JP2014087082A - エネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステム - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギーハーベスタ素子により発電したエネルギーを効率よく供給可能なエネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステムを提供する。
【解決手段】エネルギーハーベスタ装置１は、エネルギーハーベスタ素子４により発電されたエネルギーを蓄電するキャパシタ３と、キャパシタ３に接続され、キャパシタ３に充電されたキャパシタ電圧Ｖ₁に基づいて、キャパシタから負荷へのエネルギー供給を切り替えるスイッチ２とを備える。エネルギーハーベスタシステム１０は、エネルギーハーベスタ素子４と、エネルギーハーベスタ素子４に接続されたエネルギーハーベスタ装置１と、エネルギーハーベスタ装置１に接続されたエネルギー供給先である負荷７（５，６）とを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、エネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステムに関し、特に、エネルギーハーベスタ素子により発電したエネルギーを効率よく供給可能なエネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステムに関する。

一般的に、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械機器に関する技術は開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、回生エネルギーの蓄電方法等に関する技術もよく知られている（例えば、特許文献２および特許文献３参照。）。

特表２００９−５２８００９号公報 特開２０００−５９９０３号公報 特表２００３−１９９２０３号公報

従来の回生エネルギー充電方法や回生エネルギー蓄電装置保護技術では、エネルギーハーベスタ素子により発電した電力を効率よく供給することが困難であった。

本発明の目的は、エネルギーハーベスタ素子により発電したエネルギーを効率よく供給可能なエネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステムを提供することにある。

本発明の一態様によれば、エネルギーハーベスタ素子により発電されたエネルギーを蓄電するキャパシタと、前記キャパシタに接続され、前記キャパシタに充電されたキャパシタ電圧に基づいて、前記キャパシタから負荷へのエネルギー供給を切り替えるスイッチとを備えるエネルギーハーベスタ装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、エネルギーハーベスタ素子と、前記エネルギーハーベスタ素子に接続されるエネルギーハーベスタ装置と、前記エネルギーハーベスタ装置に接続されたエネルギー供給先である負荷とを備えるエネルギーハーベスタシステムが提供される。

本発明の他の態様によれば、複数のエネルギーハーベスタ素子と、前記複数のエネルギーハーベスタ素子にそれぞれ対応して設けられたエネルギーハーベスタ装置と、前記エネルギーハーベスタ装置に接続されたエネルギー供給先である負荷とを備えるエネルギーハーベスタシステムが提供される。

本発明によれば、エネルギーハーベスタ素子により発電したエネルギーを効率よく供給可能なエネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステムを提供することができる。

基本技術に係るエネルギーハーベスタシステムの模式的回路構成図。 基本技術に係るエネルギーハーベスタシステムの発電に伴うキャパシタ電圧Ｖ₁の時間変化の波形例。 基本技術に係るエネルギーハーベスタシステムにおいて、（ａ）発電エネルギーＥの時間変化の波形例、（ｂ）負荷抵抗Ｒ_Lの値Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃をパラメータとするキャパシタ電圧Ｖ₁の時間変化の波形例。 基本技術に係るエネルギーハーベスタシステムの具体的な回路構成図。 第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムの模式的回路構成図。 第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムに適用可能なエネルギーハーベスタ装置の模式的回路構成図。 第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムに適用可能なエネルギーハーベスタ装置において、（ａ）キャパシタ電圧Ｖ₁、ゲート電圧Ｖ₂の動作波形例、（ｂ）ドレイン電圧Ｖ₃の動作波形例、（ｃ）負荷への供給電流Ｉ₁の動作波形例。 図７のスイッチＳＷ部分の模式的回路構成図。 第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムに適用可能なエネルギーハーベスタ装置において、（ａ）キャパシタ電圧Ｖ₁、ゲート電圧Ｖ₂のオンオフ動作波形例、（ｂ）ドレイン電圧Ｖ₃のオンオフ動作波形例、（ｃ）負荷への供給電流Ｉ₁のオンオフ動作波形例。 第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムにおいて、（ａ）ゲート電圧Ｖ₂の連続動作波形例、（ｂ）キャパシタに蓄積されるエネルギーＥ₁の連続動作波形例、（ｃ）負荷への供給電流Ｉ₁の連続動作波形例、（ｄ）負荷への供給エネルギーＥ_Lの連続動作波形例。 第２の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムの模式的回路構成図。 第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムの模式的回路構成図。 第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムに適用可能なエネルギーハーベスタ装置の模式的回路構成図。 第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムの詳細回路構成図。 第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムにおいて、複数のエネルギーハーベスタ素子のうち、いずれのエネルギーハーベスタ素子からエネルギーが供給されたかを判定する機能を説明するための模式的回路ブロック構成図。 第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムにおいて、複数のエネルギーハーベスタ素子のうち、いずれのエネルギーハーベスタ素子からエネルギーが供給されたかを判定する動作を説明するための模式的ブロック構成図。 第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムに適用可能なエネルギーハーベスタ装置１_iにおいて、オフ状態からオン状態に移行する動作時における（ａ）キャパシタ電圧Ｖ_1i、ゲート電圧Ｖ_2iの動作波形例、（ｂ）ドレイン電圧Ｖ_3iの動作波形例、（ｃ）負荷への供給電流Ｉ_1iの動作波形例。 第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムに適用可能なエネルギーハーベスタ装置１_iにおいて、オン状態からオフ状態に移行する動作時における（ａ）ドレイン電圧Ｖ_3iの動作波形例、（ｂ）負荷への供給電流Ｉ_1iの動作波形例。 第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムにおいて、（ａ）キャパシタ電圧Ｖ_1iの連続動作波形例、（ｂ）キャパシタに蓄積されるエネルギーＥ_1iの連続動作波形例、（ｃ）負荷への供給電流Ｉ_1iの連続動作波形例、（ｄ）ドレイン電圧Ｖ_3iの連続動作波形例。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。

以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

本実施の形態において、「エネルギーハーベスタ素子」とは、振動エネルギー発電、電波エネルギー発電、熱エネルギー発電、光エネルギー発電などの環境エネルギー発電可能な素子をいう。時間的な変動幅は、エネルギーハーベスタ素子に応じて、例えば、数ナノ秒から数秒、あるいは数日などに及ぶ。また、電圧変動範囲は、エネルギーハーベスタ素子に応じて、例えば、数μＶから数１０Ｖなどの範囲におよび、取り扱うパワーレベルも、例えば、数μＷから数１０Ｗなどの範囲に及ぶ。

［第１の実施の形態］
（基本技術）
基本技術に係るエネルギーハーベスタシステム１０ａは、図１に示すように、エネルギーハーベスタ素子４と、エネルギーハーベスタ素子４に並列接続されたエネルギーハーベスタ素子４によって発電されたエネルギーを充電するためのキャパシタ３と、キャパシタ３に並列接続された負荷Ｒ_Lとを備える。ここで、キャパシタ３の値をＣ₁、充電電圧をＶ₁とすると、キャパシタＣ₁に充電されるエネルギーは、ＣＶ₁ ²／２で表される。

基本技術に係るエネルギーハーベスタシステム１０ａにおいて、負荷Ｒ_Lの値Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃（Ｒ₁＜Ｒ₂＜Ｒ₃）をパラメータとする発電に伴うキャパシタ電圧Ｖ₁の時間変化の波形例は、図２に示すように表される。

図２において、キャパシタ電圧Ｖ₁は、時刻ｔｐにおいて、負荷Ｒ_Lの値Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃（Ｒ₁＜Ｒ₂＜Ｒ₃）に対して、それぞれピーク値Ｖ_p1、Ｖ_p2、Ｖ_p3を示す。ここで、図２に示す例では、キャパシタ電圧Ｖ₁のピーク値が得られる時刻は、同じ時刻ｔｐに設定されているが、ピーク値が得られる時刻は、必ずしも一致していない場合もあり得る。

基本技術に係るエネルギーハーベスタシステム１０ａにおいては、図２に示すように、負荷Ｒ_Lのインピーダンスが小さい程、キャパシタ電圧Ｖ₁のピーク値が、Ｖ_p1＜Ｖ_p2＜Ｖ_p3のように変化しており、キャパシタＣ₁に蓄電されるエネルギーが小さくなる。結果として、エネルギーハーベスタ素子４から、負荷Ｒ_L1へ供給されるエネルギー量も小さくなる。すなわち、エネルギーハーベスタ素子４においては、発電したエネルギーを供給する対象のインピーダンスによって、発電効率が変動する。

また、基本技術に係るエネルギーハーベスタシステム１０ａにおいて、発電エネルギーＥの時間変化の波形例は、図３（ａ）に示すように、例えば、時刻ｔｐにおいてピーク値Ｅ_pを有する振動波形のように表される。

また、負荷抵抗Ｒ_Lをパラメータとするキャパシタ電圧Ｖ₁の時間変化の波形例は、図３（ｂ）に示すように表される。基本技術に係るエネルギーハーベスタシステム１０ａにおいては、負荷抵抗Ｒ_Lの値に応じて、ＲＣ時定数が変化し、Ｒ₁Ｃ₁＜Ｒ₂Ｃ₁＜Ｒ₃Ｃ₁の関係が成立する。このため、負荷抵抗Ｒ_Lの値が大きいと、キャパシタＣ₁を充電するのに時間を要する。

基本技術に係るエネルギーハーベスタシステム１０ａの具体的な回路構成例は、図４に示すように、エネルギーハーベスタ素子４と、エネルギーハーベスタ素子４に並列接続され、エネルギーハーベスタ素子４によって発電されたエネルギーを充電するためのキャパシタ３と、キャパシタ３に並列接続された電源５と、電源５に接続されたシステム負荷６とを備える。ここで、キャパシタ３から見たシステム負荷６を含む電源５側のインピーダンスをＲ_L1、システム負荷６のインピーダンスをＲ_L2で表している。

このような負荷Ｒ_L(電源５側のインピーダンスをＲ_L1、システム負荷６のインピーダンスをＲ_L2)を、適切に駆動させるためには、負荷Ｒ_Lに対して必要なエネルギーを供給する必要があるが、負荷Ｒ_Lのインピーダンスが高いと図３（ｂ）に示すように、キャパシタＣ₁を充電するのに時間を要する。このため、負荷Ｒ_Lのインピーダンスを適宜切り替えて、時定数を短くする必要がある。すなわち、十分なエネルギーを電子機器に供給するために、キャパシタＣ₁の充電時間を短く確保すると共に、キャパシタＣ₁に充電されたエネルギーハーベスタ素子４の発電エネルギーを負荷Ｒ_Lへ効率よく供給する必要がある。

（エネルギーハーベスタシステム）
第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０は、図５に示すように、エネルギーハーベスタ素子４と、エネルギーハーベスタ素子４に接続されたエネルギーハーベスタ装置１と、エネルギーハーベスタ装置１に接続されたエネルギー供給先である負荷７とを備える。

ここで、負荷７は、電源５と、電源５に接続され、電力を消費するシステム負荷６とを備える。電源５は、システム負荷への供給電圧を安定化させる機能を備える。電源５は、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＬＤＯ（Low Drop Out）等のような供給電圧安定化電源である。システム負荷６は、携帯電話、スマートフォン、ＰＤＡ、光ディスク装置、デジタルカメラ、無線通信装置などモバイル機器や、自動車や、産業機器や、医療機器や、それらの機器の構成部品であり、エネルギーを消費する機器である。

（エネルギーハーベスタ装置）
第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０に適用可能なエネルギーハーベスタ装置１の模式的回路構成は、図６に示すように表される。

第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０に適用可能なエネルギーハーベスタ装置１は、図５および図６に示すように、エネルギーハーベスタ素子４により発電されたエネルギーを蓄電するキャパシタ３と、キャパシタ３に接続され、キャパシタ３に充電されたキャパシタ電圧Ｖ₁に基づいて、キャパシタ３から７負荷へのエネルギー供給を切り替えるスイッチ２とを備える。

スイッチ２は、キャパシタ３と負荷７との間に接続され、キャパシタ電圧Ｖ₁に基づいて、キャパシタ３から負荷７への電力供給を切り替える。

ここで、スイッチ２は、図６に示すように、キャパシタ３に並列接続される抵抗Ｒ１・Ｒ２を備える。

スイッチは、図６に示すように、第１ソースがキャパシタ３に接続され、第１ドレインが負荷７に接続されるｐチャネルの第１絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）Ｑ₁と、キャパシタ３に並列接続され、キャパシタ電圧Ｖ₁を分圧する第１抵抗Ｒ₁および第２抵抗Ｒ₂と、第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁の第１ゲートに、第２ドレインが接続され、第２ゲートがキャパシタ電圧Ｖ₁の分圧に接続され、第２ソースが接地電位になされたｎチャネルの第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂と、第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁の第１ゲートと第１ソース間に接続された第３抵抗Ｒ₃とを備えていても良い。ここで、第１抵抗Ｒ₁および第２抵抗Ｒ₂によって分圧されたゲート電圧Ｖ₂は、Ｒ₂・Ｖ₁／（Ｒ₁＋Ｒ₂）で表される。また、第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁の第１ゲートおよび第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂の第２ドレインの電圧は、ドレイン電圧Ｖ₃で表される。尚、図６において、ＢＤ₁は、ｐチャネルの第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁のバックゲートボディーダイオードを表す。キャパシタ３に所定のキャパシタ電圧Ｖ₁が充電された状態で、第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁がオフ状態では、第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁のゲート・ソース間には逆バイアスが印加され、第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁のドレイン・ソース間およびバックゲートボディーダイオードＢＤ₁にも逆バイアスが印加される。

また、抵抗Ｒ₁・Ｒ₂は、所定のインピーダンス以上の抵抗値を有する。すなわち、抵抗Ｒ₁および抵抗Ｒ₂の値によって、所定のインピーダンス以上の抵抗値を有する。

スイッチ２においては、分圧されたゲート電圧Ｖ₂＝Ｒ₂・Ｖ₁／（Ｒ₁＋Ｒ₂）とｎチャネルの第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂の閾値電圧Ｖ_th2との大小関係によって、第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂のオンオフ状態を調整することができる。

第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０に適用可能なエネルギーハーベスタ装置１において、キャパシタ電圧Ｖ₁、ゲート電圧Ｖ₂の動作波形例は、図７（ａ）に示すように表され、ドレイン電圧Ｖ₃の動作波形例は、図７（ｂ）に示すように表され、負荷７への供給電流Ｉ₁の動作波形例は、図７（ｃ）に示すように表される。

また、図７のスイッチＳＷ部分の模式的回路構成は、図８に示すように表される。

第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０においては、ハイインピーダンス状態で、キャパシタ電圧Ｖ₁が起動できるので、効率よく後段を起動できる。

まず、時刻ｔ１までは、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂の閾値電圧Ｖ_th2以上の電圧をゲート電圧Ｖ₂は発生していない。このため、第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂はオフしている。

次に、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、時間ｔの経過と共にキャパシタ電圧Ｖ₁が上昇し、ゲート電圧Ｖ₂＝Ｒ₂・Ｖ₁／（Ｒ₁＋Ｒ₂）が、時刻ｔ１において、第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂の閾値電圧Ｖ_th2よりも高くなると、第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂がオン状態になる。この結果、ドレイン電圧Ｖ₃が接地電位になり、図８に示す回路上、第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁の第１ゲートのゲート電位は第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂のドレイン電圧Ｖ₃に等しくなるため、ｐチャネルの第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁はオン状態になる。この結果、キャパシタ３に充電されたエネルギーは、第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁を介して負荷７に供給される。ここで、図７（ｃ）に示すように、第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁を導通する負荷７への供給電流Ｉ₁は、オン状態においてオン電流Ｉ_ONで表される。

第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０に適用可能なエネルギーハーベスタ装置１において、キャパシタ電圧Ｖ₁、ゲート電圧Ｖ₂のオンオフ動作波形例は、図９（ａ）に示すように表され、ドレイン電圧Ｖ₃のオンオフ動作波形例は、図９（ｂ）に示すように表され、負荷７への供給電流Ｉ₁のオンオフ動作波形例は、図９（ｃ）に示すように表される。オン動作は、図７と同様であるため、説明を省略し、オフ動作について説明する。

図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、時間ｔの経過と共にキャパシタ３に充電されるキャパシタ電圧Ｖ₁の値が低下し、ゲート電圧Ｖ₂が第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂の閾値電圧Ｖ_th2よりも低くなると、第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂がオフ状態になり、ドレイン電圧Ｖ₃が閾値電圧Ｖ_th2よりも高いハイレベルの電位になり、ｐチャネルの第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁は、オフ状態になる。この結果、図９（ｃ）に示すように、第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁を導通する負荷７への供給電流Ｉ₁は遮断され、負荷７への電流供給は停止される。尚、時刻ｔ２以降のドレイン電圧Ｖ₃の波形は、キャパシタ電圧Ｖ₁の波形と等しくなるため、図９（ｂ）に示すように、０Ｖに収束する。時刻ｔ２において、第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁のゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが０Ｖとなり、第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁がオフするからである。

第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０において、ゲート電圧Ｖ₂の連続波形例は図１０（ａ）に示すように表され、キャパシタ３に蓄積されるエネルギーＥ₁の連続動作波形例は、図１０（ｂ）に示すように表され、負荷７への供給電流Ｉ₁の連続動作波形例は、図１０（ｃ）に示すように表され、負荷７への供給エネルギーＥ_Lの連続動作波形例は、図１０（ｄ）に示すように表される。

キャパシタ電圧Ｖ₁の連続動作に伴い、ゲート電圧Ｖ₂の連続波形が図１０（ａ）に示すように変化し、ゲート電圧Ｖ₂の値が第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂の閾値電圧Ｖ_th2よりも高くなると、第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂がオン状態になり、第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁もオン状態になり、負荷７への供給電流Ｉ₁は、オン電流Ｉ_ON若しくはオン電流Ｉ_ON以上の電流が導通する。この結果、負荷７への供給エネルギーＥ_Lは、図１０（ｄ）に示すような連続波形例で表される。

第１の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０によれば、キャパシタ３に十分に蓄電された後に、ハイインピーダンス状態で、負荷７にエネルギーを供給することができるので、エネルギーハーベスタ素子４により発電したエネルギーを効率よく負荷７に供給することができる。

第１の実施の形態によれば、エネルギーハーベスタ素子により発電したエネルギーを効率よく供給可能なエネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステムを提供することができる。

［第２の実施の形態］
（エネルギーハーベスタシステム）
第２の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステムの模式的回路構成は、図１１に示すように、複数のエネルギーハーベスタ素子４₁、４₂、…、４_nと、複数のエネルギーハーベスタ素子４₁、４₂、…、４_nに接続され、複数のエネルギーハーベスタ素子４₁、４₂、…、４_nにそれぞれ対応して設けられたエネルギーハーベスタ装置１₁₁、１₁₂、…、１_1nと、エネルギーハーベスタ装置１₁₁、１₁₂、…、１_1nに接続されたエネルギー供給先である負荷７（５₁、５₂、…、５_n、６）とを備える。

ここで、負荷７は、図１１に示すように、複数のエネルギーハーベスタ装置１₁₁、１₁₂、…、１_1nにそれぞれ接続された複数の電源５₁、５₂、…５_nと、複数の電源５₁、５₂、…、５_nに共通に接続され、電力を消費するシステム負荷６とを備える。

電源５は、システム負荷６への供給電圧を安定化させる機能を備える。電源５は、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＬＤＯ（Low Drop Out）等のような供給電圧安定化電源である。

システム負荷６は、携帯電話、スマートフォン、ＰＤＡ、光ディスク装置、デジタルカメラ、無線通信装置などモバイル機器や、自動車や、産業機器や、医療機器や、それらの機器の構成部品であり、エネルギーを消費する機器である。

また、複数のエネルギーハーベスタ装置１₁₁、１₁₂、…、１_1nは、それぞれキャパシタＣ₁と、キャパシタＣ₁に接続されたスイッチＳＷ１、ＳＷ２、…、ＳＷｎとを備える。複数のエネルギーハーベスタ素子４₁、４₂、…、４_nの発電状態によって、各キャパシタＣ₁には、キャパシタ電圧Ｖ₁₁、Ｖ₁₂、…、Ｖ_1nが発生しており、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、…、ＳＷｎの切替動作によって、エネルギー供給先である負荷７（５，６）に対して、複数のエネルギーハーベスタ素子４₁、４₂、…、４_nのいずれか１つ若しくは複数からエネルギー供給が行われる。

第２の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０によれば、複数のエネルギーハーベスタ素子４₁、…、４_i、…、４_nにそれぞれ対応して設けられた複数のエネルギーハーベスタ装置１₁₁、…、１_1i、…、１_1nの各キャパシタ３に十分に蓄電された後に、ハイインピーダンス状態で負荷７（５₁、５₂、…、５_n、６）にエネルギーを供給することができるので、複数のエネルギーハーベスタ素子４₁、…、４_i、…、４_nにより発電したエネルギーを効率よく負荷７に供給することができる。

第２の実施の形態によれば、複数のエネルギーハーベスタ素子により発電したエネルギーを効率よく供給可能なエネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステムを提供することができる。

[第３の実施の形態]
第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０の模式的回路構成は、図１２に示すように、複数のエネルギーハーベスタ素子４₁、…、４_i、…、４_nと、複数のエネルギーハーベスタ素子４₁、…、４_i、…、４_nにそれぞれ対応して設けられたエネルギーハーベスタ装置１₁₁、…、１_1i、…、１_1nと、エネルギーハーベスタ装置１₁₁、…、１_1i、…、１_1nに共通に接続されたエネルギー供給先である負荷７（５，６）とを備える。

ここで、負荷７は、図１２に示すように、複数のエネルギーハーベスタ装置１₁₁、…、１_1i、…、１_1nに共通に接続された電源５と、電源５に接続され、電力を消費するシステム負荷６とを備える。

第３の実施の形態においては、複数のエネルギーハーベスタ装置１₁₁、…、１_1i、…、１_1nに共通に接続された電源５を備えるため、複数の電源５₁、５₂、…５_n間に互いに干渉が生じる動作モードの発生を防止することができる。

電源５は、システム負荷への供給電圧を安定化させる機能を備える。電源５は、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＬＤＯ（Low Drop Out）等のような供給電圧安定化電源である。

システム負荷６は、携帯電話、スマートフォン、ＰＤＡ、光ディスク装置、デジタルカメラ、無線通信装置などモバイル機器や、自動車や、産業機器や、医療機器や、それらの機器の構成部品であり、エネルギーを消費する機器である。

第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０に適用可能なエネルギーハーベスタ装置１_iの模式的回路構成は、図１３に示すように表される。

第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０に適用可能なエネルギーハーベスタ装置１_iにおいて、スイッチＳＷiは、図１３に示すように、図６に示されたスイッチ２の構成に加えて、第１ソースとキャパシタＣ₁間に配置され、第３ドレインがキャパシタＣ₁に接続され、第３ソースが第１ソースに接続され、第３ゲートが第１ゲートに接続されるｐチャネルの第３ＭＯＳＦＥＴＱ₃をさらに備える。

図６に示されたスイッチ２の構成では、ｐチャネルの第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁の第１ゲート・第１ソース間の電圧がショートされた状態となると、ｐチャネルの第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁が、オン状態となるので、電流が逆流する可能性があるが、図１３に示されたスイッチＳＷiの構成では、ｐチャネルの第３ＭＯＳＦＥＴＱ₃をさらに備えるため、電流の逆流を防止することができる。

図１３に示されたスイッチＳＷiの構成では、スイッチＳＷiがオンしている場合、ドレイン電圧Ｖ₃はゼロ電位にあるが、ｐチャネルの第３ＭＯＳＦＥＴＱ₃のバックゲートボディーダイオードＢＤ₃の効果によって、電流の逆流を防止することができる。

尚、図１３に示されたスイッチＳＷiの構成では、スイッチＳＷiがオフしている場合、ドレイン電圧Ｖ₃は、ゲート電圧Ｖ_1iと同電位となる。

第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０の詳細回路構成は、図１４に示すように表される。

また、第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０において、複数のエネルギーハーベスタ素子４₁、…、４_i、…、４_nのうち、いずれのエネルギーハーベスタ素子からエネルギーが供給されたかを判定する機能を説明するための模式的回路ブロック構成は、図１５に示すように表される。また、第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０において、複数のエネルギーハーベスタ素子４₁、…、４_i、…、４_nのうち、いずれのエネルギーハーベスタ素子からエネルギーが供給されたかを判定する動作を説明するための模式的ブロック構成は、図１６に示すように表される。

検出器４１において、ドレイン電圧Ｖ₃₁、…、Ｖ_3i、…、Ｖ_3nを検出し、特定のドレイン電圧Ｖ_3kを選択して、判定部４２において特定のドレイン電圧Ｖ_3kの値が、第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂の閾値電圧Ｖ_th2に到達しているか否かを判定する。ドレイン電圧Ｖ_3kの値が、第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂の閾値電圧Ｖ_th2に到達している場合には、例えば、ドレイン電圧Ｖ_3kに対応する識別情報データＩＤ_k＝１、ドレイン電圧Ｖ_3kの値が、閾値電圧Ｖ_th2に到達していない場合には、ドレイン電圧Ｖ_3kに対応する識別情報データＩＤ_k＝０と判定することができる。

第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０は、図１５および図１６に示すように、複数のエネルギーハーベスタ装置１₁₁、…、１_1i、…、１_1nの第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂の第２ドレインに接続され、ドレイン電圧Ｖ₃₁、…、Ｖ_3i、…、Ｖ_3nを検出する検出器４１と、検出器４１により検出されたドレイン電圧Ｖ₃₁、…、Ｖ_3i、…、Ｖ_3nに基づいて、複数のエネルギーハーベスタ素子４₁、…、４_i、…、４_nのうち、いずれのエネルギーハーベスタ素子からエネルギーが供給されたかを判定する判定部４２とを備えていても良い。

第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０に適用可能なエネルギーハーベスタ装置１_iにおいて、オフ状態からオン状態に移行する動作時におけるキャパシタ電圧Ｖ_1i、ゲート電圧Ｖ_2iの動作波形例は、図１７（ａ）に示すように表され、ドレイン電圧Ｖ_3iの動作波形例は、図１７（ｂ）に示すように表され、負荷７への供給電流Ｉ_1iの動作波形例は、図１７（ｃ）に示すように表される。図１７（ａ）、図１７（ｂ）および図１７（ｃ）は、複数のエネルギーハーベスタ装置１₁₁、…、１_1i、…、１_1nの中の特定のエネルギーハーベスタ装置１_iにおける動作を説明する図であり、図７（ａ）、図７（ｂ）および図７（ｃ）と実質的に同様の動作をするため、重複説明は省略する。

第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０に適用可能なエネルギーハーベスタ装置１_iにおいて、オン状態からオフ状態に移行する動作時におけるドレイン電圧Ｖ_3iの動作波形例は、図１８（ａ）に示すように表され、負荷７への供給電流Ｉ_1iの動作波形例は、図１８（ｂ）に示すように表される。図１８（ａ）および図１８（ｂ）は、複数のエネルギーハーベスタ装置１₁₁、…、１_1i、…、１_1nの中の特定のエネルギーハーベスタ装置１_iにおける動作を説明する図である。

図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示すように、時間ｔの経過と共にキャパシタ３に充電されるキャパシタ電圧Ｖ_1iの値が低下し、電圧Ｖ₂が第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂の閾値電圧Ｖ_th2よりも低くなると、第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂がオフ状態になり、ドレイン電圧Ｖ_3iが閾値電圧Ｖ_th2よりも高いハイレベルの電位Ｖ_3ipになり、ｐチャネルの第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁は、オフ状態になる。この結果、図１８（ｂ）に示すように、第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁を導通する負荷７への供給電流Ｉ₁は遮断され、負荷７への電流供給は停止される。

並列にエネルギーハーベスタ素子４₁、…、４_i、…、４_nが設けられ、これらのエネルギーハーベスタ素子４₁、…、４_i、…、４_nのうち、いずれか１つが発電する場合、どのエネルギーハーベスタ素子４₁、…、４_i、…、４_nからシステム負荷６にエネルギーが供給されたかを識別する必要がある。

そこで、第３の実施の形態では、どのエネルギーハーベスタ素子４₁、…、４_i、…、４_nからシステム負荷６にエネルギーが供給されたかを識別する識別データＩＤ₁、…、ＩＤ_i、…、ＩＤ_nを、検出器４１により検出されたドレイン電圧Ｖ₃₁、…、Ｖ_3i、…、Ｖ_3nに基づいて取得することができる。

すなわち、例えば、検出器４１により検出されたドレイン電圧Ｖ_3iが、図１７（ｂ）に示すように、第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂の閾値電圧Ｖ_th2に到達している場合には、ＩＤ_i＝１、閾値電圧Ｖ_th2に到達していない場合には、ＩＤ_i＝０と判定することができる。このようにして、どのエネルギーハーベスタ素子４₁、…、４_i、…、４_nにおいて発電したかを識別することができる。

第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０において、キャパシタ電圧Ｖ_1iの連続動作波形例は、図１９（ａ）に示すように表され、キャパシタＣ₁に蓄積されるエネルギーＥ_1iの連続動作波形例は、図１９（ｂ）に示すように表され、負荷７への供給電流Ｉ_1iの連続動作波形例は、図１９（ｃ）に示すように表され、ドレイン電圧Ｖ_3iの連続動作波形例は、図１９（ｄ）に示すように表される。尚、図示は省略されているが、負荷７への供給エネルギーＥ_Lの連続動作波形例も、図１０（ｃ）に対応する図１０（ｄ）と同様に、図１９（ｃ）に対応して表すことができる。

キャパシタ電圧Ｖ_1iの連続波形が図１９（ａ）に示すように変化し、キャパシタＣ₁に蓄積されるエネルギーＥ_1iの連続動作波形も図１９（ｂ）に示すように変化する。ゲート電圧Ｖ₂の値が第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂の閾値電圧Ｖ_th2よりも高くなると、第２ＭＯＳＦＥＴＱ₂がオン状態になり、第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁もオン状態になり、負荷７への供給電流Ｉ_1iは、図１９（ｃ）に示すように、オン電流Ｉ_ON若しくはＩ_ON以上の電流が導通する。この結果、負荷７への供給エネルギーＥ_Lは、図示を省略するが、図１９（ｃ）に対応して、図１０（ｄ）と同様な連続波形例で表すことができる。更に、ドレイン電圧Ｖ_3iの連続動作波形例は、図１９（ｄ）に示すように、オフ状態からオン状態への移行では、第１ＭＯＳＦＥＴＱ₁の閾値電圧Ｖ_th2をピーク値とする過渡応答波形で表され、オン状態からオフ状態への移行では、図１３に示されたスイッチＳＷiの回路系で決まるドレイン電圧Ｖ_3ipをピーク値とする過渡応答波形で表される。

第３の実施の形態に係るエネルギーハーベスタシステム１０によれば、複数のエネルギーハーベスタ素子４₁、…、４_i、…、４_nにそれぞれ対応して設けられた複数のエネルギーハーベスタ装置１₁₁、…、１_1i、…、１_1nの各キャパシタ３に十分に蓄電された後に、ハイインピーダンス状態で負荷７にエネルギーを供給することができるので、複数のエネルギーハーベスタ素子４₁、…、４_i、…、４_nにより発電したエネルギーを効率よく負荷７に供給することができる。しかも、複数のエネルギーハーベスタ素子４₁、…、４_i、…、４_nの内、特定のエネルギーハーベスタ素子４_iの発電状態を識別データＩＤ₁、…、ＩＤ_i、…、ＩＤ_nの判定結果に基づいて識別可能である。

第３の実施の形態によれば、複数のエネルギーハーベスタ素子により発電したエネルギーを効率よく供給可能なエネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステムを提供することができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明のエネルギーハーベスタシステムは、振動発電素子などのエネルギーハーベスタ素子により発電したエネルギーを効率よく供給するシステムに適用され、モバイル機器、車載機器、産業機器、医療機器などの幅広い分野に適用可能である。

１、１₁₁、…、１_1i、…、１_1n…エネルギーハーベスタ装置
２、ＳＷ１、…、ＳＷi、…、ＳＷｎ…スイッチ
３、３₁、３₂、…、３_i、…、３_n…キャパシタ（Ｃ₁）
４、４₁、４₂、…、４_i、…、４_n…エネルギーハーベスタ素子
５、５₁、５₂、…、５_i、…、５_n…電源
６…システム負荷
７…負荷
１０ａ、１０…エネルギーハーベスタシステム
４１…検出器
４２…判定部
Ｖ₁、Ｖ₁₁、…、Ｖ_1i、…、Ｖ_1n…キャパシタ電圧
Ｑ₁、Ｑ₃…ｐＭＯＳＦＥＴ
Ｑ₂…ｎＭＯＳＦＥＴ
Ｖ₂…ゲート電圧
Ｖ₃…ドレイン電圧
Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃…抵抗
ＩＤ１、…、ＩＤi、…、ＩＤｎ…識別情報データ
ＢＤ₁、ＢＤ₃…バックゲートボディーダイオード
Ｒ_L1、Ｒ_L2、Ｒ_1、Ｒ₂、Ｒ₃…負荷抵抗
Ｖ_th2、Ｖ_th2i…ｎＭＯＳＦＥＴＱ₂の閾値電圧
Ｅ、Ｅ₁、…、Ｅ_i…、Ｅ_n…発電エネルギー
Ｅ_L…負荷への供給エネルギー
Ｉ₁、…、Ｉ_1i、…、Ｉ_1n…負荷への供給電流

Claims (13)

1. エネルギーハーベスタ素子により発電されたエネルギーを蓄電するキャパシタと、
   前記キャパシタに接続され、前記キャパシタに充電されたキャパシタ電圧に基づいて、前記キャパシタから負荷へのエネルギー供給を切り替えるスイッチと
   を備えることを特徴とするエネルギーハーベスタ装置。
2. 前記スイッチは、前記キャパシタに並列接続される抵抗を備えることを特徴とする請求項１記載のエネルギーハーベスタ装置。
3. 前記抵抗は、所定のインピーダンス以上の抵抗値を有することを特徴とする請求項２記載のエネルギーハーベスタ装置。
4. 前記スイッチは、
   第１ソースが前記キャパシタに接続され、第１ドレインが前記負荷に接続されるｐチャネルの第１ＭＯＳＦＥＴと、
   前記キャパシタに並列接続され、前記キャパシタ電圧を分圧する第１抵抗および第２抵抗と、
   前記第１ＭＯＳＦＥＴの第１ゲートに、第２ドレインが接続され、第２ゲートが前記キャパシタ電圧の分圧に接続され、第２ソースが接地電位になされたｎチャネルの第２ＭＯＳＦＥＴと、
   前記第１ＭＯＳＦＥＴの第１ゲートと第１ソース間に接続された第３抵抗と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のエネルギーハーベスタ装置。
5. 前記スイッチは、
   前記第１ソースと前記キャパシタ間に配置され、第３ドレインが前記キャパシタに接続され、第３ソースが前記第１ソースに接続され、第３ゲートが前記第１ゲートに接続されるｐチャネルの第３ＭＯＳＦＥＴをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載のエネルギーハーベスタ装置。
6. エネルギーハーベスタ素子と、
   前記エネルギーハーベスタ素子に接続され、請求項１〜５のいずれか１項に記載のエネルギーハーベスタ装置と、
   前記エネルギーハーベスタ装置に接続されたエネルギー供給先である負荷と
   を備えることを特徴とするエネルギーハーベスタシステム。
7. 前記負荷は、
   電源と、
   前記電源に接続され、電力を消費するシステム負荷と
   を備えることを特徴とする請求項６に記載のエネルギーハーベスタシステム。
8. 前記電源は、前記システム負荷への供給電圧を安定化させることを特徴とする請求項７に記載のエネルギーハーベスタシステム。
9. 複数のエネルギーハーベスタ素子と、
   前記複数のエネルギーハーベスタ素子にそれぞれ対応して設けられた請求項５に記載のエネルギーハーベスタ装置と、
   前記エネルギーハーベスタ装置に接続されたエネルギー供給先である負荷と
   を備えることを特徴とするエネルギーハーベスタシステム。
10. 前記負荷は、
    前記複数のエネルギーハーベスタ装置にそれぞれ接続された複数の電源と、
    前記複数の電源に共通に接続され、電力を消費するシステム負荷と
    を備えることを特徴とする請求項９に記載のエネルギーハーベスタシステム。
11. 前記負荷は、
    前記複数のエネルギーハーベスタ装置に共通に接続された電源と、
    前記電源に接続され、電力を消費するシステム負荷と
    を備えることを特徴とする請求項９に記載のエネルギーハーベスタシステム。
12. 前記複数のエネルギーハーベスタ装置の前記第２ＭＯＳＦＥＴの前記第２ドレインに接続され、前記第２ドレインの電圧を検出する検出器と、
    前記検出器により検出された前記第２ドレインの電圧に基づいて、前記複数のエネルギーハーベスタ素子のうち、いずれのエネルギーハーベスタ素子からエネルギーが供給されたかを判定する判定部と
    を備えることを特徴とする請求項９に記載のエネルギーハーベスタシステム。
13. 前記システム負荷は、携帯電話、スマートフォン、ＰＤＡ、光ディスク装置、デジタルカメラ、無線通信装置のうちいずれかであるモバイル機器、自動車、産業機器、医療機器、それらの機器の構成部品であることを特徴とする請求項６〜１２のいずれか１項に記載のエネルギーハーベスタシステム。

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