JP5928685B2 - 発電装置及び発電装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ピエゾ素子などの圧電材料が変形したときに発生する電荷を電気エネルギーとして取り出す発電装置、発電装置を用いた電子機器及び移動手段、並びに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（ＳｉＯ２）、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とも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。

ところで、このような技術を用いた発電装置では、外部から加えられる環境振動を利用して発電を行うが、発電装置を設置場所まで搬送する際に想定する環境振動よりも大きな振動が加わる可能性がある。この大きな振動が加わることにより片持ち梁が想定以上に曲がるため、周辺の部材に接触し、あるいは片持ち梁自身の耐久性が低下するなどの問題が生じる虞がある。特許文献３には、片持ち梁を収容する筐体の内壁に弾性体を設けて、片持ち梁が筐体の内壁に衝突した際の衝撃を緩和する技術が提案されており、この技術を用いれば上記の問題を解消することができる。

特開平７−１０７７５２号公報 特開２００５−３１２２６９号公報 特開２００３−２１８４１８号公報

しかし、提案されている従来の技術では、片持ち梁などの変形部材が受ける衝撃を緩和するために、弾性体を設けるスペースを確保する必要があることから、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。

また、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、圧電材料から電気を取り出す発電回路とは別に昇圧回路が必要となることが多く、発電装置を十分に小型化することが難しいという問題もあった。

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であるとともに、搬送時における変形部材の破損や耐久性の低下を抑制することが可能な技術の提供を目的とする。

（１）本発明は、圧電材料の圧電効果を利用して発電する発電装置であって、変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変形部材に設けられた圧電部材と、前記圧電部材に設けられた一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられ、前記圧電部材の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、前記インダクターに対して直列に接続されたスイッチと、前記変形部材の振動の状態を検出する振動検出部と、前記振動検出部の検出結果に基づいて、前記スイッチを第１の期間導通状態とする制御部と、前記一対の電極間を短絡状態にする短絡部と、を備え、前記短絡部は、当該発電装置が発電動作を開始する前に前記一対の電極間の短絡状態を解除可能に設けられている、発電装置である。

本発明によれば、圧電部材が一対の電極間を短絡させた状態では変形し難い性質を持つことを利用し、圧電部材の一対の電極間を短絡状態にすることで、圧電部材の変形を抑制することができる。これにより、圧電部材が設けられた変形部材が過度に変形することも抑制することができるので、発電装置の搬送時に大きな環境振動が加えられても、変形部材が周辺に配置されている部材や筐体に接触して破損し、あるいは変形部材の耐久性が低下することを抑制することができる。また、衝突時の衝撃を緩和させるための部材を設ける必要がなく、発電装置を小型化することが可能となる。そして、圧電部材の一対の電極間の短絡状態を解除すれば、変形部材が変形することにより、変形部材に設けられている圧電部材も変形する。このため、圧電部材には圧電効果によって正負の電荷が発生する。従って、変形部材を繰り返し変形させることで圧電部材には正負の電荷が繰り返し発生し、この電荷を電流として取り出すことによって発電することができる。

さらに、圧電部材は、電気回路的にはコンデンサーと見なすことができるので、スイッチを接続することで、圧電部材とインダクターによる共振回路が形成され、圧電部材に発生していた電荷が圧電部材に設けられた一方の電極からインダクターに流れ込む。そして、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、圧電部材に設けられた他方の電極から圧電部材に流れ込む。従って、圧電部材とインダクターとを接続し、その後、所定のタイミングで、圧電部材からインダクターを切断すれば、インダクターを接続する前に圧電部材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（圧電部材）を変形させれば、圧電効果によって発生した電荷を、圧電部材内に蓄積することができる。従って、変形部材（圧電部材）を繰り返し変形させ、変形部材の変形状態（振動状態）に同期して圧電部材とインダクターとの接続・切断を周期的に行うことにより、圧電部材内に電荷を蓄積することが可能となる。特に、本発明によれば、変形部材の振動の状態を検出し、検出結果に基づいてスイッチを第１の期間導通状態とすることで、変形部材の変形状態（振動状態）に同期した適切なタイミングで、圧電部材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、圧電部材内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。また、圧電部材内に電荷を蓄積した分だけ、圧電部材に設けられた一対の電極間の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。その結果、小型で効率の良い発電装置を得ることが可能となる。

（２）この発電装置において、前記短絡部は、前記一対の電極を短絡するように設けられた導電性部材を含み、当該導電性部材が物理的に除去又切断されることにより、前記一対の電極間の短絡状態を解除するようにしてもよい。

このようにすれば、発電装置の搬送時には、導電性シートや導電性テープ等の導電性部材で圧電部材に設けられた一対の電極を短絡しておくことで、変形部材の破損や耐久性の低下を抑制することが可能となる。そして、発電装置を設置した後、導電部材を除去又は切断して圧電部材に設けられた一対の電極間の短絡状態を解除することで、発電装置が発電動作を開始することができる。

（３）この発電装置において、前記短絡部は、前記一対の電極を短絡するように設けられた機械スイッチを含み、当該機械スイッチの操作により、前記一対の電極間の短絡状態を解除するようにしてもよい。

このようにすれば、発電装置の搬送時には、機械スイッチで圧電部材に設けられた一対の電極を短絡しておくことで、変形部材の破損や耐久性の低下を抑制することが可能となる。そして、発電装置を設置した後、機械スイッチを操作して圧電部材に設けられた一対の電極間の短絡状態を解除することで、発電装置が発電動作を開始することができる。

（４）この発電装置において、前記短絡部は、前記一対の電極を短絡するように設けられたノーマリーオンのスイッチ素子を含み、当該発電装置が発電動作を開始するときに、当該スイッチ素子をオフすることにより、前記一対の電極間の短絡状態を解除するようにしてもよい。

このようにすれば、発電装置の搬送時には、ノーマリーオンのスイッチ素子により圧電部材に設けられた一対の電極を短絡しておくことで、変形部材の破損や耐久性の低下を抑制することが可能となる。そして、発電装置を設置した後、発電装置が発電動作を開始するときに、当該スイッチ素子をオフして圧電部材に設けられた一対の電極間の短絡状態を解除することで、発電することができる。

（５）この発電装置において、前記短絡部は、抵抗素子をさらに含み、前記一対の電極を当該抵抗素子を介して短絡するようにしてもよい。

この発電装置によれば、圧電部材に設けられた一対の電極間が短絡状態の時に圧電部材の表面に発生した電荷の一部は、抵抗素子で消費される。従って、圧電部材の発熱を抑え、圧電部材の寿命の低下を抑えることができる。

（６）本発明は、圧電材料の圧電効果を利用して発電する発電装置であって、変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変形部材に設けられた圧電部材と、前記圧電部材に設けられた一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられ、前記圧電部材の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、前記インダクターに対して直列に接続されたノーマリーオンのスイッチと、前記変形部材の振動の状態を検出する振動検出部と、当該発電装置が発電動作を開始するときに前記スイッチをオフすることにより前記一対の電極間の短絡状態を解除した後、前記振動検出部の検出結果に基づいて、前記スイッチを第１の期間導通状態とする制御部と、を備える、発電装置である。

本発明によれば、発電装置の搬送時には、ノーマリーオンのスイッチにより、圧電部材に設けられた一対の電極を、インダクターを介して短絡しておくことで、変形部材の破損や耐久性の低下を抑制することが可能となる。そして、発電装置を設置した後、発電装置が発電動作を開始するときに、スイッチをオフして圧電部材に設けられた一対の電極間の短絡状態を解除する。すると、変形部材の振動の状態の検出結果に基づいてスイッチを第１の期間導通状態とすることで、変形部材の変形状態（振動状態）に同期した適切なタイミングで、圧電部材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、圧電部材内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。また、圧電部材内に電荷を蓄積した分だけ、圧電部材に設けられた一対の電極間の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。その結果、小型で効率の良い発電装置を得ることが可能となる。また、発電効率を高めるために設けられるスイッチを、発電動作の開始前は、圧電部材に設けられた一対の電極間を短絡するためにも兼用することで、当該電極間を短絡するための特別な機構を別途設ける必要もない。

（７）この発電装置において、前記制御部は、前記変形部材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、前記第１の期間が経過すると前記スイッチを切断するようにしてもよい。

変形部材の変形方向が切り換わるタイミングは、圧電部材が発生させる電圧がピークとなるから、このタイミングでスイッチを接続して共振回路を形成させることで、圧電部材に設けられた一対の電極間の電圧を効率よく昇圧させることができる。従って、この発電装置によれば、発電効率を高めることができる。

（８）この発電装置において、前記制御部は、前記共振回路の共振周期の半周期に相当する時間を前記第１の期間として前記スイッチを導通状態とするようにしてもよい。

圧電部材に設けられた一方の電極から流れ出した電荷が、インダクターを介して他方の電極から再び圧電部材に流れ込むまでの期間は、圧電部材と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。このため、スイッチを接続した後、共振周期の半分の時間が経過したタイミングで、スイッチを切断すれば、圧電部材内に発生した正負の電荷の配置を最も効率よく逆転させることができる。従って、この発電装置によれば、最も高い発電効率を実現することが可能である。

（９）この発電装置において、前記制御部は、前記振動検出部の検出結果に基づいて、前記変形部材の変形量が前記所定の大きさ以上になると、前記スイッチを第２の期間導通状態とするようにしてもよい。

このようにすれば、圧電部材に設けられた一対の電極間の短絡状態を解除して発電動作を開始した後も、圧電部材が設けられた変形部材が過度に変形することを抑制することができる。従って、発電動作の開始後に大きな環境振動が加えられても、変形部材が周辺に配置されている部材や筐体に接触して破損し、あるいは変形部材の耐久性が低下することを抑制することができる。

（１０）この発電装置において、前記圧電部材を第１の圧電部材とし、前記振動検出部は、前記変形部材に設けられた第２の圧電部材と、前記第２の圧電部材に設けられた一対の電極と、を備え、前記制御部は、前記第２の圧電部材に設けられた前記一対の電極間の電圧に基づいて、前記変形部材の変形量が前記所定の大きさ以上になると、前記スイッチを前記第２の期間導通状態とするようにしてもよい。

この発電装置によれば、第２の圧電部材が変形部材に設けられているので、変形部材が変形することにより、第２の圧電部材も変形する。このため、第２の圧電部材には圧電効果によって正負の電荷が発生する。また、電荷の発生量は、変形部材の変形量（すなわち、と第２の圧電部材の変形量）が大きくなるほど多くなる。すなわち、変形部材の変形（振動）に合わせて第２の圧電部材内に蓄積される正負の電荷の配置は周期的に変化するので、この変化に応じて、第２の圧電部材に設けられた一対の電極間の電圧も周期的に変化する。従って、第２の圧電部材に設けられた一対の電極間の電圧に基づいて、変形部材の変形量を検出することができる。そして、変形部材の変形量が所定の大きさ以上になると、スイッチを第２の期間導通状態とすることで、変形部材が過度に変形することを抑制することができる。

（１１）本発明は、上記の発電装置を用いた電子機器である。

（１２）本発明は、上記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り発電できるほか、例えば、車両や電車などの移動手段に本発明の発電装置を用いることで、移動に伴う振動により発電し、移動手段に備わる機器に効率良く電力供給することもできる。

（１３）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部材と、前記圧電部材に設けられた一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられ、前記圧電部材の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、前記インダクターに対して直列に接続されたスイッチと、前記一対の電極間を短絡状態にする短絡部と、を備える発電装置の制御方法であって、前記一対の電極間の短絡状態が解除された状態で、前記変形部材の振動の状態を検出するステップと、前記変形部材の振動の状態の検出結果に基づいて、前記スイッチを第１の期間導通状態とするステップと、を含む、発電装置の制御方法である。

本発明によれば、圧電部材が一対の電極間を短絡させた状態では変形し難い性質を持つことを利用し、発電装置の搬送時には、圧電部材の一対の電極間を短絡状態にすることで、圧電部材の変形を抑制することができる。これにより、圧電部材が設けられた変形部材が過度に変形することも抑制することができるので、発電装置の搬送時に大きな環境振動が加えられても、変形部材が周辺に配置されている部材や筐体に接触して破損し、あるいは変形部材の耐久性が低下することを抑制することができる。そして、発電装置の設置後、圧電部材の一対の電極間の短絡状態を解除することで、発電装置が発電動作を開始した後は、変形部材を繰り返し変形させることで圧電部材には正負の電荷が繰り返し発生し、この電荷を電流として取り出すことによって発電することができる。

さらに、圧電部材は、電気回路的にはコンデンサーと見なすことができるので、スイッチを接続することで、圧電部材とインダクターによる共振回路が形成され、圧電部材に発生していた電荷が圧電部材に設けられた一方の電極からインダクターに流れ込む。そして、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、圧電部材に設けられた他方の電極から圧電部材に流れ込む。従って、圧電部材とインダクターとを接続し、その後、所定のタイミングで、圧電部材からインダクターを切断すれば、インダクターを接続する前に圧電部材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（圧電部材）を変形させれば、圧電効果によって発生した電荷を、圧電部材内に蓄積することができる。従って、変形部材（圧電部材）を繰り返し変形させ、変形部材の変形状態（振動状態）に同期して圧電部材とインダクターとの接続・切断を周期的に行うことにより、圧電部材内に電荷を蓄積することが可能となる。特に、本発明によれば、圧電部材の一対の電極間の短絡状態が解除された状態で、変形部材の振動の状態を検出し、検出結果に基づいてスイッチを第１の期間導通状態とすることで、変形部材の変形状態（振動状態）に同期した適切なタイミングで、圧電部材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、圧電部材内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。

第１実施例の発電装置の構造を示した説明図である。 梁に振動を与えた場合の梁の変位を示す説明図である。 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。 適切なタイミングでスイッチをＯＮしなければ、発電効率が低下する理由を示す説明図である。 適切なタイミングでスイッチをＯＮしなければ、発電効率が低下する理由を示す説明図である。 適切なタイミングでスイッチをＯＮしなければ、発電効率が低下する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にした場合の圧電部材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の時間だけスイッチをＯＮにした場合の圧電部材の端子間の電圧波形を示した図である。 第１実施例の発電装置の回路構成例を示した図である。 圧電部材から全波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である。 電流検出回路の構成例を示した図である。 電流検出回路の各部の出力波形例を示した図である。 第１実施例のスイッチ制御処理のフローチャート図である。 第２実施例の発電装置の回路構成例を示した図である。 第３実施例の発電装置の回路構成例を示した図である。 第４実施例の発電装置の構造を示した説明図である。 第２の圧電部材で発生する電圧を検出することによって、スイッチ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。 第２の圧電部材に発生する電圧が所定値以上になった場合に短絡させることによって、梁の変形が抑制される様子を示す説明図である。 第４実施例のスイッチ制御処理のフローチャート図である。

以下、本発明の好適な実施形態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の形態は、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、次のような順序に従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：
Ｅ．変形例：
Ｅ−１．第１変形例：
Ｅ−２．第２変形例：
Ｅ−３．第３変形例：
Ｅ−４．第４変形例：

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、支持端１０２は発電装置１００内に固定されるのが望ましい。また、梁１０４の表面には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料によって形成された圧電部材１０８が取り付けられており、圧電部材１０８の表面には、表側と裏側とに、金属薄膜によって形成された第１電極（上部電極）１０９ａ、第２電極（下部電極）１０９ｂがそれぞれ設けられている。尚、図１（ａ）に示した例では、梁１０４の上面側に圧電部材１０８が設けられているが、梁１０４の下面側に圧電部材１０８を設けても良く、あるいは梁１０４の上面側および下面側の両方に圧電部材１０８を設けても良い。

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

図１（ｂ）に示すように、圧電部材１０８は、電気的には、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサー（容量成分）Ｃ０として表すことができる。この圧電部材１０８に対して並列にインダクターＬが接続されて、圧電部材１０８の容量成分と共に電気的な共振回路を形成している。そして、この共振回路をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチＳＷが、インダクターＬに対して直列に接続されている。

また、圧電部材１０８に設けられた第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂは、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４から構成される全波整流回路１２０に接続されている。更に、全波整流回路１２０には、電気負荷を駆動するために、整流後の電流を蓄えておく蓄電素子（出力用コンデンサー）Ｃ１が接続されている。

振動検出部１４０は、梁１０４の振動の状態を検出する。

制御回路１１２は、振動検出部１４０の出力信号に基づいて、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御する。具体的には、制御回路１１２は、梁１０４の変形方向が切り換わるときに、スイッチＳＷをＯＮし、所定期間（第１の期間）が経過するとスイッチＳＷをＯＦＦする。

特に、本実施例の発電装置１００では、梁１０４の過度な変形を抑制する目的で、圧電部材１０８の端子間（第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間）を短絡（ショート）させる短絡部１３０が設けられている。

図２は、梁１０４に振動を与えた場合の梁１０４の変位を示す説明図であり、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。図２中の実線は圧電部材１０８の端子間を短絡しない場合の梁１０４の変位を示しており、破線は圧電部材１０８の端子間を短絡した場合の梁１０４の変位を示している。尚、図２中の、圧電部材１０８の端子間を短絡しない場合（実線）と短絡した場合（破線）とでは、互いに同じ力が梁１０４に加えられている。図２に示すように、圧電部材１０８の端子間を短絡しない場合よりも、短絡した場合の方が、梁１０４の変形は抑制される。これは、圧電部材１０８の端子間を短絡させた状態では、圧電部材１０８の表面に発生した電荷が短絡した端子間を流れることによって、圧電部材１０８や端子間の抵抗成分でその電荷が電力消費されるため、梁１０４の変形が抑制され、変形し難くなる。

従って、短絡部１３０によって、圧電部材１０８の端子間を短絡状態にしておくことで、例えば、発電装置１００を設置場所まで搬送中に、梁１０４の固有振動周期と一致する想定よりも大きな環境振動が加わっても、圧電部材１０８がブレーキの役割を果たし、梁１０４の過度な変形を抑制することが可能となる。

一方、発電装置１００を設置して発電を開始させた後は、環境振動を効率良くエネルギーに変換する必要がある。そこで、本実施例の発電装置１００では、短絡部１３０は、圧電部材１０８の端子間の短絡状態を解除可能に構成されている。

本実施形態では、短絡部１３０は、短絡部材１３２を含み、例えば、短絡部材１３２を取り外すことで圧電部材１０８の端子間の短絡状態を解除するようにしてもよいし、短絡部材１３２の接続を解除することで圧電部材１０８の端子間の短絡状態を解除できるようにしてもよい。前者の例としては、圧電部材１０８の端子間を短絡するように、導電性シート（短絡部材１３２に相当する）を所定の場所に挟んでおき、導電性シートを引き抜くことにより圧電部材１０８の端子間の短絡状態を解除する構成が挙げられる。また、前者の別の例としては、圧電部材１０８の端子間を短絡するように、導電性テープ（短絡部材１３２に相当する）を所定の場所に貼り付けておき、導電性テープを引き剥がすことにより圧電部材１０８の端子間の短絡状態を解除する構成が挙げられる。また、後者の例としては、圧電部材１０８の端子間に機械式スイッチ（短絡部材１３２に相当する）を接続して圧電部材１０８の端子間を短絡しておき、当該機械式スイッチを切り換えることで、圧電部材１０８の端子間の短絡状態を解除する構成が挙げられる。また、後者の別の例としては、圧電部材１０８の端子間にノーマリーＯＮのスイッチ素子（短絡部材１３２に相当する）を接続して圧電部材１０８の端子間を短絡しておき、発電装置１００が発電動作を開始するときに、制御回路１１２が当該スイッチ素子をＯＦＦすることで、圧電部材１０８の端子間の短絡状態を解除する構成が挙げられる。

以降は、圧電部材１０８の端子間の短絡状態を解除した後の、本実施例の発電装置１００の動作について詳細に説明する。

Ａ−２．発電装置の動作：
図３は、本実施例の発電装置１００の動作を示した説明図である。図３（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。尚、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３（ｂ）には、梁１０４の変形に伴って、圧電部材１０８が発生する電流の様子と、その結果として圧電部材１０８の内部に生じる起電力とが示されている。尚、図３（ｂ）では、圧電部材１０８に電荷が発生する様子は、単位時間あたりに発生する電荷量（すなわち、電流Ｉｐｚｔ）として表され、また、圧電部材１０８に生じる起電力は、第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電位差Ｖｐｚｔとして表されている。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示されるように、梁１０４の変位が増加している間は、圧電部材１０８は正方向の電流を発生させ（すなわち、電流Ｉｐｚｔがプラス値）、これに伴って第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの電位差Ｖｐｚｔは正方向へ増加する。正方向の電位差Ｖｐｚｔが、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１と全波整流回路１２０を構成しているダイオードの順方向降下電圧Ｖｆの２倍との和、すなわち、ＶＣ１＋２Ｖｆよりも大きくなれば、それ以降に発生した電荷は直流電流として取り出して、蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。また、梁１０４の変位が減少している間は、圧電部材１０８は負方向の電流を発生させ（すなわち、電流Ｉｐｚｔがマイナス値）、これに伴って第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの電位差Ｖｐｚｔは負方向へ増加する。負方向の電位差Ｖｐｚｔが、ＶＣ１と全波整流回路１２０の２Ｖｆの和よりも大きくなれば、発生した電荷は直流電流として取り出して、蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。すなわち、図１のスイッチＳＷをＯＦＦにしたままでも、図３（ｂ）中に斜線を付して示した部分については、蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えることができる。

本実施例の発電装置１００では、制御回路１１２は、図３（ｃ）に示すタイミングで、スイッチＳＷをＯＮにする。すると、図３（ｄ）に示すように、圧電部材１０８の端子間の電圧波形が、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３（ｄ）中に「Ｂ」と表示した期間Ｂでは、圧電部材１０８の起電力に対応する細い破線で示した電圧波形Ｖｐｚｔがマイナス方向にシフトしたような、太い破線で示した電圧波形が圧電部材１０８の端子間に現れる。このような現象が発生する理由については後述する。また、図３（ｄ）中に「Ｃ」と表示した期間Ｃでは、圧電部材１０８の起電力に対応する電圧波形Ｖｐｚｔがプラス方向にシフトしたような、太い破線の電圧波形が現れる。以降の期間Ｄ、期間Ｅ、期間Ｆなどについても同様に、圧電部材１０８の起電力に対応する電圧波形Ｖｐｚｔがプラス方向あるいはマイナス方向にシフトしたような、太い破線の電圧波形が現れる。そして、シフトした電圧波形が、ＶＣ１と２Ｖｆとの和を超えた部分（図３（ｄ）中に斜線を付して示した部分）では、圧電部材１０８で発生した電荷を蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。尚、圧電部材１０８から蓄電素子Ｃ１に電荷が流れる結果、圧電部材１０８の端子間の電圧（第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂ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１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間の電圧波形は、図３（ｄ）に太い実線で示した波形となる。

図３（ｂ）に示したスイッチＳＷをＯＦＦにしたままの場合と、図３（ｄ）に示したように、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチＳＷをＯＮにした場合とを比較すれば明らかなように、本実施例の発電装置１００では、適切なタイミングでスイッチＳＷをＯＮにすることで、効率よく、蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えることが可能となる。

また、蓄電素子Ｃ１に電荷が蓄えられて、蓄電素子Ｃ１の端子間電圧が増加すると、それに従って電圧波形のシフト量も大きくなる。たとえば、図３（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３（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３（ｄ）中の期間Ｃと期間Ｉとを比較すると、蓄電素子Ｃ１に蓄えられた電荷が増えている期間Ｉの方が、電圧波形のシフト量が大きくなっている。このような現象が発生する理由については後述するが、この結果、本実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８を変形させたことによって、第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電圧Ｖｐｚｔ以上の電圧を、蓄電素子Ｃ１に蓄えることも可能となる。その結果、特別な昇圧回路を設ける必要がなくなり、小型で高効率の発電装置を得ることが可能となる。

Ａ−３．発電装置の動作原理：
図４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５は、本実施例の発電装置１００の動作原理の後半部分を概念的に示した説明図である。図４では、圧電部材１０８の変形に合わせてスイッチＳＷをＯＮにしたときのＣ０の電荷の動きが、概念的に示されている。図４（ａ）は、圧電部材１０８（正確には梁１０４）が上向きに（上面側が凹となるように）変形した状態を表している。圧電部材１０８が上向きに変形すると、電流源からは正方向の電流が流れ、Ｃ０に電荷が蓄積され、圧電部材１０８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１０８の変形が大きくなるほど増加する。そして、圧電部材１０８の変形が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４（ｂ）参照）で、スイッチＳＷをＯＮにする。

図４（ｃ）には、スイッチＳＷをＯＮにした直後の状態が示されている。Ｃ０には電荷が蓄えられているから、この電荷がインダクターＬに流れようとする。インダクターＬに電流が流れると磁束が生じる（磁束が増加する）が、インダクターＬには、自らを貫く磁束の変化を妨げる方向に逆起電力が生じる性質（自己誘導作用）がある。スイッチＳＷをＯＮにしたときには、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４（ｃ）には、このようにしてインダクターＬに生じる逆起電力が、斜線を付した矢印によって表されている。このような逆起電力が発生するため、スイッチＳＷをＯＮにしても、圧電部材１０８の電荷は少しずつしか流れ出さない。すなわち、インダクターＬを流れる電流は少しずつしか増加しない。

その後、インダクターＬを流れる電流がピークになると、磁束の変化速度が「０」となるので、図４（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４（ｅ）参照）。その結果、この起電力によってＣ０から電荷を引き抜きながら、インダクターＬを電流が流れ続ける。そして、電荷の移動の途中で損失が発生しなければ、圧電部材１０８の変形によって生じた全ての電荷が移動して、ちょうど正負の電荷が置き換わったような状態（すなわち、圧電部材１０８の下面側に正電荷が分布し、上面側に負電荷が分布した状態）となる。図４（ｆ）には、圧電部材１０８の変形によって生じた正負の電荷が全て移動した状態が表されている。

仮に、このままスイッチＳＷをＯＮにしておくと、今度は上述した内容と逆の現象が生じる。すなわち、圧電部材１０８の下面側の正電荷がインダクターＬに流れようとして、このときインダクターＬには、電荷の流れを妨げる方向の逆起電力が発生する。その後、インダクターＬを流れる電流がピークに達した後、減少に転じると、今度は電流の減少を妨げる方向（電流を流し続けようとする方向）の起電力がインダクターＬに発生する。その結果、圧電部材１０８の下面側にあった全ての正電荷が上面側に移動した状態（図４（ｂ）に示した状態）となる。こうして圧電部材１０８の上面側に戻った正電荷は、再び、図４（ｂ）〜図４（ｆ）を用いて前述したようにして、下面側に移動する。

このように、Ｃ０に電荷が蓄えられた状態でスイッチＳＷをＯＮにした後、その状態を保っておくと、圧電部材１０８とインダクターＬとの間で電流の向きが交互に反転する一種の共振現象が発生する。そして、この共振現象の周期は、いわゆるＬＣ共振回路の周期Ｔとなるから、圧電部材１０８に含まれる容量成分Ｃ０の大きさ（キャパシタンス）をＣ、インダクターＬの誘導成分の大きさ（インダクタンス）をＬとすると、Ｔ＝２π（ＬＣ）^０．５によって与えられる。従って、スイッチＳＷをＯＮにした直後（図４（ｂ）に示した状態）から、図４（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５（ａ）に示すようにスイッチＳＷをＯＦＦにする。そしてこの状態から、圧電部材１０８（正確には梁１０４）を今度は下向きに（下面側が凹となるように）変形させる。前述した図４（ａ）では、圧電部材１０８を上向きに変形させたが、図５（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１０８の端子間の電圧が負方向へ大きくなるようにＣｏに電荷が蓄積する。また、図４（ａ）〜図４（ｆ）を用いて前述したように、圧電部材１０８（正確には梁１０４）を下向きに変形させる前の段階で、圧電部材１０８の下面側には正電荷が分布し、上面側には負電荷が分布しているから、これらの電荷に加えて、下面側には新たな正電荷が蓄積され、上面側には新たな負電荷が蓄積されることになる。図５（ｂ）には、スイッチＳＷをＯＦＦにした状態で圧電部材１０８（正確には梁１０４）を変形させることによって、圧電部材１０８に新たな電荷が蓄積された状態が示されている。

そして、この状態からスイッチＳＷをＯＮにすると、圧電部材１０８の下面側に蓄積された正電荷がインダクターＬに流れようとする。このときインダクターＬには逆起電力が発生するので（図５（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５（ｅ）参照）、この起電力によって電流が流れ続けて、最終的には、圧電部材１０８の下面側に分布していた全ての正電荷が上面側に移動し、上面側に分布していた全ての負電荷が下面側に移動した状態となる（図５（ｆ）参照）。また、下面側の全ての正電荷が上面側に移動し、上面側の全ての負電荷が下面側に移動する時間は、ＬＣ共振回路の半周期に相当する時間Ｔ／２となる。そこで、スイッチＳＷをＯＮにした後、時間Ｔ／２が経過したらスイッチＳＷをＯＦＦにして、今度は圧電部材１０８（正確には梁１０４）を上向きに（上面側が凹となるように）変形させれば、圧電部材１０８内に更に正負の電荷を蓄積することができる。

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

図３を用いて前述したように本実施例の発電装置１００では、スイッチＳＷをＯＮにする度に圧電部材１０８の端子間の電圧波形がシフトする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３（ｄ）中に示した期間Ａでは、圧電部材１０８（正確には梁１０４）の変形に従って、第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間に電圧が発生するが、第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂは全波整流回路１２０に接続されているので、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧を超えた部分の電荷は、全波整流回路１２０に接続された蓄電素子Ｃ１に流れ込む。その結果、梁１０４の変形がピークになった時点でスイッチＳＷをＯＮにすると、その時に圧電部材１０８内に残っていた正負の電荷がインダクターＬを介して移動して、圧電部材１０８内での正負の電荷の配置が入れ代わる。

そして、正負の電荷の配置が入れ代わった状態から梁１０４を逆方向に変形させると、圧電部材１０８の第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間には、圧電効果による電圧波形が現れる。すなわち、圧電部材１０８の第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの極性が入れ代わった状態から、圧電部材１０８に変形による電圧変化が発生することになる。その結果、図３（ｄ）中に示した期間Ｂでは、梁１０４の変形によって圧電部材１０８に生じる電圧波形をシフトさせたような、電圧波形が現れることになる。もっとも、前述したように、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧を超えた部分の電荷は蓄電素子Ｃ１に流れ込むので、圧電部材１０８の第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間の電圧は、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧でクリップされる。その後、共振周期の半分の時間だけスイッチＳＷをＯＮにすると、圧電部材１０８に残っていた正負の電荷の配置が入れ代わる。そして、その状態から梁１０４が変形することによって、圧電部材１０８には圧電効果による電圧波形が現れる。このため、図３（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３を用いて前述したように本実施例の発電装置１００では、梁１０４が変形を繰り返しているうちに、電圧波形のシフト量が次第に大きくなるという現象も発生する。このため、圧電部材１０８の圧電効果によって第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電位差よりも高い電圧を、蓄電素子Ｃ１に蓄えることができるという大きな効果を得ることができる。このような現象は、次のようなメカニズムによって生じる。

先ず、図３（ｄ）中の期間Ａあるいは期間Ｂに示したように、Ｃ１が充電されていない場合は、圧電部材１０８の端子間で発生する電圧が、全波整流回路１２０の２Ｖｆを超えると、圧電部材１０８から蓄電素子Ｃ１に電荷が流れ込むので、圧電部材１０８の端子間に現れる電圧は、２Ｖｆでクリップされている。しかし、こうして蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えるに従って蓄電素子Ｃ１の端子間の電圧が増加していく。すると、それ以降は、蓄電素子Ｃ１の端子間電圧がＶＣ１と２Ｖｆとの和よりも高い電圧になって始めて、圧電部材１０８から電荷が流れ込むようになる。このため、圧電部材１０８の端子間の電圧がクリップされる値が、蓄電素子Ｃ１に電荷が蓄えられるに従って次第に上昇していく。

加えて、図４および図５を用いて前述したように、圧電部材１０８から電荷を流出させない限り、圧電部材１０８（正確には梁１０４）を変形させる度に、圧電部材１０８内の電荷は増えて行き、それに伴って、圧電部材１０８の端子間の電圧は大きくなる。このため、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、圧電部材１０８の端子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．スイッチの切換タイミング：
以上に説明したように、本実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８（正確には梁１０４）に繰り返し変形を加えて、変形方向が切り換わるタイミングで、共振周期の半分の時間だけ圧電部材１０８をインダクターＬに接続する。これにより、蓄電素子Ｃ１に最も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。仮に、制御回路１１２がスイッチＳＷをＯＮするタイミングと梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングが一致しなくても、所定の周期で、ＬＣ共振回路の共振周期の半分の時間だけスイッチＳＷをＯＮにすることで、圧電部材１０８の端子間の電圧Ｖｇｅｎを昇圧させることは可能である。ただし、スイッチＳＷをＯＮするタイミングと梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングが一致しなければ、発電効率は低下する。以下、この理由について説明する。

図６（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、圧電部材１０８の端子間の電圧Ｖｇｅｎの様子を示している。図６（ｂ）は、図６（ａ）の時刻ｔ１以降を拡大したものである。なお、図６の例では、全波整流回路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することにより、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４及び図５で説明したように、Ｖｐ２は、ＬＣ共振回路の共振により、容量成分Ｃ０の正負の電荷が入れ替わった時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。従って、Ｖｐ１の絶対値が大きいほどＶｇｅｎのシフト量も大きくなる。

図７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、圧電部材１０８の端子間の電圧Ｖｇｅｎの様子を示している。なお、図７の例でも、全波整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。圧電部材１０８が発生させる起電力Ｖｐｚｔの振幅が一定とすると、図７に示すように、最初にＶｇｅｎが正のピーク値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する時の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する時の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する時の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する時の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６（ｂ）のＶｐ１に対応する電圧値、Ｖａ，Ｖｂは図６（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することにより、圧電部材１０８の端子間の電圧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８（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する場合のＶｇｅｎの様子を示し、図８（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する場合のＶｇｅｎの様子を示している。なお、図８（ａ）、図８（ｂ）の例でも、全波整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。

図８（ａ）及び図８（ｂ）の例では、図７の例と同様に、Ｖｇｅｎは、最初にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ_１に対して、２回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ_２＝−（Ｖａ＋２Ｖ_１）、３回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ_３＝Ｖｂ＋２Ｖ_１、４回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ_４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ_１）、５回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値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７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。従って、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７の例の方が、図８（ａ）及び図８（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８（ａ）及び図８（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、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングが一致するタイミングで、ＬＣ共振回路の共振周期の半分の時間だけスイッチＳＷをＯＮにすることで、発電効率を最大にすることができる。なお、発電効率は低下するが、所定期間だけスイッチＳＷをＯＮにしてもＶｇｅｎを昇圧させることは可能である。例えば、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３／２倍の時間だけスイッチＳＷをＯＮにした場合の、圧電部材１０８の端子間の電圧Ｖｇｅｎの一例を示している。要するに、図６（ｂ）に示した時刻ｔ１でスイッチを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９の例でも、全波整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。

図９の例では、図７の例と同様に、Ｖｇｅｎは、最初にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ_１に対して、２回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ_２＝−（Ｖａ＋２Ｖ_１）、３回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ_３＝Ｖｂ＋２Ｖ_１、４回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ_４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ_１）、５回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値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７の例の方が、図９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１０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の時間だけスイッチＳＷをＯＮにした場合の、圧電部材１０８の端子間の電圧Ｖｇｅｎの様子を示している。要するに、図６（ｂ）に示した時刻ｔ１でスイッチを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１０の例でも、全波整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。

図１０の例では、Ｖｇｅｎは、最初にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ_１に対して、２回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ_２＝−２Ｖ_１、３回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ_３＝２Ｖ_１、４回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ_４＝−２Ｖ_１、５回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ_５＝２Ｖ_１、・・・となる。すなわち、Ｖｇｅｎは２Ｖ_１まで昇圧できるが、それ以上の昇圧はされない。

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まで昇圧できるが、それ以上の昇圧はされない。

以上より、ＬＣ共振回路の共振により、少なくとも、ＶｇｅｎがスイッチＳＷをＯＮにする時の極性と反対の極性となった時にスイッチＳＷをＯＦＦすれば、Ｖｇｅｎが昇圧していく。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、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の切り換え時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、制御回路１１２は、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、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。たとえば、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングでは、梁１０４の変位の大きさが最大と考えれば、機械的な接点を用いて、梁１０４が最大変位となったタイミングでＯＮとなるように構成することも可能である。しかし、接点の調整がずれると効率が大きく低下することになる。そこで、本実施例の発電装置１００では、図１（ｂ）に示したように、振動検出部１４０を設けておき、梁１０４の振動状態を検出することで、スイッチＳＷを制御している。具体的には、振動検出部１４０が梁１０４の振動状態を検出し、制御回路１１２は、振動検出部１４０の出力信号に基づいて、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。

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、圧電部材１０８の内部に生じる起電力Ｖｐｚｔがピークとなるタイミングおよび、圧電部材１０８に電荷が発生する電流Ｉｐｚｔが０になるタイミングと一致する。ただし、圧電部材１０８の内部に生じる起電力Ｖｐｚｔや電流Ｉｐｚｔを直接モニターすることはできない。一方、圧電部材１０８の端子間の電圧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、振動検出部１４０を電流検出回路で実現し、圧電部材１０８から全波整流回路１２０に流れる電流が０になるタイミングを検出する。図１１に、本実施例の発電装置１００の回路図を例示する。電流検出回路１５０は、圧電部材１０８の第１電極１０９ａとダイオードＤ１のアノードとの間に設けられており、圧電部材１０８から全波整流回路１２０に流れる電流を検出する。ただし、電流検出回路１５０は、圧電部材１０８から全波整流回路１２０に流れる電流を検出できればよく、例えば、圧電部材１０８の第２電極１０９ｂ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１２は、圧電部材１０８から全波整流回路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１２（ａ）には、梁１０４の変位が示されている。また、図１２（ｂ）には、梁１０４の振動に伴って、圧電部材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と全波整流回路１２０を構成しているダイオードの順方向降下電圧Ｖｆの２倍との和、すなわち、ＶＣ１＋２Ｖｆより大きくなれば、発生した電荷が全波整流回路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、圧電部材１０８の発生する電流Ｉｐｚｔの方向が反転する。たとえば、圧電部材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。従って、圧電部材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、全波整流回路１２０に流れていた電流が流れなくなる。同様に、圧電部材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、全波整流回路１２０に流れていた電流が流れなくなる。従って、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、圧電部材１０８から全波整流回路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１１に示したように、電流検出回路１５０を用いて、全波整流回路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（例えば、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１２（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、電流検出回路１５０により検出された、全波整流回路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１２（ｄ）には、インダクターＬを流れる電流と、全波整流回路１２０を流れる電流とが示されている。図１２（ｄ）に示されるように、スイッチＳＷをＯＮにする度に、圧電部材１０８内の電荷がインダクターＬを流れて、圧電部材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部材１０８が変形することで、圧電部材１０８の端子間には図１２（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１２（ｄ）に示されるように、圧電部材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１３に、電流検出回路１５０の構成ブロック図を例示する。また、図１４に、電流検出回路１５０の各部の出力波形の一例を示す。

電流検出器１５２は一般的に知られている、例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出来る。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。

増幅回路１５４は、電流検出器１５２の出力信号（Ｉｄ）を所定のゲインで増幅する。

絶対値回路１５６は、増幅回路１５４の出力信号（Ｉｄａｍｐ）の絶対値信号を出力する。

増幅回路１５４、絶対値回路１５６は必須の回路ではなく、比較器１５８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１５８は、絶対値回路１５６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１５８の出力信号（Ｉｐｌｓ）の立ち下がりエッジのタイミングで、全波整流回路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１５８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り発電効率が悪化するので、出来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１５は、本実施例の発電装置１００におけるスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを切り換えるスイッチ制御処理を示したフローチャートである。この処理は、例えば、制御回路１１２に内蔵されたＣＰＵによって実行される。

スイッチ制御処理を開始すると、制御回路１１２のＣＰＵは、振動検出部１４０（電流検出回路１５０）の出力信号をモニターし、梁１０４の変位がピークか否かを判断する（ステップＳ１０）。具体的には、制御回路１１２のＣＰＵは、電流検出回路１５０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梁１０４の変位がピークのタイミング（梁１０４の変形方向が切り換わるタイミング）であると判断する。

そして、制御回路１１２のＣＰＵは、梁１０４の変位のピークを検出したら（ステップＳ１０のＹ）、スイッチＳＷをＯＮにした後（ステップＳ１２）、制御回路１１２に内蔵された図示しないタイマーをスタートする（ステップＳ１４）。このタイマーは、あらかじめ設定された時間、本実施例では、ＬＣ共振回路の共振周期の１／２の時間を計時する。なお、この設定時間は、図示しないメモリーに記憶して書き換え可能にしておいてもよいし、不変でもよければメモリーに記憶しておかなくてもよい。

そして、制御回路１１２のＣＰＵは、タイマーが設定時間を計時するまで（ＬＣ共振回路の共振周期の１／２の時間が経過するまで）待機し（ステップＳ１６のＮ）、タイマーが設定時間を計時すると（ステップＳ１６のＹ）、スイッチＳＷをＯＦＦする（ステップＳ１８）。以降は、制御回路１１２のＣＰＵは、上述した一連の処理を繰り返す。

以上のようにしてＬＣ共振回路のスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを行えば、少なくとも、圧電部材１０８の端子間の電圧を昇圧させることができるので、蓄電素子Ｃ１の電圧が上昇しても電荷を蓄えることができる。

尚、本実施例では制御回路１１２が、本発明の「制御部」に相当する。

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、圧電部材１０８の端子間を短絡状態にすることで、圧電部材１０８の変形を抑制することができる。これにより、圧電部材１０８が設けられた梁１０４が過度に変形することも抑制することができるので、発電装置１００の搬送時に大きな環境振動が加えられても、梁１０４が周辺に配置されている部材や筐体に接触して破損し、あるいは梁１０４の耐久性が低下することを抑制することができる。その結果、衝突の衝撃を緩衝するための緩衝部材を配置する必要がなくなるので、発電装置１００を小型化することが可能となる。

また、圧電部材１０８の端子間の短絡状態を解除した後は、梁１０４の振動状態を検出し、圧電部材１０８の変形方向が切り換わるタイミングと一致する適切なタイミングでスイッチＳＷを所定期間（第１の期間）だけＯＮすることで、圧電部材１０８内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。これにより、圧電部材１０８の端子間の電圧を効率よく昇圧させ、発電効率を高めている。さらに、スイッチＳＷをＯＮする期間をＬＣ共振回路の共振周期の１／２の時間とすることで、最大限の発電効率が得られる。

Ｂ．第２実施例：
第１実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８の表面に発生した電荷の一部が、短絡した端子間を流れることによって圧電部材１０８の内部の寄生抵抗で消費されるため、圧電部材１０８が発熱し、圧電部材１０８の寿命が短くなるおそれがある。そこで、第２実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８の端子間が短絡状態の時に圧電部材１０８の内部の寄生抵抗に流れる電荷を低減させる。

図１６に、第２実施例の発電装置１００の回路図を例示する。第２実施例の発電装置１００では、短絡部１３０は短絡部材１３２と抵抗素子１３４を含み、発電装置１００が動作を開始する前は短絡部材１３２と抵抗素子１３４を介して圧電部材１０８の端子間を短絡する。短絡部材１３２は、第１実施例と同様に、導電性部材や機械式スイッチ等で実現することができる。

第２実施例の発電装置によれば、圧電部材１０８の端子間が短絡状態の時に圧電部材１０８の表面に発生した電荷の一部は、抵抗素子１３４で消費される。従って、圧電部材１０８の発熱を抑え、圧電部材１０８の寿命の低下を抑えることができる。

Ｃ．第３実施例：
図１７に、第３実施例の発電装置１００の回路図を例示する。第３実施例の発電装置１００では、スイッチＳＷにノーマリーＯＮのスイッチ素子を用いることで、インダクターＬとスイッチＳＷを短絡部１３０として機能させる。スイッチＳＷにノーマリーＯＮのスイッチ素子を用いることで、発電装置１００の動作前及び動作直後はスイッチＳＷが必ずＯＮであり、圧電部材１０８の端子間がインダクターＬを介して短絡している。そして、制御回路１１２のＣＰＵは、発電装置１００が動作を開始するとスイッチＳＷをＯＦＦし、その後は、図１５と同様のフローチャートに従ってスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを切り換える。

第３実施例の発電装置によれば、圧電部材１０８の端子間を短絡する特別な機構を設ける必要がない。

Ｄ．第４実施例：
第１実施例〜第３実施例の発電装置１００では、短絡部１３０による圧電部材１０８の端子間の短絡状態を解除して発電動作を開始した後は、梁１０４が想定以上に振動しても抑制することができない。そのため、発電動作開始後、梁１０４が過度に変形し、破損や耐久性が低下するなどの問題が生じる場合がある。そこで、第４実施例の発電装置１００では、発電動作中も梁１０４の変形量が限度を超えたときは圧電部材１０８の端子間を短絡する。具体的には、振動検出部１４０の検出結果に基づいて、梁１０４の変位量が所定の大きさ以上になると、スイッチＳＷを第２の期間だけＯＮにし、圧電部材１０８の端子間を、インダクターＬを介して短絡する。スイッチＳＷをＯＮすると、ＬＣ共振回路による共振が発生するが、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示したように、この共振は極めて短時間に減衰して第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂは同電位になる。そのため、圧電部材１０８の変形を抑制することができ、圧電部材１０８が設けられた梁１０４が過度に変形することも抑制することができる。

第４実施例の発電装置１００では、第２の圧電部材を用いて振動検出部１４０を実現し、梁１０４の振動状態を検出する。ただし、第１実施例〜第３実施例と同様に、振動検出部１４０を電流検出回路１５０で実現してもよい。

図１８は、第４実施例の発電装置１００の構造を示した説明図である。図１８（ａ）には、発電装置１００の機械的な構造が示されており、図１８（ｂ）には電気的な構造が示されている。図１８において、第１実施例（図１）と同様の構成には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１８（ａ）に示すように、第４実施例の発電装置１００では、梁１０４の表面に圧電部材１０８（第１の圧電部材）が取り付けられるとともに、梁１０４の裏面に圧電部材１１０（第２の圧電部材）が取り付けられている。圧電部材１０８の表面には第１電極（上部電極）１０９ａ、第２電極（下部電極）１０９ｂが設けられており、圧電部材１１０の表面にも同様に、第１電極（上部電極）１１１ａ、第２電極（下部電極）１１１ｂが設けられている。図１８（ａ）に示す例では、圧電部材１０８と圧電部材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。例えば、圧電部材１０８が梁１０４に対して設置可能な最大の長さと幅であれば、圧電部材１０８の発電量は大きくなる。一方、圧電部材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、圧電部材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。

梁１０４が振動すると、梁１０４の表面に取り付けられた圧電部材１０８および圧電部材１１０には、圧縮力および引張力が交互に作用する。すると、それぞれの圧電部材１０８，１１０は圧電効果によって正負の電荷を発生し、その電荷が第１電極１０９ａ，１１１ａ、および第２電極１０９ｂ、１１１ｂに現れる。すなわち、梁１０４が変形すると、圧電部材１１０も圧電部材１０８と同様に変形するので、圧電部材１１０の内部にも、圧電部材１０８と全く同様の電流Ｉｐｚｔおよび起電力Ｖｐｚｔが発生する。

図１８（ｂ）には、第４実施例の発電装置１００の回路図が例示されている。図１８（ｂ）に示すように、第４実施例の発電装置１００でも、第１実施例又は第２実施例と同じく、圧電部材１０８の端子間を短絡させる短絡部１３０が設けられており、短絡部１３０はこの短絡状態を解除可能に構成されている。また、圧電部材１０８の第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂの間に、インダクターＬとスイッチＳＷが直列に接続されており、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦは制御回路１１２により行われる。また、圧電部材１０８の第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂは全波整流回路１２０に接続されており、全波整流回路１２０には蓄電素子Ｃ１が接続されている。

一方、圧電部材１１０は、制御回路１１２がスイッチＳＷを制御するために設けられており、圧電部材１１０に設けられた第１電極１１１ａおよび第２電極１１１ｂは、制御回路１１２に接続されている。なお、圧電部材１１０も、圧電部材１０８と同様に、電気的には、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサーＣ２として表すことができる。圧電部材１０８と圧電部材１１０の大きさや厚さの違い等により、コンデンサーＣ０とＣ２の容量値は異なっていてもよい。

図１９は、圧電部材１１０で発生す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である。図１９（ａ）には、梁１０４の変位が示されている。また、図１９（ｂ）には、梁１０４の振動に伴って、圧電部材１０８及び圧電部材１１０が発生させる電流Ｉｐｚｔと起電力Ｖｐｚｔとが変化する様子が示されている。

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、圧電部材１０８及び圧電部材１１０が発生する起電力Ｖｐｚｔもピークとなる。しかし、圧電部材１０８が変形によって発生する電荷は、インダクターＬによって引き抜かれたり、蓄電素子Ｃ１に流れたりするため、圧電部材１０８の端子間の電圧Ｖｇｅｎは起電力Ｖｐｚｔと一致しない。そのため、Ｖｇｅｎのピークは梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングと一致しない。これに対して、圧電部材１１０は、インダクターＬや蓄電素子Ｃ１と接続されていないため、電荷の増減が圧電部材１１０の端子間の電圧（第１電極１１１ａと第２電極１１１ｂとの間の電圧）Ｖｇｅｎ２の変化に直接反映される。このため、図１９（ｃ）に示すように、圧電部材１１０の端子間の電圧Ｖｇｅｎ２は起電力Ｖｐｚｔと一致する。従って、Ｖｇｅｎ２のピークは梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングと一致する。そこで、圧電部材１１０の端子間の電圧Ｖｇｅｎ２のピークを検出したら、そのタイミングから、第１の期間（例えば、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１９（ｄ）には、スイッチＳＷをＯＮ／ＯＦＦするタイミングが示されている。制御回路１１２は、Ｖｇｅｎ２がピークとなるタイミングを検出し、Ｖｇｅｎ２がピークとなるタイミングから第１の期間（Ｔ／２）だけスイッチＳＷをＯＮする。

そして、このスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦにより、圧電部材１０８の端子間には図１９（ｅ）に示すような電圧波形が発生する。その結果、圧電部材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。

以上に説明したように、本実施例の発電装置１００は、発電効率を高める目的で、圧電部材１１０の端子間の電圧Ｖｇｅｎ２がピークとなるタイミングでスイッチＳＷをＯＮするが、これ以外にも、梁１０４の過度な変形を抑制する目的で、以下に説明するタイミングでもスイッチＳＷをＯＮする。

本実施例の発電装置１００では、圧電部材１１０は梁１０４に設けられており、これらは同程度に変形するものであることから、梁１０４の変形量が大きくなる程、圧電部材１１０の端子間に生じる電圧Ｖｇｅｎ２の絶対値は大きくなる。そして、この電圧Ｖｇｅｎ２の絶対値が所定値以上（後述する制限電圧Ｖｌ以上）になった場合に、スイッチＳＷをＯＮにして圧電部材１０８の端子間を短絡状態にすることよって、梁１０４が所定の変形量以上に変形することを抑制する。

図２０は、圧電部材１１０に発生する電圧が所定値以上になった場合に短絡させることによって、梁１０４の変形が抑制される様子を示す説明図である。図２０（ａ）には、梁１０４の変位が示されている。また、図２０（ｂ）には、梁１０４の振動に伴って、圧電部材１１０の端子間に生じる電圧Ｖｇｅｎ２が変化する様子が示されている。図２０（ｂ）に示すように、圧電部材１１０の端子間に生じる電圧Ｖｇｅｎ２はタイミングｔｌで所定値（制限電圧Ｖｌ）に到達している。このタイミングｔｌは、図２０（ａ）に示すように、梁１０４の変位が一定値以上になっているタイミングである。そして、図２０（ｃ）に示すように、タイミングｔｌでスイッチＳＷをＯＮにして圧電部材１０８の端子間を短絡状態にすることよって、梁１０４が変形することを抑制する。すなわち、スイッチＳＷをＯＮにしなければ図２０（ａ）に破線で示すように大きく変形していたところを、スイッチＳＷをＯＮにして梁１０４の変形を実線で示す程度まで抑制している。

以上のように、第４実施例の発電装置１００によれば、梁１０４の変形量を制御することができるので、梁１０４の周辺に配置されている部材や筐体に梁１０４が衝突することを防止できる。その結果、衝突の衝撃を緩衝するための緩衝部材を配置する必要がなくなり、発電装置１００を小型化することが可能となる。

図２１は、圧電部材１１０の端子間に生じる電圧を検出してスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを切り換えるスイッチ制御処理を示したフローチャートである。この処理は、制御回路１１２に内蔵されたＣＰＵによって実行される。

スイッチ制御処理を開始すると、制御回路１１２のＣＰＵは、圧電部材１１０の端子間の電圧Ｖｇｅｎ２を検出し、梁１０４の変位がピークか否かを判断する（ステップＳ１００）。具体的には、制御回路１１２のＣＰＵは、圧電部材１１０の端子間の電圧値の微分を計算し、微分値の符号が変わったら電圧値がピークに達した（梁１０４の変位がピークに達した）と判断する。

そして、制御回路１１２のＣＰＵは、梁１０４の変位のピークを検出したら（ステップＳ１００のＹ）、スイッチＳＷをＯＮにした後（ステップＳ１０２）、タイマーをスタートする（ステップＳ１０４）。タイマーは、ここでは、第１の時間（第１の期間）、本実施例では、ＬＣ共振回路の共振周期の１／２の時間を計時する。なお、第１の時間は、図示しないメモリーに記憶して書き換え可能にしておいてもよいし、不変でもよければメモリーに記憶しておかなくてもよい。

そして、制御回路１１２のＣＰＵは、タイマーが第１の時間を計時するまで（ＬＣ共振回路の共振周期の１／２の時間が経過するまで）待機し（ステップＳ１０６のＮ）、タイマーが第１の時間を計時すると（ステップＳ１０６のＹ）、スイッチＳＷをＯＦＦする（ステップＳ１０８）。以降は、制御回路１１２のＣＰＵは、上述した一連の処理を繰り返す。

一方、制御回路１１２のＣＰＵは、ステップＳ１００の処理で梁１０４の変位のピークを検出しなければ（ステップＳ１００のＮ）、梁１０４の変位量が限度以上か否かを判断する（ステップＳ１１０）。具体的には、制御回路１１２のＣＰＵは、圧電部材１１０の端子間の電圧Ｖｇｅｎ２が制限電圧Ｖｌ以上か否かを判断する。

制御回路１１２のＣＰＵは、梁１０４の変位量が限度以上（Ｖｇｅｎ２が制限電圧Ｖｌ以上）である場合は（ステップＳ１１０のＹ）、圧電部材１０８の端子間を短絡させて梁１０４の変形を抑制するべく、スイッチＳＷをＯＮにし（ステップＳ１１２）、タイマーをスタートする（ステップＳ１１４）。タイマーは、ここでは、第２の時間（第２の期間）を計時する。この第２の時間は、梁１０４の変形を抑制させるために圧電部材１０８の端子間を短絡させる時間であり、例えば、梁１０４の振動周期の１／２程度の梁１０４の変形を十分に抑制することの可能な時間が設定される。なお、第２の時間は、図示しないメモリーに記憶して書き換え可能にしておいてもよいし、不変でもよければメモリーに記憶しておかなくてもよい。

そして、制御回路１１２のＣＰＵは、タイマーが第２の時間を計時するまで待機し（ステップＳ１１６のＮ）、タイマーが第２の時間を計時すると（ステップＳ１１６のＹ）、スイッチＳＷをＯＦＦする（ステップＳ１１８）。

以降は、制御回路１１２のＣＰＵは、上述した一連の処理を繰り返す。

以上のステップＳ１１０〜Ｓ１１８の処理を行うことによって、梁１０４の変形量が限度以上になった場合（圧電部材１１０の端子間の電圧が制限電圧Ｖｌに達した場合）に、圧電部材１０８の端子間を第２の時間（第２の期間）だけ短絡させて梁１０４が想定以上に変形することを抑制することができる。その結果、梁１０４の周辺に配置されている部材や筐体に梁１０４が衝突することを防止でき、衝突の衝撃を緩衝するための緩衝部材を配置する必要がなくなるので、発電装置１００を小型化することが可能となる。

また、１つのスイッチＳＷをＯＮにするタイミングを制御することによって、効率よく発電させることが可能となり（ステップＳ１００〜Ｓ１０８）、なおかつ、梁１０４の変形量を抑制することが可能である（ステップＳ１１０〜Ｓ１１８）。すなわち、効率よく発電させるために設けられたスイッチＳＷを、梁１０４の変形量を抑制するためにも用いているので、発電装置１００を構成する部材点数の増加を抑えることが可能となる。

Ｅ．変形例：
Ｅ−１．第１変形例：
例えば、上述した第１実施例では、電流検出回路１５０内に、ホール素子などの電流検出センサーが設けられており、この出力を処理することによって、電流が流れなくなったタイミングを検出するものとして説明した。しかし、全波整流回路１２０を構成するダイオードＤ１〜Ｄ４の一部をフォトカプラーに変更して、フォトカプラーによって電流の有無を直接検出してもよい。

例えば、ダイオードＤ２およびダイオードＤ４をフォトカプラーに変更してもよいし、ダイオードＤ１およびダイオードＤ３をフォトカプラーに変更してもよい。あるいは、ダイオードＤ１およびダイオードＤ４をフォトカプラーに変更してよいし、ダイオードＤ２およびダイオードＤ３をフォトカプラーに変更してもよい。こうすれば、全波整流回路１２０に電流が流れている間は、何れかのフォトカプラーによって、そのことを検出することができる。このため電流検出回路１５０は、全波整流回路１２０に電流が流れなくなったことを直ちに検出することができる。その結果、前述したように、ホール素子などの電流検出センサーを搭載したり、センサーの出力を増幅して絶対値を求めたり、得られた絶対値を閾値と比較すると言った複雑な処理を行うことなく、適切なタイミングでスイッチＳＷをＯＮにすることが可能となる。

あるいは、圧電部材１０８の第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂと全波整流回路１２０との間にフォトカプラーを挿入することによって、全波整流回路１２０に流れる電流の有無を検出するようにしても良い。

Ｅ−２．第２変形例：
また、上述した第１実施例〜第３実施例では、振動検出部１４０を電流検出回路１５０で実現しているが、第４実施例と同様に、梁１０４に第２の圧電部材を設けて振動検出部１４０としてもよい。さらに、振動検出部１４０はその他の構成であってもよい。例えば、光学式、超音波式、渦電流式、静電容量式等の非接触型の近接センサーや接触型のセンサーを用いて、梁１０４の振動（変位）を直接的に検出してもよい。

Ｅ−３．第３変形例：
また、上述した第４実施例では、短絡部１３０とは別に、スイッチＳＷを設けているが、第３実施例と同様に、スイッチＳＷにノーマリーＯＮのスイッチ素子を用いることで、インダクターＬとスイッチＳＷを短絡部１３０として機能させてもよい。

Ｅ−４．第４変形例：
また、上述した実施例では、圧電部材１０８の第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂの間にインダクターＬとスイッチＳＷが直列に接続されているが、インダクターＬを外してもよい。このような第４変形例の発電装置１００では、インダクターＬが接続されていないので、発電装置１００内には上述の実施例のようなＬＣ共振回路は構成されない。これにより、制御回路１１２に内蔵されたＣＰＵによって実行されるＬＣ共振回路を利用するための制御処理（図１５の全ての処理、あるいは図２１のステップＳ１００〜Ｓ１０８の処理）を省略することができる。なお、第１実施例の発電装置１００からインダクターＬを外すとスイッチＳＷと制御回路１１２も不要になる。

第４変形例の発電装置１００では、ＬＣ共振回路を利用しないので圧電部材１０８の端子間の電圧を昇圧させることができず、実施例の発電装置１００ほどの発電効率は望めないが、部材点数（インダクターＬ）やＣＰＵの処理負荷（ＬＣ共振回路を利用するための制御処理）の増大化を抑えた上で、梁１０４の周辺に配置されている部材や筐体に梁１０４が衝突することを防止できる。

以上、本実施例あるいは変形例について説明したが、本発明はこれら本実施例あるいは変形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、圧電部材１０８が片持ち梁構造の梁１０４に取り付けられているものとして説明した。しかし、圧電部材１０８が取り付けられる部材は、振動などによって容易に繰り返し変形する部材であれば、どのような部材であっても構わない。たとえば、薄膜の表面に圧電部材１０８を取り付けても良いし、弦巻バネの側面に圧電部材１０８を取り付けても構わない。

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。

尚、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り発電し、移動手段に備わる機器に効率良く電力供給することもできる。

このとき、あらゆる振動に対応するために、梁１０４の長さや錘１０６の重さが異なる複数の発電装置１００を移動手段に組み込んでもよい。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例えばボタン電池、乾電池と同じ形状であって、電子機器一般で使用されてもよい。このとき、振動によって蓄電素子への充電が可能であるため、電力が喪失した災害時でも電池として使用可能である。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、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態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、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又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、実施の形態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…圧電部材、１０９ａ…第１電極、１０９ｂ…第２電極、１１０…圧電部材、１１１ａ…第１電極、１１１ｂ…第２電極、１１２…制御回路、１２０…全波整流回路、１３０…短絡部、１３２…短絡部材、１３４…抵抗素子、１４０…振動検出部、１５０…電流検出回路、１５２…電流検出器、１５４…増幅回路、１５６…絶対値回路、１５８…比較器、Ｌ…インダクター、Ｃ１…蓄電素子、Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード、ＳＷ…スイッチ

Claims (12)

1. 圧電材料の圧電効果を利用して発電する発電装置であって、
   変形方向を切り換えて変形する変形部材と、
   前記変形部材に設けられた圧電部材と、
   前記圧電部材に設けられた一対の電極と、
   前記一対の電極の間に設けられ、前記圧電部材の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、
   前記インダクターに対して直列に接続されたスイッチと、
   前記変形部材の振動の状態を検出する振動検出部と、
   前記振動検出部の検出結果に基づいて、前記スイッチを第１の期間導通状態とする制御部と、
   前記一対の電極間を短絡状態にする短絡部と、を備え、
   前記短絡部は、
   当該発電装置が発電動作を開始する前に前記一対の電極間の短絡状態を解除可能に設けられている、発電装置。
2. 前記短絡部は、
   前記一対の電極を短絡するように設けられた導電性部材を含み、当該導電性部材が物理的に除去又切断されることにより、前記一対の電極間の短絡状態を解除する、請求項１に記載の発電装置。
3. 前記短絡部は、
   前記一対の電極を短絡するように設けられた機械スイッチを含み、当該機械スイッチの操作により、前記一対の電極間の短絡状態を解除する、請求項１に記載の発電装置。
4. 前記短絡部は、
   前記一対の電極を短絡するように設けられたノーマリーオンのスイッチ素子を含み、当該発電装置が発電動作を開始するときに、当該スイッチ素子をオフすることにより、前記一対の電極間の短絡状態を解除する、請求項１に記載の発電装置。
5. 前記短絡部は、
   抵抗素子をさらに含み、前記一対の電極を当該抵抗素子を介して短絡する、請求項１乃至４のいずれかに記載の発電装置。
6. 圧電材料の圧電効果を利用して発電する発電装置であって、
   変形方向を切り換えて変形する変形部材と、
   前記変形部材に設けられた圧電部材と、
   前記圧電部材に設けられた一対の電極と、
   前記一対の電極の間に設けられ、前記圧電部材の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、
   前記インダクターに対して直列に接続されたノーマリーオンのスイッチと、
   前記変形部材の振動の状態を検出する振動検出部と、
   当該発電装置が発電動作を開始するときに前記スイッチをオフすることにより前記一対の電極間の短絡状態を解除した後、前記振動検出部の検出結果に基づいて、前記スイッチを第１の期間導通状態とする制御部と、を備える、発電装置。
7. 前記制御部は、
   前記変形部材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、前記第１の期間が経過すると前記スイッチを切断する、請求項１乃至６に記載の発電装置。
8. 前記制御部は、
   前記共振回路の共振周期の半周期に相当する時間を前記第１の期間として前記スイッチを導通状態とする、請求項７に記載の発電装置。
9. 前記制御部は、
   前記振動検出部の検出結果に基づいて、前記変形部材の変形量が所定の大きさ以上になると、前記スイッチを第２の期間導通状態とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の発電装置。
10. 前記圧電部材を第１の圧電部材とし、
    前記振動検出部は、
    前記変形部材に設けられた第２の圧電部材と、
    前記第２の圧電部材に設けられた一対の電極と、を備え、
    前記制御部は、
    前記第２の圧電部材に設けられた前記一対の電極間の電圧に基づいて、前記変形部材の変形量が前記所定の大きさ以上になると、前記スイッチを前記第２の期間導通状態とする、請求項９に記載の発電装置。
11. 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部材と、前記圧電部材に設けられた一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられ、前記圧電部材の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、前記インダクターに対して直列に接続されたスイッチと、前記一対の電極間を短絡状態にする短絡部と、を備える発電装置の制御方法であって、
    前記一対の電極間の短絡状態が解除された状態で、前記変形部材の振動の状態を検出するステップと、
    前記変形部材の振動の状態の検出結果に基づいて、前記スイッチを第１の期間導通状態とするステップと、を含む、発電装置の制御方法。
12. 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部材と、前
    記圧電部材に設けられた一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられ、前記圧電部材の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、前記インダクターに対して直列に接続されたノーマリーオンのスイッチと、を備える発電装置の制御方法であって、
    前記発電装置が発電動作を開始するときに前記スイッチをオフすることにより前記一対の電極間の短絡状態を解除するステップと、
    前記一対の電極間の短絡状態が解除された状態で、前記変形部材の振動の状態を検出するステップと、
    前記変形部材の振動の状態の検出結果に基づいて、前記スイッチを第１の期間導通状態とするステップと、を含む、発電装置の制御方法。

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