特開 2019-213296 電源回路、および振動発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-213296(P2019-213296A)

(43)【公開日】2019年12月12日

(54)【発明の名称】電源回路、および振動発電装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20191115BHJP

   H02N 1/06 20060101ALI20191115BHJP

   H02M 3/24 20060101ALI20191115BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/155 P

   H02N1/06

   H02M3/155 U

   H02M3/24 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2018-105436(P2018-105436)

(22)【出願日】2018年5月31日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「ＩｏＴ推進のための横断技術開発プロジェクト／超高効率データ抽出機能を有する学習型スマートセンシングシステムの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(71)【出願人】

【識別番号】000143949

【氏名又は名称】株式会社鷺宮製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100084412

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 冬紀

(74)【代理人】

【識別番号】100169029

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 恵一

(72)【発明者】

【氏名】年吉 洋

(72)【発明者】

【氏名】芦澤 久幸

(72)【発明者】

【氏名】森田 將裕

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AA14

5H730AS05

5H730BB13

5H730BB86

5H730CC01

5H730DD04

5H730EE48

5H730FD11

5H730FF05

5H730FG05

5H730ZZ19

(57)【要約】

【課題】環境振動を高い効率で電気エネルギーに変化する振動発電装置および電源回路を提供する。
【解決手段】振動発電素子１０から入力される電力を外部負荷に出力する電源回路５０は、振動発電素子１０から入力される交流電力を整流する整流回路２０、整流回路２０から出力される電力を蓄積する第１コンデンサＣ１、チョッパタイミングを制御するスイッチング素子Ｔ１を有し入力部が第１コンデンサＣ１に接続されているチョッパ回路３０、およびスイッチング素子Ｔ１に制御信号を供給する制御信号生成部Ｓ１、を備えるとともに、制御信号生成部は、第１コンデンサＣ１の電圧を参照することなく制御信号を生成する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

振動発電素子から入力される電力を外部負荷に出力する電源回路において、
前記振動発電素子から入力される交流電力を整流する整流回路、
前記整流回路から出力される電力を蓄積する第１コンデンサ、
チョッパタイミングを制御するスイッチング素子を有し入力部が前記第１コンデンサに接続されているチョッパ回路、および
前記スイッチング素子に制御信号を供給する制御信号生成部、を備えるとともに、
制御信号生成部は、前記第１コンデンサの電圧を参照することなく前記制御信号を生成する、電源回路。

【請求項2】

請求項１に記載の電源回路において、
入力部が前記チョッパ回路の出力部に接続されている電圧変換回路をさらに備える、電源回路。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の電源回路において、
前記制御信号生成部は、一定の周期およびデューティを有する前記制御信号を生成する、電源回路。

【請求項4】

請求項３に記載の電源回路において、
前記周期および前記デューティは、前記振動発電素子および前記振動発電素子の設置状況に基づいて決定されている、電源回路。

【請求項5】

請求項１または請求項２に記載の電源回路において、
前記制御信号生成部は、前記振動発電素子の振動の振幅に基づく状態信号を受信し、前記状態信号に基づいて前記制御信号を生成する、電源回路。

【請求項6】

請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の電源回路と、
前記電源回路に電力を供給する振動発電素子とを備える、振動発電装置。

【請求項7】

請求項５に記載の電源回路と、
前記電源回路に電力を供給するとともに、前記電源回路の前記制御信号生成部に、前記状態信号を供給する振動発電素子とを備える、振動発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電源回路、および振動発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

環境振動からエネルギーを収穫するエナジーハーベスティング技術の一つとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）振動素子である振動発電素子を用いて環境振動から発電を行う手法が知られている。振動発電素子自体は、圧電素子や静電容量型素子を備え、それを環境振動の周波数で振動させると、その周波数に等しい交流の電力を発生する素子である。そこで、振動発電素子と、振動発電素子が発生した交流電力を利用に適した電圧の直流または交流に変換する電源回路とを組み合わせた振動発電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５９９０３５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

環境振動の振動エネルギーは微弱であるため、環境振動を高い効率で電気エネルギーに変換する電源回路および振動発電装置が求められている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の第１の態様による電源回路は、振動発電素子から入力される電力を外部負荷に出力する電源回路において、前記振動発電素子から入力される交流電力を整流する整流回路、前記整流回路から出力される電力を蓄積する第１コンデンサ、チョッパタイミングを制御するスイッチング素子を有し入力部が前記第１コンデンサに接続されているチョッパ回路、および前記スイッチング素子に制御信号を供給する制御信号生成部、を備えるともに、制御信号生成部は、前記第１コンデンサの電圧を参照することなく前記制御信号を生成する。
本発明の第２の態様による電源回路は、第２の態様による電源回路において、前記制御信号生成部は、前記振動発電素子の振動の振幅に基づく状態信号を受信し、前記状態信号に基づいて前記制御信号を生成する。
本発明の第３の態様による振動発電装置は、第１の態様による電源回路と、前記電源回路に電力を供給する振動発電素子とを備える。
本発明の第４の態様による振動発電装置は、第２の態様による電源回路と、前記電源回路に電力を供給するとともに、前記電源回路の前記制御信号生成部に、前記状態信号を供給する振動発電素子とを備える。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、環境振動のエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の第１実施形態の電源回路５０および振動発電装置１００の概略構成を示す模式図。

【図2】振動発電装置１００が備える振動発電素子１０の概略を示す図。

【図3】振動発電素子の変形例１を示す図。

【図4】本発明の第２実施形態の電源回路５０ａおよび振動発電装置１００ａの概略構成を示す模式図。

【図5】本発明の第３実施形態の電源回路５０ｂおよび振動発電装置１００ｂの概略構成を示す模式図。

【図6】振動発電素子の変形例２を示す図。

【図7】出力線Ｗ３の出力電圧Ｖ３Ｐを示す図。

【図8】本発明の第４実施形態の電源回路５０ｃおよび振動発電装置１００ｃの概略構成を示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

（第１実施形態）
以下、図を参照して本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態の電源回路５０および振動発電装置１００の概略構成を示す模式図である。振動発電装置１００は、環境振動により交流電力を発電する振動発電素子１０と、発電した交流電力を取り出して外部の機器等に出力する電源回路５０とを備える。
電源回路５０は、整流回路２０、第１コンデンサＣ１、チョッパ回路３０、第２コンデンサＣ２、電圧変換回路４０、および第３コンデンサＣ３とを備えている。

【0009】

振動発電素子１０は、一例としてエレクトレット電極を備える静電容量型の発電素子（エレクトレット形発電素子）であり、図２を参照してその概要を説明する。
振動発電素子１０は、可動電極である第１電極１１と、固定電極である第２電極１２を有している。第１電極１１は一例として２本の櫛歯部分１５を有する櫛歯電極であり、第２電極１２は一例として３本の櫛歯部分１６を有する櫛歯電極である。

【0010】

第１電極１１の櫛歯部分１５と第２電極１２の櫛歯部分１６は、図中のＺ方向に所定の厚さを有しており、かつ、それらが噛合する部分において互いに他方の電極に対向している。第１電極１１および第２電極１２は、たとえばシリコンを基材としたＭＥＭＳ構造体として製造することができる。
第２電極１２の櫛歯部分１６のうち、第１電極１１の櫛歯部分１５と対向する面の表面の領域１７には、公知の帯電処理（例えば、特開２０１４−０４９５５７号公報に記載の帯電処理）を施すことにより、負の電荷を有するエレクトレットが形成されている。

【0011】

エレクトレット化により第２電極１２の櫛歯部分１６が半永久的に帯電する。この結果、エレクトレット化された電極と対向する第１電極１１の櫛歯部分１５には、エレクトレット化された電極とは逆特性の、すなわち正の誘導電荷が誘起される。

【0012】

第２電極１２は絶縁性の支持枠１３により固定的に保持されている。
一方、第１電極１１は、保持部１４（電極保持部１４ａ、連結部１４ｂ、固定部１４ｃ）により、支持枠１３に対して図中の上下方向（Ｘ方向）に振動するように保持されている。保持部１４は、第１電極１１を保持する電極保持部１４ａと、支持枠１３に固定されている固定部１４ｃと、電極保持部１４ａと固定部１４ｃをつなぐ、可撓性を有する連結部１４ｂから構成されている。

【0013】

連結部１４ｂは、図１中のＸ方向の厚さが薄く、Ｚ方向の厚さが厚い、金属等の可撓性材料からなる薄片である。支持枠１３に外部から振動が加わると、図中の電極保持部１４ａの左右に設けられている２つの連結部１４ｂが撓むことにより、電極保持部１４ａは支持枠１３に対してＸ方向に振動する。この結果、電極保持部１４ａに保持された第１電極１１は、支持枠１３に固定されている第２電極１２に対して、Ｘ方向に振動する構成となっている。

【0014】

第１電極１１と第２電極１２とのＸ方向への振動に伴い、第１電極１１の櫛歯部分１５と第２電極１２の櫛歯部分１６が対向する面の面積が増減する。その結果、第１電極１１と第２電極１２とが対向する部分の面積が変化し、エレクトレットによる誘導電荷も変化し、第１電極１１と第２電極１２との間の電位差が変化して起電力が発生することで、振動発電素子１０による発電が行われる。

【0015】

振動発電素子１０の発電効率は、第１電極１１と第２電極１２との相対振動の振幅に依存する。すなわち、基本的には第１電極１１と第２電極１２との相対振動の振幅が大きい程、発電効率が向上する。ただし、振動発電素子１０の機械構造上の制約から、振幅があまりに大きくなると、振動に伴う機械的な抵抗も増大してしまう。このため、振動発電素子１０には、その構造から決まる、発電効率を最大にする振幅（最適振幅）が存在する。以下では、第１電極１１と第２電極１２との相対振動の振幅のことを、単に振動発電素子１０の振幅と呼ぶ。

【0016】

振動発電素子１０からの交流電圧が出力される２本の出力線のうち、第１電極１１に接続されている出力線Ｗ１は、図１中のダイオードブリッジ型の全波整流型の整流回路２０を構成する第１ダイオードＤ１のアノードおよび第３ダイオードＤ３のカソードに接続されている。一方の第２電極１２に接続されている出力線Ｗ２は、第２ダイオードＤ２のアノードおよび第４ダイオードＤ４のカソードに接続されている。整流回路２０の出力部Ｐ１には、第１ダイオードＤ１のカソードおよび第２ダイオードＤ２のカソードが接続されている。第３ダイオードＤ３のアノードおよび第４ダイオードＤ４のアノードは、電源回路５０のグランドに接続されている。

【0017】

整流回路２０の整流作用により、整流回路２０の出力部Ｐ１からは正電位の電力が出力される。この電力は、一端が整流回路２０の出力部Ｐ１に接続され、他端がグランドに接続されている第１コンデンサＣ１に蓄積されるとともに、チョッパ回路３０に供給される。整流回路２０の出力部Ｐ１は、チョッパ回路３０の入力部Ｐ１でもある。
第１実施形態のチョッパ回路３０は、チョッパタイミングを制御する一例としてｎＭＯＳトランジスタ（ｎＭＯＳＦＥＴ）のスイッチング素子Ｔ１と、スイッチング素子Ｔ１に一定の周期およびデューティの制御信号を供給する制御信号生成部Ｓ１とを備えている。従って、スイッチング素子Ｔ１は、一定の周期で、一定のデューティで（すなわち一定の時間比率で）オンになる。

【0018】

スイッチング素子Ｔ１がオンになると、第１コンデンサＣ１に蓄えられている電流（電気エネルギー）は、スイッチング素子Ｔ１およびコイルＬ１を通って、チョッパ回路３０の出力部Ｐ２に接続されている第２コンデンサＣ２へと流れる。このとき、コイルＬ１には、電気エネルギーが磁気エネルギーに変換されて蓄積される。一方、整流ダイオードＤ５はスイッチング素子Ｔ１側にカソードが接続されており、従って、逆バイアスになるために整流ダイオードＤ５には電流は流れない。

【0019】

スイッチング素子Ｔ１がオフになると、コイルＬ１の自己インダクタンスにより、コイルＬ１に蓄えられた磁気エネルギーが電気エネルギーに変換され、電気エネルギー（電流）として第２コンデンサＣ２に移送される。この場合には、電流の向きは、コイルＬ１から第２コンデンサＣ２および整流ダイオードＤ５を通ってコイルＬ１に戻る向きとなるので、整流ダイオードＤ５は順バイアスとなり電流を妨げない。

【0020】

チョッパ回路３０から出力された電力は、第２コンデンサＣ２に蓄積され、第２コンデンサＣ２から電圧変換回路４０の入力部Ｖｉｎへと出力される。
電圧変換回路４０は、出力部Ｖｏｕｔから外部負荷ＲＯに出力する電圧が正の所定の一定値となるように、反転チョッパ回路３０から出力され入力部Ｖｉｎに入力する電圧を、電圧変換する。電圧変換回路４０は、一般的なスイッチングレギュレータ型のＤＣ／ＤＣコンバータを使用することができる。電圧変換回路４０の出力部Ｖｏｕｔとグランドの間には第３コンデンサＣ３が設けられており、これにより電圧変換回路４０からの出力電圧がより平滑化される。

【0021】

なお、電圧変換回路４０は、チョッパ回路３０から出力された電力を、外部負荷ＲＯに適した電圧に変換するための回路である。従って、外部負荷ＲＯに適した電圧がチョッパ回路３０の出力電圧と一致する場合や、外部負荷ＲＯ自体が電圧を変換する機能を有する場合には、電源回路５０が電圧変換回路４０を備えている必要はない。この場合、外部負荷ＲＯが第２コンデンサＣ２や第３コンデンサＣ３に相当するコンデンサを有している場合には、電源回路５０が第２コンデンサＣ２および第３コンデンサＣ３を備えている必要はない。

【0022】

上述のとおり、振動発電素子１０の発電効率を最大にするには、振動発電素子１０を最適な振幅で振動させることが好ましい。しかし、第１コンデンサＣ１が充電され第１コンデンサＣ１の電圧が高くなり過ぎると、振動発電素子１０からみた第１コンデンサＣ１の電気抵抗が増大するため振動発電素子１０の負荷が増大し、振動発電素子１０の振幅が減少し発電効率が低下してしまう。

【0023】

一方、第１コンデンサＣ１が放電され第１コンデンサＣ１の電圧が低くなり過ぎると、振動発電素子１０からみた第１コンデンサＣ１の電気抵抗が減少する。そのため振動発電素子１０の負荷が減少し、振動発電素子１０の振幅が過度に増大して機械的な抵抗が増し、振動のエネルギーが機械的な抵抗により浪費されるため、やはり発電効率が低下してしまう。
そのため、チョッパ回路３０には、振動発電素子１０の発電能力に見合った適度な量の電気エネルギーを、第１コンデンサＣ１からチョッパ回路３０の出力部Ｐ２に接続されている第２コンデンサＣ２に移送させることが望まれる。

【0024】

第１実施形態のチョッパ回路３０は、上述のとおり、一定の周期およびデューティの制御信号を発生する制御信号生成部Ｓ１を備えている。そして、制御信号生成部Ｓ１から一定の周期およびデューティを持つ制御信号が、スイッチング素子Ｔ１に供給されている。
この構成により、チョッパ回路３０は、一定量の電気エネルギーを第１コンデンサＣ１から第２コンデンサＣ２に移送することができる。そして、制御信号生成部Ｓ１が生成する制御信号の周期およびデューティを、振動発電素子１０の発電量に合わせて最適な値に設定することにより、第１コンデンサＣ１から第２コンデンサＣ２に移送する電気エネルギーの量を最適な値に設定することができる。これにより、振動発電素子１０の振幅を最適な値に保つことができ、振動発電素子１０の発電効率を高めることができる。

【0025】

なお、振動発電素子１０の発電量は、振動発電素子１０の構成や、振動発電素子１０を含む振動発電装置１００が設置される場所の状況（振動状態、あるいはさらに温度環境等）に基づいて予測できるため、制御信号生成部Ｓ１が生成する制御信号の周期およびデューティは、振動発電素子１０の構成や、振動発電素子１０の設置状況に基づいて決定することが望ましい。
制御信号生成部Ｓ１は、発振回路と、発振回路が生成する信号をスイッチング素子Ｔ１に出力する回路を備えるものであり、公知の種々の回路を適用することができる。また、制御信号生成部Ｓ１への電力は、後述の第３実施形態で説明する制御信号生成部Ｓ１ａと同様に、チョッパ回路３０自体から供給すればよい。

【0026】

なお、上述のように、第１コンデンサＣ１の電圧値は振動発電素子１０の振幅と相関を持つことから、第１実施形態の構成に代えて、スイッチング素子Ｔ１のオンおよびオフの制御を、第１コンデンサＣ１の電圧値に基づいて行うことも考えられる。しかし、第１コンデンサＣ１の電圧値は、振動発電素子１０から供給されるパルス的な電力により脈動する。また、振動発電素子１０の振幅が第１コンデンサＣ１の電圧値に反映されるまでに第１コンデンサＣ１の充電時間に伴う遅延時間が生じてしまう。
よって、第１コンデンサＣ１の電圧値に基づく制御では、第１コンデンサＣ１の電圧値の上記の脈動や遅延時間により誤差が生じ易く、正確な制御を行うことは難しい。
従って、上述の第１実施形態では、制御信号生成部Ｓ１は、第１コンデンサｃ１の電圧を参照することなく制御信号を生成する構成となっており、これにより、第１コンデンサＣ１から第２コンデンサＣ２に移送する電気エネルギーの量を最適な値に設定することを実現している。

【0027】

（振動発電素子の変形例）
図３は、変形例の振動発電素子１０ａを示す概略図である。振動発電素子１０ａは、上述の図２の振動発電素子１０に対し、保持部１４を挟んで図中の下側に、もう一つの振動発電素子１０を上下反転させて並列して配置したような構成である。

【0028】

２つの固定電極である第２電極１２ａおよび第２電極１２ｂは、それぞれ支持枠１３の＋Ｘ側および−Ｘ側の端部の内側に固定されている。一方、２つの可動電極である第１電極１１ａおよび第１電極１１ｂは、保持部１４を構成する電極保持部１４ａのそれぞれ＋Ｘ側および−Ｘ側に設置されている。第１電極１１ａと第１電極１１ｂは、配線Ｗ０で相互に接続されている。第２電極１２ａ、１２ｂのそれぞれの櫛歯部分１６ａ、１６ｂのうち、第１電極１１ａ、１１ｂの櫛歯部分１５ａ、１５ｂと対向する面の表面の領域１７ａ、１７ｂには、負の電荷を有するエレクトレットが形成されている。

【0029】

外部からの振動により保持部１４が振動すると、第２電極１２ａ、１２ｂに対して、第１電極１１ａ、１１ｂは一体としてＸ方向に振動する。振動の各位相において、第１電極１１ａと第２電極１２ａが対向する面積が増大するときには、第１電極１１ｂと第２電極１２ｂが対向する面積は減少する。従って、配線Ｗ０で相互に接続されている第１電極１１ａと第１電極１１ｂに対して、第２電極１２ａおよび第２電極１２ｂには相互に位相が反転した電圧が発生する。

【0030】

第２電極１２ｂに接続されている出力線Ｗ１は、図１中の整流回路２０を構成する第１ダイオードＤ１のアノードおよび第３ダイオードＤ３のカソードに接続されている。一方の第２電極１２ａに接続されている出力線Ｗ２は、第２ダイオードＤ２のアノードおよび第４ダイオードＤ４のカソードに接続されている。
変形例の振動発電素子１０ａは、図２に示した振動発電素子１０に対して、装置面積および装置体積あたりの発電量をより多く得ることができる。

【0031】

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態の電源回路５０ａおよび振動発電装置１００ａの概略構成を示す模式図である。なお、上述の第１実施形態と同様の部分には、同一の符号を付して、説明を省略する。
第２実施形態の電源回路５０ａは、負電圧を出力する整流回路２０ａと、整流回路２０ａからの負電圧を正電圧に変換するチョッパ回路３０ａを備える点で、上述の第１実施形態と異なる。すなわち、振動発電素子１０から入力される交流電力は、整流回路２０ａにより負電圧のパルス電力に整流され、第１コンデンサＣ１に蓄積される。そして、チョッパ回路３０ａにより正電圧に変換され、第２コンデンサＣ２に蓄積される。それ以降の構成は、上述の第１実施形態と同様である。
なお、チョッパ回路３０ａは、負の入力電圧を正の出力電圧に反転して出力するので、以降、反転チョッパ回路３０ａとも呼ぶ。

【0032】

反転チョッパ回路３０ａは、チョッパタイミングを制御する一例としてｎＭＯＳトランジスタ（ｎＭＯＳＦＥＴ）のスイッチング素子Ｔ２と、スイッチング素子Ｔ２に一定の周期およびデューティの制御信号を供給する制御信号生成部Ｓ２とを備えている。従って、スイッチング素子Ｔ２は、一定の周期で、一定のデューティで（すなわち一定の時間比率で）オンになる。制御信号生成部Ｓ２は、図１に示した制御信号生成部Ｓ１と同様に、発振回路と、発振回路が生成する信号をスイッチング素子Ｔ２に出力する回路を備えるものであり、公知の種々の回路を適用することができる。

【0033】

第１コンデンサＣ１には負電圧の電力が蓄えられているので、スイッチング素子Ｔ２がオンになると、第１コンデンサＣ１に蓄えられている電力は、電流となって第１コンデンサＣ１、グランド線、コイルＬ２およびスイッチング素子Ｔ２の順に流れる。このとき、コイルＬ２には、電気エネルギーが磁気エネルギーに変換されて蓄積される。一方、整流ダイオードＤ１０はスイッチング素子Ｔ２側にアノードが接続されているため逆バイアスとなり、整流ダイオードＤ１０および第２コンデンサＣ２には電流は流れない。

【0034】

スイッチング素子Ｔ２がオフになると、コイルＬ２の自己インダクタンスにより、コイルＬ２に蓄えられた磁気エネルギーが電流のエネルギーに変換される。このときには、コイルＬ２のグランドとは反対側が正の電圧となるため整流ダイオードＤ１０は正バイアスとなり、電流は整流ダイオードＤ１０を通って反転チョッパ回路３０ａの出力部Ｐ２に流れ、第２コンデンサＣ２に正電圧の電気エネルギーが蓄積される。
以上のように、反転チョッパ回路３０ａにより、負電圧の電力が、正電圧の電力に変換される。
第２実施形態においても、電圧変換回路４０およびそれ以降の構成は、上述の第１実施形態と同様である。
なお、第２実施形態においても、振動発電素子１０の代わりに、図３に示した変形例の振動発電素子１０ａを用いることができる。

【0035】

第２実施形態においても、チョッパ回路（反転チョッパ回路３０ａ）は、一定の周期およびデューティの制御信号を発生する制御信号生成部Ｓ２を備えており、一定量の電気エネルギーを第１コンデンサＣ１から第２コンデンサＣ２に移送することができる。そして、制御信号生成部Ｓ２が生成する制御信号の周期およびデューティを、振動発電素子１０の発電量に合わせて最適な値に設定することにより、第１コンデンサＣ１から第２コンデンサＣ２に移送する電気エネルギーの量を最適な値に設定することができる。これにより、振動発電素子１０の振幅を最適な値に保つことができ、振動発電素子１０の発電効率を高めることができる。

【0036】

（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態の電源回路５０ｂおよび振動発電装置１００ｂの概略構成を示す模式図である。なお、上述の第１実施形態と同様の部分には、同一の符号を付して、説明を省略する。
第３実施形態の電源回路５０ｂおよび振動発電装置１００ｂは、制御信号生成部Ｓ１ａが、振動発電素子１０ｂの振動の振幅に基づく状態信号を受信して、その状態信号に基づいて制御信号を生成する構成である点で、上述の第１実施形態とは異なっている。

【0037】

図６は、上記状態信号を出力する振動発電素子１０ｂの概要を示す図である。図２に示した振動発電素子１０と同様の部分については、同一の符号を付して、説明を省略する。
振動発電素子１０ｂは、図２に示した振動発電素子１０に対して、さらに別の電極対を有する構成となっている。すなわち、第１電極１１と第２電極１２の対に平行して、Ｙ方向にずれた位置に、対になって配列される第３電極２１と第４電極２２とを有している。第３電極２１と第４電極２２の構成は、それぞれ第１電極１１と第２電極１２と同様である。そして、第４電極２２の櫛歯部分２３のうち、第３電極２１と対向する面の表面の領域２４には、負の電荷を有するエレクトレットが形成されている。

【0038】

第４電極２２は支持枠１３により固定的に保持される。一方、第３電極２１は、保持部１４により保持され、第１電極１１と一体となって支持枠１３に対して図中の上下方向（Ｘ方向）に振動するように保持されている。従って、振動発電素子１０ｂがＸ方向に振動すると、第３電極２１と第４電極２２との間にも、第１電極１１と第２電極１２との間に発生する電圧と、同符号の電圧が発生する。
ただし、図６に示してあるように、第３電極２１および第４電極２２のＸ方向の長さは、第１電極１１と第２電極１２のＸ方向の長さよりも短く、電極間の対向部の面積も小さい。そのため、振動により第３電極２１と第４電極２２との間に発生する電力は、第１電極１１と第２電極１２との間に発生するよりも小さなものとなる。

【0039】

第３電極２１からの出力線Ｗ３は、図５中の制御信号生成部Ｓ１ａの中の抵抗素子Ｒ２の一端に接続されている。一方、第４電極２２からの出力線Ｗ４は、電源回路５０ｂのグランドに接続されている。
なお、出力線Ｗ３を、第３電極２１ではなく第４電極２２に接続し、出力線Ｗ４を、第４電極２２ではなく第３電極２１に接続する構成としても構わない。

【0040】

図７は、出力線Ｗ３から出力される電圧ＶＷ３を示す図である。グラフの横軸は時間ｔを表し、縦軸は電圧Ｖを表す。電圧ＶＷ３は、周期が振動発電素子１０ｂの振動の周期に伴って概ね正弦波状に変動する交流電圧である。電圧ＶＷ３の振幅は、振動発電素子１０ｂの第３電極２１と第４電極２２との振動の振幅と、正の相関を有している。第３電極２１と第４電極２２との振動の振幅は、上述のとおり、電源回路５０ｂに供給される電力を生じさせる第１電極１１と第２電極１２との振動の振幅（振動発電素子１０ｂの振幅）と同一である。

【0041】

よって、電圧ＶＷ３の振幅は、振動発電素子１０ｂの振幅に基づくものとなっている。換言すれば、電圧ＶＷ３は、振動発電素子１０ｂの振動の振幅に基づく状態信号である。
振動発電素子１０ｂが発電効率を最大にする最適振幅で振動している場合には、電圧ＶＷ３の電圧の振幅が、図７中に破線で示した最適電圧Ｖ１に一致する。

【0042】

電圧ＶＷ３の電圧の振幅が最適電圧Ｖ１よりも大きい場合には、振動発電素子１０ｂは最適振幅よりも大きな振幅で振動しているため、発電効率が低下する。従って、第１コンデンサＣ１の電圧を増大させることで振動発電素子１０ｂの負荷を増大させ、振動発電素子１０ｂの振幅を最適振幅に近づけることが望ましい。このためには、チョッパ回路３０ｂ中のスイッチング素子Ｔ１ａをオフすることが望ましい。

【0043】

一方、電圧ＶＷ３の電圧の振幅が最適電圧Ｖ１よりも小さい場合には、振動発電素子１０ｂは最適振幅よりも小さな振幅で振動しているため、やはり発電効率が低下する。従って、第１コンデンサＣ１の電圧を低下させることで振動発電素子１０ｂの負荷を減少させ、振動発電素子１０ｂの振幅を最適振幅に近づけることが望ましい。このためには、チョッパ回路３０ｂ中のスイッチング素子Ｔ１ａをオンして、第１コンデンサＣ１に蓄積された電荷を第２コンデンサＣ２に移送することが望ましい。
従って、電圧ＶＷ３に基づいて、チョッパ回路３０ｂ中のスイッチング素子Ｔ１ａを制御することにより、発電効率を最大にする最適振幅で振動発電素子１０ｂを振動させることができる。

【0044】

制御信号生成部Ｓ１ａは、スイッチング素子Ｔ１ａを上記のように制御する回路を備えている。
抵抗素子Ｒ１の一端はチョッパ回路３０ｂの入力部Ｐ１に接続され、他端はツェナーダイオードＤａのカソードに接続されており、ツェナーダイオードＤａのアノードはグランドに接続されている。ツェナーダイオードＤａのカソードの電圧は、入力部Ｐ１の電圧が抵抗Ｒ１により電圧降下した電圧であるが、ツェナーダイオードＤａの降伏電圧の絶対値より高電圧であれば、正の一定値（ツェナーダイオードＤａの降伏電圧の絶対値）に保たれる。

【0045】

抵抗素子Ｒ２の、電圧ＶＷ３が入力される一端とは反対側の他端である分圧部Ｐ３には、抵抗素子Ｒ３の一端が接続され、抵抗素子Ｒ３の他端はグランドに接続されている。分圧器を構成する抵抗素子Ｒ２と抵抗素子Ｒ３の抵抗値は、電圧ＶＷ３が上述の最適電圧Ｖ１にほぼ一致した場合に、分圧部Ｐ３の電圧がツェナーダイオードＤａの降伏電圧の絶対値に一致するように設定されている。この設定を容易にするために、図５中に示したように、抵抗素子Ｒ２、Ｒ３の少なくとも一方（図５では抵抗素子Ｒ２）は、可変抵抗であることが望ましい。

【0046】

そして、電圧ＶＷ３に比例する分圧部Ｐ３の電圧と、ツェナーダイオードＤａのカソードの電圧とをコンパレータ回路ＣＰに入力し電圧比較を行うことで、電圧ＶＷ３が、振動発電素子１０の発電効率を最大にする最適電圧Ｖ１以上であるか、それ以下であるかを判断する。
コンパレータ回路ＣＰのプラス側入力には、ツェナーダイオードＤａのカソードの電圧が入力される。一方、マイナス側入力には、分圧部Ｐ３の電圧が入力される。
また、コンパレータ回路ＣＰのプラス側電源にはツェナーダイオードＤａのカソードの電圧が入力され、マイナス側電源にはグランドが接続される。

【0047】

分圧部Ｐ３の電圧が、ツェナーダイオードＤａのカソードの電圧より高ければ、コンパレータ回路ＣＰは、ゼロ電圧（グランド電位）を出力する。
分圧部Ｐ３の電圧が、ツェナーダイオードＤａのカソードの電圧より低ければ、コンパレータ回路ＣＰは、正の電圧を出力する。
コンパレータ回路ＣＰの出力は、ｎＭＯＳトランジスタ（ｎＭＯＳＦＥＴ）Ｔ３のゲートに入力される。

【0048】

コンパレータ回路ＣＰの出力が正であれば、トランジスタＴ３はオンになり、抵抗素子Ｒ５を流れる電流による電圧降下により、ｐＭＯＳトランジスタ（ｐＭＯＳＦＥＴ）であるスイッチング素子Ｔ１ａのゲートの電圧が、スイッチング素子Ｔ１ａのソースの電圧より低電圧（負側の電圧）になり、スイッチング素子Ｔ１ａがオンになる。なお、電圧降下の量を調整できるように、抵抗素子Ｒ５は可変抵抗であることが好ましい。

【0049】

一方、コンパレータ回路ＣＰの出力がゼロ（グランド電位）であれば、トランジスタＴ３はオフになり、その結果ｐＭＯＳトランジスタであるスイッチング素子Ｔ１ａのゲートの電圧は、スイッチング素子Ｔ１ａのソースの電圧に等しくなるため、スイッチング素子Ｔ１ａがオフになる。

【0050】

なお、トランジスタＴ３のゲートとグランドの間に配置される抵抗素子Ｒ４は、トランジスタＴ３のゲートに一時的に蓄積されたコンパレータ回路ＣＰの出力をグランドに放電させるための抵抗素子であり、放電時間の調整のために可変抵抗であることが好ましい。
また、第２ツェナーダイオードＤｂは、入力部Ｐ１の電圧の絶対値が小さくｎＭＯＳトランジスタＴ３の動作が不安定な状態において、第２ツェナーダイオードＤｂおよび抵抗素子Ｒ５を遮断し、スイッチング素子Ｔ１ａをオフにするための素子である。

【0051】

以上で説明したとおり、制御信号生成部Ｓ１ａは、振動発電素子１０ｂの振動の振幅に基づく状態信号である電圧ＶＷ３を受信し、それに基づいて制御信号を生成し、その制御信号をスイッチング素子Ｔ１ａに供給する。これにより、第３実施形態の電源回路５０ｂおよび振動発電装置１００ｂは、振動発電素子１０ｂの振幅を最適な値に保つことができ、振動発電素子１０ｂの発電効率を高めることができる。

【0052】

（第４実施形態）
図８は、本発明の第４実施形態の電源回路５０ｃおよび振動発電装置１００ｃの概略構成を示す模式図である。なお、上述の第２実施形態および第３実施形態と同様の部分には、同一の符号を付して、説明を省略する。
第４実施形態の電源回路５０ｃおよび振動発電装置１００ｃは、負電圧を出力する整流回路２０ａと、整流回路２０ａからの負電圧を正電圧に変換するチョッパ回路３０ｃを備える点で、上述の第２実施形態と類似する。ただし、チョッパ回路３０ｃ内に設けられた制御信号生成部Ｓ２ａが、上述の第３実施形態と同様に、振動発電素子１０ｂの振動の振幅に基づく状態信号を受信して、その状態信号に基づいて制御信号を生成する構成である点で、第２実施形態とは異なっている。

【0053】

第４実施形態の振動発電装置１００ｃが備える振動発電素子は、図６に示した振動発電素子１０ｂと同様であるので説明を省略する。
制御信号生成部Ｓ２ａは、振動発電素子１０ｂの振動の振幅に基づく状態信号を受信して、その状態信号に基づいて制御信号を生成する。制御信号生成部Ｓ２ａの構成は、図５に示した制御信号生成部Ｓ１ａの構成に似ている。ただし、図５のチョッパ回路３０ｂが正電圧で動作する回路であるのに対し、図８に示す本実施形態では負電圧を正電圧に変換する反転チョッパ回路３０ｃを備えているため、構成の詳細は異なっている。

【0054】

抵抗素子Ｒ１の一端は反転チョッパ回路３０ｃの入力部Ｐ１に接続され、他端はツェナーダイオードＤｃのアノードに接続されており、ツェナーダイオードＤｃのカソードはグランドに接続されている。ツェナーダイオードＤｃのアノードの電圧は、入力部Ｐ１の電圧が抵抗Ｒ１により電圧降下した電圧であるが、ツェナーダイオードＤｃの降伏電圧より負電圧であれば、負の一定値（ツェナーダイオードＤｃの降伏電圧）に保たれる。

【0055】

上述の第３実施形態と同様に、振動発電素子１０ｂの第３電極２１に繋がっている出力線Ｗ３の他端は、分圧器を構成する抵抗素子Ｒ２と抵抗素子Ｒ３の、抵抗素子Ｒ２の端部に接続されている。そして、抵抗素子Ｒ２と抵抗素子Ｒ３のそれぞれの抵抗値は、電圧ＶＷ３が、絶対値が上述の最適電圧Ｖ１である負値（以下、負の最適電圧ＶＭと呼ぶ）に一致した場合に、分圧部Ｐ３の電圧がツェナーダイオードＤｃの降伏電圧に一致するように設定されている。

【0056】

そして、電圧ＶＷ３に比例する分圧部Ｐ３の電圧と、ツェナーダイオードＤｃのアノードの電圧とをコンパレータ回路ＣＰに入力し電圧比較を行うことで、電圧ＶＷ３が、振動発電素子１０の発電効率を最大にする負の最適電圧ＶＭ以上であるか、それ以下であるかを判断する。
コンパレータ回路ＣＰのマイナス側入力には、ツェナーダイオードＤｃのアノードの電圧が入力される。一方、プラス側入力には、分圧部Ｐ３の電圧が入力される。
また、コンパレータ回路ＣＰのプラス側電源にはグランドが接続され、マイナス側電源にはツェナーダイオードＤｃのアノードの電圧が入力される。

【0057】

分圧部Ｐ３の電圧が、ツェナーダイオードＤｃのカソードの電圧よりも正であれば、コンパレータ回路ＣＰは、ゼロ電圧（グランド電位）を出力する。
分圧部Ｐ３の電圧が、ツェナーダイオードＤｃのカソードの電圧よりも負であれば、コンパレータ回路ＣＰは、負の電圧を出力する。
コンパレータ回路ＣＰの出力は、ｐＭＯＳトランジスタ（ｐＭＯＳＦＥＴ）Ｔ４のゲートに入力される。

【0058】

コンパレータ回路ＣＰの出力が負であれば、トランジスタＴ４はオンになり、抵抗素子Ｒ５を流れる電流による電圧降下により、ｎＭＯＳトランジスタ（ｎＭＯＳＦＥＴ）であるスイッチング素子Ｔ２ａのゲートの電圧が、スイッチング素子Ｔ２ａのソースの電圧よりも正側の電圧になり、スイッチング素子Ｔ２ａがオンになる。

【0059】

一方、コンパレータ回路ＣＰの出力がゼロ（グランド電位）であれば、トランジスタＴ４はオフになり、その結果ｎＭＯＳトランジスタであるスイッチング素子Ｔ２ａのゲートの電圧は、スイッチング素子Ｔ２ａのソースの電圧に等しくなるため、スイッチング素子Ｔ２ａがオフになる。
なお、第２ツェナーダイオードＤｄは、第３実施形態の第２ツェナーダイオードＤｂと同様に、入力部Ｐ１の電圧の絶対値が小さくｐＭＯＳトランジスタＴ４の動作が不安定な状態において、第２ツェナーダイオードＤｄおよび抵抗素子Ｒ５を遮断し、スイッチング素子Ｔ２ａをオフにするための素子である。

【0060】

以上で説明したとおり、制御信号生成部Ｓ２ａは、振動発電素子１０ｂの振動の振幅に基づく状態信号である電圧ＶＷ３を受信し、それに基づいて制御信号を生成し、その制御信号をスイッチング素子Ｔ２ａに供給する。これにより、第４実施形態の電源回路５０ｃおよび振動発電装置１００ｃは、振動発電素子１０ｂの振幅を最適な値に保つことができ、振動発電素子１０ｂの発電効率を高めることができる。

【0061】

なお、上述の第３実施形態および第４実施形態においても、図３に示したように保持部１４の両側（＋Ｘ側、−Ｘ側）に電極の形成された振動発電素子を用いることもできる。この場合には、図６の振動発電素子１０ｂの第３電極２１および第４電極２２についても、保持部１４の−Ｘ側にも形成し、２つの第３電極２１を導線でつなぐとともに、出力線Ｗ３は保持部１４の−Ｘに設けた新たな第４電極に接続することができる。あるいは、第３電極２１および第４電極２２は、図６と同様に保持部１４の＋Ｘ側にのみ設けてもよい。

【0062】

（実施形態の効果）
（１）上述の各実施形態および各変形例の電源回路５０は、振動発電素子１０、１０ａから入力される電力を外部負荷に出力する。この電源回路５０は、振動発電素子１０、１０ａから入力される交流電力を整流する整流回路２０、整流回路２０から出力される電力を蓄積する第１コンデンサＣ１、チョッパタイミングを制御するスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２を有し入力部が第１コンデンサＣ１に接続されているチョッパ回路３０、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ２に制御信号を供給する制御信号生成部Ｓ１、Ｓ２、を備えるともに、制御信号生成部Ｓ１、Ｓ２は、第１コンデンサＣ１の電圧を参照することなく制御信号を生成する構成となっている。
この構成により、振動発電素子１０、１０ａの振幅を最適な値に保つことができ、振動発電素子１０、１０ａの発電効率を高め、環境振動のエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換することができる。

【0063】

（２）（１）において、入力部がチョッパ回路３０の出力部に接続されている電圧変換回路４０をさらに備える構成とすることで、電源回路５０から、外部負荷ＲＯに適した電圧を出力することができ、これにより、種々の外部負荷ＲＯに適した電源回路５０を実現することができる。（３）（１）または（２）において、制御信号生成部Ｓ１、Ｓ２は、一定の周期およびデューティを有する制御信号を生成する構成とすることもでき、一定量の電気エネルギーを第１コンデンサＣ１から第２コンデンサＣ２に移送することができ、振動発電素子１０、１０ａの振幅をさらに最適な値に保つことができる。
（４）（３）において、周期およびデューティは、振動発電素子１０、１０ａおよび振動発電素子１０、１０ａの設置状況に基づいて決定されている構成とすることができ、これにより、振動発電素子１０、１０ａの振幅をさらに最適な値に保つことができる。
（５）（１）または（２）において、制御信号生成部Ｓ１ａ、Ｓ２ａは、振動発電素子１０ｂの振動の振幅に基づく状態信号を受信し、状態信号に基づいて制御信号を生成する構成とすることができ、これにより、振動発電素子１０ｂの振幅をさらに最適な値に保ち、発電効率をさらに高めることができる。

【0064】

（６）上述の第１実施形態および第２実施形態および各変形例の振動発電装置１００、１００ａは、（１）から（４）までのいずれかに記載の電源回路５０と、電源回路５０に電力を供給する振動発電素子１０、１０ａとを備えている。
この構成により、振動発電素子１０、１０ａの振幅を最適な値に保つことができ、振動発電素子１０、１０ａの発電効率を高め、環境振動のエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換することができる。
（７）上述の第３実施形態および第４実施形態および各変形例の振動発電装置１００ｂ、１００ｄは、（５）に記載の電源回路５０ｂ、５０ｃと、電源回路５０ｂ、５０ｃに電力を供給する振動発電素子１０ｂとを備えている。
この構成により、振動発電素子１ｂの振幅を最適な値に保つことができ、振動発電素子１０ｂの発電効率を高め、環境振動のエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換することができる。

【0065】

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、各実施形態および変形例は、それぞれ単独で適用しても良いし、組み合わせて用いても良い。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

【符号の説明】

【0066】

１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…振動発電装置、１０，１０ａ，１０ｂ…振動発電素子、２０，２０ａ…整流回路、３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…チョッパ回路、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ１ａ，Ｓ２ｂ…制御信号生成部、４０…電圧変換回路、Ｃ１…第１コンデンサ、Ｃ２…第２コンデンサ、Ｃ３…第３コンデンサ、ＲＯ…外部負荷、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ１ａ，Ｔ２ａ…スイッチング素子、ＣＰ…コンパレータ回路、Ｄａ，Ｄｃ…ツェナーダイオード

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】