JP2014050224A - 発電装置、２次電池、電子機器、及び移動手段 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で効率の良い発電装置、２次電池、電子機器、及び移動手段を提供する。
【解決手段】発電装置は、圧電部材１０８を繰り返し変形させる変形手段と、圧電部材１０８に設けられた一対の電極１０９ａ，１０９ｂと、一対の電極１０９ａ，１０９ｂの間に設けられることによって、圧電部材１０８の容量成分と共振回路を構成するインダクターＬと、インダクターＬに対して直列に接続された第一スイッチＳＷ１と、変形手段の変形方向が切り換わるタイミングを検出する手段１４０と、一対の電極１０９ａ，１０９ｂから出力された電流を整流する全波整流回路１２０と、全波整流回路１２０に接続され、全波整流回路１２０から供給された電流を充電する蓄電素子Ｃと、一対の電極１０９ａ，１０９ｂのいずれか片側と、蓄電素子Ｃとの間に接続された第二スイッチＳＷ２と、第一スイッチＳＷ１と第二スイッチＳＷ２とを動作させる制御回路１１０と、を備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電装置、２次電池、電子機器、及び移動手段に関する。

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。

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（例えば、特許文献１参照）。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（例えば、特許文献２参照）。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。

特開平７−１０７７５２号公報 特開２００５−３１２２６９号公報

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、蓄電素子の電気エネルギーが低下した場合には昇圧動作が困難になるという課題があった。これを解決するため、昇圧回路と並列に全波整流回路や倍電圧整流回路を設ける方法もあるが、発電装置の大型化するという課題があった。

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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る発電装置は、圧電材料によって形成された圧電部材を変形させて、該圧電部材に生じた電力により発電を行う発電装置であって、前記圧電部材を繰り返し変形させる変形手段と、前記圧電部材に設けられた一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられることによって、前記圧電部材の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、前記インダクターに対して直列に接続された第一スイッチと、前記変形手段の変形方向が切り換わるタイミングを検出する手段と、前記一対の電極から出力された電流を整流する全波整流回路と、前記全波整流回路に接続され、該全波整流回路から供給された電流を充電する蓄電素子と、前記一対の電極のいずれか片側と、前記蓄電素子との間に接続された第二スイッチと、前記第一スイッチと前記第二スイッチとを動作させる制御回路と、を備えたことを特徴とする。

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材を繰り返し変形させることで圧電部材には圧電効果によって正負の電荷が発生する。第一スイッチを短絡し、圧電部材をインダクターに接続すると、圧電部材は、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、圧電部材に発生していた電荷がインダクターに流れ込む。そして、圧電部材及びインダクターは共振回路を構成しているため、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材に流れ込む。これにより、インダクターを接続する前に圧電部材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、この状態から今度は逆方向に圧電部材を変形させると、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、圧電部材を繰り返し変形させることによって生じた電荷を、圧電部材内に蓄積することが可能となる。また、圧電部材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、上記した昇圧動作を行うためには、圧電部材とインダクターとを接続／開放する第一スイッチを能動的に制御することが必要となる。即ち、一旦制御回路に与えられる電圧が第一スイッチを駆動するために必要な下限電圧を下回ってしまうと第一スイッチを能動的に制御させることができなくなり、上記した昇圧動作を行うことなく、全波整流回路により整流され充電することになる。

全波整流回路により整流し充電する場合は、蓄電素子に充電できる電圧が低いため、制御回路に第一スイッチを駆動するために必要な下限電圧以上の電圧を供給することが難しい。そこで、この場合に制御回路は第二スイッチを短絡し、圧電部材の容量成分を用いた倍電圧整流回路に切り替える。これにより、全波整流回路と比較して２倍近い電圧を蓄電素子に充電することができるため、制御回路に印加される電圧が第一スイッチを駆動するために必要な下限電圧を超える。したがって上記した昇圧動作に自己復帰することができる。また、圧電部材の容量成分を用いて倍電圧整流を行うため余分な部品を必要とせず、小型で低コストの発電装置を提供することができる。

［適用例２］上記適用例に記載の発電装置において、前記制御回路は、前記蓄電素子に充電された電圧が、前記第二スイッチを駆動可能な電圧に達したときに、前記第一スイッチを切断状態とし、前記第二スイッチを短絡することを特徴とする。

これによれば、蓄電素子に充電された電圧が、第二スイッチを駆動可能な電圧に達したときに、第一スイッチを切断し、第二スイッチを短絡することで、全波整流回路と比較して２倍近い電圧を蓄電素子に充電することができるようになる。このため、制御回路に印加される電圧が第一スイッチを駆動するために必要な下限電圧を超え、上記した昇圧動作に自己復帰することができる。また、圧電部材の容量成分を用いて倍電圧整流を行うため余分な部品を必要とせず、小型で低コストの発電装置を提供することができる。

［適用例３］上記適用例に記載の発電装置において、前記制御回路は、前記蓄電素子に充電された電圧が、前記第一スイッチ及び第二スイッチを駆動可能な状態に達したときに、前記第二スイッチを切断状態とし、前記第一スイッチを前記変形手段の変形方向が切り換わるタイミングで短絡して、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後、前記第一スイッチを切断する制御を行うことを特徴とする。

これによれば、第一スイッチを動作させ昇圧動作を行うときは、第二スイッチを切断し全波整流回路として動作させることで、昇圧動作を効率的に行うことができる。また、電荷の発生量は圧電部材の変形量が大きくなるほど多くなるので、変形方向が切り換わるときに第一スイッチを短絡することで、圧電部材に蓄えられた電荷が最大のときに圧電部材内の正負の電荷を逆転することができる。第一スイッチを短絡させる時間は、圧電部材の電荷が逆転するのに要する時間であり、圧電部材と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に相当する時間第一スイッチを短絡させれば最も効率良く昇圧動作を行うことができる。

［適用例４］上記適用例に記載の発電装置において、前記蓄電素子の充電状態を検出する充電状態検出手段を有し、前記制御回路は、前記充電状態検出手段が蓄電素子に充電されていない状態を検出した場合に、前記第二スイッチを短絡し、前記第一スイッチを切断する制御を行うことを特徴とする。

これによれば、昇圧動作を行っている際に、充電状態検出手段が充電を検出しない場合は、昇圧動作をやめ、第二スイッチを接続する。充電状態検出手段が充電を検出しない状態は、圧電部材から蓄電素子に電流が流れていない状態であり、この状態において昇圧動作を行っても発電に寄与していない。つまり、昇圧動作をするために必要な電力は無駄に消費されている。このため、充電状態検出手段が電流を検出しない場合は昇圧動作をやめることで、電力を無駄に消費することがなくなる。また、昇圧動作をやめれば、全波整流回路のみになるので昇圧動作を行っていたときよりも圧電部材の発生電圧が低下し、圧電部材から蓄電素子に電流を流すことは難しくなる。しかし、第二スイッチを短絡させ、倍電圧整流回路に切り替えると、全波整流回路よりも圧電部材の出力電圧が大きくなり、蓄電素子に電流を供給し易くなる。以上により効率の高い発電装置を提供することができる。

［適用例５］本適用例に係る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。

これによれば、２次電池の出力電圧が低下して第一スイッチの制御ができない状態にあっても、倍電圧整流が行われる。そして、第一スイッチを駆動するために必要な下限電圧以上の電圧を得た後、速やかに発電効率の高い昇圧動作に移行させることで、発電効率が通常の全波整流と比べ高く、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。

［適用例６］本適用例に係る電子機器は、上記記載の発電装置を備えたことを特徴とする。

これによれば、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。また、上記記載の発電装置を備える２次電池を電子機器に具備してもよく、発電効率が通常の全波整流と比べ高く、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。

［適用例７］本適用例に係る移動手段は、上記記載の発電装置を備えたことを特徴とする。

これによれば、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ができる。

本実施形態に係る発電装置の構造を示した模式図。 本実施形態に係る発電装置の回路図。 本実施形態に係る定常状態での発電装置の動作を示したグラフ。 （Ａ）は、本実施形態に係る第二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、（Ａ）の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。 本実施形態に係る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。 本実施形態に係る２次電池の回路図。 本実施形態に係る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。 変形例１を説明するための回路図。 変形例２を説明するための回路図。 変形例３を説明するための回路図。 変形例４を説明するための回路図。

（実施形態：本発明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は、本実施形態に係る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、変形手段としての先端に錘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材１０８が固定支持されており、圧電部材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一電極１０９ａ、第二電極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の上面側及び下面側の両方に圧電部材１０８を設けても良い。なお、「上」とは、圧電部材１０８から第一電極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。

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材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、その電荷が第一電極１０９ａ、及び第二電極１０９ｂに現れ、電流として取り出される。

図２は、本実施形態に係る発電装置１００の回路図である。圧電部材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／開放するための第一スイッチＳＷ１が、インダクターＬに対して直列に接続されている。図２（Ａ）では第二スイッチＳＷ２を第二電極１０９ｂと蓄電素子Ｃに接続しているが、図２（Ｂ）に示すように、第二スイッチＳＷ２を第一電極１０９ａに接続しても良い。第一スイッチＳＷ１の短絡／開放及び、第二スイッチＳＷ２の短絡／開放は、制御回路１１０によって制御されている。また、圧電部材１０８に設けられた第一電極１０９ａ及び第二電極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。詳細は後述するが、上記共振回路の短絡するタイミングを決定するために、変形方向が切り換わるタイミングを検出する手段１４０が設けられている。本実施形態は、圧電部材１０８から全波整流回路１２０に流れる電流値から変形方向が切り換わるタイミングを決定しているが、その他に、変位センサーや、圧電部材の出力電圧を用いて決定しても良い。ここでは、ダイオードＤ１〜Ｄ４には接合型ダイオードを用いている。ダイオードＤ１〜Ｄ４は、第二スイッチＳＷ２を開放状態にした場合、全波整流回路１２０として機能する。そして、蓄電素子Ｃと共に交流電流を直流電圧に変える直流化装置として機能する。

また、ダイオードＤ１〜Ｄ４は、第二スイッチＳＷ２を短絡状態にした場合、倍電圧整流回路１２０ａとして機能する。圧電部材１０８が発生させた正負の電荷は、第一電極１０９ａや第二電極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を備えた全波整流回路１２０や倍電圧整流回路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に充電される。

（定常状態での動作）
図３は、本実施形態に係る定常状態での発電装置１００の動作を示したグラフである。ここで定常状態とは、第一スイッチＳＷ１と第二スイッチＳＷ２との動作を制御し得る電圧が制御回路１１０に供給されている場合を示すものとする。

図３（Ａ）は、梁１０４の先端の変位を示している。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３（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３（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３（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（即ち、電流Ｉｐ）として表される。ここでは圧電部材１０８に流れる電流Ｉｐｚｔを縦軸としている。また、圧電部材１０８に生じる起電力は、第一電極１０９ａと第二電極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、第二スイッチＳＷ２は開放されている。

図３（Ａ）及び図３（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る。（即ち、電流Ｉｐがプラスの値を取る）。これに伴って第一電極１０９ａ及び第二電極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Ｃの両端子間の電圧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Ｃ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る（即ち、電流Ｉｐがマイナスの値を取る）。これに伴って第一電極１０９ａ及び第二電極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Ｃ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、第一スイッチ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。

図３（Ｃ）は、第一スイッチ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３（Ｄ）は、図３（Ｃ）で示したタイミングで第一スイッチ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一電極１０９ａと第二電極１０９ｂとの間に生じる電位差Ｖｇｅｎを表している。

図３（Ｃ）に示すタイミング（圧電部材１０８の変位が極大又は極小を取るタイミング）で、第一スイッチＳＷ１を短絡（ＯＮ）する。すると、図３（Ｄ）に示すように、圧電部材１０８を挟む第一電極１０９ａ、第二電極１０９ｂ間の電圧波形が、第一スイッチ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３（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材１０８を挟む第一電極１０９ａ、第二電極１０９ｂ間に現れる。

また、図３（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、圧電部材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と圧電部材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。圧電部材１０８の変位が極小となるタイミング（図３（Ａ）において変位が−ｕとなるとき）で第一スイッチ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、第一スイッチＳＷ１を開放（ＯＦＦ）する。

このあと、圧電部材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、圧電部材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。

そして、圧電部材１０８の変位が極大となったところ（図３（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Ｖｐが生じる。即ち、圧電部材１０８の変位が極大又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一スイッチＳＷ１を短絡させることで、圧電部材１０８から、より効率良く電力を取り出すことが可能となる。

この場合、圧電部材１０８から電荷を流出させない限り、圧電部材１０８を変形させる度に、圧電部材１０８内の電荷は増えて行く。そのため、圧電部材１０８を挟む第一電極１０９ａ、第二電極１０９ｂ間の電圧は大きくなる。

ここでは、ＶＣ１と２Ｖｆとの和を超えた部分（図３（Ｄ）中に斜線を付して示した部分）では、圧電部材１０８で発生した電荷は蓄電素子Ｃに蓄えられる。そのため、圧電部材１０８から蓄電素子Ｃに電荷が流出し、圧電部材１０８を挟む第一電極１０９ａ、第二電極１０９ｂ間の電圧は、蓄電素子Ｃの両端子間電圧と２Ｖｆとの和の電圧（ＶＣ１＋２Ｖｆ）でクリップされる。その結果、第一電極１０９ａ及び第二電極１０９ｂの間の電圧波形は、図３（Ｄ）に太い実線で示した波形となる。

図３（Ｂ）に示した第一スイッチＳＷ１を開放したままの場合と、図３（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一スイッチＳＷ１を短絡した場合とを比較すれば明らかなように、本実施形態の発電装置１００では、適切なタイミングで第一スイッチＳＷ１を短絡／開放させることで、効率良く蓄電素子Ｃに電荷を蓄えることが可能となる。

また、蓄電素子Ｃに電荷が蓄えられて、蓄電素子Ｃの両端子間の電圧が増加すると、それにしたがって電圧波形のシフト量も大きくなる。例えば、図３（Ｄ）中の期間Ｂ（蓄電素子Ｃに電荷が蓄えられていない状態）と、図３（Ｄ）中の期間Ｈ（蓄電素子Ｃ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３（Ｄ）中の期間Ｃと期間Ｉとを比較すると、蓄電素子Ｃ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、本実施形態の発電装置１００では、圧電部材１０８を変形させたことによって、第一電極１０９ａと第二電極１０９ｂとの間に生じる電位差Ｖｐ以上の電圧を、蓄電素子Ｃ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、この動作を昇圧動作と呼ぶ。

仮に、制御回路１１０がスイッチＳＷをＯＮするタイミングと梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングが厳密に一致しなくても、所定の周期でインダクターＬと圧電部材１０８の容量成分Ｃ０とで構成される共振回路の共振周期の半分に相当する時間スイッチＳＷをＯＮにすることで、圧電部材１０８の端子間の電圧Ｖｇｅｎを昇圧させることは可能である。
なお、スイッチＳＷをＯＮするタイミングと梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングが一致するものが最も効率が良く、スイッチＳＷをＯＦＦするタイミングと梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングが一致するものが最も効率が悪い。つまり、発電効率はスイッチＳＷをＯＮするタイミングと梁１０４の変形方向が切り換わるタイミングが近ければ近いほど効率が良い。

（起動電圧が印加されていない場合の動作）
図２に戻る。上記の昇圧動作により、初期状態として、制御回路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材１０８から与えられた電力を取り出すことができるが、起動時点で制御回路１１０に動作電圧（例えば３．３Ｖ）が与えられない場合には、第一スイッチＳＷ１を短絡／開放することができず、昇圧動作ができない。そのため、制御回路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材１０８は発電できない。そのため、蓄電素子Ｃが蓄えたエネルギーを使用し尽くしたとき、制御回路１１０の再起動は困難となり、発電装置１００は昇圧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。

ここで、第二スイッチＳＷ２、第一スイッチＳＷ１ともに開放状態のとき、圧電部材１０８が発生させた電圧は全波整流回路１２０で全波整流され、制御回路１１０に印加される。圧電部材１０８は、圧電部材１０８の振幅にもよるが、概ね２．５Ｖ程度の電圧を発生する。この電圧をＶＣとする。

全波整流回路１２０を用いて整流を行うと、順方向電圧降下Ｖｆを０．４Ｖ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、全波整流回路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＝２．５Ｖ−０．４Ｖ×２＝１．７Ｖ

この電圧では、制御回路１１０を起動させるための電圧（例えば３．３Ｖ）に達しないため、昇圧動作を起動することができない。

そこで、第二スイッチＳＷ２を短絡し、倍電圧整流回路１２０ａとして動作させることで、制御回路１１０の起動電圧よりも高い電圧を蓄電素子Ｃに充電することができる。起動電圧よりも高い電圧を蓄電素子Ｃに充電する動作について図４（Ａ）を用いて説明する。
図４（Ａ）は、本実施形態に係る第二スイッチＳＷ２を短絡させたときの電流経路を示す回路図である。なお、圧電部材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、圧電部材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。第一電極１０９ａ側が負の電圧を出力し、第二電極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、第二電極１０９ｂを通過した後、ダイオードＤ２、第一電極１０９ａを抜けて、コンデンサーＣ０を充電して電圧源Ｖ０に戻る。第一電極１０９ａ側が正の電圧を出力し、第二電極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、圧電部材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、第一電極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。そして第二電極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の両端子間電圧は以下の値を取る。

（ＶＣ−Ｖｆ）＋（ＶＣ−Ｖｆ）＝（２．５−０．４）＋（２．５−０．４）＝４．２Ｖ

図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の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。具体的には、図４（Ｂ）は、第一スイッチＳＷ１を開放し、第二スイッチ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、圧電部材１０８を挟む第一電極１０９ａ、第二電極１０９ｂ間の電圧であるＶＣの略２倍の電圧を供給し、制御回路１１０の起動電圧よりも高い電圧を蓄電素子Ｃに充電することが可能となる。

（動作シーケンス）
以下、上記した発電装置１００の動作シーケンスについて説明する。
図５は、本実施形態に係る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、昇圧動作可能か否かを判断する。具体的には、制御回路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、昇圧動作開始ステータスをＮＧ（昇圧動作不可）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、昇圧動作開始ステータスをＯＫ（昇圧動作可）とする。

次に、ステップＳ３として、昇圧動作を実行する。

次に、ステップＳ４として、昇圧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できなくなる。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、昇圧動作開始ステータスを変えることで、発電装置１００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。

図３に示されるように、インダクターＬと圧電部材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材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、圧電部材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。

（定常状態での動作）に示されるように、圧電部材１０８から電荷を流出させない限り、圧電部材１０８を変形させる度に、圧電部材１０８内の電荷は増えて行く。そのため、圧電部材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や第一スイッチＳＷ１を流れる際の損失等を考えなければ、圧電部材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。

蓄電素子Ｃの両端子間電圧が、第一スイッチＳＷ１を駆動可能な下限電圧を一旦下回ると、第一スイッチＳＷ１を能動的に制御させることができなくなり、上記した発電操作を行うことができなくなってしまうが、この場合には、制御回路１１０を全波整流回路１２０から倍電圧整流回路１２０ａに切り替える動作が行われる。そのため、制御回路１１０には圧電部材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蓄電素子Ｃの両端子間電圧が第一スイッチＳＷ１を駆動可能な下限電圧を上回るため、全波整流回路１２０側に切替え、制御回路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１００を提供することができる。

第二スイッチＳＷ２を閉じるだけで、全波整流回路１２０から倍電圧整流回路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１００を提供することが可能となる。加えて、蓄電素子Ｃの両端子間電圧が第一スイッチＳＷ１を駆動可能な下限電圧以上の電圧を保っている場合に、第二スイッチＳＷ２を開放させておくだけで全波整流回路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。

第一スイッチＳＷ１としてノーマリオフのスイッチを用い、第二スイッチＳＷ２としてノーマリオンのスイッチを用いることで、蓄電素子Ｃの両端子間電圧が第一スイッチＳＷ１を駆動可能な下限電圧以下の電圧になった場合、全波整流回路１２０がダイオードＤ１，Ｄ２による倍電圧整流回路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１００を提供することができる。

（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６は、本実施形態に係る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。

上記した２次電池２００は以下の効果を奏する。
蓄電素子Ｃの両端子間電圧が上述した第一スイッチＳＷ１を駆動可能な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、第一スイッチＳＷ１を駆動可能な下限電圧以上の電圧に達したとき、昇圧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。

（電子機器）
以下、電子機器の例について説明する。
図７は、本実施形態に係る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６参照）の両端子間電圧は上述した第一スイッチＳＷ１を駆動可能な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、蓄電素子Ｃの両端子間電圧が第一スイッチＳＷ１を駆動可能な下限電圧以上の電圧に達した後、速やかに昇圧動作を行い、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。

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。

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。

なお、電子機器に限らず、本発明の発電装置は小型化が可能であるため、あらゆる機器に設置することもできる。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。

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。

［変形例１］
図８は、本変形例を説明するための回路図である。図８に示すように、蓄電素子Ｃの両端子間に蓄電素子の両端子間電圧を検出する蓄電電圧検出回路１５０を設けても良い。制御回路１１０は、蓄電素子Ｃの両端子間電圧が第一スイッチＳＷ１を駆動可能な下限電圧を上回っているときには昇圧動作を行い、第一スイッチＳＷ１を駆動可能な下限電圧を下回るときには第一スイッチＳＷ１を開放し、第二スイッチＳＷ２を短絡する制御を行う。これにより、昇圧動作と倍電圧整流の切替えが効率的に行われ、発電効率の高い発電装置を提供することができる。

［変形例２］
図９は、本変形例を説明するための回路図である。圧電部材１０８から全波整流回路１２０に電流が流れているか判定する充電状態検出手段１６０を設け、昇圧動作を行っているときに充電状態検出手段１６０が充電を検出しない場合は、制御回路１１０は昇圧動作を停止するとともに、第二スイッチＳＷ２を短絡しても良い。充電状態検出手段１６０が充電を検出しない状態は、圧電部材１０８から蓄電素子Ｃに電流が流れていない状態であり、昇圧動作が発電に寄与していない状態である。このときに昇圧動作をやめることで、第一スイッチＳＷ１を駆動するための電力を無駄に消費しなくて済む。

また、昇圧動作をやめれば、通常は全波整流回路１２０のみになる。したがって昇圧動作を行っていたときよりも圧電部材１０８の発生電圧が低下し、圧電部材１０８から蓄電素子Ｃに電流を流すことが難しくなる。しかし、第二スイッチＳＷ２を短絡させ、倍電圧整流回路１２０ａに切り替えると、全波整流回路１２０よりも圧電部材１０８の出力電圧が大きくなるので、蓄電素子Ｃに電流を供給し易くなる。
以上により、発電効率の高い発電装置を提供することができる。

なお、充電状態検出手段１６０は実際に圧電部材１０８から全波整流回路１２０に流れる電流を検出しても良い。この場合は、図９（Ａ）に示すように、図２（Ａ）の変形方向が切り換わるタイミングを検出する手段１４０で代用することができる。この他に、図９（Ｂ）に示すように、充電状態検出手段１６０が全波整流回路１２０のダイオードＤ１，Ｄ３のアノード、カソード間の電圧を測定し、充電の有無を検出する方法もある。この場合はカソード側よりもアノード側の電圧が高いときに、圧電部材１０８から蓄電素子Ｃに電流が流れており充電状態であると判定する。この方法は圧電部材から流れる微弱な電流を測定する必要が無いため実施し易い。

［変形例３］
図４（Ａ）と、図１０を引用して説明する。
図１０は、本変形例を説明するための回路図である。変形例３，４ではショットキーバリアダイオードを用いて全波整流回路１２０を構成する。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。このため、接合型ダイオードとショットキーバリアダイオードの順方向電圧降下の差分に相当する電圧分、高い電圧を蓄電素子に供給することが可能になる。反面、逆方向リーク電流が多い短所もある。上記した倍電圧整流回路１２０ａで動作する場合、ダイオードＤ３とダイオードＤ４とは整流には寄与していない（ただし、ダイオードＤ４はアノードとカソードとが短絡した状態にあるため、実害はない）。倍電圧整流に寄与しないダイオードＤ３は電流をリークし、発電効率の低下の原因になる。この場合、ダイオードＤ３のみを接合型ダイオードとすることで、リークを抑え、速やかに制御回路１１０が動作し得る電圧に到達させることができる。図１０では、ダイオードＤ３を接合型ダイオードに置き換えた場合の回路図を示している。

［変形例４］
図４（Ａ）と、図１１を引用して説明する。
図１１は、本変形例を説明するための回路図である。上記した倍電圧整流回路１２０ａで動作する場合、ダイオードＤ３とダイオードＤ４とは整流には寄与していない。（ただし、ダイオードＤ４はアノードとカソードとが短絡した状態にあるため、実害はない）。即ち、理想的には倍電圧整流する場合には、無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、速やかに制御回路１１０が動作し得る電圧に到達させることができる。なお、一旦制御回路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１１では、ダイオードＤ３をスイッチＳＷ３に置き換えた場合の回路図を示している。

Ｃ…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…第一スイッチ ＳＷ２…第二スイッチ ＳＷ３…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…圧電部材 １０９ａ…第一電極 １０９ｂ…第二電極 １１０…制御回路 １２０…全波整流回路 １２０ａ…倍電圧整流回路 １２５…発電部 １３０…電圧安定化回路 １４０…変形方向が切り換わるタイミングを検出する手段 １５０…蓄電電圧検出回路 １６０…充電状態検出手段 ２００…２次電池。

Claims (7)

1. 圧電材料によって形成された圧電部材を変形させて、該圧電部材に生じた電力により発電を行う発電装置であって、
   前記圧電部材を繰り返し変形させる変形手段と、
   前記圧電部材に設けられた一対の電極と、
   前記一対の電極の間に設けられることによって、前記圧電部材の容量成分と共振回路を構成するインダクターと、
   前記インダクターに対して直列に接続された第一スイッチと、
   前記変形手段の変形方向が切り換わるタイミングを検出する手段と、
   前記一対の電極から出力された電流を整流する全波整流回路と、
   前記全波整流回路に接続され、該全波整流回路から供給された電流を充電する蓄電素子と、
   前記一対の電極のいずれか片側と、前記蓄電素子との間に接続された第二スイッチと、
   前記第一スイッチと前記第二スイッチとを動作させる制御回路と、
   を備えたことを特徴とする発電装置。
2. 前記制御回路は、
   前記蓄電素子に充電された電圧が、前記第二スイッチを駆動可能な電圧に達したときに、
   前記第一スイッチを切断状態とし、
   前記第二スイッチを短絡することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記制御回路は、
   前記蓄電素子に充電された電圧が、前記第一スイッチ及び第二スイッチを駆動可能な電圧に達したときに、
   前記第二スイッチを切断状態とし、
   前記第一スイッチを前記変形手段の変形方向が切り換わるタイミングで短絡して、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後、前記第一スイッチを切断する制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
4. 前記蓄電素子の充電状態を検出する充電状態検出手段を有し、
   前記制御回路は、前記充電状態検出手段が蓄電素子に充電されていない状態を検出した場合に、前記第二スイッチを短絡し、前記第一スイッチを切断する制御を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電装置。
5. 請求項１〜４のいず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。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置を備えたことを特徴とする電子機器。
7. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置を備えたことを特徴とする移動手段。

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