JP4427014B2

JP4427014B2 - 電子装置

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Publication number: JP4427014B2
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Inventors: 宜史吉田
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Description

本発明は、環境エネルギーによって発電する、比較的出力電圧の低い電力源で動作する電子装置に関する。

従来の電子装置のブロック図を図８に示す。電力を供給する電力源１０１と負荷回路１０７と、電力源１０１と負荷回路１０７を接続するスイッチ１０３と、スイッチ１０３を制御するためのスイッチ制御回路１０２と、スイッチ制御回路１０２を駆動させるための電力を蓄電する蓄電器１０５と、蓄電器１０５に蓄えられた電力が少なくなってきたとき電力源１０１から蓄電器１０５に電力を補充する充電制御回路１０４と、負荷回路の動作状態を監視する動作監視回路１０６から構成される（例えば、特許文献１参照。）。

負荷回路１０７は、回路が動作していないスタンバイ状態でも電力が消費されているので、エネルギー利用効率が非常に悪かった。そこでスタンバイ状態のときには、電力源１０１と負荷回路１０７の接続をスイッチ１０３によって遮断して極力無駄な電力を削減しようとしている。

ここでスイッチ制御回路１０２は、電力源１０１から電力の供給が遮断され場合には、蓄電器１０５に蓄えられた電力を使ってスイッチ１０３を制御する。蓄電器１０５に蓄えられた電力が少なくなってくると、スイッチ制御回路１０２はスイッチ１０３をオンさせ、充電制御回路１０４を通して蓄電器１０５に電力を充電する。蓄電器１０５に蓄えられた電力が十分になるとスイッチ制御回路１０２は再びスイッチ１０３をオフして、スタンバイの状態に戻る。充電制御回路１０４は電力源１０１から供給された電力を蓄電器１０５に供給すると共に、蓄電器１０５から負荷回路１０７への電流の流れを防止する機能を有する。

負荷回路が動作状態に入ろうとすると、動作監視回路１０６はスイッチ制御回路１０２に信号を送り、スイッチ１０３をオンさせ、電力源１０１の電力を負荷回路１０７に供給する。動作監視回路１０６は蓄電器１０５と接続され、蓄電器１０５の電力を使って動作しているので、スイッチ１０３がオフされ電力源１０１の電力が供給されていなくても動作できる。

このように回路を構成して、電子装置の待機電力を削減することが可能である。
特開２００１−６９６８７号公報

このような従来の電子装置にあっては、スイッチ１０３を制御するために、スイッチ制御回路１０２、動作監視回路１０６は常に動作している必要がある。２つの回路は蓄電器１０５に蓄えられた電力を使って動作するが、蓄電器１０５に蓄えられた電力が少なくなってきたら、電力源１０１から電力を供給してもらわなければならない。負荷回路１０７のスタンバイ時無駄電力を削減するために設けられたスイッチ制御回路１０２や充放電制御回路１０４、蓄電器１０５、動作監視回路１０６、スイッチ１０３が、電力の無駄を遮断するスイッチ１０３を制御するために電力を使っていては消費電力の削減にはつながらない。

また、動作監視回路１０６は負荷回路１０７の動作を常に監視しているが、負荷回路１０７を動作させるには負荷回路１０７に電力を供給する必要がある。電力源１０１と負荷回路１０７はスイッチ１０３で遮断されているので、負荷回路１０７の動作には蓄電器１０５に蓄えられた電力に頼らざるを得ない。仮に負荷回路１０７の起動直後の消費電力が非常に大きい場合、蓄電器１０５の電力では動作をさせることができず、動作監視回路１０６が負荷回路１０７の動作を検出することはできない。このため従来の電子装置では、負荷回路１０７の起動時の消費電力を蓄電器１０５に蓄えられた電力で動作するように回路を設定しなければならなかった。

本発明はかかる従来技術の有する不都合に鑑みてなされたもので、電子回路が動作していないときには電力源と電子回路を完全に遮断し、無駄に消費される電力を削減することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明は電子回路と電力源を有し、スイッチ手段を介して前記電力源の電源電力を前記電子回路に供給して前記電子回路を作動させる電子装置において、電子装置に与えられる環境エネルギーを電気エネルギーに変換する発電源と、前記発電源の発電電力を前記スイッチ手段にスイッチ電力として供給し、前記スイッチ手段を制御するスイッチ制御回路を備えているものである。

このため、スタンバイ時に電子回路で消費される無駄な電力を削減することができ、システム全体のエネルギー利用効率をあげることができる。

以上本発明の電子装置は、電子回路と電力源を有し、スイッチ手段を介して前記電力源の電源電力を前記電子回路に供給して前記電子回路を作動させる電子装置において、電子装置に与えられる環境エネルギーを電気エネルギーに変換する発電源と、前記発電源の発電電力を前記スイッチ手段にスイッチ電力として供給し、前記スイッチ手段を制御するスイッチ制御回路から構成されているため、以下の効果を得ることができる。
（１）電力源が電池の場合、システム全体のバッテリー長寿命化を得ることができる。
（２）負荷回路が動作していないときのスタンバイ時消費電力はゼロである。
（３）昇圧回路を有しているため、発電源の出力電圧が小さくてもスイッチを制御することができる。
（４）スイッチ手段はコンデンサに蓄えられた電荷で駆動するため、発電源の発電電荷で直接スイッチ手段を駆動することができなくても問題なく、発電源の大きさを小型化することが可能である。
（５）電子回路が通信回路の場合、昇圧回路にコンデンサを用いたチャージポンプ方式を用いることによって電磁ノイズの発生を抑えることができるため、通信回路は安定した通信信号処理を行うことができる。

図１は、本発明の第一の実施例の電子装置のブロック図である。電子装置は、発電源1と、発電源１の発電電圧を昇圧する昇圧回路２と、昇圧回路２で昇圧された昇圧電力を蓄えるコンデンサ５と、コンデンサ５の蓄積電圧をモニタしてコンデンサ５の充電・放電を制御するとともにスイッチ回路８のオン・オフ制御を行うスイッチ制御回路３と、電力源７と、スイッチ８と、電力源７の電力で駆動される電子回路９を備えている。

発電源１には、例えば太陽電池、熱発電機、圧電素子、回転エネルギーを電気に変換する発電機、磁界や電磁界の変化を電気に変換する発電機等を用いる。これらの発電源は基本単位素子あたりの発電電圧は小さく、より高い電圧を出力するには発電源の単位素子をいくつも直列に接続する必要がある。また、この種の発電源１から直接に大きな電圧（電力）を得るには、発電源のサイズを大きくしなければならない。

昇圧回路２には、例えばコイルとコンデンサを使ったレギュレータやコンデンサのみを使ったチャージポンプ方式を用いる。発電源１の発電電圧は電圧が小さいので、低い電圧で昇圧動作が行われる昇圧回路でなければならない。ここで本発明に係る電子装置が通信を行う電子装置であった場合、電子装置内の各回路で発生する電磁ノイズは極力減らしておかなければならないため、コイルを使ったスイッチングレギュレータを昇圧回路として使うよりも、電磁ノイズ発生の少ないチャージポンプ方式を昇圧回路として使ったほうが望ましい。
以下に昇圧回路の一例である、チャージポンプ方式の構成を図２に基づき詳細な説明を行う。
図２に示す様に、チャージポンプ方式の昇圧回路は発振回路２２０とＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２０１〜２０６と昇圧用コンデンサ２０７〜２１１とで構成されている。Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２０１〜２０６はそれぞれがダイオード接続され、昇圧回路２の入力端子Ｉ２と出力端子Ｏ２との間に、入力端子Ｉ２から出力端子Ｏ２への方向が順方向となるように直列接続されている。Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２０１とＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２０２間のノードには、昇圧用コンデンサ２０７の片側電極、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２０２とＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２０３間のノードには、昇圧用コンデンサ２０８の片側電極、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２０３とＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２０４間のノードには、昇圧用コンデンサ２０９の片側電極、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２０４とＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２０５間のノードには、昇圧用コンデンサ２１０の片側電極、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２０５とＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２０６間のノードには、昇圧用コンデンサ２１１の片側電極がそれぞれ接続されている。昇圧コンデンサ２０７、２０９、２１１のもう片方の電極は発振回路２２０のクロックＡ端子ＣＬＫＡに接続され、昇圧用コンデンサ２０８、２１０のもう片方の電極は発振回路２２０のクロックＢ端子ＣＬＫＢに接続される。発振回路２２０のクロックＡ端子ＣＬＫＡからはオンデューティ５０％のクロック信号Ａが出力され、発振回路２２０のクロックＢ端子ＣＬＫＢからは前記クロック信号Ａと位相が９０度ずれており、他の条件は全く同じクロック信号Ｂが出力される。発振回路２２０の電源端子Ｄｏｓｃは、昇圧回路２の電源端子Ｄ２に接続された構成である。発振回路２２０が出力するクロック信号Ａとクロック信号Ｂの周波数は１ＭＨｚ程度に設定しており、コンデンサ５に昇圧電力Ｐｕｐが蓄えられることを考慮すると、昇圧用コンデンサ２０７〜２１１は１００ｐＦ程度あれば良い。従って昇圧コンデンサ２０７〜２１１は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２０１〜２０６や発振回路２２０と同一のチップ内に作成することができる。

コンデンサ５にはセラミックコンデンサや電解コンデンサの他、電気二重層や二次電池を用いる。

スイッチ制御回路３は昇圧回路２から供給される昇圧電力Ｐｕｐをコンデンサ５に蓄えると共に、コンデンサ５に蓄えられた電圧をモニタし、コンデンサ５の蓄電電圧Ｖｃａｐがスイッチ８を動作させることができる電圧Ｖｓｗになると、蓄えた電力をスイッチ８に供給する機能を有する。

電力源７は、電子回路９を動作させるために必要な電源である。例えばＡＣ電源や一次電池、二次電池、ＡＣ-ＤＣコンバータから供給される直流電源などを用いる。

スイッチ８は電力源７と電子回路９の間に接続され、スイッチ制御回路３から供給される電力によってスイッチ８を切り替える機能を有する。ここではスイッチ８としてＭＯＳＦＥＴを使う。ＭＯＳＦＥＴのゲート端子をスイッチ８の制御端子Ｓ８とし、ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子をスイッチ８の入力端子Ｉ８とし、ＭＯＳＦＥＴのソース端子をスイッチ８の出力端子Ｏ８とする。

本発明の第一の実施例の電子装置は、発電源１の出力端子Ｏ１と昇圧回路２の入力端子Ｉ２を接続し、昇圧回路２の出力端子Ｏ２とスイッチ制御回路３の入力端子Ｉ３を接続する。スイッチ制御回路３の充放電端子Ｏ３−２とコンデンサ５の入力端子Ｉ５を接続し、コンデンサ５の接地端子Ｏ５を接地し、スイッチ制御回路３の出力端子Ｏ３−１とスイッチ８の制御端子Ｓ８を接続する。電力源７の出力端子Ｏ７はスイッチ８の入力端子Ｉ８と接続し、スイッチ８の出力端子Ｏ８と電子回路９の入力端子Ｉ９を接続する。

以上のように接続された電子装置は以下のように動作する。

発電源１に光、あるいは熱、あるいは運動エネルギー、あるいは電磁力が加わることで電力を発電し、その電力を昇圧回路２で昇圧する。昇圧回路２は発電源１から供給される電力で起動が掛かり、昇圧動作を開始する。発電源１から出力される電圧Ｖｇｅｎは非常に低いため、昇圧回路２の動作手順は非常に重要である。まず発電源１から供給された電圧で昇圧回路２内部の発振回路２２０が動作を開始し、昇圧を行う。このときの昇圧された電圧はあまり高くないが、この昇圧された電圧を昇圧回路２の内部回路に戻してあげることで、少しずつ昇圧回路２の出力電圧を上げていくことができる。これを繰り返すことで高い電圧を発生させることができる。昇圧された電力Ｐｕｐはスイッチ制御回路３を通してコンデンサ５に充電される。ここで発電源１から供給される電力は非常に小さい場合が多い。これは、光、熱、運動エネルギーの力で発電する発電源１は一次電池や２次電池に比べて非常に単位堆積当りの発電量が小さいためである。このため、昇圧回路２の出力をスイッチ８に直接接続するのではなく、一旦コンデンサ５に一定時間溜めて、溜まった後に一気に供給するほうが効率的である。充電されたコンデンサ５の電圧がスイッチ８を動作させることができる電圧以上になった場合、スイッチ制御回路３はコンデンサ５に蓄えられた電力を一気にスイッチ８に供給する。ここでコンデンサ５の容量は、スイッチ８のオン、あるいはオフを制御することが十分可能な電力を蓄える容量である。

電力を供給されたスイッチ８はスイッチをオン状態にし、電力源７と電子回路９を接続する。コンデンサ５に蓄えられた電力がなくなると、スイッチ制御回路３の出力端子Ｏ３−１の電圧は下がり、スイッチ８はオフ状態になって、電力源１と電子回路９を遮断する。

図４は、本発明の第二の実施例の電子装置のブロック図である。第二の実施例の電子装置では、スイッチは図３に示すようなラッチ回路を有した構成とする。スイッチにラッチ機能があれば、一旦電力が供給されてある状態に切り替わると、後は再度信号が入力されるまでその状態を保持し続けるため、スイッチ８はラッチ機能を有するほうが望ましい。本発明の電子装置は消費電力を削減する目的であるため、ラッチ式のスイッチを使うことで本発明の効果は一層高まる。
ラッチ機能を有するスイッチとして、ＭＥＭＳ技術を用いてラッチ機構を備えたメカニカルスイッチやＭＯＳＦＥＴとフリップフロップ回路を組み合わせたスイッチ、時計のステッピングモーターに回転スイッチを接続したラッチスイッチが用いられる。以下にラッチ機能を有したスイッチの一例である、ＭＯＳＦＥＴとフリップフロップ回路を組み合わせたスイッチの構成を図３に基づき詳細な説明を行う。

図３に示す様に、ラッチスイッチはＭＯＳＦＥＴ３０９とＮＡＮＤ回路３０１〜３０８で構成されている。ＮＡＮＤ回路３０１の第一の入力端子I３１−１はＮＡＮＤ回路３０７の出力端子Ｏ３７と接続し、ＮＡＮＤ回路３０１の第二の入力端子Ｉ３１−２はスイッチ８のトルグ端子３１１と接続し、ＮＡＮＤ回路３０１の第三の入力端子Ｉ３１−３はスイッチ８の制御端子Ｓ８に接続し、ＮＡＮＤ回路３０１の出力端子Ｏ３１はＮＡＮＤ回路３０３の第一の入力端子Ｉ３３−１とＮＡＮＤ回路３０５の第一の入力端子Ｉ３５−１に接続する。ＮＡＮＤ回路３０２の第一の入力端子I３２−１はスイッチ８の制御端子Ｓ８に接続し、ＮＡＮＤ回路３０２の第二の入力端子Ｉ３２−２はスイッチ８のトルグ端子３１１と接続し、ＮＡＮＤ回路３０２の第三の入力端子Ｉ３２−３はＮＡＮＤ回路３０８の出力端子Ｏ３８と接続し、ＮＡＮＤ回路３０２の出力端子Ｏ３２はＮＡＮＤ回路３０４の第二の入力端子Ｉ３４−２とＮＡＮＤ回路３０５６第二の入力端子Ｉ３６−２に接続する。ＮＡＮＤ回路３０３の第二の入力端子Ｉ３３−２はＮＡＮＤ回路３０４の出力端子Ｏ３４と接続し、ＮＡＮＤ回路３０３の出力端子Ｏ３３はＮＡＮＤ回路３０４の第一の入力端子Ｉ３４−１及びＮＡＮＤ回路３０５の第二の入力端子Ｉ３５−２と接続する。ＮＡＮＤ回路３０４の第一の入力端子Ｉ３４−１はＮＡＮＤ回路３０３の出力端子Ｏ３３と接続し、ＮＡＮＤ回路３０４の出力端子Ｏ３４はＮＡＮＤ回路３０６の第一の入力端子Ｉ３６−１及びＮＡＮＤ回路３０３の第二の入力端子Ｉ３３−２と接続する。ＮＡＮＤ回路３０５の出力端子Ｏ３５はＮＡＮＤ回路３０７の第一の入力端子Ｉ３７−１と接続する。ＮＡＮＤ回路３０６の出力端子Ｏ３６はＮＡＮＤ回路３０８の第二の入力端子Ｉ３８−１と接続する。ＮＡＮＤ回路３０７の第二の入力端子Ｉ３７−２はＮＡＮＤ回路３０８の出力端子Ｏ３８と接続し、ＮＡＮＤ回路３０７の出力端子Ｏ３７はＭＯＳＦＥＴ３０９のゲートと接続する。ＭＯＳＦＥＴ３０９のドレイン端子はスイッチ８の入力端子Ｉ８と接続し、ＭＯＳＦＥＴ３０９のソース端子はスイッチ８の出力端子Ｏ８と接続する。さらに論理回路用の電源端子Ｄ８を設けている。

第二の実施例の電子装置は、発電源１の出力端子Ｏ１と昇圧回路２の入力端子Ｉ２を接続し、昇圧回路２の出力端子Ｏ２とスイッチ制御回路３の入力端子Ｉ３を接続する。スイッチ制御回路３の充放電端子Ｏ３−２とコンデンサ５の入力端子Ｉ５を接続し、コンデンサ５の接地端子Ｏ５を接地し、スイッチ制御回路３の出力端子Ｏ３−１とスイッチ８の制御端子Ｓ８を接続する。電力源７の出力端子Ｏ７はスイッチ８の入力端子Ｉ８及びスイッチ８の電源端子Ｄ８及びスイッチ８のトルグ端子Ｔ８と接続し、スイッチ８の出力端子Ｏ８と電子回路９の入力端子Ｉ９を接続する。電子回路９の制御端子Ｓ９はダイオード１０のアノード端子Ａ１０と接続し、ダイオード１０のカソード端子Ｃ１０はスイッチ８の制御端子Ｓ８と接続する。以上のような接続の場合、電力源７は一次電池、二次電池、ＡＣ-ＤＣコンバータから供給される直流電源を用いる。

以上のように接続されたスイッチは以下のように動作する。

スイッチ８の電源端子Ｄ８とトルグ端子Ｔ８は電力源７の出力端子Ｏ７に接続されているため、スイッチ８の内部回路であるフリップフロップ回路やＭＯＳＦＥＴは制御端子Ｓ８に信号が入力されれば、すぐに反応することができる。トルグ端子Ｔ８を電力源７の出力端子Ｏ７に接続しているため、スイッチ８の制御端子Ｓ８に１回目の１パルス信号が入力されるとフリップフロップ回路の出力端子Ｏ３７はＨｉｇｈの信号を出力し、２回目の１パルス信号が入力されるとフリップフロップ回路の出力端子Ｏ３７はＬｏｗの信号を出力する。以下３回目の１パルス信号が入力されたときはＨｉｇｈの信号を出力し、４回目の１パルス信号が入力されたときはＬｏｗの信号を出力する、というように繰り返す。

コンデンサ５に蓄えられた電力がスイッチ８の制御端子Ｓ８に供給されると、その制御信号波形は１パルス形状となる。１パルスがスイッチ８の制御端子Ｓ８に入力されると、スイッチ８の内部回路であるフリップフロップ回路は出力端子Ｏ３７にＨｉｇｈの信号を出力し、ＭＯＳＦＥＴ３０９のゲート端子に信号を送る。信号を送られたＭＯＳＦＥＴ３０９はチャネルをオンさせ、スイッチ８の入力端子Ｉ８と出力端子Ｏ８間を接続する。フリップフロップ回路の出力端子７は次のパルス信号が制御端子Ｓ８に入力されるまでＨｉｇｈ信号を出力し続け、スイッチ８の入力端子Ｉ８と出力端子Ｏ８間の接続を保持する。

次にスイッチ８をオフ状態にして電子回路９の動作を停止させるには、電子回路９の制御端子Ｓ９から制御信号を送り、スイッチ８の制御端子Ｓ８に入力されると、フリップフロップ回路の出力端子Ｏ３７はＬｏｗの信号を出力し、ＭＯＳＦＥＴ３０９のゲート端子に信号を送る。信号を送られたＭＯＳＦＥＴ３０９はチャネルをオフさせ、スイッチ８の入力端子Ｉ８と出力端子Ｏ８間を遮断する。フリップフロップ回路の出力端子Ｏ３７は次のパルス信号が制御端子Ｓ８に入力されるまでＬｏｗ信号を出力し続け、スイッチ８の入力端子Ｉ８と出力端子Ｏ８間の遮断を保持する。

図５は、本発明の第三の実施例の電子装置のブロック図である。第三の実施例の電子装置では、スイッチ８のオン状態を監視する検出回路４を設け、スイッチ８がオン状態の時には昇圧回路２の動作を強制的に停止させる機能を有する。

本発明の第三の実施例の電子装置は、発電源１の出力端子Ｏ１と昇圧回路２の入力端子Ｉ２を接続し、昇圧回路２の出力端子Ｏ２とスイッチ制御回路３の入力端子Ｉ３を接続する。スイッチ制御回路３の充放電端子Ｏ３−２とコンデンサ５の入力端子Ｉ５を接続し、コンデンサ５の接地端子Ｏ５を接地し、スイッチ制御回路３の出力端子Ｏ３−１とスイッチ８の制御端子Ｓ８を接続する。電力源７の出力端子Ｏ７はスイッチ８の入力端子Ｉ８と接続し、スイッチ８の出力端子Ｏ８と電子回路９の入力端子Ｉ９を接続する。スイッチ８の出力端子Ｏ８は検出回路４の入力端子Ｉ４と接続し、検出回路４の出力端子Ｏ４は昇圧回路２の制御端子Ｓ２と接続する。電子回路９の制御端子Ｓ９はダイオード１０のアノード端子Ａ１０と接続し、ダイオード１０のカソード端子Ｃ１０はスイッチ８の制御端子Ｓ８と接続する。

検出回路４はスイッチ８を通して供給される電力源７からの駆動電圧Ｖｌｏａｄをモニタすることでスイッチ８がオン状態なのか、オフ状態なのかを判断し、オン状態であれば昇圧回路２に停止信号Ｓｓｔｏｐを送り、昇圧動作を停止させる。これにより、コンデンサ５に蓄えられた電力を無駄にスイッチ８に送ることを防ぐことができる。

ダイオード１０は電子回路９の制御端子Ｓ９からスイッチ８の制御端子Ｓ８の方向を順方向として、電子回路９の制御端子Ｓ９とスイッチ８の制御端子Ｓ８を接続している。これにより、電子回路９からのスイッチ８をオフするための信号をスイッチ８の制御端子Ｓ８に送ることができると共に、スイッチ制御回路３の出力端子Ｏ３−１から出力された１パルス信号が電子回路９の制御端子Ｓ９に流れ込むことを防ぐことができる。

コンデンサ５に蓄えられた電力がスイッチ８の制御端子Ｓ８に供給されると、スイッチ８は入力端子Ｉ８と出力端子Ｏ８間を接続する。スイッチ８はラッチ機能を有するスイッチのため、次の信号が入力されるまでスイッチ８の入力端子Ｉ８と出力端子Ｏ８間の接続を保持する。スイッチ８がオン状態になることで電力源１の電力が電子回路９に供給されると、検出回路４は検出端子を通してスイッチ８がオン状態にあることを駆動電圧Ｖｌｏａｄをモニタすることで確認し、昇圧回路２に対して昇圧動作を停止するように検出回路の出力端子Ｏ４から停止信号Ｓｓｔｏｐを送る。検出回路４の出力端子Ｏ４から昇圧回路２の動作制御端子Ｓ２に停止信号Ｓｓｔｏｐを受けた昇圧回路２は、昇圧動作を停止し、コンデンサ５への電力供給をやめる。これにより、スイッチ８を制御する回路はムダな電力を消費することはない。

次に電子回路９が動作を停止する時は、電子回路９の制御端子Ｓ９からスイッチ８の制御端子Ｓ８にダイオード１０を通して信号を送ることにより、スイッチ８をオフし、次の制御信号が入力されるまで電力源７と電子回路９の間を遮断する。これにより、電子回路９におけるスタンバイ時のムダな消費電力(リーク電流や不用な回路動作)を防ぐことができる。

図６は、本発明の第四の実施例の電子装置のブロック図である。第四の実施例の電子装置では、スイッチ８の電源端子Ｄ８がスイッチ制御回路３の出力端子Ｏ３−１に接続していることを特徴とする。ラッチ機能を有するスイッチの場合、スイッチのオン、あるいはオフの状態を保持するために電力を必要とする。そのため図５の例では、電力源７から電力を得るように接続している。しかしこの状態では、スイッチ８がオフの状態でも常に電力を消費してしまう。そこでスイッチ８の電源端子Ｄ８をスイッチ制御回路３の出力端子Ｏ３−１に接続することで、スイッチをオンさせるときだけ電力を消費し、スイッチがオフのときは電力を消費しない。

第四の実施例の電子装置は、発電源１の出力端子Ｏ１と昇圧回路２の入力端子Ｉ２を接続し、昇圧回路２の出力端子Ｏ２とスイッチ制御回路３の入力端子Ｉ３を接続する。スイッチ制御回路３の充放電端子Ｏ３−２とコンデンサ５の入力端子Ｉ５を接続し、コンデンサ５の接地端子Ｏ５を接地し、スイッチ制御回路３の出力端子Ｏ３−１とスイッチ８の制御端子Ｓ８を接続する。電力源７の出力端子Ｏ７はスイッチ８の入力端子Ｉ８と接続し、スイッチ８の出力端子Ｏ８と電子回路９の入力端子Ｉ９を接続する。スイッチ８の出力端子Ｏ８は検出回路４の入力端子Ｉ４と接続し、検出回路４の出力端子Ｏ４は昇圧回路２の制御端子Ｓ２と接続する。電子回路９の制御端子Ｓ９はダイオード１０のアノード端子Ａ１０と接続し、ダイオード１０のカソード端子Ｃ１０はスイッチ８の制御端子Ｓ８と接続する。スイッチ８の出力端子Ｏ８はダイオード１１のアノード端子Ａ１１と接続し、ダイオード１１のカソード端子Ｃ１１はスイッチ８の電源端子Ｄ８と接続する。スイッチ制御回路３の出力端子Ｏ３−１はダイオード１２のアノード端子Ａ１２と接続し、ダイオード１２のカソード端子Ｃ１２はスイッチ８の電源端子Ｄ８に接続する。スイッチ８のトルグ端子Ｔ８はスイッチ８の電源端子Ｄ８と接続する。

コンデンサ５に蓄えられた電力がスイッチ制御回路３の出力端子Ｏ３−１からスイッチ８の制御端子Ｓ８に供給されると、一部の電力はダイオード１２を通ってスイッチ８の電源端子Ｄ８及びトルグ端子Ｔ８に供給される。これによりスイッチ８は動作が可能な状態となり、スイッチ８は入力端子Ｉ８と出力端子Ｏ８間を接続する。スイッチ８がオン状態になると電力源７から電力Ｐｌｏａｄが電子回路９に供給されると共に、ダイオード１１を通ってスイッチ８の電源端子Ｄ８及びトルグ端子Ｔ８に供給される。スイッチ８はラッチ機能を有するスイッチであるが、スイッチ制御回路３からの電力供給を受けている場合、１パルス状の電力供給ではラッチ状態を保持することができない。しかし本実施ではスイッチ８がオン状態になるとスイッチ８の出力端子Ｏ８から電力を得るため、ラッチ状態を保持することができ、次の信号が入力されるまでスイッチ８の入力端子Ｉ８と出力端子Ｏ８間の接続を保持する。スイッチ８がオン状態になることで電力源１の電力が電子回路９に供給されると、検出回路４は検出端子を通してスイッチ８がオン状態にあることを駆動電圧Ｖｌｏａｄをモニタすることで確認し、昇圧回路２に対して昇圧動作を停止するように検出回路の出力端子Ｏ４から停止信号Ｓｓｔｏｐを送る。検出回路４の出力端子Ｏ４から昇圧回路２の動作制御端子Ｓ２に停止信号Ｓｓｔｏｐを受けた昇圧回路２は、昇圧動作を停止し、コンデンサ５への電力供給をやめる。これにより、スイッチ８を制御する回路はムダな電力を消費することはない。

図７は、本発明の第五の実施例の電子装置のブロック図である。第五の実施例の電子装置では、スイッチ８にラッチ機能を有していないスイッチで、制御端子を２つ持ち、一方の制御端子に信号があるときはオンを、もう一方の制御端子に信号があるときはオフを行うスイッチを有することを特徴とする。

第五の実施例の電子装置は、発電源１の出力端子Ｏ１と昇圧回路２の入力端子Ｉ２を接続し、昇圧回路２の出力端子Ｏ２とスイッチ制御回路３の入力端子Ｉ３を接続する。スイッチ制御回路３の充放電端子Ｏ３−２とコンデンサ５の入力端子Ｉ５を接続し、コンデンサ５の接地端子Ｏ５を接地し、スイッチ制御回路３の出力端子Ｏ３−１とスイッチ８の第一の制御端子Ｓ８−１を接続する。電力源７の出力端子Ｏ７はスイッチ８の入力端子Ｉ８と接続し、スイッチ８の出力端子Ｏ８は電子回路９の入力端子Ｉ９及びダイオード１３のアノード端子Ａ１３と接続する。スイッチ８の出力端子Ｏ８は検出回路４の入力端子Ｉ４と接続し、検出回路４の出力端子Ｏ４は昇圧回路２の制御端子Ｓ２と接続する。ダイオード１３のカソード端子Ｃ１３はスイッチ８の第一の制御端子Ｓ８−１と接続する。電子回路９の制御端子Ｓ９はスイッチ８の第二の制御端子Ｓ８−２と接続する。

コンデンサ５に蓄えられた電力がスイッチ制御回路３の出力端子Ｏ３−１からスイッチ８の第一の制御端子Ｓ８−１に供給されると、スイッチ８は入力端子Ｉ８と出力端子Ｏ８間を接続する。スイッチ８がオン状態になると電力源７から駆動電力が電子回路９に供給されると共に、ダイオード１３を通ってスイッチ８の第一の制御端子Ｓ８−１に供給される。これによりスイッチ８はラッチ機能を有していなくてもスイッチをオン状態に保持することができる。スイッチ８がオン状態になることで電力源１の電力が電子回路９に供給されると、検出回路４は検出端子を通してスイッチ８がオン状態にあることを駆動電圧Ｖｌｏａｄをモニタすることで確認し、昇圧回路２に対して昇圧動作を停止するように検出回路の出力端子Ｏ４から停止信号Ｓｓｔｏｐを送る。検出回路４の出力端子Ｏ４から昇圧回路２の動作制御端子Ｓ２に停止信号Ｓｓｔｏｐを受けた昇圧回路２は、昇圧動作を停止し、コンデンサ５への電力供給をやめる。これにより、スイッチ８を制御する回路はムダな電力を消費することはない。

次に電子回路９が動作を停止する時は、電子回路９の制御端子Ｓ９からスイッチ８の第二の制御端子Ｓ８−２に信号を送ることにより、スイッチ８を強制的にオフする。これにより、電力源７と電子回路９を完全に遮断することができ、電子回路９におけるスタンバイ時のムダな消費電力(リーク電流や不用な回路動作)を防ぐことができる。

更に第五の実施例の電子装置は、スイッチ８の第一の制御端子Ｓ８−１に電力を通電している間は電力源７と電子回路９を遮断させ、スイッチ８の第一の制御端子Ｓ８−１に電力が通電されていない間は電力源７と電子回路９の間を導通させる機能を有する。このシステムは、発電源１の基となる光や熱、運動エネルギー、電磁気エネルギーなどの外部環境変化エネルギーがあるときにはスイッチ８をオフ状態にし、光や熱、運動エネルギー、電磁気エネルギーがなくなった時点で電子回路９は動作を開始する。具体例として、暗くなると点灯する街灯システムのように太陽発電の発電電力がなくなると動作を開始するシステムについてである。

本発明の第六の実施例の電子装置は、構成及び接続は第五の実施例の電子装置で説明したものと同じである。

本発明の第六の実施例の電子装置の動作について説明する。スイッチ８は通電をしていない状態の時オン状態なので、電力源７と電子回路９は接続され、電子回路９は動作を行っている。この時、発電源１に光、あるいは熱、あるいは運動エネルギー、あるいは電磁気エネルギーが加わることで電力を発電し、その電力を昇圧回路２で昇圧する。昇圧回路２は発電源１から供給される電力で起動が掛かり、昇圧動作を開始する。昇圧された電力はスイッチ制御回路３を通してコンデンサ５に充電される。充電されたコンデンサ５の電圧がスイッチ８を動作させることができる電圧Ｖｓｗ以上になった場合、スイッチ制御回路３はスイッチ８の第一の制御端子Ｓ８−１にコンデンサ５から電力を供給する。ここでコンデンサ５の容量は、スイッチ８のオフを制御することが十分可能な電力を蓄える容量である。電力を供給されたスイッチ８はスイッチをオフ状態にし、電力源７と電子回路９を接続を遮断する。

発電源１の基となる光や熱、運動エネルギー、電磁気エネルギーなどの外部環境変化エネルギーなくなると、スイッチ８に電力を供給することができなくなり、スイッチ８は再びオン状態になる。これによって電力源７の電力は電子回路９に供給され、動作が開始する。ここで、電子回路９の制御端子Ｓ９からスイッチ８の第二の制御端子Ｓ８−２に信号を送ることによって、強制的に電力源７から電子回路９への電力供給を遮断することもできる。

以上のように構成された本発明の電子装置は、電池を搭載したアクティブＲＦタグに適用することで本発明の効果は一層高まる。アクティブＲＦタグの場合、アクティブＲＦタグが搭載された電子装置が通信可能領域に入っているかどうかは、装置自身が判断することはできない。そのため常に間欠的に信号を送信しつづけている。この場合、通信を行うことができない場所に電子装置がいるときには無駄に電力を消費しているだけである。アクティブＲＦタグに本発明を適用することによって、ムダな消費電力を削減し、電池の寿命を飛躍的に向上させることができる。具体的には、ＲＦコイルを発電源１とし、一次電池を電力源７としたアクティブＲＦタグにおいて電磁波が供給されている領域に本電子装置が通過すると、ＲＦコイルから電力発生する。この時、発生する電圧は電磁波の強度、コイルの大きさ、コイルの巻き数によって大きく異なるが、本発明の電子装置は昇圧回路２が内蔵されているため、問題なく動作させることが可能である。よって本発明の電子装置を使えば電磁波の出力パワーを小さく、あるいはコイルの大きさを小さくすることができる。

次にＲＦコイルで発電した電圧を昇圧回路２で昇圧し、スイッチ制御回路３を通してコンデンサ５に蓄える。充電されたコンデンサ５の電圧がスイッチ８を動作させることができる電圧Ｖｓｗ以上になった場合、スイッチ制御回路３はスイッチ８の制御端子Ｓ８にコンデンサ５から電力を供給する。ここでコンデンサ５の容量は、スイッチ８のオンを制御することが十分可能な電力を蓄える容量である。電力を供給されたスイッチ８はスイッチをオン状態にし、一次電池とＲＦ処理回路を接続する。

アクティブＲＦタグが搭載された電子装置が通信可能領域から外れると、ＲＦコイルで発生する電力はなくなるため、スイッチ８を制御する信号を送ることはできず、スイッチ８はオフ状態になる。ここでＲＦタグの通信時間は非常に短いものであり、コンデンサ５から送られた電力でスイッチ８がオンしている１パルスの時間で十分な場合が多い。その場合、電子装置が通信可能領域にいる間は何度も通信を行い、電子装置が通信可能領域から外れると通信を止める。上記の場合スイッチ８はＭＯＳＦＥＴを想定しているが、ラッチ機能を有するスイッチを使うこともできる。この場合、回路接続は図４に示すように接続し、電力源７からの電力でスイッチ８を待機状態にする。しかし消費電力削減の観点から見ると、待機電力を必要としないＭＯＳＦＥＴを使ったスイッチの方が望ましい。

また、近年白色ＬＥＤの出現により、より大きな光エネルギーで情報を伝達することができるようになっている。これは、白色ＬＥＤを非常に短い間隔でオン・オフさせることにより、光に情報を持たせようというものである。このような特徴を生かしたシステムとして、室外の電光掲示板や室内に情報送信の白色ＬＥＤを設置し、光の届く範囲に情報を供給するという試みがなされている。しかしこのシステムが発達してあらゆる所に信号発信源があった場合、受信側はどこから光情報がやってくるのかわからない。そのため、常に光情報を受信するための回路を動作させておく必要がある。これでは電波を用いた携帯電話機器と変わりなく、白色ＬＥＤを使うメリットは半減してしまう。

これは現在使用されているテレビやエアコンの赤外線リモコン回路にも言えることである。いつ赤外線が受信されてもいいように赤外線回路は常時動作をしている。仮に夏場しか使わないエアコンの場合、冬場はコンセントをさしている限り、使っていなくても電力を消費していることになる。他のリモコン装置でも同様である。

本発明はこのような待機電力の無駄を削減する目的で発明されたもので、上記のように光エネルギーと信号情報を同時に送信するシステムに最適である。光エネルギーを送信することで太陽電池である発電源１が発電し、スイッチ８をオン状態にすることで、ＡＣ電源や電池等の電力源７からの電力で電子回路９である信号受信回路が動作し、送られてきた情報を処理する。これにより、光を受けて初めて機器が動作を開始するため、ムダな待機電力を削減することができ、機器の電池寿命を飛躍的に延ばすことができる。

また本実施の電子装置の別の具体的な使用箇所は、光センサのつながったテレビの輝度調整回路のように、光を受けたとき動き出す機器に適している。光だけではなく、手を触れることで体温を電気に変換しスイッチ８をオンにするシステムや、ドアが開くことでドアにつけられた回転発電機が動作しスイッチ８をオンさせるシステムや、風を受けることで風車が回り発電機が動作することでスイッチ８をオンさせるシステム等に応用できる。この時、外部の環境変化によって発電源１が発電し、スイッチ８をオン状態にすることで、ＡＣ電源や電池等の電力源７からの電力で電子回路９である信号受信回路が動作する。ここで光センサを搭載した街路灯のように、暗くなると街路灯が点灯するシステムでは、スイッチ８を第一の制御端子Ｓ８−１に電力を通電している間は電力源７と電子回路９を遮断させ、スイッチ８の第一の制御端子Ｓ８−１に電力が通電されていない間は電力源７と電子回路９の間を導通させるスイッチを使用することで、これまでの動作を変えることなく光センサの消費電力を削減することができる。

以上のように構成することにより、従来のように電力源と電子回路を遮断するためのスイッチを制御するために必要な電力が必要なく、電子装置全体のスタンバイ時の消費電力は非常に小さくなる。

また低電圧から動作を開始する昇圧回路が発電源に接続されているため、発電源が小さくて発電電力の電圧が低くてもスイッチを制御することができる。

さらに昇圧回路に充放電回路とコンデンサが接続されているため、発電源の発電電力が小さくても、コンデンサに蓄えて、一気にスイッチに電力を供給することにより、スイッチの制御が可能である。

本発明の第一の実施例の電子装置のブロック図である。本発明の電子装置に用いる昇圧回路の一例の回路図である。本発明の第二ないし第四の実施例の電子装置に用いるスイッチの回路図である。本発明の第二の実施例の電子装置のブロック図である。本発明の第三の実施例の電子装置のブロック図である。本発明の第四の実施例の電子装置のブロック図である。本発明の第五の実施例の電子装置のブロック図である。従来の電子装置のブロック図である。

符号の説明

１発電源
２昇圧回路
３充放電回路
４検出回路
７、１０１電力源
８、１０３スイッチ
９、１０７負荷回路
１０２スイッチ制御回路
１０４充電制御回路
１０５蓄電器
１０６動作監視回路
２２０発振回路
３０９ＭＯＳＦＥＴ

Claims

電力源と電子回路とスイッチ手段を有し、前記スイッチ手段を介して前記電力源の電力を前記電子回路に供給する電子装置において、
環境エネルギーを電気エネルギーに変換する発電源と、
前記発電源に接続した昇圧回路と、
前記昇圧回路の電力で駆動されて前記スイッチ手段を制御するスイッチ制御回路と、
前記電力源の電圧をモニタして前記昇圧回路の動作を制御する検出回路と、
を有する電子装置。
前記検出回路は、前記スイッチ手段の出力端子の電圧をモニタするように接続された請求項１に記載の電子装置。
前記スイッチ制御回路に接続した蓄積手段を備え、前記スイッチ制御回路は前記蓄積手段の充放電を制御する機能を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電子装置。
前記スイッチ手段は、ラッチ式スイッチング動作をする請求項１から３のいずれかに記載の電子装置。
前記スイッチ手段は、切り替え式スイッチング動作をする請求項１から３のいずれかに記載の電子装置。
前記スイッチ手段の電源は、前記スイッチ制御回路の出力端子からダイオードを介して供給されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電子装置。
前記スイッチ手段の電源は、さらに前記スイッチ手段の出力端子からダイオードを介して供給されることを特徴とする請求項６に記載の電子装置。
前記発電源は、光、熱、運動、電磁波のいずれかの環境エネルギーを電気エネルギーに変換することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の電子装置。