて変形する変形部材と、
   前記変形部材に設けられた圧電素子と、
   前記変形部材の変形による変位を検出する変位センサーと、
   前記圧電素子を含む共振回路を構成するインダクターと、
   前記共振回路に設けられたスイッチと、
   前記変位センサーが検出した変位に基づいて前記スイッチを所定期間導通状態とする制御手段と、を備える発電装置。
2. 請求項１に記載の発電装置において、
   前記変位センサーは、
   前記圧電素子が設けられた前記変形部材の面の変位を測定する発電装置。
3. 請求項１又は２に記載の発電装置において、
   制御手段は、
   前記変位センサーが検出した変位を微分して、微分値の符号が変わった場合に前記スイッチを所定期間導通状態とする発電装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の発電装置において、
   前記変位センサーは、
   渦電流式である発電装置。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載の発電装置において、
   前記変位センサーは、
   光学式である発電装置。
6. 請求項１乃至３のいずれかに記載の発電装置において、
   前記変位センサーは、
   超音波式である発電装置。
7. 請求項１乃至３のいずれかに記載の発電装置において、
   前記変位センサーは、
   静電容量式である発電装置。
8. 変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変形部材に設けられた圧電素子と、前記変形部材の変形による変位を検出する変位センサーと、前記圧電素子を含む共振回路を構成するインダクターと、前記共振回路に設けられたスイッチと、を備える発電装置の制御方法であって、
   前記変位センサーが検出した変形部材の変位情報を取得するステップと、
   前記変位情報に基づいて前記スイッチを所定期間導通状態とするステップと、を含む発電装置の制御方法。
9. 請求項１乃至７のいずれかに記載の発電装置を含む電子機器。
10. 請求項１乃至７のいずれかに記載の発電装置を含む移動手段。

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