JP7083999B2 - 環境発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、環境発電装置に関する。

環境に存在する微弱なエネルギーを収穫して電気エネルギーに変換する、いわゆるエナジーハーベスティングを行う環境発電装置として、太陽光発電、熱発電や、ＭＥＭＳ（Microelectromechanical 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。（特許文献１参照）。

特開２０１８－７４８１７号公報

環境に存在するエネルギーは微弱であるため、環境のエネルギーを低損失で電気エネルギーに変換する振動発電装置が求められている。

本発明の第１の態様による環境発電装置は、環境の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と、前記エネルギー変換素子と同じ環境に配置される環境センサと、前記エネルギー変換素子が変換した電力が入力され、電力を外部に出力する電源回路と、を備え、前記電源回路は、前記環境センサの出力に応じて動作条件を変更し、前記エネルギー変換素子は、交流電力を発生する素子であり、前記電源回路は、前記エネルギー変換素子が変換した交流電力を整流する整流回路を有し、前記整流回路は、前記環境センサの出力に応じて回路の接続条件を変更するスイッチング素子を有し、前記環境センサは、前記エネルギー変換素子が変換する前記交流電力と等しい周波数の交流信号を出力し、前記電源回路は、前記環境センサが出力する前記交流信号を所定の範囲の電圧に制限する電圧制限回路を有する。

本発明によれば、環境に存在する微弱な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。

第１実施形態の環境発電装置１の概略構成を示す図。 環境発電装置１が備える振動発電部１０の概略を示す図。 第２実施形態の環境発電装置１ａの概略構成を示す図。 ダイナミックコンパレータの回路図の一例を示す図。 記憶回路の論理図の一例を示す図。 第３実施形態の環境発電装置１ｂの概略構成を示す図。 電流電圧変換回路７０内の各部の電圧と電流との関係（ＩＶ特性）を示す図。

（第１実施形態の環境発電装置）
以下、図１および図２を参照して第１実施形態の環境発電装置１について説明する。
図１は、第１実施形態の環境発電装置１の概略構成を示す図である。環境発電装置１は、環境振動により交流電力を発電する振動発電部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８０とを備える。
電源回路８０は、後述する電圧制限回路４０と、整流回路５０と、電圧変換回路６０と、第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２とを有している。

振動発電部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。
振動発電部１０は、固定電極である第１電極１１と可動電極である第２電極１２とを含んでいる。第１電極１１と第２電極１２とは、環境中の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の一例である振動発電素子を構成する。本明細書では、第１電極１１と第２電極１２とを総称して、エネルギー変換素子３１とも呼ぶ。
第１電極１１は一例として６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５本の櫛歯部分１６を有する櫛歯電極である。ただし、両電極を構成する櫛歯電極の数は、上記の本数に限定されるものではない。

振動発電部１０は、さらに第１電極１１と第２電極１２の対からＹ方向にずれた位置に、対になって配列される固定電極である第３電極２１と可動電極である第４電極２２とを有している。第３電極２１と第４電極２２とは、環境センサの一例である振動発電素子を構成する。本明細書では、第３電極２１と第４電極２２とを総称して、環境センサ３２とも呼ぶ。
第３電極２１は一例として２本の櫛歯部分２３を有し、第４電極２２は一例として１本の櫛歯部分２４を有する櫛歯電極である。第３電極２１および第４電極２２を構成する櫛歯電極の数は上記の本数に限定されるものではないが、上述の第１電極１１および第２電極１２を構成する櫛歯電極の数よりは少ない本数である。

第１電極１１には出力線Ｗ１が、第２電極１２には出力線Ｗ２が、第３電極２１には出力線Ｗ３が、第４電極２２には出力線Ｗ４が、それぞれ接続されている。出力線Ｗ１～Ｗ４は、例えば金等の電気抵抗が小さく、延性に富む金属等で形成されている。
本明細書は、「接続されている」とは、２つの物体が、直接、または金属等の低抵抗の材質を介して、電気的に導通状態とされていることを言う。

上述の第１から第４の各電極１１、１２、２１、２２の櫛歯部分１５、１６、２３、２４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の電極に対向している。第１から第４の各電極１１、１２、２１、２２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１電極１１の櫛歯部分１５のうち、第２電極１２の櫛歯部分１６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、正または負の電荷を有するエレクトレットが形成されている。第３電極２１の櫛歯部分２３のうち第４電極２２の櫛歯部分２４と対向する面の表面の領域２５にも、同様に正または負の電荷を有するエレクトレットが形成されている。

エレクトレット化により第１電極１１の櫛歯部分１５および第３電極２１の櫛歯部分２３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２電極１２の櫛歯部分１６には、エレクトレット化された電極とは逆特性の、すなわち負または正の誘導電荷が誘起される。同様に、エレクトレット化された電極と対向する第４電極２２の櫛歯部分２４にも、負または正の誘導電荷が誘起される。

第１電極１１および第３電極２１は絶縁性の支持枠１３により一体的かつ固定的に保持されている。
一方、第２電極１２および第３電極２２は、保持部１４（電極保持部１４ａ、連結部１４ｂ、固定部１４ｃ）により一体的に保持され、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２電極１２および第４電極２２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。

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２電極１２は、支持枠１３に固定されている第１電極１１に対してＸ方向に振動する構成となっている。同様に、電極保持部１４ａに保持された第４電極２２は、支持枠１３に固定されている第３電極２１に対してＸ方向に振動する構成となっている。

振動発電部１０がＸ方向に振動すると、第１電極１１と第２電極１２とのＸ方向への相対移動に伴い、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、この面積の増減により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。これにより、振動発電素子であるエネルギー変換素子３１（第１電極１１と第２電極１２）により、振動エネルギーが電気エネルギーに変換（発電）される。

振動発電部１０がＸ方向に振動すると、環境センサ３２である第３電極２１と第４電極２２も、Ｘ方向への相対移動するため、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流と同符号の電流が発生する。
環境センサ３２は、上述のエネルギー変換素子３１（第１電極１１と第２電極１２）と同じ環境に配置されているため、環境センサ３２は、エネルギー変換素子３１が発電する電力の状態を正確に反映した電流、すなわち電気信号を生成し、出力する。
ただし、環境センサ３２に含まれる櫛歯部分２３、２４の数は、エネルギー変換素子３１に含まれる櫛歯部分１５、１６の数よりも少ない。従って、環境センサ３２が変換する電力は、エネルギー変換素子３１が変換する電力に比べ、概ね櫛歯部分の数の比に応じて小さな電力となる。

以下、図１を参照して説明を続ける。
振動発電部１０のうちのエネルギー変換素子３１を構成する第１電極１１に接続されている出力線Ｗ１の他端は、電源回路８０に含まれる整流回路５０の第１入力部Ｐ５に接続されている。一方、第２電極１２に接続されている出力線Ｗ２の他端は、整流回路５０の第２入力部Ｐ６に接続されている。

振動発電素子であるエネルギー変換素子３１は交流の電力を発電するので、この電力を効率良く利用するためには、交流を直流に変換することが望ましい。
整流回路５０は、一例としてｎＭＯＳＦＥＴからなる４個のスイッチング素子Ｍ１～Ｍ４を含んでいる。スイッチング素子Ｍ１～Ｍ４のうち、符号Ｓを付した電極はソースを、符号Ｇを付した電極はゲートを、符号Ｄを付した電極はドレインを、それぞれ示している。

整流回路５０の第１制御入力部Ｐａに正の電圧が入力されると、スイッチング素子Ｍ１のゲートＧに正の電圧が印加されて第１入力部Ｐ５は第１出力部Ｐ７と導通し、スイッチング素子Ｍ２のゲートＧに正の電圧が印加されて第２入力部Ｐ６は第２出力部Ｐ８と導通する。
一方、第１制御入力部Ｐａに負の電圧が入力されると、スイッチング素子Ｍ１のゲートＧに負の電圧が印加されて第１入力部Ｐ５は第１出力部Ｐ７と遮断され、スイッチング素子Ｍ２のゲートＧに負の電圧が印加されて第２入力部Ｐ６は第２出力部Ｐ８と遮断される。

整流回路５０の第２制御入力部Ｐｂに正の電圧が入力されると、スイッチング素子Ｍ３のゲートＧに正の電圧が印加されて第１入力部Ｐ５は第２出力部Ｐ８と導通し、スイッチング素子Ｍ４のゲートＧに正の電圧が印加されて第２入力部Ｐ６は第１出力部Ｐ７と導通する。
一方、第２制御入力部Ｐｂに負の電圧が入力されると、スイッチング素子Ｍ３のゲートＧに負の電圧が印加されて第１入力部Ｐ５は第２出力部Ｐ８と遮断され、スイッチング素子Ｍ４のゲートＧに負の電圧が印加されて第１入力部Ｐ５は第１出力部Ｐ７と遮断される。

従って、第１入力部Ｐ５が正電圧で第２入力部Ｐ６が負電圧の場合には、第１制御入力部Ｐａに正電圧、第２制御入力部Ｐｂに負電圧を印加することで、第１出力部Ｐ７の電圧を第２出力部Ｐ８より高くすることができる。一方、第１入力部Ｐ５が負電圧で第２入力部Ｐ６が正電圧の場合には、第１制御入力部Ｐａに負電圧、第２制御入力部Ｐｂに正電圧を印加することで、同様に第１出力部Ｐ７の電圧を第２出力部Ｐ８より高くすることができる。すなわち、第１制御入力部Ｐａに負電圧、第２制御入力部Ｐｂに上記の電圧を印加することで、第１出力部Ｐ７と第２出力部Ｐ８に、整流された電力を出力させることができる。

従来の環境発電装置では、整流回路としては、４つのダイオードにより構成されるブリッジ回路や、整流回路５０と同様のＭＯＳＦＥＴを用いた同期整流回路が使用されていた。
しかし、ダイオードにより構成された整流回路では、エネルギー変換素子が変換した電力の一部は、ダイオードにより消費されてしまう。

一方、従来のＭＯＳＦＥＴを用いた同期整流回路では、ＭＯＳＦＥＴを同期制御するための制御用の電圧信号を、エネルギー変換素子が発電した交流電力を用いて生成していた。このため、従来においては、エネルギー変換素子が発電した交流電力の一部は、制御用の電圧信号の生成のために消費されていた。
従って、従来の環境発電装置では、振動発電部が収穫した振動エネルギーを、効率良く電気エネルギーに変換して出力することができなかった。

一方、第１実施形態の環境発電装置１に含まれる整流回路５０では、エネルギー変換素子３１とは別の環境センサ―３２が生成および出力し、電圧制限回路４０により電圧値が制限された電気信号が、スイッチング素子Ｍ１～Ｍ４を制御するための制御信号として使用される。
これにより、第１実施形態の環境発電装置１は、振動発電部１０が収穫した振動のエネルギーを、効率良く電気エネルギーに変換することができる。

以下、第１実施形態の環境発電装置１において、環境センサ３２および電圧制限回路４０が、振動発電部１０が収穫した振動のエネルギーの損失を低減しつつ、スイッチング素子Ｍ１～Ｍ４への制御信号を生成できる理由を説明する。
振動発電部１０のうちの環境センサ３２を構成する第３電極２１に接続されている出力線Ｗ３の他端は、電源回路８０に含まれる電圧制限回路４０の第１入力部Ｐ１に接続されている。そして、電圧制限回路４０の第１入力部Ｐ１は、整流回路５０の第１制御入力部Ｐａと接続されている。

一方、環境センサ３２を構成する第４電極２２に接続されている出力線Ｗ４の他端は、電圧制限回路４０の第２入力部Ｐ２に接続されている。そして、電圧制限回路４０の第２入力部Ｐ２は、整流回路５０の第２制御入力部Ｐｂと接続されている。

図１に示したとおり、電圧制限回路４０は、それぞれＭＯＳＦＥＴからなる複数の制御素子Ｔ１～Ｔ８により構成されたブリッジ回路を含んでいる。一例として８個の制御素子Ｔ１～Ｔ８は、いずれもノーマリーオフ型のｎＭＯＳＦＥＴであり、符号Ｓを付した電極がソースを、符号Ｇを付した電極がゲートを、符号Ｄを付した電極がドレインを、それぞれ示している。

８個の制御素子Ｔ１～Ｔ８が構成するブリッジ回路の中間部Ｐ３と中間部Ｐ４は短絡され、グランドに接続されている。
第１入力部Ｐ１には制御素子Ｔ１のソースＳおよびゲートＧが接続され、制御素子Ｔ１のドレインＤは制御素子Ｔ２のソースＳおよびゲートＧに接続され、制御素子Ｔ２のドレインＤは中間部Ｐ４に接続されている。
中間部Ｐ４には制御素子Ｔ６のドレインＤも接続され、制御素子Ｔ６のソースＳおよびゲートＧは制御素子Ｔ５のドレインＤに接続され、制御素子Ｔ５のソースＳおよびゲートＧは第２入力部Ｐ２に接続されている。

第１入力部Ｐ１には制御素子Ｔ３のドレインＤも接続され、制御素子Ｔ３のソースＳおよびゲートＧは制御素子Ｔ４のドレインＤに接続され、制御素子Ｔ４のソースＳおよびゲートＧは中間部Ｐ３に接続されている。
中間部Ｐ３には制御素子Ｔ８のソースＳおよびゲートＧも接続され、制御素子Ｔ８のドレインＤは制御素子Ｔ７のソースＳおよびゲートＧに接続され、制御素子Ｔ７のドレインＤは第２入力部Ｐ２に接続されている。

電圧制限回路４０の上述の構成により、第１入力部Ｐ１に正電圧が入力された場合、制御素子Ｔ１および制御素子Ｔ２が導通し、第１入力部Ｐ１の電圧の上限が、制御素子Ｔ１のしきい値電圧と制御素子Ｔ２のしきい値電圧の和に制限される。一方、第１入力部Ｐ１に負電圧が入力された場合、制御素子Ｔ３および制御素子Ｔ４が導通し、第１入力部Ｐ１の電圧の下限（負の上限）が、制御素子Ｔ３のしきい値電圧と制御素子Ｔ４のしきい値電圧の和に制限される。

第２入力部Ｐ２に正電圧が入力された場合にも、制御素子Ｔ５および制御素子Ｔ６が導通し、第２入力部Ｐ２の電圧の上限が、制御素子Ｔ５のしきい値電圧と制御素子Ｔ６のしきい値電圧の和に制限される。そして、第２入力部Ｐ２に負電圧が入力された場合、制御素子Ｔ７および制御素子Ｔ８が導通し、第２入力部Ｐ２の電圧の下限（負の上限）が、制御素子Ｔ７のしきい値電圧と制御素子Ｔ８のしきい値電圧の和に制限される。

従って、環境センサ３２からの出力の電圧の上限値および下限値は、電圧制限回路４０により、制御素子Ｔ１～Ｔ８のしきい値電圧で決まる所定の電圧に制限される。そして、環境センサ３２からの出力が上記の所定の電圧を超えている場合には、第１入力部Ｐ１と第２入力部Ｐ２の間は、制御素子Ｔ１～Ｔ８のいずれか複数により導通状態となるため、極めて小さな電気抵抗で結ばれる。

この結果、環境センサ３２により消費される振動のエネルギーは、エネルギー変換素子３１により電気エネルギーに変換される振動のエネルギーに比べて十分に小さくなる。従って、環境センサ３２の振動エネルギーが全て消費されても、エネルギー変換素子３１の効率には影響しない。

これにより、環境センサ３２およびエネルギー変換素子３１を含む振動発電部１０が収穫した振動のエネルギーは、効率良くＣ１に充電される。従って、環境に存在する微弱な振動エネルギーを、エネルギー変換素子３１により効率良く電気エネルギーに変換することができる。

なお、電圧制限回路４０の第１入力部Ｐ１と中間部Ｐ３または中間部Ｐ４、および第２入力部Ｐ２と中間部Ｐ３または中間部Ｐ４の各間に配置される制御素子Ｔ１～Ｔ８（ＭＯＳＦＥＴ）の数は、上述の２個限られるわけではない。電圧制限回路４０が制限すべき電圧の上限値および下限値の値に応じた、任意の数の制御素子Ｔ１～Ｔ８を配置して良い。

整流回路５０の整流作用により、整流回路５０からは、第１出力部Ｐ７の電圧が第２出力部Ｐ８に対して正である電力が出力される。整流回路５０の第１出力部Ｐ７は電圧変換回路６０の第１入力部Ｖｉｎ１に接続され、整流回路５０の第２出力部Ｐ８は電圧変換回路６０の第２入力部Ｖｉｎ２に接続される。また、整流回路５０の第１出力部Ｐ７と第２出力部Ｐ８には、第１コンデンサＣ１の両端がそれぞれ接続される。

電圧変換回路６０は、一例としてチョッパ等を使用するＤＣ／ＤＣコンバータであり、第１入力部Ｖｉｎ１と第２入力部Ｖｉｎ２の間に入力される電圧を、所定の電圧に変換して、出力部Ｖｏｕｔから出力する。出力部Ｖｏｕｔとグランド部ＧＮＤには、第２コンデンサＣ２の両端がそれぞれ接続される。

整流回路５０中の各スイッチング素子Ｍ１～Ｍ４のゲートＧには、整流すべきエネルギー変換素子３１からの電力と同一の振動条件で環境センサ３２により出力され、エネルギー変換素子３１からの電力と同一位相を持つリアルタイム出力が供給されている。
従って、整流回路５０を含む電源回路８０は、エネルギー変換素子３１からの電力を効率良く、外部に出力することができる。

なお、電圧変換回路６０は、整流回路５０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に適した電圧が整流回路５０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８０が電圧変換回路６０を備えている必要はない。また、外部負荷ＲＯが第２コンデンサＣ２に相当するコンデンサを有している場合には、電源回路８０が第２コンデンサＣ２を備えている必要はない。

以上の第１実施形態の環境発電装置１は電圧制限回路４０を有するものとしたが、電圧制限回路４０を省略しても良い。この場合には、振動発電部１０のうちの環境センサ３２を構成する第３電極２１に接続されている出力線Ｗ３の他端を整流回路５０の第１制御入力部Ｐａに接続し、第４電極２４に接続されている出力線Ｗ４の他端を整流回路５０の第２制御入力部Ｐｂに接続する。

電圧制限回路４０を省略することにより、環境センサ３２に接続される回路の抵抗値が増加する。しかし、この場合にも環境センサ３２により消費される振動のエネルギーは発電量全体から見れば十分小さいので、有意なエネルギーの損失は生じない。

上述の第１実施形態の環境発電装置１は、環境の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３１と、エネルギー変換素子３１と同じ環境に配置される環境センサ３２とを備えている。さらに、エネルギー変換素子３１が変換した電力が入力され、電力を外部に出力する電源回路８０を備え、電源回路８０に含まれる整流回路５０は、環境センサ３２の出力に応じて動作条件の一例としての整流条件を変更する。

（第２実施形態の環境発電装置）
以下、図３から図５を参照して第２実施形態の環境発電装置１ａについて説明する。第２実施形態の環境発電装置１ａは、その構成の大部分が上述の第１実施形態の環境発電装置１と同様であるので、同一の構成には同一の符号を付して、適宜説明を省略する。
図３は、第２実施形態の環境発電装置１ａの概略構成を示す図である。第２実施形態の環境発電装置１ａは、電源回路８０ａを構成する電圧制限回路４０ａの構成が、上述の第１実施形態の環境発電装置１とは異なっている。

電圧制限回路４０ａは、供給されるクロック信号ＣＬＫに同期して動作するダイナミックコンパレータ４１と、ダイナミックコンパレータ４１の出力を記憶する記憶回路４２とを含む構成となっている。そして、ダイナミックコンパレータ４１の入力側に、アノードおよびカソードが相互に逆向きで並列に配置された２つの整流素子Ｄａ、Ｄｂを有している。

振動発電部１０のうちの環境センサ３２を構成する第３電極２１に接続されている出力線Ｗ３の他端は、電圧制限回路４０ａの第１入力部Ｐ１１に接続されている。一方、第４電極２２に接続されている出力線Ｗ４の他端は、電圧制限回路４０ａの第２入力部Ｐ１２に接続されている。
第１入力部Ｐ１１には、ダイオード等の整流素子Ｄａのカソードおよび整流素子Ｄｂのアノードが接続されている。第２入力部Ｐ１２には、整流素子Ｄａのアノードおよび整流素子Ｄｂのカソードが接続されている。

第１入力部Ｐ１１には、さらにダイナミックコンパレータ４１の第１入力部Ｖｉａが接続され、第２入力部Ｐ１２には、さらにダイナミックコンパレータ４１の第２入力部Ｖｉｂが接続されている。
ダイナミックコンパレータ４１からの２つの出力ＶｍａおよびＶｍｂは、記憶回路４２に接続されている。そして、記憶回路４２からの２つの出力ＶｏａおよびＶｏｂは、それぞれ整流回路５０の第１制御入力部Ｐａおよび第２制御入力部Ｐｂに接続されている。

図４は、ダイナミックコンパレータ４１の回路図の一例を示す図である。ダイナミックコンパレータ４１は、ｎＭＯＳＦＥＴである素子Ｔｅ、Ｔｆ、Ｔｇ、Ｔｋ、Ｔｌと、ｐＭＯＳＦＥＴである素子Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄ、Ｔｈ、Ｔｉ、Ｔｊとを含む回路である。外部から電源電圧ＶＳとクロック信号ＣＬＫとが供給される。クロック信号ＣＬＫは、その一部が、インバータ（ＮＯＴ）回路Ｎｃを介して、素子Ｔｈおよび素子Ｔｋのゲートに入力される。
なお、ダイナミックコンパレータの構成の詳細については、例えば、特開２０１７－４６０４６号公報等に開示されているので、ここでは詳細な説明は省略する。

ダイナミックコンパレータ４１は、外部から供給されるクロック信号ＣＬＫが正電圧の時に限り、第１入力部Ｖｉａと第２入力部Ｖｉｂとにそれぞれ入力される信号の電圧の高低を比較し、比較結果を出力Ｖｍａおよび出力Ｖｍｂに出力する。なお、出力Ｖｍａおよび出力Ｖｍｂの前段には、それぞれインバータ回路Ｎａ、Ｎｂが接続されている。
一例として、第１入力部Ｖｉａの電圧が第２入力部Ｖｉｂの電圧よりも正側であれば、出力Ｖｍａには正電圧を出力し、出力Ｖｍｂにはグランド電位を出力する。反対に、第１入力部Ｖｉａの電圧が第２入力部Ｖｉｂの電圧よりも負側であれば、出力Ｖｍａにはグランド電位を出力し。出力Ｖｍｂには正電圧を出力する。
ダイナミックコンパレータ４１の出力Ｖｍａおよび出力Ｖｍｂは、クロック信号ＣＬＫが正電圧の時にしか出力されない。そこで、この出力を記憶回路４２により記憶させる。

図５は、記憶回路４２の論理図の一例を示す図である。記憶回路４２は、一例として、いわゆるＮＯＲ型のフリップフロップ回路であり、入力Ｖｍａと入力Ｖｍｂが、正電圧と０電圧であるか、あるいは０電圧と正電圧であるかを記憶し、保持する。
上述のとおり、記憶回路４２からの２つの出力ＶｏａおよびＶｏｂは、それぞれ整流回路５０の第１制御入力部Ｐａおよび第２制御入力部Ｐｂに入力される。
従って、第２実施形態の環境発電装置１ａにおいては、整流回路５０は、ダイナミックコンパレータ４１の出力に基づいて、エネルギー変換素子３１が発電した交流電力を整流する。

ダイナミックコンパレータ４１の動作に必要な電源電圧ＶＳは、例えば、第２コンデンサＣ２に充電されている電力の一部から供給することができる。また、クロック信号ＣＬＫを発生させるクロック発生回路も、第２コンデンサＣ２に充電されている電力の一部により駆動することができる。
クロック信号ＣＬＫの周期は、一例として、エネルギー変換素子３１が発電する交流電力の周波数の、すなわち第２電極１２が振動する周波数の、５～１０倍程度以上の周波数である。

ダイナミックコンパレータ４１は、外部から供給されるクロック信号ＣＬＫが正電圧の場合に限り動作する。従って、デューティ（Ｏｎ／Ｏｆｆ比）の小さなクロック信号ＣＬＫを用いることで、ダイナミックコンパレータ４１の動作に必要な電力を極小化することができる。これにより、環境センサ３２およびエネルギー変換素子３１を含む振動発電部１０が収穫した振動のエネルギーを、効率良くエネルギー変換素子３１による発電に使用することができる。

なお、ダイナミックコンパレータ４１の入力側に配置している整流素子Ｄａ，Ｄｂは、ダイナミックコンパレータ４１の第１入力部Ｖｉａおよび第２入力部Ｖｉｂへの入力電圧を制限するためのものであるが、入力電圧の制限が不要であれば省略しても良い。

（第３実施形態の環境発電装置）
以下、図６を参照して第３実施形態の環境発電装置１ｂについて説明する。第３実施形態の環境発電装置１ａは、その構成の大部分が上述の第１実施形態の環境発電装置１または第２実施形態の環境発電装置１ａと同様であるので、同一の構成には同一の符号を付して、適宜説明を省略する。

図６は、第３実施形態の環境発電装置１ｂの概略構成を示す図である。第３実施形態の環境発電装置１ｂは、電源回路８０ｂが電流電圧変換回路７０を有する点が、第１実施形態の環境発電装置１および第２実施形態の環境発電装置１ａとは異なっている。

第３実施形態の環境発電装置１ｂに含まれる整流回路５０は、上述の第１実施形態の環境発電装置１および第２実施形態の環境発電装置１ａに含まれる整流回路５０と同様であるので、図６では詳細な図示を省略している。
また、第３実施形態の環境発電装置１ｂに含まれる電圧制限回路４０は、上述の第１実施形態の環境発電装置１に含まれる電圧制限回路４０、または第２実施形態の環境発電装置１ａに含まれる電圧制限回路４０ａと同様であるので、図６では詳細な図示を省略している。

また、振動発電部１０ａは、振動発電部１０の構成に加えて、さらに第２環境センサ３３を有する点でも異なっている。振動発電部１０ａは、図２に示した振動発電部１０と類似の構成であるので、詳細な図示は省略する。
振動発電部１０ａは、図２に示した振動発電部１０の環境センサ３２（第３電極２１および第４電極２２）のＹ方向に隣接して、環境センサ３２と同様の第２環境センサ３３を有するものである。

第２環境センサ３３の構成は、環境センサ３２の構成と同様であり、第５電極２５は支持枠１３により固定され、第６電極２６は電極保持部１４ａにより保持され、第５電極２５に対して図２のＸ方向に可動となっている。第５電極２５は支持枠１３により第１電極１１と一体的に保持され、第６電極２６は電極保持部１４ａにより第２電極１２と一体的に保持されている。
第５電極２５のうち、第６電極２６と対向する面の表面には、正または負の電荷を有するエレクトレットが形成されている。
第２環境センサ３３を構成する第５電極２５には出力線Ｗ５の一端が接続され、第２環境センサ３３を構成する第６電極２６には出力線Ｗ６の一端が接続されている。

出力線Ｗ５の他端は、電流電圧変換回路７０の第１入力部Ｐ１３に接続されている。第１入力部Ｐ１３はグランドにも接続されている。出力線Ｗ６の他端は、電流電圧変換回路７０の第２入力部Ｐ１６に接続されている。
電流電圧変換回路７０に含まれる電圧検出回路７１１は、ダイオード等の整流素子Ｄｃおよび整流素子Ｄｄからなる整流素子対（Ｄｃ、Ｄｄ）と、この整流素子対（Ｄｃ、Ｄｄ）の第２入力部Ｐ１６側の電圧を検出する検出回路ＣＰ１とを含む。整流素子Ｄｃおよび整流素子Ｄｄは並列に、かつアノードおよびカソードが相互に逆向きに配置されている。

電圧検出回路７１１と同様の構成の電圧検出回路７１２および電圧検出回路７１３が、電圧検出回路７１１と直列に接続されている。電圧検出回路７１２は整流素子Ｄｅおよび整流素子Ｄｆからなる整流素子対と、この整流素子対（Ｄｅ、Ｄｆ）の整流素子対（Ｄｃ、Ｄｄ）側の端部Ｐ１５の電圧を検出する検出回路ＣＰ２とを含む。電圧検出回路７１３は整流素子Ｄｇおよび整流素子Ｄｈからなる整流素子対と、この整流素子対（Ｄｇ、Ｄｈ）の整流素子対（Ｄｅ、Ｄｆ）側の端部Ｐ１４の電圧を検出する検出回路ＣＰ３とを含む。

各検出回路ＣＰ１～ＣＰ３には、不図示の基準電圧発生回路から、基準電圧Ｖｒｅｆが供給される。
検出回路ＣＰ１～ＣＰ３は、検出した電圧に基づいて、それぞれ検出信号Ｖ１～Ｖ３を出力する。
検出回路ＣＰ１～ＣＰ３は、例えば、オペアンプを含むコンパレータにより構成する。

電圧検出回路７１１の整流素子対に含まれる整流素子Ｄｃ、Ｄｄと、電圧検出回路７１２の整流素子対に含まれる整流素子Ｄｅ、Ｄｆと、電圧検出回路７１３の整流素子対に含まれる整流素子Ｄｇ、Ｄｈとは、その順方向電圧が相互に異なっても良いし同じでも良い。
順方向電圧とは、整流素子に順方向の電圧を印加した際に、大電流が流れ始める電圧である。
なお、１つの整流素子対に含まれる整流素子Ｄｃと整流素子Ｄｄ、整流素子Ｄｅと整流素子Ｄｆ、および整流素子Ｄｇと整流素子Ｄｈとの順方向電圧は、それぞれ同一でも良く、異なっていても良い。

図７は、電流が、第２入力部Ｐ１６から第１入力部Ｐ１３に向かって流れる際の、電流電圧変換回路７０内の各部の電圧と電流Ｉとの関係（ＩＶ特性）を示す図である。なお、グラフの縦軸は、電流Ｉの対数値（ｌｏｇ）としている。ＩＶ特性ＩＶｃは、電流Ｉに対する第２入力部Ｐ１６の電圧Ｖｃとの関係を示し、すなわち３つの直列に接続された整流素子Ｄｃ、Ｄｅ、ＤｇのＩＶ特性を示している。ＩＶ特性ＩＶｅは、電流Ｉに対する端部Ｐ１５の電圧Ｖｅとの関係を示し、すなわち２つの直列に接続された整流素子Ｄｅ、ＤｇのＩＶ特性を、示している。ＩＶ特性ＩＶｇは、電流Ｉに対する端部Ｐ１４の電圧Ｖｇとの関係を示し、すなわち整流素子ＤｇのＩＶ特性を、それぞれ示している。

電流Ｉが０から次第に増加する際の、３つの電圧Ｖｃ、Ｖｅ、Ｖｇのそれぞれの増加量が異なる。従って、それぞれは、異なる電流値Ｉで基準となる基準電圧Ｖｒｅｆと等しくなり、検出回路ＣＰ１～ＣＰ３を構成するコンパレータがそれぞれ反転し、検出信号Ｖ１～Ｖ３が変化する。
なお、この場合には、電流電圧変換回路７０に含まれる整流素子Ｄｄ、Ｄｆ、Ｄｈは、逆バイアスとなり電流を流さない。

図７に示したように、第２入力部Ｐ１６から第１入力部Ｐ１３に流れる電流がＩ１の場合、第２入力部Ｐ１６には電圧Ｖ１ｃが生じ、端部Ｐ１５には電圧Ｖ１ｅが生じ、端部Ｐ１４には電圧Ｖ１ｇが生じる。ただし、電流Ｉ１は小さいため、電圧Ｖ１ｅおよび電圧Ｖ１ｇは、０Ｖとなっている。
第２入力部Ｐ１６から第１入力部Ｐ１３に流れる電流がＩ２の場合、第２入力部Ｐ１６には電圧Ｖ２ｃが生じ、端部Ｐ１５には電圧Ｖ２ｅが生じ、端部Ｐ１４には電圧Ｖ２ｇが生じる。

各電圧Ｖｃ、Ｖｅ、Ｖｇは、第２入力部Ｐ１６から第１入力部Ｐ１３に向かって流れる電流の量に応じて変化する。
従って、検出回路ＣＰ１～ＣＰ３により検出された電圧に基づく検出信号Ｖ１～Ｖ３を用いて、第２入力部Ｐ１６から第１入力部Ｐ１３に向かって流れる電流の量を推定することができる。

検出回路ＣＰ１～ＣＰ３からの検出信号Ｖ１～Ｖ３は、制御回路７２に入力される。制御回路７２は、例えば、検出信号Ｖ１～Ｖ３をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路を有する。制御回路７２は、デジタル信号に変換された検出信号Ｖ１～Ｖ３に基づいて、第２入力部Ｐ１６から第１入力部Ｐ１３に流れる電流の量、すなわち第２環境センサ３３から出力される電流の量を推定する。

制御回路７２は、推定した電流の量に基づいて、電圧変換回路６０に制御信号ＣＳを送り、電圧変換回路６０の動作条件を変更する。電圧変換回路６０の動作条件とは、例えば、第１入力部Ｖｉｎ１と第２入力部Ｖｉｎ２の間に入力される電圧に対する、出力部Ｖｏｕｔに出力する電圧の増幅の条件をいう。
例えば、電圧変換回路６０がチョッパを含む回路であれば、チョッパが動作する周期を変更することにより、動作条件を変更することができる。
なお、制御回路７２は、上述のように第２環境センサ３３からの電流の量を推定することなく、検出信号Ｖ１～Ｖ３に基づいて電圧変換回路６０の動作条件を変更しても良い。

第２環境センサ３３とエネルギー変換素子３１とは、相互に機械的に一体化している振動発電素子であるため、第２環境センサ３３からの電流の量は、エネルギー変換素子３１による発電量に概ね比例する。
従って、第３実施形態の環境発電装置１ｂにおいては、エネルギー変換素子３１の発電量に応じて、電圧変換回路６０の動作条件を最適な条件に設定することができ、電圧変換回路６０も含めた環境発電装置１ｂの効率を高めることができる。

上述の第３実施形態の環境発電装置１ｂは、環境の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３１と、エネルギー変換素子３１と同じ環境に配置される第２環境センサ３３とを備えている。さらに、エネルギー変換素子３１が変換した電力が入力され、電力を外部に出力する電源回路８０ｂを備え、電源回路８０ｂは、第２環境センサ３３の出力に応じて動作条件を変更する。

また、電源回路８０ｂは、第２環境センサ３３が出力したリアルタイム出力に応じて動作条件を変更する。この構成により、振動発電部１０ａが設置された環境の振動が時々刻々と変化する場合であっても、電源回路８０ｂの動作条件を、その状況にリアルタイムに応じた最適な条件で制御することができ、環境発電装置１ｂの効率をさらに高めることができる。

第３実施形態の環境発電装置１ｂの電流電圧変換回路７０は、アノードおよびカソードが相互に逆向きで、並列に配置された整流素子対（ＤｃとＤｄ、ＤｅとＤｆ、ＤｇとＤｇ）が複数直列に接続された回路に電流を流し、整流素子対の両端に生じる電圧を検出している。この構成においては、従来の抵抗に電流を流して抵抗の両端に生じる電圧を検出主する構成に比べ、大きな電圧を発生することなく、より広範囲の電流変化に対して応答することができる。
回路側で大きな電圧が発生しないということは、すなわち、第２環境センサ３３の振動を抑制する作用を、極めて小さく抑えることができる。

なお、第３実施形態の環境発電装置１ｂにおいては、第２環境センサ３３は、必ずしもエネルギー変換素子３１と同位相の電流を出力する必要はない。従って振動発電部１０において、第２環境センサ３３の第５電極２５とエネルギー変換素子３１の第１電極１１、および第２環境センサ３３の第６電極２６とエネルギー変換素子３１の第２電極１２とは、それぞれ一体的に保持されていなくても良い。

なお、上述の例では、振動発電部１０において、第２環境センサ―３３を環境センサ―３２とは別に設けたが、第２環境センサ―３３を省略し、環境センサ―３２を第２環境センサ―３３として併用しても良い。

また、第３実施形態の環境発電装置１ｂにおいては、電圧制限回路４０を省略し、整流回路５０を、一般的なダイオードを使用する整流回路で構成しても良い。第３実施形態の環境発電装置１ｂにおいては、エネルギー変換素子３１の発電量に応じて電圧変換回路６０の動作条件を最適な条件に設定するため、環境エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換できる。従って、整流回路５０としてダイオードを使用する整流回路を使用しても、従来に比べて効率の良い環境発電装置を実現することができる。

（変形例）
以下、上述の各実施形態の環境発電装置１、１ａ、１ｂについての変形例について説明する。
以上の説明では、振動発電部１０のエネルギー変換素子３１と環境センサ―３２と、あるいはさらに第２環境センサ―３３とは、いずれも振動発電素子からなるものとした。しかし、環境センサ―３２および第２環境センサ―３３は、振動発電素子以外の、加速度センサー等の振動を電気信号に変換する素子であっても良い。

また、エネルギー変換素子３１も、上述の振動発電素子に限られるものではなく、例えば、環境に存在する光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池等の光電変換素子であっても良い。この場合には、環境センサ―３２、あるいはさらに第２環境センサ―３３についても光電変換素子で形成し、エネルギー変換素子３１と同じ環境に配置する。
また、エネルギー変換素子３１は、環境に存在する熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱発電素子であっても良い。この場合には、環境センサ―３２、あるいはさらに第２環境センサ―３３についても、熱発電素子で形成し、エネルギー変換素子３１と同じ環境に配置する。

これらの場合においても、環境センサ―３２あるいはさらに第２環境センサ―３３は、環境のエネルギーの消費量の少ない小出力のセンサーで構成する。そして、エネルギー変換素子３１が変換した電力を外部に出力する電源回路８０、８０ａ、８０ｂの動作条件を、環境センサ―３２あるいは第２環境センサ―３３出力に応じて変更する。この構成により、環境のエネルギーを効率良く電気エネルギーに変換して外部に出力する環境発電装置を実現することができる。

（各実施形態および変形例の効果）
（１）上述の各実施形態および変形例の環境発電装置１、１ａ、１ｂは、環境の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３１と、エネルギー変換素子３１と同じ環境に配置される環境センサ３２と、エネルギー変換素子３１が変換した電力が入力され、電力を外部に出力する電源回路８０、８０ａと、を備え、電源回路８０、８０ａは、環境センサ３２の出力に応じて動作条件を変更する。
この構成により、環境中の微弱なエネルギーを低損失で電気エネルギーに変換することができる。

（２）さらに、電源回路８０、８０ａは、環境センサ３２からのリアルタイム出力に応じて動作条件を変更する構成とすることで、環境中の微弱なエネルギーをより低損失で電気エネルギーに変換することができる。
（３）さらに、エネルギー変換素子３１は交流電力を発生する素子であり、電源回路８０、８０ａは、エネルギー変換素子３１が変換した交流電力を整流する整流回路５０を有し、整流回路５０は、環境センサ３２の出力に応じて整流条件を変更するスイッチング素子Ｍ１～Ｍ４を有する構成とすることで、環境中の微弱なエネルギーをさらに低損失で電気エネルギーに変換することができる。

（４）さらに、環境センサ３２は、エネルギー変換素子３１が変換する交流電力と等しい周波数の交流信号を出力する構成とすることで、整流回路５０による整流の効率を高めることができる。
（５）さらに、電源回路８０、８０ａは、環境センサ３２が出力する交流信号を所定の範囲の電圧に制限する電圧制限回路４０を有する構成とすることで、環境に存在する微弱なエネルギーのうち、環境センサ３２により発電された電気エネルギーとして消費されるエネルギーの量を低減することができる。これにより、環境に存在する微弱なエネルギーを低損失でエネルギー変換素子３１により電気エネルギーに変換することができる。

（６）さらに、電圧制限回路４０は、ＭＯＳＦＥＴにより構成されたブリッジ回路（Ｔ１１～Ｔ８）を含む構成とすることで、環境に存在する微弱なエネルギーのうち、環境センサ３２により発電され消費されるエネルギーの量をさらに低減することができる。
（７）さらに、電圧制限回路４０ａは、環境センサ３２が出力する交流信号が入力されるダイナミックコンパレータ４１と、ダイナミックコンパレータ４１の出力を記憶する記憶回路４２とを含む、構成とすることで、環境に存在する微弱なエネルギーのうち、環境センサ３２により発電され消費されるエネルギーの量を一層低減することができる。

（８）さらに、電源回路８０ｂは、環境センサ３２（および第２環境センサ３３）が出力する電流の量に応じた電圧信号を出力する電流電圧変換回路７０を有し、電源回路８０ａは電流電圧変換回路７０からの出力信号に基づいて動作条件を変更する構成とすることで、環境中の微弱なエネルギーを低損失で電気エネルギーに変換することができる。
（９）さらに、電流電圧変換回路７０は、アノードおよびカソードが相互に逆向きで、並列に配置された整流素子対（ＤｃとＤｄ、ＤｅとＤｆ、ＤｇとＤｇ）と、整流素子対の一端に生じる電圧を検出する検出回路ＣＰ１～ＣＰ３と、を含む電圧検出回路７１１～７１３が複数直列に接続された回路を含むとともに、電源回路８０ｂは、複数の電圧検出回路７１１～７１３からの検出信号に基づいて、動作条件を変更する構成とすることもできる。この構成により、エネルギー変換素子３１により生成される電流の量が変動した場合であっても、生成される電力を電源回路８０ｂにより効率良く外部に出力することができる。

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。

１，１ａ，１ｂ…環境発電装置、１０，１０ａ…振動発電部、８０，８０ａ，８０ｂ…電源回路、３１…エネルギー変換素子、３２…環境センサ、４０，４０ａ…電圧制限回路、５０…整流回路５０…電圧変換回路、７０…電流電圧変換回路、Ｍ１～Ｍ４…スイッチング素子、Ｔ１～Ｔ８…制御素子（ＭＯＳＦＥＴ）、４１…ダイナミックコンパレータ、４２…記憶回路、Ｔａ～Ｔｌ…ＭＯＳＦＥＴ、ＣＰ１～ＣＰ３…電圧検出回路、Ｄａ～Ｄｇ…整流素子（ダイオード）、Ｃ１…第１コンデンサ、Ｃ２…第２コンデンサ、ＲＯ…外部負荷

Claims (8)

1. 環境の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と、
   前記エネルギー変換素子と同じ環境に配置される環境センサと、
   前記エネルギー変換素子が変換した電力が入力され、電力を外部に出力する電源回路と、
   を備え、
   前記電源回路は、前記環境センサの出力に応じて動作条件を変更し、
   前記エネルギー変換素子は、交流電力を発生する素子であり、
   前記電源回路は、前記エネルギー変換素子が変換した交流電力を整流する整流回路を有し、
   前記整流回路は、前記環境センサの出力に応じて回路の接続条件を変更するスイッチング素子を有し、
   前記環境センサは、前記エネルギー変換素子が変換する前記交流電力と等しい周波数の交流信号を出力し、
   前記電源回路は、前記環境センサが出力する前記交流信号を所定の範囲の電圧に制限する電圧制限回路を有する、
   環境発電装置。
2. 請求項１に記載の環境発電装置において、
   前記電源回路は、前記環境センサからのリアルタイム出力に応じて前記動作条件を変更する、環境発電装置。
3. 請求項１に記載の環境発電装置において、
   前記電圧制限回路は、ＭＯＳＦＥＴにより構成されたダイオードブリッジ回路を含む、
   環境発電装置。
4. 請求項１に記載の環境発電装置において、
   前記電圧制限回路は、
   前記環境センサが出力する前記交流信号が入力されるダイナミックコンパレータと、
   前記ダイナミックコンパレータの出力を記憶する記憶回路と、を含む、
   環境発電装置。
5. 請求項４に記載の環境発電装置において、
   前記電圧制限回路は、前記ダイナミックコンパレータの入力側に、アノードおよびカソードが相互に逆向きで、並列に配置された２つの整流素子を備える、
   環境発電装置。
6. 請求項１または請求項２に記載の環境発電装置において、
   前記電源回路は、前記環境センサが出力する電流の量に応じた電圧信号を出力する電流電圧変換回路を有し、
   前記電源回路は、前記電流電圧変換回路からの出力電圧に基づいて動作条件を変更する、
   環境発電装置。
7. 請求項６に記載の環境発電装置において、
   前記電流電圧変換回路は、
   アノードおよびカソードが相互に逆向きで、並列に配置された整流素子対と、前記整流素子対の一端の電圧を検出する検出回路と、を含む電圧検出回路が複数直列に接続された回路を含むとともに、
   前記電源回路は、前記複数の電圧検出回路からの検出信号に基づいて、動作条件を変更する、
   環境発電装置。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の環境発電装置において、
   前記エネルギー変換素子および前記環境センサが振動発電素子である、
   環境発電装置。

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