発電装置、発電装置の制御方法、電子機器、および移動手段
【課題】 小さな回路規模ながら共振周波数を調整して大きな発電量を得ることができる発電装置等を提供する。
【解決手段】 変形方向を切り換えて変形する変形部材１０４と、前記変形部材に設けられた第１の圧電素子（１０８、１０９ａ、１０９ｂ）と、前記変形部材の変形による変位に関する情報である変位情報を生成する変位検出手段１４０と、前記変形部材に設けられた調整用圧電素子（１１４、１１５ａ、１１５ｂ）を含み、制御信号に基づいて前記変形部材の共振周波数を調整する共振周波数調整手段１１９と、前記第１の圧電素子を含む共振回路を構成するインダクターＬと、前記共振回路に設けられたスイッチＳＷと、前記変位情報に基づいて前記制御信号を生成し、前記変位情報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手段１１２と、を備える。
【解決手段】 変形方向を切り換えて変形する変形部材１０４と、前記変形部材に設けられた第１の圧電素子（１０８、１０９ａ、１０９ｂ）と、前記変形部材の変形による変位に関する情報である変位情報を生成する変位検出手段１４０と、前記変形部材に設けられた調整用圧電素子（１１４、１１５ａ、１１５ｂ）を含み、制御信号に基づいて前記変形部材の共振周波数を調整する共振周波数調整手段１１９と、前記第１の圧電素子を含む共振回路を構成するインダクターＬと、前記共振回路に設けられたスイッチＳＷと、前記変位情報に基づいて前記制御信号を生成し、前記変位情報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手段１１２と、を備える。
【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、その制御方法、この発電装置を含む電子機器、および移動手段等に関する。
【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。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）。この技術を用いれば、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
【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、適当な外力が得られない場所に設置された場合に発電量が低下するという問題があった。つまり、外力による振動（以下、環境振動）が、圧電材料の薄板を貼り付けた片持ち梁の共振周波数と一致しない場合には、圧電材料の変形が小さいために発電量が低下してしまう。しかし、片持ち梁の共振周波数は、例えば梁の長さ、厚さ、材質、錘の重さ等に依存し、製造出荷時に決定されることが多い。そのため、設置場所の環境振動に合わせて調整することは一般に困難であった。
【０００６】
この問題に対して、例えば発電装置に機械的に梁の長さを調整する機構を追加する解決策が考えられる。また、例えば梁の長さが互いに異なる片持ち梁を複数備える発電装置を用いるという解決策も考えられる。前者の場合には、例えば使用者が設置場所において片持ち梁の共振周波数の調整を行う。後者の場合には、いずれかの片持ち梁の共振周波数が環境振動の周波数と一致することを期待できる。しかし、いずれの場合にも、発電装置のサイズが大きくなってしまう。
【０００７】
この発明は、上述した課題を解決するためになされたものである。本発明のいくつかの態様によれば、圧電材料の圧電効果を利用した発電装置であって、小さな回路規模ながら共振周波数を調整して大きな発電量を得ることができる発電装置等を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明は、発電装置であって、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第１の圧電素子と、前記変形部材の変形による変位に関する情報である変位情報を生成する変位検出手段と、前記変形部材に設けられた調整用圧電素子を含み、制御信号に基づいて前記変形部材の共振周波数を調整する共振周波数調整手段と、前記第１の圧電素子を含む共振回路を構成するインダクターと、前記共振回路に設けられたスイッチと、前記変位情報に基づいて前記制御信号を生成し、前記変位情報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手段と、を備える。
【０００９】
（２）この発電装置において、前記共振周波数調整手段は、前記調整用圧電素子の一対の電極に接続された可変抵抗を含み、前記制御信号に基づいて前記可変抵抗の抵抗値を変化させてもよい。
【００１０】
（３）この発電装置において、前記変位検出手段は、前記変形部材に設けられた第２の圧電素子と、前記第２の圧電素子に生じた電圧を検出する電圧検出回路と、を含み、前記電圧検出回路が検出した電圧に基づいて前記変位情報を生成してもよい。
【００１１】
（４）この発電装置において、前記変位検出手段は、前記変形部材に設けられた第２の圧電素子と、前記第２の圧電素子から流れる電流を検出する電流検出回路と、を含み、前記電流検出回路が検出した電流に基づいて前記変位情報を生成してもよい。
【００１２】
これらの発明は、第１の圧電素子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第１の圧電素子も変形する。その結果、第１の圧電素子には、圧電効果によって正負の電荷が発生する。なお、電荷の発生量は、第１の圧電素子の変形量が大きくなるほど多くなる。
【００１３】
ここで、変形部材の共振周波数と環境振動の周波数とが同じであれば、変形部材は大きく振動し、大きな発電量を得られることが知られている。しかし、環境振動は発電装置の設置場所の環境により様々であり、変形部材の共振周波数と同じ環境振動の周波数が得られるとは限らない。これらの発明は、共振周波数を調整する共振周波数調整手段を含むことで、変形部材の共振周波数を環境振動に合わせて調整することが可能である。
【００１４】
共振周波数調整手段は、変形部材に設けられた調整用圧電素子を含み、その圧電効果又は逆圧電効果を利用して共振周波数の調整を行う。例えば、共振周波数調整手段は、調整用圧電素子の一対の電極に接続された可変抵抗を含み、制御信号に基づいて可変抵抗の抵抗値を変化させてもよい。例えば、抵抗値を小さくすると、圧電効果によって電極に生じた正負の電荷が可変抵抗を通じて流れやすくなる。そのため、電極に生じた電荷が減少することになるので、調整用圧電素子の歪が元にもどる方向に力が作用する。ここで、調整用圧電素子は変形部材に設けられているので、変形部材が歪にくくなり、その共振周波数が高くなる。なお、共振周波数を高くする必要がない場合には、抵抗値を十分大きな値にすればよい。
【００１５】
ここで、共振周波数調整手段に入力される制御信号は、変位情報に基づいて制御手段が生成する。変位情報は、変形部材の変形による変位に関する情報である。変位検出手段は、例えば直接変形部材の変形を測定して変位情報を生成してもよいし、変形部材の変位に対応して変化する信号に基づいて変位情報を生成してもよい。変形部材の共振周波数と環境振動の周波数とが同じであれば、変形部材は大きく振動し、その振幅がピーク（極大値）となる。例えば、制御手段は最初に制御信号によって可変抵抗の抵抗値をスイープし振幅がピーク（極大値）となる特定の抵抗値を決定してもよい。そして、特定の抵抗値又は電圧値を指定する制御信号を共振周波数調整手段に与えてもよい。
【００１６】
このように、これらの発明の発電装置は、変形部材の共振周波数を調整することで、変形部材を環境振動に合わせて大きく振動させて、大きな発電量を得ることができる。このとき、機械的に梁の長さを調整する機構も、長さが互いに異なる複数の片持ち梁も不要であるため、装置のサイズを小さくすることが可能である。
【００１７】
また、これらの発明では、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。そして、制御手段がスイッチを適切なタイミングで導通状態とすることで、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、昇圧回路を別途用意する必要のない小さな回路規模で、高い電圧を得ることが可能になる。
【００１８】
ここで、制御手段は、変位情報に基づいてスイッチを導通状態とするタイミングを定めることで、効率的な発電を可能にする。前記のように、変位情報は、変形部材の変形による変位に関する情報であって、変位検出手段によって生成される。このとき、変位検出手段は変位情報を第２の圧電素子の電圧を検出することで得てもよい。又は、変位検出手段は変位情報を第２の圧電素子の電流を検出することで得てもよい。
【００１９】
このとき、スイッチ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（および第２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（および第２の圧電素子）で発生した電荷が最も多くなった時に、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。そして、第１の圧電素子およ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の圧電素子およ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。従って、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。そして、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。また、第１の圧電素子内に電荷が蓄積されるに従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。更に、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の圧電素子および第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。そして、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、例えば第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。
【００２０】
（５）この発電装置において、前記第１の圧電素子と前記調整用圧電素子とは、前記変形部材の異なる面に設けられていてもよい。
【００２１】
本発明によれば、第１の圧電素子と調整用圧電素子とを、変形部材の異なる面に設けるので、第１の圧電素子の設置面積を大きくすることができ、高い発電能力を確保することが可能である。仮に、第１の圧電素子および調整用圧電素子を、変形部材の同じ面に設けたとすると、互いの設置面積が狭くなるおそれがあるからである。
【００２２】
また、調整用圧電素子についても、設置面積を大きくすることができるので、変形部材の共振周波数の調整範囲を広げることが可能になる。
【００２３】
（６）この発電装置において、前記第１の圧電素子と前記調整用圧電素子とは、前記変形部材の同じ面に設けられていてもよい。
【００２４】
本発明によれば、第１の圧電素子および調整用圧電素子が、変形部材の同じ面に設けられていれば、第１の圧電素子および調整用圧電素子を一度に（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。
【００２５】
このとき、第２の圧電素子がある場合には、第２の圧電素子を変形部材の異なる面に設けてもよい。第２の圧電素子は設置面積を大きくすることができるので、変位検出手段は、例えば前記第２の圧電素子に生じた電圧等に基づいて検出する変位情報の精度を高めることができる。
【００２６】
（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第１の圧電素子と、前記変形部材の変形による変位に関する情報である変位情報を生成する変位検出手段と、前記変形部材に設けられた調整用圧電素子を含み、制御信号に基づいて前記変形部材の共振周波数を調整する共振周波数調整手段と、を備える発電装置の制御方法であって、前記変位情報を取得するステップと、前記変位情報に基づいて前記制御信号を生成するステップと、を含む。
【００２７】
本発明によれば、制御信号に基づいて共振周波数を調整する共振周波数調整手段を含む発電装置で、変位情報を取得するステップと、変位情報に基づいて制御信号を生成するステップと、を含む制御を行う。なお、生成される制御信号とは、前記のように、変位情報として与えられる信号の振幅がピークとなる特定の抵抗値等を指定する制御信号である。このとき、変形部材の共振周波数を調整することで、変形部材を環境振動に合わせて大きく振動させて、大きな発電量を得ることができる。また、機械的に梁の長さを調整する機構等と異なり、使用者に調整作業をさせることなく、自動的に共振周波数の調整が可能である。
【００２８】
（８）本発明は、前記のいずれかに記載の発電装置を含む電子機器である。
【００２９】
（９）本発明は、前記のいずれかに記載の発電装置を含む移動手段である。
【００３０】
これらの発明は、前記の発電装置を電池の代わりに組み込んだ例えばリモコン等の小型電子機器、又は前記の発電装置を搭載した例えば車両や電車等の移動手段である。この電子機器は、例えば持ち運ばれるとき、又は使用されるときに、振動が伴うことで発電が可能である。この電子機器では、電池交換といった作業も不要である。また、この移動手段（例えば車両や電車等）は、その移動に伴う振動により発電し、例えば移動手段に備わる機器に電力供給することが可能である。電子機器に搭載された場合も、移動手段に搭載された場合も、環境振動に応じて変形部材の共振周波数を調整するので発電効率を高めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【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】本実施例の蓄電素子における充電についての説明図である。
【図３】変形部材の変位と電気信号との相関関係についての説明図である。
【図４】本実施例の変形部材の振幅と可変抵抗の抵抗値の関係についての説明図である。
【図５】本実施例の発電装置の構造を詳細に示した説明図である。
【図６】本実施例の発電装置の動作を示した説明図である。
【図７】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８】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９】本実施例の制御処理を示したフローチャートである。
【図１０】スイッチ制御処理を示したフローチャートである。
【図１１】第１、第２の圧電素子および調整用圧電素子の設置例を示した図である。
【図１２】第１、第２の圧電素子および調整用圧電素子の別の設置例を示した図である。
【図１３】応用例の発電装置の電気的な構造を示した説明図である。
【図１４】変形例の調整用圧電素子の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
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．実施例：
Ａ−１．発電装置の構造：
Ａ−２．発電装置の動作（共振周波数の調整）：
Ａ−３．発電装置の動作（効率的な高い電圧の発生）：
Ａ−４．発電装置の動作原理（効率的な高い電圧の発生）：
Ａ−５．スイッチの切換タイミング（効率的な高い電圧の発生）：
Ａ−６．圧電素子の設置例：
Ｂ．応用例：
Ｃ．変形例：
Ｄ．その他：
【００３３】
Ａ．実施例 ：
本実施例の発電装置について、図１〜図１２を参照して説明する。
【００３４】
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。
【００３５】
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および圧電部材１１４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１０９ａ、第２電極１０９ｂがそれぞれ設けられている。圧電部材１０８、第１電極１０９ａ、および第２電極１０９ｂで圧電素子（以下、第１の圧電素子）を構成している。また、圧電部材１１４についても同様に、金属薄膜によって形成された第１電極１１５ａ、第２電極１１５ｂが設けられている。圧電部材１１４、第１電極１１５ａ、および第２電極１１５ｂで圧電素子（以下、調整用圧電素子）を構成している。
【００３６】
図１（ａ）に示す例では、圧電部材１１４の長さ（梁１０４の長手方向）および幅（支持端１０２の長手方向）は圧電部材１０８と同じである。しかし、圧電部材１１４と圧電部材１０８とは、長さおよび幅の少なくとも一方が異なっていてもよい。なお、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、下面側に圧電部材１１４が設けられているが、これらの圧電部材を設ける面が互いに逆であってもよい。また、後述するように圧電部材の同じ面に設けられていてもよい。ここで、圧電部材１０８および圧電部材１１４は梁１０４に設置され、梁１０４の変形によって変形する。梁１０４は本発明の「変形部材」に相当する。
【００３７】
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および圧電部材１１４には、圧縮力および引張力が交互に作用する。圧電部材１０８、圧電部材１１４のそれぞれは圧電効果によって正負の電荷を発生し、圧電部材１０８の電荷は第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂに、圧電部材１１４の電荷は第１電極１１５ａおよび第２電極１１５ｂ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。
【００３８】
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Ｃｇとして表すことができる。同様に圧電部材１１４も、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサーＣａとして表すことができる。
【００３９】
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。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コンデンサー（蓄電素子Ｃ１）が接続されている。本実施例では、第１の圧電素子は発電用圧電素子として用いられる。
【００４０】
調整用圧電素子の１対の電極である第１電極１１５ａおよび第２電極１１５ｂは、可変抵抗１１６によって接続されている。本実施例の共振周波数調整手段１１９は、調整用圧電素子と可変抵抗１１６とを含む。可変抵抗１１６の抵抗値は、制御回路１１２（制御手段に相当）からの制御信号によって変更される。
【００４１】
梁１０４が振動すると、調整用圧電素子も変形し、圧電効果によって第１電極１１５ａおよび第２電極１１５ｂに正負の電荷が現れる。ここで、両電極は可変抵抗１１６を介して接続されている。例えば可変抵抗１１６の抵抗値を小さくすると、調整用圧電素子の変形によって生じた電荷は可変抵抗１１６を経由して直ちに他方の電極へと流れ込む。すると、両電極に生じた電荷が減少することになるので、調整用圧電素子の歪が元にもどる方向に力が作用する。つまり、変形部材が歪にくくなり、その共振周波数が高くなる。つまり、抵抗値を小さくするに従い変形部材の共振周波数を高くする調整ができる。なお、調整が不要な場合には、可変抵抗１１６経由の電荷の流れがなくなるように、抵抗値を十分大きな値にすればよい。
【００４２】
ここで、制御回路１１２は、変位検出手段１４０から変位情報を受け取る。変位情報とは変形部材（梁１０４）の変形による変位に関する情報である。本実施例では、梁１０４の先端が繰り返し振動しており、変位情報としてその振幅のみが用いられるとする。制御回路１１２は、例えば振幅が極大値となるような抵抗値を指定する制御信号を生成する。このような構造の発電装置１００により、環境振動の周波数と変形部材の共振周波数とが同じになるように調整することができる。
【００４３】
なお、本実施例の発電装置では、第１の圧電素子はインダクターＬ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ＳＷが設けられている。そして、制御回路１１２は、変位情報に基づいてスイッチＳＷを導通状態とするタイミングを定めることで、効率的な高い電圧の発生を可能にする。なお、この共振回路のスイッチＳＷの動作については後述するものとし、まず、変形部材（梁１０４）の共振周波数の調整に関する事項について説明する。
【００４４】
Ａ−２．発電装置の動作（共振周波数の調整） ：
図２は、本実施例の蓄電素子Ｃ１の充電について説明する図である。前記のように第１の圧電素子は発電用圧電素子として用いられる。ここで、発生する電荷の量は、第１の圧電素子の変形量が大きくなるほど多くなる。すなわち、発電量を大きくするためには、梁１０４が大きく歪む必要がある。
【００４５】
ここで、本実施例では、第１の圧電素子の第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。そして、整流後の電流が蓄電素子Ｃ１に蓄えられる。ここで、第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂの電位差Ｖｇｅｎ（図１（ｂ）参照）が、蓄電素子Ｃ１の端子間電圧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。
【００４６】
例えば、図２（ａ）は、環境振動の周波数と梁１０４の共振周波数とが一致しないため、梁１０４の振動の振幅が小さく、第１の圧電素子に圧電効果で生じた電位差ＶｇｅｎがＶＣ１＋２Ｖｆよりも小さい場合を示す。このとき、蓄電素子Ｃ１は充電されない。
【００４７】
ここで、環境振動の周波数と梁１０４の共振周波数とが一致するように調整できれば、梁１０４の振動の振幅を大きくし、図２（ｂ）のように電位差ＶｇｅｎをＶＣ１＋２Ｖｆよりも大きくできる可能性がある。このとき、ＶＣ１＋２Ｖｆを超える斜線の部分における電荷を直流電流として取り出して、蓄電素子Ｃ１に蓄えることができる。
【００４８】
前記のように制御回路１１２は制御信号によって可変抵抗１１６の抵抗値を適切な値に設定する。つまり、梁１０４の共振周波数を調整して、環境振動の周波数に合致させる。ここで、抵抗値の「適切な値」の決定は、例えば発電装置が設置場所に初めて置かれたとき、又は設置されてから所定の時間が経過する毎に、実際の環境振動に基づいて行われることが好ましい。
【００４９】
図３（ａ）は梁１０４の変位Ｄｉを表す。梁１０４は環境振動によって振幅ｕの振動を繰り返す。ここで、環境振動の周波数と梁１０４の共振周波数とが同じになった場合には、梁１０４は大きく振動するので、振幅ｕは極大値をとる。そこで、制御回路１１２は、変位検出手段１４０から変位情報として振幅ｕを受け取りながら、制御信号を変化させて可変抵抗１１６の抵抗値Ｒを最小値Ｒｍｉｎから最大値Ｒｍａｘまでスイープさせる。そして、振幅ｕの変化を測定し、振幅ｕを極大値にする抵抗値を求める。
【００５０】
図４は、振幅ｕと抵抗値Ｒの関係を表す１つの例を表す。このとき、可変抵抗１１６の抵抗値をＲ０としたときに、環境振動の周波数と梁１０４の共振周波数とが同じになり、梁１０４の振幅ｕは極大値ｕ０をとる。制御回路１１２は、このような振幅ｕの変化を測定し、その後、抵抗値をＲ０にさせる制御信号を生成して可変抵抗１１６に出力する。
【００５１】
ここで、制御回路１１２は、可変抵抗１１６の抵抗値を最小値Ｒｍｉｎから最大値Ｒｍａｘまでスイープさせたときの振幅ｕをメモリー等に保存し、全ての値が得られた後に大小比較を行って極大値ｕ０を決定してもよい。また、制御回路１１２は、可変抵抗１１６の抵抗値を最小値Ｒｍｉｎから最大値Ｒｍａｘまでスイープさせながら、振幅ｕの微分値を求めて微分値の符号が変わったときの振幅ｕの値を極大値としてもよい。
【００５２】
変位情報を制御回路１１２に与える変位検出手段１４０は、例えば変位センサーであって直接に梁１０４の変位を測定してもよい。変位センサーを用いることで高い精度の測定が可能になる。このとき、変位センサーは梁１０４の先端部分の上方、又は下方の筐体に設置されていてもよい。変位センサーの種類としては、例えば応答周波数の高い非接触型の渦電流式のセンサーや光学式のセンサーであってもよい。
【００５３】
ただし、変位検出手段１４０として変位センサーを用いた場合、変位センサーの種類によっては発電装置のサイズが大きくなる可能性がある。そのため、梁１０４の変位と相関をもつ信号等を検出する手段を変位検出手段１４０として、当該信号（共振周波数の調整の場面では特にその振幅）を変位情報として出力してもよい。
【００５４】
例えば、図３（ｂ）、図３（ｃ）は、それぞれ、梁１０４の変位Ｄｉ（図３（ａ））に対応して発生する、梁１０４に設置された圧電素子の電位差Ｖpzt、電流Ｉpzt を表す。「梁１０４に設置された圧電素子」は、第１の圧電素子や調整用圧電素子を含み、さらに後述するように第２の圧電素子が梁１０４に設置される場合（図５参照）には、第２の圧電素子も含む。
【００５５】
図３（ｂ）、図３（ｃ）のように、それぞれ電位差Ｖpzt、電流Ｉpzt はサインカーブを描くが、振幅ｕの極大値に対応して、それぞれの振幅ｖ、振幅iも極大値をとる。つまり、梁１０４の振動の振幅が極大値のとき、梁１０４に設置された圧電素子も大きく変形するので、圧電素子の電極に現れる電荷量も極大となる。すると、電位差Ｖpzt、電流Ｉpzt の振幅ｖ、振幅iも極大値をとることになる。このとき、変位情報を受け取る制御回路１１２は、振幅ｕの極大値を求めるのと同様の手法で、振幅ｖ、振幅iについて極大値を求めることが可能である。
【００５６】
よって、変位検出手段１４０は、梁１０４に設置された圧電素子の電圧検出回路であってもよい。例えば第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂの間の電位差の振幅ｖを変位情報として出力してもよい。また、変位検出手段１４０は、梁１０４に設置された圧電素子の電流検出回路であってもよい。例えば圧電部材１０８の第１電極１０９ａからダイオードＤ１のアノードに流れる電流の振幅iを変位情報として出力してもよい。本実施例の変位検出手段１４０は具体的には電圧検出回路であるが、その構成等については後述する。
【００５７】
なお、梁１０４の振動の振幅が極大値のとき、蓄電素子Ｃ１への充電される電荷量も極大となる。そのため、変位検出手段１４０は蓄電電圧検出回路（図外）であって、蓄電素子Ｃ１の端子間電圧ＶＣ１を変位情報として制御回路１１２に出力してもよい。
【００５８】
以上のように、本実施例の発電装置１００は、設置場所において環境振動に応じて変形部材の共振周波数を調整して、変形部材が大きく振動するようにできる。そのため、設置場所によらずに、大きな発電量を得ることができる。このとき、圧電効果を利用して電気的な制御により機械的な共振周波数の調整を行うので、例えば機械的に梁の長さを調整する機構を備える場合に比べて装置のサイズ（回路規模）の小型化を図ることができる。
【００５９】
Ａ−３．発電装置の動作（効率的な高い電圧の発生） ：
本実施例の発電装置が、効率的に高い電圧を発生させる仕組みについて、以下、図５〜図１２を参照して説明する。なお、図１〜図４と同じ要素には同じ符号を付しており説明を省略する。本実施例の発電装置では、得られる電圧は圧電材料の電気分極によって生じる電圧までに限られない。このとき、別途昇圧回路を設ける必要はなく、発電装置を小型化することができる。つまり、本実施例の発電装置は、前記の共振周波数の調整機能を備えつつ、小さな回路規模で高い電圧を発生させることができる。
【００６０】
図５は、本実施例の発電装置１００の電気的な構造を示した説明図である。図１（ｂ）と同じ構造であるが、図５では変位検出手段１４０を具体的に示している。なお、変位検出手段１４０は図１（ａ）では示されていない圧電部材１１０を含んでいるが、圧電部材１１０の設置の具体例については後述するものとし（図１１〜図１２参照）、ここでは図５を参照して効率的に高い電圧を発生させる発電装置の動作について説明する。
【００６１】
本実施例の発電装置１００では、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（コンデンサーＣｇ）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、共振回路内に（インダクターＬに対して直列に）設けられている。スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦは、制御回路１１２によって制御されている。
【００６２】
本実施例の発電装置１００では、変位検出手段１４０は、第２の圧電素子と電圧検出回路１２４とを含む。第２の圧電素子は圧電部材１１０、第１電極１１１ａおよび第２電極１１１ｂで構成される。図５のように、圧電部材１１０は、電気的には、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサーＣｓとして表すことができる。第２の圧電素子も第１の圧電素子、調整用圧電素子と同じように、梁１０４に設置されている。
【００６３】
電圧検出回路１２４は、梁１０４の変位と相関をもつ第２の圧電素子の電極間の電圧を検出して、変位情報として制御回路１１２に出力する。ここで、変位情報は振幅ｖ（図３（ｂ）参照）だけではなく、第２の圧電素子の出力電圧のピーク（極値）を表す信号を含む。
【００６４】
制御回路１１２は、前記のように振幅ｖの変化に基づいて、梁１０４の共振周波数と環境振動の周波数が一致するように、可変抵抗１１６の抵抗値を定める。さらに、本実施例の制御回路１１２は、第２の圧電素子の出力電圧のピークを表す信号に基づいてスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御する。
【００６５】
本実施例の発電装置１００では、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを適切に制御することで、別途昇圧回路を設けなくても、小さな回路規模で高い電圧を発生させることができる。以下では、このためのスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを適切な制御等について説明を行う。
【００６６】
図６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６（ａ）には、梁１０４の振動に伴って、梁１０４の先端の変位が変化する様子が示されている。なお、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６（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。なお、図６（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、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。
【００６７】
なお、前述したように、圧電部材１１０も梁１０４に設けられており、梁１０４が変形すると、圧電部材１１０も圧電部材１０８と同様に変形する。従って、圧電部材１１０の内部にも、圧電部材１０８と全く同様に、図６（ｂ）に示す電流Ｉpzt および電位差Ｖpzt が発生する。
【００６８】
図６（ａ）および図６（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の端子間電圧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５のスイッチＳＷをＯＦＦにしたままでも、図６（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。
【００６９】
本実施例の発電装置１００では、図６（ｃ）に示すタイミングで、スイッチＳＷをＯＮにする。すると、図６（ｄ）に示すように、圧電部材１０８を含む圧電素子の端子間（以下、単に圧電部材１０８の端子間と表す）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。例えば、図６（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６（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、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６（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。なお、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、第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間の電圧波形は、図６（ｄ）に太い実線で示した波形となる。
【００７０】
図６（ｂ）に示したスイッチＳＷをＯＦＦにしたままの場合と、図６（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、本実施例の発電装置１００は、スイッチＳＷを適切なタイミングでＯＮにするために、制御用の圧電部材１１０を設けておき、圧電部材１１０の電圧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。
【００７１】
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。例えば、図６（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６（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６（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。
【００７２】
Ａ−４．発電装置の動作原理（効率的な高い電圧の発生） ：
図７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８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７および図８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Ｃｇ（圧電部材１０８のコンデンサー）内での電荷の動きが、概念的に示されている。図７（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、Ｃｇ（圧電部材１０８のコンデンサー）に電荷が蓄積され、Ｖgen は正方向の電圧が発生する。電圧値は、圧電部材１０８の変形量が大きくなるほど増加する。そして、圧電部材１０８の変形量が極値となったタイミング（電荷量が極値となったタイミング（図７（ｂ）参照）で、スイッチＳＷをＯＮにする。
【００７３】
図７（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（圧電部材１０８のコンデンサー）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７（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。
【００７４】
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７（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７（ｅ）参照）。その結果、この起電力によってＣｇ（圧電部材１０８のコンデンサー）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７（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。
【００７５】
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７（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７（ｂ）〜図７（ｆ）を用いて前述したようにして、下面側に移動する。
【００７６】
このように、Ｃｇ（圧電部材１０８のコンデンサー）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共振回路の共振周期Ｔとなるから、Ｃｇ（圧電部材１０８のコンデンサー）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７（ｃ）に示した状態）から、図７（ｆ）に示した状態となるまでの時間は、Ｔ／２となる。
【００７７】
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８（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７（ａ）では、圧電部材１０８を上向きに変形させたが、図８（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、Ｖgen が負方向へ大きくなるようにＣｇに電荷が蓄積する。また、図７（ａ）〜図７（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８（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。
【００７８】
そして、圧電部材１０８の変形量が極値となったタイミング（電荷量が極値となったタイミング）でスイッチ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８（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８（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８（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。
【００７９】
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。
【００８０】
なお、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。前述の説明（および以下の説明）では便宜上“Ｔ／２（共振周期の半分）”としているが、これに限定されるものではなく、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。
【００８１】
図６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現象が生じる。すなわち、例えば図６（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の変形量が極値と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。なお、図７および図８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のコンデンサーと、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。
【００８２】
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６（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６（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。
【００８３】
また、図６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。
【００８４】
先ず、図６（ｄ）中の期間Ａあるいは期間Ｂに示したように、蓄電素子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。
【００８５】
加えて、図７および図８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内の電荷は増加し、圧電部材１０８の端子間の電圧は大きくなる。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。
【００８６】
Ａ−５．スイッチの切換タイミング（効率的な高い電圧の発生） ：
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ときに、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、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。もっとも、梁１０４の変形方向が切り換わるときにスイッチ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ときは、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ときに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、発電用の圧電部材１０８だけでなく、制御用の圧電部材１１０も設けておき、圧電部材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。
【００８７】
ここで、再び図３を参照して、制御用の圧電部材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。図３（ａ）には、梁１０４の変位が示されている。また、図３（ｂ）には、梁１０４の振動に伴って、圧電部材１１０に生じる起電力Ｖpzt が変化する様子が示されている。
【００８８】
図７および図８を用いて前述したように、梁１０４の変位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。そして、図３（ａ）と図３（ｂ）とを比較すれば明らかなように、梁１０４の変位が極値となるのは、圧電部材１１０の起電力Ｖpzt 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、圧電部材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、蓄電素子Ｃ１に電荷が流れたりする影響で、圧電部材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、圧電部材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、電荷の増減が圧電部材１１０の起電力Ｖpzt の変化に直接反映される。このため、圧電部材１１０の起電力Ｖpzt が極値となるタイミングは、梁１０４の変位が極値となるタイミングと一致するのである。
【００８９】
そこで、図３（ｂ）に矢印で示したように、圧電部材１１０の起電力Ｖpzt が極値となるタイミングを検出する。そして、図３（ｄ）のように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。
【００９０】
図９は、本実施例の制御処理を表すフローチャートである。本実施例では、制御回路１１２がこれらの処理を行う。なお、制御回路１１２はＣＰＵであってもよい。
【００９１】
発電装置が設置された場合、又は設置されてから所定の時間が経過すると、環境振動に合わせて変形部材の共振周波数の調整が行われる。図９のステップＳ２、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ８はこのときの制御処理を表す。まず、共振周波数調整手段１１９が含む可変抵抗１１６の抵抗値の変化により共振周波数が変化する（ステップＳ２）。ここでの共振周波数の変化とは、可変抵抗１１６の抵抗値が例えば最小値Ｒｍｉｎから時間の経過と共に徐々に大きくなることで生じる変化である（図４参照）。つまり、共振周波数としては徐々に低くなっていく。このとき、制御回路１１２は可変抵抗１１６に出力する制御信号を調整して、可変抵抗１１６の抵抗値を徐々に大きくしてもよい。
【００９２】
このとき、制御回路１１２は変位検出手段１４０から変位情報を受け取る（ステップＳ４）。ここでの変位情報とは、第２の圧電素子の電極間の電圧である（図５参照）。前記の通り、梁１０４の振動の振幅が極大値をとるとき、第２の圧電素子の電極間の電圧の振幅も極大値をとる。制御回路１１２は、可変抵抗１１６の抵抗値を変化させながら、この変位情報（電圧）の振幅の極大値を判断する（ステップＳ６）。極大値が得られるまで、制御回路１１２は共振周波数を変化させる（ステップＳ６：ｎｏ）。制御回路１１２は、例えば振幅の微分値を求めて、微分値の符号が変わったときの振幅を極大値であると判断してもよい。
【００９３】
そして、極大値が得られた（ステップＳ６：ｙｅｓ）後に、制御回路１１２は、振幅を極大値にするような抵抗値を指定する制御信号を生成し、可変抵抗１１６に出力する（Ｓ８）。これらの制御処理により、設置場所の環境振動の周波数と変形部材の共振周波数とを合わせて、変形部材が大きく振動するようにする。その結果、大きな発電量を得ることができる。そして、次にスイッチ制御処理（ステップＳ１０）を行い、別途昇圧回路を設けなくても、小さな回路規模で高い電圧を発生させることができる。
【００９４】
図１０は、スイッチ制御処理（ステップＳ１０）の詳細を表すフローチャートである。スイッチ制御処理では、制御用の圧電部材１１０の起電力を検出してスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを切り換える。
【００９５】
スイッチ制御処理を開始すると、制御回路１１２は、第２の圧電素子の出力電圧を検出する電圧検出回路１２４からの信号に基づいて、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Ｓ１００）。電圧検出回路１２４は、例えば電圧波形の微分を行って、微分値の符号の変化から、電圧値がピークに達したか否かを判断してもよい。
【００９６】
第２の圧電素子の出力電圧のピークを検出したら（ステップＳ１００：ｙｅｓ）、共振回路（圧電部材１０８のコンデンサー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にした後（ステップＳ１０２）、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のコンデンサー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の１／２の時間が、経過したか否かを判断する（ステップＳ１０６）。なお、第２の圧電素子の出力電圧のピークを検出しなかった場合は（ステップＳ１００：ｎｏ）検出するまで待機する。
【００９７】
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）。その後、スイッチ制御処理の先頭に戻って、上述した一連の処理を繰り返す。
【００９８】
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の動きに合わせて容易に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。
【００９９】
Ａ−６．圧電素子の設置例 ：
以上に説明した本実施例の発電装置１００は、第１の圧電素子、調整用圧電素子および第２の圧電素子が同じ変形部材（梁１０４）に設置されている。これらの設置の仕方によって、発電能力等に差が生じる。以下に、図１１〜図１２を参照して、いくつかの設置の例を説明する。なお、図１〜図１０と同じ要素については同じ符号を付しており、説明を省略する。
【０１００】
図１１は、第１の圧電素子と調整用圧電素子とが梁１０４の別の面に設けられる場合の設置例を示した説明図である。図１１（ａ）は、梁１０４の一方の面から見た平面図である。図１１（ｂ）は、梁１０４の他方の面から見た平面図である。図１１（ａ）には、梁１０４の一方の面に設けられた圧電部材１０８と第１電極１０９ａ、圧電部材１１０と第１電極１１１ａが示されている。圧電部材１０８と第１電極１０９ａは第１の圧電素子の構成要素であり、圧電部材１１０と第１電極１１１ａは第２の圧電素子の構成要素である。また、図１１（ｂ）には、梁１０４の他方の面に設けられた圧電部材１１４と第２電極１１５ｂが示されている。圧電部材１１４と第２電極１１５ｂは調整用圧電素子の構成要素である。
【０１０１】
このとき、調整用圧電素子の面積を大きくすることができる。そのため、梁１０４の共振周波数の調整能力を高くすることが可能となる。
【０１０２】
次に、図１１（ｃ）および図１１（ｄ）は、別の設置例である。図１１（ｃ）は、梁１０４の一方の面から見た平面図である。図１１（ｄ）は、梁１０４の他方の面から見た平面図である。図１１（ｃ）には、梁１０４の一方の面に設けられた圧電部材１０８と第１電極１０９ａが示されている。図１１（ｄ）には、梁１０４の他方の面に設けられた圧電部材１１４と第２電極１１５ｂ、圧電部材１１０と第２電極１１１ｂが示されている。この場合も、第１の圧電素子と調整用圧電素子とが梁１０４の別の面に設けられるが、図１１（ａ）および図１１（ｂ）で示した例とは異なり、発電用圧電素子として使用される第１の圧電素子の面積を大きくすることができる。そのため、発電能力を高くすることが可能となる。
【０１０３】
図１２は、第１の圧電素子と調整用圧電素子とが梁１０４の同じ面に設けられる場合の設置例を示した説明図である。第１の圧電素子および調整用圧電素子を、変形部材の同じ面に設けた場合、梁１０４の他方の面に第２の圧電素子を単独で設置することができる。
【０１０４】
図１２（ａ）は、第１の圧電素子と調整用圧電素子とが梁１０４の同じ面に設けられる場合の１つの設置例であり、梁１０４の一方の面から見た平面図である。図１２（ａ）には、圧電部材１０８と第１電極１０９ａ、圧電部材１１４と第１電極１１５ａが示されている。圧電部材１０８と第１電極１０９ａは第１の圧電素子の構成要素であり、圧電部材１１４と第１電極１１５ａは調整用圧電素子の構成要素である。図１２（ｂ）は、梁１０４の他方の面から見た平面図である。図１２（ｂ）には、梁１０４の一方の面に設けられた圧電部材１１０と第２電極１１１ｂが示されている。圧電部材１１０と第２電極１１１ｂは第２の圧電素子の構成要素である。
【０１０５】
このとき、第２の圧電素子の面積を大きくすることができる。そのため、制御用圧電素子として使用される第２の圧電素子の感度を高くすることが可能となる。
【０１０６】
このような圧電素子の設置の工夫により、梁１０４の共振周波数の調整能力を高めること、発電能力を高めること、又は制御用圧電素子の感度を高めることが可能となる。
【０１０７】
Ｂ．応用例 ：
前記の実施例において、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。そして、制御手段は、変位情報に基づいてスイッチを導通状態とするタイミングを定めることで、高い電圧での発電を可能にしていた。しかし、共振回路を含まずとも、共振周波数調整手段を備えることで、その共振周波数を調整して発電効率を高めることができる。
【０１０８】
図１３は、応用例の発電装置１００Ａの電気的な構造を示した説明図である。なお、図１（ｂ）と同じ要素には同じ符号を付しており説明を省略する。図１３と図１（ｂ）とを比較すると明らかなように、上述の実施例に対して応用例の発電装置１００Ａは、インダクターＬが接続されていない。すなわち、応用例の発電装置１００Ａ内には上述の実施例のようなＬＣ共振回路は構成されない。これにより、制御回路１１２に内蔵されたＣＰＵによって実行されるＬＣ共振回路を利用するための制御処理（図１０のスイッチ制御処理）を省略することができる。
【０１０９】
もちろん、応用例の発電装置１００Ａは、上述した実施例の発電装置１００のようにＬＣ共振回路を利用しないので、実施例の発電装置１００のような昇圧の効果を望むことはできない。しかし、共振周波数を調整する共振周波数調整手段を含むことで、変形部材の共振周波数を環境振動に合わせて調整することが可能である。具体的には、実施例と同様に、制御回路１１２が制御信号によって可変抵抗１１６の抵抗値を適切な値に設定して梁１０４の共振周波数を調整し、環境振動の周波数に合致させることができる。
【０１１０】
そのため、これらの発明の発電装置は、変形部材の共振周波数を調整することで、変形部材を環境振動に合わせて大きく振動させて、実施例ほどではないものの、比較的大きな発電量を得ることができる。このとき、機械的に梁の長さを調整する機構も、長さが互いに異なる複数の片持ち梁も不要であるため、装置のサイズを小さくすることが可能である。
【０１１１】
Ｃ．変形例 ：
前記の実施例の変位検出手段１４０は、第２の圧電素子と電圧検出回路１２４とを含んでいた。本変形例では、実施例の変位検出手段１４０に代えて、図１４の変位検出手段１４０ａを用いる。変位検出手段１４０ａは、第２の圧電素子と電流検出回路１２８とを含む。図３（ｃ）のように、電流Ｉpzt も変位Ｄｉの変化と対応し、変位情報として用いることが可能である。つまり、図３（ｃ）の矢印で示されるように、梁１０４の振動のピークと第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）とは対応している。例えば、制御回路１１２は、電流検出回路１２８から電流が０となるタイミングを表す信号を受け取り、スイッチＳＷ（図５参照）をＯＮ状態にすればよい。
【０１１２】
電流検出回路１２８は、例えば、電流検出器、増幅回路、絶対値回路、比較器を順に接続して構成されていてもよい。電流検出器は一般的に知られている、たと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。増幅回路は、電流検出器の出力信号を所定のゲインで増幅する。絶対値回路は、増幅回路の出力信号の絶対値信号を出力する。そして、比較器は、絶対値回路の出力信号を２値化（パルス化）して出力する。電流が０になるタイミングは、この比較器の出力信号の立ち下がりエッジにより把握することができる。
【０１１３】
Ｄ．その他 ：
以上、各種の実施例等について説明したが、本発明はこれらの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。
【０１１４】
例えば、上述した実施例等では、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や圧電部材１１０など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や圧電部材１１０などを取り付けても良い。
【０１１５】
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。このとき、変形部材の共振周波数は設置場所に応じて調整され、効率的な発電を行うことができる。
【０１１６】
なお、本発明の発電装置は小型化が可能であるが、設置する対象は電子機器に限らない。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。
【０１１７】
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。このとき、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。
【符号の説明】
【０１１８】
１００…発電装置、１０２…支持端、１０４…梁、１０６…錘、１０８，１１０，１１４…圧電部材、１０９ａ，１１１ａ，１１５ａ…第１電極、１０９ｂ，１１１ｂ，１１５ｂ…第２電極、１１２…制御回路、１１６…可変抵抗、１１９，１１９ａ…共振周波数調整手段、１２０…全波整流回路、１２４…電圧検出回路、１２８…電流検出回路、１４０，１４０ａ…変位検出手段、Ｌ…インダクター、Ｃ１…蓄電素子、Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード、ＳＷ…スイッチ
【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、その制御方法、この発電装置を含む電子機器、および移動手段等に関する。
【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。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）。この技術を用いれば、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
【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、適当な外力が得られない場所に設置された場合に発電量が低下するという問題があった。つまり、外力による振動（以下、環境振動）が、圧電材料の薄板を貼り付けた片持ち梁の共振周波数と一致しない場合には、圧電材料の変形が小さいために発電量が低下してしまう。しかし、片持ち梁の共振周波数は、例えば梁の長さ、厚さ、材質、錘の重さ等に依存し、製造出荷時に決定されることが多い。そのため、設置場所の環境振動に合わせて調整することは一般に困難であった。
【０００６】
この問題に対して、例えば発電装置に機械的に梁の長さを調整する機構を追加する解決策が考えられる。また、例えば梁の長さが互いに異なる片持ち梁を複数備える発電装置を用いるという解決策も考えられる。前者の場合には、例えば使用者が設置場所において片持ち梁の共振周波数の調整を行う。後者の場合には、いずれかの片持ち梁の共振周波数が環境振動の周波数と一致することを期待できる。しかし、いずれの場合にも、発電装置のサイズが大きくなってしまう。
【０００７】
この発明は、上述した課題を解決するためになされたものである。本発明のいくつかの態様によれば、圧電材料の圧電効果を利用した発電装置であって、小さな回路規模ながら共振周波数を調整して大きな発電量を得ることができる発電装置等を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明は、発電装置であって、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第１の圧電素子と、前記変形部材の変形による変位に関する情報である変位情報を生成する変位検出手段と、前記変形部材に設けられた調整用圧電素子を含み、制御信号に基づいて前記変形部材の共振周波数を調整する共振周波数調整手段と、前記第１の圧電素子を含む共振回路を構成するインダクターと、前記共振回路に設けられたスイッチと、前記変位情報に基づいて前記制御信号を生成し、前記変位情報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手段と、を備える。
【０００９】
（２）この発電装置において、前記共振周波数調整手段は、前記調整用圧電素子の一対の電極に接続された可変抵抗を含み、前記制御信号に基づいて前記可変抵抗の抵抗値を変化させてもよい。
【００１０】
（３）この発電装置において、前記変位検出手段は、前記変形部材に設けられた第２の圧電素子と、前記第２の圧電素子に生じた電圧を検出する電圧検出回路と、を含み、前記電圧検出回路が検出した電圧に基づいて前記変位情報を生成してもよい。
【００１１】
（４）この発電装置において、前記変位検出手段は、前記変形部材に設けられた第２の圧電素子と、前記第２の圧電素子から流れる電流を検出する電流検出回路と、を含み、前記電流検出回路が検出した電流に基づいて前記変位情報を生成してもよい。
【００１２】
これらの発明は、第１の圧電素子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第１の圧電素子も変形する。その結果、第１の圧電素子には、圧電効果によって正負の電荷が発生する。なお、電荷の発生量は、第１の圧電素子の変形量が大きくなるほど多くなる。
【００１３】
ここで、変形部材の共振周波数と環境振動の周波数とが同じであれば、変形部材は大きく振動し、大きな発電量を得られることが知られている。しかし、環境振動は発電装置の設置場所の環境により様々であり、変形部材の共振周波数と同じ環境振動の周波数が得られるとは限らない。これらの発明は、共振周波数を調整する共振周波数調整手段を含むことで、変形部材の共振周波数を環境振動に合わせて調整することが可能である。
【００１４】
共振周波数調整手段は、変形部材に設けられた調整用圧電素子を含み、その圧電効果又は逆圧電効果を利用して共振周波数の調整を行う。例えば、共振周波数調整手段は、調整用圧電素子の一対の電極に接続された可変抵抗を含み、制御信号に基づいて可変抵抗の抵抗値を変化させてもよい。例えば、抵抗値を小さくすると、圧電効果によって電極に生じた正負の電荷が可変抵抗を通じて流れやすくなる。そのため、電極に生じた電荷が減少することになるので、調整用圧電素子の歪が元にもどる方向に力が作用する。ここで、調整用圧電素子は変形部材に設けられているので、変形部材が歪にくくなり、その共振周波数が高くなる。なお、共振周波数を高くする必要がない場合には、抵抗値を十分大きな値にすればよい。
【００１５】
ここで、共振周波数調整手段に入力される制御信号は、変位情報に基づいて制御手段が生成する。変位情報は、変形部材の変形による変位に関する情報である。変位検出手段は、例えば直接変形部材の変形を測定して変位情報を生成してもよいし、変形部材の変位に対応して変化する信号に基づいて変位情報を生成してもよい。変形部材の共振周波数と環境振動の周波数とが同じであれば、変形部材は大きく振動し、その振幅がピーク（極大値）となる。例えば、制御手段は最初に制御信号によって可変抵抗の抵抗値をスイープし振幅がピーク（極大値）となる特定の抵抗値を決定してもよい。そして、特定の抵抗値又は電圧値を指定する制御信号を共振周波数調整手段に与えてもよい。
【００１６】
このように、これらの発明の発電装置は、変形部材の共振周波数を調整することで、変形部材を環境振動に合わせて大きく振動させて、大きな発電量を得ることができる。このとき、機械的に梁の長さを調整する機構も、長さが互いに異なる複数の片持ち梁も不要であるため、装置のサイズを小さくすることが可能である。
【００１７】
また、これらの発明では、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。そして、制御手段がスイッチを適切なタイミングで導通状態とすることで、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、昇圧回路を別途用意する必要のない小さな回路規模で、高い電圧を得ることが可能になる。
【００１８】
ここで、制御手段は、変位情報に基づいてスイッチを導通状態とするタイミングを定めることで、効率的な発電を可能にする。前記のように、変位情報は、変形部材の変形による変位に関する情報であって、変位検出手段によって生成される。このとき、変位検出手段は変位情報を第２の圧電素子の電圧を検出することで得てもよい。又は、変位検出手段は変位情報を第２の圧電素子の電流を検出することで得てもよい。
【００１９】
このとき、スイッチ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（および第２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（および第２の圧電素子）で発生した電荷が最も多くなった時に、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。そして、第１の圧電素子およ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の圧電素子およ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。従って、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。そして、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。また、第１の圧電素子内に電荷が蓄積されるに従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。更に、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の圧電素子および第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。そして、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、例えば第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。
【００２０】
（５）この発電装置において、前記第１の圧電素子と前記調整用圧電素子とは、前記変形部材の異なる面に設けられていてもよい。
【００２１】
本発明によれば、第１の圧電素子と調整用圧電素子とを、変形部材の異なる面に設けるので、第１の圧電素子の設置面積を大きくすることができ、高い発電能力を確保することが可能である。仮に、第１の圧電素子および調整用圧電素子を、変形部材の同じ面に設けたとすると、互いの設置面積が狭くなるおそれがあるからである。
【００２２】
また、調整用圧電素子についても、設置面積を大きくすることができるので、変形部材の共振周波数の調整範囲を広げることが可能になる。
【００２３】
（６）この発電装置において、前記第１の圧電素子と前記調整用圧電素子とは、前記変形部材の同じ面に設けられていてもよい。
【００２４】
本発明によれば、第１の圧電素子および調整用圧電素子が、変形部材の同じ面に設けられていれば、第１の圧電素子および調整用圧電素子を一度に（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。
【００２５】
このとき、第２の圧電素子がある場合には、第２の圧電素子を変形部材の異なる面に設けてもよい。第２の圧電素子は設置面積を大きくすることができるので、変位検出手段は、例えば前記第２の圧電素子に生じた電圧等に基づいて検出する変位情報の精度を高めることができる。
【００２６】
（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第１の圧電素子と、前記変形部材の変形による変位に関する情報である変位情報を生成する変位検出手段と、前記変形部材に設けられた調整用圧電素子を含み、制御信号に基づいて前記変形部材の共振周波数を調整する共振周波数調整手段と、を備える発電装置の制御方法であって、前記変位情報を取得するステップと、前記変位情報に基づいて前記制御信号を生成するステップと、を含む。
【００２７】
本発明によれば、制御信号に基づいて共振周波数を調整する共振周波数調整手段を含む発電装置で、変位情報を取得するステップと、変位情報に基づいて制御信号を生成するステップと、を含む制御を行う。なお、生成される制御信号とは、前記のように、変位情報として与えられる信号の振幅がピークとなる特定の抵抗値等を指定する制御信号である。このとき、変形部材の共振周波数を調整することで、変形部材を環境振動に合わせて大きく振動させて、大きな発電量を得ることができる。また、機械的に梁の長さを調整する機構等と異なり、使用者に調整作業をさせることなく、自動的に共振周波数の調整が可能である。
【００２８】
（８）本発明は、前記のいずれかに記載の発電装置を含む電子機器である。
【００２９】
（９）本発明は、前記のいずれかに記載の発電装置を含む移動手段である。
【００３０】
これらの発明は、前記の発電装置を電池の代わりに組み込んだ例えばリモコン等の小型電子機器、又は前記の発電装置を搭載した例えば車両や電車等の移動手段である。この電子機器は、例えば持ち運ばれるとき、又は使用されるときに、振動が伴うことで発電が可能である。この電子機器では、電池交換といった作業も不要である。また、この移動手段（例えば車両や電車等）は、その移動に伴う振動により発電し、例えば移動手段に備わる機器に電力供給することが可能である。電子機器に搭載された場合も、移動手段に搭載された場合も、環境振動に応じて変形部材の共振周波数を調整するので発電効率を高めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【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】本実施例の蓄電素子における充電についての説明図である。
【図３】変形部材の変位と電気信号との相関関係についての説明図である。
【図４】本実施例の変形部材の振幅と可変抵抗の抵抗値の関係についての説明図である。
【図５】本実施例の発電装置の構造を詳細に示した説明図である。
【図６】本実施例の発電装置の動作を示した説明図である。
【図７】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８】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９】本実施例の制御処理を示したフローチャートである。
【図１０】スイッチ制御処理を示したフローチャートである。
【図１１】第１、第２の圧電素子および調整用圧電素子の設置例を示した図である。
【図１２】第１、第２の圧電素子および調整用圧電素子の別の設置例を示した図である。
【図１３】応用例の発電装置の電気的な構造を示した説明図である。
【図１４】変形例の調整用圧電素子の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
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．実施例：
Ａ−１．発電装置の構造：
Ａ−２．発電装置の動作（共振周波数の調整）：
Ａ−３．発電装置の動作（効率的な高い電圧の発生）：
Ａ−４．発電装置の動作原理（効率的な高い電圧の発生）：
Ａ−５．スイッチの切換タイミング（効率的な高い電圧の発生）：
Ａ−６．圧電素子の設置例：
Ｂ．応用例：
Ｃ．変形例：
Ｄ．その他：
【００３３】
Ａ．実施例 ：
本実施例の発電装置について、図１〜図１２を参照して説明する。
【００３４】
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。
【００３５】
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および圧電部材１１４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１０９ａ、第２電極１０９ｂがそれぞれ設けられている。圧電部材１０８、第１電極１０９ａ、および第２電極１０９ｂで圧電素子（以下、第１の圧電素子）を構成している。また、圧電部材１１４についても同様に、金属薄膜によって形成された第１電極１１５ａ、第２電極１１５ｂが設けられている。圧電部材１１４、第１電極１１５ａ、および第２電極１１５ｂで圧電素子（以下、調整用圧電素子）を構成している。
【００３６】
図１（ａ）に示す例では、圧電部材１１４の長さ（梁１０４の長手方向）および幅（支持端１０２の長手方向）は圧電部材１０８と同じである。しかし、圧電部材１１４と圧電部材１０８とは、長さおよび幅の少なくとも一方が異なっていてもよい。なお、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、下面側に圧電部材１１４が設けられているが、これらの圧電部材を設ける面が互いに逆であってもよい。また、後述するように圧電部材の同じ面に設けられていてもよい。ここで、圧電部材１０８および圧電部材１１４は梁１０４に設置され、梁１０４の変形によって変形する。梁１０４は本発明の「変形部材」に相当する。
【００３７】
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および圧電部材１１４には、圧縮力および引張力が交互に作用する。圧電部材１０８、圧電部材１１４のそれぞれは圧電効果によって正負の電荷を発生し、圧電部材１０８の電荷は第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂに、圧電部材１１４の電荷は第１電極１１５ａおよび第２電極１１５ｂ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。
【００３８】
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Ｃｇとして表すことができる。同様に圧電部材１１４も、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサーＣａとして表すことができる。
【００３９】
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。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コンデンサー（蓄電素子Ｃ１）が接続されている。本実施例では、第１の圧電素子は発電用圧電素子として用いられる。
【００４０】
調整用圧電素子の１対の電極である第１電極１１５ａおよび第２電極１１５ｂは、可変抵抗１１６によって接続されている。本実施例の共振周波数調整手段１１９は、調整用圧電素子と可変抵抗１１６とを含む。可変抵抗１１６の抵抗値は、制御回路１１２（制御手段に相当）からの制御信号によって変更される。
【００４１】
梁１０４が振動すると、調整用圧電素子も変形し、圧電効果によって第１電極１１５ａおよび第２電極１１５ｂに正負の電荷が現れる。ここで、両電極は可変抵抗１１６を介して接続されている。例えば可変抵抗１１６の抵抗値を小さくすると、調整用圧電素子の変形によって生じた電荷は可変抵抗１１６を経由して直ちに他方の電極へと流れ込む。すると、両電極に生じた電荷が減少することになるので、調整用圧電素子の歪が元にもどる方向に力が作用する。つまり、変形部材が歪にくくなり、その共振周波数が高くなる。つまり、抵抗値を小さくするに従い変形部材の共振周波数を高くする調整ができる。なお、調整が不要な場合には、可変抵抗１１６経由の電荷の流れがなくなるように、抵抗値を十分大きな値にすればよい。
【００４２】
ここで、制御回路１１２は、変位検出手段１４０から変位情報を受け取る。変位情報とは変形部材（梁１０４）の変形による変位に関する情報である。本実施例では、梁１０４の先端が繰り返し振動しており、変位情報としてその振幅のみが用いられるとする。制御回路１１２は、例えば振幅が極大値となるような抵抗値を指定する制御信号を生成する。このような構造の発電装置１００により、環境振動の周波数と変形部材の共振周波数とが同じになるように調整することができる。
【００４３】
なお、本実施例の発電装置では、第１の圧電素子はインダクターＬ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ＳＷが設けられている。そして、制御回路１１２は、変位情報に基づいてスイッチＳＷを導通状態とするタイミングを定めることで、効率的な高い電圧の発生を可能にする。なお、この共振回路のスイッチＳＷの動作については後述するものとし、まず、変形部材（梁１０４）の共振周波数の調整に関する事項について説明する。
【００４４】
Ａ−２．発電装置の動作（共振周波数の調整） ：
図２は、本実施例の蓄電素子Ｃ１の充電について説明する図である。前記のように第１の圧電素子は発電用圧電素子として用いられる。ここで、発生する電荷の量は、第１の圧電素子の変形量が大きくなるほど多くなる。すなわち、発電量を大きくするためには、梁１０４が大きく歪む必要がある。
【００４５】
ここで、本実施例では、第１の圧電素子の第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。そして、整流後の電流が蓄電素子Ｃ１に蓄えられる。ここで、第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂの電位差Ｖｇｅｎ（図１（ｂ）参照）が、蓄電素子Ｃ１の端子間電圧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。
【００４６】
例えば、図２（ａ）は、環境振動の周波数と梁１０４の共振周波数とが一致しないため、梁１０４の振動の振幅が小さく、第１の圧電素子に圧電効果で生じた電位差ＶｇｅｎがＶＣ１＋２Ｖｆよりも小さい場合を示す。このとき、蓄電素子Ｃ１は充電されない。
【００４７】
ここで、環境振動の周波数と梁１０４の共振周波数とが一致するように調整できれば、梁１０４の振動の振幅を大きくし、図２（ｂ）のように電位差ＶｇｅｎをＶＣ１＋２Ｖｆよりも大きくできる可能性がある。このとき、ＶＣ１＋２Ｖｆを超える斜線の部分における電荷を直流電流として取り出して、蓄電素子Ｃ１に蓄えることができる。
【００４８】
前記のように制御回路１１２は制御信号によって可変抵抗１１６の抵抗値を適切な値に設定する。つまり、梁１０４の共振周波数を調整して、環境振動の周波数に合致させる。ここで、抵抗値の「適切な値」の決定は、例えば発電装置が設置場所に初めて置かれたとき、又は設置されてから所定の時間が経過する毎に、実際の環境振動に基づいて行われることが好ましい。
【００４９】
図３（ａ）は梁１０４の変位Ｄｉを表す。梁１０４は環境振動によって振幅ｕの振動を繰り返す。ここで、環境振動の周波数と梁１０４の共振周波数とが同じになった場合には、梁１０４は大きく振動するので、振幅ｕは極大値をとる。そこで、制御回路１１２は、変位検出手段１４０から変位情報として振幅ｕを受け取りながら、制御信号を変化させて可変抵抗１１６の抵抗値Ｒを最小値Ｒｍｉｎから最大値Ｒｍａｘまでスイープさせる。そして、振幅ｕの変化を測定し、振幅ｕを極大値にする抵抗値を求める。
【００５０】
図４は、振幅ｕと抵抗値Ｒの関係を表す１つの例を表す。このとき、可変抵抗１１６の抵抗値をＲ０としたときに、環境振動の周波数と梁１０４の共振周波数とが同じになり、梁１０４の振幅ｕは極大値ｕ０をとる。制御回路１１２は、このような振幅ｕの変化を測定し、その後、抵抗値をＲ０にさせる制御信号を生成して可変抵抗１１６に出力する。
【００５１】
ここで、制御回路１１２は、可変抵抗１１６の抵抗値を最小値Ｒｍｉｎから最大値Ｒｍａｘまでスイープさせたときの振幅ｕをメモリー等に保存し、全ての値が得られた後に大小比較を行って極大値ｕ０を決定してもよい。また、制御回路１１２は、可変抵抗１１６の抵抗値を最小値Ｒｍｉｎから最大値Ｒｍａｘまでスイープさせながら、振幅ｕの微分値を求めて微分値の符号が変わったときの振幅ｕの値を極大値としてもよい。
【００５２】
変位情報を制御回路１１２に与える変位検出手段１４０は、例えば変位センサーであって直接に梁１０４の変位を測定してもよい。変位センサーを用いることで高い精度の測定が可能になる。このとき、変位センサーは梁１０４の先端部分の上方、又は下方の筐体に設置されていてもよい。変位センサーの種類としては、例えば応答周波数の高い非接触型の渦電流式のセンサーや光学式のセンサーであってもよい。
【００５３】
ただし、変位検出手段１４０として変位センサーを用いた場合、変位センサーの種類によっては発電装置のサイズが大きくなる可能性がある。そのため、梁１０４の変位と相関をもつ信号等を検出する手段を変位検出手段１４０として、当該信号（共振周波数の調整の場面では特にその振幅）を変位情報として出力してもよい。
【００５４】
例えば、図３（ｂ）、図３（ｃ）は、それぞれ、梁１０４の変位Ｄｉ（図３（ａ））に対応して発生する、梁１０４に設置された圧電素子の電位差Ｖpzt、電流Ｉpzt を表す。「梁１０４に設置された圧電素子」は、第１の圧電素子や調整用圧電素子を含み、さらに後述するように第２の圧電素子が梁１０４に設置される場合（図５参照）には、第２の圧電素子も含む。
【００５５】
図３（ｂ）、図３（ｃ）のように、それぞれ電位差Ｖpzt、電流Ｉpzt はサインカーブを描くが、振幅ｕの極大値に対応して、それぞれの振幅ｖ、振幅iも極大値をとる。つまり、梁１０４の振動の振幅が極大値のとき、梁１０４に設置された圧電素子も大きく変形するので、圧電素子の電極に現れる電荷量も極大となる。すると、電位差Ｖpzt、電流Ｉpzt の振幅ｖ、振幅iも極大値をとることになる。このとき、変位情報を受け取る制御回路１１２は、振幅ｕの極大値を求めるのと同様の手法で、振幅ｖ、振幅iについて極大値を求めることが可能である。
【００５６】
よって、変位検出手段１４０は、梁１０４に設置された圧電素子の電圧検出回路であってもよい。例えば第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂの間の電位差の振幅ｖを変位情報として出力してもよい。また、変位検出手段１４０は、梁１０４に設置された圧電素子の電流検出回路であってもよい。例えば圧電部材１０８の第１電極１０９ａからダイオードＤ１のアノードに流れる電流の振幅iを変位情報として出力してもよい。本実施例の変位検出手段１４０は具体的には電圧検出回路であるが、その構成等については後述する。
【００５７】
なお、梁１０４の振動の振幅が極大値のとき、蓄電素子Ｃ１への充電される電荷量も極大となる。そのため、変位検出手段１４０は蓄電電圧検出回路（図外）であって、蓄電素子Ｃ１の端子間電圧ＶＣ１を変位情報として制御回路１１２に出力してもよい。
【００５８】
以上のように、本実施例の発電装置１００は、設置場所において環境振動に応じて変形部材の共振周波数を調整して、変形部材が大きく振動するようにできる。そのため、設置場所によらずに、大きな発電量を得ることができる。このとき、圧電効果を利用して電気的な制御により機械的な共振周波数の調整を行うので、例えば機械的に梁の長さを調整する機構を備える場合に比べて装置のサイズ（回路規模）の小型化を図ることができる。
【００５９】
Ａ−３．発電装置の動作（効率的な高い電圧の発生） ：
本実施例の発電装置が、効率的に高い電圧を発生させる仕組みについて、以下、図５〜図１２を参照して説明する。なお、図１〜図４と同じ要素には同じ符号を付しており説明を省略する。本実施例の発電装置では、得られる電圧は圧電材料の電気分極によって生じる電圧までに限られない。このとき、別途昇圧回路を設ける必要はなく、発電装置を小型化することができる。つまり、本実施例の発電装置は、前記の共振周波数の調整機能を備えつつ、小さな回路規模で高い電圧を発生させることができる。
【００６０】
図５は、本実施例の発電装置１００の電気的な構造を示した説明図である。図１（ｂ）と同じ構造であるが、図５では変位検出手段１４０を具体的に示している。なお、変位検出手段１４０は図１（ａ）では示されていない圧電部材１１０を含んでいるが、圧電部材１１０の設置の具体例については後述するものとし（図１１〜図１２参照）、ここでは図５を参照して効率的に高い電圧を発生させる発電装置の動作について説明する。
【００６１】
本実施例の発電装置１００では、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（コンデンサーＣｇ）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、共振回路内に（インダクターＬに対して直列に）設けられている。スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦは、制御回路１１２によって制御されている。
【００６２】
本実施例の発電装置１００では、変位検出手段１４０は、第２の圧電素子と電圧検出回路１２４とを含む。第２の圧電素子は圧電部材１１０、第１電極１１１ａおよび第２電極１１１ｂで構成される。図５のように、圧電部材１１０は、電気的には、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサーＣｓとして表すことができる。第２の圧電素子も第１の圧電素子、調整用圧電素子と同じように、梁１０４に設置されている。
【００６３】
電圧検出回路１２４は、梁１０４の変位と相関をもつ第２の圧電素子の電極間の電圧を検出して、変位情報として制御回路１１２に出力する。ここで、変位情報は振幅ｖ（図３（ｂ）参照）だけではなく、第２の圧電素子の出力電圧のピーク（極値）を表す信号を含む。
【００６４】
制御回路１１２は、前記のように振幅ｖの変化に基づいて、梁１０４の共振周波数と環境振動の周波数が一致するように、可変抵抗１１６の抵抗値を定める。さらに、本実施例の制御回路１１２は、第２の圧電素子の出力電圧のピークを表す信号に基づいてスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御する。
【００６５】
本実施例の発電装置１００では、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを適切に制御することで、別途昇圧回路を設けなくても、小さな回路規模で高い電圧を発生させることができる。以下では、このためのスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを適切な制御等について説明を行う。
【００６６】
図６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６（ａ）には、梁１０４の振動に伴って、梁１０４の先端の変位が変化する様子が示されている。なお、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６（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。なお、図６（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、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。
【００６７】
なお、前述したように、圧電部材１１０も梁１０４に設けられており、梁１０４が変形すると、圧電部材１１０も圧電部材１０８と同様に変形する。従って、圧電部材１１０の内部にも、圧電部材１０８と全く同様に、図６（ｂ）に示す電流Ｉpzt および電位差Ｖpzt が発生する。
【００６８】
図６（ａ）および図６（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の端子間電圧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５のスイッチＳＷをＯＦＦにしたままでも、図６（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。
【００６９】
本実施例の発電装置１００では、図６（ｃ）に示すタイミングで、スイッチＳＷをＯＮにする。すると、図６（ｄ）に示すように、圧電部材１０８を含む圧電素子の端子間（以下、単に圧電部材１０８の端子間と表す）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。例えば、図６（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６（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、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６（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。なお、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、第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間の電圧波形は、図６（ｄ）に太い実線で示した波形となる。
【００７０】
図６（ｂ）に示したスイッチＳＷをＯＦＦにしたままの場合と、図６（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、本実施例の発電装置１００は、スイッチＳＷを適切なタイミングでＯＮにするために、制御用の圧電部材１１０を設けておき、圧電部材１１０の電圧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。
【００７１】
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。例えば、図６（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６（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６（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。
【００７２】
Ａ−４．発電装置の動作原理（効率的な高い電圧の発生） ：
図７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８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７および図８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Ｃｇ（圧電部材１０８のコンデンサー）内での電荷の動きが、概念的に示されている。図７（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、Ｃｇ（圧電部材１０８のコンデンサー）に電荷が蓄積され、Ｖgen は正方向の電圧が発生する。電圧値は、圧電部材１０８の変形量が大きくなるほど増加する。そして、圧電部材１０８の変形量が極値となったタイミング（電荷量が極値となったタイミング（図７（ｂ）参照）で、スイッチＳＷをＯＮにする。
【００７３】
図７（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（圧電部材１０８のコンデンサー）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７（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。
【００７４】
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７（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７（ｅ）参照）。その結果、この起電力によってＣｇ（圧電部材１０８のコンデンサー）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７（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。
【００７５】
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７（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７（ｂ）〜図７（ｆ）を用いて前述したようにして、下面側に移動する。
【００７６】
このように、Ｃｇ（圧電部材１０８のコンデンサー）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共振回路の共振周期Ｔとなるから、Ｃｇ（圧電部材１０８のコンデンサー）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７（ｃ）に示した状態）から、図７（ｆ）に示した状態となるまでの時間は、Ｔ／２となる。
【００７７】
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８（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７（ａ）では、圧電部材１０８を上向きに変形させたが、図８（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、Ｖgen が負方向へ大きくなるようにＣｇに電荷が蓄積する。また、図７（ａ）〜図７（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８（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。
【００７８】
そして、圧電部材１０８の変形量が極値となったタイミング（電荷量が極値となったタイミング）でスイッチ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８（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８（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８（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。
【００７９】
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。
【００８０】
なお、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。前述の説明（および以下の説明）では便宜上“Ｔ／２（共振周期の半分）”としているが、これに限定されるものではなく、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。
【００８１】
図６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現象が生じる。すなわち、例えば図６（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の変形量が極値と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。なお、図７および図８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のコンデンサーと、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。
【００８２】
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６（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６（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。
【００８３】
また、図６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。
【００８４】
先ず、図６（ｄ）中の期間Ａあるいは期間Ｂに示したように、蓄電素子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。
【００８５】
加えて、図７および図８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内の電荷は増加し、圧電部材１０８の端子間の電圧は大きくなる。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。
【００８６】
Ａ−５．スイッチの切換タイミング（効率的な高い電圧の発生） ：
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ときに、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、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。もっとも、梁１０４の変形方向が切り換わるときにスイッチ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ときは、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ときに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、発電用の圧電部材１０８だけでなく、制御用の圧電部材１１０も設けておき、圧電部材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。
【００８７】
ここで、再び図３を参照して、制御用の圧電部材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。図３（ａ）には、梁１０４の変位が示されている。また、図３（ｂ）には、梁１０４の振動に伴って、圧電部材１１０に生じる起電力Ｖpzt が変化する様子が示されている。
【００８８】
図７および図８を用いて前述したように、梁１０４の変位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。そして、図３（ａ）と図３（ｂ）とを比較すれば明らかなように、梁１０４の変位が極値となるのは、圧電部材１１０の起電力Ｖpzt 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、圧電部材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、蓄電素子Ｃ１に電荷が流れたりする影響で、圧電部材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、圧電部材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、電荷の増減が圧電部材１１０の起電力Ｖpzt の変化に直接反映される。このため、圧電部材１１０の起電力Ｖpzt が極値となるタイミングは、梁１０４の変位が極値となるタイミングと一致するのである。
【００８９】
そこで、図３（ｂ）に矢印で示したように、圧電部材１１０の起電力Ｖpzt が極値となるタイミングを検出する。そして、図３（ｄ）のように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。
【００９０】
図９は、本実施例の制御処理を表すフローチャートである。本実施例では、制御回路１１２がこれらの処理を行う。なお、制御回路１１２はＣＰＵであってもよい。
【００９１】
発電装置が設置された場合、又は設置されてから所定の時間が経過すると、環境振動に合わせて変形部材の共振周波数の調整が行われる。図９のステップＳ２、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ８はこのときの制御処理を表す。まず、共振周波数調整手段１１９が含む可変抵抗１１６の抵抗値の変化により共振周波数が変化する（ステップＳ２）。ここでの共振周波数の変化とは、可変抵抗１１６の抵抗値が例えば最小値Ｒｍｉｎから時間の経過と共に徐々に大きくなることで生じる変化である（図４参照）。つまり、共振周波数としては徐々に低くなっていく。このとき、制御回路１１２は可変抵抗１１６に出力する制御信号を調整して、可変抵抗１１６の抵抗値を徐々に大きくしてもよい。
【００９２】
このとき、制御回路１１２は変位検出手段１４０から変位情報を受け取る（ステップＳ４）。ここでの変位情報とは、第２の圧電素子の電極間の電圧である（図５参照）。前記の通り、梁１０４の振動の振幅が極大値をとるとき、第２の圧電素子の電極間の電圧の振幅も極大値をとる。制御回路１１２は、可変抵抗１１６の抵抗値を変化させながら、この変位情報（電圧）の振幅の極大値を判断する（ステップＳ６）。極大値が得られるまで、制御回路１１２は共振周波数を変化させる（ステップＳ６：ｎｏ）。制御回路１１２は、例えば振幅の微分値を求めて、微分値の符号が変わったときの振幅を極大値であると判断してもよい。
【００９３】
そして、極大値が得られた（ステップＳ６：ｙｅｓ）後に、制御回路１１２は、振幅を極大値にするような抵抗値を指定する制御信号を生成し、可変抵抗１１６に出力する（Ｓ８）。これらの制御処理により、設置場所の環境振動の周波数と変形部材の共振周波数とを合わせて、変形部材が大きく振動するようにする。その結果、大きな発電量を得ることができる。そして、次にスイッチ制御処理（ステップＳ１０）を行い、別途昇圧回路を設けなくても、小さな回路規模で高い電圧を発生させることができる。
【００９４】
図１０は、スイッチ制御処理（ステップＳ１０）の詳細を表すフローチャートである。スイッチ制御処理では、制御用の圧電部材１１０の起電力を検出してスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを切り換える。
【００９５】
スイッチ制御処理を開始すると、制御回路１１２は、第２の圧電素子の出力電圧を検出する電圧検出回路１２４からの信号に基づいて、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Ｓ１００）。電圧検出回路１２４は、例えば電圧波形の微分を行って、微分値の符号の変化から、電圧値がピークに達したか否かを判断してもよい。
【００９６】
第２の圧電素子の出力電圧のピークを検出したら（ステップＳ１００：ｙｅｓ）、共振回路（圧電部材１０８のコンデンサー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にした後（ステップＳ１０２）、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のコンデンサー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の１／２の時間が、経過したか否かを判断する（ステップＳ１０６）。なお、第２の圧電素子の出力電圧のピークを検出しなかった場合は（ステップＳ１００：ｎｏ）検出するまで待機する。
【００９７】
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）。その後、スイッチ制御処理の先頭に戻って、上述した一連の処理を繰り返す。
【００９８】
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の動きに合わせて容易に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。
【００９９】
Ａ−６．圧電素子の設置例 ：
以上に説明した本実施例の発電装置１００は、第１の圧電素子、調整用圧電素子および第２の圧電素子が同じ変形部材（梁１０４）に設置されている。これらの設置の仕方によって、発電能力等に差が生じる。以下に、図１１〜図１２を参照して、いくつかの設置の例を説明する。なお、図１〜図１０と同じ要素については同じ符号を付しており、説明を省略する。
【０１００】
図１１は、第１の圧電素子と調整用圧電素子とが梁１０４の別の面に設けられる場合の設置例を示した説明図である。図１１（ａ）は、梁１０４の一方の面から見た平面図である。図１１（ｂ）は、梁１０４の他方の面から見た平面図である。図１１（ａ）には、梁１０４の一方の面に設けられた圧電部材１０８と第１電極１０９ａ、圧電部材１１０と第１電極１１１ａが示されている。圧電部材１０８と第１電極１０９ａは第１の圧電素子の構成要素であり、圧電部材１１０と第１電極１１１ａは第２の圧電素子の構成要素である。また、図１１（ｂ）には、梁１０４の他方の面に設けられた圧電部材１１４と第２電極１１５ｂが示されている。圧電部材１１４と第２電極１１５ｂは調整用圧電素子の構成要素である。
【０１０１】
このとき、調整用圧電素子の面積を大きくすることができる。そのため、梁１０４の共振周波数の調整能力を高くすることが可能となる。
【０１０２】
次に、図１１（ｃ）および図１１（ｄ）は、別の設置例である。図１１（ｃ）は、梁１０４の一方の面から見た平面図である。図１１（ｄ）は、梁１０４の他方の面から見た平面図である。図１１（ｃ）には、梁１０４の一方の面に設けられた圧電部材１０８と第１電極１０９ａが示されている。図１１（ｄ）には、梁１０４の他方の面に設けられた圧電部材１１４と第２電極１１５ｂ、圧電部材１１０と第２電極１１１ｂが示されている。この場合も、第１の圧電素子と調整用圧電素子とが梁１０４の別の面に設けられるが、図１１（ａ）および図１１（ｂ）で示した例とは異なり、発電用圧電素子として使用される第１の圧電素子の面積を大きくすることができる。そのため、発電能力を高くすることが可能となる。
【０１０３】
図１２は、第１の圧電素子と調整用圧電素子とが梁１０４の同じ面に設けられる場合の設置例を示した説明図である。第１の圧電素子および調整用圧電素子を、変形部材の同じ面に設けた場合、梁１０４の他方の面に第２の圧電素子を単独で設置することができる。
【０１０４】
図１２（ａ）は、第１の圧電素子と調整用圧電素子とが梁１０４の同じ面に設けられる場合の１つの設置例であり、梁１０４の一方の面から見た平面図である。図１２（ａ）には、圧電部材１０８と第１電極１０９ａ、圧電部材１１４と第１電極１１５ａが示されている。圧電部材１０８と第１電極１０９ａは第１の圧電素子の構成要素であり、圧電部材１１４と第１電極１１５ａは調整用圧電素子の構成要素である。図１２（ｂ）は、梁１０４の他方の面から見た平面図である。図１２（ｂ）には、梁１０４の一方の面に設けられた圧電部材１１０と第２電極１１１ｂが示されている。圧電部材１１０と第２電極１１１ｂは第２の圧電素子の構成要素である。
【０１０５】
このとき、第２の圧電素子の面積を大きくすることができる。そのため、制御用圧電素子として使用される第２の圧電素子の感度を高くすることが可能となる。
【０１０６】
このような圧電素子の設置の工夫により、梁１０４の共振周波数の調整能力を高めること、発電能力を高めること、又は制御用圧電素子の感度を高めることが可能となる。
【０１０７】
Ｂ．応用例 ：
前記の実施例において、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。そして、制御手段は、変位情報に基づいてスイッチを導通状態とするタイミングを定めることで、高い電圧での発電を可能にしていた。しかし、共振回路を含まずとも、共振周波数調整手段を備えることで、その共振周波数を調整して発電効率を高めることができる。
【０１０８】
図１３は、応用例の発電装置１００Ａの電気的な構造を示した説明図である。なお、図１（ｂ）と同じ要素には同じ符号を付しており説明を省略する。図１３と図１（ｂ）とを比較すると明らかなように、上述の実施例に対して応用例の発電装置１００Ａは、インダクターＬが接続されていない。すなわち、応用例の発電装置１００Ａ内には上述の実施例のようなＬＣ共振回路は構成されない。これにより、制御回路１１２に内蔵されたＣＰＵによって実行されるＬＣ共振回路を利用するための制御処理（図１０のスイッチ制御処理）を省略することができる。
【０１０９】
もちろん、応用例の発電装置１００Ａは、上述した実施例の発電装置１００のようにＬＣ共振回路を利用しないので、実施例の発電装置１００のような昇圧の効果を望むことはできない。しかし、共振周波数を調整する共振周波数調整手段を含むことで、変形部材の共振周波数を環境振動に合わせて調整することが可能である。具体的には、実施例と同様に、制御回路１１２が制御信号によって可変抵抗１１６の抵抗値を適切な値に設定して梁１０４の共振周波数を調整し、環境振動の周波数に合致させることができる。
【０１１０】
そのため、これらの発明の発電装置は、変形部材の共振周波数を調整することで、変形部材を環境振動に合わせて大きく振動させて、実施例ほどではないものの、比較的大きな発電量を得ることができる。このとき、機械的に梁の長さを調整する機構も、長さが互いに異なる複数の片持ち梁も不要であるため、装置のサイズを小さくすることが可能である。
【０１１１】
Ｃ．変形例 ：
前記の実施例の変位検出手段１４０は、第２の圧電素子と電圧検出回路１２４とを含んでいた。本変形例では、実施例の変位検出手段１４０に代えて、図１４の変位検出手段１４０ａを用いる。変位検出手段１４０ａは、第２の圧電素子と電流検出回路１２８とを含む。図３（ｃ）のように、電流Ｉpzt も変位Ｄｉの変化と対応し、変位情報として用いることが可能である。つまり、図３（ｃ）の矢印で示されるように、梁１０４の振動のピークと第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）とは対応している。例えば、制御回路１１２は、電流検出回路１２８から電流が０となるタイミングを表す信号を受け取り、スイッチＳＷ（図５参照）をＯＮ状態にすればよい。
【０１１２】
電流検出回路１２８は、例えば、電流検出器、増幅回路、絶対値回路、比較器を順に接続して構成されていてもよい。電流検出器は一般的に知られている、たと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。増幅回路は、電流検出器の出力信号を所定のゲインで増幅する。絶対値回路は、増幅回路の出力信号の絶対値信号を出力する。そして、比較器は、絶対値回路の出力信号を２値化（パルス化）して出力する。電流が０になるタイミングは、この比較器の出力信号の立ち下がりエッジにより把握することができる。
【０１１３】
Ｄ．その他 ：
以上、各種の実施例等について説明したが、本発明はこれらの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。
【０１１４】
例えば、上述した実施例等では、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や圧電部材１１０など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や圧電部材１１０などを取り付けても良い。
【０１１５】
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。このとき、変形部材の共振周波数は設置場所に応じて調整され、効率的な発電を行うことができる。
【０１１６】
なお、本発明の発電装置は小型化が可能であるが、設置する対象は電子機器に限らない。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。
【０１１７】
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。このとき、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。
【符号の説明】
【０１１８】
１００…発電装置、１０２…支持端、１０４…梁、１０６…錘、１０８，１１０，１１４…圧電部材、１０９ａ，１１１ａ，１１５ａ…第１電極、１０９ｂ，１１１ｂ，１１５ｂ…第２電極、１１２…制御回路、１１６…可変抵抗、１１９，１１９ａ…共振周波数調整手段、１２０…全波整流回路、１２４…電圧検出回路、１２８…電流検出回路、１４０，１４０ａ…変位検出手段、Ｌ…インダクター、Ｃ１…蓄電素子、Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード、ＳＷ…スイッチ
【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第１の圧電素子と、
前記変形部材の変形による変位に関する情報である変位情報を生成する変位検出手段と、
前記変形部材に設けられた調整用圧電素子を含み、制御信号に基づいて前記変形部材の共振周波数を調整する共振周波数調整手段と、
前記第１の圧電素子を含む共振回路を構成するインダクターと、
前記共振回路に設けられたスイッチと、
前記変位情報に基づいて前記制御信号を生成し、前記変位情報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手段と、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、
前記共振周波数調整手段は、
前記調整用圧電素子の一対の電極に接続された可変抵抗を含み、
前記制御信号に基づいて前記可変抵抗の抵抗値を変化させる発電装置。
【請求項３】
請求項１乃至２のいずれかに記載の発電装置において、
前記変位検出手段は、
前記変形部材に設けられた第２の圧電素子と、
前記第２の圧電素子に生じた電圧を検出する電圧検出回路と、を含み、
前記電圧検出回路が検出した電圧に基づいて前記変位情報を生成する発電装置。
【請求項４】
請求項１乃至２のいずれかに記載の発電装置において、
前記変位検出手段は、
前記変形部材に設けられた第２の圧電素子と、
前記第２の圧電素子から流れる電流を検出する電流検出回路と、を含み、
前記電流検出回路が検出した電流に基づいて前記変位情報を生成する発電装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の発電装置において、
前記第１の圧電素子と前記調整用圧電素子とは、前記変形部材の異なる面に設けられている発電装置。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかに記載の発電装置において、
前記第１の圧電素子と前記調整用圧電素子とは、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第１の圧電素子と、前記変形部材の変形による変位に関する情報である変位情報を生成する変位検出手段と、前記変形部材に設けられた調整用圧電素子を含み、制御信号に基づいて前記変形部材の共振周波数を調整する共振周波数調整手段と、を備える発電装置の制御方法であって、
前記変位情報を取得するステップと、
前記変位情報に基づいて前記制御信号を生成するステップと、を含む発電装置の制御方法。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれかに記載の発電装置を含む電子機器。
【請求項９】
請求項１乃至６のいずれかに記載の発電装置を含む移動手段。
【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第１の圧電素子と、
前記変形部材の変形による変位に関する情報である変位情報を生成する変位検出手段と、
前記変形部材に設けられた調整用圧電素子を含み、制御信号に基づいて前記変形部材の共振周波数を調整する共振周波数調整手段と、
前記第１の圧電素子を含む共振回路を構成するインダクターと、
前記共振回路に設けられたスイッチと、
前記変位情報に基づいて前記制御信号を生成し、前記変位情報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手段と、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、
前記共振周波数調整手段は、
前記調整用圧電素子の一対の電極に接続された可変抵抗を含み、
前記制御信号に基づいて前記可変抵抗の抵抗値を変化させる発電装置。
【請求項３】
請求項１乃至２のいずれかに記載の発電装置において、
前記変位検出手段は、
前記変形部材に設けられた第２の圧電素子と、
前記第２の圧電素子に生じた電圧を検出する電圧検出回路と、を含み、
前記電圧検出回路が検出した電圧に基づいて前記変位情報を生成する発電装置。
【請求項４】
請求項１乃至２のいずれかに記載の発電装置において、
前記変位検出手段は、
前記変形部材に設けられた第２の圧電素子と、
前記第２の圧電素子から流れる電流を検出する電流検出回路と、を含み、
前記電流検出回路が検出した電流に基づいて前記変位情報を生成する発電装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の発電装置において、
前記第１の圧電素子と前記調整用圧電素子とは、前記変形部材の異なる面に設けられている発電装置。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかに記載の発電装置において、
前記第１の圧電素子と前記調整用圧電素子とは、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第１の圧電素子と、前記変形部材の変形による変位に関する情報である変位情報を生成する変位検出手段と、前記変形部材に設けられた調整用圧電素子を含み、制御信号に基づいて前記変形部材の共振周波数を調整する共振周波数調整手段と、を備える発電装置の制御方法であって、
前記変位情報を取得するステップと、
前記変位情報に基づいて前記制御信号を生成するステップと、を含む発電装置の制御方法。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれかに記載の発電装置を含む電子機器。
【請求項９】
請求項１乃至６のいずれかに記載の発電装置を含む移動手段。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−８０７６８（Ｐ２０１３−８０７６８Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１９０３２（Ｐ２０１１−２１９０３２）
【出願日】平成２３年１０月３日（２０１１．１０．３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３日（２０１１．１０．３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
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