JP2014011921A - 振動発電回路およびそれを用いた電子機器、無線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】さまざまな環境において発電可能な振動発電回路を提供する
【解決手段】振動発電素子１０は、固定子１４および可動子１２を有し、可動子１２の変位に応じた電力を発生する。第１電極２０は、可動子１２に設けられる。第１電極２０および第２電極３０は離間して設けら、それらの間には静電容量が形成される。制御部４０は、第２電極３０の状態を制御し、第１電極２０と第２電極３０の間のクーロン力を制御し、振動発電素子１０の共振周波数を調節する。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動発電回路に関する。

高所、遠隔地、人体内をはじめとするさまざまな箇所の状態をモニタするために無線センサが利用される。たとえば温度測定用の無線センサは、温度を測定する温度センサと、温度センサにより測定された温度データを、外部に送信するための無線ユニットと、を含む。無線ユニットを動作させるためには電源が必要とされるところ、電源に電池を利用すると電池の交換などのメンテナンスが必要となることから、無線センサでは、電力源としてエネルギーハーベスト素子が利用される場合がある。

特表２０１１−５１２７７７号公報

エネルギーハーベスト素子のひとつである振動発電素子は、振動を電力信号に変換することにより発電する。振動発電素子は、可動子と固定子を備え、周囲の振動に応答して可動子が振動することにより、電力を発生する。ここで振動発電素子の発電量は、振動の振幅と周波数に依存する。すなわち振動発電素子は、固有の共振周波数を有しており、十分な発電量を得るためには、外部から与えられる振動の周波数をその共振周波数と一致させる必要がある。

このため、従来では振動発電素子の設計段階において、振動発電素子が使用される環境ごとに、その環境で生ずる振動の周波数を予測し、振動発電素子の共振周波数を、予測される周波数にチューニングする手法がとられていた。

しかしながらこの方法では、ある環境に最適化した振動発電素子を、別の周波数の環境で使用することは難しい。また、振動の周波数が時間とともに変化する環境での使用も困難である。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、さまざまな環境において発電可能な振動発電回路の提供にある。

本発明のある態様は、振動発電回路に関する。振動発電回路は、固定子および可動子を有する振動発電素子と、可動子に設けられた第１電極と、第１電極と離間して設けられた第２電極と、第２電極の状態を制御する制御部と、を備える。

第１電極と第２電極間には、静電容量が形成され、第１電極と第２電極には、蓄えられる電荷量に応じたクーロン力（静電力）が働く。実施の形態に係る振動発電回路によれば、第２電極の状態を制御することにより、第１電極と第２電極の間のクーロン力を制御することができ、その結果、振動発電素子の共振周波数を調節することができる。

ある態様の振動発電回路は、振動発電素子の発電量を検出する発電量検出部をさらに備えてもよい。制御部は、発電量が増大するように、第２電極の状態を制御してもよい。
この態様によれば、振動周波数が時々刻々と変動する環境においても安定した発電が可能となる。

制御部は、第１電極と第２電極の電位差を制御してもよい。第１電極は接地されており、制御部は、第２電極に印加する電圧を制御してもよい。

固定子は、エレクトレットを有してもよい。可動子は、エレクトレットと対向して設けられた可動電極を有してもよい。第１電極は、可動電極のエレクトレットと反対側に設けられてもよい。

ある態様の振動発電回路は、振動発電素子の出力電圧を平滑・整流する平滑整流回路をさらに備えてもよい。

ある態様の振動発電回路は、第２電極と対向する第１電極の一面に形成されたエレクトレット膜をさらに備えてもよい。エレクトレット膜を設けることにより、第１電極と第２電極の間に斥力を発生させることができ、共振周波数のチューニング範囲を広げることができる。

本発明の別の態様は、電子機器に関する。電子機器は、上述の振動発電回路を備える。

本発明の別の態様は、無線センサに関する。無線センサは、上述の振動発電回路を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、さまざまな環境において振動発電素子を発電させることができる。

実施の形態に係る振動発電回路の構成を示す回路図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、振動発電回路を備える無線センサのブロック図および利用形態を示す図である。 振動発電回路を備える電子機器のブロック図である。 第１の変形例に係る振動発電素子の構成を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、実施の形態に係る振動発電回路１００の構成を示す回路図である。振動発電回路１００は負荷８０と接続され、負荷８０に電源電圧Ｖ_ＤＤを供給する。

振動発電回路１００は、振動発電素子１０、第１電極２０、第２電極３０、制御部４０、電力検出部５０、電源回路７０を備える。

振動発電素子１０は、振動を電気エネルギーに変換する。振動発電素子１０は、可動子１２および固定子１４を備える。固定子１４にはエレクトレット１６が設けられ、可動子１２は、エレクトレット１６と対向して設けられた可動電極１８を有する。可動子１２は、固定子１４に対して相対的に、矢印１９の方向に変位可能に構成される。周囲の振動によって可動子１２が変位することにより、振動発電素子１０の２つの電極間には、交流の起電力Ｖ_ＡＣが発生する。

平滑整流回路６０は、振動発電素子１０が発生した交流の起電力Ｖ_ＡＣを平滑、整流し、直流電圧Ｖ_ＤＣに変換する。たとえば平滑整流回路６０は、起電力Ｖ_ＡＣを全波整流するダイオードブリッジ回路６２と、ダイオードブリッジ回路６２の出力電圧を平滑化する平滑コンデンサ６４で構成される。なお平滑整流回路６０の構成は特に限定されない。また負荷８０が交流電圧にもとづいて駆動される場合、平滑整流回路６０は省略してもよい。

電源回路７０は、平滑整流回路６０の出力電圧Ｖ_ＤＣを昇圧または降圧し、所定レベルに安定化して負荷８０に供給する。電源回路７０は、昇圧または降圧型のスイッチングレギュレータ、チャージポンプ回路、リニアレギュレータなどであり、その構成は限定されない。なお電源回路７０は省略してもよい。

可動子１２には、第１電極２０が設けられている。第１電極２０は、可動電極１８のエレクトレット１６と反対側に設けられる。ここで第１電極２０と可動電極１８の間の静電容量は極力小さいことが望ましく、したがって可動電極１８と第１電極２０の間隔ななるべく大きくし、またその間隔は空気層とするか、もしくは誘電率が小さな材料を挿入することが望ましい。

第２電極３０は、第１電極２０との間に静電容量Ｃ１が形成されるように、離間して設けられる。第１電極２０が変位する一方、第２電極３０は所定の箇所に固定されることが望ましい。

制御部４０は、第２電極３０の状態を制御する。本実施の形態において、制御部４０は、第２電極３０の電気的状態を制御する。
より具体的には、制御部４０は、第１電極２０と第２電極３０の電位差ΔＶを制御する。たとえば第１電極２０を接地し、その電位を接地電圧に固定し、第２電極３０に印加するバイアス電圧Ｖ_ＢＩＡＳを調節してもよい。

電力検出部５０は、振動発電素子１０の発電量を検出する。図１では、電力検出部５０は、平滑整流回路６０の出力電力にもとづいて振動発電素子１０の発電量を間接的に検出する場合を示すが、振動発電素子１０の出力電力を直接監視してもよい。あるいは電力検出部５０は、電源回路７０の出力電力を監視してもよい。電力検出部５０の構成は特に限定されず、公知の技術を用いればよい。なお、電力は、電流と電圧の積で与えられるところ、電流が所定値に安定化される系においては、電圧のみを測定すればよく、電圧が所定値に安定化される系においては、電流のみを測定すればよいことが理解される。

制御部４０は、電力検出部５０によって測定される発電量が増大するように、第２電極３０に印加するバイアス電圧Ｖ_ＢＩＡＳの大きさを調節する。制御部４０は、振動発電素子１０の発電量が所定の目標値に近づくようにバイアス電圧Ｖ_ＢＩＡＳをフィードバック制御してもよいし、振動発電素子１０の発電量が最大となるようにバイアス電圧Ｖ_ＢＩＡＳを制御してもよい。

以上が振動発電回路１００の構成である。続いてその動作を説明する。
第１電極２０と第２電極３０がオーバーラップする面積をＳ、それらの距離をｄ、それらの間の誘電率をεとすると、第１電極２０と第２電極３０が形成する静電容量Ｃ１は、式（１）で与えられる。
Ｃ１＝ε×Ｓ／ｄ …（１）

第１電極２０と第２電極３０の間に電位差ΔＶを印加したとき、第１電極２０に蓄えられる電荷Ｑは式（２）で与えられる。
Ｑ＝Ｃ１×ΔＶ＝Ｃ１×Ｖ_ＢＩＡＳ …（２）

静電容量の２つの電極２０、３０の間には、電荷量Ｑに比例するクーロン力が働き、バイアス電圧Ｖ_ＢＩＡＳに応じた外力が可動子１２に与えられる。

以上が振動発電回路１００の動作である。この振動発電回路１００によれば、バイアス電圧Ｖ_ＢＩＡＳを変化させることにより、クーロン力の大きさを制御でき、ひいては振動発電素子１０の共振周波数を制御することができる。

また電力検出部５０を設け、検出された発電量に応じて制御部４０がバイアス電圧Ｖ_ＢＩＡＳを調節することにより、振動発電回路１００が使用される環境の変動にかかわらずに、振動発電素子１０の発電量を安定化できる。具体的には、振動周波数が時々刻々と変動する環境においても安定した発電が可能となる。

続いて振動発電回路１００の用途を説明する。
図２（ａ）、（ｂ）は、振動発電回路１００を備える無線センサのブロック図および利用形態を示す図である。

無線センサ６００は、振動発電回路１００、センサ素子６０２、マイクロコントローラ６０４、無線ユニット６０６、蓄電手段６０８を備える。

無線センサ６００は、それが設置される箇所の周囲の状態、たとえば温度、消費電力、圧力、振動、変位、加速度などをモニタし、遠隔して配置される管理デバイスに、モニタ結果を送信する。無線センサ６００は、図２（ｂ）に示すようなビル管理システム（ＢＥＭＳ：Building and Energy Management System）に利用できる。この場合、複数の無線センサ６００が、ビル６５０の部屋ごと、もしくはフロアごとに配置される。
図２（ａ）の無線センサ６００は、工場エネルギー管理システム（Factory Energy Management System）、地殻変動の検知システム、地震予測システム、道路や橋梁のセンサ、人体内、あるいは動物体内のヘルスモニタなどにも利用可能である。

センサ素子６０２は、無線センサ６００のセンシングの対象となる特性、すなわち温度、消費電力、圧力、振動、変位、加速度などを測定する。マイクロコントローラ６０４は、センサ素子６０２の測定値を受け、必要に応じた信号処理を行い、無線ユニット６０６に送信する。無線ユニット６０６は、測定値に応じたＲＦ信号を送信する。蓄電手段６０８は、リチウムイオン電池や電気２重層コンデンサ、充電回路を含み、振動発電回路１００が発生した電力を蓄える。

かかる無線センサ６００において、振動発電回路１００は、センサ素子６０２、マイクロコントローラ６０４、無線ユニット６０６に対して電力を供給する。

図３は、振動発電回路１００を備える電子機器のブロック図である。電子機器７００は、たとえば携帯電話端末、腕時計、ポータブルオーディオプレイヤなどである。電子機器７００は、プロセッサ７０２、ディスプレイ７０４、蓄電手段７０６を備える。蓄電手段７０６は、リチウムイオン電池や電気２重層コンデンサ、充電回路を含み、振動発電回路１００が発生した電力を蓄える。振動発電回路１００および／または蓄電手段７０６は、プロセッサ７０２やディスプレイ７０４に電力を供給する。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（第１の変形例）
図４は、第１の変形例に係る振動発電素子１０ａの構成を示す図である。振動発電素子１０ａは、図１の振動発電素子１０に加えて、エレクトレット膜２２を備える。エレクトレット膜２２は、第２電極３０と対向する第１電極２０の一面に形成される。

エレクトレット膜２２を形成することにより、第１電極２０と第２電極３０の間に、同じ極性の蓄えることができ、斥力を発生させることが可能となり、共振周波数のチューニング範囲を広げることができる。

（第２の変形例）
実施の形態おいて、固定子１４にエレクトレット１６が設けられ、可動子１２に可動電極１８が設けられていたが、振動発電素子１０の構成はそれには限定されない。たとえばエレクトレット１６を可動子１２側に設け、可動電極１８に代わる固定電極を固定子１４側に設けてもよい。

（第３の変形例）
実施の形態では、制御部４０が第２電極３０の電気的状態を制御する方法として、第１電極２０と第２電極３０の電位差ΔＶを制御する場合を説明したが本発明はそれに限定されない。たとえば制御部４０を充放電回路で構成し、第１電極２０および第２電極３０に蓄えられる電荷量を制御してもよい。あるいは制御部４０は、第２電極３０に流れる電流を制御してもよい。

（第４の変形例）
実施の形態では、制御部４０が、第２電極３０の電気的状態を制御する場合を説明したが、それに加えて、あるいはそれに代えて、第２電極３０の機械的な状態を制御してもよい。たとえば制御部４０は、第１電極２０と第２電極３０に固定バイアスを与えておき、第２電極３０と第１電極２０の距離ｄを制御してもよい。距離ｄを制御することにより、電極間の引力あるいは斥力を制御でき、共振周波数を制御できる。

（第５の変形例）
実施の形態では、電力検出部５０により検出された発電量にもとづいてバイアス電圧Ｖ_ＢＩＡＳを制御する場合を説明したが、本発明はそれに限定されない。振動発電回路１００の製造工程において、振動発電回路１００が使用される環境に最適な制御条件を求めておき、制御部４０に設定してもよい。この場合には、振動発電素子１０および第２電極３０の基本的な構造を変更することなく、振動発電回路１００をさまざまな電子機器や無線センサに搭載できる。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

１００…振動発電回路、１０…振動発電素子、１２…可動子、１４…固定子、１６…エレクトレット、１８…可動電極、２０…第１電極、２２…エレクトレット膜、３０…第２電極、４０…制御部、５０…電力検出部、６０…平滑整流回路、６２…ダイオードブリッジ回路、６４…平滑コンデンサ、７０…電源回路、８０…負荷、６００…無線センサ、６０２…センサ、６０４…マイクロコントローラ、６０６…無線ユニット、６０８…蓄電手段、７００…電子機器、７０２…プロセッサ、７０４…ディスプレイ、７０６…蓄電手段。

Claims (10)

1. 固定子および可動子を有する振動発電素子と、
   前記可動子に設けられた第１電極と、
   前記第１電極と離間して設けられた第２電極と、
   前記第２電極の状態を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする振動発電回路。
2. 前記振動発電素子の発電量を検出する発電量検出部をさらに備え、
   前記制御部は、前記発電量が増大するように、前記第２電極の状態を制御することを特徴とする請求項１に記載の振動発電回路。
3. 前記制御部は、前記第１電極と前記第２電極の電位差を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の振動発電回路。
4. 前記第１電極は接地されており、
   前記制御部は、前記第２電極に印加する電圧を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の振動発電回路。
5. 前記固定子は、エレクトレットを有し、
   前記可動子は、前記エレクトレットと対向して設けられた可動電極を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の振動発電回路。
6. 前記第１電極は、前記可動電極の前記エレクトレットと反対側に設けられることを特徴とする請求項５に記載の振動発電回路。
7. 前記振動発電素子の出力電圧を平滑・整流する平滑整流回路をさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の振動発電回路。
8. 前記第２電極と対向する前記第１電極の一面に形成されたエレクトレット膜をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の振動発電回路。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の振動発電回路を備えることを特徴とする電子機器。
10. 請求項１から８のいずれかに記載の振動発電回路を備えることを特徴とする無線センサ。

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