(57)【要約】【課題】室内光に基づく太陽電池の微小出力電圧や温度に基づく熱電素子の微小出力電圧を対極電極の相対移動による対極面積間のキャパシタの変化により取り出してオン・オフ動作させるようにした昇圧型スイッチを提供すること。【解決手段】第１の電極１１と、第２の電極１２と、第１の電極１１と第２の電極１２間に設けられた誘電体１３と、第１の電極１１と第２の電極１２に電圧を供給するエネルギー源１４と、第１の電極１１とエネルギー源１４間に設けられたスイッチＳＷ１５とを備えている。第１の電極１１と第２の電極１２とを相対的にスライドさせてスイッチＳＷ１５をオフすることにより、第２の電極１２の電圧を昇圧して負荷を駆動される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
室内光に基づく太陽電池の微小出力電圧や温度に基づく熱電素子の微小出力電圧を対極電極の相対移動による対極面積間のキャパシタの変化により取り出してオン・オフ動作させるようにした昇圧型スイッチであって、
第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間に設けられた誘電体と、前記第１の電極と前記第２の電極に電圧を供給するエネルギー源と、前記第１の電極と前記エネルギー源間に設けられたスイッチとを備え、
前記第１の電極と前記第２の電極とを相対的にスライドさせて前記スイッチをオフすることにより、第２の電極の電圧を昇圧して負荷を駆動されるようにしたことを特徴とする昇圧型スイッチ。
【請求項２】
前記第１の電極と前記第２の電極の面積が異なり、前記第１の電極をスライド電極とし、該第１の電極を左右にスライド可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の昇圧型スイッチ。
【請求項３】
前記第１の電極を回転電極とし、前記第２の電極を固定電極として、該固定電極上で前記回転電極を回転可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の昇圧型スイッチ。
【請求項４】
前記回転電極及び前記固定電極を扇形電極にして支点を軸にして、前記固定電極上で前記回転電極を回転可能にしたことを特徴とする請求項３に記載の昇圧型スイッチ。
【請求項５】
前記回転電極に重りを設け、該重りの自重で前記回転電極を元の位置に自動復帰させることを特徴とする請求項３又は４に記載の昇圧型スイッチ。
【請求項６】
前記回転電極が風車型翼電極で、前記固定電極が半円板電極であることを特徴とする請求項３に記載の昇圧型スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、昇圧型スイッチに関し、より詳細には、室内光に基づく太陽電池の微小出力電圧や温度に基づく熱電素子の微小出力電圧を対極電極の相対移動による対極面積間のキャパシタの変化により取り出してオン・オフ動作させるようにした昇圧型スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化問題への対応のため、温室効果ガスの排出量削減、さらには化石燃料依存からの脱却が求められている。持続可能な低炭素社会の実現には、環境に存在する自然エネルギーを電力に変換する環境発電技術が鍵となる。また、「いつでも、どこでも、誰でも、何でも」ネットワークにつながるユビキタスネット社会の実現のためにも、電池の取り換えや廃棄の問題を解決できる環境発電技術が必須となる。周りの環境からエネルギーを収穫（ハーベスト）して電力（μＷ〜Ｗ程度）に変換する環境発電技術は、エネルギー・ハーベスティングと呼ばれ、世界的に注目を集めている。しかしながら、その研究開発や事業化は、欧米が先行し、日本は後れをとっているのが現状である。
【０００３】
例えば、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置、特に、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術に代表されるような技術によって製造される微小な発電装置は知られている。
環境中の振動から発電する技術の歴史は古く、特筆すべき例としては自動巻き発電ウォッチがある。また、複数のコンデンサーを、半導体スイッチを使ってつなぎ変えることにより昇圧回路を形成して時計回路を駆動する方式が実用に供されている。また、整流回路そのものに関しては医療用インプラントデバイスや分散したセンサーノードのための発電に供する目的でダイオードの代わりにＦＥＴ（Ｆｅｉｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使用した低損失の整流回路も周知である。
【０００４】
一方で、超低電力デバイス研究が進展する中で低出力であるが超小型の振動発電装置の潜在的需要が発生し、特にエレクトレット機械電気エネルギー変換素子における研究が他のピエゾエレクトリック材料を用いた素子の研究などとともに進展している。
一般に、マイクロエネルギー発電技術では、環境中にある人工あるいは自然の光、振動、化学、熱エネルギーなどから発電する。このうち環境中の振動エネルギーや音場エネルギーから発電する振動発電においては、一般にはエネルギー密度が比較的小さいために微小な出力電力パワーを効率よく整流した上でエネルギーとして蓄積し、主に間欠的な使用に供する技術が決定的に重要になる。
【０００５】
例えば、特許文献１に記載のものは、微小な出力電流及び電圧しか得られず、またこれらが余り低くない周波数を持っている場合に、これを効率よく整流し、エネルギーを低損失に貯蔵して低電力回路による使用に供するようなエレクトレット微小発電装置に関するものである。このエレクトレット機械電気エネルギー変換では、例えば、振動子の底面に塗布されたエレクトレット膜を荷電することにより、それに対向する金属電極の中に反対電荷を誘起する。いま振動子を左右に動かすと、反対電荷もそれに合わせて動くので負荷を流れる電流が発生する。負荷特性に対応して、電流に応じた電圧が発生する。つまり、この特許文献１のものは、帯電デバイスを対向電極と並行に運動することにより電力を出力するが開示されている。
【０００６】
また、例えば、特許文献２に記載のものは、半導体チップに形成されたスイッチング素子に対してペルチェ素子を用いた電子冷却を行う半導体スイッチ装置に関するもので、ペルチェ素子に対してペルチェ効果の発生のための起電力を供給するゼーベック素子を備え、半導体チップの上部の外面上には、ペルチェ素子と逆の物理現象を発生させるゼーベック素子が複数個配設されている者である。つまり、この特許文献２には、ゼーベック素子を備えたスイッチ装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−７７６１４号公報
【特許文献２】特開２００４−５６０５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献１及び２には、本発明のような、外部の発電機出力を、エネルギー源を遮断するスイッチと組み合わせることにより昇圧動作を行うことについては何ら開示されていない。本発明は、室内光に基づく太陽電池の微小出力電圧や温度に基づく熱電素子の微小出力電圧を対極電極の相対移動による対極面積間のキャパシタの変化により取り出してオン・オフ動作させるようにした昇圧型スイッチである。
【０００９】
つまり、対極電極を相対的に移動（スライド）して、スイッチをオフにし、対極面積間のキャパシタが小さくなって昇圧動作が開始し、負荷をドライブしてランプなどが点灯するようなスイッチ機能については何ら開示されていない。このような技術は、上述したようなエネルギー・ハーベスティング技術にかかわるものであって、近年、特にその研究開発や事業化が強く望まれている。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、室内光に基づく太陽電池の微小出力電圧や温度に基づく熱電素子の微小出力電圧を対極電極の相対移動による対極面積間のキャパシタの変化により取り出してオン・オフ動作させるようにした昇圧型スイッチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、室内光に基づく太陽電池の微小出力電圧や温度に基づく熱電素子の微小出力電圧を対極電極の相対移動による対極面積間のキャパシタの変化により取り出してオン・オフ動作させるようにした昇圧型スイッチであって、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間に設けられた誘電体と、前記第１の電極と前記第２の電極に電圧を供給するエネルギー源と、前記第１の電極と前記エネルギー源間に設けられたスイッチとを備え、前記第１の電極と前記第２の電極とを相対的にスライドさせて前記スイッチをオフすることにより、第２の電極の電圧を昇圧して負荷を駆動されるようにしたことを特徴とする。（図３；実施例１）
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の電極と前記第２の電極の面積が異なり、前記第１の電極をスライド電極とし、該第１の電極を左右にスライド可能にしたことを特徴とする。（図５；実施例２）
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の電極を回転電極とし、前記第２の電極を固定電極として、該固定電極上で前記回転電極を回転可能にしたことを特徴とする。（図７；実施例３）
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記回転電極及び前記固定電極を扇形電極にして支点を軸にして、前記固定電極上で前記回転電極を回転可能にしたことを特徴とする。（図８；実施例３）
また、請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の発明において、前記回転電極に重りを設け、該重りの自重で前記回転電極を元の位置に自動復帰させることを特徴とする。（図７，図８；実施例３）
また、請求項６に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記回転電極が風車型翼電極で、前記固定電極が半円板電極であることを特徴とする。（図９；実施例４）
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電極間のスライドや回転に基づいて、室内光に基づく太陽電池の微小出力電圧や温度に基づく熱電素子の微小出力電圧を対極電極の相対移動による対極面積間のキャパシタの変化により取り出してオン・オフ動作させるようにした昇圧型スイッチを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ），（ｂ）は、本発明の前提となる昇圧型スイッチのオン・オフ動作の原理を説明するための回路構成図である。
【図２】図１（ａ），（ｂ）に示したスイッチ動作で得られた微小電圧により負荷を動作させる説明図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る昇圧型スイッチの実施例１を説明するための構成図である。
【図４】昇圧動作を説明するための図である。
【図５】本発明に係る昇圧型スイッチの実施例２を説明するための構成図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、図５に示した第１の電極のスライド状態を示す図である。
【図７】本発明に係る昇圧型スイッチの実施例３を説明するための構成図である。
【図８】図７に示した実施例３の他の例を示す構成図である。
【図９】本発明に係る昇圧型スイッチの実施例４を説明するための構成図である。
【図１０】本発明に適用されるＬＩＢ及びＬＩＣ充電用太陽電池回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
まず、本発明の前提となる昇圧型スイッチのオン・オフ動作の原理について以下に説明する。  
図１（ａ），（ｂ）は、本発明の前提となる昇圧型スイッチのオン・オフ動作の原理を説明するための回路構成図で、図中符号１はゼーベック素子（熱電素子）、Ｍは指先を示している。
【００１７】
一般的に、熱電素子（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｅｌｅｍｅｎｔ）とは、ゼーベック効果、ペリチェ効果、トムソン効果といった、熱と電気を関係づける現象を利用した素子の総称で、応用例として熱電対や電子冷却などがある。ゼーベック効果は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する効果であり、２種類の異種金属（又は半導体）の両端を接続し、その両端に温度差を設けると起電力が発生する現象である。特にこの効果を利用した素子のことをゼーベック素子といっている。この起電力の大きさは、両端の金属（又は半導体）の種類と温度差によって決まり、温度測定用の熱電対などに応用されている。また、近年ではこの効果を利用した熱電発電の開発が盛んである。熱電発電に使用される素子は、温度計測用の金属熱電対と区別するため、熱電変換素子といわれることが多い。
【００１８】
図１に示した電子回路は、Ｖｔ以下の電圧では動作しない。数１０ｍＶから数Ｖへ昇圧するには、特殊な回路が必要で効率が悪い。
一般に、電荷Ｑは、容量Ｃと電圧Ｖの積Ｑ＝ＣＶで決められる。容量Ｃとゼーベック素子１との間にスイッチＳＷが設けられている。ゼーベック素子１を指先触れると、その体温により起電力Ｖｇ（＝５０ｍＶ）が発生する。このゼーベック素子１の周囲温度、つまり、室温と指先で押されたゼーベック素子の面との温度差は１０度乃至２０度である。そして、図１（ａ）において、ＳＷをオンしたときの電荷Ｑ１はＣｆｕｌｌ×Ｖｇで示される。
【００１９】
ＳＷをオフにするために、電極をスライドさせてＣ’＝１／ｎ（Ｃｆｕｌｌ）に変化させる。ＳＷはオフなのでＱ１は一定である。
つまり、第１の電極と第２の電極とをフルに重ね、エネルギー源の出力電圧までＣｆｕｌｌに充電してＱ１をチャージする。電極をスライドするように、ＳＷをオフにする。Ｑ１は一定に保たれる。Ｃ＝ｋ・Ｓ／ｄ（Ｓは面積、ｄはキャップ）となり、面積の減少でＣ’が１／ｎになると、Ｖ０＝ｎ・Ｖｇ（昇圧）を得る（ｔ＝ｔφ〜ｔ１）。
【００２０】
図２は、図１（ａ），（ｂ）に示したスイッチ動作で得られた微小電圧により負荷を動作させる説明図である。送信機２には、図１（ａ），（ｂ）に示した容量Ｃが接続されており、無線により受信機３に送電して負荷（ランプ）４を点灯させる。つまり、温度に基づく熱電素子の微小出力電圧を対極電極の相対移動による対極面積間のキャパシタの変化により取り出してオン・オフ動作させるようにした昇圧型スイッチを実現することができる。
以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。  
【実施例１】
【００２１】
図３（ａ），（ｂ）は、本発明に係る昇圧型スイッチの実施例１を説明するための構成図である。図中符号１１は第１の電極、１２は第２の電極、１３は誘電体、１４はエネルギー源（ゼーベック素子又は太陽電池）、１５はスイッチＳＷ、１６は送信機を示している。誘電体１３としては、チタン酸バリウムなどの高誘電材料がよい。
本実施例１の昇圧型スイッチは、室内光に基づく太陽電池の微小出力電圧や温度に基づく熱電素子（ゼーベック素子）の微小出力電圧を対極電極の相対移動による対極面積間のキャパシタの変化により取り出してオン・オフ動作させるようにしたものである。
【００２２】
第１の電極１１と、第２の電極１２と、第１の電極１１と第２の電極１２間に設けられた誘電体１３と、第１の電極１１と第２の電極１２に電圧を供給するエネルギー源１４と、第１の電極１１とエネルギー源１４間に設けられたスイッチＳＷ１５とを備えている。
このような構成により、第１の電極１１と第２の電極１２とを相対的にスライドさせてスイッチＳＷ１５をオフすることにより、第２の電極１２の電圧を昇圧して負荷を駆動させる。
【００２３】
つまり、図３（ａ）に示すように、第２の電極１２上に誘電体１３が設けられ、この誘電体１３上に第１の電極１１がスライド可能に重ねられて設けられている。第１の電極１１とエネルギー源１４間にはスイッチＳＷ１５が設けられ、エネルギー源１４は第２電極と接続されている。スイッチＳＷ１５をオンにすると、第１の電極１１と第２の電極１２間に電荷Ｃｆｕｌｌが充電される。
【００２４】
次に、図３（ｂ）に示すように、第１の電極１１をスライドさせると、スイッチＳＷ１５はオフになり、ｔ１後に昇圧動作が開始される。この様子を図４に示す。第１の電極１１と第２の電極１２との対極面積が少なくなると、容量が１／ｎに減少し、１／ｎ（Ｃｆｕｌｌ）となる。容量が１／ｎ（Ｃｆｕｌｌ）となると電圧はｎ・Ｖｇに昇圧される。つまり、Ｖ０＝ｎ・Ｖｇ（昇圧）となるので、この昇圧された電圧を利用して送信機１６から負荷に給電されて所定に動作（ランプ点灯）が行われる。なお、ゼーベック素子の代わりに太陽電池を用いても良い。
【実施例２】
【００２５】
図５は、本発明に係る昇圧型スイッチの実施例２を説明するための構成図である。図中符号２１は第１の電極（スライド電極）、２２は第２の電極、２４はエネルギー源（太陽電池；１セルソーラ）、２５はスイッチＳＷを示している。
本実施例２の昇圧型スイッチは、第１の電極２１と第２の電極２２の面積が異なり、第１の電極２１をスライド電極とし、この第１の電極２１を左右にスライドさせるように構成されている。
【００２６】
つまり、広い面積を有する第２電極２２の中央部分に、第２電極よりも狭い面積の第１の電極２１が配置されている。この第１の電極２１はスイッチＳＷ２５を介して太陽電池２４と接続されている。このスイッチＳＷ２５は、第１の電極２１が第２の電極２２の中央位置においてオンになっている。したがって、このオン状態でフルチャージが行われる。
【００２７】
図６（ａ），（ｂ）は、図５に示した第１の電極のスライド状態を示す図である。図６（ａ）は左側にスライドした状態で、図６（ｂ）は右側にスライドした状態を示している。図中符号２６ａ，２６ｂはリミットスイッチ、２７は送信機、２８は受信機、２９は負荷を示している。
図６（ａ）に示すように、第１の電極であるスライド電極２１は、スイッチＳＷ２５とオフになって第２の電極２２の左端に移動している。その位置でスライド電極２１の周辺に配置されているリミットスイッチ２６ａとオンになって（オンスライド）、昇圧された電圧Ｖ０＝ｎ・Ｖｇが送信機２７に給電され、無線により受信機２８に送電して負荷（ランプ）２９を駆動（点灯）させる。
【００２８】
また、図６（ｂ）に示すように、第１の電極であるスライド電極２１は、スイッチＳＷ２５とオフになって第２の電極２２の右端に移動すると、その位置でスライド電極２１の周辺に配置されているリミットスイッチ２６ｂとオフになる（オフスライド）。
【実施例３】
【００２９】
図７は、本発明に係る昇圧型スイッチの実施例３を説明するための構成図である。図中符号３１は第１の電極（回転電極）、３２は第２の電極（固定電極）、３４はエネルギー源（太陽電池）、３５はスイッチＳＷ、３６は送信機を示している。
本実施例３の昇圧型スイッチは、第１の電極３１を回転電極とし、第２の電極３２を固定電極として、回転電極３１を固定電極３２上で回転させるように構成されている。
【００３０】
つまり、固定電極３２上を回転電極３１が左側に回転し（オン回転）、スイッチＳＷ３５をオフにして昇圧動作が開始され、昇圧された電圧Ｖ０＝ｎ・Ｖｇが送信機３６に給電され、無線により受信機に送電して負荷（ランプ）を駆動（点灯）させる。また、回転電極３１は、右側に回転するとオフ回転となる。
回転電極３１には重りがついていて、その重りの自重により、回転電極３１は固定電極３２の中央位置に復帰する。
【００３１】
図８は、図７に示した実施例３の他の例を示す構成図で、固定電極４２と回転電極４１を扇形電極として、その扇形電極の支点を軸にして回転電極４１を回転するようにしてもよい。その場合にも、回転電極４１には重りをつけておけば、その重りの自重により、回転電極４１は固定電極４２の中央位置に復帰する。
なお、符号４４は太陽電池、４５はスイッチＳＷを示している。
【実施例４】
【００３２】
図９は、本発明に係る昇圧型スイッチの実施例４を説明するための構成図である。図中符号５１は回転電極（風車型翼電極）、５２は固定電極（半円板電極）を示している。
本実施例４の昇圧型スイッチは、回転電極５１が風車型翼電極で、固定電極５２が半円板電極である。本実施例４では、回転電極として風車型翼電極としているが、回転するもの、つまり、水車やタイヤのような形状のものであってもよい。また、回転電極を半円板電極とすることも可能であり、その場合の固定電極の形状も種々考えられる。
【００３３】
以上、本発明の実施例１乃至４について説明したが、以下に、充電用太陽電池回路について説明する。
図１０は、本発明に適用されるＬＩＢ及びＬＩＣ充電用太陽電池回路を示す図である。室内光で動作する太陽電池やゼーベック素子の低電圧室力エネルギー源からの電力を昇圧してＬＩＢ（リチウムイオン電池）へ充電する回路である。
【００３４】
本発明による昇圧型スイッチで昇圧した電圧を発信機（ＯＳＣ）の起動時の電源として使用する方法を示す。初期状態、太陽電池の低電圧出力Ｖｓは起動用昇圧型スイッチが押されることにより、ｎ倍の電圧ｎ・Ｖｓに昇圧される。スイッチング型昇圧回路の出力容量Ｃ０がチャージされていないとき（Ｖ０が低電圧）、コンパレータはＳＷ２により昇圧出力ｎ・ＶｓをＶｏｓ（発信機の電源）に接続する。この電圧の印可によりＯＳＣが起動し、ＳＷ１の連続的なＯＮ／ＯＦＦにより、Ｌ１、Ｄ１，ＳＷ１スイッチングによる昇圧が開始する。Ｃ０がチャージされ、Ｖ０が上昇すると、コンパレータはＳＷ２をコントロールし、昇圧用スイッチＳＷをドライブする発信機（ＯＳＣ）の電源を出力容量Ｃ０電圧Ｖ０から供給し、自立的に定常動作が可能となる。このように太陽電池の低出力電圧では発振器を起動できない場合でも、スイッチ動作による昇圧により昇圧回路の動作、ＬＩＢ（リチウムイオン電池）へ充電が可能となる。なお、コンパレータの代わりに、Ｃ０から、ＯＳＣの電源（Ｖｏｓ間）にダイオードを入れ、昇圧型ＳＷの出力ｎ・ＶｓからＶｏｓに接続し、Ｖｏｓの駆動源をダイオードの順逆方向特性により切り替えることもできる。なお、ＬＩＢの代わりにＬＩＣ（リチウムイオンキャパシタ）でも使用可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１  ゼーベック素子（熱電素子）、
２，１６，２７，３６  送信機
３，２８  受信機
４，２９  負荷（ランプ）
１１  第１の電極
１２  第２の電極
１３  誘電体
１４  エネルギー源（ゼーベック素子又は太陽電池）
１５，２５，３５，４５  スイッチＳＷ
２１  第１の電極（スライド電極）
２２  第２の電極
２４，３４  エネルギー源（太陽電池）
２６ａ，２６ｂ  リミットスイッチ
３１  第１の電極（回転電極）
３２  第２の電極（固定電極）
４１  回転電極
４２  固定電極
４４  太陽電池
５１  回転電極（風車型翼電極）
５２  固定電極（半円板電極）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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