JPWO2015022794A1 - 発電装置 - Google Patents

Abstract

発電装置（１００）は、発電部（１）と、インダクタ（Ｌ）と、インダクタ（Ｌ）に直列に接続されたスイッチ（ＳＷ）と、制御回路（３）と、を備える。発電部（１）は、圧電素子（１１）と、圧電素子（１１）の表面に形成された上部電極（１１２）および下部電極（１１３）と、を含む。インダクタ（Ｌ）は、上部電極（１１２）および下部電極（１１３）に並列に電気的に接続されて、圧電素子（１１）の容量成分と共振回路を構成する。制御回路（３）は、圧電素子（１１）に発生した電圧が極値を取るタイミングに同期してスイッチ（ＳＷ）をオンの状態とする駆動モードと、上記極値を取るタイミングにおいてスイッチ（ＳＷ）をオフの状態とする休止モードとを有する。制御回路（３）は、振動の振動数が発電部の固有振動数である場合に、駆動モードによる制御中に休止モードによる制御を挿入する。

Description

本発明は、発電装置に関し、特に圧電体を備える発電装置に関する。

圧電体の圧電効果を利用して発電する技術が開発されている。たとえば特開２０１２−２５４００５号公報（特許文献１）に開示された発電装置は、圧電材料によって形成された圧電部材と、圧電部材に設けられた一対の電極と、圧電部材を繰り返し変形させる変形部材と、一対の電極の間に設けられ、圧電部材の容量成分と共振回路を構成するインダクタと、インダクタに対して直列に接続されたスイッチと、圧電部材の電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部で検出される第１電圧が極大値または極小値であるかを判断する制御部と、を備える。

圧電効果を利用する発電装置は他にも、たとえば特開２０１２−１７５７１２号公報（特許文献２）、特開２０１２−１０５５１８号公報（特許文献３）、特開２０１２−１１０１４３号公報（特許文献４）、米国特許出願公開第２０１０／００７９０３４号明細書（特許文献５）、特開２０１２−６５５３３号公報（特許文献６）、およびYogesh K. Ramadass et al., "An Efficient Piezoelectric Energy Harvesting Interface Circuit Using a Bias-Flip Rectifier and Shared Inductor", IEEE JOURNAL OF SOLID−STATE CIRCUITS, VOL 45, No.1, JANUARY 2010（非特許文献１）に開示されている。

特開２０１２−２５４００５号公報 特開２０１２−１７５７１２号公報 特開２０１２−１０５５１８号公報 特開２０１２−１１０１４３号公報 米国特許出願公開第２０１０／００７９０３４号明細書 特開２０１２−６５５３３号公報

Yogesh K. Ramadass et al., "An Efficient Piezoelectric Energy Harvesting Interface Circuit Using a Bias-Flip Rectifier and Shared Inductor", IEEE JOURNAL OF SOLID−STATE CIRCUITS, VOL 45, No.1, JANUARY 2010

圧電体に電荷が生じると、逆圧電効果によって機械的な力が発生する。この力は、圧電体に生じた電荷分布の状態に応じて、圧電体の振動を妨げる方向に働き得る。また、この力の大きさは圧電体に生じた電荷量に比例する。圧電の振動の振幅の増加に伴って、圧電体に生じる電荷の量が増えるが、一方で逆圧電効果によって発生する力も増加する。このために、発電装置の発電量が低下するという課題が生じ得る。

本発明の目的は、圧電体を備えた発電装置において、高い発電効率を得ることである。

本発明のある局面に従う発電装置は、外部から加えられる振動によって発電する発電部を備える。発電部は、前記振動によって変形して、変形量に応じた電圧を発生させる圧電体と、圧電体の表面に形成された一対の電極と、を含む。発電装置は、インダクタと、インダクタに直列に接続されたスイッチと、スイッチを制御する制御回路と、をさらに備える。インダクタは、一対の電極に並列に電気的に接続されて、圧電体の容量成分と共振回路を構成する。制御回路は、圧電体に発生した電圧が極値を取るタイミングに同期してスイッチをオンの状態とする第１の制御モードと、上記極値を取るタイミングにおいてスイッチをオフの状態とする第２の制御モードとを有する。制御回路は、上記振動の振動数が発電部の固有振動数である場合に、第１の制御モードによる制御中に第２の制御モードによる制御を挿入する。

好ましくは、制御回路は、第１の制御モードにおいて、共振回路の共振周期の１／２の奇数倍の期間、スイッチをオンの状態とする。

好ましくは、発電装置は、一対の電極間に並列に接続され、一対の電極間の電圧を整流する整流回路と、整流回路により整流された電圧を蓄える蓄電部と、をさらに備える。

好ましくは、発電装置は、一対の電極間の電圧を検出する電圧検出部をさらに備える。制御回路は、電圧検出部により検出された電圧の振幅が所定の基準値を下回った場合に、第２の制御モードによる制御を挿入する。

好ましくは、発電装置は、発電部の変位を検出する変位検出部をさらに備える。制御回路は、変位検出部により検出された変位の振幅が所定の基準値を下回った場合に、第２の制御モードによる制御を挿入する。

本発明によれば、圧電体を備えた発電装置の発電効率を高めることができる。

本発明の実施の形態１に係る発電装置の構成を概略的に示す回路図である。 図１に示す発電部の構成を概略的に示す斜視図である。 図１に示す発電部の構成を概略的に示す分解図である。 図１に示す発電部が振動する様子を説明するための図である。 図１に示す制御回路によるスイッチング制御を説明するための図である。 図４に示すスイッチング制御における共振回路の共振を説明するための図である。 錘の変位の振幅の振動数依存性を示す図である。 発電部に加えられる振動の振動数が固有振動数と異なる場合における電圧および錘の変位を示す図である。 発電部に固有振動数の振動が加えられた場合における電圧および錘の変位を示す図である。 制動効果が電圧の振幅に及ぼす影響の振動数依存性を示す図である。 制動効果が錘の変位の振幅に及ぼす影響の振動数依存性を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る発電装置において、発電部の固有振動数におけるスイッチング制御を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係る発電装置において、発電部の固有振動数におけるスイッチング制御を説明するための図である。 図１に示す蓄電部に蓄えられる静電エネルギーを比較する条件を示す図である。 図１に示す蓄電部に蓄えられる静電エネルギーを比較するための図である。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
＜発電装置の構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る発電装置の構成を概略的に示す回路図である。図２Ａは、図１に示す発電部の構成を概略的に示す斜視図である。図２Ｂは、図１に示す発電部の構成を概略的に示す分解図である。図３は、図１に示す発電部１が振動する様子を説明するための図である。

図１〜図３を参照して、発電装置１００は、発電部１と、インダクタＬと、電圧検出部２と、制御回路３と、スイッチＳＷと、整流回路４と、蓄電部５と、出力端子Ｔ１，Ｔ２と、変位検出部６と、を備える。

発電部１は、発電部１に振動を加えるための加振器２００上に設けられている。発電部１は、加振器２００から加えられる振動によって発電する。発電部１は、圧電素子１１と、金属板１２と、支持部１３と、錘１４と、を含む。

圧電素子１１は、たとえばユニモルフ型の圧電素子である。圧電体１１１の一方の面には金属板１２が接着されている。圧電素子１１は、圧電体１１１と、上部電極１１２と、下部電極１１３と、を有する。

圧電体１１１は、薄い板状に形成された圧電材料である。圧電材料には、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、水晶（ＳｉＯ_２）、または酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いることができる。上部電極１１２および下部電極１１３は、圧電体１１１を間に挟むように圧電体１１１の表面に形成されている。なお、上部電極１１２および下部電極１１３は、本発明に係る「一対の電極」に相当する。

圧電素子１１は、たとえば片持ち梁構造（カンチレバー構造）を有する。つまり、圧電素子１１の一方端は固定端であって、支持部１３に取り付けられている。支持部１３は加振器２００上に固定されている。圧電素子１１の他方端は自由端であって、錘１４が取り付けられている。

発電部１には、加振器２００によって鉛直方向（ｚ方向）の振動が加えられる（図中矢印ＡＲ１で示す）。これにより、錘１４はｚ方向に振動する（図中矢印ＡＲ２で示す）。振動が加えられていない状態における錘１４の位置を基準として、錘１４の変位をΔｚで表す。圧電体１１１は錘１４の振動に伴って変形する。その結果として、上部電極１１２と下部電極１１３との間には、圧電効果によって圧電体１１１の変形量に応じた電圧Ｖｐが発生する。

図１に示すように、圧電素子１１は、電圧源ＶとコンデンサＣとが並列に接続された等価回路で表される。電圧源Ｖは電圧Ｖｐを発生させる。コンデンサＣは、圧電体１１１の容量成分に相当する。なお、圧電素子１１は上記の等価回路で表されるものに限らない。

インダクタＬはコンデンサＣに並列に接続される。言い換えると、コンデンサＣは、上部電極１１２と下部電極１１３との間に並列に電気的に接続される。これにより、インダクタＬはコンデンサＣとＬＣ共振回路を構成している。

電圧検出部２はコンデンサＣに並列に接続される。電圧検出部２は、たとえばＡ／Ｄコンバータ（図示せず）を含む。電圧検出部２は、上部電極１１２と下部電極１１３との間の電圧Ｖｓｗを検出して、検出した電圧Ｖｓｗの値を制御回路３に出力する。

制御回路３は、たとえばマイクロコンピュータである。制御回路３は、電圧検出部２から受けた電圧Ｖｓｗの値に基づいて、導通信号ＳをスイッチＳＷに出力する。

スイッチＳＷはインダクタＬに直列に接続される。スイッチＳＷは、制御回路３からの導通信号Ｓに応答して、オフの状態からオンの状態に切り替わる。

整流回路４はコンデンサＣに並列に接続される。整流回路４は、たとえばブリッジ型全波整流回路を構成するダイオードＤ１〜Ｄ４を含む。整流回路４により整流された電圧Ｖｏｕｔは、出力端子Ｔ１，Ｔ２間に出力される。

蓄電部５は出力端子Ｔ１，Ｔ２間に並列に接続される。蓄電部５は、整流回路４により整流された電圧を蓄える。蓄電部５には、たとえば周知の二次電池、キャパシタ、またはコンデンサを用いることができる。

変位検出部６は、たとえば錘１４のｚ方向上方に設けられる。変位検出部６は、錘１４の変位Δｚを電気的または光学的に測定して、変位Δｚの値を制御回路３に出力する。

たとえば、圧電素子１１において、上部電極１１２および下部電極１１３の一部に切り欠き部分を設けることができる。これにより、上記切り欠き部分は、圧電素子１１の発電するための部分と電気的に分離される。圧電素子１１が振動するに伴って、上記切り欠き部分には、圧電素子１１に生じた歪に対応する電圧が現れる。この電圧を検出することで、圧電素子１１の変位の検出の代用が可能である。また、光学的に変位Δｚを測定するために、たとえばレーザ変位計を使用してもよい。

＜制御回路によるスイッチング制御＞
図４は、図１に示す制御回路３によるスイッチング制御を説明するための図である。図４を参照して、横軸は時間軸である。発電部１に振動を加え始める時刻を０とする。縦軸は、電圧Ｖｐ、導通信号Ｓ、および電圧Ｖｓｗを表す。図５は、図４に示すスイッチング制御における共振回路の共振を説明するための図である。

図４および図５を参照して、発電部１には、たとえば正弦波の振動が加えられる。これにより、電圧源Ｖは正弦波の電圧Ｖｐを発生させる。なお、発電部１に加えられる振動は、振動数が一定であって、かつ極値を有するのであれば正弦波に限定されず、たとえばノコギリ波であってもよい。

時刻０から時刻ｔ１までの期間、錘１４は正のｚ方向に変位している。つまり、圧電素子１１は、圧電体１１１の上部電極１１２側が凹になる方向に変形している（図５（Ａ）参照））。圧電体１１１の変形で生じた圧電効果によって、圧電体１１１の上部電極１１２側の表面には正電荷が蓄えられるとともに、圧電体１１１の下部電極１１３側の表面には負電荷が蓄えられる。したがって、コンデンサＣの電圧は正になる（図５（Ｂ）参照）。

時刻ｔ１において、錘１４の変位Δｚの振幅は最大になる。このため、電圧Ｖｓｗは極大値を取る。制御回路３は、電圧検出部２から電圧Ｖｓｗの値を受ける。制御回路３は、電圧Ｖｓｗが極値を取るタイミングすなわち電圧Ｖｐが極値を取るタイミングに同期して、導通信号Ｓを出力する。スイッチＳＷは、導通信号Ｓに応答して、オフの状態からオンの状態に切り替わる。（図５（Ｃ）参照）。

インダクタＬとコンデンサＣとはＬＣ共振回路を構成している。スイッチＳＷがオンの状態になると、ＬＣ共振回路が共振し、コンデンサＣの両端にかかる電圧は反転して交互に正と負との状態をとる。導通信号Ｓは、このＬＣ共振回路の共振周期ＴＬＣの１／２の期間だけ出力される。なお、コンデンサＣの電圧を反転させるためには、導通信号Ｓが出力される期間は共振周期ＴＬＣの１／２の奇数倍の期間であればよい。

時刻（ｔ１＋ＴＬＣ／２）において、コンデンサＣの電圧は負である（図５（Ｄ）参照）。この状態は、スイッチＳＷをオンの状態にする直前の状態と比較して、圧電体１１１の上部電極１１２側に蓄えられていた電荷と下部電極１１３側に蓄えられていた電荷とが入れ替わった状態に対応する。制御回路３によるスイッチング制御によって圧電体１１１の電荷分布が反転する現象を、本明細書では電荷反転と称する。時刻ｔ１における電荷反転前の電圧Ｖｓｗの振幅と、時刻（ｔ１＋ＴＬＣ／２）参照における電荷反転後の電圧Ｖｓｗの振幅とは、理想的には等しい。制御回路３からの導通信号Ｓの出力が終わると、スイッチＳＷはオンの状態からオフの状態に戻る（図５（Ｆ）参照）。

時刻ｔ２において、錘１４は負のｚ方向に変位している。圧電素子１１は、圧電体１１１の下部電極１１３側が凹になる方向に変形している（図５（Ｇ）参照））。圧電体１１１の変形で生じた圧電効果によって、圧電体１１１の上部電極１１２側の表面には新たな負電荷が蓄えられるとともに、圧電体１１１の下部電極１１３側の表面には新たな正電荷が蓄えられる（図５（Ｈ）参照））。これにより、時刻ｔ２における電圧Ｖｓｗの振幅は、時刻ｔ１における電圧Ｖｓｗの振幅よりも大きい。

制御回路３は、電圧Ｖｓｗが極小値を取るタイミングに同期して導通信号Ｓを出力する。時刻ｔ２以降、時刻（ｔ２＋ＴＬＣ／２）までの期間におけるＬＣ共振回路の共振による効果は、電荷の極性は反対であるが、時刻ｔ１以降、時刻（ｔ１＋ＴＬＣ／２）までの期間における効果と同等であるため、詳細な説明を繰り返さない。

時刻ｔ２以降、時刻ｔ６までの期間において、電圧Ｖｓｗの振幅は、圧電体１１１の振動の半周期毎に増加する。これにより、電圧源Ｖが発生させる電圧Ｖｐよりも高い電圧Ｖｓｗを得ることができる。したがって、スイッチング制御を実行しない場合と比べて、電圧Ｖｏｕｔを高くすることができるため、発電装置１００の発電量を大きくする可能になる。

時刻ｔ６以降の期間において、電圧Ｖｓｗの振幅の増加は止まる。その主な原因は、スイッチＳＷの導通抵抗による損失およびインダクタＬの内部抵抗による損失である。増加が止まった状態における電圧Ｖｓｗの振幅は、時刻ｔ１における電圧Ｖｓｗの振幅の４〜５倍程度である。

ＬＣ共振回路の共振周期ＴＬＣは、発電部１に加えられる振動の周期と比べて十分に短い。このため、たとえば圧電体１１１の上部電極１１２側が凹になる方向に圧電体１１１が変形した場合、電荷反転後においても、圧電体１１１は依然として上部電極１１２側が凹である。電荷反転が生じると、圧電体１１１には逆圧電効果によって、下部電極１１３側が凹になるように変形させるようとする力が発生する（図５（Ｅ）参照）。すなわち、この力の向きは、加振器２００から加えられた振動による圧電体１１１の変形を妨げる向きである。このように、逆圧電効果によって発電部１の振動が減衰する効果を、本明細書では電荷反転による制動効果と称する。

＜電荷反転による制動効果＞
図６は、錘１４の変位Δｚの振幅の振動数依存性を示す図である。図６を参照して、横軸は発電部１に加えられる振動の振動数ｆを表す。縦軸は錘１４の変位Δｚの振幅を表す。

発電部１の固有振動数ｆ０は、たとえば１８Ｈｚである。変位Δｚの振幅は、振動数ｆが固有振動数ｆ０＝１８Ｈｚに一致する場合に最大値６００μｍを取る。一方、振動数ｆが固有振動数ｆ０と異なる場合、たとえば振動数ｆが１５Ｈｚの場合、変位Δｚの振幅は４０μｍである。

このように、変位Δｚの振幅は、発電部１に加えられる振動の振動数ｆが発電部１の固有振動数ｆ０に一致する場合に著しく大きい。したがって、最大の発電量を得るためには、発電部１に固有振動数ｆ０の振動を加えることが望ましいとも考えられる。しかしながら、以下に詳細に説明するように、電荷反転による制動効果に起因して、振動数ｆが固有振動数ｆ０に一致する場合と異なる場合とでは、電圧Ｖｓｗおよび錘１４の変位Δｚの挙動が大きく異なる。

図７は、発電部１に加えられる振動の振動数ｆが固有振動数ｆ０と異なる場合における電圧Ｖｓｗおよび錘１４の変位Δｚを示す図である。図８は、発電部１に加えられる振動の振動数ｆが固有振動数ｆ０に一致する場合における電圧Ｖｓｗおよび錘１４の変位Δｚを示す図である。図７および図８を参照して、横軸は時間軸である。縦軸は、電圧Ｖｐ、導通信号Ｓ、電圧Ｖｓｗ、および変位Δｚを表す。

図７を参照して、発電部１には固有振動数ｆ０と異なる１５Ｈｚの正弦波の振動が加えられる。これにより、電圧源Ｖは１５Ｈｚの正弦波の電圧Ｖｐを発生させる。

時刻ｔ１において、制御回路３によるスイッチング制御が開始される。制御回路３は、電圧Ｖｐが極値を取るタイミングに同期して導通信号Ｓを出力する。

時刻ｔ１から４周期だけ経過した時刻ｔ２において、電圧Ｖｓｗの振幅は、スイッチング制御の開始前の振幅の約３倍である。このように、電圧Ｖｓｗの振幅は、スイッチング制御の開始から数周期の間、次第に増加する。時刻ｔ２以降、電圧Ｖｓｗの振幅はほぼ一定に保たれる。

一方、錘１４の変位Δｚの振幅は、スイッチＳＷのスイッチング制御の有無に関わらず、ほとんど変化しない。この結果から、発電部１に加えられる振動の振動数ｆが固有振動数ｆ０と異なる場合、錘１４の変位Δは電荷反転による制動効果の影響をほとんど受けないことが分かる。

これに対し、図８を参照して、発電部１には固有振動数ｆ０＝１８Ｈｚの正弦波の振動が加えられる。これにより、電圧源Ｖは１８Ｈｚの正弦波の電圧Ｖｐを発生させる。

時刻ｔ１以降、時刻ｔ２までの期間、電圧Ｖｓｗの振幅は急激に増加する。しかし、時刻ｔ２以降、電圧Ｖｓｗの振幅は次第に減少する。時刻ｔ３以降、電圧Ｖｓｗの振幅は、スイッチング制御の開始前の振幅の１／２程度でほぼ一定になる。

また、錘１４の変位Δｚの振幅は、時刻ｔ１以降次第に減少する。時刻ｔ３において、変位Δｚの振幅は、スイッチング制御の開始前の振幅の１／１０程度にまで大幅に低減される。

電圧Ｖｓｗおよび錘１４の変位Δｚが上述の挙動を示す理由を説明する。振動数ｆが固有振動数ｆ０に一致する場合、発電部１には共振が生じる。共振が生じた状態において、変位Δｚの振幅は著しく大きく、共振が生じていない状態における振幅のＱ倍に増加する。具体的には、固有振動数ｆ０＝１８Ｈｚにおける変位Δｚの振幅（６００μｍ）は、１５Ｈｚにおける振幅（４０μｍ）のＱ＝１５倍である（図６参照）。

圧電体１１１が発生させる電荷量は、錘１４の変位Δｚの振幅に比例する。このため、共振状態における圧電体１１１には、非共振状態と比べてＱ倍の電荷が発生する。圧電体１１１には、逆圧電効果によってＱ倍の力が発生する。よって、固有振動数ｆ０では、電荷反転による制動効果が変位Δに及ぼす影響が、固有振動数ｆ０と異なる振動数の場合と比べて著しく大きい。

図９は、制動効果が電圧Ｖｓｗの振幅に及ぼす影響の振動数依存性を示す図である。図９を参照して、横軸は発電部１に加えられる振動の振動数ｆを示す。縦軸は電圧Ｖｓｗの振幅を示す。

スイッチング制御なしの場合、電圧Ｖｓｗの振幅は、固有振動数ｆ０＝１８Ｈｚにおいて最大になる。

スイッチング制御ありの場合の電圧Ｖｓｗの振幅は、固有振動数ｆ０＝１８Ｈｚを含む振動数領域において、スイッチング制御なしの場合の振幅よりも小さい。スイッチング制御ありの場合の電圧Ｖｓｗの振幅がスイッチング制御なしの場合の振幅未満である振動数領域は、本実施の形態では、固有振動数ｆ０±２．５％の領域である。

図１０は、制動効果が錘１４の変位Δｚの振幅に及ぼす影響の振動数依存性を示す図である。図１０を参照して、横軸は発電部１に加えられる振動の振動数ｆを示す。縦軸は変位Δｚの振幅を示す。

スイッチング制御なしの場合、変位Δｚの振幅は、固有振動数ｆ０＝１８Ｈｚにおいて最大になる。スイッチング制御ありの場合の変位Δｚの振幅は、固有振動数ｆ０±１５％の振動数領域において、スイッチング制御なしの場合の振幅未満である。

以上のように、電荷反転による制動効果の影響が大きい振動数は、固有振動数ｆ０を中心にしてある程度の広さの振動数領域にわたることが分かる。

＜固有振動数におけるスイッチング制御＞
図８を再び参照すると、固有振動数ｆ０の振動が発電部１に加えられる場合でも、電圧Ｖｓｗは、スイッチング制御を開始してからある程度の期間（時刻ｔ１以降、時刻ｔ２までの期間）増加している。本実施の形態において、制御回路３は、この性質を利用してスイッチング制御を実行する。

図１１は、本発明の実施の形態１に係る発電装置１００において、発電部１の固有振動数ｆ０におけるスイッチング制御を説明するための図である。図１１を参照して、図１１は図８と対比される。

制御回路３は、スイッチＳＷをスイッチング制御するためのモードとして、駆動モード（第１の制御モード）と休止モード（第２の制御モード）とを有する。駆動モードにおいて制御回路３は、圧電体１１１に発生した電圧Ｖｐが極値を取るタイミングに同期して導通信号Ｓを出力する。これにより、スイッチＳＷはオンの状態となる。一方、休止モードにおいて制御回路は、電圧Ｖｐが極値を取るタイミングにおいて導通信号Ｓを出力しない。すなわち、スイッチＳＷは、休止モードの期間中オフの状態となる。

時刻０以降、時刻ｔ１までの期間は、制御回路３によるスイッチング制御の開始前の期間である。時刻ｔ１において、制御回路３はスイッチング制御を開始する。

時刻ｔ１以降、時刻ｔ１から周期Ｔ０の３倍（３Ｔ０）だけ経過した時刻ｔ４までの期間において、制御回路３は駆動モードに従ってスイッチＳＷを制御する。

時刻ｔ４において、電圧Ｖｓｗの検出値が所定の基準値Ｖ１を下回る。したがって、時刻ｔ４以降、時刻ｔ４から周期Ｔ０だけ経過した時刻ｔ５までの期間において、休止モードに従ってスイッチＳＷを制御する。言い換えると、駆動モードによる制御中に休止モードによる制御の挿入が開始される。

時刻ｔ５以降、時刻ｔ５から周期Ｔ０だけ経過した時刻ｔ６までの期間において、制御回路３は駆動モードに従ってスイッチＳＷを制御する。時刻ｔ６以降、時刻ｔ６から周期Ｔ０だけ経過した時刻ｔ７までの期間において、制御回路３は休止モードに従ってスイッチＳＷを制御する。すなわち、制御回路３は、駆動モードによる制御中に休止モードによる制御を挿入する。時刻ｔ７以降の制御回路３によるスイッチング制御は、時刻ｔ５以降、時刻ｔ７までの期間におけるスイッチング制御と同等であるため、説明を繰り返さない。

このように制御回路３は、発電部１に加えられる振動の周期Ｔ０に相当する長さの駆動モードと、周期Ｔ０に相当する長さの休止モードとを交互に繰り返す。なお、制御回路３は、電圧Ｖｓｗの検出値が基準値Ｖ１を下回ったか否かに関係なく、スイッチング制御を実行してもよい。この場合、制御回路３は、時刻ｔ１におけるスイッチング制御の開始直後から駆動モードと休止モードとを交互に繰り返す。

また、制御回路３は、変位検出部６によって検出された錘１４の変位Δｚの振幅が所定の基準値ｚ１を下回った場合に、休止モードの挿入を開始してもよい。

図８で説明したように、スイッチング制御の開始直後の数周期の間、電圧Ｖｓｗの振幅は、スイッチング制御の開始前の振幅よりも大きい。また、スイッチング制御の開始から電圧Ｖｓｗの振幅が減少を開始するまでには、ある程度の時間を要する。本実施の形態によれば、制御回路３は、電圧Ｖｓｗの振幅が減少を開始する前に休止モードによる制御を挿入する。したがって、スイッチング制御を実行しない場合よりも電圧Ｖｓｗの振幅を大きくすることができる。

また、錘１４の変位Δｚの振幅が大幅に低減されるまでには、スイッチング制御を開始してからある程度の時間を要する（図８参照）。したがって、制御回路３は、変位Δｚの振幅が大幅に低減される前に休止モードによる制御を挿入する。これにより、変位Δｚの振幅が大幅に低減して、発電装置１００の発電量が低下するのを防止することができる。すなわち、発電装置１００の発電効率を高めることができる。

［実施の形態２］
図１２は、本発明の実施の形態２に係る発電装置において、発電部１の固有振動数ｆ０におけるスイッチング制御を説明するための図である。図１２を参照して、図１２は図８および図１１と対比される。なお、実施の形態２に係る発電装置の構成は、発電装置１００（図１参照）の構成と同等であるため、詳細な説明を繰り返さない。

時刻ｔ１において、制御回路３はスイッチング制御を開始する。時刻ｔ１における電圧Ｖｓｗの検出値は基準値Ｖ１を下回る。したがって、時刻ｔ１以降、時刻ｔ１から周期Ｔ０だけ経過した時刻ｔ２までの期間において、制御回路３は、制御回路３は駆動モードに従ってスイッチＳＷを制御する。

時刻ｔ２以降、時刻ｔ２から３Ｔ０だけ経過した時刻ｔ３までの期間において、制御回路３は、駆動モードによる制御中に休止モードによる制御を挿入する。時刻ｔ３以降の制御回路３によるスイッチング制御は、時刻ｔ１以降、時刻ｔ３までの期間におけるスイッチング制御と同等であるため、説明を繰り返さない。

このように制御回路３は、発電部１に加えられる振動の周期Ｔ０に相当する長さの駆動モードと、周期Ｔ０の３倍に相当する長さの休止モードとを交互に繰り返す。

なお、制御回路３は、電圧Ｖｓｗの検出値が基準値Ｖ１を下回ったか否かに関係なく、スイッチング制御を実行してもよい。また、制御回路３は、変位検出部６によって検出された錘１４の変位Δｚの振幅が所定の基準値ｚ１を下回った場合に、休止モードの挿入を開始してもよい。

本実施の形態によれば、スイッチング制御開始後における電圧Ｖｓｗの振幅は、スイッチング制御開始前の振幅の約２倍である。また、スイッチング制御開始後における錘１４の変位Δｚの振幅は、スイッチング開始前の振幅の２／３程度である。言い換えると、変位Δｚの振幅の減少量を、スイッチング開始前の振幅の１／３程度に収めることができる。したがって、実施の形態１と同様に、発電装置の発電量が低下するのを防止することができる。すなわち、発電装置の発電効率を高めることができる。

図１３Ａは、図１に示す蓄電部に蓄えられる静電エネルギーを比較する条件を示す図である。図１３Ｂは、図１に示す蓄電部に蓄えられる静電エネルギーを比較するための図である。図１３Ａおよび図１３Ｂを参照して、横軸は蓄電部５にエネルギーを蓄え始めてからの経過時間を示す。縦軸は蓄電部５に蓄えられた静電エネルギーＵを示す。発電部１には固有振動数ｆ０の振動が加えられる。

波形１３ａは、常にスイッチング制御の駆動期間である場合（図８参照）の静電エネルギーＵを表す。波形１３ｂは、実施の形態１（図１１参照）における静電エネルギーＵを表す。波形１３ｃは、実施の形態２（図１２参照）における静電エネルギーＵを表す。波形１３ｄは、スイッチング制御を実行しない場合（あるいは常にスイッチング制御の休止期間である場合）の静電エネルギーＵを表す。

蓄電部５には、たとえば静電容量Ｃ５＝４７μＦの電解コンデンサが用いられる。静電エネルギーＵは、Ｕ＝１／２×Ｃ５×Ｖｏｕｔ^２の関係式に従って算出される。

常に駆動モードである場合の静電エネルギーＵ（波形１３ａ参照）は、同一時刻におけるスイッチング制御を実行しない場合（波形１３ｄ参照）を基準にすると約６０％である。このように、静電エネルギーＵは、常に駆動モードでスイッチング制御を実行すると、電荷反転による制動効果に起因して、スイッチング制御を実行しない場合よりもかえって小さくなる。

これに対し、実施の形態１における静電エネルギーＵ（波形１３ｂ参照）は、上記と同一の基準に対して約１５０％である。また、実施の形態２における静電エネルギーＵ（波形１３ｃ参照）は、上記基準に対して約１８０％である。以上のように、駆動モードによる制御中に休止モードによる制御を挿入することにより、蓄電部５に蓄えられる静電エネルギーを大きくすることができる。

なお、駆動モードおよび休止モードの各々の長さは、実施の形態１，２で説明した長さに限定されるものではない。駆動モードおよび休止モードの各々の長さは、発電部の仕様（たとえば圧電素子の方式および構造または発電部の固有振動数）あるいは発電部に加えられる振動の条件（たとえば振幅の大きさ）などを考慮して適宜設定される。たとえば、制御回路３は、１周期の駆動モードと２周期の休止モードとを交互に繰り返してもよい。あるいは、制御回路３は、２周期の駆動モードと２周期の休止モードとを交互に繰り返してもよい。

圧電素子１１には、たとえばバイモルフ型の圧電素子を採用してもよい。また、圧電素子の構造は、周期的な振動に応じて圧電体が繰り返し変形する構造であれば、カンチレバー構造に特に限定されるものではない。たとえば、薄膜の表面に圧電体を接着してもよく、あるいは弦巻バネの側面に圧電体を取り付けてもよい。

さらに、実施の形態１，２では、制御回路３が予め定められた長さの駆動期間および休止期間に従って、スイッチング制御を実行する場合について説明した。しかし、制御回路３がスイッチング制御の駆動期間と休止期間とを切り替えるタイミングは、これに限定されるものではない。図１１および図１２を参照して、たとえば、制御回路３は、電圧Ｖｓｗの検出値が所定の基準値Ｖ１を下回った場合にのみ、休止モードを挿入してもよい。これにより、錘１４の振幅を回復することができる。あるいは、制御回路３は、変位検出部６によって検出された錘１４の変位Δｚの振幅が所定の基準値ｚ１を下回った場合にのみ、休止モードを挿入してもよい。

今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内で全ての変更が含まれることが意図される。

１００ 圧電装置、１ 発電部、１１ 圧電素子、１１１ 圧電体、１１２ 上部電極、１１３ 下部電極、１２ 金属板、１３ 支持部、１４ 錘、Ｖ 電圧源、Ｃ コンデンサ、２ 電圧検出部、３ 制御回路、ＳＷ スイッチ、Ｌ インダクタ、４ 整流回路、Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード、５ 蓄電部、６ 変位検出部、Ｔ１，Ｔ２ 出力端子。

圧電体に電荷が生じると、逆圧電効果によって機械的な力が発生する。この力は、圧電体に生じた電荷分布の状態に応じて、圧電体の振動を妨げる方向に働き得る。また、この力の大きさは圧電体に生じた電荷量に比例する。圧電体の振動の振幅の増加に伴って、圧電体に生じる電荷の量が増えるが、一方で逆圧電効果によって発生する力も増加する。このために、発電装置の発電量が低下するという課題が生じ得る。

時刻（ｔ１＋ＴＬＣ／２）において、コンデンサＣの電圧は負である（図５（Ｄ）参照）。この状態は、スイッチＳＷをオンの状態にする直前の状態と比較して、圧電体１１１の上部電極１１２側に蓄えられていた電荷と下部電極１１３側に蓄えられていた電荷とが入れ替わった状態に対応する。制御回路３によるスイッチング制御によって圧電体１１１の電荷分布が反転する現象を、本明細書では電荷反転と称する。時刻ｔ１における電荷反転前の電圧Ｖｓｗの振幅と、時刻（ｔ１＋ＴＬＣ／２）における電荷反転後の電圧Ｖｓｗの振幅とは、理想的には等しい。制御回路３からの導通信号Ｓの出力が終わると、スイッチＳＷはオンの状態からオフの状態に戻る（図５（Ｆ）参照）。

Claims (5)

1. 外部から加えられる振動によって発電する発電部を備え、
   前記発電部は、
   前記振動によって変形して、変形量に応じた電圧を発生させる圧電体と、
   前記圧電体の表面に形成された一対の電極と、を含み、
   前記一対の電極に並列に電気的に接続されて、前記圧電体の容量成分と共振回路を構成するインダクタと、
   前記インダクタに直列に接続されたスイッチと、
   前記スイッチを制御する制御回路と、をさらに備え、
   前記制御回路は、前記圧電体に発生した電圧が極値を取るタイミングに同期して前記スイッチをオンの状態とする第１の制御モードと、前記極値を取るタイミングにおいて前記スイッチをオフの状態とする第２の制御モードとを有し、前記振動の振動数が前記発電部の固有振動数である場合に、前記第１の制御モードによる制御中に前記第２の制御モードによる制御を挿入する、発電装置。
2. 前記制御回路は、前記第１の制御モードにおいて、前記共振回路の共振周期の１／２の奇数倍の期間、前記スイッチをオンの状態とする、請求項１に記載の発電装置。
3. 前記一対の電極間に並列に接続され、前記一対の電極間の電圧を整流する整流回路と、
   前記整流回路により整流された電圧を蓄える蓄電部と、をさらに備える、請求項１または２に記載の発電装置。
4. 前記一対の電極間の電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、
   前記制御回路は、前記電圧検出部により検出された電圧の振幅が所定の基準値を下回った場合に、前記第２の制御モードによる制御を挿入する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電装置。
5. 前記発電部の前記振動による変位を検出する変位検出部をさらに備え、
   前記制御回路は、前記変位検出部により検出された変位の振幅が所定の基準値を下回った場合に、前記第２の制御モードによる制御を挿入する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電装置。

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