JP2012016225A - 電圧変換回路、および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電源回路の出力電圧を負荷回路への供給電圧に降圧する際の電圧変換効率を可及的に好適な状態とする。
【解決手段】電圧変換回路において、電源から充電される複数の一次コンデンサと、前記複数の一次コンデンサのそれぞれに対して並列に接続され、負荷回路への供給電圧で充電可能な二次コンデンサと、前記複数の一次コンデンサのそれぞれに対応して設けられ、該一次コンデンサと前記二次コンデンサとの接続状態を切り換える複数のスイッチング回路と、を備える。充電電圧が二次コンデンサの充電電圧より高い所定接続電圧に到達した一次コンデンサのそれぞれを二次コンデンサに対して、一次コンデンサ同士の短絡が生じないように順次対応するスイッチング回路を介して接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源の出力電圧を負荷回路への供給電圧に降圧する電圧変換回路、およびそれを含む電子機器に関する。

昨今の省エネルギーの流れから、化石燃料等に依存しない日常的に存在する環境エネルギーが注目されている。環境エネルギーとして太陽光や風力等による発電エネルギーは広く知られているが、これらに劣らないエネルギー密度を有する環境エネルギーとして、日常周囲に存在する振動エネルギーを挙げることができる。そして、この振動エネルギーから発電を行う発電装置からの電力を負荷回路に供給するために、該負荷回路に適した供給電圧に電圧変換する回路においては、その変換効率の向上が従来より検討されている。

たとえば、その振動発電装置が有する出力インピーダンスに起因して所望の電圧降下が困難となることを踏まえ、電圧変換効率の低下を抑制する技術が公開されている（特許文献１を参照。）。当該技術では、複数のコンデンサを電源回路と負荷回路に対して、直列接続と並列接続とに接続状態を切り換えるスイッチング回路を設け、電源回路からの入力電圧やその周波数に基づいてスイッチング回路におけるコンデンサの接続数が制御される。また、振動振幅が小さな振動から効率的に発電を行うための技術として、特許文献２に示す技術が開示されている。当該技術では、振動発電装置からの電力出力を制御するスイッチのＯＮ、ＯＦＦ制御を、振動の周期に基づいて行うことで、電力の出力周期が変動される。

特開２００９−１２４８０７号公報 特開２００５−１３０６２４号公報 特開２００５−１９８４５３号公報

交流電源の出力電圧を直列接続された複数のコンデンサに一度充電し、その後それらのコンデンサにおける充電エネルギーを、各コンデンサに対して並列接続された負荷回路に同時に供給することで、交流電源の出力電圧を降圧する場合、各コンデンサの容量にばらつきがあると、その影響によりコンデンサから負荷回路への電力供給の効率を最適な状態に維持することが困難となる。一般にコンデンサ容量を厳密に揃えることは困難であるため、従来技術では、電力供給効率を好適に維持することは難しい。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、交流電源の出力電圧を負荷回路への供給電圧に降圧する際の電圧変換効率を可及的に好適な状態とする電圧変換回路を提供することを目的とする。

本発明においては、上記課題を解決するために、交流電源と負荷回路との間に設けられる電圧変換回路において、電源から充電される複数の一次コンデンサを設け、そして、二次コンデンサの充電電圧より高い状態まで充電された一次コンデンサのそれぞれを個別に且つ順次二次コンデンサに接続することで、良好な効率で二次コンデンサ側に充電することとした。

詳細には、本発明は、電圧変換回路であって、電源から充電される複数の一次コンデンサと、前記複数の一次コンデンサのそれぞれに対して並列に接続され、負荷回路への供給電圧で充電可能な二次コンデンサと、前記複数の一次コンデンサのそれぞれに対応して設けられ、該一次コンデンサと前記二次コンデンサとの接続状態を切り換える複数のスイッチング回路と、充電電圧が前記二次コンデンサの充電電圧より高い所定接続電圧に到達した前記一次コンデンサのそれぞれを前記二次コンデンサに対して対応する前記スイッチング回路を介して順次接続する接続制御回路であって、該二次コンデンサに対する該一次コンデンサの接続状態を該一次コンデンサ同士が電気的に短絡しないよう制御する接続制御回路と、を備える。

上記電圧変換回路では、電源から複数の一次コンデンサへ充電が行われ、個々の一次コンデンサの充電電圧は、各一次コンデンサの容量に応じて電源の出力電圧が分配、分割されたものとなる。なお、複数の一次コンデンサのそれぞれの容量は全て同一でもよく、またその一部もしくは全部の一次コンデンサの容量はそれぞれ異なっていてもよい。ここでいうコンデンサ容量における「同一」とは、いわゆる公称値であり、コンデンサの個体差による容量のばらつきまでも考慮したものではない。

そして、複数の一次コンデンサのそれぞれと二次コンデンサは、各一次コンデンサに対応するスイッチング回路を介してそれぞれ接続されている。すなわち、各一次コンデンサは、二次コンデンサに対して対応するスイッチング回路を介して独立的に接続され、又は遮断される。なお、本発明に係る電圧変換回路では、二次コンデンサは一つのコンデンサもしくは複数のコンデンサを含んで形成されてもよい。重要であるのは、二次コンデンサは、複数の一次コンデンサのそれぞれに対してスイッチング回路を介して接続されたり、遮断されたりする構成であればよく、二次コンデンサ自体を形成するコンデンサの数やそのコンデンサ同士の接続形態は適宜採用すればよい。

ここで、各一次コンデンサと二次コンデンサとの接続、遮断は、接続制御回路によって制御される。接続制御回路は、複数の一次コンデンサの全てを同時に二次コンデンサに接続して二次コンデンサの充電を図るのではなく、二次コンデンサの充電電圧よりも高い所定接続電圧にその充電電圧が到達している一次コンデンサを、該二次コンデンサへの接続対象とする。すなわち、上記接続制御回路は、一次コンデンサから二次コンデンサへの充電において、好適な充電効率、換言すれば好適な電圧変換効率が実現可能な一次コンデンサと二次コンデンサとの接続、遮断を制御する。さらに、接続制御回路による接続では、一次コンデンサ同士が電気的に短絡状態とならないように、上記条件を満たす一次コンデンサと二次コンデンサとの接続状態が制御される。一次コンデンサ同士で短絡が生じると、二次コンデンサへの好適な充電が困難となるからである。

このように複数の一次コンデンサのそれぞれの充電電圧と二次コンデンサの充電電圧との相関に応じて、接続制御回路が一次コンデンサと二次コンデンサとの接続状態を制御する構成を採用することで、一次コンデンサの容量に含まれるばらつきが比較的大きくなっても、二次コンデンサとの接続は、各一次コンデンサの充電電圧に基づいて制御されることになり、以て二次コンデンサの充電に対する一次コンデンサの容量のばらつきの影響を可及的に排除できる。さらに、一次コンデンサ同士の短絡を回避すべく、一次コンデンサの接続状態が制御されることで、一次コンデンサを介した電源から二次コンデンサへの充電、電圧変換は、好適な効率の下で実現可能である。

上記の電圧変換回路において、前記所定接続電圧は、前記一次コンデンサの充電電圧と前記二次コンデンサの充電電圧との電圧差が、該一次コンデンサから該二次コンデンサへの電荷移動効率を所定効率以上とする電圧差となる、該二次コンデンサの充電電圧より高
い電圧値であってもよい。すなわち、一次コンデンサの充電電圧と二次コンデンサの充電電圧との電圧差が、一次コンデンサから二次コンデンサへの電荷移動の効率に影響を与えることを踏まえて、所定接続電圧が決定される。二次コンデンサの充電電圧に対して一次コンデンサの充電電圧が高くなると、換言すれば上記電圧差が大きくなると、電荷移動効率が低下していく傾向が見出せた。この傾向自体は、一次コンデンサの容量と二次コンデンサの容量に違いがあっても基本的には変化はない。そこで、接続制御回路によって二次コンデンサに接続されると判断されるための所定接続電圧は、この電荷移動効率の傾向を踏まえて決定されるのが好ましい。実験的には、所定接続電圧は、上記所定効率が８５％以上となり得る、二次コンデンサの充電電圧の１．１〜１．２倍程度の電圧が好ましい。

ここで、上記電圧変換回路において、前記複数の一次コンデンサのそれぞれに対して設けられ、該一次コンデンサの充電電圧を監視する電圧監視回路を更に備えてもよく、この場合、前記接続制御回路は、前記電圧監視回路によって得られた前記一次コンデンサの充電電圧に基づいて、前記スイッチング回路を介した接続制御を行う。これにより、一次コンデンサから二次コンデンサへの充電効率を良好に維持することができる。

上述までの電圧変換回路において、前記接続制御回路は、前記スイッチング回路を介して前記一次コンデンサと前記二次コンデンサとを接続する際の接続時定数を、該スイッチング回路を介した接続を遮断する際の遮断時定数より長く設定するのが好ましい。接続時定数を遮断時定数より長くすることで、一次コンデンサからは徐々に電荷が移動することになるため、接続制御回路が一次コンデンサを二次コンデンサに順次接続していく際に一次コンデンサ同士の短絡を回避しやすくなる。なお、接続時定数を遮断時定数に対してどの程度長くするかについては、一次コンデンサ同士の短絡回避の観点から適宜決定すればよい。また、遮断時定数は、効率的に一次コンデンサを二次コンデンサに順次接続するためにも、可及的に速やかに遮断する値であるのが好ましい。

このように接続時定数を比較的長く設定することで、前記接続制御回路は、前記二次コンデンサに対して接続された前記一次コンデンサに対応する前記スイッチング回路の遮断タイミングを、充電電圧が前記所定接続電圧に到達している他の一次コンデンサに対応する前記スイッチング回路の接続タイミングと同時としてもよい。上記の通り接続時定数が設定されることで、一の一次コンデンサの遮断タイミングと他の一次コンデンサの接続タイミングとを同時としても、一次コンデンサ同士の短絡が抑制され得る。

ここで、上述までの電圧変換回路において、前記複数の一次コンデンサの数は、該複数の一次コンデンサによる総充電電圧が、前記電源からの充電効率を所定充電効率以上とする、該電源の開放端電圧の所定割合に相当する電圧範囲に属することを可能とする数とされてもよい。複数の一次コンデンサによる総充電電圧は、その一次コンデンサの数に応じて増加する。そして、電源から各一次コンデンサへの充電については、理論的には、電源の開放端電圧に対する該複数の一次コンデンサによる総充電電圧の比率（以下、「一次電圧比」という。）が５０％近傍となるとき、その充電効率が概ね良好な値（上記所定充電効率）となることが知られている。しかし、充電効率を所定充電効率とする上記一次電圧比は、電源や複数の一次コンデンサに含まれる内部抵抗等の影響により変動することから、この変動を踏まえ一次電圧比が採るべき上記所定割合が決定されるのが好ましい。なお、複数の一次コンデンサの数は、電源の開放端電圧等に応じて予め固定的に設定されてもよく、また当該開放端電圧等の変化に応じて変動的に調整できるようにしてもよい。

ここで、上述したように電圧変換回路に電圧監視回路が備えられる場合、この電圧監視回路自体は内部抵抗を有するため、上記所定割合の決定に対して何らかの影響を及ぼす構成であるから、上記充電効率を所定充電効率とするための一次電圧比の決定については、電圧監視回路の内部抵抗を考慮するのが好ましい。

ここで、上述までの電圧変換回路において、前記複数の一次コンデンサの数は、該複数の一次コンデンサによる総充電電圧が、前記電源の開放端電圧の半分以下となる数であって、２個以上の数であってもよい。すなわち、電源から各一次コンデンサへの充電効率の低下を甘受した上で一次コンデンサの数を減らすことで、電圧変換回路の小型化を図ることができる。

また、上述までの電圧変換回路において、前記複数の一次コンデンサに対して並列に接続され、且つ該複数の一次コンデンサと前記二次コンデンサとの間に接続される降圧コンバータを、更に備え、その場合、前記複数の一次コンデンサの数は、該複数の一次コンデンサによる総充電電圧が、前記降圧コンバータの入力電圧の近傍の値となる数とされてもよい。複数の一次コンデンサの数を降圧コンバータの入力電圧に合わせて調整することで、降圧コンバータの特性を生かしながら、電圧変換回路の最適設計、特にその小型化を図ることができる。

また、上述までの電圧変換回路において、前記電源は、外部からの振動エネルギーを電力変換する振動発電装置を含むものであってもよく、それ以外の電力を供給可能な電源装置であってもよい。

また、本発明の上述までの電圧変換回路を含む電子機器の側面から捉えることも可能である。すなわち、本発明は、上述までの電圧変換回路および前記負荷回路を有する電子機器であって、そこでは、前記電源の出力電圧が前記電圧変換回路によって前記負荷回路への供給電圧に降圧される。

交流電源の出力電圧を負荷回路への供給電圧に降圧する際の電圧変換効率を可及的に好適な状態とすることが可能となる。

本発明に係る電圧変換回路の概略構成を示す図である。 電源回路の出力電圧に対する一次コンデンサ群の総充電電圧の比率と、その充電効率との相関を示す第一の図である。 電源回路の出力電圧に対する一次コンデンサ群の総充電電圧の比率と、その充電効率との相関を示す第二の図である。 電源回路の出力電圧に対する一次コンデンサ群の総充電電圧の比率と、その充電効率との相関を示す第三の図である。 図１に示す電圧変換回路で発揮される機能をイメージ化した機能ブロック図である。 一次コンデンサの充電電圧と二次コンデンサの充電電圧に対する、両コンデンサ間の電荷移動率の相関を示す図である。 電源回路から二次コンデンサへの充電が行われる際の、一次コンデンサと二次コンデンサの接続時および遮断時の時定数に関する図である。 本発明に係る電圧変換回路での一次コンデンサの充電電圧、スイッチング回路のＯＮ信号、一次コンデンサから二次コンデンサへの放電電流の推移を示すタイムチャートである。 本発明に係る電圧変換回路の充電効率と二次コンデンサの充電電圧との相関を示す図である。 本発明に係る電圧変換回路の概略構成を示す第二の図である。

以下に、図面を参照して本発明の実施形態に係る電圧変換回路１について説明する。なお、以下の実施形態の構成は例示であり、本発明はこの実施の形態の構成に限定されるものではない。

図１は、本発明における交流電源に相当し、外部振動をソースとして発電を行う振動発電装置１１と負荷回路１５との間に設けられ、振動発電装置１１の出力電圧を降圧し、負荷回路１５の駆動電圧として蓄電する二次コンデンサ６を有する電圧変換回路１の概略構成を示す。ここでは、振動発電装置１１と、その発電電流の整流を行う整流回路１２とで電源回路１０が形成され、電源回路１０の出力は電圧変換回路１側へ入力される。振動発電装置１１の一例としてエレクトレット材料を利用した発電装置が挙げられる。振動発電装置は公知の技術であるため、本明細書におけるその詳細な説明は割愛する。また、振動発電装置以外の発電装置も電源回路１０内に含めても構わない。なお、本実施例では、発電量が２０〜１００μＷ、出力電圧が３０〜８０Ｖｐ−ｐ規模のエレクトレット材料を用いた振動発電装置を採用するが、本発明の適用は当該装置に限られない。

さらに、電圧変換回路１と負荷回路１５との間には、該電圧変換回路１内の二次コンデンサ６に蓄電されたエネルギーを負荷回路１５側に供給するためのスイッチング回路１６が設けられている。

電圧変換回路１においては、複数の一次コンデンサが直列に接続されることで形成された一次コンデンサ群２に対して、電源回路１０の出力端子が接続され、その出力が一次コンデンサ群２に含まれる一次コンデンサ２１〜２３に入力される。なお、本実施例では、一次コンデンサ２には３個の一次コンデンサが含まれているが、その個数は後述するように電圧変換効率（充電効率）等を踏まえて適宜調整される。なお、今、一次コンデンサ２１〜２３の容量は同じとする。

そして、一次コンデンサ群２に含まれる３個の一次コンデンサ２１〜２３のそれぞれに対して、二次コンデンサ６が並列に接続可能となるように配線され、且つ各一次コンデンサと二次コンデンサ６との配線において、両コンデンサの接続状態、遮断状態を切り換えるスイッチング回路が、各一次コンデンサに対応して設けられている。具体的には、一次コンデンサ２１と二次コンデンサ６との間には、スイッチング回路７１ａ、７１ｂが設けられ、一次コンデンサ２２と二次コンデンサ６との間には、スイッチング回路７２ａ、７２ｂが設けられ、一次コンデンサ２３と二次コンデンサ６との間には、スイッチング回路７３ａ、７３ｂが設けられている。これらのスイッチング回路は、後述するように対応する一次コンデンサの充電電圧等に応じて、それぞれ独立してそのスイッチ動作が制御され、その制御のために対応する一次コンデンサごとにスイッチング調整回路４１〜４３が設置されている。

また、一次コンデンサ群２に含まれる３個の一次コンデンサ２１〜２３のそれぞれに対して、その充電電圧を監視するための電圧監視回路３１〜３３が設置されている。この電圧監視回路３１〜３３によって検出された各一次コンデンサの充電電圧は切換制御回路５に渡される。切換制御回路５は、渡された各一次コンデンサの充電電圧と、二次コンデンサ６の充電電圧に基づいて、スイッチング調整回路４１〜４３を介して、スイッチング回路７１ａ〜７３ｂのスイッチング動作の制御を行う。したがって、この切換制御回路５およびスイッチング制御回路４１〜４３が、本発明に係る接続制御回路に相当する。また、二次コンデンサ６については、図示されていない上限電圧制御回路が併設されている。この上限電圧制御回路は、蓄電されたエネルギーを負荷回路１５側に供給するときに、負荷回路１５に過度な電圧が印加されないように二次コンデンサ６の上限電圧（たとえば、３〜３．１５Ｖ）を制限する回路である。したがって、本実施例では、二次コンデンサ６は
、概ね上限電圧に蓄電された状態に維持されるべく、電源回路１０からの充電が行われる。

電圧変換回路１の動作時においては、一次コンデンサ群２は、図１に示すように電源回路１０に対して常時接続された状態である。そのため、電源回路１０に含まれる振動発電装置１１からの電力供給（振動発電）に応じて、各一次コンデンサに電源回路１０から常時充電が為されている。このとき、振動発電装置１１と一次コンデンサ群との間の充電効率は、振動発電装置１１の開放端電圧と一次コンデンサ群２の総充電電圧との比率（一次電圧比）に依拠して変動する。
ここで、振動発電装置１１と一次コンデンサ群との間の充電効率Ｅｃ１は、以下の式で表わされる。
Ｅｃ１＝（単位時間に一次コンデンサ群へ蓄積されたエネルギー量）
／（整合抵抗時の振動発電装置１１の供給（発電）電力量）

このように定義される充電効率Ｅｃ１と一次電圧比との理論的な相関をプロットすると、図２Ａに線Ｌ１で示すように、一次電圧比が５０％のときに極値をむかえる放物線が描写できる。したがって、一次コンデンサ群２の総充電電圧が、振動発電装置１１の開放端電圧の半分となるように、一次コンデンサ群２に含まれる一次コンデンサの数を決定すればよい。なお、一次コンデンサの充電電圧は、後述するスイッチング回路７１ａ等のスイッチング動作で放電が行われることで変動する。そこで、一つの一次コンデンサ（たとえば、一次コンデンサ２１）でのスイッチング動作による一次コンデンサから二次コンデンサ６への充電初期（充電開始タイミング）の充電電圧をＶ１とし、同充電の終止時期（充電終了タイミング）の充電電圧をＶ１’としたときの、両電圧の平均値Ｖ１ａｖｅ（＝（Ｖ１＋Ｖ１’）／２）を用いて、以下のように便宜的に算出してもよい。
一次コンデンサ群２の総充電電圧＝ｎ × Ｖ１ａｖｅ
（ｎは一次コンデンサ群２に含まれる一次コンデンサの数。本実施例はｎ＝３となる）
一般に、市場で入手できるコンデンサは、その容量は既定値であるため、一次コンデンサ群２の総充電電圧が、ちょうど振動発電装置１１の開放端電圧の半分（５０％）となるように、そこに含まれる一次コンデンサの数を決定するのは難しい場合がある。そのような場合には、可及的に一次コンデンサ群２の総充電電圧が振動発電装置１１の開放端電圧の半分に近づくように、そこに含まれる一次コンデンサの数を決定すればよい。

一方で、一次コンデンサ群２に対して負荷抵抗が接続されている場合には、図２Ｂにおいて線Ｌ２で示すように、又は図２Ｃにおいて線Ｌ３で示すように、充電効率が極値をむかえるときの一次電圧比が５０％より低くなる。図２Ｂは、内部抵抗が１０ＭΩ〜２０ＭΩの振動発電装置１１を用いた場合の、一次コンデンサに対して１０ＭΩ程度の負荷抵抗が接続された状態の充電効率の推移を表す図であり、図２Ｃは、同様の振動発電装置１１を用いた場合の、一次コンデンサに対して１００ＭΩ程度の負荷抵抗が接続された状態の充電効率の推移を表す図である。なお、参考までに図２Ｂにおける線Ｌ４および図２Ｃにおける線Ｌ５は、負荷抵抗での電力消費効率を表す。このように充電効率の極値が変動する要因としては、一次コンデンサが、自身にエネルギーを蓄えながら接続されている負荷抵抗にエネルギーを供給している点が挙げられる。そして、図１に示す電圧変換回路１においては、一次コンデンサ群２に含まれる各一次コンデンサに対して電圧監視回路３１〜３３が接続されており、これらの回路が負荷抵抗に相当する。したがって、電圧変換回路１においては、電圧監視回路３１〜３３の内部抵抗を踏まえて、一次コンデンサ群２に含まれる一次コンデンサの数を決定すればよい。

このように構成される電圧変換回路１で行われる振動発電装置１１から二次コンデンサ６への充電動作について、図３に基づいて説明する。当該充電動作は、上記切換制御回路５を中心として電圧監視回路３１〜３３、スイッチング調整回路４１〜４３が協働して実
行され、これにより電源回路１０の出力電圧が、負荷回路１５の駆動電圧に相当する二次コンデンサ６の充電電圧まで降圧されることになる。図３は、電圧監視回路３１〜３３、スイッチング調整回路４１〜４３、切換制御回路５で発揮される機能をイメージ化して表わした機能ブロック図である。各回路は、図３に示す機能部以外の機能部を有していてももちろん構わない。

一次コンデンサ群２に含まれる各一次コンデンサには、充電電圧監視部１０１、スイッチング切換要求部１０２、放電終了通知部１０３が形成される。充電電圧監視部１０１は、電圧監視回路３１〜３３がそれぞれ対応している一次コンデンサ２１〜２３の充電電圧を常時監視している。この監視により取得された各一次コンデンサの充電電圧値は、適宜のタイミングで切換制御回路５へ渡される。スイッチング切換要求部１０２は、一次コンデンサに貯められたエネルギーを二次コンデンサ６に移すために、対応するスイッチング回路７１ａ〜７３ｂを切り替えて、当該一次コンデンサと二次コンデンサ６とを接続状態とするために切換制御回路５に対して切換要求を出す。なお、この切換要求を出す条件は、一次コンデンサ２１〜２３の充電電圧と二次コンデンサ６の充電電圧の相関が所定の条件を満たす場合であり、その所定の条件については詳細を後述する。次に、放電終了通知部１０３は、上記の一次コンデンサから二次コンデンサ６への電力供給により、一次コンデンサの充電電圧が所定の閾値まで低下してきたときに、切換制御回路５に対して放電終了を通知する。

次に、切換制御回路５には、切換優先順位決定部２０１、接続状態確認部２０２、接続許可部２０３、遮断指示部２０４が形成される。切換優先順位決定部２０１は、スイッチング回路７１ａ〜７３ｂによって二次コンデンサ６に対して複数の一次コンデンサ２１〜２３が同時に接続されないように、すなわち一次コンデンサ間での短絡が回避されるように、その接続のための優先順位を決定する。なお、切換優先順位決定部２０１の対象となる一次コンデンサは、上記スイッチング切換要求部１０２によって切換要求が出された一次コンデンサとされる。接続状態確認部２０２は、二次コンデンサ６に対して何れかの一次コンデンサが接続状態となっているか否かについて確認を行う。接続許可部２０３は、接続状態確認部２０２によって確認された状況に基づいて、二次コンデンサ６に対する一次コンデンサの接続を許可する。遮断指示部２０４は、上記の放電終了通知部１０３からの通知に基づいて、対象となる一次コンデンサと二次コンデンサ６との接続状態を解消すべく遮断指示をスイッチング調整回路４１〜４３に出す。

次に、各スイッチング調整回路には、スイッチング実行部３０１が形成される。スイッチング実行部３０１は、上記の接続許可部２０３からの許可信号、又は上記の遮断指示部２０４からの遮断指示に従って、対応するスイッチング回路７１ａ〜７３ｂのスイッチング動作を制御する。

このように形成された、電圧監視回路３１〜３３、切換制御回路５、スイッチング調整回路４１〜４３によって、電圧変換回路１では、以下に示す処理が行われることで、振動発電装置１１の出力電圧による二次コンデンサ６の充電が行われる。なお、以下の処理項目（１）〜（５）の順序は限定的なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、処理項目の順序は適宜調整されても構わない。
＜充電処理＞
（１）電源回路１０からの出力電流は、一次コンデンサ群２に含まれる各一次コンデンサに蓄えられる。これにより、各一次コンデンサの充電電圧が上昇する。この一次コンデンサの充電電圧の変動は、対応する電圧監視回路の充電電圧監視部１０１によって監視される。

（２）充電電圧監視部１０１によって監視されている各一次コンデンサの充電電圧が基準
となる所定接続電圧に到達すると、スイッチング切換要求部１０２が切換要求を切換制御回路５に対して送る。
ここで、所定接続電圧は、各一次コンデンサと二次コンデンサ６が接続されたときに、一次コンデンサから二次コンデンサ６への電荷の移動効率が良好な値となるように決定される。そこで、所定接続電圧の決定について、図４に基づいて説明する。図４は、一次コンデンサと二次コンデンサが接続されたときに、一次コンデンサから二次コンデンサへの電荷の移動効率を、各コンデンサの充電電圧ごとに表わしている。なお、この電荷の移動効率は理論的に下記式に従って算出されたものである。
電荷の移動効率＝（接続による二次コンデンサのエネルギー増加分）
／（一次コンデンサのエネルギー減少分）

図４の上段(a)は、一次コンデンサと二次コンデンサの容量がともに１０μＦの場合で
あり、下段(b)は、一次コンデンサの容量が１μＦ、二次コンデンサの容量が１００００
０００μＦの場合である。なお、各コンデンサの充電電圧の初期とは、接続を開始したタイミングでの充電電圧であり、終止とは、接続を終え遮断したタイミングでの充電電圧である。図４からも明らかなように、一次コンデンサと二次コンデンサの容量にかかわらず、初期において一次コンデンサの充電電圧と二次コンデンサの充電電圧との電圧差が小さくなるほど、電荷の移動効率が上昇する傾向がある。

そこで、本実施例では、電荷の移動効率を概ね８５％以上に到達させるべく、一次コンデンサと二次コンデンサの電圧差が、初期の一次コンデンサの充電電圧が、初期の二次コンデンサの充電電圧の１．１〜１．２倍程度となる電圧となる電圧差であるとき、一次コンデンサから二次コンデンサへの電荷の移動を行う、すなわち、上記切換要求を切換制御回路５に対して送ることとする。具体的には上述の通り、二次コンデンサ６には上限電圧制御回路が併設されることで、その充電電圧が概ね３〜３．１５Ｖに維持されていることから、本実施例における所定接続電圧は、３．３Ｖ程度とする。

（３）切換優先順位決定部２０１が、各電圧監視回路のスイッチング切換要求部１０２からの切換要求に従って、二次コンデンサ６に対して接続する一次コンデンサの２１〜２３の接続順位を決定する。原則として、切換要求が届いた順に接続順位を付与するが、接続状態が維持される期間において複数の一次コンデンサが同時に接続状態となる可能性がある場合には、一次コンデンサ２１、一次コンデンサ２２、一次コンデンサ２３の順序で優先的に接続順位を付与するものとする。なお、接続順位の付与については、上記以外の態様でも構わないが、重要であるのは、２個以上の一次コンデンサが二次コンデンサ６に対して同時に接続された状態とならないように、接続順位が付与されることである。

（４）接続状態確認部２０２によって二次コンデンサ６に対して何れかの一次コンデンサが接続されているか否かが判定される。そこで、接続されていないと判定されると、最優先の接続順位が付与された一次コンデンサと二次コンデンサ６との接続を許可する指示が、接続許可部２０３によって、該一次コンデンサに対応するスイッチング回路に対して出される。これにより、スイッチング回路のスイッチング実行部３０１が両コンデンサを接続し、以て二次コンデンサ６が充電される。一方で、接続していると判定されると、現在二次コンデンサ６に接続されている一次コンデンサに対応する、電圧監視回路の放電終了通知部１０３から放電終了の通知が届くまで、接続許可部２０３による接続を許可する指示の発令は待機状態とされる。

なお、放電終了通知部１０３からの放電終了の通知は、一次コンデンサの充電電圧が、二次コンデンサ６の充電電圧に近い値となったときに出される。放電終了通知部１０３から放電終了の通知が出されると、遮断指示部２０４が、接続されている一次コンデンサと二次コンデンサ６とを遮断するための遮断指示を、該接続されている一次コンデンサに対
応するスイッチング回路に対して出す。これを受けたスイッチング回路のスイッチング実行部３０１は、一次コンデンサと二次コンデンサの接続を遮断する。この遮断と同時に、上述した次に二次コンデンサ６に接続される一次コンデンサに対応するスイッチング回路による両コンデンサの接続が実行されることになる。

ここで、スイッチング回路による接続および遮断時の、一次コンデンサと二次コンデンサとの間における接続に関する状態推移を図５の上段(a)に示す。本実施例においては、
スイッチング実行部３０１がスイッチング回路を接続状態（ＯＮ状態）とするときの接続時定数Δｔ１は、スイッチング回路を遮断状態（ＯＦＦ状態）とするときの遮断時定数Δｔ２と比べて比較的に長く設定されている。たとえば、Δｔ１は約７ｍｓｅｃであり、Δｔ２は可及的に０ｍｓｅｃに近い値である。このように接続時定数を比較的長くすることで電荷の移動が緩やかに行われるため、仮にあるスイッチング回路で遮断処理を行っている最中に別のスイッチング回路で接続処理を行っても、それぞれのスイッチング回路に対応する一次コンデンサ同士が短絡ことを回避することが可能となる。この結果、上記のように、あるスイッチング回路での遮断処理と別のスイッチング回路での接続処理が同時に行われても、一次コンデンサ同士の短絡は実質的に回避できる。

一方で、図５の下段(b)に示すように接続時定数Δｔ１と遮断時定数Δｔ２とをともに
可及的に０ｍｓｅｃに近い値とすると、あるスイッチング回路での遮断処理と別のスイッチング回路での接続処理が同時に行われると、もしくは両処理の間隔が極めて近接して行われると、一次コンデンサ同士で短絡が生じる可能性が高くなる。特に、本発明に係る電圧変換回路１においては、二次コンデンサ６に対して実質的に１個の一次コンデンサのみを接続させることが肝要であることを踏まえると、一次コンデンサ同士の短絡を回避し得る接続時定数Δｔ１と接続時定数Δｔ２の設定は重要である。

（５）上記（１）〜（４）を適宜繰り返して、二次コンデンサに対して、一次コンデンサ同士が短絡状態とならないように、充電電圧が所定接続電圧に到達した一次コンデンサを順次接続していく。この結果、一次コンデンサと二次コンデンサとの間で電荷の移動効率を８５％以上に保った状態で、二次コンデンサの充電が行われることになる。さらに、上述したように振動発電装置１１から一次コンデンサ群２への充電効率も良好に維持されることから、電圧変換回路１全体として、振動発電装置１１から二次コンデンサへの電圧降下及び充電の効率は極めて良好なものとなる。また、各一次コンデンサの充電電圧を監視した上で、二次コンデンサへの電荷移動が行われることから、一次コンデンサの容量に多少のばらつきが存在しても、適切な二次コンデンサの充電が実現される。

以上を踏まえ、図６に電圧変換回路１の動作のタイムチャートを示す。なお、該タイムチャートにおいては、説明を簡便にするため一次コンデンサの数を２個としている。図中上二段は、２個の一次コンデンサの充電電圧の推移を示し、次の二段は、各一次コンデンサに対応するスイッチング回路の接続状態の変動を示し、次の二段は、各一次コンデンサから二次コンデンサへの放電電流の推移を示し、最下段は、二次コンデンサの充電電圧の推移を示している。ここで、図中に示す重複タイミングでは、２個の一次コンデンサに対応する電圧監視回路から出される切換要求が同時期に出されている（図中、点線で囲まれている箇所を参照のこと）。そのため、一方（下段側）の一次コンデンサの接続開始タイミングは、切換要求が出された時期から意図的にずらされている。これにより、一次コンデンサ同士の短絡を回避することができる。なお、この重複タイミングでは、接続開始タイミングがずらされた一次コンデンサ側では、そこに充電されたエネルギーが放電されず、さらに電源回路１０に対しては接続された状態となっているため、その充電電圧のピーク値は、重複タイミング以外での充電電圧のピーク値よりもやや高くなっていることが分かる。

また、図７においては、上段(a)に、本発明に係る電圧変換回路１全体の充電効率と、
従来方式の電圧変換回路の充電効率とを比較して示し、下段(b)に従来方式の電圧変換回
路の概略構成を示した。従来方式のものは、電源回路の出力電圧を、コンデンサに直接印加する構成である。図７の上段(a)からも明らかなように、本発明に係る電圧変換回路１
の充電効率は５０％を超え極めて高く、実用性に優れていると考える。

＜変形例１＞
上記の実施例においては、一次コンデンサ群２に含まれる一次コンデンサの容量は全て同一とされた。一般に市販のコンデンサにおいては、その容量の選択は既定のものに限られてしまうため、一次コンデンサの容量を全て同一とする条件下では、図２Ａ〜図２Ｃで示したように振動発電装置１１から一次コンデンサ群２への充電効率を最適にすべく一次電圧比を所定値に合わせることは必ずしも容易ではない。そこで、一次コンデンサ群２に含まれる複数の一次コンデンサのうち一部の一次コンデンサ、好ましくは１個の一次コンデンサ（以下、「調整用一次コンデンサ」という。）については、他の一次コンデンサ（以下、「標準一次コンデンサ」という。）と比べて容量を違えることで、一次電圧比を所定値により近接させることができ、振動発電装置１１から一次コンデンサ群２への充電効率の最適化を図ることが可能となる。

ただし、この場合、スイッチング回路による電荷移動時の調整用一次コンデンサの充電電圧は、二次コンデンサ６の充電電圧より高電圧でなければならない。また、標準一次コンデンサとの間での電荷の移動効率を良好なものとすべく、標準一次コンデンサの充電電圧と二次コンデンサ６の充電電圧との間には上述の相関（標準一次コンデンサの充電電圧＝二次コンデンサ６の充電電圧×１．１〜１．２）が維持されるため、調整用一次コンデンサの充電電圧と二次コンデンサ６の充電電圧との間では、その相関が崩れてしまう可能性がある。しかし、調整用一次コンデンサを用いることで、振動発電装置１１から一次コンデンサ群２への充電効率の最適化が図られることから、電圧変換回路１全体としては、結果的に二次コンデンサ６の充電をより効率的に行うことができる場合がある。

＜変形例２＞
上記の実施例においては、二次コンデンサ６は１個のコンデンサにより構成されたが、これを複数のコンデンサで構成しても構わない。また、コンデンサ同士の接続形態は直列、並列の何れでもよく、また直列、並列の組合せでもよい。この場合、一次コンデンサの充電電圧と二次コンデンサ６の充電電圧との間の上述の相関については、複数のコンデンサにより構成される二次コンデンサ全体と、一次コンデンサとの間で成立すれば、一次コンデンサから二次コンデンサ全体への効率的な電荷移動が可能である。また、負荷回路１５と、二次コンデンサを構成する複数のコンデンサとの接続態様を適宜調整することで、電圧変換回路１が、負荷回路１５に対する複数の出力電圧を有することになる。

本発明に係る電圧変換回路１の第二の実施例について、図８に基づいて説明する。本実施例に係る電圧変換回路１は、図８に示すように、一次コンデンサ群２と二次コンデンサ６との間に、降圧コンバータ８が設けられている。したがって、一次コンデンサ群２によって降圧された電圧は降圧コンバータ８に入力され、更にその電圧が降圧コンバータ８によって降圧されて二次コンデンサ６に入力されることになる。一般に降圧コンバータ８の消費電力は比較的高いが、降圧コンバータ８が設置されることで一次コンデンサ群２が担う電圧の降下分が少なくなる。そのため、一次コンデンサ群２に含まれる一次コンデンサの数を少なくすることができ、以て回路の小型化を図ることができる。

なお、本実施例における一次コンデンサの数は、電源回路１０の出力電圧が降圧コンバータ８の入力電圧に対応して決定される。ここで、一次コンデンサ群２を介して降圧され
た電圧が降圧コンバータ８の入力電圧の値とされるか、もしくは降圧コンバータの動作に支障の無い限りでその入力電圧の近傍の値とされるのが好ましい。なお、図８に示す構成では、降圧コンバータ８を設けることで、一次コンデンサ群２に含まれる一次コンデンサの数を上記実施例の３個から２個へ減少させている。

本発明に係る電圧変換回路１の第三の実施例においては、振動発電装置１１から一次コンデンサ群２への充電効率の最適化より電圧変換回路１の小型化を優先し、一次コンデンサ群２に含まれる一次コンデンサの数を電圧変換回路１のサイズに応じた数としてもよい。この場合でも、好ましくは、一次コンデンサと二次コンデンサとの間での電荷の移動効率を良好なものとすべく、一次コンデンサの充電電圧と二次コンデンサ６の充電電圧との間には上述の相関（一次コンデンサの充電電圧＝二次コンデンサ６の充電電圧×１．１〜１．２）が維持される。

１・・・・電圧変換回路
２・・・・一次コンデンサ群
５・・・・切換制御回路
６・・・・二次コンデンサ
８・・・・降圧コンバータ
１０・・・・電源回路
１１・・・・振動発電装置
１２・・・・整流回路
１５・・・・負荷回路
２１〜２３・・・・一次コンデンサ
３１〜３３・・・・電圧監視回路
４１〜４３・・・・スイッチング調整回路
７１ａ、７１ｂ・・・・スイッチング回路
７２ａ、７２ｂ・・・・スイッチング回路
７３ａ、７３ｂ・・・・スイッチング回路

Claims (12)

1. 電源から充電される複数の一次コンデンサと、
   前記複数の一次コンデンサのそれぞれに対して並列に接続され、負荷回路への供給電圧で充電可能な二次コンデンサと、
   前記複数の一次コンデンサのそれぞれに対応して設けられ、該一次コンデンサと前記二次コンデンサとの接続状態を切り換える複数のスイッチング回路と、
   充電電圧が前記二次コンデンサの充電電圧より高い所定接続電圧に到達した前記一次コンデンサのそれぞれを前記二次コンデンサに対して対応する前記スイッチング回路を介して順次接続する接続制御回路であって、該二次コンデンサに対する該一次コンデンサの接続状態を該一次コンデンサ同士が電気的に短絡しないよう制御する接続制御回路と、
   を備える、電圧変換回路。
2. 前記所定接続電圧は、前記一次コンデンサの充電電圧と前記二次コンデンサの充電電圧との電圧差が、該一次コンデンサから該二次コンデンサへの電荷移動効率を所定効率以上とする電圧差となる、該二次コンデンサの充電電圧より高い電圧値である、
   請求項１に記載の電圧変換回路。
3. 前記複数の一次コンデンサのそれぞれに対して設けられ、該一次コンデンサの充電電圧を監視する電圧監視回路を更に備え、
   前記接続制御回路は、前記電圧監視回路によって得られた前記一次コンデンサの充電電圧に基づいて、前記スイッチング回路を介した接続制御を行う、
   請求項１又は請求項２に記載の電圧変換回路。
4. 前記接続制御回路は、前記スイッチング回路を介して前記一次コンデンサと前記二次コンデンサとを接続する際の接続時定数を、該スイッチング回路を介した接続を遮断する際の遮断時定数より長く設定する、
   請求項１から請求項３の何れか一項に記載の電圧変換回路。
5. 前記接続制御回路は、前記二次コンデンサに対して接続された前記一次コンデンサに対応する前記スイッチング回路の遮断タイミングを、充電電圧が前記所定接続電圧に到達している他の一次コンデンサに対応する前記スイッチング回路の接続タイミングと同時とする、
   請求項４に記載の電圧変換回路。
6. 前記複数の一次コンデンサの数は、該複数の一次コンデンサによる総充電電圧が、前記電源からの充電効率を所定充電効率以上とする、該電源の開放端電圧の所定割合に相当する電圧範囲に属することを可能とする数とされる、
   請求項１から請求項５の何れか一項に記載の電圧変換回路。
7. 前記複数の一次コンデンサの数は、該複数の一次コンデンサによる総充電電圧が、前記電源からの充電効率を所定充電効率以上とする、該電源の開放端電圧の所定割合に相当する電圧範囲に属することを可能とする数とされ、
   前記所定割合は、前記電圧監視回路の内部抵抗に基づいて決定される、
   請求項３に記載の電圧変換回路。
8. 前記複数の一次コンデンサの数は、該複数の一次コンデンサによる総充電電圧が、前記電源の開放端電圧の半分以下となる数であって、２個以上の数である、
   請求項１から請求項５の何れか一項に記載の電圧変換回路。
9. 前記複数の一次コンデンサに対して並列に接続され、且つ該複数の一次コンデンサと前記二次コンデンサとの間に接続される降圧コンバータを、更に備え、
   前記複数の一次コンデンサの数は、該複数の一次コンデンサによる総充電電圧が、前記降圧コンバータの入力電圧の近傍の値となる数とされる、
   請求項１から請求項５の何れか一項に記載の電圧変換回路。
10. 前記電源は、外部からの振動エネルギーを電力変換する振動発電装置を含む、
    請求項１から請求項９の何れか一項に記載の電圧変換回路。
11. 前記所定効率は、前記一次コンデンサから前記二次コンデンサへの電荷移動効率が８５％以上となる値である、
    請求項２に記載の電圧変換回路。
12. 請求項１から請求項１１の何れか一項に記載の電圧変換回路および前記負荷回路を有する電子機器であって、
    前記電源の出力電圧が前記電圧変換回路によって前記負荷回路への供給電圧に降圧される、
    電子機器。

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