(57)【要約】【課題】温度に基づく熱電素子の微小出力電圧の発電力を高め、多数の直並列の切り替えスイッチを同時に行えるようにした昇圧型スイッチを提供すること。【解決手段】ゼーベック素子１ａ乃至１ｄが複数の配置された操作板２と、この操作板２の押圧動作により複数のスイッチを同時に機能させるスイッチ構造３とを備え、操作板２に手のひらＭを置いて加温することで充電を開始し、操作板２の押圧動作によりスイッチをオンさせて昇圧するように構成されている。操作板２の開閉動作により複数のスイッチを同時に機能させるようなスイッチ構造３が構成されている。また、スイッチ構造３の周辺には、放熱フィン４が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度に基づく熱電素子の微小出力電圧の発電力を高め、多数の直並列の切り替えスイッチを同時に押すようにした昇圧型スイッチであって、
前記熱電素子が複数の配置された操作板と、該操作板の押圧動作により複数のスイッチを同時に機能させるスイッチ構造とを備え、
前記操作板を加温することで充電を開始し、前記操作板の押圧動作により前記スイッチをオンさせて昇圧す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】
前記操作板の開閉動作により前記複数のスイッチを同時に機能させる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】
前記スイッチ構造の周辺に放熱フィンを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の昇圧型スイッチ。
【請求項４】
前記操作板の押圧動作に遅延機構を設けたことを特徴とする請求項１，２又は３に記載の昇圧型スイッチ。
【請求項５】
前記遅延機構が、弾性機能を有するバネ又はスポンジであることを特徴とする請求項４に記載の昇圧型スイッチ。
【請求項６】
前記遅延機構が、摩擦力を利用したダンパーであることを特徴とする請求項４に記載の昇圧型スイッチ。
【請求項７】
前記遅延機構が、空気圧を利用した圧縮機構であることを特徴とする請求項４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、温度に基づく熱電素子の微小出力電圧の発電力を高め、多数の直並列の切り替えスイッチを同時に行え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、単一セルもしくは並列セルの太陽電池や燃料電池などの環境発電エネルギーを利用したＤＣＤＣ変換装置及びそれを起動する極低電圧で確実に動作する発振回路に関するもので、極低電圧から発振してかつ温度係数の小さい昇圧トリガー信号を発生する極低電圧発振回路と所定の極低電圧以下で発振回路を停止させる信号を発生する極低電圧検出回路と通常の閾値とそれよりも低い閾値を有する２種類のスイッチングＦＥＴを用いて極低電圧から電力供給するＤＣＤＣ変換装置を実現するものである。
【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ものである。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２０１１−１５２０１５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のものは、低電圧電源の昇圧に特殊なＦＥＴとクロックによる発振とその安定が必要であるのに対して、本発明の昇圧型スイッチは、初延期のエネルギーをスイッチ本体で短時間に蓄積してデバイスが動作可能な電圧に昇圧するものである。
また、上述した特許文献１及び２には、本発明のような、温度に基づく熱電素子の微小出力電圧の発電力を高め、多数の直並列の切り替えスイッチを同時に行えるようにした昇圧型スイッチについては何ら開示されていない。
【０００９】
つまり、１００ｍＶ程度しか出力しないゼーベック素子の上に置いた手のひらの熱で発電し、梃子の力で多数の直並列の切り替えスイッチを同時に押す機構を備えてｎ倍の昇圧を実現するようにした昇圧型スイッチ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、温度に基づく熱電素子の微小出力電圧の発電力を高め、多数の直並列の切り替えスイッチを同時に行え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、温度に基づく熱電素子（１ａ乃至１ｄ）の微小出力電圧の発電力を高め、多数の直並列の切り替えスイッチを同時に押すようにした昇圧型スイッチであって、前記熱電素子（１ａ乃至１ｄ）が複数の配置された操作板（２）と、該操作板（２）の押圧動作により複数のスイッチを同時に機能させるスイッチ構造（３）とを備え、前記操作板（２）を加温することで充電を開始し、前記操作板（２）の押圧動作により前記スイッチをオンさせて昇圧するようにしたことを特徴とする。（図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、前記操作板の開閉動作により前記複数のスイッチを同時に機能させることを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記スイッチ構造の周辺に放熱フィン（４）を設けたことを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記操作板の押圧動作に遅延機構を設けたことを特徴とする。（図５乃至図８）
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記遅延機構が、弾性機能を有するバネ（１１）又はスポンジ（１２）であることを特徴とする。（図５）
また、請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記遅延機構が、摩擦力を利用したダンパーであることを特徴とする。（図６）
また、請求項７に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記遅延機構が、空気圧を利用した圧縮機構であることを特徴とする。（図８）
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、１００ｍＶ程度しか出力しないゼーベック素子の上に置いた手のひらの熱で発電し、梃子の力で多数の直並列の切り替えスイッチを同時に押す機構を備えてｎ倍の昇圧を実現す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、本発明に係る昇圧型スイッチの実施例を説明するための構成図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は、図１（ａ）の更なる具体的な構成を示す図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、図２（ａ），（ｂ）における等価回路を示す図である。
【図４】太陽電池を用いた場合の充電動作を示す図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、ゼーベック素子が温度差を電圧出力するまでに遅延機構を示す図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、遅延機構としてダンパーを用いた例を示す図である。
【図７】遅延機構として途中まで働く重りを用いた例を示す図である。
【図８】（ａ），（ｂ）は、遅延機構として空気圧を利用した圧縮機構を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。  
図１（ａ），（ｂ）は、本発明に係る昇圧型スイッチの実施例を説明するための構成図で、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は側面図である。図中符号１ａ乃至１ｄは熱電素子（ゼーベック素子）、２は操作板、３はスイッチ構造、４は放熱フィン、５は回転軸を示している。
【００１７】
本発明の昇圧型スイッチは、温度に基づくゼーベック素子の微小出力電圧の発電力を高め、多数の直並列の切り替えスイッチを同時に押すようにした昇圧型スイッチである。
図１（ａ）に示すように、ゼーベック素子１ａ乃至１ｄが複数の配置された操作板２と、この操作板２の押圧動作により複数のスイッチを同時に機能させるスイッチ構造３とを備え、操作板２に手のひらＭを置いて加温することで充電を開始し、操作板２の押圧動作により回転軸５を介してスイッチをオンさせて昇圧するように構成されている。
【００１８】
また、図１（ｂ）に示すように、操作板２の開閉動作により複数のスイッチを同時に機能させるようなスイッチ構造３が構成されている。また、スイッチ構造３の周辺には、放熱フィン４が設けられている。
図２（ａ），（ｂ）は、図１（ａ）の更なる具体的な構成を示す図で、図２（ａ）は操作板の開閉前の状態を示す図で、図２（ｂ）は操作板の開閉後の状態を示す図である。
【００１９】
操作板２には、４つのゼーベック素子１ａ乃至１ｄが組み込まれており、このゼーベック素子１ａ乃至１ｄを手のひらＭで覆うと、その体温によりゼーベック素子１ａ乃至１ｄが発電機能を開始する。この状態では、複数のスイッチからなるスイッチ構造３のキャパシタンスは、並列接続されていてゼーベック素子１ａ乃至１ｄの発電により充電を開始する。この発電は１００ｍＶ程度の極めて小さい電圧であるため、昇圧してあげる必要がある。
【００２０】
そこで、次に、回転軸５を介して操作板２の開閉動作により押圧すると、操作板２によりスイッチ構造３の複数のスイッチが同時に押し込まれてオンになり、キャパシタンスは直列接続されて昇圧が開始される。なお、十分な充電効果を奏するために、ゼーベック素子１ａ乃至１ｄを手のひらＭで覆う時間は十分に取る必要があり、所定時間後に押圧動作を行うようにする。なお、エネルギー源として、ゼーベック素子１ａ乃至１ｄの代わりに太陽電池を用いることも可能である。
【００２１】
図３（ａ），（ｂ）は、図２（ａ），（ｂ）における等価回路を示す図で、図３（ａ）は、図２（ａ）における充電時の等価回路、図３（ｂ）は、図２（ｂ）における昇圧時の等価回路を示している。
図４は、太陽電池を用いた場合の充電動作を示す図である。室内光で動作する太陽電池の低電圧室力エネルギー源からの電力を昇圧して充電する回路である。スタートアップ後はＣφのチャージで動作する。
【００２２】
室内光で出力電圧が数百ｍＶ程度のワンセルの太陽電池６では、昇圧動作を行うための発振器（ＯＳＣ）７を駆動できない。蓄電要素（Ｃ０）がチャージされていない場合でも、低電圧の太陽電池６で充電動作を行う方法について以下に説明する。
太陽電池６の低電圧出力Ｖｓは、昇圧型スイッチにより、図３（ａ）に示す充電時の等価回路と同様にｎ個のキャパシタに並列に接続され、キャパシタは、太陽電池６の出力電圧Ｖｓに充電される。次に、本発明による昇圧型スイッチが押されることにより、図３（ｂ）に示す昇圧時の等価回路と同様にｎ個のキャパシタが直列に切り替えられると、ｎ倍に昇圧された電圧ｎ・Ｖｓを得る。この電圧ｎ・Ｖｓで発振器（ＯＳＣ）７を起動した後、ＳＷ１に印加される連続的な駆動パルスで、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、昇圧用スイッチＳＷをドライブする発振器（ＯＳＣ）７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。
【００２３】
このように、太陽電池６の低出力電圧では発振器７を起動できない場合でも、本発明による昇圧型スイッチによる起動電圧の発生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。
図５（ａ），（ｂ）は、ゼーベック素子が温度差を電圧出力するまでに遅延機構を示す図である。図５（ａ）はバネを用いた例で、図５（ｂ）はスポンジを用いた例を示している。つまり、操作板２の押圧動作に弾性機能を有するバネ１１又はスポンジ１２を用いて遅延機構を設けたものである。
【００２４】
図６（ａ），（ｂ）は、遅延機構としてダンパーを用いた例を示す図である。つまり、遅延機構は、摩擦力を利用したダンパーを用いており、切り替えスイッチを押す直前まで摩擦力を大きくする太さの変わるダンパーを用いている。
昇圧型スイッチを押して操作板２が回転軸５を中心に回転運動をする際に、操作板２の端部の円周上に、押下力を可変可能な摩擦機構を設ける。図６（ａ）は、摩擦を押し下げ時に摩擦が大きく、戻り方向では摩擦が小さくなる方向性を持つ摩擦機構を示す。図６（ｂ）は、摩擦機構の構成を示し、内部に突起のある摩擦円筒８中を操作板２の端部に接続された摺動体９を動かすことにより摩擦力を得る。操作板２が上方にある時点から、スイッチを切り替えの部分（円筒上部）では、押し下げ力が大きくなるよう、円筒８の内部が細く、スイッチを切り替える時点に相当する操作板２が水平付近となるところでは、円筒８の内部が太くし摩擦が小さくなる構造とする。
【００２５】
この構造により、操作板２が水平位置へ到達するまでの押力を増し、手のひらＭと操作板２の上面の熱電素子の接触、すなわち並列充電の時間を延長する。切り替えスイッチを押す部分では、円筒８の内部との摩擦が小さくし、スイッチ自体の押し下げ力が必要であっても、手のひらＭにより押し下げ力を緩和する。
図７は、遅延機構として途中まで働く重りを用いた例を示す図である。  
【００２６】
昇圧型スイッチを押して操作板２が回転軸５を中心に回転動作をする際に、操作板２で操作部と回転軸５の逆端の部分に、錘１０を持ち上げる機構を設ける。操作板２と回転軸５に対し逆側の延長板は、操作板２が手のひらＭにより押し下げられた状態では上方へ移動するため、操作板２が水平位置へ到達するまでの押力を増し、手のひらＭと操作板２の上面の熱電素子の接触、すなわち並列充電の時間を延長し、数１００ｍｓの熱伝導の時定数、キャパシタの充電時間を確保する。操作板２が水平となる直列接続に切り替えるスイッチが加圧を必要とするタイミングでは、錘１０を解放する機構を設けてスイッチを押し下げる力を軽減する。
【００２７】
図８（ａ），（ｂ）は、遅延機構として空気圧を利用した圧縮機構を示す図で、図８（ａ）は、蓋（弁）クローズ、図８（ｂ）は、蓋（弁）オープン状態を示す。
昇圧型スイッチを押して操作板２が回転軸５を中心に回転運動をする際に、操作板２の端部が空気圧ダンパーを変形させて押し下げる押下力を増大させる機構を設ける。この機構により操作板２が水平位置（切り替え時間）へ到達するまでの押力を増し、手のひらＭと操作板２の上面の熱電素子の接触、すなわち並列充電の時間を延長し、数１００ｍｓの熱伝導の時定数、キャパシタの充電時間を確保する。空気圧ダンパーにダンパー蓋（弁）を設け、操作板２がスイッチを押し下げて直列接続に切り替える時点で開閉弁を解放して押圧を軽減する。つまり、手で押圧し始めた時点では、圧縮する空気圧の抵抗が大きいが、スイッチを押す直前に弁を開放して軽くする。
【符号の説明】
【００２８】
１ａ乃至１ｄ  熱電素子（ゼーベック素子）
２  操作板
３  スイッチ構造
４  放熱フィン
５  回転軸
６  太陽電池
７  発信器（ＯＳＣ）
８  円筒
９  摺動体
１０  錘
１１  バネ
１２  スポンジ
【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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