特開 2023-18785 焦電素子を備えた電源装置および当該電源装置を用いた異常温度検出装置

(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】P2023018785

(43)【公開日】2023-02-09

(54)【発明の名称】焦電素子を備えた電源装置および当該電源装置を用いた異常温度検出装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/06 20060101AFI20230202BHJP

   H01H 37/52 20060101ALI20230202BHJP

   H02J 1/00 20060101ALI20230202BHJP

【ＦＩ】

H02M7/06 H

H01H37/52

H02J1/00 308P

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021123051

(22)【出願日】2021-07-28

【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）２０１９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「ＮＥＤＯ先導研究プログラム／新産業創出新技術先導研究プログラム」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】720006490

【氏名又は名称】株式会社アイビーシステム

(71)【出願人】

【識別番号】304021288

【氏名又は名称】国立大学法人長岡技術科学大学

(74)【代理人】

【識別番号】110003063

【氏名又は名称】弁理士法人牛木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】若桑 茂

(72)【発明者】

【氏名】山澤 俊幸

(72)【発明者】

【氏名】馬場 将亮

(72)【発明者】

【氏名】中山 忠親

(72)【発明者】

【氏名】山田 昇

(72)【発明者】

【氏名】武田 雅敏

【テーマコード（参考）】

5G041

5G165

5H006

【Ｆターム（参考）】

5G041BB11

5G165AA08

5G165DA06

5G165EA06

5G165GA07

5G165HA01

5G165HA17

5G165KA02

5G165KA05

5G165LA07

5G165NA01

5G165NA07

5H006BB07

5H006CA07

5H006CB01

5H006CC08

5H006DC08

5H006FA03

(57)【要約】

【課題】小型で安定した電力の供給が可能な、焦電素子を備えた電源装置１および当該電源装置を用いた異常温度検出装置21を提供する。
【解決手段】焦電素子を備えた電源装置１が、第１の焦電素子２と、第１の焦電素子２が発電する電圧を整流する第１の整流回路４と、第１の整流回路４で整流された電圧を蓄電する蓄電用キャパシタ５と、温度に応じて電気的な導通および非導通を切り替えて、蓄電用キャパシタ５に蓄電された電圧の出力端６への供給を制御する熱スイッチ３と、を備える。焦電素子を備えた電源装置１を用いた異常温度検出装置21は、焦電素子を備えた電源装置１の出力端６に無線通信回路27が接続される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の焦電素子と、
前記第１の焦電素子が発電する電圧を整流する第１の整流回路と、
前記第１の整流回路で整流された電圧を蓄電する蓄電用キャパシタと、
温度に応じて電気的な導通および非導通を切り替えて、前記蓄電用キャパシタに蓄電された電圧の出力端への供給を制御する熱スイッチと、
を備える、焦電素子を備えた電源装置。

【請求項2】

前記熱スイッチがバイメタル式サーモスタットである、請求項１に記載の焦電素子を備えた電源装置。

【請求項3】

前記出力端に接続される第２の焦電素子と、
前記第２の焦電素子が発電する電圧を整流する第２の整流回路と、
を備え、
前記熱スイッチが、所定の温度以上になったときに電気的に導通して、前記蓄電用キャパシタに蓄電された電圧を前記出力端に供給するように構成される、請求項１または２に記載の焦電素子を備えた電源装置。

【請求項4】

前記第１の焦電素子のキュリー温度が、前記第２の焦電素子のキュリー温度よりも高い、請求項３に記載の焦電素子を備えた電源装置。

【請求項5】

請求項１または請求項２に記載の焦電素子を備えた電源装置の前記出力端に無線通信回路を接続する、異常温度検出装置。

【請求項6】

前記蓄電用キャパシタと前記熱スイッチとの間にツェナーダイオードを備えた、請求項５に記載の異常温度検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、温度変化に応じて発電する焦電素子を備えた小型の電源装置、および、当該電源装置を用いた小型の異常温度検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、交流電圧の発電素子として焦電効果を利用する焦電素子を用いた電源装置が提案されている（例えば特許文献１）。

【0003】

また、従来、温度センサを備え、当該温度センサが検出する温度が所定の閾値を超えた場合に報知する制御部を備えた、異常温度検出手段が知られている（例えば特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－６５０６８号公報

【特許文献2】特開２０２０－１０１０９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１では、受け入れた電力を負荷回路および二次電池に再配分する電力変換部を必要とし、電源装置全体としての小型化に課題がある。また特許文献１では、焦電素子がキュリー温度を超えると発電量が低下するという課題がある。

【0006】

特許文献２では、温度センサと制御部（例えばマイコンやＩＣ等）を備える必要があり、さらにこれらの電源の問題もあるため、小型化できない課題がある。

【0007】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小型で安定した電力の供給が可能な、焦電素子を備えた電源装置および当該電源装置を用いた異常温度検出装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明はかかる課題を解決するため、第１の焦電素子と、前記第１の焦電素子が発電する電圧を整流する第１の整流回路と、前記第１の整流回路で整流された電圧を蓄電する蓄電用キャパシタと、温度に応じて電気的な導通および非導通を切り替えて、前記蓄電用キャパシタに蓄電された電圧の出力端への供給を制御する熱スイッチと、を備える、焦電素子を備えた電源装置を提供する。

【0009】

前記焦電素子を備えた電源装置では、前記熱スイッチがバイメタル式サーモスタットとすることができる。

【0010】

前記焦電素子を備えた電源装置では、前記出力端に接続される第２の焦電素子と、前記第２の焦電素子が発電する電圧を整流する第２の整流回路と、を備え、前記熱スイッチが、所定の温度以上になったときに電気的に導通して、前記蓄電用キャパシタに蓄電された電圧を前記出力端に供給するように構成されることができる。

【0011】

この場合、前記第１の焦電素子のキュリー温度が、前記第２の焦電素子のキュリー温度よりも高い構成とすることができる。

【0012】

また、本発明は、前記焦電素子を備えた電源装置の前記出力端に無線通信回路を接続する、異常温度検出装置を提供する。

【0013】

前記異常温度検出装置では、前記蓄電用キャパシタと前記熱スイッチとの間にツェナーダイオードを備えることができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明の焦電素子を備えた電源装置によれば、電源装置の小型化を実現しながら安定した電力の供給が可能である。本発明の焦電素子を備えた電源装置を用いた異常温度検出装置によれば、簡単な構成で電源の課題を解決して、対象機器の異常な発熱を検出する検出装置の大幅な小型化を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の焦電素子を備えた電源装置の好適な一実施形態としての基本回路構成を示す図である。

【図2】本発明の焦電素子を備えた電源装置の全体構成の好適な一実施例としての第１実施例を示す図である。

【図3】本発明の第１実施例の焦電素子を備えた電源装置において、発電用の第２の焦電素子の温度変化の様子を示す図である。

【図4】本発明の第１実施例の焦電素子を備えた電源装置において、図３に示す発電用の第２の焦電素子の温度変化に対し、蓄電用キャパシタの電圧、および、第２の焦電素子の電圧の変化を示す図である。

【図5】本発明の第１実施例の第１の焦電素子を備えず、第２の焦電素子のみの電源装置において、第２の焦電素子の温度変化の様子を示す図である。

【図6】図５に示す第２の焦電素子の温度変化に対し、第２の焦電素子の電圧の変化を示す図である。

【図7】本発明の第１実施例の焦電素子を備えた電源装置において、図４の１５０秒後以降の第２の焦電素子の電圧の様子を拡大して示す図である。

【図8】図６の１５０秒後以降の第２の焦電素子の電圧の様子を拡大して示す図である。

【図9】本発明の焦電素子を備えた電源装置を用いた異常温度検出装置の全体構成の好適な一実施例としての第２実施例を示す図である。

【図10】本発明の第２実施例の異常温度検出装置において、第１の焦電素子の温度変化の様子を示す図である。

【図11】本発明の第２実施例の異常温度検出装置において、図１０に示す第１の焦電素子の温度変化に対し、蓄電用キャパシタの電圧、および、第１の焦電素子の電圧の変化を示す図である。

【図12】本発明の第２実施例の異常温度検出装置において、熱スイッチの温度が所定の温度に達して電気的に導通したとき（１０４０秒の時点）の蓄電用キャパシタの電圧の変化を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照して、本発明の焦電素子を備えた電源装置および当該電源装置を用いた異常温度検出装置の好ましい実施形態について説明する。

【0017】

図１は、本発明の焦電素子を備えた電源装置１の基本回路構成を示す図である。焦電素子を備えた電源装置１は、第１の焦電素子２と、第１の焦電素子２が発電する電圧を整流する第１の整流回路４と、第１の整流回路４で整流された電圧を蓄電する蓄電用キャパシタ５と、温度に応じて電気的な導通および非導通を切り替えて、蓄電用キャパシタ５に蓄電された電圧の出力端６への供給を制御する熱スイッチ３と、を備える。

【0018】

第１の焦電素子２は、任意の焦電素子を使用することができる。焦電素子は時間的な温度変化で発電するため、一定の温度変化をする熱源では交流的に電気が生じる。また、一定の温度変化をしない場合は非常に不規則に電気が生じる。このような発電特性は、それにより生じた電気を利用する場合においては問題である。本発明では、このような不規則で質の悪い電気エネルギーを直流として取り出すことができる。

【0019】

第１の整流回路４は、例えば図１に示すようなダイオードブリッジ等の全波整流回路とすることができる。しかしながら、整流作用を有するものであれば任意の整流回路を使用することができ、例えばダイオードを用いた半波整流回路としてもよい。

【0020】

蓄電用キャパシタ５は、第１の整流回路４で整流された電圧を蓄電する。熱スイッチ３が温度条件によって電気的に導通すると、蓄電用キャパシタ５に蓄電された電圧が出力端６に供給されるように構成される。

【0021】

熱スイッチ３は、バッテリ等の電源を必要とすることなく、熱スイッチ３の状態温度に応じて、出力端６への電力の供給のオン／オフの切り替え動作が可能である。熱スイッチ３は、例えば、熱スイッチ３が通常の温度のときに電気的に非導通の状態であり、熱スイッチ３が所定の温度以上になったときに電気的に導通の状態になる、例えば機械式のスイッチである。この場合、熱スイッチ３が所定の温度以上になったときに、蓄電用キャパシタ５に蓄電された電圧が出力端６に供給される。熱スイッチ３は、例えば、熱スイッチ３が通常の温度のときに電気的に導通の状態であり、熱スイッチ３が所定の温度以上になったときに電気的に非導通の状態になる、例えば機械式のスイッチであってもよい。熱スイッチ３は、例えばバイメタル式サーモスタットとすることができる。

【0022】

以上のように、本実施形態の焦電素子を備えた電源装置１は、第１の焦電素子２と、第１の焦電素子２が発電する電圧を整流する第１の整流回路４と、第１の整流回路４で整流された電圧を蓄電する蓄電用キャパシタ５と、温度に応じて電気的な導通および非導通を切り替えて、蓄電用キャパシタ５に蓄電された電圧の出力端６への供給を制御する熱スイッチ３と、を備える。

【0023】

この場合、出力端６に、所定の温度条件で電力を必要とする回路や装置を接続すれば、非常に簡単な構成の小型の電源装置として、当該回路や装置に電力を供給することができる。また、熱スイッチ３が電気的に導通または非導通したときの出力端６の電圧信号により、温度管理の対象とする機器が所定の温度以上になったことを検知することができる。

【実施例0024】

（第１実施例）焦電素子のデポーリングを防止した電源装置
図２は、本実施形態の焦電素子を備えた電源装置11の全体構成の好適な一実施例としての第１実施例を示す図である。前記焦電素子を備えた電源装置11は、出力端６に接続される第２の焦電素子13と、第２の焦電素子13が発電する電圧を整流する第２の整流回路15と、を備える。

【0025】

図２において、符号12は図１の第１の焦電素子２に、符号14は図１の第１の整流回路４に、符号16は図１の蓄電用キャパシタ５に、符号17は図１の熱スイッチ３に、それぞれ対応する。本実施例の熱スイッチ17は、熱スイッチ17が通常の温度のときに電気的に非導通の状態であり、熱スイッチ17が所定の温度以上になったときに電気的に導通の状態になる。

【0026】

第２の焦電素子13は、第１の焦電素子12と同様に、任意の焦電素子を使用することができる。第２の焦電素子13は、第１の焦電素子12と同じ仕様のものであってもよいし、別の仕様のものであってもよい。例えば各焦電素子12，13のキュリー温度については、特に限定されないが、例えば、第１の焦電素子12のキュリー温度が、第２の焦電素子13のキュリー温度よりも高い場合、第２の焦電素子13のキュリー温度を超えてしまったときでも第１の焦電素子12のキュリー温度以下の温度域であれば、発電機能を損ねることがないため、電源装置と電力を供給される回路や装置とを含むシステム全体としての堅牢性を向上することができる。ただし、第１の焦電素子12のキュリー温度を超えてしまった場合や、第１の焦電素子12のキュリー温度が第２の焦電素子13のキュリー温度よりも低い場合であっても、所定の温度以上になって熱スイッチ17が電気的に導通したときに第２の焦電素子13に電場を印加するのに十分な電圧を蓄電用キャパシタ16に蓄電できる構成であれば、安定した電力を供給する電源装置としての機能を維持することができる。

【0027】

本実施例の焦電素子を備えた電源装置11は任意の回路や装置への電力供給が可能である。図２では、焦電素子を備えた電源装置11に抵抗器18が接続されており、焦電素子を備えた電源装置11から供給された電力が抵抗器18で消費される。焦電素子を備えた電源装置11にキャパシタやバッテリへの蓄電回路等を取り付ければ、これらのキャパシタやバッテリに発電電力を貯めることができる。

【0028】

本実施例の焦電素子を備えた電源装置11は、排熱回生技術として研究開発されている焦電素子を用いた焦電発電器において、焦電素子がキュリー温度を超えると発電量が低下するという課題を、非常に簡単な構成で解決するものである。キュリー温度を超えると焦電素子が発電しなくなる場合、常に上限温度が決まった熱源しか用いることができず、素子の信頼性が低いシステムとなってしまう。これに対して、適切な電場を焦電素子に印加することで、発電量の低下を防止する手法がある。しかしながら、従来は、キュリー温度以上に温度が晒されたときでも焦電素子の発電特性を損ねないようにするための電場を印加するための外部電源を追加することは、焦電発電器の小型化の妨げになっていた。

【0029】

本実施例の焦電素子を備えた電源装置11は、２つの焦電素子（発電素子）12，13を組み合わせることによって、一方の発電素子が貯めた電力をもう一方の発電素子に印加する小型な電場印可型焦電発電器である。これにより、外部電源が無くても、キュリー温度以上に素子が晒されたときでも発電し続ける事ができるようになる。

【0030】

さらに、第２の焦電素子13は極めて単純な構造で小さいものであるため、例えば定電圧直流電源等の外部からの電源を用いることなく、電源装置の構成全体を小型化できるメリットがある。

【0031】

焦電素子を備えた電源装置11の具体的な動作を説明すると、電場印可用の電圧を供給する第１の焦電素子12が発電した電力が第１の整流回路14によって整流されて電場印可用キャパシタ16に貯まる。熱スイッチ17は発電用焦電素子である第２の焦電素子13に貼り付けてある。第２の焦電素子13がキュリー温度に達すると熱スイッチ17が電気的に導通し、電場印可用キャパシタ16から第２の焦電素子13に電場が印可され、第２の焦電素子13の発電量の低下を抑制する。

【0032】

図３は、本実施例の焦電素子を備えた電源装置11において、発電用の第２の焦電素子13の温度変化の様子を示す図である。図４は、図３に示す発電用の第２の焦電素子13の温度変化に対し、蓄電用キャパシタ（電場印加用キャパシタ）16の電圧、および、第２の焦電素子13の電圧の変化を示す図である。第２の焦電素子13が高温になると電場印加用キャパシタ16から第２の焦電素子13に対して電場印可がされている。電場印可した電力はすぐさま抵抗器18で消費されているが、電場印可したことで、第２の焦電素子13が高温になる前後で電圧の振幅の変化がほとんどなく、第２の焦電素子13の発電性能が低下していないことが分かる。

【0033】

図５は、本実施例の第１の焦電素子12を備えず、第２の焦電素子13のみの電源装置において、第２の焦電素子13の温度変化の様子を示す図である。図６は、図５に示す第２の焦電素子13の温度変化に対し、第２の焦電素子13の電圧の変化を示す図である。第２の焦電素子13が高温になった後に電圧の振幅が小さくなり、第２の焦電素子13の発電性能が低下していることがわかる。

【0034】

本実施例の焦電素子を備えた電源装置11の発電性能の維持の効果は、図４の１５０秒後の第２の焦電素子13の電圧の様子を拡大して示す図７、および、図６の１５０秒後の第２の焦電素子13の電圧の様子を拡大して示す図８から、より明らかである。

【0035】

以上のように、本実施例の焦電素子を備えた電源装置11は、第１の焦電素子12と、第１の焦電素子12が発電する電圧を整流する第１の整流回路14と、第１の整流回路14で整流された電圧を蓄電する蓄電用キャパシタ16と、所定の温度以上になったときに電気的に導通して、蓄電用キャパシタ16に蓄電された電圧を出力端６に供給する熱スイッチ17と、出力端６に接続される第２の焦電素子13と、第２の焦電素子13が発電する電圧を整流する第２の整流回路15と、を備える。

【0036】

この場合、電源装置の小型化を実現しながら安定した電力の供給が可能である。

【0037】

また、本実施例の焦電素子を備えた電源装置11は、第１の焦電素子12のキュリー温度が、第２の焦電素子13のキュリー温度よりも高い構成とすることができる。

【0038】

この場合、第２の焦電素子13のキュリー温度を超えてしまったときでも第１の焦電素子12のキュリー温度以下の温度域であれば、発電機能を損ねることがないため、電源装置と電力を供給される回路や装置とを含むシステム全体としての堅牢性を向上することができる。

【実施例0039】

（第２実施例）異常温度検出装置
図９は、本実施形態の焦電素子を備えた電源装置１を用いた異常温度検出装置21の全体構成の好適な一実施例としての第２実施例を示す図である。

【0040】

図９において、符号22は図１の第１の焦電素子２に、符号23は図１の熱スイッチ３に、符号25は図１の第１の整流回路４に、符号26は図１の蓄電用キャパシタ５に、それぞれ対応する。本実施例の熱スイッチ23は、好ましくは、熱スイッチ23が通常の温度のときに電気的に非導通の状態であり、熱スイッチ23が所定の温度以上になったときに電気的に導通の状態になる。

【0041】

図９では、焦電素子を備えた電源装置１の出力端６に無線通信回路27を接続し、焦電素子を備えた電源装置１を用いた異常温度検出装置21を構成している。図９の異常温度検出装置21は、蓄電用キャパシタ25と熱スイッチ23との間に、無線通信回路27への過大な電圧の印加を防止するためのツェナーダイオード26を備える。ツェナーダイオード26により、第１の焦電素子22で発電される高い電圧で無線通信回路27を破壊しないための保護回路を構成する。

【0042】

焦電素子は、他の発電素子と比較して出力の電圧が高いという利点がある。高い電圧であるという利点を用いて、第１の整流回路24と蓄電用キャパシタ25を組み合わせることで、無線通信回路27を動かすために適した電圧で蓄電する。

【0043】

いわゆるＩｏＴという言葉のもと、様々なセンサを様々な装置に取り付け、センサから得られたデータをスマートフォン等に送り、そのビックデータを解析することで機器の故障の未然予測等を取り組む研究が進んでいる。ここで、非常に問題になるのが電源である。センサを動作させるにも、センサと外部との間で通信するにも電力が必要であるが、この電力の供給源である電源をボタン電池にすると交換が面倒であるし、１００Ｖのコンセント等からの給電になると配線が複雑になるといった課題がある。

【0044】

これに対し、本実施例では、様々な装置の排熱を生かすことで、排熱から発電をし、これで無線通信をすることができるシステムを実現できる。特に、本実施例では、マイコンやＩＣ等の高度な素子を必要とせず、バッテリや外部電源も不要であることから、非常に小型の異常温度検出装置とすることができる。

【0045】

本実施例では、第１の焦電素子22と熱スイッチ23（サーモスタット）を組み合わせることで、巧みに無線通信を可能としている。すなわち、本実施例では、熱スイッチ23はある温度を超えるとスイッチが入る仕組みであるため、これを利用することで機器の異常な発熱を検知する。具体的な動作としては、対象装置が異常発熱した際に、熱スイッチ23によって、蓄電用キャパシタ25に貯まっている電力を無線通信回路27に供給する。

【0046】

図１０は、本実施例の異常温度検出装置21において、第１の焦電素子22の温度変化の様子を示す図である。図１１は、図１０に示す第１の焦電素子22の温度変化に対し、蓄電用キャパシタ25の電圧、および、第１の焦電素子22の電圧の変化を示す図である。第１の焦電素子22の電圧は温度変化に合わせて交流である。一方、第１の整流回路24を通した後の蓄電用キャパシタ25の電圧は直流になり、第１の焦電素子22が発電した電力が少しずつ貯まっているのが分かる。これらの第１の焦電素子22および蓄電用キャパシタ25の電圧はツェナーダイオード26の効果で無線通信回路27を動かすために必要な電圧に達すると一定になる。

【0047】

図１２は、本実施例の異常温度検出装置21において、熱スイッチ23の温度が所定の温度に達して電気的に導通したとき（１０４０秒の時点）の蓄電用キャパシタ25の電圧の変化を示す図である。１０４０秒の時点で、熱スイッチ23の温度が所定の温度に達して電気的に導通し、蓄電用キャパシタ25に蓄電された電圧が無線通信回路27に供給され、無線通信回路27がオン状態になって通信が行われたことが分かる。

【0048】

以上のように、本実施例の焦電素子を備えた電源装置１を用いた異常温度検出装置21は、第１の焦電素子22と、第１の焦電素子12が発電する電圧を整流する第１の整流回路24と、第１の整流回路24で整流された電圧を蓄電する蓄電用キャパシタ25と、温度に応じて電気的な導通および非導通を切り替えて、蓄電用キャパシタ25に蓄電された電圧の出力端６への供給を制御する熱スイッチ23と、焦電素子を備えた電源装置１の出力端６に接続された無線通信回路27と、を備え、好ましくは、熱スイッチ23が、所定の温度以上になったときに電気的に導通して、蓄電用キャパシタ25に蓄電された電圧を出力端６に供給する。

【0049】

この場合、様々な装置の排熱を生かすことで、排熱から発電をし、これで無線通信をすることができるシステムを実現できる。特に、マイコンやＩＣ等の高度な素子を必要とせず、バッテリや外部電源も不要であることから、非常に小型の異常温度検出装置とすることができる。

【0050】

また、本実施例の焦電素子を備えた電源装置１を用いた異常温度検出装置21は、蓄電用キャパシタ25と熱スイッチ23との間に、無線通信回路27への過大な電圧の印加を防止するためのツェナーダイオード26を備えることができる。

【0051】

この場合、ツェナーダイオード26により、第１の焦電素子22で発電される高い電圧で無線通信回路27を破壊しないための保護回路を構成することができる。

【0052】

以上、本発明を実施形態および実施例に基づいて説明したが、本発明は種々の変形実施をすることができる。例えば、第２実施例の異常温度検出装置21では、焦電素子を備えた電源装置１の出力端６に無線通信回路27を接続する構成としたが、無線通信回路27以外の回路や装置を接続してもよい。例えば、出力端６から有線で電圧信号を受信して異常温度を検知する構成としてもよい。また、熱スイッチ23が所定の温度以上になったときに電気的に非導通となり、異常温度を検出するように構成してもよい。