WO2015111258A1

WO2015111258A1 - 圧電発電モジュール、およびリモートコントローラ

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Publication number: WO2015111258A1
Application number: PCT/JP2014/077669
Authority: WO
Inventors: 睦弘堀口; 講平高橋
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-10-17
Publication date: 2015-07-30
Also published as: EP3098866A4; EP3098866B1; US20160308469A1; CN105849925A; JPWO2015111258A1; US9882511B2; EP3098866A1; CN105849925B; JP6098736B2

Abstract

　圧電素子（１）は、ダイオード（２）と並列に接続され、押圧時に発電電圧（Ｖｐｅ）を出力する。発電電圧が第１閾値電圧（Ｖｔｈ）を超えると、ロードスイッチ制御回路（３）は、ロードスイッチ（４）を導通させ、発電電圧が第２閾値電圧（Ｖｔｌ）より低下すると、ロードスイッチを遮断させる。さらに、押圧開放時に、ダイオードは、圧電素子の残留電荷を、放電して零にする。

Description

圧電発電モジュール、およびリモートコントローラ

　本発明は、圧電発電モジュール、および、それを搭載したリモートコントローラに関し、例えば、圧電素子に加えられた機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換し、処理回路へ電力を供給する圧電発電モジュール、およびリモートコントローラに関する。

　電池を必要としない圧電素子を内蔵するリモートコントローラに関し、その発電効率を向上させる構成が提案されている。特開２０１１－１０３７２９号公報（特許文献１）には、ユーザーの指により押し込まれた入力部が復元したことを検出後、入力コマンドを実行する発電機能付きリモコンの構成が開示されている。当該リモコンは、入力部への押し込み時および復元時に発生する交流電力を整流部で直流電力に変換し、その直流電力を蓄電部（コンデンサ）で保存する。特開２００４－２０１３７６号公報（特許文献２）には、アクチュエータの自由端を自由振動させることで発生する交流電力を整流器で直流電力に変換する構成が開示されている。

特開２０１１－１０３７２９号公報特開２００４－２０１３７６号公報

　特許文献１および特許文献２において、圧電素子が生成する電荷は、全波整流回路を介して、蓄電部であるコンデンサに移動される。全波整流回路は、平板状の圧電素子が変位する場合に、圧電素子が変位していない状態の電位である基準電位に対して、第１の主面側へと変形して得られる正の電位、及び第２の主面側へと変形して得られる負の電位で生成する電荷の両方を後段の回路に供給することができる。しかしながら、全波整流回路では、この電荷移動に伴うエネルギーの損失が起きるため、発生するエネルギーに対する使用可能なエネルギーの比率（エネルギー効率）が悪いという問題があった。

　本発明に基づく圧電発電モジュールは、第１の端子と、第２の端子とを有する圧電素子と、前記圧電素子の前記第１の端子と接続されているカソードと、前記圧電素子の前記第２の端子と接続されているアノードとを有するダイオードと、前記カソードと接続されている第１の入力端子と、前記アノードと接続されている第２の入力端子と、スイッチ制御信号を出力する出力端子とを有するスイッチ制御回路と、前記スイッチ制御回路の前記第１の入力端子に接続され、前記スイッチ制御信号に応答して導通状態と遮断状態とを切り替える第１のスイッチと、を備える。

　この構成では、圧電素子とスイッチ制御回路との間にダイオードのような非線形素子が直列に設けられていないので、圧電素子が生成する電荷が移動中に受けるエネルギー損失を低減することができる。また、圧電素子とスイッチ制御回路との間に、基準電位に対して負となる電圧をクランプするダイオードが圧電素子と並列に設けられているので、圧電素子の両端電圧が基準電位以下となった場合に、速やかに圧電素子の電荷が開放される。そのため、初回に圧電素子で生成された電荷を後段に供給しても、基準電位が低下することで２回目以降に安定した駆動ができないという問題が発生しない。したがって、安定した駆動が可能で、エネルギー効率が良好な圧電発電モジュールが実現される。

　好ましくは、前記圧電素子は発電素子であり、前記圧電素子の両端電圧が基準電位よりも大きい第１閾値電圧を超えることにより、前記第１のスイッチが導通状態となり、前記圧電素子の両端電圧が前記第１閾値電圧より低い第２閾値電圧となることにより、前記スイッチが遮断状態となる。

　好ましくは、前記圧電素子は、荷重を加えられることにより前記圧電素子の第１の端子に電圧を発生させ、前記圧電素子に加えられている荷重が開放されると、前記圧電素子の両端電圧が基準電位となる。

　好ましくは、前記スイッチ制御回路は、比較回路と、温度補償素子とを有し、前記温度補償素子は、前記前記スイッチ制御回路の前記第１の入力端子と前記第２の入力端子に対して並列に接続されている。

　これより、発生エネルギーおよび発電電圧の温度依存性を低減することができる。
　好ましくは、前記スイッチ制御回路は、第２のスイッチをさらに有し、前記第２のスイッチは、前記温度補償素子に対して並列に接続されており、前記第２のスイッチは、前記第１のスイッチの状態に同期して開閉を切り替える。

　これより、圧電素子の第１の端子における電圧が第１閾値電圧となった後の温度依存性を低減することができるので、よりエネルギー効率が向上する。

　好ましくは、前記スイッチ制御回路の前記第１の入力端子と前記第２の入力端子に対して並列に接続されている容量素子をさらに備える。

　これより、スイッチの後段への供給電圧をより精密に制御できる。
　本発明に基づくリモートコントローラは、圧電発電モジュールと、ＲＦ回路とを備え、前記圧電素子の第１の端子における電圧が前記第１閾値電圧を超えてから前記第２閾値電圧になるまでの間に、前記ＲＦ回路が通信処理を実行する。

　この構成では、圧電素子とスイッチ制御回路との間にダイオードのような非線形素子が直列に設けられていないので、圧電素子が生成する電荷が移動中に受けるエネルギー損失を低減することができる。また、圧電素子とスイッチ制御回路との間に、基準電位に対して負となる電圧をクランプするダイオードが圧電素子と並列に設けられているので、圧電素子の両端電圧が基準電位以下となった場合に、速やかに圧電素子の電荷が開放される。そのため、安定した駆動が可能で、エネルギー効率が良好なリモートコントローラが実現される。

　安定した駆動が可能で、エネルギー効率が良好な圧電発電モジュール、およびリモートコントローラが実現される。

実施の形態１に係る圧電発電モジュールの回路図である。実施の形態１に係る圧電発電モジュールが備える圧電素子への押圧状態と発生電荷との関係を説明する断面図である。実施の形態１に係る圧電素子の変形例の断面図である。実施の形態１に係る圧電発電モジュールが備えるロードスイッチ制御回路の回路図である。実施の形態１に係る圧電発電モジュールの動作を説明するタイミング図である。実施の形態２に係る圧電発電モジュールの回路図である。実施の形態２に係るロードスイッチ制御回路の回路図である。実施の形態３に係る圧電発電モジュールの回路図である。

　以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。実施の形態の説明において、個数、量などに言及する場合、特に記載ある場合を除き、必ずしもその個数、量などに限定されない。実施の形態の図面において、同一の参照符号や参照番号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。また、実施の形態の説明において、同一の参照符号等を付した部分等に対しては、重複する説明は繰り返さない場合がある。

　＜実施の形態１＞
　図１は、実施の形態１に係る圧電発電モジュール１００の回路図である。

　圧電発電モジュール１００は、圧電素子１、ダイオード２、ロードスイッチ制御回路３、ロードスイッチ４、第１の信号線Ｔｐｅ１、第２の信号線Ｔｐｅ２、出力ノードＮ１、および出力ノードＮ２を備える。

　出力ノードＮ１および出力ノードＮ２間には、負荷５が接続される。負荷５は、例えば、ＲＦ回路、またはマイクロコンピュータ等の処理回路である。それら処理回路は、圧電発電モジュール１００の出力ノードＮ１および出力ノードＮ２から電源電圧が供給され、離れた位置にある電子機器を制御する信号（識別コードＩＤ等）を出力する。従って、圧電発電モジュール１００に負荷５を接続することで、リモートコントローラまたはワイヤレススイッチが実現される。なお、ロードスイッチ制御回路３が本願のスイッチ制御回路に相当する。ロードスイッチ４が本願の第１のスイッチに相当する。

　図２（ａ）は、応力が加えられていない圧電素子１の状態を模式的に示す断面図である。圧電素子１は、圧電体１Ｃと金属板１Ｄとを有する。圧電体１Ｃは、平板状の形状を有し、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる。圧電体１Ｃの一方主面には電極１Ａが設けられ、他方主面には電極１Ｂが設けられている。圧電素子１は、電極１Ｂを介して金属板１Ｄと圧電体１Ｃとが電気的に接合されている。電極１Ａは、第１の信号線Ｔｐｅ１と接続され、金属板１Ｄは、第２の信号線Ｔｐｅ２と接続される。第２の信号線Ｔｐｅ２は、基準電位（ＧＮＤ）と接続されている。

　図２（ｂ）に示すように、圧電素子１は、両端が支持部１Ｅによって保持されている。圧電素子１は、図２（ｂ）に示す矢印方向に分極されている。なお、電極１Ａが本願の圧電素子の第１の端子に相当する。電極１Ｂが本願の圧電素子の第２の端子に相当する。

　ダイオード２は、例えば、クランプダイオードである。ダイオード２のアノードおよびカソードは、それぞれ、圧電素子１の第２の信号線Ｔｐｅ２および第１の信号線Ｔｐｅ１と接続される。即ち、ダイオード２は、圧電素子１と並列接続される。ダイオード２は、圧電素子１が変位していない状態の電位である基準電位に対して負となる電圧が、負荷５に加わらないようにするために設けられている。

　ロードスイッチ制御回路３の電源ノードＮｃ１および電源ノードＮｃ２は、それぞれ、圧電素子１の第１の信号線Ｔｐｅ１および第２の信号線Ｔｐｅ２と接続される。ロードスイッチ４の第１の入力端子は、ロードスイッチ制御回路３の電源ノードＮｃ１と接続される。ロードスイッチ４の第２の入力端子は、電源ノードＮｃ２と接続される。ロードスイッチ制御回路３は、ロードスイッチ４の出力端子からロードスイッチ制御信号Ｓ４を出力し、ロードスイッチ４の導通状態と遮断状態とを切り替える。

　図４は、図１の圧電発電モジュール１００が備えるロードスイッチ制御回路３の回路図である。

　ロードスイッチ制御回路３は、例えば、ＣＭＯＳ回路で構成される。ロードスイッチ制御回路３は、電源ノードＮｃ１と接続されている第１の入力端子と、電源ノードＮｃ２と接続されている第２の入力端子と、出力端子とを備える。ロードスイッチ制御回路３は、電源ノードＮｃ１と電源ノードＮｃ２との間に、電源ノードＮｃ１側から順に直列接続された抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、及び抵抗Ｒ３を備える。また、ロードスイッチ制御回路３は、例えば、電子スイッチであるスイッチ３Ａと、例えば、バンドギャップリファレンスである比較電圧生成回路３３と、例えば、オペアンプである比較回路３２とを備える。

　抵抗Ｒ１の一方端は電源ノードＮｃ１に接続され、他方端は抵抗Ｒ２の一方端に接続されている。抵抗Ｒ２の一方端は、抵抗Ｒ１の他方端に接続され、他方端は、抵抗Ｒ３の一方端に接続されている。抵抗Ｒ３の一方端は、抵抗Ｒ２の他方端に接続され、他方端は、電源ノードＮｃ２に接続されている。スイッチ３Ａは、一方端が電源ノードＮｃ１に接続され、他方端が抵抗Ｒ１の他方端に接続されている。

　比較電圧生成回路３３は、入力端子が電源ノードＮｃ２に接続され、出力端子が比較回路３２の反転入力端子に接続されている。比較回路３２は、非反転入力端子が抵抗Ｒ３の一方端に接続され、出力端子がスイッチ３Ａ及びロードスイッチ４に接続されている。なお、スイッチ３Ａが本願の第２のスイッチに相当する。

　ロードスイッチ制御回路３は、電源ノードＮｃ１および電源ノードＮｃ２間に入力される発電電圧Ｖｐｅの変化に対し、出力されるロードスイッチ制御信号Ｓ４の論理レベルの変化がヒステリシス特性を有するように設定される。そのヒステリシス特性は、比較回路３２が出力するロードスイッチ制御信号Ｓ４により、スイッチ３Ａの導通状態を切り替えることで実現される。

　（圧電素子の動作）
　図２（ｂ）に、荷重が加えられている状態の圧電素子１の断面図を模式的に示す。圧電素子１の中央部を押圧する（応力を加える）ことで、機械的エネルギーが電気的エネルギーに変換される。図２（ｂ）は、圧電素子１の圧電体１Ｃが押圧による変形で分極し、第１の信号線Ｔｐｅ１と接続された電極１Ａに正電荷が帯電し、第２の信号線Ｔｐｅ２と接続された電極１Ｂに負電荷が帯電する様子が示される。

　図２（ｃ）に、圧電素子１への押圧開放中、即ち、圧電素子１に加えられていた応力が開放され、図２（ｂ）から図２（ａ）の状態に復帰中の様子を示す。押圧開放中の圧電素子１において、圧電体１Ｃは、第１の信号線Ｔｐｅ１と接続された電極１Ａに負電荷が帯電し、第２の信号線Ｔｐｅ２と接続された電極１Ｂに負電荷が帯電する様子が示される。

　圧電素子１を押圧する（応力を加える）と、圧電素子１の変形に伴って、第１の信号線Ｔｐｅ１の電位は、第２の信号線Ｔｐｅ２の電位に対して上昇する。そして、第１の信号線Ｔｐｅ１には、発電電圧Ｖｐｅが生成する。一方、圧電素子１への押圧を開放すると、圧電素子１は初期形状に自動復帰し、第１の信号線Ｔｐｅ１の発電電圧Ｖｐｅは、零となる。

　（ロードスイッチ制御回路の動作）
　図４のロードスイッチ制御回路３は、前述の通り、電源ノードＮｃ１および電源ノードＮｃ２間に印加される発電電圧Ｖｐｅの増減に応じて、出力するロードスイッチ制御信号Ｓ４の論理レベルを変化させる。ロードスイッチ制御信号Ｓ４の論理レベルがハイレベル、およびロウレベルに設定された場合、ロードスイッチ４は、それぞれ、導通状態（オン状態）および遮断状態（オフ状態）に設定される。ロードスイッチ４が導通状態に設定されると、出力ノードＮ１および出力ノードＮ２間に発生した発電電圧Ｖｐｅは、負荷５に供給される。負荷５が電流を消費するにつれ、圧電素子１が蓄積する電荷量は次第に減少し、発電電圧Ｖｐｅの値を低下させる。なお、圧電素子が変位していない状態の電源ノードＮｃ２の電位が、本願の基準電位に相当する。

　ロードスイッチ制御回路３は、入力される発電電圧Ｖｐｅの変化に対し、出力されるロードスイッチ制御信号Ｓ４の論理レベルの変化がヒステリシス特性を有するように設定される。発電電圧Ｖｐｅの値が零から閾値電圧Ｖｔｈまで上昇すると、ロードスイッチ４は、遮断状態から導通状態へ遷移する。その後、負荷５への電流供給に伴い、発電電圧Ｖｐｅの値が閾値電圧Ｖｔｈより低い閾値電圧Ｖｔｌまで降下すると、ロードスイッチ４は、導通状態から遮断状態に遷移する。なお、閾値電圧Ｖｔｈが本願の第１閾値電圧に相当し、閾値電圧Ｖｔｌが本願の第２閾値電圧に相当する。

　スイッチ３Ａが遮断状態の場合、発電電圧Ｖｐｅは、電源ノードＮｃ１および電源ノードＮｃ２間に直列接続された抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、および抵抗Ｒ３で分圧される。比較回路３２は、抵抗Ｒ３の両端間の電位と、比較電圧生成回路３３が生成する電位を比較し、ロードスイッチ制御信号Ｓ４の論理レベルを決定する。

　抵抗Ｒ１～Ｒ３の値、および比較電圧の値は、閾値電圧Ｖｔｈ（図１参照）が目的の値となるように、適宜設定される。直列接続される抵抗Ｒ１～Ｒ３は、圧電素子１と並列接続されるため、圧電素子１のリーク電流経路でもある。従って、抵抗Ｒ１～Ｒ３の値は、圧電素子１の押圧による発電電圧Ｖｐｅの充電時定数の値に対し、リーク時定数の値が大きくなるように設定する。

　発電電圧Ｖｐｅの値が閾値電圧Ｖｔｈを超えると、比較回路３２は、ロードスイッチ制御信号Ｓ４の論理レベルをロウレベルからハイレベルに変化させる。このロードスイッチ制御信号Ｓ４の変化に応答して、ロードスイッチ４は、導通状態に設定され、出力ノードＮ２を基準に、出力ノードＮ１に発電電圧Ｖｐｅが印加される（図１参照）。

　ロードスイッチ制御信号Ｓ４がハイレベルに設定されると、抵抗Ｒ１と並列接続されているスイッチ３Ａも導通状態に設定され、電源ノードＮｃ１の電圧（発電電圧Ｖｐｅ）は、抵抗Ｒ２および抵抗Ｒ３で分圧される。スイッチ３Ａが遮断状態にある場合と比較し、抵抗Ｒ３の両端間の電圧の値は、増加するため、発電電圧Ｖｐｅの値が閾値電圧Ｖｔｈよりも低い閾値電圧Ｖｔｌに到達した時に、比較回路３２は、ロードスイッチ制御信号Ｓ４の論理レベルを、ハイレベルからロウレベルに変化させる。このロードスイッチ制御信号Ｓ４の変化に応答して、ロードスイッチ４は、遮断状態に設定され、出力ノードＮ１への発電電圧Ｖｐｅの供給は停止される。

　図５は、図１の圧電発電モジュール１００の動作を説明するタイミング図である。
　図５および図１を参照して、圧電発電モジュール１００の動作を説明する。図５において、横軸は時刻を、縦軸は発電電圧Ｖｐｅを、模式的に示す。図５に示される圧電発電モジュール１００の動作は、１）時刻ｔ１～時刻ｔ２に亘り、圧電素子１に応力を加える１回目の押圧の期間、２）時刻ｔ２～時刻ｔ３に亘り、圧電素子１への押圧を開放する期間、および３）時刻ｔ３～時刻ｔ４の圧電素子１への２回目の押圧の期間、の３つの期間における動作に分けられる。

　（１回目の押圧期間）
　時刻ｔ１に圧電素子１への押圧を開始すると、圧電素子１に発生する歪の増加に伴い、発電電圧Ｖｐｅは増加する。時刻ｔ１から時間Ｔ１経過後に、発電電圧Ｖｐｅの値が閾値電圧Ｖｔｈに達すると、ロードスイッチ制御回路３は、ロードスイッチ制御信号Ｓ４の論理レベルをロウレベルからハイレベルに変化させる。このロードスイッチ制御信号Ｓ４の変化に応答して、ロードスイッチ４は、導通状態となり、圧電発電モジュール１００は、負荷５へ、発電電圧Ｖｐｅの供給を開始する。

　負荷５は、時間Ｔ２の間、圧電素子１が蓄積する電荷を消費して、所定の処理（電子機器への信号送信処理）を実行し、時間Ｔ２の終了時刻には、発電電圧Ｖｐｅの値は、閾値電圧Ｖｔｌ近くまで急激に低下する。時間Ｔ３に亘り、アイドリング状態にある負荷５は電荷を消費し、時間Ｔ３の終了時刻には、発電電圧Ｖｐｅの値は、閾値電圧Ｖｔｌに達する。時間Ｔ４の開始時刻に、発電電圧Ｖｐｅが閾値電圧Ｖｔｌに達すると、ロードスイッチ制御回路３は、ロードスイッチ制御信号Ｓ４の論理レベルをロウレベルに設定してロードスイッチ４を遮断状態とし、負荷５への電力供給を停止する。

　（押圧開放の期間）
　時間Ｔ５の開始時刻ｔ２に、圧電素子１への押圧が開放されると、圧電素子１に発生する電荷の極性が反転し、第２の信号線Ｔｐｅ２の電位は、第１の信号線Ｔｐｅ１の電位より高くなる。すなわち、Ｔｐｅ２の電位は、基準電位に対して負となる。このため、ダイオード２のアノードからカソードに電流が流れることにより電圧がクランプされ、圧電素子１に蓄積された電荷は放電される。その結果、発電電圧Ｖｐｅの値は、閾値電圧Ｖｔｌから零まで急激に低下する。押圧開放の時間が終了する時間Ｔ６の終了時刻まで、発電電圧Ｖｐｅの値は、零に維持される。

　（２回目の押圧期間）
　時間Ｔ７の開始時刻ｔ３に、圧電素子１に対する２回目の押圧が開始される。圧電素子１は、１回目の押圧期間と同様に、発電電圧Ｖｐｅの値を、零から閾値電圧Ｖｔｈまで上昇させる。時間Ｔ７以降も、１回目の押圧期間の場合と同様に、圧電発電モジュール１００は、時間Ｔ２～時間Ｔ６における動作を繰り返す。

　（圧電発電モジュール１００からダイオード２を削除した場合の波形）
　図５において、点線の発電電圧Ｖｐｅの波形は比較例であり、圧電発電モジュール１００からダイオード２を削除した場合の発電電圧Ｖｐｅの波形である。以下に、比較例である点線の発電電圧Ｖｐｅと、実施の形態１に係る上述の実線の発電電圧Ｖｐｅの波形を対比しつつ、圧電発電モジュール１００が備える、圧電素子１と並列に接続されるダイオード２の効果を説明する。

　比較例に係る時刻ｔ１～時刻ｔ２の１回目の押圧期間、および押圧開放の期間に含まれる時間Ｔ５における発電電圧Ｖｐｅの波形は、実施の形態１と同一のため、記載を省略する。

　時間Ｔ５の開始時刻ｔ２に、圧電素子１への押圧が開放されると、圧電素子１に発生する電荷の極性が反転し、第２の信号線Ｔｐｅ２の電位は、第１の信号線Ｔｐｅ１の電位より高くなる。すなわち、Ｔｐｅ２の電位は、基準電位に対して負となる。時刻ｔ２に、圧電素子１に加えられる応力は、期間Ｔ１に圧電素子１に加えられた応力が反転したものとなる。

　したがって、押圧が開放された圧電素子１には、第１の信号線Ｔｐｅ１および第２の信号線Ｔｐｅ２間に閾値電圧Ｖｔｈを発生し得る電荷が誘起される。その結果、時刻ｔ２以降、第１の信号線Ｔｐｅ１の値は、閾値電圧Ｖｔｌから閾値電圧Ｖｔｈと等しい分だけ降下する。即ち、第１の信号線Ｔｐｅ１の値は、閾値電圧Ｖｔｈから閾値電圧Ｖｔｌの値を引いた値を有する、基準電位に対して負となる電圧まで降下する。

　時刻ｔ３に２回目の押圧が開始されると、第１の信号線Ｔｐｅ１の電圧は、上述の基準電位に対して負となる電圧から上昇を開始するため、閾値電圧Ｖｔｌまで到達することができない。したがって、ロードスイッチ制御回路３は、ロードスイッチ４を導通状態にすることができない。その結果、負荷５への電極供給が行われず、圧電素子１を押圧しても、負荷５は、所望の処理が実行出来ない。

　それに対し、実施の形態１に係る圧電発電モジュール１００は、圧電素子１と並列接続されたダイオード２を備えているので、押圧開放後の圧電素子１が蓄積する電荷は、圧電素子１の第１の信号線Ｔｐｅ１および第２の信号線Ｔｐｅ２間で放電される。その結果、押圧開放後に圧電素子１を押圧した場合であっても、圧電素子１は、負荷５の処理動作に必要な電圧値を有する発電電圧Ｖｐｅを発生することが可能となる。

　実施の形態１に係る圧電発電モジュール１００の効果を説明する。
　（全波整流回路に起因するエネルギー損失の削減）
　圧電発電モジュール１００において、押圧された圧電素子１が生成する直流電力は負荷５に供給されるが、押圧開放された圧電素子１が生成する直流電力は、負荷５には供給されない。従って、押圧および押圧開放された圧電素子が生成する交流電力を、全波整流回路で直流電力に変換して負荷に供給する従来の信号発生装置と異なり、圧電発電モジュール１００は、全波整流回路および充電用キャパシタ（いずれも図示せず）を必要としない。

　全波整流回路を排除することで、全波整流回路を構成するダイオード、すなわち圧電素子１と負荷５との間に直列に設けられたダイオードで発生する電荷移動のエネルギー損失が削減される。換言すれば、削減された電荷移動のエネルギー損失に相当する機械的ポテンシャルエネルギーが低減され、圧電素子１の発電エネルギーに対する負荷５の消費エネルギーの比率、即ち、エネルギー利用効率が向上する。

　さらに、充電用キャパシタを排除することで、電荷移動に起因するエネルギー損失が削減される。圧電素子１の等価容量値をＣｓ、圧電素子１の発生電荷量をＱｓ、充電用キャパシタの容量値をＣｃ、とすると、充電エネルギーＰ１は、式１で求められる。一方、圧電素子１のみの場合の充電エネルギーＰ２は、式２で求められる。
Ｐ１＝Ｑｓ^２／２（Ｃｃ＋Ｃｓ）　……　式１
Ｐ２＝Ｑｓ^２／２Ｃｓ　……　式２
　Ｐ１＜Ｐ２、であるから、充電用キャパシタを設けず、圧電素子１で負荷５を直接駆動する圧電発電モジュール１００は、整流回路および充電用キャパシタを備える一般的な構成に対し、より大きな充電エネルギーを負荷５へ供給することが可能となる。

　（並列接続ダイオード）
　圧電発電モジュール１００は、圧電素子１と並列接続されたダイオード２を備える。押圧最下点まで押圧された圧電素子１は、圧電素子１が生成する電荷量と負荷５の消費電荷量とのバランスにもよるが、通常は、負荷５の最低動作電圧以上の値を有する発電電圧Ｖｐｅを出力する。負荷５の処理動作後、押圧が開放されると、圧電素子１に生成される電荷により、第２の信号線Ｔｐｅ２に対する第１の信号線Ｔｐｅ１の電位は、基準電位、すなわち零を経由して、基準電位に対して負となる値まで低下する。

　すると、圧電素子１に生成された電荷は、ダイオード２のアノードからカソードを経由して、圧電素子１の内部で消費され、圧電素子１の第１の信号線Ｔｐｅ１の電圧は、押圧開放後も、零を維持する。その結果、押圧開放後に押圧された圧電素子１は、再び、負荷５の最低動作電圧以上の値を有する発電電圧Ｖｐｅを出力し、負荷５の正常動作が確保される。

　（ヒステリシス特性）
　ロードスイッチ制御回路３は、圧電素子１の発電電圧Ｖｐｅの値が閾値電圧Ｖｔｈを超えると、ロードスイッチ４を導通状態に設定し、圧電素子１が蓄積する電荷を負荷５へ供給する。その後、負荷５の電力消費、または圧電素子１の押圧開放に起因して、発電電圧Ｖｐｅの値が、閾値電圧Ｖｔｈの値より低く設定される閾値電圧Ｖｔｌの値を下回ると、ロードスイッチ４は遮断状態に設定され、負荷５への電荷、即ち、電力供給は停止される。

　このように、入力される発電電圧Ｖｐｅの変化に対し、ロードスイッチ４の導通状態の変化がヒステリシス特性を有するように設定することで、圧電素子１に対する１回の押圧動作で、負荷５に電力が供給され、圧電発電モジュール１００を搭載したリモートコントローラの応答が高速化される。

　＜実施の形態１の変形例＞
　図３は、図２の圧電素子１の変形例である圧電素子１１の断面図である。

　図３において、図２と同一の符号が付されたものは、同一構成または機能を有し、重複説明は省略する。図３において、圧電素子１１は、押圧時に、各圧電体１１Ｃが対面する面で、同一の極性を有する電荷が発生するように圧電体１１Ｃを積層した構成を有する。圧電体１１を積層構成とすることで、圧電素子１１が生成する電荷量が増加し、負荷５（図１参照）を、より長い時間駆動することが可能となる。

　なお、上述の実施形態では、圧電素子１はチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなっているが、これに限るものではない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系及びアルカリニオブ酸系セラミックス等の非鉛系圧電体セラミックスの圧電材料などからなっていてもよい。

　さらに、上述の実施形態では、圧電素子１の支持構造は、２つの支持部１Ｅによる支持となっているが、これに限るものではない。例えば、圧電素子１の一端を片持ち梁で保持し、自由端となる他端に応力を加える構成でも良い。また、圧電素子１を棒状の形状とし、その一端を片持ち梁で保持し、他端に応力を加える構成としても良い。つまり、圧電素子１の支持形態は、押圧により変形可能な構成であれば良い。

　＜実施の形態２＞
　図６は、実施の形態２に係る圧電発電モジュール２００の回路図である。

　図６において、図１と同一の符号が付されたものは、同一の構成または機能を有し、それらの重複説明は省略される。図６に示される圧電発電モジュール２００は、図１の圧電発電モジュール１００において、ロードスイッチ制御回路３をロードスイッチ制御回路３１に置き換えた構成に対応する。

　図７は、図６のロードスイッチ制御回路３１の回路図である。
　図７のロードスイッチ制御回路３１は、図４のロードスイッチ制御回路３において、抵抗Ｒ１を、温度補償素子Ｒ１Ｓに置き換えた構成に対応する。

　圧電体１Ｃとして、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いた圧電素子１（図２参照）は、発電エネルギーを大きくするため、通常、相移転近傍に組成が調整され、その結果、圧電素子１の容量および発電電圧の値は、大きな温度特性を有する。圧電体１Ｃの誘電率が正の温度係数を有する場合、周囲温度の上昇に伴い、圧電素子１の容量値は、増加し、圧電素子１の発電電圧Ｖｐｅの値は、減少する。その結果、周囲温度の高温側（常温の２５℃より高い温度範囲）において、圧電素子１の発電電圧Ｖｐｅの値は、閾値電圧Ｖｔｈに到達せず、ロードスイッチ４は遮断状態が維持され、発電電圧Ｖｐｅは負荷５に供給されないという問題が発生する。

　そこで、図７のロードスイッチ制御回路３１において、温度補償素子Ｒ１Ｓは、抵抗値が負の温度特性を有する素子として、例えば、サーミスタが適応される。周囲温度の上昇に伴い、温度補償素子Ｒ１Ｓの抵抗値は、減少し、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点の電位は、上昇する。その結果、周囲温度の高温側においても、比較回路３２は、ロードスイッチ制御信号Ｓ４の論理レベルを反転させ、負荷５に発電電圧Ｖｐｅが供給される。つまり、抵抗値が負の温度特性を有する温度補償素子Ｒ１Ｓにより、ロードスイッチ制御回路３１に設定される閾値電圧Ｖｔｈの値は、負の温度係数が与えられることになる。

　なお、圧電体１Ｃの誘電率が負の温度係数を有する場合は、温度補償素子Ｒ１Ｓとして、抵抗値が正の温度係数を有するものを適用するか、あるいはＲ３に負の温度係数を有した、例えばサーミスタを用いても良い。また、抵抗Ｒ１（図４参照）の値に温度依存性を持たせる代わりに、比較電圧生成回路３３が生成する比較電圧が温度依存性を有するように構成しても良い。

　ロードスイッチ制御回路３１に設定される閾値電圧の値に温度補償素子を採用することで、温度に対する閾値電圧Ｖｔｈが変化する。その結果、圧電素子１の容量値が温度により変化する場合であっても、周囲温度によらず、発電電圧Ｖｐｅを確実に負荷５に供給することが可能となる。なお、上述の実施形態では、図４における抵抗Ｒ１を温度補償素子Ｒ１Ｓに置き換えているが、これに限るものではない。図４における抵抗Ｒ２、または抵抗Ｒ３を温度補償素子に置き換えたとしても、同様の効果が得られる。

　＜実施の形態３＞
　図８は、実施の形態３に係る圧電発電モジュール３００の回路図である。

　図８において、図１と同一の符号が付されたものは、同一の構成または機能を有し、それらの重複説明は省略される。図８に示される圧電発電モジュール３００は、図１に示される圧電発電モジュール１００において、第１の信号配線Ｔｐｅ１および第２の信号配線Ｔｐｅ２間に、蓄積キャパシタ６を接続した構成に対応する。なお、蓄積キャパシタ６が本願の容量素子に相当する。

　上述の通り、圧電素子１の容量値および発電電圧Ｖｐｅの値は、周囲温度により変動する場合がある。例えば、周囲温度が低温側（常温の２５℃より低い温度範囲）において、圧電素子１の容量値の減少に起因して、発電電圧Ｖｐｅの値が常温時より増加すると、負荷５への過電圧印加が懸念される。圧電素子１と並列に蓄積キャパシタ６を接続することで、圧電素子１が生成する電荷が圧電素子１と蓄積キャパシタ６に分配され、発電電圧Ｖｐｅの増加が抑制される。

　圧電発電モジュール３００は、閾値電圧Ｖｔｈの温度補償がないロードスイッチ制御回路３と蓄積キャパシタ６を組み合わせた構成であるが、図６に示される圧電発電モジュール２００の閾値電圧Ｖｔｈの温度補償があるロードスイッチ制御回路３１と蓄積キャパシタ６を組み合わせても良い。その場合、周囲温度の高温側で懸念される問題と、上述の低温側で懸念される過電圧印加の問題が解決されることになる。

　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、上記した説明ではなく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　圧電素子、１Ａ　電極、１Ｂ　電極、１Ｃ　圧電体、１Ｄ　金属板、１Ｅ　支持部、２　ダイオード、３　ロードスイッチ制御回路、４　ロードスイッチ、５　負荷、６　蓄積キャパシタ、１１　圧電体、１１Ｃ　圧電体、３Ａ　スイッチ、３１　ロードスイッチ制御回路、３２　比較回路、３３　比較電圧生成回路、１００　圧電発電モジュール、２００　圧電発電モジュール、３００　圧電発電モジュール、ＧＮＤ　基準電位、Ｎ１，Ｎ２　出力ノード、Ｎｃ１，Ｎｃ２　電源ノード、Ｒ１～Ｒ３　抵抗、Ｒ１Ｓ　温度補償素子、Ｓ４　ロードスイッチ制御信号、Ｔｐｅ１　第１の信号線、Ｔｐｅ２　第２の信号線、Ｖｐｅ　発電電圧、Ｖｔｈ，Ｖｔｌ　閾値電圧。

Claims

　第１の端子および第２の端子を有する圧電素子と、
　前記圧電素子の前記第１の端子と接続されているカソードと、前記圧電素子の前記第２の端子と接続されているアノードとを有するダイオードと、
　前記カソードと接続されている第１の入力端子と、前記アノードと接続されている第２の入力端子と、スイッチ制御信号を出力する出力端子とを有するスイッチ制御回路と、
　前記スイッチ制御回路の前記第１の入力端子に接続され、前記スイッチ制御信号に応答して導通状態と遮断状態とを切り替える第１のスイッチと、
を備える、圧電発電モジュール。
　前記圧電素子は発電素子であり、前記圧電素子の両端電圧が基準電位よりも大きい第１閾値電圧を超えることにより、前記第１のスイッチが導通状態となり、
　前記圧電素子の両端電圧が前記第１閾値電圧より低い第２閾値電圧となることにより、前記第１のスイッチが遮断状態となる、請求項１に記載の圧電発電モジュール。
　前記圧電素子は、荷重を加えられることにより前記圧電素子の第１の端子に電圧を発生させ、前記圧電素子に加えられている荷重が開放されると、前記圧電素子の両端電圧が基準電位となる、請求項１または請求項２に記載の圧電発電モジュール。
　前記スイッチ制御回路は、比較回路と、温度補償素子とを有し、
前記温度補償素子は、前記スイッチ制御回路の前記第１の入力端子と前記第２の入力端子に対して並列に接続されている、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の圧電発電モジュール。
　前記スイッチ制御回路は、第２のスイッチをさらに有し、
前記第２のスイッチは、前記温度補償素子に対して並列に接続されており、
前記第２のスイッチは、前記第１のスイッチの状態に同期して開閉を切り替える、請求項４に記載の圧電発電モジュール。
　前記スイッチ制御回路の前記第１の入力端子と前記第２の入力端子に対して並列に接続されている容量素子をさらに備える、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の圧電発電モジュール。
　請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の圧電発電モジュールと、ＲＦ回路とを備え、
　前記圧電素子の第１の端子における電圧が前記第１閾値電圧を超えてから前記第２閾値電圧になるまでの間に、前記ＲＦ回路が通信処理を実行する、リモートコントローラ。