JP6842092B2 - 電源回路、および振動発電装置 - Google Patents
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Description
本発明の第2の態様による電源回路は、振動発電素子から入力される電力を外部負荷に出力する電源回路において、前記振動発電素子から入力される交流電力を整流する整流回路、前記整流回路から出力される電力を蓄積する第1コンデンサ、チョッパタイミングを制御するスイッチング素子を有し入力部が前記第1コンデンサに接続されているチョッパ回路、および前記スイッチング素子に制御信号を供給する制御信号生成部、を備えるとともに、制御信号生成部は、前記振動発電素子の振動の振幅に基づく信号電圧を発生する、前記振動発電素子とは別の振動発電素子からの信号電圧を受信し、前記信号電圧に基づいて前記制御信号を生成する。
本発明の第3の態様による振動発電装置は、第1の態様による電源回路と、前記電源回路に電力を供給する振動発電素子とを備える。
本発明の第4の態様による振動発電装置は、第2の態様による電源回路と、前記電源回路に電力を供給するとともに、前記電源回路の前記制御信号生成部に、前記状態信号を供給する振動発電素子とを備える。
以下、図を参照して本発明の第1実施形態について説明する。図1は、本発明の第1実施形態の電源回路50および振動発電装置100の概略構成を示す模式図である。振動発電装置100は、環境振動により交流電力を発電する振動発電素子10と、発電した交流電力を取り出して外部の機器等に出力する電源回路50とを備える。
電源回路50は、整流回路20、第1コンデンサC1、チョッパ回路30、第2コンデンサC2、電圧変換回路40、および第3コンデンサC3とを備えている。
振動発電素子10は、可動電極である第1電極11と、固定電極である第2電極12を有している。第1電極11は一例として2本の櫛歯部分15を有する櫛歯電極であり、第2電極12は一例として3本の櫛歯部分16を有する櫛歯電極である。
第2電極12の櫛歯部分16のうち、第1電極11の櫛歯部分15と対向する面の表面の領域17には、公知の帯電処理(例えば、特開2014−049557号公報に記載の帯電処理)を施すことにより、負の電荷を有するエレクトレットが形成されている。
一方、第1電極11は、保持部14(電極保持部14a、連結部14b、固定部14c)により、支持枠13に対して図中の上下方向(X方向)に振動するように保持されている。保持部14は、第1電極11を保持する電極保持部14aと、支持枠13に固定されている固定部14cと、電極保持部14aと固定部14cをつなぐ、可撓性を有する連結部14bから構成されている。
第1実施形態のチョッパ回路30は、チョッパタイミングを制御する一例としてnMOSトランジスタ(nMOSFET)のスイッチング素子T1と、スイッチング素子T1に一定の周期およびデューティの制御信号を供給する制御信号生成部S1とを備えている。従って、スイッチング素子T1は、一定の周期で、一定のデューティで(すなわち一定の時間比率で)オンになる。
電圧変換回路40は、出力部Voutから外部負荷ROに出力する電圧が正の所定の一定値となるように、反転チョッパ回路30から出力され入力部Vinに入力する電圧を、電圧変換する。電圧変換回路40は、一般的なスイッチングレギュレータ型のDC/DCコンバータを使用することができる。電圧変換回路40の出力部Voutとグランドの間には第3コンデンサC3が設けられており、これにより電圧変換回路40からの出力電圧がより平滑化される。
そのため、チョッパ回路30には、振動発電素子10の発電能力に見合った適度な量の電気エネルギーを、第1コンデンサC1からチョッパ回路30の出力部P2に接続されている第2コンデンサC2に移送させることが望まれる。
この構成により、チョッパ回路30は、一定量の電気エネルギーを第1コンデンサC1から第2コンデンサC2に移送することができる。そして、制御信号生成部S1が生成する制御信号の周期およびデューティを、振動発電素子10の発電量に合わせて最適な値に設定することにより、第1コンデンサC1から第2コンデンサC2に移送する電気エネルギーの量を最適な値に設定することができる。これにより、振動発電素子10の振幅を最適な値に保つことができ、振動発電素子10の発電効率を高めることができる。
制御信号生成部S1は、発振回路と、発振回路が生成する信号をスイッチング素子T1に出力する回路を備えるものであり、公知の種々の回路を適用することができる。また、制御信号生成部S1への電力は、後述の第3実施形態で説明する制御信号生成部S1aと同様に、チョッパ回路30自体から供給すればよい。
よって、第1コンデンサC1の電圧値に基づく制御では、第1コンデンサC1の電圧値の上記の脈動や遅延時間により誤差が生じ易く、正確な制御を行うことは難しい。
従って、上述の第1実施形態では、制御信号生成部S1は、第1コンデンサc1の電圧を参照することなく制御信号を生成する構成となっており、これにより、第1コンデンサC1から第2コンデンサC2に移送する電気エネルギーの量を最適な値に設定することを実現している。
図3は、変形例の振動発電素子10aを示す概略図である。振動発電素子10aは、上述の図2の振動発電素子10に対し、保持部14を挟んで図中の下側に、もう一つの振動発電素子10を上下反転させて並列して配置したような構成である。
変形例の振動発電素子10aは、図2に示した振動発電素子10に対して、装置面積および装置体積あたりの発電量をより多く得ることができる。
図4は、本発明の第2実施形態の電源回路50aおよび振動発電装置100aの概略構成を示す模式図である。なお、上述の第1実施形態と同様の部分には、同一の符号を付して、説明を省略する。
第2実施形態の電源回路50aは、負電圧を出力する整流回路20aと、整流回路20aからの負電圧を正電圧に変換するチョッパ回路30aを備える点で、上述の第1実施形態と異なる。すなわち、振動発電素子10から入力される交流電力は、整流回路20aにより負電圧のパルス電力に整流され、第1コンデンサC1に蓄積される。そして、チョッパ回路30aにより正電圧に変換され、第2コンデンサC2に蓄積される。それ以降の構成は、上述の第1実施形態と同様である。
なお、チョッパ回路30aは、負の入力電圧を正の出力電圧に反転して出力するので、以降、反転チョッパ回路30aとも呼ぶ。
以上のように、反転チョッパ回路30aにより、負電圧の電力が、正電圧の電力に変換される。
第2実施形態においても、電圧変換回路40およびそれ以降の構成は、上述の第1実施形態と同様である。
なお、第2実施形態においても、振動発電素子10の代わりに、図3に示した変形例の振動発電素子10aを用いることができる。
図5は、本発明の第3実施形態の電源回路50bおよび振動発電装置100bの概略構成を示す模式図である。なお、上述の第1実施形態と同様の部分には、同一の符号を付して、説明を省略する。
第3実施形態の電源回路50bおよび振動発電装置100bは、制御信号生成部S1aが、振動発電素子10bの振動の振幅に基づく状態信号を受信して、その状態信号に基づいて制御信号を生成する構成である点で、上述の第1実施形態とは異なっている。
振動発電素子10bは、図2に示した振動発電素子10に対して、さらに別の電極対を有する構成となっている。すなわち、第1電極11と第2電極12の対に平行して、Y方向にずれた位置に、対になって配列される第3電極21と第4電極22とを有している。第3電極21と第4電極22の構成は、それぞれ第1電極11と第2電極12と同様である。そして、第4電極22の櫛歯部分23のうち、第3電極21と対向する面の表面の領域24には、負の電荷を有するエレクトレットが形成されている。
ただし、図6に示してあるように、第3電極21および第4電極22のX方向の長さは、第1電極11と第2電極12のX方向の長さよりも短く、電極間の対向部の面積も小さい。そのため、振動により第3電極21と第4電極22との間に発生する電力は、第1電極11と第2電極12との間に発生するよりも小さなものとなる。
なお、出力線W3を、第3電極21ではなく第4電極22に接続し、出力線W4を、第4電極22ではなく第3電極21に接続する構成としても構わない。
振動発電素子10bが発電効率を最大にする最適振幅で振動している場合には、電圧VW3の電圧の振幅が、図7中に破線で示した最適電圧V1に一致する。
従って、電圧VW3に基づいて、チョッパ回路30b中のスイッチング素子T1aを制御することにより、発電効率を最大にする最適振幅で振動発電素子10bを振動させることができる。
抵抗素子R1の一端はチョッパ回路30bの入力部P1に接続され、他端はツェナーダイオードDaのカソードに接続されており、ツェナーダイオードDaのアノードはグランドに接続されている。ツェナーダイオードDaのカソードの電圧は、入力部P1の電圧が抵抗R1により電圧降下した電圧であるが、ツェナーダイオードDaの降伏電圧の絶対値より高電圧であれば、正の一定値(ツェナーダイオードDaの降伏電圧の絶対値)に保たれる。
コンパレータ回路CPのプラス側入力には、ツェナーダイオードDaのカソードの電圧が入力される。一方、マイナス側入力には、分圧部P3の電圧が入力される。
また、コンパレータ回路CPのプラス側電源にはツェナーダイオードDaのカソードの電圧が入力され、マイナス側電源にはグランドが接続される。
分圧部P3の電圧が、ツェナーダイオードDaのカソードの電圧より低ければ、コンパレータ回路CPは、正の電圧を出力する。
コンパレータ回路CPの出力は、nMOSトランジスタ(nMOSFET)T3のゲートに入力される。
また、第2ツェナーダイオードDbは、入力部P1の電圧の絶対値が小さくnMOSトランジスタT3の動作が不安定な状態において、第2ツェナーダイオードDbおよび抵抗素子R5を遮断し、スイッチング素子T1aをオフにするための素子である。
図8は、本発明の第4実施形態の電源回路50cおよび振動発電装置100cの概略構成を示す模式図である。なお、上述の第2実施形態および第3実施形態と同様の部分には、同一の符号を付して、説明を省略する。
第4実施形態の電源回路50cおよび振動発電装置100cは、負電圧を出力する整流回路20aと、整流回路20aからの負電圧を正電圧に変換するチョッパ回路30cを備える点で、上述の第2実施形態と類似する。ただし、チョッパ回路30c内に設けられた制御信号生成部S2aが、上述の第3実施形態と同様に、振動発電素子10bの振動の振幅に基づく状態信号を受信して、その状態信号に基づいて制御信号を生成する構成である点で、第2実施形態とは異なっている。
制御信号生成部S2aは、振動発電素子10bの振動の振幅に基づく状態信号を受信して、その状態信号に基づいて制御信号を生成する。制御信号生成部S2aの構成は、図5に示した制御信号生成部S1aの構成に似ている。ただし、図5のチョッパ回路30bが正電圧で動作する回路であるのに対し、図8に示す本実施形態では負電圧を正電圧に変換する反転チョッパ回路30cを備えているため、構成の詳細は異なっている。
コンパレータ回路CPのマイナス側入力には、ツェナーダイオードDcのアノードの電圧が入力される。一方、プラス側入力には、分圧部P3の電圧が入力される。
また、コンパレータ回路CPのプラス側電源にはグランドが接続され、マイナス側電源にはツェナーダイオードDcのアノードの電圧が入力される。
分圧部P3の電圧が、ツェナーダイオードDcのカソードの電圧よりも負であれば、コンパレータ回路CPは、負の電圧を出力する。
コンパレータ回路CPの出力は、pMOSトランジスタ(pMOSFET)T4のゲートに入力される。
なお、第2ツェナーダイオードDdは、第3実施形態の第2ツェナーダイオードDbと同様に、入力部P1の電圧の絶対値が小さくpMOSトランジスタT4の動作が不安定な状態において、第2ツェナーダイオードDdおよび抵抗素子R5を遮断し、スイッチング素子T2aをオフにするための素子である。
(1)上述の各実施形態および各変形例の電源回路50は、振動発電素子10、10aから入力される電力を外部負荷に出力する。この電源回路50は、振動発電素子10、10aから入力される交流電力を整流する整流回路20、整流回路20から出力される電力を蓄積する第1コンデンサC1、チョッパタイミングを制御するスイッチング素子T1、T2を有し入力部が第1コンデンサC1に接続されているチョッパ回路30、スイッチング素子T1、T2に制御信号を供給する制御信号生成部S1、S2、を備えるともに、制御信号生成部S1、S2は、第1コンデンサC1の電圧を参照することなく制御信号を生成する構成となっている。
この構成により、振動発電素子10、10aの振幅を最適な値に保つことができ、振動発電素子10、10aの発電効率を高め、環境振動のエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換することができる。
(4)(3)において、周期およびデューティは、振動発電素子10、10aおよび振動発電素子10、10aの設置状況に基づいて決定されている構成とすることができ、これにより、振動発電素子10、10aの振幅をさらに最適な値に保つことができる。
(5)(1)または(2)において、制御信号生成部S1a、S2aは、振動発電素子10bの振動の振幅に基づく状態信号を受信し、状態信号に基づいて制御信号を生成する構成とすることができ、これにより、振動発電素子10bの振幅をさらに最適な値に保ち、発電効率をさらに高めることができる。
この構成により、振動発電素子10、10aの振幅を最適な値に保つことができ、振動発電素子10、10aの発電効率を高め、環境振動のエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換することができる。
(7)上述の第3実施形態および第4実施形態および各変形例の振動発電装置100b、100dは、(5)に記載の電源回路50b、50cと、電源回路50b、50cに電力を供給する振動発電素子10bとを備えている。
この構成により、振動発電素子1bの振幅を最適な値に保つことができ、振動発電素子10bの発電効率を高め、環境振動のエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換することができる。
Claims (7)
- 振動発電素子から入力される電力を外部負荷に出力する電源回路において、
前記振動発電素子から入力される交流電力を整流する整流回路、
前記整流回路から出力される電力を蓄積する第1コンデンサ、
チョッパタイミングを制御するスイッチング素子を有し入力部が前記第1コンデンサに接続されているチョッパ回路、および
前記スイッチング素子に制御信号を供給する制御信号生成部、を備えるとともに、
制御信号生成部は、前記第1コンデンサの電圧を参照することなく、一定の周期およびデューティを有する前記制御信号を生成する、電源回路。 - 請求項1に記載の電源回路において、
入力部が前記チョッパ回路の出力部に接続されている電圧変換回路をさらに備える、電源回路。 - 請求項1または請求項2に記載の電源回路において、
前記周期および前記デューティは、前記振動発電素子および前記振動発電素子が設置されている場所の振動状態に基づいて決定されている、電源回路。 - 振動発電素子から入力される電力を外部負荷に出力する電源回路において、
前記振動発電素子から入力される交流電力を整流する整流回路、
前記整流回路から出力される電力を蓄積する第1コンデンサ、
チョッパタイミングを制御するスイッチング素子を有し入力部が前記第1コンデンサに接続されているチョッパ回路、および
前記スイッチング素子に制御信号を供給する制御信号生成部、を備えるとともに、
制御信号生成部は、前記振動発電素子の振動の振幅に基づく信号電圧を発生する、前記振動発電素子とは別の振動発電素子からの信号電圧を受信し、前記信号電圧に基づいて前記制御信号を生成する、電源回路。 - 請求項4に記載の電源回路において、
入力部が前記チョッパ回路の出力部に接続されている電圧変換回路をさらに備える、電源回路。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の電源回路と、
前記電源回路に電力を供給する振動発電素子とを備える、振動発電装置。 - 請求項4または請求項5に記載の電源回路と、
前記電源回路に電力を供給するとともに、前記電源回路の前記制御信号生成部に、前記信号電圧を供給する振動発電素子とを備える、振動発電装置。
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