JP2005137071A - 振動発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 共振型可変容量を利用して振動エネルギーを電気エネルギーに変換する可変容量型振動発電装置を、任意の振動を有する環境下において利用するために、振動エネルギーの周波数、振幅、位相の変化に対応して最適な発電を可能とする、可変容量型振動発電装置を実現する。
【解決手段】 本発明の発電装置は、共振型可変容量とともに初期電荷保証回路、起動停止回路、基準クロック回路、パルス生成回路、電荷輸送回路、出力制御回路から構成される。初期電荷保証回路と起動停止回路は発電動作の状態を制御、保存する。基準クロック回路とパルス生成回路は装置が受ける振動エネルギーに対応した基準信号およびにタイミング制御信号を生成する。電荷輸送回路はタイミング制御信号をもとに共振型可変容量へ電荷を供給、抽出することで電気エネルギーを生成する。出力制御回路は電荷輸送回路が発電した出力を安定化する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置に係り、特に共振型可変容量が振動エネルギーと共振して容量を変化させる可変容量型振動発電装置に関する。

可変容量を用いた振動エネルギー変換の方式として、従来、可変容量を利用して電圧レベルを上げるだけのチャージポンプ方式（例えば、非特許文献１参照）や、可変容量に対して電荷を充放電して発電を行う方式（例えば、非特許文献２参照）がある。

日本機械学会論文集（C編），65巻634号，1999年の第268〜275ページ

アイ・イー・イー・イー トランザクションズ オン ブイエルエスアイ システムズ，vol.9，no.1，（2001年），第64〜75頁（IEEE Transactions on Very Large Scale Integration Systms, vol.9, no.1, 2001, pp.64-75）

ユビキタスコンピューティング時代の世界においては、生活の場のあらゆる所に半導体集積回路チップが配備され、さまざまな情報を発信、収集するようになる。このような時代の半導体集積回路チップは、一度配置された後では保守不要で永久に使用可能であることが理想的である。従って、半導体集積回路の極低電力化およびチップ保守費の徹底的な削減が求められる。一つの手段としてはチップの消費電力を極力減らし、電池などチップ駆動用電源の寿命を延長する方法が考えられる。また電池以外にも、自然界に存在するエネルギーを利用する電源を用いると、半永久的なチップ動作が可能となる。このような電源としては例えば、太陽光エネルギーを用いる太陽電池、電磁波エネルギーを利用するRFコイル電源、温度差を利用するゼーベック効果素子、振動エネルギーを利用する誘導起電力電源、ピエゾ素子電源、可変容量型電源、気体を用いる燃料電池など様々な方法が考えられる。この中で、太陽電池、RFコイル電源、温度差発電、燃料電池は、外部から何らかしらのエネルギー供給が必要となる。それに対して、振動エネルギーを利用する場合も外部から振動エネルギーの供給が必要であることは同じである。しかしながら、自然界に存在する微小な振動や人・装置などの大きな振動は定常的に与えられる振動エネルギー源となりうるため、どのような場所・環境においても電源として用いることができる可能性が高い。振動エネルギーを電気エネルギーに変換する方法としては、コイルと磁石を用いた誘導起電力方式、ピエゾ素子を用いた発電方式、可変容量を利用した発電方式があげられる。この中で、可変容量以外は特殊な材料（磁性体やセラミック）が必要とされるが、可変容量型の場合は容量を形成する導体と振動エネルギーに共振できる振動体があればよい。従って、量産の容易さやコストの低さの点から可変容量型が優れていると言える。

可変容量型振動発電方式では、可変容量を形成する電極の片方が振動エネルギーと一緒に振動し、もう一方の電極がバネを介して振動エネルギーに共振して大きな振動を発生する。電極が振動することで電極間距離が変化し、容量が変化する。この容量変化にタイミングを同期させて電荷を充放電すると、電気エネルギーが生成される。これが可変容量型振動発電方式の発電原理である。可変容量を用いた振動エネルギー変換では2種類の方式が存在する。一つは可変容量を利用して電圧レベルを上げるだけのチャージポンプ方式で、例えば、上記非特許文献１に述べられているような方式である。この方式は、振動エネルギーによる容量変化を電圧の昇圧に用いており、もととなる電源としては別電源を必要とする。すなわち、純粋な発電機とは言えない。一方、可変容量に対して電荷を充放電して発電を行う方式としては、上記非特許文献２で述べられている方法がある。振動エネルギーと共振して容量が可変となっている装置において、電荷輸送回路は容量が最大になった瞬間に可変容量へ電荷を与える。その後、容量が最小になると容量の変化分だけ容量間に発生する電圧が高くなる。容量が最小となった瞬間に再び電荷輸送回路を用いて可変容量から電荷を抽出すると、電圧が高くなった分、電力が発生する。上記に引用した論文の例では可変容量部をMEMS（Micro Elecronic Mechanical Systems）で形成している。MEMSは半導体集積回路に用いるプロセスで生成することが可能であるため、製造容易性や小型化容易性といった特徴がある。

可変容量型振動発電装置をユビキタスコンピューティング時代の半導体集積回路チップへの電源として利用する場合、自然振動に対応した発電の仕組みが必要となる。具体的には、振動の振幅や周波数、位相の変化に対応する必要がある。

可変容量型振動エネルギー電気エネルギー変換装置の従来技術として、前述したように、上記非特許文献２で述べられている技術が代表的である。この従来技術において、振動エネルギーの周期と位相の両者にあわせた最適な制御信号を生成する必要がある。しかしながら、振動エネルギーの周期に対応した参照クロック信号について、具体的な生成手段は開示されていない。従って、周期は共振型可変容量の共振周期設計値にあわせた外部クロックを用いることになり、可変容量の製造ばらつきによる共振周期ずれや、振動エネルギーの過渡的な変化に対応できない。また、位相の最適化については、発電出力をリング発振回路に供給し、その発振速度が速くなるように制御する方法が示されている。この方法では、出力電力をリング発振回路で大量に消費してしまう。電力消費を避けるため、初期の設定時にのみリング発振回路を利用して位相を設定し、その後の動作ではリング発振回路を用いないという方法もあるが、動作中に振動エネルギーの振幅変化などが原因で位相が変化するような場合に対応できない。また、振動エネルギーの振幅は共振型可変容量の容量最大値、最小値を決定するが、振動の振幅については一定という条件で容量最大値、最小値も一定という条件のもとで検討されており、振幅の変化に対して特別の配慮は無い。実際には、ある値以上の振動エネルギー振幅または可変容量の容量最大-最小の差がないと発電はできず、初期電荷を失って永久に発電動作できなくなってしまう。以上の点から、従来技術では自然振動で与えられる振動エネルギーのように振幅、周期、位相が任意に変化しうるような場合に最適な発電を行うことは不可能である。

図２は、可変容量型振動発電装置の従来技術を示す図である。図２の共振型可変容量CMEMSは後述する図１の本発明の共振型可変容量RVC11に相当する。図２のスイッチ用MOSトランジスタSW1、SW2、並列容量CPAR、インダクタL、貯蔵容量CRESで構成される部分は図１の電荷輸送回路CTC11に相当する。図２の「Load ＆ Control」部分は、出力を利用する負荷と、スイッチ用MOSトランジスタSW1、SW2のオンオフを制御する信号を生成する回路からなっている。可変容量の変化に合わせてスイッチ用MOSトランジスタSW1、SW2を制御すると発電が可能となる。

図３は、可変容量型振動発電装置の従来技術の発電動作の波形を示す図である。図３の波形のilはインダクタ電流、vmは共振型可変容量CMEMSが蓄える電荷による電位を示す。動作開始時あるいは動作中、発電出力vc点に初期電圧あるいは定常的な電圧vddが存在する。これは、貯蔵容量CRESに電荷が蓄えられていることと同じである。共振型可変容量CMEMSは振動エネルギーを受けて振動と同じ周波数で容量値を変化させる。容量値が最大（以下、Cmaxと呼ぶ）になった瞬間に、MOSトランジスタSW2がオンしてインダクタLと貯蔵容量CRESがLC共振回路を形成し、vc点の電荷をインダクタLに流す。図３の期間t1に相当する。インダクタ電流ilが最大になると、MOSトランジスタSW2をオフしMOSトランジスタSW1をオンする。その結果、インダクタLと容量CMEMSおよびCPARがLC共振回路を形成し、インダクタLにたまっているエネルギーを共振型可変容量CMEMSに供給する。この図３期間t2で電圧vmが高まる。インダクタ電流ilが流れなくなると、MOSトランジスタSW2をオフする。可変容量CMEMSに注入された電荷は保持される。その後、共振型可変容量CMEMSの容量値はCmaxから最小（以下、Cminと呼ぶ）に変化する。この間、容量CMEMSの電荷量は一定値Q0である。「Q0＝CMEMS容量×vm電圧」の関係があるため、容量CMEMSの容量値がCmaxからCminに変化するにともない、電圧vmは最小電圧vminから最大電圧vmaxに増加する。図３の期間t3に相当する。共振型可変容量CMEMSの容量値が振動によりCminに達すると、先ほどのCmax時と逆の手順で容量CMEMSに蓄えられている電荷を発電出力vc点にもどす。すなわち、まずMOSトランジスタSW1をオンとしてインダクタLおよび容量CMEMSでLC共振回路を形成してインダクタLに電流を流す。図３のt4に相当。インダクタ電流ilが最大となる時にMOSトランジスタSW1をオフしてSW2をオンすることになる。続いてインダクタLおよび貯蔵容量CRESがLC共振回路を形成し、インダクタLに蓄えられたエネルギーを貯蔵容量CRESに送る。図３のt5に相当する。共振型可変容量CMEMSの容量が変化する周期は振動エネルギーの振動周期と同じであり、およそ数10Hzから数kHzあたり、すなわち100msから0.1msくらいの長さになる。これに対し、MOSトランジスタをオンする期間（図３のt1、t2、t4、t5）の長さは数100ns程度と3桁以上小さい。従って、MOSトランジスタをオンする期間中は、可変容量CMEMSの容量値はCmaxあるいはCminの一定値であると考えてよい。図３のインダクタ電流ilにおいて、期間t1、t2は電荷を容量CMEMSに供給するために電力を消費しているが、期間t4、t5は容量CMEMSの電圧が最大となった状態で電荷を回収する際に発電がなされる。発電エネルギーは、効率100%の理想的な状態で
E＝（Cmax−Cmin）＊vmax＊vmin／2
で与えられる。

図４は、マイクロマシン技術（以下、MEMS（Micro-Electronic Mechanical System）と呼ぶ）を利用した共振子の従来技術を示す図である。共振型可変容量CMEMSとしては、具体的には図４の従来技術のような構成が用いられる。MEMSは半導体集積回路の代表的なシリコンプロセス技術で生成することができる。静止櫛歯SC11、SC12はシリコン基板上に固定されており、可変容量の対抗電極となる。振動質点PM11は自由梁FB11を介してアンカーAN11によりシリコン基板に固定される。質点PM11は、自由梁FB11のばねとしての働きにより、ある共振周波数でシリコンウェハ上を振動する。振動のエネルギーはシリコンウェハごと静止櫛歯SC11、SC12、アンカーAN11を加振し、振動質点PM11が共振することでシリコンウェハよりも大きな振幅で振動する。振動質点PM11を電極とすると、静止櫛歯SC11あるいはSC12との間に容量を形成する。質点PM11が静止櫛歯SC11に最も近づいた時に容量は最大に、最も遠ざかった時に容量は最小になる。静止櫛歯SC12と質点PM11の間の容量は、SC11との容量と逆相で変化する。共振型可変容量としては、どちらか片方を用いればよい。容量が変化する周期は振動エネルギーの周期と等しくなる。

以上、図２、３、４で説明してきた可変容量型振動発電装置の従来技術において、発電エネルギーは共振型可変容量CMEMSの容量変化量と、スイッチ用MOSトランジスタSW1及びSW2を制御するタイミング制御信号swp/swnのパルス幅と周期、位相に関する精度が、発電出力の効率を決定する。共振型可変容量は、従来技術に提案されているようにMEMSで作成すると小型化、量産化をし易い。しかしながら、共振周波数や容量変化量に制約があるため、振動エネルギーを用いる種類によっては、MEMS以外の振動子を用いる必要もある。図２の「Load ＆ Control」回路はタイミング制御信号を生成する。この従来技術において、振動エネルギーの周期と位相の両者にあわせた最適なタイミング制御信号を生成する必要がある。しかしながら、振動エネルギーの周期に対応した参照クロック信号について、具体的な生成手段は従来技術では開示されていない。従って、周期は共振型可変容量の共振周期設計値にあわせた外部クロックを用いることになり、可変容量の製造ばらつきによる共振周期ずれや、振動エネルギーの過渡的な変化に対応できない。また、位相の最適化については、発電出力をリング発振回路に供給し、その発振速度が速くなるように制御する方法が従来技術において示されている。この方法では、出力電力をリング発振回路で大量に消費してしまう。電力消費を避けるため、初期の設定時にのみリング発振回路を利用して位相を設定し、その後の動作ではリング発振回路を用いないという方法もあるが、動作中に振動エネルギーの振幅変化などが原因で位相が変化するような場合に対応できない。また、振動エネルギーの振幅は共振型可変容量の容量最大値、最小値を決定するが、振動の振幅については一定でかつ容量最大値、最小値も一定という条件のもとで検討されており、振幅の変化に対して特別の配慮は無い。実際には、ある値以上の振動エネルギー振幅または可変容量の容量最大-最小の差がないと発電はできず、初期電荷を失って永久に発電動作できなくなってしまう。以上の点から、従来技術では自然振動で与えられる振動エネルギーのように振幅、周期、位相が任意に変化しうるような場合に最適な発電を行うことは不可能である。

従って、本発明の目的は、従来技術にある共振型可変容量および電荷輸送回路を用いた可変容量型振動発電装置を自然振動の環境下において利用するため、初期電荷保証回路、起動停止回路、基準クロック回路、パルス生成回路、および出力制御回路を有することにより、自然振動を利用するための条件である周波数、振幅、位相の変化に柔軟に対応した最適な発電を行う振動発電装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、初期電荷保証回路により、装置の動作開始を可能とする。また振動エネルギーが存在しないあるいは発電には小さすぎるという状況において装置が動作を停止した後、振動エネルギーが大きくなった場合に装置の再動作開始を行う振動発電装置を提供することにある。

また、本発明の更に他の目的は、起動停止回路により、振動エネルギーの大きさあるいは振動振幅の大きさが一定以上になり充分発電可能な環境で装置を起動させ、発電不可能な状況では装置を停止させる。装置起動時には振動位相とのタイミングを的確に決定し、また発電量が小さいときには動作停止を行うことで、出力に蓄えられている電荷を無駄に消費することを防ぐ振動発電装置を提供することにある。

また、本発明の更に他の目的は、基準クロック回路により、振動エネルギーの周期（周波数）を的確に把握し、かつ外部信号を不要とする振動発電装置を提供することにある。

また、本発明の更に他の目的は、パルス生成回路は、出力電力を監視し出力電力が最適に（大きく）なるように、電荷輸送回路の制御用パルス信号を位相合わせする。装置が動作中に振動エネルギーの条件が変化しても最適制御を行う振動発電装置を提供することにある。

また、本発明の更に他の目的は、出力制御回路は、電荷輸送回路が生成する発電エネルギーの電圧レベルを安定化し、出力を小電力用途と大電力用途にわける。これにより振動発電出力の安定使用を行う振動発電装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために本願によって開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、本発明の振動発電装置は、初期電荷保証回路、起動停止回路、基準クロック回路、パルス生成回路、電荷輸送回路、共振型可変容量、出力制御回路を具備して構成される。初期電荷保証回路は、起動停止回路に装置を起動させるだけの初期電荷があることを初期電荷信号で伝え、電荷輸送回路の初期電荷を与える。起動停止回路は初期電荷信号と共振型可変容量に与えられている振動エネルギーの振動量信号から装置の起動および停止を判断し、基準信号をもとに起動タイミングを決定して、起動停止信号をパルス生成回路に供給する。基準クロック回路は、共振型可変容量に与えられている振動エネルギーの振動量信号を受け取り、振動エネルギーと同期した同じ周波数の基準信号を生成してパルス生成回路に与える。パルス生成回路は、基準信号をもとに起動停止信号のタイミングで電荷輸送回路を制御するためのタイミング制御信号を生成する。また電荷輸送回路の出力量信号を用いて、タイミング制御信号の位相を調整する。電荷輸送回路はタイミング制御信号を用いて初期電荷保証回路から与えられる初期電荷信号をもとに発電を行い、発電出力信号を生成する。共振型可変容量は、周囲の振動エネルギーに共振して容量を周期的に変化させる。出力制御回路は電荷輸送回路の発電出力信号を安定化し、最適分配して大電力用と小電力用出力の2種類を供給する。このようにして、自然振動を利用するための条件である周波数、振幅、位相の変化に柔軟に対応した発電が可能となる。

具体的には、本発明の振動発電装置は、第１および第２の初期電荷信号を出力する初期電荷保証回路と、前記第２の初期電荷信号と、振動量信号と、基準信号とを入力して起動停止信号を出力する起動停止回路と、前記振動量信号を入力して前記基準信号を出力する基準クロック回路と、前記起動停止信号と、前記基準信号と、出力量信号とを入力して第１および第２のタイミング制御信号を出力するパルス生成回路と、前記第１の初期電荷信号と、前記第１および第２のタイミング制御信号と、第１および第２の容量信号とを入力して前記振動量信号と、前記出力量信号と、発電出力信号とを出力する電荷輸送回路と、前記第１および第２の容量信号を出力する共振型可変容量と、前記発電出力信号を入力して第１および第２の出力信号を出力する出力制御回路とを具備して成り、前記出力制御回路は、前記共振型可変容量が得る振動エネルギーを電気エネルギーに変換して発電することを特徴とする。

前記初期電荷保証回路は、前記振動発電装置が発電動作を開始するための初期電力を前記振動発電装置に供給するものであれば好適である。

前記初期電荷保証回路は、電源とスイッチと比較回路とを具備して成り、前記電源の電力は、前記スイッチを介して前記第１の初期電荷信号として前記振動発電装置に供給され、前記比較回路は、前記電源の電力が前記振動発電装置を駆動するために必要な電力量以上ある場合に前記第２の初期電荷信号を出力するものであれば好適である。

前記起動停止回路は、前記振動発電装置が発電動作を開始あるいは停止することを決定して前記起動停止信号を生成するものであれば好適である。

前記起動停止回路は、振動量計測回路と起動タイミング調整回路とを具備して成り、前記振動量計測回路は、前記共振型可変容量に与えられる振動の大きさを計測し、計測された振動の大きさに応じて発電動作の起動および停止を決定し、前記起動タイミング調整回路は、前記振動量計測回路が決定した発電動作の起動および停止に係る命令を振動の位相に応じて前記起動停止信号として生成するものであれば好適である。

前記基準クロック回路は、前記共振型可変容量に与えられる振動の周期に応じたクロック信号を前記基準信号として生成するものであれば好適である。

前記パルス生成回路は、前記電荷輸送回路を制御するための前記タイミング制御信号を前記基準信号に合わせて生成するものであれば好適である。

前記パルス生成回路は、少なくとも１つの遅延制御回路と論理回路とを具備して成り、前記タイミング制御信号の位相およびパルス幅を任意に制御可能であれば好適である。

前記パルス生成回路は出力量測定回路を含んで成り、前記出力量測定回路は、前記出力量信号の電力の大きさを測定し電力が最適になるようにタイミング制御命令を生成し、前記遅延制御回路は、前記タイミング制御回路により遅延時間を最適制御し、前記電荷輸送回路が生成する前記発電出力信号の電力を最適化するものであれば好適である。

前記出力制御回路は、前記電荷輸送回路が生成する発電出力信号を安定化し、前記第１および第２の出力信号を電力量および電力使用頻度に応じて供給するものであれば好適である。

前記出力制御回路は、前記発電出力信号を一定の電圧レベル以下に抑えるように安定化し、第１の電力出力を第１の期間で蓄えて前記第１の出力信号として略定常的に出力し、前記第１の電力出力より大きい第２の電力出力を前記第１の期間より長い第２の期間で蓄えて前記第２の出力信号として間欠的に出力するものであれば好適である。

本発明の振動発電装置は、共振周波数の異なる前記共振型可変容量を複数個具備して成り、前記共振型可変容量に与えられる振動エネルギーから変換される電気エネルギーが最も大きくなる前記共振型可変容量を選択し、発電電力が振動エネルギーの周波数と大きさに応じて最大となるよう構成されていれば好適である。

本発明によれば、従来技術にある共振型可変容量および電荷輸送回路を用いた可変容量型振動発電装置を自然振動の環境下において利用するため、初期電荷保証回路、起動停止回路、基準クロック回路、パルス生成回路、および出力制御回路を有することにより、自然振動を利用するための条件である周波数、振幅、位相の変化に柔軟に対応した最適な発電が可能となるという効果がある。

また、本発明によれば、初期電荷保証回路により、装置の動作開始が可能となるという効果、および、振動エネルギーが存在しないあるいは発電には小さすぎるという状況において装置が動作を停止した後、振動エネルギーが大きくなった場合に装置の再動作開始が可能となるという効果がある。

さらに、本発明によれば、起動停止回路により、振動エネルギーの大きさあるいは振動振幅の大きさが一定以上になり充分発電可能な環境で装置を起動させ、発電不可能な状況では装置を停止させることが可能となるという効果、および、装置起動時には振動位相とのタイミングを的確に決定し、また発電量が小さいときには動作停止を行うことで、出力に蓄えられている電荷を無駄に消費することを防ぐという効果がある。

さらに、本発明によれば、基準クロック回路により、振動エネルギーの周期（周波数）を的確に把握し、かつ外部信号が不要となるという効果がある。

さらに、本発明によれば、パルス生成回路は、出力電力を監視し出力電力が最適に（大きく）なるように、電荷輸送回路の制御用パルス信号を位相合わせする。装置が動作中に振動エネルギーの条件が変化しても最適制御することが可能となるという効果がある。

さらに、本発明によれば、出力制御回路は、電荷輸送回路が生成する発電エネルギーの電圧レベルを安定化し、出力を小電力用途と大電力用途にわける。これにより振動発電出力の安定使用が可能となるという効果がある。

本発明を実施するための最良の形態を、以下、詳細に説明する。

本発明の一実施例によると、初期電荷保証回路は可変容量型振動発電装置が発電動作を開始するための初期の電力を供給する。

本発明の他の実施例によると、初期電荷保証回路は電源とスイッチと比較回路からなり、電源の電力はスイッチ経由で可変容量型振動発電装置に供給され、比較回路は電源の電力が振動発電装置を駆動開始するために必要な電力量を保っているか判断し初期電荷信号として起動停止回路に伝える。

本発明のさらに他の実施例によると、起動停止回路は可変容量型振動発電装置の発電動作を開始あるいは停止することを判断し、起動停止信号を出力する。

本発明のさらに他の実施例によると、起動停止回路は振動量計測回路と起動タイミング調整回路からなり、振動量計測回路が共振型可変容量に与えられる振動エネルギーの大きさを計測して振動量に応じて発電動作の起動あるいは停止を判断し、その結果、起動タイミング調整回路が振動の位相にあわせて最適なタイミングで起動停止信号を出力する。

本発明のさらに他の実施例によると、基準クロック回路は共振型可変容量に与えられる振動エネルギーの振動周期に応じたクロック信号を基準信号として供給する。

本発明のさらに他の実施例によると、パルス生成回路は基準信号を入力して位相やパルス幅を調整し、電荷輸送回路を制御するためのタイミング制御信号を出力する。

本発明のさらに他の実施例によると、パルス生成回路は複数の遅延制御回路と論理回路からなる。パルス生成回路が受け取る基準信号は、遅延制御回路により位相およびパルス幅を任意に制御され、タイミング制御信号として出力される。

本発明のさらに他の実施例によると、パルス生成回路は出力量測定回路を持ち、電荷輸送回路が生成する出力の出力量信号について電力量を測定し、出力電力量が最大あるいは最適になるようにタイミング制御命令を生成する。遅延制御回路がこのタイミング制御命令を受け取り、遅延あるいはパルス幅が最適なタイミング制御信号を電荷輸送回路に供給する。

本発明のさらに他の実施例によると、出力制御回路は、電荷輸送回路で生成される発電出力信号を安定化し、2種類の電力量と電力使用頻度に応じた出力信号を供給する。

本発明のさらに他の実施例によると、出力制御回路が発電出力信号を安定化する際に電圧レベルを一定の値以下に保つ。また2種類の出力信号として、小電力出力を短期間で蓄えて常時出力する系と、大電力出力を長期間で蓄えて一定期間毎に出力する系の2系統を持つ。

本発明のさらに他の実施例によると、共振周波数の異なる共振型可変容量を複数個所有し、共振型可変容量に与えられる振動エネルギーの周波数に最も共振する可変容量を選択することで、生成電気エネルギーを最適にする。振動エネルギーの振動周波数が変化する場合には、その変化に対応できる。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態を、実施例として図を参照して説明する。

図１は、本発明の振動発電装置の一実施例を示す図である。本実施例の振動発電装置は、振動エネルギーを利用して可変容量を形成する共振型可変容量RVC11と、可変容量に電荷を供給／抽出することで振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電荷輸送回路CTC11、及び電荷輸送回路CTC11の動作を制御する初期電荷保証回路ICA11、起動停止回路SSC11、基準クロック回路SCG11、パルス生成回路PGC11、出力制御回路OCC11から構成される。初期電荷保証回路ICA11は、初期電荷信号intchg11、intchg12を出力する。起動停止回路SSC11は、初期電荷信号intchg12、基準信号sclk11、振動量信号vib11を入力し、起動停止信号sssig11を出力する。基準クロック回路SCG11は、振動量信号vib11を入力し、基準信号sclk11を出力する。パルス生成回路PGC11は、基準信号sclk11、起動停止信号sssig11、出力量信号genp11を入力し、タイミング制御信号swpおよびswnを出力する。電荷輸送回路CTC11は、タイミング制御信号swp／swn、初期電荷信号intchg11を入力し、振動量信号vib11、出力量信号genp11、発電出力信号genout11を出力し、容量信号cap11／cap12と接続される。出力制御回路OCC11は、発電出力信号genout11を入力し出力信号outsig11／outsig12を出力する。共振型可変容量RVC11は容量信号cap11／cap12と接続される。

可変容量を用いた振動エネルギー電気エネルギー変換装置の基本動作は、例えば上記非特許文献２で紹介されている。基本動作に必要な装置としては、図１のうち電荷輸送回路CTC11と共振型可変容量RVC11、および電荷輸送回路の制御回路となる。

図１の本発明の振動発電装置の実施例は、上述のような従来技術の課題を解決し、自然振動のような任意の振動エネルギーを電気エネルギーに効率よく変換できる可変容量型振動発電装置を示している。可変容量を用いた振動発電装置は、動作開始時に出力部genout11に初期電荷が必要である。また、発電動作を一時停止し、再開するような場合も初期電荷がなければ発電できない。初期電荷保証回路は、発電動作を開始する際に発電出力部genout11に初期電荷を初期電荷信号intchg11として与え、また初期電荷が存在することを初期電荷信号intchg12で起動停止回路に知らせ、装置の発電動作開始を可能とする。また、起動停止回路SSC11、基準クロック回路SCG11、パルス生成回路PGC11も発電動作開始時には初期電力が必要で、これらも初期電荷保証回路ICA11が初期電荷信号intchg11として電力を供給する。起動停止回路SSC11は、初期電荷信号intchg12を受信して装置の動作開始にあたり初期電荷が充分に存在する場合でかつ、振動量信号vib11を受信して発電動作を行うに充分な振動量あるいは共振型可変容量の容量変化量が存在する場合に、起動停止信号sssig11を供給する。

発電動作中であっても、振動エネルギーが減少し発電できる振動量が得られなくなると、振動量信号vib11が減少したことで起動停止信号sssig11を停止し、発電動作を止める。発電動作は、共振型可変容量RVC11の容量値が最大となり初期電荷を発電出力信号部genout11から可変容量に移送する動作から始めなければならない。従って、動作を開始させるための起動停止信号sssig11は、共振型可変容量RVC11の容量値が最小から最大に変化する間に基準信号sclk11をパルス生成回路PGC11に伝えるように調整する。すなわち、基準クロック回路SCG11が生成する基準信号sclk11がパルス生成回路PGC11内でクロック信号として有効に活用されるのは、起動停止回路SSC11が生成する起動停止信号sssig11が供給されてからであり、起動停止信号sssig11が供給されるタイミングは、必ず共振型可変容量RVC11の容量が最小値から最大値に変化する間となる。基準クロック回路SCG11は、共振型可変容量RVC111の容量変化を電荷輸送回路CTC11から振動量信号vib11として受け取り、容量変化と同一周期のクロック信号を生成して基準信号sclk11を出力する。基準信号sclk11は共振型可変容量RVC11の容量変化と変化周波数が一致しているが、位相やデューティー比は必ずしも一致している必要は無い。

パルス生成回路PGC11は起動停止信号sssig11を得ると基準信号sclk11を利用して電荷輸送回路CTC11を制御するためのタイミング制御信号swp、swnを生成する。これらタイミング制御信号swp、swnの信号発生周期は基準信号sclk11に対応しており、すなわち共振型可変容量RVC11の容量変化量つまり与えられる振動エネルギーの周期に対応することになる。電荷輸送回路CTC11が生成する発電電力すなわち発電出力信号genout11の電力量に応じた信号が出力量信号genp11としてパルス生成回路PGC11に与えられ、この信号をもとにタイミング制御信号swp、swnのパルス幅および位相が最適に調整される。電荷輸送回路CTC11がタイミング制御信号swp、swnを得て、共振型可変容量RVC11とともに容量信号cap11、cap12と接続されて発電動作を行う方法は、従来技術の説明で述べたとおりである。電荷輸送回路CTC11は、共振型可変容量RVC11の容量信号cap11またはcap12を振動量信号vib11として出力し、初期電荷保証回路ICA11から初期電荷信号intchg11を得て出力部に与えて発電動作を開始できるように処理を行い、発電出力信号genout11に応じた出力量信号genp11を供給する。電荷輸送回路CTC11から生成される発電出力信号genout11の波形はきれいな直流とはならない。また、発電装置内部にリークが存在しない理想的な状態では、発電出力電圧が大きくなりすぎて、各回路の耐圧を超えてしまう可能性もある。そこで、出力制御回路OCC11は、発電出力信号genout11の電圧レベルを一定に保つとともに、安定した直流電圧となるように整流する。さらに、電力出力が大きくないため、発電装置内部回路等への電力供給用の小電力出力と、大きな負荷を駆動するための大電力出力との、2種類の出力である出力信号outsig11、outsig12を生成する。小電力出力は常時供給し、大電力出力は一定期間の充電後に供給できる仕組みになっている。

以上の動作により、本実施例の構成により自然振動のような任意の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能となる。すなわち、振動エネルギーの振幅（エネルギー量）に応じて発電動作を起動、停止し、また振動動作を開始する場合には初期電荷を保証する。制御回路用の基準クロック信号は振動エネルギーの周期に対応することが可能で、共振型可変容量の共振周期が製造ばらつき等で変化しても対応できる。制御用パルス信号の位相およびパルス幅は、発電装置の発電出力量を直接検出して最適な値に調整される。発電された電力出力は、電圧レベル保持と整流がなされ、また小電力用と大電力用の出力に分割される。

図５は、本発明に係る初期電荷保証回路の一実施例を示す図である。初期電荷保証回路は、電源PWS21、スイッチSWT21、比較回路CMP21、D型フリップフロップDFF21から校正される。電源PWS21はグランドgndとスイッチSWT21の間に接続される。スイッチSWT21は電源PWS21の出力を初期電荷信号intchg11として出力し、同時に比較回路CMP21に与える。比較回路CMP21はスイッチSWAT21を経て供給される電源PWS21の電圧レベルと参照電圧vref21の電圧を比較し、出力をD型フリップフロップDFF21のクロック信号入力に与える。D型フリップフロップDFF21はD入力を電源に接続し、出力を初期電荷信号intchg12として出力する。初期電荷信号intchg11は発電装置における動作開始時の電力を与える役割を持つ。同時にD型フリップフロップDFF21にも電力が供給される。この電力源となる電源PWS21は、例えば発電装置の出荷テスト時における充電用電源やコンセント、乾電池や電池などでよい。また、太陽電池や温度差発電装置、燃料電池なども利用できる。一度発電動作が開始されると、スイッチSWT21を切断し、電源PWS21も切断してよい。発電動作を停止し、再度発電を開始するときには、発電装置の出力に接続された充電装置や容量などに電力が蓄えられていれば、それを電源PWS21として用いることができる。初期電荷信号intchg12は、この電源PWS21が発電装置を動作させるに充分な電力を保持しているかを検出する。電源PWS21の出力電圧が参照電圧vref21よりも大きくなれば、初期電荷信号intchg12が出力される。初期電荷信号intchg12は、電源PWS21の電力、例えば発電装置の出力電圧が一定値以上存在すれば、出力され続ける。この初期電荷保証回路により、発電動作の開始が保証され、起動／停止／再起動などが可能となる。

図６は、本発明に係る初期電荷保証回路の他の実施例を示す図である。図５の初期電荷保証回路の実施例と比べ、電源PWS21部分が異なっているが、その他の構成は同じである。電源部分は、電源PWS22、ダイオードD21、D22、D23、D24、抵抗R21、容量C21から構成される。電源として交流電源がPWS22に与えられた場合、ダイオードD21、D22、D23、D24が全波整流を行い、抵抗R21と容量C21がローパスフィルタの働きをしてリップル成分を除き、直流の定電圧に変換する。交流電源PWS22としては、例えば高周波の電波であるRF信号をインダクタで受ける場合、交流源をインダクタに接続してインダクタンスカップリングで受ける場合、あるいは磁石による磁力の変化（例えば磁石に振動エネルギーを与える）をインダクタで受けて誘導起電力を発生する場合、あるいはピエゾ発電素子を用いて衝撃波や振動エネルギーを受ける場合などが想定される。この構成により、発電装置の起動を例えばRF電波で行うことも可能となる。

図７は、本発明に係る起動停止回路の一実施例を示す図である。起動停止回路は振動量計測回路VMC31と起動タイミング調整回路STC31から構成される。振動量計測回路VMC31は、共振型可変容量RVC11の容量信号cap11または電荷輸送回路CTC11を経由した容量信号に相当する振動量信号vib11と、初期電荷信号intchg12を受け、起動許可信号sas31を出力する。振動量計測回路VMC31では直接可変容量の容量変化量を検出し、変化量が一定値以上でかつ初期電荷も充分存在する場合に、起動許可信号sas31を生成する。共振型可変容量RVC11から検出される容量変化量は、与えられる振動エネルギーと相関している。起動タイミング調整回路STC31は起動許可信号sas31と基準信号sclk11を得て起動停止信号sssig11を生成する。起動許可信号sas31を入力しても、起動停止信号sssig11は最適なタイミングで出力される必要がある。そのタイミングを、基準信号sclk11をもとに起動タイミング調整回路STC31が決定して実際の起動停止信号sssig11を生成している。

図８は、起動停止回路の動作を示す動作波形図である。これをもとに起動停止回路の動作を説明する。振動量計測回路VMC31は、抵抗R31、R32、R33、R34、容量C31、比較回路CMP31、バッファ回路BUF31、BUF32およびAND回路で構成される。容量変化にあたる振動量信号vib11は、図８のRVC11で示されている。この図では、前半は充分な振動が与えられている場合を、後半は振動量が少ない場合を示している。振動量信号vib11は、抵抗R31、R32、比較回路CMP31およびバッファ回路BUF31で電気信号に変換される。これらの組合せにより、（a）点の電圧変化は図のようになる。比較回路CMP31の参照電圧vref31入力よりも振動による電位変化が大きくならないと、（b）点では出力が発生しない。（ｂ）の出力パルスはR33およびC31のローパスフィルタで図の（ｃ）のように徐々に充電されていく。（ｂ）に出力パルスが発生しなくなると、すなわち振動が充分でなくなると、C31に蓄えられた電荷はR34から放電されていく（ｃ）。その結果、（ｄ）点もしくは起動許可信号sas31は図８のように充分な振動が与えられている期間にHigh信号を出力することになる。ここで、初期電荷信号intchg12はすでに与えられていると仮定する。発電動作を開始するための初期電荷が不足して初期電荷信号intchg12が与えられていない場合は、振動量が充分であっても起動許可信号sas31が生成されない。

起動タイミング調整回路STC31は、遅延回路DEL31、D型フリップフロップ回路DFF31、抵抗R35、MOSトランジスタMS31およびインバータから構成される。起動許可信号sas31に応じて、D型フリップフロップのリセット入力(e)が変化する。初期電荷信号intchg12が与えられている場合は、(d)点と(e)点の信号変化はほぼ同一になる。すなわち、振動量が大きいとリセットは解除され、振動量が小さいとリセット状態になる。基準信号sclk11は遅延回路DEL31により(f)点のように遅延を与えられる。(e)のリセット解除後、(f)の遅延信号が入ると(g)点、すなわち起動停止信号sssig1が出力される。(g)が出力されるタイミングは、遅延回路DEL31で調整され、容量変化RVC11が最小値から最大値に変化する半周期の間となる。なぜなら、発電動作の開始は共振型可変容量RVC11の容量値が最大になった瞬間から始まらなければならないからである。遅延回路DEL31の遅延量は、あらかじめ設計で規定してよい。RVC11の半周期は数10msから1/10msと比較的長く、装置の製造ばらつきなどお比較しても十分に大きいので、あらかじめ設計しておいても問題とならない。あるいは、遅延回路DEL31の遅延量を外部入力で手動で調整できるようにしておいても良い。遅延回路を例えば抵抗と容量のRC遅延で作る場合には可変抵抗を用いたり、あるいは遅延回路をデジタル遅延素子の段数で決める場合は段数を可変にするレジスタを用意するなどで対応可能である。振動エネルギーが小さくなり(g)点の出力を停止する場合は、タイミングを考慮する必要が無いので(e)信号と同様のタイミングにしてよい。

図９は、本発明に係る起動停止回路の他の実施例を示す図である。発電に用いる共振型可変容量RVC11と同期して容量変化をする参照可変容量CREF31を用意する場合、振動量信号vib31は参照可変容量CREF31から得られる。例えば、図４にある従来技術の例にあるような共振型可変容量を用いた場合、静止櫛歯SC11とSC12はそれぞれ同一周期で同期して容量が変化する。ただし、位相が互いに反転している。このような可変容量の組合せを用いて、片方を発電用、もう片方を参照用に用いればよい。振動量計測回路VMC31および起動タイミング調整回路STC31は図７と同様である。

図１０は、本発明に係る起動停止回路の他の実施例を示す図である。振動量計測回路部分はAND回路だけを用い、外部入力である起動停止命令sscmd31により起動停止を決定する。あるいは、起動タイミング調整回路STC31のMOSトランジスタMS31をスイッチSWT31として、直接スイッチをオン／オフすることで起動停止を決定しても良い。

図１１は、本発明に係る起動停止回路の他の実施例を示す図である。図１１の例は、図９の実施例における振動量信号vib31を他の手段に変えたものである。起動停止を決定するのは電源PWS31となり、振動量計測回路VMC32ではこの電源PWS31のエネルギー量を検出して起動停止を決定し、起動許可信号sas31を生成する。電源PWS31から交流信号が与えられると、ダイオードD31、D32、D33、D34が全波整流を行い、抵抗R36と容量C32によりリップルが整形されて直流電圧に変換される。この電圧値が参照電圧vref31と比較回路CMP31で比較される。比較回路CMP31の出力後の信号処理は、図７や図９のようにエネルギー量が一定以上存在する場合に起動許可信号sas31を出力し、エネルギー量が少なくなると起動許可信号sas31を出力しないような構成でもよいし、図１１のようにD型フリップフロップで起動許可信号sas31の出力を決定し、一度決定したら装置全体の電力がなくなるまで出力され続けるような構成でも良い。一度発電動作を起動したら停止したくないようなシステムではこちらの構成を用いる。電源PWS31は、RFとインダクタ、振動可能な磁石とインダクタ、あるいはピエゾ発電素子などを用いることができる。磁石の振動や、ピエゾ素子に振動を与える場合は、共振型可変容量とは別に参照として振動量を検出していることになる。

図１２は、本発明に係る基準クロック回路の一実施例を示す図である。基準クロック回路は、抵抗R41、R42、比較回路CMP41、バッファ回路BUF41から構成される。共振型可変容量RVC11の容量信号cap11または電荷輸送回路CTC11を経由した容量信号に相当する振動量信号vib11を入力し、参照信号vref41との電圧関係を比較回路CMP41が比較し、比較結果をバッファ回路BUF41が増幅して、基準信号sclk11として出力する。図１３に基準クロック回路の動作波形を示す。波形図の左図は起動時あるいは発電動作停止時の波形を、右図は発電動作中の波形を示す。共振型可変容量の容量値変化はRVC11として示される。基準クロック回路を接続すると、振動量信号の波形vib11は容量変化とちょうど逆位相で示され、基準信号がsclk11として出力される。このうち、振動量信号vib11のみ、発電動作中は波形が異なるが、他の動作は同じになる。図からわかるように、基準信号は容量変化すなわち振動エネルギーに対して位相は異なるが周期は同じになっているような信号を生成する。

図１４は、本発明に係る基準クロック回路の他の実施例を示す図である。本実施例の場合、容量変化の計測を共振型可変容量について直接測定するのではなく、計測用の参照可変容量CREF41を用いている。この場合、図１５に動作波形を示すように、容量信号vib41は発電動作の起動／停止に関わらず、常に同じ波形となり、検出も容易になる。

図１６は、本発明に係る基準クロック回路の他の実施例を示す図である。基準クロックを発生するためには、リング発振回路を用いても良い。この場合、必要な発振周期に応じてインバータ回路INV41の段数を制御すればよい。段数選択はセレクタ回路SEL41を用いて行う。段数選択の決定は、周波数制御命令fcmd41で行われる。この周波数制御命令fcmd41は、外部からの命令コマンドで行っても良い。振動エネルギーの周波数が変化するような場合は、それに応じて周波数制御命令fcmd41を対応させる。

図１７は、本発明に係る基準クロック回路の他の実施例を示す図である。この例では、基準信号sclk11を外部信号源EXS41とバッファ回路BUF42を用いて直接生成する。

図１８は、本発明に係るパルス生成回路の一実施例を示す図である。パルス生成回路はAND／インバータ／ＮＯＲ／ＯＲなどの論理回路と遅延制御回路DCL51、DCL52、DCL53、DCL54、DCL55、さらに出力量測定回路GPM51で構成される。タイミング制御信号swp／swnのパルス周期、位相、パルス幅は、基準信号sclk11を用いて遅延制御回路列で決定される。起動停止信号sssig11は得られているとする。出力量測定回路GPM51は、出力量信号genp11を入力して最適な遅延制御回路の遅延時間を決定しタイミング制御命令tcmd51を出力する。各遅延制御回路は、タイミング制御命令tcmd51により遅延時間を制御する。

図１９は、図１８のパルス生成回路の各接続点における動作波形を示す図である。(a)点は入力となる基準信号sclk11を示している。これに対し、タイミング制御信号swp／swnも図１９に示されている。この図において、基準信号sclk11の1周期の間に、swp／swn信号は4パルスが生成される。遅延制御回路DCL51とDCL54は(c)(f)に示されるように制御信号の位相を決めている。DCL52とDCL56は(d)(h)に示されるようにswnのパルス幅を、DCL53とDCL55は(e)と(g)に示されるようにswpのパルス幅を決定する。図からわかる通り、パルス信号の位相は基準信号sclk11の立ち上がりおよび立ち下がりそれぞれをもとに決定される。デューティ比が異なる信号を用いる場合に優れている。

図２３は、本発明に係るパルス生成回路の他の実施例を示す図である。図１８の構成と比べ、(a)信号ではなく(b)信号が遅延制御回路DCL54の入力となっている。

図２４は、図２３のパルス生成回路の動作波形を示す図である。この動作波形からわかるように、遅延制御回路DCL54の遅延は、(a)信号の立ち上がりから生成する。これは、基準信号sclk11が周期以外を正確に出力していないような場合に便利である。

図２０は、本発明に係る遅延制御回路の一実施例を示す図である。遅延制御回路は、インバータ、排他的OR等の論理回路と、D型フリップフロップDFF51、DFF52、遅延回路DEL51の列、セレクタ回路SEL51から構成される。遅延時間は遅延回路DEL51の遅延段数で決定され、遅延時間はセレクタ回路SEL51でD型フリップフロップDFF52に伝えられる。セレクタ回路SEL51による遅延回路DEL51の段数選別は、タイミング制御信号tcmd51で制御される。図２２に入力信号in51と出力信号out51の動作波形を示す。入力信号in51の立ち上がりから計算した遅延時間が出力信号のパルス幅となる。

図２２は、図２０の遅延制御回路の動作波形を示す図である。図２０にあるように入力クロック信号やセレクタ出力をD型フリップフロップで分周することで、図２２の波形に示されるように入力信号のデューティによらず遅延幅を可変にできるようになる。

図２１は、本発明に係る遅延制御回路の他の実施例を示す図である。遅延制御回路の遅延制御方法はデジタルでなくてもよい。図２１は、いわゆるシングルショット（モノパルス）マルチバイブレータ構造になっている。この回路の入出力波形は、同様に図２２のようになる。遅延時間は可変抵抗を用いて変更する。

図２５は、本発明に係る出力量測定回路の一実施例を示す図である。出力量測定回路はADコンバータADC51、レジスタREG51、REG52、引き算回路SUB51、判定回路JUD51、カウンタCNT51、デコーダDEC51から構成される。電荷輸送回路CTC11の発電出力信号genout11に対応した出力量信号genp11の電圧レベルはADコンバータADC51でデジタル値に変換され、レジスタREG51に記憶される。1周期後の次の発電結果がデジタル値になると、レジスタREG51の前回のデータはREG52に移され、新たな値がREG51に与えられる。毎周期、前回の出力データとの比較および判定を引き算回路SUB51、判定回路JUD51が行う。その結果、カウンタCNT51とデコーダDEC51でタイミング制御命令tcmd51を生成しパルス生成回路における遅延制御回路の遅延時間を調整しする。最終的には、発電出力の出力量が最大になるタイミング制御命令tcmd51が供給される。図２５は、パルス生成回路内の遅延制御回路の遅延時間1つを調整する。あるいは、DCL51とDCL54等は同じ信号でもかまわない。また、他にもDCL52、DCL53、DCL54、DCL55などの遅延時間を、別々に順番に決定して行っても良い。発電動作中、測定は常に行う予定だが、少しでも装置の消費電力を削減したい場合、始めの測定が終了次第出力量測定回路を遮断する。

図２６は、本発明に係る出力量測定回路の他の実施例を示す図である。この実施例では、図２５と比べてデータスルー回路THRU51、デジタル比較回路DCMP51が加わっている。レジスタREG51に記憶されている電力量が、前回のREG52に記憶されている値よりも大きくなると、データスルー回路を経てREG52に新たに記憶される。出力電力量が小さい場合は何もせずREG51の情報は失われる。

図２７は、本発明に係る出力制御回路の一実施例を示す図である。出力制御回路は、MOSトランジスタMS61〜MS68、抵抗R61、R62、容量C61、C62、出力信号outsig11、outsig12、カウンタCNT611から構成される。MOSトランジスタMS62、MS63、MS64、MS65、MS67、抵抗R61により、ツェナ−ダイオード構造が構成され、発電出力信号genout11の電圧を一定値以上に高くならないよう制限している。MOSトランジスタMS66と容量C61で小電力出力outsig11を生成、一方MOSトランジスタMS68と抵抗R62,容量C62により大電力出力outsig12を生成する。大電力出力は充電までに時間がかかるため、カウンタ回路CNT61により一定時間間隔で電力が利用できるようになる。動作波形を図２８に示す。出力sv61の電圧立ち上がりに対して、出力outsig11は比較的波形が似ている。大電力出力であるoutsig12は、充電に時間がかかる。

図２９は、本発明に係る可変振動エネルギー対応装置の一実施例を示す図である。振動の周波数が変化するときや、製造ばらつきにより共振周波数が変化するときには、図２９のような工夫が必要となる。図２９は、複数個の周波数源やノードが存在する場合のために、振動発電装置の中に可変振動エネルギー対応装置の中において、複数個の参照容量CREF71、CREF72、CREF73が用意され、振動エネルギー検出機構で電力が最も大ききな振動に対応させることができる。

図３０は、本発明に係る不揮発メモリの一実施例を示す図である。振動発電の応用例の一つを図３０に示す。メモリ81の電力を発電装置VGS81が出力信号outsig12として出力しメモリ81に供給する。これにより、SRAMやDRAMといった不揮発ではないメモリに電力を供給することで、不揮発メモリーを簡易に形成できる。

図３１は、本発明に係る発電装置付システムの一実施例を示す図である。発電装置を用いたシステムの一例として、振動発電装置VGS81、電力管理回路PMC81、電力供給バスPBS81、サブ電力管理回路SPM81、SPM82、SPM83、センサ回路SEN81、マイコン回路CPU81、RF回路RF81から構成される。電力管理回路PMC81は電源監視回路POB81、イベントモニタ回路EVM81、カウンタCNT81から構成される。振動発電装置VGS81の電力は電力管理回路PMC81により電力供給バスPBS81へ供給されるかまたは遮断される。電力管理回路PMC81においては、電源監視回路POB81が振動発電装置VGS81の監視を受け、発電量に応じて電力供給バスPBS81に供給するかどうかが決められる。カウンタCNT81により、一定時間毎に電力を供給する場合もある。そのような時でも、イベントモニタ回路EVM81が何らかのイベント発生を検知したら電力を供給させる。供給された電力は電力供給バスPBS81に蓄えられ、必要なモジュールに供給される。モジュールの例として、センサ回路SEN81、マイコンCPU81、RF回路RF81など。これらモジュールへの電力供給はサブ電力管理回路SPM81、SPM82、SPM83によってなされる。このような構成により、振動発電装置を組み込んだシステムLSIなどの装置を形成できる。

本発明は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置に係り、特に共振型可変容量が振動エネルギーと共振して容量を変化させる可変容量型振動発電装置に関する産業上の利用可能性を有する。

本発明の実施例の構成図。 振動発電装置の従来例。 振動発電装置の従来例の動作波形。 振動発電装置の共振型可変容量の従来例。 初期電荷保証回路の実施例の構成図。 初期電荷保証回路の他の実施例の構成図。 起動停止回路の実施例の構成図。 起動停止回路の動作波形図。 起動停止回路の他の実施例の構成図。 起動停止回路の他の実施例の構成図。 起動停止回路の他の実施例の構成図。 基準クロック回路の実施例の構成図。 基準クロック回路の動作波形図。 基準クロック回路の他の実施例の構成図。 基準クロック回路の他の実施例の動作波形図。 基準クロック回路の他の実施例の構成図。 基準クロック回路の他の実施例の構成図。 パルス生成回路の実施例の構成図。 パルス生成回路の動作波形図。 遅延制御回路の実施例の構成図。 遅延制御回路の他の実施例の構成図。 遅延制御回路の動作波形図。 パルス生成回路の他の実施例の構成図。 パルス生成回路の他の実施例の動作波形図。 パルス生成回路位相調整装置の実施例の構成図。 パルス生成回路位相調整装置の他の実施例の構成図。 出力制御回路の実施例の構成図。 出力制御回路の動作波形図。 可変振動エネルギー対応装置の実施例の構成図。 不揮発メモリーの実施例の構成図。 発電装置付システムの実施例の構成図。

符号の説明

ADC51，ADC71 ADコンバータ
AN11 アンカー
BUF31，BUF32，BUF41，BUF42，BUF71 バッファ回路
C21，C31，C32，CI51，CD51，C61，C62，C71 容量
CMP21，CMP31，CMP41，CMP71 比較回路
CNT51，CNT61，CNT81 カウンタ
CPAR 並列容量
CPU81 マイコン回路
CREF31，CREF41，CREF71，CREF72，CREF73 参照可変容量
CRES 貯蔵容量
CTC11 電荷輸送回路
D21，D22，D23，D24，D31，D32，D33，D34 ダイオード
DCL51，DCL52，DCL53，DCL54，DCL55，DCL56 遅延制御回路
DCMP51，DCMP71 デジタル比較回路
DEC51 デコーダ
DEL31，DEL51 遅延回路
DFF21，DFF31，DFF32，DFF51，DFF52 Ｄ型フリップフロップ
EVM81 イベントモニタ回路
EXS41 外部信号源
FB11 自由梁
GPM51 出力量測定回路
ICA11 初期電荷保証回路
INV41 インバータ回路
JUD51 判定回路
L インダクタンス
MEM81 メモリ回路
MS31，MS61，MS62，MS63，MS64，MS65，MS66，MS67，MS68 MOSトランジスタ
OCC11 出力制御回路
PBS81 電力供給バス
PGC11 パルス生成回路
PM11 振動質点
PMC81 電力管理回路
POB81 電源監視回路
PWS21，PWS22，PWS31 電源
R21，R31，R32，R33，R34，R35，R36，R41，R42，RI51，R61，R62，R71，R72，R73，R74 抵抗
RD51 可変抵抗
REG51，REG52 レジスタ
RF81 RF回路
RVC11，CMEMS 共振型可変容量
SC11，SC12 静止櫛歯
SCG11 基準クロック回路
SEL41，SEL51 セレクタ回路
SEN81 センサ回路
SPM81，SPM82，SPM83 サブ電力管理回路
SSC11 起動停止回路
STC31 起動タイミング調整回路
SUB51 引き算回路
SW1，SW2 スイッチ用MOSトランジスタ
SWT21，SWT31 スイッチ
THR51 データスルー回路
VGS81 振動発電装置
VMC31，VMC32 振動量計測回路
cap11，cap12 容量信号
fcmd41 周波数制御命令
genout11，vc 発電出力信号
genp11 出力量信号
gnd グランド
il インダクタ電流
in51 入力信号
intchg11，intchg12 初期電荷信号
intcmd61 間欠命令
outsig11，outsig12，out51，sv61 出力信号
rscmd71 共振素子選択命令
sas31 起動許可信号
sclk11 基準信号
sscmd31 起動停止命令
sssig11 起動停止信号
swp，swn タイミング制御信号
t1，t2，t3，t4，t5，t51，t52，t53，t54，t55，t56 時間
tcmd51 タイミング制御命令
vdd 初期電圧
vib11，vib31，vib41，vib71，vib72，vib73 振動量信号
vm 共振型可変容量電圧
vref21，vref31，vref41 参照電圧。

Claims (12)

1. 第１および第２の初期電荷信号を出力する初期電荷保証回路と、
   前記第２の初期電荷信号と、振動量信号と、基準信号とを入力して起動停止信号を出力する起動停止回路と、
   前記振動量信号を入力して前記基準信号を出力する基準クロック回路と、
   前記起動停止信号と、前記基準信号と、出力量信号とを入力して第１および第２のタイミング制御信号を出力するパルス生成回路と、
   前記第１の初期電荷信号と、前記第１および第２のタイミング制御信号と、第１および第２の容量信号とを入力して前記振動量信号と、前記出力量信号と、発電出力信号とを出力する電荷輸送回路と、
   前記第１および第２の容量信号を出力する共振型可変容量と、
   前記発電出力信号を入力して第１および第２の出力信号を出力する出力制御回路と
   を具備して成り、
   前記出力制御回路は、前記共振型可変容量が得る振動エネルギーを電気エネルギーに変換して発電することを特徴とする振動発電装置。
2. 請求項１において、
   前記初期電荷保証回路は、前記振動発電装置が発電動作を開始するための初期電力を前記振動発電装置に供給することを特徴とする振動発電装置。
3. 請求項２において、
   前記初期電荷保証回路は、電源とスイッチと比較回路とを具備して成り、
   前記電源の電力は、前記スイッチを介して前記第１の初期電荷信号として前記振動発電装置に供給され、
   前記比較回路は、前記電源の電力が前記振動発電装置を駆動するために必要な電力量以上ある場合に前記第２の初期電荷信号を出力することを特徴とする振動発電装置。
4. 請求項１において、
   前記起動停止回路は、前記振動発電装置が発電動作を開始あるいは停止することを決定して前記起動停止信号を生成することを特徴とする振動発電装置。
5. 請求項４において、
   前記起動停止回路は、振動量計測回路と起動タイミング調整回路とを具備して成り、
   前記振動量計測回路は、前記共振型可変容量に与えられる振動の大きさを計測し、計測された振動の大きさに応じて発電動作の起動および停止を決定し、
   前記起動タイミング調整回路は、前記振動量計測回路が決定した発電動作の起動および停止に係る命令を振動の位相に応じて前記起動停止信号として生成することを特徴とする振動発電装置。
6. 請求項１において、
   前記基準クロック回路は、前記共振型可変容量に与えられる振動の周期に応じたクロック信号を前記基準信号として生成することを特徴とする振動発電装置。
7. 請求項１において、
   前記パルス生成回路は、前記電荷輸送回路を制御するための前記タイミング制御信号を前記基準信号に合わせて生成することを特徴とする振動発電装置。
8. 請求項７において、
   前記パルス生成回路は、少なくとも１つの遅延制御回路と論理回路とを具備して成り、
   前記タイミング制御信号の位相およびパルス幅を任意に制御可能であることを特徴とする振動発電装置。
9. 請求項８において、
   前記パルス生成回路は出力量測定回路を含んで成り、
   前記出力量測定回路は、前記出力量信号の電力の大きさを測定し電力が最適になるようにタイミング制御命令を生成し、
   前記遅延制御回路は、前記タイミング制御回路により遅延時間を最適制御し、前記電荷輸送回路が生成する前記発電出力信号の電力を最適化することを特徴とする振動発電装置。
10. 請求項１において、
    前記出力制御回路は、前記電荷輸送回路が生成する発電出力信号を安定化し、前記第１および第２の出力信号を電力量および電力使用頻度に応じて供給することを特徴とする振動発電装置。
11. 請求項１０において、
    前記出力制御回路は、前記発電出力信号を一定の電圧レベル以下に抑えるように安定化し、第１の電力出力を第１の期間で蓄えて前記第１の出力信号として略定常的に出力し、前記第１の電力出力より大きい第２の電力出力を前記第１の期間より長い第２の期間で蓄えて前記第２の出力信号として間欠的に出力することを特徴とする振動発電装置。
12. 請求項１において、
    共振周波数の異なる前記共振型可変容量を複数個具備して成り、
    前記共振型可変容量に与えられる振動エネルギーから変換される電気エネルギーが最も大きくなる前記共振型可変容量を選択し、発電電力が振動エネルギーの周波数と大きさに応じて最大となるよう構成されていることを特徴とする振動発電装置。
    

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