JP6540803B2 - 発電装置およびそれを備えた電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、発電装置およびそれを備えた電気機器に関し、より特定的には、圧電素子を含む発電装置およびそれを備えた電気機器に関する。

従来、圧電素子を含む発電装置に関する種々の技術が提案されている。たとえば特開２０１１−１０３７２９号公報（特許文献１）は手動操作機器を開示する。この手動操作機器は、タッチセンサ式の入力部と、入力部に入力された指示に応じた制御動作を実行する制御部と、圧電材料によって構成された発電部と、発電部からの電力を充電する充電部と、充電部からの電力を制御部に供給する電源供給部とを備える。タッチセンサを用いると、ユーザが指の力を緩めてからでも入力指示を検出できるので、発電部の復元による発電を待ってから回路動作を開始することができる。回路動作の開始タイミングを発電部の復元後とすることにより、充電部が十分に蓄電されてから制御部の動作を開始することができるようになり、制御部の動作が安定する。

また、たとえば国際公開第２００３／２５９６９号（特許文献２）は電源装置を開示する。この電源装置は、充電部に充電された電力が所定レベルの充電量に達したと判定されるまで放電を開始しないスイッチ手段を備える。つまり、この電源装置によれば、充電部に必要量まで充電された電力が一気に供給される。これにより、一般的には発電電力が小さい圧電素子であっても、比較的大きな電力を必要とする外部機器に電源装置として適用することが可能になる。

特開２０１１−１０３７２９号公報 国際公開第２００３／２５９６９号

特許文献１に開示された手動操作装置は動作開始制御部をさらに備える。動作開始制御部は、コンパレータ、分圧抵抗、および基準電圧生成回路等を含む。動作開始制御部は、検出された電圧が基準電位を超えたか否かを示す信号（イネーブル信号）を動作開始指令として電源供給部に出力する。電源供給部は、イネーブル信号がＨ（ハイ）レベルになると、充電部に蓄えられた電力を所定電圧に変換して電力供給を開始する。

特許文献２に開示された電源装置は、スイッチ手段を制御するための判定手段をさらに備える。判定手段は、抵抗およびコンデンサを含み、充電部の電圧が所定レベルに達したか否かを圧電素子の発電タイミングに応じて判定する。

このように、特許文献１，２に開示された各装置においては、圧電素子により生じた電圧（より具体的には整流後の電圧）が検出される。そして、その検出電圧と予め定められたしきい値電圧との大小関係の判定結果に応じて、後段の負荷への電力供給が制御される。

圧電素子により生じた電圧を検出するための電気回路（動作開始制御部または判定手段）を構成する各素子は、製造ばらつきを含み得る。さらに、圧電素子も製造ばらつきを含み得る。そのため、各素子の製造ばらつきに起因して上記判定結果にばらつきが生じ、装置によっては電力供給の制御動作が適切に実行されない可能性がある。したがって、装置の信頼性を確保するために、上記しきい値電圧の設定に際しては素子の製造ばらつきを考慮してマージンを設定することが望ましい。

一般にマージンは、各素子の特性値が製造ばらつきの許容範囲の限界値である場合を想定して設定される。その一方で、多くの素子は、全素子の特性値の平均値に近い特性値を有する。そのため、上述のようにマージンを設定すると、圧電素子により生じた電力を有効に利用できず、電力の利用効率が相対的に低くなる可能性がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、圧電素子を含む発電装置において、圧電素子により生じた電力の利用効率を向上させることである。

本発明の他の目的は、発電装置と、発電装置から供給された電力を消費する電気負荷とを備えた電気機器において、圧電素子により生じた電力の利用効率を向上させることである。

本発明のある局面に従う発電装置は、外力を受けて発電した電力を出力ノードに供給する。発電装置は、外力に応じて変位する可動部と、可動部の変位に応じて変形することにより発電する圧電素子と、可動部の変位を制限するように構成された制限部と、スイッチとを備える。スイッチは、圧電素子と出力ノードとを結ぶ電力線に直列に接続され、可動部の変位量が、制限部により制限される変位量に達したときに導通するように構成される。

本発明の他の局面に従う電気機器は、上記発電装置と、外部負荷とを備える。外部負荷は、発電装置から出力ノードを介して供給された電力を受ける。

好ましくは、外部負荷は、スイッチが導通状態の場合に発電装置から供給された電力を消費する。

好ましくは、制限部は、圧電素子の変形量が所定値以上に達したときに、可動部の変位量が、制限部により制限される変位量に達するように構成される。

好ましくは、上記所定値は、圧電素子の許容変形量の最大値である。
好ましくは、圧電素子は、第１および第２の出力端子を含む。発電装置は、全波整流回路と、コンデンサと、他のスイッチとをさらに備える。全波整流回路は、第１および第２の出力端子と出力ノードとの間に接続され、圧電素子の出力電圧を全波整流する。コンデンサは、全波整流回路に並列に接続され、全波整流回路により整流された電圧を平滑化する。制限部は、圧電素子の変形量を増大させる方向への可動部の変位を制限するように構成された第１の制限部と、圧電素子の変形量を減少させる方向への可動部の変位を制限するように構成された第２の制限部とを含む。上記他のスイッチは、上記スイッチに並列に接続される。上記スイッチは、可動部の変位量が、第１の制限部により制限される変位量に達したときに導通するように構成される。上記他のスイッチは、可動部の変位量が、第２の制限部により制限される変位量に達したときに導通するように構成される。

好ましくは、圧電素子は、第１および第２の出力端子を含む。発電装置は、第１および第２の出力端子に接続された放電スイッチをさらに備える。放電スイッチは、上記スイッチが導通状態となった後に導通状態となるように構成される。

好ましくは、圧電素子は、第１および第２の出力端子を含む。発電装置は、アノードおよびカソードを有するダイオードをさらに備える。第１の出力端子は、カソードおよびスイッチに電気的に接続される。第２の出力端子は、アノードに電気的に接続される。

好ましくは、上記スイッチは、可動部の変位に応じて導通する機械的スイッチを含む。
好ましくは、可動部は、磁性体を含む。上記スイッチは、可動部の変位に応じた磁場の変化により導通するリードスイッチを含む。

好ましくは、発電装置は、可動部の変位に応じて変形して制御信号を出力する圧電部をさらに備える。上記スイッチは、圧電部からの制御信号に応答して導通する電気的スイッチを含む。

本発明によれば、圧電素子を含む発電装置において、圧電素子により生じた電力の利用効率を向上させることができる。

また、本発明によれば、発電装置と負荷とを備えた電気機器において、圧電素子により生じた電力の利用効率を向上させることができる。

実施の形態１に係る発電装置を搭載したリモートコントローラの構成を概略的に示す回路ブロック図である。 圧電素子の構成例を示す図である。 圧電素子の他の構成例を示す図である。 比較例に係る発電モジュールを搭載したリモートコントローラの構成を概略的に示す回路ブロック図である。 実施の形態１における圧電素子およびロードスイッチの構成および動作を説明するための図である。 実施の形態１に係る発電モジュールを搭載したリモートコントローラの動作を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態１に係る発電モジュールと比較例に係る発電モジュールとの間で電力の利用効率を比較するための図である。 実施の形態１の変形例１に係る発電モジュールに採用されるロードスイッチの構成を示す図である。 実施の形態１の変形例２に係る発電モジュールに採用されるロードスイッチの構成を示す図である。 実施の形態２に係る発電装置を搭載したリモートコントローラの構成を示す概略的に回路ブロック図である。 実施の形態２における圧電素子およびロードスイッチの構成を示す図である。 実施の形態２に係る発電モジュールを搭載したリモートコントローラの動作を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態３に係る発電モジュールを搭載したリモートコントローラの構成を概略的に示す回路ブロック図である。 実施の形態３に係る発電モジュールを搭載したリモートコントローラの動作を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態４に係る発電モジュールを搭載したリモートコントローラの構成を概略的に示す回路ブロック図である。 実施の形態４に係る発電モジュールを搭載したリモートコントローラの動作を説明するためのタイムチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

以下においては、本発明の一実施形態として、発電モジュールを用いてリモートコントローラ（あるいはワイヤレススイッチ）が実現される構成について説明する。しかし、本発明に係る発電装置を備える電気機器の用途はこれに限定されるものでない。本発明に係る発電装置は、発電装置により生じた電力を消費する電気負荷を備える任意の電気機器に適用することができる。そのような電気機器の例としては、振動センサ、マイク、点火装置等が挙げられる。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に係る発電モジュールを搭載したリモートコントローラの構成を概略的に示す回路ブロック図である。図１を参照して、リモートコントローラ１００は、発電モジュール１０と、通信部５０とを備える。

発電モジュール（発電装置）１０は、出力ノードＯＵＴ１，ＯＵＴ２を介して通信部５０に電力を供給する。通信部５０は、ＲＦ（Radio Frequency）回路５２と、ＲＦアンテナ５４とを含む。通信部５０は、発電モジュール１０の外部に設けられ、発電モジュール１０から供給された電力を受ける。そして、通信部５０は、リモートコントローラ１００から離れた位置に設けられた受信器（図示せず）にＲＦ信号を制御信号として出力する。なお、通信部５０は、ＲＦ回路５２およびＲＦアンテナ５４に代えてＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の発光素子を含んでもよい。なお、通信部５０は、本発明に係る「外部負荷」に相当する。ただし、外部負荷の構成はこれに限定されず、電気エネルギーを他のエネルギー形態（たとえば光、電波等）へと変換可能な機構であればよい。

発電モジュール１０は、圧電素子１と、半波整流回路２１と、コンデンサＣと、ロードスイッチ３１とを備える。なお、ロードスイッチ３１は、本発明に係る「スイッチ」に相当する。

圧電素子１は、可動部６０（図５参照）の変位に応じて変形することにより発電する。圧電素子１には出力端子Ｔ１（第１の出力端子）および出力端子Ｔ２（第２の出力端子）が設けられている。以下、出力端子Ｔ２の電位を基準とした出力端子Ｔ１の電位を出力電圧Ｖ１と記載する。圧電素子１の構成については図２および図３にて詳細に説明する。

半波整流回路２１は、出力端子Ｔ１，Ｔ２と出力ノードＯＵＴ１，ＯＵＴ２との間に接続されている。半波整流回路２１と出力ノードＯＵＴ１とは、電力線ＰＬによってロードスイッチ３１を介して電気的に接続されている。半波整流回路２１と出力ノードＯＵＴ２とは電力線ＧＬにより電気的に接続されている。電力線ＧＬは、基準電位ＧＮＤに接続された接地配線である。半波整流回路２１は、たとえばダイオード（図示せず）を含む一般的な単相半波整流回路であり、圧電素子１の出力電圧Ｖ１を半波整流する。

コンデンサＣは、電力線ＰＬと電力線ＧＬとの間に接続されている。コンデンサＣは、半波整流回路２１により半波整流された電圧を平滑化する。以下、出力電圧Ｖ１がコンデンサＣにより平滑化された電圧を整流電圧Ｖｃと記載する。

ロードスイッチ３１は、通信部５０への電力の供給状態と遮断状態とを切り替えるスイッチである。ロードスイッチ３１は、発電モジュール１０と出力ノードＯＵＴ１とを結ぶ電力線ＰＬに直列に接続される。言い換えれば、圧電素子１からの電力の供給方向に関し、ロードスイッチ３１は出力ノードＯＵＴ１よりも前段に設けられており、通信部５０は出力ノードＯＵＴ１よりも後段に設けられている。なお、ロードスイッチ３１は、電力線ＰＬに代えて電力線ＧＬに設けられてもよい。電力線ＰＬまたは電力線ＧＬが本発明に係る「電力線」に相当し、電力線ＰＬと電力線ＧＬとの間を（並列に）接続する配線（たとえばコンデンサＣが接続された配線）は、本発明に係る「電力線」に相当するものではない。ロードスイッチ３１の構成については図５において詳細に説明する。

図２は、圧電素子１の構成例を示す図である。図２（Ａ）は、たとえばユーザ操作による力である外力Ｆが印加されていない状態（初期状態）の圧電素子１を模式的に示す。

図２（Ａ）を参照して、圧電素子１は、たとえばユニモルフ型の圧電素子である。圧電素子１は両持ち梁構造を有する。すなわち、圧電素子１の両端部が支持部１６によって支持されている。なお、圧電素子１は片持ち梁構造を有してもよい。

圧電素子１は、圧電体１２と、金属板１４とを含む。圧電体１２の材料としては、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスが採用される。しかし、圧電体１２の材料は特に限定されるものではなく、非鉛系圧電体セラミックス（たとえばニオブ酸カリウムナトリウム系セラミックス、アルカリニオブ酸系セラミックス等）を採用してもよい。

圧電素子１は、外力Ｆが印加されていない状態では平板状である。圧電体１２の一方の主面には電極１２Ａが設けられている。電極１２Ａには出力端子Ｔ１が接続されている。圧電体１２の他方の主面には電極１２Ｂが設けられている。電極１２Ｂは、圧電体１２と金属板１４とを電気的に接続する。電極１２Ｂには出力端子Ｔ２が接続されている。

図２（Ｂ）に示すように、圧電素子１の中央部に外力Ｆが印加されると、圧電体１２が変形する。その結果、圧電体１２に分極が生じる。図２（Ｂ）および図２（Ｃ）では正電荷を「＋」で示し、負電荷を「−」で示す。分極により、電極１２Ａが正に帯電する一方で、電極１２Ｂは負に帯電する。そのため、出力端子Ｔ１の電位は、出力端子Ｔ２の電位よりも高くなる。すなわち、圧電素子１の出力電圧Ｖ１は正電圧になる。

これに対し、図２（Ｃ）に示すように、圧電素子１への外力Ｆの印加が停止されると、圧電体１２は、圧電素子１およびバネ８０（図５参照）の復元力により初期状態へと復帰する。このとき、圧電素子１に生じる電荷の極性が反転する。すなわち、電極１２Ａが負に帯電する一方で、電極１２Ｂは正に帯電する。そのため、圧電素子１の出力電圧Ｖ１は負電圧になる。このように、圧電素子１への外力Ｆの印加および印加停止に応じて、圧電素子１の出力電圧Ｖ１の符号が逆転する。

図３は、圧電素子１の他の構成例を示す図である。図３に示すように、圧電素子１Ａとして複数の圧電体１２が積層された積層型素子を採用してもよい。これにより、単層型（図２参照）の構成と比べて圧電体１２により生じる電荷量が大きくなるので、通信部５０（図１参照）により大きな電力を供給することが可能になる。図示しないが、バイモルフ型の圧電素子１Ａを採用してもよい。

ここで、実施の形態１に係る発電モジュール１０の特徴の理解を容易にするために比較例に係る発電モジュールの構成を説明する。

図４は、比較例に係る発電モジュールを搭載したリモートコントローラの構成を概略的に示す回路ブロック図である。図４を参照して、リモートコントローラ９００において、発電モジュール９０は、ロードスイッチ３１に代えてロードスイッチ３９を備える点、およびロードスイッチ３９を制御する制御回路９をさらに備える点において、実施の形態１に係る発電モジュール１０（図１参照）と異なる。

制御回路９は、電力線ＰＬと電力線ＧＬとの間に接続されている。制御回路９は、いずれも図示しないが、たとえばコンパレータ回路および基準電圧生成回路を含んで構成される。出力電圧Ｖ１をコンデンサＣにより平滑化した後の整流電圧Ｖｃが制御回路９の最低動作電圧よりも高くなると、制御回路９は、整流電圧Ｖｃを電源電圧として動作を開始する。制御回路９は、整流電圧Ｖｃを検出し、検出された整流電圧Ｖｃと、予め定められたしきい値電圧Ｖｔｈとの大小関係を判定する。そして、制御回路９は、その判定結果に応じた制御信号ＣＴＲをロードスイッチ３９に出力する。制御信号ＣＴＲにより、ロードスイッチ３９の導通状態と非導通状態とが切り替えられる。

コンパレータ回路および基準電圧生成回路等の回路は半導体素子を含んで形成されるので、製造ばらつきを含み得る。さらに、圧電素子１も製造ばらつきを含み得る。そのため、各素子の製造ばらつきに起因して上記判定結果にばらつきが生じ、発電モジュール９０によっては電力供給の制御動作が適切に実行されない可能性がある。したがって、発電モジュール９０の信頼性を確保するために、しきい値電圧Ｖｔｈの設定に際しては素子の製造ばらつきを考慮してマージンを設定することが望ましい。

一般に、マージンは、各素子の特性値が製造ばらつきの許容範囲の限界値（上限値または下限値）である場合を想定して設定される。その一方で、多くの素子は、全素子の特性値の平均値に近い特性値を有する。そのため、上述のようにマージンを設定すると、圧電素子１により生じた電力を有効に利用できず、電力の利用効率が相対的に低くなる可能性がある。

そこで、本実施の形態によれば、整流電圧Ｖｃとしきい値電圧Ｖｔｈとの大小関係の判定に代えて、外力Ｆが印加される際の機械的作用によりロードスイッチ３１が導通する構成が採用される。以下、本実施の形態におけるロードスイッチ３１の構造および動作について詳細に説明する。

図５は、実施の形態１における圧電素子１およびロードスイッチ３１の構成および動作を説明するための図である。

図５（Ａ）を参照して、発電モジュール１０は、圧電素子１と、ロードスイッチ３１と、可動部６０と、基部７０と、バネ８０とを備える。可動部６０は、ヒンジ６２と、突起６４，６６とを含む。基部７０は制限部７１を含む。可動部６０および基部７０の材料としては樹脂等の絶縁体を用いることができる。

以下では説明の簡略化のため、図中正のｚ方向を「上方」と呼び、負のｚ方向を「下方」と呼ぶ。ただし、負のｚ方向は鉛直方向を意味するものではなく、任意の方向とすることができる。

可動部６０は、たとえば平板状に形成される。可動部６０の一方端はヒンジ６２により基部７０に結合される。可動部６０の他方端の近傍にはバネ８０の一方端が接続されている。バネ８０の他方端は基部７０に固定されている。これにより、可動部６０は、可動域Ｒの最上点と最下点との間を変位する。

基部７０は、発電モジュール１０のハウジングに相当する部分であり、基部７０の底面に圧電素子１が設けられている。さらに、制限部７１の上面にロードスイッチ３１が設けられている。

図５（Ｂ）に示すように、外力Ｆの印加により可動部６０が下方に変位すると、突起６４が圧電素子１に押し当てられる。これにより、圧電素子１が変形し、圧電素子１から出力電圧Ｖ１が出力される。

図５（Ｃ）に示すように、可動部６０がさらに下方に押し込まれると、可動部６０が可動域Ｒの最下点に達する。すなわち、可動部６０の下方への変位が制限部７１により制限される。このとき、突起６６がロードスイッチ３１に機械的に接触することにより、ロードスイッチ３１が導通する。言い換えると、ロードスイッチ３１は、可動部６０の変位量が、制限部７１により制限される変位量に達したときに導通する。

図６は、実施の形態１に係る発電モジュール１０を搭載したリモートコントローラ１００の動作を説明するためのタイムチャートである。図６ならびに後述する図１２、図１４および図１６において、横軸は経過時間を表す。縦軸は、上から順に、圧電素子１の出力電圧Ｖ１および整流電圧Ｖｃ、ロードスイッチ３１の導通状態／非導通状態、ならびに通信部５０の動作状態／停止状態を示す。

図１、図５および図６を参照して、時刻ｔ１１までは外力Ｆの印加による圧電素子１の変形は生じていない（図５（Ａ）参照）。そのため、出力電圧Ｖ１および整流電圧Ｖｃは、いずれも略ゼロＶ（ボルト）である。また、ロードスイッチ３１は初期状態であり、非導通状態である。したがって、通信部５０には電力が供給されておらず、通信部５０は停止している。

時刻ｔ１１において、ユーザによる外力Ｆの印加により圧電素子１の変形が始まる（図５（Ｂ）参照）。これに伴い、圧電素子１の出力電圧Ｖ１が増加する。また、出力電圧Ｖ１の増加に伴い、整流電圧Ｖｃも増加する。一方、ロードスイッチ３１は非導通状態に維持されるので、通信部５０への電力供給は遮断されている。

時刻ｔ１２において、可動部６０が可動域Ｒの最下点に達する（図５（Ｃ）参照）。そうすると、突起６６がロードスイッチ３１に機械的に接触することにより、ロードスイッチ３１が非導通状態から導通状態へと切り替わる。その結果、通信部５０に電力が供給され、通信部５０が動作して発電モジュール１０から出力ノードＯＵＴ１を介して供給された電力を消費する。

時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの期間、可動部６０への外力Ｆの印加が継続され、ロードスイッチ３１は導通状態に維持される。そのため、通信部５０がその動作を継続することにより、圧電素子１の出力電圧Ｖ１および整流電圧Ｖｃは、通信部５０により消費された電力に相当する分だけ低くなる。

時刻ｔ１３において、整流電圧Ｖｃが通信部５０の最低動作電圧Ｖｍｉｎを下回ると、通信部５０は停止する。ただし、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４までの期間、コンデンサＣからの漏れ電流により整流電圧Ｖｃはわずかに低下する。

時刻ｔ１４においてユーザが可動部６０に印加する力（外力Ｆ）を緩めると、外力Ｆの減少が始まる。これに伴い、圧電素子１がその復元力により初期状態（図５（Ａ）参照）へと復帰する過程において、圧電素子１から負電圧が出力電圧Ｖ１として出力される（時刻ｔ１５）。この負電圧が半波整流回路２１により半波整流されることにより、時刻ｔ１５以降の整流電圧Ｖｃは略ゼロＶになる。

図７は、実施の形態１に係る発電モジュール１０（図１参照）と比較例に係る発電モジュール９０（図４参照）との間で電力の利用効率を比較するための図である。電力の利用効率とは、圧電素子１により生じた電力（発電電力）のうち通信部５０に供給可能な電力の割合を意味する。図７において、横軸は、圧電素子１に印加される外力Ｆを示す。左側の縦軸は圧電素子１（１Ａ）の変形量を表し、右側の縦軸は整流電圧Ｖｃを示す。

図７を参照して、１点鎖線で示す曲線ＤＩＳは、圧電素子１の変形量を表す。圧電素子１の製造ばらつきにより、圧電素子１の変形量が等しくても整流電圧Ｖｃは圧電素子１毎に異なり得る。実線で示す曲線ＬＬは、製造ばらつきの許容範囲の下限における整流電圧Ｖｃを表す。

比較例では、整流電圧Ｖｃの比較対象となるしきい値電圧Ｖｔｈもばらつき得る。ロードスイッチ３９は、遅くとも曲線ＬＬに示す整流電圧Ｖｃがしきい値電圧Ｖｔｈの最大値（許容範囲の上限値）を上回った時点で導通される。このときの外力Ｆは、可動部６０の可動域Ｒの最下点に対応する外力であるｆ１よりも小さいｆ９である。

これに対し、実施の形態１によれば、可動部６０に設けられた突起６６がロードスイッチ３１に機械的に接触することにより、ロードスイッチ３１が導通する。そのため、比較例のように整流電圧Ｖｃおよびしきい値電圧Ｖｔｈのばらつきを考慮しなくてよいので、外力Ｆがｆ１に達するまで圧電素子１の変形を許容してからロードスイッチ３１を導通することが可能になる。よって、斜線で示す領域Ｓに相当する電力を有効に利用することができる。したがって、圧電素子１により生じた電力の利用効率を向上させることができる。

［実施の形態１の変形例１］
実施の形態１ではロードスイッチ３１として機械的スイッチが採用される構成を例に説明したが、ロードスイッチ３１の種類はこれに限定されるものではない。実施の形態１の変形例１，２では、機械的スイッチとは異なる種類のスイッチが採用される構成について説明する。

図８は、実施の形態１の変形例１に係る発電モジュールに採用されるロードスイッチの構成を説明するための図である。図８を参照して、変形例１におけるロードスイッチ３３は、不活性ガスが封入されたガラス管内部に設けられたリードスイッチである。可動部６０にはロードスイッチ３３の接点を切り替えるための磁石６８が埋設されている。

［実施の形態１の変形例２］
図９は、実施の形態１の変形例２に係る発電モジュールに採用されるロードスイッチの構成を説明するための図である。図９（Ａ）を参照して、変形例２においては、圧電素子１の下方に別の圧電部１Ｂが設けられている。そのため、外力Ｆの印加により可動部６０が変位すると、圧電素子１が変形して発電するとともに圧電部１Ｂも変形して発電する。圧電部１Ｂにより生じた電圧を用いて導通信号ＣＯＮが出力される。ロードスイッチ３４は、圧電部１Ｂからの導通信号ＣＯＮに応答して導通する。

図９（Ｂ）は、圧電部１Ｂの周辺回路の回路構成例を示す図である。圧電部１Ｂの周辺回路は、スイッチング素子（トランジスタ）Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１〜Ｄ３と、抵抗Ｒ１とを備える。圧電部１Ｂからの出力電圧に応答してスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオンすることにより、導通信号ＣＯＮが出力される。なお、実施の形態１の変形例１，２に係る発電モジュールのロードスイッチ３３，３４以外の構成は、実施の形態１に係る発電モジュール１０の対応する構成と同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。

［実施の形態２］
実施の形態１では、１つのロードスイッチが設けられる構成について説明したが、複数のロードスイッチを設けることも可能である。実施の形態２においては、２つのロードスイッチが設けられる構成について説明する。

図１０は、実施の形態２に係る発電モジュールを搭載したリモートコントローラの構成を概略的に示す回路ブロック図である。図１０を参照して、リモートコントローラ１００Ａにおいて、発電モジュール１０Ａは、半波整流回路２１に代えて全波整流回路２２を備える点、およびロードスイッチ３１に並列に接続されたロードスイッチ３２をさらに備える点において、実施の形態１に係る発電モジュール１０（図１参照）と異なる。全波整流回路２２は、たとえば一般的なダイオードブリッジ回路であり、圧電素子１の出力電圧Ｖ１を全波整流する。

図１１は、実施の形態２における圧電素子１およびロードスイッチ３１，３２の構成を示す図である。図１１を参照して、基部７０Ａは、制限部７１（第１の制限部）に加えて制限部７２（第２の制限部）を含む。制限部７２は、可動部６０よりも上方に設けられている。制限部７２の下面にはロードスイッチ３２が設けられている。図１１には圧電素子１の復元時に可動部６０が可動域Ｒの最上点に達した状態が示されている。

圧電素子１の変形時にはロードスイッチ３１が導通し、圧電素子１の復元時にはロードスイッチ３２が導通する。そのため、実施の形態２によれば以下に説明するように、圧電素子１により生じた電力を圧電素子１の変形時および復元時の両方で通信部５０に供給することが可能になる。なお、ロードスイッチ３１，３２は、本発明に係る「スイッチ」および「他のスイッチ」にそれぞれ相当する。

図１２は、実施の形態２に係る発電モジュール１０Ａを搭載したリモートコントローラ１００Ａの動作を説明するためのタイムチャートである。図１２に示すタイムチャートは、実施の形態１のタイムチャート（図６参照）と対比される。図１２に示すタイムチャートにおいては、縦軸にロードスイッチ３１に加えてロードスイッチ３２の導通状態／非導通状態がさらに示されている。

図１０〜図１２を参照して、時刻ｔ２１までの期間、可動部６０がロードスイッチ３２に機械的に接触しているので、ロードスイッチ３２は導通状態である。ただし、圧電素子１からの出力電圧Ｖ１が略ゼロＶであるため、通信部５０は停止している。時刻ｔ２１から時刻ｔ２４までの動作は、図６に示すタイムチャートにおける時刻ｔ１１から時刻ｔ１４までの動作と同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。

時刻ｔ２４においてユーザが外力Ｆを緩めると、外力Ｆの減少が始まる。これに伴い、圧電素子１が復元力により初期状態（時刻ｔ２１までの期間の状態）へと復帰する過程において、圧電素子１から負電圧が出力電圧Ｖ１として出力される。実施の形態２では全波整流回路２２が設けられているので、圧電素子１からの負電圧が全波整流されることにより、整流電圧Ｖｃは時間の経過とともに増加する。

時刻ｔ２５において、可動部６０が可動域Ｒの最上点に達する。言い換えると、圧電素子１の変形量が、制限部７２により制限される変形量に達する。そうすると、可動部６０がロードスイッチ３２に機械的に接触することにより、ロードスイッチ３２が非導通状態から導通状態へと切り替わる。その結果、通信部５０に電力が供給され、通信部５０が動作する。

時刻ｔ２５以降、ロードスイッチ３２は導通状態に維持される。時刻ｔ２５から時刻ｔ２６までの期間、通信部５０が動作することにより、圧電素子１の出力電圧Ｖ１および整流電圧Ｖｃは、通信部５０により消費された電力に相当する分だけ低くなる。時刻ｔ２６において、整流電圧Ｖｃが通信部５０の最低駆動電圧Ｖｍｉｎを下回ると、通信部５０は停止する。

以上のように、実施の形態２によれば、２つのロードスイッチ３１，３２と全波整流回路２２とを設けることにより、１回の外力Ｆの印加によって通信部５０に２回電力を供給することが可能になる。その結果、通信部５０を２回動作させることができる。

［実施の形態３］
実施の形態３においては、圧電素子１に生じた電荷を放電するための放電スイッチがさらに設けられる構成について説明する。

図１３は、実施の形態３に係る発電モジュールを搭載したリモートコントローラの構成を概略的に示す回路ブロック図である。図１３を参照して、リモートコントローラ１００Ｂにおいて、発電モジュール１０Ｂは、放電スイッチ４と、入力ノードＩＮとをさらに備える点において、実施の形態２に係る発電モジュール１０Ａ（図１０参照）と異なる。放電スイッチ４は、圧電素子１の出力端子Ｔ１，Ｔ２に接続されている。

通信部５０Ｂは、出力回路５６をさらに含む点において、実施の形態２における通信部５０と異なる。出力回路５６は、ロードスイッチ３１，３２が導通状態となり通信部５０が電力供給を受けて動作した後（すなわちＲＦアンテナ５４からＲＦ信号が出力された後）に放電信号ＤＣＨを出力する。放電信号ＤＣＨは、入力ノードＩＮを介して放電スイッチ４に伝送される。放電スイッチ４は、放電信号ＤＣＨに応答して、非導通状態から導通状態へと切り替わる。このように、放電スイッチ４は、ロードスイッチ３１，３２が導通状態となった後に導通状態となるように構成される。放電スイッチ４が導通状態となることにより、圧電素子１に蓄積された電荷を放電することができる。

図１４は、実施の形態３に係るリモートコントローラ１００Ｂの動作を説明するためのタイムチャートである。図１４に示すタイムチャートは、実施の形態２のタイムチャート（図１２参照）と対比される。図１４に示すタイムチャートおいては、縦軸に放電スイッチ４の導通状態／非導通状態がさらに示されている。

図１３および図１４を参照して、時刻ｔ３２までの動作は、図１２に示すタイムチャートにおける時刻ｔ２２までの動作と同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。

時刻ｔ３２以降、通信部５０は、圧電素子１から供給される電力を消費してＲＦ信号の出力制御を実行する。通信部５０は、この制御が完了すると放電信号ＤＣＨを出力する（時刻ｔ３３）。放電スイッチ４は、放電信号ＤＣＨに応答して非導通状態から導通状態へと切り替わる。これにより、圧電素子１の出力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間が短絡するので、圧電素子１に蓄積されていた電荷が放電され、圧電素子１の出力電圧Ｖ１は速やかに略ゼロＶに達する。

一方、整流電圧Ｖｃは、通信部５０への電力供給により徐々に低下する。時刻ｔ３４において整流電圧Ｖｃが通信部５０の最低駆動電圧Ｖｍｉｎを下回ると、通信部５０は停止する。これにより、放電信号ＤＣＨの出力が停止され、放電スイッチ４は導通状態から非導通状態へと切り替わる。

時刻ｔ３５においてユーザが外力Ｆを緩めると、外力Ｆの減少が始まる。これに伴い、圧電素子１が復元力により初期状態へと復帰する過程において、圧電素子１から負電圧が出力電圧Ｖ１として出力される。

その後、通信部５０は、時刻ｔ３６におけるＲＦ信号の出力制御と、時刻ｔ３７における放電信号ＤＣＨの出力制御とを実行する。時刻ｔ３７以降の動作は、時刻ｔ３３から時刻ｔ３４までの動作と同等であるため、説明は繰り返さない。

実施の形態２では放電スイッチが設けられていないので、圧電素子１に蓄積された電荷が放電されることはない。そのため、圧電素子１が初期状態へと復帰する過程において、圧電素子１の出力電圧Ｖ１は、正値を開始点として負方向に増加することになる（図１２の時刻ｔ２４参照）。そうすると、可動部６０が最上点に達したときの整流電圧Ｖｃが、可動部６０が最下点に達したときの整流電圧Ｖｃよりも必然的に低くなる（時刻ｔ２２および時刻ｔ２５参照）。圧電素子１の蓄積電荷が大きいほど、上記正値は大きい。よって、圧電素子１の蓄積電荷が比較的大きい場合には、可動部６０が最上点に達したときの整流電圧Ｖｃが通信部５０の最低動作電圧Ｖｍｉｎよりも低くなり、通信部５０が正常に動作しない可能性がある。

これに対し、実施の形態３においては、放電スイッチ４により圧電素子１の蓄積電荷が放電される。そのため、圧電素子１が初期状態へと復帰する過程において、圧電素子１の出力電圧Ｖ１は、略ゼロＶを開始点として負方向に増加することになる（図１４の時刻ｔ３５参照）。そうすると、可動部６０が最上点に達したときの整流電圧Ｖｃが、可動部６０が最下点に達したときの整流電圧Ｖｃとほぼ等しくなる（時刻ｔ３２および時刻ｔ３６参照）。その結果、可動部６０が最上点に達したときの整流電圧Ｖｃが通信部５０の最低動作電圧Ｖｍｉｎよりも高くなる。したがって、１回の外力Ｆの印加により、通信部５０をより確実に２回動作させることができる。

［実施の形態４］
実施の形態４においては、整流回路および平滑コンデンサに代えてダイオードが設けられる構成について説明する。

図１５は、実施の形態４に係る発電モジュールを搭載したリモートコントローラの構成を概略的に示す回路ブロック図である。図１５を参照して、リモートコントローラ１００Ｃにおいて、発電モジュール１０Ｃは、半波整流回路２１およびコンデンサＣに代えてダイオードＤを備える点において、実施の形態１に係る発電モジュール１０（図１参照）と異なる。

圧電素子１の出力端子Ｔ１は、ダイオードＤのカソードおよびロードスイッチ３１に電気的に接続されている。つまり、ダイオードＤのカソードとロードスイッチ３１とは直接的に接続されている。圧電素子１の出力端子Ｔ２は、ダイオードＤのアノードに電気的に接続されている。

図１６は、実施の形態４に係る発電モジュール１０Ｃを搭載したリモートコントローラ１００Ｃの動作を説明するためのタイムチャートである。図１６に示すタイムチャートは、実施の形態１のタイムチャート（図６参照）と対比される。実施の形態４における圧電素子１の出力電圧Ｖ１を実線で示し、実施の形態１における圧電素子１の出力電圧Ｖ１を破線で示す。

図１５および図１６を参照して、時刻ｔ４４までの動作は、図６に示すタイムチャートにおける時刻ｔ２４までの動作と同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。

時刻ｔ４４においてユーザが外力Ｆを緩めると、外力Ｆの減少が始まる。これに伴い、圧電素子１が復元力により初期状態（図５（Ａ）参照）へと復帰する過程において、圧電素子１から負電圧が出力電圧Ｖ１として出力される。そうすると、圧電素子１の出力端子Ｔ２からダイオードＤのアノードおよびカソードを介して出力端子Ｔ１に電流が流れることにより、圧電素子１に蓄積された電荷が放電される。その結果、圧電素子１の出力電圧Ｖ１は速やかに略ゼロＶに達する。

実施の形態１では、圧電素子１に蓄積された電荷が放電されないので、圧電素子１が初期状態へと復帰する過程において、出力電圧Ｖ１は負値になる（時刻ｔ４５以降参照）。そのため、図示しないが、外力Ｆがもう一度（２回目）印加された場合には出力電圧Ｖ１が負値を開始点として正方向に増加することになる。よって、整流電圧Ｖｃが通信部５０の最低動作電圧Ｖｍｉｎよりも低くなり、通信部５０が正常に動作しない可能性がある。

これに対し、実施の形態４においては、ダイオードＤを介して圧電素子１の蓄積電荷が放電される。そのため、圧電素子１が初期状態へと復帰する過程において、出力電圧Ｖ１は略ゼロＶになる。したがって、外力Ｆがもう一度印加された場合には、出力電圧Ｖ１が略ゼロＶを開始点として増加することになる。言い換えると、２回目の動作開始時における発電モジュール１０Ｃは、１回目の動作開始時の状態（時刻ｔ４１の状態）に復帰している。よって、２回目以降の動作においても１回目の動作と同様に通信部５０を確実に動作させることができる。

さらに、実施の形態４によれば、発電モジュール１０Ｃには整流回路およびコンデンサが設けられていない。そのため、整流回路（整流回路を構成するダイオード）およびコンデンサにおけるエネルギー損失の発生が抑制される。したがって、そのエネルギー損失に相当する分だけ、圧電素子１により生じた電力の利用効率を一層向上させることができる。

なお、図７では、圧電素子１の変形量が最大値に達したときに、可動部６０の変位量が制限部７１により制限される変位量に達すると説明したが、最大値であることは必須ではない。圧電素子１の変形量が実験またはシミュレーションにより定められた設計値（所定値）に達したときに、可動部６０の変位量が制限部７１により制限される変位量に達すればよい。

また、実施の形態１の変形例１に示したロードスイッチ３３（リードスイッチ：図８参照）、および変形例２に示したロードスイッチ３４（電気的スイッチ：図９参照）は、実施の形態２〜４に係る発電モジュール１０Ａ〜１０Ｃにも適宜適用することが可能である。

さらに、実施の形態１〜４ではリモートコントローラを例としたため、ユーザ操作による力を外力Ｆとして説明した。しかし、外力Ｆは、発電モジュールの外部から発電モジュールに印加される力であれば特に限定されるものではない。外力Ｆは、たとえば発電モジュール外部のアクチュエータにより印加される力であってもよいし、発電モジュールの搬送時の衝撃または振動により生じる力であってもよい。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ 圧電素子、１Ｂ 圧電部、１２ 圧電体、１２Ａ，１２Ｂ 電極、１４ 金属板、１６ 支持部、２１ 半波整流回路、２２ 全波整流回路、３１〜３４，３９ ロードスイッチ、４ 放電スイッチ、９ 制御回路、１０，１０Ａ〜１０Ｃ 発電モジュール、５０，５０Ｂ 通信部、５２ ＲＦ回路、５４ ＲＦアンテナ、５６ 出力回路、６０ 可動部、６２ ヒンジ、６４，６６ 突起、６８ 磁石、７０ 基部、７１，７２ 制限部、８０ バネ、１００，１００Ａ〜１００Ｃ，９００ リモートコントローラ、Ｃ コンデンサ、Ｄ，Ｄ１，Ｄ３ ダイオード、Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子、Ｒ１ 抵抗、ＩＮ 入力ノード、ＯＵＴ１，ＯＵＴ２ 出力ノード、Ｔ１，Ｔ２ 出力端子。

Claims (10)

1. 外力を受けて発電した電力を出力ノードに供給する発電装置であって、
   基部と、
   前記基部に結合されたヒンジを含み、前記外力に応じて変位する可動部と、
   前記基部に配置され、前記可動部の変位に応じて変形することにより発電する圧電素子と、
   前記圧電素子と前記出力ノードとを結ぶ電力線に直列に接続されたスイッチとを備え、
   前記基部は、前記可動部の変位を制限するように構成された制限部を含み、
   前記スイッチは、前記制限部に配置された機械的スイッチであり、
   前記可動部は、
   前記可動部の変位に伴い前記圧電素子に接触する第１の突起と、
   前記圧電素子と前記第１の突起とが接触した状態からの前記可動部のさらなる変位に伴い、前記スイッチに接触して前記スイッチを導通させるように構成された第２の突起とを含む、発電装置。
2. 外力を受けて発電した電力を出力ノードに供給する発電装置であって、
   基部と、
   前記基部に結合されたヒンジを含み、前記外力に応じて変位する可動部と、
   前記基部に配置され、前記可動部の変位に応じて変形することにより発電する圧電素子と、
   前記圧電素子と前記出力ノードとを結ぶ電力線に直列に接続されたスイッチとを備え、
   前記基部は、前記可動部の変位を制限するように構成された制限部を含み、
   前記スイッチは、前記制限部に配置されたリードスイッチであり、
   前記可動部は、
   前記可動部の変位に伴い前記圧電素子に接触する突起と、
   前記圧電素子と前記突起とが接触した状態からの前記可動部のさらなる変位に伴い、前記スイッチに近付いて前記スイッチを導通させるように構成された磁性体とを含む、発電装置。
3. 請求項１または２に記載の発電装置と、
   前記発電装置から前記出力ノードを介して供給された電力を受ける外部負荷とを備える、電気機器。
4. 前記外部負荷は、前記スイッチが導通状態の場合に前記発電装置から供給された電力を消費する、請求項３に記載の電気機器。
5. 前記制限部は、前記圧電素子の変形量が所定値以上に達したときに、前記可動部の変位に伴い前記スイッチが導通するように構成される、請求項３または４に記載の電気機器。
6. 前記所定値は、前記圧電素子の許容変形量の最大値である、請求項５に記載の電気機器。
7. 前記圧電素子は、第１および第２の出力端子を含み、
   前記発電装置は、
   前記第１および第２の出力端子と前記出力ノードとの間に接続され、前記圧電素子の出力電圧を全波整流する全波整流回路と、
   前記全波整流回路に並列に接続され、前記全波整流回路により整流された電圧を平滑化するコンデンサと、
   前記スイッチに並列に接続された他のスイッチとをさらに備え、
   前記制限部は、
   前記圧電素子の変形量を増大させる方向への前記可動部の変位を制限するように構成された第１の制限部と、
   前記圧電素子の変形量を減少させる方向への前記可動部の変位を制限するように構成された第２の制限部とを含み、
   前記スイッチは、前記可動部の変位量が、前記第１の制限部により制限される変位量に達したときに導通するように構成され、
   前記他のスイッチは、前記可動部の変位量が、前記第２の制限部により制限される変位量に達したときに導通するように構成される、請求項３〜６のいずれか１項に記載の電気機器。
8. 前記圧電素子は、第１および第２の出力端子を含み、
   前記発電装置は、前記第１および第２の出力端子に接続された放電スイッチをさらに備え、
   前記放電スイッチは、前記スイッチが導通状態となった後に導通状態となるように構成される、請求項３〜６のいずれか１項に記載の電気機器。
9. 前記圧電素子は、第１および第２の出力端子を含み、
   前記発電装置は、アノードおよびカソードを有するダイオードをさらに備え、
   前記第１の出力端子は、前記カソードおよび前記スイッチに電気的に接続され、
   前記第２の出力端子は、前記アノードに電気的に接続される、請求項３〜６のいずれか１項に記載の電気機器。
10. 前記可動部の変位に応じて変形して信号を出力する圧電部をさらに備え、
    前記スイッチは、前記圧電部からの信号に応答して導通する電気的スイッチを含む、請求項３〜９のいずれか１項に記載の電気機器。

Images