(57)【要約】【課題】  本発明の様々な実施形態によって、所要の電圧を安定的に供給することができる小型の発電機を提供する。【解決手段】  本発明の一実施形態に係る発電機１は、入力された物理量を電気エネルギーに変換するトランスデューサ１２と、互いに対向する第１及び第２の端子を含み、トランスデューサ１２から提供された電気エネルギーを蓄電するコンデンサ１６と、コンデンサ１６の第１の端子に接続され、コンデンサ１６に蓄積された電気エネルギーを出力する端子電極２０−ａと、コンデンサ１６の第２の端子と端子電極２０−ｂとの間に配置された電池１８と、を備える。【選択図】  図２
2013046552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力端子と、
接地端子と、
前記出力端子と前記接地端子との間に配置され、入力された物理量を電気エネルギーに変換するトランスデューサと、
前記出力端子に接続された第１の端子と該第１の端子と対向配置された第２の端子とを含み、前記トランスデューサから提供された電気エネルギーを蓄電するコンデンサと、
前記接地端子と前記コンデンサの前記第２の端子との間に配置された電池と、
を備える発電機。
【請求項２】
前記電池の端子間電圧が前記コンデンサの端子間電圧よりも大きい請求項１に記載の発電機。
【請求項３】
前記トランスデューサと前記コンデンサとの間に配置された整流回路をさらに備える請求項１又は２に記載の発電機。
【請求項４】
前記整流回路が、前記出力端子と前記接地端子との間に、前記トランスデューサと並列に配置された第１のダイオードを有する請求項３に記載の発電機。
【請求項５】
前記電池が、前記第１のダイオードのしきい値電圧よりも小さい端子間電圧を有するように構成された請求項４に記載の発電機。
【請求項６】
前記整流回路が、前記第１のダイオードと前記出力端子との間に配置された第２のダイオードを有する請求項４又は５に記載の発電機。
【請求項７】
前記電池が、前記第１のダイオードのしきい値電圧と前記第２のダイオードのしきい値電圧との和よりも小さい端子間電圧を有するように構成された請求項６に記載の発電機。
【請求項８】
前記トランスデューサが、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する請求項１から７のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項９】
前記トランスデューサが、電磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する請求項１から７のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項１０】
前記コンデンサの前記第１の端子に接続され、前記トランスデューサから電気エネルギーが出力されている間、該第１の端子を前記出力端子に接続する一方、前記トランスデューサから電気エネルギーが出力されていない間、該第１の端子を前記電池の正極端子に接続する第１のスイッチ素子と、
前記コンデンサの前記第２の端子に接続され、前記トランスデューサから電気エネルギーが出力されている間、該第２の端子を前記電子の前記正極端子に接続する一方、前記トランスデューサから電気エネルギーが出力されていない間、該第２の端子を前記電池の負極端子に接続する第２のスイッチ素子と、
を備える請求項１〜９のいずれか１項に記載の発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機に関し、特に無線加速度センサ等に用いられる小型の発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線加速度センサ等の無線センサを用いて人や家畜の活動をモニタリングすることが検討されている。この種の無線加速度センサは、モニタリング対象に装着して用いられ、モニタリング対象の動きに応じて検出される加速度等の物理量の変化を無線周波数の変化として外部のデータ処理装置に送信し、受信側のデータ処理装置において受信した物理量の変化を解析してモニタリング対象の活動を把握できるようにするものである。かかる用途の無線加速度センサにおいては、電池の交換が困難なことが多いので、小型の発電機を備え、この発電機から提供される電圧によって動作可能であることが望ましい。
【０００３】
このような小型発電機の開示例がある。例えば、特開2010-119280号公報（特許文献１）には、組み込んだ小型のエレクトレット振動発電装置が開示されている。また、特開平11-146663号公報（特許文献２）には、携帯時計用の小型発電装置が開示されている。いずれの発電装置も、機械的振動を機械−電気変換して得られた交流電圧を整流回路において整流し、整流した電圧を後段の電子回路に供給している。また、特許文献２に記載の発電装置は、整流した電圧を蓄電し、平滑化するためのコンデンサを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2010-119280号公報
【特許文献２】特開平11-146663号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、モニタリング対象である人や動物の動きから得られる電気エネルギーは１ｍＶ程度と微少であるため、上述した従来の小型発電機では、無線加速度センサの電子回路を正常動作させるために十分な電圧が得られないおそれがある。また、モニタリング対象の動きは不規則であるため、発電機に加えられる加速度の変動が大きく、その結果、得られる出力電圧の値も大きく変動する。したがって、モニタリング対象の動きから得られる電気エネルギーのみによっては、安定的な電圧を供給することが難しい。
【０００６】
そこで、本発明の様々な実施形態によって、所要の電圧を安定的に供給することができる小型の発電機を提供する。本発明のその他の課題は、本明細書及び添付図面の記載等から理解される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態に係る発電機は、出力端子と、接地端子と、前記出力端子と前記接地端子との間に配置され、入力された物理量を電気エネルギーに変換するトランスデューサと、前記出力端子に接続された第１の端子と該第１の端子と対向配置された第２の端子とを含み、前記トランスデューサから提供された電気エネルギーを蓄電するコンデンサと、前記接地端子と前記コンデンサの前記第２の端子との間に配置された電池と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の様々な実施態様によって、所要の電圧を安定的に供給することができる小型の発電機が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る発電機の回路構成を示す回路図
【図２】本発明の他の実施形態に係る発電機の回路構成を示す回路図
【図３】トランスデューサから電圧が出力されていない状態における図２に示す発電機の等価回路図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。添付図面において、互いに対応する構成要素にはそれぞれ同一又は類似の参照符号を付し、それらの詳細な説明は適宜省略する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係る発電機１の回路構成を示す回路図である。図示のとおり、本発明の一実施形態における発電機１は、トランスデューサ１２と、半波整流回路１４と、コンデンサ１６と、電池１８と、端子電極２０−ａ、２０−ｂとを含んで構成される。この発電機１は、端子電極２０−ａを介して後段の電子回路（不図示）と接続され、その後段の電子回路とともに小型の無線加速度センサを構成する。後段の電子回路は、例えば、発電機１からの入力信号の電圧レベルに応じた出力信号を出力するコンパレータ回路や、当該電圧レベルに応じた無線周波数の信号を無線送信する無線送信回路である。端子電極２０−ｂは接地されている。
【００１２】
トランスデューサ１２は、端子電極２０−ａと端子電極２０−ｂとの間に配置される。トランスデューサ１２は、入力された物理エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換素子である。トランスデューサ１２は、発電機１に加えられた振動を電気的エネルギーに変換する振動発電素子であってもよい。本発明の一実施形態におけるトランスデューサ１２は、圧電方式、電磁誘導方式、及び静電誘導方式のいずれのエネルギー変換方式を採用してもよい。トランスデューサ１２は、光等の電磁エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換素子であってもよい。これら以外にも、本発明の一実施形態におけるトランスデューサ１２として、モニタリング対象やモニタリングの目的に適した様々なエネルギー変換素子を用いることができる。
【００１３】
半波整流回路１４は、トランスデューサ１２と後段のコンデンサ１６との間に配置され、ダイオード２２、２４を含んで構成される。ダイオード２２は、トランスデューサ１２と並列に配置され、ダイオード２４は、ダイオード２２と端子電極２０−ａとの間に配置される。ダイオード２２、２４は、アノードからカソードの方向にのみ電流を流し、逆方向には電流を流さないように構成される。このような構成により、半波整流回路１４は、トランスデューサ１２から出力される交流電圧を整流し、整流された電圧をコンデンサ１６に出力することができる。一実施形態においては、トランスデューサ１２での発生電圧が小さくても整流ができるように、比較的小さなしきい値電圧を有するダイオード２２、２４を用いることができる。また、一実施形態においては、後述するコンデンサ１６に蓄電された電荷のリークを抑制するために、ダイオード２２、２４は、その逆方向バイアス電流が極力小さくなるように構成される。図１に示す半波整流回路１４の構成はあくまで例示にすぎず、本発明の一実施形態に係る発電機１には、公知の半波整流回路を任意に用いることができる。例えば、半波整流回路１４は、ダイオード２２とダイオード２４のいずれか一方を含むように構成される。また、半波整流回路１４に代えて、任意の全波整流回路を用いることができる。
【００１４】
コンデンサ１６は、互いに対向する第１及び第２の端子を含む。この第１の端子は、端子電極２０−ａに接続され、第２の端子は電池１８の正極端子に接続される。コンデンサ１６は、半波整流回路１４から出力された電圧に応じた電荷量Ｑの電荷を蓄電する。これにより、トランスデューサ１２から整流回路１４を介して提供される電気エネルギーがコンデンサ１６に蓄電されることになる。半波整流回路１４の出力電圧は、コンデンサ１６によって平滑化されて直流電圧に変換される。コンデンサ１６の静電容量Ｃは、トランスデューサ１２や、端子電極２０−ａに接続される後段の回路に応じて適宜変更される。
【００１５】
電池１８は、一定の端子間電圧Ｖを有する一次電池又は二次電池である。電池１８の負極端子は端子電極２０−ｂに接続され、一方、正極端子はコンデンサ１６の第２の端子に接続される。電池１８は、コンデンサ１６を介して端子電極２０−ａ、２０−ｂ間に接続されているので、電池１８にはほとんど電流が流れない。一実施形態において、電池１８は、その端子間電圧Ｖが、ダイオード２２、２４のそれぞれのしきい値電圧の和よりも小さくなるように設定される。これにより、ダイオード２２、２４を経由して端子電極２０−ａに到る経路にも電流は流れない。したがって、本発明の実施形態においては、電池１８のエネルギーをほとんど消費せずに、端子電極２０−ａ、２０−ｂ間に電圧を供給することができる。電池１８としては、端子間電圧がダイオード２２、２４のそれぞれのしきい値電圧の和よりも小さな様々な種類の電池を用いることができる。発電機１の小型化及び軽量化のために、電池１８は、小型であることが望ましい。半波整流回路１４がダイオード２２、２４のいずれか一方のみを含む場合には、電池１８の端子間電圧Ｖは、半波整流回路１４に含まれているダイオードのしきい値電圧よりも小さくなるように設定される。
【００１６】
このように構成された発電機１において、トランスデューサ１２から電気エネルギーが供給されると、コンデンサ１６の端子間にはＱ／Ｃの直流電圧が発生する。また、端子電極２０−ａ、２０−ｂ間には、コンデンサ１６と直列に端子間電圧Ｖの電池１８が接続されているので、端子電極２０−ａ、２０−ｂ間にはＱ／Ｃ＋Ｖの直流電圧が供給されることになる。一実施形態において、コンデンサ１６の容量値Ｃを大きくすることにより、コンデンサ１６の端子間電圧Ｑ／Ｃが電池１８の端子間電圧Ｖよりも相対的に小さくなり、端子電極２０−ａ、２０−ｂ間への総供給電圧に占める電池１８の寄与を高くすることができる。したがって、コンデンサ１６の容量値Ｃを大きくすることにより、トランスデューサ１２から供給される電気エネルギーの大きさに依らず、電池１８の端子間電圧Ｖと略等しい安定した電圧を端子電極２０−ａ、２０−ｂ間に供給することができる。また、トランスデューサ１２の出力電圧が小さく、この出力電圧のみでは端子電極２０−ａ、２０−ｂ間に後段の回路の動作のために十分な電圧が供給できない場合であっても、電池１８から供給される電圧の寄与により、端子電極２０−ａ、２０−ｂ間には十分な大きさの電圧が供給される。このように、本発明の一実施形態においては、トランスデューサ１２から出力される電気エネルギーの大きさによらず、発電機１の後段の回路に対して十分な大きさの安定した直流電圧が供給される。また、本発明の一実施形態に係る発電機１は、小型発電機の通常の構成であるトランスデューサ１２、半波整流回路１４、及びコンデンサ１６に電池１８を追加して構成される。したがって、電池１８として小型の電池を用いることにより、発電機１の大型化を抑制することができる。
【００１７】
図２は、本発明の他の実施形態に係る発電機２の回路構成を示す回路図である。図示のとおり、発電機２は、発電機１と同等の構成に加えて、スイッチ素子３２及びスイッチ素子３４を備える。発電機２の電池１８は、任意の二次電池として構成され、後述するように、コンデンサ１６の端子間電圧によって充電可能に構成される。
【００１８】
スイッチ素子３２は、コンデンサ１６の第１の端子に接続されており、この第１の端子を端子電極２０−ａ又は電池１８の正極端子のいずれかに選択的に接続する。スイッチ素子３４は、コンデンサ１６の第２の端子に接続されており、この第２の端子を電池１８の正極端子又は電池１８の負極端子のいずれかに選択的に接続する。スイッチ素子３２、３４はそれぞれ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）により構成される。
【００１９】
一実施形態において、スイッチ素子３２は、トランスデューサ１２から電圧が出力されている間は、コンデンサ１６の第１の端子を端子電極２０−ａに接続するように構成される。また、スイッチ素子３４は、トランスデューサ１２から電圧が出力されている間は、コンデンサ１６の第２の端子を電池１８の正極端子に接続するように構成される。これにより、トランスデューサ１２から電圧が出力されている間は、端子電極２０−ａ、２０−ｂ間にコンデンサ１６と電池１８とが直列接続された回路が構成され、コンデンサ１６の端子間電圧と電池１８の端子間電圧の和に相当する電圧が、端子電極２０−ａ、２０−ｂ間に供給される。このトランスデューサ１２から電圧が出力されている間に実現される回路は、図１に示された回路と等価である。一方、トランスデューサ１２から電圧が出力されていない間は、スイッチ素子３２がコンデンサ１６の第１の端子を電池１８の正極端子に接続するとともに、スイッチ素子３４がコンデンサ１６の第２の端子を電池１８の負極端子に接続するように、スイッチ素子３２、３４が構成される。トランスデューサ１２から電圧が出力されていない間に実現される回路は、図３に示されるように、端子電極２０−ａ、２０−ｂ間にコンデンサ１６と電池１８とが並列接続された回路である。図３は、トランスデューサ１２から電圧が出力されていない状態における発電機２の等価回路図である。図示のとおり、トランスデューサ１２から電圧が出力されていない間は、発電機２は、端子電極２０−ａ、２０−ｂ間にコンデンサ１６と電池１８とが並列接続された回路となり、コンデンサ１６に蓄電されている電荷が電池１８に供給され、この供給された電荷により電池１８が充電される。
【００２０】
このように、本発明の一実施形態に係る発電機２によれば、発電機２の後段の回路に対して十分な大きさの安定した直流電圧を供給するとともに、電池１８を充電することができるので、発電機２が組み込まれる装置をさらに長寿命化させることができる。
【００２１】
本発明の実施形態は、本明細書において明示的に述べた態様に限られるものではなく、明細書中の各実施形態には様々な変更を行うことができる。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態に対して様々な変更を行うことができる。
【符号の説明】
【００２２】
１、２  発電機
１２  トランスデューサ
１４  半波整流回路
１６  コンデンサ
１８  電池
２０−ａ、２０−ｂ  端子電極
２２、２４  ダイオード
３２、３４  スイッチ
【図１】
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【図２】
2013046552.tif 000004
【図３】
2013046552.tif 000005