JP2022034886A - 振動発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 振動発電装置において、発電部の機械振動の変位を安定状態で維持させつつ電力の取得を行う。【解決手段】発電部１１１を備えた発電回路１１と、発電回路１１の２出力端子間に接続された、インダクタ１２１およびスイッチ１２２の直列回路からなるインダクタ・スイッチ回路１２と、スイッチ１２２を制御する制御回路１３とを備え、発電部１１１が、２電極から交流電力を出力する振動発電装置１において、発電回路１１１は、発電部１１１に直列接続された追加キャパシタ１１２を備え、制御回路１１はインダクタ１２１と、発電部１１１に形成されるキャパシタおよび追加キャパシタ１１２との間のエネルギーの授受のタイミングをスイッチ１２２のターンオン・ターンオフにより制御し、これにより発電部１１１の機械振動を制御する。【選択図】 図１
Description
本発明は、例えばカンチレバー型の発電部を備えた振動発電装置に関し、具体的には発電部の機械振動の変位を安定状態で維持させつつ電力の取得ができる前記振動発電装置に関するものである。
従来、例えばカンチレバー型の発電部を備えた振動発電装置が種々知られている（特許文献１等参照）。
図９は振動発電装置９の回路図、図１０は振動発電装置９の動作説明図である。
図９および図１０に示すように、この種の振動発電装置９は、発電回路９１とインダクタ・スイッチ回路９２と制御回路９３と電力取得回路９４とを備えている。
発電回路９１は、発電部９１１を備えている。発電部９１１は、図１０の拡大表示Ｋに示すように支持体９１１１と錘体９１１２とアーム９１１３とを備えており、アーム９１１３には圧電材層９１１４，第１電極９１１５，第２電極９１１６が形成されている。
図９は振動発電装置９の回路図、図１０は振動発電装置９の動作説明図である。
図９および図１０に示すように、この種の振動発電装置９は、発電回路９１とインダクタ・スイッチ回路９２と制御回路９３と電力取得回路９４とを備えている。
発電回路９１は、発電部９１１を備えている。発電部９１１は、図１０の拡大表示Ｋに示すように支持体９１１１と錘体９１１２とアーム９１１３とを備えており、アーム９１１３には圧電材層９１１４，第１電極９１１５，第２電極９１１６が形成されている。
図９に示すように、発電部９１１は、通常、交流電源９１１７（ＧO）とキャパシタ９１１８（キャパシタンスＣO）との直列回路で表される。
図１０を参照すると、発電部９１１に外部からエネルギー（通常は構造体９０からの振動）が与えられると錘体９１１２が振動する。アーム９１１３がこの振動によって変形し、圧電材層９１１４はその変形量に応じた電圧を発生する。そして、この電圧は第１電極９１１５と第２電極９１１６との間の電位差（電圧ＶO）として表れる。
図１０を参照すると、発電部９１１に外部からエネルギー（通常は構造体９０からの振動）が与えられると錘体９１１２が振動する。アーム９１１３がこの振動によって変形し、圧電材層９１１４はその変形量に応じた電圧を発生する。そして、この電圧は第１電極９１１５と第２電極９１１６との間の電位差（電圧ＶO）として表れる。
図９に示されるように、インダクタ・スイッチ回路９２は、インダクタ９２１とスイッチ９２２との直列接続回路であり、発電部９１１の第１電極９１１５と第２電極９１１６との間に接続されている。
インダクタ９２１は、発電部９１１のキャパシタ９１１８（キャパシタンスＣO）とともに共振回路を構成している。
スイッチ９２２は、制御回路９３からの制御信号Ｓによりターンオン・ターンオフ制御される。
インダクタ９２１は、発電部９１１のキャパシタ９１１８（キャパシタンスＣO）とともに共振回路を構成している。
スイッチ９２２は、制御回路９３からの制御信号Ｓによりターンオン・ターンオフ制御される。
制御回路９３は、発電部９１１の機械振動の変位（例えば錘体９１１２の変位）を、電気的または光学的に監視しており、当該機械振動の変位の大きさが最大（極大または極小）に近くなったとき、最大（極大または極小）となったとき、または最大（極大または極小）となった後一定時間を経過したときに、スイッチ９２２をオフ状態からオン状態に切り替える。
制御回路９３によるスイッチ９２２の切り替え制御では、キャパシタ９１１８の充電エネルギーをインダクタ９２１との間でやり取りさせ、キャパシタ９１１８の充電電荷の極性の反転を行う。そして、充電電荷の極性の反転が終了したタイミングで、制御回路９３はスイッチ９２２をオン状態からオフ状態に切り替える。
この制御回路９３の一連の動作を本明細書ではＳＳＨＩ制御と言う。
制御回路９３によるスイッチ９２２の切り替え制御では、キャパシタ９１１８の充電エネルギーをインダクタ９２１との間でやり取りさせ、キャパシタ９１１８の充電電荷の極性の反転を行う。そして、充電電荷の極性の反転が終了したタイミングで、制御回路９３はスイッチ９２２をオン状態からオフ状態に切り替える。
この制御回路９３の一連の動作を本明細書ではＳＳＨＩ制御と言う。
制御回路９３がスイッチ９２２に与える制御信号Ｓ、第１電極９１１５，第２電極９１１６間の電圧ＶO、発電部９１１の機械振動の変位ｄｚ（錘体９１１２の変位）を図１１に示す。
第１電極９１１５，第２電極９１１６間に現れる電圧ＶOは、図９に参照されるように、錘体９１１２の振動により生じた電圧Ｖｇに、上述した充電電荷の極性の反転による電圧ＶCOが重畳された（オフセットされた）電圧である。
電力取得回路９４は整流器９４１と充電用のキャパシタ９４２とからなり、ＳＳＨＩ制御により制御された発電部９１１からの電力は、整流器９４１を介して充電用のキャパシタ９４２に蓄積される。
第１電極９１１５，第２電極９１１６間に現れる電圧ＶOは、図９に参照されるように、錘体９１１２の振動により生じた電圧Ｖｇに、上述した充電電荷の極性の反転による電圧ＶCOが重畳された（オフセットされた）電圧である。
電力取得回路９４は整流器９４１と充電用のキャパシタ９４２とからなり、ＳＳＨＩ制御により制御された発電部９１１からの電力は、整流器９４１を介して充電用のキャパシタ９４２に蓄積される。
図１１に示した電圧ＶOは、発電部９１１の機械振動の変位ｄｚの抑制を考慮しない場合の第１電極９１１５，第２電極９１１６間の電圧であり、実際には、上述した第１電極９１１５，第２電極９１１６に充電される電荷の極性が反転することにより、発電部９１１の機械振動の変位ｄｚが抑制される。
このため、発電部９１１の機械振動の振動数が固有振動数である場合や固有振動数に近い場合には、発電部９１１の機械振動の変位ｄｚの抑制作用が顕著になり、結果、発電部９１１の機械振動の振幅がほとんどゼロに収束してしまう。
この場合の、制御回路９３がスイッチ９２２に与える制御信号Ｓ、第１電極９１１５，第２電極９１１６間の電圧ＶO、発電部９１１の機械振動の変位ｄｚを図１２に示す。
図１２では、発電部の機械振動の変位ｄｚがゼロに近くなった時点（図１２の時刻ｔO1参照）で、ＳＳＨＩ制御を中止することで、錘体９１１２の振動を元に戻すようにしている。
この場合には、制御回路９３には、錘体９１１２の振動がゼロに近くなったことを検出する機能、ＳＳＨＩ制御を中止・再開する機能等が必要となる。
このため、発電部９１１の機械振動の振動数が固有振動数である場合や固有振動数に近い場合には、発電部９１１の機械振動の変位ｄｚの抑制作用が顕著になり、結果、発電部９１１の機械振動の振幅がほとんどゼロに収束してしまう。
この場合の、制御回路９３がスイッチ９２２に与える制御信号Ｓ、第１電極９１１５，第２電極９１１６間の電圧ＶO、発電部９１１の機械振動の変位ｄｚを図１２に示す。
図１２では、発電部の機械振動の変位ｄｚがゼロに近くなった時点（図１２の時刻ｔO1参照）で、ＳＳＨＩ制御を中止することで、錘体９１１２の振動を元に戻すようにしている。
この場合には、制御回路９３には、錘体９１１２の振動がゼロに近くなったことを検出する機能、ＳＳＨＩ制御を中止・再開する機能等が必要となる。
本発明の目的は、振動発電装置においてＳＳＨＩ制御を行うに際し、簡易な構成により、発電部の機械振動を安定した状態で維持させつつ電力を取得することである。
本発明は、以下を要旨とする。
（１）
層形成された圧電材と、その両面に形成した第１電極および第２電極を有する発電部を備えた発電回路と、
前記発電回路の出力端子間に接続された、インダクタおよびスイッチの直列回路からなるインダクタ・スイッチ回路と、
前記スイッチを制御する制御回路と、
を備え、前記発電部が、外部からエネルギーを受けて機械振動し、これにより前記圧電材が振動によって変形することで前記２電極から交流電力を出力する振動発電装置において、
さらに、
前記発電回路は、前記発電部に直列または並列に接続された少なくとも１つのキャパシタ、または前記発電部に直列および並列に接続された複数のキャパシタ、
を備え、
前記制御回路は、
前記インダクタと、前記発電部に形成されるキャパシタおよび前記少なくとも１つのキャパシタとの間のエネルギーの授受のタイミング、または、
前記インダクタと、前記発電部に形成されるキャパシタおよび前記複数のキャパシタとの間のエネルギーの授受のタイミング、
を前記スイッチのターンオン・ターンオフにより制御し、これにより前記発電部の機械振動を制御することを特徴とする振動発電装置。
以下、「発電部に直列または並列に接続された少なくとも１つのキャパシタ」または「発電部に直列および並列に接続された複数のキャパシタ」を、「追加キャパシタ」とも言う。
また、「発電部に形成されるキャパシタおよび追加キャパシタ」を、「合成キャパシタ」とも言う。
（１）の発明では、発電回路の２出力端子間に接続されたインダクタ・スイッチ回路のインダクタと合成キャパシタとがＬＣ共振回路を構成している。制御回路はインダクタと合成キャパシタとの間でのエネルギーの授受のタイミングを、スイッチのターンオン・ターンオフにより制御し、これにより発電部の機械振動（の大きさ）を調整する。
（１）
層形成された圧電材と、その両面に形成した第１電極および第２電極を有する発電部を備えた発電回路と、
前記発電回路の出力端子間に接続された、インダクタおよびスイッチの直列回路からなるインダクタ・スイッチ回路と、
前記スイッチを制御する制御回路と、
を備え、前記発電部が、外部からエネルギーを受けて機械振動し、これにより前記圧電材が振動によって変形することで前記２電極から交流電力を出力する振動発電装置において、
さらに、
前記発電回路は、前記発電部に直列または並列に接続された少なくとも１つのキャパシタ、または前記発電部に直列および並列に接続された複数のキャパシタ、
を備え、
前記制御回路は、
前記インダクタと、前記発電部に形成されるキャパシタおよび前記少なくとも１つのキャパシタとの間のエネルギーの授受のタイミング、または、
前記インダクタと、前記発電部に形成されるキャパシタおよび前記複数のキャパシタとの間のエネルギーの授受のタイミング、
を前記スイッチのターンオン・ターンオフにより制御し、これにより前記発電部の機械振動を制御することを特徴とする振動発電装置。
以下、「発電部に直列または並列に接続された少なくとも１つのキャパシタ」または「発電部に直列および並列に接続された複数のキャパシタ」を、「追加キャパシタ」とも言う。
また、「発電部に形成されるキャパシタおよび追加キャパシタ」を、「合成キャパシタ」とも言う。
（１）の発明では、発電回路の２出力端子間に接続されたインダクタ・スイッチ回路のインダクタと合成キャパシタとがＬＣ共振回路を構成している。制御回路はインダクタと合成キャパシタとの間でのエネルギーの授受のタイミングを、スイッチのターンオン・ターンオフにより制御し、これにより発電部の機械振動（の大きさ）を調整する。
（２）
層形成された圧電材と、その両面に形成した第１電極および第２電極を有する発電部を備えた発電回路と、
前記発電回路の２出力端子間に接続され、入力段に整流器を有する電力取得回路と、
前記発電回路の一方の端子を始点として前記電力取得回路を経て前記発電回路の他方の端子に戻るライン上に設けられた、インダクタおよびスイッチからなるインダクタ・スイッチ回路と、
前記スイッチを制御する制御回路と、
を備え、前記発電部が、外部からエネルギーを受けて機械振動し、これにより前記圧電材が振動によって変形することで前記第１電極および前記第２電極から交流電力を出力する振動発電装置において、
さらに、
前記発電部に直列または並列に接続された少なくとも１つのキャパシタ、または前記発電部に直列および並列に接続された複数のキャパシタ、
を備え、
前記制御回路は、
前記インダクタと、前記発電部に形成されるキャパシタおよび前記少なくとも１つのキャパシタとの間のエネルギーの授受のタイミング、または、
前記インダクタと、前記発電部に形成されるキャパシタおよび前記複数のキャパシタとの間のエネルギーの授受のタイミング、
を前記スイッチのターンオン・ターンオフにより制御し、これにより前記発電部の機械振動を制御することを特徴とする振動発電装置。
（２）の発明では、発電回路の一方の端子を始点として電力取得回路を経て発電回路の他方の端子に戻るライン上に設けられたインダクタ・スイッチ回路のインダクタと合成キャパシタとがＬＣ共振回路を構成している。制御回路はインダクタと合成キャパシタとの間でのエネルギーの授受のタイミングを、スイッチのターンオン・ターンオフにより制御し、これにより発電部の機械振動（の大きさ）を調整する。
層形成された圧電材と、その両面に形成した第１電極および第２電極を有する発電部を備えた発電回路と、
前記発電回路の２出力端子間に接続され、入力段に整流器を有する電力取得回路と、
前記発電回路の一方の端子を始点として前記電力取得回路を経て前記発電回路の他方の端子に戻るライン上に設けられた、インダクタおよびスイッチからなるインダクタ・スイッチ回路と、
前記スイッチを制御する制御回路と、
を備え、前記発電部が、外部からエネルギーを受けて機械振動し、これにより前記圧電材が振動によって変形することで前記第１電極および前記第２電極から交流電力を出力する振動発電装置において、
さらに、
前記発電部に直列または並列に接続された少なくとも１つのキャパシタ、または前記発電部に直列および並列に接続された複数のキャパシタ、
を備え、
前記制御回路は、
前記インダクタと、前記発電部に形成されるキャパシタおよび前記少なくとも１つのキャパシタとの間のエネルギーの授受のタイミング、または、
前記インダクタと、前記発電部に形成されるキャパシタおよび前記複数のキャパシタとの間のエネルギーの授受のタイミング、
を前記スイッチのターンオン・ターンオフにより制御し、これにより前記発電部の機械振動を制御することを特徴とする振動発電装置。
（２）の発明では、発電回路の一方の端子を始点として電力取得回路を経て発電回路の他方の端子に戻るライン上に設けられたインダクタ・スイッチ回路のインダクタと合成キャパシタとがＬＣ共振回路を構成している。制御回路はインダクタと合成キャパシタとの間でのエネルギーの授受のタイミングを、スイッチのターンオン・ターンオフにより制御し、これにより発電部の機械振動（の大きさ）を調整する。
（１）および（２）の発明では、発電部は、典型的にはカンチレバー型（後述する（７）参照）である。本発明では、発電部はカンチレバー型に限定されず、両端支持梁型（ｄｏｕｂｌｅ－ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｅａｍ）等の種々のタイプを採用することができる。
圧電材層にはＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙ Ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ Ｄｉ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）等の樹脂系圧電材であってもよいし、ピエゾ等のセラミック系圧電材であってもよい。
（１）および（２）の発明では、追加キャパシタとして、通常のコンデンサを使用できることはもちろん、可変容量ダイオード、ＭＯＳＦＥＴ、単体のダイオード、逆接続したダイオードペア等も使用できる。
追加キャパシタのキャパシタンスは、発電部の構造によっても影響される。たとえば、追加キャパシタが発電部に直列接続されるとする。追加キャパシタのキャパシタンスが小さすぎると、発生する発電量が少なくなり発電能力が低下する。逆に追加キャパシタのキャパシタンスが大きすぎると、振動抑制が強くなり過ぎて発電部の振動が停止してしまう。
例えば、発電部に直列接続される追加キャパシタのキャパシタンスは発電部のキャパシタンスの０．５～８倍とすることが好ましく、４～６倍とすることがより好ましい。発電部に並列接続される追加キャパシタのキャパシタンスも概ね上記と同様である。
また、本発明では、前記スイッチとして、リレーや半導体スイッチが使用できる。半導体スイッチとして、例えばＭＯＳＦＥＴ，光ＭＯＳＦＥＴ，バイポーラトランジスタ等が使用できる。
なお、インダクタの抵抗成分、スイッチの抵抗成分、発電部の抵抗成分等がインダクタと合成キャパシタとの間でのエネルギーの授受のタイミングに影響することもあり、この場合には、制御回路は抵抗成分も考慮したタイミングの制御を行うことができる。
圧電材層にはＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙ Ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ Ｄｉ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）等の樹脂系圧電材であってもよいし、ピエゾ等のセラミック系圧電材であってもよい。
（１）および（２）の発明では、追加キャパシタとして、通常のコンデンサを使用できることはもちろん、可変容量ダイオード、ＭＯＳＦＥＴ、単体のダイオード、逆接続したダイオードペア等も使用できる。
追加キャパシタのキャパシタンスは、発電部の構造によっても影響される。たとえば、追加キャパシタが発電部に直列接続されるとする。追加キャパシタのキャパシタンスが小さすぎると、発生する発電量が少なくなり発電能力が低下する。逆に追加キャパシタのキャパシタンスが大きすぎると、振動抑制が強くなり過ぎて発電部の振動が停止してしまう。
例えば、発電部に直列接続される追加キャパシタのキャパシタンスは発電部のキャパシタンスの０．５～８倍とすることが好ましく、４～６倍とすることがより好ましい。発電部に並列接続される追加キャパシタのキャパシタンスも概ね上記と同様である。
また、本発明では、前記スイッチとして、リレーや半導体スイッチが使用できる。半導体スイッチとして、例えばＭＯＳＦＥＴ，光ＭＯＳＦＥＴ，バイポーラトランジスタ等が使用できる。
なお、インダクタの抵抗成分、スイッチの抵抗成分、発電部の抵抗成分等がインダクタと合成キャパシタとの間でのエネルギーの授受のタイミングに影響することもあり、この場合には、制御回路は抵抗成分も考慮したタイミングの制御を行うことができる。
（３）
（１）または（２）に記載の振動発電装置であって、
前記制御回路は、前記発電部の機械振動の変位の大きさが最大に近くなったとき、最大になったとき、または最大になった後一定時間を経過したときに、前記スイッチを所定時間オン状態として前記発電部に形成されるキャパシタの充電極性を逆向きとすることで、その後に生じる前記発電部の機械振動の変位を抑制することを特徴とする振動発電装置。
（１）または（２）に記載の振動発電装置であって、
前記制御回路は、前記発電部の機械振動の変位の大きさが最大に近くなったとき、最大になったとき、または最大になった後一定時間を経過したときに、前記スイッチを所定時間オン状態として前記発電部に形成されるキャパシタの充電極性を逆向きとすることで、その後に生じる前記発電部の機械振動の変位を抑制することを特徴とする振動発電装置。
（４）
（１）または（２）に記載の振動発電装置であって、
前記制御回路は、前記発電部の発生電圧が極値に近くなったとき、極値になったとき、または極値になった後一定時間を経過したときに、前記スイッチを所定時間オン状態として前記発電部に形成されるキャパシタの充電極性を逆向きとすることで、その後に生じる前記発電部の機械振動の変位を抑制することを特徴とする振動発電装置。
（３），（４）の振動発電装置において、スイッチをオン状態とする時間（ターンオンからターンオフするまでの時間）は、概ね、共振周期の１／２の奇数倍（π×（ＬＣ）1/2×（２ｎ－１）：ｎは正の整数）とすることができる。この時間は、インダクタと合成キャパシタとにより構成したＬＣ回路における、前記発電部のキャパシタの充電極性が反転する時間とすることができる。
制御回路は、（３）の「発電部の機械振動の変位の大きさが最大に近くなったとき、最大になったとき、または最大になった後一定時間を経過したとき」のタイミングや、（４）の「発電部の発生電圧が極値に近くなったとき、極値になったとき、または極値になった後一定時間を経過したとき」のタイミングを、発電回路の出力電圧の値や微分値を監視することで検出できる。また、制御回路は、インダクタを流れる電流（すなわち、スイッチを流れる電流）の値や微分値、またはゼロクロス時刻を監視することで上記のタイミングを検出することもできる。
（１）または（２）に記載の振動発電装置であって、
前記制御回路は、前記発電部の発生電圧が極値に近くなったとき、極値になったとき、または極値になった後一定時間を経過したときに、前記スイッチを所定時間オン状態として前記発電部に形成されるキャパシタの充電極性を逆向きとすることで、その後に生じる前記発電部の機械振動の変位を抑制することを特徴とする振動発電装置。
（３），（４）の振動発電装置において、スイッチをオン状態とする時間（ターンオンからターンオフするまでの時間）は、概ね、共振周期の１／２の奇数倍（π×（ＬＣ）1/2×（２ｎ－１）：ｎは正の整数）とすることができる。この時間は、インダクタと合成キャパシタとにより構成したＬＣ回路における、前記発電部のキャパシタの充電極性が反転する時間とすることができる。
制御回路は、（３）の「発電部の機械振動の変位の大きさが最大に近くなったとき、最大になったとき、または最大になった後一定時間を経過したとき」のタイミングや、（４）の「発電部の発生電圧が極値に近くなったとき、極値になったとき、または極値になった後一定時間を経過したとき」のタイミングを、発電回路の出力電圧の値や微分値を監視することで検出できる。また、制御回路は、インダクタを流れる電流（すなわち、スイッチを流れる電流）の値や微分値、またはゼロクロス時刻を監視することで上記のタイミングを検出することもできる。
（５）
（１）または（２）に記載の振動発電装置であって、
前記インダクタのインダクタンス、および前記発電部に接続された前記少なくとも１つのキャパシタのキャパシタンスまたは前記複数のキャパシタのキャパシタンスは、前記発電部の機械振動の変位を抑制しながら前記振動を継続させる値に設定されていることを特徴とする振動発電装置。
（１）または（２）に記載の振動発電装置であって、
前記インダクタのインダクタンス、および前記発電部に接続された前記少なくとも１つのキャパシタのキャパシタンスまたは前記複数のキャパシタのキャパシタンスは、前記発電部の機械振動の変位を抑制しながら前記振動を継続させる値に設定されていることを特徴とする振動発電装置。
（６）
（１）または（２）に記載の振動発電装置であって、
前記制御回路は、前記発電部に接続された前記少なくとも１つのキャパシタのキャパシタンスまたは前記複数のキャパシタのキャパシタンスを変更する機能を備えた振動発電装置。
（１）または（２）に記載の振動発電装置であって、
前記制御回路は、前記発電部に接続された前記少なくとも１つのキャパシタのキャパシタンスまたは前記複数のキャパシタのキャパシタンスを変更する機能を備えた振動発電装置。
（７）
（１）から（６）の何れか１項に記載の振動発電装置であって、
前記発電部がカンチレバー型であることを特徴とする振動発電装置。
本発明において、発電部は典型的にはカンチレバーであるが、これに限定されず、例えば両端支持梁等の他の構成も使用される。
（１）から（６）の何れか１項に記載の振動発電装置であって、
前記発電部がカンチレバー型であることを特徴とする振動発電装置。
本発明において、発電部は典型的にはカンチレバーであるが、これに限定されず、例えば両端支持梁等の他の構成も使用される。
以下に、本発明の振動発電装置の動作例を説明する。
なお、以下の例では追加キャパシタは、発電部に直列接続されたているものとする。
図９および図１０に例示した従来の振動発電装置におけるＳＳＨＩ制御において、発電部が発生するエネルギーがＷOであり、発電部のキャパシタ９１１８（キャパシタンスＣO）に生じる電荷がＱOであるとする。
また、本発明の振動発電装置におけるＳＳＨＩ制御において、発電部が発生するエネルギーがＷ1であり、スイッチがターンオンしたときに合成キャパシタ（発電部のキャパシタと追加キャパシタ）に生じる電荷がＱ1であるとする。合成キャパシタに生じる電荷がＱ1であれば、合成キャパシタを構成する発電部のキャパシタにも電荷Ｑ1が生じ、追加キャパシタにも電荷Ｑ1が生じる。
本発明の振動発電装置において、合成キャパシタのキャパシタンスＣ1の値は、発電部のキャパシタのキャパシタンスＣOよりも小さいので、Ｃ1＜ＣOとなる。
ここで、ＷO＝Ｗ1であると仮定すると、Ｃ1＜ＣOなので、Ｑ1＜ＱOが成立する（ＷO＝Ｗ1の条件、およびエネルギーの式、ＱO 2／（２ＣO）＝Ｑ1 2／（２Ｃ1）による）。
すなわち、本発明の振動発電装置では、電荷の移動量（充電電荷量）が従来の振動発電装置（図１２参照）よりも少なくなっている。
上述したように、Ｑ1は、発電部に形成されているキャパシタに充電される電荷でもあるので、発電部の第１電極，第２電極に与えられる電荷は、追加キャパシタがない場合に比べて、追加キャパシタがある場合の方が少なくなる。
本発明では、追加キャパシタにより、発電部の機械振動の変位の抑制を調整（緩和）できるので、発電部の振動を減衰させることなく発電動作を継続することができる。
なお、発電部に並列に追加のキャパシタを接続した場合には、発電部の機械振動の変位の抑制を強化することができるので、発電部の振動が大きくなりすぎる場合に、発電部は最適な振動を行いつつ発電動作を継続することができる。
なお、以下の例では追加キャパシタは、発電部に直列接続されたているものとする。
図９および図１０に例示した従来の振動発電装置におけるＳＳＨＩ制御において、発電部が発生するエネルギーがＷOであり、発電部のキャパシタ９１１８（キャパシタンスＣO）に生じる電荷がＱOであるとする。
また、本発明の振動発電装置におけるＳＳＨＩ制御において、発電部が発生するエネルギーがＷ1であり、スイッチがターンオンしたときに合成キャパシタ（発電部のキャパシタと追加キャパシタ）に生じる電荷がＱ1であるとする。合成キャパシタに生じる電荷がＱ1であれば、合成キャパシタを構成する発電部のキャパシタにも電荷Ｑ1が生じ、追加キャパシタにも電荷Ｑ1が生じる。
本発明の振動発電装置において、合成キャパシタのキャパシタンスＣ1の値は、発電部のキャパシタのキャパシタンスＣOよりも小さいので、Ｃ1＜ＣOとなる。
ここで、ＷO＝Ｗ1であると仮定すると、Ｃ1＜ＣOなので、Ｑ1＜ＱOが成立する（ＷO＝Ｗ1の条件、およびエネルギーの式、ＱO 2／（２ＣO）＝Ｑ1 2／（２Ｃ1）による）。
すなわち、本発明の振動発電装置では、電荷の移動量（充電電荷量）が従来の振動発電装置（図１２参照）よりも少なくなっている。
上述したように、Ｑ1は、発電部に形成されているキャパシタに充電される電荷でもあるので、発電部の第１電極，第２電極に与えられる電荷は、追加キャパシタがない場合に比べて、追加キャパシタがある場合の方が少なくなる。
本発明では、追加キャパシタにより、発電部の機械振動の変位の抑制を調整（緩和）できるので、発電部の振動を減衰させることなく発電動作を継続することができる。
なお、発電部に並列に追加のキャパシタを接続した場合には、発電部の機械振動の変位の抑制を強化することができるので、発電部の振動が大きくなりすぎる場合に、発電部は最適な振動を行いつつ発電動作を継続することができる。
発電部の第１電極，第２電極に与える電荷量を適宜に設定できるので、発電部の振動状態の調整（機械振動の変位の大きさを適切な値に保つ）することができる。
これにより、発電部の機械振動を適正な状態に維持することができる。
また、本発明では、発電回路の出力電圧を高くできるので、発電回路から電力取得回路に電力を効率よく移送することができる。
これにより、発電部の機械振動を適正な状態に維持することができる。
また、本発明では、発電回路の出力電圧を高くできるので、発電回路から電力取得回路に電力を効率よく移送することができる。
図１は本発明の振動発電装置の第１実施形態を示す回路図であり、図２は図１の振動発電装置を模式的に示す図である。
図１および図２に示すように、振動発電装置１は、発電回路１１とインダクタ・スイッチ回路１２と制御回路１３と電力取得回路１４とから構成されている。
図１および図２に示すように、振動発電装置１は、発電回路１１とインダクタ・スイッチ回路１２と制御回路１３と電力取得回路１４とから構成されている。
発電回路１１は、発電部１１１と追加キャパシタ１１２とからなる。
第１実施形態では、図２に参照されるように、発電部１１１はカンチレバー型である。
図２の拡大表示Ｋに示すように、発電部１１１は、支持体１１１１と錘体１１１２とアーム１１１３とを備えており、アーム１１１３には圧電材層１１１４と、第１電極１１１５および第２電極１１１６が形成されている。
カンチレバー型の発電部１１１は、例えば橋梁等の振動構造体１０に取り付けられる。
圧電材層１１１４はＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙ Ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ Ｄｉ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）等の圧電樹脂材であってもよいし、ピエゾ（ＰＺＴ）等の圧電セラミック材であってもよい。
発電部１１１は、図１に示されるように、典型的には交流電源１１１７とキャパシタ１１１８との直列接続回路で表される。
電力取得回路１４は、整流器（第１実施形態ではダイオードブリッジ）１４１と充電用のキャパシタ１４２とから構成されている。なお、図示はしていないが、キャパシタ１４２は二次電池等であってもよい。また、充電用のキャパシタ１４２にはＤＣ／ＤＣコンバータなどの電気回路、負荷（抵抗や二次電池）等を接続することができる。
第１実施形態では、図２に参照されるように、発電部１１１はカンチレバー型である。
図２の拡大表示Ｋに示すように、発電部１１１は、支持体１１１１と錘体１１１２とアーム１１１３とを備えており、アーム１１１３には圧電材層１１１４と、第１電極１１１５および第２電極１１１６が形成されている。
カンチレバー型の発電部１１１は、例えば橋梁等の振動構造体１０に取り付けられる。
圧電材層１１１４はＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙ Ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ Ｄｉ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）等の圧電樹脂材であってもよいし、ピエゾ（ＰＺＴ）等の圧電セラミック材であってもよい。
発電部１１１は、図１に示されるように、典型的には交流電源１１１７とキャパシタ１１１８との直列接続回路で表される。
電力取得回路１４は、整流器（第１実施形態ではダイオードブリッジ）１４１と充電用のキャパシタ１４２とから構成されている。なお、図示はしていないが、キャパシタ１４２は二次電池等であってもよい。また、充電用のキャパシタ１４２にはＤＣ／ＤＣコンバータなどの電気回路、負荷（抵抗や二次電池）等を接続することができる。
第１実施形態では、発電部１１１には直列に追加キャパシタ１１２が接続されている。
追加キャパシタ１１２はキャパシタ１１２１（キャパシタンスＣａ）およびキャパシタ１１２２（キャパシタンスＣｂ）からなり、これらは発電部１１１に対して対称に配置されている。
第１実施形態では、制御回路１３は、発電回路１１の出力電圧Ｖ1（または電力取得回路１４の入力電圧）を取り込み、出力電圧Ｖ1の極値（極大および極小）を検出している。
制御回路１３は出力電圧Ｖ1の極値を検出したときは、スイッチ１２２にターンオンのための制御信号Ｓを送出する。なお、出力電圧Ｖ1の極値からやや振幅が小さくなった時点（極値から振幅が数ｍｍＶ小さくなった時点）でスイッチ１２２をターンオンしてもよい。
追加キャパシタ１１２はキャパシタ１１２１（キャパシタンスＣａ）およびキャパシタ１１２２（キャパシタンスＣｂ）からなり、これらは発電部１１１に対して対称に配置されている。
第１実施形態では、制御回路１３は、発電回路１１の出力電圧Ｖ1（または電力取得回路１４の入力電圧）を取り込み、出力電圧Ｖ1の極値（極大および極小）を検出している。
制御回路１３は出力電圧Ｖ1の極値を検出したときは、スイッチ１２２にターンオンのための制御信号Ｓを送出する。なお、出力電圧Ｖ1の極値からやや振幅が小さくなった時点（極値から振幅が数ｍｍＶ小さくなった時点）でスイッチ１２２をターンオンしてもよい。
インダクタ・スイッチ回路１２は、インダクタ１２１とスイッチ１２２との直列接続回路である。第１実施形態では、インダクタ・スイッチ回路１２は、発電回路１１（発電部１１１と追加キャパシタ１１２との直列接続回路）の２出力端子に接続されている。
第１電極１１１５，第２電極１１１６間に形成されるキャパシタ１１１８と、追加キャパシタ１１２（キャパシタ１１２１およびキャパシタ１１２２）の直列接続と等価なキャパシタを合成キャパシタΓと称する。なお、この合成キャパシタΓは、図面には表されていない。
合成キャパシタΓのキャパシタンスＣ1は、キャパシタ１１１８のキャパシタンスをＣO、キャパシタ１１２１のキャパシタンスをＣａ、キャパシタ１１２２のキャパシタンスをＣｂとすると、
Ｃ1＝ＣO×Ｃａ×Ｃｂ／（ＣO×Ｃａ＋Ｃａ×Ｃｂ＋Ｃｂ×ＣO）
で表される。
第１電極１１１５，第２電極１１１６間に形成されるキャパシタ１１１８と、追加キャパシタ１１２（キャパシタ１１２１およびキャパシタ１１２２）の直列接続と等価なキャパシタを合成キャパシタΓと称する。なお、この合成キャパシタΓは、図面には表されていない。
合成キャパシタΓのキャパシタンスＣ1は、キャパシタ１１１８のキャパシタンスをＣO、キャパシタ１１２１のキャパシタンスをＣａ、キャパシタ１１２２のキャパシタンスをＣｂとすると、
Ｃ1＝ＣO×Ｃａ×Ｃｂ／（ＣO×Ｃａ＋Ｃａ×Ｃｂ＋Ｃｂ×ＣO）
で表される。
第１実施形態の振動発電装置１の動作を以下に説明する（符号付きの構成要素については、図１および図２を参照）。
第１実施形態では、制御回路１３は、発電回路１１の出力電圧Ｖ1を監視（検出）している。
振動構造体１０からの振動が発電部１１１に伝わり発電部１１１が機械振動する場合、第１電極１１１５および第２電極１１１６間に交流起電力（電圧ＶO）が生じる。この電圧ＶOにより、両電極に電荷が誘起されこの電荷は電流として電力取得回路１４に送られる。
なお、発電部１１１が機械振動するとは、錘体１１１２が振動することまたはアーム１１１３が振動することであり、発電部１１１の機械振動の変位は、錘体１１１２の変位あるいはアーム１１１３の先端の変位を意味する。
制御回路１３は、発電部１１１の出力電圧Ｖ1の極値を検出するとスイッチ１２２をターンオンする。
インダクタ１２１（インダクタンスＬ）と合成キャパシタΓ（キャパシタンスＣ1）はＬＣ回路を構成している。スイッチ１２２がターンオンすると、合成キャパシタΓに充電されている電荷（蓄積エネルギー）は、インダクタ１２１に渡され、さらに充電電荷の極性を反転した状態で合成キャパシタΓに戻される。
第１実施形態では、制御回路１３は、発電回路１１の出力電圧Ｖ1を監視（検出）している。
振動構造体１０からの振動が発電部１１１に伝わり発電部１１１が機械振動する場合、第１電極１１１５および第２電極１１１６間に交流起電力（電圧ＶO）が生じる。この電圧ＶOにより、両電極に電荷が誘起されこの電荷は電流として電力取得回路１４に送られる。
なお、発電部１１１が機械振動するとは、錘体１１１２が振動することまたはアーム１１１３が振動することであり、発電部１１１の機械振動の変位は、錘体１１１２の変位あるいはアーム１１１３の先端の変位を意味する。
制御回路１３は、発電部１１１の出力電圧Ｖ1の極値を検出するとスイッチ１２２をターンオンする。
インダクタ１２１（インダクタンスＬ）と合成キャパシタΓ（キャパシタンスＣ1）はＬＣ回路を構成している。スイッチ１２２がターンオンすると、合成キャパシタΓに充電されている電荷（蓄積エネルギー）は、インダクタ１２１に渡され、さらに充電電荷の極性を反転した状態で合成キャパシタΓに戻される。
第１実施形態では、制御回路１３には、充電電荷の極性の反転が行われるタイミングがプリセットされている。このプリセットタイミングは、共振周期の１／２の奇数倍（π×（ＬＣ）1/2×（２ｎ－１）：ｎは正の整数）であり、制御回路１３は、このタイミングでスイッチ１２２をターンオフする。
なお、インダクタ・スイッチ回路１２において、インダクタ１２１とスイッチ１２２との位置関係は、図１に示す配置順と逆であってもよい。
なお、インダクタ・スイッチ回路１２において、インダクタ１２１とスイッチ１２２との位置関係は、図１に示す配置順と逆であってもよい。
図３に発電回路１１の出力電圧Ｖ1の波形、および、発電部１１１の第１電極１１１５，第２電極１１１６間の電圧ＶOの波形を示す。
図３からわかるように、第１電極１１１５，第２電極１１１６間の電圧ＶO（図３の太実線）は、発電回路１１の出力電圧Ｖ1（図３の細実線）よりも低い電圧として与えられる。
図３において、極性反転時をｔDOWN，ｔUPで示す。電圧ＶOと出力電圧Ｖ1の極
性反転時の変化に注目すると、出力電圧Ｖ1に比べて電圧ＶOの変化が小さい。
これは、本発明の振動発電装置では、第１電極１１１５，第２電極１１１６に充電される電荷量（合成キャパシタΓに充電される電荷量でもある）が、追加キャパシタ１１２を設けない場合（図９参照）に比べて少ないからである。
図３からわかるように、第１電極１１１５，第２電極１１１６間の電圧ＶO（図３の太実線）は、発電回路１１の出力電圧Ｖ1（図３の細実線）よりも低い電圧として与えられる。
図３において、極性反転時をｔDOWN，ｔUPで示す。電圧ＶOと出力電圧Ｖ1の極
性反転時の変化に注目すると、出力電圧Ｖ1に比べて電圧ＶOの変化が小さい。
これは、本発明の振動発電装置では、第１電極１１１５，第２電極１１１６に充電される電荷量（合成キャパシタΓに充電される電荷量でもある）が、追加キャパシタ１１２を設けない場合（図９参照）に比べて少ないからである。
前述したように、ＳＳＨＩ制御では、発電部１１１は、交流電源１１１７が発生する電圧の極性とは反転した極性で充電される。この反転した極性の電荷は、アーム１１１３の動きを抑制するように作用し、この充電電荷量が多くなり過ぎると発電部１１１の振動が停止する。
追加キャパシタ１１２がないときには、第１電極１１１５，第２電極１１１６に充電される反転極性（発電部１１１の機械振動の変位を抑制する極性）の電荷量が多い。このために、アーム１１１３は過度の抑制を受け、結果として発電部１１１の振動が停止する方向に向かうと考えられる。
第１実施形態では、発電部１１１に追加キャパシタ１１２を直列に接続することで、極性の反転に起因する発電部１１１の機械振動の変位の抑制を緩和することができる。これにより、発電部１１１の振動が停止することを回避でき、結果として発電効率を高くすることができる。
また、発電部１１１に直列接続した追加キャパシタ１１２は、発電回路１１の出力端子間電圧を高くするように作用するので、電力取得回路１４への電力移送が速やかに行われる。
追加キャパシタ１１２がないときには、第１電極１１１５，第２電極１１１６に充電される反転極性（発電部１１１の機械振動の変位を抑制する極性）の電荷量が多い。このために、アーム１１１３は過度の抑制を受け、結果として発電部１１１の振動が停止する方向に向かうと考えられる。
第１実施形態では、発電部１１１に追加キャパシタ１１２を直列に接続することで、極性の反転に起因する発電部１１１の機械振動の変位の抑制を緩和することができる。これにより、発電部１１１の振動が停止することを回避でき、結果として発電効率を高くすることができる。
また、発電部１１１に直列接続した追加キャパシタ１１２は、発電回路１１の出力端子間電圧を高くするように作用するので、電力取得回路１４への電力移送が速やかに行われる。
図４に、（ａ）第１実施形態におけるＳＳＨＩ制御をした場合（追加キャパシタを設けた場合）、（ｂ）追加キャパシタを設けずにＳＳＨＩ制御をした場合、（ｃ）ＳＳＨＩ制御をしない場合についての静電エネルギー生成をシミュレーションした結果を示す。
図４に示すように、（ａ）の第１実施形態におけるＳＳＨＩ制御による場合が、最も多く静電エネルギーを取得できることが立証される。
図４に示すように、（ａ）の第１実施形態におけるＳＳＨＩ制御による場合が、最も多く静電エネルギーを取得できることが立証される。
図５（Ａ），（Ｂ）に、追加キャパシタの配置変更例を示す。
図５（Ａ）では、図１の発電回路１１において、キャパシタ１１２１，１１２２に加えさらに発電部１１１に並列にキャパシタ１１２３（キャパシタンスＣｃ）を接続している。
図５（Ｂ）では、図１の発電回路１１において、キャパシタ１１２１，１１２２に加え、さらに発電回路１１の２出力端子間にキャパシタ１１２４（キャパシタンスＣｄ）を接続している。
図５（Ａ），（Ｂ）の発電回路１１では、キャパシタが回路に対称に配置されている。回路の対称性は、発電回路１１の出力の正負の対称性に寄与していると考えられる。
図５（Ａ）では、図１の発電回路１１において、キャパシタ１１２１，１１２２に加えさらに発電部１１１に並列にキャパシタ１１２３（キャパシタンスＣｃ）を接続している。
図５（Ｂ）では、図１の発電回路１１において、キャパシタ１１２１，１１２２に加え、さらに発電回路１１の２出力端子間にキャパシタ１１２４（キャパシタンスＣｄ）を接続している。
図５（Ａ），（Ｂ）の発電回路１１では、キャパシタが回路に対称に配置されている。回路の対称性は、発電回路１１の出力の正負の対称性に寄与していると考えられる。
図６（Ａ）に、２つのインダクタを用いたインダクタ・スイッチ回路１２の例を示す。図６（Ａ）では、図１のインダクタ・スイッチ回路１２において、スイッチ１２２に直列に２つのインダクタ１２１ａ，１２１ｂを接続している。
図６（Ｂ）に、２つのスイッチを用いたインダクタ・スイッチ回路１２の例を示す。図６（Ｂ）では、図１のインダクタ・スイッチ回路１２におけるインダクタ１２１に直列に２つのスイッチ１２２ａ，１２２ｂを接続している。
図６（Ａ），（Ｂ）の発電回路１１では、インダクタやスイッチが回路に対称に配置されている。回路の対称性は、発電回路１１の出力の対称性に寄与していると考えられる。
図６（Ｂ）に、２つのスイッチを用いたインダクタ・スイッチ回路１２の例を示す。図６（Ｂ）では、図１のインダクタ・スイッチ回路１２におけるインダクタ１２１に直列に２つのスイッチ１２２ａ，１２２ｂを接続している。
図６（Ａ），（Ｂ）の発電回路１１では、インダクタやスイッチが回路に対称に配置されている。回路の対称性は、発電回路１１の出力の対称性に寄与していると考えられる。
図７（Ａ）は、発電回路１１において追加キャパシタとしてキャパシタアレイを採用した振動発電装置１を示す図である。
図７（Ａ）において、発電部１１１の両端子にはキャパシタアレイ１１２５とキャパシタアレイ１１２６が接続されている。
図７（Ａ）では、制御回路１３からの選択信号により、キャパシタアレイ１１２５のキャパシタンスＣｅの値およびキャパシタアレイ１１２６のキャパシタンスＣｆの値をスイッチングにより変更できる。
図７（Ａ）において、制御回路１３は発電回路１１の出力電圧Ｖ1を監視しており、発電部１１１の振動が過度に抑制されるか否かを判断できる。
制御回路１３は、例えば、発電回路１１の出力電圧が低下する傾向にあると判断したときは、キャパシタアレイ１１２５とキャパシタアレイ１１２６の各キャパシタンスの合成値が小さくなるように、選択信号ＳＬＣＴ１，ＳＬＣＴ２を出力する。
この場合に、制御回路１３は、キャパシタアレイ１１２５のキャパシタンスＣｅとキャパシタアレイ１１２６のキャパシタンスＣｆが同じになるように選択信号ＳＬＣＴ１，ＳＬＣＴ２を出力することができる。
図７（Ａ）において、発電部１１１の両端子にはキャパシタアレイ１１２５とキャパシタアレイ１１２６が接続されている。
図７（Ａ）では、制御回路１３からの選択信号により、キャパシタアレイ１１２５のキャパシタンスＣｅの値およびキャパシタアレイ１１２６のキャパシタンスＣｆの値をスイッチングにより変更できる。
図７（Ａ）において、制御回路１３は発電回路１１の出力電圧Ｖ1を監視しており、発電部１１１の振動が過度に抑制されるか否かを判断できる。
制御回路１３は、例えば、発電回路１１の出力電圧が低下する傾向にあると判断したときは、キャパシタアレイ１１２５とキャパシタアレイ１１２６の各キャパシタンスの合成値が小さくなるように、選択信号ＳＬＣＴ１，ＳＬＣＴ２を出力する。
この場合に、制御回路１３は、キャパシタアレイ１１２５のキャパシタンスＣｅとキャパシタアレイ１１２６のキャパシタンスＣｆが同じになるように選択信号ＳＬＣＴ１，ＳＬＣＴ２を出力することができる。
図７（Ｂ）は追加キャパシタとして可変容量ダイオードを採用した振動発電装置１を示す図である。
図７（Ｂ）では、制御回路１３からの設定信号ＳＥＴ１，ＳＥＴ２により可変容量ダイオード１１２７および可変容量ダイオード１１２８の各キャパシタンスＣｇ，Ｃｈの値を変更できる。
図７（Ｂ）においても、制御回路１３は発電回路１１の出力電圧Ｖ1を監視しており、発電部１１１の振動が過度に抑制されるか否かを判断できる。
制御回路１３は、例えば、発電回路１１の出力電圧が低下する傾向にあると判断したときは、可変容量ダイオード１１２７のキャパシタンスＣｇと可変容量ダイオード１１２８のキャパシタンスＣｈの合計値が小さくなるように、設定信号ＳＥＴ１，ＳＥＴ２を出力する。
この場合に、制御回路１３は、可変容量ダイオードのキャパシタンスＣｇと可変容量ダイオード１１２８のキャパシタンスＣｈが同じになるように設定信号ＳＥＴ１，ＳＥＴ２を出力することができる。
図７（Ｂ）では、制御回路１３からの設定信号ＳＥＴ１，ＳＥＴ２により可変容量ダイオード１１２７および可変容量ダイオード１１２８の各キャパシタンスＣｇ，Ｃｈの値を変更できる。
図７（Ｂ）においても、制御回路１３は発電回路１１の出力電圧Ｖ1を監視しており、発電部１１１の振動が過度に抑制されるか否かを判断できる。
制御回路１３は、例えば、発電回路１１の出力電圧が低下する傾向にあると判断したときは、可変容量ダイオード１１２７のキャパシタンスＣｇと可変容量ダイオード１１２８のキャパシタンスＣｈの合計値が小さくなるように、設定信号ＳＥＴ１，ＳＥＴ２を出力する。
この場合に、制御回路１３は、可変容量ダイオードのキャパシタンスＣｇと可変容量ダイオード１１２８のキャパシタンスＣｈが同じになるように設定信号ＳＥＴ１，ＳＥＴ２を出力することができる。
図７（Ｃ）は追加キャパシタとして２つのキャパシタ１１２１，１１２２と、可変容量ダイオード１１２９を設けた振動発電装置１を示す図である。
図７（Ｃ）の振動発電装置１は、図５（Ａ）の振動発電装置１の発電回路１１における発電部１１１に並列接続したキャパシタ１１２３を、可変容量ダイオード１１２９に置き換えて構成されている。
図７（Ｃ）では、制御回路１３からの設定信号ＳＥＴにより可変容量ダイオード１１２９のキャパシタンスＣｉの値を変更できる。
図７（Ｃ）においても、制御回路１３は発電回路１１の出力電圧Ｖ1を監視しており、発電部１１１の振動が過度に抑制されるか否かを判断できる。
制御回路１３は、例えば、発電回路１１の出力電圧が低下する傾向にあると判断したときは、可変容量ダイオード１１２９のキャパシタンスＣｉの値が大きくなるように、可変容量ダイオード１１２９に設定信号ＳＥＴを出力する。
なお、図７（Ｃ）の振動発電装置１では、可変容量ダイオード１１２９にかえて、図７（Ａ）で示したキャパシタアレイを採用することもできる。
図７（Ｃ）の振動発電装置１は、図５（Ａ）の振動発電装置１の発電回路１１における発電部１１１に並列接続したキャパシタ１１２３を、可変容量ダイオード１１２９に置き換えて構成されている。
図７（Ｃ）では、制御回路１３からの設定信号ＳＥＴにより可変容量ダイオード１１２９のキャパシタンスＣｉの値を変更できる。
図７（Ｃ）においても、制御回路１３は発電回路１１の出力電圧Ｖ1を監視しており、発電部１１１の振動が過度に抑制されるか否かを判断できる。
制御回路１３は、例えば、発電回路１１の出力電圧が低下する傾向にあると判断したときは、可変容量ダイオード１１２９のキャパシタンスＣｉの値が大きくなるように、可変容量ダイオード１１２９に設定信号ＳＥＴを出力する。
なお、図７（Ｃ）の振動発電装置１では、可変容量ダイオード１１２９にかえて、図７（Ａ）で示したキャパシタアレイを採用することもできる。
図８は本発明の振動発電装置の第２実施形態を示す回路図である。
図８（Ａ）はインダクタ・スイッチ回路１２が発電回路１１の一方の出力端子から引き出されたライン上に設けられた振動発電装置１を示している。また、図８（Ｂ）はインダクタ１２１が発電回路１１の一方の出力端子と整流器１４１の一方の入力端子との間に接続され、スイッチ１２２が整流回路１４１の一方の出力端子から引き出されたライン上に設けられた振動発電装置１を示している。
なお、図示はしないが、インダクタ・スイッチ回路１２が整流回路１４１の一方の出力端子から引き出されたライン上に設けられるように構成することもできる。
図８（Ａ）はインダクタ・スイッチ回路１２が発電回路１１の一方の出力端子から引き出されたライン上に設けられた振動発電装置１を示している。また、図８（Ｂ）はインダクタ１２１が発電回路１１の一方の出力端子と整流器１４１の一方の入力端子との間に接続され、スイッチ１２２が整流回路１４１の一方の出力端子から引き出されたライン上に設けられた振動発電装置１を示している。
なお、図示はしないが、インダクタ・スイッチ回路１２が整流回路１４１の一方の出力端子から引き出されたライン上に設けられるように構成することもできる。
第１実施形態ではインダクタ・スイッチ回路１２は発電回路１１の２出力端子間に直接接続されている。
したがって、上述したように、第１実施形態の振動発電装置１では、発電回路１１は、常に電力取得回路１４に接続されている。
これに対して、図８（Ａ），（Ｂ）に示した第２実施形態では、上述したように、インダクタ・スイッチ回路１２は、発電回路１１の一方の端子を始点として電力取得回路１４を経て発電回路１１の他方の端子に戻るライン上に設けられている。
したがって、図８（Ａ），（Ｂ）の第２実施形態では、発電回路１１は、スイッチ１２２がオン状態のときだけ電力取得回路１４に接続される。
なお、図８の振動発電装置１において、追加キャパシタは、発電部１１１に直列接続されたキャパシタ１１２１，１１２２から構成されている。
したがって、上述したように、第１実施形態の振動発電装置１では、発電回路１１は、常に電力取得回路１４に接続されている。
これに対して、図８（Ａ），（Ｂ）に示した第２実施形態では、上述したように、インダクタ・スイッチ回路１２は、発電回路１１の一方の端子を始点として電力取得回路１４を経て発電回路１１の他方の端子に戻るライン上に設けられている。
したがって、図８（Ａ），（Ｂ）の第２実施形態では、発電回路１１は、スイッチ１２２がオン状態のときだけ電力取得回路１４に接続される。
なお、図８の振動発電装置１において、追加キャパシタは、発電部１１１に直列接続されたキャパシタ１１２１，１１２２から構成されている。
第２実施形態では、制御回路１３は出力電圧Ｖ1の極値を検出したときは、さらに極値からやや振幅が小さくなった時点（極値から振幅が数ｍｍＶ小さくなった時点）でスイッチ１２２にターンオンの制御信号Ｓを送出している。
スイッチ１２２がターンオンされると、キャパシタ１１１８および追加キャパシタ１１２（キャパシタ１１２１および１１２２）の充電電荷の極性の反転が行われる。
第２実施形態でも、制御回路１３には、充電電荷の極性の反転が行われるタイミング（π×（ＬＣ）1/2×（２ｎ－１）：ｎは正の整数）がプリセットされており、制御回路１３は、このタイミングでスイッチ１２２をターンオフする。
スイッチ１２２がターンオンされると、キャパシタ１１１８および追加キャパシタ１１２（キャパシタ１１２１および１１２２）の充電電荷の極性の反転が行われる。
第２実施形態でも、制御回路１３には、充電電荷の極性の反転が行われるタイミング（π×（ＬＣ）1/2×（２ｎ－１）：ｎは正の整数）がプリセットされており、制御回路１３は、このタイミングでスイッチ１２２をターンオフする。
図１の振動発電装置１と同様、図８（Ａ），（Ｂ）の振動発電装置１でも、電荷の移動量が従来の振動発電装置（図９および図１０参照）よりも少なくなっている。したがって、図８（Ａ），（Ｂ）の振動発電装置１でも、発電部１１１の機械振動の変位が過度に抑制されることはなく、発電部１１１の振動が停止する方向に向かうことはない。
なお、図８の発電回路１１では、追加キャパシタとして発電部１１１に直列接続したキャパシタ１１２１，１１２２が採用されている。この構成に代えて、図５（Ａ），（Ｂ）および図７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示した構成を採用することもできる。
なお、図８の発電回路１１では、追加キャパシタとして発電部１１１に直列接続したキャパシタ１１２１，１１２２が採用されている。この構成に代えて、図５（Ａ），（Ｂ）および図７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示した構成を採用することもできる。
１ ：振動発電装置
１０ ：振動構造体
１１ ：発電回路
１２ ：スイッチ回路
１３ ：制御回路
１４ ：電力取得回路
１１１ ：発電部
１１２ ：追加キャパシタ
１２１，１２１ａ，１２１ｂ ：インダクタ
１２２，１２２ａ，１２２ｂ ：スイッチ
１４１ ：整流器
１４２ ：充電用のキャパシタ
１１１１ ：支持体
１１１２ ：錘体
１１１３ ：アーム
１１１４ ：圧電材層
１１１５ ：第１電極
１１１６ ：第２電極
１１１７ ：交流電源（ＧO）
１１１８ ：キャパシタ（キャパシタンスＣO）
１１２１ ：キャパシタ（キャパシタンスＣａ）
１１２２ ：キャパシタ（キャパシタンスＣｂ）
１１２３ ：キャパシタ（キャパシタンスＣｃ）
１１２４ ：キャパシタ（キャパシタンスＣｄ）
１１２５ ：キャパシタアレイ（キャパシタンスＣｅ）
１１２６ ：キャパシタアレイ（キャパシタンスＣｆ）
１１２７ ：可変容量ダイオード（キャパシタンスＣｇ）
１１２８ ：可変容量ダイオード（キャパシタンスＣｈ）
１１２９ ：可変容量ダイオード（キャパシタンスＣｉ）
９ ：振動発電装置
９０ ：構造体
９１ ：発電回路
９２ ：スイッチ回路
９３ ：制御回路
９４ ：電力取得回路
９１１ ：発電部
９２１ ：インダクタ
９２２ ：スイッチ
９４１ ：整流器
９４２ ：充電用のキャパシタ
９１１１ ：支持体
９１１２ ：錘体
９１１３ ：アーム
９１１４ ：圧電材層
９１１５ ：第１電極
９１１６ ：第２電極
９１１７ ：交流電源
９１１８ ：キャパシタ
Ｓ ：制御信号
ＳＥＴ，ＳＥＴ１，ＳＥＴ２ ：設定信号
ＳＬＣＴ１，ＳＬＣＴ２ ：選択信号
ＶO，ＶCO，Ｖｇ ：電圧
Ｖ1 ：出力電圧
ｄｚ ：発電部の機械振動の変位
Γ ：合成キャパシタ
１０ ：振動構造体
１１ ：発電回路
１２ ：スイッチ回路
１３ ：制御回路
１４ ：電力取得回路
１１１ ：発電部
１１２ ：追加キャパシタ
１２１，１２１ａ，１２１ｂ ：インダクタ
１２２，１２２ａ，１２２ｂ ：スイッチ
１４１ ：整流器
１４２ ：充電用のキャパシタ
１１１１ ：支持体
１１１２ ：錘体
１１１３ ：アーム
１１１４ ：圧電材層
１１１５ ：第１電極
１１１６ ：第２電極
１１１７ ：交流電源（ＧO）
１１１８ ：キャパシタ（キャパシタンスＣO）
１１２１ ：キャパシタ（キャパシタンスＣａ）
１１２２ ：キャパシタ（キャパシタンスＣｂ）
１１２３ ：キャパシタ（キャパシタンスＣｃ）
１１２４ ：キャパシタ（キャパシタンスＣｄ）
１１２５ ：キャパシタアレイ（キャパシタンスＣｅ）
１１２６ ：キャパシタアレイ（キャパシタンスＣｆ）
１１２７ ：可変容量ダイオード（キャパシタンスＣｇ）
１１２８ ：可変容量ダイオード（キャパシタンスＣｈ）
１１２９ ：可変容量ダイオード（キャパシタンスＣｉ）
９ ：振動発電装置
９０ ：構造体
９１ ：発電回路
９２ ：スイッチ回路
９３ ：制御回路
９４ ：電力取得回路
９１１ ：発電部
９２１ ：インダクタ
９２２ ：スイッチ
９４１ ：整流器
９４２ ：充電用のキャパシタ
９１１１ ：支持体
９１１２ ：錘体
９１１３ ：アーム
９１１４ ：圧電材層
９１１５ ：第１電極
９１１６ ：第２電極
９１１７ ：交流電源
９１１８ ：キャパシタ
Ｓ ：制御信号
ＳＥＴ，ＳＥＴ１，ＳＥＴ２ ：設定信号
ＳＬＣＴ１，ＳＬＣＴ２ ：選択信号
ＶO，ＶCO，Ｖｇ ：電圧
Ｖ1 ：出力電圧
ｄｚ ：発電部の機械振動の変位
Γ ：合成キャパシタ
Claims (7)
- 層形成された圧電材と、その両面に形成した第１電極および第２電極を有する発電部を備えた発電回路と、
前記発電回路の出力端子間に接続された、インダクタおよびスイッチの直列回路からなるインダクタ・スイッチ回路と、
前記スイッチを制御する制御回路と、
を備え、前記発電部が、外部からエネルギーを受けて機械振動し、これにより前記圧電材が振動によって変形することで前記２電極から交流電力を出力する振動発電装置において、
さらに、
前記発電回路は、前記発電部に直列または並列に接続された少なくとも１つのキャパシタ、または前記発電部に直列および並列に接続された複数のキャパシタ、
を備え、
前記制御回路は、
前記インダクタと、前記発電部に形成されるキャパシタおよび前記少なくとも１つのキャパシタとの間のエネルギーの授受のタイミング、または、
前記インダクタと、前記発電部に形成されるキャパシタおよび前記複数のキャパシタとの間のエネルギーの授受のタイミング、
を前記スイッチのターンオン・ターンオフにより制御し、これにより前記発電部の機械振動を制御することを特徴とする振動発電装置。 - 層形成された圧電材と、その両面に形成した第１電極および第２電極を有する発電部を備えた発電回路と、
前記発電回路の２出力端子間に接続され、入力段に整流器を有する電力取得回路と、
前記発電回路の一方の端子を始点として前記電力取得回路を経て前記発電回路の他方の端子に戻るライン上に設けられた、インダクタおよびスイッチからなるインダクタ・スイッチ回路と、
前記スイッチを制御する制御回路と、
を備え、前記発電部が、外部からエネルギーを受けて機械振動し、これにより前記圧電材が振動によって変形することで前記第１電極および前記第２電極から交流電力を出力する振動発電装置において、
さらに、
前記発電部に直列または並列に接続された少なくとも１つのキャパシタ、または前記発電部に直列および並列に接続された複数のキャパシタ、
を備え、
前記制御回路は、
前記インダクタと、前記発電部に形成されるキャパシタおよび前記少なくとも１つのキャパシタとの間のエネルギーの授受のタイミング、または、
前記インダクタと、前記発電部に形成されるキャパシタおよび前記複数のキャパシタとの間のエネルギーの授受のタイミング、
を前記スイッチのターンオン・ターンオフにより制御し、これにより前記発電部の機械振動を制御することを特徴とする振動発電装置。 - 請求項１または２に記載の振動発電装置であって、
前記制御回路は、前記発電部の機械振動の変位の大きさが最大に近くなったとき、最大になったとき、または最大になった後一定時間を経過したときに、前記スイッチを所定時間オン状態として前記発電部に形成されるキャパシタの充電極性を逆向きとすることで、その後に生じる前記発電部の機械振動の変位を抑制することを特徴とする振動発電装置。 - 請求項１または２に記載の振動発電装置であって、
前記制御回路は、前記発電部の発生電圧が極値に近くなったとき、極値になったとき、または極値になった後一定時間を経過したときに、前記スイッチを所定時間オン状態として前記発電部に形成されるキャパシタの充電極性を逆向きとすることで、その後に生じる前記発電部の機械振動の変位を抑制することを特徴とする振動発電装置。 - 請求項１または２に記載の振動発電装置であって、
前記インダクタのインダクタンス、および前記発電部に接続された前記少なくとも１つのキャパシタのキャパシタンスまたは前記複数のキャパシタのキャパシタンスは、前記発電部の機械振動の変位を抑制しながら前記振動を継続させる値に設定されていることを特徴とする振動発電装置。 - 請求項１または２に記載の振動発電装置であって、
前記制御回路は、前記発電部に接続された前記少なくとも１つのキャパシタのキャパシタンスまたは前記複数のキャパシタのキャパシタンスを変更する機能を備えた振動発電装置。 - 請求項１から６の何れか１項に記載の振動発電装置であって、
前記発電部がカンチレバーであることを特徴とする振動発電装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020138807A JP2022034886A (ja) | 2020-08-19 | 2020-08-19 | 振動発電装置 |
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| JP2020138807A JP2022034886A (ja) | 2020-08-19 | 2020-08-19 | 振動発電装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2022034886A true JP2022034886A (ja) | 2022-03-04 |
Family
ID=80443169
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2020138807A Pending JP2022034886A (ja) | 2020-08-19 | 2020-08-19 | 振動発電装置 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2022034886A (ja) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014503169A (ja) * | 2011-01-24 | 2014-02-06 | コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ | 機械／電気変換装置による振動エネルギーの変換を最適化する回路 |
| WO2015022794A1 (ja) * | 2013-08-13 | 2015-02-19 | 国立大学法人東北大学 | 発電装置 |
| JP2018064439A (ja) * | 2016-10-13 | 2018-04-19 | 嘉二郎 渡邊 | エネルギー形態変換装置 |
-
2020
- 2020-08-19 JP JP2020138807A patent/JP2022034886A/ja active Pending
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|---|---|---|---|---|
| JP2014503169A (ja) * | 2011-01-24 | 2014-02-06 | コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ | 機械／電気変換装置による振動エネルギーの変換を最適化する回路 |
| WO2015022794A1 (ja) * | 2013-08-13 | 2015-02-19 | 国立大学法人東北大学 | 発電装置 |
| JP2018064439A (ja) * | 2016-10-13 | 2018-04-19 | 嘉二郎 渡邊 | エネルギー形態変換装置 |
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