(57)【要約】【課題】発電素子の開放出力電圧が高い場合でも電源回路の製造コストを下げる。【解決手段】電力変換回路７Ａは、発電素子６Ａの出力電力を入力し、測定装置４の電力を供給する。電力変換回路７Ａは、発電素子６Ａに接続される保護回路７１Ａと、発電素子６Ａと測定装置４に接続される蓄電回路７２Ａを有する。制御回路７３Ａは、発電素子６Ａの発生電力を蓄電回路７２Ａに取り入れ、蓄電同路７２Ａに取り入れたエネルギーを測定装置４に供給する。さらに、制御回路７３Ａは、発電素子６Ａの発生電圧が所定の電圧を超えようとしたときに、保護回路７１Ａを動作させて蓄電回路７２Ａを保護する。保護回路７１Ａの出力抵抗は、発電素子６Ａの出力抵抗より小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電素子から得られる電力を直流電力に変換する電力変換回路であって、
前記発電素子から発生したエネルギーを蓄電する蓄電回路と、
前記発電素子の出力電圧を第一の所定電圧より低い電圧に制御する保護回路と、
前記発電素子の出力電圧が第一の所定電圧を超えようとしたときに、前記保護回路を動作させる制御回路と、を有する電力変換回路。
【請求項２】
発電素子と前記発電素子から得られる電力を直流電力に変換する電力変換回路を含む電源装置であって、
前記発電素子から発生したエネルギーを蓄電する蓄電回路と、
前記発電素子の出力電圧を第一の所定電圧より低い電圧に制御する保護回路と、
前記発電素子の出力電圧が第一の所定電圧を超えようとしたときに、前記保護回路を動作させる制御回路と、を有する電源装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電源装置であって、前記保護回路は前記発電素子の出力電圧を短絡することを特徴とする電源装置。
【請求項４】
請求項２に記載の電源装置であって、前記第一の電圧は前記発電素子の開放電圧の１／２より低いことを特徴とする電源装置。
【請求項５】
請求項２に記載の電源装置であって、前記蓄電回路は、前記発電素子の出力端子と選択的に接続する第一端子と、前記電源装置の出力端子と選択的に接続する第二端子と、を有する第一のキャパシタを有する電源装置。
【請求項６】
請求項２に記載の電源装置であって、前記保護回路の出力抵抗は、前記発電素子の出力抵抗より小さいことを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、電力変換回路及び電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  今まで利用されることがなかった環境エネルギーを活用する技術が注目されている。このような技術は、エネルギー・ハーベスティングと呼ばれる。非特許文献１は、エネルギー・ハーベスティングに関する基本的なシステムを開示する。当該システムは、マイクロエネルギートランスデューサと、周波数変換器と、制御装置と、アプリケーションユニットと、を有する。マイクロエネルギートランスデューサによって環境エネルギーが電力に変換される。当該電力は、周波数変換器によって所望の電圧や周波数に変換される。そして、センサといったアプリケーションユニットは、周波数変換器から提供される電力を受けて、所望の動作を行う。発電素子の出力電力は、発電素子の開放電圧の１／２の動作点で最大になる。制御装置は、これらの要素につき必要な制御動作を行う。非特許文献２は、発電電圧が５−６０Ｖの時に高い電力変換効率で２−５Ｖを出力する電源回路技術を開示する。特許文献１は、発電用振動圧電素子を開示する。特許文献１は、発電用振動圧電素子の出力抵抗に注目し、負荷側に対して良好にインピーダンスを調整する技術を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３１５３６２号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】チャオ・ルー  他  著（Ｃｈａｏ  Ｌｕ，Ｖｉｊａｙ  Ｒａｇｈｕｎａｔｈａｎ，ａｎｄ  Ｋａｕｓｈｉｋ  Ｒｏｙ）、「マイクロスケールエナジーハーベスティングシステムに関する効率設計（Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏ−Ｓｃａｌｅ  ｅｎｅｒｇｙ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）」、アイ・トリプル・イー、ジャーナル  オン  エンジニアリング  アンド  セレクテッド  トピックス  イン  サーキッツ  アンド  システムズ（ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＮ  ＥＭＥＲＧＩＮＧ  ＡＮＤ  ＳＥＬＥＣＴＥＤ  ＴＯＰＩＣＳ  ＩＮ  ＣＩＲＣＵＩＴＳ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭＳ）、（アメリカ合衆国）、アイ・トリプル・イー（ＩＥＥＥ）、２０１１年９月、Ｎｏ．３、Ｖｏｌ．１、ｐｐ．２５４−２６６。
【０００５】
【非特許文献２】ステファノ・スタンツィオーネ  他  著（Ｓｔｅｆａｎｏ  Ｓｔａｎｚｉｏｎｅ，Ｃｈｒｉｓ  ｖａｎ  Ｌｉｅｍｐｄ，Ｒｏｂ  ｖａｎ  Ｓｃｈａｉｊｋ，Ｙａｓｕｙｕｋｉ  Ｎａｉｔｏ，Ｒｅｆｅｔ  Ｆｉｒａｔ  Ｙａｚｉｃｉｏｇｌｕ，Ｃｈｒｉｓ  ｖａｎ  Ｈｏｏｆ）、「５Ｖ〜６０Ｖの入力電圧時に８８％の変換効率を実現するＭＰＰＴアルゴリズム搭載のＤＣ−ＤＣ降圧回路（Ａ  Ｓｅｌｆ−Ｂｉａｓｅｄ  ５−ｔｏ−６０Ｖ  Ｉｎｐｕｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ  ａｎｄ  ２５−ｔｏ−１６００μＷ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ＤＣ−ＤＣ  Ｂｕｃｋ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｆｕｌｌｙ  Ａｎａｌｏｇ  ＭＰＰＴ  Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ  Ｒｅａｃｈｉｎｇ  ｕｐ  ｔｏ  ８８％  ｅｎｄ−ｔｏ−ｅｎｄ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）」、インターナショナル  ソリッド―ステート  サーキッツ  カンファレンス（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、（アメリカ合衆国）、アイ・トリプル・イー（ＩＥＥＥ）、２０１３年２月、４．６、ｐｐ．７４−７５。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  非特許文献１が示すように、エネルギー・ハーベスティング用の発電素子には、太陽光から光電変換を行うもの、温度勾配から熱電変換を行うもの、振動エネルギーから誘導あるいは圧電あるいは静電により発電を行うもの、などが知られている。出力電圧に対する出力電流が線形である場合には、発生電力最大の点は発電素子のオープン電圧の１／２にあることが理論的によく知られている。また、発電素子による発電量は、環境から得られるエネルギーの大きさに依存するが示されている。例えば、熱電発電素子に入力する温度勾配量が多い場合、あるいは静電発電素子に入力する振動の大きさが大きい場合、発生するオープン電圧は標準ＣＭＯＳの耐圧（例えば５Ｖ）を超えてしまう。そのため、非特許文献２が示すように、高耐圧トランジスタを集積化しておいて、このトランジスタによって電力変換回路を設計する必要がある。結果として、集積回路の製造コストが高いという問題がある。
【０００７日】
そこで、本発明は、発生するオープン電圧が標準ＣＭＯＳの耐圧より高くても、信頼性を損なわないように標準ＣＭＯＳのみで構成可能な電力変換回路と電源装置を提供すること、すなわちコストの低い電力変換回路と電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本発明の一形態は、発電素子から得られる電力を直流電力に変換する電力変換回路であって、発電素子から発生したエネルギーを蓄電する蓄電回路と、発電素子の出力電圧を第一の所定電圧より低い電圧に制御する保護回路と、発電素子の出力電圧が第一の所定電圧を超えようとしたときに、前記保護回路を動作させる制御回路と、を有する。第一の所定電圧を標準ＣＭＯＳの耐圧より低くすることによって、蓄電回路と制御回路を標準ＣＭＯＳで設計が可能となるため、製造コストを下げることができる。
【０００９】  本発明の別の形態は、発電素子と発電素子から得られる電力を直流電力に変換する電力変換回路を含む電源装置であって、発電素子から発生したエネルギーを蓄電する蓄電回路と、発電素子の出力電圧を第一の所定電圧より低い電圧に制御する保護回路と、発電素子の出力電圧が第一の所定電圧を超えようとしたときに、前記保護回路を動作させる制御回路と、を有する。第一の所定電圧を標準ＣＭＯＳの耐圧より低くすることによって、蓄電回路と制御回路を標準ＣＭＯＳで設計が可能となるため、製造コストを下げることができる。
【００１０】  別の形態にかかる電源装置は、制御回路によって発電素子の出力電圧を短絡する保護回路を有する。
【００１１】  別の形態にかかる電源装置において、第一の所定電圧は発電素子の開放電圧の１／２より低い。
【００１２】  別の形態にかかる電源装置は、発電素子の出力端子と選択的に接続する第一端子と、電源装置の出力端子と選択的に接続する第二端子と、を有するキャパシタを有する。
【００１３】  別の形態にかかる電源装置において、保護回路の出力抵抗は、発電素子の出力抵抗より小さい。蓄電回路にかかる電圧を標準ＣＭＯＳの耐圧より低くできる。
【００１４】  別の形態において、発電素子の発生電力は交流でもよい。発電素子と蓄電回路の間に整流回路を設ける。
【００１５】  別の形態において、制御回路は発電素子の出力電圧を入力して、この電圧をモニターする。所定の電圧を超えた場合にこの電圧を制御する。
【発明の効果】
【００１６】  本発明の一形態に係る電力変換回路によれば、発電素子の出力電圧を標準ＣＭＯＳの耐圧以下に制御できるため、回路の製造コストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、実施形態の電力変換回路を用いたセンサ装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、別の実施形態の電力変換回路を用いたセンサ装置の構成を示す図である。
【図３】図３の（ａ）部は蓄電回路の構成を示す図であり、図３の（ｂ）部は制御回路の一部の構成を示す図であり、図３の（ｃ）部は交流発電素子と整流回路の構成を示す図であり、図３の（ｄ）部は保護回路の構成を示す図である。
【図４】図４は、図３に示された各回路の動作の詳細を示す図である。
【図５】図５の（ａ）部は別の実施形態の電力変換回路を用いた電源装置の構成を示す図であり、図５の（ｂ）部は、別の実施形態の保護回路と蓄電回路の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】  以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】＜第１実施形態＞
農業、工業、商業の一層の効率化、高齢化及び人口減少などの社会の変動に対応するために、あらゆるモノにセンサと情報通信回路とを搭載し自律的に情報収集を行ういわゆるＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  Ｏｆ  Ｔｈｉｎｇｓ）に注目が集まっている。ＩｏＴは、室内室外を問わず、温度、圧力、振動、化学物質、交通量などの環境変数を自律的にセンサでモニタリングし、インターネットを介してそれらの測定データをクラウドに転送するシステムである。収集されたデータは、ビッグデータとして解析がなされ、異常が検出された場合、或いは、対応が必要な状態となった場合に、モニターされた対象にフィードバックを返す。このように、ＩｏＴでは、モノ同士が基本的には人間を介さずに情報収集、情報伝達、フィードバックを行う。このうち、ＩｏＴ用集積回路システムは、環境変数を測定し、情報をインターネットに送信する端末におけるキーデバイスである。電力が供給されない場所でも自律的にＩｏＴ端末機能を有するので、環境エネルギーを収集して集積回路システムの電力をまかなう、いわゆるエネルギー・ハーベスティング技術が検討されている。特に、太陽光、熱、振動、電波などから電力を取り出す個別の回路システムの研究が盛んである。
【００２０】  図１に示されるように、実施形態に係る電源装置１Ａは、センサ装置２に用いられる。センサ装置２は、ＩｏＴを構成する装置である。
【００２１】  センサ装置２は、アンテナ３を介してインターネット１００と接続されており、インターネット１００を介して収集したデータをクラウド１０１といった別のシステムへ送信する。また、センサ装置２は、インターネット１００を介して計測用プログラムといった種々のデータを受信する。
【００２２】  センサ装置２は、電源装置１Ａと、測定装置４と、を有する。測定装置４は、測定対象物１１０における温度、湿度或いは振動周波数といった種々の環境データを収集する。そして、測定装置４は、当該データを送信すると共に外部からデータを受信する。例えば、測定装置４は、センサ４Ａと、デジタル回路４Ｂと、メモリ回路４Ｃと、通信回路４Ｄと、を有する。
【００２３】  電源装置１Ａは、測定装置４を駆動するための電力を供給する。つまり、電源装置１Ａは、測定装置４を構成するセンサ４Ａ、デジタル回路４Ｂ、メモリ回路４Ｃ及び通信回路４Ｄの動作に要する電力を供給する。ここで、電源装置１Ａは、いわゆるバッテリといった予め電力を蓄えた装置ではなく、外部から供給されるエネルギー（例えば熱エネルギー）を変換して電力を得る。従って、電源装置１Ａは、エネルギー源１０２Ａから熱エネルギーが供給されている限り、センサ装置２へ電力を供給し続ける。センサ装置２は、エネルギー源１０２Ａを設置した後は、エネルギー源１０２Ａの熱エネルギーを利用して駆動し続ける。すなわち、センサ装置２は、バッテリ交換を行う必要がない。
【００２４】  電源装置１Ａは、エネルギー源１０２Ａ（電力源）と、電力変換回路７Ａと、を有する。発電素子６は、エネルギー源１０２Ａの熱エネルギーを電力に変換する。この電力は、直流である。そして、電力変換回路７Ａは、直流電力を測定装置４の駆動に利用可能な直流電力に変換する。
【００２５】  発電素子６Ａは、エネルギー源１０２Ａの熱エネルギーを受け入れて、直流電力を発生させる。例えば、発電素子６Ａは、熱電現象を利用するものである。発電素子６Ａは、二端子間の温度差に比例した大きさの電力を発生する。従って、発電素子６Ａは、二端子間の温度差が大きくなるほど大きな電力を発生する。
【００２６】  発電素子６Ａは、太陽光などの光のエネルギーを光電現象によって電気エネルギーに変換する発電素子であってもよい。
【００２７】  電力変換回路７Ａは、発電素子６Ａに対して電気的に接続される。また、電力変換回路７Ａは、測定装置４に対して電気的に接続される。電力変換回路７Ａは、上述したように、発電素子６Ａから出力される直流電力を、測定装置４の仕様に応じた直流電力に変換する。つまり、電力変換回路７Ａは直流電圧を出力する。測定装置４は、回路の暗転動作のため入力電圧Ｖｉｎｔが比較的安定している必要がある。例えば標準電圧が３Ｖであれば、温度変動があっても＋／−１０％、つまり２．７Ｖから３．３Ｖの間に制御されなければならない。一方、発電素子６Ａの出力電圧Ｖｅｘｔは温度差によって、例えばオープン電圧が３Ｖから６０Ｖになることもあり得る。
【００２８】  以下、電力変換回路７Ａについて詳細に説明する。
【００２９】  電力変換回路７Ａは、機能的には、保護回路７１Ａと、蓄電回路７２Ａと、制御回路７３Ａと、を有する。保護回路７１Ａは、電力変換回路７Ａへの入力電圧Ｖｅｘｔを所定電圧以上にならないようにすることによって、蓄電回路７２Ａを静電破壊から保護する。蓄電回路７２Ａは、電力変換回路７Ａへ入力された電力を所定の電圧で保持する。制御回路７３Ａは、電力変換回路７Ａへの入力電圧Ｖｅｘｔと蓄電回路７２Ａの出力電圧Ｖｉｎｔを所定の電圧範囲内になるように、保護回路７１Ａと、蓄電回路７２Ａとを制御するとともに、測定装置４に動作可能を知らせる信号を提供する。上述のように、保護回路７１Ａによって電力変換回路７Ａには高電圧がかからないため、電力変換回路７Ａは低電圧用ＣＭＯＳ回路で構成することができる。集積回路である測定装置４は低コストで製造することができる。
【００３０】  これまで、発電素子６Ａとして直流電力を発生する場合について説明してきたが、交流電力を発生する場合について、以下で説明する。
【００３１】  図２に示すように、電源装置１Ｂは交流発電素子６Ｂと交流発電用電力変換回路７Ｂからなっている。この電源装置１Ｂを図１の電源装置１Ａと置き換えることができる。このとき、測定装置４は変更する必要はない。
【００３２】  電源装置１Ｂは、測定装置４を駆動する電力を供給する。ここで、電源装置１Ｂは、いわゆるバッテリといった予め電力を蓄えた装置ではなく、外部から供給されるエネルギー（例えば振動エネルギー）を変換して電力を得る。従って、電源装置１Ｂは、エネルギー源１０２Ｂから振動エネルギーが供給されている限り、センサ装置２へ電力を供給し続ける。センサ装置２は、エネルギー源１０２Ｂを設置した後は、エネルギー源１０２Ｂの振動エネルギーを利用して駆動し続ける。すなわち、センサ装置２は、バッテリ交換を行う必要がない。
【００３３】  電源装置１Ｂは、エネルギー源１０２Ｂ（電力源）と、電力変換回路７Ｂと、を有する。発電素子６Ｂは、エネルギー源１０２Ｂの振動エネルギーを電力に変換する。この電力は、交流である。そして、電力変換回路７Ｂは、交流電力を測定装置４の駆動に利用可能な直流電力に変換する。
【００３４】  発電素子６Ｂは、エネルギー源１０２Ｂの振動エネルギーを受け入れて、交流電力を発生させる。例えば、発電素子６Ｂは、誘導現象、静電現象、圧電現象、あるいは磁歪現象を利用するものである。発電素子６Ｂは、振動するおもりの加速度に比例した大きさの電力を発生する。従って、発電素子６Ｂは、振動するおもりの加速度が大きくなるほど大きな電力を発生する。
【００３５】  電力変換回路７Ｂは、発電素子６Ｂに対して電気的に接続される。また、電力変換回路７Ｂは、測定装置４に対して電気的に接続される。電力変換回路７Ｂは、上述したように、発電素子６Ｂから出力される交流電力を、測定装置４の仕様に応じた直流電力に変換する。つまり、電力変換回路７Ｂは直流電圧を出力する。測定装置４は、入力電圧Ｖｉｎｔが比較的安定している必要がある。例えば標準電圧が３Ｖであれば、温度変動があっても＋／−１０％、つまり２．７Ｖから３．３Ｖの間に制御されなければならない。一方、発電素子６Ｂの出力電圧Ｖｅｘｔは振動の加速度の大きさによって、例えばオープン電圧が３Ｖから６０Ｖになることもあり得る。
【００３６】  以下、電力変換回路７Ｂについて詳細に説明する。
【００３７】  電力変換回路７Ｂは、機能的には、保護回路７１Ｂと、蓄電回路７２Ｂと、制御回路７３Ｂと、整流回路７４Ｂと、を有する。保護回路７１Ｂは、電力変換回路７Ｂへの入力電圧Ｖｅｘｔを所定以上高くならないようにすることによって、蓄電回路７２Ｂを静電破壊から保護する。蓄電回路７２Ｂは、電力変換回路７Ｂへ入力された電力を所定の電圧で保持する。制御回路７３Ｂは、電力変換回路７Ｂへの入力電圧Ｖｅｘｔと蓄電回路７２Ｂの出力電圧Ｖｉｎｔを所定の電圧範囲内になるように、保護回路７１Ｂと、蓄電回路７２Ｂと、整流回路７４Ｂと、を制御するとともに、測定装置４に動作可能を知らせる信号を提供する。上述のように、保護回路７１Ｂによって電力変換回路７Ｂには高電圧がかからないため、電力変換回路７Ｂは低電圧用ＣＭＯＳ回路で構成することができる。集積回路である測定装置４を低コストで製造することができる。
【００３８】  エネルギー源とする振動は、正弦波振動でもよいしランダム振動でもよく、その種別は問われない。そうすると、センサ装置２は、エネルギー源１０２Ｂに設置した後は、エネルギー源１０２Ｂの振動エネルギーを利用して駆動し続ける。すなわち、センサ装置２Ｂは、バッテリ交換を行う必要がない。なお、エネルギー源１０６Ｂは環境にある電磁波であってもよい。
【００３９】  以下、保護回路７１Ｂ、蓄電回路７２Ｂ、制御回路７３Ｂ、及び整流回路７４Ｂの動作について図３（ａ）−（ｄ）を用いて詳細に説明する。
【００４０】  図３の（ｄ）部に示すように、保護回路７１Ｃは、制御信号ｓｈｏｒｔ＿ｅｎに応じて入力電圧ＶｅｘｔをグランドＧＮＤに接続する。具体的には、ｓｈｏｒｔ＿ｅｎの論理がＨＩＧＨのとき入力電圧ＶｅｘｔをグランドＧＮＤに接続し、ｓｈｏｒｔ＿ｅｎの論理がＬＯＷのとき入力電圧ＶｅｘｔをグランドＧＮＤから切り離す。図３の（ｃ）部に示すように、蓄電回路７２Ｃは、制御信号Ｓ１−Ｓ４の論理に応じて、入力電圧ＶｅｘｔからキャパシタＣ１，Ｃ２に電荷を受け取り、出力電圧Ｖｉｎｔに電荷を提供する。具体的には、制御信号Ｓ１がＨＩＧＨのときキャパシタＣ１は出力電圧Ｖｉｎｔに電荷を提供し、制御信号Ｓ２がＨＩＧＨのときキャパシタＣ１は入力電圧Ｖｅｘｔから電荷を受け取り、制御信号Ｓ３がＨＩＧＨのときキャパシタＣ２は出力電圧Ｖｉｎｔに電荷を提供し、制御信号Ｓ４がＨＩＧＨのときキャパシタＣ２は入力電圧Ｖｅｘｔから電荷を受け取る。
【００４１】  整流回路７４Ｃは、主に起動時に機能する整流回路７４Ｃ１と主に定常時に機能する整流回路７４Ｃ２の並列接続で構成されている。整流回路７４Ｃ１は、ＱＮ２４，２５とＱＰ２４，２５からなる。Ｖｓ１とＶｓ２が正電圧になると、それぞれＱＮ２４，２５がオンしてＶｅｘｔを上昇させる。Ｖｓ１とＶｓ２が負電圧になると、それぞれＱＰ２４，２５がオンしてＧＮＤを減少させる。一方、整流回路７４Ｃ２は、発電素子が電力を発生し始めたときには、制御信号ｓｈｏｒｔ＿ｅｎ，ｓｈｏｒｔ＿ｅｎｂは不定となっているため、正常動作するとは限らない。整流回路７４Ｃ２は、ＰＭＯＳトランジスタＱＰ２１―２３とＮＭＯＳトランジスタＱＮ２１−２３からなる。Ｖｓ１とＶｓ２には発電素子６Ｂの出力二端子が接続され、整流回路７４Ｃには相補交流信号が入力される。整流回路７４Ｃは入力された交流電力を直流で出力する。具体的には、制御信号ｓｈｏｒｔ＿ｅｎがＬＯＷでその反転信号であるｓｈｏｒｔ＿ｅｎｂがＨＩＧＨであるとき、Ｖｓ１，Ｖｓ２の交流をＶｅｘｔに直流出力し、制御信号ｓｈｏｒｔ＿ｅｎがＨＩＧＨでその反転信号であるｓｈｏｒｔ＿ｅｎｂがＬＯＷであるとき、入力端子Ｖｓ１，Ｖｓ２と出力端子Ｖｅｘｔ，グランドＧＮＤは電気的に切り離される。制御回路７３は上記複数の制御信号を発生する。
【００４２】  制御回路７３は、上記複数の論理信号を発生する論理回路に加えて、図３の（ｃ）の部に示す電圧検知回路を有してもよい。電圧検知回路はＰＭＯＳトランジスタＱＰ１と抵抗Ｒ１からなる。検知する入力電圧ＶｉｎｔがＰＭＯＳトランジスタＱＰ１のしきい電圧を超えると、出力信号ｐｗｒｏｎｒｓｔ＿ＢはＨＩＧＨとなる。ＰＭＯＳトランジスタＱＰ１と抵抗Ｒ１のサイズを調整することによって、出力信号が反転する入力電圧レベルを変えることができる。この性質を利用して、二つの検知回路によって、例えば第一の電圧レベルを超えると第一信号を反転させ、第一の電圧より高い第二の電圧を超えると第二信号を反転させることができる。信号ｐｗｒｏｎｒｓｔ＿ｂは、例えば、図示されない順序論理回路をリセットし、また電源電圧がこの反転時の電圧以上では正常動作するように設計された図示されないアナログ回路の起動条件に用いられる。
【００４３】  次に、整流回路７４Ｃ２の動作を詳しく説明する。
【００４４】  初めに、ｓｈｏｒｔ＿ｅｎ＝ＬＯＷ，ｓｈｏｒｔ＿ｅｎｂ＝ＨＩＧＨの状態について説明する。Ｖｓ１＞Ｖｓ２の期間はＱＰ２１とＱＰ２３がオン、ＱＰ２２がオフのため、Ｖｓ１がＶｅｘｔに電気的に接続される。同様に、ＱＮ２２とＱＮ２３がオン、ＱＮ２１がオフのため、Ｖｓ２がＧＮＤに電気的に接続される。このようにしてＶｅｘｔはＧＮＤに対して正の電位となる。また、Ｖｓ１＜Ｖｓ２の期間はＱＰ２２とＱＰ２３がオン、ＱＰ２１がオフのため、Ｖｓ２がＶｅｘｔに電気的に接続される。同様に、ＱＮ２１とＱＮ２３がオン、ＱＮ２２がオフのため、Ｖｓ１がＧＮＤに電気的に接続される。このようにしてＶｅｘｔはＧＮＤに対して正の電位となる。従って、整流回路７４Ｃ２による上記動作の繰り返しによって、Ｖｓ１とＶｓ２から供給される交流電力は、ＶｅｘｔとＧＮＤに対して直流電力に変換される。次に、ｓｈｏｒｔ＿ｅｎ＝ＨＩＧＨ，ｓｈｏｒｔ＿ｅｎｂ＝ＬＯＷの状態について説明する。この場合はＱＰ２３とＱＮ２３はオフするため入力Ｖｓ１・Ｖｓ２と出力Ｖｅｘｔ・ＧＮＤ間は電気的に切り離される。
【００４５】  整流回路７４を用いるときでも、図２におけるエネルギー源１０２Ｂは光エネルギーや熱エネルギーといった直流エネルギーであってもよい。この場合、発電素子６Ｂは光電効果や熱電変換を行う直流電力発電素子を用いる。整流回路７４があっても、入力電圧の極性がＶｓ１＞Ｖｓ２の場合、整流回路７４はＶｓ１をＶｅｘｔに、またＶｓ２をＧＮＤに、それぞれ電気的に接続する。
【００４６】  図４を用いて上述の各回路の動作を詳細に説明する。図４は発電素子６が直流電力を発生する場合について示すが、発電素子６が交流電力を発生する場合も整流回路７４の出力Ｖｅｘｔ以降は共通の動作とすることができる。
【００４７】  初めに、Ｔ２期間について説明する。
【００４８】  発電素子６が発電を開始すると、Ｖｅｘｔは上昇していく。発電素子６の内部インピーダンスは発電素子のサイズに大きく依存して、ＩｏＴ用途の１ｃｍ３程度のサイズでは通常数百オームから数メガオーム以上と大きな値となるため、Ｖｅｘｔの上昇はＣＭＯＳトランジスタの動作速度に比べて非常にゆっくりとなる。スイッチＳ１とＳ２はリセット信号ｐｗｒｏｎｒｓｔ＿ｂがＨＩＧＨになるまでオン状態を、スイッチＳ３とＳ４はオフ状態にある。内部電源ＶｉｎｔはＳ１とＳ２がともにオンしているため、Ｖｅｘｔに従って上昇する。Ｖｉｎｔが所定の電圧を超えると、リセット信号ｐｗｒｏｎｒｓｔ＿ｂがＨＩＧＨとなる。この遷移で、図示しない順序回路はリセットされ、電圧検知回路以外の図示しないアナログ回路は動作を開始することができる。
【００４９】  次に、Ｔ３期間について説明する。
【００５０】  さらにＶｅｘｔが上昇し、Ｖｉｎｔが上昇して、そのレベルが第二の電圧検知の検知レベルＶｈを超えると、スイッチＳ２はオフするとともに、Ｓ４がオンする。Ｓ２がオフすると、ＶｉｎｔはＶｅｘｔから切り離される。Ｓ４がオンするとキャパシタＣ２がＶｅｘｔに接続される。発電素子６の出力インピーダンスは比較的大きいため、キャパシタＣ２によってＶｅｘｔはほぼグランドレベルまで低下する。
【００５１】  次に、Ｔ４期間について説明する。
【００５２】  内部電源ＶｉｎｔはキャパシタＣ１で保持されているので、回路動作に伴って徐々に電圧降下する。Ｖｅｘｔは発電素子からの電力によって再び上昇し始める。第三の電圧検知回路によってＶｅｘｔが所定の電圧Ｖｓｈに到達すると、Ｓ４はオフにされる。Ｖｓｈは回路を構成するトランジスタの耐圧より十分低く、回路が通常動作する電圧より高い。このとき、Ｖｉｎｔがまだ回路動作を保証する下限電圧Ｖｌより高い場合は、ＶｉｎｔはＣ１より電力を供給され、Ｃ２はＶｓｈの電圧を保持する。回路を過大電圧から保護するために、ｓｈｏｒｔ＿ｅｎがＨＩＧＨとなる。
【００５３】  次に、Ｔ５期間について説明する。
【００５４】  ｓｈｏｒｔ＿ｅｎがＨＩＧＨの期間は、Ｖｅｘｔは強制的にグランドにされる。即ち、発電素子が出力した電力は回路を保護するために捨てられる。内部回路動作によってさらにＶｉｎｔが減少し、動作保証下限Ｖｌに達すると、第四の電圧検知回路は未記載の制御信号を出力して、それによってＳ１、ｓｈｏｒｔ＿ｅｎはＬＯＷ、Ｓ２，Ｓ３はＨＩＧＨとなる。結果として、ＶｉｎｔにはＣ２が接続され、ＶｅｘｔにはＣ１が接続される。
【００５５】  次に、Ｔ６期間について説明する。
【００５６】  ＶｉｎｔはＣ２によって電圧は上昇する。Ｖｅｘｔは上昇を再開し、Ｃ１はＶｅｘｔによって充電される。Ｖｅｘｔが検知レベルＶｓｈに達すると、第二の検知回路の出力によってＳ２はＬＯＷ、ｓｈｏｒｔ＿ｅｎはＨＩＧＨとなる。その結果、Ｖｅｘｔはグランド近くまで減少し、回路は過大な電圧がかからない。
【００５７】  次に、Ｔ７期間について説明する。
【００５８】  Ｃ２がＶｉｎｔからの電力を供給し続けている。Ｃ１はＶｅｘｔとＶｉｎｔから切り離されていて、エネルギーを保持している。Ｖｅｘｔはグランド近くに保持される。この状態はＣ２の電位がＶｉｎｔをＶｌに低下するまで続く。第四の検知回路はＶｉｎｔの低下を検知すると、その出力信号によってＳ１，Ｓ４がＨＩＧＨ、Ｓ３がＬＯＷとなる。結果として、Ｃ１がＶｉｎｔの電力を供給し、Ｃ２はＶｅｘｔから充電される。
【００５９】  次に、Ｔ８期間について説明する。
【００６０】  ＶｉｎｔはＣ１によって電圧は上昇する。Ｖｅｘｔは上昇を再開し、Ｃ２はＶｅｘｔによって充電される。発電素子が６発電を続ける間、Ｔ４からＴ８の動作を繰り返す。
【００６１】  次に、Ｔ９からＴ１１の期間について説明する。
【００６２】  発電素子６が発電を停止すると、Ｖｅｘｔは低下し、それに従ってＶｉｎｔも低下する。ｐｗｒｏｎｒｓｔ＿ｂがＬＯＷになって、回路は動作を停止する。
【００６３】  上記では、Ｔ５とＴ７の期間にＶｅｘｔはグランドとショートされているが、これに限定されない。例えば、制御回路７３にレギュレータを付加しておいて、このレギュレータによってＶｓｈを超えない電圧に制御するようにしてもよい。この場合でも、Ｖｅｘｔを大きなキャパシタＣ１やＣ２に接続した瞬間に電圧降下が大きいと、結果としてグランドレベル近くまで低下してしまう。
【００６４】  また、上記では二つのキャパシタＣ１とＣ２を備えた場合について説明したが、二つに限定されない。二つ以上のキャパシタをＶｅｘｔの発生電圧に応じて、交互にＶｅｘｔとＶｉｎｔに接続することによって、回路を構成するトランジスタを標準ＣＭＯＳトランジスタとしても過大な電圧がかからず、回路の安定動作を行うことができる。
【００６５】  図５の（ａ）部を用いて、複数のエネルギー源を備えたセンサ装置に用いられる電源装置１Ｄの動作を説明する。二つのエネルギー源１０２Ｄ、１０２Ｅを用いて、センサ装置の動作可能期間を増やすこともできる。例えば、第一のエネルギー源１０２Ｄがセンサ回路を動作させるには十分なエネルギーを保持していなくても、第二のエネルギー源１０２Ｅがセンサ回路を動作させるのに十分なエネルギーを保持している場合、第一のエネルギー源しか利用できない場合に比べて、センサ回路を動作させる期間を増やすことができる。このとき、各エネルギー源に応じた発電素子６Ｄと６Ｅを備える必要がある。電力変換回路７Ｄは二つの発電素子の出力Ｖｓ１ｃ及びＶｓ２ｃとＶｓ１ｄ及びＶｓ２ｄを入力する。各入力に対して保護回路７１Ｄ、７１Ｅが備えられている。交流電力を入力する場合は整流回路７４Ｄ、７４Ｅが備えられる。直流電力を入力する場合は整流回路７４Ｄ、７４Ｅは備えておいてもよいし、なくてもよい。例えば、発電素子６Ｄが交流発電で、発電素子６Ｅが直流発電の場合、整流回路７４Ｄは必要だが、整流回路７４Ｅはあってもよいし、なくてもよい。整流回路７４Ｅがない場合は、Ｖｓ１ｄはＶｅｘｔにＶｓ２ｄはＧＮＤに接続される。
【００６６】  図５の（ｂ）部を用いて、保護回路７１Ｆと蓄電回路７２Ｆの動作を説明する。蓄電回路７２Ｆには、三つの入力動作状態がある。第一の入力動作状態は外部電圧Ｖｅｘｔ１から電力を回収する状態、第二の入力動作状態は外部電圧Ｖｅｘｔ２から電力を回収する状態、第三の入力動作状態はＶｅｘｔ１とＶｅｘｔ２から切り離されている状態である。第一の入力動作状態は、Ｖｅｘｔ１が十分高い電圧が発生していることを検知回路が検知した場合である。Ｖｅｘｔ１を優先とする場合、Ｖｅｘｔ２の電圧とは無関係に第一の状態を決める。第二の入力動作状態は、Ｖｅｘｔ１が十分高い電圧が発生していないことを検知回路が検知し、Ｖｅｘｔ２が十分高い電圧が発生していることを検知回路が検知した場合である。第三の入力動作状態は、内部電圧Ｖｉｎｔが所定電圧より高く、かつＶｅｘｔ１とＶｅｘｔ２が保護回路７１によって所定電圧以下にされている状態である。内部電圧Ｖｉｎｔが所望の電圧になったときにはＶｉｎｔからＶｅｘｔ１およびＶｅｘｔ２から切り離す。Ｖｉｎｔから切り離されたキャパシタはＶｅｘｔ１またはＶｅｘｔ２が所定の検知レベルＶｓｈより低い間はＶｅｘｔ１またはＶｅｘｔ２に選択的に接続され、一旦Ｖｅｘｔ１またはＶｅｘｔ２がＶｓｈに達すると、キャパシタをＶｅｘｔ１またはＶｅｘｔ２から切り離し、Ｖｅｘｔ１またはＶｅｘｔ２は制御信号ｓｈｏｒｔ＿ｅｎ１またはｓｈｏｒｔ＿ｅｎ２によってＧＮＤにショートされる。グランドにショートする代わりに所定の電位に制御してもよい。
【００６７】［作用効果］
実施形態に係る発電素子６、保護回路７１、蓄電回路７２、及び制御回路７３では、発電素子の直流出力電力を、回路にかかる電圧が耐圧より低い電圧に制御しながら、入力することができる。これは、発電素子６の発生電圧を制御回路７３によってモニターしながら、蓄電回路７２に蓄電をし、さらに発電素子６の発生直流電圧が所定の電圧を超えたら、制御回路７３によって保護回路７１を動作させて、蓄電回路７２や制御回路７３に過大な電圧がかからないようにしているためである。結果として、低コストのＩｏＴ用集積回路を提供することができる。
【００６８】  さらに別の実施形態に係る発電素子６、保護回路７１、蓄電回路７２、制御回路７３及び整流回路７４では、発電素子の交流出力電力を、回路にかかる電圧が耐圧より低い電圧に制御しながら、入力することができる。これは、発電素子６の発生交流電圧を制御回路７３によってモニターしながら、整流回路７４によって直流に変換して、これを蓄電回路７２に蓄電をし、さらに発電素子６の発生電圧が所定の電圧を超えたら、制御回路７３によって保護回路７１を動作させて、整流回路７４、蓄電回路７２、及び制御回路７３に過大な電圧がかからないようにしているためである。結果として、低コストのＩｏＴ用集積回路を提供することができる。
【符号の説明】
【００６９】１，１Ａ〜Ｄ…電源装置、２，２Ｂ…センサ装置、３…アンテナ、４…測定装置、４Ａ…センサ、４Ｂ…デジタル回路、４Ｃ…メモリ回路、４Ｄ…通信回路、６，６Ａ〜Ｅ…発電素子、７，７Ａ〜Ｄ…電力変換回路、７１，７１Ａ〜Ｆ…保護回路、７２，７２Ａ〜Ｆ…蓄電回路、７３，７３Ａ〜Ｅ…制御回路、７４，７４Ｂ〜Ｅ…整流回路、１００…インターネット、１０１…クラウド、１０２Ａ−Ｅ…エネルギー源、１１０…測定対象物、ＱＮ２１〜２５，ＱＰ１，ＱＰ２１〜２５…トランジスタ、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ２１〜２８…キャパシタ、ｃｔｒｌ，ｐｗｒｏｎｒｓｔ＿ｂ，ｓｈｏｒｔ＿ｅｎ，ｓｈｏｒｔ＿ｅｎｂ…制御信号、ＧＮＤ…接地電位、Ｒ１…抵抗、Ｓ１〜Ｓ５，Ｓ２１〜Ｓ２８…スイッチ、Ｖｅｘｔ，Ｖｅｘｔ１，Ｖｅｘｔ２…蓄電回路への入力電圧、Ｖｈ，Ｖｌ，Ｖｓｈ，Ｖｐｗｒｏｎ…電圧検知レベル、Ｖｉｎｔ…測定装置の入力電圧、Ｖｓ１，Ｖｓ２，Ｖｓ１ｄ，Ｖｓ２ｄ，Ｖｓ１ｅ，Ｖｓ２ｅ…発電素子からの交流電圧。
【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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