発電装置、電子機器および移動手段
【課題】圧電効果を利用して、小型化が可能で効率の良い発電装置を提供する。
【解決手段】第１の圧電素子および第２の圧電素子を設けた変形部材を繰り返し変形させ、変形方向が切り換わるときに第１の圧電素子をインダクターに接続し、第１の圧電素子とインダクターとによる共振回路の共振周期の半分が経過するとインダクターを切り離す。インダクターを接続する度に、第１の圧電素子内での正負の電荷の配置が共振によって瞬間的に反転し、その状態から第１の圧電素子が逆方向に変形することで、圧電効果による電荷が第１の圧電素子内に蓄えられる。また、第１の圧電素子の変形方向が切り換わるときには、第２の圧電素子が発生する電圧が極値をとるから、第２の圧電素子の電圧が極値となったときに第１の圧電素子をインダクターと接続すれば、第１の圧電素子内に効率よく電荷を蓄えることができる。
【解決手段】第１の圧電素子および第２の圧電素子を設けた変形部材を繰り返し変形させ、変形方向が切り換わるときに第１の圧電素子をインダクターに接続し、第１の圧電素子とインダクターとによる共振回路の共振周期の半分が経過するとインダクターを切り離す。インダクターを接続する度に、第１の圧電素子内での正負の電荷の配置が共振によって瞬間的に反転し、その状態から第１の圧電素子が逆方向に変形することで、圧電効果による電荷が第１の圧電素子内に蓄えられる。また、第１の圧電素子の変形方向が切り換わるときには、第２の圧電素子が発生する電圧が極値をとるから、第２の圧電素子の電圧が極値となったときに第１の圧電素子をインダクターと接続すれば、第１の圧電素子内に効率よく電荷を蓄えることができる。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）や、水晶（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの圧
電材料は、外力を受けて変形すると、材料内部に電気分極が誘起されて表面に正負の電荷
が現れる。このような現象は、いわゆる圧電効果と呼ばれている。圧電材料が有するこの
ような性質を利用して、片持ち梁を振動させて圧電材料に繰り返し加重を作用させ、圧電
材料の表面に生じた電荷を電気として取り出す発電方法が提案されている。
【０００３】
たとえば、先端に錘を設けるとともに圧電材料の薄板を貼り付けた金属製の片持ち梁を
振動させ、振動に伴って圧電材料に交互に生じる正負の電荷を取り出すことによって交流
電流を発生させる。そして、この交流電流をダイオードによって整流した後、コンデンサ
ーに蓄えておき、電力として取り出す技術が提案されている（特許文献１）。また、圧電
素子で正の電荷が発生している間だけ接点が閉じるようにすることで、ダイオードでの電
圧損失を発生させずに直流電流が得られるようにした技術も提案されている（特許文献２
）。これら技術を用いれば、発電装置を小型化することができるので、たとえば小型の電
子部品に電池の代わりに組み込むなどの応用が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１０７７５２号公報
【特許文献２】特開２００５−３１２２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、提案されている従来の技術では、得られる電圧が、圧電材料の電気分極によっ
て生じる電圧までに限られるという問題があった。このため、圧電材料から電気を取り出
す発電回路とは別に昇圧回路が必要となることが多く、発電装置を十分に小型化すること
が難しいという問題があった。
【０００６】
この発明は、従来の技術が有する上述した課題を解決するためになされたものであり、
圧電材料の圧電効果を利用した発電装置を大型化させることなく、高い電圧を発生させる
ことが可能な技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の発電装置は次の構成を採用
した。すなわち、
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、
前記変形部材に設けられた第２の圧電素子と、
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、
前記第２の圧電素子に生じた電圧を検出することによって、前記スイッチを所定期間導
通状態とする制御手段と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
このような本発明の発電装置では、第１の圧電素子および第２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の圧電素子および第２の圧電
素子も変形する。その結果、これら圧電素子には、圧電効果によって正負の電荷が発生す
る。また、電荷の発生量は、圧電素子の変形量が大きくなるほど多くなる。また、第１の
圧電素子はインダクターととも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。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、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。
【０００９】
また、上述した本発明の発電装置においては、第１の圧電素子と第２の圧電素子とを、
変形部材の異なる面に設けることとしてもよい。
【００１０】
仮に、第１の圧電素子および第２の圧電素子を、変形部材の同じ面に設けたとすると、
第２の圧電素子が存在する分だけ第１の圧電素子の設置面積が狭くなる。そして、変形量
が同じであれば、圧電素子の設置面積が大きくなるほど発電能力は高くなる。従って、第
１の圧電素子と第２の圧電素子とを、変形部材の異なる面に設けることとしておけば、第
１の圧電素子の設置面積を大きくすることができるので、発電装置の発電能力を高くする
ことができる。
【００１１】
あるいは、上述した本発明の発電装置においては、第１の圧電素子と第２の圧電素子と
を、変形部材の同じ面に設けることとしてもよい。
【００１２】
第１の圧電素子および第２の圧電素子が、変形部材の同じ面に設けられていれば、第１
の圧電素子および第２の圧電素子を一度に（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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施例の発電装置の構造を示した説明図である。
【図２】第１実施例の発電装置の動作を示した説明図である。
【図３】第１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】第１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】制御用の圧電素子の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説明図である。
【図６】制御用の圧電素子の起電力を検出してスイッチの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】第２実施例の発電装置の構造を示した説明図である。
【図８】発電用の圧電素子と２つの制御用の圧電素子とが設けられた第１変形例を示した説明図である。
【図９】発電用の圧電素子および制御用の圧電素子が梁の同じ面に設けられた第２変形例を示した説明図である。
【図１０】発電用の圧電素子および制御用の圧電素子が梁の同じ面に設けられた第２変形例の他の態様を示した説明図である。
【図１１】発電用の圧電素子と同じ面に複数の制御用の圧電素子が設けられた第３変形例を示した説明図である。
【図１２】発電用の圧電素子と同じ面に複数の制御用の圧電素子が設けられた第３変形例の他の態様を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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．第１実施例：
Ａ−１．第１実施例の発電装置の構造：
Ａ−２．第１実施例の発電装置の動作：
Ａ−３．第１実施例の発電装置の動作原理：
Ａ−４．第１実施例のスイッチの切換タイミング：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
Ｃ−１．第１変形例：
Ｃ−２．第２変形例：
Ｃ−３．第３変形例：
【００１５】
Ａ．第１実施例 ：
Ａ−１．第１実施例の発電装置の構造 ：
図１は、第１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。第１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１
０４が、基端側で支持端１０２に固定された片持ち梁構造となっている。また、梁１０４
の表面には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料によって形成された圧電素
子１０８および圧電素子１１０が取り付けられており、圧電素子１０８の表面には、金属
薄膜によって形成された上部電極１０９ａ、下部電極１０９ｂが設けられている。また、
圧電素子１１０についても同様に、金属薄膜によって形成された上部電極１１１ａ、下部
電極１１１ｂが設けられている。図１（ａ）に示す例では、圧電素子１０８と圧電素子１
１０とは同じ形状を有しているが、必ずしも同じ形状でなくてもよい。例えば、圧電素子
１０８が梁１０４に対して設置可能な最大の長さと幅であれば、圧電素子１０８の発電量
は大きくなる。一方、圧電素子１１０が設置可能な最小の幅（梁１０４の短手方向への長
さ）であれば、圧電素子１１０による梁１０４の変位抵抗が低減するため、発電効率が良
くなる。尚、圧電素子１０８および圧電素子１１０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。
【００１６】
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、振動が加わったり、あるいは、発電装置１００が移動することにより、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素子１０８および圧電素子１１０には、圧縮力および引張力
が交互に作用する。すると、それぞれの圧電素子１０８，１１０は圧電効果によって正負
の電荷を発生し、その電荷が上部電極１０９ａ，１１１ａ、および下部電極１０９ｂ、１
１１ｂに現れる。
【００１７】
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。圧電素子１０
８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。
同様に圧電素子１１０も、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。このうち圧電素子１０８に対しては、並列にインダクターＬが接続されて、圧電素
子１０８の容量成分と共に電気的な共振回路を形成している。そして、この共振回路をＯ
Ｎ／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（制御手段に相当）に
よって制御されている。また、圧電素子１０８に設けられた上部電極１０９ａおよび下部
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（出力用コンデンサーＣ１）が接続されている。
【００１８】
一方、圧電素子１１０はスイッチＳＷを制御するために設けられており、圧電素子１１
０に設けられた上部電極１１１ａおよび下部電極１１１ｂは、制御回路１１２に接続され
ている。従って、以下では、圧電素子１０８を「発電用の圧電素子」と称し、圧電素子１
１０を「制御用の圧電素子」と称することがあるものとする。尚、圧電素子１０８が本発
明の「第１の圧電素子」に対応し、圧電素子１１０が本発明の「第２の圧電素子」に対応
する。
【００１９】
Ａ−２．第１実施例の発電装置の動作 ：
図２は、第１実施例の発電装置１００の動作を示した説明図である。図２（ａ）には、
梁１０４の振動に伴って、梁１０４の先端の変位ｕが変化する様子が示されている。尚、
プラスの変位ｕは、梁１０４が上向きに反った状態（梁１０４の上面側が凹となった状態
）を表しており、マイナスの変位（−ｕ）は、梁１０４が下向きに反った状態（梁１０４
の下面側が凹となった状態）を表している。また、図２（ｂ）には、梁１０４の変形に伴
って、圧電素子１０８が発生する電流の様子と、その結果として圧電素子１０８の内部に
生じる起電力とが示されている。尚、図２（ｂ）では、圧電素子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
素子１０８に生じる起電力は、上部電極１０９ａと下部電極１０９ｂとの間に生じる電位
差Ｖpzt として表されている。
【００２０】
尚、図１を用いて前述したように、梁１０４には圧電素子１１０も設けられており、梁
１０４が変形すると、圧電素子１１０も圧電素子１０８と同様に変形する。従って、圧電
素子１１０の内部にも、圧電素子１０８と全く同様に、図２（ｂ）に示す電流Ｉpzt およ
び電位差Ｖpzt が発生する。
【００２１】
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、
圧電素子１０８は正方向の電流を発生させ（すなわち、電流Ｉpzt がプラス値）、これに
伴って上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂの電位差Ｖpzt は正方向へ増加する。正
方向の電位差Ｖpzt が、Ｃ１の電圧ＶＣ１と全波整流回路１２０を構成しているダイオー
ドの順方向降下電圧Ｖｆの２倍との和、すなわち、ＶＣ１＋２Ｖｆよりも大きくなれば、
それ以降に発生した電荷は直流電流として取り出して、出力用コンデンサーＣ１に蓄えて
おくことができる。また、梁１０４の変位が減少している間は、圧電素子１０８は負方向
の電流を発生させ（すなわち、電流Ｉpzt がマイナス値）、これに伴って上部電極１０９
ａおよび下部電極１０９ｂの電位差Ｖpzt は負方向へ増加する。負方向の電位差Ｖpzt が
、ＶＣ１と全波整流回路１２０の２Ｖｆの和よりも大きくなれば、発生した電荷は直流電
流として取り出して、出力用コンデンサーＣ１に蓄えておくことができる。すなわち、図
１のスイッチＳＷをＯＦＦにしたままでも、図２（ｂ）中に斜線を付して示した部分につ
いては、出力用コンデンサーＣ１に電荷を蓄えることができる。
【００２２】
第１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Ｏ
Ｎにする。すると、図２（ｄ）に示すように、圧電素子１０８の端子間の電圧波形が、ス
イッチＳＷをＯＮにした瞬間にシフトしたかのような現象が発生する。たとえば、図２（
ｄ）中に「Ｂ」と表示した期間Ｂでは、圧電素子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
電素子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、圧電素子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、圧電素子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２（ｄ）中に斜
線を付して示した部分）では、圧電素子１０８で発生した電荷を出力用コンデンサーＣ１
に蓄えておくことができる。尚、圧電素子１０８から出力用コンデンサーＣ１に電荷が流
れる結果、圧電素子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、圧電素子１０８の端子間の電圧が、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧に
保持される。その結果、上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂの間の電圧波形は、図
２（ｄ）に太い実線で示した波形となる。
【００２３】
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、第１実施例の発電装置１００では、適切なタイミングでスイ
ッチＳＷをＯＮにすることで、効率よく、出力用コンデンサーＣ１に電荷を蓄えることが
可能となる。そこで、第１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、制御用の圧電素子１１０を設けておき、圧電素子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。
【００２４】
また、出力用コンデンサーＣ１に電荷が蓄えられて、出力用コンデンサーＣ１の端子間
電圧が増加すると、それに従って電圧波形のシフト量も大きくなる。たとえば、図２（ｄ
）中の期間Ｂ（出力用コンデンサーＣ１に電荷が蓄えられていない状態）と、図２（ｄ）
中の期間Ｈ（出力用コンデンサーＣ１に少し電荷が蓄えられた状態）とを比較すると、期
間Ｈの方が電圧波形のシフト量が大きくなっている。同様に、図２（ｄ）中の期間Ｃと期
間Ｉとを比較すると、出力用コンデンサーＣ１に蓄えられた電荷が増えている期間Ｉの方
が、電圧波形のシフト量が大きくなっている。このような現象が発生する理由については
後述するが、この結果、本実施例の発電装置１００では、圧電素子１０８を変形させたこ
とによって、上部電極１０９ａと下部電極１０９ｂとの間に生じる電圧Ｖpzt 以上の電圧
を、出力用コンデンサーＣ１に蓄えることも可能となる。その結果、特別な昇圧回路を設
ける必要がなくなり、小型で高効率の発電装置を得ることが可能となる。
【００２５】
Ａ−３．第１実施例の発電装置の動作原理 ：
図３は、第１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、第１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および図４では、圧電素子１０８の変形に合わせてスイッチＳＷを
ＯＮにしたときのＣｇ（圧電素子１０８の容量成分）内での電荷の動きが、概念的に示さ
れている。図３（ａ）は、圧電素子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。圧電素子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（圧電素子１０８の容量成分）に電荷が蓄積され、Ｖ
gen は正方向の電圧が発生する。電圧値は、圧電素子１０８の変形量が大きくなるほど増
加する。そして、圧電素子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３（ｂ）参照）で、スイッチＳＷをＯＮにする。
【００２６】
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。Ｃｇ（圧電素
子１０８の容量成分）には電荷が蓄えられているから、この電荷がインダクターＬに流れ
ようとする。インダクターＬに電流が流れると磁束が生じる（磁束が増加する）が、イン
ダクターＬには、自らを貫く磁束の変化を妨げる方向に逆起電力が生じる性質（自己誘導
作用）がある。スイッチＳＷをＯＮにした瞬間は、電荷が流れることによって磁束が増加
しようとするから、この磁束の増加を妨げる方向（換言すれば、電荷の流れを妨げる方向
）に逆起電力が発生する。また、逆起電力の大きさは、磁束の変化速度（単位時間あたり
の変化量）に比例する。図３（ｃ）には、このようにしてインダクターＬに生じる逆起電
力が、斜線を付した矢印によって表されている。このような逆起電力が発生するため、ス
イッチＳＷをＯＮにしても、圧電素子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。
【００２７】
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Ｃｇ（圧電素子１０８の容量成分）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、圧電素子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、圧電素子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、圧電素子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。
【００２８】
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、圧電素子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、圧電素子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。こうして圧電素子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。
【００２９】
このように、Ｃｇ（圧電素子１０８の容量成分）に電荷が蓄えられた状態でスイッチＳ
ＷをＯＮにした後、その状態を保っておくと、圧電素子１０８とインダクターＬとの間で
電流の向きが交互に反転する一種の共振現象が発生する。そして、この共振現象の周期は
、いわゆるＬＣ共振回路の周期Ｔとなるから、Ｃｇ（圧電素子１０８の容量成分）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。
【００３０】
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、圧電素子１０８（正確には梁１
０４）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、圧電素子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Ｃｇ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、圧電素子１０８（正確
には梁１０４）を下向きに変形させる前の段階で、圧電素子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にした状態で圧電素子１０８（正確には梁１０４）を変形させる
ことによって、圧電素子１０８に新たな電荷が蓄積された状態が示されている。
【００３１】
そして、圧電素子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、圧電素子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、圧電素子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
素子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、
圧電素子１０８内に更に正負の電荷を蓄積することができる。
【００３２】
以上に説明したように本実施例の発電装置１００では、圧電素子１０８を変形させて電
荷を発生させた後、圧電素子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、圧電素子１０８内での正負の電荷の分布を反転させる。
その後、圧電素子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。圧電素子
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素子
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素子１０
８をインダクターＬに接続して、圧電素子１０８内での正負の電荷の分布を反転させた後
、圧電素子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、圧電素子１
０８を繰り返し変形させる度に、圧電素子１０８に蓄積された電荷を増加させることがで
きる。
【００３３】
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
る度に圧電素子１０８の端子間の電圧波形がシフトする現象が生じるが、この現象は、以
上のようなメカニズムによって発生する。すなわち、たとえば図２（ｄ）中に示した期間
Ａでは、圧電素子１０８（正確には梁１０４）の変形に従って、上部電極１０９ａおよび
下部電極１０９ｂの間に電圧が発生するが、上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂは
全波整流回路１２０に接続されているので、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧を超えた部分の
電荷は、全波整流回路１２０に接続された出力用コンデンサーＣ１に流れ込む。その結果
、梁１０４の変形量が極値となった時点でスイッチＳＷをＯＮにすると、その時に圧電素
子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、圧電素子１０８
内での正負の電荷の配置が入れ代わる。尚、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、圧電素子１０８の容量成分
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。
【００３４】
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、
圧電素子１０８の上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂの間には、圧電効果による電
圧波形が現れる。すなわち、圧電素子１０８の上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂ
の極性が入れ代わった状態から、圧電素子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素子１
０８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出力用コンデンサー
Ｃ１に流れ込むので、圧電素子１０８の上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂの間の
電圧は、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧でクリップされる。その後、共振周期の半分の時間
だけスイッチＳＷをＯＮにすると、圧電素子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、圧電素子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。
【００３５】
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、圧電素子１０８の圧電効果によって上部電極１０９ａと下部電極１０９ｂとの
間に生じる電位差よりも高い電圧を、出力用コンデンサーＣ１に蓄えることができるとい
う大きな効果を得ることができる。このような現象は、次のようなメカニズムによって生
じる。
【００３６】
先ず、図２（ｄ）中の期間Ａあるいは期間Ｂに示したように、出力用コンデンサーＣ１
が充電されていない場合は、圧電素子１０８の端子間で発生する電圧が、全波整流回路１
２０の２Ｖｆを超えると、圧電素子１０８から出力用コンデンサーＣ１に電荷が流れ込む
ので、圧電素子１０８の端子間に現れる電圧は、２Ｖｆでクリップされている。しかし、
こうして出力用コンデンサーＣ１に電荷を蓄えるに従って出力用コンデンサーＣ１の端子
間の電圧が増加していく。すると、それ以降は、出力用コンデンサーＣ１の端子間電圧が
ＶＣ１と２Ｖｆとの和よりも高い電圧になって始めて、圧電素子１０８から電荷が流れ込
むようになる。このため、圧電素子１０８の端子間の電圧がクリップされる値が、出力用
コンデンサーＣ１に電荷が蓄えられるに従って次第に上昇していく。
【００３７】
加えて、図３および図４を用いて前述したように、圧電素子１０８から電荷を流出させ
ない限り、圧電素子１０８（正確には梁１０４）を変形させる度に、圧電素子１０８内の
電荷は増加し、圧電素子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。
【００３８】
Ａ−４．第１実施例のスイッチの切換タイミング ：
以上に説明したように、第１実施例の発電装置１００では、圧電素子１０８（正確には
梁１０４）に繰り返し変形を加えて、変形方向が切り換わる瞬間に、共振周期の半分の時
間だけ圧電素子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瞬間にスイッチＳＷをＯＮにすることは、それ
ほど容易なことではない。たとえば、梁１０４の変形方向が切り換わる瞬間は、梁１０４
の変位の大きさが最大と考えれば、機械的な接点を用いて、梁１０４が最大変位となった
瞬間に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、第１実施例の発電装置１００では、発電用の圧電
素子１０８だけでなく、制御用の圧電素子１１０も設けておき、圧電素子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。
【００３９】
図５は、制御用の圧電素子１１０で発生する電圧を検出することによって、スイッチＳ
Ｗを適切なタイミングで制御可能な理由を示す説明図である。図５（ａ）には、梁１０４
の変位が示されている。また、図５（ｂ）には、梁１０４の振動に伴って、圧電素子１１
０に生じる起電力Ｖpzt が変化する様子が示されている。
【００４０】
図３および図４を用いて前述したように、梁１０４の変位ｕ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５
（ａ）と図５（ｂ）とを比較すれば明らかなように、梁１０４の変位ｕが極値となるのは
、圧電素子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、圧電素子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、出力用コンデンサーＣ１に電荷が流れたりする影響
で、圧電素子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、圧電素子１１０は、インダクターＬや出力用コンデンサーＣ１と接続していない
ため、電荷の増減が圧電素子１１０の起電力Ｖpzt の変化に直接反映される。このため、
圧電素子１１０の起電力Ｖpzt が極値となるタイミングは、梁１０４の変位ｕが極値とな
るタイミングと一致するのである。
【００４１】
そこで、図５（ｂ）に矢印で示したように、圧電素子１１０の起電力Ｖpzt が極値とな
るタイミングを検出して、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。
【００４２】
図６は、制御用の圧電素子１１０の起電力を検出してスイッチ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、制御回路１１２
に内蔵されたＣＰＵによって実行される。
【００４３】
スイッチ制御処理を開始すると、制御回路１１２のＣＰＵは、制御用の圧電素子１１０
の上部電極１１１ａおよび下部電極１１１ｂの間での電圧を検出して、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
）。電圧値がピークに達したか否かは、電圧波形の微分を行って微分値の符号が変わった
ら、電圧値がピークに達したと判断することができる。
【００４４】
あるいは、梁１０４の変位の振幅はほぼ一定と考えられるから、制御用の圧電素子１１
０で発生する電圧もほぼ等しいと考えられる。従って、最大電圧値Ｖｍａｘおよび最小電
圧値Ｖｍｉｎを記憶しておき、圧電素子１１０で発生する電圧を、最大電圧値Ｖｍａｘお
よび最小電圧値Ｖｍｉｎと比較する。そして、圧電素子１１０の発生電圧が最大電圧値Ｖ
ｍａｘを超えた場合、あるいは最小電圧値Ｖｍｉｎを下回った場合に、電圧値がピークに
達したものと判断してもよい。尚、梁１０４も完全に同じ振幅で変形するとは限らないか
ら、圧電素子１１０で発生する電圧の振幅も、完全に同じになるとは限らない。しかしこ
のような場合でも、最大電圧値Ｖｍａｘを少しだけ低めの値に設定し、Ｖｍｉｎを少しだ
け高めの値に設定しておけば、梁１０４の振幅に僅かなばらつきが存在していても、電圧
値がピークに達したことを十分な精度で検出することが可能となる。
【００４５】
以上のようにして、制御用の圧電素子１１０で発生した電圧値のピークを検出したら（
Ｓ１００：ｙｅｓ）、共振回路（圧電素子１０８の容量成分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、圧電素子１０８の容量成分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）。尚、制御
用の圧電素子１１０で発生した電圧値のピークを検出しなかった場合は（Ｓ１００：ｎｏ
）、制御用の圧電素子１１０で発生した電圧値のピークを検出するまで待機する。
【００４６】
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Ｓ１
０６：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Ｓ１
０８）。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。
【００４７】
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。
【００４８】
Ｂ．第２実施例 ：
以上に説明した第１実施例の発電装置１００では、制御用の圧電素子１１０が１つだけ
設けられているものとして説明した。しかし、制御用の圧電素子１１０は必ずしも１つだ
けである必要はなく、複数の制御用の圧電素子を設けても良い。以下では、このような第
２実施例について説明する。尚、第１実施例と同様な構成については、第２実施例におい
ても同じ番号を符番するものとして、詳細な説明は省略する。
【００４９】
図７は、制御用の圧電素子を複数備えた第２実施例の発電装置１００を示した説明図で
ある。図７（ａ）は、梁１０４の一方の面から見た平面図である。図７（ｂ）は、梁１０
４の他方の面から見た平面図である。図７（ａ）には、梁１０４の一方の面に設けられた
発電用の圧電素子１０８が示されており、図７（ｂ）には、梁１０４の他方の面に設けら
れた２つの制御用の圧電素子（圧電素子１１０および圧電素子１１４）が示されている。
図７（ａ）と図７（ｂ）とを比較すれば明らかなように、制御用の圧電素子１１０，１１
４は、圧電素子の長さ（梁１０４の長手方向への長さ）は発電用の圧電素子１０８と同じ
であるが、圧電素子の幅（梁１０４の短手方向への長さ）は、発電用の圧電素子１０８の
半分よりも更に狭くなっている。そして、２つの制御用の圧電素子１１０，１１４は、梁
１０４の幅の両側に寄せた位置に設けられている。尚、圧電素子１１４についても、圧電
素子１０８や圧電素子１１０と同様に、金属薄膜によって形成された上部電極１１５ａ、
下部電極１１５ｂが設けられている。
【００５０】
また、発電用の圧電素子１０８が梁１０４に対して、設置可能な最大の長さと幅であれ
ば、発電用の圧電素子１０８の発電量は大きくなり、制御用の圧電素子１１０，１１４が
設置可能な最小の幅（梁１０４の短手方向への長さ）であれば、制御用の圧電素子１１０
，１１４による梁１０４の変位抵抗が低減するため、発電効率が良い。
【００５１】
そして、２つの制御用の圧電素子１１０，１１４を、梁１０４の幅の両側に寄せた位置
に設けられていることにより、梁１０４が上下左右で異なる変位を生じるときでも、制御
用の圧電素子１１０，１１４は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を様々なところで使用することができる。
【００５２】
また、図７（ｃ）には、２つの制御用の圧電素子１１０，１１４を備える第２実施例の
発電装置１００の回路図が示されている。１つめの制御用の圧電素子１１０は、電流源と
、電荷を蓄えるコンデンサーＣｓ１とを組み合わせたものして表され、２つめの制御用の
圧電素子１１４は、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサーＣｓ２とを組み合わせたものと
して表されている。また、１つめの制御用の圧電素子１１０の上部電極１１１ａおよび下
部電極１１１ｂは、制御回路１１２に接続されており、２つめの制御用の圧電素子１１４
の上部電極１１５ａおよび下部電極１１５ｂも、制御回路１１２に接続されている。
【００５３】
そして、制御回路１１２では、上部電極１１１ａおよび下部電極１１１ｂの組、あるい
は上部電極１１５ａおよび下部電極１１５ｂの組の何れか一方を選択して、選択した方の
圧電素子１１０あるいは圧電素子１１４の電圧値を検出してスイッチＳＷを制御する。た
とえば、発電装置１００の設置時に、圧電素子１１０の電圧値を検出して発電した場合と
、圧電素子１１４の電圧値を検出して発電した場合とで発電量を計測しておく。そして、
制御回路１１２に設けたスイッチなどを用いて、発電量の多い方を選択しておく。こうし
て圧電素子１１０または圧電素子１１４の一方を予め選択しておけば、図６を用いて前述
したスイッチ制御処理を行うことによって、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御すること
ができる。
【００５４】
２つの圧電素子１１０および圧電素子１１４は、大まかには同じような電圧波形を発生
させるが、梁１０４の構造や、製造ばらつきなどの要因で、電圧波形や、電圧振幅の大き
さに若干の違いが生じ得る。そして電圧波形に違いが生じれば、発電量に違いが生じる可
能性があり、また、電圧振幅の大きさに違いが生じれば、大きな電圧振幅が得られる方（
センサーとしての感度の高い方）を用いた方が、より適切なタイミングでスイッチＳＷを
制御できる可能性がある。そこで、圧電素子１１０の電圧値を検出して発電した場合と、
圧電素子１１４の電圧値を検出して発電した場合とで発電量を予め計測しておき、発電量
の多い方を選択することで、より効率よく発電することが可能となる。
【００５５】
尚、以上の説明では、圧電素子１１０側の端子の組（上部電極１１１ａおよび下部電極
１１１ｂ）、あるいは圧電素子１１４側の端子の組（上部電極１１５ａおよび下部電極１
１５ｂ）の何れか一方を選択して、スイッチＳＷの制御に使用するものとして説明した。
しかし、上部電極１１１ａと上部電極１１５ａとを接続し、下部電極１１１ｂと下部電極
１１５ｂとを接続して、上部電極側と下部電極側との電位差（電圧値）を検出して、スイ
ッチＳＷを制御するようにしてもよい。スイッチＳＷの制御にあたっては、図６を用いて
前述したスイッチ制御処理を適用することができる。
【００５６】
梁１０４の構造や、発電装置１００が設置される環境などの影響で、梁１０４を捻るよ
うな変形が発生することが起こり得る。そして、梁１０４に捻りが発生すると、圧電素子
１１０や圧電素子１１４が発生する電圧波形の位相がシフトすることが起こり得る。しか
し、図７（ｂ）に示したように、圧電素子１１０および圧電素子１１４を、梁１０４の両
幅に寄せて設けておけば、梁１０４の撓みに対する捻りの影響が逆になる。従って、上部
電極１１１ａと上部電極１１５ａとを接続し、下部電極１１１ｂと下部電極１１５ｂとを
接続すれば、梁１０４の捻りが圧電素子１１０および圧電素子１１４に与える影響を打ち
消すことができる。その結果、たとえ梁１０４に捻りが生じた場合でも、捻りの影響を受
けることなく適切なタイミングでスイッチＳＷを制御することができるので、効率よく発
電することが可能となる。
【００５７】
Ｃ．変形例 ：
上述した第１実施例あるは第２実施例には種々の変形例が存在している。以下では、こ
れらの変形例について簡単に説明する。
【００５８】
Ｃ−１．第１変形例 ：
上述した第２実施例では、２つの制御用の圧電素子１１０，１１４が、発電用の圧電素
子１０８と同じ長さを有しており、それら制御用の圧電素子１１０，１１４が、梁１０４
の幅の両端に寄せた位置に設けられているものとして説明した。しかし、発電用の圧電素
子１０８の長さの半分よりも短い２つの圧電素子１１０，１１４を、梁１０４の中央の位
置に、長手方向に向けて一列に並べて設けるようにしてもよい。
【００５９】
図８は、第１変形例の発電装置１００の梁１０４に、発電用の圧電素子１０８と、２つ
の制御用の圧電素子１１０，１１４とが設けられている様子を示した説明図である。図８
（ａ）は、梁１０４の一方の面から見た平面図である。図８（ｂ）は、梁１０４の他方の
面から見た平面図である。図８（ａ）には、発電用の圧電素子１０８が設けられている様
子が示されており、図８（ｂ）には、２つの制御用の圧電素子１１０，１１４が設けられ
ている様子が示されている。
【００６０】
梁１０４の構造や、発電装置１００が設置される環境によっては、梁１０４が波打つよ
うに変形する場合が起こり得る。すると、梁１０４が撓んだ場合の変形が大きくなる箇所
と、小さくなる箇所とが、梁１０４の長手方向に沿って発生する。従って、図８（ｂ）に
示すように、短い２つの圧電素子１１０，１１４を、梁１０４の中央に長手方向に沿って
一列に設けておき、十分な振幅の電圧波形を発生する圧電素子を選択すれば、たとえ梁１
０４が波打つような変形が発生した場合でも、適切なタイミングでスイッチＳＷを制御す
ることが可能となる。
【００６１】
また、上部電極１１１ａと上部電極１１５ａとを接続し、下部電極１１１ｂと下部電極
１１５ｂとを接続すれば、梁１０４が波打つように変形したことによる影響を打ち消すこ
とができる。その結果、たとえ梁１０４が波打つように変形した場合でも、その影響を受
けることなく適切なタイミングでスイッチＳＷを制御することができる。
【００６２】
尚、図８には、制御用の圧電素子としては、圧電素子１１０および圧電素子１１４の２
つの圧電素子が設けられているものとして説明したが、３つ以上の圧電素子を設けるよう
にしても良い。
【００６３】
Ｃ−２．第２変形例 ：
上述した各種の実施例、あるいは第１変形例では、制御用の圧電素子１１０（および圧
電素子１１４）が、発電用の圧電素子１０８とは異なる面に設けられているものとして説
明した。しかし、制御用の圧電素子１１０を、発電用の圧電素子１０８と同じ面に設ける
ようにしてもよい。
【００６４】
図９は、第２変形例の発電装置１００の梁１０４の同じ面に、発電用の圧電素子１０８
および制御用の圧電素子１１０が設けられている様子を示した説明図である。図９に示し
た例では、発電用の圧電素子１０８と、制御用の圧電素子１１０とが、梁１０４の同じ面
に設けられている。また、制御用の圧電素子１１０は、圧電素子１０８と同じ長さを有す
るが幅は狭くなっている。このように、発電用の圧電素子１０８に対して、ほぼ同じ長さ
を有する制御用の圧電素子１１０を、圧電素子１０８と平行に設けておけば、圧電素子１
０８と圧電素子１１０とはほぼ同じ変形をする。従って、圧電素子１０８の変位が極値と
なったタイミングを精度良く検出して、適切なタイミングでスイッチＳＷを制御すること
が可能となる。
【００６５】
もちろん、発電用の圧電素子１０８と、制御用の圧電素子１１０とを梁１０４の同じ面
に設けた場合、制御用の圧電素子１１０の分だけ、発電用の圧電素子１０８の大きさ（面
積）が小さくなる。その結果、前述した各種の実施例あるいは第１変形例のように、発電
用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子１１０とを異なる面に設けた場合に比べて、発電
能力が低下する。しかし図９に示したように、制御用の圧電素子１１０は幅が狭いので、
発電用の圧電素子１０８の面積の減少を比較的小さな値に抑制することができ、発電能力
の低下も比較的小さくすることができる。
【００６６】
その一方で、図９に示した第２変形例のように、発電用の圧電素子１０８と制御用の圧
電素子１１０とを同じ面に設けておけば、圧電素子１０８および圧電素子１１０を同じ工
程で設けることができる。これに対して、前述した各種実施例や第１変形例のように、発
電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子１１０とを異なる面に設けた場合には、圧電素
子１０８を設ける工程と、圧電素子１１０を設ける工程とを別の工程にしなければならな
い。従って、第２変形例のように発電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子１１０とを
同じ面に設けることで、発電装置１００の製造工程を単純化することが可能となる。逆に
言えば、前述した各種の実施例や第１変形例のように、発電用の圧電素子１０８と制御用
の圧電素子１１０とを別の面に設けた場合、発電装置１００の製造工程は複雑となるが、
発電用の圧電素子１０８の面積を大きくすることができるので、発電能力を高くすること
が可能となる。
【００６７】
以上では、制御用の圧電素子１１０が、発電用の圧電素子１０８とほぼ同じ長さを有す
るが、幅は圧電素子１０８よりも狭いものとして説明した。しかし、発電用の圧電素子１
０８と幅がほぼ同じで、長さが短い制御用の圧電素子１１０を使用し、それら圧電素子１
０８および圧電素子１１０を梁１０４の同じ面に設けることとしても良い。
【００６８】
図１０は、発電用の圧電素子１０８および制御用の圧電素子１１０が、梁１０４の同じ
面に設けられた第２変形例の他の態様を示した説明図である。梁１０４のような、いわゆ
る片持ち梁では、先端から支持端１０２に近付くに従って曲げモーメントが大きくなり、
それに伴って、単位長さ当りの梁１０４の変形量も大きくなる。従って、制御用の圧電素
子１１０を支持端１０２の近くに設けることでセンサーとしての感度が高くなり、その分
だけ、制御用の圧電素子１１０の幅を狭くすることができる。その結果、発電用の圧電素
子１０８の面積を広くすることができるので、発電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素
子１１０とを同じ面に設けたことによる発電能力の低下を抑制することが可能となる。
【００６９】
Ｃ−３．第３変形例 ：
上述した第２変形例では、発電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子１１０とが、梁
１０４の同じ面に設けられており、制御用の圧電素子１１０は、１つしか設けられていな
いものとして説明した。しかし、発電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子１１０とが
、梁１０４の同じ面に設けられている場合でも、複数の制御用の圧電素子を設けるように
してもよい。
【００７０】
図１１は、発電用の圧電素子１０８と同じ面に複数の制御用の圧電素子１１０，１１４
が設けられた第３変形例を示した説明図である。図示した例では、発電用の圧電素子１０
８よりも幅が狭く、長さについても発電用の圧電素子１０８の半分以下の短い制御用の圧
電素子１１０，１１４が一列に並べて、圧電素子１０８に対して平行に設けられている。
【００７１】
前述したように、梁１０４の構造や発電装置１００が設置される環境によっては、梁１
０４が波打つように変形する場合が起こり得る。すると、梁１０４が撓んだ場合の変形が
大きくなる箇所と、小さくなる箇所とが、梁１０４の長手方向に沿って発生する。従って
、制御用の圧電素子１１０，１１４が設けられた位置によっては、十分な感度（検出する
電圧値）が得られない場合が起こり得る。そこで、図１１に示すように、短い２つの圧電
素子１１０，１１４を、梁１０４の長手方向に沿って一列に設けておき、十分な感度が得
られる圧電素子を選択すれば、たとえ梁１０４が波打つような変形が発生した場合でも、
適切なタイミングでスイッチＳＷを制御することが可能となる。もちろん、制御用の圧電
素子としては、圧電素子１１０および圧電素子１１４の２つに限らず、３つ以上の圧電素
子を設けるようにしても構わない。
【００７２】
また、圧電素子１１０の上部電極１１１ａと圧電素子１１４の上部電極１１５ａとを接
続し、圧電素子１１０の下部電極１１１ｂと圧電素子１１４の下部電極１１５ｂとを接続
して、上部電極側と下部電極側との電位差を検出してやれば、梁１０４が波打つように変
形したことによる影響を打ち消すことができる。その結果、たとえ梁１０４が波打つよう
に変形した場合でも、その影響を受けることなく適切なタイミングでスイッチＳＷを制御
することができる。
【００７３】
尚、図１１に示した第３変形例では、２つの短い制御用の圧電素子１１０，１１４が、
梁１０４の長手方向に一列に並んで設けられているものとして説明した。従って、２つの
短い制御用の圧電素子１１０，１１４は、発電用の圧電素子１０８に対しては一方の側に
設けられていることになる。これに対して、発電用の圧電素子１０８の両側に、発電用の
圧電素子１０８とほぼ同じ長さで、幅の狭い制御用の圧電素子１１０，１１４を設けるこ
ととしてもよい。
【００７４】
図１２は、発電用の圧電素子１０８と同じ面に複数の制御用の圧電素子１１０，１１４
が設けられた第３変形例の他の態様を示した説明図である。前述したように、梁１０４の
構造や発電装置１００が設置される環境などの影響で、梁１０４を捻るような変形が発生
することが起こり得る。そして、梁１０４に捻りが発生すると、圧電素子１１０や圧電素
子１１４が発生する電圧波形の位相がシフトして、適切なタイミングでスイッチＳＷを切
り換えることができなくなることが起こり得る。しかし、図１２に示したように、発電用
の圧電素子１０８の両側に、幅の狭い圧電素子１１０および圧電素子１１４を設けておき
、それぞれの圧電素子１１０，１１４の電圧値を用いてスイッチＳＷを制御した時の発電
量を計測して、発電量が多い方の圧電素子１１０，１１４を選択しておく。こうすれば、
たとえ梁１０４に捻りが生ずるような場合でも、発電能力の低下を少なくすることができ
る。
【００７５】
また、図１２に示したように、発電用の圧電素子１０８の両側に、幅の狭い圧電素子１
１０および圧電素子１１４を設けておけば、梁１０４の撓みに対する捻りの影響が逆にな
る。従って、圧電素子１１０の上部電極１１１ａと圧電素子１１４の上部電極１１５ａと
を接続し、圧電素子１１０の下部電極１１１ｂと圧電素子１１４の下部電極１１５ｂとを
接続すれば、梁１０４の捻りが圧電素子１１０および圧電素子１１４に与える影響を打ち
消すことができる。その結果、たとえ梁１０４に捻りが生じた場合でも、捻りの影響を受
けることなく適切なタイミングでスイッチＳＷを制御することができるので、効率よく発
電することが可能となる。
【００７６】
以上、各種の実施例あるいは各種の変形例について説明したが、本発明はこれら実施例
あるいは変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様
で実施することが可能である。
【００７７】
たとえば、上述した実施例では、圧電素子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、圧電素子１０８や圧電素子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。たとえば、薄膜の表面に圧電素子１０８や圧電素子１１０などを
取り付けても良い。
【００７８】
また、本発明の発電装置は振動や移動に応じて発電するため、たとえば、橋梁や建築物
あるいは地すべり想定箇所などに発電装置を設置すれば地震などの災害時に発電し、電子
機器などのネットワーク手段に必要時（災害時）だけ電源供給することもできる。
【００７９】
尚、電子機器に限らず、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、移動手段に効率良く電力供給することもできる。
【符号の説明】
【００８０】
１００…発電装置、 １０２…支持端、 １０４…梁、
１０６…錘、 １０８…圧電素子、 １０９ａ…上部電極、
１０９ｂ…下部電極、 １１０…圧電素子、 １１１ａ…上部電極、
１１１ｂ…下部電極、 １１２…制御回路、 １１４…圧電素子、
１１５ａ…上部電極、 １１５ｂ…下部電極、 １２０…全波整流回路、
Ｌ…インダクター、 Ｃ１…出力用コンデンサー、
Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード、 ＳＷ…スイッチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピエゾ素子などの圧電材料が外力によって変形したときに発生する電荷を電
気エネルギーとして取り出す発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）や、水晶（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの圧
電材料は、外力を受けて変形すると、材料内部に電気分極が誘起されて表面に正負の電荷
が現れる。このような現象は、いわゆる圧電効果と呼ばれている。圧電材料が有するこの
ような性質を利用して、片持ち梁を振動させて圧電材料に繰り返し加重を作用させ、圧電
材料の表面に生じた電荷を電気として取り出す発電方法が提案されている。
【０００３】
たとえば、先端に錘を設けるとともに圧電材料の薄板を貼り付けた金属製の片持ち梁を
振動させ、振動に伴って圧電材料に交互に生じる正負の電荷を取り出すことによって交流
電流を発生させる。そして、この交流電流をダイオードによって整流した後、コンデンサ
ーに蓄えておき、電力として取り出す技術が提案されている（特許文献１）。また、圧電
素子で正の電荷が発生している間だけ接点が閉じるようにすることで、ダイオードでの電
圧損失を発生させずに直流電流が得られるようにした技術も提案されている（特許文献２
）。これら技術を用いれば、発電装置を小型化することができるので、たとえば小型の電
子部品に電池の代わりに組み込むなどの応用が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１０７７５２号公報
【特許文献２】特開２００５−３１２２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、提案されている従来の技術では、得られる電圧が、圧電材料の電気分極によっ
て生じる電圧までに限られるという問題があった。このため、圧電材料から電気を取り出
す発電回路とは別に昇圧回路が必要となることが多く、発電装置を十分に小型化すること
が難しいという問題があった。
【０００６】
この発明は、従来の技術が有する上述した課題を解決するためになされたものであり、
圧電材料の圧電効果を利用した発電装置を大型化させることなく、高い電圧を発生させる
ことが可能な技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の発電装置は次の構成を採用
した。すなわち、
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、
前記変形部材に設けられた第２の圧電素子と、
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、
前記第２の圧電素子に生じた電圧を検出することによって、前記スイッチを所定期間導
通状態とする制御手段と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
このような本発明の発電装置では、第１の圧電素子および第２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の圧電素子および第２の圧電
素子も変形する。その結果、これら圧電素子には、圧電効果によって正負の電荷が発生す
る。また、電荷の発生量は、圧電素子の変形量が大きくなるほど多くなる。また、第１の
圧電素子はインダクターととも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。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、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。
【０００９】
また、上述した本発明の発電装置においては、第１の圧電素子と第２の圧電素子とを、
変形部材の異なる面に設けることとしてもよい。
【００１０】
仮に、第１の圧電素子および第２の圧電素子を、変形部材の同じ面に設けたとすると、
第２の圧電素子が存在する分だけ第１の圧電素子の設置面積が狭くなる。そして、変形量
が同じであれば、圧電素子の設置面積が大きくなるほど発電能力は高くなる。従って、第
１の圧電素子と第２の圧電素子とを、変形部材の異なる面に設けることとしておけば、第
１の圧電素子の設置面積を大きくすることができるので、発電装置の発電能力を高くする
ことができる。
【００１１】
あるいは、上述した本発明の発電装置においては、第１の圧電素子と第２の圧電素子と
を、変形部材の同じ面に設けることとしてもよい。
【００１２】
第１の圧電素子および第２の圧電素子が、変形部材の同じ面に設けられていれば、第１
の圧電素子および第２の圧電素子を一度に（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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施例の発電装置の構造を示した説明図である。
【図２】第１実施例の発電装置の動作を示した説明図である。
【図３】第１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】第１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】制御用の圧電素子の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説明図である。
【図６】制御用の圧電素子の起電力を検出してスイッチの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】第２実施例の発電装置の構造を示した説明図である。
【図８】発電用の圧電素子と２つの制御用の圧電素子とが設けられた第１変形例を示した説明図である。
【図９】発電用の圧電素子および制御用の圧電素子が梁の同じ面に設けられた第２変形例を示した説明図である。
【図１０】発電用の圧電素子および制御用の圧電素子が梁の同じ面に設けられた第２変形例の他の態様を示した説明図である。
【図１１】発電用の圧電素子と同じ面に複数の制御用の圧電素子が設けられた第３変形例を示した説明図である。
【図１２】発電用の圧電素子と同じ面に複数の制御用の圧電素子が設けられた第３変形例の他の態様を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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．第１実施例：
Ａ−１．第１実施例の発電装置の構造：
Ａ−２．第１実施例の発電装置の動作：
Ａ−３．第１実施例の発電装置の動作原理：
Ａ−４．第１実施例のスイッチの切換タイミング：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
Ｃ−１．第１変形例：
Ｃ−２．第２変形例：
Ｃ−３．第３変形例：
【００１５】
Ａ．第１実施例 ：
Ａ−１．第１実施例の発電装置の構造 ：
図１は、第１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。第１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１
０４が、基端側で支持端１０２に固定された片持ち梁構造となっている。また、梁１０４
の表面には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料によって形成された圧電素
子１０８および圧電素子１１０が取り付けられており、圧電素子１０８の表面には、金属
薄膜によって形成された上部電極１０９ａ、下部電極１０９ｂが設けられている。また、
圧電素子１１０についても同様に、金属薄膜によって形成された上部電極１１１ａ、下部
電極１１１ｂが設けられている。図１（ａ）に示す例では、圧電素子１０８と圧電素子１
１０とは同じ形状を有しているが、必ずしも同じ形状でなくてもよい。例えば、圧電素子
１０８が梁１０４に対して設置可能な最大の長さと幅であれば、圧電素子１０８の発電量
は大きくなる。一方、圧電素子１１０が設置可能な最小の幅（梁１０４の短手方向への長
さ）であれば、圧電素子１１０による梁１０４の変位抵抗が低減するため、発電効率が良
くなる。尚、圧電素子１０８および圧電素子１１０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。
【００１６】
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、振動が加わったり、あるいは、発電装置１００が移動することにより、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素子１０８および圧電素子１１０には、圧縮力および引張力
が交互に作用する。すると、それぞれの圧電素子１０８，１１０は圧電効果によって正負
の電荷を発生し、その電荷が上部電極１０９ａ，１１１ａ、および下部電極１０９ｂ、１
１１ｂに現れる。
【００１７】
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。圧電素子１０
８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。
同様に圧電素子１１０も、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。このうち圧電素子１０８に対しては、並列にインダクターＬが接続されて、圧電素
子１０８の容量成分と共に電気的な共振回路を形成している。そして、この共振回路をＯ
Ｎ／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（制御手段に相当）に
よって制御されている。また、圧電素子１０８に設けられた上部電極１０９ａおよび下部
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（出力用コンデンサーＣ１）が接続されている。
【００１８】
一方、圧電素子１１０はスイッチＳＷを制御するために設けられており、圧電素子１１
０に設けられた上部電極１１１ａおよび下部電極１１１ｂは、制御回路１１２に接続され
ている。従って、以下では、圧電素子１０８を「発電用の圧電素子」と称し、圧電素子１
１０を「制御用の圧電素子」と称することがあるものとする。尚、圧電素子１０８が本発
明の「第１の圧電素子」に対応し、圧電素子１１０が本発明の「第２の圧電素子」に対応
する。
【００１９】
Ａ−２．第１実施例の発電装置の動作 ：
図２は、第１実施例の発電装置１００の動作を示した説明図である。図２（ａ）には、
梁１０４の振動に伴って、梁１０４の先端の変位ｕが変化する様子が示されている。尚、
プラスの変位ｕは、梁１０４が上向きに反った状態（梁１０４の上面側が凹となった状態
）を表しており、マイナスの変位（−ｕ）は、梁１０４が下向きに反った状態（梁１０４
の下面側が凹となった状態）を表している。また、図２（ｂ）には、梁１０４の変形に伴
って、圧電素子１０８が発生する電流の様子と、その結果として圧電素子１０８の内部に
生じる起電力とが示されている。尚、図２（ｂ）では、圧電素子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
素子１０８に生じる起電力は、上部電極１０９ａと下部電極１０９ｂとの間に生じる電位
差Ｖpzt として表されている。
【００２０】
尚、図１を用いて前述したように、梁１０４には圧電素子１１０も設けられており、梁
１０４が変形すると、圧電素子１１０も圧電素子１０８と同様に変形する。従って、圧電
素子１１０の内部にも、圧電素子１０８と全く同様に、図２（ｂ）に示す電流Ｉpzt およ
び電位差Ｖpzt が発生する。
【００２１】
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、
圧電素子１０８は正方向の電流を発生させ（すなわち、電流Ｉpzt がプラス値）、これに
伴って上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂの電位差Ｖpzt は正方向へ増加する。正
方向の電位差Ｖpzt が、Ｃ１の電圧ＶＣ１と全波整流回路１２０を構成しているダイオー
ドの順方向降下電圧Ｖｆの２倍との和、すなわち、ＶＣ１＋２Ｖｆよりも大きくなれば、
それ以降に発生した電荷は直流電流として取り出して、出力用コンデンサーＣ１に蓄えて
おくことができる。また、梁１０４の変位が減少している間は、圧電素子１０８は負方向
の電流を発生させ（すなわち、電流Ｉpzt がマイナス値）、これに伴って上部電極１０９
ａおよび下部電極１０９ｂの電位差Ｖpzt は負方向へ増加する。負方向の電位差Ｖpzt が
、ＶＣ１と全波整流回路１２０の２Ｖｆの和よりも大きくなれば、発生した電荷は直流電
流として取り出して、出力用コンデンサーＣ１に蓄えておくことができる。すなわち、図
１のスイッチＳＷをＯＦＦにしたままでも、図２（ｂ）中に斜線を付して示した部分につ
いては、出力用コンデンサーＣ１に電荷を蓄えることができる。
【００２２】
第１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Ｏ
Ｎにする。すると、図２（ｄ）に示すように、圧電素子１０８の端子間の電圧波形が、ス
イッチＳＷをＯＮにした瞬間にシフトしたかのような現象が発生する。たとえば、図２（
ｄ）中に「Ｂ」と表示した期間Ｂでは、圧電素子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
電素子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、圧電素子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、圧電素子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２（ｄ）中に斜
線を付して示した部分）では、圧電素子１０８で発生した電荷を出力用コンデンサーＣ１
に蓄えておくことができる。尚、圧電素子１０８から出力用コンデンサーＣ１に電荷が流
れる結果、圧電素子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、圧電素子１０８の端子間の電圧が、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧に
保持される。その結果、上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂの間の電圧波形は、図
２（ｄ）に太い実線で示した波形となる。
【００２３】
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、第１実施例の発電装置１００では、適切なタイミングでスイ
ッチＳＷをＯＮにすることで、効率よく、出力用コンデンサーＣ１に電荷を蓄えることが
可能となる。そこで、第１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、制御用の圧電素子１１０を設けておき、圧電素子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。
【００２４】
また、出力用コンデンサーＣ１に電荷が蓄えられて、出力用コンデンサーＣ１の端子間
電圧が増加すると、それに従って電圧波形のシフト量も大きくなる。たとえば、図２（ｄ
）中の期間Ｂ（出力用コンデンサーＣ１に電荷が蓄えられていない状態）と、図２（ｄ）
中の期間Ｈ（出力用コンデンサーＣ１に少し電荷が蓄えられた状態）とを比較すると、期
間Ｈの方が電圧波形のシフト量が大きくなっている。同様に、図２（ｄ）中の期間Ｃと期
間Ｉとを比較すると、出力用コンデンサーＣ１に蓄えられた電荷が増えている期間Ｉの方
が、電圧波形のシフト量が大きくなっている。このような現象が発生する理由については
後述するが、この結果、本実施例の発電装置１００では、圧電素子１０８を変形させたこ
とによって、上部電極１０９ａと下部電極１０９ｂとの間に生じる電圧Ｖpzt 以上の電圧
を、出力用コンデンサーＣ１に蓄えることも可能となる。その結果、特別な昇圧回路を設
ける必要がなくなり、小型で高効率の発電装置を得ることが可能となる。
【００２５】
Ａ−３．第１実施例の発電装置の動作原理 ：
図３は、第１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、第１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および図４では、圧電素子１０８の変形に合わせてスイッチＳＷを
ＯＮにしたときのＣｇ（圧電素子１０８の容量成分）内での電荷の動きが、概念的に示さ
れている。図３（ａ）は、圧電素子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。圧電素子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（圧電素子１０８の容量成分）に電荷が蓄積され、Ｖ
gen は正方向の電圧が発生する。電圧値は、圧電素子１０８の変形量が大きくなるほど増
加する。そして、圧電素子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３（ｂ）参照）で、スイッチＳＷをＯＮにする。
【００２６】
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。Ｃｇ（圧電素
子１０８の容量成分）には電荷が蓄えられているから、この電荷がインダクターＬに流れ
ようとする。インダクターＬに電流が流れると磁束が生じる（磁束が増加する）が、イン
ダクターＬには、自らを貫く磁束の変化を妨げる方向に逆起電力が生じる性質（自己誘導
作用）がある。スイッチＳＷをＯＮにした瞬間は、電荷が流れることによって磁束が増加
しようとするから、この磁束の増加を妨げる方向（換言すれば、電荷の流れを妨げる方向
）に逆起電力が発生する。また、逆起電力の大きさは、磁束の変化速度（単位時間あたり
の変化量）に比例する。図３（ｃ）には、このようにしてインダクターＬに生じる逆起電
力が、斜線を付した矢印によって表されている。このような逆起電力が発生するため、ス
イッチＳＷをＯＮにしても、圧電素子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。
【００２７】
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Ｃｇ（圧電素子１０８の容量成分）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、圧電素子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、圧電素子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、圧電素子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。
【００２８】
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、圧電素子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、圧電素子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。こうして圧電素子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。
【００２９】
このように、Ｃｇ（圧電素子１０８の容量成分）に電荷が蓄えられた状態でスイッチＳ
ＷをＯＮにした後、その状態を保っておくと、圧電素子１０８とインダクターＬとの間で
電流の向きが交互に反転する一種の共振現象が発生する。そして、この共振現象の周期は
、いわゆるＬＣ共振回路の周期Ｔとなるから、Ｃｇ（圧電素子１０８の容量成分）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。
【００３０】
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、圧電素子１０８（正確には梁１
０４）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、圧電素子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Ｃｇ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、圧電素子１０８（正確
には梁１０４）を下向きに変形させる前の段階で、圧電素子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にした状態で圧電素子１０８（正確には梁１０４）を変形させる
ことによって、圧電素子１０８に新たな電荷が蓄積された状態が示されている。
【００３１】
そして、圧電素子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、圧電素子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、圧電素子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
素子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、
圧電素子１０８内に更に正負の電荷を蓄積することができる。
【００３２】
以上に説明したように本実施例の発電装置１００では、圧電素子１０８を変形させて電
荷を発生させた後、圧電素子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、圧電素子１０８内での正負の電荷の分布を反転させる。
その後、圧電素子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。圧電素子
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素子
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素子１０
８をインダクターＬに接続して、圧電素子１０８内での正負の電荷の分布を反転させた後
、圧電素子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、圧電素子１
０８を繰り返し変形させる度に、圧電素子１０８に蓄積された電荷を増加させることがで
きる。
【００３３】
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
る度に圧電素子１０８の端子間の電圧波形がシフトする現象が生じるが、この現象は、以
上のようなメカニズムによって発生する。すなわち、たとえば図２（ｄ）中に示した期間
Ａでは、圧電素子１０８（正確には梁１０４）の変形に従って、上部電極１０９ａおよび
下部電極１０９ｂの間に電圧が発生するが、上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂは
全波整流回路１２０に接続されているので、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧を超えた部分の
電荷は、全波整流回路１２０に接続された出力用コンデンサーＣ１に流れ込む。その結果
、梁１０４の変形量が極値となった時点でスイッチＳＷをＯＮにすると、その時に圧電素
子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、圧電素子１０８
内での正負の電荷の配置が入れ代わる。尚、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、圧電素子１０８の容量成分
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。
【００３４】
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、
圧電素子１０８の上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂの間には、圧電効果による電
圧波形が現れる。すなわち、圧電素子１０８の上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂ
の極性が入れ代わった状態から、圧電素子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素子１
０８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出力用コンデンサー
Ｃ１に流れ込むので、圧電素子１０８の上部電極１０９ａおよび下部電極１０９ｂの間の
電圧は、ＶＣ１と２Ｖｆとの和の電圧でクリップされる。その後、共振周期の半分の時間
だけスイッチＳＷをＯＮにすると、圧電素子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、圧電素子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。
【００３５】
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、圧電素子１０８の圧電効果によって上部電極１０９ａと下部電極１０９ｂとの
間に生じる電位差よりも高い電圧を、出力用コンデンサーＣ１に蓄えることができるとい
う大きな効果を得ることができる。このような現象は、次のようなメカニズムによって生
じる。
【００３６】
先ず、図２（ｄ）中の期間Ａあるいは期間Ｂに示したように、出力用コンデンサーＣ１
が充電されていない場合は、圧電素子１０８の端子間で発生する電圧が、全波整流回路１
２０の２Ｖｆを超えると、圧電素子１０８から出力用コンデンサーＣ１に電荷が流れ込む
ので、圧電素子１０８の端子間に現れる電圧は、２Ｖｆでクリップされている。しかし、
こうして出力用コンデンサーＣ１に電荷を蓄えるに従って出力用コンデンサーＣ１の端子
間の電圧が増加していく。すると、それ以降は、出力用コンデンサーＣ１の端子間電圧が
ＶＣ１と２Ｖｆとの和よりも高い電圧になって始めて、圧電素子１０８から電荷が流れ込
むようになる。このため、圧電素子１０８の端子間の電圧がクリップされる値が、出力用
コンデンサーＣ１に電荷が蓄えられるに従って次第に上昇していく。
【００３７】
加えて、図３および図４を用いて前述したように、圧電素子１０８から電荷を流出させ
ない限り、圧電素子１０８（正確には梁１０４）を変形させる度に、圧電素子１０８内の
電荷は増加し、圧電素子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。
【００３８】
Ａ−４．第１実施例のスイッチの切換タイミング ：
以上に説明したように、第１実施例の発電装置１００では、圧電素子１０８（正確には
梁１０４）に繰り返し変形を加えて、変形方向が切り換わる瞬間に、共振周期の半分の時
間だけ圧電素子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瞬間にスイッチＳＷをＯＮにすることは、それ
ほど容易なことではない。たとえば、梁１０４の変形方向が切り換わる瞬間は、梁１０４
の変位の大きさが最大と考えれば、機械的な接点を用いて、梁１０４が最大変位となった
瞬間に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、第１実施例の発電装置１００では、発電用の圧電
素子１０８だけでなく、制御用の圧電素子１１０も設けておき、圧電素子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。
【００３９】
図５は、制御用の圧電素子１１０で発生する電圧を検出することによって、スイッチＳ
Ｗを適切なタイミングで制御可能な理由を示す説明図である。図５（ａ）には、梁１０４
の変位が示されている。また、図５（ｂ）には、梁１０４の振動に伴って、圧電素子１１
０に生じる起電力Ｖpzt が変化する様子が示されている。
【００４０】
図３および図４を用いて前述したように、梁１０４の変位ｕ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５
（ａ）と図５（ｂ）とを比較すれば明らかなように、梁１０４の変位ｕが極値となるのは
、圧電素子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、圧電素子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、出力用コンデンサーＣ１に電荷が流れたりする影響
で、圧電素子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、圧電素子１１０は、インダクターＬや出力用コンデンサーＣ１と接続していない
ため、電荷の増減が圧電素子１１０の起電力Ｖpzt の変化に直接反映される。このため、
圧電素子１１０の起電力Ｖpzt が極値となるタイミングは、梁１０４の変位ｕが極値とな
るタイミングと一致するのである。
【００４１】
そこで、図５（ｂ）に矢印で示したように、圧電素子１１０の起電力Ｖpzt が極値とな
るタイミングを検出して、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。
【００４２】
図６は、制御用の圧電素子１１０の起電力を検出してスイッチ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、制御回路１１２
に内蔵されたＣＰＵによって実行される。
【００４３】
スイッチ制御処理を開始すると、制御回路１１２のＣＰＵは、制御用の圧電素子１１０
の上部電極１１１ａおよび下部電極１１１ｂの間での電圧を検出して、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
）。電圧値がピークに達したか否かは、電圧波形の微分を行って微分値の符号が変わった
ら、電圧値がピークに達したと判断することができる。
【００４４】
あるいは、梁１０４の変位の振幅はほぼ一定と考えられるから、制御用の圧電素子１１
０で発生する電圧もほぼ等しいと考えられる。従って、最大電圧値Ｖｍａｘおよび最小電
圧値Ｖｍｉｎを記憶しておき、圧電素子１１０で発生する電圧を、最大電圧値Ｖｍａｘお
よび最小電圧値Ｖｍｉｎと比較する。そして、圧電素子１１０の発生電圧が最大電圧値Ｖ
ｍａｘを超えた場合、あるいは最小電圧値Ｖｍｉｎを下回った場合に、電圧値がピークに
達したものと判断してもよい。尚、梁１０４も完全に同じ振幅で変形するとは限らないか
ら、圧電素子１１０で発生する電圧の振幅も、完全に同じになるとは限らない。しかしこ
のような場合でも、最大電圧値Ｖｍａｘを少しだけ低めの値に設定し、Ｖｍｉｎを少しだ
け高めの値に設定しておけば、梁１０４の振幅に僅かなばらつきが存在していても、電圧
値がピークに達したことを十分な精度で検出することが可能となる。
【００４５】
以上のようにして、制御用の圧電素子１１０で発生した電圧値のピークを検出したら（
Ｓ１００：ｙｅｓ）、共振回路（圧電素子１０８の容量成分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、圧電素子１０８の容量成分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）。尚、制御
用の圧電素子１１０で発生した電圧値のピークを検出しなかった場合は（Ｓ１００：ｎｏ
）、制御用の圧電素子１１０で発生した電圧値のピークを検出するまで待機する。
【００４６】
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Ｓ１
０６：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Ｓ１
０８）。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。
【００４７】
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。
【００４８】
Ｂ．第２実施例 ：
以上に説明した第１実施例の発電装置１００では、制御用の圧電素子１１０が１つだけ
設けられているものとして説明した。しかし、制御用の圧電素子１１０は必ずしも１つだ
けである必要はなく、複数の制御用の圧電素子を設けても良い。以下では、このような第
２実施例について説明する。尚、第１実施例と同様な構成については、第２実施例におい
ても同じ番号を符番するものとして、詳細な説明は省略する。
【００４９】
図７は、制御用の圧電素子を複数備えた第２実施例の発電装置１００を示した説明図で
ある。図７（ａ）は、梁１０４の一方の面から見た平面図である。図７（ｂ）は、梁１０
４の他方の面から見た平面図である。図７（ａ）には、梁１０４の一方の面に設けられた
発電用の圧電素子１０８が示されており、図７（ｂ）には、梁１０４の他方の面に設けら
れた２つの制御用の圧電素子（圧電素子１１０および圧電素子１１４）が示されている。
図７（ａ）と図７（ｂ）とを比較すれば明らかなように、制御用の圧電素子１１０，１１
４は、圧電素子の長さ（梁１０４の長手方向への長さ）は発電用の圧電素子１０８と同じ
であるが、圧電素子の幅（梁１０４の短手方向への長さ）は、発電用の圧電素子１０８の
半分よりも更に狭くなっている。そして、２つの制御用の圧電素子１１０，１１４は、梁
１０４の幅の両側に寄せた位置に設けられている。尚、圧電素子１１４についても、圧電
素子１０８や圧電素子１１０と同様に、金属薄膜によって形成された上部電極１１５ａ、
下部電極１１５ｂが設けられている。
【００５０】
また、発電用の圧電素子１０８が梁１０４に対して、設置可能な最大の長さと幅であれ
ば、発電用の圧電素子１０８の発電量は大きくなり、制御用の圧電素子１１０，１１４が
設置可能な最小の幅（梁１０４の短手方向への長さ）であれば、制御用の圧電素子１１０
，１１４による梁１０４の変位抵抗が低減するため、発電効率が良い。
【００５１】
そして、２つの制御用の圧電素子１１０，１１４を、梁１０４の幅の両側に寄せた位置
に設けられていることにより、梁１０４が上下左右で異なる変位を生じるときでも、制御
用の圧電素子１１０，１１４は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を様々なところで使用することができる。
【００５２】
また、図７（ｃ）には、２つの制御用の圧電素子１１０，１１４を備える第２実施例の
発電装置１００の回路図が示されている。１つめの制御用の圧電素子１１０は、電流源と
、電荷を蓄えるコンデンサーＣｓ１とを組み合わせたものして表され、２つめの制御用の
圧電素子１１４は、電流源と、電荷を蓄えるコンデンサーＣｓ２とを組み合わせたものと
して表されている。また、１つめの制御用の圧電素子１１０の上部電極１１１ａおよび下
部電極１１１ｂは、制御回路１１２に接続されており、２つめの制御用の圧電素子１１４
の上部電極１１５ａおよび下部電極１１５ｂも、制御回路１１２に接続されている。
【００５３】
そして、制御回路１１２では、上部電極１１１ａおよび下部電極１１１ｂの組、あるい
は上部電極１１５ａおよび下部電極１１５ｂの組の何れか一方を選択して、選択した方の
圧電素子１１０あるいは圧電素子１１４の電圧値を検出してスイッチＳＷを制御する。た
とえば、発電装置１００の設置時に、圧電素子１１０の電圧値を検出して発電した場合と
、圧電素子１１４の電圧値を検出して発電した場合とで発電量を計測しておく。そして、
制御回路１１２に設けたスイッチなどを用いて、発電量の多い方を選択しておく。こうし
て圧電素子１１０または圧電素子１１４の一方を予め選択しておけば、図６を用いて前述
したスイッチ制御処理を行うことによって、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御すること
ができる。
【００５４】
２つの圧電素子１１０および圧電素子１１４は、大まかには同じような電圧波形を発生
させるが、梁１０４の構造や、製造ばらつきなどの要因で、電圧波形や、電圧振幅の大き
さに若干の違いが生じ得る。そして電圧波形に違いが生じれば、発電量に違いが生じる可
能性があり、また、電圧振幅の大きさに違いが生じれば、大きな電圧振幅が得られる方（
センサーとしての感度の高い方）を用いた方が、より適切なタイミングでスイッチＳＷを
制御できる可能性がある。そこで、圧電素子１１０の電圧値を検出して発電した場合と、
圧電素子１１４の電圧値を検出して発電した場合とで発電量を予め計測しておき、発電量
の多い方を選択することで、より効率よく発電することが可能となる。
【００５５】
尚、以上の説明では、圧電素子１１０側の端子の組（上部電極１１１ａおよび下部電極
１１１ｂ）、あるいは圧電素子１１４側の端子の組（上部電極１１５ａおよび下部電極１
１５ｂ）の何れか一方を選択して、スイッチＳＷの制御に使用するものとして説明した。
しかし、上部電極１１１ａと上部電極１１５ａとを接続し、下部電極１１１ｂと下部電極
１１５ｂとを接続して、上部電極側と下部電極側との電位差（電圧値）を検出して、スイ
ッチＳＷを制御するようにしてもよい。スイッチＳＷの制御にあたっては、図６を用いて
前述したスイッチ制御処理を適用することができる。
【００５６】
梁１０４の構造や、発電装置１００が設置される環境などの影響で、梁１０４を捻るよ
うな変形が発生することが起こり得る。そして、梁１０４に捻りが発生すると、圧電素子
１１０や圧電素子１１４が発生する電圧波形の位相がシフトすることが起こり得る。しか
し、図７（ｂ）に示したように、圧電素子１１０および圧電素子１１４を、梁１０４の両
幅に寄せて設けておけば、梁１０４の撓みに対する捻りの影響が逆になる。従って、上部
電極１１１ａと上部電極１１５ａとを接続し、下部電極１１１ｂと下部電極１１５ｂとを
接続すれば、梁１０４の捻りが圧電素子１１０および圧電素子１１４に与える影響を打ち
消すことができる。その結果、たとえ梁１０４に捻りが生じた場合でも、捻りの影響を受
けることなく適切なタイミングでスイッチＳＷを制御することができるので、効率よく発
電することが可能となる。
【００５７】
Ｃ．変形例 ：
上述した第１実施例あるは第２実施例には種々の変形例が存在している。以下では、こ
れらの変形例について簡単に説明する。
【００５８】
Ｃ−１．第１変形例 ：
上述した第２実施例では、２つの制御用の圧電素子１１０，１１４が、発電用の圧電素
子１０８と同じ長さを有しており、それら制御用の圧電素子１１０，１１４が、梁１０４
の幅の両端に寄せた位置に設けられているものとして説明した。しかし、発電用の圧電素
子１０８の長さの半分よりも短い２つの圧電素子１１０，１１４を、梁１０４の中央の位
置に、長手方向に向けて一列に並べて設けるようにしてもよい。
【００５９】
図８は、第１変形例の発電装置１００の梁１０４に、発電用の圧電素子１０８と、２つ
の制御用の圧電素子１１０，１１４とが設けられている様子を示した説明図である。図８
（ａ）は、梁１０４の一方の面から見た平面図である。図８（ｂ）は、梁１０４の他方の
面から見た平面図である。図８（ａ）には、発電用の圧電素子１０８が設けられている様
子が示されており、図８（ｂ）には、２つの制御用の圧電素子１１０，１１４が設けられ
ている様子が示されている。
【００６０】
梁１０４の構造や、発電装置１００が設置される環境によっては、梁１０４が波打つよ
うに変形する場合が起こり得る。すると、梁１０４が撓んだ場合の変形が大きくなる箇所
と、小さくなる箇所とが、梁１０４の長手方向に沿って発生する。従って、図８（ｂ）に
示すように、短い２つの圧電素子１１０，１１４を、梁１０４の中央に長手方向に沿って
一列に設けておき、十分な振幅の電圧波形を発生する圧電素子を選択すれば、たとえ梁１
０４が波打つような変形が発生した場合でも、適切なタイミングでスイッチＳＷを制御す
ることが可能となる。
【００６１】
また、上部電極１１１ａと上部電極１１５ａとを接続し、下部電極１１１ｂと下部電極
１１５ｂとを接続すれば、梁１０４が波打つように変形したことによる影響を打ち消すこ
とができる。その結果、たとえ梁１０４が波打つように変形した場合でも、その影響を受
けることなく適切なタイミングでスイッチＳＷを制御することができる。
【００６２】
尚、図８には、制御用の圧電素子としては、圧電素子１１０および圧電素子１１４の２
つの圧電素子が設けられているものとして説明したが、３つ以上の圧電素子を設けるよう
にしても良い。
【００６３】
Ｃ−２．第２変形例 ：
上述した各種の実施例、あるいは第１変形例では、制御用の圧電素子１１０（および圧
電素子１１４）が、発電用の圧電素子１０８とは異なる面に設けられているものとして説
明した。しかし、制御用の圧電素子１１０を、発電用の圧電素子１０８と同じ面に設ける
ようにしてもよい。
【００６４】
図９は、第２変形例の発電装置１００の梁１０４の同じ面に、発電用の圧電素子１０８
および制御用の圧電素子１１０が設けられている様子を示した説明図である。図９に示し
た例では、発電用の圧電素子１０８と、制御用の圧電素子１１０とが、梁１０４の同じ面
に設けられている。また、制御用の圧電素子１１０は、圧電素子１０８と同じ長さを有す
るが幅は狭くなっている。このように、発電用の圧電素子１０８に対して、ほぼ同じ長さ
を有する制御用の圧電素子１１０を、圧電素子１０８と平行に設けておけば、圧電素子１
０８と圧電素子１１０とはほぼ同じ変形をする。従って、圧電素子１０８の変位が極値と
なったタイミングを精度良く検出して、適切なタイミングでスイッチＳＷを制御すること
が可能となる。
【００６５】
もちろん、発電用の圧電素子１０８と、制御用の圧電素子１１０とを梁１０４の同じ面
に設けた場合、制御用の圧電素子１１０の分だけ、発電用の圧電素子１０８の大きさ（面
積）が小さくなる。その結果、前述した各種の実施例あるいは第１変形例のように、発電
用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子１１０とを異なる面に設けた場合に比べて、発電
能力が低下する。しかし図９に示したように、制御用の圧電素子１１０は幅が狭いので、
発電用の圧電素子１０８の面積の減少を比較的小さな値に抑制することができ、発電能力
の低下も比較的小さくすることができる。
【００６６】
その一方で、図９に示した第２変形例のように、発電用の圧電素子１０８と制御用の圧
電素子１１０とを同じ面に設けておけば、圧電素子１０８および圧電素子１１０を同じ工
程で設けることができる。これに対して、前述した各種実施例や第１変形例のように、発
電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子１１０とを異なる面に設けた場合には、圧電素
子１０８を設ける工程と、圧電素子１１０を設ける工程とを別の工程にしなければならな
い。従って、第２変形例のように発電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子１１０とを
同じ面に設けることで、発電装置１００の製造工程を単純化することが可能となる。逆に
言えば、前述した各種の実施例や第１変形例のように、発電用の圧電素子１０８と制御用
の圧電素子１１０とを別の面に設けた場合、発電装置１００の製造工程は複雑となるが、
発電用の圧電素子１０８の面積を大きくすることができるので、発電能力を高くすること
が可能となる。
【００６７】
以上では、制御用の圧電素子１１０が、発電用の圧電素子１０８とほぼ同じ長さを有す
るが、幅は圧電素子１０８よりも狭いものとして説明した。しかし、発電用の圧電素子１
０８と幅がほぼ同じで、長さが短い制御用の圧電素子１１０を使用し、それら圧電素子１
０８および圧電素子１１０を梁１０４の同じ面に設けることとしても良い。
【００６８】
図１０は、発電用の圧電素子１０８および制御用の圧電素子１１０が、梁１０４の同じ
面に設けられた第２変形例の他の態様を示した説明図である。梁１０４のような、いわゆ
る片持ち梁では、先端から支持端１０２に近付くに従って曲げモーメントが大きくなり、
それに伴って、単位長さ当りの梁１０４の変形量も大きくなる。従って、制御用の圧電素
子１１０を支持端１０２の近くに設けることでセンサーとしての感度が高くなり、その分
だけ、制御用の圧電素子１１０の幅を狭くすることができる。その結果、発電用の圧電素
子１０８の面積を広くすることができるので、発電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素
子１１０とを同じ面に設けたことによる発電能力の低下を抑制することが可能となる。
【００６９】
Ｃ−３．第３変形例 ：
上述した第２変形例では、発電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子１１０とが、梁
１０４の同じ面に設けられており、制御用の圧電素子１１０は、１つしか設けられていな
いものとして説明した。しかし、発電用の圧電素子１０８と制御用の圧電素子１１０とが
、梁１０４の同じ面に設けられている場合でも、複数の制御用の圧電素子を設けるように
してもよい。
【００７０】
図１１は、発電用の圧電素子１０８と同じ面に複数の制御用の圧電素子１１０，１１４
が設けられた第３変形例を示した説明図である。図示した例では、発電用の圧電素子１０
８よりも幅が狭く、長さについても発電用の圧電素子１０８の半分以下の短い制御用の圧
電素子１１０，１１４が一列に並べて、圧電素子１０８に対して平行に設けられている。
【００７１】
前述したように、梁１０４の構造や発電装置１００が設置される環境によっては、梁１
０４が波打つように変形する場合が起こり得る。すると、梁１０４が撓んだ場合の変形が
大きくなる箇所と、小さくなる箇所とが、梁１０４の長手方向に沿って発生する。従って
、制御用の圧電素子１１０，１１４が設けられた位置によっては、十分な感度（検出する
電圧値）が得られない場合が起こり得る。そこで、図１１に示すように、短い２つの圧電
素子１１０，１１４を、梁１０４の長手方向に沿って一列に設けておき、十分な感度が得
られる圧電素子を選択すれば、たとえ梁１０４が波打つような変形が発生した場合でも、
適切なタイミングでスイッチＳＷを制御することが可能となる。もちろん、制御用の圧電
素子としては、圧電素子１１０および圧電素子１１４の２つに限らず、３つ以上の圧電素
子を設けるようにしても構わない。
【００７２】
また、圧電素子１１０の上部電極１１１ａと圧電素子１１４の上部電極１１５ａとを接
続し、圧電素子１１０の下部電極１１１ｂと圧電素子１１４の下部電極１１５ｂとを接続
して、上部電極側と下部電極側との電位差を検出してやれば、梁１０４が波打つように変
形したことによる影響を打ち消すことができる。その結果、たとえ梁１０４が波打つよう
に変形した場合でも、その影響を受けることなく適切なタイミングでスイッチＳＷを制御
することができる。
【００７３】
尚、図１１に示した第３変形例では、２つの短い制御用の圧電素子１１０，１１４が、
梁１０４の長手方向に一列に並んで設けられているものとして説明した。従って、２つの
短い制御用の圧電素子１１０，１１４は、発電用の圧電素子１０８に対しては一方の側に
設けられていることになる。これに対して、発電用の圧電素子１０８の両側に、発電用の
圧電素子１０８とほぼ同じ長さで、幅の狭い制御用の圧電素子１１０，１１４を設けるこ
ととしてもよい。
【００７４】
図１２は、発電用の圧電素子１０８と同じ面に複数の制御用の圧電素子１１０，１１４
が設けられた第３変形例の他の態様を示した説明図である。前述したように、梁１０４の
構造や発電装置１００が設置される環境などの影響で、梁１０４を捻るような変形が発生
することが起こり得る。そして、梁１０４に捻りが発生すると、圧電素子１１０や圧電素
子１１４が発生する電圧波形の位相がシフトして、適切なタイミングでスイッチＳＷを切
り換えることができなくなることが起こり得る。しかし、図１２に示したように、発電用
の圧電素子１０８の両側に、幅の狭い圧電素子１１０および圧電素子１１４を設けておき
、それぞれの圧電素子１１０，１１４の電圧値を用いてスイッチＳＷを制御した時の発電
量を計測して、発電量が多い方の圧電素子１１０，１１４を選択しておく。こうすれば、
たとえ梁１０４に捻りが生ずるような場合でも、発電能力の低下を少なくすることができ
る。
【００７５】
また、図１２に示したように、発電用の圧電素子１０８の両側に、幅の狭い圧電素子１
１０および圧電素子１１４を設けておけば、梁１０４の撓みに対する捻りの影響が逆にな
る。従って、圧電素子１１０の上部電極１１１ａと圧電素子１１４の上部電極１１５ａと
を接続し、圧電素子１１０の下部電極１１１ｂと圧電素子１１４の下部電極１１５ｂとを
接続すれば、梁１０４の捻りが圧電素子１１０および圧電素子１１４に与える影響を打ち
消すことができる。その結果、たとえ梁１０４に捻りが生じた場合でも、捻りの影響を受
けることなく適切なタイミングでスイッチＳＷを制御することができるので、効率よく発
電することが可能となる。
【００７６】
以上、各種の実施例あるいは各種の変形例について説明したが、本発明はこれら実施例
あるいは変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様
で実施することが可能である。
【００７７】
たとえば、上述した実施例では、圧電素子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、圧電素子１０８や圧電素子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。たとえば、薄膜の表面に圧電素子１０８や圧電素子１１０などを
取り付けても良い。
【００７８】
また、本発明の発電装置は振動や移動に応じて発電するため、たとえば、橋梁や建築物
あるいは地すべり想定箇所などに発電装置を設置すれば地震などの災害時に発電し、電子
機器などのネットワーク手段に必要時（災害時）だけ電源供給することもできる。
【００７９】
尚、電子機器に限らず、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、移動手段に効率良く電力供給することもできる。
【符号の説明】
【００８０】
１００…発電装置、 １０２…支持端、 １０４…梁、
１０６…錘、 １０８…圧電素子、 １０９ａ…上部電極、
１０９ｂ…下部電極、 １１０…圧電素子、 １１１ａ…上部電極、
１１１ｂ…下部電極、 １１２…制御回路、 １１４…圧電素子、
１１５ａ…上部電極、 １１５ｂ…下部電極、 １２０…全波整流回路、
Ｌ…インダクター、 Ｃ１…出力用コンデンサー、
Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード、 ＳＷ…スイッチ
【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、
前記変形部材に設けられた第２の圧電素子と、
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、
前記第２の圧電素子に生じた電圧を検出することによって、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】
前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とは、前記変形部材の異なる面に設けられて
いる請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とは、前記変形部材の同じ面に設けられてい
る請求項１に記載の発電装置。
【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、
前記変形部材に設けられた第２の圧電素子と、
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、
前記第２の圧電素子に生じた電圧を検出することによって、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】
前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とは、前記変形部材の異なる面に設けられて
いる請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とは、前記変形部材の同じ面に設けられてい
る請求項１に記載の発電装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１１０１４３（Ｐ２０１２−１１０１４３Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５７５６８（Ｐ２０１０−２５７５６８）
【出願日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【特許番号】特許第４８３５８８９号（Ｐ４８３５８８９）
【特許公報発行日】平成２３年１２月１４日（２０１１．１２．１４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【特許番号】特許第４８３５８８９号（Ｐ４８３５８８９）
【特許公報発行日】平成２３年１２月１４日（２０１１．１２．１４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
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