JP6808589B2 - 発電システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、発電システムに関する。

振動発電機は、環境振動（例えば、車や電車の振動、雨が地面をたたく振動）を利用して発電する。振動発電機により発電した電力は、センサなどの装置に用いる電源（例えば電池）の代替として期待されている。

振動発電機は、外部振動の大きさに応じて可動部の変位振幅が変化する。変位振幅が大きくなり過ぎると、可動部が筐体に衝突するなどして振動発電機が故障することがある。

特許第５４０５１２７号公報

本発明が解決しようとする課題は、過大な変位振幅の回避を図った発電システムを提供することである。

一実施形態に係る発電システムは、発電機、変位計測部、及びコンバータを備える。発電機は、可動部を含み、前記可動部の機械エネルギーを電力に変換する。変位計測部は、前記可動部の変位を計測する。コンバータは、前記計測された変位に基づいてデューティ比が制御されるスイッチング回路を含み、前記電力を変圧する。

第１の実施形態に係る発電システムを示す機能ブロック図。 図１に示した振動発電機の構造例を示す断面図。 図１に示したコンバータの一例を示す図。 図３Ａに示したスイッチング回路のスイッチング動作を説明する図。 図１に示した発電システムの電気回路を示す図。 図１に示した発電システムの動作手順を示すフローチャート。 第１の実施形態に係る可動部の変位、基準変位、及びインピーダンスの関係を示す図。 第１の実施形態の変形例に係る発電システムを示す機能ブロック図。 第２の実施形態に係る発電システムを示す機能ブロック図。 図８に示した発電システムの動作手順を示すフローチャート。 第２の実施形態に係る変位絶対値、基準変位及びインピーダンスの関係を示す図。 第２の実施形態に係る変位絶対値とインピーダンスの関係を示す図。 第２の実施形態の変形例に係る発電システムを示す機能ブロック図。 図１１に示した発電システムの動作を説明する図。 第２の実施形態の他の変形例に係る発電システムを示す機能ブロック図。 図１３に示した発電システムの動作を説明する図。 第３の実施形態に係る発電システムを示す機能ブロック図。 第３の実施形態に係る変位絶対値、基準変位及びインピーダンスの関係を示す図。 第３の実施形態の変形例に係る発電システムを示す機能ブロック図。 第４の実施形態に係る発電システムを示す機能ブロック図。 第４の実施形態に係る変位絶対値とインピーダンスの関係を示す図。

以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。以下に説明する実施形態を通して、同一の構成要素に同一の参照符号を付して、重ねての説明を省略する。なお、図面は、模式的又は概念的なものである。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る発電システム１を示す機能ブロック図である。図１に示されるように、発電システム１は、振動発電機１０、整流・平滑回路２０、コンバータ３０、変位計測部４０、リファレンス出力部５０、比較器６０、コントローラ７０、及びパルス信号発生回路８０を備える。

振動発電機１０は、振動のエネルギーを交流電力に変換する。振動発電機１０は、発電システム１に適用可能な、機械エネルギーを交流電力に変換する発電機の一例である。

図２を参照して振動発電機１０について説明する。図２は、振動発電機１０の構造例を示す断面図である。図２に示されるように、振動発電機１０は、ケース１１、振動子１２、コイル１３、コイル固定部材１４、及び弾性部材１５を備える。

振動子１２は、弾性部材１５に固定され、ケース１１内に吊るされる。振動子１２は、磁石１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及びヨーク１２ｆ、１２ｇ、１２ｈを有する。ヨーク１２ｆは、中空の略円柱形状であり、磁石１２ａ、１２ｂ、１２ｃとヨーク１２ｇ、１２ｈを囲う。ヨーク１２ｆの上部中央は、弾性部材１５に接続されている。磁石１２ａ、ヨーク１２ｇ、磁石１２ｂ、ヨーク１２ｈは、ヨーク１２ｆの内側上面に、その中心軸に沿って、順次に配置される。磁石１２ａ、１２ｂは各々、ヨーク１２ｇ側のＮ極を有する。この結果、磁石１２ａ、１２ｂそれぞれから、互いに反発する磁束が生じる。磁石１２ｃは、例えば、円筒形状であり、ヨーク１２ｆの内側面上に、コイル１３の外側と間隔を有して配置される。磁石１２ｃは、コイル１３と対向するＳ極及びヨーク１２ｆの内側面と接するＮ極を有する。

コイル１３は、円環形状であり、磁石１２ａ、１２ｂの外側かつ磁石１２ｃの内側に配置される。コイル１３は、周方向に巻かれ、その中心軸は、振動子１２（ケース１１）の中心軸と一致している。

コイル固定部材１４は、振動子１２の内部にコイル１３を固定する。コイル固定部材１４は、ケース１１の底面に固定された、柱状のコイル支持部１４ａを有する。コイル固定部材１４は、コイル支持部１４ａによってケース１１に固定され、振動子１２（磁石１２ａ〜１２ｃ及びヨーク１２ｇ、１２ｈ）には固定されない。

弾性部材１５は、円板形状であり、その側面がケース１１の内側面に固定され、その下面の一部が振動子１２に接続される。

上述した構造を有する振動発電機１０に外部振動が加わると、コイル１３は、ケース１１と一体に振動する。振動子１２は、弾性部材１５の弾性力に応じて、コイル１３に対して、所定の周波数で振動する。この結果、振動子１２は、コイル１３に対して軸方向に相対運動し、コイル１３に鎖交する磁束が時間的に変化する。このため、電磁誘導によって起電力が発生する。

以上のように、振動発電機１０に加わった外部振動（機械エネルギー）が交流電力に変換される。図２に示される例では、可動部に相当する振動子１２に磁石１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及びヨーク１２ｆ、１２ｇ、１２ｈが配置され、静止部に相当するケース１１にコイル１３が配置されている。代替として、振動子１２にコイル１３が配置され、ケース１１に磁石１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及びヨーク１２ｆ、１２ｇ、１２ｈが配置されてもよい。また、振動発電機１０は、振動（図面上下方向の運動）を直接に交流電力に変換しているが、振動を回転運動に変換した後に、交流電力に変換してもよい。

図１に戻ると、整流・平滑回路２０は、振動発電機１０から出力される交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を平滑化する。整流・平滑回路２０は、例えば、整流回路及び平滑回路を有する。整流回路は、振動発電機１０から出力される交流電力を直流電力（通例は、脈流）に変換する。整流回路は、例えば、１つ又は複数のダイオードを含む。例えば、４つのダイオードをブリッジ接続した全波整流器を整流回路として使用することができる。平滑回路は、整流回路から出力される直流電力（脈流）を平滑化する。平滑回路は、例えば、１つ又は複数のキャパシタ、あるいは、キャパシタとコイルの組み合わせを含む。平滑回路は、電流（脈流）を一時的に電荷として蓄積し、放出することで、電圧を平滑化する。すなわち、平滑回路は、電力を蓄積する一種の蓄電回路である。

コンバータ３０は、スイッチング回路（スイッチング素子ともいう）を含み、スイッチング回路のスイッチング動作に基づいて、整流・平滑回路２０から出力される直流電力を変圧する。スイッチング回路は、パルス信号発生回路８０からのパルス信号（矩形波）によって駆動される。スイッチング回路としては、例えば、トランジスタやＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide semiconductor field-effect transistor）を使用することができる。コンバータ３０から出力される電力は、発電システム１に接続される、センサなどの任意の装置に適宜供給される。

コンバータ３０は、例えば、バックブースト（buck-boost）コンバータである。図３Ａは、バックブーストコンバータの電気回路の一例を示している。図３Ａに示されるように、バックブーストコンバータは、キャパシタ３１、スイッチング回路３２、チョッパコイル３３、及びダイオード３４を備える。スイッチング回路３２及びダイオード３４は、入力端子３５Ａと出力端子３６Ａとの間に直列に接続されている。キャパシタ３１は、その一端が入力端子３５Ａとスイッチング回路３２との接続点に接続され、その他端が入力端子３５Ｂと出力端子３６Ｂとの接続点に接続されている。チョッパコイル３３は、その一端がスイッチング回路３２とダイオード３４との接続点に接続され、その他端が入力端子３５Ｂと出力端子３６Ｂとの接続点に接続されている。スイッチング回路３２は、図３Ｂに示されるようなパルス信号により駆動される。スイッチング回路３２は、パルス信号の信号レベルがハイ（Ｈｉｇｈ）であるときにオン状態となり、パルス信号の信号レベルがロー（Ｌｏｗ）であるときにオフ状態となる。

変位計測部４０は、振動発電機１０の可動部（図２の例では振動子１２）の変位を計測する。一例として、変位計測部４０は、振動発電機１０から出力される電気信号に基づいて、振動発電機１０の可動部の変位を計測する。振動発電機１０から出力される電気信号に基づいて振動発電機１０の可動部の変位を計測する方法については後述する。整流回路は一般的に非線形素子であり、整流回路に対する入力電圧が小さい場合にはその影響が顕著に現れる。このため、好ましくは、整流回路の非線形性を補正する回路が変位計測部４０に設けられる。

他の例では、変位計測部４０は、振動発電機１０に設けられたセンサの出力信号に基づいて、振動発電機１０の可動部の変位を計測する。振動発電機１０が図２に示される構造を有する場合、例えば、加速度計が振動子１２又は弾性部材１５に取り付けられ、変位計測部４０は、加速度計によって測定された加速度を２回積分することで振動子１２の変位を計測する。また、例えば、歪計が弾性部材１５に取り付けられ、変位計測部４０は、歪計によって測定された弾性部材１５の歪を振動子１２の変位に変換する。

振動発電機１０から出力される電気信号に基づいた変位計測方法は、センサを用いた変位計測方法よりも消費電力を低く抑えることができる。したがって、低消費電力の観点から、振動発電機１０から出力される電気信号に基づいた変位計測方法を使用することが望ましい。なお、変位計測部４０には、ノイズを除去するためのフィルタ（例えばハイパスフィルタ又はローパスフィルタ）が設けられていてもよい。また、発電用コイルとは別に、変位検出専用のコイルを振動発電機１０に設け、変位検出用コイルから出力される電気信号に基づいて変位計測をしてもよい。

リファレンス出力部５０は、基準変位（リファレンス変位）を設定（記憶）し、比較器６０に出力する。基準変位は、例えば、可動部変位の許容範囲を規定する制限値である。本実施形態では、基準変位は正値である。なお、基準変位は負値であってもよい。また、リファレンス出力部５０は、正の基準変位及び負の基準変位の２つの基準変位を出力してもよい。リファレンス出力部５０は、基準変位に対応する電圧を出力してもよく（ハード的出力）、基準変位を表す信号を出力してもよい（ソフト的出力）。

比較器６０は、変位計測部４０によって計測された変位と基準変位を比較する。比較器６０は、計測変位が基準変位以上になったときに信号（以下、トリガ信号と呼ぶ。）をコントローラ７０に出力する。比較器６０は、ヒステリシス特性を持っているものを使用してもよい。

コントローラ７０は、コンバータ３０に含まれるスイッチング回路のデューティ比を制御する。具体的には、コントローラ７０は、比較器６０からトリガ信号を受け取ると、デューティ比を増加させる。例えば、コントローラ７０は、デューティ比を値Ｄ１から値Ｄ１より大きい値Ｄ２に変更する。一例として、デューティ比は、スイッチング周期（Ｔ_ｓｗ）を維持したまま、スイッチング回路がオン状態にある期間（Ｔ_ｏｎ）を変更することで変更される。コントローラ７０は、デューティ比を変更したことを示す制御信号をパルス信号発生回路８０に出力する。コントローラ７０は、デューティ比を値Ｄ２に変更してから予め設定された時間だけ経過した後にデューティ比を値Ｄ１に戻すリフレッシュ機能を有していてもよい。

パルス信号発生回路８０は、コントローラ７０によって制御されたデューティ比を有するパルス信号を発生し、このパルス信号をコンバータ３０に出力する。

変位計測部４０、リファレンス出力部５０、比較器６０、コントローラ７０、及びパルス信号発生回路８０は、整流・平滑回路２０から出力される平滑化電圧によって動作する。このため、発電システム１には、電池などを必要としない。また、デューティ比を制御する制御ユニット（本実施形態では、変位計測部４０、リファレンス出力部５０、比較器６０、コントローラ７０、及びパルス信号発生回路８０を含む部分）は、ハードウェア、プロセッサにより実行されるソフトウェア、又はそれらの組み合わせにより実現されることができる。これらの点は、他の実施形態も同様である。

次に、振動発電機１０から出力される電気信号に基づいて振動発電機１０の可動部の変位を計測する方法について説明する。

図４は、発電システム１の電気回路を示している。図４に示される電気回路について、下記の方程式が成り立つ。
ここで、ｘは可動部の変位を表し、Ｋは電圧定数を表し、Ｌ_ｃは振動発電機１０のコイル１３のインダクタンスを表し、Ｒ_ｃはコイル１３の抵抗を表し、Ｒ_ｌは、整流・平滑回路２０から見込む等価的な入力インピーダンス（整流・平滑回路２０、コンバータ３０及び発電システム１に接続される外部装置を含む）を表し、ｉは振動発電機１０の出力電流を表す。

式１をラプラス変換すると、下記の式２が得られる。
式２を変形すると、可動部の変位と電流の関係を示す下記の式３が得られる。
式３によれば、可動部の変位は、パラメータ（Ｋ、Ｌ_ｃ、Ｒ_ｃ、Ｒ_ｌ）の値、電流、及び電流の積分値から算出することができる。式３を使用した変位計測を行う場合、変位計測部４０は、振動発電機１０から出力される電流を検出する電流計、及び電流を積分する積分器を備える。この積分器は、アナログ回路で実現されてもよく、デジタル処理によって実現されてもよい。変位計測部４０は、電流計によって検出された電流と積分器によって得られた電流の積分値とに基づいて可動部の変位を算出する。

ここで、電気回路に対する入力電圧をＶ_ｉｎとすると、Ｖ_ｉｎ＝Ｒ_ｌＩであるので、式３は下記の式４に書き直される。
式４によれば、可動部の変位は、パラメータ（Ｋ、Ｌ_ｃ、Ｒ_ｃ）の値、電流、及び電圧から算出することができる。式４は、Ｒ_ｌが未知である場合に有効である。式４を使用した変位計測を行う場合、変位計測部４０は、振動発電機１０から出力される電流を検出する電流計、及び振動発電機１０から出力される電圧を検出する電圧計を備える。

式４の電流項をすべて電圧で表現すると、下記の式５が得られる。
式５によれば、パラメータ（Ｋ、Ｌ_ｃ、Ｒ_ｃ、Ｒ_ｌ）の値、電圧、及び電圧の積分値から可動部の変位を算出することができる。式５を使用した変位計測を行う場合、変位計測部４０は、振動発電機１０から出力される電圧を検出する電圧計、及び電圧を積分する積分器を備える。この積分器は、アナログ回路で実現されてもよく、デジタル処理によって実現されてもよい。変位計測部４０は、電圧計によって検出された電圧と積分器によって得られた電圧の積分値とに基づいて可動部の変位を算出する。一般的に、電流を測定するよりも電圧を測定するほうが容易である。このため、式５を使用した変位計測は、式３又は式４を使用したものより有効である。ただし、式５を使用した変位計測では、Ｒ_ｌが既知である必要がある。

なお、式５の第１項が第２項と比較して無視できるほど小さい場合、可動部の変位は、パラメータ（Ｋ、Ｒ_ｃ、Ｒ_ｌ）の値、及び電圧の積分値から算出することができる。

ここで、コンバータ３０が図３Ａに示されるようなバックブーストコンバータである場合、Ｒ_ｌは式６のように表される。
ここで、図３Ａ及び図３Ｂに示されるように、Ｔ_ｓｗはスイッチング周期を表し、Ｔ_ｏｎはスイッチング回路がオン状態にある期間を表し、Ｌ_ｄｃは出力用のチョッパコイルのインダクタンスを表し、Ｄはスイッチング回路（スイッチング動作）のデューティ比を表す。Ｄ＝Ｔ_ｏｎ／Ｔ_ｓｗである。

式６を式５に代入すると、下記の式７が得られる。
式７によれば、パラメータ（Ｋ、Ｌ_ｃ、Ｒ_ｃ、Ｌ_ｄｃ）の値、電圧、電圧の積分値、スイッチング周期Ｔ_ｓｗ、及びデューティ比Ｄから可動部の変位を算出することができる。

ここで、式７の第１項が第２項と比較して無視できるほど小さい場合には、式７は近似的に下記の式８のようにかくことができる。
式８によれば、Ｒ_ｌが未知である場合でも、パラメータ（Ｋ、Ｒ_ｃ、Ｌ_ｄｃ）の値、電圧、電圧の積分値、スイッチング周期Ｔ_ｓｗ、及びデューティ比Ｄから可動部の変位を算出することができる。

次に、発電システム１の動作について説明する。
図５は、発電システム１の動作手順を示している。図５に示される動作手順は、発電システム１が起動すると開始する。例えば、振動発電機１０と整流・平滑回路２０との間に起動スイッチが配置されており、この起動スイッチがオンされると、発電システム１が起動する。なお、起動スイッチは設けられていなくてもよい。この場合、発電システム１に振動が印加されたときに、発電システム１が起動したと考えることができる。例えば、発電システム１が振動環境下に設置されたとき、あるいは、設置後に一定期間振動が停止し、その後に振動が再開したときを発電システム１の起動とみなすことができる。

図５のステップＳ１０１において、振動発電機１０が環境振動を受けて発電する。発電開始時には、整流・平滑回路２０から見込む入力インピーダンスＲ_ｌは適正インピーダンスＺｒ（すなわち、振動発電機１０の出力電力を最大化するインピーダンス）に設定されていてもよい。具体的には、コンバータ３０に含まれるスイッチング回路のデューティ比は、整流・平滑回路２０から見込む入力インピーダンスＲ_ｌが適正インピーダンスＺｒになるように設定されてもよい。

ステップＳ１０２において、変位計測部４０は、振動発電機１０の可動部の変位を計測する。例えば上述した式５を使用する場合、変位計測部４０は、振動発電機１０の出力電圧及び出力電圧の積分値を測定し、測定した出力電圧及び積分値に基づいて可動部の変位を算出する。ステップＳ１０１〜Ｓ１０２の処理は以降も継続する。

ステップＳ１０３において、比較器６０は、計測変位ｘと基準変位ｘ_ｒとを比較する。計測変位ｘが基準変位ｘ_ｒに達したときに、ステップＳ１０４に進む。このとき、比較器６０は、計測変位ｘが基準変位ｘ_ｒ以上になったことを示すトリガ信号をコントローラ７０に出力する。

ステップＳ１０４において、コントローラ７０は、比較器６０からトリガ信号を受け取ったことに応答して、コンバータ３０に含まれるスイッチング回路のデューティ比を増加させる。それにより、整流・平滑回路２０から見込む入力インピーダンスＲ_ｌが低下し、電流が増加する。したがって、可動部に作用する電流による制動力が増加するので、可動部の変位振幅が低下する。

図６は、振動発電機１０に含まれる可動部の変位の時間変化を示している。図６に示されるように、環境振動の入力が開始すると、可動部の変位振幅が徐々に増加する。可動部の変位が基準変位ｘ_ｒに達すると、デューティ比が増加され、それにより、整流・平滑回路２０から見込む入力インピーダンスＲ_ｌがＺｒからＺａ（Ｚａ＜Ｚｒ）に低下する。その結果、可動部の変位振幅が抑制される。なお、上述した制御の後に可動部の変位が基準変位ｘ_ｒに再度達した場合には、デューティ比をさらに増加してもよい。

以上のように、第１の実施形態に係る発電システム１においては、振動発電機１０に含まれる可動部の変位が基準変位以上になったときに、コンバータ３０に含まれるスイッチング回路のデューティ比が増加される。それにより、整流・平滑回路２０から見込む入力インピーダンスＲ_ｌが低下し、電流が流れやすくなる。したがって、電流による制動力が可動部に強く作用するようになり、可動部の変位振幅が抑制される。その結果、可動部の過度の変位を回避することができる。例えば、振動子１２がケース１１に衝突することを防止することができる。

［第１の実施形態の変形例］
図７は、第１の実施形態の変形例に係る発電システム１Ａを示している。図７に示されるように、発電システム１Ａは、振動発電機１０、整流・平滑回路２０、コンバータ３０、変位計測部４０、リファレンス出力部５０、比較器６０、コントローラ７０、パルス信号発生回路８０、及び蓄電部９０を備える。発電システム１Ａは、蓄電部９０が追加されている点で第１の実施形態に係る発電システム１（図１）と異なる。

蓄電部９０は、コンバータ３０の後段に設けられる。蓄電部９０は、例えば、１つ又は複数のキャパシタ、キャパシタとコイルの組み合わせ、あるいは、２次電池を含む。キャパシタは初期電圧を有していることが好ましい。例えば、リチウムイオンキャパシタを使用することができる。蓄電部９０が、大容量であり、かつ、初期電圧を有している場合には、出力電圧が安定し、振動発電機１０の動作の過渡域が少なくなる。このため、安定域に至る時間が早くなる。その結果、平均的な発電量の増加を見込むことができる。

なお、蓄電部９０は後述する各実施形態に係る発電システムに設けられてもよい。

［第２の実施形態］
図８は、第２の実施形態に係る発電システム２を示している。図８に示されるように、発電システム２は、振動発電機１０、整流・平滑回路２０、コンバータ３０、変位計測部４０、絶対値回路４２、リファレンス出力部５０、比較器６２、コントローラ７２、及びパルス信号発生回路８０を備える。発電システム２は、絶対値回路４２が追加されている点、比較器６０が比較器６２に変更されている点、及びコントローラ７０がコントローラ７２に変更されている点で第１の実施形態に係る発電システム１（図１）と異なる。

絶対値回路４２は、変位計測部４０によって計測された変位の絶対値（以下、変位絶対値とも呼ぶ）を算出する。絶対値回路４２は、アナログ回路で実現されてもよく、デジタル処理によって実現されてもよい。なお、絶対値回路４２は、ＲＣ（resistor-capacitor）フィルタなどの一般的なローパスフィルタ又はピークホールド機能を有していてもよい。絶対値回路４２がローパスフィルタを備える場合、変位絶対値は包絡線化される。

比較器６２は、変位計測部４０によって計測された変位絶対値と基準変位とを比較する。一例として、比較器６２は、変位絶対値が基準変位以上になったときに第１のトリガ信号をコントローラ７２に出力し、変位絶対値が基準変位未満になったときに第２のトリガ信号をコントローラ７２に出力する。他の例では、比較器６２は、変位絶対値が基準変位未満である間は信号を出力せず、変位絶対値が基準変位以上である間は信号を出力する。比較器６２は、ヒステリシス特性を持っているものを使用してもよい。

コントローラ７２は、比較器６２の出力信号に基づいて、コンバータ３０に含まれるスイッチング回路のデューティ比を制御する。例えば、コントローラ７２は、変位絶対値が基準変位未満であるときにデューティ比を値Ｄ１に調整し、変位絶対値が基準変位以上であるときに値Ｄ２（Ｄ２＞Ｄ１）に調整する。

図９は、発電システム２の動作手順を示している。図９のステップＳ２０１において、コントローラ７２は、コンバータ３０に含まれるスイッチング回路のデューティ比を初期値Ｄ１に設定する。ステップＳ２０２において、振動発電機１０が環境振動を受けて発電する。発電開始時には、変位絶対値ｘ_ａは基準変位ｘ_ｒより小さい。このため、デューティ比の初期値は、値Ｄ１に設定される。値Ｄ１は、例えば、整流・平滑回路２０から見込む入力インピーダンスＲ_ｌが適正インピーダンスＺｒになるように決定される。

ステップＳ２０３において、変位計測部４０は、振動発電機１０の可動部の変位を計測する。ステップＳ２０４において、絶対値回路４２は、変位計測部４０によって計測された変位の絶対値を算出する。

ステップＳ２０５において、比較器６２は、変位絶対値ｘ_ａと基準変位ｘ_ｒとを比較する。変位絶対値ｘ_ａが基準変位ｘ_ｒに達すると、ステップＳ２０５に進む。

ステップＳ２０６において、コントローラ７２は、デューティ比を値Ｄ１から値Ｄ２に変更する。それにより、整流・平滑回路２０から見込む入力インピーダンスＲ_ｌが低下し、電流が流れやすくなる。したがって、可動部に作用する電流による制動力が増加するので、可動部の変位が抑制される。

ステップＳ２０６において、比較器６２は、変位絶対値ｘ_ａと基準変位ｘ_ｒとを比較する。変位絶対値ｘ_ａが基準変位ｘ_ｒを下回ると、ステップＳ２０７に進む。

ステップＳ２０７において、コントローラ７２は、デューティ比を値Ｄ２から値Ｄ１に変更する（戻す）。それにより、整流・平滑回路２０から見込む入力インピーダンスＲ_ｌが増加し、電流が流れにくくなる。したがって、可動部に作用する電流による制動力が低下する。

このようにして、デューティ比は、変位絶対値ｘ_ａが基準変位ｘ_ｒ未満である間、値Ｄ１に設定され、変位絶対値ｘ_ａが基準変位ｘ_ｒ以上である間、値Ｄ２（Ｄ２＞Ｄ１）に設定される。言い換えると、図１０Ａ及び図１０Ｂに示されるように、インピーダンスは、変位絶対値ｘ_ａが基準変位ｘ_ｒ未満である間、値Ｚｒに設定され、変位絶対値ｘ_ａが基準変位ｘ_ｒ以上である間、値Ｚａ（Ｚａ＜Ｚｒ）に設定される。

以上のように、第２の実施形態に係る発電システム２では、デューティ比は、変位絶対値ｘ_ａが基準変位ｘ_ｒ未満である期間は値Ｄ１に設定され、変位絶対値ｘ_ａが基準変位ｘ_ｒ以上である期間は値Ｄ２（Ｄ２＞Ｄ１）に設定される。それにより、変位絶対値ｘ_ａが基準変位ｘ_ｒ以上であるときには、整流・平滑回路２０から見込む入力インピーダンスＲ_ｌが低下し、電流が流れやすくなる。したがって、電流による制動力が可動部に強く作用するようになり、可動部の変位が抑制される。その結果、可動部の過度の変位を回避することができる。

なお、デューティ比を値Ｄ１から値Ｄ２に変更する際に使用する閾値は、デューティ比を値Ｄ２から値Ｄ１に変更する際に使用する閾値と異なっていてもよい。例えば、比較器６２は、ステップＳ２０４では変位絶対値ｘ_ａとの基準変位ｘ_ｒ２とを比較し、ステップＳ２０６では変位絶対値ｘ_ａと基準変位ｘ_ｒ１とを比較する。ここで、ｘ_ｒ２＞ｘ_ｒ１である。

［第２の実施形態の変形例］
ここでは、発電システム２が上述した式７に基づく変位計測を行う場合について説明する。なお、式７において、Ｌ_ｃ、Ｋ、Ｔ、Ｒ_ｃ、Ｌ_ｄｃ、Ｔ_ｓｗは定数であり、Ｄは変数である。

図１１は、第２の実施形態の変形例に係る発電システム２Ａを示している。図１１に示される発電システム２Ａでは、変位計測部４０は、電圧計４０１、積分器４０２、変位算出部４０３、及び絶対値回路４２を備える。

電圧計４０１は、振動発電機１０の出力電圧を計測する。積分器４０２は、振動発電機１０の出力電圧を積分する。

変位算出部４０３は、デューティ比Ｄとして値Ｄ１と値Ｄ２を保持し、上述した式７に従って可動部の変位を算出する。具体的には、変位算出部４０３は、電圧計４０１から出力される電圧値と、積分器４０２から出力される電圧積分値と、保持しているデューティ比Ｄ１又はＤ２と、に基づいて、可動部の変位を算出する。変位算出部４０３は、例えば、加算回路を含み、電圧計から出力される電圧値に式７第１項の係数を乗じたものと、積分器４０２から出力される電圧積分値に式７第２項の係数を乗じたものと、を加算する。絶対値回路４２は、変位算出部４０３によって算出された変位の絶対値を算出する。

リファレンス出力部５０は、２つの基準変位ｘ_ｒ１、ｘ_ｒ２を比較器６２に出力する。ここで、ｘ_ｒ１＜ｘ_ｒ２である。比較器６２は、絶対値回路４２から受け取った変位絶対値と基準変位ｘ_ｒ１、ｘ_ｒ２とを比較する。コントローラ７２は、デューティ比が値Ｄ１に設定されている状態で変位絶対値が基準変位ｘ_ｒ２に達すると、デューティ比を値Ｄ１から値Ｄ２に変更する。また、コントローラ７２は、デューティ比が値Ｄ２に設定されている状態で変位絶対値が基準変位ｘ_ｒ１を下回ると、デューティ比を値Ｄ２から値Ｄ１に変更する。なお、ｘ_ｒ１＝ｘ_ｒ２であってもよい。

図１２を参照して発電システム２Ａの動作について説明する。ここでは、絶対値回路４２はローパスフィルタを備え、包絡線化された変位絶対値が得られる。発電システム２Ａの起動時には、デューティ比は値Ｄ１に設定される。このとき、インピーダンスはＺ_Ｈｉｇｈである。したがって、変位算出部４０３及び絶対値回路４２を含む推定回路によってデューティ比Ｄ１に基づき算出された変位絶対値が比較器６２に供給される。

変位絶対値が徐々に大きくなり基準変位ｘ_ｒ２に達する（ｔ＝ｔ１）と、コントローラ７２は、デューティ比を値Ｄ１から値Ｄ２に変更する。それにより、インピーダンスはＺ_Ｌｏｗ（Ｚ_Ｌｏｗ＜Ｚ_Ｈｉｇｈ）になる。したがって、推定回路によってデューティ比Ｄ２に基づき算出された変位絶対値が比較器６２に供給されるようになる。

その後に、変位絶対値が徐々に小さくなり基準変位ｘ_ｒ１を下回る（ｔ＝ｔ２）と、コントローラ７２は、デューティ比を値Ｄ２から値Ｄ１に変更する。それにより、インピーダンスはＺ_Ｈｉｇｈになる。それにより、推定回路によってデューティ比Ｄ１に基づき算出された変位絶対値が比較器６２に供給されるようになる。

図１３は、第２の実施形態の他の変形例に係る発電システム２Ｂを示している。図１３に示される発電システム２Ｂでは、変位計測部４０は、電圧計４０１、積分器４０２、及び変位算出部４０３を備える。変位算出部４０３は、デューティ比として値Ｄ１を保持し、上述した式７に従って可動部の変位を算出する。発電システム２Ｂでは、デューティ比が値Ｄ１に設定されている期間だけでなく、デューティ比が値Ｄ２に設定されている期間にも、値Ｄ１に基づいて変位絶対値が算出される。図１４に示されるように、デューティ比が値Ｄ２に設定されている期間において、値Ｄ１を用いて算出された変位絶対値は、値Ｄ２を用いて算出される変位絶対値とは異なる。図１４において、値Ｄ１を用いて算出された変位絶対値は実線で示され、値Ｄ２を用いて算出される変位絶対値は一点鎖線で示されている。このため、デューティ比を値Ｄ２から値Ｄ１に変更する際に使用する基準変位は、上述した基準変位ｘ_ｒ１に補正係数を乗じたものを使用する。

以上のように、第２の実施形態の各変形例に係る変位計測部４０は、外部センサを用いずに、振動発電機１０の出力電圧に基づいて可動部の変位を計測することができる。それにより、変位計測に要する電力を削減することができ、その結果、システム全体の低電力消費化を図ることができる。

［第３の実施形態］
図１５は、第３の実施形態に係る発電システム３を示している。図１５に示されるように、発電システム３は、振動発電機１０、整流・平滑回路２０、コンバータ３０、変位計測部４０、絶対値回路４２、リファレンス出力部５０、差分計測器６４、コントローラ７４、及びパルス信号発生回路８０を備える。発電システム３は、比較器６０が差分計測器６４に変更されている点、及びコントローラ７０がコントローラ７４に変更されている点で、第１の実施形態に係る発電システム１（図１）と異なる。なお、絶対値回路４２は、第２の実施形態において説明したものと同じであるため、絶対値回路４２についての説明は省略する。

差分計測器６４は、絶対値回路４２から出力される変位絶対値と基準変位との差分を算出する。差分計測器６４は、例えば減算回路を含み、変位絶対値から基準変位を引いた差分を得る。なお、差分計測器６４は、基準変位から変位絶対値を引いた差分を得てもよい。

コントローラ７４は、差分計測器６４によって算出された差分に基づいて、デューティ比を制御する。具体的には、コントローラ７４は、差分がゼロ未満である（すなわち変位絶対値が基準変位未満である）期間に、デューティ比を予め設定された値に設定し、差分がゼロ以上である期間に、差分がゼロになるようにデューティ比を変更する。例えば、コントローラ７４は、差分が大きい（すなわち変位絶対値が大きい）ほどデューティ比を大きくする。それにより、図１６に示されるように、変位絶対値ｘ_ａが基準変位ｘ_ｒ未満であるときには、インピーダンスが適正インピーダンスＺｒに設定され、変位絶対値ｘ_ａが基準変位ｘ_ｒ以上であるときには、インピーダンスは差分が大きいほどが小さくなるように設定される。

コントローラ７４として、例えば、一般的なフィードバック制御用コントローラ（例えば、Ｐ（proportional）コントローラ、ＰＩ（proportional-integral）コントローラ、又はＰＩＤ（proportional-integral-differential）コントローラ）を使用することができる。コントローラ７４は、変位絶対値が基準変位と等しくなる瞬間に制御用コントローラの出力がゼロになることを回避するために、オフセットを有していてもよい。

以上のように、第３の実施形態に係る発電システム３では、変位絶対値と基準変位との差分がゼロ以上であるときには、差分がゼロになるようにデューティ比が制御される。これにより、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

［第３の実施形態の変形例］
ここでは、第３の実施形態に係る発電システム３が上述した式７に基づく変位計測を行う場合について説明する。

図１７は、第３の実施形態の変形例に係る発電システム３Ａを示している。図１７に示される発電システム３Ａでは、変位計測部４０は、電圧計４０１、積分器４０２、変位算出部４０３、及びデューティ比測定回路４０９を備える。

電圧計４０１は、振動発電機１０の出力電圧を計測する。積分器４０２は、振動発電機１０の出力電圧の積分値を算出する。デューティ比測定回路４０９は、スイッチング回路のデューティ比を測定する。具体的には、デューティ比測定回路４０９は、スイッチング周期（Ｔ_ｓｗ）を保持しており、パルス信号発生回路８０から出力されるパルス信号の信号レベルがハイである期間（Ｔ_ｏｎ）を検出し、測定した期間をスイッチング周期で割ることでデューティ比を算出する。変位算出部４０３は、電圧計４０１によって計測された電圧と、積分器４０２によって得られた電圧の積分値と、デューティ比測定回路４０９によって測定されたデューティ比と、に基づいて、可動部の変位を算出する。

なお、デューティ比測定回路４０９が設けられていなくてもよい。この場合、変位算出部４０３は、コントローラ７４からデューティ比の設定値を示す情報を受け取り、この情報に基づいて可動部の変位を算出する。

以上のように、第３の実施形態の変形例に係る変位計測部４０は、外部センサを用いずに、振動発電機１０の出力電圧に基づいて可動部の変位を計測することができる。それにより、変位計測に要する電力を削減することができ、その結果、システム全体の低電力消費化を図ることができる。

［第４の実施形態］
図１８は、第４の実施形態に係る発電システム４を示している。図１８に示されるように、発電システム４は、振動発電機１０、整流・平滑回路２０、コンバータ３０、変位計測部４０、絶対値回路４２、リファレンス出力部５０、差分計測器６４、コントローラ７６、パルス信号発生回路８０、及び電力計測部９２を備える。第４の実施形態に係る発電システム４は、電力計測部９２が追加されている点及びコントローラ７４がコントローラ７６に変更されている点で、第３の実施形態に係る発電システム３（図１５）と異なる。

環境振動が非定常的である場合には、適正インピーダンスＺｒは、一意に決まらず、時々刻々と変化する。このため、上述した第１から第３の実施形態のように、変位絶対値が基準変位未満である期間にデューティ比を値Ｄ１に固定すると、発電効率が低下することがある。本実施形態では、変位絶対値が基準変位未満である期間は、電力を最大化するようにデューティ比を適応的に制御する。

電力計測部９２は、振動発電機１０の出力電力を計測する。コントローラ７６は、変位絶対値が基準変位未満である期間は、電力計測部９２によって計測された電力に基づいてデューティ比を制御する。例えば、コントローラ７６は、振動発電機１０の出力電力を最大化するようにデューティ比を変更する。それにより、図１９に示されるように、デューティ比の変更に応じてインピーダンスが変化する。電力最大化のアルゴリズムとしては、例えば、ＭＰＰＴ（最大電力点追従制御）などの一般的な手法を使用することができる。変位絶対値が基準変位以上である期間は、コントローラ７６は、第３の実施形態に係るコントローラ７４（図１５）と同様に、差分計測器６４により得られた差分がなくなるようにデューティ比を制御する。

第４の実施形態では、環境振動が非定常的である場合にも、小振動振幅時における発電電力の最大化と大振動振幅時における可動部変位の抑制とを両立することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、１Ａ、２、２Ａ、２Ｂ、３、３Ａ、４…発電システム、
１０…振動発電機、１１…ケース、１２…振動子、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ…磁石、
１２ｆ、１２ｇ、１２ｈ…ヨーク、１３…コイル、１４…コイル固定部材、
１４ａ…コイル支持部、１５…弾性部材、
２０…整流・平滑回路、
３０…コンバータ、３１…キャパシタ、３２…スイッチング回路、
３３…チョッパコイル、３４…ダイオード、３５Ａ、３５Ｂ…入力端子、
３６Ａ、３６Ｂ…出力端子、
４０…変位計測部、４２…絶対値回路、４０１…電圧計、
４０２…積分器、４０３…変位算出部、４０９…デューティ比測定回路、
５０…リファレンス出力部、６０、６２…比較器、６４…差分計測器、
７０、７２、７４、７６…コントローラ、８０…パルス信号発生回路、
９０…蓄電部、９２…電力計測部。

Claims (13)

1. 可動部を含み、前記可動部の機械エネルギーを電力に変換する発電機と、
   前記可動部の変位を計測する変位計測部と、
   前記計測された変位の絶対値を算出する絶対値回路と、
   前記算出された絶対値と第１の基準変位及び前記第１の基準変位より大きい第２の基準変位とを比較する比較器と、
   前記発電機に接続され、前記電力を変圧するコンバータを備える電気回路と、
   を備え、
   前記コンバータは、前記電気回路の入力インピーダンスを所定の値に設定するために、前記計測された変位に基づいてデューティ比が制御されるスイッチング回路を含み、
   前記デューティ比は、前記算出された絶対値が前記第２の基準変位以上になったことに応答して第２の値に設定され、前記算出された絶対値が前記第１の基準変位未満になったことに応答して前記第２の値より小さい第１の値に設定される、発電システム。
2. 前記第１の値は、前記電気回路の入力インピーダンスを前記発電機の出力電力を最大化するインピーダンスに設定する値である、請求項１に記載の発電システム。
3. 可動部を含み、前記可動部の機械エネルギーを電力に変換する発電機と、
   前記可動部の変位を計測する変位計測部と、
   前記計測された変位の絶対値を算出する絶対値回路と、
   前記算出された絶対値と基準変位との差分を計測する差分計測器と、
   前記発電機に接続され、前記電力を変圧するコンバータを備える電気回路と、
   前記電力を計測する電力計測部と、
   を備え、
   前記コンバータは、前記電気回路の入力インピーダンスを所定の値に設定するために、前記計測された変位に基づいてデューティ比が制御されるスイッチング回路を含み、
   前記デューティ比は、前記算出された絶対値が前記基準変位未満であるときは、前記計測された電力に基づいて制御され、前記算出された絶対値が前記基準変位以上であるときは、前記差分がなくなるようにＰ、ＰＩ又はＰＩＤ制御で調整される、発電システム。
4. 前記変位計測部は、前記発電機の出力電流と、前記出力電流の積分値と、に基づいて、前記可動部の変位を計測する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発電システム。
5. 前記変位計測部は、前記発電機の出力電流と、前記出力電流の積分値と、前記発電機の出力電圧と、に基づいて、前記可動部の変位を計測する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発電システム。
6. 前記変位計測部は、前記発電機の出力電圧の積分値に基づいて、前記可動部の変位を計測する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発電システム。
7. 前記変位計測部は、前記発電機の出力電圧と、前記出力電圧の積分値と、に基づいて、前記可動部の変位を計測する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発電システム。
8. 前記変位計測部は、前記発電機の出力電圧と、前記出力電圧の積分値と、前記デューティ比と、に基づいて、前記可動部の変位を計測する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発電システム。
9. 前記変位計測部は、前記発電機の出力電圧の積分値と、前記デューティ比と、に基づいて、前記可動部の変位を計測する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発電システム。
10. 前記コンバータは、バックブーストコンバータを含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発電システム。
11. 前記変圧された電力を蓄電する蓄電部をさらに備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発電システム。
12. 前記蓄電部は、キャパシタを含む、請求項１１に記載の発電システム。
13. 前記蓄電部は、２次電池を含む、請求項１１に記載の発電システム。