JP5871120B2 - 発電装置、発電装置の制御方法、電子機器、および移動手段 - Google Patents

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、その制御方法、この発電装置を含む電子機器、および移動手段等に関する。

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。

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。

また、発電装置で高い電圧を発生させる場合でも、一般に昇圧のための回路はスイッチによる制御を要する。しかし、スイッチをＯＮ又はＯＦＦ状態に切り換えるには、発電装置内に例えば蓄電素子等を用意し、ある程度の電荷を蓄えることが必要である。そのため、発電装置は、動作開始時等における放電状態の蓄電素子にも、スイッチをＯＮ又はＯＦＦさせるための電荷を確実に蓄える機能を備えることが好ましい。さもないと、スイッチをＯＮ又はＯＦＦさせるために補助電源（電池等）を要することとなり、装置全体のサイズが大きくなり、発電装置としての意義が損なわれるからである。

この発明は、上述した課題を解決するためになされたものである。本発明のいくつかの態様によれば、圧電材料の圧電効果を利用した発電装置であって、小さな回路規模で高い電圧を発生させることが可能であり、微弱な振動でも発電する発電効率のよい発電装置等を提供する。

（１）本発明は、発電装置であって、変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変形部材に設けられた第１の圧電素子と、前記第１の圧電素子が発生する交流電流を整流する第１の整流回路と、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第１スイッチと、前記変形部材に設けられ、前記第１の圧電素子よりも出力電圧が高い第２の圧電素子と、前記第２の圧電素子が発生する交流電流を整流する第２の整流回路と、前記第１の整流回路、又は前記第２の整流回路からの出力信号に基づいて充電を行う蓄電素子と、前記第１スイッチの制御を行う制御手段と、前記蓄電素子の電圧を検出する蓄電電圧検出回路と、を備える。

（２）この発電装置において、前記蓄電電圧検出回路が検出した蓄電素子の電圧に基づき、前記第１スイッチを駆動できないと判断した場合に、前記蓄電素子に第２の圧電素子の出力電圧に基づいて充電を行わせてもよい。

（３）この発電装置において、前記第２の圧電素子と前記第２の整流回路との間に設けられ、前記第２の圧電素子と前記第２の整流回路との接続状態を切り換える切換部を含み、前記制御手段は、前記蓄電電圧検出回路が検出した蓄電素子の電圧に基づき、前記切換部を非導通状態とし、前記第２の圧電素子の電圧を検出して、前記第１スイッチを所定期間導通状態としてもよい。

これらの発明は、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り、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。また、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（第１スイッチ）が設けられている。そして、制御手段が第１スイッチを適切なタイミングで導通状態とすることで、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、昇圧回路を別途用意する必要のない小さな回路規模で、高い電圧を得ることが可能になる。

ここで、第１スイッチを導通状態とする適切なタイミングは、第２の圧電素子の電圧を検出することで得てもよい。このとき、効率的な発電が可能になる。まず、第１スイッチ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、第１スイッチを導通状態とする。第１の圧電素子（および第２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（および第２の圧電素子）で発生した電荷が最も多くなった時に、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。従って、第１の圧電素子の変形方向が切り換わったときに第１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第１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更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従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。更に、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第１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の圧電素子も変形量が大きくなるほど高い電圧を発生させるから、第２の圧電素子の変形方向が切り換わるところでは、第２の圧電素子の発生する電圧が極値である。このことから、第２の圧電素子に生じた電圧を検出して、その電圧が極値となった時点から所定期間だけ第１スイッチを導通状態とすれば、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。

ここで、これらの発明に係る発電装置は蓄電素子を備えている。そのため、蓄電素子が充電された後には蓄電素子を電源として第１スイッチを駆動することが可能になる。しかし、例えば発電装置の起動時において蓄電素子が放電している状態では、第１スイッチを駆動することはできない。さらに、外部から与えられる振動が微弱であって第１の圧電素子の変形量が大きくない場合には、第１の圧電素子の出力電圧が蓄電素子に充電するのに必要な閾値電圧に達しない可能性がある。このような場合、補助電源等がなければ、第１スイッチを切り換えて行う効率的な発電を開始できない。しかし、補助電源を発電装置に含めると装置全体のサイズが大きくなるという問題が生じ、発電装置としての意義も損なわれることになる。

これらの発明に係る発電装置は、動作開始時等においても確実に蓄電素子に充電するために、第２の圧電素子の出力電圧を第１の圧電素子の出力電圧よりも高くしている。このとき、第２の圧電素子と第２の整流回路との接続状態を切り換える切換部を備えていてもよい。切換部は、起動時に第２の圧電素子と第２の整流回路とが接続されているようにノーマリーオンであるスイッチを含むことが好ましい。蓄電素子によって第１スイッチを駆動できない場合には、出力電圧の高い第２の圧電素子によって蓄電素子が充電される。このとき、第２の圧電素子は発電用圧電素子として使用されることになる。これらの発明に係る発電装置は、第１の圧電素子の出力電圧が蓄電素子に充電するのに必要な閾値電圧に達しない場合であっても、第２の圧電素子によって確実に蓄電素子に充電することができる。そして、充電が進み、蓄電素子によって第１スイッチを駆動できるようになれば、第２の圧電素子に生じた電圧を検出して、その電圧が極値となった時点から所定期間だけ第１スイッチを導通状態とし、第１の圧電素子内に効率よく電荷を蓄積する。この通常動作時においては、切換部は非導通状態（第２の圧電素子と第２の整流回路とが接続されていない状態）であり、第２の圧電素子は第１スイッチの導通タイミングを与える制御用圧電素子として使用される。このように、これらの発明に係る発電装置は、微弱な振動であっても確実に効率的な発電を行わせることができる。

（４）この発電装置において、前記第２の圧電素子の静電容量は、前記第１の圧電素子の静電容量よりも小さくてもよい。

（５）こ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。

（６）この発電装置において、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。

（７）こ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。

これらの発明によれば、第２の圧電素子の静電容量は、第１の圧電素子の静電容量よりも小さいため、第２の圧電素子の出力電圧を第１の圧電素子の出力電圧よりも高くすることができる。静電容量を調整するのに、第２の圧電素子の電極の面積を、前記第１の圧電素子の電極の面積よりも小さくしてもよい。面積が減ることで圧電素子の容量成分が減るため、第２の圧電素子の出力電圧を高くすることができる。

また、第２の圧電素子の１対の電極に挟まれた圧電部材の厚さを第１の圧電素子の１対の電極に挟まれた圧電部材よりも厚くしてもよい。電極の間隔が広がることで圧電素子の容量成分が減るため、第２の圧電素子の出力電圧を高くすることができる。

このとき、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。従って、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、通常動作時において高い発電能力を確保することができる。

一方、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。

第２の圧電素子が、変形部材の同じ面に設けられている場合、第２の圧電素子は、第１の圧電素子よりも変形部材の固定端に近い箇所に設けられていてもよい。変形部材の固定端に近い部分に設置された場合、圧電素子の変形が大きいため、出力電圧を高くすることができる。

（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、前記第１の圧電素子が発生する交流電流を整流する第１の整流回路と、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第１スイッチと、前記変形部材に設けられ、前記第１の圧電素子よりも出力電圧が高い第２の圧電素子と、前記第２の圧電素子が発生する交流電流を整流する第２の整流回路と、前記第１の整流回路、又は前記第２の整流回路からの出力信号に基づいて充電を行う蓄電素子と、前記蓄電素子の電圧を検出する蓄電電圧検出回路と、を備える発電装置の制御方法であって、前記蓄電電圧検出回路からの出力信号に基づいて前記蓄電素子の電圧を所定の閾値と比較するステップと、前記蓄電素子によって前記第１スイッチを駆動できないと判断した場合に、前記蓄電素子に第２の圧電素子の出力電圧に基づいて充電を行わせるステップと、を含む。

本発明によれば、蓄電素子によって前記第１スイッチを駆動できないと判断した場合に、出力電圧がより高い第２の圧電素子によって蓄電素子を充電させる。なお、発電装置において、第２の圧電素子と蓄電素子との間に、ノーマリーオンであるスイッチを含む切換部が含まれていてもよい。

このため、第１の圧電素子の出力電圧が低い場合でも、確実に蓄電素子を充電させることができる。つまり、小さな回路規模で高い電圧を発生させることができる圧電効果を利用した発電装置において、上記の制御を行うことで、補助電源等は不要であり、微弱な振動であっても確実に効率的な発電を行わせることができる。

（９）本発明は、前記のいずれかに記載の発電装置を含む電子機器である。

（１０）本発明は、前記のいずれかに記載の発電装置を含む移動手段である。

これらの発明は、前記の発電装置を電池の代わりに組み込んだ例えばリモコン等の小型電子機器、又は前記の発電装置を搭載した例えば車両や電車等の移動手段である。この電子機器は、例えば持ち運ばれるとき、又は使用されるときに、振動が伴うことで発電が可能である。この電子機器では、電池交換といった作業も不要である。また、この移動手段（例えば車両や電車等）は、その移動に伴う振動により発電し、例えば移動手段に備わる機器に効率良く電力供給することが可能である。

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。 制御用の圧電素子の電圧を検出することによってスイッチを適切なタイミングで制御可能な理由を示す説明図である。 第２の圧電素子による蓄電素子の充電の様子を示す図である。 スイッチのＯＮ／ＯＦＦを切り換える制御処理を示したフローチャートである。 第１スイッチのＯＮ／ＯＦＦを切り換える第１スイッチ制御処理を示したフローチャートである。 第１、第２の圧電素子が梁の別の面に設けられる場合の設置例を示した説明図である。 第１、第２の圧電素子が梁の同じ面に設けられる場合の設置例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（通常動作モード）：
Ｃ．発電装置の動作原理（通常動作モード）：
Ｄ．スイッチの切換タイミング：
Ｄ−１．第１スイッチＳＷ１（通常動作モード）：
Ｄ−２．動作モードの切換（準備動作モードから通常動作モードへ）：
Ｅ．圧電素子の設置例：
Ｆ．その他：

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おり、支持端１０２は発電装置１００内に固定されるのが望ましい。また、梁１０４の表面には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料によって形成された圧電部材１０８および圧電部材１１０が取り付けられており、圧電部材１０８の表面には、表側と裏側とに、金属薄膜によって形成された第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂがそれぞれ設けられている。圧電部材１０８、第１電極１０９ａ、および第２電極１０９ｂで圧電素子（以下、第１の圧電素子）を構成している。また、圧電部材１１０についても同様に、金属薄膜によって形成された第１電極１１１ａ、第２電極１１１ｂが設けられている。圧電部材１１０、第１電極１１１ａ、および第２電極１１１ｂで圧電素子（以下、第２の圧電素子）を構成している。

図１（ａ）に示す例では、圧電部材１１０の長さ（梁１０４の長手方向）は、圧電部材１０８に比べて短い。長さの調整により、第２の圧電素子の容量成分を第１の圧電素子よりも減らして、第２の圧電素子の出力電圧の振幅が第１の圧電素子よりも大きくなるようにしている。なお、後述するように長さの調整以外の手法でも、第２の圧電素子の出力電圧の振幅を大きくすることが可能である。なお、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、下面側に圧電部材１１０が設けられているが、これらの圧電部材を設ける面が互いに逆であってもよい。また、圧電部材１０８および圧電部材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の表面に取り付けられた圧電部材１０８および圧電部材１１０には、圧縮力および引張力が交互に作用する。圧電部材１０８、圧電部材１１０のそれぞれは圧電効果によって正負の電荷を発生し、圧電部材１０８の電荷は第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂに、圧電部材１１０の電荷は第１電極１１１ａおよび第２電極１１１ｂに現れる。また、錘１０６は必須ではないが、梁１０４の先端側と基端側とで重量のバランスが非均衡であることが望ましい。なぜなら、重量のバランスが非均衡であることで、たとえば、１つの振動により梁１０４の変位が反復しやすくなるためである。

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１０８は、電気的には、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサーＣｇとして表すことができる。同様に圧電部材１１０も、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサーＣｓとして表すことができる。このうち圧電部材１０８に対しては、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（コンデンサーＣｇ）と共に電気的な共振回路を形成している。そして、この共振回路をＯＮ／ＯＦＦするための第１スイッチＳＷ１が、共振回路内に（インダクターＬに対して直列に）設けられている。第１スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦは、制御回路１１２（制御手段に相当）によって制御されている。ここで、本実施例の制御回路１１２は電圧検出回路１２４、スイッチ制御回路１２６で構成される。そして、スイッチ制御回路１２６が第１スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦを制御する。それぞれの回路の詳細については後述する。

圧電部材１０８に設けられた第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂは、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４から構成される第１の全波整流回路１２０（第１の整流回路に対応）に接続されている。更に、第１の全波整流回路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（蓄電素子Ｃ１）が接続されている。

また、圧電部材１１０に設けられた第１電極１１１ａおよび第２電極１１１ｂは、それぞれ第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３を経由して、４つのダイオードＤ５〜Ｄ８から構成される第２の全波整流回路１２１（第２の整流回路に対応）に接続されている。第２の全波整流回路１２１は、第１の全波整流回路１２０と並列して、蓄電素子Ｃ１と接続されている。第２スイッチＳＷ２、および第３スイッチＳＷ３は、第２の圧電素子と第２の全波整流回路１２１との接続を制御する切換部１１３を構成する。

ここで、蓄電電圧検出回路１２５は、蓄電素子Ｃ１の電圧を検出する。そして、蓄電素子Ｃ１の電圧が所定の閾値Ｖｔｈ以上であれば、蓄電素子Ｃ１を電源として第１スイッチＳＷ１を駆動できる状態（以下、通常動作モード）であると判断する。蓄電電圧検出回路１２５は、蓄電素子Ｃ１の電圧が閾値Ｖｔｈ未満であれば、蓄電素子Ｃ１を電源として第１スイッチＳＷ１を駆動できない状態（以下、準備動作モード）であると判断する。そして、通常動作モード又は準備動作モードに応じた信号をスイッチ制御回路１２６に出力する。なお、蓄電電圧検出回路１２５は、閾値Ｖｔｈとの比較器（コンパレーター）によって通常動作モード又は準備動作モードに応じた信号（ハイレベル又はローレベル）を出力してもよい。

スイッチ制御回路１２６は、蓄電電圧検出回路１２５からの動作モードを表す信号に応じて、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦを制御する。準備動作モードの場合には、第１スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦはできない。ここで、本実施例では、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３はノーマリーオンであるとする。このとき、第２の圧電素子は発電用の圧電素子として機能し、第２の圧電素子の出力電圧に基づいて蓄電素子Ｃ１の充電が行われる。一方、通常動作モードの場合、スイッチ制御回路１２６は第１スイッチＳＷ１を所定期間導通状態（ＯＮ）にする制御を行う。このとき、スイッチ制御回路１２６は、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３を非導通状態（ＯＦＦ）にする。

通常動作モードにおいて、第２の圧電素子は、第１スイッチＳＷ１を導通状態にするタイミングを与える制御用の圧電素子として機能する。電圧検出回路１２４は、第２の圧電素子の出力電圧のピーク（極値）を求めて、そのタイミングでスイッチ制御回路１２６への出力信号を変化させる。

以上のように、通常動作モードでは第１の圧電素子を「発電用の圧電素子」、第２の圧電素子を「制御用の圧電素子」として機能させ、準備動作モードでは、第２の圧電素子を「発電用の圧電素子」として機能させる。また、第１スイッチＳＷ１〜第３スイッチＳＷ３も動作モードに応じてＯＮ／ＯＦＦを適切に切り換える。これらの制御により、本実施例の発電装置は、小さな回路規模で高い電圧を発生させる（通常動作モード）ことが可能で、かつ、補助電源等も不要になる（準備動作モード）。

以下に、通常動作モードにおける動作を説明し、その後に準備動作モードおよび動作モードの切換のタイミングについて説明する。

Ｂ．発電装置の動作（通常動作モード） ：
図２は、本実施例の発電装置１００の通常動作モードにおける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。なお、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、圧電部材１０８に生じる起電力は、第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電位差Ｖpzt として表されている。

なお、図１を用いて前述したように、梁１０４には圧電部材１１０も設けられており、梁１０４が変形すると、圧電部材１１０も圧電部材１０８と同様に変形する。従って、圧電部材１１０の内部にも、圧電部材１０８と全く同様に、図２（ｂ）に示す電流Ｉpzt および電位差Ｖpzt 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１０８は正方向の電流を発生させ（すなわち、電流Ｉpzt がプラス値）、これに伴って第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの電位差Ｖpzt は正方向へ増加する。正方向の電位差Ｖpzt が、蓄電素子Ｃ１の端子間電圧ＶＣ１と第１の全波整流回路１２０を構成しているダイオードの順方向降下電圧Ｖｆの２倍との和、すなわち、ＶＣ１＋２Ｖｆよりも大きくなれば、それ以降に発生した電荷は直流電流として取り出して、蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。また、梁１０４の変位が減少している間は、圧電部材１０８は負方向の電流を発生させ（すなわち、電流Ｉpzt がマイナス値）、これに伴って第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの電位差Ｖpzt は負方向へ増加する。負方向の電位差Ｖpzt が、ＶＣ１と第１の全波整流回路１２０の２Ｖｆの和よりも大きくなれば、発生した電荷は直流電流として取り出して、蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。すなわち、図１の第１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。

本実施例の発電装置１００では、図２（ｃ）に示すタイミングで、第１スイッチＳＷ１をＯＮにする。すると、図２（ｄ）に示すように、圧電部材１０８を含む圧電素子の端子間（以下、単に圧電部材１０８の端子間と表す）の電圧波形が、第１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。例えば、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、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で発生した電荷を蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。なお、圧電部材１０８から蓄電素子Ｃ１に電荷が流れる結果、圧電部材１０８の端子間の電圧は、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧でクリップされる。言い換えると、圧電部材１０８の端子間の電圧が、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧に保持される。その結果、第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間の電圧波形は、図２（ｄ）に太い実線で示した波形となる。

図２（ｂ）に示した第１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第１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第１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、第１スイッチＳＷ１を適切なタイミングでＯＮにするために、制御用の圧電部材１１０を設けておき、圧電部材１１０の電圧を検出して第１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、それに従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１０８を変形させたことによって、第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電圧Ｖpzt 以上の電圧を、蓄電素子Ｃ１に蓄えることも可能となる。その結果、特別な昇圧回路を設ける必要がなくなり、小型で高効率の発電装置を得ることが可能となる。

Ｃ．発電装置の動作原理（通常動作モード） ：
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および図４では、圧電部材１０８の変形に合わせて第１スイッチＳＷ１をＯＮにしたときのＣｇ（圧電部材１０８のコンデンサー）内での電荷の動きが、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、Ｃｇ（圧電部材１０８のコンデンサー）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の変形量が大きくなるほど増加する。そして、圧電部材１０８の変形量が極値となったタイミング（電荷量が極値となったタイミング（図３（ｂ）参照））で、第１スイッチＳＷ１をＯＮにする。

図３（ｃ）には、第１スイッチＳＷ１をＯＮにした直後の状態が示されている。Ｃｇ（圧電部材１０８のコンデンサー）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。第１スイッチＳＷ１をＯＮにしたときは、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、第１スイッチＳＷ１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Ｃｇ（圧電部材１０８のコンデンサー）から電荷を引き抜きながら、インダクターＬを電流が流れ続ける。そして、電荷の移動の途中で損失が発生しなければ、圧電部材１０８の変形によって生じた全ての電荷が移動して、ちょうど正負の電荷が置き換わったような状態（すなわち、圧電部材１０８の下面側に正電荷が分布し、上面側に負電荷が分布した状態）となる。図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、このまま第１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、Ｃｇ（圧電部材１０８のコンデンサー）に電荷が蓄えられた状態で第１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共振回路の共振周期Ｔとなるから、Ｃｇ（圧電部材１０８のコンデンサー）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、第１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、第１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）に示すように第１スイッチＳＷ１をＯＦＦにする。そしてこの状態から、圧電部材１０８（正確には梁１０４）を今度は下向きに（下面側が凹となるように）変形させる。前述した図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、第１スイッチＳＷ１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、圧電部材１０８の変形量が極値となったタイミング（電荷量が極値となったタイミング）で第１スイッチＳＷ１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、第１スイッチＳＷ１をＯＮにした後、時間Ｔ／２が経過したら第１スイッチＳＷ１をＯＦＦにして、今度は圧電部材１０８（正確には梁１０４）を上向きに（上面側が凹となるように）変形させれば、圧電部材１０８内に更に正負の電荷を蓄積することができる。

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

なお、ＬＣ共振回路の共振により、少なくとも、ＶｇｅｎがスイッチＳＷをＯＮにする時の極性と反対の極性となった時にスイッチＳＷをＯＦＦすれば、Ｖｇｅｎが昇圧していく。前述の説明（および以下の説明）では便宜上“Ｔ／２（共振周期の半分）”としているが、これに限定されるものではなく、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。

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スイッチＳＷ１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現象が生じる。すなわち、例えば図２（ｄ）中に示した期間Ａでは、圧電部材１０８（正確には梁１０４）の変形に従って、第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間に電圧が発生するが、第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂは第１の全波整流回路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、第１の全波整流回路１２０に接続された蓄電素子Ｃ１に流れ込む。その結果、梁１０４の変形量が極値となった時点で第１スイッチＳＷ１をＯＮにすると、その時に圧電部材１０８内に残っていた正負の電荷がインダクターＬを介して移動して、圧電部材１０８内での正負の電荷の配置が入れ代わる。なお、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、第１スイッチＳＷ１をＯＮにしておく期間は、圧電部材１０８のコンデンサーと、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の第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間には、圧電効果による電圧波形が現れる。すなわち、圧電部材１０８の第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの極性が入れ代わった状態から、圧電部材１０８に変形による電圧変化が発生することになる。その結果、図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１０８に生じる電圧波形をシフトさせたような、電圧波形が現れることになる。もっとも、前述したように、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧を超えた部分の電荷は蓄電素子Ｃ１に流れ込むので、圧電部材１０８の第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間の電圧は、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧でクリップされる。その後、共振周期の半分の時間だけ第１スイッチＳＷ１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第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電位差よりも高い電圧を、蓄電素子Ｃ１に蓄えることができるという大きな効果を得ることができる。このような現象は、次のようなメカニズムによって生じる。

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

加えて、図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内の電荷は増加し、圧電部材１０８の端子間の電圧は大きくなる。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。

Ｄ．スイッチの切換タイミング ：
Ｄ−１．第１スイッチＳＷ１（通常動作モード） ：
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ときに、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、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ときに第１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、梁１０４の変形方向が切り換わるときは、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ときに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、発電用の圧電部材１０８だけでなく、制御用の圧電部材１１０も設けておき、圧電部材１１０で発生する電圧を検出することで、第１スイッチＳＷ１を制御している。

図５は、制御用の圧電部材１１０で発生する電圧を検出することによって、第１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１１０に生じる起電力Ｖpzt が変化する様子が示されている。

図３および図４を用いて前述したように、梁１０４の変位が極値に達したタイミングで第１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５（ａ）と図５（ｂ）とを比較すれば明らかなように、梁１０４の変位が極値となるのは、圧電部材１１０の起電力Ｖpzt が極値となるタイミングと一致する。これは、次のような理由による。先ず、圧電部材１０８は変形によって電荷が発生しても、その電荷がインダクターＬによって引き抜かれたり、蓄電素子Ｃ１に電荷が流れたりする影響で、圧電部材１０８の起電力Ｖpzt は梁１０４の変位と完全には同じにならない。これに対して、圧電部材１１０は、インダクターＬや蓄電素子Ｃ１と接続していないため（通常動作モード時において第２スイッチＳＷ２および第３スイッチＳＷ３は非導通状態）、電荷の増減が圧電部材１１０の起電力Ｖpzt の変化に直接反映される。このため、圧電部材１１０の起電力Ｖpzt が極値となるタイミングは、梁１０４の変位が極値となるタイミングと一致するのである。

そこで、図５（ｂ）に矢印で示したように、圧電部材１１０の起電力Ｖpzt 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、前述した共振周期の半分の時間（Ｔ／２）だけ第１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。

Ｄ−２．動作モードの切換（準備動作モードから通常動作モードへ） ：
図６は、準備動作モードから通常動作モードへの移行を示しており、特に第２の圧電素子による蓄電素子の充電の様子を示す図である。ここで、図６の時刻Ｔ１より前は準備動作モードであり、時刻Ｔ１以降は通常動作モードであるとする。例えば放電等の理由により、時刻Ｔ１より前は蓄電素子Ｃ１を電源として第１スイッチＳＷ１を駆動できない状態であるとする。時刻Ｔ１より前は、例えば発電装置の起動時の状態に対応する。このとき、前記のように第１スイッチＳＷ１を所定のタイミングでＯＮ／ＯＦＦすることができず、第１の圧電素子による効率的な発電はできない。

図６（ａ）は、第１の圧電素子の出力電圧Ｖgen（図１（ｂ）参照）を表す。第１の圧電素子は第１の全波整流回路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だけが蓄電素子Ｃ１に流れ込む。しかし、図６（ａ）の例では、外力による振動が弱く、時刻Ｔ１より前に第１の圧電素子の出力電圧Ｖg enによって蓄電素子Ｃ１が充電されることはないことを表している。

図６（ｂ）は、第２の圧電素子の出力電圧Ｖsen（図１（ｂ）参照）を表す。第１の圧電素子と第２の圧電素子とは同じ変形部材に設けられているので、２つの圧電素子は同じように変形する。しかし、同じように変形した場合、第２の圧電素子は第１の圧電素子よりも高い電圧を出力する。そのため、図６（ｂ）のように、時刻Ｔ１より前においてＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧を超える部分（斜線）が生じる。よって、時刻Ｔ１より前の準備動作モードにおいて、第２の圧電素子を発電用圧電素子として用いて、蓄電素子Ｃ１を充電することができる。

本実施例では、第２の圧電素子は、それぞれ第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３を経由して、４つのダイオードＤ５〜Ｄ８から構成される第２の全波整流回路１２１に接続されている（図１（ｂ）参照）。ここで、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３はノーマリーオンである。また、第２の全波整流回路１２１は前記の第１の全波整流回路１２０と同じ構成であって、ダイオードＤ５〜Ｄ８はそれぞれダイオードＤ１〜Ｄ４と対応するものとする。

すると、準備動作モード（時刻Ｔ１より前）において第２の圧電素子は第２の全波整流回路１２１と接続されており、出力電圧ＶsenがＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧を超える部分（斜線）について、発生した電荷は直流電流として取り出されて、蓄電素子Ｃ１に蓄えられる。

図６（ｃ）のＶＣ１は蓄電素子Ｃ１の端子間電圧である。準備動作モードにおいて、ＶＣ１は図６（ｂ）の斜線部の分だけ大きくなっていることが分かる。そして、ＶＣ１が閾値Ｖｔｈに到達すれば、蓄電素子Ｃ１を電源として第１スイッチＳＷ１を駆動できるので、通常動作モードに切り換えて、第１の圧電素子による効率的な発電が可能になる（時刻Ｔ１以降）。

このとき、ＶＣ１と閾値Ｖｔｈとの比較は蓄電電圧検出回路１２５（図１（ｂ）参照）で行われ、スイッチ制御回路１２６に比較結果が伝えられる。図６（ｄ）〜図６（ｅ）のように、スイッチ制御回路１２６は準備動作モード（時刻Ｔ１より前）において、ノーマリーオンである第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３の導通状態を維持する。そして、通常動作モードに切り換わった場合に、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３を非導通状態とするとともに、第１スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦを制御する。なお、通常動作モードにおける動作については、既に図２を用いて詳細に説明しており、重複説明防止のためにここでは省略する。

図７は、準備動作モードおよび通常動作モードへの移行時における制御処理を表すフローチャートである。この処理は、スイッチの初期化を除けば、制御回路１１２（電圧検出回路１２４、スイッチ制御回路１２６）が行う。なお、制御回路１１２はＣＰＵであってもよい。

発電装置が起動すると、まずスイッチの状態の初期化が行われる。具体的には、第１スイッチＳＷ１がＯＦＦになり、第２スイッチＳＷ２および第３スイッチＳＷ３をＯＮになる（ステップＳ２）。なお、グローバルリセット信号などをトリガーとして、スイッチの状態の初期化が行われてもよい。

そして、制御回路１１２は、蓄電電圧検出回路１２５からの信号に基づいて、蓄電素子Ｃ１の端子間電圧ＶＣ１が閾値Ｖｔｈ以上であるか否かを判断する（ステップＳ４）。閾値Ｖｔｈ以上であれば（ステップＳ４：ｙｅｓ）、第２スイッチＳＷ２および第３スイッチＳＷ３をＯＦＦにして（ステップＳ６）、通常動作モードの処理である“第１スイッチ制御処理（ステップＳ１０）”を行う。なお、閾値Ｖｔｈ未満であれば（ステップＳ４：ｎｏ）、準備動作モードのまま第２の圧電素子を発電用圧電素子として使用し、閾値Ｖｔｈ以上になるまで待つ。

図８は、通常動作モードの第１スイッチ制御処理（ステップＳ１０）の詳細を表すフローチャートである。第１スイッチ制御処理では、制御用の圧電部材１１０の起電力を検出して第１スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦを切り換える。

第１スイッチ制御処理を開始すると、制御回路１１２は、第２の圧電素子の出力電圧を検出する電圧検出回路１２４からの信号に基づいて、電圧値がピークに達したか否か（すなわち、電圧値が極値に達したか否か）を判断する（ステップＳ１００）。電圧検出回路１２４は、例えば電圧波形の微分を行って、微分値の符号の変化から、電圧値がピークに達したか否かを判断してもよい。

第２の圧電素子の出力電圧のピークを検出したら（ステップＳ１００：ｙｅｓ）、共振回路（圧電部材１０８のコンデンサーＣｇとインダクターＬとによって構成される共振回路）の第１スイッチＳＷ１をＯＮにした後（ステップＳ１０２）、制御回路１１２に内蔵された図示しない計時タイマーをスタートする（ステップＳ１０４）。そして、圧電部材１０８のコンデンサー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の１／２の時間が、経過したか否かを判断する（ステップＳ１０６）。なお、第２の圧電素子の出力電圧のピークを検出しなかった場合は（ステップＳ１００：ｎｏ）検出するまで待機する。

その結果、共振周期の１／２の時間が経過していないと判断した場合は（ステップＳ１０６：ｎｏ）、そのまま同様な判断を繰り返すことによって、共振周期の１／２の時間が経過するまで待機状態となる。そして、共振周期の１／２の時間が経過したと判断したら（ステップＳ１０６：ｙｅｓ）、共振回路の第１スイッチＳＷ１をＯＦＦにする（ステップＳ１０８）。その後、第１スイッチ制御処理の先頭に戻って、上述した一連の処理を繰り返す。

以上のようにして共振回路の第１スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦを行えば、梁１０４の動きに合わせて容易に適切なタイミングで第１スイッチＳＷ１をＯＮ／ＯＦＦすることができるので、通常動作モードにおいては、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。

Ｅ．圧電素子の設置例 ：
以上に説明した本実施例の発電装置１００は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが同じ変形部材に設置されている。そして、第１スイッチＳＷ１が非導通状態の場合、変形部材に振動が生じると、第２の圧電素子の方が第１の圧電素子よりも高い電圧を出力する。ここで、高い電圧とは出力電圧の振幅が大きいことを意味する（図６（ａ）、図６（ｂ）参照）。

出力電圧に差をもたせるために、第１の圧電素子と第２の圧電素子で圧電材料を変えてもよい。しかし、製造時の工数やコストを考慮すると、同一の圧電材料を用いて設置上の工夫で出力電圧の高さに差をもたせることが好ましい。そこで、以下に同一の圧電材料を用いても第２の圧電素子の出力電圧が、第１の圧電素子よりも高くなるような設置例を図９、図１０を用いて説明する。

図９は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが梁１０４の別の面に設けられる場合の設置例を示した説明図である。図９（ａ）は、梁１０４の一方の面から見た平面図である。図９（ｂ）は、梁１０４の他方の面から見た平面図である。図９（ａ）には、梁１０４の一方の面に設けられた圧電部材１０８と第１電極１０９ａが示されている。圧電部材１０８と第１電極１０９ａは第１の圧電素子の構成要素である。また、図９（ｂ）には、梁１０４の他方の面に設けられた圧電部材１１０と第２電極１１１ｂが示されている。圧電部材１１０と第２電極１１１ｂは第２の圧電素子の構成要素である。

このとき、第１の圧電素子と第２の圧電素子とを別の面に設けているので、製造工程は多少複雑になるが、通常動作モードにおいて発電用圧電素子として使用される第１の圧電素子の面積を大きくすることができる。そのため、発電能力を高くすることが可能となる。図９（ａ）および図９（ｂ）で示した圧電素子の設置例では、第２の圧電素子が梁１０４（変形部材に相当）と接する面の面積（図９（ｂ）の“ｌ２＊ｗ２”）は、第１の圧電素子が梁１０４と接する面の面積（図９（ａ）の“ｌ１＊ｗ１”）よりも小さい。このとき、梁１０４には第１の圧電素子の第２電極１０９ｂ、第２の圧電素子の第１電極１１１ａが接しているので、上記の面積はそれぞれの圧電素子の電極の面積に対応する。

前記のように、圧電素子の圧電部材は、電流源と電荷を蓄えるコンデンサーとして表すことができる。コンデンサーの容量をｃとすると、充電により電荷Ｑが蓄えられた場合、電圧Ｖ（第１、第２の圧電素子の出力電圧に相当）との関係で、Ｖ＝Ｑ／ｃが成り立つ。そのため、コンデンサーの容量ｃを小さくすることで、電圧Ｖを大きくすることができる。ここで、コンデンサーの容量ｃは誘電率ε、電極間の距離ｄ、電極の面積Ｓを用いてｃ＝εＳ／ｄと表される。よって、Ｖ＝Ｑｄ／（εＳ）が成り立つ。よって、第２の圧電素子の電極の面積“ｌ２＊ｗ２”を第１の圧電素子の電極の面積“ｌ１＊ｗ１”よりも小さくすることで電圧Ｖを高めることができる。

ここで、電極の面積Ｓの調整（図９（ａ）および図９（ｂ））に加えて、又は代えて、電極間の距離ｄを調整することで電圧Ｖを高めることができる。図９（ｃ）は、発電装置１００の構造が示されている。ここで、第１の圧電素子の電極間の距離は圧電部材１０８の厚さｈ１であり、第２の圧電素子の電極間の距離は圧電部材１１０の厚さｈ２である。このとき、ｈ１＜ｈ２の関係がある。すると、前記の式（Ｖ＝Ｑｄ／（εＳ））から、第２の圧電素子では電極間の距離ｄをより大きくしているので、電圧Ｖを高めることができる。

このような圧電素子の設置の工夫により、第１の圧電素子の面積をできるだけ大きくして通常動作モードにおける発電能力を高めながら、準備動作モードにおいて蓄電素子に充電できるように、第２の圧電素子の出力電圧を高めることができる。

なお、第２の圧電素子はできるだけ支持端１０２に近い位置に設置されることが好ましい。梁１０４のような、いわゆる片持ち梁では、支持端１０２に近付くに従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。従って、支持端１０２に近い位置に設置された第２の圧電素子は大きく変形し、十分な電荷を発生させることができる。このとき、前記の式（Ｖ＝Ｑｄ／（εＳ））で電荷Ｑが小さくならずにすむので、電圧Ｖを効果的に高めることができる。

図１０は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが梁１０４の同じ面に設けられる場合の設置例を示した説明図である。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り、通常動作モードにおける発電能力の面で不利である。しかし、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という利点がある。

図１０（ａ）は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが梁１０４の同じ面に設けられる場合の１つの設置例であり、梁１０４の一方の面から見た平面図である。図１０（ａ）では、第２の圧電素子の圧電部材１１０の幅（支持端１０２の長手方向）、および長さ（梁１０４の長手方向）を第１の圧電素子の圧電部材１０８よりも短くしている。そのため、第２の圧電素子の電極の面積Ｓを小さくして電圧Ｖを高めることができる（Ｖ＝Ｑｄ／（εＳ））。なお、圧電部材１１０が支持端１０２に近い位置に設置されている理由は十分な電荷Ｑを発生させるためであり、詳細は前記の通りである。

図１０（ｂ）は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが梁１０４の同じ面に設けられる場合の別の設置例であり、梁１０４の一方の面から見た平面図である。第２の圧電素子の圧電部材１１０は、第１の圧電素子の圧電部材１０８と同じ幅であるが、長さを第１の圧電素子の圧電部材１０８よりも短くしている。そして、圧電部材１１０を支持端１０２に近い位置に設置して十分な電荷Ｑを発生させつつ、面積Ｓを第１の圧電素子よりも小さくして電圧Ｖを高める（Ｖ＝Ｑｄ／（εＳ））。

このような圧電素子の設置の工夫により、２つの圧電素子を梁１０４の同じ面に設けて生産性良く発電装置を製造できるようにしながら、準備動作モードにおいて蓄電素子に充電できるように、第２の圧電素子の出力電圧を高めることができる。

Ｆ．その他 ：
以上、各種の実施例について説明したが、本発明はこれら実施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や圧電部材１１０など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１０８や圧電部材１１０などを取り付けても良い。

また、本実施例では、通常動作モードにおいて第１スイッチＳＷ１を導通させるタイミングは、電圧検出回路１２４が検出した第２の圧電素子の出力電圧のピーク（極値）に基づいて決定された。しかし、例えば電流検出回路を用いて第２の圧電素子の電流が流れなくなるときを検出して、第１スイッチＳＷ１を導通させるタイミングを決めてもよい（図２（ｂ）のＩｐｚｔ参照）。また、例えば直接に変形部材の変位を測定する変位センサーを用いて、変位がピークとなったときを検出して、第１スイッチＳＷ１を導通させるタイミングを決めてもよい（図２（ａ）参照）。変位センサーは、例えば非接触型の渦電流式のセンサーや光学式のセンサーであってもよい。

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、本発明の発電装置は小型化が可能であるが、設置する対象は電子機器に限らない。例えば、車両や電車などの移動手段に本発明の発電装置を用いることで、移動に伴う振動により発電し、移動手段に備わる機器に効率良く電力供給することもできる。

さらに、特定の機器等に設置されるのではなく、本発明の発電装置が例えばボタン電池、乾電池と同じ形状であって、電子機器一般で使用されてもよい。このとき、振動によって蓄電素子への充電が可能であるため、電力が喪失した災害時でも電池として使用可能である。このとき、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。

１００…発電装置、１０２…支持端、１０４…梁、１０６…錘、１０８，１１０…圧電部材、１０９ａ，１１１ａ…第１電極、１０９ｂ，１１１ｂ…第２電極、１１２…制御回路、１２０…第１の全波整流回路，１２１…第２の全波整流回路、１２４…電圧検出回路、１２５…蓄電電圧検出回路、１２６…スイッチ制御回路、Ｌ…インダクター、Ｃ１…蓄電素子、Ｄ１〜Ｄ８…ダイオード、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、ＳＷ３…第３スイッチ

Claims (9)

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、
   前記第１の圧電素子が発生する交流電流を整流する第１の整流回路と、
   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第１スイッチと、
   前記変形部材に設けられ、前記第１の圧電素子よりも出力電圧が高い第２の圧電素子と、
   前記第２の圧電素子が発生する交流電流を整流する第２の整流回路と、
   前記第１の整流回路、又は前記第２の整流回路からの出力信号に基づいて充電を行う蓄電素子と、
   前記第１スイッチの制御を行う制御手段と、
   前記蓄電素子の電圧を検出する蓄電電圧検出回路と、を備え、
   前記蓄電電圧検出回路が検出した蓄電素子の電圧に基づき、前記第１スイッチを駆動できないと判断した場合に、前記蓄電素子に第２の圧電素子の出力電圧に基づいて充電を行わせる発電装置。
2. 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、
   前記第１の圧電素子が発生する交流電流を整流する第１の整流回路と、
   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第１スイッチと、
   前記変形部材に設けられ、前記第１の圧電素子よりも出力電圧が高い第２の圧電素子と、
   前記第２の圧電素子が発生する交流電流を整流する第２の整流回路と、
   前記第１の整流回路、又は前記第２の整流回路からの出力信号に基づいて充電を行う蓄電素子と、
   前記第１スイッチの制御を行う制御手段と、
   前記蓄電素子の電圧を検出する蓄電電圧検出回路と、
   前記第２の圧電素子と前記第２の整流回路との間に設けられ、前記第２の圧電素子と前記第２の整流回路との接続状態を切り換える切換部と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記蓄電電圧検出回路が検出した蓄電素子の電圧に基づき、前記切換部を非導通状態とし、前記第２の圧電素子の電圧を検出して、前記第１スイッチを所定期間導通状態とする発電装置。
3. 請求項１又は２に記載の発電装置において、
   前記第２の圧電素子の静電容量は、前記第１の圧電素子の静電容量よりも小さい発電装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか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。
5. 請求項１乃至３のいずれか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。
6. 請求項５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。
7. 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、前記第１の圧電素子が発生する交流電流を整流する第１の整流回路と、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第１スイッチと、前記変形部材に設けられ、前記第１の圧電素子よりも出力電圧が高い第２の圧電素子と、前記第２の圧電素子が発生する交流電流を整流する第２の整流回路と、前記第１の整流回路、又は前記第２の整流回路からの出力信号に基づいて充電を行う蓄電素子と、前記蓄電素子の電圧を検出する蓄電電圧検出回路と、を備える発電装置の制御方法であって、
   前記蓄電電圧検出回路からの出力信号に基づいて前記蓄電素子の電圧を所定の閾値と比較するステップと、
   前記蓄電素子によって前記第１スイッチを駆動できないと判断した場合に、前記蓄電素子に第２の圧電素子の出力電圧に基づいて充電を行わせるステップと、を含む発電装置の制御方法。
8. 請求項１乃至６のいずれかに記載の発電装置を含む電子機器。
9. 請求項１乃至６のいずれかに記載の発電装置を含む移動手段。

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