JP4828558B2

JP4828558B2 - 蓄電回路

Info

Publication number: JP4828558B2
Application number: JP2008061146A
Authority: JP
Inventors: 守宇賀神; 賢司鈴木; 昇男佐藤; 一善小野; 充原田; 啓桑原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2028-03-11
Also published as: JP2009219266A

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electric Mechanical System) 発電機などの発電量の小さい極小発電機で発生させた微小電流を効率よく蓄電し、後段回路に電力供給する蓄電回路に関する。

ユビキタス情報社会の実現に向けて、センサを備えた多数の情報発信端末により構成されるセンサネットワークの研究開発が進んでいる。これらの情報発信端末はメンテナンスフリーであることが求められており、その課題の一つにバッテリーフリー化、すなわち情報発信端末自身が発電機をもち、電池を不要とする構成が必要になっている。

一方、情報発信端末の小型化に伴って発電機も極小化する必要があるが、そのような極小発電機として振動や熱などの生活空間エネルギーを電気エネルギーに変換するものがある。例えば、ＭＥＭＳ技術等により製作されるエレクトレットの振動を電流に変換するＭＥＭＳ発電機は、その大きさが数十μｍから数ｍｍで、大きさにより１〜数十ｎＡ程度の電流を発生する。しかし、このような微小電流は後段回路の駆動電力として十分でないので、その電荷を効率よく蓄電する技術が必要になる。

図４は、従来の蓄電回路の構成例を示す（特許文献１）。
図４において、蓄電回路は、入力端子２１を介して極小発電機（図外）に接続される第１のスイッチ２２、出力端子２４を介して後段回路（図外）に接続される第２のスイッチ２３、第１のスイッチ２２と第２のスイッチ２３間に接続されて入力端子から入力する電荷を蓄積する容量２５、容量２５の蓄電電圧に応じて第１のスイッチ２２および第２のスイッチ２３をオンオフ制御するスイッチ制御部２６により構成される。スイッチ制御部２６は、容量２５の蓄電電圧を抵抗分圧して取り出す抵抗Ｒ１，Ｒ２と、基準電圧発生回路２７と、容量２５の蓄電電圧と基準電圧Ｖref とを比較する比較回路２８により構成され、比較回路２８の出力により第１のスイッチ２２および第２のスイッチ２３のオンオフが相補的に制御される。

この電源回路は次のように動作する。まず、第１のスイッチ２２がオン、第２のスイッチ２３がオフの状態で、入力端子２１に接続される極小発電機から容量２５に電荷が蓄積される。容量２５の蓄電電圧は、抵抗Ｒ１，Ｒ２で抵抗分圧されて比較回路２８の入力電圧となり、基準電圧発生回路２７の基準電圧Ｖref と比較される。比較回路２８の入力電圧が基準電圧Ｖref を超え、比較回路２８がこれを検知すると、第１のスイッチ２２をオフ、第２のスイッチ２３をオンにする制御信号を出力する。これにより、容量２５に蓄積された電荷が第２のスイッチ２３を介して、出力端子２４から後段回路に駆動電力として供給される。

後段回路に駆動電力が供給されると、電源回路の容量２５に蓄えられた電荷が消費され、容量２５の蓄電電圧が低下する。容量２５の蓄電電圧が低下して比較回路２８の入力電圧が基準電圧Ｖref を下回り、比較回路２８がこれを検知すると、第１のスイッチ２２をオン、第２のスイッチ２３をオフにする制御信号を出力する。これにより、電源回路から後段回路への電源供給は停止し、容量２５は再び入力端子２１から供給される電荷を蓄積する動作に入る。

なお、比較回路２８の入力電圧が基準電圧Ｖref を超えたことを比較回路２８が検知するときの入力電圧と、基準電圧Ｖref を下回ったことを比較回路２８が検知するときの入力電圧との間には、所定のヒステリシスが存在する。

図５は、基準電圧発生回路２７および比較回路２８の回路構成例を示す。
図において、電源と接地間に縦に接続された４つのトランジスタ(mmr11,mpr11,mpr12,mpr13) により、温度・電源電圧にほとんど依存しない基準電圧を発生する基準電圧発生回路２７が構成される。ここに示すその他の回路により比較回路２８が構成される。比較回路２８の入力電圧は、差動トランジスタ対(mn11,mn12) の一方のトランジスタmn11のゲート端子を接続される。基準電圧発生回路２７で得られる基準電圧は、差動トランジスタ対(mn11,mn12) の他方のトランジスタmn12のゲート端子に接続される。また、差動トランジスタ対(mn11,mn12) には、クロスカップル接続のトランジスタ対(mp11,mp12) とダイオード接続のトランジスタ対(mp21,mp22) が負荷として接続される。比較回路２８の入力電圧と基準電圧との比較結果出力は、トランジスタmp11,mp22 のゲート端子からバッファ回路を構成するトランジスタmp3,mn3 を介して取り出される。これらのクロスカップル接続トランジスタ対(mp11,mp12) とダイオード接続トランジスタ対(mp21,mp22) のサイズ比（ゲート幅比）を調整することにより、比較回路２８のヒステリシス電圧を調整することができる。
特開２００８−０１７４５９号公報

特許文献１に記載の蓄電回路は、高精度な基準電圧発生回路２７とヒステリシスのある比較回路２８を用いることにより電荷を蓄積しているが、基準電圧発生回路２７および比較回路２８でそれぞれ１μＡ程度の電流が消費される。すなわち、これらの消費電流を上回る入力があったときに容量２５に電荷が蓄積されるので、上記のＭＥＭＳ発電機などの極小発電機で発生するｎＡクラスの微小電流はこれらの回路で全て消費されてしまい、容量２５に電荷を蓄積することができない。

本発明は、極小発電機で発生させた微小電流を入力し、電荷を効率よく蓄電して後段回路に電力供給することができる蓄電回路を提供することを目的とする。

本発明の蓄電回路は、微小電流が入力する入力端子に接続され、電荷を蓄積する第１の容量と、第１の容量に接続され、第１の容量に接続された電極と所定の電位に設定された電極との間の電位差に応じた電界によって発生する静電力で駆動され、第１の容量の蓄電電圧が第１の電圧Ｖ１以下のときにオフとなり、第２の電圧Ｖ２（Ｖ２＞Ｖ１）以上のときにオンとなる電界検知型スイッチと、電界検知型スイッチに接続され、電界検知型スイッチがオンのときに第１の容量に接続して第１の容量から入力する電荷を蓄積する第２の容量と、第２の容量と出力端子との間に接続される電子回路スイッチを含み、第２の容量の蓄電電圧と基準電圧とを比較し、第２の容量の蓄電電圧が第３の電圧Ｖ３以下のときに電子回路スイッチをオフとし、第４の電圧Ｖ４（Ｖ２＞Ｖ４＞Ｖ３）以上のときに電子回路スイッチをオンとし、出力端子に接続された後段回路に第２の容量に蓄積された電荷による電力供給を行う出力制御手段とを備える。

電界検知型スイッチは、第１の容量に接続されかつ弾性体に保持される電極１と、第２の容量に接続される電極２と、所定の電位に設定される電極３とを備え、弾性体と電極２と電極３を１つの基板に固定して電極１と電極２，３間を中空に保持し、第１の容量の蓄電電圧に応じた電極１と電極３との間の電界の大きさと弾性体の撓みの関係により電極１と電極２が接触または非接触となる構成である。

電界検知型スイッチは、電極３が接地電位、または電極３と電極２が同電位、または電極３が第１の容量の蓄電電圧と逆極性の電位に設定される構成である。

本発明の蓄電回路は、電荷蓄積時の蓄電電圧をゼロパワーで検知する電界検知型スイッチにより電圧制御される第１の容量と、電子回路スイッチを含む出力制御手段により高精度に電圧制御される第２の容量をカスケードに接続する構成により、ＭＥＭＳ発電機などの発電量の小さい極小発電機からの微小電流を効率よく蓄積し、かつ出力電圧を高精度に制御して後段回路に電力供給することができる。

図１は、本発明の蓄電回路の実施形態を示す。図において、入力端子１１、電界検知型スイッチ１２、電子回路スイッチ１３、出力端子１４の順に接続される。第１の容量１５は、第１の端子が入力端子１１に接続され、第２の端子が固定電位（ここでは接地電位）に接続される。第２の容量１６は、第１の端子が電界検知型スイッチ１２を介して第１の容量１５の第１の端子とカスケードに接続され、第２の端子が固定電位（ここでは接地電位）に接続される。また、第２の容量１６の第１の端子と出力端子１４が電子回路スイッチ１３を介して接続される。スイッチ制御部１７は、第２の容量１６の蓄電電圧をモニタし、電子回路スイッチ１３のオンオフを制御する。

入力端子１１には極小発電機（図外）が接続され、極小発電機で発電された微小電流が入力し、その電荷が第１の容量１５に徐々に蓄積する。第１の容量１５の蓄電電圧がＶ１以下のときは電界検知型スイッチ１２はオフであり、第２の容量１６には電流が流れない。第１の容量１５に電荷が蓄積して蓄電電圧がＶ２（Ｖ２＞Ｖ１）以上になると、電界検知型スイッチ１２がオンになって第１の容量１５から第２の容量１６に電流が流れ、電荷が移動する。そして、第１の容量１５の蓄電電圧が低下してＶ１以下になると電界検知型スイッチ１２がオフになり、入力端子１１から入力する微小電流による電荷の蓄積を再開する。

図２は、電界検知型スイッチ１２の構成例を示す。図２(1) は電界検知型スイッチ１２の断面概略構成を示し、図２(2) 〜(4) は３つの電極間の接続形態を示す。

図２において、電界検知型スイッチ１２は、第１の容量１５に接続されかつ弾性体１２１に保持される電極１と、第２の容量１６に接続される電極２と、所定の電位に設定される電極３とを備える。弾性体１２１と電極２と電極３が１つの絶縁基板１２２に固定され、電極間が中空の構造になっており、ＭＥＭＳ技術などにより製造される。

第１の容量１５の電荷の蓄積による蓄電電圧に応じた電極１と、所定電位の電極３との間の電位差に応じた電界の大きさと弾性体２１の撓みの関係により、電極１と電極２が接触または非接触となる構成である。すなわち、第１の容量１５に電荷が蓄積すると、その蓄電電圧に応じて電極１と電極３との間に電界が発生し、電極１と電極３が引きつけあう。第１の容量１５の蓄電電圧がＶ２以上になり、電極１と電極３との間の電界の強さが所定値以上になると、電極１と電極２が接触し、第１の容量１５から第２の容量１６に電流が流れる。一方、第１の容量１５の蓄電電圧がＶ１以下になり、電極１と電極３との間の電界の強さが所定値以下になると、電極１と電極２が離れ、第１の容量１５から第２の容量１６に電流が流れなくなる。

図２(2) に示す電極間の接続関係では、電極３を接地電位に接続し、第１の容量１５の蓄電電圧そのものがスイッチのオンオフ制御に用いられる。図２(3) に示す電極間の接続関係では、電極２と電極３を接続し、第１の容量１５の蓄電電圧と第２の容量１６の蓄電電圧の差分がスイッチのオンオフ制御に用いられる。図２(4) に示す電極間の接続関係では、電極３と接地電位間に負の電圧を印加しており、第１の容量１５の蓄電電圧が小さい場合でもスイッチのオンオフ制御が可能な構成になっている。

このような電界検知型スイッチ１２は、電極間の電圧と電極間の接続動作の関係にヒステリシスをもつ。すなわち、電極１と電極２が非接続状態から接続状態になる第１の容量１５の蓄電電圧Ｖ２は、電極１と電極２が接続状態から非接続状態になる第１の容量１５の蓄電電圧Ｖ１よりも大きい。

電界検知型スイッチ１２がオンになって第１の容量１５から第２の容量１６に流れる電流は、スイッチ制御部１７で消費される電流より桁違いに大きく、余剰の電荷が第２の容量１６に蓄積される。スイッチ制御部１７は、第２の容量１６の蓄電電圧を高精度にモニタしており、それがＶ３以下のときは電子回路スイッチ１３はオフであり、出力端子１４に電流は出力されない。第２の容量１６に電荷が蓄積して蓄電電圧がＶ４（Ｖ２＞Ｖ４＞Ｖ３）以上になると、電子回路スイッチ１３をオンにして第２の容量１６から出力端子１４を介して後段回路に一定電圧の電力を供給する。そして、第２の容量１６の蓄電電圧が低下してＶ３以下になると電子回路スイッチ１３がオフになる。

ここで、電界検知型スイッチ１２がオンになる、すなわち電極１と電極２が接続状態になる第１の容量１５の蓄電電圧Ｖ２は、電界検知型スイッチ１２を構成する弾性体２１の弾性力に依存し、製造プロセスバラツキや温度の影響を受けて変動する。例えば、第１の容量１５の蓄電電圧が設定値Ｖ２より低いときに電界検知型スイッチ１２がオンになると、第１の容量１５から第２の容量１６に十分な電荷が移動せず、第２の容量１６の蓄電電圧が電子回路スイッチ１３をオンにする設定電圧Ｖ４に達しないことが想定される。そのため、電界検知型スイッチ１２をオンにする第１の容量１５の蓄電電圧Ｖ２は、その変動要因による誤差分だけ高めに設定する。すなわち、第１の容量１５の蓄電電圧は多少高くなっても問題はないので、低い電圧で電界検知型スイッチ１２がオンにならないように設定する。

また、電界検知型スイッチ１２は、電極１と電極３間の電圧を電極間にかかる電界で検知する構成であり、スイッチがオフの状態（第１の容量１５に電荷を蓄積している状態）では電力を全く消費しない特徴がある。

図３は、電子回路スイッチ１３およびスイッチ制御部１７の構成例を示す。
図３において、スイッチ制御部１７は、図４に示す従来の構成と同様に抵抗Ｒ１，Ｒ２、基準電圧発生回路２７および比較回路２８により構成される。基準電圧発生回路２７は、製造プロセスや環境温度によらず一定の基準電圧Ｖref を出力する。比較回路２８は、第２の容量１６の蓄電電圧を抵抗Ｒ１，Ｒ２で抵抗分割した値が基準電圧Ｖref を超えたときに電子回路スイッチ１３をオンとし、基準電圧Ｖref を下回ったときに電子回路スイッチ１３をオフに制御する。なお、電子回路スイッチ１３がオンになる比較回路２８の入力電圧と、オフになる比較回路２８の入力電圧との間には、例えば 0.1Ｖ程度のヒステリシスが存在し、これにより後段回路の電源電圧範囲を設定する。このヒステリシスをもつ比較回路２８および基準電圧発生回路２７は、図５に示す従来のトランジスタ回路により実現される。

ところで、電界検知型スイッチ１２がオンになり、第２の容量１６の蓄電電圧が上昇して電子回路スイッチ１３がオンになると、第２の容量１６から出力端子１４を介して後段回路に電力が供給されるが、このとき電界検知型スイッチ１２がオフになるタイミングは遅れてもよい。その場合、出力端子１４に、入力端子１１、第１の容量１５および第２の容量１６が接続されることになるが、後段回路への電力供給にはなんら支障はない。その後、電界検知型スイッチ１２がオフになると、再び第１の容量１５に電荷が蓄積される動作に戻る。

本発明の蓄電回路の実施形態を示す図。電界検知型スイッチ１２の構成例を示す図。電子回路スイッチ１３およびスイッチ制御部１７の構成例を示す図。従来の蓄電回路の構成例を示す図。基準電圧発生回路２７および比較回路２８の回路構成例を示す図。

符号の説明

１１入力端子
１２電界検知型スイッチ
１３電子回路スイッチ
１４出力端子
１５第１の容量
１６第２の容量
１７スイッチ制御部
２７基準電圧発生回路
２８比較回路

Claims

微小電流が入力する入力端子に接続され、電荷を蓄積する第１の容量と、
前記第１の容量に接続され、前記第１の容量に接続された電極と所定の電位に設定された電極との間の電位差に応じた電界によって発生する静電力で駆動され、前記第１の容量の蓄電電圧が第１の電圧Ｖ１以下のときにオフとなり、第２の電圧Ｖ２（Ｖ２＞Ｖ１）以上のときにオンとなる電界検知型スイッチと、
前記電界検知型スイッチに接続され、前記電界検知型スイッチがオンのときに前記第１の容量に接続して前記第１の容量から入力する電荷を蓄積する第２の容量と、
前記第２の容量と出力端子との間に接続される電子回路スイッチを含み、前記第２の容量の蓄電電圧と基準電圧とを比較し、前記第２の容量の蓄電電圧が第３の電圧Ｖ３以下のときに電子回路スイッチをオフとし、第４の電圧Ｖ４（Ｖ２＞Ｖ４＞Ｖ３）以上のときに電子回路スイッチをオンとし、出力端子に接続された後段回路に前記第２の容量に蓄積された電荷による電力供給を行う出力制御手段と
を備えたことを特徴とする蓄電回路。
請求項１に記載の蓄電回路において、
前記電界検知型スイッチは、前記第１の容量に接続されかつ弾性体に保持される電極１と、前記第２の容量に接続される電極２と、前記所定の電位に設定される電極３とを備え、前記弾性体と前記電極２と前記電極３を１つの基板に固定して前記電極１と前記電極２，３間を中空に保持し、前記第１の容量の蓄電電圧に応じた前記電極１と前記電極３との間の電界の大きさと前記弾性体の撓みの関係により前記電極１と前記電極２が接触または非接触となる構成である
ことを特徴とする蓄電回路。
請求項２に記載の蓄電回路において、
前記電界検知型スイッチは、前記電極３が接地電位、または前記電極３と前記電極２が同電位、または前記電極３が前記第１の容量の蓄電電圧と逆極性の電位に設定される構成である
ことを特徴とする蓄電回路。