JP7424624B2 - 発電装置およびデバイス - Google Patents

Description

本発明は、小型デバイスに内蔵される発電装置に関する。

センサデバイス、生体埋め込みデバイス、ＩｏＴ（Internet Of Things）デバイスをはじめとする超小型デバイスの用途が広がっている。図１は、超小型デバイスの一例であるセンサデバイスのブロック図である。センサデバイス２は、コントローラ１０、センサ１２、無線機１４、電源回路２０などを含む。コントローラ１０は、センサデバイス２を統括的に制御するとともに、さまざまな演算処理を実行する。センサ１２は、温度センサや加速度センサなどであり、周囲環境を測定する。センサ１２の出力は、コントローラ１０によって処理された後に、あるいは処理を経ずに、無線機１４から外部に送信される。

電源回路２０は、コントローラ１０、センサ１２、無線機１４などの負荷に電力を供給する。ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）回路で構成されるコントローラ１０は、最低動作電圧が低く、センサ１２や無線機１４などの一部の回路の最低動作電圧は高いため、電源回路２０は、複数の電圧レベルの電源電圧を生成する必要がある。

特開２０１７－１９２１８０号公報 特開２０１９－１１４７２９号公報

本発明者は、センサデバイスやＩｏＴデバイスなどの小型デバイスの電源回路に、光、熱、振動などの再生可能エネルギー（環境エネルギーともいう）を利用した発電素子（エネルギーハーベスト素子とも称される）を利用することを検討し、以下の課題を認識するに至った。

コントローラ１０の最低動作電圧の電源電圧は、１～２Ｖ程度、あるいは１Ｖ以下と低い。一方、センサ１２や無線機１４などの一部の回路の動作には、それより高い数Ｖの電源電圧が必要である。

したがって小型デバイスの電源回路２０には、異なる電圧レベルの電源電圧を生成することが要求される。エネルギーハーベスト素子の１セルの起電力は、１Ｖに満たない程度に低いため、数Ｖのアナログ回路を駆動するためには、昇圧回路などが必要であり、コストアップの要因となる。

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、発電状況に応じて適応的に動作可能なデバイスの提供にある。

本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつ実施形態または複数の実施形態を指すものとして用いる場合がある。

一実施形態に係る発電装置は、コントローラと、それぞれが少なくともひとつのエネルギーハーベスト素子を含む複数Ｎ個（Ｎ≧２）のユニットセルと、コントローラの電源端子と接続される第１電源ラインと、負荷の電源端子と接続される第２電源ラインと、複数のユニットセル、第１電源ライン、第２電源ライン、接地ラインと接続されるとともに、複数のスイッチを含み、（i）複数のユニットセルのＮ個が第１電源ラインと接地ラインの間に並列に接続される第１状態と、（ii）複数のユニットセルのｍ個（１≦ｍ＜Ｎ）が第１電源ラインと接地ラインの間に並列に接続され、複数のユニットセルのｎ個（ｎ＝Ｎ－ｍ）が、第２電源ラインと第１電源ラインの間に接続される第２状態と、が、コントローラからの制御に応じて切り替え可能に構成されるスイッチ回路と、を備える。

コントローラの最低動作電圧をＶ_{Ｌ（ＭＩＮ）}、負荷の最低動作電圧をＶ_{Ｍ（ＭＩＮ）}とするとき、ユニットセルは、その起電力Ｖ_ＣＥＬＬが、以下の関係式を満たすように構成される。
Ｖ_{Ｌ（ＭＩＮ）}≦Ｖ_ＣＥＬＬ
Ｖ_{Ｍ（ＭＩＮ）}≦２×Ｖ_ＣＥＬＬ
第１状態では、Ｎ個すべてのユニットセルの電力をコントローラに集中的に供給することができる。また第２状態では、複数のユニットセルの電力の一部をコントローラに供給しつつ、負荷にも、最低動作電圧Ｖ_{Ｍ（ＭＩＮ）}以上の電源電圧Ｖ_Ｍを供給できる。

第２状態は、ｍとｎの組み合わせが異なる複数のサブステートを含んでもよい。ユニットセル当たりの発電量が増大するにしたがって、ｍを小さく、ｎを大きくしてもよい。

一実施形態において、発電装置は、第１電源ラインと接地ラインの間に設けられた第１キャパシタと、第２電源ラインと接地ラインの間に設けられた第２キャパシタと、をさらに備えてもよい。第１キャパシタにより、コントローラに供給される電源電圧を平滑・安定化できる。また余剰の電力によって第２キャパシタを充電し、第２キャパシタの電圧が、負荷の最低動作電圧を上回ると、負荷を動作させることができる。

一実施形態において、コントローラは、少なくとも第１電源ラインの電圧にもとづいて、スイッチ回路の状態を制御してもよい。あるいはコントローラは、ユニットセル当たりの電流にもとづいて、スイッチ回路の状態を制御してもよい。

一実施形態において、発電装置は、２次電池が接続される第３電源ラインと、をさらに備えてもよい。スイッチ回路は、第１状態および第２状態に加えて、（iii）複数のユニットセルのｍ個（１≦ｍ＜Ｎ）が第１電源ラインと接地ラインの間に並列に接続され、複数のユニットセルのｎ個（１≦ｎ＜Ｎ）が、第２電源ラインと第１電源ラインの間に接続され、複数のユニットセルのｌ個（１≦ｌ＜Ｎ、ただし、ｎ＋ｍ＋ｌ＝Ｎ）が、第３電源ラインと第２電源ラインの間に接続される第３状態に切り替え可能であってもよい。
２次電池の充電に必要な最低電圧をＶ_{Ｈ（ＭＩＮ）}とするとき、ユニットセルの起電力Ｖ_ＣＥＬＬは、以下の関係式を満たす。
Ｖ_{Ｈ（ＭＩＮ）}≦３×Ｖ_ＣＥＬＬ

一実施形態において、コントローラは、少なくとも第１電源ラインおよび第２電源ラインの電圧にもとづいて、スイッチ回路の状態を制御してもよい。

一実施形態において、コントローラは、ユニットセル１個当たりから得られる電流にもとづいて、スイッチ回路の状態を制御してもよい。

本発明のある態様によれば、発電状況に応じて適応的に、コントローラおよび負荷に対して適切な電力を供給できる。

超小型デバイスの一例であるセンサデバイスのブロック図である。 実施形態１に係る発電装置を備えるデバイスのブロック図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、第１状態φ１および第２状態φ２を示す図である。 デバイスの動作の一例を示すタイムチャートである。 Ｎ＝４の場合のサブステートの一例を説明する図である。 Ｎ＝４の場合のスイッチ回路の構成例を示す回路図である。 ユニットセル１３０＿ｉの負極側のスイッチＳＷｉＮ＃（＃＝Ｇ，Ｌ）の構成例を示す回路図である。 ユニットセル１３０＿ｉの正極側のスイッチＳＷｉＰ＃（＃＝Ｌ，Ｍ）の構成例を示す回路図である。 実施形態２に係る発電装置を備えるデバイスのブロック図である。 図１０（ａ）～（ｃ）は、第１状態φ１～第３状態φ３を示す図である。 デバイスの一例である生体埋め込みデバイスを示す図である。

以下、実施形態についていくつかの図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

（実施形態１）
図２は、実施形態１に係る発電装置を備えるデバイスのブロック図である。発電装置内蔵のデバイス（以下、単にデバイスという）２００Ａは、センサデバイス、生体埋め込みデバイス、ＩｏＴデバイスなどの小型あるいは超小型デバイスである。

デバイス２００Ａは、発電装置１００Ａおよび負荷２１０を備える。発電装置１００Ａは、環境エネルギーを電力に変換し、負荷２１０に電力を供給する。負荷２１０は、デバイス２００Ａの種類や機能に応じた構成および機能を有する。たとえばデバイス２００Ａがセンサデバイスである場合、負荷２１０は、センサ素子やＡ／Ｄコンバータなどを含みうる。またデバイス２００Ａが、無線通信機能を有する場合、負荷２１０は、無線送信機などを含みうる。デバイス２００Ａが、生体に刺激を与える生体埋め込みデバイスである場合、負荷２１０は、発光素子や振動素子、アクチュエータなどの刺激付与手段を含む。

以下、発電装置１００Ａの構成を説明する。発電装置１００Ａは、第１電源ライン１０２、第２電源ライン１０４、接地ライン１０６、コントローラ１１０、複数のユニットセル１３０、スイッチ回路１４０Ａを備える。

コントローラ１１０は、発電装置１００Ａを統合的に制御するロジック回路である。コントローラ１１０は、デバイス２００Ａ全体を制御するコントローラを兼ねていてもよく、負荷２１０は、コントローラ１１０の制御下で動作する。

複数Ｎ個のユニットセル１３０＿１～１３０＿Ｎはそれぞれ、少なくともひとつのエネルギーハーベスト素子１３２を含む。エネルギーハーベスト素子１３２の種類は特に限定されず、光発電素子（太陽電池）、振動発電素子、熱発電素子などを用いることができる。なお本明細書において、エネルギーハーベスト素子１３２は、自然界に存在するエネルギーを利用するものに限定されず、人為的に与える光エネルギー、振動エネルギー、熱エネルギーなど電気に変換する素子を含む。

ユニットセル１３０が直列に接続されたｋ個のエネルギーハーベスト素子１３２を含む場合、ユニットセル１３０の起電力Ｖ_ＣＥＬＬは、ｋ×Ｖ_ＣＥＬＬとなる。Ｖ_ＣＥＬＬは、１個のエネルギーハーベスト素子１３２の起電力である。

コントローラ１１０の最低動作電圧をＶ_{Ｌ（ＭＩＮ）}、負荷２１０の最低動作電圧をＶ_{Ｍ（ＭＩＮ）}とするとき、ユニットセル１３０は、その起電力Ｖ_ＣＥＬＬが、以下の関係式を満たすように構成される。
Ｖ_{Ｌ（ＭＩＮ）}≦Ｖ_ＣＥＬＬ
Ｖ_{Ｍ（ＭＩＮ）}≦２×Ｖ_ＣＥＬＬ

たとえばコントローラ１１０の最低動作電圧Ｖ_{Ｌ（ＭＩＮ）}＝１．２Ｖ、負荷２１０の最低動作電圧Ｖ_{Ｍ（ＭＩＮ）}＝２．４Ｖであるとき、Ｖ_ＣＥＬＬ≧１．２Ｖとすればよい。エネルギーハーベスト素子１３２が光発電素子であり、その起電力Ｖ_ＣＥＬＬが０．４Ｖである場合、ｋ＝３個のエネルギーハーベスト素子１３２を直接に接続することで、Ｖ_ＣＥＬＬ≧１．２Ｖを得ることができる。

第１電源ライン１０２は、コントローラ１１０の電源端子と接続される。第２電源ライン１０４は、負荷２１０の電源端子と接続される。接地ライン１０６は、デバイス２００Ａの基準となる接地電位（０Ｖ）に固定される。

第１キャパシタＣ１は、第１電源ライン１０２と接地ライン１０６の間に設けられ、第２キャパシタＣ２は、第２電源ライン１０４と接地ライン１０６の間に設けられる。

スイッチ回路１４０Ａは、複数のユニットセル１３０＿１～１３０＿Ｎ、第１電源ライン１０２、第２電源ライン１０４、接地ライン１０６と接続される。スイッチ回路１４０Ａは、複数のスイッチＳＷを含み、第１状態φ１および第２状態φ２が切り替え可能に構成され、コントローラ１１０によって制御される。

第１状態φ１では、複数のユニットセル１３０＿１～１３０＿ＮのＮ個すべてが第１電源ライン１０２と接地ライン１０６の間に並列に接続される。

第２状態φ２では、複数のユニットセルのｍ個（１≦ｍ＜Ｎ）が第１電源ライン１０２と接地ライン１０６の間に並列に接続され、複数の残りのユニットセルのｎ個（ｎ＝Ｎ－ｍ）が、第２電源ライン１０４と第１電源ライン１０２の間に接続される。

コントローラ１１０は、第１電源ライン１０２の電圧Ｖ_Ｌにもとづいて、第１状態φ１と第２状態φ２を切り替えてもよい。第１電源ライン１０２の電圧Ｖ_Ｌは、複数のユニットセル１３０＿１～１３０＿Ｎの発電量と、コントローラ１１０の動作電流（電源電流）のバランスによって変化し、発電量に余剰があるときには高く、余剰がないときあるいは不足するときには低くなる。たとえばコントローラ１１０は、第１電源ライン１０２の電圧Ｖ_Ｌと所定のしきい値電圧Ｖ_ＴＨとの比較結果にもとづき、Ｖ_Ｌ＜Ｖ_ＴＨのとき第１状態φ１を選択し、Ｖ_Ｌ＞Ｖ_ＴＨのとき第２状態φ２を選択してもよい。

コントローラ１１０は、第１電源ライン１０２の電圧Ｖ_Ｌおよび第２電源ライン１０４の電圧Ｖ_Ｍの両方にもとづいて、スイッチ回路１４０Ａの状態を制御してもよい。

あるいは、ユニットセル１３０の１個当たりが発生する電流量を測定する電流センサを設け、電流量に応じて、第１状態φ１と第２状態φ２を切り替えてもよい。あるいは、コントローラ１１０は、電圧情報と電流情報の両方にもとづいて、スイッチ回路１４０Ａの状態を制御してもよい。

以上がデバイス２００Ａの構成である。続いてその動作を説明する。

図３（ａ）、（ｂ）は、第１状態φ１および第２状態φ２を示す図である。コントローラ１１０は、発電量が少ない状況下において、図３（ａ）の第１状態φ１を選択する。これにより、全電力をコントローラ１１０に集中し、コントローラ１１０のみを確実に動作させることができる。

コントローラ１１０は、発電量に余剰が生ずると、図３（ｂ）の第２状態φ２を選択する。これにより、コントローラ１１０の動作を維持しつつ、余剰の電力を負荷２１０に供給することができる。

なおスイッチ回路１４０Ａは、コントローラ１１０が動作不能である完全停止状態において、第１状態φ１が選択されるように構成される（この状態をφ１’と表記する）。これにより、コントローラ１１０が動作する前に、ユニットセル１３０から得られる電力によって、第１キャパシタＣ１を充電し、蓄電することができる。

図４は、デバイス２００Ａの動作の一例を示すタイムチャートである。Ｉ_ＰＶは、ユニットセル１３０の１個当たりの電流量を示す。時刻ｔ_１より前は、Ｉ_ＰＶ＝０であり、第１電源ライン１０２の電圧Ｖ_Ｌおよび第２電源ライン１０４の電圧Ｖ_Ｍは両方０Ｖである。この状態で、コントローラ１１０は動作不能であるが、スイッチ回路１４０Ａは第１状態φ１’が選択される。その結果、Ｉ_ＰＶ×Ｎの電流量で、第１キャパシタＣ１が充電され、第１電源ライン１０２の電圧Ｖ_Ｌが時間とともに上昇していく。時刻ｔ_２に、第１電源ライン１０２の電圧Ｖ_Ｌが、コントローラ１１０の最低動作電圧Ｖ_{Ｌ（ＭＩＮ）}を超えると、コントローラ１１０が動作可能となる。その結果、スイッチ回路１４０Ａが、コントローラ１１０からの制御によって、第１状態φ１にセットされる。

その後、コントローラ１１０は、ユニットセル１３０の発電量がさらに増加すると、時刻ｔ_３に、スイッチ回路１４０Ａを第２状態φ２に切り替える。その結果、第２キャパシタＣ２の充電が開始し、第２電源ライン１０４の電圧Ｖ_Ｍが時間とともに上昇する。時刻ｔ_４に、電圧Ｖ_Ｍが負荷２１０の最低動作電圧Ｖ_{Ｍ（ＭＩＮ）}を超えると、負荷２１０が動作可能となる。負荷２１０がコントローラ１１０からの制御に応じて動作すると、第２キャパシタＣ２が放電され、電圧Ｖ_Ｍが低下する。電圧Ｖ_ＭがＶ_{Ｍ（ＭＩＮ）}を下回る場合には、負荷２１０は、動作、停止を繰り返す間欠動作をすることとなる。

以上がデバイス２００Ａの動作である。
このデバイス２００Ａによれば、発電量が少ない状態では、第１状態φ１を選択することにより、Ｎ個すべてのユニットセル１３０の電力をコントローラ１１０に集中的に供給することで、最低限の動作を確保できる。また発電量に余剰が生じた状況では、第２状態φ２を選択することで、複数のユニットセル１３０の電力の一部をコントローラ１１０に供給してその動作を維持しつつ、負荷２１０にも、最低動作電圧Ｖ_{Ｍ（ＭＩＮ）}以上の電源電圧Ｖ_Ｍを供給でき、負荷２１０を動作させることができる。

第２状態φ２は、ｍとｎの組み合わせが異なる複数の状態（サブステートと称する）を含んでもよい。コントローラ１１０は、発電量に応じて、複数のサブステートを切り替えてもよい。

図５は、Ｎ＝４の場合のサブステートの一例を説明する図である。この例では、ｍ＝３，ｎ＝１のサブステートφｓ１と、ｍ＝２，ｎ＝２のサブステートφｓ２と、ｍ＝１，ｎ＝３のサブステートφｓ３が選択可能である。コントローラ１１０は、発電量が大きいほど、ｍが小さく、ｎを大きいサブステートを選択してもよい。ここでは３個のサブステートを示すが、それらのうちの２個が選択可能であってもよい。

図６は、Ｎ＝４の場合のスイッチ回路１４０Ａの構成例を示す回路図である。このスイッチ回路１４０Ａは、図５のφ１，φｓ１，φｓ２の３状態が切り替え可能である。

ユニットセル１３０＿１，１３０＿２の正極は、すべての状態φ１，φｓ１、φｓ２において、第１電源ライン１０２と接続されるため、スイッチＳＷ１ＰＬ，ＳＷ２ＰＬは省略することができる。同様に、ユニットセル１３０＿１，１３０＿２の負極は、すべての状態φ１，φｓ１、φｓ２において、接地ライン１０６と接続されるため、スイッチＳＷ１ＮＧ，ＳＷ２ＮＧも省略することができる。

ユニットセル１３０＿３，１３０＿４の正極は、第１電源ライン１０２または第２電源ライン１０４と接続される。したがって、ユニットセル１３０＿３の正極は、スイッチＳＷ３ＰＬ、ＳＷ３ＰＭを介して第１電源ライン１０２または第２電源ライン１０４と接続可能となっており、ユニットセル１３０＿４の正極は、スイッチＳＷ４ＰＬ、ＳＷ４ＰＭを介して第１電源ライン１０２または第２電源ライン１０４と接続可能となっている。

ユニットセル１３０＿３，１３０＿４の負極は、接地ライン１０６または第１電源ライン１０２と接続される。したがって、ユニットセル１３０＿３の負極は、スイッチＳＷ３ＮＧ、ＳＷ３ＮＬを介して接地ライン１０６または第１電源ライン１０２と接続可能となっており、ユニットセル１３０＿４の負極は、スイッチＳＷ４ＮＧ、ＳＷ４ＮＬを介して接地ライン１０６または第１電源ライン１０２と接続可能となっている。

ここではＮ＝４の場合のスイッチ回路１４０Ａを示すが、当業者によれば、Ｎが４より多い場合にも、サポートすべき第１状態φ１および第２状態φ２（サブステート）に応じて、複数のスイッチのレイアウトを設計することができ、そうしたものも本発明の範囲に含まれる。

一般化すると、ｉ番目のユニットセル１３０＿ｉの正極を、第１電源ライン１０２と接続可能としたい場合、ユニットセル１３０＿ｉの正極と第１電源ライン１０２の間に、スイッチＳＷｉＰＬを設ければよく、第２電源ライン１０４と接続可能としたい場合、ユニットセル１３０＿ｉの正極と第２電源ライン１０４の間に、スイッチＳＷｉＰＭを設ければよい。

また、ｉ番目のユニットセル１３０＿ｉの負極を、接地ライン１０６と接続可能としたい場合、ユニットセル１３０＿ｉの負極と接地ライン１０６の間に、スイッチＳＷｉＮＧを設ければよく、第１電源ライン１０２と接続したい場合、ユニットセル１３０＿ｉの負極と第１電源ライン１０２の間に、スイッチＳＷｉＮＬを設ければよい。

図７は、ユニットセル１３０＿ｉの負極側のスイッチＳＷｉＮ＃（＃＝Ｇ，Ｌ）の構成例を示す回路図である。負極と接地ライン１０６との間に設けられるスイッチＳＷｉＮＧは、ＮＭＯＳトランジスタを含む片方向スイッチで構成することができる。負極と第１電源ライン１０２との間に設けられるスイッチＳＷｉＮＬは、逆直列接続された２個のＰＭＯＳトランジスタを含む双方向スイッチで構成することができる。

スイッチＳＷｉＮＧおよびＳＷｉＮＬの状態は、コントローラ１１０もしくは図示しないデコーダが生成する制御信号ＣＮＴｉＮに応じて相補的に制御される。上述のように、コントローラ１１０が動作不能な状態、言い換えると、制御信号ＣＮＴｉＮがローのときに、スイッチ回路１４０Ａが第１状態φ１’となるように、言い換えるとスイッチＳＷｉＮＧが優先してオンするように構成することが望ましい。そこで、制御信号ＣＮＴｉＮを反転するインバータＩＮＶ１を挿入し、インバータＩＮＶ１の出力によって、スイッチＳＷｉＮＧおよびＳＷｉＮＬのゲート信号Ｖｇを生成してもよい。なお、インバータＩＮＶ１の電源端子には、複数の電源ラインに発生する電圧（Ｖ_Ｌ，Ｖ_Ｍ）のうち最大電圧を供給するとよい。

制御信号ＣＮＴｉＮがロー、すなわちゲート信号Ｖｇがハイのとき、ＮＭＯＳトランジスタで構成されるスイッチＳＷｉＮＧはオンとなり、ＰＭＯＳトランジスタで構成されるスイッチＳＷｉＮＬはオフとなる。反対に、制御信号ＣＮＴｉＮがハイ、すなわちゲート信号Ｖｇがローのとき、ＮＭＯＳトランジスタで構成されるスイッチＳＷｉＮＧはオフとなり、ＰＭＯＳトランジスタで構成されるスイッチＳＷｉＮＬはオンとなる。

図８は、ユニットセル１３０＿ｉの正極側のスイッチＳＷｉＰ＃（＃＝Ｌ，Ｍ）の構成例を示す回路図である。正極のスイッチＳＷｉＰＬ、ＳＷｉＰＭはいずれも、逆直列接続された２個のＰＭＯＳトランジスタを含む双方向スイッチで構成することができる。

スイッチＳＷｉＰＬおよびＳＷｉＰＭの状態は、コントローラ１１０もしくは図示しないデコーダが生成する制御信号ＣＮＴｉＰに応じて相補的に制御される。上述のように、コントローラ１１０が動作不能な状態、言い換えると、制御信号ＣＮＴｉＰがローのときに、スイッチ回路１４０Ａが第１状態φ１’となるように、言い換えるとスイッチＳＷｉＰＬが優先してオンするように構成することが望ましい。この例では２個のインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２によって、制御信号ＣＮＴｉＰが反転され、スイッチＳＷｉＰＬおよびＳＷｉＰＭそれぞれのゲート信号ＶｇＬ，ＶｇＭが生成される。インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２の電源端子には、複数の電源ラインに発生する電圧（Ｖ_Ｌ，Ｖ_Ｍ）のうち最大電圧が供給される。

制御信号ＣＮＴｉＰがローのとき、ゲート信号ＶｇＬがロー、ＶｇＭがハイであるから、スイッチＳＷｉＰＬはオンとなり、スイッチＳＷｉＰＭはオフとなる。反対に制御信号ＣＮＴｉＰがハイのとき、ゲート信号ＶｇＬがハイ、ＶｇＭがローであるから、スイッチＳＷｉＰＬはオフとなり、スイッチＳＷｉＰＭはオンとなる。

なお、スイッチの構成はここで例示したものに限定されない。たとえば、２個のＮＭＯＳトランジスタを直列接続してなる双方向スイッチを用いてもよい。この場合、ゲート信号の論理レベルを反転すればよい。

（実施形態２）
図９は、実施形態２に係る発電装置１００Ｂを備えるデバイス２００Ｂのブロック図である。デバイス２００Ｂは、図２のデバイス２００Ａに加えて二次電池２２０を備える。二次電池２２０は、ユニットセル１３０＿１～１３０＿Ｎが発生した余剰電力を蓄えておき、ユニットセル１３０＿１～１３０＿Ｎが発電できない状況において、コントローラ１１０や負荷２１０に電力を供給する。

スイッチ回路１４０Ｂは、第３電源ライン１０８を介して二次電池２２０と接続される。第３電源ライン１０８に生ずる電圧をＶ_Ｈと表記する。

スイッチ回路１４０Ｂは、第１状態φ１および第２状態φ２に加えて第３状態φ３が選択可能に構成される。第３状態φ３では、複数のユニットセル１３０＿１～１３０＿Ｎのｍ個（ｍ≧１）が第１電源ライン１０２と接地ライン１０６の間に並列に接続され、複数のユニットセル１３０＿１～１３０＿Ｎのｎ個（ｎ≧１）が、第２電源ライン１０４と第１電源ライン１０２の間に接続され、複数のユニットセル１３０＿１～１３０＿Ｎのｌ個（ただし、ｍ＋ｎ＋ｌ＝Ｎ）が、第３電源ライン１０８と第２電源ライン１０４の間に接続される。

コントローラ１１０は、第１電源ライン１０２の電圧Ｖ_Ｌ、第２電源ライン１０４の電圧Ｖ_Ｍにもとづいて、スイッチ回路１４０Ｂの状態を制御してもよい。あるいはコントローラ１１０は、３つの電圧Ｖ_Ｌ，Ｖ_Ｍ，Ｖ_Ｈにもとづいて、スイッチ回路１４０Ｂの状態を制御してもよい。

あるいは、ユニットセル１３０の１個当たりが発生する電流量を測定する電流センサを設け、電流量に応じて、スイッチ回路１４０Ｂの状態を制御してもよい。あるいは、コントローラ１１０は、電圧情報と電流情報の両方にもとづいて、スイッチ回路１４０Ｂの状態を制御してもよい。

図１０（ａ）～（ｃ）は、第１状態φ１～第３状態φ３を示す図である。第１状態φ１および第２状態φ２は、図３（ａ）、（ｂ）と同様である。図１０（ｃ）の第３状態φ３では、コントローラ１１０、負荷２１０に電源電圧Ｖ_Ｌ，Ｖ_Ｍを供給しつつ、第３電源ライン１０８に電源電圧Ｖ_Ｈ＝３×Ｖ_ＣＥＬＬを発生させ、二次電池２２０を充電することが可能となる。二次電池２２０に蓄えた電力は、ユニットセル１３０の発電力が少ないあるいは０である状況下において、コントローラ１１０や負荷２１０に供給することができる。

なお、実施形態２におけるスイッチ回路１４０Ｂも、図６～図９を参照して説明したのと同様の手法によって設計することができる。

続いてデバイス２００の用途を説明する。図１１は、デバイス２００の一例である生体埋め込みデバイスを示す図である。このデバイス２００は、動物の頭部の皮下に埋め込まれる。ユニットセル１３０は、皮膚を透過する波長（すなわち近赤外）に感度を有する光発電素子を用いるとよい。負荷２１０は、青色や赤色などの半導体発光素子（発光ダイオードやレーザダイオード）とその駆動回路を含みうる。生体の外部の光源３００から赤外光ＩＲを照射すると、ユニットセル１３０が発電する。はじめは第１状態φ１が選択され、コントローラ１１０が動作し、第２状態φ２に切り替わると、負荷２１０である発光素子が発光し、脳３０２に光刺激を与える。

なおデバイス２００の用途はこれに限定されず、センサデバイスやＩｏＴデバイスなど、幅広い用途に用いることができる。

１００ 発電装置
１０２ 第１電源ライン
１０４ 第２電源ライン
１０６ 接地ライン
１０８ 第３電源ライン
１１０ コントローラ
１３０ ユニットセル
１３２ エネルギーハーベスト素子
１４０ スイッチ回路
Ｃ１ 第１キャパシタ
Ｃ２ 第２キャパシタ
２００ デバイス
２１０ 負荷
２２０ 二次電池

Claims (7)

1. コントローラと、
   それぞれが少なくともひとつのエネルギーハーベスト素子を含む複数Ｎ個（Ｎ≧２）のユニットセルと、
   前記コントローラの電源端子と接続される第１電源ラインと、
   負荷の電源端子と接続される第２電源ラインと、
   接地ラインと、
   前記複数のユニットセル、前記第１電源ライン、前記第２電源ライン、前記接地ラインと接続されるとともに、複数のスイッチを含み、（i）前記複数のユニットセルのＮ個が前記第１電源ラインと前記接地ラインの間に並列に接続される第１状態と、（ii）前記複数のユニットセルのｍ個（１≦ｍ）が前記第１電源ラインと前記接地ラインの間に並列に接続され、前記複数のユニットセルのｎ個（ｎ＝Ｎ－ｍ、ｎ＜ｍ）が、前記第２電源ラインと前記第１電源ラインの間に接続される第２状態と、が、前記コントローラからの制御に応じて切り替え可能に構成されるスイッチ回路と、
   を備えることを特徴とする発電装置。
2. 前記第２状態は、ｍとｎの組み合わせが異なる複数のサブステートを含むことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記コントローラは、少なくとも前記第１電源ラインの電圧にもとづいて、前記スイッチ回路の状態を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
4. 前記第１電源ラインと前記接地ラインの間に設けられた第１キャパシタと、
   前記第２電源ラインと前記接地ラインの間に設けられた第２キャパシタと、をさらに備え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発電装置。
5. ２次電池が接続される第３電源ラインをさらに備え、
   前記スイッチ回路は、前記第１状態および前記第２状態に加えて、（iii）前記複数のユニットセルのｍ個が前記第１電源ラインと前記接地ラインの間に並列に接続され、前記複数のユニットセルのｎ個が、前記第２電源ラインと前記第１電源ラインの間に接続され、前記複数のユニットセルのｌ個（ただし、ｍ＋ｎ＋ｌ＝Ｎ）が、前記第３電源ラインと前記第２電源ラインの間に接続される第３状態に切り替え可能であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の発電装置。
6. 前記コントローラは、少なくとも前記第１電源ラインおよび前記第２電源ラインの電圧にもとづいて、前記スイッチ回路の状態を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の発電装置を備えることを特徴とするデバイス。

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