JP5986846B2 - ハイブリッドハーベストモジュールの制御回路、それを用いた発電回路、電子機器、無線センサ - Google Patents
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Description
発電回路は、その出力段に蓄電手段を有してもよい。マイクロコントローラは、蓄電手段の電圧に応じて、無線ユニットによる通信の頻度を変化させてもよい。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
このときハイブリッドハーベストモジュール200の複数のハイブリッドハーベスト素子202は、それぞれの第1端子P1と第2端子P2の間に、起電力V1を発生する。このとき、ハイブリッドハーベスト素子202_1の第2端子P2の電位VDETが高くなり、スイッチコントローラ110は、第1スイッチ群SW1をオン、第2スイッチ群SW2をオフする。
このとき、ハイブリッドハーベスト素子202_1が発生する起電力V1が小さくなるため、検出電圧VDETが低くなり、スイッチコントローラ110は、第2スイッチ群SW2をオン、第1スイッチ群SW1をオフする。その結果、複数のハイブリッドハーベスト素子202_1〜202_3が第1ラインL1と第2ラインL2の間に直列に接続される。
発電回路2によれば、複数のハイブリッドハーベスト素子202のうち、1番目のハイブリッドハーベスト素子202_1を、第1の環境エネルギーに対するセンサとして使用することにより、第1の環境エネルギーが発生しているときには、起電力V1にもとづいて負荷4を駆動し、もしくは蓄電手段300を充電できる。また第1の環境エネルギーが発生していない場合であっても、第2の環境エネルギーが発生しているときには、起電力V2にもとづいて負荷4を駆動し、もしくは蓄電手段300を充電できる。
蓄電手段300の電力が枯渇した状態では、電源電圧VDDが低下し、スイッチコントローラ110および昇圧回路120が動作不能となる。第1ダイオードD1を設けない場合には、ハイブリッドハーベストモジュール200が起電力V1を発生していても、昇圧回路120が動作不能であれば、負荷4に電源電圧VDDを供給できず、あるいは蓄電手段300を充電できない。これに対して、第1ダイオードD1を設けることにより、昇圧回路120が動作不能であっても、ハイブリッドハーベスト素子202_1が発生した第1起電力V1を、第1ダイオードD1を経由して負荷4あるいは蓄電手段300に供給することができる。
図4(a)、(b)は、発電回路2を備える無線センサのブロック図および利用形態を示す図である。
図4(a)の無線センサ600は、工場エネルギー管理システム(Factory Energy Management System)、地殻変動の検知システム、地震予測システム、道路や橋梁のセンサ、人体内、あるいは動物体内のヘルスモニタなどにも利用可能である。
図6は、第1の変形例に係る発電回路2aの構成を示す回路図である。制御回路100aは、図1の昇圧回路120に代えて、第2ダイオードD2を備える。ハイブリッドハーベストモジュール200により生成される電圧V3が、負荷4を駆動するのに足るレベルである場合、昇圧回路120は不要である。図6の制御回路100aによれば、図1の制御回路100と同様に、ハイブリッドハーベストモジュール200の発電状況に応じて、負荷4あるいは蓄電手段300に電力を供給できる。
図1あるいは図6の発電回路2において、負荷4が環境エネルギーが与えられた状況下でのみ動作すればよい場合、蓄電手段300は省略してもよい。
図7は、第3の変形例に係る発電回路2の一部を示す回路図である。昇圧回路120は、昇圧型のスイッチングレギュレータであり、インダクタL11、スイッチングトランジスタM11、同期整流トランジスタM12、出力キャパシタC11、スイッチングコントローラ124、を備える。この構成は一般的であるため説明を省略する。
Claims (16)
- N個(Nは2以上の整数)のハイブリッドハーベスト素子を含むハイブリッドハーベストモジュールの制御回路であって、
前記N個のハイブリッドハーベスト素子はそれぞれ、第1端子、第2端子、第3端子を有し、第1の環境エネルギーに応じて、前記第1端子と前記第2端子の間に起電力を発生し、第2の環境エネルギーに応じて、前記第1端子と前記第3端子の間に起電力を発生するよう構成され、
前記制御回路は、
1番目のハイブリッドハーベスト素子の前記第1端子と接続される第1ラインと、
第2ラインと、
オン、オフ状態が切りかえ可能に構成され、オン状態において、前記N個のハイブリッドハーベスト素子それぞれの前記第1端子を前記第1ラインと接続し、前記N個のハイブリッドハーベスト素子それぞれの前記第2端子を前記第2ラインと接続する第1スイッチ群と、
オン、オフ状態が切りかえ可能に構成され、オン状態において、i番目(1≦i≦N−1)のハイブリッドハーベスト素子の前記第3端子をi+1番目のハイブリッドハーベスト素子の第1端子と接続するとともに、N番目のハイブリッドハーベスト素子の前記第3端子を前記第2ラインと接続する第2スイッチ群と、
1番目のハイブリッドハーベスト素子の前記第2端子の電位にもとづいて、前記第1スイッチ群および前記第2スイッチ群を制御するスイッチコントローラと、
を備えることを特徴とする制御回路。 - 前記第1端子と前記第2端子の間の起電力は、前記第1端子と前記第3端子の間の起電力より大きいことを特徴とする請求項1に記載の制御回路。
- 前記スイッチコントローラは、前記第2端子の電位が所定のしきい値電圧より高いときに、前記第1スイッチ群をオン、前記第2スイッチ群をオフし、前記第2端子の電位が前記しきい値電圧より低いときに、前記第1スイッチ群をオフ、前記第2スイッチ群をオンすることを特徴とする請求項1または2に記載の制御回路。
- 前記第1ラインと前記第2ラインの間の電圧を昇圧する昇圧回路をさらに備え、
前記スイッチコントローラの電源端子には、前記昇圧回路の出力電圧が供給されることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の制御回路。 - 1番目のハイブリッドハーベスト素子の前記第2端子と、前記昇圧回路の出力端子の間に、アノードが前記第2端子側となる向きで設けられた第1ダイオードをさらに備えることを特徴とする請求項4に記載の制御回路。
- 前記昇圧回路は、
補助キャパシタと、
前記補助キャパシタと接続される電源ラインと、
前記電源ラインと前記昇圧回路の出力端子の間に設けられた補助スイッチと、
を含み、前記電源ラインの電圧を電源として動作可能に構成され、
前記制御回路は、1番目のハイブリッドハーベスト素子の前記第2端子と、前記補助キャパシタの一端の間に、アノードが前記第2端子側となる向きで設けられた第1ダイオードをさらに備えることを特徴とする請求項4に記載の制御回路。 - そのアノードが前記第1ラインに接続された第2ダイオードをさらに備え、
前記スイッチコントローラの電源端子には、前記ダイオードのカソードの電圧が供給されることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の制御回路。 - 1番目のハイブリッドハーベスト素子の前記第2端子と、前記第2ダイオードのカソードの間に、アノードが前記第2端子側となる向きで設けられた第1ダイオードをさらに備えることを特徴とする請求項7に記載の制御回路。
- 前記スイッチコントローラは、
電源端子と、
そのゲートまたはベースが1番目のハイブリッドハーベスト素子の前記第2端子と接続され、そのソースまたはエミッタが前記第1ラインと接続されたトランジスタと、
前記トランジスタのドレインまたはコレクタと、前記電源端子の間に設けられた抵抗と、
を含み、前記トランジスタのドレインまたはコレクタがローレベルのとき、前記第1スイッチ群をオン、前記第2スイッチ群をオフし、ハイレベルのとき、前記第1スイッチ群をオフ、前記第2スイッチ群をオンすることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の制御回路。 - ひとつの半導体基板に一体集積化されたことを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の制御回路。
- ハイブリッドハーベスト素子と、
前記ハイブリッドハーベスト素子からの電圧を受ける請求項1から10のいずれかに記載の制御回路と、
を備えることを特徴とする発電回路。 - ハイブリッドハーベスト素子と、
前記ハイブリッドハーベスト素子からの電圧を受ける請求項4または5に記載の制御回路と、
前記昇圧回路の出力端子に接続された蓄電手段と、
を備えることを特徴とする発電回路。 - ハイブリッドハーベスト素子と、
前記ハイブリッドハーベスト素子からの電圧を受ける請求項7または8に記載の制御回路と、
前記制御回路の第1ダイオードのカソードと接続された蓄電手段と、
を備えることを特徴とする発電回路。 - 請求項11から13のいずれかに記載の発電回路を備えることを特徴とする電子機器。
- 請求項14に記載の発電回路と、
センサ素子と、
マイクロコントローラと、
無線ユニットと、
を備えることを特徴とする無線センサ。 - 前記発電回路は、その出力段に蓄電手段を有し、
前記マイクロコントローラは、前記蓄電手段の電圧に応じて、前記無線ユニットによる通信の頻度を変化させることを特徴とする請求項15に記載の無線センサ。
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