(57)【要約】【課題】負荷インピーダンスの変動に対する追従性能の向上を図る。【解決手段】制御部４は、検知電圧がしきい値未満の場合、負荷インピーダンスが交点Ｘの負荷インピーダンスよりも小さいと判断し、制御信号を出力して切替部２を第１接続状態から第２接続状態へ切り替えさせる。また、制御部４は、検知電圧がしきい値以上の場合、負荷インピーダンスが交点Ｘの負荷インピーダンス以上であると判断し、制御信号を出力して切替部２を第２接続状態から第１接続状態へ切り替えさせる。故に、本装置では、複数の発電部１０，…の出力端子１００，…同士の接続状態が、負荷インピーダンスの変動に対応した最適な接続状態に切り替えられる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発電部と、切替部と、検知部と、制御部とを備え、
前記発電部は、他のエネルギーを電気エネルギーに変換し、前記電気エネルギーを一対の出力端子から出力するように構成され、
前記切替部は、前記複数の発電部の前記出力端子同士の接続状態を択一的に切り替えるように構成され、
前記検知部は、前記複数の発電部から給電される負荷の負荷インピーダンスを検知するように構成され、
前記制御部は、前記検知部で検知される前記負荷インピーダンスが減少するに連れて、前記複数の発電部のうちで、前記出力端子同士が互いに直列に接続される前記発電部の個数を相対的に減らすように前記切替部に前記接続状態を切り替えさせ、
さらに、前記制御部は、前記検知部で検知される前記負荷インピーダンスが増大するに連れて、前記複数の発電部のうちで、前記出力端子同士が互いに直列に接続される前記発電部の個数を相対的に増やすように前記切替部に前記接続状態を切り替えさせるように構成されることを特徴とするエネルギー変換装置。
【請求項２】
前記検知部は、前記負荷に流れる電流を計測することで前記負荷インピーダンスを検知するように構成されることを特徴とする請求項１記載のエネルギー変換装置。
【請求項３】
前記発電部は、圧電体を用いて運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されることを特徴とする請求項１又は２記載のエネルギー変換装置。
【請求項４】
複数の前記発電部は、所定の周期で極性が反転する電圧及び電流を出力するように構成され、複数の前記発電部の出力電圧及び出力電流を各別に整流する複数の整流部を備え、前記切替部は、前記複数の整流部を介して、前記複数の発電部の前記出力端子と接続されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項５】
前記発電部及び前記切替部は、同一の半導体基板に一体に形成されることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項６】
前記制御部は、１乃至複数の切替ポイントを記憶するように構成され、さらに、前記制御部は、前記検知部で検知される前記負荷インピーダンスと、前記切替ポイントとを比較し、前記切替ポイントと前記負荷インピーダンスとの大小関係に応じて前記切替部に前記接続状態を切り替えさせるように構成され、
前記切替ポイントは、前記複数の発電部の内部インピーダンスと前記負荷インピーダンスに対応して決定されることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のエネルギー変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー変換装置に関し、詳しくは、電気エネルギー以外のエネルギーを電気エネルギーに変換する発電デバイスを用いたエネルギー変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気エネルギー以外のエネルギーを電気エネルギーに変換する発電デバイスが種種提供されている。このような発電デバイスは、例えば、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池や、圧電体を利用して運動エネルギー(振動エネルギー)を電気エネルギーに変換する発電デバイスなどが知られている(特許文献１参照)。
【０００３】
特許文献１に記載されている発電デバイスは、圧電体を利用した複数の発電エレメントを備え、これら複数の発電エレメントが出力端子に対して全て直列に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１６０６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１記載の従来例のように、複数の発電エレメント(発電部)が直列接続される場合、発電デバイスの内部インピーダンスが相対的に大きくなるので、負荷に供給可能な電流が減少する。一方、複数の発電エレメントが全て並列に接続される場合、供給可能な電流は増えるものの、直列接続時と比較して負荷への印加電圧が低下する。すなわち、負荷インピーダンスが一定であれば、複数の発電エレメントの接続状態が直列接続及び並列接続の何れかに固定されていてもよい。しかしながら、負荷インピーダンスが変動する場合、複数の発電エレメントの接続状態が固定されてしまうと、負荷インピーダンスの変動に対して、発電デバイスの給電能力が追従できなくなる虞がある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、負荷インピーダンスの変動に対する追従性能の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のエネルギー変換装置は、複数の発電部と、切替部と、検知部と、制御部とを備える。前記発電部は、他のエネルギーを電気エネルギーに変換し、前記電気エネルギーを一対の出力端子から出力するように構成される。前記切替部は、前記複数の発電部の前記出力端子同士の接続状態を択一的に切り替えるように構成される。前記検知部は、前記複数の発電部から給電される負荷の負荷インピーダンスを検知するように構成される。前記制御部は、前記検知部で検知される前記負荷インピーダンスが減少するに連れて、前記複数の発電部のうちで、前記出力端子同士が互いに直列に接続される前記発電部の個数を相対的に減らすように前記切替部に前記接続状態を切り替えさせる。さらに、前記制御部は、前記検知部で検知される前記負荷インピーダンスが増大するに連れて、前記複数の発電部のうちで、前記出力端子同士が互いに直列に接続される前記発電部の個数を相対的に増やすように前記切替部に前記接続状態を切り替えさせるように構成される。
【０００８】
このエネルギー変換装置において、前記検知部は、前記負荷に流れる電流を計測することで前記負荷インピーダンスを検知するように構成されることが好ましい。
【０００９】
このエネルギー変換装置において、前記発電部は、圧電体を用いて運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されることが好ましい。
【００１０】
このエネルギー変換装置において、複数の前記発電部は、所定の周期で極性が反転する電圧及び電流を出力するように構成されることが好ましい。複数の前記発電部の出力電圧及び出力電流を各別に整流する複数の整流部を備えることが好ましい。前記切替部は、前記複数の整流部を介して、前記複数の発電部の前記出力端子と接続されることが好ましい。
【００１１】
このエネルギー変換装置において、前記発電部及び前記切替部は、同一の半導体基板に一体に形成されることが好ましい。
【００１２】
このエネルギー変換装置において、前記制御部は、１乃至複数の切替ポイントを記憶するように構成されることが好ましい。さらに、前記制御部は、前記検知部で検知される前記負荷インピーダンスと、前記切替ポイントとを比較し、前記切替ポイントと前記負荷インピーダンスとの大小関係に応じて前記切替部に前記接続状態を切り替えさせるように構成されることが好ましい。前記切替ポイントは、前記複数の発電部の内部インピーダンスと前記負荷インピーダンスに対応して決定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のエネルギー変換装置は、複数の発電部の出力端子同士の接続状態が、負荷インピーダンスの変動に対応した最適な接続状態に切り替えられるので、負荷インピーダンスの変動に対する追従性能の向上を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るエネルギー変換装置の実施形態を示すブロック図である。
【図２】同上における検知部の回路図である。
【図３】図３Ａ及び図３Ｂは同上における発電部の等価回路図である。
【図４】同上における負荷特性を説明するための説明図である。
【図５】同上の切替部による接続状態を説明するための説明図である。
【図６】同上の切替部による接続状態を説明するための説明図である。
【図７】同上の切替部による接続状態を説明するための説明図である。
【図８】本発明に係るエネルギー変換装置の別の実施形態を示すブロック図である。
【図９】同上における発電デバイスの別の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係るエネルギー変換装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
本実施形態のエネルギー変換装置(以下、本装置と略す。)は、図１に示すように複数(図示例では３つ)の発電部１０〜１２と、切替部２と、検知部３と、制御部４とを備える。発電部１０〜１２は、他のエネルギーを電気エネルギーに変換し、前記電気エネルギーを一対の出力端子１００，１０１，…から出力するように構成される。切替部２は、複数の発電部１０〜１２の出力端子１００，１０１、１１０，１１１、１２０，１２１同士の接続状態を択一的に切り替えるように構成される。検知部３は、複数の発電部１０〜１２から給電される負荷９の負荷インピーダンスを検知するように構成される。制御部４は、検知部３で検知される前記負荷インピーダンスが減少するに連れて、複数の発電部１０〜１２のうちで、出力端子１００，…同士が互いに直列に接続される発電部１０，…の個数を相対的に減らすように切替部２に前記接続状態を切り替えさせる。さらに、制御部４は、検知部３で検知される前記負荷インピーダンスが増大するに連れて、複数の発電部１０〜１２のうちで、出力端子１００，…同士が互いに直列に接続される発電部１０，…の個数を相対的に増やすように切替部２に前記接続状態を切り替えさせる。すなわち、本装置では、複数の発電部１０，…の出力端子１００，…同士の接続状態が、負荷インピーダンスの変動に対応した最適な接続状態に切り替えられるので、負荷インピーダンスの変動に対する追従性能の向上を図ることができる。
【００１７】
発電部１０〜１２は、圧電体を用いて運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されることが好ましい。なお、これら複数の発電部１０〜１３で発電デバイス１が構成されている。
【００１８】
このような発電部１０〜１２は、例えば、特許文献１に開示されている発電デバイスと同様の構造を有していてもよい。すなわち、前記発電デバイスは、半導体微細加工技術を利用して、半導体基板(例えば、シリコン基板)に支持部、カンチレバー部、錘部、発電エレメントなどが一体に形成されている。そして、前記発電デバイスは、支持部に片持ち支持されたカンチレバー部が、流体(例えば、空気など)の衝突や振動で変位することにより、圧電体からなる発電エレメントが交流電圧を発生するように構成されている。
【００１９】
切替部２は、例えば、多数のアナログスイッチ若しくはアナログ・マルチプレクサで構成されることが好ましい。切替部２は、制御部４から与えられる制御信号で前記アナログスイッチ若しくはアナログ・マルチプレクサがオン・オフ制御される。つまり、切替部２は、アナログスイッチ若しくはアナログ・マルチプレクサのオン・オフ状態を切り替えることにより、発電部１０〜１２の出力端子１００，１０１、１１０，１１１、１２０，１２１同士の接続状態を択一的に切り替えることができる。
【００２０】
整流部５は、例えば、ダイオードブリッジからなり、各発電部１０〜１２で発電される交流電圧・交流電流を全波整流するように構成される。
【００２１】
蓄電部６は、例えば、電解コンデンサからなり、整流部５から出力される脈流電圧で充電される電荷を、負荷９に放電するように構成される。つまり、負荷９は、発電部１０〜１２で発電される交流電力が整流部５及び蓄電部６で直流電力に変換されて給電される。
【００２２】
検知部３は、負荷９に流れる電流を計測することで前記負荷インピーダンスを検知するように構成されることが好ましい。本装置における検知部３は、図２に示すように抵抗３０とオペアンプ３１で構成される。抵抗３０は、蓄電部６の高電位側の一端と負荷９の一端との間に挿入される。つまり、蓄電部６から抵抗３０を介して負荷９に直流電流(負荷電流)が流れた場合、その負荷電流に比例した電圧降下が抵抗３０の両端に生じる。そして、負荷電流の大きさに比例した抵抗３０の両端電圧が、オペアンプ３１で増幅されて制御部４へ出力される。なお、以下の説明では、検知部３から制御部４へ出力される電圧(負荷電流の大きさに比例した電圧)を検知電圧と呼ぶ。
【００２３】
制御部４は、検知部３から出力される検知電圧を所定のしきい値電圧と比較し、その比較結果に対応した接続状態を選択する。そして、制御部４は、発電部１０〜１２の出力端子１００，１０１、１１０，１１１、１２０，１２１同士の接続状態を、比較結果に対応した前記接続状態に切り替えるための制御信号を切替部２に与える。なお、このような制御部４は、マイクロコントローラや論理回路などで構成される。
【００２４】
ところで、圧電体を利用した発電部１０〜１２は、特許文献１にも開示されているように、図３Ａに示す等価回路で表される。すなわち、各発電部１０〜１２は、交流電流源１０２と、内部抵抗１０３と、寄生容量(コンデンサ)１０４との並列回路で構成される。さらに、この等価回路は、図３Ｂに示す等価回路に置き換えられる。図３Ｂに示す等価回路は、交流電源１０５と内部インピーダンス１０６の直列回路で構成される。ただし、交流電源１０５の電源電圧は、交流電流源１０２の出力電流に、内部抵抗１０３とコンデンサ１０４の合成インピーダンスを乗算した電圧となる。
【００２５】
例えば、図５に示すように、切替部２が、全ての発電部１０〜１２を直列に接続する接続状態(以下、第１接続状態と呼ぶ。)に切り替えた場合を想定する。この場合、各発電部１０〜１２の交流電源１０５と内部インピーダンス１０６が、負荷９に対して互いに直列に接続される。故に、負荷９の負荷インピーダンスをＺ０、交流電源１０５の電源電圧をＶ、内部インピーダンス１０６をＺ１とすると、負荷９に供給される電力Ｐ１は、以下の式で表される。ただし、図５における内部インピーダンス１０６の値Ｚ１は、発電部１０〜１２の内部インピーダンスだけでなく、発電部１０〜１２の交流出力を整流する整流回路(整流部５)のインピーダンス含めた合成インピーダンスの値である。
【００２６】
Ｐ１＝Ｚ０×｛３Ｖ／（Ｚ０＋３Ｚ１）｝２
また、図６に示すように、切替部２が、全ての発電部１０〜１２を並列に接続する接続状態(以下、第２接続状態と呼ぶ。)に切り替えた場合を想定する。この場合、各発電部１０〜１２の交流電源１０５と内部インピーダンス１０６が、負荷９に対して互いに並列に接続される。故に、負荷９に供給される電力Ｐ２は、以下の式で表される。ただし、図６における内部インピーダンス１０６の値Ｚ１も、発電部１０〜１２の内部インピーダンスだけでなく、発電部１０〜１２の交流出力を整流する整流回路(整流部５)のインピーダンス含めた合成インピーダンスの値である。
【００２７】
Ｐ２＝Ｚ０×｛３Ｖ／（Ｚ０＋Ｚ１／３）｝２
したがって、第１接続状態における負荷特性、並びに第２接続状態における負荷特性は、横軸を負荷インピーダンスＺ０とし、縦軸を電力として、図４に示す曲線Ｐ１，Ｐ２でそれぞれ表される。なお、横軸の単位は、例えば、ＭΩであり、縦軸の単位は、例えば、μＷである。これら２つの負荷特性は、１つの極大値を有する曲線である点で共通する。
【００２８】
ここで、図４から明らかなように、２つの負荷特性は一点(交点Ｘ)で交わっている。つまり、発電デバイス１は、負荷インピーダンスＺ０が交点Ｘにおける負荷インピーダンスよりも低い場合においては、第１接続状態よりも、第２接続状態の方が負荷９に大きな電力を給電することができる。また、発電デバイス１は、負荷インピーダンスＺ０が交点Ｘにおける負荷インピーダンス以上の場合においては、第２接続状態よりも、第１接続状態の方が負荷９に大きな電力を給電することができる。
【００２９】
ここで、インピーダンス値Ｚ１は、例えば、コンピュータを利用したシミュレーションによって求めることができる。シミュレーションによって求められたインピーダンス値Ｚ１に基づき、実際の回路構成における２つの負荷特性の交点Ｘが、Ｐ１＝Ｐ２の条件を満たす負荷インピーダンス値Ｚ０となる。
【００３０】
故に、制御部４におけるしきい値電圧は、検知部３が検知する負荷電流の大きさが、交点Ｘの負荷インピーダンスと対応した負荷電流の大きさに一致するときの電圧に設定されることが好ましい。
【００３１】
つまり、制御部４は、検知電圧がしきい値未満の場合、負荷インピーダンスが交点Ｘの負荷インピーダンスよりも小さいと判断し、制御信号を出力して切替部２を第１接続状態から第２接続状態へ切り替えさせる。また、制御部４は、検知電圧がしきい値以上の場合、負荷インピーダンスが交点Ｘの負荷インピーダンス以上であると判断し、制御信号を出力して切替部２を第２接続状態から第１接続状態へ切り替えさせる。
【００３２】
上述のように本装置では、複数の発電部１０，…の出力端子１００，…同士の接続状態が、負荷インピーダンスの変動に対応した最適な接続状態に切り替えられるので、負荷インピーダンスの変動に対する追従性能の向上を図ることができる。
【００３３】
本装置において、制御部４は、１乃至複数の切替ポイント(しきい値電圧)を記憶するように構成されることが好ましい。さらに、制御部４は、検知部３で検知される負荷インピーダンス(検知電圧)と、切替ポイント(しきい値電圧)とを比較し、切替ポイントと負荷インピーダンスとの大小関係に応じて切替部２に接続状態を切り替えさせるように構成されることが好ましい。そして、切替ポイントは、上述のように複数の発電部１０〜１２の内部インピーダンスＺ１と負荷インピーダンスＺ０に対応して決定されることが好ましい。
【００３４】
なお、本実施形態では、全ての発電部１０，…の出力端子１００，…同士が直列接続される第１接続状態と、全ての発電部１０，…の出力端子１００，…同士が並列接続される第２接続状態とが択一的に選択される場合を例示した。しかしながら、切替部２によって切り替えられる接続状態はこれら２つの接続状態に限定されない。例えば、図７に示すように２つの発電部１０，１１の出力端子１００，１０１、１１０，１１１同士が並列に接続され、且つ残り１つの発電部１２の出力端子１２０，１２１が２つの発電部１０，１１の出力端子１００，…と直列に接続される第３接続状態に切り替えられてもよい。ただし、第１接続状態及び第２接続状態から第３接続状態に切り替えられるときのしきい値電圧は、それぞれの接続状態に対応した負荷特性同士の交点から決定される。
【００３５】
また、本実施形態における発電デバイス１は３つの発電部１０〜１２を有しているが、４つ以上の発電部を有していても構わない。例えは、発電デバイス１が８つの発電部を有している場合、８つの発電部の出力端子同士の接続状態として、例えば、以下の５通りの接続状態が択一的に選択される。これら５通りの接続状態には、例えば、８つの発電部が全て直列接続される第１接続状態と、並列接続された２つの発電部と残り６つの発電部が直列接続される第２接続状態とが含まれる。さらに、並列接続された４つの発電部と残り４つの発電部が直列接続される第３接続状態と、並列接続された６つの発電部と残り２つの発電部が直列接続される第４接続状態と、８つの発電部が全て並列接続される第５接続状態とが含まれる。そして、第１接続状態〜第５接続状態に切り替えられるときの４通りのしきい値電圧が、それぞれの接続状態に対応した負荷特性同士の交点から決定される。
【００３６】
なお、本装置は、複数の発電部１０〜１２を有する１つの発電デバイス１の代わりに、１つの発電部１０のみを有する複数の発電デバイス１を備えても構わない。
【００３７】
ところで、本装置において、複数の発電部１０〜１２は、所定の周期で極性が反転する電圧及び電流、すなわち、交流電圧・交流電流を出力するように構成される。ここで、本装置は、図８に示すように複数の発電部１０〜１２の出力電圧及び出力電流を各別に整流する複数(図示例では３つ)の整流部５を備えることが好ましい。さらに、本装置において、切替部２は、複数の整流部５を介して、複数の発電部１０〜１２の出力端子１００，…と接続されることが好ましい。
【００３８】
すなわち、各発電部１０〜１２から出力される交流電圧・交流電流は、それぞれの周波数及び位相が一致しない可能性があり、同じ接続状態であっても、切替部２から出力される電圧・電流にばらつきが生じやすい。
【００３９】
これに対して、図８に示すように各発電部１０〜１２毎に整流部５が設けられ、整流後の電圧・電流が切替部２に入力される構成とすれば、切替部２から出力される電圧・電流にばらつきを抑制することができる。
【００４０】
また、本装置において、発電部１０〜１２及び切替部２は、同一の半導体基板に一体に形成されても構わない(図９参照)。すなわち、発電部１０〜１２は、半導体微細加工技術を利用して半導体基板(シリコン基板)を加工して形成されるので、当該半導体基板に、多数のアナログスイッチやアナログ・マルチプレクサからなる切替部２を形成することは容易である。このように発電デバイス１が複数の発電部１０〜１３と切替部２を備えれば、本装置の部品点数を削減して小型化を図ることができる。
【符号の説明】
【００４１】
１  発電デバイス
２  切替部
３  検知部
４  制御部
９  負荷
１０  発電部
１１  発電部
１２  発電部
【図１】
2015173534.tif 000003
【図２】
2015173534.tif 000004
【図３】
2015173534.tif 000005
【図４】
2015173534.tif 000006
【図５】
2015173534.tif 000007
【図６】
2015173534.tif 000008
【図７】
2015173534.tif 000009
【図８】
2015173534.tif 000010
【図９】
2015173534.tif 000011