JP5422676B2 - 圧電発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、圧電発電装置に関する。
近年、エナジーハーベスティング技術が盛んに研究されている。エナジーハーベスティング技術というのは、環境に広く存在する各種エネルギーを電力に変換して使用する技術であり、電源供給のメンテナンスフリーを実現することができる。
その技術の一つとして、生活環境に存在する振動を電気に変換する振動圧電発電装置が知られている。振動圧電発電装置として色々な構造があり、その中で圧電発電装置が知られている。圧電発電装置にも様々な構造がある。
圧電発電装置の一つとして、カンチレバーの先端に取り付けた錘と、カンチレバー上に下部電極、圧電膜、上部電極を順に積層した圧電素子とを有する振動圧電発電装置が知られている。振動圧電発電装置の発電は、振動が加えられたカンチレバーを介して圧電膜を変形させ、圧電膜に生じる圧電効果により発生される。圧電材料として例えばＰＺＴ、ＡｌＮが知られている。
そのような振動圧電発電装置の応用ターゲットとして、振動を伴う装置の電力供給源、例えば、自動車のタイヤ内に取り付けた加速度センサーへの電力供給源が知られている。この場合の振動圧電発電装置は、タイヤのような振動を伴う装置に取り付けられる。
そのような振動圧電発電装置は、典型的には数百μｍ〜数ｍｍ程度の素子サイズを有し、多くはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）の製造に用いられる微細加工プロセスを経て作製される。
特許文献１：特開２００８−１１６６６８号公報
特許文献２：特開２００８−１９７１４０号公報
特許文献２：特開２００５−１８６９３０号公報
非特許文献１：Proceedings of the 14th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Lyon, France, June 10-14, 2007, p.891-894
非特許文献２：IMEC Newsletter 54, Oct. 2008, p.1,10.
非特許文献３：T.Nishida, Univ. Florida et al. USPatent Application Publication, No.US 2004/0007942 (Jan. 15, 2004)
上記のようにカンチレバーと錘を有する振動圧電発電装置は、形状、材料により共振周波数が決定される。また、振動圧電発電装置は、外部からの振動数と共振周波数が合致する場合には大きな電気エネルギーを発生するが、それらの振動数のずれが大きくなるほど発生電気エネルギーが低下する。
本発明の目的は、振動から電気へのエネルギー変換効率を高くするための圧電発電装置を提供することにある。
実施形態の１つの観点によれば、固定部と、前記固定部の先端に形成されるカンチレバーと、前記カンチレバーの先端に形成される錘部と、重心の位置が調整される重心調整部と、前記カンチレバーの上方に形成される圧電発電セルと、を有し、前記重心調整部は、前記錘部内に取り付けられる第１電極と第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間に設けられる帯電物と、を有するものである圧電発電装置が提供される。
本発明の目的および利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素および組み合わせによって実現され達成される。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解すべきである。
実施形態によれば、カンチレバーの先端に形成される錘部の重心位置を調整する重心調整部を設けている。これにより、圧電発電装置が取り付けられる環境の振動に応じて圧電発電セルの発電電力の効率が高くなる。
図１Ａは、第１実施形態に係る圧電発電装置の平面図、図１Ｂは図１ＡのＩ−Ｉ線断面図である。 図２Ａは、第１実施形態に係る圧電発電装置の錘部の重心を第１位置に設定した状態を示す回路図、図２Ａは、第１実施形態に係る圧電発電装置の錘部の重心を第２位置に設定した状態を示す回路図である。 図３Ａは、第１実施形態に係る圧電発電装置の錘部の重心を変更するために電極に印加される電圧の波形図、図３Ｂは、図３Ａに示す電圧を供給するための重心制御回路の一例を示す回路図である。 図４は、第１実施形態に係る圧電発電装置のカンチレバー及び錘部の領域を座標で表した座標図である。 図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃは、第１実施形態に係る圧電発電装置の錘部の重心の違いによるカンチレバー及び錘部の振動状態を示す斜視断面図である。 図６は、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃに示した圧電発電装置のそれぞれのカンチレバーの共振周波数と圧電セルの発電電力の大きさの関係を図である。 図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃは、第１実施形態に係る圧電発電装置の製造方法の一例を示す断面図（その１〜３）である。 図７Ｄ、図７Ｅ及び図７Ｆは、第１実施形態に係る圧電発電装置の製造方法の一例を示す断面図（その４〜６）である。 図７Ｇ、図７Ｈ及び図７Ｉは、第１実施形態に係る圧電発電装置の製造方法の一例を示す断面図（その７〜９）である。 図７Ｊ、図７Ｋ及び図７Ｌは、第１実施形態に係る圧電発電装置の製造方法の一例を示す断面図（その１０〜１２）である。 図７Ｍ、図７Ｎ及び図７Ｏは、第１実施形態に係る圧電発電装置の製造方法の一例を示す断面図（その１３〜１５）である。 図７Ｐ、図７Ｑ及び図７Ｒは、第１実施形態に係る圧電発電装置の製造方法の一例を示す断面図（その１６〜１８）である。 図８Ａ、図８Ｂは、第１実施形態に係る圧電発電装置の製造方法の一例を示す平面図（その１、２）である。 図８Ｃ、図８Ｄは、第１実施形態に係る圧電発電装置の製造方法の一例を示す平面図（その３、４）である。 図９Ａ、図９Ｂは、第１実施形態に係る圧電発電装置の重心調整に使用される微粒子含有液の作成工程を示す断面図である。 図１０Ａは、第１実施形態に係る圧電発電装置に第３電極を付け加えた状態を示す平面図、図１０Ｂは、図１０ＡのII−II線断面図である。 図１１は、図１０Ａに示す圧電発電装置の錘部の重心を調整する制御回路の回路図である。 図１２は、第１実施形態に係る圧電発電装置に２つの圧電セルを取り付けた状態を示す平面図である。 図１３Ａ、図１３Ｂは、第２実施形態に係る圧電発電装置の錘部の重心位置を違えた状態を示す平面図である。 図１４は、第２実施形態に係る圧電発電装置の錘部に取り付けられるツイストボールの製造方法の一例を示す断面図である。 図１５は、第２実施形態に係る圧電発電装置の他の例を示す断面図である。 図１６Ａは、第３実施形態に係る圧電発電装置の平面図、図１６Ｂは図１ＡのIII−III線断面図である。 図１７Ａ、図１７Ｂは、第４実施形態に係る圧電発電装置の錘部の重心位置を違えた状態を示す平面図である。 図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃは、第５実施形態に係る圧電発電装置の錘部の重心位置を違えた状態を示す平面図である。 図１９Ａ、図１９Ｂは、第６実施形態に係る圧電発電装置の錘部の重心位置を違えた状態を示す平面図である。 図２０Ａは、第７実施形態に係る圧電発電装置を示す断面図、図２０Ｂ、図２０Ｃ、図２０Ｄ、図２０Ｅは、第７実施形態に係る圧電発電装置の錘部の凹部内の充填材の充填状態を示す断面図である。 図２１Ａは、第８実施形態に係る圧電発電装置の平面図、図２１Ｂは図２１ＡのIV−IV線の断面図である。 図２２Ａ〜図２２Ｈは、第８実施形態に係る圧電発電装置の錘部の重心の違いによるカンチレバー及び錘部の振動状態を示す斜視断面図である。 図２３は、図２２Ａ〜図２２Ｈに示した圧電発電装置のそれぞれの共振周波数と圧電セルによる発電電力の大きさの関係を図である。 図２４は、第９実施形態に係る圧電発電装置の電力出力装置を示すブロック図である。 図２５は、第９実施形態に係る圧電発電装置の重心制御回路にパルスを供給するための信号送信装置を示すブロック図である。 図２６は、第９実施形態に示す圧電発電装置の重心制御回路にパルスを供給するためのフローチャートである。 図２７は、第１０実施形態に係る圧電発電装置の重心制御回路にパルスを供給するための信号送信装置を示すブロック図である。 図２８は、第１０実施形態に係る圧電発電装置のカンチレバー先端の錘部の重心位置を外部の加速度と外部の振動数との関係で示す特性図である。 図２９は、第１０実施形態に示す圧電発電装置を制御するためのフローチャートである。 図３０は、第１１実施形態に係る圧電発電装置のカンチレバー先端の錘部の重心を調整する信号送信装置のブロック図である。 図３１は、第１１実施形態に示す圧電発電装置を制御するためのフローチャートである。 図３２は、第１２実施形態に係る圧電発電装置を示すブロック図である。 図３３は、第１２実施形態に示す圧電発電装置を制御するためのフローチャートである。
以下に、図面を参照して好ましい実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
（第１の実施の形態）
図１Ａは、第１実施形態に係る圧電発電装置を示す平面図、図１Ｂは、図１Ａに示す圧電発電装置の断面図である。
図１Ａ、図１Ｂにおいて、圧電発電装置１は、固定部２の先端中央から突出するカンチレバー３と、カンチレバー３の先端に形成される錘部４とを有している。固定部２は、後述する重心制御回路の配置領域として使用されてもよい。
固定部２、カンチレバー３及び錘部４は、シリコン基板、ＳＯＩ基板等の半導体基板、ＳｉＣのような半絶縁性基板、アルミナ、ガラスエポキシのような絶縁基板、金属基板のいずれかをパターニングすることにより形成される。なお、図１Ｂは、ＳＯＩ基板を使用した例を示し、シリコン基板１５ａ、シリコン酸化層１５ｂ、シリコン層１５ｃを有している。シリコン酸化層１５ｃの上にはシリコン窒化膜１７が形成されている。
錘部４の中央には凹部４ａが形成され、凹部４ａ内には、微粒子含有液５が充填された重心調整部が形成されている。また、錘部４のうち凹部４ａの前方及び後方には、第１電極６ａ、第２電極６ｂが埋め込まれている。なお、凹部４ａの前方は、凹部４ａから錘部４の先端への方向であり、後方は、凹部４ａからカンチレバー３への方向である。
第１電極６ａの上端には、錘部４、カンチレバー３及び固定部２のそれぞれの上面を通る第１引出配線７ａが接続される。また、第２電極６ｂの上端には、錘部４、カンチレバー３及び固定部２のそれぞれの上面を通る第２引出配線７ｂが接続される。
固定部２上には電子回路として重心制御回路８が形成される。重心制御回路８は、第１引出配線７ａを介して第１電極６ａに接続されるとともに、第２引出配線７ｂを介して第２電極６ｂに接続されている。重心制御回路８は、例えば、図２Ａ、図２Ｂに示すように第１、第２、第３及び第４の電界効果トランジスタ８ａ〜８ｄと直流電源８ｅを有している。
第１、第４の電界効果トランジスタ８ａ、８ｄのそれぞれの一方のソース／ドレインは直流電源８ｅのマイナス電極に接続され、第２、第３のトランジスタ８ｂ、８ｃのそれぞれの一方のソース／ドレインは直流電源８ｅのプラス電極に接続されている。
第１、第３の電界効果トランジスタ８ａ、８ｃのそれぞれの他方のソース／ドレインは、第１引出配線７ａを介して錘部４内の第１電極６ａに接続されている。また、第２、第４の電界効果トランジスタ８ｂ、８ｄのそれぞれの他方のソース／ドレインは、第２引出配線７ｂを介して錘部４内の第２電極６ｂに接続されている。
第１、第２の電界効果トランジスタ８ａ、８ｂのゲートは、第１ゲート端子８ｆに電気的に接続され、第３、第４の電界効果トランジスタ８ｃ、８ｄのゲートは、第２ゲート端子８ｇに電気的に接続されている。
錘部４の上面には、凹部４ａ及び微粒子含有液５を覆う封止膜９が形成されている。
微粒子含有液５は、例えば、液体５ａと、プラス又はマイナスに帯電された多数の微粒子５ｂとを有している。微粒子５ｂは、微粒子含有液５の体積の約半分を占める量で液体５ａ内に浸漬されている。
液体５ａは、例えば、油類、トルエン、パラフィン系炭化水素などが使用される。油類として例えばシリコーンが使用される。
微粒子５ｂは、比重が大きな材料から形成されるとともに、体積当たりの数を多く確保できる大きさ、例えば数μｍ〜数十μｍの大きさに形成されている。そのような微粒子５ｂとして、例えば、液体５ａの中で帯電状態を保てる材料からなる粒子、例えば鉄、銅、鉛、カーボンブラック、酸化チタン（TiO2）、酸化アルミニウム等の微粒子、或いは後述するマイクロカプセルを使用する。一般に、酸化チタンの微粒子はプラスに帯電され、カーボンブラックの微粒子はマイナスに帯電される。
微粒子含有液５は、アクリル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような樹脂、或いはゼラチンのような物質から形成されるマイクロカプセル内に封入した状態で凹部５ａ内に供給されてもよい。
微粒子含有液５内の微粒子５ｂは電気泳動により移動される。従って、第１電極６ａ、第２電極６ｂの間に電界を発生させて微粒子５ｂを移動することにより、錘部４の重心の位置を変更することが可能になる。
カンチレバー３の上には圧電セル１０が形成されている。圧電セル１０は、図１Ｂに示すように、下部電極１１、圧電膜１２、上部電極１３を有している。下部電極１１は、圧電膜１２及び上部電極１３の形成領域から固定部２まで伸びる形状を有している。
圧電膜１２は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ；Pb(Zr,Ti)3）膜から形成される。また、下部電極１１、上部電極１３は、例えばアルミニウム（Al）、プラチナ（Pt）、ルテニウム（Ru）、イリジウム（Ir）等の金属から形成される。
上記の圧電発電装置１の固定部２は、例えば振動が発生する機器に取り付けられ、機器からの振動をカンチレバー３と錘部４に伝達する。
カンチレバー３の共振周波数は、錘部４の重心位置により異なる。微粒子含有液５内の微粒子５ａがマイナスに帯電している場合に、その重心位置は次に示す方法により調整される。
まず、図２Ａに示すように、重心制御回路８内で第１ゲート端子８ｆにパルス電圧を印加し、第１、第２の電界効果トランジスタ８ａ、８ｂのゲートに電圧を印加すると、第１、第２の電界効果トランジスタ８ａ、８ｂはオンする。
これにより、第１電極６ａはマイナスに帯電し、第２電極６ｂはプラスに帯電し、第１電極６ａと第２電極６ｂの間には電界が発生する。さらに、凹部４ａ内の微粒子含有液５中ではマイナスに帯電した微粒子５が電界によって第２電極６ｂ寄りに移動する。そのような微粒子５ｂの移動により、錘部４内の重心は、カンチレバー３寄りに移動する。
これに対し、図２Ｂに示すように、重心制御回路８内で第２ゲート端子８ｇにパルス電圧を印可し、第３、第４の電界効果トランジスタ８ｃ、８ｄのゲートに電圧を印加すると、第３、第４の電界効果トランジスタ８ｃ、８ｄはオンする。
これにより、第１電極６ａはプラスに帯電し、第２電極６ｂはマイナスに帯電し、第１電極６ａと第２電極６ｂの間には電界が発生する。さらに、凹部４ａ内の微粒子含有液５中ではマイナスに帯電した微粒子５が電界によって第１電極６ａ寄りに移動する。そのような微粒子５ｂの移動により、錘部４内の重心は、錘部４先端寄りに移動する。
微粒子含有液５の重心を凹部４ａのほぼ中央に移動する方法として、例えば、図３Ａに示すような波形の電圧を重心制御回路８から第１、第２電極６ａ、６ｂに印加する。図３Ａに示す電圧は、第２電極６ｂに対して第１電極６ａを連続的にプラス電圧とマイナス電圧に印加するパルス状の交流波形を有し、その振幅が時間経過とともに徐々に減衰するように変化する。
そのような交流電圧により、凹部４ａ内では微粒子５ｂが前方と後方に往復動しながら徐々に中央底部に集まり、移動を停止する。これにより、微粒子含有液体５の重心は凹部４ａのほぼ中央に位置する。
図３Ａに示すパルス信号を供給する重心制御回路８を図３Ｂに例示する。図３Ｂにおいて、直流電源８ｅには電圧調整回路８ｈが直列に接続されている。また、第１、第２のゲート端子８ｆ、８ｇと電圧調整回路８ｈにはパルス制御回路８ｉが接続されている。
パルス制御回路８ｉは、図３Ａに示す信号を出力する際に、第１のゲート端子８ｆと第２のゲート端子８ｇに交互にパルス信号を印加するとともに、出力電圧調整回路８ｈの抵抗値を徐々に増加させて直流電源８ｅから第１、第２電極６ａ、６ｂに供給される電圧を徐々に低くする。また、パルス制御回路８ｉは、図２Ａ、図２Ｂに示す信号を出力する際に、出力電圧調整回路８ｈの抵抗値を一定にするとともに、第１のゲート端子８ｆ、第２のゲート端子８ｇのいずれかを選択してパルス信号を出力する。
なお、パルス制御回路８ｉは、第１、第２のゲート端子８ｆ、８ｇに交互に連続してパルス電圧を印加する例えばトグルフリップフロップ（Ｔ−ＦＦ）回路を有する。また、出力電圧調整回路８ｈは、例えば、複数の電界効果トランジスタのソース／ドレインを並列に接続した回路を有する。
以上のように、重心制御回路８により凹部４ａ内の重心位置を調整した後に、第１、第２電極６ａ、６ｂへの電圧印加を停止すると、第１電極６ａと第２電極６ｂは、停止前の帯電状態を維持する。従って、凹部４ａ内で調整された重心の位置はそのまま保持される。
以上のような圧電発電装置１によれば、錘部４内の重心位置を制御して錘部４及びカンチレバー３の共振周波数を変化させることが可能になる。これにより、圧電発電装置１を取り付ける振動機器の振動状況に合わせてカンチレバー３の共振周波数を変え、カンチレバー３の上下の振幅を大きくして圧電セル１０から電力を効率良く発生させることが可能になる。
次に、錘部４の重心位置の違いによるカンチレバー３及び錘部４の共振周波数の変化の例を計算により示す。この場合のカンチレバー３と錘部４のモデルの断面を図４のＸ−Ｙ座標で示す。この場合のカンチレバー３及び錘部４はシリコンから形成される。
計算の対象となる圧電発電装置１のカンチレバー３について、固定部２から錘部４方向への長さを１．５ｍｍ、幅を１ｍｍ、厚みを２０μｍとする。また、錘部４について、長さを１．５ｍｍ、幅を１ｍｍ、厚みを１ｍｍとする。なお、図４において、長さはＸ方向、厚みはＹ方向、幅は紙面に垂直な方向である。
図４における錘部４内に封入される微粒子含有液５の外形は直径９００μｍの球形である。また、球形の微粒子含有液５の中心は、微粒子含有液５の無い状態の錘部４の重心に一致している。さらに、微粒子含有液５内の多数の微粒子５ｂとして鉛微粒子を用いる。微粒子５ｂの総体積は、体積で換算して微粒子含有液５内の約半分を占めている。なお、微粒子含有液５において微粒子５ｂの移動を自由にするために、微粒子５ｂは流動性を有する液体５ａ内に浸漬される。
カンチレバー３の幅方向の電界をゼロとすると、その幅方向で微粒子５ｂの重心は錘部４の幅の中央、即ち錘部４の側面から０．５ｍｍの位置に存在する。従って、重心の移動は、図４に示すようにカンチレバー３を水平に保持した状態で、カンチレバー３の横方向（Ｘ方向）と縦方向（Ｙ方向）になる。
なお、図１Ａ、図１Ｂに示した第１及び第２電極６ａ、６ｂ、第１及び第２引出配線７ａ、７ｂがカンチレバー３及び錘部４に占める体積の割合は小さい。従って、第１及び第２電極６ａ、６ｂ、第１及び第２引出配線７ａ、７ｂの重さはシミュレーションでは省略している。
微粒子５ｂの重心は、重心制御回路８による第１、第２電極６ａ、６ｂの電圧制御により図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃに示すように移動する。
図５Ａは、微粒子５ｂの重心が錘部４の先端寄りに位置している状態を示す。図５Ｂは、微粒子５ｂの重心が錘部４のほぼ中央に位置している状態を示す。さらに、図５Ｃは、微粒子５ｂの重心がカンチレバー３寄りに位置している状態を示す。
図５Ａにおいて、ＸＹ座標における錘部４の重心の位置Ｘｃ、Ｙｃは、０．８２６ｍｍ、０．５００ｍｍとなる。また、図５Ｂにおいて、ＸＹ座標における錘部４の重心の位置Ｘｃ、Ｙｃは０．７５０ｍｍ、０．５７６ｍｍとなる。図５Ｃにおいて、ＸＹ座標における錘部４の重心の位置Ｘｃ、Ｙｃは、０．６５３ｍｍ、０．４９３ｍｍとなる。
従って、図５Ａ、図５Ｃの重心を比較すると、錘部４の重心のＸ方向の最大の移動距離は約１７３μｍとなる。また、図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃにおけるそれぞれの重心を比較すると、錘部４の重心のＹ方向の最大の移動距離は約８０μｍとなる。
カンチレバー３及び錘部４の固有振動の計算に用いる臨界減衰比を０．２％とすると、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃに示す重心位置の違いにより、カンチレバー３の共振周波数は図６に示すように変化する。即ち、図５Ａに示す前重心状態での共振周波数は２４２Ｈｚとなり、図５Ｂに示す中央重心状態での共振周波数は２４８Ｈｚとなり、図５Ｃに示す後重心状態での共振周波数は２６１Ｈｚとなる。
従って、圧電発電装置１が取り付けられる機器の振動数に応じて錘部４の重心を移動させることにより、圧電セル１０の発電効率が最も高くなるようにカンチレバー３の共振周波数を最適な値に設定することが可能になる。
なお、重心調整部である微粒子含有液５を入れるための凹部４ａの形状は、底部が半球状の円柱に限られるものではなく、例えば四角柱状、楕円柱状であってもよい。
次に、圧電発電装置１の製造方法の一例を図７Ａ〜図７Ｒ、図８Ａ〜図８Ｄに基づいて説明する。なお、図７Ａ〜図７Ｒは圧電発電装置１を形成する工程を示す断面図、図８Ａ〜図８Ｄは、圧電発電装置１を形成する工程を示す平面図である。
圧電発電装置１を形成するために、図７Ａに例示するようなＳＯＩ基板１５を用意する。ＳＯＩ基板１５は、シリコン基板１５ａの上にシリコン酸化層１５ｂ、シリコン層１５ｃを形成した構造を有する。ＳＩＯ基板１５において、シリコン基板１５ａの厚さは例えば約５００μｍであり、シリコン酸化層１５ｂの厚さは約１μｍ、シリコン層の厚さは約３μｍである。
ＳＯＩ基板１５は、複数の圧電発電装置１が形成される領域を有しているが、以下では１つの圧電発電装置の形成方法について説明する。
まず、図７Ｂ、図８Ａに示すようにＳＯＩ基板１５のシリコン層１５ｃの上に、第１マスクを形成する。第１マスク１６は、図１Ａに示す圧電発電装置１と同じ平面形状のパターンを有し、固定部形成領域、カンチレバー形成領域及び錘部形成領域を有する。また、第１マスク１６は、錘部形成領域のうち第１、第２電極６ａ、６ｂを形成する領域に第１、第２開口部１６ａ、１６ｂを有している。
第１、第２開口部１６ａ、１６ｂのそれぞれの平面形状は、例えば約５０μｍの幅と約３μｍの奥行きを有する四角形とする。この場合、幅の方向は、図７Ｂの紙面に対して垂直方向である。
第１マスク１６として、例えば、約２μｍの厚さを有するレジストパターンを用いる。レジストパターンは、シリコン層１５ｃ上にフォトレジストを塗布し、さらにフォトレジストを露光、現像することにより形成される。
なお、第１マスク１６としてハードマスクを使用してもよい。ハードマスクは、窒化シリコン、酸化シリコン等のハード膜上にレジストパターンを形成し、レジストパターンをマスクに使用してハード膜をエッチングすることにより形成される。
次に、図７Ｃに示すように、第１マスク１６から露出している領域のシリコン層１５ｃをエッチングする。これにより、第１マスク１６の下に残されたシリコン層１５ｃは、固定２及び錘部４の一部とカンチレバー３に使用される。また、第１マスク１６の第１、第２の開口部１６ａ、１６ｂの下には、第１、第２の溝部４ｂ、４ｃが形成される。
シリコン層１５ｃのエッチング方法として、ドライエッチング法、例えば反応性イオンエッチング法、プラズマエッチング法を用いる。エッチングガスとして、例えば、シリコン酸化層１５ｂに対するシリコン層１５ｃのエッチング選択比が大きい塩素系ガスを使用する。
なお、エッチング方法として、例えばＫＯＨを含む薬液を用いるウェットエッチング法を用いてもよい。
その後に、図７Ｄ、図８Ｂに示すように、第１マスク１６を除去する。第１マスク１６としてレジストパターンを用いる場合には、レジストパターンの除去方法は、溶剤を用いるウェット処理、或いはオゾンを使用するドライアッシングのいずれであってもよい。また、第１マスク１６としてハードマスクを用いる場合には、例えば、酸化シリコンのハードマスクは例えばフッ酸で除去され、窒化シリコンのハードマスクは例えば熱リン酸で除去される。
次に、図７Ｅに示すように、シリコン層１５ｃの上面と第１、第２の溝部４ｂ、４ｃの内周面及び底面の上に絶縁膜としてシリコン窒化膜１７を例えばＣＶＤ法により形成する。シリコン窒化膜１７は、第１、第２の溝部４ｂ、４ｃを完全に埋め込まない厚さ、例えば約１００ｎｍに形成される。
次に、図７Ｆに示すように、シリコン窒化膜１７上に銅（Ｃｕ）シード膜（不図示）をスパッタ法により約５０ｎｍの厚さ形成した後、Ｃｕシード膜上にＣｕ膜１８を電解メッキ法により形成する。Ｃｕ膜１８は、第１、第２の溝４ｂ、４ｃ内を完全に充填する厚さに形成される。
ところで、Ｃｕ層１８とＣｕシード層（不図示）を形成する前に、固定部２、カンチレバー３及び錘部４であるシリコン層１５ｃの周囲のシリコン窒化膜１７上にフォトレジストを形成する。これにより、Ｃｕ層１８の形成後にフォトレジストを溶剤により除去すると、パターニングされたシリコン層１５ｃ上にＣｕ膜１８が選択的に残される。
その後に、図７Ｇに示すように、Ｃｕ膜１８を例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）法によってシリコン層１５ｃの上方から除去する。この場合、シリコン窒化膜１７は研磨ストッパーとして機能する。これにより、第１、第２の溝４ｂ、４ｃ内に残されたＣｕ膜１８を上記の第１、第２電極６ａ、６ｂとして使用する。
次に、図７Ｈに示すように、第１、第２電極６ａ、６ｂ及びシリコン窒化膜１７上に第１導電膜１１ａ、圧電膜１２及び第２導電膜１３ａを順に形成する。第１、第２導電膜１１ａ、１３ａとして、例えば、アルミニウム膜をスパッタ法により約０．１５μｍの厚さにそれぞれ形成する。また、圧電膜１２として、例えば、ＰＺＴ膜をＣＶＤ法により約１μｍの厚さに形成する。
第１、第２導電膜１１ａ、１３ａの材料として、アルミニウムの他に、ニッケル（Ni）、プラチナ（Pt）、ルテニウム（Ru）、イリジウム（Ir）、クロム（Cr）、銅（Cu）、チタン（Ti）等の金属や、窒化チタン（TiN）等の導電性窒化物、炭化タングステン（WC）等の炭化物、或いは、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の導電性酸化物が使用される。
また、圧電膜１２の材料として、ＰＺＴの他に、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ；（Pb,La）(Zr,Ti)O3）、ニオブ(Nb)添加ＰＺＴ、さらにはＰＮＮ−ＰＺＴ（Pb(Ni,Nb)O3−PbTiO3−PbZrO3）、ＰＭＮ−ＰＺＴ（Pb(Mg,Nb)O3−PbTiO3−PbZrO3）、チタン酸バリウム（BaTiO3）等のペロブスカイト酸化物が挙げられる。また、これらの材料の他に、ニオブ酸カリウム（KNbO3）、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）、チタン酸リチウム（LiTiO3）、酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN）などが使用される。
次に、図７Ｉ、図８Ｃに示すように、第２導電膜１３ａ上に第２マスク１９を形成する。第２マスク１９は、カンチレバー３上に圧電セル１０を形成するための平面形状、例えば四角形に形成される。第２マスク１９として、第１マスク１６と同様に、例えば約２μｍの厚さを有するレジストパターンを用いる。なお、第２マスク１９として、第１マスク１６と同様にハードマスクを使用してもよい。
次に、図７Ｊに示すように、第２マスク１９に覆われない領域の第２導電膜１３ａ及び圧電膜１２を例えばスパッタエッチング法により除去する。これにより、第２マスク１９の下に残された第２導電膜１３ａを上部電極１３として使用する。また、圧電膜１２は上部電極１３と同じ平面形状にパターニングされる。
その後に、第１マスク１６の除去と同じ方法により、第２マスク１９を除去する。
続いて、図７Ｋ、図８Ｄに示すように、第１導電膜１１ａ、第２導電膜１３及び圧電膜１２の上に第３マスク２０を形成する。第３マスク２０は、第１マスク１６と同様にフォトレジスト又はハード膜から形成され、圧電セル形成パターン２０ａと第１、第２配線形成パターン２０ｂ、２０ｃを有している。
圧電素子形成パターン２０ａは、上部電極１３及び圧電膜１２を覆うとともに、上部電極１３から固定部２上にはみ出す領域を覆う平面形状を有している。また、第１配線形成パターン２０ｂは、第１電極６ａの上から固定部２に延びる線状領域を有している。さらに、第２配線形成パターン２０ｃは、第２電極６ｂの上から固定部２に延びる線状領域を有している。
次に、図７Ｌに示すように、第３マスク２０に覆われない領域の第１導電膜１１ａを例えばスパッタエッチング法により除去する。これにより第１導電膜１１ａはパターニングされる。
これにより、第３マスク２０のうち圧電素子形成パターン２０ａの下には、図１Ａに示したように、上部電極１３の下方から固定部２上に延びる下部電極１１が形成される。また、第３マスク２０のうち第１、第２配線形成パターン２０ｂ、２０ｃのそれぞれの下には、図１Ａに示したように、上部電極１３の両側を通る第１、第２引出配線７ａ、７ｂが形成される。その後に、図７Ｍに示すように、第３マスク２０を除去する。
上部電極１３、圧電膜１２及び下部電極１１は、図１Ａ、図１Ｂに示す圧電セル１０として使用される。
次に、図７Ｎに示すように、シリコン基板１５ａの下面上に第４マスク２１を形成する。第４マスク２１は、固定部２と錘部４の間のカンチレバー３の下とその両側を露出する形状を有している。第４マスク２１は、第１マスク１６と同様にフォトレジスト又はハード膜から形成される。
その後に、図７Ｏに示すように、第４マスク２１から露出したシリコン基板１５ａをエッチングして酸化シリコン層１５ｂを露出させる。シリコン基板１５ａのエッチングは、ドライエッチング、ウェットエッチングのいずれでもよい。ドライエッチングのエッチングガスとして例えば塩素系ガスを使用する。また、ウェットエッチングの場合には、例えばＫＯＨを含む薬液を使用する。
これにより、カンチレバー３の下とその両側のシリコン酸化層１５ｂが第４マスク２１から露出する。
第４マスク２１は、固定部２と錘部４のそれぞれの下を覆う平面形状であってもよい。これにより、エッチング後には、第４マスク２１の上のシリコン基板１５ａ及びシリコン層１５ｃによりカンチレバー３、固定部２及び錘部４が形成される。
その後に、図７Ｐに示すように、第４マスク２１から露出したシリコン酸化層１５ｂをフッ酸によって除去する。なお、露出したシリコン窒化膜１７は、例えば熱リン酸により除去されてもよい。
次に、図７Ｑに示すように、ＳＯＩ基板１５から形成された錘部４の中央に例えばＣＯ２レーザを照射して凹部４ａを形成する。その凹部４ａの底部は略球状、略半球状に形成されることが好ましい。
次に、図７Ｒに示すように、図１Ｂに示した微粒子含有液５を凹部４ａ内に充填する。微粒子含有液５に含まれる微粒子５ｂはマイクロカプセル構造を有してもよく、そのようなマイクロカプセルは例えば図９Ａ、図９Ｂに示す方法で形成される。
図９Ａは、微粒子含有液５を形成するための液２４を容器２３内に入れた状態を示している。液２４は次のような方法により形成される。
まず、炭化水素溶媒のような非極性の有機溶媒を用いて電気泳動粒子を分散させた液、即ち電気泳動粒子分散液を容器２３内に入れる。さらに、容器２３内の電気泳動粒子分散液に水、乳化剤及びカプセル膜形成物質を加えることにより、電気泳動粒子分散液を水中で液滴化（エマルション化）する。この場合、容器２３内の液２４を機械的に撹拌することにより、電気泳動粒子分散液内に形成される液滴２５ａの径をできるだけ揃える。
続いて、液滴２５ａ表面に高分子膜を形成することにより、電気泳動粒子を内包したマイクロカプセルを作成する。この場合、高分子膜が電気泳動粒子の電気泳動を妨げないようにする。
例えば、尿素とホルムアルデヒドをアルカリ性水溶液中で加熱して反応させて得たプレポリマー水溶液を容器２３内の液２４に加える。その後に、容器２３内の液２４を加熱拡散すると、図９Ｂに示すように液滴２５ａに高分子２５ｂが沈積する。
これにより電気泳動粒子を内包したマイクロカプセル２５が形成される。容器２３内の液２４は、上記の微粒子含有液５であり、また微粒子含有液５内のマイクロカプセル２５は、上記の微粒子含有液５内の微粒子５ｂである。さらに、容器２３内の液２４のうちマイクロカプセル２５を除いた液は、上記の微粒子含有液５の液５ａである。
このような相分離法を用いてマイクロカプセル２５を形成することにより、カプセル膜であるモノマーは全て水相中に存在しているため、水相内物質が分散相に与える影響は抑制される。そのような液体内のマイクロカプセルは例えばマイナスに帯電される。
なお、マイクロカプセルの形成方法は、上記の方法に限定されるものではない。例えば、電子ブックに用いられるマイクロカプセルを使用してもよい。そのようなマイクロカプセルは、B. Comiskey et al., Nature, 394, 1997, pp.253-255、H. Yoshizawa et al., Journal of Microencapsulation, Vol.21, No.3, 2004, pp.241-249等に記載されている。
微粒子含有液５を錘部４の凹部４ａ内に滴下した後に、図１Ｂに示したように、被覆膜９により微粒子含有液５を凹部４ａ内に封止する。被覆膜９として、例えばエポキシ系接着剤をシリコン層１５ｃの上に供給する。
ところで、図１０Ａの平面図、図１０Ｂの断面図に示すように、錘部４の底面に、凹部４ａに電界を及ぼす第３電極６ｃを形成してもよい。第３電極６ｃは、錘部４の先端に形成された導電膜２６を介して錘部４上の第３引出配線７ｃに接続される。第３引出配線７ｃは、カンチレバー３及び固定部２上に引き出されて重心制御回路８に接続される。
第３電極６ｃの形成は例えば次のような方法で形成される。
まず、図７Ｌに示した方法により第１、第２引出配線７ａ、７ｂを形成すると同時に、錘部４、カンチレバー３及び固定部２の上に第３引出配線７ｃを形成する。さらに、錘部４に凹部４ａを形成する前に、錘部４の下面をエッチングすることにより錘部４を薄くする。続いて、錘部４の下面に第３電極６ｃを形成した後に、錘部４の先端面上に側壁配線２６を形成する。これにより、第３電極６ｃは、側壁配線２６を介して第３引出配線７ｃに電気的に接続される。
第３電極６ｃを形成する場合には、重心制御回路８は例えば図１１に示す等価回路を有する。
図１１において、重心制御回路８は、第１〜第４の電界効果トランジスタ８ａ〜８ｄの他に、第５、第６の電界効果トランジスタ８ｉ、８ｊを有している。
第５の電界効果トランジスタ８ｉにおいて、一方のソース／ドレインは、直流電源８ｅのマイナス極に接続され、他方のソース／ドレインは第１、第２電極６ａ、６ｂに接続されている。また、第６の電界効果トランジスタ８ｊにおいて、一方のソース／ドレインは、直流電源８ｅのプラス極に接続され、他方のソース／ドレインは第３電極６ｃに接続されている。さらに、第５、第６の電界効果トランジスタ８ｉ、８ｊのゲートは、第３ゲート端子８ｋに接続されている。
図１０Ｂにおいて、錘部４内の複数の微粒子５ｂの重心を凹部４ａのほぼ中央に移動させる場合には、第３ゲート端子８ｋにパルス電圧を印可して第５、第６の電界効果トランジスタ８ｉ、８ｊをオンにする。
これにより、微粒子５ｂの帯電極性と反対極性の電圧が第３電極６ｃに印加される一方、第１、第２電極６ａ、６ｂには、微粒子の帯電極性と同じ極性の電圧が印加される。これにより、微粒子６ｂの集合の重心は凹部４ａのほぼ中央に位置する。
従って、図１０Ａ、図１０Ｂに示した圧電発電装置１によれば、凹部４ａ内で重心の位置を、カンチレバー３の長手方向に対して前部、中央部、後部のいずれかに移動させることが可能になる。
このように重心調整部により錘部４の重心を移動させることにより、圧電発電装置１のカンチレバー３の共振周波数を変えることが可能になる。従って、圧電発電装置１が取り付けられる機器の共振周波数に応じて、圧電セル１０の発電効率が最も高くなるようにカンチレバー３の共振周波数を最適な値に設定することが可能になる。
ところで、圧電発電装置１において、図１２に示すように、固定部２と錘部４の間には間隔をおいてカンチレバー３を複数形成してもよい。複数のカンチレバー３の上には、それぞれ圧電セル１０が取り付けられる。
以下の実施形態においてもカンチレバー３を複数形成し、その上に圧電セル１０を形成してもよい。また、以下の実施形態において第３電極７ｃを設けてもよい。
なお、上記の凹部４ａの形状は、底部が半球状の円柱状に限られるものではなく、例えば四角柱状、楕円柱状であってもよい。
（第２の実施の形態）
図１３Ａ、図１３Ｂは、第２実施形態に係る圧電発電装置と重心移動を示す平面図であり、図１Ａ、図１Ｂと同じ符号は同じ要素を示している。
図１３Ａ、図１３Ｂにおいて、圧電発電装置３０は、第１実施形態と同様に、固定部２、カンチレバー３及び錘部４、第１電極６ａ、第２電極６ｂ、第１引出配線７ａ、第２引出配線７ｂ、重心制御回路８を有している。
錘部４のほぼ中央には、半球状の底部を有する凹部４ａが形成され、その中には重心調整部３１が充填され、重心調整部３１は、第１実施形態と同様に、錘部４の上に形成される封止膜（不図示）により封止される。
重心調整部３１は、凹部４ａ内に入れられるツイストボール３２と、凹部４ａの内壁とツイストボール３２の間に供給されるシリコーンオイル３３を有している。ツイストボール３２は、プラス表面領域とマイナス表面領域を有する球状の回転体であり、例えばアクリル、シリコン、ガラスのような球体３２ａの一部を帯電可能な誘電膜３２ｂで覆った構造を有している。
ツイストボール３２は、例えば図１４に示すように、球体３２ａの半分を支持基盤３４上の粘着層３５に埋め込んだ状態で、球体３２ａの露出面上に帯電膜３２ｂを蒸着することにより形成される。
帯電膜３２ｂは、図１４では半球状に形成されているが、蒸着の方向によって形状を図中左右非対称としてもよい。非対称の帯電膜３２の重心は、ツイストボール３２の回転中心又は形状中心からから外れる。
なお、帯電膜３２ｂは、凹部４ａ内に供給される前に例えば摩擦により帯電される。
帯電膜３２ｂを形成するためのプラス帯電材としては例えばアルミニウムがあり、マイナス帯電材料として例えばフッ素樹脂がある。帯電膜３２ｂをマイナス帯電材料から形成する場合にはツイストボール３２の重心は次の方法により移動される。
重心制御回路８の制御により、第１電極６ａをマイナスに帯電させ、第２電極６ｂをプラスに帯電させると、図１３Ａに示すように、マイナスに帯電した帯電膜３２ｂは静電気力により第２電極６ｂに吸引される。また、プラスに帯電した球体３２ａの露出面は静電力により第１電極６ａに吸引される。これにより、ツイストボール３２は、回転し、帯電膜４３ｂが第２電極６ｂに近づいた状態で安定し、凹部４ａ内の重心はカンチレバー３寄りに移動する。
一方、重心制御回路８の制御により、第１電極６ａをプラスに帯電させ、第２電極６ｂをマイナスに帯電させると、図１３Ｂに示すように、マイナスに帯電した帯電膜３２ｂは静電気力により第１電極６ａに吸引される。また、プラスに帯電した球体３２ａの露出面は静電力により第２電極６ｂに吸引される。これにより、ツイストボール３２は、回転し、帯電膜４３ｂが第１電極６ａに近づいた状態で安定し、凹部４ａ内の重心は錘部４の先端寄りに移動する。
それら２つの状態を比べると、ツイストボール３２の重心の位置が異なるので、いずれかの状態を選択することにより、第１実施形態と同様に錘部４及びカンチレバー３の共振周波数が調整される。
ところで、図３Ａに示したと同様に、時間経過とともに波高値が徐々に減衰する交流電圧を第１、第２電極６ａ、６ｂに印加する方法によってツイストボール３２の重心をほぼ中央に位置させてもよい。
また、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１１に示すように、第１、第２及び第３電極６ａ、６ｂ、６ｃを設け、それらの電極６ａ、６ｂ、６ｃに印加する電圧を制御することにより、ツイストボール３２の重心を調整するようにしてもよい。
ところで、凹部４ａ内に形成される重心調整部３１は、ツイストボール３２に限られるものではなく、例えば図１５に示す回転体であってもよい。この回転体は、外周面の半分が帯電膜３６ｂにより覆われる円柱３６ａを有している。この場合、円柱３６ａの露出領域と帯電膜３６ｂのうち一方はマイナス、他方がプラスに帯電される。
円柱状の重心調整部３１は、円柱状の凹部４ｄに収納され、円柱の中心軸の周りに回転する。この場合も、重心調整部３１の回転をスムーズにするために、凹部４ｄ内には潤滑液３３、例えばシリコーンオイルが充填される。
なお、本実施形態における重心調整部３１は、球形、円柱状に限られるものではなく、回転方向に沿ってプラス領域とマイナス領域を備えた回転体であればよい。
（第３の実施の形態）
図１６Ａ、図１６Ｂは、第３実施形態に係る圧電発電装置を示す平面図、断面図であり、図１Ａ、図１Ｂと同じ符号は同じ要素を示している。
図１６において、圧電発電装置４１は、第１実施形態と同様に、固定部２、カンチレバー３及び錘部４、第１電極６ａ、第２電極６ｂ、第１引出配線７ａ、第２引出配線７ｂ、重心制御回路８を有している。
錘部４のほぼ中央には、四角柱状の凹部４ｅが形成され、凹部４ｅ内には重心調整部４２が形成されている。重心調整部４２は、空間４２ａ内に帯電微粒子４２ｂ、例えば帯電した鉛粒子が供給される構造を有している。また、重心調整部４２は、錘部４の上に形成される封止膜９により密封される。封止膜９として、非帯電シート、例えばポリ塩化ビニルシートを使用する。
上記のような本実施形態に係る圧電発電装置４１のカンチレバー３の共振周波数を調整するために、例えば、封止膜９により封止された凹部４ａの空間４２ａ内に帯電微粒子４２ｂとしてマイナスに帯電した鉛微粒子を入れる。さらに、第１実施形態に示した重心制御回路８から第１引出配線７ａを通して第１電極６ａをプラスに帯電し、同時に重心制御回路８から第２引出配線７ｂを通して第２電極６ｂをマイナスに帯電する。これにより、帯電微粒子は、凹部４ａ内で第１電極６ａ寄りに移動し、帯電微粒子４２ｂの集合の重心は錘部４の先端側に移動する。
これに対し、重心制御回路８により第１電極６ａをマイナスに帯電し、同時に第２電極６ｂをプラスに帯電すると、凹部４ａ内の帯電微粒子４２ｂは第２電極６ｂ寄りに移動し、帯電微粒子４２ｂの集合の重心はカンチレバー３寄りに移動する。
このように、錘部４の重心の位置を調整することによりカンチレバー３の共振周波数を調整することができ、圧電発電装置４１が取り付けられる機器の振動に応じて最適な電力が圧電セル１０から出力される。
なお、錘部４の凹部４ａの空間内のガスは、例えば空気、或いは窒素、アルゴンのような不活性ガスを用いてもよい。また、凹部４ａ内を減圧してもよい。
さらに、図３Ａに示すと同様に、第１、第２電極６ａ、６ｂに交互電圧を印加するとともに、時間経過に伴って交流電圧の波高値を徐々に減衰する方法により帯電粒子４２ｂをほぼ中央に移動してもよい。また、帯電粒子４２ｂの移動は、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１１に示すように、第１、第２及び第３電極６ａ、６ｂ、６ｃに印加する電圧を制御することにより調整してもよい。
（第４の実施の形態）
図１７Ａは、第４実施形態に係る圧電発電装置を示す平面図であり、図１Ａと同じ符号は同じ要素を示している。
図１７Ａにおいて、圧電発電装置４３は、第１実施形態と同様に、固定部２、カンチレバー３及び錘部４、第１引出配線７ａ、第２引出配線７ｂ、重心制御回路８を有している。また、固定部２上において、第１引出配線７ａには、図２Ａに示した重心制御回路８の第１、第２の電界効果トランジスタ８ａ、８ｂが接続され、第２引出配線７ｂには、重心制御回路８の第３、第４の電界効果トランジスタ８ｃ、８ｄが接続されている。
錘部４のほぼ中央には、五角柱状の凹部４ｆが形成されている。五角柱の凹部４ｆのうち錘部４先端に最も近い位置で交わる２つの側面には、それぞれアクチュエータ収納用凹部４ｇ、４ｈが形成されている。
アクチュエータ収納用凹部４ｇ、４ｈ内には、それぞれ圧電マイクロアクチュエータ４４が取り付けられている。圧電マイクロアクチュエータ４４は、圧電体４４ａとその両面に形成された一対の電極４４ｂ、４４ｃを有している。圧電体４４ａは、圧電横効果により凹部４ｃ内に突出する構造を有している。圧電体４４ａは、第１実施形態に示した圧電膜１２に適用される圧電材料のいずれから形成されている。
２つの圧電マクロアクチュエータ４４の一対の電極４４ｂ、４４ｃにおいて、一方の電極４４ｂは第１引出配線７ａに接続され、他方の電極４４ｃは第２引出配線７ｂに接続されている。
また、凹部４ｃ内には、略五角柱の重心移動体４５が置かれている。重心移動体４５は、質量の大きな材料、例えば鉛から形成され、少なくともカンチレバー３の長手方向に移動可能な形状を有する。重心移動体４５の移動距離は特に限定されるものではないが、例えば２００μｍ〜３００μｍとする。
重心移動体４５において、錘部４先端に最も近い位置で交わる２つの側面は、それぞれ圧電マイクロアクチュエータ４４の圧電体４４ａの先端に接触する接触面となっている。圧電マイクロアクチュエータ４４に接触する２つの側面は互いに例えば約９０度の角度で交わり、それらの側面に隣接する他の２つの面は互いに平行になっている。
さらに、重心移動体４５の後端面と凹部４ｃ内面の間には、錘部４の先端に向けて重心移動体４５を付勢するバネ機構４６が挟まれている。バネ機構４６として本実施形態では凸状に湾曲した板バネを示しているが、スプリング、弾性ゴムその他の弾性体を使用してもよい。板バネの材料として、例えば金属や、或いはアクリルのような樹脂を用いる。
バネ機構４６としてスプリングを使用する場合には、材料として、例えば炭素、鉄、シリコン等を含むニッケル合金、例えば商品名ＩＮＣＯＮＥＬ：Ｘ−７５０、或いは、炭素、シリコン及びマンガンを主成分とする合金、例えば商品名ＳＵＰ１０を使用する。
なお、凹部４ｆ及びアクチュエータ収納用凹部４ｇ、４ｈの上端は、被覆板（不図示）によって覆われている。被覆板は、例えば、セラミック、ガラス等の絶縁材から形成される。
以上のような圧電発電装置４３において、重心制御回路８が直流電圧を一対の電極４４ｂ、４４ｃに印可し、圧電マイクロアクチュエータ４４の圧電体４４ａを後退させる。これにより、図１７Ａに示すように、重心移動体４５は、バネ機構４６の付勢力により錘部４の先端に向けて移動し、錘部４の重心を錘部４先端寄りに移動させる。
一方、重心制御回路８は圧電マイクロアクチュエータ４４の先端が前進する逆極性の電圧を一対の電極４４ｂ、４４ｃに印可する。これにより、図１７Ｂに示すように、重心移動体４５は、凹部４ｆ内のバネ機構４６の付勢力に抗して移動し、錘部４の重心をカンチレバー３寄りに移動させる。
ところで、重心移動体４５の移動後の位置を保持するために、バネ機構４６を形状記憶合金から形成してもよい。この場合、バネ機構４６の後端を凹部４ｆの内面に接続するとともに、バネ機構４６の前端を重心移動体４５の後端に接続する。形状記憶合金として、例えば、銅亜鉛アルミニウム合金、銅アルミニウムニッケル合金、ニッケルチタン合金を使用する。これにより、圧電マイクロアクチュエータ４４への電圧の印加を停止しても重心の移動が防止される。
以上の圧電発電装置４３の重心調整部によれば、錘部４の凹部４ｆ内に重心調整のために移動可能な重心移動体４５を設けるとともに、バネ機構４６と圧電マイクロアクチュエータ４４により重心移動体４５の位置を調整している。
これにより、錘部４の重心位置の制御により、カンチレバー４の共振周波数が調整されるので、カンチレバー３上の圧電セル１０の発電電力を効率良くすることができる。
（第５の実施の形態）
図１８Ａは、第５実施形態に係る圧電発電装置を示す平面図であり、図１Ａと同じ符号は同じ要素を示している。
図１８Ａにおいて、圧電発電装置４７は、第１実施形態と同様に、固定部２、カンチレバー３及び錘部４、第１引出配線７ａ、第２引出配線７ｂ、重心制御回路８を有している。また、固定部２上における第１、第２引出配線７ａ、７ｂには重心制御回路８が接続される。
錘部４のほぼ中央には、四角柱状の凹部４ｉが形成されている。さらに、錘部４のうち四角柱状の凹部４ｉの後部にはアクチュエータ収納用凹部４ｊが形成されている。
アクチュエータ収納用凹部４ｊ内には、圧電マイクロアクチュエータ４８が取り付けられている。圧電マイクロアクチュエータ４８は、圧電体４８ａとその両面に形成された一対の電極４８ｂ、４８ｃを有し、圧電横効果によって凹部４ｃ内に向けて進退可能に配置されている。圧電体４８ａは、第１実施形態に示した圧電膜１２に適用される圧電材料のいずれかを使用する。
圧電マクロアクチュエータ４８の一方の電極４８ｂは第１引出配線７ａに接続され、他方の電極４８ｃは第２引出配線７ｂに接続されている。
また、凹部４ｉ内には、カンチレバー３の長手方向に摺動可能な重心移動体４９が収納されている。重心移動体４９は、質量の大きな材料、例えば鉛から形成されている。重心移動体４９の移動距離は特に限定されるものではないが、例えば２００μｍ〜３００μｍとする。
重心移動体４９の先端と凹部４ｉ内面の間には形状記憶バネ５０が取り付けられ、形状記憶バネ５０の前端と後端はそれぞれ凹部４ｉ内面と重心移動体４９の前端に接着されている。
形状記憶バネ５０は、変態温度Ｔ１で歪みが低減して元の形状に戻る材料から形成されている。そのような材料として、例えば、銅亜鉛アルミニウム合金、銅アルミニウムニッケル合金、ニッケルチタン合金がある。
なお、凹部４ｉ及びアクチュエータ収納用凹部４ｊは、上から被覆板９ａによって覆われている。被覆板９ａは、例えば、セラミック、ガラス等の絶縁材から形成される。
以上のような圧電発電装置４７において、図１８Ａに示す状態で、重心制御回路８から圧電マイクロアクチュエータ４８の一対の電極４８ｂ、４８ｃに電圧を印可する。これにより、図１８Ｂに示すように、圧電マイクロアクチュエータ４８の圧電体４８ａの先端は、凹部４ｉの先端面に向けて移動する。
圧電マイクロアクチュエータ４８の移動により重心移動体４９は押されて移動する。さらに、形状記憶バネ５０は、重心移動体４９に押されて縮む。そのような重心移動体４９の移動により、凹部４ｉ内の重心は錘部４の先端寄りに移動する。
重心移動体４９の移動距離は、圧電マイクロアクチュエータ４８の一対の電極４８ｂ、４８ｃに印加する電圧の大きさを制御することにより、調整される。従って、重心移動体４９の位置は、圧電マイクロアクチュエータ４８への電圧調整により無段階で調整されることが可能になる。
形状記憶バネ５０の変形は、形状記憶バネに変態温度Ｔ１以上の熱が加えられるまでその形態を維持する。これにより、図１８Ｃに示すように、重心制御回路８から圧電マイクロアクチュエータへの電圧の印加を停止しても、重心移動体４９はそのままの状態を維持する。
一方、重心移動体４９と圧電マイクロアクチュエータ４８の間に隙間があって形状記憶バネ５０が収縮している状態で、重心移動体４９の位置を再調整する場合には、形状記憶バネ５０を加熱して変態温度Ｔ１以上の温度Ｔを加える。
これにより、図１８Ａに示すように、形状記憶バネ５０の歪みは開放されて弾性力が大きくなるので、形状記憶バネ５０は、その弾性力により重心移動体４９をカンチレバー３に向けて移動させる。この結果、錘部４の重心はカンチレバー３寄りに移動する。
形状記憶バネ５０を加熱して重心移動体４９の位置調整を終えた後に、形状記憶バネ５０への加熱を停止し、その温度を常温に戻す。これにより、重心制御回路８から圧電マイクロアクチュエータ４８への電圧の印加を停止しても、重心移動体４９の位置は保持される。
以上のように、錘部４の凹部４ｉ内に重心移動体４９を移動可能に設けるとともに、形状記憶バネ５０及び圧電マイクロアクチュエータ４８により重心移動体４９の位置を調整している。そのような重心位置の制御により、カンチレバー３の共振周波数が調整されるので、カンチレバー３上の圧電セル１０の発電効率を高くすることができる。
（第６の実施の形態）
図１９Ａは、第６実施形態に係る圧電発電装置を示す平面図であり、図１Ａと同じ符号は同じ要素を示している。
図１９Ａにおいて、圧電発電装置８１は、第１実施形態と同様に、固定部２、カンチレバー３及び錘部４、第１電極６ａ、第２電極６ｂ、第１引出配線７ａ、第２引出配線７ｂ、重心制御回路８を有している。
錘部４内には四角柱状の空洞４ｘが形成されている。空洞４ｘ内には、重心調整部として、第１、第２電極６ａ、６ｂ及び電解液８２が入れられている。第１、第２引出配線７ａ、７ｂは、第１実施形態と同様に、カンチレバー３の根本の固定部４上に配置される重心制御回路８に接続されている。
第１電極６ａは、例えば銀（Ag）から形成され、錘部４の先端寄りの内面に取り付けられ、さらに第１引出配線７ａに接続されている。第２電極６ｂは、例えば酸化インジウム錫（ＩＴＯ）から形成され、カンチレバー３寄りの内面に取り付けられ、さらに第２引出配線７ｂに接続されている。第２電極６ｂは、第１電極６ａから間隔をおいて配置される。
電解液８２として鉄、鉛、金、銀、銅等の重金属が含まれることが好ましい。銀を含む電解液８２として、例えば、ハロゲンを含む支持電解質とともにハロゲン化銀を溶解した液を使用し、その液は空洞８ｘ内に封入される。ハロゲン化銀として、例えばフッ化銀（AgF ）、塩化銀（AgCl）、臭化銀（AgBr）、ヨウ化銀（AgI ）がある。なお、銀の替わりに、金、プラチナ、リチウム等の金属を溶解した液を使用してもよい。
ハロゲン化銀を溶解するためのハロゲンを含む支持電解質として、例えば、ヨウ化アンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化カリウム、臭化カリウム、塩化カリウム、ヨウ化ナトリウム、臭化ナトリム、塩化ナトリウム、ヨウ化リチウム、臭化リチウム、塩化リチウムがある。
他の支持電解質として、例えば、過塩素酸テトラブチルアンモニウム、過塩素酸テトラエチルアンモニウム、チオシアン酸イソシアネート、硫化ナトリウムなど、過塩素酸塩、チオシアン酸塩、硫酸塩がある。また、ハロゲン化銀や支持電解質を溶解する溶媒として、例えば、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）がある。
以上のような圧電発電装置８１において、図１９Ａに示すように、重心制御回路８から第１、第２電極６ａ、６ｂ間に電圧を印可し、第１電極６ａをプラス、第２電極６ｂをマイナスに帯電する。これにより、第１電極６ａに含まれる銀８３がプラスにイオン化して電解液８２中に溶解し、第２電極６ｂに移動して電子を得て析出する。つまり、第２電極６ｂが銀メッキされた状態となる。
これにより、第１電極６ａの一部の質量が第２電極６ｂ表面に移動するために、錘部４の重心がカンチレバー３寄りに移動することになる。この結果、カンチレバー３及び錘部４の共振周波数が変化する。
これに対し、図１９Ｂに示すように、重心制御回路８により第２電極６ｂをプラス、第１電極６ａをマイナスに帯電させると、第２電極６ｂに析出した銀８３がプラスにイオン化して再び電解液８２中に溶解し、第１電極６ａに戻ることになる。これにより、錘部４の重心は錘部４先端寄りに移動することになり、カンチレバー３及び錘部４の共振周波数が変化する。なお、第１、第２電極６ａ、６ｂに印加する電圧はパルスでなくてもよい。
以上の圧電発電装置８１の重心調整部によれば、凹部４ｘ内の電解液８２における電解析出・溶解は第１、第２電極６ａ、６ｂ間に電圧を印可した状態で生じる。そして、その後に第１、第２電極６ａ、６ｂへの電圧の印加を停止しても、銀８３の析出や溶解には変化はなく、錘部４の重心は電圧切断前の状態で保持される。
そのような銀等の金属の析出は極めて精度良く制御することができ、かつ無段階に変化させることができる。
（第７の実施の形態）
図２０Ａは、第７実施形態に係る圧電発電装置を示す平面図であり、図１Ａと同じ符号は同じ要素を示している。
図２０Ａにおいて、圧電発電装置５１は、第１実施形態と同様に、固定部２、カンチレバー３及び錘部４が形成された基板を有している。
錘部４のほぼ中央には、重心調整用材を充填する空洞４ｋが形成されている。その空洞４ｋは、例えば略球状、略半球状に形成され、その上部は、空気孔５２ａと材料注入孔５２ｂを有する蓋体５２により覆われている。材料注入孔５３ｂには材料供給管５３が接続される。なお、空洞４ｋの大きさは、例えば約９００μｍの直径を有している。
空洞４ｋ内には材料供給管５３を通して外部から重心調整材５４として例えば樹脂が注入され、注入量の調整により錘部４全体の重量が制御される。樹脂材として、例えば、エポキシのような熱硬化性樹脂が空洞４ｋ内に注入され、その後に熱硬化される。なお、凹部４ｋ内に重心調整材５４を供給した後に、蓋体５２の空気孔５２ａ及び材料注入孔５３ｂを接着剤で塞いでもよい。
重心調整材５４は、錘部４における重心を次のような方法により調整される。
例えば、空洞４ｋ内に供給された重心調整材５４を硬化する際に、錘部４の先端を後端よりも下方に位置させた状態に保持する。これにより、図２０Ｂに示すように、凹部４ｋ内の重心は錘部４の前端寄りに位置する。
一方、錘部４の前端を後端よりも上方に位置させた状態で重心調整材５４を硬化すると、図２０Ｃに示すように、凹部４ｋ内の重心は錘部４のカンチレバー３寄りに位置する。さらに。錘部４を略水平に保持した状態で重心調整材５４を硬化すると、図２０Ｄに示すように、錘部４の重心は空洞４ｋ内のほぼ中央に位置する。
なお、図２０Ｅに示すように、空洞４ｋ内を空の状態にしてもよい。
以上のように、錘部４では、空洞４ｋ内の重心調整材の重量及び取り付け位置を調整することにより、錘部４の重心が制御されてカンチレバー３の共振周波数が変化する。
上記のように、錘部４の重量及び重心の制御することにより、圧電発電装置５１が取り付けられる外部装置の振動状態に合わせてカンチレバー３の共振周波数が調整されるので、カンチレバー３上の圧電セル１０から効率よく電力を発生させることができる。
また、本実施形態では、錘部４の凹部４ｋ内に充填される材料の重量とその重心位置の変更によりカンチレバー３の振動周波数を変える構造を採用したので、上記の他の実施形態に示した重心制御回路、引出配線及び電極は不要になる。
以上の構造では、空洞４ｋ内に供給される重心調整材は、硬化後に再軟化が不可能な材料を使用してもよいし、硬化後に例えば加熱により再び流動性を回復できる材料を使用してもよい。硬化後に加熱により流動性を回復する材料として、例えば、はんだ材料として使用されるビスマス・錫合金、錫・ビスマス・インジウム合金がある。
（第８の実施の形態）
図２１Ａ、図２１Ｂは、第８実施形態に係る圧電発電装置を示す平面図及び断面図であり、図１Ａ、図１Ｂと同じ符号は同じ要素を示している。
図２１Ａ、図２１Ｂにおいて、圧電発電装置５５は、第１実施形態と同様に、固定部２、カンチレバー３及び錘部４を有している。錘部４には、カンチレバー３の長手方向に間隔をおいて第１、第２及び第３の凹部４ｓ、４ｔ、４ｕが形成されている。第１、第２及び第３の凹部４ｓ、４ｔ、４ｕは同一形状が好ましいが、異なる形状であってもよい。１〜第３の凹部４ｓ、４ｔ、４ｕのうち選択された領域には充填材５６が充填される。
充填材５６は、錘部４の重心の位置を変更するための重心調整材であり、例えば、樹脂、金属が選択される。樹脂として例えばエポキシ樹脂があり、金属として例えば鉛、鉛錫のいずれかを使用する。
充填材５６は、流体又は半流体の材料を凹部４ｓ、４ｔ、４ｕ内に供給した後にその材料を硬化してもよい。また、流体又は半流体を凹部４ｓ、４ｔ、４ｕ内に供給した後に、その上に蓋を被せても良い。さらに、第１〜第３の凹部４ｓ、４ｔ、４ｕに充填できる形状に成型した固体を凹部４ｓ、４ｔ、４ｕに供給してもよい。
なお、図２１Ａ、図２１Ｂでは、錘部４内に第１〜第３の凹部４ｓ、４ｔ、４ｕを形成した構造を例に挙げて示しているが、凹部は３つ以上であってもよい。
錘部４内にｎ個の凹部を形成し、ｎ個の凹部から１又はｎ個を選択し、選択された凹部に充填材５６を埋め込んで錘部の重量及び重心を変更すると、錘部４の重心位置及び重量の組み合わせは２のｎ乗、即ち２ｎ通り存在する。
従って、図２１Ａのように錘部４に第１〜第３の凹部４ｓ、４ｔ、４ｕを形成する場合にはｎ＝３となるので、重心及び重量の組み合わせは図２２Ａ〜図２２Ｈに示すように、８通りの組み合わせがある。
図２２Ａ〜図２２Ｈに示す状態におけるカンチレバー３及び錘部４の共振周波数を計算すると、それぞれの共振周波数は図２３に示すようになる。
図２２Ａ〜図２２Ｈ、図２３では、凹部が空の場合を“０”、凹部に充填材５６が供給されている場合を“１”として、第１の凹部４ｓ、第２の凹部４ｔ、第３の凹部４ｕの順に“０”又は“１”が記載されている。
例えば、図２２Ａに示すように第１の凹部４ｓ、第２の凹部４ｔ、第３の凹部４ｕのそれぞれが空の場合には、図２３では０−０−０で示されている。また、図２２Ｂに示すように第１の凹部４ｓ、第２の凹部４ｔのそれぞれが空で、第３の凹部４ｕ内に充填材５６が供給されている場合には、図２３では０−０−１で示されている。さらに、図２２Ｈに示すように、第１の凹部４ｓ、第２の凹部４ｔ、第３の凹部４ｕのそれぞれに充填材５６が供給されている場合には、図２３では１−１−１で示されている。
図２２Ａと図２２Ｈについて、図４と同様なＸ−Ｙ座標で求めると、図２２Ａの重心のＸｃ、Ｙｃはそれぞれ０．６８８ｍｍ、−０．２５２ｍｍとなる。また、図２２Ｈの重心のＸｃ、Ｙｃはそれぞれ０．７５０ｍｍ、−０．２１４ｍｍとなる。これにより、錘部４の重心は、カンチレバー３の長手方向で約６２μｍの差が生じる。
以上により、錘部４内の第１〜第３の凹部４ｓ、４ｔ、４ｕのそれぞれに充填材５６を埋め込むか否かを選択することにより、約３８４Ｈｚ〜約４４０Ｈｚの範囲で、カンチレバー３の共振周波数が変更されることがわかる。なお、錘４が重くなるほどカンチレバー３の共振周波数は小さくなる。
なお、図２３に示す計算は、カンチレバー３及び錘部４をシリコンから形成し、さらに、カンチレバー３の長さと幅を１．５ｍｍ、１ｍｍとし、錘部４の縦と高さと幅をそれぞれ１．５ｍｍ、１ｍｍ、１ｍｍとする。さらに、凹部４ｓ、４ｔ、４ｕの大きさを半径２００μｍの半球状にするとともに、凹部４ｓ、４ｔ、４ｕに埋め込む材料としてエポキシ樹脂を採用する。エポキシ樹脂は、例えば注射器を使用して凹部４ｓ、４ｔ、４ｕに供給される。また、臨界減衰比を０．２％とする。
以上のように、錘部４に凹部４ｓ、４ｔ、４ｕを複数形成するとともに、選択した凹部４ｓ、４ｔ、４ｕの中に充填材５６を埋め込むことにより、錘部４及びカンチレバー３の共振周波数が調整される。このため、圧電発電装置５５が取り付けられる機器の振動に合わせて錘部４及びカンチレバー３の共振周波数を変更することが可能になる。この結果、カンチレバー３上の圧電セル１０に効率良く電力を発生させることができる。
また、本実施形態では、錘部４の複数の凹部４ｓ、４ｔ、４ｕを選択してその中に充填材５６を充填することにより、錘部４全体の重量とその重心位置を変更する構造を採用したので、共振周波数変更のための電子回路、配線及び電極が不要になる。
なお、図２１Ａ、図２１Ｂでは、錘部４に形成された複数の凹部凹部４ｓ、４ｔ、４ｕに選択的に充填材５６を充填したが、錘部４の上に複数の領域を設け、それらの領域から選択した領域に重心調整材を取り付ける構造であってもよい。
（第９の実施の形態）
図２４は、第９実施形態を示す圧電発電装置に適用される電力出力回路を示す回路図である。
図２４に示す電力出力回路６１おいて、圧電セル１０は、例えば第１〜第６実施形態に示したと同様に、圧電発電装置１、３０、４１、４３、４７のカンチレバー３上に形成され、下部電極１１、圧電層１２、上部電極１３を有している。
下部電極１１と上部電極１３は、交流直流（ＡＣ−ＤＣ）変換回路６２の一対の入力端子６２ａ、６２ｂに接続されている。
ＡＣ−ＤＣ回路６２として、例えば、４つのダイオード６２ｄをブリッジ接続した回路を使用する。即ち、ＡＣ−ＤＣ回路６２は、２つのダイオード６２ｄを直列に接続した２つの直列回路をさらに並列に接続した構造を有している。２つの直列回路におけるダイオード６２ｄのそれぞれの中間接続点のそれぞれは入力端子６２ａ、６２ｂに接続されている。
ＡＣ−ＤＣ回路６１の２つの直列回路同士の２つの接続点のそれぞれはパワーコンディショナー６３の入力端に接続される。パワーコンディショナー６３の一対の出力端６１ａ、６１ｂは、電力出力回路６１の出力端となる。パワーコンディショナー６３は、例えば、ＡＣ−ＤＣ変換回路６２の出力端に並列に接続するツェナーダイオード６３ａ、第１キャパシタ６３ｂを有している。
パワーコンディショナー６３は、ＡＣ−ＤＣ変換回路６２のプラス出力端子に接続されるコイル６３ｃと、そのマイナス出力端子に直列に接続する第２キャパシタ６３ｄを有している。さらに、パワーコンディショナー６３は、コイル６３ｃと第２キャパシタ６３ｄのそれぞれに接続される端子を有するＤＣ−ＤＣコンバータ６３ｅを有している。ＤＣ−ＤＣコンバータ６３ｅとして、例えばマキシム・インテグレーティド・プロダクツ社の商品ＭＡＸ１６７５を使用する。
ＡＣ−ＤＣ変換回路６２とパワーコンディショナー６３のうちいずれかの出力端には、二次電池である蓄電器６４が並列に接続されている。図２４では、蓄電器６４としてキャパシタが示されている。
上記の電力出力回路６１において、カンチレバー３の振動に伴って圧電セル１０から発生した交流電力は、ＡＣ−ＤＣ回路６２により直流電力に変換される。直流に変換された電圧は、パワーコンディショナー６３によって波形成形され、望ましい電圧値の範囲内に保持される。また、蓄電池６４は、ＡＣ−ＤＣ回路６２又はパワーコンディショナー６４から伝送される電力を蓄積する。
このように、パワーコンディショナー６３及び蓄電池６４は、電圧値を揃えた電力を外部機器に出力する。
電力出力回路６１の一対の電力出力端子６ａ、６１ｂは、外部機器（不図示）の例えば電子回路又は電子機器に接続され、同時に、第１〜第６実施形態に示した重心制御回路８にパルス電圧を供給するための電子回路に接続されてもよい。これにより、パワーコンディショナー６３又は蓄電器６４から出力される電力は、外部機器に消費されるだけでなく、フィードバックされて重心制御回路８の駆動にも使用されてもよい。
なお、図において符号ＧＮＤは接地、符号＋Ｖはプラス電圧を示している。
次に、図２５のブロック図を参照し、上記した実施形態で示した重心制御回路８内の第１、第２ゲート端子、８ｆ、８ｇにパルス電圧を供給するための信号送信装置６５を説明する。
図２５に示す信号送信装置６５は、パルス出力端子切換装置６６、パルス出力判断装置６７、記憶部６８、タイマー６９を有している。
パルス出力端子切換装置６６は、パルス発生回路６６ａ及び端子切換回路６６ｂを有している。
パルス発生回路６６ａは、パルス出力判断装置６７からのパルス発生信号に基づいて端子切換回路６６ｂを介して重心制御回路８にパルス電圧を出力する。
端子切換回路６６ｂは、パルス発生回路６６ａから出力されるパルスの伝送先を決定する回路である。端子切換回路６６ｂは、例えば、パルス出力判断装置６７からセット信号として“１”を入力することにより、パルス電圧を出力する端子としてｆ１端子６５ａを選択する。一方、端子切換回路６６ｂは、例えば、セット信号として“０”を入力することにより、パルス電圧を出力する端子としてｆ２端子６５ｂを選択する。
ｆ１端子６５ａは、例えば図２Ａ、図２Ｂに示す重心制御回路８の第１ゲート端子８ｆに接続される。また、ｆ２端子６５ｂは、例えば図２Ａ、図２Ｂに示す重心制御回路８の第２ゲート端子８ｇに接続される。
端子切換回路６６ｂとして、例えば、パルス発生回路６６ａとｆ１端子６５ａの間にｎ型ＭＯＳトランジスタを直列に接続し、パルス発生回路６６ａとｆ２端子６５ｂの間にｐ型ＭＯＳトランジスタを直列に接続する回路を使用する。この場合、ｐ型ＭＯＳトランジスタとｎ型ＭＯＳトランジスタのゲートには、パルス出力判断装置６７からのセット信号を入力する。
ｐＭＯＳトランジスタとｎ型ＭＯＳトランジスタのそれぞれのゲートにセット信号“１”として＋Ｖ０の電圧を印加するとｎ型ＭＯＳトランジスタはオンする。さらに、ｐＭＯＳトランジスタとｎ型ＭＯＳトランジスタのそれぞれのゲートにセット信号“０”として−Ｖ０の電圧を印加するとｐ型ＭＯＳトランジスタはオンする。
パルス出力判断装置６７は、記憶部６８に格納されたプログラムに従ってセット信号、パルス発生信号をパルス出力端子切換装置６６に出力する。パルス出力判断装置６７は、ＣＰＵを含み、タイマー６９により計時された時間を入力し、プログラムに従って図２６に示すフローチャートを実行する。
パルス出力判断装置６７は、図２６のａに示すように、タイマー６９により計時された時間が予め設定されたモード切換時間になったかどうかを判断する。モード切換時間が到来した時点で、図２６のｂに示すように、パルス出力判断装置６７は、モード切換時間がｆ１モードとｆ２モードのいずれに切り換える時間であるかを判断する。ｆ１モードは例えば錘部４の重心をカンチレバー３寄りに位置させる時間であり、ｆ２モードは例えば錘部４の重心を先端寄りに位置させる時間である。
ｆ１モード、ｆ２モードの選択時間は、例えば第１実施形態に示した圧電発電装置１が設置された環境の情報、例えば場所、季節等に基づいて統計的に周波数が変化する情報に基づいて設定され、記憶部６８内に記憶される。
例えば、夜間は出力が低くて共振周波数が低く、昼間は出力が高くて共振周波数が高く、しかも毎日決まったスケジュールで運転される機器に圧電発電装置１を取り付ける。この場合には、そのスケジュールの時間に応じてカンチレバー３と錘部４の共振周波数を切り換える。そのような機器として、例えば、火力発電所、大規模施設に設けられるタービンがある。
モード切換がｆ１モードへの切換である場合に、パルス出力判断装置６７はセット信号“１”及びパルス発生信号をパルス出力端子切換装置６６に送信する。これにより、図２６のｃに示すように、端子切換回路６６ｂは、パルス出力端子としてｆ１端子６５ａを選択する。
この結果、図２６のｄ、ｅに示すように、パルス発生回路６６ａからパルス電圧が出力され、ｆ１端子６５ａ、第１ゲート端子８ｆを介して図２Ａに示す重心制御回路８の第１、第２の電界効果トランジスタ８ａ、８ｂのゲートに出力される。これにより、第１電極６ａはマイナスに帯電され、第２電極６ｂはプラスに帯電されるので、図２Ａでは錘部４の重心はカンチレバー３に向けて移動する。
これに対し、モード切換がｆ２モードへの切換である場合には、パルス出力判断装置６７からセット信号“０”及びパルス発生信号をパルス出力端子切換装置６６に送信する。これにより、図２６のｆに示すように、端子切換回路６６ｂは、パルス出力端子としてｆ２端子６５ｂを選択する。
この結果、図２６のｇ、ｈに示すように、パルス発生回路６６ａからパルス電圧が出力され、ｆ２端子６５ｂ、第２ゲート端子８ｇを介して重心制御回路８の第３、第４の電界効果トランジスタ８ｃ、８ｄのゲートに出力される。これにより、図２Ｂに示すように、第１電極６ａはプラスに帯電され、第２電極６ｂはマイナスに帯電されるので、錘部４の重心は錘部４の先端に向けて移動する。
以上により錘部４及びカンチレバー３の共振周波数が変更され、次のモード切換時間になるまで、錘部４の重心が維持される。
なお、信号送信装置６５で消費される電力は、例えば図２４に示す蓄電器６４から供給されてもよい。また、電力出力回路６１、信号送信装置６５の少なくとも一方は、圧電発電装置の一部として例えば図１Ａ、図１Ｂに示す固定部２に組み込まれてもよい。
（第１０の実施の形態）
図２７は、第１０実施形態に係る圧電発電装置を制御するための信号送信装置を示すブロック図である。なお、図２７において、図２５と同一符号は同一要素を示している。
図２７に示す信号送信装置７１は、パルス出力端子切換装置６６、パルス出力判断装置６７、記憶部６８を有し、パルス出力判断装置６７の入力端の一部は、振動センサー７２、加速度センサー７３の出力端に接続されている。
振動センサー７２、加速度センサー７３は、圧電発電装置内に取り付けられてもよし、外部に取り付けられてもよい。また、パルス出力端子切換回路６６は、第１〜第６実施形態のいずれかに示した重心制御回路８に接続されている。
パルス端子切換装置６６は、パルス発生回路６６ａ及び端子切換制御回路６６ｂを有している。
パルス発生回路６６ａは、第９実施形態と同様に、パルス出力判断装置６７からのパルス発生信号の入力によってパルス電圧を端子切換回路６６ｂに出力する。
また、端子切換回路６６ｂは、第９実施形態と同様に、例えば、パルス出力判断装置６７からセット信号として“１”を入力することにより、パルス電圧を出力する端子としてｆ１端子６５ａを選択する。また、切換回路６６ｂは、例えば、セット信号として“０”を入力することにより、パルス電圧を出力する端子としてｆ２端子６５ｂを選択する。
ｆ１端子６５ａは、重心制御回路８の第１ゲート端子８ｆに接続され、第２端子６５ｂは、重心制御回路８の第２ゲート端子８ｇに接続される。
パルス出力判断装置６７は、第９実施形態と同様に、記憶部６８に格納されたプログラムに従ってセット信号、パルス出力信号をパルス出力端子切換装置６６に出力する。パルス出力判断装置６７は、ＣＰＵを含み、振動センサー７２、加速度センサー７３の検出結果を入力し、記憶装置内のプログラムに予め格納された振動数と加速度と共振周波数の関係に基づいてｆ１モード、ｆ２モードを選択する。
パルス出力判断装置６７は、加速度及び振動数とｆ１モードとｆ２モードと関連づけ、それらの関係をデータとして記憶部６８に記憶しておく。例えば、図２８に示すように、横軸を加速度、縦軸を振動数とし、予め実測されたデータに基づいてｆ１モード、ｆ２モードが選択されるようにそれらの関係を記憶部６８に格納する。
次に、信号送信装置７１により重心制御回路８にパルス電圧を供給する方法を図２９のフローチャートを参照して説明する。
まず、パルス出力判断装置６７は、図２９のａ、ｂに示すように、振動センサー７２、加速度センサー７３の検出値に基づいてｆ１モードかｆ２モードかを判断する。いずれのモードであるかは、記憶部６８内に記憶されたデータベース、例えば図２８に示す関係を求めるデータベースに基づいて判断される。
例えば、ｆ１モードは例えば図２Ａに示すように錘部４の重心をカンチレバー３寄りに位置させるモードであり、ｆ２モードは図２Ｂに示すように錘部４の重心をその先端寄りに位置させるモードである。
そして、振動センサー７２、加速度センサー７３の検出値がｆ１モードに含まれる値に該当する場合には、パルス出力判断装置６７はセット信号“１”とパルス発生信号をパルス出力端子切換装置６６に送信する。
これにより、図２９のｃに示すように、端子切換回路６６ｂは、パルス出力端子としてｆ１端子６５ａを選択する。さらに、図２９のｄ、ｅに示すように、パルス発生回路６６ａから出力されるパルス電圧は、ｆ１端子６５ａ、第１ゲート端子８ｆを介して重心制御回路８の第１、第２の電界効果トランジスタ８ａ、８ｂのゲートに送信される。
この結果、例えば図２Ａに示すように、第１電極６ａはマイナスに帯電され、第２電極６ｂはプラスに帯電されるので、錘部４の重心はカンチレバー３に向けて移動する。
これに対し、モード切換がｆ２モードへの切換である場合には、パルス出力判断装置６７はセット信号“０”とパルス発生信号をパルス出力端子切換装置６６に送信する。
これにより、図２９のｆに示すように、端子切換回路６６ｂは、パルス出力端子としてｆ２端子６５ｂを選択する。さらに、図２９のｇ、ｈに示すように、パルス発生回路６６ａから出力されるパルス電圧は、ｆ２端子６５ｂ、第２ゲート端子８ｇを介して重心制御回路８の第３、第４の電界効果トランジスタ８ｃ、８ｄのゲートに送信される。
この結果、例えば図２Ｂに示すように、第１電極６ａはプラスに帯電され、第２電極６ｂはマイナスに帯電されるので、錘部４の重心はその先端に移動する。
上記のように本実施形態によれば、振動センサー７２、加速度センサー７３のように、センサーによる最新の情報に基づいて錘部４及びカンチレバー３の共振周波数を最適な値に調整することが可能になる。
そのため、圧電セル１０は、環境の変化に応じて効率良く電力を発電することができる。例えば、本実施形態の振動センサー７２、加速度センサー７３を自動車のエンジンに取り付ける場合には、エンジンの回転数は頻繁に変動するので、常時、圧電セル１０により効率高い電力を出力させることができる。
なお、信号送信装置７１は、圧電発電装置の一部として固定部２に組み込まれてもよい。
（第１１の実施の形態）
図３０は、第１１実施形態に係る圧電発電装置を制御するための信号送信装置を示すブロック図である。図３０において、図２５と同じ符号は同じ要素を示している。
図３０において、信号送信装置７５は、パルス出力端子切換装置６６、出力比較装置７６、タイマー７７、記憶部７８、電力出力切換装置７９及び基準電力装置８０を有している。
タイマー７７は、一定時間毎に出力比較装置７６に起動信号を出力する。一定時間とは、例えば、１０分経過毎に１回といった比較的長いタイムラグを有する時間である。また、電力出力回路６１ａは、例えば図２４に示す回路又は交流直流変換回路である。
パルス端子切換装置６６は、第９実施形態と同様に、パルス発生回路６６ａ及び端子切換制御回路６６ｂを有し、端子切換制御回路６６ｂは例えば第１〜第６実施形態のいずれかに示した重心制御回路８の第１、第２ゲート端子８ｆ、８ｇに接続されている。
パルス発生回路６６ａは、出力比較装置７６からパルス発生信号ｓ１を入力することによりパルス電圧を端子切換回路６６ｂに出力する。また、端子切換回路６６ｂは、例えば、出力比較装置７７からセット信号ｓ２として“１”を入力することによりｆ１端子６５ａからパルス電圧を出力し、セット信号ｓ２として“０”を入力することによりｆ２端子６５ｂからパルス電圧を出力する。
出力比較装置７６は、タイマー７７から起動信号を入力することにより起動し、電力出力回路６１ａから出力される測定電力Ｐ１と基準電力Ｐ０を比較し、比較結果に基づいてパルス端子切換装置６６にパルス発生信号ｓ１、セット信号ｓ２を送信する回路を有している。
即ち、出力比較装置７６は、測定電力Ｐ１が基準電力Ｐ０よりも大きい場合にパルス端子切換装置６６にセット信号ｓ２としてｆ１モードの信号 “１”を出力し、測定電力Ｐ１が基準電力Ｐ０以下の場合にパルス端子切換装置６６にセット信号ｓ２としてｆ２モードの信号“０”を出力する回路を有している。
出力比較装置７６は、測定電力Ｐ１、基準電力Ｐ０の入力を要求するために、パルス発生信号ｓ１とセット信号ｓ１をパルス端子切換装置６６に出力するとともに、比較指令信号ｓ３を出力切換装置７９に出力する回路を有している。比較指令信号ｓ３は、ｆ１モードの“１”、又はｆ２モードの“０”である。
基準電力Ｐ０は基準電力装置８０から出力され、測定電力Ｐ１は出力切換装置７９の第１端子から出力される。
出力切換装置７９は、例えば端子切換制御回路６６ｂと同じ回路構成を有し、電力出力回路６１ａを介して圧電セル１０の電力を入力する。また、出力切換装置７９は、出力比較装置７６から切換信号ｓ３としてｆ１モードの信号“１”を受信することにより、電力出力回路６１ａの出力電力を第２端子から基準電圧装置８０に出力する。また、電力出力切換装置７９は、出力比較装置７６から切換信号ｓ３としてｆ２モードの信号“０”を受信することにより、電力出力回路６１ａの出力電力を基準電力Ｐ１として第１端子から出力比較装置７６に出力する。
基準電圧装置８０は、例えばキャパシタを有し、キャパシタに蓄積された電力を基準電力Ｐ０として出力比較装置７６に出力する。
出力比較装置７６は、例えばＣＰＵを含み、記憶部７８に記憶されたプログラムに従って図３１に示すフローチャートを実行する。
即ち、図３１のａ、ｂに示すように、タイマー７７は設定時間になった時点で起動信号を出力比較装置７６に出力する。
起動した出力比較装置７６は、図３１のｃに示すように、ｆ１モードの信号“１”をパルス出力端子切換装置６６及び電力出力切換装置７９に出力し、さらにパルス発生信号ｓ１をパルス出力端子切換装置６６に出力する。
これにより、パルス出力切換装置６６内では、パルス発生回路６６ａからパルス電圧が端子切換制御回路６６ｂに出力され、さらに、パルス電圧は端子切換制御回路６６ｂからｆ１端子６５ａを介して重心制御回路８の第１ゲート端子８ｆに出力される。
これにより、重心制御回路８内では、例えば図２Ａに示したように、第１、第２の電界効果トランジスタ８ａ、８ｂのゲートにパルス電圧が印加され、カンチレバー３先端の錘部４内の第１電極６ａがマイナスに、第２電極６ｂがプラスに帯帯される。
この結果、第１電極６ａと第２電極６ｂの間の重心調整部、例えば微粒子含有液５内の重心が第２電極６ｂに向けて移動するので、錘部４の重心はカンチレバー３寄りに変更される。
錘部４の重心が変更されることにより、図３１のｄに示すように、カンチレバー３の共振周波数が変更される。そして、カンチレバー３上の圧電セル１０により発電された第１の電力は、電力出力回路６１ａ、出力切換装置７９を介して基準電圧装置８０に出力される。
これにより、図３１のｄに示すように、基準電圧装置８０は、第１の電力を蓄積又は記憶する。基準電圧装置８０は、第１の電力を基準電力Ｐ０として出力比較装置７６に出力する。
次に、出力比較装置７６は、図３１のｅに示すように、ｆ２モードの信号“０”をパルス出力端子切換装置６６及び電力出力切換装置７９に出力し、さらに、パルス発生信号ｓ１をパルス出力端子切換装置６６に出力する。
これにより、パルス出力切換装置６６内では、パルス発生回路６６ａからパルス電圧が端子切換制御回路６６ｂに出力され、さらに、パルス電圧は端子切換制御回路６６ｂ、ｆ２端子６５ｂを介して重心制御回路８の第２ゲート端子８ｇに出力される。
これにより、重心制御回路８内では、例えば図２Ｂに示したように、第３、第４の電界効果トランジスタ８ｃ、８ｄのゲートにパルス電圧が印加され、カンチレバー３先端の錘部４内の第１電極６ａがプラスに、第２電極６ｂがマイナスに帯帯される。
この結果、第１電極６ａと第２電極６ｂの間の重心調整部、例えば微粒子含有液５内の重心が第１電極６ａに向けて移動するので、錘部４の重心はその先端寄りに変更される。
錘部４の重心が変更されることにより、図３１のｆに示すように、カンチレバー３の共振周波数が変更される。そして、カンチレバー３上の圧電セル１０により発電した第２の電力は、電力出力回路６１ａ、出力切換装置７９を介して出力比較装置７６に測定電圧Ｐ１として出力される。
次に、図３１のｇに示すように、出力比較装置７６は、基準電圧装置８０の基準電力Ｐ０と出力切換装置７９から出力される測定電力Ｐ１を比較する。
測定電力Ｐ１が基準電力Ｐ０より小さい場合に、図３１のｈ、ｉに示すように、出力比較装置７６はセット信号ｓ２としてｆ１モードの信号“１”とパルス発生信号ｓ１をパルス端子切換装置６６に出力した後、タイマー７７から次の起動信号が送られてくるまで停止又は待機する。
パルス端子切換装置６６は、信号“１”の入力により、パルス電圧を重心制御回路８の第１ゲート端子８ｇに出力する。この結果、錘部４の重心はカンチレバー３寄りに移動する。
また、測定電力Ｐ１が基準電力Ｐ０以上の場合にはモード変更は不要である。しかし、改めて図３１のｈ、ｊに示すように、出力比較装置７６は、セット信号ｓ２としてｆ２モードの信号“０”とパルス発生信号ｓ１をパルス端子切換装置６６に出力してもよい。その後に、タ出力比較装置７６は、イマー７７から次の起動信号が送られてくるまで停止又は待機する。
以上のように本実施形態によれば、設定時間毎に、重心位置の違いによる圧電セル１０の発電電力の値を求め、それらの値を比較し、発電電力が最も高くなる重心位置を判別し、その判別結果に基づいて錘部４の重心位置を調整している。
これにより、カンチレバー３の振動状況に応じて最適な重心位置を調整することができ、しかも、振動状況を検出するための別のセンサーが不要になる。
なお、信号送信装置７５を作動するための電力は、例えば図２４に示す蓄電器６４から供給されてもよい。また、電力出力回路６１ａ、信号送信装置７５の少なくとも一方は、圧電発電装置の一部として固定部２に組み込まれてもよい。
（第１２の実施の形態）
図３２は、第１２実施形態に係る圧電発電装置を示すブロック図である。
図３２において、圧電発電装置９１は、振動センサー部９２、出力判別部９３、共振周波数制御部９４及び発電部９５を有している。
圧電発電装置９１における振動センサー部９２は、第１、第２及び第３の発電センサー５１ａ、５１ｂ、５１ｃを有している。
第１、第２及び第３の発電センサー５１ａ、５１ｂ、５１ｃは、例えば第７実施形態に示す圧電発電装置５１と同じ構造を有し、固定部２、カンチレバー３及び錘部４を有している。錘部４に形成される凹部４ｋ内の重心位置は、第１、第２及び第３の発電センサー５１ａ、５１ｂ、５１ｃ毎に異なり且つ固定され、これによりカンチレバー３の共振周波数は固定されている。
例えば、第１の発電センサー５１ａの凹部４ｋ内には重心調整材５４がカンチレバー３寄りに充填され、第１の発電センサー５１ａのカンチレバー３は第１の共振周波数ｆ０１を有している。第２の発電センサー５１ｂの凹部４ｋ内には重心調整材５４が錘部４の先端寄りに充填され、第２の発電センサー５１ｂのカンチレバー３は第２の共振周波数ｆ０２を有している。また、第３の発電センサー５１ｃの凹部４ｋ内の下部には重心調整剤５４が充填され、第３の発電センサー５１ｃのカンチレバー３は第３の共振周波数ｆ０３を有している。ｆ０１はｆ０２、ｆ０３より大きく、ｆ０３はｆ０２より大きく、ｆ０２＜ｆ０３＜ｆ０１の関係にある。
第１、第２及び第３の発電センサー５１ａ、５１ｂ、５１ｃのカンチレバー３上には、それぞれ第１、第２、第３の圧電セル１０ａ、１０ｂ、１０ｃが形成されている。第１、第２及び第３の圧電セル１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、図１Ｂに示した圧電セル１０と同様な構造を有し、上部電極、下部電極に挟まれた圧電膜を有している。
第１、第２、第３の圧電セル１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、カンチレバー３の変形にともなう圧電効果により生じたそれぞれの電力を下部電極及び上部電極を介して出力判別部９３に出力する。
そのような構造の振動センサー部９２に対し、発電部９５は、共振周波数の変更が可能なカンチレバー３及び錘部４を備えた圧電発電セル９６を少なくとも１つ有している。なお、図３２に示す発電部９５は複数の圧電発電装置９６を有している。
圧電発電セル９６は、例えば第１〜第６実施形態のいずれかに示す圧電発電装置と同様に、固定部２、カンチレバー３及び錘部４を有している。錘部４内の凹部４ａには重心調整部９７として、例えば第１実施形態に示した微粒子含有液５が収納されている。また、錘部４内には間隔をおいて第１電極６ａと第２電極６ｂが形成されている。第１電極６ａ、第２電極６ｂはそれぞれ第１、第２引出配線７ａ、７ｂを介して重心制御回路８に接続されている。
重心制御回路８は、例えば、図２Ａ、図２Ｂに示した直流電源８ｅと複数の電界効果トランジスタ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを有する回路である。
圧電発電セル９６のカンチレバー３上に形成される圧電セル１０は、図１Ａ、図１Ｂに示したと同様に、圧電膜を挟む下部電極と上部電極を有し、カンチレバー３の変形にともなう圧電効果により圧電膜に生じた電力は下部電極、上部電極から出力される。
圧電発電セル９６の錘部４の重心がカンチレバー３寄りにある状態では、カンチレバー３の共振周波数をｆ１とする。また、その重心が錘部４の先端寄りにある状態では、カンチレバー３の共振周波数をｆ２とする。さらに、その重心が凹部４ａの中央にある状態では、カンチレバー３の共振周波数をｆ３とする。なお、ｆ１はｆ２、ｆ３より大きく、ｆ３はｆ２より大きい。即ち、ｆ２＜ｆ３＜ｆ１の関係がある。
圧電発電セル９６の錘部４内の微粒子含有液５の重心は、振動センサー部９２の出力電力のデータに基づいて、出力判別部９３、共振周波数制御部９４により制御される。
出力判別部９３は、第１〜第３のＡＣ−ＤＣ変換回路９３ａ〜９３ｃと電力比較回路９３ｄと共振周波数設定回路９３ｅを有している。
第１〜第３のＡＣ−ＤＣ変換回路９３ａ〜９３ｃは、第１、第２及び第３の発電センサー５１ａ、５１ｂ、５１ｃのそれぞれから出力される電力を個別に交流から直流に変換する回路である。
第１〜第３のＡＣ−ＤＣ変換回路９３ａ〜９３ｃは、例えば、図２４に示したＡＣ−ＤＣ変換回路６２と同様に、ダイオードをブリッジ接続した整流回路を有する。第１〜第３のＡＣ−ＤＣ変換回路９３ａ〜９３ｃのそれぞれの入力端は第１、第２及び第３の発電センサー５１ａ、５１ｂ、５１ｃの上部及び下部電極に個別に接続されている。第１〜第３のＡＣ−ＤＣ変換回路９３ａ〜９３ｃの出力端は出力比較回路９３ｄに接続されている。
出力比較回路９３ｄは、入力した３つの電力の大きさを比較し、第１、第２及び第３の発電センサー５１ａ、５１ｂ、５１ｃのうち最も大きな発電電力の１つを特定し、特定した発電センサーの共振周波数ｆ０１、ｆ０２又はｆ０３を共振周波数制御回路９４に送信する回路を有している。なお、第１、第２及び第３の発電センサー５１ａ、５１ｂ、５１ｃと共振周波数の値の関係は出力比較回路９３内でデータとして記憶部９３ｅに記憶されている。
共振周波数制御部９４は、出力比較回路９３ｄから送信された振動周波数のデータに基づいて、発電部９５内の圧電発電セル９６のカンチレバー３の共振周波数を調整するために、図３３に示すフローチャートに従って圧電発電セル９６の錘部４の重心位置を変更する。
まず、共振周波数制御部９４は、図３３のａに示すように、振動センサー部９２で発生した複数の電力のうちの最大値に基づいて電力比較回路９３ｄから送信された共振周波数がｆ０１、ｆ０２、ｆ０３のいずれであるかを判別する。
その後に、共振周波数制御部９４は、図３３のｂに示すように、電力比較回路９３ｄから送信された検出共振周波数又はその誤差範囲内で圧電発電セル９６のカンチレバー３が振動しているか否かを判断する。圧電発電セル９６の共振振動数は、記憶部９４ａに記憶された前回調整の共振周波数の値である。
圧電発電セル９６のカンチレバー３が検出振動周波数又はその誤差範囲内で振動している場合には、共振周波数制御部９４は圧電発電セル９６の錘部４の重心を変更せずに電力比較回路９３からの入力を続ける。
これに対し、圧電発電セル９６のカンチレバー３が検出振動周波数又はその誤差範囲内で振動していない場合には、共振周波数制御部９４は、図３３のｃに示すように、圧電発電セル９６の錘部４の重心位置を調整する信号を発電部９５内の重心調整回路８に送信する。これにより、重心調整回路８は、圧電発電セル９６のカンチレバー３の振動周波数を最適値に変更する。この結果、カンチレバー３上の圧電セル１０は効率良く電力を発電する。
例えば、出力判別部９３から送信された共振周波数がｆ０１の場合には、共振周波数制御部９４は、重心制御回路８の第１ゲート端子８ｆにパルス電圧を印可する。これにより、重心制御回路８は、圧電発電セル９６の第１、第２電極６ａ、６ｂの間に第１の電界を発生させて錘部４の重心をカンチレバー３寄りに移動させる。この結果、圧電発電セル９６のカンチレバー３の共振周波数はｆ１に設定される。
また、出力判別部９３から送信された共振周波数がｆ０２の場合には、共振周波数制御部９４は、重心制御回路８の第２ゲート端子８ｇにパルス電圧を印加する。これにより、重心制御回路８は、圧電発電セル９６の第１、第２電極６ａ、６ｂの間に電界を発生させて錘部４の重心を錘部４の先端寄りに移動させる。この結果、圧電発電セル９６のカンチレバー３の共振周波数はｆ２に設定される。
さらに、出力判別部９３から送信された共振周波数がｆ０３の場合に、共振周波数制御部９４は次のように動作する。
即ち、共振周波数制御部９４は、重心制御回路８の第１ゲート端子８ｆと第２ゲート端子８ｇに交互に連続したパルス電圧を印加するともに、連続したパルス電圧の波高値を図３Ａに示したと同様に、徐々に減衰させる。これにより、重心制御回路８は、第１、第２電極６ａ、６ｂの間に正方向の電界と逆方向の電界を減衰させながら交互に発生させる。この結果、圧電発電セル９６の錘部４の凹部４ａ内の重心は錘部４の凹部４ａのほぼ中央に移動し、圧電発電セル９６のカンチレバー３の共振周波数はｆ３に設定される。
ここで、ｆ０１＝ｆ１、ｆ０２＝ｆ２、ｆ０３＝ｆ３の関係にあることが好ましいが、第１〜第３の発電センサー１０ａ、１０ｂ、１０ｃと圧電発電セル９６の構造の違いによりそれらの等価関係が得られない場合には、ｆ１、ｆ２、ｆ３の値として好ましい値を予め設定する。
なお、共振周波数制御回路９４は、記憶部９４ａの他に、例えば図２５に示すようなパルス出力判断装置６７、パルス出力端子切換装置６６を有している。
以上により、複数の発電センサー５１ａ、５１ｂ、５１ｃの出力電圧の比較結果に基づいて、比較判別部９３は最も大きな電力が得られる最適共振周波数をｆ０１、ｆ０２、ｆ０３から特定する。さらに、最適共振周波数に基づいて圧電発電セル９６の錘部４の重心の位置を調整することにより圧電発電セル９６のカンチレバー３を好ましい振動周波数に設定している。これにより、圧電発電セル９６から電力を効率良く発電することが可能になる。
なお、出力判別部９３、共振周波数制御部９４及び発電部９５で消費される電力は、例えば、圧電発電部９５の圧電セル１０に接続される図２４に示す電力出力回路６１の出力端から供給してもよい。
なお、上記の各実施形態においては、カンチレバー先端の錘部の重心を調整するための重心調整部は、錘部の内部に形成しているが、錘部の表面上に形成してもよい。
ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈され、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができる。

Claims (7)

  1. 固定部と、
    前記固定部の先端に形成されるカンチレバーと、
    前記カンチレバーの先端に形成される錘部と、
    重心の位置が調整される重心調整部と、
    前記カンチレバーの上方に形成される圧電発電セルと、
    を有し、
    前記重心調整部は、
    前記錘部内に取り付けられる第１電極と第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極の間に設けられる帯電物と、
    を有するものである圧電発電装置。
  2. 前記帯電物は、液中に浸漬された微粒子である請求項１に記載の圧電発電装置。
  3. 前記帯電物は、回転方向にプラス領域とマイナス領域に分けて帯電される表面領域を有する回動体である請求項１に記載の圧電発電装置。
  4. 前記帯電物は、仕切られた空間に内包する帯電微粒子である請求項１に記載の圧電発電装置。
  5. 前記帯電物は、前記第１電極と前記第２電極の間に供給される電解液である請求項１に記載の圧電発電装置。
  6. 前記重心調整部は、内部が空洞の部屋と、前記空洞内に載置される重心移動体と、前記重心移動体を移動させる移動機構と、を有するものである請求項１に記載の圧電発電装置。
  7. プラス、マイナスの帯電極性を選択して前記第１電極と前記第２電極の間に電圧を印加する重心制御回路を有する請求項１乃至６の何れか一項に記載の圧電発電装置。
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