KR20240040732A - 충전 장치 - Google Patents

Abstract

본 기술의 일 형태에 관한 충전 장치는, 안테나부와, 정류 회로와, 축전부와, 충전 제어부를 구비한다. 상기 안테나부는, 금속체 또는 인체를 포함하는 대상체와 전기적으로 결합하는 제1 안테나 도체와, 상기 제1 안테나 도체와는 다른 도체이며 상기 대상체에 접속하지 않는 제2 안테나 도체를 갖는 다이폴 구조이다. 상기 정류 회로는, 상기 안테나부의 출력을 정류한다. 상기 축전부는, 상기 정류 회로의 출력을 바탕으로 전력을 생성하고, 상기 전력을 사용하여 축전 소자를 충전한다. 상기 충전 제어부는, 상기 전력의 전압 레벨에 따라서 상기 축전부의 동작을 제어한다.

Description

충전 장치

본 기술은, 환경 발전에 적용 가능한 충전 장치에 관한 것이다.

특허문헌 1에는, 환경 발전 디바이스를 발전원으로 하는 전원 회로에 대해서 기재되어 있다. 이 전원 회로에서는, 발전원이, 스위칭 소자 및 승압 회로를 통해서 축전 디바이스에 접속된다. 또한, 발전원과 스위칭 소자의 사이에는, 충전 디바이스가 접속된다. 충전 디바이스가 충전되면, 스위칭 소자가 온으로 되어, 축전 디바이스가 충전된다. 또한 충전 디바이스가 방전하면, 스위칭 소자가 오프로 되어, 축전 디바이스의 충전 경로가 차단된다. 이에 의해 환경 발전 디바이스의 미소한 전력을 축전 디바이스에 모으는 것이 가능해진다(특허문헌 1의 명세서 단락 [0005] [0009] [0010] 도 1, 2 등).

일본 특허 공개 제2013-38941호 공보

근년, 공간에 존재하는 전계 에너지를 이용한 환경 발전이 검토되고 있다. 공간에 존재하는 전계에는, 정전기 대전과 같이 물질 근방에 분포하는 전계나, 전파와 같이 공중을 전파하는 전계와 같은 다양한 전계가 포함되어 있어, 이러한 광범위한 전계 에너지를 효율적으로 축전하는 기술이 요구되고 있다.

이상과 같은 사정을 감안하여, 본 기술의 목적은, 광범위한 전계 에너지를 효율적으로 축전하는 것이 가능한 충전 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 기술의 일 형태에 관한 충전 장치는, 안테나부와, 정류 회로와, 축전부와, 충전 제어부를 구비한다.

상기 안테나부는, 금속체 또는 인체를 포함하는 대상체와 전기적으로 결합하는 제1 안테나 도체와, 상기 제1 안테나 도체와는 다른 도체이며 상기 대상체에 접속하지 않는 제2 안테나 도체를 갖는 다이폴 구조이다. 즉, 안테나부는, 제1 및 제2 안테나 도체를 포함하는 다이폴 구조의 안테나이다. 이 중, 제1 안테나 도체는, 금속체 또는 인체와 결합해서 다이폴 구조의 안테나에서의 편측의 안테나 엘리먼트를 형성한다.

상기 정류 회로는, 상기 안테나부의 출력을 정류한다.

상기 축전부는, 상기 정류 회로의 출력을 바탕으로 전력을 생성하고, 상기 전력을 사용하여 축전 소자를 충전한다.

상기 충전 제어부는, 상기 전력의 전압 레벨에 따라서 상기 축전부의 동작을 제어한다.

이 충전 장치에는, 제1 및 제2 안테나 도체를 포함하는 다이폴 구조의 안테나부가 마련된다. 제1 안테나 도체는 금속체나 인체인 대상체와 전기적으로 결합되고, 제2 안테나 도체는 대상체와 접속하지 않도록 구성된다. 이러한 안테나부를 사용함으로써 광범위한 전계 에너지를 취출하는 것이 가능해진다. 안테나부의 출력은 정류 회로에 의해 정류된다. 또한 정류 회로의 출력으로부터 생성된 전력이 축전 소자의 충전에 사용된다. 이 전력의 전압 레벨에 따라서 충전 동작이 제어된다. 이에 의해, 광범위한 전계 에너지를 효율적으로 축전하는 것이 가능해진다.

상기 축전부는, 상기 정류 회로와 상기 축전 소자의 사이에 배치되어, 상기 정류 회로와 상기 축전 소자의 접속의 ON/OFF를 전환하는 제1 전환 스위치를 가져도 된다. 본 개시에서는, 도 10에 도시하는 SW1이, 제1 전환 스위치의 일 실시 형태가 된다.

상기 충전 제어부는, 상기 충전용 전력의 전압 레벨로서 상기 정류 회로의 출력 전압을 검출하고, 당해 검출 결과에 따라서 상기 제1 전환 스위치의 ON/OFF를 전환해도 된다.

상기 충전 제어부는, 상기 정류 회로의 출력 전압이 상기 제1 전환 스위치용 역치 전압을 초과한 경우에, 상기 제1 전환 스위치를 OFF로 해도 된다.

상기 제1 전환 스위치는, MOSFET, 또는 로드 스위치의 어느 쪽이어도 된다.

상기 축전부는, 상기 전력의 상기 축전 소자에의 공급을 제어하는 제2 전환 스위치를 가져도 된다. 본 개시에서는, 도 14 및 도 19에 도시하는 SW2가, 제2 전환 스위치의 일 실시 형태가 된다.

상기 축전부는, 상기 정류 회로의 출력을 축적하고, 상기 제2 전환 스위치에 접속되는 축전 콘덴서를 가져도 된다. 이 경우, 상기 충전 제어부는, 상기 전력의 전압 레벨로서 상기 축전 콘덴서의 전압을 검출하고, 당해 검출 결과에 따라서 상기 제2 전환 스위치의 ON/OFF를 전환해도 된다.

상기 충전 제어부는, 상기 축전 콘덴서의 전압이 상기 제2 전환 스위치용 역치 전압을 초과한 경우에, 상기 제2 전환 스위치를 ON으로 해도 된다.

상기 충전 제어부는, 상기 제2 전환 스위치를 ON으로 하는 제어 신호를 출력하고,

상기 축전부는, 상기 제어 신호에 의해 충전되는 조정 콘덴서를 가져도 된다.

상기 제2 전환 스위치는, 상기 제어 신호가 입력되는 제어 단자를 가져도 된다. 이 경우, 상기 조정 콘덴서의 용량은, 상기 축전 콘덴서의 전압이 소정의 전압으로 저하될 때까지의 동안에, 상기 제어 단자의 전압 상태가 상기 제어 신호를 입력했을 때의 전압 상태와 동등한 상태로 되도록 설정되어도 된다.

상기 제2 전환 스위치는, 상기 전력의 전압을 조정하는 전압 조정 소자로서 구성되어도 된다.

상기 전압 조정 소자는, 상기 축전 콘덴서의 전압을 조정하여 상기 축전 소자에 인가하는 리니어 레귤레이터이어도 된다.

상기 전압 조정 소자는, 상기 축전 콘덴서의 전압을 승압해서 상기 축전 소자에 인가하는 승압 컨버터이어도 된다.

상기 축전부는, 상기 정류 회로의 출력을 축적하고, 상기 승압 컨버터에 접속되는 축전 콘덴서를 가져도 된다. 이 경우, 상기 축전 콘덴서의 용량은, 상기 승압 컨버터의 소비 전력의 3배 이상의 전력을 축적 가능하도록 설정되어도 된다.

상기 전압 조정 소자 및 상기 충전 제어부의 적어도 한쪽은, 상기 정류 회로의 출력을 전원으로 해서 구동되어도 된다.

상기 축전부는, 각각이 상기 정류 회로의 출력을 축적하는 제1 축전 콘덴서 및 제2 축전 콘덴서와, 상기 제1 및 상기 제2 축전 콘덴서의 어느 한쪽을 전환해서 상기 정류 회로에 접속하는 제3 전환 스위치와, 상기 제1 및 상기 제2 축전 콘덴서의 어느 한쪽을 전환해서 상기 축전 소자에 접속하는 제4 전환 스위치를 가져도 된다. 이 경우, 상기 충전 제어부는, 상기 제1 축전 콘덴서가 상기 축전 소자에 전력을 공급하고 있는 동안에, 상기 제2 축전 콘덴서가 충전되도록 상기 제3 및 상기 제4 전환 스위치를 제어해도 된다.

본 개시에서는, 도 21에 도시하는 SW3이 제3 전환 스위치의 일 실시 형태가 되고, SW4가 제4 전환 스위치의 일 실시 형태가 된다.

상기 충전 제어부는, 상기 제1 축전 콘덴서의 전압이 역치 전압을 초과한 경우에, 상기 축전 소자와 상기 제1 축전 콘덴서가 접속되고, 상기 정류 회로와 상기 제2 축전 콘덴서가 접속되도록, 상기 제3 및 상기 제4 전환 스위치를 제어해도 된다. 또한, 상기 제1 축전 콘덴서의 전압이 상기 역치 전압 미만인 경우에, 상기 축전 소자와 상기 제2 축전 콘덴서가 접속되고, 상기 정류 회로와 상기 제1 축전 콘덴서가 접속되도록, 상기 제3 및 상기 제4 전환 스위치를 제어해도 된다.

상기 충전 제어부는, 상기 제3 및 상기 제4 전환 스위치를 제어하는 제어 신호를 출력해도 된다. 이 경우, 상기 축전부는, 상기 제3 전환 스위치에 입력되는 상기 제어 신호에 의해 충전되는 제1 조정 콘덴서와, 상기 제4 전환 스위치에 입력되는 상기 제어 신호에 의해 충전되는 제2 조정 콘덴서를 가져도 된다.

상기 제1 및 상기 제2 조정 콘덴서의 용량은, 상기 제3 전환 스위치의 전환이 상기 제4 전환 스위치의 전환에 선행해서 실행되도록 설정되어도 된다.

상기 축전부는, 상기 정류 회로와 상기 축전 소자의 사이에 마련되어, 상기 축전 소자로부터의 전류의 역류를 방지하는 역류 방지 다이오드를 가져도 된다.

상기 충전 제어부는, 내부 저항이 2MΩ 이상이어도 된다.

도 1은 본 기술의 제1 실시 형태에 관한 충전 장치의 기능적인 구성예를 도시하는 블록도이다.
도 2는 전력 수신기에 의한 대상체를 통한 전력의 수신에 대해서 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 충전 장치의 평면 구성 및 단면 구성의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 4는 회로 기판의 구성예를 도시하는 모식도이다.
도 5는 회로 기판의 다른 구성예를 도시하는 모식도이다.
도 6은 충전 장치에 탑재되는 정류 회로의 일례를 도시하는 회로도이다.
도 7은 안테나부의 동작을 설명하기 위한 모식도이다.
도 8은 충전 장치의 사용예를 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 제1 실시 형태에 관한 충전 장치의 구성예를 도시하는 블록도이다.
도 10은 제1 실시 형태에 관한 충전 장치의 구성예를 도시하는 회로도이다.
도 11은 충전 제어부의 구성예를 도시하는 회로도이다.
도 12는 충전 장치의 다른 구성예를 도시하는 회로도이다.
도 13은 제2 실시 형태에 관한 충전 장치의 구성예를 도시하는 블록도이다.
도 14는 제2 실시 형태에 관한 환경 발전 충전 장치의 구성예를 도시하는 회로도이다.
도 15는 CV 방식의 충전 전압 및 충전 전류의 시간 변화를 나타내는 모식적인 그래프이다.
도 16은 CV 방식의 충전 전압과 충전율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 17은 실제의 충전 장치에 의한 충전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 18은 제3 실시 형태에 관한 충전 장치의 구성예를 도시하는 블록도이다.
도 19는 제3 실시 형태에 관한 충전 장치의 구성예를 도시하는 회로도이다.
도 20은 제4 실시 형태에 관한 충전 장치의 구성예를 도시하는 블록도이다.
도 21은 제4 실시 형태에 관한 충전 장치의 구성예를 도시하는 회로도이다.
도 22는 제5 실시 형태에 관한 하비스터 장치의 접속예를 도시하는 모식도이다.
도 23은 누전 대책을 도입한 하비스터 장치의 구성예를 도시하는 회로도이다.
도 24는 하비스터 장치의 출력과 접지 저항의 관계를 측정하기 위한 측정 회로를 도시하는 모식도이다.
도 25는 하비스터 장치의 출력과 접지 저항의 관계의 측정예를 나타내는 표이다.
도 26은 누전 대책을 도입한 하비스터 장치의 다른 구성예를 도시하는 회로도이다.
도 27은 제6 실시 형태에 관한 하비스터 장치의 구성예를 도시하는 모식도이다.
도 28은 제7 실시 형태에 관한 하비스터 장치가 탑재된 기기의 구성예를 도시하는 모식도이다.
도 29는 도 28에 도시하는 하비스터 장치가 탑재된 기기의 기능적인 구성예를 도시하는 블록도이다.

이하, 본 기술에 관한 실시 형태를, 도면을 참조하면서 설명한다.

<제1 실시 형태>

[충전 장치의 개요]

도 1은 본 기술의 제1 실시 형태에 관한 충전 장치의 기능적인 구성예를 도시하는 블록도이다. 충전 장치(100)는, 금속체나 인체 등으로부터, 공간에 존재하는 전계 에너지를 취출하고, 그 에너지를 전력으로서 충전하는 장치이다. 이하에서는, 충전 장치(100)가 전계 에너지를 취출하는 대상이 되는 금속체나 인체를 대상체(1)라고 기재한다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 충전 장치(100)는, 안테나부(22)와, 정류 회로(23)와, 축전부(24)와, 축전 소자(25)와, 충전 제어부(26)와, 부하(27)를 갖는다.

안테나부(22)는, 금속체 또는 인체를 포함하는 대상체(1)를 통해서 전력을 수신하기 위한 수신 안테나로서 기능한다. 예를 들어, 안테나부(22)는, 대상체(1)의 주변 공간에 있는 전파나 준정전계의 전계 에너지를 전력으로서 수신한다. 이 점에 대해서는, 도 7 및 도 8 등을 참조하여 상세히 후술한다.

정류 회로(23)는, 안테나부(22)에 접속되어, 수신된 교류의 전력을 정류한다. 즉, 정류 회로(23)는, 안테나부(22)의 출력을 정류한다.

본 실시 형태에서는, 안테나부(22) 및 정류 회로(23)에 의해 전력 수신기(21)가 구성된다. 전력 수신기(21)는, 대상체(1)의 주변에 존재하는 전계 에너지를 전력으로서 취출하는 것이 가능하다. 즉, 전력 수신기(21)는, 주변 환경으로부터 전력을 수확하는 에너지 하비스트(환경 발전)를 행하는 것이 가능하다.

또한, 대상체(1)가 인체일 경우에는, 안테나부(22)와 정류 회로(23)가 직렬로 접속되는 것이 바람직하다. 이에 의해 인체를 통해서 수신되는 비교적 약한 전계 에너지를 효율적으로 회수하는 것이 가능해진다.

축전부(24)는, 축전 소자(25)를 충전하는 회로이다. 축전부(24)는, 정류 회로(23)의 출력을 바탕으로 전력을 생성하고, 생성한 전력을 사용하여 축전 소자(25)를 충전한다. 축전부(24)에 의해 생성되는 전력은, 예를 들어 정류 회로(23) 그 자체의 출력이어도 되고, 콘덴서 등에 축적된 전력 등이어도 된다. 이러한 전력을 사용하여 축전 소자(25)가 충전된다. 이하에서는, 축전부(24)에 의해 생성되어, 축전 소자(25)의 충전에 사용되는 전력을, 충전용 전력이라고 기재하는 경우가 있다.

축전 소자(25)는, 정류 회로에 의해 정류된 전력(안테나부(22)가 수신한 전력)을 모으는 소자이며, 필요에 따라 전력을 부하(27)에 공급한다.

충전 제어부(26)는, 축전부(24)에 의해 생성되는 충전용 전력의 전압 레벨을 검출하고, 그 결과에 따라서 축전부(24)를 동작시킨다. 즉, 충전 제어부(26)는, 충전용 전력의 전압 레벨에 따라서 축전부(24)의 동작을 제어한다.

부하(27)는, 축전 소자(25)의 전력으로 구동되는 회로나 소자이다. 예를 들어, 마이크로컴퓨터 등의 제어 유닛이나, 통신 유닛, 각종 센서 등이 부하(27)로서 사용된다.

도 2는 전력 수신기(21)에 의한 대상체(1)를 통한 전력의 수신에 대해서 설명하기 위한 모식도이다.

전력 수신기(21)의 안테나부(22)에는, 제1 안테나 도체(31)와, 제2 안테나 도체(32)가 마련된다. 제1 안테나 도체(31)는, 금속체 또는 인체를 포함하는 대상체(1)와 전기적으로 결합하는 도체이다. 제2 안테나 도체(32)는, 제1 안테나 도체(31)와는 다른 도체이며 대상체(1)에 접속하지 않는 도체이다.

도 2에는, 대상체(1)의 표면에 제1 안테나 도체(31)가 접촉하도록 마련된 안테나부(22)(전력 수신기(21))가 모식적으로 도시되어 있다.

안테나부(22)는, 제1 안테나 도체(31)와, 제2 안테나 도체(32)를 갖는 다이폴 구조의 안테나이다.

본 개시에 있어서, 다이폴 구조의 안테나란, 2개의 안테나 엘리먼트(안테나 소자라고도 함)를 사용하여 전계를 송수신하는 구조의 안테나이다.

전계는, 교류의 파이기 때문에, 전계가 작용하는 도체 상에는, 어떠한 주파수에서도 전압이 높아지는 곳과 낮아지는 곳이 반드시 존재한다.

일반적으로는, 안테나 엘리먼트가 되는 도체의 길이는, 수신하고자 하는 주파수의 파장에 맞춘 길이로 설정된다. 다이폴 구조의 안테나에서는, 전형적으로는 각각의 안테나 엘리먼트의 길이가 수신하고자 하는 주파수의 파장의 1/4의 길이로 조정된다. 이 경우, 수신하고자 하는 주파수에서 유기되는 전압이 높은 곳과 낮은 곳이 일치하기 때문에, 얻어지는 전력은 최대가 된다. 이 구조에서는, 각 안테나 엘리먼트의 길이를 더하면 파장의 1/2이 된다. 이것은, 소위 반파장 다이폴 안테나이다.

안테나부(22)의 구조는, 상기한 안테나의 구조를 이용한 구조로 되어 있다. 구체적으로는, 안테나부(22)는, 대상체(1)와 전기적으로 결합된 제1 안테나 도체(31)와, 제1 안테나 도체(31)와는 다른 도체이며 대상체(1)에 접속하지 않는 제2 안테나 도체(32)의 2개의 안테나 엘리먼트로 구성되어 있다.

이 중, 제1 안테나 도체(31)가 결합하는 대상체(1)는, 대지(GND)로부터 절연되어 있는(떠있는 상태로 되어 있는) 금속체나 인체이다. 따라서, 대상체(1)는, 제1 안테나 도체(31)를 통해서 편측의 안테나 엘리먼트로서 기능한다.

상기한 바와 같이, 전계가 작용하는 도체 상에는, 전계의 주파수에 관계없이, 전압이 높은 곳과 낮은 곳이 반드시 존재한다. 이 때문에, 2개의 안테나 엘리먼트(제1 안테나 도체(31) 및 제2 안테나 도체(32))에 전계가 작용하면, 2개의 안테나 엘리먼트에는 반드시 전류가 흐른다. 각 안테나 엘리먼트에 흐르는 전류는, 전계로부터 취출할 수 있는 최대 전류가 된다고는 할 수 없지만, 어떻든간에 각 안테나 엘리먼트로부터 전류(전계의 에너지)를 취출하는 것이 가능하다.

안테나부(22)는, 이 효과를 이용하여 전계의 에너지를 수신한다.

또한, 본 개시에서의 충전 장치(100)의 구성예에는, 도 8의 B를 참조하여 설명한 바와 같이, 케이블을 사용하여 제2 안테나 도체(32)를 대지(GND)에 접속하는 구성도 포함된다. 이와 같은 구성은, 일반적으로 모노폴 안테나라고 불리는 경우도 있다.

한편, 본 구성에서는, 안테나부(22)는, 제2 안테나 도체(32)를 경유해서 대지(GND)와 접속되어 있고, 제1 안테나 도체(31) 및 제2 안테나 도체(32)의 2개의 안테나 엘리먼트를 사용하여 전계를 수신하는 구성에 변함은 없다. 이런 의미에서, 상기한 바와 같이 제2 안테나 도체(32)가 대지(GND)에 접속되는 구성도, 본 개시에서의 다이폴 구조라고 할 수 있다.

전력 수신기(21)에서는, 안테나부(22)(제1 안테나 도체(31) 및 제2 안테나 도체(32))에 의해 수신된 교류(AC)의 전력(전계 에너지의 전력)이, 정류 회로(23)에 입력된다. 그리고 정류 회로(23)로부터는, 직류(DC)로 정류된 전력이 출력된다. 이와 같이, 전력 수신기(21)는, 대상체(1)를 통해서 전계 에너지에 따른 전력을 수신한다.

대상체(1)는, 예를 들어 전계 에너지에 의해 전하가 유기되는 유전성 물체이면 된다. 상기한 바와 같이 대상체(1)에는, 금속체 또는 인체가 포함된다. 금속체는, 주변에 존재하고 있는 공업 제품(자동차, 자동 판매기, 냉장고, 전자 레인지, 금속 랙, 가드레일, 우편함, 신호기 등)이나, 금속제의 물체이며, 전력을 취출하기 위해서는 대지(GND)로부터 떠 있는 상태이다. 금속체는, 예를 들어 철, 알루미늄, 구리, 금속 합금 등, 임의의 금속으로 구성되어도 되고, 그 재질은 금속이라면 종류는 한정되지 않는다.

[충전 장치(100)의 구성]

도 3은 충전 장치(100)의 평면 구성 및 단면 구성의 일례를 도시하는 모식도이다. 도 3의 A 및 도 3의 B에는, 충전 장치(100)의 평면도 및 단면도가 모식적으로 도시되어 있다. 또한 도 3의 C에는, 충전 장치(100)의 다른 구성예를 도시하는 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 3의 A 및 도 3의 B에 도시하는 바와 같이, 충전 장치(100)는, 도체 전극(40)과, 유전부(41)와, 도전 핀(42)과, 회로 기판(43)과, 기판 그라운드(44)와, 회로부(45)와, 케이스(46)를 갖는다. 충전 장치(100)에서는, 도체 전극(40), 유전부(41) 및 회로 기판(43)이 이 순번으로 층상으로 마련된다.

도체 전극(40)은, 대상체(1)와 전기적으로 결합해서 사용되는 도체이며, 충전 장치(100)에 있어서 대상체(1)와 접촉 가능한 위치에 배치된다. 여기서는, 케이스(46)의 표면으로부터 노출되도록 도체 전극(40)이 배치된다. 도체 전극(40)은, 도 2를 참조하여 설명한 제1 안테나 도체(31)로서 기능한다.

도체 전극(40)으로서는, 예를 들어 금속을 사용한 전극이 사용된다. 도체 전극(40)에 사용하는 금속으로서는, 금, 은, 알루미늄, 구리, 철, 니켈, 합금 등이 사용된다. 예를 들어 금이나 은을 사용함으로써 저저항의 전극을 구성하는 것이 가능해진다. 또한 알루미늄, 구리, 철, 니켈 등을 사용함으로써 도체 전극(40)의 비용을 억제하는 것이 가능해진다. 또한 이들 금속이나 다른 금속과의 합금을 사용함으로써 경량의 전극이나, 내구성이 높은 전극 등을 적절하게 구성하는 것이 가능해진다.

또한 도체 전극(40)으로서, 예를 들어 카본이나 금속 등이 배합된 도전성 수지나 도전성 고무 등이 사용되어도 된다. 도전성 수지를 사용함으로써 예를 들어 다양한 형상의 전극을 용이하게 형성 가능하게 된다. 또한 도전성 고무를 사용함으로써 탄성 변형이 가능한 전극이나 밀착성이 높은 전극 등을 구성하는 것이 가능해진다.

이밖에, 도체 전극(40)의 재질은 한정되지 않고, 상기한 재료를 단체로 사용해도 되고, 각 재료를 조합해서 전극이 구성되어도 된다.

본 실시 형태에서는, 얇은 판상(패치상)의 도체 전극(40)이 사용된다. 즉, 도체 전극(40)은, 평면 형상의 전극이다. 이 경우, 도체 전극(40)은, 대상체(1)에 접촉하는 안테나로서 기능한다. 이에 의해, 대상체(1)와 접촉 또는 용량 결합(도 8 등 참조)하는 면적을 충분히 넓게 하는 것이 가능해진다.

또한, 도체 전극(40)의 형상은 한정되지 않고, 예를 들어 충전 장치(100)의 형상이나, 장착되는 대상체(1)의 부위 등에 맞춘 형상이 사용되어도 된다. 예를 들어, 도체 전극(40)으로서, 평면 형상의 전극 이외에, 핀 형상, 반구 형상, 또는 요철 형상의 전극 등이 사용되어도 된다.

또한 도체 전극(40)은, 대상체(1)에 전극을 구성하는 도체가 접촉하도록 구성되어도 되고, 대상체(1)에 접촉하는 표면이 수지 코팅되어 있어도 된다. 도체 전극(40)의 코팅에는, 예를 들어 방수·방적과 같은 내수성이나, 자외선 등에 대한 내후성이 있는 수지가 사용된다. 이에 의해, 충전 장치(100)가 옥외나 풀 등에서 사용될 경우 등에, 도체 전극(40)이 부식되는 사태가 회피된다.

유전부(41)는, 도체 전극(40)과, 회로 기판(43)의 사이에 마련되는 판상의 유전체이다. 유전부(41)는, 예를 들어 도체 전극(40)의 대상체(1)가 접촉하는 표면과는 반대측의 표면에 접하도록 배치된다. 유전부(41)를 마련함으로써, 예를 들어 도체 전극(40)으로부터 대상체(1)에의 전력의 전송 효율을 향상시킴과 함께, 안테나간의 간격을 좁게 하는 것이 가능해진다.

또한, 유전부(41)를 마련하지 않고, 도체 전극(40)과 회로 기판(43)의 사이에 일정 공간을 형성하도록 해도 된다.

도전 핀(42)은, 유전부(41)를 관통하여, 도체 전극(40)과, 회로 기판(43)을 접속하는 핀 형상의 배선이다. 도전 핀(42)의 한쪽 끝은 도체 전극(40)에 접속되고, 다른 쪽 끝은 회로 기판(43)의 전극(접속점(47a))에 접속된다.

회로 기판(43)은, 기판 그라운드(44)와 회로부(45)가 마련되는 기판이다. 도 3의 B에 나타내는 예에서는, 회로 기판(43)은 유전부(41)와는 반대측의 면에, 기판 그라운드(44), 회로부(45) 및 접속점(47a)이 형성된다. 접속점(47a)은, 회로부(45)와 도체 전극(40)을 접속하는 전극이다. 도전 핀(42)은, 회로 기판(43)을 관통해서 접속점(47a)에 납땜된다.

이밖에, 회로 기판(43)의 유전부(41)을 향하는 면에, 기판 그라운드(44)나 회로부(45) 등이 형성되어도 된다. 또한 회로 기판(43)의 양면에, 기판 그라운드(44)나 회로부(45) 등이 형성되어도 된다.

기판 그라운드(44)는, 회로 기판(43)에서의 그라운드가 되는 도체의 패턴(그라운드 패턴)이다. 기판 그라운드(44)로서는, 전형적으로는 구리박의 그라운드 패턴이 사용된다.

도 3의 B에 나타내는 예에서는, 기판 그라운드(44)는, 제2 안테나 도체(32)로서 기능한다. 즉, 제2 안테나 도체(32)는, 충전 장치(100)의 회로 기판(43)에 마련된 그라운드 패턴에 의해 구성된다.

또한, 상기한 도체 전극(40)(제1 안테나 도체(31))과 기판 그라운드(44)(제2 안테나 도체(32))에 의해, 충전 장치(100)의 안테나부(22)가 구성된다.

제2 안테나 도체(32)가 되는 기판 그라운드(44)는, 대상체(1)에 접촉하지 않도록, 또한 대지 그라운드와 용량 결합하도록 구성된다. 혹은, 기판 그라운드(44)는, 대지 그라운드에 접속되어도 된다. 즉, 기판 그라운드(44)는, 대지 그라운드와 전기적으로 결합하도록 구성되면 된다.

예를 들어, 대상체(1)가 인체일 경우에는, 유저가 충전 장치(100)를 장착해서 자유롭게 이동할 수 있도록, 기판 그라운드(44)는, 대지 그라운드와 용량 결합하도록 구성된다. 한편, 예를 들어 거치형 금속체를 대상체(1)로 하는 경우에는, 충전 장치(100)는 이동되지 않는 것으로 해서, 기판 그라운드(44)가 대지 그라운드와 접속되어도 된다.

이것은, 제2 안테나 도체(32)가 되는 다른 요소에 대해서도 마찬가지이다.

이하에서는, 주로 제2 안테나 도체(32)가 되는 요소가 대지 그라운드와 용량 결합하는 것으로서 설명한다.

회로부(45)는, 기판 그라운드(44)와 겹치지 않도록 마련된 각종 회로를 포함하는 유닛이다. 본 실시 형태에서는, 회로부(45)에 정류 회로(23)가 형성된다. 이밖에, 도 1에 도시하는 축전부(24), 축전 소자(25), 충전 제어부(26) 및 부하(27) 등이 회로부(45)에 마련되어도 된다. 또한 축전부(24) 등은, 회로부(45)와는 별도로 마련되어도 된다.

케이스(46)는, 충전 장치(100)의 하우징이다. 케이스(46)에는, 안테나부(22) 및 정류 회로(23)에 의해 구성되는 전력 수신기(21)나, 기타 기판이나 회로 등이 수용된다.

또한 케이스(46)는, 도체 전극(40) 이외의 대상체(1)와 접촉하는 부분이 절연 부재로 구성된다. 따라서, 대상체(1)와 접촉하기 위해서 마련된 부분(도체 전극(40)) 이외에서는, 대상체(1)와 접촉해도 케이스(46)의 본체는 대상체(1)와 통전하지 않는다. 절연 부재로서는, 절연성 수지나 고무 등의 재료가 사용된다.

도 3의 B에 나타내는 예에서는, 케이스(46)는, 대상체(1)에 접촉하는 면에 더하여, 케이스의 측면이나 반대면도 절연 부재를 사용하여 구성된다. 이에 의해, 기판 그라운드(44)(제2 안테나 도체(32))가 실드되지 않기 때문에, 대지 그라운드와의 양호한 용량 결합을 실현하는 것이 가능해진다.

도 3의 C에 나타내는 충전 장치(100)에서는, 도 3의 B와는 케이스(46)의 구성이 다르다. 여기서는, 케이스(46)로서, 케이스(46a) 및 케이스(46b)가 사용된다. 케이스(46a)는, 도체 전극(40)이 마련되는 측을 덮는 하우징이며, 절연 부재를 사용하여 구성된다. 케이스(46b)는, 도체 전극(40)이 마련되는 측과는 반대측을 덮는 하우징이며, 금속 등의 도전 부재를 사용하여 구성된다.

또한 케이스(46a) 및 케이스(46b)는, 나사나 끼워 맞춤을 사용한 접속부(48)를 통해서 접속된다.

이와 같이, 도 3의 C에서는, 대상체(1)와 접촉하지 않는 측이, 도전성이 있는 케이스(46b)를 사용하여 구성된다. 이 경우, 케이스(46b)를 제2 안테나 도체(32)로서 사용하는 것이 가능하다.

예를 들어, 회로 기판(43)에 마련된 기판 그라운드(44)와, 도전성이 있는 케이스(46b)가, 금속 와이어(49) 등을 사용하여 전기적으로 접속된다. 즉, 제2 안테나 도체(32)는, 충전 장치(100)의 하우징 중 대상체(1)와 접촉하지 않는 부분에 마련된 도전 부재(케이스(46b))에 의해 구성된다. 이에 의해, 대지 그라운드와 충분히 용량 결합하는 제2 안테나 도체(32)를 실현하는 것이 가능해진다.

또한 제2 안테나 도체(32)로서 기판 그라운드(44)가 사용되는 구성(도 4 참조)에서는, 케이스(46)의 대상체(1)에 접촉하지 않는 부분에 도전성 케이스(46b)가 사용되는 경우, 기판 그라운드(44)와 케이스(46b)가 금속 와이어(49)를 통해서 접속된다. 이 경우, 기판 그라운드(44) 및 케이스(46b)가 모두 제2 안테나 도체(32)로서 기능한다. 또한 케이스(46b)를 그라운드로서 사용하는 경우에는, 기판 그라운드(44)의 면적 등이 축소되어도 된다.

또한 제2 안테나 도체(32)로서 후술하는 도체 패턴(52)이 사용되는 구성(도 5 참조)에서는, 케이스(46)의 대상체(1)에 접촉하지 않는 부분에 도전성 케이스(46b)가 사용되는 경우, 케이스(46b)와 도체 패턴(52)이 금속 와이어(49)를 통해서 접속된다. 이 경우, 도체 패턴(52) 및 케이스(46b)가 모두 제2 안테나 도체(32)로서 기능한다. 또한 케이스(46b)에 접속하는 경우, 도체 패턴(52)의 면적 등을 축소하여, 기판 그라운드(44)의 면적을 확대하는 것도 가능하다.

도 4는 회로 기판(43)의 구성예를 도시하는 모식도이다. 도 4에는, 도 3을 참조하여 설명한 회로 기판(43)의 평면 구성의 일례가 모식적으로 도시되어 있다.

도면 중의 사선 영역은, 기판 그라운드(44)(제2 안테나 도체(32))이다. 기판 그라운드(44)는, 정류 회로(23) 등이 마련되는 회로부(45)와 겹치지 않도록 구성된다. 기판 그라운드(44)의 형상이나 배치는 한정되지 않고, 예를 들어 회로부(45)의 구성에 따라서 적절하게 설정되어도 된다. 또한, 도체 전극(40)(제1 안테나 도체(31))과 회로부(45)를 접속하는 배선은, 기판 그라운드(44)와는 겹치지 않도록 구성된다.

도 4에 도시하는 바와 같이, 안테나부(22)를 구성하는 도체 전극(40)(제1 안테나 도체(31)) 및 기판 그라운드(44)(제2 안테나 도체(32))는, 2개의 접속점(47a 및 47b)을 통해서 정류 회로(23)에 접속된다. 또한 정류 회로(23)는, 정류한 전력을 출력하는 2개의 출력 단자(71a 및 71b)를 갖는다.

도체 전극(40)과, 기판 그라운드(44)의 사이에는, 정전 대책으로서 정전기 보호 부품(51)이 마련된다. 정전기 보호 부품(51)으로서는, 배리스터 등이 사용된다. 도체 전극(40)과 기판 그라운드(44)의 사이에 고전압이 걸렸을 경우 등에, 회로부(45)측의 소자를 보호하는 것이 가능해진다.

도 5는 회로 기판(43)의 다른 구성예를 도시하는 모식도이다. 도 5에 나타내는 예에서는, 제2 안테나 도체(32)는, 기판 그라운드(44)와는 별도로 회로 기판(43)에 마련된 다른 도체 패턴(52)에 의해 구성된다.

여기서는, 기판 그라운드(44)와, 기판 그라운드(44)와는 전기적으로 분리된 도체 패턴(52)이, 회로부(45)(정류 회로(23) 등)와 겹치지 않도록 형성된다.

도체 패턴(52)은, 대상체(1)에 접촉하지 않도록, 또한 대지 그라운드와 용량 결합하도록 구성된다.

도 5에 나타내는 회로 기판(43)에서는, 안테나부(22)를 구성하는 도체 전극(40)(제1 안테나 도체(31)) 및 도체 패턴(52)(제2 안테나 도체(32))은, 2개의 접속점(47a 및 47b)을 통해서 정류 회로(23)에 접속된다.

또한, 도 4와 마찬가지로, 도체 전극(40)과, 기판 그라운드(44)의 사이에는, 정전 대책으로서 배리스터 등의 정전기 보호 부품(51)이 마련된다.

도 6은 충전 장치(100)에 탑재되는 정류 회로(23)의 일례를 도시하는 회로도이다.

충전 장치(100)에서는, 예를 들어 도체 전극(40)과 기판 그라운드(44)의 사이에 수볼트 정도의 전압이 발생하기는 하지만, 취출할 수 있는 전류는 비교적 작은 것이라고 생각된다(도 15, 도 16 등 참조). 이러한 신호를 정류할 때는, 누설 전류 등을 충분히 억제하는 것이 중요해진다.

도 6에 도시하는 바와 같이, 정류 회로(23)는, 전파 정류 회로로서 구성된다.

정류 회로(23)는, 4개의 다이오드(68a 내지 68d)와, 2개의 제너 다이오드(69a 및 69b)와, 역류 방지 다이오드(70)와, 출력 단자(71a 및 71b)를 갖는다.

다이오드(68a) 및 다이오드(68b)는, 다이오드(68a)를 선두로 순 방향이 되도록 직렬로 접속된다. 또한 다이오드(68a) 및 다이오드(68b)의 사이에는, 접속점(47a)이 마련된다. 다이오드(68c) 및 다이오드(68d)는, 다이오드(68c)를 선두로 순 방향이 되도록 직렬로 접속된다.

다이오드(68a), 다이오드(68c), 제너 다이오드(69a) 및 제너 다이오드(69b) 각각의 캐소드는, 역류 방지 다이오드(70)의 애노드에 접속된다. 또한 역류 방지 다이오드(70)의 캐소드는, 출력 단자(71a)에 접속된다.

다이오드(68b), 다이오드(68d), 제너 다이오드(69a) 및 제너 다이오드(69b) 각각의 애노드는, 출력 단자(71b)에 접속된다.

도체 전극(40)은, 다이오드(68a) 및 다이오드(68b)의 사이의 접속점(47a)에 접속된다. 또한 기판 그라운드(44)는, 다이오드(68c 및 68d)의 접속점(47b)에 접속된다.

예를 들어, 안테나부(22)(도체 전극(40) 및 기판 그라운드(44))에 의해 수신된 교류의 전력은, 4개의 다이오드(68a 내지 68d)에 의해 전파 정류되어, 출력 단자(71a 및 71b)로부터 직류의 전력으로서 출력된다. 이와 같이 도 6에 나타내는 정류 회로(23)는, 전파 정류에 필요한 최소의 다이오드(68a 내지 68d)를 사용하여 구성되어 있다. 이에 의해, 불필요한 누설 전류가 억제되어, 전력의 수신 효율을 충분히 향상시키는 것이 가능해진다.

제너 다이오드(69a)는, 예를 들어 도체 전극(40) 및 기판 그라운드(44)간에 발생하는 정전기 등을 빠져 나가게 하기 위한 소자이다. 예를 들어 정전기와 같은 고전압이 발생한 경우, 제너 다이오드(69a)는 정전기를 빠져 나가게 하는 정전기 보호 부품으로서 기능한다.

또한 제너 다이오드(69b)는, 예를 들어 출력 단자(71a 및 71b)에 접속되는 후단의 IC 회로(축전부(24) 등)를 보호하기 위한 소자이다. 예를 들어 도체 전극(40) 및 기판 그라운드(44)간의 전압이 6.5V 이상으로 되었을 경우, 제너 다이오드(69b)는 저저항의 도체로서 기능한다. 이에 의해, 후단의 회로가 파손되는 사태를 회피하는 것이 가능해진다.

또한 역류 방지 다이오드(70)는, 전류의 역류를 방지하는 다이오드이다. 역류 방지 다이오드(70)를 마련함으로써, 안테나부의 전압 저하 시의 역류를 억제하여, 후단의 회로를 안정되게 동작시키는 것이 가능해진다.

또한, 정류 회로(23)의 구성은 한정되지 않는다. 예를 들어, 콘덴서를 사용하여 전압을 증배하는 배전압 정류 회로나 4배압 정류 회로, 코크로프트·월튼 회로를 내장한 정류 회로 등이 사용되어도 된다. 또한 예를 들어, 반파 정류 회로 등이 사용되어도 된다. 이밖에, 정류 회로(23)는, 안테나부(22)에 의한 전력의 수신 특성이나, 부하(27)로서 사용되는 소자나 회로의 특성 등에 따라서 적절하게 구성되어도 된다.

[안테나부의 동작]

도 7은, 안테나부(22)의 동작을 설명하기 위한 모식도이다. 도 8은, 충전 장치(100)의 사용예를 설명하기 위한 모식도이다.

도 7에는, 대상체(1)와 결합해서 사용되는 충전 장치(100)의 안테나부(22)의 모델이 모식적으로 도시되어 있다. 또한 도 8의 A 및 도 8의 B에는, 인체(2)에 장착되는 충전 장치(100a)와, 금속체(3)인 스틸 랙에 고정해서 사용되는 충전 장치(100b)가 각각 모식적으로 도시되어 있다.

여기서는, 도 7 및 도 8을 참조하여, 안테나부(22)의 동작에 대해서 설명한다.

일반적으로, 인간이 활동하는 환경에는, 다양한 전계 에너지가 존재한다. 이들 전계 에너지는, 저주파수 성분과 고주파수 성분으로 나누어 분류할 수 있다.

예를 들어, 가정의 교류 전원으로부터의 누출 전계(50Hz/60Hz), 퍼스널 컴퓨터의 근방에 존재하는 노이즈, 사람이 보행 시에 발생하는 전압(도 8의 A 참조) 등은, 저주파수 성분의 전계 에너지이며, 준정전계(근방계)라고 칭해진다. 한편, 라디오 방송(AM/FM), 텔레비전 방송, 휴대 전화의 통신 전파 등은, 고주파수 성분의 전계 에너지이며, 전파(원방계)라고 칭해진다.

도 8의 A에 나타내는 예에서, 인체(2)의 팔에 충전 장치(100)가 장착되어 있다. 또한 인체(2)는 구두 등을 신고 있어, 대지 그라운드(4)로부터 떠 있는 상태인 것으로 한다. 이 경우, 인체(2)에는, 인체(2)의 주변을 전파하는 전파나, 보행에 의해 생기는 준정전계와 같은 다양한 전계 에너지가 작용해서 전력이 유기된다.

도 8의 B에 나타내는 예에서, 금속체(3)인 스틸 랙의 다리부에 충전 장치(100)가 장착되어 있다. 스틸 랙은 카펫(66) 상에 배치되어 대지 그라운드(4)로부터 떠 있는 상태로 되어 있다. 이 경우, 금속체(3)에는, 전파나 전원 노이즈와 같은 다양한 전계 에너지에 의해 전력이 유기된다. 또한, 여기서는, 보다 많은 전력을 수신하기 위해서 금속체(3)와 접촉하지 않는 측의 제2 안테나 도체(32)가 되는 기판 그라운드(44)가, 피막 구비 케이블 등을 사용하여 옥내 전원의 그라운드 라인(대지 그라운드(4))에 접속되어 있다.

도 7에 도시하는 도면은, 도 8의 A나 도 8의 B에 나타내는 장면에서의, 충전 장치(100)의 안테나부(22)의 상태를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 안테나부(22)의 제1 안테나 도체(31)(도체 전극(40)) 및 대상체(1)는, 예를 들어 전기적으로는 용량 결합한 상태로 되어, 충전 장치(100)에서 본 대상체(1)는, 비접지의 안테나 엘리먼트가 된다.

또한 도 8의 A에 나타내는 예에서는, 제2 안테나 도체(32)(기판 그라운드(44))는, 대지 그라운드(4)와 용량 결합해서 의사적인 그라운드를 형성한다. 또한 도 8의 B에 나타내는 예에서는, 제2 안테나 도체(32)(기판 그라운드(44))는 대지 그라운드(4)인 어스와 동일 전위로 된다.

그 결과, 제2 안테나 도체(32)는, 안테나 엘리먼트가 되는 인체(2) 또는 금속체(3) 등의 대상체(1)에 대한 그라운드로서 기능한다.

이와 같은 구성에 의해, 안테나부(22)는, 인체(2)나 금속체(3)를 안테나 엘리먼트로서, 누설 전류인 노이즈와 같은 준정전계와, 방송파와 같은 전파 양쪽의 전계 에너지를 도입하는 것이 가능해진다.

또한, 안테나부(22)는, 준정전계나 전파의 에너지가 합성된 전력을 수신하게 된다. 도 7에는, 대상체(1)(인체(2)나 금속체(3))를 통해서 수신되는 전력의 파형이 모식적으로 도시되어 있다. 전력의 파형은, 광범위한 주파수 성분을 포함하는 파형이 된다.

상기한 바와 같이 구성된 안테나부(22)에 의해, 예를 들어 50Hz와 같은 저주파수의 준정전계의 에너지를 수신 가능하다. 이와 같이 안테나부(22)가 저주파수에서 공진하는 것은, 예를 들어 대상체(1)가 인체(2)일 경우에는, 인체(2)의 내부에 있는 혈액에 포함되는 철분이 안테나로서 기능하고 있기 때문이라고 생각된다. 또한 대상체(1)가 금속체(3)일 경우에는, 그 구조에 포함되는 프레임 등이 안테나로서 기능한다고 생각된다. 이러한 작용에 의해, 안테나부(22)는, 매우 넓은 대역에 걸쳐 전계 에너지를 도입하는 것이 가능하게 되어 있다.

또한, 주파수가 높은 전파의 에너지만을 도입하는 경우에는, 제2 안테나 도체(32)는 반드시 대지와 용량 결합하지 않아도 된다.

[충전 장치(100)의 구성]

도 9는, 제1 실시 형태에 관한 충전 장치(100)의 구성예를 도시하는 블록도이다. 상기한 바와 같이, 충전 장치(100)는, 안테나부(22)와, 정류 회로(23)와, 축전부(24)와, 축전 소자(25)와, 충전 제어부(26)와, 부하(27)를 갖는다.

안테나부(22)는, 금속체 또는 인체를 포함하는 대상체(1)를 통해서 전력을 수신한다.

정류 회로(23)는, 안테나부(22)에 접속되어, 수신된 교류의 전력을 정류한다.

축전부(24)에는, 제1 전환 스위치(SW1)가 마련된다. 제1 전환 스위치(SW1)는, 정류 회로(23)와 축전 소자(25)의 접속의 ON/OFF를 전환한다.

축전 소자(25)는, 제1 전환 스위치(SW1)를 통해서 공급되는 전력에 의해 충전된다. 또한 축전 소자(25)는, 필요에 따라 부하(27)에 전력을 공급한다.

충전 제어부(26)는, 정류 회로(23)의 출력(충전용 전력)의 전압 레벨에 따라서 제1 전환 스위치(SW1)를 동작시킨다.

도 10은, 제1 실시 형태에 관한 충전 장치(100)의 구성예를 도시하는 회로도이다. 도 10에는, 충전 장치(100)의 구성 중, 축전부(24)의 구체적인 회로 구성이 도시되어 있다. 또한, 도 10에서는 부하(27)의 도시가 생략되어 있다.

도 10에 나타내는 안테나부(22)는, 제1 안테나 도체(31) 및 제2 안테나 도체(32)를 구비한 교류의 신호원으로서 도시되어 있다. 상기한 바와 같이, 제1 안테나 도체(31)는, 대상체(1)와 전기적으로 결합하는 도체 전극(40)이다. 또한 제2 안테나 도체(32)는, 대상체(1)와는 접속되지 않는 기판 그라운드(44)이다.

정류 회로(23)는, 제1 안테나 도체(31)(도체 전극(40))와, 제2 안테나 도체(32)(기판 그라운드(44))에 각각 접속되어, 안테나부(22)로부터 출력되는 교류의 전력을 정류해서 직류의 전력으로서 출력 단자(71a 및 71b)로부터 출력한다. 여기서는, 출력 단자(71a) 및 출력 단자(71b)가, 각각 정류 회로(23)의 양전극 및 음전극(GND 전극)이 된다(도 6 참조).

축전부(24)는, 축전 소자(25)를 충전하는 소자이다.

본 실시 형태에서는, 축전 소자(25)를 충전하기 위해서, 정류 회로(23)의 출력이 축전 소자(25)에 입력된다. 즉, 축전 소자(25)를 충전하기 위한 충전용 전력으로서, 정류 회로(23)의 출력 전력이 그대로 사용된다.

축전부(24)는, 역류 방지 다이오드(80)와, 제1 전환 스위치(SW1)를 갖는다. 또한 제1 전환 스위치(SW1)는, 입력 단자(5a)와, 출력 단자(5b)와, 제어 단자(5c)를 갖는다. 도 10에서는, 제1 전환 스위치(SW1)를 SW1이라고 기재한다.

도 10에 도시하는 바와 같이, 역류 방지 다이오드(80)의 애노드는, 정류 회로(23)의 출력 단자(71a)에 접속되고, 캐소드는, 제1 전환 스위치(SW1)의 입력 단자(5a)에 접속된다. 제1 전환 스위치(SW1)의 출력 단자(5b)는, 축전 소자(25)의 양전극(28a)에 접속된다. 또한, 축전 소자(25)의 음전극(28b)은, 정류 회로(23)의 출력 단자(71b)에 접속된다.

이하에서는, 정류 회로(23)의 출력 단자(71a)와, 축전 소자(25)의 양전극(28a)을 연결하는 경로를 양의 충전 라인(35a)이라고 기재하고, 정류 회로(23)의 출력 단자(71b)와, 축전 소자(25)의 음전극(28b)을 연결하는 경로를 음의 충전 라인(35b)이라고 기재하는 경우가 있다.

축전부(24)는, 양의 충전 라인(35a)에, 정류 회로(23)측으로부터 차례로, 역류 방지 다이오드(80)와, 제1 전환 스위치(SW1)가 직렬에 삽입된 회로로 되어 있다.

역류 방지 다이오드(80)는, 정류 회로(23)와 축전 소자(25)의 사이에 마련되어, 축전 소자(25)로부터의 전류의 역류를 방지하는 다이오드이다. 역류 방지 다이오드(80)를 마련하는 위치는, 정류 회로(23)의 출력 단자(71a)로부터 축전 소자(25)의 양전극(28a)의 사이에 있으면 임의로 설정되어도 된다. 또한 역류 방지 다이오드(80)는 복수 사용되어도 되며, 예를 들어 축전 소자(225)와 제1 전환 스위치(SW1)의 사이에 또한 마련해도 된다.

역류 방지 다이오드(80)로서는, 예를 들어 역방향의 누설 전류가, 정류 회로(23)로부터 출력되는 전류보다 충분히 작은 것이 사용된다. 이밖에, 역류 방지 다이오드(80)의 구체적인 구성은 한정되지 않는다.

제1 전환 스위치(SW1)는, 제어 단자(5c)에 입력되는 제어 신호에 따라, 입력 단자(5a)와 출력 단자(5b)의 사이의 접속의 ON/OFF를 전환하는 스위치 소자이다. 이에 의해, 정류 회로(23)와 축전 소자(25)의 사이의 경로(양의 충전 라인(35a))를 연결하는 것이나 차단하는 것이 가능해진다. 이와 같이, 제1 전환 스위치(SW1)는, 정류 회로(23)와 축전 소자(25)의 사이에 배치되어, 정류 회로(23)와 축전 소자(25)의 접속의 ON/OFF를 전환한다.

제1 전환 스위치(SW1)로서는, 예를 들어 P형의 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)가 사용된다. 이 경우, 스위치를 ON으로 하기 위한 제어 신호의 전압 레벨을 억제할 수 있기 때문에, 소비 전력을 억제하는 것이 가능해진다. 또한 제1 전환 스위치(SW1)로서, 로드 스위치 등이 사용되어도 된다. 이에 의해, 양의 충전 라인(35a)의 ON/OFF를 확실하게 제어하는 것이 가능해진다.

여기서는, 제어 신호가 Low 레벨일 경우에, 제1 전환 스위치(SW1)가 ON으로 되고, 제어 신호가 High 레벨일 경우에, 제1 전환 스위치(SW1)가 OFF로 되는 것으로 한다.

축전 소자(25)는, 축전부(24)로부터 출력된 전력을 축전하는 소자이다. 축전 소자(25)로서는, 전형적으로는 2차 전지가 사용된다. 예를 들어, 리튬 이온 전지나, 니켈 수소 전지, 니켈 카드뮴 전지 등을 사용하는 것이 가능하다. 또한 축전 소자(25)로서, 커패시터 등이 사용되어도 된다.

이하에서는, 축전 소자(25)로서, 리튬 이온 전지가 사용되는 것으로 한다. 이 전지의 특성은, 방전 시의 전압(충전율이 0％로 되는 경우의 전압)이 1.5V이며, 만충전 시의 전압(충전율이 100％로 되는 경우의 전압)이 2.7V이며, 출력 전압(공칭 전압)이 2.3V인 것으로 한다.

예를 들어, 축전 소자(25)에 인가되는 전압이, 방전 시의 전압 이상이면 충전이 개시된다. 한편, 축전 소자(25)가 만충전으로 된 상태에서, 축전 소자(25)에 인가되는 전압이, 허용 전압(여기서는 2.7V) 이상으로 되면 과충전이 된다.

또한, 축전 소자(25)의 특성은 상기한 예에 한정되지 않고, 예를 들어 충전 장치(100)를 사용하여 충전이 가능한 특성을 가진 임의의 축전 소자(25)가 사용되어도 된다.

충전 제어부(26)에는, 정류 회로(23)의 +출력측의 출력 단자(71a)에 접속되는 검출 단자(10)와, 정류 회로(23)의 -출력측(GND측)의 출력 단자(71b)에 접속되는 GND 단자(13)와, 제1 전환 스위치(SW1)의 제어 단자(5c)에 접속되는 출력 단자(11)가 마련된다. 충전 제어부(26)는, 검출 단자(10) 및 GND 단자(13)의 사이에 유기되는 충전용 전력의 전압 레벨을 검출함과 함께, 그 결과에 따른 제어 신호를 출력 단자(11)로부터 제1 전환 스위치(SW1)에 출력한다.

본 실시 형태에서는, 충전 제어부(26)는, 충전용 전력의 전압 레벨로서 정류 회로(23)의 출력 전압을 검출하고, 당해 검출 결과에 따라서 제1 전환 스위치(SW1)의 ON/OFF를 전환한다. 구체적으로는, 정류 회로(23)의 출력 전압이 역치 판정되고, 그 결과에 따라, 제1 전환 스위치(SW1)의 ON/OFF를 전환하는 제어 신호(Low 레벨 및 High 레벨의 2치 신호)가 출력된다.

도 11은, 충전 제어부(26)의 구성예를 도시하는 회로도이다.

충전 제어부(26)는, 검출 단자(10)(SENSE)와, 출력 단자(11)(VOUT)와, 전원 단자(12)(VDD(Vin))와, GND 단자(13)(GND)와, 조정 단자(14)를 갖는다.

또한 충전 제어부(26)는, 전압 검출 저항 R1 및 R2와, 기준 전압원(15)(Vref)과, 전압 비교기(16)와, 지연 회로(17)와, N형 트랜지스터(18)와, 풀업 저항(19)과, 지연용 콘덴서 CD를 갖는다.

충전 제어부(26)는, 검출 단자(10)의 전압을 검출하고, 그 검출 결과에 따라서 출력 단자(11)로부터 제어 신호를 출력하는 전압 검출기로서 기능한다.

검출 단자(10)는, 감시 대상의 전압 라인에 접속되는 단자이다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 정류 회로(23)의 출력 단자(71a)와, 역류 방지 다이오드(80)의 애노드의 사이에, 검출 단자(10)가 접속된다.

출력 단자(11)는, 제어 신호를 출력하는 단자이다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 제1 전환 스위치(SW1)의 제어 단자(5c)에, 출력 단자(11)가 접속된다.

전원 단자(12)는, 충전 제어부(26)의 전원에 접속되는 단자이다. 본 실시 형태에서는, 전원 단자(12)는, 검출 단자(10)와 마찬가지로, 정류 회로(23)의 출력 단자(71a)와, 역류 방지 다이오드(80)의 애노드의 사이에 접속된다. 또한 전원 단자(12)는, 검출 단자(10)와 겸용하는 것도 가능하다.

이와 같이, 충전 제어부(26)는, 정류 회로(23)의 출력을 전원으로 해서 구동된다. 따라서 충전 제어부(26)를 구동해도 축전 소자(25)의 전력은 소비되지 않는다. 이에 의해, 축전 소자(25)의 전력을 저하시키지 않고, 효율적인 축전이 가능해진다.

GND 단자(13)는, 음의 충전 라인(35b)(GND 라인)에 접속된다.

조정 단자(14)는, 지연용 콘덴서 CD를 통해서, 음의 충전 라인(35b)(GND 라인)에 접속된다.

전압 검출 저항 R1 및 R2는, 검출 단자(10)와 GND 단자(13)의 사이에, 이 순번으로 직렬로 접속된다. 또한 R1 및 R2의 사이에는, 전압 비교기(16)의 부 입력이 접속된다.

기준 전압원(15)은, 전압 비교기(16)의 정 입력과 GND 단자(13)의 사이에 마련되어, 소정의 기준 전압을 출력한다.

전압 비교기(16)는, 정 입력의 전압이 부 입력의 전압보다 큰 경우에, 전원 전압 레벨(High 레벨)을 출력하고, 정 입력의 전압이 부 입력의 전압보다 작은 경우에, GND 레벨(Low 레벨)을 출력한다.

이와 같이 충전 제어부(26)는, 전압 비교기(16)를 사용하여 전압 레벨을 검출(감시)하는 소자이다. 또한, 충전 제어부(26)의 내부 저항, 즉 전압 비교기(16)를 포함하는 검출계의 저항은, 2MΩ 이상으로 설정된다. 보다 바람직하게는, 충전 제어부(26)의 내부 저항은, 10MΩ 이상으로 설정된다. 이에 의해, 전압 검출 시에 소비되는 전력을 충분히 억제하는 것이 가능하게 되어, 축전에의 영향을 충분히 저감시키는 것이 가능해진다.

지연 회로(17)는, 전압 비교기(16)의 출력과 N형 트랜지스터(18)의 게이트의 사이에 접속된다. 전압 비교기(16)로부터 출력되는 신호 레벨을 일정 시간 유지하는, 즉 레벨의 전환을 지연시키는 회로이다. 이에 의해, 예를 들어 제어 신호의 레벨 전환을 지연시키는 것이 가능해진다. 또한 지연 회로(17)에는, 지연 시간을 조정하기 위한 지연용 콘덴서 CD가 접속된다.

N형 트랜지스터(18)의 소스는, GND 단자(13)에 접속되고, 드레인은, 출력 단자(11)에 접속된다.

풀업 저항(19)은, 출력 단자(11)와 전원 전압(검출 단자(10) 및 전원 단자(12)가 접속되는 라인)의 사이에 접속된다.

충전 제어부(26)에는, 제1 전환 스위치(SW1)를 제어하기 위한 역치 전압 V1이 설정된다. V1은, 예를 들어 기준 전압원(15), 또는 전압 검출 저항 R1 및 R2를 설정함으로써 적절하게 조정 가능하다. 이하에서는, 검출 단자(10)의 전압을 검출 전압 Vs라고 기재한다.

이 충전 제어부(26)는, 검출 전압 Vs가 역치 전압 V1 미만인 경우(V1>Vs), 제어 신호가 Low 레벨이 된다. 또한, 검출 전압 Vs가 역치 전압 V1 이상인 경우(V1≤Vs), 제어 신호가 High 레벨이 된다.

[충전 장치(100)의 동작]

도 10을 참조하여, 본 실시 형태에 관한 충전 장치(100)의 동작에 대해서 설명한다.

본 실시 형태에서는, 충전 제어부(26)가 검출하는 검출 전압 Vs가, 역치 전압 V1을 초과한 경우에, 제1 전환 스위치(SW1)를 OFF로 하는 제어 신호(여기서는 High 레벨의 신호)를 출력한다. 즉, 충전 제어부(26)는, 정류 회로(23)의 출력 전압이 제1 전환 스위치(SW1)용 역치 전압 V1을 초과한 경우에, 제1 전환 스위치(SW1)를 OFF로 한다.

본 실시 형태에서는, 제1 전환 스위치(SW1)용 역치 전압 V1은, 축전 소자(25)의 만충전 시의 전압(2.7V)으로 설정된다.

먼저, 제1 전환 스위치(SW1)가 ON인 상태를 생각하자. 이 경우, 정류 회로(23)의 출력 단자(71a)는, 축전 소자(25)의 양전극(28a)에 직결되기 때문에, 출력 단자(71a)의 전압은, 축전 소자(25)의 전압에 이끌려서 동등한 전압이 된다. 이와 같이, 제1 전환 스위치(SW1)가 ON인 상태에서는, 검출 단자(10)에 의해 검출되는 검출 전압 Vs는, 축전 소자(25)의 전압으로 된다고 할 수 있다.

예를 들어 축전 소자(25)의 충전이 완료되지 않은 상태에서는, 축전 소자(25)의 전압(검출 전압 Vs)은 만충전 시의 전압 이하이다. 이 경우, 제1 전환 스위치(SW1)가 ON인 상태(제어 신호가 Low 레벨인 상태)가 유지되어, 정류 회로(23)의 출력이 축전 소자(25)에 충전된다.

또한 축전 소자(25)의 충전이 진행되면, 축전 소자(25)의 전압(검출 전압 Vs)이 상승한다. 그리고 검출 전압 Vs가, 역치 전압 V1 이상으로 되면 제어 신호가 High 레벨의 신호로 되고, 제1 전환 스위치(SW1)가 OFF로 전환된다.

상기한 바와 같이, 역치 전압 V1은, 만충전 시의 전압이다. 따라서, 축전 소자(25)의 충전은, 만충전으로 되면 정지된다고도 할 수 있다.

제1 전환 스위치(SW1)가 OFF로 된 상태에서는, 정류 회로(23)의 출력 전압이 충전 제어부(26)에 의해 모니터링된다. 정류 회로(23)의 출력 전압에는, 전계 에너지에 따른 증감이 있기 때문에, 예를 들어 역치 전압 V1보다 낮아질 수 있다. 이 경우, 제1 전환 스위치(SW1)가 다시 ON으로 전환되지만, 축전 소자(25)가 만충전인 채 그대로라면, 제1 전환 스위치(SW1)는 바로 OFF로 전환된다.

또한 축전 소자(25)의 전력이 소비되어, 축전 소자(25)의 충전율이 낮아졌을 경우에, 제1 전환 스위치(SW1)가 다시 ON으로 전환되면, 그대로 충전이 재개된다.

또한, 축전 소자(25)의 충전을 개시할 때, 정류 회로(23)로부터 유기되는 전압이, 제1 전환 스위치에 설정된 역치 전압 V1(여기서는 2.7V)보다 높은 경우를 생각할 수 있다. 이 경우, 충전이 개시되어 바로 충전 제어부(26) 및 제1 전환 스위치(SW1)를 동작시키면, 제1 전환 스위치(SW1)가 다시 OFF의 상태로 복귀되어 버려, 축전 소자(25)가 충전되지 않는다. 이 때문에, 제1 전환 스위치(SW1)는, 어떤 일정 시간의 전압 레벨을 보고 전환된다. 예를 들어 충전 제어부(26)는, 제1 전환 스위치를 ON으로 한 후, 적어도 일정 시간은 ON의 상태를 유지한다. ON의 상태를 유지하는 시간은, 예를 들어 도 11에 나타내는 지연 회로(17) 및 지연 콘덴서 CD를 사용하여 적절하게 설정된다.

이에 의해, 충전 개시 직후에, 충전이 정지하는 사태가 회피되어, 축전 소자(25)를 적정하게 충전하는 것이 가능해진다.

도 10에 나타내는 예에서는, 충전 제어부(26)의 검출 단자(10)(SENSE)와 전원 단자(12)(VDD(Vin))가 동일한 구성에 대해서 설명하였다. 검출 단자(10)와 전원 단자(12)를 각각 분리 독립시켜 구성하는 것도 가능하다.

예를 들어, 정류 회로(23)의 출력 단자(71a)에 전원 단자(12)를 접속하고, 제1 전환 스위치(SW1)를 통과해서 축전 소자(25)의 양전극(28a)측에 접속하는 전극(예를 들어 출력 단자(5b))에 검출 단자(10)를 접속해도 된다. 이 경우, 제1 전환 스위치(SW1)의 ON/OFF 상태에 관계없이, 축전 소자(25)의 전압 레벨을 검출하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 예를 들어 충전 제어부(26)에 동작의 전환에 관한 시상수가 설정되지 않는 경우라도, 충전의 ON/OFF를 적정하게 전환하는 것이 가능해진다.

이와 같이, 충전 장치(100)에서는, 충전 제어부(26)의 역치 전압 V1이, 축전 소자(25)의 만충전 시의 전압으로 설정된다. 따라서 검출 전압 Vs가 축전 소자(25)의 만충전 시의 전압으로 되면, 제1 전환 스위치(SW1)를 OFF로 하는 신호가 송신되어, 충전을 중지시키는 것이 가능해진다. 이에 의해, 축전 소자(25)가 과충전의 상태로 되는 사태를 미연에 회피하는 것이 가능하게 되어, 축전 소자(25)의 열화 등이 억제된다. 이 때문에, 축전 소자(25)의 축전 성능을 장기에 걸쳐 유지하는 것이 가능하게 되고, 그 결과, 안테나부(22)를 통해서 취출된 광범위한 전계 에너지를 효율적으로 축전하는 것이 가능해진다.

이상, 본 실시 형태에 관한 충전 장치(100)에는, 제1 및 제2 안테나 도체(31 및 32)를 포함하는 안테나부(22)가 마련된다. 제1 안테나 도체(31)는 금속체(3)나 인체(2)인 대상체(1)와 전기적으로 결합되고, 제2 안테나 도체(32)는 대상체와 접속하지 않도록 구성된다. 이러한 안테나부(22)를 사용함으로써 광범위한 전계 에너지를 취출하는 것이 가능해진다. 안테나부(22)의 출력은 정류 회로(23)에 의해 정류된다. 또한 정류 회로(23)의 출력으로부터 생성된 충전용 전력이 축전 소자(25)의 충전에 사용된다. 이 충전용 전력의 전압 레벨에 따라서 충전 동작이 제어된다. 이에 의해, 광범위한 전계 에너지를 효율적으로 축전하는 것이 가능해진다.

상기한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 안테나부(22)(전력 수신기(21))는, 전계 에너지를 도입하는 다이폴형 안테나 구조를 갖고, 제1 안테나 도체(31)를 대상체(1)(인체나 냉장고, 차 등의 금속체)에 전기적으로 결합해서 사용하는 전계형 환경 발전 장치로서 기능한다. 이와 같은 구성으로 발전한 경우, 출력되는 신호의 전압은 비교적 높아지지만, 전류가 적다는 특성이 있다(도 15 및 도 16 등 참조).

예를 들어, 안테나부(22)를 통해서 유기되는 전압에 대해서는, 안테나의 사이즈에 따라 다르기는 하지만, 5V 정도의 전압이 얻어진다. 한편 그 전류량은, 예를 들어 1㎂ 정도이고, 전력은, 5㎼ 정도가 된다.

이와 같이, 전력 수신기(21)를 사용하여 취출할 수 있는 전류는 비교적 작기 때문에, 그 전류를 손실 없이 축전하는 것이 중요해진다.

본 실시 형태에서는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 축전 소자(25)와 정류 회로(23)의 사이에, 제1 전환 스위치(SW1)가 마련된다. 그리고 축전 소자(25)가 만충전으로 될 때까지는, 제1 전환 스위치(SW1)를 ON으로 해서, 정류 회로(23)에 의한 충전을 계속하고, 축전 소자(25)가 만충전이 되면, 제1 전환 스위치(SW1)를 OFF로 해서 충전을 커트한다.

이에 의해, 축전 소자(25)가 과충전으로 되는 상태가 회피되어, 축전 소자(25)의 축전 성능을 높은 레벨로 유지하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 미소한 전류라도 확실하게 축전하는 환경을 장기간 유지하는 것이 가능해진다.

또한, 축전 소자(25)의 대미지나, 동작이 불안정해지는 사태를 회피할 수 있어, 장치의 신뢰성이나 로버스트성을 높이는 것이 가능하다.

예를 들어, 환경 발전을 이용하여, 전력을 공급하지 않고 계속해서 가동하는 센서나 통신 장치 등을 실현하는 것이 가능하다. 이러한 장치에 본 기술을 적용함으로써, 장치의 배터리가 되는 축전 소자(25)의 성능을 충분히 유지하는 것이 가능하게 되어, 장치의 메인터넌스 비용 등을 저감시키는 것이 가능해진다.

상기한 충전 장치(100)에서는, 충전 제어부(26)와 제1 전환 스위치(SW1)를 사용하여, 안테나부(22) 및 정류 회로(23)를 사용한 축전 소자(25)에 대한 충전이 제어되었다. 이것에 한정되지 않고, 충전 제어부(26)와 제1 전환 스위치(SW1)를 마련하지 않는 충전 장치를 구성하는 것도 가능하다.

도 12는, 충전 장치의 다른 구성예를 도시하는 회로도이다.

이 충전 장치(110)에서는, 정류 회로(23)의 출력 단자(71a)는, 역류 방지 다이오드(80)를 통해서 축전 소자(25)의 양전극(28a)에 접속된다. 또한 정류 회로(23)의 출력 단자(71b)는, 축전 소자(25)의 음전극(28b)에 접속된다. 따라서 충전 장치(110)의 구성은, 도 10에 나타내는 충전 장치(100)로부터, 제1 전환 스위치(SW1)와, 충전 제어부(26)를 빼낸 구성으로 되어 있다.

예를 들어, 안테나부(22)에 유기되는 전압(정류 회로(23)의 출력 전압)에 따라서는, 축전 소자(25)의 내부 저항에 의해 전류가 소비되어, 안테나부(22)로부터 축전 소자(25)에 인가되는 전압이 축전 소자(25)의 만충전 전압까지 달하지 않는 경우도 있다. 이러한 경우, 축전 소자(25)를 과충전으로 하는 전압이 인가되지 않으므로, 충전 장치(110)와 같이, 제1 전환 스위치(SW1) 및 충전 제어부(26)가 없는 구성이어도 된다.

충전 장치(110)에서는, 제1 전환 스위치(SW1) 및 충전 제어부(26)가 마련되지 않고, 안테나부(22)가 생성하는 전력을 그대로 축전 소자(25)의 충전에 사용하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 미소한 전류를 불필요하게 소비하지 않고, 축전 소자(25)를 효율적으로 충전하는 것이 가능해진다.

<제2 실시 형태>

본 기술에 관한 제2 실시 형태의 충전 장치에 대해서 설명한다. 이후의 설명에서는, 상기 실시 형태에서 설명한 충전 장치(100)에서의 구성 및 작용과 마찬가지의 부분에 대해서는, 그 설명을 생략 또는 간략화한다.

[충전 장치(200)의 구성]

도 13은, 제2 실시 형태에 관한 충전 장치의 구성예를 도시하는 블록도이다. 도 13에 도시하는 바와 같이, 충전 장치(200)는, 안테나부(222)와, 정류 회로(223)와, 축전부(224)와, 축전 소자(225)와, 충전 제어부(226)와, 부하(227)를 갖는다.

충전 장치(200)는, 상기한 실시 형태와 비교하여, 주로 축전부(224)의 구성이 다르다. 또한, 안테나부(222), 정류 회로(223), 축전 소자(225), 충전 제어부(226) 및 부하(227)는, 도 9 및 도 10을 참조하여 설명한 충전 장치(100)의 안테나부(22), 정류 회로(23), 축전 소자(25), 충전 제어부(26) 및 부하(27)와 마찬가지로 구성된다.

축전부(224)에는, 축전 콘덴서(282)와, 리니어 레귤레이터(281)가 마련된다. 축전 콘덴서(282)는, 정류 회로(223)의 출력에 의해 충전된다. 리니어 레귤레이터(281)는, 축전 콘덴서(282)에 축적된 전력을 적정한 전압으로 조정하여 축전 소자(225)를 충전한다.

또한 본 실시 형태에서는, 리니어 레귤레이터(281)는, 충전용 전력의 축전 소자(225)에의 공급을 제어하는 제2 전환 스위치(SW2)로서 기능한다. 구체적으로는, 리니어 레귤레이터(281)의 동작의 ON/OFF가 전환됨으로써, 축전 소자(225)에의 전력의 공급이 제어된다.

충전 제어부(226)는, 축전 콘덴서(282)의 전압 레벨에 따라서 리니어 레귤레이터(281)(제2 전환 스위치(SW2))를 동작시킨다.

도 14는, 제2 실시 형태에 관한 충전 장치(200)의 구성예를 도시하는 회로도이다. 도 14에는, 충전 장치(200)의 구성 중, 축전부(224)의 구체적인 회로 구성이 도시되어 있다. 또한, 도 14에서는 부하(227)의 도시가 생략되어 있다.

도 14에 도시하는 바와 같이, 축전부(224)는, 역류 방지 다이오드(280)와, 리니어 레귤레이터(281)와, 축전 콘덴서(282)와, 조정 콘덴서(283)를 갖는다. 또한 리니어 레귤레이터(281)는, 입력 단자(6a)와, 출력 단자(6b)와, 제어 단자(6c)와, GND 단자(6d)를 갖는다.

본 실시 형태에서는, 축전부(224)는, 정류 회로(223)의 출력을 축전 콘덴서(282)에 모아서, 축전 소자(225)를 충전하기 위한 충전용 전력을 생성한다. 즉, 축전 콘덴서(282)의 전력이, 충전용 전력으로서 사용된다.

도 14에 도시하는 바와 같이, 역류 방지 다이오드(280)의 애노드는, 정류 회로(223)의 출력 단자(71a)에 접속되고, 캐소드는, 리니어 레귤레이터(281)의 입력 단자(6a)에 접속된다. 리니어 레귤레이터(281)의 출력 단자(6b)는, 축전 소자(225)의 양전극(28a)에 접속되고, GND 단자(6d)는, 음의 충전 라인(35b)(GND 라인)에 접속된다. 또한, 축전 소자(225)의 음전극(28b)은, 정류 회로(223)의 출력 단자(71b)에 접속된다.

축전 콘덴서(282)는, 한쪽 단자가, 역류 방지 다이오드(280)와 리니어 레귤레이터(281)(입력 단자(6a))의 사이의 양의 충전 라인(35a)에 접속되고, 다른 쪽 단자가 음의 충전 라인(35b)에 접속된다.

조정 콘덴서(283)는, 리니어 레귤레이터(281)의 제어 단자(6c)와 음의 충전 라인(35b)의 사이에 접속된다.

충전 제어부(226)의 검출 단자(10)(전원 단자(12))는, 정류 회로(223)의 출력 단자(71a)와, 역류 방지 다이오드(280)의 애노드의 사이에 접속되고, GND 단자(13)는, 음의 충전 라인(35b)에 접속되고, 출력 단자(11)는, 리니어 레귤레이터(281)의 제어 단자(6c)에 접속된다.

역류 방지 다이오드(280)는, 정류 회로(223)와 축전 소자(225)의 사이에 마련되어, 축전 소자(225)로부터의 전류의 역류를 방지하는 다이오드이다. 역류 방지 다이오드(280)를 마련하는 위치는, 정류 회로(223)의 출력 단자(71a)로부터 축전 소자(225)의 양전극(28a)의 사이에 있으면 임의로 설정되어도 된다. 또한 역류 방지 다이오드(280)는 복수 사용되어도 되고, 예를 들어 축전 소자(225)와 리니어 레귤레이터(281)의 사이에 또한 마련해도 된다.

역류 방지 다이오드(280)는, 예를 들어 도 10을 참조하여 설명한 역류 방지 다이오드(80)와 마찬가지로 구성된다.

리니어 레귤레이터(281)는, 입력 단자(6a)에 입력된 전압을 설정 전압 Va로 조정하여 출력 단자(6b)로부터 출력하는 소자이다. 보다 상세하게는, 리니어 레귤레이터(281)의 설정 전압 Va보다 높은 입력 전압은 설정 전압 Va로 조정되고, 설정 전압 Va보다 낮은 입력 전압은, 그 값에 따른 전압으로서 출력된다.

도 14에 도시하는 바와 같이, 리니어 레귤레이터(281)는, 축전 콘덴서(282)와 축전 소자(225)의 사이에 접속되어 있다. 따라서, 리니어 레귤레이터(281)는, 축전 콘덴서(282)의 전압을 조정하여 축전 소자(225)에 인가한다.

본 실시 형태에서는, 리니어 레귤레이터(281)는, 충전용 전력의 전압을 조정하는 전압 조정 소자의 일례이다.

또한 리니어 레귤레이터(281)는, 정류 회로(223)의 출력을 전원으로 해서 구동된다. 예를 들어, 입력 단자(6a)로부터 전력을 취득해서 구동된다. 따라서 리니어 레귤레이터(281)를 구동해도 축전 소자(225)의 전력은 소비되지 않는다. 이에 의해, 축전 소자(225)의 전력을 저하시키지 않고, 효율적인 축전이 가능해진다.

또한, 상기한 바와 같이, 리니어 레귤레이터(281)에는, 제어 단자(6c)가 마련된다. 리니어 레귤레이터(281)는, 제어 단자(6c)에 입력되는 제어 신호에 따라, 전압을 조정하는 동작의 ON/OFF를 전환하는 것이 가능하도록 구성된다.

동작 상태가 OFF일 경우, 리니어 레귤레이터(281)는 전력 소비가 거의 제로이고, 입력 저항이 충분히 높아, 전류를 통과시키지 않는 소자가 된다. 이와 같이, 리니어 레귤레이터(281)가 동작하고 있지 않을 때는, 전류를 소비하지 않도록 고저항인 것이 바람직하다.

여기서는, 제어 신호가 Low 레벨일 경우에, 리니어 레귤레이터(281)의 동작 상태가 OFF로 되고, 제어 신호가 High 레벨일 경우에, 리니어 레귤레이터(281)의 동작 상태가 ON으로 되는 것으로 한다.

축전 콘덴서(282)는, 정류 회로(223)의 출력을 축적해서 리니어 레귤레이터(281)에 공급하는 콘덴서이다. 도 14에 도시하는 바와 같이, 축전 콘덴서(282)는, 리니어 레귤레이터(281)의 전단에서 병렬로 접속되어 있다. 즉, 정류 회로(223)의 출력은, 리니어 레귤레이터(281)에 입력하기 전에 축전 콘덴서(282)를 충전한다. 이와 같이 축전 콘덴서(282)에 충전된 전력이, 축전 소자(225)를 충전하는 충전용 전력으로서 사용된다.

조정 콘덴서(283)는, 충전 제어부(226)로부터 출력되는 제어 신호에 의해 충전되는 콘덴서이다. 예를 들어 High 레벨의 제어 신호가 출력된 경우, 조정 콘덴서(283)가 충전된다. 예를 들어 제어 신호가 Low 레벨로 된 후, 조정 콘덴서(283)에 축적된 전력에 의해, 리니어 레귤레이터(281)의 제어 단자(6c)에는 일정 전압이 공급된다. 이 전압의 공급은, 예를 들어 조정 콘덴서(283)가 방전될 때까지 계속된다.

이에 의해, 제어 단자(6c)에 제어 신호가 부여되어 있을 때와 마찬가지의 상황을 일정 기간 유지하는 것이 가능해진다. 이와 같이 조정 콘덴서(283)는, 제어 신호의 효과를 일정 기간 연장시키는 기능을 구비한다. 이 연장 시간은, 조정 콘덴서(283)의 용량을 설정함으로써 변경 가능하다.

여기서는, 조정 콘덴서(283)의 용량만으로 연장 시간을 설정하고 있다. 이에 더하여, 제어 신호가 통과하는 라인(충전 제어부(226)의 출력 단자(11)와 리니어 레귤레이터(281)의 제어 단자(6c)를 연결하는 라인) 상에 직렬로 저항을 접속하여, RC 회로를 구성해도 된다. 이 경우, 예를 들어 RC 회로의 시상수에 따라서 연장 시간을 설정하는 것이 가능하다.

충전 제어부(226)는, 충전용 전력의 전압 레벨을 검출함과 함께, 그 결과에 따른 제어 신호를 리니어 레귤레이터(281)에 출력한다.

본 실시 형태에서는, 충전 제어부(226)는, 충전용 전력의 전압 레벨로서 축전 콘덴서(282)의 전압을 검출하고, 당해 검출 결과에 따라서 리니어 레귤레이터(281)의 ON/OFF를 전환한다.

구체적으로는, 리니어 레귤레이터(281)를 제어하기 위한 역치 전압 V2가 설정되고, 검출 단자(10)에 의해 검출된 축전 콘덴서(282)의 전압(검출 전압 Vs)이, 역치 전압 V2에 의해 역치 판정된다.

본 실시 형태에서는, 검출 전압 Vs가 역치 전압 V2 미만인 경우(V2>Vs), 제어 신호가 Low 레벨이 되고, 리니어 레귤레이터(281)는 OFF가 된다. 또한 검출 전압 Vs가 역치 전압 V2 이상인 경우(V2≤Vs), 제어 신호가 High 레벨이 되고, 리니어 레귤레이터(281)는 ON이 된다.

즉, High 레벨 및 Low 레벨의 제어 신호는, 각각 리니어 레귤레이터(281)를 ON 및 OFF로 하는 제어 신호가 된다. 이와 같이, 충전 제어부(226)는, 리니어 레귤레이터(281)를 ON으로 하는 제어 신호를 출력한다. 이 신호에 의해, 상기한 조정 콘덴서(283)가 충전된다.

여기서, 충전 장치(200)에 있어서, 축전 소자(225)의 충전에 사용되는 전류량에 대해서 설명한다.

도 15는, CV 방식의 충전 전압 및 충전 전류의 시간 변화를 나타내는 모식적인 그래프이다.

CV(Constant Voltage) 방식이란, 일정 전압으로 축전 소자(225)(전지)를 충전하는 충전 방식이다. 예를 들어, 리니어 레귤레이터(281)를 사용하여 충전을 행하는 경우, CV 방식의 충전이 가능해진다.

도 15에 나타내는 그래프의 횡축은 시간이다. 또한 이 그래프에는, CV 방식의 충전에 수반하는 축전 소자(225)의 전압(충전 전압)의 시간 변화, 축전 소자(225)의 충전에 사용되는 전류(충전 전류)의 시간 변화의 개략적 형상을 나타내는 그래프가 각각 도시되어 있다.

CV 방식으로 축전 소자(225)를 충전한 경우, 충전 전압은, 충전의 개시와 함께 급격하게 증가하여, 비교적 빠른 단계에서 충전에 사용하고 있는 전압과 동일 레벨이 된다. 한편 축전 소자(225)를 충전하는 전류값은, 만충전을 향해서 점점 감소한다.

이하에서는, CV 방식으로 축전 소자(225)를 충전했을 때의 데이터를 바탕으로, 충전 장치(200)에 있어서, 충전에 사용되는 전류량을 도출한다.

도 16은, CV 방식의 충전 전압과 충전율의 관계를 나타내는 그래프이다. 그래프의 횡축은 축전 소자(225)의 충전율이며, 종축은 충전 전압이다. 이 그래프에서는, 충전율이 0％인 상태부터 충전 전압이 30분 간격으로 측정되어 있다.

여기서는, 공칭 용량이 14mAh인 전지(축전 소자(225))를 대상으로, 1C=1.4mA로 한 경우의 2.7V의 정전압 충전 커브가 플롯되어 있다. 또한 1C는, 공칭 용량의 1/10의 전류값으로 하고 있다. 이 경우, 충전율이 5％로 되기 위해서는 15분 걸리며, 그때의 전압은 2.21V이었다.

즉, 이 축전 소자(225)가, 충전율이 0％(충전 전압 2.1V)에서 충전율이 5％(충전 전압 2.21V)로 되기 위해서 필요한 전류량은 1.4mA×15min으로 환산할 수 있다.

도 17은, 실제의 충전 장치(200)에 의한 충전 특성을 나타내는 그래프이다. 그래프의 횡축은 시간이며, 종축은 충전 전압이다. 이 그래프에는, 하비스터인 안테나부(222)에 4V 정도의 전압 신호가 유기되는 상황에서, 실제로 축전 소자(225)를 충전한 경우의 충전 전압의 시간 변화의 데이터가 플롯되어 있다. 또한 이 충전 특성의 근사 곡선이 점선의 라인으로 도시되어 있다.

여기서, 도 16에서 계산한 전류량에 의한 충전과 동등한 충전을 행하기 위해서 필요했던 시간, 즉 충전 전압이 2.1V에서 2.21V로 될 때까지의 시간을 구한다. 2.21V에 도달한 시간(17000min)과, 2.1V에 도달한 시간(9000min)의 차분은 8000min이 된다. 따라서, 실제 충전에 있어서, 단위 시간당 충전된 전류는, 1.4mA×(15min/8000min)이 되어, 약 2.6㎂로 산출된다. 또한, 충전 회로인 축전부(224)에 의해 소비되는 전류가 0.5㎂로 추정되고 있다. 따라서, 하비스터인 전력 수신기(안테나부(222) 및 정류 회로(223))로부터 출력되는 전류는, 약 3㎂가 된다.

이와 같이, 전력 수신기를 사용하여 취출할 수 있는 전류는 적다.

[충전 장치(200)의 동작]

도 14를 참조하여, 본 실시 형태에 관한 충전 장치(200)의 동작에 대해서 설명한다.

본 실시 형태에서는, 충전 제어부(226)에 의해 검출되는 검출 전압 Vs가, 역치 전압 V2를 초과한 경우에, 리니어 레귤레이터(281)를 ON으로 하는 제어 신호(여기서는 High 레벨의 신호)가 출력된다. 즉, 충전 제어부(226)는, 축전 콘덴서(282)의 전압이 리니어 레귤레이터(281)용 역치 전압 V2를 초과한 경우에, 리니어 레귤레이터(281)를 ON으로 한다.

리니어 레귤레이터(281)의 설정 전압 Va는, 예를 들어 축전 소자(225)의 만충전 시의 전압으로 설정된다. 이에 의해, 축전 소자(225)를 효율적으로 충전하는 것이 가능해진다.

또한 충전 제어부(226)에 설정되는 역치 전압 V2는, 리니어 레귤레이터(281)의 설정 전압 Va보다 높은 전압으로 설정된다. 구체적으로는, 역치 전압 V2는, 설정 전압 Va보다 약간 높은 값으로 설정된다. 예를 들어, 리니어 레귤레이터(281)의 설정 전압 Va보다 1％ 내지 10％ 높은 값, 보다 바람직하게는, 3％ 내지 5％ 높은 값이 역치 전압 V2로서 사용된다. 이에 의해, 리니어 레귤레이터(281)에서의 전력 소비가 억제되어, 안테나부(222)로부터 출력되는 전력을 효율적으로 충전하는 것이 가능해진다.

예를 들어 리니어 레귤레이터(281)의 설정 전압 Va는 2.7V로 설정되고, 역치 전압 V2는, 설정 전압 Va보다 0.1V 높은 2.8V로 설정된다.

또한, 리니어 레귤레이터(281)의 설정 전압 Va가 낮게 설정된 경우에는, 거기에 맞추어 역치 전압 V2를 낮게 설정해도 된다. 예를 들어 설정 전압 Va가 2.6V일 경우에는, 역치 전압 V2를 2.7V로 설정해도 된다. 이밖에, 설정 전압 Va 및 역치 전압 V2를 설정하는 방법은 한정되지 않는다.

예를 들어, 축전 콘덴서(282)의 전압(Vs)이 역치 전압 V2보다 낮은 상태에서는, 리니어 레귤레이터(281)는 OFF로 되어 있다. 이 상태에서는, 정류 회로(223)로부터 출력된 전력은, 리니어 레귤레이터(281)를 통하지 않고, 축전 콘덴서(282)에 충전된다.

이때, 리니어 레귤레이터(281)는 동작하고 있지 않기 때문에, 전류를 불필요하게 소비하는 일이 회피되어, 축전 콘덴서(282)에 대한 충전 효율이 향상된다.

축전 콘덴서(282)의 전압(Vs)이 상승하여, 역치 전압 V2를 초과하면, 충전 제어부(226)로부터 리니어 레귤레이터(281)를 ON으로 하는 제어 신호가 출력되어, 리니어 레귤레이터(281)가 기동한다. 그 결과, 축전 콘덴서(282)에 축적된 전력은, 전압이 조정되어 축전 소자(225)에 충전된다. 여기서는, 리니어 레귤레이터(281)의 출력 전압 Va로서 설정된 2.7V의 전력에 의해 축전 소자(225)가 충전된다. 이에 의해, 축전 소자(225)를 확실하게 충전하는 것이 가능해진다.

상기한 바와 같이, 안테나부(222)로부터 얻어지는 전류는 적다. 예를 들어, 리니어 레귤레이터(281)가 상시 ON이며, 축전 콘덴서(282)가 마련되지 않는 구성을 생각하자. 이 경우, 정류 회로(223)의 출력이 리니어 레귤레이터(281)에 입력된다. 이때, 입력되는 전력의 전압이 리니어 레귤레이터(281)를 동작시키는 레벨이었다고 해도, 그 전류가 적기 때문에, 리니어 레귤레이터(281)에 의해 소비되어 버릴 가능성이 있다. 이 경우, 축전 소자(225)에는 전류가 공급되지 않는다.

그래서, 본 실시 형태에서는, 어떤 일정량의 전력이 축전 콘덴서(282)에 축적된 것을 충전 제어부(226)를 사용해서 검출하여, 리니어 레귤레이터(281)를 동작시키는 구성으로 되어 있다. 축전 콘덴서(282)에 충분한 전력을 모은 상태에서, 리니어 레귤레이터(281)에 의한 충전 동작을 행함으로써, 안정된 충전이 가능하다.

또한 축전 콘덴서(282)에 전력이 모일 때까지의 동안, 즉 축전 콘덴서(282)의 전압이 역치 전압 V2에 도달할 때까지의 동안에, 리니어 레귤레이터(281)는 동작하지 않으므로, 소비 전력을 억제할 수 있다. 그 결과, 축전 콘덴서(282)에 낭비 없이 전력을 축적하는 것이 가능하게 되어, 축전 효율을 대폭 향상시키는 것이 가능해진다.

여기서, 조정 콘덴서(283)의 동작에 대해서 설명한다.

조정 콘덴서(283)는, 리니어 레귤레이터(281)의 동작 시간을 컨트롤한다. 구체적으로는, 조정 콘덴서(283)는, 축전 콘덴서(282)의 전력을 적정하게 축전 소자(225)에 공급할 수 있는 전압 범위의 하한 전압으로 될 때까지, 축전 콘덴서(282)의 전압이 강하하고 나서, 리니어 레귤레이터(281)가 OFF로 되는 용량으로 조정된다.

이와 같이, 조정 콘덴서(283)의 용량은, 축전 콘덴서(282)의 전압이 소정의 전압으로 저하될 때까지의 동안에, 제어 단자(6c)의 전압 상태가 제어 신호를 입력했을 때의 전압 상태와 동등한 상태로 되도록 설정된다.

여기서 소정의 전압이란, 예를 들어 축전 콘덴서(282)의 전력을 축전 소자(225)에 충전 가능한 하한 전압이다. 이에 의해, 축전 콘덴서(282)가 충전 가능한 전압 범위일 경우는, 리니어 레귤레이터(281)를 ON으로 해 두는 것이 가능해진다. 그 결과, 리니어 레귤레이터(281)의 ON/OFF가 불필요하게 전환되는 사태가 회피되어, 안정된 충전 동작을 실현하는 것이 가능해진다.

예를 들어, 전하를 모으는 축전 콘덴서(282)의 용량은, 47㎌로 설정되고, 리니어 레귤레이터(281)의 동작 시간을 컨트롤하는 조정 콘덴서(283)의 용량은, 1㎌로 설정된다. 이에 의해, 안정된 충전 동작을 실현하는 것이 가능해진다.

축전 콘덴서(282) 및 조정 콘덴서(283)의 용량은, 상기한 예에 한정되지 않고, 안테나부(222)의 특성이나, 축전 소자(225)의 특성 등에 따라서 적절하게 설정되어도 된다. 또한 제어 신호가 통과하는 라인 상에 직렬로 저항을 접속한 RC 회로를 구성하여, 리니어 레귤레이터(281)의 동작 시간을 설정해도 된다.

또한, 반드시 조정 콘덴서(283)를 마련할 필요는 없으며, 조정 콘덴서(283)를 사용하는 방법과는 다른 방법으로, 리니어 레귤레이터(281)의 동작 시간이 제어되어도 된다.

상기에서는, 충전 제어부(226)의 역치 전압 V2가 2.8V로 설정되고, 조정 콘덴서(283)를 사용하여, 리니어 레귤레이터(281)의 동작 시간이 규정되었다. 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 2개의 역치 전압을 설정 가능한 충전 제어부 등이 사용되어도 된다. 이 경우, 예를 들어 검출 전압 Vs가 상승해서 2.8V 이상이 되면 리니어 레귤레이터(281)를 ON으로 하고, 검출 전압 Vs가 저하되어 2.0V 이하로 되면 리니어 레귤레이터(281)를 OFF로 하는 제어가 행해진다. 이에 의해, 조정 콘덴서(283)를 사용하지 않고 리니어 레귤레이터(281)의 동작 시간을 제어하는 것이 가능해진다.

도 16 및 도 17을 참조하여 설명한 바와 같이, 충전에 사용하기 위한 전류가 적은 경우, 전압 조정 등의 에너지 변환을 행할 때, 입력 저항이 매우 높지 않으면, 그 적은 전류를 소비해 버려, 전지 등에 전하를 축적할 수 없다는 문제가 있었다.

예를 들어, 강압형 DC/DC 컨버터에는, 입력 저항이 높고, 전류가 적은 경우에도 사용 가능한 소자가 존재한다. 한편, 강압형 컨버터에서는, 전지의 충전에 필요한 충전 전압으로 되도록, 높은 전압의 신호를 강압할 필요가 있다. 예를 들어, 강압형 컨버터에 입력되는 전압은, 전지의 충전에 필요한 전압보다, 통상 0.5V 이상 높지 않으면 충전 동작이 어렵다는 문제가 있다. 이와 같이, 전지의 충전 전압 이상의 퍼포먼스가 하비스터에 요구됨으로써, 사용 가능 범위가 좁아지게 되었다.

이에 반해, 본 실시 형태에 관한 충전 장치(200)에는, 정류 회로(223)의 출력을 축적하는 축전 콘덴서(282)와, 축전 콘덴서(282)의 전력을 축전 소자(225)에 충전하는 리니어 레귤레이터(281)가 마련된다. 그리고 충전 제어부(226)에 의해, 축전 콘덴서(282)의 전압 Vs가 역치 전압 V2를 초과한 경우에, 리니어 레귤레이터(281)가 ON으로 설정된다.

리니어 레귤레이터(281)는, 그 설정 전압 Va보다 다소 높은 편의 입력이라면 안정적으로 동작 가능하다. 또한 입력되는 전압 Vs가 설정 전압 Va보다 낮은 경우라도, 충전 동작을 계속할 수 있다. 또한 축전 콘덴서(282)를 마련함으로써, 안정된 충전 동작을 실현하는 것이 가능하다. 이에 의해, 예를 들어 안테나부(222)로부터 얻어지는 신호의 전압이 비교적 낮은 경우나, 전계 강도가 불안정한 경우라도, 미약한 전류를 확실하게 충전하는 것이 가능하게 되어, 광범위한 전계 에너지를 효율적으로 축전하는 것이 가능해진다.

<제3 실시 형태>

[충전 장치(300)의 구성]

도 18은, 제3 실시 형태에 관한 충전 장치의 구성예를 도시하는 블록도이다. 도 18에 도시하는 바와 같이, 충전 장치(300)는, 안테나부(322)와, 정류 회로(323)와, 축전부(324)와, 축전 소자(325)와, 충전 제어부(326)와, 부하(327)를 갖는다.

충전 장치(300)는, 상기한 실시 형태와 비교하여, 주로 축전부(324)의 구성이 다르다. 또한, 안테나부(322), 정류 회로(323), 축전 소자(325), 충전 제어부(326) 및 부하(327)는, 도 9 및 도 10을 참조하여 설명한 충전 장치(100)의 안테나부(22), 정류 회로(23), 축전 소자(25), 충전 제어부(26) 및 부하(27)와 마찬가지로 구성된다.

이 충전 장치(300)는, 예를 들어 안테나부(322)에 의해 도입되는 전력의 전압 레벨이 비교적 낮은 경우(예를 들어 1V 이하 등)를 상정한 구성으로 되어 있다.

축전부(324)에는, 축전 콘덴서(382)와, 승압형 DC/DC 컨버터(381)가 마련된다. 축전 콘덴서(382)는, 정류 회로(323)의 출력에 의해 충전된다. 승압형 DC/DC 컨버터(381)는, 축전 콘덴서(382)에 축적된 전력을 승압해서 축전 소자(325)를 충전한다.

또한 본 실시 형태에서는, 승압형 DC/DC 컨버터(381)는, 충전용 전력의 축전 소자(25)에의 공급을 제어하는 제2 전환 스위치(SW2)로서 기능한다. 구체적으로는, 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 동작의 ON/OFF가 전환됨으로써, 축전 소자(325)에의 전력의 공급이 제어된다.

충전 제어부(326)는, 축전 콘덴서(382)의 전압 레벨에 따라서 승압형 DC/DC 컨버터(381)(제2 전환 스위치(SW2))를 동작시킨다.

도 19는, 제3 실시 형태에 관한 충전 장치(300)의 구성예를 도시하는 회로도이다. 도 19에는, 충전 장치(300)의 구성 중, 축전부(324)의 구체적인 회로 구성이 도시되어 있다. 또한, 도 19에서는 부하(327)의 도시가 생략되어 있다.

도 19에 도시하는 바와 같이, 축전부(324)는, 역류 방지 다이오드(380)와, 승압형 DC/DC 컨버터(381)와, 축전 콘덴서(382)와, 조정 콘덴서(383)를 갖는다. 또한 승압형 DC/DC 컨버터(381)는, 입력 단자(7a)와, 출력 단자(7b)와, 제어 단자(7c)와, GND 단자(7d)를 갖는다.

본 실시 형태에서는, 축전부(324)는, 정류 회로(323)의 출력을 축전 콘덴서(382)에 모아서, 축전 소자(325)를 충전하기 위한 충전용 전력을 생성한다. 즉, 축전 콘덴서(382)의 전력이, 충전용 전력으로서 사용된다.

도 19에 도시하는 바와 같이, 축전부(324)의 회로 구성은, 도 14를 참조하여 설명한 축전부(224)의 리니어 레귤레이터(281) 대신에, 승압형 DC/DC 컨버터(381)를 사용한 구성으로 되어 있다.

역류 방지 다이오드(380)의 애노드는, 정류 회로(323)의 출력 단자(71a)에 접속되고, 캐소드는, 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 입력 단자(7a)에 접속된다. 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 출력 단자(7b)는, 축전 소자(325)의 양전극(28a)에 접속되고, GND 단자(7d)는, 음의 충전 라인(35b)(GND 라인)에 접속된다. 또한, 축전 소자(325)의 음전극(28b)은, 정류 회로(323)의 출력 단자(71b)에 접속된다.

축전 콘덴서(382)는, 한쪽 단자가, 역류 방지 다이오드(380)와 승압형 DC/DC 컨버터(381)(입력 단자(7a))의 사이의 양의 충전 라인(35a)에 접속되고, 다른 쪽 단자가 음의 충전 라인(35b)에 접속된다.

조정 콘덴서(383)는, 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 제어 단자(7c)와 음의 충전 라인(35b)의 사이에 접속된다.

충전 제어부(326)의 검출 단자(10)(전원 단자(12))는, 정류 회로(323)의 출력 단자(71a)와, 역류 방지 다이오드(380)의 애노드의 사이에 접속되고, GND 단자(13)는, 음의 충전 라인(35b)에 접속되고, 출력 단자(11)는, 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 제어 단자(7c)에 접속된다.

역류 방지 다이오드(380)는, 정류 회로(323)와 축전 소자(325)의 사이에 마련되어, 축전 소자(325)로부터의 전류의 역류를 방지하는 다이오드이다. 역류 방지 다이오드(380)를 마련하는 위치는, 정류 회로(323)의 출력 단자(71a)로부터 축전 소자(325)의 양전극(28a)의 사이에 있으면 임의로 설정되어도 된다. 또한 역류 방지 다이오드(380)는 복수 사용되어도 되고, 예를 들어 축전 소자(325)와 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 사이에 또한 마련해도 된다.

역류 방지 다이오드(380)는, 예를 들어 도 10을 참조하여 설명한 역류 방지 다이오드(80)와 마찬가지로 구성된다.

승압형 DC/DC 컨버터(381)는, 입력 단자(7a)에 입력된 전압을 승압해서 출력 단자(7b)로부터 출력하는 소자이다. 승압형 DC/DC 컨버터(381)에는 승압이 가능한 최저 승압 전압이 규정되어 있어, 최저 승압 전압을 초과하는 전압을 소정의 출력 전압으로 승압한다.

도 19에 도시하는 바와 같이, 승압형 DC/DC 컨버터(381)는, 축전 콘덴서(382)와 축전 소자(325)의 사이에 접속되어 있다. 따라서, 승압형 DC/DC 컨버터(381)는, 축전 콘덴서(382)의 전압을 승압해서 축전 소자(325)에 인가한다. 본 실시 형태에서는, 승압형 DC/DC 컨버터(381)는, 충전용 전력의 전압을 조정하는 전압 조정 소자의 일례이며, 승압 컨버터에 상당한다.

또한 승압형 DC/DC 컨버터(381)는, 정류 회로(323)의 출력을 전원으로 해서 구동된다. 예를 들어, 입력 단자(7a)로부터 전력을 취득해서 구동된다. 따라서 승압형 DC/DC 컨버터(381)를 구동해도 축전 소자(325)의 전력은 소비되지 않는다. 이에 의해, 축전 소자(325)의 전력을 저하시키지 않고, 효율적인 축전이 가능해진다.

또한, 상기한 바와 같이, 승압형 DC/DC 컨버터(381)에는, 제어 단자(7c)가 마련된다. 승압형 DC/DC 컨버터(381)는, 제어 단자(7c)에 입력되는 제어 신호에 따라, 전압을 승압하는 동작의 ON/OFF를 전환하는 것이 가능하도록 구성된다. 동작 상태가 OFF일 경우, 승압형 DC/DC 컨버터(381)는 전력 소비가 거의 제로이고, 입력 저항이 충분히 높아 전류를 통과시키지 않는 소자가 된다. 이와 같이, 승압형 DC/DC 컨버터(381)가 동작하고 있지 않을 때는, 전류를 소비하지 않도록 고저항인 것이 바람직하다.

여기서는, 제어 신호가 Low 레벨일 경우에, 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 동작 상태가 OFF로 되고, 제어 신호가 High 레벨일 경우에, 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 동작 상태가 ON으로 되는 것으로 한다.

축전 콘덴서(382)는, 정류 회로(323)의 출력을 축적해서 승압형 DC/DC 컨버터(381)에 공급하는 콘덴서이다. 축전 콘덴서(382)에 충전된 전력이, 축전 소자(325)를 충전하는 충전용 전력으로서 사용된다.

조정 콘덴서(383)는, 충전 제어부(326)로부터 출력되는 제어 신호에 의해 충전되는 콘덴서이다. 예를 들어 조정 콘덴서(383)는, High 레벨의 제어 신호에 의해 충전되고, 제어 신호가 Low 레벨로 된 후에도, 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 제어 단자(7c)에 일정 전압을 공급한다. 조정 콘덴서(383)의 기능은, 예를 들어 도 14를 참조하여 설명한 조정 콘덴서(283)와 마찬가지이다.

충전 제어부(326)는, 충전용 전력의 전압 레벨을 검출함과 함께, 그 결과에 따른 제어 신호를 승압형 DC/DC 컨버터(381)에 출력한다.

본 실시 형태에서는, 충전 제어부(326)는, 충전용 전력의 전압 레벨로서 축전 콘덴서(382)의 전압을 검출하고, 당해 검출 결과에 따라서 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 ON/OFF를 전환한다.

구체적으로는, 승압형 DC/DC 컨버터(381)를 제어하기 위한 역치 전압 V3이 설정되어, 검출 단자(10)에 의해 검출된 축전 콘덴서(382)의 전압(검출 전압 Vs)이, 역치 전압 V3에 의해 역치 판정된다.

본 실시 형태에서는, 검출 전압 Vs가 역치 전압 V3 미만인 경우(V3>Vs) 제어 신호가 Low 레벨이 되고, 승압형 DC/DC 컨버터(381)는 OFF로 된다. 또한 검출 전압 Vs가 역치 전압 V3 이상인 경우(V3≤Vs), 제어 신호가 High 레벨이 되고, 승압형 DC/DC 컨버터(381)는 ON으로 된다.

즉, High 레벨 및 Low 레벨의 제어 신호는, 각각 승압형 DC/DC 컨버터(381)를 ON 및 OFF로 하는 제어 신호가 된다. 이와 같이, 충전 제어부(326)는, 승압형 DC/DC 컨버터(381)를 ON으로 하는 제어 신호를 출력한다. 이 신호에 의해, 상기한 조정 콘덴서(383)가 충전된다.

[충전 장치(300)의 동작]

도 19를 참조하여, 본 실시 형태에 관한 충전 장치(300)의 동작에 대해서 설명한다.

본 실시 형태에서는, 충전 제어부(326)가 검출하는 검출 전압 Vs가 역치 전압 V3을 초과한 경우에, 승압형 DC/DC 컨버터(381)를 ON으로 하는 제어 신호(여기서는 High 레벨의 신호)를 출력한다. 즉, 충전 제어부(326)는, 축전 콘덴서(382)의 전압이 승압형 DC/DC 컨버터(381)용 역치 전압 V3을 초과한 경우에, 승압형 DC/DC 컨버터(381)를 ON으로 한다.

본 실시 형태에서는, 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 출력 전압은, 예를 들어 축전 소자(325)의 만충전 시의 전압(2.7V)으로 설정된다. 이 경우, 최저 승압 전압이 0.5V 정도인 승압형 DC/DC 컨버터(381)가 사용된다.

또한, 승압형 DC/DC 컨버터(381)용 역치 전압 V3은, 승압형 DC/DC 컨버터(381)가 승압 가능한 최저 승압 전압보다 높고, 그 출력 전압보다 낮은 값으로 설정된다. 여기서는, V3=1V로 설정된다. 이밖에, 역치 전압 V3을 설정하는 방법은 한정되지 않는다.

예를 들어, 축전 콘덴서(382)의 전압(Vs)이 역치 전압 V3보다 낮은 상태에서는, 승압형 DC/DC 컨버터(381)는 OFF로 되어 있다. 이 상태에서는, 정류 회로(323)로부터 출력된 전력은, 승압형 DC/DC 컨버터(381)를 통하지 않고, 축전 콘덴서(382)에 충전된다.

이때, 승압형 DC/DC 컨버터(381)는 동작하고 있지 않기 때문에, 전류를 불필요하게 소비하는 일이 회피되어, 축전 콘덴서(382)에 대한 충전 효율이 향상된다.

축전 콘덴서(382)의 전압(Vs)이 상승하여, 역치 전압 V3을 초과하면, 충전 제어부(326)로부터 승압형 DC/DC 컨버터(381)를 ON으로 하는 제어 신호가 출력되어, 승압형 DC/DC 컨버터(381)가 기동한다. 그 결과, 축전 콘덴서(382)에 축적된 전력은, 충전용 전압으로까지 승압되어 축전 소자(325)에 충전된다. 여기서는, 축전 콘덴서(382)의 1V 이하의 전압이 2.7V로 승압되어 축전 소자(325)가 충전된다.

여기서, 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 소비 전력과, 축전 콘덴서(382)의 용량의 관계에 대해서 설명한다.

전기 용량 C의 콘덴서의 전압이 V일 경우에, 그 콘덴서에 축적되는 에너지 E(전력량)는, 이하의 (1)식으로 표현된다.

E[J]=0.5×C×V^2 (1)

또한, 전력 P와 에너지 E(전력량)의 관계는, 이하의 (2)식으로 표현된다.

E[J]=t[sec]×P[W] (2)

예를 들어, 안테나부(322)에 유기되는 전압이 1V인 것으로 하자. 이 경우, 최저 승압 전압(여기서는 0.5V)의 전력이 승압 동작으로 소비되게 된다. 이때, 안테나부(322)에 유기되는 전압과 최저 승압 전압의 차분(1V-0.5V)에 대응하는 전하가, 충전 가능한 전하로 된다.

이때의 전하 에너지가 축전 콘덴서(382)에 모아진다고 하자. 예를 들어 축전 콘덴서(382)의 용량이 100㎌라고 하면, (1)식으로부터, 축전 콘덴서(382)에 축적되는 에너지 E는,

E=0.5×100[㎌]×0.5[V]×0.5[V]=12.5[μJ]

이것은, (2)식을 사용하여, 1초당 전력 P로 환산하면, 12.5㎼가 된다.

그런데, 0.5V로부터의 승압이 가능해서, 출력이 2.7V로 되는 승압형 DC/DC 컨버터(381)에 대해서 그 기동 전력을 어림잡으면, 9㎼ 정도가 된다. 이와 같이, 기동 전력에 9㎼를 사용하는 승압형 DC/DC 컨버터(381)에 대해서는, 축전 콘덴서(382)의 전력이 12.5㎼ 정도일 경우, 기동은 가능해도, 승압 동작을 적정하게 행할 수 없어, 충전에 사용할 수 없을 가능성이 있다. 축전 소자(325)에의 충전을 행하게 된다면, 최저 상기한 용량의 예를 들어 3배 이상의 용량, 즉 0.3mF 이상의 축전 콘덴서(382)를 사용하는 것이 바람직하다.

본 실시 형태에서는, 축전 콘덴서(382)의 용량은, 예를 들어 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 소비 전력의 3배 이상의 전력을 축적 가능하게 설정된다. 보다 바람직하게는, 축전 콘덴서(382)의 용량은, 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 소비 전력의 10배 이상의 전력을 축적 가능하게 설정된다.

이에 의해, 승압형 DC/DC 컨버터(381)를 사용하여 축전 콘덴서(382)의 전력을 낭비 없이 축전 소자(325)에 축적하는 것이 가능해진다.

예를 들어, 승압형 DC/DC 컨버터(381)는, 기동 시의 소비 전력이 정상 동작 시에 비해서 높아지는 특징이 있다. 따라서, 기동 횟수가 많을수록 불필요한 전력 소비가 증대한다. 이에 반해, 축전 콘덴서(382)의 용량을 충분히 크게 함으로써, 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 ON/OFF를 전환하는 횟수가 저하되어, 불필요한 전력 소비를 저감시키는 것이 가능해진다.

이와 같이 고용량의 축전 콘덴서(382)로서는, 예를 들어 전기 2중 콘덴서 등이 사용된다. 또한 복수의 콘덴서를 병렬로 접속함으로써, 용량을 크게 하는 구성도 가능하다.

조정 콘덴서(383)는, 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 동작 시간을 컨트롤한다. 구체적으로는, 조정 콘덴서(383)의 용량은, 축전 콘덴서(382)의 전압이 소정의 전압으로 저하될 때까지의 동안에, 제어 단자(7c)의 전압 상태가 제어 신호를 입력했을 때의 전압 상태와 동등한 상태로 되도록 설정된다.

여기서는, 소정의 전압은, 예를 들어 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 최저 승압 전압보다 약간 높은 전압(예를 들어 최저 승압 전압보다 5％ 내지 10％ 높은 전압 등)으로 설정된다. 이에 의해, 확실하게 승압 가능한 범위에서, 축전 콘덴서(382)의 전력을 축전 소자(325)에 충전하는 것이 가능해진다.

상기에서는, 충전 제어부(326)의 역치 전압 V3이 1.0V로 설정되고, 조정 콘덴서(383)를 사용하여, 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 동작 시간이 규정되었다. 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 2개의 역치 전압을 설정 가능한 충전 제어부(326) 등이 사용되어도 된다. 이 경우, 예를 들어 검출 전압 Vs가 상승해서 1.0V 이상이 되면 승압형 DC/DC 컨버터(381)를 ON으로 하고, 검출 전압 Vs가 저하되어 0.5V 이하로 되면 승압형 DC/DC 컨버터(381)를 OFF로 하는 제어가 행해진다.

또한 승압형 DC/DC 컨버터(381)에 파워 굿 단자 등이 마련되어 있을 경우에는, 그 출력을 참조하여 승압형 DC/DC 컨버터(381)를 OFF로 전환하는 처리가 실행되어도 된다.

상기한 충전 장치(300)에서는, 승압형 DC/DC 컨버터(381)에, 동작의 ON/OFF를 전환하기 위한 제2 전환 스위치(SW2)가 내장되어 있는 구성에 대해서 설명하였다.

예를 들어 승압형 DC/DC 컨버터(381)에, 동작의 ON/OFF를 전환하는 제2 전환 스위치(SW2)가 내장되어 있지 않은 경우도 생각할 수 있다. 이 경우, 승압형 DC/DC 컨버터(381)의 입력 단자(7a)의 전단에, 동작의 전환을 행하는 제2 전환 스위치(SW2)를 별도 마련해도 된다. 이러한 구성이어도, 충전 제어부(326)의 제어 신호를 동작의 전환을 행하는 SW2에 출력하여, SW2를 적절하게 ON/OFF함으로써, 승압형 DC/DC 컨버터(381)를 적정하게 동작시키는 것이 가능해진다.

이상, 본 실시 형태에서는, 안테나부(322)로부터 얻어지는 전류가 적기 때문에, 어떤 일정량의 전력이 축전 콘덴서(382)에 축적된 것을 충전 제어부(326)를 사용해서 검출하여, 승압형 DC/DC 컨버터(381)를 동작시키는 구성으로 되어 있다. 축전 콘덴서(382)에 충분한 전력을 모은 상태에서, 승압형 DC/DC 컨버터(381)에 의한 충전 동작을 행함으로써, 안정된 충전이 가능하다. 또한 승압형 DC/DC 컨버터(381)는, 승압 시에 전류를 많이 소비하므로, 축전 콘덴서(382)의 용량이 충분히 크게 설정된다. 이에 의해, 불필요한 전력 소비가 저감된다. 그 결과, 광범위한 전계 에너지를 효율적으로 축전하는 것이 가능해진다.

<제4 실시 형태>

[충전 장치(400)의 구성]

도 20은, 제4 실시 형태에 관한 충전 장치의 구성예를 도시하는 블록도이다. 도 20에 도시하는 바와 같이, 충전 장치(400)는, 안테나부(422)와, 정류 회로(423)와, 축전부(424)와, 축전 소자(425)와, 충전 제어부(426)와, 부하(427)를 갖는다.

충전 장치(400)는, 상기한 실시 형태와 비교하여, 주로 축전부(424)의 구성이 다르다. 또한, 안테나부(422), 정류 회로(423), 축전 소자(425) 및 부하(427)는, 도 9 및 도 10을 참조하여 설명한 충전 장치(100)의 안테나부(22), 정류 회로(23), 축전 소자(25) 및 부하(27)와 마찬가지로 구성된다.

축전부(424)에는, 제3 전환 스위치(SW3)와, 제4 전환 스위치(SW4)와, 승압형 DC/DC 컨버터(481)와, 제1 축전 콘덴서(482a)와, 제2 축전 콘덴서(482b)가 마련된다.

제3 전환 스위치(SW3)는, 제1 축전 콘덴서(482a) 및 제2 축전 콘덴서(482b)의 어느 한쪽을 정류 회로(423)로 전환해서 접속한다. 또한 제4 전환 스위치(SW4)는, 제1 축전 콘덴서(482a) 및 제2 축전 콘덴서(482b)의 어느 한쪽을 승압형 DC/DC 컨버터(481)로 전환해서 접속한다.

승압형 DC/DC 컨버터(481)는, 제1 축전 콘덴서(482a) 및 제2 축전 콘덴서(482b)의 어느 것에 축적된 전력을 승압해서 축전 소자(425)를 충전한다.

충전 제어부(426)는, 제1 축전 콘덴서(482a)의 전압 레벨에 따라서 제3 전환 스위치(SW3) 및 제4 전환 스위치(SW4)를 동작시킨다.

도 21은, 제4 실시 형태에 관한 충전 장치(400)의 구성예를 도시하는 회로도이다. 도 21에는, 충전 장치(400)의 구성 중, 축전부(424)의 구체적인 회로 구성이 도시되어 있다. 또한, 도 21에서는 부하(427)의 도시가 생략되어 있다.

또한 본 실시 형태에서는, 충전 제어부(426)는, 전압을 검출하기 위한 검출 단자(10)와, 동작 전원에 접속되는 전원 단자(12)가 따로따로인 단자로서 구성되어 있다.

이 충전 장치(400)는, 도 18 및 도 19를 참조하여 설명한 충전 장치(300)와 마찬가지로, 안테나부(422)에 의해 도입되는 전력의 전압 레벨이 비교적 낮은 경우를 상정한 구성으로 되어 있다.

도 21에 도시하는 바와 같이, 축전부(424)는, 제1 역류 방지 다이오드(480a)와, 제2 역류 방지 다이오드(480b)와, 제3 전환 스위치(SW3)와, 제4 전환 스위치(SW4)와, 승압형 DC/DC 컨버터(481)와, 제1 축전 콘덴서(482a)와, 제2 축전 콘덴서(482b)와, 제1 조정 콘덴서(483a)와, 제2 조정 콘덴서(483b)를 갖는다.

제3 전환 스위치(SW3)는, 입력 단자(8a)와, 제1 출력 단자(8b)와, 제2 출력 단자(8c)와, 제어 단자(8d)를 갖는다. 또한 제4 전환 스위치(SW4)는, 제1 입력 단자(9a)와, 제2 입력 단자(9b)와, 출력 단자(9c)와, 제어 단자(9d)를 갖는다.

또한 승압형 DC/DC 컨버터(481)는, 입력 단자(7a)와, 출력 단자(7b)와, GND 단자(7d)를 갖는다.

본 실시 형태에서는, 축전부(424)는, 정류 회로(423)의 출력을 제1 축전 콘덴서(482a) 및 제2 축전 콘덴서(482b) 각각에 교대로 충전하여, 축전 소자(425)를 충전하기 위한 충전용 전력을 생성한다. 즉, 본 실시 형태에서는, 제1 축전 콘덴서(482a) 및 제2 축전 콘덴서(482b)의 전력이, 충전용 전력으로서 사용된다.

도 21에 도시하는 바와 같이, 제1 역류 방지 다이오드(480a)의 애노드는, 정류 회로(423)의 출력 단자(71a)에 접속되고, 캐소드는, 제3 전환 스위치(SW3)의 입력 단자(8a)에 접속된다. 제3 전환 스위치(SW3)의 제1 출력 단자(8b)는, 제4 전환 스위치(SW4)의 제2 입력 단자(9b)에 접속된다. 제3 전환 스위치(SW3)의 제2 출력 단자(8c)는, 제4 전환 스위치(SW4)의 제1 입력 단자(9a)에 접속된다. 제4 전환 스위치(SW4)의 출력 단자(9c)는, 제2 역류 방지 다이오드(480b)의 애노드에 접속된다. 제2 역류 방지 다이오드(480b)의 캐소드는, 승압형 DC/DC 컨버터(481)의 입력 단자(7a)에 접속된다. 승압형 DC/DC 컨버터(481)의 출력 단자(7b)는, 축전 소자(425)의 양전극(28a)에 접속되고, GND 단자(7d)는, 음의 충전 라인(35b)(GND 라인)에 접속된다. 또한, 축전 소자(425)의 음전극(28b)은, 정류 회로(423)의 출력 단자(71b)에 접속된다.

제1 축전 콘덴서(482a)는, 제3 전환 스위치(SW3)의 제1 출력 단자(8b)와, 음의 충전 라인(35b)의 사이에 접속된다. 제2 축전 콘덴서(482b)는, 제3 전환 스위치(SW3)의 제2 출력 단자(8c)와, 음의 충전 라인(35b)의 사이에 접속된다.

제1 조정 콘덴서(483a)는, 제3 전환 스위치(SW3)의 제어 단자(8d)와, 음의 충전 라인(35b)의 사이에 접속된다. 제2 조정 콘덴서(483b)는, 제4 전환 스위치(SW4)의 제어 단자(9d)와, 음의 충전 라인(35b)의 사이에 접속된다.

충전 제어부(426)의 검출 단자(10)는, 제3 전환 스위치(SW3)의 제1 출력 단자(8b)(제4 전환 스위치(SW4)의 제2 입력 단자(9b))에 접속되고, 전원 단자(12)는, 정류 회로(423)의 출력 단자(71a)와, 제1 역류 방지 다이오드(480a)의 애노드의 사이에 접속되고, GND 단자(13)는, 음의 충전 라인(35b)에 접속되고, 출력 단자(11)는, 제3 및 제4 전환 스위치(SW3 및 SW4)의 제어 단자(8d 및 9d)에 접속된다.

제1 및 제2 역류 방지 다이오드(480a 및 480b)는, 정류 회로(423)와 축전 소자(425)의 사이에 마련되어, 축전 소자(425)로부터의 전류의 역류를 방지하는 다이오드이다. 제1 및 제2 역류 방지 다이오드(480a 및 480b)는, 도 10을 참조하여 설명한 역류 방지 다이오드(80)와 마찬가지로 구성된다.

또한, 승압형 DC/DC 컨버터(481)에 역류 방지 기능이 있으면, 제2 역류 방지 다이오드(480b)는 마련되지 않아도 된다.

제3 전환 스위치(SW3)는, 입력 단자(8a)를, 제1 및 제2 출력 단자(8b 및 8c)의 어느 한쪽으로 전환해서 접속하는 스위치 소자이다. 상기한 바와 같이, 입력 단자(8a)에는, 제1 역류 방지 다이오드(480a)를 통해서 정류 회로(423)(출력 단자(71a))가 접속된다. 따라서, 제3 전환 스위치(SW3)는, 제1 및 제2 축전 콘덴서(482a 및 482b)의 어느 한쪽을 전환해서 정류 회로(423)에 접속한다.

제4 전환 스위치(SW4)는, 제1 및 제2 입력 단자(9a 및 9b)의 어느 한쪽을, 출력 단자(9c)로 전환해서 접속하는 스위치 소자이다. 상기한 바와 같이, 출력 단자(9c)에는, 제2 역류 방지 다이오드(480b)와 승압형 DC/DC 컨버터(481)(입력 단자(7a))를 통해서 축전 소자(425)가 접속된다. 따라서, 제4 전환 스위치(SW4)는, 제1 및 제2 축전 콘덴서(482a 및 482b)의 어느 한쪽을 전환해서 축전 소자(425)에 접속한다.

본 실시 형태에서는, 충전 제어부(426)로부터 출력된 공통의 제어 신호에 의해, 제3 및 제4 전환 스위치(SW3 및 SW4)가 제어된다. 이 점에 대해서는, 상세히 후술한다.

승압형 DC/DC 컨버터(481)는, 입력 단자(7a)에 입력된 전압을 승압해서 출력 단자(7b)로부터 출력하는 소자이다. 상기한 바와 같이, 승압형 DC/DC 컨버터(481)의 입력 단자(7a)에는, 제1 및 제2 축전 콘덴서(482a 및 482b)가 전환해서 접속된다. 따라서, 승압형 DC/DC 컨버터(481)는, 제1 축전 콘덴서(482a) 또는 제2 축전 콘덴서(482b)의 전압을 승압한다. 또한 승압된 전압은, 축전 소자(425)에 인가된다.

제1 축전 콘덴서(482a) 및 제2 축전 콘덴서(482b)는 모두 정류 회로(423)의 출력을 축적한다. 상기한 바와 같이, 정류 회로(423)의 출력 단자(71a)에는, 제1 및 제2 축전 콘덴서(482a 및 482b)가 전환해서 접속된다. 따라서, 제1 및 제2 축전 콘덴서(482a 및 482b)에는, 정류 회로(423)의 출력이 교대로 충전되게 된다.

제1 조정 콘덴서(483a)는, 제3 전환 스위치(SW3)에 입력되는 제어 신호에 의해 충전된다. 제2 조정 콘덴서(483b)는, 제4 전환 스위치(SW4)에 입력되는 제어 신호에 의해 충전된다.

제1 및 제2 조정 콘덴서(483a 및 483b)는 각각, 제3 및 제4 전환 스위치(SW3 및 SW4)의 전환 타이밍을 조정한다.

충전 제어부(426)는, 충전용 전력의 전압 레벨을 검출함과 함께, 그 결과에 따른 제어 신호를 제3 및 제4 전환 스위치(SW3 및 SW4)에 출력한다.

본 실시 형태에서는, 충전 제어부(426)는, 충전용 전력의 전압 레벨로서 제1 축전 콘덴서(482a)의 전압을 검출하고, 당해 검출 결과에 따라서 제3 및 제4 전환 스위치(SW3 및 SW4)를 전환한다.

충전 제어부(426)에는, 제1 축전 콘덴서(482a)의 전압을 판정하기 위한 역치 전압 V4가 설정된다. 역치 전압 V4는, 승압형 DC/DC 컨버터(481)에 입력되는 전압을 규정하는 역치이며, 예를 들어 도 19를 참조하여 설명한 역치 전압 V3과 마찬가지로 설정된다.

여기서는 승압형 DC/DC 컨버터(481)의 출력 전압이 2.7V, 최저 승압 전압이 0.5V인 것으로 한다. 또한 역치 전압 V4는, 1V로 설정된다.

[충전 장치(400)의 동작]

도 21을 참조하여, 본 실시 형태에 관한 충전 장치(400)의 동작에 대해서 설명한다.

본 실시 형태에서는, 제1 축전 콘덴서(482a)가 승압형 DC/DC 컨버터(481)에 접속되어, 축전 소자(425)가 충전되고 있는 동안에, 정류 회로(423)로부터의 출력은 제2 축전 콘덴서(482b)에 축적된다. 또한, 제2 축전 콘덴서(482b)가 승압형 DC/DC 컨버터(481)에 접속되어, 축전 소자(425)가 충전되고 있는 동안에, 정류 회로(423)로부터의 출력은, 제1 축전 콘덴서(482a)에 축적된다. 제3 및 제4 전환 스위치(SW3 및 SW4)는, 상기 동작을 실현할 수 있게 제어된다.

즉, 제1 축전 콘덴서(482a)가 축전 소자(425)에 전력을 공급하고 있는 동안에, 제2 축전 콘덴서(482b)가 충전되도록, 또한 제2 축전 콘덴서(482b)가 축전 소자(425)에 전력을 공급하고 있는 동안에, 제1 축전 콘덴서(482a)가 충전되도록, 제3 및 제4 전환 스위치(SW3 및 SW4)가 제어된다.

구체적으로는, 제1 축전 콘덴서(482a)의 전압이 역치 전압 V4를 초과한 경우(V4≤Vs)에, 승압형 DC/DC 컨버터(481)를 통해서 축전 소자(425)와 제1 축전 콘덴서(482a)가 접속되고, 정류 회로(423)와 제2 축전 콘덴서(482b)가 접속되도록, 제3 및 제4 전환 스위치(SW3 및 SW4)가 제어된다.

또한, 제1 축전 콘덴서(482a)의 전압이 역치 전압 V4 미만인 경우(V4>Vs)에, 승압형 DC/DC 컨버터(481)를 통해서 축전 소자(425)와 제2 축전 콘덴서(482b)가 접속되고, 정류 회로(423)와 제1 축전 콘덴서(482a)가 접속되도록, 제3 및 제4 전환 스위치(SW3 및 SW4)가 제어된다.

또한 본 실시 형태에서는, 제3 전환 스위치(SW3)의 전환이, 제4 전환 스위치(SW4)보다 빠른 타이밍에 실행된다. 예를 들어, 제1 축전 콘덴서(482a)가 충전되어 1V를 초과하면 제3 전환 스위치(SW3)가 먼저 전환된다. 이때, 정류 회로(423)의 접속이 제1 축전 콘덴서(482a)에서 제2 축전 콘덴서(482b)로 전환된다.

이어서, 제4 전환 스위치(SW4)가 약간 늦게 전환된다. 이때, 승압형 DC/DC 컨버터(481)에 접속되어 있었던 제2 축전 콘덴서(482b)는, 충분히 충전된 제1 축전 콘덴서(482a)로 전환된다.

제3 및 제4 전환 스위치(SW3 및 SW4)의 동작 타이밍은, 제1 및 제2 조정 콘덴서(483a 및 483b)의 용량을 설정함으로써 제어 가능하다. 즉, 제1 및 제2 조정 콘덴서(483a 및 483b)의 용량은, 제3 전환 스위치(SW3)의 전환이 제4 전환 스위치(SW4)의 전환에 선행해서 실행되도록 설정된다. 구체적으로는, 제1 조정 콘덴서(483a)의 용량이, 제2 조정 콘덴서(483b)의 용량보다 작게 설정된다. 이에 의해, 제3 전환 스위치(SW3)의 전환 스피드가, 제4 전환 스위치(SW4)보다 빨라진다.

이에 의해, 예를 들어 이로부터 축전 소자(425)의 충전에 사용하는 전하가 축적된 콘덴서는, 전하를 축적하고 나서 승압형 DC/DC 컨버터(481)에 연결시키는 것이 가능해진다. 이에 의해, 축전 소자(425)의 충전에 전하를 낭비 없이 사용하는 것이 가능하게 되어, 축전 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 여기서는, 동작 타이밍을 규정하는 시상수의 설정에 있어서, 제3 및 제4 전환 스위치(SW3 및 SW4)의 동작 순서를, 제1 및 제2 조정 콘덴서(483a 및 483b)의 용량만으로 설정하고 있다. 이에 더하여, 제어 신호가 통과하는 라인 상에 직렬로 저항을 접속하여, RC 회로를 구성해도 된다. 이 경우, 예를 들어 RC 회로의 시상수에 따라서 동작 타이밍을 설정하는 것이 가능하다.

또한, 2개의 역치 전압을 설정 가능한 충전 제어부(426) 등이 사용되어도 된다. 이 경우, 예를 들어 검출 전압 Vs가 상승해서 1.0V 이상으로 되면 제1 축전 콘덴서(482a)를 방전하고, 검출 전압 Vs가 저하되어 0.5V 이하로 되면 제1 축전 콘덴서(482a)를 충전하는 제어가 행해져도 된다.

이상, 본 실시 형태에서는, 2개의 축전 콘덴서(482a 및 482b) 중 한쪽을 충전하고 다른 쪽을 승압형 DC/DC 컨버터(481)에 접속하는 제어를 반복하여, 축전 소자(425)를 충전하는 구성으로 되어 있다.

예를 들어 도 19를 참조하여 설명한 구성에서는, 축전 콘덴서(382)의 전하가 없어지면 다시 충전될 때까지의 시간은, 승압형 DC/DC 컨버터(381)는 동작할 수 없다. 이에 반해, 본 실시 형태에서는, 한쪽 콘덴서가 동작 중에는, 한쪽 콘덴서가 충전 중으로 된다. 이에 의해, 축전 소자(425)를 충전하고 있는 동안에도, 안테나부(422)로부터 출력된 전력을 모으는 것이 가능하게 되어, 충분히 효율적으로 축전할 수 있다.

<제5 실시 형태>

[누전 대책이 있는 하비스터 장치]

도 22는, 제5 실시 형태에 관한 하비스터 장치(500)의 접속예를 도시하는 모식도이다. 하비스터 장치(500)는, 주변 환경에 존재하는 전계 에너지를 전력으로서 수확하는 환경 발전을 행하는 장치(전계 하비스터)이다. 하비스터 장치(500)는, 전형적으로는, 수확한 전력을 전지에 충전하는 충전 장치로서 구성된다. 이 경우, 상기한 충전 장치의 각 구성이 적절하게 사용된다. 또한, 하비스터 장치(500)는, 전력을 충전하지 않고 그대로 부하에 공급하는 장치이어도 된다.

본 실시 형태에서는, 대지 그라운드(4)(이하에서는 단순히 GND4라고 기재함)에 접지되는 기기(90)에 하비스터 장치(500)가 접속된다. 이 경우, GND4에 접지되는 기기(90)가, 대상체(1)(금속체(3))에 상당한다. 이하에서는, 보안 기준에 따라서 GND4에 접지할 것이 요구되는 기기(90)에 하비스터 장치(500)를 접속하는 경우를 중심으로 설명한다. 또한, 이하의 설명은, GND4에의 설치가 요구되고 있는 기기(90)에 한정되지 않고, GND4에 접지해서 사용되는 임의의 기기(90)에 대해서 적용 가능하다.

일반적으로, 인체(10)에 대한 감전 가능성이나 화재 가능성이 있는 기기(90)에는, 접지를 해야 하는 것이 존재한다. 그러한 기기(90)에는, 예를 들어 접지 케이블(91)(어스선)이 부속되어 있어, GND4에 접지할 것이 요구된다.

예를 들어 도 22의 A에 도시하는 기기(90)는, AC 100V의 전원에 접속되어 있어, 인체(10)에서 보면 최대 100V의 전압원이 된다.

여기서 기기(90)와 GND4의 사이에 접속된 인체(10)에 관한 접지 저항을 계산한다. 예를 들어, 인체(10)에 전류가 흐를 경우, 그 저항은, 전류가 유입되어 오는 피부 부분의 저항, 혈액·내장·근육 등의 체내의 저항 및 전류가 유출되어 가는 부분의 저항(예를 들어 발밑의 저항)의 합계값으로서 산출된다. 예를 들어 피부가 충분히 마른 상태에서는, 인체(10)의 저항은 5kΩ 정도이다. 또한 인체(10)에 전기를 통하게 하기 어려운 정전 구두가 장착되어 있었다고 하자. 정전 구두의 저항값은, 예를 들어 100kΩ 이상이지만, 여기서는 100kΩ의 정전 구두를 사용하는 것으로 한다. 이 경우, 인체(10)에 관한 접지 저항은, 5kΩ+100kΩ=105kΩ이 된다.

따라서, 예를 들어 도 22의 A에 도시하는 기기(90)가 GND4로부터 떠 있고, 기기(90)에 접촉한 인체(10)에 100V의 전압이 가해지면, 100V/105kΩ≒0.95mA 정도의 전류가 인체(10)에 흐르게 된다.

예를 들어 1mA 정도의 전류라면, 순간적으로 전기 자극을 느끼는 정도이지만, 예를 들어 5mA가 되면 통증을 느끼고, 20mA가 되면 경련이나 호흡 곤란 등이 발생하고, 그 이상의 전류값에서는 목숨에 영향을 미치는 사태를 초래할 우려가 있다.

이 때문에, 기기(90)와 GND4의 사이(접지 케이블(91) 상)에 하비스터 장치(500)를 접속해서 동작시키기 위해서는, 충분한 누전 대책이 필요해진다.

누전 대책은, 예를 들어 인체(10)를 통해서 기기(90)로부터 GND4에 전류가 누설되는 상태를 방지하기 위한 대책이다. 하비스터 장치(500)에 관한 누전 대책으로서는, 하비스터 장치(500)와 기기(90)를 접속한 상태에서, 인체(10)의 전기 저항보다 낮은 저항값으로 기기(90)와 GND4를 접속하는, 소위 어스를 실현하는 방법이 사용된다.

그런데, 현재의 일본에서의 보안 기준을 참조하면, 하비스터 장치(500)를 적용하는 기기(90)로서, D종의 접지 공사(이하에서는 D 접지라고 기재함)가 요구되는 기기(90)를 예로 들 수 있다. D 접지는, 300V 이하의 저전압 기계 기구나 금속제 외부 상자 및 금속관에 실시하는 접지 공사이다. 예를 들어, 100V의 교류 전원에 접속해서 사용되는 기기(90) 중 설치가 필요한 것에는 D 접지가 행해진다. 일례로서, 전자 레인지, 냉장고, 세탁기, 건조기, 에어컨, 제습기, 각종 계측기, 공장의 로봇, 서버 장치 등의 기기(90)의 어스는, 이 규격에 준하고 있다. 이와 같이, 일반적인 기기(90)를 대상으로 하는 경우, D 접지가 기준이 된다. 이하에서는, 하비스터 장치(500)를 적용하는 기기(90)에 대해서 D 접지를 행하는 것으로 한다.

D 접지에서는, 직류 저항이 100Ω 이하로 되는 접지 저항이 요구된다. 또한, 저압 전로에 있어서, 지락(누전)이 생긴 경우에 0.5초 이내에 전로를 자동적으로 차단하는 장치를 마련하고 있을 경우에는, 직류 저항이 500Ω 이하로 되는 접지 저항을 사용해도 된다. 예를 들어, 암전류를 검지한 경우에 기기(90)에 공급하는 전력을 차단하는 구조가 있으면, D 접지에 있어서 100Ω에서 500Ω으로의 접지 저항의 변경이 확인된다.

하비스터 장치(500)는, 이러한 D 접지를 실현 가능하게 구성된다.

여기서, 도 22를 참조하여, 하비스터 장치(500)와 기기(90)의 접속예에 대해서 설명한다. 도 22의 A에는, 접지 케이블(91)이 마련된 기기(90)에 접속되는 하비스터 장치(500)가 모식적으로 도시되어 있다.

기기(90)에는, 접지 케이블(91)이 접속되는 접지 단자(92)가 마련된다.

하비스터 장치(500)는, 접속점(47a) 및 접속점(47b)을 갖는다. 접속점(47a)은, 제1 안테나 도체(31)를 도시하지 않은 정류 회로에 접속하는 노드이다. 또한 접속점(47b)은, 제2 안테나 도체(32)를 도시하지 않은 정류 회로에 접속하는 노드이다. 이하에서는, 접속점(47a) 및 접속점(47b)을 제1 접속점(47a) 및 제2 접속점(47b)이라고 기재한다.

도 22의 A에 도시하는 바와 같이, 하비스터 장치(500)의 제1 접속점(47a)은, 기기(90)의 접지 단자(92)에 접속된다. 이 경우, 기기(90)에 마련되는 그라운드(그라운드 패턴이나 그라운드에 접속되는 하우징 등)가 제1 안테나 도체(31)로 된다. 제2 접속점(47b)은 GND4에 접속된다. 이 경우, GND4에 접속된 배선이 제2 안테나 도체(32)로 된다.

하비스터 장치(500)에서의 누전 대책은, 예를 들어 기기(90)와 GND4를 D 접지하는 것이다. 이것은, 제1 접속점(47a) 및 제2 접속점(47b)의 사이를 D 접지하는 것에 상당한다.

또한 도 22의 B에서는, 하비스터 장치(500)가 접속된 상태에서, 기기(90)의 내부에 다른 하비스터 장치(501)가 마련되어 있다. 예를 들어 기기(90)가 GND4로부터 떠 있는 상태에서는, 기기(90)의 그라운드 등이, 제1 안테나 도체(31)로서 양호하게 기능한다.

또한, D 접지의 조건을 충족하도록 접지된 기기(90)이어도, 접지에 사용하는 전류로를 통과하는 교류 신호에 대한 저항(임피던스)을 높게 설정하는 것도 가능하다. 이 경우, 임피던스가 높은 주파수대의 교류 신호에 대해서는, 기기(90)의 그라운드 등이, 제1 안테나 도체(31)로서 양호하게 기능한다.

이와 같이, 기기(90)의 그라운드 등이 GND4에 대해서 충분히 떠 있다고 간주할 수 있는 경우에는, 기기(90)의 내부에 다른 하비스터 장치(501)를 마련해 둠으로써, 효율적으로 전계 에너지를 도입하는 것이 가능해진다. 접지에 사용하는 전류에 대한 임피던스를 높게 하는 구성에 대해서는, 도 23 등을 참조하여 구체적으로 설명한다.

또한, 하비스터 장치(500)에서는, 정전 대책도 행해진다. 예를 들어 하비스터 장치(500)에 있어서 제1 접속점(47a) 및 제2 접속점(47b)과의 사이에 걸리는 전압은 경우에 따라서는 충분히 높은 것이 되지만, 흐르는 전류가 적다. 이 때문에, 예를 들어 100kΩ 정도의 저항이나 배리스터 등의 정전 대책 부품을, 제1 접속점(47a) 및 제2 접속점(47b)과의 사이에 마련함으로써 대응 가능하다(도 4 및 도 5 등 참조).

한편, 인체(10)의 감전이나 화재로 이어지는 누전을 방지하기 위해서는, 전류를 제한할 수 있는 대책이 필요하다. 이하 구체적으로 설명한다.

[하비스터 장치(500)의 구성예]

도 23은, 누전 대책을 도입한 하비스터 장치의 구성예를 도시하는 회로도이다. 도 23에 도시하는 바와 같이, 하비스터 장치(500a)는, 정류 회로(523)와, 인덕터(510)를 갖고, 기기(90)의 그라운드와 GND4가 접속되는 부분에, 인덕터(510)를 추가한 것이다.

정류 회로(523)는, 예를 들어 도 6을 참조하여 설명한 정류 회로(23)와 마찬가지로 구성된다. 이하에서는, 정류 회로(523)를 구성하는 각 소자에 정류 회로(23)와 마찬가지의 부호를 붙여서 설명한다.

인덕터(510)는, 정류 회로(523)의 입력이 되는 제1 접속점(47a) 및 제2 접속점(47b)의 사이에 접속된다. 인덕터(510)로서는, 예를 들어 고주파 성분을 억제하는 초크 코일이 사용된다. 이 밖에도, 권선 코일이나, 트랜스 코일, 적층 코일과 같은 인덕턴스를 갖는 임의의 소자가 사용되어도 된다. 하비스터 장치(500a)는, 도 6을 참조하여 설명한 정류 회로(23)의 입력측(제1 접속점(47a) 및 제2 접속점(47b))을 인덕터(510)로 단락한 구성으로 되어 있다. 이하에서는, 인덕터(510)의 직류 저항 Rdc 및 인덕턴스 L을 설정하는 방법에 대해서 설명한다.

도 24는, 하비스터 장치의 출력과 접지 저항의 관계를 측정하기 위한 측정 회로를 도시하는 모식도이다. 도 25는, 하비스터 장치의 출력과 접지 저항의 관계의 측정예를 나타내는 표이다. 도 24에 도시하는 측정 회로에서는, D 접지가 요구되는 기기(90)(여기서는 AC 100V로 구동하는 측정 기기)의 접지 단자(92)와, AC 전원(85)의 소켓에 마련된 GND4의 사이에, 테스트용 하비스터 장치(500b)가 접속된다. 하비스터 장치(500b)는, 하비스터 장치(500a)의 인덕터(510) 대신에, 직류의 저항 성분이 되는 저항 소자(511)를 접속한 장치로 되어 있다.

도 24에 도시하는 바와 같이, 하비스터 장치(500b)의 제1 접속점(47a)은, 기기(90)의 접지 단자(92)에 접속되고, 제2 접속점(47b)은 GND4에 접속된다. 또한, 기기(90)에 마련된 2개의 전원 단자(93a 및 93b)에는, AC 전원(85)의 출력 단자(86a 및 86b)가 각각 접속되어, AC 100V가 공급된다.

또한 제1 접속점(47a)과 제2 접속점(47b)의 사이에는, 저항 소자(511)가 접속된다. 저항 소자(511)는, 소정의 직류 저항값이 설정된 권선 저항 등의 소자이다. 저항 소자(511)는, 기기(90)와 GND4를 연결하는 접지 저항으로서 기능한다. 예를 들어 저항 소자(511)가 충분히 큰 경우에는, 기기(90)는 GND4에 대해서 실질적으로 뜬 상태가 된다.

도 24에 도시하는 측정 회로에서는, 하비스터 장치(500b)의 출력 전압(출력 단자(71a 및 71b)의 사이의 전압)이, 저항 소자(511)의 직류 저항값을 바꾸어서 측정된다. 또한, 하비스터 장치(500b)에서는, 정류 회로(523)의 후단에는, 마련된 제너 다이오드(69a 및 69b)로서, 6.5V에서 도통하는 소자가 사용된다. 따라서, 출력 단자(71a 및 71b)의 단자간의 전압은, 최대 6.5V 정도가 된다.

도 25에는, 접지 저항이 되는 저항 소자(511)의 직류 저항값[Ω]과, 각 저항값을 설정한 경우에 하비스터 장치(500b)에서 검출된 출력 단자(71a 및 71b)의 사이의 검출 전압[V]이 나타나 있다. 예를 들어, 직류 저항값이 비교적 낮은 1kΩ일 경우, 검출 전압은 0.60V이었다. 또한 직류 저항값이 10kΩ일 경우, 2.00V의 전압이 검출되고, 직류 저항값이 47kΩ일 경우, 4.60V의 전압이 검출되었다.

이와 같이, 직류 저항값이 높을수록, 제1 안테나 도체(31)가 되는 기기(90)의 그라운드는, 대지의 그라운드인 GND4에 대해서 뜬 상태에 가까워져, 검출 전압이 높아진다.

또한 직류 저항값을 증가시켜 나가면, 예를 들어 100kΩ으로 된 시점에서, 검출 전압은 6.55V가 된다. 이것은, 저항 소자(511)를 제거하고 기기(90)의 그라운드를 완전히 뜨게 한 상태(직류 저항값=∞)에서의 값(6.77V)과 대략 마찬가지이다. 즉, 제1 접속점(47a)과 제2 접속점(47b)의 사이에 100kΩ 정도의 직류 저항을 가진 소자를 삽입함으로써, 제1 접속점(47a)은, 제2 접속점(47b)에 대해서 실질적으로 뜬 상태가 되어, 문제 없이 전압이 유기된다.

또한, 직류 저항값이 100kΩ 이하의 범위에서도, 예를 들어 10kΩ 이상의 저항값이 있으면 2V 이상의 전압을 유기하는 것이 가능하다. 이에 의해, 예를 들어 상기 실시 형태에서 설명한 충전 장치 등을 충분히 동작시키는 것이 가능하다.

도 24 및 도 25에서는, 접지 저항의 직류 저항 성분에 대해서 기재하였다. 한편, 하비스터 장치(500a)에서 도입되는 전계 에너지는, 주로 교류 신호의 에너지이다. 따라서, 예를 들어 목적으로 하는 주파수의 교류 신호에 대한 저항(임피던스)이 충분히 크면, 그 주파수에 있어서 기기(90)의 그라운드를 뜬 상태에 가까워지게 하는 것이 가능하게 되어, 높은 전압을 유기하는 것이 가능해진다.

예를 들어 50Hz(또는 60Hz)의 교류 전원에 접속되는 경우, 50Hz(또는 60Hz)의 교류 신호가, 전계 에너지의 주요한 공급원이 되는 경우를 생각할 수 있다. 이 때문에, 예를 들어 50Hz(또는 60Hz)에서의 임피던스가 100kΩ 이상인 경우에는, 상기한 바와 같이, 기기(90)의 그라운드가 실질적으로 뜬 상태로 되어, 에너지를 효율적으로 도입하는 것이 가능해진다.

여기서, 인덕터(510)에서의, 임피던스 Z와 인덕턴스 L의 관계에 대해서 설명한다. 이하에서는, 인덕터(510)의 정전 용량에서 유래하는 임피던스 Z의 성분은 충분히 작은 것으로 하여, 주로 인덕턴스 L에서 유래하는 임피던스 Z에 대해서 설명한다.

인덕터(510)의 임피던스 Z는, Z=jωL(단, j는 허수)이라고 기재할 수 있다. 따라서, 임피던스 Z의 크기는 이하의 식으로 표현된다.

|Z|=ωL=2πfL … (1)

여기서 f는 주파수이다.

(1)식에 나타내는 바와 같이, 임피던스 Z의 크기는, 주파수 f와, 인덕턴스 L에 비례한다. 예를 들어 L=1[H]일 경우, 50Hz의 주파수에서는, Z=314Ω이 된다.

여기서 인덕터(510)의 직류 저항 Rdc를, 상기한 D 접지의 기준을 충족하도록 500Ω 이하로 설정하는 것을 생각하자. 즉, 인덕터(510)의 직류 저항 Rdc는, 누전을 방지하기 위해서 설정된 상한값(500Ω) 이하로 설정된다.

예를 들어 인덕턴스가 10[H]이고 직류 저항이 53Ω으로 되는 초크 코일을 사용하는 것이 가능하다. 이러한 소자를 직렬로 접속해서 인덕터(510)를 구성한 경우, Rdc≤500Ω의 범위에서는, 9개의 소자를 사용하는 것이 가능하다. 이 경우, 인덕터(510)에서는, Rdc=9×53=477Ω, L=9×10=90[H]이 된다. 따라서 (1)식으로부터, 이 인덕터(510)의 50Hz에서의 임피던스 Z는, Z=28.3kΩ이 된다.

도 25에 나타내는 표의 값으로부터 28.3kΩ에서 얻어지는 전압을 추정하면, 약 3.5V가 된다. 이와 같이, 직류 저항 Rdc가 D 접지의 조건을 충족하도록 인덕터(510)를 구성한 경우에도, 충분히 높은 전압을 유기하는 것이 가능해진다.

또한, L=1[H]일 경우, 60Hz의 주파수에서는 Z=376.8Ω이 된다. 여기서 인덕턴스가 10[H]이고 직류 저항이 53Ω으로 되는 소자를 사용하면, 상기와 마찬가지의 계산에 의해, 9개의 소자를 직렬로 접속한 인덕터(510)가 구성되어, 60Hz에서의 임피던스 Z는, 34kΩ이 되어, 4V 가까운 전압을 유기하는 것이 가능해진다.

도 23에 도시하는 하비스터 장치(500a)에서는, 상기한 바와 같이 인덕터(510)를 구성함으로써, 하비스터 장치(500a)에서의 에너지의 도입 효율을 유지하면서, 누전 대책으로서 D 접지의 조건을 충족하도록 기기(90)의 그라운드를 GND4에 접지시키는 것이 가능해진다. 이와 같이, 하비스터 장치(500a)는, 50Hz대/60Hz대의 주파수 저항값(임피던스 Z)과, 직류 성분의 저항값을 분리하기 위해서, 인덕터(510)를 마련한 구성으로 되어 있다고도 할 수 있다.

또한 하비스터 장치(500a)에서는, 인덕터(510)의 직류 저항 Rdc를 낮추고, 인덕턴스 L을 높이는 것이 바람직하다. 이에 의해, 50Hz에서의 임피던스 Z를 증가시키는 것이 가능하게 되어, 하비스터 장치(500a)의 성능 향상을 도모하는 것이 가능해진다. 예를 들어, 50Hz에서의 임피던스 Z가 Z≥100kΩ이 되도록, 인덕터(510)의 Rdc 및 L이 설정된다. 이에 의해, 확실한 누전 대책을 실현하면서, 매우 효율적으로 에너지를 회수하는 것이 가능해진다.

도 26은, 누전 대책을 도입한 하비스터 장치의 다른 구성예를 도시하는 회로도이다. 도 26에 도시하는 바와 같이, 하비스터 장치(500c)는, 정류 회로(523)와, 인덕터(510)와, 릴레이 스위치(520)를 갖는다. 하비스터 장치(500c)는, 도 23에 도시하는 하비스터 장치(500a)에, 릴레이 스위치(520)를 추가한 것이다.

릴레이 스위치(520)는, 스위치 제어 소자(521)와, 스위치(522)를 갖는다. 릴레이 스위치(520)는, 스위치 제어 소자(521)에 역치 전류 Ith 이상의 동작 전류가 흘렀을 경우에 스위치(522)가 ON으로 되는 소자이다. 또한 스위치 제어 소자(521)에 흐르는 동작 전류가 역치 전류 Ith 미만일 경우에는, 스위치(522)는 OFF의 상태로 유지된다.

릴레이 스위치(520)로서는, 예를 들어 전자 릴레이가 사용된다. 이 경우, 스위치 제어 소자(521)는 코일을 사용하여 구성되고, 전자기 유도에 의해 스위치(522)를 물리적으로 움직이게 해서 ON/OFF를 전환할 수 있다. 또한 스위치 제어 소자(521)가 포토커플러 등의 반도체 소자를 사용하여 구성된 솔리드 릴레이 등이 사용되어도 된다.

도 26에 도시하는 바와 같이, 스위치 제어 소자(521)는, 제1 안테나 도체(31)와 제1 접속점(47a)을 연결하는 전류로에 마련되어, 제1 안테나 도체(31)로부터 제1 접속점(47a)에 유입되는 전류에 따라서 동작한다. 스위치(522)는, 제1 접속점(47a)과 제2 접속점(47b)의 사이에 접속된다. 따라서, 릴레이 스위치(520)는, 정류 회로(523)에 유입되는 전류가 소정의 역치 전류 Ith를 초과한 경우에, 제1 접속점(47a)과 제2 접속점(47b)을 단락하고, 그 전류를 GND4에 흘리는 구조로 되어 있다.

릴레이 스위치(520)로서는, 예를 들어 역치 전류 Ith가 1mA 이하(Ith=0.6mA 등)의 소자를 사용하는 것이 가능하다. 또한, 하비스터 장치(500c)에서 도입되는 전류는, 예를 들어 수㎂ 내지 수십㎂이다. 따라서, 통상의 동작에서는, 도입되는 전류가 역치 전류 Ith를 초과하지 않는다.

또한 스위치(522)의 ON 저항은, 수Ω 정도로 설정된다. 따라서, 예를 들어 스위치(522)가 ON으로 되어 있는 상태에서는, 제1 접속점(47a)은 제2 접속점(47b)을 통해서 GND4에 확실하게 접지된다. 이 상태에서는, 기기(90)로부터 GND4까지의 전류로의 저항은, 인체(10)의 저항값보다 충분히 작아져, 인체(10)측에는 전류는 흐르지 않기 때문에 안전하다. 또한 정전기는, 하비스터 장치(500c)의 정전 대책 부품을 통해서, 대지로 빠져 나가는 구조로 된다.

또한 하비스터 장치(500c)에는, 상기한 인덕터(510)가 탑재되어 있다. 이에 의해, 통상 동작 시에도, 기기(90)는 GND4에 대해서 D 접지된 상태로 된다. 이와 같이 하비스터 장치(500c)에서는, 인덕터(510)와 릴레이 스위치(520)의 2개의 누전 대책이 병용된다. 이에 의해, 하비스터 장치(500c)의 안전성을 충분히 향상시키는 것이 가능하게 되어, 예를 들어 D 접지가 필요한 기기에 대해서도 하비스터 장치(500c)를 설치해서 안전하게 사용하는 것이 가능해진다.

도 26에서는, 하비스터 장치(500c)에 인덕터(510)와 릴레이 스위치(520)가 마련되었다. 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 릴레이 스위치(520)만을 마련한 하비스터 장치가 구성되어도 된다. 즉, 하비스터 장치(500c)의 인덕터(510)를 뺀 구성이 사용되어도 된다.

예를 들어 접지 저항의 제한이 없을 경우 등에는, 릴레이 스위치(520)만을 탑재함으로써, 통상 동작 시에는, 기기(90)가 GND4로부터 뜬 상태를 실현하는 것이 가능해진다. 이 경우, GND4에 전류가 누설되지 않게 되어, 전계 하비스터의 성능을 충분히 끌어내는 것이 가능해진다. 물론 릴레이 스위치(520)를 마련함으로써, 누전 대책이 가능하다.

<제6 실시 형태>

[GND 단자에 접속되는 하비스터 장치]

도 27은, 제6 실시 형태에 관한 하비스터 장치의 구성예를 도시하는 모식도이다. 하비스터 장치(600)는, 기기(90)에 마련된 각종 커넥터(94)에 접속해서 사용되는 전계 하비스터이다. 하비스터 장치(600)는, 전형적으로는 충전 장치로서 구성되지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 수확한 에너지로 부하를 직접 구동하는 장치로서 구성되어도 된다.

본 실시 형태에서는, GND4(대지 그라운드)에 접지하지 않고 사용하는 것이 가능한 기기(90)에 하비스터 장치(600)가 접속된다.

예를 들어 접지 케이블이 마련되어 있지 않은 텔레비전, 게임기, 데스크톱, 노트북 PC 등의 기기(90)는, 기기(90)의 표면을 수지로 덮음으로써 누전을 방지하고 있다. 이와 같이 수지로 덮인 기기(90)에서는, 하비스터 장치를 직접 접촉하는 것이 가능한 금속부가 적다.

한편, 기기(90)에는 다양한 커넥터(94)가 마련되어 있고, 각 커넥터(94)에는 기본적으로 GND 단자(95)가 포함된다. 그래서, 하비스터 장치(600)에서는, 기기(90)에 마련된 커넥터(94)의 GND 단자(95)를 제1 안테나 도체(31)로서 이용한다. 이와 같이, 기기(90)에 직접 접속해서 기기(90)의 GND를 적극적으로 이용함으로써, 수지로 덮인 부분에 접속하는 경우보다, 수전량을 대폭 개선하는 것이 가능해진다.

도 27의 상측에는, 복수의 커넥터(94)가 마련된 기기(90)가 모식적으로 도시되어 있다. 각 커넥터(94)에는, 기기(90)의 그라운드에 접속된 GND 단자(95)와, 전기 신호의 송수신을 행하기 위한 신호 단자(96)가 포함된다.

도 27에 도시하는 기기(90)에는, 커넥터(94)로서 USB(Universal Serial Bus)의 A 타입의 암형 커넥터가 2개 마련되어 있다. 이밖에, 기기(90)에 마련되는 커넥터(94)의 형식이나 종류 등은 한정되지 않고, 전기 신호의 통신에 사용되는 커넥터(94)가 적어도 하나 마련되어 있으면 된다.

예를 들어, 기기(90)가 텔레비전과 같은 영상 기기이었을 경우, 상기한 USB 커넥터 이외에도, HDMI(등록 상표) 입력 커넥터, D 커넥터, AV 입력 커넥터, RGB 입력 커넥터, PC 음성 입력 커넥터, LAN 커넥터 등의 다양한 커넥터가 사용된다. 이들 커넥터(94)에서는, 예를 들어 GND 단자(95)에 실드되도록 신호 단자(96)가 마련된다.

통상, 모든 커넥터(94)를 사용하지는 않으므로, 사용하지 않는 커넥터(94)에 하비스터 장치(600)를 접속하는 것이 가능하다.

도 27의 하측에는, 하비스터 장치(600)의 구성예가 모식적으로 도시되어 있다. 하비스터 장치(600)는, 커넥터 접속부(610)와, 하비스터 본체(620)와, GND 접속 케이블(630)을 갖는다. 커넥터 접속부(610)는, 기기의 커넥터(94)에 접속하기 위한 단자이다. 여기서는, 기기(90)에 마련된 커넥터(94)에 접속 가능하도록, USB의 A타입의 수형 커넥터가 커넥터 접속부(610)로서 사용된다. 또한 커넥터 접속부(610)는, 기기(90)측의 커넥터(94)의 종류에 맞추어서 적절하게 설정되어도 된다. 혹은 커넥터 접속부(610)는, 종류가 다른 커넥터로 교체 가능하게 구성되어도 된다.

하비스터 본체(620)는, 도시하지 않은 정류 회로나 충전 회로 등이 마련된 회로이다. 하비스터 본체(620)에는, 정류 회로의 입력 노드가 되는 제1 접속점(47a)과 제2 접속점(47b)이 마련된다. 제1 접속점(47a)은, 커넥터 접속부(610)의 GND에 접속된다. 따라서, 하비스터 장치(600)를 기기(90)의 커넥터(94)에 접속하면, 제1 접속점(47a)은, 기기(90)의 GND 단자(95)에 접속되고, 기기(90)의 그라운드가 제1 안테나 도체(31)로서 기능한다.

한편, 제2 접속점(47b)은, 제1 접속점(47a)에 대해서 전기적으로 독립된 제2 안테나 도체(32)에 접속된다. 여기서는, 제2 접속점(47b)은, GND 접속 케이블(630)에 접속된다. 따라서, GND 접속 케이블(630)이 제2 안테나 도체(32)로서 기능한다.

이와 같이, 하비스터 장치(600)에서는, 기기(90)의 커넥터(94)로부터 그 GND 단자(95)에 접속하여, 기기(90)의 금속부를 안테나로서 이용한다. 즉, 일반적인 범용 커넥터(94)를 사용하여, 기기(90)의 그라운드와의 접속부(GND 단자(95))만이 하비스터 장치(600)와 접속된다. 이와 같은 구성에 의해, 하비스터 장치(600)를 기기(90)에 간단하게 설치하는 것이 가능하게 되어, 기기(90) 그 자체를 변경하지 않고, 수전량을 대폭 증가시키는 것이 가능해진다. 또한, 다양한 기기(90)에 채용되어 있는 A 타입의 USB 커넥터를 이용함으로써, 게임기나 PC와 같은 기기(90)에서도 하비스터 장치(600)를 그대로 사용하는 것이 가능해진다.

또한, 제2 안테나 도체(32)의 안테나 길이는 짧아도 된다. 즉, 본 실시예에서는 GND 접속 케이블(630)을 사용하고 있지만, 기판 상에 구성된 미앤더 라인이나 판상 안테나 등으로 구성해도 된다. 보다 큰 에너지를 수확하기 위해서는, 안테나 길이가 긴 편이 바람직하다. 또한 안테나 길이를 신장시킴으로써 제2 안테나 도체(32)를 접지(어스)할 수 있다. 이러한 이유로, 도 27에 도시하는 예에서는, GND 접속 케이블(630)을 사용하여, 제2 안테나 도체(32)(제2 접속점(47b))를 GND4에 접지 가능한 구성으로 되어 있다.

GND 접속 케이블(630)의 선단에는, 외부의 어스선 등에 접속하기 위한 금속 클립(631)이 마련된다. 또한 금속 클립(631) 대신에, 압착 단자 등이 마련되어도 된다. 또한 GND 접속 케이블(630)에는, 다른 케이블을 고정하기 위한 케이블 클립(632)이 마련된다. 케이블 클립(632)을 사용함으로써 GND 접속 케이블(630)을 기기(90)의 전원 케이블 등과 함께 흐트러지지 않게 배선하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 케이블 주변을 정리해서 미관을 좋게 할 수 있다.

예를 들어, 텔레비전과 같은 기기(90)에 하비스터 장치(600)를 설치했을 경우, 예를 들어 하비스터 장치(600)가 수전한 전력을 이용하여, 온도, 습도, 텔레비전의 전원의 ON/OFF와 같은 정보를 송신하는 환경 센서 등을 구축 가능하다. 이에 의해, 실제로 텔레비전이 있는 위치에서의 온도 등을 알수 있게 되므로, 예를 들어 에어컨과 연계해서 실온 등에 관한 최적의 제어가 가능해진다. 또한, 예를 들어 모니터나 PC 등이 많은 공장에서도, 공조를 관리하기 위한 데이터를 취득하는 센서로서 도움을 주는 것이 가능하다.

<제7 실시 형태>

[기기에 내장되는 하비스터 장치]

도 28은, 제7 실시 형태에 관한 하비스터 장치가 탑재된 기기의 구성예를 도시하는 모식도이다. 상기에서는, 도 27을 참조하여, 기기(90)에 마련된 커넥터(94)의 GND 단자(95)를 사용하여, 기기(90)의 그라운드가 되는 금속부에 제1 접속점(47a)을 접속함으로써, 금속부를 제1 안테나 도체(31)로서 이용하는 구성을 설명하였다. 여기서는, 미리 기기(90)에 내장된 하비스터 장치(700)에 대해서 설명한다.

하비스터 장치(700)는, 전형적으로는 충전 장치로서 구성되지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 수확한 에너지로 부하를 직접 구동하는 장치로서 구성되어도 된다.

도 28에 도시하는 예에서는, 노트북형 PC(기기(90))에 하비스터 장치(700)가 내장되어 있다. 하비스터 장치(700)에는, 도시하지 않은 정류 회로의 입력 노드가 되는 제1 접속점(47a)과 제2 접속점(47b)이 마련된다.

또한 기기(90)의 전원 케이블(97)에는, 기기(90)에 전력을 공급하기 위한 한 쌍의 전원선(98)과 안테나 선(99)이 포함된다. 한 쌍의 전원선(98)은, 기기(90)에 접속되어 기기(90) 내의 회로를 구동하기 위한 전력을 공급한다. 안테나 선(99)은, 한 쌍의 전원선(98)과 함께 전원 케이블(97)에 수납되어 전원선(98)과 함께 배선된다.

하비스터 장치(700)의 제1 접속점(47a)은, 기기(90)의 그라운드가 되는 그라운드부(101)에 접속된다. 그라운드부(101)는, 기기(90)에 마련된 그라운드 패턴이나 기기(90)를 구성하는 금속 하우징 등이다. 따라서, 그라운드부(101)는, 제1 안테나 도체(31)로서 기능한다. 또한 하비스터 장치(700)의 제2 접속점(47b)은, 안테나 선(99)에 접속된다. 따라서, 안테나 선(99)은, 제2 안테나 도체(32)로서 기능한다.

도 29는, 하비스터 장치(700)가 탑재된 기기(90)의 기능적인 구성예를 도시하는 블록도이다. 여기서는, 전원 케이블(97) 도중에 AC 어댑터(102)가 마련되어, 교류 전원으로부터 직류 전압이 생성된다. 이하에서는, AC 어댑터(102)로부터 출력되는 한 쌍의 전원선(98) 중 전압이 높은 쪽을 정의 전원선(98a)이라고 기재하고, 전압이 낮은 쪽을 부의 전원선(98b)이라고 기재한다.

또한 하비스터 장치(700)가 탑재된 기기(90)에는, 커넥터(103)와, PM IC(104)(Power Management IC)와, 전지(105)와, DC-DC 컨버터(106)와, 부하(107)를 갖는다.

커넥터(103)는, 정의 전원선(98a), 부의 전원선(98b) 및 안테나 선(99)이 접속되는 3단자의 커넥터이다. PM IC(104)는, 예를 들어 기기(90)에서 사용되는 전력을 제어하는 IC이며, 커넥터(103)를 통해서 정의 전원선(98a) 및 부의 전원선(98b)에 접속된다. PM IC(104)에서는, 예를 들어 AC 어댑터(102)로부터 공급된 전력에 의한 전지(105)의 충전 제어 등이 행해진다. 전지(105)는, 노트북형 PC인 기기(90)의 메인 배터리이다. DC-DC 컨버터(106)는, 전지(105)의 전압을 조정하여 부하(107)에 공급한다. 부하(107)는, 기기(90)에 탑재된 CPU, 디스플레이, 스피커, 각종 회로 모듈(센서 모듈, 통신 모듈) 등이다. 또한 도 29에 도시하는 바와 같이, PM IC(104), DC-DC 컨버터(106) 및 부하(107)는, 각각 그라운드부(101)에 접속된다.

하비스터 장치(700)의 제1 접속점(47a)은, 그라운드부(101)에 접속되고, 제2 접속점(47b)은, 커넥터(94)를 통해서 안테나 선(99)에 접속된다.

이와 같이, 전원 케이블(97)에 안테나 선(99)을 플러스함으로써, 제2 안테나 도체(32)(안테나 선(99))를 전원선(98)과 함께 뻗어나가게 해서 구성하는 것이 가능하게 되어, 기기(90)에 내장된 하비스터 장치(700)의 수전 효율을 향상시키는 것이 가능해진다. 또한 안테나 선(99)의 제2 접속점(47b)과는 반대측의 단부는, 오픈이어도 되고, GND4에 접속 가능한 구성이어도 된다.

본 구성에 의해, 예를 들어 PC 등의 기기(90)의 전지(105)를 충전하는 타이밍에, 충전 중의 누설 전력을 적극적으로 수확하는 것이 가능해진다. 또한 수확한 전력을 사용함으로써 예를 들어 내부 시계 등을 충전하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 내부 시계를 구동하기 위한 단추형 전지 등이 불필요하게 되어, 환경 부하의 저감에 도움을 주는 것이 가능해진다.

이상 설명한 본 기술에 관한 특징 부분 중, 적어도 2개의 특징 부분을 조합하는 것도 가능하다. 즉 각 실시 형태에서 설명한 다양한 특징 부분은, 각 실시 형태의 구별 없이 임의로 조합되어도 된다. 또한 상기에서 기재한 다양한 효과는, 어디까지나 예시이며 한정되는 것은 아니고, 또 다른 효과가 발휘되어도 된다.

본 개시에 있어서, 「동일한」 「동등한」 「직교」 등은, 「실질적으로 동일한」 「실질적으로 동등한」 「실질적으로 직교」 등을 포함하는 개념으로 한다. 예를 들어 「완전히 동일한」 「완전히 동등한」 「완전히 직교」 등을 기준으로 한 소정의 범위(예를 들어 ±10％의 범위)에 포함되는 상태도 포함된다.

또한, 본 기술은 이하와 같은 구성도 채용할 수 있다.

(1) 금속체 또는 인체를 포함하는 대상체와 전기적으로 결합하는 제1 안테나 도체와, 상기 제1 안테나 도체와는 다른 도체이며 상기 대상체에 접속하지 않는 제2 안테나 도체를 갖는 다이폴 구조의 안테나부와,

상기 안테나부의 출력을 정류하는 정류 회로와,

상기 정류 회로의 출력을 바탕으로 전력을 생성하고, 상기 전력을 사용하여 축전 소자를 충전하는 축전부와,

상기 전력의 전압 레벨에 따라서 상기 축전부의 동작을 제어하는 충전 제어부

를 구비하는 충전 장치.

(2) (1)에 기재된 충전 장치이며,

상기 축전부는, 상기 정류 회로와 상기 축전 소자의 사이에 배치되어, 상기 정류 회로와 상기 축전 소자의 접속의 ON/OFF를 전환하는 제1 전환 스위치를 갖는, 충전 장치.

(3) (2)에 기재된 충전 장치이며,

상기 충전 제어부는, 상기 전력의 전압 레벨로서 상기 정류 회로의 출력 전압을 검출하고, 당해 검출 결과에 따라서 상기 제1 전환 스위치의 ON/OFF를 전환하는, 충전 장치.

(4) (3)에 기재된 충전 장치이며,

상기 충전 제어부는, 상기 정류 회로의 출력 전압이 상기 제1 전환 스위치용 역치 전압을 초과한 경우에, 상기 제1 전환 스위치를 OFF로 하는, 충전 장치.

(5) (2) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 충전 장치이며,

상기 제1 전환 스위치는, MOSFET, 또는 로드 스위치의 어느 쪽인, 충전 장치.

(6) (1)에 기재된 충전 장치이며,

상기 축전부는, 상기 전력의 상기 축전 소자에의 공급을 제어하는 제2 전환 스위치를 갖는, 충전 장치.

(7) (6)에 기재된 충전 장치이며,

상기 축전부는, 상기 정류 회로의 출력을 축적하고, 상기 제2 전환 스위치에 접속되는 축전 콘덴서를 갖고,

상기 충전 제어부는, 상기 전력의 전압 레벨로서 상기 축전 콘덴서의 전압을 검출하고, 당해 검출 결과에 따라서 상기 제2 전환 스위치의 ON/OFF를 전환하는, 충전 장치.

(8) (7)에 기재된 충전 장치이며,

상기 충전 제어부는, 상기 축전 콘덴서의 전압이 상기 제2 전환 스위치용 역치 전압을 초과한 경우에, 상기 제2 전환 스위치를 ON으로 하는, 충전 장치.

(9) (6) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 충전 장치이며,

상기 충전 제어부는, 상기 제2 전환 스위치를 ON으로 하는 제어 신호를 출력하고,

상기 축전부는, 상기 제어 신호에 의해 충전되는 조정 콘덴서를 갖는, 충전 장치.

(10) (9)에 기재된 충전 장치이며,

상기 제2 전환 스위치는, 상기 제어 신호가 입력되는 제어 단자를 갖고,

상기 조정 콘덴서의 용량은, 상기 축전 콘덴서의 전압이 소정의 전압으로 저하될 때까지의 동안에, 상기 제어 단자의 전압 상태가 상기 제어 신호를 입력했을 때의 전압 상태와 동등한 상태로 되도록 설정되는, 충전 장치.

(11) (6) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 충전 장치이며,

상기 제2 전환 스위치는, 상기 전력의 전압을 조정하는 전압 조정 소자로서 구성되는, 충전 장치.

(12) (11)에 기재된 충전 장치이며,

상기 전압 조정 소자는, 상기 축전 콘덴서의 전압을 조정하여 상기 축전 소자에 인가하는 리니어 레귤레이터인, 충전 장치.

(13) (11)에 기재된 충전 장치이며,

상기 전압 조정 소자는, 상기 축전 콘덴서의 전압을 승압해서 상기 축전 소자에 인가하는 승압 컨버터인, 충전 장치.

(14) (13)에 기재된 충전 장치이며,

상기 축전부는, 상기 정류 회로의 출력을 축적하고, 상기 승압 컨버터에 접속되는 축전 콘덴서를 갖고,

상기 축전 콘덴서의 용량은, 상기 승압 컨버터의 소비 전력의 3배 이상의 전력을 축적 가능하게 설정되는, 충전 장치.

(15) (11) 내지 (14) 중 어느 하나에 기재된 충전 장치이며,

상기 전압 조정 소자 및 상기 충전 제어부의 적어도 한쪽은, 상기 정류 회로의 출력을 전원으로 해서 구동되는, 충전 장치.

(16) (1)에 기재된 충전 장치이며,

상기 축전부는, 각각이 상기 정류 회로의 출력을 축적하는 제1 축전 콘덴서 및 제2 축전 콘덴서와, 상기 제1 및 상기 제2 축전 콘덴서의 어느 한쪽을 전환해서 상기 정류 회로에 접속하는 제3 전환 스위치와, 상기 제1 및 상기 제2 축전 콘덴서의 어느 한쪽을 전환해서 상기 축전 소자에 접속하는 제4 전환 스위치를 갖고,

상기 충전 제어부는, 상기 제1 축전 콘덴서가 상기 축전 소자에 전력을 공급하고 있는 동안에, 상기 제2 축전 콘덴서가 충전되도록 상기 제3 및 상기 제4 전환 스위치를 제어하는, 충전 장치.

(17) (16)에 기재된 충전 장치이며,

상기 충전 제어부는, 상기 제1 축전 콘덴서의 전압이 역치 전압을 초과한 경우에, 상기 축전 소자와 상기 제1 축전 콘덴서가 접속되고, 상기 정류 회로와 상기 제2 축전 콘덴서가 접속되도록, 상기 제3 및 상기 제4 전환 스위치를 제어하고, 상기 제1 축전 콘덴서의 전압이 상기 역치 전압 미만인 경우에, 상기 축전 소자와 상기 제2 축전 콘덴서가 접속되고, 상기 정류 회로와 상기 제1 축전 콘덴서가 접속되도록, 상기 제3 및 상기 제4 전환 스위치를 제어하는, 충전 장치.

(18) (16) 또는 (17)에 기재된 충전 장치이며,

상기 충전 제어부는, 상기 제3 및 상기 제4 전환 스위치를 제어하는 제어 신호를 출력하고,

상기 축전부는, 상기 제3 전환 스위치에 입력되는 상기 제어 신호에 의해 충전되는 제1 조정 콘덴서와, 상기 제4 전환 스위치에 입력되는 상기 제어 신호에 의해 충전되는 제2 조정 콘덴서를 갖는, 충전 장치.

(19) (18)에 기재된 충전 장치이며,

상기 제1 및 상기 제2 조정 콘덴서의 용량은, 상기 제3 전환 스위치의 전환이 상기 제4 전환 스위치의 전환에 선행해서 실행되도록 설정되는, 충전 장치.

(20) (1) 내지 (19) 중 어느 하나에 기재된 충전 장치이며,

상기 축전부는, 상기 정류 회로와 상기 축전 소자의 사이에 마련되어, 상기 축전 소자로부터의 전류의 역류를 방지하는 역류 방지 다이오드를 갖는, 충전 장치.

(21) (1) 내지 (20) 중 어느 하나에 기재된 충전 장치이며,

상기 충전 제어부는, 내부 저항이 2MΩ 이상인, 충전 장치.

1: 대상체 2: 인체
3: 금속체 4: 대지 그라운드
22, 222, 322, 422: 안테나부 23, 223, 323, 423: 정류 회로
24, 224, 324, 424: 축전부 25, 225, 325, 425: 축전 소자
26, 226, 326, 426: 충전 제어부 31: 제1 안테나 도체
32: 제2 안테나 도체 40: 도체 전극
44: 기판 그라운드
80, 280, 380, 480a, 480b: 역류 방지 다이오드
281: 리니어 레귤레이터 381, 481: 승압형 DC/DC 컨버터
282, 382, 482a, 482b: 축전 콘덴서 283, 383, 483a, 483b: 조정 콘덴서
SW1: 제1 전환 스위치 SW2: 제2 전환 스위치
SW3: 제3 전환 스위치 SW4: 제4 전환 스위치
100, 100a, 100b, 110, 200, 300, 400: 충전 장치
500, 500a, 500b, 500c, 501, 600, 700: 하비스터 장치

Claims (21)

1. 금속체 또는 인체를 포함하는 대상체와 전기적으로 결합하는 제1 안테나 도체와, 상기 제1 안테나 도체와는 다른 도체이며 상기 대상체에 접속하지 않는 제2 안테나 도체를 갖는 다이폴 구조의 안테나부와,
   상기 안테나부의 출력을 정류하는 정류 회로와,
   상기 정류 회로의 출력을 바탕으로 전력을 생성하고, 상기 전력을 사용하여 축전 소자를 충전하는 축전부와,
   상기 전력의 전압 레벨에 따라서 상기 축전부의 동작을 제어하는 충전 제어부
   를 구비하는 충전 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 축전부는, 상기 정류 회로와 상기 축전 소자의 사이에 배치되어, 상기 정류 회로와 상기 축전 소자의 접속의 ON/OFF를 전환하는 제1 전환 스위치를 갖는, 충전 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 충전 제어부는, 상기 전력의 전압 레벨로서 상기 정류 회로의 출력 전압을 검출하고, 당해 검출 결과에 따라서 상기 제1 전환 스위치의 ON/OFF를 전환하는, 충전 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 충전 제어부는, 상기 정류 회로의 출력 전압이 상기 제1 전환 스위치용 역치 전압을 초과한 경우에, 상기 제1 전환 스위치를 OFF로 하는, 충전 장치.
5. 제2항에 있어서, 상기 제1 전환 스위치는, MOSFET, 또는 로드 스위치의 어느 쪽인, 충전 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 축전부는, 상기 전력의 상기 축전 소자에의 공급을 제어하는 제2 전환 스위치를 갖는, 충전 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 축전부는, 상기 정류 회로의 출력을 축적하고, 상기 제2 전환 스위치에 접속되는 축전 콘덴서를 갖고,
   상기 충전 제어부는, 상기 전력의 전압 레벨로서 상기 축전 콘덴서의 전압을 검출하고, 당해 검출 결과에 따라서 상기 제2 전환 스위치의 ON/OFF를 전환하는, 충전 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 충전 제어부는, 상기 축전 콘덴서의 전압이 상기 제2 전환 스위치용 역치 전압을 초과한 경우에, 상기 제2 전환 스위치를 ON으로 하는, 충전 장치.
9. 제6항에 있어서, 상기 충전 제어부는, 상기 제2 전환 스위치를 ON으로 하는 제어 신호를 출력하고,
   상기 축전부는, 상기 제어 신호에 의해 충전되는 조정 콘덴서를 갖는, 충전 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 제2 전환 스위치는, 상기 제어 신호가 입력되는 제어 단자를 갖고,
    상기 조정 콘덴서의 용량은, 상기 축전 콘덴서의 전압이 소정의 전압으로 저하될 때까지의 동안에, 상기 제어 단자의 전압 상태가 상기 제어 신호를 입력했을 때의 전압 상태와 동등한 상태로 되도록 설정되는, 충전 장치.
11. 제6항에 있어서, 상기 제2 전환 스위치는, 상기 전력의 전압을 조정하는 전압 조정 소자로서 구성되는, 충전 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 전압 조정 소자는, 상기 축전 콘덴서의 전압을 조정하여 상기 축전 소자에 인가하는 리니어 레귤레이터인, 충전 장치.
13. 제11항에 있어서, 상기 전압 조정 소자는, 상기 축전 콘덴서의 전압을 승압해서 상기 축전 소자에 인가하는 승압 컨버터인, 충전 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 축전부는, 상기 정류 회로의 출력을 축적하고, 상기 승압 컨버터에 접속되는 축전 콘덴서를 갖고,
    상기 축전 콘덴서의 용량은, 상기 승압 컨버터의 소비 전력의 3배 이상의 전력을 축적 가능하게 설정되는, 충전 장치.
15. 제11항에 있어서, 상기 전압 조정 소자 및 상기 충전 제어부의 적어도 한쪽은, 상기 정류 회로의 출력을 전원으로 해서 구동되는, 충전 장치.
16. 제1항에 있어서, 상기 축전부는, 각각이 상기 정류 회로의 출력을 축적하는 제1 축전 콘덴서 및 제2 축전 콘덴서와, 상기 제1 및 상기 제2 축전 콘덴서의 어느 한쪽을 전환해서 상기 정류 회로에 접속하는 제3 전환 스위치와, 상기 제1 및 상기 제2 축전 콘덴서의 어느 한쪽을 전환해서 상기 축전 소자에 접속하는 제4 전환 스위치를 갖고,
    상기 충전 제어부는, 상기 제1 축전 콘덴서가 상기 축전 소자에 전력을 공급하고 있는 동안에, 상기 제2 축전 콘덴서가 충전되도록 상기 제3 및 상기 제4 전환 스위치를 제어하는, 충전 장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 충전 제어부는, 상기 제1 축전 콘덴서의 전압이 역치 전압을 초과한 경우에, 상기 축전 소자와 상기 제1 축전 콘덴서가 접속되고, 상기 정류 회로와 상기 제2 축전 콘덴서가 접속되도록, 상기 제3 및 상기 제4 전환 스위치를 제어하고, 상기 제1 축전 콘덴서의 전압이 상기 역치 전압 미만인 경우에, 상기 축전 소자와 상기 제2 축전 콘덴서가 접속되고, 상기 정류 회로와 상기 제1 축전 콘덴서가 접속되도록, 상기 제3 및 상기 제4 전환 스위치를 제어하는, 충전 장치.
18. 제16항에 있어서, 상기 충전 제어부는, 상기 제3 및 상기 제4 전환 스위치를 제어하는 제어 신호를 출력하고,
    상기 축전부는, 상기 제3 전환 스위치에 입력되는 상기 제어 신호에 의해 충전되는 제1 조정 콘덴서와, 상기 제4 전환 스위치에 입력되는 상기 제어 신호에 의해 충전되는 제2 조정 콘덴서를 갖는, 충전 장치.
19. 제18항에 있어서, 상기 제1 및 상기 제2 조정 콘덴서의 용량은, 상기 제3 전환 스위치의 전환이 상기 제4 전환 스위치의 전환에 선행해서 실행되도록 설정되는, 충전 장치.
20. 제1항에 있어서, 상기 축전부는, 상기 정류 회로와 상기 축전 소자의 사이에 마련되어, 상기 축전 소자로부터의 전류의 역류를 방지하는 역류 방지 다이오드를 갖는, 충전 장치.
21. 제1항에 있어서, 상기 충전 제어부는, 내부 저항이 2MΩ 이상인, 충전 장치.

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