JP5979369B2 - 発電装置、電子機器、移動手段、電池、及び、発電装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電装置、電子機器、移動手段、電池、及び、発電装置の制御方法等に関する。

チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）や、水晶（ＳｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの圧電材料は、外力を受けて変形すると、材料内部に電気分極が誘起されて表面に正負の電荷が現れる。このような現象は、いわゆる圧電効果と呼ばれている。圧電材料が有するこのような性質を利用して、片持ち梁を振動させて圧電材料に繰り返し加重を作用させ、圧電材料の表面に生じた電荷を電気として取り出す発電方法が提案されている。例えば、先端に錘を設けるとともに圧電材料の薄板を貼り付けた金属製の片持ち梁を振動させ、振動に伴って圧電材料に交互に生じる正負の電荷を取り出すことによって交流電流を発生させる。そして、この交流電流をダイオードによって整流した後、コンデンサーに蓄えておき、電力として取り出す技術が提案されている（特許文献１）。

このような技術を用いた発電装置では、片持ち梁に想定以上の力がかかることによって、片持ち梁が過度に振れた場合に、該片持ち梁が周辺の部材に衝突して破損する虞がある。このことを防止するために、片持ち梁を収容する筐体の内壁に弾性体を設けて、片持ち梁が筐体の内壁に衝突した際の衝撃を緩和する技術が提案されている（特許文献２）。

特開平７−１０７７５２号公報 特開２００３−２１８４１８号公報

しかし、提案されている従来の技術では、弾性体を設けるスペースを確保する必要があることから、発電装置を十分に小型化することが難しいという問題があった。

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、変形部材が過度に振れてしまうことを抑制することによって、変形部材を内蔵した発電装置を好適に小型化させることが可能な技術の提供を目的とする。

［適用例１］
本適用例の発電装置は、一対の電極を有する第１の圧電素子と、前記第１の圧電素子と積層された第２の圧電素子と、前記一対の電極間に電気的に接続されたスイッチと、前記第２の圧電素子に生じる電流を検出する電流検出部と、前記スイッチを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記電流検出部で検出される前記電流が、第１基準値以上になった場合及び第２基準値以下になった場合の少なくともいずれかの場合に、前記スイッチを所定期間電気的に接続する、発電装置である。

本適用例の発電装置では、第１の圧電素子が変形することによって、第１の圧電素子には、圧電効果によって正負の電荷が発生する。第１の圧電素子が繰り返し変形すると、正負の電荷も繰り返し発生し、該電荷を電流として取り出すことによって発電が行われる。また、第１の圧電素子と積層された第２の圧電素子が設けられているので、第１の圧電素
子の変形に合わせて第２の圧電素子も変形する。すなわち、第２の圧電素子には、第１の圧電素子の変形量に応じた電流が発生する。したがって、第２の圧電素子に生じる電流に基づいて第１の圧電素子の変形量を検出することが可能である。また、第２の圧電素子に生じる電流が第１基準値以上となった場合及び第２基準値以下になった場合の少なくともいずれかの場合に、スイッチを所定期間電気的に接続することによって、第１の圧電素子に設けられた一対の電極間を短絡状態にする。すなわち、第１の圧電素子の変形量が所定の大きさ以上になると、第１の圧電素子に設けられた一対の電極間を短絡状態とする。こうすると、圧電素子は一対の電極間を短絡させた状態では変形し難い性質を持つことから、第１の圧電素子の変形が抑制される。これによって、衝突時の衝撃を緩和させるための部材を設ける必要がなく、発電装置を小型化することが可能となる。また、第２の圧電素子は、第１の圧電素子を設ける工程と同様の工程で設けることができるので、生産性を高めることが可能となる。

［適用例２］
上述の発電装置において、前記スイッチと直列に接続されたインダクターをさらに備え、前記インダクターと前記第１の圧電素子とは、共振回路を構成し、前記制御部は、前記所定期間以外の期間では、前記第１の圧電素子の変形方向が切り換わるタイミングで前記スイッチを電気的に接続した後、所定の時間が経過するタイミングで前記スイッチを電気的に切断することが好ましい。

第１の圧電素子及び第２の圧電素子の電荷の発生量は、圧電素子の変形量が大きくなるほど多くなる。また、第１の圧電素子はインダクターととも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、スイッチが電気的に切断した状態で変形部材の変形を開始して、変形量が極値となるとき（すなわち変形方向が切り換わるとき）に、スイッチを電気的に接続する（導通状態とする）。第１の圧電素子は変形量が大きくなるほど多くの電荷を発生させるから、第１の圧電素子で発生した電荷が最も多くなったときに、第１の圧電素子がインダクターに接続されて共振回路を形成する。すると、第１の圧電素子に発生していた電荷がインダクターに流れ込む。そして、第１の圧電素子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、第１の圧電素子の反対側の端子に流れ込む。この期間（すなわち、第１の圧電素子の一方の端子から流れ出した電荷が、インダクターを介して反対側の端子から再び第１の圧電素子内に流れ込むまでの期間）は、第１の圧電素子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、第１の圧電素子の変形方向が切り換わったときにスイッチを接続して共振回路を形成し、その後、共振周期の半分の時間が経過したときにスイッチを切断すれば、インダクターを接続する前に第１の圧電素子内に発生していた正負の電荷の配置を逆転させることができる。そして、その状態から、今度は逆方向に第１の圧電素子を変形させれば、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第１の圧電素子内に電荷が蓄積される。また、第１の圧電素子内に電荷が蓄積されるにしたがって発生する電圧も増加するので、昇圧回路を別途用意しなくても、第１の圧電素子を構成する圧電材料の電気分極によって生じる電圧よりも高い電圧を発生させることができる。

［適用例３］
上述の発電装置において、前記制御部は、前記電流検出部で検出される前記電流に基づいて、前記第１の圧電素子の変形方向が切り換わるタイミングで前記スイッチを電気的に接続することが好ましい。

第１の圧電素子と第２の圧電素子とは積層されているので、第１の圧電素子の変形方向が切り換わるときには、第２の圧電素子の変形方向も切り換わる。そして、第２の圧電素子の変形方向が切り換わるタイミングは、第２の圧電素子が発生させる電荷による電流の
向きが切り換わるタイミング（電流が０となるタイミング）と一致する。したがって、第２の圧電素子に生じる電流を検出することによって、第１の圧電素子の変形方向が切り換わるタイミングで容易にスイッチを導通状態にできる。そして、制御部は、第１の圧電素子の変形方向の切り換わりから所定の時間だけスイッチを電気的に接続する（導通状態とする）ことで、第１の圧電素子内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。したがって、圧電効果を利用して、小型で効率的に高い電圧を発生させることが可能な発電装置を実現できる。

［適用例４］
上述の発電装置において、前記電流検出部は、前記第２の圧電素子と並列に接続された蓄電素子と、前記蓄電素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、を含むことが好ましい。

蓄電素子が第２の圧電素子と並列に接続されているので、第２の圧電素子に生じた電流と同位相の電流が蓄電素子に流れる。したがって、蓄電素子に流れる電流を検出することによって、第２の圧電素子が発生させる電荷による電流の向きが切り換わるタイミング（電流が０となるタイミング）を容易に検出できる。

［適用例５］
上述の発電装置において、変形方向を切り換えて変形する変形部材をさらに備え、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子は、前記変形部材を挟んで積層されていることが好ましい。

第１の圧電素子及び第２の圧電素子を、変形部材を挟んで積層することによって、例えば、薄膜法などの製造方法によって、第１の圧電素子及び第２の圧電素子を変形部材の両面に容易に形成できる。

［適用例６］
本適用例の電子機器は、上述の発電装置を用いた、電子機器である。

［適用例７］
本適用例の移動手段は、上述の発電装置を用いた、移動手段である。

［適用例８］
本適用例の電池は、上述の発電装置を用いた、電池である。

これらの適用例によれば、発電装置を電池に組み込んだり、電池の代わりに又は電池の補助としてリモコン等の電子機器に組み込んだりすることが可能であるため、電子機器の移動によって発電できる。また、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。

［適用例９］
本適用例の発電装置の制御方法は、一対の電極を有する第１の圧電素子と、前記第１の圧電素子と積層された第２の圧電素子と、前記一対の電極間に電気的に接続されたスイッチと、を備える発電装置の制御方法であって、前記第２の圧電素子に生じる電流を検出することと、前記電流が、第１基準値以上になった場合及び第２基準値以下になった場合の少なくともいずれかの場合に、前記スイッチを所定期間電気的に接続することと、を含む、発電装置の制御方法である。

本適用例によれば、第２の圧電素子に生じる電流が第１基準値以上となった場合及び第２基準値以下となった場合の少なくともいずれかの場合に、スイッチを所定期間電気的に接続することによって、第１の圧電素子に設けられた一対の電極間を短絡状態にする。すなわち、第１の圧電素子の変形量が所定の大きさ以上になると、第１の圧電素子に設けられた一対の電極間を短絡状態とする。こうすると、圧電素子は一対の電極間を短絡させた状態では変形し難い性質を持つことから、第１の圧電素子の変形が抑制される。これによって、第１の圧電素子が過度に変形することも抑制することができるので、衝突時の衝撃を緩和させるための部材を設ける必要がなく、発電装置を小型化することが可能となる。

本実施例の発電装置の構造を示した説明図である。 本実施例の発電装置の動作を示した説明図である。 本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。 本実施例の発電装置の動作原理の後半部分を概念的に示した説明図である。 スイッチがＯＮするタイミングが任意のタイミングであっても、圧電部材の端子間の電圧を昇圧させることが可能な理由を示す説明図である。 スイッチがＯＮするタイミングが任意のタイミングであっても、圧電部材の端子間の電圧を昇圧させることが可能な理由を示す説明図である。 スイッチがＯＮするタイミングが任意のタイミングであっても、圧電部材の端子間の電圧を昇圧させることが可能な理由を示す説明図である。 ＬＣ共振回路の共振周期の３／２倍の時間だけスイッチをＯＮにした場合の圧電部材の端子間の電圧波形を示した図である。 ＬＣ共振回路の共振周期の１／４倍の時間だけスイッチをＯＮにした場合の圧電部材の端子間の電圧波形を示した図である。 第２の圧電素子に生じる電流を検出することによってスイッチＳＷ１を適切なタイミングで制御可能な理由を示す説明図である。 第１の圧電素子に振動を与えた場合の第１の圧電素子の変位を示す説明図である。 第２の圧電素子に生じる電流が第１基準値以上になった場合及び第２基準値以下になった場合にスイッチを接続することによって、第１の圧電素子の変形が抑制される様子を示す説明図である。 本実施例における発電装置の制御方法の一例としてのスイッチ制御処理を説明するためのフローチャート。 電流検出回路の構成の一例を示すブロック図。 第１変形例の発電装置１００ａの構造を示す図。 第２変形例の発電装置１００ｂの圧電素子の配置を示した説明図である。 第２変形例の発電装置１００ｂの電気的な構造を示した説明図である。 第３変形例の発電装置１００ｃの電気的な構造を示した説明図である。 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。

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。用いる図面は説明の便宜上のものである。なお、以下に説明する実施例は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

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

Ａ．実施例：
Ａ−１．発電装置の構造：
Ａ−２．発電装置の動作：
Ａ−３．発電装置の動作原理：
Ａ−４．スイッチの切換タイミング：
Ｂ．第１変形例：
Ｃ．第２変形例：
Ｄ．第３変形例：
Ｅ．電子機器、移動手段及び電池

Ａ．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は、一対の電極を有する第１の圧電素子１０８と、第１の圧電素子１０８と積層された第２の圧電素子１１０と、前記一対の電極間に電気的に接続されたスイッチＳＷ１と、第２の圧電素子１１０に生じる電流を検出する電流検出部１３０と、スイッチＳＷ１を制御する制御部１４０と、を備える。制御部１４０は、電流検出部１３０で検出される電流が、第１基準値以上になった場合及び第２基準値以下になった場合の少なくともいずれかの場合に、スイッチＳＷ１を所定期間電気的に接続する。

本実施例の発電装置１００の機械的な構造は、積層された第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０の一端が、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。第１の圧電素子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一対の第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。第２の圧電素子１１０は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料によって形成された圧電部材１１０ｃと、圧電部材１１０ｃの表面に金属薄膜によって形成された一対の第１電極（上部電極）１１０ａ及び第２電極（下部電極）１１０ｂとを含んで構成されている。第１電極（上部電極）１１０ａ及び第２電極（下部電極）１１０ｂは、圧電部材１１０ｃを挟んで対向配置されている。図１（ａ）に示す例では、第１の圧電素子１０８の第２電極１０８ｂと第２の圧電素子１１０の第１電極１１０ａとは、互いに絶縁されて積層されている。図１（ａ）に示す例では、第１の圧電素子１０８と第２の圧電素子１１０とは同じ形状を有しているが、必ずしも同じ形状でなくてもよい。例えば、第１の圧電素子１０８が設置可能な最大の長さ（支持端１０２から遠ざかる方向への長さ）と幅（支持端１０２から遠ざかる方向に対する幅）であれば、第１の圧電素子１０８の発電量は大きくなる。一方、第２の圧電素子１１０が設置可能な最小の幅であれば、第２の圧電素子１１０による変位抵抗が低減するため、発電効率が良くなる。

第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０は、一端が支持端１０２に固定されているので、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、支持端１０２から遠い側の先端が大きく振動する。その結果、第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０には、圧縮力及び引張力が交互に作用する。すると、第１の圧電素子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。同様に、第２の圧電素子１１０の圧電部材１１０ｃは圧電効果によって正負の電荷を発生し、その電荷が第１電極１１０ａ及び第２電極１１０ｂに現れ
る。

図１（ｂ）には、本実施例の発電装置１００の回路図が例示されている。第１の圧電素子１０８の一対の電極である第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間には、スイッチＳＷ１が設けられている。また、図１（ｂ）に示す例では、インダクターＬ１がスイッチＳＷ１と直列に接続されている。第１の圧電素子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）Ｃｇ１として表すことができる。インダクターＬ１は、圧電部材１０８ｃに対して並列に接続されて、第１の圧電素子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Ｌ１は、圧電部材１０８ｃの容量成分Ｃｇ１とともに電気的な共振回路を形成している。第２の圧電素子１１０の圧電部材１１０ｃ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）Ｃｓ１として表すことができる。

電流検出部１３０は、第２の圧電素子１１０に生じる電流を検出する。図１（ｂ）に示す例では、電流検出部１３０は、第２の圧電素子１１０と並列に接続された蓄電素子１３２と、蓄電素子１３２に流れる電流を検出する電流検出回路１３４とを含んで構成されている。

制御部１４０は、スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦを制御する。制御部１４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含んで構成されていてもよい。制御部１４０は、電流検出部１３０で検出される電流が第１基準値Ｉｒｅｆ１以上となった場合及び第２基準値Ｉｒｅｆ２以下となった場合の少なくともいずれかの場合に、スイッチＳＷ１を所定期間電気的に接続する。また、制御部１４０は、前記所定期間以外の期間では、第１の圧電素子１０８の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチＳＷ１を電気的に接続した後、所定の時間が経過するタイミングでスイッチＳＷ１を電気的に切断してもよい。また、制御部１４０は、電流検出部１３０で検出される電流に基づいて、第１の圧電素子１０８の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチＳＷ１を電気的に接続してもよい。電流検出部１３０及び制御部１４０の動作の詳細については後述される。

また、第１の圧電素子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、第１の圧電素子１０８が発生させる電流を整流する整流回路１２０に接続されている。本実施例においては、整流回路１２０は、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４から構成される全波整流回路である。整流回路１２０を全波整流回路で構成することによって、第１の圧電素子１０８から発生した電荷を効率よく引き出して、効率よく発電することができる。さらに、整流回路１２０には、電気負荷を駆動するために、整流後の電流を蓄えておく蓄電素子（出力用コンデンサー）Ｃ１が接続されている。すなわち、蓄電素子Ｃ１は、整流回路１２０を介して第１の圧電素子１０８と並列に接続されている。なお、蓄電素子Ｃ１は必須の構成ではなく、必要に応じて設ければよい。

一方、第２の圧電素子１１０はスイッチＳＷ１を制御するために設けられており、第２の圧電素子１１０に設けられた第１電極１１０ａ及び第２電極１１０ｂは、電流検出部１３０に接続されている。したがって、以下では、第１の圧電素子１０８を「発電用の圧電素子」と称し、第２の圧電素子１１０を「制御用の圧電素子」と称することがあるものとする。

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、第１の圧電素子１０８の振動に伴って、第１の圧電素子１０８の先端（支持端１０２から遠い側の端部）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、第１の圧電素子１０８が上向きに反った状態（第１の圧電素子１０８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、第１の圧電素子１０８が下向きに反った状態（第１の圧電素子１０８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、第１の圧電素子１０８の変形に伴って、圧電部材１０８ｃに生じる電流の様子と、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。

なお、図１を用いて前述したように、第１の圧電素子１０８と積層された第２の圧電素子１１０も設けられており、第１の圧電素子１０８が変形すると、圧電部材１１０ｃも圧電部材１０８ｃと同様に変形する。したがって、圧電部材１１０ｃの内部にも、圧電部材１０８ｃと全く同様に、図２（ｂ）に示す電流Ｉｐｚｔと同様の電流Ｉｐｚｔ２、及び、図２（ｂ）に示す電圧Ｖｐｚｔと同様の電圧Ｖｐｚｔ２が発生する。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、第１の圧電素子１０８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、第１の圧電素子１０８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ＳＷ１をＯＦＦにしたままでも、図２（ｂ）中に斜線を付して示した部分については、蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えることができる。

一定時間に圧電部材１０８ｃから取り出せる電荷量（発電効率）はスイッチＳＷ１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、第１の圧電素子１０８の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチＳＷ１がＯＮする場合に発電効率が最大となる。以下では、まず発電効率が最大となる場合の動作について説明する。

制御部１４０が、図２（ｃ）に示すタイミングでＳＷ１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ＳＷ１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。

図２（ｂ）に示したスイッチＳＷ１をＯＦＦにしたままの場合と、図２（ｄ）に示したように、第１の圧電素子１０８の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチＳＷ１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ＳＷ１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、本実施例の発電装置１００は、スイッチＳＷ１を適切なタイミングでＯＮにするために、制御用の第２の圧電素子１１０を設けておき、第２の圧電素子１１０に生じた電流を検出してスイッチＳＷ１を制御している。この点については、後ほど詳しく説明する。

また、蓄電素子Ｃ１に電荷が蓄えられて、蓄電素子Ｃ１の端子間電圧が増加すると、それにしたがって電圧波形のシフト量も大きくなる。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。

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ＳＷ１をＯＮにしたときのＣｇ１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（正確には第１の圧電素子１０８）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、Ｃｇ１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ＳＷ１をＯＮにする。

図３（ｃ）には、スイッチＳＷ１をＯＮにした直後の状態が示されている。Ｃｇ１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Ｌ１に流れようとする。インダクターＬ１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Ｌ１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ＳＷ１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Ｌ１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ＳＷ１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Ｌ１を流れる電流は少しずつしか増加しない。

その後、インダクターＬ１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Ｌ１を貫く磁束が減少するので、インダクターＬ１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Ｃｇ１から電荷を引き抜きながら、インダクターＬ１を電流が流れ続ける。そして、電荷の移動の途中で損失が発生しなければ、圧電部材１０８ｃの変形によって生じた全ての電荷が移動して、ちょうど正負の電荷が置き換わったような状態（すなわち、圧電部材１０８ｃの下面側に正電荷が分布し、上面側に負電荷が分布した状態）となる。図３（ｆ）には、圧電部材１０８ｃの変形によって生じた正負の電荷が全て移動した状態が表されている。

仮に、このままスイッチＳＷ１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Ｌ１に流れようとして、このときインダクターＬ１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Ｌ１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Ｌ１に発生する。その結果、圧電部材１０８ｃの下面側にあった全ての正電荷が上面側に移動した状態（図３（ｂ）に示した状態）となる。こうして圧電部材１０８ｃの上面側に戻った正電荷は、再び、図３（ｂ）〜図３（ｆ）を用いて前述したようにして、下面側に移動する。

このように、Ｃｇ１に電荷が蓄えられた状態でスイッチＳＷ１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Ｌ１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Ｃｇ１の大きさ（キャパシタンス）をＣ、インダクターＬ１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ＳＷ１をＯＮにした直後（図３（ｃ）に示した状態）から、図３（ｆ）に示した状態となるまでの時間は、Ｔ／２となる。

そこで、スイッチＳＷ１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ＳＷ１をＯＦＦにする。そしてこの状態から、圧電部材１０８ｃ（正確には第１の圧電素子１０８）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Ｃｇ１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（正確には第１の圧電素子１０８）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ＳＷ１をＯＦＦにした状態で圧電部材１０８ｃ（正確には第１の圧電素子１０８）を変形させることによって、圧電部材１０８ｃに新たな電荷が蓄積された状態が示されている。

そして、この状態からスイッチＳＷ１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Ｌ１に流れようとする。このときインダクターＬ１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Ｌ１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ＳＷ１をＯＮにした後、時間Ｔ／２が経過したらスイッチＳＷ１をＯＦＦにして、今度は圧電部材１０８ｃ（正確には第１の圧電素子１０８）
を上向きに（上面側が凹となるように）変形させれば、圧電部材１０８ｃ内にさらに正負の電荷を蓄積することができる。

以上に説明したように本実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８ｃを変形させて電荷を発生させた後、圧電部材１０８ｃをインダクターＬ１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Ｌ１に接続して、圧電部材１０８ｃ内での正負の電荷の分布を反転させた後、圧電部材１０８ｃを逆方向に変形させる。このような動作を繰り返すことで、圧電部材１０８ｃを繰り返し変形させる度に、圧電部材１０８ｃに蓄積された電荷を増加させることができる。

図２を用いて前述したように本実施例の発電装置１００では、スイッチＳＷ１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（正確には第１の圧電素子１０８）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、第１の圧電素子１０８の変形がピークになった時点でスイッチＳＷ１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Ｌ１を介して移動して、圧電部材１０８ｃ内での正負の電荷の配置が入れ代わる。

そして、正負の電荷の配置が入れ代わった状態から第１の圧電素子１０８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、第１の圧電素子１０８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ＳＷ１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、その状態から第１の圧電素子１０８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、第１の圧電素子１０８の変形による電圧波形をシフトさせたような電圧波形が現れることになる。

また、図２を用いて前述したように本実施例の発電装置１００では、第１の圧電素子１０８が変形を繰り返しているうちに、電圧波形のシフト量が次第に大きくなるという現象も発生する。このため、圧電部材１０８ｃの圧電効果によって第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電位差よりも高い電圧を、蓄電素子Ｃ１に蓄えることができるという大きな効果を得ることができる。このような現象は、次のようなメカニズムによって生じる。

先ず、図２（ｄ）中の期間Ａあるいは期間Ｂに示したように、Ｃ１が充電されていない場合は、圧電部材１０８ｃの端子間で発生する電圧が、整流回路１２０の２Ｖｆを超える
と、圧電部材１０８ｃから蓄電素子Ｃ１に電荷が流れ込むので、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に現れる電圧は、２Ｖｆでクリップされている。しかし、こうして蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えるにしたがって蓄電素子Ｃ１の端子間の電圧が増加していく。すると、それ以降は、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間の電圧がＶＣ１と２Ｖｆとの和よりも高い電圧になって始めて、圧電部材１０８ｃから電荷が流れ込むようになる。このため、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間の電圧がクリップされる値が、蓄電素子Ｃ１に電荷が蓄えられるにしたがって次第に上昇していく。

加えて、図３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（正確には第１の圧電素子１０８）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Ｌ１やスイッチＳＷ１を流れる際の損失などを考えなければ、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間の電圧を大きくすることができる。このため、本実施例の発電装置１００によれば、特別な昇圧回路を設けなくても、電気負荷の駆動に必要な電圧まで自然に昇圧させた状態で、発電することが可能となる。

Ａ−４．スイッチの切換タイミング：
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（正確には第１の圧電素子１０８）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Ｌ１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ＳＷ１の動作速度などの事情から、制御部１４０がスイッチＳＷ１をＯＮするタイミングは、第１の圧電素子１０８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ＳＷ１がＯＮするタイミングが第１の圧電素子１０８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、第１の圧電素子１０８と第２の圧電素子１１０との積層体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ＳＷ１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。

図５（ａ）は、仮に、第１の圧電素子１０８の変形方向が切り替わる時刻ｔ１でスイッチＳＷ１をＯＮした後ＯＦＦしない場合の、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎの様子を示している。図５（ｂ）は、図５（ａ）の時刻ｔ１以降を拡大したものである。なお、図５の例では、整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。

時刻ｔ１において、Ｖｇｅｎはピークになっており、スイッチＳＷ１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ＳＷ１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Ｃｇ１の正負の電荷が入れ替わったときの電圧値であるから、Ｖｐ１の絶対値が大きいほどＶｐ２の絶対値も大きくなる。したがって、Ｖｐ１の絶対値が大きいほどＶｇｅｎのシフト量も大きくなる。

図６は、第１の圧電素子１０８の変形方向が切り替わるタイミング毎にスイッチＳＷ１がＴ／２だけＯＮする場合の、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧
Ｖｇｅｎの様子を示している。なお、図６の例でも、整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。圧電部材１０８ｃが発生させる起電力による電圧Ｖｐｚｔの振幅が一定とすると、図６に示すように、最初にＶｇｅｎが正のピーク値となる電圧値Ｖ_１となるタイミングでスイッチＳＷ１がＴ／２だけＯＮすると、ＶｇｅｎはＶ_１＋Ｖａだけマイナス方向にシフトする。すると、２回目にスイッチＳＷ１がＯＮするときのＶｇｅｎの電圧値Ｖ_２＝−（Ｖａ＋２Ｖ_１）であり、スイッチＳＷ１がＴ／２だけＯＮするとＶｇｅｎはＶｂ＋Ｖａ＋２Ｖ_１だけプラス方向にシフトする。同様に、３回目にスイッチＳＷ１がＯＮするときのＶｇｅｎの電圧値Ｖ_３＝Ｖｂ＋２Ｖ_１であり、スイッチＳＷ１がＴ／２だけＯＮするとＶｇｅｎはＶｃ＋Ｖｂ＋２Ｖ_１だけマイナス方向にシフトする。同様に、４回目にスイッチＳＷ１がＯＮするときのＶｇｅｎの電圧値Ｖ_４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ_１）であり、スイッチＳＷ１がＴ／２だけＯＮするとＶｇｅｎはＶｄ＋Ｖｃ＋２Ｖ_１だけプラス方向にシフトする。同様に、５回目にスイッチＳＷ１がＯＮするときのＶｇｅｎの電圧値Ｖ_５＝Ｖｄ＋２Ｖ_１である。ここで、Ｖ_２＝−（Ｖａ＋２Ｖ_１）であるから、明らかに｜Ｖ_２｜＞｜Ｖ_１｜である。そして、Ｖ_１，Ｖ_２は図５（ｂ）のＶｐ１に対応する電圧値、Ｖａ，Ｖｂは図５（ｂ）のＶｐ２に相当する電圧値であり、｜Ｖ_２｜＞｜Ｖ_１｜であるから必ずＶｂ＞Ｖａとなる。すると、Ｖ_２＝−（Ｖａ＋２Ｖ_１），Ｖ_３＝Ｖｂ＋２Ｖ_１であり、Ｖｂ＞Ｖａであるから｜Ｖ_３｜＞｜Ｖ_２｜である。同様に、｜Ｖ_３｜＞｜Ｖ_２｜であるから必ずＶｃ＞Ｖｂとなり、Ｖ_３＝Ｖｂ＋２Ｖ_１，Ｖ_４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ_１）であり、Ｖｃ＞Ｖｂであるから｜Ｖ_４｜＞｜Ｖ_３｜である。同様に、｜Ｖ_４｜＞｜Ｖ_３｜であるから必ずＶｄ＞Ｖｃとなり、Ｖ_４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ_１），Ｖ_５＝Ｖｄ＋２Ｖ_１であり、Ｖｄ＞Ｖｃであるから｜Ｖ_５｜＞｜Ｖ_４｜である。要するに、第１の圧電素子１０８の変形方向が切り替わるタイミングでスイッチＳＷ１がＴ／２だけＯＮすることによって、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎの絶対値は｜Ｖ_１｜＜｜Ｖ_２｜＜｜Ｖ_３｜＜｜Ｖ_４｜＜｜Ｖ_５｜＜・・・と昇圧していく。

第１の圧電素子１０８の変形方向が切り替わるタイミングとスイッチＳＷ１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、第１の圧電素子１０８の変形方向が切り替わるタイミングの後ろでスイッチＳＷ１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、第１の圧電素子１０８の変形方向が切り替わるタイミングの前でスイッチＳＷ１がＴ／２だけＯＮする場合に第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎの様子を示している。なお、図７（ａ）、図７（ｂ）の例でも、整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。

図７（ａ）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ＳＷ１がＯＮするときの電圧値Ｖ_１に対して、２回目にスイッチＳＷ１がＯＮするときの電圧値Ｖ_２＝−（Ｖａ＋２Ｖ_１）、３回目にスイッチＳＷ１がＯＮするときの電圧値Ｖ_３＝Ｖｂ＋２Ｖ_１、４回目にスイッチＳＷ１がＯＮするときの電圧値Ｖ_４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ_１）、５回目にスイッチＳＷ１がＯＮするときの電圧値Ｖ_５＝Ｖｄ＋２Ｖ_１、・・・となる。ここで、Ｖ_２，Ｖ_３，Ｖ_４，Ｖ_５，・・・は、それぞれ図６の場合のＶ_２，Ｖ_３，Ｖ_４，Ｖ_５，・・・と同じ式で表されるので、やはりＶ_２＞Ｖ_１、Ｖ_３＞Ｖ_２、Ｖ_４＞Ｖ_３、Ｖ_５＞Ｖ_４、・・・となる。したがって、第１の圧電素子１０８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ＳＷ１をＴ／２だけＯＮしても、Ｖｇｅｎは｜Ｖ_１｜＜｜Ｖ_２｜＜｜Ｖ_３｜＜｜Ｖ_４｜＜｜Ｖ_５｜＜・・・と昇圧していく。ただし、電圧値Ｖ_１が高いほど、Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄ，・・・が大きくなるので、図６の例の方が、図７（ａ）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。

なお、第１の圧電素子１０８の変位が０（Ｖｇｅｎが０）となるタイミングでスイッチＳＷ１がＴ／２だけＯＮする場合（図７（ａ）及び図７（ｂ）でＶ_１＝０の場合）は、Ｌ
Ｃ共振回路の共振が起こらずＶｇｅｎは昇圧しない。

以上に説明したように、スイッチＳＷ１がＯＮするタイミングが任意のタイミング（ただし、第１の圧電素子１０８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ＳＷ１をＯＮにすることで、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧を昇圧させることができる。

なお、発電効率を高めるために、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔの半分の時間だけスイッチＳＷ１をＯＮにすることが望ましいが、所定の時間だけスイッチＳＷ１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、第１の圧電素子１０８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ＳＷ１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ＳＷ１をＯＮにして時刻ｔ３でスイッチＳＷ１をＯＦＦにする場合に対応する。なお、図８の例でも、整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。

図８の例では、図６の例と同様に、Ｖｇｅｎは、最初にスイッチＳＷ１がＯＮするときの電圧値Ｖ_１に対して、２回目にスイッチＳＷ１がＯＮするときの電圧値Ｖ_２＝−（Ｖａ＋２Ｖ_１）、３回目にスイッチＳＷ１がＯＮするときの電圧値Ｖ_３＝Ｖｂ＋２Ｖ_１、４回目にスイッチＳＷ１がＯＮするときの電圧値Ｖ_４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ_１）、５回目にスイッチＳＷ１がＯＮするときの電圧値Ｖ_５＝Ｖｄ＋２Ｖ_１、・・・となり、Ｖｇｅｎは｜Ｖ_１｜＜｜Ｖ_２｜＜｜Ｖ_３｜＜｜Ｖ_４｜＜｜Ｖ_５｜＜・・・と昇圧していく。ただし、電圧値Ｖ_１が高いほど、Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄ，・・・が大きくなるので、図６の例の方が、図８の例よりもＶｇｅｎが昇圧するスピードが速く、発電効率が高い。

一方、図９は、第１の圧電素子１０８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ＳＷ１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ＳＷ１をＯＮにして時刻（ｔ１＋ｔ２）／２でスイッチＳＷ１をＯＦＦにする場合に対応する。なお、図９の例でも、整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。

図９の例では、Ｖｇｅｎは、最初にスイッチＳＷ１がＯＮするときの電圧値Ｖ_１に対して、２回目にスイッチＳＷ１がＯＮするときの電圧値Ｖ_２＝−２Ｖ_１、３回目にスイッチＳＷ１がＯＮするときの電圧値Ｖ_３＝２Ｖ_１、４回目にスイッチＳＷ１がＯＮするときの電圧値Ｖ_４＝−２Ｖ_１、５回目にスイッチＳＷ１がＯＮするときの電圧値Ｖ_５＝２Ｖ_１、・・・となる。すなわち、Ｖｇｅｎは２Ｖ_１まで昇圧できるが、２Ｖ_１を超えての昇圧はされない。

同様に、第１の圧電素子１０８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ＳＷ１をＯＮにした場合もＶ_２＝−２Ｖ_１、Ｖ_３＝２Ｖ_１、Ｖ_４＝−２Ｖ_１、Ｖ_５＝２Ｖ_１、・・・となり、Ｖｇｅｎは２Ｖ_１まで昇圧できるが、２Ｖ_１を超えての昇圧はされない。

以上より、ＬＣ共振回路の共振によって、少なくとも、ＶｇｅｎがスイッチＳＷ１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ＳＷ１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ＳＷ１をＯＮする所定の時間を、少なくとも、（ｎ＋１／４）Ｔより長く（ｎ＋３／４）Ｔよりも短い時間（ｎは０以上の任意の整数）に設定すれば、Ｖｇｅｎを効率よく昇圧させることが
できる。

前述したように、ＬＣ共振回路の共振周期Ｔの１／２の時間だけスイッチＳＷ１をＯＮするのが、スイッチＳＷ１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、第１の圧電素子１０８と第２の圧電素子１１０との積層体の固有振動周期と一致する周期でスイッチＳＷ１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ＳＷ１をＯＦＦにする。

もっとも、第１の圧電素子１０８の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチＳＷ１をＯＮにすることは、それほど容易なことではない。例えば、第１の圧電素子１０８の変形方向が切り換わるタイミングは、第１の圧電素子１０８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、第１の圧電素子１０８が最大変位となったタイミングでスイッチＳＷ１が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、第２の圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２を検出することによって、スイッチＳＷ１をＯＮにする。第２の圧電素子１１０の変形方向が切り換わるタイミングは、第２の圧電素子１１０が発生させる電荷による電流Ｉｐｚｔ２の向きが切り換わるタイミング（電流値が０となるタイミング）と一致する。したがって、第２の圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２を検出することによって、第１の圧電素子１０８の変形方向が切り換わるタイミングで容易にスイッチＳＷ１をＯＮ（導通状態）にできる。

図１０は、第２の圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２を検出することによって（すなわち、電流検出部１３０で検出される電流に基づいて）、スイッチＳＷ１を適切なタイミングで制御可能な理由を示す説明図である。図１０（ａ）には、第１の圧電素子１０８の変位が示されている。また、図１０（ｂ）には、第１の圧電素子１０８の振動に伴って、第２の圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２が変化する様子が示されている。

図３〜図９を用いて前述したように、第１の圧電素子１０８の変位ｕが極値に達したタイミングでスイッチＳＷ１をＯＮにした場合に、最も効率よく発電することができる。そして、図１０（ａ）と図１０（ｂ）とを比較すれば明らかなように、第１の圧電素子１０８の変位ｕが極値となるのは、第２の圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２が０となるタイミングと一致する。その理由は、第２の圧電素子１１０は、インダクターＬ１や蓄電素子Ｃ１と接続していないため、電荷の増減が第２の圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２の変化に直接反映されるからである。

そこで、図１０（ｂ）に白抜き矢印で示したように、第２の圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２が０となるタイミングを検出して、そのタイミングから、所定の時間（例えば、前述したＬＣ共振回路の共振周期Ｔの半分の時間（Ｔ／２））だけスイッチＳＷ１をＯＮにしてやれば、効率よく発電することが可能となる。

図１１は、第１の圧電素子１０８に振動を与えた場合の第１の圧電素子１０８の変位を示す説明図であり、第１の圧電素子１０８の振動に伴って、第１の圧電素子１０８の先端の変位ｕが変化する様子が示されている。図１１中の実線はスイッチＳＷ１がＯＦＦの場合の第１の圧電素子１０８の変位を示しており、破線はスイッチＳＷ１がＯＮの場合、すなわち第１の圧電素子１０８の第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとがスイッチＳＷ１を介して短絡している場合の第１の圧電素子１０８の変位を示している。なお、図１１中のスイッチＳＷ１がＯＦＦの場合（実線）とスイッチＳＷ１がＯＮの場合（破線）とでは、互いに同じ力が第１の圧電素子１０８に加えられている。図１１の破線と実線とを比較すれば明らかなように、スイッチＳＷ１をＯＦＦにした場合よりも、スイッチＳＷ１をＯ
Ｎにして第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとを短絡した場合の方が、第１の圧電素子１０８の変形は抑制される。この理由は、圧電素子１０８の第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間を短絡させた状態では、圧電部材１０８ｃの表面に発生した電荷が短絡した第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間を流れることによって、圧電部材１０８ｃや第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間の抵抗成分でその電荷が電力消費されるため、第１の圧電素子１０８の変形にブレーキがかかり、変形し難くなるからである。

本実施例の発電装置１００では、第１の圧電素子１０８のこのような性質を利用して、第１の圧電素子１０８の変形量を制御している。すなわち、第２の圧電素子１１０は第１の圧電素子１０８と積層されて設けられており、これらは同程度に変形するものであることから、第１の圧電素子１０８の変形量が大きくなる程、第２の圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２の絶対値は大きくなる。そして、電流Ｉｐｚｔ２が第１基準値Ｉｒｅｆ１以上になった場合及び第２基準値Ｉｒｅｆ２以下となった場合の少なくともいずれかの場合に、スイッチＳＷ１をＯＮにして第１の圧電素子１０８の第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとを短絡することよって、第１の圧電素子１０８が所定の変形量以上に変形することを抑制する。第１基準値Ｉｒｅｆ１の絶対値と第２基準値Ｉｒｅｆ２の絶対値は、等しい値に設定してもよいし、異なる値に設定してもよい。

図１２は、第２の圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２が第１基準値Ｉｒｅｆ１以上になった場合及び第２基準値Ｉｒｅｆ２以下になった場合にスイッチＳＷ１を接続することによって、第１の圧電素子１０８の変形が抑制される様子を示す説明図である。図１２（ａ）には、第１の圧電素子１０８の変位が示されている。また、図１２（ｂ）には、第１の圧電素子１０８の振動に伴って、第２の圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２が変化する様子が示されている。図１２（ｂ）に示すように、第２の圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２はタイミングｔ１で第１基準値Ｉｒｅｆ１に到達している。このタイミングｔ１は、図１２（ａ）に示すように、第１の圧電素子１０８が変形する速度が一定値以上になっているタイミングである。そして、図１２（ｃ）に示すように、タイミングｔ１でスイッチＳＷ１を所定期間ＯＮにして第１の圧電素子１０８の第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとを短絡することよって、第１の圧電素子１０８が変形することを抑制する。すなわち、スイッチＳＷ１をＯＮにしなければ図１２（ａ）に破線で示すように大きく変形していたところを、スイッチＳＷ１をＯＮにして第１の圧電素子１０８の変形を実線で示す程度まで抑制している。また、図１２（ｂ）に示すように、第２の圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２はタイミングｔ２で第２基準値Ｉｒｅｆ２に到達している。このタイミングｔ２は、図１２（ａ）に示すように、第１の圧電素子１０８が変形する速度が一定値以上になっているタイミングである。そして、図１２（ｃ）に示すように、タイミングｔ２でスイッチＳＷ１を所定期間ＯＮにして第１の圧電素子１０８の第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとを短絡することよって、第１の圧電素子１０８が変形することを抑制する。すなわち、スイッチＳＷ１をＯＮにしなければ図１２（ａ）に破線で示すように大きく変形していたところを、スイッチＳＷ１をＯＮにして第１の圧電素子１０８の変形を実線で示す程度まで抑制している。

また、第２の圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２は、第２の圧電素子１１０（及び第１の圧電素子１０８）が変形する速度に比例した大きさの電流値になるので、第１の圧電素子１０８の変位が大きくなる前のタイミングでスイッチＳＷ１を接続するか否かを判定できる。したがって、例えば、第１の圧電素子１０８の変位そのものを検出する場合や、第１の圧電素子１０８の変位に比例して変化する第２の圧電素子１１０に生じる電圧を検出する場合に比べて、より確実に第１の圧電素子１０８の変形を抑制できる。

以上のように、第１の圧電素子１０８の変形量を制御することができるので、第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０の周辺に配置されている部材や筐体に第１の圧電
素子１０８及び第２の圧電素子１１０が衝突することを防止できる。その結果、該衝突の衝撃を緩衝するための緩衝部材を配置する必要がなくなり、発電装置１００を小型化することが可能となる。

図１３は、本実施例における発電装置１００の制御方法の一例としてのスイッチ制御処理を説明するためのフローチャートである。本実施例における発電装置１００の制御方法は、第２の圧電素子１１０に生じる電流を検出することと、検出された電流が第１基準値Ｉｒｅｆ１以上となった場合及び第２基準値以下となった場合の少なくともいずれかの場合に、スイッチＳＷ１を所定期間接続することと、を含む。また、本実施例における発電装置１００の制御方法は、前記所定期間以外の期間では、第１の圧電素子１０８の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチＳＷ１を接続した後、所定の時間が経過するタイミングでスイッチＳＷ１を切断することと、を含んでもよい。

図１３に示すスイッチ制御処理において、まず、電流検出部１３０は、第２の圧電素子１１０に生じる電流を検出する（ステップＳ１００）。本実施例においては、電流検出部１３０の電流検出回路１３４が、蓄電素子１３２に流れる電流を検出することによって、第２の圧電素子１１０に生じる電流を検出する。図１（ｂ）に示すように、蓄電素子１３２は圧電素子１１０と並列に接続されているので、第２の圧電素子１１０に生じた電流と同位相の電流が蓄電素子１３２に流れる。したがって、蓄電素子１３２に流れる電流を検出することによって、第２の圧電素子１１０が発生させる電荷による電流の向きが切り換わるタイミング（電流が０となるタイミング）を容易に検出できる。

図１４は、電流検出回路１３４の構成の一例を示すブロック図である。

電流検出器１３４１は一般的に知られている、例えばホール素子型電流センサーやシャント抵抗などを用いることができる。

増幅回路１３４２は、電流検出器１３４１の出力信号（Ｉｄ）を所定のゲインで増幅する。絶対値回路１３４３は、増幅回路１３４２の出力信号（Ｉｄａｍｐ）の絶対値信号を出力する。なお、増幅回路１３４２及び絶対値回路１３４３は必須の回路ではなく、比較器１３４４による電流有無の検出が容易に行えるように入れてある。

比較器１３４４は、絶対値回路１３４３の出力信号（Ｉａｂｓ）を２値化（パルス化）して出力する。この比較器１３４４の出力信号（Ｉｐｌｓ）の立ち下がりエッジのタイミングで、蓄電素子１３２に流れる電流が０になる。なお、電流が０ではなく、少し流れている状態で検出するようにしてもよい。これは無電流時にノイズ等で比較器１３４４が誤動作を起こすことを防止するためである。ここでの余裕を多くとると検出タイミングがずれることによって発電効率が悪化するので、できるだけノイズを低減し、電流が０に近いタイミングで検出することが望ましい。

図１３に示すスイッチ制御処理において、ステップＳ１００の後に、ステップＳ１００で検出された電流値が０クロスしたか否かを判定する（ステップＳ１０２）。本実施例においては、電流検出部１３０の電流検出回路１３４の出力信号（Ｉｐｌｓ）に基づいて、制御部１４０がステップＳ１０２の判定を行う。

電流検出部１３０で検出される電流の電流値が０クロスした場合（ステップＳ１０２でＹＥＳの場合）には、制御部１４０は、スイッチＳＷ１をＯＮ状態に切り換える（ステップＳ１０４）。本実施例においては、制御部１４０がスイッチＳＷ１に対して制御信号を出力することによってスイッチＳＷ１をＯＮ状態に切り換える。

ステップＳ１０４の後に、制御部１４０は、タイマーをスタートする（ステップＳ１０６）。本実施例においては、制御部１４０がタイマーを有していてもよい。

ステップＳ１０６の後に、制御部１４０は、第１の圧電素子１０８の容量成分Ｃｇ１とインダクターＬ１とによって構成される共振回路の共振周期Ｔの１／２の時間（Ｔ／２）が経過したか否かを判定する（ステップＳ１０８）。本実施例においては、制御部１４０がステップＳ１０８の判定を行う。制御部１４０が、Ｔ／２の時間が経過していないものと判定した場合（ステップＳ１０８でＮＯの場合）には、ステップＳ１０８を繰り返す。

制御部１４０が、Ｔ／２の時間が経過したものと判定した場合（ステップＳ１０８でＹＥＳの場合）には、制御部１４０は、スイッチＳＷ１をＯＦＦ状態に切り換える（ステップＳ１１０）。本実施例においては、制御部１４０がスイッチＳＷ１に対して制御信号を出力することによってスイッチＳＷ１をＯＦＦ状態に切り換える。ステップＳ１１０の後に、制御部１４０はステップＳ１００からステップＳ１１０を繰り返す。

以上のようにしてスイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態を切り換えることによって、第１の圧電素子１０８の動きに合わせて適切なタイミングでスイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態を切り換えられるので、発電装置１００を用いて効率よく発電することが可能となる。

また、第２の圧電素子１１０に生じる電流に基づいてスイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態を切り換えるので、電流値の極値に達したか否かではなく、電流値が基準値を横切ったか否かでタイミングを判定することができる。したがって、スイッチＳＷ１を切り換えるタイミングを精度よく判定することができる。これによって、発電効率を高めることができる。

電流検出部１３０で検出される電流の電流値が０クロスしていない場合（ステップＳ１０２でＮＯの場合）には、電流検出部１３０で検出される電流が第１基準値Ｉｒｅｆ１以上又は第２基準値Ｉｒｅｆ２以下か否かを判定する（ステップＳ１１２）。本実施例においては、電流検出部１３０の電流検出回路１３４の出力信号（Ｉｐｌｓ）に基づいて、制御部１４０がステップＳ１１２の判定を行う。

電流検出部１３０で検出される電流の電流値が第１基準値Ｉｒｅｆ１以上又は第２基準値Ｉｒｅｆ２以下となった場合（ステップＳ１１２でＹＥＳの場合）には、制御部１４０は、スイッチＳＷ１をＯＮ状態に切り換える（ステップＳ１１４）。本実施例においては、制御部１４０がスイッチＳＷ１に対して制御信号を出力することによってスイッチＳＷ１をＯＮ状態に切り換える。

ステップＳ１１４の後に、制御部１４０は、タイマーをスタートする（ステップＳ１１６）。本実施例においては、制御部１４０がタイマーを有していてもよい。

ステップＳ１１６の後に、制御部１４０は、所定期間が経過したか否かを判定する（ステップＳ１１８）。本実施例においては、制御部１４０がステップＳ１１８の判定を行う。ここで、所定期間は、第１の圧電素子１０８の変形を抑制させるために第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとを短絡させる時間である。所定時間の長さとしては、例えば、第１の圧電素子１０８と第２の圧電素子１１０との積層体の振動周期の１／２程度の、第１の圧電素子１０８の変形を十分に抑制することの可能な時間の長さであることが好ましい。制御部１４０が、所定期間が経過していないものと判定した場合（ステップＳ１１８でＮＯの場合）には、ステップＳ１１８を繰り返す。

制御部１４０が、所定期間が経過したものと判定した場合（ステップＳ１１８でＹＥＳ
の場合）には、制御部１４０は、スイッチＳＷ１をＯＦＦ状態に切り換える（ステップＳ１２０）。本実施例においては、制御部１４０がスイッチＳＷ１に対して制御信号を出力することによってスイッチＳＷ１をＯＦＦ状態に切り換える。ステップＳ１２０の後に、又は、電流検出部１３０で検出される電流の電流値が第１基準値Ｉｒｅｆ１以上又は第２基準値Ｉｒｅｆ２以下とならなかった場合（ステップＳ１１２でＮＯの場合）には、制御部１４０及び電流検出部１３０は、ステップＳ１００に戻って上述した一連の処理を繰り返す。

以上のステップＳ１１２〜Ｓ１２０の処理を行うことによって、第２の圧電素子１１０に生じる電流の電流値が第１基準値Ｉｒｅｆ１又は第２基準値Ｉｒｅｆ２に達した場合（すなわち、第１の圧電素子１０８が変形する速度が所定の大きさ以上になった場合）に、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとを所定時間だけ短絡させて第１の圧電素子１０８が想定以上に変形することを抑制することができる。その結果、第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０の周辺に配置されている部材や筐体に第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０が衝突することを防止でき、該衝突の衝撃を緩衝するための緩衝部材を配置する必要がなくなるので、発電装置１００を小型化することが可能となる。

また、１つのスイッチＳＷ１をＯＮにするタイミングを制御することによって、効率よく発電させることが可能となり（ステップＳ１００〜Ｓ１１０）、なおかつ、第１の圧電素子１０８の変形量を抑制することが可能である（ステップＳ１１２〜Ｓ１２０）。すなわち、効率よく発電させるために設けられたスイッチＳＷ１を、第１の圧電素子１０８の変形量を抑制するためにも用いているので、発電装置１００を構成する部材点数の増加を抑えることが可能となる。

Ｂ．第１変形例：
上述した実施例には種々の変形例が存在している。以下では、第１変形例について簡単に説明する。なお、上述の実施例と同様な構成については、各変形例においても同じ符号を付すものとして、詳細な説明を省略する。

図１５は、第１変形例の発電装置１００ａの構造を示す図である。発電装置１００ａは、変形方向を切り換えて変形する変形部材（梁１０４）をさらに備え、第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０は、変形部材（梁１０４）を挟んで積層されている。

第１変形例の発電装置１００ａ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。また、梁１０４の表面には、第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０が設けられている。すなわち、第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０は、梁１０４を挟んで積層されている。なお、第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０は梁１０４の変形によって変形するから、梁１０４が本発明の「変形部材」に相当する。

梁１０４は、基端側が支持端１０２に固定されており、先端側には錘１０６が設けられているので、振動などが加わると、図中に白抜きの矢印で示したように、梁１０４の先端が大きく振動する。その結果、梁１０４の表面に設けられた第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０には、圧縮力及び引張力が交互に作用する。すると、第１の圧電素子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。同様に、第２の圧電素子１１０の圧電部材１１０ｃは圧電効果によって正負の電荷を発生し、その電荷が第１電極１１０ａ及び第２電極１１０ｂ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。

このように、第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０を、変形部材（梁１０４）を挟んで積層することによって、例えば、薄膜法などの製造方法によって、第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０を変形部材（梁１０４）の両面に容易に形成できる。

Ｃ．第２変形例：
次に、第２変形例について簡単に説明する。

上述した実施例の発電装置１００では、発電用の圧電素子１０８及び制御用の圧電素子１１０が１つずつ設けられているものとして説明した。しかし、これらの発電用の圧電素子１０８及び制御用の圧電素子１１０は必ずしも１つだけである必要はなく、それぞれ複数を設けてもよい。

図１６は、発電用の圧電素子及び制御用の圧電素子を複数備えた第２変形例の発電装置１００ｂを示した説明図である。図１６（ａ）は、梁１０４の一方の面から見た平面図である。図１６（ｂ）は、梁１０４の他方の面から見た平面図である。図１６（ａ）には、梁１０４の一方の面に設けられた２つの発電用の圧電素子（圧電素子１０８及び圧電素子１１６）が示されており、図１６（ｂ）には、梁１０４の他方の面に設けられた２つの制御用の圧電素子（圧電素子１１０及び圧電素子１１４）が示されている。図１６（ａ）に示すように、発電用の圧電素子１０８及び１１６は、梁１０４の一方の面に、梁１０４の長手方向に並べて設けられている。また、図１６（ａ）と図１６（ｂ）とを比較すれば明らかなように、発電用の圧電素子１０８に対しては、梁１０４を挟んで対向した位置に制御用の圧電素子１１０が設けられ、発電用の圧電素子１１６に対しては、梁１０４を挟んで対向した位置に制御用の圧電素子１１４が設けられている。圧電素子１１６は、圧電素子１０８と同様に、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１１６ｃと、圧電部材１１６ｃの表面に金属薄膜によって形成された一対の第１電極（上部電極）１１６ａ及び第２電極（下部電極）１１６ｂとを含んで構成されている。第１電極（上部電極）１１６ａ及び第２電極（下部電極）１１６ｂは、圧電部材１１６ｃを挟んで対向配置されている。圧電素子１１４は、圧電素子１１０と同様に、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１１４ｃと、圧電部材１１４ｃの表面に金属薄膜によって形成された一対の第１電極（上部電極）１１４ａ及び第２電極（下部電極）１１４ｂとを含んで構成されている。第１電極（上部電極）１１４ａ及び第２電極（下部電極）１１４ｂは、圧電部材１１４ｃを挟んで対向配置されている。

図１７は、２つの発電用の圧電素子１０８及び１１６、並びに、２つの制御用の圧電素子１１０及び１１４を備える第２変形例の発電装置１００ｂの電気的な構造を示した説明図である。図１７と図１（ｂ）とを比較すると明らかなように、上述の実施例に対して第２変形例の発電装置１００ｂは、発電用の圧電素子１１６や、インダクターＬ２、スイッチＳＷ２、４つのダイオードＤ５〜Ｄ８から構成される整流回路１２１、制御用の圧電素子１１４等が追加されている。これらの追加された構成は、上述の実施例で説明した発電用の圧電素子１０８や、インダクターＬ１、スイッチＳＷ１、整流回路１２０、制御用の圧電素子１１０等と同様に動作する。また、電流検出部１３０は、圧電素子１１０に生じる電流と圧電素子１１４に生じる電流を検出する。図１７に示す例では、電流検出部１３０は、圧電素子１１４に並列に接続された蓄電素子１３３と、蓄電素子１３３に流れる電流を検出する電流検出回路１３５を含んで構成されている。

制御用の圧電素子１１０に生じる電流の電流値が０クロスしてから所定の時間（例えば
、共振周期Ｔの１／２の時間）が経過するまでスイッチＳＷ１をＯＮにすることによって、発電用の圧電素子１０８に生じた電荷が効率よく蓄電素子Ｃ１に蓄えられる。同様に、制御用の圧電素子１１４に生じる電流の電流値が０クロスしてから所定の時間（例えば、共振周期Ｔの１／２の時間）が経過するまでスイッチＳＷ２をＯＮにすることによって、発電用の圧電素子１１６に生じた電荷も蓄電素子Ｃ１に蓄えられる。

また、制御用の圧電素子１１０に生じる電流の電流値が第１基準値Ｉｒｅｆ１以上になった場合及び第２基準値Ｉｒｅｆ２以下になった場合の少なくともいずれかの場合になってから所定時間が経過するまでスイッチＳＷ１をＯＮにすることによって、発電用の圧電素子１０８の変形を抑制したのと同様に、制御用の圧電素子１１４に生じる電流の電流値が第３基準値Ｉｒｅｆ３以上になった場合及び第４基準値Ｉｒｅｆ４以下になった場合の少なくともいずれかの場合になってから所定時間が経過するまでスイッチＳＷ２をＯＮにすることによって、発電用の圧電素子１１６の変形を抑制する。発電用の圧電素子１０８及び１１６の変形をそれぞれ抑制することによって、発電用の圧電素子１０８及び１１６が設けられている梁１０４の別々の部分の変形をそれぞれ抑制することができる。このように、梁１０４の別々の部分の変形をそれぞれ抑制するので、梁１０４の別々の部分のうち一方の部分だけに過度の変形が発生したとしても該一方の部分だけの変形を抑制して、他方の部分は変形を抑制せずに電力を発生させることが可能となる。したがって、梁１０４の多様な変形に応じて過度の変形を抑制しながら効率よく発電することが可能となる。

Ｄ．第３変形例：
次に、第３変形例について簡単に説明する。

図１８は、第３変形例の発電装置１００ｃの電気的な構造を示した説明図である。図１８と図１（ｂ）とを比較すると明らかなように、上述の実施例に対して第３変形例の発電装置１００ｃは、インダクターＬ１が接続されていない。すなわち、第３変形例の発電装置１００ｃ内には上述の実施例のようなＬＣ共振回路は構成されない。これによって、制御部１４０によって実行されるＬＣ共振回路を利用するための制御処理（図１３のＳ１０２〜Ｓ１１０）を省略することができる。

もちろん、第３変形例の発電装置１００ｃは、上述した実施例の発電装置１００のようにＬＣ共振回路を利用しないので、実施例の発電装置１００ほどは効果的に電荷を蓄積することを望めないものの、第１の圧電素子１０８の変形量が所定値以上になったときにＳＷ１をＯＮにする処理（図１３のＳ１１２〜Ｓ１２０）を行うことによって、第１の圧電素子１０８の変形を抑制できる。以上のように、第３変形例の発電装置１００ｃは、部材点数（インダクターＬ１）や制御部１４０の処理負荷（ＬＣ共振回路を利用するための制御処理）の増大化を抑えた上で、第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０の周辺に配置されている部材や筐体に第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０が衝突することを防止できる。

Ｅ．電子機器、移動手段及び電池
図１９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。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。

図１９に示す電子機器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。

なお、電子機器２は、発電装置１００に代えて、発電装置１００ａ、発電装置１００ｂ及び発電装置１００ｃのいずれかを備えていてもよい。この場合にも同様の効果を奏する。

また、本発明の発電装置は振動や移動に応じて発電するため、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。

なお、電子機器に限らず、本発明の発電装置は小型化が可能であるため、あらゆる機器に設置することもできる。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を用いることで、移動に伴う振動によって発電し、移動手段に備わる機器に効率良く電力供給することもできる。

このとき、あらゆる振動に対応するために、梁１０４の長さや錘１０６の重さが異なる複数の発電装置１００を移動手段に組み込んでもよい。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。

また、本発明の発電装置を電池の代わりに又は電池の補助としてリモコン等の小型電子機器に組み込むこともできる。

さらに、特定の機器等に設置されるのではなく、本発明の発電装置が例えばボタン電池、乾電池と同じ形状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。

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。

例えば、上述した第１変形例では、第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０が片持ち梁構造の梁１０４に取り付けられているものとして説明した。しかし、第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０が取り付けられる部材は、振動などによって容易に繰り返し変形する部材であれば、どのような部材であっても構わない。例えば、薄膜の表面に第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０を取り付けてもよいし、弦巻バネの側面に第１の圧電素子１０８及び第２の圧電素子１１０を取り付けても構わない。

本発明は、実施例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、実施例で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施例で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成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、実施例で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

２…電子機器、１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…発電装置、１０２…支持端、１
０４…梁、１０６…錘、１０８…第１の圧電素子、１０８ａ…第１電極、１０８ｂ…第２電極、１０８ｃ…圧電部材、１１０…第２の圧電素子、１１０ａ…第１電極、１１０ｂ…第２電極、１１０ｃ…圧電部材、１１４…圧電素子、１１４ａ…第１電極、１１４ｂ…第２電極、１１４ｃ…圧電部材、１１６…圧電素子、１１６ａ…第１電極、１１６ｂ…第２電極、１１６ｃ…圧電部材、１２０，１２１…整流回路、１３０…電流検出部、１３２，１３３…蓄電素子、１３４，１３５…電流検出回路、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、１３４１…電流検出器、１３４２…増幅回路、１３４３…絶対値回路、１３４４…比較器、Ｌ１，Ｌ２…インダクター、Ｃ１…蓄電素子、Ｄ１〜Ｄ８…ダイオード、ＳＷ１，ＳＷ２…スイッチ

Claims (9)

1. 一対の電極を有する第１の圧電素子と、
   前記第１の圧電素子と積層された第２の圧電素子と、
   前記一対の電極間に電気的に接続されたスイッチと、
   前記第２の圧電素子に生じる電流を検出する電流検出部と、
   前記スイッチを制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記電流検出部で検出される前記電流が、第１基準値以上になった場合及び第２基準値以下になった場合の少なくともいずれかの場合に、前記スイッチを所定期間電気的に接続する、発電装置。
2. 請求項１に記載の発電装置において、
   前記スイッチと直列に接続されたインダクターをさらに備え、
   前記インダクターと前記第１の圧電素子とは、共振回路を構成し、
   前記制御部は、
   前記所定期間以外の期間では、前記第１の圧電素子の変形方向が切り換わるタイミングで前記スイッチを電気的に接続した後、所定の時間が経過するタイミングで前記スイッチを電気的に切断する、発電装置。
3. 請求項２に記載の発電装置において、
   前記制御部は、
   前記電流検出部で検出される前記電流に基づいて、前記第１の圧電素子の変形方向が切り換わるタイミングで前記スイッチを電気的に接続する、発電装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発電装置において、
   前記電流検出部は、
   前記第２の圧電素子と並列に接続された蓄電素子と、
   前記蓄電素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、
   を含む、発電装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発電装置において、
   変形方向を切り換えて変形する変形部材をさらに備え、
   前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子は、前記変形部材を挟んで積層されている、発電装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発電装置を用いた、電子機器。
7. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発電装置を用いた、移動手段。
8. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発電装置を用いた、電池。
9. 一対の電極を有する第１の圧電素子と、前記第１の圧電素子と積層された第２の圧電素子と、前記一対の電極間に電気的に接続されたスイッチと、を備える発電装置の制御方法であって、
   前記第２の圧電素子に生じる電流を検出することと、
   前記電流が、第１基準値以上になった場合及び第２基準値以下になった場合の少なくともいずれかの場合に、前記スイッチを所定期間電気的に接続することと、
   を含む、発電装置の制御方法。

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