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】 圧電材料の圧電効果を利用した小型の発電装置において、効率的に高い電圧を発生させることが可能な技術を提供する。
【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１０４に設けられた圧電素子（１０８、１０９ａ、１０９ｂ）と、機械式接点を有し、前記変形部材の変形による変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換える変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂと、前記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、前記変位検出スイッチの導通状態又は非導通状態に基づいて、前記共振回路に設けられた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１０４に設けられた圧電素子（１０８、１０９ａ、１０９ｂ）と、機械式接点を有し、前記変形部材の変形による変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換える変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂと、前記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、前記変位検出スイッチの導通状態又は非導通状態に基づいて、前記共振回路に設けられた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）。また、圧電素子で正の電荷が発生している間だけ接点が閉じるようにすることで、ダイオードでの電圧損失を発生させずに直流電流が得られるようにした技術も提案されている（特許文献２）。これら技術を用いれば、発電装置を小型化することができるので、例えば小型の電子部品に電池の代わりに組み込むなどの応用が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１０７７５２号公報
【特許文献２】特開２００５−３１２２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、提案されている従来の技術では、得られる電圧が、圧電材料の電気分極によって生じる電圧までに限られるという問題があった。このため、ほとんどの場合は、別に昇圧回路が必要となり、発電装置を十分に小型化することが難しいという問題があった。
【０００６】
この発明は、従来の技術が有する上述した課題を解決するためになされたものであり、圧電材料の圧電効果を利用した小型の発電装置において、効率的に高い電圧を発生させることが可能な技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明は、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圧電素子と、機械式接点を有し、前記変形部材の変形による変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換える変位検出スイッチと、前記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、前記変位検出スイッチの導通状態又は非導通状態に基づいて、前記共振回路に設けられた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。
【０００８】
本発明によれば、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、圧電素子も変形する。その結果、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、圧電素子の変形量が大きくなるほど多くなる。また、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、スイッチでの導通を切断した状態で変形部材の変形を開始して、変形量が極値となったとき（すなわち変形方向が切り換わるとき）に、スイッチを導通状態とする。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、圧電素子で発生した電荷が最も多くなった時に、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、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、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、圧電素子の反対側の端子に流れ込む。この期間（すなわち、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圧電素子内に流れ込むまでの期間）は、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、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、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圧電素子内に電荷が蓄積される。また、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、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、こうして圧電素子内に効率よく電荷を蓄積するためには、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、本発明に係る発電装置は、変形部材の変形による変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換える変位検出スイッチを備えている。変位検出スイッチは機械式接点を有している。そのため、例えば変形部材の機械式接点への接触で導通状態、非導通状態を切り換えることができる。そして、例えば変形部材の変形による変位が所定の大きさ以上の場合に、機械式接点のボタンが押されて変位検出スイッチが導通状態になるようにすることもできる。つまり、本発明に係る発電装置は直接的に変形部材の変位を検出することが可能である。このとき、変形部材の変位の方向の切り換わりを把握するために、例えば電流の変化を演算処理で求めること等を要しない。そのため、回路規模が増大することを抑えることができる。そして、制御手段は、圧電素子の変形方向の切り換わり（例えば、変位検出スイッチの導通状態が対応）から所定期間だけ共振回路に設けられたスイッチを導通状態とすることで、圧電素子内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。よって、圧電効果を利用した小型の発電装置において、効率的に高い電圧を発生させることが可能である。
【０００９】
（２）この発電装置において、前記変位検出スイッチは、弾性部材を含んでもよい。
【００１０】
本発明によれば、変位検出スイッチは変形部材の変位の方向の切り換わりを把握できるだけでなく、例えば外力により変形部材が過度に変形した場合に、弾性部材によって衝突時の衝撃を緩和させることが可能となる。例えば機械式接点のボタンが押されて導通状態になる変位検出スイッチが、ボタンを押し戻すように作用する弾性部材を含んでいるとする。このとき、変形部材が過度に変形した場合には、弾性部材が緩衝材として作用し、衝突時の衝撃を緩和させるので発電装置を保護することができる。
【００１１】
（３）この発電装置において、変位検出スイッチは、前記変形部材の一つの面の変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換えてもよい。
【００１２】
本発明によれば、例えば変位検出スイッチは変形部材の一つの面に対向して設置される。変位検出スイッチは１つでもよい。そして、変位検出スイッチと対向する面が変位検出スイッチのボタンに接触した場合に、変位検出スイッチが導通状態となってもよい。このとき、変位検出スイッチが導通状態となるタイミングは、圧電素子の変形方向が切り換わるタイミングを示す。
【００１３】
ここで、１つの変位検出スイッチが導通状態となるタイミングからは、変形部材の振動の１周期を把握できる。そして、例えばタイミング演算部が、変位検出スイッチが導通状態となる間隔の１／２を演算で求めることで半周期毎のタイミングを得ることもできる。このとき、変形部材の一つの面の変位だけを検出すればよいので、変位検出スイッチは１つだけでもよく、発電装置をより小型化することができる。
【００１４】
（４）この発電装置において、前記変位検出スイッチは、複数であって、前記変位検出スイッチの１つである第１の変位検出スイッチは、前記変形部材の１つの面である第１の面の変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換え、前記第１の変位検出スイッチとは異なる第２の変位検出スイッチは、前記第１の面とは異なる面の変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換えてもよい。
【００１５】
本発明によれば、変位検出スイッチは複数であり、第１の変位検出スイッチと第２の変位検出スイッチとを含む。そして、第１の変位検出スイッチは変形部材の一つの面（第１の面）の変位を検出し、第２の変位検出スイッチは第１の面とは異なる面の変位を検出する。このとき、第１、第２の変位検出スイッチが導通状態となるタイミングによって、変形部材の振動の半周期を把握できる。このとき、例えば前記のタイミング演算部のように周期を演算する回路が不要になり、演算に要する消費電力を低減することができる。
【００１６】
（５）この発電装置において、前記変位検出スイッチは、前記変形部材に設けられていてもよい。
【００１７】
本発明によれば、変位検出スイッチも変形部材に設けられて製造されるので、製造工程を単純化することが可能となる。例えば、筐体に変位検出スイッチを設ける場合には、発電装置全体を組み立ててから変位検出スイッチの取り付け作業を行う必要がある。本発明では、変形部材という部品の製造段階で変位検出スイッチの取り付けが可能であるため、製造工程を単純化することができる。
【００１８】
（６）本発明は、変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変形部材に設けられた圧電素子と、機械式接点を有し、前記変形部材の変形による変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換える変位検出スイッチと、前記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、を備える発電装置の制御方法であって、前記変位検出スイッチが導通状態であるか否かを判断するステップと、前記変位検出スイッチが導通状態の場合に、前記共振回路に設けられたスイッチを所定期間導通状態とするステップと、を含む。
【００１９】
本発明によれば、発電装置の制御方法として、変位検出スイッチが導通状態であるか否かを判断するステップと、変位検出スイッチが導通状態の場合に共振回路に設けられたスイッチを所定期間導通状態とするステップとを含む。まず、変位検出スイッチが導通状態であるか否かによって、直接的かつ正確に変形部材の変位の極値のタイミングを知ることができる。そして、共振回路に設けられたスイッチを導通状態にするステップでは、このような変位の極値を表す正確なタイミングを用いることができる。このとき、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。よって、圧電効果を利用した小型の発電装置において、効率的に高い電圧を発生させることが可能な制御方法を実現できる。
【００２０】
（７）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。
【００２１】
（８）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。
【００２２】
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効率良く電力供給することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施例の発電装置の構造を示した説明図である。
【図２】本実施例の発電装置の動作を示した説明図である。
【図３】本実施例の発電装置の動作原理の前半部分を概念的に示した説明図である。
【図４】本実施例の発電装置の動作原理の後半部分を概念的に示した説明図である。
【図５】変位を検出することによってスイッチＳＷを適切なタイミングで制御可能な理由を示す説明図である。
【図６】スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを切り換えるスイッチ制御処理を示したフローチャートである。
【図７】変位検出スイッチの説明図である。
【図８】第１変形例の発電装置の構造を示した説明図である。
【図９】第１変形例のタイミング演算部の説明図である。
【図１０】第２変形例の弾性部材を含む変位検出スイッチの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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：
Ａ−３．発電装置の動作原理：
Ａ−４．スイッチの切換タイミング：
Ａ−５．変位検出スイッチ：
Ｂ．第１変形例：
Ｃ．第２変形例：
Ｄ．その他：
【００２５】
Ａ．実施例 ：
Ａ−１．発電装置の構造 ：
図１は、本実施例の発電装置１００の構造を示した説明図である。図１（ａ）には、発電装置１００の機械的な構造が示されており、図１（ｂ）には電気的な構造が示されている。本実施例の発電装置１００の機械的な構造は、先端に錘１０６が設けられた梁１０４が、基端側で支持端１０２に固定された片持ち梁構造となっており、支持端１０２は発電装置１００内に固定されるのが望ましい。また、梁１０４の表面には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料によって形成された圧電部材１０８が取り付けられており、圧電部材１０８の表面には、表側と裏側とに、金属薄膜によって形成された第１電極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、第２電極１０９ｂとで圧電素子を構成している。なお、図１（ａ）に示した例では、梁１０４の上面側に圧電部材１０８が設けられているが、梁１０４の下面側に圧電部材１０８を設けても良く、あるいは梁１０４の上面側および下面側の両方に圧電部材１０８を設けても良い。また、圧電部材１０８は梁１０４の変形によって変形するから、梁１０４が本発明の「変形部材」に相当する。
【００２６】
梁１０４は、基端側が支持端１０２に固定されており、先端側には錘１０６が設けられているので、振動などが加わると、図中に白抜きの矢印で示したように、梁１０４の先端が大きく振動する。その結果、梁１０４の表面に取り付けられた圧電部材１０８には、圧縮力および引張力が交互に作用する。すると、圧電部材１０８は圧電効果によって正負の電荷を発生し、その電荷が第１電極１０９ａ、および第２電極１０９ｂに現れる。また、錘１０６は必須ではないが、梁１０４の先端側と基端側とで重量のバランスが非均衡であることが望ましい。なぜなら、重量のバランスが非均衡であることで、たとえば、１つの振動により梁１０４の変位が反復しやすくなるためである。
【００２７】
変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは、発電装置１００内に固定されており、変形部材である梁１０４の変位を検出する。すなわち、振動によって梁１０４が所定の大きさ以上に上向きに反った場合（梁１０４の上面側が凹となった場合）に、変位検出スイッチ１３０ａのボタン１３２ａが押される。そのため、変位検出スイッチ１３０ａは、梁１０４の上向きの変位を検出できる。一方、振動によって梁１０４が所定の大きさ以上に下向きに反った場合（梁１０４の下面側が凹となった場合）に、変位検出スイッチ１３０ｂのボタン１３２ｂが押される。そのため、変位検出スイッチ１３０ｂは、梁１０４の下向きの変位を検出できる。
【００２８】
本実施例では、機械式接点を有する変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂが、それぞれ梁１０４の圧電部材１０８が設けられた面（上面であって、第１の面に対応）、上面の裏側である錘１０６が設けられた面（下面）と対向して設置されている。
【００２９】
ここで、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは、正確な変位検出のために梁１０４の先端側の変位を測定することが好ましい。振動などが加わると、梁１０４の先端側の方が、基端側に比べて大きく振動するからである。
【００３０】
なお、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは、例えばそれぞれ本発明の第１の変位検出スイッチ、第２の変位検出スイッチに対応するが、対応関係は逆であってもよい。変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは、梁１０４の変位の大きさが所定の大きさ以上の場合に導通状態となるように、発電装置１００の筐体（図外）等に固定されてもよい。また、梁１０４の表面に変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂが固定されており、例えば発電装置１００の筐体に触れることでボタンが押されて導通状態となってもよい。
【００３１】
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Ｃ０として表すことができる。この圧電部材１０８に対して並列にインダクターＬが接続されて、圧電部材１０８の容量成分（コンデンサーＣ０）と共に電気的な共振回路を形成している。そして、この共振回路をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチＳＷが、インダクターＬに対して直列に接続されている。スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦは、制御回路１１２（制御手段に対応）によって制御されている。また、圧電部材１０８に設けられた第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂは、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４から構成される全波整流回路１２０に接続されている。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。
【００３２】
ここで、制御回路１１２は、変位検出スイッチ１３０ａ（第１の変位検出スイッチに対応）、変位検出スイッチ１３０ｂ（第２の変位検出スイッチに対応）から導通状態であるか否かを示す信号を受け取ることで、後述するように、梁１０４の変位の方向の切り換わり（すなわち、圧電素子の変形方向の切り換わり）を把握できる。そして、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂからの信号に基づいて、正確にスイッチＳＷをＯＮするタイミングを決定するので、昇圧効果を高めることが可能である。
【００３３】
Ａ−２．発電装置の動作 ：
図２は、本実施例の発電装置１００の動作を示した説明図である。図２（ａ）には、梁１０４の振動に伴う、梁１０４の先端の変位が示されている。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２（ｂ）には、梁１０４の変形に伴って、圧電部材１０８が発生する電流の様子と、その結果として圧電部材１０８の内部に生じる起電力とが示されている。なお、図２（ｂ）では、圧電部材１０８に電荷が発生する様子は、単位時間あたりに発生する電荷量（すなわち、電流Ｉpzt ）として表され、また、圧電部材１０８に生じる起電力は、第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電位差Ｖpzt として表されている。
【００３４】
図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるように、梁１０４の変位が増加している間は、圧電部材１０８は正方向の電流を発生させ（すなわち、電流Ｉpzt がプラス値）、これに伴って第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの電位差Ｖpzt は正方向へ増加する。正方向の電位差Ｖpzt が、Ｃ１の電圧ＶＣ１と全波整流回路１２０を構成しているダイオードの順方向降下電圧Ｖｆの２倍との和、すなわち、ＶＣ１＋２Ｖｆよりも大きくなれば、それ以降に発生した電荷は直流電流として取り出して、蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。また、梁１０４の変位が減少している間は、圧電部材１０８は負方向の電流を発生させ（すなわち、電流Ｉpzt がマイナス値）、これに伴って第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの電位差Ｖpzt は負方向へ増加する。負方向の電位差Ｖpzt が、ＶＣ１と全波整流回路１２０の２Ｖｆの和よりも大きくなれば、発生した電荷は直流電流として取り出して、蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。すなわち、図１のスイッチＳＷをＯＦＦにしたままでも、図２（ｂ）中に斜線を付して示した部分については、蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えることができる。
【００３５】
本実施例の発電装置１００では、図２（ｃ）に示すタイミングで、スイッチＳＷをＯＮにする。すると、図２（ｄ）に示すように、圧電部材１０８を含む圧電素子の端子間（以下、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。すなわち、例えば、図２（ｄ）中に「Ｂ」と表示した期間Ｂでは、圧電部材１０８の起電力に対応する細い破線で示した電圧波形Ｖpzt がマイナス方向にシフトしたような、太い破線で示した電圧波形が圧電部材１０８の端子間に現れる。このような現象が発生する理由については後述する。また、図２（ｄ）中に「Ｃ」と表示した期間Ｃでは、圧電部材１０８の起電力に対応する電圧波形Ｖpzt がプラス方向にシフトしたような、太い破線の電圧波形が現れる。以降の期間Ｄ、期間Ｅ、期間Ｆなどについても同様に、圧電部材１０８の起電力に対応する電圧波形Ｖpzt がプラス方向あるいはマイナス方向にシフトしたような、太い破線の電圧波形が現れる。そして、シフトした電圧波形が、ＶＣ１と２Ｖｆとの和を超えた部分（図２（ｄ）中に斜線を付して示した部分）では、圧電部材１０８で発生した電荷を蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。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。その結果、第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間の電圧波形は、図２（ｄ）に太い実線で示した波形となる。
【００３６】
図２（ｂ）に示したスイッチＳＷをＯＦＦにしたままの場合と、図２（ｄ）に示したように、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチＳＷをＯＮにした場合とを比較すれば明らかなように、本実施例の発電装置１００では、適切なタイミングでスイッチＳＷをＯＮにすることで、効率よく、蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えることが可能となる。
【００３７】
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２（ｄ）中の期間Ｂ（蓄電素子Ｃ１に電荷が蓄えられていない状態）と、図２（ｄ）中の期間Ｈ（蓄電素子Ｃ１に少し電荷が蓄えられた状態）とを比較すると、期間Ｈの方が電圧波形のシフト量が大きくなっている。同様に、図２（ｄ）中の期間Ｃと期間Ｉとを比較すると、蓄電素子Ｃ１に蓄えられた電荷が増えている期間Ｉの方が、電圧波形のシフト量が大きくなっている。このような現象が発生する理由については後述するが、この結果、本実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８を変形させたことによって、第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電圧Ｖpzt 以上の電圧を、蓄電素子Ｃ１に蓄えることも可能となる。その結果、特別な昇圧回路を設ける必要がなくなり、小型で高効率の発電装置を得ることが可能となる。
【００３８】
Ａ−３．発電装置の動作原理 ：
図３は、本実施例の発電装置１００の動作原理の前半部分を概念的に示した説明図である。また、図４は、本実施例の発電装置１００の動作原理の後半部分を概念的に示した説明図である。図３では、圧電部材１０８の変形に合わせてスイッチＳＷをＯＮにしたときのＣ０の電荷の動きが、概念的に示されている。図３（ａ）は、圧電部材１０８（正確には梁１０４）が上向きに（上面側が凹となるように）変形した状態を表している。圧電部材１０８が上向きに変形すると、電流源からは正方向の電流が流れ、Ｃ０に電荷が蓄積され、Ｖgen は正方向の電圧が発生する。電圧値は、圧電部材１０８の変形が大きくなるほど増加する。そして、圧電部材１０８の変形が最大となったタイミング（電荷量が最も多くなったタイミング。図３（ｂ）参照）で、スイッチＳＷをＯＮにする。
【００３９】
図３（ｃ）には、スイッチＳＷをＯＮにした直後の状態が示されている。Ｃ０には電荷が蓄えられているから、この電荷がインダクターＬに流れようとする。インダクターＬに電流が流れると磁束が生じる（磁束が増加する）が、インダクターＬには、自らを貫く磁束の変化を妨げる方向に逆起電力が生じる性質（自己誘導作用）がある。スイッチＳＷをＯＮにしたときは、電荷が流れることによって磁束が増加しようとするから、この磁束の増加を妨げる方向（換言すれば、電荷の流れを妨げる方向）に逆起電力が発生する。また、逆起電力の大きさは、磁束の変化速度（単位時間あたりの変化量）に比例する。図３（ｃ）には、このようにしてインダクターＬに生じる逆起電力が、斜線を付した矢印によって表されている。このような逆起電力が発生するため、スイッチＳＷをＯＮにしても、圧電部材１０８の電荷は少しずつしか流れ出さない。すなわち、インダクターＬを流れる電流は少しずつしか増加しない。
【００４０】
その後、インダクターＬを流れる電流がピークになると、磁束の変化速度が「０」となるので、図３（ｄ）に示したように逆起電力が「０」となる。そして、今度は電流が減少し始める。すると、インダクターＬを貫く磁束が減少するので、インダクターＬには、この磁束の減少を妨げる方向（電流を流そうとする方向）の起電力が発生する（図３（ｅ）参照）。その結果、この起電力によってＣ０から電荷を引き抜きながら、インダクターＬを電流が流れ続ける。そして、電荷の移動の途中で損失が発生しなければ、圧電部材１０８の変形によって生じた全ての電荷が移動して、ちょうど正負の電荷が置き換わったような状態（すなわち、圧電部材１０８の下面側に正電荷が分布し、上面側に負電荷が分布した状態）となる。図３（ｆ）には、圧電部材１０８の変形によって生じた正負の電荷が全て移動した状態が表されている。
【００４１】
仮に、このままスイッチＳＷをＯＮにしておくと、今度は上述した内容と逆の現象が生じる。すなわち、圧電部材１０８の下面側の正電荷がインダクターＬに流れようとして、このときインダクターＬには、電荷の流れを妨げる方向の逆起電力が発生する。その後、インダクターＬを流れる電流がピークに達した後、減少に転じると、今度は電流の減少を妨げる方向（電流を流し続けようとする方向）の起電力がインダクターＬに発生する。その結果、圧電部材１０８の下面側にあった全ての正電荷が上面側に移動した状態（図３（ｂ）に示した状態）となる。こうして圧電部材１０８の上面側に戻った正電荷は、再び、図３（ｂ）〜図３（ｆ）を用いて前述したようにして、下面側に移動する。
【００４２】
このように、Ｃ０に電荷が蓄えられた状態でスイッチＳＷをＯＮにした後、その状態を保っておくと、圧電部材１０８とインダクターＬとの間で電流の向きが交互に反転する一種の共振現象が発生する。そして、この共振現象の周期は、いわゆるＬＣ共振回路の共振周期Ｔとなるから、圧電部材１０８に含まれるコンデンサーＣ０（容量成分）の大きさ（キャパシタンス）をＣ、インダクターＬの誘導成分の大きさ（インダクタンス）をＬとすると、Ｔ＝２π（ＬＣ）０．５によって与えられる。従って、スイッチＳＷをＯＮにした直後（図３（ｃ）に示した状態）から、図３（ｆ）に示した状態となるまでの時間は、Ｔ／２となる。
【００４３】
そこで、スイッチＳＷをＯＮにしてからＴ／２が経過した時点で、図４（ａ）に示すようにスイッチＳＷをＯＦＦにする。そしてこの状態から、圧電部材１０８（正確には梁１０４）を今度は下向きに（下面側が凹となるように）変形させる。前述した図３（ａ）では、圧電部材１０８を上向きに変形させたが、図４（ａ）では下向きに変形させているので、電流源から負方向の電流が流れ、Ｖgen が負方向へ大きくなるようにＣｏに電荷が蓄積する。また、図３（ａ）〜図３（ｆ）を用いて前述したように、圧電部材１０８（正確には梁１０４）を下向きに変形させる前の段階で、圧電部材１０８の下面側には正電荷が分布し、上面側には負電荷が分布しているから、これらの電荷に加えて、下面側には新たな正電荷が蓄積され、上面側には新たな負電荷が蓄積されることになる。図４（ｂ）には、スイッチＳＷをＯＦＦにした状態で圧電部材１０８（正確には梁１０４）を変形させることによって、圧電部材１０８に新たな電荷が蓄積された状態が示されている。
【００４４】
そして、この状態からスイッチＳＷをＯＮにすると、圧電部材１０８の下面側に蓄積された正電荷がインダクターＬに流れようとする。このときインダクターＬには逆起電力が発生するので（図４（ｃ）参照）、電流は少しずつ流れ始めるが、やがてピークに達して、その後は減少に転じる。すると、インダクターＬには、電流の減少を妨げる方向（電流を流し続けようとする方向）に起電力が発生し（図４（ｅ）参照）、この起電力によって電流が流れ続けて、最終的には、圧電部材１０８の下面側に分布していた全ての正電荷が上面側に移動し、上面側に分布していた全ての負電荷が下面側に移動した状態となる（図４（ｆ）参照）。また、下面側の全ての正電荷が上面側に移動し、上面側の全ての負電荷が下面側に移動する時間は、ＬＣ共振回路の半周期に相当する時間Ｔ／２となる。そこで、スイッチＳＷをＯＮにした後、時間Ｔ／２が経過したらスイッチＳＷをＯＦＦにして、今度は圧電部材１０８（正確には梁１０４）を上向きに（上面側が凹となるように）変形させれば、圧電部材１０８内に更に正負の電荷を蓄積することができる。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
図２を用いて前述したように本実施例の発電装置１００では、スイッチＳＷをＯＮにする度に圧電部材１０８の端子間の電圧波形がシフトする現象が生じる。すなわち、例えば図２（ｄ）中に示した期間Ａでは、圧電部材１０８（正確には梁１０４）の変形に従って、第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間に電圧が発生するが、第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂは全波整流回路１２０に接続されているので、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧を超えた部分の電荷は、全波整流回路１２０に接続された蓄電素子Ｃ１に流れ込む。その結果、梁１０４の変形が最大になった時点でスイッチＳＷをＯＮにすると、その時に圧電部材１０８内に残っていた正負の電荷がインダクターＬを介して移動して、圧電部材１０８内での正負の電荷の配置が入れ代わる。なお、図３および図４を用いて前述したメカニズムから明らかなように、スイッチＳＷをＯＮにしておく期間は、圧電部材１０８のコンデンサーと、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。
【００４８】
そして、正負の電荷の配置が入れ代わった状態から梁１０４を逆方向に変形させると、圧電部材１０８の第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間には、圧電効果による電圧波形が現れる。すなわち、圧電部材１０８の第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの極性が入れ代わった状態から、圧電部材１０８に変形による電圧変化が発生することになる。その結果、図２（ｄ）中に示した期間Ｂでは、梁１０４の変形によって圧電部材１０８に生じる電圧波形をシフトさせたような、電圧波形が現れることになる。もっとも、前述したように、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧を超えた部分の電荷は蓄電素子Ｃ１に流れ込むので、圧電部材１０８の第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間の電圧は、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧でクリップされる。その後、共振周期の半分の時間だけスイッチＳＷをＯＮにすると、圧電部材１０８に残っていた正負の電荷の配置が入れ代わる。そして、その状態から梁１０４が変形することによって、圧電部材１０８には圧電効果による電圧波形が現れる。このため、図２（ｄ）中に示した期間Ｃにおいても、梁１０４の変形による電圧波形をシフトさせたような電圧波形が現れることになる。
【００４９】
また、図２を用いて前述したように本実施例の発電装置１００では、梁１０４が変形を繰り返しているうちに、電圧波形のシフト量が次第に大きくなるという現象も発生する。このため、圧電部材１０８の圧電効果によって第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電位差よりも高い電圧を、蓄電素子Ｃ１に蓄えることができるという大きな効果を得ることができる。このような現象は、次のようなメカニズムによって生じる。
【００５０】
先ず、図２（ｄ）中の期間Ａあるいは期間Ｂに示したように、Ｃ１が充電されていない場合は、圧電部材１０８の端子間で発生する電圧が、全波整流回路１２０の２Ｖｆを超えると、圧電部材１０８から蓄電素子Ｃ１に電荷が流れ込むので、圧電部材１０８の端子間に現れる電圧は、２Ｖｆでクリップされている。しかし、こうして蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えるに従って蓄電素子Ｃ１の端子間の電圧が増加していく。すると、それ以降は、蓄電素子Ｃ１の端子間電圧がＶＣ１と２Ｖｆとの和よりも高い電圧になって始めて、圧電部材１０８から電荷が流れ込むようになる。このため、圧電部材１０８の端子間の電圧がクリップされる値が、蓄電素子Ｃ１に電荷が蓄えられるに従って次第に上昇していく。
【００５１】
加えて、図３および図４を用いて前述したように、圧電部材１０８から電荷を流出させない限り、圧電部材１０８（正確には梁１０４）を変形させる度に、圧電部材１０８内の電荷は増えて行き、それに伴って、圧電部材１０８の端子間の電圧は大きくなる。このため、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。
【００５２】
Ａ−４．スイッチの切換タイミング ：
以上に説明したように、本実施例の発電装置１００では、圧電部材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。
【００５３】
梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングは、梁１０４の変位が極大値、極小値（以下、極大値と極小値をまとめて極値とする）をとるタイミングである。そこで、機械式接点を含む変位検出スイッチを用いて、梁１０４の変位の大きさが所定の大きさ以上の場合に変位検出スイッチが導通状態となる構成とすれば、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングを容易に得ることができる。
【００５４】
ここで、変位検出スイッチに代えて、例えば非接触型のセンサーを用いて梁１０４の先端部の変位を常に検出する方法もあり得る。しかし、常に梁１０４の変位を検出すると、センサーを動作させるために電力を消費するので発電量が低下してしまう。また、梁１０４の変位の大きさは例えば発電装置１００の外力によって変化するが、梁１０４が小さな振動を行っている場合でも、センサーを動作させて演算処理を実行する必要がある。このとき、発電量よりもセンサーによる電力消費の方が大きくなるおそれがある。
【００５５】
本実施例の発電装置１００では、梁１０４の変位の大きさが所定の大きさ以上の場合に変位検出スイッチが導通状態となり、制御手段は導通状態を確認して初めて、共振回路のスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御する。そのため、共振回路のスイッチＳＷを制御する場合、電力消費量の方が発電量を上回るようなこともなく、効率的な発電装置１００を実現できる。
【００５６】
図５は、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂが振動する梁１０４の変位を検出することによって、スイッチＳＷを適切なタイミングで制御可能な理由を示す説明図である。図５（ａ）には、梁１０４の変位が示されている。また、図５（ｂ）、図５（ｃ）には、その変位の大きさが所定の大きさ以上の場合にＯＮになる変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂのＯＮ／ＯＦＦの状態がそれぞれ示されている。この例では、所定の大きさとは、梁１０４の振動における振幅よりもわずかに小さい値であるとする。
【００５７】
図３および図４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、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは、発電装置１００内の適切な位置に配置されており、梁１０４の先端部がそれぞれの変位検出スイッチのボタンを押すことでＯＮになる。この例では、図５（ａ）と図５（ｂ）に示すように、梁１０４の変位が上向きで所定の大きさ以上の場合に、変位検出スイッチ１３０ａがＯＮになる。そして、図５（ａ）と図５（ｃ）に示すように、梁１０４の変位が下向きで所定の大きさ以上の場合に、変位検出スイッチ１３０ｂがＯＮになる。
【００５８】
そして、図５（ｄ）に示すように、制御回路１１２は変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂのＯＮ／ＯＦＦを示す信号を受け取り、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂの一方がＯＮになるタイミングから、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。
【００５９】
このとき、梁１０４は外力によって振動するため、その振動の変位の大きさ（振幅）は様々である。しかし、本実施例では、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは所定の大きさ以上の振幅を持つ振動でなければＯＮとならない。そのため、共振回路のスイッチＳＷを制御する場合、電力消費量の方が発電量を上回るようなこともなく、効率的な発電装置１００を実現できる。
【００６０】
図６は、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを切り換えるスイッチ制御処理を示したフローチャートである。この処理は、例えば制御回路１１２に内蔵された図示しないＣＰＵによって実行される。なお、図６ではスイッチ（ＳＷ）制御処理と記載しているが、これは「スイッチ」を変位検出スイッチと誤解することを防止するためであり、以下では単にスイッチ制御処理と記す。
【００６１】
スイッチ制御処理を開始すると、制御回路１１２のＣＰＵは、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂがＯＮ（導通状態に対応）であるか否かを判断する（ステップＳ１０１）。例えば、制御回路１１２のＣＰＵは、変位検出スイッチ１３０ａのＯＮ／ＯＦＦに対応して、ハイレベル／ローレベルとなるデジタル信号を受け取ってもよい。なお、変位検出スイッチ１３０ｂについても同様である。ここで、ハイレベルとは例えばＶＤＤといった高電位であり、ローレベルとは例えばＧＮＤといった低電位である。ここで、前述のように変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂの一方がＯＮであることは、梁１０４の変位がピーク（極値）であることを意味する。
【００６２】
制御回路１１２のＣＰＵは、梁１０４の変位のピークを検出したら（Ｓ１０１：ｙｅｓ）、共振回路（圧電部材１０８のコンデンサーＣ０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Ｃ０とインダクターＬとによって構成される共振回路の共振周期の１／２の時間が、経過したか否かを判断する（ステップＳ１０６）。なお、梁１０４の変位のピークを検出しなかった場合は（Ｓ１０１：ｎｏ）、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂの一方がＯＮになるまで待つ。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
Ａ−５．変位検出スイッチ ：
本実施例では、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂはそれぞれ押されるとＯＮになるボタン１３２ａ、１３２ｂを備える機械式スイッチ（機械式接点を含むスイッチ）である。すなわち、接触式の接点を含むスイッチである。本実施例では、ボタンが押されるとＯＮになるが、ＯＦＦに変化するノーマリーオン型のスイッチでもよい。本発明の変位検出スイッチは、機械式接点を含むスイッチであれば特定の種類に限られない。
【００６６】
図７は、本実施例の変位検出スイッチの説明図である。図７（ａ）〜図７（ｃ）は、図１（ａ）の発電装置１００を梁１０４の長手方向に沿って切断した断面図に対応する。ただし、圧電部材１０８、第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂ、錘１０６の表記は省略している。なお、図１（ａ）〜図６と同じ要素には同じ符号を付しており説明を省略する。
【００６７】
図７（ａ）は変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂが共にＯＦＦである場合を表す。梁１０４が振動していない場合や、梁１０４の変位の大きさが所定の大きさ未満でありボタン１３２ａ、１３２ｂを押さない場合には、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは共にＯＦＦである。この状態は、例えば図５（ｂ）、図５（ｃ）で変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂが共にＯＦＦである状態に対応する。
【００６８】
この例では、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは図示されない発電装置１００の筐体に、梁１０４側にボタン１３２ａ、１３２ｂが向くように設置されている。そして、梁１０４の振動（例えば固有振動数での振動）の極値において変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂがＯＮとなるように、梁１０４からの距離が調整されている。つまり、前述の「所定の大きさ」は、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂの設置位置で調整することが可能である。また、例えばボタン１３２ａ、１３２ｂの軸の長さが調整可能であってもよい。このとき、梁１０４からの距離の微調整が可能である。
【００６９】
図７（ｂ）、図７（ｃ）は、それぞれ変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂがＯＮになった状態を示す図である。梁１０４が、それぞれ上向き、下向きに所定の大きさ以上に反っており、それぞれボタン１３２ａ、１３２ｂが押し下げられている。例えば、図７（ｂ）の状態は、図５（ｂ）で変位検出スイッチ１３０ａがＯＮである状態に対応する。また、図７（ｃ）の状態は、図５（ｃ）で変位検出スイッチ１３０ｂがＯＮである状態に対応する。梁１０４が大きく振動する場合には、図７（ｂ）、図７（ａ）、図７（ｃ）、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ａ）…のように変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂのＯＮ／ＯＦＦが変化する。
【００７０】
なお、本実施例では、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは図示されない発電装置１００の筐体に設置されている。しかし、逆に変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは梁１０４に設置されており、梁１０４の振動に伴い、図示されない筐体がボタン１３２ａ、１３２ｂを押し下げてもよい。このとき、発電装置全体を組み立てなくても、部品である梁１０４の製造段階で変位検出スイッチの取り付けが可能になるため、製造工程を単純化することができる。
【００７１】
以上のように、本実施例の発電装置は、変位検出スイッチのＯＮ／ＯＦＦによって直接的に変形部材の変位を検出することが可能である。このとき、変形部材の変位の方向の切り換わりを把握するために、例えば電流の変化を演算処理で求めること等を要しない。そのため、回路規模が増大することを抑えることができる。そして、制御手段は、例えば変位検出スイッチがＯＮに切り換わるタイミングから所定期間（例えば共振周期の半分）だけ共振回路に設けられたスイッチを導通状態とすることで、圧電素子内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。よって、圧電効果を利用した小型の発電装置において、効率的に高い電圧を発生させることが可能である。
【００７２】
Ｂ．第１変形例 ：
上述した実施例には種々の変形例が存在している。以下では、第１変形例について図８〜図９を参照して説明する。
【００７３】
上述した実施例の発電装置では、変形部材の異なる面の変位に応じてＯＮ／ＯＦＦ（導通状態／非導通状態）を切り換える２つの変位検出スイッチを含んでいた。そのため、変形部材の変位の方向が切り換わるタイミングで２つの変位検出スイッチの一方がＯＮになり、共振回路に設けられたスイッチを導通状態とするタイミングを容易に得られた。言い換えると、変形部材の振動の半周期ごとのピークを２つの変位検出スイッチがＯＮするタイミングから把握可能であった。
【００７４】
しかし、変位検出スイッチのサイズによっては、変形部材の変位方向が切り換わるタイミングを求める演算用の回路が増加しても、一方の変位検出スイッチを削減した方が発電装置全体を小型化できる場合がある。以下では、１つの変位検出スイッチだけを含む第１変形例について説明する。尚、前述の実施例と同様な構成については、変形例においても同じ番号を付すものとして、詳細な説明は省略する。
【００７５】
図８は、第１変形例の発電装置１００ａを示した説明図である。図８（ａ）には、発電装置１００ａの機械的な構造が示されており、前述の実施例における図１（ａ）に対応する。図８（ｂ）には電気的な構造が示されており、前述の実施例における図１（ｂ）に対応する。
【００７６】
図８のように、発電装置１００ａは１つの変位検出スイッチ１３０ａだけを含む。本変形例での変位検出スイッチ１３０ａは、前述の実施例の変位検出スイッチ１３０ａと同じであり、振動によって梁１０４が所定の大きさ以上に上向きに反った場合（梁１０４の上面側が凹となった場合）に、変位検出スイッチ１３０ａのボタン１３２ａが押される。よって、図８（ｂ）の制御回路１１２ａは、変形部材の振動の１周期ごとのピークしか把握できない。つまり、制御回路１１２ａは、例えば図５（ｂ）の変化だけを把握することが可能であり、図５（ｃ）のような下向きのピークのタイミングを受け取ることはできない。しかし、高効率の発電装置を実現するために、制御回路１１２ａは、図５（ｄ）のように半周期ごとのピークで正確にスイッチＳＷをＯＮする必要がある。
【００７７】
そこで、本変形例では図８（ｂ）のように、制御回路１１２ａが演算によって半周期ごとのピークに対応するタイミングを生成するタイミング演算部１１３を含むことで、高効率の発電装置を実現する。本変形例では、制御回路１１２ａは、変位検出スイッチ１３０ａが導通状態であるか否か（ＯＮ／ＯＦＦ）を示す信号を受け取ることで、梁１０４の上向きの変位が下向きへと切り換わるタイミングを把握できる。しかし、梁１０４の下向きの変位が上向きへと切り換わるタイミングは得られない。そこで、タイミング演算部１１３で演算を行って、梁１０４の下向きのピークに対応するタイミングを生成する。
【００７８】
図９は、本変形例のタイミング演算部１１３の説明図である。図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｄ）はそれぞれ、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｄ）と同じであり、説明を省略する。本変形例では、タイミング演算部１１３は図９（ｃ）のようなタイミングでパルス信号を発生させることによって、図９（ｄ）のように半周期ごとのピークでスイッチＳＷをＯＮすることを可能にする。
【００７９】
タイミング演算部１１３は、変位検出スイッチ１３０ａがＯＮになったときから、次にＯＮになるまでの時間を記憶する。この時間間隔をＰ０、Ｐ１、Ｐ２…とする。図９（ｃ）ではＰ１だけが示されているが、Ｐ０、Ｐ２についても同様に取得されているものとする。ここで、Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２…は変形部材の振動の１周期を表す。そして、タイミング演算部１１３は、変位検出スイッチ１３０ａがＯＮになったときから、直前に取得された時間間隔の半分（図９（ｃ）のＰ０／２やＰ１／２）だけ経過したときにパルス信号を発生させる。このパルス信号の発生タイミングは、変位検出スイッチ１３０ａがＯＮになったときから変形部材の振動の半周期が経過したタイミングである。つまり、実施例における変位検出スイッチ１３０ｂがＯＮになるタイミングに相当する（図５（ｃ）参照）。図９（ｄ）に示すように、制御回路１１２は変位検出スイッチ１３０ａがＯＮになるタイミングおよびタイミング演算部１１３がパルス信号を発生させるタイミングから、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。本変形例では、上述した実施例と同様に効率的な発電を行いつつ、変位検出スイッチを１つにすることで、発電装置をさらに小型化できる可能性がある。
【００８０】
Ｃ．第２変形例 ：
以下では、第２変形例について図１０を参照して説明する。上述した実施例の発電装置では、例えば外力により変形部材が過度に変形した場合に、強い衝撃が変位検出スイッチを介して発電装置の筺体等に伝わり、部分的な破壊や変形を発生させる可能性があった。本変形例では、変位検出スイッチが含む弾性部材によって衝突時の衝撃を緩和させるので、発電装置を破壊や変形等から守ることが可能になる。尚、前述の実施例、第１変形例と同様な構成については、本変形例においても同じ番号を付すものとして、詳細な説明は省略する。
【００８１】
図１０は、本変形例の弾性部材を含む変位検出スイッチの説明図である。図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）は、前述の実施例の図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）にそれぞれ対応する。つまり、図１０（ａ）は変位検出スイッチ１４０ａ、１４０ｂが共にＯＦＦである場合を表す。図１０（ｂ）、図１０（ｃ）は、それぞれ変位検出スイッチ１４０ａ、１４０ｂがＯＮになった状態を示す図である。
【００８２】
ここで、変位検出スイッチ１４０ａ、１４０ｂは、それぞれボタン１４２ａ、１４２ｂを備えるが、前述の実施例とは異なり、さらに弾性部材１４４ａ、１４４ｂをそれぞれ含む。この例では弾性部材１４４ａ、１４４ｂはバネであるが、バネに限らず衝突時の衝撃を緩和させる部材であればよい。
【００８３】
図１０（ｂ）では、梁１０４が上向きに所定の大きさ以上に反っており、ボタン１４２ａが押し下げられて、変位検出スイッチ１４０ａがＯＮになっている。このとき、弾性部材１４４ａ（バネ）が縮んでおり、図１０（ｂ）の矢印のように力が働く。この力によって、梁１０４が過度に変形した場合にも、衝突時の衝撃を緩和させることができる。図１０（ｃ）では、梁１０４が下向きに所定の大きさ以上に反っており、ボタン１４２ｂが押し下げられて、変位検出スイッチ１４０ｂがＯＮになっている。このときにも、図１０（ｃ）の矢印の力によって、衝突時の衝撃を緩和させることができる。
【００８４】
以上のように、本変形例では、変位検出スイッチ１４０ａ、１４０ｂが含む弾性部材１４４ａ、１４４ｂによって衝突時の衝撃を緩和させるので、発電装置を破壊や変形等から守ることができる。
【００８５】
Ｄ．その他：
以上、本実施例および第１〜第２変形例（以下、単に変形例とする）について説明したが、本発明はこれらの実施例、変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。
【００８６】
例えば、上述した実施例、変形例では、圧電部材１０８が片持ち梁構造の梁１０４に取り付けられているものとして説明した。しかし、圧電部材１０８が取り付けられる部材は、振動などによって容易に繰り返し変形する部材であれば、どのような部材であっても構わない。例えば、薄膜の表面に圧電部材１０８を取り付けても良いし、弦巻バネの側面に圧電部材１０８を取り付けても構わない。
【００８７】
そして、超小型で低消費電力の変位検出スイッチ１３０ａ、変位検出スイッチ１３０ｂが利用可能な場合、電池の代わりにリモコン等の小型電子機器に組み込む、といった応用が可能である。このとき、使用時に前回の発電で蓄電素子Ｃ１に蓄えたエネルギーを優先的に変位検出スイッチ１３０ａ、変位検出スイッチ１３０ｂに供給するような制御が行われてもよい。
【００８８】
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。
【００８９】
このとき、あらゆる振動に対応するために、梁１０４の長さや錘１０６の重さが異なる複数の発電装置１００を移動手段に組み込んでもよい。このとき、複数の発電装置１００が共通の支持端１０２に固定されている発電ユニットとして構成されていてもよい。
【００９０】
また、本発明の発電装置は振動や移動に応じて発電するため、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。
【００９１】
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】
【００９２】
１００…発電装置、１０２…支持端、１０４…梁、１０６…錘、１０８…圧電部材、１０９ａ…第１電極、１０９ｂ…第２電極、１１２…制御回路、１１３…タイミング演算部、１２０…全波整流回路、１３０ａ，１３０ｂ…変位検出スイッチ、１３２ａ，１３２ｂ…ボタン、１４４ａ，１４４ｂ…弾性部材、１５０…ＭＥＭＳスイッチ、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）。また、圧電素子で正の電荷が発生している間だけ接点が閉じるようにすることで、ダイオードでの電圧損失を発生させずに直流電流が得られるようにした技術も提案されている（特許文献２）。これら技術を用いれば、発電装置を小型化することができるので、例えば小型の電子部品に電池の代わりに組み込むなどの応用が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１０７７５２号公報
【特許文献２】特開２００５−３１２２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、提案されている従来の技術では、得られる電圧が、圧電材料の電気分極によって生じる電圧までに限られるという問題があった。このため、ほとんどの場合は、別に昇圧回路が必要となり、発電装置を十分に小型化することが難しいという問題があった。
【０００６】
この発明は、従来の技術が有する上述した課題を解決するためになされたものであり、圧電材料の圧電効果を利用した小型の発電装置において、効率的に高い電圧を発生させることが可能な技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明は、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圧電素子と、機械式接点を有し、前記変形部材の変形による変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換える変位検出スイッチと、前記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、前記変位検出スイッチの導通状態又は非導通状態に基づいて、前記共振回路に設けられた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。
【０００８】
本発明によれば、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、圧電素子も変形する。その結果、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、圧電素子の変形量が大きくなるほど多くなる。また、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、スイッチでの導通を切断した状態で変形部材の変形を開始して、変形量が極値となったとき（すなわち変形方向が切り換わるとき）に、スイッチを導通状態とする。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、圧電素子で発生した電荷が最も多くなった時に、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、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、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、圧電素子の反対側の端子に流れ込む。この期間（すなわち、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圧電素子内に流れ込むまでの期間）は、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、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、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圧電素子内に電荷が蓄積される。また、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、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、こうして圧電素子内に効率よく電荷を蓄積するためには、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、本発明に係る発電装置は、変形部材の変形による変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換える変位検出スイッチを備えている。変位検出スイッチは機械式接点を有している。そのため、例えば変形部材の機械式接点への接触で導通状態、非導通状態を切り換えることができる。そして、例えば変形部材の変形による変位が所定の大きさ以上の場合に、機械式接点のボタンが押されて変位検出スイッチが導通状態になるようにすることもできる。つまり、本発明に係る発電装置は直接的に変形部材の変位を検出することが可能である。このとき、変形部材の変位の方向の切り換わりを把握するために、例えば電流の変化を演算処理で求めること等を要しない。そのため、回路規模が増大することを抑えることができる。そして、制御手段は、圧電素子の変形方向の切り換わり（例えば、変位検出スイッチの導通状態が対応）から所定期間だけ共振回路に設けられたスイッチを導通状態とすることで、圧電素子内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。よって、圧電効果を利用した小型の発電装置において、効率的に高い電圧を発生させることが可能である。
【０００９】
（２）この発電装置において、前記変位検出スイッチは、弾性部材を含んでもよい。
【００１０】
本発明によれば、変位検出スイッチは変形部材の変位の方向の切り換わりを把握できるだけでなく、例えば外力により変形部材が過度に変形した場合に、弾性部材によって衝突時の衝撃を緩和させることが可能となる。例えば機械式接点のボタンが押されて導通状態になる変位検出スイッチが、ボタンを押し戻すように作用する弾性部材を含んでいるとする。このとき、変形部材が過度に変形した場合には、弾性部材が緩衝材として作用し、衝突時の衝撃を緩和させるので発電装置を保護することができる。
【００１１】
（３）この発電装置において、変位検出スイッチは、前記変形部材の一つの面の変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換えてもよい。
【００１２】
本発明によれば、例えば変位検出スイッチは変形部材の一つの面に対向して設置される。変位検出スイッチは１つでもよい。そして、変位検出スイッチと対向する面が変位検出スイッチのボタンに接触した場合に、変位検出スイッチが導通状態となってもよい。このとき、変位検出スイッチが導通状態となるタイミングは、圧電素子の変形方向が切り換わるタイミングを示す。
【００１３】
ここで、１つの変位検出スイッチが導通状態となるタイミングからは、変形部材の振動の１周期を把握できる。そして、例えばタイミング演算部が、変位検出スイッチが導通状態となる間隔の１／２を演算で求めることで半周期毎のタイミングを得ることもできる。このとき、変形部材の一つの面の変位だけを検出すればよいので、変位検出スイッチは１つだけでもよく、発電装置をより小型化することができる。
【００１４】
（４）この発電装置において、前記変位検出スイッチは、複数であって、前記変位検出スイッチの１つである第１の変位検出スイッチは、前記変形部材の１つの面である第１の面の変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換え、前記第１の変位検出スイッチとは異なる第２の変位検出スイッチは、前記第１の面とは異なる面の変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換えてもよい。
【００１５】
本発明によれば、変位検出スイッチは複数であり、第１の変位検出スイッチと第２の変位検出スイッチとを含む。そして、第１の変位検出スイッチは変形部材の一つの面（第１の面）の変位を検出し、第２の変位検出スイッチは第１の面とは異なる面の変位を検出する。このとき、第１、第２の変位検出スイッチが導通状態となるタイミングによって、変形部材の振動の半周期を把握できる。このとき、例えば前記のタイミング演算部のように周期を演算する回路が不要になり、演算に要する消費電力を低減することができる。
【００１６】
（５）この発電装置において、前記変位検出スイッチは、前記変形部材に設けられていてもよい。
【００１７】
本発明によれば、変位検出スイッチも変形部材に設けられて製造されるので、製造工程を単純化することが可能となる。例えば、筐体に変位検出スイッチを設ける場合には、発電装置全体を組み立ててから変位検出スイッチの取り付け作業を行う必要がある。本発明では、変形部材という部品の製造段階で変位検出スイッチの取り付けが可能であるため、製造工程を単純化することができる。
【００１８】
（６）本発明は、変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変形部材に設けられた圧電素子と、機械式接点を有し、前記変形部材の変形による変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換える変位検出スイッチと、前記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、を備える発電装置の制御方法であって、前記変位検出スイッチが導通状態であるか否かを判断するステップと、前記変位検出スイッチが導通状態の場合に、前記共振回路に設けられたスイッチを所定期間導通状態とするステップと、を含む。
【００１９】
本発明によれば、発電装置の制御方法として、変位検出スイッチが導通状態であるか否かを判断するステップと、変位検出スイッチが導通状態の場合に共振回路に設けられたスイッチを所定期間導通状態とするステップとを含む。まず、変位検出スイッチが導通状態であるか否かによって、直接的かつ正確に変形部材の変位の極値のタイミングを知ることができる。そして、共振回路に設けられたスイッチを導通状態にするステップでは、このような変位の極値を表す正確なタイミングを用いることができる。このとき、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。よって、圧電効果を利用した小型の発電装置において、効率的に高い電圧を発生させることが可能な制御方法を実現できる。
【００２０】
（７）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。
【００２１】
（８）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。
【００２２】
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効率良く電力供給することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施例の発電装置の構造を示した説明図である。
【図２】本実施例の発電装置の動作を示した説明図である。
【図３】本実施例の発電装置の動作原理の前半部分を概念的に示した説明図である。
【図４】本実施例の発電装置の動作原理の後半部分を概念的に示した説明図である。
【図５】変位を検出することによってスイッチＳＷを適切なタイミングで制御可能な理由を示す説明図である。
【図６】スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを切り換えるスイッチ制御処理を示したフローチャートである。
【図７】変位検出スイッチの説明図である。
【図８】第１変形例の発電装置の構造を示した説明図である。
【図９】第１変形例のタイミング演算部の説明図である。
【図１０】第２変形例の弾性部材を含む変位検出スイッチの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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：
Ａ−３．発電装置の動作原理：
Ａ−４．スイッチの切換タイミング：
Ａ−５．変位検出スイッチ：
Ｂ．第１変形例：
Ｃ．第２変形例：
Ｄ．その他：
【００２５】
Ａ．実施例 ：
Ａ−１．発電装置の構造 ：
図１は、本実施例の発電装置１００の構造を示した説明図である。図１（ａ）には、発電装置１００の機械的な構造が示されており、図１（ｂ）には電気的な構造が示されている。本実施例の発電装置１００の機械的な構造は、先端に錘１０６が設けられた梁１０４が、基端側で支持端１０２に固定された片持ち梁構造となっており、支持端１０２は発電装置１００内に固定されるのが望ましい。また、梁１０４の表面には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料によって形成された圧電部材１０８が取り付けられており、圧電部材１０８の表面には、表側と裏側とに、金属薄膜によって形成された第１電極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、第２電極１０９ｂとで圧電素子を構成している。なお、図１（ａ）に示した例では、梁１０４の上面側に圧電部材１０８が設けられているが、梁１０４の下面側に圧電部材１０８を設けても良く、あるいは梁１０４の上面側および下面側の両方に圧電部材１０８を設けても良い。また、圧電部材１０８は梁１０４の変形によって変形するから、梁１０４が本発明の「変形部材」に相当する。
【００２６】
梁１０４は、基端側が支持端１０２に固定されており、先端側には錘１０６が設けられているので、振動などが加わると、図中に白抜きの矢印で示したように、梁１０４の先端が大きく振動する。その結果、梁１０４の表面に取り付けられた圧電部材１０８には、圧縮力および引張力が交互に作用する。すると、圧電部材１０８は圧電効果によって正負の電荷を発生し、その電荷が第１電極１０９ａ、および第２電極１０９ｂに現れる。また、錘１０６は必須ではないが、梁１０４の先端側と基端側とで重量のバランスが非均衡であることが望ましい。なぜなら、重量のバランスが非均衡であることで、たとえば、１つの振動により梁１０４の変位が反復しやすくなるためである。
【００２７】
変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは、発電装置１００内に固定されており、変形部材である梁１０４の変位を検出する。すなわち、振動によって梁１０４が所定の大きさ以上に上向きに反った場合（梁１０４の上面側が凹となった場合）に、変位検出スイッチ１３０ａのボタン１３２ａが押される。そのため、変位検出スイッチ１３０ａは、梁１０４の上向きの変位を検出できる。一方、振動によって梁１０４が所定の大きさ以上に下向きに反った場合（梁１０４の下面側が凹となった場合）に、変位検出スイッチ１３０ｂのボタン１３２ｂが押される。そのため、変位検出スイッチ１３０ｂは、梁１０４の下向きの変位を検出できる。
【００２８】
本実施例では、機械式接点を有する変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂが、それぞれ梁１０４の圧電部材１０８が設けられた面（上面であって、第１の面に対応）、上面の裏側である錘１０６が設けられた面（下面）と対向して設置されている。
【００２９】
ここで、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは、正確な変位検出のために梁１０４の先端側の変位を測定することが好ましい。振動などが加わると、梁１０４の先端側の方が、基端側に比べて大きく振動するからである。
【００３０】
なお、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは、例えばそれぞれ本発明の第１の変位検出スイッチ、第２の変位検出スイッチに対応するが、対応関係は逆であってもよい。変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは、梁１０４の変位の大きさが所定の大きさ以上の場合に導通状態となるように、発電装置１００の筐体（図外）等に固定されてもよい。また、梁１０４の表面に変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂが固定されており、例えば発電装置１００の筐体に触れることでボタンが押されて導通状態となってもよい。
【００３１】
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Ｃ０として表すことができる。この圧電部材１０８に対して並列にインダクターＬが接続されて、圧電部材１０８の容量成分（コンデンサーＣ０）と共に電気的な共振回路を形成している。そして、この共振回路をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチＳＷが、インダクターＬに対して直列に接続されている。スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦは、制御回路１１２（制御手段に対応）によって制御されている。また、圧電部材１０８に設けられた第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂは、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４から構成される全波整流回路１２０に接続されている。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。
【００３２】
ここで、制御回路１１２は、変位検出スイッチ１３０ａ（第１の変位検出スイッチに対応）、変位検出スイッチ１３０ｂ（第２の変位検出スイッチに対応）から導通状態であるか否かを示す信号を受け取ることで、後述するように、梁１０４の変位の方向の切り換わり（すなわち、圧電素子の変形方向の切り換わり）を把握できる。そして、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂからの信号に基づいて、正確にスイッチＳＷをＯＮするタイミングを決定するので、昇圧効果を高めることが可能である。
【００３３】
Ａ−２．発電装置の動作 ：
図２は、本実施例の発電装置１００の動作を示した説明図である。図２（ａ）には、梁１０４の振動に伴う、梁１０４の先端の変位が示されている。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２（ｂ）には、梁１０４の変形に伴って、圧電部材１０８が発生する電流の様子と、その結果として圧電部材１０８の内部に生じる起電力とが示されている。なお、図２（ｂ）では、圧電部材１０８に電荷が発生する様子は、単位時間あたりに発生する電荷量（すなわち、電流Ｉpzt ）として表され、また、圧電部材１０８に生じる起電力は、第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電位差Ｖpzt として表されている。
【００３４】
図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるように、梁１０４の変位が増加している間は、圧電部材１０８は正方向の電流を発生させ（すなわち、電流Ｉpzt がプラス値）、これに伴って第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの電位差Ｖpzt は正方向へ増加する。正方向の電位差Ｖpzt が、Ｃ１の電圧ＶＣ１と全波整流回路１２０を構成しているダイオードの順方向降下電圧Ｖｆの２倍との和、すなわち、ＶＣ１＋２Ｖｆよりも大きくなれば、それ以降に発生した電荷は直流電流として取り出して、蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。また、梁１０４の変位が減少している間は、圧電部材１０８は負方向の電流を発生させ（すなわち、電流Ｉpzt がマイナス値）、これに伴って第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの電位差Ｖpzt は負方向へ増加する。負方向の電位差Ｖpzt が、ＶＣ１と全波整流回路１２０の２Ｖｆの和よりも大きくなれば、発生した電荷は直流電流として取り出して、蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。すなわち、図１のスイッチＳＷをＯＦＦにしたままでも、図２（ｂ）中に斜線を付して示した部分については、蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えることができる。
【００３５】
本実施例の発電装置１００では、図２（ｃ）に示すタイミングで、スイッチＳＷをＯＮにする。すると、図２（ｄ）に示すように、圧電部材１０８を含む圧電素子の端子間（以下、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。すなわち、例えば、図２（ｄ）中に「Ｂ」と表示した期間Ｂでは、圧電部材１０８の起電力に対応する細い破線で示した電圧波形Ｖpzt がマイナス方向にシフトしたような、太い破線で示した電圧波形が圧電部材１０８の端子間に現れる。このような現象が発生する理由については後述する。また、図２（ｄ）中に「Ｃ」と表示した期間Ｃでは、圧電部材１０８の起電力に対応する電圧波形Ｖpzt がプラス方向にシフトしたような、太い破線の電圧波形が現れる。以降の期間Ｄ、期間Ｅ、期間Ｆなどについても同様に、圧電部材１０８の起電力に対応する電圧波形Ｖpzt がプラス方向あるいはマイナス方向にシフトしたような、太い破線の電圧波形が現れる。そして、シフトした電圧波形が、ＶＣ１と２Ｖｆとの和を超えた部分（図２（ｄ）中に斜線を付して示した部分）では、圧電部材１０８で発生した電荷を蓄電素子Ｃ１に蓄えておくことができる。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。その結果、第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間の電圧波形は、図２（ｄ）に太い実線で示した波形となる。
【００３６】
図２（ｂ）に示したスイッチＳＷをＯＦＦにしたままの場合と、図２（ｄ）に示したように、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングでスイッチＳＷをＯＮにした場合とを比較すれば明らかなように、本実施例の発電装置１００では、適切なタイミングでスイッチＳＷをＯＮにすることで、効率よく、蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えることが可能となる。
【００３７】
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２（ｄ）中の期間Ｂ（蓄電素子Ｃ１に電荷が蓄えられていない状態）と、図２（ｄ）中の期間Ｈ（蓄電素子Ｃ１に少し電荷が蓄えられた状態）とを比較すると、期間Ｈの方が電圧波形のシフト量が大きくなっている。同様に、図２（ｄ）中の期間Ｃと期間Ｉとを比較すると、蓄電素子Ｃ１に蓄えられた電荷が増えている期間Ｉの方が、電圧波形のシフト量が大きくなっている。このような現象が発生する理由については後述するが、この結果、本実施例の発電装置１００では、圧電部材１０８を変形させたことによって、第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電圧Ｖpzt 以上の電圧を、蓄電素子Ｃ１に蓄えることも可能となる。その結果、特別な昇圧回路を設ける必要がなくなり、小型で高効率の発電装置を得ることが可能となる。
【００３８】
Ａ−３．発電装置の動作原理 ：
図３は、本実施例の発電装置１００の動作原理の前半部分を概念的に示した説明図である。また、図４は、本実施例の発電装置１００の動作原理の後半部分を概念的に示した説明図である。図３では、圧電部材１０８の変形に合わせてスイッチＳＷをＯＮにしたときのＣ０の電荷の動きが、概念的に示されている。図３（ａ）は、圧電部材１０８（正確には梁１０４）が上向きに（上面側が凹となるように）変形した状態を表している。圧電部材１０８が上向きに変形すると、電流源からは正方向の電流が流れ、Ｃ０に電荷が蓄積され、Ｖgen は正方向の電圧が発生する。電圧値は、圧電部材１０８の変形が大きくなるほど増加する。そして、圧電部材１０８の変形が最大となったタイミング（電荷量が最も多くなったタイミング。図３（ｂ）参照）で、スイッチＳＷをＯＮにする。
【００３９】
図３（ｃ）には、スイッチＳＷをＯＮにした直後の状態が示されている。Ｃ０には電荷が蓄えられているから、この電荷がインダクターＬに流れようとする。インダクターＬに電流が流れると磁束が生じる（磁束が増加する）が、インダクターＬには、自らを貫く磁束の変化を妨げる方向に逆起電力が生じる性質（自己誘導作用）がある。スイッチＳＷをＯＮにしたときは、電荷が流れることによって磁束が増加しようとするから、この磁束の増加を妨げる方向（換言すれば、電荷の流れを妨げる方向）に逆起電力が発生する。また、逆起電力の大きさは、磁束の変化速度（単位時間あたりの変化量）に比例する。図３（ｃ）には、このようにしてインダクターＬに生じる逆起電力が、斜線を付した矢印によって表されている。このような逆起電力が発生するため、スイッチＳＷをＯＮにしても、圧電部材１０８の電荷は少しずつしか流れ出さない。すなわち、インダクターＬを流れる電流は少しずつしか増加しない。
【００４０】
その後、インダクターＬを流れる電流がピークになると、磁束の変化速度が「０」となるので、図３（ｄ）に示したように逆起電力が「０」となる。そして、今度は電流が減少し始める。すると、インダクターＬを貫く磁束が減少するので、インダクターＬには、この磁束の減少を妨げる方向（電流を流そうとする方向）の起電力が発生する（図３（ｅ）参照）。その結果、この起電力によってＣ０から電荷を引き抜きながら、インダクターＬを電流が流れ続ける。そして、電荷の移動の途中で損失が発生しなければ、圧電部材１０８の変形によって生じた全ての電荷が移動して、ちょうど正負の電荷が置き換わったような状態（すなわち、圧電部材１０８の下面側に正電荷が分布し、上面側に負電荷が分布した状態）となる。図３（ｆ）には、圧電部材１０８の変形によって生じた正負の電荷が全て移動した状態が表されている。
【００４１】
仮に、このままスイッチＳＷをＯＮにしておくと、今度は上述した内容と逆の現象が生じる。すなわち、圧電部材１０８の下面側の正電荷がインダクターＬに流れようとして、このときインダクターＬには、電荷の流れを妨げる方向の逆起電力が発生する。その後、インダクターＬを流れる電流がピークに達した後、減少に転じると、今度は電流の減少を妨げる方向（電流を流し続けようとする方向）の起電力がインダクターＬに発生する。その結果、圧電部材１０８の下面側にあった全ての正電荷が上面側に移動した状態（図３（ｂ）に示した状態）となる。こうして圧電部材１０８の上面側に戻った正電荷は、再び、図３（ｂ）〜図３（ｆ）を用いて前述したようにして、下面側に移動する。
【００４２】
このように、Ｃ０に電荷が蓄えられた状態でスイッチＳＷをＯＮにした後、その状態を保っておくと、圧電部材１０８とインダクターＬとの間で電流の向きが交互に反転する一種の共振現象が発生する。そして、この共振現象の周期は、いわゆるＬＣ共振回路の共振周期Ｔとなるから、圧電部材１０８に含まれるコンデンサーＣ０（容量成分）の大きさ（キャパシタンス）をＣ、インダクターＬの誘導成分の大きさ（インダクタンス）をＬとすると、Ｔ＝２π（ＬＣ）０．５によって与えられる。従って、スイッチＳＷをＯＮにした直後（図３（ｃ）に示した状態）から、図３（ｆ）に示した状態となるまでの時間は、Ｔ／２となる。
【００４３】
そこで、スイッチＳＷをＯＮにしてからＴ／２が経過した時点で、図４（ａ）に示すようにスイッチＳＷをＯＦＦにする。そしてこの状態から、圧電部材１０８（正確には梁１０４）を今度は下向きに（下面側が凹となるように）変形させる。前述した図３（ａ）では、圧電部材１０８を上向きに変形させたが、図４（ａ）では下向きに変形させているので、電流源から負方向の電流が流れ、Ｖgen が負方向へ大きくなるようにＣｏに電荷が蓄積する。また、図３（ａ）〜図３（ｆ）を用いて前述したように、圧電部材１０８（正確には梁１０４）を下向きに変形させる前の段階で、圧電部材１０８の下面側には正電荷が分布し、上面側には負電荷が分布しているから、これらの電荷に加えて、下面側には新たな正電荷が蓄積され、上面側には新たな負電荷が蓄積されることになる。図４（ｂ）には、スイッチＳＷをＯＦＦにした状態で圧電部材１０８（正確には梁１０４）を変形させることによって、圧電部材１０８に新たな電荷が蓄積された状態が示されている。
【００４４】
そして、この状態からスイッチＳＷをＯＮにすると、圧電部材１０８の下面側に蓄積された正電荷がインダクターＬに流れようとする。このときインダクターＬには逆起電力が発生するので（図４（ｃ）参照）、電流は少しずつ流れ始めるが、やがてピークに達して、その後は減少に転じる。すると、インダクターＬには、電流の減少を妨げる方向（電流を流し続けようとする方向）に起電力が発生し（図４（ｅ）参照）、この起電力によって電流が流れ続けて、最終的には、圧電部材１０８の下面側に分布していた全ての正電荷が上面側に移動し、上面側に分布していた全ての負電荷が下面側に移動した状態となる（図４（ｆ）参照）。また、下面側の全ての正電荷が上面側に移動し、上面側の全ての負電荷が下面側に移動する時間は、ＬＣ共振回路の半周期に相当する時間Ｔ／２となる。そこで、スイッチＳＷをＯＮにした後、時間Ｔ／２が経過したらスイッチＳＷをＯＦＦにして、今度は圧電部材１０８（正確には梁１０４）を上向きに（上面側が凹となるように）変形させれば、圧電部材１０８内に更に正負の電荷を蓄積することができる。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
図２を用いて前述したように本実施例の発電装置１００では、スイッチＳＷをＯＮにする度に圧電部材１０８の端子間の電圧波形がシフトする現象が生じる。すなわち、例えば図２（ｄ）中に示した期間Ａでは、圧電部材１０８（正確には梁１０４）の変形に従って、第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間に電圧が発生するが、第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂは全波整流回路１２０に接続されているので、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧を超えた部分の電荷は、全波整流回路１２０に接続された蓄電素子Ｃ１に流れ込む。その結果、梁１０４の変形が最大になった時点でスイッチＳＷをＯＮにすると、その時に圧電部材１０８内に残っていた正負の電荷がインダクターＬを介して移動して、圧電部材１０８内での正負の電荷の配置が入れ代わる。なお、図３および図４を用いて前述したメカニズムから明らかなように、スイッチＳＷをＯＮにしておく期間は、圧電部材１０８のコンデンサーと、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。
【００４８】
そして、正負の電荷の配置が入れ代わった状態から梁１０４を逆方向に変形させると、圧電部材１０８の第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間には、圧電効果による電圧波形が現れる。すなわち、圧電部材１０８の第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの極性が入れ代わった状態から、圧電部材１０８に変形による電圧変化が発生することになる。その結果、図２（ｄ）中に示した期間Ｂでは、梁１０４の変形によって圧電部材１０８に生じる電圧波形をシフトさせたような、電圧波形が現れることになる。もっとも、前述したように、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧を超えた部分の電荷は蓄電素子Ｃ１に流れ込むので、圧電部材１０８の第１電極１０９ａおよび第２電極１０９ｂの間の電圧は、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧でクリップされる。その後、共振周期の半分の時間だけスイッチＳＷをＯＮにすると、圧電部材１０８に残っていた正負の電荷の配置が入れ代わる。そして、その状態から梁１０４が変形することによって、圧電部材１０８には圧電効果による電圧波形が現れる。このため、図２（ｄ）中に示した期間Ｃにおいても、梁１０４の変形による電圧波形をシフトさせたような電圧波形が現れることになる。
【００４９】
また、図２を用いて前述したように本実施例の発電装置１００では、梁１０４が変形を繰り返しているうちに、電圧波形のシフト量が次第に大きくなるという現象も発生する。このため、圧電部材１０８の圧電効果によって第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電位差よりも高い電圧を、蓄電素子Ｃ１に蓄えることができるという大きな効果を得ることができる。このような現象は、次のようなメカニズムによって生じる。
【００５０】
先ず、図２（ｄ）中の期間Ａあるいは期間Ｂに示したように、Ｃ１が充電されていない場合は、圧電部材１０８の端子間で発生する電圧が、全波整流回路１２０の２Ｖｆを超えると、圧電部材１０８から蓄電素子Ｃ１に電荷が流れ込むので、圧電部材１０８の端子間に現れる電圧は、２Ｖｆでクリップされている。しかし、こうして蓄電素子Ｃ１に電荷を蓄えるに従って蓄電素子Ｃ１の端子間の電圧が増加していく。すると、それ以降は、蓄電素子Ｃ１の端子間電圧がＶＣ１と２Ｖｆとの和よりも高い電圧になって始めて、圧電部材１０８から電荷が流れ込むようになる。このため、圧電部材１０８の端子間の電圧がクリップされる値が、蓄電素子Ｃ１に電荷が蓄えられるに従って次第に上昇していく。
【００５１】
加えて、図３および図４を用いて前述したように、圧電部材１０８から電荷を流出させない限り、圧電部材１０８（正確には梁１０４）を変形させる度に、圧電部材１０８内の電荷は増えて行き、それに伴って、圧電部材１０８の端子間の電圧は大きくなる。このため、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。
【００５２】
Ａ−４．スイッチの切換タイミング ：
以上に説明したように、本実施例の発電装置１００では、圧電部材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。
【００５３】
梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングは、梁１０４の変位が極大値、極小値（以下、極大値と極小値をまとめて極値とする）をとるタイミングである。そこで、機械式接点を含む変位検出スイッチを用いて、梁１０４の変位の大きさが所定の大きさ以上の場合に変位検出スイッチが導通状態となる構成とすれば、梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングを容易に得ることができる。
【００５４】
ここで、変位検出スイッチに代えて、例えば非接触型のセンサーを用いて梁１０４の先端部の変位を常に検出する方法もあり得る。しかし、常に梁１０４の変位を検出すると、センサーを動作させるために電力を消費するので発電量が低下してしまう。また、梁１０４の変位の大きさは例えば発電装置１００の外力によって変化するが、梁１０４が小さな振動を行っている場合でも、センサーを動作させて演算処理を実行する必要がある。このとき、発電量よりもセンサーによる電力消費の方が大きくなるおそれがある。
【００５５】
本実施例の発電装置１００では、梁１０４の変位の大きさが所定の大きさ以上の場合に変位検出スイッチが導通状態となり、制御手段は導通状態を確認して初めて、共振回路のスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御する。そのため、共振回路のスイッチＳＷを制御する場合、電力消費量の方が発電量を上回るようなこともなく、効率的な発電装置１００を実現できる。
【００５６】
図５は、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂが振動する梁１０４の変位を検出することによって、スイッチＳＷを適切なタイミングで制御可能な理由を示す説明図である。図５（ａ）には、梁１０４の変位が示されている。また、図５（ｂ）、図５（ｃ）には、その変位の大きさが所定の大きさ以上の場合にＯＮになる変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂのＯＮ／ＯＦＦの状態がそれぞれ示されている。この例では、所定の大きさとは、梁１０４の振動における振幅よりもわずかに小さい値であるとする。
【００５７】
図３および図４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、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは、発電装置１００内の適切な位置に配置されており、梁１０４の先端部がそれぞれの変位検出スイッチのボタンを押すことでＯＮになる。この例では、図５（ａ）と図５（ｂ）に示すように、梁１０４の変位が上向きで所定の大きさ以上の場合に、変位検出スイッチ１３０ａがＯＮになる。そして、図５（ａ）と図５（ｃ）に示すように、梁１０４の変位が下向きで所定の大きさ以上の場合に、変位検出スイッチ１３０ｂがＯＮになる。
【００５８】
そして、図５（ｄ）に示すように、制御回路１１２は変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂのＯＮ／ＯＦＦを示す信号を受け取り、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂの一方がＯＮになるタイミングから、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。
【００５９】
このとき、梁１０４は外力によって振動するため、その振動の変位の大きさ（振幅）は様々である。しかし、本実施例では、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは所定の大きさ以上の振幅を持つ振動でなければＯＮとならない。そのため、共振回路のスイッチＳＷを制御する場合、電力消費量の方が発電量を上回るようなこともなく、効率的な発電装置１００を実現できる。
【００６０】
図６は、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを切り換えるスイッチ制御処理を示したフローチャートである。この処理は、例えば制御回路１１２に内蔵された図示しないＣＰＵによって実行される。なお、図６ではスイッチ（ＳＷ）制御処理と記載しているが、これは「スイッチ」を変位検出スイッチと誤解することを防止するためであり、以下では単にスイッチ制御処理と記す。
【００６１】
スイッチ制御処理を開始すると、制御回路１１２のＣＰＵは、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂがＯＮ（導通状態に対応）であるか否かを判断する（ステップＳ１０１）。例えば、制御回路１１２のＣＰＵは、変位検出スイッチ１３０ａのＯＮ／ＯＦＦに対応して、ハイレベル／ローレベルとなるデジタル信号を受け取ってもよい。なお、変位検出スイッチ１３０ｂについても同様である。ここで、ハイレベルとは例えばＶＤＤといった高電位であり、ローレベルとは例えばＧＮＤといった低電位である。ここで、前述のように変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂの一方がＯＮであることは、梁１０４の変位がピーク（極値）であることを意味する。
【００６２】
制御回路１１２のＣＰＵは、梁１０４の変位のピークを検出したら（Ｓ１０１：ｙｅｓ）、共振回路（圧電部材１０８のコンデンサーＣ０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Ｃ０とインダクターＬとによって構成される共振回路の共振周期の１／２の時間が、経過したか否かを判断する（ステップＳ１０６）。なお、梁１０４の変位のピークを検出しなかった場合は（Ｓ１０１：ｎｏ）、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂの一方がＯＮになるまで待つ。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
Ａ−５．変位検出スイッチ ：
本実施例では、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂはそれぞれ押されるとＯＮになるボタン１３２ａ、１３２ｂを備える機械式スイッチ（機械式接点を含むスイッチ）である。すなわち、接触式の接点を含むスイッチである。本実施例では、ボタンが押されるとＯＮになるが、ＯＦＦに変化するノーマリーオン型のスイッチでもよい。本発明の変位検出スイッチは、機械式接点を含むスイッチであれば特定の種類に限られない。
【００６６】
図７は、本実施例の変位検出スイッチの説明図である。図７（ａ）〜図７（ｃ）は、図１（ａ）の発電装置１００を梁１０４の長手方向に沿って切断した断面図に対応する。ただし、圧電部材１０８、第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂ、錘１０６の表記は省略している。なお、図１（ａ）〜図６と同じ要素には同じ符号を付しており説明を省略する。
【００６７】
図７（ａ）は変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂが共にＯＦＦである場合を表す。梁１０４が振動していない場合や、梁１０４の変位の大きさが所定の大きさ未満でありボタン１３２ａ、１３２ｂを押さない場合には、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは共にＯＦＦである。この状態は、例えば図５（ｂ）、図５（ｃ）で変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂが共にＯＦＦである状態に対応する。
【００６８】
この例では、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは図示されない発電装置１００の筐体に、梁１０４側にボタン１３２ａ、１３２ｂが向くように設置されている。そして、梁１０４の振動（例えば固有振動数での振動）の極値において変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂがＯＮとなるように、梁１０４からの距離が調整されている。つまり、前述の「所定の大きさ」は、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂの設置位置で調整することが可能である。また、例えばボタン１３２ａ、１３２ｂの軸の長さが調整可能であってもよい。このとき、梁１０４からの距離の微調整が可能である。
【００６９】
図７（ｂ）、図７（ｃ）は、それぞれ変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂがＯＮになった状態を示す図である。梁１０４が、それぞれ上向き、下向きに所定の大きさ以上に反っており、それぞれボタン１３２ａ、１３２ｂが押し下げられている。例えば、図７（ｂ）の状態は、図５（ｂ）で変位検出スイッチ１３０ａがＯＮである状態に対応する。また、図７（ｃ）の状態は、図５（ｃ）で変位検出スイッチ１３０ｂがＯＮである状態に対応する。梁１０４が大きく振動する場合には、図７（ｂ）、図７（ａ）、図７（ｃ）、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ａ）…のように変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂのＯＮ／ＯＦＦが変化する。
【００７０】
なお、本実施例では、変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは図示されない発電装置１００の筐体に設置されている。しかし、逆に変位検出スイッチ１３０ａ、１３０ｂは梁１０４に設置されており、梁１０４の振動に伴い、図示されない筐体がボタン１３２ａ、１３２ｂを押し下げてもよい。このとき、発電装置全体を組み立てなくても、部品である梁１０４の製造段階で変位検出スイッチの取り付けが可能になるため、製造工程を単純化することができる。
【００７１】
以上のように、本実施例の発電装置は、変位検出スイッチのＯＮ／ＯＦＦによって直接的に変形部材の変位を検出することが可能である。このとき、変形部材の変位の方向の切り換わりを把握するために、例えば電流の変化を演算処理で求めること等を要しない。そのため、回路規模が増大することを抑えることができる。そして、制御手段は、例えば変位検出スイッチがＯＮに切り換わるタイミングから所定期間（例えば共振周期の半分）だけ共振回路に設けられたスイッチを導通状態とすることで、圧電素子内に効率よく電荷を蓄積することが可能となる。よって、圧電効果を利用した小型の発電装置において、効率的に高い電圧を発生させることが可能である。
【００７２】
Ｂ．第１変形例 ：
上述した実施例には種々の変形例が存在している。以下では、第１変形例について図８〜図９を参照して説明する。
【００７３】
上述した実施例の発電装置では、変形部材の異なる面の変位に応じてＯＮ／ＯＦＦ（導通状態／非導通状態）を切り換える２つの変位検出スイッチを含んでいた。そのため、変形部材の変位の方向が切り換わるタイミングで２つの変位検出スイッチの一方がＯＮになり、共振回路に設けられたスイッチを導通状態とするタイミングを容易に得られた。言い換えると、変形部材の振動の半周期ごとのピークを２つの変位検出スイッチがＯＮするタイミングから把握可能であった。
【００７４】
しかし、変位検出スイッチのサイズによっては、変形部材の変位方向が切り換わるタイミングを求める演算用の回路が増加しても、一方の変位検出スイッチを削減した方が発電装置全体を小型化できる場合がある。以下では、１つの変位検出スイッチだけを含む第１変形例について説明する。尚、前述の実施例と同様な構成については、変形例においても同じ番号を付すものとして、詳細な説明は省略する。
【００７５】
図８は、第１変形例の発電装置１００ａを示した説明図である。図８（ａ）には、発電装置１００ａの機械的な構造が示されており、前述の実施例における図１（ａ）に対応する。図８（ｂ）には電気的な構造が示されており、前述の実施例における図１（ｂ）に対応する。
【００７６】
図８のように、発電装置１００ａは１つの変位検出スイッチ１３０ａだけを含む。本変形例での変位検出スイッチ１３０ａは、前述の実施例の変位検出スイッチ１３０ａと同じであり、振動によって梁１０４が所定の大きさ以上に上向きに反った場合（梁１０４の上面側が凹となった場合）に、変位検出スイッチ１３０ａのボタン１３２ａが押される。よって、図８（ｂ）の制御回路１１２ａは、変形部材の振動の１周期ごとのピークしか把握できない。つまり、制御回路１１２ａは、例えば図５（ｂ）の変化だけを把握することが可能であり、図５（ｃ）のような下向きのピークのタイミングを受け取ることはできない。しかし、高効率の発電装置を実現するために、制御回路１１２ａは、図５（ｄ）のように半周期ごとのピークで正確にスイッチＳＷをＯＮする必要がある。
【００７７】
そこで、本変形例では図８（ｂ）のように、制御回路１１２ａが演算によって半周期ごとのピークに対応するタイミングを生成するタイミング演算部１１３を含むことで、高効率の発電装置を実現する。本変形例では、制御回路１１２ａは、変位検出スイッチ１３０ａが導通状態であるか否か（ＯＮ／ＯＦＦ）を示す信号を受け取ることで、梁１０４の上向きの変位が下向きへと切り換わるタイミングを把握できる。しかし、梁１０４の下向きの変位が上向きへと切り換わるタイミングは得られない。そこで、タイミング演算部１１３で演算を行って、梁１０４の下向きのピークに対応するタイミングを生成する。
【００７８】
図９は、本変形例のタイミング演算部１１３の説明図である。図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｄ）はそれぞれ、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｄ）と同じであり、説明を省略する。本変形例では、タイミング演算部１１３は図９（ｃ）のようなタイミングでパルス信号を発生させることによって、図９（ｄ）のように半周期ごとのピークでスイッチＳＷをＯＮすることを可能にする。
【００７９】
タイミング演算部１１３は、変位検出スイッチ１３０ａがＯＮになったときから、次にＯＮになるまでの時間を記憶する。この時間間隔をＰ０、Ｐ１、Ｐ２…とする。図９（ｃ）ではＰ１だけが示されているが、Ｐ０、Ｐ２についても同様に取得されているものとする。ここで、Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２…は変形部材の振動の１周期を表す。そして、タイミング演算部１１３は、変位検出スイッチ１３０ａがＯＮになったときから、直前に取得された時間間隔の半分（図９（ｃ）のＰ０／２やＰ１／２）だけ経過したときにパルス信号を発生させる。このパルス信号の発生タイミングは、変位検出スイッチ１３０ａがＯＮになったときから変形部材の振動の半周期が経過したタイミングである。つまり、実施例における変位検出スイッチ１３０ｂがＯＮになるタイミングに相当する（図５（ｃ）参照）。図９（ｄ）に示すように、制御回路１１２は変位検出スイッチ１３０ａがＯＮになるタイミングおよびタイミング演算部１１３がパルス信号を発生させるタイミングから、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。本変形例では、上述した実施例と同様に効率的な発電を行いつつ、変位検出スイッチを１つにすることで、発電装置をさらに小型化できる可能性がある。
【００８０】
Ｃ．第２変形例 ：
以下では、第２変形例について図１０を参照して説明する。上述した実施例の発電装置では、例えば外力により変形部材が過度に変形した場合に、強い衝撃が変位検出スイッチを介して発電装置の筺体等に伝わり、部分的な破壊や変形を発生させる可能性があった。本変形例では、変位検出スイッチが含む弾性部材によって衝突時の衝撃を緩和させるので、発電装置を破壊や変形等から守ることが可能になる。尚、前述の実施例、第１変形例と同様な構成については、本変形例においても同じ番号を付すものとして、詳細な説明は省略する。
【００８１】
図１０は、本変形例の弾性部材を含む変位検出スイッチの説明図である。図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）は、前述の実施例の図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）にそれぞれ対応する。つまり、図１０（ａ）は変位検出スイッチ１４０ａ、１４０ｂが共にＯＦＦである場合を表す。図１０（ｂ）、図１０（ｃ）は、それぞれ変位検出スイッチ１４０ａ、１４０ｂがＯＮになった状態を示す図である。
【００８２】
ここで、変位検出スイッチ１４０ａ、１４０ｂは、それぞれボタン１４２ａ、１４２ｂを備えるが、前述の実施例とは異なり、さらに弾性部材１４４ａ、１４４ｂをそれぞれ含む。この例では弾性部材１４４ａ、１４４ｂはバネであるが、バネに限らず衝突時の衝撃を緩和させる部材であればよい。
【００８３】
図１０（ｂ）では、梁１０４が上向きに所定の大きさ以上に反っており、ボタン１４２ａが押し下げられて、変位検出スイッチ１４０ａがＯＮになっている。このとき、弾性部材１４４ａ（バネ）が縮んでおり、図１０（ｂ）の矢印のように力が働く。この力によって、梁１０４が過度に変形した場合にも、衝突時の衝撃を緩和させることができる。図１０（ｃ）では、梁１０４が下向きに所定の大きさ以上に反っており、ボタン１４２ｂが押し下げられて、変位検出スイッチ１４０ｂがＯＮになっている。このときにも、図１０（ｃ）の矢印の力によって、衝突時の衝撃を緩和させることができる。
【００８４】
以上のように、本変形例では、変位検出スイッチ１４０ａ、１４０ｂが含む弾性部材１４４ａ、１４４ｂによって衝突時の衝撃を緩和させるので、発電装置を破壊や変形等から守ることができる。
【００８５】
Ｄ．その他：
以上、本実施例および第１〜第２変形例（以下、単に変形例とする）について説明したが、本発明はこれらの実施例、変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。
【００８６】
例えば、上述した実施例、変形例では、圧電部材１０８が片持ち梁構造の梁１０４に取り付けられているものとして説明した。しかし、圧電部材１０８が取り付けられる部材は、振動などによって容易に繰り返し変形する部材であれば、どのような部材であっても構わない。例えば、薄膜の表面に圧電部材１０８を取り付けても良いし、弦巻バネの側面に圧電部材１０８を取り付けても構わない。
【００８７】
そして、超小型で低消費電力の変位検出スイッチ１３０ａ、変位検出スイッチ１３０ｂが利用可能な場合、電池の代わりにリモコン等の小型電子機器に組み込む、といった応用が可能である。このとき、使用時に前回の発電で蓄電素子Ｃ１に蓄えたエネルギーを優先的に変位検出スイッチ１３０ａ、変位検出スイッチ１３０ｂに供給するような制御が行われてもよい。
【００８８】
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。
【００８９】
このとき、あらゆる振動に対応するために、梁１０４の長さや錘１０６の重さが異なる複数の発電装置１００を移動手段に組み込んでもよい。このとき、複数の発電装置１００が共通の支持端１０２に固定されている発電ユニットとして構成されていてもよい。
【００９０】
また、本発明の発電装置は振動や移動に応じて発電するため、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。
【００９１】
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】
【００９２】
１００…発電装置、１０２…支持端、１０４…梁、１０６…錘、１０８…圧電部材、１０９ａ…第１電極、１０９ｂ…第２電極、１１２…制御回路、１１３…タイミング演算部、１２０…全波整流回路、１３０ａ，１３０ｂ…変位検出スイッチ、１３２ａ，１３２ｂ…ボタン、１４４ａ，１４４ｂ…弾性部材、１５０…ＭＥＭＳスイッチ、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圧電素子と、
機械式接点を有し、前記変形部材の変形による変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換える変位検出スイッチと、
前記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、
前記変位検出スイッチの導通状態又は非導通状態に基づいて、前記共振回路に設けられた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、
前記変位検出スイッチは、
弾性部材を含む発電装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発電装置において、
前記変位検出スイッチは、
前記変形部材の一つの面の変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換える発電装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の発電装置において、
前記変位検出スイッチは、
複数であって、
前記変位検出スイッチの１つである第１の変位検出スイッチは、前記変形部材の１つの面である第１の面の変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換え、
前記第１の変位検出スイッチとは異なる第２の変位検出スイッチは、前記第１の面とは異なる面の変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換える発電装置。
【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、
前記変位検出スイッチは、
前記変形部材に設けられている発電装置。
【請求項６】
変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変形部材に設けられた圧電素子と、機械式接点を有し、前記変形部材の変形による変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換える変位検出スイッチと、前記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、を備える発電装置の制御方法であって、
前記変位検出スイッチが導通状態であるか否かを判断するステップと、
前記変位検出スイッチが導通状態の場合に、前記共振回路に設けられたスイッチを所定期間導通状態とするステップと、を含む発電装置の制御方法。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかに記載の発電装置を含む電子機器。
【請求項８】
請求項１乃至５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圧電素子と、
機械式接点を有し、前記変形部材の変形による変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換える変位検出スイッチと、
前記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、
前記変位検出スイッチの導通状態又は非導通状態に基づいて、前記共振回路に設けられた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、
前記変位検出スイッチは、
弾性部材を含む発電装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発電装置において、
前記変位検出スイッチは、
前記変形部材の一つの面の変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換える発電装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の発電装置において、
前記変位検出スイッチは、
複数であって、
前記変位検出スイッチの１つである第１の変位検出スイッチは、前記変形部材の１つの面である第１の面の変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換え、
前記第１の変位検出スイッチとは異なる第２の変位検出スイッチは、前記第１の面とは異なる面の変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換える発電装置。
【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、
前記変位検出スイッチは、
前記変形部材に設けられている発電装置。
【請求項６】
変形方向を切り換えて変形する変形部材と、前記変形部材に設けられた圧電素子と、機械式接点を有し、前記変形部材の変形による変位に応じて導通状態、非導通状態を切り換える変位検出スイッチと、前記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、を備える発電装置の制御方法であって、
前記変位検出スイッチが導通状態であるか否かを判断するステップと、
前記変位検出スイッチが導通状態の場合に、前記共振回路に設けられたスイッチを所定期間導通状態とするステップと、を含む発電装置の制御方法。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかに記載の発電装置を含む電子機器。
【請求項８】
請求項１乃至５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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−８１２７７（Ｐ２０１３−８１２７７Ａ）
【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２０１１−２１９０３３（Ｐ２０１１−２１９０３３）
【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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