(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、
前記変形部材に設けられた圧電部材と、
前記圧電部材に設けられた一対の電極と、
前記一対の電極の間に設けられ、前記圧電部材の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、
前記インダクターに対して直列に接続されたスイッチと、
前記一対の電極の間に設けられ、前記圧電部材が発生する交流電流を整流する整流回路と、
前記整流回路に含まれるダイオードのアノードの電位及びカソードの電位を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路の出力信号に基づいて、前記スイッチを所定期間導通状態とする制御部と、を備える、発電装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記ダイオードのアノードの電位がカソードの電位よりも高くなった後、前記ダイオードのアノードの電位がカソードの電位と同じ、もしくは低くなるときに前記スイッチを接続した後、前記所定期間が経過すると前記スイッチを切断する、請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記整流回路は、
前記圧電部材が発生する前記交流電流が、当該交流電流の極性に応じて、第１のダイオードと第４のダイオード、又は、第３のダイオードと第２のダイオード、に排他的に流れる全波整流回路であり、
前記制御部は、
前記第１のダイオード又は前記第４のダイオードのアノードの電位及びカソードの電位と、前記第３のダイオード又は前記第２のダイオードのアノードの電位及びカソードの電位とに基づいて、前記スイッチを前記所定期間導通状態とする、請求項１又は２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記制御部は、
前記共振回路の共振周期の半周期に相当する時間を前記所定期間として前記スイッチを導通状態とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の発電装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の発電装置を用いた電子機器。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかに記載の発電装置を用いた移動手段。
【請求項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圧電部材と、前記圧電部材に設けられた一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられ、前記圧電部材の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、前記インダクターに対して直列に接続されたスイッチと、前記圧電部材が発生する交流電流を整流する整流回路と、を備える発電装置の制御方法であって、
前記整流回路に含まれるダイオードのアノードの電位及びカソードの電位を検出するステップと、
前記ダイオードのアノードの電位及びカソードの電位の検出結果に基づいて、前記スイッチを所定期間導通状態とするステップと、を含む、発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピエゾ素子などの圧電材料が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、発電装置を用いた電子機器及び移動手段、並びに発電装置の制御方法に関する。
【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】
たとえば、先端に錘を設けるとともに圧電材料の薄板を貼り付けた金属製の片持ち梁を振動させ、振動に伴って圧電材料に交互に生じる正負の電荷を取り出すことによって交流電流を発生させる。そして、この交流電流をダイオードによって整流した後、コンデンサーに蓄えておき、電力として取り出す技術が提案されている（特許文献１）。また、圧電素子で正の電荷が発生している間だけ接点が閉じるようにすることで、ダイオードでの電圧損失を発生させずに直流電流が得られるようにした技術も提案されている（特許文献２）。これら技術を用いれば、発電装置を小型化することができるので、たとえば小型の電子部品に電池の代わりに組み込むなどの応用が期待されている。
【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、圧電材料から電気を取り出す発電回路とは別に昇圧回路が必要となることが多く、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】
（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圧電部材と、前記圧電部材に設けられた一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられ、前記圧電部材の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、前記インダクターに対して直列に接続されたスイッチと、前記一対の電極の間に設けられ、前記圧電部材が発生する交流電流を整流する整流回路と、前記整流回路に含まれるダイオードのアノードの電位及びカソードの電位を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路の出力信号に基づいて、前記スイッチを所定期間導通状態とする制御部と、を備える、発電装置である。
【０００８】
本発明によれば、圧電部材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、圧電部材も変形する。このため、圧電部材には圧電効果によって正負の電荷が発生する。また、電荷の発生量は、変形部材の変形量（すなわち、圧電部材の変形量）が大きくなるほど多くなる。そして、圧電部材は、電気回路的にはコンデンサーと見なすことができるので、スイッチを接続することで、圧電部材とインダクターによる共振回路が形成され、圧電部材に発生していた電荷が圧電部材に設けられた一方の電極からインダクターに流れ込む。そして、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、圧電部材に設けられた他方の電極から圧電部材に流れ込む。従って、圧電部材とインダクターとを接続し、その後、所定のタイミングで、圧電部材からインダクターを切断すれば、インダクターを接続する前に圧電部材内に発生していた正負の電荷の配置を逆転させることができる。そして、その状態から、今度は逆方向に変形部材（圧電部材）を変形させれば、圧電効果によって発生した電荷を、圧電部材内に蓄積することができる。従って、変形部材（圧電部材）を繰り返し変形させ、変形部材の変形状態（振動状態）に同期して圧電部材とインダクターとの接続と切断を周期的に行うことにより、圧電部材内に電荷を蓄積することが可能となる。
【０００９】
ところで、変形部材の変形（振動）に合わせて圧電部材内に蓄積される正負の電荷の配置は周期的に変化するので、この変化に応じて、圧電部材に設けられた一対の電極間の電圧も周期的に変化する。そして、この一対の電極間の電圧が整流回路を介して接続される負荷の両端間の電圧よりも高い期間だけ整流回路に電流が流れ、整流回路に含まれる所定のダイオードのアノードの電位がカソードの電位よりも高くなる。特に、本発明によれば、整流回路に含まれるダイオードのアノードの電位とカソードの電位に基づいてスイッチを所定期間導通状態とすることで、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、圧電部材とインダクターとの接続及び切断を周期的に繰り返すことができる。これにより、圧電部材内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。また、圧電部材内に電荷を蓄積した分だけ、圧電部材に設けられた一対の電極間の電圧も増加するので、昇圧回路を別途用意しなくても、圧電材料の電気分極によって生じる電圧よりも高い電圧を発生させることができる。その結果、小型で効率の良い発電装置を得ることが可能となる。
【００１０】
（２）この発電装置において、前記制御部は、前記ダイオードのアノードの電位がカソードの電位よりも高くなった後、前記ダイオードのアノードの電位がカソードの電位と同じ、もしくは低くなるときに前記スイッチを接続した後、前記所定期間が経過すると前記スイッチを切断するようにしてもよい。
【００１１】
変形部材の変形方向が切り換わるタイミングは、圧電部材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。つまり、変形部材の変形方向が切り換わるときに整流回路に流れていた電流が流れなくなる。従って、変形部材の変形方向が切り換わる前後で、整流回路を構成する所定のダイオードのアノードの電位がカソードの電位よりも高い状態から、前記ダイオードのアノードの電位がカソードの電位よりも低い状態に変化する。また、変形部材の変形方向が切り換わるタイミングでは、圧電部材が発生させる電圧がピークとなるから、このタイミングでスイッチを接続して共振回路を形成させることで、圧電部材に設けられた一対の電極間の電圧を効率よく昇圧させることができる。従って、この発電装置によれば、発電効率を高めることができる。
【００１２】
（３）この発電装置において、前記整流回路は、前記圧電部材が発生する前記交流電流が、当該交流電流の極性に応じて、第１のダイオードと第４のダイオード、又は、第３のダイオードと第２のダイオード、に排他的に流れる全波整流回路であり、前記制御部は、前記第１のダイオード又は前記第４のダイオードのアノードの電位及びカソードの電位と、前記第３のダイオード又は前記第２のダイオードのアノードの電位及びカソードの電位とに基づいて、前記スイッチを前記所定期間導通状態とするようにしてもよい。
【００１３】
変形部材（圧電部材）は繰り返し変形を行うから、圧電部材に設けられた一対の電極からは交流電流が発生する。従って、この発電装置によれば、当該一対の電極に全波整流回路を接続することで、圧電部材が発生するエネルギーを効率よく取り出して負荷に供給することができる。また、整流回路を構成し、排他的に電流が流れる２つのダイオードの各々のアノードの電位とカソードの電位に基づいて、変形部材の振動（変形）の半周期毎にスイッチの接続と切断を行うことができるので、圧電部材の発電効率を高めることができる。
【００１４】
（４）この発電装置において、前記制御部は、前記共振回路の共振周期の半周期に相当する時間を前記所定期間として前記スイッチを導通状態とするようにしてもよい。
【００１５】
圧電部材に設けられた一方の電極から流れ出した電荷が、インダクターを介して他方の電極から再び圧電部材に流れ込むまでの期間は、圧電部材と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。このため、スイッチを接続した後、共振周期の半分の時間が経過したタイミングで、スイッチを切断すれば、圧電部材内に発生した正負の電荷の配置を最も効率よく逆転させることができる。従って、この発電装置によれば、最も高い発電効率を実現することが可能である。
【００１６】
（５）本発明は、上記の発電装置を用いた電子機器である。
【００１７】
（６）本発明は、上記の発電装置を用いた移動手段である。
【００１８】
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良く電力供給することもできる。
【００１９】
（７）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圧電部材と、前記圧電部材に設けられた一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられ、前記圧電部材の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、前記インダクターに対して直列に接続されたスイッチと、前記圧電部材が発生する交流電流を整流する整流回路と、を備える発電装置の制御方法であって、前記整流回路に含まれるダイオードのアノードの電位及びカソードの電位を検出するステップと、前記ダイオードのアノードの電位及びカソードの電位の検出結果に基づいて、前記スイッチを所定期間導通状態とするステップと、を含む。
【００２０】
本発明によれば、整流回路に含まれるダイオードのアノードの電位とカソードの電位に基づいてスイッチを所定期間導通状態とすることで、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、圧電部材とインダクターとの接続及び切断を周期的に繰り返すことができる。これにより、圧電部材内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。また、圧電部材内に電荷を蓄積した分だけ、圧電部材に設けられた一対の電極間の電圧も増加するので、昇圧回路を別途用意しなくても、圧電材料の電気分極によって生じる電圧よりも高い電圧を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施例の発電装置の構造を示した説明図である。
【図２】本実施例の発電装置の動作を示した説明図である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】適切なタイミングでスイッチをＯＮしなければ、発電効率が低下する理由を示す説明図である。
【図６】適切なタイミングでスイッチをＯＮしなければ、発電効率が低下する理由を示す説明図である。
【図７】適切なタイミングでスイッチをＯＮしなければ、発電効率が低下する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】ダイオードの両端の電位を比較することによって、梁の変形方向が切り換わるタイミングを決定できる理由を示す説明図である。
【図１１】ダイオードの両端の電位を比較することによって、梁の変形方向が切り換わるタイミングを決定できる理由を示す説明図である。
【図１２】電圧検出回路の構成例を示した図である。
【図１３】電圧検出回路の各部の出力波形例を示した図である。
【図１４】スイッチ制御処理のフローチャート図である。
【図１５】第１変形例の発電装置の回路構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な実施形態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の形態は、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。
【００２３】
以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施例を説明する。
Ａ．発電装置の構造：
Ｂ．発電装置の動作：
Ｃ．発電装置の動作原理：
Ｄ．スイッチの切換タイミング：
Ｅ．変形例：
Ｅ−１．変形例１：
Ｅ−２．変形例２：
【００２４】
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（上部電極）１０９ａ、第２電極（下部電極）１０９ｂがそれぞれ設けられている。尚、図１（ａ）に示した例では、梁１０４の上面側に圧電部材１０８が設けられているが、梁１０４の下面側に圧電部材１０８を設けても良く、あるいは梁１０４の上面側および下面側の両方に圧電部材１０８を設けても良い。
【００２５】
梁１０４は、基端側が支持端１０２に固定されており、先端側には錘１０６が設けられているので、振動などが加わると、図中に白抜きの矢印で示したように、梁１０４の先端が大きく振動する。その結果、梁１０４の表面に取り付けられた圧電部材１０８には、圧縮力および引張力が交互に作用する。すると、圧電部材１０８は圧電効果によって正負の電荷を発生し、その電荷が第１電極１０９ａ、および第２電極１０９ｂ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。なお、梁１０４は、本発明の「変形部材」に相当する。
【００２６】
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（容量成分）Ｃ０として表すことができる。この圧電部材１０８に対して並列にインダクターＬが接続されて、圧電部材１０８の容量成分と共に電気的な共振回路を形成している。そして、この共振回路をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチＳＷが、インダクターＬに対して直列に接続されている。
【００２７】
また、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から構成される全波整流回路１２０に接続されている。圧電部材１０８が発生する交流電流は、当該交流電流の極性に応じて、ダイオードＤ１（第１のダイオード）とダイオードＤ４（第４のダイオード）、又は、ダイオードＤ３（第３のダイオード）とダイオードＤ２（第２のダイオード）に排他的に流れる。更に、全波整流回路１２０には、電気負荷を駆動するために、整流後の電流を蓄えておく蓄電素子（出力用コンデンサー）Ｃ１が接続されている。
【００２８】
電圧検出回路１３０は、ダイオードＤ１のアノードの電位とカソードの電位を比較するとともに、ダイオードＤ３のアノードの電位とカソードの電位を比較する。そして、ダイオードＤ１のアノードの電位がカソードの電位よりも高いか、又はダイオードＤ３のアノードの電位がカソードの電位よりも高い期間を示す信号を出力する。
【００２９】
制御回路１１２は、電圧検出回路１３０の出力信号に基づいて、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御する。具体的には、制御回路１１２は、ダイオードＤ１のアノードの電位がカソードの電位よりも高い状態から低い状態に変化したとき、あるいはダイオードＤ３のアノードの電位がカソードの電位よりも高い状態から低い状態に変化したときに、スイッチＳＷをＯＮにし、所定期間が経過するとスイッチＳＷをＯＦＦする。
【００３０】
Ｂ．発電装置の動作：
図２は、本実施例の発電装置１００の動作を示した説明図である。図２（ａ）には、梁１０４の振動に伴って、梁１０４の先端の変位ｕが変化する様子が示されている。尚、プラスの変位ｕは、梁１０４が上向きに反った状態（梁１０４の上面側が凹となった状態）を表しており、マイナスの変位（−ｕ）は、梁１０４が下向きに反った状態（梁１０４の下面側が凹となった状態）を表している。また、図２（ｂ）には、梁１０４の変形に伴って、圧電部材１０８が発生する電流の様子と、その結果として圧電部材１０８の内部に生じる起電力とが示されている。尚、図２（ｂ）では、圧電部材１０８に電荷が発生する様子は、単位時間あたりに発生する電荷量（すなわち、電流Ｉｐｚｔ）として表され、また、圧電部材１０８に生じる起電力は、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。
【００３１】
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の電圧ＶＣ１と全波整流回路１２０を構成しているダイオードの順方向降下電圧Ｖｆの２倍との和、すなわち、ＶＣ１＋２Ｖｆよりも大きくなれば、それ以降に発生した電荷は直流電流として取り出して、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。
【００３２】
本実施例の発電装置１００では、制御回路１１２は、図２（ｃ）に示すタイミングで、スイッチＳＷをＯＮにする。すると、図２（ｄ）に示すように、圧電部材１０８の端子間の電圧波形が、スイッチＳＷをＯＮにした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１０８の起電力に対応する細い破線で示した電圧波形Ｖｐｚｔがマイナス方向にシフトしたような、太い破線で示した電圧波形が圧電部材１０８の端子間に現れる。このような現象が発生する理由については後述する。また、図２（ｄ）中に「Ｃ」と表示した期間Ｃでは、圧電部材１０８の起電力に対応する電圧波形Ｖｐｚｔがプラス方向にシフトしたような、太い破線の電圧波形が現れる。以降の期間Ｄ、期間Ｅ、期間Ｆなどについても同様に、圧電部材１０８の起電力に対応する電圧波形Ｖｐｚｔがプラス方向あるいはマイナス方向にシフトしたような、太い破線の電圧波形が現れる。そして、シフトした電圧波形が、ＶＣ１と２Ｖｆとの和を超えた部分（図２（ｄ）中に斜線を付して示した部分）では、圧電部材１０８で発生した電荷を蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。尚、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（第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂ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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。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。
【００３５】
Ｃ．発電装置の動作原理：
図３は、本実施例の発電装置１００の動作原理の前半部分を概念的に示した説明図である。また、図４は、本実施例の発電装置１００の動作原理の後半部分を概念的に示した説明図である。図３では、圧電部材１０８の変形に合わせてスイッチＳＷをＯＮにしたときのＣ０の電荷の動きが、概念的に示されている。図３（ａ）は、圧電部材１０８（正確には梁１０４）が上向きに（上面側が凹となるように）変形した状態を表している。圧電部材１０８が上向きに変形すると、電流源からは正方向の電流が流れ、Ｃ０に電荷が蓄積され、圧電部材１０８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１０８の変形が大きくなるほど増加する。そして、圧電部材１０８の変形が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。
【００３６】
図３（ｃ）には、スイッチＳＷをＯＮにした直後の状態が示されている。Ｃ０には電荷が蓄えられているから、この電荷がインダクターＬに流れようとする。インダクターＬに電流が流れると磁束が生じる（磁束が増加する）が、インダクターＬには、自らを貫く磁束の変化を妨げる方向に逆起電力が生じる性質（自己誘導作用）がある。スイッチＳＷをＯＮにしたときには、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ＳＷをＯＮにしても、圧電部材１０８の電荷は少しずつしか流れ出さない。すなわち、インダクターＬを流れる電流は少しずつしか増加しない。
【００３７】
その後、インダクターＬを流れる電流がピークになると、磁束の変化速度が「０」となるので、図３（ｄ）に示したように逆起電力が「０」となる。そして、今度は電流が減少し始める。すると、インダクターＬを貫く磁束が減少するので、インダクターＬには、この磁束の減少を妨げる方向（電流を流そうとする方向）の起電力が発生する（図３（ｅ）参照）。その結果、この起電力によってＣ０から電荷を引き抜きながら、インダクターＬを電流が流れ続ける。そして、電荷の移動の途中で損失が発生しなければ、圧電部材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。
【００３８】
仮に、このままスイッチＳＷをＯＮにしておくと、今度は上述した内容と逆の現象が生じる。すなわち、圧電部材１０８の下面側の正電荷がインダクターＬに流れようとして、このときインダクターＬには、電荷の流れを妨げる方向の逆起電力が発生する。その後、インダクターＬを流れる電流がピークに達した後、減少に転じると、今度は電流の減少を妨げる方向（電流を流し続けようとする方向）の起電力がインダクターＬに発生する。その結果、圧電部材１０８の下面側にあった全ての正電荷が上面側に移動した状態（図３（ｂ）に示した状態）となる。こうして圧電部材１０８の上面側に戻った正電荷は、再び、図３（ｂ）〜図３（ｆ）を用いて前述したようにして、下面側に移動する。
【００３９】
このように、Ｃ０に電荷が蓄えられた状態でスイッチＳＷをＯＮにした後、その状態を保っておくと、圧電部材１０８とインダクターＬとの間で電流の向きが交互に反転する一種の共振現象が発生する。そして、この共振現象の周期は、いわゆるＬＣ共振回路の周期Ｔとなるから、圧電部材１０８に含まれる容量成分Ｃ０の大きさ（キャパシタンス）をＣ、インダクターＬの誘導成分の大きさ（インダクタンス）をＬとすると、Ｔ＝２π（ＬＣ）０．５によって与えられる。従って、スイッチＳＷをＯＮにした直後（図３（ｂ）に示した状態）から、図３（ｆ）に示した状態となるまでの時間は、Ｔ／２となる。
【００４０】
そこで、スイッチＳＷをＯＮにしてからＴ／２が経過した時点で、図４（ａ）に示すようにスイッチＳＷをＯＦＦにする。そしてこの状態から、圧電部材１０８（正確には梁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、圧電部材１０８の端子間の電圧が負方向へ大きくなるようにＣｏに電荷が蓄積する。また、図３（ａ）〜図３（ｆ）を用いて前述したように、圧電部材１０８（正確には梁１０４）を下向きに変形させる前の段階で、圧電部材１０８の下面側には正電荷が分布し、上面側には負電荷が分布しているから、これらの電荷に加えて、下面側には新たな正電荷が蓄積され、上面側には新たな負電荷が蓄積されることになる。図４（ｂ）には、スイッチＳＷをＯＦＦにした状態で圧電部材１０８（正確には梁１０４）を変形させることによって、圧電部材１０８に新たな電荷が蓄積された状態が示されている。
【００４１】
そして、この状態からスイッチＳＷをＯＮにすると、圧電部材１０８の下面側に蓄積された正電荷がインダクターＬに流れようとする。このときインダクターＬには逆起電力が発生するので（図４（ｃ）参照）、電流は少しずつ流れ始めるが、やがてピークに達して、その後は減少に転じる。すると、インダクターＬには、電流の減少を妨げる方向（電流を流し続けようとする方向）に起電力が発生し（図４（ｅ）参照）、この起電力によって電流が流れ続けて、最終的には、圧電部材１０８の下面側に分布していた全ての正電荷が上面側に移動し、上面側に分布していた全ての負電荷が下面側に移動した状態となる（図４（ｆ）参照）。また、下面側の全ての正電荷が上面側に移動し、上面側の全ての負電荷が下面側に移動する時間は、ＬＣ共振回路の半周期に相当する時間Ｔ／２となる。そこで、スイッチＳＷをＯＮにした後、時間Ｔ／２が経過したらスイッチＳＷをＯＦＦにして、今度は圧電部材１０８（正確には梁１０４）を上向きに（上面側が凹となるように）変形させれば、圧電部材１０８内に更に正負の電荷を蓄積することができる。
【００４２】
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。
【００４３】
図２を用いて前述したように本実施例の発電装置１００では、スイッチＳＷをＯＮにする度に圧電部材１０８の端子間の電圧波形がシフトする特異な現象が生じるが、この現象は、以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は全波整流回路１２０に接続されているので、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧を超えた部分の電荷は、全波整流回路１２０に接続された蓄電素子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。
【００４４】
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スイッチＳＷをＯＮにすると、圧電部材１０８に残っていた正負の電荷の配置が入れ代わる。そして、その状態から梁１０４が変形することによって、圧電部材１０８には圧電効果による電圧波形が現れる。このため、図２（ｄ）中に示した期間Ｃにおいても、梁１０４の変形による電圧波形をシフトさせたような電圧波形が現れることになる。
【００４５】
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。
【００４６】
先ず、図２（ｄ）中の期間Ａあるいは期間Ｂに示したように、Ｃ１が充電されていない場合は、圧電部材１０８の端子間で発生する電圧が、全波整流回路１２０の２Ｖｆを超えると、圧電部材１０８から蓄電素子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。
【００４７】
加えて、図３および図４を用いて前述したように、圧電部材１０８から電荷を流出させない限り、圧電部材１０８（正確には梁１０４）を変形させる度に、圧電部材１０８内の電荷は増えて行き、それに伴って、圧電部材１０８の端子間の電圧は大きくなる。このため、電荷がインダクターＬやスイッチＳＷを流れる際の損失などを考えなければ、圧電部材１０８の端子間の電圧を大きくすることができる。このため、本実施例の発電装置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。
【００４８】
Ｄ．スイッチの切換タイミング：
以上に説明したように、本実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８（正確には梁１０４）に繰り返し変形を加えて、変形方向が切り換わるタイミングで、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。これにより、蓄電素子Ｃ１に最も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。仮に、制御回路１１２がスイッチＳＷをＯＮするタイミングと梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングが一致しなくても、所定の周期で、ＬＣ共振回路の共振周期の半分の時間だけスイッチＳＷをＯＮにすることで、圧電部材１０８の端子間の電圧Ｖｇｅｎを昇圧させることは可能である。ただし、スイッチＳＷをＯＮするタイミングと梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングが一致しなければ、発電効率は低下する。以下、この理由について説明する。
【００４９】
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ＳＷをＯＮした後ＯＦＦしない場合の、圧電部材１０８の端子間の電圧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、全波整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。
【００５０】
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することにより、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。なお、図３及び図４で説明したように、Ｖｐ２は、ＬＣ共振回路の共振により、容量成分Ｃ０の正負の電荷が入れ替わった時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。従って、Ｖｐ１の絶対値が大きいほどＶｇｅｎのシフト量も大きくなる。
【００５１】
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、圧電部材１０８の端子間の電圧Ｖｇｅｎの様子を示している。なお、図６の例でも、全波整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。圧電部材１０８が発生させる起電力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する時の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する時の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する時の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する時の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。そして、Ｖ１，Ｖ２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、｜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することにより、圧電部材１０８の端子間の電圧Ｖｇｅｎの絶対値は｜Ｖ１｜＜｜Ｖ２｜＜｜Ｖ３｜＜｜Ｖ４｜＜｜Ｖ５｜＜・・・と昇圧していく。
【００５２】
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ＳＷがＴ／２だけＯＮする場合の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ＳＷがＴ／２だけＯＮする場合のＶｇｅｎの様子を示している。なお、図７（ａ）、図７（ｂ）の例でも、全波整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。
【００５３】
図７（ａ）及び図７（ｂ）の例では、図６の例と同様に、Ｖｇｅｎは、最初にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ１に対して、２回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ２＝−（Ｖａ＋２Ｖ１）、３回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ３＝Ｖｂ＋２Ｖ１、４回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ１）、５回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値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。従って、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７（ａ）及び図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。
【００５４】
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ＳＷがＴ／２だけＯＮする場合（図７（ａ）及び図７（ｂ）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。
【００５５】
以上に説明したように、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングが一致するタイミングで、ＬＣ共振回路の共振周期の半分の時間だけスイッチＳＷをＯＮにすることで、発電効率を最大にすることができる。なお、発電効率は低下するが、所定期間だけスイッチＳＷをＯＮにしても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、圧電部材１０８の端子間の電圧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。なお、図８の例でも、全波整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。
【００５６】
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する時の電圧値Ｖ１に対して、２回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ２＝−（Ｖａ＋２Ｖ１）、３回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ３＝Ｖｂ＋２Ｖ１、４回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ４＝−（Ｖｃ＋２Ｖ１）、５回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値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。
【００５７】
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の時間だけスイッチＳＷをＯＮにした場合の、圧電部材１０８の端子間の電圧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。なお、図９の例でも、全波整流回路１２０や蓄電素子Ｃ１はないものとしている。
【００５８】
図９の例では、Ｖｇｅｎは、最初にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ１に対して、２回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ２＝−２Ｖ１、３回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ３＝２Ｖ１、４回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ４＝−２Ｖ１、５回目にスイッチＳＷがＯＮする時の電圧値Ｖ５＝２Ｖ１、・・・となる。すなわち、Ｖｇｅｎは２Ｖ１まで昇圧できるが、それ以上の昇圧はされない。
【００５９】
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まで昇圧できるが、それ以上の昇圧はされない。
【００６０】
以上より、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。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。
【００６１】
前述したように、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の切り換え時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、制御回路１１２は、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、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。
【００６２】
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では、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、電圧検出回路１３０を設けておき、全波整流回路１２０を構成する整流ダイオードの両端の電位を比較することで、スイッチＳＷを制御している。特に、本実施例では、電圧検出回路１３０は、ダイオードＤ１の両端の電位（アノードの電位とカソードの電位）を比較するとともに、ダイオードＤ３の両端の電位（アノードの電位とカソードの電位）を比較する。これにより、圧電部材１０８が発生する電流の極性によらず、ダイオードＤ１とダイオードＤ３のいずれか一方のアノードの電位とカソードの電位を比較することによって、梁１０４の変形方向の切り替わるときにスイッチＳＷを容易にＯＮすることができる。
【００６３】
図１０は、ダイオードＤ１の両端の電位及びダイオードＤ３の両端の電位をそれぞれ比較することによって、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングを決定できる理由を示す説明図である。図１０は、仮にスイッチＳＷを常にＯＦＦにした状態での波形を示している。
【００６４】
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、圧電部材１０８が発生させる電流Ｉｐｚｔと起電力Ｖｐｚｔとが変化する様子が示されている。また、図１０（ｃ）と図１０（ｄ）には、それぞれ、圧電部材１０８の第１電極１０９ａの電位Ｖｐｚｔ１と第２電極１０９ｂの電位Ｖｐｚｔ２が変化する様子が示されている。なお、図１０（ｃ）及び図１０（ｄ）では、蓄電素子Ｃ１のマイナス側の電位を０としている。
【００６５】
図示されるように、梁１０４の変位が正方向に大きくなると、起電力Ｖｐｚｔも正方向に大きくなり、第１電極１０９ａの電位Ｖｐｚｔ１が高くなる。そして、Ｖｐｚｔ１（＝ダイオードＤ１のアノードの電位）が蓄電素子Ｃ１のプラス側の電位ＶＣ（＝ダイオードＤ１のカソードの電位）よりも高くなると、圧電部材１０８が発生させる正方向の電流Ｉｐｚｔが、全波整流回路１２０を構成しているダイオードＤ１に流れることになる。これにより、第１電極１０９ａの電位Ｖｐｚｔ１は、蓄電素子Ｃ１のプラス側の電位ＶＣとダイオードＤ１の順方向降下電圧Ｖｆとの和の電位にクランプされる。
【００６６】
同様に、梁１０４の変位が負方向に大きくなると、起電力Ｖｐｚｔも負方向に大きくなり、第２電極１０９ｂの電位Ｖｐｚｔ２が高くなる。そして、Ｖｐｚｔ２（＝ダイオードＤ３のアノードの電位）が蓄電素子Ｃ１のプラス側の電位ＶＣ（＝ダイオードＤ３のカソードの電位）よりも高くなると、圧電部材１０８が発生させる負方向の電流Ｉｐｚｔが、全波整流回路１２０を構成しているダイオードＤ３に流れることになる。これにより、第２電極１０９ｂの電位Ｖｐｚｔ２は、蓄電素子Ｃ１のプラス側の電位ＶＣとダイオードＤ３の順方向降下電圧Ｖｆとの和の電位にクランプされる。
【００６７】
また、梁１０４の変位の大きさがピークとなるタイミング（すなわち、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミング）では、圧電部材１０８の発生する電流Ｉｐｚｔの方向が反転する。たとえば、圧電部材１０８が正の起電力を発生している状態で、梁１０４の変位の大きさがピークになると、正方向に流れていた電流Ｉｐｚｔが負方向に反転する。従って、ダイオードＤ１に流れていた電流が流れなくなり、第１電極１０９ａの電位Ｖｐｚｔ１はＶＣよりも低くなる。同様に、圧電部材１０８が負の起電力を発生している状態で、梁１０４の変位の大きさがピークになると、負方向に流れていた電流Ｉｐｚｔが正方向に反転する。従って、ダイオードＤ３に流れていた電流が流れなくなり、第２電極１０９ｂの電位Ｖｐｚｔ２はＶＣよりも低くなる。
【００６８】
従って、梁１０４の変形方向が正から負に切り換わるタイミング（梁１０４の変位が正のピークとなるタイミング）は、ダイオードＤ１に流れていた電流が流れなくなり、Ｖｐｚｔ１がＶＣよりも高い電位からＶＣよりも低い電位に変化するタイミングと一致する。同様に、梁１０４の変形方向が負から正に切り換わるタイミング（梁１０４の変位が負のピークとなるタイミング）は、ダイオードＤ３に流れていた電流が流れなくなり、Ｖｐｚｔ２がＶＣよりも高い電位からＶＣよりも低い電位に変化するタイミングと一致する。そこで、図１に示したように、電圧検出回路１３０を用いて、ダイオードＤ１のアノードの電位がカソードの電位よりも高くなった後、ダイオードＤ１のアノードの電位がカソードの電位よりも低く（もしくは同じに）なるか、又はダイオードＤ３のアノードの電位がカソードの電位よりも高くなった後、ダイオードＤ３のアノードの電位がカソードの電位よりも低く（もしくは同じに）なったことを検出したら、そのタイミングから、図１０（ｅ）に破線で示す所定期間（例えば、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してやればよい。
【００６９】
なお、図１０では仮にスイッチＳＷをＯＦＦにした状態での波形を示したが、図１０（ｅ）に破線で示したタイミングで実際にスイッチＳＷをＯＮにした場合の波形を図１１に示す。図１１（ａ）に示される梁１０４の変位は図１０（ａ）と同じである。また、図１１（ｂ）に示される電流Ｉｐｚｔと起電力Ｖｐｚｔの変化は、図１０（ｂ）と同じである。図１１（ｃ）と図１１（ｄ）に示すように、図１１（ｅ）に示されるスイッチＳＷがＯＮするタイミングでＶｐｚｔ１とＶｐｚｔ２がシフトする。
【００７０】
図１２に、電圧検出回路１３０の構成ブロック図を例示する。また、図１３に、電圧検出回路１３０の各部の出力波形の一例を示す。
【００７１】
比較器１３２は、圧電部材１０８の第１電極１０９ａの電位（ダイオードＤ１のアノードの電位）Ｖｐｚｔ１と蓄電素子Ｃ１のプラス側の電位ＶＣ（ダイオードＤ１のカソードの電位）を比較し、２値化（パルス化）された信号（Ｖｐｌｓ１）を出力する。
【００７２】
比較器１３４は、圧電部材１０８の第２電極１０９ｂの電位（ダイオードＤ３のアノードの電位）Ｖｐｚｔ２と蓄電素子Ｃ１のプラス側の電位ＶＣ（ダイオードＤ３のカソードの電位）を比較、２値化（パルス化）された信号（Ｖｐｌｓ２）を出力する。
【００７３】
ＯＲ回路１３６は、比較器１３２の出力信号（Ｖｐｌｓ１）と比較器１３４の出力信号（Ｖｐｌｓ２）の論理和信号（Ｖｐｌｓ）を出力する。このＯＲ回路１３６の出力信号（Ｖｐｌｓ）の立ち下がりエッジのタイミングでスイッチＳＷをＯＮすればよい。
【００７４】
図１４は、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを切り換えるスイッチ制御処理を示したフローチャートである。この処理は、例えば、制御回路１１２に内蔵されたＣＰＵによって実行される。
【００７５】
スイッチ制御処理を開始すると、制御回路１１２のＣＰＵは、圧電部材１０８の第１電極１０９ａの電位（ダイオードＤ１のアノードの電位）Ｖｐｚｔ１が蓄電素子Ｃ１のプラス側の電位ＶＣ（ダイオードＤ１のカソードの電位）よりも高いか、あるいは、圧電部材１０８の第２電極１０９ａの電位（ダイオードＤ３のアノードの電位）Ｖｐｚｔ２が蓄電素子Ｃ１のプラス側の電位ＶＣ（ダイオードＤ３のカソードの電位）よりも高い状態を検出するまで待機する（ステップＳ１０のＮ）。例えば、制御回路１１２のＣＰＵは、電圧検出回路１３０の出力信号（Ｉｐｌｓ）をモニターし、立ち上がりエッジを検出するまで待機する。
【００７６】
制御回路１１２のＣＰＵは、Ｖｐｚｔ１がＶＣよりも高いか、あるいは、Ｖｐｚｔ２がＶＣよりも高い状態を検出すると（ステップＳ１０のＹ）、Ｖｐｚｔ１がＶＣよりも低く、かつ、Ｖｐｚｔ２がＶＣよりも低い状態を検出するまで待機する（ステップＳ１２のＮ）。例えば、制御回路１１２のＣＰＵは、電圧検出回路１３０の出力信号（Ｉｐｌｓ）をモニターし、立ち下がりエッジを検出するまで待機する。
【００７７】
そして、制御回路１１２のＣＰＵは、Ｖｐｚｔ１がＶＣよりも低く、かつ、Ｖｐｚｔ２がＶＣよりも低い状態を検出すると（ステップＳ１２のＹ）、スイッチＳＷをＯＮにした後（ステップＳ１４）、制御回路１１２に内蔵された図示しないタイマーをスタートする（ステップＳ１６）。このタイマーは、あらかじめ設定された時間、本実施例では、ＬＣ共振回路の共振周期の１／２の時間を計時する。なお、この設定時間は、図示しないメモリーに記憶して書き換え可能にしておいてもよいし、不変でもよければメモリーに記憶しておかなくてもよい。
【００７８】
そして、制御回路１１２のＣＰＵは、タイマーが設定時間を計時するまで（ＬＣ共振回路の共振周期の１／２の時間が経過するまで）待機し（ステップＳ１８のＮ）、タイマーが設定時間を計時すると（ステップＳ１８のＹ）、スイッチＳＷをＯＦＦする（ステップＳ２０）。
【００７９】
制御回路１１２のＣＰＵは、再び、Ｖｐｚｔ１がＶＣよりも高いか、あるいは、Ｖｐｚｔ２がＶＣよりも高い状態を検出するまで待機し（ステップＳ１０のＮ）、上述した一連の処理を繰り返す。
【００８０】
以上のようにしてスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを行えば、少なくとも、圧電部材１０８の端子間の電圧を昇圧させることができるので、蓄電素子Ｃ１の電圧が上昇しても電荷を蓄えることができる。
【００８１】
尚、本実施例では制御回路１１２が、本発明の「制御部」に相当する。
【００８２】
以上に説明したように、本実施例の発電装置１００によれば、ダイオードＤ１のアノードとカソードの電位及びダイオードＤ３のアノードとカソードの電位をモニターすることで、圧電部材１０８の振動（変形）の半周期毎に、適切なタイミングでスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを行うことができる。これにより、圧電部材１０８の端子間の電圧を効率よく昇圧させ、発電効率を高めている。
【００８３】
特に、圧電部材１０８の変形方向が切り換わるタイミングと一致する、ダイオードＤ１（及びダイオードＤ３）のアノードの電位がカソードの電位よりも低くなるタイミングで精度よくスイッチＳＷをＯＮすることで、より高い発電効率が得られる。さらに、スイッチＳＷをＯＮする期間をＬＣ共振回路の共振周期の１／２の時間とすることで、最大限の発電効率が得られる。
【００８４】
ところで、梁１０４の変位が微小であり、あるいは蓄電素子Ｃ１に十分な電荷が蓄えられているような場合、圧電部材１０８に設けられた第１電極１０９ａの電位Ｖｐｚｔ１や第２電極１０９ｂの電位Ｖｐｚｔ２が蓄電素子Ｃ１のプラス側の電位ＶＣを超えることができない可能性がある。このような状態では、全波整流回路１２０に電流が流れず蓄電素子Ｃ１に電荷が蓄積されない。一方、全波整流回路１２０に電流が流れないということは、ダイオードＤ１のアノードの電位がカソードの電位よりも低く、かつ、ダイオードＤ３のアノードの電位がカソードの電位よりも低い状態が維持されるので、スイッチＳＷはＯＦＦのままである。従って、本実施例の発電装置１００によれば、蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄積できない時は、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを切り換えるために必要な電力を無駄に消費しないで済むという効果もある。
【００８５】
Ｅ．変形例：
Ｅ−１．第１変形例：
上述した実施例では、ダイオードＤ１のアノードとカソードの電位及びダイオードＤ３のアノードとカソードの電位をそれぞれ比較しているが、例えば、図１５に示すように、ダイオードＤ２のアノードとカソードの電位及びダイオードＤ４のアノードとカソードの電位をそれぞれ比較するようにしてもよい。
【００８６】
Ｅ−２．第２変形例：
また、上述した実施例では、ダイオードＤ１のアノードの電位がカソードの電位よりも少しでも高くなるか、ダイオードＤ３のアノードの電位がカソードの電位よりも少しでも高くなれば、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦが行われる。このスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦにも電力が必要であり、蓄電素子Ｃ１に蓄積された電力の一部が使用される。ところが、環境振動に合わせてスイッチＳＷをＯＮ／ＯＦＦし続けた場合、環境振動が比較的小さいと、単位時間あたりに、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦで消費される電力が蓄電素子Ｃ１に蓄積される電力よりも大きくなる場合も起こりうる。つまり、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことで発電効率が高まるが、電力が蓄積されず、むしろ減っていくという状況が考えられる。そこで、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦにより電力が消費されても、蓄積される電力が確実に増加するような発電が得られる状況でのみスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを行うようにしてもよい。具体的には、ダイオードＤ１〜Ｄ４の順方向降下電圧Ｖｆは流れる電流値によって変わるため、電圧検出回路１３０は、ダイオードＤ１のアノードとカソードの電位差あるいはダイオードＤ３のアノードとカソードの電位差が所定の閾値を超えた後、当該閾値を下回るタイミングでスイッチＳＷをＯＮすればよい。シミュレーションやサンプル評価により、スイッチＳＷをＯＮ／ＯＦＦする際の消費電力を考慮しても蓄電素子Ｃ１に蓄電される電力が増加するような閾値を決定すればよい。
【００８７】
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。
【００８８】
たとえば、上述した実施例では、圧電部材１０８が片持ち梁構造の梁１０４に取り付けられているものとして説明した。しかし、圧電部材１０８が取り付けられる部材は、振動などによって容易に繰り返し変形する部材であれば、どのような部材であっても構わない。たとえば、薄膜の表面に圧電部材１０８を取り付けても良いし、弦巻バネの側面に圧電部材１０８を取り付けても構わない。
【００８９】
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。
【００９０】
尚、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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。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。
【００９４】
本発明は、実施の形態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。また、本発明は、実施の形態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、実施の形態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。また、本発明は、実施の形態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】
【００９５】
１００…発電装置、１０２…支持端、１０４…梁、１０６…錘、１０８…圧電部材、１０９ａ…第１電極、１０９ｂ…第２電極、１１２…制御回路、１２０…全波整流回路、１３０…電圧検出回路、１３２…比較器、１３４…比較器、１３６…ＯＲ回路、Ｌ…インダクター、Ｃ１…蓄電素子、Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード、ＳＷ…スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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