発電装置、２次電池及び電子機器
【課題】従来の圧電型発電装置では、発電電圧が低く、別に昇圧回路が必要となるが、昇圧回路を駆動するためには電力が必要となる。そのため、一旦振動が停止すると昇圧回路を駆動する電力が途絶えることとなり、再起動が困難になるという課題があった。
【解決手段】圧電部１０８とインダクターＬとを接続／遮断する第１スイッチＳＷ１と、ブリッジ整流部１２０または倍電圧整流部１２０ａのいずれかを選択する第２スイッチＳＷ２を備え、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２とは、スイッチ制御装置１１０により駆動されており、発電装置１００からスイッチ制御装置１１０に供給される電圧がスイッチ制御装置１１０を駆動し得る下限電圧よりも下がったとき、第１スイッチＳＷ１を開放し、かつ、第２スイッチＳＷ２をブリッジ整流部１２０から倍電圧整流部１２０ａに切り替える制御を行うことで、圧電型発電装置を自己復帰させることを可能とした。
【解決手段】圧電部１０８とインダクターＬとを接続／遮断する第１スイッチＳＷ１と、ブリッジ整流部１２０または倍電圧整流部１２０ａのいずれかを選択する第２スイッチＳＷ２を備え、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２とは、スイッチ制御装置１１０により駆動されており、発電装置１００からスイッチ制御装置１１０に供給される電圧がスイッチ制御装置１１０を駆動し得る下限電圧よりも下がったとき、第１スイッチＳＷ１を開放し、かつ、第２スイッチＳＷ２をブリッジ整流部１２０から倍電圧整流部１２０ａに切り替える制御を行うことで、圧電型発電装置を自己復帰させることを可能とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置、２次電池及び電子機器に関する。
【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）等の圧電材料は、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流として取り出す発電方法が提案されている。
【０００３】
例えば、先端に錘を設けるとともに圧電材料の薄板を貼り付けた金属製の片持ち梁を振動させ、振動に伴って圧電材料に交互に生じる正負の電荷を取り出すことによって交流電流を発生させる。そして、この交流電流をダイオードによって整流した後、コンデンサーに蓄えておき、電力として取り出す技術が提案されている（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）。これらの技術を用いれば、発電装置を小型化することができる。そのため、例えば小型の電子部品に電池の代わりに組み込む等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】
しかしながら、提案されている従来の発電装置では、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課題があった。また、昇圧回路を駆動するためには通常電力が必要となるが、一旦振動が停止すると昇圧回路を駆動する電力が途絶えることとなり、再起動が困難になるという課題があった。また、再起動用の電池を別途設けると、発電装置の大型化や、電池の寿命による発電装置の寿命の低下に繋がるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］本適用例にかかる発電装置は、外力に応じて変形方向を切り換えて繰り返し変形することによって電荷を発生する圧電材料を含む圧電部と、前記圧電部が変形可能な状態で前記圧電部を支える支持体と、前記圧電部の変形によって生じた電荷を電流として取り出すことに用いる一対の電極と、前記一対の電極の片側と接続された第１スイッチと、前記第１スイッチを介して前記一対の電極と接続され、前記圧電部の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、前記圧電部の前記変形方向が切り換わるときに前記第１スイッチを短絡させた後、前記共振回路の共振周期の半周期に相当する時間が経過したときと、前記第１スイッチを制御し得る下限電圧よりも低い電圧が供給されたときと、に前記第１スイッチを開放する第１スイッチ制御装置と、前記一対の電極から出力された交流電流を脈流電流に整流し、第１直流電圧に変換するブリッジ整流部と、前記一対の電極から出力された交流電流を脈流電流に整流し、前記一対の電極間の電圧よりも高い第２直流電圧に変換する倍電圧整流部と、前記ブリッジ整流部もしくは倍電圧整流部から供給された脈流電流を蓄電する蓄電部と、前記ブリッジ整流部と前記倍電圧整流部とのいずれかを選択する第２スイッチと、前記第１直流電圧が前記下限電圧よりも低い場合には前記第２スイッチを用いて前記倍電圧整流部を選択する第２スイッチ制御装置と、を備え、前記第１スイッチ制御装置及び第２スイッチ制御装置が、前記第１直流電圧及び前記第２直流電圧のいずれかを用いて駆動されていることを特徴とする。
【０００８】
これによれば、外力に応じて変形方向を切り換えて圧電部を繰り返し変形させることで圧電部には圧電効果によって正負の電荷が発生する。また、電荷の発生量は、圧電部の変形量が大きくなるほど多くなる。そして、変形量の大きさが最大となったとき（即ち変形方向が切り換わるとき）に、第１スイッチを短絡することで、圧電部をインダクターに接続する。圧電部は、電気回路的にはコンデンサーと見なすことができるので、インダクターに接続されることで共振回路が形成される。
すると、圧電部に発生していた電荷がインダクターに流れ込む。そして、圧電部及びインダクターは共振回路を構成しているから、インダクターに流れ込んだ電流はオーバーシュートして、反対側の端子から圧電部に流れ込む。この期間（即ち、圧電部の一方の電極から流れ出した電荷が、インダクターを介して反対側の電極から再び圧電材料内に流れ込むまでの期間）は、圧電部及びインダクターによって形成される共振回路の共振周期の半分となる。従って、圧電部の変形方向が切り換わったタイミングで圧電部とインダクターとを第１スイッチを短絡することで接続し、その後、共振周期の半分の時間が経過したタイミングで、圧電部とインダクターとを第１スイッチを用いて開放すれば、インダクターを接続する前に圧電部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。
【０００９】
そして、この状態から、今度は逆方向に圧電部を変形させると、圧電効果によって発生した電荷は、逆転して蓄積された電荷に加えて蓄積されることとなる。その結果、圧電部を繰り返し変形させることによって生じた電荷を、圧電部内に蓄積することが可能となる。また、圧電部内に電荷を蓄積した分だけ端子間の電圧も増加するので、昇圧回路を別途用意しなくても、圧電材料の電気分極によって生じる電圧よりも高い電圧を発生させることができる。その結果、小型で効率の良い発電装置を得ることができる。
ここで、上記した発電動作を行うためには、圧電部とインダクターとを接続／開放する第１スイッチを能動的に制御することが必要となる。
即ち、一旦第１スイッチ制御装置に与えられる電圧が下限電圧を下回ってしまうと第１スイッチを能動的に制御させることが出来なくなり、上記した発電操作を行うことが出来なくなってしまう。
【００１０】
この場合には、第２スイッチ制御装置を用いて第２スイッチを切り替え、直流電圧に変換する装置を倍電圧整流部に切り替える。そのため、第１スイッチ制御装置には圧電部での電圧の２倍に近い電圧が与えられるため、ブリッジ整流部と比較して蓄電部に高い電圧を蓄電することができる。これにより、第１スイッチ制御装置に与えられる電圧が下限電圧を下回っても、発電操作を継続することができる。
【００１１】
［適用例２］上記適用例にかかる発電装置であって、前記蓄電部はブリッジ整流部のアノード対側とカソード対側との間に直列に接続される、第１蓄電素子と第２蓄電素子とを有し、前記第２スイッチは、前記第１蓄電素子と前記第２蓄電素子との間と、前記一対の電極のいずれか片側との間に設けられ、前記第２スイッチ制御装置は、前記ブリッジ整流部を選択するときには、前記第２スイッチを開放し、前記倍電圧整流部を選択するときには、前記第２スイッチを短絡させることを特徴とする。
【００１２】
上記した適用例によれば、ブリッジ整流部を、第２スイッチを閉じるだけで倍電圧整流部に切り替えることができる。そのため、部品点数の増加を抑えて高い発電効率を備え、かつ自己復帰可能な発電装置を提供することが可能となる。加えて、下限電圧以上の電圧を保っている場合に、第２スイッチを開放させておくことでブリッジ整流部として動作させることができるので、発電効率を落とすことなく発電を行うことができる。
【００１３】
［適用例３］上記適用例にかかる発電装置であって、前記蓄電部はブリッジ整流部のアノード対側とカソード対側との間に接続された蓄電素子を備え、前記第２スイッチは、前記ブリッジ整流部の前記アノード対側と前記一対の電極のいずれか片側との間に設けられ、前記第２スイッチ制御装置は、前記ブリッジ整流部を選択するときには、前記第２スイッチを開放し、前記倍電圧整流部を選択するときには、前記第２スイッチを短絡させ、前記容量成分を前記倍電圧整流部を駆動させる場合の容量として用いることを特徴とする。
【００１４】
上記した適用例によれば、ブリッジ整流部を、第２スイッチを閉じるだけで倍電圧整流部に切り替えることが可能となるため、部品点数の増加を抑えて高い発電効率を備え、かつ自己復帰可能な発電装置を提供することが可能となる。加えて、下限電圧以上の電圧を保っている場合に、第２スイッチを開放させておくことでブリッジ整流部となるため、発電効率を落とすことなく発電を行うことが可能となる。さらに、倍電圧整流部として動作させたときは、圧電部の容量成分を用いて半波倍電圧整流を行うため、蓄電素子を直列に接続せずに（同じ容量の蓄電素子を直列に接続した場合、実効的な容量は１／２になる）自己復帰可能な発電装置を提供することができる。
【００１５】
［適用例４］上記適用例にかかる発電装置であって、前記第１スイッチは駆動電圧が掛からない場合には開放状態を取るノーマリーオフのスイッチであり、前記第２スイッチは、駆動電圧が掛からない場合には短絡状態を取るノーマリーオンのスイッチであることを特徴とする。
【００１６】
上記した適用例によれば、発電装置の出力電圧が下限電圧よりも低い場合にはブリッジ整流部が倍電圧整流部に切り替えられる。また、圧電部と並列に繋がっているインダクターが切断されるため、圧電部に繰り返し変形を受けた場合に速やかに倍電圧整流が行われる。そのため、短時間で自己復帰可能で、かつ発電効率の高い発電装置を提供することができる。
【００１７】
［適用例５］本適用例にかかる２次電池は、上記記載の発電装置を備えたことを特徴とする。
【００１８】
これによれば、２次電池が一旦放電し尽し、第１スイッチの制御が出来ない状態にあっても、圧電部に繰り返し変形を受けた場合に倍電圧整流が行われる。そして、下限電圧以上の電圧を得た後、速やかに発電効率の高い整流状態に移行させることで、発電効率が通常のブリッジ整流と比べ高く、かつ自己復帰可能な２次電池を提供することが可能となる。
【００１９】
［適用例６］本適用例にかかる電子機器は、上記記載の２次電池を備えたことを特徴とする。
【００２０】
これによれば、発電効率が通常のブリッジ整流と比べ高く、かつ自己復帰可能な２次電池を備えているため、電池交換することなく動作し得る電子機器を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）は、発電装置の構造を示した模式図、（ｂ）は発電装置の回路図。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、定常状態での発電装置の動作を示したグラフ。
【図３】（ａ）は、ブリッジ整流部が備えるスイッチを短絡させたときの電流経路を示す回路図、（ｂ）は、電流が流れる経路に関する部分を抜き出した等価回路図。
【図４】（ａ）は、発電装置の回路図、（ｂ）は、ブリッジ整流部が備えるスイッチを短絡させたときの電流経路を示す回路図。
【図５】第１スイッチＳＷ１を開放し、第２スイッチＳＷ２を短絡した場合に、有効に機能している部品を抜き出した回路図。
【図６】変形例１を説明するための回路図。
【図７】変形例２を説明するための回路図。
【図８】変形例３を説明するための回路図。
【図９】変形例４を説明するための回路図。
【図１０】定常状態での動作と起動電圧を得る動作とのいずれかを取るか判断するためのフローチャート。
【図１１】２次電池の回路図。
【図１２】電子機器としての万歩計（登録商標）の概略構造を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（実施形態：第１の構成を備えた発電装置）
以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。
図１（ａ）は、本実施形態の発電装置の構造を示した模式図である。本実施形態に示す発電装置１００が備える発電部１２５の機械的な構造は、先端に錘１０６が設けられた梁１０４が、基端側で支持端１０２に固定された片持ち梁構造となっている。また、支持体としての梁１０４の表面には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料によって形成された圧電部１０８が固定支持されており、圧電部１０８の両面には、金属薄膜等の導体を用いた一対の電極としての第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂがそれぞれ設けられている。なお、図１に示した例では、梁１０４の上面側に圧電部１０８が設けられているが、梁１０４の下面側に圧電部１０８を設けても良く、あるいは梁１０４の上面側及び下面側の両方に圧電部１０８を設けても良い。なお、「上」とは、圧電部１０８から第１電極１０９ａを見た方向（図中のｕの正方向）を指し、「下」とは、「上」の反対方向を指すものとする。
【００２３】
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、振動等が加わると、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１０８は、外力による繰り返し変形を受け、圧縮力及び引張力が交互に作用することとなる。すると、圧電部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、及び第２電極１０９ｂに現れ、電流として取り出される。
【００２４】
図１（ｂ）は、本実施形態における発電装置の回路図である。圧電部１０８は、電気的には、電流源Ｉ０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１０８に対して並列にインダクターＬが接続されて、圧電部１０８の容量成分Ｃ０と共に電気的な共振回路を形成している。そして、この共振回路を短絡／開放するための第１スイッチＳＷ１が、インダクターＬに対して直列に接続されている。第１スイッチＳＷ１の短絡／開放及び、第２スイッチＳＷ２の短絡／開放は、第１スイッチ制御装置及び第２スイッチ制御装置としてのスイッチ制御装置１１０によって制御されている。また、圧電部１０８に設けられた第１電極１０９ａ及び第２電極１０９ｂは、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４から構成されるブリッジ整流部１２０に接続されている。より具体的には、直列に接続された蓄電素子Ｃａ，Ｃｂが、ブリッジ整流部１２０を構成するダイオードＤ１，Ｄ３のカソードが電気的に結合されたカソード対と、ダイオードＤ２，Ｄ４のアノードが電気的に結合されたアノード対との間に設けられている。
ここでは、ダイオードＤ１〜Ｄ４には接合型ダイオードと比べ順方向電圧降下が低いショットキーバリアダイオードを用いている。接合型ダイオード順方向電圧降下は０．６Ｖ程度であるが、ショットキーバリアダイオードの順方向電圧降下は０．３Ｖ程度である。そのため、全波整流や倍電圧整流を行う場合、ダイオードＤ１〜Ｄ４での電圧降下を抑えることができる。
ダイオードＤ１〜Ｄ４は、第２スイッチＳＷ２を開放状態にした場合、ブリッジ整流部１２０として機能する。そして、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂと共に交流電流を直流電圧に変える直流化装置１４０として機能する。
また、ダイオードＤ１〜Ｄ４は、第２スイッチＳＷ２を短絡状態にした場合、倍電圧整流部１２０ａとして機能する。そして、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂを含む倍電圧直流化装置１４０ａとして機能する。
圧電部１０８が発生させた正負の電荷は、第１電極１０９ａや第２電極１０９ｂにより取り出され、交流電流となる。そして、この交流電流はダイオードＤ１〜Ｄ４を備えたブリッジ整流部１２０や倍電圧整流部１２０ａにより脈流に変換される。そして、この脈流は蓄電素子Ｃａ，Ｃｂに蓄電される。
【００２５】
（定常状態での動作）
図２（ａ）〜（ｄ）は、定常状態での発電装置の動作を示したグラフである。ここで定常状態とは、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２の動作を制御し得る電圧がスイッチ制御装置１１０に供給されている場合を示すものとする。
図２（ａ）は、梁１０４の先端の変位の位置の動きを示している。縦軸は変位ｕ、横軸は時間ｔである。変位の単位は任意単位である。図２（ａ）に示すように、梁１０４の振動に伴って、梁１０４の先端の変位Ｕが変化することが示されている。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１０８が発生する電流の様子と、その結果として圧電部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（即ち、電流Ｉp）として表される。ここでは圧電部１０８に流れる電流Ｉpztを縦軸としている。また、圧電部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を縦軸として表している。定常状態の動作を行う場合には、第２スイッチＳＷ２は開放されている。
【００２６】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、梁１０４の変位が増加している間は、圧電部１０８は正方向の電流を発生させる。（即ち、電流Ｉpがプラスの値を取る）。これに伴って第１電極１０９ａ及び第２電極１０９ｂの電位差Ｖpは正方向へ増加する。正方向の電位差Ｖpが、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂ間の電圧ＶＣ１とブリッジ整流部１２０を構成しているダイオードの順方向電圧降下Ｖｆの２倍との和、即ち、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Ｃａ，Ｃｂ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１０８は負方向の電流を発生させる（即ち、電流Ｉpがマイナスの値を取る）。これに伴って第１電極１０９ａ及び第２電極１０９ｂの電位差Ｖpは負方向へ増加する。負方向の電位差Ｖpが、ＶＣ１とブリッジ整流部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Ｃａ，Ｃｂに蓄えておくことができる。これが一般的な発電方法である。ここで、第１スイッチＳＷ１を制御して、より効率的な発電を行う方法について説明する。
【００２７】
図２（ｃ）は、第１スイッチＳＷ１を短絡（ＯＮ）させるタイミングを示すグラフであり、”ＯＮ”と示された時間のみＯＮしている。図２（ｄ）は、図２（ｃ）で示したタイミングで第１スイッチＳＷ１を短絡（ＯＮ）させた場合に得られる電圧波形を示している。縦軸は発生電圧として第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電位差Ｖgenを縦軸として表している。
図２（ｃ）に示すタイミング（圧電部１０８の変位が極大または極小を取るタイミング）で、第１スイッチＳＷ１を短絡（ＯＮ）する。すると、図２（ｄ）に示すように、圧電部１０８を挟む第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂ間の電圧波形が、第１スイッチＳＷ１を短絡した瞬間にシフトしたかのような現象が発生する。例えば、図２（ｄ）中に「Ｂ」と表示した期間Ｂでは、圧電部１０８の起電力に対応する細い破線で示した電位差Ｖp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１０８を挟む第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂ間に現れる。
また、図２（ｄ）中に「Ｃ」と表示した期間Ｃでは、圧電部１０８の起電力に対応する電位差Ｖp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等についても同様に、圧電部１０８の起電力に対応する電位差Ｖp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。
これは、インダクターＬと圧電部１０８の容量成分Ｃ０とを備えた共振回路での共振現象を利用して得られるものである。圧電部１０８の変位が極小となるタイミング（図２（ａ）において変位が−ｕとなるとき）で第１スイッチＳＷ１を短絡（ＯＮ）すると、インダクターＬを流れる電流はインダクターＬのインダクタンスに抗して徐々に流れ始める。そして、容量成分Ｃ０両端の電圧が０になるときインダクターＬを流れる電流は最大となる。続けて、インダクターＬのインダクタンスにより電流は流れ続け、電流は容量成分Ｃ０両端の電圧を反転させた状態で０になる。ここで、第１スイッチＳＷ１を開放（ＯＦＦ）する。
【００２８】
このあと、圧電部１０８は逆方向に撓むこととなる。即ち、電流Ｉpは正の値を取り、容量成分Ｃ０を正の向きに充電する。上記した動作で、容量成分Ｃ０に蓄えられた電荷は反転させた状態で保持されているため、新たに正の電荷が加わることで、圧電部１０８が一般的な動作で発生させ得る値よりも大きな値を取る。
【００２９】
そして、圧電部１０８の変位が極大となったところ（図２（ａ）において変位がｕとなるとき）で同様の操作を行うことで、今度は絶対値が一般的な動作で発生させ得る値よりも大きい負の電位差Ｖgが生じる。即ち、圧電部１０８の変位が極大または極小を取るタイミングで、容量成分Ｃ０とインダクターＬとにより構成される共振回路の共振周期の半周期の期間第１スイッチＳＷ１を短絡させることで、圧電部１０８から、より効率良く電力を取り出すことが可能となる。
【００３０】
この場合、圧電部１０８から電荷を流出させない限り、圧電部１０８を変形させる度に、圧電部１０８内の電荷は増えて行く。そのため、圧電部１０８を挟む第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂ間の電圧は大きくなる。
【００３１】
ここでは、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１０８で発生した電荷は蓄電素子Ｃａ，Ｃｂに蓄えられる。そのため、圧電部１０８から蓄電素子Ｃａ，Ｃｂに電荷が流出し、圧電部１０８を挟む第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂ間の電圧は、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂと２Ｖｆとの端子間電圧の和の電圧（ＶＣ１＋２Ｖｆ）でクリップされる。その結果、第１電極１０９ａ及び第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。
【００３２】
図２（ｂ）に示した第１スイッチＳＷ１を開放したままの場合と、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第１スイッチＳＷ１を短絡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第１スイッチＳＷ１を短絡／開放させることで、効率良く蓄電素子Ｃａ，Ｃｂに電荷を蓄えることが可能となる。
【００３３】
また、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂに電荷が蓄えられて、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂの両端（ダイオードＤ１，Ｄ３の両カソードが繋がるカソード対側を一端、ダイオードＤ２，Ｄ４の両アノードが繋がるアノード対側を他端とする）の電圧が増加すると、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Ｃａ，Ｃｂ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Ｃａ，Ｃｂに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Ｃａ，Ｃｂ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。この結果、本実施例の発電装置１００では、圧電部１０８を変形させたことによって、第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電位差Ｖp以上の電圧を、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂに蓄えることが可能となる。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。以降、この整流動作を昇圧整流動作と呼ぶ。
【００３４】
（起動電圧が印加されていない場合の動作）
図１に戻る。
上記の昇圧整流動作により、初期状態として、スイッチ制御装置１１０が動作しうる電圧が供給された場合には従来技術と比べ高い効率で圧電部１０８から与えられた電力を取り出すことができるが、起動時点でスイッチ制御装置１１０に動作電圧（例えば３．３Ｖ）が与えられない場合には、第１スイッチＳＷ１を短絡／開放することができず、昇圧整流動作が出来ない。そのため、スイッチ制御装置１１０を起動させるための電力を一旦蓄えることが必要となる。例えば、腕時計への応用を考えた場合、腕時計を腕から外している状態では圧電部１０８は発電できない。そのため、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂが蓄えたエネルギーを使用し尽くしたとき、スイッチ制御装置１１０の再起動は困難となり、発電装置１００は昇圧整流動作を起動できない。そのため、発電装置１００を再起動するために必要な電力を一旦蓄積する必要がある。
【００３５】
ここで、第２スイッチＳＷ２を開放した状態、即ち昇圧整流動作の状態では、圧電部１０８が発生させた電圧をブリッジ整流部１２０で全波整流した電圧がスイッチ制御装置１１０に加えられることとなる。例えば、第１スイッチＳＷ１にノーマリーオフのスイッチを用いてインダクターＬを電気的に切り離し、ブリッジ整流部１２０で全波整流するものとする。圧電部１０８は、圧電部１０８の振幅にもよるが、概ね２．０Ｖ程度の電圧を発生する。この電圧をＶＣとする。
ブリッジ整流部１２０を用いて整流を行うと、ショットキーバリア型のダイオードを用いるものとして順方向電圧降下Ｖｆを０．３Ｖとした場合、整流後の電圧は以下の式で示される値となる。なお、ブリッジ整流部１２０を用いる場合、ダイオードを２回通るため、Ｖｆの２倍の電圧が失われる。
ＶＣ−２×Ｖｆ＝２Ｖ−０．３Ｖ×２＝１．４Ｖ。
この電圧では、スイッチ制御装置１１０を起動させるための電圧に達しないため、昇圧整流動作を起動することができない。
【００３６】
そこで、第２スイッチＳＷ２を短絡し、倍電圧整流部１２０ａとして動作させる。電圧が低下した状態で第２スイッチＳＷ２を短絡する方法として、第２スイッチＳＷ２にノーマリーオンのスイッチを用いることも好適である。この場合には、ダイオードＤ１〜Ｄ４と、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂとは倍電圧直流化装置１４０ａとして機能する。図３（ａ）は、ブリッジ整流部１２０が備える第２スイッチＳＷ２を短絡させたときの回路図及び電流経路を示す回路図、図３（ｂ）は、電流が流れる経路に関する部分を抜き出した等価回路図である。図１（ｂ）と図３（ａ）とは基本的には共通の構成要素を備えている。この共通の構成に対して、第２スイッチＳＷ２を開放すると直流化装置１４０として動作する。そして第２スイッチＳＷ２を短絡した状態では、倍電圧直流化装置１４０ａとして動作する。そのため、部品点数の増加を抑えて高い発電効率を備え、かつ自己復帰可能な発電装置１００を提供することができる。
以下、図３（ａ）に従って、第２スイッチＳＷ２を短絡させることで倍電圧直流化装置１４０ａとして動作させた場合の電流のフローについて説明する。
まず、第１電極１０９ａが正、第２電極１０９ｂが負の場合、電流は実線の矢印に沿って流れていく。まず、第１電極１０９ａを出た後、ダイオードＤ１を通って、蓄電素子Ｃａを抜ける（ここで蓄電素子Ｃａは充電される）。そして、短絡された第２スイッチＳＷ２を抜け、第２電極１０９ｂに流れていく。
次に、第１電極１０９ａが負、第２電極１０９ｂが正の場合、電流は破線の矢印に沿って流れていく。まず、第２電極１０９ｂを出た後、短絡された第２スイッチＳＷ２を抜け、蓄電素子Ｃｂを抜ける（ここで蓄電素子Ｃｂは充電される）。そしてダイオードＤ２を抜け、第１電極１０９ａに流れていく。
そして、図３（ｂ）に示すように、電流が流れる経路に関する部分を抜き出したこの回路は、典型的な倍電圧整流回路であり、圧電部１０８を挟む第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂ間の電圧であるＶＣの略２倍の電圧が供給できる。
この工程において、蓄電素子Ｃａと蓄電素子Ｃｂとは、端子Ａと端子Ｂの電位差が大きくなるように充電される。そのため、端子Ａと端子Ｂの電位差は、以下の式で示されることとなる。
（ＶＣ−Ｖｆ）＋（ＶＣ−Ｖｆ）＝３．４Ｖ。
これだけの電圧がスイッチ制御装置１１０に加わるため、スイッチ制御装置１１０が動作可能となる。この場合、速やかに第２スイッチＳＷ２を開いて第１スイッチＳＷ１による充電操作を始めても良いが、若干余裕を持たせて蓄電素子Ｃａ，Ｃｂに電荷を蓄えさせた後、第１スイッチＳＷ１を制御して昇圧整流動作を始めても良い。
【００３７】
（第２の構成を備えた発電装置）
以下、第２の構成を備えた発電装置について図面に基づいて説明する。なお、第２の構成を備えた発電装置の説明にあたっては、第１の構成を備えた発電装置と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
図４（ａ）は、本実施形態を説明するための回路図、図４（ｂ）は、ブリッジ整流部１２０が備える第２スイッチＳＷ２を短絡させたときの電流経路を示す回路図である。図４（ａ）に示す発電装置１０１と図３で示した発電装置１００との回路図上での主な差異は、直列に接続された蓄電素子Ｃａと蓄電素子Ｃｂに代えて蓄電素子Ｃを用いていること、そして、第２スイッチＳＷ２がダイオードＤ４の開放、短絡を行っていることである。
蓄電素子Ｃは、ブリッジ整流部１２０を構成するダイオードＤ１，Ｄ３のカソードが電気的に結合されたカソード対と、ダイオードＤ２，Ｄ４のアノードが電気的に結合されたアノード対との間に設けられている。
ここで、圧電部１０８が発生させた正負の電荷は、第１電極１０９ａや第２電極１０９ｂにより取り出され、交流電流となる。そして、この交流電流はダイオードＤ１〜Ｄ４を備えたブリッジ整流部１２０や倍電圧整流部１２０ａにより脈流に変換される。そして、この脈流は蓄電素子Ｃに蓄電され、直流電圧に変換される。
スイッチ制御装置１１０が安定状態で動作し、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２の動作を制御し得る電圧がスイッチ制御装置１１０に供給されている場合の動作については、前述した昇圧整流動作と同様に、ダイオードＤ１〜Ｄ４はブリッジ整流部１２０として動作し、ダイオードＤ１〜Ｄ４と蓄電素子Ｃとで直流化装置１４０として動作するので説明を省略する。
【００３８】
（起動電圧が印加されていない場合の動作）
この場合でも、起動時点でスイッチ制御装置１１０に動作電圧（例えば３．３Ｖ）が無い場合には、第１スイッチＳＷ１を短絡／開放することができず、昇圧整流動作が出来ない。そのため、この場合でもスイッチ制御装置１１０を起動させるための電力を一旦蓄えるため、倍電圧整流を行うことが必要となる。この場合でも、第１スイッチＳＷ１を開放し、かつ、第２スイッチＳＷ２を短絡し、ダイオードＤ１〜Ｄ４を倍電圧整流部１２０ａに転用することで問題を解決できる。これは、例えば第１スイッチＳＷ１にノーマリーオフのスイッチを用い、第２スイッチＳＷ２にノーマリーオンのスイッチを用いることで対応できる。この場合には、ダイオードＤ１〜Ｄ４と、蓄電素子Ｃとが倍電圧直流化装置１４０ａとして機能する。また、圧電部１０８の容量も倍電圧直流化装置１４０ａとして機能する。図４（ａ）は第２スイッチＳＷ２を短絡させたときの回路図、図４（ｂ）は倍電圧直流化装置１４０ａとして動作させたときの電流経路を示す回路図、図５は、電流が流れる経路に関する部分を抜き出した等価回路図である。図４（ａ）と図４（ｂ）とは基本的には共通の構成要素を備えている。換言すれば、第２スイッチＳＷ２を短絡した状態では、ダイオードＤ１〜Ｄ４、蓄電素子Ｃ、コンデンサーＣ０は倍電圧直流化装置１４０ａとして動作する。そのため、部品点数の増加を抑えて高い発電効率を備え、かつ自己復帰可能な発電装置を提供することができる。
【００３９】
続けて、起動電圧を蓄積する動作について図４（ｂ）を用いて説明する。なお、圧電部１０８を電流源Ｉ０と電荷を蓄えるコンデンサーＣ０と書く記載は、倍電圧整流回路の図面としては余り一般的な図示方法ではないので、圧電部１０８を電圧源Ｖ０と、電荷を蓄えるコンデンサーＣ０とが直列に接続された等価回路に切り替えて説明を続ける。
第１電極１０９ａ側が負の電圧を出力し、第２電極１０９ｂ側が正の電圧を出力している場合には、破線の矢印に沿って電流が流れる。
電圧源Ｖ０から供給された電流は、第２電極１０９ｂを通過した後、ダイオードＤ２、第１電極１０９ａを抜けて、コンデンサーＣ０を充電して電圧源Ｖ０に戻る。
第１電極１０９ａ側が正の電圧を出力し、第２電極１０９ｂ側が負の電圧を出力している場合には、実線の矢印に沿って電流が流れる。
この場合、電圧源Ｖ０からの電圧に加え、コンデンサーＣ０の電圧も加算されて一つの電圧源として機能する。コンデンサーＣ０の電圧は、圧電部１０８の電圧ＶＣから、ダイオードＤ２の電圧降下分を差し引いたものである。
まずコンデンサーＣ０を通り、第１電極１０９ａを抜けてダイオードＤ１を通って蓄電素子Ｃを充電する。そして第２電極１０９ｂを通って電圧源Ｖ０に戻る。ここで、蓄電素子Ｃを充電する際に、ダイオードＤ１の電圧降下Ｖｆを受けるので蓄電素子Ｃの端子間電圧は以下の値を取る。
（ＶＣ−Ｖｆ）＋（ＶＣ−Ｖｆ）＝（２−０．３）＋（２−０．３）＝３．４Ｖ。
図５は、第１スイッチＳＷ１を開放し、第２スイッチＳＷ２を短絡した場合に、有効に機能している部品を抜き出した回路図である。この回路は、典型的な倍電圧整流回路であり、圧電部１０８を挟む第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂ間の電圧であるＶＣの略２倍の電圧を供給していることが示される。
【００４０】
（動作シーケンス）
以下、上記した発電装置の動作シーケンスについて説明する。図１０は、定常状態での動作と起動電圧を得る動作とのいずれかを取るか判断するためのフローチャートである。
まず、ステップＳ１として、昇圧整流動作可能か否かを判断する。具体的には、スイッチ制御装置１１０の最小起動電圧以上の電圧が出ているか否かを判断している。
最小起動電圧未満の電圧が出ている場合（ステップＳ１：Ｎ）には、ステップＳ５に進む。
ステップＳ５では、昇圧整流動作ステータスをＮＧ（昇圧整流動作不可）とする。
次に、ステップＳ６として、倍電圧整流を実行する。
次に、ステップＳ４として昇圧整流動作可能か否かを判断する。
最小起動電圧以上の電圧が出ている場合（ステップＳ４：Ｙ）には、ステップＳ２に戻る。
最小起動電圧未満の電圧が出ている場合（ステップＳ４：Ｎ）には、ステップＳ５に戻る。
ＳＴＡＲＴ時で最小起動電圧未満の電圧が出ている場合には、以上述べたシーケンスを取る。
そして、ＳＴＡＲＴ時で最小起動電圧以上の電圧が出ている場合には、以下に述べるシーケンスを取る。
ステップＳ１において、最小起動電圧以上の電圧が出ている場合（ステップＳ１：Ｙ）には、ステップＳ２に進む。
ステップＳ２では、昇圧整流動作ステータスをＯＫ（昇圧整流動作可）とする。
次に、ステップＳ３として、昇圧整流動作を実行する。
次に、ステップＳ４として、昇圧整流動作可能か否かを判断する。
最小起動電圧以上の電圧が出ている場合（ステップＳ４：Ｙ）には、ステップＳ２に戻る。
最小起動電圧未満の電圧が出ている場合（ステップＳ４：Ｎ）には、ステップＳ５に戻る。
この場合、動作シーケンスは無限ループを持って動作している。このままでは、動作を停止することが出来なくなる。そこで、ステップＳ４において外部からのＢｒｅａｋ信号を待って、Ｂｒｅａｋ信号を受信した場合（ステップＳ４：Ｂｒｅａｋ信号有）には、発電を停止させる機能を備えることも好適である。なお、例えば半永久的に発電させる場合には、Ｂｒｅａｋ信号の入力処理を省略することができる。
なお、昇圧整流動作ステータスを変えることで、発電装置１００，１０１に繋がる、図示せぬ負荷に対して、例えばステータスがＯＫになるまで起動開始を待つ等の制御を行うことができることとなる。
上記した発電回路は以下の効果を奏する。
【００４１】
図２に示されるように、インダクターＬと圧電部１０８の容量成分Ｃ０とを備えた共振回路での共振現象を利用することで、上述したように圧電部１０８が単独で出し得る電圧よりも大きな電圧を得ることができる。そのため、圧電部１０８から、より効率良く電力を取り出せるので小型で効率の良い発電装置を得ることができる。
【００４２】
（定常状態での動作）に示されるように、圧電部１０８から電荷を流出させない限り、圧電部１０８を変形させる度に、圧電部１０８内の電荷は増えて行く。そのため、圧電部１０８の端子間の電圧は大きくなる。このため、電荷がインダクターＬや第１スイッチＳＷ１を流れる際の損失等を考えなければ、圧電部１０８の端子間の電圧を順次大きくすることができる。そのため、特別な昇圧回路を設けなくても、電気的負荷の駆動に必要な電圧まで自然に昇圧させて発電させることができる。
【００４３】
昇圧整流動作に必要な下限電圧を一旦下回ると、第１スイッチＳＷ１を能動的に制御させることが出来なくなり、上記した発電操作を行うことが出来なくなってしまうが、この場合には、スイッチ制御装置１１０をブリッジ整流部１２０から倍電圧整流部１２０ａに切り替える動作が行われる。そのため、スイッチ制御装置１１０には圧電部１０８での電圧の２倍に近い電圧が与えられる。倍電圧整流を行うことでスイッチ制御装置１１０が昇圧整流動作可能な電圧に達したとき、スイッチ制御装置１１０をブリッジ整流部１２０側に切り替え、スイッチ制御装置１１０を上記した整流機構で動作させることで、自己復帰が可能でかつ発電効率の高い発電装置を提供することができる。
【００４４】
ブリッジ整流部１２０を第２スイッチＳＷ２を閉じるだけで倍電圧整流部１２０ａに切り替えることが可能となるため、部品点数の増加を抑えて高い発電効率を備え、かつ自己復帰可能な発電装置を提供することが可能となる。加えて、下限電圧以上の電圧を保っている場合に、第２スイッチＳＷ２を開放させておくだけでブリッジ整流部１２０となるため、発電効率を落とすことなく発電を行うことができる。
【００４５】
ダイオードＤ１〜Ｄ４に接合型ダイオードと比べ順方向電圧降下が低いショットキーバリアダイオードを用いることで、より高い電圧を供給することができる。接合型ダイオード順方向電圧降下は０．６Ｖ程度であるが、ショットキーバリアダイオードの順方向電圧降下は０．３Ｖ程度である。そのため、全波整流を行う場合、ダイオードでの電圧降下を抑えることができる。
【００４６】
倍電圧整流用のコンデンサーとして、圧電部１０８が等価的に備えるコンデンサーＣ０を用いて半波倍電圧整流を行うことで、コンデンサーを一つ省略することができる。加えて、直列に繋がれた蓄電素子Ｃａ，Ｃｂに代えて一つのコンデンサーＣを用いることから、実効的な容量が２倍となるため、より安定した直流電流を出力することができる。
【００４７】
第１スイッチＳＷ１としてノーマリーオフのスイッチを用い、第２スイッチＳＷ２としてノーマリーオンのスイッチを用いることで、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂの両端からの電圧が途絶えた場合に、ブリッジ整流部１２０がダイオードＤ１，Ｄ２による倍電圧整流部１２０ａとして動作するため、自己復帰が可能でかつ発電効率の高い発電装置を提供することができる。
【００４８】
（２次電池）
以下、２次電池を形成した例について説明する。図１１は、２次電池の回路図である。２次電池２００は、発電装置１０１、電圧安定化回路１３０を備える。発電装置１０１については上述しているため、説明の重複を避けるものとする。
電圧安定化回路１３０は、発電装置１０１から電力の供給を受けて、図示せぬ負荷に対して電力を供給している。ここでは、発電装置１０１を用いた例について説明したが、これは発電装置１００を用いても良い。
【００４９】
上記した２次電池２００は以下の効果を奏する。
蓄電素子Ｃの端子間電圧が上述した下限電圧を下回った状態となっても、一旦振動が加えられれば上述したように倍電圧整流が行われる。そして、下限電圧以上の電圧に達したとき、昇圧整流動作に切り替えられ、電圧安定化回路１３０により電圧調整を受けて図示せぬ負荷に対して安定化した電圧を効率良く提供することが可能となる。
【００５０】
（電子機器）
以下、電子機器の例について説明する。図１２は、電子機器としての万歩計（登録商標）の概略構造を示す概略図である。万歩計（登録商標）１は、リセットボタン１０、表示部１１、２次電池２００を備えている。万歩計（登録商標）１が長期間静止している場合には、２次電池２００が備える蓄電素子Ｃ（図１１参照）の端子間電圧は上述した下限電圧を下回った状態となっている。
ここで、一旦、万歩計（登録商標）１に振動が加えられた場合には、２次電池２００は、上述したように倍電圧整流を行い、下限電圧以上の電圧を蓄積した後、速やかに昇圧整流動作を行い、万歩計（登録商標）１が動作する。
なお、ここでは電子機器として万歩計（登録商標）１を例に挙げたが、これは万歩計（登録商標）に限定されることはなく、例えば腕時計や、ウェアラブル機器、また機械的振動を受けて動作する電子機器への適用も可能である。特に、昇圧整流動作は効率が高い整流手法であるため、消費電力が大きくかつワイヤレスで動作させたい用途に対応した電子機器に対して好適に用いることができる。
【００５１】
上記した電子機器は以下の効果を奏する。
２次電池２００は、発電効率が高い昇圧整流動作を行うため、小さな振動でも効率良く電力を提供できる。そのため、例えば万歩計（登録商標）１の機能としてカロリー計算等の電力を必要とする計算機能を付加することが可能となる。
【００５２】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良等を加えることが可能である。変形例を以下に示す。なお、変形例の説明にあたっては、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５３】
［変形例１］
図３と、図６を引用して説明する。図６は、変形例１を説明するための回路図である。
上記した倍電圧整流部１２０ａで動作する場合、ダイオードＤ３とダイオードＤ４は整流には寄与していない。ショットキーバリアダイオードは順方向電圧降下が接合型ダイオードと比べ低いという特徴があるが、反面、逆方向リーク電流が多い短所もある。この場合、ダイオードＤ３とダイオードＤ４の少なくともいずれか片方を接合型ダイオードとすることで、リークを抑えることで速やかにスイッチ制御装置１１０が動作し得る電圧に到達させることができる。図６では、ダイオードＤ３とダイオードＤ４の両方を接合型ダイオードに置換えた場合の回路図を示している。
【００５４】
［変形例２］
図３と、図７を引用して説明する。図７は、変形例２を説明するための回路図である。
上記した倍電圧整流部１２０ａで動作する場合、ダイオードＤ３とダイオードＤ４は整流には寄与していない。即ち、理想的には倍電圧整流する場合には、ない方が優れている。そこで、ダイオードＤ３とダイオードＤ４の少なくともいずれか片方をノーマリーオフのＭＯＳスイッチを用いることでリークを抑え、速やかにスイッチ制御装置１１０が動作し得る電圧に到達させることができる。なお、一旦スイッチ制御装置１１０が動作した後は、ＭＯＳスイッチを同期整流させるようにすることで、順方向電圧ロスを抑えて全波整流を行わせることができる。図７では、ダイオードＤ３とダイオードＤ４をスイッチＳＷ３、スイッチＳＷ４に置換えた場合の回路図を示している。
【００５５】
［変形例３］
図４と、図８を引用して説明する。図８は、変形例３を説明するための回路図である。
上記した倍電圧整流部１２０ａで動作する場合、ダイオードＤ３とダイオードＤ４は整流には寄与していない（但し、ダイオードＤ４はアノードとカソードが短絡した状態にあるため、実害は無い）。ショットキーバリアダイオードは順方向電圧降下が接合型ダイオードと比べ低いという特徴があるが、反面、逆方向リーク電流が多い短所もある。この場合、ダイオードＤ３を接合型ダイオードとすることで、リークを抑えることで速やかにスイッチ制御装置１１０が動作し得る電圧に到達させることができる。図８では、ダイオードＤ３を接合型ダイオードに置換えた場合の回路図を示している。
【００５６】
［変形例４］
図４と、図９を引用して説明する。図９は、変形例４を説明するための回路図である。
上記した倍電圧整流部１２０ａで動作する場合、ダイオードＤ３とダイオードＤ４は整流には寄与していない。（但し、ダイオードＤ４はアノードとカソードが短絡した状態にあるため、実害は無い）。即ち、理想的には倍電圧整流する場合には、ない方が優れているものである。そこで、ダイオードＤ３に代えてノーマリーオフのＭＯＳスイッチ等を用いることでリークを抑え、速やかにスイッチ制御装置１１０が動作し得る電圧に到達させることができる。なお、一旦スイッチ制御装置１１０が動作した後は、ＭＯＳスイッチを同期整流させるようにすることで、順方向電圧ロスを抑えて全波整流を行わせることができる。図９では、ダイオードＤ３をスイッチＳＷ５に置き換えた場合の回路図を示している。
【符号の説明】
【００５７】
Ｃ…蓄電素子、Ｃａ…蓄電素子、Ｃｂ…蓄電素子、Ｄ１…ダイオード、Ｄ２…ダイオード、Ｄ３…ダイオード、Ｄ４…ダイオード、Ｌ…インダクター、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、ＳＷ３…スイッチ、ＳＷ４…スイッチ、ＳＷ５…スイッチ、１…万歩計（登録商標）、１０…リセットボタン、１１…表示部、１００…発電装置、１０１…発電装置、１０２…支持端、１０４…梁、１０６…錘、１０８…圧電部、１０９ａ…第１電極、１０９ｂ…第２電極、１１０…スイッチ制御装置、１２０…ブリッジ整流部、１２０ａ…倍電圧整流部、１２５…発電部、１３０…電圧安定化回路、１４０…直流化装置、１４０ａ…倍電圧直流化装置、２００…２次電池。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置、２次電池及び電子機器に関する。
【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）等の圧電材料は、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流として取り出す発電方法が提案されている。
【０００３】
例えば、先端に錘を設けるとともに圧電材料の薄板を貼り付けた金属製の片持ち梁を振動させ、振動に伴って圧電材料に交互に生じる正負の電荷を取り出すことによって交流電流を発生させる。そして、この交流電流をダイオードによって整流した後、コンデンサーに蓄えておき、電力として取り出す技術が提案されている（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）。これらの技術を用いれば、発電装置を小型化することができる。そのため、例えば小型の電子部品に電池の代わりに組み込む等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】
しかしながら、提案されている従来の発電装置では、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課題があった。また、昇圧回路を駆動するためには通常電力が必要となるが、一旦振動が停止すると昇圧回路を駆動する電力が途絶えることとなり、再起動が困難になるという課題があった。また、再起動用の電池を別途設けると、発電装置の大型化や、電池の寿命による発電装置の寿命の低下に繋がるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］本適用例にかかる発電装置は、外力に応じて変形方向を切り換えて繰り返し変形することによって電荷を発生する圧電材料を含む圧電部と、前記圧電部が変形可能な状態で前記圧電部を支える支持体と、前記圧電部の変形によって生じた電荷を電流として取り出すことに用いる一対の電極と、前記一対の電極の片側と接続された第１スイッチと、前記第１スイッチを介して前記一対の電極と接続され、前記圧電部の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、前記圧電部の前記変形方向が切り換わるときに前記第１スイッチを短絡させた後、前記共振回路の共振周期の半周期に相当する時間が経過したときと、前記第１スイッチを制御し得る下限電圧よりも低い電圧が供給されたときと、に前記第１スイッチを開放する第１スイッチ制御装置と、前記一対の電極から出力された交流電流を脈流電流に整流し、第１直流電圧に変換するブリッジ整流部と、前記一対の電極から出力された交流電流を脈流電流に整流し、前記一対の電極間の電圧よりも高い第２直流電圧に変換する倍電圧整流部と、前記ブリッジ整流部もしくは倍電圧整流部から供給された脈流電流を蓄電する蓄電部と、前記ブリッジ整流部と前記倍電圧整流部とのいずれかを選択する第２スイッチと、前記第１直流電圧が前記下限電圧よりも低い場合には前記第２スイッチを用いて前記倍電圧整流部を選択する第２スイッチ制御装置と、を備え、前記第１スイッチ制御装置及び第２スイッチ制御装置が、前記第１直流電圧及び前記第２直流電圧のいずれかを用いて駆動されていることを特徴とする。
【０００８】
これによれば、外力に応じて変形方向を切り換えて圧電部を繰り返し変形させることで圧電部には圧電効果によって正負の電荷が発生する。また、電荷の発生量は、圧電部の変形量が大きくなるほど多くなる。そして、変形量の大きさが最大となったとき（即ち変形方向が切り換わるとき）に、第１スイッチを短絡することで、圧電部をインダクターに接続する。圧電部は、電気回路的にはコンデンサーと見なすことができるので、インダクターに接続されることで共振回路が形成される。
すると、圧電部に発生していた電荷がインダクターに流れ込む。そして、圧電部及びインダクターは共振回路を構成しているから、インダクターに流れ込んだ電流はオーバーシュートして、反対側の端子から圧電部に流れ込む。この期間（即ち、圧電部の一方の電極から流れ出した電荷が、インダクターを介して反対側の電極から再び圧電材料内に流れ込むまでの期間）は、圧電部及びインダクターによって形成される共振回路の共振周期の半分となる。従って、圧電部の変形方向が切り換わったタイミングで圧電部とインダクターとを第１スイッチを短絡することで接続し、その後、共振周期の半分の時間が経過したタイミングで、圧電部とインダクターとを第１スイッチを用いて開放すれば、インダクターを接続する前に圧電部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。
【０００９】
そして、この状態から、今度は逆方向に圧電部を変形させると、圧電効果によって発生した電荷は、逆転して蓄積された電荷に加えて蓄積されることとなる。その結果、圧電部を繰り返し変形させることによって生じた電荷を、圧電部内に蓄積することが可能となる。また、圧電部内に電荷を蓄積した分だけ端子間の電圧も増加するので、昇圧回路を別途用意しなくても、圧電材料の電気分極によって生じる電圧よりも高い電圧を発生させることができる。その結果、小型で効率の良い発電装置を得ることができる。
ここで、上記した発電動作を行うためには、圧電部とインダクターとを接続／開放する第１スイッチを能動的に制御することが必要となる。
即ち、一旦第１スイッチ制御装置に与えられる電圧が下限電圧を下回ってしまうと第１スイッチを能動的に制御させることが出来なくなり、上記した発電操作を行うことが出来なくなってしまう。
【００１０】
この場合には、第２スイッチ制御装置を用いて第２スイッチを切り替え、直流電圧に変換する装置を倍電圧整流部に切り替える。そのため、第１スイッチ制御装置には圧電部での電圧の２倍に近い電圧が与えられるため、ブリッジ整流部と比較して蓄電部に高い電圧を蓄電することができる。これにより、第１スイッチ制御装置に与えられる電圧が下限電圧を下回っても、発電操作を継続することができる。
【００１１】
［適用例２］上記適用例にかかる発電装置であって、前記蓄電部はブリッジ整流部のアノード対側とカソード対側との間に直列に接続される、第１蓄電素子と第２蓄電素子とを有し、前記第２スイッチは、前記第１蓄電素子と前記第２蓄電素子との間と、前記一対の電極のいずれか片側との間に設けられ、前記第２スイッチ制御装置は、前記ブリッジ整流部を選択するときには、前記第２スイッチを開放し、前記倍電圧整流部を選択するときには、前記第２スイッチを短絡させることを特徴とする。
【００１２】
上記した適用例によれば、ブリッジ整流部を、第２スイッチを閉じるだけで倍電圧整流部に切り替えることができる。そのため、部品点数の増加を抑えて高い発電効率を備え、かつ自己復帰可能な発電装置を提供することが可能となる。加えて、下限電圧以上の電圧を保っている場合に、第２スイッチを開放させておくことでブリッジ整流部として動作させることができるので、発電効率を落とすことなく発電を行うことができる。
【００１３】
［適用例３］上記適用例にかかる発電装置であって、前記蓄電部はブリッジ整流部のアノード対側とカソード対側との間に接続された蓄電素子を備え、前記第２スイッチは、前記ブリッジ整流部の前記アノード対側と前記一対の電極のいずれか片側との間に設けられ、前記第２スイッチ制御装置は、前記ブリッジ整流部を選択するときには、前記第２スイッチを開放し、前記倍電圧整流部を選択するときには、前記第２スイッチを短絡させ、前記容量成分を前記倍電圧整流部を駆動させる場合の容量として用いることを特徴とする。
【００１４】
上記した適用例によれば、ブリッジ整流部を、第２スイッチを閉じるだけで倍電圧整流部に切り替えることが可能となるため、部品点数の増加を抑えて高い発電効率を備え、かつ自己復帰可能な発電装置を提供することが可能となる。加えて、下限電圧以上の電圧を保っている場合に、第２スイッチを開放させておくことでブリッジ整流部となるため、発電効率を落とすことなく発電を行うことが可能となる。さらに、倍電圧整流部として動作させたときは、圧電部の容量成分を用いて半波倍電圧整流を行うため、蓄電素子を直列に接続せずに（同じ容量の蓄電素子を直列に接続した場合、実効的な容量は１／２になる）自己復帰可能な発電装置を提供することができる。
【００１５】
［適用例４］上記適用例にかかる発電装置であって、前記第１スイッチは駆動電圧が掛からない場合には開放状態を取るノーマリーオフのスイッチであり、前記第２スイッチは、駆動電圧が掛からない場合には短絡状態を取るノーマリーオンのスイッチであることを特徴とする。
【００１６】
上記した適用例によれば、発電装置の出力電圧が下限電圧よりも低い場合にはブリッジ整流部が倍電圧整流部に切り替えられる。また、圧電部と並列に繋がっているインダクターが切断されるため、圧電部に繰り返し変形を受けた場合に速やかに倍電圧整流が行われる。そのため、短時間で自己復帰可能で、かつ発電効率の高い発電装置を提供することができる。
【００１７】
［適用例５］本適用例にかかる２次電池は、上記記載の発電装置を備えたことを特徴とする。
【００１８】
これによれば、２次電池が一旦放電し尽し、第１スイッチの制御が出来ない状態にあっても、圧電部に繰り返し変形を受けた場合に倍電圧整流が行われる。そして、下限電圧以上の電圧を得た後、速やかに発電効率の高い整流状態に移行させることで、発電効率が通常のブリッジ整流と比べ高く、かつ自己復帰可能な２次電池を提供することが可能となる。
【００１９】
［適用例６］本適用例にかかる電子機器は、上記記載の２次電池を備えたことを特徴とする。
【００２０】
これによれば、発電効率が通常のブリッジ整流と比べ高く、かつ自己復帰可能な２次電池を備えているため、電池交換することなく動作し得る電子機器を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）は、発電装置の構造を示した模式図、（ｂ）は発電装置の回路図。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、定常状態での発電装置の動作を示したグラフ。
【図３】（ａ）は、ブリッジ整流部が備えるスイッチを短絡させたときの電流経路を示す回路図、（ｂ）は、電流が流れる経路に関する部分を抜き出した等価回路図。
【図４】（ａ）は、発電装置の回路図、（ｂ）は、ブリッジ整流部が備えるスイッチを短絡させたときの電流経路を示す回路図。
【図５】第１スイッチＳＷ１を開放し、第２スイッチＳＷ２を短絡した場合に、有効に機能している部品を抜き出した回路図。
【図６】変形例１を説明するための回路図。
【図７】変形例２を説明するための回路図。
【図８】変形例３を説明するための回路図。
【図９】変形例４を説明するための回路図。
【図１０】定常状態での動作と起動電圧を得る動作とのいずれかを取るか判断するためのフローチャート。
【図１１】２次電池の回路図。
【図１２】電子機器としての万歩計（登録商標）の概略構造を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（実施形態：第１の構成を備えた発電装置）
以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。
図１（ａ）は、本実施形態の発電装置の構造を示した模式図である。本実施形態に示す発電装置１００が備える発電部１２５の機械的な構造は、先端に錘１０６が設けられた梁１０４が、基端側で支持端１０２に固定された片持ち梁構造となっている。また、支持体としての梁１０４の表面には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料によって形成された圧電部１０８が固定支持されており、圧電部１０８の両面には、金属薄膜等の導体を用いた一対の電極としての第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂがそれぞれ設けられている。なお、図１に示した例では、梁１０４の上面側に圧電部１０８が設けられているが、梁１０４の下面側に圧電部１０８を設けても良く、あるいは梁１０４の上面側及び下面側の両方に圧電部１０８を設けても良い。なお、「上」とは、圧電部１０８から第１電極１０９ａを見た方向（図中のｕの正方向）を指し、「下」とは、「上」の反対方向を指すものとする。
【００２３】
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、振動等が加わると、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１０８は、外力による繰り返し変形を受け、圧縮力及び引張力が交互に作用することとなる。すると、圧電部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、及び第２電極１０９ｂに現れ、電流として取り出される。
【００２４】
図１（ｂ）は、本実施形態における発電装置の回路図である。圧電部１０８は、電気的には、電流源Ｉ０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１０８に対して並列にインダクターＬが接続されて、圧電部１０８の容量成分Ｃ０と共に電気的な共振回路を形成している。そして、この共振回路を短絡／開放するための第１スイッチＳＷ１が、インダクターＬに対して直列に接続されている。第１スイッチＳＷ１の短絡／開放及び、第２スイッチＳＷ２の短絡／開放は、第１スイッチ制御装置及び第２スイッチ制御装置としてのスイッチ制御装置１１０によって制御されている。また、圧電部１０８に設けられた第１電極１０９ａ及び第２電極１０９ｂは、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４から構成されるブリッジ整流部１２０に接続されている。より具体的には、直列に接続された蓄電素子Ｃａ，Ｃｂが、ブリッジ整流部１２０を構成するダイオードＤ１，Ｄ３のカソードが電気的に結合されたカソード対と、ダイオードＤ２，Ｄ４のアノードが電気的に結合されたアノード対との間に設けられている。
ここでは、ダイオードＤ１〜Ｄ４には接合型ダイオードと比べ順方向電圧降下が低いショットキーバリアダイオードを用いている。接合型ダイオード順方向電圧降下は０．６Ｖ程度であるが、ショットキーバリアダイオードの順方向電圧降下は０．３Ｖ程度である。そのため、全波整流や倍電圧整流を行う場合、ダイオードＤ１〜Ｄ４での電圧降下を抑えることができる。
ダイオードＤ１〜Ｄ４は、第２スイッチＳＷ２を開放状態にした場合、ブリッジ整流部１２０として機能する。そして、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂと共に交流電流を直流電圧に変える直流化装置１４０として機能する。
また、ダイオードＤ１〜Ｄ４は、第２スイッチＳＷ２を短絡状態にした場合、倍電圧整流部１２０ａとして機能する。そして、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂを含む倍電圧直流化装置１４０ａとして機能する。
圧電部１０８が発生させた正負の電荷は、第１電極１０９ａや第２電極１０９ｂにより取り出され、交流電流となる。そして、この交流電流はダイオードＤ１〜Ｄ４を備えたブリッジ整流部１２０や倍電圧整流部１２０ａにより脈流に変換される。そして、この脈流は蓄電素子Ｃａ，Ｃｂに蓄電される。
【００２５】
（定常状態での動作）
図２（ａ）〜（ｄ）は、定常状態での発電装置の動作を示したグラフである。ここで定常状態とは、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２の動作を制御し得る電圧がスイッチ制御装置１１０に供給されている場合を示すものとする。
図２（ａ）は、梁１０４の先端の変位の位置の動きを示している。縦軸は変位ｕ、横軸は時間ｔである。変位の単位は任意単位である。図２（ａ）に示すように、梁１０４の振動に伴って、梁１０４の先端の変位Ｕが変化することが示されている。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１０８が発生する電流の様子と、その結果として圧電部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（即ち、電流Ｉp）として表される。ここでは圧電部１０８に流れる電流Ｉpztを縦軸としている。また、圧電部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を縦軸として表している。定常状態の動作を行う場合には、第２スイッチＳＷ２は開放されている。
【００２６】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、梁１０４の変位が増加している間は、圧電部１０８は正方向の電流を発生させる。（即ち、電流Ｉpがプラスの値を取る）。これに伴って第１電極１０９ａ及び第２電極１０９ｂの電位差Ｖpは正方向へ増加する。正方向の電位差Ｖpが、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂ間の電圧ＶＣ１とブリッジ整流部１２０を構成しているダイオードの順方向電圧降下Ｖｆの２倍との和、即ち、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Ｃａ，Ｃｂ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１０８は負方向の電流を発生させる（即ち、電流Ｉpがマイナスの値を取る）。これに伴って第１電極１０９ａ及び第２電極１０９ｂの電位差Ｖpは負方向へ増加する。負方向の電位差Ｖpが、ＶＣ１とブリッジ整流部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Ｃａ，Ｃｂに蓄えておくことができる。これが一般的な発電方法である。ここで、第１スイッチＳＷ１を制御して、より効率的な発電を行う方法について説明する。
【００２７】
図２（ｃ）は、第１スイッチＳＷ１を短絡（ＯＮ）させるタイミングを示すグラフであり、”ＯＮ”と示された時間のみＯＮしている。図２（ｄ）は、図２（ｃ）で示したタイミングで第１スイッチＳＷ１を短絡（ＯＮ）させた場合に得られる電圧波形を示している。縦軸は発生電圧として第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電位差Ｖgenを縦軸として表している。
図２（ｃ）に示すタイミング（圧電部１０８の変位が極大または極小を取るタイミング）で、第１スイッチＳＷ１を短絡（ＯＮ）する。すると、図２（ｄ）に示すように、圧電部１０８を挟む第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂ間の電圧波形が、第１スイッチＳＷ１を短絡した瞬間にシフトしたかのような現象が発生する。例えば、図２（ｄ）中に「Ｂ」と表示した期間Ｂでは、圧電部１０８の起電力に対応する細い破線で示した電位差Ｖp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１０８を挟む第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂ間に現れる。
また、図２（ｄ）中に「Ｃ」と表示した期間Ｃでは、圧電部１０８の起電力に対応する電位差Ｖp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等についても同様に、圧電部１０８の起電力に対応する電位差Ｖp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。
これは、インダクターＬと圧電部１０８の容量成分Ｃ０とを備えた共振回路での共振現象を利用して得られるものである。圧電部１０８の変位が極小となるタイミング（図２（ａ）において変位が−ｕとなるとき）で第１スイッチＳＷ１を短絡（ＯＮ）すると、インダクターＬを流れる電流はインダクターＬのインダクタンスに抗して徐々に流れ始める。そして、容量成分Ｃ０両端の電圧が０になるときインダクターＬを流れる電流は最大となる。続けて、インダクターＬのインダクタンスにより電流は流れ続け、電流は容量成分Ｃ０両端の電圧を反転させた状態で０になる。ここで、第１スイッチＳＷ１を開放（ＯＦＦ）する。
【００２８】
このあと、圧電部１０８は逆方向に撓むこととなる。即ち、電流Ｉpは正の値を取り、容量成分Ｃ０を正の向きに充電する。上記した動作で、容量成分Ｃ０に蓄えられた電荷は反転させた状態で保持されているため、新たに正の電荷が加わることで、圧電部１０８が一般的な動作で発生させ得る値よりも大きな値を取る。
【００２９】
そして、圧電部１０８の変位が極大となったところ（図２（ａ）において変位がｕとなるとき）で同様の操作を行うことで、今度は絶対値が一般的な動作で発生させ得る値よりも大きい負の電位差Ｖgが生じる。即ち、圧電部１０８の変位が極大または極小を取るタイミングで、容量成分Ｃ０とインダクターＬとにより構成される共振回路の共振周期の半周期の期間第１スイッチＳＷ１を短絡させることで、圧電部１０８から、より効率良く電力を取り出すことが可能となる。
【００３０】
この場合、圧電部１０８から電荷を流出させない限り、圧電部１０８を変形させる度に、圧電部１０８内の電荷は増えて行く。そのため、圧電部１０８を挟む第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂ間の電圧は大きくなる。
【００３１】
ここでは、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１０８で発生した電荷は蓄電素子Ｃａ，Ｃｂに蓄えられる。そのため、圧電部１０８から蓄電素子Ｃａ，Ｃｂに電荷が流出し、圧電部１０８を挟む第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂ間の電圧は、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂと２Ｖｆとの端子間電圧の和の電圧（ＶＣ１＋２Ｖｆ）でクリップされる。その結果、第１電極１０９ａ及び第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。
【００３２】
図２（ｂ）に示した第１スイッチＳＷ１を開放したままの場合と、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第１スイッチＳＷ１を短絡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第１スイッチＳＷ１を短絡／開放させることで、効率良く蓄電素子Ｃａ，Ｃｂに電荷を蓄えることが可能となる。
【００３３】
また、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂに電荷が蓄えられて、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂの両端（ダイオードＤ１，Ｄ３の両カソードが繋がるカソード対側を一端、ダイオードＤ２，Ｄ４の両アノードが繋がるアノード対側を他端とする）の電圧が増加すると、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Ｃａ，Ｃｂ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Ｃａ，Ｃｂに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Ｃａ，Ｃｂ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。この結果、本実施例の発電装置１００では、圧電部１０８を変形させたことによって、第１電極１０９ａと第２電極１０９ｂとの間に生じる電位差Ｖp以上の電圧を、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂに蓄えることが可能となる。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。以降、この整流動作を昇圧整流動作と呼ぶ。
【００３４】
（起動電圧が印加されていない場合の動作）
図１に戻る。
上記の昇圧整流動作により、初期状態として、スイッチ制御装置１１０が動作しうる電圧が供給された場合には従来技術と比べ高い効率で圧電部１０８から与えられた電力を取り出すことができるが、起動時点でスイッチ制御装置１１０に動作電圧（例えば３．３Ｖ）が与えられない場合には、第１スイッチＳＷ１を短絡／開放することができず、昇圧整流動作が出来ない。そのため、スイッチ制御装置１１０を起動させるための電力を一旦蓄えることが必要となる。例えば、腕時計への応用を考えた場合、腕時計を腕から外している状態では圧電部１０８は発電できない。そのため、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂが蓄えたエネルギーを使用し尽くしたとき、スイッチ制御装置１１０の再起動は困難となり、発電装置１００は昇圧整流動作を起動できない。そのため、発電装置１００を再起動するために必要な電力を一旦蓄積する必要がある。
【００３５】
ここで、第２スイッチＳＷ２を開放した状態、即ち昇圧整流動作の状態では、圧電部１０８が発生させた電圧をブリッジ整流部１２０で全波整流した電圧がスイッチ制御装置１１０に加えられることとなる。例えば、第１スイッチＳＷ１にノーマリーオフのスイッチを用いてインダクターＬを電気的に切り離し、ブリッジ整流部１２０で全波整流するものとする。圧電部１０８は、圧電部１０８の振幅にもよるが、概ね２．０Ｖ程度の電圧を発生する。この電圧をＶＣとする。
ブリッジ整流部１２０を用いて整流を行うと、ショットキーバリア型のダイオードを用いるものとして順方向電圧降下Ｖｆを０．３Ｖとした場合、整流後の電圧は以下の式で示される値となる。なお、ブリッジ整流部１２０を用いる場合、ダイオードを２回通るため、Ｖｆの２倍の電圧が失われる。
ＶＣ−２×Ｖｆ＝２Ｖ−０．３Ｖ×２＝１．４Ｖ。
この電圧では、スイッチ制御装置１１０を起動させるための電圧に達しないため、昇圧整流動作を起動することができない。
【００３６】
そこで、第２スイッチＳＷ２を短絡し、倍電圧整流部１２０ａとして動作させる。電圧が低下した状態で第２スイッチＳＷ２を短絡する方法として、第２スイッチＳＷ２にノーマリーオンのスイッチを用いることも好適である。この場合には、ダイオードＤ１〜Ｄ４と、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂとは倍電圧直流化装置１４０ａとして機能する。図３（ａ）は、ブリッジ整流部１２０が備える第２スイッチＳＷ２を短絡させたときの回路図及び電流経路を示す回路図、図３（ｂ）は、電流が流れる経路に関する部分を抜き出した等価回路図である。図１（ｂ）と図３（ａ）とは基本的には共通の構成要素を備えている。この共通の構成に対して、第２スイッチＳＷ２を開放すると直流化装置１４０として動作する。そして第２スイッチＳＷ２を短絡した状態では、倍電圧直流化装置１４０ａとして動作する。そのため、部品点数の増加を抑えて高い発電効率を備え、かつ自己復帰可能な発電装置１００を提供することができる。
以下、図３（ａ）に従って、第２スイッチＳＷ２を短絡させることで倍電圧直流化装置１４０ａとして動作させた場合の電流のフローについて説明する。
まず、第１電極１０９ａが正、第２電極１０９ｂが負の場合、電流は実線の矢印に沿って流れていく。まず、第１電極１０９ａを出た後、ダイオードＤ１を通って、蓄電素子Ｃａを抜ける（ここで蓄電素子Ｃａは充電される）。そして、短絡された第２スイッチＳＷ２を抜け、第２電極１０９ｂに流れていく。
次に、第１電極１０９ａが負、第２電極１０９ｂが正の場合、電流は破線の矢印に沿って流れていく。まず、第２電極１０９ｂを出た後、短絡された第２スイッチＳＷ２を抜け、蓄電素子Ｃｂを抜ける（ここで蓄電素子Ｃｂは充電される）。そしてダイオードＤ２を抜け、第１電極１０９ａに流れていく。
そして、図３（ｂ）に示すように、電流が流れる経路に関する部分を抜き出したこの回路は、典型的な倍電圧整流回路であり、圧電部１０８を挟む第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂ間の電圧であるＶＣの略２倍の電圧が供給できる。
この工程において、蓄電素子Ｃａと蓄電素子Ｃｂとは、端子Ａと端子Ｂの電位差が大きくなるように充電される。そのため、端子Ａと端子Ｂの電位差は、以下の式で示されることとなる。
（ＶＣ−Ｖｆ）＋（ＶＣ−Ｖｆ）＝３．４Ｖ。
これだけの電圧がスイッチ制御装置１１０に加わるため、スイッチ制御装置１１０が動作可能となる。この場合、速やかに第２スイッチＳＷ２を開いて第１スイッチＳＷ１による充電操作を始めても良いが、若干余裕を持たせて蓄電素子Ｃａ，Ｃｂに電荷を蓄えさせた後、第１スイッチＳＷ１を制御して昇圧整流動作を始めても良い。
【００３７】
（第２の構成を備えた発電装置）
以下、第２の構成を備えた発電装置について図面に基づいて説明する。なお、第２の構成を備えた発電装置の説明にあたっては、第１の構成を備えた発電装置と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
図４（ａ）は、本実施形態を説明するための回路図、図４（ｂ）は、ブリッジ整流部１２０が備える第２スイッチＳＷ２を短絡させたときの電流経路を示す回路図である。図４（ａ）に示す発電装置１０１と図３で示した発電装置１００との回路図上での主な差異は、直列に接続された蓄電素子Ｃａと蓄電素子Ｃｂに代えて蓄電素子Ｃを用いていること、そして、第２スイッチＳＷ２がダイオードＤ４の開放、短絡を行っていることである。
蓄電素子Ｃは、ブリッジ整流部１２０を構成するダイオードＤ１，Ｄ３のカソードが電気的に結合されたカソード対と、ダイオードＤ２，Ｄ４のアノードが電気的に結合されたアノード対との間に設けられている。
ここで、圧電部１０８が発生させた正負の電荷は、第１電極１０９ａや第２電極１０９ｂにより取り出され、交流電流となる。そして、この交流電流はダイオードＤ１〜Ｄ４を備えたブリッジ整流部１２０や倍電圧整流部１２０ａにより脈流に変換される。そして、この脈流は蓄電素子Ｃに蓄電され、直流電圧に変換される。
スイッチ制御装置１１０が安定状態で動作し、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２の動作を制御し得る電圧がスイッチ制御装置１１０に供給されている場合の動作については、前述した昇圧整流動作と同様に、ダイオードＤ１〜Ｄ４はブリッジ整流部１２０として動作し、ダイオードＤ１〜Ｄ４と蓄電素子Ｃとで直流化装置１４０として動作するので説明を省略する。
【００３８】
（起動電圧が印加されていない場合の動作）
この場合でも、起動時点でスイッチ制御装置１１０に動作電圧（例えば３．３Ｖ）が無い場合には、第１スイッチＳＷ１を短絡／開放することができず、昇圧整流動作が出来ない。そのため、この場合でもスイッチ制御装置１１０を起動させるための電力を一旦蓄えるため、倍電圧整流を行うことが必要となる。この場合でも、第１スイッチＳＷ１を開放し、かつ、第２スイッチＳＷ２を短絡し、ダイオードＤ１〜Ｄ４を倍電圧整流部１２０ａに転用することで問題を解決できる。これは、例えば第１スイッチＳＷ１にノーマリーオフのスイッチを用い、第２スイッチＳＷ２にノーマリーオンのスイッチを用いることで対応できる。この場合には、ダイオードＤ１〜Ｄ４と、蓄電素子Ｃとが倍電圧直流化装置１４０ａとして機能する。また、圧電部１０８の容量も倍電圧直流化装置１４０ａとして機能する。図４（ａ）は第２スイッチＳＷ２を短絡させたときの回路図、図４（ｂ）は倍電圧直流化装置１４０ａとして動作させたときの電流経路を示す回路図、図５は、電流が流れる経路に関する部分を抜き出した等価回路図である。図４（ａ）と図４（ｂ）とは基本的には共通の構成要素を備えている。換言すれば、第２スイッチＳＷ２を短絡した状態では、ダイオードＤ１〜Ｄ４、蓄電素子Ｃ、コンデンサーＣ０は倍電圧直流化装置１４０ａとして動作する。そのため、部品点数の増加を抑えて高い発電効率を備え、かつ自己復帰可能な発電装置を提供することができる。
【００３９】
続けて、起動電圧を蓄積する動作について図４（ｂ）を用いて説明する。なお、圧電部１０８を電流源Ｉ０と電荷を蓄えるコンデンサーＣ０と書く記載は、倍電圧整流回路の図面としては余り一般的な図示方法ではないので、圧電部１０８を電圧源Ｖ０と、電荷を蓄えるコンデンサーＣ０とが直列に接続された等価回路に切り替えて説明を続ける。
第１電極１０９ａ側が負の電圧を出力し、第２電極１０９ｂ側が正の電圧を出力している場合には、破線の矢印に沿って電流が流れる。
電圧源Ｖ０から供給された電流は、第２電極１０９ｂを通過した後、ダイオードＤ２、第１電極１０９ａを抜けて、コンデンサーＣ０を充電して電圧源Ｖ０に戻る。
第１電極１０９ａ側が正の電圧を出力し、第２電極１０９ｂ側が負の電圧を出力している場合には、実線の矢印に沿って電流が流れる。
この場合、電圧源Ｖ０からの電圧に加え、コンデンサーＣ０の電圧も加算されて一つの電圧源として機能する。コンデンサーＣ０の電圧は、圧電部１０８の電圧ＶＣから、ダイオードＤ２の電圧降下分を差し引いたものである。
まずコンデンサーＣ０を通り、第１電極１０９ａを抜けてダイオードＤ１を通って蓄電素子Ｃを充電する。そして第２電極１０９ｂを通って電圧源Ｖ０に戻る。ここで、蓄電素子Ｃを充電する際に、ダイオードＤ１の電圧降下Ｖｆを受けるので蓄電素子Ｃの端子間電圧は以下の値を取る。
（ＶＣ−Ｖｆ）＋（ＶＣ−Ｖｆ）＝（２−０．３）＋（２−０．３）＝３．４Ｖ。
図５は、第１スイッチＳＷ１を開放し、第２スイッチＳＷ２を短絡した場合に、有効に機能している部品を抜き出した回路図である。この回路は、典型的な倍電圧整流回路であり、圧電部１０８を挟む第１電極１０９ａ、第２電極１０９ｂ間の電圧であるＶＣの略２倍の電圧を供給していることが示される。
【００４０】
（動作シーケンス）
以下、上記した発電装置の動作シーケンスについて説明する。図１０は、定常状態での動作と起動電圧を得る動作とのいずれかを取るか判断するためのフローチャートである。
まず、ステップＳ１として、昇圧整流動作可能か否かを判断する。具体的には、スイッチ制御装置１１０の最小起動電圧以上の電圧が出ているか否かを判断している。
最小起動電圧未満の電圧が出ている場合（ステップＳ１：Ｎ）には、ステップＳ５に進む。
ステップＳ５では、昇圧整流動作ステータスをＮＧ（昇圧整流動作不可）とする。
次に、ステップＳ６として、倍電圧整流を実行する。
次に、ステップＳ４として昇圧整流動作可能か否かを判断する。
最小起動電圧以上の電圧が出ている場合（ステップＳ４：Ｙ）には、ステップＳ２に戻る。
最小起動電圧未満の電圧が出ている場合（ステップＳ４：Ｎ）には、ステップＳ５に戻る。
ＳＴＡＲＴ時で最小起動電圧未満の電圧が出ている場合には、以上述べたシーケンスを取る。
そして、ＳＴＡＲＴ時で最小起動電圧以上の電圧が出ている場合には、以下に述べるシーケンスを取る。
ステップＳ１において、最小起動電圧以上の電圧が出ている場合（ステップＳ１：Ｙ）には、ステップＳ２に進む。
ステップＳ２では、昇圧整流動作ステータスをＯＫ（昇圧整流動作可）とする。
次に、ステップＳ３として、昇圧整流動作を実行する。
次に、ステップＳ４として、昇圧整流動作可能か否かを判断する。
最小起動電圧以上の電圧が出ている場合（ステップＳ４：Ｙ）には、ステップＳ２に戻る。
最小起動電圧未満の電圧が出ている場合（ステップＳ４：Ｎ）には、ステップＳ５に戻る。
この場合、動作シーケンスは無限ループを持って動作している。このままでは、動作を停止することが出来なくなる。そこで、ステップＳ４において外部からのＢｒｅａｋ信号を待って、Ｂｒｅａｋ信号を受信した場合（ステップＳ４：Ｂｒｅａｋ信号有）には、発電を停止させる機能を備えることも好適である。なお、例えば半永久的に発電させる場合には、Ｂｒｅａｋ信号の入力処理を省略することができる。
なお、昇圧整流動作ステータスを変えることで、発電装置１００，１０１に繋がる、図示せぬ負荷に対して、例えばステータスがＯＫになるまで起動開始を待つ等の制御を行うことができることとなる。
上記した発電回路は以下の効果を奏する。
【００４１】
図２に示されるように、インダクターＬと圧電部１０８の容量成分Ｃ０とを備えた共振回路での共振現象を利用することで、上述したように圧電部１０８が単独で出し得る電圧よりも大きな電圧を得ることができる。そのため、圧電部１０８から、より効率良く電力を取り出せるので小型で効率の良い発電装置を得ることができる。
【００４２】
（定常状態での動作）に示されるように、圧電部１０８から電荷を流出させない限り、圧電部１０８を変形させる度に、圧電部１０８内の電荷は増えて行く。そのため、圧電部１０８の端子間の電圧は大きくなる。このため、電荷がインダクターＬや第１スイッチＳＷ１を流れる際の損失等を考えなければ、圧電部１０８の端子間の電圧を順次大きくすることができる。そのため、特別な昇圧回路を設けなくても、電気的負荷の駆動に必要な電圧まで自然に昇圧させて発電させることができる。
【００４３】
昇圧整流動作に必要な下限電圧を一旦下回ると、第１スイッチＳＷ１を能動的に制御させることが出来なくなり、上記した発電操作を行うことが出来なくなってしまうが、この場合には、スイッチ制御装置１１０をブリッジ整流部１２０から倍電圧整流部１２０ａに切り替える動作が行われる。そのため、スイッチ制御装置１１０には圧電部１０８での電圧の２倍に近い電圧が与えられる。倍電圧整流を行うことでスイッチ制御装置１１０が昇圧整流動作可能な電圧に達したとき、スイッチ制御装置１１０をブリッジ整流部１２０側に切り替え、スイッチ制御装置１１０を上記した整流機構で動作させることで、自己復帰が可能でかつ発電効率の高い発電装置を提供することができる。
【００４４】
ブリッジ整流部１２０を第２スイッチＳＷ２を閉じるだけで倍電圧整流部１２０ａに切り替えることが可能となるため、部品点数の増加を抑えて高い発電効率を備え、かつ自己復帰可能な発電装置を提供することが可能となる。加えて、下限電圧以上の電圧を保っている場合に、第２スイッチＳＷ２を開放させておくだけでブリッジ整流部１２０となるため、発電効率を落とすことなく発電を行うことができる。
【００４５】
ダイオードＤ１〜Ｄ４に接合型ダイオードと比べ順方向電圧降下が低いショットキーバリアダイオードを用いることで、より高い電圧を供給することができる。接合型ダイオード順方向電圧降下は０．６Ｖ程度であるが、ショットキーバリアダイオードの順方向電圧降下は０．３Ｖ程度である。そのため、全波整流を行う場合、ダイオードでの電圧降下を抑えることができる。
【００４６】
倍電圧整流用のコンデンサーとして、圧電部１０８が等価的に備えるコンデンサーＣ０を用いて半波倍電圧整流を行うことで、コンデンサーを一つ省略することができる。加えて、直列に繋がれた蓄電素子Ｃａ，Ｃｂに代えて一つのコンデンサーＣを用いることから、実効的な容量が２倍となるため、より安定した直流電流を出力することができる。
【００４７】
第１スイッチＳＷ１としてノーマリーオフのスイッチを用い、第２スイッチＳＷ２としてノーマリーオンのスイッチを用いることで、蓄電素子Ｃａ，Ｃｂの両端からの電圧が途絶えた場合に、ブリッジ整流部１２０がダイオードＤ１，Ｄ２による倍電圧整流部１２０ａとして動作するため、自己復帰が可能でかつ発電効率の高い発電装置を提供することができる。
【００４８】
（２次電池）
以下、２次電池を形成した例について説明する。図１１は、２次電池の回路図である。２次電池２００は、発電装置１０１、電圧安定化回路１３０を備える。発電装置１０１については上述しているため、説明の重複を避けるものとする。
電圧安定化回路１３０は、発電装置１０１から電力の供給を受けて、図示せぬ負荷に対して電力を供給している。ここでは、発電装置１０１を用いた例について説明したが、これは発電装置１００を用いても良い。
【００４９】
上記した２次電池２００は以下の効果を奏する。
蓄電素子Ｃの端子間電圧が上述した下限電圧を下回った状態となっても、一旦振動が加えられれば上述したように倍電圧整流が行われる。そして、下限電圧以上の電圧に達したとき、昇圧整流動作に切り替えられ、電圧安定化回路１３０により電圧調整を受けて図示せぬ負荷に対して安定化した電圧を効率良く提供することが可能となる。
【００５０】
（電子機器）
以下、電子機器の例について説明する。図１２は、電子機器としての万歩計（登録商標）の概略構造を示す概略図である。万歩計（登録商標）１は、リセットボタン１０、表示部１１、２次電池２００を備えている。万歩計（登録商標）１が長期間静止している場合には、２次電池２００が備える蓄電素子Ｃ（図１１参照）の端子間電圧は上述した下限電圧を下回った状態となっている。
ここで、一旦、万歩計（登録商標）１に振動が加えられた場合には、２次電池２００は、上述したように倍電圧整流を行い、下限電圧以上の電圧を蓄積した後、速やかに昇圧整流動作を行い、万歩計（登録商標）１が動作する。
なお、ここでは電子機器として万歩計（登録商標）１を例に挙げたが、これは万歩計（登録商標）に限定されることはなく、例えば腕時計や、ウェアラブル機器、また機械的振動を受けて動作する電子機器への適用も可能である。特に、昇圧整流動作は効率が高い整流手法であるため、消費電力が大きくかつワイヤレスで動作させたい用途に対応した電子機器に対して好適に用いることができる。
【００５１】
上記した電子機器は以下の効果を奏する。
２次電池２００は、発電効率が高い昇圧整流動作を行うため、小さな振動でも効率良く電力を提供できる。そのため、例えば万歩計（登録商標）１の機能としてカロリー計算等の電力を必要とする計算機能を付加することが可能となる。
【００５２】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良等を加えることが可能である。変形例を以下に示す。なお、変形例の説明にあたっては、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５３】
［変形例１］
図３と、図６を引用して説明する。図６は、変形例１を説明するための回路図である。
上記した倍電圧整流部１２０ａで動作する場合、ダイオードＤ３とダイオードＤ４は整流には寄与していない。ショットキーバリアダイオードは順方向電圧降下が接合型ダイオードと比べ低いという特徴があるが、反面、逆方向リーク電流が多い短所もある。この場合、ダイオードＤ３とダイオードＤ４の少なくともいずれか片方を接合型ダイオードとすることで、リークを抑えることで速やかにスイッチ制御装置１１０が動作し得る電圧に到達させることができる。図６では、ダイオードＤ３とダイオードＤ４の両方を接合型ダイオードに置換えた場合の回路図を示している。
【００５４】
［変形例２］
図３と、図７を引用して説明する。図７は、変形例２を説明するための回路図である。
上記した倍電圧整流部１２０ａで動作する場合、ダイオードＤ３とダイオードＤ４は整流には寄与していない。即ち、理想的には倍電圧整流する場合には、ない方が優れている。そこで、ダイオードＤ３とダイオードＤ４の少なくともいずれか片方をノーマリーオフのＭＯＳスイッチを用いることでリークを抑え、速やかにスイッチ制御装置１１０が動作し得る電圧に到達させることができる。なお、一旦スイッチ制御装置１１０が動作した後は、ＭＯＳスイッチを同期整流させるようにすることで、順方向電圧ロスを抑えて全波整流を行わせることができる。図７では、ダイオードＤ３とダイオードＤ４をスイッチＳＷ３、スイッチＳＷ４に置換えた場合の回路図を示している。
【００５５】
［変形例３］
図４と、図８を引用して説明する。図８は、変形例３を説明するための回路図である。
上記した倍電圧整流部１２０ａで動作する場合、ダイオードＤ３とダイオードＤ４は整流には寄与していない（但し、ダイオードＤ４はアノードとカソードが短絡した状態にあるため、実害は無い）。ショットキーバリアダイオードは順方向電圧降下が接合型ダイオードと比べ低いという特徴があるが、反面、逆方向リーク電流が多い短所もある。この場合、ダイオードＤ３を接合型ダイオードとすることで、リークを抑えることで速やかにスイッチ制御装置１１０が動作し得る電圧に到達させることができる。図８では、ダイオードＤ３を接合型ダイオードに置換えた場合の回路図を示している。
【００５６】
［変形例４］
図４と、図９を引用して説明する。図９は、変形例４を説明するための回路図である。
上記した倍電圧整流部１２０ａで動作する場合、ダイオードＤ３とダイオードＤ４は整流には寄与していない。（但し、ダイオードＤ４はアノードとカソードが短絡した状態にあるため、実害は無い）。即ち、理想的には倍電圧整流する場合には、ない方が優れているものである。そこで、ダイオードＤ３に代えてノーマリーオフのＭＯＳスイッチ等を用いることでリークを抑え、速やかにスイッチ制御装置１１０が動作し得る電圧に到達させることができる。なお、一旦スイッチ制御装置１１０が動作した後は、ＭＯＳスイッチを同期整流させるようにすることで、順方向電圧ロスを抑えて全波整流を行わせることができる。図９では、ダイオードＤ３をスイッチＳＷ５に置き換えた場合の回路図を示している。
【符号の説明】
【００５７】
Ｃ…蓄電素子、Ｃａ…蓄電素子、Ｃｂ…蓄電素子、Ｄ１…ダイオード、Ｄ２…ダイオード、Ｄ３…ダイオード、Ｄ４…ダイオード、Ｌ…インダクター、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、ＳＷ３…スイッチ、ＳＷ４…スイッチ、ＳＷ５…スイッチ、１…万歩計（登録商標）、１０…リセットボタン、１１…表示部、１００…発電装置、１０１…発電装置、１０２…支持端、１０４…梁、１０６…錘、１０８…圧電部、１０９ａ…第１電極、１０９ｂ…第２電極、１１０…スイッチ制御装置、１２０…ブリッジ整流部、１２０ａ…倍電圧整流部、１２５…発電部、１３０…電圧安定化回路、１４０…直流化装置、１４０ａ…倍電圧直流化装置、２００…２次電池。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力に応じて変形方向を切り換えて繰り返し変形することによって電荷を発生する圧電材料を含む圧電部と、
前記圧電部が変形可能な状態で前記圧電部を支える支持体と、
前記圧電部の変形によって生じた電荷を電流として取り出すことに用いる一対の電極と、
前記一対の電極の片側と接続された第１スイッチと、
前記第１スイッチを介して前記一対の電極と接続され、前記圧電部の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、
前記圧電部の前記変形方向が切り換わるときに前記第１スイッチを短絡させた後、前記共振回路の共振周期の半周期に相当する時間が経過したときと、前記第１スイッチを制御し得る下限電圧よりも低い電圧が供給されたときと、に前記第１スイッチを開放する第１スイッチ制御装置と、
前記一対の電極から出力された交流電流を脈流電流に整流し、第１直流電圧に変換するブリッジ整流部と、
前記一対の電極から出力された交流電流を脈流電流に整流し、前記一対の電極間の電圧よりも高い第２直流電圧に変換する倍電圧整流部と、
前記ブリッジ整流部もしくは倍電圧整流部から供給された脈流電流を蓄電する蓄電部と、
前記ブリッジ整流部と前記倍電圧整流部とのいずれかを選択する第２スイッチと、
前記第１直流電圧が前記下限電圧よりも低い場合には前記第２スイッチを用いて前記倍電圧整流部を選択する第２スイッチ制御装置と、を備え、
前記第１スイッチ制御装置及び第２スイッチ制御装置が、前記第１直流電圧及び前記第２直流電圧のいずれかを用いて駆動されていることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発電装置であって、
前記蓄電部はブリッジ整流部のアノード対側とカソード対側との間に直列に接続される、第１蓄電素子と第２蓄電素子とを有し、
前記第２スイッチは、前記第１蓄電素子と前記第２蓄電素子との間と、前記一対の電極のいずれか片側との間に設けられ、
前記第２スイッチ制御装置は、前記ブリッジ整流部を選択するときには、前記第２スイッチを開放し、前記倍電圧整流部を選択するときには、前記第２スイッチを短絡させることを特徴とする発電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の発電装置であって、
前記蓄電部はブリッジ整流部のアノード対側とカソード対側との間に接続された蓄電素子を備え、
前記第２スイッチは、前記ブリッジ整流部の前記アノード対側と前記一対の電極のいずれか片側との間に設けられ、
前記第２スイッチ制御装置は、前記ブリッジ整流部を選択するときには、前記第２スイッチを開放し、前記倍電圧整流部を選択するときには、前記第２スイッチを短絡させ、前記容量成分を前記倍電圧整流部を駆動させる場合の容量として用いることを特徴とする発電装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の発電装置であって、前記第１スイッチは駆動電圧が掛からない場合には開放状態を取るノーマリーオフのスイッチであり、前記第２スイッチは、駆動電圧が掛からない場合には短絡状態を取るノーマリーオンのスイッチであることを特徴とする発電装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の発電装置を備えたことを特徴とする２次電池。
【請求項６】
請求項５に記載の２次電池を備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項１】
外力に応じて変形方向を切り換えて繰り返し変形することによって電荷を発生する圧電材料を含む圧電部と、
前記圧電部が変形可能な状態で前記圧電部を支える支持体と、
前記圧電部の変形によって生じた電荷を電流として取り出すことに用いる一対の電極と、
前記一対の電極の片側と接続された第１スイッチと、
前記第１スイッチを介して前記一対の電極と接続され、前記圧電部の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、
前記圧電部の前記変形方向が切り換わるときに前記第１スイッチを短絡させた後、前記共振回路の共振周期の半周期に相当する時間が経過したときと、前記第１スイッチを制御し得る下限電圧よりも低い電圧が供給されたときと、に前記第１スイッチを開放する第１スイッチ制御装置と、
前記一対の電極から出力された交流電流を脈流電流に整流し、第１直流電圧に変換するブリッジ整流部と、
前記一対の電極から出力された交流電流を脈流電流に整流し、前記一対の電極間の電圧よりも高い第２直流電圧に変換する倍電圧整流部と、
前記ブリッジ整流部もしくは倍電圧整流部から供給された脈流電流を蓄電する蓄電部と、
前記ブリッジ整流部と前記倍電圧整流部とのいずれかを選択する第２スイッチと、
前記第１直流電圧が前記下限電圧よりも低い場合には前記第２スイッチを用いて前記倍電圧整流部を選択する第２スイッチ制御装置と、を備え、
前記第１スイッチ制御装置及び第２スイッチ制御装置が、前記第１直流電圧及び前記第２直流電圧のいずれかを用いて駆動されていることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発電装置であって、
前記蓄電部はブリッジ整流部のアノード対側とカソード対側との間に直列に接続される、第１蓄電素子と第２蓄電素子とを有し、
前記第２スイッチは、前記第１蓄電素子と前記第２蓄電素子との間と、前記一対の電極のいずれか片側との間に設けられ、
前記第２スイッチ制御装置は、前記ブリッジ整流部を選択するときには、前記第２スイッチを開放し、前記倍電圧整流部を選択するときには、前記第２スイッチを短絡させることを特徴とする発電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の発電装置であって、
前記蓄電部はブリッジ整流部のアノード対側とカソード対側との間に接続された蓄電素子を備え、
前記第２スイッチは、前記ブリッジ整流部の前記アノード対側と前記一対の電極のいずれか片側との間に設けられ、
前記第２スイッチ制御装置は、前記ブリッジ整流部を選択するときには、前記第２スイッチを開放し、前記倍電圧整流部を選択するときには、前記第２スイッチを短絡させ、前記容量成分を前記倍電圧整流部を駆動させる場合の容量として用いることを特徴とする発電装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の発電装置であって、前記第１スイッチは駆動電圧が掛からない場合には開放状態を取るノーマリーオフのスイッチであり、前記第２スイッチは、駆動電圧が掛からない場合には短絡状態を取るノーマリーオンのスイッチであることを特徴とする発電装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の発電装置を備えたことを特徴とする２次電池。
【請求項６】
請求項５に記載の２次電池を備えたことを特徴とする電子機器。
【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２０１２−１５２００９（Ｐ２０１２−１５２００９Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８６００（Ｐ２０１１−８６００）
【出願日】平成２３年１月１９日（２０１１．１．１９）
【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８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１９日（２０１１．１．１９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
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