JP2014042420A - 昇圧型スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】低電圧のペルチェ出力を、昇圧スイッチ動作の小さな押圧力による磁石位置移動に伴う多数の球状導体を転動させて複数のキャパシタの並列充電と直列昇圧を得るようにした昇圧型スイッチを提供すること。
【解決手段】第１の電極１は、一方の接点１ａと中間の絶縁体１ｃを介して他方の接点１ｂとで構成されている。第２の電極２は、第１の電極１に平行に配置されていて、側面及び上面が導電性メッキされている。磁石３は、第１の電極１及び第２の電極２に近接して移動可能に配置されている。球状導体４は、第１の電極１及び第２の電極２上を磁石３の移動にともなって転動するように構成され、表面を導電体（金、銀、錫）メッキした磁性体（スチール）ボールである。
【選択図】図１

Description

本発明は、昇圧型スイッチに関し、より詳細には、室内光に基づく太陽電池の微小出力電圧や温度に基づく熱電素子の微小出力電圧をキャパシタ電極のキャパシタンスの直並列変換により取り出してオン・オフ動作させるようにした昇圧型スイッチに関する。

近年、地球温暖化問題への対応のため、温室効果ガスの排出量削減、さらには化石燃料依存からの脱却が求められている。持続可能な低炭素社会の実現には、環境に存在する自然エネルギーを電力に変換する環境発電技術が鍵となる。また、「いつでも、どこでも、誰でも、何でも」ネットワークにつながるユビキタスネット社会の実現のためにも、電池の取り換えや廃棄の問題を解決できる環境発電技術が必須となる。周りの環境からエネルギーを収穫（ハーベスト）して電力（μＷ〜Ｗ程度）に変換する環境発電技術は、エネルギー・ハーベスティングと呼ばれ、世界的に注目を集めている。しかしながら、その研究開発や事業化は、欧米が先行し、日本は後れをとっているのが現状である。

例えば、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置、特に、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術に代表されるような技術によって製造される微小な発電装置は知られている。
環境中の振動から発電する技術の歴史は古く、特筆すべき例としては自動巻き発電ウォッチがある。また、複数のコンデンサーを、半導体スイッチを使ってつなぎ変えることにより昇圧回路を形成して時計回路を駆動する方式が実用に供されている。また、整流回路そのものに関しては医療用インプラントデバイスや分散したセンサーノードのための発電に供する目的でダイオードの代わりにＦＥＴ（Ｆｅｉｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使用した低損失の整流回路も周知である。

一方で、超低電力デバイス研究が進展する中で低出力であるが超小型の振動発電装置の潜在的需要が発生し、特にエレクトレット機械電気エネルギー変換素子における研究が他のピエゾエレクトリック材料を用いた素子の研究などとともに進展している。
一般に、マイクロエネルギー発電技術では、環境中にある人工あるいは自然の光、振動、化学、熱エネルギーなどから発電する。このうち環境中の振動エネルギーや音場エネルギーから発電する振動発電においては、一般にはエネルギー密度が比較的小さいために微小な出力電力パワーを効率よく整流した上でエネルギーとして蓄積し、主に間欠的な使用に供する技術が決定的に重要になる。

例えば、特許文献１に記載のものは、静電型ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）アクチュエータを駆動するための昇圧回路で、短時間で必要な高電圧を生成することが可能な昇圧回路に関するもので、複数のキャパシタの第１の電極と第１の電源との間には複数の第１のスイッチが接続され、複数のキャパシタの第２の電極と第２の電源、例えば、接地との間には複数の第２のスイッチが接続され、隣接するキャパシタの第１の電極と第２の電極の間には抵抗Ｒがそれぞれ接続され、複数のキャパシタは、複数の抵抗により直列接続され、この直列接続された複数のキャパシタの最終段のキャパシタの第１の電極から静電型アクチュエータの駆動電圧が出力されるというものである。

また、例えば、特許文献２に記載のものは、半導体チップに形成されたスイッチング素子に対してペルチェ素子を用いた電子冷却を行う半導体スイッチ装置に関するもので、ペルチェ素子に対してペルチェ効果の発生のための起電力を供給するゼーベック素子を備え、半導体チップの上部の外面上には、ペルチェ素子と逆の物理現象を発生させるゼーベック素子が複数個配設されているものである。つまり、この特許文献２には、ゼーベック素子を備えたスイッチ装置が開示されている。

特開２０１０−２２０４４２号公報 特開２００４−５６０５４号公報

しかしながら、上述した特許文献１のものは、直並列切り替え用のスイッチを電圧駆動するのに対して、本発明の昇圧型スイッチは、スイッチ駆動操作で磁石を移動させることによる多接点同時に切り替えで、直並列変換を行うようにしたものである。
また、上述した特許文献１及び２には、本発明のような、低電圧のペルチェ出力に基づいたスイッチの押圧力で磁石の位置を変化させ、磁石の磁力により球状導体を転動させて複数のキャパシタの並列充電と直列昇圧を得るようにした昇圧型スイッチについては何ら開示されていない。

このような技術は、上述したようなエネルギー・ハーベスティング技術にかかわるものであって、近年、特にその研究開発や事業化が強く望まれている。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、低電圧のペルチェ出力を後段回路が動作可能な電圧まで大きな倍率（数十倍）に昇圧する並列直列変換に必要な多数の接点の変更をスイッチ押圧力により磁石の位置を変化させ、磁石の磁力により球状導体を転動させて複数のキャパシタの並列充電と直列昇圧を得るようにした昇圧型スイッチを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、室内光に基づく太陽電池の微小出力電圧や温度に基づく熱電素子の微小出力電圧をキャパシタ電極のキャパシタンスの直並列変換により取り出してオン・オフ動作させるようにした昇圧型スイッチであって、一方の接点（１ａ）と絶縁体（１ｃ）を介して他方の接点（１ｂ）とを構成する第１の電極（１）と、該第１の電極（１）に平行に配置された第２の電極（２）と、前記第１の電極（１）及び前記第２の電極（２）に近接して移動可能に配置された磁石（３）と、前記第１の電極（１）及び前記第２の電極（２）上を前記磁石（３）の移動にともなって転動する球状導体（４）とを備え、前記第１の電極（１）と前記第２の電極（２）間の複数のキャパシタの並列充電と直列昇圧を得るようにしたことを特徴とする。（図１；実施例１）

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の電極（１）及び前記第２の電極（２）と前記球状導体（４）とを複数設け、前記複数の第１の電極（１，１・・）の前記一方の複数の接点（１ａ，１ａ・・）と前記複数の第２の電極（２，２・・）とを前記複数の球状導体（４，４・・）により接続して並列接続による充電動作を行い、前記複数の第１の電極（１，１・・）の前記他方の複数の接点（１ｂ，１ｂ・・）と前記複数の第２の電極（２，２・・）とを前記複数の球状導体（４，４・・）により接続して直列接続による昇圧動作を行うようにしたことを特徴とする。（図２乃至図４；実施例１）

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第１の電極（１）及び前記第２の電極（２）と前記球状導体（４）とが、底面が板状の箱状部材（５）に収納されていることを特徴とする。（図４；実施例１）
また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記磁石（３）が、スライド部材（６）に設けられていることを特徴とする。（図４；実施例１）
また、請求項５に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第１の電極（１１）及び前記第２の電極（１２）と前記球状導体（１４）とが、底面が曲面の半弧状部材（１５）に収納されていることを特徴とする。（図５，図６；実施例２）

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記磁石（１３）が、前記半弧状部材（１５）の曲面に沿って回転移動可能であることを特徴とする。（図５，図６；実施例２）
また、請求項７に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第１の電極（２１）及び前記第２の電極（２２）と前記球状導体（２４）とが、底面が板状で、かつ中央部分に回転軸（２５ａ）を有する回転可能な箱状部材（２５）に収納されていることを特徴とする。（図７；実施例３）
また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記磁石（２３）が、前記箱状部材（２５）の両端側に配置されていることを特徴とする。（図７；実施例３）

本発明によれば、昇圧スイッチ動作時に磁石の位置を変化させる小さな押圧力のみにより磁石の磁力が球状導体を転動させ複数のキャパシタの並列充電と直列昇圧を構成する多数の回路を切り替え、低電圧のペルチェ出力を大きな倍率（数十倍）に昇圧する昇圧型スイッチを実現することができる。

（ａ），（ｂ）は、本発明に係る昇圧型スイッチの実施例１を説明するための構成図である。 （ａ），（ｂ）は、球状導体によるスイッチ切り替えの状態を示す図である。 球状導体によるスイッチ切り替えの状態を説明するための回路構成図である。 （ａ），（ｂ）は、球状電極によるスイッチ切り替えの状態を具体的に示す構成図である。 本発明に係る昇圧型スイッチの実施例２を説明するための構成図である。 （ａ），（ｂ）は、球状電極によるスイッチ切り替えの状態を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明に係る昇圧型スイッチの実施例３を説明するための構成図である。 （ａ），（ｂ）は、図７（ａ），（ｂ）に対応する等価回路を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。

図１（ａ），（ｂ）は、本発明に係る昇圧型スイッチの実施例１を説明するための構成図で、図中符号１は第１の電極、１ａは一方の接点、１ｂは他方の接点、１ｃは絶縁体、２は第２の電極、３は磁石、４は球状導体（磁性体ボール）を示している。
本実施例１の昇圧型スイッチは、直線運動タイプで、室内光に基づく太陽電池の微小出力電圧や温度に基づく熱電素子の微小出力電圧をキャパシタ電極のキャパシタンスの直並列変換により取り出してオン・オフ動作させるようにした昇圧型スイッチである。

つまり、昇圧スイッチ動作時に磁石の位置を変化させる小さな押圧力のみにより磁石の磁力により多数の球状導体を転動させて複数のキャパシタの並列充電と直列昇圧を得るようにした昇圧型スイッチである。
第１の電極１は、一方の接点１ａと中間の絶縁体１ｃを介して他方の接点１ｂとで構成されている。また、第２の電極２は、第１の電極１に平行に配置されていて、側面及び上面が導電性メッキされている。また、磁石３は、第１の電極１及び第２の電極２に近接して移動可能に配置されている。また、球状導体４は、第１の電極１及び第２の電極２上を磁石３の移動にともなって転動するように構成され、表面を導電体（金、銀、錫）メッキした磁性体（スチール）ボールである。

このような構成により、本実施例１の昇圧型スイッチは、第１の電極１と第２の電極２間の複数のキャパシタの並列充電と直列昇圧を得るように構成されている。つまり、重力と磁石３と球状導体４の磁力により、第１の電極１と第２の電極２とが通電する。
図２（ａ），（ｂ）は、球状導体によるスイッチ切り替えの状態を示す図で、図２（ａ）は並列充電接続状態を示し、図２（ｂ）は直列昇圧接続状態を示している。

充電動作は、第１の電極１及び第２の電極２と球状導体４とを複数設け、複数の第１の電極１，１の一方の複数の接点１ａ，１ａと複数の第２の電極２，２とを複数の球状導体４，４により接続して並列接続により行う。
また、昇圧動作は、複数の第１の電極の１，１の他方の複数の接点１ｂ，１ｂと複数の第２の電極２，２とを複数の球状導体４，４により接続して直列接続により行う。

図３は、球状導体によるスイッチ切り替えの状態を説明するための回路構成図である。低電圧発電機としては、ゼーベック素子、ペルチェ素子、太陽電池などが用いられる。
充電動作時は、複数の第１の電極１，１の一方の複数の接点１ａ，１ａと複数の第２の電極２，２とを複数の球状導体４，４により接続して並列接続にするように、ＳＷ１乃至ＳＷｎ＋１をＡ１乃至Ａｎ＋１側に接続する。

また、昇圧動作時は、複数の第１の電極の１，１の他方の複数の接点１ｂ，１ｂと複数の第２の電極２，２とを複数の球状導体４，４により接続して直列接続するように、ＳＷ１乃至ＳＷｎ＋１をＢ１乃至Ｂｎ＋１側に接続する。その結果、ｎ・Ｖφが得られる。
図４（ａ），（ｂ）は、球状電極によるスイッチ切り替えの状態を具体的に示す構成図で、図４（ａ）は並列充電接続状態を示し、図４（ｂ）は直列昇圧接続状態を示している。図中符号５は箱状部材、６はスライド部材を示している。

第１の電極１及び第２の電極２と球状導体４とは、底面が板状の箱状部材５に収納され、磁石３は、スライド部材６に設けられていて、スイッチ時に手動でスライドさせる。

図５は、本発明に係る昇圧型スイッチの実施例２を説明するための構成図で、図中符号１１は第１の電極、１１ａは一方の接点、１１ｂは他方の接点、１１ｃは絶縁体、１２は第２の電極、１３は磁石、１３ａは回転軸、１４は球状導体、１５は半弧状部材を示している。
本実施例２の昇圧型スイッチは、磁石回転タイプで、第１の電極１１及び第２の電極１２と球状導体１４とが、底面が曲面の半弧状部材１５に収納されている。また、磁石１３は、半弧状部材１５の曲面に沿って回転移動可能である。つまり、スイッチ動作で回転軸１３ａに取り付けられた磁石１３が回転移動して球状導体１４が半弧状部材１５の曲面に沿って移動し直並列の切り替え動作が可能となる。

図６（ａ），（ｂ）は、球状電極によるスイッチ切り替えの状態を示す図で、図６（ａ）は並列充電接続状態を示し、図６（ｂ）は直列昇圧接続状態を示している。
充電動作は、複数の第１の電極１１，１１の一方の複数の接点１１ａ，１１ａと複数の第２の電極１２，１２とを複数の球状導体１４，１４により接続して並列接続により行う。

また、昇圧動作は、複数の第１の電極の１１，１１の他方の複数の接点１１ｂ，１１ｂと複数の第２の電極１２，１２とを複数の球状導体１４，１４により接続して直列接続により行う。その結果、ｎ・Ｖφが得られる。

図７（ａ），（ｂ）は、本発明に係る昇圧型スイッチの実施例３を説明するための構成図で、図７（ａ）は直列昇圧接続状態を示し、図７（ｂ）は並列充電接続状態を示している。図中符号２１は第１の電極、２１ａは一方の接点、２１ｂは他方の接点、２１ｃは絶縁体、２２は第２の電極、２３は磁石、２４は球状導体、２５は箱状部材、２５ａは回転軸を示している。

本実施例３の昇圧型スイッチは、電極回転タイプで、第１の電極２１及び第２の電極２２と球状導体２４とが、底面が板状で、かつ中央部分に回転軸２５ａを有する回転可能な箱状部材２５に収納されていて、磁石２３は、箱状部材２５の両端側に配置されている。
つまり、球状導体２４を回転軸２５ａを軸にして左右に揺すると、球状導体２４は球状導体２４で左右に移動して磁石２３の位置で固定する。この実施例３においては、電極が移動するもので、磁石２３は移動しない構成になっている。

図８（ａ），（ｂ）は、図７（ａ），（ｂ）に対応する等価回路を示す図で、図８（ａ）は、図７（ａ）に示す直列昇圧続状態に対応し、図８（ｂ）は、図７（ｂ）に示す並列充電接続状態を示している。なお、この等価回路は、上述した実施例１，２においても適用されるものである。
以上のように、本発明の昇圧型スイッチによれば、昇圧スイッチ動作時に磁石の位置を変化させる小さな押圧力のみにより磁石の磁力が多数の球状導体を転動させて多数のキャパシタの並列充電と直列昇圧を得るようにした高倍率の昇圧型スイッチを実現することができ、機構部の小型化も可能となる。

１，１１，２１ 第１の電極
１ａ，１１ａ，２１ａ 一方の接点
１ｂ，１１ｂ，２１ｂ 他方の接点
１ｃ，１１ｃ，２１ｃ 絶縁体
２，１２，２２ 第２の電極
３，１３，２３ 磁石
４，１４，２４ 球状導体
５，２５ 箱状部材
６ スライド部材
１３ａ，２５ａ 回転軸
１５ 半弧状部材

Claims (8)

1. 室内光に基づく太陽電池の微小出力電圧や温度に基づく熱電素子の微小出力電圧をキャパシタ電極のキャパシタンスの直並列変換により取り出してオン・オフ動作させるようにした昇圧型スイッチであって、
   一方の接点と絶縁体を介して他方の接点とを構成する第１の電極と、
   該第１の電極に平行に配置された第２の電極と、
   前記第１の電極及び前記第２の電極に近接して移動可能に配置された磁石と、
   前記第１の電極及び前記第２の電極上を前記磁石の移動にともなって転動する球状導体とを備え、
   前記第１の電極と前記第２の電極間の複数のキャパシタの並列充電と直列昇圧を得るようにしたことを特徴とする昇圧型スイッチ。
2. 前記第１の電極及び前記第２の電極と前記球状導体とを複数設け、前記複数の第１の電極の前記一方の複数の接点と前記複数の第２の電極とを前記複数の球状導体により接続して並列接続による充電動作を行い、前記複数の第１の電極の前記他方の複数の接点と前記複数の第２の電極とを前記複数の球状導体により接続して直列接続による昇圧動作を行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の昇圧型スイッチ。
3. 前記第１の電極及び前記第２の電極と前記球状導体とが、底面が板状の箱状部材に収納されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の昇圧型スイッチ。
4. 前記磁石が、スライド部材に設けられていることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の昇圧型スイッチ。
5. 前記第１の電極及び前記第２の電極と前記球状導体とが、底面が曲面の半弧状部材に収納されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の昇圧型スイッチ。
6. 前記磁石が、前記半弧状部材の曲面に沿って回転移動可能であることを特徴とする請求項５に記載の昇圧型スイッチ。
7. 前記第１の電極及び前記第２の電極と前記球状導体とが、底面が板状で、かつ中央部分に回転軸を有する回転可能な箱状部材に収納されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の昇圧型スイッチ。
8. 前記磁石が、前記箱状部材の両端側に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の昇圧型スイッチ。

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