WO2014013854A1

WO2014013854A1 - センサタグおよび環境発電用電源モジュール

Info

Publication number: WO2014013854A1
Application number: PCT/JP2013/067803
Authority: WO
Inventors: 春田一政
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-01-23

Abstract

　ダイオード（２５Ａ）は、アノード（ＡＮ）が太陽電池（１５）に接続されている。電気二重層コンデンサ（２３）は、ダイオード（２５Ａ）のカソード（ＣＡ）に接続されている。レギュレータＩＣ（２４）は、電気二重層コンデンサ（２３）に接続されている。通信モジュール（１２）は、レギュレータＩＣ（２４）に接続されている。スイッチＩＣ（２２）は、出力端子（ＯＵＴ）がダイオード（２５Ａ）と電気二重層コンデンサ（２３）との接続点（Ｐ１）に接続され、入力端子（ＩＮ）が一次電池（１６）に接続されている。スイッチＩＣ（２２）は、電気二重層コンデンサ（２３）の蓄電量が不足する状態でのみオンする。

Description

センサタグおよび環境発電用電源モジュール

　本発明は、環境発電によって得られた電力を用いてセンサの検出結果を無線で送信するセンサタグと、環境発電によって電力を得る環境発電用電源モジュールとに関するものである。

　近年、光、熱、振動などから電力を得る環境発電を用いた電気機器が開発されている。例えば、センサの検出結果を無線で送信するセンサタグにおいて、太陽電池や振動発電装置などの環境発電を行う発電機が電源部に設けられることがある。環境発電を行う発電機では発電量の変動が生じることがあるため、環境発電を利用する電源部では、環境発電によって得られた電力を蓄電する蓄電デバイスが利用されている。さらに、センサタグでは、センサによる検知やセンサの検出結果の送信に必要な電力を確実に確保するために、電源部に環境発電を行う発電機だけではなくバックアップ用の一次電池が設けられることもある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６－２０４０２４号

　環境発電を行う発電機と一次電池とを併用する従来のセンサタグでは、環境発電を行う発電機の発電量が所定レベルよりも少ない状態になると、一次電池の電力を用いるように構成されている。そのため、環境発電を行う発電機の発電量の低下が頻繁に起こる場合には、一次電池の電力を用いる頻度が高くなり、一次電池の電池寿命が短くなるなどの様々な問題が発生する恐れがあった。

　また、従来のセンサタグでは、一次電池の電力を長時間用いている場合に、センサタグの動作間隔を広げたり、待機状態に移行したりすることにより、一次電池の電池寿命の延長が図られていた。しかしながら、このような対策では、センサタグが停止している時間が長くなることで適切な時に動作しないことが起こり得るため、利用者にとっての利便性が低下する恐れがあった。

　そこで本発明の目的は、利用者にとっての利便性を低下させることなく、環境発電によって得られた電力を用いながら、バックアップ用の電池の電力を用いる時間を短くすることができるセンサタグと、そのようなセンサタグでの使用に適した環境発電用電源モジュールと、を実現することにある。

　本発明の環境発電用電源モジュールは、発電電力入力部と、逆流防止用ダイオードと、蓄電部と、変圧部と、電力出力部と、電池接続切替部と、を備えている。発電電力入力部は、環境発電による電力が入力される。逆流防止用ダイオードは、アノードとカソードとを有し、アノードが発電電力入力部に接続されている。蓄電部は、逆流防止用ダイオードのカソードに接続されていて、発電電力入力部の出力電力を蓄電する。変圧部は、蓄電部に接続されていて、蓄電部の両端電圧を変圧して所定の電圧を出力する。電力出力部は、変圧部に接続されていて、変圧部の出力電力を出力する。電池接続切替部は、第一端と第二端とを備え、第一端が逆流防止用ダイオードと蓄電部との接続点に接続されていて、第二端が電池に接続される。そして、電池接続切替部は、
蓄電部の蓄電量を検出して、蓄電量が不足する状態では第一端と第二端との間を接続し、蓄電量が不足していない状態では第一端と第二端との間を切断する。

　本発明のセンサタグは、発電部と、逆流防止用ダイオードと、蓄電部と、変圧部と、センサタグ機能部と、電池接続切替部と、を備えている。発電部は、環境発電により電力を出力する。逆流防止用ダイオードは、アノードとカソードとを有し、アノードが発電部に接続されている。蓄電部は、逆流防止用ダイオードのカソードに接続されていて、発電部の出力電力を蓄電する。変圧部は、蓄電部に接続されていて、蓄電部の両端電圧を変圧して所定の電圧を出力する。センサタグ機能部は、変圧部に接続されていて、変圧部の出力する電力を用いて、環境状態の検出と通信とを行う。電池接続切替部は、第一端と第二端とを備え、第一端が逆流防止用ダイオードと蓄電部との接続点に接続されていて、第二端が電池に接続される。そして、電池接続切替部は、蓄電部の蓄電量を検出して、蓄電量が不足する状態では第一端と第二端との間を接続し、蓄電量が不足していない状態では第一端と第二端との間を切断する。

　これらの構成において、環境発電によって得られる電圧が蓄電部の両端電圧を超えるほど環境発電量が多い場合に、環境発電によって得られる電力が逆流防止用ダイオードを介して蓄電部に蓄電される。一方、環境発電によって得られる電圧が蓄電部の両端電圧を下回るほど環境発電量が少ない場合には、環境発電によって得られる電力は蓄電部に蓄電されず、それまでに蓄電部に蓄えられた電力が電力出力部から出力される。その際、蓄電部の蓄電量が不足していない状態では電池が接続されないまま蓄電部に蓄えられた電力が電力出力部から出力され、蓄電部の蓄電量が不足する状態になることで電池が接続され、電池の出力電力により蓄電部の蓄電量が回復する。したがって、電池の電力を用いる頻度が低くなり、電池の電池寿命が短くなるなどといった様々な問題が発生することを防ぐことができる。

　上述の環境発電用電源モジュールにおいて、電池接続切替部は、スイッチとコンパレータとを備えると好適である。スイッチは、逆流防止用ダイオードと蓄電部との接続点に一端が接続され、電池に他端が接続されている。コンパレータは、電池の両端電圧を分圧した電圧と蓄電部の両端電圧を分圧した電圧とを検出して、電池の両端電圧を分圧した電圧を蓄電部の両端電圧を分圧した電圧が下回る状態でのみ、スイッチをオンさせる。

　上述の環境発電用電源モジュールにおいて、電池接続切替部は、スイッチ用ダイオードを備えると好適である。スイッチ用ダイオードは、アノードとカソードとを有し、アノードが電池に接続され、カソードが逆流防止用ダイオードと蓄電部との接続点に接続される。

　上述の環境発電用電源モジュールにおいて、蓄電部は電気二重層コンデンサであると好適である。

　上述の環境発電用電源モジュールにおいて、アノードとカソードとを有し、逆流防止用ダイオードと蓄電部との接続点にカソードが接続され、基準電位にアノードが接続されるツェナーダイオードを備えると好適である。

　本発明によれば、環境発電を行う発電機の発電量が少ない場合に、蓄電部に蓄えられた電力が不足する状態でのみ電池が接続され、電池の出力電力により蓄電部の蓄電量が回復する。したがって、利用者にとっての利便性を低下させることなく、環境発電によって得られた電力を用いながら、バックアップ用の電池の電力を用いる時間を短くすることができる。

本発明の実施形態に係るセンサタグのブロック図である。

　以下、本発明に係るセンサタグおよび環境発電用電源モジュールの実施形態について説明する。

　図１は、本発明の実施形態に係るセンサタグ１のブロック図である。

　センサタグ１は、後述するセンサモジュール１３のセンサの検出結果（以下、環境情報という。）を既知のＲＦ－ＩＤ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）技術によってタグリーダに送信するように構成されている。そのため、センサタグ１は、アンテナ１１と、通信モジュール１２と、センサモジュール１３と、電源モジュール１４と、を備えている。なお、電源モジュール１４は、環境発電用電源モジュールに相当するものである。

　センサモジュール１３は、例えば温度センサや、湿度センサ等の周囲の温度や湿度などの環境状態を検出するセンサを備えている。通信モジュール１２は、センサモジュール１３で検出した環境状態に関する情報を、アンテナ１１を介してタグリーダに送信する。即ち、通信モジュール１２とセンサモジュール１３とは、本実施形態におけるセンサタグ機能部を構成している。

　電源モジュール１４は、通信モジュール１２に電力を供給する。言い換えれば、電源モジュール１４は、通信モジュール１２に駆動電圧を印加する。電源モジュール１４には、太陽電池１５と一次電池１６とが接続されている。太陽電池１５は、光から電力を得る環境発電を行う発電機である。即ち、太陽電池１５は、本実施形態における発電部に相当している。なお、太陽電池１５に替えて、振動から電力を得る環境発電を行う振動発電機など、別種の環境発電を行う発電部を利用しても良い。一次電池１６は、太陽電池１５のバックアップとして設けられている。

　ここで、電源モジュール１４の回路構成について説明する。電源モジュール１４は、コンパレータ２１と、スイッチＩＣ２２と、電気二重層コンデンサ２３と、レギュレータＩＣ２４と、ダイオード２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃと、コンデンサ２６Ａ，２６Ｂと、抵抗２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，２７Ｄと、を備える。コンデンサ２６Ａ，２６Ｂは、積層セラミックコンデンサである。

　また、電源モジュール１４は、発電機接続端子１５Ａ，１５Ｂと、電池接続端子１６Ａ，１６Ｂと、電源端子１２Ａ，１２Ｂと、を外部接続端子として備えている。発電機接続端子１５Ｂと、電池接続端子１６Ｂと、電源端子１２Ｂと、はグランド電位（基準電位）に接続される端子である。発電機接続端子１５Ａ，１５Ｂは、本実施形態における発電電力入力部に相当している。電源端子１２Ａ，１２Ｂは、本実施形態における電力出力部に相当している。

　ダイオード２５Ａは、本実施形態における逆流防止用ダイオードに相当していて、アノードＡＮとカソードＣＡとを有している。ダイオード２５ＡのアノードＡＮは、発電機接続端子１５Ａを介して太陽電池１５に接続されている。ダイオード２５ＡのカソードＣＡは、接続点Ｐ１に接続されている。

　レギュレータＩＣ２４は、本実施形態における変圧部に相当していて、入力端子ＩＮと出力端子ＯＵＴと共通端子ＣＯＭとを有している。レギュレータＩＣ２４の共通端子ＣＯＭは、グランド電位に接続されている。レギュレータＩＣ２４の入力端子ＩＮは、接続点Ｐ１に接続されている。レギュレータＩＣ２４の出力端子ＯＵＴは、電源端子１２Ａを介して通信モジュール１２に接続されている。

　電気二重層コンデンサ２３は、本実施形態における蓄電部に相当していて、正極性端子＋と負極性端子－とを有している。電気二重層コンデンサ２３の正極性端子＋は、接続点Ｐ１に接続されている。電気二重層コンデンサ２３の負極性端子－は、グランド電位に接続されている。

　ダイオード２５Ｃは、ツェナーダイオードであり、アノードＡＮとカソードＣＡとを有している。ダイオード２５ＣのアノードＡＮは、グランド電位に接続されている。ダイオード２５ＣのカソードＣＡは、接続点Ｐ１に接続されている。

　コンデンサ２６Ａは、接続点Ｐ１とグランド電位との間に接続されている。コンデンサ２６Ｂは、電源端子１２Ａとグランド電位との間に接続されている。

　スイッチＩＣ２２は、入力端子ＩＮと、出力端子ＯＵＴと、制御端子ＶＣとを有している。スイッチＩＣ２２の入力端子ＩＮは、電池接続端子１６Ａを介して一次電池１６に接続されている。スイッチＩＣ２２の出力端子ＯＵＴは、ダイオード２５Ｂに接続されている。スイッチＩＣ２２の制御端子ＶＣは、コンパレータ２１に接続されている。

　ダイオード２５Ｂは、本実施形態におけるスイッチ用ダイオードに相当していて、アノードＡＮとカソードＣＡとを有している。ダイオード２５ＢのアノードＡＮは、スイッチＩＣ２２の出力端子ＯＵＴに接続されている。ダイオード２５ＢのカソードＣＡは、接続点Ｐ１に接続されている。

　コンパレータ２１は、正極性入力端子＋と、負極性入力端子－と、出力端子ＯＵＴと、を有している。コンパレータ２１の出力端子ＯＵＴは、スイッチＩＣ２２の制御端子ＶＣに接続されている。コンパレータ２１の正極性入力端子＋は、接続点Ｐ２に接続されている。コンパレータ２１の負極性入力端子－は、接続点Ｐ３に接続されている。

　抵抗２７Ａは、電池接続端子１６Ａと接続点Ｐ２との間に接続されている。抵抗２７Ｂは、接続点Ｐ２とグランド電位との間に接続されている。抵抗２７Ａと抵抗２７Ｂとは、接続点Ｐ２を介して直列に接続されていて、一次電池１６の両端電圧を分圧する分圧回路を構成している。

　抵抗２７Ｃは、グランド電位と接続点Ｐ３との間に接続されている。抵抗２７Ｄは、接続点Ｐ３と接続点Ｐ１との間に接続されている。抵抗２７Ｃと抵抗２７Ｄとは、接続点Ｐ３を介して直列に接続されていて、接続点Ｐ１の電圧、即ち、電気二重層コンデンサ２３の両端電圧を分圧する分圧回路を構成している。

　なお、ダイオード２５Ｂと、スイッチＩＣ２２と、コンパレータ２１と、抵抗２７Ａ～２７Ｄと、は本実施形態における電池接続切替部を構成している。ダイオード２５ＢのカソードＣＡは、本実施形態における電池接続切替部の第一端に相当している。スイッチＩＣ２２の入力端子ＩＮは、本実施形態における電池接続切替部の第二端に相当している。

　このような回路構成の電源モジュール１４では、太陽電池１５の出力電力が発電機接続端子１５Ａと発電機接続端子１５Ｂとの間に印加される。電気二重層コンデンサ２３は、発電機接続端子１５Ａにダイオード２５Ａを介して接続されていて、太陽電池１５の出力電力を蓄電する。ダイオード２５Ａは、太陽電池１５の発電量の変動によって太陽電池１５の両端電圧が電気二重層コンデンサ２３の両端電圧よりも低下する場合に、電気二重層コンデンサ２３から太陽電池１５に電流が逆流することを防ぐ。ダイオード２５Ｃは、電気二重層コンデンサ２３と並列に接続されているツェナーダイオードであり、電気二重層コンデンサ２３の両端電圧がダイオード２５Ｃの降伏電圧を超えようとする場合に、ツェナー効果によって、電気二重層コンデンサ２３の両端電圧を定電圧に維持する。

　レギュレータＩＣ２４は、電気二重層コンデンサ２３の両端電圧を、所定の電圧の駆動電圧に変圧して、電源端子１２Ａと電源端子１２Ｂとの間に印加する。コンデンサ２６Ａは、レギュレータＩＣ２４の入力端子ＩＮの入力電圧を平坦化する。コンデンサ２６Ｂは、レギュレータＩＣ２４の出力端子ＯＵＴの出力電力を平坦化する。

　したがって、太陽電池１５の発電量が多く、太陽電池１５の両端電圧が電気二重層コンデンサ２３の両端電圧よりも大きい場合に、太陽電池１５の出力電力がダイオード２５Ａを介して電気二重層コンデンサ２３に蓄電される。一方、太陽電池１５の発電量が少なく、太陽電池１５の両端電圧が電気二重層コンデンサ２３の両端電圧よりも小さい場合には、太陽電池１５の出力電力は電気二重層コンデンサ２３に蓄電されず、電気二重層コンデンサ２３に蓄えられている電力が、通信モジュール１２に供給される。

　また、電源モジュール１４では、一次電池１６の出力電力が電池接続端子１６Ａと電池接続端子１６Ｂとの間に印加される。コンパレータ２１は、一次電池１６の両端電圧を抵抗２７Ａと抵抗２７Ｂとにより分圧した電圧を検出する。また、コンパレータ２１は、接続点Ｐ１の電圧、即ち、電気二重層コンデンサ２３の両端電圧を抵抗２７Ｃと抵抗２７Ｄとにより分圧した電圧を検出する。そして、コンパレータ２１は、検出した２つの電圧を比較して、電圧の大小関係に応じて状態が切り替わる比較信号を出力する。スイッチＩＣ２２は、コンパレータ２１の出力する比較信号を受けて、入力端子ＩＮと出力端子ＯＵＴとの間を接続状態または切断状態に切り替える。具体的には、一次電池１６の両端電圧を分圧した電圧が、電気二重層コンデンサ２３の両端電圧を分圧した電圧よりも高ければ、入力端子ＩＮと出力端子ＯＵＴとの間を接続状態とする。また、一次電池１６の両端電圧を分圧した電圧が、電気二重層コンデンサ２３の両端電圧を分圧した電圧よりも低ければ、入力端子ＩＮと出力端子ＯＵＴとの間を切断状態とする。

　ダイオード２５Ｂは、一次電池１６の両端電圧の低下によって一次電池１６の両端電圧が電気二重層コンデンサ２３の両端電圧よりも低下する場合に、電気二重層コンデンサ２３からスイッチＩＣ２２および一次電池１６に電流が逆流することを防ぐ。

　したがって、電気二重層コンデンサ２３の蓄電量が不足していない状態の間は、スイッチＩＣ２２がオフされたまま、電気二重層コンデンサ２３に蓄えられた電力が通信モジュール１２に供給される。そして、電気二重層コンデンサ２３の蓄電量がさらに低下して不足する状態になれば、スイッチＩＣ２２がオンされ、通信モジュール１２が動作していても、一次電池１６の出力電力により電気二重層コンデンサ２３の蓄電量が回復する。このように、一次電池１６は、極めて限定された状況においてのみ、電気二重層コンデンサ２３に接続される。このため、一次電池１６の電力を用いる頻度が低くなり、一次電池の電池寿命が短くなるなどといった様々な問題が発生することを防ぐことができる。

　なお、スイッチＩＣ２２のオン／オフのタイミングは、抵抗２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，２７Ｄの抵抗値により設定されることになる。したがって、レギュレータＩＣ２４の動作が可能となる電気二重層コンデンサ２３の蓄電量が常に確保されるように、スイッチＩＣ２２のオン／オフのタイミングが設定されるように、抵抗２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，２７Ｄの抵抗値を設定するとよい。

　以上に説明した実施形態のように、本発明のセンサタグおよび環境発電用電源モジュールは構成することができるが、本発明は、特許請求の範囲に該当する他の多様な実施形態によっても実現することができる。例えば、スイッチ用ダイオードであるダイオード２５Ｂや、ツェナーダイオードであるダイオード２５Ｃは、必ずしも設けなくてよい。また、コンデンサ２６Ａ，２６Ｂや、分圧回路を構成する抵抗２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，２７Ｄも必須の構成ではない。また、本発明の環境発電用電源モジュールを適用する装置は、センサタグに限られるものではない。また、環境発電用電源モジュールおよびセンサタグに用いる発電部は、太陽電池に限られず、振動発電機などであってもよい。また、バックアップ用の電池は、一次電池に限られず、二次電池であってもよい。

１…センサタグ
１１…アンテナ
１２…通信モジュール
１２Ａ，１２Ｂ…電源端子
１３…センサモジュール
１４…電源モジュール
１５…太陽電池
１５Ａ，１５Ｂ…発電機接続端子
１６…一次電池
１６Ａ，１６Ｂ…電池接続端子
２１…コンパレータ
２２…スイッチＩＣ
２３…電気二重層コンデンサ
２４…レギュレータＩＣ
２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ…ダイオード
２６Ａ，２６Ｂ…コンデンサ
２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，２７Ｄ…抵抗

Claims

　環境発電による電力が入力される発電電力入力部と、
　アノードとカソードとを有し、前記アノードが前記発電電力入力部に接続されている逆流防止用ダイオードと、
　前記逆流防止用ダイオードのカソードに接続されていて、前記発電電力入力部の出力電力を蓄電する蓄電部と、
　前記蓄電部に接続されていて、前記蓄電部の両端電圧を変圧して所定の電圧を出力する変圧部と、
　前記変圧部に接続されていて、前記変圧部の出力電力を出力する電力出力部と、
　前記逆流防止用ダイオードと前記蓄電部との接続点に接続されている第一端、および、電池に接続される第二端、を備え、前記蓄電部の蓄電量を検出して、前記蓄電量が不足する状態では前記第一端と前記第二端との間を接続し、前記蓄電量が不足していない状態では前記第一端と前記第二端との間を切断する電池接続切替部と、
　を備える環境発電用電源モジュール。
　前記電池接続切替部は、
　前記逆流防止用ダイオードと前記蓄電部との接続点に一端が接続され、前記電池に他端が接続されているスイッチと、
　前記電池の両端電圧を分圧した電圧と前記蓄電部の両端電圧を分圧した電圧とを検出して、前記電池の両端電圧を分圧した電圧を前記蓄電部の両端電圧を分圧した電圧が下回る状態でのみ、前記スイッチをオンさせるコンパレータと、を備える、
　請求項１に記載の環境発電用電源モジュール。
　前記電池接続切替部は、
　アノードとカソードとを有し、前記アノードが前記電池に接続され、前記カソードが前記逆流防止用ダイオードと前記蓄電部との接続点に接続されるスイッチ用ダイオードを備える、
　請求項２に記載の環境発電用電源モジュール。
　前記蓄電部は電気二重層コンデンサである、
　請求項１～３のいずれかに記載の環境発電用電源モジュール。
　アノードとカソードとを有し、前記逆流防止用ダイオードと前記蓄電部との接続点に前記カソードが接続され、基準電位に前記アノードが接続されるツェナーダイオードを備える、
　請求項１～４のいずれかに記載の環境発電用電源モジュール。
　環境発電により電力を出力する発電部と、
　アノードとカソードとを有し、前記アノードが前記発電部に接続されている逆流防止用ダイオードと、
　前記逆流防止用ダイオードのカソードに接続されていて、前記発電部の出力電力を蓄電する蓄電部と、
　前記蓄電部に接続されていて、前記蓄電部の両端電圧を変圧して所定の電圧を出力する変圧部と、
　前記変圧部に接続されていて、前記変圧部の出力する電力を用いて、環境状態の検出と通信とを行うセンサタグ機能部と、
　前記逆流防止用ダイオードと前記蓄電部との接続点に接続されている第一端、および、電池に接続される第二端、を備え、前記蓄電部の蓄電量を検出して、前記蓄電量が不足する状態では前記第一端と前記第二端との間を接続し、前記蓄電量が不足していない状態では前記第一端と前記第二端との間を切断する電池接続切替部と、
　を備えるセンサタグ。
　前記電池接続切替部は、
　前記逆流防止用ダイオードと前記蓄電部との接続点に一端が接続され、前記電池に他端が接続されているスイッチと、
　前記電池の両端電圧を分圧した電圧と前記蓄電部の両端電圧を分圧した電圧とを検出して、前記電池の両端電圧を分圧した電圧を前記蓄電部の両端電圧を分圧した電圧が下回る状態でのみ、前記スイッチをオンさせるコンパレータと、を備える、
　請求項６に記載のセンサタグ。
　前記電池接続切替部は、
　アノードとカソードとを有し、前記アノードが前記電池に接続され、前記カソードが前記逆流防止用ダイオードと前記蓄電部との接続点に接続されるスイッチ用ダイオードを備える、
　請求項７に記載のセンサタグ。
　前記蓄電部は電気二重層コンデンサである、
　請求項６～８のいずれかに記載のセンサタグ。
　アノードとカソードとを有し、前記逆流防止用ダイオードと前記蓄電部との接続点に前記カソードが接続され、基準電位に前記アノードが接続されるツェナーダイオードを備える、
　請求項６～９のいずれかに記載のセンサタグ。