(57)【要約】【課題】発電機と一次電池とを備えた環境発電装置において、一次電池の寿命を従来よりも大幅に延ばし得る技術を提供する。【解決手段】制御部４０は、発電機２０で変換された電力が上昇して第一閾値Ｖ１に達すると、第一スイッチ部３１をオンにして発電機２０から負荷Ｌへ電力を供給し、発電機２０で変換された電力が下降して第二閾値Ｖ２に達すると、第一スイッチ部３１をオフにして発電機２０から負荷Ｌへの電力供給を停止するとともに、第二スイッチ部３２をオンにして一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給し、その一定時間Ｔ後に第二スイッチ部３２をオフにして一次電池３０から負荷Ｌへの電力供給を停止する。【選択図】図１
2018064307.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、
この発電機と負荷との間に接続され、初期状態がオフである第一スイッチ部と、
一次電池と、
この一次電池と前記負荷との間に接続され、初期状態がオフである第二スイッチ部と、
制御部と、
を備え、
この制御部は、
前記発電機で変換された電力が上昇して第一閾値に達すると、前記第一スイッチ部をオンにして前記発電機から前記負荷へ電力を供給し、
前記発電機で変換された電力が下降して第二閾値に達すると、前記第一スイッチ部をオフにして前記発電機から前記負荷への電力供給を停止するとともに、前記第二スイッチ部をオンにして前記一次電池から前記負荷へ電力を供給し、
その一定時間後に前記第二スイッチ部をオフにして前記一次電池から前記負荷への電力供給を停止する、
環境発電装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記発電機で変換された電力が上昇して前記第一閾値よりも小さい第三閾値に達すると、前記第二スイッチ部をオンにして前記一次電池から前記負荷へ電力を供給し、
前記発電機で変換された電力が更に上昇して前記第一閾値に達すると、前記第二スイッチ部をオフにして前記一次電池から前記負荷への電力供給を停止するとともに前記第一スイッチ部をオンにして前記発電機から前記負荷へ電力を供給し、
前記発電機で変換された電力が下降して第二閾値に達すると、前記第一スイッチ部をオフにして前記発電機から前記負荷への電力供給を停止するとともに前記第二スイッチ部をオンにして前記一次電池から前記負荷へ電力を供給し、
その一定時間後に前記第二スイッチ部をオフにして前記一次電池から前記負荷への電力供給を停止する、
請求項１記載の環境発電装置。
【請求項３】
前記発電機と同時に動作し、環境に存在するエネルギを電力に変換するサブ発電機を更に備え、
前記制御部は、
前記発電機で変換された電力が上昇して前記第一閾値に達するよりも早く、前記サブ発電機で変換された電力が上昇して第四閾値に達すると、前記第二スイッチ部をオンにして前記一次電池から前記負荷へ電力を供給し、
前記発電機で変換された電力が更に上昇して前記第一閾値に達すると、前記第二スイッチ部をオフにして前記一次電池から前記負荷への電力供給を停止するとともに前記第一スイッチ部をオンにして前記発電機から前記負荷へ電力を供給し、
前記発電機で変換された電力が下降して第二閾値に達すると、前記第一スイッチ部をオフにして前記発電機から前記負荷への電力供給を停止するとともに前記第二スイッチ部をオンにして前記一次電池から前記負荷へ電力を供給し、
その一定時間後に前記第二スイッチ部をオフにして前記一次電池から前記負荷への電力供給を停止する、
請求項１記載の環境発電装置。
【請求項４】
前記一次電池と前記負荷との間に接続され、初期状態がオフである第三スイッチ部を更に備え、
前記制御部は、
前記第二スイッチ部をオンにするときは前記第三スイッチ部もオンにし、
前記第二スイッチ部をオフにするときは前記第三スイッチ部もオフにする、
請求項２又は３記載の環境発電装置。
【請求項５】
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のどちらか一方から負荷へ電力を供給する方法であって、
前記発電機で変換された電力が上昇して第一閾値に達すると、前記発電機から前記負荷へ電力を供給し、
前記発電機で変換された電力が下降して第二閾値に達すると、前記発電機から前記負荷への電力供給を停止するとともに前記一次電池から前記負荷へ電力を供給し、
その一定時間後に前記一次電池から前記負荷への電力供給を停止する、
電力供給方法。
【請求項６】
前記発電機で変換された電力が上昇して前記第一閾値よりも小さい第三閾値に達すると、前記一次電池から前記負荷へ電力を供給し、
前記発電機で変換された電力が更に上昇して前記第一閾値に達すると、前記一次電池から前記負荷への電力供給を停止するとともに前記発電機から前記負荷へ電力を供給し、
前記発電機で変換された電力が下降して第二閾値に達すると、前記発電機から前記負荷への電力供給を停止するとともに前記一次電池から前記負荷へ電力を供給し、
その一定時間後に前記一次電池から前記負荷への電力供給を停止する、
請求項５記載の電力供給方法。
【請求項７】
前記発電機と同時に動作し、環境に存在するエネルギを電力に変換するサブ発電機を用い、
前記発電機で変換された電力が上昇して前記第一閾値に達するよりも早く、前記サブ発電機で変換された電力が上昇して第四閾値に達すると、前記一次電池から前記負荷へ電力を供給し、
前記発電機で変換された電力が更に上昇して前記第一閾値に達すると、前記一次電池から前記負荷への電力供給を停止するとともに前記発電機から前記負荷へ電力を供給し、
前記発電機で変換された電力が下降して第二閾値に達すると、前記発電機から前記負荷への電力供給を停止するとともに前記一次電池から前記負荷へ電力を供給し、
その一定時間後に前記一次電池から前記負荷への電力供給を停止する、
請求項５記載の電力供給方法。
【請求項８】
前記一次電池から前記負荷へ電力を供給する経路を二つ並列に用いる、
請求項６又は７記載の電力供給方法。
【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と一次電池の電力とを切り替えて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、２参照）。
【０００３】
特許文献１の環境発電装置は、発電機から電力を供給するか一次電池から電力を供給するかを判定し、その判定結果に基づいて動作間隔を制御する。そして、一次電池による電力供給が所定の時間を経過した場合は、動作間隔を広げたり、待機状態にしたりすることにより、一次電池の寿命を延ばす。
【０００４】
特許文献２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、梱包後などに一次電池が勝手に電力供給を始めないようにするため、手動スイッチをオフにして一次電池の寿命を延ばしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２０４０２４号公報
【特許文献２】特許５８３７５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の環境発電装置では、一次電池による電力供給が所定の時間を経過しても、動作間隔を広げたり待機状態にしたりするだけで、一次電池による電力供給は続けられるため、一次電池の寿命をあまり延ばすことはできなかった。また、特許文献２の環境発電装置では、手動スイッチを一度オンにするとオフにしない限り、一次電池による電力供給が続けられるので、一次電池の寿命をあまり延ばすことはできなかった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、発電機と一次電池とを備えた環境発電装置において、一次電池の寿命を従来よりも大幅に延ばし得る技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、
この発電機と負荷との間に接続され、初期状態がオフである第一スイッチ部と、
一次電池と、
この一次電池と前記負荷との間に接続され、初期状態がオフである第二スイッチ部と、
制御部と、
を備え、
この制御部は、
前記発電機で変換された電力が上昇して第一閾値に達すると、前記第一スイッチ部をオンにして前記発電機から前記負荷へ電力を供給し、
前記発電機で変換された電力が下降して第二閾値に達すると、前記第一スイッチ部をオフにして前記発電機から前記負荷への電力供給を停止するとともに、前記第二スイッチ部をオンにして前記一次電池から前記負荷へ電力を供給し、
その一定時間後に前記第二スイッチ部をオフにして前記一次電池から前記負荷への電力供給を停止する。
【０００９】
本発明に係る電力供給方法は、
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のどちらか一方から負荷へ電力を供給する方法であって、
前記発電機で変換された電力が上昇して第一閾値に達すると、前記発電機から前記負荷へ電力を供給し、
前記発電機で変換された電力が下降して第二閾値に達すると、前記発電機から前記負荷への電力供給を停止するとともに前記一次電池から前記負荷へ電力を供給し、
その一定時間後に前記一次電池から前記負荷への電力供給を停止する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、発電機からの電力が一定以下に減少したため一次電池による電力供給に切り替えても、その一定時間後に一次電池による電力供給を完全に停止することにより、一次電池の寿命を従来よりも大幅に延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【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］は第一スイッチ部、図２［Ｃ］は一次電池、図２［Ｄ］は第二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。
【図４】実施形態２の環境発電装置の構成を示すブロック図である。
【図５】実施形態２の環境発電装置の動作を示すタイミング図であり、図５［Ａ］は発電機、図５［Ｂ］は第一スイッチ部、図５［Ｃ］は一次電池、図５［Ｄ］は第二スイッチ部の各動作である。
【図６】実施形態３の環境発電装置の構成を示すブロック図である。
【図７】実施形態３の環境発電装置の動作を示すタイミング図であり、図３［Ａ］は発電機、図３［Ｂ］はサブ発電機、図３［Ｃ］は第一スイッチ部、図３［Ｄ］は一次電池、図３［Ｅ］は第二スイッチ部の各動作である。
【図８】実施形態３における発電機を示す概略図である。
【図９】実施形態４の環境発電装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】実施形態４の環境発電装置の動作を示すタイミング図であり、図１０［Ａ］は発電機、図１０［Ｂ］はサブ発電機、図１０［Ｃ］は第一スイッチ部、図１０［Ｄ］は一次電池、図１０［Ｅ］は第二スイッチ部、図１０［Ｆ］は第三スイッチ部の各動作である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。ただし、同一の構成要素については同一の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００１４】
＜実施形態１＞
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。
【００１５】
本実施形態１の環境発電装置１１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と負荷Ｌとの間に接続され、初期状態がオフである第一スイッチ部３１と、一次電池３０と、一次電池３０と負荷Ｌとの間に接続され、初期状態がオフである第二スイッチ部３２と、制御部４０と、を備えている。
【００１６】
制御部４０は、発電機２０で変換された電力が上昇して第一閾値Ｖ１に達すると、第一スイッチ部３１をオンにして発電機２０から負荷Ｌへ電力を供給し、発電機２０で変換された電力が下降して第二閾値Ｖ２に達すると、第一スイッチ部３１をオフにして発電機２０から負荷Ｌへの電力供給を停止するとともに、第二スイッチ部３２をオンにして一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給し、その一定時間Ｔ後に第二スイッチ部３２をオフにして一次電池３０から負荷Ｌへの電力供給を停止する。
【００１７】
換言すると、第一スイッチ部３１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。第二スイッチ部３２は、一次電池３０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。
【００１８】
制御部４０は、発電機２０で変換された電力が上昇して第一閾値Ｖ１に達すると、第一スイッチ部３１へオン信号を出力し、発電機２０で変換された電力が下降して第二閾値Ｖ２に達すると、第一スイッチ部３１へオフ信号を出力するとともに第二スイッチ部３２へオン信号を出力し、その一定時間Ｔ後に第二スイッチ部３２へオフ信号を出力する。
【００１９】
本実施形態１の電力供給方法は、環境発電装置１１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、環境に存在するエネルギを電力に変換する発電機２０と一次電池３０とのどちらか一方から負荷Ｌへ電力を供給する方法であって、発電機２０で変換された電力が上昇して第一閾値Ｖ１に達すると、発電機２０から負荷Ｌへ電力を供給し、発電機２０で変換された電力が下降して第二閾値Ｖ２に達すると、発電機２０から負荷Ｌへの電力供給を停止するとともに一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給し、その一定時間Ｔ後に一次電池３０から負荷Ｌへの電力供給を停止する。
【００２０】
以下、本実施形態１について更に詳しく説明する。
【００２１】
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２２が接続されている。ダイオード２１のアノードは発電機２０の出力側に接続され、ダイオード２１のカソードはコンデンサ２２の一方の端子に接続されている。コンデンサ２２の他方の端子は、接地電位（基準電位）に接続されている。
【００２２】
一次電池３０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３０の出力電圧は、第一閾値Ｖ１と同程度である。一次電池３０の正極側は第二スイッチ部３２に接続され、一次電池３０の負極側は接地電位に接続されている。
【００２３】
第一スイッチ部３１及び第二スイッチ部３２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。
【００２４】
第一スイッチ部３１及び第二スイッチ部３２の出力側には、それぞれ逆流防止用のダイオード３４，３５が接続されている。ダイオード３４，３５のアノードは入力側、ダイオード３４，３５のカソードは出力側にそれぞれ接続されている。なお、ダイオード３４，３５は、第一スイッチ部３１及び第二スイッチ部３２が同時にオンになるおそれがなければ、省略してもよい。
【００２５】
制御部４０は、電圧監視回路４１及び制御回路４２を有する。電圧監視回路４１及び制御回路４２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。
【００２６】
コンデンサ２２の充電電圧をＶとすると、電圧監視回路４１は、電圧Ｖを電源電圧として用いているので、電圧Ｖの上昇に伴い動作を開始する。そして、電圧監視回路４１は、発電機２０の電力を電圧Ｖとして監視し、電圧Ｖが上昇して第一閾値Ｖ１に達すると、第一スイッチ部３１へオン信号を出力し、電圧Ｖが下降して第二閾値Ｖ２に達すると、第一スイッチ部３１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。
【００２７】
制御回路４２は、第一スイッチ部３１がオンになることにより、電圧Ｖが供給されて動作を開始する。そして、制御回路４２は、電圧監視回路４１から第一スイッチ部３１へ出力されたオフ信号を入力すると同時に、第二スイッチ部３２へオン信号を出力し、その一定時間Ｔ後に第二スイッチ部３２へオフ信号を出力する。これは、第一スイッチ部３１へのオン信号がオフ信号に変わるタイミングをトリガとするワンショト・タイマと等価の機能である。このとき、制御回路４２は、第二スイッチ部３２へオン信号を出力することにより、一次電池３０から電源電圧を得て動作を継続する。なお、一定時間Ｔは、負荷Ｌの動作回数などをカウントし、そのカウント値が一定値になった時としてもよい。
【００２８】
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、電圧Ｖが上昇して第一閾値Ｖ１に達してから電圧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、その後の一定時間Ｔは一次電池３０から電力が供給される。
【００２９】
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。
【００３０】
次に、環境発電装置１１の動作について図２を中心に説明する。
【００３１】
まず、発電機２０が動作を始めると、電圧Ｖは時間ｔの経過とともに上昇する（図２［Ａ］）。続いて、電圧Ｖが上昇して第一閾値Ｖ１に達すると（図２［Ａ］）、第一スイッチ部３１がオンとなって発電機２０から負荷Ｌへ電力を供給する（図２［Ｂ］）。発電機２０から負荷Ｌへ電力を供給している間、負荷Ｌの間欠的な動作に伴い、電圧Ｖが変動する（図２［Ａ］）。続いて、発電機２０が動作を終えると、電圧Ｖが下降して第二閾値Ｖ２に達する（図２［Ａ］）。すると、第一スイッチ部３１がオフとなるのと同時に第二スイッチ部３２がオンとなって、発電機２０に代えて一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給する（図２［Ｂ］［Ｃ］［Ｄ］）。その一定時間Ｔ後に、第二スイッチ部３２もオフとなって、一次電池３０から負荷Ｌへの電力供給を停止する（図２［Ｃ］［Ｄ］）。
【００３２】
次に、発電機２０の構成について図３を中心に説明する。
【００３３】
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。
【００３４】
環境発電装置１１は、人や動物、物（キャスタ、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。
【００３５】
次に、環境発電装置１１の作用及び効果について説明する。
【００３６】
従来は、電力供給を発電機から一次電池に切り替えた場合、一次電池からの電力供給は永続的に行われていた。これに対し、本実施形態１よれば、発電機２０からの電力が一定以下に減少したため一次電池３０による電力供給に切り替えても、その一定時間Ｔ後に一次電池３０による電力供給を完全に停止することにより、一次電池３０の寿命を従来よりも大幅に延ばすことができる。
【００３７】
付言すると、本実施形態１よれば、発電機２０で発電できない際にも一次電池３０から電力を供給することができるため、切れ目なくセンサ回路、通信回路、発光回路等の負荷Ｌを動かすことができる。また、発電機２０が発電できなくなって一次電池３０に切り替えても一定時間Ｔの後に環境発電装置１１をオフにすることにより、無駄な電力の消費を防げるので、一次電池３０の寿命を長くできる。また、発電機２０の発電が始まることにより、自動的に環境発電装置１１をオンにするため、特別なスイッチなどを用意する必要が無い。
【００３８】
＜実施形態２＞
図４は、実施形態２の環境発電装置の構成を示すブロック図である。図５は、実施形態２の環境発電装置の動作を示すタイミング図である。以下、これらの図面に基づき説明する。
【００３９】
本実施形態２の環境発電装置１２は、制御部４０ａ、電圧監視回路４１ａ、制御回路４２ａ及び第二スイッチ部３２ａが実施形態１と異なる。
【００４０】
制御部４０ａは、発電機２０で変換された電力が上昇して第一閾値Ｖ１よりも小さい第三閾値Ｖ３に達すると、第二スイッチ部３２ａをオンにして一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給し、発電機２０で変換された電力が更に上昇して第一閾値Ｖ１に達すると、第二スイッチ部３２ａをオフにして一次電池３０から負荷Ｌへの電力供給を停止するとともに第一スイッチ部３１をオンにして発電機２０から負荷Ｌへ電力を供給し、発電機２０で変換された電力が下降して第二閾値Ｖ２に達すると、第一スイッチ部３１をオフにして発電機２０から負荷Ｌへの電力供給を停止するとともに第二スイッチ部３２ａをオンにして一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給し、その一定時間Ｔ後に第二スイッチ部３２ａをオフにして一次電池３０から負荷Ｌへの電力供給を停止する。
【００４１】
換言すると、制御部４０ａは、発電機２０で変換された電力が上昇して第一閾値Ｖ１よりも小さい第三閾値Ｖ３に達すると、第二スイッチ部３２ａへオン信号を出力し、発電機２０で変換された電力が更に上昇して第一閾値Ｖ１に達すると、第二スイッチ部３２ａへオフ信号を出力するとともに第一スイッチ部３１へオン信号を出力し、発電機２０で変換された電力が下降して第二閾値Ｖ２に達すると、第一スイッチ部３１へオフ信号を出力するとともに第二スイッチ部３２ａへオン信号を出力し、その一定時間Ｔ後に第二スイッチ部３２ａへオフ信号を出力する。
【００４２】
本実施形態２の電力供給方法は、環境発電装置１２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２の電力供給方法は、発電機２０で変換された電力が上昇して第一閾値Ｖ１よりも小さい第三閾値Ｖ３に達すると、一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給し、発電機２０で変換された電力が更に上昇して第一閾値Ｖ１に達すると、一次電池３０から負荷Ｌへの電力供給を停止するとともに発電機２０から負荷Ｌへ電力を供給し、発電機２０で変換された電力が下降して第二閾値Ｖ２に達すると、発電機２０から負荷Ｌへの電力供給を停止するとともに一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給し、その一定時間Ｔ後に一次電池３０から負荷Ｌへの電力供給を停止する。
【００４３】
第一閾値Ｖ１、第二閾値Ｖ２及び第三閾値Ｖ３の大小関係は、Ｖ１＞Ｖ３＞Ｖ２に設定されている。電圧監視回路４１ａは、電圧Ｖを電源電圧として用いているので、電圧Ｖの上昇に伴い動作を開始する。そして、電圧監視回路４１ａは、発電機２０の電力を電圧Ｖとして監視し、電圧Ｖが上昇して第一閾値Ｖ１に達すると、第一スイッチ部３１へオン信号を出力し、電圧Ｖが下降して第二閾値Ｖ２に達すると、第一スイッチ部３１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第一の機能である。
【００４４】
これに加え、電圧監視回路４１ａは、電圧Ｖが上昇して第三閾値Ｖ３に達すると、第二スイッチ部３２ａへオン信号を出力する。これは、コンパレータと等価の第二の機能である。ただし、この第二の機能では、第一の機能による第一スイッチ部３１へのオン信号をリセット信号として入力することにより、電圧Ｖが第一閾値Ｖ１に達すると第二スイッチ部３２ａへオフ信号を出力する。つまり、第一スイッチ部３１へオン信号が出力されている間は、第二の機能はリセットされている。そして、電圧Ｖが下降して第二閾値Ｖ２に達して、第一スイッチ部３１へオフ信号が出力されても、Ｖ３＞Ｖ２ゆえにＶ３＞Ｖとなるので、第二の機能が第二スイッチ部３２ａへオン信号を出力することはない。
【００４５】
制御回路４２ａは、第二スイッチ部３２ａがオンになることにより、一次電池３０から電源電圧を得て動作を開始する。そして、制御回路４２ａは、電圧監視回路４１ａから第一スイッチ部３１へ出力されたオフ信号を入力すると同時に、第二スイッチ部３２ａへオン信号を出力し、その一定時間Ｔ後に第二スイッチ部３２ａへオフ信号を出力する。
【００４６】
ここで、電圧Ｖが第三閾値Ｖ３を越えても第一閾値Ｖ１に達することなく下降して第三閾値Ｖ３を下回った場合、その動作について二通り説明する。
【００４７】
第一の動作は、次のとおりである。電圧監視回路４１ａの第二の機能は、前述のとおり単純なコンパレータ機能としている。そのため、電圧Ｖが第三閾値Ｖ３を下回ると、電圧監視回路４１ａは第二スイッチ部３２ａへオフ信号を出力することにより、一次電池３０から負荷Ｌへの電力供給を停止する。
【００４８】
第二の動作は、電圧監視回路４１ａ及び制御回路４２ａの機能の一部を変えるものであり、次のとおりである。電圧監視回路４１ａの第二の機能を、電圧Ｖが上昇して第三閾値Ｖ３に達すると第二スイッチ部３２ａへオン信号を出力し、電圧Ｖが下降して第二閾値Ｖ２に達すると第二スイッチ部３２ａへオフ信号を出力する、ヒステリシス・コンパレータ機能に変更する。そして、制御回路４２ａに、第二スイッチ部３２ａへ出力されたオフ信号を入力する（信号線は図示略）と同時に、第二スイッチ部３２ａへオン信号を出力し、その一定時間Ｔ後に第二スイッチ部３２ａへオフ信号を出力する機能を付加する。つまり、電圧Ｖが第三閾値Ｖ３を越えても第一閾値Ｖ１に達することなく下降して第二閾値Ｖ２を下回った時、それから一定時間Ｔ、一次電池３０から負荷Ｌへの電力供給を続ける。これにより、負荷Ｌは最短でも一定時間Ｔの電力供給が保証されるので、負荷Ｌの動作が安定化する。
【００４９】
第二スイッチ部３２ａは、電圧監視回路４１ａからのオン・オフ信号と制御回路４２ａからのオン・オフ信号とを、ワイヤードオア接続によって入力する。そのため、第二スイッチ部３２ａは、両方の入力信号の少なくとも一方がオン信号であればオンになり、両方の入力信号のどちらもオフ信号であればオフになる。
【００５０】
次に、環境発電装置１２の動作について図５を中心に説明する。
【００５１】
まず、発電機２０が動作を始めると、電圧Ｖは時間ｔの経過とともに上昇する（図５［Ａ］）。続いて、電圧Ｖが上昇して第三閾値Ｖ３に達すると（図５［Ａ］）、第二スイッチ部３２ａがオンとなって一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給する（図５［Ｃ］［Ｄ］）。続いて、電圧Ｖが上昇して第一閾値Ｖ１に達すると（図５［Ａ］）、第二スイッチ部３２ａがオフとなるのと同時に第一スイッチ部３１がオンとなって、一次電池３０に代えて発電機２０から負荷Ｌへ電力を供給する（図５［Ｂ］［Ｃ］［Ｄ］）。発電機２０から負荷Ｌへ電力を供給している間、負荷Ｌの間欠的な動作に伴い、電圧Ｖが変動する（図５［Ａ］）。続いて、発電機２０が動作を終えると、電圧Ｖが下降して第二閾値Ｖ２に達する（図５［Ａ］）。すると、第一スイッチ部３１がオフとなるのと同時に第二スイッチ部３２ａがオンとなって、発電機２０に代えて再び一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給する（図５［Ｂ］［Ｃ］［Ｄ］）。その一定時間Ｔ後に、第二スイッチ部３２ａもオフとなって、一次電池３０から負荷Ｌへの電力供給を停止する（図５［Ｃ］［Ｄ］）。
【００５２】
次に、環境発電装置１２の作用及び効果を説明する。
【００５３】
従来は、発電機の電力が一定以上になって初めて、その電力を負荷へ供給していた。これに対して、本実施形態２によれば、発電機２０の電力が一定以上になる前に、一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給することにより、環境発電装置１２の立ち上がり時間を従来よりも早めることができる。また、電圧Ｖが第三閾値Ｖ３に達しなければ、一次電池３０からの電力供給を始めないようにしたので、ノイズに起因する動作による一次電池３０の無駄な電力消費を防止でき、一次電池３０の寿命を更に延ばすことができる。
【００５４】
本実施形態２のその他の構成、作用及び効果は、実施形態１のそれらと同様である。
【００５５】
＜実施形態３＞
図６は、実施形態３の環境発電装置の構成を示すブロック図である。図７は、実施形態３の環境発電装置の動作を示すタイミング図である。図８は、実施形態３における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。
【００５６】
本実施形態３の環境発電装置１３は、サブ発電機５０、ダイオード５１、コンデンサ５２、第二スイッチ部３２ａ、制御部４０ｂ、制御回路４２ｂ及び放電回路４３が実施形態１と異なる。
【００５７】
サブ発電機５０は、発電機２０と同時に動作し、環境に存在するエネルギを電力に変換する。制御部４０ｂは、発電機２０で変換された電力が上昇して第一閾値Ｖ１に達するよりも早く、サブ発電機５０で変換された電力が上昇して第四閾値Ｖ４に達すると、第二スイッチ部３２ａをオンにして一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給し、発電機２０で変換された電力が更に上昇して第一閾値Ｖ１に達すると、第二スイッチ部３２ａをオフにして一次電池３０から負荷Ｌへの電力供給を停止するとともに第一スイッチ部３１をオンにして発電機２０から負荷Ｌへ電力を供給し、発電機２０で変換された電力が下降して第二閾値Ｖ２に達すると、第一スイッチ部３１をオフにして発電機２０から負荷Ｌへの電力供給を停止するとともに第二スイッチ部３２ａをオンにして一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給し、その一定時間Ｔ後に第二スイッチ部３２ａをオフにして一次電池３０から負荷Ｌへの電力供給を停止する。
【００５８】
換言すると、制御部４０ｂは、発電機２０で変換された電力が上昇して第一閾値Ｖ１に達するよりも早く、サブ発電機５０で変換された電力が上昇して第四閾値Ｖ４に達すると、第二スイッチ部３２ａへオン信号を出力し、発電機２０で変換された電力が更に上昇して第一閾値Ｖ１に達すると、第二スイッチ部３２ａへオフ信号を出力するとともに第一スイッチ部３１へオン信号を出力し、発電機２０で変換された電力が下降して第二閾値Ｖ２に達すると、第一スイッチ部３１へオフ信号を出力するとともに第二スイッチ部３２ａへオン信号を出力し、その一定時間Ｔ後に第二スイッチ部３２ａへオフ信号を出力する。
【００５９】
本実施形態３の電力供給方法は、環境発電装置１３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３の電力供給方法は、発電機２０と同時に動作し、環境に存在するエネルギを電力に変換するサブ発電機５０を用い、発電機２０で変換された電力が上昇して第一閾値Ｖ１に達するよりも早く、サブ発電機５０で変換された電力が上昇して第四閾値Ｖ４に達すると、一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給し、発電機２０で変換された電力が更に上昇して第一閾値Ｖ１に達すると、一次電池３０から負荷Ｌへの電力供給を停止するとともに発電機２０から負荷Ｌへ電力を供給し、発電機２０で変換された電力が下降して第二閾値Ｖ２に達すると、発電機２０から負荷Ｌへの電力供給を停止するとともに一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給し、その一定時間Ｔ後に一次電池３０から負荷Ｌへの電力供給を停止する。
【００６０】
本実施形態３におけるサブ発電機５０は、後述するように振動発電機である。サブ発電機５０の電力は交流になるので、サブ発電機５０の出力側には整流用兼逆流防止用のダイオード５１及び充電（平滑）用のコンデンサ５２が接続されている。ダイオード５１のアノードはサブ発電機５０側に接続され、ダイオード５１のカソードはコンデンサ５２側に接続されている。発電機２０とサブ発電機５０とが同時に動作を始めて、発電機２０の電力が第一閾値Ｖ１に達する前に、サブ発電機５０の電力が第四閾値Ｖ４に達するように、第四閾値Ｖ４が設定されている。
【００６１】
コンデンサ５２の充電電圧をＶｂとすると、電圧Ｖｂはサブ発電機５０の電力に対応する。制御部４０ｂは、電圧Ｖｂをオン・オフ信号として第二スイッチ部３２ａに印加し、Ｖｂ＝Ｖ４となると第二スイッチ部３２ａがオンになるように、電圧Ｖｂを必要に応じて分圧する。又は、電圧Ｖｂを監視し、Ｖｂ＝Ｖ４となると第二スイッチ部３２ａへオン信号を出力する、電圧監視回路を設けてもよい。
【００６２】
放電回路４３は、例えば電気的にオン・オフ制御されるスイッチと抵抗器との直列回路であり、オン信号を入力している間は電圧Ｖｂを接地電位に維持する。
【００６３】
制御回路４２ｂは、第二スイッチ部３２ａがオンになることにより、一次電池３０から電源電圧を得て動作を開始し、放電回路４３へオン信号を出力する。つまり、制御回路４２ｂは、動作している間、放電回路４３へオン信号を出力し続ける。そして、制御回路４２ｂは、電圧監視回路４１から第一スイッチ部３１へ出力されたオフ信号を入力すると同時に、第二スイッチ部３２ａへオン信号を出力し、その一定時間Ｔ後に第二スイッチ部３２ａへオフ信号を出力する。なお、第二スイッチ部３２ａは、実施形態２の第二スイッチ部３２ａと同じである。
【００６４】
次に、環境発電装置１３の動作について図７を中心に説明する。
【００６５】
まず、発電機２０及びサブ発電機５０が同時に動作を始めると、電圧Ｖ，Ｖｂは時間ｔの経過とともに上昇する（図７［Ａ］［Ｂ］）。続いて、電圧Ｖｂが上昇して第四閾値Ｖ４に達すると、放電回路４３がオンとなって電圧Ｖｂが接地電位に固定されると同時に、第二スイッチ部３２ａがオンとなって一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給する（図７［Ｂ］［Ｄ］［Ｅ］）。続いて、電圧Ｖが上昇して第一閾値Ｖ１に達すると（図７［Ａ］）、第二スイッチ部３２ａがオフとなるのと同時に第一スイッチ部３１がオンとなって、一次電池３０に代えて発電機２０から負荷Ｌへ電力を供給する（図７［Ｃ］［Ｄ］［Ｅ］）。発電機２０から負荷Ｌへ電力を供給している間、負荷Ｌの間欠的な動作に伴い、電圧Ｖが変動する（図７［Ａ］）。続いて、発電機２０が動作を終えると、電圧Ｖが下降して第二閾値Ｖ２に達する（図７［Ａ］）。すると、第一スイッチ部３１がオフとなるのと同時に第二スイッチ部３２ａがオンとなって、発電機２０に代えて再び一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給する（図７［Ｃ］［Ｄ］［Ｅ］）。その一定時間Ｔ後に、第二スイッチ部３２ａもオフとなって、一次電池３０から負荷Ｌへの電力供給を停止する（図７［Ｄ］［Ｅ］）。
【００６６】
次に、サブ発電機５０の構成について図８を中心に説明する。
【００６７】
サブ発電機５０は、発電機２０に付設された導電コイル５３からなる振動発電機である。マグネット２６、磁気回路ユニット２７及び引張りばね２８は、発電機２０と共用される。導電コイル５３の中心を導電コイル２５の中心に一致するように配置することにより、サブ発電機５０が発電機２０と同時に動作する。すなわち、サブ発電機５０と発電機２０とは、同時にオンになり同時にオフになる。また、サブ発電機５０が発電機２０よりも早く立ち上がるように、導電コイル５３の巻数は導電コイル２５の巻数よりも多くする。一方、導電コイル５３は、電圧監視用であり負荷Ｌへの電力供給用ではないので、電流を流す必要がない。そのため、導電コイル５３の導線の直径は、導電コイル２５の導線の直径よりも細くする。
【００６８】
次に、環境発電装置１３の作用及び効果を説明する。
【００６９】
従来は、発電機の電力が一定以上になって初めて、その電力を負荷へ供給していた。これに対して、本実施形態３によれば、発電機２０の電力が一定以上になる前に、一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給することにより、環境発電装置１３の立ち上がり時間を従来よりも早めることができる。また、電圧Ｖｂが第四閾値Ｖ４に達しなければ、一次電池３０からの電力供給を始めないようにしたので、ノイズに起因する動作による一次電池３０の無駄な電力消費を防止でき、一次電池３０の寿命を更に延ばすことができる。
【００７０】
図４及び図５に示すように、実施形態２では、発電機２０の電力が一定以上になる前に一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給する際、電圧監視回路４１ａによる第二スイッチ部３２ａの制御に、発電機２０の電力を使う。これに対し、本実施形態３では、発電機２０の電力が一定以上になる前に一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給する際、第二スイッチ部３２ａの制御に発電機２０の電力を使わずにサブ発電機５０の電力を使うので、発電機２０の立ち上がりをより早めることができる。
【００７１】
また、発電機２０による負荷Ｌへの電力供給が開始された後は、サブ発電機５０の電圧Ｖｂを接地電位に固定することにより、電圧Ｖｂによって一次電池３０による電力供給を始めてしまうことを防止できる。
【００７２】
本実施形態３のその他の構成、作用及び効果は、実施形態１のそれらと同様である。
【００７３】
＜実施形態４＞
図９は、実施形態４の環境発電装置の構成を示すブロック図である。図１０は、実施形態４の環境発電装置の動作を示すタイミング図である。以下、これらの図面に基づき説明する。
【００７４】
本実施形態４の環境発電装置１４は、第三スイッチ部３３、ダイオード３６、制御部４０ｃ及び制御回路４２ｃが実施形態３と異なる。
【００７５】
本実施形態４の環境発電装置１４は、一次電池３０と負荷Ｌとの間に接続され、初期状態がオフである第三スイッチ部３３を更に備えている。制御部４０ｃは、第二スイッチ部３２ａをオンにするときは第三スイッチ部３３もオンにし、第二スイッチ部３２ａをオフにするときは第三スイッチ部３３もオフにする。
【００７６】
換言すると、環境発電装置１４は、一次電池３０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第三スイッチ部３３を更に備えている。制御部４０ｃは、第二スイッチ部３２ａへオン信号を出力するときは第三スイッチ部３３にもオン信号を出力し、第二スイッチ部３２ａへオフ信号を出力するときは第三スイッチ部３３にもオフ信号を出力する。
【００７７】
本実施形態４の電力供給方法は、環境発電装置１４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４の電力供給方法は、一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給する経路を二つ並列に用いる。
【００７８】
第三スイッチ部３３の出力側には、逆流防止用のダイオード３６が接続されている。ダイオード３６のアノードは入力側、ダイオード３６のカソードは出力側にそれぞれ接続されている。第三スイッチ部３３は、第二スイッチ部３２ａと同じ構成である。
【００７９】
制御回路４２ｃは、第二スイッチ部３２ａがオンになることにより、一次電池３０から電源電圧を得て動作を開始し、放電回路４３へオン信号を出力する。つまり、制御回路４２ｃは、動作している間、放電回路４３へオン信号を出力し続ける。そして、制御回路４２ｃは、電圧監視回路４１から第一スイッチ部３１へ出力されたオフ信号を入力すると同時に、第二スイッチ部３２ａ及び第三スイッチ部３３へオン信号を出力し、その一定時間Ｔ後に第二スイッチ部３２ａ及び第三スイッチ部３３へオフ信号を出力する。
【００８０】
次に、環境発電装置１４の動作について図１０を中心に説明する。
【００８１】
まず、発電機２０及びサブ発電機５０が同時に動作を始めると、電圧Ｖ，Ｖｂは時間ｔの経過とともに上昇する（図１０［Ａ］［Ｂ］）。続いて、電圧Ｖｂが上昇して第四閾値Ｖ４に達すると（図１０［Ｂ］）、放電回路４３がオンとなって電圧Ｖｂが接地電位に固定されると同時に、第二スイッチ部３２ａ及び第三スイッチ部３３がオンとなって一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給する（図１０［Ｂ］［Ｄ］［Ｅ］［Ｆ］）。続いて、電圧Ｖが上昇して第一閾値Ｖ１に達すると（図１０［Ａ］）、第二スイッチ部３２ａ及び第三スイッチ部３３がオフとなるのと同時に第一スイッチ部３１がオンとなって、一次電池３０に代えて発電機２０から負荷Ｌへ電力を供給する（図１０［Ｃ］［Ｄ］［Ｅ］［Ｆ］）。発電機２０から負荷Ｌへ電力を供給している間、負荷Ｌの間欠的な動作に伴い、電圧Ｖが変動する（図１０［Ａ］）。続いて、発電機２０が動作を終えると、電圧Ｖが下降して第二閾値Ｖ２に達する（図１０［Ａ］）。すると、第一スイッチ部３１がオフとなるのと同時に第二スイッチ部３２ａ及び第三スイッチ部３３がオンとなって、発電機２０に代えて再び一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給する（図１０［Ｃ］［Ｄ］［Ｅ］［Ｆ］）。その一定時間Ｔ後に、第二スイッチ部３２ａ及び第三スイッチ部３３もオフとなって、一次電池３０から負荷Ｌへの電力供給を停止する（図１０［Ｄ］［Ｅ］［Ｆ］）。
【００８２】
次に、環境発電装置１４の作用及び効果を説明する。
【００８３】
本実施形態４によれば、第二スイッチ部３２ａがノイズや他の原因によってオンにならなくても、第二スイッチ部３２ａに並列接続された第三スイッチ部３３がオンになることにより、一次電池３０から負荷Ｌへ電力を供給できるので、信頼性を向上できる。
【００８４】
本実施形態４のその他の構成、作用及び効果は、実施形態３のそれらと同様である。
【００８５】
＜補足＞
以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各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。例えば、制御部４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、各実施形態では二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、例えば一つ又は三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。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
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】
【００８７】
１１，１２，１３，１４  環境発電装置
２０  発電機
２１  ダイオード
２２  コンデンサ
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  一次電池
３１  第一スイッチ部
３４  ダイオード
３２，３２ａ  第二スイッチ部
３５  ダイオード
３３  第三スイッチ部
３６  ダイオード
４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ  制御部
４１，４１ａ  電圧監視回路
４２，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ  制御回路
４３  放電回路
５０  サブ発電機
５１  ダイオード
５２  コンデンサ
５３  導電コイル
Ｌ  負荷
ｔ  時間
Ｔ  一定時間
Ｖ，Ｖｂ  電圧
Ｖ１  第一閾値
Ｖ２  第二閾値
Ｖ３  第三閾値
Ｖ４  第四閾値
【図１】
2018064307.tif 000003
【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】
2018064307.tif 000008
【図７】
2018064307.tif 000009
【図８】
2018064307.tif 000010
【図９】
2018064307.tif 000011
【図１０】
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