JP7296803B2

JP7296803B2 - センサ端末

Info

Publication number: JP7296803B2
Application number: JP2019128078A
Authority: JP
Inventors: 範明石河
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2023-06-23
Anticipated expiration: 2039-07-10
Also published as: JP2021015323A

Description

本発明は、発電素子を備えるセンサ端末に係わる。

近年、無線センサネットワークが実用化されている。無線センサネットワークは、複数の無線センサ端末を備える。各無線センサ端末は、センサを用いて検知した情報をサーバに送信する。よって、無線センサネットワークは、複数の地点で検知される情報を収集することができる。

無線センサ端末は、センサを用いて検知した情報をサーバに送信するために、電力を必要とする。このため、無線センサ端末は、例えば、ボタン電池等の一次電池を備える。しかし、一次電池は定期的に交換しなければならないので、無線センサネットワークの運用コストが高くなるおそれがある。

この問題は、環境発電素子（energy harvest）を利用することで解決され得る。環境発電素子は、周囲に存在するエネルギーを電力に変換する。例えば、光、熱（温度差）、振動、磁場、電磁場などを電力に変換する環境発電素子が実用化されている。

なお、電源として発電機および電池を備える電子機器が提案されている（例えば、特許文献１）。この電子機器は、判定回路を備え、発電機から電力を供給するか、電池から電力を供給するかを判定する。一例としては、発電機の電圧が電池の電圧より高いときは、判定回路は、発電機からセンサノードに電力を供給する。また、ＲＦ－ＤＣ変換回路を備えるエナジーハーベスト端末が提案されている（例えば、特許文献２）。

特開２００６－２０４０２４号公報特開２０１８－１０７９６３号公報

環境発電素子は、安定した電力を供給できないことがある。すなわち、周囲の環境が変化すると、環境発電素子により生成される電力が低下することがある。そして、環境発電素子により生成される電力が大きく低下すると、無線センサ端末は、検知動作を行えなくなる。あるいは、無線センサ端末は、検知した情報をサーバに送信できなくなる。この結果、無線センサネットワークは、必要な情報を継続的に収集できなくなる。なお、上述した電子機器は、発電機に加えて電池を備えるので、この問題は解決または緩和される。しかし、この構成では、電子機器の製造コストが高くなるおそれがあり、また、電池を定期的に交換する必要が生じる。

本発明の１つの側面に係わる目的は、環境発電素子の発電量が低下した場合にもセンサ動作を継続できる端末を提供することである。

本発明の１つの態様のセンサ端末は、発電部と、前記発電部により生成される電力を蓄電する蓄電部と、前記蓄電部を介して入力される電力を使用して所定の電圧を出力する電圧変換部と、前記電圧変換部から出力される、前記所定の電圧の電力で動作するセンサ部と、前記センサ部が第１の動作モードで動作しているときに前記電圧変換部の入力電圧が所定の閾値以下になると、前記センサ部の動作モードを前記第１の動作モードから前記第１の動作モードより消費電力の少ない第２の動作モードに切り替える制御部、を備える。

本発明の他の態様のセンサ端末は、磁場を利用して電力を生成する発電部と、前記発電部により生成される電力を蓄電する蓄電部と、前記蓄電部を介して入力される電力を使用して所定の電圧を出力する電圧変換部と、前記電圧変換部から出力される、前記所定の電圧の電力で動作するセンサ部と、前記磁場を計測する磁場センサと、前記センサ部が第１の動作モードで動作しているときに前記磁場センサにより計測される磁場が所定の閾値以下になると、前記センサ部の動作モードを前記第１の動作モードから前記第１の動作モードより消費電力の少ない第２の動作モードに切り替える制御部、を備える。

上述の態様によれば、環境発電素子の発電量が低下した場合においても、センサ端末はセンサ動作を継続できる。

本発明の実施形態に係わるセンサ端末の一例を示す図である。発電部の誘起電圧と電圧変換部の入力電圧との関係の一例を示す図である。本発明の実施形態による効果を説明する図である。本発明の他の実施形態に係わるセンサ端末の一例を示す図である。発電コイルの等価回路を示す図である。発電コイルに印加される磁場の磁束密度と誘起電圧との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係るセンサ端末について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができる。

図１は、本発明の実施形態に係わるセンサ端末の一例を示す。センサ端末１は、無線センサネットワークにおいて使用される。無線センサネットワークは、複数の無線センサ端末を備える。すなわち、センサ端末１は、無線センサネットワークにおいて使用される複数の無線センサ端末の１つである。

センサ端末１は、図１に示すように、発電部１０、コンデンサＣ、電圧変換部（ＤＣ／ＤＣ）２０、センサ部３０、制御部４０を備える。なお、センサ端末１は、図１に示していない他の回路要素を備えていてもよい。

発電部１０は、この実施例では、環境発電素子１１および整流回路１２を備える。環境発電素子１１は、センサ端末１の周囲に存在するエネルギーを電力に変換する。具体的には、環境発電素子１１は、センサ端末１の周囲の光、電磁場、磁場、振動、または熱（温度差）などを利用して電力を生成する。例えば、太陽光などの光を利用する環境発電素子は、直流電力を生成する。また、交流磁場を利用する環境発電素子は、交流電力を生成する。環境発電素子１１により交流電力が生成されるときは、整流回路１２は、その交流電力を直流電力に変換する。一方、環境発電素子１１により直流電力が生成されるときは、発電部１０は整流回路１２を備える必要はない。いずれにしても、この実施例では、発電部１０は、直流電力を生成する。

コンデンサＣは、発電部１０により生成される電力を蓄電する。すなわち、コンデンサＣは、電力を蓄電する蓄電部の一例である。

電圧変換部２０は、コンデンサＣに蓄電されている電力を使用して所定の電圧を出力する。すなわち、電圧変換部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータであり、入力電圧Ｖinを所定の電圧に変換する。入力電圧Ｖinは、コンデンサＣの両端電圧に相当する。また、電圧変換部２０から出力される「所定の電圧」は、センサ部３０が要求する電圧である。

センサ部３０は、センサ３１および無線機３２を備え、電圧変換部２０から供給される電力で動作する。また、センサ部３０は、制御部４０により指定される動作モードで動作する。センサ３１は、検知結果を表すセンサ情報を生成する。例えば、センサ３１が温度センサであるときは、センサ３１は、センサ端末１の周辺の温度を表すセンサ情報を生成する。無線機３２は、センサ３１により生成されるセンサ情報を所定の宛先ノードに送信する。宛先ノードは、例えば、無線センサネットワークのゲートウェイノードまたはサーバノードである。なお、センサ情報は、１または複数のセンサ端末を経由してゲートウェイノードまたはサーバノードまで転送されてもよい。

制御部４０は、電圧変換部２０の入力電圧Ｖinに基づいて、センサ部３０の動作モードを制御する。この例では、センサ部３０は、連続モードまたは間欠モードでセンサ動作を実行できるものとする。この場合、制御部４０は、電圧変換部２０の入力電圧Ｖinに基づいて連続モードまたは間欠モードを選択し、選択した動作モードでセンサ部３０を動作させる。なお、制御部４０は、例えば、プロセッサおよびメモリを含むプロセッサシステムで実現してもよい。この場合、プロセッサがメモリに格納されているプログラムを実行することにより制御部４０の機能が提供される。また、制御部４０は、ハードウェア回路で実現してもよい。

連続モードにおいては、センサ部３０は、予め指定された時間間隔で、検知によりセンサ情報を生成して宛先ノードに送信する。間欠モードにおいては、センサ部３０は、連続モードより短い時間間隔で、検知によりセンサ情報を生成して宛先ノードに送信する。例えば、連続モードにおいて１分間隔でセンサ情報が送信されるとき、間欠モードにおいては、１０分間隔でセンサ情報が送信される。したがって、連続モードで動作するときと比較して、間欠モードで動作するときのセンサ部３０の消費電力は大きく削減される。

例えば、センサ部３０が連続モードで動作しているときに入力電圧Ｖinが第１の閾値以下になると、制御部４０は、センサ部３０の動作モードを連続モードから間欠モードに切り替える。また、センサ部３０が間欠モードで動作しているときに入力電圧Ｖinが第１の閾値より高い第２の閾値以上になると、制御部４０は、センサ部３０の動作モードを間欠モードから連続モードに切り替える。

図２は、センサ部３０が連続モードで動作しているときの誘起電圧と電圧変換部２０の入力電圧との関係の一例を示す。誘起電圧Ｅｈは、環境発電素子１１の出力電圧を表す。なお、環境発電素子１１が交流電力を生成するケースでは、誘起電圧Ｅｈは、環境発電素子１１により生成される交流電力の振幅または整流回路１２により整流された直流電力の電圧を表す。電圧変換部２０の入力電圧Ｖinは、コンデンサＣの両端電圧に相当する。

電圧変換部２０の入力電圧Ｖinは、図２に示すように、誘起電圧Ｅｈに依存する。具体的には、誘起電圧Ｅｈが高くなると、コンデンサＣに多くの電荷が蓄積されるので、入力電圧Ｖinも高くなる。反対に、誘起電圧Ｅｈが低下すると、入力電圧Ｖinも低下する。

Ｖｓは、センサ部３０が連続モードで動作を実行するために必要な最小電圧を表す。すなわち、入力電圧ＶinがＶｓ以下に低下すると、センサ端末１は、連続モードで動作することはできない。

そこで、制御部４０は、電圧変換部２０の入力電圧Ｖinをモニタし、そのモニタ結果に応じて、センサ端末１がセンサ動作を継続できるようにセンサ部３０の動作モードを制御する。例えば、センサ部３０が連続モードで動作しているときに入力電圧ＶinがＶｎ以下になると、制御部４０は、センサ部３０の動作モードを連続モードから間欠モードに切り替える。なお、Ｖｎは、上述の最小電圧Ｖｓより高い。

そうすると、センサ部３０の消費電力が小さくなるので、入力電圧ＶinがＶｓまで低下しなくなる。この場合、センサ端末１は、センサ情報を生成する頻度が低くなるものの、センサ動作を継続できる。なお、環境発電素子１１の誘起電圧Ｅｈが大きく低下したときは、入力電圧ＶinがＶｓまで低下するおそれがある。ただし、この場合であっても、入力電圧ＶinがＶｎからＶｓに低下するまでの時間が長くなるので、連続モードを継続するケースと比較して、センサ動作を実行できる期間が長くなる。

センサ部３０が間欠モードで動作しているときに環境発電素子１１の誘起電圧Ｅｈが回復した場合には、センサ部３０は連続モードで動作することが好ましい。よって、センサ部３０が間欠モードで動作しているときに入力電圧ＶinがＶｍ以上になると、制御部４０は、センサ部３０の動作モードを間欠モードから連続モードに切り替える。そうすると、センサ部３０は、十分な頻度でセンサ情報を生成して送信することができる。

なお、間欠モードから連続モードへの切替え閾値として使用されるＶｍは、連続モードから間欠モードへの切替え閾値として使用されるＶｎと同じであってもよい。但し、ＶｍおよびＶｎが互いに同じである場合、センサ端末１の周囲の環境によっては、センサ部３０の動作モードが連続モードと間欠モードとの間で頻繁に切り替わるおそれがある。よって、間欠モードから連続モードへの切替え閾値として使用されるＶｍは、連続モードから間欠モードへの切替え閾値として使用されるＶｎより高いことが好ましい。

図３は、本発明の実施形態による効果を説明する図である。この例では、環境発電素子１１による誘起電圧Ｅｈが小さくなり、電圧変換部２０の入力電圧Ｖinが徐々に低下している。そして、時刻ｔ１において、入力電圧ＶinがＶｎまで低下している。なお、センサ部３０は、時刻ｔ１以前は、連続モードで動作しているものとする。

ここで、動作モードの切替えが行われず、連続モードが継続するものとすると、入力電圧Ｖinはさらに低下してゆく。この場合、入力電圧Ｖinは、図３に示すように、時刻ｔ２においてＶｓまで低下する。そうすると、センサ部３０は、以降、センサ動作を継続できなくなってしまう。

これに対して、本発明の実施形態に係わるセンサ端末１においては、電圧変換部２０の入力電圧ＶinがＶｎ以下になると、制御部４０は、センサ部３０の動作モードを連続モードから間欠モードに切り替える。すなわち、時刻ｔ１において、連続モードから間欠モードへの切替えが実行される。そうすると、以降、センサ部３０の消費電力が少なくなるので、図３に示すように、入力電圧Ｖinの低下速度が遅くなる。したがって、センサ部３０は、センサ動作の頻度が低くなるものの、時刻ｔ２以降も、センサ情報を生成して送信することができる。すなわち、本発明の実施形態によれば、周囲の環境の変化に起因して環境発電素子１１の発電量が低下しても、センサ動作を継続できる。或いは、センサ動作が継続される期間が長くなる。

なお、上述の実施例では、センサ部３０は２つの動作モード（連続モードおよび間欠モード）で動作し得るが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、センサ部３０は、３以上の動作モードを備えてもよい。この場合、制御部４０は、電圧変換部２０の入力電圧Ｖinが低くなるほど、センサ部３０の消費電力が少なくなるようにセンサ部３０を制御してもよい。例えば、制御部４０は、電圧変換部２０の入力電圧Ｖinが低くなるほど、センサ部３０がセンサ情報を生成して送信する頻度が低くなるようにセンサ部３０を制御してもよい。

また、上述の実施例では、電圧変換部２０の入力電圧Ｖinが閾値以下に低下したときにセンサ動作の頻度を低くすることでセンサ部３０の消費電力を削減するが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、センサ３１の検知動作と比較して無線機３２の送信動作の消費電力が大きいときは、センサ部３０は、電圧変換部２０の入力電圧Ｖinが閾値以下に低下したときに、複数回の検知動作により得られる複数セットのセンサ情報をまとめて送信することで、センサ部３０の消費電力を削減してもよい。

さらに、制御部４０は、電圧変換部２０の入力電圧Ｖinに基づいてセンサ部３０の動作モードを決定したときに、決定した動作モードを表す動作モード情報をセンサ部３０に与えてもよい。この場合、センサ部３０は、制御部４０から与えられる動作モード情報に応じてセンサ動作を実行する。或いは、制御部４０は、決定した動作モードに対応する周期で実行指示をセンサ部３０に与えてもよい。例えば、連続モードが選択されたときは、１分間隔で実行指示がセンサ部３０に与えられ、間欠モードが選択されたときは、１０分間隔で実行指示がセンサ部３０に与えられる。この場合、センサ部３０は、制御部４０から実行指示が与えられる毎に、センサ情報を生成して送信する。

＜他の実施形態＞
図４は、本発明の他の実施形態に係わるセンサ端末の一例を示す。他の実施形態に係わるセンサ端末２は、発電部１０、コンデンサＣ、電圧変換部（ＤＣ／ＤＣ）２０、センサ部３０、制御部４０、磁場センサ５０を備える。なお、コンデンサＣ、電圧変換部２０、センサ部３０は、図１に示すセンサ端末１および図４に示すセンサ端末２において実質的に同じなので、説明を省略する。

他の実施形態に係わる発電部１０は、発電コイル１３、整流回路１２、および共振コンデンサＣ_Rを備える。発電コイル１３は、電磁誘導により、磁束の変化に対応する電圧を生成する。したがって、センサ端末２の周囲に交流磁場が存在するときは、発電コイル１３は、その交流磁場の周波数に対応する交流電圧を生成する。なお、発電コイル１３は環境発電素子の一例である。

図５は、発電コイル１３の等価回路を示す。発電コイル１３は、交流磁場Ｂが印加される環境下においては、図５に示すように、交流電源１３ａ、インダクタンスＬ_coil、および抵抗Ｒ_coilで表される。そうすると、交流電源１３ａの出力電圧Ｅ_coilは、（１）式で表される。ｎは、コイルの巻数を表す。Φは、交流磁場の磁束を表す。ｔは、時間を表す。

ここで、交流磁場Ｂが（２）式で表されるものとする。Ｂ₀は、磁束密度の実効値を表す。ωは、交流磁場の角周波数を表す。

この場合、交流磁場Ｂが発電コイル１３に対して垂直に入力するものとすると、出力電圧Ｅ_coilは、（３）式で表される。ａは、巻線の平均半径を表す。

なお、上述の条件下で発電コイル１３により電圧Ｅ_coilが生成される場合、共振コンデンサＣ_Rの静電容量は（４）式で表される。

図６は、発電コイル１３に印加される磁場の磁束密度と誘起電圧との関係を示す。発電コイル１３の誘起電圧Ｅ_coilは、図６に示すように、磁束密度（（２）～（３）式においては、磁束密度の実効値Ｂ₀）に比例する。すなわち、センサ端末２の周囲の交流磁場の磁束密度が高くなると、誘起電圧Ｅ_coilも大きくなる。

誘起電圧Ｅ_coilは、整流回路１２およびコンデンサＣにより平滑化され、電圧変換部２０に入力される。電圧変換部２０は、図１～図３を参照して説明した実施形態と同様に、センサ部３０が要求する所定の電圧を出力する。すなわち、電圧変換部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータであり、入力電圧Ｖinを所定の電圧に変換する。

ここで、図１～図３を参照して説明した実施形態と同様に、入力電圧ＶinがＶｓ以下に低下すると、センサ端末２は、連続モードで動作できないものとする。この場合、図２に示すように、誘起電圧Ｅｈ（図４に示す実施形態では、誘起電圧Ｅ_coil）がＥｓ以下に低下すると、センサ端末２は、連続モードで動作できなくなる。即ち、図６に示す例では、磁束密度がＢｓ以下に低下すると、センサ端末２は、連続モードで動作できなくなる。

そこで、センサ端末２は、センサ端末２の周囲の磁場の強度を検知する磁場センサ５０を備える。そして、制御部４０は、磁場センサ５０により検知される磁場の強度に基づいてセンサ部３０の動作モードを制御する。

例えば、センサ部３０が連続モードで動作しているときに磁場の強度が第１の閾値以下になると、制御部４０は、センサ部３０の動作モードを連続モードから間欠モードに切り替える。図６に示す例では、磁場センサ５０により検知される磁束密度がＢｎ以下に低下すると、連続モードから間欠モードへの切替えが実行される。また、センサ部３０が間欠モードで動作しているときに磁場の強度が第１の閾値より高い第２の閾値以上になると、制御部４０は、センサ部３０の動作モードを間欠モードから連続モードに切り替える。図６に示す例では、磁場センサ５０により検知される磁束密度がＢｍ以上になると、間欠モードから連続モードへの切替えが実行される。なお、Ｂｍは、Ｂｎより高いことが好ましい。

このように、図４に示す実施形態では、センサ端末２の周囲の磁場が弱くなると、センサ部３０の動作モードが連続モードから間欠モードに切り替えられる。すなわち、連続モードの継続が困難になる程度にまで磁場が弱くなったときには、センサ部３０は、消費電力の少ない間欠モードでセンサ動作を継続する。よって、センサ端末２は、センサ情報を生成して送信する頻度が低くなるものの、センサ動作を継続できる。また、磁場の強度が大きく低下したときは、入力電圧ＶinがＶｓまで低下するおそれがある。ただし、この場合であっても、入力電圧ＶinがＶｎからＶｓに低下するまでの時間が長くなるので、連続モードを継続するケースと比較して、センサ動作を実行できる期間が長くなる。

なお、上述の実施例では、発電部１０は発電コイルを用いて磁場エネルギーを電力に変換するが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、発電部１０は、クランプ式の磁場発電機を備える構成であってもよい。

また、図１に示す実施形態および図４に示す実施形態を組み合わせてもよい。例えば、制御部４０は、電圧変換部２０の入力電圧Ｖinが所定の電圧閾値以下になり、且つ、磁場の強度が所定の磁場閾値以下になったときに、動作モードの切替えを実行してもよい。或いは、制御部４０は、入力電圧Ｖinまたは磁場の強度の一方が対応する閾値以下になったときに、動作モードの切替えを実行してもよい。

１、２センサ端末
１０発電部
１１環境発電素子
１２整流回路
１３発電コイル
１３ａ交流電源
２０電圧変換部
３０センサ部
３１センサ
３２無線機
４０制御部
５０磁場センサ

Claims

磁場を利用して電力を生成する発電部と、
前記発電部により生成される電力を蓄電する蓄電部と、
前記蓄電部を介して入力される電力を使用して所定の電圧を出力する電圧変換部と、
前記電圧変換部から出力される、前記所定の電圧の電力で動作するセンサ部と、
前記磁場を計測する磁場センサと、
前記センサ部が第１の動作モードで動作しているときに前記磁場センサにより計測される磁場が所定の閾値以下になると、前記センサ部の動作モードを前記第１の動作モードから前記第１の動作モードより消費電力の少ない第２の動作モードに切り替える制御部と、
を備えるセンサ端末。
前記制御部は、前記センサ部が前記第２の動作モードで動作しているときに前記磁場センサにより計測される磁場が前記所定の閾値より高い第２の閾値以上になると、前記センサ部の動作モードを前記第２の動作モードから前記第１の動作モードに切り替える
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ端末。
前記第２の動作モードにおける前記センサ部の動作頻度は、前記第１の動作モードにおける前記センサ部の動作頻度より低い
ことを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ端末。
前記発電部は、
磁場を利用して電力を生成する環境発電素子と、
前記環境発電素子により生成される交流電力を整流する整流回路と、を備える
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１つに記載のセンサ端末。