特許 5874350 電圧変換回路、および電子機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5874350

(24)【登録日】2016年1月29日

(45)【発行日】2016年3月2日

(54)【発明の名称】電圧変換回路、および電子機器

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20160218BHJP

   H02M 3/07 20060101ALI20160218BHJP

   H02J 7/02 20160101ALI20160218BHJP

【ＦＩ】

   H02J7/00 303C

   H02J7/00 K

   H02M3/07

   H02J7/02 H

【請求項の数】10

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2011-259461(P2011-259461)

(22)【出願日】2011年11月28日

(65)【公開番号】特開2013-115913(P2013-115913A)

(43)【公開日】2013年6月10日

【審査請求日】2014年9月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002945

【氏名又は名称】オムロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100085006

【弁理士】

【氏名又は名称】世良 和信

(74)【代理人】

【識別番号】100106622

【弁理士】

【氏名又は名称】和久田 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100125357

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 剛

(72)【発明者】

【氏名】鮫島 裕

(72)【発明者】

【氏名】鍋藤 実里

(72)【発明者】

【氏名】正木 達章

(72)【発明者】

【氏名】辻 博司

【審査官】 田中 慎太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２３４４８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２８１６８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３４１６６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２８７１１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２３９９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−８０９４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｈ０２Ｊ ７／０２

Ｈ０２Ｍ ３／０７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電源から充電される複数の一次コンデンサと、
前記複数の一次コンデンサのそれぞれに対して並列に接続され、負荷回路への供給電圧で充電可能な二次コンデンサと、
前記複数の一次コンデンサのそれぞれに対応して設けられ、該一次コンデンサと前記二次コンデンサとの接続状態を切り換える複数のスイッチング回路と、
充電電圧が前記二次コンデンサの充電電圧より高い所定接続電圧に到達した前記一次コンデンサのそれぞれを前記二次コンデンサに対して対応する前記スイッチング回路を介して順次接続する接続制御回路と、
前記電源から前記複数の一次コンデンサ側への電力供給効率を所定効率に維持するために、該複数の一次コンデンサに含まれる少なくとも一部の一次コンデンサが前記電源に対して直列接続状態となるように、該電源と該複数の一次コンデンサとの接続状態を調整する調整回路と、
を備える、電圧変換回路。

【請求項2】

前記調整回路は、前記複数の一次コンデンサ側から前記二次コンデンサへの充電状態に基づいて、前記電源と該複数の一次コンデンサとの接続状態を調整する、
請求項１に記載の電圧変換回路。

【請求項3】

前記調整回路は、前記複数の一次コンデンサ側から前記二次コンデンサへの充電が行われていない状態において前記電源から前記複数の一次コンデンサ側への電力供給が前記所定効率で行われるように、前記電源に対して直列接続状態とすべき一次コンデンサを前記複数の一次コンデンサの中から選択し、該直列接続状態を形成する、
請求項２に記載の電圧変換回路。

【請求項4】

前記調整回路は、前記複数の一次コンデンサ側から前記二次コンデンサへの充電が行われている状態において前記電源から前記複数の一次コンデンサ側への電力供給が前記所定効率で行われるように、前記電源に対して直列接続状態とすべき一次コンデンサを前記複数の一次コンデンサの中から選択し、該直列接続状態を形成する、
請求項２に記載の電圧変換回路。

【請求項5】

前記調整回路は、前記接続制御回路によって行われる前記二次コンデンサへ充電を行う一次コンデンサの切り換えに基づいて、前記電源から前記複数の一次コンデンサ側への電力供給が前記所定効率で行われるように、前記電源に対して直列接続状態とすべき一次コンデンサを前記複数の一次コンデンサの中から選択し、該直列接続状態を形成する、
請求項２に記載の電圧変換回路。

【請求項6】

前記調整回路は、前記複数の一次コンデンサに含まれ且つ前記電源に対して直列接続状態となるように設定されている所定の一次コンデンサに関する、該電源との接続状態に基づいて、該複数の一次コンデンサに含まれ且つ該所定の一次コンデンサとは異なる予備的一次コンデンサと、該電源との直列接続状態を調整する、
請求項１に記載の電圧変換回路。

【請求項7】

前記調整回路は、前記所定の一次コンデンサが前記電源に対して直列接続状態となっていない場合に、前記予備的一次コンデンサを該電源に対して直列接続状態となるように追加的に接続する、
請求項６に記載の電圧変換回路。

【請求項8】

前記複数の一次コンデンサのそれぞれに対して、その端子間電圧が所定電圧を超えない
ようにツェナーダイオードを含む過電圧防止回路が設けられ、
前記調整回路は、前記所定の一次コンデンサが前記電源から電力供給を受けている状態で前記過電圧防止回路によってその端子間電圧が前記所定電圧に制限されている場合に、端子間電圧を該所定電圧に制限されている該所定の一次コンデンサに代えて前記予備的一次コンデンサを該電源に対して直列接続状態とさせるように切り換える、
請求項６に記載の電圧変換回路。

【請求項9】

前記接続制御回路は、前記二次コンデンサに対する前記一次コンデンサの接続状態を、該一次コンデンサ同士が電気的に短絡しないよう制御する、
請求項１から請求項８の何れか１項に記載の電圧変換回路。

【請求項10】

請求項１から請求項９の何れか１項に記載の電圧変換回路および前記負荷回路を有する電子機器であって、
前記電源の出力電圧が前記電圧変換回路によって前記負荷回路への供給電圧に降圧される、
電子機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電源の出力電圧を負荷回路への供給電圧に降圧する電圧変換回路、およびそれを含む電子機器に関する。

【背景技術】

【0002】

昨今の省エネルギーの流れから、化石燃料等に依存しない日常的に存在する環境エネルギーが注目されている。環境エネルギーとして太陽光や風力等による発電エネルギーは広く知られているが、これらに劣らないエネルギー密度を有する環境エネルギーとして、日常周囲に存在する振動エネルギーを挙げることができる。そして、この振動エネルギーから発電を行う発電装置からの電力を負荷回路に供給するために、該負荷回路に適した供給電圧に電圧変換する回路においては、その変換効率の向上が従来より検討されている。

【0003】

たとえば、その振動発電装置が有する出力インピーダンスに起因して所望の電圧降下が困難となることを踏まえ、電圧変換効率の低下を抑制する技術が公開されている（特許文献１を参照。）。当該技術では、複数のコンデンサを電源回路と負荷回路に対して、直列接続と並列接続とに接続状態を切り換えるスイッチング回路を設け、電源回路からの入力電圧やその周波数に基づいてスイッチング回路におけるコンデンサの接続数が制御される。また、振動振幅が小さな振動から効率的に発電を行うための技術として、特許文献２に示す技術が開示されている。当該技術では、振動発電装置からの電力出力を制御するスイッチのＯＮ、ＯＦＦ制御を、振動の周期に基づいて行うことで、電力の出力周期が変動される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９−１２４８０７号公報

【特許文献2】特開２００５−１３０６２４号公報

【特許文献3】特開２００５−１９８４５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

交流電源の出力電圧を直列接続された複数のコンデンサに一度充電し、その後それらのコンデンサにおける充電エネルギーを、各コンデンサに対して並列接続された負荷回路に同時に供給する場合、交流電源から直接電力供給を受ける複数のコンデンサの数は固定されている。しかし、交流電源、例えば、振動発電装置のように外部からのエネルギーを電力に変換する装置においては、その出力電圧は常に安定したものではなく様々な要因で変動し得る。電力供給を受けるコンデンサ数を固定的にしてしまうと、交流電源の出力電圧が想定していた電圧から変動すると、電力供給効率を好適に維持することは困難となる。

【0006】

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、電源の出力電圧を負荷回路への供給電圧に降圧する際の電圧変換効率を可及的に好適な状態とする電圧変換回路を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明においては、上記課題を解決するために、電源と負荷回路との間に設けられる電圧変換回路において、電源から充電される複数の一次コンデンサを設け、そして、二次コンデンサの充電電圧より高い状態まで充電された一次コンデンサのそれぞれを個別に二次コンデンサに接続することで、良好な効率で二次コンデンサへの充電を行うこととした。
更に、このような二段階のコンデンサ構成を前提として、電源から電力供給が可能となるように電源に対して直列に接続される一次コンデンサの数を調整する構成を採用することで、電圧変換回路全体の効率向上を図る。

【0008】

詳細には、本発明は、電圧変換回路であって、電源から充電される複数の一次コンデンサと、前記複数の一次コンデンサのそれぞれに対して並列に接続され、負荷回路への供給電圧で充電可能な二次コンデンサと、前記複数の一次コンデンサのそれぞれに対応して設けられ、該一次コンデンサと前記二次コンデンサとの接続状態を切り換える複数のスイッチング回路と、充電電圧が前記二次コンデンサの充電電圧より高い所定接続電圧に到達した前記一次コンデンサのそれぞれを前記二次コンデンサに対して対応する前記スイッチング回路を介して順次接続する接続制御回路と、前記電源から前記複数の一次コンデンサ側への電力供給効率を所定効率に維持するために、該複数の一次コンデンサに含まれる少なくとも一部の一次コンデンサが前記電源に対して直列接続状態となるように、該電源と該複数の一次コンデンサとの接続状態を調整する調整回路と、を備える。

【0009】

上記電圧変換回路では、電源から複数の一次コンデンサへ充電が行われ、個々の一次コンデンサの充電電圧は、各一次コンデンサの容量に応じて電源の出力電圧が分配、分割されたものとなる。なお、複数の一次コンデンサのそれぞれの容量は全て同一でもよく、またその一部もしくは全部の一次コンデンサの容量はそれぞれ異なっていてもよい。ここでいうコンデンサ容量における「同一」とは、いわゆる公称値であり、コンデンサの個体差による容量のばらつきまでも考慮したものではない。

【0010】

そして、複数の一次コンデンサのそれぞれと二次コンデンサは、各一次コンデンサに対応するスイッチング回路を介してそれぞれ接続されている。すなわち、各一次コンデンサは、二次コンデンサに対して対応するスイッチング回路を介して独立的に接続され、又は遮断される。なお、本発明に係る電圧変換回路では、二次コンデンサは一つのコンデンサもしくは複数のコンデンサを含んで形成されてもよい。重要であるのは、二次コンデンサは、複数の一次コンデンサのそれぞれに対してスイッチング回路を介して接続されたり、遮断されたりする構成であればよく、二次コンデンサ自体を形成するコンデンサの数やそのコンデンサ同士の接続形態は適宜採用すればよい。

【0011】

ここで、各一次コンデンサと二次コンデンサとの接続、遮断は、接続制御回路によって制御される。接続制御回路は、複数の一次コンデンサの全てを同時に二次コンデンサに接続して二次コンデンサの充電を図るのではなく、二次コンデンサの充電電圧よりも高い所定接続電圧にその充電電圧が到達している一次コンデンサを、該二次コンデンサへの接続対象とする。このように複数の一次コンデンサのそれぞれの充電電圧と二次コンデンサの充電電圧との相関に応じて、接続制御回路が一次コンデンサと二次コンデンサとの接続状態を制御する構成を採用することで、一次コンデンサの容量に含まれるばらつきが比較的大きくなっても、二次コンデンサとの接続は、各一次コンデンサの充電電圧に基づいて制御されることになり、以て二次コンデンサの充電に対する一次コンデンサの容量のばらつきの影響を可及的に排除できる。

【0012】

更に、本発明に係る電圧変換回路では、電源と複数の一次コンデンサとの間での電力供給についても、調整回路による一次コンデンサの接続状態に関する調整が行われる。当該電力供給における効率は、電源の出力電圧と、電源に対して直列に接続された一次コンデンサの総充電電圧との相関に従って変動する。なお、本明細書では、電源に対して直列に接続された一次コンデンサの状態を、直列接続状態と称する。そこで、調整回路は、電源に対して複数の一次コンデンサのうちどの一次コンデンサが直列接続状態となるか調整することで、上記電力供給の効率を所定効率とする。

【0013】

このように、本発明に係る電圧変換回路では、接続制御回路による複数の一次コンデンサと二次コンデンサとの間での電力授受の制御、および調整回路による電源と複数の一次コンデンサとの間での電力供給の制御が行われることで、全体としての電圧変換の効率の最善化が図られることになる。なお、両制御はそれぞれが完全に独立して行われるものではなく、両制御において複数の一次コンデンサがともに介在していることから、一方の制御内容が他方の制御内容に何らかの影響を及ぼす場合もあり得る。そこで調整回路は、このような接続制御回路による制御内容を考慮して、電源と一次コンデンサとの間の接続状態を調整し、電圧変換回路としての効率向上を図るようにしてもよい。

【0014】

例えば、接続制御回路による制御においては、一次コンデンサ側から二次コンデンサへ充電（電力の授受）が行われることから、当該制御下にある一次コンデンサは、その他の一次コンデンサと比べて、電源からの電力供給が異なる条件下に置かれていることになる。そこで、上記の電圧変換回路において、前記調整回路は、前記複数の一次コンデンサ側から前記二次コンデンサへの充電状態に基づいて、前記電源と該複数の一次コンデンサとの接続状態を調整してもよい。このようにすることで、一次コンデンサと二次コンデンサとの間での電力授受において、電圧変換回路としての効率向上の観点から考慮すべきパラメータを踏まえて調整回路による制御を実現することが可能となり、以て電圧変換回路全体の効率向上に寄与することが可能となる。

【0015】

複数の一次コンデンサ側から二次コンデンサへの充電状態に基づいた調整回路による制御の第一の例として、前記調整回路が、前記複数の一次コンデンサ側から前記二次コンデンサへの充電が行われていない状態において前記電源から前記複数の一次コンデンサ側への電力供給が前記所定効率で行われるように、前記電源に対して直列接続状態とすべき一次コンデンサを前記複数の一次コンデンサの中から選択し、該直列接続状態を形成する構成を採用してもよい。このように電源に対して一次コンデンサの直列接続状態を形成することで、一次コンデンサ側から二次コンデンサへの充電が行われていない状態において、電源から直列接続状態とされた一次コンデンサに対する電力供給を効率的に行うことが可能となる。したがって、このような構成は、一次コンデンサ側から二次コンデンサへの充電が行われていない期間が、当該充電が行われている期間よりも比較的長い場合には、特に有用なものと言える。

【0016】

次に、複数の一次コンデンサ側から二次コンデンサへの充電状態に基づいた調整回路による制御の第二の例として、前記調整回路が、前記複数の一次コンデンサ側から前記二次コンデンサへの充電が行われている状態において前記電源から前記複数の一次コンデンサ側への電力供給が前記所定効率で行われるように、前記電源に対して直列接続状態とすべき一次コンデンサを前記複数の一次コンデンサの中から選択し、該直列接続状態を形成する構成を採用してもよい。このように電源に対して一次コンデンサの直列接続状態を形成することで、一次コンデンサ側から二次コンデンサへの充電が行われている状態において、電源から直列接続状態とされた一次コンデンサに対する電力供給を効率的に行うことが可能となる。したがって、このような構成は、一次コンデンサ側から二次コンデンサへの充電が行われている期間が、当該充電が行われていない期間よりも比較的長い場合には、特に有用なものと言える。

【0017】

次に、複数の一次コンデンサ側から二次コンデンサへの充電状態に基づいた調整回路による制御の第三の例として、前記調整回路が、前記接続制御回路によって行われる前記二次コンデンサへ充電を行う一次コンデンサの切り換えに基づいて、前記電源から前記複数の一次コンデンサ側への電力供給が前記所定効率で行われるように、前記電源に対して直列接続状態とすべき一次コンデンサを前記複数の一次コンデンサの中から選択し、該直列接続状態を形成する構成を採用してもよい。このように電源に対して一次コンデンサの直列接続状態を形成することで、二次コンデンサに対して充電を行う一次コンデンサが切り
換えられる毎に、効率的な電力供給が可能となるように、電源に対して直列接続状態となる一次コンデンサが選択され、その接続状態が調整される。したがって、このような構成は、二次コンデンサに対してどの一次コンデンサ側が接続されているかにかかわらず、電源から一次コンデンサへの電力供給を好適な状態に維持することが可能となる。

【0018】

ここで、上記調整回路による制御を、電源回路に対する一次コンデンサの接続状態の側面から捉えることもできる。すなわち、上記電圧変換回路において、前記調整回路が、前記複数の一次コンデンサに含まれ且つ前記電源に対して直列接続状態となるように設定されている所定の一次コンデンサに関する、該電源との接続状態に基づいて、該複数の一次コンデンサに含まれ且つ該所定の一次コンデンサとは異なる予備的一次コンデンサと、該電源との直列接続状態を調整するようにしてもよい。このように予備的一次コンデンサを適宜利用することで、電源から一次コンデンサ側への電力供給の効率低下を回避することができる。

【0019】

より具体的には、前記調整回路が、前記所定の一次コンデンサが前記電源に対して直列接続状態となっていない場合に、前記予備的一次コンデンサを該電源に対して直列接続状態となるように追加的に接続するように電源変換回路を構成してもよい。これにより、電力供給効率を踏まえて予め電源に対して直列接続状態となるように設定されている所定の一次コンデンサが、電源から電力供給を受けない状態になっている場合には、調整回路によって複数の一次コンデンサの中に予め設けられていた予備的一次コンデンサが、電源からの電力供給を受ける一次コンデンサとして組み込まれることになり、以て電源からの電力供給自体の効率が低下しないように調整される。なお、本発明に係る予備的一次コンデンサとは、所定の一次コンデンサが直列接続状態となっていない場合にのみ予備的に一次コンデンサとして機能するコンデンサだけではなく、所定の一次コンデンサが直列接続状態になっていない時点において電源に対して直列接続状態を形成することで電力供給を受けられる一次コンデンサであれば構わない。すなわち、本明細書における「予備的」との表現は、一次コンデンサに対して恒常的に予備的な作動を限定するものではなく、所定の一次コンデンサの補助を行う意味での予備的な作動を求めるものであり、予備的な作動を行う以外は何ら限定されるものではない。

【0020】

ここで、上述までの電圧変換回路において、前記複数の一次コンデンサのそれぞれに対して、その端子間電圧が所定電圧を超えないようにツェナーダイオードを含む過電圧防止回路が設けられ、前記調整回路は、前記所定の一次コンデンサが前記電源から電力供給を受けている状態で前記過電圧防止回路によってその端子間電圧が前記所定電圧に制限されている場合に、端子間電圧を該所定電圧に制限されている該所定の一次コンデンサに代えて前記予備的一次コンデンサを該電源に対して直列接続状態とさせるように切り換えるように電源変換回路を構成してもよい。一次コンデンサの端子間電圧が所定電圧を超えようとするとその超過分は過電圧防止回路で消費されることになり、以て一次コンデンサの過電圧を回避することができる。特に、接続制御回路による制御では、二次コンデンサへの充電における効率を踏まえたスイッチング回路の接続、遮断が制御されることから、一次コンデンサの過電圧回避は重要である。一方で、調整回路による制御でも、電源に対して直列接続状態に置かれる一次コンデンサの端子間電圧は、電源からの電力供給効率に影響を与えることから、同じく一次コンデンサの過電圧回避は重要である。このようにツェナーダイオードを含む過電圧防止回路によって電圧制限されている状態では、実質的に電源から一次コンデンサ全体に対する供給電力量は増加しないことになるため、供給電力は無駄に消費されていることになる。そこで、上記の通り、予備的一次コンデンサを端子間電圧が制限された所定の一次コンデンサの代わりに接続することで、電力の利用効率の低下を回避することができる。なお、「予備的一次コンデンサ」については、上記の通りである。また、過電圧防止回路の別法として、スイッチング回路によって一次コンデンサを電源から切り離す構成も採用できる。

【0021】

また、上述までの電圧変換回路において、前記接続制御回路は、前記二次コンデンサに対する前記一次コンデンサの接続状態を、該一次コンデンサ同士が電気的に短絡しないよう制御してもよい。これは、一次コンデンサ同士で短絡が生じると、二次コンデンサへの好適な充電が困難となることに依るものであって、電圧変換回路の効率向上に資するものと考えられる。

【0022】

また、前記接続制御回路による制御での前記所定接続電圧について、当該所定接続電圧は、前記一次コンデンサの充電電圧と前記二次コンデンサの充電電圧との電圧差が、該一次コンデンサから該二次コンデンサへの電荷移動効率を所定効率以上とする電圧差となる、該二次コンデンサの充電電圧より高い電圧値であってもよい。すなわち、一次コンデンサの充電電圧と二次コンデンサの充電電圧との電圧差が、一次コンデンサから二次コンデンサへの電荷移動の効率に影響を与えることを踏まえて、所定接続電圧が決定される。二次コンデンサの充電電圧に対して一次コンデンサの充電電圧が高くなると、換言すれば上記電圧差が大きくなると、電荷移動効率が低下していく傾向が見出せた。この傾向自体は、一次コンデンサの容量と二次コンデンサの容量に違いがあっても基本的には変化はない。そこで、接続制御回路によって二次コンデンサに接続されると判断されるための所定接続電圧は、この電荷移動効率の傾向を踏まえて決定されるのが好ましい。実験的には、所定接続電圧は、上記所定効率が８５％以上となり得る、二次コンデンサの充電電圧の１．１〜１．２倍程度の電圧が好ましい。

【0023】

また、上述までの電圧変換回路において、前記電源は、外部からの振動エネルギーを電力変換する振動発電装置を含むものであってもよく、それ以外の電力を供給可能な電源装置であってもよい。また、本発明の上述までの電圧変換回路を含む電子機器の側面から捉えることも可能である。すなわち、本発明は、上述までの電圧変換回路および前記負荷回路を有する電子機器であって、そこでは、前記電源の出力電圧が前記電圧変換回路によって前記負荷回路への供給電圧に降圧される。

【発明の効果】

【0024】

交流電源の出力電圧を負荷回路への供給電圧に降圧する際の電圧変換効率を可及的に好適な状態とすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明に係る電圧変換回路の概略構成を示す図である。

【図2】図１に示す電圧変換回路で発揮される機能をイメージ化した機能ブロック図である。

【図3】一次コンデンサの充電電圧と二次コンデンサの充電電圧に対する、両コンデンサ間の電荷移動率の相関を示す図である。

【図4】電源回路から二次コンデンサへの充電が行われる際の、一次コンデンサと二次コンデンサの接続時および遮断時の時定数に関する図である。

【図5】本発明に係る電圧変換回路での一次コンデンサの充電電圧、スイッチング回路のＯＮ信号、一次コンデンサから二次コンデンサへの放電電流の推移を示すタイムチャートである。

【図6A】電源回路の出力電圧に対する一次コンデンサ群の総充電電圧の比率と、その充電効率との相関を示す第一の図である。

【図6B】電源回路の出力電圧に対する一次コンデンサ群の総充電電圧の比率と、その充電効率との相関を示す第二の図である。

【図6C】電源回路の出力電圧に対する一次コンデンサ群の総充電電圧の比率と、その充電効率との相関を示す第三の図である。

【図7】図１に示す電圧変換回路において実行される直列数調整処理の第一のフローチャートである。

【図8】図１に示す電圧変換回路において実行される直列数調整処理の第二のフローチャートである。

【図9】図１に示す電圧変換回路において実行される直列数調整処理の第三のフローチャートである。

【図10】図１に示す電圧変換回路において実行される直列数調整処理の第四のフローチャートである。

【図11】本発明に係る電圧変換回路の概略構成を示す第二の図である。

【図12】図１１に示す電圧変換回路において実行される直列数調整処理のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下に、図面を参照して本発明の実施形態に係る電圧変換回路１について説明する。なお、以下の実施形態の構成は例示であり、本発明はこの実施の形態の構成に限定されるものではない。

【実施例1】

【0027】

図１は、本発明における交流電源に相当し、外部振動をソースとして発電を行う振動発電装置１１と負荷回路１５との間に設けられ、振動発電装置１１の出力電圧を降圧し、負荷回路１５の駆動電圧として蓄電する二次コンデンサ６を有する電圧変換回路１の概略構成を示す。ここでは、振動発電装置１１と、その発電電流の整流を行う整流回路１２とで電源回路１０が形成され、電源回路１０の出力は電圧変換回路１側へ入力される。振動発電装置１１の一例としてエレクトレット材料を利用した発電装置が挙げられる。振動発電装置は公知の技術であるため、本明細書におけるその詳細な説明は割愛する。また、振動発電装置以外の発電装置も電源回路１０内に含めても構わない。なお、本実施例では、発電量が２０〜１００μＷ、出力電圧が３０〜８０Ｖｐ−ｐ規模のエレクトレット材料を用いた振動発電装置を採用するが、本発明の適用は当該装置に限られない。

【0028】

さらに、電圧変換回路１と負荷回路１５との間には、該電圧変換回路１内の二次コンデンサ６に蓄電されたエネルギーを負荷回路１５側に供給するためのスイッチング回路１６が設けられている。

【0029】

電圧変換回路１においては、複数の一次コンデンサが直列に接続されることで形成された一次コンデンサ群２に対して、電源回路１０の出力端子が接続され、その出力が一次コンデンサ群２に含まれる一次コンデンサ２１〜２３に入力される。なお、図１に示す構成では、一次コンデンサ群２には３個の一次コンデンサが含まれているが、これら全ての一次コンデンサが電源回路１０から電力供給されるわけではなく、その電力供給時の供給効率を踏まえて利用される一次コンデンサの数（以下、「直列数」ともいう。）が、一次コンデンサ群２内に含まれるスイッチング回路２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂによって調整される（当該調整の詳細については後述する）。また、電源回路１０に対して電力供給が可能となるように一次コンデンサが直列に接続された状態を、「直列接続状態」とも言う。

【0030】

スイッチング回路２１ａ、２２ａ、２３ａは、一次コンデンサとともに電源回路１０に対して直列に配置され、スイッチング回路２１ａが一次コンデンサ２１に対応し、スイッチング回路２２ａが一次コンデンサ２２に対応し、スイッチング回路２３ａが一次コンデンサ２３に対応する。そこで、スイッチング回路２１ａ、２２ａ、２３ａを、以降「直列スイッチング回路」ともいう。また、スイッチング回路２１ｂ、２２ｂ、２３ｂは、それぞれ、一次コンデンサ２１とそれに対応するスイッチング回路２１ａをバイパスするバイパス線のオン・オフを行い、一次コンデンサ２２とそれに対応するスイッチング回路２２
ａをバイパスするバイパス線のオン・オフを行い、一次コンデンサ２３とそれに対応するスイッチング回路２３ａをバイパスするバイパス線のオン・オフを行う。そこで、スイッチング回路２１ｂ、２２ｂ、２３ｂを、以降「バイパススイッチング回路」ともいう。なお、これらのスイッチング回路を用いた一次コンデンサの直列数の調整は、直列数調整回路７によって実行されるが、その内容については後述する。なお、今、一次コンデンサ２１〜２３の容量は同じとする。

【0031】

そして、一次コンデンサ群２に含まれる一次コンデンサ２１〜２３のそれぞれに対して、二次コンデンサ６が並列に接続可能となるように配線され、且つ各一次コンデンサと二次コンデンサ６との配線において、両コンデンサの接続状態、遮断状態を切り換えるスイッチング回路が、各一次コンデンサに対応して設けられている。具体的には、一次コンデンサ２１と二次コンデンサ６との間には、スイッチング回路７１ａ、７１ｂが設けられ、一次コンデンサ２２と二次コンデンサ６との間には、スイッチング回路７２ａ、７２ｂが設けられ、一次コンデンサ２３と二次コンデンサ６との間には、スイッチング回路７３ａ、７３ｂが設けられている。これらのスイッチング回路は、後述するように対応する一次コンデンサの充電電圧等に応じて、それぞれ独立してそのスイッチ動作が制御され、その制御のために対応する一次コンデンサ毎にスイッチング調整回路４１〜４３が設置されている。

【0032】

また、一次コンデンサ２１〜２３のそれぞれに対して、その充電電圧を監視するための電圧監視回路３１〜３３が設置されている。この電圧監視回路３１〜３３によって検出された各一次コンデンサの充電電圧は切換制御回路５や直列数調整回路７に渡される。切換制御回路５は、渡された各一次コンデンサの充電電圧と、二次コンデンサ６の充電電圧に基づいて、スイッチング調整回路４１〜４３を介して、スイッチング回路７１ａ〜７３ｂのスイッチング動作の制御を行う。したがって、この切換制御回路５およびスイッチング調整回路４１〜４３が、本発明に係る接続制御回路に相当する。また、直列数調整回路７は、直列スイッチング回路２１ａ等およびバイパススイッチング回路２１ｂ等のスイッチング動作の制御を行い、電源回路１０に対する一次コンデンサの直列接続状態を調整する。したがって、この直列数調整回路７および直列スイッチング回路２１ａ等、バイパススイッチング回路２１ｂ等が、本発明に係る調整回路に相当する。また、二次コンデンサ６については、図示されていない上限電圧制御回路が併設されている。この上限電圧制御回路は、蓄電されたエネルギーを負荷回路１５側に供給するときに、負荷回路１５に過度な電圧が印加されないように二次コンデンサ６の上限電圧（たとえば、３〜３．１５Ｖ）を制限する回路である。したがって、本実施例では、二次コンデンサ６は、概ね上限電圧に蓄電された状態に維持されるべく、電源回路１０からの充電が行われる。

【0033】

このように構成される電圧変換回路１では、直列数調整回路７によって電源回路１０に対して直列に組み込まれる一次コンデンサに対しては、該電源回路１０から電力供給が行われる。たとえば、直列スイッチング回路２１ａ、２２ａ、２３ａがともにオン状態となると、電源回路１０からの供給電力により各一次コンデンサが充電される。また、直列スイッチング回路がオン状態となる代わりに、バイパススイッチング回路がオン状態となると、それに対応する一次コンデンサへの充電が回避されることになる。そして、充電された一次コンデンサの電力が、スイッチング回路７１ａとの動作を介して順次二次コンデンサ６に対して引き渡されることで、二次コンデンサ６への充電が行われることになる。

【0034】

ここで、振動発電装置１１から二次コンデンサ６への充電動作について、図２に基づいて説明する。当該充電動作は、上記切換制御回路５、直列数調整回路７、電圧監視回路３１〜３３、スイッチング調整回路４１〜４３が協働して実行され、これにより電源回路１０の出力電圧が、負荷回路１５の駆動電圧に相当する二次コンデンサ６の充電電圧まで降圧されることになる。図２は、電圧監視回路３１〜３３、スイッチング調整回路４１〜４
３、切換制御回路５、直列数調整回路７で発揮される機能をイメージ化して表わした機能ブロック図である。各回路は、図２に示す機能部以外の機能部を有していてももちろん構わない。

【0035】

電圧監視回路３１〜３３には、充電電圧監視部１０１、スイッチング切換要求部１０２、放電終了通知部１０３が形成される。充電電圧監視部１０１は、電圧監視回路３１〜３３がそれぞれ対応している一次コンデンサ２１〜２３の充電電圧を常時監視している。この監視により取得された各一次コンデンサの充電電圧値は、適宜のタイミングで切換制御回路５へ渡される。スイッチング切換要求部１０２は、一次コンデンサに貯められたエネルギーを二次コンデンサ６に移すために、対応するスイッチング回路７１ａ〜７３ｂを切り換えて、当該一次コンデンサと二次コンデンサ６とを接続状態とするために切換制御回路５に対して切換要求を出す。なお、この切換要求を出す条件は、一次コンデンサ２１〜２３の充電電圧と二次コンデンサ６の充電電圧の相関が満たすべき、電荷の移動効率に関する所定の条件である（その詳細については後述する）。次に、放電終了通知部１０３は、上記の一次コンデンサから二次コンデンサ６への電力供給により、一次コンデンサの充電電圧が所定の閾値まで低下してきたときに、切換制御回路５に対して放電終了を通知する。

【0036】

次に、切換制御回路５には、切換優先順位決定部２０１、接続状態確認部２０２、接続許可部２０３、遮断指示部２０４が形成される。切換優先順位決定部２０１は、スイッチング回路７１ａ〜７３ｂによって二次コンデンサ６に対して複数の一次コンデンサ２１〜２３が同時に接続されないように、すなわち一次コンデンサ間での短絡が回避されるように、その接続のための優先順位を決定する。なお、切換優先順位決定部２０１の対象となる一次コンデンサは、上記スイッチング切換要求部１０２によって切換要求が出された一次コンデンサとされる。接続状態確認部２０２は、二次コンデンサ６に対して何れかの一次コンデンサが接続状態となっているか否かについて確認を行う。接続許可部２０３は、接続状態確認部２０２によって確認された状況に基づいて、二次コンデンサ６に対する一次コンデンサの接続を許可する。遮断指示部２０４は、上記の放電終了通知部１０３からの通知に基づいて、対象となる一次コンデンサと二次コンデンサ６との接続状態を解消すべく遮断指示をスイッチング調整回路４１〜４３に出す。

【0037】

次に、各スイッチング調整回路には、スイッチング実行部３０１が形成される。スイッチング実行部３０１は、上記の接続許可部２０３からの許可信号、又は上記の遮断指示部２０４からの遮断指示に従って、対応するスイッチング回路７１ａ〜７３ｂのスイッチング動作を制御する。

【0038】

また、直列数調整回路７には、コンデンサ状態監視部４０１、直列数決定部４０２、直列状態切換部４０３が形成される。コンデンサ状態監視部４０１は、電源回路１０に対して直列接続される一次コンデンサの直列数切換に関して、一次コンデンサ２１〜２３および二次コンデンサ６に係る所定の状態を監視する。例えば、各一次コンデンサと二次コンデンサ６との間で行われる電力の授受状態は、後述するように当該直列数に関与するものであるから、コンデンサ状態監視部４０１の監視対象となる。直列数決定部４０２は、コンデンサ状態監視部４０１による監視結果に基づいて、電源回路１０に対して直列接続される一次コンデンサの直列数を決定する。また、直列状態切換部４０３は、直列数決定部４０２が決定した直列数に従って、実際に電源回路１０に対する一次コンデンサの接続状態を切り換えていく。

【0039】

このように形成された、電圧監視回路３１〜３３、切換制御回路５、スイッチング調整回路４１〜４３、直列数調整回路７によって、電圧変換回路１では、大別して、各一次コンデンサから二次コンデンサ６への充電と、電源回路１０から各一次コンデンサへの電力
供給が行われる。そこで、先ず、前者の詳細について説明する。

【0040】

＜各一次コンデンサから二次コンデンサ６への充電処理＞
なお、以下の処理項目（１）〜（５）の順序は限定的なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、処理項目の順序は適宜調整されても構わない。
（１）電源回路１０からの出力電流は、電源回路１０に対して直列接続状態となっている各一次コンデンサに蓄えられ、各一次コンデンサの充電電圧が上昇する。この一次コンデンサの充電電圧の変動は、対応する電圧監視回路の充電電圧監視部１０１によって監視される。

【0041】

（２）充電電圧監視部１０１によって監視されている各一次コンデンサの充電電圧が基準となる所定接続電圧に到達すると、スイッチング切換要求部１０２が切換要求を切換制御回路５に対して送る。
ここで、所定接続電圧は、各一次コンデンサと二次コンデンサ６が接続されたときに、一次コンデンサから二次コンデンサ６への電荷の移動効率が良好な値となるように決定される。そこで、所定接続電圧の決定について、図３に基づいて説明する。図３は、一次コンデンサと二次コンデンサが接続されたときに、一次コンデンサから二次コンデンサへの電荷の移動効率を、各コンデンサの充電電圧ごとに表わしている。なお、この電荷の移動効率は理論的に下記式に従って算出されたものである。
電荷の移動効率＝（接続による二次コンデンサのエネルギー増加分）
／（一次コンデンサのエネルギー減少分）

【0042】

図３の上段（ａ）は、一次コンデンサと二次コンデンサの容量がともに１０μＦの場合であり、下段（ｂ）は、一次コンデンサの容量が１μＦ、二次コンデンサの容量が１０００００００μＦの場合である。なお、各コンデンサの充電電圧の初期とは、接続を開始したタイミングでの充電電圧であり、終止とは、接続を終え遮断したタイミングでの充電電圧である。図３からも明らかなように、一次コンデンサと二次コンデンサの容量にかかわらず、初期において一次コンデンサの充電電圧と二次コンデンサの充電電圧との電圧差が小さくなるほど、電荷の移動効率が上昇する傾向がある。

【0043】

そこで、本実施例では、電荷の移動効率を概ね８５％以上に到達させるべく、一次コンデンサと二次コンデンサの電圧差が、初期の一次コンデンサの充電電圧が、初期の二次コンデンサの充電電圧の１．１〜１．２倍程度となる電圧となる電圧差であるとき、一次コンデンサから二次コンデンサへの電荷の移動を行う、すなわち、スイッチング切換要求部１０２から切換要求を切換制御回路５に対して送ることとする。具体的には上述の通り、二次コンデンサ６には上限電圧制御回路が併設されることで、その充電電圧が概ね３〜３．１５Ｖに維持されていることから、本実施例における所定接続電圧は、３．３Ｖ程度とする。

【0044】

（３）切換優先順位決定部２０１が、各電圧監視回路のスイッチング切換要求部１０２からの切換要求に従って、二次コンデンサ６に対して接続する一次コンデンサの接続順位を決定する。原則として、切換要求が届いた順に接続順位を付与するが、接続状態が維持される期間において複数の一次コンデンサが同時に接続状態となる可能性がある場合には、一次コンデンサ２１、一次コンデンサ２２、一次コンデンサ２３の順序で優先的に接続順位を付与するものとする。なお、接続順位の付与については、上記以外の態様でも構わないが、重要であるのは、２個以上の一次コンデンサが二次コンデンサ６に対して同時に接続された状態とならないように、接続順位が付与されることである。

【0045】

（４）接続状態確認部２０２によって二次コンデンサ６に対して何れかの一次コンデンサが接続されているか否かが判定される。そこで、接続されていないと判定されると、最優
先の接続順位が付与された一次コンデンサと二次コンデンサ６との接続を許可する指示が、接続許可部２０３によって、該一次コンデンサに対応するスイッチング回路に対して出される。これにより、スイッチング回路のスイッチング実行部３０１が両コンデンサを接続し、以て二次コンデンサ６が充電される。一方で、接続していると判定されると、現在二次コンデンサ６に接続されている一次コンデンサに対応する、電圧監視回路の放電終了通知部１０３から放電終了の通知が届くまで、接続許可部２０３による接続を許可する指示の発令は待機状態とされる。

【0046】

なお、放電終了通知部１０３からの放電終了の通知は、一次コンデンサの充電電圧が、二次コンデンサ６の充電電圧に近い値となったときに出される。放電終了通知部１０３から放電終了の通知が出されると、遮断指示部２０４が、接続されている一次コンデンサと二次コンデンサ６とを遮断するための遮断指示を、該接続されている一次コンデンサに対応するスイッチング回路に対して出す。これを受けたスイッチング回路のスイッチング実行部３０１は、一次コンデンサと二次コンデンサの接続を遮断する。この遮断と同時に、上述した次に二次コンデンサ６に接続される一次コンデンサに対応するスイッチング回路による両コンデンサの接続が実行されることになる。

【0047】

ここで、スイッチング回路による接続および遮断時の、一次コンデンサと二次コンデンサとの間における接続に関する状態推移を図４の上段（ａ）に示す。本実施例においては、スイッチング実行部３０１がスイッチング回路を接続状態（オン状態）とするときの接続時定数Δｔ１は、スイッチング回路を遮断状態（オフ状態）とするときの遮断時定数Δｔ２と比べて比較的に長く設定されている。たとえば、Δｔ１は約７ｍｓｅｃであり、Δｔ２は可及的に０ｍｓｅｃに近い値である。このように接続時定数を比較的長くすることで電荷の移動が緩やかに行われるため、仮にあるスイッチング回路で遮断処理を行っている最中に別のスイッチング回路で接続処理を行っても、それぞれのスイッチング回路に対応する一次コンデンサ同士が短絡ことを回避することが可能となる。この結果、上記のように、あるスイッチング回路での遮断処理と別のスイッチング回路での接続処理が同時に行われても、一次コンデンサ同士の短絡は実質的に回避できる。

【0048】

一方で、図４の下段（ｂ）に示すように接続時定数Δｔ１と遮断時定数Δｔ２とをともに可及的に０ｍｓｅｃに近い値とすると、あるスイッチング回路での遮断処理と別のスイッチング回路での接続処理が同時に行われると、もしくは両処理の間隔が極めて近接して行われると、一次コンデンサ同士で短絡が生じる可能性が高くなる。特に、本発明に係る電圧変換回路１においては、二次コンデンサ６に対して実質的に１個の一次コンデンサのみを接続させることが肝要であることを踏まえると、一次コンデンサ同士の短絡を回避し得る接続時定数Δｔ１と接続時定数Δｔ２の設定は重要である。

【0049】

（５）上記（１）〜（４）を適宜繰り返して、二次コンデンサに対して、一次コンデンサ同士が短絡状態とならないように、充電電圧が所定接続電圧に到達した一次コンデンサを順次接続していく。この結果、一次コンデンサと二次コンデンサとの間で電荷の移動効率を８５％以上に保った状態で、二次コンデンサの充電が行われることになる。

【0050】

以上を踏まえ、図５に電圧変換回路１の動作のタイムチャートを示す。なお、該タイムチャートにおいては、説明を簡便にするため一次コンデンサの数を２個としている。図中上二段は、２個の一次コンデンサの充電電圧の推移を示し、次の二段は、各一次コンデンサに対応するスイッチング回路の接続状態の変動を示し、次の二段は、各一次コンデンサから二次コンデンサへの放電電流の推移を示し、最下段は、二次コンデンサの充電電圧の推移を示している。ここで、図中に示す重複タイミングでは、２個の一次コンデンサに対応する電圧監視回路から出される切換要求が同時期に出されている（図中、点線で囲まれている箇所を参照のこと）。そのため、一方（下段側）の一次コンデンサの接続開始タイ
ミングは、切換要求が出された時期から意図的にずらされている。これにより、一次コンデンサ同士の短絡を回避することができる。

【0051】

＜電源回路１０から一次コンデンサへの電力供給処理＞
次に、電源回路１０から一次コンデンサへの電力供給について説明する。本発明に係る電圧変換回路１においては、振動発電装置１１からの効率的な電力供給を図るために、直列数調整回路７によって、電源回路１０に対して直列接続される一次コンデンサの数が調整される。これは、振動発電装置１１と一次コンデンサとの間の充電効率は、振動発電装置１１の開放端電圧と一次コンデンサの総充電電圧との比率（一次電圧比）に依拠して変動することによるが、更には、電源回路１０に対して直列接続し得る一次コンデンサは、二次コンデンサ６との間で行われる上記電力授受を踏まえて決定されるものである。そこで、直列数調整回路７は、一次コンデンサ２１〜２３および二次コンデンサ６の所定の状態に基づいて、電源回路１０に対して直列接続される一次コンデンサの数（直列数）を調整する。

【0052】

ここで、振動発電装置１１と、電源回路１０に対して直列接続状態となっている一次コンデンサとの間の充電効率Ｅｃ１は、以下の式で表わされる。
Ｅｃ１＝（単位時間に一次コンデンサへ蓄積されたエネルギー量）
／（整合抵抗時の振動発電装置１１の供給（発電）電力量）

【0053】

このように定義される充電効率Ｅｃ１と一次電圧比との理論的な相関をプロットすると、図６Ａに線Ｌ１で示すように、一次電圧比が５０％のときに極値をむかえる放物線が描写できる。したがって、電源回路１０に対して直列接続状態となっている一次コンデンサの総充電電圧が、振動発電装置１１の開放端電圧の半分となるように、一次コンデンサの直列数を決定すればよい。具体的には、一次コンデンサから二次コンデンサ６への充電時における電圧変化が、上記の通り、電荷の移動効率を考慮して小さくなるように設定されることを踏まえて、当該充電時の一次コンデンサの充電電圧を、二次コンデンサから負荷回路１６への出力電圧と同じとみなし、以下の式に従って、直列数が決定される。
直列数 ＝ 振動発電装置１１の開放端電圧／２／二次コンデンサの出力電圧
・・・（式１）
たとえば、開放端電圧が６０Ｖで、二次コンデンサ６の出力電圧が１．５Ｖのときは、一次コンデンサの直列数は２０となる。なお、本明細書における開放端電圧は、振動発電装置１１による起電力と同義である。

【0054】

なお、一次コンデンサの充電電圧は、厳密にはスイッチング回路７１ａ等のスイッチング動作で放電が行われることで変動する。そこで、一つの一次コンデンサ（たとえば、一次コンデンサ２１）でのスイッチング動作による一次コンデンサから二次コンデンサ６への充電初期（充電開始タイミング）の充電電圧をＶ１とし、同充電の終止時期（充電終了タイミング）の充電電圧をＶ１’としたときの、両電圧の平均値Ｖ１ａｖｅ（＝（Ｖ１＋Ｖ１’）／２）を用いて、以下のように直列数を算出してもよい。
直列数 ＝ 振動発電装置１１の開放端電圧／２／Ｖ１ａｖｅ
・・・（式１’）

【0055】

一般に、市場で入手できるコンデンサは、その容量は既定値であるため、電源回路１０に対して直列接続状態となっている一次コンデンサの総充電電圧が、ちょうど振動発電装置１１の開放端電圧の半分（５０％）となるように、一次コンデンサの直列数を決定するのは難しい場合がある。そのような場合には、可及的に電源回路１０に対して直列接続状態となっている一次コンデンサの総充電電圧が振動発電装置１１の開放端電圧の半分に近づくように、そこに含まれる一次コンデンサの数を決定すればよい。

【0056】

また、一次コンデンサ群２に対して負荷抵抗が接続されている場合には、図６Ｂにおいて線Ｌ２で示すように、又は図２Ｃにおいて線Ｌ３で示すように、充電効率が極値をむかえるときの一次電圧比が５０％より低くなる。図６Ｂは、内部抵抗が１０ＭΩ〜２０ＭΩの振動発電装置１１を用いた場合の、一次コンデンサに対して１０ＭΩ程度の負荷抵抗が接続された状態の充電効率の推移を表す図であり、図６Ｃは、同様の振動発電装置１１を用いた場合の、一次コンデンサに対して１００ＭΩ程度の負荷抵抗が接続された状態の充電効率の推移を表す図である。なお、参考までに図６Ｂにおける線Ｌ４および図２Ｃにおける線Ｌ５は、負荷抵抗での電力消費効率を表す。このように充電効率の極値が変動する要因としては、一次コンデンサが、自身にエネルギーを蓄えながら接続されている負荷抵抗にエネルギーを供給している点が挙げられる。そして、図１に示す電圧変換回路１においては、一次コンデンサ群２に含まれる各一次コンデンサに対して電圧監視回路３１〜３３が接続されており、これらの回路が負荷抵抗に相当する。したがって、電圧変換回路１においては、電圧監視回路３１〜３３の内部抵抗を踏まえて、一次コンデンサの直列数を決定するようにしてもよい。

【0057】

また、電源回路１０から供給される電力については、常時一定しているとは限らない。たとえば、製造上のばらつきによって振動発電装置１１の発電能力にばらつきが生じる場合もある。また、振動発電装置１１に関する経年的な変化の側面からは、いわゆる寿命による発電能力の経年変化や、振動源の変化（振動源の強さや振動源の振動周波数と振動発電装置１１の共振周波数のずれ、振動発電装置１１を囲む環境変化による発電能力の変動等）によって、電源回路１１から一次コンデンサ群２に対して印加される電圧が変動し得る。このような供給電圧の変化に対しても、効率的な電力供給を行うためには、上記の通り、理論的には振動発電装置１１の開放端電圧の半分（５０％）となるように、一次コンデンサの直列数を調整するのが好ましい。

【0058】

ここで、図７〜図１０に基づいて一次コンデンサの直列数の調整について具体的に説明する。なお、図７〜図１０に示す直列数調整処理は、直列数調整回路７によって適時実行されるものである。
＜直列数調整処理１＞
まず、図７に記載の第一の直列数調整処理について説明する。当該処理は、一次コンデンサから二次コンデンサ６への充電状態に基づいてものである。当該直列数決定処理では、先ず、Ｓ１０１でコンデンサ状態監視部４０１によって二次コンデンサ６が充電中か否か、すなわち一次コンデンサ２１〜２３のうちいずれかのコンデンサが、対応するスイッチング回路を介して二次コンデンサ６と接続された状態にあるか否かが判定される。Ｓ１０１で肯定判定されると本制御を終了し、否定判定されるとＳ１０２へ進む。次にＳ１０２では、直列数決定部４０２が、Ｓ１０１で否定判定されたことを踏まえて二次コンデンサ６が非充電の状態において、上記式１もしくは式１’に従って一次コンデンサの直列数を決定する。Ｓ１０２の処理が終了すると、Ｓ１０３へ進む。

【0059】

Ｓ１０３では、Ｓ１０２で決定された直列数を、二次コンデンサ６が非充電の状態において実現するために、電源回路１０に対して直列状態を為す一次コンデンサを決定し、当該直列状態形成のために直列スイッチング回路２１ａ〜２３ａおよびバイパススイッチング回路２１ｂ〜２３ｂのオン・オフ状態を調整する。たとえば、Ｓ１０２で決定された直列数が「２」である場合には、二次コンデンサ６が非充電の状態において電源回路１０に対して直列接続される一次コンデンサを２１、２２とし、接続されない一次コンデンサを２３とする。したがって、この場合には、一次コンデンサ２１もしくは一次コンデンサ２２の一方が満充電状態となって二次コンデンサ６に充電を行っている際には、電源回路１０に接続されている一次コンデンサは、二次コンデンサ６への充電を行っていない１つの一次コンデンサのみとなる。なお、上記Ｓ１０３の処理は、直列状態切換部４０３によるものである。

【0060】

以上をまとめると、図７に示す直列数調整処理に従えば、電源回路１０から一次コンデンサへの電力供給は、一次コンデンサから二次コンデンサへの電力供給が行われていない期間、すなわちスイッチング回路７１ａ等がいずれもオフ状態にある期間において、効率的に行い得る状態が形成される。したがって、図７に示す直列数調整処理によれば、電圧変換回路１において、二次コンデンサ６へ充電していない期間が、充電している期間よりも比較的長い場合に、有用な一次コンデンサの直列数調整が行われることになる。

【0061】

＜直列数調整処理２＞
次に、図８に記載の第二の直列数調整処理について説明する。当該処理も、第一の直列数調整処理と同じように、一次コンデンサから二次コンデンサ６への充電状態に基づいてものである。当該直列数決定処理では、先ず、Ｓ１０１と同じように、Ｓ２０１でコンデンサ状態監視部４０１によって二次コンデンサ６が充電中か否かが判定される。Ｓ２０１で肯定判定されるとＳ２０２へ進み、否定判定されると本制御を終了する。次にＳ２０２では、直列数決定部４０２が、Ｓ２０１で肯定判定されたことを踏まえて二次コンデンサ６が充電されている状態において、上記式１もしくは式１’に従って一次コンデンサの直列数を決定する。Ｓ２０２の処理が終了すると、Ｓ２０３へ進む。

【0062】

Ｓ２０３では、Ｓ２０２で決定された直列数を、二次コンデンサ６が充電されている状態において実現するために、電源回路１０に対して直列状態を為す一次コンデンサを決定し、当該直列状態形成のために直列スイッチング回路２１ａ〜２３ａおよびバイパススイッチング回路２１ｂ〜２３ｂのオン・オフ状態を調整する。たとえば、Ｓ１０２で決定された直列数が「２」である場合には、二次コンデンサ６が非充電の状態において電源回路１０に対して直列接続される一次コンデンサの数は「３」となる。したがって、当該非充電の状態では、一次コンデンサ２１〜２３が接続状態とされる。そして、一次コンデンサ２１〜２３の何れかが二次コンデンサ６に対して充電を行っているときには、残りの２つの一次コンデンサが電源回路１０から電力供給を受け、その際の供給効率の最善化が図られることになる。なお、上記Ｓ２０３の処理は、直列状態切換部４０３によるものである。

【0063】

以上をまとめると、図８に示す直列数調整処理に従えば、電源回路１０から一次コンデンサへの電力供給は、一次コンデンサから二次コンデンサへの電力供給が行われている期間、すなわち何れかのスイッチング回路７１ａ等の対がオン状態にある期間において、効率的に行い得る状態が形成され、当該電力供給が行われていない期間においては、電源回路１０からの電力供給の効率はやや低下することになる。したがって、図８に示す直列数調整処理によれば、電圧変換回路１において、二次コンデンサ６へ充電している期間が、充電していない期間よりも比較的長い場合に、有用な一次コンデンサの直列数調整が行われることになる。

【0064】

＜直列数調整処理３＞
次に、図９に記載の第三の直列数調整処理について説明する。なお、当該処理においては、一次コンデンサの直列数は、予め所定数に決定されていることを前提とする。まず、Ｓ３０１では、コンデンサ状態監視部４０１によって、二次コンデンサ６への充電を行っている一次コンデンサが、切り替わったか否かが判定される。すなわち、切換制御回路５による一次コンデンサと二次コンデンサ６との接続状態に変化があったか否かが判定される。Ｓ３０１で肯定判定されるとＳ３０２へ進み、否定判定されると本処理を終了する。Ｓ３０２では、直列状態切換部４０３によって、予め決定されている直列数が維持されるように、電源回路１０に対する一次コンデンサの直列状態が適宜切り換えられる。このように本処理は、二次コンデンサ６の充電状態に着目し、その充電状態が切り替わったことをもって、一次コンデンサ６の直列接続状態が調整される。

【0065】

例えば、上記式１に従い一次コンデンサの直列数が「２」と決定されている場合、一次コンデンサ２１、２２が直列状態となるように直列スイッチング回路２１ａ〜２３ａおよびバイパススイッチング回路２１ｂ〜２３ｂのオン・オフ状態が調整される。ここで、一方の一次コンデンサ２１から二次コンデンサ６への充電が行われると、一次コンデンサ２１が電源回路１０から切り離された状態となるため、直列数の数が当初設定した値より少なくなってしまい、電源回路１０からの効率的な電力供給が行えなくなる。そこで、二次コンデンサ６への充電のために一次コンデンサ２１が切り離された状態となると、それまで電源回路１０に直列接続されていなかった一次コンデンサ２３を直列接続すべく、直列スイッチング回路２３ａがオン状態とされ、バイパススイッチング回路２３ｂがオフ状態とされる。このように、本処理に従えば、二次コンデンサ６への充電状態にかかわらず、一次コンデンサの直列数を所定数に維持することができ、以て効率的な電力供給が図られる。

【0066】

なお、一次コンデンサの直列数については、適切なタイミングにおいて改めて算出し直してもよい。特に、電源回路１０からの供給電力の変動が見込まれるタイミングで直列数の算出が行われることで、電源回路１０の特性に応じた、より効率的な一次コンデンサへの電力供給が可能となる。なお、上記Ｓ４０２、Ｓ４０３の処理は、直列状態切換部４０３によるものである。

【0067】

＜直列数調整処理４＞
次に、図１０に記載の第四の直列数調整処理について説明する。なお、当該処理においては、一次コンデンサの直列数は、予め所定数に決定されていることを前提とする。先ず、Ｓ４０１では、予め決定された所定数に対応する所定の一次コンデンサが、電源回路１０に対して直列接続状態にあるか否かが判定される。Ｓ４０１で肯定判定されると、一次コンデンサに対して電源回路１０から効率的な電力供給が行われていることを意味し、以て本制御を終了する。一方で、Ｓ４０１で否定判定されると、所定の一次コンデンサの少なくとも１つが、二次コンデンサへの充電を行っているか、もしくは満充電状態に至り二次コンデンサへの充電を待機している状態（以降、「待機状態」ともいう）にあることを意味する。したがって、その場合には、一次コンデンサに対して電源回路１０から効率的な電力供給が行われていないことになるため、Ｓ４０２の処理が行われる。

【0068】

Ｓ４０２では、電源回路１０に対して直列接続状態となるように組み込まれる予備的な一次コンデンサを決定し、Ｓ４０３では、当該予備的な一次コンデンサを組み込むべく、当該一次コンデンサに対応する直列スイッチング回路とバイパススイッチング回路のオン・オフ状態が制御される。このように本処理は、一次コンデンサの電源回路１０に対する直列接続状態に着目し、その直列接続状態が切り替わったことをもって、予備的な一次コンデンサが電源回路１０に対して組み込まれることになる。この予備的な一次コンデンサは、所定の一次コンデンサが電源回路１０から切り離された際に、電源回路１０から随時供給されてくる電力を無駄なく回収することを目的として電圧変換回路１の一次コンデンサ群２の中に余分に組み込まれている一次コンデンサである。また、予備的な一次コンデンサの別法として、所定の一次コンデンサが直列接続状態になっていないと判断された時点において、電源に対して直列接続状態を形成することで電力供給を受けられる一次コンデンサが存在しているのであれば、当該一次コンデンサが恒常的な予備の一次コンデンサでなくても、本実施例における予備的な一次コンデンサとして使用しても構わない。

【0069】

＜直列数調整処理５＞
次に、第五の直列数調整処理について図１１および図１２に基づいて説明する。図１１は、電圧変換回路１の別の実施例を示す図であり、図１に示す電圧変換回路１と同じ構成要素については、同一の参照番号を付してその詳細な説明は割愛する。ここで、図１１に
示す電圧変換回路１の構成要素のうち、図１に示す電圧変換回路１の構成要素と相違するのは、一次コンデンサのそれぞれについて、対応する直列スイッチング回路が一次コンデンサの端子間電圧の上限値（以下、単に「上限電圧」ともいう）を制限する機能に代えて、ツェナーダイオードによる一次コンデンサの上限電圧の調整機能が組み込まれている点である。具体的には、第一コンデンサ２１については、ツェナーダイオード２１ｃが第一コンデンサ２１と並列に設けられ、第一コンデンサ２２については、ツェナーダイオード２２ｃが第一コンデンサ２２と並列に設けられ、第一コンデンサ２３については、ツェナーダイオード２３ｃが第一コンデンサ２３と並列に設けられている。このように、ツェナーダイオード２１ｃ〜２３ｃが設けられることで、対応する第一コンデンサ２１〜２３のそれぞれの上限電圧がツェナーダイオードに応じた値に制限されることになる。すなわち、ツェナーダイオード２１ｃ〜２３ｃは、各一次コンデンサに供給する電力を、各ツェナーダイオードとともに設けられている図示しない抵抗部で消費することで、一次コンデンサの上限電圧を調整するものである。

【0070】

このようにツェナーダイオードを利用することで、電圧変換回路１において、上述した直列スイッチング回路２１ａ等に関する制御を省くことができ、以て直列数調整回路７による制御内容も簡素化することが可能となる。しかし、ツェナーダイオードでは、いわば供給電力を消費することで一次コンデンサの端子間電圧を維持することから、可能な限り、満充電状態に至った一次コンデンサに対して電源回路１０から電力供給が行われない方が好ましい。そこで、第一コンデンサが満充電状態に至った場合には、対応するバイパススイッチング回路をオン状態にすることで、供給電力がツェナーダイオードに流れ込むのを回避するのが好ましい。しかし、このようにバイパススイッチング回路をオン状態とすると、電源回路１０に対して直列状態となる一次コンデンサの数が減少することになるため、電源電圧１０と一次コンデンサとの間の電力供給が効率的に行い得る状態からずれてしまう可能性がある。

【0071】

以上を踏まえ、図１２に示す直列数調整処理が直列数調整回路７によって実行される。なお、当該処理においても、第四の直列数調整処理と同じように、一次コンデンサの直列数は、予め所定数に決定されていることを前提とする。先ず、Ｓ５０１では、予め決定された所定数に対応する所定の一次コンデンサにおいて、満充電状態に至り二次コンデンサ６に対して充電できるように待機状態にあるものが存在しているか否かが判定される。Ｓ５０１で肯定判定されると、ツェナーダイオードでの電力消費を回避するために電力供給のバイパスが行われ、その結果、効率的な電力供給が行われていない状態にあることを意味する。したがって、その場合は、Ｓ５０２へ進む。一方で、Ｓ５０１で否定判定されると、電力供給のバイパスは行われていないことから本制御を終了する。

【0072】

Ｓ５０２では、電源回路１０に対して直列接続状態となるように組み込まれる予備的な一次コンデンサを決定し、Ｓ５０３では、当該予備的な一次コンデンサを組み込むべく、当該一次コンデンサに対応するバイパススイッチング回路のオン・オフ状態が制御される。このように本処理は、ツェナーダイオードを利用して一次コンデンサの端子間電圧を制限している場合にも、電源回路１０から一次コンデンサへの効率的な電力供給を実現することが可能となる。なお、本処理に係る予備的な一次コンデンサについては、第四の直列数調整処理に係る予備的な一次コンデンサと同義である。なお、上記Ｓ５０２、Ｓ５０３の処理は、直列状態切換部４０３によるものである。

【0073】

このように第一の直列数調整処理から第五の直列数調整処理が行われる電圧変換回路１では、振動発電装置１１を含む電源回路１０から一次コンデンサ群２への充電効率も良好に維持されることから、電圧変換回路１全体として、振動発電装置１１から二次コンデンサへの電圧降下及び充電の効率は極めて良好なものとなる。また、一次コンデンサから二次コンデンサ６への充電については、各一次コンデンサの充電電圧を監視した上で二次コ
ンデンサ６への電荷移動が行われることから、一次コンデンサの容量に多少のばらつきが存在しても、適切な二次コンデンサの充電が実現される。

【0074】

＜変形例＞
上記の実施例においては、二次コンデンサ６は１個のコンデンサにより構成されたが、これを複数のコンデンサで構成しても構わない。また、コンデンサ同士の接続形態は直列、並列の何れでもよく、また直列、並列の組合せでもよい。この場合、一次コンデンサの充電電圧と二次コンデンサ６の充電電圧との間の上述の相関については、複数のコンデンサにより構成される二次コンデンサ全体と、一次コンデンサとの間で成立すれば、一次コンデンサから二次コンデンサ全体への効率的な電荷移動が可能である。また、負荷回路１５と、二次コンデンサを構成する複数のコンデンサとの接続態様を適宜調整することで、電圧変換回路１が、負荷回路１５に対する複数の出力電圧を有することになる。

【符号の説明】

【0075】

１・・・・電圧変換回路
２・・・・一次コンデンサ群
５・・・・切換制御回路
６・・・・二次コンデンサ
７・・・・直列数調整回路
１０・・・・電源回路
１１・・・・振動発電装置
１２・・・・整流回路
１５・・・・負荷回路
２１〜２３・・・・一次コンデンサ
２１ａ〜２３ａ・・・・直列スイッチング回路
２１ｂ〜２３ｂ・・・・バイパススイッチング回路
２１ｃ〜２３ｃ・・・・ツェナーダイオード
３１〜３３・・・・電圧監視回路
４１〜４３・・・・スイッチング調整回路
７１ａ、７１ｂ・・・・スイッチング回路
７２ａ、７２ｂ・・・・スイッチング回路
７３ａ、７３ｂ・・・・スイッチング回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】