JP2007181278A

JP2007181278A - 自立電源及び無線センサーネットワーク装置

Info

Publication number: JP2007181278A
Application number: JP2005375102A
Authority: JP
Inventors: Osamu Hattori; 修服部
Original assignee: Morioka Seiko Instruments Inc
Current assignee: Morioka Seiko Instruments Inc
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2007-07-12

Abstract

【課題】室内で充分な電力を供給する自立電源装置と無線センサーネットワーク装置を提供すること
【解決手段】電気二重層キャパシタ２１０は、太陽電池１１０で発電された電荷を蓄積する。太陽電池１１０が発電できなくなった時に、逆電防止ダイオード２８０は電気二重層キャパシタ２１０からの逆流電流を防止する。電圧検知器２２０は、電気二重層キャパシタ２１０の充電状態を電圧値で確認する。実時間時計２３０は、間欠動作を時間で制御する。電源スイッチ２６０は、電圧検知器２２０と実時間時計２３０との論理和により電源供給を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明の自立電源及びこの自立電源を搭載した無線ネットワーク装置は、蛍光灯の光を電気エネルギーに換え、発生した電荷を蓄電し、必要に応じて蓄電した電荷を用いて、無線センサーネットワーク装置を駆動する発電装置の分野と無線センサーネットワーク装置に搭載されてセンサーを用いて環境の変化を数値化し、その値を電波に乗せて通信する通信装置の技術分野に属する。

無線センサーネットワークと言えば、家庭用の交流電源やコイン電池や蓄電池に代表される電池を用いて駆動されるのが一般的であり（例えば、特許文献１参照）、電池駆動の場合は消費電力を押さえて如何に長く同一電池を使うかに技術的な感心が高まっている。

一方、屋外で用いられる無線装置は太陽電池を用いて発電をし、発電された電荷を二次電池に蓄えて使用する方法が多用されている。太陽電池の発電量は太陽電池の波長に対する発電効率と光束密度によって決まる為、屋外では曇りの日でも充分に発電量を確保できる設計になっているのが一般的である。

しかし、無線センサーネットワークは室内で稼働させるのが一般的であり、自立電源を搭載させる場合は、室内光に合わせた光発電装置が必要となる。同様に、屋外と室内では光密度に大きな差があり、室内の弱い光で発電することが必要となる。その一例として太陽電池の規格において、屋外型太陽電池では５０，０００ルックスを基準最低入射光量としているのに対し、室内型太陽電池では２００ルックスを基準最低入射光量としている。つまり、両者には２５０倍もの開きがある。

次に、二次電池については、ニッケルカドミウム式のものより容量の大きいニッケル水素式等の二次電池が市販されている。しかし、メモリー効果を持つものや充電と放電を繰り返すと容量が急速に低下し、使い方によっては半年で容量が半分に減ってしまうものもある。また、サイズや重量も大きいものが多く、必ずしも小型の無線センサーネットワーク装置を作る場合には適しているとは言い難い。
特表２００５−５４５６９５号公報

室内で光発電をし、充分な電力を無線センサーネットワーク装置に供給することが、発明が解決しようとする課題である。装置自体の大きさを考える上で、その大きさが日常生活に違和感を与えない程度の大きさと考えると、大きくても名詞サイズの大きさが限界となる。一方、室内に於ける光強度については、会議室や事務室で３００ルックスから多くても６００ルックスが一般的であり、それ以外の場所、例えば、食堂や喫茶室では２００ルックス以下と言う報告もある。従って、室内で蛍光灯から得られる最低の光量が２００ルックスとし、名詞サイズ以下の白色蛍光灯の波長８００ｎｍ（ナノメートル）を最大発電効率とする採用することが課題の一つとなる。次に太陽電池の出力を蓄電するデバイスとして、メモリー効果が無く且つ充電・放電の繰り返しや経時変化で容量が大幅に低下しない蓄電装置の開発が課題となる。

本発明の自立電源装置は、太陽電池と、前記太陽電池で発電された電荷を蓄積する電気二重層キャパシタと、前記太陽電池が発電できなくなった時に前記電気二重層キャパシタからの逆流電流を防止する逆電防止ダイオードと、前記電気二重層キャパシタの充電状態を電圧値で確認する電圧検知器と、間欠動作を時間で制御する実時間時計と、前記電圧検知器と前記実時間時計からの論理和により電源供給を制御する電源スイッチと、負荷部への電圧を制御する電圧制御器とからなる。

本発明の自立電源装置は、前記電源スイッチが、前記電圧検知器がオンで且つ前記実時間時計がオンの時にオンとなることで、前記電圧制御器で供給電源電圧を制御する。
本発明の無線ネットワーク装置は、上記の自立電源装置を有し、前記太陽電池の発電量を最大にするため、前記太陽電池の角度を変更する可動装置を有する。

一般的な電池、例えば、乾電池やバッテリーで駆動される無線センサーネットワーク装置とは異なり、太陽電池で発電する事で電池の消耗に起因する無線ネットワークの停止が防げる。また、従来の二次電池を使わず、電気二重層キャパシタを使用することで、経時劣化による容量減りが押さえられる。従って、容量減りの為に蓄電装置の交換に起因する保守の回数又はコストを削減できる利点がある。更に、発電量が不足して、蓄電装置に無線センサーネットワークに充分な電気量が蓄電されない時に、非接触で充電することができる。即ち、保守を軽減する効果を持つ。

本発明を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の自立電源装置を搭載した無線センサーネットワーク装置の外観形状を示す。この装置１００の表面には、太陽電池１１０が敷設されている。センサーは、図１のセンサー部１２０に格納され、外気の自由な流通が確保されている。通信状態の確認等の試験を行う際に、その状態を示す為に通信状態表示部１３０があり、３色の発光ダイオードで構成されている。赤色発光ダイオードの点灯は送信時を表し、黄色発光ダイオードの点灯は受信時を示し、緑色発光ダイオードは中央処理装置の処理時を示す。通信状態表示部１３０は通常は発光せず、試験やデモを行う場合のみ点灯する。また、装置側面には可動台１４０があり、太陽電池の設定角度を変えることができる構造をもっている。
次に、太陽電池パネルと電気二重層キャパシタによる自立電源装置を、効率よく無線センサーネットワーク装置の電源にする方法について説明する。

太陽電池１１０と電気二重層キャパシタ２１０を組み合わせた自立電源装置２００を無線センサーネットワーク装置１００の電源とするには、次の２点について注意を払わなければならない。先ず、無線センサーネットワーク１００は使用電圧が３．３Ｖである為に、３．３Ｖを出力電圧として保つ必要がある。また、太陽電池１１０の出力電流は、無線センサーネットワーク１００が使用する電流量より遙かに小さい為に、電源の投入は間欠動作でなければならない。

図２は、本発明の自立電源装置を示す回路図である。本回路は、蛍光灯の光を電気に変える太陽電池１１０、発電された電荷を蓄積する電気二重層キャパシタ２１０、入射光が無く太陽電池１１０が発電できなくなった時に電気二重層キャパシタ２１０からの逆流電流を防止する逆電防止ダイオード２８０、電気二重層キャパシタ２１０の充電状態を電圧値で確認する電圧検知器２２０、間欠動作を時間で制御する実時間時計２３０、電圧検知器２２０の出力と実時間時計２３０の出力の論理和を取るミニロジック回路２７０、ロジック回路２７０の出力で電源供給を制御する電源スイッチ２６０、負荷部２５０への電圧を制御する電圧制御器２４０から成る。

室内用の太陽電池に付いては屋外用のものと異なり、白色蛍光灯の波長が８００ｎｍが最大であることを受けて、この波長で発電効率が最大となるアモロファスシリコン型の太陽電池１１０を用いた。無線センサーネットワーク装置１００の大きさを名詞サイズ以下に納める為に、横約５８ｃｍ、縦約４５ｃｍのガラス上面の９セル型のアモロファスシリコン型の太陽電池とした。太陽電池１１０の解放電圧は約５Ｖ、また短絡電流は約４７μＡであり、出力効率の良い点は３．０Ｖに於いて４２μＡである。無線センサーネットワーク装置１００に供給する基準となる電力量（以後、「基準電力量」と言う。）は３３０ｍＦ（ミリファラッド）である。しかし、蓄電装置は自然放電等があり、容量が抜けることを考慮して、４７０ｍＦの蓄電装置を用いることとした。蓄電装置の種類として容量の経時変化による減少を防ぐ為に電気二重層キャパシタ２１０を使用した。

電圧３Ｖに電流４２μＡの太陽電池１１０を使用して、４７０ｍＦの電気二重層キャパシタを充電した場合、充電ロスが無いとした場合でも、約６２分掛かる。このことから、本発明の太陽電池１１０及び電気二重層キャパシタ２１０を使用した場合、この電源に接続される無線センサーネットワーク装置１００を常に稼働状態にしておくことは難しい。この場合、本発明の自立電源装置を搭載した無線センサーネットワーク装置１００を正常に稼働させる為には、無線センサーネットワーク装置１００が稼働する際に、電気二重層キャパシタ２１０に充分な電力が蓄積されているかを検知する手段と、室内と言う弱い光環境の中で発電量を多くする外装に関する構造と、充分な電気を発電できない時に発電を補う為に、この自立電源装置に充電する方法が必要となる。
また、無線センサーネットワーク装置１００に充分な電力を供給する為の電力量として、印可電圧３．３Ｖ、消費電流１０ｍＡ、継続時間１０秒間を目安とした。

逆流防止ダイオード２８０は降伏電圧を考慮して、耐圧１０Ｖで降下電圧０．２Ｖのものを使用した。電圧検知器２２０は、負荷部２５０への出力電圧が３．３Ｖを考慮して、負荷の変化による電源に於いての電圧のふらつきがあると想定し、負荷電圧に対し余裕をもった３．７Ｖに設定した。電源スイッチ２６０としては、半導体式の物を接点式スイッチで実施した。半導体式は少量であるが漏れ電流がある場合があり、その点では接点式スイッチが良いが、接点スイッチは駆動回路が大がかりになる。電圧制御回路２４０は、出力電圧が３．３Ｖのものを使用した。

次に負荷部に付いて示す。図３は、負荷部分の構成を示す模式図である。負荷部２５０は情報を高周波でやりとりする無線モジュール３１０と情報を処理する中央処理装置３２０、温度及び湿度の測定をする温度・湿度計３３０、通信時間等の時間を管理する第２実時間時計３４０がある。中央処理装置、温度・湿度計及び第２実時間時計３４０はＩＩＣ（アイスクエアシー）インターフェース３６０で接続されている。温度・湿度計３３０はＣ−ＭＯＳ（コンプリメンタリー・メタル・オキサイド・セミコンダクタ）型温湿度センサーであり、消費電力が非常に低く、数μＡのレベルである。

この方法による電源制御は、電圧検知器２２０と実時間時計２３０の出力の論理和を取ることで、電気二重層キャパシタ２１０に充分に充電されていない場合には、電源スイッチ２６０がオンに成らないため、作業の途中で電源が切れてしまう心配がない。また、実時間時計２３０がオンになっても電源が入らない事で、マルチホップ型通信システムの場合は、この装置１００を無視して通信が行われ、この装置１００が故障又は何らかの問題点があると言うことが、ネットワークを通じて把握することができる利点がる。

本発明の自立電源装置２００の動作について説明する。図７は、自立電源装置２００が電源を供給する際のフローチャートを示す。太陽電池１１０は入射光があれば発電を行う（工程１０１）。発電された電流は逆電防止ダイオード２８０を通過し（工程１０２）、電気二重層キャパシタ２１０に充電される（工程１０３）。電気二重層キャパシタ２１０の電圧は充電される毎に上昇し（工程１０４）、設定電圧の３．７Ｖに達すると（工程１１０１）、その出力がオンとなる（工程１０５）。一方、本発明の無線センサーネットワーク装置１００が稼働する時間になると（工程１１０２）、実時間時計２３０がオンとなり（工程１０６）、その値が論理和回路に入力され（工程１０７）、その結果、電源スイッチ２６０がオンとなる（工程１０８）。電源スイッチ２６０がオンになると、電気二重層キャパシタ２１０に充電された電荷が流れ（工程１０９）、電圧制御器２４０が電源電圧を３．３Ｖに制御して、負荷部２５０に流す（工程１１０）。
次に、発電効率を最大にする外装構造について説明する。

蛍光灯４１０の弱い光の下で発電する場合は、自立電源搭載無線センサーネットワーク装置１００の太陽電池面に対して、蛍光灯４１０の光４３０が直角に当たるように設置しなければ、太陽電池１１０が持っている発電能力を充分発揮することができない。
天井に取り付けられている蛍光灯４１０に対し、装置の置き台４２０と太陽電池１１０の表面との成す角度を可変して、その起電力量を測定してみる。すると、太陽電池１１０の表面が蛍光灯４１０の光軸に対して直角の角度の値を１とした場合に、発電量は余弦関数に近い数値で変化した。これは太陽電池１１０の表面に入射する光束の角度が変化する事で光束密度が変化する為に、太陽電池１１０に於ける発電量が変化したものである。従って、より多くの発電量を得るためには、無線センサーネットワーク装置１００の太陽電池１１０の表面が、常に蛍光灯４１０からの光軸方向に向いているように設定する必要がある。また、光束密度は距離の二乗に反比例して減少する為、同じ蛍光灯４１０であれば、この装置に近いものを選ぶ必要がある。

また、机等に本発明の自立電源無線センサーネットワーク装置１００を置く場合には、図１に示す可動台１４０を動かして、発電量が最大になる様に位置の設定を行うことで、図２で示す負荷部２５０が使用するに必要な電力を確保することができる。
図４は、可動台１４０を動かして、蛍光灯４１０からの入射光の光束密度を最大にする様子を示す模式図である。本図では、この装置を人間が作業する机の上に、この装置を置いたと仮定している。

そして、この自立電源装置が入力光不足の為充分発電できず、無線センサーネットワークが動作しなくなった時に応急用として充電する方法について説明する。図５は充電装置の構造であり、図６は光充電を行った際の様子を示す模式図である。

本発明の自立電源装置２００を搭載した無線センサーネットワーク装置１００は、様々な場所に設置される。室内に於ける一例として、天井の表面、壁の側面、机の上等が考えられる。この内、天井の表面や壁の表面上部は、人間の手が届きにくい場所である。人間の手が充分届く場所であれば、充電器で簡単に電荷を補充することができるが、手が届きにくい場所に於いては、脚立やその他の道具を用いて、手の届く範囲まで移動しなければならない。従って、保守専門業者に委託する必要が出てくる場合があり、保守に費用がかかる結果となる。

一方、本発明の自立電源装置２００は、光発電システムを持っている為、発電に必要な光さえ供給してやれば、太陽電池１１０が発電を行って電気二重層キャパシタ２１０に電荷が補充されることになる。従って、電荷の補充は発電に必要な光源を用意してやれば済む事になる。

本発明の自立電源装置２００に搭載されている太陽電池１１０は、波長８００ｎｍで発電効率が最大になるものを用いている。波長８００ｎｍは白色蛍光灯５１０が発するスペクトラム中でも強いものである。従って、白色蛍光灯５１０を光源とした光充電装置５００を開発し、本発明の自立電源装置の充電器とした。次にこの充電装置について説明する。

先ず、光源に使う白色蛍光灯５１０は持ち運びを考えて小さいのも、例えば２０ワット以下のものが好ましい。本実施例に於いては、光強度を考えて２０ワットの白色蛍光灯５１０を使用した。白色蛍光管の構造は通常の直管ではなく、曲管を用いて一見、白色電球の様な形状のものを用いた。次に集光し、光に指向性を持たせる為にパラボラ形状の金属板５２０を白色蛍光管５１０の後ろに配し、その後ろを蝶番５３０で固定し、パラボラ型金属板５２０と白色蛍光管５１０が縦に首を振れるようにした。蝶番５３０の下は支柱５４０とし、下部に錘を組み込み安定させた。

光充電器５００は構造が非常に簡単であるが上、製作費が安いのが特徴である。使用方法に付いては、光充電器５００を机などの上に置き、充電したい無線センサーネットワーク装置１００の太陽電池面に向けて光りを照射するだけである。本実施例での充電実験において、約４０分で充電が完了した。

本発明の実時間校正方法は保守不要の無線センサーネットワークを構築する上では有用な方法として利用価値があり、ネットワークに接続されているが、外から時間情報を得る事ができない特立した装置等の実時間校正に利用が可能と考える。

自立電源装置の外観を示す模式図自立電源装置の電気回路を示す模式図負荷部分の構成を示す模式図蛍光灯の方向と装置の角度との関係光充電器の形状と機能を示す模式図光充電器を用いた無線センサーネットワーク装置の充電方法自立電源供給のフローチャート

符号の説明

１００無線センサーネットワーク装置
１１０太陽電池
１２０センサー部
１３０通信状態表示部
１４０可動台
２１０電気二重層キャパシタ
２２０電圧検知器
２３０実時間時計
２４０電圧制御器
２５０負荷部
２６０電源スイッチ
２７０ミニロジック回路
２８０逆電防止ダイオード
４１０蛍光灯
４２０装置の置き台
５００光充電器
５１０白色蛍光灯
５２０パラボラ型金属板
５３０蝶番

Claims

太陽電池と、
前記太陽電池で発電された電荷を蓄積する電気二重層キャパシタと、
前記太陽電池が発電できなくなった時に前記電気二重層キャパシタからの逆流電流を防止する逆電防止ダイオードと、
前記電気二重層キャパシタの充電状態を電圧値で確認する電圧検知器と、
間欠動作を時間で制御する実時間時計と、
前記電圧検知器と前記実時間時計からの論理和により電源供給を制御する電源スイッチと、
負荷部への電圧を制御する電圧制御器とからなる自立電源装置。
前記電源スイッチが、前記電圧検知器がオンで且つ前記実時間時計がオンの時にオンとなることで、前記電圧制御器で供給電源電圧を制御する請求項１記載の自立電源装置。
請求項１又は２記載の自立電源装置を有する無線ネットワーク装置。
前記太陽電池の発電量を最大にするため、前記太陽電池の角度を変更する可動装置を有する請求項３記載の無線ネットワーク装置。