JP2018121509A - 振動エネルギー収集装置 - Google Patents

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１２は、トランスデューサ１１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１１に接続することで、磁歪トランスデューサ１１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１１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前記磁歪トランスデューサ１１から切り離す。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、前記送り返しの完了により自律動作する切り離し回路により行う、【選択図】 図５

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振動エネルギー収集装置に関する。
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、この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振動エネルギー収集装置に関する。

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−Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）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８は、磁歪トランスデューサ８１と、負荷回路８４と、構造体８５とからなる。
磁歪トランスデューサ８１は、コイル８１１と磁歪材８１２とからなる。

コイル８１１および負荷回路８４が電気系を構成し、磁歪材８１２および構造体８５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８５は、振動マス８５１と構造剛性体８５２で表されている。振動マス８５１はバネとして機能する構造剛性体８５２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８５１は振動し、この振動は磁歪材８１２に伝えられる。なお、加振外力ＥＦがなくとも、構造体８５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８５１は振動し、この振動は磁歪材８１２に伝えられる。

磁歪材８１２が振動変位することにより磁場が発生し、コイル８１１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８１の端子間に表れる起電力は負荷回路８４に与えられ負荷回路８４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８１はコイル８１１に磁歪材料８１２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。負荷回路８４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８１に負荷回路８４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。

本発明者は、この不都合を回避するべく、磁歪トランスデューサにコイル電流反転回路を接続した振動エネルギー収集装置を提案している。
この振動エネルギー収集装置９は、図３に示すように、磁歪トランスデューサ９１とコイル電流反転回路９２と制御装置９３とからなる。
磁歪トランスデューサ９１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。

磁歪トランスデューサ９１の両端子には電流反転回路９２が接続されるとともに、負荷回路９４も接続されている。
電流反転回路９２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。
後述するように、スイッチＳＷは、磁歪トランスデューサ９１の出力電圧ｖｔ、コイル電流ｉｃおよび振動マス９５１の振動を検知するセンサ情報に応じて、コイル電流ｉｃの向きを反転させるように、制御装置９３により制御される。
スイッチＳＷは、制御装置９３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。

図３では、コイル９１１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の振動エネルギー収集装置９では、制御装置９３は、磁歪トランスデューサ９１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）を検出しており、これらの検出結果に基づき、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を参照しながら、図３の振動エネルギー収集装置９の動作を説明する。
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９１から負荷回路９４への電力供給を無視する。
図３において、磁歪材９１２に繰り返しの応力または歪が与えられると、磁歪材９１２の変位ｄに応じてコイル９１１には誘導起電力ｖｍが生じる。
図４（Ａ）は、コイル９１１に生じる誘導起電力ｖｍを示し、図４（Ｂ）は、磁歪材９１２の変位ｄおよびコイル電流ｉｃを示し、図４（Ｃ）は、スイッチＳＷの接続状態（ｃ−ａまたはｃ−ｂ）の変化を示している。図４（Ｃ）においては、α１およびα２部分の拡大図を併記する。

図３の振動エネルギー収集装置９では、コイル９１１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９１１に戻される際に電流の向きが反転するように、制御装置９３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９１１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。
コイル電流ｉｃの反転が適性にできないと、磁歪トランスデューサ９１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の振動エネルギー収集装置９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９１から切り離す必要がある。

しかし、図３の振動エネルギー収集装置９では、反転用キャパシタＣｒｖを磁歪トランスデューサ９１から切り離すタイミングを予測することが容易ではない。
本発明の目的は、磁歪トランスデューサに対する反転用キャパシタの接続および切り離しを所定タイミングで繰り返し行う振動エネルギー収集装置の制御において、前記磁歪トランスデューサに対する前記反転用キャパシタの切り離しを自動で行うことで、磁歪トランスデューサに蓄積される電流を効率良く増大させることである。

本発明は、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、
エネルギー収集装置であって、
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を前記スイッチ回路のスイッチングにより行い、
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、前記送り返しの完了により自律動作する切り離し回路により行う、
エネルギー収集装置。
本発明のエネルギー収集装置では、負荷回路は、コイル電流が流れる経路であれば、エネルギー収集装置の何れの箇所に設けることができる。
負荷回路は、典型的には前記磁歪トランスデューサに直列または並列に設けられる。

（２）
（１）に記載の振動エネルギー収集装置において、
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と、二つの一方向導通回路からなり、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端に接続され、前記単極双投型スイッチの双投端子は相互に逆極性に配向した前記２つの一方向導通回路を介して前記磁歪トランスデューサの他方端に接続され、
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る、
振動エネルギー収集装置。

（３）
（２）に記載の振動エネルギー収集装置において、
前記スイッチ回路の前記二つの一方向導通回路はダイオードにより構成されている、
振動エネルギー収集装置。

（４）
（１）に記載の振動エネルギー収集装置において、
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（ａ接点またはｂ接点の何れかにｃ接点が接続されるスイッチ）と、二つの一方向導通回路からなり、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端に接続され、前記単極双投型スイッチの双投端子は相互に逆極性に配向した前記２つの一方向導通回路を介して前記磁歪トランスデューサの他方端に接続され、
前記エネルギー蓄積部は、前記２つの一方向導通回路にそれぞれ並列に接続された２つのキャパシタからなる、
振動エネルギー収集装置。

（５）
（４）に記載の振動エネルギー収集装置において、
前記スイッチ回路の前記二つの一方向導通回路はダイオードにより構成されている
振動エネルギー収集装置。

本発明により、振動エネルギー収集装置の制御における、前記磁歪トランスデューサに対する前記反転用キャパシタの切り離しを自動で行うことができ、これにより磁歪トランスデューサに蓄積される電流を効率良く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８１の等価回路を示す図である。 図３は、本出願人の出願に係る振動エネルギー収集装置９を示す図である。 図４（Ａ）は、コイル９１１に生じる誘導起電力ｖｍを示す図である。 図４（Ｂ）は、磁歪材９１２の変位ｄおよびコイル電流ｉｃを示す図である。 図４（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は、振動エネルギー収集装置１Ａの概略を示す図である。 図６（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６（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７（Ａ）は、コイル１１１に生じる誘導起電力ｖｍを示す図である。 図７（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７（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８は、図７（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９は、振動エネルギー収集装置１Ｂの概略を示す図である。 図１０（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ｒ。 図１０（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１１（Ａ）は、コイル１１１に生じる誘導起電力ｖｍを示す図である。 図１１（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１２は、図１１（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。

以下、本発明の振動エネルギー収集装置の第１実施形態を説明する。
図５は振動エネルギー収集装置１Ａの概略を示す図である。
図５に示すように、振動エネルギー収集装置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。
図５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５ではインダクタＬｍをコイル１１１としても示す。また、図５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の何れの箇所に設けることができる。
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、ダイオードＤ１，Ｄ２とから構成されている。
反転用キャパシタＣｒｖが本発明におけるエネルギー蓄積部に相当し、スイッチＳＷとダイオードＤ１，Ｄ２が本発明におけるスイッチ回路を構成している。
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（グランドＧＮＤと反対側の端子）に接続されている。また、スイッチＳＷのｃ接点端子と磁歪トランスデューサ１１の他方の端子（グランドＧＮＤ側の端子）との間には反転用キャパシタＣｒｖが接続されている。
スイッチＳＷのａ接点端子と磁歪トランスデューサ１１のグランＧＮＤ側の端子にはカソードがａ接点端子を向くようにダイオードＤ１が接続され、スイッチＳＷのｂ接点端子と磁歪トランスデューサ１１のグランＧＮＤ側の端子にはアノードがｂ接点端子を向くようにダイオードＤ２が接続されている。

図５の磁歪トランスデューサ１１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５の振動エネルギー収集装置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およびコイル電流ｉｃおよび振動マス９５１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６、図７および図８を参照しながら、図５の振動エネルギー収集装置１Ａの動作を説明する。
なお、図５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６（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６（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７（Ａ）は、コイル１１１に生じる誘導起電力ｖｍを示す図である。
図７（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７（Ｂ）においては、β１およびβ２部分の拡大図を併記する。
図７（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８は、図７（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８では負荷回路１４は図示しない。

図５の振動エネルギー収集装置１Ａ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７（Ａ）はコイル１１１に生じる誘導起電力ｖｍを示している。

図５の振動エネルギー収集装置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７（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８（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、ダイオードＤ１、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８（Ｂ）に示すように、もとの電流の向きを維持しようとする。このとき、ダイオードＤ２は、コイル１１１の誘導起電力ｖｍの向きとは逆方向に配向されているので、コイル電流ｉｃは、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とは、ＲＬＣ共振回路（共振周期をτとする）を構成している。
図５の振動エネルギー収集装置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８（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。このとき、ダイオードＤ２は、コイル１１１の誘導起電力ｖｍの向きとは逆方向に配向されているので、コイル電流ｉｃが、ダイオードＤ２を介して流れることはない。

時刻ｔ４では、反転用キャパシタＣｒｖの充電電荷が０になり、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、反転用キャパシタＣｒｖの充電電荷が０になった時点で、コイル電流ｉｃは、図８（Ｄ）に示すように、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・ａ接点端子、ダイオードＤ２、グランドＧＮＤを介してループする。

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。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、図８（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。このとき、ダイオードＤ１は、コイル１１１の誘導起電力ｖｍの向きとは逆方向に配向されているので、コイル電流ｉｃは、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ａに接続されている）を示している。この時刻ｔ６には、図８（Ｆ）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。このとき、ダイオードＤ１は、コイル１１１の誘導起電力ｖｍの向きとは逆方向に配向されているので、コイル電流ｉｃが、ダイオードＤ１を介して流れることはない。
この後、反転用キャパシタＣｒｖの充電電荷が全て放出されると、コイル電流Ｉｃは図８（Ａ）に示すように流れるようになる。
コイル電流ｉｃの反転制御が容易に行われる。これにより、制御装置１３の構成（または制御装置１３を動作させるプログラムの構成）が簡素化される。

以下、本発明の振動エネルギー収集装置の第２実施形態を説明する。
図９は振動エネルギー収集装置１Ｂの概略を示す図である。
図９に示すように、振動エネルギー収集装置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９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の構成は、図５に示した磁歪トランスデューサ１１の構成と同じである。

第１実施形態の振動エネルギー収集装置１Ａと同様、振動エネルギー収集装置１Ｂでも、磁歪トランスデューサ１１の両端子には電流反転回路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。
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Ｃｒｖ１，Ｃｒｖ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とから構成されている。
スイッチＳＷの構成は、第１実施形態において使用されているスイッチＳＷと同じであり、その機能も第１実施形態において使用されているスイッチＳＷと概ね同じである。
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（グランドＧＮＤと反対側の端子）に接続されている。
スイッチＳＷのａ接点端子と磁歪トランスデューサ１１のグランＧＮＤ側の端子には、カソードがａ接点端子を向くダイオードＤ１と反転用キャパシタＣｒｖ１との並列接続回路が接続されている。また、スイッチＳＷのｂ接点端子と磁歪トランスデューサ１１のグランＧＮＤ側の端子には、アノードがｂ接点端子を向くダイオードＤ２と反転用キャパシタＣｒｖ１との並列接続回路が接続されている。

第１実施形態の振動エネルギー収集装置１Ａと同様、図９の振動エネルギー収集装置１Ｂでも、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。また、第１実施形態の振動エネルギー収集装置１Ａと同様、図９の振動エネルギー収集装置１Ｂでも、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。

第１実施形態の振動エネルギー収集装置１Ａと同様、図９の振動エネルギー収集装置１Ｂでも、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１０、図１１および図１２を参照しながら、図９の振動エネルギー収集装置１Ｂの動作を説明する。
なお、第１実施形態の振動エネルギー収集装置１Ａと同様、図９の振動エネルギー収集装置１Ｂでも、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１０（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１０（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１１（Ａ）は、コイル１１１に生じる誘導起電力ｖｍを示す図であり、図１１（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１１（Ｂ）においては、β１およびβ２部分の拡大図を併記する。
図１１（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１２は、図１１（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、第１実施形態の振動エネルギー収集装置１Ａと同様、振動エネルギー収集装置１Ｂでも、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１２では負荷回路１４は図示しない。

図９の振動エネルギー収集装置１Ｂ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１１（Ａ）はコイル１１１に生じる誘導起電力ｖｍを示している。

図９の振動エネルギー収集装置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Ｃｒｖ１またはＣｒｖ２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１１（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１２（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、ダイオードＤ１、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、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Ｃｒｖ２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１２（Ｂ）に示すように、もとの電流の向きを維持しようとする。このとき、ダイオードＤ２は、コイル１１１の誘導起電力ｖｍの向きとは逆方向に配向されているので、コイル電流ｉｃは、グランドＧＮＤ、反転用キャパシタＣｒｖ２、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、インダクタＬｍと抵抗ｒｍと反転用キャパシタＣｒｖとは、ＲＬＣ共振回路（共振周期をτとする）を構成している。
図９の振動エネルギー収集装置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Ｃｒｖ２に転送され、つぎのτ／４の時間で反転用キャパシタＣｒｖ２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Ｃｒｖ２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Ｃｒｖ２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１２（Ｃ）に示すように、反転用キャパシタＣｒｖ２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。このとき、ダイオードＤ２は、コイル１１１の誘導起電力ｖｍの向きとは逆方向に配向されているので、コイル電流ｉｃが、ダイオードＤ２を介して流れることはない。

時刻ｔ４では、反転用キャパシタＣｒｖ２の充電電荷が０になる。このとき、ダイオードＤ２は、コイル１１１の誘導起電力ｖｍの向きに対して順方向に配向されることになるで、コイル電流ｉｃはダイオードＤ２を介して流れるようになる。すなわち、コイル電流ｉｃは、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、ダイオードＤ２、グランドＧＮＤの順でループする。

なお、コイル電流ｉｃの反転特性は、図１１（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の反転が適性にできないと、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。
既に説明したように、図３の振動エネルギー収集装置９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（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９１から切り離す必要があり、制御が容易ではなかった。
これに対して、図９の振動エネルギー収集装置１Ｂでは、反転用キャパシタＣｒｖ２が電荷の放出を終了した時点、すなわち、コイル電流ｉｃの反転が終了した時点で、反転用キャパシタＣｒｖ２が磁歪トランスデューサ１１から自動的に切り離されるので、コイル電流ｉｃの反転制御が容易に行われる。

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Ｃｒｖ１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８（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。このとき、ダイオードＤ１は、コイル１１１の誘導起電力ｖｍの向きとは逆向きに配向されているので、コイル電流ｉｃは、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・ａ接点端子、反転用キャパシタＣｒｖ１、グランドＧＮＤの順でループする。

時刻ｔ６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ａに接続されている）を示している。この時刻ｔ６には、図８（Ｆ）に示すように、反転用キャパシタＣｒｖ１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。このとき、ダイオードＤ１は、コイル１１１の誘導起電力ｖｍの向きとは逆向きに配向されているので、コイル電流ｉｃが、ダイオードＤ１を介して流れることはない。
この後、反転用キャパシタＣｒｖ１の充電電荷が全て放出されると、コイル電流Ｉｃは図８（Ａ）に示すように流れるようになる。

以上述べたように、本発明では振動エネルギー収集装置１Ａまたは１Ｂの制御における、磁歪トランスデューサ１１に対する反転用キャパシタＣｒｖの切り離しを自動で行うことができるので、磁歪トランスデューサに蓄積される電流を効率良く増大させることができる。

１Ａ，１Ｂ エネルギー収集装置
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 (5)

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、
   エネルギー収集装置であって、
   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を前記スイッチ回路のスイッチングにより行い、
   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、前記送り返しの完了により自律動作する切り離し回路により行う、
   エネルギー収集装置。
2. 請求項１に記載の振動エネルギー収集装置において、
   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と、二つの一方向導通回路からなり、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端に接続され、前記単極双投型スイッチの双投端子は相互に逆極性に配向した前記２つの一方向導通回路を介して前記磁歪トランスデューサの他方端に接続され、
   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る、
   振動エネルギー収集装置。
3. 請求項２に記載の振動エネルギー収集装置において、
   前記スイッチ回路の前記二つの一方向導通回路はダイオードにより構成されている、
   振動エネルギー収集装置。
4. 請求項１に記載の振動エネルギー収集装置において、
   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（ａ接点またはｂ接点の何れかにｃ接点が接続されるスイッチ）と、二つの一方向導通回路からなり、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端に接続され、前記単極双投型スイッチの双投端子は相互に逆極性に配向した前記２つの一方向導通回路を介して前記磁歪トランスデューサの他方端に接続され、
   前記エネルギー蓄積部は、前記２つの一方向導通回路にそれぞれ並列に接続された２つのキャパシタからなる、
   振動エネルギー収集装置。
5. 請求項４に記載の振動エネルギー収集装置において、
   前記スイッチ回路の前記二つの一方向導通回路はダイオードにより構成されている、
   振動エネルギー収集装置。