(57)【要約】【課題】省スペース化・低コスト化を図りながら電池寿命を向上させることが可能な蓄電池充電システムを提供すること。【解決手段】蓄電池充電システムは、第１交流電力を出力する振動発電素子１０と、第２交流電力を出力する無線給電の受電部２０と、振動発電素子１０と受電部２０のいずれかの出力を選択するための第１スイッチＳＷ１０と、第１スイッチＳＷ１０を介して供給される第１交流電力もしくは第２交流電力を直流電力に変換する整流回路３０と、直流電力を蓄電する蓄電池５０と、無線給電が可能であるか否かを認証し、無線給電が可能である場合は受電部２０から給電されるように第１スイッチＳＷ１０を切り替え、無線給電が可能でない場合は振動発電素子１０から給電されるように第１スイッチＳＷ１０を切り替える認証回路６０とを備える。【選択図】図１
2014121135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１交流電力を出力するエネルギーハーベスタ素子と、
第２交流電力を出力する無線給電の受電部と、
前記エネルギーハーベスタ素子と前記受電部のいずれかの出力を選択するための第１スイッチと、
前記第１スイッチを介して供給される前記第１交流電力もしくは前記第２交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記直流電力を蓄電する蓄電池と、
前記無線給電が可能であるか否かを認証し、前記無線給電が可能である場合は前記受電部から給電されるように前記第１スイッチを切り替え、前記無線給電が可能でない場合は前記エネルギーハーベスタ素子から給電されるように前記第１スイッチを切り替える認証回路と
を備えることを特徴とする蓄電池充電システム。
【請求項２】
前記整流回路と前記蓄電池との間に接続され、前記直流電力を安定化させる電源回路を備え、前記蓄電池には、安定化された前記直流電力が供給されることを特徴とする請求項１に記載の蓄電池充電システム。
【請求項３】
前記第１交流電力と前記第２交流電力は、周波数が互いに異なることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電池充電システム。
【請求項４】
前記エネルギーハーベスタ素子は、振動を前記第１交流電力に変換して出力する振動発電素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄電池充電システム。
【請求項５】
前記振動発電素子は、電磁誘導型、エレクトレット型、圧電型、磁歪型のいずれかであることを特徴とする請求項４に記載の蓄電池充電システム。
【請求項６】
前記整流回路は、前記無線給電が可能である場合は同期整流回路として動作することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の蓄電池充電システム。
【請求項７】
前記整流回路は、前記無線給電が可能でない場合はダイオードブリッジ整流回路として動作することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の蓄電池充電システム。
【請求項８】
前記整流回路は、前記無線給電が可能でない場合は低入力モードで動作することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の蓄電池充電システム。
【請求項９】
前記整流回路は、ブリッジ構造のトランジスタを有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の蓄電池充電システム。
【請求項１０】
前記トランジスタのソース・ドレイン間にショットキーバリアダイオードが接続されることを特徴とする請求項９に記載の蓄電池充電システム。
【請求項１１】
前記蓄電池に蓄電された電力の供給先である負荷を備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の蓄電池充電システム。
【請求項１２】
前記負荷は、携帯電話、オーディオ機器、ゲーム機器、タブレット端末、万歩計（登録商標）、電気自動車、それらの機器の構成部品のいずれかであることを特徴とする請求項１１に記載の蓄電池充電システム。
【請求項１３】
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を備え、
前記エネルギーハーベスタ装置は、
前記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第２スイッチと
を備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の蓄電池充電システム。
【請求項１４】
前記第２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１３に記載の蓄電池充電システム。
【請求項１５】
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１４に記載の蓄電池充電システム。
【請求項１６】
前記第２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１３に記載の蓄電池充電システム。
【請求項１７】
前記第２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１６に記載の蓄電池充電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電池充電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽光や照明光、機械の発する振動、熱などのエネルギーを採取し、電力を得る技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このようなエネルギーハーベストによれば、身の回りにあるわずかなエネルギーを電力に変換し、活用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００９−５２８００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、蓄電池の給電手段として、通常の充電以外にエネルギーハーベストを加えると、電池寿命を向上させることができる。しかしながら、給電手段が増加すると、部品点数が増加し、コスト・スペースが増大するという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、省スペース化・低コスト化を図りながら電池寿命を向上させることが可能な蓄電池充電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、第１交流電力を出力するエネルギーハーベスタ素子と、第２交流電力を出力する無線給電の受電部と、前記エネルギーハーベスタ素子と前記受電部のいずれかの出力を選択するための第１スイッチと、前記第１スイッチを介して供給される前記第１交流電力もしくは前記第２交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記直流電力を蓄電する蓄電池と、前記無線給電が可能であるか否かを認証し、前記無線給電が可能である場合は前記受電部から給電されるように前記第１スイッチを切り替え、前記無線給電が可能でない場合は前記エネルギーハーベスタ素子から給電されるように前記第１スイッチを切り替える認証回路とを備える蓄電池充電システムが提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、省スペース化・低コスト化を図りながら電池寿命を向上させることが可能な蓄電池充電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態に係る蓄電池充電システムの模式的回路構成図であって、（ａ）蓄電池充電システムの構成例、（ｂ）給電部と受電部の配置例。
【図２】実施の形態に係る蓄電池充電システムの具体的な回路構成図。
【図３】実施の形態に係る蓄電池充電システムの動作を示すフローチャート。
【図４】実施の形態に係る別の蓄電池充電システムの具体的な回路構成図。
【図５】実施の形態に係る蓄電池充電システムで用い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】実施の形態に係る蓄電池充電システムで用い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７】実施の形態に係る蓄電池充電システムで用い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８】実施の形態に係る蓄電池充電システムで用い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９】実施の形態に係る蓄電池充電システムで用いる別のエネルギーハーベスタシステムの模式的回路構成図。
【図１０】実施の形態に係る蓄電池充電システムで用いる別の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１１】実施の形態に係る蓄電池充電システムで用いる別の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１２】実施の形態に係る蓄電池充電システムで用いる別の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１３】実施の形態に係る蓄電池充電システムで用いる別の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１４】実施の形態に係る蓄電池充電システムで用いる更に別のエネルギーハーベスタシステムの模式的回路構成図。
【図１５】実施の形態に係る蓄電池充電システムを適用した携帯電話を無線給電により充電する様子を示す模式的鳥瞰構造図。
【図１６】実施の形態に係る蓄電池充電システムで行われる無線給電の電力伝送を説明するための図。
【図１７】実施の形態に係る蓄電池充電システムにおいて、コイルパラメータと最大伝送効率との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の厚みと平面寸法との関係等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１０】
又、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、各構成部品の材質、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。
【００１１】
《実施の形態》
〔蓄電池充電システムの構成〕
実施の形態に係る蓄電池充電システムの模式的回路構成は、図１に示すように表される。この蓄電池充電システムは、第１交流電力を出力するエネルギーハーベスタ素子（振動発電素子）１０と、第２交流電力を出力する無線給電の受電部２０と、エネルギーハーベスタ素子１０と受電部２０のいずれかの出力を選択するための第１スイッチＳＷ１０と、第１スイッチＳＷ１０を介して供給される第１交流電力もしくは第２交流電力を直流電力に変換する整流回路３０と、直流電力を蓄電する蓄電池５０と、無線給電が可能であるか否かを認証し、無線給電が可能である場合は受電部２０から給電されるように第１スイッチＳＷ１０を切り替え、無線給電が可能でない場合はエネルギーハーベスタ素子１０から給電されるように第１スイッチＳＷ１０を切り替える認証回路６０とを備える。
【００１２】
また、整流回路３０と蓄電池５０との間に接続され、直流電力を安定化させる電源回路４０を備え、蓄電池５０には、安定化された直流電力が供給されてもよい。
【００１３】
また、第１交流電力と第２交流電力は、周波数が互いに異なってもよい。
【００１４】
また、エネルギーハーベスタ素子１０は、振動を第１交流電力に変換して出力する振動発電素子１０であってもよい。
【００１５】
また、振動発電素子１０は、電磁誘導型、エレクトレット型、圧電型、磁歪型のいずれかであってもよい。
【００１６】
また、整流回路３０は、無線給電が可能である場合は同期整流回路として動作してもよい。
【００１７】
また、整流回路３０は、無線給電が可能でない場合はダイオードブリッジ整流回路として動作してもよい。
【００１８】
また、整流回路３０は、無線給電が可能でない場合は低入力モードで動作してもよい。
【００１９】
また、整流回路３０は、ブリッジ構造のＭＯＳＦＥＴ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを有してもよい。
【００２０】
また、蓄電池５０に蓄電された電力の供給先である負荷を備えてもよい。
【００２１】
また、負荷は、携帯電話、オーディオ機器、ゲーム機器、タブレット端末、万歩計（登録商標）、電気自動車、それらの機器の構成部品のいずれかであってもよい。
【００２２】
実施の形態に係る蓄電池充電システムは、図１（ａ）に示すように、振動発電素子１０と、受電部２０と、第１スイッチＳＷ１０と、整流回路３０と、電源回路４０と、蓄電池５０と、認証回路６０とを備える。振動発電素子１０は、振動を第１交流電力に変換して出力する。振動発電の方式には、電磁誘導型、エレクトレット型、圧電型、磁歪型などがある。受電部２０は、無線給電の受電部であり、第２交流電力を出力する。例えば、図１（ｂ）に示すように、ワイヤレス充電器などが備える給電部２１の近傍に受電部２０を配置すると、給電部２１側の給電コイル１４と受電部２０側の受電コイル１６との電磁結合により、給電による電力伝送が行われる（後述する）。第１交流電力と第２交流電力は、周波数が互いに異なってもよい。例えば、第１交流電力の周波数としては様々な周波数帯のものを採用することができる。一方、第２交流電力の周波数としてメガヘルツ帯などの高い周波数帯のものを採用すればインダクタンスを小さくすることができる。第１スイッチＳＷ１０は、振動発電素子１０と受電部２０のいずれかの出力を選択するためのスイッチである。整流回路３０は、第１スイッチＳＷ１０を介して供給される第１交流電力もしくは第２交流電力を直流電力に変換する。電源回路４０は、直流電力を安定化させる回路であり、ステップダウンレギュレータ、電池監視・保護回路などを備える。蓄電池５０は、安定化された直流電力を蓄電するリチウムイオン電池などである。認証回路６０は、ワイヤレス充電器などの給電側の機器と通信して、例えば、コイルの位置合わせや給電のワット数などの情報をやり取りし、無線給電が可能であるか否かを認証する。そして、無線給電が可能である場合は受電部２０から給電されるように第１スイッチＳＷ１０を切り替え、無線給電が可能でない場合は振動発電素子１０から給電されるように第１スイッチＳＷ１０を切り替える。図示していないが、蓄電池５０の後段には、電力供給先である負荷が接続される。この負荷は、例えば、携帯電話、オーディオ機器、ゲーム機器、タブレット端末、万歩計（登録商標）、電気自動車、それらの機器の構成部品などである。
【００２３】
実施の形態に係る蓄電池充電システムの具体的な回路構成は、図２に示すように表される。図２に示すように、第１スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２の接点（Ａ）は受電コイル１６に接続され、第１スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２の接点（Ｂ）は振動発電素子１０に接続される。また、第１スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２には、ブリッジ構造のＭＯＳＦＥＴ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ（以下、「コンバータ３１」という場合がある。）が接続される。ＭＯＳＦＥＴ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの各ゲートは同期整流コントローラ３２に接続され、同期整流コントローラ３２によりオン／オフ制御される。コンバータ３１と同期整流コントローラ３２で整流回路３０を形成している。ＭＯＳＦＥＴ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄがオフの場合、整流回路３０はダイオードブリッジ整流回路として動作する。コンバータ３１はバイパスコンデンサＣ12と電源回路４０を介して蓄電池５０に接続される。受電コイル１６と共振コンデンサＣ11で並列共振回路を形成し、この並列共振回路に認証回路６０が接続される。認証回路６０は、無線給電が可能であるか否かを認証し、その認証結果に基づいて第１スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２と同期整流コントローラ３２を制御する。すなわち、無線給電時は、例えば５Ｗ〜１０Ｗ程度の相対的に大きな電力を扱うことができるので、整流回路３０を同期整流回路として動作させる。一方、振動発電時は、例えば数十μＷ〜１ｍＷ程度の相対的に小さな電力しか扱うことができないので、同期整流を止め、整流回路３０をダイオードブリッジ整流回路として動作させる。振動発電時は、整流回路３０の動作モードを切り替え、低入力モードで動作させてもよい。
【００２４】
なお、ここでは、４つのＭＯＳＦＥＴ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを用いてコンバータ３１を構成しているが、ＭＯＳＦＥＴ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの数は適宜変更することが可能である。また、ＭＯＳＦＥＴ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄに代えて、例えば、炭化珪素（シリコンカーバイド：ＳｉＣ）や窒化物半導体（ガリウムナイトライド：ＧａＮ）などのトランジスタを用いることも可能である。
【００２５】
〔蓄電池充電システムの動作〕
実施の形態に係る蓄電池充電システムの動作は、図３に示すように表される。
【００２６】
まず、認証回路６０は、ワイヤレス充電器などの給電側の機器と通信し、無線給電が可能であるか否かを認証する（ステップＳ１）。そして、無線給電が可能である場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、第１スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２の接点（Ａ）をオンにするとともに（ステップＳ２）、同期整流コントローラ３２にイネーブル信号を転送する（ステップＳ３）。一方、無線給電が可能でない場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、第１スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２の接点（Ｂ）をオンにするとともに（ステップＳ５）、同期整流コントローラ３２にディセーブル信号を転送する（ステップＳ６）。
【００２７】
次いで、同期整流コントローラ３２は、認証回路６０からイネーブル信号を受信すると、必要なタイミングでＭＯＳＦＥＴ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄのゲートをオン／オフ制御して同期整流方式で動作させる。この状態では、第１スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２の接点（Ａ）がオンになっているため、受電コイル１６から出力される第２交流電力がＭＯＳＦＥＴ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄに入力され、同期整流方式で直流電力に変換される（ステップＳ４）。
【００２８】
一方、同期整流コントローラ３２は、認証回路６０からディセーブル信号を受信すると、ＭＯＳＦＥＴ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄのスイッチングをオフにしてダイオード整流方式で動作させる。この状態では、第１スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２の接点（Ｂ）がオンになっているため、振動発電素子１０から出力される第１交流電力がＭＯＳＦＥＴ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄに入力され、ダイオード整流方式で直流電力に変換される（ステップＳ７）。
【００２９】
ＭＯＳＦＥＴ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄから出力された直流電力は、バイパスコンデンサＣ12及び電源回路４０で安定化され、蓄電池５０に蓄電される。このような蓄電池充電システムを携帯電話に適用した場合は、無線給電により蓄電池５０を充電することができるだけでなく、携帯電話を持ち歩いているときの歩行による振動で補助的に蓄電池５０を充電することが可能である。
【００３０】
〔蓄電池充電システムの変形例〕
実施の形態に係る別の蓄電池充電システムの具体的な回路構成は、図４に示すように表される。図４に示すように、ＭＯＳＦＥＴ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄのソース・ドレイン間にショットキーバリアダイオードＢＤ１、ＢＤ２、ＢＤ３、ＢＤ４が接続されてもよい。このようにすれば、ショットキーバリアダイオードＢＤ１、ＢＤ２、ＢＤ３、ＢＤ４を接続しない場合に比べて、電圧降下を低減することができる。その他の点は、図２と同様であるため、ここでは詳しい説明を省略する。
【００３１】
以上のように、実施の形態に係る蓄電池充電システムでは、振動発電と無線給電の出力が共に交流電力であることに着目し、振動発電の整流回路・電源回路と、無線給電の整流回路・電源回路とを共有化している。そのため、振動発電と無線給電とを相互に切り替え、省スペース化・低コスト化を図りながら電池寿命を向上させることが可能となる。
【００３２】
〔エナジーハーベスト〕
図１〜図４ではエネルギーハーベスタ素子として振動発電素子１０を例示したが、交流電力を出力するエネルギーハーベスタ素子であれば同様の効果を得ることができる。また、そのようなエネルギーハーベスタ素子を用いて様々な構成のエネルギーハーベスタシステムを構築することが可能である。以下、実施の形態に係る蓄電池充電システムで用いるエネルギーハーベスタシステムについて詳しく説明する。
【００３３】
（エネルギーハーベスタシステム）
実施の形態に係る蓄電池充電システムで用いるエネルギーハーベスタシステム１０ａ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。
【００３４】
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６に示すように表される。
【００３５】
図６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６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。
【００３６】
エネルギーハーベスタシステム１０ａにおいては、図６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。
【００３７】
また、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７（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。
【００３８】
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７（ｂ）に示すように表される。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。
【００３９】
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８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。
【００４０】
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７（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。
【００４１】
（エネルギーハーベスタシステムの変形例１）
実施の形態に係る蓄電池充電システムで用いる別のエネルギーハーベスタシステム１０ｂは、図９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。
【００４２】
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。
【００４３】
（エネルギーハーベスタ装置）
エネルギーハーベスタシステム１０ｂ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１０に示すように表される。
【００４４】
エネルギーハーベスタシステム１０ｂに適用可能なエネルギーハーベスタ装置１は、図９および図１０に示すように、エネルギーハーベスタ素子４に接続され、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第２スイッチ２とを備える。
【００４５】
第２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。
【００４６】
ここで、第２スイッチ２は、図１０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。
【００４７】
第２スイッチは、図１０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１０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。
【００４８】
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。
【００４９】
第２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。
【００５０】
エネルギーハーベスタシステム１０ｂ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１１（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１１（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１１（ｃ）に示すように表される。
【００５１】
エネルギーハーベスタシステム１０ｂ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。
【００５２】
まず、時刻ｔ１までは、図１１（ａ）および図１１（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。
【００５３】
次に、図１１（ａ）および図１１（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、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１１（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。
【００５４】
エネルギーハーベスタシステム１０ｂ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１２（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１２（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１２（ｃ）に示すように表される。オン動作は、図１１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。
【００５５】
図１２（ａ）および図１２（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１２（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１２（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。
【００５６】
エネルギーハーベスタシステム１０ｂにおいて、ゲート電圧Ｖ2の連続波形例は図１３（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１３（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１３（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１３（ｄ）に示すように表される。
【００５７】
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１３（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１３（ｄ）に示すような連続波形例で表される。
【００５８】
エネルギーハーベスタシステム１０ｂ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。
【００５９】
エネルギーハーベスタシステム１０ｂ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。
【００６０】
（エネルギーハーベスタシステムの変形例２）
実施の形態に係る蓄電池充電システムで用いる更に別のエネルギーハーベスタシステム１０ｃの模式的回路構成は、図１４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。
【００６１】
ここで、負荷７は、図１４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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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に接続された第２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、第２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。
【００６５】
エネルギーハーベスタシステム１０ｃ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。
【００６６】
エネルギーハーベスタシステム１０ｃ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。
【００６７】
〔無線給電〕
実施の形態に係る蓄電池充電システムを適用した携帯電話１１を無線給電により充電する様子を示す模式的鳥瞰構造は、図１５に示すように表される。図１５に示すように、ワイヤレス充電器１２と携帯電話１１との間において、ワイヤレスで電力伝送ＰＴが行われる。このとき、光通信によってワイヤレス（ファイバレス）でデータ伝送ＤＴが行われてもよい。
【００６８】
実施の形態に係る蓄電池充電システムで行われる無線給電の電力伝送ＰＴは、図１６に示すように表される。図１６に示すように、給電（１次側）コイル１４と受電（２次側）コイル１６の電磁結合によって給電による電力伝送ＰＴを行う。
【００６９】
実施の形態に係る蓄電池充電システムにおいて、無線給電によるコイルパラメータαと最大伝送効率ηMAXとの関係を示すグラフは、図１７に示すように表される。
【００７０】
ここで、給電コイル１４のインダクタンスをＬ１、直列抵抗をｒ1、受電コイル１６のインダクタンスをＬ２、直列抵抗をｒ2とすると、給電コイル１４、受電コイル１６のＱ（Quality Factor）の値Ｑ1、Ｑ2は、（１）式および（２）式で表される。
【００７１】
Ｑ1＝ωＬ１／ｒ1                                                      （１）
Ｑ2＝ωＬ２／ｒ2                                                      （２）
また、給電コイル１４と受電コイル１６の相互インダクタンスをＭとすると、コイルパラメータαは（３）式で表され、最大伝送効率ηMAXは（４）式で表される。
【００７２】
α≡ｋ2Ｑ1Ｑ2                                                    （３）
ηMAX＝α／［１＋（１＋α）1/2］2                                （４）
ここで、ｋは、給電コイル１４と受電コイル１６の結合係数である。すなわち、図１７に示すように、給電によるコイルパラメータαが最大伝送効率ηMAXを支配し、コイルパラメータαが約１０4以上で最大伝送効率ηMAXが１００％近くになる。このコイルパラメータαの値を増大するためには、コイルのＱ値を表すωＬ／ｒの式の形から周波数ωを上げることが好適である。コイルパラメータαの値を増大するためにコイルのインダクタンスの値Ｌを大きくするという手段もあるが、それではコイルが大きくなってしまい、特にモバイル機器などの「小ささ」が特長である機器にとっては好ましいことではない。給電部２１におけるスイッチング素子（電界効果トランジスタＱ１・Ｑ２）をシリコンで構成すると、周波数ωを上げるのが困難である。そこで、本実施の形態では、このような電界効果トランジスタＱ１・Ｑ２を窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料で構成している。これにより、シリコンを用いる場合と比べて、周波数ωを上げることができるため、コイルパラメータαの値を大きくすることができ、最大伝送効率ηMAXを上げることが可能となる。
【００７３】
以上説明したように、本発明によれば、省スペース化・低コスト化を図りながら電池寿命を向上させることが可能な蓄電池充電システムを提供することができる。
【００７４】
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明を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例示的なものであり、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。
【００７５】
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などを含む。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明に係る蓄電池充電システムは、携帯電話、オーディオ機器、ゲーム機器、タブレット端末、万歩計（登録商標）、電気自動車、それらの機器の構成部品などに利用することができる。
【符号の説明】
【００７７】
２０…受電部
３０…整流回路
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ…ＭＯＳＦＥＴ（トランジスタ）
４０…電源回路
５０…蓄電池
６０…認証回路
１０…振動発電素子（エネルギーハーベスタ素子）
ＳＷ１０、ＳＷ１１、ＳＷ１２…第１スイッチ
ＢＤ１、ＢＤ２、ＢＤ３、ＢＤ４…ショットキーバリアダイオード
１、１11、…、１1i、…、１1n…エネルギーハーベスタ装置
２、ＳＷ１、…、ＳＷi、…、ＳＷｎ…第２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
７…負荷
Ｖ1、Ｖ11、…、Ｖ1i、…、Ｖ1n…キャパシタ電圧
Ｑ1、Ｑ3…ｐＭＯＳＦＥＴ
Ｑ2…ｎＭＯＳＦＥＴ
Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3…抵抗
【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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