(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変形方向を切り換えて変形する変形部材と、
前記変形部材に備えられた第１の圧電素子と、
前記変形部材に備えられた第２の圧電素子と、
前記第１の圧電素子と電気的に接続されるインダクターと、
前記第１の圧電素子と前記インダクターとの間に設けられたスイッチと、
前記第２の圧電素子に生じる電流を検出し、検出された前記電流が所定以上の大きさのとき、前記スイッチを介して前記第１の圧電素子と前記インダクターとを電気的に接続する制御部と、
を備える、発電装置。
【請求項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電気的に接続した後、所定期間が経過するタイミングで前記スイッチを電気的に切断する、発電装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発電装置において、
前記制御部は、
前記第２の圧電素子と並列に接続された蓄電素子と、
前記蓄電素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、
を含む、発電装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発電装置において、
前記変形部材は複数の面を有し、
前記第１の圧電素子は前記変形部材の第１の面に備えられ、
前記第２の圧電素子は、前記変形部材の第１の面とは異なる第２の面に設けられている、発電装置。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発電装置において、
前記変形部材は複数の面を有し、
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。
【請求項６】
請求項１ないし５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有し、
前記第２の圧電素子は、前記変形部材の前記第１の圧電素子が備えられている箇所より、前記変形部材の前記固定端に近い箇所に備えられている、発電装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の発電装置を用いた、電子機器。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の発電装置を用いた、移動手段。
【請求項９】
変形方向を切り換えて変形する変形部材と、
前記変形部材に備えられた第１の圧電素子と、
前記変形部材に備えられ、前記第１の圧電素子よりも生じる発電量が小さい第２の圧電素子と、
前記第１の圧電素子と電気的に接続されるインダクターと、
前記第１の圧電素子と前記インダクターとの間に設けられたスイッチと、
前記第２の圧電素子に生じた電圧を検出し、検出された前記電圧が所定以上の大きさのとき、前記スイッチを用いて前記第１の圧電素子と前記インダクターとを電気的に接続する制御部と、
を備える、発電装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の発電装置において、
前記第１の圧電素子は、前記第２の圧電素子よりも圧電定数が大きい、発電装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の発電装置において、
前記第１の圧電素子は、前記第２の圧電素子よりも発電可能な面積が大きい、発電装置。
【請求項１２】
請求項９ないし１１のいずれか１項に記載の発電装置において、
前記第１の圧電素子は、複数である、発電装置。
【請求項１３】
請求項９ないし１２のいずれか１項に記載の発電装置において、
前記変形部材は複数の面を有し、
前記第１の圧電素子は前記変形部材の第１の面に備えられ、
前記第２の圧電素子は、前記変形部材の第１の面とは異なる第２の面に備えられている、発電装置。
【請求項１４】
請求項９ないし１２のいずれか１項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備えられている、発電装置。
【請求項１５】
請求項９ないし１４のいずれか１項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、長手方向の長さが同じである、発電装置。
【請求項１６】
請求項９ないし１５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有し、
前記第２の圧電素子は、前記変形部材の前記第１の圧電素子が備えられている箇所より、前記変形部材の前記固定端に近い箇所に備えられている、発電装置。
【請求項１７】
請求項９ないし１６のいずれか１項に記載の発電装置を用いた、電子機器。
【請求項１８】
請求項９ないし１６のいずれか１項に記載の発電装置を用いた、移動手段。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置、電子機器、移動手段及び発電装置の制御方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。この交流電流を、ダイオードを用いて整流した後、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）。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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１０７７５２号公報
【特許文献２】特開２００５−３１２２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
本適用例の発電装置は、変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変形部材に備えられた第１の圧電素子と、前記変形部材に備えられた第２の圧電素子と、前記第１の圧電素子と電気的に接続されるインダクターと、前記第１の圧電素子と前記インダクターとの間に設けられたスイッチと、前記第２の圧電素子に生じる電流を検出し、検出された前記電流が所定以上の大きさのとき、前記スイッチを介して前記第１の圧電素子と前記インダクターとを電気的に接続する制御部と、を備える、発電装置である。
【０００９】
本適用例によれば、第１の圧電素子及び第２の圧電素子が変形部材に備えられているの
で、変形部材が変形することによって、第１の圧電素子及び第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。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。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。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。第１の圧電素子及びインダクターは共振回路を構成しているから、インダクターに流れ込んだ電流はオーバーシュートして、第１の圧電素子の反対側の端子に流れ込む。この期間（すなわち、第１の圧電素子の一方の端子から流れ出した電荷が、インダクターを介して反対側の端子から再び第１の圧電素子内に流れ込むまでの期間）は、第１の圧電素子及びインダクターによって形成される共振回路の共振周期の半分となる。したがって、第１の圧電素子の変形方向が切り換わったときにスイッチを接続して共振回路を形成し、その後、共振周期の半分の時間が経過したときにスイッチを切断すれば、インダクターを接続する前に第１の圧電素子内に発生していた正負の電荷の配置を逆転させることができる。その状態から、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。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の圧電素子及び第２の圧電素子が備えられているので、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。第２の圧電素子の変形方向が切り換わるタイミングは、第２の圧電素子が発生させる電荷による電流の向きが切り換わるタイミング（電流が０となるタイミング）と一致する。したがって、第２の圧電素子に生じる電流を検出することによって、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。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。
【００１０】
［適用例２］
上述の適用例において、前記制御部は、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電気的に接続した後、所定期間が経過するタイミングで前記スイッチを電気的に切断することが好ましい。
【００１１】
本適用例によれば、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電気的に接続する（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。
【００１２】
［適用例３］
上述の適用例において、前記制御部は、前記第２の圧電素子と並列に接続された蓄電素子と、前記蓄電素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、を含むことが好ましい。
【００１３】
蓄電素子が第２の圧電素子と並列に接続されているので、第２の圧電素子に生じた電流
と同位相の電流が蓄電素子に流れる。したがって、蓄電素子に流れる電流を検出することによって、第２の圧電素子が発生させる電荷による電流の向きが切り換わるタイミング（電流が０となるタイミング）を容易に検出できる。
【００１４】
［適用例４］
上述の適用例において、前記変形部材は複数の面を有し、前記第１の圧電素子は前記変形部材の第１の面に備えられ、前記第２の圧電素子は、前記変形部材の第１の面とは異なる第２の面に設けられていることが好ましい。
【００１５】
仮に、第１の圧電素子及び第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。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。
【００１６】
［適用例５］
上述の適用例において、前記変形部材は複数の面を有し、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ことが好ましい。
【００１７】
第１の圧電素子及び第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の圧電素子及び第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。
【００１８】
［適用例６］
上述の適用例において、前記変形部材は、変形しない固定端を有し、前記第２の圧電素子は、前記変形部材の前記第１の圧電素子が備えられている箇所より、前記変形部材の前記固定端に近い箇所に備えられていることが好ましい。
【００１９】
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。
【００２０】
［適用例７］
本適用例の電子機器は、上述の発電装置を用いた、電子機器である。
【００２１】
［適用例８］
本適用例の移動手段は、上述の発電装置を用いた、移動手段である。
【００２２】
これらの適用例によれば、電池の代わりにリモコン等の電子機器に組み込むことが可能であるため、電子機器の移動によって発電できるほか、例えば、車両や電車などの移動手段に本発明の発電装置を用いることで、移動に伴う振動によって発電し、移動手段に備わる機器に効率良く電力供給することもできる。
【００２３】
［適用例９］
本適用例の発電装置の制御方法は、変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変
形部材に備えられた第１の圧電素子と、前記変形部材に備えられた第２の圧電素子と、前記第１の圧電素子と電気的に接続されたインダクターと、前記第１の圧電素子と前記インダクターとの間に設けられたスイッチと、を備える発電装置の制御方法であって、前記第２の圧電素子に生じる電流を検出することと、前記電流の検出結果に基づいて、前記スイッチを介して前記第１の圧電素子と前記インダクターとを電気的に接続することと、を含む、発電装置の制御方法である。
【００２４】
本適用例によれば、変形部材には第１の圧電素子及び第２の圧電素子が備えられているので、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。第２の圧電素子の変形方向が切り換わるタイミングは、第２の圧電素子が発生させる電荷による電流の向きが切り換わるタイミング（電流が０となるタイミング）と一致する。したがって、第２の圧電素子に生じた電流を検出し、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。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。
【００２５】
［適用例１０］
本適用例の発電装置は、変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変形部材に備えられた第１の圧電素子と、前記変形部材に備えられ、前記第１の圧電素子よりも生じる発電量が小さい第２の圧電素子と、前記第１の圧電素子と電気的に接続されるインダクターと、前記第１の圧電素子と前記インダクターとの間に設けられたスイッチと、前記第２の圧電素子に生じた電圧を検出し、検出された前記電圧が所定以上の大きさのとき、前記スイッチを用いて前記第１の圧電素子と前記インダクターとを電気的に接続する制御部と、を備える、発電装置である。
【００２６】
本適用例によれば、発電装置では、第１の圧電素子及び第２の圧電素子が変形部材に備えられているので、変形部材が変形することにより、第１の圧電素子及び第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。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。第１の圧電素子はインダクターとともに共振回路を構成しており、その共振回路にはスイッチが設けられている。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（及び第２の圧電素子）は変形部材とともに変形し、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（及び第２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。第１の圧電素子及びインダクターは共振回路を構成しているから、インダクターに流れ込んだ電流はオーバーシュートして、第１の圧電素子の反対側の端子に流れ込む。この期間（すなわち、第１の圧電素子の一方の端子から流れ出した電荷が、インダクターを介して反対側の端子から再び第１の圧電素子内に流れ込むまでの期間）は、第１の圧電素子及びインダクターによって形成される共振回路の共振周期の半分となる。したがって、第１の圧電素子の変形方向が切り換わったときにスイッチを接続して共振回路を形成し、その後、共振周期の半分の時間が経過したときにスイッチを切断すれば、インダクターを接続する前に第１の圧電素子内に発生していた正負の電荷の配置を逆転させることができる。その状態から、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。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の圧電素子及び第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。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。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。
【００２７】
［適用例１１］
上述の適用例において、前記第１の圧電素子は、前記第２の圧電素子よりも圧電定数が大きいことが好ましい。
【００２８】
一般的には、圧電素子の圧電定数が大きくなるほど発電能力は高くなる。したがって、第１の圧電素子を第２の圧電素子より圧電定数が大きいこととしておけば、外部へ電荷を供給することに用いる第１の圧電素子から第２の圧電素子よりも高い電圧が発生し、発電装置の発電能力を高くすることができる。
【００２９】
［適用例１２］
上述の適用例において、前記第１の圧電素子は、前記第２の圧電素子よりも発電可能な面積が大きいことが好ましい。
【００３０】
同等の発電能力を有する圧電素子であれば、発電可能な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の圧電素子を第２の圧電素子より発電可能な面積が大きいこととしておけば、外部へ電荷を供給することに用いる第１の圧電素子から第２の圧電素子よりも高い電圧が発生し、発電装置の発電能力を高くすることができる。
【００３１】
［適用例１３］
上述の適用例において、前記第１の圧電素子は、複数であることが好ましい。
【００３２】
第１の圧電素子は複数で多いほど発電量は多くなる。したがって、第１の圧電素子を複数としておけば、外部へ電荷を供給することに用いる第１の圧電素子から第２の圧電素子よりも高い電圧が発生し、発電装置の発電能力を高くすることができる。
【００３３】
［適用例１４］
上述の適用例において、前記変形部材は複数の面を有し、前記第１の圧電素子は前記変形部材の第１の面に備えられ、前記第２の圧電素子は、前記変形部材の第１の面とは異なる第２の面に備えられていることが好ましい。
【００３４】
仮に、第１の圧電素子及び第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。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。
【００３５】
［適用例１５］
上述の適用例において、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
の同じ面に備えられていることが好ましい。
【００３６】
第１の圧電素子及び第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の圧電素子及び第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。
【００３７】
［適用例１６］
上述の適用例において、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とは、長手方向の長さが同じであることが好ましい。
【００３８】
第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とは、長手方向の長さが同じであれば、変形部材の長手方向への変形に第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とが同期して変形する。そのため、第１の圧電素子の変形方向が切り換わるときには、同期して第２の圧電素子の変形方向も切り換わるので、第１の圧電素子と前記第２の圧電素子との変形方向が切り換わるタイミングがほぼ同一になる。その結果、正確なスイッチの切替えが可能となり、上述したように発電効率が高い発電装置を提供することができる。
【００３９】
［適用例１７］
上述の適用例において、前記変形部材は、変形しない固定端を有し、前記第２の圧電素子は、前記変形部材の前記第１の圧電素子が備えられている箇所より、前記変形部材の前記固定端に近い箇所に備えられていることが好ましい。
【００４０】
変形しない固定端を含んで構成される梁は、先端（自由端）から固定端（支持端）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、単位長さ当りの梁の変形量も大きくなる。したがって、制御に用いる第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、制御に用いる第２の圧電素子の幅を狭くすることができる。その結果、発電に用いる第１の圧電素子の面積を広くすることができるので、発電に用いる第１の圧電素子と制御に用いる第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。
【００４１】
［適用例１８］
本適用例の電子機器は、上述の発電装置を用いた、電子機器である。
【００４２】
［適用例１９］
本適用例の移動手段は、上述の発電装置を用いた、移動手段である。
【００４３】
これらの発明によれば、電池の代わりにリモコンや携帯可能な電子機器に組み込むことが可能であるため、電子機器の移動により発電できるほか、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よく電力供給することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１Ａ】第１実施例の発電装置の構造を示した説明図である。
【図１Ｂ】第１実施例の発電装置の構造を示した説明図である。
【図２】第１実施例の発電装置の動作を示した説明図である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５Ａ】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。
【図５Ｂ】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。
【図６】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。
【図７Ａ】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。
【図７Ｂ】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】制御用の圧電素子に生じる電流を検出することによってスイッチ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】本実施例における発電装置の制御方法の一例としてのスイッチ制御処理を説明するためのフローチャート。
【図１２】電流検出回路の構成の一例を示すブロック図。
【図１３Ａ】制御用の圧電素子を複数備えた第２実施例の発電装置を示した説明図。
【図１３Ｂ】制御用の圧電素子を複数備えた第２実施例の発電装置を示した説明図。
【図１３Ｃ】制御用の圧電素子を複数備えた第２実施例の発電装置を示した説明図。
【図１４】第３実施例の発電装置の電気的な構造を示す回路図。
【図１５】制御用の圧電素子で発生す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。
【図１６】本実施例における発電装置の制御方法の一例としてのスイッチ制御処理を説明するためのフローチャート。
【図１７】制御用の圧電素子を複数備えた第４実施例の発電装置の電気的な構造を示した回路図。
【図１８Ａ】発電用の圧電素子と２つの制御用の圧電素子とが設けられた第１変形例を示した説明図である。
【図１８Ｂ】発電用の圧電素子と２つの制御用の圧電素子とが設けられた第１変形例を示した説明図である。
【図１９】発電用の圧電素子および制御用の圧電素子が梁の同じ面に設けられた第２変形例を示した説明図である。
【図２０】発電用の圧電素子および制御用の圧電素子が梁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２１】発電用の圧電素子と同じ面に複数の制御用の圧電素子が設けられた第３変形例を示した説明図である。
【図２２】発電用の圧電素子と同じ面に複数の制御用の圧電素子が設けられた第３変形例の他の態様を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、本発明の好適な実施例について図面を用いて詳細に説明する。用いる図面は説明の便宜上のものである。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。
【００４６】
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。
【００４７】
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：
【００４８】
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１Ａには、発電装置１００の機械的な構造が示されており、図１Ｂ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。梁１０４の表面には、圧電素子１０８及び圧電素子１１０が備えられている。圧電素子１０８は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料で形成された圧電部材１０８ｃと、圧電部材１０８ｃの表面に金属薄膜で形成された第１電極（上部電極）１０８ａ及び第２電極（下部電極）１０８ｂとを含んで構成されている。第１電極（上部電極）１０８ａ及び第２電極（下部電極）１０８ｂは、圧電部材１０８ｃを挟んで対向配置されている。圧電素子１１０は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料で形成された圧電部材１１０ｃと、圧電部材１１０ｃの表面に金属薄膜で形成された第１電極（上部電極）１１０ａ及び第２電極（下部電極）１１０ｂとを含んで構成されている。第１電極（上部電極）１１０ａ及び第２電極（下部電極）１１０ｂは、圧電部材１１０ｃを挟んで対向配置されている。図１Ａ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。例えば、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。圧電素子１０８及び圧電素子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。
【００４９】
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及び圧電素子１１０には、圧縮力及び引張力が交互に作用する。すると、圧電素子１０８の圧電部材１０８ｃは圧電効果によって正負の電荷を発生し、その電荷が第１電極１０８ａ及び第２電極１０８ｂに現れる。同様に、圧電素子１１０の圧電部材１１０ｃは圧電効果によって正負の電荷を発生し、その電荷が第１電極１１０ａ及び第２電極１１０ｂに現れる。錘１０６は必須ではないが、梁１０４の先端側と基端側とで重量のバランスが非均衡であることが望ましい。なぜなら、重量のバランスが非均衡であることで、例えば、１つの振動によって梁１０４の変位が反復しやすくなるためである。
【００５０】
図１Ｂ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）Ｃ
ｇとして表すことができる。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は圧電素子１０８と電気的に接続され、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。この共振回路には、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設けられている。
【００５１】
制御部１３０は、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御する。具体的には、制御部１３０は、圧電素子１１０に生じる電流を検出し、検出された電流が所定以上の大きさのとき、スイッチＳＷを導通状態として、スイッチＳＷを介して圧電素子１０８とインダクターＬとを電気的に接続する。本実施例においては、制御部１３０は、圧電素子１１０と並列に接続された蓄電素子１３２と、蓄電素子１３２に流れる電流を検出する電流検出回路１３４と、電流検出回路１３４で検出された電流に基づいてスイッチＳＷを制御する制御回路１３６と、を含んで構成されている。制御回路１３６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）で構成されていてもよい。制御部１３０の動作の詳細については後述される。
【００５２】
圧電素子１０８の圧電部材１０８ｃに設けられた第１電極１０８ａ及び第２電極１０８ｂは、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。蓄電素子Ｃ１は必須の構成ではなく、必要に応じて設ければよい。
【００５３】
一方、圧電素子１１０はスイッチＳＷを制御するために設けられており、圧電素子１１０に設けられた第１電極１１０ａ及び第２電極１１０ｂは、制御部１３０に接続されている。したがって、以下では、圧電素子１０８を「発電用の圧電素子」と称し、圧電素子１１０を「制御用の圧電素子」と称することがあるものとする。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。
【００５４】
Ａ−２．発電装置の動作：
図２は、本実施例の発電装置１００の動作を示した説明図である。図２（ａ）には、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。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。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。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、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。
【００５５】
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、及び、図２（ｂ）に示す電圧Ｖｐｚｔと同様の電圧Ｖｐ
ｚｔ２が発生する。
【００５６】
図２（ａ）及び図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及び第２電極１０８ｂの電圧Ｖｐｚｔは正方向へ増加する。正方向の電圧Ｖｐｚｔが、蓄電素子Ｃ１の電圧ＶＣ１と整流回路１２０を構成しているダイオードの順方向降下電圧Ｖｆの２倍との和、すなわち、ＶＣ１＋２Ｖｆよりも大きくなれば、それ以降に発生した電荷は直流電流として取り出して、蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。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及び第２電極１０８ｂの電圧Ｖｐｚｔは負方向へ増加する。負方向の電圧Ｖｐｚｔが、ＶＣ１と整流回路１２０の２Ｖｆの和よりも大きくなれば、発生した電荷は直流電流として取り出して、蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。すなわち、図１のスイッチ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、蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えることができる。
【００５７】
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ＳＷ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ＳＷ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。
【００５８】
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ＳＷをＯＮにしたときにシフトしたかのような現象が発生する。すなわち、例えば、図２（ｄ）中に「Ｂ」と表示した期間Ｂでは、圧電部材１０８ｃの起電力に対応する細い破線で示した電圧Ｖｐｚｔの波形がマイナス方向にシフトしたような、太い破線で示した電圧波形が第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に現れる。このような現象が発生する理由については後述する。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。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。圧電部材１０８ｃから蓄電素子Ｃ１に電荷が流れる結果、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間の電圧Ｖｇｅｎは、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧でクリップされる。その結果、第１電極１０８ａ及び第２電極１０８ｂの間の電圧波形は、図２（ｄ）に太い実線で示した波形となる。
【００５９】
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、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ＳＷ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に生じた電流を検出してスイッチＳＷ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。
【００６０】
蓄電素子Ｃ１に電荷が蓄えられて、蓄電素子Ｃ１の端子間電圧が増加すると、それにしたがって電圧波形のシフト量も大きくなる。例えば、図２（ｄ）中の期間Ｂ（蓄電素子Ｃ１に電荷が蓄えられていない状態）と、図２（ｄ）中の期間Ｈ（蓄電素子Ｃ１に少し電荷が蓄えられた状態）とを比較すると、期間Ｈの方が電圧波形のシフト量が大きくなってい
る。同様に、図２（ｄ）中の期間Ｃと期間Ｉとを比較すると、蓄電素子Ｃ１に蓄えられた電荷が増えている期間Ｉの方が、電圧波形のシフト量が大きくなっている。このような現象が発生する理由については後述するが、この結果、本実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８ｃを変形させたことによって、第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｐｚｔ以上の電圧を、蓄電素子Ｃ１に蓄えることも可能となる。その結果、特別な昇圧回路を設ける必要がなくなり、小型で高効率の発電装置を得ることが可能となる。
【００６１】
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。図４は、本実施例の発電装置１００の動作原理の後半部分を概念的に示した説明図である。図３では、圧電部材１０８ｃの変形に合わせてスイッチＳＷ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。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ＳＷをＯＮにする。
【００６２】
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。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ＳＷ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。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。
【００６３】
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。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。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。
【００６４】
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。
【００６５】
このように、Ｃｇ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。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ＳＷ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。
【００６６】
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。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ＳＷ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。
【００６７】
この状態からスイッチＳＷ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）。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。
【００６８】
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。
【００６９】
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にする度に第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧波形がシフトする特異な現象が生じるが、この現象は、以下のようなメカニズムによって発生する。すなわち、例
えば図２（ｄ）中に示した期間Ａでは、圧電部材１０８ｃ（正確には梁１０４）の変形にしたがって、第１電極１０８ａ及び第２電極１０８ｂの間に電圧が発生するが、第１電極１０８ａ及び第２電極１０８ｂは整流回路１２０に接続されているので、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧を超えた部分の電荷は、整流回路１２０に接続された蓄電素子Ｃ１に流れ込む。その結果、梁１０４の変形がピークになった時点でスイッチＳＷ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。
【００７０】
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及び第２電極１０８ｂの間には、圧電効果による電圧波形が現れる。すなわち、圧電部材１０８ｃの第１電極１０８ａ及び第２電極１０８ｂの極性が入れ代わった状態から、圧電部材１０８ｃに変形による電圧変化が発生することになる。その結果、図２（ｄ）中に示した期間Ｂでは、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及び第２電極１０８ｂの間の電圧は、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧でクリップされる。その後、共振周期Ｔの半分の時間だけスイッチＳＷ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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
加えて、図３及び図４を用いて前述したように、圧電部材１０８ｃから電荷を流出させない限り、圧電部材１０８ｃ（正確には梁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ＳＷ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。
【００７４】
Ａ−４．スイッチの切換タイミング：
以上に説明したように、本実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８ｃ（正確には梁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ＳＷの動作速度などの事情から、制御部１３０がスイッチＳＷ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ＳＷ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ＳＷ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。
【００７５】
図５Ａは、仮に、梁１０４の変形方向が切り替わる時刻ｔ１でスイッチＳＷ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５Ｂは、図５Ａの時刻ｔ１以降を拡大したものである。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。
【００７６】
時刻ｔ１において、Ｖｇｅｎはピークになっており、スイッチＳＷ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ＳＷ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。図３及び図４を用いて説明したように、Ｖｐ２は、ＬＣ共振回路の共振によって、容量成分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。
【００７７】
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ＳＷ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。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Ｖ1となるタイミングでスイッチＳＷがＴ／２だけＯＮすると、ＶｇｅｎはＶ1＋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ＳＷがＯＮするときのＶｇｅｎの電圧値Ｖ2＝−（Ｖａ＋２Ｖ1）であり、スイッチＳＷがＴ／２だけＯＮするとＶｇｅｎはＶｂ＋Ｖａ＋２Ｖ1だけプラス方向にシフトする。同様に、３回目にスイッチＳＷがＯＮするときのＶｇｅｎの電圧値Ｖ3＝Ｖｂ＋２Ｖ1であり、スイッチＳＷがＴ／２だけＯＮするとＶｇｅｎはＶｃ＋Ｖｂ＋２Ｖ1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ＳＷがＯＮするときのＶｇｅｎの電圧値Ｖ4＝−（Ｖｃ＋２Ｖ1）であり、スイッチＳＷがＴ／２だけＯＮするとＶｇｅｎはＶｄ＋Ｖｃ＋２Ｖ1だけプラス方向にシフトする。同様に、５回目にスイッチＳＷがＯＮするときのＶｇｅｎの電圧値Ｖ5＝Ｖｄ＋２Ｖ1である。ここで、Ｖ2＝−（Ｖａ＋２Ｖ1）であるから、明らかに｜Ｖ2｜＞｜Ｖ1｜である。Ｖ1，Ｖ2は図５ＢのＶｐ１に対応する電圧値、Ｖａ，Ｖｂは図５ＢのＶｐ２に相当する電圧値であり、｜Ｖ2｜＞｜Ｖ1｜であるから必ずＶｂ＞Ｖａとなる。すると、Ｖ2＝−（Ｖａ＋２Ｖ1），Ｖ3＝Ｖｂ＋２Ｖ1であり、Ｖｂ＞Ｖａであるから｜Ｖ3｜＞｜Ｖ2｜である。同様に、｜Ｖ3｜＞｜Ｖ2｜であるから必ずＶｃ＞Ｖｂとなり、Ｖ3＝Ｖｂ＋２Ｖ1，Ｖ4＝−（Ｖｃ＋２Ｖ1）であり、Ｖｃ＞Ｖｂであるから｜Ｖ4｜＞｜Ｖ3｜である。同様に、｜Ｖ4｜＞｜Ｖ3｜であるから必ずＶｄ＞Ｖｃとなり、Ｖ4＝−（Ｖｃ＋２Ｖ1），Ｖ5＝Ｖｄ＋２Ｖ1であり、Ｖｄ＞Ｖｃであるから｜Ｖ5｜＞｜Ｖ4｜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ＳＷ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｜Ｖ1｜＜｜Ｖ2｜＜｜Ｖ3｜＜｜Ｖ4｜＜｜Ｖ
5｜＜・・・と昇圧していく。
【００７８】
梁１０４の変形方向が切り替わるタイミングとスイッチＳＷ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７Ａ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ＳＷ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７Ｂ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ＳＷ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。図７Ａ、図７Ｂ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。
【００７９】
図７Ａ及び図７Ｂの例では、図６の例と同様に、Ｖｇｅｎは、最初にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ1に対して、２回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ2＝−（Ｖａ＋２Ｖ1）、３回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ3＝Ｖｂ＋２Ｖ1、４回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ4＝−（Ｖｃ＋２Ｖ1）、５回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ5＝Ｖｄ＋２Ｖ1、・・・となる。ここで、Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4，Ｖ5，・・・は、それぞれ図６の場合のＶ2，Ｖ3，Ｖ4，Ｖ5，・・・と同じ式で表されるので、やはりＶ2＞Ｖ1、Ｖ3＞Ｖ2、Ｖ4＞Ｖ3、Ｖ5＞Ｖ4、・・・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ＳＷをＴ／２だけＯＮしても、Ｖｇｅｎは｜Ｖ1｜＜｜Ｖ2｜＜｜Ｖ3｜＜｜Ｖ4｜＜｜Ｖ5｜＜・・・と昇圧していく。ただし、電圧値Ｖ1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７Ａ及び図７Ｂ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。
【００８０】
梁１０４の変位が０（Ｖｇｅｎが０）となるタイミングでスイッチＳＷがＴ／２だけＯＮする場合（図７Ａ及び図７ＢでＶ1＝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。
【００８１】
以上に説明したように、スイッチＳＷ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ＳＷ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。
【００８２】
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ＳＷをＯＮにすることが望ましいが、所定期間だけスイッチＳＷをＯＮにしても第１電極１０８ａと第２電極１０８ｂとの間に生じる電圧Ｖｇｅｎを昇圧させることは可能である。例えば、図８は、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ＳＷ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５Ｂに示した時刻ｔ１でスイッチＳＷをＯＮにして時刻ｔ３でスイッチＳＷをＯＦＦにする場合に対応する。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。
【００８３】
図８の例では、図６の例と同様に、Ｖｇｅｎは、最初にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ1に対して、２回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ2＝−（Ｖａ＋２Ｖ1）、３回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ3＝Ｖｂ＋２Ｖ1、４回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ4＝−（Ｖｃ＋２Ｖ1）、５回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ5＝Ｖｄ＋２Ｖ1、・・・となり、Ｖｇｅｎは｜Ｖ1｜＜｜Ｖ2｜＜｜Ｖ3｜＜｜Ｖ4｜＜｜Ｖ5｜＜・・・と昇圧していく。ただし、電圧値Ｖ1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。
【００８４】
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ＳＷ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５Ｂに示した時刻ｔ１でスイッチＳＷをＯＮにして時刻（ｔ１＋ｔ２）／２でスイッチＳＷをＯＦＦにする場合に対応する。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。
【００８５】
図９の例では、Ｖｇｅｎは、最初にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ1に対して、２回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ2＝−２Ｖ1、３回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ3＝２Ｖ1、４回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ4＝−２Ｖ1、５回目にスイッチＳＷがＯＮするときの電圧値Ｖ5＝２Ｖ1、・・・となる。すなわち、Ｖｇｅｎは２Ｖ1までは昇圧できるが、２Ｖ1を超えての昇圧はされない。
【００８６】
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ＳＷをＯＮにした場合もＶ2＝−２Ｖ1、Ｖ3＝２Ｖ1、Ｖ4＝−２Ｖ1、Ｖ5＝２Ｖ1、・・・となり、Ｖｇｅｎは２Ｖ1までは昇圧できるが、２Ｖ1を超えての昇圧はされない。
【００８７】
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ＳＷ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ＳＷ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。
【００８８】
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ＳＷをＯＮするのが、スイッチＳＷ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ＳＷ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ＳＷをＯＦＦにする。
【００８９】
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。例えば、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。
【００９０】
図１０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１０（ａ）には、梁１０４の変位が示されている。図１０（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１０（ｃ）には、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態が示されている。
【００９１】
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。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。
【００９２】
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（例えば、前述したＬＣ共振回路の共振周期Ｔの半分の時間（Ｔ／２））だけスイッチ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。
【００９３】
図１１は、本実施例における発電装置１００の制御方法の一例としてのスイッチ制御処理を説明するためのフローチャートである。本実施例における発電装置１００の制御方法は、圧電素子１１０に生じる電流を検出することと、電流の検出結果に基づいて、スイッチＳＷを介して圧電素子１０８とインダクターＬとを電気的に接続することと、を含む。
【００９４】
図１１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に生じる電流を検出する（ステップＳ１００）。本実施例においては、制御部１３０の電流検出回路１３４が、蓄電素子１３２に流れる電流を検出することによって、圧電素子１１０に生じる電流を検出する。図１Ｂに示すように、蓄電素子１３２は圧電素子１１０と並列に接続されているので、圧電素子１１０に生じた電流と同位相の電流が蓄電素子１３２に流れる。したがって、蓄電素子１３２に流れる電流を検出することによって、圧電素子１１０が発生させる電荷による電流の向きが切り換わるタイミング（電流が０となるタイミング）を容易に検出できる。
【００９５】
図１２は、電流検出回路１３４の構成の一例を示すブロック図である。
【００９６】
電流検出器１３４１は一般的に知られている、例えばホール素子型電流センサーやシャント抵抗などを用いることができる。
【００９７】
増幅回路１３４２は、電流検出器１３４１の出力信号（Ｉｄ）を所定のゲインで増幅する。絶対値回路１３４３は、増幅回路１３４２の出力信号（Ｉｄａｍｐ）の絶対値信号を出力する。増幅回路１３４２及び絶対値回路１３４３は必須の回路ではなく、比較器１３４４による電流有無の検出が容易に行えるように入れてある。
【００９８】
比較器１３４４は、絶対値回路１３４３の出力信号（Ｉａｂｓ）を２値化（パルス化）して出力する。この比較器１３４４の出力信号（Ｉｐｌｓ）の立ち下がりエッジのタイミングで、蓄電素子１３２に流れる電流が０になる。電流が０ではなく、少し流れている状態で検出するようにしてもよい。これは無電流時にノイズ等で比較器１３４４が誤動作を起こすことを防止するためである。ここでの余裕を多くとると検出タイミングがずれることによって発電効率が悪化するので、できるだけノイズを低減し、電流が０に近いタイミングで検出することが望ましい。
【００９９】
図１１に示すスイッチ制御処理において、ステップＳ１００の後に、ステップＳ１００で検出された電流値が０クロスしたか否かを判定する（ステップＳ１０２）。本実施例においては、制御部１３０の電流検出回路１３４の出力信号（Ｉｐｌｓ）に基づいて、制御回路１３６がステップＳ１０２の判定を行う。電流値が０クロスしていない場合（ステップＳ１０２でＮＯの場合）には、ステップＳ１００とステップＳ１０２とを繰り返す。
【０１００】
電流値が０クロスした場合（ステップＳ１０２でＹＥＳの場合）には、制御部１３０は、スイッチＳＷをＯＮ状態に切り換える（ステップＳ１０４）。本実施例においては、制御部１３０の制御回路１３６がスイッチＳＷに対して制御信号を出力することによってス
イッチＳＷをＯＮ状態に切り換える。
【０１０１】
ステップＳ１０４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Ｓ１０６）。本実施例においては、制御部１３０の制御回路１３６が計時タイマーを有していてもよい。
【０１０２】
ステップＳ１０６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Ｓ１０８）。本実施例においては、制御部１３０の制御回路１３６がステップＳ１０８の判定を行う。制御回路１３６が、Ｔ／２の時間が経過していないものと判定した場合（ステップＳ１０８でＮＯの場合）には、ステップＳ１０８を繰り返す。
【０１０３】
制御回路１３６が、Ｔ／２の時間が経過したものと判定した場合（ステップＳ１０８でＹＥＳの場合）には、制御部１３０は、スイッチＳＷをＯＦＦ状態に切り換える（ステップＳ１１０）。本実施例においては、制御部１３０の制御回路１３６がスイッチＳＷに対して制御信号を出力することによってスイッチＳＷをＯＦＦ状態に切り換える。ステップＳ１１０の後に、制御部１３０はステップＳ１００からステップＳ１１０を繰り返す。
【０１０４】
以上のようにしてスイッチＳＷ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ＳＷ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。
【０１０５】
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、電流値の極値に達したか否かではなく、電流値が基準値を横切ったか否かでタイミングを判定することができる。したがって、スイッチ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。
【０１０６】
Ｂ．第２実施例：
以上に説明した第１実施例の発電装置１００では、制御用の圧電素子１１０が１つだけ設けられているものとして説明した。しかし、制御用の圧電素子１１０は必ずしも１つだけである必要はなく、複数の制御用の圧電素子を設けてもよい。以下では、このような第２実施例について説明する。第１実施例と同様な構成については、第２実施例においても同じ番号を符番するものとして、詳細な説明は省略する。
【０１０７】
図１３は、制御用の圧電素子を複数備えた第２実施例の発電装置１００を示した説明図である。図１３Ａは、梁１０４の一方の面から見た平面図である。図１３Ｂは、梁１０４の他方の面から見た平面図である。図１３Ａには、梁１０４の一方の面に設けられた発電用の圧電素子１０８が示されており、図１３Ｂには、梁１０４の他方の面に設けられた２つの制御用の圧電素子（圧電素子１１０及び圧電素子１１４）が示されている。図１３Ａと図１３Ｂとを比較すれば明らかなように、制御用の圧電素子１１０及び１１４は、圧電素子の長さ（梁１０４の長手方向への長さ）は発電用の圧電素子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、発電用の圧電素子１０８の半分よりもさらに狭くなっている。２つの制御用の圧電素子１１０及び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）などの圧電材料で形成された圧電部材１１４ｃと、圧電部材１１４ｃの表面に金属薄膜で形成された第１電極（上部電極）１１４ａ及び第２電極（下部電極）１１４ｂとを含んで構成されている。第１電極（上部電極）１１４ａ及び第２電極（下部電極）１１４ｂは、圧電部材１１４ｃを挟んで対向配置されている。
【０１０８】
発電用の圧電素子１０８が梁１０４に対して、設置可能な最大の長さと幅であれば、発電用の圧電素子１０８の発電量は大きくなり、制御用の圧電素子１１０及び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、制御用の圧電素子１１０及び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。
【０１０９】
２つの制御用の圧電素子１１０及び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、制御用の圧電素子１１０及び１１４は適切なタイミングでスイッチＳＷ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。
【０１１０】
図１３Ｃには、２つの制御用の圧電素子１１０及び１１４を備える第２実施例の発電装置１００の回路図が示されている。１つめの制御用の圧電素子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、２つめの制御用の圧電素子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。１つめの制御用の圧電素子１１０の第１電極１１０ａ及び第２電極１１０ｂは、制御部１３０に接続されており、２つめの制御用の圧電素子１１４の第１電極１１４ａ及び第２電極１１４ｂも、制御部１３０に接続されている。
【０１１１】
図１３Ｃに示す例では、制御部１３０は、圧電素子１１０と並列に接続された蓄電素子１３２と、蓄電素子１３２に流れる電流を検出する電流検出回路１３４と、圧電素子１１４と並列に接続された蓄電素子１３３と、蓄電素子１３３に流れる電流を検出する電流検出回路１３５と、電流検出回路１３４及び電流検出回路１３５の少なくとも一方で検出された電流に基づいてスイッチＳＷを制御する制御回路１３６を含んで構成されている。電流検出回路１３５は、電流検出回路１３４と同様に構成することができる。
【０１１２】
制御部１３０は、第１電極１１０ａ及び第２電極１１０ｂの組、あるいは第１電極１１４ａ及び第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。例えば、発電装置１００の設置時に、圧電素子１１０に生じる電流を検出して発電した場合と、圧電素子１１４に生じる電流を検出して発電した場合とで発電量を計測しておく。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又は圧電素子１１４の一方を予め選択しておけば、図１１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ＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御することができる。
【０１１３】
２つの圧電素子１１０及び圧電素子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、電流波形や、電流振幅の大きさに若干の違いが生じ得る。そして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、電流振幅の大きさに違いが生じれば、大きな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ＳＷを制御できる可能性がある。そこで、圧電素子１１０に生じる電流を検出して発電した場合と、圧電素子１１４に生じる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。
【０１１４】
Ｃ．第３実施例：
図１４は、第３実施例の発電装置１００の電気的な構造を示す回路図である。第３実施例の発電装置１００の機械的な構造は、図１Ａに示される構造と同一である。第１実施例と同様な構成については、第３実施例においても同じ番号を符番するものとして、詳細な説明は省略する。
【０１１５】
第３実施例の発電装置１００では、発電用の圧電素子１０８だけでなく、制御用の圧電素子１１０も設けておき、圧電素子１１０で発生する電圧を検出することで、スイッチＳＷを制御している。
【０１１６】
第３実施例の発電装置１００は、制御部１３０ａを含む。制御部１３０ａは、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御する。具体的には、制御部１３０ａは、圧電素子１１０に生じる電圧を検出し、検出された電圧が所定以上の大きさのとき、スイッチＳＷを導通状態として、スイッチＳＷを介して圧電素子１０８とインダクターＬとを電気的に接続する。本実施例においては、制御部１３０ａは、圧電素子１１０に生じる電圧を検出する電圧検出回路１３８と、電圧検出回路１３８で検出された電圧に基づいてスイッチＳＷを制御する制御回路１３６ａと、を含んで構成されている。制御回路１３６ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）で構成されていてもよい。制御部１３０ａの動作の詳細については後述される。
【０１１７】
図１５は、制御用の圧電素子１１０で発生す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である。図１５（ａ）には、梁１０４の変位が示されている。図１５（ｂ）には、梁１０４の振動に伴って、圧電素子１１０に生じる起電力Ｖｐｚｔ２が変化する様子が示されている。図１５（ｃ）には、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態が示されている。
【０１１８】
図３及び図４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。図１５（ａ）と図１５（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の起電力Ｖｐｚｔ２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、圧電素子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、出力用コンデンサーＣ１に電荷が流れたりする影響で、圧電素子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、圧電素子１１０は、インダクターＬや出力用コンデンサー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Ｖｐｚｔ２の変化に直接反映される。このため、圧電素子１１０の起電力Ｖｐｚｔ２が極値となるタイミングは、梁１０４の変位ｕが極値となるタイミングと一致するのである。
【０１１９】
そこで、図１５（ｂ）に矢印で示したように、圧電素子１１０の起電力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、前述した共振周期の半分の時間（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。
【０１２０】
図１６は、本実施例における発電装置１００の制御方法の一例としてのスイッチ制御処理を説明するためのフローチャートである。本実施例における発電装置１００の制御方法は、圧電素子１１０に生じる電圧を検出することと、電圧の検出結果に基づいて、スイッチＳＷを介して圧電素子１０８とインダクターＬとを電気的に接続することと、を含む。
【０１２１】
スイッチ制御処理を開始すると、まず、電圧検出回路１３８が圧電素子１１０に生じる電圧Ｖｐｚｔ２を検出する（ステップＳ２００）。次に、制御回路１３６ａは、電圧検出回路１３８で検出された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Ｓ２０２）。電圧値がピークに達したか否かは、例えば、電圧波形の微分を行って微分値の符号が変わったら、電圧値がピークに達したと判断することができる。
【０１２２】
あるいは、梁１０４の変位の振幅はほぼ一定と考えられるから、制御用の圧電素子１１０で発生する電圧もほぼ等しいと考えられる。したがって、最大電圧値Ｖｍａｘ及び最小
電圧値Ｖｍｉｎを記憶しておき、圧電素子１１０で発生する電圧を、最大電圧値Ｖｍａｘ及び最小電圧値Ｖｍｉｎと比較する。圧電素子１１０の発生電圧が最大電圧値Ｖｍａｘを超えた場合、あるいは最小電圧値Ｖｍｉｎを下回った場合に、電圧値がピークに達したものと判断してもよい。梁１０４も完全に同じ振幅で変形するとは限らないから、圧電素子１１０で発生する電圧の振幅も、完全に同じになるとは限らない。しかしこのような場合でも、最大電圧値Ｖｍａｘを少しだけ低めの値に設定し、Ｖｍｉｎを少しだけ高めの値に設定しておけば、梁１０４の振幅に僅かなばらつきが存在していても、電圧値がピークに達したことを十分な精度で検出することが可能となる。
【０１２３】
制御用の圧電素子１１０で発生した電圧値のピークを検出しなかった場合（ステップＳ２０２でＮＯの場合）には、制御用の圧電素子１１０で発生した電圧値のピークを検出するまでステップＳ２００からステップＳ２０２までを繰り返す。制御用の圧電素子１１０で発生した電圧値のピークを検出した場合（ステップＳ２０２でＹＥＳの場合）には、制御部１３０ａは、共振回路（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）のスイッチＳＷをＯＮにする（ステップＳ２０４）。本実施例においては、制御部１３０ａの制御回路１３６ａがスイッチＳＷに対して制御信号を出力することによってスイッチＳＷをＯＮにする。
【０１２４】
ステップＳ２０４の後に、制御部１３０ａは、制御回路１３６ａ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Ｓ２０６）。ステップＳ２０６の後に、制御部１３０ａ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の時間が、経過したか否かを判断する（ステップＳ２０８）。本実施例においては、制御部１３０ａの制御回路１３６ａがステップＳ２０８の判定を行う。制御回路１３６ａが共振周期Ｔの１／２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。
【０１２５】
制御回路１３６ａが共振周期Ｔの１／２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１３０ａは、共振回路のスイッチＳＷをＯＦＦにする（ステップＳ２１０）。本実施例においては、制御部１３０ａの制御回路１３６ａがスイッチＳＷに対して制御信号を出力することによってスイッチＳＷをＯＦＦにする。
【０１２６】
ステップＳ２１０の後、制御部１３０ａは、ステップＳ２００からステップＳ２１０を繰り返す。
【０１２７】
以上のようにして共振回路のスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを行えば、梁１０４の動きに合わせて適切なタイミングでスイッチＳＷをＯＮ／ＯＦＦすることができるので、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。
【０１２８】
発電用の圧電素子１０８の発電量が制御用の圧電素子１１０の発電量よりも大きいことが好ましい。制御用の圧電素子１１０は、制御に必要な発電量だけ確保すればよく、発電用の圧電素子１０８の発電量が大きいことで発電装置１００の効率的に発電できる。さらに、制御用の圧電素子１１０の発電量を制御に必要な最小限の発電量とすれば、制御用の圧電素子１１０による梁１０４の変位抵抗が低減し、発電効率がよくなる。
【０１２９】
Ｄ．第４実施例：
以上に説明した第３実施例の発電装置１００では、制御用の圧電素子１１０が１つだけ設けられているものとして説明した。しかし、制御用の圧電素子１１０は必ずしも１つだけである必要はなく、複数の制御用の圧電素子を設けてもよい。以下では、このような第４実施例について説明する。第２実施例及び第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じ番号を符番するものとして、詳細な説明は省略する。
【０１３０】
図１７は、制御用の圧電素子を複数備えた第４実施例の発電装置１００の電気的な構造を示した回路図である。第４実施例の発電装置１００の機械的な構造は、図１３Ａ及び図１３Ｂに示される構造と同一である。第４実施例の発電装置１００は、２つの制御用の圧電素子１１０及び１１４を備えている。
【０１３１】
第２実施例と同様に、第４実施例の発電装置１００において、発電用の圧電素子１０８が梁１０４に対して、設置可能な最大の長さと幅であれば、発電用の圧電素子１０８の発電量は大きくなり、制御用の圧電素子１１０，１１４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、制御用の圧電素子１１０，１１４による梁１０４の変位抵抗が低減するため、発電効率がよい。
【０１３２】
第４実施例の発電装置１００において、２つの制御用の圧電素子１１０及び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り、梁１０４が上下左右で異なる変位を生じるときでも、制御用の圧電素子１１０，１１４は適切なタイミングでスイッチＳＷ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。
【０１３３】
１つめの制御用の圧電素子１１０は、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサーＣｓ１とを組み合わせたものして表され、２つめの制御用の圧電素子１１４は、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサーＣｓ２とを組み合わせたものとして表されている。１つめの制御用の圧電素子１１０の第１電極１１０ａ及び第２電極１１０ｂは、制御部１３０ａに接続されており、２つめの制御用の圧電素子１１４の第１電極１１４ａ及び第２電極１１４ｂも、制御部１３０ａに接続されている。
【０１３４】
制御部１３０ａでは、第１電極１１０ａ及び第２電極１１０ｂの組、あるいは第１電極１１４ａ及び第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の電圧値を検出してスイッチＳＷを制御する。例えば、発電装置１００の設置時に、圧電素子１１０の電圧値を検出して発電した場合と、圧電素子１１４の電圧値を検出して発電した場合とで発電量を計測しておく。制御回路１３６ａに設けたスイッチなどを用いて、発電量の多い方を選択しておく。こうして圧電素子１１０又は圧電素子１１４の一方を予め選択しておけば、図１６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ＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御することができる。
【０１３５】
２つの圧電素子１１０及び圧電素子１１４は、大まかには同じような電圧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、電圧波形や、電圧振幅の大きさに若干の違いが生じ得る。そして電圧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、電圧振幅の大きさに違いが生じれば、大きな電圧振幅が得られる方（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ＳＷを制御できる可能性がある。そこで、圧電素子１１０の電圧値を検出して発電した場合と、圧電素子１１４の電圧値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。
【０１３６】
以上の説明では、圧電素子１１０側の端子の組（第１電極１１０ａ及び第２電極１１０ｂ）、あるいは圧電素子１１４側の端子の組（第１電極１１４ａ及び第２電極１１４ｂ）のいずれか一方を選択して、スイッチＳＷの制御に使用するものとして説明した。しかし、第１電極１１０ａと第１電極１１４ａとを接続し、第２電極１１０ｂと第２電極１１４ｂとを接続して、第１電極側と第２電極側との電位差（電圧値）を検出して、スイッチＳＷを制御するようにしてもよい。スイッチＳＷの制御にあたっては、図１６を用いて前述したスイッチ制御処理を適用することができる。
【０１３７】
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。梁１０４に捻りが発生すると、圧電素子１１０や圧電素子１１４が発生する電圧波形の位相がシフトすることが起こり得る。しかし、図１３Ｂに示したように、圧電素子１１０及び圧電素子１１４を、梁１０４の両幅に寄せて設けておけば、梁１０４の撓みに対する捻りの影響が逆になる。したがって、第１電極１１０ａと第１電極１１４ａとを接続し、第２電極１１０ｂと第２電極１１４ｂとを接続すれば、梁１０４の捻りが圧電素子１１０及び圧電素子１１４に与える影響を打ち消すことができる。その結果、たとえ梁１０４に捻りが生じた場合でも、捻りの影響を受けることなく適切なタイミングでスイッチＳＷを制御することができるので、効率よく発電することが可能となる。
【０１３８】
Ｅ．変形例：
上述した第１実施例、第２実施例、第３実施例及び第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。
【０１３９】
Ｅ−１．第１変形例：
上述した第２実施例及び第４実施例では、２つの制御用の圧電素子１１０及び１１４が、発電用の圧電素子１０８と同じ長さを有しており、それら制御用の圧電素子１１０及び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、発電用の圧電素子１０８の長さの半分よりも短い２つの圧電素子１１０及び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。
【０１４０】
図１８は、第１変形例の発電装置１００の梁１０４に、発電用の圧電素子１０８と、２つの制御用の圧電素子１１０及び１１４とが設けられている様子を示した説明図である。図１８Ａは、梁１０４の一方の面から見た平面図である。図１８Ｂは、梁１０４の他方の面から見た平面図である。図１８Ａには、発電用の圧電素子１０８が設けられている様子が示されており、図１８Ｂには、２つの制御用の圧電素子１１０及び１１４が設けられている様子が示されている。
【０１４１】
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１８Ｂに示すように、短い２つの圧電素子１１０及び１１４を、梁１０４の中央に長手方向に沿って一列に設けておき、十分な振幅の電流波形又は電圧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。
【０１４２】
図１８には、制御用の圧電素子としては、圧電素子１１０及び圧電素子１１４の２つの圧電素子が設けられているものとして説明したが、３つ以上の圧電素子を設けるようにしてもよい。
【０１４３】
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、制御用の圧電素子１１０（及び圧電素子１１４）が、発電用の圧電素子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、制御用の圧電素子１１０を、発電用の圧電素子１０８と同じ面に設けるようにしてもよい。
【０１４４】
図１９は、第２変形例の発電装置１００の梁１０４の同じ面に、発電用の圧電素子１０８及び制御用の圧電素子１１０が設けられている様子を示した説明図である。図１９に示
した例では、発電用の圧電素子１０８と、制御用の圧電素子１１０とが、梁１０４の同じ面に設けられている。制御用の圧電素子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、発電用の圧電素子１０８に対して、ほぼ同じ長さを有する制御用の圧電素子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ＳＷを制御することが可能となる。
【０１４５】
もちろん、発電用の圧電素子１０８と、制御用の圧電素子１１０とを梁１０４の同じ面に設けた場合、制御用の圧電素子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、発電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子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１９に示したように、制御用の圧電素子１１０は幅が狭いので、発電用の圧電素子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。
【０１４６】
その一方で、図１９に示した第２変形例のように、発電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子１１０とを同じ面に設けておけば、圧電素子１０８及び圧電素子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、発電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子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変形例のように発電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子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、発電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子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。
【０１４７】
以上では、制御用の圧電素子１１０が、発電用の圧電素子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、発電用の圧電素子１０８と幅がほぼ同じで、長さが短い制御用の圧電素子１１０を使用し、それら圧電素子１０８及び圧電素子１１０を梁１０４の同じ面に設けることとしてもよい。
【０１４８】
図２０は、発電用の圧電素子１０８及び制御用の圧電素子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２０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、制御用の圧電素子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、制御用の圧電素子１１０の幅を狭くすることができる。その結果、発電用の圧電素子１０８の面積を広くすることができるので、発電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子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。
【０１４９】
Ｅ−３．第３変形例：
上述した第２変形例では、発電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子１１０とが、梁１０４の同じ面に設けられており、制御用の圧電素子１１０は、１つしか設けられていないものとして説明した。しかし、発電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子１１０とが、梁１０４の同じ面に設けられている場合でも、複数の制御用の圧電素子を設けるように
してもよい。
【０１５０】
図２１は、発電用の圧電素子１０８と同じ面に複数の制御用の圧電素子１１０及び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、発電用の圧電素子１０８よりも幅が狭く、長さについても発電用の圧電素子１０８の半分以下の短い制御用の圧電素子１１０及び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。
【０１５１】
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、制御用の圧電素子１１０及び１１４が設けられた位置によっては、十分な感度（検出する電流値）が得られない場合が起こり得る。そこで、図２１に示すように、短い２つの圧電素子１１０及び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ＳＷを制御することが可能となる。もちろん、制御用の圧電素子としては、圧電素子１１０及び圧電素子１１４の２つに限らず、３つ以上の圧電素子を設けるようにしても構わない。
【０１５２】
図２１に示した第３変形例では、２つの短い制御用の圧電素子１１０及び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つの短い制御用の圧電素子１１０及び１１４は、発電用の圧電素子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、発電用の圧電素子１０８の両側に、発電用の圧電素子１０８とほぼ同じ長さで、幅の狭い制御用の圧電素子１１０及び１１４を設けることとしてもよい。
【０１５３】
図２２は、発電用の圧電素子１０８と同じ面に複数の制御用の圧電素子１１０及び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。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ＳＷ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２２に示したように、発電用の圧電素子１０８の両側に、幅の狭い圧電素子１１０及び圧電素子１１４を設けておき、それぞれの圧電素子１１０及び１１４の電流値を用いてスイッチＳＷ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又は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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
例えば、上述した実施例及び変形例では、圧電素子１０８及び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及び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。例えば、薄膜の表面に圧電素子１０８及び１１０を取り付けてもよいし、弦巻バネの側面に圧電素子１０８及び１１０を取り付けても構わない。
【０１５６】
上述した実施例及び変形例では、発電用の圧電素子１０８の圧電定数が制御用の圧電素子１１０及び１１４の圧電定数よりも大きくてもよい。制御用の圧電素子１１０及び１１
４は、制御に必要な発電量だけ確保すればよく、発電用の圧電素子１０８の圧電定数が大きいことで圧電素子１０８の発電量を多くできる。その結果、発電用の圧電素子１０８の面積を小さくすることも可能となるため、梁１０４の小型化が図られる。
【０１５７】
上述した実施例及び変形例において、発電用の圧電素子１０８の発電量が制御用の圧電素子１１０及び１１４の発電量よりも大きくなっているが、発電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子１１０及び１１４とを比較して、圧電定数や発電可能な総面積や厚さなどにより、発電量が異なっていてもよい。梁１０４の変位特性に応じて変位する頻度や変位量が大きい梁１０４の箇所に設置することで発電量を異ならせて、発電用の圧電素子１０８の発電量が制御用の圧電素子１１０及び１１４の発電量よりも大きくしてもよい。
上述した実施例及び変形例において、発電用の圧電素子は、複数であってもよい。発電用の圧電素子は複数で多いほど発電量は多くなる。したがって、発電用の圧電素子を複数としておけば、外部へ電荷を供給することに用いる発電用の圧電素子から制御用の圧電素子よりも高い電圧が発生し、発電装置の発電能力を高くすることができる。
【０１５８】
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。
【０１５９】
電子機器に限らず、本発明の発電装置は小型化が可能であるため、あらゆる機器に設置することもできる。例えば、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。
【０１６０】
このとき、あらゆる振動に対応するために、梁１０４の長さや錘１０６の重さが異なる複数の発電装置１００を移動手段に組み込んでもよい。例えば、複数の発電装置１００が共通の支持端１０２に固定されている発電ユニットとして構成されていてもよい。
【０１６１】
本発明の発電装置を電池の代わりにリモコン等の電子機器に組み込むこともできる。
【０１６２】
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。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。
【０１６３】
本発明は、実施例で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。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。本発明は、実施例で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。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。
【符号の説明】
【０１６４】
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…整流回路、１３０，１３０ａ…制御部、１３２，１３３…蓄電素子、１３４，１３５…電流検出回路、１３６，１３６ａ…制御回路、１３８…電圧検出回路、１３４１…電流検出器、１３４２…増幅回路、１３４３…絶対値回路、１３４４…比較器、Ｌ…インダクター、Ｃ１…蓄電素子、Ｄ
１〜Ｄ４…ダイオード、ＳＷ…スイッチ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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