WO2015045687A1 - 電源装置、この電源装置を搭載した装置、及び環境エネルギ評価装置 - Google Patents

電源装置、この電源装置を搭載した装置、及び環境エネルギ評価装置 Download PDF

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WO2015045687A1
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voltage
power supply
power
detection terminal
supply voltage
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PCT/JP2014/071830
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Inventor
井上　学
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株式会社村田製作所
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/001—Energy harvesting or scavenging
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/20—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves

Definitions

  • the present invention relates to a power supply device that generates power by energy harvesting technology, a device equipped with this power supply device, and an environmental energy evaluation device.
  • Patent Document 1 discloses a mobile phone in which a switch is provided between a solar charger and a secondary battery.
  • the output voltage of the solar panel is monitored by the CPU, and the CPU performs on / off control of the switch as necessary.
  • the output voltage of the solar panel is lower than the voltage threshold value, useless power consumption stored in the secondary battery is suppressed by turning off the switch.
  • the switch When the output voltage of the solar panel is equal to or higher than the voltage threshold, the switch is turned on / off depending on the temperature of the secondary battery and the current consumption of the electronic circuit of the mobile phone. When the temperature of the secondary battery is lower than the temperature threshold, the switch is turned on, and the power generated by the solar charger is supplied to the secondary battery and the electronic circuit of the mobile phone.
  • the switch When the temperature of the secondary battery is equal to or higher than the temperature threshold and the current consumption of the electronic circuit is lower than the current threshold, the switch is turned off. Thereby, the charging current does not flow to the secondary battery, and an excessive temperature rise of the secondary battery is suppressed.
  • the switch When the temperature of the secondary battery is equal to or higher than the temperature threshold and the current consumption of the electronic circuit is equal to or higher than the current threshold, the switch is turned on. Since the electric power generated by the solar charger is supplied to the electronic circuit of the mobile phone, the generated electric power can be used effectively and a decrease in the remaining battery level of the secondary battery can be suppressed.
  • the CPU detects voltage and current, and performs on / off control of the switch based on the detection result. For this reason, the electric power for operating CPU is required. Furthermore, since it is necessary to mount a CPU, it is difficult to reduce the cost.
  • An object of the present invention is to reduce the cost of a power supply device capable of switching between a state in which a power storage element is charged by generated power and a state in which power is supplied from the power storage element to a power consumption unit. .
  • An energy conversion device that harvests environmental energy and generates electricity; A power storage element connected to the energy conversion device and charged by electric power generated by the energy conversion device; A valid state in which the function of discharging the power storage element and outputting power to the outside is operating and an invalid state in which the function is stopped are applied to the voltage detection terminal.
  • An output switching circuit that switches based on the voltage; A voltage generation circuit that applies a voltage to the voltage detection terminal based on a power supply voltage applied between terminals of the power storage element; The voltage generation circuit applies a voltage that rises following the rise of the power supply voltage to the voltage detection terminal when the power supply voltage rises, and does not follow the fall of the power supply voltage when the power supply voltage falls.
  • There is provided a power supply apparatus that applies a voltage that gradually falls below the power supply voltage to the voltage detection terminal.
  • the above-described power supply device does not require a CPU that switches between the valid state and the invalid state of the output switching circuit based on the power supply voltage. For this reason, it becomes possible to achieve cost reduction and power consumption reduction as compared with a power supply device equipped with a CPU.
  • the voltage generation circuit includes a series connection circuit of a capacitive element and a rectifying element, and a direction in which a charging current flows through the capacitive element by the power supply voltage is Corresponding to the forward direction, a voltage corresponding to the voltage between the terminals of the capacitive element is applied to the voltage detection terminal.
  • the power supply voltage rises, the power supply voltage is applied to the capacitive element via the rectifying element. For this reason, the voltage between the terminals of the capacitive element rises following the rise of the power supply voltage. Since the rectifying element is biased in the reverse direction when the power supply voltage drops, the capacitive element does not discharge through the rectifying element. The capacitive element slowly discharges through the input impedance of the output switching circuit. For this reason, the inter-terminal voltage of the capacitive element does not follow the decrease of the power supply voltage, but decreases more slowly than the decrease of the power supply voltage.
  • the output switching circuit is Based on a control voltage input to an enable terminal, the valid state and the invalid state of the output switching circuit are switched, and in the valid state, a step-down converter that outputs a rated voltage to the output terminal; When the voltage applied to the voltage detection terminal exceeds the first threshold when the output switching circuit is in the invalid state, a control voltage for applying the output switching circuit to the valid state is applied to the enable terminal. When the output switching circuit is in the valid state and the voltage applied to the voltage detection terminal falls below a second threshold value that is lower than the first threshold value, the output switching circuit is connected to the enable terminal in the invalid state. And a voltage detection circuit for applying a control voltage.
  • a power consuming unit that operates with supplied power and repeatedly executes at least one processing unit; an energy converter that harvests environmental energy and generates power; and A power storage element connected to the energy conversion device and charged by electric power generated by the energy conversion device; A valid state in which the function of discharging the power storage element and outputting power to the outside is operating and an invalid state in which the function is stopped are applied to the voltage detection terminal.
  • An output switching circuit that switches based on the voltage;
  • a voltage generation circuit that applies a voltage to the voltage detection terminal based on a power supply voltage applied between terminals of the power storage element;
  • the voltage generation circuit applies a voltage that rises following the rise of the power supply voltage to the voltage detection terminal when the power supply voltage rises, and does not follow the fall of the power supply voltage when the power supply voltage falls.
  • the amount of power necessary for the power consumption unit to execute one processing unit is stored in the storage element.
  • the storage element is charged. For this reason, even when the power generated by the energy conversion device is not sufficient as compared with the power required for the power consuming unit, at least one processing unit can be repeatedly executed by the power consuming unit.
  • a power consuming unit that operates according to the supplied power and outputs information; an energy conversion device that harvests environmental energy and generates power corresponding to the environmental energy; A power storage element connected to the energy conversion device and charged by electric power generated by the energy conversion device; A valid state that is connected to the power storage element and that discharges the power storage element and outputs power to the power consuming unit is activated and an invalid state in which the function is stopped are applied to the voltage detection terminal.
  • An output switching circuit that switches based on the voltage being applied;
  • a voltage generation circuit that applies a voltage to the voltage detection terminal based on a power supply voltage applied between terminals of the power storage element;
  • the voltage generation circuit applies a voltage that rises following the rise of the power supply voltage to the voltage detection terminal when the power supply voltage rises, and does not follow the fall of the power supply voltage when the power supply voltage falls.
  • the generated power of the energy conversion device changes according to the environmental energy, and the length of time that the output switching circuit is in an invalid state changes according to the generated power. For this reason, the interval at which information is output from the power consumption unit changes according to the environmental energy.
  • the magnitude of environmental energy can be evaluated by the interval at which information is output.
  • the above-described power supply device does not require a CPU that switches between the valid state and the invalid state of the output switching circuit based on the power supply voltage. For this reason, it becomes possible to achieve cost reduction and power consumption reduction as compared with a power supply device equipped with a CPU.
  • FIG. 1 is a block diagram of a power supply device according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is an equivalent circuit diagram of the voltage detection circuit
  • FIG. 2B is a graph showing the relationship between the voltage Vin applied to the voltage detection terminal and the control voltage Vout.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the power supply voltage Vcc input to the step-down converter and the output voltage Vdd.
  • 4A is a graph showing the time change of the power supply voltage Vcc
  • FIG. 4B is a graph showing the time change of the voltage Vin of the voltage detection terminal
  • FIG. 4C shows the time change of the output voltage Vdd of the output switching circuit. It is a graph to show.
  • FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the voltage generation circuit and the voltage detection circuit.
  • FIG. 6 is a block diagram of a self-supporting data collection apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a timing chart of the output voltage Vdd output from the power supply unit and data communication from the self-supporting data collection device to the data collection center.
  • FIG. 8 is a block diagram of an environmental energy evaluation apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the change in electric field strength over time and the timing of blinking of the light emitting diode.
  • FIG. 1 is a block diagram of a power supply device according to the first embodiment.
  • the power supply device according to the first embodiment includes an energy conversion device 10, a storage element 11, a voltage generation circuit 12, and an output switching circuit 15.
  • the energy conversion device 10 harvests energy from the surrounding environment and generates electrical energy.
  • a solar cell, a vibration power generation device, a thermoelectric power generation element, or the like can be used as the energy conversion device 10.
  • Solar cells convert light energy into electrical energy.
  • the vibration power generator converts vibration energy into electric energy.
  • the thermoelectric power generation element converts thermal energy into electrical energy.
  • the negative electrode of the energy conversion device 10 is grounded, and the power line 20 is connected to the positive electrode of the energy conversion device 10.
  • the power storage element 11 is connected to the energy conversion device 10, and the power storage device 11 is charged by the power generated by the energy conversion device 10.
  • a capacitor more specifically a tantalum capacitor, or the like can be used for the power storage element 11.
  • One electrode of the storage element 11 is connected to the power line 20 and the other electrode is grounded.
  • the power supply voltage Vcc applied to the power supply line 20 is equal to the inter-terminal voltage of the storage element 11.
  • a voltage generation circuit 12 is connected in parallel to the storage element 11.
  • the voltage generation circuit 12 includes a series connection circuit of the rectifying element 13 and the capacitive element 14, and applies the voltage Vin generated based on the power supply voltage Vcc to the voltage detection terminal 22 of the output switching circuit 15.
  • a diode is used for the rectifying element 13
  • a multilayer ceramic capacitor is used for the capacitive element 14, for example.
  • the anode of the rectifying element 13 is connected to the power line 20 and the capacitive element 14 is grounded.
  • the direction in which the charging current flows through the capacitive element 14 by the power supply voltage Vcc corresponds to the forward direction of the rectifying element 13.
  • the interconnection point between the rectifying element 13 and the capacitive element 14, that is, the cathode of the rectifying element 13 is connected to the voltage detection terminal 22 of the output switching circuit 15.
  • the power supply line 20 is connected to the input terminal 21 of the output switching circuit 15, and the power supply voltage Vcc is applied to the input terminal 21 of the output switching circuit 15.
  • a power consuming unit 50 is connected to the output terminal 23 of the output switching circuit 15.
  • the output switching circuit 15 has two states, a valid state (enable state) in which the function of outputting power is activated and an invalid state (disable state) in which the function is stopped. Based on the voltage Vin applied to the voltage detection terminal 22, the valid state and the invalid state are switched. When in the valid state, the output switching circuit 15 discharges the storage element 11 and supplies power from the output terminal 23 of the output switching circuit 15 to the power consuming unit 50. The power consumption unit 50 operates by this power. When the output switching circuit 15 is in an invalid state, the output switching circuit 15 does not discharge the storage element 11. At this time, the electric storage element 11 is charged with the electric power generated by the energy conversion device 10.
  • the output switching circuit 15 includes a voltage detection circuit 16 and a step-down converter 17.
  • the voltage detection circuit 16 outputs a control voltage Vout according to the voltage Vin applied to the voltage detection terminal 22.
  • the control voltage Vout is input to the enable terminal EN of the step-down converter 17.
  • the power supply voltage Vcc applied to the input terminal 21 of the output switching circuit 15 is input to the step-down converter 17.
  • the valid state and invalid state of the output switching circuit 15 are switched according to the level of the control voltage Vout applied to the enable terminal EN of the step-down converter 17.
  • FIG. 2A shows an equivalent circuit diagram of the voltage detection circuit 16.
  • the voltage detection circuit 16 includes a voltage dividing circuit 30, a reference voltage source 31, a hysteresis comparator 32, and an output drive transistor 33.
  • the voltage Vin applied to the voltage detection terminal 22 is divided by the voltage dividing circuit 30 and applied to the inverting input terminal of the hysteresis comparator 32.
  • a reference voltage generated by the reference voltage source 31 is applied to the non-inverting input terminal of the hysteresis comparator 32.
  • the output drive transistor 33 for example, a CMOS circuit is used.
  • the output voltage of the hysteresis comparator 32 is applied to the gate electrodes of the two transistors of the output drive transistor 33.
  • the interconnection point of the two transistors outputs the control voltage Vout.
  • FIG. 2B shows the relationship between the voltage Vin applied to the voltage detection terminal 22 and the control voltage Vout.
  • the horizontal axis and the vertical axis represent the voltage Vin and the control voltage Vout, respectively.
  • the relationship between the voltage Vin and the control voltage Vout has a hysteresis characteristic.
  • the control voltage Vout is 0 V in the range where the voltage Vin is equal to or lower than the first threshold value V1, and when the voltage Vin exceeds the first threshold value V1, the control voltage Vout matches the voltage Vin.
  • the control voltage Vout matches the voltage Vin in a range where the voltage Vin is higher than the second threshold value V2.
  • the control voltage Vout becomes 0V.
  • the second threshold value V2 is lower than the first threshold value V1.
  • the determination threshold Vth between the high (H) level and the low (L) level of the control voltage Vout is set to a value lower than the second threshold V2. Therefore, when the voltage Vin increases, the control voltage Vout switches from the L level to the H level when the voltage Vin exceeds the first threshold value V1, and when the voltage Vin decreases, the voltage Vin falls below the second threshold value V2. At the time, the control voltage Vout switches from the H level to the L level.
  • FIG. 3 shows the relationship between the power supply voltage Vcc input to the step-down converter 17 and the output voltage Vdd.
  • the horizontal axis represents the power supply voltage Vcc
  • the vertical axis represents the output voltage Vdd.
  • the step-down converter 17 When the control voltage Vout applied to the enable terminal EN of the step-down converter 17 is at the H level, the step-down converter 17 outputs the output voltage Vdd based on the power supply voltage Vcc. That is, the output switching circuit 15 is in a valid state. If power supply voltage Vcc is equal to or lower than rated voltage Vr, output voltage Vdd is substantially equal to power supply voltage Vcc. If the power supply voltage Vcc is equal to or higher than the rated voltage Vr, the output voltage Vdd substantially matches the rated voltage Vr.
  • FIGS. 4A to 4C an example of a time change of the power supply voltage Vcc, the voltage Vin of the voltage detection terminal 22, and the output voltage Vdd of the output switching circuit 15 (step-down converter 17) will be described.
  • 4A shows the time change of the power supply voltage Vcc
  • FIG. 4B shows the time change of the voltage Vin of the voltage detection terminal 22
  • FIG. 4C shows the time change of the output voltage Vdd of the output switching circuit 15.
  • the power supply voltage Vcc and the voltage Vin of the voltage detection terminal 22 are 0V.
  • the control voltage Vout is at the L level (see FIG. 2B).
  • the output switching circuit 15 is in an invalid state, and its output voltage Vdd is 0 V (see FIG. 3).
  • the power storage element 11 When the output switching circuit 15 is in an invalid state, the power storage element 11 is charged with the electric power generated by the energy conversion device 10, so that the power supply voltage Vcc rises with time (FIG. 4A). Since the capacitive element 14 is also charged via the rectifying element 13, the voltage Vin of the voltage detection terminal 22 also rises following the rise of the power supply voltage Vcc (FIG. 4B). The voltage Vin at the voltage detection terminal 22 is lower than the power supply voltage Vcc by the forward voltage drop of the rectifying element 13. Since the forward voltage drop of the diode is small, in FIGS. 4A and 4B, the forward voltage drop is assumed to be approximately 0V. That is, during the period from the initial state to time t1, the power supply voltage Vcc and the voltage Vin of the voltage detection terminal 22 are substantially equal.
  • the voltage Vin at the voltage detection terminal 22 reaches the first threshold value V1 (FIG. 2A).
  • the output switching circuit 15 is switched to the valid state, and the discharging of the storage element 11 is started.
  • the power supply voltage Vcc (FIG. 4A) decreases, and the output voltage Vdd based on the characteristics shown in FIG. 2B is output to the output terminal 23 of the output switching circuit 15 (FIG. 4C). .
  • the rectifying element 13 When the power supply voltage Vcc decreases and becomes lower than the voltage Vin of the voltage detection terminal 22, the rectifying element 13 is biased in the reverse direction. For this reason, the capacitive element 14 does not discharge through the rectifying element 13. For this reason, the voltage between the terminals of the capacitive element 14, that is, the voltage Vin applied to the voltage detection terminal 22 does not follow the decrease in the power supply voltage Vcc.
  • FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram of the voltage generation circuit 12 and the voltage detection circuit 16.
  • the capacitive element 14 discharges through the input impedance 18 of the voltage detection circuit 16.
  • the voltage Vin decreases with a time constant determined by the capacitance of the capacitive element 14 and the resistance value of the input impedance 18.
  • the capacitance of the capacitive element 14 and the resistance value of the input impedance 18 are set so that the time constant at which the voltage Vin decreases is smaller than the time constant at which the power supply voltage Vcc decreases after time t1. . For this reason, as shown in FIGS. 4A and 4B, the voltage Vin applied to the voltage detection terminal 22 gradually falls below the power supply voltage Vcc.
  • the voltage Vin at the voltage detection terminal 22 decreases to the second threshold value V2.
  • the control voltage Vout becomes L level (FIG. 2B), and the output switching circuit 15 is switched to an invalid state.
  • the output voltage Vdd of the output switching circuit 15 becomes 0 V (FIG. 4C). Since the discharge of the storage element 11 is stopped, the charging of the storage element 11 is restarted and the power supply voltage Vcc starts to rise (FIG. 4A).
  • the voltage Vin at the voltage detection terminal 22 gradually decreases after time t2 (FIG. 4B).
  • the voltage Vin at the voltage detection terminal 22 matches the power supply voltage Vcc. After that, since the capacitive element 14 is charged via the rectifying element 13, the voltage Vin of the voltage detection terminal 22 rises following the rise of the power supply voltage Vcc (FIG. 4B). When the voltage Vin reaches the first threshold value V1 at time t4, a voltage change similar to the voltage change after time t1 is repeated.
  • the time during which the output switching circuit 15 is in an effective state is a time constant determined by the capacitive element 14 and the input impedance 18 (FIG. 5), the first threshold value V1, and the second threshold value V2.
  • the valid time is set so that the power supply voltage Vcc does not drop to the rated voltage Vr (FIG. 3). With this setting, the output voltage Vdd of the output switching circuit 15 can be maintained at the rated voltage Vr (FIG. 4C).
  • the storage element 11 is charged by the electric power generated by the energy conversion device 10 while the output switching circuit 15 is in an invalid state. During the period in which the output switching circuit 15 is in an effective state, the power storage element 11 is discharged, and power is supplied to the power consumption unit 50. For this reason, even if the energy harvested from the surrounding environment is very small, it is possible to supply the necessary power to the power consumption unit 50.
  • the power supply possible time to the power consumption unit 50 can be adjusted.
  • the amount of power stored in the storage element 11 can be adjusted by the capacitance of the storage element 11 and the value of the first threshold value V1 of the voltage detection circuit 16.
  • the power supply device performs arithmetic processing for comparing the power supply voltage Vcc and the determination reference voltage, and does not require a CPU for performing on / off control of the switch based on the comparison result. For this reason, it is possible to achieve cost reduction and power consumption reduction as compared with a power supply device equipped with a CPU.
  • FIG. 6 shows a block diagram of a self-supporting data collecting apparatus according to the second embodiment.
  • the self-supporting data collection apparatus according to the second embodiment includes a power supply unit 40 and a power consumption unit 50.
  • the power supply unit 40 uses the power supply device according to the first embodiment shown in FIG.
  • the power consumption unit 50 includes a temperature / humidity sensor 51, a central processing unit (CPU) 52, a high frequency circuit 53, and an antenna 54.
  • CPU central processing unit
  • the CPU 52 When power is supplied from the power supply unit 40 to the power consumption unit 50, the CPU 52 starts to operate.
  • the CPU 52 collects temperature data and humidity data by controlling the temperature / humidity sensor 51. Further, by controlling the high frequency circuit 53, temperature data and humidity data are transmitted from the antenna 54. Data transmitted from the power consumption unit 50 is collected in the data collection center 60 via the communication network 61.
  • the power consumption unit 50 collects temperature / humidity data and sets the procedure for transmitting the temperature / humidity data as one processing unit (one cycle), and repeatedly executes this processing unit.
  • FIG. 7 shows a timing chart of the output voltage Vdd output from the power supply unit 40 and data communication from the self-supporting data collection device to the data collection center 60.
  • the rated voltage Vr is intermittently output from the power supply unit 40.
  • the power consuming unit 50 executes at least one processing unit (one-cycle procedure). That is, the temperature / humidity data is transmitted from the self-supporting data collection device to the data collection center 60 at least once during the period when the rated voltage Vr is output.
  • the power supply unit 40 is designed so that the time for which the output switching circuit 15 of the power supply unit 40 continues to be valid is longer than the time required for the power consumption unit 50 to start and complete one processing unit. ing.
  • the procedure from collecting temperature / humidity data and transmitting the temperature / humidity data is set as one processing unit.
  • this procedure is divided into a plurality of sub-procedures, and each sub-procedure is set as one processing unit.
  • the procedure until the temperature sensor is operated to collect the temperature data and stored in the memory is set as one processing unit, and the humidity sensor is operated to collect the humidity data and is stored in the memory.
  • the procedure until the illuminance data is collected by operating the illuminance sensor and stored in the memory as one processing unit, and the procedure until the data stored in the memory is read and transmitted is set as another processing unit.
  • Another processing unit may be used.
  • the time required from the start of one processing unit to completion is shortened, and the amount of power required is reduced.
  • the first threshold value V1 (FIG. 4A) can be set low.
  • the time required for charging the storage element 11 (time from time t2 to time t4 in FIG. 4A) is shortened.
  • the self-supporting data collection device measures ambient temperature and humidity without receiving power from an external power source such as a commercial power source, and transmits the measured temperature data and humidity data to the data collection center 60. can do.
  • the temperature sensor and the humidity sensor are mounted as sensors. However, a sensor for measuring other physical quantities may be mounted.
  • FIG. 8 is a block diagram of an environmental energy evaluation apparatus according to the third embodiment.
  • An energy storage device 11, a voltage generation circuit 12, and an output switching circuit 15 are connected to the energy conversion device 10.
  • the configurations of the storage element 11, the voltage generation circuit 12, and the output switching circuit 15 are the same as the configurations of the storage element 11, the voltage generation circuit 12, and the output switching circuit 15 of the power generator according to the first embodiment shown in FIG. .
  • the energy conversion device 10 includes a receiving antenna 70 and a rectifier circuit 71.
  • the receiving antenna 70 receives radio waves, electromagnetic energy in the environment is changed to electric energy.
  • the alternating current generated by the receiving antenna 70 is rectified by the rectifier circuit 71.
  • the storage element 11 is charged by the current rectified by the rectifier circuit 71.
  • the magnitude of the charging current depends on the electric field strength at the position of the receiving antenna 70.
  • a power consuming unit 50 is connected to the output switching circuit 15.
  • the power consuming unit 50 converts the electric energy into energy that can be recognized by a human, for example, light energy having a wavelength range of visible light, sound wave energy having a frequency in an audible range, and the like.
  • FIG. 8 shows an example in which the power consumption unit 50 includes a light emitting diode 55.
  • the light emitting diode 55 emits light during the period when the output switching circuit 15 is in a valid state, and the light emitting diode 55 does not emit light during the period when the output switching circuit 15 is in an invalid state.
  • the light emitting diode 55 blinks by alternately repeating the valid state and the invalid state of the output switching circuit 15.
  • the period during which the output switching circuit 15 is in an effective state does not depend on the electric field strength at the position of the receiving antenna 70.
  • the period during which the output switching circuit 15 is in an invalid state becomes shorter as the electric field strength at the position of the receiving antenna 70 becomes stronger. That is, the blinking cycle of the light emitting diode 55 is shortened. For this reason, information regarding the electric field strength (environmental energy) at the position of the receiving antenna 70 is obtained from the blinking cycle of the light emitting diode 55. In this way, the power consumption unit 50 outputs information corresponding to the magnitude of environmental energy.
  • the wireless transmission device 75 transmits radio waves from the transmission antenna 76.
  • the frequency of the radio wave radiated from the transmitting antenna 76 is included in the operating frequency band of the receiving antenna 70. For this reason, the radio wave radiated from the transmission antenna 76 can be received by the reception antenna 70.
  • FIG. 9 shows the relationship between the change in electric field strength over time and the blinking timing of the light-emitting diode 55.
  • the horizontal axis represents elapsed time
  • the left vertical axis represents the electric field strength
  • the right vertical axis represents the presence or absence of light emission of the light emitting diode 55.
  • the broken line in FIG. 9 represents an example of the time change of the electric field strength
  • the vertical solid line represents an example of whether or not the light emitting diode 55 emits light.
  • the electric field strength changes with time according to the spatial electric field strength distribution.
  • the blinking period becomes relatively short.
  • the electric field strength of the radio wave radiated from the transmission antenna 76 can be evaluated from this blinking period.
  • the energy conversion device 10 When a photoelectric conversion element such as a solar cell is used as the energy conversion device 10, the light intensity at the position of the energy conversion device 10 can be evaluated. When a vibration power generator is used as the energy conversion device 10, the magnitude of vibration can be evaluated.
  • a sounding device such as a buzzer may be used as the power consuming unit 50.
  • the sound generation interval changes according to the magnitude of the environmental energy.

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Abstract

　エネルギ変換装置が、環境エネルギを収穫して発電を行う。エネルギ変換装置に接続された蓄電素子が、エネルギ変換装置で発電された電力によって充電される。蓄電素子に出力切替回路が接続されている。出力切替回路において、蓄電素子を放電させて外部に電力を出力する機能が作動している有効状態と、機能が停止している無効状態とが、電圧検出端子に印加されている電圧に基づいて切り替わる。蓄電素子の端子間に加わっている電源電圧に基づいて、電圧発生回路が電圧検出端子に電圧を印加する。電圧発生回路は、電源電圧の上昇時に、電源電圧の上昇に追随して上昇する電圧を電圧検出端子に印加し、電源電圧の下降時には、電源電圧の下降に追随せず、電源電圧の下降よりも緩やかに低下する電圧を電圧検出端子に印加する。この構成により、電源装置の低コスト化を図ることができる。

Description

電源装置、この電源装置を搭載した装置、及び環境エネルギ評価装置
　本発明は、エネルギハーベスティング技術により発電を行う電源装置、この電源装置を搭載した装置、及び環境エネルギ評価装置に関する。
　下記の特許文献１に、ソーラ充電器と二次電池との間にスイッチを設けた携帯電話機が開示されている。ソーラパネルの出力電圧をＣＰＵで監視し、必要に応じてＣＰＵがスイッチのオンオフ制御を行う。ソーラパネルの出力電圧が電圧閾値より低い場合には、スイッチをオフにすることにより、二次電池に蓄えられた電力の無駄な消費が抑制される。
　ソーラパネルの出力電圧が電圧閾値以上の場合には、二次電池の温度及び、携帯電話機の電子回路の消費電流によって、スイッチのオンオフが切り替えられる。二次電池の温度が温度閾値未満の時には、スイッチをオンにし、ソーラ充電器で発電された電力を、二次電池及び携帯電話機の電子回路に供給する。
　二次電池の温度が温度閾値以上であって、かつ電子回路の消費電流が電流閾値未満のとき、スイッチをオフにする。これにより、二次電池に充電電流が流れなくなり、二次電池の過度の温度上昇が抑制される。二次電池の温度が温度閾値以上であって、かつ電子回路の消費電流が電流閾値以上のとき、スイッチをオンにする。ソーラ充電器で発電された電力が、携帯電話機の電子回路に供給されるため、発電された電力を有効利用できるとともに、二次電池の電池残量の低下を抑制することができる。
特開２０１０－１７２０８８号公報
　特許文献１に開示された従来例においては、ＣＰＵが電圧や電流を検知して、検知結果に基づいてスイッチのオンオフ制御を行っている。このため、ＣＰＵを動作させるための電力が必要である。さらに、ＣＰＵを搭載する必要があるため、コスト低減を図ることが困難である。
　本発明の目的は、発電された電力によって蓄電素子が充電される状態と、蓄電素子から電力消費部に電力を供給する状態とを切り替えることが可能な電源装置の低コスト化を図ることである。
　本発明の一観点によると、
　環境エネルギを収穫して発電を行うエネルギ変換装置と、
　前記エネルギ変換装置に接続され、前記エネルギ変換装置で発電された電力によって充電される蓄電素子と、
　前記蓄電素子に接続され、前記蓄電素子を放電させて外部に電力を出力する機能が作動している有効状態と、前記機能が停止している無効状態とが、電圧検出端子に印加されている電圧に基づいて切り替わる出力切替回路と、
　前記蓄電素子の端子間に加わっている電源電圧に基づいて、前記電圧検出端子に電圧を印加する電圧発生回路と
を有し、
　前記電圧発生回路は、前記電源電圧の上昇時に、前記電源電圧の上昇に追随して上昇する電圧を前記電圧検出端子に印加し、前記電源電圧の下降時には、前記電源電圧の下降に追随せず、前記電源電圧の下降よりも緩やかに低下する電圧を前記電圧検出端子に印加する電源装置が提供される。
　上述の電源装置は、電源電圧に基づいて出力切替回路の有効状態と無効状態との切替を行うＣＰＵを必要としない。このため、ＣＰＵを搭載する電源装置に比べて、低コスト化、及び低消費電力化を図ることが可能になる。
　本発明の他の観点による電源装置においては、前記電圧発生回路は、容量素子と整流素子との直列接続回路を含み、前記電源電圧によって前記容量素子に充電電流が流れる向きが、前記整流素子の順方向に相当し、前記容量素子の端子間電圧に応じた電圧が前記電圧検出端子に印加される。
　電源電圧の上昇時には、電源電圧が整流素子を介して容量素子に印加される。このため、容量素子の端子間電圧が、電源電圧の上昇に追随して上昇する。電源電圧の下降時には、整流素子が逆方向にバイアスされるため、容量素子は整流素子を通して放電しない。容量素子は、出力切替回路の入力インピーダンスを介してゆっくり放電する。このため、容量素子の端子間電圧は、電源電圧の低下に追随せず、電源電圧の低下よりも緩やかに低下する。
　本発明のさらに他の観点による電源装置においては、
　前記出力切替回路が、
　イネーブル端子に入力される制御電圧に基づいて、前記出力切替回路の前記有効状態と前記無効状態とが切り替わり、前記有効状態のとき、出力端子に定格電圧を出力する降圧コンバータと、
　前記出力切替回路が前記無効状態のときに、前記電圧検出端子に印加されている電圧が第１閾値を超えると、前記イネーブル端子に、前記出力切替回路を前記有効状態とする制御電圧を印加し、前記出力切替回路が前記有効状態のときに、前記電圧検出端子に印加されている電圧が前記第１閾値より低い第２閾値を下回ると、前記イネーブル端子に、前記出力切替回路を前記無効状態とする制御電圧を印加する電圧検出回路と
を有する。
　本発明のさらに他の観点によると、
　供給される電力によって動作し、少なくとも１つの処理単位を繰り返し実行する電力消費部と
　環境エネルギを収穫して発電を行うエネルギ変換装置と、
　前記エネルギ変換装置に接続され、前記エネルギ変換装置で発電された電力によって充電される蓄電素子と、
　前記蓄電素子に接続され、前記蓄電素子を放電させて外部に電力を出力する機能が作動している有効状態と、前記機能が停止している無効状態とが、電圧検出端子に印加されている電圧に基づいて切り替わる出力切替回路と、
　前記蓄電素子の端子間に加わっている電源電圧に基づいて、前記電圧検出端子に電圧を印加する電圧発生回路と
を有し、
　前記電圧発生回路は、前記電源電圧の上昇時に、前記電源電圧の上昇に追随して上昇する電圧を前記電圧検出端子に印加し、前記電源電圧の下降時には、前記電源電圧の下降に追随せず、前記電源電圧の下降よりも緩やかに低下する電圧を前記電圧検出端子に印加することにより、前記電力消費部が実行する１つの前記処理単位が開始してから完了するまでの所要時間よりも長い時間、前記有効状態を維持する装置が提供される。
　電力消費部が、１つの処理単位を実行するために必要な電力量が、蓄電素子に蓄積される。少なくとも１つの処理単位が実行されると、蓄電素子が充電される。このため、エネルギ変換装置による発電電力が、電力消費部に要求される電力に比べて十分でない場合であっても、電力消費部によって少なくとも１つの処理単位を繰り返し実行することができる。
　本発明のさらに他の観点によると、
　供給される電力によって動作し、情報を出力する電力消費部と
　環境エネルギを収穫し、環境エネルギに応じた電力を生成するエネルギ変換装置と、
　前記エネルギ変換装置に接続され、前記エネルギ変換装置で発電された電力によって充電される蓄電素子と、
　前記蓄電素子に接続され、前記蓄電素子を放電させて前記電力消費部に電力を出力する機能が作動している有効状態と、前記機能が停止している無効状態とが、電圧検出端子に印加されている電圧に基づいて切り替わる出力切替回路と、
　前記蓄電素子の端子間に加わっている電源電圧に基づいて、前記電圧検出端子に電圧を印加する電圧発生回路と
を有し、
　前記電圧発生回路は、前記電源電圧の上昇時に、前記電源電圧の上昇に追随して上昇する電圧を前記電圧検出端子に印加し、前記電源電圧の下降時には、前記電源電圧の下降に追随せず、前記電源電圧の下降よりも緩やかに低下する電圧を前記電圧検出端子に印加することにより、前記エネルギ変換装置の発電電力に応じて、前記出力切替回路が前記無効状態となっている時間の長さを変化させる環境エネルギ評価装置が提供される。
　環境エネルギに応じてエネルギ変換装置の発電電力が変化し、発電電力に応じて、出力切替回路が無効状態となっている時間の長さが変化する。このため、環境エネルギに応じて、電力消費部から情報が出力される間隔が変化する。情報が出力される間隔によって、環境エネルギの大きさを評価することができる。
　上述の電源装置は、電源電圧に基づいて出力切替回路の有効状態と無効状態との切替を行うＣＰＵを必要としない。このため、ＣＰＵを搭載する電源装置に比べて、低コスト化、及び低消費電力化を図ることが可能になる。
図１は、実施例１による電源装置のブロック図である。 図２Ａは、電圧検出回路の等価回路図であり、図２Ｂは、電圧検出端子に印加されている電圧Ｖｉｎと、制御電圧Ｖｏｕｔとの関係を示すグラフである。 図３は、降圧コンバータに入力されている電源電圧Ｖｃｃと出力電圧Ｖｄｄとの関係を示すグラフである。 図４Ａは、電源電圧Ｖｃｃの時間変化を示すグラフであり、図４Ｂは、電圧検出端子の電圧Ｖｉｎの時間変化を示すグラフであり、図４Ｃは、出力切替回路の出力電圧Ｖｄｄの時間変化を示すグラフである。 図５は、電圧発生回路及び電圧検出回路の等価回路図である。 図６は、実施例２による自立型データ収集装置のブロック図である。 図７は、電源部から出力される出力電圧Ｖｄｄ、及び自立型データ収集装置からデータ収集センタへのデータ通信のタイミングチャートである。 図８は、実施例３による環境エネルギ評価装置のブロック図である。 図９は、電界強度の時間変化と、発光ダイオードの点滅のタイミングとの関係を示すグラフである。
　［実施例１］
　図１～図５を参照して、実施例１による電源装置について説明する。図１に、実施例１による電源装置のブロック図を示す。実施例１による電源装置は、エネルギ変換装置１０、蓄電素子１１、電圧発生回路１２、及び出力切替回路１５を含む。
　エネルギ変換装置１０は、周囲の環境からエネルギを収穫して電気エネルギを生成する。エネルギ変換装置１０として、太陽電池、振動発電装置、熱電発電素子等を用いることができる。太陽電池は、光エネルギを電気エネルギに変換する。振動発電装置は、振動エネルギを電気エネルギに変換する。熱電発電素子は、熱エネルギを電気エネルギに変換する。エネルギ変換装置１０の負極が接地されており、エネルギ変換装置１０の正極に電源線２０が接続されている。
　蓄電素子１１がエネルギ変換装置１０に接続されており、エネルギ変換装置１０で発電された電力によって、蓄電素子１１が充電される。蓄電素子１１には、例えばキャパシタ、より具体的にはタンタルコンデンサ等を用いることができる。蓄電素子１１の一方の電極が電源線２０に接続され、他方の電極が接地されている。電源線２０に印加される電源電圧Ｖｃｃは、蓄電素子１１の端子間電圧と等しい。
　電圧発生回路１２が、蓄電素子１１に並列に接続されている。電圧発生回路１２は、整流素子１３と容量素子１４との直列接続回路を含み、電源電圧Ｖｃｃに基づいて発生した電圧Ｖｉｎを、出力切替回路１５の電圧検出端子２２に印加する。整流素子１３には、例えばダイオードが用いられ、容量素子１４には、例えば積層セラミックコンデンサが用いられる。整流素子１３のアノードが電源線２０に接続され、容量素子１４が接地されている。電源電圧Ｖｃｃによって容量素子１４に充電電流が流れる向きが、整流素子１３の順方向に相当する。整流素子１３と容量素子１４との相互接続点、すなわち整流素子１３のカソードが、出力切替回路１５の電圧検出端子２２に接続されている。
　電源線２０が、出力切替回路１５の入力端子２１に接続されており、電源電圧Ｖｃｃが出力切替回路１５の入力端子２１に印加される。出力切替回路１５の出力端子２３に、電力消費部５０が接続されている。
　出力切替回路１５は、電力を出力する機能が作動している有効状態（イネーブル状態）と、機能が停止している無効状態（ディセーブル状態）との２つの状態を有する。電圧検出端子２２に印加されている電圧Ｖｉｎに基づいて、有効状態と無効状態とが切り替わる。出力切替回路１５は、有効状態のとき、蓄電素子１１を放電させて、出力切替回路１５の出力端子２３から電力消費部５０に電力を供給する。この電力により、電力消費部５０が動作する。出力切替回路１５が無効状態のとき、出力切替回路１５は蓄電素子１１を放電させない。このとき、エネルギ変換装置１０で発電された電力によって、蓄電素子１１が充電される。
　出力切替回路１５は、電圧検出回路１６及び降圧コンバータ１７を含む。電圧検出回路１６は、電圧検出端子２２に印加されている電圧Ｖｉｎに応じて、制御電圧Ｖｏｕｔを出力する。制御電圧Ｖｏｕｔが、降圧コンバータ１７のイネーブル端子ＥＮに入力される。出力切替回路１５の入力端子２１に印加された電源電圧Ｖｃｃが、降圧コンバータ１７に入力される。降圧コンバータ１７のイネーブル端子ＥＮに印加されている制御電圧Ｖｏｕｔのレベルに応じて、出力切替回路１５の有効状態と無効状態とが切り替わる。
　図２Ａに、電圧検出回路１６の等価回路図を示す。電圧検出回路１６は、電圧分圧回路３０、基準電圧源３１、ヒステリシスコンパレータ３２、及び出力ドライブトランジスタ３３を含む。電圧検出端子２２に印加される電圧Ｖｉｎが、電圧分圧回路３０によって分圧され、ヒステリシスコンパレータ３２の反転入力端子に印加される。基準電圧源３１により生成された基準電圧が、ヒステリシスコンパレータ３２の非反転入力端子に印加される。
　出力ドライブトランジスタ３３には、例えばＣＭＯＳ回路が用いられる。ヒステリシスコンパレータ３２の出力電圧が、出力ドライブトランジスタ３３の２つのトランジスタのゲート電極に印加される。２つのトランジスタの相互接続点が、制御電圧Ｖｏｕｔを出力する。
　図２Ｂに、電圧検出端子２２に印加されている電圧Ｖｉｎと、制御電圧Ｖｏｕｔとの関係を示す。横軸及び縦軸は、それぞれ電圧Ｖｉｎ及び制御電圧Ｖｏｕｔを表す。電圧Ｖｉｎと制御電圧Ｖｏｕｔとの関係は、ヒステリシス特性を有している。電圧Ｖｉｎが上昇するときには、電圧Ｖｉｎが第１閾値Ｖ１以下の範囲で、制御電圧Ｖｏｕｔが０Ｖであり、電圧Ｖｉｎが第１閾値Ｖ１を超えると、制御電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｉｎに一致する。電圧Ｖｉｎが下降するときには、電圧Ｖｉｎが第２閾値Ｖ２よりも高い範囲で、制御電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｉｎに一致する。電圧Ｖｉｎが第２閾値Ｖ２を下回ると、制御電圧Ｖｏｕｔが０Ｖになる。第２閾値Ｖ２は、第１閾値Ｖ１より低い。
　制御電圧Ｖｏｕｔのハイ（Ｈ）レベルとロー（Ｌ）レベルとの判定閾値Ｖｔｈが、第２閾値Ｖ２よりも低い値に設定されている。このため、電圧Ｖｉｎの上昇時には、電圧Ｖｉｎが第１閾値Ｖ１を超えた時点で、制御電圧ＶｏｕｔがＬレベルからＨレベルに切り替わり、電圧Ｖｉｎの下降時には、電圧Ｖｉｎが第２閾値Ｖ２を下回った時点で、制御電圧ＶｏｕｔがＨレベルからＬレベルに切り替わる。
　図３に、降圧コンバータ１７に入力されている電源電圧Ｖｃｃと出力電圧Ｖｄｄとの関係を示す。横軸は電源電圧Ｖｃｃを表し、縦軸は出力電圧Ｖｄｄを表す。降圧コンバータ１７のイネーブル端子ＥＮに印加されている制御電圧ＶｏｕｔがＬレベルのとき、降圧コンバータ１７は、電源電圧Ｖｃｃに依らず、出力電圧Ｖｄｄを０Ｖとする。すなわち、出力切替回路１５は無効状態である。
　降圧コンバータ１７のイネーブル端子ＥＮに印加されている制御電圧ＶｏｕｔがＨレベルのとき、降圧コンバータ１７が、電源電圧Ｖｃｃに基いて出力電圧Ｖｄｄを出力する。すなわち、出力切替回路１５は有効状態である。電源電圧Ｖｃｃが定格電圧Ｖｒ以下であれば、出力電圧Ｖｄｄは電源電圧Ｖｃｃとほぼ等しくなる。電源電圧Ｖｃｃが定格電圧Ｖｒ以上であれば、出力電圧Ｖｄｄは定格電圧Ｖｒにほぼ一致する。
　図４Ａ～図４Ｃを参照して、電源電圧Ｖｃｃ、電圧検出端子２２の電圧Ｖｉｎ、及び出力切替回路１５（降圧コンバータ１７）の出力電圧Ｖｄｄの時間変化の一例について説明する。図４Ａは、電源電圧Ｖｃｃの時間変化を表し、図４Ｂは、電圧検出端子２２の電圧Ｖｉｎの時間変化を表し、図４Ｃは、出力切替回路１５の出力電圧Ｖｄｄの時間変化を表す。初期状態では、電源電圧Ｖｃｃ、及び電圧検出端子２２の電圧Ｖｉｎが０Ｖである。このとき、制御電圧ＶｏｕｔはＬレベルである（図２Ｂ参照）。このため、出力切替回路１５は無効状態であり、その出力電圧Ｖｄｄは０Ｖである（図３参照）。
　出力切替回路１５が無効状態のとき、エネルギ変換装置１０で発電された電力によって蓄電素子１１が充電されるため、時間の経過とともに、電源電圧Ｖｃｃが上昇する（図４Ａ）。整流素子１３を介して容量素子１４も充電されるため、電源電圧Ｖｃｃの上昇に追随して、電圧検出端子２２の電圧Ｖｉｎも上昇する（図４Ｂ）。電圧検出端子２２の電圧Ｖｉｎは、電源電圧Ｖｃｃよりも、整流素子１３の順方向電圧降下分だけ低い。ダイオードの順方向電圧降下は僅かであるため、図４Ａ及び図４Ｂでは、順方向電圧降下をほぼ０Ｖと仮定している。すなわち、初期状態から時刻ｔ１までの期間は、電源電圧Ｖｃｃと電圧検出端子２２の電圧Ｖｉｎとは、ほぼ等しい。
　時刻ｔ１において、電圧検出端子２２の電圧Ｖｉｎが第１閾値Ｖ１（図２Ａ）に達する。これにより、出力切替回路１５が有効状態に切り替わり、蓄電素子１１の放電が開始される。蓄電素子１１が放電することにより、電源電圧Ｖｃｃ（図４Ａ）が低下するとともに、出力切替回路１５の出力端子２３に、図２Ｂに示した特性に基づく出力電圧Ｖｄｄが出力される（図４Ｃ）。
　電源電圧Ｖｃｃが低下し、電圧検出端子２２の電圧Ｖｉｎより低くなると、整流素子１３が逆方向にバイアスされる。このため、容量素子１４が整流素子１３を通して放電することはない。このため、容量素子１４の端子間電圧、すなわち電圧検出端子２２に印加されている電圧Ｖｉｎは、電源電圧Ｖｃｃの低下に追随しない。
　図５に、電圧発生回路１２及び電圧検出回路１６の等価回路図を示す。容量素子１４は、電圧検出回路１６の入力インピーダンス１８を通して放電する。電圧Ｖｉｎは、容量素子１４の静電容量と、入力インピーダンス１８の抵抗値とで定まる時定数で低下する。時刻ｔ１以降に電源電圧Ｖｃｃが低下する時定数に比べて、電圧Ｖｉｎが低下する時定数の方が小さくなるように、容量素子１４の静電容量及び入力インピーダンス１８の抵抗値が設定されている。このため、図４Ａ及び図４Ｂに示したように、電圧検出端子２２に印加されている電圧Ｖｉｎは、電源電圧Ｖｃｃよりも緩やかに低下する。
　図４Ｂに示すように、時刻ｔ２において、電圧検出端子２２の電圧Ｖｉｎが、第２閾値Ｖ２まで低下する。このとき、制御電圧ＶｏｕｔがＬレベルになり（図２Ｂ）、出力切替回路１５が無効状態に切り替わる。これにより、出力切替回路１５の出力電圧Ｖｄｄが０Ｖになる（図４Ｃ）。蓄電素子１１の放電が停止するため、蓄電素子１１の充電が再開し、電源電圧Ｖｃｃが上昇し始める（図４Ａ）。電圧検出端子２２の電圧Ｖｉｎは、時刻ｔ２以降も、緩やかに低下する（図４Ｂ）。
　時刻ｔ３において、電圧検出端子２２の電圧Ｖｉｎと、電源電圧Ｖｃｃとが一致する。その後は、容量素子１４が整流素子１３を介して充電されるため、電圧検出端子２２の電圧Ｖｉｎが、電源電圧Ｖｃｃの上昇に追随して上昇する（図４Ｂ）。時刻ｔ４において、電圧Ｖｉｎが第１閾値Ｖ１に到達すると、時刻ｔ１以降の電圧変化と同様の電圧変化が繰り返される。
　出力切替回路１５が有効状態になっている時間、すなわち時刻ｔ１からｔ２までの時間は、容量素子１４及び入力インピーダンス１８（図５）で定まる時定数、第１閾値Ｖ１、及び第２閾値Ｖ２に依存する。時刻ｔ２の時点で、電源電圧Ｖｃｃが定格電圧Ｖｒ（図３）まで低下しないように、有効状態の時間が設定されている。このような設定とすることにより、出力切替回路１５の出力電圧Ｖｄｄを、定格電圧Ｖｒに維持することができる（図４Ｃ）。
　実施例１による電源装置においては、出力切替回路１５が無効状態の期間に、エネルギ変換装置１０で発電された電力によって蓄電素子１１が充電される。出力切替回路１５が有効状態の期間に、蓄電素子１１が放電され、電力消費部５０に電力が供給される。このため、周囲の環境から収穫されるエネルギが微小であっても、電力消費部５０に、必要とされる電力を供給することが可能になる。出力切替回路１５が無効状態から有効状態に切り替わる時までに蓄電素子１１に蓄電される電力量を調整することにより、電力消費部５０への電力供給可能時間を調整することができる。蓄電素子１１に蓄電される電力量は、蓄電素子１１の静電容量、及び電圧検出回路１６の第１閾値Ｖ１の値により調整することができる。
　実施例１による電源装置は、電源電圧Ｖｃｃと判定基準電圧とを比較する演算処理を行い、比較結果に基づいてスイッチのオンオフ制御を行うためのＣＰＵを必要としない。このため、ＣＰＵを搭載する電源装置に比べて、低コスト化、及び低消費電力化を図ることが可能である。
　［実施例２］
　図６に、実施例２による自立型データ収集装置のブロック図を示す。実施例２による自立型データ収集装置は、電源部４０及び電力消費部５０を含む。電源部４０には、図１に示した実施例１による電源装置が用いられる。電力消費部５０は、温湿度センサ５１、中央処理装置（ＣＰＵ）５２、高周波回路５３、及びアンテナ５４を含む。
　電源部４０から電力消費部５０に電力が供給されると、ＣＰＵ５２が動作を開始する。ＣＰＵ５２は、温湿度センサ５１を制御することにより、温度データ及び湿度データを収集する。さらに、高周波回路５３を制御することにより、温度データ及び湿度データを、アンテナ５４から送信する。電力消費部５０から送信されたデータは、通信ネットワーク６１を経由してデータ収集センタ６０に収集される。
　電力消費部５０は、温湿度データを収集し、温湿度データを送信する手順を１つの処理単位（１サイクル）とし、この処理単位を繰り返し実行する。
　図７に、電源部４０から出力される出力電圧Ｖｄｄ、及び自立型データ収集装置からデータ収集センタ６０へのデータ通信のタイミングチャートを示す。電源部４０から断続的に定格電圧Ｖｒが出力される。定格電圧Ｖｒが出力されている期間に、電力消費部５０が、少なくとも１つの処理単位（１サイクルの手順）を実行する。すなわち、定格電圧Ｖｒが出力されている期間に、少なくとも１回、自立型データ収集装置からデータ収集センタ６０に温湿度データが送信される。
　電源部４０の出力切替回路１５が有効状態を継続する時間が、電力消費部５０が１つの処理単位を開始してから完了するまでの所要時間よりも長くなるように、電源部４０が設計されている。
　実施例２では、温湿度データを収集し、温湿度データを送信するまでの手順を１つの処理単位としたが、この手順を複数のサブ手順に分割し、各サブ手順を１つの処理単位としてもよい。例えば、温度センサを動作させて温度データを収集し、メモリに保存するまでの手順を１つの処理単位とし、湿度センサを動作させて湿度データを収集し、メモリに保存するまでの手順を他の１つの処理単位とし、照度センサを動作させて照度データを収集し、メモリに保存するまでの手順を他の１つの処理単位とし、メモリに保存されているデータを読み出して送信するまでの手順を他の１つの処理単位としてもよい。
　このように、１つの手順を複数のサブ手順に分割することにより、１つの処理単位を開始してから完了するまでの所要時間が短くなり、必要となる電力量が少なくなる。これにより、第１閾値Ｖ１（図４Ａ）を低く設定することが可能になる。その結果、蓄電素子１１の充電に要する時間（図４Ａの時刻ｔ２からｔ４までの時間）が短くなる。
　実施例２による自立型データ収集装置は、商用電源等の外部電源から電力の供給を受けることなく、周囲の温度及び湿度を測定し、測定された温度データ及び湿度データをデータ収集センタ６０に送信することができる。実施例２による自立型データ収集装置には、センサとして、温度センサ及び湿度センサが搭載されているが、他の物理量を測定するセンサを搭載してもよい。
　［実施例３］
　図８に、実施例３による環境エネルギ評価装置のブロック図を示す。エネルギ変換装置１０に、蓄電素子１１、電圧発生回路１２、及び出力切替回路１５が接続されている。蓄電素子１１、電圧発生回路１２、及び出力切替回路１５の構成は、図１に示した実施例１による発電装置の蓄電素子１１、電圧発生回路１２、及び出力切替回路１５の構成と同一である。
　エネルギ変換装置１０は、受信アンテナ７０及び整流回路７１を含む。受信アンテナ７０が電波を受信すると、環境中の電磁波エネルギが電気エネルギに変化される。受信アンテナ７０で発生した交流電流が整流回路７１で整流される。整流回路７１で整流された電流によって、蓄電素子１１が充電される。充電電流の大きさは、受信アンテナ７０の位置における電界強度に依存する。
　充電電流が大きくなると、蓄電素子１１の充電速度が速くなるため、図４Ａに示した時刻ｔ２からｔ４までの充電時間が短くなる。このため、図４Ｃに示した時刻ｔ２からｔ４までの、出力切替回路１５が無効状態になっている時間が短くなる。
　出力切替回路１５に電力消費部５０が接続されている。電力消費部５０は、電気エネルギを、人間が認識可能なエネルギ、例えば可視光の波長域を持つ光エネルギ、可聴域の周波数を持つ音波エネルギ等に変換する。図８では、電力消費部５０が発光ダイオード５５を含む例を示している。出力切替回路１５が有効状態になっている期間に、発光ダイオード５５が発光し、出力切替回路１５が無効状態になっている期間には、発光ダイオード５５は発光しない。出力切替回路１５の有効状態と無効状態とが交互に繰り返すことにより、発光ダイオード５５が点滅する。
　出力切替回路１５が有効状態になっている期間は、受信アンテナ７０の位置の電界強度に依存しない。出力切替回路１５が無効状態になっている期間は、受信アンテナ７０の位置の電界強度が強くなるにしたがって、短くなる。すなわち、発光ダイオード５５の点滅周期が短くなる。このため、発光ダイオード５５の点滅周期から、受信アンテナ７０の位置における電界強度（環境エネルギ）に関する情報が得られる。このように、電力消費部５０は、環境エネルギの大きさに応じた情報を出力する。
　無線送信装置７５が、送信アンテナ７６から電波を送信する。送信アンテナ７６から放射される電波の周波数は、受信アンテナ７０の動作周波数帯に含まれる。このため、送信アンテナ７６から放射された電波を受信アンテナ７０で受信することができる。
　図９に、電界強度の時間変化と、発光ダイオード５５の点滅のタイミングとの関係を示す。横軸は、経過時間を表し、左縦軸は電界強度を表し、右縦軸は発光ダイオード５５の発光の有無を表す。図９の破線は、電界強度の時間変化の一例を表し、縦の実線は、発光ダイオード５５の発光の有無の一例を表す。
　受信アンテナ７０の位置を移動させると、空間的な電界強度分布に応じて、電界強度が時間的に変化する。電界強度が強い時間帯において、点滅周期が相対的に短くなる。この点滅周期により、送信アンテナ７６から放射された電波の電界強度を評価することができる。
　エネルギ変換装置１０として、太陽電池等の光電変換素子を用いると、エネルギ変換装置１０の位置における光強度を評価することができる。エネルギ変換装置１０として、振動発電装置を用いると、振動の大きさを評価することができる。
　電力消費部５０として、ブザー等の発音装置を用いてもよい。この場合には、環境エネルギの大きさに応じて、発音の間隔が変化する。
　以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
１０　　　：エネルギ変換装置
１１　　　：蓄電素子
１２　　　：電圧発生回路
１３　　　：整流素子
１４　　　：容量素子
１５　　　：出力切替回路
１６　　　：電圧検出回路
１７　　　：降圧コンバータ
１８　　　：入力インピーダンス
２０　　　：電源線
２１　　　：入力端子
２２　　　：電圧検出端子
２３　　　：出力端子
３０　　　：電圧分圧回路
３１　　　：基準電圧源
３２　　　：ヒステリシスコンパレータ
３３　　　：出力ドライブトランジスタ
４０　　　：電源部
５０　　　：電力消費部
５１　　　：温湿度センサ
５２　　　：ＣＰＵ
５３　　　：高周波回路
５４　　　：アンテナ
５５　　　：発光ダイオード
６０　　　：データ収集センタ
６１　　　：通信ネットワーク
７０　　　：受信アンテナ
７１　　　：整流回路
７５　　　：無線送信装置
７６　　　：送信アンテナ
ＥＮ　　　：イネーブル端子
Ｖ１　　　：第１閾値
Ｖ２　　　：第２閾値
Ｖｃｃ　　：電源電圧
Ｖｄｄ　　：出力電圧
Ｖｉｎ　　：電圧
Ｖｏｕｔ　：制御電圧
Ｖｒ　　　：定格電圧
Ｖｔｈ　　：判定閾値

Claims (5)

  1. 　環境エネルギを収穫して発電を行うエネルギ変換装置と、
    　前記エネルギ変換装置に接続され、前記エネルギ変換装置で発電された電力によって充電される蓄電素子と、
    　前記蓄電素子に接続され、前記蓄電素子を放電させて外部に電力を出力する機能が作動している有効状態と、前記機能が停止している無効状態とが、電圧検出端子に印加されている電圧に基づいて切り替わる出力切替回路と、
    　前記蓄電素子の端子間に加わっている電源電圧に基づいて、前記電圧検出端子に電圧を印加する電圧発生回路と
    を有し、
    　前記電圧発生回路は、前記電源電圧の上昇時に、前記電源電圧の上昇に追随して上昇する電圧を前記電圧検出端子に印加し、前記電源電圧の下降時には、前記電源電圧の下降に追随せず、前記電源電圧の下降よりも緩やかに低下する電圧を前記電圧検出端子に印加する電源装置。
  2. 　前記電圧発生回路は、容量素子と整流素子との直列接続回路を含み、前記電源電圧によって前記容量素子に充電電流が流れる向きが、前記整流素子の順方向に相当し、前記容量素子の端子間電圧に応じた電圧が前記電圧検出端子に印加される請求項１に記載の電源装置。
  3. 　前記出力切替回路は、
    　イネーブル端子に入力される制御電圧に基づいて、前記出力切替回路の前記有効状態と前記無効状態とが切り替わり、前記有効状態のとき、出力端子に定格電圧を出力する降圧コンバータと、
    　前記出力切替回路が前記無効状態のときに、前記電圧検出端子に印加されている電圧が第１閾値を超えると、前記イネーブル端子に、前記出力切替回路を前記有効状態とする制御電圧を印加し、前記出力切替回路が前記有効状態のときに、前記電圧検出端子に印加されている電圧が前記第１閾値より低い第２閾値を下回ると、前記イネーブル端子に、前記出力切替回路を前記無効状態とする制御電圧を印加する電圧検出回路と
    を有する請求項１または２に記載の電源装置。
  4. 　供給される電力によって動作し、少なくとも１つの処理単位を繰り返し実行する電力消費部と
    　環境エネルギを収穫して発電を行うエネルギ変換装置と、
    　前記エネルギ変換装置に接続され、前記エネルギ変換装置で発電された電力によって充電される蓄電素子と、
    　前記蓄電素子に接続され、前記蓄電素子を放電させて外部に電力を出力する機能が作動している有効状態と、前記機能が停止している無効状態とが、電圧検出端子に印加されている電圧に基づいて切り替わる出力切替回路と、
    　前記蓄電素子の端子間に加わっている電源電圧に基づいて、前記電圧検出端子に電圧を印加する電圧発生回路と
    を有し、
    　前記電圧発生回路は、前記電源電圧の上昇時に、前記電源電圧の上昇に追随して上昇する電圧を前記電圧検出端子に印加し、前記電源電圧の下降時には、前記電源電圧の下降に追随せず、前記電源電圧の下降よりも緩やかに低下する電圧を前記電圧検出端子に印加することにより、前記電力消費部が実行する１つの前記処理単位が開始してから完了するまでの所要時間よりも長い時間、前記有効状態を維持する装置。
  5. 　供給される電力によって動作し、情報を出力する電力消費部と
    　環境エネルギを収穫し、環境エネルギに応じた電力を生成するエネルギ変換装置と、
    　前記エネルギ変換装置に接続され、前記エネルギ変換装置で発電された電力によって充電される蓄電素子と、
    　前記蓄電素子に接続され、前記蓄電素子を放電させて前記電力消費部に電力を出力する機能が作動している有効状態と、前記機能が停止している無効状態とが、電圧検出端子に印加されている電圧に基づいて切り替わる出力切替回路と、
    　前記蓄電素子の端子間に加わっている電源電圧に基づいて、前記電圧検出端子に電圧を印加する電圧発生回路と
    を有し、
    　前記電圧発生回路は、前記電源電圧の上昇時に、前記電源電圧の上昇に追随して上昇する電圧を前記電圧検出端子に印加し、前記電源電圧の下降時には、前記電源電圧の下降に追随せず、前記電源電圧の下降よりも緩やかに低下する電圧を前記電圧検出端子に印加することにより、前記エネルギ変換装置の発電電力に応じて、前記出力切替回路が前記無効状態となっている時間の長さを変化させる環境エネルギ評価装置。
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