JP4611093B2 - 電波発電回路 - Google Patents

Description

この発明は、電波を利用して発電、蓄電する回路に関する。

従来の電波を利用して発電する回路は、非接触ICカードとして、図１２に示されるような回路が知られていた（例えば、特許文献１参照。）。即ち、非接触ICカード１００には、電磁結合コイル１０１とICチップ１０２が、実装されている。ICカードリーダライタ１０３は、ICカード１００の電磁結合コイル１０１と電磁結合するための電磁結合コイル１０４を有し、そのICカードリーダライタ１０３からの電磁結合による電力供給で、ICカード１００は動作する。
特許第３４１８３２２号公報（第１１図）

従来の電波を利用した発電回路は、電力供給するための手段が必要になるという課題があった。また、アンテナを実装する際に、その配線の長さによってアンテナの特性が変化してしまうという課題があった。

そこで、この発明の目的は従来のこのような課題を解決するために、生活空間に存在する電波からエネルギー供給を受けて、発電することを目的としている。

本願発明にかかる電波発電回路は、電波を受けるアンテナまたはコイルと、前記アンテナまたはコイルからの信号を整流するためのシリコン基板に作成された整流回路と、前記整流回路の出力を蓄電する回路とからなり、前記電波のエネルギーを利用して、発電する回路において、前記電波が、商用の電波である電波発電回路を課題解決のための手段とする。

さらに蓄電する回路の出力と負荷の間にエンハンスメント型MOSトランジスタのソースとドレインが挿入されており、前記エンハンスメント型MOSトランジスタのしきい値電圧を利用して、前記蓄電する回路と負荷の接続を制御する電波発電回路とする。

さらに、前記シリコン基板には、窪みが形成されており、前記アンテナまたはコイルには、前記シリコン基板の窪みに合う突起状の端子が形成されており、前記シリコン基板の窪みに、前記アンテナの突起状の端子を挿入して、前記アンテナと前記シリコン基板に形成された素子とを電気的に接続する電波発電回路とする。

また、前記電波が、生活空間内に存在する電波である電波発電回路とする。

また、電波を受けるアンテナまたはコイルと、前記アンテナまたはコイルからの信号を整流するためのシリコン基板に作成された整流回路と、前記整流回路の出力を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路の出力を蓄電する回路と、前記蓄電回路の電圧を検出する回路と、前記蓄電回路と負荷を接続するためのスイッチ回路とからなり、前記電波のエネルギーを利用して発電し、前記蓄電回路の電圧が、前記電圧を検出する回路によって、ある任意の電圧以上になった時に、前記スイッチ回路をONして、前記蓄電回路と前記負荷とを接続する電波発電回路とする。

また、電波を受けるアンテナまたはコイルと、前記アンテナまたはコイルからの信号を整流するためのシリコン基板に作成された整流回路と、前記整流回路の出力を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路の出力を蓄電する回路と、前記蓄電回路の電圧を検出する回路と、前記蓄電回路と負荷を接続するためのスイッチ回路と、前記電圧を検出する回路の信号を入力とする単安定マルチバイブレータ回路とからなり、前記電波のエネルギーを利用して発電し、前記蓄電回路の電圧が、前記電圧を検出する回路によって、ある任意の電圧以上になった時に、前記単安定マルチバイブレータ回路によって、決定される任意の期間前記スイッチ回路をONして、前記蓄電回路と前記負荷とを接続する電波発電回路とする。

また、電波を受ける第一のアンテナまたはコイルと、前記第一のアンテナまたはコイルからの信号を整流するためのシリコン基板に作成された第一の整流回路と、前記第一の整流回路の出力を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路の出力を蓄電する回路と、前記蓄電回路と負荷を接続するためのスイッチ回路と、前記第一のアンテナとは、異なる周波数の電波を受ける第二のアンテナまたはコイルと、前記第二のアンテナまたはコイルからの信号を整流するためのシリコン基板に作成された第二の整流回路を含み、前記第一のアンテナまたはコイルは電波のエネルギーを利用して発電し、前記蓄電回路にエネルギーを蓄え、前記第二のアンテナまたはコイルが、前記第一のアンテナとは異なる周波数の電波を受信して、前記整流回路２によって発電した時に、前記スイッチ回路をONして、前記蓄電回路と前記負荷とを接続する電波発電回路とする。

また、電波を受ける第一のアンテナまたはコイルと、前記第一のアンテナまたはコイルからの信号を整流するためのシリコン基板に作成された第一の整流回路と、前記第一の整流回路の出力を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路の出力を蓄電する回路と、前記蓄電回路と負荷を接続するためのスイッチ回路と、前記第一のアンテナとは、異なる周波数の電波を受ける第二のアンテナまたはコイルと、前記第二のアンテナまたはコイルからの信号を整流するためのシリコン基板に作成された第二の整流回路と、前記第二の整流回路からの信号を入力とする単安定マルチバイブレータ回路とを含み、前記第一のアンテナまたはコイルは電波のエネルギーを利用して発電し、前記蓄電回路にエネルギーを蓄え、前記第二のアンテナまたはコイルが、前記第一のアンテナとは異なる周波数の電波を受信して、前記整流回路２によって発電した時に、前記単安定マルチバイブレータ回路によって、決定される任意の期間前記スイッチ回路をONして、前記スイッチ回路をONして、前記蓄電回路と前記負荷とを接続することを特徴とする電波発電回路とする。

本願発明にかかる電波発電回路は、電波発電用に特別なエネルギーの発生を必要としないという効果がある。

上記課題を解決するために、この発明では生活空間における電波を利用して発電するようにした。以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施例を示す電波発電回路である。基板１０には、アンテナまたはコイル２と整流回路１と、蓄電するための回路または素子（たとえば、容量）３が実装されている。

図２に、具体的な電波発電回路の一例を示す。アンテナの役割をするコイル２と整流回路の役割をするショットキー・バリア・ダイオード（以下SBDと記載する）１と蓄電するための素子として容量３が接続されている。コイル２は、商用の電波、例えば、携帯電話や、TV放送、FM放送等の電波からエネルギーを供給される。SBDは、コイル２で発生する電圧を整流して、容量３に電荷を注入する。

商用電波の種類や強さは、場所、時間によって大きく異なるが、仮に僅かな電波であっても、図２に示す回路では、僅かながらも容量３を充電する。従って、電波の弱い場所であっても、長い時間をかければ、いずれ容量３には充電され、電荷が蓄えられる。容量３の両端に負荷を接続すれば、容量３の電荷を利用して、負荷を駆動することが可能である。

図３は、本発明の第２の実施例を示す電波発電回路である。

コイル２、SBD１、容量３は、図２と同様である。容量３のプラス端子には、Pチャネル型MOSトランジスタ６のソースが接続されており、そのドレインは負荷７に接続されている。MOSトランジスタ６のゲートは、容量３のマイナス端子に接続されている。

このように、接続することで、容量３に蓄電される電圧が、およそMOSトランジスタ６のしきい値電圧よりも高くなると、MOSトランジスタ６がONすることで、容量３に負荷７が並列に接続され、容量３のエネルギーで負荷７を駆動することが可能となる。

容量３に蓄電される電圧が、 MOSトランジスタ６のしきい値電圧よりも低いときは、MOSトランジスタ６はOFFの状態であり、かつ電力の消費がない。すなわち、このような回路構成とすることで、電力消費なしに、電波によって蓄電された電圧の検出を行い、容量３の電圧が適当な電圧になった時に負荷の接続を制御することが可能となる。MOSトランジスタのしきい値電圧を調整することで、容量３と負荷７とを接続する電圧を調整することができる。

さらに、図４に示すように、MOSトランジスタのゲートとドレインを接続したトランジスタ９を、MOSトランジスタ６のゲートに接続し、MOSトランジスタ６のゲートとソース間に高抵抗１０を接続することで、容量３と負荷３とを接続する電圧を調整することも可能である。図４の場合は、容量３の電圧が、およそMOSトランジスタ６のしきい値電圧とMOSトランジスタ９のしきい値電圧の和に等しい電圧まで蓄電されたときに、容量３と負荷７が接続されることになる。

また、図５に示すように、図４のゲートとドレインを接続したトランジスタ９のドレインとソースに、スイッチの役割をするMOSトランジスタ１１のドレインとソースを接続し、容量３の電圧が、およそMOSトランジスタ６とMOSトランジスタ９のしきい値電圧の和に等しい電圧まで蓄電されたときに、容量３と負荷７が接続されると同時に、負荷７に含まれる制御回路からの信号によって、スイッチの役割をするトランジスタ１１をONさせることで、容量３の電圧が多少下がっても、容量３の電圧が、およそMOSトランジスタ６のしきい値電圧に下がるまでは、容量３と負荷７とが接続された状態を保つことができる。

また、図６に示すように、Pチャネル型MOSトランジスタの代わりに、Nチャネル型MOSトランジスタ８を使用することも可能である。この場合、MOSトランジスタ８のソースは、容量３のマイナス端子に接続され、MOSトランジスタ８のゲートは、容量３のプラス端子に接続され、負荷７は、容量３のプラス端子とMOSトランジスタ８のドレインに接続される。このようにすることで、容量３の端子電圧が、MOSトランジスタ８のしきい値電圧よりも高くなると、MOSトランジスタ８がONして、容量３と負荷７が接続される。

本発明の、電波発電回路の応用として、機械部品や電気部品（例えば、モータ等）の故障を、バッテリー・レスで判断することが可能になる。たとえば、図３におけるアンテナの発電しやすい周波数（共振周波数）を、機械部品や電気部品の故障したときに発生する電波の周波数に合わせておく。その場合、機械部品や電気部品が故障すると、ある周波数の電波を発生し、その電波を受けて、本発明の電波発電回路が発電し、負荷７として機械部品や電気部品の異常を知らせるような回路に電源を供給することにより、バッテリー・レスで、機械部品や電気部品の故障の検出を行うことが可能となる。

図７は、本発明の第３の実施例を示す電波発電回路である。

シリコン基板５０には、整流回路や、容量、抵抗、MOSトランジスタ等の素子が、シリコンのプレーナ・プロセスによって作製されており、さらに、DRIE(Deep Reactive Ion Etching)のような、異方性のシリコンのドライ・エッチングまたは、TMAH（Tetra Methyl Ammonium Hydroxide）のような異方性のウエット・エッチングによって、窪みが形成されている。その窪みは、DRIEで形成される場合、シリコン基板に対して、図７のようにほぼ垂直に形成され、ウエット・エッチングの場合は、ある角度を持って、窪みが形成されるのが一般的である。

一方、アンテナ２には、突起状の端子があり、その突起状の端子が、シリコン基板１の前記窪みに挿入される。シリコン基板１の窪みの深さ、及び、大きさは、その窪みに埋め込むアンテナ２の突起状の端子の大きさに依存して、調整する。シリコン基板１とアンテナ２との固定方法の例としては、シリコン基板１の窪みに、金属配線、または、高濃度の拡散による配線、または、ポリ・シリコンのよる配線５をあらかじめ形成し、その配線５は、シリコン基板１の表面に形成された素子に、接続されている。シリコン基板１の窪みの、アンテナ２の端子が接する箇所に低融点金属、または、導電性接着剤４を配置する。その状態で、アンテナ２を挿入することで、アンテナの突起状の端子と配線５とが、導電性接着剤４によって電気的に接続され、結果として、アンテナ２とシリコン基板５０の表面に形成された素子と、電気的に接続される。

従来アンテナと整流素子との配線長によって、アンテナの受信感度が大きく変化してしまうことがあったが、このようにすることで、最小の距離で、アンテナと半導体素子とを接続することが可能となる。さらに、電波発電回路を小形化することができる。

また、本発明では、携帯電話や、TV放送、FM放送といった商用の電波に限らず、蛍光灯やOA機器等から発生する生活空間の電波を利用して電波発電することも可能であるし、機械部品や電気部品の故障の時に発生する特定の電波を利用して電波発電することも可能である。

また、図２では、整流回路と蓄電回路の一例を示したが、本発明はこの回路にとられるものではなく、整流の機能があり、蓄電の機能があれば、どのような手段で構成されていても構わない。

図８は、本発明の第４の実施例を示す電波発電回路である。

アンテナまたはコイル２で、電波を受けて発電した後に、整流回路２０で整流して、直流電圧に変換し、その直流電圧を、昇圧回路２１によって、昇圧する。一般に、アンテナまたはコイル２から発電される電圧は、電波が弱い場合低いため、昇圧回路２１は、負荷７が動作することが可能な電圧まで昇圧する。昇圧された電圧は、蓄電回路３に蓄電される。電圧検出回路２３は、前記蓄電回路の電圧を検出し、前記電圧検出回路で決定される任意の電圧まで、前記蓄電回路の電圧が上昇すると、スイッチ回路２４をOFFからONし、前記蓄電回路３と負荷７とを接続する。

本実施例によれば、僅かな電波による発電であっても、昇圧回路２１によって、負荷を駆動するために必要な電圧まで昇圧し、その昇圧された電圧を電圧検出回路２３で検出して、負荷を駆動するために必要な電圧まで達した後に、スイッチ回路２４を介して負荷７に電圧を供給するので、負荷７の誤動作を確実に防ぐことができる。

また、スイッチ回路２４をONにした瞬間に、負荷７に電力が供給されることによって、蓄電回路３の電圧が低下して、スイッチ回路２４が、OFFにもどり、ONとOFFを繰り返す可能性があるが、電圧検出回路２３にヒステリシスを設けることで、それを防ぐことができる。

図９は、本発明の第５の実施例を示す電波発電回路である。図８との違いは、電圧検出回路２３の出力が、単安定マルチバイブレータ２５に接続されており、前記単安定マルチバイブレータ２５によって、スイッチ回路２４が制御されている。すなわち、電圧検出回路２３が、任意の電圧を検出した信号で、単安定マルチバイブレータ２５にトリガ信号を与え、単安定マルチバイブレータ２５によってあらかじめ、設定された期間、スイッチ回路２４をONする。

このような構成をとることで、負荷７がある一定の時間で、何らかの処理が可能な場合は、その処理時間のみスイッチ回路２４をONするように、単安定マルチバイブレータ２５の時間を設定することで、必要な期間のみ負荷７に電力を供給することが可能となり、蓄電回路３の無駄なエネルギーの消費を抑えることができる。

図１０は、本発明の第６の実施例を示す電波発電回路である。図８との違いは、スイッチ回路２４が電圧検出回路２３の出力ではなく、第二のアンテナまたはコイル２６とによって発電された電圧を、第二の整流回路２７にて整流して、その電圧で、スイッチ回路２４をONしている点である。

たとえば、第一のアンテナまたはコイル２と第一の整流回路２０と昇圧回路２１は、常に電波を受けて蓄電回路３に電力を蓄えているのに対し、第二のアンテナまたはコイルは、ある特別な周波数の電波にのみ反応して、発電するようにしておくことで、負荷７に電力を供給したい時のみ、第二のアンテナに反応する特殊な電波を与え、その電波を受信したときに、蓄電回路３と負荷７をスイッチ回路２４で接続することが可能となる。

これは、第二のアンテナの発電しやすい周波数（共振周波数）を、機械部品や電気部品の故障したときに発生する電波の周波数に合わせておくことで、機械部品や電気部品が故障すると、本発明の第二のアンテナが発電し、負荷７として機械部品や電気部品の異常を知らせるような回路に電源を供給することにより、バッテリー・レスで、機械部品や電気部品の故障の検出を行うことが可能となる。

図１１は、本発明の第７の実施例を示す電波発電回路である。図１０との違いは、第二のアンテナまたはコイル２６で発電し、第二の整流回路で整流した信号で、単安定マルチバイブレータ２５にトリガ信号を与え、単安定マルチバイブレータ２５によってあらかじめ、設定された期間、スイッチ回路２４をONする。

図１０の場合は、スイッチ回路２４をONしつづけるには、その間、第二のアンテナに反応する特殊な電波を発生しつづける必要があるが、図１１では、その必要は無い。

以上説明したように、本実施例によれば特別な電波のエネルギーを必要とせずに、発電することが可能な電波発電回路を提供することが可能となる。

本発明の電波発電回路は、バッテリー・レスの電源を構築する技術として利用可能である。

本発明の第１の実施例の電波発電回路の平面図 本発明の第１の実施例の電波発電回路の例 本発明の第２の実施例の電波発電回路 本発明の第２の実施例の電波発電回路 本発明の第２の実施例の電波発電回路 本発明の第２の実施例の電波発電回路 本発明の第３の実施例の電波発電回路 本発明の第４の実施例の電波発電回路 本発明の第５の実施例の電波発電回路 本発明の第６の実施例の電波発電回路 本発明の第７の実施例の電波発電回路 従来の電波発電回路の例

符号の説明

１ 整流回路
２ アンテナ
３ 蓄電回路
４ 導電性接着剤
５ ポリ・シリコン配線
６ PチャネルMOSトランジスタ
７ 負荷
８ NチャネルMOSトランジスタ
２０ 整流回路
２１ 昇圧回路
２３ 電圧検出回路
２４ スイッチ回路
２５ 単安定マルチバイブレータ

Claims (6)

1. 電波を受けるアンテナまたはコイルと、前記アンテナまたはコイルからの信号を整流するためのシリコン基板に作成された整流回路と、前記整流回路の出力を蓄電する回路とからなる、電波のエネルギーを利用して発電する回路と、
   前記蓄電する回路のひとつの出力にソースが接続され、負荷の一方にドレインが接続され、前記蓄電する回路の他の出力および前記負荷の他方にゲートが接続されたエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタとからなり、
   前記エンハンスメント型ＭＯＳトランジスタのしきい値電圧が、前記蓄電する回路から前記負荷に供給される電圧を定めている電波発電回路。
2. 電波を受けるアンテナまたはコイルと、前記アンテナまたはコイルからの信号を整流するためのシリコン基板に作成された整流回路と、前記整流回路の出力を蓄電する回路とからなる、電波のエネルギーを利用して発電する回路と、
   前記蓄電する回路のひとつの出力にソースが接続され、負荷の一方にドレインが接続され、前記ひとつの出力に抵抗を介してゲートが接続された第１のエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタと、
   前記第１のエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタにソースが接続され、ドレインおよびゲートが前記蓄電する回路の他の出力および前記負荷の他方に接続された第２のエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタとからなり、
   前記第１のエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタのしきい値電圧と前記第２のエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタのしきい値電圧との和が、前記蓄電する回路から前記負荷に供給される電圧を定めている電波発電回路。
3. 電波を受けるアンテナまたはコイルと、前記アンテナまたはコイルからの信号を整流するためのシリコン基板に作成された整流回路と、前記整流回路の出力を蓄電する回路とからなる、電波のエネルギーを利用して発電する回路と、
   前記蓄電する回路のひとつの出力にソースが接続され、負荷の一方にドレインが接続され、前記ひとつの出力に抵抗を介してゲートが接続された第１のエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタと、
   前記第１のエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタにソースが接続され、ドレインおよびゲートが前記蓄電する回路の他の出力および前記負荷の他方に接続された第２のエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタと、
   前記第２のエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタに並列に配置されたスイッチと、からなり、
   前記第１のエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタのしきい値電圧が、前記蓄電する回路から前記負荷に供給される電圧を定めている電波発電回路。
4. 前記シリコン基板には、窪みが形成されており、
   前記アンテナまたはコイルには、前記シリコン基板の窪みに合う突起状の端子が形成されており、前記シリコン基板の窪みに、前記突起状の端子を挿入して、前記アンテナあるいはコイルと前記シリコン基板に形成された素子とを電気的に接続することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電波発電回路。
5. 前記電波が、生活空間内に存在する電波であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか1項に記載の電波発電回路。
6. 前記電波が、商用の電波であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電波発電回路。

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