JP7710355B2 - バッテリレスセンサ回路。 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリレスセンサ回路に関する。

バッテリレスで動作する従来のセンサ回路は、電源となるバッテリが無い為、発電素子を有し、発電素子の発電電力で動作する。この発電素子は、小型化のニーズにより小型化されるため、発電電力が少なく、センサ測定した結果を出力する負荷を直接駆動できない。そこで、従来のバッテリレスセンサは、発電素子の発電電力を一旦蓄電容量に蓄電し、所定時間負荷を動作できる分の電力が蓄電容量に蓄電されたら、蓄電容量の蓄電電力で、負荷を所定時間動作させる構成であった（例えば、特開２０１８－０８５８８８、図１参照）。

特開２０１８－０８５８８８号公報

従来のバッテリレスセンサ回路は、少ない発電素子の発電電力を蓄電容量に蓄電するため、所定時間負荷圧が動作できる電力が蓄電容量に蓄電するまで、負荷を動作させることができなかった。このため、センサのセンシング値の変化が大きい場合や、頻繁に起こる場合のセンシングでは、センシング出来ない期間が長い為、センシング精度が悪化してしまう課題があった。本発明の目的は、発電素子から発電電力が出力されると、センサ回路と電圧検出回路を動作させながら、蓄電容量を蓄電することができ、センシング精度の悪化が低減されたバッテリレスセンサ回路を提供することである。

本発明のバッテリレスセンサ回路は、発電素子と、第１のスイッチ素子と、電圧制御回路と、第１の蓄電容量と、センサ回路と、負荷と、を備え、前記発電素子は、前記第１のスイッチ素子を介して前記第１の蓄電容量に接続され、前記センサ回路の電源端子は、前記第１のスイッチ素子の入力端子に接続され、前記電圧制御回路は、前記第１のスイッチ素子の入力端子の電圧が入力され、前記第１のスイッチ素子を経由する電流を制御し、前記負荷は、前記第１の蓄電容量と、前記センサ回路と、に接続される構成とした。

バッテリレスセンサ回路のセンサ精度を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態のバッテリレスセンサ回路の一例を示す回路図である。

［第１の実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態にかかるバッテリレスセンサ回路１００の一例を示す回路図である。

本実施形態のバッテリレスセンサ回路１００の構成を説明する。本発明のバッテリレスセンサ回路１００は、発電素子１０１と、第１の昇圧回路１０２と、センサ回路１０３と、電圧制御回路１０５と、抵抗素子１０６と、第２の蓄電容量１０４と、第１のＮチャネル型ＭＯＳトランジスタ（以下、ＮＭＯＳトランジスタと記す）１０７と第１のＰチャネル型ＭＯＳトランジスタ（以下、ＰＭＯＳトランジスタと記す）１０８と、第１の蓄電容量１０９と、電圧検出回路１１０と、ダイオード１１１と、第２のＰＭＯＳトランジスタ１１２と、第２の昇圧回路１１３と、第２のＮＭＯＳトランジスタ１１４と、遅延回路１１５と、無線送信回路１１６と、で構成される。第２の昇圧回路１１３と、第２のＮＭＯＳトランジスタ１１４と、無線送信回路１１６は、負荷１１７を構成する。

発電素子１０１は、電力出力端子１５１を有する。第１の昇圧回路１０２は、第１の入力端子１５２と第１の出力端子１５３を有する。センサ回路１０３は、第１の電源端子１５４とセンサ電流出力端子１５５を有する。電圧制御回路１０５は、電圧モニタ端子１５６と制御端子１５７を有する。電圧検出回路１１０は、電圧検出端子１５８と第２の電源端子１５９と検出信号出力端子１６０を有する。第２の昇圧回路１１３は、第２の入力端子１６１と第２の出力端子１６２と第３の電源端子１６３を有する。遅延回路１１５は、検出信号入力端子１６４と遅延信号出力端子１６５を有する。無線送信回路１１６は、第４の電源端子１６６と第５の電源端子１６７を有する。

本実施形態のバッテリレスセンサ回路１００の接続を説明する。発電素子１０１の電力出力端子１５１は、第１の昇圧回路１０２の第１の入力端子１５２に接続される。第１の昇圧回路１０２の第１の出力端子１５３は、第１のノード２０１に接続される。センサ回路１０３の第１の電源端子１５４は、第１のノード２０１に接続される。センサ回路１０３のセンサ電流出力端子１５５は、第２の蓄電容量１０４の第１端子と、第１のＮＭＯＳトランジスタ１０７のドレイン端子と、電圧検出回路１１０の電圧検出端子１５８と、に接続される。電圧制御回路１０５の電圧モニタ端子１５６は、第１のノード２０１に接続される。電圧制御回路１０５の制御端子１５７は、第１のＰＭＯＳトランジスタ１０８のゲート端子と、ダイオード１１１のカソード端子と、に接続される。抵抗素子１０６の第１端子は、第１のノード２０１に接続される。抵抗素子１０６の第２端子は、ダイオード１１１のアノード端子と、第２のＰＭＯＳトランジスタ１１２のゲート端子と、に接続される。

第１のＰＭＯＳトランジスタ１０８のソース端子は、第１のノードに接続される。第１のＰＭＯＳトランジスタ１０８のドレイン端子は、第２のノード２０２を介して、第１の蓄電容量１０９の第１端子と、第２のＰＭＯＳトランジスタ１１２のソース端子と、第２の昇圧回路１１３の第２の入力端子１６１と、に接続される。第２の昇圧回路１１３の第２の出力端子１６２は、無線送信回路１１６の第４の電源端子１６６に接続される。第２の昇圧回路１１３の第３の電源端子１６３は、第２のＮＭＯＳトランジスタ１１４のソース端子と、無線送信回路１１６の第５の電源端子１６７と、に接続される。電圧検出回路１１０の第２の電源端子１５９は、第１のノード２０１に接続される。電圧検出回路１１０の検出信号出力端子１６０は、第２のＮＭＯＳトランジスタ１１４のゲート端子と、遅延回路１１５の検出信号入力端子１６４と、に接続される。遅延回路１１５の遅延信号出力端子１６５は、第１のＮＭＯＳトランジスタ１０７のゲート端子に接続される。ＧＮＤ端子との接続の説明は、省略する。

本実施形態のバッテリレスセンサ回路１００の動作を説明する。発電素子１０１の電力出力端子１５１から出力される発電電力は、第１の昇圧回路１０２の第１の入力端子１５２に入力される。第１の昇圧回路１０２は、第１の入力端子１５２に入力された発電電力を、より電圧の高い第１の昇圧電力に変換し、第１の出力端子１５３から、第１のノード２０１へ、第１の昇圧電力を出力する。第１のノード２０１に供給された第１の昇圧電力は、第１のＰＭＯＳトランジスタ１０８を介して、第１の蓄電容量１０９に充電される。

電圧制御回路１０５は、第１のノード２０１から電圧モニタ端子１５６に入力される第１の昇圧電力で動作する。同時に、電圧制御回路１０５は、電圧モニタ端子１５６で第１のノード２０１の電圧をモニタし、第１のＰＭＯＳトランジスタ１０８のゲートを制御する制御信号を制御端子１５７から出力する。このようにして、電圧制御回路１０５は、第１のノード２０１の電圧を、センサ回路１０３と電圧検出回路１１０が動作可能な電圧以上の第１の所定電圧に制御する。

第１の蓄電容量１０９は、第１のＰＭＯＳトランジスタ１０８を介して、第１の昇圧電力で充電される。第１の蓄電容量１０９の蓄電電圧が第１のノード２０１の電圧まで達するまで、第１のノード２０１は、第１のＰＭＯＳトランジスタ１０８によって第１の所定電圧に制御される。第２のＰＭＯＳトランジスタ１１２は、ダイオード１１１と抵抗素子１０６により第１のＰＭＯＳトランジスタ１０８のゲート電圧よりもゲート電圧が高くなるため、オフしている。

第１の蓄電容量１０９の蓄電電圧が第１のノード２０１の電圧まで達すると、第１のＰＭＯＳトランジスタ１０８は完全にオンする。第１のＰＭＯＳトランジスタ１０８によって、第１のノード２０１と第２のノード２０２が接続されるため、第１のノード２０１と第２のノード２０２は、第２のＰＭＯＳトランジスタ１１２で第１の所定電圧に制御される。ここで第１のＰＭＯＳトランジスタ１０８は、第１のノードと第２のノードを接続するスイッチとして動作する。

センサ回路１０３は、第１の電源端子１５４に入力される第１の昇圧電力で動作する。センサ回路１０３は、センサで測定する環境に応じたセンサ電流をセンサ電流出力端子１５５から出力する。センサ回路１０３のセンサ電流出力端子１５５から出力されるセンサ電流は、第２の蓄電容量１０４に蓄電される。第２の蓄電容量１０４の蓄電電圧は、電圧検出回路１１０の電圧検出端子１５８に入力され、第２の蓄電容量１０４の蓄電電圧が第２の所定電圧以上かどうか検出される。電圧検出回路１１０は、電圧検出端子１５８に入力される第２の蓄電容量１０４の蓄電電圧が第２の所定電圧以上となったことを検出すると、検出信号出力端子１６０から検出信号を出力する。電圧検出回路１１０から検出信号が出力されると、第２のＮＭＯＳトランジスタ１１４がオンする。

第２のＮＭＯＳトランジスタ１１４がオンすると、第２の昇圧回路１１３の第３の電源端子と、無線送信回路１１６の第５の電源端子がＧＮＤ端子と接続され、第２の昇圧回路１１３と無線送信回路１１６は、動作可能状態となる。第２の昇圧回路１１３が動作可能状態となると、第２の昇圧回路１１３は、第２の入力端子１６１から入力される第１の蓄電容量１０９の蓄電電力を、より電圧の高い第２の昇圧電力に変換して、第２の出力端子１６２から、第２の昇圧電力として出力する。無線送信回路１１６が動作可能状態となると、無線送信回路１１６は、第４の電源端子１６６に入力される第２の昇圧電力で動作する。無線送信回路１１６は、センサ回路１０３の出力するセンサ電流により第２の蓄電容量１０４が第２の所定電圧まで充電されたことを、外部に知らせる。

無線送信回路１１６が動作すると、第１の蓄電容量１０９の蓄電電力が無線送信回路１１６の動作に消費されるため、第１の蓄電容量１０９の蓄電電圧が０Ｖ付近まで低下する。しかしながら、発電素子１０１から所定量以上の発電電力が出力されている場合は、第１のノード２０１は、電圧制御回路１０５によって第１の所定電圧に制御される。

遅延回路１１５は、検出信号入力端子１６４に入力される検出信号を無線送信回路１１６の動作が完了するまでの時間分遅延させ遅延信号出力端子１６５から出力する。遅延回路１１５から検出信号が出力されると、第１のＮＭＯＳトランジスタ１０７がオンするため、第２の蓄電容量１０４の蓄電電圧は、０Ｖ付近まで低下する。

電圧検出回路１１０は、電圧検出端子１５８に入力される第２の蓄電容量１０４の蓄電電圧が第２の所定電圧未満となったことを検出すると、検出信号出力端子１６０から検出解除信号を出力する。電圧検出回路１１０から検出解除信号が出力されると、第２のＮＭＯＳトランジスタ１１４がオフするので、第２の昇圧回路１１３と無線送信回路１１６は、ＧＮＤ端子から切り離され動作停止状態となる。

第２の昇圧回路１１３と無線送信回路１１６が動作停止状態となると、第１の蓄電容量１０９の蓄電は、再開される。遅延回路１１５は、検出信号入力端子１６４に入力される検出解除信号を第２の蓄電容量１０４の蓄電電圧が０Ｖ付近まで低下する時間分遅延させ、遅延信号出力端子１６５から出力する。遅延回路１１５から検出解除信号が出力されると、第１のＮＭＯＳトランジスタ１０７がオフするため、第２の蓄電容量１０４の蓄電は、再開される。

第１の蓄電容量１０９の容量値と第２の蓄電容量１０４の容量値の設定について説明する。第１の蓄電容量１０９は、発電素子１０１の発電電力によって充電される。第１の蓄電容量１０９の容量値は、第１の蓄電容量１０９充電が進んで、第１の蓄電容量１０９の蓄電電圧が第１の所定電圧になった際の第１の蓄電容量１０９の蓄電電力によって、無線送信回路１１６を所定時間動作できる容量値以上に設定する。第２の蓄電容量は、センサ回路１０３の出力するセンサ電流によって充電される。第２の蓄電容量１０４の容量値は、蓄電が再開された第１の蓄電容量１０９に無線送信回路１１６を所定時間動作できる蓄電電力が蓄電できるまでの第１の時間と、第２の蓄電容量の蓄電電圧が電圧検出回路１１０で検出する第２の所定電圧に達するまでの第２の時間を比較して、第２の時間が必ず長くなる容量値以上に設定する。このように容量値を設定することで、無線送信回路１１６は、第２の蓄電容量の蓄電電圧が第２の所定電圧に達した際に、第１の蓄電容量の蓄電電力で所定時間動作できる。

本発明のバッテリレスセンサの構成で、例えばバッテリレスＵＶ（紫外線）蓄積量センサを実現する場合、発電素子１０１は、１セル太陽電池が好ましい。第１の昇圧回路１０２は、チャージポンプ方式の昇圧回路が好ましい。センサ回路１０３は、紫外線の受光量に応じたセンサ電流を出力する構成が好ましく、紫外線での発電を利用する構成が、低消費電流になるため、好ましい。第２の昇圧回路１１３は、コイルを用いた昇圧回路が好ましい。無線送信回路１１６は、無線信号を出力する機能を有する構成が好ましい。発電素子１０１から出力される発電電力の電圧が十分高い場合は、第１の昇圧回路１０２を介さずに、発電電力を第１のノード２０１に入力しても良い。第１の蓄電容量１０９の蓄電電力が十分多い場合は、第２の昇圧回路１１３を介さずに、第１の蓄電容量１０９の蓄電電力を無線送信回路１１６の第４の電源端子１６６に入力しても良い。第１のＰＭＯＳトランジスタ１０８と、第２のＰＭＯＳトランジスタ１１２と、第１のＮＭＯＳトランジスタ１０７と、第２のＮＭＯＳトランジスタ１１４は、制御信号でオン抵抗が制御できるスイッチ素子として動作する。

本発明のバッテリレスセンサによれば、発電素子から発電電力が出力されると、センサ回路と電圧検出回路を動作させながら、第１の蓄電容量を蓄電することができるため、従来の課題であったセンシング精度の悪化を低減
することができる。

さらに、センサ回路から出力されるセンサ電流で蓄電される第２の蓄電容量が第２の所定電圧まで充電される時間をセンシング結果として出力する構成としたため、従来のセンサ電流を所定時間間隔で検出し記憶するセンシング方式に比べ、検出精度が向上するだけでなく、センシングに消費する電力が低下できるので小型化されて発電電力が低下した発電素子であっても、発電素子の発電電力でセンシングすることができる。

さらに、第２の昇圧回路と負荷を動作可能状態とする検出信号の電圧が、第１の蓄電容量の電圧低下と共に低下しないため、第１の蓄電容量の電圧が低下しても、検出信号で、第２の昇圧回路と負荷の動作可能状態を維持できる。

１００、バッテリレスセンサ回路
１０１、発電素子
１０３、センサ回路
１０４、１０９、蓄電容量
１０５、電圧制御回路
１１０、電圧検出回路
１１６、無線送信回路
１１７、負荷

Claims (7)

1. 発電素子と、第１のスイッチ素子と、電圧制御回路と、第１の蓄電容量と、センサ回路と、負荷と、を備え、
   前記発電素子は、前記第１のスイッチ素子を介して前記第１の蓄電容量に接続され、
   前記センサ回路の電源端子は、前記第１のスイッチ素子の入力端子に接続され、
   前記電圧制御回路は、前記第１のスイッチ素子の入力端子の電圧が入力され、前記第１のスイッチ素子を経由する電流を制御し、
   前記負荷は、前記第１の蓄電容量と、前記センサ回路と、に接続されるバッテリレスセンサ回路。
2. 第２の蓄電容量と、電圧検出回路と、を更に備え、
   前記第２の蓄電容量は、前記センサ回路に接続され、
   前記電圧検出回路は、前記第２の蓄電容量の蓄電電圧が入力され、前記負荷を制御する請求項１記載のバッテリレスセンサ回路。
3. 前記第２の蓄電容量の容量値は、前記第１の蓄電容量が発電素子の出力によって第１の所定電圧まで充電される時間より、前記第２の蓄電容量がセンサ回路の出力によって第２の所定電圧まで充電される時間が長くなる容量値に設定された請求項２記載のバッテリレスセンサ回路。
4. 前記電圧検出回路は、前記第１のスイッチ素子の入力電力で駆動される請求項２記載のバッテリレスセンサ回路。
5. 前記電圧検出回路の出力信号を所定時間遅延させ出力する遅延回路と、前記遅延回路から出力される信号で制御される第２のスイッチ素子と、を更に備え、前記第２のスイッチ素子で、前記第２の蓄電容量を放電する請求項２記載のバッテリレスセンサ回路。
6. 前記発電素子と前記第１のスイッチ素子の間に第１の昇圧回路を、更に備える請求項１記載のバッテリレスセンサ回路。
7. 前記負荷は、前記第１の蓄電容量と接続される第２の昇圧回路を、更に備える請求項１記載のバッテリレスセンサ回路。