(57)【要約】【課題】発電部を備えると共に、二次電池とキャパシタとを蓄電用として併用する自立型端末において、電源の長寿命化による長期信頼性を確保できる。【解決手段】外部環境に応じた発電要因により発電を行う発電素子を備える発電部と、発電部からの電源供給を受けて充電される二次電池と、発電部からの電源供給を受けて充電され、上限電圧が二次電池の公称電圧よりも高い蓄電用キャパシタと、電源供給を受けて動作を行う負荷と、二次電池及び蓄電用キャパシタと負荷との間に設けられるスイッチ回路とを備える。スイッチ回路は、蓄電用キャパシタの端子電圧が、二次電池の端子電圧よりも高いときには、蓄電用キャパシタの端子電圧が負荷に供給される切替状態となり、蓄電用キャパシタの端子電圧が、当該蓄電用キャパシタの下限電圧以下となったときには、二次電池の端子電圧が負荷に供給される切替状態となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部環境に応じた発電要因により発電を行う発電素子を備える発電部と、
前記発電部からの電源供給を受けて充電される二次電池と、
前記発電部からの電源供給を受けて充電され、上限電圧が前記二次電池の公称電圧よりも高い蓄電用キャパシタと、
電源供給を受けて動作を行う負荷と、
前記二次電池及び前記蓄電用キャパシタと前記負荷との間に設けられるスイッチ回路と、
を備え、
前記スイッチ回路は、前記蓄電用キャパシタの端子電圧が、前記二次電池の端子電圧よりも高いときには、前記蓄電用キャパシタの端子電圧が前記負荷に供給される切替状態となり、前記蓄電用キャパシタの端子電圧が、当該蓄電用キャパシタの下限電圧以下となったときには、前記二次電池の端子電圧が前記負荷に供給される切替状態となる
ことを特徴とする自立型端末。
【請求項２】
前記スイッチ回路は、前記蓄電用キャパシタの端子電圧が、前記二次電池の端子電圧よりも高いときには、前記スイッチ回路は、前記蓄電用キャパシタの端子電圧が前記負荷に供給される切替状態となり、前記蓄電用キャパシタの端子電圧が、当該蓄電用キャパシタの下限電圧以下であって、前記二次電池の端子電圧以下となったときには、前記二次電池の端子電圧が前記負荷に供給される切替状態となるものであり、
前記スイッチ回路は、前記二次電池と前記負荷との間に設けられる第１のダイオードと、前記蓄電用キャパシタと前記負荷との間に設けられる第２のダイオードとで構成される
ことを特徴とする請求項１に記載の自立型端末。
【請求項３】
前記蓄電用キャパシタは、複数個のキャパシタを直列に接続したものからなる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の自立型端末。
【請求項４】
前記発電部と前記二次電池との間には、前記発電部の出力電圧から前記二次電池を充電上限電圧まで充電可能な電圧を生成するための第１のＤＣ／ＤＣ変換器が設けられると共に、
前記発電部と前記蓄電用キャパシタとの間には、前記発電部の出力電圧から前記蓄電用キャパシタを前記上限電圧まで充電可能な電圧を生成するための第２のＤＣ／ＤＣ変換器が設けられている
ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の自立型端末。
【請求項５】
前記負荷と、前記第１のスイッチ回路及び前記第２のスイッチ回路の前記接続点との間には、前記第１のスイッチ回路または前記第２のスイッチ回路を通じて得た電圧から、前記負荷用の電源電圧を生成するＤＣ／ＤＣ変換器が設けられている
ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の自立型端末。
【請求項６】
前記第１のＤＣ／ＤＣ変換器と前記二次電池との間には、第３のダイオードが接続されていると共に、前記第２のＤＣ／ＤＣ変換器と前記キャパシタとの間には、第４のダイオードが接続されている
ことを特徴とする請求項４に記載の自立型端末。
【請求項７】
前記二次電池に対しては、外部端子を通じて充電を行う充電回路が更に設けられている
ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の自立型端末。
【請求項８】
前記蓄電用キャパシタの端子電圧を監視して前記スイッチ回路を切り替え制御する制御回路を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の自立型端末。
【請求項９】
前記二次電池は、リチウムイオン電池で構成されている
ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の自立型端末。
【請求項１０】
前記蓄電用キャパシタは、リチウムイオンキャパシタを複数個接続したもので構成されている
ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の自立型端末。
【請求項１１】
前記発電素子は、太陽電池セルである
ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の自立型端末。
【請求項１２】
前記負荷は、環境因子の変化を検出するセンサと、前記センサで検出されたセンサ出力を外部に無線送信する通信回路を含む
ことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれかに記載の自立型端末。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば橋梁などの外部環境に長期に亘って取り付けられる無線センサ端末などに使用して好適な自立型端末に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば橋梁などの外部環境に取り付けられる無線センサ端末などにおいては、一旦、使用環境に取り付けた後には、できるだけメンテナンスフリーとして、人為的な作業をできるだけ不要にする必要がある。そのため、電源としては、電池の交換が頻繁に必要となる一次電池を用いることは実際的ではない。
【０００３】
そこで、この種の無線センサ端末等においては、外部環境に応じた発電要因、例えば太陽光エネルギー、振動エネルギー、温度エネルギー、風力エネルギーなどにより発電を行う発電部を設けて、その発電部での発電電力を電源に利用することが行われる。ただし、これらの環境エネルギーは、常時、得られるわけではないので、発電した電力を蓄電して、発電エネルギーが得られない期間には蓄電した電力を併せて用いる構成を採用した自立型電源の構成とされることが多い。
【０００４】
この場合に、蓄電素子としては、二次電池とキャパシタとがあるが、二次電池とキャパシタとは、一長一短があり、どちらかを単独で用いると種々の問題を生じる。そこで、従来から、二次電池とキャパシタとを併用することが行われている。
【０００５】
例えば特許文献１（特開平１１−３４６４０４号公報）には、車両の発進時等の大電流負荷に対して、キャパシタから給電し、発進時から所定時間経過には、バッテリーからの給電に切り替えるようにした電動車両用電源装置が提案されている。
【０００６】
また、特許文献２（２００７‐２８２３４７号公報）には、「主バッテリーと電気二重層キャパシタを並列接続し、電気二重層キャパシタからの電力供給アシストに基づいて、負荷の消費電力変動時のバッテリー出力電圧の変動を抑制できる電源システム」が記載されている。
【０００７】
さらに、特許文献３（特開２０１５‐１５６７６５号公報）には、「バッテリと併用されるキャパシタを利用してバッテリの出力を確保することにより、低温下の性能を向上させることが可能な電動車両」が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３４６４０４号公報
【特許文献２】特開２００７‐２８２３４７号公報
【特許文献３】特開２０１５‐１５６７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上述した例えば橋梁などの外部環境に無線センサ端末においては、例えば１０年というような長期に亘ってメンテナンスフリーで稼働させることができることが望ましい。そのため、この種の無線センサ端末においては、発電部を備えると共に、蓄電部を備える電源について、前述のような長期に亘って交換不要とする長寿命化が望まれる。
【００１０】
しかしながら、蓄電部を構成する素子の一つである二次電池の場合には、充放電回数が、例えばリチウムイオン電池の場合で１０００回程度と少ない。環境発電エネルギーによる発電部は、上述のように常時発電ができず、そのため、蓄電素子の充放電回数が多くなる。したがって、二次電池のみにより蓄電部を構成した場合には、充放電の繰り返しにより、電源の寿命が短くなってしまうことになる。
【００１１】
これに対して、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタなどは、充放電回数が１０万回以上であるので、長寿命化に寄与する。しかし、キャパシタ単独で蓄電部を構成しようとすると、発電部の発電不足分を補充するためには、キャパシタは、単位容積当たりの静電容量が二次電池の場合よりも大きいという問題がある。例えばリチウムイオンキャパシタの単位容積当たりの静電容量は、リチウムイオン電池のそれの１／５０である。
【００１２】
そこで、この種の無線センサ端末においても、電源回路の蓄電部には、二次電池とキャパシタとを併用することで、電源について長期信頼性を確保することができるようにすることが考えられる。
【００１３】
しかしながら、上述したように、従来の二次電池とキャパシタとの併用の技術は、負荷に応じて両者を切り替えたり、キャパシタによりバッテリー出力電圧の変動を抑制したり、バッテリーの出力を確保したりするもので、バッテリー及びキャパシタを併用する場合の出力電圧の制御をする技術であり、上述した電源の長寿命化による長期信頼性を確保することについては、提案されていなかった。
【００１４】
この発明は、上記の点に鑑み、発電部を備えると共に、二次電池とキャパシタとを蓄電用として併用する自立型端末において、電源の長寿命化による長期信頼性を確保できるようにした自立型端末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】
【００１５】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、
外部環境に応じた発電要因により発電を行う発電素子を備える発電部と、
前記発電部からの電源供給を受けて充電される二次電池と、
前記発電部からの電源供給を受けて充電され、上限電圧が前記二次電池の公称電圧よりも高い蓄電用キャパシタと、
電源供給を受けて動作を行う負荷と、
前記二次電池及び前記蓄電用キャパシタと前記負荷との間に設けられるスイッチ回路と、
を備え、
前記スイッチ回路は、前記蓄電用キャパシタの端子電圧が、前記二次電池の端子電圧よりも高いときには、前記蓄電用キャパシタの端子電圧が前記負荷に供給される切替状態となり、前記蓄電用キャパシタの端子電圧が、当該蓄電用キャパシタの下限電圧以下となったときには、前記二次電池の端子電圧が前記負荷に供給される切替状態となる
ことを特徴とする自立型端末を提供する。
【００１６】
上述の構成の請求項１の発明による自立型端末においては、キャパシタの上限電圧は、二次電池の公称電圧よりも高い電圧とされている。このため、発電部によりキャパシタが充電されるときには、その上限電圧まで充電されることが可能であり、発電部により充電が行われれば、キャパシタの端子電圧は、二次電池の公称電圧よりも高くなる。
【００１７】
そして、蓄電用キャパシタの端子電圧が、二次電池の端子電圧よりも高いときには、スイッチ回路により、蓄電用キャパシタの端子電圧が負荷に供給される切替状態となる。このため、発電部により蓄電用キャパシタが充電される状態では、常に、蓄電用キャパシタの端子電圧が負荷に電源電圧として供給される。
【００１８】
そして、外部環境の変動があって、発電部での発電ができなくなる状態になっても、その状態が短期間である通常状態では、蓄電用キャパシタの端子電圧が、負荷での電力消費による放電により二次電池の端子電圧よりも低くなる前に、蓄電用キャパシタは、発電部の発電電圧により充電が再開される。そのため、通常状態では、蓄電用キャパシタは、発電部の発電電圧により充電がなされると共に、負荷による放電が繰り返されるが、蓄電用キャパシタの端子電圧が、二次電池の端子電圧よりも高い状態が維持される。
【００１９】
一方、外部環境の変動により、比較的長期に亘って発電部での発電ができなくなってしまったときには、蓄電用キャパシタの端子電圧が、下限電圧以下となり、かつ、二次電池の端子電圧よりも低くなる。すると、スイッチ回路により、二次電池の端子電圧が電源電圧として負荷に供給される切替状態となる。そして、この二次電池の端子電圧が電源電圧として負荷に供給される切替状態の間は、蓄電用キャパシタは放電されることなく、発電部により充電のみがなされることになる。
【００２０】
その後、充電によって蓄電用キャパシタの端子電圧が、二次電池の端子電圧よりも高くなると、スイッチ回路は、再び、蓄電用キャパシタの端子電圧が負荷に供給される切替状態に戻る。その後は、上述の動作を繰り返すものである。
【００２１】
以上のようにして、この請求項１の発明によれば、例えば発電部が、外部環境要因として太陽光エネルギーを用いる場合、通常の日常的には、蓄電用キャパシタが昼間に充電され、夜間に負荷による放電がなされて蓄電用キャパシタの端子電圧が二次電池の端子電圧より高い状態を維持し、蓄電用キャパシタの端子電圧が電源電圧として負荷に供給されるような使用態様となる。そして、例外的な気象変動、例えば１０日間雨が降り続くような状態になると、蓄電用キャパシタの端子電圧が下限電圧以下となり、二次電池の端子電圧が電源電圧として負荷に供給されるような使用態様となる。
【００２２】
したがって、蓄電用キャパシタは、頻繁に充放電を繰り返すが、二次電池は、例外的な場合のみ、その端子電圧が電源電圧として使用されて放電及び充電がなされ、その充放電回数は、非常に少なくなる。前述したように、蓄電用キャパシタの充放電回数の許容回数は、二次電池に比較して大きいので、頻繁に充放電を繰り返しても長寿命化への影響は小さい。そして、二次電池の充放電回数の許容回数は少ないが、請求項１の発明では、二次電池の充放電回数は非常に少なくできるので、長寿命化に寄与する。
【００２３】
また、請求項１の発明によれば、蓄電用キャパシタのみではなく、二次電池とを併用しているので、蓄電用キャパシタのキャパシタのサイズは、蓄電用キャパシタを単独で用いる場合よりも小さくて済む。
【００２４】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明の自立型端末において、
前記スイッチ回路は、前記蓄電用キャパシタの端子電圧が、前記二次電池の端子電圧よりも高いときには、前記スイッチ回路は、前記蓄電用キャパシタの端子電圧が前記負荷に供給される切替状態となり、前記蓄電用キャパシタの端子電圧が、当該蓄電用キャパシタの下限電圧以下であって、前記二次電池の端子電圧以下となったときには、前記二次電池の端子電圧が前記負荷に供給される切替状態となるものであり、
前記スイッチ回路は、前記二次電池と前記負荷との間に設けられる第１のダイオードと、前記蓄電用キャパシタと前記負荷との間に設けられる第２のダイオードとで構成される
ことを特徴とする。
【００２５】
この請求項２の発明においては、スイッチ回路は、二次電池と負荷との間に設けられる第１のダイオードと、蓄電用キャパシタと負荷との間に設けられる第２のダイオードとからなる。すなわち、第１のダイオードのアノードは二次電池の出力端に接続され、また、第２のダイオードのアノードは蓄電用キャパシタの出力端に接続される。そして、第１のダイオードのカソードと第２のダイオードのカソードが共通に接続され、その共通接続点が負荷に接続される。
【００２６】
したがって、蓄電用キャパシタの端子電圧が二次電池の端子電圧よりも高いときには、第２のダイオードがオンとなり、第１のダイオードとの共通接続点の電圧が二次電池の端子電圧よりも高くなるので、第１のダイオードはオフとなる。
【００２７】
そして、蓄電用キャパシタの端子電圧が、下限電圧よりも低くなり、かつ、二次電池の端子電圧よりも低くなると、第１のダイオードと第２のダイオードとの共通接続点の電圧が二次電池の端子電圧よりも低くなる。すると、第１のダイオードがオンとなると共に、共通接続点の電圧が、二次電池の端子電圧となって、蓄電用キャパシタの端子電圧よりも高くなるので、第２のダイオードがオフとなる。
【００２８】
以上のように、請求項２の発明においては、スイッチ回路の第１のダイオード及び第２のダイオードは、二次電池の端子電圧と、蓄電用キャパシタの端子電圧に応じて自立的に、オンまたはオフとなる。すなわち、この請求項２の発明によれば、スイッチ回路を切り替える制御回路が不要であり、当該制御回路での電力消費を省くことができるので、電源の、より長寿命化を図ることができると共に、自立型端末の構成を簡略化することができる。
【発明の効果】
【００２９】
この発明によれば、発電部を備えると共に、二次電池とキャパシタとを蓄電用として併用する自立型端末において、電源の長寿命化による長期信頼性を確保できるようにした自立型端末を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明による自立型端末の実施形態の要部としての自立電源回路の回路構成例を示す図である。
【図２】この発明による自立型端末の実施形態である無線センサ端末の概要を説明するための図である。
【図３】この発明による自立型端末の実施形態である無線センサ端末の電子回路の構成例を説明するためのブロック図である。
【図４】図１の例の自立電源回路の構成要素の説明に用いる図である。
【図５】図１の例の自立電源回路の動作説明に用いる図である。
【図６】この発明による自立型端末の実施形態の要部としての自立電源回路の他の回路構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、この発明による自立型端末を、無線センサ端末に適用した場合の実施形態を図を参照しながら説明する。この実施形態の無線センサ端末では、発電部に太陽電池モジュールを用いるようにしている。
【００３２】
図２は、この実施形態の無線センサ端末１００の構成例を説明するための図である。この実施形態の無線センサ端末１００では、発電部に太陽電池モジュールを用いるようにしている。この実施形態の無線センサ端末１００は、外観がほぼ扁平な直方体形状を備えるパッケージ１０１内に、無線センサ端末１００を構成する各電子回路部品が設けられて構成されたものである。図２（Ｂ）は、後述するように、パッケージ１０１を、外光を取り込む側の面に直交する方向から見たときの無線センサ端末１００を示す図である。また、図２（Ａ）は、図２（Ｂ）におけるＡ−Ａ線断面図であり、パッケージ１０１内の構成例を説明するための図である。
【００３３】
パッケージ１０１は、塩害、高温・高湿のような過酷な外部環境に長期に曝されても内部回路の性能を維持できる高耐久性の材料、この実施形態では、非金属材料であって、ガラスと比較して強靭性を備え、軽量で、かつ、電気的絶縁性を有するセラミック材料で構成されている。そして、図２（Ａ）に示すように、パッケージ１０１は、上部が開口とされ、壁部１０２Ｗにより囲まれた凹部１０４を有する箱型のパッケージ本体１０２と、蓋部１０３とからなる。
【００３４】
パッケージ本体１０２は、この実施形態では、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics：低温同時焼成セラミックス）基板を積層した構成とされている。また、蓋部１０３は、透光性セラミック材料で構成されている。蓋部１０３は、パッケージ本体１０２に対して、その壁部１０２Ｗの端面において、低融点ガラス溶融による接合部材１０５を介して接合されており、これにより、パッケージ１０１は、高気密封止接合された構造とされている。
【００３５】
この実施形態では、パッケージ本体１０２には、自立電源を含む電源系と、振動センサや温度センサなどの複数個のセンサで外部環境因子を検出し、その検出出力を無線送信するための信号処理回路系とからなる電子回路が収納されている。この電子回路の主要な部品は、パッケージ本体１０２の凹部１０４に収納される。ただし、無線通信用のアンテナは、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗに埋め込まれて設けられる。そして、埋め込まれるアンテナは、セラミック層の少なくとも一層を貫通するビア内に充填される導体で形成されたり、セラミック層の間にパターン形状で形成されたり、ビアとパターンの組み合わせで形成される。
【００３６】
［電子回路構成例］
図３は、この実施形態の無線センサ端末１００の電子回路の構成例を示すブロック図である。この図３に示すように、この実施形態の無線センサ端末１００は、自立電源回路２００と負荷回路２１０とからなり、自立電源回路２００からの電圧が、電源電圧として負荷回路２１０に供給される。負荷回路２１０は、自立電源回路２００からの電圧により所定の動作を行う負荷の一例である。
【００３７】
自立電源回路２００は、詳細は後述するが、発電部を構成する太陽電池モジュール２０１と、蓄電部を構成する二次電池２０２及び蓄電用キャパシタ２０３とを備えて構成されている。
【００３８】
また、負荷回路２１０は、無線センサ端末１００の全体を制御するための処理制御回路２１１に対して振動センサ２１２、トリガセンサ２１３、温度センサ２１４などの複数個のセンサが接続されると共に、通信制御回路２１５が接続されて構成されている。通信制御回路２１５には、アンテナ２１６が接続されている。
【００３９】
振動センサ２１２は、当該無線センサ端末１００が取り付けられた場所の振動を検知対象属性として検出するためのもので、この例では、ＭＥＭＳセンサの構成とされている。トリガセンサ２１３は、無線センサ端末１００に加わる衝撃など、突発的な事象を検知対象属性として検出するためのもので、これもこの例ではＭＥＭＳセンサの構成とされている。温度センサ２１４は、無線センサ端末１００のパッケージ本体１０２の凹部１０４内の温度を検知対象属性として検出するためのもので、これもこの例では、ＭＥＭＳセンサの構成とされている。
【００４０】
処理制御回路２１１は、この例では、例えばＭＰＵ（Micro Processor Unit；マイクロプロセッサユニット）で構成されている。そして、処理制御回路２１１は、時間管理機能を有し、予め定められている適宜のタイミングで振動センサ２１２や温度センサ２１４で検出された振動情報や、温度情報を取り込む。そして、処理制御回路２１１は、取り込んだ振動情報や温度情報から、送信情報を生成し、通信制御回路２１５を通じて外部に無線送信する。なお、この例では、無線送信信号生成回路は、処理制御回路２１１と、通信制御回路２１５とで構成されることになる。
【００４１】
この実施形態では、振動センサ２１２や温度センサ２１４に基づく送信情報の生成及び無線送信は、処理制御回路２１１での時間管理に基づいて、間欠的に実行される。また、処理制御回路２１１は、トリガセンサ２１３の検出出力を監視して、突発的な事象を検出したときには、その検出した時点で、トリガセンサ２１３の検出出力に基づく送信情報を生成し、通信制御回路２１５を通じて外部に無線送信する。
【００４２】
通信制御回路２１５は、処理制御回路２１１からの送信情報を、所定の変調方式の信号に変換して、アンテナ２１６を通じて無線送信する無線送信信号を生成する。この例では、無線送信信号は、搬送波周波数（キャリア周波数）が例えば９２０ＭＨｚとされている。なお、この実施形態では、通信制御回路２１５は、送信機能のみではなく、受信機能も備えており、処理制御回路２１１は、外部から通信制御回路２１５を通じて受信した信号を処理する無線受信信号処理回路及び当該無線受信信号処理回路での処理結果に基づいて、所定の制御を行う制御処理回路の機能も備える。
【００４３】
［パッケージ１０１における電子回路部品の配置例］
この例においては、図２（Ａ）に示すように、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗの凹部１０４側となる内側の面は、凹部１０４の底面から所定の高さｈ１までは、凹部１０４側に張り出すように構成されている。なお、高さｈ１は、凹部１０４の深さ、すなわち、凹部１０４の底面からパッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗの端面までの距離に相当する高さｈ０よりも低い（ｈ１＜ｈ０）ものとされる。
【００４４】
これにより、パッケージ本体１０２の凹部１０４には、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように階段状となる段差部１０６が設けられており、凹部１０４は、段差部１０６で囲まれる断面積が小さい小凹部１０４ａと、段差部１０６以外の部分の壁部１０２Ｗで囲まれる断面積が大きい大凹部１０４ｂとを有するものとなる。
【００４５】
この例では、段差部１０６上に、太陽電池モジュール２０１が、小凹部１０４ａを閉塞して密閉するように配置される。そして、小凹部１０４ａ内の底面部に、二次電池２０２、蓄電用キャパシタ２０３及び処理制御回路２１１などが配置される。
【００４６】
この実施形態では、パッケージ本体１０２は、ＬＴＣＣ基板を積層することで構成されている。そして、積層される複数のＬＴＣＣ基板の間に導体パターンを設けると共に、複数のＬＴＣＣ基板のそれぞれに導体を充填したビアを必要な箇所に設けることで、各電子回路部品間の電気的接続を行うようにしている。
【００４７】
また、ＬＴＣＣ基板からなる壁部１０２Ｗには、小凹部１０４ａ内に配設されている自立電源回路２００の構成要素と太陽電池モジュール２０１との電気的な接続のための導体が充填されているビアが設けられており、段差部１０６の端面において、太陽電池モジュール２０１の端子との電気的な接続がなされる。
【００４８】
アンテナ２１６は、図２に示すように、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗ内に埋め込まれるようにしてパッケージ１０１に配置される。この実施形態では、アンテナ２１６は、２個の棒状の導体２１６ａ及び２１６ｂで構成され、無指向性となるように構成される。
【００４９】
そして、この実施形態の太陽電池モジュール２０１は、矩形の平板形状を有するが、当該矩形の形状部分は、凹部１０４と相似形とされ、その周囲部分が、段差部１０６の端面の部分と衝合する状態で、大凹部１０４ｂ内に収納され、例えば接着材などにより接合される。したがって、太陽電池モジュール２０１は、パッケージ本体１０２の大凹部１０４ｂ内にすっぽりと収まる。このため、蓋部１０３に直交する方向から見たとき、太陽電池モジュール２０２の配設位置は、アンテナ２１６を構成する２個の棒状の導体２１６ａ，２１６ｂが埋め込まれているパッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗとは重ならないようになる。すなわち、アンテナ２１６は、太陽電池モジュール２０２には、全く邪魔されることなく、無線電波の送受信が可能の状態となる。
【００５０】
この場合に、小凹部１０４ａには、少なくとも電子回路部品が空気層に触れることがなくなるように所定の充填材１０９、例えば樹脂が充填される。この充填材１０９の充填により、小凹部１０４ａ内に配設されている電子回路部品は空気層に触れなくなるので、水分や湿気によって、小凹部１０４ａ内の電子回路部品にサビや腐食が生じないようになり、長期にわたる気密性を有することができる。
【００５１】
以上のようにして、電子回路部品が小凹部１０４ａに配置されると共に、小凹部１０４ａ内が充填材１０９で充填され、太陽電池モジュール２０２により小凹部１０４ａが密閉されるようにされた後、パッケージ本体１０２に対して蓋部１０３が封止接合されることで、凹部１０４が密閉されて、パッケージ１０１は気密性を有するものとなる。なお、この実施形態のパッケージ１０１の側部には、後述する外部充電端子を構成するＵＳＢ（Universal Serial Bus）端子２０９が外部に露呈する状態で設けられており、小凹部１０４ａ内の自立電源回路２００の一部の回路と接続されている。
【００５２】
この場合に、蓋部１０３は、前述したように、凹部１０４内の太陽電池モジュール２０２への入射光を透過させる必要があるので、この実施形態では、透光性セラミック（アルミナ）で構成される。
【００５３】
この実施形態では、蓋部１０３の周縁の、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗの端面との接合部のみを、レーザーＬＺにより加熱することで、パッケージ本体１０２に対して蓋部１０３を封止接合するようにする。そして、この実施形態では、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗの端面と、蓋部１０３との間に設ける接合部材１０５としては、低融点材料、この例では、低融点ガラスを用いる。
【００５４】
さらに、この実施形態では、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗには、レーザーＬＺによる熱を放熱するための放熱ビア１１０が、複数層のＬＴＣＣ基板の少なくとも一層を貫通するビア内に導体を充填することで埋め込まれて設けられている。この放熱ビア１１０は、図２（Ｂ）に示すように、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗに、所定間隔で、複数個が埋め込まれて設けられている。
【００５５】
なお、図２（Ｂ）に示すように、この実施形態の無線センサ端末１００は、パッケージ本体１０２の底部側には、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗよりも、当該壁部１０２Ｗに直交する方向に突出するように、鍔部１０２Ｆが形成されている。そして、この鍔部１０２Ｆに取り付け用の貫通孔１０２Ｆａ，１０２Ｆｂ，１０２Ｆｃ，１０２Ｆｄが形成されており、この貫通孔１０２Ｆａ，１０２Ｆｂ，１０２Ｆｃ，１０２Ｆｄ及び取り付け対象部に穿かれた貫通孔を介して、例えば、セラミックからなるボルトを貫通させ、セラミックからなるナットで固定するようにすることができるようにしている。
【００５６】
取り付け対象部に貫通孔を穿つことができない場合には、パッケージ１０１の底面側が、振動センサ２１２により振動を検知する対象物である、例えば橋梁やトンネル付帯物、道路付帯物に、接着材により接着されるが、鍔部１０２Ｆの分だけ、無線センサ端末１００を取り付ける対象物との接着部及び接合部の面積が大きくなるので、より強固に対象物に対して接着固定させて取り付けることができるようにしている。
【００５７】
［自立電源回路の構成例］
図１は、この実施形態の無線センサ端末１００の自立電源回路２００の構成例を示す回路図である。太陽電池モジュール２０１は、この実施形態では、１または複数個の平板形状の太陽電池セルが面状に配列されて矩形状に構成されている。この例の太陽電池モジュール２０１は、例えば２．４２ボルト〜１５ボルトの発電電圧を出力する。
【００５８】
また、二次電池２０２は、この例では、リチウムイオン電池２０２Ｂで構成されている。この例のリチウムイオン電池２０２Ｂは、図４（Ｂ）に示すように、公称電圧（定格電圧）が４．１ボルトであり、許容される充放電回数は１０００回程度とされている。ここで公称電圧とは、二次電池２０２を通常の状態で使用した場合に得られる端子間の目安として定められている電圧の値を意味している。二次電池２０２では、満充電状態のときは、この公称電圧よりも高い端子電圧が得られるが、放電が進んだ場合や負荷に大きな電流を供給する場合には、公称電圧より低い端子電圧になる。
【００５９】
この例の蓄電用キャパシタ２０３は、二次電池２０２の公称電圧よりも高い上限電圧（充電上限電圧）を有する構成とされている。この例では、蓄電用キャパシタ２０３としては、リチウムイオンキャパシタを用いるが、１個のリチウムイオンキャパシタは、図４（Ａ）に示すように、上限電圧（定格電圧）が３．８ボルト、下限電圧２．２ボルト、許容される充放電回数は１０万回程度とされている。そこで、蓄電用キャパシタ２０３としては、２個のリチウムイオンキャパシタ２０３１と２０３２とを直列に接続したもので構成する。これにより、蓄電用キャパシタ２０３は、上限電圧が、二次電池２０２の公称電圧（４．１ボルト）よりも高い７．６ボルトとなり、下限電圧が４．４ボルトとなる。
【００６０】
ここで、キャパシタの上限電圧とは、充電が停止される（満充電）のときの電圧であり、また、下限電圧は、キャパシタの放電を停止して充電しなければならない電圧の値である。
【００６１】
この太陽電池モジュール２０１からの発電電圧は、ＤＣ／ＤＣ変換器２０４及びＤＣ／ＤＣ変換器２０５に供給される。ＤＣ／ＤＣ変換器２０４は、二次電池２０２用の充電回路を構成するもので、過充電防止機能を備えている。この例ではＤＣ／ＤＣ変換器２０４は、太陽電池モジュール２０１からの発電電圧から、４．４ボルトの出力電圧を生成する。また、ＤＣ／ＤＣ変換器２０５は、蓄電用キャパシタ２０３用の充電回路を構成するもので、過充電防止機能を備えている。この例ではＤＣ／ＤＣ変換器２０５は、太陽電池モジュール２０１からの発電電圧から、７．９ボルトの出力電圧を生成する。
【００６２】
ＤＣ／ＤＣ変換器２０４の出力電圧は、ダイオードＤ３を通じて二次電池２０２に供給される。ダイオードＤ３の順方向の降下電圧は０．３ボルトであるので、二次電池２０２の入力端での電圧値は、４．１ボルトとなり、二次電池２０２のリチウムイオン電池２０２Ｂの公称電圧と同値となり、二次電池２０２の過充電が防止される。
【００６３】
また、ＤＣ／ＤＣ変換器２０５の出力電圧は、ダイオードＤ４を通じて蓄電用キャパシタ２０３に供給される。ダイオードＤ４の順方向の降下電圧は０．３ボルトであるので、蓄電用キャパシタ２０３の入力端での電圧値は、７．６ボルトとなり、蓄電用キャパシタ２０３を構成する２個のリチウムイオンキャパシタ２０３１及び２０３２の直列回路の上限電圧と同値となり、蓄電用キャパシタ２０３の過充電が防止される。
【００６４】
二次電池２０２の端子電圧と蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧とは、スイッチ回路２０６を通じて、ＤＣ／ＤＣ変換器２０７に供給される。この実施形態では、スイッチ回路２０６は、２個のダイオードＤ１及びダイオードＤ２で構成され、二次電池２０２の端子電圧がダイオードＤ１を通じてＤＣ／ＤＣ変換器２０７に供給され、また、蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧がダイオードＤ２を通じてＤＣ／ＤＣ変換器２０７に供給される。すなわち、二次電池２０２の出力端子は、ダイオードＤ１のアノードに接続され、また、蓄電用キャパシタ２０３の出力端子は、ダイオードＤ２のアノードに接続される。そして、ダイオードＤ１とダイオードＤ２のカソードが互いに接続され、その接続点ＰｏがＤＣ／ＤＣ変換器２０７の入力端に接続される。
【００６５】
後述するように、スイッチ回路２０６を構成するダイオードＤ１とダイオードＤ２とは、二次電池２０２の端子電圧の値と、蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧の値とに応じて、いずれか一方がオン（導通）、他方がオフ（非導通状態）となる。すなわち、スイッチ回路２０６は、制御信号により切り替えられるのではなく、二次電池２０２の端子電圧の値と、蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧の値とに応じて、自動的に切り替えられる。
【００６６】
ＤＣ／ＤＣ変換器２０７は、スイッチ回路２０６からの電圧に基づいて、負荷回路２１０用の、この例では、２．５ボルトの電源電圧ＶＤＤを生成する。そして、ＤＣ／ＤＣ変換器２０７は、生成した電源電圧ＶＤＤを、負荷回路２１０の各部に供給する。
【００６７】
そして、この実施形態では、太陽電池モジュール２０１による充電が長期に亘ってできない場合に、緊急避難的に二次電池２０２を充電するようにするために、外部に露呈する外部充電端子を構成するＵＳＢ端子２０９が設けられており、このＵＳＢ端子２０９が二次電池充電回路２０８に接続されている。この場合、ＵＳＢ端子２０９には、ＵＳＢコネクタプラグが接続されたときに、ＵＳＢケーブルを通じて５ボルトの電圧が入力される。二次電池充電回路２０８は、５ボルトの入力電圧から、４．１ボルトの定電圧（定電流）を生成して、二次電池２０２に供給するようにする。
【００６８】
［自立電源回路２００の動作］
自立電源回路２００は、以上のように構成されているので、太陽電池モジュール２０１により発電がなされ、二次電池２０２及び蓄電用キャパシタ２０３が十分に充電される環境状態のときには、蓄電用キャパシタ２０３の上限電圧が、二次電池２０２の公称電圧よりも高く選定されているので、蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧が、二次電池２０２の公称電圧よりも高くなる。すると、スイッチ回路２０６のダイオードＤ２がオン（導通状態）となり、ダイオードＤ１とダイオードＤ２のカソードの共通接続点Ｐｏの電位は、二次電池２０２の端子電圧よりも高くなる。このため、ダイオードＤ１は、オフ（非導通状態）となり、二次電池２０２は、満充電まで充電された後、その状態を維持するようになる。
【００６９】
したがって、このときには、蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧がダイオードＤ２を通じてＤＣ／ＤＣ変換器２０７に供給され、ＤＣ／ＤＣ変換器２０７は、この蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧から電源電圧ＶＤＤを生成し、負荷回路２１０に供給する。
【００７０】
そして、太陽光エネルギーが、比較的短い間隔で繰り返し得られる通常の状態の間は、蓄電用キャパシタ２０３は、その端子電圧が下限電圧以下に低下する前に、太陽電池モジュール２０１の発電電圧により充電され、蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧は、下限電圧以上を維持するようになる。
【００７１】
すなわち、図５は、太陽光エネルギーの変化と、それに対応する蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧の変化を説明するための図であり、曲線３０１は、太陽光エネルギーの変化を示し、折線３０２は、蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧の変化を示している。
【００７２】
この図５に示すように、曲線３０１で示す太陽光エネルギーが得られる期間では、蓄電用キャパシタ２０３は、太陽電池モジュール２０１の発電電圧により充電されて、折線３０２で示す蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧は、例えば上限電圧を維持する。そして、夜間になって太陽光エネルギーが消失してしまうと、負荷回路２１０での電力消費による放電により、折線３０２で示す蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧は、徐々に低下する状態となるが、図５で一点鎖線で示す下限電圧以下となる前に次に得られる太陽光エネルギーによって、蓄電用キャパシタ２０３は、充電されて、折線３０２で示す蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧は、下限電圧以上を維持する。
【００７３】
しかし、例えば雨天が１０日間連続するなどの例外的気象変動や、例えば工事で太陽光が当たらないインフラ設置環境変動などの状態になると、折線３０２で示す蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧は、図５に示すように、下限電圧以下に低下するようになる。そして、蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧が、二次電池２０２の端子電圧よりも低くなると、図１の接続点Ｐｏの電位も二次電池２０２の端子電圧よりも低くなるので、ダイオードＤ１がオン（導通状態）となる。そして、ダイオードＤ１がオンとなることから、接続点Ｐｏの電位が、その時の蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧よりも高くなるので、ダイオードＤ２がオフ（非導通状態）となる。
【００７４】
これにより、蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧に代わって、二次電池２０２の端子電圧がＤＣ／ＤＣ変換器２０７に供給され、ＤＣ／ＤＣ変換器２０７は、この二次電池２０２の端子電圧から電源電圧ＶＤＤを生成し、負荷回路２１０に供給する。このときには、蓄電用キャパシタ２０３は、放電を行うことなく、充電のみが行われる状態になる。
【００７５】
そして、太陽光エネルギーが次に得られるまでは、二次電池２０２の端子電圧から負荷回路２１０の電源電圧ＶＤＤがＤＣ／ＤＣ変換器２０７で生成される状態が続き、その間、二次電池２０２は、負荷回路２１０での電力消費により放電をする。
【００７６】
太陽光エネルギーが再び得られる状態となると、蓄電用キャパシタ２０３が充電されて、その端子電圧が上昇する。そして、蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧が、二次電池２０２の端子電圧よりも高くなると、接続点Ｐｏの電位よりも蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧が高くなるために、ダイオードＤ２がオン（導通状態）に復帰し、ダイオードＤ１がオフ（非導通状態）になる。
【００７７】
これにより、二次電池２０２の端子電圧に代わって、蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧がＤＣ／ＤＣ変換器２０７に供給される通常の状態に戻り、ＤＣ／ＤＣ変換器２０７は、この蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧から電源電圧ＶＤＤを生成し、負荷回路２１０に供給する状態に戻る。このときには、二次電池２０２は、放電を行うことなく、充電のみが行われる状態になる。
【００７８】
以上説明したように、この実施形態の無線センサ端末１００の自立電源回路２００においては、通常の使用状態では、リチウムイオンキャパシタ２０３１及び２０３２で構成される蓄電用キャパシタ２０３が、太陽光エネルギーにより充電される状態と、負荷回路２１０での電力消費による放電を行う状態とを繰り返す。リチウムイオンキャパシタは、許容される充放電回数が１０万回以上と多いので、充放電回数が、この実施形態のように多くても、その寿命に与える影響は少ない。
【００７９】
そして、二次電池２０２は、外部環境が通常の状態から外れるような場合に、蓄電用キャパシタ２０３に代わって、蓄電素子として充放電を行うようにされる。したがって、この実施形態における二次電池２０２は、その充放電回数は少なく、許容される充放電回数が少なくても、長期の使用が可能となる。
【００８０】
そして、この実施形態では、蓄電用キャパシタ２０３に加えて二次電池２０２を用いる構成であるので、蓄電用キャパシタ２０３を構成するリチウムイオンキャパシタは、例えば１０日間雨が連続するような場合には、下限電圧以下となっても良い容量で済むので、小型のものを用いることができる。
【００８１】
以上のように、この実施形態では、リチウムイオンキャパシタ２０３１，２０３２によって日常的（昼充電、夜放電）な使用を行い、リチウムイオン電池２０２Ｂによって、例外的気象変動やインフラ設置環境変動に対応することにより、長期信頼性を確保することができる。
【００８２】
なお、例外的気象変動やインフラ設置環境変動が長期に亘った場合、二次電池２０２も終止電圧以下にまで放電されてしまう恐れがある。この実施形態では、そのような緊急状態になることを想定して、ＵＳＢ端子２０９が設けられている。そして、そのような緊急状態になった時には、ＵＳＢ端子２０９を通じて５ボルトの電圧が、無線センサ端末１００に供給される。すると、二次電池充電回路２０８は、その入力された５ボルトの電圧を用いて、二次電池２０２を充電するようにする。これにより、二次電池２０２は充電されて、負荷回路２１０の電源電圧ＶＤＤを生成することが可能となり、その後、太陽光エネルギーが得られれば、上述の動作により以降させることができる。
【００８３】
［他の実施形態］
上述の実施形態では、二次電池２０２及び蓄電用キャパシタ２０３とＤＣ／ＤＣ変換器２０７との間に設けるスイッチ回路２０６は、ダイオードＤ１及びダイオードＤ２とで構成して、例えばＭＰＵなどにより構成される切替制御回路を不要にした構成とした。
【００８４】
しかし、図６に示すように、切替制御回路２２０を設けて、スイッチ回路２０６を切り替え制御するように構成してもよい。図６のその他の構成要素は、図１の自立電源回路２００と同様である。
【００８５】
この図６の例の場合には、切替制御回路２２０には、蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧が供給される。切替制御回路２２０は、蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧が、その下限電圧より高いときには、スイッチ回路２６を、蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧を選択して、ＤＣ／ＤＣ変換器２０７に供給する状態に切り替える。また、切替制御回路２２０は、蓄電用キャパシタ２０３の端子電圧が、その下限電圧以下となったときには、スイッチ回路２６を、二次電池２０２の端子電圧を選択して、ＤＣ／ＤＣ変換器２０７に供給する状態に切り替える。
【００８６】
なお、この図６の例の場合には、切替制御回路２２０には、ＤＣ／ＤＣ変換器２０７からの電源電圧ＶＤＤが電源電圧として供給される。また、図６では、切替制御回路２２０は、自立電源回路２００の構成要素として示したが、負荷回路２１０の構成要素としてもよく、処理制御回路２１１に、切替制御回路２２０の機能を持たせるようにすることもできる。
【００８７】
［その他の変形例］
蓄電用キャパシタ２０４は、上述の例では、２個のリチウムイオンキャパシタで構成されるが、上限電圧の条件を満足するものであれば、１個のキャパシタで構成してもよいし、あるいは３個以上のキャパシタで構成してもよい。また、蓄電用キャパシタ２０４は、リチウムイオンキャパシタを用いるものに限られる訳ではなく、その他のキャパシタで構成してもよいし、電気二重層キャパシタなどで構成してもよい。
【００８８】
また、二次電池２０３もリチウムイオン電池に限られるものではないことは言うまでもない。
【００８９】
また、発電部は、太陽電池モジュールを発電素子として用いるものに限られるものではない。例えば、橋梁などの取り付けた場所における振動を外部環境要因とする振動エネルギーを用いる発電を用いることもでき、更には、温度差発電、風力発電、地熱発電など、外部環境要因に基づく発電エネルギーを用いた発電を行うようにしてもよい。また、それらの発電エネルギーを単独で用いるのではなく、例えば太陽電池モジュールと振動発電素子とを組み合わせるなど、複数種の発電エネルギーを用いて発電を行うことで、発電機会が得られない期間をできるだけ無くすように発電部を構成してもよい。
【００９０】
なお、上述の例では、緊急避難的な充電を可能にするために外部充電端子としてのＵＳＢ端子を設けるようにしたが、このような外部充電端子は、設けない構成とすることもできる。その場合には、無線センサ端末１００のパッケージ１０１は、完全密閉構造とすることが可能である。
【００９１】
また、上述の実施形態は、自立型端末が無線センサ端末の場合であるが、この発明の自立型端末は、上述のような無線センサ端末に限られるものではないことは言うまでもない。すなわち、この発明の自立型端末は、自立電源回路で生成された電源電圧で動作する負荷を備える端末であれば、どのような端末であっても適用可能である。
【符号の説明】
【００９２】
１００…無線センサ端末、１０１…パッケージ、２００…自立電源回路、２０１…太陽電池モジュール、２０２…二次電池、２０３…蓄電用キャパシタ、２０４，２０５…ＤＣ／ＤＣ変換器、２０６…スイッチ回路、２１０…負荷回路、２２０…切替制御回路、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４…ダイオード
【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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