JP2020088923A - 環境発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を抑えつつ、比較的高電圧を要する負荷を作動させることのできる環境発電装置を構成する。【解決手段】環境発電装置１０１は、それぞれ電磁波エネルギーを受ける複数のアンテナ１１〜１４と、これらアンテナ１１〜１４にそれぞれ接続され、誘起電力を交流直流変換し、出力部が直列接続された複数の整流回路２１〜２４と、複数の整流回路２１〜２４の直列出力部の電圧をそれぞれ昇圧する複数の昇圧回路３１，３２と、これら昇圧回路３１，３２の出力でそれぞれ充電される複数の蓄電池４１，４２と、これら蓄電池４１，４２を直列接続して負荷５０に接続する接続状態切替回路と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、環境中の電磁波エネルギーを回収して電力として利用する環境発電装置に関する。

「環境発電」とは、エナジーハーベスティング（Energy Harvesting）とも呼ばれ、その一つは、環境中に薄く広く存在する電磁波エネルギーから微弱な電力を回収して利用する技術である。このような環境発電を行う環境発電装置は、系統電源から分離された独立した電源でありながら、一次電池のような定期的な電池交換が不要であるので、付加価値の高い電源装置としての応用が期待されている。

環境発電装置の例として、特許文献１には、水平偏波の電磁波を受ける第１アンテナ素子と、垂直偏波の電磁波を受ける第２アンテナ素子とを備え、異なる偏波の電磁波を受けて電磁波エネルギーを回収する装置が示されている。また、特許文献１には、水平偏波で送信される電磁波の周波数に応じたアンテナと、垂直偏波で送信される電磁波の周波数に応じたアンテナとを備えて、それぞれの電磁波エネルギーを回収する装置が開示されている。

特開２０１５−４３５２６号公報

特許文献１に記載の電磁波エネルギー回収装置では、複数の整流部の出力が直列接続又は並列接続されることによって電力合成されるが、限られた面積に構成可能なアンテナの数は多くなく、上記複数の整流部の出力が直列接続されても、得られる直流電圧は高くない。そのため、比較的高電圧を要する負荷を作動させることは困難であった。

そこで、本発明の目的は、大型化を抑えつつ、比較的高電圧を要する負荷を作動させることのできる環境発電装置を提供することにある。

本開示の一例としての環境発電装置は、
それぞれ電磁波エネルギーを受ける複数のアンテナと、
前記複数のアンテナにそれぞれ接続され、誘起電力を交流直流変換し、出力部が直列接続された複数の整流回路と、
前記複数の整流回路の直列出力部の電圧をそれぞれ昇圧する複数の昇圧回路と、
前記複数の昇圧回路の出力でそれぞれ充電される複数の蓄電池又は蓄電器と、
前記複数の蓄電池又は蓄電器を直列接続して負荷に接続する接続状態切替回路と、を備える。

上記構成により、昇圧回路によって複数の整流回路の直列出力部の電圧がそれぞれ昇圧され、さらに、負荷へ電源電圧を供給する状態で、複数の蓄電池又は蓄電器が直列接続されて負荷に電源電圧が供給される。

本発明の環境発電装置によれば、大型化を抑えつつ、比較的高電圧を要する負荷を作動させることができる。

図１は第１の実施形態に係る環境発電装置及びセンサの構成を示すブロック図である。 図２は第１の実施形態に係る環境センサ２０１の正面図である。 図３は環境センサ２０１の断面図である。 図４は環境センサ２０１の回路図である。 図５は第２の実施形態に係る整流回路を示す図である。 図６は第２の実施形態に係る別の整流回路を示す図である。 図７は第３の実施形態に係る環境センサ２０３Ａの正面図である。 図８は第３の実施形態に係る別の環境センサ２０３Ｂの正面図である。

まず、本発明に係る環境発電装置における幾つかの態様について列挙する。

本発明に係る第１の態様の環境発電装置は、それぞれ電磁波エネルギーを受ける複数のアンテナと、前記複数のアンテナにそれぞれ接続され、誘起電力を交流直流変換し、出力部が直列接続された複数の整流回路と、前記複数の整流回路の直列出力部の電圧をそれぞれ昇圧する複数の昇圧回路と、前記複数の昇圧回路の出力でそれぞれ充電される複数の蓄電池又は蓄電器と、前記複数の蓄電池又は蓄電器を直列接続して負荷に接続する接続状態切替回路と、を備える。この構成により、複数の昇圧回路によってそれぞれ昇圧された電圧で蓄電池又は蓄電器が充電され、さらに、負荷へ電源電圧を供給する状態で、複数の蓄電池又は蓄電器が直列接続されて負荷に電源電圧が供給されるので、比較的少ない数のアンテナで、比較的高電圧を要する負荷を作動させることができる。

本発明に係る第２の態様の環境発電装置では、前記複数のアンテナは、搬送周波数が互いに異なる複数の搬送周波数の電磁波をそれぞれ受波するアンテナを備える。この構造によれば、放送や通信等、目的の異なる複数の電磁波のエネルギーを同時に回収できる。

本発明に係る第３の態様の環境発電装置では、前記複数のアンテナそれぞれは導体膜又は導体層で構成される共通の面状導体に接続されるループアンテナである。この構造によれば、複数のアンテナの配置スペースが縮小化される。

本発明に係る第４の態様の環境発電装置では、前記複数のアンテナそれぞれは導体膜又は導体層で構成される共通の面状導体で形成されるループアンテナである。この構造によれば、複数のアンテナの配置スペースが縮小化される。また、複数のアンテナが近接しても、それらアンテナ同士の干渉を抑制できる。

本発明に係る第５の態様の環境発電装置では、前記面状導体は、前記複数の整流回路のグランド導体若しくは前記複数の昇圧回路のグランド導体、又は前記複数の整流回路のグランド導体及び前記複数の昇圧回路のグランド導体である。この構造によれば、複数の整流回路又は複数の昇圧回路と共に複数のアンテナを集積化でき、複数のアンテナの配置スペースが縮小化される。また、複数のアンテナ同士の干渉を抑制できる。

以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明又は理解の容易性を考慮して、実施形態を説明の便宜上分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせは可能である。第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態に係る環境発電装置及び環境センサの構成を示すブロック図である。この環境センサ２０１は環境発電装置１０１と負荷５０とで構成される。環境発電装置１０１は、アンテナ１１〜１４と、整流回路２１〜２４と、昇圧回路３１，３２と、蓄電池４１，４２とを備える。この環境発電装置１０１に負荷５０が接続されている。

アンテナ１１〜１４は、後に例示するように、例えばループアンテナであり、それぞれ電磁波エネルギーを受ける。例えば、アンテナ１１は中心周波数550MHzの所定周波数帯の地デジ放送波を受ける。アンテナ１２は2.4GHz帯の無線LANの通信波を受ける。アンテナ１３は中心周波数920MHzの所定周波数帯の携帯電話基地局の送信波を受ける。さらに、アンテナ１４は5GHz帯の無線LANの通信波を受ける。

整流回路２１〜２４は、アンテナ１１〜１４にそれぞれ接続され、アンテナ１１〜１４の誘起電力（電圧）をそれぞれ整流（交流直流変換）する。これら整流回路２１〜２４の出力部は直列接続されている。

昇圧回路３１，３２は、整流回路２１〜２４の直列出力部の電圧をそれぞれ昇圧する。蓄電池は例えばリチウムイオン二次電池であり、昇圧回路３１，３２でそれぞれ充電される。

環境発電装置１０１は、後に示すように、蓄電池４１，４２の出力を負荷５０へ供給する際、蓄電池４１，４２を直列接続して負荷に接続する接続状態切替回路を更に備える。

負荷５０は例えば温度・湿度等のセンサを含む回路であり、所定条件で測定データを無線送信する。

図２は第１の実施形態に係る環境センサ２０１の正面図である。図３は環境センサ２０１の断面図である。

環境センサ２０１は、図１に示した環境発電装置１０１と負荷５０とが一体化された装置である。図２に表れているように、環境センサ２０１は基板９を備え、この基板９の第１面にアンテナ導体パターン１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ及び面状導体１０が形成されている。これらアンテナ導体パターン１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ及び面状導体１０は例えばＣｕ箔をパターンニングしたものである。また、基板９の第１面には整流回路モジュール２１Ｍ，２２Ｍ，２３Ｍ，２４Ｍが実装されている。図２においては、整流回路モジュール２１Ｍ，２２Ｍ，２３Ｍ，２４Ｍを破線で表している。

アンテナ導体パターン１１ａ，１１ｂと面状導体１０とで、一つのループアンテナ（図１中のアンテナ１１）が構成されている。また、アンテナ導体パターン１２ａ，１２ｂと面状導体１０とで一つのループアンテナ（図１中のアンテナ１２）が構成されている。同様に、アンテナ導体パターン１３ａ，１３ｂと面状導体１０とで一つのループアンテナ（図１中のアンテナ１３）が構成されている。さらに、アンテナ導体パターン１４ａ，１４ｂと面状導体１０とで一つのループアンテナ（図１中のアンテナ１４）が構成されている。

図３に表れているように、基板９の第２面には昇圧回路３１、蓄電池４１等が設けられている。昇圧回路３１はＤＣ−ＤＣコンバータモジュールで構成されている。図３の断面では表れていないが、昇圧回路３２及び蓄電池４２も基板９の第２面に設けられている。基板９の第１面に形成されている面状導体１０は、整流回路２１〜２４のグランド導体及び昇圧回路３１，３２のグランド導体である。

基板９の第１面にはレジスト膜またはカバーレイが設けられていてもよい。また、アンテナ導体パターン１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ及び面状導体１０は多層基板の内層の導体層で形成されていてもよい。

本実施形態では、アンテナ１１〜１４それぞれは導体膜又は導体層で構成される共通の面状導体に接続されるループアンテナであるので、複数のアンテナの配置スペースが縮小化される。また、面状導体１０が、整流回路２１〜２４のグランド導体及び昇圧回路３１，３２のグランド導体でもあるので、アンテナ１１〜１４の相互干渉が抑制される。さらに、アンテナ１１〜１４が近接しても、それらアンテナ同士は面状導体１０を介して離間しているので、その点でも、アンテナ１１〜１４の相互干渉は抑制される。

図４は環境センサ２０１の回路図である。図４においてはアンテナ１１〜１４をそれぞれ交流電圧源の記号で表している。整流回路２１〜２４それぞれは、整流ダイオードＤ１，Ｄ２及びキャパシタＣ１，Ｃ２で構成される倍電圧整流回路である。これら整流回路２１〜２４の出力は直列接続されている。

昇圧回路３１，３２それぞれは、入力キャパシタＣｉ、出力キャパシタＣｏ、インダクタＬ１、スイッチ素子Ｑ１、ダイオードＤ３及び制御回路ＣＮＴで構成される昇圧コンバータである。昇圧回路３１の出力には蓄電池４１が接続されていて、昇圧回路３２の出力には蓄電池４２が接続されている。制御回路ＣＮＴは入力電圧を電源電圧として動作し、スイッチ素子Ｑ１を所定のスイッチング周波数でON/OFF制御する。

整流回路２１〜２４の直列出力部に昇圧回路３１，３２の入力部がそれぞれ接続されている。つまり、昇圧回路３１，３２の入力部は並列接続されている。但し、この例では、昇圧回路３１のグランドＧ１と昇圧回路３２のグランドＧ２との間に逆流防止用ダイオードＤ１４が挿入されている。

蓄電池４１，４２はスイッチ回路ＳＷを介して直列接続される。スイッチ回路ＳＷは例えばＭＯＳ−ＦＥＴである。このスイッチ回路ＳＷは本発明に係る「接続状態切替回路」に相当する。つまり、スイッチ回路ＳＷの導通状態で、蓄電池４１，４２が直列接続されて、蓄電池４１，４２の加算電圧が負荷５０に電源電圧として供給される。なお、負荷５０の電源電圧印加部にはキャパシタＣｏｕｔが並列接続されている。

負荷５０はスイッチ回路ＳＷに対する制御信号を出力する回路を備える。この例では、蓄電池４２の電圧が所定の閾値を超えると、スイッチ回路ＳＷを導通させて、温度・湿度等の測定値を無線送信する。この無線送信に要する電力量は蓄電池４１，４２から供給される。一回の無線送信は極短時間で完了し、その後は、再び蓄電池４１，４２の充電が開始される。

例えば、整流回路２１〜２４の直列出力部の電圧は0.38V〜3.3Vであり、蓄電池４１，４２の定格電圧は2.3V、上限充電電圧は2.7V、下限放電電圧は1.8Vである。負荷５０の定格電源電圧は3V、200μAである。また、上記無線送信に要する電力量は、例えば5μWh／回、30μW／日である。

なお、昇圧回路３１，３２の制御回路ＣＮＴに、蓄電池４１，４２の電圧を電源電圧として供給するように回路を構成してもよい。また、負荷５０はキャパシタＣｏｕｔの電圧が所定の閾値を超えたときスイッチ回路ＳＷを導通させるように構成してもよい。

また、逆流防止用ダイオードＤ１４に代えて、ＭＯＳ−ＦＥＴ等によるスイッチ回路を設け、このスイッチ回路を負荷５０から出力される制御信号で制御するように構成してもよい。

《第２の実施形態》
第２の実施形態では、第１の実施形態で示した整流回路とは構成が異なる整流回路について示す。

図５は第２の実施形態に係る整流回路を示す図である。整流回路２１，２２それぞれは、整流ダイオードＤ１，Ｄ２及びキャパシタＣ１，Ｃ２で構成される倍電圧整流回路である。これら整流回路２１，２２の出力は直列接続されている。

同様にして、３つ以上のダイオード及び３つ以上のキャパシタを備えて、コッククロフト・ウォルトン回路を構成することで、Ｎ倍電圧整流回路を構成してもよい。

図６は第２の実施形態に係る別の整流回路を示す図である。図６においては、アンテナ１１，１２をループアンテナとして表している。この整流回路２１，２２は、キャパシタＣａ，Ｃｂ、ダイオードＤａ及び線路ＳＬで構成されている。キャパシタＣａはローパスフィルタを構成する。線路ＳＬは１／４波長線路であり、この線路ＳＬとキャパシタＣｂとで出力フィルタ回路が構成されている。整流回路２１，２２に入力される基本波はキャパシタＣｂで全反射され、ダイオードＤａのカソード端で定在波が腹となる。また、ダイオードＤａから出力フィルタ回路を視たインピーダンスは、３ｆ，５ｆ，…の奇高調波に関しては開放、２ｆ，４ｆ，…の偶高調波に関しては短絡に見えるので、これら高調波の合成によって、ダイオードＤａに半波倍電流が流れ、回路全体としては倍電圧整流される。

《第３の実施形態》
第３の実施形態では、第１の実施形態で示したアンテナとは構成が異なるアンテナを例示する。

図７は第３の実施形態に係る環境センサ２０３Ａの正面図である。環境センサ２０３Ａは、基板９を備え、この基板９の第１面に面状導体１０が形成されている。この面状導体１０には、それぞれ矩形状の導体開口部Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４が形成されている。面状導体１０は例えばＣｕ箔をパターンニングしたものである。これら導体開口部Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４によって４つのループアンテナが構成されている。つまり、導体開口部Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４の内周がそれぞれループアンテナとして作用する。導体開口部Ｈ１によって、中心周波数550MHzのアンテナが構成され、導体開口部Ｈ２によって、中心周波数920MHzのアンテナが構成され、導体開口部Ｈ３によって、中心周波数2.4GHzのアンテナが構成され、導体開口部Ｈ４によって、中心周波数5GHzのアンテナが構成される。

図７中で“＋”，“−”記号を付した箇所は基板９の第２面にビア導体を介して引き出され、基板９の第２面に形成された整流回路にそれぞれ接続されている。

基板９の第１面にはレジスト膜またはカバーレイが設けられていてもよい。また、面状導体１０は多層基板の内層の導体層で形成されていてもよい。

基板９の第２面には、整流回路以外に昇圧回路、蓄電池も設けられている。環境センサ２０３Ａの全体の構成は図１に示したとおりである。

例えば、図７に示した導体開口部Ｈ１によるアンテナに接続された整流回路の出力電圧が0.1V、導体開口部Ｈ２によるアンテナに接続された整流回路の出力電圧が0.2V、導体開口部Ｈ３によるアンテナに接続された整流回路の出力電圧が0.1V、導体開口部Ｈ４によるアンテナに接続された整流回路の出力電圧が0.1Vであると、それらの加算電圧である0.5Vが昇圧回路に入力されることになる。

図８は第３の実施形態に係る別の環境センサ２０３Ｂの正面図である。環境センサ２０３Ｂは、基板９を備え、この基板９の第１面に面状導体１０が形成されている。この面状導体１０には、それぞれ矩形状の導体開口部Ｈ１〜Ｈ８が形成されている。これら導体開口部Ｈ１〜Ｈ８によって８つのループアンテナが構成されている。つまり、導体開口部Ｈ１〜Ｈ８の内周がそれぞれループアンテナとして作用する。これらループアンテナはいずれも中心周波数2.4GHzのアンテナとして作用する。

図８中で“＋”，“−”記号を付した箇所は基板９の第２面にビア導体を介して引き出され、基板９の第２面に形成された整流回路にそれぞれ接続されている。

基板９の第２面には、整流回路以外に昇圧回路、蓄電池も設けられている。環境センサ２０３Ｂの全体の構成は図１に示したとおりである。

図８に示した導体開口部Ｈ１〜Ｈ８によるアンテナに接続された整流回路の出力電圧がそれぞれ例えば0.1Vであると、それらの加算電圧である0.8Vが昇圧回路に入力されることになる。

第３の実施形態によれば、複数の整流回路又は複数の昇圧回路と共に複数のアンテナを集積化できるので、複数のアンテナの配置スペースが縮小化される。また、面状導体１０が、整流回路及び昇圧回路のグランド導体でもあるので、アンテナの相互干渉が抑制される。さらに、開口Ｈ１〜Ｈ４、Ｈ１〜Ｈ８が近接しても、それらアンテナ同士は面状導体１０を介して離間しているので、その点でも、アンテナの相互干渉は抑制される。

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

例えば、昇圧回路が充電する素子は二次電池に限らず、電気二重層キャパシタ等の大容量キャパシタであってもよい。

また、アンテナはループアンテナ以外にダイポールアンテナやスロットアンテナであってもよい。

また、昇圧回路と蓄電池の組は２組に限らず、３組以上備え、それらの昇圧回路に複数の整流回路の直列出力部の電圧を印加するように構成してもよい。

また、面状導体１０は、複数の整流回路又は複数の昇圧回路の一方のグランド導体であってもよい。

また、環境発電装置は環境センサ以外に、所定のタイミングで外部からの操作で表示内容が書き換えられる表示器等、定常時には環境の電磁波エネルギーを蓄電し、必要な時点で短時間に消費する装置に同様に適用できる。

Ｃ１，Ｃ２…キャパシタ
Ｃａ，Ｃｂ…キャパシタ
Ｃｉ…入力キャパシタ
ＣＮＴ…制御回路
Ｃｏ…出力キャパシタ
Ｃｏｕｔ…キャパシタ
Ｄ１，Ｄ２…整流ダイオード
Ｄ３…ダイオード
Ｄ１４…逆流防止用ダイオード
Ｄａ…ダイオード
Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４…導体開口部
Ｌ１…インダクタ
Ｑ１…スイッチ素子
ＳＬ…１／４波長線路
ＳＷ…スイッチ回路
９…基板
１０…面状導体
１１〜１４…アンテナ
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ…アンテナ導体パターン
２１〜２４…整流回路
２１Ｍ，２２Ｍ，２３Ｍ，２４Ｍ…整流回路モジュール
３１，３２…昇圧回路
４１，４２…蓄電池
５０…負荷
１０１…環境発電装置
２０１，２０３Ａ，２０３Ｂ…環境センサ

Claims (5)

1. それぞれ電磁波エネルギーを受ける複数のアンテナと、
   前記複数のアンテナにそれぞれ接続され、誘起電力を交流直流変換し、出力部が直列接続された複数の整流回路と、
   前記複数の整流回路の直列出力部の電圧をそれぞれ昇圧する複数の昇圧回路と、
   前記複数の昇圧回路の出力でそれぞれ充電される複数の蓄電池又は蓄電器と、
   前記複数の蓄電池又は蓄電器を直列接続して負荷に接続する接続状態切替回路と、
   を備える環境発電装置。
2. 前記複数のアンテナは、搬送周波数が互いに異なる複数の搬送周波数の電磁波をそれぞれ受波するアンテナを備える、
   請求項１に記載の環境発電装置。
3. 前記複数のアンテナそれぞれは導体膜又は導体層で構成される共通の面状導体に接続されるループアンテナである、
   請求項１又は２に記載の環境発電装置。
4. 前記複数のアンテナそれぞれは導体膜又は導体層で構成される共通の面状導体で形成されるループアンテナである、
   請求項１又は２に記載の環境発電装置。
5. 前記面状導体は、前記複数の整流回路のグランド導体若しくは前記複数の昇圧回路のグランド導体、又は前記複数の整流回路のグランド導体及び前記複数の昇圧回路のグランド導体である、
   請求項３又は４に記載の環境発電装置。

Images