環境発電デバイス
【課題】蓄電部に効率よく蓄電することが可能な環境発電デバイスを提供する。
【解決手段】環境発電デバイス１は、複数個の発電部２４を有する圧電型振動発電装置２と、２個のダイオードＤ41，Ｄ42を用いて構成される第１の電力取り出し回路４と、電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6とエネルギ蓄積素子５４とを用いて構成される第２の電力取り出し回路５と、第１接続形態と第２接続形態とを択一的に切替可能な切替回路６と、蓄電部３を電源として第２の電力取り出し回路５および切替回路６を制御する制御部７を備える。切替回路６は、第１接続形態では、第１の電力取り出し回路４の入力端間に複数個の発電部２４の直列回路を接続させ且つ第１の電力取り出し回路４の出力端間に蓄電部３を接続させ、第２接続形態では、第２の電力取り出し回路５の入力端間に複数個の発電部２４の並列回路を接続させ且つ第２の電力取り出し回路５の出力端間に蓄電部３を接続させる。
【解決手段】環境発電デバイス１は、複数個の発電部２４を有する圧電型振動発電装置２と、２個のダイオードＤ41，Ｄ42を用いて構成される第１の電力取り出し回路４と、電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6とエネルギ蓄積素子５４とを用いて構成される第２の電力取り出し回路５と、第１接続形態と第２接続形態とを択一的に切替可能な切替回路６と、蓄電部３を電源として第２の電力取り出し回路５および切替回路６を制御する制御部７を備える。切替回路６は、第１接続形態では、第１の電力取り出し回路４の入力端間に複数個の発電部２４の直列回路を接続させ且つ第１の電力取り出し回路４の出力端間に蓄電部３を接続させ、第２接続形態では、第２の電力取り出し回路５の入力端間に複数個の発電部２４の並列回路を接続させ且つ第２の電力取り出し回路５の出力端間に蓄電部３を接続させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環境発電デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電体を利用して振動エネルギを電気エネルギに変換する発電装置（圧電型振動発電装置）は、環境発電（エナジーハーベスティング）などの分野で注目され、各所で研究開発されている（例えば、非特許文献１，２）。ここで、非特許文献１には、圧電体の材料として、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）が記載され、非特許文献２には、圧電体の材料として、ＰＺＴおよび窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が記載されている。
【０００３】
ところで、発電装置は、圧電体の形態（薄膜型、バルク型）により分類することができる。ここで、非特許文献１には、マイクロマシニング技術を利用して製造された薄膜型の発電装置について記載されている。また、非特許文献２には、バルク型の発電装置について記載されている。
【０００４】
非特許文献１に開示された発電装置は、図９に示すように、シリコン基板３００を用いて形成されたデバイス基板３０１を備えている。このデバイス基板３０１は、矩形枠状の支持部３１１と、支持部３１１の内側に配置され支持部３１１に揺動自在に支持されたカンチレバー部（ビーム）３１２と、カンチレバー部３１２の先端部に設けられた錘部３１３とを備えている。また、発電装置は、デバイス基板３０１におけるカンチレバー部３１２に設けられカンチレバー部３１２の振動に応じて交流電圧を発生する発電部３２０を備えている。
【０００５】
発電部３２０は、下部電極３２２と、下部電極３２２におけるカンチレバー部３１２側とは反対側に形成された圧電膜３２１と、圧電膜３２１における下部電極３２２側とは反対側に形成された上部電極３２３とで構成されている。ここにおいて、発電部３２０は、下部電極３２２がＰｔ膜により構成され、圧電膜３２１がＡｌＮ薄膜もしくはＰＺＴ薄膜により構成され、上部電極３２３がＡｌ膜により構成されている。
【０００６】
また、発電装置は、デバイス基板３０１の一表面側（図９の上面側）において支持部３１１が固着された上部カバー基板４０１と、デバイス基板３０１の他表面側（図９の下面側）において支持部３１１が固着された下部カバー基板５０１とを備えている。上部カバー基板４０１および下部カバー基板５０１は、それぞれガラス基板４００，５００を用いて形成されている。
【０００７】
上部カバー基板４０１および下部カバー基板５０１と、デバイス基板３０１のカンチレバー部３１２と錘部３１３とからなる可動部との間には、当該可動部の変位空間４２６，５２６が形成されている。
【０００８】
また、非特許文献２に記載された発電装置は、支持部と、支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部と、カンチレバー部における支持部側とは反対の先端部に設けられた錘部とを備えており、カンチレバー部が、２層の圧電体を張り合わせたバイモルフ圧電素子により構成されている。
【０００９】
また、非特許文献２には、発電装置を用いたシステムの等価回路モデルとして図１０に示す回路図が記載されている。ここで、発電装置の等価回路は、錘部の質量または慣性に相当する等価インダクタンスＬmと、機械的なダンピングに相当する等価抵抗Ｒbと、機械的なスティフネスに相当する等価コンデンサＣkと、外部振動を与えた場合に発生する等価応力σinと、トランスの等価巻数比ｎと、発電部により構成されるコンデンサＣbとを用いて表されている。また、この等価回路モデルには、４個のダイオードＤ1，Ｄ2，Ｄ3，Ｄ4がブリッジ接続されてなり発電装置の出力電圧ｖを全波整流する全波整流回路と、全波整流回路の出力端間に接続された蓄電用のコンデンサＣstとが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】R. van Schaijk,et al,「Piezoelectric AlN energy harvesters for wireless autonomoustransducer solutions」，IEEE SENSORS 2008 Conference,2008，p.45-48
【非特許文献２】S Roundy and P K Wright,「A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics」，Smart Materials and Structures 13,2004,p1131-1142
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、非特許文献１に記載された発電装置のような薄膜型の発電装置では、非特許文献２に記載されたバルク型の発電装置に比べて、小型化を図ることができる一方で出力電圧が低下するので、出力電圧の高出力化が望まれる。また、非特許文献１に記載された発電装置の出力をコンデンサに蓄電する環境発電デバイスを構築する場合には、非特許文献２のように全波整流回路を発電デバイスの出力端間に接続した構成とすることが考えられる。
【００１２】
しかしながら、この環境発電デバイスでは、発電装置の出力電圧ｖの正の半サイクルにおいて、２個のダイオードＤ1，Ｄ4で電圧損失（順方向電圧降下）が生じ、負の半サイクルにおいて、２個のダイオードＤ3，Ｄ2で電圧損失が生じる。また、この環境発電デバイスでは、発電装置の出力電圧ｖの正の半サイクルにおいて、２個のダイオードＤ1，Ｄ4の閾値電圧の合計値以上となる期間しか電力を取り出すことができない。同様に、この環境発電デバイスでは、発電装置の出力電圧ｖの負の半サイクルにおいて、２個のダイオードＤ3，Ｄ2の閾値電圧の合計値以上となる期間しか電力を取り出すことができないので、蓄電用のコンデンサＣstに効率良く蓄電することが難しい。
【００１３】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、蓄電部に効率よく蓄電することが可能な環境発電デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の環境発電デバイスは、環境振動に応じて交流電圧を発生可能な複数個の発電部を有する圧電型振動発電装置と、蓄電部と、整流用の２個のダイオードを用いて構成され前記圧電型振動発電装置からの交流電圧を整流して前記蓄電部を充電する第１の電力取り出し回路と、電子式アナログスイッチとエネルギ蓄積素子とを用いて構成され前記圧電型振動発電装置からの交流電圧を入力として前記蓄電部を充電する第２の電力取り出し回路と、前記第１の電力取り出し回路を利用して前記蓄電部を充電する第１接続形態と前記第２の電力取り出し回路を利用して前記蓄電部を充電する第２接続形態とを択一的に切替可能な切替回路と、前記蓄電部を電源として前記第２の電力取り出し回路および前記切替回路を制御する制御部とを備え、前記切替回路は、前記第１接続形態では、前記第１の電力取り出し回路の入力端間に前記複数個の前記発電部の直列回路を接続させ且つ前記第１の電力取り出し回路の出力端間に前記蓄電部を接続させ、前記第２接続形態では、前記第２の電力取り出し回路の入力端間に前記複数個の前記発電部の並列回路を接続させ且つ前記第２の電力取り出し回路の出力端間に前記蓄電部を接続させることを特徴とする。
【００１５】
この環境発電デバイスにおいて、前記制御部は、前記蓄電部の出力電圧が前記制御部および前記第２の電力取り出し回路それぞれの最低動作電圧よりも高い場合に、前記切替回路が前記第２接続形態となるように前記切替回路を制御することが好ましい。
【００１６】
この環境発電デバイスにおいて、前記切替回路は、前記圧電型振動発電装置と前記第１の電力取り出し回路との間に設けられる第１のスイッチ要素と、前記第１の電力取り出し回路と前記蓄電部との間に設けられる第２のスイッチ要素と、前記圧電型振動発電装置と前記第２の電力取り出し回路との間に設けられる第３のスイッチ要素と、前記圧電型振動発電装置と前記蓄電部との間に設けられる第４のスイッチ要素とを備え、前記第１のスイッチ要素および前記第２のスイッチ要素の各々がノーマリオン型であり、前記第３のスイッチ要素および前記第４のスイッチ要素の各々がノーマリオフ型であることが好ましい。
【００１７】
この環境発電デバイスにおいて、前記蓄電部は、２個のコンデンサが直列接続されてなり、前記第１の電力取り出し回路は、前記２個の前記ダイオードが直列接続されてなり、前記第１接続形態では、前記２個の前記ダイオード同士の接続点が前記圧電型振動発電装置の一方の出力端に接続され、且つ、前記２個の前記コンデンサ同士の接続点が前記圧電型振動発電装置の他方の出力端に接続され、前記圧電型振動発電装置で発生する交流電圧を倍電圧整流する両波倍電圧整流回路が構成されることが好ましい。
【００１８】
この環境発電デバイスにおいて、前記圧電型振動発電装置は、支持部と、前記支持部に揺動自在に支持されてなり前記環境振動に応じて振動する可動部とを備え、前記可動部に前記複数個の前記発電部が設けられたものであり、前記可動部の変位を検出する変位検出センサが設けられ、前記制御部は、前記変位検出センサから出力される交流信号のゼロクロス点の付近で前記電子式アナログスイッチのオンオフを切り替えることが好ましい。
【００１９】
この環境発電デバイスにおいて、前記変位検出センサは、静電容量型変位検出センサであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の環境発電デバイスにおいては、蓄電部に効率よく蓄電することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態１の環境発電デバイスの回路図である。
【図２】（ａ）は実施形態１の環境発電デバイスにおける圧電型振動発電装置の概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。
【図３】実施形態１の環境発電デバイスの第１接続形態の動作説明図である。
【図４】実施形態１の環境発電デバイスの第２接続形態の動作説明図である。
【図５】実施形態１の環境発電デバイスの第２接続形態の動作説明図である。
【図６】実施形態１の環境発電デバイスの第２接続形態の動作説明図である。
【図７】実施形態１の環境発電デバイスの第２接続形態の動作説明図である。
【図８】実施形態２の環境発電デバイスの回路図である。
【図９】従来例の発電装置の概略断面図である。
【図１０】他の従来例の発電装置を用いたシステムの等価回路モデル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（実施形態１）
以下では、本実施形態の環境発電デバイスについて図１〜図７に基づいて説明する。
【００２３】
環境発電デバイス１は、環境振動に応じて交流電圧を発生可能な複数個（ここでは、３個）の発電部２４を有する圧電型振動発電装置２と、蓄電部３とを備えている。
【００２４】
また、環境発電デバイス１は、整流用の２個のダイオードＤ41，Ｄ42を用いて構成され圧電型振動発電装置２からの交流電圧を整流して蓄電部３を充電する第１の電力取り出し回路４を備えている。また、環境発電デバイス１は、電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6（以下、第１〜第６の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6とも称する）とエネルギ蓄積素子５４とを用いて構成され圧電型振動発電装置２からの交流電圧を入力として蓄電部３を充電する第２の電力取り出し回路５を備えている。
【００２５】
また、環境発電デバイス１は、第１の電力取り出し回路４を利用して蓄電部３を充電する第１接続形態と第２の電力取り出し回路５を利用して蓄電部３を充電する第２接続形態とを択一的に切替可能な切替回路６を備えている。
【００２６】
また、環境発電デバイス１は、蓄電部３を電源として第２の電力取り出し回路５および切替回路６を制御する制御部７を備えている。
【００２７】
そして、切替回路６は、第１接続形態では、第１の電力取り出し回路４の入力端間に複数個の発電部２４の直列回路を接続させ且つ第１の電力取り出し回路４の出力端間に蓄電部３を接続させる。また、切替回路６は、第２接続形態では、第２の電力取り出し回路５の入力端間に複数個の発電部２４の並列回路を接続させ且つ第２の電力取り出し回路５の出力端間に蓄電部３を接続させる。
【００２８】
圧電型振動発電装置２は、図２に示すように、支持部２１と、支持部２１に揺動自在に支持されてなり環境振動に応じて振動する可動部２２とを備え、可動部２２に上述の複数個の発電部２４が設けられたものであることが好ましい。
【００２９】
また、環境発電デバイス１は、可動部２２の変位を検出する変位検出センサ８が設けられ、制御部７が、変位検出センサ８から出力される交流信号のゼロクロス点の付近で電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6のオンオフを切り替えることが好ましい。
【００３０】
環境発電デバイス１の各構成要素については、以下、詳細に説明する。
【００３１】
圧電型振動発電装置２は、支持部２１、支持部２１に揺動自在に支持されたカンチレバー部２２ａ、およびカンチレバー部２２ａにおける支持部２１側とは反対の先端部に設けられた錘部２２ｂを有するデバイス基板２０を備えている。ここで、圧電型振動発電装置２は、カンチレバー部２２ａと錘部２２ｂとで、可動部２２を構成しており、カンチレバー部２２ａに複数個の発電部２４が設けられている。したがって、圧電型振動発電装置２は、カンチレバー部２２ａの振動に応じて交流電圧を発生する。
【００３２】
デバイス基板２０は、第１の基板２０ａを用いて形成されている。第１の基板２０ａとしては、一表面が（１００）面である単結晶のシリコン基板を用いているが、これに限らず、多結晶のシリコン基板でもよい。デバイス基板２０において、第１の基板２０ａと発電部２４とは、第１の基板２０ａの上記一表面側に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜２０ｂによって、電気的に絶縁されている。第１の基板２０ａとしては、シリコン基板に限らず、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、金属基板、ガラス基板、ポリマー基板などを用いてもよい。第１の基板２０ａとして、ＭｇＯ基板やガラス基板やポリマー基板などの絶縁性基板を用いる場合、絶縁膜２０ｂを設けてもよいが、特に設けなくてもよい。
【００３３】
デバイス基板２０は、支持部２１が、枠状（ここでは、矩形枠状）に形成され、カンチレバー部２２ａおよび錘部２２ｂが、支持部２１の内側に配置されている。ここで、デバイス基板２０は、カンチレバー部２２ａと錘部２２ｂとで構成される可動部２２を囲む平面視Ｕ字状のスリット２０ｄが設けられることによって、可動部２２における支持部２１との連結部位以外の部分が、支持部２１と空間的に分離されている。なお、支持部２１は、可動部２２を揺動自在に支持できる形状であればよく、必ずしも枠状である必要はない。
【００３４】
発電部２４は、デバイス基板２０の上記一表面側に形成されている。ここで、発電部２４は、互いに対向する２つ１組の電極と、組をなす２つの電極間にある圧電体とを有する圧電変換素子により構成されている。発電部２４は、組をなす２つの電極が、カンチレバー部２２ａの厚み方向の一面側において当該厚み方向に離間して配置されている。
【００３５】
圧電型振動発電装置２は、可動部２２の振動によって発電部２４の圧電体が応力を受け、２つの電極のうちの一方の電極と他方の電極とに電荷の偏りが発生し、発電部２４で交流電圧が発生する。要するに、圧電型振動発電装置２は、発電部２４が圧電材料の圧電効果を利用して発電する。圧電型振動発電装置２の開放電圧は、環境振動に起因した圧電体の振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。ここで、圧電型振動発電装置２は、当該圧電型振動発電装置２の共振周波数と一致する環境振動を利用して発電することを想定している。環境振動としては、例えば、稼動中のＦＡ機器で発生する振動、車両の走行によって発生する振動、人の歩行によって発生する振動など、種々の環境振動（外部振動）がある。発電デバイス１で発生する交流電圧の周波数は、環境振動の周波数が発電デバイス１の共振周波数と一致する場合、発電デバイス１の共振周波数と同じになる。なお、外部振動としては、例えば、稼動中のＦＡ機器で発生する振動、車両の走行によって発生する振動、人の歩行によって発生する振動など、種々の環境振動があるが、本実施形態では、外部振動を発生する外部振動源として、例えば、周波数が４７５Ｈｚ程度の振動を発生するＦＡ機器を想定している。また、圧電型振動発電装置２は、複数個の発電部２４の各々が、極性のあるコンデンサを構成する。
【００３６】
圧電体の圧電材料としては、ＰＺＴを採用しているが、これに限らず、例えば、ＰＺＴ−ＰＭＮ（Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）やその他の不純物を添加したＰＺＴでもよい。また、圧電材料は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＫＮＮ（Ｋ0.5Ｎａ0.5ＮｂＯ3）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ3）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ3）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕなど）を添加したものなどでもよい。
【００３７】
組をなす２つの電極のうち圧電体における可動部２２側に位置する電極（以下、第１電極とも称する）の材料としては、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ｉｒなどを採用することができる。また、組をなす２つの電極のうち圧電体における可動部２２側と反対側に位置する電極（以下、第２電極とも称する）の材料としては、例えば、Ａｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒなどを採用することができる。
【００３８】
圧電型振動発電装置２は、薄膜型の発電装置であり、第１電極の厚みを５００ｎｍ、圧電体の厚みを６００ｎｍ、第２電極の厚みを１００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。なお、第１電極は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法などの薄膜形成技術と、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用したパターニング技術とで形成することができる。また、圧電体は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などの薄膜形成技術と、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用したパターニング技術とで形成することができる。また、第２電極は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法などの薄膜形成技術と、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用したパターニング技術とで形成することができる。また、第２電極としては、例えば、シート電極（電極シートとも呼ばれている）を用いてもよい。圧電体上にシート電極からなる第２電極を設ける方法としては、例えば、シート電極からなる第２電極を圧電体上に真空ラミネート法などによりラミネートする方法を採用すればよい。なお、シート電極としては、例えば、アルミニウム箔などの金属箔を用いてもよいし、ラミネート用シートに電極材料をスパッタ法などにより被着したものを用いてもよい。
【００３９】
圧電型振動発電装置２は、デバイス基板２０と第１電極との間に緩衝層を設けた構造でもよい。緩衝層の材料は、圧電体の圧電材料に応じて適宜選択すればよく、圧電体の圧電材料がＰＺＴの場合には、例えば、ＳｒＲｕＯ3、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3、ＰｂＴｉＯ3、ＭｇＯ、ＬａＮｉＯ3などを採用することが好ましい。また、緩衝層は、例えば、Ｐｔ膜とＳｒＲｕＯ3膜との積層膜により構成してもよい。なお、緩衝層を設けることにより、圧電体の結晶性を向上させることが可能となる。
【００４０】
圧電型振動発電装置２は、デバイス基板２０の上記一表面側に、各発電部２４の各々における第１電極および第２電極が各別に電気的に接続された複数（ここでは、６つ）のパッド２５を備えている。要するに、圧電型振動発電装置２は、各電極と各パッド２５とが１対１で対応しており、対応する電極とパッド２５とが図示しない配線（金属配線）を介して電気的に接続されている。したがって、圧電型振動発電装置２単体では、各発電部２４の各々が、他の発電部２４と電気的に絶縁されている。これらの各パッド２５は、デバイス基板２０において、支持部２１に対応する部位に形成されている。圧電型振動発電装置２の全ての発電部２４は、切替回路６により、直列接続したり、並列接続したりすることが可能である。圧電型振動発電装置２は、全ての発電部２４が直列接続されることにより、全ての発電部２４を合わせた大きさの発電部を１つだけ備えている場合に比べて、出力電圧の高出力化を図れる。なお、切替回路６については、後述する。
【００４１】
また、圧電源振動発電装置２は、上述の各パッド２５とは別に、変位検出センサ８の２つのパッド２７，２９を備えている。なお、変位検出センサ８については、後述する。
【００４２】
発電部２４の構造は、上述の例に限らず、例えば、他の構造例として、組をなす２つの電極が、カンチレバー部２２ａの厚み方向の一面側で圧電体における錘部２２ｂ側の側面に形成された電極と、圧電体における支持部２１側の側面に形成された電極とからなる構造でもよい。この場合、各電極の材料としては、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｌ、Ｍｏなどを採用することができる。また。各電極は、例えば、圧電体の各側面に積層された第１導電膜と、この第１導電膜に積層された第２導電膜とで構成してもよい。この場合には、例えば、第２導電膜の材料として、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｌ、Ｍｏなどを採用し、第１導電膜の材料として、Ｔｉなどを採用することで、各電極と圧電体との密着性を向上させることが可能となる。なお、第１導電膜の材料は、圧電体および第２導電膜の材料に応じて適宜変更してもよく、Ｔｉに限らず、例えば、Ｃｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどを採用することもできる。
【００４３】
上述の他の構造例では、カンチレバー部２２ａの厚み方向における厚みに関して、圧電体の厚みを６００ｎｍとし、各電極の厚みを６００ｎｍに設定すればよいが、これらの数値は特に限定するものではない。また、上述の他の構造例では、デバイス基板２０と圧電体との間に緩衝層を設けた構造でもよく、緩衝層を設けることにより、圧電体の結晶性を向上させることが可能となり、圧電体の圧電性能の向上を図ることが可能となる。緩衝層の材料は、圧電体の圧電材料に応じて適宜選択すればよく、圧電体の圧電材料がＰＺＴの場合には、例えば、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3、ＰｂＴｉＯ3、ＭｇＯなどを採用することが好ましい。また、緩衝層は、例えば、Ｐｔ膜とＳｒＲｕＯ3膜との積層膜により構成してもよい。
【００４４】
変位検出センサ８は、静電容量型変位検出センサである。この変位検出センサ８は、可動部２２に設けられた可動電極２６と、この可動電極２６に対向する固定電極２８とを備えている。固定電極２８は、デバイス基板２０に接合された第２の基板２０ｆに設けられている。この第２の基板２０ｆは、ガラス基板２０ｇを用いて形成されており、デバイス基板２０側に可動部２２の揺動空間を確保するための第１凹部２０ｉが形成されており、第１凹部２０ｉの内底面に固定電極２８が設けられている。なお、圧電型振動発電装置２は、デバイス基板２０の他表面側に、可動部２２の揺動空間を確保するための第２凹部が形成されたカバー基板を接合するようにしてもよい。また、環境発電デバイス１は、圧電型振動発電装置２にカバー基板を接合せずに、圧電型振動発電装置２を実装する実装基板（例えば、プリント配線板や、パッケージなど）に、可動部２２の揺動空間を確保するための第２凹部や開口部（貫通孔）を設けてもよい。
【００４５】
変位検出センサ８は、可動電極２６に図示しない金属配線を介して電気的に接続されたパッド２７と、ガラス基板２０ｇの厚み方向に貫設された貫通孔配線２０ｈを介して固定電極２８に電気的に接続されたパッド２９とを備えている。すなわち、第２の基板２０ｆは、可動部２２側に固定電極２８が位置し、可動部２２側とは反対側にパッド２９が位置している。
【００４６】
上述の説明から明らかなように、静電容量型変位検出センサからなる変位検出センサ８は、可動電極２６と固定電極２８とを一対の電極とする可変容量コンデンサを備えている。しかして、この変位検出センサ８は、可動部２２の振動（揺動）により可動電極２６と固定電極２８との距離が変化することで可変容量コンデンサの容量値が変化する。よって、変位検出センサは、可動電極２６の変位量に応じて、容量値が変化する。したがって、変位検出センサ８は、可動電極２６と固定電極２８との間に制御部７から直流バイアス電圧を印加しておけば、可動電極２６と固定電極２８との間には静電容量の変化に応じて微小な電圧変化が生じるから、制御部７において、この電圧変化に基づいて可動部２２の変位を検出することができる。
【００４７】
圧電型振動発電装置２の構造は、上述の例に限らず、例えば、デバイス基板２０の厚み方向の両面側に第１カバー基板、第２カバー基板それぞれを接合した構造としてもよい。この場合には、例えば、第１カバー基板、第２カバー基板に可動部２２の揺動空間を確保するための第１凹部、第２凹部それぞれを備えるようにし、第１凹部の内底面に固定電極２８を備えた構造とすることが好ましい。これにより、圧電型振動発電装置２は、第１カバー基板、第２カバー基板に第１凹部、第２凹部を設けずに、可動部２２の両面を、第１の基板２０ａの厚み方向の両面よりも当該厚み方向の中心側にずらした構造とする場合に比べて、可動部２２における錘部２２ｂの質量を大きくすることが可能となる。
【００４８】
変位検出センサ８は、上述の構造に限らず、静電容量型変位検出センサであることが好ましい。これにより、環境発電デバイス１は、変位検出センサ８がピエゾ型変位検出センサである場合に比べて、変位検出センサ８で可動部２２の変位を検出するために必要な電力を低減することが可能となる。
【００４９】
制御部７は、上述のように、変位検出センサ８から出力される交流信号のゼロクロス点の付近で、第２の電力取り出し回路５の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6のオンオフを切り替えることが好ましい。ここで、制御部７は、電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6をオンオフする制御信号を出力する。これにより、環境発電デバイス１では、第２接続形態において、圧電型振動発電装置２から効率よく発電電力の取り出しを行うことが可能となり、蓄電部３を効率よく蓄電することが可能となる。
【００５０】
環境発電デバイス１は、蓄電部３の両端間に、機能素子１０を接続すれば、蓄電部３を電源として機能素子１０を機能させることが可能となる。
【００５１】
機能素子１０としては、例えば、センサ（例えば、温度センサ、加速度センサ、圧力センサ）や、固体発光素子（例えば、発光ダイオード、半導体レーザなど）や、無線通信素子や、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）などの演算素子などを採用することができる。なお、機能素子１０の数および接続の構成は、環境発電デバイス１の使用用途に基づいて適宜に決定すればよい。
【００５２】
蓄電部３は、２個のコンデンサＣ31，Ｃ32が直列接続されている。また、コンデンサＣ31とコンデンサＣ32とは、仕様の同じものを用いており、同じ特性を有している。なお、各コンデンサＣ31，Ｃ32の容量は、１０μＦに設定してあるが、この数値は一例であり、特に限定するものではない。また、各コンデンサＣ31，Ｃ32の各々は、表面実装型のコンデンサを用いているが、特に表面実装型に限定するものではない。なお、以下では、一方のコンデンサＣ31を第１のコンデンサＣ31と称し、他方のコンデンサＣ32を第２のコンデンサＣ32と称することもある。また、蓄電部３は、２個のコンデンサＣ31，Ｃ32に限らず、例えば、１個のコンデンサにより構成してもよい。
【００５３】
第１の電力取り出し回路４は、２個のダイオードＤ41，Ｄ42の直列回路と、この直列回路とは電気的に絶縁された１本の配線４３とを備えている。ダイオードＤ41とダイオードＤ42とは、仕様の同じものを用いており、同じ特性を有している。各ダイオードＤ41，Ｄ42としては、シリコンダイオードを用いており、順方向電圧降下が０．６〜０．７Ｖ程度となる。各ダイオードＤ41，Ｄ42の各々は、表面実装型のダイオードであるが、特に表面実装型に限定するものではない。配線４３は、圧電型振動発電装置２とともにダイオードＤ41，Ｄ42などを実装する上述の実装基板の導体パターンの一部により構成することができる。
【００５４】
第１の電力取り出し回路４は、２個のダイオードＤ41，Ｄ42同士の接続点および配線４３の一端が、第１接続形態において圧電型振動発電装置２に電気的に接続され、第２接続形態において圧電型振動発電装置２から電気的に切り離される。また、第１の電力取り出し回路４は、一方のダイオードＤ41のカソード、他方のダイオードＤ42のアノードおよび配線４３の他端が、第１接続形態において蓄電部３に電気的に接続され、第２接続形態において蓄電部３から電気的に切り離される。なお、以下では、一方のダイオードＤ41を第１のダイオードＤ41と称し、他方のダイオードＤ42を第２のダイオードＤ42と称することもある。
【００５５】
第２の電力取り出し回路５は、一対の入力端と一対の出力端とを有している。この第２の電力取り出し回路５は、一方の入力端と他方の入力端との間に第１の電子式アナログスイッチＳ1とエネルギ蓄積素子５４と第２の電子式アナログスイッチＳ2との直列回路を有している。エネルギ蓄積素子５４は、インダクタである。
【００５６】
また、第２の電力取り出し回路５は、第１の電子式アナログスイッチＳ1とエネルギ蓄積素子５４との接続点と他方の入力端との間に設けられた第３の電子式アナログスイッチＳ3を備えている。
【００５７】
また、第２の電力取り出し回路５は、エネルギ蓄積素子５４と第２の電子式アナログスイッチＳ2との接続点と一方の入力端との間に設けられた第４の電子式アナログスイッチＳ4を備えている。
【００５８】
また、第２の電力取り出し回路５は、第１の電子式アナログスイッチＳ1とエネルギ蓄積素子５４との接続点と一方の出力端との間に設けられた第５の電子式アナログスイッチＳ5を備えている。
【００５９】
さらに、第２の電力取り出し回路５は、エネルギ蓄積素子５４と第２の電子式アナログスイッチＳ2との接続点と他方の出力端との間に設けられた第６の電子式アナログスイッチＳ6を備えている。
【００６０】
第１〜第６の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6は、第２接続形態において、制御部７によってそれぞれオンオフ制御される。第１〜第６の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6の各々は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタにより構成することが好ましく、これにより、ｐチャネルＭＯＳトランジスタにより構成する場合に比べて、オン抵抗を低減できるとともに、高速動作が可能となる。また、第１〜第６の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6の各々は、ノーマリオフ型であることが好ましい。
【００６１】
切替回路６は、圧電型振動発電装置２と第１の電力取り出し回路４との間に設けられる第１のスイッチ要素Ｑ1と、第１の電力取り出し回路４と蓄電部３との間に設けられる第２のスイッチ要素Ｑ2と、圧電型振動発電装置２と第２の電力取り出し回路５との間に設けられる第３のスイッチ要素Ｑ3と、圧電型振動発電装置２と蓄電部３との間に設けられる第４のスイッチ要素Ｑ4とを備えている。
【００６２】
切替回路６は、圧電型振動発電装置２の全ての発電部２４の直列回路を第１の電力取り出し回路４に接続可能とするように、４個の第１のスイッチ要素Ｑ1を備えている。すなわち、切替回路６は、直列接続する発電部２４同士の異極のパッド２５，２５間に接続される２個の第１のスイッチ要素Ｑ1と、全ての発電部２４の直列回路の両端に位置する各パッド２５，２５と第１の電力取り出し回路４の各入力端との間に１個ずつ設けられる２個の第１のスイッチ要素Ｑ1とを備えている。
【００６３】
また、切替回路６は、圧電型振動発電装置２の全ての発電部２４の並列回路を第２の電力取り出し回路５に接続可能とするように、６個の第３のスイッチ要素Ｑ3を備えている。すなわち、切替回路６は、並列接続する全ての発電部２４の異極のパッド２５，２５と第２の電力取り出し回路５の各入力端との間に１個ずつ設けられた６個の第３のスイッチ要素Ｑ3を備えている。
【００６４】
また、切替回路６は、第１の電力取り出し回路４と蓄電部３とを接続可能とするように、３個の第２のスイッチ要素Ｑ2を備えている。すなわち、切替回路６は、第１の電力取り出し回路４における第１のダイオードＤ41のカソード、配線４３の他端、および第２のダイオードＤ42のアノードと、第１のコンデンサＣ31の一端、第１のコンデンサＣ31の他端と第２のコンデンサＣ32の一端との接続点、および第２のコンデンサＣ32の他端との間に１個ずつ設けられた３個の第２のスイッチ要素Ｑ2を備えている。
【００６５】
また、切替回路６は、第２の電力取り出し回路５と蓄電部３とを接続可能とするように、２個の第４のスイッチ要素Ｑ4を備えている。すなわち、切替回路６は、第２の電力取り出し回路５の各出力端と蓄電部３の両端との間に１個ずつ設けられた２個の第４のスイッチ要素Ｑ4を備えている。
【００６６】
切替回路６は、第１のスイッチ要素Ｑ1および第２のスイッチ要素Ｑ2の各々がノーマリオン型であり、第３のスイッチ要素Ｑ3および第４のスイッチ要素Ｑ4の各々がノーマリオフ型であることが好ましい。これにより、環境発電デバイス１は、蓄電部３から制御部７へ最低動作電圧以上の電圧を給電できずに制御部７が動作していない状態でも、第１接続形態となるから、圧電型振動発電装置２から蓄電部３に蓄電することが可能となる。つまり、環境発電デバイス１では、蓄電部３への蓄電が行われていない初期状態から、外部電源を用いることなく、圧電型振動発電装置２から蓄電部３に蓄電することが可能となる。第１のスイッチ要素Ｑ１および第２のスイッチ要素Ｑ2の各々は、ノーマリオン型のＭＯＳトランジスタにより構成することが好ましいが、これに限らず、例えば、ノーマリオン型のリレーの接点（ブレーク接点）などにより構成してもよい。また、第３のスイッチ要素Ｑ3および第４のスイッチ要素Ｑ4の各々は、ノーマリオフ型のＭＯＳトランジスタにより構成することが好ましいが、ノーマリオフ型のリレーの接点（メーク接点）などにより構成してもよい。なお、第１のスイッチ要素Ｑ1、第２のスイッチ要素Ｑ2、第３のスイッチ要素Ｑ3および第４のスイッチ要素Ｑ４それぞれの個数は特に限定するものではない。特に、第１のスイッチ要素Ｑ1および第３のスイッチ要素Ｑ3それぞれの個数については、圧電型振動発電装置２の発電部２４の個数に基づいて適宜変更する必要がある。
【００６７】
上述の切替回路６は、第１のスイッチ要素Ｑ1および第３のスイッチ要素Ｑ3により、第１の電力取り出し回路４および第２の電力取り出し回路５と圧電型振動発電装置２との間に設けられる第１切替部６ａを構成している。また、切替回路６は、第２のスイッチ要素Ｑ2および第４のスイッチ要素Ｑ4により、第１の電力取り出し回路４および第２の電力取り出し回路５と蓄電部３との間に設けられる第２切替部６ｂを構成している。
【００６８】
なお、環境発電デバイス１は、第１の電力取り出し回路４と、第２の電力取り出し回路５と、蓄電部３と、切替回路６と、制御部７とで、圧電型振動発電装置２で発生する電力を管理する電力管理回路１１を構成している。
【００６９】
環境発電デバイス１は、第１接続形態において、２個のダイオードＤ41，Ｄ42同士の接続点が圧電型振動発電装置２の一方の出力端に接続され、且つ、２個のコンデンサＣ31，Ｃ32同士の接続点が圧電型振動発電装置２の他方の出力端に接続される。したがって、環境発電デバイス１は、第１接続形態において、圧電型振動発電装置２で発生する交流電圧を倍電圧整流する両波倍電圧整流回路９を備えた構成となる（図３参照）。この両波倍電圧整流回路９では、２個のダイオードＤ41，Ｄ42の直列回路と２個のコンデンサＣ31，Ｃ32の直列回路とが並列接続される。要するに、両波倍電圧整流回路９は、２個ダイオードＤ41，Ｄ42と２個のコンデンサＣ31，Ｃ32とがブリッジ接続される。
【００７０】
以下、環境発電デバイス１の第１接続形態での動作について図３に基づいて説明する。
【００７１】
第１接続形態では、図３に示すように、圧電型振動発電装置２および蓄電部３と第１の電力取り出し回路４とが電気的に接続され、圧電型振動発電装置２および蓄電部３と第２の電力取り出し回路５とが電気的に切り離される（絶縁分離される）。
【００７２】
まず、圧電型振動発電装置２の一方の出力端が他方の出力端に比べて高電位となる正の半サイクルの動作について説明する。
【００７３】
環境発電デバイス１は、圧電型振動発電装置２の全ての発電部２４の直列回路が接続される第１の電力取り出し回路４の一方の入力端が他方の入力端に比べて高電位となるので、圧電型振動発電装置２→ダイオードＤ41→コンデンサＣ31→配線４３→圧電型振動発電装置２、の経路で電流が流れてコンデンサＣ31が充電される。
【００７４】
次に、圧電型振動発電装置２の一方の出力端が他方の出力端に比べて低電位となる負の半サイクルの動作について説明する。
【００７５】
環境発電デバイス１は、第１の電力取り出し回路４の一方の入力端が他方の入力端に比べて低電位となるので、圧電型振動発電装置２→配線４３→コンデンサＣ32→ダイオードＤ42→圧電型振動発電装置２、の経路で電流が流れてコンデンサＣ32が充電される。
【００７６】
要するに、両波倍電圧整流回路９では、圧電型振動発電装置２の出力電圧の電圧波形の半サイクルごとに各コンデンサＣ31，Ｃ32がそれぞれ充電される。したがって、蓄電部３の両端電圧（振動発電デバイス１の出力電圧）は、圧電型振動発電装置２の出力電圧のピーク値の略２倍になる。
【００７７】
環境発電デバイス１は、第１接続形態において両波倍電圧整流回路９が構成されることにより、従来のような４個のダイオードＤ1，Ｄ2，Ｄ3，Ｄ4がブリッジ接続された全波整流回路を構成する場合に比べて、蓄電部３の前段での電圧損失（順方向電圧降下）を低減することが可能となり、小型化を図りながらも高出力化を図ることが可能となる。
【００７８】
次に、環境発電デバイス１の第２接続形態での動作について図４〜図７に基づいて説明する。
【００７９】
第２接続形態では、図４に示すように、圧電型振動発電装置２および蓄電部３と第２の電力取り出し回路５とが電気的に接続され、圧電型振動発電装置２および蓄電部３と第１の電力取り出し回路４とが電気的に切り離される（絶縁分離される）。ここで、第２の電力取り出し回路５の一対の入力端間には、圧電型振動発電装置２の全ての発電部２４の並列回路が接続される。また、第２接続形態において、第２の電力取り出し回路５は、上述のように、第１〜第６の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6が制御部７によってオンオフされる。図７について、（ａ）は、圧電型振動発電装置２から第２の電力取り出し回路５へ流れる交流の電流ｉ（図４参照）の波形であり、圧電型振動発電装置２から一方の入力端へ向って流れる向きを正としてある。ここで、電流ｉの波形は、正弦波状であり、変位検出センサ８からは、この電流ｉの波形に略同期する正弦波状の交流信号が出力される。また、図７において、（ｂ）は、第１および第２の電子式アナログスイッチＳ1，Ｓ2のオンオフの状態、（ｃ）は、第３および第４の電子式アナログスイッチＳ3，Ｓ4のオンオフの状態、（ｄ）は、第５および第６の電子式アナログスイッチＳ5，Ｓ6のオンオフの状態である。
【００８０】
まず、圧電型振動発電装置２の一方の出力端が他方の出力端に比べて高電位となる正の半サイクルの動作について説明する。
【００８１】
環境発電デバイス１は、第２の電力取り出し回路５の一方の入力端が他方の入力端に比べて高電位となる。ここで、第２の電力取り出し回路５は、制御部７によって、第１および第２の電子式アナログスイッチＳ1，Ｓ2の各々がオン、且つ第３〜第６の電子式アナログスイッチＳ3〜Ｓ6がオフとなるように制御される（この状態での等価回路は、図５）。これにより、環境発電デバイス１では、インダクタからなるエネルギ蓄積素子５４に電流ｉが流れ、エネルギ蓄積素子５４にエネルギが蓄積される。
【００８２】
次に、圧電型振動発電装置２の一方の出力端が他方の出力端に比べて低電位となる負の半サイクルの動作について説明する。
【００８３】
制御部７は、変位検出センサ８からの交流信号のゼロクロス点を検出する機能を備えており、まず、変位検出センサ８からの交流信号のゼロクロス点に同期して第５および第６の電子式アナログスイッチＳ5，Ｓ6の各々がオン、且つ第１〜第４の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ4がオフとなるように第２の電力取り出し回路を制御する。これにより、環境発電デバイス１では、エネルギ蓄積素子５４に蓄積されていたエネルギが放出され蓄電部３への蓄電が行われる。
【００８４】
その後、第２の電力取り出し回路５は、制御部７によって、第３および第４の電子式アナログスイッチＳ3，Ｓ4の各々がオン、且つ第１、第２、第５および第６の電子式アナログスイッチＳ1，Ｓ2，Ｓ5，Ｓ6がオフとなるように制御される（この状態での等価回路は、図６）。これにより、環境発電デバイス１では、インダクタからなるエネルギ蓄積素子５４に電流ｉが流れ、エネルギ蓄積素子５４にエネルギが蓄積される。
【００８５】
次に、圧電型振動発電装置２の一方の出力端が他方の出力端に比べて高電位となる正の半サイクルになると、制御部７は、変位検出センサ８からの交流信号のゼロクロス点に同期して第５および第６の電子式アナログスイッチＳ5，Ｓ6の各々がオン、且つ第１〜第４の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ4がオフとなるように第２の電力取り出し回路を制御する。これにより、環境発電デバイス１では、エネルギ蓄積素子５４に蓄積されていたエネルギが放出され蓄電部３への蓄電が行われる。
【００８６】
その後、第２の電力取り出し回路５は、上述のように、制御部７によって、第１および第２の電子式アナログスイッチＳ1，Ｓ2の各々がオン、且つ第３〜第６の電子式アナログスイッチＳ3〜Ｓ6がオフとなるように制御される（この状態での等価回路は、図５）。
【００８７】
第２の電力取り出し回路５では、上述のエネルギ蓄積素子５４へのエネルギの蓄積と、エネルギ蓄積素子５４からのエネルギの放出とが、繰り返し行われる。
【００８８】
以上説明した本実施形態の環境発電デバイス１は、複数個の発電部２４を有する圧電型振動発電装置２と、２個のダイオードＤ41，Ｄ42を用いて構成される第１の電力取り出し回路４と、電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6とエネルギ蓄積素子５４とを用いて構成される第２の電力取り出し回路５とを備えている。また、環境発電デバイス１は、第１接続形態と第２接続形態とを択一的に切替可能な切替回路６と、蓄電部３を電源として第２の電力取り出し回路５および切替回路６を制御する制御部７を備えている。そして、切替回路６は、第１接続形態では、第１の電力取り出し回路４の入力端間に複数個の発電部２４の直列回路を接続させ且つ第１の電力取り出し回路４の出力端間に蓄電部３を接続させ、第２接続形態では、第２の電力取り出し回路５の入力端間に複数個の発電部２４の並列回路を接続させ且つ第２の電力取り出し回路５の出力端間に蓄電部３を接続させる。
【００８９】
しかして、本実施形態の環境発電デバイス１では、制御部７によって切替回路６が制御されることにより、蓄電部３に効率よく蓄電することが可能となる。
【００９０】
この環境発電デバイス１において、制御部７は、蓄電部３の出力電圧が制御部７および第２の電力取り出し回路５それぞれの最低動作電圧よりも高い場合に、切替回路６が第２接続形態となるように切替回路６を制御することが好ましい。これにより、環境発電デバイス１は、圧電型振動発電装置２の発電電力を効率よく取り出して蓄電部３を蓄電することが可能となる。なお、制御部７の最低動作電圧と第２の電力取り出し回路５の最低動作電圧とは異なった電圧値でもよいし、同じ電圧値でもよい。
【００９１】
この環境発電デバイス１において、切替回路６は、上述の第１〜第４のスイッチ要素Ｑ1〜Ｑ4を備え、第１のスイッチ要素Ｑ1および第２のスイッチ要素Ｑ2の各々がノーマリオン型であり、第３のスイッチ要素Ｑ3および第４のスイッチ要素Ｑ4の各々がノーマリオフ型であることが好ましい。ここにおいて、第１のスイッチ要素Ｑ1は、圧電型振動発電装置２と第１の電力取り出し回路４との間に設けられる。また、第２のスイッチ要素Ｑ2は、第１の電力取り出し回路４と蓄電部３との間に設けられる。また、第３のスイッチ要素Ｑ3は、圧電型振動発電装置２と第２の電力取り出し回路５との間に設けられる。また、第４のスイッチ要素Ｑ4は、圧電型振動発電装置２と蓄電部３との間に設けられる。したがって、環境発電デバイス１は、蓄電部３の出力電圧が制御部７および第２の電力取り出し回路５それぞれの最低動作電圧よりも低い場合、圧電型振動発電装置２が第１の電力取り出し回路４に接続されるので、圧電型振動発電装置２の発電電力を取り出して蓄電部３を蓄電することが可能となる。要するに、環境発電デバイス１は、蓄電部３の出力電圧が０Ｖの場合や一時的に各最低動作電圧よりも低下した場合でも、圧電型振動発電装置２の発電電力を第１の電力取り出し回路４により取り出して蓄電部３を蓄電することが可能となる。
【００９２】
また、環境発電デバイス１は、上述のように、第１接続形態において両波倍電圧整流回路９が構成されることが好ましい。これにより、環境発電デバイス１は、第１接続形態において、蓄電部３の電圧の高電圧化を図れる。なお、環境発電デバイス１は、第１接続形態において、両波倍電圧整流回路９以外の回路が構成される回路構成としてもよい。
【００９３】
また、環境発電デバイス１は、上述のように、圧電型振動発電装置２が、支持部２１と、支持部２１に揺動自在に支持されてなり環境振動に応じて振動する可動部２２とを備え、可動部２２に複数個の発電部２４が設けられたものであることが好ましい。これにより、環境発電デバイス１は、複数個の発電部２４が１チップの圧電型振動発電装置２において同じ可能部に設けられているので、発電部２４ごとの出力の振幅や位相がずれるのを抑制することが可能となる。したがって、環境発電デバイス１は、複数個の発電部２４が互いに異なるチップに設けられている場合に比べて、圧電型振動発電装置２の小型化を図りながらも圧電型振動発電装置２の高出力化を図ることが可能となる。
【００９４】
そして、環境発電デバイス１は、可動部２２の変位を検出する変位検出センサ８が設けられ、制御部７が、変位検出センサ８から出力される交流信号のゼロクロス点の付近で、第２の電力取り出し回路５の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6のオンオフを切り替えることが好ましい。これにより、環境発電デバイス１では、制御部７が変位検出センサ８から出力される交流信号に基づいて、圧電型振動発電装置２で発生する交流電圧による交流電流のゼロクロス点を間接的に精度よく検知することが可能となり、第２接続形態において、圧電型振動発電装置２から効率よく発電電力の取り出しを行うことが可能となる。よって、環境発電デバイス１は、蓄電部３を効率よく蓄電することが可能となる。なお、制御部７は、変位検出センサ８から出力される交流信号に限らず、第２の電力取り出し回路５に流れる電流を検出するセンサ（例えば、カレントトランスなど）の出力に基づいて、第２の電力取り出し回路５の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6のオンオフを切り替えるようにしてもよい。
【００９５】
（実施形態２）
以下では、本実施形態の環境発電デバイス１について、図８に基づいて説明する。
【００９６】
本実施形態の環境発電デバイス１の基本構成は実施形態１と略同じであり、第２の電力取り出し回路５の回路構成が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００９７】
実施形態１の環境発電デバイス１における第２の電力取り出し回路５がインダクタからなるエネルギ蓄積素子５４を備えていたのに対し、本実施形態の環境発電デバイス１における第２の電力取り出し回路５は、コンデンサからなるエネルギ蓄積素子５５を備える。第２の電力取り出し回路５の動作は、実施形態１の場合と同様である。
【００９８】
本実施形態の環境発電デバイス１は、実施形態１と同様、制御部７によって切替回路６が制御されることにより、蓄電部３に効率よく蓄電することが可能となる。
【００９９】
なお、実施形態１や実施形態２それぞれで説明した第２の電力取り出し回路５の回路構成は、いずれも一例であり、特に限定するものではなく、他の回路構成を採用することも可能である。
【符号の説明】
【０１００】
１ 環境発電デバイス
２ 圧電型振動発電装置
３ 蓄電部
４ 第１の電力取り出し回路
５ 第２の電力取り出し回路
６ 切替回路
７ 制御部
８ 変位検出センサ
９ 両波倍電圧整流回路
２１ 支持部
２２ 可動部
２４ 発電部
５４ エネルギ蓄積素子
５５ エネルギ蓄積素子
Ｃ31，Ｃ32 コンデンサ
Ｄ41，Ｄ42 ダイオード
Ｓ1〜Ｓ6 電子式アナログスイッチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環境発電デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電体を利用して振動エネルギを電気エネルギに変換する発電装置（圧電型振動発電装置）は、環境発電（エナジーハーベスティング）などの分野で注目され、各所で研究開発されている（例えば、非特許文献１，２）。ここで、非特許文献１には、圧電体の材料として、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）が記載され、非特許文献２には、圧電体の材料として、ＰＺＴおよび窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が記載されている。
【０００３】
ところで、発電装置は、圧電体の形態（薄膜型、バルク型）により分類することができる。ここで、非特許文献１には、マイクロマシニング技術を利用して製造された薄膜型の発電装置について記載されている。また、非特許文献２には、バルク型の発電装置について記載されている。
【０００４】
非特許文献１に開示された発電装置は、図９に示すように、シリコン基板３００を用いて形成されたデバイス基板３０１を備えている。このデバイス基板３０１は、矩形枠状の支持部３１１と、支持部３１１の内側に配置され支持部３１１に揺動自在に支持されたカンチレバー部（ビーム）３１２と、カンチレバー部３１２の先端部に設けられた錘部３１３とを備えている。また、発電装置は、デバイス基板３０１におけるカンチレバー部３１２に設けられカンチレバー部３１２の振動に応じて交流電圧を発生する発電部３２０を備えている。
【０００５】
発電部３２０は、下部電極３２２と、下部電極３２２におけるカンチレバー部３１２側とは反対側に形成された圧電膜３２１と、圧電膜３２１における下部電極３２２側とは反対側に形成された上部電極３２３とで構成されている。ここにおいて、発電部３２０は、下部電極３２２がＰｔ膜により構成され、圧電膜３２１がＡｌＮ薄膜もしくはＰＺＴ薄膜により構成され、上部電極３２３がＡｌ膜により構成されている。
【０００６】
また、発電装置は、デバイス基板３０１の一表面側（図９の上面側）において支持部３１１が固着された上部カバー基板４０１と、デバイス基板３０１の他表面側（図９の下面側）において支持部３１１が固着された下部カバー基板５０１とを備えている。上部カバー基板４０１および下部カバー基板５０１は、それぞれガラス基板４００，５００を用いて形成されている。
【０００７】
上部カバー基板４０１および下部カバー基板５０１と、デバイス基板３０１のカンチレバー部３１２と錘部３１３とからなる可動部との間には、当該可動部の変位空間４２６，５２６が形成されている。
【０００８】
また、非特許文献２に記載された発電装置は、支持部と、支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部と、カンチレバー部における支持部側とは反対の先端部に設けられた錘部とを備えており、カンチレバー部が、２層の圧電体を張り合わせたバイモルフ圧電素子により構成されている。
【０００９】
また、非特許文献２には、発電装置を用いたシステムの等価回路モデルとして図１０に示す回路図が記載されている。ここで、発電装置の等価回路は、錘部の質量または慣性に相当する等価インダクタンスＬmと、機械的なダンピングに相当する等価抵抗Ｒbと、機械的なスティフネスに相当する等価コンデンサＣkと、外部振動を与えた場合に発生する等価応力σinと、トランスの等価巻数比ｎと、発電部により構成されるコンデンサＣbとを用いて表されている。また、この等価回路モデルには、４個のダイオードＤ1，Ｄ2，Ｄ3，Ｄ4がブリッジ接続されてなり発電装置の出力電圧ｖを全波整流する全波整流回路と、全波整流回路の出力端間に接続された蓄電用のコンデンサＣstとが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】R. van Schaijk,et al,「Piezoelectric AlN energy harvesters for wireless autonomoustransducer solutions」，IEEE SENSORS 2008 Conference,2008，p.45-48
【非特許文献２】S Roundy and P K Wright,「A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics」，Smart Materials and Structures 13,2004,p1131-1142
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、非特許文献１に記載された発電装置のような薄膜型の発電装置では、非特許文献２に記載されたバルク型の発電装置に比べて、小型化を図ることができる一方で出力電圧が低下するので、出力電圧の高出力化が望まれる。また、非特許文献１に記載された発電装置の出力をコンデンサに蓄電する環境発電デバイスを構築する場合には、非特許文献２のように全波整流回路を発電デバイスの出力端間に接続した構成とすることが考えられる。
【００１２】
しかしながら、この環境発電デバイスでは、発電装置の出力電圧ｖの正の半サイクルにおいて、２個のダイオードＤ1，Ｄ4で電圧損失（順方向電圧降下）が生じ、負の半サイクルにおいて、２個のダイオードＤ3，Ｄ2で電圧損失が生じる。また、この環境発電デバイスでは、発電装置の出力電圧ｖの正の半サイクルにおいて、２個のダイオードＤ1，Ｄ4の閾値電圧の合計値以上となる期間しか電力を取り出すことができない。同様に、この環境発電デバイスでは、発電装置の出力電圧ｖの負の半サイクルにおいて、２個のダイオードＤ3，Ｄ2の閾値電圧の合計値以上となる期間しか電力を取り出すことができないので、蓄電用のコンデンサＣstに効率良く蓄電することが難しい。
【００１３】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、蓄電部に効率よく蓄電することが可能な環境発電デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の環境発電デバイスは、環境振動に応じて交流電圧を発生可能な複数個の発電部を有する圧電型振動発電装置と、蓄電部と、整流用の２個のダイオードを用いて構成され前記圧電型振動発電装置からの交流電圧を整流して前記蓄電部を充電する第１の電力取り出し回路と、電子式アナログスイッチとエネルギ蓄積素子とを用いて構成され前記圧電型振動発電装置からの交流電圧を入力として前記蓄電部を充電する第２の電力取り出し回路と、前記第１の電力取り出し回路を利用して前記蓄電部を充電する第１接続形態と前記第２の電力取り出し回路を利用して前記蓄電部を充電する第２接続形態とを択一的に切替可能な切替回路と、前記蓄電部を電源として前記第２の電力取り出し回路および前記切替回路を制御する制御部とを備え、前記切替回路は、前記第１接続形態では、前記第１の電力取り出し回路の入力端間に前記複数個の前記発電部の直列回路を接続させ且つ前記第１の電力取り出し回路の出力端間に前記蓄電部を接続させ、前記第２接続形態では、前記第２の電力取り出し回路の入力端間に前記複数個の前記発電部の並列回路を接続させ且つ前記第２の電力取り出し回路の出力端間に前記蓄電部を接続させることを特徴とする。
【００１５】
この環境発電デバイスにおいて、前記制御部は、前記蓄電部の出力電圧が前記制御部および前記第２の電力取り出し回路それぞれの最低動作電圧よりも高い場合に、前記切替回路が前記第２接続形態となるように前記切替回路を制御することが好ましい。
【００１６】
この環境発電デバイスにおいて、前記切替回路は、前記圧電型振動発電装置と前記第１の電力取り出し回路との間に設けられる第１のスイッチ要素と、前記第１の電力取り出し回路と前記蓄電部との間に設けられる第２のスイッチ要素と、前記圧電型振動発電装置と前記第２の電力取り出し回路との間に設けられる第３のスイッチ要素と、前記圧電型振動発電装置と前記蓄電部との間に設けられる第４のスイッチ要素とを備え、前記第１のスイッチ要素および前記第２のスイッチ要素の各々がノーマリオン型であり、前記第３のスイッチ要素および前記第４のスイッチ要素の各々がノーマリオフ型であることが好ましい。
【００１７】
この環境発電デバイスにおいて、前記蓄電部は、２個のコンデンサが直列接続されてなり、前記第１の電力取り出し回路は、前記２個の前記ダイオードが直列接続されてなり、前記第１接続形態では、前記２個の前記ダイオード同士の接続点が前記圧電型振動発電装置の一方の出力端に接続され、且つ、前記２個の前記コンデンサ同士の接続点が前記圧電型振動発電装置の他方の出力端に接続され、前記圧電型振動発電装置で発生する交流電圧を倍電圧整流する両波倍電圧整流回路が構成されることが好ましい。
【００１８】
この環境発電デバイスにおいて、前記圧電型振動発電装置は、支持部と、前記支持部に揺動自在に支持されてなり前記環境振動に応じて振動する可動部とを備え、前記可動部に前記複数個の前記発電部が設けられたものであり、前記可動部の変位を検出する変位検出センサが設けられ、前記制御部は、前記変位検出センサから出力される交流信号のゼロクロス点の付近で前記電子式アナログスイッチのオンオフを切り替えることが好ましい。
【００１９】
この環境発電デバイスにおいて、前記変位検出センサは、静電容量型変位検出センサであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の環境発電デバイスにおいては、蓄電部に効率よく蓄電することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態１の環境発電デバイスの回路図である。
【図２】（ａ）は実施形態１の環境発電デバイスにおける圧電型振動発電装置の概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。
【図３】実施形態１の環境発電デバイスの第１接続形態の動作説明図である。
【図４】実施形態１の環境発電デバイスの第２接続形態の動作説明図である。
【図５】実施形態１の環境発電デバイスの第２接続形態の動作説明図である。
【図６】実施形態１の環境発電デバイスの第２接続形態の動作説明図である。
【図７】実施形態１の環境発電デバイスの第２接続形態の動作説明図である。
【図８】実施形態２の環境発電デバイスの回路図である。
【図９】従来例の発電装置の概略断面図である。
【図１０】他の従来例の発電装置を用いたシステムの等価回路モデル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（実施形態１）
以下では、本実施形態の環境発電デバイスについて図１〜図７に基づいて説明する。
【００２３】
環境発電デバイス１は、環境振動に応じて交流電圧を発生可能な複数個（ここでは、３個）の発電部２４を有する圧電型振動発電装置２と、蓄電部３とを備えている。
【００２４】
また、環境発電デバイス１は、整流用の２個のダイオードＤ41，Ｄ42を用いて構成され圧電型振動発電装置２からの交流電圧を整流して蓄電部３を充電する第１の電力取り出し回路４を備えている。また、環境発電デバイス１は、電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6（以下、第１〜第６の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6とも称する）とエネルギ蓄積素子５４とを用いて構成され圧電型振動発電装置２からの交流電圧を入力として蓄電部３を充電する第２の電力取り出し回路５を備えている。
【００２５】
また、環境発電デバイス１は、第１の電力取り出し回路４を利用して蓄電部３を充電する第１接続形態と第２の電力取り出し回路５を利用して蓄電部３を充電する第２接続形態とを択一的に切替可能な切替回路６を備えている。
【００２６】
また、環境発電デバイス１は、蓄電部３を電源として第２の電力取り出し回路５および切替回路６を制御する制御部７を備えている。
【００２７】
そして、切替回路６は、第１接続形態では、第１の電力取り出し回路４の入力端間に複数個の発電部２４の直列回路を接続させ且つ第１の電力取り出し回路４の出力端間に蓄電部３を接続させる。また、切替回路６は、第２接続形態では、第２の電力取り出し回路５の入力端間に複数個の発電部２４の並列回路を接続させ且つ第２の電力取り出し回路５の出力端間に蓄電部３を接続させる。
【００２８】
圧電型振動発電装置２は、図２に示すように、支持部２１と、支持部２１に揺動自在に支持されてなり環境振動に応じて振動する可動部２２とを備え、可動部２２に上述の複数個の発電部２４が設けられたものであることが好ましい。
【００２９】
また、環境発電デバイス１は、可動部２２の変位を検出する変位検出センサ８が設けられ、制御部７が、変位検出センサ８から出力される交流信号のゼロクロス点の付近で電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6のオンオフを切り替えることが好ましい。
【００３０】
環境発電デバイス１の各構成要素については、以下、詳細に説明する。
【００３１】
圧電型振動発電装置２は、支持部２１、支持部２１に揺動自在に支持されたカンチレバー部２２ａ、およびカンチレバー部２２ａにおける支持部２１側とは反対の先端部に設けられた錘部２２ｂを有するデバイス基板２０を備えている。ここで、圧電型振動発電装置２は、カンチレバー部２２ａと錘部２２ｂとで、可動部２２を構成しており、カンチレバー部２２ａに複数個の発電部２４が設けられている。したがって、圧電型振動発電装置２は、カンチレバー部２２ａの振動に応じて交流電圧を発生する。
【００３２】
デバイス基板２０は、第１の基板２０ａを用いて形成されている。第１の基板２０ａとしては、一表面が（１００）面である単結晶のシリコン基板を用いているが、これに限らず、多結晶のシリコン基板でもよい。デバイス基板２０において、第１の基板２０ａと発電部２４とは、第１の基板２０ａの上記一表面側に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜２０ｂによって、電気的に絶縁されている。第１の基板２０ａとしては、シリコン基板に限らず、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、金属基板、ガラス基板、ポリマー基板などを用いてもよい。第１の基板２０ａとして、ＭｇＯ基板やガラス基板やポリマー基板などの絶縁性基板を用いる場合、絶縁膜２０ｂを設けてもよいが、特に設けなくてもよい。
【００３３】
デバイス基板２０は、支持部２１が、枠状（ここでは、矩形枠状）に形成され、カンチレバー部２２ａおよび錘部２２ｂが、支持部２１の内側に配置されている。ここで、デバイス基板２０は、カンチレバー部２２ａと錘部２２ｂとで構成される可動部２２を囲む平面視Ｕ字状のスリット２０ｄが設けられることによって、可動部２２における支持部２１との連結部位以外の部分が、支持部２１と空間的に分離されている。なお、支持部２１は、可動部２２を揺動自在に支持できる形状であればよく、必ずしも枠状である必要はない。
【００３４】
発電部２４は、デバイス基板２０の上記一表面側に形成されている。ここで、発電部２４は、互いに対向する２つ１組の電極と、組をなす２つの電極間にある圧電体とを有する圧電変換素子により構成されている。発電部２４は、組をなす２つの電極が、カンチレバー部２２ａの厚み方向の一面側において当該厚み方向に離間して配置されている。
【００３５】
圧電型振動発電装置２は、可動部２２の振動によって発電部２４の圧電体が応力を受け、２つの電極のうちの一方の電極と他方の電極とに電荷の偏りが発生し、発電部２４で交流電圧が発生する。要するに、圧電型振動発電装置２は、発電部２４が圧電材料の圧電効果を利用して発電する。圧電型振動発電装置２の開放電圧は、環境振動に起因した圧電体の振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。ここで、圧電型振動発電装置２は、当該圧電型振動発電装置２の共振周波数と一致する環境振動を利用して発電することを想定している。環境振動としては、例えば、稼動中のＦＡ機器で発生する振動、車両の走行によって発生する振動、人の歩行によって発生する振動など、種々の環境振動（外部振動）がある。発電デバイス１で発生する交流電圧の周波数は、環境振動の周波数が発電デバイス１の共振周波数と一致する場合、発電デバイス１の共振周波数と同じになる。なお、外部振動としては、例えば、稼動中のＦＡ機器で発生する振動、車両の走行によって発生する振動、人の歩行によって発生する振動など、種々の環境振動があるが、本実施形態では、外部振動を発生する外部振動源として、例えば、周波数が４７５Ｈｚ程度の振動を発生するＦＡ機器を想定している。また、圧電型振動発電装置２は、複数個の発電部２４の各々が、極性のあるコンデンサを構成する。
【００３６】
圧電体の圧電材料としては、ＰＺＴを採用しているが、これに限らず、例えば、ＰＺＴ−ＰＭＮ（Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）やその他の不純物を添加したＰＺＴでもよい。また、圧電材料は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＫＮＮ（Ｋ0.5Ｎａ0.5ＮｂＯ3）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ3）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ3）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕなど）を添加したものなどでもよい。
【００３７】
組をなす２つの電極のうち圧電体における可動部２２側に位置する電極（以下、第１電極とも称する）の材料としては、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ｉｒなどを採用することができる。また、組をなす２つの電極のうち圧電体における可動部２２側と反対側に位置する電極（以下、第２電極とも称する）の材料としては、例えば、Ａｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒなどを採用することができる。
【００３８】
圧電型振動発電装置２は、薄膜型の発電装置であり、第１電極の厚みを５００ｎｍ、圧電体の厚みを６００ｎｍ、第２電極の厚みを１００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。なお、第１電極は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法などの薄膜形成技術と、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用したパターニング技術とで形成することができる。また、圧電体は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などの薄膜形成技術と、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用したパターニング技術とで形成することができる。また、第２電極は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法などの薄膜形成技術と、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用したパターニング技術とで形成することができる。また、第２電極としては、例えば、シート電極（電極シートとも呼ばれている）を用いてもよい。圧電体上にシート電極からなる第２電極を設ける方法としては、例えば、シート電極からなる第２電極を圧電体上に真空ラミネート法などによりラミネートする方法を採用すればよい。なお、シート電極としては、例えば、アルミニウム箔などの金属箔を用いてもよいし、ラミネート用シートに電極材料をスパッタ法などにより被着したものを用いてもよい。
【００３９】
圧電型振動発電装置２は、デバイス基板２０と第１電極との間に緩衝層を設けた構造でもよい。緩衝層の材料は、圧電体の圧電材料に応じて適宜選択すればよく、圧電体の圧電材料がＰＺＴの場合には、例えば、ＳｒＲｕＯ3、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3、ＰｂＴｉＯ3、ＭｇＯ、ＬａＮｉＯ3などを採用することが好ましい。また、緩衝層は、例えば、Ｐｔ膜とＳｒＲｕＯ3膜との積層膜により構成してもよい。なお、緩衝層を設けることにより、圧電体の結晶性を向上させることが可能となる。
【００４０】
圧電型振動発電装置２は、デバイス基板２０の上記一表面側に、各発電部２４の各々における第１電極および第２電極が各別に電気的に接続された複数（ここでは、６つ）のパッド２５を備えている。要するに、圧電型振動発電装置２は、各電極と各パッド２５とが１対１で対応しており、対応する電極とパッド２５とが図示しない配線（金属配線）を介して電気的に接続されている。したがって、圧電型振動発電装置２単体では、各発電部２４の各々が、他の発電部２４と電気的に絶縁されている。これらの各パッド２５は、デバイス基板２０において、支持部２１に対応する部位に形成されている。圧電型振動発電装置２の全ての発電部２４は、切替回路６により、直列接続したり、並列接続したりすることが可能である。圧電型振動発電装置２は、全ての発電部２４が直列接続されることにより、全ての発電部２４を合わせた大きさの発電部を１つだけ備えている場合に比べて、出力電圧の高出力化を図れる。なお、切替回路６については、後述する。
【００４１】
また、圧電源振動発電装置２は、上述の各パッド２５とは別に、変位検出センサ８の２つのパッド２７，２９を備えている。なお、変位検出センサ８については、後述する。
【００４２】
発電部２４の構造は、上述の例に限らず、例えば、他の構造例として、組をなす２つの電極が、カンチレバー部２２ａの厚み方向の一面側で圧電体における錘部２２ｂ側の側面に形成された電極と、圧電体における支持部２１側の側面に形成された電極とからなる構造でもよい。この場合、各電極の材料としては、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｌ、Ｍｏなどを採用することができる。また。各電極は、例えば、圧電体の各側面に積層された第１導電膜と、この第１導電膜に積層された第２導電膜とで構成してもよい。この場合には、例えば、第２導電膜の材料として、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｌ、Ｍｏなどを採用し、第１導電膜の材料として、Ｔｉなどを採用することで、各電極と圧電体との密着性を向上させることが可能となる。なお、第１導電膜の材料は、圧電体および第２導電膜の材料に応じて適宜変更してもよく、Ｔｉに限らず、例えば、Ｃｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどを採用することもできる。
【００４３】
上述の他の構造例では、カンチレバー部２２ａの厚み方向における厚みに関して、圧電体の厚みを６００ｎｍとし、各電極の厚みを６００ｎｍに設定すればよいが、これらの数値は特に限定するものではない。また、上述の他の構造例では、デバイス基板２０と圧電体との間に緩衝層を設けた構造でもよく、緩衝層を設けることにより、圧電体の結晶性を向上させることが可能となり、圧電体の圧電性能の向上を図ることが可能となる。緩衝層の材料は、圧電体の圧電材料に応じて適宜選択すればよく、圧電体の圧電材料がＰＺＴの場合には、例えば、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3、ＰｂＴｉＯ3、ＭｇＯなどを採用することが好ましい。また、緩衝層は、例えば、Ｐｔ膜とＳｒＲｕＯ3膜との積層膜により構成してもよい。
【００４４】
変位検出センサ８は、静電容量型変位検出センサである。この変位検出センサ８は、可動部２２に設けられた可動電極２６と、この可動電極２６に対向する固定電極２８とを備えている。固定電極２８は、デバイス基板２０に接合された第２の基板２０ｆに設けられている。この第２の基板２０ｆは、ガラス基板２０ｇを用いて形成されており、デバイス基板２０側に可動部２２の揺動空間を確保するための第１凹部２０ｉが形成されており、第１凹部２０ｉの内底面に固定電極２８が設けられている。なお、圧電型振動発電装置２は、デバイス基板２０の他表面側に、可動部２２の揺動空間を確保するための第２凹部が形成されたカバー基板を接合するようにしてもよい。また、環境発電デバイス１は、圧電型振動発電装置２にカバー基板を接合せずに、圧電型振動発電装置２を実装する実装基板（例えば、プリント配線板や、パッケージなど）に、可動部２２の揺動空間を確保するための第２凹部や開口部（貫通孔）を設けてもよい。
【００４５】
変位検出センサ８は、可動電極２６に図示しない金属配線を介して電気的に接続されたパッド２７と、ガラス基板２０ｇの厚み方向に貫設された貫通孔配線２０ｈを介して固定電極２８に電気的に接続されたパッド２９とを備えている。すなわち、第２の基板２０ｆは、可動部２２側に固定電極２８が位置し、可動部２２側とは反対側にパッド２９が位置している。
【００４６】
上述の説明から明らかなように、静電容量型変位検出センサからなる変位検出センサ８は、可動電極２６と固定電極２８とを一対の電極とする可変容量コンデンサを備えている。しかして、この変位検出センサ８は、可動部２２の振動（揺動）により可動電極２６と固定電極２８との距離が変化することで可変容量コンデンサの容量値が変化する。よって、変位検出センサは、可動電極２６の変位量に応じて、容量値が変化する。したがって、変位検出センサ８は、可動電極２６と固定電極２８との間に制御部７から直流バイアス電圧を印加しておけば、可動電極２６と固定電極２８との間には静電容量の変化に応じて微小な電圧変化が生じるから、制御部７において、この電圧変化に基づいて可動部２２の変位を検出することができる。
【００４７】
圧電型振動発電装置２の構造は、上述の例に限らず、例えば、デバイス基板２０の厚み方向の両面側に第１カバー基板、第２カバー基板それぞれを接合した構造としてもよい。この場合には、例えば、第１カバー基板、第２カバー基板に可動部２２の揺動空間を確保するための第１凹部、第２凹部それぞれを備えるようにし、第１凹部の内底面に固定電極２８を備えた構造とすることが好ましい。これにより、圧電型振動発電装置２は、第１カバー基板、第２カバー基板に第１凹部、第２凹部を設けずに、可動部２２の両面を、第１の基板２０ａの厚み方向の両面よりも当該厚み方向の中心側にずらした構造とする場合に比べて、可動部２２における錘部２２ｂの質量を大きくすることが可能となる。
【００４８】
変位検出センサ８は、上述の構造に限らず、静電容量型変位検出センサであることが好ましい。これにより、環境発電デバイス１は、変位検出センサ８がピエゾ型変位検出センサである場合に比べて、変位検出センサ８で可動部２２の変位を検出するために必要な電力を低減することが可能となる。
【００４９】
制御部７は、上述のように、変位検出センサ８から出力される交流信号のゼロクロス点の付近で、第２の電力取り出し回路５の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6のオンオフを切り替えることが好ましい。ここで、制御部７は、電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6をオンオフする制御信号を出力する。これにより、環境発電デバイス１では、第２接続形態において、圧電型振動発電装置２から効率よく発電電力の取り出しを行うことが可能となり、蓄電部３を効率よく蓄電することが可能となる。
【００５０】
環境発電デバイス１は、蓄電部３の両端間に、機能素子１０を接続すれば、蓄電部３を電源として機能素子１０を機能させることが可能となる。
【００５１】
機能素子１０としては、例えば、センサ（例えば、温度センサ、加速度センサ、圧力センサ）や、固体発光素子（例えば、発光ダイオード、半導体レーザなど）や、無線通信素子や、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）などの演算素子などを採用することができる。なお、機能素子１０の数および接続の構成は、環境発電デバイス１の使用用途に基づいて適宜に決定すればよい。
【００５２】
蓄電部３は、２個のコンデンサＣ31，Ｃ32が直列接続されている。また、コンデンサＣ31とコンデンサＣ32とは、仕様の同じものを用いており、同じ特性を有している。なお、各コンデンサＣ31，Ｃ32の容量は、１０μＦに設定してあるが、この数値は一例であり、特に限定するものではない。また、各コンデンサＣ31，Ｃ32の各々は、表面実装型のコンデンサを用いているが、特に表面実装型に限定するものではない。なお、以下では、一方のコンデンサＣ31を第１のコンデンサＣ31と称し、他方のコンデンサＣ32を第２のコンデンサＣ32と称することもある。また、蓄電部３は、２個のコンデンサＣ31，Ｃ32に限らず、例えば、１個のコンデンサにより構成してもよい。
【００５３】
第１の電力取り出し回路４は、２個のダイオードＤ41，Ｄ42の直列回路と、この直列回路とは電気的に絶縁された１本の配線４３とを備えている。ダイオードＤ41とダイオードＤ42とは、仕様の同じものを用いており、同じ特性を有している。各ダイオードＤ41，Ｄ42としては、シリコンダイオードを用いており、順方向電圧降下が０．６〜０．７Ｖ程度となる。各ダイオードＤ41，Ｄ42の各々は、表面実装型のダイオードであるが、特に表面実装型に限定するものではない。配線４３は、圧電型振動発電装置２とともにダイオードＤ41，Ｄ42などを実装する上述の実装基板の導体パターンの一部により構成することができる。
【００５４】
第１の電力取り出し回路４は、２個のダイオードＤ41，Ｄ42同士の接続点および配線４３の一端が、第１接続形態において圧電型振動発電装置２に電気的に接続され、第２接続形態において圧電型振動発電装置２から電気的に切り離される。また、第１の電力取り出し回路４は、一方のダイオードＤ41のカソード、他方のダイオードＤ42のアノードおよび配線４３の他端が、第１接続形態において蓄電部３に電気的に接続され、第２接続形態において蓄電部３から電気的に切り離される。なお、以下では、一方のダイオードＤ41を第１のダイオードＤ41と称し、他方のダイオードＤ42を第２のダイオードＤ42と称することもある。
【００５５】
第２の電力取り出し回路５は、一対の入力端と一対の出力端とを有している。この第２の電力取り出し回路５は、一方の入力端と他方の入力端との間に第１の電子式アナログスイッチＳ1とエネルギ蓄積素子５４と第２の電子式アナログスイッチＳ2との直列回路を有している。エネルギ蓄積素子５４は、インダクタである。
【００５６】
また、第２の電力取り出し回路５は、第１の電子式アナログスイッチＳ1とエネルギ蓄積素子５４との接続点と他方の入力端との間に設けられた第３の電子式アナログスイッチＳ3を備えている。
【００５７】
また、第２の電力取り出し回路５は、エネルギ蓄積素子５４と第２の電子式アナログスイッチＳ2との接続点と一方の入力端との間に設けられた第４の電子式アナログスイッチＳ4を備えている。
【００５８】
また、第２の電力取り出し回路５は、第１の電子式アナログスイッチＳ1とエネルギ蓄積素子５４との接続点と一方の出力端との間に設けられた第５の電子式アナログスイッチＳ5を備えている。
【００５９】
さらに、第２の電力取り出し回路５は、エネルギ蓄積素子５４と第２の電子式アナログスイッチＳ2との接続点と他方の出力端との間に設けられた第６の電子式アナログスイッチＳ6を備えている。
【００６０】
第１〜第６の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6は、第２接続形態において、制御部７によってそれぞれオンオフ制御される。第１〜第６の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6の各々は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタにより構成することが好ましく、これにより、ｐチャネルＭＯＳトランジスタにより構成する場合に比べて、オン抵抗を低減できるとともに、高速動作が可能となる。また、第１〜第６の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6の各々は、ノーマリオフ型であることが好ましい。
【００６１】
切替回路６は、圧電型振動発電装置２と第１の電力取り出し回路４との間に設けられる第１のスイッチ要素Ｑ1と、第１の電力取り出し回路４と蓄電部３との間に設けられる第２のスイッチ要素Ｑ2と、圧電型振動発電装置２と第２の電力取り出し回路５との間に設けられる第３のスイッチ要素Ｑ3と、圧電型振動発電装置２と蓄電部３との間に設けられる第４のスイッチ要素Ｑ4とを備えている。
【００６２】
切替回路６は、圧電型振動発電装置２の全ての発電部２４の直列回路を第１の電力取り出し回路４に接続可能とするように、４個の第１のスイッチ要素Ｑ1を備えている。すなわち、切替回路６は、直列接続する発電部２４同士の異極のパッド２５，２５間に接続される２個の第１のスイッチ要素Ｑ1と、全ての発電部２４の直列回路の両端に位置する各パッド２５，２５と第１の電力取り出し回路４の各入力端との間に１個ずつ設けられる２個の第１のスイッチ要素Ｑ1とを備えている。
【００６３】
また、切替回路６は、圧電型振動発電装置２の全ての発電部２４の並列回路を第２の電力取り出し回路５に接続可能とするように、６個の第３のスイッチ要素Ｑ3を備えている。すなわち、切替回路６は、並列接続する全ての発電部２４の異極のパッド２５，２５と第２の電力取り出し回路５の各入力端との間に１個ずつ設けられた６個の第３のスイッチ要素Ｑ3を備えている。
【００６４】
また、切替回路６は、第１の電力取り出し回路４と蓄電部３とを接続可能とするように、３個の第２のスイッチ要素Ｑ2を備えている。すなわち、切替回路６は、第１の電力取り出し回路４における第１のダイオードＤ41のカソード、配線４３の他端、および第２のダイオードＤ42のアノードと、第１のコンデンサＣ31の一端、第１のコンデンサＣ31の他端と第２のコンデンサＣ32の一端との接続点、および第２のコンデンサＣ32の他端との間に１個ずつ設けられた３個の第２のスイッチ要素Ｑ2を備えている。
【００６５】
また、切替回路６は、第２の電力取り出し回路５と蓄電部３とを接続可能とするように、２個の第４のスイッチ要素Ｑ4を備えている。すなわち、切替回路６は、第２の電力取り出し回路５の各出力端と蓄電部３の両端との間に１個ずつ設けられた２個の第４のスイッチ要素Ｑ4を備えている。
【００６６】
切替回路６は、第１のスイッチ要素Ｑ1および第２のスイッチ要素Ｑ2の各々がノーマリオン型であり、第３のスイッチ要素Ｑ3および第４のスイッチ要素Ｑ4の各々がノーマリオフ型であることが好ましい。これにより、環境発電デバイス１は、蓄電部３から制御部７へ最低動作電圧以上の電圧を給電できずに制御部７が動作していない状態でも、第１接続形態となるから、圧電型振動発電装置２から蓄電部３に蓄電することが可能となる。つまり、環境発電デバイス１では、蓄電部３への蓄電が行われていない初期状態から、外部電源を用いることなく、圧電型振動発電装置２から蓄電部３に蓄電することが可能となる。第１のスイッチ要素Ｑ１および第２のスイッチ要素Ｑ2の各々は、ノーマリオン型のＭＯＳトランジスタにより構成することが好ましいが、これに限らず、例えば、ノーマリオン型のリレーの接点（ブレーク接点）などにより構成してもよい。また、第３のスイッチ要素Ｑ3および第４のスイッチ要素Ｑ4の各々は、ノーマリオフ型のＭＯＳトランジスタにより構成することが好ましいが、ノーマリオフ型のリレーの接点（メーク接点）などにより構成してもよい。なお、第１のスイッチ要素Ｑ1、第２のスイッチ要素Ｑ2、第３のスイッチ要素Ｑ3および第４のスイッチ要素Ｑ４それぞれの個数は特に限定するものではない。特に、第１のスイッチ要素Ｑ1および第３のスイッチ要素Ｑ3それぞれの個数については、圧電型振動発電装置２の発電部２４の個数に基づいて適宜変更する必要がある。
【００６７】
上述の切替回路６は、第１のスイッチ要素Ｑ1および第３のスイッチ要素Ｑ3により、第１の電力取り出し回路４および第２の電力取り出し回路５と圧電型振動発電装置２との間に設けられる第１切替部６ａを構成している。また、切替回路６は、第２のスイッチ要素Ｑ2および第４のスイッチ要素Ｑ4により、第１の電力取り出し回路４および第２の電力取り出し回路５と蓄電部３との間に設けられる第２切替部６ｂを構成している。
【００６８】
なお、環境発電デバイス１は、第１の電力取り出し回路４と、第２の電力取り出し回路５と、蓄電部３と、切替回路６と、制御部７とで、圧電型振動発電装置２で発生する電力を管理する電力管理回路１１を構成している。
【００６９】
環境発電デバイス１は、第１接続形態において、２個のダイオードＤ41，Ｄ42同士の接続点が圧電型振動発電装置２の一方の出力端に接続され、且つ、２個のコンデンサＣ31，Ｃ32同士の接続点が圧電型振動発電装置２の他方の出力端に接続される。したがって、環境発電デバイス１は、第１接続形態において、圧電型振動発電装置２で発生する交流電圧を倍電圧整流する両波倍電圧整流回路９を備えた構成となる（図３参照）。この両波倍電圧整流回路９では、２個のダイオードＤ41，Ｄ42の直列回路と２個のコンデンサＣ31，Ｃ32の直列回路とが並列接続される。要するに、両波倍電圧整流回路９は、２個ダイオードＤ41，Ｄ42と２個のコンデンサＣ31，Ｃ32とがブリッジ接続される。
【００７０】
以下、環境発電デバイス１の第１接続形態での動作について図３に基づいて説明する。
【００７１】
第１接続形態では、図３に示すように、圧電型振動発電装置２および蓄電部３と第１の電力取り出し回路４とが電気的に接続され、圧電型振動発電装置２および蓄電部３と第２の電力取り出し回路５とが電気的に切り離される（絶縁分離される）。
【００７２】
まず、圧電型振動発電装置２の一方の出力端が他方の出力端に比べて高電位となる正の半サイクルの動作について説明する。
【００７３】
環境発電デバイス１は、圧電型振動発電装置２の全ての発電部２４の直列回路が接続される第１の電力取り出し回路４の一方の入力端が他方の入力端に比べて高電位となるので、圧電型振動発電装置２→ダイオードＤ41→コンデンサＣ31→配線４３→圧電型振動発電装置２、の経路で電流が流れてコンデンサＣ31が充電される。
【００７４】
次に、圧電型振動発電装置２の一方の出力端が他方の出力端に比べて低電位となる負の半サイクルの動作について説明する。
【００７５】
環境発電デバイス１は、第１の電力取り出し回路４の一方の入力端が他方の入力端に比べて低電位となるので、圧電型振動発電装置２→配線４３→コンデンサＣ32→ダイオードＤ42→圧電型振動発電装置２、の経路で電流が流れてコンデンサＣ32が充電される。
【００７６】
要するに、両波倍電圧整流回路９では、圧電型振動発電装置２の出力電圧の電圧波形の半サイクルごとに各コンデンサＣ31，Ｃ32がそれぞれ充電される。したがって、蓄電部３の両端電圧（振動発電デバイス１の出力電圧）は、圧電型振動発電装置２の出力電圧のピーク値の略２倍になる。
【００７７】
環境発電デバイス１は、第１接続形態において両波倍電圧整流回路９が構成されることにより、従来のような４個のダイオードＤ1，Ｄ2，Ｄ3，Ｄ4がブリッジ接続された全波整流回路を構成する場合に比べて、蓄電部３の前段での電圧損失（順方向電圧降下）を低減することが可能となり、小型化を図りながらも高出力化を図ることが可能となる。
【００７８】
次に、環境発電デバイス１の第２接続形態での動作について図４〜図７に基づいて説明する。
【００７９】
第２接続形態では、図４に示すように、圧電型振動発電装置２および蓄電部３と第２の電力取り出し回路５とが電気的に接続され、圧電型振動発電装置２および蓄電部３と第１の電力取り出し回路４とが電気的に切り離される（絶縁分離される）。ここで、第２の電力取り出し回路５の一対の入力端間には、圧電型振動発電装置２の全ての発電部２４の並列回路が接続される。また、第２接続形態において、第２の電力取り出し回路５は、上述のように、第１〜第６の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6が制御部７によってオンオフされる。図７について、（ａ）は、圧電型振動発電装置２から第２の電力取り出し回路５へ流れる交流の電流ｉ（図４参照）の波形であり、圧電型振動発電装置２から一方の入力端へ向って流れる向きを正としてある。ここで、電流ｉの波形は、正弦波状であり、変位検出センサ８からは、この電流ｉの波形に略同期する正弦波状の交流信号が出力される。また、図７において、（ｂ）は、第１および第２の電子式アナログスイッチＳ1，Ｓ2のオンオフの状態、（ｃ）は、第３および第４の電子式アナログスイッチＳ3，Ｓ4のオンオフの状態、（ｄ）は、第５および第６の電子式アナログスイッチＳ5，Ｓ6のオンオフの状態である。
【００８０】
まず、圧電型振動発電装置２の一方の出力端が他方の出力端に比べて高電位となる正の半サイクルの動作について説明する。
【００８１】
環境発電デバイス１は、第２の電力取り出し回路５の一方の入力端が他方の入力端に比べて高電位となる。ここで、第２の電力取り出し回路５は、制御部７によって、第１および第２の電子式アナログスイッチＳ1，Ｓ2の各々がオン、且つ第３〜第６の電子式アナログスイッチＳ3〜Ｓ6がオフとなるように制御される（この状態での等価回路は、図５）。これにより、環境発電デバイス１では、インダクタからなるエネルギ蓄積素子５４に電流ｉが流れ、エネルギ蓄積素子５４にエネルギが蓄積される。
【００８２】
次に、圧電型振動発電装置２の一方の出力端が他方の出力端に比べて低電位となる負の半サイクルの動作について説明する。
【００８３】
制御部７は、変位検出センサ８からの交流信号のゼロクロス点を検出する機能を備えており、まず、変位検出センサ８からの交流信号のゼロクロス点に同期して第５および第６の電子式アナログスイッチＳ5，Ｓ6の各々がオン、且つ第１〜第４の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ4がオフとなるように第２の電力取り出し回路を制御する。これにより、環境発電デバイス１では、エネルギ蓄積素子５４に蓄積されていたエネルギが放出され蓄電部３への蓄電が行われる。
【００８４】
その後、第２の電力取り出し回路５は、制御部７によって、第３および第４の電子式アナログスイッチＳ3，Ｓ4の各々がオン、且つ第１、第２、第５および第６の電子式アナログスイッチＳ1，Ｓ2，Ｓ5，Ｓ6がオフとなるように制御される（この状態での等価回路は、図６）。これにより、環境発電デバイス１では、インダクタからなるエネルギ蓄積素子５４に電流ｉが流れ、エネルギ蓄積素子５４にエネルギが蓄積される。
【００８５】
次に、圧電型振動発電装置２の一方の出力端が他方の出力端に比べて高電位となる正の半サイクルになると、制御部７は、変位検出センサ８からの交流信号のゼロクロス点に同期して第５および第６の電子式アナログスイッチＳ5，Ｓ6の各々がオン、且つ第１〜第４の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ4がオフとなるように第２の電力取り出し回路を制御する。これにより、環境発電デバイス１では、エネルギ蓄積素子５４に蓄積されていたエネルギが放出され蓄電部３への蓄電が行われる。
【００８６】
その後、第２の電力取り出し回路５は、上述のように、制御部７によって、第１および第２の電子式アナログスイッチＳ1，Ｓ2の各々がオン、且つ第３〜第６の電子式アナログスイッチＳ3〜Ｓ6がオフとなるように制御される（この状態での等価回路は、図５）。
【００８７】
第２の電力取り出し回路５では、上述のエネルギ蓄積素子５４へのエネルギの蓄積と、エネルギ蓄積素子５４からのエネルギの放出とが、繰り返し行われる。
【００８８】
以上説明した本実施形態の環境発電デバイス１は、複数個の発電部２４を有する圧電型振動発電装置２と、２個のダイオードＤ41，Ｄ42を用いて構成される第１の電力取り出し回路４と、電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6とエネルギ蓄積素子５４とを用いて構成される第２の電力取り出し回路５とを備えている。また、環境発電デバイス１は、第１接続形態と第２接続形態とを択一的に切替可能な切替回路６と、蓄電部３を電源として第２の電力取り出し回路５および切替回路６を制御する制御部７を備えている。そして、切替回路６は、第１接続形態では、第１の電力取り出し回路４の入力端間に複数個の発電部２４の直列回路を接続させ且つ第１の電力取り出し回路４の出力端間に蓄電部３を接続させ、第２接続形態では、第２の電力取り出し回路５の入力端間に複数個の発電部２４の並列回路を接続させ且つ第２の電力取り出し回路５の出力端間に蓄電部３を接続させる。
【００８９】
しかして、本実施形態の環境発電デバイス１では、制御部７によって切替回路６が制御されることにより、蓄電部３に効率よく蓄電することが可能となる。
【００９０】
この環境発電デバイス１において、制御部７は、蓄電部３の出力電圧が制御部７および第２の電力取り出し回路５それぞれの最低動作電圧よりも高い場合に、切替回路６が第２接続形態となるように切替回路６を制御することが好ましい。これにより、環境発電デバイス１は、圧電型振動発電装置２の発電電力を効率よく取り出して蓄電部３を蓄電することが可能となる。なお、制御部７の最低動作電圧と第２の電力取り出し回路５の最低動作電圧とは異なった電圧値でもよいし、同じ電圧値でもよい。
【００９１】
この環境発電デバイス１において、切替回路６は、上述の第１〜第４のスイッチ要素Ｑ1〜Ｑ4を備え、第１のスイッチ要素Ｑ1および第２のスイッチ要素Ｑ2の各々がノーマリオン型であり、第３のスイッチ要素Ｑ3および第４のスイッチ要素Ｑ4の各々がノーマリオフ型であることが好ましい。ここにおいて、第１のスイッチ要素Ｑ1は、圧電型振動発電装置２と第１の電力取り出し回路４との間に設けられる。また、第２のスイッチ要素Ｑ2は、第１の電力取り出し回路４と蓄電部３との間に設けられる。また、第３のスイッチ要素Ｑ3は、圧電型振動発電装置２と第２の電力取り出し回路５との間に設けられる。また、第４のスイッチ要素Ｑ4は、圧電型振動発電装置２と蓄電部３との間に設けられる。したがって、環境発電デバイス１は、蓄電部３の出力電圧が制御部７および第２の電力取り出し回路５それぞれの最低動作電圧よりも低い場合、圧電型振動発電装置２が第１の電力取り出し回路４に接続されるので、圧電型振動発電装置２の発電電力を取り出して蓄電部３を蓄電することが可能となる。要するに、環境発電デバイス１は、蓄電部３の出力電圧が０Ｖの場合や一時的に各最低動作電圧よりも低下した場合でも、圧電型振動発電装置２の発電電力を第１の電力取り出し回路４により取り出して蓄電部３を蓄電することが可能となる。
【００９２】
また、環境発電デバイス１は、上述のように、第１接続形態において両波倍電圧整流回路９が構成されることが好ましい。これにより、環境発電デバイス１は、第１接続形態において、蓄電部３の電圧の高電圧化を図れる。なお、環境発電デバイス１は、第１接続形態において、両波倍電圧整流回路９以外の回路が構成される回路構成としてもよい。
【００９３】
また、環境発電デバイス１は、上述のように、圧電型振動発電装置２が、支持部２１と、支持部２１に揺動自在に支持されてなり環境振動に応じて振動する可動部２２とを備え、可動部２２に複数個の発電部２４が設けられたものであることが好ましい。これにより、環境発電デバイス１は、複数個の発電部２４が１チップの圧電型振動発電装置２において同じ可能部に設けられているので、発電部２４ごとの出力の振幅や位相がずれるのを抑制することが可能となる。したがって、環境発電デバイス１は、複数個の発電部２４が互いに異なるチップに設けられている場合に比べて、圧電型振動発電装置２の小型化を図りながらも圧電型振動発電装置２の高出力化を図ることが可能となる。
【００９４】
そして、環境発電デバイス１は、可動部２２の変位を検出する変位検出センサ８が設けられ、制御部７が、変位検出センサ８から出力される交流信号のゼロクロス点の付近で、第２の電力取り出し回路５の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6のオンオフを切り替えることが好ましい。これにより、環境発電デバイス１では、制御部７が変位検出センサ８から出力される交流信号に基づいて、圧電型振動発電装置２で発生する交流電圧による交流電流のゼロクロス点を間接的に精度よく検知することが可能となり、第２接続形態において、圧電型振動発電装置２から効率よく発電電力の取り出しを行うことが可能となる。よって、環境発電デバイス１は、蓄電部３を効率よく蓄電することが可能となる。なお、制御部７は、変位検出センサ８から出力される交流信号に限らず、第２の電力取り出し回路５に流れる電流を検出するセンサ（例えば、カレントトランスなど）の出力に基づいて、第２の電力取り出し回路５の電子式アナログスイッチＳ1〜Ｓ6のオンオフを切り替えるようにしてもよい。
【００９５】
（実施形態２）
以下では、本実施形態の環境発電デバイス１について、図８に基づいて説明する。
【００９６】
本実施形態の環境発電デバイス１の基本構成は実施形態１と略同じであり、第２の電力取り出し回路５の回路構成が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００９７】
実施形態１の環境発電デバイス１における第２の電力取り出し回路５がインダクタからなるエネルギ蓄積素子５４を備えていたのに対し、本実施形態の環境発電デバイス１における第２の電力取り出し回路５は、コンデンサからなるエネルギ蓄積素子５５を備える。第２の電力取り出し回路５の動作は、実施形態１の場合と同様である。
【００９８】
本実施形態の環境発電デバイス１は、実施形態１と同様、制御部７によって切替回路６が制御されることにより、蓄電部３に効率よく蓄電することが可能となる。
【００９９】
なお、実施形態１や実施形態２それぞれで説明した第２の電力取り出し回路５の回路構成は、いずれも一例であり、特に限定するものではなく、他の回路構成を採用することも可能である。
【符号の説明】
【０１００】
１ 環境発電デバイス
２ 圧電型振動発電装置
３ 蓄電部
４ 第１の電力取り出し回路
５ 第２の電力取り出し回路
６ 切替回路
７ 制御部
８ 変位検出センサ
９ 両波倍電圧整流回路
２１ 支持部
２２ 可動部
２４ 発電部
５４ エネルギ蓄積素子
５５ エネルギ蓄積素子
Ｃ31，Ｃ32 コンデンサ
Ｄ41，Ｄ42 ダイオード
Ｓ1〜Ｓ6 電子式アナログスイッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環境振動に応じて交流電圧を発生可能な複数個の発電部を有する圧電型振動発電装置と、蓄電部と、整流用の２個のダイオードを用いて構成され前記圧電型振動発電装置からの交流電圧を整流して前記蓄電部を充電する第１の電力取り出し回路と、電子式アナログスイッチとエネルギ蓄積素子とを用いて構成され前記圧電型振動発電装置からの交流電圧を入力として前記蓄電部を充電する第２の電力取り出し回路と、前記第１の電力取り出し回路を利用して前記蓄電部を充電する第１接続形態と前記第２の電力取り出し回路を利用して前記蓄電部を充電する第２接続形態とを択一的に切替可能な切替回路と、前記蓄電部を電源として前記第２の電力取り出し回路および前記切替回路を制御する制御部とを備え、前記切替回路は、前記第１接続形態では、前記第１の電力取り出し回路の入力端間に前記複数個の前記発電部の直列回路を接続させ且つ前記第１の電力取り出し回路の出力端間に前記蓄電部を接続させ、前記第２接続形態では、前記第２の電力取り出し回路の入力端間に前記複数個の前記発電部の並列回路を接続させ且つ前記第２の電力取り出し回路の出力端間に前記蓄電部を接続させることを特徴とする環境発電デバイス。
【請求項２】
前記制御部は、前記蓄電部の出力電圧が前記制御部および前記第２の電力取り出し回路それぞれの最低動作電圧よりも高い場合に、前記切替回路が前記第２接続形態となるように前記切替回路を制御することを特徴とする請求項１記載の環境発電デバイス。
【請求項３】
前記切替回路は、前記圧電型振動発電装置と前記第１の電力取り出し回路との間に設けられる第１のスイッチ要素と、前記第１の電力取り出し回路と前記蓄電部との間に設けられる第２のスイッチ要素と、前記圧電型振動発電装置と前記第２の電力取り出し回路との間に設けられる第３のスイッチ要素と、前記圧電型振動発電装置と前記蓄電部との間に設けられる第４のスイッチ要素とを備え、前記第１のスイッチ要素および前記第２のスイッチ要素の各々がノーマリオン型であり、前記第３のスイッチ要素および前記第４のスイッチ要素の各々がノーマリオフ型であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の環境発電デバイス。
【請求項４】
前記蓄電部は、２個のコンデンサが直列接続されてなり、前記第１の電力取り出し回路は、前記２個の前記ダイオードが直列接続されてなり、前記第１接続形態では、前記２個の前記ダイオード同士の接続点が前記圧電型振動発電装置の一方の出力端に接続され、且つ、前記２個の前記コンデンサ同士の接続点が前記圧電型振動発電装置の他方の出力端に接続され、前記圧電型振動発電装置で発生する交流電圧を倍電圧整流する両波倍電圧整流回路が構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の環境発電デバイス。
【請求項５】
前記圧電型振動発電装置は、支持部と、前記支持部に揺動自在に支持されてなり前記環境振動に応じて振動する可動部とを備え、前記可動部に前記複数個の前記発電部が設けられたものであり、前記可動部の変位を検出する変位検出センサが設けられ、前記制御部は、前記変位検出センサから出力される交流信号のゼロクロス点の付近で前記電子式アナログスイッチのオンオフを切り替えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の環境発電デバイス。
【請求項６】
前記変位検出センサは、静電容量型変位検出センサであることを特徴とする請求項５記載の環境発電デバイス。
【請求項１】
環境振動に応じて交流電圧を発生可能な複数個の発電部を有する圧電型振動発電装置と、蓄電部と、整流用の２個のダイオードを用いて構成され前記圧電型振動発電装置からの交流電圧を整流して前記蓄電部を充電する第１の電力取り出し回路と、電子式アナログスイッチとエネルギ蓄積素子とを用いて構成され前記圧電型振動発電装置からの交流電圧を入力として前記蓄電部を充電する第２の電力取り出し回路と、前記第１の電力取り出し回路を利用して前記蓄電部を充電する第１接続形態と前記第２の電力取り出し回路を利用して前記蓄電部を充電する第２接続形態とを択一的に切替可能な切替回路と、前記蓄電部を電源として前記第２の電力取り出し回路および前記切替回路を制御する制御部とを備え、前記切替回路は、前記第１接続形態では、前記第１の電力取り出し回路の入力端間に前記複数個の前記発電部の直列回路を接続させ且つ前記第１の電力取り出し回路の出力端間に前記蓄電部を接続させ、前記第２接続形態では、前記第２の電力取り出し回路の入力端間に前記複数個の前記発電部の並列回路を接続させ且つ前記第２の電力取り出し回路の出力端間に前記蓄電部を接続させることを特徴とする環境発電デバイス。
【請求項２】
前記制御部は、前記蓄電部の出力電圧が前記制御部および前記第２の電力取り出し回路それぞれの最低動作電圧よりも高い場合に、前記切替回路が前記第２接続形態となるように前記切替回路を制御することを特徴とする請求項１記載の環境発電デバイス。
【請求項３】
前記切替回路は、前記圧電型振動発電装置と前記第１の電力取り出し回路との間に設けられる第１のスイッチ要素と、前記第１の電力取り出し回路と前記蓄電部との間に設けられる第２のスイッチ要素と、前記圧電型振動発電装置と前記第２の電力取り出し回路との間に設けられる第３のスイッチ要素と、前記圧電型振動発電装置と前記蓄電部との間に設けられる第４のスイッチ要素とを備え、前記第１のスイッチ要素および前記第２のスイッチ要素の各々がノーマリオン型であり、前記第３のスイッチ要素および前記第４のスイッチ要素の各々がノーマリオフ型であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の環境発電デバイス。
【請求項４】
前記蓄電部は、２個のコンデンサが直列接続されてなり、前記第１の電力取り出し回路は、前記２個の前記ダイオードが直列接続されてなり、前記第１接続形態では、前記２個の前記ダイオード同士の接続点が前記圧電型振動発電装置の一方の出力端に接続され、且つ、前記２個の前記コンデンサ同士の接続点が前記圧電型振動発電装置の他方の出力端に接続され、前記圧電型振動発電装置で発生する交流電圧を倍電圧整流する両波倍電圧整流回路が構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の環境発電デバイス。
【請求項５】
前記圧電型振動発電装置は、支持部と、前記支持部に揺動自在に支持されてなり前記環境振動に応じて振動する可動部とを備え、前記可動部に前記複数個の前記発電部が設けられたものであり、前記可動部の変位を検出する変位検出センサが設けられ、前記制御部は、前記変位検出センサから出力される交流信号のゼロクロス点の付近で前記電子式アナログスイッチのオンオフを切り替えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の環境発電デバイス。
【請求項６】
前記変位検出センサは、静電容量型変位検出センサであることを特徴とする請求項５記載の環境発電デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−１０２６３９（Ｐ２０１３−１０２６３９Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４５５０８（Ｐ２０１１−２４５５０８）
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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