JP7280267B2 - 可変静電容量トランスデューサのためのスイッチ支援型ダイオードクランプエネルギーハーベスティングシステム - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの可変キャパシタから電気エネルギーを収穫する（harvesting）ためのエネルギーハーベスティングシステムに関する。さらに、本発明は、このようなエネルギーハーベスティングシステムを使用して、少なくとも１つの可変キャパシタから電気エネルギーを収穫するための方法に関する。

先行技術

国際公開第２０１０／１４６４５７号パンフレットには、各々が、伸縮性材料の繰り返し延伸および弛緩されるシートと、シートの対向面に接して置かれた（lying against opposite faces）電極とを含む、可変キャパシタを有する環境発電機が開示されており、これは、少なくとも１対のキャパシタの電極に結合された電力抽出ユニットを含む。このユニットは、第２の電極対を再充電するために、より高い電圧を有する第１の電極対からの電荷（電流）を、より低い電圧を有する１つ以上の第２の電極対に向かわせる。電流が流れている間、電力は、ユニットを通過する電流の電圧降下によって抽出される。電力抽出ユニットには、電圧検出器を有しかつ電力出力を生成する際の最大効率のために、キャパシタをそれらの電圧に基づいて選択的に接続する制御ユニットが設けられ得る。先行技術によれば、可変キャパシタは、一対の逆並列ダイオードからなるハーフブリッジに接続し、これは、例えば、可変キャパシタに作用する変化する外力によって誘導されるような、可変キャパシタの静電容量の変化に充放電サイクルが追従するパッシブハーベスティングシステムを形成する。このエネルギーハーベスティングシステムの説明は、R. van Kessel, A. Wattez, and P. Bauer, “Analyses and comparison of an energy harvesting system for dielectric elastomer generators using a passive harvesting concept: the voltage-clamped multi-phase system,” in SS/NDE 2015 - Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) XVII, ser. Proc. SPIE, vol. 9430, 2015, Conference Proceedingsに公表されている。

先行技術のエネルギーハーベスティングシステムは、特に小さい静電容量のバリエーションレベルに対して、比較的低いエネルギー捕捉能力を有する。その結果、ほぼ一定でありかつ静電容量のバリエーションに依存しない誘電損失により、それは、特に小さい静電容量のバリエーションレベルでは低い効率を有する。

本発明の目的は、先行技術からの欠点を克服または軽減することである。

この目的は、請求項１に定義されるようなエネルギーハーベスティングシステムによって達成される。

各可変キャパシタに対して、インダクタと、第１のスイッチと、第２のスイッチとを組み込むことによって、追加の昇圧および降圧コンバータが実装され、ここで、インダクタは、共通ノードと、それぞれの可変キャパシタの第１のキャパシタ端子との間に接続されており、第１のスイッチは、第１のダイオードと並列に接続されており、第２のスイッチは、第２のダイオードと並列に接続されている。加えて、本発明によるエネルギーハーベスティングシステムにおいて、第２の電圧源は、能動部品が、同じ可変キャパシタ電圧に対してより低い電圧にさらされるように、ソース側にバイアス源を提供する。その結果、先行技術のエネルギーハーベスティングシステムと比較して、より少ないエネルギー変換が必要とされ、これは、相対的により低い損失をもたらす。

加えて、本発明は、請求項１３に定義されるようなエネルギーハーベスティングシステムを動作させるための方法に関する。

方法は、第１のスイッチが非導電状態のままでありながら、放電時間間隔の一部の間に、第２のスイッチを変調された導電状態に設定することと、第２のスイッチが非導電状態のままでありながら、充電時間間隔の一部の間に、第１のスイッチを変調された導電状態に設定することとを備えるアクティブスイッチングモードを提供する。

アクティブ充電または放電間隔の間、変調された導電状態において、それぞれのスイッチは、典型的に数ｋＨｚのレートで連続的にオンとオフに切り替えられ、これによって、相補的なスイッチ／ダイオード対も電流経路（還流ダイオード（free-wheeling diode））を提供する。

先行技術によれば、可変キャパシタの充放電サイクルは、可変キャパシタの電極間のギャップに作用する外部からの機械的な力によって加えられる（imposed）可変キャパシタの伸張および弛緩に追従する。

本発明の方法によれば、可変キャパシタの充電は、可変キャパシタをパッシブに充電することによって可能であるよりも比較的大きい充電にまで拡張される。また、可変キャパシタの放電は、先行技術に比べて、比較的より小さい結果として得られる充電にまで拡張される。その結果、充放電サイクルの有効性が向上される。

有利な実施形態が、従属請求項によってさらに定義される。

本発明は、その例示的な実施形態が示される図面を参照して、以下でより詳細に説明される。これら図面は、例示目的のみを意図しており、本発明の概念を制限するものではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲に示される定義によってのみ限定される。

図１は、本発明の実施形態による、エネルギーハーベスティングシステムの回路を概略的に示す。 図２Ａは、図１の回路の充電状態を概略的に示す。 図２Ｂは、図１の回路の放電状態を概略的に示す。 図２Ｃは、図１の回路の充電状態を概略的に示す。 図２Ｄは、図１の回路の放電状態を概略的に示す。 図３は、図２Ａ～図２Ｄに示された充電および放電状態に関連する可変キャパシタの電荷－電圧図を示す。 図４Ａは、図１の回路に結合された可変キャパシタの変形（deformation）を示す。 図４Ｂは、図１の回路に結合された可変キャパシタの電界を示す。 図４Ｃは、図１の回路に結合された可変キャパシタの電圧を示す。 図４Ｄは、図１の回路に結合された可変キャパシタの電荷を示す。 図４Ｅは、図１の回路に結合された可変キャパシタの電流を示す。 図５は、本発明の実施形態による、エネルギーハーベスティングシステムの動作の方法のための流れ図を示す。

図の各々において、同様のまたは対応する要素は、同じ参照符号によって示される。

図１は、本発明の実施形態による、エネルギーハーベスティングシステムの回路を概略的に示す。

本発明の実施形態によるエネルギーハーベスティングシステム１００が、１つ以上の可変キャパシタＣｓからエネルギーを収穫するように構成されている。このような可変キャパシタＣｓは、電気活性ポリマーデバイスに基づき得る。電気活性ポリマーデバイスは、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する静電エネルギートランスデューサとして機能する。このようなトランスデューサは、互いに対向して配置されかつ変形可能な誘電体を備えるギャップによって分離された少なくとも１対の電極からなり、加えられた変形のレベルに応じて静電容量が変わる可変キャパシタを構成している。

機械的エネルギーを収穫するために、このような静電エネルギートランスデューサを動作させることは、サイクリックに、最大変形の状態でキャパシタ構造に電荷を印加し、その後、最小変形の状態で電荷を除去することによって達成される。最大変形の状態から最小変形の状態に移行している間、変形可能な誘電体の厚さ、したがって、電極間のギャップが増大し、これによって、逆極性の電荷は、ますます分離される。結果として生じるポテンシャルエネルギーの増大は、電気回路によって捕捉される。

エネルギーハーベスティングシステム１００は、少なくとも１つの可変キャパシタＣｓと、第１の電圧Ｖ_ｌｏａｄを供給するための第１の電圧源Ｖ１と、第２の電圧Ｖ_ｂｉａｓを供給するための第２の電圧源Ｖ２とを備える。可変キャパシタＣｓの電極Ｅ１、Ｅ２間のギャップは、参照符号Ｇによって示されている。

エネルギーハーベスティングシステムは、可変キャパシタＣｓごとに、第１および第２のダイオードＤ１、Ｄ２間の共通ノードＮ２と直列に接続されている第１のダイオードＤ１と第２のダイオードＤ２とからなるダイオード対からなるハーフブリッジネットワークＨ１をさらに備える。各ダイオードＤ１；Ｄ２は、それぞれのダイオードと並列に接続されている関連するスイッチＳ１；Ｓ２を伴って（with）配置されている。

エネルギーハーベスティングシステムにおいて、第１および第２の電圧源Ｖ１、Ｖ２は、第１の電圧源Ｖ１の第１の端子Ｔ１１と、第２の電圧源Ｖ２の第１の端子Ｔ２２との間の相互接続ノードＮ１と直列接続で配置されている。第２の電圧源Ｖ２の第１の端子Ｔ２２は、第１の電圧源の第１の端子Ｔ１１の極性とは逆の第２の極性を有する。

ダイオード対Ｄ１、Ｄ２は、第１の電圧源Ｖ１の端子Ｔ１１と、第１の電圧源Ｖ１の第２の端子Ｔ１２との間の第１の電圧源に並列に接続されている。

エネルギーハーベスティングシステムにおいて、電極Ｅ１とＥ２との間の電圧は、Ｖ２からのＶ_ｂｉａｓ、またはＶ１＋Ｖ２からのＶ_ｌｏａｄ＋Ｖ_ｂｉａｓ、またはＶ_ｂｉａｓとＶ_ｌｏａｄ＋Ｖ_ｂｉａｓの間の（in between）電圧のいずれかある。

可変キャパシタＣｓは、共通ノードＮ２に第１のキャパシタ端子ＴＣ１で、および第２の電圧源Ｖ２の第１の極性の第２の端子Ｔ２１に第２のキャパシタ端子ＴＣ２で接続されている。第２の端子Ｔ２１は、第１の電圧源Ｖ１の第１の端子Ｔ１１と同符号をもつ極性を有する。

システムは、可変キャパシタごとに、インダクタＬ１と、第１のスイッチＳ１と、第２のスイッチＳ２とをさらに備える。

インダクタＬ１は、共通ノードＮ２と、それぞれの可変キャパシタの第１のキャパシタ端子ＴＣ１との間に接続されている。

第１のスイッチＳ１は、第１の電圧源Ｖ１の端子Ｔ１２と、共通ノードＮ２との間に、第１のダイオードＤ１と並列に接続されている。第２のスイッチＳ２は、相互接続ノードＮ１と共通ノードＮ２との間に、第２のダイオードＤ２と並列に接続されている。

それらの導電状態において、第１および第２のスイッチの各々は、典型的に１ｋＨｚを超える、可変キャパシタの変形の基本周波数よりも数桁高い周波数で、高いスイッチングレートにおいてアクティブにオンとオフに切り替えられるように配置されている。（以下の説明では、アクティブに切り替えることは、それぞれのスイッチＳ１；Ｓ２および相補的なダイオードＤ２；Ｄ１の変調された導電状態とも呼ばれる）。

アクティブ充電間隔の間、第１のスイッチＳ１は、導電状態と非導電状態とに交互に保持される。第１の持続時間ｔ＿ｏｎ１の間、スイッチＳ１は、導電状態に保持され、その間、インダクタＬ１を通る電流の大きさは、徐々に増大する。ｔ＿ｏｎ１の後、スイッチＳ１は、第２の持続時間ｔ＿ｏｆｆ１の間、非導電状態に保持される。第２の持続時間の間、電流は、インダクタＬ１の両端に誘起された逆電圧によって、第２のダイオードＤ２を通るように強制される。その結果、インダクタＬ１を通る電流の大きさは、徐々に低減する。

アクティブ充電中の定常状態では、電流は、結果として、平均充電電流付近で変動する（fluctuates）。変動の大きさは、電圧Ｖ１、電圧（ｖ_ｃａｐ－Ｖ_ｂｉａｓ）、インダクタＬ１のインダクタンス、ならびに持続時間ｔ＿ｏｎ１およびｔ＿ｏｆｆ１に依存する。より小さい変動は、より低い導電損失をもたらすことが確認されている。

非定常状態では、例えば、平均充電電流をランプアップまたはランプダウンする（ramping up or down）ために、持続時間ｔ＿ｏｎ１およびｔ＿ｏｆｆ１は、ｔ＿ｏｎ１の間の電流の増大が、ｔ＿ｏｆｆ１の間の低減よりも大きいかまたはそれぞれ小さい（respectively smaller）ように選択される。

アクティブ放電間隔の間、第２のスイッチＳ２は、導電状態と非導電状態とに交互に保持される。第３の持続時間ｔ＿ｏｎ２の間、第２のスイッチＳ２は、導電状態に保持され、その間、インダクタＬ１を通る電流の大きさは、充電間隔と比較して逆極性で徐々に増大する。第３の持続時間ｔ＿ｏｎ２が終了した後、第２のスイッチＳ２は、ｔ＿ｏｆｆ２の第４の持続時間の間、非導電状態に保持される。この第４の持続時間間隔の間、電流は、インダクタＬ１の両端に誘起された逆電圧によって、第１のダイオードＤ１を通るように強制される。その結果、インダクタＬ１を通る電流の大きさは、徐々に低減する。

アクティブ放電中の定常状態では、電流は、結果として、平均放電電流付近で変動する。変動の大きさは、電圧Ｖ１、電圧（ｖ_ｃａｐ－Ｖ_ｂｉａｓ）、インダクタＬ１のインダクタンス、ならびに第３および第４の持続時間ｔ＿ｏｎ２およびｔ＿ｏｆｆ２に依存する。より小さい変動は、より低い導電損失をもたらすことが確認されている。

非定常状態では、例えば、平均放電電流をランプアップまたはランプダウンするために、第３および第４の持続時間ｔ＿ｏｎ２およびｔ＿ｏｆｆ２は、ｔ＿ｏｎ２の間の電流の増大が、ｔ＿ｏｆｆ２の間の低減よりも大きいかまたはそれぞれ小さいように選択される。

スイッチング変調器または駆動素子（図示せず）が、スイッチＳ１およびＳ２のためのスイッチング信号を生成する。スイッチング信号は、第１、第２、第３、および第４の持続時間ｔ＿ｏｎ１、ｔ＿ｏｆｆ１、ｔ＿ｏｎ２、ｔ＿ｏｆｆ２と、それぞれの対応するスイッチ状態とを実装する。スイッチング変調器の入力は、可変キャパシタの電気量を基準信号に追従するように強制する制御ループの出力であり得る。このような基準信号は、基準信号が、以下でより詳細に説明されるようなｑ，Ｖ図で説明されるサイクルを反映するようにプログラムされる、可変キャパシタの両端の電圧ｖ_ｃａｐであり得る。

持続時間ｔ＿ｏｎ１、ｔ＿ｏｆｆ１、ｔ＿ｏｎ２、ｔ＿ｏｆｆ２、ならびに、電圧Ｖ１、電圧（ｖ_ｃａｐ－Ｖ_ｂｉａｓ）、およびインダクタＬ１のインダクタンスに依存して、可変キャパシタを通る電流は、サイクリックな非導電状態の終了時にゼロに達することも、達しないこともあり得る。次のスイッチングサイクルの導電状態間隔は、本質的に、非導電状態の終了時の電流から再開し、これは、ゼロまたは非ゼロのいずれかであり得る。本発明は、両方のモードで動作し得る一方で、非ゼロ復帰電流モード（the non-zero returning current mode）は、より低い導電損失をもたらすことが確認されている。

本発明の一実施形態では、可変キャパシタのスイッチング変調器は、同期動作のための共通のスイッチングクロック信号を共有する。各スイッチング変調器には、静的または動的に相対位相が割り当てられることになり、それによって、アクティブ充電およびアクティブ放電間隔からの変動電流（fluctuating currents）がインターリーブされる。このようなインターリーブ動作は、バス側の高周波電流変動を低減させるのに有益であることが確認されており、これは、特に比較的高いバスインピーダンスの場合に、例えば、電圧源と、可変キャパシタと、それらのハーフブリッジとの間の距離が比較的大きいときに、損失を低減させる。

ある実施形態では、第１および第２のスイッチならびに関連する駆動素子は、ＩＧＢＴデバイスなどの半導体デバイスベースのスイッチによって具現化される。

インダクタＬ１は、アクティブ電荷変位モード（active charge displacement mode）のための、すなわち、スイッチのうちの１つ以上が変調された導電状態にあるとき、スイッチドモードフィルタインダクタを構成する一方で、それは、スイッチＳ１およびＳ２の両方が非導電状態に設定されるとき、パッシブ動作モードでは重要な役割を果たさない。

アクティブモードおよびパッシブモードの両方について、インダクタＬ１は、接続されている可変キャパシタの（絶縁）破壊の場合に、容量性故障電流の上昇を制限することによって、エネルギーハーベスティングシステムのロバスト性を高める。このようにして、インダクタＬ１は、従来の回路遮断器およびヒューズまたは個体スイッチが、故障電流を遮断し、システム全体のシャットダウンを防止するための追加の時間を提供する。

インダクタを通じて、可変キャパシタＣｓは、一対の逆並列ダイオードＤ１、Ｄ２を有する、一対の制御可能なスイッチＳ１、Ｓ２からなるハーフブリッジネットワークＨ１に接続する。

ある実施形態では、スイッチおよびダイオードは、それぞれ個別のデバイスである。代替として、ダイオードＤ１、Ｄ２は、それぞれのスイッチＳ１、Ｓ２とそれぞれ一体化され得る。

オプションで、追加のダイオードＤＳ１、ＤＳ２が、スイッチＳ１、Ｓ２内に一体化された逆並列ダイオードＤ１、Ｄ２に加えて、別個のデバイスとして外部に追加される。このようにして、スイッチのいずれかが故障し、およびそのようなスイッチが切断可能であるか、またはヒューズが取り付けられていることを条件に、可変キャパシタが、冗長な別個の追加のダイオードによって、パッシブオンリーモードで電気エネルギーを生成し続けることが可能になるとき、増大された冗長性が得られる。

さらに、パッシブモードでは、スイッチはオフに保たれ（または非導電状態に設定され）、電流の変化レート（rate of change）が、アクティブモードの場合よりもはるかに低いことを識別することによって、インダクタＬ１の両端の電圧降下は、放置され得ることが理解されよう。しかしながら、アクティブモードでは、インダクタと組み合わせたハーフブリッジは、それぞれ充電（ｄｑ／ｄｔ＞０）および放電（ｄｑ／ｄｔ＜０）のために、降圧（Ｂｕｃｋ）および昇圧（Ｂｏｏｓｔ）コンバータとしてアクティブに制御され、ｑは電荷を示し、ｔは時間を示す。コンバータの入力電圧は、ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｌｏａｄであり、一方、出力電圧は、ｖ_ｏｕｔ＝ｖ_ｃａｐ－Ｖ_ｂｉａｓに等しい。可変キャパシタ電圧ｖ_ｃａｐが常にＶ_ｌｏｗとＶ_ｈｉｇｈの間にあると仮定すると、コンバータの出力電圧は、０とＶ_ｌｏａｄの間に制限される。Ｖ_ｌｏｗ＝Ｖ_ｂｉａｓ、Ｖ_ｈｉｇｈ＝Ｖ_ｌｏａｄ＋Ｖ_ｂｉａｓであることに留意されたい。これらの条件下では、インダクタＬ１は、コンバータの出力、すなわち、可変キャパシタ側に位置していなければならない。可変キャパシタの結果は、スイッチング周波数の時間スケール上の直流である。直流は、より低いＲＭＳ値を有し、これは、可変キャパシタの直列抵抗損失にとって有益である。

エネルギーハーベスティングシステム１００は、電圧センサＳｖによって、それぞれの可変キャパシタＣｓにわたる電圧ｖ_ｃａｐを測定することと、電流センサＳｃによって、それぞれの可変キャパシタを通る電流ｉ_ｃａｐを測定することとを行うように構成された、各可変キャパシタＣｓに対するコントローラＣＴをさらに備える。さらに、コントローラＣＴは、第１および第２のスイッチＳ１、Ｓ２に結合され、第１および第２のスイッチの各々の切り替え、すなわち、非導電状態「オフ」または変調された導電状態「オン」のいずれかへの切り替えを少なくとも制御するように構成されている。オプションで、コントローラＣＴはまた、それぞれの変調された導電状態または非導電状態を検出するために配置されている。

図２Ａ～図２Ｄは、図１の回路の充電および放電状態を概略的に示す。

可変キャパシタの充電および放電のための電流経路が、図２Ａ～図２Ｄに例示される。パッシブ動作モードでは、スイッチは、オフのままであるか、または非導電状態に設定され、電流は、電荷対キャパシタンス（charge over capacitance）（ｑ／Ｃ）比が、それぞれ、放電または充電中に、電圧Ｖ_ｌｏｗ、Ｖ_ｈｉｇｈのいずれか達したときに、ダイオードを通って流れる。

図２Ａには、パッシブモードで充電するための電流経路Ｗ１が破線で示され、ここで、電流は、スイッチＳ１およびＳ２の両方が開いている、すなわち、非導電である間、第２のダイオードＤ２を通って流れる。図２Ｂには、パッシブモードで放電するための電流経路Ｗ２が示される。ここで、電流は、第１および第２のスイッチＳ１、Ｓ２の両方が開いている間、第１のダイオードＤ１を通って流れる。

図２Ｃには、アクティブ充電のための電流経路Ｗ３が示される。アクティブモードでは、可変キャパシタＣｓは、電流経路Ｗ１およびＷ３に沿って、変調された導電状態にある第１のスイッチＳ１と、第２の（還流）ダイオードＤ２との組合せによって充電される。第１のスイッチＳ１の導電状態によって、第１の電圧源Ｖ１は、電荷を供給するために、可変キャパシタＣｓに追加的に結合される。

アクティブモードでの放電は、図２Ｄに示されるように、電流経路Ｗ４に沿って行われ、ここで、第２のスイッチＳ２は、変調された導電状態にあり、第１のスイッチＳ１は、非導電状態にあり、これは、第１の（還流）ダイオードＤ１と第２のスイッチＳ２との両方を通る電流経路Ｗ２およびＷ４をもたらす。

当業者であれば、したがって、充電は、降圧コンバータに類似の回路によって実行され、放電は、昇圧コンバータに類似の回路によって実行されることを理解するであろう。

提案されたトポロジのアクティブモードの制御は、低レベル変調器が、出力電圧に対する閉ループ制御と共に、例えば、パルス幅変調（ＰＷＭ）を実施することからなり得る。

本発明の一実施形態では、同期整流が、（還流）ダイオードが導電している間隔の間、アクティブモードで適用され、および／または、ダイオードが可変キャパシタをＶ_ｌｏｗまたはＶ_ｈｉｇｈのいずれかにクランプしているときに、パッシブモードで適用される。電位ユニポーラ半導体スイッチのチャネルをオンにすることは、電界が本質的に一定に保たれるハーベスティングサイクルフェーズ中などの低電流状態について、スイッチ導電損失を低下させることが確認されている。

本発明の一実施形態では、コントローラは、クロック信号発生器ＣＧに結合されかつ変調回路Ｍを備え、ここで、コントローラＣＴ内に配置されている変調器は、同期動作のための共通のスイッチングクロック信号を共有するために、全ての可変キャパシタのスイッチＳ１、Ｓ２のうちの関連する１つにそれぞれ結合されている。各変調器には、静的または動的に相対位相が割り当てられることになり、それによって、全ての可変キャパシタの昇圧および降圧コンバータは、それらの電流をインターリーブする。このようなインターリーブ動作は、バス側、すなわち、第１の電圧源Ｖ１側の高周波電流リップルを低減させるのに有益であることが確認されており、これは、特に比較的高いバスインピーダンスの場合に、例えば、電圧源と、可変キャパシタと、それらのハーフブリッジとの間の距離が比較的大きいときに、損失を低減させる。例えば、距離が１メートルを超え、バスバーがその間で使用されないなど．．．．。

ある実施形態では、接地接続ＧＮＤが、２つの電圧源Ｖ１、Ｖ２の間の相互接続ノードＮ１において適用される。結果として得られるトポロジは、接地電位を基準とした両方の電圧源Ｖ１、Ｖ２、ならびに、接地電位に接続されたハーフブリッジを有する。有利には、このような接続方式は、電圧源およびハーフブリッジ構成要素ならびにそれらのサポート回路の複雑さを低減させることが観察される。

代替の実施形態では、接地接続ＧＮＤは、第２の電圧源Ｖ２の第２の端子Ｔ２１のレベルにおいて配置されている。

ある実施形態では、本発明は、可変キャパシタＣｓおよび／またはその接続ケーブルが、接地電位ＧＮＤに接続されている外側シールド（図示せず）を有することを提供する。したがって、エネルギーハーベスティングシステムは、定格絶縁電圧、安全性、および電磁干渉（ＥＭＩ：electromagnetic interference）の点で、好ましい特性を有する。

図３は、図２Ａ～図２Ｄに示された充電および放電状態に関連する可変キャパシタＣｓの電荷－電圧ｑ，Ｖ図を示す。

図３を参照して、上記で説明されたようなエネルギーハーベスティングシステム１００を動作させるための方法が説明される。

図３には、例示的な電荷－電圧ｑ，Ｖ図が、可変キャパシタＣｓについて示される。示されている値の範囲は、単なる参考にすぎないことが理解されよう。本発明は、図３に示される範囲内で動作する回路および／または方法に限定されず、異なる範囲の電圧および電荷で、ならびに電圧および電荷の両方について正または負のいずれかの極性で動作し得る。

可変キャパシタＣｓを発電機モードで動作させることは、最大静電容量の状態での電荷の印加（充電）と、その後の最小静電容量の状態での電荷の除去（放電）とを伴う。静電エネルギー変換の課題は、サイクリックな電荷の変位（cyclic displacement of charge）であり、それに伴うエネルギー量は、多くの場合、変換されるべき機械的エネルギー量よりも数倍高くなる。

本発明によれば、エネルギーハーベスティングシステム１００内の電荷の変位は、完全に制御可能である。対照的に、先行技術のパッシブエネルギーハーベスティング回路では、電荷の変位は、加えられた静電容量のバリエーションおよびその変化レートによって間接的にのみ駆動される。

本発明によれば、方法は、ハーベスティングサイクル中にエネルギーハーベスティングシステム１００のトポロジにおける受動（ダイオードＤ１、Ｄ２）素子と能動（スイッチＳ１、Ｓ２）素子とを協働させる：電荷は、それがパッシブハーベスティングサイクルであるかのように、電圧Ｖ_ｌｏｗ、Ｖ_ｈｉｇｈへの変形誘起（パッシブ）電圧クランピング（deformation-induced (passive) voltage-clamping）を使用して、可能な限りパッシブに変位され、一方、追加の電荷は、定電荷（constant-charge）、定電圧（constant-voltage）、および定電界（constant-field）などのアクティブハーベスティングサイクルの部分でのように、充電／放電によってアクティブに変位される。

方法のある実施形態では、アクティブハーベスティングサイクルの部分は、定電界サイクルを伴い、すなわち、電界は、可変キャパシタの電極間のギャップのバリエーション下で一定に保たれる。結果として得られるハイブリッドハーベスティングサイクルは、次いで、組み合わされた定電圧（図３においてステージＰ１およびＰ４として示される）および定電界（ステージＰ３として示される）サイクルを構成する。このようなサイクルは、配備された能動部品（スイッチＳ１、Ｓ２およびダイオードＤ１、Ｄ２）の電圧定格の制限内で最大エネルギーをもたらすことが確認されている。

アクティブ定電界サイクルを有するエネルギーハーベスティングサイクルの実施形態が、図３のｑ，Ｖ図に例示されている。

それは、以下の間隔を備える。

この例では本質的に最小静電容量で定義されるサイクルの開始時、および、静電容量が増大している間、可変キャパシタＣｓは、電圧Ｖ_ｌｏｗにおいてｑ_０からｑ_２まで充電している。当業者であれば、開始点が任意に取られることを理解するであろう：サイクルは、最小静電容量値と最大静電容量値との間の静電容量の異なる値で開始し得る。

電荷ｑ_０から電荷ｑ_２までの全ての電荷は、第１および第２のスイッチＳ１、Ｓ２の両方が非導電状態に設定されている間、電流経路Ｗ１に沿って第２のダイオードＤ２を使用して完全にパッシブモードで変位され、可変キャパシタＣｓは、電圧Ｖ_ｌｏｗにクランプされる。図２Ａを参照。このステージの間、静電容量は、電荷によって誘起される静電（マクスウェル）力よりも大きい外部からの機械的な力により増大しており、可変キャパシタＣｓの電極Ｅ１、Ｅ２の間のギャップＧの低減を引き起こしていることに留意されたい。

一旦可変キャパシタＣｓが最大静電容量付近になり、もはやＶ_ｌｏｗにクランプされなくなると（例えば、キャパシタを通る電流の本質的にゼロ値への低減：ｉ_ｃａｐ＝＝０を検出することによって観察される）、第１のスイッチＳ１（降圧スイッチ）は、変調された導電状態に設定される。次に、ステージＰ２では、第１のスイッチＳ１および第２のダイオードＤ２は、ｑ_２よりも大きいｑ_３を充電し続けるために、電流経路Ｗ３およびＷ１に沿った充電プロセスをアクティブに可能にする。例えば、この間隔は、サイクル期間の１％から１５％の間継続し、ここで、前者は、可変キャパシタからより多くのエネルギーを捕捉し、後者は、より低い損失を生成する。

オプションで、ステージＰ２では、可変キャパシタＣｓは、最大電界境界に接近するかまたは最大電界境界に位置する最大電荷ｑ_４まで充電される。図３では、電荷ｑと電圧Ｖとの間の最大電界境界関係は、「電界限界」として参照される点線の曲線によって示されている。

その後、ステージＰ３では、充放電サイクルは、ｑ，Ｖ経路に追従し、その間、可変キャパシタは、変調された導電状態にある第２のスイッチＳ２および第１のダイオードＤ１を使用して、ｑ_３（またはｑ_４）からｑ_２’まで徐々にかつアクティブに放電される。（第１のスイッチＳ１は、Ｐ３の間、非導電状態に設定される。）電荷ｑ_２’は、電荷ｑ_２に等しくなり得る。ステージＰ２の間に最大電荷ｑ_４に達した場合には、ｑ，Ｖ経路は、一定フィールドｑ，Ｖ関係に追従する。

ｑ_４からｑ_２’まで放電するとき、第２のスイッチＳ２および第１のダイオードＤ１は、エネルギーハーベスティングシステム１００の回路が、ｑ・Ｖ＝ε・Ｚ・Ｅ^２で、最大電界において動作するように構成されており、ｑ：電荷、Ｖ：電圧、ε：誘電率、Ｚ：体積、およびＥ：最大電界ある。

一旦可変キャパシタ電圧ｖ_ｃａｐが（ｑ_２’において）電圧Ｖ_ｈｉｇｈまで増大すると、ステージＰ４の間、可変キャパシタＣｓは、第１および第２のスイッチＳ１、Ｓ２の両方が非導電状態に設定されている間、第１のダイオード（クランプダイオード）Ｄ１を使用して、電流経路Ｗ２に沿って電荷ｑ_２’から電荷ｑ_１’までパッシブに放電される。

最小静電容量付近において、可変キャパシタがもはやＶ_ｈｉｇｈにクランプされていないとき（例えば、キャパシタ電流のゼロ値ｉ_ｃａｐ＝＝０によって検出される）、ステージＰ５の間、可変キャパシタは、電流経路Ｗ４およびＷ２に沿って、変調された導電状態に設定された第２のスイッチＳ２および第１のダイオードＤ１を通る電流で、電荷ｑ_１’から電荷ｑ_０までアクティブに放電される。後者の間隔の持続時間は、典型的に、ステージＰ２でのものと同じ程度の持続時間であり、これにより、充電電流と放電電流は、ほぼ同じ大きさである。アクティブ放電は、可変キャパシタの電圧がｑ_０においてＶ_ｌｏｗに実質的に達したときに終了する。

図３から、矩形Ｗ_ｅによって示されるパッシブサイクルにおいて実行される仕事（work）と比較して、組み合わされたパッシブおよびアクティブサイクルＰ１．．．Ｐ５における仕事は、より大きいエネルギー収量で、相対的により大きいことが観察され得る。

したがって、本発明は、上記で説明されたように、少なくとも１つの可変キャパシタＣｓから電気エネルギーを収穫するためのエネルギーハーベスティングシステム１００を動作させるための方法に関し、ここで、変形可能な誘電体層によって分離された電極層を備え得る可変キャパシタは、可変キャパシタの静電容量が、機械的なローディング中の誘電体層の最小厚さでの最大静電容量と、機械的なアンローディング中の最小静電容量との間で変わる状態で、機械的なローディングおよびアンローディングのサイクルにさらされる。方法は、下記を備える：
・第１および第２のスイッチが非導電状態に設定されている間、放電時間間隔における機械的なアンローディング中に、第１のダイオードを介して少なくとも１つの可変キャパシタを電気的に放電すること、
・第１および第２のスイッチが非導電状態に設定されている間、充電時間間隔における機械的なローディング中に、第２のダイオードを介して可変キャパシタを電気的に充電すること。
さらに、この方法は、下記を備える：
第１のスイッチが非導電状態のままでありながら、放電時間間隔の一部の間に、第２のスイッチを変調された導電状態に設定すること、および
第２のスイッチが非導電状態のままでありながら、充電時間間隔の一部の間に、第１のスイッチを変調された導電状態に設定すること。

ある実施形態では、方法は、充電時間間隔中に、下記をさらに備える：
・（パッシブモードで）電荷ｑ_２において最大静電容量に達するまで、第１および第２のスイッチＳ１、Ｓ２が非導電状態にある状態で（with）、少なくとも１つの可変キャパシタを、Ｖ_ｌｏｗにおいて第２の電圧源Ｖ２にクランプすること、および、その後、
・少なくとも１つの可変キャパシタの電荷が、パッシブモードで得られる電荷ｑ_２よりも大きい電荷ｑ_３に達するか、または、オプションで、最大電界境界値に接近するかもしくは最大電界境界値に位置する電荷ｑ_４に達するまで、第１のスイッチＳ１を変調された導電状態に前記設定することによって、少なくとも１つの可変キャパシタを、Ｖ_ｈｉｇｈにおいて第１の電圧源Ｖ１にクランプすること。

ある実施形態では、方法は、放電時間間隔中に、下記をさらに備える：ｑ_３（またはｑ_４）に達した後、少なくとも１つの可変キャパシタの電圧が、電圧Ｖ_ｈｉｇｈの値に達するまで、少なくとも１つの可変キャパシタの放電を可能にするために、第１のスイッチを非導電状態に設定し、第２のスイッチを変調された導電状態に設定または保持すること、
その後、少なくとも１つの可変キャパシタの電圧が、電圧Ｖ_ｈｉｇｈの値に達したとき、電荷ｑ_１’および電圧Ｖ_ｈｉｇｈにおいて最小静電容量に達するまで、少なくとも１つの可変キャパシタのさらなる放電を可能にするために、第２のスイッチを非導電状態に設定し、第１のスイッチを非導電状態に設定または保持すること。

次に、ｑ_１’からｑ_０までおよび電圧Ｖ_ｈｉｇｈからＶ_ｌｏｗまでのアクティブな放電が、電荷ｑ_０および電圧Ｖ_ｌｏｗにおいて本質的に最小の静電容量に達するまで、アクティブ化されたスイッチＳＷ２によって行われる。

図４Ａ～図４Ｅは、図１の回路に結合された可変キャパシタの変形、電界、電圧、電荷、および電流をそれぞれ示す。

図４Ａには、電気活性ポリマーベースの可変キャパシタの伸張パラメータλ（伸張および弛緩）によって示される変形サイクルが、時間の関数として示される。同じλサイクルについて、それぞれ、図４Ｂには、電界Ｅ_ｃのバリエーションが示され、図４Ｃには、可変キャパシタ上の電圧ｖ_ｃａｐのバリエーションが示され、図４Ｄには、可変キャパシタ上の電荷ｑ_ｃのバリエーションが示され、図４Ｅには、可変キャパシタの電流ｉ_ｃａｐのバリエーションが示される。また、図３を参照して上記で説明されたようなステージＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、およびＰ５が、図４Ａ～図４Ｅの各々に示される。

図４Ａでは、弾性伸張パラメータλは、電気活性ポリマーベースの可変キャパシタの緊張した長さと、弛緩した（すなわち、緊張していない）長さとの比率として定義される。

図４Ｂ～図４Ｃの各々において、本発明のエネルギーハーベスティングシステムおよび方法に従って生じたバリエーションは、可変キャパシタの充電がｑ_４において最大電界境界に達するまで行われるという条件について、実線によって表されている。図４Ｂ～図４Ｅの各々における破線は、充電が、アクティブに電荷ｑ_３まで行われる、本発明の方法によるハーベスティングサイクルにおけるバリエーションを表し、ここで、｜ｑ_２｜＜｜ｑ_３｜＜｜ｑ_４｜である。放電は、電荷ｑ_１’から電荷ｑ_０まで行われ、｜ｑ_０｜＜｜ｑ_１｜である。図３を参照。

図４Ｂ～図４Ｅの各々における点線は、パッシブクランプダイオードＤ１、Ｄ２のみを使用するパッシブ専用ハーベスティングサイクルにおけるバリエーションを表す。第１のスイッチＳ１または第２のスイッチＳ２のいずれかが変調された導電状態にアクティブ化されるステージＰ２、Ｐ３、およびＰ５は、斜線の領域によって示され、サイクルの残りの間隔は、第１および第２のスイッチＳ１、Ｓ２の両方が非導電状態にある間に実現される。

見てわかるように、エネルギーハーベスティングシステムにおけるアクティブハーベスティングの使用は、パッシブハーベスティングと比較して、より高い電界、より高いキャパシタ電圧、およびより大きい電荷をもたらす。

図５は、本発明の実施形態による、エネルギーハーベスティングシステムの動作の方法のための流れ図５００を示す。

図２Ａ～図４Ｅを参照して上記で説明されたような方法を例示するために、図１を参照して例示されたような、エネルギーハーベスティングシステムと結合されたコントローラＣＴと共に使用するための流れ図が示される。

コントローラＣＴは、流れ図に示されるような手順５００におけるステップに従って、エネルギーハーベスティングシステムのエネルギーハーベスティングサイクルを制御するように配置されている。ある実施形態では、コントローラは、メモリに結合された少なくともプロセッサを備える。メモリは、プロセッサが手順に従って制御プログラムを実行するための命令を記憶するように配置されている。代替の実施形態では、コントローラは、ステートマシンとして実装され得る。

ステップ５０２において、エネルギーハーベスティングサイクルは、静電容量が増大している（ｄＣ／ｄｔ＞０）間、すなわち、例えば、外部からの機械的な力により、可変キャパシタＣｓの電極Ｅ１、Ｅ２間のギャップＧが低減している間、例えば、最小静電容量Ｃ_ｍｉｎに等しいかまたはその近くなどの、任意の静電容量Ｃ（ｔ）で開始する。

コントローラＣＴが、この条件が満たされていることを検出した場合、エネルギーハーベスティングシステム１００は、ステージＰ１にあり、ステップ５０４において、可変キャパシタＣｓは、第１および第２のスイッチＳ１、Ｓ２の両方が非導電状態にある状態で、Ｖ_ｌｏｗにクランプされる。このようにして、可変キャパシタは、第２のダイオードＤ２を通って流れる電流によって充電される。

Ｖ_ｌｏｗにクランプしている間、ステップ５０６において、コントローラＣＴは、可変キャパシタを通る電流ｉ_ｃａｐが本質的にゼロになるかどうかを（そして、すなわち、起こり得るシステム的な電流漏洩（systematic current leakage）を考慮しつつ）電流センサＳｃによって監視する。電流ｉ_ｃａｐがゼロでない場合、エネルギーハーベスティングシステムは、可変キャパシタがＶ_ｌｏｗにクランプされた状態でステージＰ１に留まる。しかしながら、電流ｉ_ｃａｐがゼロになった場合、ステップ５０８において、コントローラＣＴは、可変キャパシタがｑ_４における最大電界Ｅ_ｈｉｇｈまたはｑ_３における中間電界Ｅ_ｑ３まで充電することを可能にするために、第１のスイッチＳ１を変調された導電状態にアクティブ化する。ｑ_４までまたはｑ_３までの充電中、エネルギーハーベスティングシステムは、ステージＰ２にある。

コントローラが、ｑ_４における最大電界Ｅ_ｈｉｇｈ（またはｑ_３の場合はＥ_ｑ３）に達したかまたは接近したことを検出した場合、コントローラＣＴは、ステップ５１０に入り、コントローラＣＴが、可変キャパシタ上の電圧ｖ_ｃａｐが高電圧レベルＶ_ｈｉｇｈに等しいことを、ステップ５１２においてセンサＳｖによって検出するまで、最大電界Ｅ_ｈｉｇｈ（またはその近く）に電界を維持する（または、このステップの間、Ｅ_ｑ３は、Ｅ_ｈｉｇｈまで増大する）。エネルギーハーベスティングシステムは、ここでステージＰ３にある。ステップ５１０において、コントローラＣＴは、第１のスイッチＳ１を開放非導電状態に戻す。ステージＰ３において、コントローラＣＴは、電界を一定に保つために、可変キャパシタが放電することを可能にするように、第２のスイッチＳ２をアクティブ化する。

可変キャパシタ上の電圧ｖ_ｃａｐがＶ_ｈｉｇｈより小さい場合には、手順はステップ５１０に戻る。コントローラが、可変キャパシタ上の電圧ｖ_ｃａｐがＶ_ｈｉｇｈに等しいことをセンサＳｖによって検出した場合には、手順はステップ５１４において継続する。

ステップ５１４において、コントローラＣＴは、第２のスイッチＳ２を非導電状態に戻し、これは、可変キャパシタに、第１および第２のスイッチＳ１、Ｓ２の両方が非導電状態にある間に、第１のダイオードＤ１を介して放電させる。ステップ５１４において、エネルギーハーベスティングシステムは、ステージＰ４にある。

ステップ５１６において、コントローラＣＴは、放電ステップ５１４の終了を検出するために、可変キャパシタＣｓを通る電流ｉ_ｃａｐが本質的にゼロになるかどうかを電流センサＳｃによって監視する。可変キャパシタＣｓを通る電流ｉ_ｃａｐがゼロになった場合、ステップ５１８において、検出器は、可変キャパシタ上の電圧がＶ_ｌｏｗに達するまでさらに放電するために、第２のスイッチＳ２を変調された導電状態にアクティブ化する。ステップ５１８において、エネルギーハーベスティングシステムは、ステージＰ５にある。

最後に、ステップ５２０において、コントローラは、電圧センサＳｖによって、可変キャパシタ上の電圧ｖ_ｃａｐがＶ_ｌｏｗに達したかどうかをチェックする。可変キャパシタ上の電圧ｖ_ｃａｐがＶ_ｌｏｗに達した場合には、手順はステップ５０４（ステージＰ１）に戻り、そうでない場合、ステップ５１８が継続される。

エネルギーハーベスティングシステムのサイクリングを制御するために、コントローラは、最大および最小の静電容量の状態がゼロ電流検出、ｉ_ｃａｐ＝＝０を使用して観察されると仮定して、可変キャパシタにわたる電界の強度を導出または測定するように構成される。さらに、これは、電圧ｖ_ｃａｐおよび電極間のギャップの距離を測定することを必要とする。ギャップ距離は、機械的／物理的に測定されるか、または静電容量測定から導出され得る。

本発明は、いくつかの実施形態を参照して説明された。前述の詳細な説明を読み、理解すれば、自明な修正および変更が他者に想到されるであろう。本発明は、全てのそのような修正および変更を、それらが添付の特許請求の範囲の範囲内にある限り含むものとして解釈されることが意図される。

特に、本発明の様々な態様の特定の特徴の組合せが行われ得る。本発明の一態様は、本発明の別の態様に関連して説明された特徴を追加することによって、さらに有利に向上され得る。

本明細書およびその特許請求の範囲において、「備える（to comprise）」という動詞およびその活用形は、具体的に言及されていないアイテムを除外することなく、この用語に後続するアイテムが含まれることを意味するように、それらの非限定的な意味において使用される。加えて、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」による要素への参照は、文脈が、１つの要素および要素のうちの１つのみが存在することを明確に要求しない限り、１つより多くのこの要素が存在する可能性を排除しない。したがって、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、通常、「少なくとも１つ」を意味する。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［Ｃ１］
少なくとも１つの可変キャパシタ（Ｃｓ）から電気エネルギーを収穫するためのエネルギーハーベスティングシステム（１００）であって、前記少なくとも１つの可変キャパシタと、第１の電圧（Ｖ _ｌｏａｄ ）を供給するための第１の電圧源（Ｖ１）および第２の電圧（Ｖ _ｂｉａｓ ）を供給するための第２の電圧源（Ｖ２）と、各可変キャパシタに対して、それぞれのハーフブリッジネットワーク（Ｈ１）とを備え、
前記第１および第２の電圧源（Ｖ１，Ｖ２）は、前記第１の電圧源の第１の極性の端子（Ｔ１１）と、前記第２の電圧源の第２の極性の端子（Ｔ２２）との間の相互接続ノード（Ｎ１）と直列接続で配置され、前記第２の極性は、前記第１の極性と逆であり、
前記それぞれのハーフブリッジネットワークは、第１および第２のダイオードの間の共通ノード（Ｎ２）と直列に接続された前記第１のダイオード（Ｄ１）と第２のダイオード（Ｄ２）の対を備え、前記対は、前記第１の電圧源の前記第１の極性の端子（Ｔ１１）と、第２の極性の端子（Ｔ１２）との間で、前記第１の電圧源に並列に接続され、
前記少なくとも１つの可変キャパシタは、前記共通ノード（Ｎ２）に第１のキャパシタ端子（ＴＣ１）で、および前記第２の電圧源（Ｖ２）の第１の極性の端子（Ｔ２１）に第２のキャパシタ端子（ＴＣ２）で接続され、
ここにおいて、
各可変キャパシタに対して、前記システムは、インダクタ（Ｌ１）と、第１のスイッチ（Ｓ１）と、第２のスイッチ（Ｓ２）とをさらに備え、
前記インダクタ（Ｌ１）は、前記共通ノード（Ｎ２）と、前記それぞれの可変キャパシタの前記第１のキャパシタ端子（ＴＣ１）との間に接続され、
前記第１のスイッチ（Ｓ１）は、前記第１のダイオード（Ｄ１）と並列に接続され、前記第２のスイッチ（Ｓ２）は、前記第２のダイオード（Ｄ２）と並列に接続されている、エネルギーハーベスティングシステム。
［Ｃ２］
前記少なくとも１つの可変キャパシタは、第１の電極層と、第２の電極層と、誘電エラストマー層とを備える電気活性ポリマーデバイスであり、ここで、前記誘電エラストマー層は、前記第１および第２の電極層の間に配置されている、Ｃ１に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
［Ｃ３］
コントローラ（ＣＴ）をさらに備え、前記コントローラは、前記スイッチの各々についてのスイッチ状態を制御するために、前記ハーフブリッジネットワーク（Ｈ１）における前記第１および第２のスイッチ（Ｓ１，Ｓ２）に接続されている、Ｃ１または２に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
［Ｃ４］
前記第１および第２のスイッチの各々は、所定のスイッチングレートで前記それぞれのスイッチをアクティブにオンとオフに切り替えるための駆動素子を備え、オプションで、前記スイッチングレートは、前記可変キャパシタ上の測定された電圧、および／または、測定された充電または放電電流に基づいて、動的に調整される、Ｃ１～３のいずれか一項に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
［Ｃ５］
前記コントローラは、各可変キャパシタに対して、前記スイッチのうちの１つ以上に変調信号を供給するための変調器デバイス（Ｍ）を備える、Ｃ３または４に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
［Ｃ６］
前記コントローラは、前記少なくとも１つの可変キャパシタ上の電圧ｖ _ｃａｐ を測定するための電圧センサ（Ｓｖ）と、前記可変キャパシタを通る電流ｉ _ｃａｐ を測定するための電流センサ（Ｓｃ）とを備える、Ｃ３～５のいずれか一項に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
［Ｃ７］
前記コントローラは、前記可変キャパシタ上で測定された電圧に基づいて、ループ制御によって出力電圧を調整するように構成される、Ｃ３～６のいずれか一項に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
［Ｃ８］
少なくとも第２の可変キャパシタ（ＣＳ２）をさらに備え、ここにおいて、前記少なくとも１つの第２の可変キャパシタは、前記共通ノード（Ｎ２２）にその第１のキャパシタ端子（ＴＣ１－２）で、および前記第２の電圧源（Ｖ２）の前記第１の極性の端子（Ｔ２１）にその第２のキャパシタ端子（ＴＣ２－２）で接続されており、各可変キャパシタに対して、前記コントローラは、前記少なくとも１および第２の可変キャパシタについての前記エネルギーハーベスティングシステムの同期動作のための共通のクロック信号を、前記第１および第２のスイッチのうちの少なくとも１つを変調するために配置されているそれぞれの変調器デバイス（Ｍ）に供給するためのクロック信号発生器（ＣＧ）を用いて構成され、前記少なくとも第１および第２の可変キャパシタの各々の前記変調器デバイスは、前記共通のクロック信号に対するそれぞれの位相を有するように構成される、Ｃ５～７のいずれか一項に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
［Ｃ９］
接地端子（ＧＮＤ）が、前記第１および第２の電圧源の間の前記相互接続ノード（Ｎ１）において設けられるか、または接地端子（ＧＮＤ）が、前記第２の電圧源（Ｖ２）の前記第２の端子（Ｔ２１）において設けられるかのいずれかである、Ｃ１～８のいずれか一項に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
［Ｃ１０］
前記第１の電圧源は、少なくとも抵抗器を備え、前記第１の電圧源は、関連する前記ハーフブリッジネットワークを通じて前記少なくとも１つの可変キャパシタによって加えられた電荷の変位の関数として、第１の電圧を生成するように構成される、Ｃ１～９のいずれか一項に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
［Ｃ１１］
Ｃ１に記載の、機械的な変形の関数として可変である静電容量を有する、少なくとも１つの可変キャパシタ（Ｃｓ；Ｃｓ２）から電気エネルギーを収穫するためのエネルギーハーベスティングシステム（１００）を動作させるための方法であって、
ここで、前記少なくとも１つの可変キャパシタは、前記可変キャパシタの前記静電容量が、最大の機械的なローディング中の最大静電容量と、最小の機械的なローディング中の最小静電容量との間で変わる状態で、機械的なローディングおよびアンローディングのサイクル（λ）にさらされ、
前記方法は、
・第１および第２のスイッチが非導電状態にある間、前記第１のダイオードを介して、放電時間間隔（Ｐ４）における機械的なアンローディング中に、前記少なくとも１つの可変キャパシタを電気的に放電することと、
・第１および第２のスイッチが非導電状態にある間、前記第２のダイオードを介して、充電時間間隔（Ｐ１）における機械的なローディング中に、前記少なくとも１つの可変キャパシタを電気的に充電することと、
を備え、ここにおいて、前記方法は、
前記第１のスイッチが前記非導電状態のままであるか、または前記非導電状態に設定されている間、前記放電時間間隔（Ｐ３；Ｐ５）の一部の間に、前記第２のスイッチを変調された導電状態に設定することと、
前記第２のスイッチが前記非導電状態のままであるか、または前記非導電状態に設定されている間、前記充電時間間隔（Ｐ２）の一部の間に、前記第１のスイッチを変調された導電状態に設定することと
を備える、方法。
［Ｃ１２］
前記充電時間間隔中に、
・前記最大静電容量および第１の電荷ｑ _２ に達するまで、前記第１および第２のスイッチ（Ｓ１，Ｓ２）が非導電状態にある状態で、前記少なくとも１つの可変キャパシタに対して、前記第２の電圧（Ｖ _ｂｉａｓ ）において前記第２の電圧源（Ｖ２）をクランプすることと（Ｐ１）、その後、
・ｑ _３ ＞ｑ _２ で前記少なくとも１つの可変キャパシタの第２の電荷ｑ _３ に達するか、または、ｑ _４ ＞ｑ _３ ＞ｑ _２ で第３の電荷ｑ _４ が最大電界境界値に達するかもしくは最大電界境界値に接近するまで、前記第１のスイッチ（Ｓ１）を前記変調された導電状態に設定することによって、前記第２の電圧（Ｖ _ｂｉａｓ ）における前記第２の電圧源（Ｖ２）と直列に、前記少なくとも１つの可変キャパシタに対して、前記第１の電圧（Ｖ _ｌｏａｄ ）において前記第１の電圧源（Ｖ１）をクランプすることと（Ｐ２）、
を備える、Ｃ１１に記載の方法。
［Ｃ１３］
前記放電時間間隔中に、
前記第２の電荷値ｑ _３ または第３の電荷値ｑ _４ に達した後：前記少なくとも１つの可変キャパシタの前記電圧が、前記第１の電圧と第２の電圧の合計Ｖ _ｂｉａｓ ＋Ｖ _ｌｏａｄ の値に達するまで（Ｐ３）、前記少なくとも１つの可変キャパシタの放電を可能にするために、前記第１のスイッチを前記非導電状態に設定し、前記第２のスイッチを前記変調された導電状態に保持することと、
その後、前記少なくとも１つの可変キャパシタの前記電圧が、Ｖ _ｂｉａｓ ＋Ｖ _ｌｏａｄ の前記値に達したとき：前記Ｖ _ｂｉａｓ ＋Ｖ _ｌｏａｄ の値における第４の電荷ｑ _１’ に達するまで（Ｐ４）、前記少なくとも１つの可変キャパシタのさらなる放電を可能にするために、前記第２のスイッチを前記非導電状態に設定し、前記第１のスイッチを前記非導電状態に保持することと、
その後、前記少なくとも１つの可変キャパシタを、前記第４の電荷ｑ _１’ から、前記第２の電圧（Ｖ _ｂｉａｓ ）の前記値における第５の電荷ｑ _０ までの追加の放電を可能にするために、前記第２のスイッチを前記変調された導電状態に設定することと、前記第５の電荷値ｑ _０ は、ｑ _１’ 、ｑ _２ 、ｑ _３ 、ｑ _４ のいずれよりも小さい、
を備える、Ｃ１１または１２に記載の方法。
［Ｃ１４］
前記エネルギーハーベスティングシステムの前記サイクリングを制御するために、前記方法は、
前記キャパシタを通る電流ｉ _ｃａｐ ＝＝０で、最大および最小の静電容量の状態がゼロ電流検出を使用して観察されたと仮定して、前記可変キャパシタにわたる電界の強度を導出または測定することを備え、
前記キャパシタ電圧ｖ _ｃａｐ を測定することと、および、
前記キャパシタの電極間の前記ギャップの距離を測定すること、または測定されたキャパシタ電圧ｖ _ｃａｐ および測定されたキャパシタ電流ｉ _ｃａｐ から決定される静電容量から前記ギャップの前記距離を導出することのいずれかと、
をさらに含む、
Ｃ１１～１３のいずれか一項に記載の方法。
［Ｃ１５］
前記最大静電容量または最小静電容量は、前記キャパシタを通る前記電流のゼロ交差を測定することによって決定される、Ｃ１４に記載の方法。

Claims (15)

1. 少なくとも１つの可変キャパシタ（Ｃｓ）から電気エネルギーを収穫するためのエネルギーハーベスティングシステム（１００）であって、前記少なくとも１つの可変キャパシタと、第１の電圧（Ｖ_ｌｏａｄ）を供給するための第１の電圧源（Ｖ１）および第２の電圧（Ｖ_ｂｉａｓ）を供給するための第２の電圧源（Ｖ２）と、各可変キャパシタに対して、それぞれのハーフブリッジネットワーク（Ｈ１）とを備え、
   前記第１および第２の電圧源（Ｖ１，Ｖ２）は、前記第１の電圧源の第１の極性の端子（Ｔ１１）と、前記第２の電圧源の第２の極性の端子（Ｔ２２）との間の相互接続ノード（Ｎ１）と直列接続で配置され、前記第２の極性は、前記第１の極性と逆であり、
   前記それぞれのハーフブリッジネットワークは、第１および第２のダイオードの間の共通ノード（Ｎ２）と直列に接続された前記第１のダイオード（Ｄ１）と第２のダイオード（Ｄ２）の対を備え、前記対は、前記第１の電圧源の前記第１の極性の端子（Ｔ１１）と、第２の極性の端子（Ｔ１２）との間で、前記第１の電圧源に並列に接続され、
   前記少なくとも１つの可変キャパシタは、前記共通ノード（Ｎ２）に第１のキャパシタ端子（ＴＣ１）で、および前記第２の電圧源（Ｖ２）の第１の極性の端子（Ｔ２１）に第２のキャパシタ端子（ＴＣ２）で接続され、
   ここにおいて、
   各可変キャパシタに対して、前記システムは、インダクタ（Ｌ１）と、第１のスイッチ（Ｓ１）と、第２のスイッチ（Ｓ２）とをさらに備え、
   前記インダクタ（Ｌ１）は、前記共通ノード（Ｎ２）と、前記それぞれの可変キャパシタの前記第１のキャパシタ端子（ＴＣ１）との間に接続され、
   前記第１のスイッチ（Ｓ１）は、前記第１のダイオード（Ｄ１）と並列に接続され、前記第２のスイッチ（Ｓ２）は、前記第２のダイオード（Ｄ２）と並列に接続されている、エネルギーハーベスティングシステム。
2. 前記少なくとも１つの可変キャパシタは、第１の電極層と、第２の電極層と、誘電エラストマー層とを備える電気活性ポリマーデバイスであり、ここで、前記誘電エラストマー層は、前記第１および第２の電極層の間に配置されている、請求項１に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
3. コントローラ（ＣＴ）をさらに備え、前記コントローラは、前記スイッチの各々についてのスイッチ状態を制御するために、前記ハーフブリッジネットワーク（Ｈ１）における前記第１および第２のスイッチ（Ｓ１，Ｓ２）に接続されている、請求項１または２に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
4. 前記第１および第２のスイッチの各々は、所定のスイッチングレートで前記それぞれのスイッチをアクティブにオンとオフに切り替えるための駆動素子を備え、オプションで、前記スイッチングレートは、前記可変キャパシタ上の測定された電圧、および／または、測定された充電または放電電流に基づいて、動的に調整される、請求項１～３のいずれか一項に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
5. 前記コントローラは、各可変キャパシタに対して、前記スイッチのうちの１つ以上に変調信号を供給するための変調器デバイス（Ｍ）を備える、請求項３に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
6. 前記コントローラは、前記少なくとも１つの可変キャパシタ上の電圧ｖ_ｃａｐを測定するための電圧センサ（Ｓｖ）と、前記可変キャパシタを通る電流ｉ_ｃａｐを測定するための電流センサ（Ｓｃ）とを備える、請求項３に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
7. 前記コントローラは、前記可変キャパシタ上で測定された電圧に基づいて、ループ制御によって出力電圧を調整するように構成される、請求項３に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
8. 少なくとも第２の可変キャパシタ（ＣＳ２）をさらに備え、ここにおいて、前記少なくとも１つの第２の可変キャパシタは、前記共通ノード（Ｎ２２）にその第１のキャパシタ端子（ＴＣ１－２）で、および前記第２の電圧源（Ｖ２）の前記第１の極性の端子（Ｔ２１）にその第２のキャパシタ端子（ＴＣ２－２）で接続されており、各可変キャパシタに対して、前記コントローラは、前記少なくとも１および第２の可変キャパシタについての前記エネルギーハーベスティングシステムの同期動作のための共通のクロック信号を、前記第１および第２のスイッチのうちの少なくとも１つを変調するために配置されているそれぞれの変調器デバイス（Ｍ）に供給するためのクロック信号発生器（ＣＧ）を用いて構成され、前記少なくとも第１および第２の可変キャパシタの各々の前記変調器デバイスは、前記共通のクロック信号に対するそれぞれの位相を有するように構成される、請求項５～７のいずれか一項に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
9. 接地端子（ＧＮＤ）が、前記第１および第２の電圧源の間の前記相互接続ノード（Ｎ１）において設けられるか、または接地端子（ＧＮＤ）が、前記第２の電圧源（Ｖ２）の第２の端子（Ｔ２１）において設けられるかのいずれかである、請求項１～８のいずれか一項に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
10. 前記第１の電圧源は、少なくとも抵抗器を備え、前記第１の電圧源は、関連する前記ハーフブリッジネットワークを通じて前記少なくとも１つの可変キャパシタによって加えられた電荷の変位の関数として、第１の電圧を生成するように構成される、請求項１～９のいずれか一項に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
11. 請求項１に記載の、機械的な変形の関数として可変である静電容量を有する、少なくとも１つの可変キャパシタ（Ｃｓ；Ｃｓ２）から電気エネルギーを収穫するためのエネルギーハーベスティングシステム（１００）を動作させるための方法であって、
    ここで、前記少なくとも１つの可変キャパシタは、前記可変キャパシタの前記静電容量が、最大の機械的なローディング中の最大静電容量と、最小の機械的なローディング中の最小静電容量との間で変わる状態で、機械的なローディングおよびアンローディングのサイクル（λ）にさらされ、
    前記方法は、
    ・第１および第２のスイッチが非導電状態にある間、前記第１のダイオードを介して、放電時間間隔（Ｐ４）における機械的なアンローディング中に、前記少なくとも１つの可変キャパシタを電気的に放電することと、
    ・第１および第２のスイッチが非導電状態にある間、前記第２のダイオードを介して、充電時間間隔（Ｐ１）における機械的なローディング中に、前記少なくとも１つの可変キャパシタを電気的に充電することと、
    を備え、ここにおいて、前記方法は、
    前記第１のスイッチが前記非導電状態のままであるか、または前記非導電状態に設定されている間、前記放電時間間隔（Ｐ３；Ｐ５）の一部の間に、前記第２のスイッチを変調された導電状態に設定することと、
    前記第２のスイッチが前記非導電状態のままであるか、または前記非導電状態に設定されている間、前記充電時間間隔（Ｐ２）の一部の間に、前記第１のスイッチを変調された導電状態に設定することと
    を備える、方法。
12. 前記充電時間間隔中に、
    ・前記最大静電容量および第１の電荷ｑ_２に達するまで、前記第１および第２のスイッチ（Ｓ１，Ｓ２）が非導電状態にある状態で、前記少なくとも１つの可変キャパシタに対して、前記第２の電圧（Ｖ_ｂｉａｓ）において前記第２の電圧源（Ｖ２）をクランプすることと（Ｐ１）、その後、
    ・ｑ_３＞ｑ_２で前記少なくとも１つの可変キャパシタの第２の電荷ｑ_３に達するか、または、ｑ_４＞ｑ_３＞ｑ_２で第３の電荷ｑ_４が最大電界境界値に達するかもしくは最大電界境界値に接近するまで、前記第１のスイッチ（Ｓ１）を前記変調された導電状態に設定することによって、前記第２の電圧（Ｖ_ｂｉａｓ）における前記第２の電圧源（Ｖ２）と直列に、前記少なくとも１つの可変キャパシタに対して、前記第１の電圧（Ｖ_ｌｏａｄ）において前記第１の電圧源（Ｖ１）をクランプすることと（Ｐ２）、
    を備える、請求項１１に記載の方法。
13. 前記放電時間間隔中に、
    前記第２の電荷ｑ_３または第３の電荷ｑ_４に達した後：前記少なくとも１つの可変キャパシタの電圧が、前記第１の電圧と第２の電圧の合計Ｖ_ｂｉａｓ＋Ｖ_ｌｏａｄの値に達するまで（Ｐ３）、前記少なくとも１つの可変キャパシタの放電を可能にするために、前記第１のスイッチを前記非導電状態に設定し、前記第２のスイッチを前記変調された導電状態に保持することと、
    その後、前記少なくとも１つの可変キャパシタの電圧が、Ｖ_ｂｉａｓ＋Ｖ_ｌｏａｄの前記値に達したとき：前記Ｖ_ｂｉａｓ＋Ｖ_ｌｏａｄの値における第４の電荷ｑ_１’に達するまで（Ｐ４）、前記少なくとも１つの可変キャパシタのさらなる放電を可能にするために、前記第２のスイッチを前記非導電状態に設定し、前記第１のスイッチを前記非導電状態に保持することと、
    その後、前記少なくとも１つの可変キャパシタを、前記第４の電荷ｑ_１’から、前記第２の電圧（Ｖ_ｂｉａｓ）の前記値における第５の電荷ｑ_０までの追加の放電を可能にするために、前記第２のスイッチを前記変調された導電状態に設定することと、前記第５の電荷ｑ_０は、ｑ_１’、ｑ_２、ｑ_３、ｑ_４のいずれよりも小さい、
    を備える、請求項１２に記載の方法。
14. 前記エネルギーハーベスティングシステムの前記サイクルを制御するために、前記方法は、
    前記キャパシタを通る電流ｉ_ｃａｐ＝＝０で、最大および最小の静電容量の状態がゼロ電流検出を使用して観察されたと仮定して、前記可変キャパシタにわたる電界の強度を導出または測定することを備え、
    前記キャパシタ電圧ｖ_ｃａｐを測定することと、および、
    前記キャパシタの電極間のギャップの距離を測定すること、または測定されたキャパシタ電圧ｖ_ｃａｐおよび測定されたキャパシタ電流ｉ_ｃａｐから決定される静電容量から前記ギャップの前記距離を導出することのいずれかと、
    をさらに含む、
    請求項１１～１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記最大静電容量または最小静電容量は、前記キャパシタを通る前記電流のゼロ交差を測定することによって決定される、請求項１４に記載の方法。

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