JP2018121508A

JP2018121508A - エネルギー変換装置

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Publication number: JP2018121508A
Application number: JP2017013730A
Authority: JP
Inventors: 槙原　幹十朗; Kanjuro Makihara; 幹十朗槙原; 阿部　晋一; Shinichi Abe; 晋一阿部
Original assignee: Tessera Technology Inc
Current assignee: Tessera Technology Inc
Priority date: 2017-01-28
Filing date: 2017-01-28
Publication date: 2018-08-02
Anticipated expiration: 2037-01-28
Also published as: JP6864316B2

Abstract

【課題】磁歪トランスデューサに蓄積されるエネルギーを増大させる。【解決手段】コイル１１１と磁歪材１１２とからなる磁歪トランスデューサ１１、およびコイル電流ｉｃの向きを反転させるコイル電流反転回路１２を備える。コイル電流反転回路は、トランスデューサとの間でエネルギーの受け渡しを行うエネルギー蓄積部と、受け渡しを制御するスイッチ回路とを備え、エネルギー蓄積部を磁歪トランスデューサに接続することで、磁歪トランスデューサに蓄えられているエネルギーをエネルギー蓄積部に送る。そして、蓄積エネルギーを電流の向きを反転させて磁歪トランスデューサに送り返し、送り返しが終了したときに、エネルギー蓄積部を磁歪トランスデューサから切り離す。スイッチ回路は、エネルギー蓄積部の磁歪トランスデューサへの接続、およびエネルギー蓄積部の磁歪トランスデューサからの切り離しを、スイッチングにより行う。【選択図】図３

Description

本発明は、機械的な振動エネルギーを、磁歪トランスデューサを介して電気エネルギーに変換するエネルギー変換装置に関する。
特に、本発明は、磁歪トランスデューサのコイルに流れる電流の向きを反転させることで、磁歪トランスデューサに蓄積されるエネルギーを増大させ、これにより振動エネルギーを高い効率で収集できる前記エネルギー変換装置に関する。

近年、磁歪トランスデューサを用いた振動エネルギーの収集技術（環境発電技術：Ｅｎｅｒｇｙ−ＨａｒｖｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）が注目されている。
図１は、磁歪トランスデューサを用いた典型的な振動エネルギー収集システムの説明図である。
図１において、振動エネルギー収集システム９は、磁歪トランスデューサ９１と、負荷回路９４と、構造体９５とからなる。
磁歪トランスデューサ９１は、コイル９１１と磁歪材９１２とからなる。

コイル９１１および負荷回路９４が電気系を構成し、磁歪材９１２および構造体９５が機械系を構成し、電気系と機械系とは磁場を介して結合されている。
構造体９５は、振動マス９５１と構造剛性体９５２で表されている。振動マス９５１はバネとして機能する構造剛性体９５２により支えられており、加振外力ＥＦが加えられることで振動マス９５１は振動し、この振動は磁歪材９１２に伝えられる。なお、加振外力ＥＦがなくとも、構造体９５が取り付けられている床面が振動したり変形したりすることでも、振動マス９５１は振動し、この振動は磁歪材９１２に伝えられる。
磁歪材９１２が振動変位することにより磁場が発生し、コイル９１１には交流の誘導起電力（誘導電圧）が生じる。磁歪トランスデューサ９１の端子間に表れる起電力は負荷回路９４に与えられ負荷回路９４は電力を受け取ることができる。

図１に示した磁歪トランスデューサ９１はコイル９１１に磁歪材料９１２を巻回したものであり、等価回路は、図２に示すように電圧源ｖｍとインダクタＬｍと抵抗Ｒｍとの直列回路で表現される。負荷はコイルの端子間（磁歪トランスデューサの端子間）に接続される。

しかし、図２のように磁歪トランスデューサ９１に負荷回路９４を接続しただけでは電力（エネルギー）の収集は極めてわずかである。
本発明の目的は、磁歪トランスデューサに蓄積されるエネルギーを増大させることである。

本発明のエネルギー変換装置は以下を要旨とする。
（１）
繰り返しの応力または歪が生じる磁歪材と、前記磁歪材に設けられたコイルとからなる磁歪トランスデューサ、および、
前記コイルの両端子間に接続され、所定のタイミングで前記コイルに流れる電流の向きを反転させるコイル電流反転回路、
を備えて構成され、
前記コイル電流反転回路は、前記トランスデューサとの間でエネルギーの受け渡しを行うエネルギー蓄積部と、当該受け渡しを制御するスイッチ回路とを備え、
前記エネルギー蓄積部を前記磁歪トランスデューサに接続することで、前記磁歪トランスデューサに蓄えられているエネルギーを前記エネルギー蓄積部に送出するとともに、
前記エネルギー蓄積部に送出されて蓄積されたエネルギーを前記コイルに流れる電流の向きを反転させて前記磁歪トランスデューサに送り返し、
前記送り返しが終了したときに、前記エネルギー蓄積部を前記磁歪トランスデューサから切り離すことで、前記磁歪トランスデューサに流れる電流の反転状態を補償する、
エネルギー変換装置であって、
前記スイッチ回路は、
前記エネルギー蓄積部の前記磁歪トランスデューサへの接続、および前記エネルギー蓄積部の前記磁歪トランスデューサからの切り離しを、前記スイッチ回路のスイッチングにより行う、
エネルギー変換装置。
このエネルギー変換装置は、振動発電装置として使用することもできるし、振動吸収装置として使用することもできる。また、負荷回路は、コイル電流が流れる経路であれば、エネルギー変換装置の何れの箇所に設けることができる。

（２）
（１）に記載のエネルギー変換装置において、
前記エネルギー蓄積部は、前記磁歪トランスデューサに並列に接続されているキャパシタからなり、
前記スイッチ回路（半導体スイッチ回路，機械スイッチ）は、単極双投型スイッチからなり、前記単極双投型スイッチの単極端子は前記磁歪トランスデューサの一方の端子に接続され、前記単極双投型スイッチの双投端子の一方は直接前記磁歪トランスデューサの他方の端子に接続され、前記単極双投型スイッチの双投端子の他方は前記キャパシタを介して直接前記磁歪トランスデューサの他方の端子に接続される、
エネルギー変換装置。

（３）
（１）に記載のエネルギー変換装置において、
前記エネルギー蓄積部は、前記磁歪トランスデューサに並列に接続されているキャパシタからなり、
前記スイッチ回路（半導体スイッチ回路，機械スイッチ）は、前記磁歪トランスデューサにそれぞれ並列接続した、単極単投型スイッチと反転用キャパシタとからなる、
エネルギー変換装置。

（４）
振動発電装置として使用される（１）に記載のエネルギー変換装置。

（５）
振動吸収装置として使用される（１）に記載のエネルギー変換装置。

本発明では、磁歪トランスデューサに反転用キャパシタを適宜のタイミングで接続し、切り離しているので、前記磁歪トランスデューサに蓄積されるエネルギーを増大させることができる。

図１は、磁歪トランスデューサを用いた典型的な振動エネルギー収集システム９の説明図である。図２は、図１に示した磁歪トランスデューサの等価回路である。図３は、本発明の第１実施形態のエネルギー変換装置１Ａの説明図である。図４（Ａ）は、磁歪材１１２の変位ｄとコイル１１１に流れる電流ｉｃとの関係を示す波形図である。図４（Ｂ）は、スイッチＳＷの接続状態の変化を示す図である。図５（Ａ）は、コイル１１１に生じる誘導起電力ｖｍを示す図である。図５（Ｂ）は、磁歪材１１２の変位ｄおよびコイル電流ｉｃを示す図である。図５（Ｃ）は、スイッチＳＷの接続状態の変化を示す図である。図６は、図５（Ａ）の時刻ｔ１−ｔ６におけるコイル電流反転回路１２の動作を示す説明図である。図７は、本発明の第２実施形態のエネルギー変換装置１Ｂの説明図である。図８（Ａ）は、磁歪材１１２の変位ｄとコイル１１１に流れる電流（コイル電流）ｉｃとの関係を示す波形図である。図８（Ｂ）は、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態の変化を示す図である。図９（Ａ）は、コイル１１１に生じる誘導起電力ｖｍを示す図である。図９（Ｂ）は、磁歪材１１２の変位ｄおよびコイル電流ｉｃを示す図である。図９（Ｃ）は、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態の変化を示す図である。図１０は、図９（Ａ）の時刻ｔ１−ｔ６におけるコイル電流反転回路１２の動作を示す説明図である。

図３は本発明のエネルギー変換装置の第１実施形態の説明図である。
図３において、エネルギー変換装置１Ａは、磁歪トランスデューサ１１とコイル電流反転回路１２と制御装置１３とからなる。
なお、図３では、振動源となる構造体１５を振動マス１５１と構造剛性体１５２とで示してある。
磁歪トランスデューサ１１は、電圧源ｖｍとインダクタＬｍと抵抗Ｒｍとの直列接続回路で表される。
インダクタＬｍは、磁歪トランスデューサ１１のコイル１１１のインダクタンスなので、図３ではインダクタＬｍをコイル１１１としても示す。また、図３では、コイル１１１のコアが磁歪材１１２である。

磁歪トランスデューサ１１の両端子にはコイル電流反転回路１２が接続されるとともに、負荷回路１４も接続されている。負荷回路１４は、コイル電流が流れる経路であれば、エネルギー変換装置１Ａの何れの箇所に設けることができる。
コイル電流反転回路１２は、単極双投型（ＳＰＤＴ型）のスイッチＳＷと反転用キャパシタＣｒｖとから構成されている。このスイッチＳＷは、半導体スイッチであってもよいし、リレー等から構成した機械スイッチであってもよい。
制御装置１３は、たとえば磁歪トランスデューサ１１の出力電圧ｖｔ、コイル電流ｉｃ、振動情報（変位量と時間の関数）に基づき、コイル電流ｉｃの向きを反転させるように、スイッチＳＷの制御信号を生成することができる。
また、制御装置１３は、出力電圧ｖｔ、コイル電流ｉｃまたは振動情報とは異なるその他の情報（たとえば、電力情報）に基づき、スイッチＳＷの制御信号を生成することもできる。
振動情報（変位量と時間の関数）は、振動マス１５１の振動状態（変位・速度・加速度等）に係る情報であり、通常は、適宜の光学的手段、機械的手段または電磁気学的手段を用いて検出される。
なお、制御装置１３は、出力電圧ｖｔ、コイル電流ｉｃ、振動情報、その他の情報のうち１つに基づいてスイッチＳＷを制御してもよいし、これらの２つ以上の組み合わせに基づいてスイッチＳＷを制御してもよい。

スイッチＳＷは、可動接点ｃと固定接点ａ，ｂを備えており、制御装置１３からの制御信号ＤＳに応じて接点ｃを接点ａまたは接点ｂに接続することができる。
スイッチＳＷのｃ接点端子は磁歪トランスデューサ１１の一方の端子に接続され、スイッチＳＷのａ接点端子は磁歪トランスデューサ１１の他方の端子に直接接続され、スイッチＳＷのｂ接点端子は反転用キャパシタＣｒｖを介して磁歪トランスデューサ１１の他方の端子に接続されている。

図３では、コイル１１１のインダクタＬｍと抵抗ｒｍ、および反転用キャパシタＣｒｖは、コイル電流反転のためのＲＬＣ回路を構成する。このＲＬＣ回路は自由振動の振幅が小さくならないように、インダクタＬｍと抵抗ｒｍ、および反転用キャパシタＣｒｖの値が選ばれている。

図３のエネルギー変換装置１Ａでは、制御装置１３は、磁歪トランスデューサ１１の出力電圧ｖｔ、コイル電流ｉｃおよび振動マス１５１の振動情報を検出しており、ＰＤ制御等の制御手法によりスイッチＳＷの制御を行っている。

以下、図４、図５および図６を参照しながら、図３のエネルギー変換装置１Ａの動作を説明する。
なお、図３においては、グランドＧＮＤから磁歪トランスデューサ１１に流れるコイル電流ｉｃの向きを正、磁歪トランスデューサ１１からグランドＧＮＤに流れるコイル電流ｉｃの向きを負とする。
図４（Ａ）は、磁歪材１１２の変位ｄとコイル１１１に流れる電流（コイル電流）ｉｃとの関係を示す波形図、図４（Ｂ）は、スイッチＳＷの接続状態（ｃ−ａまたはｃ−ｂ）の変化を示す図である。
図５（Ａ）は、コイル１１１に生じる誘導起電力ｖｍを示す図である。
図５（Ｂ）は、磁歪材１１２の変位ｄおよびコイル電流ｉｃを示す図である。
図５（Ｃ）は、スイッチＳＷの接続状態（ｃ−ａまたはｃ−ｂ）の変化を示す図である。図５（Ｃ）においては、α１およびα２部分の拡大図を併記する。
図６は、図５（Ａ）の時刻ｔ１−ｔ６におけるコイル電流反転回路１２の動作を示す説明図である。
なお、以下の説明では、理解を容易にするために、磁歪トランスデューサ１１から負荷回路１４への電力供給を無視する。したがって、図６では負荷回路１４は図示しない。

図３において、磁歪材１１２に繰り返しの応力または歪が与えられると、磁歪材１１２の変位ｄに応じてコイル１１１には誘導起電力ｖｍが生じる。
図５（Ａ）はコイル１１１に生じる誘導起電力ｖｍを示している。

図３のエネルギー変換装置１Ａでは、コイル１１１に蓄えられているエネルギーが反転用キャパシタＣｒｖに一時的に収容され、この収容されたエネルギーがコイル１１１に戻される際に電流の向きが反転するように、制御装置１３がスイッチＳＷの接続状態（ｃ−ａまたはｃ−ｂ）を制御する。
これにより、コイル１１１に蓄積されるエネルギー（ｉｃ^２・Ｌｍ／２ジュール）を増大させることができる。

以下、図５（Ａ）に示した時刻ｔ１−ｔ６における、コイル電流反転回路１２の動作を詳細に説明する。
まず、コイル電流ｉｃが負でその振幅が大きい時刻ｔ１においては、図６（Ａ）に示すように、スイッチＳＷは接点ｃが接点ａに接続されており、コイル電流ｉｃは、グランドＧＮＤ、スイッチＳＷのａ接点端子・ｃ接点端子、磁歪トランスデューサ１１、グランドＧＮＤの順でループしている。なお、本実施形態では、このときには、反転用キャパシタＣｒｖは充電されていない。

次に、制御装置１３がスイッチＳＷの切り替えの命令を出す時刻ｔ２において、スイッチＳＷの接点ｃは、接点ａから接点ｂへの接続に切り替えられ、反転用キャパシタＣｒｖが磁歪トランスデューサ１１に接続される。時刻ｔ２は、コイル電流ｉｃが負かつコイル電流ｉｃの時間微分が正から負になる時刻とすることもできる。
この切り替えにより、コイル電流ｉｃは、図６（Ｂ）に示すように、もとの電流の向きを維持しようとするので、グランドＧＮＤ、反転用キャパシタＣｒｖ、スイッチＳＷのｂ接点端子・ｃ接点端子、磁歪トランスデューサ１１、グランドＧＮＤの順でループする。

前述したように、コイル１１１のインダクタＬｍと抵抗ｒｍ、および反転用キャパシタＣｒｖは、コイル電流反転のためのＲＬＣ回路を構成する。このＲＬＣ回路の電気的な自由振動の周期をτとする。このＲＬＣ回路は自由振動の振幅が小さくならないように、インダクタＬｍと抵抗ｒｍ、および反転用キャパシタＣｒｖの値が選ばれている。
図３のエネルギー変換装置１Ａでは、τ／４の時間で、磁歪トランスデューサ１１に蓄えられていたエネルギー（ｉｃ^２・Ｌｍ／２ジュール）が反転用キャパシタＣｒｖに転送され、つぎのτ／４の時間で反転用キャパシタＣｒｖに蓄えられたエネルギーが、磁歪トランスデューサ１１に戻される。
なお、理論上は、反転開始時と反転終了時においては反転用キャパシタＣｒｖに蓄えられているエネルギーは０であり、コイル電流ｉｃが０となる時点で反転用キャパシタＣｒｖに蓄えられているエネルギーは最大（磁歪トランスデューサ１１に蓄えられていたエネルギーと等しい）とできる。ただし、反転開始時と反転終了時においては反転用キャパシタＣｒｖに蓄えられているエネルギーは０でなくてもかまわない。

時刻ｔ３は、コイル電流ｉｃが０となる時刻を過ぎた時刻（ただし、スイッチＳＷの接点ｃは接点ｂに接続されている）を示している。この時刻ｔ３には、図６（Ｃ）に示すように、反転用キャパシタＣｒｖの充電電荷は放出されつつあり、コイル電流ｉｃの向きは負から正に反転している。

時刻ｔ４では、スイッチＳＷの接点ｃは、接点ｂから接点ａへの接続に切り替えられ、反転用キャパシタＣｒｖが磁歪トランスデューサ１１から切り離される。時刻ｔ４直前においては、コイル電流ｉｃは正の向きに流れているので、スイッチＳＷの接点ｃが接点ａに切り替えられても、図６（Ｄ）に示すように、コイル電流ｉｃは正の向きに流れ続ける。

なお、コイル電流ｉｃの反転特性は、図５（Ｂ）の自由振動波形ＦＯに依存する。自由振動波形ＦＯからわかるように、何らかの手段を講じない限り、コイル電流ｉｃの反転開始からτ／２の時間が過ぎると、次の反転動作が開始してしまう。コイル電流ｉｃの反転ができないと、磁歪トランスデューサ１１に蓄積されるエネルギーを増大することができなくなる。
このため、図３のエネルギー変換装置１Ａでは、コイル電流ｉｃの反転が終了する時点を予測し、次の反転が生じる前に（または生じたとしても速やかに）、反転用キャパシタＣｒｖを磁歪トランスデューサ１１から切り離す必要がある。

時刻ｔ５では、スイッチＳＷの接点ｃは、接点ｂから接点ａへの接続に切り替えられ、反転用キャパシタＣｒｖが磁歪トランスデューサ１１に接続される。この切り替えにより、図６（Ｅ）に示すように、コイル電流ｉｃはもとの電流の向きを維持しようとするので、グランドＧＮＤ、磁歪トランスデューサ１１、スイッチＳＷのｃ接点端子・ｂ接点端子、反転用キャパシタＣｒｖ、グランドＧＮＤの順でループする。

時刻ｔ６は、コイル電流ｉｃが正から負に反転した後、スイッチＳＷの接点ｃが接点ｂから接点ａへの接続に切り替えられる直前を示している。この時刻ｔ６では、図６（Ｆ）に示すように、反転用キャパシタＣｒｖの充電電荷が放出され、コイル電流ｉｃの向きは負方向に流れている。
この後、スイッチＳＷの接点ｃは、接点ｂから接点ａへの接続に切り替えられ、反転用キャパシタＣｒｖが磁歪トランスデューサ１１から切り離され、図６（Ａ）に示したように、コイル電流ｉｃの向きは、負の向きに流れ続ける。

図７は本発明のエネルギー変換装置の第２実施形態の説明図である。
図７に示すように、本実施形態のエネルギー変換装置１Ｂは、磁歪トランスデューサ１１とコイル電流反転回路１２と制御装置１３とからなる。
図３のエネルギー変換装置１Ａでは、コイル電流反転回路１２を構成するスイッチとして単極双投型（ＳＰＤＴ型）のスイッチを使用したが、図７に示す単極単投型（ＳＰＳＴ型）のスイッチを使用している。
磁歪トランスデューサ１１は、電圧源ｖｍとインダクタＬｍと抵抗Ｒｍとの直列接続回路で表される。
インダクタＬｍは、磁歪トランスデューサ１１のコイル１１１のインダクタンスなので、図７ではインダクタＬｍをコイル１１１としても示す。また、図７では、コイル１１１のコアが磁歪材１１２である。

磁歪トランスデューサ１１の両端子にはコイル電流反転回路１２が接続されるとともに、負荷回路１４も接続されている。負荷回路１４は、コイル電流が流れる経路であれば、エネルギー変換装置１Ｂの何れの箇所に設けることができる。
コイル電流反転回路１２は、単極単投型（ＳＰＳＴ型）のスイッチＳＷと反転用キャパシタＣｒｖとから構成されている。このスイッチＳＷは、半導体スイッチであってもよいし、リレー等から構成した機械スイッチであってもよい。
制御装置１３は、たとえば磁歪トランスデューサ１１の出力電圧ｖｔ、コイル電流ｉｃ、振動情報（変位量と時間の関数）に基づき、コイル電流ｉｃの向きを反転させるように、スイッチＳＷの制御信号を生成することができる。
また、制御装置１３は、出力電圧ｖｔ、コイル電流ｉｃまたは振動情報とは異なるその他の情報（たとえば、電力情報）に基づき、スイッチＳＷの制御信号を生成することもできる。
振動情報（変位量と時間の関数）は、振動マス１５１の振動状態（変位・速度・加速度等）に係る情報であり、通常は、適宜の光学的手段、機械的手段または電磁気学的手段を用いて検出される。
なお、制御装置１３は、出力電圧ｖｔ、コイル電流ｉｃ、振動情報、その他の情報のうち１つに基づいてスイッチＳＷを制御してもよいし、これらの２つ以上の組み合わせに基づいてスイッチＳＷを制御してもよい。

スイッチＳＷは、制御装置１３からの制御信号ＤＳに応じてＯＮ／ＯＦＦ動作することができる。スイッチＳＷおよび反転用キャパシタＣｒｖは、それぞれ、磁歪トランスデューサ１１に並列接続されている。

図７では、コイル１１１のインダクタＬｍと抵抗ｒｍ、および反転用キャパシタＣｒｖは、コイル電流反転のためのＲＬＣ回路を構成する。このＲＬＣ回路は自由振動の振幅が小さくならないように、インダクタＬｍと抵抗ｒｍ、および反転用キャパシタＣｒｖの値が選ばれている。
図７のエネルギー変換装置１Ｂでは、制御装置１３は、磁歪トランスデューサ１１の出力電圧ｖｔ、コイル電流ｉｃおよび振動マス１５１の振動を検知するセンサ情報を検出しており、ＰＤ制御等の制御手法によりスイッチＳＷの制御を行っている。

以下、図８、図９および図１０を参照しながら、図７のエネルギー変換装置１Ｂの動作を説明する。
なお、図７においては、グランドＧＮＤから磁歪トランスデューサ１１に流れるコイル電流ｉｃの向きを正、磁歪トランスデューサ１１からグランドＧＮＤに流れるコイル電流ｉｃの向きを負とする。
図８（Ａ）は、磁歪材１１２の変位ｄとコイル１１１に流れる電流（コイル電流）ｉｃとの関係を示す波形図、図８（Ｂ）は、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態の変化を示す図である。
図９（Ａ）は、コイル１１１に生じる誘導起電力ｖｍを示す図である。
図９（Ｂ）は、磁歪材１１２の変位ｄおよびコイル電流ｉｃを示す図である。
図９（Ｃ）は、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態の変化を示す図である。図９（Ｃ）においては、α１およびα２部分の拡大図を併記する。
図１０は、図９（Ａ）の時刻ｔ１−ｔ６におけるコイル電流反転回路１２の動作を示す説明図である。
なお、以下の説明では、理解を容易にするために、磁歪トランスデューサ１１から負荷回路１４への電力供給を無視する。したがって、図１０では負荷回路１４は図示しない。

図７において、磁歪材１１２に繰り返しの応力または歪が与えられると、磁歪材１１２の変位ｄに応じてコイル１１１には誘導起電力ｖｍが生じる。
図９（Ａ）はコイル１１１に生じる誘導起電力ｖｍを示している。

図７のエネルギー変換装置１Ｂでは、コイル１１１に蓄えられているエネルギーが反転用キャパシタＣｒｖに一時的に収容され、この収容されたエネルギーがコイル１１１に戻される際に電流の向きが反転するように、制御装置１３がスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御する。
これにより、コイル１１１に蓄積されるエネルギー（ｉｃ^２・Ｌｍ／２ジュール）を増大させることができる。

以下、図９（Ａ）に示した時刻ｔ１−ｔ６における、コイル電流反転回路１２の動作を詳細に説明する。
まず、コイル電流ｉｃが負でその振幅が大きい時刻ｔ１においては、図１０（Ａ）に示すように、スイッチＳＷはＯＦＦとなっており、コイル電流ｉｃは、グランドＧＮＤ、スイッチＳＷ、磁歪トランスデューサ１１、グランドＧＮＤの順でループしている。なお、本実施形態では、このときには、反転用キャパシタＣｒｖは充電されていない。

次に、制御装置１３がスイッチＳＷの切り替えの命令を出す時刻ｔ２において、スイッチＳＷはＯＮからＯＦＦに切り替えられ、反転用キャパシタＣｒｖが磁歪トランスデューサ１１に接続される。時刻ｔ２は、コイル電流ｉｃが負かつコイル電流ｉｃの時間微分が正から負になる時刻とすることもできる。
この切り替えにより、コイル電流ｉｃは、図１０（Ｂ）に示すように、もとの電流の向きを維持しようとするので、グランドＧＮＤ、反転用キャパシタＣｒｖ、磁歪トランスデューサ１１、グランドＧＮＤの順でループする。

前述したように、インダクタＬｍと抵抗ｒｍと反転用キャパシタＣｒｖとからなるＲＬＣ回路は自由振動をする。図７のエネルギー変換装置１Ｂでは、τ／４の時間で、磁歪トランスデューサ１１に蓄えられていたエネルギー（ｉｃ^２・Ｌｍ／２ジュール）が反転用キャパシタＣｒｖに転送され、つぎのτ／４の時間で反転用キャパシタＣｒｖに蓄えられたエネルギーが、磁歪トランスデューサ１１に戻される。
なお、理論上は、反転開始時と反転終了時においては反転用キャパシタＣｒｖに蓄えられているエネルギーは０であり、コイル電流ｉｃが０となる時点で反転用キャパシタＣｒｖに蓄えられているエネルギーは最大（磁歪トランスデューサ１１に蓄えられていたエネルギーと等しい）となる。ただし、反転開始時と反転終了時においては反転用キャパシタＣｒｖに蓄えられているエネルギーは０でなくてもかまわない。

時刻ｔ３は、コイル電流ｉｃが０となる時刻を過ぎた時刻（ただし、スイッチＳＷはＯＦＦ）を示している。この時刻ｔ３には、図１０（Ｃ）に示すように、反転用キャパシタＣｒｖの充電電荷は放出されつつあり、コイル電流ｉｃの向きは負から正に反転している。

時刻ｔ４では、スイッチＳＷはＯＦＦからＯＮに切り替えられ、反転用キャパシタＣｒｖが磁歪トランスデューサ１１から切り離される。時刻ｔ４直前においては、コイル電流ｉｃは正の向きに流れているので、スイッチＳＷがＯＦＦとなっても、図１０（Ｄ）に示すように、コイル電流ｉｃは正の向きに流れ続ける。

なお、コイル電流ｉｃの反転特性は、図９（Ｂ）の自由振動波形ＦＯに依存する。自由振動波形ＦＯからわかるように、コイル電流ｉｃの反転開始からτ／２の時間が過ぎると、何らかの手段を講じない限り次の反転動作が開始してしまう。コイル電流ｉｃの反転ができないと、磁歪トランスデューサ１１に蓄積されるエネルギーを増大することができなくなる。
このため、図７のエネルギー変換装置１Ｂでは、コイル電流ｉｃの反転が終了する時点を予測し、次の反転が生じる前に（または生じたとしても速やかに）、反転用キャパシタＣｒｖを磁歪トランスデューサ１１から切り離す必要がある。

時刻ｔ５では、スイッチＳＷはＯＮからＯＦＦ接続に切り替えられ、反転用キャパシタＣｒｖが磁歪トランスデューサ１１に接続される。この切り替えにより、図１０（Ｅ）に示すように、コイル電流ｉｃはもとの電流の向きを維持しようとするので、グランドＧＮＤ、磁歪トランスデューサ１１、反転用キャパシタＣｒｖ、グランドＧＮＤの順でループする。

時刻ｔ６は、コイル電流ｉｃが正から負に反転した後、スイッチＳＷがＯＦＦからＯＮに切り替えられる直前を示している。この時刻ｔ６では、図１０（Ｆ）に示すように、反転用キャパシタＣｒｖの充電電荷が放出され、コイル電流ｉｃの向きは負方向に流れている。
この後、スイッチＳＷはＯＦＦからＯＮに切り替えられ、反転用キャパシタＣｒｖが磁歪トランスデューサ１１から切り離され、図１０（Ａ）に示したように、コイル電流ｉｃの向きは、負の向きに流れ続ける。

本実施形態のエネルギー変換装置１Ａや１Ｂは、振動発電装置として使用することもできるし、振動吸収装置として使用することもできる。
エネルギー変換装置１Ａや１Ｂを振動発電装置として使用する場合には、負荷回路１４を、たとえばＡＣ／ＤＣ変換器、二次電池等から構成することができる。
エネルギー変換装置１Ａや１Ｂを振動吸収装置として使用する場合には負荷回路１４を、たとえば抵抗とすることができるし、ＡＣ／ＤＣ変換器、二次電池等から構成することもできる。
負荷回路１４は、典型的には磁歪トランスデューサ１１の端子間に接続されるが、コイル電流ｉｃが流れる経路であれば、エネルギー変換装置１Ａや１Ｂの何れの箇所に設けることができる。

１Ａ，１Ｂエネルギー変換装置
１１磁歪トランスデューサ
１１１コイル
１１２磁歪材
１２コイル電流反転回路
１３制御装置
１４負荷回路
Ｒｍ抵抗
Ｌｍインダクタ
ｖｍ電圧源
Ｃｒｖ反転用キャパシタ
ＳＷスイッチ
ｉｃコイル電流

Claims

繰り返しの応力または歪が生じる磁歪材と、前記磁歪材に設けられたコイルとからなる磁歪トランスデューサ、および、
前記コイルの両端子間に接続され、所定のタイミングで前記コイルに流れる電流の向きを反転させるコイル電流反転回路、
を備えて構成され、
前記コイル電流反転回路は、前記トランスデューサとの間でエネルギーの受け渡しを行うエネルギー蓄積部と、当該受け渡しを制御するスイッチ回路とを備え、
前記エネルギー蓄積部を前記磁歪トランスデューサに接続することで、前記磁歪トランスデューサに蓄えられているエネルギーを前記エネルギー蓄積部に送出するとともに、
前記エネルギー蓄積部に送出されて蓄積されたエネルギーを前記コイルに流れる電流の向きを反転させて前記磁歪トランスデューサに送り返し、
前記送り返しが終了したときに、前記エネルギー蓄積部を前記磁歪トランスデューサから切り離すことで、前記磁歪トランスデューサに流れる電流の反転状態を補償する、
エネルギー変換装置であって、
前記スイッチ回路は、
前記エネルギー蓄積部の前記磁歪トランスデューサへの接続、および前記エネルギー蓄積部の前記磁歪トランスデューサからの切り離しを、前記スイッチ回路のスイッチングにより行う、
エネルギー変換装置。
請求項１に記載のエネルギー変換装置において、
前記エネルギー蓄積部は、前記磁歪トランスデューサに並列に接続されているキャパシタからなり、
前記スイッチ回路（半導体スイッチ回路，機械スイッチ）は、単極双投型スイッチからなり、前記単極双投型スイッチの単極端子は前記磁歪トランスデューサの一方の端子に接続され、前記単極双投型スイッチの双投端子の一方は直接前記磁歪トランスデューサの他方の端子に接続され、前記単極双投型スイッチの双投端子の他方は前記キャパシタを介して直接前記磁歪トランスデューサの他方の端子に接続される、
エネルギー変換装置。
請求項１に記載のエネルギー変換装置において、
前記エネルギー蓄積部は、前記磁歪トランスデューサに並列に接続されているキャパシタからなり、
前記スイッチ回路は、前記磁歪トランスデューサにそれぞれ並列接続した、単極単投型スイッチと反転用キャパシタとからなる、
エネルギー変換装置。
振動発電装置として使用される請求項１に記載のエネルギー変換装置。
振動吸収装置として使用される請求項１に記載のエネルギー変換装置。