JP5979353B2 - Power generation device, electronic device, moving means and battery - Google Patents

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Description

本発明は、発電装置、電子機器、移動手段及び電池に関する。   The present invention relates to a power generation device, electronic equipment, moving means, and a battery.

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。 When piezoelectric materials such as lead zirconate titanate (PZT), quartz (SiO 2 ), and zinc oxide (ZnO) are deformed by external force, electric polarization is induced inside the material, and positive and negative charges appear on the surface. . Such a phenomenon is called a so-called piezoelectric effect. A power generation method has been proposed in which the cantilever beam is vibrated by repeatedly applying a load to the piezoelectric material by utilizing such properties of the piezoelectric material, and electric charges generated on the surface of the piezoelectric material are taken out as electricity.

例えば、先端に錘を設けると共に圧電材料の薄板を貼り付けた金属製の片持ち梁を振動させ、振動に伴って圧電材料に交互に生じる正負の電荷を取り出すことによって交流電流を発生させる。そして、この交流電流をダイオードによって整流した後、コンデンサーに蓄えておき、電力として取り出す技術が提案されている（特許文献１）。また、圧電素子で正の電荷が発生している間だけ接点が閉じるようにすることで、ダイオードでの電圧損失を発生させずに直流電流が得られるようにした技術も提案されている（特許文献２）。これら技術を用いれば、発電装置を小型化することができるので、例えば小型の電子部品に電池の代わりに組み込むなどの応用が期待されている。   For example, an alternating current is generated by providing a weight at the tip and vibrating a metal cantilever with a piezoelectric material thin plate and taking out positive and negative charges alternately generated in the piezoelectric material in accordance with the vibration. A technique has been proposed in which this alternating current is rectified by a diode, stored in a capacitor, and extracted as electric power (Patent Document 1). In addition, a technique has been proposed in which a direct current can be obtained without causing a voltage loss in a diode by closing a contact only while a positive charge is generated in a piezoelectric element (patent) Reference 2). If these technologies are used, the power generation device can be reduced in size, and therefore, for example, applications such as incorporation in a small electronic component instead of a battery are expected.

特開平７−１０７７５２号公報JP-A-7-107752 特開２００５−３１２２６９号公報JP 2005-31269 A

しかし、提案されている従来の技術では、得られる電圧が、圧電材料の電気分極によって生じる電圧までに限られるという問題があった。このため、ほとんどの場合は、別に昇圧回路が必要となり、発電装置を十分に小型化することが難しいという問題があった。   However, the proposed conventional technique has a problem that the obtained voltage is limited to the voltage generated by the electric polarization of the piezoelectric material. For this reason, in most cases, a separate booster circuit is required, and there is a problem that it is difficult to sufficiently reduce the size of the power generator.

この発明は、従来の技術が有する上述した課題を解決するためになされたものであり、圧電材料の圧電効果を利用した発電装置を大型化させることなく、高い電圧を発生させることが可能な発電装置、電子機器、移動手段及び電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems of the prior art, and is capable of generating a high voltage without increasing the size of a power generation device using the piezoelectric effect of a piezoelectric material. An object is to provide an apparatus, an electronic device, a moving unit, and a battery.

［適用例１］
適用例にかかる発電装置は、圧電材料によって形成された圧電部材と、前記圧電部材に設けられた一対の電極と、前記圧電部材を繰り返し変形させる変形部材と、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、前記一対の電極に接続され、前記圧電部材が発生する交流電流を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電流を蓄電する蓄電素子と、前記圧電部材の電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部で検出される第１電圧が極大値又は極小値であるかを判断し、前記第１電圧が極大値であると判断したとき、前記第１電圧を検出した後に前記電圧検出部で検出される第２電圧が、前記極大値から基準電圧以上減少したときに前記スイッチを接続し、前記第１電圧が極小値であると判断したとき、前記第１電圧を検出された後に前記電圧検出部で検出される第２電圧が、前記極小値から基準電圧以上増加したときに前記スイッチを接続する制御部と、を含む、発電装置である。 [Application Example 1]
A power generation apparatus according to an application example is provided between a piezoelectric member formed of a piezoelectric material, a pair of electrodes provided on the piezoelectric member, a deformation member that repeatedly deforms the piezoelectric member, and the pair of electrodes. A capacitive component of the piezoelectric member and an inductor constituting a resonance circuit, a switch connected in series to the inductor, and a rectifier circuit connected to the pair of electrodes and rectifying an alternating current generated by the piezoelectric member A storage element that stores the output current of the rectifier circuit, a voltage detection unit that detects the voltage of the piezoelectric member, and whether the first voltage detected by the voltage detection unit is a maximum value or a minimum value When it is determined that the first voltage has a maximum value, the second voltage detected by the voltage detection unit after detecting the first voltage has decreased from the maximum value by a reference voltage or more. When the switch is connected and the first voltage is determined to be a minimum value, the second voltage detected by the voltage detection unit after the first voltage is detected increases from the minimum value by a reference voltage or more. And a control unit that connects the switch when the power is generated.

この適用例によれば、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って、圧電部材も変形する。その結果、これら圧電部材には、圧電効果によって正負の電荷が発生する。なお、電荷の発生量は、圧電部材の変形量が大きくなるほど多くなる。また、圧電部材はインダクターと共に共振回路を構成しており、その共振回路にはスイッチが設けられている。そして、スイッチでの導通を切断した状態で変形部材の変形を開始して、変形量が大きくなったとき（例えば、変形方向が切り換わるとき）に、スイッチを導通状態とする。圧電部材は変形部材と共に変形し、変形量が大きくなるほど多くの電荷を発生させるから、例えば、圧電部材で発生した電荷が最も多くなったときに、圧電部材がインダクターに接続されて共振回路を形成する。すると、圧電部材に発生していた電荷がインダクターに流れ込む。そして、圧電部材及びインダクターは共振回路を構成しているから、インダクターに流れ込んだ電流はオーバーシュートして、圧電部材の反対側の端子に流れ込む。この期間（すなわち、圧電部材に設けられた一対の電極のうち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内に流れ込むまでの期間）は、圧電部材及びインダクターによって形成される共振回路の共振周期の半分となる。したがって、圧電部材の変形方向が切り換わったときにスイッチを接続して共振回路を形成し、その後、共振周期の半分の時間が経過したときにスイッチを切断すれば、インダクターを接続する前に圧電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を変形させれば、圧電部材が逆方向に変形するため、正負の電荷の配置が逆転した状態からさらに圧電効果によって発生した新たな電荷が積み増されるようにして圧電部材内に電荷が蓄積される。また、圧電部材内に電荷が蓄積されるにしたがって発生する電圧も増加するので、昇圧回路を別途用意しなくても、圧電部材を構成する圧電材料の電気分極によって生じる電圧よりも高い電圧を発生させることができる。さらに、こうして圧電部材内に効率よく電荷を蓄積するためには、圧電部材の変形方向が切り換わったときにスイッチを接続して共振回路を形成することが重要となる。制御部が、電圧検出部で検出される第１電圧が極大値又は極小値であるかを判断し、第１電圧が極大値であると判断したとき、第１電圧を検出した後に電圧検出部で検出される第２電圧が、極大値から基準電圧以上減少したときにスイッチを接続し、第１電圧が極小値であると判断したとき、第１電圧を検出された後に電圧検出部で検出される第２電圧が、極小値から基準電圧以上増加したときに前記スイッチを接続することによって、変形部材の変形方向が切り換わるタイミングで容易にスイッチを接続できる。そして、制御部は、圧電部材の変形方向の切り換わるタイミングから所定期間だけスイッチを導通状態とすることで、圧電部材内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。したがって、圧電効果を利用して、小型で効率的に高い電圧を発生させることが可能な発電装置を実現できる。なお、蓄電素子は、例えば、コンデンサーであっても二次電池であってもよい。   According to this application example, since the piezoelectric member is provided on the deformable member, the piezoelectric member is also deformed when the deformable member is deformed. As a result, positive and negative charges are generated in these piezoelectric members due to the piezoelectric effect. Note that the amount of generated charge increases as the amount of deformation of the piezoelectric member increases. The piezoelectric member forms a resonance circuit together with the inductor, and the resonance circuit is provided with a switch. Then, the deformation of the deformable member is started in a state where the conduction at the switch is cut off, and when the amount of deformation becomes large (for example, when the deformation direction is switched), the switch is turned on. The piezoelectric member is deformed together with the deforming member, and the larger the amount of deformation, the more electric charge is generated. For example, when the electric charge generated in the piezoelectric member is the largest, the piezoelectric member is connected to the inductor to form a resonance circuit. To do. Then, the electric charge generated in the piezoelectric member flows into the inductor. Since the piezoelectric member and the inductor constitute a resonance circuit, the current flowing into the inductor overshoots and flows into the terminal on the opposite side of the piezoelectric member. During this period (that is, the period until the electric charge flowing out from one of the pair of electrodes provided on the piezoelectric member flows again from the other electrode into the piezoelectric member through the inductor), the piezoelectric member and the inductor It becomes half of the resonance period of the formed resonance circuit. Therefore, when the deformation direction of the piezoelectric member is switched, a switch is connected to form a resonance circuit. After that, when the half of the resonance period has elapsed, the switch is cut off before the inductor is connected. The arrangement of positive and negative charges generated in the member can be reversed. From this state, if the deformable member is deformed in the opposite direction, the piezoelectric member is deformed in the opposite direction. Therefore, new charges generated by the piezoelectric effect are further accumulated from the state where the arrangement of positive and negative charges is reversed. The charge is accumulated in the piezoelectric member in such a manner as to be increased. In addition, since the voltage generated as the charge is accumulated in the piezoelectric member increases, a voltage higher than the voltage generated by the electric polarization of the piezoelectric material constituting the piezoelectric member is generated without the need for a separate booster circuit. Can be made. Further, in order to efficiently accumulate charges in the piezoelectric member in this way, it is important to connect a switch to form a resonance circuit when the deformation direction of the piezoelectric member is switched. When the control unit determines whether the first voltage detected by the voltage detection unit is a maximum value or a minimum value and determines that the first voltage is a maximum value, the voltage detection unit detects the first voltage and then detects the first voltage. The switch is connected when the second voltage detected in step 1 decreases from the maximum value to the reference voltage or more, and when the first voltage is determined to be the minimum value, the first voltage is detected and then detected by the voltage detection unit. By connecting the switch when the second voltage is increased from the minimum value to the reference voltage or more, the switch can be easily connected at the timing when the deformation direction of the deformation member is switched. And a control part can accumulate | store an electric charge efficiently in a piezoelectric member by making a switch into a conduction | electrical_connection state only for a predetermined period from the timing which the deformation | transformation direction of a piezoelectric member switches. Therefore, it is possible to realize a small-sized power generation device that can efficiently generate a high voltage by using the piezoelectric effect. The power storage element may be, for example, a capacitor or a secondary battery.

［適用例２］
上記適用例にかかる発電装置において、前記整流回路はダイオードを含む全波整流回路であり、前記基準電圧は前記ダイオードの順方向降下電圧値の２倍以下であることが好ましい。 [Application Example 2]
In the power generation device according to the application example described above, it is preferable that the rectifier circuit is a full-wave rectifier circuit including a diode, and the reference voltage is not more than twice a forward drop voltage value of the diode.

［適用例３］
適用例にかかる発電装置は、上述の発電装置を含む電子機器である。 [Application Example 3]
The power generation device according to the application example is an electronic device including the above-described power generation device.

［適用例４］
適用例にかかる発電装置は、上述の発電装置を含む移動手段である。 [Application Example 4]
The power generator according to the application example is a moving unit including the above-described power generator.

［適用例５］
適用例にかかる発電装置は、上述の発電装置を含む電池である。 [Application Example 5]
The power generator according to the application example is a battery including the above-described power generator.

これらの適用例によれば、本発明の発電装置を電池に組み込んだり、電池の代わりにリモコン等の小型電子機器に組み込んだりすることが可能であるため、小型電子機器の移動によって発電できるほか、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って発電し、移動手段に備わる機器に効率良く電力供給することもできる。   According to these application examples, since the power generation device of the present invention can be incorporated into a battery, or can be incorporated into a small electronic device such as a remote controller in place of the battery, power can be generated by movement of the small electronic device, For example, by using the power generation device of the present invention for a moving means such as a vehicle or a train, it is possible to generate electric power by vibration accompanying the movement and efficiently supply power to equipment provided in the moving means.

第１実施例の発電装置の構造を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the structure of the electric power generating apparatus of 1st Example. 第１実施例の発電装置の動作を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed operation | movement of the electric power generating apparatus of 1st Example. 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。It is explanatory drawing which showed notionally the first half part of the operation principle of the electric power generating apparatus of 1st Example. 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。It is explanatory drawing which showed notionally the latter half part of the operation principle of the electric power generating apparatus of 1st Example. スイッチがＯＮするタイミングが任意のタイミングであっても、圧電素子の端子間の電圧を昇圧させることが可能な理由を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the reason which can raise the voltage between the terminals of a piezoelectric element, even if the timing which a switch turns on is arbitrary timings. スイッチがＯＮするタイミングが任意のタイミングであっても、圧電素子の端子間の電圧を昇圧させることが可能な理由を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the reason which can raise the voltage between the terminals of a piezoelectric element, even if the timing which a switch turns on is arbitrary timings. スイッチがＯＮするタイミングが任意のタイミングであっても、圧電素子の端子間の電圧を昇圧させることが可能な理由を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the reason which can raise the voltage between the terminals of a piezoelectric element, even if the timing which a switch turns on is arbitrary timings. ＬＣ共振回路の共振周期の３／２倍の時間だけスイッチをＯＮにした場合の圧電素子の端子間の電圧波形を示した図である。It is the figure which showed the voltage waveform between the terminals of a piezoelectric element when a switch is turned ON only for the time of 3/2 times the resonance period of LC resonance circuit. ＬＣ共振回路の共振周期の１／４倍の時間だけスイッチをＯＮにした場合の圧電素子の端子間の電圧波形を示した図である。It is the figure which showed the voltage waveform between the terminals of a piezoelectric element at the time of turning on a switch only for 1/4 time of the resonance period of LC resonance circuit. 圧電部材の電圧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。It is explanatory drawing which shows the reason which can determine the timing which the deformation | transformation direction of a beam switches by detecting the voltage of a piezoelectric member. 第１実施例におけるスイッチＳＷのＯＦ／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。It is the flowchart which showed the switch control process which switches OF / OFF of switch SW in 1st Example. 図１２（ａ）は、図１０（ｄ）の一部を拡大したグラフ、図１２（ｂ）は、整流回路１２０に流れる電流Ｉｇｅｎを示すグラフである。12A is a graph obtained by enlarging a part of FIG. 10D, and FIG. 12B is a graph showing the current Igen flowing through the rectifier circuit 120. 第２実施例におけるスイッチＳＷのＯＦ／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。It is the flowchart which showed the switch control process which switches OF / OFF of switch SW in 2nd Example. 第３実施例におけるスイッチＳＷのＯＦ／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。It is the flowchart which showed the switch control process which switches OF / OFF of switch SW in 3rd Example. 発電装置を備えた電子機器の一例の電気的な構造を示す図である。It is a figure which shows the electrical structure of an example of the electronic device provided with the electric power generating apparatus.

以下、本発明の好適な実施例について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施例は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。   Preferred embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings. In addition, the Example described below does not unduly limit the content of the present invention described in the claims. Also, not all of the configurations described below are essential constituent requirements of the present invention.

以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序にしたがって実施例を説明する。   Hereinafter, in order to clarify the contents of the present invention described above, examples will be described in the following order.

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．発電装置の構造：
Ａ−２．発電装置の動作：
Ａ−３．発電装置の動作原理：
Ａ−４．スイッチＳＷの切換タイミング：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．電子機器、移動手段及び電池： A. First embodiment:
A-1. Structure of power generator:
A-2. Power generator operation:
A-3. The operating principle of the power generator:
A-4. Switch SW switching timing:
B. Second embodiment:
C. Third embodiment:
D. Electronic equipment, moving means and batteries:

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．発電装置の構造：
図１は、本実施例の発電装置１００の構造を示した説明図である。図１（ａ）には、発電装置１００の機械的な構造が示されており、図１（ｂ）には電気的な構造が示されている。本実施例の発電装置１００の機械的な構造は、先端に錘１０６が設けられた梁１０４が、基端側で支持端１０２に固定された片持ち梁構造となっており、変形方向を切り換えて変形することができる。支持端１０２は発電装置１００内に固定されるのが望ましい。また、梁１０４の表面には、圧電素子１０８が設けられている。圧電素子１０８は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料によって形成された圧電部材１０８ｃと、圧電部材１０８ｃの表面に金属薄膜によって形成された第１電極（上部電極）１０８ａ及び第２電極（下部電極）１０８ｂとを含んで構成されている。第１電極（上部電極）１０８ａ及び第２電極（下部電極）１０８ｂは、圧電部材１０８ｃを挟んで対向配置されている。なお、梁１０４は圧電部材１０８ｃを繰り返し変形させることができるから、梁１０４が本発明の「変形部材」に相当する。また、第１電極１０８ａ及び第２電極１０８ｂが本発明の「一対の電極」に相当する。 A. First embodiment:
A-1. Structure of power generator:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the structure of the power generation apparatus 100 of the present embodiment. FIG. 1A shows the mechanical structure of the power generation apparatus 100, and FIG. 1B shows the electrical structure. The mechanical structure of the power generation apparatus 100 according to the present embodiment is a cantilever structure in which a beam 104 having a weight 106 at the distal end is fixed to the support end 102 on the proximal end side, and the deformation direction is switched. Can be deformed. The support end 102 is preferably fixed in the power generation apparatus 100. A piezoelectric element 108 is provided on the surface of the beam 104. The piezoelectric element 108 includes a piezoelectric member 108c formed of a piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT), and a first electrode (upper electrode) 108a and a second electrode formed of a metal thin film on the surface of the piezoelectric member 108c. (Lower electrode) 108b. The first electrode (upper electrode) 108a and the second electrode (lower electrode) 108b are disposed to face each other with the piezoelectric member 108c interposed therebetween. Since the beam 104 can repeatedly deform the piezoelectric member 108c, the beam 104 corresponds to the “deformable member” of the present invention. The first electrode 108a and the second electrode 108b correspond to “a pair of electrodes” of the present invention.

梁１０４は、基端側が支持端１０２に固定されており、先端側には錘１０６が設けられているので、振動などが加わると、図中に白抜きの矢印で示したように、梁１０４の先端が大きく振動する。その結果、梁１０４の表面に設けられた圧電素子１０８には、圧縮力及び引張力が交互に作用する。すると、圧電素子１０８の圧電部材１０８ｃは圧電効果によって正負の電荷を発生し、その電荷が第１電極１０８ａ及び第２電極１０８ｂに現れる。また、錘１０６は必須ではないが、梁１０４の先端側と基端側とで重量のバランスが非均衡であることが望ましい。なぜなら、重量のバランスが非均衡であることで、例えば、１つの振動によって梁１０４の変位が反復しやすくなるためである。   The beam 104 is fixed to the support end 102 at the base end side, and a weight 106 is provided at the tip end side. Therefore, when vibration or the like is applied, the beam 104 is shown by a white arrow in the figure. The tip of oscillates greatly. As a result, compressive force and tensile force act alternately on the piezoelectric element 108 provided on the surface of the beam 104. Then, the piezoelectric member 108c of the piezoelectric element 108 generates positive and negative charges due to the piezoelectric effect, and the charges appear on the first electrode 108a and the second electrode 108b. Further, although the weight 106 is not essential, it is desirable that the weight balance is not balanced between the distal end side and the proximal end side of the beam 104. This is because the balance of the weight is not balanced, for example, the displacement of the beam 104 is easily repeated by one vibration.

図１（ｂ）には、本実施例の発電装置１００の回路図が例示されている。圧電素子１０８の圧電部材１０８ｃは、電気的には、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサー（容量成分）Ｃｇとして表すことができる。インダクターＬは、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に設けられ、圧電部材１０８ｃに対して並列に接続されて、圧電素子１０８を含む共振回路を構成している。すなわち、インダクターＬは、圧電部材１０８ｃの容量成分Ｃｇと共に電気的な共振回路を形成している。そして、この共振回路には、共振回路をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチＳＷが、インダクターＬに対して直列に接続されて設けられている。   FIG. 1B illustrates a circuit diagram of the power generation apparatus 100 of the present embodiment. The piezoelectric member 108c of the piezoelectric element 108 can be electrically expressed as a current source and a capacitor (capacitance component) Cg for storing electric charge. The inductor L is provided between the first electrode 108a and the second electrode 108b, is connected in parallel to the piezoelectric member 108c, and constitutes a resonance circuit including the piezoelectric element 108. That is, the inductor L forms an electrical resonance circuit together with the capacitance component Cg of the piezoelectric member 108c. In this resonance circuit, a switch SW for turning the resonance circuit ON / OFF is provided in series with the inductor L.

また、圧電素子１０８の圧電部材１０８ｃに設けられた第１電極１０８ａ及び第２電極１０８ｂは、圧電素子１０８の圧電部材１０８ｃが発生させる電流を整流する整流回路１２０に接続されている。本実施例においては、整流回路１２０は、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４から構成される全波整流回路である。整流回路１２０を全波整流回路で構成することによって、圧電素子１０８の圧電部材１０８ｃから発生した電荷を効率よく引き出して、効率よく発電することができる。   The first electrode 108a and the second electrode 108b provided on the piezoelectric member 108c of the piezoelectric element 108 are connected to a rectifier circuit 120 that rectifies the current generated by the piezoelectric member 108c of the piezoelectric element 108. In this embodiment, the rectifier circuit 120 is a full-wave rectifier circuit composed of four diodes D1 to D4. By configuring the rectifier circuit 120 with a full-wave rectifier circuit, it is possible to efficiently draw out the electric charge generated from the piezoelectric member 108c of the piezoelectric element 108 and generate electric power efficiently.

蓄電素子Ｃ１は、整流回路１２０の出力電流を蓄電する。図１（ｂ）に示される例では、蓄電素子Ｃ１は、整流回路１２０を介して圧電素子１０８と並列に接続されている。すなわち、圧電素子１０８の圧電部材１０８ｃに生じる電圧を利用して蓄電素子Ｃ１に充電できるように接続されている。蓄電素子Ｃ１としては、例えば、種々の公知のコンデンサーや、リチウムイオン電池やニッケル・カドミウム蓄電池などの種々の公知の二次電池などを採用できる。   The power storage element C1 stores the output current of the rectifier circuit 120. In the example shown in FIG. 1B, the power storage element C <b> 1 is connected in parallel with the piezoelectric element 108 via the rectifier circuit 120. That is, the electrical storage element C1 is connected so as to be charged using the voltage generated in the piezoelectric member 108c of the piezoelectric element 108. As the power storage element C1, for example, various known capacitors, various known secondary batteries such as a lithium ion battery and a nickel-cadmium storage battery can be employed.

電圧検出部１３０は、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎを検出する。図１（ｂ）に示される例では、電圧検出部１３０は、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間の電圧を検出する。電圧検出部１３０は、例えば、Ａ／Ｄコンバーターを含んで構成され、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎに関する情報を、後述される制御部１４０に出力してもよい。   The voltage detector 130 detects the voltage Vgen of the piezoelectric member 108c. In the example shown in FIG. 1B, the voltage detector 130 detects the voltage between the first electrode 108a and the second electrode 108b. The voltage detection unit 130 may be configured to include an A / D converter, for example, and may output information related to the voltage Vgen of the piezoelectric member 108c to the control unit 140 described later.

制御部１４０は、スイッチＳＷを制御する。より具体的には、制御部１４０は、電圧検出部１３０で検出される第１電圧が極大値又は極小値であるかを判断し、第１電圧が極大値であると判断したとき、第１電圧を検出した後に電圧検出部１３０で検出される第２電圧が、極大値から基準電圧以上減少したときにスイッチＳＷを接続し、第１電圧が極小値であると判断したとき、第１電圧を検出された後に電圧検出部１３０で検出される第２電圧が、極小値から基準電圧以上増加したときにスイッチＳＷを接続する。また、制御部１４０は、スイッチＳＷを接続してから所定時間経過後にスイッチＳＷを切断してもよい。制御部１４０の動作の詳細については後述される。制御部１４０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含んで構成されていてもよい。   The control unit 140 controls the switch SW. More specifically, the control unit 140 determines whether the first voltage detected by the voltage detection unit 130 is a maximum value or a minimum value, and determines that the first voltage is a maximum value. The switch SW is connected when the second voltage detected by the voltage detection unit 130 after detecting the voltage decreases from the maximum value by the reference voltage or more, and the first voltage is determined when the first voltage is determined to be the minimum value. The switch SW is connected when the second voltage detected by the voltage detection unit 130 after detecting the voltage increases from the minimum value by the reference voltage or more. Further, the control unit 140 may disconnect the switch SW after a predetermined time has elapsed since the switch SW was connected. Details of the operation of the control unit 140 will be described later. For example, the control unit 140 may include a CPU (Central Processing Unit).

Ａ−２．発電装置の動作：
図２は、本実施例の発電装置１００の動作を示した説明図である。図２（ａ）には、梁１０４の振動に伴って、梁１０４の先端の変位ｕが変化する様子が示されている。なお、プラスの変位ｕは、梁１０４が上向きに反った状態（梁１０４の上面側が凹となった状態）を表しており、マイナスの変位（−ｕ）は、梁１０４が下向きに反った状態（梁１０４の下面側が凹となった状態）を表している。また、図２（ｂ）には、梁１０４の変形に伴って、圧電部材１０８ｃが発生する電流の様子と、その結果として圧電部材１０８ｃの内部に生じる起電力とが示されている。なお、図２（ｂ）では、圧電部材１０８ｃに電荷が発生する様子は、単位時間あたりに発生する電荷量（すなわち、電流Ｉｐｚｔ）として表され、また、圧電部材１０８ｃに生じる起電力は、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｐｚｔとして表されている。 A-2. Power generator operation:
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the operation of the power generation apparatus 100 of the present embodiment. FIG. 2A shows how the displacement u of the tip of the beam 104 changes with the vibration of the beam 104. A positive displacement u represents a state in which the beam 104 is warped upward (a state in which the upper surface side of the beam 104 is concave), and a negative displacement (−u) represents a state in which the beam 104 is warped downward. (A state where the lower surface side of the beam 104 is concave). FIG. 2B shows the state of current generated by the piezoelectric member 108 c as the beam 104 is deformed, and the electromotive force generated inside the piezoelectric member 108 c as a result. In FIG. 2B, the state in which electric charges are generated in the piezoelectric member 108c is represented as the amount of electric charges generated per unit time (that is, the current Ipzt), and the electromotive force generated in the piezoelectric member 108c is This is expressed as a voltage Vpzt generated between the first electrode 108a and the second electrode 108b.

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、梁１０４の変位が増加している間は、圧電部材１０８ｃは正方向の電流を発生させ（すなわち、電流Ｉｐｚｔがプラス値）、これに伴って第１電極１０８ａ及び第２電極１０８ｂの電圧Ｖｐｚｔは正方向へ増加する。正方向の電圧Ｖｐｚｔが、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１と整流回路１２０を構成しているダイオードの順方向降下電圧Ｖｆの２倍との和、すなわち、ＶＣ１＋２Ｖｆよりも大きくなれば、それ以降に発生した電荷は直流電流として取り出して、蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。また、梁１０４の変位が減少している間は、圧電部材１０８ｃは負方向の電流を発生させ（すなわち、電流Ｉｐｚｔがマイナス値）、これに伴って第１電極１０８ａ及び第２電極１０８ｂの電圧Ｖｐｚｔは負方向へ増加する。負方向の電圧Ｖｐｚｔが、Ｖｃ１と整流回路１２０の２Ｖｆの和よりも大きくなれば、発生した電荷は直流電流として取り出して、蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。すなわち、図１のスイッチＳＷをＯＦＦにしたままでも、図２（ｂ）中に斜線を付して示した部分については、蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えることができる。   As shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), while the displacement of the beam 104 is increasing, the piezoelectric member 108c generates a current in the positive direction (that is, the current Ipzt is a positive value), Accordingly, the voltage Vpzt of the first electrode 108a and the second electrode 108b increases in the positive direction. If the positive voltage Vpzt is higher than the voltage VC1 of the storage element C1 and twice the forward drop voltage Vf of the diode constituting the rectifier circuit 120, that is, VC1 + 2Vf, the voltage Vpzt is generated thereafter. The electric charge can be taken out as a direct current and stored in the storage element C1. While the displacement of the beam 104 is decreasing, the piezoelectric member 108c generates a current in the negative direction (that is, the current Ipzt is a negative value), and accordingly, the voltages of the first electrode 108a and the second electrode 108b. Vpzt increases in the negative direction. If the negative voltage Vpzt becomes larger than the sum of Vc1 and 2Vf of the rectifier circuit 120, the generated charge can be taken out as a direct current and stored in the storage element C1. That is, even with the switch SW in FIG. 1 turned OFF, electric charge can be stored in the power storage element C1 for the portion indicated by hatching in FIG. 2B.

一定時間に圧電部材１０８ｃから取り出せる電荷量（発電効率）はスイッチＳＷがＯＮするタイミングによって異なり、図２（ｃ）に示すように、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチＳＷがＯＮする場合に発電効率が最大となる。以下では、まず発電効率が最大となる場合の動作について説明する。   The amount of electric charge (power generation efficiency) that can be taken out from the piezoelectric member 108c in a certain time varies depending on the timing when the switch SW is turned on. As shown in FIG. 2C, the switch SW is turned on when the deformation direction of the beam 104 is switched. Power generation efficiency is maximized. Below, operation | movement in case power generation efficiency becomes the maximum first is demonstrated.

制御部１４０が、図２（ｃ）に示すタイミングでＳＷをＯＮにしたとする。すると、図２（ｄ）に示すように、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間の電圧波形が、スイッチＳＷをＯＮにしたときにシフトしたかのような現象が発生する。すなわち、例えば、図２（ｄ）中に「Ｂ」と表示した期間Ｂでは、圧電部材１０８ｃの起電力に対応する細い破線で示した電圧Ｖｐｚｔの波形がマイナス方向にシフトしたような、太い破線で示した電圧波形が第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に現れる。このような現象が発生する理由については後述する。また、図２（ｄ）中に「Ｃ」と表示した期間Ｃでは、圧電部材１０８ｃの起電力に対応する電圧Ｖｐｚｔの波形がプラス方向にシフトしたような、太い破線の電圧波形が現れる。以降の期間Ｄ、期間Ｅ、期間Ｆなどについても同様に、圧電部材１０８ｃの起電力に対応する電圧Ｖｐｚｔの波形がプラス方向あるいはマイナス方向にシフトしたような、太い破線の電圧波形が現れる。そして、シフトした電圧波形が、ＶＣ１と２Ｖｆとの和を超えた部分（図２（ｄ）中に斜線を付して示した部分）では、圧電部材１０８ｃで発生した電荷を蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。なお、圧電部材１０８ｃから蓄電素子Ｃ１に電荷が流れる結果、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間の電圧Ｖｇｅｎは、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧でクリップされる。その結果、第１電極１０８ａ及び第２電極１０８ｂの間の電圧波形は、図２（ｄ）に太い実線で示した波形となる。   Assume that the controller 140 turns on the SW at the timing shown in FIG. Then, as shown in FIG. 2D, a phenomenon occurs as if the voltage waveform between the first electrode 108a and the second electrode 108b was shifted when the switch SW was turned on. That is, for example, in the period B indicated as “B” in FIG. 2D, a thick broken line in which the waveform of the voltage Vpzt indicated by a thin broken line corresponding to the electromotive force of the piezoelectric member 108c is shifted in the negative direction. The voltage waveform shown by (1) appears between the first electrode 108a and the second electrode 108b. The reason why such a phenomenon occurs will be described later. Further, in a period C indicated as “C” in FIG. 2D, a thick broken voltage waveform appears such that the waveform of the voltage Vpzt corresponding to the electromotive force of the piezoelectric member 108c is shifted in the positive direction. Similarly, in the subsequent period D, period E, period F, and the like, a thick broken voltage waveform appears such that the waveform of the voltage Vpzt corresponding to the electromotive force of the piezoelectric member 108c is shifted in the positive direction or the negative direction. Then, in the portion where the shifted voltage waveform exceeds the sum of VC1 and 2Vf (the portion shown by hatching in FIG. 2D), the charge generated in the piezoelectric member 108c is stored in the storage element C1. I can keep it. As a result of the charge flowing from the piezoelectric member 108c to the power storage element C1, the voltage Vgen between the first electrode 108a and the second electrode 108b is clipped by the sum of VC1 and 2Vf. As a result, the voltage waveform between the first electrode 108a and the second electrode 108b is a waveform indicated by a thick solid line in FIG.

図２（ｂ）に示したスイッチＳＷをＯＦＦにしたままの場合と、図２（ｄ）に示したように、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチＳＷをＯＮにした場合とを比較すれば明らかなように、本実施例の発電装置１００では、適切なタイミングでスイッチＳＷをＯＮにすることで、効率よく、蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えることが可能となる。そこで、第１実施例の発電装置１００は、スイッチＳＷを適切なタイミングでＯＮにするために、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎを検出する電圧検出部１３０を設け、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎに基づいてスイッチＳＷを制御している。この点については、後ほど詳しく説明する。   Comparison between the case where the switch SW shown in FIG. 2B is kept OFF and the case where the switch SW is turned ON at the timing when the deformation direction of the beam 104 is switched as shown in FIG. As will be apparent, in the power generation apparatus 100 of the present embodiment, it is possible to efficiently store charges in the power storage element C1 by turning on the switch SW at an appropriate timing. Therefore, in order to turn on the switch SW at an appropriate timing, the power generation apparatus 100 according to the first embodiment includes a voltage detection unit 130 that detects the voltage Vgen of the piezoelectric member 108c, and based on the voltage Vgen of the piezoelectric member 108c. The switch SW is controlled. This point will be described in detail later.

また、蓄電素子Ｃ１に電荷が蓄えられて、蓄電素子Ｃ１の端子間電圧が増加すると、それにしたがって電圧波形のシフト量も大きくなる。例えば、図２（ｄ）中の期間Ｂ（蓄電素子Ｃ１に電荷が蓄えられていない状態）と、図２（ｄ）中の期間Ｈ（蓄電素子Ｃ１に少し電荷が蓄えられた状態）とを比較すると、期間Ｈの方が電圧波形のシフト量が大きくなっている。同様に、図２（ｄ）中の期間Ｃと期間Ｉとを比較すると、蓄電素子Ｃ１に蓄えられた電荷が増えている期間Ｉの方が、電圧波形のシフト量が大きくなっている。このような現象が発生する理由については後述するが、この結果、本実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８ｃを変形させたことによって、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｐｚｔ以上の電圧を、蓄電素子Ｃ１に蓄えることも可能となる。その結果、特別な昇圧回路を設ける必要がなくなり、小型で高効率の発電装置を得ることが可能となる。   Further, when charge is stored in the storage element C1 and the voltage between the terminals of the storage element C1 increases, the shift amount of the voltage waveform increases accordingly. For example, a period B in FIG. 2D (a state in which no charge is stored in the storage element C1) and a period H in FIG. 2D (a state in which a little charge is stored in the storage element C1) are included. In comparison, the shift amount of the voltage waveform is larger in the period H. Similarly, when the period C and the period I in FIG. 2D are compared, the shift amount of the voltage waveform is larger in the period I in which the charge stored in the power storage element C1 is increasing. The reason why such a phenomenon occurs will be described later. As a result, in the power generation apparatus 100 according to the present embodiment, the piezoelectric member 108c is deformed to be generated between the first electrode 108a and the second electrode 108b. A voltage equal to or higher than the voltage Vpzt can also be stored in the power storage element C1. As a result, it is not necessary to provide a special booster circuit, and a small and highly efficient power generator can be obtained.

Ａ−３．発電装置の動作原理：
図３は、本実施例の発電装置１００の動作原理の前半部分を概念的に示した説明図である。また、図４は、本実施例の発電装置１００の動作原理の後半部分を概念的に示した説明図である。図３では、圧電部材１０８ｃの変形に合わせてスイッチＳＷをＯＮにしたときのＣｇの電荷の動きが、概念的に示されている。図３（ａ）は、圧電部材１０８ｃ（正確には梁１０４）が上向きに（上面側が凹となるように）変形した状態を表している。圧電部材１０８ｃが上向きに変形すると、電流源からは正方向の電流が流れ、Ｃｇに電荷が蓄積され、圧電部材１０８ｃの端子間には正方向の電圧が発生する。電圧値は、圧電部材１０８ｃの変形が大きくなるほど増加する。そして、圧電部材１０８ｃの変形がピークとなったタイミング（電荷量がピークになったタイミング。図３（ｂ）参照）で、スイッチＳＷをＯＮにする。 A-3. The operating principle of the power generator:
FIG. 3 is an explanatory diagram conceptually showing the first half of the operating principle of the power generation apparatus 100 of the present embodiment. FIG. 4 is an explanatory diagram conceptually showing the latter half of the operating principle of the power generation apparatus 100 of the present embodiment. FIG. 3 conceptually shows the movement of the Cg charge when the switch SW is turned on in accordance with the deformation of the piezoelectric member 108c. FIG. 3A shows a state in which the piezoelectric member 108c (exactly, the beam 104) is deformed upward (so that the upper surface side is concave). When the piezoelectric member 108c is deformed upward, a positive current flows from the current source, charges are accumulated in Cg, and a positive voltage is generated between the terminals of the piezoelectric member 108c. The voltage value increases as the deformation of the piezoelectric member 108c increases. Then, the switch SW is turned on at the timing when the deformation of the piezoelectric member 108c reaches a peak (timing when the charge amount reaches a peak; see FIG. 3B).

図３（ｃ）には、スイッチＳＷをＯＮにした直後の状態が示されている。Ｃｇには電荷が蓄えられているから、この電荷がインダクターＬに流れようとする。インダクターＬに電流が流れると磁束が生じる（磁束が増加する）が、インダクターＬには、自らを貫く磁束の変化を妨げる方向に逆起電力が生じる性質（自己誘導作用）がある。スイッチＳＷをＯＮにしたときには、電荷が流れることによって磁束が増加しようとするから、この磁束の増加を妨げる方向（換言すれば、電荷の流れを妨げる方向）に逆起電力が発生する。また、逆起電力の大きさは、磁束の変化速度（単位時間あたりの変化量）に比例する。図３（ｃ）には、このようにしてインダクターＬに生じる逆起電力が、斜線を付した矢印によって表されている。このような逆起電力が発生するため、スイッチＳＷをＯＮにしても、圧電部材１０８ｃの電荷は少しずつしか流れ出さない。すなわち、インダクターＬを流れる電流は少しずつしか増加しない。   FIG. 3C shows a state immediately after the switch SW is turned on. Since charge is stored in Cg, this charge tends to flow to the inductor L. When a current flows through the inductor L, a magnetic flux is generated (the magnetic flux increases), but the inductor L has a property (self-inducing action) in which a counter electromotive force is generated in a direction that prevents a change in the magnetic flux passing through the inductor L. When the switch SW is turned on, the magnetic flux tends to increase due to the flow of electric charge, so that a counter electromotive force is generated in a direction that prevents the increase of the magnetic flux (in other words, a direction that prevents the flow of electric charge). The magnitude of the back electromotive force is proportional to the magnetic flux change rate (change amount per unit time). In FIG. 3C, the back electromotive force generated in the inductor L in this way is represented by a hatched arrow. Since such a back electromotive force is generated, even if the switch SW is turned on, the electric charge of the piezoelectric member 108c flows out little by little. That is, the current flowing through the inductor L increases little by little.

その後、インダクターＬを流れる電流がピークになると、磁束の変化速度が「０」となるので、図３（ｄ）に示したように逆起電力が「０」となる。そして、今度は電流が減少し始める。すると、インダクターＬを貫く磁束が減少するので、インダクターＬには、この磁束の減少を妨げる方向（電流を流そうとする方向）の起電力が発生する（図３（ｅ）参照）。その結果、この起電力によってＣｇから電荷を引き抜きながら、インダクターＬを電流が流れ続ける。そして、電荷の移動の途中で損失が発生しなければ、圧電部材１０８ｃの変形によって生じた全ての電荷が移動して、ちょうど正負の電荷が置き換わったような状態（すなわち、圧電部材１０８ｃの下面側に正電荷が分布し、上面側に負電荷が分布した状態）となる。図３（ｆ）には、圧電部材１０８ｃの変形によって生じた正負の電荷が全て移動した状態が表されている。   Thereafter, when the current flowing through the inductor L reaches a peak, the change rate of the magnetic flux becomes “0”, so that the counter electromotive force becomes “0” as shown in FIG. This time, the current starts to decrease. Then, since the magnetic flux penetrating through the inductor L is reduced, an electromotive force is generated in the inductor L in a direction that prevents the magnetic flux from being reduced (direction in which a current is to flow) (see FIG. 3E). As a result, the current continues to flow through the inductor L while extracting electric charge from Cg by the electromotive force. If no loss occurs during the movement of the charge, all the charges generated by the deformation of the piezoelectric member 108c move and the state where the positive and negative charges are replaced (that is, the lower surface side of the piezoelectric member 108c). In this state, positive charges are distributed and negative charges are distributed on the upper surface side. FIG. 3F shows a state where all the positive and negative charges generated by the deformation of the piezoelectric member 108c have moved.

仮に、このままスイッチＳＷをＯＮにしておくと、今度は上述した内容と逆の現象が生じる。すなわち、圧電部材１０８ｃの下面側の正電荷がインダクターＬに流れようとして、このときインダクターＬには、電荷の流れを妨げる方向の逆起電力が発生する。その後、インダクターＬを流れる電流がピークに達した後、減少に転じると、今度は電流の減少を妨げる方向（電流を流し続けようとする方向）の起電力がインダクターＬに発生する。その結果、圧電部材１０８ｃの下面側にあった全ての正電荷が上面側に移動した状態（図３（ｂ）に示した状態）となる。こうして圧電部材１０８ｃの上面側に戻った正電荷は、再び、図３（ｂ）〜図３（ｆ）を用いて前述したようにして、下面側に移動する。   If the switch SW is turned on as it is, a phenomenon opposite to the above-described content occurs. That is, the positive charge on the lower surface side of the piezoelectric member 108c tends to flow to the inductor L, and at this time, a counter electromotive force in a direction that prevents the flow of charge is generated in the inductor L. Thereafter, when the current flowing through the inductor L reaches a peak and then starts to decrease, an electromotive force is generated in the inductor L in a direction that prevents the current from decreasing (a direction in which the current continues to flow). As a result, all positive charges on the lower surface side of the piezoelectric member 108c are moved to the upper surface side (the state shown in FIG. 3B). The positive charge thus returned to the upper surface side of the piezoelectric member 108c again moves to the lower surface side as described above with reference to FIGS. 3B to 3F.

このように、Ｃｇに電荷が蓄えられた状態でスイッチＳＷをＯＮにした後、その状態を保っておくと、圧電部材１０８ｃとインダクターＬとの間で電流の向きが交互に反転する一種の共振現象が発生する。そして、この共振現象の周期は、いわゆるＬＣ共振回路の共振周期Ｔとなるから、圧電部材１０８ｃに含まれる容量成分Ｃｇの大きさ（キャパシタンス）をＣ、インダクターＬの誘導成分の大きさ（インダクタンス）をＬとすると、Ｔ＝２π（ＬＣ）０．５によって与えられる。したがって、スイッチＳＷをＯＮにした直後（図３（ｂ）に示した状態）から、図３（ｆ）に示した状態となるまでの時間は、Ｔ／２となる。 In this way, after the switch SW is turned on with the electric charge stored in Cg, if the state is maintained, the direction of the current is alternately reversed between the piezoelectric member 108c and the inductor L. The phenomenon occurs. Since the period of this resonance phenomenon is the resonance period T of the so-called LC resonance circuit, the size of the capacitive component Cg (capacitance) contained in the piezoelectric member 108c is C, and the size of the inductive component of the inductor L (inductance). Let L be T = 2π (LC) 0.5 . Therefore, the time from immediately after turning on the switch SW (the state shown in FIG. 3B) to the state shown in FIG. 3F is T / 2.

そこで、スイッチＳＷをＯＮにしてからＴ／２が経過した時点で、図４（ａ）に示すようにスイッチＳＷをＯＦＦにする。そしてこの状態から、圧電部材１０８ｃ（正確には梁１０４）を今度は下向きに（下面側が凹となるように）変形させる。前述した図３（ａ）では、圧電部材１０８ｃを上向きに変形させたが、図４（ａ）では下向きに変形させているので、電流源から負方向の電流が流れ、圧電部材１０８ｃの端子間の電圧が負方向へ大きくなるようにＣｇに電荷が蓄積する。また、図３（ａ）〜図３（ｆ）を用いて前述したように、圧電部材１０８ｃ（正確には梁１０４）を下向きに変形させる前の段階で、圧電部材１０８ｃの下面側には正電荷が分布し、上面側には負電荷が分布しているから、これらの電荷に加えて、下面側には新たな正電荷が蓄積され、上面側には新たな負電荷が蓄積されることになる。図４（ｂ）には、スイッチＳＷをＯＦＦにした状態で圧電部材１０８ｃ（正確には梁１０４）を変形させることによって、圧電部材１０８ｃに新たな電荷が蓄積された状態が示されている。   Therefore, when T / 2 has elapsed since the switch SW was turned on, the switch SW is turned off as shown in FIG. From this state, the piezoelectric member 108c (exactly, the beam 104) is deformed downward (so that the lower surface side is concave). In FIG. 3 (a), the piezoelectric member 108c is deformed upward, but in FIG. 4 (a), the piezoelectric member 108c is deformed downward, so that a negative current flows from the current source, and between the terminals of the piezoelectric member 108c. The charge is accumulated in Cg so that the voltage of the voltage increases in the negative direction. Further, as described above with reference to FIGS. 3A to 3F, the piezoelectric member 108c (precisely, the beam 104) is not positively deformed on the lower surface side of the piezoelectric member 108c before the piezoelectric member 108c (precisely, the beam 104) is deformed downward. Since charges are distributed and negative charges are distributed on the upper surface side, in addition to these charges, new positive charges are accumulated on the lower surface side, and new negative charges are accumulated on the upper surface side. become. FIG. 4B shows a state in which new charges are accumulated in the piezoelectric member 108c by deforming the piezoelectric member 108c (more precisely, the beam 104) with the switch SW turned off.

そして、この状態からスイッチＳＷをＯＮにすると、圧電部材１０８ｃの下面側に蓄積された正電荷がインダクターＬに流れようとする。このときインダクターＬには逆起電力が発生するので（図４（ｃ）参照）、電流は少しずつ流れ始めるが、やがてピークに達して、その後は減少に転じる。すると、インダクターＬには、電流の減少を妨げる方向（電流を流し続けようとする方向）に起電力が発生し（図４（ｅ）参照）、この起電力によって電流が流れ続けて、最終的には、圧電部材１０８ｃの下面側に分布していた全ての正電荷が上面側に移動し、上面側に分布していた全ての負電荷が下面側に移動した状態となる（図４（ｆ）参照）。また、下面側の全ての正電荷が上面側に移動し、上面側の全ての負電荷が下面側に移動する時間は、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔの半分に相当する時間Ｔ／２となる。そこで、スイッチＳＷをＯＮにした後、時間Ｔ／２が経過したらスイッチＳＷをＯＦＦにして、今度は圧電部材１０８ｃ（正確には梁１０４）を上向きに（上面側が凹となるように）変形させれば、圧電部材１０８ｃ内にさらに正負の電荷を蓄積することができる。   When the switch SW is turned on from this state, the positive charge accumulated on the lower surface side of the piezoelectric member 108c tends to flow to the inductor L. At this time, since a counter electromotive force is generated in the inductor L (see FIG. 4C), the current starts to flow little by little, but eventually reaches a peak, and then starts to decrease. Then, an electromotive force is generated in the inductor L in a direction that prevents the current from decreasing (a direction in which the current continues to flow) (see FIG. 4E). In this state, all positive charges distributed on the lower surface side of the piezoelectric member 108c move to the upper surface side, and all negative charges distributed on the upper surface side move to the lower surface side (FIG. 4 (f )reference). Also, the time required for all the positive charges on the lower surface side to move to the upper surface side and all the negative charges on the upper surface side to move to the lower surface side is a time T / 2 corresponding to half of the resonance period T of the LC resonance circuit. . Therefore, after the switch SW is turned on, when the time T / 2 has elapsed, the switch SW is turned off, and this time, the piezoelectric member 108c (exactly, the beam 104) is deformed upward (so that the upper surface side is concave). Then, positive and negative charges can be further accumulated in the piezoelectric member 108c.

以上に説明したように本実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８ｃを変形させて電荷を発生させた後、圧電部材１０８ｃをインダクターＬに接続して、共振周期Ｔの半分の時間だけ共振回路を形成することで、圧電部材１０８ｃ内での正負の電荷の分布を反転させる。その後、圧電部材１０８ｃを今度は逆方向に変形させて新たな電荷を発生させる。圧電部材１０８ｃ内での正負の電荷の分布は反転されているから、新たに発生させた電荷は圧電部材１０８ｃに蓄積されることになる。その後、再び、共振周期Ｔの半分の周期だけ圧電部材１０８ｃをインダクターＬに接続して、圧電部材１０８ｃ内での正負の電荷の分布を反転させた後、圧電部材１０８ｃを逆方向に変形させる。このような動作を繰り返すことで、圧電部材１０８ｃを繰り返し変形させる度に、圧電部材１０８ｃに蓄積された電荷を増加させることができる。   As described above, in the power generation apparatus 100 of the present embodiment, after the piezoelectric member 108c is deformed to generate electric charge, the piezoelectric member 108c is connected to the inductor L, and the resonance circuit is only half the resonance period T. This reverses the distribution of positive and negative charges in the piezoelectric member 108c. Thereafter, the piezoelectric member 108c is deformed in the opposite direction to generate a new charge. Since the distribution of positive and negative charges in the piezoelectric member 108c is reversed, newly generated charges are accumulated in the piezoelectric member 108c. Thereafter, again, the piezoelectric member 108c is connected to the inductor L by a half period of the resonance period T to reverse the distribution of positive and negative charges in the piezoelectric member 108c, and then the piezoelectric member 108c is deformed in the reverse direction. By repeating such an operation, the charge accumulated in the piezoelectric member 108c can be increased each time the piezoelectric member 108c is repeatedly deformed.

図２を用いて前述したように本実施例の発電装置１００では、スイッチＳＷをＯＮにする度に第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧波形がシフトする特異な現象が生じるが、この現象は、以下のようなメカニズムによって発生する。すなわち、例えば図２（ｄ）中に示した期間Ａでは、圧電部材１０８ｃ（正確には梁１０４）の変形にしたがって、第１電極１０８ａ及び第２電極１０８ｂの間に電圧が発生するが、第１電極１０８ａ及び第２電極１０８ｂは整流回路１２０に接続されているので、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧を超えた部分の電荷は、整流回路１２０に接続された蓄電素子Ｃ１に流れ込む。その結果、梁１０４の変形がピークになった時点でスイッチＳＷをＯＮにすると、そのときに圧電部材１０８ｃ内に残っていた正負の電荷がインダクターＬを介して移動して、圧電部材１０８ｃ内での正負の電荷の配置が入れ代わる。   As described above with reference to FIG. 2, in the power generation apparatus 100 of the present embodiment, a unique phenomenon occurs in which the voltage waveform generated between the first electrode 108a and the second electrode 108b shifts every time the switch SW is turned on. However, this phenomenon occurs by the following mechanism. That is, for example, in the period A shown in FIG. 2D, a voltage is generated between the first electrode 108a and the second electrode 108b according to the deformation of the piezoelectric member 108c (exactly the beam 104). Since the 1st electrode 108a and the 2nd electrode 108b are connected to the rectifier circuit 120, the electric charge of the part exceeding the sum voltage of VC1 and 2Vf flows into the electrical storage element C1 connected to the rectifier circuit 120. As a result, when the switch SW is turned ON when the deformation of the beam 104 reaches a peak, the positive and negative charges remaining in the piezoelectric member 108c at that time move through the inductor L, and in the piezoelectric member 108c. The arrangement of positive and negative charges is reversed.

そして、正負の電荷の配置が入れ代わった状態から梁１０４を逆方向に変形させると、圧電部材１０８ｃの第１電極１０８ａ及び第２電極１０８ｂの間には、圧電効果による電圧波形が現れる。すなわち、圧電部材１０８ｃの第１電極１０８ａ及び第２電極１０８ｂの極性が入れ代わった状態から、圧電部材１０８ｃに変形による電圧変化が発生することになる。その結果、図２（ｄ）中に示した期間Ｂでは、梁１０４の変形によって圧電部材１０８ｃに生じる電圧波形をシフトさせたような、電圧波形が現れることになる。もっとも、前述したように、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧を超えた部分の電荷は蓄電素子Ｃ１に流れ込むので、圧電部材１０８ｃの第１電極１０８ａ及び第２電極１０８ｂの間の電圧は、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧でクリップされる。その後、共振周期Ｔの半分の時間だけスイッチＳＷをＯＮにすると、圧電部材１０８ｃに残っていた正負の電荷の配置が入れ代わる。そして、その状態から梁１０４が変形することによって、圧電部材１０８ｃには圧電効果による電圧波形が現れる。このため、図２（ｄ）中に示した期間Ｃにおいても、梁１０４の変形による電圧波形をシフトさせたような電圧波形が現れることになる。   When the beam 104 is deformed in the reverse direction from the state where the arrangement of positive and negative charges is changed, a voltage waveform due to the piezoelectric effect appears between the first electrode 108a and the second electrode 108b of the piezoelectric member 108c. That is, a voltage change due to deformation occurs in the piezoelectric member 108c from the state in which the polarities of the first electrode 108a and the second electrode 108b of the piezoelectric member 108c are interchanged. As a result, in the period B shown in FIG. 2D, a voltage waveform appears in which the voltage waveform generated in the piezoelectric member 108c due to the deformation of the beam 104 is shifted. However, as described above, the charge in the portion exceeding the voltage of the sum of VC1 and 2Vf flows into the storage element C1, so the voltage between the first electrode 108a and the second electrode 108b of the piezoelectric member 108c is VC1 and Clipped with the sum of 2Vf. Thereafter, when the switch SW is turned on for half the resonance period T, the arrangement of positive and negative charges remaining in the piezoelectric member 108c is replaced. When the beam 104 is deformed from this state, a voltage waveform due to the piezoelectric effect appears in the piezoelectric member 108c. For this reason, even in the period C shown in FIG. 2D, a voltage waveform appears as if the voltage waveform due to the deformation of the beam 104 is shifted.

また、図２を用いて前述したように本実施例の発電装置１００では、梁１０４が変形を繰り返しているうちに、電圧波形のシフト量が次第に大きくなるという現象も発生する。このため、圧電部材１０８ｃの圧電効果によって第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電位差よりも高い電圧を、蓄電素子Ｃ１に蓄えることができるという大きな効果を得ることができる。このような現象は、次のようなメカニズムによって生じる。   Further, as described above with reference to FIG. 2, in the power generation apparatus 100 of the present embodiment, a phenomenon in which the shift amount of the voltage waveform gradually increases while the beam 104 is repeatedly deformed occurs. Therefore, it is possible to obtain a great effect that a voltage higher than the potential difference generated between the first electrode 108a and the second electrode 108b due to the piezoelectric effect of the piezoelectric member 108c can be stored in the power storage element C1. Such a phenomenon is caused by the following mechanism.

先ず、図２（ｄ）中の期間Ａあるいは期間Ｂに示したように、Ｃ１が充電されていない場合は、圧電部材１０８ｃの端子間で発生する電圧が、整流回路１２０の２Ｖｆを超えると、圧電部材１０８ｃから蓄電素子Ｃ１に電荷が流れ込むので、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に現れる電圧は、２Ｖｆでクリップされている。しかし、こうして蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えるにしたがって蓄電素子Ｃ１の端子間の電圧が増加していく。すると、それ以降は、蓄電素子Ｃ１の端子間電圧がＶＣ１と２Ｖｆとの和よりも高い電圧になって始めて、圧電部材１０８ｃから電荷が流れ込むようになる。このため、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間の電圧がクリップされる値が、蓄電素子Ｃ１に電荷が蓄えられるにしたがって次第に上昇していく。   First, as shown in the period A or the period B in FIG. 2D, when C1 is not charged, the voltage generated between the terminals of the piezoelectric member 108c exceeds 2Vf of the rectifier circuit 120. Since electric charge flows from the piezoelectric member 108c to the power storage element C1, the voltage appearing between the first electrode 108a and the second electrode 108b is clipped at 2Vf. However, as the electric charge is stored in the electric storage element C1, the voltage between the terminals of the electric storage element C1 increases. Then, after that, the electric charge begins to flow from the piezoelectric member 108c only when the voltage between the terminals of the electric storage element C1 becomes higher than the sum of VC1 and 2Vf. For this reason, the value at which the voltage between the first electrode 108a and the second electrode 108b is clipped gradually increases as charges are stored in the power storage element C1.

加えて、図３及び図４を用いて前述したように、圧電部材１０８ｃから電荷を流出させない限り、圧電部材１０８ｃ（正確には梁１０４）を変形させる度に、圧電部材１０８ｃ内の電荷は増えて行き、それに伴って、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間の電圧は大きくなる。このため、電荷がインダクターＬやスイッチＳＷを流れる際の損失などを考えなければ、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間の電圧を大きくすることができる。このため、本実施例の発電装置１００によれば、特別な昇圧回路を設けなくても、電気負荷の駆動に必要な電圧まで自然に昇圧させた状態で、発電することが可能となる。   In addition, as described above with reference to FIGS. 3 and 4, unless the electric charge flows out from the piezoelectric member 108 c, the electric charge in the piezoelectric member 108 c increases every time the piezoelectric member 108 c (more precisely, the beam 104) is deformed. Accordingly, the voltage between the first electrode 108a and the second electrode 108b increases. For this reason, the voltage between the first electrode 108a and the second electrode 108b can be increased without considering the loss when the charge flows through the inductor L or the switch SW. Therefore, according to the power generation apparatus 100 of the present embodiment, it is possible to generate power in a state where the voltage is naturally boosted to a voltage necessary for driving the electric load without providing a special booster circuit.

Ａ−４．スイッチＳＷの切換タイミング：
以上に説明したように、本実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８ｃ（正確には梁１０４）に繰り返し変形を加えて、変形方向が切り換わるタイミングで、共振周期Ｔの半分の時間だけ圧電部材１０８ｃをインダクターＬに接続することで、蓄電素子Ｃ１に効率良く電荷を蓄えることができ、加えて昇圧回路が不要なために容易に小型化することができるという優れた特徴を得ることができる。もっとも、制御部１４０やスイッチＳＷの動作速度などの事情から、制御部１４０がスイッチＳＷをＯＮするタイミングは、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングと完全に一致するとは限らない。しかし、スイッチＳＷがＯＮするタイミングが梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングと完全に一致しなくても、梁１０４の固有振動周期と一致する周期で、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔの半分の時間だけスイッチＳＷをＯＮにすることで、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎを昇圧させることが可能である。以下、この理由について説明する。 A-4. Switch SW switching timing:
As described above, in the power generation apparatus 100 according to the present embodiment, the piezoelectric member 108c (exactly, the beam 104) is repeatedly deformed, and the piezoelectric member is piezoelectrically rotated for half the resonance period T at the timing when the deformation direction is switched. By connecting the member 108c to the inductor L, it is possible to efficiently store electric charges in the power storage element C1, and in addition, an excellent feature that the size can be easily reduced because a booster circuit is unnecessary. . However, for reasons such as the operating speed of the control unit 140 and the switch SW, the timing at which the control unit 140 turns on the switch SW does not always coincide with the timing at which the deformation direction of the beam 104 is switched. However, even if the timing at which the switch SW is turned on does not completely coincide with the timing at which the deformation direction of the beam 104 is switched, the period coincides with the natural vibration period of the beam 104 and is half the resonance period T of the LC resonance circuit. Only by turning on the switch SW, the voltage Vgen generated between the first electrode 108a and the second electrode 108b can be boosted. Hereinafter, this reason will be described.

図５（ａ）は、仮に、梁１０４の変形方向が切り替わる時刻ｔ１でスイッチＳＷをＯＮした後ＯＦＦしない場合の、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎの様子を示している。図５（ｂ）は、図５（ａ）の時刻ｔ１以降を拡大したものである。なお、図５の例では、整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。   FIG. 5A shows a state of the voltage Vgen generated between the first electrode 108a and the second electrode 108b when the switch SW is turned on and not turned off at time t1 when the deformation direction of the beam 104 is switched. ing. FIG. 5B is an enlarged view after time t1 in FIG. In the example of FIG. 5, it is assumed that there is no rectifier circuit 120 or power storage element C1.

時刻ｔ１において、Ｖｇｅｎはピークになっており、スイッチＳＷがＯＮすることによって、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔの１／２の周期（時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６，・・・）で正負のピーク値Ｖｐ１，Ｖｐ２，Ｖｐ３，Ｖｐ４，Ｖｐ５，Ｖｐ６，・・・が交互に現れながら減衰していく。もし、時刻ｔ１からＴ／２だけ経過後の時刻ｔ２にスイッチＳＷをＯＦＦにすると、前述したＶｇｅｎのシフト量はＶｐ１の絶対値とＶｐ２の絶対値の和（｜Ｖｐ１｜＋｜Ｖｐ２｜）となる。なお、図３及び図４を用いて説明したように、Ｖｐ２は、ＬＣ共振回路の共振によって、容量成分Ｃｇの正負の電荷が入れ替わったときの電圧値であるから、Ｖｐ１の絶対値が大きいほどＶｐ２の絶対値も大きくなる。したがって、Ｖｐ１の絶対値が大きいほどＶｇｅｎのシフト量も大きくなる。   At time t1, Vgen has a peak, and when the switch SW is turned ON, the period of 1/2 of the resonance period T of the LC resonance circuit (time t1, t2, t3, t4, t5, t6,... ), The positive and negative peak values Vp1, Vp2, Vp3, Vp4, Vp5, Vp6,... If the switch SW is turned OFF at time t2 after T / 2 has elapsed from time t1, the above-described Vgen shift amount is the sum of the absolute value of Vp1 and the absolute value of Vp2 (| Vp1 | + | Vp2 |). Become. As described with reference to FIGS. 3 and 4, Vp2 is a voltage value when the positive and negative charges of the capacitance component Cg are switched due to resonance of the LC resonance circuit, so that the absolute value of Vp1 increases. The absolute value of Vp2 also increases. Therefore, the greater the absolute value of Vp1, the greater the shift amount of Vgen.

図６は、梁１０４の変形方向が切り替わるタイミング毎にスイッチＳＷがＴ／２だけＯＮする場合の、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎの様子を示している。なお、図６の例でも、整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。圧電部材１０８ｃが発生させる起電力による電圧Ｖｐｚｔの振幅が一定とすると、図６に示すように、最初にＶｇｅｎが正のピーク値となる電圧値Ｖ１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Ｖ１＋Ｖａだけマイナス方向にシフトする。すると、２回目にスイッチＳＷがＯＮするときのＶｇｅｎの電圧値Ｖ２＝−（Ｖａ＋２Ｖ１）であり、スイッチＳＷがＴ／２だけＯＮするとＶｇｅｎはＶｂ＋Ｖａ＋２Ｖ１だけプラス方向にシフトする。同様に、３回目にスイッチＳＷがＯＮするときのＶｇｅｎの電圧値Ｖ３＝Ｖｂ＋２Ｖ１であり、スイッチＳＷがＴ／２だけＯＮするとＶｇｅｎはＶｃ＋Ｖｂ＋２Ｖ１だけマイナス方向にシフトする。同様に、４回目にスイッチＳＷがＯＮするときのＶｇｅｎの電圧値Ｖ４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ１）であり、スイッチＳＷがＴ／２だけＯＮするとＶｇｅｎはＶｄ＋Ｖｃ＋２Ｖ１だけプラス方向にシフトする。同様に、５回目にスイッチＳＷがＯＮするときのＶｇｅｎの電圧値Ｖ５＝−（Ｖｄ＋２Ｖ１）である。ここで、Ｖ２＝−（Ｖａ＋２Ｖ１）であるから、明らかに｜Ｖ２｜＞｜Ｖ１｜である。そして、Ｖ１，Ｖ２は図５（ｂ）のＶｐ１に対応する電圧値、Ｖａ，Ｖｂは図５（ｂ）のＶｐ２に相当する電圧値であり、｜Ｖ２｜＞｜Ｖ１｜であるから必ずＶｂ＞Ｖａとなる。すると、Ｖ２＝−（Ｖａ＋２Ｖ１），Ｖ３＝Ｖｂ＋２Ｖ１であり、Ｖｂ＞Ｖａであるから｜Ｖ３｜＞｜Ｖ２｜である。同様に、｜Ｖ３｜＞｜Ｖ２｜であるから必ずＶｃ＞Ｖｂとなり、Ｖ３＝Ｖｂ＋２Ｖ１，Ｖ４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ１）であり、Ｖｃ＞Ｖｂであるから｜Ｖ４｜＞｜Ｖ３｜である。同様に、｜Ｖ４｜＞｜Ｖ３｜であるから必ずＶｄ＞Ｖｃとなり、Ｖ４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ１），Ｖ５＝Ｖｄ＋２Ｖ１であり、Ｖｄ＞Ｖｃであるから｜Ｖ５｜＞｜Ｖ４｜である。要するに、梁１０４の変形方向が切り替わるタイミングでスイッチＳＷがＴ／２だけＯＮすることによって、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎの絶対値は｜Ｖ１｜＜｜Ｖ２｜＜｜Ｖ３｜＜｜Ｖ４｜＜｜Ｖ５｜＜・・・と昇圧していく。 FIG. 6 shows a state of the voltage Vgen generated between the first electrode 108a and the second electrode 108b when the switch SW is turned ON by T / 2 every time the deformation direction of the beam 104 is switched. In the example of FIG. 6, it is assumed that the rectifier circuit 120 and the storage element C1 are not provided. When the amplitude of the voltage Vpzt by the electromotive force by the piezoelectric element 108c causes the generation is constant, as shown in FIG. 6, initially Vgen is positive timing when the voltage value V 1 which is a peak value the switch SW only T / 2 When turned ON, Vgen shifts in the minus direction by V 1 + Va. Then, the voltage value V 2 of the Vgen when the switch SW is turned ON for the second time is − (Va + 2V 1 ). When the switch SW is turned ON by T / 2, Vgen is shifted in the positive direction by Vb + Va + 2V 1 . Similarly, the voltage value V 3 of the Vgen when the switch SW is turned ON for the third time is V 3 = Vb + 2V 1 , and when the switch SW is turned ON by T / 2, Vgen is shifted in the negative direction by Vc + Vb + 2V 1 . Similarly, when the switch SW is turned on for the fourth time, the voltage value V 4 of Vgen = − (Vc + 2V 1 ). When the switch SW is turned on by T / 2, Vgen is shifted in the positive direction by Vd + Vc + 2V 1 . Similarly, the voltage value V 5 of the Vgen when the switch SW is turned ON for the fifth time is − (Vd + 2V 1 ). Here, since V 2 = − (Va + 2V 1 ), clearly | V 2 |> | V 1 |. V 1 and V 2 are voltage values corresponding to Vp1 in FIG. 5B, Va and Vb are voltage values corresponding to Vp2 in FIG. 5B, and | V 2 |> | V 1 | Therefore, Vb> Va is always satisfied. Then, V 2 = − (Va + 2V 1 ), V 3 = Vb + 2V 1 and Vb> Va, so | V 3 |> | V 2 |. Similarly, since | V 3 |> | V 2 |, Vc> Vb is always satisfied, and V 3 = Vb + 2V 1 , V 4 = − (Vc + 2V 1 ), and Vc> Vb, so | V 4 |> | V 3 |. Similarly, since | V 4 |> | V 3 |, Vd> Vc is always satisfied, and V 4 = − (Vc + 2V 1 ), V 5 = Vd + 2V 1 and Vd> Vc, so | V 5 |> | V 4 |. In short, the absolute value of the voltage Vgen generated between the first electrode 108a and the second electrode 108b when the switch SW is turned ON by T / 2 at the timing when the deformation direction of the beam 104 is switched is | V 1 | <| V. 2 | <| V 3 | <| V 4 | <| V 5 | <.

梁１０４の変形方向が切り替わるタイミングとスイッチＳＷがＯＮするタイミングがずれた場合も同様に考えることができる。図７（ａ）は、梁１０４の変形方向が切り替わるタイミングの後ろでスイッチＳＷがＴ／２だけＯＮする場合に第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎの様子を示し、図７（ｂ）は、梁１０４の変形方向が切り替わるタイミングの前でスイッチＳＷがＴ／２だけＯＮする場合に第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎの様子を示している。なお、図７（ａ）、図７（ｂ）の例でも、整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。   The case where the timing at which the deformation direction of the beam 104 is switched and the timing at which the switch SW is turned on can be considered similarly. FIG. 7A shows a state of the voltage Vgen generated between the first electrode 108a and the second electrode 108b when the switch SW is turned ON by T / 2 after the timing when the deformation direction of the beam 104 is switched. FIG. 7B shows a state of the voltage Vgen generated between the first electrode 108a and the second electrode 108b when the switch SW is turned ON by T / 2 before the timing at which the deformation direction of the beam 104 is switched. Yes. In the example of FIGS. 7A and 7B, the rectifier circuit 120 and the power storage element C1 are not provided.

図７（ａ）及び図７（ｂ）の例では、図６の例と同様に、Ｖｇｅｎは、最初にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ１に対して、２回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ２＝−（Ｖａ＋２Ｖ１）、３回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ３＝Ｖｂ＋２Ｖ１、４回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ１）、５回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ５＝−（Ｖｄ＋２Ｖ１）、・・・となる。ここで、Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，・・・は、それぞれ図６の場合のＶ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，・・・と同じ式で表されるので、やはりＶ２＞Ｖ１、Ｖ３＞Ｖ２、Ｖ４＞Ｖ３、Ｖ５＞Ｖ４、・・・となる。したがって、梁１０４の変形方向が切り替わるタイミングから前後にずれたタイミングでスイッチＳＷをＴ／２だけＯＮしても、Ｖｇｅｎは｜Ｖ１｜＜｜Ｖ２｜＜｜Ｖ３｜＜｜Ｖ４｜＜｜Ｖ５｜＜・・・と昇圧していく。ただし、電圧値Ｖ１が高いほど、Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄ，・・・が大きくなるので、図６の例の方が、図７（ａ）及び図７（ｂ）の例よりもＶｇｅｎが昇圧するスピードが速く、発電効率が高い。 In the example of FIG. 7A and FIG. 7B, as in the example of FIG. 6, Vgen is the second time the switch SW is turned on with respect to the voltage value V 1 when the switch SW is first turned on. Voltage value V 2 = − (Va + 2V 1 ), voltage value V 3 = Vb + 2V 1 when the switch SW is turned on for the third time, voltage value V 4 when the switch SW is turned on for the fourth time V 4 = − (Vc + 2V) 1 ) Voltage value V 5 = − (Vd + 2V 1 ) when the switch SW is turned on for the fifth time,... Here, V 2 , V 3 , V 4 , V 5 ,... Are represented by the same equations as V 2 , V 3 , V 4 , V 5 ,. V 2 > V 1 , V 3 > V 2 , V 4 > V 3 , V 5 > V 4 , and so on. Therefore, even if the switch SW is turned ON by T / 2 at a timing deviated from the timing when the deformation direction of the beam 104 is switched, Vgen is | V 1 | <| V 2 | <| V 3 | <| V 4 | The pressure is increased to <| V 5 | <. However, Vgen higher voltage value V 1, Va, Vb, Vc , Vd, since ... increases found the following example of FIG. 6, than in the example of FIG. 7 (a) and FIG. 7 (b) The pressure boosting speed is fast and the power generation efficiency is high.

なお、梁１０４の変位が０（Ｖｇｅｎが０）となるタイミングでスイッチＳＷがＴ／２だけＯＮする場合（図７（ａ）及び図７（ｂ）でＶ１＝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。 When the switch SW is turned ON by T / 2 at the timing when the displacement of the beam 104 becomes 0 (Vgen is 0) (when V 1 = 0 in FIGS. 7A and 7B), the LC The resonance of the resonance circuit does not occur and Vgen is not boosted.

以上に説明したように、スイッチＳＷがＯＮするタイミングが任意のタイミング（ただし、梁１０４の変位が０（Ｖｇｅｎが０）となるタイミングを除く）であっても、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔの半分の時間だけスイッチＳＷをＯＮにすることで、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧を昇圧させることができる。   As described above, even when the switch SW is turned on at any timing (except for the timing when the displacement of the beam 104 is 0 (Vgen is 0)), the resonance period T of the LC resonance circuit By turning on the switch SW for half the time, the voltage generated between the first electrode 108a and the second electrode 108b can be boosted.

なお、発電効率を高めるために、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔの半分の時間だけスイッチＳＷをＯＮにすることが望ましいが、所定期間だけスイッチＳＷをＯＮにしても第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎを昇圧させることは可能である。例えば、図８は、梁１０４の変形方向が切り替わるタイミングで共振周期Ｔの３／２倍の時間だけスイッチＳＷをＯＮにした場合の、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎの一例を示している。要するに、図５（ｂ）に示した時刻ｔ１でスイッチＳＷをＯＮにして時刻ｔ３でスイッチＳＷをＯＦＦにする場合に対応する。なお、図８の例でも、整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。   In order to increase the power generation efficiency, it is desirable to turn on the switch SW for half the resonance period T of the LC resonance circuit. However, even if the switch SW is turned on for a predetermined period, the first electrode 108a and the second electrode It is possible to boost the voltage Vgen generated between the voltage 108b and 108b. For example, FIG. 8 shows the voltage generated between the first electrode 108a and the second electrode 108b when the switch SW is turned ON for a time 3/2 times the resonance period T at the timing when the deformation direction of the beam 104 is switched. An example of Vgen is shown. In short, this corresponds to the case where the switch SW is turned on at time t1 and the switch SW is turned off at time t3 shown in FIG. In the example of FIG. 8, it is assumed that the rectifier circuit 120 and the storage element C1 are not provided.

図８の例では、図６の例と同様に、Ｖｇｅｎは、最初にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ１に対して、２回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ２＝−（Ｖａ＋２Ｖ１）、３回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ３＝Ｖｂ＋２Ｖ１、４回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ１）、５回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ５＝−（Ｖｄ＋２Ｖ１）、・・・となり、Ｖｇｅｎは｜Ｖ１｜＜｜Ｖ２｜＜｜Ｖ３｜＜｜Ｖ４｜＜｜Ｖ５｜＜・・・と昇圧していく。ただし、電圧値Ｖ１が高いほど、Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄ，・・・が大きくなるので、図６の例の方が、図８の例よりもＶｇｅｎが昇圧するスピードが速く、発電効率が高い。 In the example of FIG. 8, as in the example of FIG. 6, Vgen is the voltage value V 2 when the switch SW is turned on for the second time, with respect to the voltage value V 1 when the switch SW is first turned on. (Va + 2V 1 ) Voltage value V 3 when the switch SW is turned on for the third time = Vb + 2V 1 Voltage value when the switch SW is turned on for the fourth time V 4 = − (Vc + 2V 1 ) voltage value V 5 = the time of ON - (Vd + 2V 1) , ··· becomes, Vgen is | V 1 | <| V 2 | <| V 3 | <| V 4 | <| V 5 | <··· And boost the pressure. However, the higher the voltage value V 1, Va, Vb, Vc , Vd, since ... increases found the following example of FIG. 6, faster speed Vgen is boosted than the example of FIG. 8, the power generation efficiency Is expensive.

一方、図９は、梁１０４の変形方向が切り替わるタイミングで共振周期Ｔの１／４倍の時間だけスイッチＳＷをＯＮにした場合の、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎの様子を示している。要するに、図５（ｂ）に示した時刻ｔ１でスイッチＳＷをＯＮにして時刻（ｔ１＋ｔ２）／２でスイッチＳＷをＯＦＦにする場合に対応する。なお、図９の例でも、整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。   On the other hand, FIG. 9 shows the voltage generated between the first electrode 108a and the second electrode 108b when the switch SW is turned ON for a time that is 1/4 times the resonance period T at the timing when the deformation direction of the beam 104 is switched. The state of Vgen is shown. In short, this corresponds to the case where the switch SW is turned on at time t1 and the switch SW is turned off at time (t1 + t2) / 2 as shown in FIG. In the example of FIG. 9, it is assumed that the rectifier circuit 120 and the storage element C1 are not provided.

図９の例では、Ｖｇｅｎは、最初にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ１に対して、２回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ２＝−２Ｖ１、３回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ３＝２Ｖ１、４回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ４＝−２Ｖ１、５回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ５＝２Ｖ１、・・・となる。すなわち、Ｖｇｅｎは２Ｖ１までは昇圧できるが、２Ｖ１を超えての昇圧はされない。 In the example of FIG. 9, Vgen is first with respect to the voltage value V 1 of the when the switch SW is turns ON, the voltage value when the switch SW to the second is ON V 2 = -2V 1, 3 time a switch SW Voltage value V 3 = 2V 1 when the switch SW is turned on, voltage value V 4 = −2V 1 when the switch SW is turned on for the fourth time, voltage value V 5 = 2V 1 when the switch SW is turned on for the fifth time, ... That, Vgen is up to 2V 1 can boost, are not boosted beyond 2V 1.

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Ｖ２＝−２Ｖ１、Ｖ３＝２Ｖ１、Ｖ４＝−２Ｖ１、Ｖ５＝２Ｖ１、・・・となり、Ｖｇｅｎは２Ｖ１までは昇圧できるが、２Ｖ１を超えての昇圧はされない。 Similarly, at the timing when the deformation direction of the beam 104 is switched, the switch SW is turned ON for any of the following times: 3/4 times, 5/4 times, 7/4 times, 9/4 times the resonance period T,. V 2 = -2V 1, V 3 = 2V 1, V 4 = -2V 1, V 5 = 2V 1 may have, ..., and, although Vgen is to 2V 1 can boost, the exceed 2V 1 No boosting is done.

以上より、ＬＣ共振回路の共振によって、少なくとも、ＶｇｅｎがスイッチＳＷをＯＮにするときの極性と反対の極性となったときにスイッチＳＷをＯＦＦすれば、Ｖｇｅｎが昇圧していく。要するに、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔに対して、スイッチＳＷをＯＮする所定期間を、少なくとも、（ｎ＋１／４）Ｔより長く（ｎ＋３／４）Ｔよりも短い時間（ｎは０以上の任意の整数）に設定すれば、Ｖｇｅｎを効率よく昇圧させることができる。   From the above, if the switch SW is turned OFF at least when the Vgen has a polarity opposite to the polarity when the switch SW is turned ON due to the resonance of the LC resonance circuit, the voltage Vgen is boosted. In short, with respect to the resonance period T of the LC resonance circuit, the predetermined period for turning on the switch SW is at least a time longer than (n + 1/4) T and shorter than (n + 3/4) T (n is an arbitrary value greater than or equal to 0) If it is set to (integer), Vgen can be boosted efficiently.

前述したように、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔの１／２の時間だけスイッチＳＷをＯＮするのが、スイッチＳＷの切り換えときのシフト量が最も大きくなるので、発電効率が最も高い。そこで、本実施例の発電装置１００では、制御部１４０は、梁１０４の固有振動周期と一致する周期でスイッチＳＷをＯＮにし、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔの１／２の時間が経過するとスイッチＳＷをＯＦＦにする。   As described above, when the switch SW is turned on only for a half of the resonance period T of the LC resonance circuit, the amount of shift at the time of switching the switch SW becomes the largest, so that the power generation efficiency is the highest. Therefore, in the power generation apparatus 100 according to the present embodiment, the control unit 140 turns on the switch SW at a period that matches the natural vibration period of the beam 104, and switches the switch when a half of the resonance period T of the LC resonance circuit has elapsed. Set SW to OFF.

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。例えば、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、電圧検出部１３０を設けておき、圧電部材１０８ｃの電圧に基づいて、スイッチＳＷを制御している。これによって、梁１０４の変形方向の切り換わるときにスイッチＳＷを容易にＯＮすることができる。   However, it is not so easy to turn on the switch SW at the timing when the deformation direction of the beam 104 is switched. For example, at the timing at which the deformation direction of the beam 104 is switched, if the magnitude of the displacement of the beam 104 is considered to be the maximum, the mechanical contact is used to turn ON at the timing at which the beam 104 reaches the maximum displacement. It is also possible to do. However, if the contact adjustment is shifted, the efficiency is greatly reduced. Therefore, in the power generation apparatus 100 of the present embodiment, the voltage detection unit 130 is provided, and the switch SW is controlled based on the voltage of the piezoelectric member 108c. Thereby, the switch SW can be easily turned on when the deformation direction of the beam 104 is switched.

図１０は、圧電部材１０８ｃの電圧を検出することによって、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングを決定できる理由を示す説明図である。図１０では整流回路１２０を構成するダイオードの順方向降下電圧Ｖｆが常に一定であるとみなせる場合について説明する。   FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating the reason why the timing at which the deformation direction of the beam 104 is switched can be determined by detecting the voltage of the piezoelectric member 108c. FIG. 10 illustrates a case where the forward voltage drop Vf of the diode constituting the rectifier circuit 120 can always be considered constant.

図１０（ａ）には、梁１０４の変位が示されている。また、図１０（ｂ）には、梁１０４の振動に伴って、圧電部材１０８ｃが発生させる電流Ｉｐｚｔと電圧Ｖｐｚｔ（起電力）とが変化する様子が示されている。また、図１０（ｃ）には、仮にスイッチＳＷを常にＯＦＦにした状態での圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎ、図１０（ｄ）には、破線で示したタイミングで実際にスイッチＳＷをＯＮにした場合の圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎが変化する様子が示されている。また、図１０（ｅ）には、破線で示したタイミングでスイッチＳＷをＯＮにした場合のスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態が示されている。   FIG. 10A shows the displacement of the beam 104. FIG. 10B shows how the current Ipzt and the voltage Vpzt (electromotive force) generated by the piezoelectric member 108c change as the beam 104 vibrates. Further, FIG. 10C shows the voltage Vgen of the piezoelectric member 108c in a state where the switch SW is always turned off, and FIG. 10D shows that the switch SW is actually turned on at the timing shown by the broken line. A state in which the voltage Vgen of the piezoelectric member 108c in this case changes is shown. FIG. 10E shows the ON / OFF state of the switch SW when the switch SW is turned ON at the timing indicated by the broken line.

図示されるように、梁１０４の変位が正方向に大きくなると、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎは、蓄電素子Ｃ１のプラス側の電位ＶＣとダイオードＤ１の順方向降下電圧ＶｆとダイオードＤ４の順方向降下電圧Ｖｆとの和の電位（ＶＣ＋２Ｖｆ）にクランプされる。   As shown in the figure, when the displacement of the beam 104 increases in the positive direction, the voltage Vgen of the piezoelectric member 108c is changed to the positive potential VC of the storage element C1, the forward drop voltage Vf of the diode D1, and the forward drop of the diode D4. Clamped to a potential (VC + 2Vf) which is the sum of the voltage Vf.

同様に、梁１０４の変位が負方向に大きくなると、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎは、蓄電素子Ｃ１のプラス側の電位ＶＣとダイオードＤ２の順方向降下電圧ＶｆとダイオードＤ３の順方向降下電圧Ｖｆとの和の電位（−ＶＣ−２Ｖｆ）にクランプされる。   Similarly, when the displacement of the beam 104 increases in the negative direction, the voltage Vgen of the piezoelectric member 108c is changed to the positive potential VC of the power storage element C1, the forward drop voltage Vf of the diode D2, and the forward drop voltage Vf of the diode D3. Is clamped to the sum potential (−VC−2Vf).

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１０８ｃの発生する電流Ｉｐｚｔの方向が反転する。例えば、圧電部材１０８ｃが正の起電力を発生している状態で、梁１０４の変位の大きさがピークになると、正方向に流れていた電流Ｉｐｚｔが負方向に反転する。したがって、ダイオードＤ１に流れていた電流が流れなくなり、電圧Ｖｇｅｎの値はＶＣ＋２Ｖｆよりも小さくなる。   Further, at the timing when the magnitude of the displacement of the beam 104 reaches a peak (that is, the timing at which the deformation direction of the beam 104 is switched), the direction of the current Ipzt generated by the piezoelectric member 108c is reversed. For example, when the magnitude of displacement of the beam 104 reaches a peak while the piezoelectric member 108c generates a positive electromotive force, the current Ipzt flowing in the positive direction is reversed in the negative direction. Therefore, the current flowing through the diode D1 does not flow, and the value of the voltage Vgen becomes smaller than VC + 2Vf.

したがって、梁１０４の変形方向が正から負に切り換わるタイミング（梁１０４の変位が正のピークとなるタイミング）は、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎが降下し始めるタイミングと一致する。同様に、梁１０４の変形方向が負から正に切り換わるタイミング（梁１０４の変位が負のピークとなるタイミング）は、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎが上昇し始めるタイミングと一致する。そこで、図１（ｂ）に示したように、電圧検出部１３０を用いて、圧電部材１０８ｃの電圧が基準以上の変化をするタイミング（例えば、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎが降下し始めることを検出したタイミング、及び、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎが上昇し始めること検出したタイミング）から、図１０（ｅ）に破線で示す所定期間（例えば、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔの１／２の時間）だけ、制御部１４０がスイッチＳＷを接続することによって、変形部材（梁１０４）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１０８ｃとインダクターＬとの接続及び切断を周期的に繰り返すことができる。これによって、圧電部材１０８ｃ内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。   Therefore, the timing at which the deformation direction of the beam 104 switches from positive to negative (timing at which the displacement of the beam 104 reaches a positive peak) coincides with the timing at which the voltage Vgen of the piezoelectric member 108c starts to drop. Similarly, the timing at which the deformation direction of the beam 104 switches from negative to positive (timing at which the displacement of the beam 104 reaches a negative peak) coincides with the timing at which the voltage Vgen of the piezoelectric member 108c starts to increase. Therefore, as shown in FIG. 1B, the voltage detection unit 130 is used to detect when the voltage of the piezoelectric member 108c changes beyond the reference (for example, the voltage Vgen of the piezoelectric member 108c starts to decrease). And a predetermined period indicated by a broken line in FIG. 10E (for example, a time half of the resonance period T of the LC resonance circuit) from the timing at which the voltage Vgen of the piezoelectric member 108c starts to rise). Only when the control unit 140 connects the switch SW, the connection and disconnection of the piezoelectric member 108c and the inductor L are periodically performed at an appropriate timing synchronized with the deformation state (vibration state) of the deformation member (beam 104). Can be repeated. As a result, charges can be efficiently accumulated in the piezoelectric member 108c.

制御部１４０は、電圧検出部１３０で検出された圧電部材１０８ｃの電圧のＶｇｅｎが（ＶＣ＋２Ｖｆ）あるいは（―ＶＣ―２Ｖｆ）でクランプされ一定の状態から、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎが基準電圧以上に変化したタイミングでスイッチＳＷを接続してもよい。具体的には、所定時間経過前後の圧電部材１０８ｃの電圧の差分が、０の状態から基準電圧以上の状態になったタイミングでスイッチＳＷを接続すればよい。これによって、変形部材（梁１０４）の変形状態（振動状態）に同期したタイミングで、圧電部材１０８ｃとインダクターＬとの接続及び切断を周期的に繰り返すことができる。   The control unit 140 clamps the voltage Vgen of the piezoelectric member 108c detected by the voltage detection unit 130 at (VC + 2Vf) or (−VC−2Vf), and the voltage Vgen of the piezoelectric member 108c becomes equal to or higher than the reference voltage. The switch SW may be connected at the changed timing. Specifically, the switch SW may be connected at a timing when the voltage difference of the piezoelectric member 108c before and after the elapse of a predetermined time has changed from 0 to a reference voltage or higher. Thereby, the connection and disconnection of the piezoelectric member 108c and the inductor L can be periodically repeated at a timing synchronized with the deformation state (vibration state) of the deformation member (beam 104).

図１１は、第１実施例におけるスイッチＳＷのＯＦ／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、制御部１４０に内蔵されたＣＰＵによって実行される。また、以下では、所定期間が圧電部材１０８ｃの容量成分ＣｇとインダクターＬとによって構成される共振回路の共振周期Ｔの１／２の時間である場合を例にとり説明する。   FIG. 11 is a flowchart showing a switch control process for switching the OF / OFF of the switch SW in the first embodiment. This process is executed by, for example, a CPU built in the control unit 140. In the following, a case where the predetermined period is half the resonance period T of the resonance circuit constituted by the capacitance component Cg of the piezoelectric member 108c and the inductor L will be described as an example.

図１１に示すスイッチ制御処理では、まず、制御部１４０は、電圧検出部１３０で検出した圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎ１のデータを取り込む（ステップＳ１００）。ステップＳ１００の後に、制御部１４０は、制御部１４０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Ｓ１０２）。ステップＳ１０２の後に、制御部１４０は、時間ΔＴ１が経過したか否かを判断する（ステップＳ１０４）。時間ΔＴ１を経過していないと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ１０４のＮ）には、制御部１４０はタイマーが時間ΔＴ１を経過するまでステップＳ１０４を繰り返す。時間ΔＴ１を経過したと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ１０４のＹ）には、制御部１４０は、電圧検出部１３０で検出した圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎ２のデータを取り込む（ステップＳ１０６）。   In the switch control process shown in FIG. 11, first, the control unit 140 takes in the data of the voltage Vgen1 of the piezoelectric member 108c detected by the voltage detection unit 130 (step S100). After step S100, the control unit 140 starts a timer (not shown) built in the control unit 140 (step S102). After step S102, control unit 140 determines whether time ΔT1 has elapsed (step S104). When the control unit 140 determines that the time ΔT1 has not elapsed (N in step S104), the control unit 140 repeats step S104 until the timer has elapsed the time ΔT1. When the control unit 140 determines that the time ΔT1 has elapsed (Y in step S104), the control unit 140 takes in the data of the voltage Vgen2 of the piezoelectric member 108c detected by the voltage detection unit 130 (step S106).

ステップＳ１０６の後に、制御部１４０は、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎ１とＶｇｅｎ２の差分が０か否かを判断する（ステップＳ１０８）。Ｖｇｅｎ１とＶｇｅｎ２の差分が０ではないと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ１０８のＮ）には、制御部１４０は、ステップＳ１００を行う。Ｖｇｅｎ１とＶｇｅｎ２の差分が０であると制御部１４０が判断した場合（ステップＳ１０８のＹ）には、制御部１４０は、制御部１４０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Ｓ１１０）。   After step S106, the control unit 140 determines whether or not the difference between the voltages Vgen1 and Vgen2 of the piezoelectric member 108c is 0 (step S108). When the control unit 140 determines that the difference between Vgen1 and Vgen2 is not 0 (N in step S108), the control unit 140 performs step S100. When the control unit 140 determines that the difference between Vgen1 and Vgen2 is 0 (Y in step S108), the control unit 140 starts a timer (not shown) built in the control unit 140 (step S110).

ステップＳ１１０の後に、制御部１４０は、時間ΔＴ２を経過したか否かを判断する（ステップＳ１１２）。時間ΔＴ２を経過していないと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ１１２のＮ）には、制御部１４０はタイマーが時間ΔＴ２を経過するまでステップＳ１１２を繰り返す。時間ΔＴ２を経過したと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ１１２のＹ）には、制御部１４０は、電圧検出部１３０で検出した圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎ３のデータを取り込む（ステップＳ１１４）。   After step S110, control unit 140 determines whether or not time ΔT2 has elapsed (step S112). When the control unit 140 determines that the time ΔT2 has not elapsed (N in step S112), the control unit 140 repeats step S112 until the timer has elapsed the time ΔT2. When the control unit 140 determines that the time ΔT2 has elapsed (Y in step S112), the control unit 140 takes in the data of the voltage Vgen3 of the piezoelectric member 108c detected by the voltage detection unit 130 (step S114).

ステップＳ１１４の後に、制御部１４０は、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎ２とＶｇｅｎ３の差分が０か否かを判断する（ステップＳ１１６）。Ｖｇｅｎ２とＶｇｅｎ３の差分が０ではないと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ１１６のＮ）には、制御部１４０は、ステップＳ１００を行う。Ｖｇｅｎ２とＶｇｅｎ３の差分が０であると制御部１４０が判断した場合（ステップＳ１１６のＹ）には、Ｖｇｅｎ３は極値であると判断し、制御部１４０は、制御部１４０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Ｓ１１８）。   After step S114, the control unit 140 determines whether or not the difference between the voltages Vgen2 and Vgen3 of the piezoelectric member 108c is 0 (step S116). When the control unit 140 determines that the difference between Vgen2 and Vgen3 is not 0 (N in step S116), the control unit 140 performs step S100. When the control unit 140 determines that the difference between Vgen2 and Vgen3 is 0 (Y in step S116), it determines that Vgen3 is an extreme value, and the control unit 140 is not shown in the control unit 140. A timer is started (step S118).

ステップＳ１１８の後に、制御部１４０は、時間ΔＴ３を経過したか否かを判断する（ステップＳ１２０）。時間ΔＴ３を経過していないと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ１２０のＮ）には、制御部１４０はタイマーが時間ΔＴ３を経過するまでステップＳ１２０を繰り返す。時間ΔＴ３を経過したと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ１２０のＹ）には、制御部１４０は、電圧検出部１３０で検出した圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎ４のデータを取り込む（ステップＳ１２２）。   After step S118, control unit 140 determines whether or not time ΔT3 has elapsed (step S120). When the control unit 140 determines that the time ΔT3 has not elapsed (N in step S120), the control unit 140 repeats step S120 until the timer has elapsed the time ΔT3. When the control unit 140 determines that the time ΔT3 has elapsed (Y in step S120), the control unit 140 takes in the data of the voltage Vgen4 of the piezoelectric member 108c detected by the voltage detection unit 130 (step S122).

ステップＳ１２２の後に、制御部１４０は、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎ３とＶｇｅｎ４の差分の絶対値が基準電圧αを下回るか否かを判断する（ステップＳ１２４）Ｖｇｅｎ３とＶｇｅｎ４の差分の絶対値が基準電圧α以上であると制御部１４０が判断した場合（ステップＳ１２４のＹ）には、制御部１４０は、ステップＳ１１８を行う。Ｖｇｅｎ３とＶｇｅｎ４の差分の絶対値が基準電圧αを下回ると制御部１４０が判断した場合（ステップＳ１２４のＮ）には、制御部１４０は、スイッチＳＷをＯＮに制御する（ステップＳ１２６）。   After step S122, the control unit 140 determines whether or not the absolute value of the difference between the voltages Vgen3 and Vgen4 of the piezoelectric member 108c is lower than the reference voltage α (step S124). When the control unit 140 determines that the value is equal to or larger than α (Y in step S124), the control unit 140 performs step S118. When the control unit 140 determines that the absolute value of the difference between Vgen3 and Vgen4 is lower than the reference voltage α (N in step S124), the control unit 140 controls the switch SW to be ON (step S126).

図１１に示す例では、ノイズ等の影響によって圧電部材１０８ｃの電圧の差分が偶然０になった場合を考慮して、Ｖｇｅｎ２−Ｖｇｅｎ１、Ｖｇｅｎ３−Ｖｇｅｎ２が全て０の場合に、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎが極値であるものと判断している。判断の信頼性が装置の仕様上十分に確保できる場合には、ステップＳ１１０からステップＳ１１６を省略してもよい。   In the example illustrated in FIG. 11, in consideration of the case where the voltage difference of the piezoelectric member 108c accidentally becomes 0 due to the influence of noise or the like, the voltage of the piezoelectric member 108c when Vgen2-Vgen1 and Vgen3-Vgen2 are all 0. It is determined that Vgen is an extreme value. Steps S110 to S116 may be omitted when the reliability of determination can be sufficiently ensured according to the specifications of the apparatus.

ステップＳ１２６の後に、制御部１４０は、制御部１４０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Ｓ１２８）。ステップＳ１２８の後に、制御部１４０は、圧電部材１０８ｃの容量成分ＣｇとインダクターＬとによって構成される共振回路の共振周期Ｔの１／２の時間（時間Ｔ／２）を経過したか否かを判断する（ステップＳ１３０）。時間Ｔ／２を経過していないと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ１３０のＮ）には、制御部１４０はタイマーが時間Ｔ／２を経過するまでステップＳ１３０を繰り返す。時間Ｔ／２を経過したと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ１３０のＹ）には、制御部１４０は、スイッチＳＷをＯＦＦに制御する（ステップＳ１３２）。ステップＳ１３２の後に、上述のステップＳ１００以降の処理を繰り返す。   After step S126, the control unit 140 starts a timer (not shown) built in the control unit 140 (step S128). After step S128, the control unit 140 determines whether or not a half time (time T / 2) of the resonance period T of the resonance circuit constituted by the capacitance component Cg of the piezoelectric member 108c and the inductor L has elapsed. Judgment is made (step S130). When the control unit 140 determines that the time T / 2 has not elapsed (N in step S130), the control unit 140 repeats step S130 until the timer has elapsed the time T / 2. When the control unit 140 determines that the time T / 2 has elapsed (Y in step S130), the control unit 140 controls the switch SW to be turned off (step S132). After step S132, the processes after step S100 are repeated.

以上のようにしてスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを行えば、少なくとも、圧電部材１０８ｃ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。   If the switch SW is turned ON / OFF as described above, at least the voltage between the terminals of the piezoelectric member 108c can be boosted, so that charges can be stored even if the voltage of the power storage element C1 rises.

なお、図１１並びに後述される図１３及び図１４に示されるフローチャートにおける時間ΔＴ１、時間ΔＴ２及び時間ΔＴ３は、梁１０４の固有振動周期よりも十分短い値に設定される。時間ΔＴ３は特に十分に短い値に設定することが望ましい。これは圧電部材１０８ｃの変形の方向が変化した瞬間に制御部１４０がスイッチＳＷを接続すると、効率的に昇圧することができるためである。時間ΔＴ３は、例えば、梁１０４の固有振動周期の１／１００以下の長さに設定されることが望ましい。時間ΔＴ１及び時間ΔＴ２は時間ΔＴ３と比較して長い時間に設定されてもよい。圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎが長い時間一定である場合は梁１０４の変形が大きい場合であり、高い昇圧効果が期待できる一方、短い時間しか一定ではない場合は、梁１０４の変形が小さい場合であり、高い昇圧効果は期待できない。このため、時間ΔＴ１と時間ΔＴ２は固有振動周期の１／１００から１０／１００程度の値に設定してもよい。このように、時間ΔＴ１と時間ΔＴ２に大きな値を設定し制御部１４０の演算量を減らすことで、制御部１４０の消費電力を減らし、発電装置１００の出力する電力を増やすことができる。   Note that time ΔT1, time ΔT2, and time ΔT3 in the flowcharts shown in FIG. 11 and FIGS. 13 and 14 described later are set to values sufficiently shorter than the natural vibration period of the beam 104. It is desirable to set the time ΔT3 to a sufficiently short value. This is because when the control unit 140 connects the switch SW at the moment when the deformation direction of the piezoelectric member 108c is changed, the pressure can be increased efficiently. For example, the time ΔT3 is desirably set to a length of 1/100 or less of the natural vibration period of the beam 104. Time ΔT1 and time ΔT2 may be set to a longer time than time ΔT3. When the voltage Vgen of the piezoelectric member 108c is constant for a long time, the deformation of the beam 104 is large, and a high boosting effect can be expected. On the other hand, when the voltage Vgen is constant only for a short time, the deformation of the beam 104 is small. High boosting effect cannot be expected. For this reason, the time ΔT1 and the time ΔT2 may be set to values of about 1/100 to 10/100 of the natural vibration period. Thus, by setting large values for the time ΔT1 and the time ΔT2 and reducing the amount of calculation of the control unit 140, the power consumption of the control unit 140 can be reduced and the power output from the power generation apparatus 100 can be increased.

Ｂ．第２実施例：
図１２（ａ）は、図１０（ｄ）の一部を拡大したグラフ、図１２（ｂ）は、整流回路１２０に流れる電流Ｉｇｅｎを示すグラフである。 B. Second embodiment:
12A is a graph obtained by enlarging a part of FIG. 10D, and FIG. 12B is a graph showing the current Igen flowing through the rectifier circuit 120.

整流回路１２０を構成するダイオードの順方向降下電圧Ｖｆは、順方向電流が大きくなるほど大きくなる。したがって、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎがクランプされる電圧ＶＣ＋２Ｖｆも厳密には一定ではない。本実施例におけるダイオードの順方向降下電圧Ｖｆの最大値Ｖｆｍａｘの値は０．３Ｖ程度である。図１２（ａ）に示される例では、梁１０４の変位が０となるタイミングである時刻ｔ１において、圧電部材１０８ｃの電圧ＶｇｅｎはＶＣ＋２Ｖｆｍａｘとなっている。   The forward voltage drop Vf of the diode constituting the rectifier circuit 120 increases as the forward current increases. Accordingly, the voltage VC + 2Vf at which the voltage Vgen of the piezoelectric member 108c is clamped is not strictly constant. The maximum value Vfmax of the forward voltage drop Vf of the diode in this embodiment is about 0.3V. In the example shown in FIG. 12A, the voltage Vgen of the piezoelectric member 108c is VC + 2Vfmax at time t1, which is the timing when the displacement of the beam 104 becomes zero.

図１２（ｂ）に示されるように、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングでは、整流回路１２０を構成するダイオードに流れる電流は０になるので、ダイオードの順方向降下電圧Ｖｆも０となる。したがって、図１２（ａ）に示されるように、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングである時刻ｔ２において、圧電部材１０８ｃの電圧ＶｇｅｎはＶＣとなっている。   As shown in FIG. 12B, at the timing when the deformation direction of the beam 104 is switched, the current flowing through the diode constituting the rectifier circuit 120 becomes zero, so the forward voltage drop Vf of the diode also becomes zero. Therefore, as shown in FIG. 12A, the voltage Vgen of the piezoelectric member 108c is VC at time t2, which is the timing when the deformation direction of the beam 104 is switched.

したがって、電圧検出部１３０で検出される電圧が、極大値から２Ｖｆｍａｘ以上減少したときと、極小値から２Ｖｆｍａｘ以上増加したときに、スイッチＳＷを接続することで、正確に圧電部材１０８ｃの変形方向の切り換わるタイミングでスイッチＳＷを接続できるので、圧電部材１０８ｃ内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。   Therefore, when the voltage detected by the voltage detector 130 decreases by 2 Vfmax or more from the maximum value and increases by 2 Vfmax or more from the minimum value, by connecting the switch SW, the deformation direction of the piezoelectric member 108c can be accurately determined. Since the switch SW can be connected at the timing of switching, electric charges can be efficiently accumulated in the piezoelectric member 108c.

制御部１４０は、電圧検出部１３０で検出される電圧Ｖｇｅｎの所定期間前後における差分が基準電圧以下である場合に、電圧検出部１３０で検出される電圧Ｖｇｅｎが極値であると判断してもよい。これによって、電圧検出部１３０で検出される電圧Ｖｇｅｎが極値となるタイミングを容易に検出できる。したがって、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングを適切に検出できる。   The control unit 140 may determine that the voltage Vgen detected by the voltage detection unit 130 is an extreme value when the difference between the voltage Vgen detected by the voltage detection unit 130 before and after the predetermined period is equal to or less than the reference voltage. Good. Thereby, it is possible to easily detect the timing at which the voltage Vgen detected by the voltage detection unit 130 becomes an extreme value. Therefore, it is possible to appropriately detect the timing at which the deformation direction of the beam 104 is switched.

図１３は、第２実施例におけるスイッチＳＷのＯＦ／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、制御部１４０に内蔵されたＣＰＵによって実行される。また、以下では、所定期間が圧電部材１０８ｃの容量成分ＣｇとインダクターＬとによって構成される共振回路の共振周期Ｔの１／２の時間である場合を例にとり説明する。   FIG. 13 is a flowchart showing a switch control process for switching OF / OFF of the switch SW in the second embodiment. This process is executed by, for example, a CPU built in the control unit 140. In the following, a case where the predetermined period is half the resonance period T of the resonance circuit constituted by the capacitance component Cg of the piezoelectric member 108c and the inductor L will be described as an example.

図１３に示すスイッチ制御処理では、まず、制御部１４０は、電圧検出部１３０で検出した圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎ１のデータを取り込む（ステップＳ２００）。ステップＳ２００の後に、制御部１４０は、制御部１４０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Ｓ２０２）。ステップＳ２０２の後に、制御部１４０は、時間ΔＴ１が経過したか否かを判断する（ステップＳ２０４）。時間ΔＴ１を経過していないと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ２０４のＮ）には、制御部１４０はタイマーが時間ΔＴ１を経過するまでステップＳ２０４を繰り返す。時間ΔＴ１を経過したと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ２０４のＹ）には、制御部１４０は、電圧検出部１３０で検出した圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎ２のデータを取り込む（ステップＳ２０６）。   In the switch control process shown in FIG. 13, first, the control unit 140 takes in the data of the voltage Vgen1 of the piezoelectric member 108c detected by the voltage detection unit 130 (step S200). After step S200, the control unit 140 starts a timer (not shown) built in the control unit 140 (step S202). After step S202, control unit 140 determines whether time ΔT1 has elapsed (step S204). When the control unit 140 determines that the time ΔT1 has not elapsed (N in step S204), the control unit 140 repeats step S204 until the timer has elapsed the time ΔT1. When the control unit 140 determines that the time ΔT1 has elapsed (Y in step S204), the control unit 140 takes in the data of the voltage Vgen2 of the piezoelectric member 108c detected by the voltage detection unit 130 (step S206).

ステップＳ２０６の後に、制御部１４０は、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎ１とＶｇｅｎ２の差分の絶対値が基準電圧βを下回るか否かを判断する（ステップＳ２０８）。本実施例においては、基準電圧βは時間ΔＴ１に応じて適切な値に設定される。基準電圧βは式（１）以下の値に設定してもよい。
β ＜ Ｖｆｍａｘ×ΔＴ１／Ｔ０ ・・・（１）
Ｖｇｅｎ１とＶｇｅｎ２の差分の絶対値が基準電圧β以上であると制御部１４０が判断した場合（ステップＳ２０８のＮ）には、制御部１４０は、ステップＳ２００を行う。Ｖｇｅｎ１とＶｇｅｎ２の差分の絶対値が基準電圧βを下回ると制御部１４０が判断した場合（ステップＳ２０８のＹ）には、制御部１４０は、Ｖｇｅｎ２が極値であると判断し、制御部１４０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Ｓ２１０）。 After step S206, the control unit 140 determines whether or not the absolute value of the difference between the voltages Vgen1 and Vgen2 of the piezoelectric member 108c is lower than the reference voltage β (step S208). In this embodiment, the reference voltage β is set to an appropriate value according to the time ΔT1. The reference voltage β may be set to a value equal to or less than the formula (1).
β <Vfmax × ΔT1 / T0 (1)
When the control unit 140 determines that the absolute value of the difference between Vgen1 and Vgen2 is greater than or equal to the reference voltage β (N in step S208), the control unit 140 performs step S200. When the control unit 140 determines that the absolute value of the difference between Vgen1 and Vgen2 is lower than the reference voltage β (Y in step S208), the control unit 140 determines that Vgen2 is an extreme value and causes the control unit 140 to A built-in timer (not shown) is started (step S210).

ステップＳ２１０の後に、制御部１４０は、時間ΔＴ２を経過したか否かを判断する（ステップＳ２１２）。時間ΔＴ２を経過していないと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ２１２のＮ）には、制御部１４０はタイマーが時間ΔＴ２を経過するまでステップＳ２１２を繰り返す。時間ΔＴ２を経過したと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ２１２のＹ）には、制御部１４０は、電圧検出部１３０で検出した圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎ３のデータを取り込む（ステップＳ２１４）。   After step S210, control unit 140 determines whether or not time ΔT2 has elapsed (step S212). When the control unit 140 determines that the time ΔT2 has not elapsed (N in step S212), the control unit 140 repeats step S212 until the timer has elapsed the time ΔT2. When the control unit 140 determines that the time ΔT2 has elapsed (Y in step S212), the control unit 140 takes in the data of the voltage Vgen3 of the piezoelectric member 108c detected by the voltage detection unit 130 (step S214).

ステップＳ２１４の後に、制御部１４０は、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎ２とＶｇｅｎ３の差分の絶対値が基準電圧γを上回るか否かを判断する（ステップＳ２１６）。Ｖｇｅｎ２とＶｇｅｎ３の差分の絶対値が基準電圧γ以下であると制御部１４０が判断した場合（ステップＳ２１６のＮ）には、制御部１４０は、ステップＳ２１０を行う。本実施例においては、基準電圧γはダイオードの順方向降下電圧Ｖｆの最大値Ｖｆｍａｘの２倍以下の値に設定される。Ｖｇｅｎ２とＶｇｅｎ３の差分の絶対値が基準電圧γを上回ると制御部１４０が判断した場合（ステップＳ２１６のＹ）には、制御部１４０は、スイッチＳＷをＯＮに制御する（ステップＳ２１８）。   After step S214, the control unit 140 determines whether or not the absolute value of the difference between the voltages Vgen2 and Vgen3 of the piezoelectric member 108c exceeds the reference voltage γ (step S216). When the control unit 140 determines that the absolute value of the difference between Vgen2 and Vgen3 is equal to or less than the reference voltage γ (N in step S216), the control unit 140 performs step S210. In the present embodiment, the reference voltage γ is set to a value not more than twice the maximum value Vfmax of the diode forward drop voltage Vf. When the control unit 140 determines that the absolute value of the difference between Vgen2 and Vgen3 exceeds the reference voltage γ (Y in step S216), the control unit 140 controls the switch SW to be ON (step S218).

ステップＳ２１８の後に、制御部１４０は、制御部１４０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Ｓ２２０）。ステップＳ２２０の後に、制御部１４０は、圧電部材１０８ｃの容量成分ＣｇとインダクターＬとによって構成される共振回路の共振周期Ｔの１／２の時間（時間Ｔ／２）を経過したか否かを判断する（ステップＳ２２２）。時間Ｔ／２を経過していないと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ２２２のＮ）には、制御部１４０はタイマーが時間Ｔ／２を経過するまでステップＳ２２２を繰り返す。時間Ｔ／２を経過したと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ２２２のＹ）には、制御部１４０は、スイッチＳＷをＯＦＦに制御する（ステップＳ２２４）。ステップＳ２２４の後に、上述のステップＳ２００以降の処理を繰り返す。   After step S218, the control unit 140 starts a timer (not shown) built in the control unit 140 (step S220). After step S220, the control unit 140 determines whether or not a half time (time T / 2) of the resonance period T of the resonance circuit constituted by the capacitance component Cg of the piezoelectric member 108c and the inductor L has elapsed. Judgment is made (step S222). When the control unit 140 determines that the time T / 2 has not elapsed (N in step S222), the control unit 140 repeats step S222 until the timer has elapsed the time T / 2. When the control unit 140 determines that the time T / 2 has elapsed (Y in step S222), the control unit 140 controls the switch SW to be OFF (step S224). After step S224, the processes after step S200 described above are repeated.

以上のようにしてスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを行えば、少なくとも、圧電部材１０８ｃ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。   If the switch SW is turned ON / OFF as described above, at least the voltage between the terminals of the piezoelectric member 108c can be boosted, so that charges can be stored even if the voltage of the power storage element C1 rises.

Ｃ．第３実施例：
発電装置１００において、制御部１４０は、電圧検出部１３０で検出される電圧Ｖｇｅｎの微分値の絶対値が基準値以下である場合に、電圧検出部１３０で検出される電圧Ｖｇｅｎの絶対値が極値であると判断してもよい。これによって、電圧検出部１３０で検出される電圧Ｖｇｅｎの絶対値が極値となるタイミングを容易に検出できる。また、第２実施例と比較して、電圧検出部１３０で検出される電圧Ｖｇｅｎの絶対値が極値となるタイミングをより正確に検出できる。したがって、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングを適切に検出できる。 C. Third embodiment:
In the power generation device 100, the control unit 140 determines that the absolute value of the voltage Vgen detected by the voltage detection unit 130 is the extreme value when the absolute value of the differential value of the voltage Vgen detected by the voltage detection unit 130 is equal to or less than the reference value. You may judge that it is a value. Accordingly, it is possible to easily detect the timing at which the absolute value of the voltage Vgen detected by the voltage detection unit 130 becomes an extreme value. Further, the timing at which the absolute value of the voltage Vgen detected by the voltage detector 130 becomes an extreme value can be detected more accurately than in the second embodiment. Therefore, it is possible to appropriately detect the timing at which the deformation direction of the beam 104 is switched.

図１４は、第３実施例におけるスイッチＳＷのＯＦ／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、制御部１４０に内蔵されたＣＰＵによって実行される。また、以下では、所定期間が圧電部材１０８ｃの容量成分ＣｇとインダクターＬとによって構成される共振回路の共振周期Ｔの１／２の時間である場合を例にとり説明する。   FIG. 14 is a flowchart showing a switch control process for switching the OF / OFF of the switch SW in the third embodiment. This process is executed by, for example, a CPU built in the control unit 140. In the following, a case where the predetermined period is half the resonance period T of the resonance circuit constituted by the capacitance component Cg of the piezoelectric member 108c and the inductor L will be described as an example.

図１４に示すスイッチ制御処理では、まず、制御部１４０は、電圧検出部１３０で検出した圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎ１のデータを取り込む（ステップＳ３００）。ステップＳ３００の後に、制御部１４０は、制御部１４０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Ｓ３０２）。ステップＳ３０２の後に、制御部１４０は、時間ΔＴ１が経過したか否かを判断する（ステップＳ３０４）。時間ΔＴ１を経過していないと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ３０４のＮ）には、制御部１４０はタイマーが時間ΔＴ１を経過するまでステップＳ３０４を繰り返す。時間ΔＴ１を経過したと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ３０４のＹ）には、制御部１４０は、電圧検出部１３０で検出した圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎ２のデータを取り込む（ステップＳ３０６）。   In the switch control process shown in FIG. 14, first, the control unit 140 takes in the data of the voltage Vgen1 of the piezoelectric member 108c detected by the voltage detection unit 130 (step S300). After step S300, the control unit 140 starts a timer (not shown) built in the control unit 140 (step S302). After step S302, control unit 140 determines whether time ΔT1 has elapsed (step S304). When the control unit 140 determines that the time ΔT1 has not elapsed (N in Step S304), the control unit 140 repeats Step S304 until the timer has elapsed the time ΔT1. When the control unit 140 determines that the time ΔT1 has elapsed (Y in step S304), the control unit 140 takes in the data of the voltage Vgen2 of the piezoelectric member 108c detected by the voltage detection unit 130 (step S306).

ステップＳ３０６の後に、制御部１４０は、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎ１とＶｇｅｎ２の差分の絶対値をΔＴ１で除した値が基準値δを下回るか否かを判断する（ステップＳ３０８）。基準値δは式（２）以下の値に設定してもよい。
δ ＜ Ｖｆｍａｘ×ΔＴ１ ・・・（２）
本実施例においては、基準値δは時間ΔＴ１に応じて適切な値に設定される。Ｖｇｅｎ１とＶｇｅｎ２の差分の絶対値をΔＴ１で除した値が基準値δ以上であると制御部１４０が判断した場合（ステップＳ３０８のＮ）には、制御部１４０は、ステップＳ２００を行う。Ｖｇｅｎ１とＶｇｅｎ２の差分の絶対値をΔＴ１で除した値が基準値δを下回ると制御部１４０が判断した場合（ステップＳ３０８のＹ）には、制御部１４０は、Ｖｇｅｎ２が極値であると判断し、制御部１４０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Ｓ３１０）。 After step S306, the control unit 140 determines whether or not the value obtained by dividing the absolute value of the difference between the voltages Vgen1 and Vgen2 of the piezoelectric member 108c by ΔT1 is less than the reference value δ (step S308). The reference value δ may be set to a value equal to or less than the formula (2).
δ <Vfmax × ΔT1 (2)
In this embodiment, the reference value δ is set to an appropriate value according to the time ΔT1. When the control unit 140 determines that the value obtained by dividing the absolute value of the difference between Vgen1 and Vgen2 by ΔT1 is equal to or greater than the reference value δ (N in step S308), the control unit 140 performs step S200. When the control unit 140 determines that the value obtained by dividing the absolute value of the difference between Vgen1 and Vgen2 by ΔT1 is below the reference value δ (Y in step S308), the control unit 140 determines that Vgen2 is an extreme value. Then, a timer (not shown) built in the control unit 140 is started (step S310).

ステップＳ３１０の後に、制御部１４０は、時間ΔＴ２を経過したか否かを判断する（ステップＳ３１２）。時間ΔＴ２を経過していないと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ３１２のＮ）には、制御部１４０はタイマーが時間ΔＴ２を経過するまでステップＳ３１２を繰り返す。時間ΔＴ２を経過したと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ３１２のＹ）には、制御部１４０は、電圧検出部１３０で検出した圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎ３のデータを取り込む（ステップＳ３１４）。   After step S310, control unit 140 determines whether or not time ΔT2 has elapsed (step S312). When the control unit 140 determines that the time ΔT2 has not elapsed (N in step S312), the control unit 140 repeats step S312 until the timer has elapsed the time ΔT2. When the control unit 140 determines that the time ΔT2 has elapsed (Y in step S312), the control unit 140 takes in the data of the voltage Vgen3 of the piezoelectric member 108c detected by the voltage detection unit 130 (step S314).

ステップＳ３１４の後に、制御部１４０は、圧電部材１０８ｃの電圧Ｖｇｅｎ２とＶｇｅｎ３の差分の絶対値が基準電圧γを上回るか否かを判断する（ステップＳ３１６）。Ｖｇｅｎ２とＶｇｅｎ３の差分の絶対値が基準電圧γ以下であると制御部１４０が判断した場合（ステップＳ３１６のＮ）には、制御部１４０は、ステップＳ３１０を行う。本実施例においては、基準電圧γはダイオードの順方向降下電圧Ｖｆの最大値Ｖｆｍａｘの２倍以下の値に設定される。Ｖｇｅｎ２とＶｇｅｎ３の差分の絶対値が基準電圧γを上回ると制御部１４０が判断した場合（ステップＳ３１６のＹ）には、制御部１４０は、スイッチＳＷをＯＮに制御する（ステップＳ３１８）。   After step S314, the control unit 140 determines whether or not the absolute value of the difference between the voltages Vgen2 and Vgen3 of the piezoelectric member 108c exceeds the reference voltage γ (step S316). When the control unit 140 determines that the absolute value of the difference between Vgen2 and Vgen3 is equal to or less than the reference voltage γ (N in step S316), the control unit 140 performs step S310. In the present embodiment, the reference voltage γ is set to a value not more than twice the maximum value Vfmax of the diode forward drop voltage Vf. When the control unit 140 determines that the absolute value of the difference between Vgen2 and Vgen3 exceeds the reference voltage γ (Y in step S316), the control unit 140 controls the switch SW to be ON (step S318).

ステップＳ３１８の後に、制御部１４０は、制御部１４０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Ｓ３２０）。ステップＳ３２０の後に、制御部１４０は、圧電部材１０８ｃの容量成分ＣｇとインダクターＬとによって構成される共振回路の共振周期Ｔの１／２の時間（時間Ｔ／２）を経過したか否かを判断する（ステップＳ３２２）。時間Ｔ／２を経過していないと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ３２２のＮ）には、制御部１４０はタイマーが時間Ｔ／２を経過するまでステップＳ３２２を繰り返す。時間Ｔ／２を経過したと制御部１４０が判断した場合（ステップＳ３２２のＹ）には、制御部１４０は、スイッチＳＷをＯＦＦに制御する（ステップＳ３２４）。ステップＳ３２４の後に、上述のステップＳ３００以降の処理を繰り返す。   After step S318, the control unit 140 starts a timer (not shown) built in the control unit 140 (step S320). After step S320, the control unit 140 determines whether or not a half time (time T / 2) of the resonance period T of the resonance circuit constituted by the capacitance component Cg of the piezoelectric member 108c and the inductor L has elapsed. Judgment is made (step S322). When the control unit 140 determines that the time T / 2 has not elapsed (N in step S322), the control unit 140 repeats step S322 until the timer has elapsed the time T / 2. When the control unit 140 determines that the time T / 2 has elapsed (Y in step S322), the control unit 140 controls the switch SW to be OFF (step S324). After step S324, the processes after step S300 described above are repeated.

以上のようにしてスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを行えば、少なくとも、圧電部材１０８ｃ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。   If the switch SW is turned ON / OFF as described above, at least the voltage between the terminals of the piezoelectric member 108c can be boosted, so that charges can be stored even if the voltage of the power storage element C1 rises.

Ｄ．電子機器、移動手段及び電池
図１５は、発電装置１００を備えた電子機器２の一例の電気的な構造を示す図である。図１５に示される電子機器２は、構造物の健全性を判定するストラクチャヘルスモニタリングのセンサーノードとして用いられる。電子機器２は、センサー３０２と、センサー３０２が出力するデータを収集するマイクロプロセッサー３０３と、マイクロプロセッサー３０３が収集したデータを無線によって送信するトランスミッター３０４を含んで構成されている。センサー３０２は構造物の振動をモニタリングすることを目的に加速度センサーが用いられている。発電装置１００は、センサー３０２、マイクロプロセッサー３０３及びトランスミッター３０４に電力を供給する。 D. Electronic Device, Moving Unit, and Battery FIG. 15 is a diagram illustrating an electrical structure of an example of the electronic device 2 including the power generation device 100. The electronic device 2 shown in FIG. 15 is used as a sensor node for structure health monitoring that determines the soundness of a structure. The electronic device 2 includes a sensor 302, a microprocessor 303 that collects data output from the sensor 302, and a transmitter 304 that wirelessly transmits the data collected by the microprocessor 303. As the sensor 302, an acceleration sensor is used for the purpose of monitoring the vibration of the structure. The power generation apparatus 100 supplies power to the sensor 302, the microprocessor 303, and the transmitter 304.

図１５に示される電子機器２は構造物のコンクリートなどに埋め込んで利用するため、電池交換や充電などのメンテナンスが極めて困難である。しかしながら、電子機器２は構造物の振動を利用して発電できる発電装置１００を備えているので、メンテナンスを必要とせず、半永久的に動作できる。   Since the electronic device 2 shown in FIG. 15 is used by being embedded in a concrete or the like of a structure, maintenance such as battery replacement and charging is extremely difficult. However, since the electronic device 2 includes the power generation device 100 that can generate power using the vibration of the structure, it does not require maintenance and can operate semipermanently.

また、本発明の発電装置１００は振動や移動に応じて発電するため、例えば、橋梁や建築物あるいは地すべり想定箇所などに発電装置を設置すれば地震などの災害時に発電し、電子機器などのネットワーク手段に必要時（災害時）だけ電源供給することもできる。   In addition, since the power generation apparatus 100 of the present invention generates power in response to vibration or movement, for example, if a power generation apparatus is installed at a bridge, a building, or a landslide expected location, the power generation apparatus 100 generates power in the event of a disaster such as an earthquake. It is also possible to supply power to the means only when necessary (during a disaster).

なお、電子機器に限らず、本発明の発電装置１００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。例えば、自動車、自転車、電車、飛行機などの移動手段（移動装置）に本発明の発電装置１００を用いることで、移動に伴う振動によって発電し、移動手段に備わる機器に効率良く電力供給することもできる。   Note that the power generation device 100 of the present invention is not limited to an electronic device, and can be downsized, so that it can be installed in any device. For example, by using the power generation device 100 of the present invention for a moving means (moving apparatus) such as an automobile, a bicycle, a train, an airplane, etc., it is possible to generate electric power by vibration accompanying movement and efficiently supply power to the equipment provided in the moving means. it can.

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。例えば、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。   At this time, in order to cope with any vibration, a plurality of power generation devices 100 having different lengths of the beams 104 and different weights of the weights 106 may be incorporated in the moving means. For example, a plurality of power generation devices 100 may be configured as a power generation unit fixed to a common support end 102.

また、本発明の発電装置１００を電池の代わりに又は電池の補助としてリモコンや腕時計等の小型電子機器に組み込むこともできる。   Further, the power generation device 100 of the present invention can be incorporated in a small electronic device such as a remote controller or a wristwatch instead of the battery or as an auxiliary of the battery.

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１００が例えばボタン電池や乾電池と同じ形状の電池として構成され、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。   Furthermore, instead of being installed in a specific device or the like, the power generation apparatus 100 of the present invention may be configured as a battery having the same shape as, for example, a button battery or a dry battery, and may be used in general electronic devices. At this time, since the storage element can be charged by vibration, it can be used as a battery even in the event of a loss of power. Moreover, since the lifetime is longer than that of the primary battery, it is possible to reduce the environmental load from the viewpoint of life cycle.

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。   Although the present embodiment or modification has been described above, the present invention is not limited to the present embodiment or modification, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention.

例えば、上述した実施例では、圧電部材１０８ｃ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１０８ｃが取り付けられる部材は、振動などによって容易に繰り返し変形する部材であれば、どのような部材であっても構わない。例えば、薄膜の表面に圧電部材１０８ｃを取り付けても良いし、弦巻バネの側面に圧電部材１０８ｃを取り付けても構わない。   For example, in the above-described embodiment, the piezoelectric member 108c has been described as being attached to the beam 104 having the cantilever structure. However, the member to which the piezoelectric member 108c is attached may be any member as long as it can be easily and repeatedly deformed by vibration or the like. For example, the piezoelectric member 108c may be attached to the surface of the thin film, or the piezoelectric member 108c may be attached to the side surface of the string spring.

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。   The present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same objects and effects). In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that exhibits the same operational effects as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. Further, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.

２…電子機器、１００…発電装置、１０２…支持端、１０４…梁、１０６…錘、１０８ａ…第１電極、１０８ｂ…第２電極、１０８ｃ…圧電部材、１２０…整流回路、１３０…電圧検出部、１４０…制御部、３０２…センサー、３０３…マイクロプロセッサー、３０４…トランスミッター、Ｌ…インダクター、Ｃ０…容量成分、Ｃ１…蓄電素子、Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード、ＳＷ…スイッチ DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Electronic device, 100 ... Electric power generation apparatus, 102 ... Support end, 104 ... Beam, 106 ... Weight, 108a ... First electrode, 108b ... Second electrode, 108c ... Piezoelectric member, 120 ... Rectifier circuit, 130 ... Voltage detection part , 140, control unit, 302, sensor, 303, microprocessor, 304, transmitter, L, inductor, C0, capacitive component, C1, storage element, D1 to D4, diode, SW, switch

Claims (4)

圧電材料によって形成された圧電部材と、
前記圧電部材に設けられた一対の電極と、
前記圧電部材を繰り返し変形させる変形部材と、
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、
前記一対の電極に接続され、前記圧電部材が発生する交流電流を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力電流を蓄電する蓄電素子と、
前記圧電部材の電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部で検出される第１電圧が極大値又は極小値であるかを判断し、
前記第１電圧が極大値であると判断したとき、
前記第１電圧を検出した後に前記電圧検出部で検出される第２電圧が、前記極大値から基準電圧以上減少したときに前記スイッチを接続し、
前記第１電圧が極小値であると判断したとき、
前記第１電圧を検出された後に前記電圧検出部で検出される第２電圧が、前記極小値から前記基準電圧以上増加したときに前記スイッチを接続する制御部と、
を含み、
前記整流回路はダイオードを含む全波整流回路であり、
前記基準電圧は前記ダイオードの順方向降下電圧値の２倍以下である、発電装置。 A piezoelectric member formed of a piezoelectric material;
A pair of electrodes provided on the piezoelectric member;
A deformation member that repeatedly deforms the piezoelectric member;
An inductor which is provided between the pair of electrodes and forms a resonance circuit with a capacitive component of the piezoelectric member;
A switch connected in series to the inductor;
A rectifier circuit connected to the pair of electrodes and rectifying an alternating current generated by the piezoelectric member;
A storage element for storing the output current of the rectifier circuit;
A voltage detector for detecting the voltage of the piezoelectric member;
Determining whether the first voltage detected by the voltage detector is a maximum value or a minimum value;
When it is determined that the first voltage is a maximum value,
When the second voltage detected by the voltage detection unit after detecting the first voltage decreases from the maximum value by a reference voltage or more, the switch is connected,
When it is determined that the first voltage is a minimum value,
A control unit a second voltage detected by the voltage detection unit after detection of the first voltage, for connecting said switch when increased the reference voltage or more from the minimum value,
Only including,
The rectifier circuit is a full-wave rectifier circuit including a diode,
The power generation apparatus , wherein the reference voltage is not more than twice a forward voltage drop value of the diode . 請求項１に記載の発電装置を含む、電子機器。 An electronic device comprising the power generation device according to claim 1 . 請求項１に記載の発電装置を含む、移動手段。 A moving means comprising the power generator according to claim 1 . 請求項１に記載の発電装置を含む、電池。 A battery comprising the power generation device according to claim 1 .
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