JP5367621B2 - 蓄電回路 - Google Patents

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。例えば、情報発信端末のセンサが目的の信号を検出したときに、情報発信端末自体が発電した電気エネルギーを使って無線送信できることが、センサシステムにおけるバッテリーフリー化の１つの形態になる。

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３は、従来の蓄電回路の構成例を示す（特許文献１）。
図３において、電界検知型スイッチ１２の電極１に入力端子１１および第１の容量１５が接続され、電極２に第２の容量１６、スイッチ制御部１７および電子回路スイッチ１３を介して出力端子１４が接続され、電極３に所定の負電位が印加される。
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に電荷が蓄積し、電界検知型スイッチ１２の電極１の電圧がＶ２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、電極１の電圧が低下してＶ１（Ｖ２＞Ｖ１）以下になると電界検知型スイッチ１２がオフになり、第１の容量１５は入力端子１１から入力する微小電流による電荷の蓄積を再開する。

電界検知型スイッチ１２は、図４に示すように、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、所定の負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、所定の負電位の電極３との間の電位差に応じた電界の大きさと弾性体１２１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。

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。

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５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５において、スイッチ制御部１７は、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。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発生回路２７の基準電圧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。

特開２００９−２１９２６６号公報

図３に示す従来の蓄電回路は、ｎＡ級の極小発電機からの電荷を蓄積し、所要の電力を後段回路に供給できる特徴をもつ。しかし、電界検知型スイッチ１２の電極１に印加する電圧が通常の半導体回路を動作させる３Ｖ程度以下の低電圧では、電界検知型スイッチ１２が安定動作しない問題があった。そのため、電界検知型スイッチ１２の電極３に外部バッテリーから所定の負電位（−10Ｖ程度）を印加し、電極１の印加電圧が３Ｖ程度でも安定動作する構成が必要であった。すなわち、電界検知型スイッチ１２の安定動作のために外部バッテリーを必要とする構成は、情報発信端末自身が発電機をもち電池を不要とするバッテリーフリー化に反するものとなっていた。

本発明は、電界検知型スイッチの安定動作のための外部バッテリーを不要とし、蓄積した電圧が３Ｖ程度の低電圧でも電界検知型スイッチを安定動作させ、ｎＡ級の極小発電機からの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。

本発明は、微小電流が入力する第１の入力端子に接続され、電荷を蓄積する第１の容量と、第１の容量に電極１が接続され、微小交流電圧が入力する第２の入力端子に電極３が接続され、電極３の電位が正または電極１の電位が第１の電圧Ｖ１以下のときにオフとなり、電極３の電位が負および電極１の電位が第２の電圧Ｖ２（Ｖ２＞Ｖ１）以上のときにオンとなって電極１と電極２とを接続する電界検知型スイッチと、電界検知型スイッチの電極２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第１の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以下のときに第１の電子回路スイッチをオフとし、第４の電圧Ｖ４（Ｖ２＞Ｖ４＞Ｖ３）以上のときに第１の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。

また、第１の入力端子から第１の容量に対して順方向に整流ダイオードを挿入した構成としてもよい。

また、第２の入力端子から電界検知型スイッチの電極３に対して逆方向に整流ダイオードを挿入し、電界検知型スイッチの電極３と接地との間に位置する第２の入力端子への分岐点と、該接地との間に、第１の電子回路スイッチと同時にオンオフ制御される第２の電子回路スイッチを挿入した構成としてもよい。

また、本発明の蓄電回路において、第２の入力端子に微小交流電圧を発生するセンサを接続し、電極３の電位が負および電極１の電位が第２の電圧Ｖ２以上のときに電界検知型スイッチがオンとなり、出力端子から後段回路に電力供給が行われたことをもって、後段回路から当該センサが動作したことを示す信号を出力させる構成しとてもよい。

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。

特に、電界検知型スイッチの電極３に微小交流電圧を入力し、電極３を負電位に印加させることにより、電極１に接続される第１の容量に蓄積した電圧が３Ｖ程度の低電圧でも安定してオンにでき、第１の容量から第２の容量を介して後段回路に電極供給することができる。

また、電界検知型スイッチの電極３に振動センサなどを発電機として接続し、その発電動作により電極３を負電位に印加して電界検知型スイッチをオンとするトリガとし、電力供給された後段回路からセンサ出力を送信させることにより、センサシステムとして機能させることができる。

本発明の蓄電回路の実施例１の構成例を示す図である。 本発明の蓄電回路の実施例２の構成例を示す図である。 従来の蓄電回路の構成例を示す図である。 電界検知型スイッチ１２の構成例を示す図である。 電子回路スイッチ１３およびスイッチ制御部１７の構成例を示す図である。

図１は、本発明の蓄電回路の実施例１の構成例を示す。
図１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、第１の容量１５、第２の容量１６、スイッチ制御部１７は、図３に示す従来の蓄電回路と同様の構成であり、入力端子１１には第１の極小発電機（例えばＭＥＭＳ発電機や太陽電池）からの電流が入力する。なお、第１の極小発電機が交流発電機であり、入力電流が微小である場合には、入力端子１１から第１の容量１５に対して順方向に整流ダイオードを挿入することにより、効率的に第１の容量１５への蓄電が可能になる。

本実施例は、電界検知型スイッチ１２の電極３を負電位に印加するバッテリーに代えて入力端子１８を接続し、その入力端子１８に第２の極小発電機を接続する構成である。第２の極小発電機は、例えば振動センサなどの振動発電機であり、数十Hzから数ｋHz程度の振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、振動周波数に応じた交流電圧が発生する。ここで、電界検知型スイッチ１２の電極３に容量を介さずに振動発電機を接続することにより、電極３はこの交流電圧によって周期的に負電位に帯電することになる。なお、電極３を負電位に印加できる発電機であれば振動発電機に限らず、温度、加速度などの各種の物理パラメータを微小な交流電圧に変換できる発電機であればよい。

一方、第１の容量１５は、入力端子１１に接続された第１の極小発電機から入力する電流により電荷が蓄積され、電界検知型スイッチ１２の電極１の電位も高くなっていく。そして、電極１の電位がＶ２（３Ｖ程度）以上になり、かつ電極３が負電位に帯電したときに電界検知型スイッチ１２はオンとなり、第１の容量１５から第２の容量１６に電流が流れ、第２の容量１６の電圧がＶ４（Ｖ２＞Ｖ４＞Ｖ３）以上になると電子回路スイッチ１３がオンになり、出力端子１４に接続された後段回路へ第２の容量１６に蓄積された電荷による電力が供給される。そして、第２の容量１６の電圧が低下してＶ３以下になると電子回路スイッチ１３がオフになる。また、電極１の電圧が低下してＶ１（Ｖ２＞Ｖ１）以下になると電界検知型スイッチ１２がオフになり、第１の容量１５は入力端子１１から入力する微小電流による電荷の蓄積を再開する。

本実施例の構成では、電界検知型スイッチ１２の電極３が負電位に印加されたときに、電極１の電位がＶ２（３Ｖ程度）未満であれば電界検知型スイッチ１２はオフのままである。しかし、第２の極小発電機（振動センサ）の動作により電極３が周期的に負電位に帯電するときに、第１の極小発電機の発電によって電極１の電位がＶ２（３Ｖ程度）以上になれば、その時点で電界検知型スイッチ１２がオンとなる。そして、第１の容量１５から第２の容量１６に電流が流れ、さらに第２の容量１６に蓄積した電力が電子回路スイッチ１３を介して出力端子１４から後段回路に供給される。後段回路がこの電力によって起動し、信号の送信動作を行う構成とすれば、電極３に接続される振動センサなどの動作を通知するセンサシステムとして機能させることができる。

図２は、本発明の蓄電回路の実施例２の構成例を示す。
本実施例は、入力端子１１から第１の容量１５に対して順方向に整流ダイオード２１を挿入し、入力端子１８から電界検知型スイッチ１２の電極３に対して逆方向に整流ダイオード２２を挿入する。この整流ダイオード２２により、入力端子１８に接続される第２の極小発電機が発電量の小さい交流発電機であっても、電界検知型スイッチ１２の電極３に電荷を蓄積することにより、電極３を十分な大きさの負電位に印加することができる。しかし、電界検知型スイッチ１２の電極３が負電位に印加されたままでは、電界検知型スイッチ１２がオンに固定されるなど動作が不安定になる可能性がある。

そこで、本実施例では、電界検知型スイッチ１２の電極３と接地との間に電子回路スイッチ２３を挿入し、スイッチ制御部１７によって電子回路スイッチ１３と同期してオンオフ制御する構成とする。これにより、電界検知型スイッチ１２がオンになり、第１の容量１５から第２の容量１６に電流が流れ、さらに第２の容量１６の電圧に応じて電子回路スイッチ１３がオンになり、第２の容量１６から出力端子１４に接続された後段回路に電力が供給されると同時に、電子回路スイッチ２３をオンにして電界検知型スイッチ１２の電極３を接地電位に接続する。これにより、第２の容量１６から後段回路に電力が供給されている間は、電界検知型スイッチ１２をオフにリセットすることができる。そして、第２の容量１６の電位が低下し、電子回路スイッチ１３がオフになって後段回路への電力供給が停止したときに電子回路スイッチ２３もオフにし、電界検知型スイッチ１２の電極３に入力端子１８に接続される第２の極小発電機を接続する。

以下、電界検知型スイッチ１２のオン、電子回路スイッチ１３，２３のオン、電子回路スイッチ１３，２３のオフ、電界検知型スイッチ１２のオフを繰り返すことにより、入力端子１１に接続されるｎＡ級の極小発電機からの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として機能させることができる。

また、本実施例の蓄電回路においても、入力端子１８を介して電界検知型スイッチ１２の電極３に接続される第２の極小発電機（振動センサ）などの動作を通知するセンサシステムとして機能させることができる。

１１，１８ 入力端子
１２ 電界検知型スイッチ
１３，２３ 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
２１，２２ 整流ダイオード

Claims (4)

1. 微小電流が入力する第１の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の容量に電極１が接続され、微小交流電圧が入力する第２の入力端子に電極３が接続され、電極３の電位が正または電極１の電位が第１の電圧Ｖ１以下のときにオフとなり、電極３の電位が負および電極１の電位が第２の電圧Ｖ２（Ｖ２＞Ｖ１）以上のときにオンとなって電極１と電極２とを接続する電界検知型スイッチと、
   前記電界検知型スイッチの前記電極２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第１の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以下のときに第１の電子回路スイッチをオフとし、第４の電圧Ｖ４（Ｖ２＞Ｖ４＞Ｖ３）以上のときに第１の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。
2. 請求項１に記載の蓄電回路において、
   前記第１の入力端子から前記第１の容量に対して順方向に整流ダイオードを挿入した構成である
   ことを特徴とする蓄電回路。
3. 請求項１に記載の蓄電回路において、
   前記第２の入力端子から前記電界検知型スイッチの電極３に対して逆方向に整流ダイオードを挿入し、
   前記電界検知型スイッチの電極３と接地との間に位置する前記第２の入力端子への分岐点と、該接地との間に、前記第１の電子回路スイッチと同時にオンオフ制御される第２の電子回路スイッチを挿入した構成である
   ことを特徴とする蓄電回路。
4. 請求項１に記載の蓄電回路において、
   前記第２の入力端子に前記微小交流電圧を発生するセンサを接続し、前記電極３の電位が負および前記電極１の電位が第２の電圧Ｖ２以上のときに前記電界検知型スイッチがオンとなり、前記出力端子から前記後段回路に電力供給が行われたことをもって、前記後段回路から当該センサが動作したことを示す信号を出力させる構成である
   ことを特徴とする蓄電回路。

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