JP6152919B1 - エナジーハーベスト端末 - Google Patents

Abstract

【課題】ＲＦ−ＤＣ変換回路が、変換効率が最大または最大に近い値となるような出力電圧を出力する様にＭＰＰＴ制御を行う。【解決手段】エナジーハーベスト端末は、無線通信により受信した交流電流を直流電流に変換して出力するＲＦ−ＤＣ変換回路と、ＲＦ−ＤＣ変換回路の出力側に接続され、ＲＦ−ＤＣ変換回路の出力した直流電流の電圧を、所定の電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、ＲＦ−ＤＣ変換回路およびＤＣ−ＤＣコンバータの接続および接続の開放を制御する制御部と、を備え、制御部は、ＲＦ−ＤＣ変換回路およびＤＣ−ＤＣコンバータの接続の開放時に得られる、ＲＦ−ＤＣ変換回路の出力側の開放電圧Ｖin_ocを取得し、ＲＦ−ＤＣ変換回路およびＤＣ−ＤＣコンバータの接続時に、ＤＣ−ＤＣコンバータのＲＦ−ＤＣ変換回路に接続された側の入力電圧Ｖinが、目標電圧に等しくなるように、ＤＣ−ＤＣコンバータをフィードバック制御する。【選択図】図３

Description

本開示は、エナジーハーベスト端末に関する。

ワイヤレスセンサネットワークを構成するセンサ端末において、現在、ボタン電池等の一次電池、太陽電池、熱電変換素子等が電源として使用されている。しかしながら、一次電池に関しては電池交換が必要であり、太陽電池や熱電変換素子は材料コストが高い。このような電源に関する問題は、ワイヤレスセンサネットワークの普及への障壁となっている。

通信システムとしてＲＦＩＤ（Radio-Frequency Identification）を用いた場合、センサ端末から自発的に通信電波を送信することがなく、センサ端末は低消費電力であるため、電源としてエナジーハーベスト（energy harvest；環境発電）を利用することが可能である。エナジーハーベストは、周囲に存在するエネルギーから電力を採取する技術であり、ここでのセンサ端末の如き低消費電力のデバイスに好ましく適用される。エナジーハーベストには、光、熱電、振動、電磁波などを用いるものがあるが、電磁波を用いたＲＦエナジーハーベストは、電源の一部または全部として無線電力を利用するものである。これにより、ワイヤレスかつ電池交換不要のセンサ端末が実現可能である。

環境に分布する無線電力は、送信機からの距離、反射、干渉等の要因により大きく変動する。これは無線電力をセンサ端末に適用する際の問題となる。そこで、電力マネジメント構成により、エナジーハーベストによる高効率なセンサ駆動を実現することが求められる。 そのため、下記のような種々の課題に対応した技術が従来より提案されている。

特許文献１は、高速に起動することが可能な電源回路を開示している。電源回路は、複数の電圧源と、複数の電圧源が直列に接続されている状態と並列に接続されている状態とを切り替えるスイッチ回路と、入力された電圧を昇圧する電圧制御回路と、を備える。スイッチ回路は、複数の電圧源を直列に接続し、当該直列に接続されている複数の電圧源の出力を電圧制御回路の出力ノードに供給した後、複数の電圧源を並列に接続し、当該並列に接続されている複数の電圧源の出力を電圧制御回路に供給する。電圧制御回路は、並列に接続されている複数の電圧源の電圧を昇圧する。

特許文献２は、出力インピーダンスを有するエナジーハーベスタからＤＣ−ＤＣコンバータへエネルギーを伝送するためのエナジーハーベスティングシステムを提供する。最大電力点追従（ＭＰＰＴ）回路が、ハーベスタ出力インピーダンスの倍数であるレプリカ・インピーダンスを含む。ＭＰＰＴ回路は、ハーベスタの出力電圧に等しい電圧をレプリカ・インピーダンスを横切って印加して、倍数で除算された、ハーベスタから受け取った入力電流に等しいフィードバック電流を生成し、ハーベスタ及びＤＣ−ＤＣコンバータ間の最大電力点追従を提供する。

特許文献３は、熱発電素子から簡単な回路で最大出力電力を取り出し可能な熱電発電装置を提供する。熱電発電装置は、熱電発電素子と、熱電発電素子に接続され、所定のタイミング毎の熱電発電素子の出力に基づいて動作点を設定するための動作点設定回路と、動作点設定回路に接続され、動作点設定回路にサンプルホールド信号を供給するシーケンス回路と、動作点設定回路に接続され、出力電圧を出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力に接続され、フィードバック信号をＤＣ／ＤＣコンバータにフィードバックするエラーアンプとを備える。

特許文献４は、回路の占有面積の増大を抑えつつ、安定した電力を様々な負荷に対して供給することができる電源制御回路を開示する。第１電源電圧が印加された第１電源線、および、第１電源電圧とは異なる第２電源電圧が印加された第２電源線の間に接続されたキャパシタと、第１および第２電源線の間に設けられ、負荷と直列接続された第１スイッチ素子と、第１電源電圧と第２電源電圧の差電圧を監視して、第１スイッチ素子をオン／オフ制御する差電圧監視回路と、を有し、差電圧監視回路は、差電圧が上昇するとき、差電圧が第１基準電圧以上になれば、第１スイッチ素子をオンするように制御し、差電圧が下降するとき、差電圧が第２基準電圧以下になれば、第１スイッチ素子をオフするように制御する。

特許文献５は、従来の電源装置の様に、大容量のリチウムイオンキャパシタに充電を行うため、負荷装置の動作を復帰させるまでに数時間かかるという問題に対応した蓄電システムを開示している。この蓄電システムでは、大容量低リークの第１蓄電池と、小容量の第２蓄電池をスイッチを介して接続し、電圧に応じてスイッチを制御することにより、高速起動とバッテリの過放電防止を両立することを狙っている。

特開２０１５−２１１５７４号公報 特許第５９２１４４７号公報 特開２０１４−２１７２５０号公報 特開２０１６−１４６１５６号公報 特許第５８５７１１９号公報

特許文献１の技術は、複数のエナジーハーベスタ回路を必要とし、また、電流パスに複数のトランジスタが直列に挿入されるため、電力の損失が大きい。特許文献２の技術によれば、オペアンプの入出力電圧が入力電源電圧に等しくなるため、レールトゥレールオペアンプが必要となり、トランジスタ数が増加する。また、レプリカインピーダンスは大きな抵抗の値となるため、集積回路に実装する場合大面積が必要となる。特許文献３の技術においては、熱電発電素子を用いており、ＲＦエナジーハーベストとは異なるエナジーハーベストを用いている。

特許文献４の技術は、差電圧監視回路を使用し、負荷を駆動するものであるが、付加駆動に伴う電圧降下に十分な対策がなされておらず、比較的大型のキャパシタを要する。特許文献５は、大容量の第１蓄電池が低リークであることを前提としており、第１蓄電池および第２蓄電池がどちらも放電した場合には再起動に長時間を要する。

以上の様に、従来の提案技術は、消費電力、装置の小型化、起動時間等の観点から何らかの問題を抱えている。

本開示は、従来技術に比べさらに高効率に無線電力を活用し得るエナジーハーベスト端末に関する。

本開示のエナジーハーベスト端末は、無線通信により受信した交流電流を直流電流に変換して出力するＲＦ−ＤＣ変換回路と、前記ＲＦ−ＤＣ変換回路の出力側に接続され、前記ＲＦ−ＤＣ変換回路の出力した直流電流の電圧を、所定の電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＲＦ−ＤＣ変換回路および前記ＤＣ−ＤＣコンバータの接続および接続の開放を制御する制御部と、キャパシタより構成され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧によって充電される第１の蓄電デバイスと、前記第１の蓄電デバイスより大きい電力容量を有する第２の蓄電デバイスと、前記第１の蓄電デバイスと前記第２の蓄電デバイスから電力が供給される負荷と、前記第１の蓄電デバイスと前記負荷を接続する電源ラインに配置され、前記第１の蓄電デバイスの充電電圧を検出し、当該電圧と所定の閾値電圧を比較して、当該電源ラインを開閉する電圧検出回路と、前記第１の蓄電デバイスと前記第２の蓄電デバイスを接続する接続ラインに配置され、当該接続ラインを開閉する電流制限部と、前記接続ラインに配置され、前記第１の蓄電デバイスから前記第２の蓄電デバイスに流れる電流を検出し、当該電流に対応する電圧を出力する電流検出回路と、前記電流検出回路の出力電圧を検出し、当該出力電圧が所定の基準電圧と等しくなるように、前記電流制限部の開閉動作を行うスイッチングレギュレータと、を備え、当該制御部は、前記ＲＦ−ＤＣ変換回路および前記ＤＣ−ＤＣコンバータの接続の開放時に得られる、前記ＲＦ−ＤＣ変換回路の出力側の開放電圧Ｖin_ocおよび当該開放電圧Ｖin_ocを分圧して得られる目標電圧αＶin_oc（０＜α＜１）を取得し、前記ＲＦ−ＤＣ変換回路および前記ＤＣ−ＤＣコンバータの接続時に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの前記ＲＦ−ＤＣ変換回路に接続された側の入力電圧Ｖinが、前記目標電圧αＶin_ocに等しくなるように、前記ＤＣ−ＤＣコンバータをフィードバック制御する。

本開示のエナジーハーベスト端末は、蓄電デバイスと、前記蓄電デバイスと電源ラインを介して接続され、前記蓄電デバイスの電圧を検出可能な電圧検出回路と、前記蓄電デバイスから電力の供給を受けて駆動する負荷を制御するＭＰＵと、を備え、前記ＭＰＵは、
前記電圧検出回路が前記蓄電デバイスの充電電圧が所定の起動電圧に達したことを検出すると、前記負荷を制御する動作モードに入り、前記負荷の動作が停止した時、前記ＭＰＵは前記動作モードからスリープモードに移行し、前記スリープモードにおいて、前記電圧検出回路が前記蓄電デバイスの充電電圧が前記起動電圧に達したことを検出すると、前記負荷を制御する動作モードに再び入り、前記ＭＰＵのタイマが、前記スリープモードの時間であるスリープ時間をカウントし、前記ＭＰＵは、当該スリープ時間と前記起動電圧に基づき、前記スリープモードにおける前記蓄電デバイスの充電電力を算出する。

本開示のエナジーハーベスト端末は、キャパシタより構成される第１の蓄電デバイスと、前記第１の蓄電デバイスより大きい電力容量を有する第２の蓄電デバイスと、前記第１の蓄電デバイスと前記第２の蓄電デバイスを接続する接続ラインに配置され、当該接続ラインを開閉する電流制限部と、前記接続ラインに配置され、前記第１の蓄電デバイスから前記第２の蓄電デバイスに流れる電流を検出し、当該電流に対応する電圧を出力する電流検出回路と、前記電流検出回路の出力電圧を検出し、当該出力電圧が所定の基準電圧と等しくなるように、前記電流制限部の開閉動作を行うスイッチングレギュレータと、を備える。

本開示のエナジーハーベスト端末は、蓄電デバイスと、前記蓄電デバイスと電源ラインを介して接続され、前記蓄電デバイスの充電電圧を検出可能な電圧検出回路と、前記電源ラインに、スイッチを介して並列に接続され、前記蓄電デバイスから電力の供給を受ける複数の負荷と、を備え、前記電圧検出回路は、前記蓄電デバイスの充電電圧が所定の閾値電圧に達した時に、前記複数の負荷のうち少なくとも一つの負荷である第１の負荷のスイッチをオンにして、当該第１の負荷を起動し、当該第１の負荷が、他の負荷のスイッチを順次オンにして、他の負荷を順次起動する。

本開示のエナジーハーベスト端末によれば、外部からの無線電力を高効率に利用することが可能である。

図１は、本開示のエナジーハーベスト端末の一実施形態に係るブロック図である。 図２は、エナジーハーベスト端末の基本的な動作を示す図であり、（ａ）は各種の信号の流れを示すブロック図であり、（ｂ）は制御のタイミングを示すタイムスロットチャートである。 図３は、ＲＦ−ＤＣ回路について、異なる入力電圧に対する出力電圧と変換効率の関係を示すグラフであり、（ａ）は横軸が出力電圧、（ｂ）は横軸が出力電圧を開放電圧で割った値のグラフである。 図４は、ＭＰＰＴ制御回路の詳細を示すブロック図である。 図５は、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧および第１のキャパシタＣ１の充電電圧の変化を示すチャート図である。 図６は、ＭＰＰＴ制御のタイミングチャートである。 図７は、起動時の電圧降下の事象を示すグラフである。 図８は、シーケンス起動回路等の部分を示すブロック図である。 図９は、シーケンス起動制御の処理手順を示すフローチャートである。 図１０は、キャパシタ充電回路の詳細を示すブロック図である。 図１１は、キャパシタ充電回路に所定の電力を入力した場合の、第１のキャパシタの充電電圧、第２のキャパシタの充電電圧をモニタした実験の結果を示すグラフである 図１２は、充電制御のタイミングチャートである。 図１３は、第１のキャパシタの充電電圧の変化を示すグラフである。 図１４は、電力推定方法の処理手順を示すフローチャートである。

以下、適宜図面を参照しながら、本開示に係るエナジーハーベスト端末を具体的に開示した実施形態（以下、「本実施形態」という）を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

以下、本開示を実施するための好適な本実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（全体構成）
図１は、本開示のエナジーハーベスト端末の一実施形態のブロック図である。エナジーハーベスト端末１００は、第１のアンテナ１と、ＲＦ−ＤＣ（Radio Frequency-Direct Current）変換回路３と、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking；最大電力点追従）制御回路１０と、シーケンス起動回路２０と、キャパシタ充電回路３０と、センサ４０と、ＲＦＩＤ送受信機５０と、第２のアンテナ５と、第１のキャパシタ（第１の蓄電デバイス）Ｃ１と、第２のキャパシタ（第２の蓄電デバイス）Ｃ２と、を備える。

エナジーハーベスト端末１００は、ＲＦＩＤリーダライタの如き外部のＲＦＩＤ通信ノードから、無線通信の無線電波を受信することにより電力を受信し（給電技術）、起動する電磁波エナジーハーベストを利用する。エナジーハーベスト端末１００の適用分野は特に限定されないが、例えば、各種電子デバイス、チップなどの態様をなし、あらゆるモノをインターネットなどの通信網に接続し、情報交換を促すことによりモノを相互に制御する「モノのインターネット」、いわゆるＩｏＴ（Internet of Things）を実現するための端末としての利用が期待される。エナジーハーベスト端末１００は、工場、住宅、介護施設、道路の等の各種のインフラ、人体等、あらゆる場所に設置することが想定される。そして、この実施態様でのエナジーハーベスト端末１００は、外部からの給電によって駆動することができ、独立した電源が不要であるため、あらゆる場所に、大量に設置することも比較的容易である。

第１のアンテナ１は、外部のＲＦＩＤ通信ノードから、所定周波数（例えば９２０ＭＨｚの如きマイクロ波）の無線電波（無線電力）を受信する。ＲＦ−ＤＣ変換回路３は、第１のアンテナ１が受信した無線電波の交流の無線電力に対応した交流電流を直流電流に変換して出力する。

ＭＰＰＴ制御回路１０は、第１のスイッチ１１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３と、ＭＰＰＴ制御部（制御部）１５とを含む。ＲＦ−ＤＣ変換回路３が得る直流電力は、第１のアンテナ１が受信する無線電波の受信環境に大きく影響され、その大きさは時間経過とともに大きく変動する。ＭＰＰＴ制御回路１０は、このような変動の大きい受信（直流）電力について、変動に応じて最も大きい出力を得ることができる電流と電圧の組み合わせ（＝電流×電圧＝電力）、すなわち最大電力点を得るための回路である。ＭＰＰＴ制御回路１０の詳細は後述する。

シーケンス起動回路２０は、電圧検出回路２１と、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）２３と、第２のスイッチ２５と、第３のスイッチ２７と、第４のスイッチ２９とを含む。シーケンス起動回路２０は、第１のキャパシタ（第１の蓄電デバイス）Ｃ１の蓄電電圧に応じて、種々の負荷などを所定の時間差をもって起動することにより、電圧降下を抑制する回路である。シーケンス起動回路２０の詳細は後述する。

キャパシタ充電回路３０は、第５のスイッチ３１と、電流検出回路３３と、スイッチングレギュレータ３５とを含む。キャパシタ充電回路３０は、第１のキャパシタＣ１と、第２のキャパシタＣ２とを最適なモードで充電又は放電するための回路である。キャパシタ充電回路３０の詳細は後述する。

センサ４０は、エナジーハーベスト端末１００による検出対象となる、外部環境の特定の値に応じて設けられるものであり、起動するために電力を供給する必要がある負荷である。センサ４０は、例えば外部環境の特定の値が温度である場合は温度センサであり、圧力である場合は圧力センサである。一台のエナジーハーベスト端末１００に複数のセンサ４０ａ、・・・４０ｎを設けることが可能である。

無線送受信機であるＲＦＩＤ送受信機５０、アンテナ５は、センサ４０が取得した値を外部のＲＦＩＤ通信ノードに送信するための装置である。ＲＦＩＤ送受信機５０は起動するために電力を供給する必要がある負荷である。

図２は、エナジーハーベスト端末１００が行う基本動作を示している。図２（ａ）に示すように、電源の一つである第１のキャパシタＣ１の電圧に基づき、電圧検出回路２１が起動トリガ信号をＭＰＵ２３に送る。ＭＰＵ２３は、エナジーハーベスト端末１００全体の動作を司るマイクロコンピュータ（マイコン）である。起動トリガ信号に基づきＭＰＵ２３が起動して、消費電抑制のために電源制御信号を送りつつ、センサ４０、ＲＦＩＤ送受信機５０を制御する。ＭＰＵ２３は通信信号により、センサ４０から検出データを取得し、所定の演算を行い、ＲＦＩＤ送受信機５０に演算データを書き込む。

図２（ｂ）のタイムスロットチャートに示すように、センサ４０の検出動作とともに、ＭＰＵ２３は動作を開始してセンサ４０から検出データ取得して演算を行う。その後ＭＰＵ２３はスリープモードを経て再び動作に入った後、ＲＦＩＤ送受信機５０への演算データの書き込み処理が行われる。ＲＦＩＤ送受信機５０は、書き込まれた演算データを第２のアンテナ５により、所定のタイミングで外部のＲＦＩＤ通信ノードに送信する。この結果、ユーザーは外部のＲＦＩＤ通信ノードから種々のセンサが検出した種々の値（温度、圧力等）を簡易に、大量に取得することができる。

（ＭＰＰＴ制御）
第１のアンテナ１、ＲＦ−ＤＣ変換回路３が、外部のＲＦＩＤ通信ノードから取得できる電力の値は環境によって大きく変動し、ＲＦ−ＤＣ変換回路３の出力電圧は刻々と変動する。ここで、一般的なＲＦ−ＤＣ変換回路の、（第１のアンテナ１からの）交流の入力電圧を直流の出力電圧に変換する際の変換効率は、入力電圧に応じて大きく変わる。さらに入力電圧の変動に応じて、変換効率が最大となる出力電圧も変動することが知られている。

図３（ａ）は上記の事象を示すグラフであり、（１）がＲＦ−ＤＣ変換回路３への入力電圧Ｖin_RFDC＝−４ｄＢｍのグラフ、（２）がＲＦ−ＤＣ変換回路３への入力電圧Ｖin_RFDC＝−１０ｄＢｍのグラフ、（３）がＲＦ−ＤＣ変換回路３への入力電圧Ｖin_RFDC＝−１３ｄＢｍのグラフをそれぞれ示す。横軸がＲＦ−ＤＣ変換回路３からの出力電圧Ｖout_RFDC（Ｖ）、縦軸が変換効率である。

（１）〜（３）のようなオーダーで入力電圧が変動することはよくあることであり、入力電圧Ｖin_RFDCの変動に応じて、出力電圧Ｖout_RFDCも当然変動している。また、入力電圧の変動に応じて、変換効率が最大となる出力電圧も変動する。（１）のケースでは変換効率が最大となる出力電圧Ｖout_RFDC＝約１．３Ｖ、（２）のケースでは変換効率が最大となる出力電圧Ｖout_RFDC＝約０．５Ｖ、（３）のケースでは変換効率が最大となる出力電圧Ｖout_RFDC＝約０．３Ｖとなっている。入力電圧と変換効率が最大となる出力電圧の関係は非線形である。

エナジーハーベストの様に入力電圧が激しく変動し、かつ使用電力が限られる環境下においては、ＲＦ−ＤＣ変換回路３の出力電圧が、変換効率が最大となる出力電圧となるように制御されることが好ましい。

図３（ａ）は、横軸をＶout_RFDCとした場合の変換効率を示している。（１）、（２）、（３）のケースにおいて、Ｖout_RFDCが０でないとき、変換効率が０となるＶout_RFDCの値はＲＦ−ＤＣ変換回路の開放電圧Ｖoc_RFDCを意味する。そこで発明者は、図３（ｂ）に示すように、ＲＦ−ＤＣ変換回路３の出力電圧Ｖout_RFDCを、開放電圧Ｖoc_RFDCで割った値に対しては、隣接して近い値で、入力電圧Ｖin_RFDCに関わらず、よい変換効率が得られることを見出した。

すなわち、ＲＦ−ＤＣ変換回路３が所定の出力電圧Ｖout_RFDCを出力する際、入力電圧に関わらず、出力電圧を開放電圧にて一様に規格化したＶout_RFDC／開放電圧Ｖoc_RFDCが特定の好ましい所定の値になるような回路設計をする。このような設計を本開示のエナジーハーベスト端末１００、特にＭＰＰＴ制御回路１０に導入することにより、ＲＦ−ＤＣ変換回路３への入力電圧に関わらず、ＲＦ−ＤＣ変換回路３が、変換効率が最大または最大に近い値となるような出力電圧を出力する様に、ＭＰＰＴ制御を行うことが可能になる。

ＭＰＰＴ制御回路１０は、ＲＦ−ＤＣ変換回路３の出力側に配置される。ＭＰＰＴ制御回路１０は、ＲＦ−ＤＣ変換回路３の出力を後段の種々の負荷（ＭＰＵ３、センサ４０、ＲＦＩＤ送受信機５０）に適した所定の電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ１３を有している。ここで、ＭＰＰＴ制御部１５が、（ＲＦ−ＤＣ変換回路３およびＤＣ−ＤＣコンバータ１３の接続時に）ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のＲＦ−ＤＣ変換回路３に接続された側の入力電圧Ｖinが、所定の目標電圧に等しくなるように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３をフィードバック制御する。このような制御の結果、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のインピーダンスを変動させ、ひいては、ＲＦ−ＤＣ変換回路３が最適な出力電圧を出力するように間接的にＲＦ−ＤＣ変換回路３を制御する。

図４は、上述した制御を行うための、ＭＰＰＴ制御回路１０の詳細を示すブロック図である。上述したように、ＭＰＰＴ制御回路１０は、第１のスイッチ１１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３と、ＭＰＰＴ制御部（制御部）１５とを含む。第１のスイッチ１１は、ＲＦ−ＤＣ変換回路３とＤＣ−ＤＣコンバータ１３との間に直列的に配置され、ＲＦ−ＤＣ変換回路３とＤＣ−ＤＣコンバータ１３とを接続し（オン）、またはその接続を開放する（オフ）。ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、上述した通り、ＲＦ−ＤＣ変換回路３の出力を後段の種々の負荷（ＭＰＵ３、センサ４０、ＲＦＩＤ送受信機５０）に適した所定の電圧に変換する。

ＭＰＰＴ制御部１５は、第１のスイッチ１１のオンまたはオフを切り替えることにより、ＲＦ−ＤＣ変換回路３およびＤＣ−ＤＣコンバータ１３の接続および接続の開放を制御する。また、ＭＰＰＴ制御部１５は、ＲＦ−ＤＣ変換回路３の出力電圧Ｖout_RFDCに基づきＤＣ−ＤＣコンバータ１３をフィードバック制御する。図４に示すように、ＭＰＰＴ制御部１５は、第１のタイマ１６と、分圧回路１７と、第６のスイッチ１８と、比較器１９と、サンプリングキャパシタＣ３とを備えている。

第１のタイマ１６は、所定のタイミングおよび間隔をもって、第１のスイッチ１１と後述する第６のスイッチ１８との接続または開放（オンまたはオフ）を切り替える役割を果たしている。分圧回路１７は、第１のスイッチ１１のオフ、すなわちＲＦ−ＤＣ変換回路３およびＤＣ−ＤＣコンバータ１３の接続の開放時に得られる、ＲＦ−ＤＣ変換回路３の出力電圧、すなわち開放電圧Ｖoc_RFDCを取得する。この開放電圧Ｖoc_RFDCは、ＭＰＰＴ制御部１５（およびＤＣ−ＤＣコンバータ１３）から見て入力される電圧であるため、開放電圧Ｖin_ocと表現する。

さらに分圧回路１７は、この開放電圧Ｖin_ocに所定の係数（分圧係数）α（０＜α＜１）を掛け合わせて、分圧αＶin_ocを取得し出力する。言い換えると、分圧回路１７は、開放電圧Ｖin_ocを分圧することにより、所定の分圧αＶin_ocを取得し出力する。そして、後述するように、ＭＰＰＴ制御部１５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の入力電圧Ｖinが、ここでの分圧αＶin_ocに等しくなるようにＤＣ−ＤＣコンバータ１３をフィードバック制御する。そうすることにより、ＲＦ−ＤＣ変換回路３から見た出力電圧は分圧αＶin_ocとなり、開放電圧Ｖin_ocに対して、α倍の出力をすることになる。このことは、図３（ｂ）のように、Ｖout_RFDC／開放電圧Ｖoc_RFDCの関係を満たすような出力電圧と開放電圧の関係を満たすことを意味しており、ＲＦ−ＤＣ変換回路３が、変換効率が最大または最大に近い値となるような出力電圧を出力する状態となっている。よって、分圧αＶin_ocは目標とすべき目標電圧ということができる。

第６のスイッチ１８は、分圧回路１７と後述する比較器１９およびサンプリングキャパシタＣ３との間に直列的に配置され、オン時には分圧回路１７と比較器１９およびサンプリングキャパシタＣ３を接続し、オフ時には分圧回路１７と比較器１９およびサンプリングキャパシタＣ３の間の接続を開放する。第６のスイッチ１８は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）９の如き半導体スイッチにより構成され、 オフ時には分圧回路１７を遮断するとともに、オン時であって、開放電圧Ｖin_ocを取得する時のみに分圧回路１７を閉じる役割を果たす。

サンプリングキャパシタＣ３は、第６のスイッチ１８のオン時（接続時）のみ、分圧回路１７の出力である目標電圧（分圧）αＶin_ocで充電される。比較器１９は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の入力電圧Ｖinと、この目標電圧（分圧）αＶin_ocとを比較し、その差をＤＣ−ＤＣコンバータ１３に出力することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３をフィードバック制御する。すなわち、ＭＰＰＴ制御部１５は、サンプリングキャパシタＣ３の電圧に基づき、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３をフィードバック制御することになる。

図５は、上述した様なＭＰＰＴ制御部１５の制御下で、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の入力電圧Ｖin、およびＤＣ−ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖoutによって充電される第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc1の時間の経過とともに変化する様子を示すチャート図である。当初、入力電圧Ｖinは低い値であるが、第１のタイマ１６が作動して、サンプリングＡのタイミングで第１のスイッチ１１を開放（オフ）、第６のスイッチ１８を接続（オン）して、約１．７５Ｖの開放電圧Ｖin_ocが得られている。この状態で、ＲＦ−ＤＣ変換回路３は短時間無負荷状態となり、開放電圧Ｖin_ocを分圧して、目標電圧（分圧）αＶin_ocが得られる。この目標電圧（分圧）αＶin_ocをもって、サンプリングキャパシタＣ３を充電する。

この後、サンプリングＢのタイミングで第１のスイッチ１１を接続（オン）、第６のスイッチ１８を開放（オフ）して、サンプリングキャパシタの電圧αＶin_ocを目標電圧として、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の入力電圧Ｖinをフィードバック制御する。ここで、係数αに最適な値を選ぶことにより、ＲＦ−ＤＣ変換回路３が、その入力電圧Ｖin_RFDCに関わらず、最大電力点で動作することが可能となる。尚、係数αはＲＦ−ＤＣ変換回路３の構成、その他の要因に依存する値であり、特定のエナジーハーベスト端末１００対して、所定の定数として扱うことが可能である。

図５からは、第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc1は、所定の値を維持していることも理解される。これにより、受信可能な電力が大きく変動する環境においても高効率で、電力を得ることができる。第１のキャパシタＣ１の充電も高速化する。

図６は、ＭＰＰＴ制御回路１０によるＭＰＰＴ制御のタイミングチャートである。第１のスイッチ１１と第６のスイッチ１８が交互にオン・オフとなっており、特に第６のスイッチ１８が間歇的にオンとなることにより、入力電圧Ｖinにおいて、間歇的に開放電圧Ｖin_ocが取得されている。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３へのフィードバック制御により、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の入力電圧は、破線で示す理想の入力電圧に追従するような目標電圧（分圧）αＶin_ocに制御されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖoutにより、第１のキャパシタＣ１が充電され、その充電電圧Ｖc1が、一定以上の値になるとセンサ４０等の負荷をオンにして駆動する。その後、第１のキャパシタＣ１の電荷が減少し、その充電電圧Ｖc1が一定値まで下がると負荷がオフとなる。これを契機に充電電圧Ｖc1が、再び上昇するので、充電電圧Ｖc1は、一定の範囲内で増減を繰り返すことになる。

（シーケンス起動制御）
次に、実施形態のシーケンス起動回路２０について説明する。エナジーハーベスト端末１００において、第１のキャパシタＣ１が電源としての蓄電デバイスに相当する。キャパシタの漏れ電流はキャパシタの容量に比例するため、限られた電力で駆動されるエナジーハーベスト端末では、キャパシタの容量は可能な限り小さいことが望ましい。

しかしながら、小容量のキャパシタを電源とした場合、負荷を含む回路ブロック（負荷ブロック）の起動時に発生する突入電流に基づく電圧降下の影響が大きくなる。すなわち、各負荷は、元来ノイズの影響を軽減するデカップリングコンデンサを有しており、全てまたは複数の負荷を同時に起動させると、大きなデカップリングコンデンサの作用により、電源としての第１のキャパシタＣ１の電圧降下が所定の値以上になることが起こり得る。

図７の破線のグラフは上記のような事象を示しており、全ての負荷を同時に起動させることにより、第１のキャパシタＣ１の充電電圧が急激に減少し、エナジーハーベスト端末１００の回路全体を動作させる最低限の回路動作下限電圧（本例では２．５Ｖ）を下回っている。このような事象が発生すると、エナジーハーベスト端末の動作が停止したり、動作に悪影響を与えたりするおそれがある。また、負荷を直接キャパシタに接続した場合、充電初期において負荷に対して想定されない低電圧が印加されることになり、動作が不安定となり、電力損失が発生するおそれがある。

そこで、本実施形態のエナジーハーベスト端末１００では、複数の負荷を同時に起動させず、時間差をもって起動させる（シーケンス起動）ことにより、小容量のキャパシタであっても、図７の実線に示したように充電電圧が回路動作下限電圧を下回ることを防いでいる。この結果、電圧降下による動作不良を抑制している。以下、シーケンス起動を実現するための具体的な構成、動作について説明する。

図８は、図１におけるシーケンス起動回路２０と、センサ４０およびＲＦＩＤ送受信機５０を含む負荷の部分を示すブロック図である。シーケンス起動回路２０は、電圧検出回路２１と、ＭＰＵ２３と、第２のスイッチ２５と、第３のスイッチ２７と、第４のスイッチ２９とを含む。

電圧検出回路２１は、電源ラインＬ１を介して、蓄電デバイス（電源）としての第１のキャパシタ（第１の蓄電デバイス）Ｃ１に接続されている。電圧検出回路２１は、第１のキャパシタＣ１の電圧（充電電圧Ｖc1）を検出することができる。電圧検出回路２１はヒステリシス特性を持ち、ＭＰＵ２３，センサ４０等の負荷に電力を供給して起動するオン電圧より、負荷への電力供給を停止するオフ電圧の方が低い電圧であるものとする。

また、電源ラインＬ１には、複数の負荷であるＭＰＵ２３、センサ４０、ＲＦＩＤ送受信機５０が、それぞれのスイッチを介して並列に接続されており、第１のキャパシタＣ１から電力の供給を受ける。

負荷の一種であるＭＰＵ２３は、第２のスイッチ２５を介して電源ラインＬ１に接続され、経過時間をカウント可能なタイマ２４を備えている。ＭＰＵ２３は、図示せぬメモリなどに記憶されたプログラムを読み込み可能な演算装置により構成されたマイクロコンピュータ（マイコン）であり、エナジーハーベスト端末１００全体の動作を司る制御部として機能する。ＭＰＵ２３も電圧検出機能を備えてもよい。

負荷の一種であるセンサ４０は、第３のスイッチ２７を介して電源ラインＬ１に接続されている。センサ４０はエナジーハーベスト端末１００による検出対象となる、外部環境の特定の値に応じて設けられる。センサ４０は、例えば外部環境の特定の値が温度である場合は温度センサであり、圧力である場合は圧力センサである。本実施形態のエナジーハーベスト端末１００においては、センサ１（４０ａ）、センサ２、・・・センサｎ（４０ｎ）の様に複数のセンサがそれぞれ、第３のスイッチ２７ａ、・・・第３のスイッチ２７ｎを介して電源ラインＬ１に接続されている。

負荷の一種である無線送受信機であるＲＦＩＤ送受信機５０は、第４のスイッチ２９を介して電源ラインＬ１に接続されている。ＲＦＩＤ送受信機５０は、センサ４０が取得した値を外部のＲＦＩＤ通信ノードに送信するための装置である。

本実施形態では、電圧検出回路２１が、第１のキャパシタＣ１の充電電圧が所定の閾値電圧に達したことを検出する。検出時に電圧検出回路２１は、複数の負荷のうち第１の負荷であるＭＰＵ２３の第２のスイッチ２５をオンにして、ＭＰＵ２３を起動する。尚、電圧検出回路２１は、第１のキャパシタＣ１の充電が十分でなく、充電電圧が低電圧であっても安定的に動作することが可能である。そして、電圧検出回路２１が、ＭＰＵ２３の最低起動電圧を十分上回る電圧を検出した後、ＭＰＵ２３の第２のスイッチ２５をオンにして電源を投入する。ＭＰＵ２３は十分な電圧が得られるため、起動が速やかに完了する。

その後、ＭＰＵ２３が、ＭＰＵ２３以外の他の負荷であるセンサ４０、ＲＦＩＤ送受信機５０の第３のスイッチ２７、第４のスイッチ２９を順次オンにして、これらを順次起動する。このようなシーケンス起動において、ＭＰＵ２３はタイマ２４により、各スイッチのオン後の経過時間をカウントする。カウントされる経過時間は、第１のキャパシタＣ１の充電電圧が、負荷を安定的に駆動するために必要な所定の値になるまでの時間である。このカウントが所定の経過時間に達すると、ＭＰＵ２３は、他の負荷（センサ４０、ＲＦＩＤ送受信機５０）のスイッチをオンにして、他の負荷を起動する。このようなシーケンス起動により、第１のキャパシタＣ１の充電電圧の降下が時間的に分散するため、第１のキャパシタＣ１の小容量化が可能となる。これにより、高効率化と起動の高速化が実現できる。

図９は、上述したシーケンス起動の処理手順を示すフローチャートである。処理開始前であって、電圧検出回路２１が所定の閾値電圧Ｖthを検出するまでは、すべてのスイッチは開放（オフ）しており、任意のタイミングでＤＣ−ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖoutにより第１のキャパシタＣ１の充電が開始する（ステップＳ１）。そして、第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc1≧閾値電圧Ｖthの状態になると（ステップＳ２）、電圧検出回路２１がＭＰＵ２３の第２のスイッチ２５を投入し（オン）、ＭＰＵ２３が起動してタイマ２４によるカウントを開始する（ステップＳ３）。そして、タイマの１回目のカウントが予め設定した経過時間に到達して終了すると（ステップＳ４）、ＭＰＵ２３は、負荷の一つであるセンサ１（４０ａ）の第３のスイッチ２７ａを閉じて（オン）、センサ１（４０ａ)を起動する（ステップＳ５）。

その後、再びタイマ２４によるカウントを開始し（ステップＳ６）、タイマの２回目のカウントが予め設定した経過時間に到達して終了すると（ステップＳ７）、ＭＰＵ２３は、負荷の一つであるセンサ２の第３のスイッチ２７を閉じて（オン）、センサ２を起動する（ステップＳ８）。

その後、同様な処理を繰り返し、センサｎ（４０ｎ）まで起動した後、最後にタイマの（ｎ＋１）回目のカウントが予め設定した経過時間に到達して終了すると（ステップＳ９）、ＭＰＵ２３は、負荷の一つであるＲＦＩＤ送受信機５０の第４のスイッチ２９を閉じて（オン）、ＲＦＩＤ送受信機５０を起動する（ステップＳ１０）。

尚、図９のフローチャートでは、第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc1と閾値電圧Ｖthを比較する手順が最初のみになっており、充電電圧Ｖc1が負荷を起動するための十分な電圧を満たしているか否かを判定していない。そこで、電圧検出回路２１は、ステップＳ２の条件が満たされた状態でのみ、負荷を起動するような処理を行ってもよい。例えば、ステップＳ２の後、電圧検出回路２１は、起動のためのトリガ信号をＭＰＵ２３に出力する。そして、他の負荷を起動する前に、電圧検出回路２１はステップＳ２の比較を行い、充電電圧Ｖc1≧閾値電圧Ｖthの状態になったときに、同様なトリガ信号をＭＰＵ２３に出力する。このトリガ信号がＭＰＵ２３に入力される毎に、ＭＰＵ２３に記憶されたシーケンスにしたがって、ＭＰＵ２３はセンサ１以降の他の負荷のスイッチを順次オンにして、他の負荷を順次起動するようにしてもよい。このときの閾値電圧Ｖthは最初のＶthの値と異なる値としてもよい。

（充電制御）
次に、実施形態のキャパシタ充電回路３０について説明する。上述したシーケンス起動制御においては、電源としての蓄電デバイス（上述例では第１のキャパシタＣ１）の容量が小さいことが前提であった。しかしながら、エナジーハーベスト端末１００の安定動作のためには、エナジーハーベスト端末１００は、充電可能な大容量の蓄電デバイスを備えることが望ましい。特に無線通信、大消費電力のセンサまたは出力装置の駆動等を考慮すると、十分な容量の蓄電デバイスを備える必要がある。また、大容量の蓄電デバイスを用いて、十分な電力エネルギーを貯蔵することにより、メモリのバックアップや、電力が得られない環境での負荷の動作を補償することが可能となる。

しかし、電源ラインに大容量の蓄電デバイスを直結すると、当該デバイスの放電後、充電時に電圧の上昇が緩やかであり、充電に時間がかかり、その間、センサを含む負荷を起動することができない（起動時間の長期化）という問題が発生する。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータが起動時は低効率で、十分に電圧が得られた後は高効率に動作をするタイプのものである場合、低効率の動作時間が延びることにより、低効率なエナジーハーベスト端末になってしまう。

そこで、本実施形態のエナジーハーベスト端末１００では、容量の異なる複数（少なくとも二つ）の蓄電デバイスを設け、各蓄電デバイスを充電するタイミングを制御する充電制御を行い、速やかな起動を実現するとともに、高効率な動作を実現する。以下、充電制御を実現するための具体的な構成、動作について説明する。

図１０は、図１におけるキャパシタ充電回路３０の詳細を示すブロック図である。キャパシタ充電回路３０は、第５のスイッチ３１と、電流検出回路３３と、スイッチングレギュレータ３５とを含む。第５のスイッチ３１は、蓄電デバイスである第１のキャパシタＣ１（および電源ラインＬ１）と後述する第２のキャパシタＣ２を接続する接続ラインＬ２上に配置され、接続ラインＬ２を開閉するとともに、後述する第２のキャパシタＣ２に流れる電流を制限する電流制限部として機能する。電流検出回路３３は、第５のスイッチ３１の後段において接続ラインＬ２に配置され、第１のキャパシタＣ１から第２のキャパシタＣ２に流れる電流を検出し、当該電流に対応する電圧を出力する。

図１０に示すようにスイッチングレギュレータ３５は、第１のコンパレータ３６と、第２のコンパレータ３７と、ＡＮＤ回路３８を含む。スイッチングレギュレータ３５は、電流検出回路３３の出力電圧を検出し、出力電圧が所定の基準電圧と等しくなるように、第５のスイッチ３１（電流制限部）の開閉動作を行う。

第１のコンパレータ３６は、入力される第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc1と、第２のキャパシタＣ２への充電開始を判定する閾値としての充電開始電圧Ｖth4とを比較し、両者の差を出力する。第２のコンパレータ３７は、電流検出回路３３の出力電圧である電流検出電圧と、閾値としての所定の基準電圧とを比較し、両者の差を出力する。ＡＮＤ回路３８は、第１のコンパレータ３６と第２のコンパレータ３７の論理積を出力する。スイッチングレギュレータ３５の作用の詳細は後述する。

また、本実施形態のエナジーハーベスト端末１００は、キャパシタ充電回路３０の電流検出回路３３に接続された蓄電デバイスである第２のキャパシタ（第２の蓄電デバイス）Ｃ２を備えている。第２のキャパシタＣ２の電力容量は、第１のキャパシタＣ１の電力容量よりも大きい。また、第２のキャパシタの代わりに、他の充電可能な蓄電デバイス、例えばリチウムイオン電池等を採用することも可能である。

本実施形態においては、第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc1、第２のキャパシタＣ２の充電電圧Ｖc2に対し、以下の四つの閾値電圧Ｖth1、Ｖth2、Ｖth3、Ｖth4を設定する（Ｖth4＞Ｖth3≧Ｖth2＞Ｖth1）。そして、特にスイッチングレギュレータ３５の第１のコンパレータ３６、第２のコンパレータ３７が、充電電圧Ｖc1、充電電圧Ｖc2と、閾値電圧Ｖth1、Ｖth2、Ｖth3、Ｖth4の大小関係を見ながら、第１のキャパシタＣ１および第２のキャパシタＣ２への充電を制御する。

Ｖth1：電圧下降時に負荷（ＭＰＵ２３、センサ４０等）への電力の供給を停止する閾値電圧
Ｖth2：電圧上昇時に負荷への電力の供給を開始する閾値電圧
Ｖth3：電圧下降時に第２のキャパシタＣ２への充電を停止する閾値電圧である充電停止電圧
Ｖth4：電圧上昇時に第２のキャパシタＣ２への充電を開始する閾値電圧である充電開始電圧（上述、図１１参照）

まず、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の出力電圧Ｖoutにより、電力容量の小さい第１のキャパシタＣ１から充電が開始され、その充電電圧Ｖc1が上昇する。充電電圧Ｖc1が最も小さい閾値電圧Ｖth1より大きい閾値電圧Ｖth2を超えると、第１のキャパシタＣ１と負荷が接続され、負荷への電力供給が開始する。負荷が消費する電力が入力電力より大きい場合、充電電圧Ｖc1は降下し、充電電圧Ｖc1が再び閾値電圧Ｖth1以下になると、第１のキャパシタＣ１と負荷は切断される。この動作は、電圧検出回路２１によって行われる。

第１のキャパシタＣ１からの入力電力が、負荷が消費する電力より大きい場合、充電電圧Ｖc1は、閾値電圧Ｖth1を超えた後も上昇する。充電電圧Ｖc1が、閾値電圧Ｖth3、さらには閾値電圧（充電開始電圧）Ｖth4を超えると（Ｖc1＞Ｖth4）、第１のコンパレータ３６は、充電電圧Ｖc1と充電開始電圧Ｖth4を比較して、（Ｖc1−Ｖth4の差がプラスのとき）オンの信号を出力する。

一方、第２のコンパレータ３７は、電流検出回路３３の出力電圧である電流検出電圧と、閾値としての所定の基準電圧とを比較し、両者の差を出力する。電流検出電圧は、第２のキャパシタＣ２に充電される電流を電圧に変換したものであり、電流が大きくなるほど電圧が上昇する。基準電圧は、入力される電力や第２のキャパシタＣ２の電力容量に応じて、予め任意に調整され、設定された電圧であり、この電圧に応じて第２のキャパシタＣ２に充電される電流が制御される。ここで、第５のスイッチ３１が開放されているため、電流検出回路３３には電流が流れていない。したがって、（電流検出電圧−基準電圧）の差はマイナスであり、このとき第２のコンパレータ３７は、オンの信号を出力する。

第１のコンパレータ３６の出力も、第２のコンパレータ３７の出力もオンであり、ＡＮＤ回路３８は、第１のコンパレータ３６と第２のコンパレータ３７の論理積を出力するため、オン信号を第５のスイッチ３１に出力する。よって、電流制限部としての第５のスイッチ３１が閉じ、第１のキャパシタＣ１と第２のキャパシタＣ２が接続され、電流が第１のキャパシタＣ１から第２のキャパシタＣ２に流れ、第２のキャパシタＣ２への電力供給、充電が開始する。

第２のキャパシタＣ２に電力が供給され、充電が進み、第２のキャパシタＣ２の充電電流に応じて増大した電流検出回路の出力電圧である電流検出電圧が、基準電圧を超えると、（電流検出電圧−基準電圧）の差はプラスとなり、このとき第２のコンパレータ３７は、オフの信号を出力する。このとき、第１のコンパレータ３６の出力はオンであるが、第２のコンパレータ３７の出力はオフであり、ＡＮＤ回路３８は、第１のコンパレータ３６と第２のコンパレータ３７の論理積を出力するため、オフ信号を第５のスイッチ３１に出力する。よって、電流制限部としての第５のスイッチ３１を開放し、第１のキャパシタＣ１と第２のキャパシタＣ２の接続ラインを開き、第１のキャパシタＣ１から第２のキャパシタＣ２への電流、電力供給が停止する。

この状況においては、第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc1が第２のキャパシタＣ２の充電電圧Ｖc2より高いことが予想される。しかしながら、電流検出回路３３と第２のコンパレータ３７がネガティブフィードバックループを形成しているため、電流制限部である第５のスイッチ３１は開閉を繰り返すことにより、第２のキャパシタＣ２から第１のキャパシタＣ１へ流れる電流の時間平均値は一定値に制御される。

負荷による消費電力が増大し、第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc1が、閾値電圧（充電開始電圧）Ｖth4を下回る（Ｖc1＜Ｖth4）。この場合、第１のコンパレータ３６が通常のコンパレータならオフ信号を出力するので、電流制限部としての第５のスイッチ３１を開くことになる。しかしながら、本実施形態では、第１のコンパレータ３６はヒステリシスコンパレータにより構成されており、一旦充電電圧Ｖc1が、閾値電圧（充電停止電圧）Ｖth3を超えてさらに閾値電圧（充電開始電圧）Ｖth4を超えたら、電圧の変動分（Ｖth4−Ｖth3）をヒステリシスとして記憶する。このため、第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc1が、閾値電圧（充電開始電圧）Ｖth4を下回っても、閾値電圧（充電停止電圧）Ｖth3を下回るまでは、オン信号を出力する。そして、さらに第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc1が、閾値電圧（充電開始電圧）Ｖth4より小さい閾値電圧（充電停止電圧）Ｖth3を下回ると（Ｖc1＜Ｖth3）、第１のコンパレータ３６は、オフ信号を出力する。この場合、第２のコンパレータ３７の出力に関わらず、電流制限部としての第５のスイッチ３１が開放し、第１のキャパシタＣ１と第２のキャパシタＣ２の接続が切断、第１のキャパシタＣ１から第２のキャパシタＣ２への電力供給、充電が停止する。

上述した様に、第１のコンパレータ３６はヒステリシス特性を持ち、特定の閾値電圧Ｖth3、Ｖth4において、充電電圧Ｖc1の上昇時と下降時の間で、第５のスイッチ３１の動作を異なるものとしている。下記の表１は、電圧検出回路２１が持つ、閾値電圧Ｖth1、Ｖth2におけるヒステリシスと、第１のコンパレータ３６が持つ、閾値電圧（充電開始電圧および充電停止電圧）Ｖth3、Ｖth4におけるヒステリシスを示している。

結果的に、スイッチングレギュレータ３５は、第５のスイッチ３１を用いて、電流検出回路３３の出力電圧である充電開始電圧を検出し、この充電開始電圧が所定の基準電圧と等しくなるように、第５のスイッチ３１の開閉動作を行う。よって、第５のスイッチ３１は、電流を制限する電流制限部として機能する。また、第５のスイッチ３１は、第２のキャパシタＣ２から負荷への電力供給または電力供給の停止を切り替えるスイッチとしても機能する。

図１１は、図１０のキャパシタ充電回路３０に所定の電力を入力した場合の、第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc1、第２のキャパシタＣ２の充電電圧Ｖc2をモニタした実験の結果を示すグラフである。ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のＲＦ−ＤＣ変換回路３に接続された側に入力電圧Ｖinが入力され、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖoutと等しい充電電圧Ｖc1が速やかに上昇するとともに、充電電圧Ｖc2が直線的に増加していることが理解される。充電電圧Ｖc2が直線的に増加することは、一定の電流によって第２のキャパシタＣ２を充電していることを意味している。

図１２は、充電制御のタイミングチャートである。第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc1が、充電開始電圧Ｖth4を超えると（Ｖc1＞Ｖth4）、キャパシタ充電回路３０は、第２のキャパシタＣ２の充電を定電流で開始することが示されている。そしてこの充電は、区間Ｔで示すように、第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc1が、充電停止電圧Ｖth3を下回るまで（Ｖc1＜Ｖth3）行われる。

よって、実施形態の充電制御によれば、定電流充電を行うことにより、小容量の第１のキャパシタＣ１から大容量の第２のキャパシタＣ２への高効率な充電が可能となる。また、第１のキャパシタＣ１および第２のキャパシタＣ２の完全放電の場合でも短時間で動作を再開することができる。また、このような完全放電時には、小容量の第１のキャパシタＣ１から充電が開始される。このため、負荷に供給するための十分な電圧が得られるまでの時間が短縮される。

（電力推定方法）
次に、実施形態の電圧検出回路２１とＭＰＵ２３とが行う電力推定方法について説明する。

エナジーハーベストにより駆動されるエナジーハーベスト端末においては、無線電力のように駆動電源として得られるエネルギーが外部の状況により連続的に変化することが想定される。したがって、得られる電力に応じて動作を適応的に変化させることが望ましい。たとえば、間欠動作の間隔、駆動するセンサ４０の数や種類、センサ４０によるセンシングの分解能、通信の間隔や方式などを変化させることが考えられる。

電力量の測定は、ＡＤコンバータを用いて電流または電圧を測定し、電力を算出することが一般的である。しかしながら、ＡＤコンバータは比較的消費電力が大きく、使用電力が限られるエナジーハーベスト端末にＡＤコンバータを利用することは望ましくない。

一般的に、ＭＰＵ２３のようなマイクロコンピュータを搭載するシステムでは、電源の電圧が一定以下となった場合に、システムのリセットを行う電圧検出回路が搭載されており、エナジーハーベスト端末１００にも電圧検出回路２１が搭載されている。そこで、図１３に示すように、本実施形態では、エナジーハーベスト端末１００をリセットするリセット電圧より高く、エナジーハーベスト端末１００が駆動する上限の上限電圧よりも低い所定の起動電圧Ｖwakeupを予め定めておく。そして、電圧検出回路２１が、第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc１が起動電圧Ｖwakeupに達したことを検出すると、ＭＰＵ２３は負荷を動作させ、制御する動作モードに入る。負荷が動作して第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc１が減少し、充電電圧Ｖc１が所定の下限電圧を下回ったことを検出すると、ＭＰＵ２３は動作モードからスリープモードに移行し、負荷の動作が停止する。

スリープモードにおいては、負荷が動作していないので電力が消費されず、第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc１は、外部から得られる電力によって増加する。そして、電圧検出回路２１が第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc１が、再び、起動電圧Ｖwakeupに達したことを検出すると、再び負荷を制御する動作モードに入る。

そして、スリープモードにおいては、ＭＰＵ２３のタイマ２４（図８参照）が、スリープモードの時間であるスリープ時間をカウントする。ＭＰＵ２３はこのスリープ時間と起動電圧Ｖwakeupに基づき、スリープモードにおける第１のキャパシタＣ１の充電電力を算出することができる。

すなわち、ＭＰＵ２３のタイマ２４は、起動電圧Ｖwakeupを検出した検出間隔ｔをカウントする。スリープモードにおいて、第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc１は増加するが、この増加の傾き（図１３参照）は、エナジーハーベストにより外部から得られる電力に依存する。増加の傾きが大きいほど外部から得られている電力が大きく、短時間で充電電圧Ｖc１は起動電圧Ｖwakeupに到達する。図１３の例では、増加の傾き（１）は増加の傾き（２）より大きく、増加の傾き（１）における検出間隔は、増加の傾き（２）における検出間隔より短い。

ＭＰＵ２３は、増加の傾きから電力を計算でき、算出した充電電力に基づき、例えば次の動作モードにおいて駆動する負荷の数、負荷の種類、負荷のモードの少なくとも一つを制御する（動作モードを制御する）ことができる。

電圧検出回路２１は、第１のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖc１が、第１の閾値電圧Ｖhighを上回ったことを検出し、かつ、充電電圧Ｖc１が、第１の閾値電圧Ｖhighより小さい第２の閾値電圧Ｖlowを下回ったことを検出し、電圧検出回路２１はヒステリシス特性を持つ。

図１４は、電力推定方法の処理手順を示すフローチャートである。エナジーハーベスト端末１００の電源がオンし（ステップＳ２１）、ＭＰＵ２３が起動し（ステップＳ２２）、動作モードに移行する（ステップＳ２３）。その後、充電電圧Ｖc１が減少して下限電圧に到達すると、ＭＰＵ２３はスリープモードに移行し、タイマ２４がカウントを開始する（ステップＳ２４）。

スリープモードにおいて、電圧検出回路２１が充電電圧Ｖc1＝起動電圧Ｖwakeupを検出すると、ＭＰＵに対してトリガ信号を入力する（ステップＳ２５）。ＭＰＵ２３はタイマ２４のカウントを停止する（ステップＳ２６）。ＭＰＵ２３は、タイマ２４のカウント（図１３におけるt）に基づき外部から得られる電力を算出推定する（ステップＳ２７）。そして、ＭＰＵ２３は、算出した電力に応じて、駆動する負荷の数、負荷の種類、負荷のモード等の動作モードを制御する。これにより、エナジーハーベスト端末１００は、外部から得られる電力を演算、すなわち推定して、この推定に応じて最適な動作モードで動作することが可能となる。

本実施形態では、ＭＰＵ２３がエナジーハーベスト端末１００の全体の動作を司る制御部として機能しており、シーケンス起動制御、充電制御の実行主体となっており、電力ステイ方法による演算を行っている。また、ＭＰＰＴ制御部１５の代わりに、ＭＰＵ２３がＭＰＰＴ制御を行ってもよい。このように、各種処理の実行や、演算を行う制御部は、任意に設けられる演算装置によって行うことができる。

また、エナジーハーベスト端末１００は、負荷として、場合によってはセンサ４０の代わりにディスプレイ、スピーカなどを駆動することもあり得る。また、実施形態における蓄電デバイスとしての各種のキャパシタは、リチウムイオン電池等の様な充電可能な二次電池に置き換えることも可能である。

また、実施形態における各種のスイッチは、ＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導体素子により実現されるのが一般的である。スイッチは、電源ＶＤＤ側のハイサイドスイッチが典型的であるが、グランドＧＮＤ側のローサイドスイッチであってもよい。この場合、Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴが使用できるため、一層の低消費電力化に寄与する。

以上、図面を参照して本開示に係るエナジーハーベスト端末の実施形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例、修正例、置換例、付加例、削除例、均等例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

本開示によれば、エナジーハーベスト端末の高効率な無線電力の活用に寄与するため、エナジーハーベスト端末の利用がより一層促進される。

１ 第１のアンテナ
３ ＲＦ−ＤＣ変換回路
５ 第２のアンテナ
１０ ＭＰＰＴ制御回路
１１ 第１のスイッチ
１３ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１５ ＭＰＰＴ制御部（制御部）
２０ シーケンス起動回路
２１ 電圧検出回路
２３ ＭＰＵ（制御部）
２４ タイマ
２５ 第２のスイッチ
２７ 第３のスイッチ
２９ 第４のスイッチ
３０ キャパシタ充電回路
３１ 第５のスイッチ
３３ 電流検出回路
３５ スイッチングレギュレータ
３６ 第１のコンパレータ（ヒステリシスコンパレータ）
３７ 第２のコンパレータ
３８ ＡＮＤ回路
４０ センサ
５０ ＲＦＩＤ送受信機（無線送受信機）
１００ エナジーハーベスト端末
Ｃ１ 第１のキャパシタ（第１の蓄電デバイス）
Ｃ２ 第２のキャパシタ（第２の蓄電デバイス）
Ｃ３ サンプリングキャパシタ
Ｌ１ 電源ライン
Ｌ２ 接続ライン

Claims (6)

1. 無線通信により受信した交流電流を直流電流に変換して出力するＲＦ−ＤＣ変換回路と、
   前記ＲＦ−ＤＣ変換回路の出力側に接続され、前記ＲＦ−ＤＣ変換回路の出力した直流電流の電圧を、所定の電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記ＲＦ−ＤＣ変換回路および前記ＤＣ−ＤＣコンバータの接続および接続の開放を制御する制御部と、
   キャパシタより構成され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧によって充電される第１の蓄電デバイスと、
   前記第１の蓄電デバイスより大きい電力容量を有する第２の蓄電デバイスと、
   前記第１の蓄電デバイスと前記第２の蓄電デバイスから電力が供給される負荷と、
   前記第１の蓄電デバイスと前記負荷を接続する電源ラインに配置され、前記第１の蓄電デバイスの充電電圧を検出し、当該電圧と所定の閾値電圧を比較して、当該電源ラインを開閉する電圧検出回路と、
   前記第１の蓄電デバイスと前記第２の蓄電デバイスを接続する接続ラインに配置され、当該接続ラインを開閉する電流制限部と、
   前記接続ラインに配置され、前記第１の蓄電デバイスから前記第２の蓄電デバイスに流れる電流を検出し、当該電流に対応する電圧を出力する電流検出回路と、
   前記電流検出回路の出力電圧を検出し、当該出力電圧が所定の基準電圧と等しくなるように、前記電流制限部の開閉動作を行うスイッチングレギュレータと、を備え、
   当該制御部は、
   前記ＲＦ−ＤＣ変換回路および前記ＤＣ−ＤＣコンバータの接続の開放時に得られる、前記ＲＦ−ＤＣ変換回路の出力側の開放電圧Ｖin_ocおよび当該開放電圧Ｖin_ocを分圧して得られる目標電圧αＶin_oc（０＜α＜１）を取得し、
   前記ＲＦ−ＤＣ変換回路および前記ＤＣ−ＤＣコンバータの接続時に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの前記ＲＦ−ＤＣ変換回路に接続された側の入力電圧Ｖinが、前記目標電圧αＶin_ocに等しくなるように、前記ＤＣ−ＤＣコンバータをフィードバック制御する、
   エナジーハーベスト端末。
2. 請求項１に記載のエナジーハーベスト端末であって、
   前記制御部は、前記目標電圧αＶin_ocで充電されるサンプリングキャパシタを含み、当該サンプリングキャパシタの電圧に基づき、前記ＤＣ−ＤＣコンバータをフィードバック制御する、エナジーハーベスト端末。
3. 請求項１または２に記載のエナジーハーベスト端末であって、
   当該エナジーハーベスト端末は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが出力する直流電圧によって駆動される少なくとも一つの負荷を備え、
   前記負荷が、外部環境を検出するセンサおよび無線送受信機の少なくとも一つを含む、エナジーハーベスト端末。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のエナジーハーベスト端末であって、
   前記制御部は、間欠的に前記開放電圧Ｖin_ocを取得する、エナジーハーベスト端末。
5. 請求項１または２に記載のエナジーハーベスト端末であって、
   前記制御部は、
   前記入力電圧Ｖinに基づき前記目標電圧αＶin_ocを取得するために、前記ＲＦ−ＤＣ変換回路および前記ＤＣ−ＤＣコンバータの間に接続された分圧回路と、
   当該分圧回路の出力側に接続され、前記分圧回路の出力を遮断するとともに、前記開放電圧Ｖin_ocを取得する時のみに前記分圧回路の出力を伝達させるスイッチと、を含むエナジーハーベスト端末。
6. 請求項１に記載のエナジーハーベスト端末であって、
   前記スイッチングレギュレータが、前記第１の蓄電デバイスの充電電圧を入力とするヒステリシスコンパレータを備え、
   前記第１の蓄電デバイスの充電電圧が、前記閾値電圧より大きい所定の充電開始電圧を越えた場合に、前記電流制限部を閉じて前記第２の蓄電デバイスへの充電を開始し、
   前記第１の蓄電デバイスの充電電圧が、前記閾値電圧より大きく、前記充電開始電圧より小さい所定の充電停止電圧を下回った場合に、前記電流制限部を開放して前記第２の蓄電デバイスへの充電を停止する、エナジーハーベスト端末。