(57)【要約】【課題】圧電効果を利用して、小型が可能で効率の良い発電装置を提供する。【解決手段】発電装置は、圧電部材１０８を繰り返し変形させる変形手段１０４と、圧電部材１０８に設けられた一対の電極１０９ａ，１０９ｂと、一対の電極１０９ａ，１０９ｂの間に設けられることによって、圧電部材１０８の容量成分と共振回路とを構成するインダクターＬと、インダクターＬに対して直列に接続されたスイッチＳＷと、圧電部材１０８の変形方向が切り換わるときにスイッチＳＷを接続した後、共振回路の共振周期の半周期に相当する時間が経過するとスイッチＳＷを切断するスイッチ制御手段１１０，１２０と、スイッチＳＷを接続した回数及びスイッチＳＷを切断した回数の少なくともいずれかを計測するスイッチ動作回数計測手段と、スイッチ動作回数計測手段から出力されたスイッチ動作回数を発電装置の外部へ伝達する伝達手段１１６と、を備える。【選択図】図１
2012210091.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料によって形成された圧電部材を外力によって変形させて、該圧電部材に生じた電荷を電流として取り出す発電装置であって、
前記圧電部材を繰り返し変形させる変形手段と、
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ることによって、前記圧電部材の容量成分と共振回路と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、
前記圧電部材の変形方向が切り換わるときに前記スイッチを接続した後、前記共振回路の共振周期の半周期に相当する時間が経過すると該スイッチを切断するスイッチ制御手段と、
前記スイッチを接続した回数及び前記スイッチを切断した回数の少なくともいずれかを計測するスイッチ動作回数計測手段と、
前記スイッチ動作回数計測手段から出力されたスイッチ動作回数を当該発電装置の外部へ伝達する伝達手段と、
を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発電装置において、
前記スイッチ動作回数を表示する表示手段を、さらに備えることを特徴とする発電装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発電装置において、
前記伝達手段は、無線通信手段であることを特徴とする発電装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の発電装置において、
前記一対の電極に接続されて、前記圧電部材が発生する交流電流を整流する整流回路を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の発電装置において、
前記圧電部材から前記整流回路に流れる電流の有無を検出する電流検出手段を備え、
前記スイッチ制御手段は、前記圧電部材から前記整流回路に電流が流れなくなったときに、前記スイッチを接続する手段であることを特徴とする発電装置。
【請求項６】
請求項５に記載の発電装置において、
前記電流検出手段は、フォトカプラーによって電流の有無を検出する手段であることを特徴とする発電装置。
【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（例えば、特許文献１参照）。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（例えば、特許文献２参照）。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。
また、金属製の片持ち梁を振動させ発電していることから、金属疲労による寿命の問題があった。
【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であり、かつ寿命を予測して適切な時期に修理、交換を行うことができる技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の発電装置は次の構成を採用した。すなわち、圧電材料によって形成された圧電部材を外力によって変形させて、該圧電部材に生じた電荷を電流として取り出す発電装置であって、前記圧電部材を繰り返し変形させる変形手段と、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ることによって、前記圧電部材の容量成分と共振回路と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、前記圧電部材の変形方向が切り換わるときに前記スイッチを接続した後、前記共振回路の共振周期の半周期に相当する時間が経過すると該スイッチを切断するスイッチ制御手段と、前記スイッチを接続した回数及び前記スイッチを切断した回数の少なくともいずれかを計測するスイッチ動作回数計測手段と、前記スイッチ動作回数計測手段から出力されたスイッチ動作回数を当該発電装置の外部へ伝達する伝達手段と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
このような本発明の発電装置では、圧電部材を繰り返し変形させており、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、圧電部材の変形量が大きくなるほど多くなる。そして、変形量の大きさが最大となったとき（すなわち変形方向が切り換わるとき）に、圧電部材をインダクターに接続する。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、インダクターに接続されることで共振回路を形成する。すると、圧電部材に発生していた電荷がインダクターに流れ込む。そして、圧電部材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、反対側の端子から圧電部材に流れ込む。この期間（すなわち、圧電部材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圧電材料内に流れ込むまでの期間）は、圧電部材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、圧電部材の変形方向が切り換わったタイミングで圧電部材とインダクターとを接続し、その後、共振周期の半分の時間が経過したタイミングで、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。その結果、圧電部材を繰り返し変形させることによって生じた電荷を、圧電部材内に効率よく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端子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。また、スイッチの接続及びスイッチの切断の少なくともいずれかの動作ごとにカウンター値を加算して発電装置外部へ出力することにより、梁の動作回数を検出することが可能となる。梁の動作回数を検出することが可能になれば、梁の疲労などによる寿命を予め予想することができるため、発電機の修理、交換を適切な時期に行えるようになり、信頼性の高い発電機を提供できる。
【０００９】
また、上述した本発明の発電装置においては、スイッチ動作回数を表示する表示装置を接続してもよい。
【００１０】
表示装置を用いることにより、特別な装置を用いることなく、容易に梁の動作回数を知ることができる。
【００１１】
また、上述した本発明の発電装置においては、伝達手段は、無線通信手段を用いてもよい。
【００１２】
無線通信手段を用いることにより、遠隔にて容易に梁の動作回数を知ることができる。
【００１３】
また、上述した本発明の発電装置においては、圧電部材に設けられた一対の電極に、圧電部材が発生する交流電流を整流する整流回路を接続してもよい。
【００１４】
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。したがって、一対の電極に整流回路を接続すれば、交流電流を直流電流に変換して、種々の電気負荷を駆動することが可能となる。
【００１５】
また、上述した本発明の発電装置においては、圧電部材から整流回路に流れる電流の有無を検出して、電流が流れなくなったときに、スイッチを接続するようにしてもよい。
【００１６】
圧電部材の変形方向が切り換わるときには、圧電部材から整流回路に流れる電流が流れなくなる。したがって、圧電部材から整流回路への電流が流れなくなったときにスイッチを接続して、圧電部材とインダクターとを接続してやれば、適切なタイミングで精度良くスイッチを接続することができる。その結果、圧電部材で発生した電荷が最大になったときに、圧電部材とインダクターとを接続することができるので、圧電材料で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可能となる。
【００１７】
また、圧電部材から整流回路の流れる電流の有無を検出するに際しては、フォトカプラーを用いて検出するようにしてもよい。
【００１８】
こうすれば、電流の有無を簡単に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施例の発電装置の構造を示した説明図。
【図２】本実施例の発電装置の動作を示した説明図。
【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。
【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。
【図５】圧電部材から全波整流回路に流れる電流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。
【図６】スイッチのＯＮ／ＯＦＦと梁の変位回数を出力する制御処理を示したフローチャート。
【図７】全波整流回路の一部にフォトカプラーを組み込んだ変形例の発電装置の回路構成を示した説明図。
【図８】圧電部材と全波整流回路との間にフォトカプラーを組み込んだ変形例の他の態様を示した説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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：
【００２１】
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いる。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一対の電極としての上部電極１０９ａ、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の上面側及び下面側の両方に圧電部材１０８を設けても良い。また、圧電部材１０８は梁１０４の変形によって変形するから、梁１０４が本発明の「変形手段」に相当する。
【００２２】
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、圧縮力及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、その電荷が上部電極１０９ａ、及び下部電極１０９ｂに現れる。
【００２３】
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Ｃ０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。スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦは、制御回路１１２によって制御され、制御回路１１２は、スイッチＳＷを接続した回数及びスイッチＳＷを切断した回数の少なくともいずれかのスイッチＳＷの動作回数を表示手段としての表示器１１４又は無線通信手段（伝達手段）としての通信回路１１６へ送る。通信回路１１６はアンテナ１１８を介して図示しない外部機器との通信を行う。また、圧電部材１０８に設けられた上部電極１０９ａ及び下部電極１０９ｂは、後述する電流検出回路１１０を経由して、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。さらに、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コンデンサー（出力用コンデンサーＣ１）が接続されている。
【００２４】
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、上部電極１０９ａと下部電極１０９ｂとの間に生じる電位差Ｖpztとして表されている。
【００２５】
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）、これに伴って上部電極１０９ａ及び下部電極１０９ｂの電位差Ｖpztは正方向へ増加する。正方向の電位差Ｖpztが、出力用コンデンサー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、出力用コンデンサー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）、これに伴って上部電極１０９ａ及び下部電極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、出力用コンデンサー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、出力用コンデンサーＣ１に電荷を蓄えることができる。
【００２６】
本実施例の発電装置１００のスイッチＳＷをＯＮするタイミングを図２（ｃ）に示す。また図２（ｄ）にスイッチＳＷが動作した場合の圧電部材１０８の端子間電圧Ｖgenを示す。図２（ｃ）に示すタイミングで、スイッチＳＷをＯＮにすると、図２（ｄ）の太い実線に示すように、スイッチＳＷをＯＮしたときに、圧電部材１０８の端子間の電位の反転が発生する。例えば、図２（ｄ）中に「Ｂ」と表示した期間Ｂでは、スイッチＳＷがＯＮしたときに、圧電部材１０８の端子間電圧がマイナス方向へ反転し、その後、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の端子間電圧がプラス方向へ反転し、その後、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。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の端子間電圧が反転した後、太い破線の電圧波形が現れる。そして、圧電部材１０８の電圧波形が、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で発生した電荷を出力用コンデンサーＣ１に蓄えておくことができる。尚、圧電部材１０８から出力用コンデンサー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、上部電極１０９ａ及び下部電極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。
【００２７】
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、出力用コンデンサーＣ１に電荷を蓄えることが可能となる。
【００２８】
また、出力用コンデンサーＣ１に電荷が蓄えられて、出力用コンデンサー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（出力用コンデンサーＣ１に電荷が蓄えられていない状態）と、図２（ｄ）中の期間Ｈ（出力用コンデンサー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、出力用コンデンサー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、上部電極１０９ａと下部電極１０９ｂとの間に生じる電位差Ｖpzt以上の電圧を、出力用コンデンサー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１００を得ることが可能となる。
【００２９】
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にしたときの容量成分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、容量成分Ｃ０に電荷が蓄積され、圧電部材１０８の端子間電圧Ｖgenは正方向の電圧が発生する。電圧値は、圧電部材１０８の変形が大きくなるほど増加する。そして、圧電部材１０８の変形が最大となったタイミング（電荷量が最も多くなったタイミング。図３（ｂ）参照）で、スイッチＳＷをＯＮにする。
【００３０】
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。容量成分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にした瞬間は、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。
【００３１】
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容量成分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。
【００３２】
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。
【００３３】
このように、容量成分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。したがって、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。
【００３４】
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の端子間電圧Ｖgenが負方向へ大きくなるように容量成分Ｃ０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。
【００３５】
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内にさらに正負の電荷を蓄積することができる。
【００３６】
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。
【００３７】
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、以上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１０８（正確には梁１０４）の変形に従って、上部電極１０９ａ及び下部電極１０９ｂの間に電圧が発生するが、上部電極１０９ａ及び下部電極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に接続された出力用コンデンサーＣ１に流れ込む。その結果、梁１０４の変形が最大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。尚、図３及び図４を用いて前述したメカニズムから明らかなように、スイッチＳＷをＯＮにしておく期間は、圧電部材１０８の容量成分Ｃ０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。
【００３８】
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の上部電極１０９ａ及び下部電極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の上部電極１０９ａ及び下部電極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。最も、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出力用コンデンサーＣ１に流れ込むので、圧電部材１０８の上部電極１０９ａ及び下部電極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。
【００３９】
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上部電極１０９ａと下部電極１０９ｂとの間に生じる電位差よりも高い電圧を、出力用コンデンサー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。
【００４０】
先ず、図２（ｄ）中の期間Ａあるいは期間Ｂに示したように、出力用コンデンサー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から出力用コンデンサー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、こうして出力用コンデンサーＣ１に電荷を蓄えるにしたがって出力用コンデンサーＣ１の端子間の電圧が増加していく。すると、それ以降は、出力用コンデンサー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、出力用コンデンサー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。
【００４１】
加えて、図３及び図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。
【００４２】
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瞬間に、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、たいへんに効率が良く、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。最も、梁１０４の変形方向が切り換わる瞬間にスイッチ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瞬間は、梁１０４の変位の大きさが最大となる瞬間であるから、機械的な接点を用いて、梁１０４が最大変位となった瞬間にＯＮとなるように構成することも可能であるが、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は、図１（ｂ）に示したように、圧電部材１０８から全波整流回路１２０に流れる電流を電流検出回路１１０によって検出することで、スイッチＳＷを制御している。
【００４３】
図５は、圧電部材１０８から全波整流回路１２０に流れ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１０８が単位時間あたりに発生させる電荷量（すなわち、電流Ｉpzt）と、電流Ｉpztによって生じる電位差Ｖpztとが変化する様子が示されている。
【００４４】
図示されるように、梁１０４の変位が大きくなると、電位差Ｖpztも大きくなる。電位差Ｖpztが出力用コンデンサー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より大きくなれば、発生した電荷が全波整流回路１２０に流れることになる。
【００４５】
また、梁１０４の変位の大きさが最大となる瞬間（すなわち、梁１０４の変形方向が切り換わる瞬間）では、圧電部材１０８の発生する電流Ｉpztの方向が反転する。例えば、圧電部材１０８が正の起電力を発生している状態で、梁１０４の変位の大きさが最大になると、正方向に流れていた電流Ｉpztが負方向に反転する。したがって、圧電部材１０８の起電力が減少し、ＶＣ１と２Ｖｆとの和よりも電圧が低くなって、全波整流回路１２０に流れていた電流が流れなくなる。同様に、圧電部材１０８が負の起電力を発生している状態で、正方向の電流Ｉpztが発生することで、全波整流回路１２０に流れていた電流が流れなくなる。したがって、梁１０４の変形方向が切り換わる瞬間（梁１０４の変位の大きさが最大となる瞬間）は、圧電部材１０８から全波整流回路１２０に電流が流れなくなる瞬間と一致する。そこで、図１（ｂ）に示したように、電流検出回路１１０を用いて、全波整流回路１２０に流れる電流を検出して、電流が流れなくなったことを検出したら、その瞬間から一定時間（共振周期の半分）だけ、スイッチＳＷをＯＮにしてやればよい。
【００４６】
図５（ｃ）には、全波整流回路１２０に電流が流れなくなったことを検出して、共振周期の半分の期間だけ、スイッチＳＷをＯＮにする様子が示されている。また、図５（ｄ）には、その結果として、インダクターＬを流れる電流と、電流検出回路１１０で検出された電流（全波整流回路１２０に流れる電流）とが示されている。ちなみに、圧電部材１０８とインダクターＬとの間では、この２つを合計した電流が流れることになる。
【００４７】
図５（ｄ）に示されるように、スイッチＳＷをＯＮにする度に、圧電部材１０８内の電荷がインダクターＬを流れて、圧電部材１０８内の正負の電荷の配置が入れ代わる。そして、電荷の配置が入れ代わった状態から圧電部材１０８が変形することで、圧電部材１０８の端子間には図５（ｅ）に示すような電圧波形が発生する。この電圧波形は、図２（ｄ）を用いて前述した電圧波形と同じであるため、ここでは説明を省略する。その結果、図５（ｄ）に示されるように、圧電部材１０８で発生する電流Ｉpztを効率よく出力用コンデンサーＣ１に蓄えることが可能となる。
【００４８】
以上に説明したように、スイッチＳＷをＯＮするタイミングは、梁１０４の変位がプラス方向に最大になるときとマイナス方向に最大になるときなので、梁１０４が変形する周期の１／２でスイッチＳＷをＯＮすることになる。すなわちスイッチＳＷをＯＮする信号をカウントすれば梁１０４の変位した回数が分かる。よって、本発明では制御回路１１２にて、スイッチＳＷをＯＮするごとにカウンターを加算し、その加算結果を出力している。
【００４９】
図６は圧電部材１０８から全波整流回路１２０に流れる電流を検出してスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを切り換え、さらに梁１０４の変位回数を出力する制御処理を示したフローチャートである。この処理は、制御回路１１２に内蔵されたＣＰＵによって実行される。尚、本実施例ではこの処理を実行するＣＰＵが、本発明の「スイッチ動作回数計測手段」に相当する。
【００５０】
制御処理を開始すると、制御回路１１２のＣＰＵは圧電部材１０８から全波整流回路１２０に流れる電流を検出して、電流値が“０”になったか否かを判断する（ステップＳ１００）。電流値が“０”になったか否かは、電流検出回路１１０の出力値で判断することができる。その結果、電流値が“０”になっていないと判断した場合は（ステップＳ１００：Ｎｏ）、そのまま同様な判断を繰り返すことによって、電流値が“０”になるまで待機状態となる。
【００５１】
そして、圧電部材１０８から全波整流回路１２０に流れる電流が“０”になるのを検出したら（ステップＳ１００：Ｙｅｓ）、共振回路（圧電部材１０８の容量成分Ｃ０とインダクターＬとによって構成される回路）のスイッチＳＷをＯＮにする（ステップＳ１０２）、次に、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の容量成分Ｃ０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）。
【００５２】
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）、共振回路のスイッチＳＷをＯＦＦにする（ステップＳ１０８）。
【００５３】
次に制御回路１１２に内蔵された図示しないカウンターの値に“１”を加算する（ステップＳ１１０）。そしてカウンター値を外部へ出力する（ステップＳ１１２）。
【００５４】
以上のステップＳ１００〜Ｓ１１２の処理を行うことによっ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、効率よく発電することが可能となる。また、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦの動作ごとにカウンター値を加算して出力することにより、梁１０４の動作回数を検出することが可能となる。カウンター値を出力したら（ステップＳ１１２）、制御処理の先頭であるステップＳ１００に戻って、上述した一連の処理を繰り返す。
【００５５】
制御回路１１２から出力されたカウンター値は、表示器１１４又は通信回路１１６へ入力される。表示器１１４はカウンター値を表示する機能を有する。例えばカウンター値をＬＥＤにより数字で表示できるように構成しても良く、液晶や有機ＥＬなどの表示装置を用いても良い。
【００５６】
通信回路１１６はカウンター値を、無線を用いて送信する機能を有する。無線手段は低消費電力で動作する方式が望ましく、例えば無線ＬＡＮやＺｉｇｂｅｅ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などで構成する。この無線手段を用いて、図示しないコンピューターなどへカウンター値を送信する。コンピューターで受信したカウンター値を表示すれば、梁１０４の動作回数を知ることができる。
【００５７】
本実施例の最後に、電流検出回路１１０、及び制御回路１１２の構成について簡単に説明する。電流検出回路１１０内には、ホール素子などの一般的な電流検出センサーが搭載されている。この出力を増幅した後、絶対値に変換する。そして、得られた絶対値を所定の閾値（０よりも少しだけ大きな正の値）と比較して、絶対値が閾値よりも小さくなった瞬間を検出すればよい。また、こうして検出した瞬間をトリガーとして、共振周期の半分に相当する時間幅のパルスを発生させて、制御回路１１２に入力することによってスイッチＳＷを制御すればよい。共振周期の半分に相当する時間幅のパルスを発生させる際には、遅延回路を用いても良いし、タイマーを用いて共振周期の半分に相当する時間を計時しても良い。尚、本実施例では電流検出回路１１０及び全波整流回路１２０が、本発明の「スイッチ制御手段」に相当する。
【００５８】
Ｅ．変形例：
上述した説明では、電流検出回路１１０内に、ホール素子などの電流検出センサーが設けられており、この出力を処理することによって、電流が流れなくなったタイミングを検出するものとして説明した。しかし、全波整流回路１２０を構成するダイオードＤ１〜Ｄ４の一部をフォトカプラーに変更して、フォトカプラーによって電流の有無を直接検出してもよい。
【００５９】
図７は、全波整流回路１２０を構成するダイオードＤ１〜Ｄ４の一部をフォトカプラーに変更した変形例の発電装置１００の回路構成を示した説明図である。図示した例では、ダイオードＤ２及びダイオードＤ４がフォトカプラーに変更されているが、これに限らず、ダイオードＤ１及びダイオードＤ３をフォトカプラーに変更してもよいし、ダイオードＤ１及びダイオードＤ４をフォトカプラーに変更しても、あるいはダイオードＤ２及びダイオードＤ３をフォトカプラーに変更してもよい。こうすれば、全波整流回路１２０に電流が流れている間は、何れかのフォトカプラーによって、そのことを検出することができる。このため電流検出回路１１０は、全波整流回路１２０に電流が流れなくなったことを直ちに検出することができる。その結果、前述したように、ホール素子などの電流検出センサーを搭載したり、センサーの出力を増幅して絶対値を求めたり、得られた絶対値を閾値と比較すると言った複雑な処理を行うことなく、適切なタイミングでスイッチＳＷをＯＮにすることが可能となる。
【００６０】
図８は、圧電部材１０８と全波整流回路１２０との間にフォトカプラーを組み込んだ変形例の他の態様を示した説明図である。
あるいは、図８に示したように、上部電極１０９ａ及び下部電極１０９ｂと全波整流回路１２０との間にフォトカプラーを挿入することによって、全波整流回路１２０に流れる電流の有無を検出するようにしても良い。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【符号の説明】
【００６３】
１００…発電装置、１０２…支持端、１０４…梁（変形手段）、１０６…錘、１０８…圧電部材、１０９ａ…上部電極、１０９ｂ…下部電極、１１０…電流検出回路（スイッチ制御手段）、１１２…制御回路、１１４…表示器（表示手段）、１１６…通信回路（無線通信手段）（伝達手段）、１１８…アンテナ、１２０…全波整流回路（スイッチ制御手段）、Ｌ…インダクター、Ｃ１…出力用コンデンサー、Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード、ＳＷ…スイッチ。
【図１】
2012210091.tif 000003
【図２】
2012210091.tif 000004
【図３】
2012210091.tif 000005
【図４】
2012210091.tif 000006
【図５】
2012210091.tif 000007
【図６】
2012210091.tif 000008
【図７】
2012210091.tif 000009
【図８】
2012210091.tif 000010