JP2014128161A

JP2014128161A - 発電回路およびこれを用いた発信装置

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Publication number: JP2014128161A
Application number: JP2012284856A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Kurosaki; 信之黒崎; Ryota Asakura; 綾太浅倉; Yuichi Tateyama; 雄一館山
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-07-07
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: JP6101983B2

Abstract

【課題】エネルギー効率が極めて高く、低コストで構成でき、嵩張らない発電回路およびこれを用いた発信装置を提供する。
【解決手段】振動により発電し、直流電力を蓄積する発電回路１００であって、振動を交流電圧に変換する第１の圧電素子Ｐ_１および第１の圧電素子Ｐ_１の両電極に接続された第１の並列接続ダイオードｄ_ｐ１からなる第１の発電ユニットＵ_１と、発電ユニットＵ_１に対して直列に接続された直列接続ダイオードｄ_ｓ１と、直列接続ダイオードｄ_ｓ１に対して直列に接続されたコンデンサＣ_１とを備える。これにより、圧電素子１個あたり２個のダイオードで回路が構成されるため、発電により得られる電力のロスを低減でき、エネルギー効率が極めて高い発電回路を実現できる。また、低コストで構成でき、嵩張らない。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動により発電し、直流電力を蓄積する発電回路およびこれを用いた発信装置に関する。

従来、圧電体の振動発電を利用した回路が知られている。図６は、従来の回路を示す回路図である。図６に示すように、従来の回路は、分極方向α_０の圧電体Ｐ_０による方向ｂ_０への振動で発生した交流電圧をダイオードｄ_０を４個用いてブリッジ接続して整流し、その先に接続されたコンデンサＣ_０に電力を蓄える。このようなダイオードｄ_０を４個用いたブリッジ回路による全波整流回路が一般的に用いられる（非特許文献１参照）。

例えば、非特許文献１記載の回路は、振動発電用ＩＣの内部回路の例を示しており、全波ブリッジ整流器と降圧コンバータを一体化し、圧電トランスデューサなどの高出力インピーダンスのエネルギー源向けに開発されたものである。この回路では、低消費電流のモードにより、降圧コンバータが蓄えられた電荷の一部を出力に転送できるようになるまで電荷を入力コンデンサに蓄積している。

リニアテクノロジー株式会社、"LTC3588-1圧電環境発電（エナジーハーベスト）電源"、［online］、インターネット＜URL:http://cds.linear.com/docs/Japanese%20Datasheet/j35881fa.pdf＞

しかしながら、上記のような圧電体の振動により電力を発生させる回路では、発生電力が小さいこともあり、全波整流回路において多くの電力をダイオードで消費してしまう。そのため、発電のエネルギー効率が低くなる。

また、圧電素子１個あたりに、４個のダイオードが必要となり、携帯機器にこれらを搭載すると、重量が増大し、収容すべき回路サイズも嵩んでしまう。また、整流回路にかかるコストで携帯機器の高価格化を招く。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、エネルギー効率が極めて高く、低コストで構成でき、嵩張らない発電回路およびこれを用いた発信装置を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の発電回路は、振動により発電し、直流電力を蓄積する発電回路であって、振動を交流電圧に変換する第１の圧電素子および前記第１の圧電素子の両電極に接続された第１の並列接続ダイオードからなる第１の発電ユニットと、前記第１の発電ユニットに対して直列に接続された直列接続ダイオードと、前記直列接続ダイオードに対して直列に接続されたコンデンサと、を備えることを特徴としている。

これにより、圧電素子１個あたり２個のダイオードで回路が構成されるため、発電により得られる電力のロスを低減でき、エネルギー効率が極めて高い発電回路を実現できる。また、低コストで構成でき、嵩張らない。

（２）また、本発明の発電回路は、振動を交流電圧に変換する圧電素子および前記圧電素子の両電極に接続された並列接続ダイオードからなり、第ｎ−１の発電ユニットに直列に接続する第ｎ（ｎ＝２以上の自然数）の発電ユニットを更に備えることを特徴としている。

これにより、ｎ＋１個のダイオードでｎ個の圧電素子を有する回路を構成できるため、必要な部品数が少なくて済む。また、ダイオードの順方向のロスが減る結果、エネルギー効率が大幅に向上する。

（３）また、本発明の発信装置は、上記の発電回路と、前記発電回路に蓄積された直流電力で発信する発信器と、を備えることを特徴としている。これにより、僅かな振動があれば電力供給のない場所からも発信することができる。

本発明によれば、発電回路のエネルギー効率が極めて高く、回路が低コストで構成でき、嵩張らない。

第１の実施形態に係る発電回路を示す回路図である。（ａ）、（ｂ）それぞれ並列接続ダイオードがない場合とある場合の発生電圧を模式的に示すグラフである。第２の実施形態に係る発電回路を示す回路図である。実施例（単一）および比較例の取出電力を示すグラフである。実施例（単一、多段）および比較例の取出電力を示すグラフである。従来の回路を示す回路図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施形態］
（発電回路の構成）
図１は、発電回路１００を示す回路図である。発電回路１００は、圧電体の振動により発電し、直流電力を蓄積する。図１に示すように、発電回路１００は、発電ユニットＵ_１（第１の発電ユニット）、直列接続ダイオードｄ_ｓ１およびコンデンサＣ_１を備えている。

発電ユニットＵ_１は、さらに圧電素子Ｐ_１（第１の圧電素子）および並列接続ダイオードｄ_ｐ１を備えている。圧電素子Ｐ_１は、振動発電素子として機能し、振動を交流電圧に変換する。圧電素子Ｐ_１は、板状に形成され、振動方向ｂ_１に振動する屈曲型のものであることが好ましい。これにより、自由端の僅かな振動を電圧に変換できる。

圧電素子Ｐ_１は、たとえばＰＺＴを主成分とする材料で形成された圧電セラミックスで構成されている。圧電素子Ｐ_１では、分極方向α_１に分極処理がなされた圧電層とその両側に設けられた電極とを備える圧電板がシム板に接着されている。圧電体は、圧電層と電極とを交互に積層した積層体とすることができ、その場合には振動から高い電圧を発生させることができるため、好ましい。

並列接続ダイオードｄ_ｐ１は、圧電素子Ｐ_１の両電極に接続されている。図１に示す例では、並列接続ダイオードｄ_ｐ１の順方向に発電ユニットＵ_１から概略で極小値を０とした正電圧の波形が生じる（すなわち、ａｂ間でｂ側をＧＮＤとしてａ側に＋側電圧にする）。仮に、図１に示す向きとは逆向きに並列接続ダイオードｄ_ｐ１を接続した場合には、概略で極大値を０とした負電圧の波形が生じる。このように圧電素子Ｐ_１の両電極に１本のダイオードが接続されることで、発電の極性が決定されている。

直列接続ダイオードｄ_ｓ１は、上記の発電ユニットＵ_１に対して直列に接続されている。また、コンデンサＣ_１は、直列接続ダイオードｄ_ｓ１に対して直列に接続されている。このような回路構成で、発電回路１００は、発電ユニットＵ_１で発生した電圧を発電ユニットＵ_１に直列に接続した直列接続ダイオードｄ_ｓ１を通して、コンデンサＣ_１の一方の電極ｅ側に正電圧を出力し、コンデンサＣ_１に充電する。このようにして電力ロスの小さい発電回路を構成することができる。仮に、図１に示す向きとは逆向きに並列接続ダイオードｄ_ｐ１および直列接続ダイオードｄ_ｓ１が接続された場合には、コンデンサＣ_１の電極ｅ側に負電圧を出力する。

発電回路１００は、圧電素子１個あたり２個のダイオードで回路が構成されている。そのため、発電により得られる電力のロスを低減でき、エネルギー効率が極めて高い発電回路を実現できる。また、低コストで回路を構成でき、嵩張らない。

（発電回路の動作）
次に、上記のように構成された発電回路１００の動作を説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ並列接続ダイオードがない場合とある場合の発生電圧を模式的に示すグラフである。図２（ａ）は、発電ユニットＵ_１と同様の構成で端子ａｂ間に並列接続ダイオードｄ_ｐ１がない回路で、一定の振動が与えられたとき発電ユニットＵ_１が発生させる電圧を示している。図２（ｂ）は、発電ユニットＵ_１で、一定の振動が与えられたとき圧電素子Ｐ_１が発生させる電圧を示している。

図２（ａ）に示すように、圧電素子Ｐ_１に並列にダイオードが接続されていない場合には、発電ユニットＵ_１は、一定の振動が与えられたとき０Ｖを振幅Ａの中心とする正弦波形を出力する。これに対し、図２（ｂ）に示すように、圧電素子Ｐ_１に並列に（ａｂ間に）ダイオードが接続されている場合には、一定の振動が与えられたとき、発電ユニットＵ_１は概略０Ｖを極小値とする振幅Ａの正弦波形を出力する。なお、実際は、ダイオードの順方向分だけ極小が０Ｖより少しマイナス側の電圧になるように移動した波形が出力される。

このように、発電回路１００ではａｂ間にダイオードが挿入されていることで、圧電素子Ｐ_１から発生する電圧を、ｂ側をＧＮＤとした＋側電圧にすることが可能である。従来のブリッジ型整流回路では、図中の振幅Ａの１／２の電圧に、ダイオードの順方向電圧が２本分差し引かれた電圧が出力されるのに対し、発電回路１００では、振幅Ａのエネルギーをそのまま利用できる。さらに、そのエネルギーは直列接続ダイオードｄ_ｓ１の１本しかダイオードを通さないので、従来回路に比べ発電回路１００ははるかにエネルギー効率が良い。

［第２の実施形態］
上記の実施形態では、発電回路１００は単一の発電ユニットＵ_１を有しているが、必要な電圧に応じて、発電ユニットを複数接続することもできる。図３は、２段の発電ユニットを設けた発電回路２００を示す回路図である。

発電回路２００は、発電ユニットＵ_１（第１の発電ユニット）、発電ユニットＵ_２（第２の発電ユニット）、直列接続ダイオードｄ_ｓ１およびコンデンサＣ_１を備えている。発電回路２００において、発電ユニットＵ_２以外の構成は、発電回路１００と同様である。

発電ユニットＵ_２は、圧電素子Ｐ_２および並列接続ダイオードｄ_ｐ２を備え、発電ユニットＵ_１に直列に接続されている。圧電素子Ｐ_２は、分極方向α_２に分極され、振動方向ｂ_２の振動を交流電圧に変換している。並列接続ダイオードｄ_ｐ２は、圧電素子Ｐ_２の両電極に接続され、発電の極性を決定している。

このとき、発電ユニットの数をｎとすると、ｎ＋１のダイオードで十分に発電回路を構成できる。従来の回路では、多段に発電ユニットを設けると、発電ユニットの数の４倍のダイオードが必要となり、部品数が多くなるが、発電回路２００では、ｎ＋１個のダイオードで回路を構成できる。これにより、必要とされる部品数が少なくて済む。また、ダイオードの順方向に電流が流れたときのロスが減るため、エネルギー効率が大幅に向上する。

上記の例では、発電回路に２段の発電ユニットが設けられているが、さらに多段であってもよい。その場合の発電回路は、第ｎの発電ユニットＵ_ｎが第ｎ−１の発電ユニットＵ_ｎ−１に直列に接続する。ただし、ｎは２以上の自然数である。本実施形態の発電回路２００では、各発電ユニットＵ_ｎ同士が必ずしも同期していなくても、発電ユニットＵ_ｎの寄与分の電圧を出力することができる。

［応用された実施形態］
上記の発電回路を用いて発信装置を構成することもできる。発信装置は、発電回路と、発電回路に蓄積された直流電力で発信する発信器とを備える。これにより、僅かな振動があれば電力供給のない場所からも発信することができる。たとえば、このような発信装置を搭載したブイを海上に設置し、波の振動を利用して発電し、ブイの位置を発信することができる。

［実施例、比較例］
実際に各回路を作製し、取出電力を測定した。同一構成の圧電素子を使用して、従来回路９００、発電回路１００および発電回路２００を作製し、コンデンサＣ_１の両電極には負荷を接続した。そして、圧電素子に同じ振動を印加した場合に、負荷として接続した抵抗に供給できたエネルギーを比較した。

図４は、実施例（発電回路１００）および比較例（従来回路９００）の出力電力Ｅ１、Ｅ０を示すグラフである。図５は、実施例（発電回路１００、２００）および比較例（従来回路９００）の出力電力Ｅ１、Ｅ２１〜Ｅ２３、Ｅ０を示すグラフである。いずれも周波数と出力電力との関係を示している。出力電力Ｅ２１〜Ｅ２３は、発電ユニット間の振動の位相差がそれぞれ、１８０°、９０°、０°である場合の出力電力を示している。

図４に示すように、振動の周波数が高くなるにつれて（周波数２０Ｈｚ付近）、出力電力は実施例の出力電力の方が比較例のものの４倍程度大きく取れた。また、図５に示すように、発電ユニット間の振動の位相差が小さい方が大きな出力電力が得られた。発電ユニット間の振動の位相差が１８０°の場合の出力電力に対し、それぞれ位相差が９０°の場合の出力電力は約３倍の大きさであり、位相差が０°の場合の出力電力は約４倍の大きさであった。このように、比較例に比べ、実施例では大きな出力電力が得られた。特に発電ユニットを多段で設けた場合には、大きな出力電力が得られた。

１００、２００発電回路
Ｐ_１、Ｐ_２圧電素子（第１、２の圧電素子）
α_１、α_２分極方向
ｄ_ｐ１、ｄ_ｐ２並列接続ダイオード（第１、２の並列接続ダイオード）
Ｕ_１、Ｕ_２発電ユニット（第１、２の発電ユニット）
ｄ_ｓ１直列接続ダイオード
Ｃ_１コンデンサ
ｅ（コンデンサの）電極
Ｅ０、Ｅ１、Ｅ２１−Ｅ２３出力電力

Claims

振動により発電し、直流電力を蓄積する発電回路であって、
振動を交流電圧に変換する第１の圧電素子および前記第１の圧電素子の両電極に接続された第１の並列接続ダイオードからなる第１の発電ユニットと、
前記第１の発電ユニットに対して直列に接続された直列接続ダイオードと、
前記直列接続ダイオードに対して直列に接続されたコンデンサと、を備えることを特徴とする発電回路。
振動を交流電圧に変換する圧電素子および前記圧電素子の両電極に接続された並列接続ダイオードからなり、第ｎ−１の発電ユニットに直列に接続する第ｎ（ｎ＝２以上の自然数）の発電ユニットを更に備えることを特徴とする請求項１記載の発電回路。
請求項１または請求項２記載の発電回路と、
前記発電回路に蓄積された直流電力で発信する発信器と、を備えることを特徴とする発信装置。