JP2010519891A - 容量性負荷の放出方法 - Google Patents

Abstract

容量性のソースから放出される電気エネルギーを貯蔵する方法であって、実施形態は、ソースに容量性負荷を蓄積すること、及びソースの出力電圧が閾値を超え、且つそのピークが検出された後で、容量性ソースと電圧変換ブロックの間のスイッチを閉じることを含む。変換ブロックは、直列接続されたインダクタと貯蔵装置とを含み、インダクタと貯蔵装置とに平行に接続されるダイオードを更に含んでもよい。容量性ソースから放出される電気エネルギーを貯蔵するための装置は、出力電圧を生成する容量性ソース、ソースに接続するスイッチ、スイッチに接続するインダクタ、インダクタに接続する貯蔵装置及びソースの出力電圧が閾値を超え、且つそのピークが検出された後でスイッチを閉じるコントローラを有する実施形態を含む。

Description

本発明は、概して電気エネルギーの貯蔵に関し、具体的には、容量性負荷から放出されるエネルギーの貯蔵に関する。

断続的な機械障害からエネルギーを収集することは、遠隔センサ、ならびに他の種類のデバイスの広域アレイに給電するために非常に有益でありうる。障害が、ある特定の周波数における比較的小さなもので、有意な量のエネルギーを生成しない場合でも、適切な伝達手段が利用可能であれば、広帯域の周波数スペクトルから回収された総エネルギーは給電に十分なものになりうる。圧電変換器は、機械的な力を出力電気エネルギーに変換できるという特性を有する材料から作製されている。圧電素子では、デバイスの材料にひずみが加わって材料中に電圧が生成されると、正と負の電荷が分離される。
一般には、生成された電気信号の振幅は、圧電素子の大きさと、当該素子に加わるひずみ又は応力のレベルの関数である。生成される電気信号の周波数は、圧電素子に加わるひずみと応力の周波数の関数である。振動のような振動性のひずみが圧電材料に加わると、生成される信号の振幅及び周波数は、材料自体と、圧電素子内で機械的振動をひずみに連結する当該素子の能力とに応じて大きく変動する。
生成されたエネルギーを蓄積するために、種々の装置及び方法論が開発されたが、主題とする技術に従って本明細書に提示される所望の特徴の全てを広く包含するような設計はこれまでに存在していない。

本発明の特定の実施形態は、容量性のソースから放出される電気エネルギーを貯蔵する方法を含む。このような方法は、ソース内に容量性の負荷を蓄積すること、及びソースの出力電圧が閾値を超え、且つピークに達したことが検出された後で、容量性ソースと電圧変換ブロックの間のスイッチを閉じることとを含む。変換ブロックは、直列に接続されたインダクタと貯蔵デバイスとを含み、更にインダクタ及び貯蔵デバイスに並列接続されるダイオードを含むことができる。
このような方法は更に、所定の期間が経過した後でスイッチを開くこと、及び電圧変換ブロック内の電気エネルギーをインダクタから貯蔵装置へ移すことを含むことができる。

このような方法の特定の実施形態は、ソース内に容量性負荷を蓄積することに加えて、ソースの出力電圧が閾値を超えたと判定された後で容量性ソースと電圧変換ブロックの間のスイッチを閉じること、及び電圧変換ブロックｊのインダクタを流れる電流が目標値に到達したと判定されたとき当該スイッチを開くことを含む。
このような方法は、電圧変換ブロック内の電気エネルギーをインダクタから貯蔵デバイスに移すことを更に含むことができる。

本発明の特定の実施形態は、容量性ソースから放出される電気エネルギーを貯蔵するための装置を含む。このような装置は、出力電圧を生成する容量性ソース、ソースに接続するスイッチ、スイッチに接続するインダクタ、インダクタに接続する貯蔵デバイス、及びソースの出力電圧が閾値を超え、且つピークに達したことが検出された後で、スイッチを閉じるように構成されたコントローラを含む。
本発明に関する上述の及びその他の目的、特徴及び利点は、添付図面に示す本発明の特定の実施形態について後述する詳細な説明から明らかにする。添付図面では、類似の参照番号は、本発明の同様のパーツを表わす。

エネルギーの回収を行う変換器回路の一実施例を示す。 図１の回路を簡略化した図である。 エネルギー変換を行う一般的な回路トポロジーの線図である。 特定の実施形態の実行に使用可能な例示的な電圧閾値検出器を示す。 特定の実施形態の実行において組み合わせることができる、共に例示的な電圧ピーク検出器と電圧閾値検出器を示す。

電気エネルギー源から収集されたエネルギーを使用して、装置の広域アレイに給電することができる。収集されたこのようなエネルギーを装置の給電に直ぐに使用しない場合、この電気エネルギーは、例えばコンデンサ又は充電可能なバッテリのような貯蔵デバイスに貯蔵することができる。その後、貯蔵デバイスに貯蔵されたエネルギーは、必要に応じて一又は複数の装置において利用することができる。
本発明は、容量性の電気エネルギー源から放出された電気エネルギーをエネルギー貯蔵デバイスに貯蔵するための方法と装置を含む。電気エネルギー源には、容量性のソースが含まれる。このような容量性ソースは、例えば、圧電変換器又はコンデンサを含むことができる。後述の説明の大部分では、容量性ソースを圧電素子とした実施例について行われるが、本発明はそれに限定されるものではない。

ここに開示される方法及び装置は、限定されるものではないが、例えばタイヤの内側に搭載される圧電変換器に由来する、少量の電気エネルギーを供給する容量性ソースに使用されると特に有用である。圧電変換により回収されるエネルギーの量は、圧電材料の電圧差を貯蔵媒体に伝達する能力に応じて決まる。しかしながら、振動により電圧が上下動しうる場合、エネルギーは回収できない。ここに開示される方法及び装置は更に、限定されるものではないが、ランダムな又は分散した電圧ピークを生成する容量性ソース（つまり、非常に高いピークや低いピークがあるものと、全体にランダムに分散したピークがあるもの）に使用されると特に有用である。
本発明の特定の実施形態は、ピーク電圧の又はピーク電圧近傍の電気エネルギーを伝達することにより、より多くの電気エネルギーを回収して貯蔵デバイスに貯蔵する方法と装置を含む。容量性ソースからより多くの電気エネルギーを貯蔵する構成は、スイッチを介して電圧変換ブロックに接続されたソースを含む。電圧変換ブロックは、インダクタ及び貯蔵デバイスを含む。この時、スイッチを適宜開閉することにより、容量性のソースからスイッチを介してインダクタへ、次いで貯蔵デバイスへと電気エネルギーを移動させることができる。

このような構成を利用した特定の実施形態には、ソースに容量性負荷を蓄積することを含む、容量性ソースから放出される電気エネルギーの貯蔵方法が含まれる。容量性ソースに電圧が蓄積されて最大又はピークに達するとき、本方法では、ソースの出力電圧が閾値を超えた後で、且つソースの出力電圧がピークに達したことが検出されたとき、容量性ソースと電圧変換ブロックの間のスイッチを閉じる。出力電圧が閾値を超え且つピークに達するときにスイッチを閉じることは、限定されるものではないが、出力電圧のピーク値が比較的高いピークと低いピークの間でランダムに変化するような容量性負荷を用いて実行される方法の実施形態に、特に有用である。
スイッチを閉じた後、容量性ソースに貯蔵された電圧は電圧変換ブロックのインダクタ全体に印加される。電力はエネルギー変化の時間当たりの比率であるので、エネルギーの瞬間的な変化は無限大の電力を必要としうる。このようなエネルギーの瞬間の変化は、システムのいずれかの要素に貯蔵されたエネルギーは時間の連続関数でなければならない物理的なシステムの標準的な概念とは対照的である。インダクタンスに貯蔵されたエネルギーは電流の二乗に比例するので、スイッチを閉じると、インダクタの電圧は直ちに降下し、流れる電流はゼロになる。電流がインダクタからスイッチに流れ始めると、ソースの電圧が降下し、貯蔵デバイスの電圧が上昇する。

特定の実施形態は更に、所定の時間にスイッチを開くことを含む。特定の実施形態では、スイッチを開く時点で、容量性ソース由来のエネルギーのほぼ半分が貯蔵デバイスに貯蔵され、半分がインダクタに貯蔵されていると仮定する。スイッチを開くと、容量性ソースが再びピーク値に向かって蓄積を開始するので、その時点でインダクタに貯蔵されている電気エネルギーが貯蔵デバイスに移る。従って、特定の実施形態による方法は、電圧変換ブロック内の電気エネルギーをインダクタから貯蔵デバイスに移すことを含む。
容量性ソースと電圧変換ブロックの間のスイッチは、コントローラによって開閉される。アナログコントローラ及びデジタルコントローラの両方を含め、ここに開示される機能を実行することが可能な当業者に既知のいずれのコントローラも、本発明の実施形態に使用するのに適している。特定の実施形態では、コントローラは、例えば、容量性ソースのピーク電圧の値を検出することができる、及び／又は容量性ソースの出力電圧が閾値を超えたことを判定することができる、及び／又はソースの電圧がピークに達すると思われる時間を決定することができ、更には、特定の実施形態では、適切な時間に一又は複数のスイッチを開閉することができる。適切なコントローラの実施例を後述に提示し、図面に具体的に示す。

スイッチを閉じるための決定要因の一つはソースの出力電圧が閾値を超えることであるので、特定の実施形態は更に、ソースの出力電圧を閾値と比較すること、及び出力電圧が閾値を超えたことを決定することを含むことができる。
特定の実施形態では、スイッチを閉じるための他の決定要因は、ソースの出力電圧がピークに達したことが検出されることであるので、特定の実施形態は、ソースの出力電圧が閾値を超えたら第２スイッチを閉じること、及び閉じた第２スイッチにより、ソースの出力電圧がピークに達したことを表わす信号を送信することを含むことができる。このような実施形態は更に、第１スイッチにより、閉じることを指令する信号を受信することを含むことができる。このように、容量性負荷と電圧変換ブロックのインダクタの間のスイッチは、ソースの出力電圧が閾値を超え且つピークに達したことが検出されたとコントローラが決定した後で、閉じることを指令する信号を受信する。特定の実施形態では、所定の期間の前に第２スイッチを開き、ソースとインダクタの間のスイッチを開く。

容量性ソースから放出される電気エネルギーを貯蔵するための特定の実施形態は、ソース内に容量性負荷を蓄積することに加えて、ソースの出力電圧が閾値を超えたことが決定された後で容量性負荷と電圧変換ブロックの間のスイッチを閉じることを更に含むことができる。これらの実施形態は、限定するものではないが、非常に近い出力電圧のピーク値を有する容量性負荷を用いて実行される実施形態の方法に特に有用である。
スイッチが閉じた後、インダクタを流れる電流がピークに達するまで、電流は増大し続ける。電流を測定して電流がピークに達するときを決定することにより、スイッチを開くことができる。或いは、電がピークに達すると思われる時間を計算することにより、その時点でスイッチを開くことができる。従って、特定の実施形態は、インダクタの電流を第２の基準値と比較して、インダクタの電流の値が第２の基準値を超えたときにインダクタを流れる電流が目標値に達したと判定することにより、スイッチを開くことができるコントローラを更に含むことができる。特定の実施形態は、インダクタの電流の値が目標値に達すると思われる時間を計算し、計算された時間にインダクタを流れる電流が目標値に達したと判定することにより、スイッチを開くことを決定することができる。

本発明の方法の特定の実施形態は、容量性ソースからの電気エネルギーを整流することを更に含むことができる。電気エネルギーは、全波整流されても、部分的に整流されてもよい。
本発明の特定の実施形態は、容量性ソースから放出される電気エネルギーを貯蔵する装置を更に含む。そのような装置の特定の実施形態は、容量性ソースに接続するソース接続部を含む。当業者に既知の、容量性ソースに接続するのに適したあらゆる接続部を本発明に使用することができる。そのようなソース接続部には、例えば、ワイヤ、ケーブル、プラグ、ソケット、端子、ポート、プリント回路、又はこれらの組み合わせが含まれる。特定の実施形態は、更に、ソース接続部との接続構成内に、出力電圧を生成する容量性ソースを含むことができる。

特定の実施形態による装置は更に、容量性ソースに接続するスイッチ、スイッチに接続するインダクタ、インダクタに接続する貯蔵デバイス、及びソースの出力電圧が閾値を超えて且つピークに達したことが検出されたときにスイッチを閉じるコントローラを含む。特定の実施形態は更に、インダクタ及び貯蔵デバイスと平行に接続されるダイオードを含むことができる。スイッチにより、変換ブロックは電圧変換ブロックから分離される。
後述するように、本装置の特定の実施形態は、

を上回る値を有するインダクタを有する。上の式において、Ｃ_１は貯蔵デバイスの容量の値であり、ｉ_ｓはインダクタの飽和電流であり、Ｖ_１は電気エネルギー源の最大電圧出力値である。

図１は、エネルギー収集を行う変換器回路の一実施例を示す。圧電変換器１は、二つの出力端子２、４の間に出力電圧を生成する。全波整流ネットワーク３は、当業者に周知であるように、当該整流ネットワーク３内の四つのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、及びＤ４から構成される。圧電変換器１は、多数の異なる材料から形成することができ、多数の異なる形状を有することができ、そしてこの圧電変換器１は、限定するものではないが、衝撃を与える、ねじる、引き伸ばす、及び圧迫する、又はこれらを組み合わせることを含む多数の異なる方法で負荷をかけることにより、電気信号を生じさせる、つまり二つの出力端末２、４に出力電圧を生成することができる。
整流ネットワーク３は、圧電変換器１の出力端子２、４に電気的に接続する二つの入力端子を含む。整流ネットワーク３は更に、二つの出力端子８、１０を含む。ダイオードＤ１のアノードとダイオードＤ４のカソードは圧電変換器１の第１端子２に接続しており、ダイオードＤ１及びダイオード３のカソードは整流ネットワーク３の第１出力端子８に接続している。ダイオードＤ２及びＤ４のアノードは、整流ネットワーク３の第２出力端子１０に接続しており、ダイオードＤ２のカソードとダイオードＤ３のアノードは圧電半換器１の第２出力端子４に接続している。

このような接続により、圧電変換器１によって生成される正に向かう信号は、端子２からダイオードＤ１を介して端子８に向かい、整流ネットワーク３の二つの出力端子８、１０の間の負荷を介し、次いでダイオードＤ２を介して圧電変換器１の第２出力端子４へと流れる電流を生成する。圧電変換器１によって生成される負に向かう信号は、圧電変換器１の第２の出力端子４からダイオードＤ３を介して整流ネットワークの第１出力端子８に向かい、次に整流ネットワークの第１出力端子８から整流ネットワーク３の第２出力端子１０へと、これら二つの端子８、１０の間に接続された電気的負荷により流れ、そして次にダイオードＤ４を介して圧電変換器１の第１端子２へと流れる電流を生成する。つまり、整流ネットワーク３の第２出力端子１０で生成される電圧に対して、整流ネットワーク３の第１出力端子８で生成される信号は常に正の電圧である。
図１の回路は更に、コントローラ２０により圧電変換器１からエネルギー貯蔵回路を流れるエネルギーを制御するスイッチＳ１を含む。当業者であれば、スイッチＳ１が、限定されるものではないが、リレー式スイッチングデバイス及び固体デバイスを含む多数の形態で実施できることが分かるであろう。スイッチＳ１は、整流ネットワーク３の第１出力端子８とインダクタＬ１の一方の端部の間を電気的に接続する。インダクタＬ１の他方の端部は貯蔵コンデンサＣ１の一方の端部に接続される。貯蔵コンデンサＣ１の他方の端部は整流ネットワーク３の第２出力端子１０に接続される。特定の実施形態には、更に、整流ネットワーク３の第２の出力端子１０に接続されたアノードと、スイッチＳ１とインダクタＬ１の間の接合部に接続されたカソードとを有するダイオードＤ５が含まれる。

特定の実施形態による方法及び装置によれば、コントローラ２０がライン２２を介して、圧電変換器１の出力電圧が、（１）閾値を超え且つ（２）ピークに達したことが検出された状態に概ね相当するとコントローラ２０によって認識される電圧を感知すると、コントローラ２０の働きによりスイッチＳ１が閉じられて、つまり導電性となる。これについては後述で詳細に説明する。コントローラ２０から送信される信号によりスイッチＳ１を閉じることにより、圧電変換器１の容量性負荷を、スイッチＳ１及びインダクタＬ１を介して貯蔵コンデンサＣ１へと放出することが可能になる。加えて、コントローラ２０は、所定の期間が経過した後でスイッチＳ１を開くように構成される。或いは、コントローラ２０は、圧電変換器１の出力電圧が閾値を超えたと判定された後でスイッチＳ１を閉じることができ、更には、コントローラ２０との間の感知ラインによりインダクタＬ１の出力に接続される電流センサ（図示しない）を介してインダクタＬ１を流れる電流を感知することによりスイッチＳ１を開閉することができる。
スイッチＳ１が閉じている間、ダイオードＤ５には逆のバイアスがかかり、ダイオードＤ５を通って整流ネットワーク３の第２出力端子１０へと流れることができる電流はほぼゼロである。コントローラ２０の働きによりスイッチＳ１が開くとき（図４及び５を参照して後述で更に詳細に説明する）、電流はインダクタＬ１から貯蔵コンデンサＣ１へと流れ続け、ダイオードＤ５を通るそのリターンパスによりインダクタＬ１内の電気エネルギーは貯蔵デバイスＣ１に移る。

貯蔵デバイス、つまりコンデンサＣ１に貯蔵されるエネルギーは、電圧の二乗を乗じたキャパシタンスに比例する。貯蔵要素Ｃ１の電圧が２倍である場合、貯蔵されたエネルギーは４倍に増大する。同様に、圧電変換器１はコンデンサと考えられ、ピーク電圧において最大限利用可能なエネルギーを有する。従って、圧電変換器１の出力電圧が変換器１の最大電圧に近づくか、又は達したときにスイッチＳ１を閉じるようにコントローラ２０を構成することにより、スイッチＳ１及びインダクタＬ１を用いてエネルギーを圧電変換器１からコンデンサＣ１へと転送することができる。
例えば、コントローラ２０は、この間に圧電変換器１の最大電圧の９０％でスイッチＳ１を閉じることができる。スイッチＳ１が閉じられると、圧電変換器１に貯蔵された電圧は全てインダクタＬ１に印加される。

上述のように、電力はエネルギー変化の時間当たりの比率であるので、エネルギーの瞬間的な変化は無限大の電力を必要としうる。このようなエネルギーの瞬間的な変化は、当然のことながら、システムの任意の要素に貯蔵されるエネルギーは時間の連続関数でなければならない物理的システムの標準概念とは対照的である。インダクタンスに貯蔵されるエネルギーは電流の二乗に比例するので、スイッチＳ１が閉じられた直後に電圧はインダクタＬ１において降下し、電流がほぼゼロとなる。電流はインダクタＬ１を徐々に流れ始め、その際に電圧が圧電変換器１において降下し、貯蔵デバイスであるコンデンサＣ１において上昇する。回路の電流は、その最大値に達するまで増大し続ける。
電流が最大値に達するとき、元のエネルギーの約半分が貯蔵要素Ｃ１に、半分がインダクタＬ１に貯蔵されることが分かる。この時点で、スイッチＳ１を開き、インダクタＬ１により、ダイオード５を介して貯蔵デバイスＣ１の端末に流れる電流を生成可能にすることが通常望ましい。

インダクタＬ１、コンデンサＣ１及びダイオードＤ５の接合キャパシタンスによって、スイッチＳ１が開いた後にタンク回路が形成されるため、ダイオードＤ５は接合キャパシタンスが最小となるように選択される。回路の寄生抵抗があるために、ダイオードＤ５及びコンデンサＣ１から転送される振動エネルギーの特定の部分が熱として失われる。従って、ここに記載されるタンク回路は、設計によりぎりぎりまでダンピングしなければならない。
特定の実施形態には、タイヤに含まれるか又はタイヤ周辺の電子素子に給電するタイヤに有用な装置と方法が含まれる。例えば、このような一実施形態は、タイヤが回転することによる圧電変換器のたわみにより容量性負荷を蓄積する容量性ソースとして、圧電変換器を含むことができる。タイヤ内の圧電変換器からの電気エネルギーの生成は、当業者に周知である。ここに開示される方法と装置は、そのような圧電変換器からのエネルギーの回収を最大にするために有用である。放出された容量性負荷により生成されるエネルギーは、例えば、ここに開示されるように、バッテリ又はコンデンサに貯蔵することができる。このように貯蔵されたエネルギーはその後、例えばタイヤ圧センサ及び／又はタイヤ状態に関する情報を伝送するためのトランスミッタで使用することができる。

図２は、図１の回路を簡略化した図である。以下の分析のために、図１に示す回路は実質的に簡略化することができる。圧電変換器１において誘発される振動の期間と比較して放出時間が短い場合、整流ネットワーク３、振動領域、及びダイオードＤ５はいずれも、スイッチＳ１が閉じてからそれが開くまでの間、準静的な状態にあるとみなすことができるので考慮する必要がない。図２に示す回路では、圧電変換器１及び整流ネットワーク３は、単一の理想的なコンデンサＣｐとしてまとめて扱われている。ダイオードＤ５には、スイッチＳ１が閉じてから開くまでの間に逆のバイアスがかかるため、当該ダイオードは省略されている。
以下の分析は、本発明をいかなる意味でも限定するものではない。図２の回路に関し、時間ｔ＝０において、コンデンサＣｐには初期電圧Ｖｐが存在すると仮定すると、スイッチを閉じたとき、電荷及び電圧を時間の関数として求めることは比較的簡単である。カーカフの電圧法則によれば、

である。上の式において、Ｖ_ＣｐはコンデンサＣｐの電圧であり、Ｖ_Ｌ１はインダクタＬ１の電圧であり、Ｖ_Ｃ１は貯蔵デバイスＣ１の電圧である。

以下の等式が既知である。

上の式において、Ｑ（ｔ）は時間の関数としての電荷と定義され、暗黙のうちに電荷が回路に保存されると想定し、Ｑ_０はＣｐの初期電荷と定義される。等式（２）から（４）を等式（１）に代入すると、以下の二次方程式が与えられる。

等式（５）の解は下記の等式となる。

従って、電流は下記の等式で表わされる。

比αは、貯蔵デバイスであるコンデンサＣ１のキャパシタンスに対する理想キャパシタンスＣｐの比と定義することができる。つまり、Ｃ１＝αＣｐであり、等式（６）及び（７）はこの比を使用して次のように書き直すことができる。

従って、等式（８）及び（９）は、スイッチが閉じた後の時間の関数としての、簡略化された放出回路における電荷及び電流の完全な解である。

インダクタのエネルギーは、インダクタンスに電流の二乗を乗じた積の二分の一に等しい。上述で指摘したように、回路の目的は、変換器からインダクタにエネルギーを転送することである。従って、スイッチＳ１は、インダクタを最大電流が流れている状態で開かれる。これは、等式（９）の正弦関数の引数がπ／２に等しいときに真であり、従ってスイッチの閉鎖期間は下記の式により決定される。

等式（１０）に示すように放出プロセスを停止する時間が決定されている場合、圧電コンデンサＣｐで始まる簡略化された回路の各コンポーネントのエネルギーは、下記のように推定される。即ち、Ｃｐについて、

である。

等式（１１）は、等式（６）及び（８）を用いて、等式（１０）によって求められる時間における関数Ｑ（ｔ）を評価する。計算は、余弦関数の引数が０に減少するので単純化される。等式（１１）の結果は、放出期間の後にデバイスＣｐに残っているエネルギー量を簡単に表わしている。同様にして、インダクタ及び貯蔵要素内のエネルギーを下記のように表わすことができる。

これら計算の結果を試験するため、等式の各エネルギー項のαの項を合算する。エネルギー保存の法則によれば、独立のシステムの総エネルギーは、システム内部の変化に関係なく一定に保たれる。つまり、図２の簡略化された回路の総エネルギーはＱ_０ ^２を理想キャパシタンスＣｐで除した商の２倍に等しく保たれ、一方全ての前因子の合計を合算すると１になる。合算は以下のようになる。

このように、エネルギーが保存されており、等式１１−１３が正しいことが実証されている。前述の結果を使用して、コンポーネントの大きさと変換を決まった時間に推定することができる。つまり、本発明の方法を使用して、インダクタの電流の値がピーク又は目標値に達すると思われる時間を計算することができ、次いで、計算された値をインダクタ電流のピーク値として認識し、これらの計算に従ってスイッチＳ１を操作することができる。
当業者であれば、寄生損失が考慮されていないのでこれらの結果は概算値であることが分かるであろう。しかしながら、適切な設計により、寄生損失を管理可能なレベル以下に制御することができる。次のステップは、αの値を求めることである。αを推定する一方法は、αの値が１０よりも大きい場合、圧電コンデンサからほぼ全てのエネルギーが除去されていることを認識することから始まる。インダクタＬ１から貯蔵要素Ｃ１への効率的な転送により、Ｅｃｐ≒Ｅｃ１、又は

とすることができる。

この関係は、エネルギー保存により最大電圧が可能な範囲と目標電圧の範囲が与えられ、内在的な圧電キャパシタンス及び貯蔵デバイスに所望のキャパシタンスによる設計的制約を設計に考慮していることを意味する。これは、エネルギー送達要件と、デバイスから給電されるエレクトロニクスに許容可能なドループ電圧とによって設定される。例えば、内在的キャパシタンスが８０ｎＦのデバイスと、８０ｍＦコンデンサを貯蔵デバイスと考える。圧電素子が３０Ｖの出力を生成する場合、各サイクルは３６ｕＪを生成し、５．５Ｖで運転される８０ｍＦのコンデンサは１．２１Ｊのエネルギーを有し、よって３３，０００サイクルで充電される。公称周波数１０Ｈｚの場合、これは５５分に相当する。
コンデンサの選択に関する問題に対処したので、次のステップはインダクタの選択である。αが大きい場合、等式（１０）に基づいて、

であることが分かる。

しかしながら、この関係は、インダクタの飽和電流により制約される。インダクタを流れる電流が増大し、そのインダクタンスが低下することは当技術分野において周知である。これは、心材の基礎的な物理学によるものである。インダクタンスの低下幅は大きく、低下が有意である場合、このようなインダクタを使用するコンバータは適切に動作しなくなる可能性がある。回路内でインダクタが適切に機能しない電流は飽和電流であり、インダクタのパラメータである。つまり、飽和による制約を避けるため、下記の式を満たす必要がある。

よって、所定の圧電キャパシタンスか、又は最大圧電電圧について、等式（１６）の制約を満たすコンポーネントを探す作業を行うことになる。例えば、８０ｎＦの圧電キャパシタンス及び３０Ｖの出力を考慮する。飽和電流が１．２Ａである場合、等式（１６）を満たすためにはインダクタは少なくとも１２３ｕＨでなければならない。

当業者であれば、上述から、計算により特定の時間関係を求めることができ、よって、選択されたコンポーネントの値に基づいてスイッチの切換え操作とその時間を求めることができると分かるであろう。しかしながら、特定の電気コンポーネントの値は製造公差及びその他要因によって変化することがあるため、所望の結果を達成するために、スイッチ切り替え操作を行うときを決定するために他の方法を用いることも可能である。

図３は、エネルギー変換を行うための一般的な回路トポロジーの線図である。エネルギー変換を行うこの例示的回路トポロジーは、エネルギー変換ブロックと電圧変換ブロックの間のスイッチの制御を説明する。変換回路は、システム機能を区分化する五つの動作ブロックに分かれている。最初の三つのブロック、即ちエネルギー変換ブロック、電圧変換ブロック、及びＶｍａｘ／Ｉｍａｘ感知制御ブロックは、電圧コンバータを形成するが、本実施形態では、それは単一サイクルのデバイスである。バックコンバータの使用の図は、電位の高い少数の電子が生成されており、これらを電位の低い多数の電子に変換することが望まれることを示している。つまり、例示した構成は、エネルギー転換による電位の低減に使用することができる。やはり図３に示されるエネルギー貯蔵及び電圧変換の制御は、エネルギーの使用及び管理方法を決定するもので、変換に必要なものではない。
上述で指摘したように、本発明の特定の実施形態の動作の重要な一面は、容量性ソース、例えば圧電素子の出力電圧が、エネルギー変換ブロックと電圧変換ブロックの間のスイッチを起動して開く及び／又は閉じるときを決定することである。これに有用な電圧感知デバイスの二つの実施例は、圧電素子の電圧が特定の値又は所定の値を超える度にスイッチＳ１を閉じるように構成することができる閾値検出器と、例えばゼロ交差検出器の構成を使用して各ピークを発見するピーク検出器である。当業者であれば、限定されるものではないが、回路、固体デバイス、アナログコントローラ、デジタルコントローラ及びこれらの組み合わせを含む、この作業を達成することができる他のコントローラが存在することが分かるであろう。

図４は、特定の実施形態において使用できる例示的な電圧閾値検出器を示す。この閾値検出器では、レジスタＲ１及びＲ２が、オペアンプＵ２の一つの入力となる分圧器を形成する。レジスタＲ１及びＲ２の値は、地面へ流れる電流による損失が最小となるように、且つオペアンプＵ２の入力範囲が十分に得られるように、選択される。この閾値検出器を用いた設計プロセスの一実施例は、レジスタＲ１及びＲ２によって形成される分圧器ネットワークからの漏れ電流を、数１０ｎアンペアの範囲に納まるように選択すること、及び、２９ボルト以下で、１．２５Ｖ標準の最大公差の極値で、オペアンプＵ２の反転入力へと変換ブロックの容量性放出を開始することである。
図４に示す閾値コンパレータの動作は以下の通りである。オペアンプＵ２の非反転（＋）入力の電圧が、反転（−）入力の電圧（閾値）と一致するか、又はそれを超えると、オペアンプＵ２の出力はスイッチＳ１にデジタル制御信号を送ることにより、スイッチＳ１を閉じる。スイッチＳ１は、例えば、固体スイッチングデバイスとすることができる。

前述したように、スイッチＳ１が閉じると、エネルギー変換ブロックは電圧変換ブロックに接続し、圧電コンデンサ１の容量性負荷がインダクタＬ１に放出される。逆に、オペアンプＵ２の非反転（＋）入力の電圧が閾値を下回ると、オペアンプＵ２の出力は降下してゼロに戻る。コンデンサＣ２、ダイオードＤ６及びレジスタＲ６は、オペアンプＵ２の出力からスイッチＳ１のデジタル入力に到来する入力パルスの形状を制御して、オペアンプＵ２の出力が降下してゼロとなった後も一貫性を維持させる。コンデンサＣ１が固体スイッチＳ１の寄生キャパシタンスであり、スイッチＳ１及びレジスタのＲＣ時間定数がスイッチＳ１の作動に一貫性又は履歴現象を生じさせるようにレジスタＲ６が選択されることが分かる。このようにして、スイッチＳ１は、閉じ、そしてオペアンプＵ２からの形状を定められた入力パルスにより設定された期間が経過した後でのみ開く。レジスタＲ３、Ｒ４及びＲ５は、オペアンプＵ２の履歴現象帯域を制御して、出力状態に影響することから生じる連結ノイズを防ぐために使用することができる。

図５は、特定の実施形態を実行するために組み合わせて使用できる、例示的な電圧ピーク検出器と電圧閾値検出器とを示す。閾値検出器はオペアンプＵ４を含み、ピーク検出器として使用されるゼロ交差検出器はオペアンプＵ３を含む。
オペアンプＵ３の反転（−）入力に送られる信号は、レジスタＲ９及びコンデンサＣ４によって形成される共通アナログ微分器の出力から到来する。微分器の入力は、レジスタＲ７及びＲ８からなる分圧器によって形成される電圧として選択される。

分圧器の入力はまた、閾値検出器に含まれるオペアンプＵ４の非反転（＋）入力において使用される。図５の閾値検出器の動作は、図５のオペアンプＵ４の出力がＡＮＤスイッチＳ２を駆動する点を除いて図４と同様である。
分圧器は、オペアンプＵ４の入力レールを超えないように電圧を調整する。オペアンプＵ４は、整流ネットワーク３の出力から地面への電流が最小となるように、高値レジスタを用いて実現されなければならない。内臓基準Ｖの大きさは、レジスタＲ７、Ｒ８によって形成される抵抗比を制約する。コンデンサＣ４及びレジスタＲ９の値は、ＲＣ時間定数が、変換ブロックから整流ネットワーク３への入力の最大期間の２０倍の範囲に収まるように、且つ必要な周波数範囲に亘って最適に動作するのに十分な帯域幅を提供するように、選択される。

オペアンプＵ３を含むピーク検出器は、整流された電圧が増大から減少へと変化するポイント、つまり電圧極値を見つけるように設計される。整流ネットワーク３の出力を微分し、これを利用して機能的出力の極値を見つけることにより、ゼロ交差検出器を使用してピークを示すことができる。ゼロ交差検出器の出力は、論理的ＡＮＤ演算子（スイッチＳ２）により、整流された信号上の電圧レベルを制約する閾値検出器の出力と結合される。論理的ＡＮＤは、スイッチＳ２の制御電圧として閾値検出器の出力を使用することにより達成される。よって、スイッチ１の制御電圧を形成するゼロ交差検出器の出力は、整流された信号が十分な電圧レベルを有し、且つ極値にあるときにのみ論理的に正しい。この条件が満たされるとき、オペアンプＵ３の出力電圧を使用して、スイッチＳ１のデジタル入力を制御し、これによりスイッチＳ１を閉じてエネルギー変換ブロックと電圧変換ブロックを接続する。
論理的なＡＮＤにより閾値検出器の出力とゼロ交差検出器の出力を結合する理由は、エネルギー変換ブロックの放出の間に誘発されやすいような不確定の条件の下でのシステムのラッチオープンを防止するためである。更に、閾値条件、オペアンプＵ４の履歴現象帯域の適切な設計、及びスイッチＳ１の制御電圧の形状（ダイオードＤ８、コンデンサＣ３及びレジスタＲ１４）を選択することにより、電圧変換ブロックへのエネルギー変換ブロックの放出特性の設計制御が可能になる。

上述の説明から、本発明の真の精神から逸脱することなくその実施形態に様々な改良及び変更を加えることができることは明らかである。上述の説明は、説明のみを目的としており、なんら限定的な意味を持たない。請求の範囲の記載内容が、本発明の範囲を規定する。

Claims (23)

1. 容量性ソースから放出される電気エネルギーを貯蔵する方法であって、
   ソース内に容量性負荷を蓄積すること、
   ソースの出力電圧が閾値を超え、且つピークに達したことが検出された後で、容量性ソースと電圧変換ブロックの間のスイッチを閉じること、
   所定の期間の経過後にスイッチを開くこと、及び
   電圧変換ブロック内の電気エネルギーをインダクタから貯蔵デバイスに移すこと
   を含む方法。
2. ソース由来の電気エネルギーを整流すること
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 電気エネルギーを全波整流する、請求項２に記載の方法。
4. ソースの出力電圧を閾値と比較すること、及び
   出力電圧が閾値を超えていることを決定すること
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
5. ソースの出力電圧が閾値を超えたら第２スイッチを閉じること、
   ソースの出力電圧がピークに達したことを検出すること、
   ソースの出力電圧がピークに達したことが検出されたら閉じた第2スイッチを通して信号を送信すること、及び
   第1スイッチにより、閉鎖を指示する信号を受信すること
   を更に含む、請求項４に記載の方法。
6. ソースの出力電圧が閾値を下回る値に低下したら第２スイッチを開くこと
   を更に含む、請求項５に記載の方法。
7. 第１スイッチを開く前に第２スイッチを開く、請求項６に記載の方法。
8. 容量性ソースから放出される電気エネルギーを貯蔵する方法であって、
   ソース内に容量性負荷を蓄積すること、
   ソースの出力電圧が閾値を超えたと判定された後で、容量性ソースと電圧変換ブロックの間のスイッチを閉じること、
   電圧変換ブロックのインダクタを流れる電流が目標値に達したことが決定されたらスイッチを開くこと、及び
   電圧変換ブロック内の電気エネルギーをインダクタから貯蔵デバイスに移すこと
   を含む方法。
9. ソース由来の電気エネルギーを整流すること
   を更に含む、請求項８に記載の方法。
10. インダクタの電流の値を第２基準値と比較すること、及び
    インダクタの電流の値が第２基準値を超えたとき、インダクタを流れる電流が目標値に達したと判定すること
    を更に含む、請求項８に記載の方法。
11. インダクタの電流の値が目標値に達すると思われる時間を計算すること、及び
    計算された時間にインダクタを流れる電流が目標値に達したと判定すること
    を更に含む、請求項８に記載の方法。
12. 容量性ソースから放出される電気エネルギーを貯蔵するための装置であって、
    出力電圧を生成する容量性ソース、
    ソースに接続するスイッチ
    スイッチに接続するインダクタ、
    インダクタに接続する貯蔵デバイス、及び
    ソースの出力電圧が閾値を超え、且つピークに達したことが検出された後で、スイッチを閉じるように構成されたコントローラ
    を備えた装置。
13. エネルギー源とスイッチの間に接続された整流器
    を更に含む、請求項１２に記載の装置。
14. 整流器が全波整流器である、請求項１３に記載の装置。
15. 容量性ソースが圧電変換器である、請求項１２に記載の装置。
16. 容量性ソースがコンデンサである、請求項１２に記載の装置。
17. 貯蔵デバイスがキャパシタである、請求項１２に記載の装置。
18. 貯蔵デバイスが充電可能なバッテリである、請求項１２に記載の装置。
19. コントローラが、
    ソースの出力電圧の閾値を検出する電圧閾値検出器、及び
    ソースの出力電圧のピークを検出する電圧ピーク検出器
    を備える、請求項１２に記載の装置。
20. インダクタが
    

    

    
    より大きい値を有し、上の式中、C₁は貯蔵デバイスの容量の値であり、ｉ_ｓはインダクタの飽和電流であり、そしてＶ_１は電気エネルギー源の最大電圧出力値である、請求項１２に記載の装置。
21. インダクタ及び貯蔵デバイスと並列接続されたダイオード
    を更に含む、請求項１２に記載の装置。
22. 容量性ソースから放出される電気エネルギーを貯蔵するための装置であって、
    出力電圧を生成する容量性ソースに接続するソース接続部、
    ソース接続部に接続するスイッチ、
    スイッチに接続するインダクタ、
    インダクタに接続する貯蔵デバイス、及び
    ソースの出力電圧が閾値を超え、且つピークに達したことが検出された後で、スイッチを閉じるように構成されたコントローラ
    を備えた装置。
23. 圧電変換器から放出される電気エネルギーを貯蔵するための装置であって、
    圧電変換器、
    圧電変換器に接続するスイッチ、
    スイッチに接続するインダクタ、
    インダクタに接続する貯蔵デバイス、及び
    圧電変換器の出力電圧が閾値を超え、且つピークに達したことが検出された後で、スイッチを閉じるように構成されたコントローラ
    を備えた装置。

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