JP2015226463A - 電池にエネルギー供給する非常に低い電圧のジェネレーターを有する電子デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】誘導性の電圧ブースターを伴う電気エネルギージェネレーターによって供給される低い電圧を測定する回路において、単純で、低コストであり、低い電圧の十分に正確な測定を可能にする。
【解決手段】電子デバイス１２は、電池６と、電気エネルギージェネレーター４と、及びジェネレーターと電池の間に誘導性の昇圧コンバーター１６とを有する。このデバイスは、さらに、ジェネレーターによって供給される電圧を測定する回路を有し、ジェネレーターは、電池と並列に配置されており、電圧測定回路１９に接続された測定用端子を有する測定用キャパシターＣ２と、インダクターの出力端子と測定用端子の間に位置するダイオードＤ２と、測定用端子と接地端子の間に配置されるスイッチ２２とによって形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電池と、及び電圧ブースターを定めるＤＣ／ＤＣ変圧機によって電池を充電するように構成する非常に低い電圧のジェネレーターとを有する電子デバイスの分野に関する。具体的には、このジェネレーターは、その環境から熱エネルギーを捕捉する熱電ジェネレーターである。この電子デバイスは、例えば、ユーザーの手首に着用される腕時計である。

誘導性の昇圧コンバーターによって携行可能電子デバイスの電池を充電するために、数ミリボルトのオーダーの低い電圧の電気エネルギーを提供することができる熱電ジェネレーター（ＴＥＧ）が知られている。図１に、このようなデバイスの電気図を部分的に示す。

電子デバイス２は、熱電ジェネレーター４を有し、これは、電圧源Ｖ_TEG、内部電圧Ｒ_TEG、電池６及_BATび電圧ブースター８によって表される。この電圧ブースターは、入力における緩衝キャパシターＣ０と、インダクターＬと、及びインダクターの出力端子Ｖ_LXと電池の正極端子Ｖ_BATの間に配置される集積回路１０とで形成される。なお、この緩衝キャパシターとインダクターはディスクリート素子である。この集積回路は、１つのダイオードＤ１、又は端子Ｖ_LXと電池の正極端子の間で並列に配置された複数のダイオードＤ１、Ｄ２と、平滑キャパシターＣ１と、及びＭＯＳトランジスタで形成されるスイッチＴＭとを有する。このスイッチは、その作動を制御するために制御ユニット（図示せず）から制御信号Ｓ１を受ける。ジェネレーター４が十分なエネルギーを供給する場合、電池は、スイッチＴＭをその閉位置（トランジスターは伝導性である）とその開位置（トランジスターは非伝導性である）の間で周期的に切り替えることによって充電される。

小さな温度差がある状態で環境からの熱エネルギーを捕捉する熱電ジェネレーターにおいては、供給される電圧は、この温度差に応じて変わる。これによって、電池の充電システム出力がゼロになる最小値よりも下に電圧が落ちる場合がある。したがって、この最小値よりも下では、電池の放電を避けるために、電圧ブースターを非活性化しなければならない。これをするためには、電圧ブースター入力における電圧を周期的に測定することが必要である。このことは、正常動作時における熱電ジェネレーターによって供給される電圧Ｖ_inが数ミリボルト（ｍＶ）のオーダーであるように非常に低い場合、及び最小値が、例えば，約１ｍＶである場合に、技術的な課題を発生させる。この状況は、例えば、１度当たり５ｍＶ〜１０ｍＶ（５〜１０ｍＶ／Ｋ）の電圧を供給する従来の熱電ジェネレーターが組み込まれた、ユーザーの手首に着用される腕時計を使用する場合に発生する。腕時計がユーザーの手首に着用される場合、使用可能な温度差は１Ｋのオーダーである。しかし、腕時計がユーザーの手首から取り除かれ、箱などに格納される場合、供給される電圧は、ゼロになり、エネルギーを使用するエネルギー収集システムを非活性化することが必要であり、これによって、電池を放電させる。

このような小さな電圧又はこれにまつわる小さな電流を測定する際の困難さによって、技術的課題が発生する。実際に、このような小さな電圧を測定するための従来技術の電子回路は、複雑で脆弱であり、したがって、実装することが高コストで困難である。

本発明は、単純で、低コストであり、さらに、少なくとも有用な電圧範囲内において低い電圧の十分に正確な測定を可能にするような、誘導性の電圧ブースターを伴う電気エネルギージェネレーターによって供給される低い電圧を測定する回路を提案することによって、前記課題の解決策を提供することを目的とする。

このために、本発明は、前記の種類の電子デバイスであって、電気エネルギージェネレーターの電圧を測定する回路を有し、この回路は、
接地端子とインダクターの出力端子の間で電池と並列に配置されており、電池のキャパシターよりも容量が小さく、電圧測定回路に接続された測定用端子を有する測定用キャパシターと、
インダクターの出力端子と測定用キャパシターの測定用端子の間に位置するダイオードと、及び
測定用端子と接地端子の間に配置され、測定用キャパシターを放電させるスイッチとを有するものに関する。

制御ユニットは、測定用端子における電圧を測定するモードを周期的に活性化するように構成しており、制御ユニットは、第１の時間間隔の間放電用スイッチを閉じて、測定用キャパシターを空にし、第２の時間間隔の間昇圧用スイッチを閉じて、インダクターに測定用電流を流す。第１の時間間隔は、第２の時間間隔の終わりの前又は同時に終わり、これによって、インダクターに蓄積されるエネルギーは、第２の時間間隔の後に測定用キャパシターへと部分的に転送され、このエネルギー転送の終わりに、測定用端子において、ジェネレーター電圧を表す電圧が、この電圧が電池の電圧未満であるかぎり、発生しており、測定用キャパシターは、測定電圧がジェネレーター電圧よりも高く電池の充電を可能にするジェネレーターの最小ジェネレーター電圧における電池電圧よりも低くなるように選択される。

具体的には、このジェネレーターは、熱電ジェネレーターであり、電子デバイスは、ユーザーの手首に着用される携行可能な物であり、この熱電ジェネレーターは、ユーザーの体によって生産されるエネルギーを捕捉する。

下の本発明の詳細な説明において、本発明の他の特定の特徴を説明する。

例（これに制限されない）に基づいて、添付図面を参照しながら本発明を下で説明する。

既に上で説明しており、低い電圧を供給する熱電ジェネレーターに支援されて電池を充電するための従来技術の電子デバイスの電気図である。 本発明の電子デバイスの一実施形態の電気図である。

図２に示す電子デバイス１２は、電池６と、電気エネルギージェネレーター４と、及びジェネレーターと電池の間に誘導性の昇圧コンバーター１６とを有する。このジェネレーター４は、昇圧コンバーター１６の入力において、電池６によってもたらされる電圧Ｖ_BATよりも低い電圧Ｖ_inを供給することができる。

昇圧コンバーター１６は、
− 入力端子がジェネレーター４に接続されるインダクターＬと、
− インダクターの出力端子Ｖ_LXと電池６のエネルギー供給端子の間に配置される少なくとも第１のダイオードＤ１と、
− インダクターの出力端子Ｖ_LXと接地端子の間に配置される第１のスイッチＴＭと、及び
− 第１のスイッチＴＭに制御信号Ｓ１を供給することによって第１のスイッチＴＭを制御する制御ユニット２０とを有する。

また、本発明によれば、電子デバイス１２は、さらに、ジェネレーター４によって供給される電圧Ｖ_inを測定する回路を有する。この測定回路は、
− 接地端子とインダクターの出力端子Ｖ_LXの間で電池６と並列に配置され、電池キャパシターよりも容量が小さく、当該測定用端子における電圧を測定する回路１９に接続される測定用端子を有するような測定用キャパシターＣ２と、
− インダクターの出力端子Ｖ_LXと、測定用キャパシターＣ２の測定用端子との間に位置する第２のダイオードＤ２と、及び
− 前記測定用端子と接地端子の間に配置され、制御信号Ｓ２を供給する制御ユニット２０によって制御される第２のスイッチ２２とによって形成されている。

測定回路１９及び制御ユニット２０は、両方で、ジェネレーター４による電池６の充電を管理する回路１８を形成する。ここで説明している実施形態において、ジェネレーターは、熱電ジェネレーターである。管理回路１８は、キャパシターＣ２の測定用端子における電圧Ｖ_Mを測定するモードを周期的に活性化させるように構成し、これにおいて、制御ユニット２０は、第１の時間間隔の間第２のスイッチ２２を閉じて、キャパシターＣ２を空にし、また、第２の時間間隔の間第１のスイッチＴＭを閉じて、インダクターにて測定用電流を流す。第１の時間間隔は、第２の時間間隔の終わりの前又は同時に終わる。これによって、インダクターに蓄積されるエネルギーは、第２の時間間隔の後に、測定用キャパシターＣ２へと部分的に転送され、このようにして、キャパシターＣ２の測定用端子において、このエネルギー転送の終わりに、電圧Ｖ_inを表す電圧Ｖ_Mを発生させる。ただし、この電圧Ｖ_Mは、電池電圧Ｖ_BATよりも低い。測定用キャパシターは、電圧Ｖ_Mが電圧Ｖ_inよりも高く、電池の充電が可能になるジェネレーター４の最小電圧に少なくともある電池電圧よりも低くなるように選択される。

主要な変種では、ジェネレーター４によって供給される電圧Ｖ_inは、非常に低く、１００ｍＶ未満である。例えば、携行可能デバイスにおいて熱電ジェネレーターによって供給される電圧は、約５ｍＶである。電池は、例えば１．５Ｖである１Ｖ（ボルト）のオーダーの電圧を供給するように構成する。

電流Ｉ_Lが流れるインダクターＬで蓄積されるエネルギーは、Ｅ_L＝（１／２）Ｌ・Ｉ_L ²に等しい。

このエネルギーは、エネルギー散逸によって半分の損失で、測定用キャパシターＣ２（このキャパシターの値はＣと等しい）に転送される。キャパシターＣ２に格納されたエネルギー及びインダクターＬとこのキャパシターＣ２の間の転送時に散逸するエネルギーは、Ｅ_C＝Ｃ（Ｖ_in）²に等しい。

好ましい変種において、図２に示すように、電子デバイス１２は、インダクターの入力端子と接地端子の間に配置された緩衝キャパシターＣ０を有する。Ｖ_inを測定するモードにおいて、制御ユニット２０は、第２の時間間隔に先行する第３の時間間隔Ｔ_initの間第１のスイッチＴＭを開状態に保持する。この第３の時間間隔Ｔ_initは、インダクターの入力端子における電圧Ｖ_inがジェネレーター４の内部電圧Ｖ_TEGの９０％以上である値を有するように、継続時間が十分に長い。Ｃ０が当初は空であるようなネガティブな場合においては、少なくとも９０％のＣ０の帯電が、Ｔ_INIT＝３・Ｒ_TEG・Ｃ０で得られる。

好ましい変種において、緩衝キャパシターＣ０は、第１のスイッチが閉じていてインダクターに電流が流れるような第２の時間間隔全体にわたって、インダクターの入力端子において、ほぼ定電圧を維持する。この電流は、熱電ジェネレーターによって生成される電圧Ｖ_TEGに線形的に依存する。具体的には、第２の時間間隔Ｔ_TM及び緩衝キャパシターＣ０は、インダクターの入力端子における電圧Ｖ_inが第２の時間間隔の間１０％を超えて減少しないように減少するように選択される。例えば、Ｖ_TEG＝１ｍＶ、Ｃ０＝１０μＦ、Ｌ＝１００μＨ、Ｔ_TM＝１００μｓである。

前記の好ましい変種の条件によって、第２の時間間隔Ｔ_TM全体にわたってＶ_in＝Ｖ_TEGであるような理想的な場合に対応する数学的な関係によって測定用キャパシターＣ２の電圧の値Ｖ_Mを近似することが可能になる。この理想的な場合に、インダクターＬを流れる電流Ｉ_Lは、次の式によって与えられる。
Ｉ_L＝（Ｖ_TEG×Ｔ_TM）／Ｌ

上記２つの式において、エネルギーＥ_LをエネルギーＥ_Cと等しくすることによって、以下の式によって与えられるＶ_Mに対する理論的な値が得られる。

上記のようにＶ_TEG＝１ｍＶ、Ｌ＝１００μＨ、Ｔ_TM＝１００μｓ、そして、Ｃ＝１００ｐＦであるような例示的実施形態において、Ｖ_Mとして７００ｍＶ（０．７Ｖ）に実質的に等しい値が得られる。なお、電池電圧が、例えば１．５Ｖである場合、一旦電圧Ｖ_TEGが２ｍＶを実質的に超過すれば、電圧Ｖ_TEGを正確に測定することは可能ではなくなる。したがって、本発明に係る測定回路は用途が限られ、測定回路用途に特化している。例を挙げると、電池を充電するためにジェネレーターが十分な最小電圧を生成しているかどうか、すなわち、エネルギー収支が正であるかを判断することに特化している。したがって、正常動作時において、ジェネレーターは、より高い電圧を供給することができる。例えば、５〜１０ｍＶの範囲の電圧である。この範囲内では、測定回路は、ジェネレーターの電圧を測定することを可能にするのではない。一方、ジェネレーターがこの範囲内で動作している場合に、測定回路は、この電圧が特定の値（ここでは２ｍＶ）よりも高いかどうかを検出することができる。Ｖ_TEGの最小電圧がここでは例えば１ｍＶである場合、対応する測定電圧は、１Ｖ未満で０．５Ｖよりも上の値を維持する。このような電圧を単純で低コストな回路を使用して測定することは、測定回路１９にとって簡単である。特に、非常に正確である必要がないからである。好ましくは、インダクター、測定用キャパシター及び第２の時間間隔Ｔ_TMの継続時間は、測定電圧Ｖ_Mがジェネレーターによって供給される電圧よりも少なくとも１００倍高くなるように選択される。

特定の変種によると、第２のダイオードＤ２のしきい電圧は、ジェネレーターによって供給される電圧Ｖ_TEGよりも高い。例えば、このしきい電圧は２００ｍＶである。この特徴によって、この電圧の測定の間に、Ｖ_TEGと実質的に等しい初期電圧でキャパシターＣ０がキャパシターＣ２を帯電させることを防ぐことが可能になる。しかし、Ｖ_TEGが低い値であること、及びＣ２の帯電が緩衝キャパシターＣ０の帯電に事実上影響を与えないことを考えると、このような初期電圧が測定に対して事実上崩壊をもたらさないであろうことに留意すべきである。

特定の変種によれば、測定用端子とバッテリ電源端子の間に、第３のスイッチ２４が配置されている。この第３のスイッチ２４も、制御信号Ｓ３を送ってくる制御ユニット２０によって制御される。制御ユニット２０は、電池充電モードにおいて第３のスイッチ２４を閉じ、測定モードにおいて第３のスイッチ２４を開くように構成する。この変種の第１の利点は、ダイオードＤ２が電池充電回路の有用な要素を形成するということからもたらされる。すなわち、このダイオードＤ２は、ジェネレーター電圧測定回路に特有の付加的なダイオードではなく、第１のダイオードＤ１を通る経路と並列な電池充電経路を形成するような充電モードにおいて第１の機能を有し、測定用キャパシターを当初放電することができ、次に、インダクターから測定用キャパシターまで転送されるエネルギーを保存することができるような測定モードにおいて第２の機能を有する。また、第３のスイッチは、閉じると（すなわち、伝導性になると）、電池の充電のための平滑キャパシターとしてキャパシターＣ２を使用することができる。このように、図２に示すように、平滑キャパシターＣ１は、いくつかの実施形態において随意的要素である。

４ ジェネレーター
６ 電池
１６ 昇圧コンバーター
１９ 電圧測定回路
２０ 制御ユニット
２２ 第２のスイッチ
２４ 第３のスイッチ
Ｃ０ 緩衝キャパシター
Ｃ２ 測定用キャパシター
Ｄ１ 第１のダイオード
Ｄ２ 第２のダイオード
Ｌ インダクター
ＴＭ 第１のスイッチ

Claims (7)

1. 電池（６）と、電気エネルギージェネレーター（４）と、及び前記ジェネレーターと前記電池の間の誘導性の昇圧コンバーター（１６）とを有する電子デバイスであって、
   前記ジェネレーターは、前記電池によって供給される第２の電圧（Ｖ_BAT）よりも低い第１の電圧（Ｖ_in）を供給することができ、
   前記コンバーターは、
   入力端子が前記ジェネレーターに接続されたインダクター（Ｌ）と、
   前記インダクターの出力端子とバッテリの電源端子の間に配置される少なくとも第１のダイオード（Ｄ１）と、
   前記インダクターの出力端子と接地端子の間に配置される第１のスイッチ（ＴＭ）と、及び
   前記第１のスイッチを制御するように構成する制御ユニット（２０）とを有し、
   前記電子デバイスは、さらに、前記第１の電圧を測定する回路を有し、この回路は、
   接地端子と前記インダクターの出力端子の間で前記電池と並列に配置されており、前記電池のキャパシターよりも容量が小さく、前記電圧測定回路（１９）に接続された測定用端子を有する測定用キャパシター（Ｃ２）と、
   前記インダクターの出力端子と前記測定用キャパシターの測定用端子の間に位置する第２のダイオード（Ｄ２）と、及び
   前記測定用端子と接地端子の間に配置され、前記制御ユニットによって制御される第２のスイッチ（２２）とを有し、
   前記制御ユニットは、前記測定用端子における電圧（Ｖ_M）を測定するモードを周期的に活性化するように構成しており、
   前記制御ユニットは、第１の時間間隔の間第２のスイッチを閉じて、前記測定用キャパシターを空にし、第２の時間間隔の間第１のスイッチを閉じて、前記インダクターに測定用電流を流し、
   前記第１の時間間隔は、前記第２の時間間隔の終わりの前又は同時に終わり、これによって、前記インダクターに蓄積されるエネルギーは、前記第２の時間間隔の後に前記測定用キャパシターへと部分的に転送され、
   このエネルギー転送の終わりに、前記測定用端子において、前記第１の電圧を表す電圧が、この電圧が前記電池の電圧未満であるかぎり、発生しており、
   前記測定用キャパシターは、前記測定電圧が前記第１の電圧よりも高く前記電池の充電を可能にする前記ジェネレーターの最小電圧における電池電圧よりも低くなるように選択される
   ことを特徴とする電子デバイス。
2. 当該電子デバイスは、前記インダクターの入力端子と接地端子の間に配置された緩衝キャパシター（Ｃ０）を有し、
   前記制御ユニットは、前記測定するモードにおいて、前記第２の時間間隔に先行する第３の時間間隔の間前記第１のスイッチ（ＴＭ）を開状態に維持し、
   前記第３の時間間隔の継続時間は、前記インダクターの入力端子における電圧が前記ジェネレーターの前記第１の電圧の９０％以上の値を有するように、十分に長い
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
3. 前記第２の時間間隔の継続時間及び緩衝キャパシターは、前記入力端子における電圧が前記第２の時間間隔の間に１０％を超えて減少しないように減少する
   ことを特徴とする請求項２に記載の電子デバイス。
4. 前記第２のダイオードの前記しきい電圧は、前記ジェネレーターによって供給される前記第１の電圧よりも高い
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電子デバイス。
5. 前記測定用端子と前記バッテリの電源端子の間に第３のスイッチ（２４）が配置されており、
   前記第３のスイッチも、前記制御ユニットによって制御されており、
   前記制御ユニットは、電池を充電するモードにおいて前記第３のスイッチを閉じ、前記測定するモードにおいて前記第３のスイッチを開くように構成する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電子デバイス。
6. 前記インダクター、前記測定用キャパシター及び前記第２の時間間隔の継続時間は、前記測定電圧が前記ジェネレーターによって供給される前記第１の電圧の少なくとも最小電圧よりも少なくとも１００倍高い
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電子デバイス。
7. 前記ジェネレーターは、熱電ジェネレーターであり、前記電子デバイスは、ユーザーの手首に着用される携行可能な物であり、
   前記熱電ジェネレーターは、ユーザーの体によって生産されるエネルギーを捕捉する
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電子デバイス。

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