(57)【要約】【課題】エネルギーハーベスタ素子により発電したエネルギーを効率よく供給可能なエネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステムを提供する。【解決手段】エネルギーハーベスタ装置１は、エネルギーハーベスタ素子４により発電されたエネルギーを蓄電するキャパシタ３と、キャパシタ３に接続され、キャパシタ３に充電されたキャパシタ電圧Ｖ1に基づいて、キャパシタから負荷へのエネルギー供給を切り替えるスイッチ２とを備える。エネルギーハーベスタシステム１０は、エネルギーハーベスタ素子４と、エネルギーハーベスタ素子４に接続されたエネルギーハーベスタ装置１と、エネルギーハーベスタ装置１に接続されたエネルギー供給先である負荷７（５，６）とを備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギーハーベスタ素子により発電されたエネルギーを蓄電するキャパシタと、
前記キャパシタに接続され、前記キャパシタに充電されたキャパシタ電圧に基づいて、前記キャパシタから負荷へのエネルギー供給を切り替えるスイッチと
を備えることを特徴とするエネルギーハーベスタ装置。
【請求項２】
前記スイッチは、前記キャパシタに並列接続される抵抗を備えることを特徴とする請求項１記載のエネルギーハーベスタ装置。
【請求項３】
前記抵抗は、所定のインピーダンス以上の抵抗値を有することを特徴とする請求項２記載のエネルギーハーベスタ装置。
【請求項４】
前記スイッチは、
第１ソースが前記キャパシタに接続され、第１ドレインが前記負荷に接続されるｐチャネルの第１ＭＯＳＦＥＴと、
前記キャパシタに並列接続され、前記キャパシタ電圧を分圧する第１抵抗および第２抵抗と、
前記第１ＭＯＳＦＥＴの第１ゲートに、第２ドレインが接続され、第２ゲートが前記キャパシタ電圧の分圧に接続され、第２ソースが接地電位になされたｎチャネルの第２ＭＯＳＦＥＴと、
前記第１ＭＯＳＦＥＴの第１ゲートと第１ソース間に接続された第３抵抗と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のエネルギーハーベスタ装置。
【請求項５】
前記スイッチは、
前記第１ソースと前記キャパシタ間に配置され、第３ドレインが前記キャパシタに接続され、第３ソースが前記第１ソースに接続され、第３ゲートが前記第１ゲートに接続されるｐチャネルの第３ＭＯＳＦＥＴをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載のエネルギーハーベスタ装置。
【請求項６】
エネルギーハーベスタ素子と、
前記エネルギーハーベスタ素子に接続され、請求項１〜５のいずれか１項に記載のエネルギーハーベスタ装置と、
前記エネルギーハーベスタ装置に接続されたエネルギー供給先である負荷と
を備えることを特徴とするエネルギーハーベスタシステム。
【請求項７】
前記負荷は、
電源と、
前記電源に接続され、電力を消費するシステム負荷と
を備えることを特徴とする請求項６に記載のエネルギーハーベスタシステム。
【請求項８】
前記電源は、前記システム負荷への供給電圧を安定化させることを特徴とする請求項７に記載のエネルギーハーベスタシステム。
【請求項９】
複数のエネルギーハーベスタ素子と、
前記複数のエネルギーハーベスタ素子にそれぞれ対応して設けられた請求項５に記載のエネルギーハーベスタ装置と、
前記エネルギーハーベスタ装置に接続されたエネルギー供給先である負荷と
を備えることを特徴とするエネルギーハーベスタシステム。
【請求項１０】
前記負荷は、
前記複数のエネルギーハーベスタ装置にそれぞれ接続された複数の電源と、
前記複数の電源に共通に接続され、電力を消費するシステム負荷と
を備えることを特徴とする請求項９に記載のエネルギーハーベスタシステム。
【請求項１１】
前記負荷は、
前記複数のエネルギーハーベスタ装置に共通に接続された電源と、
前記電源に接続され、電力を消費するシステム負荷と
を備えることを特徴とする請求項９に記載のエネルギーハーベスタシステム。
【請求項１２】
前記複数のエネルギーハーベスタ装置の前記第２ＭＯＳＦＥＴの前記第２ドレインに接続され、前記第２ドレインの電圧を検出する検出器と、
前記検出器により検出された前記第２ドレインの電圧に基づいて、前記複数のエネルギーハーベスタ素子のうち、いずれのエネルギーハーベスタ素子からエネルギーが供給されたかを判定する判定部と
を備えることを特徴とする請求項９に記載のエネルギーハーベスタシステム。
【請求項１３】
前記システム負荷は、携帯電話、スマートフォン、ＰＤＡ、光ディスク装置、デジタルカメラ、無線通信装置のうちいずれかであるモバイル機器、自動車、産業機器、医療機器、それらの機器の構成部品であることを特徴とする請求項６〜１２のいずれか１項に記載のエネルギーハーベスタシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステムに関し、特に、エネルギーハーベスタ素子により発電したエネルギーを効率よく供給可能なエネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械機器に関する技術は開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、回生エネルギーの蓄電方法等に関する技術もよく知られている（例えば、特許文献２および特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００９−５２８００９号公報
【特許文献２】特開２０００−５９９０３号公報
【特許文献３】特表２００３−１９９２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の回生エネルギー充電方法や回生エネルギー蓄電装置保護技術では、エネルギーハーベスタ素子により発電した電力を効率よく供給することが困難であった。
【０００５】
本発明の目的は、エネルギーハーベスタ素子により発電したエネルギーを効率よく供給可能なエネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、エネルギーハーベスタ素子により発電されたエネルギーを蓄電するキャパシタと、前記キャパシタに接続され、前記キャパシタに充電されたキャパシタ電圧に基づいて、前記キャパシタから負荷へのエネルギー供給を切り替えるスイッチとを備えるエネルギーハーベスタ装置が提供される。
【０００７】
本発明の他の態様によれば、エネルギーハーベスタ素子と、前記エネルギーハーベスタ素子に接続されるエネルギーハーベスタ装置と、前記エネルギーハーベスタ装置に接続されたエネルギー供給先である負荷とを備えるエネルギーハーベスタシステムが提供される。
【０００８】
本発明の他の態様によれば、複数のエネルギーハーベスタ素子と、前記複数のエネルギーハーベスタ素子にそれぞれ対応して設けられたエネルギーハーベスタ装置と、前記エネルギーハーベスタ装置に接続されたエネルギー供給先である負荷とを備えるエネルギーハーベスタシステムが提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、エネルギーハーベスタ素子により発電したエネルギーを効率よく供給可能なエネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】基本技術に係るエネルギーハーベスタシステムの模式的回路構成図。
【図２】基本技術に係るエネルギーハーベスタシステムの発電に伴うキャパシタ電圧Ｖ1の時間変化の波形例。
【図３】基本技術に係るエネルギーハーベスタシステムにおいて、（ａ）発電エネルギーＥの時間変化の波形例、（ｂ）負荷抵抗ＲLの値Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3をパラメータとするキャパシタ電圧Ｖ1の時間変化の波形例。
【図４】基本技術に係るエネルギーハーベスタシステムの具体的な回路構成図。
【図５】第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムの模式的回路構成図。
【図６】第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムに適用可能なエネルギーハーベスタ装置の模式的回路構成図。
【図７】第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムに適用可能なエネルギーハーベスタ装置において、（ａ）キャパシタ電圧Ｖ1、ゲート電圧Ｖ2の動作波形例、（ｂ）ドレイン電圧Ｖ3の動作波形例、（ｃ）負荷への供給電流Ｉ1の動作波形例。
【図８】図７のスイッチＳＷ部分の模式的回路構成図。
【図９】第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムに適用可能なエネルギーハーベスタ装置において、（ａ）キャパシタ電圧Ｖ1、ゲート電圧Ｖ2のオンオフ動作波形例、（ｂ）ドレイン電圧Ｖ3のオンオフ動作波形例、（ｃ）負荷への供給電流Ｉ1のオンオフ動作波形例。
【図１０】第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムにおいて、（ａ）ゲート電圧Ｖ2の連続動作波形例、（ｂ）キャパシタに蓄積されるエネルギーＥ1の連続動作波形例、（ｃ）負荷への供給電流Ｉ1の連続動作波形例、（ｄ）負荷への供給エネルギーＥLの連続動作波形例。
【図１１】第２の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムの模式的回路構成図。
【図１２】第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムの模式的回路構成図。
【図１３】第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムに適用可能なエネルギーハーベスタ装置の模式的回路構成図。
【図１４】第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムの詳細回路構成図。
【図１５】第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムにおいて、複数のエネルギーハーベスタ素子のうち、いずれのエネルギーハーベスタ素子からエネルギーが供給されたかを判定する機能を説明するための模式的回路ブロック構成図。
【図１６】第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムにおいて、複数のエネルギーハーベスタ素子のうち、いずれのエネルギーハーベスタ素子からエネルギーが供給されたかを判定する動作を説明するための模式的ブロック構成図。
【図１７】第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムに適用可能なエネルギーハーベスタ装置１iにおいて、オフ状態からオン状態に移行する動作時における（ａ）キャパシタ電圧Ｖ1i、ゲート電圧Ｖ2iの動作波形例、（ｂ）ドレイン電圧Ｖ3iの動作波形例、（ｃ）負荷への供給電流Ｉ1iの動作波形例。
【図１８】第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムに適用可能なエネルギーハーベスタ装置１iにおいて、オン状態からオフ状態に移行する動作時における（ａ）ドレイン電圧Ｖ3iの動作波形例、（ｂ）負荷への供給電流Ｉ1iの動作波形例。
【図１９】第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムにおいて、（ａ）キャパシタ電圧Ｖ1iの連続動作波形例、（ｂ）キャパシタに蓄積されるエネルギーＥ1iの連続動作波形例、（ｃ）負荷への供給電流Ｉ1iの連続動作波形例、（ｄ）ドレイン電圧Ｖ3iの連続動作波形例。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。
【００１２】
以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１３】
本実施の形態において、「エネルギーハーベスタ素子」とは、振動エネルギー発電、電波エネルギー発電、熱エネルギー発電、光エネルギー発電などの環境エネルギー発電可能な素子をいう。時間的な変動幅は、エネルギーハーベスタ素子に応じて、例えば、数ナノ秒から数秒、あるいは数日などに及ぶ。また、電圧変動範囲は、エネルギーハーベスタ素子に応じて、例えば、数μＶから数１０Ｖなどの範囲におよび、取り扱うパワーレベルも、例えば、数μＷから数１０Ｗなどの範囲に及ぶ。
【００１４】
［第１の実施の形態］
（基本技術）
基本技術に係るエネルギーハーベスタシステム１０ａは、図１に示すように、エネルギーハーベスタ素子４と、エネルギーハーベスタ素子４に並列接続されたエネルギーハーベスタ素子４によって発電されたエネルギーを充電するためのキャパシタ３と、キャパシタ３に並列接続された負荷ＲLとを備える。ここで、キャパシタ３の値をＣ1、充電電圧をＶ1とすると、キャパシタＣ1に充電されるエネルギーは、ＣＶ12／２で表される。
【００１５】
基本技術に係るエネルギーハーベスタシステム１０ａにおいて、負荷ＲLの値Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3（Ｒ1＜Ｒ2＜Ｒ3）をパラメータとする発電に伴うキャパシタ電圧Ｖ1の時間変化の波形例は、図２に示すように表される。
【００１６】
図２において、キャパシタ電圧Ｖ1は、時刻ｔｐにおいて、負荷ＲLの値Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3（Ｒ1＜Ｒ2＜Ｒ3）に対して、それぞれピーク値Ｖp1、Ｖp2、Ｖp3を示す。ここで、図２に示す例では、キャパシタ電圧Ｖ1のピーク値が得られる時刻は、同じ時刻ｔｐに設定されているが、ピーク値が得られる時刻は、必ずしも一致していない場合もあり得る。
【００１７】
基本技術に係るエネルギーハーベスタシステム１０ａにおいては、図２に示すように、負荷ＲLのインピーダンスが小さい程、キャパシタ電圧Ｖ1のピーク値が、Ｖp1＜Ｖp2＜Ｖp3のように変化しており、キャパシタＣ1に蓄電されるエネルギーが小さくなる。結果として、エネルギーハーベスタ素子４から、負荷ＲL1へ供給されるエネルギー量も小さくなる。すなわち、エネルギーハーベスタ素子４においては、発電したエネルギーを供給する対象のインピーダンスによって、発電効率が変動する。
【００１８】
また、基本技術に係るエネルギーハーベスタシステム１０ａにおいて、発電エネルギーＥの時間変化の波形例は、図３（ａ）に示すように、例えば、時刻ｔｐにおいてピーク値Ｅpを有する振動波形のように表される。
【００１９】
また、負荷抵抗ＲLをパラメータとするキャパシタ電圧Ｖ1の時間変化の波形例は、図３（ｂ）に示すように表される。基本技術に係るエネルギーハーベスタシステム１０ａにおいては、負荷抵抗ＲLの値に応じて、ＲＣ時定数が変化し、Ｒ1Ｃ1＜Ｒ2Ｃ1＜Ｒ3Ｃ1の関係が成立する。このため、負荷抵抗ＲLの値が大きいと、キャパシタＣ1を充電するのに時間を要する。
【００２０】
基本技術に係るエネルギーハーベスタシステム１０ａの具体的な回路構成例は、図４に示すように、エネルギーハーベスタ素子４と、エネルギーハーベスタ素子４に並列接続され、エネルギーハーベスタ素子４によって発電されたエネルギーを充電するためのキャパシタ３と、キャパシタ３に並列接続された電源５と、電源５に接続されたシステム負荷６とを備える。ここで、キャパシタ３から見たシステム負荷６を含む電源５側のインピーダンスをＲL1、システム負荷６のインピーダンスをＲL2で表している。
【００２１】
このような負荷ＲL(電源５側のインピーダンスをＲL1、システム負荷６のインピーダンスをＲL2)を、適切に駆動させるためには、負荷ＲLに対して必要なエネルギーを供給する必要があるが、負荷ＲLのインピーダンスが高いと図３（ｂ）に示すように、キャパシタＣ1を充電するのに時間を要する。このため、負荷ＲLのインピーダンスを適宜切り替えて、時定数を短くする必要がある。すなわち、十分なエネルギーを電子機器に供給するために、キャパシタＣ1の充電時間を短く確保すると共に、キャパシタＣ1に充電されたエネルギーハーベスタ素子４の発電エネルギーを負荷ＲLへ効率よく供給する必要がある。
【００２２】
（エネルギーハーベスタシステム）
第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０は、図５に示すように、エネルギーハーベスタ素子４と、エネルギーハーベスタ素子４に接続されたエネルギーハーベスタ装置１と、エネルギーハーベスタ装置１に接続されたエネルギー供給先である負荷７とを備える。
【００２３】
ここで、負荷７は、電源５と、電源５に接続され、電力を消費するシステム負荷６とを備える。電源５は、システム負荷への供給電圧を安定化させる機能を備える。電源５は、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＬＤＯ（Low Drop Out）等のような供給電圧安定化電源である。システム負荷６は、携帯電話、スマートフォン、ＰＤＡ、光ディスク装置、デジタルカメラ、無線通信装置などモバイル機器や、自動車や、産業機器や、医療機器や、それらの機器の構成部品であり、エネルギーを消費する機器である。
【００２４】
（エネルギーハーベスタ装置）
第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０に適用可能なエネルギーハーベスタ装置１の模式的回路構成は、図６に示すように表される。
【００２５】
第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０に適用可能なエネルギーハーベスタ装置１は、図５および図６に示すように、エネルギーハーベスタ素子４により発電されたエネルギーを蓄電するキャパシタ３と、キャパシタ３に接続され、キャパシタ３に充電されたキャパシタ電圧Ｖ1に基づいて、キャパシタ３から７負荷へのエネルギー供給を切り替えるスイッチ２とを備える。
【００２６】
スイッチ２は、キャパシタ３と負荷７との間に接続され、キャパシタ電圧Ｖ1に基づいて、キャパシタ３から負荷７への電力供給を切り替える。
【００２７】
ここで、スイッチ２は、図６に示すように、キャパシタ３に並列接続される抵抗Ｒ１・Ｒ２を備える。
【００２８】
スイッチは、図６に示すように、第１ソースがキャパシタ３に接続され、第１ドレインが負荷７に接続されるｐチャネルの第１絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）Ｑ1と、キャパシタ３に並列接続され、キャパシタ電圧Ｖ1を分圧する第１抵抗Ｒ1および第２抵抗Ｒ2と、第１ＭＯＳＦＥＴＱ1の第１ゲートに、第２ドレインが接続され、第２ゲートがキャパシタ電圧Ｖ1の分圧に接続され、第２ソースが接地電位になされたｎチャネルの第２ＭＯＳＦＥＴＱ2と、第１ＭＯＳＦＥＴＱ1の第１ゲートと第１ソース間に接続された第３抵抗Ｒ3とを備えていても良い。ここで、第１抵抗Ｒ1および第２抵抗Ｒ2によって分圧されたゲート電圧Ｖ2は、Ｒ2・Ｖ1／（Ｒ1＋Ｒ2）で表される。また、第１ＭＯＳＦＥＴＱ1の第１ゲートおよび第２ＭＯＳＦＥＴＱ2の第２ドレインの電圧は、ドレイン電圧Ｖ3で表される。尚、図６において、ＢＤ1は、ｐチャネルの第１ＭＯＳＦＥＴＱ1のバックゲートボディーダイオードを表す。キャパシタ３に所定のキャパシタ電圧Ｖ1が充電された状態で、第１ＭＯＳＦＥＴＱ1がオフ状態では、第１ＭＯＳＦＥＴＱ1のゲート・ソース間には逆バイアスが印加され、第１ＭＯＳＦＥＴＱ1のドレイン・ソース間およびバックゲートボディーダイオードＢＤ1にも逆バイアスが印加される。
【００２９】
また、抵抗Ｒ1・Ｒ2は、所定のインピーダンス以上の抵抗値を有する。すなわち、抵抗Ｒ1および抵抗Ｒ2の値によって、所定のインピーダンス以上の抵抗値を有する。
【００３０】
スイッチ２においては、分圧されたゲート電圧Ｖ2＝Ｒ2・Ｖ1／（Ｒ1＋Ｒ2）とｎチャネルの第２ＭＯＳＦＥＴＱ2の閾値電圧Ｖth2との大小関係によって、第２ＭＯＳＦＥＴＱ2のオンオフ状態を調整することができる。
【００３１】
第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０に適用可能なエネルギーハーベスタ装置１において、キャパシタ電圧Ｖ1、ゲート電圧Ｖ2の動作波形例は、図７（ａ）に示すように表され、ドレイン電圧Ｖ3の動作波形例は、図７（ｂ）に示すように表され、負荷７への供給電流Ｉ1の動作波形例は、図７（ｃ）に示すように表される。
【００３２】
また、図７のスイッチＳＷ部分の模式的回路構成は、図８に示すように表される。
【００３３】
第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０においては、ハイインピーダンス状態で、キャパシタ電圧Ｖ1が起動できるので、効率よく後段を起動できる。
【００３４】
まず、時刻ｔ１までは、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、第２ＭＯＳＦＥＴＱ2の閾値電圧Ｖth2以上の電圧をゲート電圧Ｖ2は発生していない。このため、第２ＭＯＳＦＥＴＱ2はオフしている。
【００３５】
次に、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、時間ｔの経過と共にキャパシタ電圧Ｖ1が上昇し、ゲート電圧Ｖ2＝Ｒ2・Ｖ1／（Ｒ1＋Ｒ2）が、時刻ｔ１において、第２ＭＯＳＦＥＴＱ2の閾値電圧Ｖth2よりも高くなると、第２ＭＯＳＦＥＴＱ2がオン状態になる。この結果、ドレイン電圧Ｖ3が接地電位になり、図８に示す回路上、第１ＭＯＳＦＥＴＱ1の第１ゲートのゲート電位は第２ＭＯＳＦＥＴＱ2のドレイン電圧Ｖ3に等しくなるため、ｐチャネルの第１ＭＯＳＦＥＴＱ1はオン状態になる。この結果、キャパシタ３に充電されたエネルギーは、第１ＭＯＳＦＥＴＱ1を介して負荷７に供給される。ここで、図７（ｃ）に示すように、第１ＭＯＳＦＥＴＱ1を導通する負荷７への供給電流Ｉ1は、オン状態においてオン電流ＩONで表される。
【００３６】
第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０に適用可能なエネルギーハーベスタ装置１において、キャパシタ電圧Ｖ1、ゲート電圧Ｖ2のオンオフ動作波形例は、図９（ａ）に示すように表され、ドレイン電圧Ｖ3のオンオフ動作波形例は、図９（ｂ）に示すように表され、負荷７への供給電流Ｉ1のオンオフ動作波形例は、図９（ｃ）に示すように表される。オン動作は、図７と同様であるため、説明を省略し、オフ動作について説明する。
【００３７】
図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、時間ｔの経過と共にキャパシタ３に充電されるキャパシタ電圧Ｖ1の値が低下し、ゲート電圧Ｖ2が第２ＭＯＳＦＥＴＱ2の閾値電圧Ｖth2よりも低くなると、第２ＭＯＳＦＥＴＱ2がオフ状態になり、ドレイン電圧Ｖ3が閾値電圧Ｖth2よりも高いハイレベルの電位になり、ｐチャネルの第１ＭＯＳＦＥＴＱ1は、オフ状態になる。この結果、図９（ｃ）に示すように、第１ＭＯＳＦＥＴＱ1を導通する負荷７への供給電流Ｉ1は遮断され、負荷７への電流供給は停止される。尚、時刻ｔ２以降のドレイン電圧Ｖ3の波形は、キャパシタ電圧Ｖ1の波形と等しくなるため、図９（ｂ）に示すように、０Ｖに収束する。時刻ｔ２において、第１ＭＯＳＦＥＴＱ1のゲート・ソース間電圧ＶGSが０Ｖとなり、第１ＭＯＳＦＥＴＱ1がオフするからである。
【００３８】
第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０において、ゲート電圧Ｖ2の連続波形例は図１０（ａ）に示すように表され、キャパシタ３に蓄積されるエネルギーＥ1の連続動作波形例は、図１０（ｂ）に示すように表され、負荷７への供給電流Ｉ1の連続動作波形例は、図１０（ｃ）に示すように表され、負荷７への供給エネルギーＥLの連続動作波形例は、図１０（ｄ）に示すように表される。
【００３９】
キャパシタ電圧Ｖ1の連続動作に伴い、ゲート電圧Ｖ2の連続波形が図１０（ａ）に示すように変化し、ゲート電圧Ｖ2の値が第２ＭＯＳＦＥＴＱ2の閾値電圧Ｖth2よりも高くなると、第２ＭＯＳＦＥＴＱ2がオン状態になり、第１ＭＯＳＦＥＴＱ1もオン状態になり、負荷７への供給電流Ｉ1は、オン電流ＩON若しくはオン電流ＩON以上の電流が導通する。この結果、負荷７への供給エネルギーＥLは、図１０（ｄ）に示すような連続波形例で表される。
【００４０】
第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０によれば、キャパシタ３に十分に蓄電された後に、ハイインピーダンス状態で、負荷７にエネルギーを供給することができるので、エネルギーハーベスタ素子４により発電したエネルギーを効率よく負荷７に供給することができる。
【００４１】
第１の実施の形態によれば、エネルギーハーベスタ素子により発電したエネルギーを効率よく供給可能なエネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステムを提供することができる。
【００４２】
［第２の実施の形態］
（エネルギーハーベスタシステム）
第２の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムの模式的回路構成は、図１１に示すように、複数のエネルギーハーベスタ素子４1、４2、…、４nと、複数のエネルギーハーベスタ素子４1、４2、…、４nに接続され、複数のエネルギーハーベスタ素子４1、４2、…、４nにそれぞれ対応して設けられたエネルギーハーベスタ装置１11、１12、…、１1nと、エネルギーハーベスタ装置１11、１12、…、１1nに接続されたエネルギー供給先である負荷７（５1、５2、…、５n、６）とを備える。
【００４３】
ここで、負荷７は、図１１に示すように、複数のエネルギーハーベスタ装置１11、１12、…、１1nにそれぞれ接続された複数の電源５1、５2、…５nと、複数の電源５1、５2、…、５nに共通に接続され、電力を消費するシステム負荷６とを備える。
【００４４】
電源５は、システム負荷６への供給電圧を安定化させる機能を備える。電源５は、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＬＤＯ（Low Drop Out）等のような供給電圧安定化電源である。
【００４５】
システム負荷６は、携帯電話、スマートフォン、ＰＤＡ、光ディスク装置、デジタルカメラ、無線通信装置などモバイル機器や、自動車や、産業機器や、医療機器や、それらの機器の構成部品であり、エネルギーを消費する機器である。
【００４６】
また、複数のエネルギーハーベスタ装置１11、１12、…、１1nは、それぞれキャパシタＣ1と、キャパシタＣ1に接続されたスイッチＳＷ１、ＳＷ２、…、ＳＷｎとを備える。複数のエネルギーハーベスタ素子４1、４2、…、４nの発電状態によって、各キャパシタＣ1には、キャパシタ電圧Ｖ11、Ｖ12、…、Ｖ1nが発生しており、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、…、ＳＷｎの切替動作によって、エネルギー供給先である負荷７（５，６）に対して、複数のエネルギーハーベスタ素子４1、４2、…、４nのいずれか１つ若しくは複数からエネルギー供給が行われる。
【００４７】
第２の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０によれば、複数のエネルギーハーベスタ素子４1、…、４i、…、４nにそれぞれ対応して設けられた複数のエネルギーハーベスタ装置１11、…、１1i、…、１1nの各キャパシタ３に十分に蓄電された後に、ハイインピーダンス状態で負荷７（５1、５2、…、５n、６）にエネルギーを供給することができるので、複数のエネルギーハーベスタ素子４1、…、４i、…、４nにより発電したエネルギーを効率よく負荷７に供給することができる。
【００４８】
第２の実施の形態によれば、複数のエネルギーハーベスタ素子により発電したエネルギーを効率よく供給可能なエネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステムを提供することができる。
【００４９】
[第３の実施の形態]
第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０の模式的回路構成は、図１２に示すように、複数のエネルギーハーベスタ素子４1、…、４i、…、４nと、複数のエネルギーハーベスタ素子４1、…、４i、…、４nにそれぞれ対応して設けられたエネルギーハーベスタ装置１11、…、１1i、…、１1nと、エネルギーハーベスタ装置１11、…、１1i、…、１1nに共通に接続されたエネルギー供給先である負荷７（５，６）とを備える。
【００５０】
ここで、負荷７は、図１２に示すように、複数のエネルギーハーベスタ装置１11、…、１1i、…、１1nに共通に接続された電源５と、電源５に接続され、電力を消費するシステム負荷６とを備える。
【００５１】
第３の実施の形態においては、複数のエネルギーハーベスタ装置１11、…、１1i、…、１1nに共通に接続された電源５を備えるため、複数の電源５1、５2、…５n間に互いに干渉が生じる動作モードの発生を防止することができる。
【００５２】
電源５は、システム負荷への供給電圧を安定化させる機能を備える。電源５は、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＬＤＯ（Low Drop Out）等のような供給電圧安定化電源である。
【００５３】
システム負荷６は、携帯電話、スマートフォン、ＰＤＡ、光ディスク装置、デジタルカメラ、無線通信装置などモバイル機器や、自動車や、産業機器や、医療機器や、それらの機器の構成部品であり、エネルギーを消費する機器である。
【００５４】
第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０に適用可能なエネルギーハーベスタ装置１iの模式的回路構成は、図１３に示すように表される。
【００５５】
第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０に適用可能なエネルギーハーベスタ装置１iにおいて、スイッチＳＷiは、図１３に示すように、図６に示されたスイッチ２の構成に加えて、第１ソースとキャパシタＣ1間に配置され、第３ドレインがキャパシタＣ1に接続され、第３ソースが第１ソースに接続され、第３ゲートが第１ゲートに接続されるｐチャネルの第３ＭＯＳＦＥＴＱ3をさらに備える。
【００５６】
図６に示されたスイッチ２の構成では、ｐチャネルの第１ＭＯＳＦＥＴＱ1の第１ゲート・第１ソース間の電圧がショートされた状態となると、ｐチャネルの第１ＭＯＳＦＥＴＱ1が、オン状態となるので、電流が逆流する可能性があるが、図１３に示されたスイッチＳＷiの構成では、ｐチャネルの第３ＭＯＳＦＥＴＱ3をさらに備えるため、電流の逆流を防止することができる。
【００５７】
図１３に示されたスイッチＳＷiの構成では、スイッチＳＷiがオンしている場合、ドレイン電圧Ｖ3はゼロ電位にあるが、ｐチャネルの第３ＭＯＳＦＥＴＱ3のバックゲートボディーダイオードＢＤ3の効果によって、電流の逆流を防止することができる。
【００５８】
尚、図１３に示されたスイッチＳＷiの構成では、スイッチＳＷiがオフしている場合、ドレイン電圧Ｖ3は、ゲート電圧Ｖ1iと同電位となる。
【００５９】
第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０の詳細回路構成は、図１４に示すように表される。
【００６０】
また、第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０において、複数のエネルギーハーベスタ素子４1、…、４i、…、４nのうち、いずれのエネルギーハーベスタ素子からエネルギーが供給されたかを判定する機能を説明するための模式的回路ブロック構成は、図１５に示すように表される。また、第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０において、複数のエネルギーハーベスタ素子４1、…、４i、…、４nのうち、いずれのエネルギーハーベスタ素子からエネルギーが供給されたかを判定する動作を説明するための模式的ブロック構成は、図１６に示すように表される。
【００６１】
検出器４１において、ドレイン電圧Ｖ31、…、Ｖ3i、…、Ｖ3nを検出し、特定のドレイン電圧Ｖ3kを選択して、判定部４２において特定のドレイン電圧Ｖ3kの値が、第２ＭＯＳＦＥＴＱ2の閾値電圧Ｖth2に到達しているか否かを判定する。ドレイン電圧Ｖ3kの値が、第２ＭＯＳＦＥＴＱ2の閾値電圧Ｖth2に到達している場合には、例えば、ドレイン電圧Ｖ3kに対応する識別情報データＩＤk＝１、ドレイン電圧Ｖ3kの値が、閾値電圧Ｖth2に到達していない場合には、ドレイン電圧Ｖ3kに対応する識別情報データＩＤk＝０と判定することができる。
【００６２】
第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０は、図１５および図１６に示すように、複数のエネルギーハーベスタ装置１11、…、１1i、…、１1nの第２ＭＯＳＦＥＴＱ2の第２ドレインに接続され、ドレイン電圧Ｖ31、…、Ｖ3i、…、Ｖ3nを検出する検出器４１と、検出器４１により検出されたドレイン電圧Ｖ31、…、Ｖ3i、…、Ｖ3nに基づいて、複数のエネルギーハーベスタ素子４1、…、４i、…、４nのうち、いずれのエネルギーハーベスタ素子からエネルギーが供給されたかを判定する判定部４２とを備えていても良い。
【００６３】
第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０に適用可能なエネルギーハーベスタ装置１iにおいて、オフ状態からオン状態に移行する動作時におけるキャパシタ電圧Ｖ1i、ゲート電圧Ｖ2iの動作波形例は、図１７（ａ）に示すように表され、ドレイン電圧Ｖ3iの動作波形例は、図１７（ｂ）に示すように表され、負荷７への供給電流Ｉ1iの動作波形例は、図１７（ｃ）に示すように表される。図１７（ａ）、図１７（ｂ）および図１７（ｃ）は、複数のエネルギーハーベスタ装置１11、…、１1i、…、１1nの中の特定のエネルギーハーベスタ装置１iにおける動作を説明する図であり、図７（ａ）、図７（ｂ）および図７（ｃ）と実質的に同様の動作をするため、重複説明は省略する。
【００６４】
第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０に適用可能なエネルギーハーベスタ装置１iにおいて、オン状態からオフ状態に移行する動作時におけるドレイン電圧Ｖ3iの動作波形例は、図１８（ａ）に示すように表され、負荷７への供給電流Ｉ1iの動作波形例は、図１８（ｂ）に示すように表される。図１８（ａ）および図１８（ｂ）は、複数のエネルギーハーベスタ装置１11、…、１1i、…、１1nの中の特定のエネルギーハーベスタ装置１iにおける動作を説明する図である。
【００６５】
図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示すように、時間ｔの経過と共にキャパシタ３に充電されるキャパシタ電圧Ｖ1iの値が低下し、電圧Ｖ2が第２ＭＯＳＦＥＴＱ2の閾値電圧Ｖth2よりも低くなると、第２ＭＯＳＦＥＴＱ2がオフ状態になり、ドレイン電圧Ｖ3iが閾値電圧Ｖth2よりも高いハイレベルの電位Ｖ3ipになり、ｐチャネルの第１ＭＯＳＦＥＴＱ1は、オフ状態になる。この結果、図１８（ｂ）に示すように、第１ＭＯＳＦＥＴＱ1を導通する負荷７への供給電流Ｉ1は遮断され、負荷７への電流供給は停止される。
【００６６】
並列にエネルギーハーベスタ素子４1、…、４i、…、４nが設けられ、これらのエネルギーハーベスタ素子４1、…、４i、…、４nのうち、いずれか１つが発電する場合、どのエネルギーハーベスタ素子４1、…、４i、…、４nからシステム負荷６にエネルギーが供給されたかを識別する必要がある。
【００６７】
そこで、第３の実施の形態では、どのエネルギーハーベスタ素子４1、…、４i、…、４nからシステム負荷６にエネルギーが供給されたかを識別する識別データＩＤ1、…、ＩＤi、…、ＩＤnを、検出器４１により検出されたドレイン電圧Ｖ31、…、Ｖ3i、…、Ｖ3nに基づいて取得することができる。
【００６８】
すなわち、例えば、検出器４１により検出されたドレイン電圧Ｖ3iが、図１７（ｂ）に示すように、第２ＭＯＳＦＥＴＱ2の閾値電圧Ｖth2に到達している場合には、ＩＤi＝１、閾値電圧Ｖth2に到達していない場合には、ＩＤi＝０と判定することができる。このようにして、どのエネルギーハーベスタ素子４1、…、４i、…、４nにおいて発電したかを識別することができる。
【００６９】
第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０において、キャパシタ電圧Ｖ1iの連続動作波形例は、図１９（ａ）に示すように表され、キャパシタＣ1に蓄積されるエネルギーＥ1iの連続動作波形例は、図１９（ｂ）に示すように表され、負荷７への供給電流Ｉ1iの連続動作波形例は、図１９（ｃ）に示すように表され、ドレイン電圧Ｖ3iの連続動作波形例は、図１９（ｄ）に示すように表される。尚、図示は省略されているが、負荷７への供給エネルギーＥLの連続動作波形例も、図１０（ｃ）に対応する図１０（ｄ）と同様に、図１９（ｃ）に対応して表すことができる。
【００７０】
キャパシタ電圧Ｖ1iの連続波形が図１９（ａ）に示すように変化し、キャパシタＣ1に蓄積されるエネルギーＥ1iの連続動作波形も図１９（ｂ）に示すように変化する。ゲート電圧Ｖ2の値が第２ＭＯＳＦＥＴＱ2の閾値電圧Ｖth2よりも高くなると、第２ＭＯＳＦＥＴＱ2がオン状態になり、第１ＭＯＳＦＥＴＱ1もオン状態になり、負荷７への供給電流Ｉ1iは、図１９（ｃ）に示すように、オン電流ＩON若しくはＩON以上の電流が導通する。この結果、負荷７への供給エネルギーＥLは、図示を省略するが、図１９（ｃ）に対応して、図１０（ｄ）と同様な連続波形例で表すことができる。更に、ドレイン電圧Ｖ3iの連続動作波形例は、図１９（ｄ）に示すように、オフ状態からオン状態への移行では、第１ＭＯＳＦＥＴＱ1の閾値電圧Ｖth2をピーク値とする過渡応答波形で表され、オン状態からオフ状態への移行では、図１３に示されたスイッチＳＷiの回路系で決まるドレイン電圧Ｖ3ipをピーク値とする過渡応答波形で表される。
【００７１】
第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０によれば、複数のエネルギーハーベスタ素子４1、…、４i、…、４nにそれぞれ対応して設けられた複数のエネルギーハーベスタ装置１11、…、１1i、…、１1nの各キャパシタ３に十分に蓄電された後に、ハイインピーダンス状態で負荷７にエネルギーを供給することができるので、複数のエネルギーハーベスタ素子４1、…、４i、…、４nにより発電したエネルギーを効率よく負荷７に供給することができる。しかも、複数のエネルギーハーベスタ素子４1、…、４i、…、４nの内、特定のエネルギーハーベスタ素子４iの発電状態を識別データＩＤ1、…、ＩＤi、…、ＩＤnの判定結果に基づいて識別可能である。
【００７２】
第３の実施の形態によれば、複数のエネルギーハーベスタ素子により発電したエネルギーを効率よく供給可能なエネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステムを提供することができる。
【００７３】
（その他の実施の形態）
上記のように、実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【００７４】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明のエネルギーハーベスタシステムは、振動発電素子などのエネルギーハーベスタ素子により発電したエネルギーを効率よく供給するシステムに適用され、モバイル機器、車載機器、産業機器、医療機器などの幅広い分野に適用可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１、１11、…、１1i、…、１1n…エネルギーハーベスタ装置
２、ＳＷ１、…、ＳＷi、…、ＳＷｎ…スイッチ
３、３1、３2、…、３i、…、３n…キャパシタ（Ｃ1）
４、４1、４2、…、４i、…、４n…エネルギーハーベスタ素子
５、５1、５2、…、５i、…、５n…電源
６…システム負荷
７…負荷
１０ａ、１０…エネルギーハーベスタシステム
４１…検出器
４２…判定部
Ｖ1、Ｖ11、…、Ｖ1i、…、Ｖ1n…キャパシタ電圧
Ｑ1、Ｑ3…ｐＭＯＳＦＥＴ
Ｑ2…ｎＭＯＳＦＥＴ
Ｖ2…ゲート電圧
Ｖ3…ドレイン電圧
Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3…抵抗
ＩＤ１、…、ＩＤi、…、ＩＤｎ…識別情報データ
ＢＤ1、ＢＤ3…バックゲートボディーダイオード
ＲL1、ＲL2、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3…負荷抵抗
Ｖth2、Ｖth2i…ｎＭＯＳＦＥＴＱ2の閾値電圧
Ｅ、Ｅ1、…、Ｅi…、Ｅn…発電エネルギー
ＥL…負荷への供給エネルギー
Ｉ1、…、Ｉ1i、…、Ｉ1n…負荷への供給電流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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