JP2015186047A - 無線装置及びそれを用いた無線システム - Google Patents

Abstract

【課題】低消費電力化を図ることが可能であり、且つ、通信信頼性の向上を図ることが可能な無線装置及びそれを用いた無線システムを提供する。
【解決手段】無線装置２１は、発電装置１と、蓄電部３と、電圧比較部１１と、無線送信部１２と、制御部１３と、を備える。制御部１３は、動作モードとして、スリープモードと、送信モードと、連送送信モードと、を有する。電圧比較部１１により蓄電部３の両端電圧が第１所定電圧Ｖ１未満と判定されたとき、制御部１３は、無線送信部１２からの無線送信動作を行わせず、動作モードをスリープモードとする。電圧比較部１１により蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第１所定電圧Ｖ１以上第２所定電圧Ｖ２未満と判定されたとき、制御部１３は、動作モードを送信モードとする。電圧比較部１１により蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第２所定電圧Ｖ２以上と判定されたとき、制御部１３は、動作モードを連送送信モードとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線装置及びそれを用いた無線システムに関し、より詳細には、運動エネルギを電気エネルギに変換する発電装置を備えた無線装置及びそれを用いた無線システムに関する。

近年、運動エネルギを電気エネルギに変換する発電装置は、環境発電等の分野で注目されている。

この種の発電装置の応用例としては、発電装置と、発電装置で発生する交流電圧を整流して蓄電する蓄電部と、蓄電部から電力供給を受けて駆動されるデバイスと、を備える発電モジュールが提案されている（特許文献１）。発電装置は、流体を受けて自励振動するカンチレバー部及びカンチレバー部に設けられた圧電変換部を備える。デバイスは、圧電変換部の振動情報を検知する検知部と、検知部で検知された振動情報を含む無線信号の送信を行う無線送信部と、を備える。

また、特許文献１には、発電モジュールと、空調機と、を備え、空調機が、無線送信部からの無線信号を受信する無線受信部を備える、空調管理システムが記載されている。

上述の発電モジュールや空調管理システムでは、発電モジュールの設置環境に起因するノイズの影響で通信信頼性が低下してしまう懸念がある。

国際公開ＷＯ２０１４／０１３６３８

本発明の目的は、低消費電力化を図ることが可能であり、且つ、通信信頼性の向上を図ることが可能な無線装置及びそれを用いた無線システムを提供することにある。

本発明の無線装置は、発電装置と、蓄電部と、電圧比較部と、無線送信部と、制御部と、を備える。前記発電装置は、運動エネルギを電気エネルギに変換するように構成されている。前記蓄電部は、前記発電装置で発生した電気エネルギを蓄電するように構成されている。前記電圧比較部は、前記蓄電部の両端電圧と、第１所定電圧、前記第１所定電圧よりも大きい第２所定電圧それぞれと、を比較するように構成されている。前記制御部は、動作モードとして、スリープモードと、前記無線送信部から無線信号を１回のみ無線送信させる送信モードと、前記無線送信部から同一の無線信号を規定回数だけ連続して無線送信させる連送送信モードと、を有する。前記電圧比較部により前記蓄電部の両端電圧が前記第１所定電圧未満と判定されたとき、前記制御部は、前記無線送信部からの無線送信動作を行わせず、前記動作モードを前記スリープモードとする。前記電圧比較部により前記蓄電部の両端電圧が前記第１所定電圧以上前記第２所定電圧未満と判定されたとき、前記制御部は、前記動作モードを前記送信モードとする。前記電圧比較部により前記蓄電部の両端電圧が前記第２所定電圧以上と判定されたとき、前記制御部は、前記動作モードを前記連送送信モードとする。

本発明の無線システムは、前記無線装置と、前記無線装置からの無線信号を受信可能な受信機と、を備える。前記無線装置は、無線受信部を更に備える。前記無線装置は、前記連送送信モードのとき、前記受信機からのＡＣＫを前記無線受信部で受信した場合、同一の無線信号を規定回数だけ無線送信させていなくても無線送信させる動作を停止して前記スリープモードに移行する。

この無線システムにおいては、前記受信機は、ＡＣＫに前記受信機の送信動作期間と前記無線装置の前記無線受信部の受信動作期間とを同期させるためのタイミング補正信号を含めて送信するように構成され、前記無線装置は、前記無線送信部から無線信号を送信してから前記無線受信部を動作させるまでの時間を計時するタイマと、前記無線受信部が受信したタイミング補正信号に基づいて前記タイマの値を補正する補正部と、を備えるのが好ましい。

この無線システムにおいて、前記無線装置を複数備え、各前記無線装置は、乱数を発生する乱数発生部を備え、前記制御部は、前記無線受信部の受信動作期間と前記無線送信部の送信動作期間との間隔を、所定時間と可変時間との和とするように構成され、前記可変時間を、前記乱数発生部で発生した値に応じて設定するのが好ましい。

この無線システムにおいて、前記受信機は、前記無線装置が無線送信を開始する直前に休止状態から受信待ち状態に移行するように構成されているのが好ましい。

本発明の無線装置は、前記電圧比較部により前記蓄電部の両端電圧が前記第１所定電圧未満と判定されたとき、前記制御部が、前記無線送信部からの無線送信動作を行わせず、前記動作モードを前記スリープモードとする。また、本発明の無線装置は、前記電圧比較部により前記蓄電部の両端電圧が前記第１所定電圧以上前記第２所定電圧未満と判定されたとき、前記制御部が、前記動作モードを前記送信モードとする。また、本発明の無線装置は、前記電圧比較部により前記蓄電部の両端電圧が前記第２所定電圧以上と判定されたとき、前記制御部が、前記動作モードを前記連送送信モードとする。よって、本発明の無線装置は、低消費電力化を図ることが可能となり、且つ、通信信頼性の向上を図ることが可能となる。

本発明の無線システムは、前記無線装置と、前記無線装置からの無線信号を受信可能な受信機と、を備える。前記無線装置は、無線受信部を更に備える。前記無線装置は、前記連送送信モードのとき、前記受信機からのＡＣＫを前記無線受信部で受信した場合、同一の無線信号を規定回数だけ無線送信させていなくても無線送信させる動作を停止して前記スリープモードに移行する。よって、本発明の無線システムは、低消費電力化を図ることが可能となり、且つ、通信信頼性の向上を図ることが可能となる。

図１は、実施形態１の無線装置を示す概略ブロック図である。 図２Ａは、実施形態の無線装置における発電装置の概略平面図である。図２Ｂは、図２ＡのＸ−Ｘ概略断面図である。図２Ｃは、図２Ａの要部概略断面図である。 図３は、実施形態１の無線装置の動作説明図である。 図４は、実施形態１の無線装置の動作説明図である。 図５は、実施形態１の無線装置の動作を説明するためのフローチャートである。 図６は、実施形態１の無線装置を備えた空調管理システムの概略ブロック図である。 図７は、実施形態２の無線システムを示す概略ブロック図である。 図８は、実施形態２の無線システムの動作説明図である。 図９は、実施形態２の無線システムにおける無線装置の動作を説明するためのフローチャートである。 図１０は、実施形態２の無線システムの第１変形例を示す無線システムの概略ブロック図である。 図１１は、実施形態２の無線システムの第１変形例を示す無線システムの動作説明図である。 図１２は、実施形態２の無線システムの第１変形例を示す無線システムの動作説明図である。 図１３は、実施形態２の無線システムの第２変形例を示す無線システムの概略ブロック図である。 図１４は、実施形態２の無線システムの第２変形例を示す無線システムの動作説明図である。 図１５は、実施形態２の無線システムの第３変形例を示す無線システムの概略ブロック図である。 図１６は、実施形態２の無線システムの第３変形例を示す無線システムの動作説明図である。 図１７は、実施形態３の無線システムの概略ブロック図である。 図１８は、実施形態３の無線システムの動作説明図である。 図１９は、実施形態３の無線システムの動作説明図である。

（実施形態１）
以下では、本実施形態の無線装置２１について、図１〜５に基づいて説明する。

無線装置２１は、発電装置１と、蓄電部３と、電圧比較部１１と、無線送信部１２と、制御部１３と、を備える。発電装置１は、運動エネルギを電気エネルギに変換するように構成されている。蓄電部３は、発電装置１で発生した電気エネルギを蓄電するように構成されている。電圧比較部１１は、蓄電部３の両端電圧Ｖ０と、第１所定電圧Ｖ１、第１所定電圧Ｖ１よりも大きい第２所定電圧Ｖ２それぞれと、を比較するように構成されている。制御部１３は、動作モードとして、スリープモードと、無線送信部１２から無線信号を１回のみ無線送信させる送信モードと、無線送信部１２から同一の無線信号を複数回連続して無線送信させる連送送信モードと、を有する。電圧比較部１１により蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第１所定電圧Ｖ１未満と判定されたとき、制御部１３は、無線送信部１２からの無線送信動作を行わせず、動作モードをスリープモードとする。また、電圧比較部１１により蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第１所定電圧Ｖ１以上第２所定電圧Ｖ２未満と判定されたとき、制御部１３は、動作モードを送信モードとする。また、電圧比較部１１により蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第２所定電圧Ｖ２以上と判定されたとき、制御部１３は、動作モードを連送送信モードとする。よって、無線装置２１は、低消費電力化を図ることが可能となり、且つ、通信信頼性の向上を図ることが可能となる。

無線装置２１の各構成要素については、以下に、より詳細に説明する。

発電装置１は、圧電効果により運動エネルギを電気エネルギに変換する圧電型振動発電装置である。発電装置１は、ＭＥＭＳの製造技術を利用して形成されている。

発電装置１は、図２に示すように、支持部１１１と、振動部１１２と、圧電変換部１１３と、を備える。振動部１１２は、第１端１１２ａと、第２端１１２ｂと、を備える。振動部１１２は、第１端１１２ａが支持部１１１に固定された固定端であり、第２端１１２ｂが自由端である。

支持部１１１の形状は、矩形枠状としてある。振動部１１２は、平面視において、支持部１１１の内側に配置されている。これにより、発電装置１は、振動部１１２の外側面と支持部１１１の内側面との間に、隙間１１５が形成されている。

振動部１１２は、第１端１１２ａが、振動部１１２の長さ方向の一端により構成され、第２端１１２ｂが、振動部１１２の長さ方向の他端により構成されている。

振動部１１２は、支持部１１１に揺動自在に支持されている。振動部１１２は、第１端１１２ａ側の部分が支持部１１１よりも薄く形成されていることにより、支持部１１１に揺動自在に支持されている。振動部１１２は、第２端１１２ｂ側に、第１端１１２ａ側の部分に比べて厚い錘部１１４を備えているのが好ましい。

発電装置１は、振動部１１２が錘部１１４を備えることにより、錘部１１４を備えていない場合に比べて、振動部１１２の振動時の慣性力を大きくでき、振動部１１２の振幅を大きくすることが可能となる。また、発電装置１は、振動部１１２が錘部１１４を備えることにより、振動部１１２の振動時に振動部１１２における錘部１１４と支持部１１１との間の部分及び圧電変換部１１３に集中的にひずみを発生させることが可能となる。よって、発電装置１は、錘部１１４を備えることにより、圧電変換効率の向上を図ることが可能となる。

振動部１１２は、先端面１１２ｃの法線（図示せず）が支持部１１１に交差しないように反っている。

圧電変換部１１３は、振動部１１２の表面１２１の一部に重ねて設けられている。圧電変換部１１３は、振動部１１２の振動により電気エネルギを発生する。圧電変換部１１３の発生する電気エネルギは、交流電圧である。要するに、圧電変換部１１３は、振動部１１２の振動に応じて交流電圧を発生する。

圧電変換部１１３は、振動部１１２側から順に、第１電極１１３ａ、圧電体層１１３ｂ及び第２電極１１３ｃを備えている。要するに、圧電変換部１１３は、圧電体層１１３ｂと、圧電体層１１３ｂを厚み方向の両側から挟んで互いに対向する第１電極１１３ａ及び第２電極１１３ｃと、を備える。圧電体層１１３ｂの圧電材料としては、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）を採用している。

発電装置１は、振動部１１２の振動によって圧電変換部１１３の圧電体層１１３ｂが応力を受け、第２電極１１３ｃと第１電極１１３ａとに電荷の偏りが発生し、圧電変換部１１３において交流電圧が発生する。

発電装置１は、第１電極１１３ａに第１配線１１７ａを介して電気的に接続された第１パッド電極１１６ａと、第２電極１１３ｃに第２配線１１７ｃを介して電気的に接続された第２パッド電極１１１６ｃと、が、支持部１１１に設けられている。

支持部１１１及び振動部１１２は、１枚の基板１１０から形成されている。基板１１０は、シリコン基板１１０ａ上のシリコン酸化膜からなる絶縁層１１０ｂ上にシリコン層１１０ｃが形成されたＳＯＩ基板である。

発電装置１は、基板１１０の第１面１０１側に圧電変換部１１３が形成されており、基板１１０と圧電変換部１１３との間に、基板１１０と圧電変換部１１３とを電気的に絶縁する第１絶縁膜１１８ａを備える。発電装置１は、振動部１１２の表面１２１が、第１絶縁膜１１８ａの表面の一部により構成される。第１絶縁膜１１８ａは、シリコン酸化膜により構成される。このシリコン酸化膜は、熱酸化法により形成されている。発電装置１は、第１絶縁膜１１８ａの圧縮応力によって振動部１１２が反っている。発電装置１の製造方法では、第１絶縁膜１１８ａを熱酸化法により形成する工程において、酸化温度等のプロセス条件を適宜設定することによって第１絶縁膜１１８ａの内部応力を制御することができる。発電装置１は、基板１１０の第２面１０２上に第２絶縁膜１１８ｂを備える。第２絶縁膜１１８ｂは、シリコン酸化膜により構成される。このシリコン酸化膜は、熱酸化法により形成されている。

発電装置１は、第１絶縁膜１１８ａと第１電極１１３ａとの間に緩衝層を設けた構造でもよい。緩衝層は、第１電極１１３ａ上の圧電体層１１３ｂの結晶性を向上させるために設ける層である。圧電体層１１３ｂの圧電材料がＰＺＴの場合、緩衝層の材料は、例えば、ＳｒＲｕＯ₃、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃、ＭｇＯ、ＬａＮｉＯ₃等を採用することが好ましい。また、緩衝層は、例えば、Ｐｔ膜とＳｒＲｕＯ₃膜との積層膜により構成してもよい。

発電装置１は、振動部１１２に外部振動や流体等が作用していない初期状態において、振動部１１２の先端面１１２ｃの法線が支持部１１１に交差しないように、振動部１１２が反っている。これにより、発電装置１は、流体励起振動が可能である。「流体励起振動」とは、流体が隙間１１５を通過することによって発生する振動部１１２の振動を意味する。この流体励起振動は、自励振動である。流体としては、例えば、空気、ガス、空気とガスとの混合気体、液体等が挙げられる。流体が気体の場合、発電装置１を設置する流れ場としては、例えば、空調機の給気ダクトの内部や、空調機の排気ダクトの内部等が挙げられる。発電装置１の共振周波数は、振動部１１２の構造パラメータ及び材料等により決まる。

発電装置１は、圧電変換部１１３で発生する交流電圧のピーク値の絶対値が、流体の流速が速くなるにしたがって増加する傾向にある。

また、発電装置１は、振動部１１２が錘部１１４を備えることにより、振動部１１２の共振周波数を小さくすることが可能となり、振動部１１２が振動し始める流体の流速の低速化を図ることが可能となる。

発電装置１の動作の推定メカニズムについては、隙間１１５を流体が通過するときに振動部１１２に作用する力と、振動部１１２のばね性による復元力と、に起因して自励振動が起こる、と推定される。発電装置１は、流体の流れる方向と基板１１０の厚さ方向とが一致し、振動部１１２の表面１２１側が流体の上流側、振動部１１２の裏面１２２側が流体の下流側となるように配置して使用するのが好ましい。発電装置１では、上流側から発電装置１に向って流れる流体が隙間１１５を通過する際に流速が速くなるので、振動部１１２の裏面１２２側の圧力が下がり、振動部１１２が変位する。また、発電装置１では、上流側から発電装置１に向って流れる流体の力によって、振動部１１２が変位する。そして、発電装置１では、流体から受ける力よりも振動部１１２の復元力が大きくなると、振動部１１２が元の位置に戻る向きへ変位する、と推考される。発電装置１では、このような動作が繰り返されることで振動部１１２が自励振動し、圧電変換部１１３が電気エネルギを発生する、と推考される。

蓄電部３は、発電装置１で発生した電気エネルギを蓄電する。無線装置２１は、発電装置１で発生する電気エネルギが交流電圧なので、発電装置１で発生する交流電圧を整流する整流回路２を備え、整流回路２の出力端間に、蓄電部３が接続されている。整流回路２は、ダイオードブリッジからなる全波整流回路により構成されている。蓄電部３は、コンデンサにより構成されている。

整流回路２は、全波整流回路に限らず、例えば、両波倍電圧整流回路により構成してもよい。両波倍電圧整流回路は、２個のダイオードの直列回路と２個のコンデンサの直列回路とが並列接続された構成を採用することができる。要するに、両波倍電圧整流回路は、２個のダイオードと２個のコンデンサとがブリッジ接続されている構成を採用することができる。この場合、蓄電部３は、両波倍電圧整流回路の２個のコンデンサの直列回路により構成することができる。

また、無線装置２１は、蓄電部３に蓄電された電気エネルギを、電圧比較部１１と無線送信部１２と制御部１３とを含む無線送信モジュール１０へ供給する給電回路４を備える。無線送信モジュール１０は、センサ部１４を更に備える。電圧比較部１１、無線送信部１２、制御部１３及びセンサ部１４は、蓄電部３を電源として動作する。これにより、無線装置２１は、設置場所の自由度が高くなり、汎用性を高めることが可能となる。

センサ部１４は、環境情報を検知するセンサ素子により構成される。環境情報は、温度である。環境情報は、温度に限らず、例えば、湿度、温湿度、流速、流量、振動加速度、ガス濃度等でもよい。

無線送信部１２は、送信用のアンテナと、送信用のアンテナを介して無線信号を送信させる送信回路と、を備える。

制御部１３は、センサ部１４で検知した環境情報を含む無線信号が無線送信部１２から送信されるように無線送信部１２を制御する。制御部１３は、例えば、適宜のプログラムを搭載したマイクロコンピュータ等により構成することができる。

無線送信部１２の無線通信規格としては、例えば、EnOcean（登録商標）、Zigbee（登録商標）、Bluetooth（登録商標）、特定小電力無線、微弱無線、Wi-Fi（登録商標）、UWB等を採用することができる。

電圧比較部１１は、蓄電部３の両端電圧Ｖ０と第１所定電圧Ｖ１とを比較する第１コンパレータ１１ａと、蓄電部３の両端電圧Ｖ０と第２所定電圧Ｖ２とを比較する第２コンパレータ１１ｂと、を備える。これにより、電圧比較部１１は、蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第１所定電圧Ｖ１未満の場合と、蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第１所定電圧Ｖ１以上第２所定電圧Ｖ２未満の場合と、蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第２所定電圧Ｖ２以上の場合と、で出力が異なる。言い換えれば、電圧比較部１１は、蓄電部３の両端電圧Ｖ０が、第１所定電圧Ｖ１未満であるか、第１所定電圧Ｖ１以上第２所定電圧Ｖ２未満であるか、蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第２所定電圧Ｖ２以上であるか、を判定することができる。

第１所定電圧Ｖ１は、無線送信部１２から無線信号を図３に示すように１回だけ無線送信するのに必要な電圧以上の値に設定してある。

第２所定電圧Ｖ２は、無線送信部１２から同一の無線信号を図４に示すように複数回連続して無線送信するのに必要な電圧以上の値に設定してある。図４では、規定回数を２回としてあるが、規定回数は、複数回であればよく、３回以上でもよい。

制御部１３は、第１コンパレータ１１ａの出力信号と第２コンパレータ１１ｂの出力信号とが入力される。

制御部１３は、電圧比較部１１により蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第１所定電圧Ｖ１未満と判定されたとき、動作モードがスリープモードとなる。これにより、無線装置２１は、通信信頼性の低下を抑制することが可能となり、また、蓄電部３に蓄電された電気エネルギが不要に消費されるのを抑制することが可能となる。

また、制御部１３は、電圧比較部１１により蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第１所定電圧Ｖ１以上第２所定電圧Ｖ２未満と判定されたとき、動作モードが送信モードとなる。これにより、制御部１３は、無線送信部１２から無線信号を１回だけ送信させる。よって、無線装置２１は、通信信頼性を高めることが可能となる。

また、制御部１３は、電圧比較部１１により蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第２所定電圧Ｖ２以上と判定されたとき、動作モードが連送送信モードとなる。これにより、制御部１３は、無線送信部１２から同一の無線信号を規定回数だけ連送する。よって、無線装置２１は、通信信頼性を更に高めることが可能となる。

無線装置２１の動作については、図５に示す模式的なフローチャートに基づいて説明する。

無線装置２１は、発電装置１で電気エネルギが発生すると（Ｓ１）、蓄電部３に電気エネルギが蓄電される（Ｓ２）。そして、無線装置２１は、電圧比較部１１で蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第１所定電圧Ｖ１未満であると判定された場合（Ｓ３の「Ｎｏ」）、制御部１３が動作モードをスリープモードとして、Ｓ２へ戻る。

無線装置２１は、電圧比較部１１で蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第１所定電圧Ｖ１以上と判定され（Ｓ３の「Ｙｅｓ」）、電圧比較部１１で蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第２所定電圧Ｖ２未満であると判定された場合（Ｓ４の「Ｎｏ」）、制御部１３が送信モードとなる。そして、無線装置２１は、無線送信部１２から１回だけ無線信号を無線送信させ（Ｓ５）、制御部１３がスリープモードに移行してから、Ｓ２に戻る。

また、無線装置２１は、電圧比較部１１で蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第２所定電圧Ｖ２以上と判定された場合（Ｓ４の「Ｙｅｓ」）、制御部１３が連送送信モードとなる。そして、無線装置２１は、無線送信部１２から連送で無線信号を無線送信させ（Ｓ６）、制御部１３がスリープモードに移行してから、Ｓ２へ戻る。

無線装置２１は、例えば、図６に示すような、空調管理システム４０に利用することができる。

空調管理システム４０は、例えば、無線装置２１と、空調機７０と、を備えた構成とすることができる。無線装置２１は、空調機７０の給気用のダクト（図示せず）もしくは排気用のダクト（図示せず）の内部に配置することができる。

空調機７０は、例えば、ファン７４と、ファン７４を回転させるモータ７３と、運転スイッチ７５と、モータ７３を制御することでファン７４の運転状態を制御する制御部７２と、を備える。また、空調機７０は、リモートコントローラ（図示せず）からのリモコン信号等に基づいて流量や流速の目標値を設定する設定部７６を備える。空調機７０は、運転スイッチ７５をオンさせることにより、制御部７２がモータ７３を駆動してファン７４を回転させる。制御部７２は、設定部７６により設定された流量もしくは流速の目標値となるようにモータ７３の回転速度をフィードバック制御する。これにより、空調管理システム４０は、省エネルギ化を図ることが可能となる。空調機７０の制御部７２は、例えば、適宜のプログラムを搭載したマイクロコンピュータ等からなる制御回路、モータを駆動する駆動回路等を備えた構成とすることができる。

空調機７０は、無線送信部１２からの無線信号を受信する無線受信部７１を備え、制御部７２が、無線受信部７１で受信した無線信号に基づいて流体の流量もしくは流速が目標値となるようにファン７４の運転状態を制御するように構成されている。これにより、空調管理システム４０は、低消費電力化を図ることが可能となり、且つ、通信信頼性の向上を図ることが可能となる。

空調管理システム４０では、空調機７０の無線受信部７１が無線装置２１の無線送信部１２からの無線信号を受信する受信機を構成している。ここで、無線装置２１と、受信機と、で無線システムを構成している。

無線装置２１と、無線装置２１の無線送信部１２からの無線信号を受信する受信機と、を備える無線システムは、低消費電力化を図ることが可能であり、且つ、通信信頼性の向上を図ることが可能である。

（実施形態２）
以下では、本実施形態の無線システム４２について、図７〜９に基づいて説明する。

無線システム４２は、無線装置２２と、無線装置２２からの無線信号を受信可能な受信機３１と、を備える。無線装置２２は、実施形態１の無線装置２１と基本構成が略同じであり、無線受信部１５を更に備えている点が相違する。また、無線装置２１は、連送送信モードのとき、受信機３２からのＡＣＫ（Acknowledgement）を無線受信部１５で受信した場合、同一の無線信号を規定回数だけ無線送信させていなくても無線送信させる動作を停止してスリープモードに移行する点が相違する。よって、無線システム４２は、無線装置２１の蓄電部３の電気エネルギが不必要に消費されるのを抑制することが可能となり、低消費電力化を図ることが可能となる。なお、無線システム４２では、無線装置２２が、無線信号を送信する送信機を構成する。ＡＣＫとは、受信機３２が、無線装置２１からの無線信号を受信したときに、その無線信号の送信元に、その無線信号を受信したことを知らせる信号である。

受信機３２は、無線装置２２からの無線信号を受信可能な受信部１３１と、ＡＣＫを送信可能な送信部１３２と、受信部１３１が無線信号を受信したときに送信部１３２からＡＣＫを送信させるように送信部１３２を制御する制御部１３３と、を備える。

受信部１３１は、受信用のアンテナと、受信用のアンテナを介して無線信号を受信する受信回路と、で構成されている。送信部１３２は、送信用のアンテナと、送信用のアンテナを介して無線信号を送信させる送信回路と、で構成されている。制御部１３３は、例えば、適宜のプログラムを搭載したマイクロコンピュータ等により構成することができる。

制御部１３は、連送送信モードのとき、図８に示すように、無線送信部１２の送信動作期間後に無線受信部１５の受信動作期間を設ける。より詳細には、制御部１３は、送信動作期間に、無線送信部１２を制御して無線送信部１２から無線信号を送信させる。また、制御部１３は、受信動作期間に、無線受信部１５がＡＣＫを受信できるように無線受信部１５を受信待ちの状態に制御する。

無線装置２２の動作については、図９に示す模式的なフローチャートに基づいて説明する。

無線装置２２は、発電装置１で電気エネルギが発生すると（Ｓ１１）、蓄電部３に電気エネルギが蓄電される（Ｓ１２）。そして、無線装置２２は、電圧比較部１１で蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第１所定電圧Ｖ１未満であると判定された場合（Ｓ１３の「Ｎｏ」）、制御部１３が動作モードをスリープモードとして、Ｓ１２へ戻る。

無線装置２２は、電圧比較部１１で蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第１所定電圧Ｖ１以上と判定され（Ｓ１３の「Ｙｅｓ」）、電圧比較部１１で蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第２所定電圧Ｖ２未満と判定された場合（Ｓ１４の「Ｎｏ」）、制御部１３が送信モードとなる。そして、無線装置２２は、無線送信部１２から１回だけ無線信号を無線送信させ（Ｓ１５）、制御部１３がスリープモードに移行してから、Ｓ１２に戻る。

無線装置２２は、電圧比較部１１で蓄電部３の両端電圧Ｖ０が第２所定電圧Ｖ２以上と判定された場合（Ｓ１４の「Ｙｅｓ」）、制御部１３が連送送信モードとなる。そして、無線装置２２は、制御部１３において連送送信モードでの無線信号の送信回数をカウントするためのカウンタ（図示せず）のカウント値ｉを１とする（Ｓ１６）。その後、無線装置２２は、制御部１３が無線送信部１２から無線信号を１回だけ無線送信させ（Ｓ１７）、無線受信部１５を受信待ちの状態に制御する（Ｓ１８）。そして、無線装置２２は、無線受信部１５でＡＣＫが受信されなかった場合（Ｓ１９の「Ｎｏ」）、制御部１３がカウンタのカウント値ｉをインクリメントし（Ｓ２０）、カウント値ｉが規定回数以下であるか否を判断する（Ｓ２１）。ここで、無線装置２２は、カウント値ｉが規定回数以下の場合（Ｓ２１の「Ｙｅｓ」）、Ｓ１７へ戻る。また、無線装置２２は、カウント値ｉが所定の連送回数を超えた場合（Ｓ２１の「Ｎｏ」）、Ｓ１２へ戻る。

図１０は、無線システム４２の第１変形例の無線システム４３を示す。なお、第１変形例の無線システム４３は、無線システム４２と略同じ構成なので、無線システム４２と同様の構成要素について、同一の符号を付して説明を適宜省略する。

受信機３３は、ＡＣＫに受信機３２の送信動作期間と無線装置２３の無線受信部１５の受信動作期間とを同期させるためのタイミング補正信号を含めて送信するように構成されている。無線装置２３は、無線送信部１２から無線信号を送信してから無線受信部１５を動作させるまでの時間を計時するタイマ１６と、無線受信部１５が受信したタイミング補正信号に基づいてタイマ１６の値を補正する補正部１７と、を備える。これにより、無線システム４３は、無線装置２３及び受信機３３とは別に無線装置２３と受信機３３とを同期させるための構成を設けることなく、図１１に示すように、無線装置２２と受信機３３とを同期させることが可能となる。無線システム４３では、無線装置２３が、無線信号を送信する送信機を構成する。また、無線システム４３では、受信機３３の受信部１３１が、常時、無線信号を受信できるように構成されている。よって、無線システム４３は、図１２に示すように、無線装置２３から環境情報を含む無線信号が受信機３３へ送信され、受信機３３が無線信号を受信すると、受信機３３がＡＣＫを無線装置２３へ送信する。

補正部１７は、タイミング補正信号に基づいてタイマ１６のカウントを０にリセットさせる。補正部１７は、これに限らず、タイミング補正信号に基づいて無線装置２３と受信機３３との動作タイミングの時間のずれを演算し、時間のずれの分だけタイマ１６の値を補正するように構成してもよい。補正部１７は、例えば、制御部１３のマイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより構成できる。

図１３は、無線システム４２の第２変形例の無線システム４４を示す。なお、第２変形例の無線システム４４は、第１変形例の無線システム４３と略同じ構成なので、無線システム４３と同様の構成要素について、同一の符号を付して説明を適宜省略する。

無線システム４４は、無線装置２４を複数備える。各無線装置２４は、乱数を発生する乱数発生部１８を備える。制御部１３は、無線受信部１５の受信動作期間と無線送信部１２の送信動作期間との間隔Ｔ１を、所定時間Ｔ２と可変時間Ｔ３との和とするように構成され、可変時間Ｔ３を、乱数発生部１８で発生した値に応じて設定する。これにより、無線システム４４は、複数の無線装置２４を備えた構成としながらも、通信信頼性を向上させることが可能となる。

所定時間Ｔ２は、予め設定された一定時間である。所定時間Ｔ２は、一例として、５ｓに設定してある。

乱数発生部１８は、例えば、０〜２００のうちの１つの数値をランダムに発生する。この場合、可変時間Ｔ３は、０ｍｓ〜２００ｍｓの範囲でランダムに設定される。制御部１３は、乱数発生部１８で発生した数値と可変時間Ｔ３とを１対１で関連付ける。制御部１３は、乱数発生部１８で発生した数値が０であれば、可変時間Ｔ３を０ｍｓとし、乱数発生部１８で発生した数値が１００であれば、可変時間Ｔ３を１００ｍｓとし、乱数発生部１８で発生した数値が２００であれば、可変時間Ｔ３を２００ｍｓと設定する。乱数を発生する方法としては、例えば、２乗中心法、合同法、シフト・レジスタ法等がある。乱数発生部１８は、例えば、制御部１３のマイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより構成できる。乱数発生部１８は、ゲートＩＣにより構成することもできる。

図１４は、無線システム４４の動作説明図であり、より詳細には無線装置２４における送信動作期間と受信動作期間との関係を示すタイムチャートである。図１４における左側の間隔Ｔ１は、Ｔ３＝０ｍｓの場合である。また、図１４における右側の間隔Ｔ１は、Ｔ３＝１００ｍｓの場合である。

無線システム４４は、複数の無線装置２４それぞれに個別のアドレスが設定されているのが好ましい。この場合、無線装置２４は、自身の無線送信部１２から無線送信させる無線信号に、自身のアドレス情報を含めるのが好ましい。また、受信機３４は、受信した無線信号に含まれるアドレス情報が設定された無線装置２４へＡＣＫを送信できるように、このＡＣＫに、受信した無線信号に含まれるアドレス情報を含めるのが好ましい。

図１５は、無線システム４２の第３変形例の無線システム４５を示す。なお、第３変形例の無線システム４５は、無線システム４２と略同じ構成なので、無線システム４２と同様の構成要素について、同一の符号を付して説明を適宜省略する。

受信機３５は、図１６に示すように、無線装置２５が無線送信を開始する直前に休止状態から受信待ち状態に移行するように構成されている。これにより、無線システム４５は、受信機３５の低消費電力化を図ることが可能となり、無線システム４５全体の低消費電力化を図ることが可能となる。「無線装置２５が無線送信を開始する直前」とは、例えば、無線装置２５が無線送信を開始する１ｓ前とすることできる。なお、図１６において一点鎖線で囲んだ部分は、受信機３５から無線装置２５へＡＣＫが返ってこない場合の動作例を示している。

受信機３５は、受信部１３１の起動、停止を制御する起動制御部１３４を備えおり、制御部１３３により起動制御部１３４が制御される。受信機３５は、タイマ１３５を備えており、制御部１３３が、タイマ１３５のカウント値に基づいて起動制御部１３４を制御する。受信部１３１は、起動制御部１３４により起動されることにより、無線信号を受信できる受信待ちの状態となる。受信部１３１は、起動制御部１３４により停止されることにより、無線信号を受信できない状態となるが、受信部１３１の消費電流を低減でき、低消費電力化を図れる。また、受信機３５は、制御部１３３が、起動制御部１３４からの制御情報に基づいて送信部１３２を制御する。起動制御部１３４の制御情報とは、起動制御部１３４が受信部１３１を起動させたことを示す情報や、起動制御部１３４が受信部１３１を停止させたことを示す情報である。

（実施形態３）
以下では、本実施形態の無線システム４６について、図１７に基づいて説明する。なお、無線システム４６は、実施形態２の無線システム４２と略同じ構成なので、無線システム４２と同様の構成要素について、同一の符号を付して説明を適宜省略する。

本実施形態の無線システム４６は、無線装置２６を送信機だけでなく中継器として用いることができるように、無線装置２６を構成してある。また、本実施形態の無線システム４６は、受信機３６を中継器としても用いることができるように構成してある。

無線装置２６は、無線受信部１５で受信された無線信号が受信機３６からのＡＣＫであるか他の無線装置２６や中継器からの無線信号であるかを判定する情報判定部１９を備える。無線装置２６は、制御部１３が情報判定部１９の判定結果に基づいて、無線送信部１２の制御内容を変化させるように構成されている。制御部１３は、情報判定部１９により無線信号がＡＣＫであると判定された場合、動作モードが連送送信モードからスリープモードに移行する。また、制御部１３は、情報判定部１９により他の無線装置２６や中継器からの無線信号であると判定された場合、当該他の無線装置２６からの無線信号と同じ内容の無線信号を無線送信する。

受信機３６は、受信部１３１で受信された無線信号がＡＣＫであるか無線装置２６や中継器からの無線信号であるかを判定する情報判定部１３６を備える。受信機３６は、制御部１３３が情報判定部１３６の判定結果に基づいて、送信部１３２の制御内容を変化させるように構成されている。制御部１３３は、受信部１３１で受信された無線信号がＡＣＫであると判定された場合、当該ＡＣＫと同じ内容のＡＣＫを無線送信する。また、制御部１３３は、受信部１３１で受信された無線信号が無線装置２６や中継器からの無線信号である場合、この無線信号を受け取ったことを示すＡＣＫを無線送信する。

無線システム４６は、無線装置２６と受信機３６との少なくとも一方を複数備えている。これにより、無線システム４６は、無線装置２６のセンサ部１４で検知した環境情報を、この無線装置２６の無線信号の到達範囲よりも遠方にある受信機３６へ伝達することが可能となる。無線システム４６は、図１８に示すような構成としたり、図１９に示すような構成とすることが可能となる。図１８中、図１９中それぞれに示した、両端に矢印のついた線は、双方向に無線通信が可能なことを模式的に示している。また、図１９では、２つの中継器３６のうち一方の中継器３６からの無線信号が受信機３６へ直接届かないことを模式的に示している。なお、無線装置２６は、発電装置１と整流回路２と蓄電部３とで構成される自立型電源を備えた構成であるが、受信機３６は、例えば商用電源を電源として利用するように構成してある。

上述の実施形態等において説明した各図は、模式的な図であり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。

以上、本願発明の構成を、実施形態等に基づいて説明したが、本願発明は、実施形態の構成に限らず、例えば、実施形態等の部分的な構成を、適宜組み合わせてある構成であってもよい。また、実施形態に記載した材料、数値等は、好ましい例を示しているだけであり、それに限定する主旨ではない。更に、本願発明は、その技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、構成に適宜変更を加えることが可能である。

例えば、発電装置１は、流体励起振動により発電する構成に限らず、この発電装置１の共振周波数と一致する環境振動（外部振動）を利用して発電させる構成としてもよい。環境振動としては、例えば、稼働中のＦＡ（factory automation）機器で発生する振動、車両の走行によって発生する振動、人の歩行によって発生する振動等、種々の振動がある。

また、発電装置１は、圧電型振動発電装置に限らず、例えば、電磁誘導作用により運動エネルギを電気エネルギに変換する電磁誘導型振動発電装置でもよい。電磁誘導型振動発電装置は、電気エネルギとして交流電流を発生する。

１ 発電装置
３ 蓄電部
１１ 電圧比較部
１２ 無線送信部
１３ 制御部
１５ 無線受信部
１６ タイマ
１７ 補正部
１８ 乱数発生部
２１、２２、２３、２４、２５、２６ 無線装置
３１、３２、３３、３４、３５、３６ 受信機
４２、４３、４４、４５、４６ 無線システム

Claims (5)

1. 発電装置と、蓄電部と、電圧比較部と、無線送信部と、制御部と、を備え、
   前記発電装置は、運動エネルギを電気エネルギに変換するように構成され、
   前記蓄電部は、前記発電装置で発生した電気エネルギを蓄電するように構成され、
   前記電圧比較部は、前記蓄電部の両端電圧と、第１所定電圧、前記第１所定電圧よりも大きい第２所定電圧それぞれと、を比較するように構成され、
   前記制御部は、動作モードとして、スリープモードと、前記無線送信部から無線信号を１回のみ無線送信させる送信モードと、前記無線送信部から同一の無線信号を規定回数だけ連続して無線送信させる連送送信モードと、を有し、
   前記電圧比較部により前記蓄電部の両端電圧が前記第１所定電圧未満と判定されたとき、前記制御部は、前記無線送信部からの無線送信動作を行わせず、前記動作モードを前記スリープモードとし、
   前記電圧比較部により前記蓄電部の両端電圧が前記第１所定電圧以上前記第２所定電圧未満と判定されたとき、前記制御部は、前記動作モードを前記送信モードとし、
   前記電圧比較部により前記蓄電部の両端電圧が前記第２所定電圧以上と判定されたとき、前記制御部は、前記動作モードを前記連送送信モードとする、
   ことを特徴とする無線装置。
2. 請求項１記載の無線装置と、前記無線装置からの無線信号を受信可能な受信機と、を備え、
   前記無線装置は、無線受信部を更に備え、前記連送送信モードのとき、前記受信機からのＡＣＫを前記無線受信部で受信した場合、同一の無線信号を規定回数だけ無線送信させていなくても無線送信させる動作を停止して前記スリープモードに移行する、
   ことを特徴とする無線システム。
3. 前記受信機は、ＡＣＫに前記受信機の送信動作期間と前記無線装置の前記無線受信部の受信動作期間とを同期させるためのタイミング補正信号を含めて送信するように構成され、
   前記無線装置は、前記無線送信部から無線信号を送信してから前記無線受信部を動作させるまでの時間を計時するタイマと、前記無線受信部が受信したタイミング補正信号に基づいて前記タイマの値を補正する補正部と、を備える、
   ことを特徴とする請求項２記載の無線システム。
4. 前記無線装置を複数備え、
   各前記無線装置は、乱数を発生する乱数発生部を備え、前記制御部は、前記無線受信部の受信動作期間と前記無線送信部の送信動作期間との間隔を、所定時間と可変時間との和とするように構成され、前記可変時間を、前記乱数発生部で発生した値に応じて設定する、
   ことを特徴とする請求項３記載の無線システム。
5. 前記受信機は、前記無線装置が無線送信を開始する直前に休止状態から受信待ち状態に移行するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項４記載の無線システム。

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