JP2019046257A

JP2019046257A - センサ

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Publication number: JP2019046257A
Application number: JP2017169670A
Authority: JP
Inventors: 年吉　洋; Hiroshi Toshiyoshi; 洋年吉; 駿介山田; Shunsuke Yamada
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2017-09-04
Filing date: 2017-09-04
Publication date: 2019-03-22
Also published as: WO2019044614A1

Abstract

【課題】従来よりも消費電力を低減し得るセンサを提供する。
【解決手段】センサ１では、光を受光することで出力信号を生成する光電変換素子２ａと、出力信号をパルス密度変調信号に変換する発振回路３とを設けることで、電池レスで出力信号に応じたパルス密度変調信号を出力できる。これにより、センサ１では、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ等を用いずに、パルス信号としてパルス密度変調信号を生成できるので、ＡＤコンバータによるアナログデジタル変換処理が不要になる分、従来よりも消費電力を低減し得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電素子を備えるセンサに関するものである。

近年、監視対象にセンサを設け、当該センサから無線送信される信号に基づいて監視対象の状態を遠隔地で監視するセンサシステムが研究されている（例えば、特許文献１参照）。この種のセンサシステムでは、複数のセンサを長期間駆動させるとともに、所定の端末と無線通信を行うために、各センサで得られたアナログ信号をデジタル信号に変換している。

特開２００７−２９５０５７号公報

しかしながら、かかるセンサシステムでは、複数のセンサを用いているため、これらセンサの総エネルギー消費は無視できず、各センサ等で消費電力等を抑えることはＩｏＴ（Internet of Things）において重要な課題となっている。例えば、各センサには、得られたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータを設けているため、ＡＤコンバータを駆動させる分、消費電力が増加してしまう。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、従来よりも消費電力を低減し得るセンサを提供することを目的とする。

また、従来よりも消費電力を低減し得る電源供給回路を提供することを目的とする。

本発明のセンサは、イベントが生じることで出力信号を生成する発電素子と、前記出力信号をパルス密度変調信号に変換する発振回路と、を備え、電池レスで前記出力信号に応じた前記パルス密度変調信号を出力するものである。

実施形態における電源供給回路は、
蓄電用発電素子により充電される駆動用コンデンサと、
前記駆動用コンデンサに接続された給電スイッチを有する自己保持回路と、
前記給電スイッチに接続されたイベント駆動回路と、を備え、
前記イベント駆動回路は、イベントが生じると出力信号を前記給電スイッチに送出し、
前記自己保持回路は、前記出力信号により前記給電スイッチがオン動作して、前記駆動用コンデンサから前記給電スイッチおよび出力端子に駆動電流を供給し、
前記給電スイッチは、前記イベント駆動回路からの前記出力信号の供給が停止されても、前記駆動電流によりオン動作し続け、前記駆動電流を前記出力端子に供給し続けるものである。
また、この電源供給回路では、出力端子に接続された外部機器の動作終了後に、前記給電スイッチをオフ動作させ、前記自己保持回路への前記駆動電流の供給を停止させるスイッチを備えることが望ましい。

本発明によれば、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ等を用いずに、パルス信号としてパルス密度変調信号を生成できるので、ＡＤコンバータによるアナログデジタル変換処理が不要になる分、従来よりも消費電力を低減し得る。

また、電源供給回路においても、タイマーが不要になる分、従来よりも消費電力を低減し得る。

第１実施形態によるセンサの回路構成を示す回路図である。図２Ａは光電変換素子で得られる電圧値の変化の一例を示すグラフであり、図２Ｂは、センサにより生成されるパウル密度変調信号の一例を示すグラフである。図３Ａは、１００ｌｘの光を照射したときのセンサの出力波形を示したグラフであり、図３Ｂは、１００００ｌｘの光を照射したときのセンサの出力波形を示したグラフである。センサのダイナミックレンジを示すグラフである。第２実施形態によるセンサの回路構成を示す回路図である。図６Ａは、入力刺激と発振周波数との関係を示すグラフであり、図６Ｂは、振動発電素子における圧力と、そのときのパルス密度変調信号とを示したグラフである。図７Ａは、パルス密度変調信号の波形を示したグラフであり、図７Ｂは、図７Ａのパルスのカウント数を示したグラフである。第３実施形態によるセンサの回路構成を示す回路図である。電源供給回路の回路構成を示す回路図である。電源供給回路の動作の説明（１）に供する概略図である。電源供給回路の動作の説明（２）に供する概略図である。電源供給回路の動作の説明（３）に供する概略図である。電源供給回路の動作の説明（４）に供する概略図である。電源供給回路の動作の説明（５）に供する概略図である。図１５Ａは、蓄電用発電素子で生成される電源電圧を示すグラフであり、図１５Ｂは、自己保持回路の電圧の波形を示すグラフであり、図１５Ｃは、外部機器への電源供給を示すグラフであり、図１５Ｄは、リセット信号の波形を示すグラフである。

（１）第１実施形態のセンサについて
図１は、第１実施形態のセンサ１の回路構成を示す回路図である。センサ１は、光電変換素子２ａと発振回路３との間にデカップリング回路４が設けられた構成を有する。発電素子としての光電変換素子２ａは、光を受光することで電気信号を生成し、これを出力信号としてデカップリング回路４を介し発振回路３に送出する。ここで、光電変換素子２ａでは、受光した光の強度に応じて、図２Ａに示すように、電圧値が変化するため、アナログ的な出力信号が生成される。

図１に示したように、デカップリング回路４は、コンデンサ９と抵抗１０を備えている。コンデンサ９および抵抗１０の各一端は、光電変換素子２ａの出力端子と、発振回路３の電源端子とに接続されている。一方、コンデンサ９および抵抗１０の各他端はグランドに接続されている。

発振回路３は、奇数個のＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）インバータ５が縦続接続され、かつ最終段のＣＭＯＳインバータ５の出力端子が、初段のＣＭＯＳインバータ５の入力端子に接続されたリングオシレータである。発振回路３におけるループ内のＣＭＯＳインバータ５の数は、発振するパルス密度変調信号（後述する）を生成するために奇数段である必要がある。なお、図１では、ＣＭＯＳインバータ５が３段構成の発振回路３としたが、ＣＭＯＳインバータ５の数が奇数段であれば、本発明はこれに限らない。

各ＣＭＯＳインバータ５は、Ｐチャネル型トランジスタ６とＮチャネル型トランジスタ７とが直列に接続され、Ｐチャネル型トランジスタ６とＮチャネル型トランジスタ７のゲートが互いに接続されて入力端子を構成している。また、前段のＣＭＯＳインバータ５の出力端子は、後段のＣＭＯＳインバータ５の入力端子に接続されている。

各Ｐチャネル型トランジスタ６のソースが、発振回路３の電源端子として、デカップリング回路４を介し光電変換素子２ａの出力端子にそれぞれ接続されている。各Ｎチャネル型トランジスタ７のソースは、発振回路３のグランド端子としてグランドにそれぞれ接続されている。

このような構成を有する発振回路３は、デカップリング回路４を介して、各Ｐチャネル型トランジスタ６のソースに、光電変換素子２ａから出力信号が供給されると、最終段のＣＭＯＳインバータ５の出力端子から、Ｈｉｇｈ信号およびＬｏｗ信号が繰り返し発生するパルス密度変調信号が出力される。なお、光電変換素子２ａから発振回路３に出力信号が供給されていないときには、発振回路３からはパルス密度変調信号が出力されない。

このように、発振回路３は、図２Ｂに示すように、Ｈｉｇｈ信号およびＬｏｗ信号が繰り返し発生するデジタル信号のようなパルス密度変調信号を、電池レスで出力し得る。また、発振回路３で生成されるパルス密度変調信号は、Ｈｉｇｈ信号およびＬｏｗ信号の発振周波数（すなわちパルス密度）が、光電変換素子２ａから入力される出力信号の大小変化（電圧値の大小変化）に応じて変化する。

ここで、光電変換素子２ａで受光する光の強度（光輝度とも称する）に応じて、発振回路３から出力されるパルス密度変調信号がどのように変化するかについて検証試験を行った。

発振回路３から出力される信号をオシロスコープで確認したところ、図３Ａおよび図３Ｂに示すような結果が得られた。図３Ａは、光電変換素子２ａに１００ｌｘの光を照射したときに発振回路３から出力されたパルス密度変調信号の波形を示す。図３Ｂは、光電変換素子２ａに１００００ｌｘの光を照射したときに発振回路３から出力されたパルス密度変調信号の波形を示す。

図３Ａに示すように、光輝度が１００ｌｘのとき発振周波数が４６ｋＨｚのパルス密度変調信号を観測した。また、図３Ｂに示すように、光輝度が１００００ｌｘのとき発振周波数が５．２ＭＨｚのパルス密度変調信号を観測した。図３Ａおよび図３Ｂに示すように、光電変換素子２ａで受光する光輝度が変化するとパルスの密度も変化し、光輝度に応じたパルス密度変調信号が生成されることが確認できた。

また、ＬＥＤの光輝度を調整し、光電変換素子２ａに対し２５ｌｘ（暗室内）〜２５０００ｌｘ（太陽光下）の光輝度の光を照射した。そのときに、発振回路３から出力されるパルス密度変調信号の発振周波数を調べたところ、図４に示すような結果が得られた。図４から、センサ１では、２５ｌｘと暗い光輝度のときでも、発振周波数が１０ｋＨｚのパルス密度変調信号を生成できることができた。

また、光輝度が上昇するにつれて、パルス密度変調信号の発振周波数も直線的に上昇してゆくことが確認できた。なお、光輝度が２５０００ｌｘのときには発振周波数が７．７ＭＨｚのパルス密度変調信号が生成された。図４からダイナミックレンジを算出したところ７１ｄＢとなり、センサ１は高いダイナミックレンジが得られることが確認できた。なお、図４中の（ａ）の結果は図３Ａに示し、図４中の（ｂ）の結果は図３Ｂに示している。

なお、センサ１の輝度検出を実証するために、検証試験中に手で光電変換素子２ａへの光を遮断したところ、センサ１から出力されるパルス密度変調信号の発振周波数が急激に低下した。以上のように、センサ１は、輝度センサとして機能することを確認できた。

以上の構成において、センサ１では、光を受光することで出力信号を生成する光電変換素子２ａと、出力信号をパルス密度変調信号に変換する発振回路３とを設けることで、電池レスで出力信号に応じたパルス密度変調信号を出力できる。これにより、センサ１では、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ等を用いずに、パルス信号としてパルス密度変調信号を生成できるので、ＡＤコンバータによるアナログデジタル変換処理が不要になる分、従来よりも消費電力を低減し得る。

また、センサ１では、光電変換素子２ａと発振回路３との間にデカップリング回路４を設けた。これにより、センサ１では、デカップリング回路４によってノイズの発生を防止できることから、発振回路３へのノイズの混入を防ぎ、発振回路３の誤動作を防止できる。

（２）第２実施形態によるセンサについて
図１との対応部分に同一符号を付して示す図５は、第２実施形態によるセンサ２１を示す。第２実施形態のセンサ２１は、発電素子として振動発電素子２ｂを用いている点と、振動発電素子２ｂの出力端子とデカップリング回路４との間にショットキーバリアダイオード２２を備える点とが、上述した第１実施形態のセンサ１と相違している。以下、第１実施形態との相違点に着目して説明する。

振動発電素子２ｂは、出力端が、ショットキーバリアダイオード２２およびデカップリング回路４を順次介して発振回路３の電源端子に接続されている。この場合、振動発電素子２ｂは、所定部位に振動が生じると、振動に応じた電気信号を生成し、これを出力信号としてショットキーバリアダイオード２２およびデカップリング回路４を順次介して発振回路３に供給する。

ショットキーバリアダイオード２２は、カソードが振動発電素子２ｂの出力端子とデカップリング回路４とに接続され、アノードがグランドに接続されている。ショットキーバリアダイオード２２は、振動発電素子２ｂで生成された正電圧および負電圧のうち、負電圧をショートし、当該負電圧が発振回路３に出力信号として供給されることを防止し得る。これにより発振回路３は、負電圧が印加されることにより生じる破損が防止され得る。

ここで、図６Ａは、振動発電素子２ｂに与えられる振動（入力刺激）と、入力刺激を基に発振回路３で生成されるパルス密度変調信号の発振周波数との関係を示したグラフである。図６Ａに示すように、センサ２１では、振動発電素子２ｂに与えられる振動が大きくなるに従って、発振回路３で生成されるパルス密度変調信号の周波数も、それに比例して高くなることが確認できている。

また、振動発電素子２ｂに揺動自在に支持されているカンチレバー部に対して、図６Ｂの上方に示すような外力を与え、そのときにセンサ２１から出力されるパルス密度変調信号を調べたところ、図６Ｂの下方に示すような結果が得られた。図６Ａおよび図６Ｂから、大きな外力が与えられた瞬間の「Ｉｎｐｕｔｈｉｇｈ」領域では、パルスの密度が高い高周波のパルス密度変調信号が生成されることが確認できた。一方、外力が次第に０に収束してゆく「Ｉｎｐｕｔｌｏｗ」領域では、パルスの密度が次第に低くなってゆくパルス密度変調信号が生成されることが確認できた。

次に、振動試験機を使用して、励振周波数１６０Ｈｚおよび最大加速度１０ｍ／ｓ^２の外力を振動発電素子２ｂに対して与え、センサ２１からどのようなパルス密度変調信号が出力されるかについて確認した。その結果、図７Ａに示すような波形が得られた。

図７Ａに示すように、発振回路３から出力されるパルス密度変調信号は、０．６Ｖで始まり、０．６Ｖを超える電圧で発振周波数が変化し続けた。図７Ａにおいて、１００μｓ毎に０．５Ｖの閾値に達したパルスの数についてカウントしたところ、図７Ｂに示すような結果が得られた。発振周波数をｆ＝１／Ｔ（ここでＴは発振周期であり、Ｔ＝１００μｓ／カウント数）と定義した。振動発電素子２ｂからの１Ｖの信号出力時に、発振回路３で１．３ＭＨｚの最大ｆが検出された。

以上の構成において、センサ２１でも、振動を受けることで出力信号を生成する振動発電素子２ｂと、出力信号をパルス密度変調信号に変換する発振回路３とを設けることで、電池レスで出力信号に応じたパルス密度変調信号を出力できる。これにより、センサ２１では、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ等を用いずに、パルス信号としてパルス密度変調信号を生成できるので、ＡＤコンバータによるアナログデジタル変換処理が不要になる分、従来よりも消費電力を低減し得る。

また、センサ２１では、ショットキーバリアダイオード２２を設けたことにより、振動発電素子２ｂで生じる負電圧の発振回路３への印加を防止し、負電圧による発振回路３の破損を防止できる。

（３）第３実施形態によるセンサについて
図１との対応部分に同一符号を付して示す図８は、第３実施形態によるセンサ３１を示す。第３実施形態のセンサ３１は、発電素子として熱電素子２ｃを用いている点と、デカップリング回路４に替えて、熱電素子２ｃの出力端子と発振回路３の電源端子との間に昇圧回路３２を設けた点とが、上述した第１実施形態のセンサ１と相違している。以下、第１実施形態との相違点に着目して説明する。

昇圧回路３２は、コイル３３とスイッチ３４とダイオード３５とコンデンサ３６とで構成されている。コイル３３は、一端が熱電素子２ｃの出力端子に接続され、他端が発振回路３の電源端子に接続されている。スイッチ３４は、コイル３３の他端およびダイオード３５のアノードに一端が接続され、グランドに他端が接続されている。ダイオード３５は、コイル３３の他端およびスイッチ３４の一端にアノードが接続され、コンデンサ３６の一端および発振回路３の電源端子にカソードが接続されている。コンデンサ３６は、発振回路３の電源端子およびダイオード３５のカソードに一端が接続され、グランドに他端が接続されている。

なお、昇圧回路３２は、スイッチ３４がオン状態になると、コイル３３に励磁エネルギーが蓄えられる。その後、昇圧回路３２は、スイッチ３４がオフ状態になると、コイル３３に蓄えられた励磁エネルギーが放出されて当該励磁エネルギーに起因した電圧が積み上がり、昇圧された電圧を生成する。熱電素子２ｃによる熱起電力は、ｍＶオーダであるため、非常に小さいが、昇圧回路３２を設けることにより、発振回路３を駆動させるのに必要となる電圧値を得ることができる。

以上の構成において、センサ３１でも、振動を受けることで出力信号を生成する熱電素子２ｃと、出力信号をパルス密度変調信号に変換する発振回路３とを設けることで、電池レスで出力信号に応じたパルス密度変調信号を出力できる。これにより、センサ３１では、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ等を用いずに、パルス信号としてパルス密度変調信号を生成できるので、ＡＤコンバータによるアナログデジタル変換処理が不要になる分、従来よりも消費電力を低減し得る。

（４）他の実施形態によるセンサについて
なお、上述した実施形態においては、発電素子として、光電変換素子２ａ、振動発電素子２ｂ、または熱電素子２ｃを適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、光、熱、振動の他に、音や、電波、酵素、化学反応のいずれかに基づき発電し、発振回路３に出力信号を送出する発電素子を適用してもよい。

例えば、化学反応に基づき発電する発電素子としては、電解質溶液（以下、単に電解液と称する）が与えられることにより発電する発電素子がある。この場合、陽極および陰極を容器内に備える発電素子に対し、当該容器内に電解液が与えられると、電解液内の陽（プラス）イオンが陰極に移動し、陰（マイナス）イオンが陽極に移動して、発電素子で出力信号が生じる。これにより、センサでは、このような出力信号に応じて発振回路３にてパルス密度変調信号が生成される。

酵素に基づいて発電する発電素子としては、グルコースを含む水溶液が与えられることにより発電する発電素子がある。このような発電素子では、グルコースを酵素で酸化分解する際に電子と水素イオンを取り出し、得られた電子に基づいて出力信号が生成される。これにより、センサでは、このような出力信号に応じて発振回路３にてパルス密度変調信号が生成され、バイオセンサとして機能し得る。

なお、酵素や化学反応に基づき発電する発電素子では、出力電圧が電極に依存し、例えば数百ｍＶ〜数Ｖ程度であるため、図８に示すように、昇圧回路３２を設けたセンサを用いることが望ましい。

音や、電波を受けたときに発電素子を用いたセンサでは、発電素子において音や、電波を受けることで、当該発電素子で出力信号が生成され、得られた出力信号に応じて発振回路３にてパルス密度変調信号が生成され得る。

また、上述した各実施形態においては、デカップリング回路４や、ショットキーバリアダイオード２２、昇圧回路３２を設けるようにした場合について述べたが、本発明はこれ限らず、デカップリング回路４や、ショットキーバリアダイオード２２、昇圧回路３２を設けずに、単に発電素子（光電変換素子２ａ、振動発電素子２ｂ、熱電素子２ｃ、その他の発電素子）と発振回路３とで構成したセンサ１、２１、３１としてもよい。

（５）電源供給回路について
次に、従来よりも消費電力を低減し得る電源供給回路について以下説明する。ここで、図９は、本実施形態における電源供給回路４０を備えた無線センサ端末４１を示す。電源供給回路４０は、タイマー等を用いずに、所定のタイミングでセンサ４５や無線通信機器４６に駆動電流を供給し得るものである。

ここで、従来の無線センサ端末では、例えば振動センサとタイマーとを設け、タイマーを基に所定間隔で振動センサを駆動させ、振動センサの駆動時間中に振動センサにより振動を検知（すなわち、イベントが発生）したか否かの検知結果を、所定のサーバに送信していた。このように、従来の無線センサ端末では、タイマーを常に駆動させる必要がある分、消費電力が増加してしまうという問題があった。また、消費電力の低減を図るためにタイマーによって所定間隔で振動センサを駆動させていることから、振動センサが駆動していないときに振動センサにて振動（イベント）を検知し得ないという問題があった。

本実施形態による無線センサ端末４１は、電源供給回路４０によってイベントが生じた際に駆動電流を生成して、センサ４５や無線通信機器４６を駆動させることで、タイマーを不要とし、かつ、イベントが発生したタイミングでイベントの検知結果等をサーバに送信し得る。以下、このような電源供給回路４０について説明する。

電源供給回路４０は、電源回路４２と、イベント駆動回路４３と、自己保持回路４４とを備えている。電源回路４２は、蓄電用発電素子４９が整流回路５０を介して駆動用コンデンサＣ１に接続された構成を有する。蓄電用発電素子４９は、例えば振動や光等により電気信号を生成する発電素子でなり、振動や光等の継続的に発生するイベントを基に蓄電用の電気信号を生成し、これを整流回路５０を介して駆動用コンデンサＣ１に供給する。

駆動用コンデンサＣ１は、蓄電用発電素子４９で生成された電気信号を基に充電される。駆動用コンデンサＣ１は、一端が自己保持回路４４に接続されており、自己保持回路４４に設けた給電トランジスタＴｒ２がオン動作したときに、駆動電流を自己保持回路４４に供給する。

イベント駆動回路４３は、振動発電素子５３がコンデンサＣ２の一端および自己保持回路４４に接続された構成を有する。また、イベント駆動回路４３は、リセット用トランジスタＴｒ１を有している。リセット用トランジスタＴｒ１は、例えばＮＰＮ型のバイポーラトランジスタであり、エミッタがグランドに接続されている。リセット用トランジスタＴｒ１のコレクタは、ダイオード５５のカソードと、コンデンサＣ２の一端と、自己保持回路４４とに接続されている。ダイオード５５およびコンデンサＣ２は、一端が自己保持回路４４に接続され、他端がグランドに接続されている。

自己保持回路４４は、給電トランジスタＴｒ２と、トランジスタＴｒ３、Ｔｒ４と、抵抗Ｒ１〜Ｒ４とを備えている。例えば、給電トランジスタＴｒ２はＮＰＮ型のバイポーラトランジスタであり、トランジスタＴｒ３はＰチャネルのエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴであり、トランジスタＴｒ４はＰＮＰ型のバイポーラトランジスタである。

自己保持回路４４における給電トランジスタＴｒ２のベースは、イベント駆動回路４３の振動発電素子５３と、コンデンサＣ２の一端と、ダイオード５５のカソードと、リセット用トランジスタＴｒ１のコレクタとに接続されている。給電トランジスタＴｒ２のベースは、抵抗Ｒ３を介してトランジスタＴｒ４のコレクタに接続され、抵抗Ｒ４を介してグランドにも接続されている。また、給電トランジスタＴｒ２は、エミッタがグランドに接続されている。

電源回路４２の駆動用コンデンサＣ１は、自己保持回路４４の給電トランジスタＴｒ２のコレクタに、抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して接続されている。また、電源回路４２の駆動用コンデンサＣ１は、自己保持回路４４のトランジスタＴｒ４のベースに、抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して接続され、トランジスタＴｒ４のエミッタにも、抵抗Ｒ１を介して接続されている。さらに、電源回路４２の駆動用コンデンサＣ１は、トランジスタＴｒ３のソースに接続され、トランジスタＴｒ３のゲートにも、抵抗Ｒ１を介して接続されている。なお、トランジスタＴｒ３のドレインは、電源供給回路４０の出力端子であり、センサ４５および無線通信機器４６に接続されている。

次に、図９との同一部分に同一符号を付して示す図１０〜図１４を用いて、電源供給回路４０の動作について説明する。図１０に示すように、電源供給回路４０は、電源回路４２の駆動用コンデンサＣ１の充電が完了した後に（充電完了「ＳＴ１」）、イベント駆動回路４３の振動発電素子５３に対して振動（イベント）が生じて発電すると、振動発電素子５３で出力信号が生成（スイッチオン「ＳＴ２」）される。

これにより、自己保持回路４４には、給電トランジスタＴｒ２のベースに振動発電素子５３から出力信号が供給され、図１１に示すように、給電トランジスタＴｒ２がオン動作する（Ｔｒ２ｏｎ「ＳＴ３」）。自己保持回路４４における給電トランジスタＴｒ２がオン動作することで、電源回路４２の駆動用コンデンサＣ１から自己保持回路４４に駆動電流が供給される。駆動電流は、給電トランジスタＴｒ２を介してグランドに供給される。このとき、トランジスタＴｒ３は、ソースに駆動電流が供給されるとともに、抵抗Ｒ１を介してゲートにも駆動電流が供給され、ソースおよびゲート間の電圧差によりオン動作する（Ｔｒ３ｏｎ「ＳＴ４」）。

これにより、センサ４５および無線通信機器４６には、電源回路４２から自己保持回路４４を介して駆動電流が供給されて動作し始める。また、この際、トランジスタＴｒ４は、抵抗Ｒ１、Ｒ２を介してベースに駆動電流が供給され、抵抗Ｒ１を介してエミッタにも駆動電流が供給され、図１２に示すように、オン動作する（Ｔｒ４ｏｎ「ＳＴ５」）。これにより、自己保持回路４４は、トランジスタＴｒ４および抵抗Ｒ３を介して給電トランジスタＴｒ２のベースにも駆動電流を供給する。

これにより、自己保持回路４４は、図１３に示すように、イベント駆動回路４３から出力信号が給電トランジスタＴｒ２のベースに供給停止されても、電源回路４２からの駆動電流が給電トランジスタＴｒ２のベースに供給され続けているため、給電トランジスタＴｒ２をオン動作させ続けることができる（自己保持開始「ＳＴ６」）。かくして、自己保持回路４４は、電源回路４２からの駆動電流に基づいて給電トランジスタＴｒ２をオン動作し続け、これによりセンサ４５および無線通信機器４６に駆動電流を供給し続ける。

その後、センサ４５および無線通信機器４６において所定の動作が完了すると、図１４に示すように、自己保持回路４４のリセット用トランジスタＴｒ１のベースにマイコン（図示せず）からリセット信号が供給される（マイコンの出力「ＳＴ７」）。これにより、駆動電流は、リセット用トランジスタＴｒ１を介してグランドに導かれ、給電トランジスタＴｒ２のベースへの供給が妨げられ、給電トランジスタＴｒ２をオフ動作させる（Ｔｒ２ｏｆｆ「ＳＴ８」）。

自己保持回路４４は、給電トランジスタＴｒ２がオフ動作することで、トランジスタＴｒ３、Ｔｒ４もオフ動作し、センサ４５および無線通信機器４６への駆動電流の供給も停止する。電源供給回路４０では、電源回路４２における駆動用コンデンサＣ１への充電を再び開始するとともに、その後に、イベント駆動回路４３から自己保持回路４４への出力信号の供給を待ち受ける。

ここで、図１５Ａは、電源回路４２における蓄電用発電素子で生成される電源電圧を示す。図１５Ｂは、自己保持回路４４における給電トランジスタＴｒ２での電圧変化を示しており、振動発電素子５３から出力信号が供給されてからリセット信号が供給されるまで電圧値が維持されていることを示す。図１５Ｃは、センサ４５および無線通信機器４６への電源供給を示し、自己保持回路４４が振動発電素子５３から出力信号が供給されてからリセット信号が供給されるまで、センサ４５および無線通信機器４６への駆動電流を供給していることを示す。図１５Ｄは、リセット信号の発生タイミングを示している。

以上の構成において、電源供給回路４０では、蓄電用発電素子４９により充電される駆動用コンデンサＣ１と、駆動用コンデンサＣ１に接続された給電トランジスタＴｒ２を有する自己保持回路４４と、給電トランジスタＴｒ２に接続されたイベント駆動回路４３と、を設けた。また、電源供給回路４０では、イベント駆動回路４３でイベントが生じると、イベント駆動回路４３から給電トランジスタＴｒ２に出力信号を送出する。

自己保持回路４４では、出力信号により給電トランジスタＴｒ２がオン動作して、駆動用コンデンサＣ１から、給電トランジスタＴｒ２、出力端子に接続されたセンサ４５、および無線通信機器４６への駆動電流の供給を開始する。

より具体的には、給電トランジスタＴｒ２のオン動作により供給される駆動電流を基にオン動作し、駆動電流を給電トランジスタＴｒ２に供給するトランジスタＴｒ４を、自己保持回路４４に設けるようにした。また、給電トランジスタＴｒ２のオン動作により供給される駆動電流を基にオン動作し、駆動電流を出力端子に供給するトランジスタＴｒ３を、自己保持回路４４に設けるようにした。

これにより、電源供給回路４０では、イベント駆動回路４３からの出力信号の供給が停止されても、駆動電流により給電トランジスタＴｒ２がオン動作し続け、駆動電流を出力端子に供給し続けることができる。

このように、電源供給回路４０では、従来のようなタイマーを用いることなく、振動発電素子５３に対して振動（イベント）が生じたタイミングで、駆動電流をセンサ４５および無線通信機器４６に供給して駆動させることができる。かくして、電源供給回路４０では、タイマーが不要となる分、従来よりも消費電力を低減し得る。

また、この電源供給回路４０では、出力端子に接続されたセンサ４５や無線通信機器４６等の外部機器の動作終了後に、給電トランジスタＴｒ２をオフ動作させ、自己保持回路４４への駆動電流の供給を停止させるリセット用トランジスタＴｒ１を設けるようにした。これにより、電源供給回路４０では、外部機器の動作終了に合わせて、自己保持回路４４への駆動電流の供給を停止し、駆動用コンデンサＣ１の充電を再開できる。

なお、この実施形態においては、給電スイッチとして給電トランジスタＴｒ２を用い、その他のスイッチとしてトランジスタＴｒ３、Ｔｒ４を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、種々の半導体スイッチを適用してもよい。

また、この実施形態においては、電源供給回路４０の出力端子に接続される外部機器として、センサ４５および無線通信機器４６を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、センサ４５および無線通信機器４６のうちいずれか一方、または解析装置等のその他の外部機器を適用しても良い。

また、この実施形態においては、発電素子として、振動発電素子５３を適用したが、光電変換素子や、熱電素子等のように光や熱の他に、音、電波、酵素、化学反応のいずれかをイベントとし、当該イベントに基づき発電する発電素子を適用してもよい。また、蓄電用発電素子についても、光、熱、振動、音、電波、酵素、化学反応のいずれかに基づき発電する蓄電用発電素子を適用してもよい。

１、２１、３１センサ
２ａ光電変換素子（発電素子）
２ｂ振動発電素子（発電素子）
２ｃ熱電素子（発電素子）
３発振回路
４デカップリング回路
２２ショットキーバリアダイオード
３２昇圧回路
４０電源供給回路
４３イベント駆動回路
４４自己保持回路
Ｃ１駆動用コンデンサ
Ｔｒ１リセット用トランジスタ（スイッチ）
Ｔｒ２給電トランジスタ（給電スイッチ）
Ｔｒ３、Ｔｒ４トランジスタ（スイッチ）

Claims

イベントが生じることで出力信号を生成する発電素子と、
前記出力信号をパルス密度変調信号に変換する発振回路と、を備え、
電池レスで前記出力信号に応じた前記パルス密度変調信号を出力する、センサ。
前記発電素子の出力端子と前記発振回路の電源端子との間にデカップリング回路を備える、請求項１に記載のセンサ。
前記発電素子の出力端子と前記デカップリング回路との間にショットキーバリアダイオードを備える、請求項２に記載のセンサ。
前記発電素子の出力端子と前記発振回路の電源端子との間に昇圧回路を備える、請求項１に記載のセンサ。
前記発電素子は、光、熱、振動、音、電波、酵素、化学反応のいずれかに基づき発電し、前記発振回路に前記出力信号を送出する、請求項１に記載のセンサ。