JP5800144B2 - 発電装置、電子機器、移動手段およ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、移動手段および発電装置の制御方法に関する。

チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）や、水晶（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。

たとえば、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、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。

（１）本発明は、変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変形部材に設けられた第１の圧電素子と、前記変形部材に設けられた第２の圧電素子と、前記第１の圧電素子を含む共振回路を構成するインダクターと、前記共振回路に設けられたスイッチと、前記第１の圧電素子が発生させる電流を整流する整流回路と、前記整流回路を介して前記第１の圧電素子と並列に接続された蓄電素子と、前記第２の圧電素子を前記第１の圧電素子と並列に接続される第１状態と接続されない第２状態とを切り換える切換部と、前記蓄電素子から電圧の供給を受けて動作し、前記スイッチおよび前記切換部を制御する制御部と、を含み、前記制御部は、前記蓄電素子の電圧が基準値を下回っている場合には、前記スイッチを非導通状態とし、前記切換部を前記第１状態とし、前記蓄電素子の電圧が前記基準値以上である場合には、前記切換部を前記第２状態とし、前記第２の圧電素子に生じる電圧または電流を検出することによって、前記スイッチを所定期間導通状態とする、発電装置である。

本発明によれば、第１の圧電素子および第２の圧電素子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、第１の圧電素子および第２の圧電素子も変形する。その結果、これら圧電素子には、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、変形量が極値となったとき（すなわち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。第１の圧電素子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、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、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。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、今度は逆方向に変形部材を変形させれば、第１の圧電素子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。さらに、こうして第１の圧電素子内に効率よく電荷を蓄積するためには、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することが重要となる。ここで、変形部材には第１の圧電素子および第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圧が極値になるタイミング、および、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圧または電流を検出することによって、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期間だけスイッチを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。また、制御部は、蓄電素子の電圧が基準値を下回っている場合には、第１の圧電素子と第２の圧電素子とを並列に接続するので、第１の圧電素子と第２の圧電素子の両方を使って蓄電素子に蓄電できる。たとえば、制御部がスイッチを切り換えるために必要な最小の電圧を基準値として設定することによって、蓄電素子の電圧が低い場合には、第１の圧電素子と第２の圧電素子の両方を使って速やかに電荷を蓄積でき、蓄電素子の電圧が高い場合には、第２の圧電素子に生じる電圧または電流に基づいてスイッチを制御することで、早期に高い電圧を発生させることが可能になる。

（２）上述の発電装置において、前記第２の圧電素子に生じる電圧または電流に基づいて、前記変形部材の変形方向が切り換わるタイミングで前記スイッチを接続した後、前記所定期間が経過するタイミングで前記スイッチを切断してもよい。

本発明によれば、第２の圧電素子に生じる電流に基づいて、変形部材の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチを導通状態にすることで、変形部材の変形状態（振動状態）に同期した適切なタイミングで、圧電素子とインダクターとの接続・切断を周期的に繰り返すことができるので、圧電素子内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。

（３）上述の発電装置において、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とは、前記変形部材の異なる面に設けられていてもよい。

仮に、第１の圧電素子および第２の圧電素子を、変形部材の同じ面に設けたとすると、第２の圧電素子が存在する分だけ第１の圧電素子の設置面積が狭くなる。そして、変形量が同じであれば、圧電素子の設置面積が大きくなるほど発電能力は高くなる。したがって、第１の圧電素子と第２の圧電素子とを、変形部材の異なる面に設けることとしておけば、第１の圧電素子の設置面積を大きくすることができるので、発電装置の発電能力を高くすることができる

（４）上述の発電装置において、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とは、前記変形部材の同じ面に設けられていてもよい。

第１の圧電素子および第２の圧電素子が、変形部材の同じ面に設けられていれば、第１の圧電素子および第２の圧電素子を一度に（同じ工程で）変形部材に設けることができる。このため、生産性良く発電装置を製造することが可能となる。

（５）上述の発電装置において、前記変形部材は、変形しない固定端を含んで構成され、前記第２の圧電素子は、前記第１の圧電素子より前記固定端に近い箇所に設けられていてもよい。

固定端に近付くにしたがって変形部材の曲げモーメントが大きくなり、それに伴って、単位長さ当りの変形部材の変形量も大きくなる。したがって、第２の圧電素子を固定端の近くに設けることでセンサーとしての感度が高くなり、その分だけ、第２の圧電素子の面積を狭くすることができる。加えて、第１の圧電素子と第２の圧電素子とを同じ面に設ける場合には、第２の圧電素子の面積を狭くすることができる分だけ、発電用の第１の圧電素子の面積を広くすることができるので、第１の圧電素子と第２の圧電素子とを同じ面に設けたことによる発電能力の低下を抑制することが可能となる。

（６）本発明は、上述の発電装置を用いた電子機器である。

（７）本発明は、上述の発電装置を用いた移動手段である。

これらの発明によれば、電池の代わりにリモコン等の小型電子機器に組み込むことが可能であるため、小型電子機器の移動によって発電できるほか、たとえば、車両や電車などの移動手段に本発明の発電装置を用いることで、移動に伴う振動によって発電し、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。

（８）本発明は、変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変形部材に設けられた第１の圧電素子と、前記変形部材に設けられた第２の圧電素子と、前記第１の圧電素子を含む共振回路を構成するインダクターと、前記共振回路に設けられたスイッチと、前記第１の圧電素子と並列に接続された蓄電素子と、前記第２の圧電素子を前記第１の圧電素子と並列に接続される第１状態と接続されない第２状態とを切り換える切換部と、を備える発電装置の制御方法であって、前記蓄電素子の電圧を検出することと、前記蓄電素子の電圧が基準値を下回っている場合には、前記スイッチを非導通状態とし、前記切換部を前記第１状態とすることと、前記蓄電素子の電圧が基準値以上である場合には、前記切換部を前記第２状態とし、前記第２の圧電素子に生じる電圧または電流を検出することによって、前記スイッチを所定期間導通状態とすることと、を含む、発電装置の制御方法、である。

本発明によれば、変形部材には第１の圧電素子および第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圧が極値になるタイミング、および、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の圧電素子に生じた電流を検出し、検出された電流に基づいてスイッチを所定期間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。また、第１の圧電素子内に電荷を蓄積した分だけ、第１の圧電素子が生じさせ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。また、蓄電素子の電圧が基準値を下回っている場合には、第１の圧電素子と第２の圧電素子とを並列に接続するので、第１の圧電素子と第２の圧電素子の両方を使って蓄電素子に蓄電できる。たとえば、スイッチを切り換えるために必要な最小の電圧を基準値として設定することによって、蓄電素子の電圧が低い場合には、第１の圧電素子と第２の圧電素子の両方を使って速やかに電荷を蓄積でき、蓄電素子の電圧が高い場合には、第２の圧電素子に生じる電圧または電流に基づいてスイッチを制御することで、早期に高い電圧を発生させることが可能になる。

第１実施例の発電装置の構造を示した説明図である。 第１実施例の発電装置の動作を示した説明図である。 第１実施例の発電装置の動作原理の前半部分を概念的に示した説明図である。 第１実施例の発電装置の動作原理の後半部分を概念的に示した説明図である。 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。 圧電素子１１０に生じる電圧を検出することによって、スイッチＳＷを適切なタイミングで制御可能な理由を示す説明図。 圧電素子１１０に生じ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。 本実施例における制御部１３０の構成例を示す回路図。 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状態制御処理を説明するためのフローチャート。 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。 本実施例における発電装置１００の動作例を説明するためのタイミングチャート。 本実施例における制御部１３０の他の構成例を示す回路図。 本実施例における発電装置１００の制御方法の他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。 本実施例の発電装置１００の他の例を示す回路図。 ３つ以上の圧電素子を備えた第４実施例の発電装置１００を示した説明図。 第１変形例を示した説明図である。 第２変形例を示した説明図である。 第２変形例の他の態様を示した説明図である。 第３変形例を示した説明図である。 第３変形例の他の態様を示した説明図である。

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。

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．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ＳＷ１の切換タイミング：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．変形例：
Ｅ−１．第１変形例：
Ｅ−２．第２変形例：
Ｅ−３．第３変形例：

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および圧電素子１１０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および第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および第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。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第１電極（上部電極）１１０ａおよび第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および第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、圧電素子１０８と圧電素子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。たとえば、圧電素子１０８が梁１０４に対して設置可能な最大の長さと幅であれば、圧電素子１０８の発電量は大きくなる。一方、圧電素子１１０が設置可能な最小の幅（梁１０４の短手方向への長さ）であれば、圧電素子１１０による梁１０４の変位抵抗が低減するため、発電効率が良くなる。なお、圧電素子１０８および圧電素子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圧電素子１０８および圧電素子１１０には、圧縮力およ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および第２電極１０８ｂに現れる。同様に、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および第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、たとえば、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。

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。また、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）Ｃｓとして表すことができる。インダクターＬは、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ＳＷ１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。本実施例においては、スイッチＳＷ１は、ノーマリーＯＦＦのスイッチである。

また、圧電素子１０８の圧電部材１０８ｃに設けられた第１電極１０８ａおよび第２電極１０８ｂは、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、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を介して圧電素子１０８と並列に接続されている。

切換部１４０は、圧電素子１１０を圧電素子１０８と並列に接続される第１状態と、圧電素子１１０を圧電素子１０８と接続されない第２状態とを切り換える。本実施例においては、切換部１４０は、圧電素子１０８の第１電極１０８ａと圧電素子１１０の第１電極１１０ａとの間に設けられたスイッチＳＷ２と、圧電素子１０８の第２電極１０８ｂと圧電素子１１０の第２電極１１０ｂとの間に設けられたスイッチＳＷ３と、を含んで構成されている。本実施例においては、スイッチＳＷ２およびスイッチＳＷ３は、ノーマリーＯＮのスイッチである。すなわち、切換部１４０は、初期状態では第１状態である。

制御部１３０は、蓄電素子Ｃ１から電圧の供給を受けて動作し、スイッチＳＷ１並びに切換部１４０のスイッチＳＷ２およびスイッチＳＷ３を制御する。制御部１３０の構成例および動作の詳細については後述される。

また、圧電素子１１０に設けられた第１電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂは、制御部１３０に接続されている。なお、圧電素子１０８が本発明の「第１の圧電素子」に対応し、圧電素子１１０が本発明の「第２の圧電素子」に対応する。

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。本項においては、切換部１４０が第２状態である場合の動作について説明する。第２状態では、スイッチＳＷ２およびスイッチＳＷ３はＯＦＦ状態である。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。

なお、図１を用いて前述したように、梁１０４には圧電素子１１０も設けられており、梁１０４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、および、図２（ｂ）に示す電圧Ｖｐｚｔと同様の電圧Ｖｐｚｔ２が発生する。

図２（ａ）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および第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および第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、梁１０４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１３０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、たとえば、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および第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、梁１０４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、第１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、制御用の圧電素子１１０を設けておき、圧電素子１１０に生じた電圧または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。たとえば、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。本項においては、切換部１４０が第２状態である場合の動作について説明する。第２状態では、スイッチＳＷ２およびスイッチＳＷ３はＯＦＦ状態である。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。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。

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。

このように、Ｃｇ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ＳＷ１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ＳＷ１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。

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。

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。

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、たとえば図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および第２電極１０８ｂの間に電圧が発生するが、第１電極１０８ａおよび第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。

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および第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および第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および第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。

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。

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。

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ＳＷ１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１３０やスイッチＳＷ１の動作速度などの事情から、制御部１３０がスイッチＳＷ１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ＳＷ１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。なお、本項においては、切換部１４０が第２状態である場合の動作について説明する。第２状態では、スイッチＳＷ２およびスイッチＳＷ３はＯＦＦ状態である。

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および図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。

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、梁１０４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。

梁１０４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、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、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）および図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、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）および図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、梁１０４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）および図７（ｂ）でＶ_１＝０の場合）は、ＬＣ共振回路の共振が起こらずＶｇｅｎは昇圧しない。

以上に説明したように、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、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、所定期間だけスイッチ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。たとえば、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、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までは昇圧できるが、２Ｖ_１を超えての昇圧はされない。

同様に、梁１０４の変形方向が切り替わるタイミングで共振周期Ｔの３／４倍、５／４倍、７／４倍、９／４倍、・・・のいずれかの時間だけスイッチ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までは昇圧できるが、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する所定期間を、少なくとも、（ｎ＋１／４）Ｔより長く（ｎ＋３／４）Ｔよりも短い時間（ｎは０以上の任意の整数）に設定すれば、Ｖｇｅｎを効率よく昇圧させることができる。

前述したように、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１３０は、梁１０４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、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチＳＷをＯＮにすることは、それほど容易なことではない。たとえば、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングは、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スイッチＳＷ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、圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２または圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２を検出することによって、スイッチＳＷをＯＮにする。圧電素子１１０の変形方向が切り換わるタイミングは、圧電素子１１０が発生させる電荷による電圧Ｖｐｚｔ２が極値になるタイミング、および、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、圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２または電流Ｉｐｚｔ２を検出することによって、梁１０４（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ＳＷをＯＮ（導通状態）にできる。

図１０は、制御用の圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２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、圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２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、梁１０４の変位ｕが極値に達したタイミングでスイッチＳＷ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、梁１０４の変位ｕが極値となるのは、圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２が極値となるタイミングと一致する。その理由は、圧電素子１１０は、インダクターＬや蓄電素子Ｃ１と接続していないため、電荷の増減が圧電素子１１０の起電力の電圧Ｖｐｚｔ２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、圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２が極値となるタイミングを検出して、そのタイミングから、所定期間（たとえば、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ＳＷ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、制御用の圧電素子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１１（ａ）には、梁１０４の変位が示されている。また、図１１（ｂ）には、梁１０４の振動に伴って、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、梁１０４の変位ｕが極値に達したタイミングでスイッチＳＷ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１１（ａ）と図１１（ｂ）とを比較すれば明らかなように、梁１０４の変位ｕが極値となるのは、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、圧電素子１１０は、インダクターＬや蓄電素子Ｃ１と接続していないため、電荷の増減が圧電素子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１１（ｂ）に白抜き矢印で示したように、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、所定期間（たとえば、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ＳＷ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１２は、本実施例における制御部１３０の構成例を示す回路図である。図１２に示す例では、制御部１３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１３１と、電源監視回路１３２と、安定化電源回路１３３と、Ａ／Ｄコンバーター（アナログ−デジタル変換回路）１３４と、ＳＷ１駆動回路１３５ａと、ＳＷ２駆動回路１３５ｂと、ＳＷ３駆動回路１３５ｃと、を含んで構成されている。

安定化電源回路１３３は、蓄電素子Ｃ１から電圧の供給を受けて、制御部１３０の各回路ブロックが動作するための電源を各回路ブロックに供給する。ＣＰＵ１３１は、ＳＷ１駆動回路１３５ａ、ＳＷ２駆動回路１３５ｂおよびＳＷ３駆動回路１３５ｃを制御する。電源監視回路１３２は、安定化電源回路１３３の出力電圧Ｖｏ１が基準値Ｖｒ以上である場合には、出力電圧Ｖｏ２としてハイレベルを出力し、安定化電源回路１３３の出力電圧Ｖｏ１が基準値Ｖｒを下回っている場合には、出力電圧Ｖｏ２としてローレベルをＣＰＵ１３１のリセット端子に出力する。なお、ＣＰＵ１３１は、リセット端子に入力される出力電圧Ｖｏ２がローレベルである場合には停止状態となり、リセット端子に入力される出力電圧Ｖｏ２がハイレベルである場合には動作状態となる。Ａ／Ｄコンバーター１３４は、圧電素子１１０の第１電極１１０ａと第２電極１１０ｂとの間の電圧を検出してデジタル変換し、ＣＰＵ１３１に出力する。ＳＷ１駆動回路１３５ａは、スイッチＳＷ１を制御するための出力信号Ｖｓ１をスイッチＳＷ１の制御端子に出力する。ＳＷ２駆動回路１３５ｂは、スイッチＳＷ２を制御するための出力信号Ｖｓ２をスイッチＳＷ２の制御端子に出力する。ＳＷ３駆動回路１３５ｃは、スイッチＳＷ３を制御するための出力信号Ｖｓ３をスイッチＳＷ３の制御端子に出力する。

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状態制御処理を説明するためのフローチャートである。図１４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。なお、既に述べたように、状態制御処理の初期状態では、切換部１４０は第１状態である。

本実施例における発電装置１００の制御方法は、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１を検出することと、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒを下回っている場合には、スイッチＳＷ１を非導通状態とし、切換部１４０を第１状態（圧電素子１１０を圧電素子１０８と並列に接続される状態）とすることと、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒ以上である場合には、切換部１４０を第２状態（圧電素子１１０を圧電素子１０８と接続されない状態）とし、圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔを検出することによって、スイッチＳＷ１を所定期間導通状態とすることと、を含む。

図１３に示す状態制御処理において、まず、制御部１３０は、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１を検出する（ステップＳ１００）。本実施例においては、安定化電源回路１３３を介して電源監視回路１３２が蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１を検出する。

ステップＳ１０２の後に、制御部１３０は、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。本実施例においては、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒ以上であるか否かを、制御部１３０の電源監視回路１３２が判定する。制御部１３０が、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒを下回っているものと判定した場合（ステップＳ１０２でＮＯの場合）には、制御部１３０はステップＳ１００からステップＳ１０２までを繰り返す。

制御部１３０が、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒ以上であるものと判定した場合（ステップＳ１０２でＹＥＳの場合）には、制御部１３０は切換部１４０の状態を第１状態から第２状態へと変更する（ステップＳ１０４）。本実施例においては、ＣＰＵ１３１がＳＷ２駆動回路１３５ｂおよびＳＷ３駆動回路１３５ｃを制御することによって、切換部１４０の状態を第１状態から第２状態へと変更する。

ステップＳ１０４の後に、制御部１３０は、図１４に示すスイッチ制御処理を行う。以下、図１４を参照しながらスイッチ制御処理について説明する。

図１４に示すスイッチ制御処理において、まず、制御部１３０は、圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２を検出する（ステップＳ２００）。本実施例においては、制御部１３０のＡ／Ｄコンバーター１３４が、圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２を検出する。

図１４に示すスイッチ制御処理において、ステップＳ２００の後に、ステップＳ２００で検出された電圧Ｖｐｚｔ２が極値になったか否かを判定する（ステップＳ２０２）。本実施例においては、制御部１３０のＡ／Ｄコンバーター１３４の出力信号に基づいて、ＣＰＵ１３１がステップＳ２０２の判定を行う。ＣＰＵは、たとえば、電圧Ｖｐｚｔの時間微分を基にして電圧Ｖｐｚｔが極値になったか否かを判定してもよい。電圧Ｖｐｚｔ２が極値になっていない場合（ステップＳ２０２でＮＯの場合）には、ステップＳ２００とステップＳ２０２とを繰り返す。

電圧Ｖｐｚｔ２が極値になった場合（ステップＳ２０２でＹＥＳの場合）には、制御部１３０は、スイッチＳＷ１をＯＮ状態に切り換える（ステップＳ２０４）。本実施例においては、制御部１３０のＣＰＵ１３１がＳＷ１駆動回路１３５ａを制御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Ｓ２０４の後に、制御部１３０は、計時タイマーをスタートする（ステップＳ２０６）。本実施例においては、制御部１３０のＣＵ１３１が計時タイマーを有していてもよい。

ステップＳ２０６の後に、制御部１３０は、圧電素子１０８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（Ｔ／２）が経過したか否かを判定する（ステップＳ２０８）。本実施例においては、制御部１３０のＣＰＵ１３１がステップＳ２０８の判定を行う。ＣＰＵ１３１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Ｓ２０８でＮＯの場合）には、ステップＳ２０８を繰り返す。

ＣＰＵ１３１が、Ｔ／２の時間が経過したものと判定した場合（ステップＳ２０８でＹＥＳの場合）には、制御部１３０は、スイッチＳＷ１をＯＦＦ状態に切り換える（ステップＳ２１０）。本実施例においては、制御部１３０のＣＰＵ１３１がＳＷ１駆動回路１３５ａを制御することによってスイッチＳＷ１をＯＦＦ状態に切り換える。

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、梁１０４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。

図１３に戻り、ステップＳ１０６の後に、制御部１３０は、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１を検出する（ステップＳ１０８）。本実施例においては、安定化電源回路１３３を介して電源監視回路１３２が蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１を検出する。

ステップＳ１０８の後に、制御部１３０は、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。本実施例においては、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒ以上であるか否かを、制御部１３０の電源監視回路１３２が判定する。制御部１３０が、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒ以上であるものと判定した場合（ステップＳ１１０でＹＥＳの場合）には、再びスイッチ制御処理（ステップＳ１０６）を行う。

制御部１３０が、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒを下回っているものと判定した場合（ステップＳ１１０でＮＯの場合）には、制御部１３０は切換部１４０の状態を第２状態から第１状態へと変更する（ステップＳ１１２）。本実施例においては、ＣＰＵ１３１がＳＷ２駆動回路１３５ｂおよびＳＷ３駆動回路１３５ｃを制御することによって、切換部１４０の状態を第２状態から第１状態へと変更する。

図１５は、本実施例における発電装置１００の動作例を説明するためのタイミングチャートである。図１５（ａ）は蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１、図１５（ｂ）は安定化電源回路１３３の出力電圧Ｖｏ１、図１５（ｃ）は電源監視回路１３２の出力電圧Ｖｏ２、図１５（ｄ）は圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２、図１５（ｅ）はＳＷ１駆動回路１３５ａの出力信号Ｖｓ１、図１５（ｆ）はＳＷ２駆動回路１３５ｂの出力信号Ｖｓ２およびＳＷ３駆動回路１３５ｃの出力信号Ｖｓ３を表す。

図１５に示す例では、時刻ｔ１１で梁１０４が動作を開始し、それに伴って圧電素子１０８および圧電素子１１０も動作を開始する。時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの期間では、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１および安定化電源回路１３３の出力電圧Ｖｏ１が基準値Ｖｒを下回っているので、電源監視回路１３２の出力電圧Ｖｏ２はローレベルである。また、時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの期間では、ＳＷ１駆動回路１３５ａの出力信号Ｖｓ１、ＳＷ２駆動回路１３５ｂの出力信号Ｖｓ２およびＳＷ３駆動回路１３５ｃの出力信号Ｖｓ３はいずれもローレベルであるので、ノーマリーＯＦＦのスイッチＳＷ１はＯＦＦ状態のままであり、ノーマリーＯＮのスイッチＳＷ２およびスイッチＳＷ３はＯＮ状態のままである。

時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までは、切換部１４０の状態は第１状態であるので、圧電素子１０８と圧電素子１１０とが並列に接続されている状態である。したがって、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が低い場合には、圧電素子１０８と圧電素子１１０の両方を使って速やかに蓄電素子Ｃ１に蓄電できる。

図１５に示す例では、時刻ｔ１２以降の期間においては、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１および安定化電源回路１３３の出力電圧Ｖｏ１が基準値Ｖｒ以上であるので、電源監視回路１３２の出力電圧Ｖｏ２はハイレベルである。また、時刻ｔ１２以降の期間では、ＳＷ２駆動回路１３５ｂの出力信号Ｖｓ２およびＳＷ３駆動回路１３５ｃの出力信号Ｖｓ３はいずれもハイレベルであるので、スイッチＳＷ２およびスイッチＳＷ３はＯＦＦ状態である。すなわち、切換部１４０の状態は第２状態である。

時刻ｔ１２以降の期間におけるスイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態については、図１０を用いて説明したとおりである。したがって、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が高い場合には、圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２に基づいてスイッチを制御することで、早期に高い電圧を発生させることが可能になる。たとえば、基準値Ｖｒとしては、制御部１３０がスイッチＳＷ１を切り換えるために必要な最小の電圧を設定してもよい。これによって、より早く高い電圧を発生させることが可能になる。

Ｂ．第２実施例：
図１６は、本実施例における制御部１３０の他の構成例を示す回路図である。なお、図１２と共通する構成には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図１６に示す例では、制御部１３０は、圧電素子１１０に並列に接続される蓄電素子１３７と、蓄電素子１３７に流れる電流を検出する電流検出部とを含んで構成されている。より具体的には、制御部１３０は、Ａ／Ｄコンバーター１３４ａと、抵抗１３６と、蓄電素子１３７と、を含んで構成されている。Ａ／Ｄコンバーター１３４ａと抵抗１３６とが、電流検出部に相当する。なお、電流検出部としては、種々の公知の電流検出器を用いることができ、たとえば、ホール素子型電流センサーを用いてもよい。図１６に示す例では、抵抗１３６と蓄電素子１３７とは互いに直列に接続され、圧電素子１１０とは並列に接続されている。Ａ／Ｄコンバーター１３４ａは、抵抗１３６に流れる電流によって発生する電圧をデジタル変換し、ＣＰＵ１３１に出力する。抵抗１３６に流れる電流の大きさは、圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２に比例する。したがって、Ａ／Ｄコンバーター１３４ａ、抵抗１３６および蓄電素子１３７の構成で、圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２を検出することに相当する。

このような構成によっても、図１３を用いて説明した状態制御処理を行うことができる。すなわち、本実施例における発電装置１００の制御方法は、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１を検出することと、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒを下回っている場合には、スイッチＳＷ１を非導通状態とし、切換部１４０を第１状態（圧電素子１１０を圧電素子１０８と並列に接続される状態）とすることと、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１が基準値Ｖｒ以上である場合には、切換部１４０を第２状態（圧電素子１１０を圧電素子１０８と接続されない状態）とし、圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔを検出することによって、スイッチＳＷ１を所定期間導通状態とすることと、を含む。

図１２に示した制御部１３０の構成での状態制御処理と、図１６に示した制御部１３０の構成での状態制御処理とでは、図１３におけるスイッチ制御処理（ステップＳ１０６）のみが異なる。したがって、以下では、図１６に示した制御部１３０の構成でのスイッチ制御処理（ステップＳ１０６）について説明する。

図１７は、本実施例における発電装置１００の制御方法の他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。

図１７に示すスイッチ制御処理において、まず、制御部１３０は、圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２を検出する（ステップＳ３００）。本実施例においては、制御部１３０のＡ／Ｄコンバーター１３４ａが抵抗１３５に生じる電圧を検出することによって、圧電素子１１０に生じる電流Ｉｐｚｔ２を検出する。

図１７に示すスイッチ制御処理において、ステップＳ３００の後に、ステップＳ３００で検出された電流Ｉｐｚｔ２が０クロスしたか否かを判定する（ステップＳ３０２）。本実施例においては、制御部１３０のＡ／Ｄコンバーター１３４ａの出力信号に基づいて、ＣＰＵ１３１がステップＳ３０２の判定を行う。電流Ｉｐｚｔ２が０クロスしていない場合（ステップＳ３０２でＮＯの場合）には、ステップＳ３００とステップＳ３０２とを繰り返す。

電流Ｉｐｚｔ２が０クロスした場合（ステップＳ３０２でＹＥＳの場合）には、制御部１３０は、スイッチＳＷ１をＯＮ状態に切り換える（ステップＳ３０４）。本実施例においては、制御部１３０のＣＰＵ１３１がＳＷ１駆動回路１３５ａを制御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Ｓ３０４の後に、制御部１３０は、計時タイマーをスタートする（ステップＳ３０６）。本実施例においては、制御部１３０のＣＵ１３１が計時タイマーを有していてもよい。

ステップＳ３０６の後に、制御部１３０は、圧電素子１０８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（Ｔ／２）が経過したか否かを判定する（ステップＳ３０８）。本実施例においては、制御部１３０のＣＰＵ１３１がステップＳ３０８の判定を行う。ＣＰＵ１３１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Ｓ３０８でＮＯの場合）には、ステップＳ３０８を繰り返す。

ＣＰＵ１３１が、Ｔ／２の時間が経過したものと判定した場合（ステップＳ３０８でＹＥＳの場合）には、制御部１３０は、スイッチＳＷ１をＯＦＦ状態に切り換える（ステップＳ３１０）。本実施例においては、制御部１３０のＣＰＵ１３１がＳＷ１駆動回路１３５ａを制御することによってスイッチＳＷ１をＯＦＦ状態に切り換える。

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、梁１０４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、圧電素子１１０に生じる電流に基づいてスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態を切り換えるので、電圧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ＳＷ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。また、電圧値を微分して変形方向が切り換わるタイミングを決定するなどの複雑な演算処理が不要になるので、制御部１３０の処理負荷が軽くなる。

Ｃ．第３実施例：
図１８は、本実施例の発電装置１００の他の例を示す回路図である。図１に示される例と同一の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

圧電素子１１０の圧電部材１１０ｃに設けられた第１電極１０８ａおよび第２電極１０８ｂは、それぞれ切換部１４０のスイッチＳＷ２およびスイッチＳＷ３を介して、圧電素子１１０が発生させる電流を整流する整流回路１２１に接続されている。本実施例においては、整流回路１２１は、４つのダイオードＤ５〜Ｄ８から構成される全波整流回路である。整流回路１２１を全波整流回路で構成することによって、圧電素子１１０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１２１には、蓄電素子Ｃ１が接続されている。

切換部１４０は、圧電素子１１０を圧電素子１０８と並列に接続される第１状態と、圧電素子１１０を圧電素子１０８と接続されない第２状態とを切り換える。本実施例においては、第１状態において、圧電素子１０８と圧電素子１１０とが、整流回路１２０および１２１を介して並列に接続される。本実施例においては、スイッチＳＷ２およびスイッチＳＷ３は、ノーマリーＯＮのスイッチである。すなわち、切換部１４０は、初期状態では第１状態である。

図１８に示す発電装置１００の回路構成においても、図１（ｂ）に示す発電装置１００の回路構成と同様の効果を奏する。

Ｄ．第４実施例：
以上に説明した第１実施例〜第３実施例の発電装置１００では、２つの圧電素子１０８および１１０が設けられているものとして説明した。しかし、発電装置１００には３つ以上の圧電素子が設けられていてもよい。以下では、このような第４実施例について説明する。なお、第１実施例〜第３実施例と同様な構成については、第４実施例においても同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図１９は、３つ以上の圧電素子を備えた第４実施例の発電装置１００を示した説明図である。図１９（ａ）は、梁１０４の一方の面から見た平面図である。図１９（ｂ）は、梁１０４の他方の面から見た平面図である。図１９（ａ）には、梁１０４の一方の面に設けられた圧電素子１０８が示されており、図１９（ｂ）には、梁１０４の他方の面に設けられた２つの圧電素子（圧電素子１１０および圧電素子１１４）が示されている。図１９（ａ）と図１９（ｂ）とを比較すれば明らかなように、圧電素子１１０および１１４は、圧電素子の長さ（梁１０４の長手方向への長さ）は圧電素子１０８と同じであるが、圧電素子の幅（梁１０４の短手方向への長さ）は、圧電素子１０８の半分よりもさらに狭くなっている。そして、２つの圧電素子１１０および１１４は、梁１０４の幅の両側に寄せた位置に設けられている。圧電素子１１４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１１４ｃと、圧電部材１１４ｃ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）１１４ａおよび第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および第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。

また、圧電素子１０８が梁１０４に対して、設置可能な最大の長さと幅であれば、圧電素子１０８の発電量は大きくなり、圧電素子１１０および１１４が設置可能な最小の幅（梁１０４の短手方向への長さ）であれば、圧電素子１１０および１１４による梁１０４の変位抵抗が低減するため、発電効率がよい。

そして、２つの圧電素子１１０および１１４を、梁１０４の幅の両側に寄せた位置に設けられていることによって、梁１０４が上下左右で異なる変位を生じるときでも、圧電素子１１０および１１４は適切なタイミングでスイッチＳＷ１をＯＮ／ＯＦＦすることができるので、発電装置１００を様々なところで使用することができる。

また、図１９（ｃ）には、３つの圧電素子１１８、１１０および１１４を備える第４実施例の発電装置１００の回路図が示されている。圧電素子１１０は、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサー（容量成分）Ｃｓ１とを組み合わせたものして表され、圧電素子１１４は、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサー（容量成分）Ｃｓ２とを組み合わせたものとして表されている。また、圧電素子１１４の第１電極１１４ａは、切換部１４０のスイッチＳＷ４を介して圧電素子１０８の第１電極１０８ａと接続される。また、圧電素子１１４の第２電極１１４ｂは、切換部１４０のスイッチＳＷ５を介して圧電素子１０８の第２電極１０８ｂと接続される。本実施例においては、スイッチＳＷ４およびスイッチＳＷ５は、ノーマリーＯＮのスイッチである。また、圧電素子１１４の第１電極１１４ａおよび第２電極１１４ｂは、制御部１３０に接続されている。制御部１３０は、スイッチＳＷ４およびスイッチＳＷ５を、スイッチＳＷ２およびスイッチＳＷ３と同じタイミングでＯＮ／ＯＦＦの制御をする。

そして、制御部１３０は、第１電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂの組、あるいは第１電極１１４ａおよび第２電極１１４ｂの組のいずれか一方を選択して、選択した方の圧電素子１１０あるいは圧電素子１１４に生じる電圧または電流を検出することによって、スイッチＳＷを所定期間導通状態とする。たとえば、発電装置１００の設置時に、圧電素子１１０に生じる電圧を検出して発電した場合と、圧電素子１１４に生じる電圧を検出して発電した場合とで発電量を計測しておく。そして、制御部１３０に設けたスイッチ（不図示）などを用いて、発電量の多い方を選択しておく。こうして圧電素子１１０または圧電素子１１４の一方を予め選択しておけば、図１４を用いて前述したスイッチ制御処理を行うことによって、スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦを制御することができる。

２つの圧電素子１１０および１１４は、大まかには同じような電流波形を発生させるが、梁１０４の構造や、製造ばらつきなどの要因で、電圧波形、電流振幅の大きさ、電流波形、電流振幅の大きさに若干の違いが生じ得る。そして電圧波形や電流波形に違いが生じれば、発電量に違いが生じる可能性があり、また、電圧振幅の大きさや電流振幅の大きさに違いが生じれば、大きな電圧振幅や電流振幅が得られる方（センサーとしての感度の高い方）を用いた方が、より適切なタイミングでスイッチＳＷ１を制御できる可能性がある。そこで、圧電素子１１０に生じる電圧または電流を検出して発電した場合と、圧電素子１１４に生じる電圧または電流を検出して発電した場合とで発電量を予め計測しておき、発電量の多い方を選択することで、より効率よく発電することが可能となる。

Ｅ．変形例：
上述した第１実施例〜第４実施例には種々の変形例が存在している。以下では、これらの変形例について簡単に説明する。

Ｅ−１．第１変形例：
上述した第４実施例では、圧電素子１１０および１１４が、圧電素子１０８と同じ長さを有しており、圧電素子１１０および１１４が、梁１０４の幅の両端に寄せた位置に設けられているものとして説明した。しかし、圧電素子１０８の長さの半分よりも短い２つの圧電素子１１０および１１４を、梁１０４の中央の位置に、長手方向に向けて一列に並べて設けるようにしてもよい。

図２０は、第１変形例の発電装置１００の梁１０４に、圧電素子１０８、１１０および１１４が設けられている様子を示した説明図である。図２０（ａ）は、梁１０４の一方の面から見た平面図である。図２０（ｂ）は、梁１０４の他方の面から見た平面図である。図２０（ａ）には、圧電素子１０８が設けられている様子が示されており、図２０（ｂ）には、圧電素子１１０および１１４が設けられている様子が示されている。

梁１０４の構造や、発電装置１００が設置される環境によっては、梁１０４が波打つように変形する場合が起こり得る。すると、梁１０４が撓んだ場合の変形が大きくなる箇所と、小さくなる箇所とが、梁１０４の長手方向に沿って発生する。したがって、図２０（ｂ）に示すように、短い２つの圧電素子１１０および１１４を、梁１０４の中央に長手方向に沿って一列に設けておき、十分な振幅の電圧波形または電流波形を発生する圧電素子を選択すれば、たとえ梁１０４が波打つような変形が発生した場合でも、適切なタイミングでスイッチＳＷを制御することが可能となる。

なお、図１４には、圧電素子１０８、１１０および１１４の３つの圧電素子が設けられているものとして説明したが、４つ以上の圧電素子を設けるようにしてもよい。

Ｅ−２．第２変形例：
上述した各種の実施例、あるいは第１変形例では、圧電素子１１０（および圧電素子１１４）が、圧電素子１０８とは異なる面に設けられているものとして説明した。しかし、圧電素子１１０を、圧電素子１０８と同じ面に設けるようにしてもよい。

図２１は、第２変形例の発電装置１００の梁１０４の同じ面に、圧電素子１０８および１１０が設けられている様子を示した説明図である。図２１に示した例では、圧電素子１０８と圧電素子１１０とが、梁１０４の同じ面に設けられている。また、圧電素子１１０は、圧電素子１０８と同じ長さを有するが幅は狭くなっている。このように、圧電素子１０８に対して、ほぼ同じ長さを有する圧電素子１１０を、圧電素子１０８と平行に設けておけば、圧電素子１０８と圧電素子１１０とはほぼ同じ変形をする。したがって、圧電素子１０８の変形方向が切り換わるタイミングを精度良く検出して、適切なタイミングでスイッチＳＷ１を制御することが可能となる。

もちろん、圧電素子１０８と、圧電素子１１０とを梁１０４の同じ面に設けた場合、圧電素子１１０の分だけ、発電用の圧電素子１０８の大きさ（面積）が小さくなる。その結果、前述した各種の実施例あるいは第１変形例のように、圧電素子１０８と圧電素子１１０とを異なる面に設けた場合に比べて、発電能力が低下する。しかし図２１に示したように、圧電素子１１０は幅が狭いので、圧電素子１０８の面積の減少を比較的小さな値に抑制することができ、発電能力の低下も比較的小さくすることができる。

その一方で、図２１に示した第２変形例のように、圧電素子１０８と圧電素子１１０とを同じ面に設けておけば、圧電素子１０８および１１０を同じ工程で設けることができる。これに対して、前述した各種実施例や第１変形例のように、圧電素子１０８と圧電素子１１０とを異なる面に設けた場合には、圧電素子１０８を設ける工程と、圧電素子１１０を設ける工程とを別の工程にしなければならない。したがって、第２変形例のように圧電素子１０８と圧電素子１１０とを同じ面に設けることで、発電装置１００の製造工程を単純化することが可能となる。逆に言えば、前述した各種の実施例や第１変形例のように、圧電素子１０８と圧電素子１１０とを別の面に設けた場合、発電装置１００の製造工程は複雑となるが、発電用の圧電素子１０８の面積を大きくすることができるので、発電能力を高くすることが可能となる。

以上では、制御用の圧電素子１１０が、圧電素子１０８とほぼ同じ長さを有するが、幅は圧電素子１０８よりも狭いものとして説明した。しかし、圧電素子１０８と幅がほぼ同じで、長さが短い圧電素子１１０を使用し、それら圧電素子１０８および１１０を梁１０４の同じ面に設けることとしてもよい。

図２２は、圧電素子１０８および１１０が、梁１０４の同じ面に設けられた第２変形例の他の態様を示した説明図である。図２２に示す例は、変形部材（梁１０４）は、変形しない固定端（支持端１０２との接続部分）を含んで構成され、圧電素子１１０は、圧電素子１０８より固定端に近い箇所に設けられている例である。梁１０４のような、いわゆる片持ち梁では、先端から支持端１０２に近付くにしたがって曲げモーメントが大きくなり、それに伴って、単位長さ当りの梁１０４の変形量も大きくなる。したがって、圧電素子１１０を支持端１０２の近くに設けることでセンサーとしての感度が高くなり、その分だけ、圧電素子１１０の幅を狭くすることができる。その結果、圧電素子１０８の面積を広くすることができるので、圧電素子１０８と圧電素子１１０とを同じ面に設けたことによる発電能力の低下を抑制することが可能となる。

Ｅ−３．第３変形例：
上述した第２変形例では、２つの圧電素子１０８および１１０が、梁１０４の同じ面に設けられているものとして説明した。しかし、３つ以上の圧電素子を設けるようにしてもよい。

図２３は、同じ面に３つ以上の圧電素子１０８、１１０および１１４が設けられた第３変形例を示した説明図である。図示した例では、圧電素子１０８よりも幅が狭く、長さについても圧電素子１０８の半分以下の短い圧電素子１１０および１１４が一列に並べて、圧電素子１０８に対して平行に設けられている。

前述したように、梁１０４の構造や発電装置１００が設置される環境によっては、梁１０４が波打つように変形する場合が起こり得る。すると、梁１０４が撓んだ場合の変形が大きくなる箇所と、小さくなる箇所とが、梁１０４の長手方向に沿って発生する。したがって、圧電素子１１０および１１４が設けられた位置によっては、十分な感度（検出する電圧値または電流値）が得られない場合が起こり得る。そこで、図２３に示すように、短い２つの圧電素子１１０および１１４を、梁１０４の長手方向に沿って一列に設けておき、十分な感度が得られる圧電素子を選択すれば、たとえ梁１０４が波打つような変形が発生した場合でも、適切なタイミングでスイッチＳＷ１を制御することが可能となる。もちろん、圧電素子としては、圧電素子１０８、１１０および１１４の３つに限らず、４つ以上の圧電素子を設けるようにしても構わない。

なお、図２３に示した第３変形例では、２つの短い圧電素子１１０および１１４が、梁１０４の長手方向に一列に並んで設けられているものとして説明した。したがって、２つの短い圧電素子１１０および１１４は、圧電素子１０８に対しては一方の側に設けられていることになる。これに対して、圧電素子１０８の両側に、圧電素子１０８とほぼ同じ長さで、幅の狭い圧電素子１１０および１１４を設けることとしてもよい。

図２４は、同じ面に３つ以上の圧電素子１０８、１１０および１１４が設けられた第３変形例の他の態様を示した説明図である。前述したように、梁１０４の構造や発電装置１００が設置される環境などの影響で、梁１０４を捻るような変形が発生することが起こり得る。そして、梁１０４に捻りが発生すると、圧電素子１１０や圧電素子１１４が発生する電流波形の位相がシフトして、適切なタイミングでスイッチＳＷ１を切り換えることができなくなることが起こり得る。しかし、図２４に示したように、圧電素子１０８の両側に、幅の狭い圧電素子１１０および１１４を設けておき、それぞれの圧電素子１１０および１１４の電圧値または電流値を用いてスイッチＳＷ１を制御したときの発電量を計測して、発電量が多い方の圧電素子１１０または１１４を選択しておく。こうすれば、たとえ梁１０４に捻りが生ずるような場合でも、発電能力の低下を少なくすることができる。

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。

たとえば、上述した実施例では、圧電素子１０８および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、圧電素子１０８および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。たとえば、薄膜の表面に圧電素子１０８および１１０を取り付けてもよいし、弦巻バネの側面に圧電素子１０８および１１０を取り付けても構わない。

また、本発明の発電装置は振動や移動に応じて発電するため、たとえば、橋梁や建築物あるいは地すべり想定箇所などに発電装置を設置すれば地震などの災害時に発電し、電子機器などのネットワーク手段に必要時（災害時）だけ電源供給することもできる。

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。たとえば、車両や電車などの移動手段に本発明の発電装置を用いることで、移動に伴う振動によって発電し、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。たとえば、複数の発電装置１００が共通の支持端１０２に固定されている発電ユニットとして構成されていてもよい。

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

さらに、特定の機器等に設置されるのではなく、本発明の発電装置がたとえばボタン電池、乾電池と同じ形状であって、電子機器一般で使用されてもよい。このとき、振動によって蓄電素子への充電が可能であるため、電力が喪失した災害時でも電池として使用可能である。また、一次電池より寿命が長いため、ライフサイクルの観点で環境負荷低減を図ることができる。

本発明は、実施例で説明した構成と実質的に同一の構成（たとえば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的およ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また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。

１００…発電装置、１０２…支持端、１０４…梁、１０６…錘、１０８…圧電素子、１０８ａ…第１電極、１０８ｂ…第２電極、１０８ｃ…圧電部材、１１０…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、１２０，１２１…整流回路、１３０…制御部、１３１…ＣＰＵ、１３２…電源監視回路、１３３…安定化電源回路、１３４，１３４ａ…Ａ／Ｄコンバーター、１３５ａ…ＳＷ１駆動回路、１３５ｂ…ＳＷ２駆動回路、１３５ｃ…ＳＷ３駆動回路、１３６…抵抗、１３７…蓄電素子、１４０…切換部、Ｌ…インダクター、Ｃ１…蓄電素子、Ｄ１〜Ｄ８…ダイオード、ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５…スイッチ

Claims (8)

1. 変形方向を切り換えて変形する変形部材と、
   前記変形部材に設けられた第１の圧電素子と、
   前記変形部材に設けられた第２の圧電素子と、
   前記第１の圧電素子を含む共振回路を構成するインダクターと、
   前記共振回路に設けられたスイッチと、
   前記第１の圧電素子が発生させる電流を整流する整流回路と、
   前記整流回路を介して前記第１の圧電素子と並列に接続された蓄電素子と、
   前記第２の圧電素子を前記第１の圧電素子と並列に接続される第１状態と接続されない第２状態とを切り換える切換部と、
   前記蓄電素子から電圧の供給を受けて動作し、前記スイッチおよび前記切換部を制御する制御部と、
   を含み、
   前記制御部は、
   前記蓄電素子の電圧が基準値を下回っている場合には、前記スイッチを非導通状態とし、前記切換部を前記第１状態とし、
   前記蓄電素子の電圧が前記基準値以上である場合には、前記切換部を前記第２状態とし、前記第２の圧電素子に生じる電圧または電流を検出することによって、前記スイッチを所定期間導通状態とする、発電装置。
2. 請求項１に記載の発電装置において、
   前記制御部は、
   前記第２の圧電素子に生じる電圧または電流に基づいて、前記変形部材の変形方向が切り換わるタイミングで前記スイッチを接続した後、前記所定期間が経過するタイミングで前記スイッチを切断する、発電装置。
3. 請求項１または２に記載の発電装置において、
   前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とは、前記変形部材の異なる面に設けられている、発電装置。
4. 請求項１または２に記載の発電装置において、
   前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とは、前記変形部材の同じ面に設けられている、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、
   前記変形部材は、変形しない固定端を含んで構成され、
   前記第２の圧電素子は、前記第１の圧電素子より前記固定端に近い箇所に設けられている、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. 変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変形部材に設けられた第１の圧電素子と、前記変形部材に設けられた第２の圧電素子と、前記第１の圧電素子を含む共振回路を構成するインダクターと、前記共振回路に設けられたスイッチと、前記第１の圧電素子が発生させる電流を整流する整流回路と、前記整流回路を介して前記第１の圧電素子と並列に接続された蓄電素子と、前記第２の圧電素子を前記第１の圧電素子と並列に接続される第１状態と接続されない第２状態とを切り換える切換部と、を備える発電装置の制御方法であって、
   前記蓄電素子の電圧を検出することと、
   前記蓄電素子の電圧が基準値を下回っている場合には、前記スイッチを非導通状態とし、前記切換部を前記第１状態とすることと、
   前記蓄電素子の電圧が基準値以上である場合には、前記切換部を前記第２状態とし、前記第２の圧電素子に生じる電圧または電流を検出することによって、前記スイッチを所定期間導通状態とすることと、
   を含む、発電装置の制御方法。

Images