電源装置および通信端末
【課題】比較的大きな交流電流から、小さい直流電流を取得し、駆動用の電池を不要とすることを目的とする。
【解決手段】電動機などに付設され、測定データを送信する通信端末などに備えられる電源装置１４であって、交流で動作する通信端末１に接続されている電源線３１から交流電流を取得して、当該取得した交流電流の電流値を下げるカレントトランス１１と、カレントトランス１１から交流電流を取得し、当該取得した交流電流を直流電流に変換して、当該直流電流を通信端末１の本体装置１３へ流す整流装置１２と、を有する電源装置１４を提供することを特徴とする。
【解決手段】電動機などに付設され、測定データを送信する通信端末などに備えられる電源装置１４であって、交流で動作する通信端末１に接続されている電源線３１から交流電流を取得して、当該取得した交流電流の電流値を下げるカレントトランス１１と、カレントトランス１１から交流電流を取得し、当該取得した交流電流を直流電流に変換して、当該直流電流を通信端末１の本体装置１３へ流す整流装置１２と、を有する電源装置１４を提供することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置および通信端末の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＴ（Information Technology）技術の発展や、ユビキタス社会の到来により、免許不要の特定小電力無線を利用してデータ収集し、設備監視や環境監視をきめ細かく行うシステムが提供されている。このようなシステムは、安全で快適な社会の構築を目的としているものである。
近年の半導体技術によれば、マッチ箱程度の大きさで、特定小電力データ通信端末を構成することができる。これらは、データ収集およびデータ送信を間欠動作とすることで、電池交換なしで最大２〜３年動作可能である。
例えば、特許文献１には、トランシーバ機能を有する携帯データ通信端末機器と、携帯データ通信端末機器用外部入出力装置との間におけるトランシーバ通信により、作業性および作業効率を改善した形態データ通信端末機器およびその外部入出力装置が記載されている。
【０００３】
図４は、一般的な特定小電力通信システムの例を示す図である。
図４に示す特定小電力通信システムＺ’は、ビル内の換気を行う電動機２の振動や温度を間欠的に測定し、その測定データが特定小電力通信端末１’（電池駆動）によって、監視用パソコン７に収集され、監視用パソコン７によって、収集された測定データが管理されることにより電動機２の予防保全を行うものである。特定小電力通信端末１’から送られた測定データは、中継器であるルータ３およびゲートウェイサーバ５を介して、監視用パソコン７へ送られる。特定小電力通信端末１’、ルータ３およびゲートウェイサーバ５間の通信は、特定小電力通信端末１’および図示しないセンサがマッチ箱程度の大きさで実現できるため、電池駆動（すなわち、直流小電流駆動）とし、電動機２に直接装着することができる。測定データ収集の中継を行うルータ３は、複数の特定小電力通信端末１’からのデータ中継を行うため、一般にＡＣ（Alternating Current）電源４によって駆動される。また、特定小電力通信システムＺ’全体のコントロールや、データの収集を行うゲートウェイサーバ５も負荷が重いためＡＣ電源６で駆動される。
【特許文献１】特開２０００−２６１８６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的に提供されている特定小電力通信端末を１０年使用するとした場合、その間に、３回か４回の電池交換が必要になる。また、特定小電力通信端末が、通信品質の悪い場所に設置され、再送動作の頻度が高い場合、電池寿命は短くなり交換頻度が多くなる。特に、数十個以上の特定小電力データ通信端末を設置した場合、通信品質が低下し、場合によっては毎年電池交換が必要になることもある。
このように、特定小電力データ通信端末は、電池駆動ができ、電源不要なので実験レベルでの使用には便利な面もあるが、常時設置タイプで台数が増えた場合、交換する電池の費用および交換に要する人件費が嵩みメリットが損なわれる。また、電動機や商業用の冷凍機の電源は２００Ｖの３相交流がほとんどで、近くに商用電源（例えば、１００Ｖ単相交流）がないことが多いため、商用電源から電源をとることもできない。
【０００５】
このような背景に鑑みて本発明がなされたのであり、本発明は、比較的大きな交流電流から、小さい直流電流を取得し、駆動用の電池を不要とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、交流で動作する装置に接続されている交流電線から交流電流を取得して、当該取得した交流電流の電流値を下げるカレントトランスと、前記カレントトランスから交流電流を取得し、当該取得した交流電流を直流電流に変換して、当該直流電流を前記装置の駆動部へ流す整流装置と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、比較的大きな交流電流から、小さい直流電流を取得し、駆動用の電池を不要とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、本発明を実施するための最良の形態（「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００９】
（システム）
図１は、本実施形態に係る特定小電力通信システムの例を示す図である。
図１において、図４と同様の要素に関しては、同一の符号を付して説明を省略する。
特定小電力通信システムＺにおける特定小電力通信端末１（装置または通信端末）は、複数の電動機２に接続されている２００Ｖ３相交流電線のうちの１本（電源線３１）にカレントトランス１１を設置し、このカレントトランス１１によって、２００Ｖ交流電流を、電流値の低い交流電流に変換した後、変換した交流電流は、電線１５を介して特定小電力通信端末１の本体装置１３（駆動部：図２参照）へ送られている。
このような電動機２や商業用の冷凍機は、連続運転されるものであり、その電源は、３相２００Ｖ電源で、電源電流として数十Ａ程度の電流が常時流れている。そのため、この電源線３１の一本にカレントトランスを装着すれば、微小電力を取り出すことができる。
【００１０】
（特定小電力通信端末）
図２は、本実施形態に係る特定小電力通信端末の詳細な構成例を示す図である。
図２において、図１と同様の要素に関しては、同一の符号を付して説明を省略する。
特定小電力通信端末１は、図２に示すように本体装置１３および電源線３１に流れている比較的大きな交流電流から、小さい直流電流を取得して本体装置１３へ流す電源装置１４を有してなる。また、電源装置１４は、カレントトランス１１および交流電流を直流電流へ変換する整流装置１２を有してなる。
カレントトランス１１は、大きな値を有する交流電流を、小さな値を有する交流電流へ変換し、電線１５を介して変換した交流電流を整流装置１２へ流す機能を有する。カレントトランス１１の詳細については、図３を参照して後記する。
整流装置１２は、ダイオード１２０２〜１２０５からなる整流回路１２０１、抵抗器１２０６、シャントレギュレータ１２０７、抵抗器１２０８，１２０９、大容量のキャパシタンス（以下、大容量キャパシタ１２１０（キャパシタ）と記載）、３端子レギュレータ１２１１、コンデンサ１２１２、電池１２１３およびカレントトランス１１からの電流と電池１２１３からの電流の切り替えを行う電源切替スイッチ１２１４（切替部）を有してなる。また、符号１２１５は、図示しない電圧検出センサから得られる電源電圧検出信号、符号１２１６は、電源切替指令をそれぞれ示す。
【００１１】
本体装置１３は、入力処理回路１３０１、Ａ(Analog)／Ｄ（Digital）変換回路１３０２、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）１３０３、ＲＦ（Radio Frequency）変復調送受信回路１３０５およびアンテナ１３０６を有してなる。
図示しないセンサにおいて計測された電動機２の測定データは、入力処理回路１３０１へ送られる。入力処理回路１３０１は、入力された測定データ（アナログデータ）をＡ／Ｄ変換回路１３０２へ送る。Ａ／Ｄ変換回路１３０２は、送られた測定データ（アナログデータ）をデジタルデータへ変換して、ＭＰＵ１３０３へ送る。ＭＰＵ１３０３は、送られた測定データ（デジタルデータ）に対して解析処理などの各種データ処理を行い、ＲＦ変復調送受信回路１３０５へ測定データを送る。ＲＦ変復調送受信回路１３０５は、送られた測定データを無線電送を行うための搬送波に変換し、アンテナ１３０６を介して搬送波に変換された測定データを発信させる。なお、ＭＰＵ１３０３には、本実施形態のようにタイマ１３０４が備わっていてもよい。このタイマ１３０４は、後記する間欠通信において利用されるものである。
【００１２】
（カレントトランス）
図３は、カレントトランスの機能を説明するための図である。
カレントトランス１１は、単相交流電流が流れている電源線３１の１本に設置される。このときのトランスとしての結合度をＫ、電源線３１を流れる電源電流をＩ（Ａ）、カレントトランス１１のコア１１０１の２次巻線１１０２の巻数をＮ（回）、２次巻線１１０２の負荷をＲＬ（Ω）とすると、２次巻線１１０２の出力電圧（カレントトランス１１からの出力電圧）Ｅ（Ｖ）は、（１）式のように表される。
【００１３】
Ｅ＝Ｋ×Ｉ×ＲＬ／Ｎ ・・・ （１）
【００１４】
ここで、Ｉ＝１０Ａ、ＲＬ＝１ｋΩ、Ｎ＝２０００回、Ｋ＝１として、（１）式に代入すると、Ｅ＝１×１０×１０００／２０００＝５Ｖとなる。１ｋΩの負荷で、５Ｖであるから、カレントトランス１１からの出力電流は、５ｍＡとなる。
【００１５】
しかし、特定小電力通信端末１の送信時には、数十から１００ｍＡの消費電流が必要となり、送信時に関してはカレントトランス１１から提供される電流だけでは不足となる。このため、図２に示すように、整流回路１２０１中に大容量キャパシタ１２１０などの大容量のコンデンサを設け、カレントトランス１１により得られた電力をこのような大容量のコンデンサに蓄積して、送信時に蓄積した電力を放出することが必要になる。大容量キャパシタ１２１０の役割の詳細については、後記して説明する。
また、（１）式の両辺を負荷ＲＬで除し、２次電流をＩＯとすると、２次電流ＩＯは、（２）式のように表される。
【００１６】
ＩＯ＝Ｅ／ＲＬ＝Ｋ×Ｉ／Ｎ ・・・ （２）
【００１７】
つまり、カレントトランス１１の２次電流は、１次電流が一定であれば、負荷に依存せず一定の電流となる性質を有する。
【００１８】
（消費電流について）
次に、図２を参照して特定小電力通信端末１の消費電流を説明する。
ここで、特定小電力通信端末１は、ＭＰＵ１３０３に備わっているタイマ１３０４の機能により、５分周期でデータ処理および伝送を行うものとする。１回のデータ処理、伝送時間を０．１ｓ、送信時の消費電流を１００ｍＡとし、安全をみて毎回１回の再送処理を行うものとする。
すると、特定小電力通信端末１の５分間における送信時の平均消費電流は、（１００ｍＡ×０．１ｓ＋１００ｍＡ×０．１ｓ）／（５分×６０ｓ）＝６７μＡ となる。
また、データ処理および伝送を行わない時は、待機状態とし消費電流を低減させるが、このときの電流は、周辺回路を含め１０μＡ程度である。すると、５分間における特定小電力通信端末１全体の平均消費電流は７７μＡ程度となる。
【００１９】
そして、この回路の駆動に、１５００ｍＡｈの一次電池を使用すると、電池寿命は、１５００ｍＡｈ／７５μＡ＝２０，０００ｈ≒２．３年となる。また、一般に電池は低温になると著しく性能が低下し、電池寿命が短くなるため、寿命予測が難しい。
【００２０】
これに対し、本実施形態における特定小電力通信端末１は、電動機２などの設備の電源線３１からカレントトランス１１を介して小さな値を有する電流を得ることにより、原則として電池駆動を不要としたところにある。図３で説明したように、１０Ａの交流電流をカレントトランス１１に通した場合、５Ｖ、５ｍＡ程度の電力が得られる。したがって、これを大容量キャパシタ１２１０に蓄積しておけば、間欠駆動の場合の瞬時電流を賄い、特定小電力通信端末１を動作させることができる。
【００２１】
（特定小電力通信端末の動作）
電動機２の電源線３１をカレントトランス１１のコア１１０１を通すことによって得られるカレントトランス１１の出力電流は、電線１５を介して整流装置１２へ導かれ、ダイオード１２０２〜１２０５で構成される整流回路１２０１に導かれる。整流後の電流は、抵抗器１２０６を介してシャントレギュレータ１２０７に加えられる。このシャントレギュレータ１２０７は、抵抗器１２０８，１２０９により出力電圧が決定される。ここでは、例えば５Ｖの出力電圧となるよう抵抗器１２０８，１２０９の抵抗値を調節しておくこととする。大容量キャパシタ１２１０は、例えば最大使用電圧５．５Ｖ、静電容量０．０４７Ｆ、内部抵抗２０Ω以下のものとする。３端子レギュレータ１２１１は、自己消費電流が小さく、入出力間の電圧ドロップの小さいものを使用する。電源切替スイッチ１２１４は、例えば、起動時は安定性のある電池１２１３で動作し、その後、電源電圧検出信号１２１５で大容量キャパシタ１２１０の充電電圧を読み取り、本体装置１３が作動していることが確かめられた（すなわち、電源電圧検出信号１２１５が所定の値以上であると確かめられた）後、ＭＰＵ１３０３が電源切替指令１２１６を電源切替スイッチ１２１４へ送ることにより、電源切替スイッチ１２１４が、カレントトランス１１による電源へ切り替える動作を行うようにしてもよい。さらに、電源電圧検出信号１２１５により、停電が検出されたり、電動機２の停止が検出されたときにも、ＭＰＵ１３０３が電源切替指令１２１６を電源切替スイッチ１２１４へ送ることにより、電源切替スイッチ１２１４が、電池１２１３へ切り替える動作を行うようにしてもよい。また、電池１２１３を設けず、電動機２が停止したらカレントトランス１１からの供給電力も停止するので、そのまま特定小電力通信端末１も停止させるようにしてもよい。
この電池１２１３は、一次電池としたが、電源装置１４中に充電回路を設け、蓄電池のような二次電池としてもよい。
【００２２】
（大容量キャパシタについて）
次に、カレントトランス１１からの電力の蓄積と間欠動作時の電流供給能力に関して説明する。
電動機２の電源電流が一定の時、カレントトランス１１の出力電圧値は、その負荷抵抗値で決定される。本実施形態では、負荷回路を抵抗器１２０６とシャントレギュレータ１２０７で構成した。前記したようにカレントトランス１１の出力電圧５Ｖは、交流電圧値であるから、これを整流回路１２０１において整流すると約７Ｖとなる。そして、シャントレギュレータ１２０７の出力電圧は５Ｖに調整されているから、抵抗器１２０６を４００Ωとすると、５ｍＡ流れて２Ｖの電圧降下となり適切な負荷回路が形成される。
【００２３】
ただし、大容量キャパシタ１２１０が充電されていない初期状態では、動作が異なる。初期状態で大容量キャパシタ１２１０の端子電圧を０Ｖとし、カレントトランス１１に電流が流れ始めたとする。すると、（２）式で示したとおり、カレントトランス１１は、負荷抵抗が変わっても電流は変わらない特性を持っているため、大容量キャパシタ１２１０は、５ｍＡの電流で充電される。
すると、大容量キャパシタ１２１０が５Ｖまで充電される時間ｔは、ｔ＝Ｃ×Ｖ／ｉ＝０．０４７Ｆ×５Ｖ／５ｍＡ＝４７ｓ となる。
【００２４】
次に、５分周期のデータ処理、伝送時の電流供給について以下に説明する。
前記したように伝送時は、カレントトランス１１からの供給電力だけでは、電力不足となるため、大容量キャパシタ１２１０に蓄積したエネルギで電流供給される。まず、大容量キャパシタ１２１０に蓄積している電荷量Ｑは、Ｑ＝Ｃ×Ｖ＝０．０４７Ｆ×５Ｖ＝０．２３５Ｃとなる。そして、流れ出す電荷量は、前記した１回の再送を含めると、Ｑ＝ｉ×ｔ＝１００ｍＡ×０．２ｓ＝０．０２Ｃとなる。したがって、大容量キャパシタ１２１０に残る電荷量は、０．２３５−０．０２＝０．２１５Ｃとなる。すると、大容量キャパシタ１２１０の端子電圧は、０．２１５Ｃ／０．０４７Ｆ＝４．５７Ｖとなる。また、大容量キャパシタ１２１０は、内部抵抗が大きく、（この例では２０Ω以下）、内部抵抗による電圧降下を考慮する必要がある。２０Ωの電圧降下を考慮すると、再送動作終了時点では、４．５７Ｖ−（１００ｍＡ×２０Ω）＝２．５７Ｖとなる。
そして、次の間欠動作までの間に、５Ｖまで充電されるため、動作が継続される。
また、カレントトランス１１は、非接触交流電流計のように、電源線３１を挟み込むクランプタイプのものを使用すると設置が容易である。このようにすることで、電源線３１を一時的に切断したりすることなく、すなわち電源線３１に手を加えることなく必要な電力を取得することができる。
【００２５】
本実施形態によれば、電動機２や冷凍機などの温度、湿度、振動などを測定しデータ伝送する特定小電力通信端末１において、このような設備の電源線３１からカレントトランス１１を用いて微小電力を取り出し、電源供給することができるので、電池交換や、電池切れを心配することなく長期間に渡りデータ監視を行うことができる特定小電力通信端末１を提供できる。
また、太陽電池による発電や、振動による発電や、温度差による発電による電力を電源として用いることが考えられるが、太陽電池では、光が十分に取れるとは限らず、特定小電力通信端末１の駆動に必要な電力を確保できるとは限らない。また、振動や、温度差による発電でも、特定小電力通信端末１の駆動に必要な電力を確保することが困難である。本実施形態によれば、大きな電流が流れている電源線３１から、特定小電力通信端末１の駆動に必要な電流を取り出すことができるので、特定小電力通信端末１の駆動に必要な電力を確実に確保することができる。
【００２６】
本実施形態では、カレントトランス１１を備える電源装置１４を、特定小電力通信端末１に備える構成としたが、これに限らず、小さい値を有する直流電流を用いる電子機器に対して、電源装置１４を備えてもよい。
また、特定小電力通信端末１は、伝送時に電動機２などからデータを取得してもよいし、常時データを取得し、図示しない記憶装置に取得したデータを蓄積し、伝送時にまとめてデータを送信させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施形態に係る特定小電力通信システムの例を示す図である。
【図２】本実施形態に係る特定小電力通信端末の詳細な構成例を示す図である。
【図３】カレントトランスの機能を説明するための図である。
【図４】一般的な特定小電力通信システムの例を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１，１’ 特定小電力通信端末（装置または通信端末）
２ 電動機
３ ルータ
４，６ ＡＣ電源
５ ゲートウェイサーバ
７ 監視用パソコン
１１ カレントトランス
１２ 整流装置
１３ 本体装置（駆動部）
１４ 電源装置
１５ 電線
３１ 電源線
１１０１ コア
１１０２ ２次巻線
１２０１ 整流回路
１２０２〜１２０５ ダイオード
１２０６，１２０８，１２０９ 抵抗器
１２０７ シャントレギュレータ
１２１０ 大容量キャパシタ（キャパシタ）
１２１１ ３端子レギュレータ
１２１２ コンデンサ
１２１３ 電池
１２１４ 電源切替スイッチ（切替部）
１２１５ 電源電圧検出信号
１２１６ 電源切替指令
１３０１ 入力処理回路
１３０２ Ａ／Ｄ変換回路
１３０３ ＭＰＵ
１３０４ タイマ
１３０５ ＲＦ変復調送受信回路
１３０６ アンテナ
Ｚ，Ｚ’ 特定小電力通信システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置および通信端末の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＴ（Information Technology）技術の発展や、ユビキタス社会の到来により、免許不要の特定小電力無線を利用してデータ収集し、設備監視や環境監視をきめ細かく行うシステムが提供されている。このようなシステムは、安全で快適な社会の構築を目的としているものである。
近年の半導体技術によれば、マッチ箱程度の大きさで、特定小電力データ通信端末を構成することができる。これらは、データ収集およびデータ送信を間欠動作とすることで、電池交換なしで最大２〜３年動作可能である。
例えば、特許文献１には、トランシーバ機能を有する携帯データ通信端末機器と、携帯データ通信端末機器用外部入出力装置との間におけるトランシーバ通信により、作業性および作業効率を改善した形態データ通信端末機器およびその外部入出力装置が記載されている。
【０００３】
図４は、一般的な特定小電力通信システムの例を示す図である。
図４に示す特定小電力通信システムＺ’は、ビル内の換気を行う電動機２の振動や温度を間欠的に測定し、その測定データが特定小電力通信端末１’（電池駆動）によって、監視用パソコン７に収集され、監視用パソコン７によって、収集された測定データが管理されることにより電動機２の予防保全を行うものである。特定小電力通信端末１’から送られた測定データは、中継器であるルータ３およびゲートウェイサーバ５を介して、監視用パソコン７へ送られる。特定小電力通信端末１’、ルータ３およびゲートウェイサーバ５間の通信は、特定小電力通信端末１’および図示しないセンサがマッチ箱程度の大きさで実現できるため、電池駆動（すなわち、直流小電流駆動）とし、電動機２に直接装着することができる。測定データ収集の中継を行うルータ３は、複数の特定小電力通信端末１’からのデータ中継を行うため、一般にＡＣ（Alternating Current）電源４によって駆動される。また、特定小電力通信システムＺ’全体のコントロールや、データの収集を行うゲートウェイサーバ５も負荷が重いためＡＣ電源６で駆動される。
【特許文献１】特開２０００−２６１８６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的に提供されている特定小電力通信端末を１０年使用するとした場合、その間に、３回か４回の電池交換が必要になる。また、特定小電力通信端末が、通信品質の悪い場所に設置され、再送動作の頻度が高い場合、電池寿命は短くなり交換頻度が多くなる。特に、数十個以上の特定小電力データ通信端末を設置した場合、通信品質が低下し、場合によっては毎年電池交換が必要になることもある。
このように、特定小電力データ通信端末は、電池駆動ができ、電源不要なので実験レベルでの使用には便利な面もあるが、常時設置タイプで台数が増えた場合、交換する電池の費用および交換に要する人件費が嵩みメリットが損なわれる。また、電動機や商業用の冷凍機の電源は２００Ｖの３相交流がほとんどで、近くに商用電源（例えば、１００Ｖ単相交流）がないことが多いため、商用電源から電源をとることもできない。
【０００５】
このような背景に鑑みて本発明がなされたのであり、本発明は、比較的大きな交流電流から、小さい直流電流を取得し、駆動用の電池を不要とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、交流で動作する装置に接続されている交流電線から交流電流を取得して、当該取得した交流電流の電流値を下げるカレントトランスと、前記カレントトランスから交流電流を取得し、当該取得した交流電流を直流電流に変換して、当該直流電流を前記装置の駆動部へ流す整流装置と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、比較的大きな交流電流から、小さい直流電流を取得し、駆動用の電池を不要とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、本発明を実施するための最良の形態（「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００９】
（システム）
図１は、本実施形態に係る特定小電力通信システムの例を示す図である。
図１において、図４と同様の要素に関しては、同一の符号を付して説明を省略する。
特定小電力通信システムＺにおける特定小電力通信端末１（装置または通信端末）は、複数の電動機２に接続されている２００Ｖ３相交流電線のうちの１本（電源線３１）にカレントトランス１１を設置し、このカレントトランス１１によって、２００Ｖ交流電流を、電流値の低い交流電流に変換した後、変換した交流電流は、電線１５を介して特定小電力通信端末１の本体装置１３（駆動部：図２参照）へ送られている。
このような電動機２や商業用の冷凍機は、連続運転されるものであり、その電源は、３相２００Ｖ電源で、電源電流として数十Ａ程度の電流が常時流れている。そのため、この電源線３１の一本にカレントトランスを装着すれば、微小電力を取り出すことができる。
【００１０】
（特定小電力通信端末）
図２は、本実施形態に係る特定小電力通信端末の詳細な構成例を示す図である。
図２において、図１と同様の要素に関しては、同一の符号を付して説明を省略する。
特定小電力通信端末１は、図２に示すように本体装置１３および電源線３１に流れている比較的大きな交流電流から、小さい直流電流を取得して本体装置１３へ流す電源装置１４を有してなる。また、電源装置１４は、カレントトランス１１および交流電流を直流電流へ変換する整流装置１２を有してなる。
カレントトランス１１は、大きな値を有する交流電流を、小さな値を有する交流電流へ変換し、電線１５を介して変換した交流電流を整流装置１２へ流す機能を有する。カレントトランス１１の詳細については、図３を参照して後記する。
整流装置１２は、ダイオード１２０２〜１２０５からなる整流回路１２０１、抵抗器１２０６、シャントレギュレータ１２０７、抵抗器１２０８，１２０９、大容量のキャパシタンス（以下、大容量キャパシタ１２１０（キャパシタ）と記載）、３端子レギュレータ１２１１、コンデンサ１２１２、電池１２１３およびカレントトランス１１からの電流と電池１２１３からの電流の切り替えを行う電源切替スイッチ１２１４（切替部）を有してなる。また、符号１２１５は、図示しない電圧検出センサから得られる電源電圧検出信号、符号１２１６は、電源切替指令をそれぞれ示す。
【００１１】
本体装置１３は、入力処理回路１３０１、Ａ(Analog)／Ｄ（Digital）変換回路１３０２、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）１３０３、ＲＦ（Radio Frequency）変復調送受信回路１３０５およびアンテナ１３０６を有してなる。
図示しないセンサにおいて計測された電動機２の測定データは、入力処理回路１３０１へ送られる。入力処理回路１３０１は、入力された測定データ（アナログデータ）をＡ／Ｄ変換回路１３０２へ送る。Ａ／Ｄ変換回路１３０２は、送られた測定データ（アナログデータ）をデジタルデータへ変換して、ＭＰＵ１３０３へ送る。ＭＰＵ１３０３は、送られた測定データ（デジタルデータ）に対して解析処理などの各種データ処理を行い、ＲＦ変復調送受信回路１３０５へ測定データを送る。ＲＦ変復調送受信回路１３０５は、送られた測定データを無線電送を行うための搬送波に変換し、アンテナ１３０６を介して搬送波に変換された測定データを発信させる。なお、ＭＰＵ１３０３には、本実施形態のようにタイマ１３０４が備わっていてもよい。このタイマ１３０４は、後記する間欠通信において利用されるものである。
【００１２】
（カレントトランス）
図３は、カレントトランスの機能を説明するための図である。
カレントトランス１１は、単相交流電流が流れている電源線３１の１本に設置される。このときのトランスとしての結合度をＫ、電源線３１を流れる電源電流をＩ（Ａ）、カレントトランス１１のコア１１０１の２次巻線１１０２の巻数をＮ（回）、２次巻線１１０２の負荷をＲＬ（Ω）とすると、２次巻線１１０２の出力電圧（カレントトランス１１からの出力電圧）Ｅ（Ｖ）は、（１）式のように表される。
【００１３】
Ｅ＝Ｋ×Ｉ×ＲＬ／Ｎ ・・・ （１）
【００１４】
ここで、Ｉ＝１０Ａ、ＲＬ＝１ｋΩ、Ｎ＝２０００回、Ｋ＝１として、（１）式に代入すると、Ｅ＝１×１０×１０００／２０００＝５Ｖとなる。１ｋΩの負荷で、５Ｖであるから、カレントトランス１１からの出力電流は、５ｍＡとなる。
【００１５】
しかし、特定小電力通信端末１の送信時には、数十から１００ｍＡの消費電流が必要となり、送信時に関してはカレントトランス１１から提供される電流だけでは不足となる。このため、図２に示すように、整流回路１２０１中に大容量キャパシタ１２１０などの大容量のコンデンサを設け、カレントトランス１１により得られた電力をこのような大容量のコンデンサに蓄積して、送信時に蓄積した電力を放出することが必要になる。大容量キャパシタ１２１０の役割の詳細については、後記して説明する。
また、（１）式の両辺を負荷ＲＬで除し、２次電流をＩＯとすると、２次電流ＩＯは、（２）式のように表される。
【００１６】
ＩＯ＝Ｅ／ＲＬ＝Ｋ×Ｉ／Ｎ ・・・ （２）
【００１７】
つまり、カレントトランス１１の２次電流は、１次電流が一定であれば、負荷に依存せず一定の電流となる性質を有する。
【００１８】
（消費電流について）
次に、図２を参照して特定小電力通信端末１の消費電流を説明する。
ここで、特定小電力通信端末１は、ＭＰＵ１３０３に備わっているタイマ１３０４の機能により、５分周期でデータ処理および伝送を行うものとする。１回のデータ処理、伝送時間を０．１ｓ、送信時の消費電流を１００ｍＡとし、安全をみて毎回１回の再送処理を行うものとする。
すると、特定小電力通信端末１の５分間における送信時の平均消費電流は、（１００ｍＡ×０．１ｓ＋１００ｍＡ×０．１ｓ）／（５分×６０ｓ）＝６７μＡ となる。
また、データ処理および伝送を行わない時は、待機状態とし消費電流を低減させるが、このときの電流は、周辺回路を含め１０μＡ程度である。すると、５分間における特定小電力通信端末１全体の平均消費電流は７７μＡ程度となる。
【００１９】
そして、この回路の駆動に、１５００ｍＡｈの一次電池を使用すると、電池寿命は、１５００ｍＡｈ／７５μＡ＝２０，０００ｈ≒２．３年となる。また、一般に電池は低温になると著しく性能が低下し、電池寿命が短くなるため、寿命予測が難しい。
【００２０】
これに対し、本実施形態における特定小電力通信端末１は、電動機２などの設備の電源線３１からカレントトランス１１を介して小さな値を有する電流を得ることにより、原則として電池駆動を不要としたところにある。図３で説明したように、１０Ａの交流電流をカレントトランス１１に通した場合、５Ｖ、５ｍＡ程度の電力が得られる。したがって、これを大容量キャパシタ１２１０に蓄積しておけば、間欠駆動の場合の瞬時電流を賄い、特定小電力通信端末１を動作させることができる。
【００２１】
（特定小電力通信端末の動作）
電動機２の電源線３１をカレントトランス１１のコア１１０１を通すことによって得られるカレントトランス１１の出力電流は、電線１５を介して整流装置１２へ導かれ、ダイオード１２０２〜１２０５で構成される整流回路１２０１に導かれる。整流後の電流は、抵抗器１２０６を介してシャントレギュレータ１２０７に加えられる。このシャントレギュレータ１２０７は、抵抗器１２０８，１２０９により出力電圧が決定される。ここでは、例えば５Ｖの出力電圧となるよう抵抗器１２０８，１２０９の抵抗値を調節しておくこととする。大容量キャパシタ１２１０は、例えば最大使用電圧５．５Ｖ、静電容量０．０４７Ｆ、内部抵抗２０Ω以下のものとする。３端子レギュレータ１２１１は、自己消費電流が小さく、入出力間の電圧ドロップの小さいものを使用する。電源切替スイッチ１２１４は、例えば、起動時は安定性のある電池１２１３で動作し、その後、電源電圧検出信号１２１５で大容量キャパシタ１２１０の充電電圧を読み取り、本体装置１３が作動していることが確かめられた（すなわち、電源電圧検出信号１２１５が所定の値以上であると確かめられた）後、ＭＰＵ１３０３が電源切替指令１２１６を電源切替スイッチ１２１４へ送ることにより、電源切替スイッチ１２１４が、カレントトランス１１による電源へ切り替える動作を行うようにしてもよい。さらに、電源電圧検出信号１２１５により、停電が検出されたり、電動機２の停止が検出されたときにも、ＭＰＵ１３０３が電源切替指令１２１６を電源切替スイッチ１２１４へ送ることにより、電源切替スイッチ１２１４が、電池１２１３へ切り替える動作を行うようにしてもよい。また、電池１２１３を設けず、電動機２が停止したらカレントトランス１１からの供給電力も停止するので、そのまま特定小電力通信端末１も停止させるようにしてもよい。
この電池１２１３は、一次電池としたが、電源装置１４中に充電回路を設け、蓄電池のような二次電池としてもよい。
【００２２】
（大容量キャパシタについて）
次に、カレントトランス１１からの電力の蓄積と間欠動作時の電流供給能力に関して説明する。
電動機２の電源電流が一定の時、カレントトランス１１の出力電圧値は、その負荷抵抗値で決定される。本実施形態では、負荷回路を抵抗器１２０６とシャントレギュレータ１２０７で構成した。前記したようにカレントトランス１１の出力電圧５Ｖは、交流電圧値であるから、これを整流回路１２０１において整流すると約７Ｖとなる。そして、シャントレギュレータ１２０７の出力電圧は５Ｖに調整されているから、抵抗器１２０６を４００Ωとすると、５ｍＡ流れて２Ｖの電圧降下となり適切な負荷回路が形成される。
【００２３】
ただし、大容量キャパシタ１２１０が充電されていない初期状態では、動作が異なる。初期状態で大容量キャパシタ１２１０の端子電圧を０Ｖとし、カレントトランス１１に電流が流れ始めたとする。すると、（２）式で示したとおり、カレントトランス１１は、負荷抵抗が変わっても電流は変わらない特性を持っているため、大容量キャパシタ１２１０は、５ｍＡの電流で充電される。
すると、大容量キャパシタ１２１０が５Ｖまで充電される時間ｔは、ｔ＝Ｃ×Ｖ／ｉ＝０．０４７Ｆ×５Ｖ／５ｍＡ＝４７ｓ となる。
【００２４】
次に、５分周期のデータ処理、伝送時の電流供給について以下に説明する。
前記したように伝送時は、カレントトランス１１からの供給電力だけでは、電力不足となるため、大容量キャパシタ１２１０に蓄積したエネルギで電流供給される。まず、大容量キャパシタ１２１０に蓄積している電荷量Ｑは、Ｑ＝Ｃ×Ｖ＝０．０４７Ｆ×５Ｖ＝０．２３５Ｃとなる。そして、流れ出す電荷量は、前記した１回の再送を含めると、Ｑ＝ｉ×ｔ＝１００ｍＡ×０．２ｓ＝０．０２Ｃとなる。したがって、大容量キャパシタ１２１０に残る電荷量は、０．２３５−０．０２＝０．２１５Ｃとなる。すると、大容量キャパシタ１２１０の端子電圧は、０．２１５Ｃ／０．０４７Ｆ＝４．５７Ｖとなる。また、大容量キャパシタ１２１０は、内部抵抗が大きく、（この例では２０Ω以下）、内部抵抗による電圧降下を考慮する必要がある。２０Ωの電圧降下を考慮すると、再送動作終了時点では、４．５７Ｖ−（１００ｍＡ×２０Ω）＝２．５７Ｖとなる。
そして、次の間欠動作までの間に、５Ｖまで充電されるため、動作が継続される。
また、カレントトランス１１は、非接触交流電流計のように、電源線３１を挟み込むクランプタイプのものを使用すると設置が容易である。このようにすることで、電源線３１を一時的に切断したりすることなく、すなわち電源線３１に手を加えることなく必要な電力を取得することができる。
【００２５】
本実施形態によれば、電動機２や冷凍機などの温度、湿度、振動などを測定しデータ伝送する特定小電力通信端末１において、このような設備の電源線３１からカレントトランス１１を用いて微小電力を取り出し、電源供給することができるので、電池交換や、電池切れを心配することなく長期間に渡りデータ監視を行うことができる特定小電力通信端末１を提供できる。
また、太陽電池による発電や、振動による発電や、温度差による発電による電力を電源として用いることが考えられるが、太陽電池では、光が十分に取れるとは限らず、特定小電力通信端末１の駆動に必要な電力を確保できるとは限らない。また、振動や、温度差による発電でも、特定小電力通信端末１の駆動に必要な電力を確保することが困難である。本実施形態によれば、大きな電流が流れている電源線３１から、特定小電力通信端末１の駆動に必要な電流を取り出すことができるので、特定小電力通信端末１の駆動に必要な電力を確実に確保することができる。
【００２６】
本実施形態では、カレントトランス１１を備える電源装置１４を、特定小電力通信端末１に備える構成としたが、これに限らず、小さい値を有する直流電流を用いる電子機器に対して、電源装置１４を備えてもよい。
また、特定小電力通信端末１は、伝送時に電動機２などからデータを取得してもよいし、常時データを取得し、図示しない記憶装置に取得したデータを蓄積し、伝送時にまとめてデータを送信させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施形態に係る特定小電力通信システムの例を示す図である。
【図２】本実施形態に係る特定小電力通信端末の詳細な構成例を示す図である。
【図３】カレントトランスの機能を説明するための図である。
【図４】一般的な特定小電力通信システムの例を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１，１’ 特定小電力通信端末（装置または通信端末）
２ 電動機
３ ルータ
４，６ ＡＣ電源
５ ゲートウェイサーバ
７ 監視用パソコン
１１ カレントトランス
１２ 整流装置
１３ 本体装置（駆動部）
１４ 電源装置
１５ 電線
３１ 電源線
１１０１ コア
１１０２ ２次巻線
１２０１ 整流回路
１２０２〜１２０５ ダイオード
１２０６，１２０８，１２０９ 抵抗器
１２０７ シャントレギュレータ
１２１０ 大容量キャパシタ（キャパシタ）
１２１１ ３端子レギュレータ
１２１２ コンデンサ
１２１３ 電池
１２１４ 電源切替スイッチ（切替部）
１２１５ 電源電圧検出信号
１２１６ 電源切替指令
１３０１ 入力処理回路
１３０２ Ａ／Ｄ変換回路
１３０３ ＭＰＵ
１３０４ タイマ
１３０５ ＲＦ変復調送受信回路
１３０６ アンテナ
Ｚ，Ｚ’ 特定小電力通信システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流で作動する装置の作動状態を取得する測定装置に電源を供給する電源装置であって、
前記装置の作動用として接続されている交流電線から交流電流を取得して、当該取得した交流電流の電流値を下げるカレントトランスと、
前記カレントトランスで電流値が下げられた交流電流を取得し、当該取得した交流電流を直流電流に変換して、当該直流電流を前記測定装置の駆動部へ流す整流装置と、
を有することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記電源装置には、電池または蓄電池が接続され、
前記変換された直流電流と、前記電池または蓄電池から得られる直流電流とを、切り替えて前記駆動部へ流すことが可能な切替部を有することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
交流で動作する装置からデータを取得し、無線によって前記取得したデータを伝送する通信端末であって、
前記交流で動作する装置に接続されている交流電線から交流電流を取得して、当該取得した交流電流の電流値を下げるカレントトランスと、
前記カレントトランスで電流値が下げられた交流電流を取得し、当該取得した交流電流を直流電流に変換して、当該直流電流を前記通信端末の駆動部へ流す整流装置と、
を有する電源装置を備えることを特徴とする通信端末。
【請求項４】
前記整流装置は、前記カレントトランスから取得され、直流電流に変換された電流から得られる電力を蓄えるキャパシタを有し、
前記データの伝送時に前記キャパシタに蓄えられた電力を用いて、前記データの伝送を行うことを特徴とする請求項３に記載の通信端末。
【請求項５】
前記通信端末は、時間を計測するタイマを有し、
前記タイマから取得した時間情報を基に、所定時間毎に取得したデータを伝送することを特徴とする請求項３に記載の通信端末。
【請求項１】
交流で作動する装置の作動状態を取得する測定装置に電源を供給する電源装置であって、
前記装置の作動用として接続されている交流電線から交流電流を取得して、当該取得した交流電流の電流値を下げるカレントトランスと、
前記カレントトランスで電流値が下げられた交流電流を取得し、当該取得した交流電流を直流電流に変換して、当該直流電流を前記測定装置の駆動部へ流す整流装置と、
を有することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記電源装置には、電池または蓄電池が接続され、
前記変換された直流電流と、前記電池または蓄電池から得られる直流電流とを、切り替えて前記駆動部へ流すことが可能な切替部を有することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
交流で動作する装置からデータを取得し、無線によって前記取得したデータを伝送する通信端末であって、
前記交流で動作する装置に接続されている交流電線から交流電流を取得して、当該取得した交流電流の電流値を下げるカレントトランスと、
前記カレントトランスで電流値が下げられた交流電流を取得し、当該取得した交流電流を直流電流に変換して、当該直流電流を前記通信端末の駆動部へ流す整流装置と、
を有する電源装置を備えることを特徴とする通信端末。
【請求項４】
前記整流装置は、前記カレントトランスから取得され、直流電流に変換された電流から得られる電力を蓄えるキャパシタを有し、
前記データの伝送時に前記キャパシタに蓄えられた電力を用いて、前記データの伝送を行うことを特徴とする請求項３に記載の通信端末。
【請求項５】
前記通信端末は、時間を計測するタイマを有し、
前記タイマから取得した時間情報を基に、所定時間毎に取得したデータを伝送することを特徴とする請求項３に記載の通信端末。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−１８２７５２（Ｐ２００９−１８２７５２Ａ）
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０２０６（Ｐ２００８−２０２０６）
【出願日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【出願人】（０００２３３５４９）株式会社日立ハイテクコントロールシステムズ (130)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【出願人】（０００２３３５４９）株式会社日立ハイテクコントロールシステムズ (130)
【Ｆターム（参考）】
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