JP6584845B2

JP6584845B2 - 環境発電システム

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Publication number: JP6584845B2
Application number: JP2015137563A
Authority: JP
Inventors: 隆志津和
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2035-07-09
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Description

本発明は、環境発電システムに関する。

環境発電システムは、周りの環境からエネルギーを収穫し、その収穫したエネルギーを電力に変換してシステム内の電源電力として利用している。環境発電システムはエナジーハーベスティングシステムとも呼ばれる。

環境発電システムは、バッテリレス及びメンテナンスフリーのシステムを構築することが可能であり、例えば、i)ウェアラブル機器、ii)インテリジェントビルの室内モニタリング、iii)橋、トンネル、ダムのような構造物のモニタリング、等への適用が検討されている。

特開２０１３−１３７６７１号公報

例えば特許文献１で開示されているセンサ情報無線伝送システムのセンサノードにおいては、太陽電池などの環境発電素子の発電量が多い期間でノード制御部、センサ、及び無線部が動作し、太陽電池などの環境発電素子の発電量が少ない期間でノード制御部、センサ、及び無線部が動作を停止する。

特許文献１で開示されているセンサ情報無線伝送システムのセンサノードにおいては、ノード制御部、センサ、及び無線部の動作停止期間ではノード制御部がセンサ情報を取得できない。

本発明は、上記の状況に鑑み、動作期間をより多く確保できる環境発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る環境発電システムは、環境発電素子と、前記環境発電素子から出力される電力のレベルに応じて３種類以上のレベル判定信号のいずれかを出力する信号出力部と、前記環境発電素子から出力される電力を用いて駆動するデータ処理部と、を有し、前記データ処理部は、前記信号出力部から出力される前記レベル判定信号に応じたデータ処理を実行する構成（第１の構成）とされている。

また、上記第１の構成から成る環境発電システムにおいて、前記信号出力部から出力される前記レベル判定信号に対応する前記環境発電素子から出力される電力のレベルが大きいほど、前記データ処理部は、消費電力の大きいデータ処理を実行する構成（第２の構成）であっても良い。

また、上記第２の構成から成る環境発電システムにおいて、前記データ処理部は、データを無線伝送する無線伝送部を有し、前記信号出力部から出力される前記レベル判定信号に対応する前記環境発電素子から出力される電力のレベルが最も大きい場合に、前記データ処理部は、前記無線伝送部を動作させる構成（第３の構成）であっても良い。

また、上記第３の構成から成る環境発電システムにおいて、前記データ処理部は、センサを有し、前記無線伝送部によって無線伝送されるデータは、前記センサの出力に関するデータを含む構成（第４の構成）であっても良い。

また、上記第１〜第４いずれかの構成から成る環境発電システムにおいて、前記信号出力部は、前記レベル判定信号をパラレルデータで前記データ処理部に送信する構成（第５の構成）であっても良い。

また、上記第１〜第５いずれかの構成から成る環境発電システムにおいて、前記信号出力部は、前記環境発電素子から出力される電力のレベルに応じて３種類以上の前記レベル判定信号のいずれかを出力するための２つ以上の閾値を保持する保持部を有し、前記閾値が変更可能である構成（第６の構成）であっても良い。

また、上記第１〜第６いずれかの構成から成る環境発電システムにおいて、前記環境発電素子から出力される電力を安定化された直流電力に変換し前記安定化された直流電力を前記データ処理部に供給する電力変換部を有する構成（第７の構成）であっても良い。

また、上記第７の構成から成る環境発電システムにおいて、前記信号出力部および前記電力変換部が第１の集積回路パッケージに搭載され、前記データ処理部の少なくとも一部が第２の集積回路パッケージに搭載される構成（第８の構成）であっても良い。

また、本発明の一の態様に係る集積回路パッケージは、環境発電素子から出力される電力のレベルに応じて３種類以上のレベル判定信号のいずれかを出力する信号出力部と、前記環境発電素子から出力される電力を安定化された直流電力に変換し前記安定化された直流電力を前記データ処理部に供給する電力変換部と、を有する構成（第９の構成）とされている。

また、本発明の他の態様に係る集積回路パッケージは、環境発電素子から出力される電力のレベルに応じた３種類以上のレベル判定信号のいずれかを入力する集積回路パッケージであって、前記環境発電素子から出力される電力を用いて駆動するデータ処理部を有し、前記データ処理部は、前記入力した前記レベル判定信号に応じたデータ処理を実行する構成（第１０の構成）とされている。

本発明によれば、動作期間をより多く確保できる環境発電システムを提供することができる。

第１実施形態のセンサ情報無線伝送システムの構成を示す図レベル判定信号とセンサネットワークＬＳＩパッケージの動作との関係を示す図環境発電素子の発電量とセンサネットワークＬＳＩパッケージの動作との関係を示す図レベル判定信号出力回路の一構成例を示す図センサネットワークＬＳＩパッケージの一構成例を示す図第２実施形態のセンサ情報無線伝送システムの構成を示す図レベル判定信号とセンサネットワークＬＳＩパッケージの動作との関係を示す図第３実施形態のセンサ情報無線伝送システムの構成を示す図第１実施形態のセンサ情報無線伝送システムに充放電制御回路と二次電池を追加した構成を示す図比較例に係るセンサ情報無線伝送システムを示す図

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態のセンサ情報無線伝送システムの構成を示す図である。図１に示すセンサ情報無線伝送システムは、環境発電素子１０と、電源ＩＣパッケージ２０と、センサネットワークＬＳＩ［Large Scale Integrated circuit］パッケージ３０と、複数のセンサ４０＿１〜４０＿ｎと、を備える。

環境発電素子１０は、周りの環境からエネルギーを収穫し、その収穫したエネルギーを電力に変換する素子である。例えば、太陽光エネルギーを電力に変換する太陽電池、２枚の圧電板を貼り合わせた構造であって加えられた力による変位（機械的エネルギー）を電力に変換するバイモルフ、熱エネルギーを電力に変換する熱電素子などを挙げることができる。図１は環境発電素子１０を一つのみ設ける構成を図示しているが、複数の環境発電素子１０を設けてもよい。複数の環境発電素子１０を設ける場合、全ての環境発電素子１０が同種の環境発電素子であってもよく、複数の環境発電素子１０が複数種類の環境発電素子で構成されていてもよい。

電源ＩＣパッケージ２０は、安定化電源回路２１と、レベル判定信号出力回路２２と、を有する。

安定化電源回路２１は、環境発電素子１０から供給される電力を所定電圧値の直流電力に変換して消費電流制御回路３１（後述）に出力する。また、消費電流制御回路３１（後述）から受け取る制御信号がセンサ４０＿１〜４０＿ｎへの電力供給を指示する旨の信号である場合に、安定化電源回路２１は、環境発電素子１０から供給される電力を所定電圧値の直流電力に変換してセンサ４０＿１〜４０＿ｎに出力する。

レベル判定信号出力回路２２は、環境発電素子１０から供給される電力（環境発電素子１０の発電量）を検出するための検出端子Ｔ１に入力される信号に基づいて、環境発電素子１０から出力される電力のレベルに応じて４種類のレベル判定信号のいずれかを出力端子Ｔ２からシリアルデータで出力する。以下、レベル判定信号出力回路２２の出力端子Ｔ２から出力されるシリアルデータのレベル判定信号をレベル判定信号Ｓ０と称す。

環境発電素子１０から供給される電力が例えば３３［ｍＷ］以上である場合、レベル判定信号出力回路２２はレベル判定信号Ｓ０をＨＨとする。また、環境発電素子１０から供給される電力が例えば９．９［ｍＷ］以上３３［ｍＷ］未満である場合、レベル判定信号出力回路２２はレベル判定信号Ｓ０をＨＬとする。また、環境発電素子１０から供給される電力が例えば６．６［μＷ］以上９．９［ｍＷ］未満である場合、レベル判定信号出力回路２２はレベル判定信号Ｓ０をＬＨとする。また、環境発電素子１０から供給される電力が例えば６．６［ｍＷ］未満である場合、レベル判定信号出力回路２２はレベル判定信号Ｓ０をＬＬとする。なお、Ｈはハイレベルを示し、Ｌはローレベルを示している。

センサネットワークＬＳＩパッケージ３０は、例えば３．３［Ｖ］の電源電圧で駆動する。センサネットワークＬＳＩパッケージ３０は、消費電流制御回路３１と、発振回路３２と、センサデータ処理回路３３と、ＣＰＵ［Central Processing Unit］３４と、ＲＦ［Radio Frequency］回路３５と、を有する。

センサデータ処理回路３３は、複数のセンサ４０＿１〜４０＿ｎの各出力（各センサデータ）を取得する。複数のセンサ４０＿１〜４０＿ｎは、全てが同種のセンサであってもよく、複数種類のセンサで構成されていてもよい。複数のセンサ４０＿１〜４０＿ｎは、安定化電源回路２１からの電力供給があるときに駆動し、安定化電源回路２１からの電力供給がないときに駆動を停止する。センサの種類としては、例えば温度センサ、湿度センサ、振動センサ、人感センサなどを挙げることができる。また、図１に示す構成とは異なり、センサデータ処理回路３３が単一のセンサの出力のみを取得する構成であってもよい。

ＣＰＵ３４は、センサデータに対してデータ処理を行う。例えば、ＣＰＵ３４は、振動センサのデータに対してフーリエ変換処理を行い、振動センサのデータを時間成分の信号から周波数成分の信号に変換する。

ＲＦ回路３５は、ＣＰＵ３４によってデータ処理が施された後のデータを例えばBluetooth（登録商標）通信、Zigbee（登録商標）、特定小電力無線などの無線高周波通信によって外部に送信する。

消費電流制御回路３１は、電源ＩＣパッケージ２０から所定電圧値の直流電力を受け取り、発振回路３２から出力されるクロック信号に基づいて動作する。消費電流制御回路３１は、レベル判定信号Ｓ０に従って安定化電源回路２１からセンサ４０＿１〜４０＿ｎへの電力供給／停止並びにセンサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、及びＲＦ回路３５の動作／停止、すなわち駆動電力の供給を制御することで、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０の消費電流ひいては消費電力を制御する。なお、本実施形態とは異なり、消費電流制御回路３１は安定化電源回路２１からセンサ４０＿１〜４０＿ｎへの電力供給／停止を制御せずに、安定化電源回路２１がレベル判定信号出力回路２２から出力されるレベル判定信号Ｓ０に応じてセンサ４０＿１〜４０＿ｎへの電力供給／停止を切り替えるようにしてもよい。この構成の場合、電源ＩＣパッケージ２０のピン数とセンサネットワークＬＳＩパッケージ３０のピン数をそれぞれ一つずつ削減することができる。

図２はレベル判定信号Ｓ０とセンサネットワークＬＳＩパッケージ３０の動作との関係を示す図である。

レベル判定信号Ｓ０がＨＨであれば、消費電流制御回路３１は、センサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、及びＲＦ回路３５への最大供給電流を例えば１０［ｍＡ］に設定するとともに、センサ４０＿１〜４０＿ｎへの電力供給を指示する旨の制御信号を安定化電源回路２１に出力する。これにより、センサ４０＿１〜４０＿ｎは駆動し、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０は、ＲＦ回路３５による無線通信、センサデータ処理回路３３によるセンサデータ取得処理（センシング）、ＣＰＵ３４によるセンサデータのデータ処理（ＣＰＵ処理）、消費電流制御回路３１による経過時間監視（ステート管理）の全てを実行する。

レベル判定信号Ｓ０がＨＬであれば、消費電流制御回路３１は、センサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、及びＲＦ回路３５への最大供給電流を例えば３［ｍＡ］に設定するとともに、センサ４０＿１〜４０＿ｎへの電力供給を指示する旨の制御信号を安定化電源回路２１に出力する。これにより、センサ４０＿１〜４０＿ｎは駆動し、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０は、最も消費電力が大きい無線通信を禁止し、センシング、ＣＰＵ処理、ステート管理のみを実行する。

レベル判定信号Ｓ０がＬＨであれば、消費電流制御回路３１は、センサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、及びＲＦ回路３５への最大供給電流を例えば２［μＡ］に設定するともに、センサ４０＿１〜４０＿ｎへの電力供給を指示する旨の制御信号を安定化電源回路２１に出力する。これにより、センサ４０＿１〜４０＿ｎは駆動し、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０は、ＣＰＵ処理も禁止し、センシング、ステート管理のみを実行する。

レベル判定信号Ｓ０がＬＬであれば、消費電流制御回路３１は、センサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、及びＲＦ回路３５への最大供給電流を例えば１［μＡ］に設定するとともに、センサ４０＿１〜４０＿ｎへの電力供給停止を指示する旨の制御信号を安定化電源回路２１に出力する。これにより、センサ４０＿１〜４０＿ｎは駆動を停止し、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０は、センシングも禁止し、ステート管理のみを実行する。なお、環境発電素子１０の発電量が減少し、電源ＩＣパッケージ２０から送られてくる電力ではステート管理ですら実行できなくなると、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０は完全停止状態となる。

なお、本実施形態において、請求項に記載の「データ処理」（広義のデータ処理）に対応するセンサネットワークＬＳＩパッケージ３０の動作は、無線通信、センシング、ＣＰＵ処理、及びステート管理の少なくとも一つを含む動作である。なお、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０の無線通信、センシング、ＣＰＵ処理、及びステート管理の動作／停止の切り替え順序は、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０の各回路の種類に基づいて決定されるものではなく、あくまでも各回路の消費電力のレベルに基づいて決定される。この点は後述する他の実施形態や変形例についても同様である。

図３は環境発電素子１０の発電量とセンサネットワークＬＳＩパッケージ３０の動作との関係の一例を示す図である。

図３について説明するのに際してまず始めに比較例のセンサ情報無線伝送システムについて説明する。図１０は比較例のセンサ情報無線伝送システムの構成を示す図である。図１０に示す比較例のセンサ情報無線伝送システムは、図１に示す本実施形態のセンサ情報無線伝送システムに対してレベル判定信号出力回路２２をイネーブル信号出力回路２２’に置換し消費電流制御回路３１をイネーブル制御回路３１’に置換した構成である。

イネーブル信号出力回路２２’は、環境発電素子１０の発電量が閾値ＴＨ以上であればハイレベルのイネーブル信号をイネーブル制御回路３１’に出力し、環境発電素子１０の発電量が閾値ＴＨ未満であればローレベルのイネーブル信号をイネーブル制御回路３１’に出力する。なお、ローレベルのイネーブル信号はイネーブル信号が無効であることを示している。すなわちローレベルのイネーブル信号はディセーブル信号を意味している。

図１０に示す比較例のセンサ情報無線伝送システムでは、閾値ＴＨが例えば３３［ｍＷ］に設定され、環境発電素子１０の発電量が閾値ＴＨ以上であればイネーブル制御回路３１’はイネーブル信号出力回路２２’から出力されるハイレベルのイネーブル信号に応じてセンサネットワークＬＳＩパッケージ３０の全ての動作を実行させるとともにセンサ４０＿１〜４０＿ｎへの電力供給を指示する旨の制御信号を安定化電源回路２１に出力する。また、図１０に示す比較例のセンサ情報無線伝送システムでは、環境発電素子１０の発電量が閾値ＴＨ未満であればイネーブル制御回路３１’はイネーブル信号出力回路２２’から出力されるローレベルのイネーブル信号に応じてセンサネットワークＬＳＩパッケージ３０の全ての動作を停止させるとともにセンサ４０＿１〜４０＿ｎへの電力供給停止を指示する旨の制御信号を安定化電源回路２１に出力する。図１０に示す比較例のセンサ情報無線伝送システムでは、時間Ｔ₀〜Ｔ₁の期間および時間Ｔ₃〜Ｔ₄の期間しかセンシングができていない。すなわち、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０の動作期間の周期が環境発電素子１０の発電量に依存しており不規則である。しかも時間Ｔ₁〜Ｔ₃の期間および時間Ｔ₄以降の期間ではステート管理ができていないので、図１０に示す比較例のセンサ情報無線伝送システムはセンシングの停止期間を把握できていない。センサネットワークＬＳＩパッケージ３０の動作停止期間を把握できなければ、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０の動作停止期間の長さが分からないため、動作停止期間の直前で取得したセンサ情報と動作停止期間の直後で取得したセンサ情報とが互いに関連性のない情報になってしまう。

また、図１０に示す比較例のセンサ情報無線伝送システムは、環境発電素子１０の発電量の突発的な低下によってＣＰＵ３４が内蔵の不揮発性メモリにセンサデータ処理回路３３によって取得されたセンサデータを不揮発的に記憶するデータ退避を行えずにデータを消失してしまう可能性がある。このため、図１０に示す比較例のセンサ情報無線伝送システムは、ＣＰＵ３４がデータ処理を行ってデータ退避を行う迄の一連のルーチン時間を長く設定することができないという問題を有している。

一方、図１に示すセンサ情報無線伝送システムでは、上述した動作が実行されるように、第１の閾値ＴＨ１が例えば３３［ｍＷ］に設定され、第２の閾値ＴＨ２が例えば９．９［ｍＷ］に設定され、第３の閾値ＴＨ３が例えば６．６［μＷ］に設定されている。これにより、図１に示すセンサ情報無線伝送システムは、時間Ｔ₅〜Ｔ₆の期間以外はセンシングが可能になっている。すなわち、図１に示すセンサ情報無線伝送システムは、動作停止期間の発生を抑えることができる。第１の閾値ＴＨ１に対して第２の閾値ＴＨ２および第３の閾値ＴＨ３が極端に小さいので、動作停止期間の発生を大幅に抑えることができる。すなわち、図１に示すセンサ情報無線伝送システムは、動作期間をより多く確保することができ、ひいては、単位時間当たりの情報取得量をより多くすることができる。

また、図１に示すセンサ情報無線伝送システムは、電源ＩＣパッケージ２０から送られてくる電力ではステート管理ですら実行できなくなる場合を除いてステート管理を実行する。換言すれば、図１に示すセンサ情報無線伝送システムは、極力ステート管理を実行する。センシングの停止期間が把握できない状況の発生を低減することができる。

また、環境発電素子１０の発電量の突発的な低下によってＣＰＵ３４が内蔵の不揮発性メモリにセンサデータ処理回路３３によって取得されたセンサデータを不揮発的に記憶するデータ退避を行えずにデータを消失してしまう可能性を回避することができるため、図１に示すセンサ情報無線伝送システムは、ＣＰＵ３４がデータ処理を行ってデータ退避を行う迄の一連のルーチン時間を図１０に示す従来例のセンサ情報無線伝送システムよりも長く設定することができるという利点も有している。

図４はレベル判定信号出力回路２２の一構成例を示す図である。図４に示す例においてレベル判定信号出力回路２２は、発電量検出回路２２１と、閾値保持回路２２２と、判定回路２２３と、検出端子Ｔ１と、出力端子Ｔ２と、を有する。

発電量検出回路２２１は、環境発電素子１０から供給される電力（環境発電素子１０の発電量）を検出端子Ｔ１に入力される信号に基づいて検出する。例えば、環境発電素子１０の出力電流が略一定である場合は発電量検出回路２２１を電圧検出回路で構成すればよく、環境発電素子１０の出力電圧が略一定である場合は発電量検出回路２２１を電流検出回路で構成すればよい。なお、環境発電素子１０の出力電流、出力電圧の両方が周囲の環境によって変動する場合は、発電量検出回路２２１を電流および電圧の両方が検出できる回路で構成すればよい。

閾値保持回路２２２は、三種類の閾値（第１の閾値ＴＨ１、第２の閾値ＴＨ２、第３の閾値ＴＨ３）を不揮発的に保持している。なお、閾値書き換え指令信号を入力するための外部入力ピンを電源ＩＣパッケージ２０に設け、閾値保持回路２２２が閾値書き換え指令信号に従って閾値を変更して保持できることが望ましい。このように閾値の変更を可能とすることで、電源ＩＣパッケージ２０の前段に設けられる環境発電素子１０の仕様や電源ＩＣパッケージ２０の後段に設けられるセンサネットワークＬＳＩパッケージ３０の仕様に合わせて適切な閾値を設定することが可能になり、電源ＩＣパッケージ２０の汎用性が高くなる。

判定回路２２３は、レベル判定信号Ｓ０を４種類のレベル判定信号のいずれかにするかを判定する。判定回路２２３は、環境発電素子１０の発電量が第１の閾値ＴＨ１以上である場合、レベル判定信号Ｓ０をＨＨとする。この場合、環境発電素子１０の発電量が第１の区分（最も発電量が多い区分）に属することになる。また、判定回路２２３は、環境発電素子１０の発電量が第２の閾値ＴＨ２以上第１の閾値ＴＨ１未満である場合、レベル判定信号Ｓ０をＨＬとする。この場合、環境発電素子１０の発電量が第２の区分（二番目に発電量が多い区分）に属することになる。また、判定回路２２３は、環境発電素子１０の発電量が第３の閾値ＴＨ３以上第２の閾値ＴＨ２未満である場合、レベル判定信号Ｓ０をＬＨとする。この場合、環境発電素子１０の発電量が第３の区分（三番目に発電量が多い区分）に属することになる。また、判定回路２２３は、環境発電素子１０の発電量が第３の閾値ＴＨ３未満である場合、レベル判定信号Ｓ０をＬＬとする。この場合、環境発電素子１０の発電量が第４の区分（最も発電量が少ない区分）に属することになる。

図５はセンサネットワークＬＳＩパッケージ３０の一構成例を示す図である。図５に示す例においてセンサネットワークＬＳＩパッケージ３０は、電力供給回路３１１と、動作制御兼ステート管理回路３１２と、クロック制御回路３１３と、低周波発振回路３２１と、高周波発振回路３２２と、センサデータ処理回路３３と、ＣＰＵ３４と、ＲＦ回路３５と、を有する。

電力供給回路３１１は、電源ＩＣパッケージ２０の安定化電源回路２１（図１参照）から出力される電力Ｐを、動作制御兼ステート管理回路３１２の指示に基づいて分配して動作制御兼ステート管理回路３１２、センサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、およびＲＦ回路３５の少なくとも一つに供給する。

動作制御兼ステート管理回路３１２は、低周波発振回路３２１を制御するとともに低周波発振回路３２１から出力される低周波クロック信号に基づいて動作する。動作制御兼ステート管理回路３１２は、電源ＩＣパッケージ２０のレベル判定信号出力回路２２（図１参照）から出力されるレベル判定信号Ｓ０を受け取る。レベル判定信号Ｓ０がＨＨである場合、動作制御兼ステート管理回路３１２は、動作制御兼ステート管理回路３１２、センサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、およびＲＦ回路３５に電力を供給するように電力供給回路３１１に指示を出し、センサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、およびＲＦ回路３５に高周波クロック信号を供給するようにクロック制御回路３１３に指示を出す。レベル判定信号Ｓ０がＨＬである場合、動作制御兼ステート管理回路３１２は、動作制御兼ステート管理回路３１２、センサデータ処理回路３３およびＣＰＵ３４に電力を供給するように電力供給回路３１１に指示を出し、センサデータ処理回路３３およびＣＰＵ３４に高周波クロック信号を供給するようにクロック制御回路３１３に指示を出す。レベル判定信号Ｓ０がＬＨである場合、動作制御兼ステート管理回路３１２は、動作制御兼ステート管理回路３１２およびセンサデータ処理回路３３に電力を供給するように電力供給回路３１１に指示を出し、センサデータ処理回路３３に高周波クロック信号を供給するようにクロック制御回路３１３に指示を出す。レベル判定信号Ｓ０がＬＬである場合、動作制御兼ステート管理回路３１２は、動作制御兼ステート管理回路３１２に電力を供給するように電力供給回路３１１に指示を出し、高周波クロック信号の供給を停止するようにクロック制御回路３１３に指示を出す。

クロック制御回路３１３は、高周波発振回路３２２を制御するとともに高周波発振回路３２２から出力される高周波クロック信号に基づいて動作する。クロック制御回路３１３は、上述した通り、動作制御兼ステート管理回路３１２の指示に基づいて、センサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、およびＲＦ回路３５の少なくとも一つに高周波クロック信号を供給する動作を行うか、あるいは、高周波クロック信号の供給動作を停止する。

なお、本実施形態では、センサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、およびＲＦ回路３５のそれぞれについて動作を行うか動作を停止するかの二者択一であったが、例えば、センサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、およびＲＦ回路３５に供給するクロック信号の周波数を変更することでセンサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、およびＲＦ回路３５の消費電力を変更するようにして、動作を行う場合の消費電力パターンを多様化してもよい。

＜第２実施形態＞
図６は、第２実施形態のセンサ情報無線伝送システムの構成を示す図である。図６において図１と同一または類似する部分は同じ符号を付している。

第２実施形態のセンサ情報無線伝送システムは、レベル判定信号がシリアルデータではなくパラレルデータである点で第１実施形態のセンサ情報無線伝送システムと異なっており、それ以外の点では第１実施形態のセンサ情報無線伝送システムと基本的に同一である。

本実施形態において、レベル判定信号出力回路２２から出力されるレベル判定信号は第１の二値化信号Ｓ１と第２の二値化信号Ｓ２によって構成される。なお、本実施形態では環境発電素子１０の発電量に応じて４種類のレベル判定信号のいずれかをレベル判定信号出力回路２２から出力するので二つの二値化信号を用いたが、レベル判定信号の種類数を増やす場合にはレベル判定信号の種類数に応じて二値化信号の数も増やせばよい。

図７はレベル判定信号（第１の二値化信号Ｓ１および第２の二値化信号Ｓ２）とセンサネットワークＬＳＩパッケージ３０の動作との関係を示す図である。

第１の二値化信号Ｓ１および第２の二値化信号Ｓ２がともにハイレベルであれば、消費電流制御回路３１は、センサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、及びＲＦ回路３５への最大供給電流を例えば１０［ｍＡ］に設定するとともに、消費電流制御回路３１から受け取る制御信号がセンサ４０＿１〜４０＿ｎへの電力供給を指示する旨の制御信号を安定化電源回路２１に出力する。これにより、センサ４０＿１〜４０＿ｎは駆動し、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０は、ＲＦ回路３５による無線通信、センサデータ処理回路３３によるセンサデータ取得処理（センシング）、ＣＰＵ３４によるセンサデータのデータ処理（ＣＰＵ処理）、消費電流制御回路３１による経過時間監視（ステート管理）の全てを実行する。

第１の二値化信号Ｓ１がハイレベルであって第２の二値化信号Ｓ２がローレベルであれば、消費電流制御回路３１は、センサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、及びＲＦ回路３５への最大供給電流を例えば３［ｍＡ］に設定するとともに、消費電流制御回路３１から受け取る制御信号がセンサ４０＿１〜４０＿ｎへの電力供給を指示する旨の制御信号を安定化電源回路２１に出力する。これにより、センサ４０＿１〜４０＿ｎは駆動し、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０は、最も消費電力が大きい無線通信を禁止し、センシング、ＣＰＵ処理、ステート管理のみを実行する。

第１の二値化信号Ｓ１がローレベルであって第２の二値化信号Ｓ２がハイレベルであれば、消費電流制御回路３１は、センサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、及びＲＦ回路３５への最大供給電流を例えば２［μＡ］に設定するとともに、消費電流制御回路３１から受け取る制御信号がセンサ４０＿１〜４０＿ｎへの電力供給を指示する旨の制御信号を安定化電源回路２１に出力する。これにより、センサ４０＿１〜４０＿ｎは駆動し、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０は、ＣＰＵ処理も禁止し、センシング、ステート管理のみを実行する。

第１の二値化信号Ｓ１および第２の二値化信号Ｓ２がともにローレベルであれば、消費電流制御回路３１は、センサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、及びＲＦ回路３５への最大供給電流を例えば１［μＡ］に設定するとともに、消費電流制御回路３１から受け取る制御信号がセンサ４０＿１〜４０＿ｎへの電力供給停止を指示する旨の制御信号を安定化電源回路２１に出力する。これにより、センサ４０＿１〜４０＿ｎは駆動を停止し、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０は、センシングも禁止し、ステート管理のみを実行する。なお、環境発電素子１０の発電量が減少し、電源ＩＣパッケージ２０から送られてくる電力ではステート管理ですら実行できなくなると、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０は完全停止状態となる。

なお、本実施形態においても、請求項に記載の「データ処理」（広義のデータ処理）に対応するセンサネットワークＬＳＩパッケージ３０の動作は、無線通信、センシング、ＣＰＵ処理、及びステート管理の少なくとも一つを含む動作である。

本実施形態では、第１実施形態で得られる効果に加えて、電源ＩＣパッケージ２０でシリアルデータを生成する必要がない分電源ＩＣパッケージ２０の消費電力を抑えることができ、環境発電素子１０の発電量をより有効に利用することができる。

＜第３実施形態＞
図８は、第３実施形態のセンサ情報無線伝送システムの構成を示す図である。図８において図６と同一または類似する部分は同じ符号を付している。

第３実施形態のセンサ情報無線伝送システムは、第２実施形態のセンサ情報無線伝送システムに充放電制御回路２３と二次電池５０を追加した構成である。

充放電制御回路２３は、電源ＩＣパッケージ２０に搭載され、二次電池５０の充電および放電を制御する。

安定化電源回路２１は、環境発電素子１０から供給される電力が第４の閾値（＞第１の閾値ＴＨ１）よりも大きい場合に第４の閾値を超えた余剰電力を充放電制御回路２３に供給し、充放電制御回路２３がその余剰電力を二次電池５０に供給する。また、安定化電源回路２１は、環境発電素子１０から供給される電力が第１の閾値よりも小さい場合に第１の閾値に到達するために必要な不足電力を充放電制御回路２３に知らせ、充放電制御回路２３がその不足電力を二次電池５０から放電させて安定化電源回路２１に供給する。

充放電制御回路２３は、二次電池５０のＳＯＣ（State of Charge）を検出しており、その検出信号Ｓ３をセンサネットワークＩＣパッケージ３０の消費電流制御３１に出力している。

消費電流制御回路３１は、検出信号Ｓ３に基づいて、レベル判定信号有効モードとレベル判定信号無効モードのいずれかを選択する。消費電流制御回路３１は、二次電池５０のＳＯＣが所定値（例えば３０％）未満である場合にレベル判定信号有効モードを選択する。環境発電素子１０から供給される電力が第１の閾値よりも小さいときに第１の閾値に到達するために必要な不足電力を二次電池５０からの放電で賄えきれないおそれがあるためである。一方、二次電池５０のＳＯＣが所定値（例えば３０％）以上である場合にレベル判定信号無効モードを選択する。

レベル判定信号有効モードにおいて、消費電流制御回路３１は、第２実施形態と同様に第１の二値化信号Ｓ１および第２の二値化信号Ｓ２に従ってセンサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、及びＲＦ回路３５を制御することで、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０の消費電流ひいては消費電力を制御する。

一方、レベル判定信号無効モードにおいて、消費電流制御回路３１は、第２実施形態とは異なり第１の二値化信号Ｓ１および第２の二値化信号Ｓ２のレベルにかかわらずセンサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、及びＲＦ回路３５の全てを動作させる。すなわち、二次電池５０に蓄えられた電力が潤沢にあるため、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０の動作を制限しない。

なお、本実施形態では蓄電装置として二次電池を用いたが、電気二重層キャパシタ等の他の蓄電装置を用いても構わない。

本実施形態のセンサ情報無線伝送システムは第２実施形態で得られる効果に加えて、二次電池５０に蓄えられた電力が潤沢にある場合には環境発電素子１０の発電量にかかわらずセンサネットワークＬＳＩパッケージ３０の動作が制限されないという効果も奏する。

また、本実施形態のセンサ情報無線伝送システムは第２実施形態のセンサ情報無線伝送システムに充放電制御回路２３と二次電池５０を追加した構成であるが、図９に示すように、第１実施形態のセンサ情報無線伝送システムに充放電制御回路２３と二次電池５０を追加した構成にしてもよい。

図９に示すセンサ情報無線伝送システムの消費電流制御回路３１は、本実施形態と同様に、検出信号Ｓ３に基づいて、レベル判定信号有効モードとレベル判定信号無効モードのいずれかを選択する。

レベル判定信号有効モードにおいて、図９に示すセンサ情報無線伝送システムの消費電流制御回路３１は、第１実施形態と同様にレベル判定信号Ｓ０に従ってセンサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、及びＲＦ回路３５を制御することで、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０の消費電流ひいては消費電力を制御する。

一方、レベル判定信号無効モードにおいて、図９に示すセンサ情報無線伝送システムの消費電流制御回路３１は、第１実施形態とは異なりレベル判定信号Ｓ０にかかわらずセンサデータ処理回路３３、ＣＰＵ３４、及びＲＦ回路３５の全てを動作させる。すなわち、二次電池５０に蓄えられた電力が潤沢にあるため、センサネットワークＬＳＩパッケージ３０の動作を制限しない。

図９に示すセンサ情報無線伝送システムは第１実施形態で得られる効果に加えて、二次電池５０に蓄えられた電力が潤沢にある場合には環境発電素子１０の発電量にかかわらずセンサネットワークＬＳＩパッケージ３０の動作が制限されないという効果も奏する。

＜その他の変形例＞
なお、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。また、上記実施形態において用いた具体的な数値は、あくまで例示であり、当然の事ながら他の数値を採用することが可能である。

例えば、上記実施形態ではレベル判定信号をデジタル信号にしているが、レベル判定信号はアナログ信号であってもよい。ただし、レベル判定信号をアナログ信号にした場合、ノイズに弱くなり、またアナログ−デジタル変換処理が必要となり余分な処理が増える。このため、レベル判定信号はデジタル信号であることが望ましい。

また、上記実施形態では、安定化電源回路とレベル判定信号出力回路を一の電源ＩＣパッケージに搭載したが、安定化電源回路とレベル判定信号出力回路を別々のＩＣパッケージに搭載する構成であっても構わない。レベル判定信号出力回路を電源ＩＣパッケージ内に設けた場合には、安定化電源回路とレベル判定信号出力回路を個別にパッケージする必要がないため、システム面積の増大を抑制できるという利点がある。また、レベル判定信号出力回路をセンサネットワークＩＣパッケージ外に設けることで、レベル判定信号によってセンサネットワークＩＣパッケージ全体の動作状態を制御することが可能となるという利点がある。

また、上記実施形態ではセンサ情報無線伝送システムについて説明したが、本発明に係る環境発電システムはセンサ情報の処理や無線伝送を実行しないシステムであってもよい。例えば、本発明に係る環境発電システムを電子式卓上計算機であってもよい。電子式卓上計算機に本発明を適用する場合には、例えば、レベル判定信号出力回路から出力されるレベル判定信号に対応する環境発電素子から出力される電力のレベルが最も大きい場合に入力データ保持処理、計算処理、および計算結果表示処理の全てを行い、レベル判定信号出力回路から出力されるレベル判定信号に対応する環境発電素子から出力される電力のレベルが二番目に大きい場合に入力データ保持処理および計算処理のみを行い、レベル判定信号出力回路から出力されるレベル判定信号に対応する環境発電素子から出力される電力のレベルが最も小さい場合に入力データ保持処理のみを行うようにすればよい。

このように、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

本発明は、例えば、i)ウェアラブル機器、ii)インテリジェントビルの室内モニタリング、iii)橋、トンネル、ダムのような構造物のモニタリング、等で用いられる環境発電システムに利用することが可能である。

１０環境発電素子
２０電源ＩＣ
２１安定化電源回路
２２レベル判定信号出力回路
２２’ イネーブル信号出力回路
２３充放電制御回路
３０センサネットワークＩＣ
３１消費電流制御回路
３１’ イネーブル制御回路
３２発振回路
３３センサデータ処理回路
３４ＣＰＵ
３５ＲＦ回路
４０＿１〜４０＿ｎセンサ
５０二次電池
１００太陽電池
２００ bq25504チップ
２２１発電量検出回路
２２２閾値保持回路
２２３判定回路
３００システム負荷
３１１電力供給回路
３１２動作制御兼ステート管理回路
３１３クロック制御回路
３２１低周波発振回路
３２２高周波発振回路
Ｔ１検出端子
Ｔ２出力端子

Claims

環境発電素子と、
前記環境発電素子から出力される電力のレベルに応じて３種類以上のレベル判定信号のいずれかを出力する信号出力部と、
前記環境発電素子から出力される電力を用いて駆動するデータ処理部と、
を有し、
前記データ処理部は、センサを有し、
前記信号出力部から出力される前記レベル判定信号に対応する前記環境発電素子から出力される電力のレベルが大きいほど、前記データ処理部は、消費電力の大きいデータ処理を実行し、
前記信号出力部から出力される前記レベル判定信号に対応する前記環境発電素子から出力される電力のレベルが最も小さい場合に、前記データ処理部は、前記センサの駆動を停止させ、可能な限り経過時間監視を実行することを特徴とする環境発電システム。
前記データ処理部は、前記センサの出力に対してデータ処理を行う演算処理装置を有し、
前記信号出力部から出力される前記レベル判定信号に応じて、前記演算処理装置の動作と前記演算処理装置の動作停止とを切り替える請求項１に記載の環境発電システム。
前記レベル判定信号は４種類以上であり、前記演算処理装置の動作と前記演算処理装置の動作停止との切り替わりは、前記信号出力部から出力される前記レベル判定信号に対応する前記環境発電素子から出力される電力のレベルが最も小さい場合とそれ以外の場合との境界でもなく、前記信号出力部から出力される前記レベル判定信号に対応する前記環境発電素子から出力される電力のレベルが最も大きい場合とそれ以外の場合との境界でもない請求項２に記載の環境発電システム。
前記データ処理部は、前記センサの出力に関するデータを無線伝送する無線伝送部を有し、
前記信号出力部から出力される前記レベル判定信号に対応する前記環境発電素子から出力される電力のレベルが最も大きい場合に、前記データ処理部は、前記無線伝送部を動作させる請求項１〜３のいずれか一項に記載の環境発電システム。
前記信号出力部は、前記レベル判定信号をパラレルデータで前記データ処理部に送信する請求項１〜４のいずれか一項に記載の環境発電システム。
前記信号出力部は、前記環境発電素子から出力される電力のレベルに応じて３種類以上の前記レベル判定信号のいずれかを出力するための２つ以上の閾値を保持する保持部を有し、前記閾値が変更可能である請求項１〜５のいずれか一項に記載の環境発電システム。
前記環境発電素子から出力される電力を安定化された直流電力に変換し前記安定化された直流電力を前記データ処理部に供給する電力変換部を有する請求項請求項１〜６のいずれか一項に記載の環境発電システム。
前記信号出力部および前記電力変換部が第１の集積回路パッケージに搭載され、
前記データ処理部の少なくとも一部が第２の集積回路パッケージに搭載される請求項７に記載の環境発電システム。
環境発電素子から出力される電力のレベルに応じた３種類以上のレベル判定信号のいずれかを入力する集積回路パッケージであって、
前記環境発電素子から出力される電力を用いて駆動するデータ処理部の一部を有し、
前記データ処理部は、前記集積回路パッケージに外付けされるセンサを有し、
前記レベル判定信号に対応する前記環境発電素子から出力される電力のレベルが大きいほど、前記データ処理部は、消費電力の大きいデータ処理を実行し、
前記レベル判定信号に対応する前記環境発電素子から出力される電力のレベルが最も小さい場合に、前記データ処理部は、前記センサの駆動を停止させ、可能な限り経過時間監視を実行することを特徴とする集積回路パッケージ。