(57)【要約】【課題】給電ユニット（エナジーハーベスティングデバイス）に改変を加えること無く、不安定な給電電圧、特に、低い給電電圧ででも正常に動作する、回路ユニットを含む集積回路を提供する。【解決手段】本発明に係る集積回路は、外部電源に接続された第１の電源リングで囲まれた第１の回路ブロックと、第１の電源リングを介して前記外部電源に接続された第２の電源リングで囲まれた第２の回路ブロックとを含み、第１の回路ブロック内の半分以上が同期回路で構成され、第２の回路ブロック内の半分以上が非同期回路で構成されている。【選択図】図１
2013089721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部電源に接続された第１の電源リングで囲まれた第１の回路ブロックと、
前記第１の電源リングを介して前記外部電源に接続された第２の電源リングで囲まれた第２の回路ブロックと
を含み、
前記第１の回路ブロック内の半分以上が同期回路で構成され、
前記第２の回路ブロック内の半分以上が非同期回路で構成されている
集積回路。
【請求項２】
前記第２の回路ブロックにマイクロプロセッサが含まれる
請求項１に記載の集積回路。
【請求項３】
前記第２の回路ブロックが再構成回路を含む
請求項１に記載の集積回路。
【請求項４】
更に、再構成制御回路を含み、
前記再構成制御回路の出力する指示により、前記再構成回路は、同期回路方式と非同期回路方式とを切り替える
請求項３に記載の集積回路。
【請求項５】
更に、外部電源監視ユニットを含み、
前記外部電源監視ユニットの出力する指示に基づいて、前記再構成制御回路は、前記再構成回路における切り替えを指示する出力を行う
請求項４に記載の集積回路。
【請求項６】
発電を行いこれにより外部に給電を行う発電デバイスと、
外部環境因子に関するデータを取得するセンサデバイスと、
前記センサデバイスと接続し、前記センサデバイスが取得したデータを外部に送信する通信デバイスと
を含み、
前記発電デバイスは、前記センサデバイスと前記通信デバイスの夫々と接続して給電を行う
センサシステムにおいて、
前記通信デバイスは、
前記発電デバイスに接続された第１の電源リングで囲まれた第１の回路ブロックと、
前記第１の電源リングを介して前記発電デバイスに接続された第２の電源リングで囲まれた第２の回路ブロックと
を含み、
前記第１の回路ブロック内の半分以上が同期回路で構成され、
前記第２の回路ブロック内の半分以上が非同期回路で構成されている
センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エナジーハーベスティングデバイスを電源とする集積回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
エナジーハーベスティングとは、日常生活で生じる振動や熱等の環境エネルギを電気エネルギに変換することであり、環境発電とも称されている。近年、このエナジーハーベスティングを行うエナジーハーベスティングデバイスが様々な分野で利用されている。例えば、多数のセンサを様々な場所に設け、夫々のセンサからの情報を集計するセンサネットワークシステムにおける利用が試みられている。
【０００３】
図１２は、エナジーハーベスティングデバイスを利用するセンサネットワークシステムの構成例を示すブロック図である。図１２に示すセンサネットワークシステムは、集積回路装置１とデータ管理端末１０４で構成される。集積回路装置１は、主として、センサデバイス１０６、エナジーハーベスティングデバイス４、及び、マイコン通信デバイス２から構成される。これらのデバイスは、三次元集積によって若しくはＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ  ｉｎ  Ｐａｃｋａｇｅ）によって、１チップ化若しくは１パッケージ化されて集積回路装置１となる。１チップ化若しくは１パッケージ化された集積回路装置１は、例えば、農地にばら撒かれ、湿度や温度などの環境データを取得してデータ管理端末１０４に送信する。データ管理端末１０４に送信された環境データは、農作物の育成管理の用途などに利用される。
【０００４】
なお、本明細書では、集積回路装置１において、電気を生成する部位を給電ユニット、電気を消費する部位を回路ユニットと称することとする。図１２に示す例では、エナジーハーベスティングデバイス４が給電ユニットであり、センサデバイス１０６及びマイコン通信デバイス２が回路ユニットである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平２００８−１６５５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
家庭用電源コンセントに繋がる据え置き機器や高品質のバッテリを備えるモバイル機器は、高品質の供給電源を確保できる。しかしながら、エナジーハーベスティングデバイスで構成される集積回路装置では、自然エネルギから電気エネルギを生成するため、安定した高品質の電源の確保が困難である。
【０００７】
図１３は、回路ユニットに含まれる一般的なマイコン通信デバイス２のチップレイアウトの概略図である。図１３では、主としてフレーム部分と電源配線部分のみ示している。図１３に示すマイコン通信デバイス２においては、外部の電源ユニット６から、外側配線２６、２６ａを介して多数のＩＯパッド１０に電力が供給される。更にＩＯパッド１０から、接続配線１２を介して回路ブロック部１７を取り囲む電源リング１５に電力が供給される。電源リング１５から更に回路ブロック部１７内部に電力が供給される。
【０００８】
電源ユニット６が安定した高品質の電力を供給するものであれば、チップ内（回路ブロック部１７内）のどの部分でも均等に電圧が掛かる。そうすると、回路ブロック部１７内部において電力消費が瞬間的に急激に増減する部分が存在するとしても、その増減を許容し得る給電能力が得られることになる。
【０００９】
しかしながら、エナジーハーベスティングデバイスは、自然エネルギからの発電によって電力を供給するものであるから、電源ユニット６の電源品質は、発電時の環境に依存し、電力供給が不安定になりやすい。
【００１０】
特許文献１は、給電ユニットから回路ユニットへの電源品質を保つ給電方法を開示している。この給電方法は、負荷回路側である回路ユニット内に増大予測機能部を追加しておき、回路ユニット側の使用電力が増えることが予想された場合に、予め給電ユニット側に通知して給電ユニットの給電能力を上げる、という仕組を実現する。しかし、この給電方法を実現するには、給電ユニットが最大負荷に耐えられるような構成を持つ必要がある。このことは、給電ユニットの構成の複雑化、及び部品コストの増大に繋がる。そもそも、エナジーハーベスティングのような給電ユニットは、太陽電池やＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）などの特殊な機械部品を含むことが多く、中でも小型のエナジーハーベスティングデバイスは通常、特殊な微細加工技術により製造される。従って、給電ユニットの構成の複雑化や部品コストの増大は、回避されることが望ましい。
【００１１】
本発明は、給電ユニット（例えば、エナジーハーベスティングデバイス）に改変を加えること無く、不安定な給電電圧、特に、低い給電電圧ででも正常に動作する集積回路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】
【００１２】
本発明は、上記の目的を達成するために為されたものである。本発明に係る集積回路は、
外部電源に接続された第１の電源リングで囲まれた第１の回路ブロックと、第１の電源リングを介して前記外部電源に接続された第２の電源リングで囲まれた第２の回路ブロックとを含み、第１の回路ブロック内の半分以上が同期回路で構成され、第２の回路ブロック内の半分以上が非同期回路で構成されている。
【００１３】
また、本発明に係るセンサシステムは、
発電を行いこれにより外部に給電を行う発電デバイスと、外部環境因子に関するデータを取得するセンサデバイスと、センサデバイスと接続し、センサデバイスが取得したデータを外部に送信する通信デバイスとを含み、発電デバイスは、センサデバイスと通信デバイスの夫々と接続して給電を行うセンサシステムである。そのセンサシステムにおいて、通信デバイスは、発電デバイスに接続された第１の電源リングで囲まれた第１の回路ブロックと、第１の電源リングを介して発電デバイスに接続された第２の電源リングで囲まれた第２の回路ブロックとを含み、第１の回路ブロック内の半分以上が同期回路で構成され、第２の回路ブロック内の半分以上が非同期回路で構成されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る集積回路では、回路ユニットにおける正常動作が可能な電圧の範囲を広くすること、特に正常動作が可能な電圧を下げることができる。このことにより、対応する給電ユニットとして性能の低いものも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るチップレイアウトの概略図である。
【図２】（１）は、一定周期のクロック信号によって全ての回路が動作する方式を採用する回路である同期回路を説明するための図である。（２）は、同期動作のためのクロック信号を用いない非同期回路方式による回路である非同期回路を説明するための図である。
【図３】非同期回路方式のプロセッサコアと同期回路方式のプロセッサコアとを動作させたときの、夫々の供給電圧と処理性能の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る、エナジーハーベスティングデバイスを含む集積回路装置のブロック図である。
【図５】（１）は、エレクトレットを用いた静電誘導に基づく発電方式によるデバイスの構成を示す図である。（２）は、（１）に示すエナジーハーベスティングデバイスの発電時の出力電圧の時間変動の例を示す図である。
【図６】エナジーハーベスティングデバイスが発電により出力する出力電圧の時間的変化の例を示すグラフである。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る、エナジーハーベスティングデバイスを含む集積回路装置のブロック図である。
【図８】温度差によるエナジーハーベスティングデバイスが発電により出力する出力電圧の時間的変化の例を示すグラフ（１）である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る電圧監視ユニット及び再構成制御回路による、再構成回路に対する再構成の制御手順を示すフローチャートである。
【図１０】温度差によるエナジーハーベスティングデバイスが発電により出力する出力電圧の時間的変化の例を示すグラフ（２）である。
【図１１】本発明に係る更に別の実施形態のチップレイアウトの概略図である。
【図１２】エナジーハーベスティングデバイスを用いたセンサネットワークシステムの構成例を示すブロック図である
【図１３】回路ユニットに含まれる一般的なマイコン通信デバイスのチップレイアウトの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態を説明する。
【００１７】
[第１の実施形態]
１．１．集積回路の構成
図１は、本発明の第１の実施形態の集積回路におけるチップレイアウトの概略図である。図１は、集積回路における、エナジーハーベスティングデバイスとマイコン通信デバイスの構成を示しており、特に、マイコン通信デバイス２のチップレイアウトを示している。図１に示すエナジーハーベスティングデバイス４とマイコン通信デバイス２は、図１２に示すエナジーハーベスティングデバイスを利用するセンサネットワークシステムを構成するものである。
【００１８】
図１に示すマイコン通信デバイス２の回路ブロック部は、同期回路で構成された同期回路ブロック部２０と、非同期回路で構成された非同期回路ブロック部２２とによって構成されている。同期回路ブロック部２０と非同期回路ブロック部２０は直列に接続されている。同期回路ブロック部２０は、非同期回路を一部に含んでもよい。
【００１９】
同期回路ブロック部２０と非同期回路ブロック部２２は、夫々、第１の電源リング１６と第２の電源リング１８に囲繞されている。第１の電源リング１６と第２の電源リング１８は、複数の電源リング間接続配線２４により相互に接続されている。ただし、各ブロック部における電源構造は電源リングのようなリング構造に限られるものではなく、メッシュのような電源構造でもよい。
【００２０】
更に、ＩＯパッド１０は、同期回路ブロック部２０を囲繞する第１の電源リング１６にのみ、複数の接続配線１２を介して接続される。即ち、ＩＯパッド１０は、非同期回路ブロック部２２を囲繞する第２の電源リング１８には接続されない。
【００２１】
多数のＩＯパッド１０には、外側配線２６、１４を介して、エナジーハーベスティングデバイス４内の電源ユニット６から電力が供給される。従って、エナジーハーベスティングデバイス４内の電源ユニット６からの電力は、同期回路ブロック部２０の周囲の第１の電源リング１６に直接的に供給され、非同期回路ブロック部２２の周囲の第２の電源リング１８には直接的に供給されていない。
【００２２】
ここで、回路ブロック部を同期回路ブロック部２０と非同期回路ブロック部２２とに分けて直列に接続し、同期回路ブロック部２０にのみ、エナジーハーベスティングデバイス４内の電源ユニット６からの電力を供給する理由について説明する。
【００２３】
一般に、回路方式は同期回路方式と非同期回路方式とに、大きく分けることができる。同期回路は、図２（１）に示すように、クロック信号と称される一定周期の基準信号によって、全ての回路が動作する方式を採用する回路である。同期回路では、全ての回路にクロック信号を伝播させ、フリップフロップ３０間のデータ処理をクロック信号の周期内に必ず終わらせる必要がある。全ての回路をクロック信号で同期させるものであるため、回路構成が簡単になり、回路設計も容易である、という利点がある。
【００２４】
しかしながら、フリップフロップ３０間のデータ処理はクロック周期の時間内に必ず終わらせる必要があるという制約が、同期回路の弱点となる場合もある。つまり、周囲の環境条件の変動が同期回路の安定的動作に影響を与えるようなときに弱点となる。例えば、温度変化、製造プロセスのばらつき、及び、大きな電圧降下などの外部条件によって、フリップフロップ３０間のデータ処理時間が遅くなってしまうと、同期回路は、一定周期内にデータ処理を終えることができないということが生じ得る。このとき、回路が正常に動作しない、という不具合が生じる。
【００２５】
一方、非同期回路は、図２（２）に示すように、同期動作のためのクロック信号を用いない非同期回路方式による回路である。この非同期回路方式では、よく知られているように、フリップフロップ３２間の処理は、リクエスト信号とアクノレッジ信号とを用いる所謂ハンドシェイクで行われる。このため、基準信号によってデータを処理する方式を採用する同期回路とは異なり、非同期回路では処理の制御が複雑になる。しかしながら、非同期回路は、周囲の環境条件の変動に対する耐性が非常に高い。これは、所謂ハンドシェイクによってフリップフロップ３２間でデータを遣り取りしているためである。つまり、電源電圧が多少降下したとしても処理速度が遅くなるに過ぎず、誤作動は生じない。電源電圧の降下量が所定の範囲を超えると、非同期回路であっても動作しないが、安定動作を実現する電源電圧の範囲は同期回路よりも広い。
【００２６】
図３は、非同期回路方式のプロセッサコアと同期回路方式のプロセッサコアとを動作させたときの、夫々の供給電圧と処理性能の関係を示すグラフである。実線ｌβが非同期回路方式のプロセッサコアにおける供給電圧と処理性能の関係を示し、破線ｌαが同期回路方式のプロセッサコアにおける供給電圧と処理性能の関係を示している。図３に示すように、非同期回路方式のプロセッサは、供給電圧が上がる程処理性能が向上する。これは、ハンドシェイクでのデータ通信は電圧が上がる程早く終了するためである。更に、非同期回路方式のプロセッサコアの場合、処理性能が変動するものの電圧Ａから電圧Ｄの広い範囲βで動作することが可能である。一方、同期回路式のプロセッサコアの場合、処理性能は一定に維持されるが、電圧Ａから電圧Ｄの範囲βよりずっと狭い、電圧Ｂから電圧Ｃの範囲αでしか動作できない。
【００２７】
以上の点を踏まえて、本実施形態では、電源領域を２つに分ける。つまり、（１）比較的電源供給点（ＩＯパッド１０）に近く、配線等による電圧降下がより小さい領域と、（２）比較的電源供給点から遠く、電源降下がより大きい領域である。このうち、（１）電圧降下がより小さい領域を、同期回路ブロック部２０に対応させ、（２）電圧降下がより大きい領域を、非同期回路ブロック部２２に対応させる。
【００２８】
その上で、電源電圧からの電圧降下が殆ど無い比較的質の高い電圧を同期回路ブロック部２０に優先的に与え、電源からの経路距離が同期回路ブロック部２０よりも長くなることから電源電圧からの電圧降下が経路距離に応じて生じる電圧を非同期回路ブロック部２２に与える。エナジーハーベスティングデバイス４による電源品質の不安定性から生じる電源電圧の変動は、非同期回路ブロック部２２の動作速度の増減により吸収させる。
【００２９】
本実施形態では、同期回路ブロック部２０と非同期回路ブロック部２２は、上述の条件を満たすように構成されている。
【００３０】
１．２．集積回路の動作
本実施形態に係る、エナジーハーベスティングデバイス４内の電源ユニット６からの電力は、直接には、同期回路により構成される同期回路ブロック部２０の周囲の第１の電源リング１６にのみ供給される。供給された電源電圧のうち、同期回路ブロック部２０はその内部の回路が電圧（図３の電圧Ｂ〜電圧Ｃ参照）を消費する。そして、同期回路ブロック部２０に供給される電圧から降下した電圧が電源リング間接続配線２４を介して非同期回路ブロック部２２に供給される。供給された電源電圧が変動を含むものであるような場合、非同期回路ブロック部２２内の回路は、低い電圧であっても所定値（図３電圧Ａ参照）以上の電圧が供給されるのであれば、動作速度を落とすことがあるが確実に動作する。
【００３１】
従って、まず、十全の電源電圧が供給されていれば、同期回路ブロック部２０及び非同期回路ブロック部２２が動作する。電源電圧が低くなっても、同期回路ブロック部２０が動作するのに十分な電圧が供給されていれば、同期回路ブロック部２０は動作する。このとき、非同期回路ブロック部２２は動作速度を落とすこともあるが動作する。更に、電源電圧が低くなると、同期回路ブロック部２０は正常には動作しなくなるが、非同期回路ブロック部２２は動作速度を落としつつも動作する。この上更に、電源電圧が降下すれば、同期回路ブロック部２０も非同期回路ブロック部２２も正常に動作しなくなる。
【００３２】
本実施形態は、正常な動作のためには電源電圧の降下を許容できない同期回路ブロック部２０に供給する電圧の品質を、従来技術（図１３参照）と同様の構成によってできるだけ高く保つ。同期回路ブロック部２０に直列に接続される非同期回路ブロック部２２は、電源電圧の変動（低下）を動作速度の変動（低下）として吸収する。言い換えると、電源電圧が好条件であるときの集積回路の動作速度と、悪条件であるときの集積回路の動作速度との間の変動は、非同期回路ブロック部２２の動作速度の変動に反映される。
【００３３】
１．３．まとめ
本実施形態に係るマイコン通信デバイス２の回路ブロック部は、同期回路ブロック部２０と、同期回路ブロック部２０と直列に接続する非同期回路ブロック部２２とによって構成され、同期回路ブロック部２０にのみ、ＩＯパッド１０から外部のエナジーハーベスティングデバイス４内の電源ユニット６から電力が供給される。このようにマイコン通信デバイス２のチップにおいては、かなり低い電圧ででも動作する非同期回路ブロック部２２が明確に分割され、且つ同期回路ブロック部２０よりも低電位側に配置されるから、本実施形態に係るマイコン通信デバイス２は、従来のマイコン通信デバイスよりもより低い電圧で動作し得る。
【００３４】
また、電源電圧が低電圧である場合、非同期回路ブロック部２２のみが正常動作することになる。つまり、相対的に、同期回路ブロック部２０が正常動作する全体の期間が、非同期回路ブロック部２２が正常動作する全体の期間よりも短くなる傾向にある。後で説明するように、同期回路ブロック部２０内に常時動作することが必要でない回路部分（例えば、通信に係る回路部分）が設けられるのであれば、このことが問題になることはない。
【００３５】
本実施形態に係るチップであるマイコン通信デバイス２において、電源電圧の変動を回路ブロック部ができるだけ許容するということを目指すのであれば、回路ブロック部内の回路を全て非同期回路方式に設定することが有効である。しかしながら、実際には同期回路方式を用いる方が望ましい回路があり、全て非同期回路方式の回路にすることは現実的ではない。例えば、センサの検知したデータを一定周期で取り込むセンサとのＩＯ部分、及び、外部の同期回路と一定スループットでデータの遣り取りを行う通信回路部分などは、同期回路方式であることが望ましい。このような回路部分を設ける場合には、同期回路ブロック部と非同期回路ブロック部とを共存させることになる。
【００３６】
また、同期回路は、図３に示すように電圧条件が良好であっても回路全体の処理速度は変化しないので、所定の時期に終わらせるべき処理に向いている。一方、非同期回路は、供給される電圧に応じて動作すればよいような処理に向いている。これらのことを考慮して、非同期回路の内でも処理が早く終わることが望ましい回路が同期回路ブロック部２０に含まれてもよい。また更に、同期回路ブロック部２０の半分以上を同期回路で構成し、且つ非同期回路ブロック部２２の半分以上を非同期回路で構成するようにしてもよい。このような集積回路装置も、従来のマイコン通信デバイスよりもより広い範囲の電圧で、特に低い電圧で動作し得る。
【００３７】
[第２の実施形態]
図４は、本発明の第２の実施形態に係る、エナジーハーベスティングデバイスを含む集積回路装置のブロック図である。第２の実施形態に係る集積回路装置は、第１の実施形態と略同様のものである。従って、両者の差異を中心に以下説明する。
【００３８】
２．１．集積回路の構成
図４に示す第２の実施形態に係る集積回路装置１ｂは、特に、橋梁や道路の下に埋め込まれたセンサチップにより道路の温度をモニタして収集するシステムにて用いられるものである。集積回路装置１ｂは、温度センサ３６、エナジーハーベスティングデバイス（振動）４ｂ、及び、マイコン通信デバイス２ｂから構成される。マイコン通信デバイス２ｂは、同期回路ブロック部２０ｂと非同期回路ブロック部２２ｂにより構成される。
【００３９】
同期回路ブロック部２０ｂは、温度センサ３６からのデータを取り込むセンサＩ／Ｏ部４２と、外部のデータ管理端末とのデータ通信を行なう無線コア部３８を含む。非同期回路ブロック部２２ｂは、マイクロプロセッサ４６を含む。
【００４０】
本実施形態におけるエナジーハーベスティングデバイス４ｂについて説明する。通常、道路に自動車が通れば、その道路には微細な振動が発生する。エナジーハーベスティングデバイス４ｂは、この微細な振動を利用して発電する発電デバイスである。振動によって発電する発電デバイスとして、例えば、図５（１）に示すエレクトレットを用いた静電誘導に基づく発電方式によるデバイス５０が挙げられる。図５（１）に示す振動によるエナジーハーベスティングデバイス５０では、エレクトレットと称される電荷を持つ電極板５４と金属電極板５２とが抵抗５６を挟んで対向して配置される。そして、振動によりこれらの電極板が相互にずれを生じ、このことにより蓄積された電荷が移動し、よって電気が取り出される。図５（１）に示すエナジーハーベスティングデバイス５０では、上側の金属電極板５２を左右にずらすことで電荷を移動させている。この電極板のずれは道路内の微細な振動によって発生する。図５（２）は、図５（１）に示すエナジーハーベスティングデバイス５０の発電時の出力電圧の時間変動の例を示している。図５（２）に示すように、時間推移によって振動環境は変動することから、エナジーハーベスティングデバイス５０の発電量は一定ではない。この出力電圧が整流素子で直流に変換されて、温度センサ３６やマイクロ通信デバイス２ｂで利用される。
【００４１】
次に、温度センサ３６は、道路上の温度を検出するためのセンサであり、ダイオード等をサーミスタとして利用することで実現される。サーミスタは温度が変化すると電気抵抗も大きく変化する抵抗体であるので、この変化を電気的に検出して温度変化を検知することができる。
【００４２】
２．２．集積回路の動作
温度センサ３６が検出した信号は、マイコン通信デバイス２のセンサＩ／Ｏ部４２に入力される。センサＩ／Ｏ部４２では一定周期で温度センサ３６からのデータをサンプリングしてバッファメモリ４４に蓄積する。一定周期を正確に測るためには、センサＩ／Ｏ部４２が同期回路であることが望ましいので、本実施形態のセンサＩ／Ｏ部４２は同期回路によって構成されている。
【００４３】
センサＩ／Ｏ部４２のバッファメモリ４４に蓄積された温度データを集計処理するために、非同期回路ブロック部２２ｂ内のマイクロプロセッサ４６が、バッファメモリ４４からデータを入力する。計測される道路上の温度データには誤差が含まれやすいので、時間軸方向に複数のサンプリングポイントを設けて温度データを平均化する処理や、温度センサ３６の設置場所に関するデータや他の温度センサ３６からのデータに基づいて検出温度を補正する処理が必要になることがある。これらの処理がマイクロプロセッサ４６で行われる。バッファメモリ４４に蓄積された温度データが用いられるので、これらの処理に対する時間的制約は緩い。このため、マイクロプロセッサ４６は非同期回路で構成されている。
【００４４】
外部のデータ管理端末に送信するために、集計し補正した温度データは、マイクロプロセッサ４６から無線コア３８内のバッファメモリ４０に送られる。無線コア３８は、１日に数回程度、処理済のデータを外部のデータ管理端末に送信する。所定の周波数帯が利用されるのであれば、無線コア３８は同期回路として構成されることが好ましい。
【００４５】
エナジーハーベスティングデバイス４ｂが発電する出力電圧と、同期回路ブロック部及び非同期回路ブロック部の動作可否状態との関係を、図６を用いて説明する。図６は、エナジーハーベスティングデバイス４ｂが発電により出力する出力電圧の時間的変化の例を示すグラフである。図６に示す出力電圧は適宜、整流素子により整流された後の電圧を示している。また、図６から明らかなように、出力電圧は徐々に減少している。即ち、時間Ｔ１の区間では出力電圧は範囲Ｘにあり、時間Ｔ２の区間では出力電圧は範囲Ｘより低い範囲Ｙにあり、時間Ｔ３の区間では出力電圧は範囲Ｙより低い範囲Ｚにある。
【００４６】
出力電圧が範囲Ｘにある場合は、エナジーハーベスティングデバイス４ｂの発電量が多い。この範囲の場合、図１３に示すような従来の集積回路装置及びマイコン通信デバイスであっても、十全に動作する。しかし、出力電圧が範囲Ｘより低い範囲Ｙにある場合、従来のマイコン通信デバイスでは、回路ブロック部内の同期回路部分のうちに、稼動に最低限必要な電圧を得られないものが生じることが想定され得る。このとき、回路ブロック部の全体が正常に動作しない。更に、出力電圧が範囲Ｙより低い範囲Ｚにある場合、従来のマイコン通信デバイスでは、回路ブロック部内のより多くの部分で、稼動に最低限必要な電圧を得られないことが生じると想定される。このときも回路ブロック部は正常に動作しない。
【００４７】
一方、本実施形態のマイコン通信デバイス２ｂでは、エナジーハーベスティングデバイス４ｂの出力電圧が範囲Ｘにある場合には、同期回路ブロック部２０ｂ及び非同期回路ブロック部２２ｂのいずれもが十分に動作し得る。出力電圧が範囲Ｘより低い範囲Ｙにある場合でも、同期回路ブロック部２０ｂが動作するのに十分な電圧が供給されているため同期回路ブロック部２０は動作する。このとき、非同期回路ブロック部２２の動作速度を断続的に下げることもあるが確実に動作する。更に、出力電圧が範囲Ｙより低い範囲Ｚにある場合、同期回路ブロック部２０ｂは正常には動作しなくなるが、非同期回路ブロック部２２ｂは動作速度を断続的に下げつつも動作し得る。
【００４８】
このように、本実施形態のマイコン通信デバイス２ｂを用いるならば、エナジーハーベスティングデバイス４ｂの出力電圧が範囲Ｘより低い範囲Ｙにある場合でも、回路ブロック部の全体は正常に動作する。なぜなら、本実施形態に係るマイコン通信デバイス２では、所定の電圧が保証されることを要求する同期回路ブロック部２０ｂに優先的に電源電圧が供給され、同期回路ブロック部２０ｂに供給される電源電圧から降下した電圧がマイクロプロセッサ４６を含む非同期回路ブロック部２２ｂに供給されるからである。非同期回路ブロック部２２ｂは、動作可能である電源電圧の範囲が、同期回路ブロック部２０ｂが動作可能である電源電圧の範囲よりも広い（図３参照）ので、非同期回路ブロック部２２ｂへの供給電圧に多少の変動（低下）が生じても正常に動作する。但しこのとき、非同期回路ブロック部２２ｂの処理速度は変動（低下）する。従って、マイコン通信デバイス２において、エナジーハーベスティングデバイス４ｂの出力電圧が範囲Ｙにある場合でも、範囲Ｘにある場合より動作速度は遅くなるが、誤作動は生じない。
【００４９】
なお、エナジーハーベスティングデバイス４ｂの出力電圧が範囲Ｙより低い範囲Ｚにある場合には、本実施形態に係る回路ブロック部内の同期回路ブロック部２０ｂに対する最低限の電圧も保証され得ない。但し、非同期回路ブロック部２０ｂは、動作不可能な限界電圧は低いため、動作速度が遅くとも動作し得ることがある。
【００５０】
以上の、エナジーハーベスティングデバイス４ｂが発電する出力電圧と、本実施形態の集積回路の動作可否状態との関係を、従来技術と比較しつつ整理すると、以下の表１のようになる。本実施形態に係るマイコン通信デバイス２は、より低い電圧ででも動作可能であることが分かる。
【００５１】
【表１】
2013089721.tif 000003
このように、本実施形態によれば、マイコン通信デバイス２の動作可能電圧が、従来よりも広くなる。このことを利用すれば、給電ユニットの性能を下げることができる。即ち、ばらつきが大きい品質の悪い電源や経年劣化により発電能力が衰えた電源であっても、給電ユニットとして用いることができる。よって、給電ユニットに関するコストを削減することができる。
【００５２】
２．３．まとめ
以上のように、本実施形態の集積回路装置のマイコン通信デバイス２ｂの回路ブロック部では、センサＩ／Ｏ部４２及び無線コア３８が同期回路で構成され、マイクロプロセッサ４６が非同期回路で構成される。これらの回路の電源ドメイン、即ち、同期回路ブロック部２０ｂと非同期回路ブロック部２２ｂとが、図４に示すように直列に接続される。同期回路ブロック部２０ｂの電源ドメインがエナジーハーベスティングデバイス４ｂに直接接続され、非同期回路ブロック部２２ｂの電源ドメインが同期回路ブロック部２０ｂの電源ドメインに直列に接続している。
【００５３】
このように接続することによって、センサＩ／Ｏ部４２及び無線コア３８に、電圧降下の少ない高品質の電源が供給されるので、従属して接続されている非同期回路ブロック部２２ｂのマイクロプロセッサ４６に比べて、センサＩ／Ｏ部４２及び無線コア３８では供給される電圧の降下が生じ難い。一方で、マイクロプロセッサ４６が含まれる非同期回路ブロック部２２の電源ドメインは、供給される電圧の降下が生じやすい。しかし、非同期回路ブロック部２２ｂは、供給される電圧の変動を処理速度の変動として吸収することができる。結果として、給電ユニットの性能を下げることができ、給電ユニットに関するコストを削減できる。
【００５４】
なお、第２の実施形態に係る集積回路装置のエナジーハーベスティングデバイスでは、静電誘導に基づく発電方式によるデバイスが用いられているが、他の発電デバイスが用いられてもよく、Ｒａｄｉｏ−ｗａｖｅ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇを利用した温度検知デバイスや、圧力検知デバイスや、温度差で発電するペルチェ素子が用いられてもよい。また、温度センサ３６の代わりに、圧力センサやｐＨセンサが用いられてもよい。また、マイクロプロセッサの代わりに、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）が用いられてもよい。更に、供給される電圧の降下が生じやすいブロックは、非同期回路ブロック部でなくてもよく、低電圧で動作させる回路部であっても、動作クロックを変更して低速で動作させる回路部であってもよい。
【００５５】
[第３の実施形態]
３．１．集積回路の構成
図７は、本発明の第３の実施形態に係る、エナジーハーベスティングデバイス４ｃを含む集積回路装置のブロック図である。第３の実施形態に係る集積回路装置は、第２の実施形態と略同様のものである。従って、両者の差異を中心に以下説明する。
【００５６】
第３の実施形態では、非同期回路ブロック部２２ｃ内に再構成回路６２が配置されている。更に、電圧監視ユニット６４及び再構成制御回路６６が加えられている。また、エナジーハーベスティングデバイスは、温度差による発電デバイス４ｃに置き換えられ、センサはｐＨセンサ６０に置き換えられている。ここで、温度差による発電デバイスは、周知のペルチェ素子を用いており、２面間の温度差により電気を生成する。その余の構成は、図４に示す第２の実施形態に係る集積回路装置１ｂと同様である。
【００５７】
３．２．集積回路の動作
本実施形態では、エナジーハーベスティングデバイス４ｃからの給電状況が電源監視ユニット６４で監視され、電源電圧が閾値より下がったこと若しくは閾値より上がったことが検出されると、再構成制御回路６６が非同期回路ブロック部２２内の再構成回路６２の再構成を行う。即ち、電源電圧が閾値より高い場合には、再構成制御回路６６により再構成回路６２内のマイクロプロセッサは同期回路方式として（再）構成される。反対に、電源電圧が閾値より低い場合には、再構成制御回路６６により再構成回路６２内のマイクロプロセッサは非同期回路方式として（再）構成される。
【００５８】
前述のように、温度差による発電デバイスであるエナジーハーベスティングデバイス４ｃは、２面間の温度差により電気を生成する。具体的には、一方の端子をヒートシンクに繋いでおき、もう一方の端子を熱源に接触させて、両端子の温度差に基づいて電気を発生させる。ここで、本実施形態におけるエナジーハーベスティングデバイス４ｃは、地熱を利用して発電するものであり、ｐＨセンサ６０は、土壌のｐＨ値を検出するものであるとする。
【００５９】
図８は、温度差によるエナジーハーベスティングデバイス４ｃが発電により出力する出力電圧の時間的変化の例を示すグラフである。通常、地表の温度は昼間には高いが、夜間になるにつれて低くなる。地表の温度が低くなると、地表とヒートシンクとの間の温度差が小さくなるため、エナジーハーベスティングデバイス４ｃの発電量が下がる。本実施形態では、エナジーハーベスティングデバイス４ｃの発電量が下がり供給電圧が低くなる前に、マイクロプロセッサを非同期回路方式に再構成することで、夜間の電源電圧の低下に備える。
【００６０】
図９は、本実施形態に係る電圧監視ユニット６４及び再構成制御回路６６による、再構成回路６２に対する再構成の制御手順を示すフローチャートである。まず、再構成回路６２は同期回路（同期回路方式マイクロプロセッサ）に構成される（Ｓ０２）。このとき電圧監視ユニット６４は常時エナジーハーベスティングデバイス４ｃの出力電圧を監視している（Ｓ０４）。電圧監視ユニット６４が出力電圧が閾値（Ｔｒ）以下に降下したことを検出する（Ｓ０６・Ｙｅｓ）と、電圧監視ユニット６４は再構成制御回路６６に再構成の指示を出す。
【００６１】
再構成制御回路６６は、再構成回路６２を同期回路方式マイクロプロセッサ、若しくは非同期回路方式マイクロプロセッサに、夫々再構成するための回路データを保持している。電圧監視ユニット６４からの指示により、再構成制御回路６６は、これらの構成を切り換えるように再構成回路６２を変更する。図９の工程Ｓ０８では、再構成制御回路６６は、再構成回路６２を非同期回路方式マイクロプロセッサに再構成する。
【００６２】
その後も、電圧監視ユニット６４は常時エナジーハーベスティングデバイス４ｃの出力電圧を監視している（Ｓ１０）。電圧監視ユニット６４が出力電圧が閾値（Ｔｒ）以上に上昇したことを検出する（Ｓ１２・Ｙｅｓ）と、電圧監視ユニット６４は再構成制御回路６６に再構成の指示を出し、これに従い、再構成制御回路６６は、再構成回路６２を同期回路方式マイクロプロセッサに再構成する（Ｓ０２）。以下、Ｓ０２〜Ｓ１２の工程が繰り返される。
【００６３】
図１０は、温度差によるエナジーハーベスティングデバイス４ｃが発電により出力する出力電圧の時間的変化の例を示している。図１０では、出力電圧は徐々に減少している。即ち、温度差の大きい時間Ｔ１の区間では出力電圧は範囲Ｘにあり、時間Ｔ２の区間では出力電圧は範囲Ｘより低い範囲Ｙにあり、温度差の小さい時間Ｔ３の区間では出力電圧は範囲Ｙより低い範囲Ｚにある。なお、図８に示す電圧の閾値（Ｔｒ）は、図１０の電圧Ｐ（Ｔｒ）に対応するものとする。
【００６４】
出力電圧が範囲Ｘにある場合は、エナジーハーベスティングデバイス４ｃの発電量が多い。この範囲の場合、図１３に示すような従来の集積回路装置及びマイコン通信デバイスであっても、十全に動作する。しかし、出力電圧が範囲Ｘより低い範囲Ｙにある場合、従来のマイコン通信デバイスでは、回路ブロック部内の同期回路部分のうちに、稼動に最低限必要な電圧を得られないものが生じることが想定され得る。このとき、回路ブロック部の全体が正常に動作しない。更に、出力電圧が範囲Ｙより低い範囲Ｚにある場合、従来のマイコン通信デバイスでは、回路ブロック部内のより多くの部分で、稼動に最低限必要な電圧を得られないことが生じると想定される。このとき回路ブロック部は正常に動作しない。
【００６５】
一方、本実施形態に係るマイコン通信デバイス２ｃを用いるならば、エナジーハーベスティングデバイス４ｃの出力電圧が範囲Ｘより低い範囲Ｙにある場合でも、回路ブロック部の全体は正常に動作する。なぜなら、本実施形態に係るマイコン通信デバイス２ｃでは、出力電圧が低くなると、再構成回路６２において同期回路方式マイクロプロセッサから非同期回路方式マイクロプロセッサへの切換（再構成）が行われるからである。このとき、図６を用いて説明したように、所定の電圧が保証されることを要求する同期回路ブロック部２０に優先的に電源電圧が供給され、同期回路ブロック部２０ｂに供給される電源電圧から降下した電圧が非同期回路方式マイクロプロセッサを含む非同期回路ブロック部２２に供給されるため、非同期回路ブロック部２２の処理速度が変動し得るが、回路ブロック部全体は正常に動作し得る。
【００６６】
なお、エナジーハーベスティングデバイス４ｃの出力電圧が範囲Ｙより低い範囲Ｚにある場合には、本実施形態に係る回路ブロック部内の同期回路ブロック部２０ｃに対する最低限の電圧も保証され得ない。但し、非同期回路ブロック部２２ｃは、動作不可能な限界電圧は低いため、動作速度が遅くとも動作し得ることがある。
【００６７】
以上の、エナジーハーベスティングデバイス４ｃが発電する出力電圧と、本実施形態の集積回路の動作可否状態との関係を、従来技術と比較しつつ整理すると、以下の表２のようになる。本実施の形態に係るマイコン通信デバイス２ｃの回路ブロック部はより低い電圧ででも動作可能であることが分かる。
【００６８】
【表２】
2013089721.tif 000004
【００６９】
３．３．まとめ
以上のように、本実施形態の集積回路装置のマイコン通信デバイス２ｃの回路ブロック部では、センサＩ／Ｏ部４２及び無線コア３８は同期回路で構成される。更に、マイクロプロセッサは、再構成回路により構成される。即ち、エナジーハーベスティングデバイス４ｃの出力電圧が高い場合にはマイクロプロセッサは同期回路方式で再構成され、エナジーハーベスティングデバイス４ｃの出力電圧が低い場合にはマイクロプロセッサは非同期回路方式で再構成される。従って、給電ユニットの給電電圧が低いときには、それに対応して、回路ユニットは低い給電電圧ででも正常に動作し得ることになる。
【００７０】
[その他の実施形態]
以上、本発明の第１、第２、及び第３の実施形態を説明したが、本発明の思想は、その他の実施形態によっても実現され得る。例えば、同期回路ブロック部２０と非同期回路ブロック部２２の関係を規定するトポロジは別のものであってもよい。
【００７１】
図１１は、本発明に係る、更に別の実施形態の集積回路におけるチップレイアウトの概略図である。図１１は、図１と同様に、エナジーハーベスティングデバイス４とマイコン通信デバイス２の構成を示し、特に、マイコン通信デバイス２のチップレイアウトを示している。
【００７２】
図１１に示すマイコン通信デバイス２の回路ブロック部も、同期回路で構成された同期回路ブロック部２０ａと、非同期回路で構成された非同期回路ブロック部２２ａとによって、構成されている。ただし、非同期回路ブロック部２２ａは、同期回路ブロック部２０ａ内部の中央部に位置する。同期回路ブロック部２０ａは第１の電源リング１６ａに囲繞され、同期回路ブロック部２２ａは第２の電源リング１８ａに囲繞されている。そして、第１の電源リング１６ａと第２の電源リング１８ａは、複数の電源リング間接続配線２４ａにより接続されている。ＩＯパッド１０は、第１の電源リング１６ａのみに接続され、第２の電源リング１８ａには接続されていない。
【００７３】
非同期回路ブロック部２２ａは、同期回路ブロック部２０ａ内部の中央部に独立した電源ドメインを形成している。更に、エナジーハーベスティングデバイス４側から見ると、非同期回路ブロック部２２ａは、実質的に同期回路ブロック部２０ａに従属して直列接続していることになる。従って、図１１に示す実施形態に係る集積回路装置も、本発明の思想を実現し得るものである。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、エナジーハーベスティングデバイスを電源とする通信デバイスにおいて有用である。
【符号の説明】
【００７５】
１・・・集積回路装置、２・・・マイコン通信デバイス、４、４ａ、４ｂ・・・エナジーハーベスティングデバイス、６・・・電源ユニット、８、８’・・・コーナパッド、１０・・・ＩＯパッド、１６、１６ａ・・・第１の電源リング、１８、１８ａ・・・第２の電源リング、２０、２０ａ・・・同期回路ブロック部、２２、２２ａ・・・非同期回路ブロック部、２４、２４ａ・・・電源リング間接続配線、３６・・・温度センサ、３８・・・無線コア、４２・・・センサＩ／Ｏ部、４６・・・マイクロプロセッサ、６０・・・ｐＨセンサ、６２・・・再構成回路、６４・・・電源監視ユニット、６６・・・再構成制御回路、１０４・・・データ管理端末、１０６・・・センサデバイス。
【図１】
2013089721.tif 000005
【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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