(57)【要約】調整回路９は、環境エネルギを電力に変換する発電回路８と、発電回路８電力を所望の態様に変換する電力変換回路１１と、の間に接続される。調整回路９は、第１回路部１３と、第２回路部１４と、を備える。第１回路部１３は、発電回路８に接続される入力９ａと電力変換回路１１に接続される出力９ｃとを有する。第２回路部１４は、第１回路部１３に接続される接続点Ｐ１と、接地電位（ＧＮＤ）に接続される接地点Ｐ２と、接続点Ｐ１及び接地点Ｐ２の間に接続されるキャパシタＣと、を有する。第２回路部１４が含む出力抵抗１４Ｒの大きさは、発電回路８が含む出力抵抗８Ｒの大きさより小さい。キャパシタＣは、発電回路８から出力される電力を充電すると共に、充電した電力を電力変換回路１１に出力する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部エネルギを電力に変換すると共に前記電力を出力する発電回路と、前記発電回路が発生する前記電力を所望の態様に変換する電力変換回路と、の間に接続されるインピーダンス調整回路であって、
前記発電回路に接続される入力端と前記電力変換回路に接続される出力端とを有する第１回路部と、
前記第１回路部に接続される接続点、接地電位に接続される接地点並びに前記接続点及び前記接地点の間に接続されるキャパシタを有する第２回路部と、を備え、
前記第２回路部が含む出力抵抗の大きさは、前記発電回路が含む出力抵抗の大きさより小さく、
前記キャパシタは、前記発電回路から出力される電力を充電すると共に、充電した前記電力を前記電力変換回路に出力する、インピーダンス調整回路。
【請求項２】
外部エネルギを電力に変換すると共に前記電力を出力する発電回路を含む発電素子に接続される電力変換素子であって、
前記発電回路が発生する前記電力を所望の態様に変換する電力変換回路と、
前記発電回路と前記電力変換回路との間に接続されるインピーダンス調整回路と、を備え、
前記インピーダンス調整回路は、
前記発電回路に接続される入力端と前記電力変換回路に接続される出力端とを有する第１回路部と、
前記第１回路部に接続される接続点、接地電位に接続される接地点並びに前記接続点及び前記接地点の間に接続されるキャパシタを有する第２回路部と、を有し、
前記第２回路部が含む出力抵抗の大きさは、前記発電回路が含む出力抵抗の大きさより小さく、
前記キャパシタは、前記発電回路から出力される電力を充電すると共に、充電した前記電力を前記電力変換回路に出力する、電力変換素子。
【請求項３】
前記電力変換回路の動作を開始及び停止させる制御部をさらに備え、
前記電力変換回路の動作停止により、前記キャパシタへの充電が行われ、
前記電力変換回路の動作開始により、前記キャパシタの放電が行われる、請求項２に記載の電力変換素子。
【請求項４】
前記制御部は、前記インピーダンス調整回路から前記電力変換回路へ提供される電圧の大きさに基づいて、前記電力変換回路の動作開始及び動作停止を制御する、請求項３に記載の電力変換素子。
【請求項５】
前記制御部は、所定の時間が経過するごとに、前記電力変換回路の動作の開始と動作の停止とを相互に切り替える、請求項３に記載の電力変換素子。
【請求項６】
前記第１回路部は、前記入力端に接続された第１スイッチと、前記第１スイッチ及び前記出力端に接続された第２スイッチと、を有し、
前記第２回路部は、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチに接続された前記接続点と、前記接続点及び前記接地点に接続された前記キャパシタと、を有し、
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、
前記第１スイッチを制御して前記入力端を前記キャパシタに接続すると共に、前記第２スイッチを制御して前記出力端を前記キャパシタから切断する充電動作と、
前記第１スイッチを制御して前記入力端を前記キャパシタから切断すると共に、前記第２スイッチを制御して前記出力端を前記キャパシタに接続する放電動作と、を相互に切り替える、請求項２に記載の電力変換素子。
【請求項７】
前記制御部は、前記インピーダンス調整回路から前記電力変換回路へ提供される電圧の大きさに基づいて、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの動作を制御する、請求項６に記載の電力変換素子。
【請求項８】
前記制御部は、所定の時間が経過するごとに、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの動作を制御する、請求項６に記載の電力変換素子。
【請求項９】
前記電力変換回路は、第１電力変換回路であり、
前記発電回路が発生する前記電力を所望の態様に変換する、前記第１電力変換回路とは別の第２電力変換回路と、
前記第１電力変換回路及び前記第２電力変換回路の動作を制御する制御部をさらに備え、
前記第２電力変換回路は、前記インピーダンス調整回路及び前記第１電力変換回路に対して並列に設けられ、
前記第２電力変換回路の入力インピーダンスは、前記第１電力変換回路の入力インピーダンスよりも前記発電回路の出力インピーダンスに近く、
前記制御部は、前記第２電力変換回路から電力を得たのちに、前記第１電力変換回路から電力を得る、請求項２に記載の電力変換素子。
【請求項１０】
外部エネルギを電力に変換すると共に前記電力を出力する発電回路と、
前記発電回路が発生する前記電力を所望の態様に変換する電力変換回路と、
前記発電回路と前記電力変換回路との間に接続されるインピーダンス調整回路と、を備え、
前記インピーダンス調整回路は、
前記発電回路に接続される入力端と前記電力変換回路に接続される出力端とを有する第１回路部と、
前記第１回路部に接続される接続点、接地電位に接続される接地点並びに前記接続点及び前記接地点の間に接続されるキャパシタを有する第２回路部と、を有し、
前記第２回路部が含む出力抵抗の大きさは、前記発電回路が含む出力抵抗の大きさより小さく、
前記キャパシタは、前記発電回路から出力される電力を充電すると共に、充電した前記電力を前記電力変換回路に出力する、電源素子。
【請求項１１】
負荷素子に接続される電源素子であって、
外部エネルギを電力に変換すると共に前記電力を出力する発電回路と、
前記発電回路が発生する前記電力を所望の態様に変換する電力変換回路と、
前記発電回路に接続される入力端と前記電力変換回路に接続される出力端とを有する第１回路部と、前記第１回路部に接続される接続点、接地電位に接続される接地点並びに前記接続点及び前記接地点の間に接続されるキャパシタを有する第２回路部と、を有するインピーダンス調整回路と、
前記電力変換回路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、第１電圧よりも第２電圧が小さいとき、前記電力変換回路への入力電圧が前記第２電圧よりも大きくなるように前記電力変換回路の動作を制御し、
前記第１電圧は、前記負荷素子を駆動するために前記電力変換回路に要求される電圧を前記電力変換回路が出力可能な前記電力変換回路への入力電圧であり、
前記第２電圧は、前記発電回路から前記電力変換回路への電力の移送効率が所望の値となる前記電力変換回路への入力電圧である、電源素子。
【請求項１２】
前記制御部は、前記第１電圧が前記第２電圧以上であるとき、前記電力変換回路への入力電圧が前記第２電圧となるように前記電力変換回路の動作を制御する請求項１１に記載の電源素子。
【請求項１３】
前記制御部は、前記第１電圧よりも前記第２電圧が小さいときの前記キャパシタへの充電期間に対する前記キャパシタの放電期間の割合は、前記第１電圧が前記第２電圧以上であるときの前記キャパシタへの充電期間に対する前記キャパシタの放電期間の割合よりも小さい、請求項１２に記載の電源素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、インピーダンス調整回路、電力変換素子及び電源素子を説明する。
【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を活用する技術が注目されている。環境エネルギを活用する技術は、エナジーハーベストと呼ばれる。非特許文献１は、エナジーハーベストに関する基本的なシステムを開示する。非特許文献１のシステムは、マイクロ・エネルギ・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。環境エネルギは、マイクロ・エネルギ・トランスデューサによって電力に変換される。この電力は、周波数変換器によって所望の電圧及び周波数に変換される。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ることにより、所望の動作を行う。制御装置は、これらの要素について必要な制御動作を行う。特許文献１は、発電用の振動圧電素子を開示する。特許文献１の技術は、発電用の振動圧電素子の出力抵抗に注目する。特許文献１の技術は、負荷に対するインピーダンスを調整する。
【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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エナジーハーベストに用いられる発電素子は、出力電圧が低い。そこで、発電素子の電力を電力変換素子に提供する。電力変換素子は、発電素子の電力を要求される電力の態様に変換する。発電素子から電力変換素子への電力の伝送は、発電素子のインピーダンスと電力変換素子のインピーダンスとの関係の影響を受ける。【０００６】
特許文献１が示すように発電素子は出力抵抗が高い。従って、発電素子から電力変換素子に電力を伝送するとき、オープン電圧を維持することが難しい。つまり、電力変換素子に提供される電圧は、発電素子のオープン電圧よりも低くなる。発電素子の出力電圧は低い。その結果、電力変換素子に提供される電圧は、電力変換素子の動作電圧を下回る可能性がある。従って、発電素子は、所望の電力を提供できない場合が生じ得る。【０００７】
そこで、本開示は、効率のよい電力の伝送を可能とするインピーダンス調整回路と、所望の電力を提供することが可能な電力変換素子及び電源素子と、を説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一形態は、外部エネルギを電力に変換すると共に電力を出力する発電回路と、発電回路が発生する電力を所望の態様に変換する電力変換回路と、の間に接続されるインピーダンス調整回路である。インピーダンス調整回路は、発電回路に接続される入力端と電力変換回路に接続される出力端とを有する第１回路部と、第１回路部に接続される接続点、接地電位に接続される接地点並びに接続点及び接地点の間に接続されるキャパシタを有する第２回路部と、を備える。第２回路部が含む出力抵抗の大きさは、発電回路が含む出力抵抗の大きさより小さい。キャパシタは、発電回路から出力される電力を充電すると共に、充電した電力を電力変換回路に出力する。【０００９】
本開示のインピーダンス調整回路の第２回路部のキャパシタは、第１回路部の入力端を介して発電回路から受ける電力によって充電される。キャパシタは、第１回路部の出力端を介して電力変換回路に電力を伝送する。この構成によれば、電力変換回路に電力が伝送される態様において、電力変換回路の電源は、発電回路ではなく、キャパシタである。キャパシタと出力端との間に存在する出力抵抗は、発電回路の出力抵抗よりも小さい。その結果、インピーダンス調整回路を発電回路と電力変換回路との間に接続した回路構成は、発電回路を電力変換回路に直結する回路構成よりも、電力変換回路に伝送される電力における電圧降下を抑制できる。従って、インピーダンス調整回路によれば、効率のよい電力の伝送を行うことができる。【００１０】
本開示の別の形態は、外部エネルギを電力に変換すると共に電力を出力する発電回路を含む発電素子に接続される電力変換素子である。電力変換素子は、発電回路が発生する電力を所望の態様に変換する電力変換回路と、発電回路と電力変換回路との間に接続されるインピーダンス調整回路と、を備える。インピーダンス調整回路は、発電回路に接続される入力端と電力変換回路に接続される出力端とを有する第１回路部と、第１回路部に接続される接続点、接地電位に接続される接地点並びに接続点及び接地点の間に接続されるキャパシタを有する第２回路部と、を有する。第２回路部が含む出力抵抗の大きさは、発電回路が含む出力抵抗の大きさより小さい。キャパシタは、発電回路から出力される電力を充電すると共に、充電した電力を電力変換回路に出力する。【００１１】
別の形態の電力変換素子は、上記のインピーダンス調整回路を含む。従って、電力変換素子の回路構成は、発電回路を電力変換回路に直結する回路構成と比較して、電力変換回路に伝送される電力における電圧降下を抑制できる。従って、電力変換素子は、効率のよい電力の伝送を行うことができる。【００１２】
別の形態に係る電力変換素子は、電力変換回路の動作を開始及び停止させる制御部をさらに備えてもよい。電力変換素子は、電力変換回路の動作停止により、キャパシタへの充電が行われてもよい。また、電力変換素子は、電力変換回路の動作開始により、キャパシタの放電が行われてもよい。この構成によれば、インピーダンス調整回路の構成を簡易にできる。【００１３】
別の形態において、制御部は、インピーダンス調整回路から電力変換回路へ提供される電圧の大きさに基づいて、電力変換回路の動作開始及び動作停止を制御してもよい。この構成によれば、電力変換回路から所望の電力を確実に得ることができる。【００１４】
別の形態において、制御部は、所定の時間が経過するごとに電力変換回路の動作の開始と動作の停止とを相互に切り替えてもよい。この構成によれば、インピーダンス調整回路の制御を簡易にできる。【００１５】
別の形態において、第１回路部は、入力端に接続された第１スイッチと、第１スイッチ及び出力端に接続された第２スイッチと、を有してもよい。第２回路部は、第１スイッチ及び第２スイッチに接続された接続点と、接続点及び接地点に接続されたキャパシタと、を有してもよい。電力変換素子は、第１スイッチ及び第２スイッチを制御する制御部をさらに備えてもよい。制御部は、第１スイッチを制御して入力端をキャパシタに接続すると共に、第２スイッチを制御して出力端をキャパシタから切断する充電動作と、第１スイッチを制御して入力端をキャパシタから切断すると共に、第２スイッチを制御して出力端をキャパシタに接続する放電動作と、を相互に切り替えてもよい。この構成によれば、充電動作と放電動作とを確実に切り替えることができる。【００１６】
別の形態において、制御部は、インピーダンス調整回路から電力変換回路へ提供される電圧の大きさに基づいて、第１スイッチ及び第２スイッチの動作を制御してもよい。この構成によれば、電力変換回路から所望の電力を確実に得ることができる。【００１７】
別の形態において、制御部は、所定の時間が経過するごとに、第１スイッチ及び第２スイッチの動作を制御してもよい。この構成によれば、インピーダンス調整回路の制御を簡易にできる。【００１８】
別の形態において電力変換素子は、上記の電力変換回路としての第１電力変換回路と、発電回路が発生する電力を所望の態様に変換する第１電力変換回路とは別の第２電力変換回路と、第１電力変換回路及び第２電力変換回路の動作を制御する制御部をさらに備える。第２電力変換回路は、インピーダンス調整回路及び第１電力変換回路に対して並列に設けられる。第２電力変換回路の入力インピーダンスは、第１電力変換回路の入力インピーダンスよりも発電回路の出力インピーダンスに近い。制御部は、第２電力変換回路から電力を得たのちに、第１電力変換回路から電力を得る。【００１９】
本開示のさらに別の態様である発電素子は、外部エネルギを電力に変換すると共に電力を出力する発電回路と、発電回路が発生する電力を所望の態様に変換する電力変換回路と、発電回路と電力変換回路との間に接続されるインピーダンス調整回路と、を備える。インピーダンス調整回路は、発電回路に接続される入力端と電力変換回路に接続される出力端とを有する第１回路部と、第１回路部に接続される接続点、接地電位に接続される接地点並びに接続点及び接地点の間に接続されるキャパシタを有する第２回路部と、を有する。第２回路部が含む出力抵抗の大きさは、発電回路が含む出力抵抗の大きさより小さい。キャパシタは、発電回路から出力される電力を充電すると共に、充電した電力を電力変換回路に出力する。【００２０】
さらに別の形態の発電素子は、上記のインピーダンス調整回路を含む。発電素子は、発電回路を電力変換回路に直結する構成と比較して、電力変換回路に伝送される電力における電圧の降下を抑制できる。その結果、発電回路から電力変換回路へ効率のよい電力の伝送が行われる。従って、発電素子は、所望の電力を提供することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本開示のインピーダンス調整回路は、発電素子から電力変換素子へ効率よく電力を伝送できる。本開示の電力変換素子及び電源素子は、所望の電力を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、実施形態の電源素子を用いたセンサ装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、電源素子の構成を示す図である。
【図３】図３は、電源素子のタイミングチャートの一例である。
【図４】図４は、変形例１の電源素子の構成を示す図である。
【図５】図５は、変形例２の電源素子の構成を示す図である。
【図６】図６は、変形例３の電源素子の構成を示す図である。
【図７】図７は、変形例４の電源素子の構成を示す図である。
【図８】図８は、変形例５の電源素子の構成を示す図である。
【図９】図９は、変形例６の電源素子の構成を示す図である。
【図１０】図１０は、変形例６の電源素子に関するタイミングチャートの一例である。
【図１１】図１１は、変形例７の電源素子の構成を示す図である。
【図１２】図１２の（ａ）部は、検討例１の電源素子の構成を示す図である。図１２の（ｂ）部は検討例１の結果を説明するためのグラフである。
【図１３】図１３の（ａ）部は、検討例２の電源素子の構成を示す図である。図１３の（ｂ）部は検討例２の結果を説明するためのグラフである。
【図１４】図１４は、検討例３の結果を説明するためのグラフである。
【図１５】図１５は、変形例８の背景を説明するためのセンサ装置の構成を示す図である。
【図１６】図１６は、変形例８の電源素子の構成を示す図である。
【図１７】図１７の（ａ）部、図１７の（ｂ）部及び図１７の（ｃ）部は、変形例８の電源素子の動作を説明するための図である。
【図１８】図１８の（ａ）部、図１８の（ｂ）部及び図１８の（ｃ）部は、変形例８の電源素子の動作を説明するための図である。
【図１９】図１９は、変形例８の電源素子の効果を説明するための図である。
【図２０】図２０の（ａ）部及び図２０の（ｂ）部は、変形例８の電源素子の動作を説明するための図である。
【図２１】図２１は、変形例８の電源素子の効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
図１に示すように、電源素子１は、センサ装置２に用いられる。センサ装置２は、いわゆるＩｏＴ（Internet of Things）を構成する。
【００２５】
センサ装置２は、アンテナ３を介してインターネット３００と接続されている。センサ装置２は、収集したデータをクラウド３０１といった別のシステムへインターネット３００を介して送信する。センサ装置２は、計測用プログラムといった種々のデータをインターネット３００を介して受信する。
【００２６】
センサ装置２は、電源素子１と、センサ素子４と、を有する。センサ素子４は、種々のデータを収集する。種々のデータには、例えば、対象物３０２の温度、湿度或いは振動周波数が含まれる。センサ素子４は、データを送信する。また、センサ素子４は、外部からデータを受信する。例えば、センサ素子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。
【００２７】
電源素子１は、センサ素子４を駆動するための電力を供給する。電源素子１は、センサ素子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のそれぞれの動作に要する電力を供給する。電源素子１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い。電源素子１は、対象物３０２から供給される例えば振動エネルギといった外部エネルギを変換して電力を得る。従って、電源素子１は、対象物３０２から振動エネルギが供給されているとき、センサ装置２への電力の供給を続ける。エネルギ源となる振動は、その種別は問われない。例えば、エネルギ源となる振動は、正弦波振動でもよい。また、エネルギ源となる振動は、ランダム振動でもよい。対象物３０２に設置されたセンサ装置２は、対象物３０２の振動エネルギを利用して電力の供給を続ける。従って、センサ装置２は、バッテリの交換を行う必要がない。
【００２８】
なお、対象物３０２は、対象物３０２ａと、対象物３０２ａとは独立な対象物３０２ｂと、を備えてもよい。対象物３０２ａは、電源素子１に外部エネルギを供給してもよい。対象物３０２ｂは、センサ４ａによって計測されてもよい。
【００２９】
電源素子１は、エネルギ変換素子６（発電素子）と、電力変換素子７と、を有する。エネルギ変換素子６は、対象物３０２から提供される外部エネルギを電力に変換する。電力変換素子７は、エネルギ変換素子６から提供される電力をセンサ素子４の駆動に利用可能な電力に変換する。
【００３０】
図２に示すように、エネルギ変換素子６は、発電回路８を含む。発電回路８は、出力８ａ、８ｂと、発電部８Ｅと、出力抵抗８Ｒと、を有する。発電部８Ｅは、出力抵抗８Ｒ及び接地電位ＧＮＤに接続される。出力抵抗８Ｒは、発電部８Ｅ及び出力８ａに接続される。
【００３１】
発電部８Ｅは、対象物３０２から提供されるエネルギを受け入れる。発電部８Ｅは、受け入れたエネルギを利用して電力を発生させる。電力は、出力８ａに提供される。例えば、発電部８Ｅは、振動を電力に変換する圧電現象を利用するものであってよい。発電部８Ｅは、片持ち梁といった振動子を有する。振動子の共振周波数は、対象物３０２の振動周波数に調整されている。発電部８Ｅは、交流電力を発生する。交流電力の周波数は、振動子が実際に振動する周波数に対応する。つまり、発電部８Ｅから出力される交流電力の周波数は、振動子の周波数に対応する。発電部８Ｅから出力される交流電力の周波数は、対象物３０２の振動周波数に対応する。例えば、交流電力の周波数は、数百ヘルツ以上数メガヘルツ以下である。
【００３２】
電力変換素子７は、エネルギ変換素子６に対して電気的に接続される。電力変換素子７は、センサ素子４に対して電気的に接続される。
【００３３】
電力変換素子７は、インピーダンス調整回路（以下「調整回路９」と呼ぶ）と、電力変換回路１１と、制御部１２と、を有する。調整回路９は、エネルギ変換素子６及び電力変換回路１１に接続されている。制御部１２は、電力変換回路１１及び調整回路９の動作を制御する。
【００３４】
調整回路９は、発電回路８及び電力変換回路１１に接続される。調整回路９は、発電回路８に電力変換回路１１を接続する回路構成におけるインピーダンスを調整する。
【００３５】
調整回路９は、入力９ａ（入力端）、入力９ｂと、出力９ｃ（出力端）、出力９ｄと、を有する。入力９ａは、発電回路８の出力８ａに接続される。入力９ｂは、エネルギ変換素子６の出力８ｂに接続される。出力９ｃ、９ｄは、電力変換回路１１に接続される。
【００３６】
入力９ａと出力９ｃとの間には、スイッチＳ１（第１スイッチ）及びスイッチＳ２（第２スイッチ）が配置される。スイッチＳ１は、入力９ａ及びスイッチＳ２に接続される。スイッチＳ２は、スイッチＳ１及び出力９ｃに接続される。入力９ａ、出力９ｃ及びスイッチＳ１、Ｓ２は、第１回路部１３を構成する。スイッチＳ１、Ｓ２は、キャパシタＣに接続される。スイッチＳ１をスイッチＳ２に接続する線路Ｌ１は、接続点Ｐ１を有する。接続点Ｐ１には、キャパシタＣに接続される線路Ｌ２が接続される。
【００３７】
入力９ｂは、出力９ｄに接続される。入力９ｂを出力９ｄに接続する線路Ｌ３は、接地点Ｐ２を有する。接地点Ｐ２は、キャパシタＣの一端に接続される。従って、入力９ｂ、出力９ｄ及びキャパシタＣの一端には、基準電位（ＧＮＤ）が提供される。接続点Ｐ１、接地点Ｐ２及びキャパシタＣは、第２回路部１４を構成する。
【００３８】
キャパシタＣの容量は、例えば、発電回路８のオープン電圧の大きさ、電力変換回路１１が要求する電力及びセンサ素子４が要求する電力などにより設定される。例えば、キャパシタＣの容量は、１０μＦとしてもよい。
【００３９】
電力変換回路１１は、調整回路９から出力される電力を、センサ素子４の仕様に応じた電力に変換する。具体的には、電力変換回路１１から出力される電力の電圧は、調整回路９から出力される電力の電圧よりも高い。つまり、電力変換回路１１は、昇圧する。
【００４０】
電力変換回路１１は、入力１１ａ、１１ｂと、出力１１ｃ、１１ｄと、を有する。入力１１ａは、調整回路９の出力９ｃに接続される。入力１１ｂは、調整回路９の出力９ｄに接続される。出力１１ｃ、１１ｄは、センサ素子４に接続される。
【００４１】
電力変換回路１１は、周波数変調部１６と、変圧部１７と、を有する。周波数変調部１６は、入力１１ａ、１１ｂに接続される。周波数変調部１６は、調整回路９から電力を受ける。周波数変調部１６は、クロック信号を生成する。周波数変調部１６は、調整回路９の出力電圧に対してクロック信号を重畳する。周波数変調部１６は、リング・オシレータを採用してよい。リング・オシレータは、例えば、ＮＡＮＤ回路とインバータ回路とを含む。周波数変調部１６が生成するクロック信号の周波数は、数メガヘルツ以上であってもよい。クロック信号の周波数は、数ギガヘルツ以上であってもよい。周波数変調部１６は、さらに変圧部１７に接続される。周波数変調部１６は、クロック信号が重畳された電圧を変圧部１７に提供する。
【００４２】
変圧部１７は、周波数変調部１６に接続される。変圧部１７は、クロック信号が重畳された電圧を受ける。変圧部１７は、クロック信号が重畳された電圧を昇圧する。例えば、変圧部１７は、チャージポンプを採用してよい。チャージポンプは、複数のダイオードと複数のキャパシタとを含む。変圧部１７は、出力１１ｃ、１１ｄに接続される。変圧部１７は、昇圧した電圧に基づく電力を出力１１ｃ、１１ｄに提供する。
【００４３】
制御部１２は、調整回路９のスイッチＳ１、Ｓ２のための制御信号φ１、φ２を生成する。制御部１２は、調整回路９に接続される。制御部１２は、制御信号φ１、φ２をスイッチＳ１、Ｓ２に提供する。制御信号φ１は、スイッチＳ１に提供される。制御信号φ２は、スイッチＳ２に提供される。
【００４４】
以下、調整回路９及び制御部１２の動作について詳細に説明する。
【００４５】
制御部１２は、充電動作のための制御信号を調整回路９に提供する。具体的には、制御部１２は、制御信号φ１をＨＩＧＨとし、制御信号φ２をＬＯＷとする（図３の期間Ｔ１参照）。制御信号φ１（Ｈ）を受けた調整回路９は、スイッチＳ１を閉じる。つまり、入力９ａはキャパシタＣに接続される。その結果、キャパシタＣは、発電回路８が発生する電力によって充電される。さらに、制御信号φ２（Ｌ）を受けた調整回路９は、スイッチＳ２を開く。つまり、出力９ｃはキャパシタＣから切断される。その結果、出力９ｃには何らの電力も提供されない。電力変換回路１１は、調整回路９から切り離されている。換言すると、電力変換回路１１は、発電回路８から切り離されている。従って、充電動作において、電力変換回路１１は、電力を出力しない。
【００４６】
制御部１２は、充電動作のための制御信号を提供したタイミングから所定時間が経過した後に、放電動作のための制御信号を調整回路９に提供する。具体的には、制御部１２は、制御信号φ１をＬＯＷとし、制御信号φ２をＨＩＧＨとする（図３の期間Ｔ２参照）。制御信号φ１（Ｌ）を受けた調整回路９は、スイッチＳ１開く。つまり、入力９ａはキャパシタＣから切断される。その結果、発電回路８は調整回路９から切り離されている。換言すると、発電回路８は、電力変換回路１１から切り離されている。制御信号φ２（Ｈ）を受けた調整回路９は、スイッチＳ２を閉じる。つまり、出力９ｃはキャパシタＣに接続される。換言すると、調整回路９は、電力変換回路１１に接続されている。その結果、出力９ｃにはキャパシタＣから電圧が提供される。この状態では、発電回路８のインピーダンス（出力抵抗８Ｒ）は、電力変換回路１１に影響を与えない。従って、電力変換回路１１は、発電回路８のオープン電圧に近い電圧を受けることができる。その結果、電力変換回路１１には電圧降下の影響が小さい（または影響がない）電圧が提供される。電力変換回路１１は、当該電圧によって動作を開始する。そして、電力変換回路１１は、昇圧した電圧を出力する。
【００４７】
なお、上記の説明では制御部１２は、充電動作の期間Ｔ１の長さと、放電動作の期間Ｔ２の長さと、を予め設定した。つまり、期間Ｔ１、Ｔ２は固定された時間であった。例えば、充電動作の期間Ｔ１は、放電動作の期間Ｔ２よりも長い。電力変換回路１１は、放電動作の期間Ｔ２だけ、電力変換を行う。つまり、電力変換回路１１は、放電動作の期間Ｔ２にのみ出力１１ｃに電力を提供する。
【００４８】
放電動作であるとき、電力変換回路１１は、発電回路８から切り離されている。ここで、調整回路９は、スイッチＳ１、Ｓ２とキャパシタＣとを有する。従って、調整回路９は、理想的には出力抵抗を有しないとみなしてよい。実際の回路構成では出力抵抗１４Ｒが存在する。しかし、出力抵抗１４Ｒは、極めて小さい。従って、出力抵抗１４Ｒはゼロとみなしてよい。図２には、出力抵抗１４Ｒを図示している。しかし、調整回路９は、出力抵抗１４Ｒを抵抗素子として備えない。図２の出力抵抗１４Ｒは、例えば、キャパシタＣをスイッチＳ２に接続する線路の抵抗成分を明示的に示したものである。このような抵抗成分は、通常は無視される。この接続構成は、インピーダンスがゼロである電源を、電力変換回路１１に接続した状態である。または、インピーダンスが極めて低い電源を、電力変換回路１１に接続した状態である。従って、電源（調整回路９）と負荷（電力変換回路１１）のインピーダンスとの関係によって、電源の電圧は下がらない。その結果、発電回路８から電力変換回路１１へ効率よく電力を提供することができる。
【００４９】
換言すると、電力変換回路１１を動作させるためには、電力変換回路１１の負荷となる集積回路が要求する所定の電圧を、集積回路に提供することにより所定の電流を発生させる必要がある。発電回路８を電力変換回路１１に直結すると、電力変換回路１１に提供される電圧は、発電回路８の高いインピーダンス（出力抵抗８Ｒ）によって低下する。この電圧降下がなければ必要な出力電流を得ることができるかもしれない。しかし、電圧降下のために出力電流は、著しく低下してしまう。一方、調整回路９を用いることにより、インピーダンスがゼロという理想的な状態を実現することができる。調整回路９を用いることにより、理想的な状態において電力変換回路１１に電力を提供することが可能になる。その結果、例えば、調整回路９を電力変換回路１１に接続する期間（図３の期間Ｔ２）を、発電回路８を調整回路９に接続する期間（図３の期間Ｔ１）の１／３にしたとする。この場合でも、電圧降下の影響を受けない出力電流の１／３を電力変換回路１１に提供することができる。
【００５０】
つまり、調整回路９によれば、発電回路８のオープン電圧が低い場合であっても、電力変換を行うことが可能となる。従って、発電回路８に入力されるエネルギが低い場合でも、当該エネルギを電力として回収することができる。
【００５１】
［作用効果］
電力変換素子７及び電源素子１は、調整回路９を備える。調整回路９のキャパシタＣは、第１回路部１３の入力９ａを介して発電回路８から受ける電力によって充電される。キャパシタＣは、第１回路部１３の出力９ｃを介して電力変換回路１１に電力を提供する。電力変換回路１１に電力が供給される態様において、電力変換回路１１の電源は、発電回路８ではなく、キャパシタＣである。キャパシタＣと出力９ｃとの間に存在する出力抵抗１４Ｒは、発電回路８の出力抵抗８Ｒよりも小さい。その結果、調整回路９を発電回路８と電力変換回路１１との間に接続した回路構成は、発電回路８を電力変換回路１１に直結する回路構成よりも、電力変換回路１１に提供される電圧の降下を抑制できる。従って、効率のよい電力の伝送を行うことができる。
【００５２】
発電回路８に入力される外部エネルギ（振動、熱等）が微小である場合には、発電回路８から出力される電力は小さい。例えば、温度差を利用する発電回路において、発電回路に与えられる温度差が所定の温度差より小さい場合には、電源素子から要求される電力を供給することができない。一方、実施形態に係る電源素子１は、電圧降下を生じさせることなく発電回路８から電力変換回路１１に電力を提供できる。従って、電源素子１からセンサ素子４へ電力を供給させるために必要な外部エネルギの閾値を下げることができる。
【００５３】
第１回路部１３は、入力９ａに接続されたスイッチＳ１と、スイッチＳ１及び出力９ｃに接続されたスイッチＳ２と、を有する。第２回路部１４は、接続点Ｐ１と、キャパシタＣと、を有する。接続点Ｐ１は、スイッチＳ１及びスイッチＳ２に接続されている。キャパシタＣは、接続点Ｐ１及び接地点Ｐ２に接続されている。電源素子１は、スイッチＳ１、Ｓ２を制御する制御部１２をさらに備える。制御部１２は、充電動作と、放電動作と、を切り替える。充電動作では、スイッチＳ１を制御して入力９ａをキャパシタＣに接続する。さらに充電動作では、スイッチＳ２を制御して出力９ｃをキャパシタＣから切断する。放電動作では、スイッチＳ１を制御して入力９ａをキャパシタＣから切断する。さらに、放電動作では、スイッチＳ２を制御して出力９ｃをキャパシタＣに接続する。この構成によれば、充電動作と放電動作とを確実に切り替えることができる。
【００５４】
制御部１２は、所定の時間が経過するごとに、スイッチＳ１、Ｓ２の動作を制御する。この構成によれば、調整回路９の制御を簡易にできる。
【００５５】
本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。
【００５６】
［変形例１］
制御部１２は、予め設定した期間が経過するたびに、充電動作と放電動作とを定期的に切り替えた。変形例１の電源素子１Ａの制御部１２Ａは、調整回路９の出力９ｃに提供される電圧を利用して、充電動作と放電動作とを切り替える制御を行ってもよい。図４に示すように、変形例１の電源素子１Ａは、実施形態の電源素子１の構成に加えて、調整回路９の出力９ｃに接続された線路Ｌ４を有する。放電動作によって出力９ｃには、電圧が提供される。この電圧は、時間の経過とともに低下する。制御部１２Ａは、出力９ｃに提供される電圧を監視する。制御部１２Ａは、放電動作が開始された時の電圧を基準として、出力９ｃに提供される電圧が所定の割合だけ低下したとき、放電動作から充電動作に切り替える。例えば、放電動作を開始したときの電圧を１００％とする。制御部１２Ａは、出力９ｃの電圧が９０％以下に低下したとき、放電動作から充電動作に切り替えてもよい。
【００５７】
［変形例２］
図５に示すように、変形例２の電源素子１Ｂは、発電回路８と、調整回路９Ｂと、電力変換回路１１と、制御部１２Ｂと、を有する。調整回路９Ｂ、電力変換回路１１及び制御部１２Ｂは、電力変換素子７Ｂを構成する。変形例２の調整回路９Ｂは、４個のスイッチＳ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６と、２個のキャパシタＣ１、Ｃ２と、を有する。この構成は、調整回路９を並列に接続したものである。
【００５８】
具体的には、スイッチＳ３は、入力９ａとスイッチＳ４とキャパシタＣ１とに接続される。スイッチＳ４は、スイッチＳ３とキャパシタＣ１と出力９ｃとに接続される。キャパシタＣ１は、スイッチＳ３、Ｓ４と接地電位ＧＮＤとに接続される。スイッチＳ５は、入力９ａとスイッチＳ６とキャパシタＣ２とに接続される。スイッチＳ６は、スイッチＳ５とキャパシタＣ２と出力９ｃとに接続される。キャパシタＣ２は、スイッチＳ５、Ｓ６と接地電位ＧＮＤとに接続される。スイッチＳ３、Ｓ６は、制御信号φ１によって制御される。一方、スイッチＳ４、Ｓ５は、制御信号φ２によって制御される。制御部１２Ｂは、調整回路９Ｂの出力９ｃに提供される電圧Ｖｉｎを用いて充電動作と放電動作とを切り替える。なお、制御部１２Ｂは、実施形態のように予め設定した期間に基づいて、定期的に動作を切り替えてもよい。
【００５９】
調整回路９Ｂは、キャパシタＣ１を充電するとき、キャパシタＣ２を放電させる。例えば、制御部１２Ｂは、調整回路９Ｂに制御信号φ１（Ｈ）及び制御信号φ２（Ｌ）を提供する。その結果、キャパシタＣ１は発電回路８に接続される。また、キャパシタＣ１は電力変換回路１１から切断される。一方、キャパシタＣ２は発電回路８から切断される。また、キャパシタＣ２は電力変換回路１１に接続される。つまり、キャパシタＣ１は充電される。一方、キャパシタＣ２は放電する。例えば、制御部１２Ｂは、調整回路９Ｂに制御信号φ１（Ｌ）及び制御信号φ２（Ｈ）を提供する。その結果、キャパシタＣ１は発電回路８から切断される。また、キャパシタＣ１は電力変換回路１１に接続される。一方、キャパシタＣ２は発電回路８に接続される。また、キャパシタＣ２は電力変換回路１１から切断される。つまり、キャパシタＣ１は放電する。キャパシタＣ２は充電される。
【００６０】
変形例２の電源素子１Ｂが有する調整回路９Ｂは、２個のキャパシタＣ１、Ｃ２を含んでいる。その結果、電力変換回路１１に電力を提供する期間を増加させることができる。つまり、電力変換回路１１から電圧を出力させる期間（電圧変換期間）を増加させることができる。
【００６１】
［変形例３］
図６に示すように、変形例４の電源素子１Ｃは、発電回路８、調整回路９及び電力変換回路１１（第１電力変換回路）に加えて、さらに追加電力変換回路１８（第２電力変換回路）を有してもよい。追加電力変換回路１８は、発電回路８の出力８ａ、８ｂ及び電力変換回路１１の出力１１ｃ、１１ｄに接続される。追加電力変換回路１８は、調整回路９及び電力変換回路１１に対して並列に設けられる。追加電力変換回路１８は、発電回路８の出力抵抗８Ｒが影響しない程度の高い入力インピーダンスを有する。従って、追加電力変換回路１８は、発電回路８のオープン電圧の近傍において動作させることができる。発電回路８が起動するとき、追加電力変換回路１８は、所定の電圧を有する電力を発生する。そして、発電回路８の出力電圧が定常動作であるときの出力電圧に達したのちに、当該電圧によって調整回路９の動作を開始する。この構成によれば、調整回路９及び電力変換回路１１の起動及び定常動作に要する回路面積を小さくすることができる。また、電源素子１Ｃの電力効率を高めることができる。
【００６２】
［変形例４］
図７に示すように、変形例４の電源素子１Ｄは、発電回路８と、調整回路９Ｄと、電力変換回路１１Ｄと、制御部１２Ｄと、を有する。調整回路９Ｄは、線路Ｌ５と、キャパシタＣ３と、を有する。線路Ｌ５は、入力９ａと出力９ｃとを接続する。キャパシタＣ３は、線路Ｌ５及び接地電位ＧＮＤに接続されている。変形例３の調整回路９Ｄは、調整回路９からスイッチＳ１、Ｓ２を取り去ったものである。変形例３の制御部１２Ｄは、電力変換回路１１Ｄの構成要素である。制御部１２Ｄは、電力変換回路１１Ｄの動作を制御する。制御部１２Ｄは、パルスジェネレータ（ＰＧ）である。制御部１２Ｄは、電力変換回路１１Ｄの変圧動作の開始と停止とを制御する。電力変換回路１１Ｄは、制御信号を周波数変調部１６に提供する。電力変換回路１１Ｄの出力１１ｃは、キャパシタＣ４に接続されてもよい。キャパシタＣ４の容量は、キャパシタＣ３の容量よりも小さいことが好ましい。しかし、キャパシタＣ３、Ｃ４の大小関係は、上記の関係に限定されない。例えば、キャパシタＣ４の容量は、キャパシタＣ３の容量と同じであってもよい。キャパシタＣ４の容量は、キャパシタＣ３の容量よりも大きくてもよい。
【００６３】
この構成によっても、制御部１２Ｄは、調整回路９Ｄの充電動作と放電動作とを切り替えることができる。例えば、制御部１２Ｄが電力変換回路１１Ｄの動作を停止させる。電力変換回路１１Ｄの動作を停止させるとは、周波数変調部１６の発振を停止させることである。その結果、発電回路８から提供される電力は、キャパシタＣ３に充電される（充電動作）。電力変換回路１１Ｄの動作が停止した状態では、電力変換回路１１Ｄのインピーダンスは、ほぼ無限大（高インピーダンス状態）とみなせる。一方、制御部１２Ｄが電力変換回路１１Ｄの動作を開始させる。電力変換回路１１Ｄの動作を開始させるとは、周波数変調部１６の発振を開始することである。その結果、キャパシタＣ３から電力変換回路１１Ｄに対して電力が供給される（放電動作）。電力変換回路１１Ｄが動作している状態では、電力変換回路１１Ｄのインピーダンスは、低インピーダンス状態とみなせる。放電動作中には、発電回路８から出力される電力は、電力変換回路１１に提供される。しかし、電力変換回路１１の動作は、キャパシタＣ３から提供される電力に支配される。この構成によれば、電力変換回路１１Ｄの動作によって、スイッチＳ１、Ｓ２の動作を実現できる。従って、スイッチＳ１、Ｓ２を省略できる。その結果、寄生抵抗の発生を抑制できる。スイッチＳ１、Ｓ２の制御回路も省略できる。従って、調整回路９Ｄを含む電源素子１Ｄの構成を簡易にできる。
【００６４】
［変形例５］
図８に示すように、変形例５の電源素子１Ｅは、発電回路８と、調整回路９Ｄと、電力変換回路１１Ｅと、制御部１２Ｄと、検出部２０と、を有する。検出部２０は、電力変換回路１１Ｅの出力１１ｃに接続される。検出部２０は、出力１１ｃに提供される電圧を監視する。検出部２０は、出力１１ｃの電圧が閾値を超えたとき、周波数変調部１６の動作を停止させる。検出部２０は、電力変換回路１１Ｅの電圧が閾値を下回ったとき、周波数変調部１６の動作を開始する。検出部２０が周波数変調部１６の動作を停止させるとき、制御部１２Ｄの制御信号の種別は無関係である。例えば、制御部１２が電力変換回路１１Ｅの動作を開始させる（周波数変調部１６の発振を開始する）ための制御信号を周波数変調部１６に提供していたとしても、検出部２０から動作停止の制御信号が提供されると、周波数変調部１６は、動作を停止する。この構成によれば、電力変換回路１１Ｅからの出力に制限を設けることができる。
【００６５】
［変形例６］
図９に示すように、変形例６の電源素子１Ｆは、発電回路８と、調整回路９Ｄと、電力変換回路１１Ｆと、クロック発生部２１と、を有する。電力変換回路１１Ｆは、スイッチングレギュレータ（ＳＷ）であってもよい。スイッチングレギュレータは、コイル２２と、トランジスタ２３と、ダイオード２４と、を含む。この回路構成では、電力変換回路１１Ｆの動作の開始（図１０の期間Ｔ１参照）及び停止（図１０の期間Ｔ２参照）は、クロック信号によって制御される。クロック信号は、クロック発生部２１からダイオード２４に提供される。従って、調整回路９Ｄの充電動作と放電動作とを切り替えることができる。
【００６６】
要するに、変形例６の電源素子１Ｆにおいて、電力変換回路は、第１電力変換回路であり、発電回路が発生する電力を所望の態様に変換する、第１電力変換回路とは別の第２電力変換回路と、第１電力変換回路及び第２電力変換回路の動作を制御する制御部をさらに備える。第２電力変換回路は、インピーダンス調整回路及び第１電力変換回路に対して並列に設けられる。第２電力変換回路の入力インピーダンスは、第１電力変換回路の入力インピーダンスよりも発電回路の出力インピーダンスに近い。制御部は、第２電力変換回路から電力を得たのちに、第１電力変換回路から電力を得る。
【００６７】
なお、第１電力変換回路及び第２変換回路は、互いに異なる回路として設けられてもよい。また、一つの電力変換回路について動作条件を制御することにより、第１電力変換回路としての機能と、第２電力変換回路としての機能を切り替えるようにしてもよい。
【００６８】
［変形例７］
図１１に示すように、変形例７の電源素子１Ｇは、発電回路８Ａと、調整回路９と、電力変換回路１１Ｇと、追加電力変換回路１８と、制御部１２と、を有する。発電回路８Ａは、４個の出力８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆと、２個の出力抵抗８Ｒａ、８Ｒｂと、２個の発電部８Ｅａ、８Ｅｂと、を有する。
【００６９】
出力８ｃには、出力抵抗８Ｒａが接続される。出力抵抗８Ｒａには発電部８Ｅａが接続される。出力８ｄには、接地電位（ＧＮＤ）が接続される。出力８ｅには、出力抵抗８Ｒｂが接続される。出力抵抗８Ｒｂには発電部８Ｅｂが接続される。出力８ｆには、接地電位（ＧＮＤ）が接続される。出力抵抗８Ｒａは、出力抵抗８Ｒｂよりも大きい。出力８ｅ、８ｆは、調整回路９に接続される。出力８ｃ、８ｄは、追加電力変換回路１８に接続される。追加電力変換回路１８の出力は、調整回路９及び電力変換回路１１に接続される。
【００７０】
この回路構成では、追加電力変換回路１８が自律的に変圧動作を開始する。追加電力変換回路１８は、調整回路９及び電力変換回路１１Ｇに電圧Ｖｃｔｒｌを提供する。電力変換回路１１Ｇは、検知部２５を含む。検知部２５は、電圧Ｖｃｔｒｌの大きさを監視する。検知部２５は、電圧Ｖｃｔｒｌが閾値より高いと判断した場合に、電力変換回路１１Ｇの動作を開始する。その結果、電源素子１Ｇは、所望の電力を提供することができる。
【００７１】
［検討例１］
検討例１では、発電回路のオープン電圧の理論限界について確認した。図１２の（ａ）部は、検討例１に係る電源素子１００のモデルを示す。検討例１の電源素子１００は、発電回路１０１と、電力変換回路１０２と、を含む。発電回路１０１は、熱電素子（ＴＥＧ）を含む。電源素子１００は、負荷１０３に電力ＰＯＵＴを提供する。発電回路１０１は、出力抵抗ＲＴＥＧを有する。発電回路１０１は、オープン電圧ＶＯＣによって示される電力ＰＩＮを出力する。電力変換回路１０２は、変換効率ηを有する。電力変換回路１０２は、電力ＰＯＵＴを出力する。負荷１０３は、電流ＩＰＰと電圧ＶＰＰとによって示される電力を要求する。
【００７２】
まず、電力変換回路１０２の動作は、式（１）により示される。
【数１】
2019203355.tif 000003
【００７３】
発電回路１０１から電力変換回路１０２への電力の受け渡しを効率よく行うための条件は、式（２）により示される。つまり、その条件とは、発電回路１０１からみた負荷抵抗ＲＣＯＮＶ―ＬＯＡＤを発電回路１０１の出力抵抗ＲＴＥＧに一致させることである。
【数２】
2019203355.tif 000004
【００７４】
式（２）に示す条件を満たすとき、式（３）が成り立つ。
【数３】
2019203355.tif 000005
電力変換回路１０２が出力する電力ＰＯＵＴ、発電回路１０１のオープン電圧ＶＯＣ及び出力抵抗ＲＴＥＧの関係は、式（４）により示される。
【数４】
2019203355.tif 000006
【００７５】
式（４）を用いて、電力変換回路１０２の変換効率ηと発電回路１０１のオープン電圧下限の理論限界との関係について確認した。検討例１では、以下の条件を設定した。
負荷１０３の電圧ＶＰＰ：３．３Ｖ。
負荷１０３の電流ＩＰＰ：３０μＡ（条件１−１）、３μＡ（条件１−２）。
発電回路１０１の出力抵抗ＲＴＥＧ：３００Ω。
【００７６】
図１２の（ｂ）部は、電力変換回路１０２の変換効率ηと、発電回路８のオープン電圧ＶＯＣとの関係を示す。横軸は、変換効率ηを示す。縦軸は、オープン電圧ＶＯＣを示す。グラフＧ１は、条件１−１の結果である。グラフＧ２は、条件１−２の結果である。グラフＧ１、Ｇ２を比較する。グラフＧ１、Ｇ２の差分は、オープン電圧ＶＯＣの下限値ＶＯＣ＿ＭＩＮを改善させる効果を示す。グラフＧ１、Ｇ２によれば、変換効率ηが３０％以上である場合には、オープン電圧ＶＯＣの下限値ＶＯＣ＿ＭＩＮを改善させる効果が小さいことがわかった。電力変換回路１０２の電流ＩＰＰと発電回路８のオープン電圧の下限値ＶＯＣ＿ＭＩＮとの関係は、式（５）に示される。従って、オープン電圧の下限値ＶＯＣ＿ＭＩＮは、電力変換回路１０２の出力条件に強く依存することがわかった。
【数５】
2019203355.tif 000007
【００７７】
［検討例２］
検討例２では、負荷１０３の条件を一定として、調整回路１０４を適用した場合の電力変換回路１０２の変換効率ηと、発電回路８のオープン電圧ＶＯＣとの関係を検討した。図１３の（ａ）部は、検討例２の電源素子２００のモデルを示す。電源素子２００は、発電回路１０１と、電力変換回路１０２と、調整回路１０４と、を含む。検討例２では、負荷１０３の条件を一定（電流ＩＰＰ＝３０ｕＡ、電圧Ｖｐｐ＝３．３Ｖ）とした。また、発電回路８の出力抵抗ＲＴＥＧを３００Ωとした。グラフＧ３は、調整回路１０４を適用した場合の変換効率ηとオープン電圧ＶＯＣとの関係を示す。グラフＧ４は、調整回路１０４を適用しない場合の変換効率ηとオープン電圧ＶＯＣとの関係を示す。グラフＧ３に示すように、調整回路１０４を適用することにより、電源素子１００のオープン電圧の最小値ＶＯＣ＿ＭＩＮを１／２とすることができることがわかった。
【００７８】
［検討例３］
調整回路９を備える電源素子１は、電力の受け渡しの効率が高い。その結果、調整回路９を備える電源素子１は、所望の電力を得るための回路の規模を縮小することが可能である。検討例３では、調整回路９を備える電源素子１の回路面積と、調整回路９を備えない電源素子２００（比較例）の回路面積と、の比較を行った。図１４の（ａ）部は、出力電圧Ｖｄｄと電力変換回路の回路面積Ａｔｏｔとの関係を示す。図１４の（ｂ）部は、出力電圧Ｖｄｄと電力変換回路の変換効率ηとの関係を示す。
【００７９】
共通する条件は、以下のとおりである。
発電回路の出力抵抗ＲＳ：５００Ω。
電力変換回路からの出力電流ＩＰＰ：４０μＡ。
【００８０】
調整回路９を備えない電源素子（比較例）の電力変換回路の変換効率ηを２０％とする。その結果、入力電流Ｉｄｄは、２００μＡである（Ｉｄｄ＝ＩＰＰ／η）。出力抵抗が５００Ωであり、入力電流Ｉｄｄが、２００μＡであるならば、電圧降下は、０．１Ｖである（Ｒｓ×Ｉｄｄ）。発電回路の出力電圧Ｖｄｄを０．２Ｖとする。そうすると、電力変換回路に提供される入力電圧は、０．１Ｖである。図１４の（ａ）部に示すグラフを参照する。このグラフによれば、０．１Ｖで動作する電力変換回路の回路面積は、２．５ｍｍ２であることがわかる。図１４の（ａ）部に示すグラフは、電力変換回路からの出力電流ＩＰＰが１０μＡである場合の結果である。つまり、電力変換回路に要求される出力電流ＩＰＰが４０μＡであるならば、その４倍（２．５ｍｍ２×４）の回路面積を要することがわかった。
【００８１】
次に、調整回路９を備える電源素子１の回路面積を確認した。調整回路９のキャパシタＣの容量は、１０μＦとした。調整回路９の動作条件は、充電動作の時間は、３．５ｍｓｅｃとした。放電動作の時間は、１．０ｍｓｅｃとした。この動作によれば、キャパシタＣからの出力電圧は、０．２Ｖ±１０ｍＶに設定された。調整回路９を備える場合には、電圧降下を考慮しなくてよい。従って、電力変換回路１１に提供される入力電圧は、０．２Ｖである。図１４の（ａ）部によれば、０．２Ｖで動作する電力変換回路１１の回路面積は、約０．４ｍｍ２であることがわかった。
【００８２】
図１４の（ｂ）部によれば、０．２Ｖで動作する電力変換回路１１の変換効率は、３０％であった。つまり、電力変換回路１１の出力電流ＩＰＰは６０μＡであった。電流ＩＰＰは、所定期間だけ出力される。従って、電流ＩＰＰ＿ＡＶＧの平均値は、１３μＡであった（６０μＡ×１ｍｓｅｃ／４．５ｍｓｅｃ）。電力変換回路１１への要求される出力電流ＩＰＰが４０μＡであるならば、その約３倍（４０μＡ／１３μＡ）の回路面積（約１．２ｍｍ２＝０．４ｍｍ２×３）を要することがわかった。つまり、仮定した条件の元では、調整回路９を備える電源素子１は、調整回路９を備えない電源素子の回路面積よりも、回路面積を低減できることがわかった。
【００８３】
［検討例４］
検討例４では、発電回路８の出力抵抗８Ｒと電力変換回路１１の回路面積との関係を確認した。さらに、発電回路８の出力抵抗８Ｒと変換効率ηとの関係も確認した。また、比較対象として、調整回路９を備えない場合についても出力抵抗８Ｒと回路面積との関係及び出力抵抗８Ｒと変換効率ηを確認した。設定した条件と、結果を表１に示す。なお、回路面積及び変換効率ηの欄におけるかっこ内の表記は、条件３−３（又は条件３−４）を基準としたときの比率である。
【表１】
2019203355.tif 000008
【００８４】
調整回路９を備えない電源素子（比較例）は、電圧降下が二倍（０．２Ｖ）であった。例えば、調整回路９を備えない電源素子（比較例）では、電圧Ｖｄｄが０．３Ｖであるとき、電力変換回路に提供される電圧は０．１Ｖであった（０．３Ｖ−０．２Ｖ）。一方、調整回路９を備える電源素子１は、間欠動作である。従って、電源素子１は、出力電流の平均値が減少する。その結果、電源素子１は、出力電流の平均値の減少を補うために回路面積を増加させる必要がある。しかし、電源素子１は、電圧降下を考慮しなくてよい。従って、電源素子１の電力変換回路１１には、０．３Ｖの電圧が提供される。その結果、電源素子１は、出力の電流密度が向上する。電流密度の向上による影響は、回路面積の増加の影響よりも一桁程度大きい。その結果、電源素子１の回路面積は０．３ｍｍ２とすることができる。
【００８５】
条件３−１、条件３−２の回路面積に注目する。出力抵抗８Ｒを５００Ωとしたときの回路面積は、比較例（条件３−３）に対して１／８であった。一方、出力抵抗８Ｒを１０００Ωとしたときの回路面積は、比較例（条件３−３）の回路面積に対して１／３０であった。つまり、出力抵抗８Ｒが大きい場合には、回路面積を低減できることがわかった。その結果、発電回路８の出力抵抗８Ｒが大きくなったとしても、オープン電圧を高くすることにより、良好な設計をなし得ることがわかった。例えば、エネルギハーベスト素子の数は、所定数とする。直列に接続するエネルギハーベスト素子の数を二倍とする。並列に接続するエネルギハーベスト素子の数を半分とする。その結果、オープン電圧を二倍にできることがわかった。また、出力抵抗も二倍にできることがわかった。その結果、必要な回路面積は、低減する。従って、電源素子１の設計自由度を高めることができることがわかった。
【００８６】
［変形例８］
図１５は、ＩｏＴ端末としてのセンサ装置２の構成を示す。発電回路８を含むエネルギ変換素子６は、環境エネルギから回収した電力（ＰＩＮ）を出力する。エネルギ変換素子６から出力される電圧（ＶＩＮ）は、電源回路である電力変換素子７によって電圧（ＶＯＵＴ）に変換される。この電圧（ＶＯＵＴ）は、電力変換素子７に接続されるセンサ素子４（負荷素子）に提供される。センサ素子４は、センサ４ａ及び無線ＩＣといった通信回路４ｄを含む。
【００８７】
センサ素子４を構成するこれらの素子の動作電力は、１０ｍＷ程度である。例えば、センサ素子４の動作を要しない期間は、センサ素子４を休止状態とする。このような動作によれば、センサ素子４の平均電力は、１０μＷ程度とすることができる。
【００８８】
環境エネルギ源は、太陽光、熱、振動、電波などを含む。これらをエネルギ源とするエネルギ変換素子６のオープン電圧（ＶＯＣ）は、１Ｖ以下であることが多い。従って、エネルギ変換素子６の出力をセンサ素子４の駆動に用いる場合には、電力変換（昇圧）が必要である。
【００８９】
電力を出力するエネルギ変換素子６と当該電力を受け取る電力変換素子７との接続では、エネルギ変換素子６から電力変換素子７へ効率よく電力を受け渡すことが望まれる。従って、エネルギ変換素子６から電力変換素子７へ移送効率は、所望の値を満たすことが望まれる。所望の値として、例えば、エネルギ変換素子６から電力変換素子７へ移送効率の最大値が挙げられる。最大となる移送効率を得るために、いわゆるインピーダンス整合の条件を満たす接続構成を採用する。インピーダンス整合の条件は、第１の条件として電力変換素子７の入力抵抗をエネルギ変換素子６の出力抵抗（ＲＥＴ）に整合させる。さらに、第２の条件として電力変換素子７へ入力される電圧（ＶＩＮ）がオープン電圧（ＶＯＣ）の半分（ＶＯＣ／２）となるように電力変換素子７を制御する。
【００９０】
なお、第２の条件は、オープン電圧（ＶＯＣ）の半分（ＶＯＣ／２）の条件に限定されない。電力の移送効率が最大となる条件は、エネルギ変換素子６の種類などに応じて種々の構成を取り得る。第２の条件は、エネルギ変換素子６の種類などに応じて適宜設定してよい。
【００９１】
つまり、電力変換素子７は、電圧（ＶＯＣ／２）で動作可能であることが前提条件である。より詳細には、電圧（ＶＯＣ／２）を受けた電力変換素子７が、センサ素子４を駆動可能な電圧を出力できることが前提条件である。しかし、ＩｏＴ用発電素子であるエネルギ変換素子６は、オープン電圧（ＶＯＣ）が低い。そうすると、センサ素子４の動作が可能である電圧（ＶＯＣ／２）をエネルギ変換素子６から得るためには、エネルギ変換素子６のオープン電圧（ＶＯＣ）を高くする必要がある。オープン電圧（ＶＯＣ）の大きさは、環境エネルギの大きさに対応する。つまり、高いオープン電圧（ＶＯＣ）を得るためには、大きい環境エネルギが必要である。換言すると、大きな環境エネルギがなければセンサ装置２を動作させることができない。
【００９２】
そこで、変形例８では、負荷素子を駆動可能な環境エネルギの範囲を拡大する電源素子を提供する。換言すると、センサ装置２を低い環境エネルギでも動作させるための回路を提供する。要するに、変形例８は、センサ素子４を駆動可能なエネルギ変換素子６のオープン電圧（ＶＯＣ）を最小化する回路システムである電源素子を提供する。換言すると、変形例８は、センサ素子４を駆動可能なエネルギ変換素子６への入力エネルギ（環境エネルギ）０．５を最小化する回路システムである電源素子を提供する。
【００９３】
図１６に示すように変形例８の電源素子１Ｈは、発電回路８と、電力変換素子７Ｈと、制御部１２Ｈ（制御部）と、を有する。
【００９４】
電力変換素子７Ｈは、調整回路９Ｄと、電力変換回路１１Ｈと、を含む。電力変換回路１１Ｈは、調整回路９Ｄから電圧（ＶＩＮ）を受け入れる。電力変換回路１１Ｈは、電圧（ＶＩＮ）が昇圧された電圧（ＶＯＵＴ）を出力する。電力変換回路１１Ｈは、発振回路１６Ｈと、昇圧回路１７Ｈと、を有する。
【００９５】
発振回路１６Ｈは、昇圧回路１７Ｈのためのクロック信号（ＣＬＫ）を生成する。発振回路１６Ｈは、クロック信号（ＣＬＫ）を昇圧回路１７Ｈに提供する。発振回路１６Ｈは、制御部１２Ｈから提供される制御信号（Ｖ＿ＣＯＮＴＲＯＬ）に基づいて、クロック信号（ＣＬＫ）を生成する。例えば、クロック信号（ＣＬＫ）の周波数は、制御信号（Ｖ＿ＣＯＮＴＲＯＬ）の電圧の大きさに比例する。制御信号（Ｖ＿ＣＯＮＴＲＯＬ）の電圧が大きい場合には、クロック信号（ＣＬＫ）の周波数は高い。制御信号（Ｖ＿ＣＯＮＴＲＯＬ）の電圧が小さい場合には、クロック信号（ＣＬＫ）の周波数は低い。
【００９６】
昇圧回路１７Ｈは、電圧（ＶＩＮ）とクロック信号（ＣＬＫ）とを受け入れる。そして、昇圧回路１７Ｈは、クロック信号（ＣＬＫ）に応じて、電圧（ＶＩＮ）を昇圧する。
【００９７】
制御部１２Ｈは、発振回路１６Ｈのための制御信号（Ｖ＿ＣＯＮＴＲＯＬ）を出力する。制御部１２Ｈは、電圧（ＶＳ）、電圧（ＶＩＮ）、電圧（ＶＯＵＴ）、ターゲット電圧（ＶＩＮ＿ＴＡＲＧＥＴ）、ターゲット電圧（ＶＯＵＴ＿ＴＡＲＧＥＴ）に基づいて、制御信号（Ｖ＿ＣＯＮＴＲＯＬ）を生成する。従って、制御部１２Ｈは、発電回路８の出力８ａに接続されることにより、電圧（ＶＳ）を受ける。また、制御部１２Ｈは、調整回路９Ｄの出力９ｃに接続されることにより、電圧（ＶＩＮ）を受ける。さらに、制御部１２Ｈは、電力変換回路１１Ｈの出力１１ｃに接続されることにより、電圧（ＶＯＵＴ）を受ける。制御部１２Ｈは、図示しない入力手段からターゲット電圧（ＶＩＮ＿ＴＡＲＧＥＴ）及びターゲット電圧（ＶＯＵＴ＿ＴＡＲＧＥＴ）を受ける。なお、制御部１２Ｈは、電圧（ＶＳ）、電圧（ＶＩＮ）、電圧（ＶＯＵＴ）に基づいて、ターゲット電圧（ＶＩＮ＿ＴＡＲＧＥＴ）を生成してもよい。
【００９８】
以下、制御部１２Ｈの動作について詳細に説明する。説明においては、図１７、図１８及び図１９を適宜参照する。
【００９９】
図１７の（ａ）部、図１７の（ｂ）部及び図１７の（ｃ）部のグラフＧ１７ａ、Ｇ１７ｂ、Ｇ１７ｃは、電力変換素子７Ｈが受け取る電力と電圧との関係を示す。それぞれの図において、横軸は電力変換素子７Ｈが受け取る電圧（Ｖ）を示す。縦軸は電力変換素子７Ｈが受け取る電力（Ｐ）を示す。さらに、Ｑ１７ａ、Ｑ１７ｂ、Ｑ１７ｃは、電源素子１Ｈの動作点を示す。
【０１００】
図１８の（ａ）部、図１８の（ｂ）部及び図１８の（ｃ）部は、電力変換素子７Ｈが受け取る電流と電圧との関係を示す。それぞれの図において、横軸は電力変換素子７Ｈが受け取る電圧（Ｖ）を示す。縦軸は電力変換素子７Ｈが受け取る電流（Ｉ）を示す。なお、電力変換素子７Ｈが受け取る電圧（Ｖ）は、エネルギ変換素子６が出力する電圧（Ｖ）とみなしてもよい。同様に、電力変換素子７Ｈが受け取る電流（Ｉ）は、エネルギ変換素子６が出力する電流（Ｖ）とみなしてもよい。グラフＧ１８ａ、Ｇ１８ｃは、エネルギ変換素子６の出力電圧と出力電流との関係を示す。グラフＧ１８ｂ、Ｇ１８ｄ、Ｇ１８ｅは、電力変換素子７Ｈの入力電圧と入力電流との関係を示す。エネルギ変換素子６から電力変換素子７Ｈへ電力を提供する場合には、エネルギ変換素子６の出力電流と電力変換素子７Ｈの入力電流とは一致する。従って、例えば、グラフＧ１８ａとグラフＧ１８ｂが交差する点は、電源素子１Ｈの動作点を示す。つまり、Ｑ１８ａ、Ｑ１８ｂ、Ｑ１８ｃは、電源素子１Ｈの動作点を示す。
【０１０１】
エネルギ変換素子６と電力変換素子７Ｈとの接続は、インピーダンス整合の条件を満たすことを既に述べた。再びインピーダンス整合の条件を述べると、第１の条件は電力変換素子７Ｈの入力抵抗をエネルギ変換素子６の出力抵抗（ＲＥＴ）に整合させることであり、第２の条件は電力変換回路１１Ｈの入力電圧（ＶＩＮ）が電圧（ＶＯＣ／２）となるように電力変換素子７Ｈを制御することである。
【０１０２】
今、センサ素子４が電力変換素子７Ｈに要求する最低の出力電圧が設定されたとする。その結果、電力変換素子７Ｈがこの出力電圧を得るために要する入力電圧が決まる。そして、電力変換素子７Ｈが入力電圧を得るために要するエネルギ変換素子６の出力電圧（ＶＯＣ＿ＭＩＮ）（第１電圧）が決まる。
【０１０３】
図１７の（ａ）部及び図１８の（ａ）部を参照する。エネルギ変換素子６に十分な環境エネルギが提供されている状態を仮定する。このとき、エネルギ変換素子６は、電圧（ＶＯＣ１）を出力する。インピーダンス整合の条件を満たすためには、電力変換素子７Ｈの動作電圧は、電圧（ＶＯＣ１／２）（第２電圧）とすべきである。この状態は、図１７の（ａ）部の動作点Ｑ１７ａ及び図１８の（ａ）部に示す動作点Ｑ１８ａにより示される。エネルギ変換素子６に十分な環境エネルギが提供されていれば、電圧（ＶＯＣ１／２）は、エネルギ変換素子６の出力すべき電圧（ＶＯＣ＿ＭＩＮ）より大きい。従って、電圧（ＶＯＣ１／２）は、エネルギ変換素子６の出力すべき電圧（ＶＯＣ＿ＭＩＮ）を満たすことができる。
【０１０４】
エネルギ変換素子６が出力する電圧（ＶＯＣ）は、エネルギ変換素子６が受ける環境エネルギの大きさによって増減する。例えば、エネルギ変換素子６が受ける環境エネルギが減少した場合を仮定する。エネルギ変換素子６が受ける環境エネルギが減少した場合、図１７の（ｂ）部及び図１８の（ｂ）部に示すように、エネルギ変換素子６の出力特性（グラフＧ１７ｂ及びグラフＧ１８ｃ）は変化する。
【０１０５】
エネルギ変換素子６が受ける環境エネルギが減少すると、エネルギ変換素子６は、電圧（ＶＯＣ２）を出力する。電圧（ＶＯＣ２）は、電圧（ＶＯＣ１）より小さい。この場合に、インピーダンス整合の条件を満たすように、電力変換素子７Ｈを動作させる（図１７の（ｂ）部及び図１８の（ｂ）部参照））。つまり、図１７の（ｂ）部の動作点Ｑ１７ｂ及び図１８の（ｂ）部の動作点Ｑ１８ｂに示されるように電力変換素子７Ｈの動作電圧を、電圧（ＶＯＣ２／２）とする。そうすると、当該電圧（ＶＯＣ２／２）は、エネルギ変換素子６の出力すべき電圧（ＶＯＣ＿ＭＩＮ）を満たさない場合が生じる。
【０１０６】
つまり、エネルギ変換素子６が受ける環境エネルギの増減に対応することなく、インピーダンス整合の条件を常に満たすように電力変換素子７Ｈを駆動させたとする。その場合、センサ素子４を駆動するために要求される電圧（ＶＯＣ＿ＭＩＮ）を満たさない場合が生じ得る。
【０１０７】
そこで、電源素子１Ｈは、エネルギ変換素子６が受ける環境エネルギの増減に応じて、電力変換素子７Ｈの駆動条件を変更する。具体的には、環境エネルギが減少した場合に、電力変換素子７Ｈの動作電圧を、電圧（ＶＯＣ／２）よりも高める。この状態は、図１７の（ｃ）部の動作点Ｑ１７ｃ及び図１８の（ｃ）部の動作点Ｑ１８ｃにより示される。つまり、図１７の（ｃ）部及び図１８の（ｃ）部に示すように、環境エネルギが減少した場合には、エネルギ変換素子６から電力変換素子７Ｈへ電力を移送する効率を最大化するという条件よりも、要求電圧（ＶＯＣ＿ＭＩＮ）を満たすという条件を優先させる。その結果、図１９のグラフＧ１９ａに示すように、回路を動作させることが可能な環境エネルギの範囲を、範囲Ｂ１から範囲Ｂ２へ拡大することができる。換言すると、回路を動作させることが可能な環境エネルギの最低値をより小さい値に設定することができる。
【０１０８】
以下、制御部１２Ｈが行う第１制御及び第２制御について説明する。
【０１０９】
＜制御部の第１制御＞
第１制御は、インピーダンス整合を満たすという条件を優先させる制御である。第１制御が選択される状態を、標準状態と呼ぶ。制御部１２Ｈは、インピーダンス整合の条件（ＶＯＣ／２＝ＶＩＮ）を満たす動作を行うと仮定すると共に、電圧（ＶＯＣ／２）と要求電圧（ＶＯＣ＿ＭＩＮ）とを比較する。例えば、制御部１２Ｈは、電圧（ＶＯＣ／２）が要求電圧（ＶＯＣ＿ＭＩＮ）と等しい場合（ＶＯＣ／２＝ＶＯＣ＿ＭＩＮ）に第１制御を選択してよい。また、例えば、制御部１２Ｈは、電圧（ＶＯＣ／２）が要求電圧（ＶＯＣ＿ＭＩＮ）以上である場合（ＶＯＣ／２≧ＶＯＣ＿ＭＩＮ）に第１制御を選択してよい。さらに、例えば、制御部１２Ｈは、電圧（ＶＯＣ／２）が要求電圧（ＶＯＣ＿ＭＩＮ）に所定の係数（ａ）を乗算した値よりも大きい場合（ＶＯＣ／２＞ａ×ＶＯＣ＿ＭＩＮ）に第１制御を選択してよい。所定の係数（ａ）は、例えば０．８としてよい。制御部１２Ｈは、第１制御を行うと判定したとき、電力変換素子７Ｈのターゲット電圧（ＶＩＮ＿ＴＡＲＧＥＴ）を電圧（ＶＯＣ／２）に設定する。このような選択動作は、電源素子１Ｈの動作中において、任意のタイミングで繰り返し実施してよい。
【０１１０】
制御部１２Ｈにより第１制御が選択されたとき、発振回路１６Ｈは、昇圧回路１７Ｈに対して図２０の（ａ）部に示すクロック信号（ＣＬＫ）を提供する。図２０の（ａ）部のグラフＧ２１ｂ、Ｇ２１ｃは、グラフＧ２１ａに示すクロック信号（ＣＬＫ）に対応する電力変換回路１１Ｈの入力電圧（ＶＩＮ）及び出力電圧（ＶＯＵＴ）を示す。
【０１１１】
なお、本開示では、標準状態であるときの電力変換回路１１Ｈへの入力電圧（ＶＩＮ）は、エネルギ変換素子６から電力変換回路１１Ｈへの電力の移送効率を最大とする条件のもとに設定した。この標準状態であるときの電力変換回路１１Ｈへの入力電圧（ＶＩＮ）の設定は、上記の条件とは異なる視点から規定してもよい。例えば、入力電圧（ＶＩＮ）は、最小動作点で得られる電力と相対的に比較して、最小動作点で得られる電力よりも大きい電力が得られる動作点に対応させてもよい。この最小動作点とは、エネルギ変換素子６のオープン電圧（ＶＯＣ）の近傍に設定される動作点を言う。
【０１１２】
＜制御部の第２制御＞
第２制御は、要求電圧（ＶＯＣ＿ＭＩＮ）を満たすという条件を優先させる制御である。第２制御が選択される状態を、最小エネルギ状態と呼ぶ。制御部１２Ｈは、第１制御と同様に、インピーダンス整合の条件（ＶＯＣ／２＝ＶＩＮ）を満たす動作を行うと仮定すると共に、電圧（ＶＯＣ／２）と要求電圧（ＶＯＣ＿ＭＩＮ）とを比較する。例えば、制御部１２Ｈは、電圧（ＶＯＣ／２）が要求電圧（ＶＯＣ＿ＭＩＮ）より小さい場合（ＶＯＣ／２＜ＶＯＣ＿ＭＩＮ）に第２制御を選択してよい。また、例えば、制御部１２Ｈは、電圧（ＶＯＣ／２）が要求電圧（ＶＯＣ＿ＭＩＮ）に所定の係数（ａ）を乗算した値よりも小さい場合（ＶＯＣ／２＜ａ×ＶＯＣ＿ＭＩＮ）に第２制御を選択してよい。所定の係数（ａ）は、例えば０．８としてよい。制御部１２Ｈは、第２制御を行うと判定したとき、電力変換素子７Ｈのターゲット電圧（ＶＩＮ＿ＴＡＲＧＥＴ）を電圧（ＶＯＣ／２）より大きい値に設定する。また、制御部１２Ｈは、第２制御を行うと判定したとき、電力変換素子７Ｈのターゲット電圧（ＶＩＮ＿ＴＡＲＧＥＴ）を電圧（ＶＯＣ＿ＭＩＮ）に所定の係数（ｂ）を乗じた値に設定してもよい（ＶＩＮ＿ＴＡＲＧＥＴ＝ｂ×ＶＯＣ＿ＭＩＮ）。要するに、制御部１２Ｈは、第２制御を行うと判定したとき、ターゲット電圧（ＶＩＮ＿ＴＡＲＧＥＴ）を電圧（ＶＯＣ／２）より大きく、かつ、電圧（ｂ×ＶＯＣ＿ＭＩＮ）より小さい値に設定してよい。このような選択動作は、電源素子１Ｈの動作中において、任意のタイミングで繰り返し実施してよい。
【０１１３】
制御部１２Ｈにより第２制御が選択されたとき、発振回路１６Ｈは、昇圧回路１７Ｈに対して図２０の（ｂ）部に示すクロック信号（ＣＬＫ）を提供する。図２０の（ｂ）部のグラフＧ２１ｅ、Ｇ２１ｆは、グラフＧ２１ｄに示すクロック信号（ＣＬＫ）に対応する電力変換回路１１Ｈの入力電圧（ＶＩＮ）及び出力電圧（ＶＯＵＴ）を示す。
【０１１４】
ここで、第２制御のときのクロック信号（ＣＬＫ）（グラフＧ２１ｄ）は、第１制御のときのクロック信号（ＣＬＫ）（グラフＧ２１ａ）よりも周波数が低い。クロック信号（ＣＬＫ）の周波数が高い場合には、キャパシタＣの放電回数が多い。従って、電力変換素子７Ｈへの平均入力電流及び平均入力電力は高くなる。電力変換素子７Ｈへの平均入力電圧は低くなる。一方、クロック信号（ＣＬＫ）の周波数が低い場合には、キャパシタＣの放電回数が少ない。従って、電力変換素子７Ｈへの平均入力電流及び平均入力電力は少なくなる。電力変換素子７Ｈへの平均入力電圧は高くなる。つまり、クロック信号（ＣＬＫ）を相対的に低くすることにより、電力変換素子７Ｈへ入力される電圧（ＶＩＮ）を高めることができる。
【０１１５】
第１制御及び第２制御の切り替えは、発振回路１６Ｈのクロック信号（ＣＬＫ）の周波数による。従って、制御部１２Ｈが第１制御を選択した場合には、制御部１２Ｈは、図２０の（ａ）部に示すクロック信号（ＣＬＫ）を生成可能な制御信号（Ｖ＿ＣＯＮＴＲＯＬ）を出力する。同様に、制御部１２Ｈが第２制御を選択した場合には、制御部１２Ｈは、図２０の（ｂ）部に示すクロック信号（ＣＬＫ）を生成可能な制御信号（Ｖ＿ＣＯＮＴＲＯＬ）を出力する。クロック信号（ＣＬＫ）の周波数は、制御信号（Ｖ＿ＣＯＮＴＲＯＬ）の大きさに対応する。例えば、第２制御のときの制御信号（Ｖ＿ＣＯＮＴＲＯＬ）の電圧は、第１制御のときの制御信号（Ｖ＿ＣＯＮＴＲＯＬ）の電圧よりも低い。
【０１１６】
換言すると、クロック信号（ＣＬＫ）の周波数は、放電期間（Ｔａ）と放電期間（Ｔｂ、Ｔｃ）との比率によって規定してもよい。つまり、クロック信号（ＣＬＫ）の電圧が高い期間（Ｈｉｇｈ）は、放電期間であり、クロック信号（ＣＬＫ）の電圧が低い期間（Ｌｏｗ）は、充電期間である。例えば、第２制御であるときの充電期間（Ｔｃ）に対する放電期間（Ｔａ）の割合は、第１制御であるときの充電期間（Ｔｂ）に対する放電機関（Ｔａ）の割合よりも低い。
【０１１７】
なお、クロック信号（ＣＬＫ）の関係は、いわゆるデューティー比によって規定してもよい。例えば、第１制御のときのデューティー比は、Ｔａ／（Ｔａ＋Ｔｂ）である。第２制御のときのデューティー比は、Ｔａ／（Ｔａ＋Ｔｃ）である。そして、第２制御のときのデューティー比は、第１制御のときのデューティー比よりも小さい。
【０１１８】
要するに、変形例８の電源素子１Ｈは、負荷素子に接続される電源素子である。
電源素子は、外部エネルギを電力に変換すると共に電力を出力する発電回路と、発電回路が発生する電力を所望の態様に変換する電力変換回路と、発電回路に接続される入力端と電力変換回路に接続される出力端とを有する第１回路部と、第１回路部に接続される接続点、接地電位に接続される接地点並びに接続点及び接地点の間に接続されるキャパシタを有する第２回路部と、を有するインピーダンス調整回路と、電力変換回路を制御する制御部と、を備える。制御部は、第１電圧よりも第２電圧が小さいとき、電力変換回路への入力電圧が第２電圧よりも大きくなるように電力変換回路の動作を制御する。第１電圧は、負荷素子を駆動するために電力変換回路に要求される電圧を電力変換回路が出力可能な電力変換回路への入力電圧である。第２電圧は、発電回路から電力変換回路への電力の移送効率が所望の値となる電力変換回路への入力電圧である。
【０１１９】
制御部は、第１電圧が第２電圧以上であるとき、電力変換回路への入力電圧が第２電圧となるように電力変換回路の動作を制御してもよい。
【０１２０】
制御部は、第１電圧よりも第２電圧が小さいときのキャパシタへの充電期間に対するキャパシタの放電期間の割合は、第１電圧が第２電圧以上であるときのキャパシタへの充電期間に対するキャパシタの放電期間の割合よりも小さくてもよい。
【０１２１】
このような動作を行う電源素子１Ｈは、式（６）、（７）及び図２１に示す必要条件を満たす場合において、電力変換素子７Ｈの回路動作点を電圧（ＶＯＣ／２）より大きく、かつオープン電圧（ＶＯＣ）の近傍まで上げることができる。その結果、環境エネルギが小さい状態であっても、ＩｏＴ端末を動作させることができる。換言すると、電源素子１Ｈは、センサ素子４を駆動可能なエネルギ変換素子６のオープン電圧（ＶＯＣ）を最小化する回路システムである。また、電源素子１Ｈは、センサ素子４を駆動可能なエネルギ変換素子６への入力エネルギ（環境エネルギ）０．５を最小化する回路システムである。なお、下記式において、ＰｏｕｔＡＣＴは、電力変換素子７Ｈに入力される電力である。Ｐｏｕｔは、ＰｏｕｔＡＣＴの平均の電力である。ＴＡＣＴは、電力（ＰｏｕｔＡＣＴ）の転送が行われる期間である。ＴＣＹＣは電力（ＰｏｕｔＡＣＴ）の転送が行われる周期である。
【数６】
2019203355.tif 000009
【数７】
2019203355.tif 000010
【０１２２】
＜動作例１：エネルギ変換素子６が受ける環境エネルギが減少した場合＞
例えば、電源素子１Ｈが標準状態で動作していると仮定する。この場合には、制御部１２Ｈは、第１制御を選択している。そして、エネルギ変換素子６に提供される環境エネルギが減少したとする。このような状況として、エネルギ変換素子６が熱電発電を行う素子であるとき、温度差が低下した場合が例示できる。この場合、エネルギ変換素子６の出力電圧（ＶＯＣ）が減少する。そうすると、制御部１２Ｈが制御の選択動作を行った結果、第１制御の選択条件を満足せず、第２制御の選択条件を満足する。つまり、標準状態から最低エネルギ状態に切り替わっている。従って、制御部１２Ｈは、第１制御から第２制御に切り替える。このような動作によれば、環境エネルギが減少した場合であっても、センサ装置２に電力を供給し続けることができる。
【０１２３】
＜動作例２：エネルギ変換素子６が受ける環境エネルギが増加した場合＞
例えば、電源素子１Ｈが最低エネルギ状態で動作していると仮定する。この場合には、制御部１２Ｈは、第２制御を選択している。そして、エネルギ変換素子６に提供される環境エネルギが増加したとする。この場合、エネルギ変換素子６の出力電圧（ＶＯＣ）も増加する。そうすると、制御部１２Ｈが制御の選択動作を行った結果、第１制御の選択条件を満足する。つまり、最小エネルギ状態から標準状態に切り替わっている。従って、制御部１２Ｈは、第２制御から第１制御に切り替える。このような動作によれば、エネルギ変換素子６から電力変換素子７Ｈへの電力の移送効率を最大化することができる。
【０１２４】
＜動作例３＞
制御部１２Ｈは、さらに電力変換素子７Ｈの出力制御を行ってもよい。例えば、電源素子１Ｈの動作を開始する場合を想定する。まず、制御部１２Ｈは、電力変換素子７Ｈのターゲット電圧（ＶＩＮ＿ＴＡＲＧＥＴ）を設定する。動作を開始する場合は、上述した最小エネルギ状態であると仮定する。従って、制御部１２Ｈは、ターゲット電圧（ＶＩＮ＿ＴＡＲＧＥＴ）として、電圧（ＶＯＣ／２）より高く、電圧（ＶＯＣ＿ＭＩＮ）より低い値を設定する。例えば、制御部１２Ｈは、ターゲット電圧（ＶＩＮ＿ＴＡＲＧＥＴ）として、電圧（ＶＯＣ＿ＭＩＮ）×０．８を設定してよい。動作を開始したとき、電力変換素子７Ｈの出力電圧（ＶＯＵＴ）は、出力のターゲット電圧（ＶＯＵＴ＿ＴＡＲＧＥＴ）よりも小さい。この場合には、電力変換素子７Ｈに提供するクロック信号（ＣＬＫ）の周波数を高める。従って、制御部１２Ｈは、制御信号（Ｖ＿ＣＯＮＴＲＯＬ）を高める。この動作に応じて、昇圧回路１７Ｈは、入力電圧（ＶＩＮ）を昇圧し、出力電圧（ＶＯＵＴ）を出力する。出力電圧（ＶＯＵＴ）が上昇し、出力電圧（ＶＯＵＴ）がターゲット電圧（ＶＯＵＴ＿ＴＡＲＧＥＴ）と等しい、または、ターゲット電圧（ＶＯＵＴ＿ＴＡＲＧＥＴ）よりも大きくなったとき、制御部１２Ｈは、電力変換素子７Ｈの動作を停止する。電力変換素子７Ｈは、クロック信号（ＣＬＫ）を受けて動作する。従って、制御部１２Ｈは、０Ｖである制御信号（Ｖ＿ＣＯＮＴＲＯＬ）を出力する。なお、電力変換素子７Ｈに接続されたセンサ素子４が動作して、出力電圧（ＶＯＵＴ）が低下すると、制御部１２Ｈは、再び昇圧動作を開始する。このようにして、出力電圧はターゲット電圧（ＶＯＵＴ＿ＴＡＲＧＥＴ）付近に制御される。
【０１２５】
なお、上述した第１制御及び第２制御は、実施形態、変形例１〜変形例７の電源装置に適用してもよい。第１制御及び第２制御を適用する場合、それぞれの電源装置は、エネルギ変換回路の出力と、制御部と、を接続する信号線を設ける。つまり、制御部に電圧（Ｖｓ）を入力する構成を追加することにより第１制御及び第２制御を適用した動作を行うことができる。
【符号の説明】
【０１２６】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ…電源素子、２…センサ装置、３…アンテナ、４…センサ素子、６…エネルギ変換素子、７，７Ｂ…電力変換素子、８，８Ａ…発電回路、８Ｅ，８Ｅａ，８Ｅｂ…発電部、８Ｒ，８Ｒａ，８Ｒ…出力抵抗、９，９Ｂ，９Ｄ…調整回路、１１，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇ…電力変換回路、１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｄ…制御部、１３…第１回路部、１４…第２回路部、１４Ｒ…出力抵抗、１６…周波数変調部、１７…変圧部、１８…追加電力変換回路、２０…検出部、２１…クロック発生部、２２…コイル、２３…トランジスタ、２４…ダイオード、２５…検知部、Ｃ，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４…キャパシタ、ＧＮＤ…接地電位、Ｓ１…スイッチ（第１スイッチ）、Ｓ２…スイッチ（第２スイッチ）、Ｓ３〜Ｓ６…スイッチ、Ｐ１…接続点、Ｐ２…接地点、φ１，φ２…制御信号。
【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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【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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