JP2014177841A - 水栓装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電機が生成する電気エネルギーの使用効率を改善する水栓装置を提供する。
【解決手段】水流エネルギーから電気エネルギーを生成する発電機１１と、発電機１１からの給電で充電される蓄電部（蓄電回路１５）と、蓄電部からの給電により作動する負荷３０と、入力される電圧を負荷３０の動作保証電圧に降圧する降圧回路１６と、入力される電圧を負荷３０の動作保証電圧に昇圧する昇圧回路１７と、を備え、蓄電部から負荷３０への給電は、降圧回路と昇圧回路の少なくとも一方を介して行われる。
【選択図】図２

Description

本発明は水栓装置に関し、特に、流路の水流で発電する発電機を備えた水栓装置に関する。

従来、水栓制御装置の駆動電力の一部又は全部を生成するための発電回路を備えた発電機能付き水栓システムが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。この発電機能付き水栓システムに用いられる発電回路では、電池又は発電機の電力を一時的に大容量キャパシタに充電する。

電池のみから給電される水栓制御装置であれば、大容量キャパシタを省略することも可能だが、発電機を含む水栓制御装置では、発電した電力を蓄えるために大容量キャパシタが必須である。水栓制御装置に用いる大容量キャパシタとしては、コスト、サイズ、耐久性の観点から、電気二重層コンデンサが適している。

上述した特許文献１，２に記載の技術では、電気二重層コンデンサに蓄えた電圧を昇圧又は降圧することにより必要な値の電圧を生成してＣＰＵ（Central Processing Unit）や電磁弁等の負荷に供給している。

特開２００１−２０７４９８号公報 特開２００３−７０２９７号公報

上述したように、特許文献１，２に記載の技術では、電気二重層コンデンサに蓄えた電圧を昇圧又は降圧するため、昇圧回路と降圧回路の何れか一方を電圧変換回路として備えている。

電圧変換回路として降圧回路を備える場合、電気二重層コンデンサに蓄えた電圧が負荷の動作保証電圧を下回ると、電気二重層コンデンサにはエネルギーが残っているのに使うことが出来なくなる。例えば、負荷が３Ｖ駆動タイプの場合、電気二重層コンデンサの電圧が３Ｖ以上であれば使用可能であるが、３Ｖ未満になると電気二重層コンデンサには３Ｖ近く電荷が残っているにも関わらず使うことができない。

また、電圧変換回路として昇圧回路を備える場合、電気二重層コンデンサに充電できる電圧の上限は負荷の動作保証電圧になるため、当該動作保証電圧を超える部分の電気エネルギーを電気二重層コンデンサに充電することができずに無駄になる。例えば、負荷が３Ｖ駆動タイプの場合、動作保証電圧を超える３Ｖ以上の電圧を負荷に印加すると動作保証オーバーで負荷が破壊されてしまうことから、電気二重層コンデンサに充電できる電圧は３Ｖ以下に制限されてしまい、電気二重層コンデンサには３Ｖという低い電圧以下でしか充電できなくなる。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、発電機が生成する電気エネルギーの使用効率を従来に比べて改善した水栓装置の提供と、電圧変換回路の動作時間を従来に比べて改善することで消費電力をより低減した水栓装置の提供と、の少なくとも一方を実現することを目的とする。

本発明の態様の１つは、非電気エネルギーから電気エネルギーを生成する発電部と、前記発電部からの給電で充電される蓄電部と、前記蓄電部からの給電により作動する負荷と、入力される電圧を前記負荷の動作保証電圧に降圧する第１の電圧変換部と、入力される電圧を前記動作保証電圧に昇圧する第２の電圧変換部と、を備え、前記蓄電部から前記負荷への給電は、前記第１の電圧変換部と前記第２の電圧変換部の少なくとも一方を介して行われることを特徴とする水栓装置である。

また、本発明の選択的な態様の１つにおいて、前記蓄電部から前記負荷へは、前記蓄電部の充電電圧を前記第１の電圧変換部で降圧した電圧を前記第２の電圧変換部で昇圧した電圧が供給される。

当該態様においては、負荷への給電は第１の電圧変換部で降圧された電圧となるので、蓄電部の容量選択は負荷の動作保証電圧範囲によって制限されない。すなわち、蓄電部には負荷の動作保証電圧よりも高い電圧で充電することが可能となり、充電電気エネルギー量を大きくすることが可能となる。

また、本発明の選択的な態様の１つにおいて、１次電池を更に備え、前記１次電池から前記負荷への給電は、前記蓄電部を介さずに、前記第１の電圧変換部と前記第２の電圧変換部の少なくとも一方を介して行われる。

当該態様においては、１次電池からの電力は蓄電部を経由しないため、蓄電部へ充電する時間が不要となる。このため、蓄電部の充電量が空である初回起動時においても素早く動作を開始することが可能となる。

また、本発明の選択的な態様の１つにおいて、前記１次電池から前記負荷への給電は、前記蓄電部及び前記第１の電圧変換部を介さずに、前記第２の電圧変換部を介して行われる。

当該態様においては、１次電池の電圧を負荷の動作保証電圧範囲以下にしておけば、第１の電圧変換部で降圧する必要はない。このため、第１の電圧変換部を介さないことで、第１の電圧変換部での電力の消費を抑制することが可能となり、蓄電部に蓄えられた電力をより有効に利用することが可能となる。

また、本発明の選択的な態様の１つにおいて、前記第１の電圧変換部と前記第２の電圧変換部とが並列接続されており、前記蓄電部から前記負荷への給電経路として、前記第１の電圧変換部を介し且つ前記第２の電圧変換部を介さない第１給電経路と、前記第２の電圧変換部を介し且つ前記第１の電圧変換部を介さない第２給電経路と、の何れかを択一的に選択する選択部を更に備える。

当該態様においては、何れかの電圧変換部のみを択一的に介することによって、電力の消費を低減することが可能となる。これにより、蓄電部に蓄えられた電力をより有効に利用することが可能となる。

また、本発明の選択的な態様の１つにおいて、１次電池を更に備え、前記１次電池の出力が、前記蓄電部を介さずに前記選択部へ入力される。

当該態様においては、１次電池からの電力が蓄電部を経由せずに負荷へ供給されるため、蓄電部へ充電する時間が不要となる。このため、蓄電部の充電量が空である初回起動時においても素早く動作を開始することが可能となる。

また、本発明の選択的な態様の１つにおいて、前記第１の電圧変換部に入力される電圧又は前記第２の電圧変換部に入力される電圧が、前記負荷の前記動作保証電圧以上で、前記負荷が省電力動作中の場合は、前記第１の電圧変換部の降圧動作と前記第２の電圧変換部の昇圧動作の少なくとも一方を動作停止する。

当該態様においては、省電力動作中に昇圧動作を行わないため、消費電力を低減することが可能となる。なお、負荷が省電力動作中の場合は、昇圧動作を行わなくても負荷に供給している電圧低下はわずかであり、動作保証電圧範囲を下回ることはない。

また、本発明の選択的な態様の１つにおいて、前記第１の電圧変換部に入力される電圧又は前記第２の電圧変換部に入力される電圧に応じて、前記第１の電圧変換部の動作時間と前記第２の電圧変換部の動作時間の少なくとも一方を変化させる。

当該態様においては、昇圧回路を動作させる時間が最適化され、昇圧回路の無駄な消費電力を抑えることができる。昇圧にかかる時間は、第２の電圧変換部に入力される電圧値によって変動し、昇圧前の電圧が低ければ昇圧にかかる時間は長くなり、昇圧前の電圧が高ければ昇圧にかかる時間は短くてすむためである。

以上説明した水栓装置は、他の機器に組み込まれた状態で実施されたり他の方法とともに実施されたりする等の各種の態様を含む。また、本発明は前記水栓装置を備える水栓システムとしても実現可能である。

本発明によれば、発電機を備えた水栓装置において、発電機が生成する電気エネルギーの使用効率を従来に比べて改善することと、電圧変換回路の動作時間を従来に比べて改善して消費電力をより低減すること、の少なくとも一方を実現することができる。

第１の実施形態に係る水栓装置の概略を断面的に示した図である。 第１の実施形態に係る電源回路の構成を示す図である。 第１の実施形態に係る電源回路の回路構成の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る電源回路の各部の電圧の関係を示す図である。 降圧型のレギュレータ回路の一例である。 第２の実施形態に係る電源回路の回路構成の一例を示す図である。 第３の実施形態に係る電源回路の回路構成の一例を示す図である。 第４の実施形態に係る電源回路の回路構成の一例を示す図である。 第５の実施形態に係る電源回路の回路構成の一例を示す図である。 第６の実施形態に係る電源回路の回路構成の一例を示す図である。

以下、下記の順序に従って本発明を説明する。
（１）第１の実施形態：
（２）第２の実施形態：
（３）第３の実施形態：
（４）第４の実施形態：
（５）第５の実施形態：
（６）第６の実施形態：
（７）まとめ：

（１）第１の実施形態：
［全体構成］
図１は、本実施形態に係る水栓装置１００の概略を断面的に示した図である。水栓装置１００は、対象物（人体や物体等）を検出して自動的な吐水を行うものであり、洗面台に備え付けられる洗面器１に対して吐水を行う。

洗面器１は、洗面カウンタ２の上面に設けられる。洗面カウンタ２上には、洗面器１のボール面１ａに対して水を吐出するためのスパウトを構成する水栓３が設けられる。水栓３は、水を吐出する吐水口３ａを有し、この吐水口３ａから吐出される水が洗面器１のボール面１ａ内に吐出されるように設けられる。

水栓３が吐水口３ａから吐出する水は、給水路４により供給される。給水路４は、水道管等の給水源から供給される水を吐水口３ａへと導く。洗面器１には、排水路５が接続されている。排水路５は、吐水口３ａから洗面器１のボール面１ａ内に吐水された水を排出する。

水栓装置１００は、電磁弁６と、センサ部８と、コントローラ部９とを備える。センサ部８とコントローラ部９は分離されており、センサ部８は水栓３の内部に収容され、電磁弁６及びコントローラ部９は、洗面台の下側に収容される。

センサ部８とコントローラ部９は、接続ケーブル７で接続されている。コントローラ部９は接続ケーブル７を介してセンサ部８に電源電圧を供給し、接続ケーブル７を介してセンサ部８を制御する。

電磁弁６は、給水路４に設けられ、給水路４の開閉を行う。電磁弁６が開くと、給水路４から供給される水が吐水口３ａから吐出される吐水状態となり、電磁弁６が閉じると、給水路４から供給される水が吐水口３ａから吐出されない止水状態となる。

電磁弁６は、コントローラ部９に接続されており、コントローラ部９は、電磁弁６を駆動して開／閉動作を制御する。電磁弁６は、コントローラ部９からの制御信号に従って電気的に制御され、給水路４の開閉を行う。このように、電磁弁６は、吐水口３ａから吐水される水の給水路４を開閉する給水バルブとして機能する。

電磁弁６は、いわゆるラッチングソレノイドバルブと称される自己保持型電磁弁であり、ソレノイドコイルへの一方向への通電によって閉状態から開状態に動作（開動作）し、その後ソレノイドコイルへの通電を遮断しても開状態を保持し、ソレノイドコイルへの他方向への通電によって開状態から閉状態に動作（閉動作）し、その後ソレノイドコイルへの通電を遮断しても閉状態を保持する。

センサ部８は、吐水口３ａに接近する対象物（手など）を検出する。この吐水口３ａの吐水先が、センサ部８の検知領域となる。センサ部８は、伝播波を送信し、送信した伝播波を受けた人体等の対象物から反射した伝播波を受信することにより、対象物の位置や動き等を検出する。

なお、センサ部８が用いる伝播波としては、例えば、赤外線、マイクロ波、ミリ波、超音波、光等を用いることが可能であり、マイクロ波やミリ波、光に限らず、他の周波数の電波を伝播波に用いてもよい。また、マイクロ波を用いる場合は、センサ部８としてマイクロ波ドップラーセンサを用いてもよい。

センサ部８は、水栓３の吐水口３ａ近くの内部に設けられ、洗面台の使用者側（図１において左側）に向けて伝播波を送信するように配置される。これにより、センサ部８は、吐水口３ａに人体が近づいてきたことや、吐水口３ａに近づいた人体から吐水口３ａに向けて手が差し出されたこと等を検出することができる。

センサ部８は、コントローラ部９に接続される。コントローラ部９は、センサ部８の出力する信号を入力されており、この信号に基づいて対象物の位置や動き等を検知する。そして、その検知結果に基づいて電磁弁６を制御する。

コントローラ部９は、センサ部８の出力する信号に基づいて電磁弁６の開／閉動作を制御する。このため、コントローラ部９には、センサ部８からの出力信号が入力される。また、コントローラ部９は、電磁弁６に対して制御信号を出力して、センサ部８のセンシング動作を制御する。

以上のように、本実施形態の水栓装置１００は、電磁弁６と、センサ部８と、コントローラ部９とを備え、センサ部８の検出信号に基づいてコントローラ部９が制御することにより、電磁弁６の開／閉動作が制御される。これにより、吐水口３ａに接近する対象物の検出結果（洗面台の使用者の動き等）に応じた吐水を行う。

また、センサ部８は常に動作しているのではなく、センシングを必要とするタイミングのみ動作をするように、コントローラ部９が制御している。これにより、センサ部８が低消費電力化する。以下では、コントローラ部９がセンサ部８にセンシング動作を行わせる制御を行っている状態を非省電力動作状態と呼び、コントローラ部９がセンサ部８にセンシング動作を停止させる制御を行っている状態を省電力動作状態と呼ぶことにする。コントローラ部９は、使用者が不便に感じない程度にセンサ部８のセンシング動作の頻度を下げることで、省電力動作状態の割合を増やすことができ、水栓装置１００の低消費電力化を図ることができる。

コントローラ部９及びセンサ部８は、省電力動作状態において、非省電力動作状態に比べて少ない消費電力で動作可能である。例えば、非省電力動作状態での消費電流が１０ｍＡの場合に、省電力動作状態での消費電流が１０μＡとなる。コントローラ部９及びセンサ部８は、省電力動作状態では、動作保証電圧範囲内で動作可能である。

［電源回路］
上述した水栓装置１００は、電源回路１０を備えており、この電源回路１０から各種の負荷に給電されている。以下、電源回路１０について、図２〜４を参照しつつ説明する。

図２は、本実施形態に係る水栓装置１００が備える電源回路１０の構成を示す図であり、図３は、電源回路１０の回路構成の一例を示す図であり、図４は、電源回路１０の各部の電圧の関係を示す図である。電源回路１０で生成された電源電圧は、コントローラ部９や電磁弁６等の負荷３０に供給される。むろん、負荷３０はこれらに限るものではなく、給電により作動する各種の電気・電子部品を負荷３０とすることができる。

図２に示す電源回路１０は、発電部としての発電機１１、整流回路１２、逆流防止回路１３，１４、蓄電回路１５、第１の電圧変換部としての降圧回路１６、第２の電圧変換部としての昇圧回路１７及び１次電池１８を備えている。

発電機１１は、流路に発生する非電気エネルギーとしての水流エネルギーから、交流の電気エネルギーを生成する。例えば、発電機１１は給水路又は排水路等の流路に設置されており、給水路への給水時又は排水路への排水時に発電機１１の回転子が水流によって回転することにより、交流電源ＡＣを生成する。発電機１１は、生成した交流電源ＡＣを整流回路１２へ出力する。

なお、非電気エネルギーは水流エネルギーに限るものではなく、各種のエネルギーを採用可能であり、非電気エネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変換器も、回転子を備える発電機に限らず、非電気エネルギーの態様に応じて適宜に選択される。

整流回路１２は、発電機１１が発生した交流電源ＡＣを整流して直流電源ＤＣを生成する。整流回路１２は、例えば図３に示すように、交流電源ＡＣを全波整流して直流電源ＤＣを生成して出力するダイオードブリッジ回路Ｄ１にて構成される。

蓄電回路１５は、その容量により決まる一定電圧を上限として、整流回路１２が出力する直流電源ＤＣによって充電される。発電機１１が生成して蓄電回路１５にいったん蓄えられた電気エネルギーは、降圧回路１６と昇圧回路１７を通して負荷３０に供給される。

蓄電回路１５は、例えば図３に示すように、電気二重層コンデンサＣ１にて構成される。電気二重層コンデンサＣ１は、正極に整流回路１２の出力する直流電源ＤＣを入力され、負極をグランドに接続されている。電気二重層コンデンサＣ１は、内部抵抗が低く短時間での充放電が可能であり、充放電による劣化が少ないため製品寿命が長く、充放電時に電圧が直線的に変化する特性を持つ。

なお、整流回路１２（及び発電機１１）と蓄電回路１５は、逆流防止回路１３を介して接続されている。逆流防止回路１３は、整流回路１２から蓄電回路１５へ流れる電流を許容し、蓄電回路１５から整流回路１２（及び発電機１１）へ流れる電流を阻止する。

逆流防止回路１３は、例えば図３に示すように、逆流防止用のダイオードＤ２にて構成される。ダイオードＤ２は、アノードを整流回路１２の側に向け、カソードを蓄電回路１５の側に向けて接続される。

１次電池１８は、負極をグランドに向けて接続され、正極を蓄電回路１５に向けて接続されている。１次電池１８は、蓄電回路１５の充電量が１次電池１８の充電量未満の場合に蓄電回路１５を充電し、蓄電回路１５の充電量が１次電池１８の充電量以上の場合には蓄電回路１５への充電は行わない。

なお、１次電池１８の正極と蓄電回路１５は、逆流防止回路１４を介して接続されている。逆流防止回路１４は、１次電池１８から蓄電回路１５へ流れる電流は許容し、蓄電回路１５から１次電池１８へ流れる電流は阻止する。

逆流防止回路１４は、例えば図３に示すように、逆流防止用のダイオードＤ３にて構成される。ダイオードＤ３は、アノードを１次電池１８の正極に向け、カソードを蓄電回路１５の側に向けて接続される。

このように、整流回路１２が生成する直流電流ＤＣは、逆流防止回路１３を介して蓄電回路１５に入力され、１次電池１８が出力する直流電流も、逆流防止回路１４を介して蓄電回路１５に入力される。このため、整流回路１２（及び発電機１１）と１次電池１８の間も相互に電流が流れないようになっている。

降圧回路１６は、所定値Ｖｔ１（図５参照）以上の入力電圧については所定値Ｖｔ１以下に降圧して出力し、所定値Ｖｔ１未満の入力電圧については、入力電圧をそのまま出力する。本実施形態において、降圧回路１６への入力電圧は蓄電回路１５の充電電圧であり、電圧の出力先は昇圧回路１７である。

降圧回路１６は、例えば図３に示すように、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタＴ（以下トランジスタＴと略す。）、抵抗Ｒ１、及び、ツェナダイオードＺＤを備える定電圧回路にて構成される。なお、同図に示す例では、ツェナダイオードＺＤの降伏電圧と抵抗Ｒ１に印加される電圧の和により規定される値が所定値Ｖｔ１に相当する。

トランジスタＴは、コレクタが電気二重層コンデンサＣ１の正極に接続され、ベースがツェナダイオードＺＤを介してグランドに接続されている。ツェナダイオードＺＤは、カソードをトランジスタＴのベース、アノードをグランドにそれぞれ向けて接続されている。抵抗Ｒ１は、トランジスタＴのコレクタとベースの間を接続している。トランジスタＴのコレクタには、蓄電回路１５の充電量に応じて定まる電圧Ｖ１が入力され、トランジスタＴのエミッタからは、電圧Ｖ１を降圧した電圧Ｖ２が出力される。

ツェナダイオードＺＤは、印加電圧が降伏電圧Ｖｔｈ（不図示）未満の場合は降伏せず、印加電圧が降伏電圧Ｖｔｈ以上の場合は降伏する。ツェナダイオードＺＤが降伏している時はトランジスタＴがオン状態になるため、トランジスタＴのコレクタ−エミッタ間が導通する。一方、ツェナダイオードＺＤが降伏していない時はトランジスタＴがオフ状態になるため、トランジスタＴのコレクタ−エミッタ間が導通せず、ツェナダイオードＺＤに対する印加電圧が降伏電圧Ｖｔｈ未満になるまで蓄電回路１５に貯まっている電荷がツェナダイオードＺＤを介してグランドに放電される。

むろん、降圧回路１６は、図３の構成に限るものではなく、例えば、図４に示すような、降圧型のレギュレータ回路を採用することができる。図４には、シリーズレギュレータ回路を例示してある。また、図示しない、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバーターを採用してもよい。

このように、本実施形態に係る電源回路１０は、降圧回路１６を通して負荷３０に対する電力供給を行うため、発電機１１の発電状況（及び／又は蓄電回路１５の充電量）に依存することなく、必ず所定値Ｖｔ１以下の電圧を負荷３０に供給することができる。

また、降圧回路１６を通して負荷３０に対する電力供給を行うため、蓄電回路１５の容量の選択は、負荷３０の動作保証電圧範囲に制限されない。すなわち、蓄電回路１５の容量は、蓄電回路１５から直接に負荷３０へ電力供給した場合に負荷３０に供給可能な充電電荷量（蓄電回路１５の持つ静電容量と負荷３０の動作保証電圧の積であり、以下、「相当充電容量」と記載する。）で制限される必要が無く、当該相当充電容量よりも大容量化することができる。これは、動作保証電圧よりも高い電圧で蓄電回路１５への充電が可能なことによる。

このため、本実施形態に係る電源回路１０は、蓄電回路の容量が相当充電容量の制限下で設計されている従来の電源回路において、発電機で発電したにも関わらず蓄電回路に充電できずに無駄になっていた電気エネルギー（動作保証電圧範囲を超える電圧で生成されている電気エネルギー）を、本実施形態に係る蓄電回路１５では充電可能であり、発電機１１が生成する電気エネルギーの利用効率を向上することができる。

昇圧回路１７は、所定値Ｖｔ２（図５参照）以上の入力電圧についてはそのまま出力し、所定値Ｖｔ２以下の入力電圧については所定値Ｖｔ２以上所定値Ｖｔ１以下の電圧に昇圧して出力する。

昇圧回路１７は、例えば図３に示すように、スイッチング制御により入力電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバーターにて構成される。このＤＣ−ＤＣコンバーターは、コイルＬ、スイッチ回路ＳＷ及びダイオードＤ３を備えている。

コイルＬは、その一端を降圧回路１６に接続されて降圧回路１６から電圧Ｖ２を入力され、その他端をスイッチ回路ＳＷの一端に接続されている。スイッチ回路ＳＷの他端はグランドに接続さている。コイルＬの他端はダイオードＤ３を介して負荷３０にも接続されており、電圧Ｖ２を昇圧した電圧Ｖ３がダイオードＤ３を介して負荷３０に出力される。ダイオードＤ３は、アノードをコイルＬに向け、カソードを負荷３０に向けて接続されている。

スイッチ回路ＳＷは、制御信号Ｓ１によってチョッパ制御されている。制御信号Ｓ１は、スイッチ回路ＳＷのオン／オフ比率（デューティ比）を示す信号である。制御信号Ｓ１は、外部の制御部で生成されてスイッチ回路ＳＷに入力される。制御部は、例えば、コントローラ部９としてもよいし、別途に制御回路や制御ＩＣ等を設けてもよい。制御信号Ｓ１のデューティ比は、負荷３０に供給される電圧Ｖ３が当該負荷３０の動作保証電圧範囲内に収まるよう調整されている。この意味で、上述した所定値Ｖｔ２は、スイッチ回路ＳＷのチョッパ制御に係るデューティ比によって決まる値である。

スイッチ回路ＳＷの制御部は、電圧Ｖ１又は電圧Ｖ２を監視しており、電圧Ｖ１又は電圧Ｖ２が負荷３０の動作保証電圧よりも低い場合は、昇圧回路１７に昇圧動作を行わせ、電圧Ｖ１又は電圧Ｖ２が負荷３０の動作保証電圧よりも高い場合は、昇圧回路１７に昇圧動作を行わせないように制御を行う。

なお、昇圧回路１７は、図３のようにインダクターを用いてスイッチング制御する構成に限るものではない。すなわち、入力電圧を昇圧して出力可能な回路であれば各種のものを採用可能であり、インダクター・ブースト方式であってもよいし、チャージポンプ方式であってもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る電源回路１０では、昇圧回路１７を通して負荷３０に対する電力供給を行うため、発電機１１の発電状況（及び／又は蓄電回路１５の充電量）に依存することなく、所定値Ｖｔ２以上の電圧を負荷３０に供給することができる。また、上述した降圧回路１６の作用も含めると、所定値Ｖｔ２以上所定値Ｖｔ１以下の電圧を負荷３０に供給することができる。

また、昇圧回路１７を通して負荷３０に対する電力供給を行うため、蓄電回路１５の充電量が負荷３０の動作保証電圧範囲の下限を下回っても、負荷３０に動作保証電圧を供給することが出来る。従って、本実施形態に係る電源回路１０は、従来の電源回路では負荷の動作保証には不十分であった少量の電気エネルギーも利用することができる。

また、負荷３０がコントローラ部９やセンサ部８の場合、昇圧回路１７は、センサ部８がセンシング動作を行う非省電力動作状態のときは入力される電圧を昇圧する昇圧動作を行うが、センサ部８がセンシング動作をしない省電力動作状態のときは入力される電圧を昇圧する昇圧動作を行わないように構成できる。これは、省電力動作状態では消費電力が格段に少なく、昇圧動作を行わなくても、供給されている電圧Ｖ３の電圧低下がほとんど発生しないためである。これにより、昇圧回路１７の制御を効率化し、省電力動作状態における昇圧回路１７の制御に係る電力消費を抑制することができる。

更に、同様にして、降圧回路１６も省電力動作状態のときは降圧動作を停止させることで、降圧回路１６の制御に係る電力消費を抑制することができる。これら降圧回路１６と昇圧回路１７は、両方を動作停止としてもよいし、どちらか一方だけを動作停止としてもよい。前者は後者に比べて、より低消費電力化が可能であり、後者は前者に比べて、より制御を簡略化できる。

また、昇圧回路１７と負荷３０の間には蓄電回路１５に比して小容量の蓄電回路（不図示。例えば、電解コンデンサなど）を配置してもよい。こうすることで、省電力動作状態時に消費する電力を、小容量の蓄電回路から供給することができるので、昇圧回路１７の動作時間を更に減らすことができ、昇圧回路１７の制御に係る電力消費を更に抑制することができる。

また、省電力動作状態から非省電力動作状態への復帰時は、センサ部８にセンシング動作をさせるために必要な電力を供給すべく昇圧回路１７の動作を開始させるが、このとき、電圧Ｖ１又は電圧Ｖ２に応じて、負荷３０が省電力動作状態から非省電力動作状態に復帰するまでの期間における昇圧回路１７の動作時間を変化させる。

すなわち、蓄電回路１５の充電量が少ないほど昇圧回路１７の動作時間を長くし、蓄電回路１５の充電量が多いほど昇圧回路１７の動作時間を短くする。これにより、昇圧回路１７の動作時間は、負荷３０の駆動に必要とされる電圧レベルに回復させるために必要十分な時間だけでよいため、適切な電圧が負荷３０に供給されている状態で非省電力動作状態に移行できる。これは、昇圧回路１７の昇圧特性が、昇圧前の入力電圧が高ければ高いほど昇圧効率が良いことによる。つまり、昇圧前の入力電圧が高いほど、昇圧動作時間は短くてよい。

更に、同様にして、降圧回路１６も電圧Ｖ１又は電圧Ｖ２に応じて、負荷３０が省電力動作状態から非省電力動作状態に復帰するまでの期間における動作時間を変化させてもよい。すなわち、蓄電回路１５の充電量が少ないほど降圧回路１６の動作時間を長くし、蓄電回路１５の充電量が多いほど降圧回路１６の動作時間を短くする。

これにより、降圧回路１６の動作時間は、負荷３０の駆動に必要とされる電圧レベルに回復させるために必要十分な時間だけでよいため、適切な電圧が負荷３０に供給されている状態で非省電力動作状態に移行できる。これは、降圧回路１６の降圧特性が、降圧前の入力電圧が高ければ高いほど降圧時間が短いことによる。

これら降圧回路１６と昇圧回路１７の動作時間の制御については、降圧回路１６と昇圧回路１７の双方の動作時間を制御してもよいし、何れか一方の動作時間を制御してもよい。前者は後者に比べてより低消費電力化されるメリットがあり、後者は前者に比べて制御が簡略化される等のメリットがある。

次に、図５を参照して、電源回路１０の作用を説明する。同図において、蓄電回路１５は、最小値Ｖｍｉｎから最大値Ｖｍａｘ（＞Ｖｍｉｎ）までの電圧範囲を充電可能であるものとしてある。最大値Ｖｍａｘは所定値Ｖｔ１よりも大きく、最小値Ｖｍｉｎは所定値Ｖｔ２（＜Ｖｔ１）よりも小さいものとする。

同図に示すように、電圧Ｖ１が所定値Ｖｔ１から最大値Ｖｍａｘの範囲にある場合、降圧回路１６は、電圧Ｖ１を所定値Ｖｔ１以下に降圧した電圧を電圧Ｖ２として出力する。一方、電圧Ｖ１が最小値Ｖｍｉｎから所定値Ｖｔ１の範囲にある場合、降圧回路１６は、電圧Ｖ１をそのまま電圧Ｖ２として出力する。このため、電圧Ｖ２は、最小値Ｖｍｉｎから所定値Ｖｔ１の範囲の電圧値となる。

次に、電圧Ｖ２が最小値Ｖｍｉｎから所定値Ｖｔ２の範囲にある場合、昇圧回路１７は、電圧Ｖ２を所定値Ｖｔ２以上であって所定値Ｖｔ１以下に昇圧した電圧を電圧Ｖ３として出力する。一方、電圧Ｖ２が所定値Ｖｔ２から最大値Ｖｍａｘの範囲にある場合、昇圧回路１７は、電圧Ｖ２をそのまま電圧Ｖ３として出力する。

このため、電圧Ｖ３は、所定値Ｖｔ２以上所定値Ｖｔ１以下のΔＶの範囲の電圧値となる。このΔＶは、負荷３０が動作保証電圧に対応させて設定される。つまり、動作保証電圧範囲はこのΔＶの範囲を包括することになる。なお、本実施形態では、負荷３０の動作保証電圧に一定の許容範囲（動作保証電圧範囲）がある場合を例に取り説明しているため「Ｖｔ１≠Ｖｔ２」としてあるが、負荷３０の動作保証電圧に許容範囲が無い場合には「Ｖｔ１＝Ｖｔ２」とする。

すなわち、電源回路１０は、蓄電回路１５の充電量に関わらず、蓄電回路１５の充電量が負荷３０の相当充電容量を超えていても負荷３０の相当充電容量未満であっても、蓄電回路１５に充電されている限り、負荷３０に動作保証電圧を供給することが出来る。

従って、電源回路１０は、可能な限り高電圧（蓄電回路１５の容量の上限）まで蓄電回路１５に充電し、可能な限り低い電圧（昇圧回路１７の動作下限電圧）まで、負荷の動作を継続させることができる。すなわち、発電機１１が発生した電気エネルギーを余すことなく蓄電回路１５に充電し、蓄電回路１５に蓄積された電気エネルギーを余すことなく使い切ることが出来る。

また、１次電池１８の電圧も必要に応じて降圧又は昇圧されて負荷３０に供給されるため、不適切な電圧の１次電池が誤接続された場合でも、動作保証電圧に降圧又は昇圧された電圧が負荷３０に供給される。これにより、負荷３０の部品破壊を防止することができる。

（２）第２の実施形態：
次に、図６を参照しつつ、第２の実施形態に係る水栓装置について説明する。図６は、第２の実施形態に係る電源回路２１０の回路構成の一例を説明する図である。なお、電源回路以外の構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では説明を省略する。また、電源回路２１０と電源回路１０とで共通する構成については、同じ符号を付して説明を省略する。

図６に示すように、電源回路２１０は、降圧回路１６及び昇圧回路１７に代えて、昇降圧ＩＣ（Integrated Circuit）２１６を備えている。昇降圧ＩＣ２１６は、入力電圧の昇圧と降圧の双方が可能であり、この昇降圧動作は、電源回路２１０の外部の制御部から入力される制御信号Ｓ２によって制御される。

昇降圧ＩＣ２１６の制御部は、上述した昇圧回路１７の制御の場合と同様、コントローラ部９としてもよいし、別途に専用の制御回路等を設けてもよい。また、昇降圧ＩＣ２１６が内部に電圧変換に係る制御を行う制御部を有していてもよい。

このように、降圧回路１６と降圧回路をまとめて１つのＩＣ化することにより、電源回路を小型化され、設計や実装が容易になる。

（３）第３の実施形態：
次に、図７を参照しつつ、第３の実施形態に係る水栓装置について説明する。図７は、第３の実施形態に係る電源回路３１０の回路構成の一例を説明する図である。なお、電源回路を除く水栓装置の構成は、第１の実施形態と同様であるため、以下では説明を省略する。また、電源回路３１０についても、電源回路１０と共通する構成については、同じ符号を付して説明を省略する。

同図に示すように、電源回路３１０では、蓄電回路１５に替えて蓄電回路３１５を備えている。蓄電回路３１５は、整流回路１２とダイオードＤ２の間に配置されている。このため、整流回路１２（発電機１１）から蓄電回路３１５へは電流が流れるが、１次電池１８から蓄電回路３１５へは電流が流れない。すなわち、蓄電回路３１５は、発電機１１が発電して出力する電気エネルギーを充電する一方、１次電池１８の電気エネルギーはダイオードＤ２に阻まれて充電することはない。

具体的には、蓄電回路３１５は、蓄電回路１５と同様に電気二重層コンデンサＣ１にて構成することが出来る。電気二重層コンデンサＣ１の正極は、整流回路１２の出力端子とダイオードＤ２のアノードとを接続するラインに対して接続され、負極はグランドに対して接続される。

このように、蓄電回路３１５を整流回路１２の後段に配置する事により、電源回路３１０の起動、ひいては水栓装置全体の起動が速くなる。すなわち、第１の実施形態に係る水栓装置１００では、蓄電回路１５の充電電圧が、昇圧回路１７が安定動作できる電圧に達するまで時間を待つ必要があり、最初の電力供給を１次電池などから行う場合、蓄電回路１５への充電が完了するまで昇圧動作が開始できずに、水栓装置１００が安定動作できるまでに時間を要してしまう。しかし、本実施形態に係る電源回路３１０を備える水栓装置は、１次電池１８から蓄電回路３１５への充電経路が無いため、１次電池１８から蓄電回路３１５への充電を待つことなく昇圧回路１７を動作させることが可能であり、結果として水栓装置１００を素早く動作開始することができる。

（４）第４の実施形態：
次に、図８を参照して、第４の実施形態に係る水栓装置について説明する。図８は、第４の実施形態に係る電源回路４１０の回路構成の一例を説明する図である。なお、電源回路を除く水栓装置の構成は、第３の実施形態と同様であるため、以下では説明を省略する。また、電源回路４１０についても、電源回路３１０と共通する構成については、同じ符号を付して説明を省略する。

同図に示すように、電源回路４１０では、降圧回路１６に替えて降圧回路４１６を備えている。降圧回路４１６は、蓄電回路３１５とダイオードＤ２の間に配置されている。このため、１次電池１８から負荷３０へは、蓄電回路３１５や降圧回路４１６を通らずに電流が流れる。

このため、１次電池１８の電気エネルギーを効率よく負荷３０へ供給することができる。すなわち、蓄電回路３１５や降圧回路４１６でのロス無く、１次電池１８の電気エネルギーを負荷に供給することができる。また、蓄電回路３１５への充電時間が無いため、水栓装置の動作を素早く開始することができる点は、上述した第３の実施形態と同様である。

（５）第５の実施形態：
次に、図９を参照しつつ、第５の実施形態に係る水栓装置について説明する。図９は、第５の実施形態に係る電源回路５１０の回路構成の一例を示す図である。なお、電源回路を除く水栓装置の構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では説明を省略する。また、電源回路５１０についても、電源回路１０と共通する構成については、同じ符号を付して説明を省略する。

同図に示すように、電源回路５１０は、降圧回路１６に代えて当該降圧回路１６と同等の構成及び機能を有する降圧回路５１６を備え、昇圧回路１７に代えて当該昇圧回路１７と同等の構成及び機能を有する昇圧回路５１７を備え、更に、選択部としてのスイッチ回路５１９，５２０を備えている。

降圧回路５１６と昇圧回路５１７は、蓄電回路１５と負荷３０の間に並列接続されており、蓄電回路１５と降圧回路５１６はスイッチ回路５１９を介して接続されており、蓄電回路１５と昇圧回路５１７はスイッチ回路５２０を介して接続されている。

スイッチ回路５１９は、蓄電回路１５と降圧回路５１６の間の接続のオン／オフを切り換え、スイッチ回路５２０は、蓄電回路１５と昇圧回路５１７の間の接続のオン／オフを切り換える。スイッチ回路５１９とスイッチ回路５２０は、排他的にオンされるものであり、スイッチ回路５１９がオンの時にはスイッチ回路５２０はオフになり、スイッチ回路５１９がオンの時にはスイッチ回路５２０はオフになる。

スイッチ回路５１９は、電源回路５１０の外部の制御部から入力される制御信号Ｓ３によってオン／オフの切り換えが制御され、スイッチ回路５２０も当該制御部から入力される制御信号Ｓ４によってオン／オフの切り換えが制御される。この制御部は、例えば、コントローラ部９としてもよいし、別途に制御回路や制御ＩＣ等を設けてもよい。

スイッチ回路５１９，５２０の制御部は、蓄電回路１５の充電量（例えば、電圧Ｖ１）を監視し、蓄電回路１５の充電量が動作保証電圧以上の場合は、スイッチ回路５１９をオンし且つスイッチ回路５２０をオフし、蓄電回路１５の充電量が動作保証電圧を下回る場合は、スイッチ回路５１９をオフし且つスイッチ回路５２０をオンする。

このように、電源回路５１０においては、蓄電回路１５から負荷３０への給電経路として、降圧回路１６を介しつつ昇圧回路１７を介さない第１給電経路と、昇圧回路１７を介しつつ降圧回路１６を介さない第２給電経路と、の何れかを択一的に選択することができる。このため、降圧回路５１６と昇圧回路５１７の一方のみを介して蓄電回路１５から負荷３０へ電気エネルギーが供給される。これにより、電圧の変換効率が向上し、電圧変換に係る電気エネルギーのロスを少なくすることができる。

また、１次電池１８の電圧も降圧、昇圧されて負荷３０に供給される。これにより、不適切な電圧の１次電池が誤接続された場合でも、適切な電圧まで降圧又は昇圧された電圧が負荷３０に供給されるため、負荷３０の部品破壊を防止することができる点は、上述した第１の実施形態と同様である。

（６）第６の実施形態：
次に、図１０を参照しつつ、第６の実施形態に係る水栓装置について説明する。図１０は、第６の実施形態に係る電源回路６１０を説明する図である。なお、電源回路を除く水栓装置の構成は第５の実施形態と同様であるため、以下では説明を省略する。また、電源回路６１０についても、電源回路５１０と共通する構成については、同じ符号を付して説明を省略する。

同図に示すように、電源回路６１０では、蓄電回路１５に替えて蓄電回路６１５を備えている。蓄電回路６１５は、整流回路１２とダイオードＤ２の間に配置されている。このため、整流回路１２（発電機１１）から蓄電回路６１５へは電流が流れるが、１次電池１８から蓄電回路６１５へは電流が流れない。すなわち、蓄電回路６１５は、発電機１１が発電して出力する電気エネルギーを充電する一方、１次電池１８の電気エネルギーはダイオードＤ２に阻まれて充電することはない。

蓄電回路６１５は、蓄電回路１５と同様に電気二重層コンデンサＣ１にて構成することが出来る。電気二重層コンデンサＣ１の正極は、整流回路１２の出力端子とダイオードＤ２のアノードとを接続するラインに対して接続され、負極はグランドに対して接続される。

このように、蓄電回路６１５を整流回路１２の後段に配置する事により、電源回路６１０の起動、ひいては水栓装置全体の起動が速くなる。すなわち、上述した第１の実施形態に係る水栓装置１００では、蓄電回路１５の充電電圧が、昇圧回路１７が安定動作できる電圧に達するまで時間を待つ必要がある。最初の電力供給を１次電池などから行う場合、蓄電回路１５への充電が完了するまで昇圧動作が開始できずに、水栓装置１００が安定動作できるまでに時間を要してしまう。しかし、本実施形態に係る電源回路６１０を備える水栓装置は、１次電池１８から蓄電回路６１５への充電経路が無いため、１次電池１８から蓄電回路６１５への充電を待つことなく昇圧回路１７を動作させることが可能であり、結果として水栓装置１００を素早く動作開始することができる。

（７）まとめ：
以上説明した各実施形態によれば、非電気エネルギーから電気エネルギーを生成する発電機１１と、発電機１１からの給電で充電される蓄電部（蓄電回路１５，３１５，６１５）と、蓄電部からの給電により作動する負荷３０と、入力される電圧を負荷３０の動作保証電圧に降圧する降圧回路（降圧回路１６，４１６，５１６）と、入力される電圧を負荷３０の動作保証電圧に昇圧する昇圧回路（昇圧回路１７，５１７）と、を備え、蓄電部から負荷３０への給電は、降圧回路と昇圧回路の少なくとも一方を介して行われる。昇圧回路と降圧回路の双方を備えるため、必要に応じて昇圧と降圧のいずれも可能であり、従来の水栓装置に比べて、発電機が生成する電気エネルギーの使用効率を向上できる。

なお、本発明は上述した実施形態や変形例に限られず、上述した実施形態および変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、公知技術並びに上述した実施形態および変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、等も含まれる。また，本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されず，特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。

１…洗面器、１ａ…ボール面、２…洗面カウンタ、３…水栓、３ａ…吐水口、４…給水路、５…排水路、６…電磁弁、７…接続ケーブル、８…センサ部、９…コントローラ部、１０…電源回路、１１…発電機、１２…整流回路、１３…逆流防止回路、１４…逆流防止回路、１５…蓄電回路、１６…降圧回路、１７…昇圧回路、１８…１次電池、３０…負荷、１００…水栓装置、２１０…電源回路、２１６…昇降圧ＩＣ、３１０…電源回路、３１５…蓄電回路、４１０…電源回路、４１６…降圧回路、５１０…電源回路、５１６…降圧回路、５１７…昇圧回路、５１９…スイッチ回路、５２０…スイッチ回路、６１０…電源回路、６１５…蓄電回路、ＡＣ…交流電流、Ｃ１…電気二重層コンデンサ、Ｄ１…ダイオードブリッジ回路、Ｄ２…ダイオード、Ｄ３…ダイオード、ＤＣ…直流電流、Ｌ…コイル、Ｒ１…抵抗、ＳＷ…スイッチ回路、Ｔ…トランジスタ、Ｖ１…電圧、Ｖ２…電圧、Ｖ３…電圧、ＺＤ…ツェナダイオード

Claims (8)

1. 非電気エネルギーから電気エネルギーを生成する発電部と、
   前記発電部からの給電で充電される蓄電部と、
   前記蓄電部からの給電により作動する負荷と、
   入力される電圧を前記負荷の動作保証電圧に降圧する第１の電圧変換部と、
   入力される電圧を前記負荷の動作保証電圧に昇圧する第２の電圧変換部と、
   を備え、
   前記蓄電部から前記負荷への給電は、前記第１の電圧変換部と前記第２の電圧変換部の少なくとも一方を介して行われることを特徴とする水栓装置。
2. 前記蓄電部から前記負荷へは、前記蓄電部の充電電圧を前記第１の電圧変換部で降圧した電圧を前記第２の電圧変換部で昇圧した電圧が供給されることを特徴とする請求項１に記載の水栓装置。
3. １次電池を更に備え、
   前記１次電池から前記負荷への給電は、前記蓄電部を介さずに、前記第１の電圧変換部と前記第２の電圧変換部の少なくとも一方を介して行われることを特徴とする請求項２に記載の水栓装置。
4. １次電池を更に備え、
   前記１次電池から前記負荷への給電は、前記蓄電部及び前記第１の電圧変換部を介さずに、前記第２の電圧変換部を介して行われることを特徴とする請求項２に記載の水栓装置。
5. 前記第１の電圧変換部と前記第２の電圧変換部とが並列接続されており、
   前記蓄電部から前記負荷への給電経路として、前記第１の電圧変換部を介し且つ前記第２の電圧変換部を介さない第１給電経路と、前記第２の電圧変換部を介し且つ前記第１の電圧変換部を介さない第２給電経路と、の何れかを択一的に選択する選択部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の水栓装置。
6. １次電池を更に備え、
   前記１次電池の出力が、前記蓄電部を介さずに前記選択部へ入力されることを特徴とする請求項５に記載の水栓装置。
7. 前記第１の電圧変換部に入力される電圧又は前記第２の電圧変換部に入力される電圧が、前記負荷の前記動作保証電圧以上で、前記負荷が省電力動作中の場合は、前記第１の電圧変換部の降圧動作と前記第２の電圧変換部の昇圧動作の少なくとも一方を動作停止することを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の水栓装置。
8. 前記第１の電圧変換部に入力される電圧又は前記第２の電圧変換部に入力される電圧に応じて、前記第１の電圧変換部の動作時間と前記第２の電圧変換部の動作時間の少なくとも一方を変化させることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の水栓装置。

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