JP2013081286A - 発電装置、電子機器、移動手段および発電装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電材料の圧電効果を利用して、大型化させることなく高い電圧を発生させることが可能な発電装置等を提供すること。
【解決手段】変形方向を切り換えて変形する変形部材と、変形部材に設けられた圧電素子と、圧電素子を含む共振回路を構成するインダクターと、共振回路に設けられたスイッチと、圧電素子の変位を検出する変位検出部と、圧電素子が発生させる電流を整流する整流回路と、整流回路を介して圧電素子と並列に接続される蓄電素子と、蓄電素子の電圧を検出する電圧検出部と、スイッチを制御する制御部と、を含み、制御部は、電圧検出部で検出される蓄電素子の電圧が基準値以下である場合には、変位検出部で検出される圧電素子の変位に基づいて、スイッチを所定期間導通状態とし、電圧検出部で検出される蓄電素子の電圧が基準値を上回る場合には、スイッチを導通状態とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電装置、電子機器、移動手段および発電装置の制御方法に関する。

チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）や、水晶（ＳｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの圧電材料は、外力を受けて変形すると、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。

たとえば、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、たと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発電装置を大型化させることなく、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、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、前記圧電素子の変位を検出する変位検出部と、前記圧電素子が発生させる電流を整流する整流回路と、前記整流回路を介して前記圧電素子と並列に接続される蓄電素子と、前記蓄電素子の電圧を検出する電圧検出部と、前記スイッチを制御する制御部と、を含み、前記制御部は、前記電圧検出部で検出される前記蓄電素子の電圧が基準値以下である場合には、前記変位検出部で検出される前記圧電素子の変位に基づいて、前記スイッチを所定期間導通状態とし、前記電圧検出部で検出される前記蓄電素子の電圧が基準値を上回る場合には、前記スイッチを導通状態とする、発電装置、である。

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って、圧電素子も変形する。その結果、これら圧電素子には、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、変形量が大きくなったとき（たとえば、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、たとえば、圧電素子で発生した電荷が最も多くなったときに、第１の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。したがって、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さら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したが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。さらに、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、圧電素子の変位を検出する変位検出部が設けられているので、圧電素子の変形方向が切り換わるタイミングを検出できる。したがって、変形部材の変形方向が切り換わるタイミングで容易にスイッチを導通状態にできる。そして、制御部は、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。したがって、圧電効果を利用して、小型で効率的に高い電圧を発生させることが可能な発電装置を実現できる。また、蓄電素子の電圧が基準値を上回る場合には、スイッチを導通状態とするので、圧電素子、インダクターおよびスイッチを含む共振回路で電力が消費され、圧電素子から電力を取り出せなくなる。したがって、蓄電素子への過充電を抑制できる。これによって、蓄電素子の劣化を抑制し、蓄電素子を長寿命化できる。なお、蓄電素子は、たとえば、コンデンサーであっても二次電池であってもよい。

（２）上述の発電装置において、前記制御部は、前記電圧検出部で検出される前記電圧が基準値以下である場合には、前記圧電素子の変形方向が切り換わるタイミングで前記スイッチを接続した後、前記所定期間が経過するタイミングで前記スイッチを切断してもよい。

本発明によれば、圧電素子の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチを導通状態にすることで、圧電素子の変形状態（振動状態）に同期した適切なタイミングで、圧電素子とインダクターとの接続・切断を周期的に繰り返すことができるので、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。

（３）上述の発電装置において、前記変位検出部は、前記圧電素子から前記整流回路に流れる電流を検出する電流検出部を含み、前記電流検出部で検出される電流に基づいて前記圧電素子の変位を検出してもよい。

圧電素子から整流回路には、圧電素子の変位と同期した電流が流れる。たとえば、圧電素子の変形方向が切り換わるタイミングでは、圧電素子から整流回路に流れる電流が０となる。したがって、電流検出部で検出される電流に基づいて圧電素子の変位を検出できる。その結果、圧電素子で発生した電荷を効率よく引き出して、効率よく発電することができる。

（４）上述の発電装置において、前記変位検出部は、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を含み、前記変位センサーが検出する前記変形部材の変位に基づいて前記圧電素子の変位を検出してもよい。

圧電素子は変形部材に設けられているので、圧電素子の変位と変形部材の変位は同期している。したがって、変形部材の変位に基づいて圧電素子の変位を検出できる。その結果、圧電素子で発生した電荷を効率よく引き出して、効率よく発電することができる。

（５）上述の発電装置において、前記圧電素子を第１の圧電素子とし、前記変位検出部は、前記変形部材に設けられた第２の圧電素子と、前記第２の圧電素子に生じる電圧または電流を検出する検出部と、を含み、前記第２の圧電素子に生じる電圧または電流に基づいて前記第１の圧電素子の変位を検出してもよい。

変形部材には第１の圧電素子および第２の圧電素子が設けられているので、第１の圧電素子の変形方向が切り換わるときには、第２の圧電素子の変形方向も切り換わる。そして、第２の圧電素子の変形方向が切り換わるタイミングは、第２の圧電素子が発生させる電圧が極値になるタイミング、および、第２の圧電素子が発生させる電荷による電流の向きが切り換わるタイミング（電流が０となるタイミング）と一致する。したがって、２の圧電素子に生じる電圧または電流に基づいて圧電素子の変位を検出できる。その結果、圧電素子で発生した電荷を効率よく引き出して、効率よく発電することができる。

（６）上述の発電装置において、前記整流回路は、全波整流回路であってもよい。

これによって、圧電素子から発生した電荷を効率よく引き出して、効率よく発電することができる。

（７）本発明は、上述の発電装置を用いた電子機器である。

（８）本発明は、上述の発電装置を用いた移動手段である。

これらの発明によれば、電池の代わりにリモコン等の小型電子機器に組み込むことが可能であるため、小型電子機器の移動によって発電できるほか、たとえば、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って発電し、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。

（９）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、前記圧電素子の変位を検出する変位検出部と、前記圧電素子が発生させる電流を整流する整流回路と、前記整流回路を介して前記圧電素子と並列に接続される蓄電素子と、前記蓄電素子の電圧を検出する電圧検出部と、を含む発電装置の制御方法であって、前記電圧検出部で検出される前記蓄電素子の電圧が基準値以下である場合に、前記変位検出部で検出される前記圧電素子の変位に基づいて、前記スイッチを所定期間導通状態とすることと、前記電圧検出部で検出される前記蓄電素子の電圧が基準値を上回る場合に、前記スイッチを導通状態とすることと、を含む、発電装置の制御方法、である。

本発明によれば、圧電素子の変位に基づいてスイッチを所定期間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。また、圧電素子内に電荷を蓄積した分だけ、圧電素子が生じさせ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。また、蓄電素子の電圧が基準値を上回る場合には、スイッチを導通状態とするので、圧電素子、インダクターおよびスイッチを含む共振回路で電力が消費され、圧電素子から電力を取り出せなくなる。したがって、蓄電素子への過充電を抑制できる。これによって、蓄電素子の劣化を抑制し、蓄電素子を長寿命化できる。なお、蓄電素子は、たとえば、コンデンサーであっても二次電池であってもよい。

第１実施例の発電装置の構造を示した説明図である。 第１実施例の発電装置の動作を示した説明図である。 第１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。 第１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。 スイッチがＯＮするタイミングが任意のタイミングであっても、圧電素子の端子間の電圧を昇圧させることが可能な理由を示す説明図である。 スイッチがＯＮするタイミングが任意のタイミングであっても、圧電素子の端子間の電圧を昇圧させることが可能な理由を示す説明図である。 スイッチがＯＮするタイミングが任意のタイミングであっても、圧電素子の端子間の電圧を昇圧させることが可能な理由を示す説明図である。 ＬＣ共振回路の共振周期の３／２倍の時間だけスイッチをＯＮにした場合の圧電素子の端子間の電圧波形を示した図である。 ＬＣ共振回路の共振周期の１／４倍の時間だけスイッチをＯＮにした場合の圧電素子の端子間の電圧波形を示した図である。 圧電素子から整流回路に流れる電流を検出することによって、梁の変形方向が切り換わるタイミングを決定できる理由を示す説明図。 電流検出部の構成例を示した図である。 電流検出部の各部の出力波形例を示した図である。 本実施例における発電装置の制御方法の一例としての状態制御処理を説明するためのフローチャート。 本実施例における発電装置の制御方法の一例としてのスイッチ制御処理を説明するためのフローチャート。 本実施例の発電装置の他の構造を示した説明図。 本実施例における発電装置の制御方法の他の一例としてのスイッチ制御処理を説明するためのフローチャート。 本実施例の発電装置の他の構造を示した説明図。 第２の圧電素子に生じる電圧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。 電圧検出部の構成例を示した図。 電圧検出部の各部の出力波形例を示した図。 本実施例における発電装置の制御方法の他の一例としてのスイッチ制御処理を説明するためのフローチャート。 本実施例の発電装置の他の構造を示した説明図。 第２の圧電素子に生じる電流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。 電流検出部の構成例を示した図である。 電流検出部の各部の出力波形例を示した図である。 本実施例における発電装置の制御方法の他の一例としてのスイッチ制御処理を説明するためのフローチャート。

以下、本発明の好適な実施例について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施例は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序にしたがって実施例を説明する。

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．発電装置の構造：
Ａ−２．発電装置の動作：
Ａ−３．発電装置の動作原理：
Ａ−４．スイッチＳＷの切換タイミング：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．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、変形方向を切り換えて変形することができる。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、圧電素子１０８が設けられている。圧電素子１０８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１０８ｃと、圧電部材１０８ｃの表面に金属薄膜によって形成された第１電極（上部電極）１０８ａおよび第２電極（下部電極）１０８ｂとを含んで構成されている。第１電極（上部電極）１０８ａおよび第２電極（下部電極）１０８ｂは、圧電部材１０８ｃを挟んで対向配置されている。なお、圧電素子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の表面に設けられた圧電素子１０８には、圧縮力および引張力が交互に作用する。すると、圧電素子１０８の圧電部材１０８ｃ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１０８ａおよび第２電極１０８ｂ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つの振動によって梁１０４の変位が反復しやすくなるためである。

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。圧電素子１０８の圧電部材１０８ｃは、電気的には、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサー（容量成分）Ｃｇとして表すことができる。インダクターＬは、圧電部材１０８ｃに対して並列に接続されて、圧電素子１０８を含む共振回路を構成している。すなわち、インダクターＬは、圧電部材１０８ｃの容量成分Ｃｇと共に電気的な共振回路を形成している。そして、この共振回路には、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設けられている。

また、圧電素子１０８の圧電部材１０８ｃに設けられた第１電極１０８ａおよび第２電極１０８ｂは、圧電素子１０８が発生させる電流を整流する整流回路１２０に接続されている。本実施例においては、整流回路１２０は、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４から構成される全波整流回路である。整流回路１２０を全波整流回路で構成することによって、圧電素子１０８から発生した電荷を効率よく引き出して、効率よく発電することができる。

蓄電素子Ｃ１は、整流回路１２０を介して圧電素子１０８と並列に接続される。すなわち、圧電素子１０８に生じる電圧を利用して蓄電素子Ｃ１に充電できるように接続されている。蓄電素子Ｃ１としては、たとえば、種々の公知のコンデンサーや、リチウムイオン電池やニッケル・カドミウム蓄電池などの種々の公知の二次電池などを採用できる。

発電装置１００は、圧電素子１０８の変位を検出する変位検出部１４０を含んで構成されている。本実施例においては、変位検出部１４０は、圧電素子１０８から整流回路１２０に流れる電流を検出する電流検出部１４１を含み、電流検出部１４１で検出される電流に基づいて圧電素子の変位を検出する。圧電素子１０８から整流回路１２０に流れる電流を検出することによって圧電素子１０８の変位を検出できる理由については後述される。変位検出部１４０は、圧電素子１０８の変位に関する情報を、後述される制御部１３０に出力する。

発電装置１００は、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１を検出する電圧検出部１５０を含んで構成されている。蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１は、蓄電素子Ｃ１の第１端子Ｃ１ａと第２端子Ｃ１ｂとの間の電圧である。電圧検出部１５０は、たとえば、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１と基準値Ｖｒとを比較する比較器を含んで構成されていてもよい。基準値Ｖｒは、たとえば、蓄電素子Ｃ１が過充電によって過度に劣化しない程度の電圧値としてもよい。電圧検出部１５０は、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１に関する情報を、後述される制御部１３０に出力する。

制御部１３０は、スイッチＳＷを制御する。より具体的には、制御部１３０は、電圧検出部１５０で検出される蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒ以下である場合には、変位検出部１４０で検出される圧電素子１０８の変位に基づいて、スイッチＳＷを所定期間導通状態とし、電圧検出部１５０で検出される蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒを上回る場合には、スイッチＳＷを導通状態とする。制御部１３０の動作の詳細については後述される。制御部１３０は、たとえば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含んで構成されていてもよい。

Ａ−２．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。本項においては、電圧検出部１５０で検出される蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒ以下である場合の動作について説明する。図２（ａ）には、梁１０４の振動に伴って、梁１０４の先端の変位ｕが変化する様子が示されている。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１０８ｃが発生する電流の様子と、その結果として圧電部材１０８ｃ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１０８ｃ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１０８ｃに生じる起電力は、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧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１０８ｃ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１０８ａおよび第２電極１０８ｂの電圧Ｖｐｚｔは正方向へ増加する。正方向の電圧Ｖｐｚｔが、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１と整流回路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１０８ｃ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１０８ａおよび第２電極１０８ｂの電圧Ｖｐｚｔは負方向へ増加する。負方向の電圧Ｖｐｚｔが、Ｖｃ１と整流回路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。

一定時間に圧電部材１０８ｃから取り出せる電荷量（発電効率）はスイッチＳＷがＯＮするタイミングによって異なり、図２（ｃ）に示すように、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチＳＷがＯＮする場合に発電効率が最大となる。以下では、まず発電効率が最大となる場合の動作について説明する。

制御部１３０が、図２（ｃ）に示すタイミングでＳＷをＯＮにしたとする。すると、図２（ｄ）に示すように、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間の電圧波形が、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、たとえば、図２（ｄ）中に「Ｂ」と表示した期間Ｂでは、圧電部材１０８ｃの起電力に対応する細い破線で示した電圧Ｖｐｚｔの波形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第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に現れる。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１０８ｃの起電力に対応する電圧Ｖｐｚｔの波形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１０８ｃの起電力に対応する電圧Ｖｐｚｔの波形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１０８ｃ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１０８ｃから蓄電素子Ｃ１に電荷が流れる結果、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間の電圧Ｖｇｅｎ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１０８ａおよび第２電極１０８ｂ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。そこで、第１実施例の発電装置１００は、スイッチＳＷを適切なタイミングでＯＮにするために、圧電素子１０８の変位を検出する変位検出部１４０を設け、変位検出部１４０で検出される圧電素子１０８の変位に基づいてスイッチＳＷを制御している。この点については、後ほど詳しく説明する。

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、それにしたがって電圧波形のシフト量も大きくなる。たとえば、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１０８ｃを変形させたことによって、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂ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。

Ａ−３．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。本項においては、電圧検出部１５０で検出される蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒ以下である場合の動作について説明する。図３では、圧電部材１０８ｃの変形に合わせてスイッチＳＷをＯＮにしたときのＣｇ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１０８ｃ（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１０８ｃ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、Ｃｇに電荷が蓄積され、圧電部材１０８ｃの端子間には正方向の電圧が発生する。電圧値は、圧電部材１０８ｃの変形が大きくなるほど増加する。そして、圧電部材１０８ｃの変形がピークとなったタイミング（電荷量がピークになったタイミング。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。Ｃｇ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にしたときには、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１０８ｃ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Ｃｇ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１０８ｃ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１０８ｃ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１０８ｃ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１０８ｃ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１０８ｃ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１０８ｃ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、Ｃｇ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１０８ｃ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１０８ｃに含まれる容量成分Ｃｇ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。したがって、スイッチＳＷをＯＮにした直後（図３（ｂ）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１０８ｃ（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１０８ｃ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、圧電部材１０８ｃの端子間の電圧が負方向へ大きくなるようにＣｇ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１０８ｃ（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１０８ｃ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１０８ｃ（正確には梁１０４）を変形させることによって、圧電部材１０８ｃ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１０８ｃ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１０８ｃ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共振回路の共振周期Ｔの半分に相当する時間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１０８ｃ（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１０８ｃ内にさら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１０８ｃを変形させて電荷を発生させた後、圧電部材１０８ｃをインダクターＬに接続して、共振周期Ｔの半分の時間だけ共振回路を形成することで、圧電部材１０８ｃ内での正負の電荷の分布を反転させる。その後、圧電部材１０８ｃ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１０８ｃ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１０８ｃに蓄積されることになる。その後、再び、共振周期Ｔの半分の周期だけ圧電部材１０８ｃをインダクターＬに接続して、圧電部材１０８ｃ内での正負の電荷の分布を反転させた後、圧電部材１０８ｃ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１０８ｃを繰り返し変形させる度に、圧電部材１０８ｃに蓄積された電荷を増加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にする度に第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧波形がシフトする特異な現象が生じるが、この現象は、以下のようなメカニズムによって発生する。すなわち、たとえば図２（ｄ）中に示した期間Ａでは、圧電部材１０８ｃ（正確には梁１０４）の変形にしたがって、第１電極１０８ａおよび第２電極１０８ｂの間に電圧が発生するが、第１電極１０８ａおよび第２電極１０８ｂは整流回路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、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の変形がピークになった時点でスイッチＳＷをＯＮにすると、そのときに圧電部材１０８ｃ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１０８ｃ内での正負の電荷の配置が入れ代わる。

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１０８ｃの第１電極１０８ａおよび第２電極１０８ｂ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１０８ｃの第１電極１０８ａおよび第２電極１０８ｂの極性が入れ代わった状態から、圧電部材１０８ｃ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１０８ｃ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１０８ｃの第１電極１０８ａおよび第２電極１０８ｂ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Ｔの半分の時間だけスイッチＳＷをＯＮにすると、圧電部材１０８ｃ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１０８ｃ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１０８ｃの圧電効果によって第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂ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１０８ｃの端子間で発生する電圧が、整流回路１２０の２Ｖｆを超えると、圧電部材１０８ｃから蓄電素子Ｃ１に電荷が流れ込むので、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に現れる電圧は、２Ｖｆでクリップされている。しかし、こうして蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えるにしたがって蓄電素子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１０８ｃから電荷が流れ込むようになる。このため、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの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したが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１０８ｃから電荷を流出させない限り、圧電部材１０８ｃ（正確には梁１０４）を変形させる度に、圧電部材１０８ｃ内の電荷は増えて行き、それに伴って、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間の電圧は大きくなる。このため、電荷がインダクターＬやスイッチＳＷを流れる際の損失などを考えなければ、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間の電圧を大きくすることができる。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。

Ａ−４．スイッチＳＷ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１０８ｃ（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タイミングで、共振周期Ｔの半分の時間だけ圧電部材１０８ｃをインダクターＬに接続することで、蓄電素子Ｃ１に効率良く電荷を蓄えることができ、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、制御部１３０やスイッチＳＷの動作速度などの事情から、制御部１３０がスイッチＳＷをＯＮするタイミングは、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングと完全に一致するとは限らない。しかし、スイッチＳＷがＯＮするタイミングが梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングと完全に一致しなくても、梁１０４の固有振動周期と一致する周期で、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔの半分の時間だけスイッチＳＷをＯＮにすることで、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎを昇圧させることが可能である。以下、この理由について説明する。なお、本項においては、電圧検出部１５０で検出される蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒ以下である場合の動作について説明する。

図５（ａ）は、仮に、梁１０４の変形方向が切り替わる時刻ｔ１でスイッチＳＷをＯＮした後ＯＦＦしない場合の、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎの様子を示している。図５（ｂ）は、図５（ａ）の時刻ｔ１以降を拡大したものである。なお、図５の例では、整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。

時刻ｔ１において、Ｖｇｅｎはピークになっており、スイッチＳＷがＯＮすることによって、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔの１／２の周期（時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６，・・・）で正負のピーク値Ｖｐ１，Ｖｐ２，Ｖｐ３，Ｖｐ４，Ｖｐ５，Ｖｐ６，・・・が交互に現れながら減衰していく。もし、時刻ｔ１からＴ／２だけ経過後の時刻ｔ２にスイッチＳＷをＯＦＦにすると、前述したＶｇｅｎのシフト量はＶｐ１の絶対値とＶｐ２の絶対値の和（｜Ｖｐ１｜＋｜Ｖｐ２｜）となる。なお、図３および図４を用いて説明したように、Ｖｐ２は、ＬＣ共振回路の共振によって、容量成分Ｃｇの正負の電荷が入れ替わったときの電圧値であるから、Ｖｐ１の絶対値が大きいほどＶｐ２の絶対値も大きくなる。したがって、Ｖｐ１の絶対値が大きいほどＶｇｅｎのシフト量も大きくなる。

図６は、梁１０４の変形方向が切り替わるタイミング毎にスイッチＳＷがＴ／２だけＯＮする場合の、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎの様子を示している。なお、図６の例でも、整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。圧電部材１０８ｃが発生させる起電力による電圧Ｖｐｚｔの振幅が一定とすると、図６に示すように、最初にＶｇｅｎが正のピーク値となる電圧値Ｖ_１となるタイミングでスイッチＳＷがＴ／２だけＯＮすると、ＶｇｅｎはＶ_１＋Ｖａだけマイナス方向にシフトする。すると、２回目にスイッチＳＷがＯＮするときのＶｇｅｎの電圧値Ｖ_２＝−（Ｖａ＋２Ｖ_１）であり、スイッチＳＷがＴ／２だけＯＮするとＶｇｅｎはＶｂ＋Ｖａ＋２Ｖ_１だけプラス方向にシフトする。同様に、３回目にスイッチＳＷがＯＮするときのＶｇｅｎの電圧値Ｖ_３＝Ｖｂ＋２Ｖ_１であり、スイッチＳＷがＴ／２だけＯＮするとＶｇｅｎはＶｃ＋Ｖｂ＋２Ｖ_１だけマイナス方向にシフトする。同様に、４回目にスイッチＳＷがＯＮするときのＶｇｅｎの電圧値Ｖ_４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ_１）であり、スイッチＳＷがＴ／２だけＯＮするとＶｇｅｎはＶｄ＋Ｖｃ＋２Ｖ_１だけプラス方向にシフトする。同様に、５回目にスイッチＳＷがＯＮするときのＶｇｅｎの電圧値Ｖ_５＝−（Ｖｄ＋２Ｖ_１）である。ここで、Ｖ_２＝−（Ｖａ＋２Ｖ_１）であるから、明らかに｜Ｖ_２｜＞｜Ｖ_１｜である。そして、Ｖ_１，Ｖ_２は図５（ｂ）のＶｐ１に対応する電圧値、Ｖａ，Ｖｂは図５（ｂ）のＶｐ２に相当する電圧値であり、｜Ｖ_２｜＞｜Ｖ_１｜であるから必ずＶｂ＞Ｖａとなる。すると、Ｖ_２＝−（Ｖａ＋２Ｖ_１），Ｖ_３＝Ｖｂ＋２Ｖ_１であり、Ｖｂ＞Ｖａであるから｜Ｖ_３｜＞｜Ｖ_２｜である。同様に、｜Ｖ_３｜＞｜Ｖ_２｜であるから必ずＶｃ＞Ｖｂとなり、Ｖ_３＝Ｖｂ＋２Ｖ_１，Ｖ_４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ_１）であり、Ｖｃ＞Ｖｂであるから｜Ｖ_４｜＞｜Ｖ_３｜である。同様に、｜Ｖ_４｜＞｜Ｖ_３｜であるから必ずＶｄ＞Ｖｃとなり、Ｖ_４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ_１），Ｖ_５＝Ｖｄ＋２Ｖ_１であり、Ｖｄ＞Ｖｃであるから｜Ｖ_５｜＞｜Ｖ_４｜である。要するに、梁１０４の変形方向が切り替わるタイミングでスイッチＳＷがＴ／２だけＯＮすることによって、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎの絶対値は｜Ｖ_１｜＜｜Ｖ_２｜＜｜Ｖ_３｜＜｜Ｖ_４｜＜｜Ｖ_５｜＜・・・と昇圧していく。

梁１０４の変形方向が切り替わるタイミングとスイッチＳＷがＯＮするタイミングがずれた場合も同様に考えることができる。図７（ａ）は、梁１０４の変形方向が切り替わるタイミングの後ろでスイッチＳＷがＴ／２だけＯＮする場合に第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎの様子を示し、図７（ｂ）は、梁１０４の変形方向が切り替わるタイミングの前でスイッチＳＷがＴ／２だけＯＮする場合に第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎの様子を示している。なお、図７（ａ）、図７（ｂ）の例でも、整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。

図７（ａ）および図７（ｂ）の例では、図６の例と同様に、Ｖｇｅｎは、最初にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ_１に対して、２回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ_２＝−（Ｖａ＋２Ｖ_１）、３回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ_３＝Ｖｂ＋２Ｖ_１、４回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ_４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ_１）、５回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ_５＝−（Ｖｄ＋２Ｖ_１）、・・・となる。ここで、Ｖ_２，Ｖ_３，Ｖ_４，Ｖ_５，・・・は、それぞれ図６の場合のＶ_２，Ｖ_３，Ｖ_４，Ｖ_５，・・・と同じ式で表されるので、やはりＶ_２＞Ｖ_１、Ｖ_３＞Ｖ_２、Ｖ_４＞Ｖ_３、Ｖ_５＞Ｖ_４、・・・となる。したがって、梁１０４の変形方向が切り替わるタイミングから前後にずれたタイミングでスイッチＳＷをＴ／２だけＯＮしても、Ｖｇｅｎは｜Ｖ_１｜＜｜Ｖ_２｜＜｜Ｖ_３｜＜｜Ｖ_４｜＜｜Ｖ_５｜＜・・・と昇圧していく。ただし、電圧値Ｖ_１が高いほど、Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄ，・・・が大きくなるので、図６の例の方が、図７（ａ）および図７（ｂ）の例よりもＶｇｅｎが昇圧するスピードが速く、発電効率が高い。

なお、梁１０４の変位が０（Ｖｇｅｎが０）となるタイミングでスイッチＳＷがＴ／２だけＯＮする場合（図７（ａ）および図７（ｂ）でＶ_１＝０の場合）は、ＬＣ共振回路の共振が起こらずＶｇｅｎは昇圧しない。

以上に説明したように、スイッチＳＷがＯＮするタイミングが任意のタイミング（ただし、梁１０４の変位が０（Ｖｇｅｎが０）となるタイミングを除く）であっても、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔの半分の時間だけスイッチＳＷをＯＮにすることで、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧を昇圧させることができる。

なお、発電効率を高めるために、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔの半分の時間だけスイッチＳＷをＯＮにすることが望ましいが、所定期間だけスイッチＳＷをＯＮにしても第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎを昇圧させることは可能である。たとえば、図８は、梁１０４の変形方向が切り替わるタイミングで共振周期Ｔの３／２倍の時間だけスイッチＳＷをＯＮにした場合の、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎの一例を示している。要するに、図５（ｂ）に示した時刻ｔ１でスイッチＳＷをＯＮにして時刻ｔ３でスイッチＳＷをＯＦＦにする場合に対応する。なお、図８の例でも、整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。

図８の例では、図６の例と同様に、Ｖｇｅｎは、最初にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ_１に対して、２回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ_２＝−（Ｖａ＋２Ｖ_１）、３回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ_３＝Ｖｂ＋２Ｖ_１、４回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ_４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ_１）、５回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ_５＝−（Ｖｄ＋２Ｖ_１）、・・・となり、Ｖｇｅｎは｜Ｖ_１｜＜｜Ｖ_２｜＜｜Ｖ_３｜＜｜Ｖ_４｜＜｜Ｖ_５｜＜・・・と昇圧していく。ただし、電圧値Ｖ_１が高いほど、Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄ，・・・が大きくなるので、図６の例の方が、図８の例よりもＶｇｅｎが昇圧するスピードが速く、発電効率が高い。

一方、図９は、梁１０４の変形方向が切り替わるタイミングで共振周期Ｔの１／４倍の時間だけスイッチＳＷをＯＮにした場合の、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎの様子を示している。要するに、図５（ｂ）に示した時刻ｔ１でスイッチＳＷをＯＮにして時刻（ｔ１＋ｔ２）／２でスイッチＳＷをＯＦＦにする場合に対応する。なお、図９の例でも、整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。

図９の例では、Ｖｇｅｎは、最初にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ_１に対して、２回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ_２＝−２Ｖ_１、３回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ_３＝２Ｖ_１、４回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ_４＝−２Ｖ_１、５回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ_５＝２Ｖ_１、・・・となる。すなわち、Ｖｇｅｎは２Ｖ_１までは昇圧できるが、２Ｖ_１を超えての昇圧はされない。

同様に、梁１０４の変形方向が切り替わるタイミングで共振周期Ｔの３／４倍、５／４倍、７／４倍、９／４倍、・・・のいずれかの時間だけスイッチＳＷをＯＮにした場合もＶ_２＝−２Ｖ_１、Ｖ_３＝２Ｖ_１、Ｖ_４＝−２Ｖ_１、Ｖ_５＝２Ｖ_１、・・・となり、Ｖｇｅｎは２Ｖ_１までは昇圧できるが、２Ｖ_１を超えての昇圧はされない。

以上より、ＬＣ共振回路の共振によって、少なくとも、ＶｇｅｎがスイッチＳＷをＯＮにするときの極性と反対の極性となったときにスイッチＳＷをＯＦＦすれば、Ｖｇｅｎが昇圧していく。要するに、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。

前述したように、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔの１／２の時間だけスイッチＳＷをＯＮするのが、スイッチＳＷの切り換えときのシフト量が最も大きくなるので、発電効率が最も高い。そこで、本実施例の発電装置１００では、制御部１３０は、梁１０４の固有振動周期と一致する周期でスイッチＳＷをＯＮにし、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔの１／２の時間が経過するとスイッチＳＷをＯＦＦにする。

もっとも、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にすることは、それほど容易なことではない。梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングは、図３（ｂ）に示したように、圧電素子１０８の内部に生じる起電力の電圧Ｖｐｚｔがピークとなるタイミングおよび、圧電素子１０８に発生する電流Ｉｐｚｔが０になるタイミングと一致する。しかし、圧電素子１０８の内部に生じる起電力の電圧Ｖｐｚｔや電流Ｉｐｚｔを直接モニターすることはできない。一方、圧電素子１０８の第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間の電圧Ｖｇｅｎは、図３（ｄ）に示したように、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧でクリップされるためＶｇｅｎのピークを検出することもできない。

そこで、本実施例の発電装置１００では、変位検出部１４０を電流検出部１４１で実現し、圧電素子１０８から整流回路１２０に流れる電流が０になるタイミングを検出する。すなわち、電流検出部１４１で検出される電流に基づいて圧電素子１０８の変位を検出する。これによって、梁１０４（変形部材）の変形方向が切り換わるタイミングで容易にスイッチＳＷをＯＮ（導通状態）にできる。図１（ｂ）に示す例では、電流検出部１４１は、圧電素子１０８の第１電極１０８ａとダイオードＤ１のアノードとの間に設けられており、圧電素子１０８から整流回路１２０に流れる電流を検出する。ただし、電流検出部１４１は、圧電素子１０８から整流回路１２０に流れる電流を検出できればよく、たとえば、圧電素子１０８の第２電極１０８ｂとダイオードＤ３のアノードとの間に設けられていてもよい。

図１０は、圧電素子１０８から整流回路１２０に流れる電流を検出することによって、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングを決定できる理由を示す説明図である。図１０（ａ）には、梁１０４の変位が示されている。また、図１０（ｂ）には、梁１０４の振動に伴って、圧電素子１０８が単位時間あたりに発生させる電荷量（すなわち、電流Ｉｐｚｔ）と、電流Ｉｐｚｔによって生じる起電力の電圧Ｖｐｚｔとが変化する様子が示されている。

図示されるように、梁１０４の変位が大きくなると、Ｖｐｚｔも大きくなる。ＶｐｚｔがＣ１の電圧ＶＣ１と整流回路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より大きくなれば、発生した電荷が整流回路１２０に流れることになる。

また、梁１０４の変位の大きさがピークとなるタイミング（すなわち、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミング）では、圧電素子１０８の発生する電流Ｉｐｚｔの方向が反転する。たとえば、圧電素子１０８が正の起電力を発生している状態で、梁１０４の変位の大きさがピークになると、正方向に流れていた電流Ｉｐｚｔが負方向に反転する。したがって、圧電素子１０８の起電力が減少し、ＶＣ１と２Ｖｆとの和よりも電圧が低くなって、整流回路１２０に流れていた電流が流れなくなる。同様に、圧電素子１０８が負の起電力を発生している状態で、正方向の電流Ｉｐｚｔが発生することで、整流回路１２０に流れていた電流が流れなくなる。したがって、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミング（梁１０４の変位の大きさがピークとなるタイミング）は、圧電素子１０８から整流回路１２０に電流が流れなくなるタイミングと一致する。そこで、図１（ｂ）に示したように、電流検出部１４１を用いて、整流回路１２０に流れる電流を検出して、電流が流れなくなったことを検出したら、そのタイミングから、梁１０４の固有振動周期毎に、所定期間（たとえば、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔの１／２の時間）だけ、スイッチＳＷをＯＮしてやればよい。

図１０（ｃ）には、スイッチＳＷをＯＮ／ＯＦＦするタイミングが示されている。スイッチＳＷは、電流検出部１４１によって検出された、整流回路１２０に電流が流れなくなるタイミングから所定期間（Ｔ／２）だけＯＮする。

図１０（ｄ）には、インダクターＬを流れる電流と、整流回路１２０を流れる電流とが示されている。図１０（ｄ）に示されるように、スイッチＳＷをＯＮにする度に、圧電素子１０８内の電荷がインダクターＬを流れて、圧電素子１０８内の正負の電荷の配置が入れ代わる。そして、電荷の配置が入れ代わった状態から圧電素子１０８が変形することで、圧電素子１０８の第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間には図１０（ｅ）に示すような電圧波形が発生する。この電圧波形は、図３（ｄ）を用いて前述した電圧波形と同じであるため、ここでは説明を省略する。その結果、図１０（ｄ）に示されるように、圧電素子１０８で発生する電流Ｉｐｚｔを効率よく蓄電素子Ｃ１に蓄えることが可能となる。

図１１に、電流検出部１４１の構成ブロック図を例示する。また、図１２に、電流検出部１４１の各部の出力波形の一例を示す。図１２（ａ）は圧電素子１０８に生じる電流Ｉｇｅｎ、図１２（ｂ）は電流検出器１４１１の出力信号Ｉｄ、図１２（ｃ）は増幅回路１４１２の出力信号Ｉｄａｍｐ、図１２（ｄ）は絶対値回路１４１３の出力信号Ｉａｂｓ、図１２（ｅ）は比較器１４１４の出力信号Ｉｐｌｓを表す。

電流検出器１４１１は一般的に知られている、たとえば、ホール素子型電流センサーやシャント抵抗などを用いることができる。しかし、発電効率を悪化させないためには、シャント抵抗のように、回路内へ抵抗素子を入れることは望ましくないため、ホール素子型電流センサーのような非接触での検出が可能なセンサーを選択することが望ましい。電流検出器１４１１は整流回路１２０を流れる電流に対応する出力信号Ｉｄを出力する。

増幅回路１４１２は、電流検出器１４１１の出力信号Ｉｄを所定のゲインで増幅して、出力信号Ｉｄａｍｐを出力する。

絶対値回路１４１３は、増幅回路１４１２の出力信号Ｉｄａｍｐの絶対値に対応する出力信号Ｉａｂｓを出力する。

増幅回路１４１２、絶対値回路１４１３は必須の回路ではなく、比較器１４１４による電流有無の検出が容易に行えるように入れてある。

比較器１４１４は、絶対値回路１４１３の出力信号Ｉａｂｓを２値化（パルス化）して出力する。この比較器１４１４の出力信号Ｉｐｌｓの立ち下がりエッジのタイミングで、整流回路１２０に流れる電流が０になる。なお、電流が０ではなく、少し流れている状態で検出するようにしてもよい。これは無電流時にノイズ等で比較器１４１４が誤動作を起こすことを防止するためである。ここでの余裕を多くとると検出タイミングがずれることによって発電効率が悪化するので、できるだけノイズを低減し、電流が０に近いタイミングで検出することが望ましい。

図１３は、本実施例における発電装置１００の制御方法の一例としての状態制御処理を説明するためのフローチャートである。図１４は、本実施例における発電装置１００の制御方法の一例としてのスイッチ制御処理を説明するためのフローチャートである。

本実施例における発電装置１００の制御方法は、電圧検出部１５０で検出される蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒ以下である場合に、変位検出部１４０で検出される圧電素子１０８の変位に基づいて、スイッチＳＷを所定期間導通状態とすることと、電圧検出部１５０で検出される蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒを上回る場合に、スイッチＳＷを導通状態とすることと、を含む。

図１３に示す状態制御処理において、まず、電圧検出部１５０が蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１を検出する（ステップＳ１００）。

ステップＳ１００の後に、制御部１３０は、電圧検出部１５０で検出される蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒ以上か否かを判定する（ステップＳ１０２）。制御部１３０が、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒを下回っているものと判定した場合（ステップＳ１０２でＮＯの場合）には、制御部１３０はスイッチ制御処理を行う（ステップＳ１０４）。以下、図１４を参照しながらスイッチ制御処理について説明する。

図１４に示すスイッチ制御処理において、まず、電流検出部１４１は、圧電素子１０８から整流回路１２０に流れる電流を検出する（ステップＳ２００）。

ステップＳ２００の後に、制御部１３０は、ステップＳ２００で検出された圧電素子１０８から整流回路１２０に流れる電流が０クロスしたか否かを判定する（ステップＳ２０２）。具体的には、制御部１３０は、電流検出部１４１の比較器１４１４の出力信号（Ｉｐｌｓ）の立ち下がりエッジを検出したタイミングで圧電素子１０８から整流回路１２０に流れる電流が０クロスしたタイミング（圧電素子１０８の変形方向が切り換わるタイミング）であると判断する。圧電素子１０８から整流回路１２０に流れる電流が０クロスしていない場合（ステップＳ２０２でＮＯの場合）には、ステップＳ２００とステップＳ２０２とを繰り返す。

圧電素子１０８から整流回路１２０に流れる電流が０クロスした場合（ステップＳ２０２でＹＥＳの場合）には、制御部１３０は、スイッチＳＷをＯＮ状態に切り換える（ステップＳ２０４）。

ステップＳ２０４の後に、制御部１３０は、計時タイマーをスタートする（ステップＳ２０６）。本実施例においては、制御部１３０がＣＰＵを含んで構成され、ＣＰＵが計時タイマーを有していてもよい。

ステップＳ２０６の後に、制御部１３０は、圧電素子１０８の容量成分Ｃｇ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Ｔの１／２の時間（Ｔ／２）が経過したか否かを判定する（ステップＳ２０８）。制御部１３０が、Ｔ／２の時間が経過していないものと判定した場合（ステップＳ２０８でＮＯの場合）には、ステップＳ２０８を繰り返す。

制御部１３０が、Ｔ／２の時間が経過したものと判定した場合（ステップＳ２０８でＹＥＳの場合）には、制御部１３０は、スイッチＳＷをＯＦＦ状態に切り換える（ステップＳ２１０）。

なお、既に述べたように、ステップＳ２０８で計時する時間はＴ／２の時間に限られるものではない。

以上のようにしてスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態を切り換えることによって、梁１０４の動きに合わせて適切なタイミングでスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態を切り換えられるので、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。

図１３に戻り、状態制御処理では、スイッチ制御処理（ステップＳ１０４）の後に、再びステップＳ１００を行う。

一方、制御部１３０が、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒ以上であるものと判定した場合（ステップＳ１０２でＹＥＳの場合）には、制御部１３０は、スイッチＳＷをＯＮ状態（導通状態）に制御する（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６の後に、再びステップＳ１００を行う。

以上に説明したように、第１実施例の発電装置１００によれば、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒを上回る場合には、スイッチＳＷを導通状態とするので、圧電素子１０８、インダクターＬおよびスイッチＳＷを含む共振回路で電力が消費され、圧電素子１０８から電力を取り出せなくなる。したがって、蓄電素子Ｃ１への過充電を抑制できる。これによって、蓄電素子Ｃ１の劣化を抑制し、蓄電素子Ｃ１を長寿命化できる。

また、圧電素子１０８の第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間を短絡状態にすることで、圧電素子１０８の変形を抑制することができる。これによって、圧電素子１０８の機械的な寿命を伸ばすことができる。

Ｂ．第２実施例：
図１５は、本実施例の発電装置１００の他の構造を示した説明図である。図１５（ａ）には、発電装置１００の機械的な構造が示されており、図１５（ｂ）には電気的な構造が示されている。なお、第１実施例の発電装置１００と同一の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

第２実施例の発電装置１００において、変位検出部１４０は、梁１０４（変形部材）の変形による変位を検出する変位センサー１４２を含み、変位センサー１４２が検出する梁１０４（変形部材）の変位に基づいて圧電素子１０８の変位を検出する。これによって、梁１０４（変形部材）の変形方向が切り換わるタイミングで容易にスイッチＳＷをＯＮ（導通状態）にできる。

変位センサー１４２は、発電装置１００内に固定されており、変形手段である梁１０４の変位を測定する。変位センサー１４２としては、たとえば、光学式、超音波式、渦電流式、静電容量型など種々の公知のセンサーを採用できる。また、変位センサー１４２として、応答周波数の高いセンサー（たとえば、渦電流式や光学式）を用いることで、検出精度を高めることができる。変位センサー１４２としては、圧電素子１０８の変形を妨げないという観点では、本実施例のように非接触型のセンサーであることが好ましいが、接触型のセンサーを採用してもよい。

本実施例では、非接触型のセンサーである変位センサー１４２が、梁１０４の圧電素子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１４２との間の距離ｄを検出することによって梁１０４の変位を検出する。また、変位センサー１４２は、距離ｄに関する情報（梁１０４の変異に関する情報）を制御部１３０に出力する。

変位センサー１４２は、正確な変位検出のために梁１０４の先端側（支持端１０２から遠い側）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、支持端１０２側に比べて大きく振動するからである。一方で、梁１０４の上面のうち圧電素子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、圧電素子１０８の変形を把握するためには、圧電素子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１４２は、梁１０４の上面に対向して設置され、梁１０４の上面のうち圧電素子１０８が取り付けられた部分の梁１０４の先端側の端部に近接した部分との距離ｄを測定する。

なお、変位センサー１４２は、梁１０４の下面に対向して設置されてもよい。しかし、図１５（ａ）に示すように、梁１０４の先端の下面に錘１０６を設けた構造の場合、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１４２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１４２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、梁１０４の先端の下面に錘１０６を設けた構造の場合には、変位センサー１４２は、梁１０４の上面に対向して設置されることが好ましい。

このような構成によっても、図１３を用いて説明した状態制御処理を行うことができる。第１実施例における状態制御処理と、第２実施例における状態制御処理とでは、図１３におけるスイッチ制御処理（ステップＳ１０４）のみが異なる。したがって、以下では、第２実施例におけるスイッチ制御処理（ステップＳ１０４）について説明する。

図１６は、本実施例における発電装置１００の制御方法の他の一例としてのスイッチ制御処理を説明するためのフローチャートである。

図１６に示すスイッチ制御処理において、まず、変位センサー１４２は、梁１０４の変位を検出する（ステップＳ３００）。

ステップＳ３００の後に、制御部１３０は、ステップＳ３００で検出された梁１０４の変位がピークか否かを判定する（ステップＳ３０２）。たとえば、距離ｄの時間微分が０になるタイミングを梁１０４がピークになるタイミングとして判定してもよい。変位センサー１４２から得られる距離ｄに関する情報が離散的に得られる場合には、微分値の符号が変化するタイミングとすればよい。梁１０４の変位がピークではない場合（ステップＳ３０２でＮＯの場合）には、ステップＳ３００とステップＳ３０２とを繰り返す。

梁１０４の変位がピークである場合（ステップＳ３０２でＹＥＳの場合）には、制御部１３０は、スイッチＳＷをＯＮ状態に切り換える（ステップＳ３０４）。

ステップＳ３０４の後に、制御部１３０は、計時タイマーをスタートする（ステップＳ３０６）。本実施例においては、制御部１３０がＣＰＵを含んで構成され、ＣＰＵが計時タイマーを有していてもよい。

ステップＳ３０６の後に、制御部１３０は、圧電素子１０８の容量成分Ｃｇ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Ｔの１／２の時間（Ｔ／２）が経過したか否かを判定する（ステップＳ３０８）。制御部１３０が、Ｔ／２の時間が経過していないものと判定した場合（ステップＳ３０８でＮＯの場合）には、ステップＳ３０８を繰り返す。

制御部１３０が、Ｔ／２の時間が経過したものと判定した場合（ステップＳ３０８でＹＥＳの場合）には、制御部１３０は、スイッチＳＷをＯＦＦ状態に切り換える（ステップＳ３１０）。

なお、既に述べたように、ステップＳ３０８で計時する時間はＴ／２の時間に限られるものではない。

以上のようにしてスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態を切り換えることによって、梁１０４の動きに合わせて適切なタイミングでスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態を切り換えられるので、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。

また、第２実施例の発電装置１００においても、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒを上回る場合には、スイッチＳＷを導通状態とするので、圧電素子１０８、インダクターＬおよびスイッチＳＷを含む共振回路で電力が消費され、圧電素子１０８から電力を取り出せなくなる。したがって、蓄電素子Ｃ１への過充電を抑制できる。これによって、蓄電素子Ｃ１の劣化を抑制し、蓄電素子Ｃ１を長寿命化できる。

また、圧電素子１０８の第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間を短絡状態にすることで、圧電素子１０８の変形を抑制することができる。これによって、圧電素子１０８の機械的な寿命を伸ばすことができる。

Ｃ．第３実施例：
図１７は、本実施例の発電装置１００の他の構造を示した説明図である。図１７（ａ）には、発電装置１００の機械的な構造が示されており、図１７（ｂ）には電気的な構造が示されている。なお、第１実施例の発電装置１００と同一の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

第３実施例の発電装置１００において、変位検出部１４０は、梁１０４（変形部材）に設けられた圧電素子１１０と、圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２または電流Ｉｐｚｔ２を検出する検出部と、を含み、圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２または電流Ｉｐｚｔ２に基づいて圧電素子１０８の変位を検出する。図１７（ｂ）においては、圧電素子１１０は、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサー（容量成分）Ｃｓとを組み合わせたものして表されている。図１７（ｂ）に示す例では、変位検出部１４０は、検出部として圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２を検出する電圧検出部１４３を含んで構成されている。これによって、梁１０４（変形部材）の変形方向が切り換わるタイミングで容易にスイッチＳＷをＯＮ（導通状態）にできる。なお、圧電素子１０８は本発明における「第１の圧電素子」に対応し、圧電素子１１０は本発明における「第２の圧電素子」に対応する。

図１７（ａ）に示す例では、圧電素子１１０は、梁１０４の表面に設けられている。圧電素子１１０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１１０ｃと、圧電部材１１０ｃの表面に金属薄膜によって形成された第１電極（上部電極）１１０ａおよび第２電極（下部電極）１１０ｂとを含んで構成されている。第１電極（上部電極）１１０ａおよび第２電極（下部電極）１１０ｂは、圧電部材１１０ｃを挟んで対向配置されている。図１７（ａ）に示す例では、圧電素子１０８と圧電素子１１０とは同じ形状を有しているが、必ずしも同じ形状でなくてもよい。たとえば、圧電素子１０８が梁１０４に対して設置可能な最大の長さと幅であれば、圧電素子１０８の発電量は大きくなる。一方、圧電素子１１０が設置可能な最小の幅（梁１０４の短手方向への長さ）であれば、圧電素子１１０による梁１０４の変位抵抗が低減するため、発電効率が良くなる。

圧電素子１０８と同様の理由によって、梁１０４の変形にともなって、圧電素子１１０の圧電部材１１０ｃ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１１０ａおよび第２電極１１０ｂに現れる。また、梁１０４が変形すると、圧電部材１１０ｃも圧電部材１０８ｃと同様に変形する。したがって、圧電部材１１０ｃの内部にも、圧電部材１０８ｃと全く同様に、図２（ｂ）に示す電流Ｉｐｚｔと同様の電流Ｉｐｚｔ２、および、図２（ｂ）に示す電圧Ｖｐｚｔと同様の電圧Ｖｐｚｔ２が発生する。

図１８は、圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２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１８（ａ）には、梁１０４の変位が示されている。また、図１８（ｂ）には、梁１０４の振動に伴って、圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２が変化する様子が示されている。

図３〜図９を用いて前述したように、梁１０４の変位ｕ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１８（ａ）と図１８（ｂ）とを比較すれば明らかなように、梁１０４の変位ｕが極値となるのは、圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２が極値となるタイミングと一致する。その理由は、圧電素子１１０は、インダクターＬや蓄電素子Ｃ１と接続していないため、電荷の増減が圧電素子１１０の起電力の電圧Ｖｐｚｔ２の変化に直接反映されるからである。

そこで、図１８（ｂ）に白抜き矢印で示したように、圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２が極値となるタイミングを検出して、そのタイミングから、所定期間（たとえば、前述したＬＣ共振回路の共振周期Ｔ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。

図１９に、電圧検出部１４３の構成ブロック図を例示する。また、図２０に、電圧検出部１４３の各部の出力波形の一例を示す。図２０（ａ）は圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２、図２０（ｂ）は電圧検出器１４３１の出力信号Ｖｄ、図２０（ｃ）は微分回路１４３２の出力信号Ｖｄｉｆｆ、図２０（ｄ）は比較器１４３３の出力信号Ｖｐｌｓを表す。

電圧検出器１４３１は、圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２を検出して、電圧Ｖｐｚｔ２に対応する出力信号Ｖｄを出力する。

微分回路１４３２は、電圧検出器１４３１の出力信号Ｖｄを微分して、出力信号Ｖｄの微分に対応する出力信号Ｖｄｉｆｆを出力する。微分回路１４３２の出力信号Ｖｄｉｆｆの０クロスのタイミングが、Ｖｐｚｔ２がピークとなるタイミングと一致する。

比較器１４３３は微分回路１４３２の出力信号Ｖｄｉｆｆを２値化（パルス化）して、出力信号Ｖｐｌｓを出力する。この比較器１４３３の出力信号Ｖｐｌｓの立ち上がりエッジおよび立ち上がりエッジのタイミングで、Ｖｐｚｔ２がピークとなる。

このような構成によっても、図１３を用いて説明した状態制御処理を行うことができる。第１実施例における状態制御処理と、第３実施例における状態制御処理とでは、図１３におけるスイッチ制御処理（ステップＳ１０４）のみが異なる。したがって、以下では、第３実施例におけるスイッチ制御処理（ステップＳ１０４）について説明する。

図２１は、本実施例における発電装置１００の制御方法の他の一例としてのスイッチ制御処理を説明するためのフローチャートである。

図２１に示すスイッチ制御処理において、まず、電圧検出部１４３は、圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２を検出する（ステップＳ４００）。

ステップＳ４００の後に、制御部１３０は、ステップＳ４００で検出された電圧Ｖｐｚｔ２が極値になったか否かを判定する（ステップＳ４０２）。電圧Ｖｐｚｔ２が極値になっていない場合（ステップＳ４０２でＮＯの場合）には、ステップＳ４００とステップＳ４０２とを繰り返す。

電圧Ｖｐｚｔ２が極値になった場合（ステップＳ４０２でＹＥＳの場合）には、制御部１３０は、スイッチＳＷをＯＮ状態に切り換える（ステップＳ４０４）。

ステップＳ４０４の後に、制御部１３０は、計時タイマーをスタートする（ステップＳ４０６）。本実施例においては、制御部１３０がＣＰＵを含んで構成され、ＣＰＵが計時タイマーを有していてもよい。

ステップＳ４０６の後に、制御部１３０は、圧電素子１０８の容量成分Ｃｇ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Ｔの１／２の時間（Ｔ／２）が経過したか否かを判定する（ステップＳ４０８）。制御部１３０が、Ｔ／２の時間が経過していないものと判定した場合（ステップＳ４０８でＮＯの場合）には、ステップＳ４０８を繰り返す。

制御部１３０が、Ｔ／２の時間が経過したものと判定した場合（ステップＳ４０８でＹＥＳの場合）には、制御部１３０は、スイッチＳＷをＯＦＦ状態に切り換える（ステップＳ４１０）。

なお、既に述べたように、ステップＳ４０８で計時する時間はＴ／２の時間に限られるものではない。

以上のようにしてスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態を切り換えることによって、梁１０４の動きに合わせて適切なタイミングでスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態を切り換えられるので、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。

また、第３実施例の発電装置１００においても、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒを上回る場合には、スイッチＳＷを導通状態とするので、圧電素子１０８、インダクターＬおよびスイッチＳＷを含む共振回路で電力が消費され、圧電素子１０８から電力を取り出せなくなる。したがって、蓄電素子Ｃ１への過充電を抑制できる。これによって、蓄電素子Ｃ１の劣化を抑制し、蓄電素子Ｃ１を長寿命化できる。

また、圧電素子１０８の第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間を短絡状態にすることで、圧電素子１０８の変形を抑制することができる。これによって、圧電素子１０８の機械的な寿命を伸ばすことができる。

Ｄ．第４実施例：
図２２は、本実施例の発電装置１００の他の構造を示した説明図である。図２２（ａ）には、発電装置１００の機械的な構造が示されており、図２２（ｂ）には電気的な構造が示されている。なお、第３実施例の発電装置１００と同一の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図２２（ｂ）に示す例では、変位検出部１４０は、検出部として圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２を検出する電流検出部１４４を含んで構成されている。これによって、梁１０４（変形部材）の変形方向が切り換わるタイミングで容易にスイッチＳＷをＯＮ（導通状態）にできる。

図２３は、制御用の圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２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２３（ａ）には、梁１０４の変位が示されている。また、図２３（ｂ）には、梁１０４の振動に伴って、圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２が変化する様子が示されている。

図３〜図９を用いて前述したように、梁１０４の変位ｕ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２３（ａ）と図２３（ｂ）とを比較すれば明らかなように、梁１０４の変位ｕが極値となるのは、圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２が０となるタイミングと一致する。その理由は、圧電素子１１０は、インダクターＬや蓄電素子Ｃ１と接続していないため、電荷の増減が圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２の変化に直接反映されるからである。

そこで、図２３（ｂ）に白抜き矢印で示したように、圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２が０となるタイミングを検出して、そのタイミングから、所定期間（たとえば、前述したＬＣ共振回路の共振周期Ｔ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。

図２４に、電流検出部１４４の構成ブロック図を例示する。また、図２５に、電流検出部１４４の各部の出力波形の一例を示す。図２５（ａ）は圧電素子１１０からコンデンサー１４４５に流れる電流Ｉｇｅｎ２、図１２（ｂ）は電流検出器１４４１の出力信号Ｉｄ２、図２５（ｃ）は増幅回路１４４２の出力信号Ｉｄａｍｐ２、図２５（ｄ）は絶対値回路１４４３の出力信号Ｉａｂｓ２、図２５（ｅ）は比較器１４４４の出力信号Ｉｐｌｓ２を表す。

本実施例における電流検出部１４４は、圧電素子１１０に並列に接続されるコンデンサー１４４５を備え、コンデンサー１４４５に流れる電流Ｉｇｅｎ２を検出することによって、圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２を検出する。なお、コンデンサー１４４５に流れる電流Ｉｇｅｎ２と圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２とは比例した大きさの電流となる。

電流検出器１４４１は一般的に知られている、たとえば、ホール素子型電流センサーやシャント抵抗などを用いることができる。しかし、発電効率を悪化させないためには、シャント抵抗のように、回路内へ抵抗素子を入れることは望ましくないため、ホール素子型電流センサーのような非接触での検出が可能なセンサーを選択することが望ましい。電流検出器１４４１は圧電素子１１０からコンデンサー１４４５に流れる電流Ｉｇｅｎ２に対応する出力信号Ｉｄ２を出力する。

増幅回路１４４２は、電流検出器１４４１の出力信号Ｉｄ２を所定のゲインで増幅して、出力信号Ｉｄａｍｐ２を出力する。

絶対値回路１４４３は、増幅回路１４４２の出力信号Ｉｄａｍｐ２の絶対値に対応する出力信号Ｉａｂｓ２を出力する。

増幅回路１４４２、絶対値回路１４４３は必須の回路ではなく、比較器１４４４による電流有無の検出が容易に行えるように入れてある。

比較器１４４４は、絶対値回路１４４３の出力信号Ｉａｂｓ２を２値化（パルス化）して出力する。この比較器１４４４の出力信号Ｉｐｌｓ２の立ち下がりエッジのタイミングで、整流回路１２０に流れる電流が０になる。なお、電流が０ではなく、少し流れている状態で検出するようにしてもよい。これは無電流時にノイズ等で比較器１４４４が誤動作を起こすことを防止するためである。ここでの余裕を多くとると検出タイミングがずれることによって発電効率が悪化するので、できるだけノイズを低減し、電流が０に近いタイミングで検出することが望ましい。

このような構成によっても、図１３を用いて説明した状態制御処理を行うことができる。第１実施例における状態制御処理と、第４実施例における状態制御処理とでは、図１３におけるスイッチ制御処理（ステップＳ１０４）のみが異なる。したがって、以下では、第４実施例におけるスイッチ制御処理（ステップＳ１０４）について説明する。

図２６は、本実施例における発電装置１００の制御方法の他の一例としてのスイッチ制御処理を説明するためのフローチャートである。

図２６に示すスイッチ制御処理において、まず、電流検出部１４４は、圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２を検出する（ステップＳ５００）。本実施例においては、電流検出器１４４１がコンデンサー１４４５に流れる電流Ｉｇｅｎ２を検出することによって、圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２を検出する。

ステップＳ５００の後に、制御部１３０は、ステップＳ５００で検出された電流Ｉｐｚｔ２が０クロスしたか否かを判定する（ステップＳ５０２）。電流Ｉｐｚｔ２が０クロスしていない場合（ステップＳ５０２でＮＯの場合）には、ステップＳ５００とステップＳ５０２とを繰り返す。

電流Ｉｐｚｔ２が０クロスした場合（ステップＳ５０２でＹＥＳの場合）には、制御部１３０は、スイッチＳＷをＯＮ状態に切り換える（ステップＳ５０４）。

ステップＳ５０４の後に、制御部１３０は、計時タイマーをスタートする（ステップＳ５０６）。本実施例においては、制御部１３０がＣＰＵを含んで構成され、ＣＰＵが計時タイマーを有していてもよい。

ステップＳ５０６の後に、制御部１３０は、圧電素子１０８の容量成分Ｃｇ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Ｔの１／２の時間（Ｔ／２）が経過したか否かを判定する（ステップＳ５０８）。制御部１３０が、Ｔ／２の時間が経過していないものと判定した場合（ステップＳ５０８でＮＯの場合）には、ステップＳ５０８を繰り返す。

制御部１３０が、Ｔ／２の時間が経過したものと判定した場合（ステップＳ５０８でＹＥＳの場合）には、制御部１３０は、スイッチＳＷをＯＦＦ状態に切り換える（ステップＳ５１０）。

なお、既に述べたように、ステップＳ５０８で計時する時間はＴ／２の時間に限られるものではない。

以上のようにしてスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態を切り換えることによって、梁１０４の動きに合わせて適切なタイミングでスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態を切り換えられるので、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。

また、第４実施例の発電装置１００においても、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒを上回る場合には、スイッチＳＷを導通状態とするので、圧電素子１０８、インダクターＬおよびスイッチＳＷを含む共振回路で電力が消費され、圧電素子１０８から電力を取り出せなくなる。したがって、蓄電素子Ｃ１への過充電を抑制できる。これによって、蓄電素子Ｃ１の劣化を抑制し、蓄電素子Ｃ１を長寿命化できる。

また、圧電素子１０８の第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間を短絡状態にすることで、圧電素子１０８の変形を抑制することができる。これによって、圧電素子１０８の機械的な寿命を伸ばすことができる。

以上、本実施例について説明したが、本発明はこれら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。

たとえば、上述した実施例では、圧電素子１０８および１１０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、圧電素子１０８および１１０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。たとえば、薄膜の表面に圧電素子１０８および１１０を取り付けてもよいし、弦巻バネの側面に圧電素子１０８および１１０を取り付けても構わない。

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、たとえば、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。

なお、電子機器に限らず、本発明の発電装置は小型化が可能であるため、あらゆる機器に設置することもできる。たとえば、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って発電し、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。たとえば、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、本発明の発電装置を電池の代わりにリモコン等の小型電子機器に組み込むこともできる。

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たとえばボタン電池、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。また、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。

本発明は、実施例で説明した構成と実質的に同一の構成（たとえば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施例で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施例で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施例で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１００…発電装置、１０２…支持端、１０４…梁、１０６…錘、１０８…圧電素子、１０８ａ…第１電極、１０８ｂ…第２電極、１０８ｃ…圧電部材、１１０…圧電素子、１１０ａ…第１電極、１１０ｂ…第２電極、１１０ｃ…圧電部材、１１４…圧電素子、１１４ａ…第１電極、１１４ｂ…第２電極、１１４ｃ…圧電部材、１２０，１２１…整流回路、１３０…制御部、１４０…変位検出部、１４１…電流検出部、１４２…変位センサー、１４３…電圧検出部、１４４…電流検出部、１５０…電圧検出部、１４１１…電流検出器、１４１２…増幅回路、１４１３…絶対値回路、１４１４…比較器、１４３１…電圧検出器、１４３２…微分回路、１４３３…比較器、１４４１…電流検出器、１４４２…増幅回路、１４４３…絶対値回路、１４４４…比較器、１４４５…コンデンサー、Ｌ…インダクター、Ｃ１…蓄電素子、Ｃ１ａ…第１端子、Ｃ１ｂ…第２端子、Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード、ＳＷ…スイッチ

Claims (9)

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、
   前記圧電素子の変位を検出する変位検出部と、
   前記圧電素子が発生させる電流を整流する整流回路と、
   前記整流回路を介して前記圧電素子と並列に接続される蓄電素子と、
   前記蓄電素子の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記スイッチを制御する制御部と、
   を含み、
   前記制御部は、
   前記電圧検出部で検出される前記蓄電素子の電圧が基準値以下である場合には、前記変位検出部で検出される前記圧電素子の変位に基づいて、前記スイッチを所定期間導通状態とし、
   前記電圧検出部で検出される前記蓄電素子の電圧が基準値を上回る場合には、前記スイッチを導通状態とする、発電装置。
2. 請求項１に記載の発電装置において、
   前記制御部は、
   前記電圧検出部で検出される前記電圧が基準値以下である場合には、前記圧電素子の変形方向が切り換わるタイミングで前記スイッチを接続した後、前記所定期間が経過するタイミングで前記スイッチを切断する、発電装置。
3. 請求項１または２に記載の発電装置において、
   前記変位検出部は、
   前記圧電素子から前記整流回路に流れる電流を検出する電流検出部を含み、
   前記電流検出部で検出される電流に基づいて前記圧電素子の変位を検出する、発電装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発電装置において、
   前記変位検出部は、
   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を含み、
   前記変位センサーが検出する前記変形部材の変位に基づいて前記圧電素子の変位を検出する、発電装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発電装置において、
   前記圧電素子を第１の圧電素子とし、
   前記変位検出部は、
   前記変形部材に設けられた第２の圧電素子と、
   前記第２の圧電素子に生じる電圧または電流を検出する検出部と、
   を含み、
   前記第２の圧電素子に生じる電圧または電流に基づいて前記第１の圧電素子の変位を検出する、発電装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発電装置において、
   前記整流回路は、全波整流回路である、発電装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の発電装置を用いた電子機器。
8. 請求項１ないし６のいずれかに記載の発電装置を用いた移動手段。
9. 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、前記圧電素子の変位を検出する変位検出部と、前記圧電素子が発生させる電流を整流する整流回路と、前記整流回路を介して前記圧電素子と並列に接続される蓄電素子と、前記蓄電素子の電圧を検出する電圧検出部と、を含む発電装置の制御方法であって、
   前記電圧検出部で検出される前記蓄電素子の電圧が基準値以下である場合に、前記変位検出部で検出される前記圧電素子の変位に基づいて、前記スイッチを所定期間導通状態とすることと、
   前記電圧検出部で検出される前記蓄電素子の電圧が基準値を上回る場合に、前記スイッチを導通状態とすることと、
   を含む、発電装置の制御方法。

Images