JP6598103B1 - エナジーハーベスト端末 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、高システム稼働率のエナジーハーベスト端末を提供する。【解決手段】端末１００が、無線給電と無線データ通信を行うアンテナ１、受電回路３、通信回路９、電源制御回路５、蓄電デバイス１０、マイクロプロセッサ６、センサ７、高周波スイッチ２を備え、高周波スイッチ２は共通端子２Ａ、無電源時導通端子２Ｂ、無電源時非導通端子２Ｃを備え、共通端子２Ａと無電源時導通端子２Ｂとの間に、制御信号により共振してインピーダンスが高くなる第１の共振回路２１と、共通端子２Ａと無電源時非導通端子２Ｃの間に、共通端子２Ａと無電源時非導通端子２Ｃの間を通過する高周波信号を９０度移相する移相回路２２と、無電源時非導通端子２Ｃとグランドの間に、制御信号により共振してインピーダンスが高くなる第２の共振回路２３とを備え、前記２つの共振回路を、制御信号である所定の値の前記バイアス電圧により共振させる。【選択図】図１

Description

本開示は、エナジーハーベスト端末に関する。

ワイヤレスセンサネットワークを構成するセンサ端末には、電源が必要である。この電源として、ボタン電池等の一次電池や、太陽電池、熱電変換素子等が使用されている。

しかし、一次電池は電池交換が必要であり、太陽電池や熱電変換素子は材料コストが高い。このような電源に関する問題は、ワイヤレスセンサネットワークの普及への障壁となっていた。

ここで、通信システムとしてＲＦＩＤ（Radio-Frequency Identification）を用いた場合、センサ端末から自発的に通信電波を送信することがなく、センサ端末は低消費電力であるため、電源としてエナジーハーベスト（energy harvest；環境発電）を利用することが可能となる。

エナジーハーベストは、周囲に存在するエネルギーから電力を採取する技術であり、ここでのセンサ端末の如き低消費電力のデバイスに好ましく適用される。エナジーハーベストには、光、熱電、振動、電磁波などを用いるものがあるが、電磁波を用いたＲＦエナジーハーベストは、電源の一部または全部として無線電力を利用するものである。これ
により、ワイヤレスかつ電池交換不要のセンサ端末が実現可能となる。

無線給電により電源供給されるエナジーハーベスト端末は、無線給電用のアンテナとデータ通信用のアンテナの双方を備える必要がある。

実際、特許文献１には、無線給電される無線通信装置の消費電力を低減することを目的とした、給電装置や受電装置等が記載されている。特許文献１の受電装置に相当する子局は、親局とデータ通信を行うデータ通信部、親局からの給電信号に対して、子局自身に電力供給を行う給電部を備えていることが記載されている。また、データ通信部は、データ通信用のアンテナを備えており、給電部は、親局によって送信された給電信号を受信するアンテナを備えていることも記載されている。

国際公開第２０１７／１０９９６３号

ここで、ＩｏＴ（Internet of Things）環境が発達しつつある昨今において、様々なデータをセンサ端末によって取得することができれば、センサ端末が取得したデータを様々な形で活用できるようになり、好適である。無線給電により電源供給されるエナジーハーベスト端末は、電池交換の必要性も無く、太陽電池等のような高い材料コストも不要であるため、このような用途に適している。

しかし、センサ端末は様々な場所に多数配置されるものであるため、小型化を求められる。また、無線給電用アンテナとデータ通信用アンテナとの間で電波状況が違うことで、システムの稼働率が下がるという、潜在的な問題も存在していた。

本開示は、かかる問題点に鑑みて、より小型化され、システム稼働率の高いエナジーハーベスト端末を提供することを目的とする。

本開示のエナジーハーベスト端末は、アンテナと、受電回路と、通信回路と、電源制御回路と、蓄電デバイスと、マイクロプロセッサと、１以上のセンサと、高周波スイッチとを備える。前記電源制御回路は、前記受電回路と、前記通信回路と、前記蓄電デバイスと、前記マイクロプロセッサと、前記１以上のセンサとに接続される。前記アンテナは、無線給電と無線データ通信の双方を行うものであり、前記高周波スイッチは、共通端子と、無電源時導通端子と、無電源時非導通端子とを備える。前記高周波スイッチの前記共通端子が前記アンテナに接続され、前記高周波スイッチの前記無電源時導通端子が前記受電回路に接続され、前記高周波スイッチの前記無電源時非導通端子が前記通信回路に接続される。前記高周波スイッチは、前記アンテナから入力された高周波信号を、直流電力を供給されることなく、前記共通端子から前記無電源時導通端子へと通過させることが可能である。前記高周波スイッチは、前記共通端子と前記無電源時導通端子との間に設けられ、制御信号により共振することでインピーダンスが高くなる第１の共振回路と、前記共通端子と前記無電源時非導通端子の間に設けられ、前記共通端子と前記無電源時非導通端子の間を通過する高周波信号を９０度移相する移相回路と、前記無電源時非導通端子とグランドの間に設けられ、制御信号により共振することでインピーダンスが高くなる第２の共振回路と、を備える。前記第１の共振回路および前記第２の共振回路が、制御信号である所定の値の前記バイアス電圧により共振した状態の場合、前記共通端子と前記無電源時非導通端子が導通状態となり、前記第１の共振回路および前記第２の共振回路が、制御信号であるゼロの値の前記バイアス電圧により非共振した状態の場合、前記共通端子と前記無電源時導通端子が導通状態となる。

本開示のエナジーハーベスト端末は、マイクロプロセッサが出力した信号に基づき、前記第１の共振回路および前記第２の共振回路に制御信号が出力される。この制御信号が上述の高周波スイッチの切り替えを行うことで、前記アンテナが、無線給電と無線データ通信の機能とを兼務できる構成とした。しかも、端末の電力が尽きた無電源時においても、外部からの無線給電により、前記アンテナ、および受電回路を経由して、蓄電デバイスに充電を行うことができる。

本開示のエナジーハーベスト端末であれば、前記アンテナによって、無線給電と無線データ通信の双方を行うことができるため、端末が小型化される。また、複数のアンテナを備えないので、無線給電用アンテナとデータ通信用アンテナとの間で電波状況が違う、等ということがそもそも起こり得ない。その結果、システムの稼働率も高く維持することができる。

また、本開示のエナジーハーベスト端末であれば、センサによるデータ収集および電池交換等も不要な端末を、安価に製造することができる。

図１は、本開示のエナジーハーベスト端末の一実施形態に係るブロック図である。 図２は、エナジーハーベスト端末に用いられる高周波スイッチの回路図である。 図３は、第１および第２の共振回路に入力されるバイアス電圧とキャパシタの関係を示すグラフである。 図４は、第１の共振回路及び第２の共振回路を簡易なモデル化した共振回路の図である。 図５は、第１および第２の共振回路に入力する入力周波数に対するインピーダンスを示すグラフである。 図６は、図２の回路図を簡略化して示す図であり、（ａ）は、バイアス電圧がゼロの時の無線電力の流れを示す図であり、（ｂ）は、所定のバイアス電圧を印加した時の無線送受信波の流れを示す図である。 図７（ａ）〜（ｃ）は、エナジーハーベスト端末に用いられる高周波スイッチの種々の実施形態を示す図である。 図８（ａ）及び（ｂ）は、エナジーハーベスト端末に用いられる高周波スイッチの他の実施形態を示す図である。 図９は、エナジーハーベスト端末に用いられる高周波スイッチの他の実施形態を示す図である。 図１０（ａ）及び（ｂ）は、エナジーハーベスト端末に用いられる高周波スイッチの他の実施形態を示す図である。 図１１（ａ）及び（ｂ）は、エナジーハーベスト端末に用いられる高周波スイッチの他の実施形態を示す図である。

以下、適宜図面を参照しながら、本開示に係るエナジーハーベスト端末を具体的に開示した実施形態（以下、「本実施形態」という）を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

以下、本開示を実施するための好適な本実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本開示のエナジーハーベスト端末の一実施形態のブロック図である。エナジーハーベスト端末１００は、アンテナ１と、高周波スイッチ２と、受電回路３と、電源制御回路５と、マイクロプロセッサ６と、センサ７と、その他の負荷８と、通信回路９と、蓄電デバイス１０と、を備える。

エナジーハーベスト端末１００は、ＲＦＩＤリーダライタの如き外部のＲＦＩＤ通信ノードから、無線通信の無線電波を受信することにより電力を受信し（給電技術）、起動する電磁波エナジーハーベストを利用する。エナジーハーベスト端末１００の適用分野は特に限定されないが、例えば、各種電子デバイス、チップなどの態様をなし、あらゆるモノをインターネットなどの通信網に接続し、情報交換を促すことによりモノを相互に制御する「モノのインターネット」、いわゆるＩｏＴ（Internet of Things）を実現するための端末としての利用が期待される。エナジーハーベスト端末１００は、工場、住宅、介護施設、道路の等の各種のインフラ、人体等、あらゆる場所に設置することが想定される。そして、この実施態様でのエナジーハーベスト端末１００は、外部からの無線給電によって駆動することができ、独立した電源が不要であるため、あらゆる場所に、大量に設置することも比較的容易である。

アンテナ１は、外部のＲＦＩＤ通信ノードから、所定周波数（例えば９２０ＭＨｚの如きマイクロ波）の無線電波（無線電力）を受信し、電力の供給を受ける電力供給用アンテナとしての役割を果たす。更にアンテナ１は、無線（ＲＦＩＤ）送受信機である通信回路９と協働して、後述するセンサ７が取得した値、すなわちデータを外部のＲＦＩＤ通信ノードに送信するとともに、このＲＦＩＤ通信ノードからデータを受信することもでき、データ通信用アンテナとしての役割を果たす。アンテナ１はパッチアンテナ、スロットアンテナなど種々の構成のアンテナを利用することが可能であり、特にその種類は限定されない。

高周波スイッチ２は、アンテナ１の機能を切り替えるための装置であり、上述した様にアンテナ１が電力供給用アンテナとして機能する場合、受電回路３に接続して受信した無線電力を受電回路３に供給する。一方、アンテナ１はデータ通信用アンテナとして機能する場合、通信回路９に接続し、外部のＲＦＩＤ通信ノードとのデータの送受信を可能とする。高周波スイッチ２の詳細は後述する。

受電回路３は、例えば、ＲＦ−ＤＣ変換回路やＤＣ−ＤＣコンバータ（図示省略）を備えてよい。この例において、ＲＦ−ＤＣ変換回路は、アンテナ１が受信した高周波の無線電力に対応した交流電流を直流電流に変換して出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータは、そのインピーダンスを変動させ、ＲＦ−ＤＣ変換回路の出力を後段の種々の負荷（電源制御回路５、蓄電デバイス１０等）に適した所定の電圧に変換する。

電源制御回路５は、マイクロプロセッサ６、センサ７、その他の負荷８、蓄電デバイス１０に供給する電力を制御する。

マイクロプロセッサ６は、エナジーハーベスト端末１００全体の動作を司るマイクロコントローラ（マイコン）である。マイクロプロセッサ６は、起動トリガ信号に基づき起動し、消費電力抑制のために電源制御信号を送りつつ、高周波スイッチ２、通信回路９を制御する。マイクロプロセッサ６は通信信号により、センサ７から検出データを取得し、所定の演算を行い、通信回路９に演算データを書き込む。

センサ７は、エナジーハーベスト端末１００による検出対象となる、外部環境の特定の値に応じて設けられるものであり、起動するために電力を供給する必要がある負荷である。センサ７は、例えば外部環境の特定の値が温度である場合は温度センサであり、圧力である場合は圧力センサであるが、その種類は特に限定されない。一台のエナジーハーベスト端末１００に複数のセンサ７を設けることが可能である。センサ７は外部から値を検出し、マイクロプロセッサ６へ供給する。

エナジーハーベスト端末１００は、その他の負荷８を備えていてよい。一例として、その他の負荷８は出力装置であってよい。出力装置は小型のディスプレイ等により構成され、電源制御回路５による制御の下、エナジーハーベスト端末１００の蓄電状態等の種々の情報を出力表示するものである。なお、その他の負荷８の種類は特に限定されず、エナジーハーベスト端末１００において必須の装置ではない。

蓄電デバイス１０はキャパシタ等により構成され、エナジーハーベスト端末１００の電力源（電池）として機能する。

上述した様に、エナジーハーベスト端末１００は、外部からの給電によって駆動することができ、別途独立した電源が存在しない環境下で駆動することを想定している。しかしながら、エナジーハーベスト端末１００自身が有する電力源、例えば蓄電デバイス１０が完全放電等により消失した状況では、エナジーハーベスト端末１００のあらゆる機能が停止する事態が想定し得る。この機能には、当然ながら高周波スイッチ２の機能も含まれる。よって、蓄電デバイス１０が完全に放電したような場合、高周波スイッチ２への電力供給も停止するため、高周波スイッチ２が外部から無線電力を受信することができない状態に陥る。よって、エナジーハーベスト端末１００はその機能が完全に停止してしまう。

そこで本実施形態の高周波スイッチ２は、エナジーハーベスト端末１００自身が有する電源である蓄電デバイス１０の充電が完全に消失しても、外部からの無線電力を通過させることにより、蓄電デバイス１０の充電を可能とする。以下、図２〜図６を用いて、本開示のエナジーハーベスト端末１００が備える、高周波スイッチ２の実施形態について詳述する。

本例において、高周波スイッチ２は、３つの端子を備える。共通端子２Ａ（Ｐｏｒｔ１）と、無電源時導通端子２Ｂ（Ｐｏｒｔ２）と、無電源時非導通端子２Ｃ（Ｐｏｒｔ３）である。

ここで、図１を併せて参照する。共通端子２Ａ（Ｐｏｒｔ１）はアンテナ１に接続される。

無電源時導通端子２Ｂ（Ｐｏｒｔ２）は受電回路３に接続される。無電源時においては、図１に見られるように、共通端子２Ａと無電源時導通端子２Ｂが導通状態となる。

無電源時非導通端子２Ｃ（Ｐｏｒｔ３）は通信回路９に接続される。無電源時においては、図１に見られるように、共通端子２Ａと無電源時非導通端子２Ｃとは、導通状態となっていない。

再び図２を参照する。高周波スイッチ２は、基本構成として、第１の共振回路２１と、移相回路２２と、第２の共振回路２３とを備えている。

第１の共振回路２１は、共通端子２Ａと無電源時導通端子２Ｂの間に設けられ、制御信号により共振することでそのインピーダンスが高くなるように構成されている。第１の共振回路２１は、キャパシタＣ１を介して共通端子２Ａに接続され、キャパシタＣ３を介して無電源時導通端子２Ｂに接続されている。

第１の共振回路２１は、逆直列に接続された少なくとも二つのダイオードＤ１、Ｄ２と、二つのダイオードＤ１、Ｄ２に並列に接続されたインダクタＬ１と、二つのダイオードＤ１、Ｄ２の間に接続されたバイアス回路２４（Ｖｂｉａｓ）と、を有する。ダイオードＤ１のアノードは、キャパシタＣ１を介して共通端子２Ａに接続されている。より詳しく述べると、ダイオードＤ２のカソードがダイオードＤ１のカソードに接続され、ダイオードＤ１、Ｄ２は逆直列に接続されている。インダクタＬ１は、ダイオードＤ１およびダイオードＤ２のアノード間に並列に接続されている。バイアス回路２４はインダクタＬ７を介して、二つのダイオードＤ１、Ｄ２の間、すなわちこれらのカソードに接続されており、後述する様に制御信号としてのバイアス電圧をダイオードＤ１およびダイオードＤ２に出力する。

移相回路２２は、共通端子２Ａと無電源時非導通端子２Ｃの間に設けられ、共通端子２Ａと無電源時非導通端子２Ｃの間を通過する高周波信号を９０度移相する役割を果たすものである。移相回路２２は、キャパシタＣ１を介して共通端子２Ａに接続されるとともに、第１の共振回路２１のダイオードＤ１のアノードにも接続されている。さらに移相回路２２は、キャパシタＣ４を介して無電源時非導通端子２Ｃに接続されるとともに、後述する第２の共振回路２３のダイオードＤ４のアノードにも接続されている。

移相回路２２は、高周波信号の入力端と出力端に接続されたインダクタＬ２と、入力端（または出力端）とグランドの間に接続されたキャパシタＣ２と、出力端（または入力端）とグランドの間に接続されたキャパシタＣ７とを有しており、いわゆるπ形９０度移相回路の態様を有する。尚、無線電力の供給の場面を想定して共通端子２Ａの側から見た場合、移相回路２２の共通端子２Ａに近い端部が入力端に該当し、共通端子２Ａから遠い端部が出力端に該当する。一方、通信回路９からのデータ送信の場面を想定して無電源時非導通端子２Ｃの側から見た場合、移相回路２２の無電源時非導通端子２Ｃに近い端部が入力端に該当し、無電源時非導通端子２Ｃから遠い端部が出力端に該当する。

第２の共振回路２３は、無電源時非導通端子２Ｃとグランドの間に設けられ、制御信号により共振することでインピーダンスが高くなるように構成されている。さらに第２の共振回路２３は、移相回路２２およびグランドの間にも接続されている。

第２の共振回路２３は第１の共振回路２１と同様な構成を有している。すなわち第２の共振回路２３は、逆直列に接続された少なくとも二つのダイオードＤ３、Ｄ４と、二つのダイオードＤ３、Ｄ４に並列に接続されたインダクタＬ３と、二つのダイオードＤ３、Ｄ４の間に接続されたバイアス回路２４（Ｖｂｉａｓ）と、を有する。ダイオードＤ４のアノードは、移相回路２２にも接続されている。より詳しく述べると、ダイオードＤ３のカソードがダイオードＤ４のカソードに接続され、ダイオードＤ３、Ｄ４は逆直列に接続されている。インダクタＬ３は、ダイオードＤ３およびダイオードＤ４のアノード間に並列に接続されている。バイアス回路２４はインダクタＬ６を介して、二つのダイオードＤ３、Ｄ４の間、すなわちこれらのカソードに接続されており、後述する様に制御信号としてのバイアス電圧をダイオードＤ３およびダイオードＤ４に出力する。

尚、実施形態ではバイアス回路２４は、第１の共振回路２１と第２の共振回路２３で共通であり、同一のバイアス電圧が第１の共振回路２１と第２の共振回路２３に印加されるが、特にこのような構成に限定される必要はなく、第１の共振回路２１、第２の共振回路２３の各々に対し、異なるバイアス電圧を接続してもよい。

第１の共振回路２１、第２の共振回路２３では、可変容量素子として、二つのダイオードが逆直列に接続されており、これらのダイオードは可変容量ダイオード（バラクタダイオード）として機能する。バラクタダイオードは電源の供給なしに無線電力の通過を可能とする性質を持っている。また、一般的に、バラクタダイオードはバイアス電圧に対して静電容量が非線形に変動するダイオードの非線形容量に起因し、高周波の入力時に歪を生じやすい性質を持つため、高周波スイッチへの利用はされない。しかしながら、本実施形態では、二つのダイオードＤ１、Ｄ２（Ｄ３、Ｄ４）が逆向きに直列接続されるため、二つのダイオードで発生する歪みが相殺され、結果的にこのような歪みを低減することが可能となっている。

図３のグラフは、バイアス回路２４から第１の共振回路２１、第２の共振回路２３に入力されるバイアス電圧Ｖｂｉａｓ（Ｖ）とキャパシタンスＣ（ｐＦ）の関係を示す。可変容量ダイオードのキャパシタンス（静電容量）はバイアス電圧に応じて可変であり、印加するバイアス電圧を大きくするほど静電容量が小さくなることがわかる。

図４は、第１の共振回路２１（または第２の共振回路２３、以下、「共振回路」として説明）を簡易なモデル化した共振回路の図であり、共振回路は、インピーダンスＺを有するキャパシタＣとインダクタＬの並列共振回路であることを示している。周波数ｆにおけるインピーダンスＺの絶対値は、以下の式（１）により表される。

すなわち、図３のグラフに示す様なバイアス電圧Ｖｂｉａｓの変動に伴うキャパシタンスＣの変動は、式（１）のインピーダンス（の絶対値）の変動を引き起こすことになる。すなわち、バイアス電圧Ｖｂｉａｓを変動させることにより、共振回路のインピーダンスを変動させることが可能である。式（１）においてキャパシタンスＣは分母にあるため、バイアス電圧Ｖｂｉａｓを小さくすることによりキャパシタＣを増大させ、インピーダンスＺの絶対値を小さくすることができる。逆に、バイアス電圧Ｖｂｉａｓを大きくすることによりキャパシタンスＣを減少させ、入力される周波数をｆとして式（２）で表される値とすることでインピーダンスＺの絶対値を大きくすることができる。

図５は、共振回路に入力する入力周波数に対するインピーダンスを示すグラフであり、二つのグラフｍ１、ｍ２は、それぞれ異なるバイアス電圧を共振回路に与えた場合のインピーダンスを示している。グラフｍ１はバイアス電圧Ｖｂｉａｓ＝０Ｖのときのインピーダンスを示し、グラフｍ２はバイアス電圧Ｖｂｉａｓ＝２．５Ｖのときのインピーダンスを示している。一般的に用いられるマイクロ波の周波数である周波数９２０ＭＨｚにおいて、グラフｍ１のインピーダンスは３．３６１Ωとなり、グラフｍ２のインピーダンスは４５５．５４０Ωとなる。すなわち、共振回路に印加するバイアス電圧を変化させることにより、共振回路のインピーダンスを大きく変化させることができる。

図６は、図２の回路図を簡略化して示す図であり、（ａ）、（ｂ）は、それぞれバイアス電圧の有無の違いによる、高周波信号（無線電力または送受信波）の導通の挙動の違いを示している。図６（ａ）は、バイアス回路２４が制御信号としてのバイアス電圧を出力していない、すなわちバイアス電圧がゼロの時の無線電力の流れを示しており、図５におけるグラフｍ１の場合に相当する。すなわち、第１の共振回路２１および第２の共振回路２３のキャパシタＣが大きくインピーダンスＺは小さい。ここで、第２の共振回路２３はグランドに接続されており、無電源時非導通端子２Ｃ（Ｐｏｒｔ３）への接続点は実質的にグランドにショートした状態となり、この接続点ではインピーダンスは低くなる。

そしてこの無電源時非導通端子２Ｃ（Ｐｏｒｔ３）への接続点の上流側には、高周波信号を９０度移相する移相回路２２が接続されており、接続点から見て移相回路２２の上流側では高いインピーダンスとなる。これはいわゆるショートスタブの現象と同じである。よって、アンテナ１から共通端子２Ａ（Ｐｏｒｔ１）に入力した高周波信号（無線電力）は、インピーダンスの高い入力点を有する移相回路２２の側ではなく、インピーダンスが低い第１の共振回路２１に導通し（共通端子２ＡとダイオードＤ２のアノードが導通する）、さらには無電源時導通端子２Ｂ（Ｐｏｒｔ２）へと通過する。なお、これは直流電力を供給されることなく行われる。

すなわち、バイアス電圧がゼロ、いわゆる無電源の状態において、高周波信号は無電源時導通端子Ｐｏｒｔ２、すなわち受電回路３（図１）に供給され、エナジーハーベスト端末１００への充電が可能となる。

図６（ｂ）は、バイアス回路２４が制御信号としての所定のバイアス電圧を出力し、第１の共振回路２１および第２の共振回路２３に印加された時の無線送受信波の流れを示しており、図５におけるグラフｍ２の場合に相当する。すなわち、第１の共振回路２１および第２の共振回路２３は並列共振状態であり、インピーダンスＺが大きい。ここで、第２の共振回路２３はグランドに接続されており、無電源時非導通端子２Ｃ（Ｐｏｒｔ３）への接続点は実質的にグランドから絶縁された状態となり、この接続点ではインピーダンスは高くなる。また、第１の共振回路２１の上流側でもインピーダンスは高くなる。

尚、第１の共振回路２１および第２の共振回路２３のインピーダンスＺを大きくするには、入力した高周波の周波数（例えばマイクロ波の周波数である９２０ＭＨｚ）が共振周波数となる様なキャパシタンスＣ、それに対応するバイアス電圧を印加すればよい。あるいは、所定のバイアス電圧に応じて、インダクタンスＬを調整することで入力周波数と共振周波数を一致させることも可能である。この場合、インピーダンスを極大にし、スイッチの損失を最小にすることができる。共振周波数ｆｃは、次の式（３）にて求めることができる。

共通端子２Ａ（Ｐｏｒｔ１）に入力した高周波信号（無線受信波）は、インピーダンスの高い第１の共振回路２１の側ではなく、移相回路２２に導通し、さらには無電源時非導通端子２Ｃ（Ｐｏｒｔ３）に供給される。すなわち、高周波信号は無電源時非導通端子２Ｃ（Ｐｏｒｔ３）、すなわち通信回路９（図１）に供給され、エナジーハーベスト端末１００は、外部から無線受信波により搬送されるデータを受信することができる。なお、エナジーハーベスト端末１００からデータを外部へ送信する場合も、図６（ｂ）の状態により行われる。すなわち、バイアス電圧を第１の共振回路２１および第２の共振回路２３に印加することにより、送信すべきデータが、通信回路９、無電源時非導通端子２Ｃ（Ｐｏｒｔ３）から移相回路２２を経由して共通端子２Ａ（Ｐｏｒｔ１）に送られ、無線送信波の形態でアンテナ１から外部へ送信される。

本実施形態の高周波スイッチ２は、いわゆるＳＰＤＴ（Single-Pole/Double-Throw）スイッチの構成を実現しており、一つの入力端子に対し二つの異なる出力端子を持つ構成が実現され、状況に応じて二つの出力端子のいずれかが用いられることになる。すなわち、第１の共振回路２１および第２の共振回路２３が、制御信号である０のバイアス電圧により非共振した状態の場合、共通端子２Ａと無電源時導通端子２Ｂが導通状態となる。一方、第１の共振回路２１および第２の共振回路２３が、制御信号である所定の値のバイアス電圧により共振した状態の場合、共通端子２Ａと無電源時非導通端子２Ｃが導通状態となる。

上述のような高周波スイッチ２を用いた本実施形態のエナジーハーベスト端末１００であれば、電源の供給なしに無線電力の通過が可能となり、蓄電デバイス１０を充電するため、外部に電源のない環境であっても、エナジーハーベスト端末１００が連続して駆動することができる。これは、静電容量が電圧によって変化する可変容量ダイオード（バラクタダイオード）とインダクタンスからなる共振回路によって高周波信号経路を切り替えることにより実現される。また、動作時においても消費電力をｎＷのオーダに低減することも可能である。さらに、バラクタダイオードを逆直列に使用することによりバイアス回路を簡略化し、同時にダイオードの非線形容量に起因する歪を低減可能としている。

実施形態のエナジーハーベスト端末１００においては、マイクロプロセッサ６が出力した信号をバイアス回路２４が受信し、当該信号に基づきバイアス回路２４は、制御信号であるゼロまたは所定の値のバイアス電圧を出力し、第１の共振回路２１および第２の共振回路２３に制御信号が出力され、二つの共振回路は共振または非共振の状態をとる。すなわち、第１の共振回路２１および第２の共振回路２３が、所定の値のバイアス電圧により共振した状態の場合、共通端子２Ａと無電源時非導通端子２Ｃが導通状態となる、一方、第１の共振回路２１および第２の共振回路２３が、ゼロの値のバイアス電圧により非共振した状態の場合、共通端子２Ａと無電源時導通端子２Ｂが導通状態となる。

例えばマイクロプロセッサ６は、センサ７からのデータが入力されたタイミングや、一定時間ごとに、あるいはその他の任意のタイミングで、無線通信を行うモードに対応する通信モード信号をバイアス回路２４に出力する。これに対応してバイアス回路２４は、制御信号として所定の値のバイアス電圧（共振周波数に対応したバイアス電圧）を出力し、第１の共振回路２１および第２の共振回路２３に制御信号たるバイアス電圧が出力され、第１の共振回路２１および第２の共振回路２３が共振状態となり、エナジーハーベスト端末１００は無線通信が可能となる（図６（ｂ））。すなわちマイクロプロセッサ６は、前述のようなタイミングで、共通端子２Ａと無電源時非導通端子２Ｃが導通状態となるように高周波スイッチ２を切り替え、前記無線データ通信を行う。

蓄電デバイス１０が完全に放電した場合には、制御信号であるバイアス電圧は０となり、第１の共振回路２１および第２の共振回路２３への制御信号は０となるので、第１の共振回路２１および第２の共振回路２３が非共振状態となり、エナジーハーベスト端末１００は外部から無線電力を受信することができる（図６（ａ））。尚、任意のタイミングでマイクロプロセッサ６が、無線電力を受信するモードに対応する給電モード信号をバイアス回路２４に出力し、これにより、バイアス回路２４からの、制御信号としてのバイアス電圧を０にしてもよい。

また、エナジーハーベスト端末１００は、図示を省略する電圧検出回路を更に備えていてよい。電圧検出回路は、蓄電デバイス１０の電圧が所定の値になったこと（例えば所定の値以上へと増大した、所定の値未満へと減少した、等）を検出するものである。そして、蓄電デバイス１０の電圧が所定の値になったことを電圧検出回路が検出した場合、これをトリガとして、高周波スイッチ２の切り替えを行うようにしてよい。例えば蓄電デバイス１０の充電が足りなくなった段階で、アンテナ１を給電に用いるように、高周波スイッチ２を切り替えてよい。また、蓄電デバイス１０の充電が充分になった段階で、アンテナ１をデータ通信に用いるように、高周波スイッチ２を切り替えてもよい。

図７（ａ）〜（ｃ）は、エナジーハーベスト端末１００に用いられる高周波スイッチ２の種々の実施形態を示す図である。図７（ａ）は、図２、図６に示したものと同じ基本構成の図である。図７（ｂ）は、第１の共振回路２１および第２の共振回路２３におけるインダクタＬ１、Ｌ３を伝送線路（ストリップライン）ＴＬ１、ＴＬ２に置き換えた例であり、伝送線路ＴＬ１がダイオードＤ１、Ｄ２に並列に接続され、伝送線路ＴＬ２がダイオードＤ３、Ｄ４に並列に接続されている。伝送線路ＴＬ１、ＴＬ２は、バラクタダイオードと並列共振可能な形状（長さ及び幅）を有する伝送線路を利用すればよい。図７（ｃ）は、図７（ｂ）の構成に加えて、移相回路２２をも伝送線路ＴＬ３に置き換えた例である。ここでの伝送線路ＴＬ３は９０度移相回路であり、λ／４長の電気長に対応する形状（長さ及び幅）を有する伝送線路により実現可能である。

図８（ａ）及び（ｂ）は、エナジーハーベスト端末１００に用いられる高周波スイッチ２の他の実施形態を示す図である。図８（ａ）は、図７（ａ）の構成に対し、移相回路２２のみを伝送線路ＴＬ３に置き換えた例である。図８（ｂ）は、移相回路２２における二つのキャパシタＣ２、Ｃ７のうち、キャパシタＣ７を省略し、簡略化した形態を示す。キャパシタＣ２、インダクタＬ３は、それぞれＰｏｒｔ３とグランドの間におけるリアクタンスの−成分、＋成分を担っており、キャパシタＣ７の省略に伴い、キャパシタＣ７による−成分を考慮してインダクタＬ３を設計すればよい。

図９は、エナジーハーベスト端末１００に用いられる高周波スイッチ２の他の実施形態を示す図である。上述した図２、図６〜図８の実施形態では、第１の共振回路２１（第２の共振回路２３）において、二つのダイオードＤ１、Ｄ２（Ｄ３、Ｄ４）のカソード同士が逆直列に接続されている。一方、図９の実施形態では、二つのダイオードＤ１、Ｄ２（Ｄ３、Ｄ４）のアノード同士が接続されている。さらに二つのダイオードＤ１、Ｄ２（Ｄ３、Ｄ４）のアノード間に、インダクタＬ４（Ｌ５）が接続され、このインダクタはグランドに接続されている。この結果、第１の共振回路２１および第２の共振回路２３におけるバイアス回路２４を省略し、代わりに無電源時非導通端子２Ｃ（Ｐｏｒｔ３）にのみバイアス回路が接続される。無電源時非導通端子２Ｃ（Ｐｏｒｔ３）からの信号にバイアス回路からのバイアス電圧を重畳して出力することにより、第１の共振回路２１および第２の共振回路２３の双方にバイアス電圧を印加することが可能となり、上述した実施形態と同等な制御を行うことが可能となる。なお、キャパシタＣ８は、直流成分をカットするために設けられる。

図２〜図８の実施形態で採用される二つの共振回路に配線されるバイアス回路２４は、回路内における異なる２箇所への配線を必要とするため配線の長さが長くなり、かつ配線構造が複雑になりがちである。一方、図９のようにバイアス回路を無電源時非導通端子２Ｃ（Ｐｏｒｔ３）にのみ接続し、一つのバイアス回路のみによって制御する構成では、バイアス回路の構成を簡略化することが可能となる。インダクタＬ４、Ｌ５は、回路内のあらゆる領域に存在するグランドへの接続のため、その配線は短くかつ簡略化することが可能である。

上記の実施形態では、無電源時非導通端子２Ｃ（Ｐｏｒｔ３）からの出力に制御信号であるバイアス電圧を重畳しているが、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すとおり無電源時導通端子２Ｂ（Ｐｏｒｔ２）または共通端子２Ａ（Ｐｏｒｔ１）からの出力にバイアス電圧を重畳してもよい。

図１１（ａ）及び（ｂ）は、エナジーハーベスト端末１００に用いられる高周波スイッチ２の他の実施形態を示す図である。図１１（ａ）に示す様に、本例においては、基本構成における無電源時非導通端子２Ｃ（Ｐｏｒｔ３）に対し、第３の共振回路４１、他の（第２の）移相回路４２、第４の共振回路４３を追加して接続している。この構成は、図７（ａ）の基本構成を二段分カスケード接続した構成に相当する。第１の共振回路２１、第２の共振回路２３には、バイアス電圧Ｖｂｉａｓ１を印加するとともに、第３の共振回路４１、第４の共振回路４３には、バイアス電圧Ｖｂｉａｓ２を印加することができる。本例では、一の入力に対して無電源時導通端子２Ｂ（Ｐｏｒｔ２）、無電源時非導通端子２Ｃ（Ｐｏｒｔ３）に加え、更に任意の端子Ｐｏｒｔ４の三つの出力先が実現され、いわゆるＳＰ３Ｔスイッチの構成を実現することができる。図１１（ｂ）は二つのバイアス電圧Ｖｂｉａｓ１、Ｖｂｉａｓ２の状態に応じた高周波信号の出力先の端子を示す表である。

上記の実施形態では、上述のエナジーハーベスト端末としての機能を備えつつ、ポートが増やされているので、本開示のエナジーハーベスト端末の活用自由度が増す。例えば、Ｐｏｒｔ２を小電力向けに調整したＲＦ−ＤＣ変換回路、Ｐｏｒｔ３を大電力向けＲＦ−ＤＣ変換回路、Ｐｏｒｔ４を通信端子にすることにより、幅広い動作電力範囲で高効率な動作が可能なエナジーハーベスト端末を得ることができる。あるいは、通信方式として時分割半二重通信を用いる場合、送信回路と受信回路を切り替えるためにＰｏｒｔ３とＰｏｒｔ４を用いる、という活用方法も考えられる。また、通信方式として、ＲＦＩＤ通信等の短距離通信方式と、ＬＰＷＡ等の長距離通信を併用する構成にも、上記の実施形態を活用可能である。

以上、図面を参照して本開示に係るエナジーハーベスト端末の実施形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例、修正例、置換例、付加例、削除例、均等例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

本開示によれば、より小型化され、システム稼働率も向上したエナジーハーベスト端末を提供できるため、エナジーハーベスト端末の利用がより一層促進される。

１ アンテナ
２ 高周波スイッチ
２Ａ 共通端子
２Ｂ 無電源時導通端子
２Ｃ 無電源時非導通端子
３ 受電回路
５ 電源制御回路
６ マイクロプロセッサ
７ センサ
８ その他の負荷
９ 通信回路
１０ 蓄電デバイス
２１ 第１の共振回路
２２ 移相回路
２３ 第２の共振回路
２４ バイアス回路
４１ 第３の共振回路
４２ 第２の移相回路
４３ 第４の共振回路
１００ エナジーハーベスト端末
Ｃ１〜Ｃ４ キャパシタ
Ｃ７〜Ｃ８ キャパシタ
Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード
Ｌ１〜Ｌ７ インダクタ
ＴＬ１〜ＴＬ３ 伝送線路（ストリップライン）
Ｖｂｉａｓ バイアス電圧
Ｖｂｉａｓ１ バイアス電圧
Ｖｂｉａｓ２ バイアス電圧

Claims (6)

1. エナジーハーベスト端末であって、
   アンテナと、受電回路と、通信回路と、電源制御回路と、蓄電デバイスと、マイクロプロセッサと、１以上のセンサと、高周波スイッチとを備え、
   前記電源制御回路は、前記受電回路と、前記通信回路と、前記蓄電デバイスと、前記マイクロプロセッサと、前記１以上のセンサとに接続され、
   前記アンテナは、無線給電と無線データ通信の双方を行うものであり、
   前記高周波スイッチは、共通端子と、無電源時導通端子と、無電源時非導通端子とを備え、
   前記高周波スイッチの前記共通端子が前記アンテナに接続され、
   前記高周波スイッチの前記無電源時導通端子が前記受電回路に接続され、
   前記高周波スイッチの前記無電源時非導通端子が前記通信回路に接続され、
   前記高周波スイッチは、前記アンテナから入力された高周波信号を、直流電力を供給されることなく、前記共通端子から前記無電源時導通端子へと通過させることが可能であり、
   前記高周波スイッチは、
   前記共通端子と前記無電源時導通端子との間に設けられ、制御信号により共振することでインピーダンスが高くなる第１の共振回路と、
   前記共通端子と前記無電源時非導通端子の間に設けられ、前記共通端子と前記無電源時非導通端子の間を通過する高周波信号を９０度移相する移相回路と、
   前記無電源時非導通端子とグランドの間に設けられ、制御信号により共振することでインピーダンスが高くなる第２の共振回路と、
   を備え、
   前記第１の共振回路および前記第２の共振回路が、制御信号である所定の値のバイアス電圧により共振した状態の場合、前記共通端子と前記無電源時非導通端子が導通状態となり、
   前記第１の共振回路および前記第２の共振回路が、制御信号であるゼロの値のバイアス電圧により非共振した状態の場合、前記共通端子と前記無電源時導通端子が導通状態となる、
   エナジーハーベスト端末。
2. 請求項１に記載のエナジーハーベスト端末であって、
   前記第１の共振回路および前記第２の共振回路のうち少なくともいずれか一つが、
   逆直列に接続された少なくとも二つの可変容量素子と、
   前記二つの可変容量素子に並列に接続されたインダクタと、
   前記二つの可変容量素子の間に接続され、前記制御信号であるバイアス電圧を前記二つの可変容量素子に出力するバイアス回路からなる、
   エナジーハーベスト端末。
3. 請求項１または請求項２に記載のエナジーハーベスト端末であって、
   前記マイクロプロセッサは、一定時間ごとに、前記高周波スイッチを、前記共通端子と前記無電源時非導通端子とが導通状態となるように切り替え、前記無線データ通信を行う、
   エナジーハーベスト端末。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエナジーハーベスト端末であって、
   前記蓄電デバイスの電圧を検出する電圧検出回路を更に備え、
   前記電圧検出回路が所定の電圧を検出することにより、前記高周波スイッチを切り替える、
   エナジーハーベスト端末。
5. エナジーハーベスト端末に用いられる高周波スイッチであって、
   前記エナジーハーベスト端末は、アンテナと、受電回路と、通信回路と、電源制御回路と、蓄電デバイスと、マイクロプロセッサと、１以上のセンサと、前記高周波スイッチとを備え、
   前記電源制御回路は、前記受電回路と、前記通信回路と、前記蓄電デバイスと、前記マイクロプロセッサと、前記１以上のセンサとに接続され、
   前記アンテナは、無線給電と無線データ通信の双方を行うものであり、
   前記高周波スイッチは、共通端子と、無電源時導通端子と、無電源時非導通端子とを備え、
   前記共通端子が前記エナジーハーベスト端末の前記アンテナに接続され、
   前記無電源時導通端子が前記エナジーハーベスト端末の前記受電回路に接続され、
   前記無電源時非導通端子が前記エナジーハーベスト端末の前記通信回路に接続され、
   前記高周波スイッチは、前記アンテナから入力された高周波信号を、直流電力を供給されることなく、前記共通端子から前記無電源時導通端子へと通過させることが可能であり、
   前記高周波スイッチは、
   前記共通端子と前記無電源時導通端子との間に設けられ、制御信号により共振することでインピーダンスが高くなる第１の共振回路と、
   前記共通端子と前記無電源時非導通端子の間に設けられ、前記共通端子と前記無電源時非導通端子の間を通過する高周波信号を９０度移相する移相回路と、
   前記無電源時非導通端子とグランドの間に設けられ、制御信号により共振することでインピーダンスが高くなる第２の共振回路と、
   を備え、
   前記第１の共振回路および前記第２の共振回路が、制御信号である所定の値のバイアス電圧により共振した状態の場合、前記共通端子と前記無電源時非導通端子が導通状態となり、
   前記第１の共振回路および前記第２の共振回路が、制御信号であるゼロの値のバイアス電圧により非共振した状態の場合、前記共通端子と前記無電源時導通端子が導通状態となる、
   高周波スイッチ。
6. 請求項５に記載の高周波スイッチであって、
   前記第１の共振回路および前記第２の共振回路のうち少なくともいずれか一つが、
   逆直列に接続された少なくとも二つの可変容量素子と、
   前記二つの可変容量素子に並列に接続されたインダクタと、
   前記二つの可変容量素子の間に接続され、前記制御信号であるバイアス電圧を前記二つの可変容量素子に出力するバイアス回路からなる、
   高周波スイッチ。

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