(57)【要約】【課題】立ち上がり時間を短縮しつつ一次電池の寿命を延ばし得る環境発電装置を提供する。【解決手段】電圧監視部６０は、コンデンサ３０の充電電圧Ｖが上昇して第一閾値Ｖ１に達すると、スイッチ部５０をオンにしてコンデンサ３０から負荷Ｌへ電力を供給し、コンデンサ３０の充電電圧Ｖが下降して第二閾値Ｖ２に達すると、スイッチ部５０をオフにしてコンデンサ３０から負荷Ｌへの電力供給を停止する。そして、一次電池４０の出力電圧Ｖ３は第二閾値Ｖ１よりも低い。【選択図】図１
2018064348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環境に存在するエネルギを電力に変換する発電機と、
この発電機で変換された電力で充電されるコンデンサと、
このコンデンサに一定の出力電圧を常に印加する一次電池と、
前記コンデンサと負荷との間に接続され、初期状態がオフであるスイッチ部と、
電圧監視部と、
を備え、
この電圧監視部は、
前記コンデンサの充電電圧が上昇して第一閾値に達すると、前記スイッチ部をオンにして前記コンデンサから前記負荷へ電力を供給し、
前記コンデンサの充電電圧が下降して第二閾値に達すると、前記スイッチ部をオフにして前記コンデンサから前記負荷への電力供給を停止し、
前記一次電池の前記出力電圧は前記第二閾値よりも低い、
環境発電装置。
【請求項２】
一次電池の出力電圧をコンデンサに常に印加しておくとともに、環境に存在するエネルギを電力に変換する発電機によって前記コンデンサを充電し、このコンデンサから負荷へ電力を供給する方法であって、
前記コンデンサの充電電圧が上昇して第一閾値に達すると、前記コンデンサから前記負荷へ電力を供給し、
前記コンデンサの充電電圧が下降して第二閾値に達すると、前記コンデンサから前記負荷への電力供給を停止し、
前記一次電池の前記出力電圧は前記第二閾値よりも低い、
電力供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環境に存在するエネルギを電力に変換する発電機と一次電池とを備えた環境発電装置、及びその発電機の電力を負荷へ供給する電力供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境発電（エナジーハーベスト）とは、周囲の環境に存在するエネルギ、例えば、振動、光、熱、温度、音、風、電波などのエネルギを採取して電力に変換することをいう。そのエネルギを電力に変換する発電機としては、例えば、振動発電機や太陽電池など多種多様なものがある。この種の発電機は、環境の変化に応じて発電量が増えたり減ったりする。そのため、発電機にバックアップ用の一次電池を加え、発電機からの電力が一定以下に減少すると、一次電池からの電力に切り替えて負荷に供給する、環境発電装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１の環境発電装置は、一次電池からの電力供給を開始するための手動スイッチを有する。そして、梱包後に手動スイッチをオフにして、一次電池が勝手に電力供給を始めないようにし、これにより一次電池の寿命を延ばしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許５８３７５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一次電池を持たない発電機のみの環境発電装置では、発電機が動作し始めてから電力を負荷へ供給するまでに、ある程度の時間が必要であった。一方、特許文献１の環境発電装置では、発電機の電力が足りないときは、即座に一次電池の電力を負荷へ供給するようになっているため、一次電池の寿命を縮めていた。ここで、発電機が動作し始めてから発電機の電力を負荷へ供給するまでの時間を、「立ち上がり時間」とする。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、立ち上がり時間を短縮しつつ一次電池の寿命を延ばし得る環境発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る環境発電装置は、
環境に存在するエネルギを電力に変換する発電機と、
この発電機で変換された電力で充電されるコンデンサと、
このコンデンサに一定の出力電圧を常に印加する一次電池と、
前記コンデンサと負荷との間に接続され、初期状態がオフであるスイッチ部と、
電圧監視部と、
を備え、
この電圧監視部は、
前記コンデンサの充電電圧が上昇して第一閾値に達すると、前記スイッチ部をオンにして前記コンデンサから前記負荷へ電力を供給し、
前記コンデンサの充電電圧が下降して第二閾値に達すると、前記スイッチ部をオフにして前記コンデンサから前記負荷への電力供給を停止し、
前記一次電池の前記出力電圧は前記第二閾値よりも低い。
【０００８】
本発明に係る電力供給方法は、
一次電池の出力電圧をコンデンサに常に印加しておくとともに、環境に存在するエネルギを電力に変換する発電機によって前記コンデンサを充電し、このコンデンサから負荷へ電力を供給する方法であって、
前記コンデンサの充電電圧が上昇して第一閾値に達すると、前記コンデンサから前記負荷へ電力を供給し、
前記コンデンサの充電電圧が下降して第二閾値に達すると、前記コンデンサから前記負荷への電力供給を停止し、
前記一次電池の前記出力電圧は前記第二閾値よりも低い。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、発電機によって充電されるコンデンサに一次電池の出力電圧を常に印加しておくことにより、発電機が動作し始まるとコンデンサの充電電圧が一次電池の出力電圧を起点に上昇するので、発電機の立ち上がり時間を短縮できる。しかも、コンデンサの充電電圧が下降しても一次電圧の出力電圧に達する前に、コンデンサから負荷への電力供給を停止することにより、一次電池の電力が負荷へ供給されないので、一次電池の寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態１の環境発電装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態１の環境発電装置の動作を示すタイミング図であり、図２［Ａ］は発電機、図２［Ｂ］はスイッチ部の各動作である。
【図３】実施形態１における発電機を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書及び特許請求の範囲における「備える」とは、明示した要素以外の要素を備える場合も含まれる。「有する」や「含む」なども同様である。本明細書及び特許請求の範囲における「接続する」とは、二つの要素を直接接続する場合以外にも、他の要素を介在させて二つの要素を接続する場合も含まれる。
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。
【００１３】
図１は、実施形態１の環境発電装置の構成を示すブロック図である。図２は、実施形態１の環境発電装置の動作を示すタイミング図である。図３は、実施形態１における発電機である振動発電機を示す概略図である。以下、これらの図面に基づき説明する。
【００１４】
本実施形態１の環境発電装置１０は、環境に存在するエネルギを電力に変換する発電機２０と、発電機２０で変換された電力で充電されるコンデンサ３０と、コンデンサ３０に一定の出力電圧Ｖ３を常に印加する一次電池４０と、コンデンサ３０と負荷Ｌとの間に接続され、初期状態がオフであるスイッチ部５０と、電圧監視部６０と、を備えている。
【００１５】
電圧監視部６０は、コンデンサ３０の充電電圧Ｖが上昇して第一閾値Ｖ１に達すると、スイッチ部５０をオンにしてコンデンサ３０から負荷Ｌへ電力を供給し、コンデンサ３０の充電電圧Ｖが下降して第二閾値Ｖ２に達すると、スイッチ部５０をオフにしてコンデンサ３０から負荷Ｌへの電力供給を停止する。そして、一次電池４０の出力電圧Ｖ３は第二閾値Ｖ２よりも低い。
【００１６】
換言すると、スイッチ部５０は、発電機２０と負荷Ｌとの間に接続され、オン信号を入力するとオンとなり、オフ信号を入力するとオフとなり、初期状態がオフである。電圧監視部６０は、コンデンサ３０の充電電圧Ｖが上昇して第一閾値Ｖ１に達すると、スイッチ部５０へオン信号を出力し、コンデンサ３０の充電電圧Ｖが下降して第二閾値Ｖ２に達すると、スイッチ部５０へオフ信号を出力する。
【００１７】
本実施形態１の電力供給方法は、環境発電装置１０の動作を方法の発明として捉えたものである。すなわち、本実施形態１の電力供給方法は、一次電池４０の出力電圧Ｖ３をコンデンサ３０に常に印加しておくとともに、環境に存在するエネルギを電力に変換する発電機２０によってコンデンサ３０を充電し、コンデンサ３０から負荷Ｌへ電力を供給する方法であって、コンデンサ３０の充電電圧Ｖが上昇して第一閾値Ｖ１に達すると、コンデンサ３０から負荷Ｌへ電力を供給し、コンデンサ３０の充電電圧Ｖが下降して第二閾値Ｖ２に達すると、コンデンサ３０から負荷Ｌへの電力供給を停止し、一次電池４０の出力電圧Ｖ３は第二閾値Ｖ２よりも低い。
【００１８】
以下、本実施形態１について更に詳しく説明する。
【００１９】
本実施形態１における発電機２０は、後述するように振動発電機である。発電機２０の電力は交流になるので、発電機２０の出力側には整流用兼逆流防止用のダイオード２１及び充電（平滑）用のコンデンサ３０が接続されている。ダイオード２１のアノードは発電機２０側に接続され、ダイオード２１のカソードはコンデンサ３０の一方の端子に接続されている。コンデンサ３０の他方の端子は接地電位（基準電位）に接続されている。
【００２０】
一次電池４０は、例えばボタン型電池や乾電池であり、充電済みの二次電池でもよい。ボタン型電池としては、リチウム電池、アルカリマンガン電池、酸化銀電池、空気亜鉛電池などが適当である。一次電池４０の出力電圧Ｖ３は、例えば第一閾値Ｖ１の半分程度である。一次電池４０の出力側には逆流防止用のダイオード４１が接続されている。ダイオード４１のアノードは一次電池４０の正極側に接続され、ダイオード４１のカソードはダイオード２１とコンデンサ３０との間に接続されている。一次電池４０の負極側は接地電位に接続されている。
【００２１】
なお、一次電池４０とダイオード４１との間には、所望の出力電圧Ｖ３とするための、例えばレギュレータ回路、分圧回路、ダイオード直列回路などを挿入してもよい。ダイオード４１のカソードは、コンデンサ３０と電圧監視部６０との間、又は電圧監視部６０とスイッチ部５０との間に接続してもよい。
【００２２】
スイッチ部５０は、電気的にオン・オフを制御できるスイッチであればトランジスタ、リレーなど何でもよいが、低消費電力の観点からＭＯＳＦＥＴとすることが好ましい。ｎチャネルＭＯＳＦＥＴを用いた場合、ゲートにＨレベル電圧のオン信号又はＬレベル電圧のオフ信号が印加され、入力側がドレインになり、出力側がソースになる。
【００２３】
電圧監視部６０は、例えばタイマ機能付き電圧検出リセットＩＣ、外付けの抵抗器及びコンデンサを含む電子回路から構成されている。電圧監視部６０は、充電電圧Ｖを電源電圧として用いているので、充電電圧Ｖの上昇に伴い動作を開始する。そして、電圧監視部６０は、発電機２０の電力を充電電圧Ｖとして監視し、充電電圧Ｖが上昇して第一閾値Ｖ１に達すると、スイッチ部５０へオン信号を出力し、充電電圧Ｖが下降して第二閾値Ｖ２に達すると、スイッチ部５０へオフ信号を出力する。これは、ヒステリシス・コンパレータと等価の機能である。
【００２４】
なお、電圧監視部６０は、本実施形態１では一つの回路ブロックからなるものとしたが、前述の機能を実現できればどのような構成としてもよく、例えば二つ以上の回路ブロックからなるものとしてもよいし、環境発電用の各種低消費電力ＩＣ、ＦＰＧＡ、又はマイクロコンピュータ及びそのプログラムによって実現することも可能である。
【００２５】
負荷Ｌは、例えばセンサ回路、通信回路、発光回路などであり、充電電圧Ｖが上昇して第一閾値Ｖ１に達してから充電電圧Ｖが下降して第二閾値Ｖ２に達するまでは発電機２０から電力が供給されものの、一次電池４０から電力を供給されることはない。
【００２６】
ここで、「オン」とは二つの接点を短絡することであり、「オフ」とは二つの接点を開放することである。また、本明細書では、「オン」を動作中、「オフ」を非動作中という意味で用いることもある。「入力側」は「前段」、「出力側」は「後段」とそれぞれ言い換えることもできる。
【００２７】
次に、環境発電装置１０ の動作について図２を中心に説明する。
【００２８】
第一閾値Ｖ１、第二閾値Ｖ２及び出力電圧Ｖ３の大小関係は、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３に設定されている。まず、発電機２０が動作を始めると、コンデンサ３０の充電電圧Ｖは一次電池４０の出力電圧Ｖ３を起点として時間ｔの経過とともに上昇する（図２［Ａ］）。続いて、充電電圧Ｖが上昇して第一閾値Ｖ１に達すると（図２［Ａ］）、スイッチ部５０がオンとなってコンデンサ３０から負荷Ｌへ電力を供給する（図２［Ｂ］）。コンデンサ３０から負荷Ｌへ電力を供給している間、負荷Ｌの動作に伴い、充電電圧Ｖが下降して第二閾値Ｖ２に達する（図２［Ａ］）。すると、スイッチ部５０がオフとなって、コンデンサ３０から負荷Ｌへの電力供給を停止する（図２［Ｂ］）。そして、発電機２０が動作を終えると、充電電圧Ｖが第二閾値Ｖ２から更に下降して出力電圧Ｖ３で一定になる。
【００２９】
ここで、一次電池４０及びダイオード４１を持たない点を除き、環境発電装置１０と同じ構成の環境発電装置を比較例とし、比較例における立ち上がり特性を図２［Ａ］において破線で示す。比較例における立ち上がりは０（Ｖ）を起点とする。そのため、本実施形態１における立ち上がり時間Ｔ１は、出力電圧Ｖ３を第一閾値Ｖ１の半分に設定した場合、比較例における立ち上がり時間Ｔ２の半分程度になる。
【００３０】
次に、発電機２０の構成について図３を中心に説明する。
【００３１】
発電機２０は、導電コイル２５、マグネット２６、磁気回路ユニット２７、引張りばね２８などを備えた振動発電機である。マグネット２６は磁気回路ユニット２７に固定され、磁気回路ユニット２７は引張りばね２８に揺動自在に吊り下げられている。導電コイル２５は、磁気回路ユニット２７から独立して、別部材に固定されている。
【００３２】
環境発電装置１０は、人や動物、物（機械装置、橋梁などの構造物、カートや台車、自動車などの移動体等）に取り付けられる。その人や動物、物が振動すると、その振動に付勢されて引張りばね２８が伸縮し、磁気回路ユニット２７が導電コイル２５近傍を上下方向２９に往復する。これにより、導電コイル２５から誘導起電力が発生する。なお、図３において、破線及び二点鎖線は仮想線を示す。
【００３３】
次に、環境発電装置１０の作用及び効果について説明する。
【００３４】
本発明によれば、発電機２０によって充電されるコンデンサ３０に一次電池４０の出力電圧Ｖ３を常に印加しておくことにより、発電機２０が動作し始まるとコンデンサ３０の充電電圧Ｖが出力電圧Ｖ３を起点に上昇するので、発電機２０の立ち上がり時間Ｔ１を短縮できる。しかも、コンデンサ３０の充電電圧Ｖが下降しても一次電池４０の出力電圧Ｖ３に達する前に、コンデンサ３０から負荷Ｌへの電力供給を停止することにより、一次電池４０の電力が負荷Ｌへ供給されないので、一次電池４０の寿命を延ばすことができる。
【００３５】
次に、環境発電装置１０について総括する。
【００３６】
環境発電装置１０は、高速化及び低消費電力化を目的とし、電源として発電機２０と一次電池４０を備える。初期状態では、一次電池４０によってコンデンサ３０が出力電圧Ｖ３まで充電されているが、スイッチ部５０がオフであるため、スイッチ部５０の後段の負荷Ｌには電力が供給されない。発電機２０が発電を開始すると、コンデンサ３０の充電電圧Ｖが徐々に上昇して第一閾値Ｖ１を超えることにより、電圧監視部６０がスイッチ部５０をオンにして、負荷Ｌに電力を供給する。負荷Ｌが電力を消費するか、又は発電機２０が発電しなくなって、コンデンサ３０の充電電圧Ｖが第二閾値Ｖ２以下になると、電圧監視部６０がスイッチ部５０をオフにする。
【００３７】
無充電のコンデンサ３０ではなく、一次電池４０によって出力電圧Ｖ３まで充電されたコンデンサ３０を、発電機２０が充電し始めることにより、環境発電装置１０が駆動するまでの立ち上がり時間Ｔ１が短かくなる。また、充電電圧Ｖが第一閾値Ｖ１から第二閾値Ｖ２まで下降する間のみスイッチ部５０をオンにするため、第一閾値Ｖ１及び第二閾値Ｖ２よりも低く出力電圧Ｖ３を設定（Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３）することにより、一次電池４０の電力をほぼ消費することなく、立ち上がり時間Ｔ１を短縮できる。換言すると、一次電池４０をコンデンサ３０の充電電圧Ｖのボトムアップという役割に集約させることにより、ほぼ無消費電力にて、駆動までの立ち上がり時間Ｔ１を短縮できる。
【００３８】
以上、上記実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、振動発電以外の環境発電、例えば太陽光発電、熱電発電、風力発電、水力発電、電波発電などにも利用可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  環境発電装置
２０  発電機
２１  ダイオード
２５  導電コイル
２６  マグネット
２７  磁気回路ユニット
２８  引張りばね
２９  上下方向
３０  コンデンサ
４０  一次電池
４１  ダイオード
５０  スイッチ部
６０  電圧監視部
Ｌ  負荷
ｔ  時間
Ｔ１，Ｔ２  立ち上がり時間
Ｖ  充電電圧
Ｖ１  第一閾値
Ｖ２  第二閾値
Ｖ３  出力電圧
【図１】
2018064348.tif 000003
【図２】
2018064348.tif 000004
【図３】
2018064348.tif 000005