JP6128686B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源装置に関し、特に、微弱な電圧から所望の電圧を発生させる技術に関する。

従来、熱電変換素子等の発電素子を備えた電源装置が知られている。例えば特開２０１３−４７６４７号公報（特許文献１）には、ペルチエ素子により発電した電力を利用して、周辺温度を測定する電子回路の動作電源電圧を生成する技術が開示されている。また、特開２０１２−２４４８４６号公報（特許文献２）に開示された技術では、熱のほか、電波や機械的振動から電力を発生させている。

特開２０１３−４７６４７号公報 特開２０１２−２４４８４６号公報

上述の発電素子を備えた従来の電源装置は、初期の回路動作に必要な電圧が発電素子により得られることを前提としている。このため、初期の回路動作に必要な電圧を発電素子に発生させることができる充分な温度変化が得られる環境下での用途に制限される。従って、上述の従来技術によれば、例えば人間の体温を利用して熱電変換素子により得られる微弱な発電電圧から所望の電圧を発生させることは困難である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、微弱な電圧から所望の電圧を発生させることができる電源装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様による電源装置は、発電素子と、前記発電素子の発電電圧を電圧変換する電圧変換部と、前記電圧変換部により電圧変換された電圧を動作電源として動作し、前記電圧変換部による電圧変換を制御する制御部と、トリガー電源を生成し、起動時に前記制御部に前記動作電源として前記トリガー電源を供給した後、前記制御部へ前記トリガー電源を供給することを停止するトリガー電源供給部と、を備え、前記制御部は、前記電圧変換部の出力電圧が規定値に到達するまでの時間を計時し、前記電圧変換部の出力電圧が前記規定値に到達するまでの期間、前記制御部の電源ノードの電圧が所定の最低電圧を下回らないように前記電圧変換部による電圧変換を制御することを特徴とする電源装置の構成を有する。

本発明の一態様によれば、微弱な電圧から所望電圧を発生させることができる。

本発明の第１実施形態による電源装置の構成例を示す図である。 本発明の第１実施形態による電源装置の動作例を説明するための波形図である。 本発明の第２実施形態による電源装置が備えるトリガー電源供給部の構成例を示す図である。 本発明の第３実施形態による電源装置の構成例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
[第１実施形態]
（構成の説明）
図１に、本発明の第１実施形態による電源装置１００の構成例を示す。
電源装置１００は、発電モジュール１０、電圧変換部２０、制御部３０、トリガー電源供給部４０を備えている。発電モジュール１０は、発電電圧ＶＧを発生させるものであり、直列接続された複数の発電素子１１から構成されている。本実施形態では、発電素子１１は、熱電変換素子の一種であるゼーベック素子であるものとし、２５個のゼーベック素子を直列接続することにより発電モジュール１０が構成されている。一般に、ゼーベック素子は、１℃の温度差で約１００μＶの電圧を発生させる。従って、人間の体温を３６℃とし、室温を２８℃とした場合、その温度差（８℃）から、発電モジュール１０は約２０ｍＶの発電電圧ＶＧを発生させる。

なお、本実施形態では、２５個の発電素子１１を直列接続して発電モジュール１０を構成しているが、発電素子１１の種類や発電特性、あるいは電源装置１００の仕様などに応じて、その個数は任意に設定することができる。また、直列接続に限らず、必要に応じて複数の発電素子１１を並列接続することにより、発電モジュール１０の電流容量を増やしてもよい。さらに、発電素子１１は、熱電変換素子に限らず、圧電変換素子や光電変換素子等、他の任意の発電素子であってもよい。

電圧変換部２０は、発電モジュール１０から出力される発電電圧ＶＧを電圧変換して出力電圧Ｖｏｕｔを発生させるものであり、入力コンデンサ２１、トランス２２、ｎチャネル型電界効果トランジスタ２３、ダイオード２４，２５、出力コンデンサ２６を備えている。入力コンデンサ２１の一端は、発電モジュール１０の正電極に接続され、入力コンデンサの他端は発電モジュール１０の負電極と共にグランドに接続されている。トランス２２の１次コイル２２１の一端は、入力コンデンサ２１の一端と共に発電モジュール１０の正電極に接続され、１次コイル２２１の他端には、ｎチャネル型電界効果トランジスタ２３のドレインが接続されている。ｎチャネル型電界効果トランジスタ２３のソースはグランドに接続されている。

トランス２２の２次コイル２２２の一端は、ダイオード２４およびダイオード２５の各アノードに接続され、ダイオード２４のカソードは高電圧出力端子ＴＨに接続されている。また、トランス２２の２次コイル２２２の他端は低電圧出力端子ＴＬに接続されている。本実施形態では、低電圧出力端子ＴＬはグランドに接続されている。高電圧出力端子ＴＨと低電圧出力端子ＴＬとの間には出力コンデンサ２６が接続されている。本実施形態では、トランス２２の１次コイル２２１と２次コイル２２２の巻数比は、出力電圧Ｖｏｕｔが所望の時間で目標電圧である規定値Ｖｔａｒｇｅｔ（例えば２Ｖ）に到達するように適切に設定されており、出力電圧Ｖｏｕｔが上記規定値Ｖｔａｒｇｅｔに到達するまでの時間は上述のトランス２２の巻数比によって設定されている。

制御部３０は、電圧変換部２０により電圧変換された電圧を動作電源として動作し、電圧変換部２０による電圧変換を制御するものであり、計時部３１と発振部３２を備えている。制御部３０の電源ノードＮ３０には、電圧変換部２０のダイオード２５のカソードが接続されている。これにより、電圧変換部２０に備えられたトランス２２の２次コイル２２２に誘起される電圧がダイオード２５を介して制御部３０の電源ノードＮ３０に供給されるものとなっている。本実施形態では、制御部３０は、例えば制御用ＩＣ(Integrated Circuit)から構成される。

計時部３１は、電圧変換部２０の出力電圧Ｖｏｕｔが規定値Ｖｔａｒｇｅｔに到達するまでの時間を計時するためのものであり、コンデンサ３１１、抵抗３１２、コンデンサ３１３、電圧時間検出回路３１４を備えている。ここで、コンデンサ３１１は、電圧変換部２０の出力コンデンサ２６を模擬するものであり、コンデンサ３１１の一端は制御部３０の電源ノードＮ３０に接続され、その他端はグランドに接続されている。出力電圧Ｖｏｕｔが上昇すれば、電圧変換部２０からダイオード２５を通じて制御部３０の電源ノードＮ３０に供給される電圧、即ち、コンデンサ３１１の端子間電圧Ｖ３１１は、電圧変換部２０のダイオード２４を通じて高電圧出力端子ＴＨに供給される出力電圧Ｖｏｕｔと等価になる。出力電圧Ｖｏｕｔが低い状態では、ダイオード２５が逆バイアスされるため、制御部３０の電源ノードＮ３０の電圧は、例えば、トリガー電源供給部４０から供給されるトリガー電源に応じた電圧になる。

抵抗３１２の一端は電源ノードＮ３０に接続され、その他端はコンデンサ３１３の一端に接続され、コンデンサ３１３の他端はグランドに接続されている。これら抵抗３１２とコンデンサ３１３は、一定の時定数τを有する遅延回路を構成している。
尚、時定数τは、変動しやすい電源ノードＮ３０の電圧に合わせて後述の周波数制御の期間（時刻ｔ０１〜ｔ１の起算）を調整するためのものであり、時定数τを得るための時定数回路を抵抗３１２及びコンデンサ３１３から構成し、いわゆるＣＲ構成の時定数回路が用いられている。
検出信号ＳＴは、スイッチ４２がオンしてから時定数τに応じた一定時間が経過し、かつ電源ノードＮ３０電圧が規定電圧値Ｖｔａｒｇｅｔに到達したことを示す信号である。本実施形態では、時刻ｔ０１から時刻ｔ１までの時間は、スイッチ４２がオンしてから検出信号ＳＴが出力されるまでの時間を表している。

ここで、前述したように、トランス２２の巻数比は、出力電圧Ｖｏｕｔが所望の時間で規定値Ｖｔａｒｇｅｔに到達するように設定され、出力電圧Ｖｏｕｔが規定値Ｖｔａｒｇｅｔに到達するまでの時間はトランス２２の巻数比によって設定されている。このように設定されたトランス２２の巻数比を前提とし、抵抗３１２とコンデンサ３１３による時定数τは、電源ノードＮ３０電圧に合せて出力電圧Ｖｏｕｔが規定値Ｖｔａｒｇｅｔに到達するまでの時間と対応している。
以上のように、電圧変換部２０のトランス２２の１次コイル２２１と２次コイル２２２との巻数比が設定され、且つ、抵抗３１２およびコンデンサ３１３による時定数τを用いて、出力電圧Ｖｏｕｔに対応するコンデンサ３１１の端子間電圧Ｖ３１１の変動に合わせて、デューティ調整または周波数制御の期間（時刻ｔ１までの期間）を自動的に調整している。

発振部３２は、電圧変換部２０のｎチャネル型電界効果トランジスタ２３を駆動するためのスイッチング駆動信号ＳＤを生成するものであり、発振回路３２１、抵抗３２２，３２３，３２４，３２５、ｐｎｐ型トランジスタ３２６、ｎｐｎ型トランジスタ３２７を備えている。ここで、発振回路３２１の入力部には、電圧時間検出回路３１４から検出信号ＳＴが供給される。発振回路３２１は、検出信号ＳＴに基づいて、電圧変換部２０の出力電圧Ｖｏｕｔが規定値Ｖｔａｒｇｅｔに到達するまでの期間、電源ノードＮ３０の電圧が所定の起動最低電圧Ｖｓを下回らないようように、電圧変換部２０による電圧変換を制御するためのスイッチング駆動信号ＳＣを発生させる。ここで、起動最低電圧Ｖｓは、制御用ＩＣから構成される制御部３０を起動させるために必要な電源ノードＮ３０の電源電圧の下限を指す。本実施形態では、制御部３０が起動すれば、電源装置１００の動作が正常に実施される。従って、起動最低電圧Ｖｓは、電源装置１００を起動するために必要な最低限の電源電圧である。

抵抗３２２の一端は電源ノードＮ３０に接続され、抵抗３２２の他端は抵抗３２３の一端に接続され、抵抗３２３の他端は抵抗３２４の一端に接続され、抵抗３２４の他端は抵抗３２５の一端に接続され、抵抗３２５の他端はグランドに接続されている。ｐｎｐ型トランジスタ３２６のエミッタは電源ノードＮ３０に接続され、そのベースは、抵抗３２２と抵抗３２３との間の接続点に接続されている。ｐｎｐ型トランジスタ３２６のコレクタは、ｎｐｎ型トランジスタ３２７のコレクタに接続され、ｎｐｎ型トランジスタ３２７のベースは、抵抗３２４と抵抗３２５との間の接続点に接続されている。ｎｐｎ型トランジスタ３２７のエミッタはグランドに接続されている。

上述の抵抗３２２〜３２５、ｐｎｐ型トランジスタ３２６、ｎｐｎ型トランジスタ３２７は、発振回路３２１から出力されるスイッチング駆動信号ＳＣに応答して、ｐｎｐ型トランジスタ３２６とｎｐｎ型トランジスタ３２７との間の接続点からスイッチング駆動信号ＳＤを出力するためのドライバとして機能する。スイッチング駆動信号ＳＤは、抵抗Ｒを介して、電圧変換部２０のｎチャネル型電界効果トランジスタ２３のゲートに供給される。なお、本実施形態では、スイッチング駆動信号ＳＤは、スイッチング駆動信号ＳＣの反転信号となるが、周波数およびデューティはスイッチング駆動信号ＳＣと対応している。従って、ｎチャネル型電界効果トランジスタ２３のスイッチング動作の制御に関し、スイッチング駆動信号ＳＤはスイッチング駆動信号ＳＣと等価な信号である。

トリガー電源供給部４０は、起動時に制御部３０に対し動作電源としてトリガー電源を供給し、このトリガー電源を供給した後、制御部３０へトリガー電源を供給することを停止するものである。即ち、トリガー電源供給部４０は、制御部３０の初期の動作電源となるトリガー電源を生成し、起動時に制御部３０に対しトリガー電源を供給した後、制御部３０からトリガー電源を切り離すことにより、制御部３０へトリガー電源を供給することを停止する。本実施形態では、トリガー電源供給部４０は、ラジオやテレビの放送周波数電波等、環境に存在する任意の電波（以下、「環境電波」と称す。）を検波してトリガー電源を生成し、制御部３０の電源ノードＮ３０にトリガー電源を供給する。
なお、本実施形態では、トリガー電源の切り離しは、トリガー電源供給部４０から制御部３０へのトリガー電源の供給を停止することを意味している。
なお、本実施形態において、「トリガー電源」なる用語は、電源装置１００の起動時に制御部３０に供給される一時的な電源を指す。

トリガー電源供給部４０の構成を詳細に説明する。トリガー電源供給部４０は、トリガー電源生成部４１とスイッチ４２とから構成される。このうち、トリガー電源生成部４１は、トリガー電源を生成するものであり、アンテナ４１１、トランス４１２、整流回路４１３、コンデンサ４１４を備えている。ここで、アンテナ４１１は、環境電波を受信するためのものであり、トランス４１２の１次コイル４１２１の一端に接続されている。トランス４１２は、環境電波によりアンテナ４１１に誘導された高周波電流を検出して電圧に変換するためのものである。トランス４１２の１次コイル４１２１の他端はグランドに接続されている。トランス４１２の２次コイル４１２２の一端および他端は、それぞれ、整流回路４１３の後述の第１入力ノードおよび第２入力ノードに接続される。

整流回路４１３は、トランス４１２により変換された電圧を整流するためのものであり、ダイオード４１３１，４１３２，４１３３，４１３４からなるフルブリッジ回路として構成されている。ここで、ダイオード４１３１のカソードは、整流回路４１３の第１出力ノードに接続され、そのアノードはダイオード４１３２のカソードに接続され、ダイオード４１３２のアノードは、整流回路４１３の第２出力ノードに接続されている。本実施形態では、整流回路４１３の第２出力ノードはグランドに接続されている。ダイオード４１３１のアノードとダイオード４１３２のカソードとの間の接続点は整流回路４１３の第１入力ノードを形成している。

また、ダイオード４１３３のカソードは、整流回路４１３の第１出力ノードに接続され、そのアノードはダイオード４１３４のカソードに接続され、ダイオード４１３４のアノードは、整流回路４１３の第２出力ノード（グランド）に接続されている。ダイオード４１３３のアノードとダイオード４１３４のカソードとの間の接続点は整流回路４１３の第２入力ノードを形成している。
上述のトランス４１２および整流回路４１３は、アンテナ４１１により受信された環境電波を検波して直流電力に変換する一種の検波回路として機能する。

コンデンサ４１４は、上述のトランス４１２および整流回路４１３により検波して得られる直流電力を蓄積するためのものであり、整流回路４１３の第１出力ノード（ダイオード４１３１，４１３３のカソード）と第２出力ノード（グランド）との間に接続されている。コンデンサ４１４に蓄積された電力がトリガー電源として用いられる。

スイッチ４２は、起動時にトリガー電源供給部４０を制御部３０に接続するためのものであり、整流回路４１３の第１出力ノード（ダイオード４１３１，４１３３のカソード）と上述の制御部３０の電源ノードＮ３０との間に接続されている。スイッチ４２は、例えばａ接点（常開接点）から構成されるが、手動スイッチ等、任意のスイッチを用いることができる。

（動作の説明）
次に、図２に示す波形図を参照して、第１実施形態による電源装置１００の動作について説明する。
図２は、第１実施形態による電源装置１００の動作例を説明するための波形図である。ここで、図２（Ａ）は、トリガー電源生成部４１のコンデンサ４１４の端子間電圧Ｖ４１４の波形の一例を示し、図２（Ｂ）は、計時部３１のコンデンサ３１３の端子間電圧Ｖ３１３の波形の一例を示し、図２（Ｃ）は、発振部３２から出力されるスイッチング駆動信号ＳＤの波形の一例を示し、図２（Ｄ）は、電圧変換部２０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形の一例を示す。

時刻ｔ０以前の起動前の状態では、トリガー電源供給部４０のスイッチ４２はオフ状態（開状態）とされている。この場合、トリガー電源生成部４１は、アンテナ４１１で受信された環境電波をトランス４１２の１次コイル４１２１によって形成されるアンテナコイルで受電して整流回路４１３で検波し、この検波により得られる電圧でコンデンサ４１４を充電する。この充電によりコンデンサ４１４に蓄積された電力は、電源装置１００の起動時に制御部３０を動作させるためのトリガー電源として使用される。

詳細には、時刻ｔ０以前の起動前の状態では、アンテナ４１１が環境電波を定常的に受信している。この場合、環境電波はアンテナ４１１に高周波電流を誘導し、トランス４１２の１次コイル４１２１に高周波電圧を発生させる。トランス４１２は、１次コイル４１２１に発生された高周波電圧を巻数比に応じて昇圧して２次コイル４１２２の端子間に交流電圧を発生させる。整流回路４１３は、トランス４１２の２次コイル４１２２の端子間に発生された交流電圧を整流してコンデンサ４１４に供給する。これによりコンデンサ４１４が充電され、その充電が進むにつれてコンデンサ４１４の端子間電圧Ｖ４１４（即ち、トリガー電源の電圧）が次第に上昇する。

ここで、本実施形態では、コンデンサ４１４の端子間電圧Ｖ４１４として、起動時に制御部３０が電圧変換部２０のスイッチング用のｎチャネル型電界効果トランジスタ２３を安定的に駆動するために必要な所定の起動最低電圧Ｖｓ（例えば１Ｖ）以上の電圧を確保する。このため、本実施形態では、トランス４１２により、アンテナ４１１により受信して得られる高周波電圧を起動最低電圧Ｖｓ以上の電圧にまで昇圧している。ここで、コンデンサ４１４の容量値が大きいと、コンデンサ４１４の端子間電圧Ｖ４１４が起動最低電圧Ｖｓ以上にまで上昇するのに時間を要するため、コンデンサ４１４の容量値を過大な値に設定することはできない。そこで、トリガー電源として必要な電力を確保するため、図２（Ａ）に例示するように、コンデンサ４１４の端子間電圧Ｖ４１４として例えば４Ｖ程度の電圧が得られるように、トランス４１２の巻数比が設定されている。

また、環境電波を検波して得られる整流回路４１３の出力電圧は環境電波の強度やアンテナ４１１の向きに応じて変動するため、整流回路４１３からコンデンサ４１４に供給される電流が小さくなる。このため、仮に起動前にスイッチ４２がオン状態にあるとすれば、コンデンサ４１４に蓄積された電力が、例えば制御部３０の発振部３２を構成する抵抗３２２〜３２５を通じて放電され、コンデンサ４１４の端子間電圧Ｖ４１４として、起動最低電圧Ｖｓ以上のトリガー電源を確保することができなくなる。

そこで、本実施形態では、電源装置１００の起動前の初期状態において、スイッチ４２をオフ状態に制御し、コンデンサ４１４を無負荷状態（コンデンサ４４の放電経路を遮断した状態）とすることにより、コンデンサ４１４の放電を抑制している。コンデンサ４１４の放電が抑制されれば、整流回路４１３からコンデンサ４１４に供給される電流が微弱であっても、時間をかければ、コンデンサ４１４の端子間電圧Ｖ４１４を起動最低電圧Ｖｓ以上にまで上昇させることができ、制御部３０の動作に必要な電圧のトリガー電源を確保することができる。

次に、時刻ｔ０において、スイッチ４２がオン状態（閉状態）になり、電源装置１００が起動されると、トリガー電源供給部４０は、スイッチ４２を通じて、コンデンサ４１４の端子間電圧Ｖ４１４をトリガー電源として制御部３０の電源ノードＮ３０に供給する。これにより、コンデンサ４１４に蓄積された端子間電圧Ｖ４１４により制御部３０のコンデンサ３１１が充電される。このとき、コンデンサ４１４とコンデンサ３１１の容量値が同じであり、スイッチ４２がオンする前のコンデンサ３１１の端子間電圧Ｖ３１１が０Ｖであれば、スイッチ４２がオン状態になった後の制御部３０のコンデンサ３１１の端子間電圧Ｖ３１１の初期値は、スイッチ４２がオン状態になる前のコンデンサ４１４の端子間電圧Ｖ４１４（４Ｖ）を２^１／２で除算した実効値により表される（図２（Ｂ））。その後、時刻ｔ０１（図２（Ａ））でスイッチ４２がオフ状態になる。図２（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）では、横軸（時間軸）の基点を時刻ｔ０１としている。
スイッチ４２がオン状態になった後の端子間電圧Ｖ３１１の初期値が端子間電圧Ｖ４１４を２^１／２で除算した実効値により表されることについて補足する。
スイッチ４２がオン状態になる前にコンデンサ４１４に蓄積されたエネルギーＰは、スイッチ４２がオン状態になると、コンデンサ３１１とコンデンサ４１４とに振り分けられる。このことから、スイッチ４２がオン状態となった後のコンデンサ３１１の端子間電圧Ｖ３１１（＝Ｖ４１４）の初期値をＶｘとすれば、次の関係式が成り立つ。
Ｐ＝Ｃ４１４×Ｖ４１４×Ｖ４１４÷２＝（Ｃ４１４＋Ｃ３１１）×Ｖｘ×Ｖｘ÷２
ここで、コンデンサ４１４の容量Ｃ４１４とコンデンサ３１１の容量Ｃ３１１は同じであると仮定しているから、Ｖｘ＝Ｖ４１４÷２^１／２となる。従って、コンデンサ３１１の端子間電圧Ｖ３１１の初期値Ｖｘは、コンデンサ４１４の端子間電圧Ｖ４１４（４Ｖ）を２^１／２で除算した値により表される。

なお、本実施形態では、時刻ｔ０１でスイッチ４２がオフ状態になると、トリガー電源供給部４０が制御部３０から切り離され、トリガー電源の供給が停止される。この場合、コンデンサ４１４は整流回路４１３の出力電圧で再充電され、その端子間電圧Ｖ４１４が上昇を開始する（図２（Ａ））。これにより、トリガー電源供給部４０は、次回の起動に備えて、トリガー電源を確保する。

上述の時刻ｔ０１において、制御部３０の発振部３２は、トリガー電源供給部４０からコンデンサ３１１に供給されたトリガー電源（端子間電圧Ｖ３１１）を動作電源として発振動作を開始してスイッチング駆動信号ＳＤを生成し（図２（Ｃ））、このスイッチング駆動信号ＳＤによりｎチャネル型電界効果トランジスタ２３を駆動する。そして、ｎチャネル型電界効果トランジスタ２３のゲート電圧Ｖ２３がスイッチング駆動信号ＳＤの信号レベルに応じて変化すると、ｎチャネル型電界効果トランジスタ２３がスイッチングし、電圧変換部２０が発電モジュール１０の発電電圧ＶＧの電圧変換を開始する。これにより、トランス２２を介して出力コンデンサ２６に電圧が印加され、時刻ｔ０１から出力電圧Ｖｏｕｔが上昇を開始する（図２（Ｄ））。

ここで、トランス２２の２次コイル２２２に誘起される正電圧は、ダイオード２４を通じて高電圧出力端子ＴＨに供給されると共に、ダイオード２５を通じて制御部３０の電源オードＮ３０にも供給される。前述したように、電圧変換部２０の出力電圧Ｖｏｕｔが上昇すると、電圧変換部２０からダイオード２５を通じて制御部３０の電源ノードＮ３０に供給される電圧（＝電源ノードＮ３０の電圧＝端子間電圧Ｖ３１１）は、電圧変換部２０のダイオード２４を通じて高電圧出力端子ＴＨに供給される出力電圧Ｖｏｕｔと等価になる。

制御部３０の発振部３２が発振動作を開始すると、この動作により消費電力が発生するため、時刻ｔ０１からコンデンサ３１１の端子間電圧Ｖ３１１が降下し始める（図２（Ｂ））。端子間電圧Ｖ３１１の降下に伴って、この端子間電圧Ｖ３１１を電源電圧として動作する発振部３２から出力されるスイッチン駆動信号ＳＤの振幅も低下する（図２（Ｃ））。しかし、スイッチング駆動信号ＳＤに基づきｎチャネル型電界効果トランジスタ２３がスイッチングを継続することにより、電圧変換部２０が発電モジュール１０の発電電圧ＶＧをトランス２２により昇圧して電圧変換し、この電圧変換により得られる電圧がダイオード２５を通じて制御部３０の電源ノードＮ３０に供給される。このため、コンデンサ３１１の端子間電圧Ｖ３１１は、一旦降下した後に、出力電圧Ｖｏｕｔの上昇に合わせて再び上昇する（図２（Ｂ））。

制御部３０は、時刻ｔ０１から電圧変換部２０の出力電圧Ｖｏｕｔが目標電圧である規定値Ｖｔａｒｇｅｔ（例えば２Ｖ）に到達する時刻ｔ１までの期間、電源ノードＮ３０の電圧、即ち、コンデンサ３１１の端子間電圧Ｖ３１１が起動最低電圧Ｖｓを下回らないように、ｎチャネル型電界効果トランジスタ２３のスイッチング動作の周波数を高くし、または、そのオンデューティの割合を小さく制御することにより制御部３０での消費電力を抑え、コンデンサ３１１に蓄積された電力の消費を抑える。このようなｎチャネル型電界効果トランジスタ２３のスイッチング動作に関する制御は、制御部３０において、スイッチング駆動信号ＳＤの周波数またはデューティを調整することにより行われる。

また、制御部３０は、スイッチ４２がオン状態になった時刻ｔ０から出力電圧Ｖｏｕｔが規定値Ｖｔａｒｇｅｔに到達する時刻ｔ１までの時間を計時する。時刻ｔ０から時刻ｔ１までの時間は、抵抗３１２およびコンデンサ３１３による時定数τに応じた一定時間が経過し、かつ電源ノードＮ３０の電圧が規定値Ｖｔａｒｇｅｔに到達するまでの時間である。ここで、時定数τは、起動時のコンデンサ３１１の端子間電圧Ｖ３１１が出力電圧Ｖｏｕｔの基準値Ｖｔａｒｇｅｔより高い場合に重要になる。この場合、時定数τにより周波数制御の期間（時刻ｔ０１〜ｔ１）が調整される。このように時定数τを用いれば、電源ノードＮ３０の電圧に応じて自動的に周波数制御の期間を調整することができる。従って、本実施形態では、スイッチング周波数の切り替えが行われる時刻ｔ１は、時定数τと電源ノードＮ３０の電圧とに応じて設定される。また、発電モジュール１０の発電電圧ＶＧが低い場合には、その発電電圧ＶＧに応じて、デューティ調整または周波数制御の期間が延長される。

このように、本実施形態では、スイッチ４２が時刻ｔ０でオン状態になってから時刻ｔ１で出力電圧Ｖｏｕｔに対応するコンデンサ３１１の端子間電圧Ｖ３１１が目標電圧である規定値Ｖｔａｒｇｅｔに到達するように、発電モジュール１０の発電電圧ＶＧを考慮して、電圧変換部２０のトランス２２の１次コイル２２１と２次コイル２２２との巻数比が設定され、且つ、抵抗３１２およびコンデンサ３１３による時定数τを用いて、出力電圧Ｖｏｕｔに対応するコンデンサ３１１の端子間電圧Ｖ３１１の変動に合わせて、デューティ調整または周波数制御の期間（時刻ｔ１までの期間）を自動的に調整している。

そして、時刻ｔ１において、電圧変換部２０の出力電圧Ｖｏｕｔおよびコンデンサ３１１の端子間電圧Ｖ３１１が規定値Ｖｔａｒｇｅｔに到達し、スイッチング動作が安定すると、制御部３０は、それまでの周波数またはデューティに代えて、規定の周波数またはデューティを有するスイッチング駆動信号ＳＤでｎチャネル型電界効果トランジスタ２３を駆動する。これにより、電圧変換部２０のスイッチング動作が規定の通常動作に切り替えられ、電圧変換部２０の出力電圧Ｖｏｕｔは規定値Ｖｔａｒｇｅｔに維持される。また、制御部３０は、トリガー電源供給部４０からトリガー電源の供給が停止された後も、電圧変換部２０から供給される電圧を動作電源電圧とし、電圧変換部２０の電圧変換の制御を継続する。これにより、電源装置１００は、トリガー電源に依存することなく安定的に動作を継続するようになる。

このように、第１実施形態によれば、起動時にトリガー電源供給部４０から制御部３０に対し起動最低電圧Ｖｓ以上のトリガー電源が供給されるので、発電モジュール１０の発電電圧ＶＧが微弱であっても、制御部３０を起動させることができ、制御部３０が電圧変換部２０のスイッチング動作を制御することができる。従って、電源装置１００において、微弱な発電電圧ＶＧから所望の出力電圧Ｖｏｕｔを発生させることが可能になる。

ところで、上述した第１実施形態では、電源装置１００の起動時に環境電波から生成したトリガー電源を用いることにより、発電モジュール１０の発電電圧ＶＧに依存することなく起動することを可能としているが、他の起動手法として、発電モジュール１０を構成する発電素子１１の個数を増やして発電電圧ＶＧを高くし、この発電電圧ＶＧを用いて電源装置１００を起動することも考えられる。しかしながら、この起動手法によれば、次のような問題があり、実際には電源装置１００の起動は困難である。

発電素子１１として一般的なゼーベック素子を用いた場合、１素子あたり１００μＶ／Ｋ程度の発電電圧しか得ることができない。このため、電源装置１００の起動に必要な例えば１Ｖの発電電圧ＶＧを確保するためには、温度差を８℃とした場合、１２５０個のゼーベック素子を直列に接続する必要がある。この場合、１２５０個のゼーベック素子の内部インピーダンスの総和が数キロオームに達し、非常に高くなる。このため、発電モジュール１０の出力電流が小さくなり、僅かな負荷でも発電電圧ＶＧが低下するおそれがある。

また、発電素子１１の個数を増やさずに所望の発電電圧ＶＧを得るためには、発電モジュール１０に与える温度差を拡大すればよいが、この場合、発熱量の大きな発熱源を確保する必要がある。このため、例えば人間の体温を発熱源として発電する用途では、得られる温度差に限界があり、限られた個数の発電素子で所望の発電電圧ＶＧを得ることは困難である。

これに対し、本実施形態によれば、起動時にトリガー電源供給部４０からトリガー電源を制御部３０に供給するため、発電モジュール１０の発電電圧ＶＧによらず、制御部３０を動作させることができ、発電電圧ＶＧを高くする必要がない。このため、発電モジュール１０を構成する発電素子１１の個数を増やすことなく、また、発電モジュール１０に与える温度差を拡大することなく、電源装置１００を起動することができ、発電モジュール１０により発電された微弱な電圧から所望の出力電圧Ｖｏｕｔを安定的かつ継続的に発生させることができる。

また、本実施形態によれば、充分な温度差を得ることができない状況であっても、発電素子１１の個数を増やすことなく、電源装置１００を起動させることができ、しかも発電モジュール１０の内部インピーダンスを低インピーダンス化することができる。このため、小さな温度差でも、所望の電圧を発生させることができる。従って、例えば、人間の体温を利用して所望の電圧を発生させ、人間の身体に取り付けられた装置の電源を半永久的に供給することも可能になる。
また、本実施形態によれば、制御部３０の起動時の初期動作に必要なトリガー電源を環境電波から生成するので、見かけ上、バッテリレスの電源装置を実現することができる。

なお、上述した第１実施形態では、電源装置１００は、一旦起動されると、発電モジュール１０が発電を停止するまで、電力変換動作を継続する。このため、電源装置１００の動作を停止させる必要のある用途では、例えば、発電モジュール１０と電圧変換部２０との間の電流経路にスイッチ（例えばｂ接点）を設けておき、このスイッチをオフ状態に操作することにより、電圧変換部２０に対する発電電圧ＶＧの供給を遮断すればよい。その他、制御部３０の動作電源電圧を失わせることができることを限度に、任意の手法で電源装置１００を停止させることができる。

また、第１実施形態では、電圧変換部２０のトランス２２の２次コイル２２２に誘起される電圧を制御部３０の電源ノードＮ３０に供給するものとしたが、例えば、電圧変換部２０のトランス２２の２次コイル２２２に誘起される電圧をトリガー電源生成部４１の第１出力ノードとスイッチ４２との間の接続点に供給するようにしてもよい。この場合、電源装置１００の稼働中、制御部３０の動作電源を確保する必要上、スイッチ４２をオン状態に維持する必要がある。再起動する場合には、事前にスイッチ４２をオフ状態とし、上述したように、環境電波からトリガー電源を生成しておけばよい。

[第２実施形態]
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
第２実施形態による電源装置は、図１に示す第１実施形態による電源装置１００の構成において、トリガー電源生成部４１に代えて、図３に示すトリガー電源生成部５１を備える。その他の構成は第１実施形態と同様である。

図３は、本発明の第２実施形態による電源装置が備えるトリガー電源生成部５１の構成例を示す図である。
トリガー電源生成部５１は、アンテナ５１１１，５１１２、トランス５１２１，５１２２、ダイオード５１３１，５１３２，５１３３，５１３４、コンデンサ５１４１，５１４２を備えており、これらは、それぞれ、図１に示すトリガー電源生成部４１のアンテナ４１１、トランス４１２、ダイオード４１３１〜４１３４（整流回路４１３）、コンデンサ４１４に対応している。

ここで、アンテナ５１１１は、トランス５１２１の１次コイルの一端に接続され、トランス５１２１の１次コイルの他端はグランドに接続されている。アンテナ５１１２は、トランス５１２２の１次コイルの一端に接続され、トランス５１２２の１次コイルの他端はグランドに接続されている。トランス５１２１の２次コイルの一端は、ダイオード５１３１のアノードに接続され、トランス５１２１の２次コイルの他端はトランス５１２２の２次コイルの一端に接続され、トランス５１２２の２次コイルの他端はダイオード５１３４のカソードに接続されている。本実施形態では、トランス５１２１の１次側の極性と２次側の極性は同じに設定され、トランス５１２２の１次側の極性と２次側の極性も同じに設定される。従って、トランス５１２１の２次コイルにはトランス５１２１の１次コイルと同極性の電圧が誘起され、トランス５１２２の２次コイルにはトランス５１２２の１次コイルと同極性の電圧が誘起される。また、トランス５１２１の２次コイルとトランス５１２２の２次コイルは、これらのコイルにそれぞれ誘起される同極性の電圧を加算した電圧が後述のフルブリッジ整流回路５１３を構成するダイオード５１３１のアノード（ダイオード５１３２のカソード）とダイオード５１３４のカソード（ダイオード５１３３のアノード）との間に印加されるように、直列に接続されている。ただし、トランス５１２１の２次側とトランス５１２２の２次側にそれぞれ誘起される電圧の極性が同じになることを限度として、トランス５１２１，５１２２のそれぞれにおいて１次側と２次側は逆極性であってもよい。

ダイオード５１３１，５１３２，５１３３，５１３４は、フルブリッジ整流回路５１３を構成している。ここで、ダイオード５１３１のカソードは、ダイオード５１３３のカソードに接続され、ダイオード５１３３のアノードはダイオード５１３４のカソードに接続されている。ダイオード５１３２のアノードはダイオード５１３４のアノードに接続され、ダイオード５１３２のカソードはダイオード５１３１のアノードに接続されている。ダイオード５１３１，５１３３の各カソードは、フルブリッジ整流回路５１３の第１出力ノードを形成し、ダイオード５１３２，５１３４の各アノードは、フルブリッジ整流回路５１３の第２出力ノードを形成している。フルブリッジ整流回路５１３の第２出力ノードはグランドに接続されている。

コンデンサ５１４１の一端はフルブリッジ整流回路５１３の第１出力ノードに接続され、コンデンサ５１４１の他端はコンデンサ５１４２の一端に接続され、コンデンサ５１４２の他端はフルブリッジ整流回路５１３の第２出力ノードに接続されている。また、コンデンサ５１４１とコンデンサ５１４２との間の接続点は、トランス５１２１の２次コイルとトランス５１２２の２次コイルとの間の接続点に接続されている。また、フルブリッジ整流回路５１３の第１出力ノードにはスイッチ４２の一端が接続され、このスイッチ４２は、フルブリッジ整流回路５１３の第１出力ノードと図１に示す制御部３０の電源ノードＮ３０との間に接続されている。

第２実施形態では、トリガー電源生成部５１は、２個のアンテナ５１１，５１２で２個のコンデンサ５１４１，５１４２のそれぞれに対し１８０度逆位相で倍電圧充電を行う。具体的には、トランス５１２１の２次コイルに誘起される正電圧により、ダイオード５１３１を通じてコンデンサ５１４１の充電が行われ、トランス５１２２の２次コイルに誘起される正電圧により、ダイオード５１３４を通じてコンデンサ５１４２の充電が行われる。また、トランス５１２１の２次コイルに誘起される負電圧により、ダイオード５１３２を通じてコンデンサ５１４２の充電が行われ、トランス５１２２の２次コイルに誘起される負電圧により、ダイオード５１３３を通じてコンデンサ５１４１の充電が行われる。これにより、直列接続されたコンデンサ５１４１とコンデンサ５１４２が倍電圧で充電される。

第２実施形態によれば、上述の図１に示す第１実施形態のトリガー電源生成部４１と同等のトリガー電源（コンデンサ４１４の端子間電圧Ｖ４１４）を生成するものとした場合、図１のトランス４１２の巻数比に比較して、トランス５１２１，５１２２の各巻数比を少なくすることができる。このことは、トランス５１２１，５１２２の各２次コイルのインピーダンスを低減させ、各トランスの出力電流を増やすことができることを意味する。このため、第２実施形態によれば、コンデンサ５１４１，５１４２の充電時間を短縮することができ、短時間でトリガー電源を生成することが可能になる。また、第２実施形態のトリガー電源生成部５１は、電波の弱い地域において、コンデンサ５１４１，５１４２の加算電圧を、図１示す第１実施形態のトリガー電源生成部４１よりも高くすることができる有効な手段である。

[第３実施形態]
次に、本発明の第３実施形態を説明する。
図４は、本発明の第３実施形態による電源装置３００の構成例を示す図である。
本実施形態による電源装置３００は、前述の図１に示す第１実施形態による電源装置１００の構成において、トリガー電源供給部４０に代えて、トリガー電源供給部６０を備える。その他の構成は第１実施形態と同様である。

トリガー電源供給部６０は、バッテリ６１からトリガー電源を生成して、起動時に制御部３０に動作電源としてトリガー電源を供給した後、制御部３０へトリガー電源を供給することを停止するものであり、バッテリ６１、スイッチ６２、ｐｎｐ型トランジスタ６３、抵抗６５を備えている。バッテリ６１は、例えば乾電池であり、そのバッテリ電圧Ｖｂは、前述の起動最低電圧Ｖｓにｐｎｐ型トランジスタ６３のベース・エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥを加算した電圧以上の電圧であり、かつ出力電圧Ｖｏｕｔの規定値Ｖｔａｒｇｅｔ未満の電圧であることが必要である。

バッテリ６１の正電極は、スイッチ６２の入力端子に接続され、その負電極はグランドに接続されている。スイッチ６２の出力端子にはｐｎｐ型トランジスタ６３のエミッタが接続されている。ｐｎｐ型トランジスタ６３のベースには抵抗６５の一端が接続され、抵抗６５の他端は、電圧変換部２０のダイオード２４のカソード（高電圧出力端子ＴＨ）に接続されている。本実施形態では、ｐｎｐ型トランジスタ６３は、バッテリ電圧Ｖｂと出力電圧Ｖｏｕｔとを比較する一種のコンパレータとして機能する。

次に、トリガー電源供給部６０に着目して電源装置３００の動作を説明するが、その他の動作は第１実施形態と同様である。
起動前の状態では、スイッチ６２はオフ状態にあり、電圧変換部２０および制御部３０は動作しておらず、出力電圧Ｖｏｕｔはグランドレベルにある。この状態から、スイッチ６２がオン状態になると、バッテリ６１のバッテリ電圧Ｖｂがスイッチ６２を通じてｐｎｐ型トランジスタ６３のエミッタに印加される。

このとき、電圧変換部２０から抵抗６５を介してｐｎｐ型トランジスタ６３のベースに供給される出力電圧Ｖｏｕｔはグランドレベルにあるから、ｐｎｐ型トランジスタ６３のベース電圧は、バッテリ電圧Ｖｂからベース・エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥを減じた電圧よりも低い状態にある。このため、ｐｎｐ型トランジスタ６３はオン状態となる。この場合、バッテリ電圧Ｖｂは、スイッチ６２とｐｎｐ型トランジスタ６３を通じて、バッテリ電圧Ｖｂによりコンデンサ３１１に充電され、トリガー電源として制御部３０の電源ノードＮ３０に供給される。この結果、第１実施形態と同様に、電圧変換部２０および制御部３０が動作を開始し、出力電圧Ｖｏｕｔが上昇を開始する。

出力電圧Ｖｏｕｔが上昇し、ｐｎｐ型トランジスタ６３のベース電圧が、バッテリ電圧Ｖｂからベース・エミッタ電圧Ｖ_ＢＥを減じた電圧よりも高くなると、ｐｎｐ型トランジスタ６３がオフ状態になる。これにより、バッテリ電圧Ｖｂによるコンデンサ３１１の充電が停止される。この後、制御部３０の電源ノードＮ３０には、電圧変換部２０から、ダイオード２５を通じて出力電圧Ｖｏｕｔと同電圧が供給され、これにより制御部３０は動作を継続する。また、スイッチ６２の導通が短時間のみのワンショットの導通でも、バッテリ６１のインピーダンスが低いため、コンデンサ３１１の容量に関係なく、充電が十分できる。

上述した第３実施形態によれば、バッテリ６１のバッテリ電圧Ｖｂからトリガー電源を生成して制御部３０に供給するので、環境電波が得られない状況であっても、発電モジュール１０の微弱な発電電圧ＶＧから所望の出力電圧Ｖｏｕｔを発生させることができる。

また、第３実施形態よれば、バッテリ電圧Ｖｂが、起動最低電圧Ｖｓにｐｎｐ型トランジスタ６３のベース・エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥを加算した電圧以上であって、出力電圧Ｖｏｕｔの規定値Ｖｔａｒｇｅｔ未満である場合（Ｖｓ＋Ｖ_ＢＥ≦Ｖｂ＜Ｖｔａｒｇｅｔ）には、出力電圧Ｖｏｕｔと等価なコンデンサ３１１の端子間電圧Ｖ３１１が、起動最低電圧Ｖｓにｐｎｐ型トランジスタ６３のベース・エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥを加算した電圧以上であって、出力電圧Ｖｏｕｔの規定値Ｖｔａｒｇｅｔ未満（Ｖｓ＋Ｖ_ＢＥ≦Ｖ３１１＜Ｖｔａｒｇｅｔ）になると、ｐｎｐ型トランジスタ６３がオフ状態になるので、スイッチ６２をオン状態に維持したものとしても、バッテリ６１の消耗を最小限に留めることができる。従って、制御部３０の起動時の初期動作に必要なトリガー電源をバッテリ６１から生成しても、その放電時間が極めて短時間であるため、バッテリ６１の交換期間を大幅に伸ばすことができる。また、スイッチ６２の導通が短時間のみのワンショットの導通であれば、さらにバッテリ６１の消耗を抑えられる。

更に、本実施形態よれば、バッテリ６１のバッテリ電圧Ｖｂからトリガー電源を生成するので、環境電波からトリガー電源を生成する場合に比較して、短時間でトリガー電源を生成することができる。
なお、第３実施形態でも、第１実施形態と同様に、電源装置３００の動作を停止させる必要がある場合、例えば、発電モジュール１０と電圧変換部２０との間の電流経路にスイッチを設ければよい。

以上、本発明の実施形態および変形例を説明したが、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形、置換、付加などが可能である。
例えば、上述の各実施形態では、電圧変換部２０は、トランス２２により電圧を昇圧するものとしたが、トランスを用いないチャージポンプ回路等を用いて昇圧することも可能である。
また、上述の各実施形態では、起動後にトリガー電源供給部を制御部から切り離すものとしたが、例えば、公知の非接触給電技術を用いて外部からトリガー電源を一時的に制御部に供給するように構成することも可能である。

１０…発電モジュール
１１…発電素子
２０…電圧変換部
３０…制御部
３１…計時部
３２…発振部
４０，６０…トリガー電源供給部
４１，５１…トリガー電源生成部
４２，６２…スイッチ
６１…バッテリ
６３，３２６…ｐｎｐ型トランジスタ
３１３，４１４，５１４１，５１４２…コンデンサ
６５，３１１，３１２，３２２，３２３，３２４，３２５…抵抗
１００，３００…電源装置
３１４…電圧時間検出回路
３２１…発振回路
３２７…ｎｐｎ型トランジスタ
４１１，５１１１，５１１２…アンテナ
４１２，５１２１，５１２２…トランス
４１３，５１３…整流回路

Claims (7)

1. 発電素子と、
   前記発電素子の発電電圧を電圧変換する電圧変換部と、
   前記電圧変換部により電圧変換された電圧を動作電源として動作し、前記電圧変換部による電圧変換を制御する制御部と、
   トリガー電源を生成し、起動時に前記制御部に前記動作電源として前記トリガー電源を供給した後、前記制御部へ前記トリガー電源を供給することを停止するトリガー電源供給部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記電圧変換部の出力電圧が規定値に到達するまでの時間を計時し、前記電圧変換部の出力電圧が前記規定値に到達するまでの期間、前記制御部の電源ノードの電圧が所定の最低電圧を下回らないように前記電圧変換部による電圧変換を制御することを特徴とする
   電源装置。
2. 前記トリガー電源供給部は、環境電波から前記トリガー電源を生成することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記トリガー電源供給部は、バッテリから前記トリガー電源を生成することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
4. 前記発電素子は、熱電変換素子、圧電変換素子、光電変換素子のうちの何れかであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電源装置。
5. 前記制御部の電源ノードには前記電圧変換部に備えられたトランスの２次側に誘起される電圧が供給され、
   前記トリガー電源供給部は、前記制御部の電源ノードに前記トリガー電源を供給することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電源装置。
6. 前記トリガー電源供給部は、
   環境電波を受信するためのアンテナと、
   前記環境電波により前記アンテナに誘導された高周波電流を電圧に変換するためのトランスと、
   前記トランスにより変換された電圧を整流するための整流回路と、
   前記整流回路の出力ノードと前記制御部の電源ノードとの間に接続されたスイッチと、
   を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
7. 前記トリガー電源供給部は、
   一端がバッテリに接続されたスイッチと、
   前記制御部の電源ノードと前記スイッチの他端との間に接続され、前記電圧変換部により電圧変換された電圧を制御電圧として動作するスイッチング素子と、
   を備えたことを特徴とする請求項１または３に記載の電源装置。

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