(57)【要約】【課題】構成が簡易で消費電力の少ない計測装置用の電子回路、計測装置および計測方法を提供する。【解決手段】電流出力型センシング素子、蓄電部、計測用の抵抗器および少なくとも１つの定電圧素子を有する。蓄電部は一方の端子がグランドおよびセンシング素子の一方の出力端子に接続され、他方の端子が上記センシング素子のもう一方の出力端子に接続される。上記抵抗器は一方の端子がグランドに接続され、上記定電圧素子は蓄電部の端子間電圧に対して順方向になるように、蓄電部の他方の端子と上記抵抗器の他方の端子との間に接続される。蓄電部の充電電圧が定電圧素子の閾値電圧を超えた場合、上記センシング素子からの電流が上記抵抗器に流れ、電流の大きさに比例した電圧を上記抵抗器の端子間に出力するとともに、上記抵抗器の端子間電圧を計測する計測処理部へ、定電圧素子によって計測処理部の動作電圧の範囲内に維持された蓄電部の充電電圧を供給する。【選択図】図１
2019039680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流出力型センシング素子と、
一方の端子がグランドおよび前記電流出力型センシング素子の一方の出力端子に接続され、他方の端子が前記電流出力型センシング素子のもう一方の出力端子に接続された蓄電部と、
一方の端子が前記グランドに接続された計測用の抵抗器と、
前記蓄電部の端子間電圧に対して順方向になるように、前記蓄電部の他方の端子と前記計測用の抵抗器の他方の端子との間に接続された少なくとも１つの定電圧素子と、を有し、
前記蓄電部の充電電圧が前記定電圧素子の閾値電圧を超えた場合、前記電流出力型センシング素子からの電流が前記計測用の抵抗器に流れ、前記電流の大きさに比例した電圧を前記計測用の抵抗器の端子間に出力するとともに、
前記計測用の抵抗器の端子間電圧を計測する計測処理部へ、前記定電圧素子によって前記計測処理部の動作電圧の範囲内に維持された前記蓄電部の充電電圧を供給する、計測装置用の電子回路。
【請求項２】
一方の端子が前記グランドに接続され、他方の端子が各々前記少なくとも１つの定電圧素子に接続された少なくとも１つの抵抗器と、をさらに有する、請求項１に記載の計測装置用の電子回路。
【請求項３】
前記少なくとも１つ定電圧素子は、少なくとも１つのダイオード、発光ダイオード、ダイオード接続されたトランジスタ、およびシャントレギュレータの少なくともいずれかを含む、請求項１または２に記載の計測装置用の電子回路。
【請求項４】
前記電流出力型センシング素子は、カレントトランス、太陽電池、熱電対、振動発電素子、および電波アンテナのいずれかを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の計測装置用の電子回路。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の計測装置用の電子回路と、
前記計測処理部と、を有し、
前記電流出力型センシング素子は、入力電流に比例する出力電流を生成するカレントトランスであり、
前記計測処理部は、前記電子回路の前記蓄電部の端子間電圧を電源電圧として使用し、前記計測用の抵抗器の端子間の電圧に基づいて、前記カレントトランスの入力電流を計測する、計測装置。
【請求項６】
前記計測処理部は、
計測された前記入力電流が流れる負荷にかかる電圧と、前記入力電流とに基づいて、前記入力電流による電力をさらに算出する、請求項５に記載の計測装置。
【請求項７】
電流出力型センシング素子と、
一方の端子がグランドおよび前記電流出力型センシング素子の一方の出力端子に接続され、他方の端子が前記電流出力型センシング素子のもう一方の出力端子に接続された蓄電部と、
一方の端子が前記グランドに接続された計測用の抵抗器と、
前記蓄電部の端子間電圧に対して順方向になるように、前記蓄電部の他方の端子と前記計測用の抵抗器の他方の端子との間に接続された少なくとも１つの定電圧素子と、前記計測用の抵抗器の端子間電圧を計測する計測処理部と、を有する計測装置を使用して、前記電流出力型センシング素子からの電流を計測する計測方法であって、
前記電流により前記蓄電部を充電するステップと、
前記定電圧素子によって前記計測処理部の動作電圧の範囲内に維持された前記蓄電部の充電電圧を前記計測処理部へ供給するステップと、
前記蓄電部の充電電圧が前記定電圧素子の閾値電圧を超えた場合に、前記電流により前記計測用の抵抗器に生じる電圧降下を計測するステップと、
前記計測用の抵抗器における前記電圧降下に基づいて、前記電流出力型センシング素子からの電流を計測するステップと、を有する、計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置用の電子回路、計測装置および計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  ｏｆ  Ｔｈｉｎｇｓ）に使用されるセンサの技術開発が盛んに進められている。ＩｏＴでは、たとえば計測対象の位置、速度、加速度、圧力、重量、温度、湿度、光、磁界、電圧、電流、電力などの物理量を計測する多種多様なセンサが多数使用されうる。さらに、これら多数のセンサは、用途に応じて、家庭、商業施設、工場など、屋内および屋外の様々な場所において使用されうる。
【０００３】
したがって、ＩｏＴにおいて多数のセンサが様々な環境下において使用される場合、それらのセンサを駆動するための電源を確保できるかが重要である。とくに、センサを屋外で使用する場合は、屋内で使用する場合と比べて商用電源を確保しにくいことが多い。また、屋内（たとえば、工場）で商用電源を使用する場合であっても、通常、商用電源の供給口（いわゆる、コンセント）の数は限られているため、コンセントから各々のセンサへの配線が複雑となる可能性がある。一方、電池を使用してセンサを駆動する場合、多数のセンサの電池を交換するとなると、手間やコストが多くかかるという問題がある。
【０００４】
これに関連して、下記特許文献１には、マイクロコンピュータを使用して電流トランスの入力電流を計測する際に、上記電流トランスの出力電流をコンデンサに蓄電し、それをマイクロコンピュータの駆動電力として使用する計測装置が開示されている。特許文献１の計測装置によれば、コンデンサに蓄電された電荷をマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と書く）の駆動電力として使用するので、商用電源などの外部電源や電池が不要となる。
【０００５】
しかしながら、特許文献１の計測装置は、蓄電回路によってマイコンへの出力電圧（図６における端子ＡＤＣ４の出力）を生成した後に、リレー回路（蓄電・計測制御部）によって回路を計測回路に切り替え、オペアンプ（計測部）により計測しているため、構成が複雑で大型であり、計測頻度が低いという問題がある。その結果、特許文献１の計測装置では、ＩｏＴで求められる小型化および省電力化に十分対応できないおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−８５２４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものである。したがって、本発明の目的は、構成が簡易で消費電力の少ない計測装置用の電子回路、計測装置および計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の上記目的は、下記によって達成される。
【０００９】
計測装置用の電子回路は、電流出力型センシング素子と、蓄電部と、計測用の抵抗器と、少なくとも１つの定電圧素子と、を有する。蓄電部は、一方の端子がグランドおよび前記電流出力型センシング素子の一方の出力端子に接続され、他方の端子が前記電流出力型センシング素子のもう一方の出力端子に接続されている。計測用の抵抗器は、一方の端子が前記グランドに接続されている。少なくとも１つの定電圧素子は、前記蓄電部の端子間電圧に対して順方向になるように、前記蓄電部の他方の端子と前記計測用の抵抗器の他方の端子との間に接続されている。前記蓄電部の充電電圧が前記定電圧素子の閾値電圧を超えた場合、前記電流出力型センシング素子からの電流が前記計測用の抵抗器に流れ、前記電流の大きさに比例した電圧を前記計測用の抵抗器の端子間に出力するとともに、前記計測用の抵抗器の端子間電圧を計測する計測処理部へ、前記定電圧素子によって前記計測処理部の動作電圧の範囲内に維持された前記蓄電部の充電電圧を供給する。
【００１０】
また、計測方法は、前記計測装置用の電子回路と、前記計測用の抵抗器の端子間電圧を計測する計測処理部と、を有する計測装置を使用して、前記電流出力型センシング素子からの電流を計測する計測方法であって、前記電流により前記蓄電部を充電するステップと、前記定電圧素子によって前記計測処理部の動作電圧の範囲内に維持された前記蓄電部の充電電圧を前記計測処理部へ供給するステップと、前記蓄電部の充電電圧が前記定電圧素子の閾値電圧を超えた場合に、前記電流により前記計測用の抵抗器に生じる電圧降下を計測するステップと、前記計測用の抵抗器における前記電圧降下に基づいて、前記電流出力型センシング素子からの電流を計測するステップと、を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電流出力型センシング素子からの電流を抵抗器により電圧に変換すると同時に、定電圧素子の閾値電圧を利用して計測処理部を動作させるための電圧を確保できる。そのため、従来のように蓄電回路と計測回路とを切り替えるリレー回路、および制御回路が必要無い。また、計測処理部に供給される電圧が定電圧素子によって速やかに確保され、計測処理部の動作電圧の範囲内に維持されるとともに、電流出力型センシング素子からの電流に比例した電圧が計測用の抵抗器の端子間に出力される。これにより、構成が簡易で消費電力の少ない計測装置用の電子回路を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態の計測装置の構成を例示する概略ブロック図である。
【図２】図１に示す整流部の構成を例示する回路図である。
【図３】図１に示す蓄電部の構成を例示する回路図である。
【図４】図１に示す昇圧部および出力生成部の構成を例示する回路図である。
【図５】図１に示す計測制御部の構成を例示する回路図である。
【図６Ａ】カレントトランスの出力電流によって電圧を取得する回路を例示するシミュレーションモデルである。
【図６Ｂ】図６ＡのシミュレーションモデルについてＬＴｓｐｉｃｅによってシミュレーションを実行した結果を示すグラフである。
【図７Ａ】コンデンサの充電電圧を制限する構成を例示するシミュレーションモデルである。
【図７Ｂ】図７ＡのシミュレーションモデルについてＬＴｓｐｉｃｅによるシミュレーションを実行した結果を示すグラフである。
【図８】図７Ａおよび図７Ｂに示す場合について、カレントトランスの出力電流と出力端子ＯＵＴの電圧との関係を例示するグラフである。
【図９】抵抗器により計測用電圧を取得する構成を例示するシミュレーションモデルである。
【図１０】図９のシミュレーションモデルについてＬＴｓｐｉｃｅによってシミュレーションを実行した結果を示すグラフである。
【図１１】カレントトランスの入力電流の計測方法について例示するフローチャートである。
【図１２】本実施形態の出力生成部の一変形例を示す回路図である。
【図１３】本実施形態の出力生成部の他の変形例を示す回路図である。
【図１４】本実施形態の出力生成部の他の変形例を示す回路図である。
【図１５】本実施形態の出力生成部の他の変形例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付した図面を参照しての本発明の計測装置用の電子回路、計測装置および計測方法の実施形態を説明する。なお、図中、同一の部材には同一の符号を用いた。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１４】
図１〜図５を参照して、一実施形態の計測装置について説明する。図１は一実施形態の計測装置の構成を例示する概略ブロック図であり、図２は図１に示す整流部の構成を例示する回路図である。また、図３は図１に示す蓄電部の構成を例示する回路図であり、図４は図１に示す昇圧部および出力生成部の構成を例示する回路図であり、図５は図１に示す計測制御部の構成を例示する回路図である。
【００１５】
＜計測装置１００＞
図１に示すように、計測装置１００は、カレントトランス１１０、整流部１２０、蓄電部１３０、昇圧部１４１、出力生成部１４２、計測制御部１５０および計測処理部１６０を有する。計測装置１００は、商用電源、電池などの電源から電力の供給を受けずに、電流出力型センシング素子からの電流により電荷を蓄電して計測処理部の動作電圧を確保する無給電型の計測装置である。本実施形態では、計測装置１００は、電流出力型センシング素子としてのカレントトランス１１０からの電流により電荷を蓄電してマイコンの動作電圧を確保しつつ、マイコンによりカレントトランス１１０の入力電流を計測する。
【００１６】
なお、以下では、電流出力型センシング素子として、カレントトランス１１０を例示して説明するが、電流出力型センシング素子は、カレントトランス１１０に限定されない。電流出力型センシング素子は、たとえば、太陽電池、熱電対、振動発電素子、および電波アンテナなどであってもよい。
【００１７】
＜カレントトランス１１０＞
カレントトランス１１０は、電線ｗを流れる入力電流（たとえば、５０［Ｈｚ］の交流電流）に比例する大きさの出力電流を生成して出力する。カレントトランス１１０は、たとえば、電線ｗをクランプする機構を備えるクランプ式のカレントトランスであり、２つの出力端子は整流部１２０の２つの入力端子にそれぞれ接続されている。
【００１８】
カレントトランス１１０の巻数をＮ、入力電流をｉｉｎ、出力電流をｉｏｕｔとすると、出力電流ｉｏｕｔは、下記の数式（１）のように表すことができる。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
なお、入力電流ｉｉｎおよび出力電流ｉｏｕｔの大きさはとくに限定されない。しかし、実用的には、出力電流ｉｏｕｔの最大値がたとえば２０〜５０［ｍＡ］程度になるように、予想される入力電流ｉｉｎの最大値に応じて巻数Ｎが設定されることが好ましい。また、カレントトランス１１０は、クランプ式のカレントトランスに限定されず、分割型、巻線型、貫通型などのカレントトランスであってもよい。
【００２１】
＜整流部１２０＞
整流部１２０は、カレントトランス１１０から出力された出力電流ｉｏｕｔを整流して直流電流ＩＤに変換する。図２に示すように、整流部１２０は、たとえば４つのショットキーバリアダイオードＤ０１〜Ｄ０４からなる全波整流器を有する。この全波整流器の２つの入力端子Ｔ０１，Ｔ０２はカレントトランス１１０の２つの出力端子にそれぞれ接続され、整流部１２０の２つの出力端子はそれぞれ電源ラインＶＣＣおよびグランドＧＮＤに接続される。
【００２２】
なお、整流部１２０は、全波整流器の代わりに半波整流器を使用して構成することもできる。
【００２３】
＜蓄電部１３０＞
図３に示すように、蓄電部１３０は、コンデンサＣ１１を備え、整流部１２０から出力される直流電流ＩＤにより充電される。コンデンサＣ１１は、たとえば電界コンデンサでありうる。
【００２４】
コンデンサＣ１１の一方の端子（負極）は、整流部１２０の一方の出力端子（グランドＧＮＤ）に接続され、コンデンサＣ１１の他方の端子（正極）は、整流部１２０の他方の出力端子（電源ラインＶＣＣ）に接続されている。
【００２５】
なお、蓄電部１３０は、並列に接続された複数のコンデンサを備えてもよい。また、蓄電部１３０は、コンデンサの代わりに小型の二次電池を備えてもよい。
【００２６】
＜昇圧部１４１および出力生成部１４２＞
昇圧部１４１は、ダイオード（定電圧素子）の順方向電圧（閾値電圧）を利用して計測処理部１６０を動作させるための電圧を確保する。また、出力生成部１４２は、整流部１２０からの直流電流ＩＤの大きさに比例した電圧を出力する。
【００２７】
図４に示すように、昇圧部１４１は、発光ダイオードＤ２１を有する。また、出力生成部１４２は、電圧生成部およびフィルタ部を有する。電圧生成部は、抵抗器（計測用の抵抗器）Ｒ２１を有する。抵抗器Ｒ２１の一方の端子はグランドＧＮＤに接続され、抵抗器Ｒ２１の他方の端子は昇圧部１４１の発光ダイオードＤ２１の一方の端子（カソード）に接続される。抵抗器Ｒ２１は、直流電流ＩＤの大きさに比例した大きさの電圧を他方の端子に出力する。
【００２８】
また、発光ダイオードＤ２１の他方の端子（アノード）は、電源ラインＶＣＣに接続されている。したがって、発光ダイオードＤ２１は、蓄電部１３０の他方の端子と抵抗器Ｒ２１の他方の端子との間に蓄電部１３０の端子間電圧に対して順方向に接続されている。
【００２９】
発光ダイオードＤ２１は、蓄電部１３０が充電されるとき、蓄電部１３０の端子間電圧が発光ダイオードＤ２１の順方向電圧を超えて上昇することを制限する。蓄電部１３０の端子間電圧が発光ダイオードＤ２１の順方向電圧に達した場合、整流部１２０から流れる直流電流ＩＤはすべて発光ダイオードＤ２１および抵抗器Ｒ２１に流れる。発光ダイオードＤ２１および抵抗器Ｒ２１の役割についての詳細は後述する。
【００３０】
フィルタ部は、抵抗器Ｒ２２およびコンデンサＣ２１を有する。抵抗器Ｒ２２の一方の端子は、抵抗器Ｒ２１の他方の端子および発光ダイオードＤ２１の一方の端子（カソード）に接続されており、抵抗器Ｒ２２の他方の端子は、出力生成部１４２の出力端子Ｔ２１およびコンデンサＣ２１の一方の端子に接続されている。出力端子Ｔ２１は、計測処理部１６０に接続されている。
【００３１】
また、コンデンサＣ２１の他方の端子は、グランドＧＮＤに接続されている。抵抗器Ｒ２２およびコンデンサＣ２１は、抵抗器Ｒ２１の他方の端子から出力される電圧信号に対してローパスフィルタとして動作する。
【００３２】
＜計測制御部１５０＞
計測制御部１５０は、計測処理部１６０の起動および終了を制御する。図５に示すように、計測制御部１５０は、電圧検出回路１５１、抵抗器Ｒ３１，Ｒ３２、およびＦＥＴＱ３１，Ｑ３２を有する。
【００３３】
電圧検出回路１５１は、入力端子Ｖｉｎ、グランド端子Ｇｄおよび出力端子Ｖｏｕｔを有する。電圧検出回路１５１の入力端子Ｖｉｎは電源ラインＶＣＣに接続され、グランド端子ＧｄはＦＥＴＱ３２のドレイン端子Ｄに接続され、出力端子ＶｏｕｔはＦＥＴＱ３１のゲート端子Ｇに接続される。
【００３４】
電圧検出回路１５１は、入力端子Ｖｉｎの電圧が閾値電圧ＴＨ未満の場合、入力端子Ｖｉｎと出力端子Ｖｏｕｔとの間を非導通状態とし、グランド端子Ｇｄと出力端子Ｖｏｕｔとの間を導通状態にする。一方、電圧検出回路１５１は、電源ラインＶＣＣの電圧が閾値電圧ＴＨ以上となった場合、入力端子Ｖｉｎと出力端子Ｖｏｕｔとの間を導通状態とし、グランド端子Ｇｄと出力端子Ｖｏｕｔとの間を非導通状態にする。
【００３５】
抵抗器Ｒ３１の一方の端子は電源ラインＶＣＣに接続され、抵抗器Ｒ３１の他方の端子は電圧検出回路１５１の出力端子ＶｏｕｔおよびＦＥＴＱ３１のゲート端子Ｇに接続される。抵抗器Ｒ３２の一方の端子は電源ラインＶＣＣに接続され、抵抗器Ｒ３２の他方の端子は計測制御部１５０の出力端子Ｔ３１およびＦＥＴＱ３２のゲート端子Ｇに接続されている。
【００３６】
ＦＥＴＱ３１，Ｑ３２はｎ型のＦＥＴであり、スイッチとして動作する。ＦＥＴＱ３１のゲート端子Ｇは電圧検出回路１５１の出力端子Ｖｏｕｔおよび抵抗器Ｒ３１の他方の端子に接続され、ソース端子ＳはグランドＧＮＤに接続され、ドレイン端子Ｄは計測制御部１５０の出力端子Ｔ３２に接続されている。ＦＥＴＱ３１のゲート端子Ｇは抵抗器Ｒ３２の他方の端子に接続され、ソース端子ＳはグランドＧＮＤに接続され、ドレイン端子Ｄは電圧検出回路１５１のグランド端子Ｇｄに接続されている。出力端子Ｔ３２，Ｔ３２は、計測処理部１６０に接続されている。
【００３７】
＜計測処理部１６０＞
計測処理部１６０は、電源ラインＶＣＣとグランドＧＮＤとの間の電圧によって駆動され、出力生成部１４２の抵抗器Ｒ２１の両端の電圧に基づいて、カレントトランス１１０の入力電流を計測する。
【００３８】
計測処理部１６０は、演算処理部、メモリ部、通信部、ＡＤコンバータ（いずれも図示せず）などの構成要素が集約された小型かつ低消費電力型のワンチップ・マイコンを有する。
【００３９】
メモリ部は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄａｍ  Ａｃｃｅｓｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）およびフラッシュメモリを有する。
【００４０】
通信部は、無線通信モジュール、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）モジュール、ＵＡＲＴ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｒｅｃｅｉｖｅｒ／Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）モジュール、ＳＰＩ（Ｓｅｒｉａｌ  Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）モジュール、Ｉ２Ｃ（Ｉｎｔｅｒ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）モジュールなどを有する。無線通信モジュールには、アンテナ（不図示）が接続されている。
【００４１】
ＡＤコンバータの入力端子は、出力生成部１４２の出力端子Ｔ２１に接続されており、ＡＤコンバータは、抵抗器Ｒ２１の他方の端子から出力される電圧信号をディジタル信号に変換し、計測データとしてＲＡＭに格納する。
【００４２】
演算処理部は、上記計測データを使用して、直流電流ＩＤを算出する。また、演算処理部は、カレントトランス１１０の巻数Ｎに基づいて入力電流ｉｉｎを算出し、さらに、算出された入力電流ｉｉｎに基づいて、入力電流ｉｉｎによる電力（皮相電力）を算出することもできる。より具体的には、演算処理部は、計測された入力電流ｉｉｎが流れる電気機器の負荷にかかる電圧を取得し、この電圧と入力電流ｉｉｎとの積を算出する。
【００４３】
＜計測装置１００の動作原理＞
以下、図６Ａ〜図１０を参照して、計測装置１００の動作原理について詳細に説明する。
【００４４】
１．マイコンの動作電圧の取得
図６Ａはカレントトランスの出力電流によって電圧を取得する回路を例示するシミュレーションモデルである。また、図６Ｂは図６Ａのシミュレーションモデルについて、リニアテクノロジー社製のＳｐｉｃｅ電子回路シミュレーターであるＬＴｓｐｉｃｅによってシミュレーションを実行した結果を示すグラフである。図６Ｂにおいて、横軸はシミュレーション開始からの経過時間［ｓ］であり、縦軸は出力端子ＯＵＴの電圧［Ｖ］である。
【００４５】
図６Ａに示すように、シミュレーションモデルでは、カレントトランスは５０［Ｈｚ］、１［ｍＡ］の電流源Ｉ１として表されている。カレントトランスの出力電流をショットキーバリアダイオードＤ３〜Ｄ６からなる全波整流器で整流し、直流電流Ｉを生成したのち、コンデンサＣ１（２２０［μＦ］）に充電する。コンデンサＣ１の充電電圧（以下、単に「充電電圧」と書く）は、出力端子ＯＵＴから取得できる。
【００４６】
図６Ｂに示すように、コンデンサＣ１を３秒間充電したところ、出力端子ＯＵＴの電圧は、シミュレーションの開始から終了までの３秒間、時間の経過に対して直線的に増加した。この結果から、コンデンサＣ１を１秒ほど充電することにより、マイコンなどを駆動するために必要とされる動作電圧の下限（たとえば２［Ｖ］）を上回る電圧を取得できる。
【００４７】
２．充電電圧の制限
図７ＡはコンデンサＣ１の充電電圧を制限する構成を例示するシミュレーションモデルであり、図７Ｂは図７ＡのシミュレーションモデルについてＬＴｓｐｉｃｅによるシミュレーションを実行した結果を示すグラフである。図７Ｂにおいて、横軸はシミュレーション開始からの経過時間［ｓ］であり、縦軸は出力端子ＯＵＴの電圧［Ｖ］である。
【００４８】
上述したように、図６Ａのシミュレーションモデルでは、充電電圧は、時間の経過に対して直線的に増加する。したがって、図６Ｂに示すように、直流電流ＩによるコンデンサＣ１への充電が１．３［ｓ］以上続く場合は、充電電圧がマイコンの動作電圧の上限（たとえば３．６［Ｖ］）を超えてしまう。
【００４９】
そこで、出力端子ＯＵＴとグランドＧＮＤとの間にさらにダイオードを挿入し、ダイオードの順方向電圧により充電電圧を制限する。図７Ａに示す例では、出力端子ＯＵＴとグランドＧＮＤとの間にショットキーバリアダイオードＤ１および発光ダイオードＤ２が直列に挿入されている。充電電圧は、最大でもショットキーバリアダイオードＤ１の順方向電圧ＶＦ１と発光ダイオードＤ２の順方向電圧ＶＦ２との和により制限される。
【００５０】
一般に、ダイオードの順方向電圧は、ダイオードの種類により異なるので、順方向電圧の異なる複数のダイオードを組み合わせて使用することにより、必要に応じて充電電圧を異なる値に設定できる。たとえば、ＰＮ接合ダイオードの順方向電圧は約１．２［Ｖ］、ショットキーバリアダイオードの順方向電圧は約０．６［Ｖ］、赤色発光ダイオードの順方向電圧は約１．８［Ｖ］、青色発光ダイオードの順方向電圧は約３［Ｖ］程度である。
【００５１】
たとえば、マイコンの駆動に３．６［Ｖ］の電圧が必要であれば、ショットキーバリアダイオードと青色発光ダイオードを直列に接続することにより、０．６［Ｖ］＋３［Ｖ］＝３．６［Ｖ］の電圧を取得できる。
【００５２】
なお、図７Ａに示す例では、カレントトランスを５０［Ｈｚ］、１００［μＡ］の電流源Ｉ１としている。したがって、ショットキーバリアダイオードＤ１および発光ダイオードＤ２に流れる電流は極めて僅かであるので、充電電圧は、上述した順方向電圧の和よりも低い電圧に制限される。
【００５３】
図７Ｂに示すように、出力端子ＯＵＴの電圧は、シミュレーションの開始から概ね８秒までは約０．３［Ｖ／ｓ］の割合で直線的に増加するものの、その後、増加が鈍化し、概ね１１秒後からシミュレーションが終了する２０秒まで約２．３［Ｖ］一定を保持する。この結果から、出力端子ＯＵＴの電圧は、コンデンサＣ１を長時間にわたり充電しても、マイコンの動作電圧の上限（たとえば３．６［Ｖ］）を超えない。また、電流源Ｉ１が１００［μＡ］という微弱な電流であっても、マイコンの駆動に必要な電圧を確保できる。
【００５４】
３．直流電流Ｉと充電電圧との相関
図８は、図７Ａおよび図７Ｂに示す場合について、カレントトランスの出力電流と出力端子ＯＵＴの電圧との関係を例示するグラフである。図７Ａおよび図７Ｂに示す例では、充電電圧がショットキーバリアダイオードＤ１の順方向電圧と発光ダイオードＤ２の順方向電圧との和に達するまでは直流電流ＩによりコンデンサＣ１が充電される。
【００５５】
直流電流ＩによるコンデンサＣ１の充電が進み、充電電圧がショットキーバリアダイオードＤ１の順方向電圧ＶＦ１と発光ダイオードＤ２の順方向電圧ＶＦ２との和に達した概ね１１秒後から充電電圧は約２．３［Ｖ］一定となる。その後、直流電流Ｉは、コンデンサＣ１には流れずに、ショットキーバリアダイオードＤ１および発光ダイオードＤ２に流れ、発光ダイオードＤ２において光に変換される。すなわち、ショットキーバリアダイオードＤ１および発光ダイオードＤ２は「オン」され、直流電流Ｉは、すべてショットキーバリアダイオードＤ１および発光ダイオードＤ２に流れる。
【００５６】
ショットキーバリアダイオードＤ１および発光ダイオードＤ２が「オン」状態であるとき、コンデンサＣ１の充電電圧は、両ダイオードＤ１，Ｄ２の電圧・電流特性に従って、直流電流Ｉ、すなわち電流源Ｉ１の出力電流に応じた大きさとなる。
【００５７】
図８に示すように、カレントトランスの出力電流を１００［μＡ］から２０［ｍＡ］まで変化させて、出力端子ＯＵＴの電圧の変化を調べた結果、すべての電流において、マイコンが動作可能な範囲の電圧（たとえば２．０〜３．６［Ｖ］）に収まっている。したがって、カレントトランスの出力電流が１００［μＡ］から２０［ｍＡ］の範囲において、コンデンサＣ１、ショットキーバリアダイオードＤ１および発光ダイオードＤ２は、直流電流Ｉからマイコンの駆動電圧を生成する電源回路としての役割を果たしている。また、発光ダイオードＤ２は、充電電圧がマイコンの動作電圧に達した後、余剰の直流電流Ｉを光に変えて消費する役割も担っている。
【００５８】
また、出力端子ＯＵＴの電圧は、カレントトランスの出力電流に対して対数関数状に変化する。すなわち、カレントトランスの出力電流は、出力端子ＯＵＴの電圧に対して指数関数状に変化する。これは、ショットキーバリアダイオードＤ１および発光ダイオードＤ２の電圧・電流特性に対応する。したがって、出力端子ＯＵＴの電圧を計測用電圧としてマイコンに入力することにより、マイコンは、図８の出力端子ＯＵＴの電圧とカレントトランスの出力電流との対応関係に基づいて、出力端子ＯＵＴの電圧をカレントトランスの出力電流に換算できる。
【００５９】
４．計測精度の改善
図９は抵抗器により計測用電圧を取得する構成を例示するシミュレーションモデルであり、図１０は図９のシミュレーションモデルについてＬＴｓｐｉｃｅによってシミュレーションを実行した結果を示すグラフである。図１０において、横軸はカレントトランスの出力電流［ｍＡ］であり、縦軸は出力端子ＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙおよびＤａｔａＯｕｔｐｕｔの電圧［Ｖ］である。
【００６０】
図７Ａに示す例では、出力端子ＯＵＴの電圧は、ショットキーバリアダイオードＤ１および発光ダイオードＤ２の温度依存性によって影響を受ける。また、出力端子ＯＵＴの電圧とカレントトランスの出力電流との間には、ダイオードの電圧・電流特性に対応する指数関数／対数関数の関係がある。これにより、カレントトランスの出力電流を計測するときに、出力電流が大きい場合、出力端子ＯＵＴの電圧の計測誤差が小さくても、出力電流の計測誤差が拡大しうる。
【００６１】
これに対し、図９に示す例では、出力端子ＯＵＴとグランドＧＮＤとの間に発光ダイオードＤ２および抵抗器Ｒ１を直列に接続し、抵抗器Ｒ１の端子間電圧を計測用電圧として取得する。充電電圧が発光ダイオードＤ２の順方向電圧に達した後、直流電流Ｉは、すべて発光ダイオードＤ２および抵抗器Ｒ１を流れる。この抵抗器Ｒ１の端子間電圧をマイコンに入力し、直流電流Ｉに換算する。
【００６２】
カレントトランスの出力電流は電流源Ｉ１であり、抵抗器Ｒ１はダイオードに比べて温度依存性が非常に小さいので、抵抗器Ｒ１には電流源Ｉ１に応じた電流が流れる。したがって、抵抗器Ｒ１の端子間電圧は温度によって影響を受けることはほとんどない。また、抵抗器Ｒ１は線形素子であるので、出力電流が大きい場合であっても、抵抗器Ｒ１の端子間電圧の誤差によって出力電流の計測誤差が拡大することもない。したがって、誤差の小さい計測用電圧をマイコンに提供できる。
【００６３】
なお、電流源Ｉ１から５０［Ｈｚ］の交流電流が供給されている場合、全波整流器により除去しきれない５０［Ｈｚ］のリプルが誤差になりうる。この誤差は、コンデンサＣ１の容量を大きくすることにより、リプルが平均化され、十分に低減されうる。また、取得された計測用電圧をマイコンのソフトウェア処理で平均化することにより、リプルの誤差を低減することもできる。
【００６４】
図１０に示すように、カレントトランスの出力電流を１から１００［ｍＡ］まで変化させて、出力端子ＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙおよび出力端子ＤａｔａＯｕｔｐｕｔの電圧を調べた。その結果、出力端子ＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙからマイコンの動作に必要な電圧を取得でき、出力端子ＤａｔａＯｕｔｐｕｔから線形な計測用電圧を取得できることを確認した。図１０に示す例では、マイコンの動作電圧の範囲が２〜３．６［Ｖ］である場合、概ね６〜７７［ｍＡ］までの直流電流Ｉを計測可能である。
【００６５】
なお、実用的には、マイコンの動作電圧の範囲と直流電流Ｉの計測範囲を合せるようにダイオードおよび抵抗器を選定し、回路を設計する。より具体的には、直流電流の計測範囲においてマイコンの動作電圧の範囲が満たされるように、ＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ端子の電圧（電源電圧）の切片および傾きを調整する。電源電圧の切片は、発光ダイオードＤ２の順方向電圧で調整する。また、電源電圧の傾きは計測用電圧の傾きと同じであるため、抵抗器Ｒ１の値で調整する。また、実用的には、出力端子ＤａｔａＯｕｔｐｕｔとマイコンの入力端子との間にローパスフィルタを付加することが好ましい。
【００６６】
＜カレントトランスの入力電流の計測方法＞
次に、図１１を参照して、本実施形態のカレントトランスの入力電流の計測方法について説明する。図１１は、カレントトランスの入力電流の計測方法について例示するフローチャートである。
【００６７】
まず、蓄電部１３０を充電する（ステップＳ１０１）。カレントトランス１１０は、電線ｗに入力電流ｉｉｎが流れると、入力電流ｉｉｎに比例する出力電流ｉｏｕｔを生成し、出力する。整流部１２０は、カレントトランス１１０から出力された出力電流ｉｏｕｔを整流して直流電流ＩＤに変換する。蓄電部１３０は、整流部１２０から出力された直流電流ＩＤにより充電される。
【００６８】
計測制御部１５０は、電源ラインＶＣＣが閾値電圧ＴＨ以上となった場合、計測処理部１６０のマイコンのグランド端子をグランドレベルに落とし、マイコンを起動させる。蓄電部１３０は、発光ダイオードＤ２１によってマイコンの動作電圧の範囲内に維持された充電電圧をマイコンに供給する（ステップＳ１０２）。
【００６９】
次に、抵抗器Ｒ２１における電圧降下を出力する（ステップＳ１０３）。出力生成部１４２は、コンデンサＣ１１の充電電圧が発光ダイオードＤ２１の順方向電圧に達した後、直流信号ＩＤによって抵抗器Ｒ２１に生じる電圧降下を出力する。
【００７０】
次に、カレントトランス１１０の入力電流ｉｉｎを計測する（ステップＳ１０４）。計測処理部１６０は、抵抗器Ｒ２１における電圧降下に基づいて、カレントトランス１１０の入力電流ｉｉｎを計測する。
【００７１】
次に、入力電流ｉｉｎによる電力を算出する（ステップＳ１０５）。計測処理部１６０は、計測された入力電流ｉｉｎに基づいて、入力電流ｉｉｎによる電力を算出する。そして、通信部は、計測結果を送信する。
【００７２】
以上のように、カレントトランス１１０からの電流ＩＤを抵抗器Ｒ２１により電圧に変換すると同時に、定電圧素子である発光ダイオードＤ２１の順方向電圧を利用して計測処理部１６０を動作させるための電圧を確保できる。したがって、従来のように蓄電回路と計測回路とを切り替えるリレー回路、および制御回路が必要無い。これは、本発明が発光ダイオードＤ２１の性質を利用することで、計測処理部１６０を動作させるための蓄電動作から、入力電流を計測する動作への移行を継ぎ目なく、制御なしで行えるためである。蓄電部１３０の充電電圧が発光ダイオードＤ２１の順方向電圧を超えた場合、発光ダイオードＤ２１がオンしてカレントトランス１１０からの電流ＩＤが抵抗器Ｒ２１に流れる。したがって、計測処理部１６０に供給される充電電圧が発光ダイオードＤ２１によって速やかに確保され、計測処理部１６０の動作電圧の範囲内に維持されるとともに、カレントトランス１１０から出力された電流が抵抗器Ｒ２１で消費される。また、カレントトランス１１０からの電流に比例した電圧が抵抗器Ｒ２１の端子間に出力される。これにより、構成が簡易で消費電力の少ない計測装置用の電子回路を実現できる。
【００７３】
＜変形例＞
図１２は本実施形態の昇圧部１４１および出力生成部１４２の一変形例を示す回路図であり、図１３〜図１５は本実施形態の昇圧部１４１および出力生成部１４２の他の変形例を示す回路図である。
【００７４】
図１２に示すように、昇圧部１４１は、発光ダイオードＤ４１に対して直列にダイオードＤ４２を有する。カレントトランス１１０は電流源であるため、抵抗器Ｒ４１および発光ダイオードＤ４１に対して直列にダイオードＤ４２が挿入されていても、直流電流ＩＤは影響を受けない。したがって、抵抗器Ｒ４１および発光ダイオードＤ４１に対して直列に少なくとも１つのダイオードを接続して直流電流ＩＤの計測が可能である。また、抵抗器Ｒ４１および発光ダイオードＤ４１に直列に他の抵抗器を挿入しても直流電流ＩＤの計測が可能である。
【００７５】
このように、本実施形態では、電源ラインＶＣＣと抵抗器Ｒ４１との間に少なくとも１つのダイオードを有する。発光ダイオードＤ４１に加えて他のダイオードを挿入することにより、発光ダイオードＤ４１の順方向電圧と他のダイオードの順方向電圧との和の電圧でコンデンサＣ１１の充電電圧を設定できる。したがって、複数のダイオードを組み合わせることにより、充電電圧の設定範囲を広げることができる。
【００７６】
図１３に示すように、昇圧部１４１は、発光ダイオードＤ５１と並列かつ蓄電部１３０の端子間電圧に対して順方向になるように接続された発光ダイオードＤ５２および発光ダイオードＤ５３を有する。
【００７７】
また、出力生成部１４２は、一方の端子がグランドＧＮＤに接続され、他方の端子が各々発光ダイオードＤ５２および発光ダイオードＤ５３に接続された抵抗器Ｒ５２および抵抗器Ｒ５３を有する。なお、発光ダイオードＤ５１と並列に接続される発光ダイオードおよび抵抗器の数は２つに限定されず３つ以上でもよい。
【００７８】
このように、発光ダイオードＤ５１と並列に接続された少なくとも１つの発光ダイオードを備えることにより、カレントトランス１１０の出力電流ＩＤが大きい場合に、直流電流ＩＤを複数の発光ダイオードに分散して消費させることができる。したがって、計測装置１００は、カレントトランス１１０の出力電流が大きい場合であっても対応できる。
【００７９】
図１４に示すように、発光ダイオードＤ６１に対して直列に、蓄電部１３０の端子間電圧に対して順方向になるように、ダイオード接続されたトランジスタＱ６１が挿入されていても直流電流ＩＤの計測が可能である。本明細書において、ダイオード接続は、たとえばトランジスタのベースとコレクタとの間を短絡した状態を意味する。
【００８０】
図１５に示すように、発光ダイオードＤ７１に対して直列に、蓄電部１３０の端子間電圧に対して順方向になるように、シャントレギュレータＩＣ７１が挿入されていても直流電流ＩＤの計測が可能である。
【００８１】
以上のとおり、実施形態において、本発明の計測装置用の電子回路、計測装置および計測方法を説明した。しかしながら、本発明は、その技術思想の範囲内において当業者が適宜に追加、変形、および省略することができることはいうまでもない。
【００８２】
たとえば、上述の実施形態では、発光ダイオードが充電電圧を設定するとともに、カレントトランスからの電流を光に変換して消費する役割を担っている。しかしながら、このような場合に限定されず、発光ダイオードの代わりに少なくとも１つのダイオードおよびランプを備え、少なくとも１つのダイオードが充電電圧を設定する役割を担い、ランプがカレントトランスからの電流を光に変換して消費する役割を担うように構成してもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１００  計測装置、
１１０  カレントトランス、
１２０  整流部、
１３０  蓄電部、
１４１  昇圧部、
１４２  出力生成部、
１４１  電圧生成部、
１５０  計測制御部、
１５１  電圧検出回路、
１６０  計測処理部。
【図１】
2019039680.tif 000004
【図２】
2019039680.tif 000005
【図３】
2019039680.tif 000006
【図４】
2019039680.tif 000007
【図５】
2019039680.tif 000008
【図６Ａ】
2019039680.tif 000009
【図６Ｂ】
2019039680.tif 000010
【図７Ａ】
2019039680.tif 000011
【図７Ｂ】
2019039680.tif 000012
【図８】
2019039680.tif 000013
【図９】
2019039680.tif 000014
【図１０】
2019039680.tif 000015
【図１１】
2019039680.tif 000016
【図１２】
2019039680.tif 000017
【図１３】
2019039680.tif 000018
【図１４】
2019039680.tif 000019
【図１５】
2019039680.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成29年11月29日(2017.11.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流出力型センシング素子と、
一方の端子がグランドおよび前記電流出力型センシング素子の一方の出力端子に接続され、他方の端子が前記電流出力型センシング素子のもう一方の出力端子に接続された蓄電部と、
一方の端子が前記グランドに接続された計測用の抵抗器と、
前記蓄電部の端子間電圧に対して順方向になるように、前記蓄電部の他方の端子と前記計測用の抵抗器の他方の端子との間に接続された少なくとも１つの定電圧素子と、
前記計測用の抵抗器の端子間電圧を計測する計測処理部の起動および終了を制御する計測制御部と、を有し、
前記計測処理部へ、前記定電圧素子によって前記計測処理部の動作電圧の範囲内に維持された前記蓄電部の充電電圧を供給し、前記計測処理部を起動するとともに、
前記蓄電部の充電電圧が前記定電圧素子の閾値電圧を超えた場合、前記電流出力型センシング素子からの電流が前記計測用の抵抗器に流れ、前記電流の大きさに比例した電圧を前記計測用の抵抗器の端子間に出力する、計測装置用の電子回路。
【請求項２】
一方の端子が前記グランドに接続され、他方の端子が各々前記少なくとも１つの定電圧素子に接続された少なくとも１つの抵抗器をさらに有する、請求項１に記載の計測装置用の電子回路。
【請求項３】
前記少なくとも１つ定電圧素子は、少なくとも１つのダイオード、発光ダイオード、ダイオード接続されたトランジスタ、およびシャントレギュレータの少なくともいずれかを含む、請求項１または２に記載の計測装置用の電子回路。
【請求項４】
前記電流出力型センシング素子は、カレントトランス、太陽電池、熱電対、振動発電素子、および電波アンテナのいずれかを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の計測装置用の電子回路。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の計測装置用の電子回路と、
前記計測処理部と、を有し、
前記電流出力型センシング素子は、入力電流に比例する出力電流を生成するカレントトランスであり、
前記計測処理部は、前記電子回路の前記蓄電部の端子間電圧を電源電圧として使用し、前記計測用の抵抗器の端子間の電圧に基づいて、前記カレントトランスの入力電流を計測する、計測装置。
【請求項６】
前記計測処理部は、
計測された前記入力電流が流れる負荷にかかる電圧と、前記入力電流とに基づいて、前記入力電流による電力をさらに算出する、請求項５に記載の計測装置。
【請求項７】
電流出力型センシング素子と、
一方の端子がグランドおよび前記電流出力型センシング素子の一方の出力端子に接続され、他方の端子が前記電流出力型センシング素子のもう一方の出力端子に接続された蓄電部と、
一方の端子が前記グランドに接続された計測用の抵抗器と、
前記蓄電部の端子間電圧に対して順方向になるように、前記蓄電部の他方の端子と前記計測用の抵抗器の他方の端子との間に接続された少なくとも１つの定電圧素子と、前記計測用の抵抗器の端子間電圧を計測する計測処理部と、前記計測処理部の起動および終了を制御する計測制御部と、を有する計測装置を使用して、前記電流出力型センシング素子からの電流を計測する計測方法であって、
前記電流により前記蓄電部を充電するステップと、
前記定電圧素子によって前記計測処理部の動作電圧の範囲内に維持された前記蓄電部の充電電圧を前記計測処理部へ供給し、前記計測制御部を起動するステップと、
前記蓄電部の充電電圧が前記定電圧素子の閾値電圧を超えた場合に、前記電流により前記計測用の抵抗器に生じる電圧降下を計測するステップと、
前記計測用の抵抗器における前記電圧降下に基づいて、前記電流出力型センシング素子からの電流を計測するステップと、を有する、計測方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
計測装置用の電子回路は、電流出力型センシング素子と、蓄電部と、計測用の抵抗器と、少なくとも１つの定電圧素子と、計測制御部と、を有する。蓄電部は、一方の端子がグランドおよび前記電流出力型センシング素子の一方の出力端子に接続され、他方の端子が前記電流出力型センシング素子のもう一方の出力端子に接続されている。計測用の抵抗器は、一方の端子が前記グランドに接続されている。少なくとも１つの定電圧素子は、前記蓄電部の端子間電圧に対して順方向になるように、前記蓄電部の他方の端子と前記計測用の抵抗器の他方の端子との間に接続されている。計測制御部は、前記計測用の抵抗器の端子間電圧を計測する計測処理部の起動および終了を制御する。計測装置用の電子回路は、前記計測処理部へ、前記定電圧素子によって前記計測処理部の動作電圧の範囲内に維持された前記蓄電部の充電電圧を供給し、前記計測処理部を起動するとともに、前記蓄電部の充電電圧が前記定電圧素子の閾値電圧を超えた場合、前記電流出力型センシング素子からの電流が前記計測用の抵抗器に流れ、前記電流の大きさに比例した電圧を前記計測用の抵抗器の端子間に出力する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
また、計測方法は、前記計測装置用の電子回路と、前記計測用の抵抗器の端子間電圧を計測する計測処理部と、前記計測処理部の起動および終了を制御する計測制御部と、を有する計測装置を使用して、前記電流出力型センシング素子からの電流を計測する計測方法であって、前記電流により前記蓄電部を充電するステップと、前記定電圧素子によって前記計測処理部の動作電圧の範囲内に維持された前記蓄電部の充電電圧を前記計測処理部へ供給し、前記計測制御部を起動するステップと、前記蓄電部の充電電圧が前記定電圧素子の閾値電圧を超えた場合に、前記電流により前記計測用の抵抗器に生じる電圧降下を計測するステップと、前記計測用の抵抗器における前記電圧降下に基づいて、前記電流出力型センシング素子からの電流を計測するステップと、を有する。