(57)【要約】【課題】負荷に対して安定した電力を供給すると共に、回路を簡略化して消費電力をより一層低減することができる電源制御回路、環境発電装置および環境発電装置の制御方法の提供を図る。【解決手段】複数の発電セル１１〜１５が直列に接続された環境発電器１からの電力をキャパシタ４に蓄積し、負荷３に対して前記キャパシタに蓄積された電力の供給を制御する電源制御回路であって、前記キャパシタと前記負荷の間に設けられ、前記キャパシタに蓄積された電力を、前記負荷に供給するか否かを選択する電源制御スイッチ５と、直列に接続された前記複数の発電セルにおいて、第１接続ノードＮ１から取り出した第１電位Ｖ１、および、前記第１接続ノードとは異なる第２接続ノードＮ２から取り出した第２電位Ｖ２に基づいて、前記電源制御スイッチを制御する制御部２と、を有する。【選択図】図５
2018085043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発電セルが直列に接続された環境発電器からの電力をキャパシタに蓄積し、負荷に対して前記キャパシタに蓄積された電力の供給を制御する電源制御回路であって、
前記キャパシタと前記負荷の間に設けられ、前記キャパシタに蓄積された電力を、前記負荷に供給するか否かを選択する電源制御スイッチと、
直列に接続された前記複数の発電セルにおいて、第１接続ノードから取り出した第１電位、および、前記第１接続ノードとは異なる第２接続ノードから取り出した第２電位に基づいて、前記電源制御スイッチを制御する制御部と、を有する、
ことを特徴とする電源制御回路。
【請求項２】
前記キャパシタは、第１および第２電源線の間に接続され、
前記電源制御スイッチおよび前記負荷は、前記第１および第２電源線の間に直列に接続される、
ことを特徴とする請求項１に記載の電源制御回路。
【請求項３】
さらに、
前記第１接続ノードおよび前記第２接続ノードに接続され、前記制御部からの制御信号に基づいて、前記第１電位または前記第２電位を選択して出力する電位選択スイッチを有する、
ことを特徴とする請求項２に記載の電源制御回路。
【請求項４】
前記第２電位の絶対値は、前記第１電位の絶対値よりも大きく、
前記制御部は、
前記キャパシタの出力電圧の絶対値が増加するときは、前記第２電位を選択し、かつ、前記キャパシタの出力電圧の絶対値が減少するときは、前記第１電位を選択するように、前記電位選択スイッチを制御する、
ことを特徴とする請求項３に記載の電源制御回路。
【請求項５】
前記電位選択スイッチは、第１導電型の第１電位選択トランジスタ、および、前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２電位選択トランジスタを含み、
前記第１接続ノードおよび前記第２接続ノードにおける電位の絶対値が小さいノードに、前記第１電位選択トランジスタのソースを接続し、
前記第１接続ノードおよび前記第２接続ノードにおける電位の絶対値が大きいノードに、前記第２電位選択トランジスタのソースを接続し、
前記第１および第２電位選択トランジスタのドレインが共通接続された選択電位出力ノードの電位を、選択電位として前記制御部に出力する、
ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の電源制御回路。
【請求項６】
前記電位選択スイッチにおける前記第１および第２電位選択トランジスタのゲートには、前記制御信号が入力され、
前記電源制御スイッチは、前記制御信号に基づいてオン／オフ制御される、
ことを特徴とする請求項５に記載の電源制御回路。
【請求項７】
前記電源制御スイッチは、スイッチ用トランジスタを含み、
前記制御部は、
前記第１および第２電源線の間に、第１抵抗と直列に接続され、前記電位選択スイッチの出力ノードがゲートに接続された第１トランジスタと、
前記前記第１および第２電源線の間に、第２抵抗と直列に接続され、前記第１抵抗および前記第１トランジスタの接続ノードがゲートに接続された第２トランジスタと、を含み、
前記第２抵抗および前記第２トランジスタの接続ノードから前記制御信号を取り出して、前記スイッチ用トランジスタのゲートおよび前記電位選択スイッチに出力する、
ことを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか１項に記載の電源制御回路。
【請求項８】
前記電源制御スイッチは、スイッチ用トランジスタを含み、
前記制御部は、
前記第１および第２電源線の間に、第１抵抗と直列に接続され、前記電位選択スイッチの出力ノードがゲートに接続された第１トランジスタを含み、
前記第１抵抗および前記第１トランジスタの接続ノードから前記制御信号を取り出して、前記スイッチ用トランジスタのゲートおよび前記電位選択スイッチに出力する、
ことを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか１項に記載の電源制御回路。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の電源制御回路と、
前記環境発電器と、
前記キャパシタと、を有する、
ことを特徴とする環境発電装置。
【請求項１０】
複数の発電セルが直列に接続された環境発電器と、前記環境発電器からの電力を蓄積するキャパシタと、負荷に対して前記キャパシタに蓄積された電力の供給を制御する電源制御回路と、を有する環境発電装置の制御方法であって、
直列に接続された前記複数の発電セルにおいて、第１接続ノードから取り出した第１電位、および、前記第１接続ノードとは異なる第２接続ノードから取り出した第２電位に基づいて、前記キャパシタに蓄積された電力を、前記負荷に供給するか否かを制御する、
ことを特徴とする環境発電装置の制御方法。
【請求項１１】
前記第２電位の絶対値は、前記第１電位の絶対値よりも大きく、
前記キャパシタの出力電圧の絶対値が増加するときは、前記第２電位を選択して、前記負荷に対して前記キャパシタに蓄積された電力を供給し、
前記キャパシタの出力電圧の絶対値が減少するときは、前記第１電位を選択して、前記負荷に対して前記キャパシタに蓄積された電力を遮断する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の環境発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で言及する実施例は、電源制御回路、環境発電装置および環境発電装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば、太陽光や照明光、或いは、温度差(熱)といったエネルギーを採取して電力を得る環境発電(エナジーハーベスト：Energy Harvesting)が注目されている。このエナジーハーベスト技術は、例えば、多数の無線センサーを配置し、各無線センサーからの情報を収集するワイヤレスセンサーネットワーク(Wireless Sensor Networks：ＷＳＮ)への適用が期待されている。
【０００３】
すなわち、無線通信モジュールにセンサーを取り付けたセンシング端末(無線センサーノード)の電源として、エナジーハーベスタ(Energey Harvester：環境発電器)による電力を利用し、電池交換の間隔を長く、或いは、不要とすることが求められている。このようなセンシング端末は、ＩｏＴ(Internet of Things)を支える技術として注目が高まっており、２０２０年には、約３００億台に上るといった予測もある。
【０００４】
すなわち、センシング端末において、設置や電池交換等のメンテナンスを行うことは非常に重要であるが、膨大な個数を管理することは困難であるため、電池を長寿命化させることや電池交換の手間を無くすことはニーズが高い。このため、環境からのエネルギーを電力に変換するエナジーハーベスタを用いて電池交換を不要にする取り組みが盛んに行われている。ここで、エナジーハーベスタの中でも太陽電池は発電電力が大きく、電池の代わりとなる電源として実用性が高い。
【０００５】
太陽電池の発電電力は、周辺の明るさによって変動する。この不安定で微小な電力を用いて無線通信モジュールなどの汎用ＩＣを動作させるためには、その無線通信モジュールの起動に必要な電力を一次的に蓄電し、その状態を監視し、蓄電電力が十分な時に切り替え使用するための電源制御回路が適用されている。
【０００６】
ところで、従来、環境発電装置の電源制御回路としては、様々なものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１６−１４６１５６号公報
【特許文献２】特開昭６１−０７０４３３号公報
【特許文献３】特開平０４−０７７０１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したように、例えば、センシング端末の電源として、エナジーハーベストによる電力を利用することが提案されている。しかしながら、環境発電器(エナジーハーベスタ)の出力電力はとても小さく、安定した電力を得ることが難しいといった課題がある。また、比較器やスイッチ素子、或いは、電源フィルタ等を設けて、電力不足に伴う起動の繰り返し(チャタリング)の発生を防止しつつ、安定した電力を出力する様々な電源制御回路が提案されているが、消費電力等の面で問題がある。
【０００９】
例えば、太陽電池(エナジーハーベスタ)を用いて、無線通信モジュール(センシング端末)等を駆動するには、微小な電力を蓄電および監視し、蓄電電力が十分であることを検知した後に、蓄電から使用に切り替える制御を行う電源制御回路が適用される。しかしながら、例えば、起動電圧を監視する比較器と、電力不足を監視する比較器を使用した電源制御回路では、それら比較器の状態遷移時の貫通電流、或いは、参照電圧を生成するための定常電流が流れるため、消費電力が大きくなってしまうとい課題がある。
【００１０】
なお、本明細書では、環境発電器(エナジーハーベスタ)として、主に、複数の太陽電池セルを積層(直列に接続)した太陽電池モジュールを例として説明するが、本実施形態の適用は、太陽電池モジュールに限定されるものではない。すなわち、本実施形態におけるエナジーハーベスタは、例えば、温度差発電(ＴＥＧ：ThermoElectric Generator)セルを積層した温度差発電装置等であってもよいのはもちろんである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一実施形態によれば、複数の発電セルが直列に接続された環境発電器からの電力をキャパシタに蓄積し、負荷に対して前記キャパシタに蓄積された電力の供給を制御する電源制御回路であって、電源制御スイッチおよび制御部を有する電源制御回路が提供される。
【００１２】
前記電源制御スイッチは、前記キャパシタと前記負荷の間に設けられ、前記キャパシタに蓄積された電力を、前記負荷に供給するか否かを選択する。前記制御部は、直列に接続された前記複数の発電セルにおいて、第１接続ノードから取り出した第１電位、および、前記第１接続ノードとは異なる第２接続ノードから取り出した第２電位に基づいて、前記電源制御スイッチを制御する。
【発明の効果】
【００１３】
開示の電源制御回路、環境発電装置および環境発電装置の制御方法は、負荷に対して安定した電力を供給すると共に、回路を簡略化して消費電力をより一層低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、環境発電装置を模式的に示す図である。
【図２】図２は、図１に示す環境発電装置の動作を説明するためのタイミング図である。
【図３】図３は、環境発電装置の一例を説明するための図である。
【図４】図４は、図３に示す環境発電装置における課題を説明するための図である。
【図５】図５は、環境発電装置の第１実施例を示す回路図である。
【図６】図６は、図５に示す環境発電装置の動作を説明するためのタイミング図である。
【図７】図７は、環境発電装置の第２実施例を示す回路図である。
【図８】図８は、図７に示す環境発電装置の動作を説明するためのタイミング図である。
【図９】図９は、環境発電装置の第３実施例を示す回路図である。
【図１０】図１０は、図９に示す環境発電装置の動作を説明するためのタイミング図である。
【図１１】図１１は、環境発電装置の第４実施例を示す回路図である。
【図１２】図１２は、図１１に示す環境発電装置の動作を説明するためのタイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
まず、本実施例の電源制御回路、環境発電装置および環境発電装置の制御方法を詳述する前に、図１〜図４を参照して、環境発電装置および電源制御回路の例およびその課題を説明する。
【００１６】
図１は、環境発電装置を模式的に示す図である。図１に示されるように、環境発電装置は、例えば、太陽電池等の環境発電器(エナジーハーベスタ)101、および、エナジーハーベスタ101からの電力を蓄えるキャパシタ104を有し、負荷103に対して電力を供給する。すなわち、エナジーハーベスタ(太陽電池)101の高電位側電源線(Ｖdd)111と低電位側電源線(ＧＮＤ)112の間には、キャパシタ104および負荷103が並列に設けられ、キャパシタ104に蓄積された電力により、負荷103を駆動するようになっている。
【００１７】
なお、以下の記載では、エナジーハーベスタ101として、光起電力効果を利用し、太陽光や照明光といった光エネルギーを直接電力に変換する太陽電池(太陽電池モジュール)を一例として説明するが、本実施形態の適用は、これに限定されるものではない。すなわち、エナジーハーベスタ101としては、光エネルギーを利用した光発電器の他に、例えば、温度差(ゼーベック効果)を利用して発電を行う温度差発電装置等であってもよい。
【００１８】
また、エナジーハーベスタ101から得られる微小電圧(例えば、数十ｍＶ〜数百ｍＶ程度)は、例えば、図示しないＤＣ−ＤＣコンバータにより昇圧し、その昇圧された電圧(例えば、数Ｖ程度)を負荷103に印加してもよい。さらに、負荷103としては、ワイヤレスセンサーネットワークの無線センサーノード(センシング端末)を始めとして、様々な電子回路や電子機器を適用することが可能である。
【００１９】
図２は、図１に示す環境発電装置の動作を説明するためのタイミング図である。ここで、図２(a)は、太陽電池(環境発電器)101の発電エネルギーの時間変化を示し、図２(b)は、キャパシタ104が保持(蓄積)するエネルギーの時間変化を示し、図２(c)は、負荷103の消費エネルギーの時間変化を示す。また、図２(a)〜図２(c)において、縦軸は、エネルギー(Ｅ)を示し、横軸は、時間(ｔ)を示す。
【００２０】
さらに、Ｔ10は、太陽電池101によるエネルギーをキャパシタ104に蓄積開始するエネルギー蓄積開始時刻を示し、Ｔ11は、負荷103が起動を開始する起動開始時刻を示し、そして、Ｔ12は、負荷103が起動して定常状態を開始する定常状態開始時刻を示す。なお、ＳＴ１は、エネルギー蓄積開始時刻Ｔ10から起動開始時刻Ｔ11までの起動準備状態を示し、ＳＴ２は、起動開始時刻Ｔ11から定常状態開始時刻Ｔ12までの起動状態を示し、ＳＴ３は、定常状態開始時刻Ｔ12以降の定常状態を示す。
【００２１】
図２(a)に示されるように、太陽電池101は、例えば、一定の光エネルギーを継続的に受け取った場合、時間の変化に関わらず、継続的に、一定の発電エネルギー(例えば、数百マイクロジュール(μＪ))を出力する。すなわち、太陽電池101は、起動準備状態ＳＴ１，起動状態ＳＴ２および定常状態ＳＴ３の全ての期間に渡って、一定の発電エネルギーを出力する。
【００２２】
図２(b)に示されるように、キャパシタ104が保持するエネルギー(電荷)は、時刻Ｔ10からＴ11まで(ＳＴ１)の期間では消費されずに全てキャパシタ104に蓄積されるため、次第に増大する。そして、時刻Ｔ11において、所定の起動可能エネルギーに達すると、すなわち、負荷103に印加される電圧Ｖddが所定の電圧(閾値電圧)以上になると、負荷103が起動を開始する。
【００２３】
ここで、負荷103が起動を開始すると、キャパシタ104が保持するエネルギーは、時刻Ｔ11から時刻Ｔ12(ＳＴ２)の期間では負荷103の起動により消費されるため、次第に減少する。さらに、負荷103が定常状態で消費するエネルギーをＰ１２'と仮定する。Ｔ12において、キャパシタ104に保持するエネルギー(Ｐ１１')がＰ１２'より大きくなると、負荷103が定常状態に遷移する。
【００２４】
図２(c)に示されるように、負荷103は、起動状態ＳＴ２の期間において、定常状態よりも遥かに大きなエネルギー(例えば、数ミリジュール(ｍＪ))を消費する。なお、定常状態ＳＴ３の期間において、負荷103は、例えば、基地局との間で信号を送受信するために、所定の電力(例えば、数十μＷ(Ｊ/ｓ))を消費する。ところで、太陽電池(エナジーハーベスタ)101により負荷(センシング端末)103を駆動する場合、例えば、センシング端末103は、間欠的に温度や湿度等の情報を基地局に無線送信する。
【００２５】
消費電力を低減するため、センシング端末103は、基地局との間で信号を送受信するときだけアクティブ(オン状態)とされ、それ以外は、スリープ(オフ状態)とされて、間欠動作を行うことが推奨される。しかしながら、エナジーハーベスタ101の出力電力はとても小さく、また、安定した電力を得ることが難しい。さらに、負荷103を起動するには、時刻Ｔ12までに蓄えたエネルギーP11を起動状態に消費されるエネルギーP12よりも大きくする必要があるため、キャパシタ104の容量を大きく設定することが求められる。このため、回路の占有面積が大きくなり、薄型化や小型化が困難になるといった課題がある。
【００２６】
図３は、環境発電装置の一例を説明するための図であり、図３(a)は、環境発電装置の回路図を示し、図３(b)は、環境発電装置の動作を説明するためのタイミング図である。図３(a)に示されるように、環境発電装置の一例は、負荷(無線通信モジュール)103を駆動するためのもので、図１を参照して説明した太陽電池(エナジーハーベスタ)101およびキャパシタ104に加え、電源制御スイッチ105および制御部102を含む。
【００２７】
電源制御スイッチ105は、高電位側電源線111と低電位側電源線112の間に、無線通信モジュール103と直列に設けられ、電源制御スイッチ105のオン／オフに基づいて、負荷103に対する電力の供給および遮断が制御されるようになっている。制御部102は、高電位側電源線111に接続されたプルアップ抵抗Ｒ101，Ｒ102，Ｒ103、比較器ＣＭＰ1，ＣＭＰ2およびスイッチＴ101〜Ｔ104を含む。ここで、電源制御スイッチ105(Ｔ105)および制御部102のスイッチＴ101〜Ｔ103は、ｎチャネル型ＭＯＳ(ｎＭＯＳ)トランジスタとされ、また、スイッチＴ104は、ｐチャネル型ＭＯＳ(ｐＭＯＳ)トランジスタとされている。
【００２８】
比較器ＣＭＰ1，ＣＭＰ2は、電源電圧(高電位側電源線111の電圧)Ｖddを監視し、スイッチＴ101〜Ｔ104を介して、電源制御スイッチ105のオン／オフを制御するものである。すなわち、比較器ＣＭＰ1は、太陽電池101の出力をキャパシタ104に蓄積した電源電圧Ｖddがオン電圧Ｖonまで上昇した場合に出力を反転させ、電源制御スイッチ105をオンにして無線通信モジュール103を動作させるための起動電圧監視用の比較器である。また、比較器ＣＭＰ2は、電源電圧Ｖddがオフ電圧Ｖoffまで低下した場合に出力を反転させ、無線通信モジュール103を停止させるための電力不足監視用の比較器である。
【００２９】
図３(b)に示されるように、太陽電池101が光を受け取ってＶddがＶonまで上昇すると、電源制御スイッチ105をオンにして無線通信モジュール103を動作させ、ＶddがＶoffまで低下すると、電源制御スイッチ105をオフにして無線通信モジュール103を停止させる。このように、制御部102には、例えば、無線通信モジュール103のオン／オフを制御する２つの異なる電圧を監視して切り替える回路として、比較器(図３では、２つの比較器ＣＭＰ1，ＣＭＰ2)が用いられる。
【００３０】
図４は、図３に示す環境発電装置における課題を説明するための図であり、図４(a)は、比較器ＣＭＰ1(ＣＭＰ2)の回路構成を概略的に示すものであり、図４(b)は、比較器ＣＭＰ1の消費電流を説明するためのものである。図４(a)および図４(b)に示されるように、制御部102に対して比較器ＣＭＰ1を適用する場合、高電位側電源線111と低電位側電源線112の間には、例えば、抵抗Ｒ111，Ｒ112，Ｒ113が直列に設けられるため、所定の定常電流(数μＡ程度)Ｉｃが常に流れる。また、比較器ＣＭＰ1が出力を反転(『Ｈ』→『Ｌ』または『Ｌ』→『Ｈ』)する場合、その瞬間に大きな貫通電流(ｍＡオーダー)Ｉｔが流れる。
【００３１】
このような比較器を使用した場合に流れる電流Ｉｃ，Ｉｔは、微小な電力を扱う環境発電装置(環境発電器)では、無視することができない。具体的に、環境発電器として太陽電池を適用した場合、例えば、環境発電器が工場の柱に垂直に取り付けられる場合や低照度の環境下では、環境発電器による電流生成能力が数μＡ程度になることもあり、設置場所を限定するという課題を招くことにもなる。
【００３２】
以下、電源制御回路、環境発電装置および環境発電装置の制御方法の実施例を、添付図面を参照して詳述する。図５は、環境発電装置の第１実施例を示す回路図である。図５に示されるように、第１実施例の環境発電装置は、無線通信モジュール(負荷)３に電力を供給して駆動するもので、環境発電器(エナジーハーベスタ)１，制御部２，キャパシタ４，電源制御スイッチ５および電位選択スイッチ６を含む。
【００３３】
ここで、エナジーハーベスタ１は、複数の発電セル(太陽電池セル)１１〜１５が直列に接続された太陽電池(太陽電池モジュール)とされているが、太陽電池に限定されるものではない。すなわち、エナジーハーベスタ１は、例えば、温度差を利用して発電を行う複数の温度差発電(ＴＥＧ)セルを積層(直列接続)した温度差発電装置等であってもよい。また、エナジーハーベスタ１から得られる微小電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧し、その昇圧された電圧(例えば、数Ｖ程度)を負荷３に印加してもよい。なお、負荷３としては、無線通信モジュール(センシング端末)に限定されるものではなく、様々な電子回路や電子機器であってもよいのはもちろんである。
【００３４】
また、図５では、５つの太陽電池セル１１〜１５が直列に接続されているが、太陽電池セルの数は５つに限定されるものではない。また、これら５つの太陽電池セル１１〜１５は、電気的な接続が直列とされるものであり、太陽電池セル１１〜１５自体は、同一平面上に配置されてもよいのはいうまでもない。また、これらの太陽電池セル１１〜１５がムラなく発電できるように、例えば、１つの太陽電池セル(１１〜１５)を、ばらついた位置の複数のセルが並列接続されたセルグループとして形成するといった様々な手法を適用することもできる。
【００３５】
キャパシタ４は、太陽電池モジュール１の両端に繋がれた高電位電源線(Ｖdd)Ｌ１と低電位電源線(ＧＮＤ)Ｌ２の間に設けられ、電源制御スイッチ５および無線通信モジュール(負荷)３は、電源線Ｌ１およびＬ２の間に直列に設けられている。従って、無線通信モジュール３は、電源制御スイッチ５がオン状態のとき、キャパシタ４に蓄積された電力が供給されて動作し、電源制御スイッチ５がオフ状態のとき、キャパシタ４に蓄積された電力が遮断されて動作を停止する。
【００３６】
図５に示す第１実施例の環境発電装置において、無線通信モジュール３と直列に接続された電源制御スイッチ５は、ｎチャネル型ＭＯＳ(ｎＭＯＳ)トランジスタとされ、その制御入力(ゲート)には、制御部２からの制御信号(制御電圧)ＣＳが入力されている。電位選択スイッチ６は、ｎＭＯＳトランジスタＴcn、および、ｐチャネル型ＭＯＳ(ｐＭＯＳ)トランジスタＴcpを含み、これらトランジスタＴcnおよびＴcpのゲートには、制御信号ＣＳが入力されている。
【００３７】
トランジスタＴcpの一端(ソース)は、ＧＮＤ(低電位電源線Ｌ２)側から１つ目のセル(太陽電池セル)１１と２つ目のセル１２の接続ノードＮ１に接続され、１つ目のセル１１による起電圧Ｖ１を取り出す。また、トランジスタＴcnのソースは、ＧＮＤから２つ目のセル１２と３つ目のセル１３の接続ノードＮ２に接続され、１つ目および２つ目のセル１１および１２による起電圧Ｖ２を取り出す。
【００３８】
トランジスタＴcpおよびＴcnの他端(ドレイン)は、ノードＮ３で共通接続され、ｎＭＯＳトランジスタＴｎのゲートに接続されている。すなわち、電位選択スイッチ６は、制御信号ＣＳに基づいて、Ｖ１またはＶ２を選択してトランジスタＴｎのゲートに出力する。ここで、２つの直列接続(積層)された太陽電池セル１１および１２による電圧Ｖ２(ノードＮ２の電位の絶対値)は、１つの太陽電池セル１１による電圧Ｖ１(ノードＮ１の電位の絶対値)のほぼ２倍になっている。
【００３９】
制御部２は、Ｖdd(高電位電源線Ｌ１)とＧＮＤ(低電位電源線Ｌ２)の間に、抵抗(プルアップ抵抗)Ｒ１と直列に接続されたｎＭＯＳトランジスタＴｎ、および、抵抗(プルダウン抵抗)Ｒ２と直列に接続されたｐＭＯＳトランジスタＴｐを含む。トランジスタ(第１トランジスタ)Ｔｎとプルアップ抵抗(第１抵抗)Ｒ１の接続ノードＮ４は、トランジスタ(第２トランジスタ)Ｔｐのゲートに接続され、トランジスタＴｐとプルダウン抵抗(第２抵抗)の接続ノードＮ５から制御信号ＣＳが取り出される。この制御信号ＣＳは、スイッチ用トランジスタＴsn(電源制御スイッチ５)のゲート、並びに、電位選択スイッチ６のトランジスタＴcnおよびＴcpのゲートに入力される。
【００４０】
図６は、図５に示す環境発電装置の動作を説明するためのタイミング図である。図６に示されるように、電源電圧Ｖddは、例えば、時刻ｔ１まで光が照射されて、太陽電池モジュール１(太陽電池セル１１〜１５)が電力を生成するため、上昇する。ここで、太陽電池セルの数をＮとし、太陽電池モジュール１の電圧(起電圧)をＶddとすると、ノードＮ１の出力電位Ｖ１およびノードＮ２の出力電位Ｖ２は、それぞれ、Ｖ１＝Ｖdd／Ｎ、Ｖ２＝２・Ｖdd／Ｎで与えられる。図５のように、５セル(Ｎ＝５)のとき、ｔ１の時刻でＶdd＝３．０Ｖの発電が得られた場合、時刻ｔ１での電位は、Ｖ１＝０．６Ｖ、Ｖ２＝１．２Ｖになる。
【００４１】
ここで、時刻ｔ１までの期間において、制御部２のトランジスタＴｐのゲート電圧(ノードＮ４の電圧)Ｖｐは、抵抗Ｒ１によりプルアップされるため、Ｖｐ＝Ｖddとなり、トランジスタＴｐはオフする。また、スイッチ用トランジスタＴsnのゲート電圧(ノードＮ５の電圧，制御信号ＣＳの電圧)Ｖｇは、抵抗Ｒ２によりプルダウンされるため、Ｖｇ＝ＧＮＤ(０Ｖ)となり、スイッチ用トランジスタＴsnはオフする。
【００４２】
制御部２のトランジスタＴｎのゲートには、電位選択スイッチ６の出力電圧(ノードＮ３の電圧)Ｖｓが印加されるが、時刻ｔ１まで、制御信号ＣＳ(Ｖｇ)は０Ｖなので、トランジスタＴcnがオフしてトランジスタＴcpがオンなので、Ｖ１が印加される。すなわち、時刻ｔ１まで、Ｖｓ＝Ｖ１となるが、制御部２のトランジスタＴｎの閾値電圧Ｖthn＞Ｖ１によりＴｎはオフ状態を維持し、スイッチ用トランジスタＴsnはオフしているため、無線通信モジュール３は、動作停止状態を維持する。
【００４３】
次に、時刻ｔ１を経過すると、電位選択スイッチ６の出力電圧Ｖｓが制御部２のトランジスタＴｎの閾値電圧Ｖthnよりも高く(Ｖthn＜Ｖ１)なると、トランジスタＴｎがオンしてＶｐ＝ＧＮＤ(０Ｖ)となり、トランジスタＴｐがオンする。これにより、制御信号ＣＳ(Ｖｇ)はＶddとなり、スイッチ用トランジスタＴsnはオンして、電源電圧Ｖddが無線通信モジュール３に印加され、無線通信モジュール３は動作を開始し始める(オン状態になる)。さらに、ＣＳがＶddになるので、電位選択スイッチ６のトランジスタＴcnがオンしてＴcpがオフし、Ｖｓ＝Ｖ２となる。すなわち、トランジスタＴｎがオンしたまま、Ｖｓの電位が上昇する。
【００４４】
ここで、図６に示されるように、時刻ｔ１の直後、すなわち、図２の起動状態では、無線通信モジュール３が初期設定やプロトコルスタック作成等に大きな電力を消費するため、一時的に電圧ドロップが大きくなる。電位選択スイッチ６の出力がＶ１からＶ２に切り替わることにより、ヒステリシスを持たせることができ、例えば、チャタリングの発生等を防いで、無線通信モジュール３を安定起動させることができる。この後、時刻ｔ２まで、太陽電池モジュール１による発電電力が、無線通信モジュール３による消費電力を上回る状況や使用(間欠的なセンシングや無線通信の実行)を行う場合には、Ｖddが徐々に上昇する。
【００４５】
さらに、例えば、時刻ｔ２の直後に照明が無くなって発電できなくなった場合、無線通信モジュール３は、キャパシタ４に蓄積された電荷を消費しながら動作を継続する。そのため、Ｖddは徐々に下降し、時刻ｔ３でＶｓ＝Ｖ２＜Ｖthnになると、制御部２のトランジスタＴｎがオフになる。これにより、Ｖｐ＝ＶddになってトランジスタＴｐがオフし、その結果、Ｖｇ＝ＧＮＤ(０Ｖ)になってスイッチ用トランジスタＴsnがオフし、さらに、Ｖｓ＝Ｖ１となるようスイッチが切り替わり、初期状態に戻る。
【００４６】
以上のように、時刻ｔ１で、１つの太陽電池セル１１による電圧Ｖ１が、トランジスタＴｎの閾値電圧Ｖthnを上回った時に無線通信モジュール３を動作(オン)させる。その後、瞬時に、Ｔｎのゲート電圧ＶｓをＶ１から２つの太陽電池セル１１および１２によるＶ２に切り替え、Ｖ２がトランジスタＴｎの閾値電圧Ｖthnを下回った時に無線通信モジュール３の動作を停止(オフ)させる。これにより、例えば、図３および図４を参照して説明した環境発電装置(制御部)に設けられた比較器ＣＭＰ1，ＣＭＰ2を用いることなく、ヒステリシス機能を持たせてチャタリングの発生を防止して無線通信モジュール３の安定動作を可能にすることができる。
【００４７】
具体的に、Ｎ＝５、Ｖthn＝０．６Ｖとしたとき、Ｖdd＞３．０Ｖの条件でＶ１＞０．６Ｖとなり、Ｖdd＜１．５Ｖの条件でＶ２＜０．６Ｖとなるため、無線通信モジュール３は、Ｖdd＞３．０Ｖでオンし、Ｖdd＜１．５Ｖでオフするように制御することができる。これは、例えば、図３および図４を参照して説明した環境発電装置において、無線通信モジュール３を、オン電圧Ｖon＝３．０Ｖ、オフ電圧Ｖoff＝１．５Ｖで制御することが可能なことを示している。なお、これらの電位設定は、太陽電池セル(１１〜１５)を直列接続する数、或いは、電位選択スイッチ６により取り出す太陽電池セル間電圧(Ｖ１，Ｖ２)を調整することにより、様々な変形および変更が可能なのはいうまでもない。
【００４８】
このように、本実施形態によれば、比較器を不要とすることにより、例えば、時刻ｔ１までは消費電流をほぼゼロにすることができ、より低照度の環境でもエネルギーを蓄えて無線通信モジュール(センシング端末)を動作させることが可能になる。これは、例えば、環境発電器(環境発電装置)を工場の柱に垂直に取り付けて、直接的に照度を受けない場合や、間接照明で発電する場合、低照度の環境下に設置する場合等でも、問題なくセンシング端末等を使用することができることを意味する。
【００４９】
図７は、環境発電装置の第２実施例を示す回路図であり、図８は、図７に示す環境発電装置の動作を説明するためのタイミング図である。図７と前述した図５の比較から明らかなように、第２実施例の環境発電装置は、第１実施例の環境発電装置において、ｐＭＯＳトランジスタおよびｎＭＯＳトランジスタを反転させて相補構造としたものに相当する。すなわち、図７では、図５におけるｐＭＯＳトランジスタＴｐ，ＴcpがｎＭＯＳトランジスタＴｎ'，Ｔcn'とされ、ｎＭＯＳトランジスタＴｎ，Ｔcn，ＴsnがｐＭＯＳトランジスタＴｐ'，Ｔcp'，Ｔspとされている。さらに、図７では、図５におけるプルアップ抵抗Ｒ１およびプルダウン抵抗Ｒ２がプルダウン抵抗Ｒ１'およびプルアップ抵抗Ｒ２'とされている。なお、図７では、図５におけるノードＮ１〜Ｎ５，電圧Ｖdd，Ｖｓ，Ｖｐ，Ｖｇおよび制御信号ＣＳが、ノードＮ１'〜Ｎ５'，電圧Ｖdd'，Ｖｓ'，Ｖｎ，Ｖｇ'および制御信号ＣＳ'とされている。
【００５０】
上述したように、図７では、図５に相当する符号にダッシュ『'』を付加したものを記載している。また、図８における各電圧Ｖdd'，Ｖ１'，Ｖ２'，Ｖｓ'の絶対値およびトランジスタＴｎ'，Ｔｐ'の動作等は、図６におけるＶdd，Ｖ１，Ｖ２'，ＶｓおよびトランジスタＴｐ，Ｔｎの動作等に対応し、ここでは、その説明を省略する。すなわち、図８における各電圧の絶対値｜Ｖdd'｜，｜Ｖ１'｜，｜Ｖ２'｜，｜Ｖｓ'｜は、図６におけるＶdd，Ｖ１，Ｖ２，Ｖｓに対応する。ただし、図８の参照符号ＳＴ０で示されるように、時刻ｔ１まで、制御信号ＣＳ’は、太陽電池モジュール１が出力する電圧の上昇に伴って変化する。時刻ｔ１で｜Ｖｓ'｜＝｜Ｖ１'｜＞｜Ｖthp｜になり、トランジスタＴｐ'がオンする。これに伴い、Ｎ４'の電位がＶdd'になるため、制御部２のトランジスタＴｎ'がオンし、制御信号ＣＳ’はＧＮＤ(０Ｖ)になる。これにより、スイッチ用トランジスタＴspがオンして、無線通信モジュール３が動作状態になり、電位選択スイッチ６の出力がＶ１'からＶ２'に切り替わる。
【００５１】
図９は、環境発電装置の第３実施例を示す回路図であり、図１０は、図９に示す環境発電装置の動作を説明するためのタイミング図である。図９と前述した図５および図７の比較から明らかなように、本第３実施例の環境発電装置では、制御部２を抵抗(プルアップ抵抗Ｒ１)およびｎＭＯＳトランジスタＴｎにより形成している。ここで、高電位電源線Ｌ１と低電位電源線Ｌ２の間には、抵抗(第１抵抗)Ｒ１およびトランジスタ(第１トランジスタ)Ｔｎが直列に接続され、電源制御スイッチ(スイッチ用トランジスタ)５は、ｐＭＯＳトランジスタＴspとされている。なお、スイッチ用トランジスタＴspのゲートには、抵抗Ｒ１およびトランジスタＴｎの接続ノードから取り出された制御信号ＣＳが入力される。この制御信号ＣＳは、図７に示す第２実施例における制御信号ＣＳ’に対応する。
【００５２】
本第３実施例によれば、上述した第１および第２実施例と比較して、制御部２を抵抗Ｒ１およびトランジスＴｎで形成することで、トランジスタおよび抵抗を１組削減することができる。すなわち、本第３実施例によれば、例えば、第１実施例のプルダウン抵抗Ｒ２による消費電流を削減することができる。なお、制御部２におけるトランジスタＴｎの動作は、図６に示す第１実施例と同様であるが、スイッチ用トランジスタＴspの動作は、スイッチ用トランジスタがｐＭＯＳトランジスタである第２実施例に相当する。
【００５３】
図１１は、環境発電装置の第４実施例を示す回路図であり、図１２は、図１１に示す環境発電装置の動作を説明するためのタイミング図である。図１１と前述した図９の比較から明らかなように、第４実施例の環境発電装置は、第３実施例の環境発電装置において、ｐＭＯＳトランジスタおよびｎＭＯＳトランジスタを反転させて相補構造としたものに相当する。また、本第４実施例によれば、例えば、第２実施例のプルアップ抵抗Ｒ２'による消費電流を削減することができる。なお、制御部２におけるトランジスタＴｐ'の動作は、図８に示す第２実施例と同様であるが、スイッチ用トランジスタＴsnの動作は、スイッチ用トランジスタがｎＭＯＳトランジスタである第１実施例に相当する。
【００５４】
このように、本実施形態の環境発電装置(電源制御回路)は、様々な変形および変更を行うことが可能である。また、本実施形態によれば、定常的に電力を消費して電位比較を行う比較器を使用しないため、例えば、１００Ｌｕｘ以下の低照度環境においても、太陽電池モジュールによる発電電力を蓄えて無線通信モジュールを動作させることが可能になる。この１００Ｌｕｘ以下の環境としては、例えば、避難通路(７０Ｌｕｘ程度)、建物の柱(５０〜７０Ｌｕｘ程度)、或いは、棚の下(２０Ｌｕｘ程度)を始めとして、影(陰)になる場所や間接照明を使用する場所等が挙げられる。
【００５５】
そして、本実施形態を適用することにより、例えば、壁に縦に貼り付ける、天井から下向きに貼り付けるといった照明光が太陽電池(太陽電池モジュール)の面に対して直接に供給されない場所等に対しても、環境発電装置を適用することが可能になる。これにより、これまで暗くて設置できなかった場所において、微小なエネルギーを蓄電して無線通信モジュールやセンサーを動作させることができ、ＩｏＴサービスの適用範囲を拡げることができる。なお、このような効果は、太陽電池に限定されず、例えば、温度差発電セルといった複数の発電セルが直列に接続された環境発電器においても同様である。すなわち、環境発電器として複数の温度差発電セルを適用した場合には、小さな温度差の環境下においても、発電電力を蓄えて負荷を駆動することが可能になる。
【００５６】
以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではない。また、明細書のそのような記載は、発明の利点および欠点を示すものでもない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。
【００５７】
以上の実施例を含む実施形態に関し、さらに、以下の付記を開示する。
（付記１）
複数の発電セルが直列に接続された環境発電器からの電力をキャパシタに蓄積し、負荷に対して前記キャパシタに蓄積された電力の供給を制御する電源制御回路であって、
前記キャパシタと前記負荷の間に設けられ、前記キャパシタに蓄積された電力を、前記負荷に供給するか否かを選択する電源制御スイッチと、
直列に接続された前記複数の発電セルにおいて、第１接続ノードから取り出した第１電位、および、前記第１接続ノードとは異なる第２接続ノードから取り出した第２電位に基づいて、前記電源制御スイッチを制御する制御部と、を有する、
ことを特徴とする電源制御回路。
【００５８】
（付記２）
前記キャパシタは、第１および第２電源線の間に接続され、
前記電源制御スイッチおよび前記負荷は、前記第１および第２電源線の間に直列に接続される、
ことを特徴とする付記１に記載の電源制御回路。
【００５９】
（付記３）
さらに、
前記第１接続ノードおよび前記第２接続ノードに接続され、前記制御部からの制御信号に基づいて、前記第１電位または前記第２電位を選択して出力する電位選択スイッチを有する、
ことを特徴とする付記２に記載の電源制御回路。
【００６０】
（付記４）
前記第２電位の絶対値は、前記第１電位の絶対値よりも大きく、
前記制御部は、
前記キャパシタの出力電圧の絶対値が増加するときは、前記第２電位を選択し、かつ、前記キャパシタの出力電圧の絶対値が減少するときは、前記第１電位を選択するように、前記電位選択スイッチを制御する、
ことを特徴とする付記３に記載の電源制御回路。
【００６１】
（付記５）
前記電位選択スイッチは、第１導電型の第１電位選択トランジスタ、および、前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２電位選択トランジスタを含み、
前記第１接続ノードおよび前記第２接続ノードにおける電位の絶対値が小さいノードに、前記第１電位選択トランジスタのソースを接続し、
前記第１接続ノードおよび前記第２接続ノードにおける電位の絶対値が大きいノードに、前記第２電位選択トランジスタのソースを接続し、
前記第１および第２電位選択トランジスタのドレインが共通接続された選択電位出力ノードの電位を、選択電位として前記制御部に出力する、
ことを特徴とする付記３または付記４に記載の電源制御回路。
【００６２】
（付記６）
前記電位選択スイッチにおける前記第１および第２電位選択トランジスタのゲートには、前記制御信号が入力され、
前記電源制御スイッチは、前記制御信号に基づいてオン／オフ制御される、
ことを特徴とする付記５に記載の電源制御回路。
【００６３】
（付記７）
前記電源制御スイッチは、スイッチ用トランジスタを含み、
前記制御部は、
前記第１および第２電源線の間に、第１抵抗と直列に接続され、前記電位選択スイッチの出力ノードがゲートに接続された第１トランジスタと、
前記前記第１および第２電源線の間に、第２抵抗と直列に接続され、前記第１抵抗および前記第１トランジスタの接続ノードがゲートに接続された第２トランジスタと、を含み、
前記第２抵抗および前記第２トランジスタの接続ノードから前記制御信号を取り出して、前記スイッチ用トランジスタのゲートおよび前記電位選択スイッチに出力する、
ことを特徴とする付記３乃至付記６のいずれか１項に記載の電源制御回路。
【００６４】
（付記８）
前記第１抵抗は、前記第１および第２電源線の高電位側の電源線に接続され、
前記第２抵抗および前記スイッチ用トランジスタは、前記第１および第２電源線の低電位側の電源線に接続され、
前記スイッチ用トランジスタおよび前記第１トランジスタは、ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタであり、
前記第２トランジスタは、ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタである、
ことを特徴とする付記７に記載の電源制御回路。
【００６５】
（付記９）
前記第１抵抗は、前記第１および第２電源線の低電位側の電源線に接続され、
前記第２抵抗および前記スイッチ用トランジスタは、前記第１および第２電源線の高電位側の電源線に接続され、
前記スイッチ用トランジスタおよび前記第１トランジスタは、ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタであり、
前記第２トランジスタは、ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタである、
ことを特徴とする付記７に記載の電源制御回路。
【００６６】
（付記１０）
前記電源制御スイッチは、スイッチ用トランジスタを含み、
前記制御部は、
前記第１および第２電源線の間に、第１抵抗と直列に接続され、前記電位選択スイッチの出力ノードがゲートに接続された第１トランジスタを含み、
前記第１抵抗および前記第１トランジスタの接続ノードから前記制御信号を取り出して、前記スイッチ用トランジスタのゲートおよび前記電位選択スイッチに出力する、
ことを特徴とする付記３乃至付記６のいずれか１項に記載の電源制御回路。
【００６７】
（付記１１）
前記第１抵抗は、前記第１および第２電源線の高電位側の電源線に接続され、
前記スイッチ用トランジスタは、ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタであり、
前記第１トランジスタは、ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタである、
ことを特徴とする付記１０に記載の電源制御回路。
【００６８】
（付記１２）
前記第１抵抗は、前記第１および第２電源線の低電位側の電源線に接続され、
前記スイッチ用トランジスタは、ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタであり、
前記第１トランジスタは、ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタである、
ことを特徴とする付記１０に記載の電源制御回路。
【００６９】
（付記１３）
前記複数の発電セルは、それぞれ太陽電池セルであり、
前記環境発電器は、太陽電池モジュールである、
ことを特徴とする付記１乃至付記１２のいずれか１項に記載の電源制御回路。
【００７０】
（付記１４）
前記負荷は、無線通信モジュールである、
ことを特徴とする付記１乃至付記１３のいずれか１項に記載の電源制御回路。
【００７１】
（付記１５）
付記１乃至付記１４のいずれか１項に記載の電源制御回路と、
前記環境発電器と、
前記キャパシタと、を有する、
ことを特徴とする環境発電装置。
【００７２】
（付記１６）
複数の発電セルが直列に接続された環境発電器と、前記環境発電器からの電力を蓄積するキャパシタと、負荷に対して前記キャパシタに蓄積された電力の供給を制御する電源制御回路と、を有する環境発電装置の制御方法であって、
直列に接続された前記複数の発電セルにおいて、第１接続ノードから取り出した第１電位、および、前記第１接続ノードとは異なる第２接続ノードから取り出した第２電位に基づいて、前記キャパシタに蓄積された電力を、前記負荷に供給するか否かを制御する、
ことを特徴とする環境発電装置の制御方法。
【００７３】
（付記１７）
前記第２電位の絶対値は、前記第１電位の絶対値よりも大きく、
前記キャパシタの出力電圧の絶対値が増加するときは、前記第２電位を選択して、前記負荷に対して前記キャパシタに蓄積された電力を供給し、
前記キャパシタの出力電圧の絶対値が減少するときは、前記第１電位を選択して、前記負荷に対して前記キャパシタに蓄積された電力を遮断する、
ことを特徴とする付記１６に記載の環境発電装置の制御方法。
【００７４】
（付記１８）
前記複数の発電セルは、それぞれ太陽電池セルであり、
前記環境発電器は、太陽電池モジュールである、
ことを特徴とする付記１６または付記１７に記載の環境発電装置の制御方法。
【００７５】
（付記１９）
前記負荷は、無線通信モジュールである、
ことを特徴とする付記１６乃至付記１８のいずれか１項に記載の環境発電装置の制御方法。
【符号の説明】
【００７６】
１，101    環境発電器(エナジーハーベスタ：太陽電池，太陽電池モジュール)
２，102    制御部
３，103    負荷(無線通信モジュール，センシング端末)
４，104    キャパシタ
５，105    電源制御スイッチ
６    電位選択スイッチ
１１〜１５    発電セル(太陽電池セル)
111，Ｌ１    高電位側電源線(第１電源線)
112，Ｌ２    低電位側電源線(第２電源線)
【図１】
2018085043.tif 000003
【図２】
2018085043.tif 000004
【図３】
2018085043.tif 000005
【図４】
2018085043.tif 000006
【図５】
2018085043.tif 000007
【図６】
2018085043.tif 000008
【図７】
2018085043.tif 000009
【図８】
2018085043.tif 000010
【図９】
2018085043.tif 000011
【図１０】
2018085043.tif 000012
【図１１】
2018085043.tif 000013
【図１２】
2018085043.tif 000014