JP5986846B2 - ハイブリッドハーベストモジュールの制御回路、それを用いた発電回路、電子機器、無線センサ - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッドハーベスト素子を用いた発電回路に関する。

高所、遠隔地、人体内をはじめとするさまざまな箇所の状態をモニタするために無線センサが利用される。たとえば温度測定用の無線センサは、温度を測定する温度センサと、温度センサにより測定された温度データを、外部に送信するための無線ユニットと、を含む。無線ユニットを動作させるためには電源が必要とされるところ、電源に電池を利用すると電池の交換などのメンテナンスが必要となることから、無線センサでは、電力源としてエネルギーハーベスト素子が利用される場合がある。

特開平５−３０６４１号公報 国際公開第０８／００１６４４号パンフレット 実開昭５３−１１４０２９号公報

エネルギーハーベスト素子のひとつとして、光エネルギーと熱エネルギーなど、複数の異なる環境エネルギーを電気エネルギーに変換可能なハイブリッドハーベスト素子が開発されている。こうしたハイブリッドハーベスト素子は、環境エネルギーごとに、起電力が異なり、および／または、起電力が発生する端子が異なる場合がある。

本発明は係る状況に課題に鑑みてなされたものあり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、負荷に電力を安定供給可能なハイブリッドハーベストモジュールの制御回路の提供にある。

本発明のある態様は、ハイブリッドハーベストモジュールの制御回路に関する。ハイブリッドハーベストモジュールは、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のハイブリッドハーベスト素子を含む。Ｎ個のハイブリッドハーベスト素子はそれぞれ、第１端子、第２端子、第３端子を有し、第１の環境エネルギーに応じて、第１端子と第２端子の間に起電力を発生し、第２の環境エネルギーに応じて、第１端子と第３端子の間に起電力を発生するよう構成される。制御回路は、１番目のハイブリッドハーベスト素子の第１端子と接続される第１ラインと、第２ラインと、オン、オフ状態が切りかえ可能に構成され、オン状態において、Ｎ個のハイブリッドハーベスト素子それぞれの第１端子を第１ラインと接続し、Ｎ個のハイブリッドハーベスト素子それぞれの第２端子を第２ラインと接続する第１スイッチ群と、オン、オフ状態が切りかえ可能に構成され、オン状態において、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ−１）のハイブリッドハーベスト素子の第３端子をｉ＋１番目のハイブリッドハーベスト素子の第１端子と接続するとともに、Ｎ番目のハイブリッドハーベスト素子の第３端子を第２ラインと接続する第２スイッチ群と、１番目のハイブリッドハーベスト素子の第２端子の電位にもとづいて、第１スイッチ群および第２スイッチ群を制御するスイッチコントローラと、を備える。

この態様によると、ハイブリッドハーベスト素子の発電状況に応じて、複数のハイブリッドハーベスト素子の接続形態を適切に切りかえることができ、負荷に安定的に電力を供給できる。

本発明の別の態様は、発電回路に関する。発電回路は、ハイブリッドハーベスト素子と、ハイブリッドハーベスト素子からの電圧を受ける上述の制御回路と、を備える。

本発明の別の態様は、電子機器に関する。電子機器は、上述の発電回路を備える。

本発明の別の態様は、無線センサに関する。無線センサは、センサ素子と、マイクロコントローラと、無線ユニットと、上述の発電回路と、を備える。
発電回路は、その出力段に蓄電手段を有してもよい。マイクロコントローラは、蓄電手段の電圧に応じて、無線ユニットによる通信の頻度を変化させてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、ハイブリッドハーベスト素子の発電状況に応じて、複数のハイブリッドハーベスト素子の接続形態を適切に切りかえることができる。

実施の形態に係る発電回路の構成を示すブロック図である。 スイッチコントローラの構成例を示す回路図である。 発電回路の動作を示す波形図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、発電回路を備える無線センサのブロック図および利用形態を示す図である。 発電回路を備える電子機器のブロック図である。 第１の変形例に係る発電回路の構成を示す回路図である。 第３の変形例に係る発電回路の一部を示す回路図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、実施の形態に係る発電回路２の構成を示すブロック図である。発電回路２は負荷４と接続され、負荷４に電源電圧Ｖ_ＤＤを供給する。

発電回路２は、ハイブリッドハーベストモジュール２００、制御回路１００および蓄電手段３００を備える。

ハイブリッドハーベストモジュール２００は、複数のＮ個（Ｎは２以上の整数）のハイブリッドハーベスト素子２０２＿１〜２０２＿Ｎを備える。本実施の形態ではＮ＝３の場合を示すが、Ｎは任意である。

ハイブリッドハーベスト素子２０２はそれぞれ、第１端子Ｐ１、第２端子Ｐ２、第３端子Ｐ３を有する。ハイブリッドハーベスト素子２０２は、第１の環境エネルギーに応じて、第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２の間に第１起電力Ｖ１を発生し、第２の環境エネルギーに応じて、第１端子Ｐ１と第３端子Ｐ３の間に第２起電力Ｖ２を発生するよう構成される。

たとえば第１の環境エネルギーは光エネルギーであり、第２の環境エネルギーは熱である。このようなハイブリッドハーベスト素子２０２は、Ｐ型半導体２０４とＮ型半導体２０６の接合によって構成することができる。第１端子Ｐ１と第３端子Ｐ３は、Ｐ型半導体２０４の両端に設けられ、第２端子Ｐ２はＮ型半導体２０６に設けられる。なおハイブリッドハーベスト素子２０２の種類、構造は特に限定されず、公知の、あるいは将来利用可能なものを用いればよい。

本実施の形態において、第１環境エネルギーに応じた第１起電力Ｖ１は、第２環境エネルギーに応じた第２起電力Ｖ２よりも大きいものとする。

制御回路１００は、ハイブリッドハーベストモジュール２００と接続され、ハイブリッドハーベストモジュール２００からの起電力を受け、負荷４に電力を供給し、および／または蓄電手段３００を充電する。

具体的には、第１環境エネルギーが与えられ、ハイブリッドハーベストモジュール２００が第１起電力Ｖ１を生成するときには、複数のハイブリッドハーベスト素子２０２を並列に接続する。このときのハイブリッドハーベストモジュール２００の実効的な起電力はＶ１となる。また第１環境エネルギーが与えられないが、第２環境エネルギーが与えられ、ハイブリッドハーベストモジュール２００が第２起電力Ｖ２を生成するときには、複数のハイブリッドハーベスト素子２０２を直列に接続する。このときのハイブリッドハーベストモジュール２００の実効的な起電力はＶ２×Ｎとなる。ハイブリッドハーベスト素子２０２の個数Ｎは、Ｖ１≒Ｎ×Ｖ２となるように決めてもよい。

制御回路１００は、第１ラインＬ１、第２ラインＬ２、第１スイッチ群ＳＷ１、第２スイッチ群ＳＷ２、スイッチコントローラ１１０、昇圧回路１２０、第１ダイオードＤ１を備える。制御回路１００は、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。回路を１つのＩＣ（Integrated Circuit）として集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。

第１ラインＬ１は、固定電圧ラインであり、１番目のハイブリッドハーベスト素子２０２＿１の第１端子Ｐ１と接続される。第１ラインＬ１は接地されてもよい。

第１スイッチ群ＳＷ１は、複数の第１スイッチＳＷ１＿１〜ＳＷ１＿５を含む。第１スイッチ群ＳＷ１は、オン、オフ状態が切りかえ可能に構成され、オン状態において、Ｎ個のハイブリッドハーベスト素子２０２それぞれの第１端子Ｐ１を第１ラインＬ１と接続し、Ｎ個のハイブリッドハーベスト素子２０２それぞれの第２端子Ｐ２を第２ラインＬ２と接続する。具体的には、第１スイッチＳＷ１＿４、ＳＷ１＿５によって、第１端子Ｐ１が第１ラインＬ１と接続され、第１スイッチＳＷ１＿１〜ＳＷ１＿３によって、第２端子Ｐ２が第２ラインＬ２と接続される。第１スイッチ群ＳＷ１がオンのとき、ハイブリッドハーベスト素子２０２＿１〜２０２＿Ｎは、第１ラインＬ１と第２ラインＬ２の間に並列に接続される。

第２スイッチ群ＳＷ２は、複数の第２スイッチＳＷ２＿１〜ＳＷ２＿３を含む。第２スイッチ群ＳＷ２は、オン、オフ状態が切りかえ可能に構成され、オン状態において、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ−１）のハイブリッドハーベスト素子２０２＿ｉの第３端子Ｐ３をｉ＋１番目のハイブリッドハーベスト素子２０２＿ｉ＋１の第１端子Ｐ１と接続するとともに、Ｎ番目のハイブリッドハーベスト素子２０２＿Ｎの第３端子Ｐ３を第２ラインＬ２と接続する。具体的には、第２スイッチＳＷ２＿ｉによって、素子２０２＿ｉの第３端子Ｐ３が素子２０２＿ｉ＋１の第１端子Ｐ１と接続され、第２スイッチＳＷ２＿Ｎによって、素子２０２＿Ｎの第３端子Ｐ３が第２ラインＬ２と接続される。第２スイッチ群ＳＷ２がオンのとき、ハイブリッドハーベスト素子２０２＿１〜２０２＿Ｎは、第１ラインＬ１と第２ラインＬ２の間に直列に接続される。

スイッチコントローラ１１０は、１番目のハイブリッドハーベスト素子２０２＿１の第２端子Ｐ２の電位（検出電圧Ｖ_ＤＥＴという）にもとづいて、第１スイッチ群ＳＷ１および第２スイッチ群ＳＷ２を制御する。具体的には、第２端子Ｐ２に起電力Ｖ１が発生しているときには、第１スイッチ群ＳＷ１をオン、第２スイッチ群ＳＷ２をオフし、第２端子Ｐ２に起電力Ｖ１が発生していないときには、第１スイッチ群ＳＷ１をオフ、第２スイッチ群ＳＷ２をオンする。

より具体的には、スイッチコントローラ１１０は、ハイブリッドハーベスト素子２０２＿１の第２端子Ｐ２の電位Ｖ_ＤＥＴが所定のしきい値電圧Ｖｔｈより高いときに、第１スイッチ群ＳＷ１をオン、第２スイッチ群ＳＷ２をオフし、第２端子Ｐ２の電位Ｖ_ＤＥＴがしきい値電圧Ｖｔｈより低いときに、第１スイッチ群ＳＷ１をオフ、第２スイッチ群ＳＷ２をオンする。

昇圧回路１２０は、第１ラインＬ１と第２ラインＬ２の間の電圧Ｖ３を昇圧し、電源電圧Ｖ_ＤＤを生成する。昇圧回路１２０の出力端子には、電気二重層コンデンサ、あるいは２次電池などの蓄電手段３００を設けることが好ましい。この場合、昇圧回路１２０は蓄電手段３００の充電回路と把握することができる。

第１ダイオードＤ１は、そのアノードが１番目のハイブリッドハーベスト素子２０２＿１の第２端子Ｐ２と接続され、そのカソードが昇圧回路１２０の出力端子、言い換えれば蓄電手段３００と接続される。

スイッチコントローラ１１０の電源端子１１２には、昇圧回路１２０の出力電圧Ｖ_ＤＤが供給される。図２は、スイッチコントローラ１１０の構成例を示す回路図である。スイッチコントローラ１１０は、電源端子１１２、トランジスタＭ１、抵抗Ｒ１、第１インバータ１１４、第２インバータ１１６を備える。

電源端子１１２には、昇圧回路１２０の出力電圧Ｖ_ＤＤが供給される。トランジスタＭ１のゲートは、１番目のハイブリッドハーベスト素子２０２＿１の第２端子Ｐ２と接続され、検出電圧Ｖ_ＤＥＴが入力される。トランジスタＭ１のソースは第１ラインＬ１と接続される。抵抗Ｒ１は、トランジスタＭ１のドレインと電源端子１１２の間に設けられる。スイッチコントローラ１１０は、トランジスタＭ１のドレインがローレベルのとき、第１スイッチ群ＳＷ１をオン、第２スイッチ群ＳＷ２をオフし、ハイレベルのとき、第１スイッチ群ＳＷ１をオフ、第２スイッチ群ＳＷ２をオンする。

ハイブリッドハーベストモジュール２００が、第１の環境エネルギーに応じて起電力Ｖ１を発生すると、検出電圧Ｖ_ＤＥＴが大きくなる。そして検出電圧Ｖ_ＤＥＴがトランジスタＭ１のゲートソース間しきい値電圧Ｖｔｈより高くなると、トランジスタＭ１がオンし、トランジスタＭ１のドレインがローレベルとなる。検出電圧Ｖ_ＤＥＴがトランジスタＭ１のゲートソース間しきい値電圧Ｖｔｈより低いとき、トランジスタＭ１はオフし、トランジスタＭ１のドレインがハイレベルとなる。トランジスタＭ１と抵抗Ｒ１を用いることで、電源電圧Ｖ_ＤＤが低い状況においても、電圧比較が可能となる。

トランジスタＭ１は、ＭＯＳＦＥＴに代えて、バイポーラトランジスタを用いてもよい。この場合、ゲートをベース、ソースをエミッタ、ドレインをコレクタと読み替えればよく、しきい値は、バイポーラトランジスタのベースエミッタ間の順方向電圧Ｖｂｅ＝０．７Ｖとなる。なお、電圧Ｖ_ＤＤに十分高い電圧レベルが保証される場合、トランジスタＭ１と抵抗Ｒ１のセットに代えて、コンパレータを用いてもよい。

第１インバータ１１４は、トランジスタＭ１のドレインを反転し、第１スイッチ群ＳＷ１に出力する。第１スイッチ群ＳＷ１は、第１インバータ１１４の出力である制御信号Ｓ１がハイレベルのときオンする。第２インバータ１１６は、第１インバータ１１４の出力を反転し、第２スイッチ群ＳＷ２に出力する。第２スイッチ群ＳＷ２は、第２インバータ１１６の出力である制御信号Ｓ２がハイレベルのときオンする。なお、スイッチのオン、オフと、制御信号のハイレベル、ローレベルの割り当ては任意であり、必要に応じて適宜反転すればよい。

以上が発電回路２の構成である。続いてその動作を説明する。図３は、発電回路２の動作を示す波形図である。

１． 第１の環境エネルギーが大きい場合（ｔ＜ｔ０）
このときハイブリッドハーベストモジュール２００の複数のハイブリッドハーベスト素子２０２は、それぞれの第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２の間に、起電力Ｖ１を発生する。このとき、ハイブリッドハーベスト素子２０２＿１の第２端子Ｐ２の電位Ｖ_ＤＥＴが高くなり、スイッチコントローラ１１０は、第１スイッチ群ＳＷ１をオン、第２スイッチ群ＳＷ２をオフする。

その結果、複数のハイブリッドハーベスト素子２０２＿１〜２０２＿３が第１ラインＬ１と第２ラインＬ２の間に並列に接続され、昇圧回路１２０に起電力Ｖ１と等しい電圧Ｖ３が入力される。昇圧回路１２０は、電圧Ｖ３を昇圧し、蓄電手段３００を充電し、および／または、負荷４に電源電圧Ｖ_ＤＤを供給する。

２． 第１の環境エネルギーが小さい場合（ｔ０＜ｔ）
このとき、ハイブリッドハーベスト素子２０２＿１が発生する起電力Ｖ１が小さくなるため、検出電圧Ｖ_ＤＥＴが低くなり、スイッチコントローラ１１０は、第２スイッチ群ＳＷ２をオン、第１スイッチ群ＳＷ１をオフする。その結果、複数のハイブリッドハーベスト素子２０２＿１〜２０２＿３が第１ラインＬ１と第２ラインＬ２の間に直列に接続される。

ｔ０＜ｔ＜ｔ１の期間は、第２の環境エネルギーが小さく、複数のハイブリッドハーベスト素子２０２＿１〜２０２＿３の起電力Ｖ２はゼロであり、昇圧回路１２０の入力電圧Ｖ３もゼロとなる。

ｔ１＜ｔの期間、第２の環境エネルギーが大きくなると、ハイブリッドハーベスト素子２０２＿１〜２０３＿３それぞれが、第１端子Ｐ１と第３端子Ｐ３の間に起電力Ｖ２を発生する。その結果、昇圧回路１２０には、入力電圧Ｖ３＝Ｖ２×３が入力される。

以上が発電回路２の動作である。
発電回路２によれば、複数のハイブリッドハーベスト素子２０２のうち、１番目のハイブリッドハーベスト素子２０２＿１を、第１の環境エネルギーに対するセンサとして使用することにより、第１の環境エネルギーが発生しているときには、起電力Ｖ１にもとづいて負荷４を駆動し、もしくは蓄電手段３００を充電できる。また第１の環境エネルギーが発生していない場合であっても、第２の環境エネルギーが発生しているときには、起電力Ｖ２にもとづいて負荷４を駆動し、もしくは蓄電手段３００を充電できる。

つまり、ハイブリッドハーベストモジュール２００のハイブリッドハーベスト素子２０２の接続形態を、ハイブリッドハーベストモジュール２００が受ける環境エネルギーに応じて適応的に、自動的に変更することができる。

また、第１ダイオードＤ１を設けたことにより以下の利点を有する。
蓄電手段３００の電力が枯渇した状態では、電源電圧Ｖ_ＤＤが低下し、スイッチコントローラ１１０および昇圧回路１２０が動作不能となる。第１ダイオードＤ１を設けない場合には、ハイブリッドハーベストモジュール２００が起電力Ｖ１を発生していても、昇圧回路１２０が動作不能であれば、負荷４に電源電圧Ｖ_ＤＤを供給できず、あるいは蓄電手段３００を充電できない。これに対して、第１ダイオードＤ１を設けることにより、昇圧回路１２０が動作不能であっても、ハイブリッドハーベスト素子２０２＿１が発生した第１起電力Ｖ１を、第１ダイオードＤ１を経由して負荷４あるいは蓄電手段３００に供給することができる。

また、スイッチコントローラ１１０が動作不能となると、起電力Ｖ１が発生しているにもかかわらず、第１スイッチ群ＳＷ１がオンしない状況が生じうる。第１ダイオードＤ１を設けることにより、第１スイッチ群ＳＷ１がオフ状態でも、ハイブリッドハーベスト素子２０２＿１の起電力Ｖ１によって、第１ダイオードＤ１を介して負荷４を駆動できる。また、起電力Ｖ１によって蓄電手段３００を充電できるため、電源電圧Ｖ_ＤＤが上昇し、やがてスイッチコントローラ１１０および昇圧回路１２０が動作可能とすることができる。

続いて発電回路２の用途を説明する。
図４（ａ）、（ｂ）は、発電回路２を備える無線センサのブロック図および利用形態を示す図である。

無線センサ６００は、発電回路２、センサ素子６０２、マイクロコントローラ６０４、無線ユニット６０６を備える。

無線センサ６００は、それが設置される箇所の周囲の状態、たとえば温度、消費電力、圧力、振動、変位、加速度などをモニタし、遠隔して配置される管理デバイスに、モニタ結果を送信する。無線センサ６００は、図４（ｂ）に示すようなビル管理システム（ＢＥＭＳ：Building and Energy Management System）に利用できる。この場合、複数の無線センサ６００が、ビル６５０の部屋ごと、もしくはフロアごとに配置される。
図４（ａ）の無線センサ６００は、工場エネルギー管理システム（Factory Energy Management System）、地殻変動の検知システム、地震予測システム、道路や橋梁のセンサ、人体内、あるいは動物体内のヘルスモニタなどにも利用可能である。

センサ素子６０２は、無線センサ６００のセンシングの対象となる特性、すなわち温度、消費電力、圧力、振動、変位、加速度などを測定する。マイクロコントローラ６０４は、センサ素子６０２の測定値を受け、必要に応じた信号処理を行い、無線ユニット６０６に送信する。無線ユニット６０６は、測定値に応じたＲＦ信号を送信する。

かかる無線センサ６００において、発電回路２は、センサ素子６０２、マイクロコントローラ６０４、無線ユニット６０６に対して電力を供給する。

ここで、発電回路２の出力段には、図１に示すように蓄電手段３００が設けられている。ハイブリッドハーベストモジュール２００の発電は、環境エネルギーに依存するため、ハイブリッドハーベストモジュール２００が発電不能な状況が持続すると、蓄電手段３００のエネルギーが枯渇する。

そこでマイクロコントローラ６０４は、蓄電手段３００の残量を監視し、その結果に応じて無線センサ６００の動作を制御してもよい。一般的には、無線センサ６００の中では、無線ユニット６０６の消費電力が最も大きい。そこで無線センサ６００は、蓄電手段３００の残量が小さい状態では、無線ユニット６０６による通信の頻度を低下させ、言い換えれば時間間隔を長くしてもよい。

無線ユニット６０６による通信を行わない期間、マイクロコントローラ６０４は、センサ６０２による測定値のログを保持してもよい。

図５は、発電回路２を備える電子機器のブロック図である。電子機器７００は、たとえば携帯電話端末、腕時計、ポータブルオーディオプレイヤなどである。電子機器７００は、プロセッサ７０２、ディスプレイ７０４を備える。発電回路２は、プロセッサ７０２やディスプレイ７０４に電力を供給する。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（第１の変形例）
図６は、第１の変形例に係る発電回路２ａの構成を示す回路図である。制御回路１００ａは、図１の昇圧回路１２０に代えて、第２ダイオードＤ２を備える。ハイブリッドハーベストモジュール２００により生成される電圧Ｖ３が、負荷４を駆動するのに足るレベルである場合、昇圧回路１２０は不要である。図６の制御回路１００ａによれば、図１の制御回路１００と同様に、ハイブリッドハーベストモジュール２００の発電状況に応じて、負荷４あるいは蓄電手段３００に電力を供給できる。

（第２の変形例）
図１あるいは図６の発電回路２において、負荷４が環境エネルギーが与えられた状況下でのみ動作すればよい場合、蓄電手段３００は省略してもよい。

（第３の変形例）
図７は、第３の変形例に係る発電回路２の一部を示す回路図である。昇圧回路１２０は、昇圧型のスイッチングレギュレータであり、インダクタＬ１１、スイッチングトランジスタＭ１１、同期整流トランジスタＭ１２、出力キャパシタＣ１１、スイッチングコントローラ１２４、を備える。この構成は一般的であるため説明を省略する。

さらに昇圧回路１２０は、同期整流トランジスタＭ１３、補助キャパシタＣ１２、補助スイッチＳＷ１１、電源ラインＬ３を備える。トランジスタＭ１１〜Ｍ１３、スイッチＳＷ１１、スイッチングコントローラ１２４は、ひとつのコントロールＩＣ１２２に集積化される。

補助キャパシタＣ１２の容量は、出力キャパシタＣ１１の容量よりも小さい。電源ラインＬ３は、補助キャパシタＣ１２と接続される。補助スイッチＳＷ１１は、電源ラインＬ３と昇圧回路１２２の出力端子、すなわち出力キャパシタＣ１１の間に設けられる。補助スイッチＳＷ１１は、昇圧回路１２０の起動時にオンする。スイッチングコントローラ１２４には、電源ラインＬ３の電圧Ｖ_Ｃ１２が内部電源電圧として供給される。

補助スイッチＳＷ１１がオンすると、出力キャパシタＣ１１の残留電荷、あるいは、昇圧回路１２０と負荷４の間の蓄電手段３００の電荷が、補助キャパシタＣ１２に供給され、電源ラインＬ３の内部電源電圧Ｖ_Ｃ１２が上昇する。その結果、スイッチングコントローラ１２４が動作可能となり、スイッチングトランジスタＭ１１、同期整流トランジスタＭ１２、Ｍ１３を駆動可能となる。

第１ダイオードＤ１は、ハイブリッドハーベストモジュール２００の内部の１番目のハイブリッドハーベスト素子の第２端子と、補助キャパシタＣ１２の一端の間に、アノードがハイブリッドハーベストモジュール２００の第２端子側となる向きで設けられる。

スイッチコントローラ１１０（図７には不図示）の電源電圧は、補助キャパシタＣ１２から供給される。

蓄電手段３００の電力が枯渇した状態では、電源電圧Ｖ_ＤＤが低下している。このとき、補助スイッチＳＷ１１がオンしても、電源ラインＬ３の内部電源電圧Ｖ_Ｃ１２が上昇せず、スイッチングコントローラ１２４およびスイッチコントローラ１１０の電源電圧が不足し、スイッチコントローラ１１０および昇圧回路１２０が動作不能となる。

第１ダイオードＤ１を設けたことにより、昇圧回路１２０が動作不能であっても、ハイブリッドハーベスト素子２０２＿１が発生した第１起電力Ｖ１によって、第１ダイオードＤ１を経由して補助キャパシタＣ１２を充電できる。その結果、内部電源電圧Ｖ_Ｃ１２が上昇し、スイッチングコントローラ１２４が動作可能となり、昇圧動作が開始し、出力電圧Ｖ_ＤＤが上昇する。

また、スイッチコントローラ１１０が動作不能となると、起電力Ｖ１が発生しているにもかかわらず、第１スイッチ群ＳＷ１がオンしない状況が生じうる。第１ダイオードＤ１を設けることにより、第１スイッチ群ＳＷ１がオフ状態でも、補助キャパシタＣ１２を充電でき、さらに補助スイッチＳＷ１１を介して出力キャパシタＣ１１を充電できるため、ハイブリッドハーベスト素子２０２＿１の起電力Ｖ１によって、第１ダイオードＤ１を介して負荷４を駆動できる。

第３の変形例において、同期整流トランジスタに代えて整流用のダイオードを用いてもよい。また、インダクタＬ１１に代えてトランスを設け、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータを構成してもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

２…発電回路、４…負荷、２００…ハイブリッドハーベストモジュール、２０２…ハイブリッドハーベスト素子、Ｐ１…第１端子、Ｐ２…第２端子、Ｐ３…第３端子、１００…制御回路、Ｌ１…第１ライン、Ｌ２…第２ライン、ＳＷ１…第１スイッチ群、ＳＷ２…第２スイッチ群、Ｄ１…第１ダイオード、１１０…スイッチコントローラ、１１２…電源端子、Ｄ２…第２ダイオード、Ｍ１…トランジスタ、Ｒ１…抵抗、１１４…第１インバータ、１１６…第２インバータ、１２０…昇圧回路、３００…蓄電手段、６００…無線センサ、６０２…センサ、６０４…マイクロコントローラ、６０６…無線ユニット、７００…電子機器、７０２…プロセッサ、７０４…ディスプレイ。

Claims (16)

1. Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のハイブリッドハーベスト素子を含むハイブリッドハーベストモジュールの制御回路であって、
   前記Ｎ個のハイブリッドハーベスト素子はそれぞれ、第１端子、第２端子、第３端子を有し、第１の環境エネルギーに応じて、前記第１端子と前記第２端子の間に起電力を発生し、第２の環境エネルギーに応じて、前記第１端子と前記第３端子の間に起電力を発生するよう構成され、
   前記制御回路は、
   １番目のハイブリッドハーベスト素子の前記第１端子と接続される第１ラインと、
   第２ラインと、
   オン、オフ状態が切りかえ可能に構成され、オン状態において、前記Ｎ個のハイブリッドハーベスト素子それぞれの前記第１端子を前記第１ラインと接続し、前記Ｎ個のハイブリッドハーベスト素子それぞれの前記第２端子を前記第２ラインと接続する第１スイッチ群と、
   オン、オフ状態が切りかえ可能に構成され、オン状態において、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ−１）のハイブリッドハーベスト素子の前記第３端子をｉ＋１番目のハイブリッドハーベスト素子の第１端子と接続するとともに、Ｎ番目のハイブリッドハーベスト素子の前記第３端子を前記第２ラインと接続する第２スイッチ群と、
   １番目のハイブリッドハーベスト素子の前記第２端子の電位にもとづいて、前記第１スイッチ群および前記第２スイッチ群を制御するスイッチコントローラと、
   を備えることを特徴とする制御回路。
2. 前記第１端子と前記第２端子の間の起電力は、前記第１端子と前記第３端子の間の起電力より大きいことを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
3. 前記スイッチコントローラは、前記第２端子の電位が所定のしきい値電圧より高いときに、前記第１スイッチ群をオン、前記第２スイッチ群をオフし、前記第２端子の電位が前記しきい値電圧より低いときに、前記第１スイッチ群をオフ、前記第２スイッチ群をオンすることを特徴とする請求項１または２に記載の制御回路。
4. 前記第１ラインと前記第２ラインの間の電圧を昇圧する昇圧回路をさらに備え、
   前記スイッチコントローラの電源端子には、前記昇圧回路の出力電圧が供給されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の制御回路。
5. １番目のハイブリッドハーベスト素子の前記第２端子と、前記昇圧回路の出力端子の間に、アノードが前記第２端子側となる向きで設けられた第１ダイオードをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の制御回路。
6. 前記昇圧回路は、
   補助キャパシタと、
   前記補助キャパシタと接続される電源ラインと、
   前記電源ラインと前記昇圧回路の出力端子の間に設けられた補助スイッチと、
   を含み、前記電源ラインの電圧を電源として動作可能に構成され、
   前記制御回路は、１番目のハイブリッドハーベスト素子の前記第２端子と、前記補助キャパシタの一端の間に、アノードが前記第２端子側となる向きで設けられた第１ダイオードをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の制御回路。
7. そのアノードが前記第１ラインに接続された第２ダイオードをさらに備え、
   前記スイッチコントローラの電源端子には、前記ダイオードのカソードの電圧が供給されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の制御回路。
8. １番目のハイブリッドハーベスト素子の前記第２端子と、前記第２ダイオードのカソードの間に、アノードが前記第２端子側となる向きで設けられた第１ダイオードをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の制御回路。
9. 前記スイッチコントローラは、
   電源端子と、
   そのゲートまたはベースが１番目のハイブリッドハーベスト素子の前記第２端子と接続され、そのソースまたはエミッタが前記第１ラインと接続されたトランジスタと、
   前記トランジスタのドレインまたはコレクタと、前記電源端子の間に設けられた抵抗と、
   を含み、前記トランジスタのドレインまたはコレクタがローレベルのとき、前記第１スイッチ群をオン、前記第２スイッチ群をオフし、ハイレベルのとき、前記第１スイッチ群をオフ、前記第２スイッチ群をオンすることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の制御回路。
10. ひとつの半導体基板に一体集積化されたことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の制御回路。
11. ハイブリッドハーベスト素子と、
    前記ハイブリッドハーベスト素子からの電圧を受ける請求項１から１０のいずれかに記載の制御回路と、
    を備えることを特徴とする発電回路。
12. ハイブリッドハーベスト素子と、
    前記ハイブリッドハーベスト素子からの電圧を受ける請求項４または５に記載の制御回路と、
    前記昇圧回路の出力端子に接続された蓄電手段と、
    を備えることを特徴とする発電回路。
13. ハイブリッドハーベスト素子と、
    前記ハイブリッドハーベスト素子からの電圧を受ける請求項７または８に記載の制御回路と、
    前記制御回路の第１ダイオードのカソードと接続された蓄電手段と、
    を備えることを特徴とする発電回路。
14. 請求項１１から１３のいずれかに記載の発電回路を備えることを特徴とする電子機器。
15. 請求項１４に記載の発電回路と、
    センサ素子と、
    マイクロコントローラと、
    無線ユニットと、
    を備えることを特徴とする無線センサ。
16. 前記発電回路は、その出力段に蓄電手段を有し、
    前記マイクロコントローラは、前記蓄電手段の電圧に応じて、前記無線ユニットによる通信の頻度を変化させることを特徴とする請求項１５に記載の無線センサ。

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