JP2012105518A

JP2012105518A - 発電装置

Info

Publication number: JP2012105518A
Application number: JP2010254580A
Authority: JP
Inventors: Kunio Tabata; 邦夫田端; Hiroyuki Yoshino; 浩行吉野; Noritaka Ide; 典孝井出; Atsushi Oshima; 敦大島
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-11-15
Filing date: 2010-11-15
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2030-11-15
Also published as: JP4835888B1; US9608548B2; CN102545691B; US20120119618A1; US20140062257A1; CN102545691A; US8604666B2

Abstract

【課題】圧電効果を利用して、小型が可能で効率の良い発電装置を提供する。
【解決手段】圧電部材を繰り返し変形させておき、変形方向が切り換わるタイミングで、圧電部材をインダクターに接続し、圧電部材とインダクターとによる共振回路の共振周期の半分が経過するとインダクターを切り離す。圧電部材にインダクターを接続する度に、圧電部材の内部に発生していた正負の電荷の配置が、共振によって瞬間的に反転した状態となる。その状態から圧電部材が今度は逆方向に変形するので、圧電効果によって生じた電荷が圧電部材の内部に蓄えられていく。その結果、圧電効果による電荷を効率よく蓄積することができる。また、圧電部材内に電荷を蓄積した分だけ端子間の電圧も増加するので、昇圧回路を用いなくても高い電圧を発生させることができる。その結果、小型で高効率の発電装置を得ることが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ピエゾ素子などの圧電材料が外力によって変形したときに発生する電荷を電
気エネルギーとして取り出す発電装置に関する。

チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）や、水晶（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの圧
電材料は、外力を受けて変形すると、材料内部に電気分極が誘起されて表面に正負の電荷
が現れる。このような現象は、いわゆる圧電効果と呼ばれている。圧電材料が有するこの
ような性質を利用して、片持ち梁を振動させて圧電材料に繰り返し加重を作用させ、圧電
材料の表面に生じた電荷を電気として取り出す発電方法が提案されている。

たとえば、先端に錘を設けるとともに圧電材料の薄板を貼り付けた金属製の片持ち梁を
振動させ、振動に伴って圧電材料に交互に生じる正負の電荷を取り出すことによって交流
電流を発生させる。そして、この交流電流をダイオードによって整流した後、コンデンサ
ーに蓄えておき、電力として取り出す技術が提案されている（特許文献１）。また、圧電
素子で正の電荷が発生している間だけ接点が閉じるようにすることで、ダイオードでの電
圧損失を発生させずに直流電流が得られるようにした技術も提案されている（特許文献２
）。これら技術を用いれば、発電装置を小型化することができるので、たとえば小型の電
子部品に電池の代わりに組み込むなどの応用が期待されている。

特開平７−１０７７５２号公報特開２００５−３１２２６９号公報

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。

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
ことが可能な技術の提供を目的とする。

上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の発電装置は次の構成を採用
した。すなわち、
圧電材料によって形成された圧電部材を外力によって変形させて、該圧電部材に生じた
電荷を電流として取り出す発電装置であって、
前記圧電部材を繰り返し変形させる変形手段と、
該圧電部材に設けられた一対の電極と、
前記一対の電極の間に設けられることによって、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、
前記圧電部材の変形方向が切り換わるときに前記スイッチを接続した後、前記共振回路
の共振周期の半周期に相当する時間が経過すると該スイッチを切断するスイッチ制御手段
と
を備えることを要旨とする。

このような本発明の発電装置では、圧電部材を繰り返し変形させており、このため、圧
電部材には圧電効果によって正負の電荷が発生する。また、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。そして、変形量の大きさが最大となったとき（すなわ
ち変形方向が切り換わるとき）に、圧電部材をインダクターに接続する。圧電部材は、電
気回路的にはコンデンサーと見なすことができるので、インダクターに接続されることで
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、圧電部材およ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、反対側の端子から圧電部材に流れ込む。この期間
（すなわち、圧電部材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
の端子から再び圧電材料内に流れ込むまでの期間）は、圧電部材およ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。従って、圧電部材の変形方向が切り換
わったタイミングで圧電部材とインダクターとを接続し、その後、共振周期の半分の時間
が経過したタイミングで、圧電部材からインダクターを切断すれば、インダクターを接続
する前に圧電部材内に発生していた正負の電荷の配置を逆転させることができる。そして
、その状態から、今度は逆方向に圧電部材を変形させれば、圧電効果によって発生した電
荷を、圧電部材内に蓄積することができる。その結果、圧電部材を繰り返し変形させるこ
とによって生じた電荷を、圧電部材内に効率よく蓄積することが可能となる。また、圧電
部材内に電荷を蓄積した分だけ端子間の電圧も増加するので、昇圧回路を別途用意しなく
ても、圧電材料の電気分極によって生じる電圧よりも高い電圧を発生させることができる
。その結果、小型で効率の良い発電装置を得ることが可能となる。

また、上述した本発明の発電装置においては、圧電部材に設けられた一対の電極に、圧
電部材が発生する交流電流を整流する整流回路を接続してもよい。

圧電部材は繰り返し変形を行うから、圧電部材に設けられた一対の電極からは交流電流
が発生する。従って、一対の電極に整流回路を接続すれば、交流電流を直流電流に変換し
て、種々の電気負荷を駆動することが可能となる。

また、上述した本発明の発電装置においては、圧電部材から整流回路に流れる電流の有
無を検出して、電流が流れなくなったときに、スイッチを接続するようにしてもよい。

圧電部材の変形方向が切り換わるときには、圧電部材から整流回路に流れる電流が流れ
なくなる。従って、圧電部材から整流回路への電流が流れなくなったときにスイッチを接
続して、圧電部材とインダクターとを接続してやれば、適切なタイミングで精度良くスイ
ッチを接続することができる。その結果、圧電部材で発生した電荷が最大になったときに
、圧電部材とインダクターとを接続することができるので、圧電材料で発生した電荷を効
率よく引き出して、効率よく発電することが可能となる。

また、圧電部材から整流回路の流れる電流の有無を検出するに際しては、フォトカプラ
ーを用いて検出するようにしてもよい。

こうすれば、電流の有無を簡単に検出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。圧電部材から全波整流回路に流れる電流を検出することによってスイッチＳＷを適切なタイミングで制御可能な理由を示す説明図である。全波整流回路の一部にフォトカプラーを組み込んだ変形例の発電装置の回路構成を示した説明図である。圧電部材と全波整流回路との間にフォトカプラーを組み込んだ変形例の他の態様を示した説明図である。

以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施
例を説明する。
Ａ．発電装置の構造：
Ｂ．発電装置の動作：
Ｃ．発電装置の動作原理：
Ｄ．スイッチの切換タイミング：
Ｅ．変形例：

Ａ．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いる。また、梁１０４の表
面には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料によって形成された圧電部材１
０８が取り付けられており、圧電部材１０８の表面には、表側と裏側とに、金属薄膜によ
って形成された上部電極１０９ａ、下部電極１０９ｂがそれぞれ設けられている。尚、図
１（ａ）に示した例では、梁１０４の上面側に圧電部材１０８が設けられているが、梁１
０４の下面側に圧電部材１０８を設けても良く、あるいは梁１０４の上面側および下面側
の両方に圧電部材１０８を設けても良い。また、圧電部材１０８は梁１０４の変形によっ
て変形するから、梁１０４が本発明の「変形手段」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の表面に取り付けられた圧電部材１０８には、圧
縮力および引張力が交互に作用する。すると、圧電部材１０８は圧電効果によって正負の
電荷を発生し、その電荷が上部電極１０９ａ、および下部電極１０９ｂ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。圧電部材１０
８は、電気的には、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサーＣ０として表すことができる。
この圧電部材１０８に対して並列にインダクターＬが接続されて、圧電部材１０８の容量
成分と共に電気的な共振回路を形成している。そして、この共振回路をＯＮ／ＯＦＦする
ためのスイッチＳＷが、インダクターＬに対して直列に接続されている。スイッチＳＷの
ＯＮ／ＯＦＦは、制御回路１１２によって制御されている。また、圧電部材１０８に設け
られた上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂは、後述する電流検出回路１１０を経由
して、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４から構成される全波整流回路１２０に接続されている
。更に、全波整流回路１２０には、電気負荷を駆動するために、整流後の電流を蓄えてお
くコンデンサー（出力用コンデンサーＣ１）が接続されている。

Ｂ．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。尚、プ
ラスの変位ｕは、梁１０４が上向きに反った状態（梁１０４の上面側が凹となった状態）
を表しており、マイナスの変位（−ｕ）は、梁１０４が下向きに反った状態（梁１０４の
下面側が凹となった状態）を表している。また、図２（ｂ）には、梁１０４の変形に伴っ
て、圧電部材１０８が発生する電流の様子と、その結果として圧電部材１０８の内部に生
じる起電力とが示されている。尚、図２（ｂ）では、圧電部材１０８に電荷が発生する様
子は、単位時間あたりに発生する電荷量（すなわち、電流Ｉpzt ）として表され、また、
圧電部材１０８に生じる起電力は、上部電極１０９ａと下部電極１０９ｂとの間に生じる
電位差Ｖpzt として表されている。

図２（ａ）および図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１０８は正方向の電流を発生させ（すなわち、電流Ｉpzt がプラス値）、これに
伴って上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂの電位差Ｖpzt は正方向へ増加する。正
方向の電位差Ｖpzt が、Ｃ１の電圧ＶＣ１と全波整流回路１２０を構成しているダイオー
ドの順方向降下電圧Ｖｆの２倍との和、すなわち、ＶＣ１＋２Ｖｆよりも大きくなれば、
それ以降に発生した電荷は直流電流として取り出して、出力用コンデンサーＣ１に蓄えて
おくことができる。また、梁１０４の変位が減少している間は、圧電部材１０８は負方向
の電流を発生させ（すなわち、電流Ｉpzt がマイナス値）、これに伴って上部電極１０９
ａおよび下部電極１０９ｂの電位差Ｖpzt は負方向へ増加する。負方向の電位差Ｖpzt が
、ＶＣ１と全波整流回路１２０の２Ｖｆの和よりも大きくなれば、発生した電荷は直流電
流として取り出して、出力用コンデンサー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、出力用コンデンサーＣ１に電荷を蓄えることができる。

本実施例の発電装置１００では、図２（ｃ）に示すタイミングで、スイッチＳＷをＯＮ
にする。すると、図２（ｄ）に示すように、圧電部材１０８の端子間の電圧波形が、スイ
ッチＳＷをＯＮにした瞬間にシフトしたかのような現象が発生する。すなわち、たとえば
、図２（ｄ）中に「Ｂ」と表示した期間Ｂでは、圧電部材１０８の起電力に対応する細い
破線で示した電圧波形Ｖpzt がマイナス方向にシフトしたような、太い破線で示した電圧
波形が圧電部材１０８の端子間に現れる。このような現象が発生する理由については後述
する。また、図２（ｄ）中に「Ｃ」と表示した期間Ｃでは、圧電部材１０８の起電力に対
応する電圧波形Ｖpzt がプラス方向にシフトしたような、太い破線の電圧波形が現れる。
以降の期間Ｄ、期間Ｅ、期間Ｆなどについても同様に、圧電部材１０８の起電力に対応す
る電圧波形Ｖpzt がプラス方向あるいはマイナス方向にシフトしたような、太い破線の電
圧波形が現れる。そして、シフトした電圧波形が、ＶＣ１と２Ｖｆとの和を超えた部分（
図２（ｄ）中に斜線を付して示した部分）では、圧電部材１０８で発生した電荷を出力用
コンデンサーＣ１に蓄えておくことができる。尚、圧電部材１０８から出力用コンデンサ
ーＣ１に電荷が流れる結果、圧電部材１０８の端子間の電圧は、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の
電圧でクリップされる。その結果、上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂ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、出力用コンデンサーＣ１に電荷を蓄えることが可
能となる。

また、出力用コンデンサーＣ１に電荷が蓄えられて、出力用コンデンサーＣ１の端子間
電圧が増加すると、それに従って電圧波形のシフト量も大きくなる。たとえば、図２（ｄ
）中の期間Ｂ（出力用コンデンサーＣ１に電荷が蓄えられていない状態）と、図２（ｄ）
中の期間Ｈ（出力用コンデンサー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、出力用コンデンサーＣ１に蓄えられた電荷が増えている期間Ｉの方
が、電圧波形のシフト量が大きくなっている。このような現象が発生する理由については
後述するが、この結果、本実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８を変形させたこ
とによって、上部電極１０９ａと下部電極１０９ｂとの間に生じる電圧Ｖpzt 以上の電圧
を、出力用コンデンサー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。

Ｃ．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１０８の変形に合わせてスイッチＳＷをＯＮにしたとき
のＣ０の電荷の動きが、概念的に示されている。図３（ａ）は、圧電部材１０８（正確に
は梁１０４）が上向きに（上面側が凹となるように）変形した状態を表している。圧電部
材１０８が上向きに変形すると、電流源からは正方向の電流が流れ、Ｃ０に電荷が蓄積さ
れ、Ｖgen は正方向の電圧が発生する。電圧値は、圧電部材１０８の変形が大きくなるほ
ど増加する。そして、圧電部材１０８の変形が最大となったタイミング（電荷量が最も多
くなったタイミング。図３（ｂ）参照）で、スイッチＳＷをＯＮにする。

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。Ｃ０には電荷
が蓄えられているから、この電荷がインダクターＬに流れようとする。インダクターＬに
電流が流れると磁束が生じる（磁束が増加する）が、インダクターＬには、自らを貫く磁
束の変化を妨げる方向に逆起電力が生じる性質（自己誘導作用）がある。スイッチＳＷを
ＯＮにした瞬間は、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１０８の電荷は少しずつしか流れ出さない。すなわち、インダクターＬを流れる電
流は少しずつしか増加しない。

その後、インダクターＬを流れる電流がピークになると、磁束の変化速度が「０」とな
るので、図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Ｃ０から電荷を引き抜きながら、インダクターＬ
を電流が流れ続ける。そして、電荷の移動の途中で損失が発生しなければ、圧電部材１０
８の変形によって生じた全ての電荷が移動して、ちょうど正負の電荷が置き換わったよう
な状態（すなわち、圧電部材１０８の下面側に正電荷が分布し、上面側に負電荷が分布し
た状態）となる。図３（ｆ）には、圧電部材１０８の変形によって生じた正負の電荷が全
て移動した状態が表されている。

仮に、このままスイッチＳＷをＯＮにしておくと、今度は上述した内容と逆の現象が生
じる。すなわち、圧電部材１０８の下面側の正電荷がインダクターＬに流れようとして、
このときインダクターＬには、電荷の流れを妨げる方向の逆起電力が発生する。その後、
インダクターＬを流れる電流がピークに達した後、減少に転じると、今度は電流の減少を
妨げる方向（電流を流し続けようとする方向）の起電力がインダクターＬに発生する。そ
の結果、圧電部材１０８の下面側にあった全ての正電荷が上面側に移動した状態（図３（
ｂ）に示した状態）となる。こうして圧電部材１０８の上面側に戻った正電荷は、再び、
図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、Ｃ０に電荷が蓄えられた状態でスイッチＳＷをＯＮにした後、その状態を
保っておくと、圧電部材１０８とインダクターＬとの間で電流の向きが交互に反転する一
種の共振現象が発生する。そして、この共振現象の周期は、いわゆるＬＣ共振回路の周期
Ｔとなるから、圧電部材１０８に含まれる容量成分Ｃ０の大きさ（キャパシタンス）をＣ
、インダクターＬの誘導成分の大きさ（インダクタンス）をＬとすると、Ｔ＝２π（ＬＣ
）^０．５によって与えられる。従って、スイッチＳＷをＯＮにした直後（図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。

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１０８（正確には梁１
０４）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１０８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、Ｖgen が負方向へ大きくなるようにＣｏに電荷が蓄
積する。また、図３（ａ）〜図３（ｆ）を用いて前述したように、圧電部材１０８（正確
には梁１０４）を下向きに変形させる前の段階で、圧電部材１０８の下面側には正電荷が
分布し、上面側には負電荷が分布しているから、これらの電荷に加えて、下面側には新た
な正電荷が蓄積され、上面側には新たな負電荷が蓄積されることになる。図４（ｂ）には
、スイッチＳＷをＯＦＦにした状態で圧電部材１０８（正確には梁１０４）を変形させる
ことによって、圧電部材１０８に新たな電荷が蓄積された状態が示されている。

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

以上に説明したように本実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８を変形させて電
荷を発生させた後、圧電部材１０８をインダクターＬに接続して、共振周期の半分の周期
だけ共振回路を形成することで、圧電部材１０８内での正負の電荷の分布を反転させる。
その後、圧電部材１０８を今度は逆方向に変形させて新たな電荷を発生させる。圧電部材
１０８内での正負の電荷の分布は反転されているから、新たに発生させた電荷は圧電部材
１０８に蓄積されることになる。その後、再び、共振周期の半分の周期だけ圧電部材１０
８をインダクターＬに接続して、圧電部材１０８内での正負の電荷の分布を反転させた後
、圧電部材１０８を逆方向に変形させる。このような動作を繰り返すことで、圧電部材１
０８を繰り返し変形させる度に、圧電部材１０８に蓄積された電荷を増加させることがで
きる。

図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
る度に圧電部材１０８の端子間の電圧波形がシフトする特異な現象が生じるが、この現象
は、以上のようなメカニズムによって発生する。すなわち、たとえば図２（ｄ）中に示し
た期間Ａでは、圧電部材１０８（正確には梁１０４）の変形に従って、上部電極１０９ａ
および下部電極１０９ｂの間に電圧が発生するが、上部電極１０９ａおよび下部電極１０
９ｂは全波整流回路１２０に接続されているので、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧を超えた
部分の電荷は、全波整流回路１２０に接続された出力用コンデンサーＣ１に流れ込む。そ
の結果、梁１０４の変形が最大になった時点でスイッチＳＷをＯＮにすると、その時に圧
電部材１０８内に残っていた正負の電荷がインダクターＬを介して移動して、圧電部材１
０８内での正負の電荷の配置が入れ代わる。尚、図３および図４を用いて前述したメカニ
ズムから明らかなように、スイッチＳＷをＯＮにしておく期間は、圧電部材１０８の容量
成分と、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の半分の時間となる。

そして、正負の電荷の配置が入れ代わった状態から梁１０４を逆方向に変形させると、
圧電部材１０８の上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂの間には、圧電効果による電
圧波形が現れる。すなわち、圧電部材１０８の上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂ
の極性が入れ代わった状態から、圧電部材１０８に変形による電圧変化が発生することに
なる。その結果、図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１
０８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出力用コンデンサー
Ｃ１に流れ込むので、圧電部材１０８の上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂの間の
電圧は、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧でクリップされる。その後、共振周期の半分の時間
だけスイッチＳＷをＯＮにすると、圧電部材１０８に残っていた正負の電荷の配置が入れ
代わる。そして、その状態から梁１０４が変形することによって、圧電部材１０８には圧
電効果による電圧波形が現れる。このため、図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。

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１０８の圧電効果によって上部電極１０９ａと下部電極１０９ｂとの
間に生じる電位差よりも高い電圧を、出力用コンデンサー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１０８の端子間で発生する電圧が、全波整流回路１２０の２Ｖｆを超え
ると、圧電部材１０８から出力用コンデンサーＣ１に電荷が流れ込むので、圧電部材１０
８の端子間に現れる電圧は、２Ｖｆでクリップされている。しかし、こうして出力用コン
デンサーＣ１に電荷を蓄えるに従って出力用コンデンサーＣ１の端子間の電圧が増加して
いく。すると、それ以降は、出力用コンデンサーＣ１の端子間電圧がＶＣ１と２Ｖｆとの
和よりも高い電圧になって始めて、圧電部材１０８から電荷が流れ込むようになる。この
ため、圧電部材１０８の端子間の電圧がクリップされる値が、出力用コンデンサーＣ１に
電荷が蓄えられるに従って次第に上昇していく。

加えて、図３および図４を用いて前述したように、圧電部材１０８から電荷を流出させ
ない限り、圧電部材１０８（正確には梁１０４）を変形させる度に、圧電部材１０８内の
電荷は増えて行き、それに伴って、圧電部材１０８の端子間の電圧は大きくなる。このた
め、電荷がインダクターＬやスイッチＳＷを流れる際の損失などを考えなければ、圧電部
材１０８の端子間の電圧を大きくすることができる。このため、本実施例の発電装置１０
０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。

Ｄ．スイッチの切換タイミング：
以上に説明したように、本実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８（正確には梁
１０４）に繰り返し変形を加えて、変形方向が切り換わる瞬間に、共振周期の半分の時間
だけ圧電部材１０８をインダクターＬに接続することで、たいへんに効率が良く、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、梁１０４の変形方向が切り換わる瞬間にスイッチＳＷをＯＮにすること
は、それほど容易なことではない。たとえば、梁１０４の変形方向が切り換わる瞬間は、
梁１０４の変位の大きさが最大となる瞬間であるから、機械的な接点を用いて、梁１０４
が最大変位となった瞬間にＯＮとなるように構成することも可能であるが、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は、図
１（ｂ）に示したように、圧電部材１０８から全波整流回路１２０に流れる電流を電流検
出回路１１０によって検出することで、スイッチＳＷを制御している。

図５は、圧電部材１０８から全波整流回路１２０に流れる電流を検出することによって
、スイッチＳＷを適切なタイミングで制御可能な理由を示す説明図である。図５（ａ）に
は、梁１０４の変位が示されている。また、図５（ｂ）には、梁１０４の振動に伴って、
圧電部材１０８が単位時間あたりに発生させる電荷量（すなわち、電流Ｉpzt ）と、電流
Ｉpzt によって生じる起電力Ｖpzt とが変化する様子が示されている。

図示されるように、梁１０４の変位が大きくなると、Ｖpzt も大きくなる。Ｖpzt がＣ
１の電圧ＶＣ１と全波整流回路１２０を構成しているダイオードの順方向降下電圧Ｖｆの
２倍との和、すなわち、ＶＣ１＋２Ｖｆより大きくなれば、発生した電荷が全波整流回路
１２０に流れることになる。

また、梁１０４の変位の大きさが最大となる瞬間（すなわち、梁１０４の変形方向が切
り換わる瞬間）では、圧電部材１０８の発生する電流Ｉpzt の方向が反転する。たとえば
、圧電部材１０８が正の起電力を発生している状態で、梁１０４の変位の大きさが最大に
なると、正方向に流れていた電流Ｉpzt が負方向に反転する。従って、圧電部材１０８の
起電力が減少し、ＶＣ１と２Ｖｆとの和よりも電圧が低くなって、全波整流回路１２０に
流れていた電流が流れなくなる。同様に、圧電部材１０８が負の起電力を発生している状
態で、正方向の電流Ｉpzt が発生することで、全波整流回路１２０に流れていた電流が流
れなくなる。従って、梁１０４の変形方向が切り換わる瞬間（梁１０４の変位の大きさが
最大となる瞬間）は、圧電部材１０８から全波整流回路１２０に電流が流れなくなる瞬間
と一致する。そこで、図１（ｂ）に示したように、電流検出回路１１０を用いて、全波整
流回路１２０に流れる電流を検出して、電流が流れなくなったことを検出したら、その瞬
間から一定時間（共振周期の半分）だけ、スイッチＳＷをＯＮにしてやればよい。

図５（ｃ）には、全波整流回路１２０に電流が流れなくなったことを検出して、共振周
期の半分の期間だけ、スイッチＳＷをＯＮにする様子が示されている。また、図５（ｄ）
には、その結果として、インダクターＬを流れる電流と、電流検出回路１１０で検出され
た電流（全波整流回路１２０に流れる電流）とが示されている。ちなみに、圧電部材１０
８とインダクターＬとの間では、この２つを合計した電流が流れることになる。

図５（ｄ）に示されるように、スイッチＳＷをＯＮにする度に、圧電部材１０８内の電
荷がインダクターＬを流れて、圧電部材１０８内の正負の電荷の配置が入れ代わる。そし
て、電荷の配置が入れ代わった状態から圧電部材１０８が変形することで、圧電部材１０
８の端子間には図５（ｅ）に示すような電圧波形が発生する。この電圧波形は、図２（ｄ
）を用いて前述した電圧波形と同じであるため、ここでは説明を省略する。その結果、図
５（ｄ）に示されるように、圧電部材１０８で発生する電流Ｉpzt を効率よく出力用コン
デンサーＣ１に蓄えることが可能となる。

本実施例の最後に、電流検出回路１１０、および制御回路１１２の構成について簡単に
説明する。電流検出回路１１０内には、ホール素子などの一般的な電流検出センサーが搭
載されている。この出力を増幅した後、絶対値に変換する。そして、得られた絶対値を所
定の閾値（０よりも少しだけ大きな正の値）と比較して、絶対値が閾値よりも小さくなっ
た瞬間を検出すればよい。また、こうして検出した瞬間をトリガーとして、共振周期の半
分に相当する時間幅のパルスを発生させて、制御回路１１２に入力することによってスイ
ッチＳＷを制御すればよい。共振周期の半分に相当する時間幅のパルスを発生させる際に
は、遅延回路を用いても良いし、タイマーを用いて共振周期の半分に相当する時間を計時
しても良い。尚、本実施例では電流検出回路１１０および全波整流回路１２０が、本発明
の「スイッチ制御手段」に相当する。

Ｅ．変形例：
上述した説明では、電流検出回路１１０内に、ホール素子などの電流検出センサーが設
けられており、この出力を処理することによって、電流が流れなくなったタイミングを検
出するものとして説明した。しかし、全波整流回路１２０を構成するダイオードＤ１〜Ｄ
４の一部をフォトカプラーに変更して、フォトカプラーによって電流の有無を直接検出し
てもよい。

図６は、全波整流回路１２０を構成するダイオードＤ１〜Ｄ４の一部をフォトカプラー
に変更した変形例の発電装置１００の回路構成を示した説明図である。図示した例では、
ダイオードＤ２およびダイオードＤ４がフォトカプラーに変更されているが、これに限ら
ず、ダイオードＤ１およびダイオードＤ３をフォトカプラーに変更してもよいし、ダイオ
ードＤ１およびダイオードＤ４をフォトカプラーに変更しても、あるいはダイオードＤ２
およびダイオードＤ３をフォトカプラーに変更してもよい。こうすれば、全波整流回路１
２０に電流が流れている間は、何れかのフォトカプラーによって、そのことを検出するこ
とができる。このため電流検出回路１１０は、全波整流回路１２０に電流が流れなくなっ
たことを直ちに検出することができる。その結果、前述したように、ホール素子などの電
流検出センサーを搭載したり、センサーの出力を増幅して絶対値を求めたり、得られた絶
対値を閾値と比較すると言った複雑な処理を行うことなく、適切なタイミングでスイッチ
ＳＷをＯＮにすることが可能となる。

あるいは、図７に示したように、上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂと全波整流
回路１２０との間にフォトカプラーを挿入することによって、全波整流回路１２０に流れ
る電流の有無を検出するようにしても良い。

以上、本実施例あるいは変形例について説明したが、本発明はこれら本実施例あるいは
変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施す
ることが可能である。

たとえば、上述した実施例では、圧電部材１０８が片持ち梁構造の梁１０４に取り付け
られているものとして説明した。しかし、圧電部材１０８が取り付けられる部材は、振動
などによって容易に繰り返し変形する部材であれば、どのような部材であっても構わない
。たとえば、薄膜の表面に圧電部材１０８を取り付けても良いし、弦巻バネの側面に圧電
部材１０８を取り付けても構わない。

１００…発電装置、１０２…支持端、１０４…梁、
１０６…錘、１０８…圧電部材、１０９ａ…上部電極、
１０９ｂ…下部電極、１１０…電流検出回路、１１２…制御回路、
１２０…全波整流回路、Ｌ…インダクター、Ｃ１…出力用コンデンサー、
Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード、ＳＷ…スイッチ

Claims

圧電材料によって形成された圧電部材を外力によって変形させて、該圧電部材に生じた
電荷を電流として取り出す発電装置であって、
前記圧電部材を繰り返し変形させる変形手段と、
該圧電部材に設けられた一対の電極と、
前記一対の電極の間に設けられることによって、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、
前記圧電部材の変形方向が切り換わるときに前記スイッチを接続した後、前記共振回路
の共振周期の半周期に相当する時間が経過すると該スイッチを切断するスイッチ制御手段
と
を備える発電装置。
請求項１に記載の発電装置であって、
前記一対の電極に接続されて、前記圧電部材が発生する交流電流を整流する整流回路を
備える発電装置。
請求項２に記載の発電装置であって、
前記圧電部材から前記整流回路に流れる電流の有無を検出する電流検出手段を備え、
前記スイッチ制御手段は、前記圧電部材から前記整流回路に電流が流れなくなったとき
に、前記スイッチを接続する手段である発電装置。
前記電流検出手段は、フォトカプラーによって電流の有無を検出する手段である請求項
３に記載の発電装置。