(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
収集された振動エネルギーをエネルギー貯蔵装置に効率的に転送するシステムであって、
振動エネルギーを受け取ってＡＣ出力電圧とＡＣ出力電流とを発生する圧電収集器手段であって、前記ＡＣ出力電圧と前記ＡＣ出力電流とが一緒に前記収集された振動エネルギーを構成する、前記圧電収集器手段と、
前記ＡＣ出力電圧と前記ＡＣ出力電流とに結合されるアクティブ整流器手段であって、前記ＡＣ出力電圧と前記ＡＣ出力電流とを整流して収集されたＤＣ出力電圧と収集されたＤＣ出力電流とを生成する、前記アクティブ整流器手段と、
キャパシタを前記収集されたＤＣ出力電流に結合する手段であって、前記ＡＣ出力電流の向きが反転するレベルに前記収集されたＤＣ出力電圧が達するまで前記キャパシタを充電する、前記結合する手段と、
前記向きの反転を検出する比較器手段と、
前記比較器手段の出力に応答してＤＣ−ＤＣコンバータを活性化する論理手段であって、前記向きの反転に応答して前記ＤＣ−ＤＣコンバータのインダクタへの前記キャパシタの放電を生じさせる、前記論理手段と、
を含み、
前記収集されたＤＣ出力電圧と第１の基準電圧との比較が、前記収集されたＤＣ出力電圧が前記第１の基準電圧より小さいと判定するときに、前記論理手段が前記ＤＣ−ＤＣコンバータを非活性化し、
前記アクティブ整流器手段が、収集器出力導体と第２の基準電圧との間に直列に結合される第１及び第２のスイッチと、前記収集器出力導体と前記第２の基準電圧との間に直列に結合される第３及び第４のスイッチとを含み、
前記比較器手段が、前記第３及び第４のスイッチを制御する第１の比較器と、前記第１及び第２のスイッチを制御する第２の比較器とを含み、
前記圧電収集器手段の第１の端子が、前記第１及び第２のスイッチと前記第１の比較器の第１の入力との間の接合ノードに結合され、前記圧電収集器手段の第２の端子が、前記第３及び第４のスイッチと前記第２の比較器の第１の入力との間の接合ノードに結合され、前記第１及び第２の比較器の第２の入力が前記第２の基準電圧に結合され、
前記第１及び第２の比較器が、前記ＡＣ出力電流の前記整流を制御して、前記収集器出力導体と前記第２の基準電圧との間に結合される前記キャパシタを充電し、
前記第１及び第２の比較器が、また、前記圧電収集器手段の前記ＡＣ出力電流の向きの反転を示す出力信号を発生する、システム。
【請求項２】
収集された振動エネルギーをエネルギー貯蔵装置に効率的に転送するシステムであって、
振動エネルギーを受け取ってＡＣ出力電圧とＡＣ出力電流とを発生する圧電収集器手段であって、前記ＡＣ出力電圧と前記ＡＣ出力電流とが一緒に前記収集された振動エネルギーを構成する、前記圧電収集器手段と、
前記ＡＣ出力電圧と前記ＡＣ出力電流とに結合されるアクティブ整流器手段であって、前記ＡＣ出力電圧と前記ＡＣ出力電流とを整流して収集されたＤＣ出力電圧と収集されたＤＣ出力電流とを生成する、前記アクティブ整流器手段と、
キャパシタを前記収集されたＤＣ出力電流に結合する手段であって、前記ＡＣ出力電流の向きが反転するレベルに前記収集されたＤＣ出力電圧が達するまで前記キャパシタを充電する、前記結合する手段と、
前記向きの反転を検出する比較器手段と、
前記比較器手段に応答してＤＣ−ＤＣコンバータを活性化する論理手段であって、前記向きの反転に応答して前記ＤＣ−ＤＣコンバータのインダクタへの前記キャパシタの放電を生じさせ、前記収集されたＤＣ出力電圧が第１の基準電圧より小さい前記収集されたＤＣ出力電圧と前記第１の基準電圧との比較に応答して、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを非活性化する、前記論理手段と、
を含み、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、前記収集器出力導体に結合される第１の入力と、第２の基準電圧に結合される第２の入力と、前記エネルギー貯蔵装置に電流を供給する出力と、前記収集器出力導体に結合される前記インダクタと、前記インダクタに結合される第５のスイッチと、前記インダクタに結合される整流装置とを含む、システム。
【請求項３】
収集された振動エネルギーをエネルギー貯蔵装置に効率的に転送するシステムであって、
振動エネルギーを受け取ってＡＣ出力電圧とＡＣ出力電流とを発生する圧電収集器手段であって、前記ＡＣ出力電圧と前記ＡＣ出力電流とが一緒に前記収集された振動エネルギーを構成する、前記圧電収集器手段と、
前記ＡＣ出力電圧と前記ＡＣ出力電流とに結合されるアクティブ整流器手段であって、前記ＡＣ出力電圧と前記ＡＣ出力電流とを整流して収集されたＤＣ出力電圧と収集されたＤＣ出力電流とを生成する、前記アクティブ整流器手段と、
キャパシタを前記収集されたＤＣ出力電流に結合する手段であって、前記ＡＣ出力電流の向きが反転するレベルに前記収集されたＤＣ出力電圧が達するまで前記キャパシタを充電する、前記結合する手段と、
前記向きの反転を検出する比較器手段と、
前記比較器手段に応答してＤＣ−ＤＣコンバータを活性化する論理手段であって、前記向きの反転に応答して前記ＤＣ−ＤＣコンバータのインダクタへの前記キャパシタの放電を生じさせ、前記収集されたＤＣ出力電圧が第１の基準電圧より小さい前記収集されたＤＣ出力電圧と前記第１の基準電圧との比較に応答して、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを非活性化する、前記論理手段と、
を含み、
前記論理手段が、前記収集器出力導体上の電圧を前記第１の基準電圧と比較し、前記インダクタへの前記キャパシタの放電が何時終了するかを決定する、第３の比較器を含む、システム。
【請求項４】
収集された振動エネルギーをエネルギー貯蔵装置に効率的に転送するシステムであって、
振動エネルギーを受け取ってＡＣ出力電圧とＡＣ出力電流とを発生する圧電収集器手段であって、前記ＡＣ出力電圧と前記ＡＣ出力電流とが一緒に前記収集された振動エネルギーを構成する、前記圧電収集器手段と、
前記ＡＣ出力電圧と前記ＡＣ出力電流とに結合されるアクティブ整流器手段であって、前記ＡＣ出力電圧と前記ＡＣ出力電流とを整流して収集されたＤＣ出力電圧と収集されたＤＣ出力電流とを生成する、前記アクティブ整流器手段と、
キャパシタに前記収集されたＤＣ出力電流を結合する手段であって、前記ＡＣ出力電流の向きが反転するレベルに前記収集されたＤＣ出力電圧が達するまで前記キャパシタを充電する、前記結合する手段と、
前記向きの反転を検出する比較器手段と、
前記比較器手段に応答してＤＣ−ＤＣコンバータを活性化する論理手段であって、前記向きの反転に応答して前記ＤＣ−ＤＣコンバータのインダクタへの前記キャパシタの放電を生じさせ、前記収集されたＤＣ出力電圧が第１の基準電圧より小さい前記収集されたＤＣ出力電圧と前記第１の基準電圧との第３の比較器による比較に応答して、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを非活性化する、前記論理手段と、
を含み、
前記論理手段が、それぞれ前記圧電収集器手段の何れかの側の電圧を第２の基準電圧と比較する第１及び第２の比較器の出力に結合される回路要素を含み、前記回路要素が、前記インダクタへの前記キャパシタの前記放電を開始し、そして前記向きの反転に応答して前記エネルギー貯蔵装置へ前記インダクタ内の電流を導くように前記インダクタに結合される第５のスイッチのスイッチング動作をさせて、前記圧電収集器手段のキャパシタンスを再充電する電力の浪費を実質的に取り除き、
前記回路要素が状態マシーンとして動作し、前記状態マシーンが、前記回路要素により発生される活性信号が前記ＤＣ−ＤＣコンバータを活性化する論理「１」レベルである第１の状態と、前記活性信号が前記ＤＣ−ＤＣコンバータを非活性化する論理「０」レベルである第２の状態とを有し、
前記回路要素が、前記第３の比較器の出力が論理「１」レベルから論理「０」レベルになることに応答して前記第１の状態から前記第２の状態に切り替わり、
前記回路要素が、前記第１の比較器の前記出力が論理「１」レベルから論理「０」レベルになることか又は前記第２の比較器の前記出力が論理「１」レベルから論理「０」レベルになることの何れかに応答して前記第２の状態から前記第１の状態に切り替わる、システム。
【請求項５】
収集された振動エネルギーをバッテリに効率的に転送するシステムであって、
振動エネルギーを受け取ってＡＣ出力電圧とＡＣ出力電流とを発生する圧電収集器手段であって、前記ＡＣ出力電圧と前記ＡＣ出力電流とが一緒に前記収集された振動エネルギーを構成する、前記圧電収集器手段と、
前記ＡＣ出力電圧と前記ＡＣ出力電流とをアクティブ整流器に結合する手段であって、前記アクティブ整流器が前記ＡＣ出力電圧と前記ＡＣ出力電流とを整流して収集されたＤＣ出力電圧と収集されたＤＣ出力電流とを生成し、前記アクティブ整流器が、収集器出力導体と第１の基準電圧との間に直列に結合された第１及び第２のスイッチと前記収集器出力導体と前記第１の基準電圧との間に直列に結合された第３及び第４のスイッチと前記第３及び第４のスイッチを制御する第１の比較器と前記第１及び第２のスイッチを制御する第２の比較器とを含み、前記圧電収集器手段の第１の端子が前記第１及び第２のスイッチと前記第１の比較器の第１の入力との間の接合ノードに結合され、前記圧電収集器手段の第２の端子が前記第３及び第４のスイッチと前記第２の比較器の第１の入力との間の接合ノードに結合され、前記第１及び第２の比較器の第２の入力が前記第１の基準電圧に結合され、前記第１及び第２の比較器が前記ＡＣ出力電流の整流を制御して前記収集器出力導体と前記第１の基準電圧との間に結合されるキャパシタンスを充電し、前記第１及び第２の比較器がまた前記圧電収集器手段の前記ＡＣ出力電流の向きの反転を示す出力信号を発生する、前記結合する手段と、
前記収集されたＤＣ出力電流を前記キャパシタンスへ伝導する手段であって、前記ＡＣ出力電流の向きが反転するレベルに前記収集されたＤＣ出力電圧が達するまで前記キャパシタンスを充電し、前記伝導する手段が、前記収集器出力導体に結合された第１の入力と前記第１の基準電圧に結合された第２の入力とバッテリに電流を供給する出力とを有するＤＣ−ＤＣコンバータを含み、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが前記収集器出力導体に結合されたインダクタと前記インダクタに結合された第５のスイッチと前記インダクタに結合された整流装置とを含む、前記伝導する手段と、
前記インダクタへの前記キャパシタンスの放電が何時終了するかを検出する手段であって、前記検出する手段が、前記収集器出力導体上の電圧と第２の基準電圧とを比較する第３の比較器を含む、前記検出する手段と、
前記向きの反転に応答して前記ＤＣ−ＤＣコンバータを活性化する手段であって、前記向きの反転に応答して前記ＤＣ−ＤＣコンバータの前記インダクタへの前記キャパシタンスの放電を生じさせ、前記活性化する手段が、前記第１及び第２の比較器の出力に結合される回路要素を含み、前記回路要素が、前記インダクタへの前記キャパシタンスの前記放電を開始し、そして前記向きの反転に応答して前記バッテリへ前記インダクタ内の電流を導くように前記第５のスイッチのスイッチング動作をさせて、前記圧電収集器手段の前記キャパシタンスを再充電する電力の浪費を実質的に取り除き、前記回路要素が状態マシーンとして動作し、前記状態マシーンが、前記回路要素により発生される活性化信号が前記ＤＣ−ＤＣコンバータを活性化する論理「１」レベルである第１の状態と、前記活性化信号が前記ＤＣ−ＤＣコンバータを非活性化する論理「０」レベルである第２の状態とを有し、前記回路要素が、前記第３の比較器の出力が論理「１」レベルから論理「０」レベルになることに応答して前記第１の状態から前記第２の状態に切り替わり、前記回路要素が、前記第１の比較器の前記出力が論理「１」レベルから論理「０」レベルになることか又は前記第２の比較器の前記出力が論理「１」レベルから論理「０」レベルになることの何れかに応答して前記第２の状態から前記第１の状態に切り替わる、前記活性化する手段と、
を含む、システム。
【請求項６】
請求項１に記載の収集された振動エネルギーをエネルギー貯蔵装置に効率的に転送する前記システムを利用する電子装置であって、
収集された振動エネルギーを効率的に転送する前記システムの入力に結合された電気出力を発生する圧電性エネルギー収集器と、
収集された振動エネルギーを効率的に転送する前記システムの出力に結合されたエネルギー貯蔵装置と、
前記圧電性エネルギー収集器で発生された電気出力を消費する電子回路と、
を含む、電子装置。
【請求項７】
請求項２に記載の収集された振動エネルギーをエネルギー貯蔵装置に効率的に転送する前記システムを利用する電子装置であって、
収集された振動エネルギーを効率的に転送する前記システムの入力に結合された電気出力を発生する圧電性エネルギー収集器と、
収集された振動エネルギーを効率的に転送する前記システムの出力に結合されたエネルギー貯蔵装置と、
前記圧電性エネルギー収集器で発生された電気出力を消費する電子回路と、
を含む、電子装置。
【請求項８】
請求項３に記載の収集された振動エネルギーをエネルギー貯蔵装置に効率的に転送する前記システムを利用する電子装置であって、
収集された振動エネルギーを効率的に転送する前記システムの入力に結合された電気出力を発生する圧電性エネルギー収集器と、
収集された振動エネルギーを効率的に転送する前記システムの出力に結合されたエネルギー貯蔵装置と、
前記圧電性エネルギー収集器で発生された電気出力を消費する電子回路と、
を含む、電子装置。
【請求項９】
請求項４に記載の収集された振動エネルギーをエネルギー貯蔵装置に効率的に転送する前記システムを利用する電子装置であって、
収集された振動エネルギーを効率的に転送する前記システムの入力に結合された電気出力を発生する圧電性エネルギー収集器と、
収集された振動エネルギーを効率的に転送する前記システムの出力に結合されたエネルギー貯蔵装置と、
前記圧電性エネルギー収集器で発生された電気出力を消費する電子回路と、
を含む、電子装置。
【請求項１０】
請求項５に記載の収集された振動エネルギーをバッテリに効率的に転送する前記システムを利用する電子装置であって、
収集された振動エネルギーを効率的に転送する前記システムの入力に結合された電気出力を発生する圧電性エネルギー収集器と、
収集された振動エネルギーを効率的に転送する前記システムの出力に結合されたバッテリと、
前記圧電性エネルギー収集器で発生された電気出力を消費する電子回路と、
を含む、電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的に、圧電振動ハーベスタからＤＣ−ＤＣコンバータへの電力の効率的伝送に関し、更に特定的には、圧電ハーベスタから最大量の電力を効率的に受け取るための、改善されたＤＣ−ＤＣコンバータ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近では、必要とする動作電流が極低量の種々の超低電力集積回路（しばしば「ナノパワー」集積回路と称される）が開発されている。これらの集積回路は、マイクロエネルギーハーベストデバイスを用いて環境ソーラー、振動的、熱的、及び／又は生物エネルギー源から回収又は収集される超少量の電力を動力源とすることができる。収集された電力は、通常、バッテリやスーパーキャパシタ内に保存される。（用語「ナノパワー」は、本明細書中に用いられる場合、おおよそ１マイクロアンペア未満のＤＣ電流を引き出す回路及び／又は回路要素要素を含むことを意図している）。
【０００３】
図１Ａは、従来の圧電ハーベスタ２、アクティブ整流器３、及びバッテリ又はスーパーキャパシタ６及び／又は負荷（図示せず）を充電するためのＤＣ−ＤＣコンバータ４を含むエネルギーハーベストシステム１−１を示す。ＤＣ−ＤＣコンバータ４はスイッチ制御及びＰＷＭ（パルス幅変調）回路９を含む。整流器３は４つのスイッチＳ１〜Ｓ４、２つのコンパレータＡ０及びＡ１、及び２つのインバータ２２及び２３を含む。アクティブ整流器３は、収集された電圧Ｖｈｒｖを導体１８上に生成し、その電圧ＶｈｒｖがＤＣ−ＤＣコンバータ４のスイッチ制御及びＰＷＭ回路９の入力に印加される。ＤＣ−ＤＣコンバータ４は出力電圧及び出力電流を生成し、その出力電圧及び出力電流は導体５によってバッテリ６へ供給される。コンパレータＡ１の（＋）入力はスイッチＳ１及びＳ２の制御端子を制御し、コンパレータＡ０の（＋）入力はスイッチＳ３及びＳ４の制御端子を制御する。図１Ｂに示されるように、正弦波電流源、内部キャパシタンスＣＰＩＥＺＯ、及び内部抵抗ＲＰＩＥＺＯの並列接続としてハーベスタ２をモデル化することができる。
【０００４】
任意選択的なフィルタキャパシタＣ０が導体１８と接地との間に接続されてもよい。圧電エナジーハーベスタは常に出力キャパシタンスＣＰＩＥＺＯを有し、その出力キャパシタンスＣＰＩＥＺＯは使用されるハーベスタのブランド又は種類に応じて、Ｃ０よりも必ずしも小さいわけではない。典型的には、図１ＡのＤＣ−ＤＣコンバータ４の導体１８からバッテリ６へのエネルギー伝送効率は８０〜９０％である。
【０００５】
図２を参照すると、波形は圧電ハーベスタ２の実電圧ＶＰ（ｔ）を示す。＋Ｖｈｒｖ及び−ＶｈｒｖはＤＣ−ＤＣコンバータ閾値電圧であり、それらは最大電力点追従（ＭＰＰＴ）回路（図示せず）によって定められうる。＋Ｖｈｒｖ未満のＶｈｒｖの値の場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、「オフ」状態にあり、Ｖｈｒｖを変換せず、振動エネルギーはハーベスタ出力キャパシタンスＣＰＩＥＺＯの再充電のために浪費される。
【０００６】
ハーベスタ出力電圧Ｖｐ（ｔ）の値が＋Ｖｈｒｖから−Ｖｈｒｖの間の場合は、圧電ハーベスタ２によって生成されるエネルギーは、キャパシタンスＣＰＩＥＺＯの充電及び放電によって浪費される。（キャパシタＣ０は整流器３の出力に接続され、従って、圧電ハーベスタ２によって充電及び放電されないことに留意されたい。）そのエネルギーは、図２に示されるＶＰ（ｔ）波形の遷移Ｂの時間ｔ０と時間ｔ２の間のタイムインターバル中に失われる。アクティブ整流器３の入力の電圧レベル＋Ｖｈｒｖと−Ｖｈｒｖの間、振動エネルギーがＣＰＩＥＺＯを再充電するが、そのエネルギーは、ＤＣ−ＤＣコンバータ４によって回収することができず、従って、浪費される。図１Ａに示す構造を備える圧電ハーベスタが実際に回収できるエネルギーは、圧電ハーベスタ２から入手可能なエネルギーの１／３未満である。次の論文を参照されたい。www.sciencedirect.comからオンラインで入手可能な、「スタンドアロンシステム用の数種類の振動発電式圧電ジェネレータの比較（A Comparison Between
Several Vibration-Powered Piezo Electric Generators for Stand- Alone systems）」、E. Lefeuvere, A. Badel,
C. Richard, L. Petit, 及び D. Guyomar著、2005年、サイエンスダイレクト誌、センサ及びアクチュエータA 126 (d006) 405〜416。特に図６及び７を参照されたい。
【０００７】
エネルギーがハーベスタ出力キャパシタンスＣＰＩＥＺＯ及びフィルタリングキャパシタンスＣ０に入る前に、圧電ハーベスタ２の電圧ＶＰ（ｔ）がＤＣ−ＤＣコンバータ４の入力閾値＋Ｖｈｒｖに到達するべきである。現行の振動ハーフサイクルの終了時と次の振動ハーフサイクルの開始時において、ＣＰＩＥＺＯを含む総ハーベスタ出力キャパシタンスは−Ｖｈｒｖに再充電されなければならない。この再充電エネルギー（即ち、後述するＣＶ２エネルギー）は機械的振動源と、その振動を受け取る圧電ハーベスタ２とによって供給されるが、再充電エネルギーは各振動サイクル毎に浪費される。
【０００８】
一般的に、圧電ハーベスタ２からＤＣ−ＤＣコンバータ４への電力伝送を最大にするために、圧電ハーベスタ２の等価出力インピーダンスがＤＣ−ＤＣコンバータ４の入力インピーダンスと合致するべきである。ＤＣ−ＤＣコンバータ４の入力インピーダンスは、次のようになる。
【０００９】
ＺＩＮ〜Ｖｈｒｖ／ＩＬ０（ａｖｅｒａｇｅ）
ここで、ＩＬ０（ａｖｅｒａｇｅ）はＤＣ−ＤＣコンバータ４のインダクタＬ０を通る平均電流である。これはＶｈｒｖの振幅が振動振幅に比例すべきであり、従って、一層小さいＶｈｒｖを選択することによる回収エネルギーからの浪費量の低減が可能ではないことを意味している（理由は浪費されたエネルギーＣＶ２／２の量がキャパシタンスの電圧の二乗に比例するからである）。
【００１０】
その総出力キャパシタンスＣＰＩＥＺＯが＋Ｖｈｒｖから−Ｖｈｒｖに切り替わる間に、圧電ハーベスタ２からのＣＶ２エネルギーを浪費しなければならないことを避けるために、既知の技術を用いて、圧電ハーベスタから回収されるエネルギーの量を増大させることができる。その技術は、圧電ハーベスタ２を横断してスイッチを接続し、図２の時間ｔ０でそれを電圧ＶＰ（ｔ）がゼロを通るまで一時的に短絡させるものである。回収可能なエネルギーを放散するという直感に反するこの技術により、圧電ハーベスタ２からの浪費電力量が２のファクター（factor）で低減されるため、バッテリ６の充電量を改善することができる。これによって、ＣＰＩＥＺＯを再充電するためにＣＶ２エネルギーを浪費する必要性がなくなる。更に、上述のスイッチと直列に大きいインダクタを用いることによって、圧電ハーベスタからバッテリへの電力伝送の効率を更に向上させることができる。
【００１１】
このように、圧電エナジーハーベスタからの最大量の電力を抽出するための改善された回路及び方法という未達成の需要が存在する。
【００１２】
また、従来の圧電エネルギーハーベストシステムにおける大量の電力浪費を防止する圧電エネルギーハーベストシステムの改善された実装例という未達成の需要が存在する。
【００１３】
また、追加のスイッチ及び／又はインダクタを用いることなく、圧電エネルギーハーベストシステムの効率を向上させる回路及び方法の改善された実装例という未達成の需要が存在する。
【発明の概要】
【００１４】
本発明の目的は、従来の圧電エネルギーハーベストシステムにおける大量の電力浪費を防止する圧電エネルギーハーベストシステムの改善された実装例を提供することである。
【００１５】
本発明の別の目的は、追加のスイッチ及び／又はインダクタを用いることなく、圧電エネルギーハーベストシステムの効率を向上させるための、回路及び方法の改善された実装例を提供することである。
【００１６】
簡略に説明すると、１つの実施形態によれば、本発明は、収集された振動エネルギーをバッテリ（６）に効率的に伝送するためのシステム（１−２）を提供する。システムは、ＡＣ出力電圧（Ｖｐ（ｔ））及び電流（ＩＰＺ（ｔ））を生成する圧電ハーベスタ（２）と、キャパシタンス（Ｃ０）を充電する、収集されたＤＣ電圧（Ｖｈｒｖ）及び電流（Ｉｈｒｖ）を生成するアクティブ整流器（３）とを含む。整流器のスイッチ（Ｓ１〜Ｓ４）を制御する整流器のコンパレータ（Ａ１、Ａ０）が、ＡＣ出力電流（ＩＰＺ（ｔ））の方向反転を検出すると、イネーブル回路（１７）がＤＣ−ＤＣコンバータ（４）をイネーブルさせ、それによって、キャパシタンスをコンバータに放電する。ＤＣ電圧が閾値（ＶＲＥＦ）を上回ると、別のコンパレータ（１３）がイネーブル回路（１７）にコンバータ（４）をディスエーブルさせ、それによってキャパシタンスを再充電させる。
【００１７】
一実施形態において、本発明は振動源に結合される圧電エネルギーハーベストシステム（１−２）を提供する。圧電エネルギーハーベストシステム（１−２）は、振動源から収集されるエネルギーを表わす出力電圧（Ｖｐ（ｔ））及び出力電流（ＩＰＺ（ｔ））を生成するための圧電ハーベスタ（２）を含む。アクティブ整流器（３）は、ハーベスタ出力導体（１８）と第１の基準電圧（ＧＮＤ）との間に直列に結合される第１のスイッチ（Ｓ１）及び第２のスイッチ（Ｓ２）、ハーベスタ出力導体（１８）と第１の基準電圧（ＧＮＤ）との間に直列に結合される第３のスイッチ（Ｓ３）及び第４のスイッチ（Ｓ４）を含む。第１のコンパレータ（Ａ０）が第３のスイッチ（Ｓ３）及び第４のスイッチ（Ｓ４）を制御し、第２のコンパレータ（Ａｌ）が第１のスイッチ（Ｓ１）及び第２のスイッチ（Ｓ２）を制御する。圧電ハーベスタ（２）の第１の端子（７Ａ）が、第１のスイッチ（Ｓ１）及び第２のスイッチ（Ｓ２）、及び第１のコンパレータ（Ａ０）の第１の入力（＋）の間のジャンクションに結合される。圧電ハーベスタ（２）の第２の端子（７Ｂ）が第３のスイッチ（Ｓ３）及び第４のスイッチ（Ｓ４）、及び第２のコンパレータ（Ａｌ）の第１の入力（＋）の間のジャンクションに結合される。第１のコンパレータ（Ａ０）及び第２のコンパレータ（Ａ１）はハーベスタ出力電流（ＩＰＺ（ｔ））の整流を制御し、ハーベスタ出力導体（１８）と第１の基準電圧（ＧＮＤ）との間に結合されるキャパシタンス（Ｃ０）を充電する。また第１のコンパレータ（Ａ０）及び第２のコンパレータ（Ａ１）は、圧電ハーベスタ（２）の出力電流（ＩＰＺ（ｔ））の方向反転を示す出力信号（２０−４、２０−２）を生成する。ＤＣ−ＤＣコンバータ（４）が、ハーベスタ出力導体（１８）に結合される第１の入力、第１の基準電圧（ＧＮＤ）に結合される第２の入力、及びバッテリ（６）に電流を供給するための出力（５）を有する。ＤＣ−ＤＣコンバータ（４）は、ハーベスタ出力導体（１８）に結合されるインダクタ（Ｌ０）、インダクタ（Ｌ０）に結合される第５のスイッチ（Ｓ０）、及びインダクタ（Ｌ０）に結合される整流デバイス（Ｄ）を含む。第３のコンパレータ（１３）がハーベスタ出力導体（１８）の電圧（Ｖｈｒｖ）を第２の基準電圧（ＶＲＥＦ）と比較して、インダクタ（Ｌ０）へのキャパシタンス（Ｃ０）の放電を停止する時を決定する。イネーブル回路要素（１７）が第１のコンパレータ（Ａ０）及び第２のコンパレータ（Ａ１）の出力（２０−４、２０−２）にそれぞれ結合され、インダクタ（Ｌ０）へのキャパシタンス（Ｃ０）の放電を開始させ、且つ各方向反転に応答して、第５のスイッチ（Ｓ０）にスイッチ動作を起こさせて、インダクタ（Ｌ０）内の電流をバッテリ（６）へ導き、圧電ハーベスタ（２）のキャパシタンス（ＣＰＩＥＺＯ）を再充電するためのＣＶ２電力の浪費を実質的になくす。イネーブル回路要素（１７）は、イネーブル回路要素（１７）によって生成されるイネーブル信号（ＥＮ）がＤＣ−ＤＣコンバータ（４）をイネーブルする論理「１」レベルである第１の状態（Ａ）と、イネーブル信号（ＥＮ）がＤＣ−ＤＣコンバータ（４）をディスエーブルする論理「０」レベルである第２の状態（Ｂ）とを有する状態機械（図５）として動作する。第３のコンパレータ（１３）の出力（Ｖ１６）の「１」レベルから「０」レベルへの変化に応答して、イネーブル論理回路（１７）は第１の状態（Ａ）から第２の状態（Ｂ）へ切り替える。第１のコンパレータ（Ａ０）の出力（Ｖ２０−４）の「１」レベルから「０」レベルへの変化、或いは第２のコンパレータ（Ａ１）の出力（Ｖ２０−２）の「１」レベルから「０」レベルへの変化のいずれかに応答して、イネーブル論理回路（１７）は第２の状態（Ｂ）から第１の状態（Ａ）へ切り替える。上述の実施形態では、整流デバイス（Ｄ）は同期整流器である。ＤＣ−ＤＣコンバータ（４）はブーストコンバータ、バックコンバータ、又はバックブーストコンバータであってよい。
【００１８】
一実施形態において、ＰＷＭ（パルス幅変調）回路要素（１４）がイネーブル回路要素（１７）の出力（ＥＮ）と、第５のスイッチ（Ｓ０）の制御端子との間に結合される。一実施形態では、第１のコンパレータ（Ａ０）及び第２のコンパレータ（Ａ１）の各々が第１の基準電圧（ＧＮＤ）に結合される第２の入力（−）を有する。一実施形態では、イネーブル回路要素（１７）の出力（ＥＮ）が「１」レベルのとき、ＰＷＭ回路要素（１４）が、数メガヘルツの周波数で第５のスイッチ（Ｓ０）を切り替えさせ、イネーブル回路要素（１７）の出力（ＥＮ）が「０」レベルのとき、ＰＷＭ回路要素（１４）が、第５のスイッチ（Ｓ０）を開に保つ。上述の実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ（４）はおよそ１００マイクロ秒未満のインターバル（ｔ１〜ｔ０又はｔ３〜ｔ２）の間イネーブルされる。
【００１９】
上述の実施形態では、出力電流（ＩＰＺ（ｔ））が第１の方向に流れるとき、出力電流（ＩＰＺ（ｔ））の大きさが所定の低値を下回ることに応答して、第１のコンパレータ（Ａ０）が「１」状態から「０」状態へ切り替え、出力電流（ＩＰＺ（ｔ））が第２の方向に流れるとき、出力電流（ＩＰＺ（ｔ））の大きさが所定の低値を下回ることに応答して、第２のコンパレータ（Ａ１）が「１」状態から「０」状態に切り替える。
【００２０】
一実施形態において、本発明は収集した振動エネルギーをバッテリ（６）に効率的に伝送するための方法を提供する。この方法は、振動エネルギーを圧電ハーベスタ（２）に結合することによって、収集された振動エネルギーを共に構成するＡＣ出力電圧（Ｖｐ（ｔ））及びＡＣ出力電流（ＩＰＺ（ｔ））を圧電ハーベスタ（２）に生成させること、ＡＣ出力電圧（Ｖｐ（ｔ））及びＡＣ出力電流（ＩＰＺ（ｔ））をアクティブ整流器（３）に結合し、ＡＣ出力電圧（Ｖｐ（ｔ））及びＡＣ出力電流（ＩＰＺ（ｔ））を整流して、収集されたＤＣ出力電圧（Ｖｈｒｖ）及び収集されたＤＣ出力電流（Ｉｈｒｖ）を生成すること、収集されたＤＣ出力電流（Ｉｈｒｖ）をキャパシタンス（Ｃ０）に伝導して、収集されたＤＣ出力電圧（Ｖｈｒｖ）がＡＣ出力電流（ＩＰＺ（ｔ））の方向が反転するレベルに達するまで、キャパシタンス（Ｃ０）を充電すること、アクティブ整流器（３）のコンパレータ（Ａ０、Ａｌ）を用いて方向反転を検出すること、この検出に応答して、ＤＣ−ＤＣコンバータ（４）をイネーブルして、各方向反転に応答してＤＣ−ＤＣコンバータ（４）のインダクタ（Ｌ０）へのキャパシタンス（Ｃ０）の放電を起こすこと、収集されたＤＣ出力電圧（Ｖｈｒｖ）と基準電圧（ＶＲＥＦ）との比較に応答してＤＣ−ＤＣコンバータ（４）をディスエーブルすることであって、収集されたＤＣ出力電圧（Ｖｈｒｖ）が、キャパシタンス（Ｃ０）の放電を停止し、キャパシタンス（Ｃ０）の再充電を開始させるための基準電圧（ＶＲＥＦ）未満であること、及びＤＣ−ＤＣコンバータ（４）のスイッチ（Ｓ０）を動作することによって、ＤＣ−ＤＣコンバータ（４）をイネーブルして、その結果得られるインダクタ（Ｌ０）の電流を、バッテリ（６）へ流れさせることを含み、イネーブルすることが、イネーブル信号（ＥＮ）がＤＣ−ＤＣコンバータ（４）をイネーブルする論理「１」レベルである第１の状態（Ａ）と、イネーブル信号（ＥＮ）がＤＣ−ＤＣコンバータ（４）をディスエーブルする論理「０」レベルである第２の状態（Ｂ）とを有する状態機械（１７、図５）を動作することによってイネーブル信号（ＥＮ）を生成することを含み、比較を行うコンパレータ（１３）によって生成される出力（Ｖ１６）が「１」レベルから「０」レベルへ変化することに応答して、状態機械（１７）が第１の状態（Ａ）から第２の状態（Ｂ）へ切り替え、方向反転の検出に応答して、イネーブル論理回路（１７）が第２の状態（Ｂ）から第１の状態（Ａ）に切り替える。
【００２１】
一実施形態において、イネーブルすることが、ＰＷＭ（パルス幅変調）回路要素（１４）を動作させて、イネーブル信号（ＥＮ）が「１」レベルのとき、数メガヘルツの周波数で、ＤＣ−ＤＣコンバータ（４）のインダクタ（Ｌ０）に接続されるスイッチ（Ｓ０）を切り替えさせることと、イネーブル信号（ＥＮ）が「０」レベルのとき、ＰＷＭ回路要素（１４）がスイッチ（Ｓ０）を開に維持することとを含む。
【００２２】
一実施形態において、方法は収集された振動エネルギーをバッテリ（６）に効率的に伝送するためのシステム（１−２）を提供する。このシステムは、振動エネルギーを受け取り、収集された振動エネルギーを共に構成するＡＣ出力電圧（Ｖｐ（ｔ））及びＡＣ出力電流（ＩＰＺ（ｔ））を生成するための圧電ハーベスタ手段（２）、ＡＣ出力電圧（Ｖｐ（ｔ））及びＡＣ出力電流（ＩＰＺ（ｔ））を整流して、収集されたＤＣ出力電圧（Ｖｈｒｖ）及び収集されたＤＣ出力電流（Ｉｈｒｖ）を生成するために、ＡＣ出力電圧（Ｖｐ（ｔ））及びＡＣ出力電流（ＩＰＺ（ｔ））をアクティブ整流器手段（３）に結合するための手段（１８）、収集されたＤＣ出力電流（Ｉｈｒｖ）をキャパシタンス（Ｃ０）内へ伝導して、収集されたＤＣ出力電圧（Ｖｈｒｖ）がＡＣ出力電流（ＩＰＺ（ｔ））の方向が反転するレベルに到達するまで、キャパシタンス（Ｃ０）を充電するための手段（１８）、方向反転を検出するための手段（Ａ０、Ａｌ）、検出に応答してＤＣ−ＤＣコンバータ（４）をイネーブルして、各方向反転に応答してＤＣ−ＤＣコンバータ（４）のインダクタ（Ｌ０）へのキャパシタンス（Ｃ０）の放電を起こすための手段（１７）、及び収集されたＤＣ出力電圧（Ｖｈｒｖ）と基準電圧（ＶＲＥＦ）との比較に応答してＤＣ−ＤＣコンバータ（４）をディスエーブルするための手段（１３，１７）であって、収集されたＤＣ出力電圧（Ｖｈｒｖ）が基準電圧（ＶＲＥＦ）未満である、手段（１３，１７）を含むシステム。
【００２３】
例示の実施形態を以下の添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】圧電ハーベスタとバッテリを充電するように配置されるＤＣ−ＤＣコンバータとを含む従来技術のエネルギーハーベストシステムの概略図である。
【００２５】
【図１Ｂ】図１Ａの圧電ハーベスタ２のモデルを示す。
【００２６】
【図２】図１Ａのエネルギーハーベストシステムで浪費されるエネルギーの説明に有用なグラフである。
【００２７】
【図３Ａ】本発明の圧電エナジーハーベスタシステムの概略図である。
【００２８】
【図３Ｂ】図３ＡのＤＣ−ＤＣコンバータ４の基本的な実装例の概略図である。
【００２９】
【図３Ｃ】図３ＡのＤＣ−ＤＣコンバータ４の別の基本的な実装例の概略図である。
【００３０】
【図４】図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃの圧電エナジーハーベスタシステムの動作の説明に有用なグラフである。
【００３１】
【図５】図３Ａのブロック１７のイネーブルロジックの状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図３Ａは、従来の圧電ハーベスタ２、アクティブ整流器３、コンパレータ１３、イネーブル論理回路１７、スイッチ制御及びＰＷＭ（パルス幅変調回路）１４、及びバッテリ又はスーパーキャパシタ６及び／又は負荷（図示せず）を充電するためのＤＣ−ＤＣコンバータ４を含むエネルギーハーベストシステム１−２を示す。従来技術の図１Ｂに示すように、圧電ハーベスタ２は、正弦波電流源、内部キャパシタンスＣＰＩＥＺＯ、及び内部抵抗ＲＰＩＥＺＯの並列接続としてモデル化することができる。整流回路３は、４つのスイッチＳ１〜Ｓ４、２つのコンパレータＡ０及びＡ１、及び２つのインバータ２２及び２３を含む。圧電ハーベスタ２は機械的振動エネルギー等を受け取り、それを圧電ハーベスタ２の収集されたＡＣ電圧ＶＰ（ｔ）、及びその端子７Ａ及び７Ｂの収集されたＡＣ電流（ＩＰＺ（ｔ））に変換する。導体１８と接地（即ち、ＶＳＳ）との間にフィルタリングキャパシタＣ０を接続してもよい。
【００３３】
アクティブ整流器３では、アクティブ整流器の出力Ｖｈｒｖが生成される導体１８にスイッチＳ１の第１の端子が接続される。スイッチＳ１の第２の端子が圧電ハーベスタ２の（＋）端子７ＡによってスイッチＳ２の第１の端子に接続され、スイッチＳ２の第２の端子は接地に接続される。同様に、スイッチＳ３の第１の端子が導体１８に接続される。スイッチＳ３の第２の端子は圧電ハーベスタ２の（−）端子７ＢによってスイッチＳ４の第１の端子に接続され、スイッチＳ４の第２の端子は接地に接続される。インバータ２２の出力２０−１はスイッチＳ１の制御端子に接続される。インバータ２２の入力は、導体２０−２によって、スイッチＳ２の制御端子及びコンパレータＡ１の出力に接続され、そのコンパレータＡ１の反転入力は接地に接続される。コンパレータＡ１の非反転入力は圧電ハーベスタの端子７Ｂに接続される。インバータ２３の出力は、導体２０−３によってスイッチＳ３の制御端子に接続される。インバータ２３の入力は導体２０−４によってスイッチＳ４の制御端子及びコンパレータＡ０の出力に接続される。コンパレータＡ０の反転入力は接地に接続され、その非反転入力は圧電ハーベスタの端子７Ａに接続される。このように、アクティブ整流器３のスイッチ制御回路要素は、コンパレータＡ０及びＡ１及びインバータ２２及び２３を含む。
【００３４】
アクティブ整流器３の出力導体１８は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４のハイサイド電圧入力端子に接続され、ＤＣ−ＤＣコンバータ４の出力５は、バッテリ６に接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータ４のローサイド電圧入力は接地に接続される。また、導体１８はコンパレータ回路１３の（＋）入力に接続される。アクティブ整流器３は、収集されたＤＣ出力電流Ｉｈｒｖを導体１８に、収集されたＤＣ出力電圧Ｖｈｒｖを導体１８上に生成する。コンパレータ回路１３の（−）入力は、ゼロ又は他の電圧でありうる基準電圧ＶＲＥＦに接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、図３Ｂに示すようなブーストコンバータ、図３Ｃに示すようなバックコンバータ、又はバック／ブーストコンバータ（図示せず）であってもよい。ＤＣ−ＤＣコンバータ４の現在の好ましい実施形態はブーストコンバータであるが、将来の実装例にはバックブーストコンバータが含まれることが予想される。
【００３５】
図３Ｂはブーストコンバータ４−１の簡略概略図を示す。図３Ｂでは、導体１８がインダクタＬ０の１つの端子に接続され、インダクタＬ０の他の端子は、導体１２によって、スイッチＳ０の１つの端子に、及びダイオードＤで表わす同期整流回路のアノードに接続される。インダクタＬ０は、典型的には、１０〜４０マイクロヘンリーのインダクタンスを有する。ダイオードＤのカソードは導体５によってバッテリ６に接続される。スイッチＳ０の他方の端子は接地に接続される。スイッチＳ０の制御端子は図３Ａの制御及びＰＷＭ回路１４の出力１５に接続される。
【００３６】
代替的に、ＤＣ−ＤＣコンバータ４がバックコンバータ４−２を用いて実装されてもよい。その簡略化概略図を図３Ｃに示す。図３Ｃでは、導体１８はスイッチＳ０の１つの端子に接続される。スイッチＳ０の他方の端子は、導体１２によって、インダクタＬ０の１つの端子に、及びダイオードＤで表わす同期整流回路のカソードに接続される。ダイオードＤの他方の端子は接地に接続される。インダクタＬ０の他方の端子は、導体５によってバッテリ６に接続される。ダイオードＤの他方の端子は接地に接続される。スイッチＳ０の制御端子は、図３Ａの制御及びＰＷＭ回路１４の出力１５に接続される。（Ｖｈｒｖがバッテリ電圧を上回る可能性がある場合は、バックブーストコンバータを使用すべきであることに留意されたい。）
【００３７】
再び図３Ａを参照すると、コンパレータ回路１３の出力１６はイネーブル論理回路１７の１つの入力に接続される。（イネーブル論理回路１７の回路要素の状態図を図５に示し、後述する。）イネーブル論理回路１７の他の２つの入力は、コンパレータＡ１の出力２０−２、及びコンパレータＡ０の出力２０−４にそれぞれ接続される。イネーブル論理回路１７は、それぞれ、導体１６、２０−２、及び２０−４上の信号Ｖ１６、Ｖ２０−２、及びＶ２０−４に関連するグリッチを除去／低減すること、及び図５に示す状態図に従って、導体１９上にイネーブル信号ＥＮを生成することを含む幾つかの機能を実行する。
【００３８】
図５を参照すると、図３Ａのイネーブル論理回路１７の状態図は、導体１９上に生成されるイネーブル信号ＥＮが、ＤＣ−ＤＣコンバータ４をイネーブルするための論理「１」レベルである第１の状態「Ａ」を含む。またイネーブル論理回路１７は、イネーブル信号ＥＮが論理「０」レベルである第２の状態「Ｂ」も有する。イネーブル論理回路１７が「Ａ」の状態であり、且つ条件「Ｃ」が満たされるとき、即ち、導体１６上のコンパレータ出力Ｖ１６が「１」レベルから「０」レベルに変化するとき、論理回路１７は、ＥＮが「１」である状態「Ａ」からＥＮが「０」である状態「Ｂ」へ切り替え、ＤＣ−ＤＣコンバータ４をディスエーブルさせる。イネーブル論理回路１７が状態「Ｂ」で、且つ条件「Ｄ」が満たされるとき、即ち、コンパレータＡ１の出力Ｖ２０−２が「１」レベルから「０」レベルに変化する、或いはコンパレータＡ０の出力Ｖ２０−４が「１」レベルから「０」レベルに変化するとき、イネーブル論理回路１７は、状態「Ｂ」から状態「Ａ」へ切り替え、ＤＣ−ＤＣコンバータ４をイネーブルさせる。
【００３９】
図５の簡略状態図を簡略状態機械として実装することによって、イネーブル論理回路１７を容易に提供することができる。例えば、エッジトリガフリップフロップ及び関連する僅かな論理回路要素を用いて状態機械を実装することもできる。
【００４０】
図３Ａを再び参照すると、イネーブル論理回路１７は導体１９上にコンバータイネーブル信号ＥＮを生成し、導体１９は、制御及びＰＷＭ回路１４の入力に接続される。制御及びＰＷＭ回路１４は、インダクタＬ０の電流を判定及び制限するためにＤＣ−ＤＣコンバータスイッチを制御する機能を実行する。制御及びＰＷＭ回路１４の出力１５が、ＤＣ−ＤＣコンバータ４のインダクタＬ０内の電流の流れを制御するスイッチＳ０（図３Ｂ又は図３Ｃに示す）のゲートに結合される。
【００４１】
動作において、図３ＡのコンパレータＡ１の（＋）入力の論理レベルはスイッチＳ１及びＳ２の制御端子を制御し、コンパレータＡ０の（＋）入力の論理レベルはスイッチＳ３及びＳ４の制御端子を制御する。圧電ハーベスタ電流ＩＰＺ（ｔ）の大きさが最大又は最小値に到達するとき、コンパレータＡ０及びＡ１は状態を切り替え、図４のＶｐ（ｔ）波形の遷移Ａは、スイッチＳ１及びＳ４が閉じ、他の２つのスイッチＳ２及びＳ３が開いている間、ＩＰＺ（ｔ）がスイッチＳ１を介して流れ、キャパシタＣ０を比較的ゆっくりと充電するにつれて、Ｖｐ（ｔ）が減少する様子を示す。
【００４２】
時間ｔ０で、ＩＰＺ（ｔ）の方向が反転するとき、Ｖｐ（ｔ）波形の遷移Ｂは、キャパシタＣ０が（例えば、図３Ｂ又は３Ｃに示すような）インダクタＬ０へ比較的急速に放電される様子を示す。ＤＣ−ＤＣコンバータ４が、時間ｔ０でイネーブルされ、インダクタ電流を出力導体５へ導き、バッテリ６を充電する。Ｃ０が０ボルトまで放電されると、ＤＣ−ＤＣコンバータ４はディスエーブルされる。
【００４３】
同様に、充電遷移Ｃの終わりの時間ｔ２でＩＰＺ（ｔ）の方向が反転するとき、波形Ｖｐ（ｔ）の遷移Ｄは、キャパシタＣ０がインダクタＬ０へ比較的高速に放電される様子を示す。ＤＣ−ＤＣコンバータ４が、時間ｔ２でイネーブルされ、インダクタ電流を出力導体５へ導き、バッテリ６を充電する。Ｃ０が０ボルトまで放電される間、ＤＣ−ＤＣコンバータ４はディスエーブルされる。
【００４４】
図３Ａのアクティブ整流器３のコンパレータＡ０及びＡ１を含むスイッチ制御回路要素は、現在の振動サイクルの正及び負の位相の間Ｃ０及びＣＰＩＥＺＯを充電する間、圧電ハーベスタ電流ＩＰＺ（ｔ）の大きさがゼロまで下がる毎に、収集されたＡＣ信号ＩＰＺ（ｔ）の同期整流を制御するようにスイッチＳ１〜Ｓ４の動作を決定する。コンパレータＡ０は、スイッチＳ４をオフにし、スイッチＳ３をオンにし（又はコンパレータＡ１がスイッチＳ２をオフにし、スイッチＳ１をオンにし）、圧電ハーベスタ２に付与された振動エネルギーは、圧電ハーベスタ２及びアクティブ整流器３が引き続き生成する如何なる量でもその量の電流Ｉｈｒｖと共に、（例えば、図３Ｂ又は３Ｃにあるような）インダクタＬ０に伝導され、そこで保存される。ＤＣ−ＤＣコンバータ４の通常の動作に従って、インダクタＬ０に保存された電流は、バッテリ６へ導かれる。コンパレータ１３は、ＶｈｒｖがＶＲＥＦを下回る場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ４をディスエーブルさせる。充分な強さの振動が継続する限り、上述のプロセスが継続する。
【００４５】
ＤＣ−ＤＣコンバータ４をイネーブルすることは、正常なＤＣ−ＤＣ変換動作のために必要に応じてＳ０を動作させることである。ＤＣ−ＤＣコンバータ４をディスエーブルすることは単に、インダクタＬ０に接続されたスイッチＳ０をオフ状態に維持することである。
【００４６】
このように、図３ＡのＤＣ−ＤＣコンバータ４は、圧電ハーベスタ２の電流ＩＰＺ（ｔ）の方向を検知することによって制御される。それには、出力Ｖ２０−２又はＶ２０−４のいずれかが「０」レベルであるときを判定することが含まれる。圧電ハーベスタ２からの電圧ＶＰ（ｔ）がそのピーク値に到達すると、圧電ハーベスタ電流ＩＰＺ（ｔ）は方向を反転する。
【００４７】
圧電ハーベスタ２によって生成されるすべての電流ＩＰＺ（ｔ）がキャパシタンスＣ０及びＣＰＩＥＺＯを充電するために使用され、本質的に何も浪費されないことは、従来技術の図１Ａのハーベストシステムに比べて有利である。ＤＣ−ＤＣコンバータ４がイネーブルに維持される短いインターバルの間（即ち、図４の時間ｔ０〜ｔ１まで）、圧電ハーベスタ２によって生成されるすべての電流、及びキャパシタＣ０及びＣＰＩＥＺＯに現行保存されている本質的にすべての電荷が、ＤＣ−ＤＣコンバータ４のインダクタＬ０へ急速に放電される。同時に、ＤＣ−ＤＣコンバータ４の通常の動作に従って、ＤＣ−ＤＣコンバータ４がイネーブルに維持される間、ＤＣ−ＤＣコンバータ４のインダクタＬ０に保存されているエネルギーがバッテリ６へ導かれる。振動周波数は、典型的に約２ｋＨｚ未満であり、制御及びＰＷＭ回路１４によって確立されるＤＣ−ＤＣコンバータ４のスイッチング周波数は、典型的には数メガヘルツである。
【００４８】
図１Ａ及び図３Ａに示す圧電ハーベストシステム及び図２及び図４に示す関連する波形の分析により、図３Ａに示す圧電ハーベストシステム１−２が、図１Ａの従来技術の圧電ハーベストシステム１−１に比べて、圧電エネルギーのハーべスト効率が約４倍向上していることが容易にわかる。
【００４９】
図４の波形を参照すると、圧電ハーベスタ２の電圧の極性に応じて、遷移Ａ又は遷移Ｃの間、アクティブ整流器３の出力導体１８を介して、キャパシタンスＣ０及びＣＰＩＥＺＯを再充電することによって、導体１８のハーベスタ出力電圧ＶＰ（ｔ）は、最大値又は最小値に到達するまで増加する。その時点で、イネーブル論理回路１７によって生成されるイネーブル信号ＥＮによって、ＤＣ−ＤＣコンバータ４が事実上イネーブルされ、時間ｔ０で開始し、ゼロでありうるＶＲＥＦにＶｐ（ｔ）が等しくなる時間ｔ１まで継続される。これは、ＶｈｒｖがＶＲＥＦを上回るのに充分な振動変位がある場合、Ｃ０及びＣＰＩＥＺＯがインダクタＬ０へ完全に放電されるとき起こる。充電されたキャパシタンスＣ０及びＣＰＩＥＺＯは、インダクタＬ０へ放電されるので、その結果のインダクタＬ０に保存された電流は、制御及びＰＷＭ回路１４の通常のスイッチング手順に従って、バッテリ６へ伝送される。
【００５０】
詳細には、図４のＶｐ（ｔ）波形の「充電遷移」Ａの間、アクティブ整流器３がＤＣ−ＤＣコンバータ４から事実上切断され、ＤＣ−ＤＣコンバータ４はディスエーブルされる。充電遷移Ａの間、圧電ハーベスタ２によって生成される電流ＩＰＺ（ｔ）が、キャパシタンスＣ０及びＣＰＩＥＺＯを充電する。ＩＰＺ（ｔ）の減少する大きさがゼロに到達するにつれて、Ｖｐ（ｔ）の大きさがその最大に到達すると、ＥＮに応答して、ＤＣ−ＤＣコンバータ４がイネーブルされる。次に、Ｖｐ（ｔ）波形の「放電遷移」Ｂの間、キャパシタンスＣ０及びＣＰＩＥＺＯがインダクタＬ０に放電され、制御及びＰＷＭ回路１４がスイッチＳ０を動作させて、インダクタＬ０に保存された電流をバッテリ６へ導く。充電遷移Ｃの動作と放電遷移Ｄの動作は、Ｖｐ（ｔ）の極性が反対であること以外は、同様である。
【００５１】
圧電ハーベスタ電圧ＶＰ（ｔ）がピークの大きさに到達すると、ＩＰＺ（ｔ）の、対応するＩＰＺ（ｔ）電流方向反転がコンパレータＡ０及びＡ１の一方の出力における反転として検出される。そのＩＰＺ（ｔ）方向反転に応答して、ＤＣ−ＤＣコンバータ４が直ちにイネーブルされる。
【００５２】
振動サイクル中、Ｃ０及びＣＰＩＥＺＯが並列に接続され、ＤＣ−ＤＣコンバータ４がディスエーブルされる、即ち、同一の振動ハーフサイクル中に圧電ハーベスタ２から事実上切断される間、Ｃ０の電圧Ｖｈｒｖは圧電ハーベスタ２の電圧ＶＰ（ｔ）よりＣ０／ＣＰＩＥＺＯ倍小さい。ＤＣ−ＤＣコンバータ４が図３Ｂのブーストコンバータ４−１を用いて実装される場合、Ｖｈｒｖはバッテリ６の３〜４ボルト電圧によって制限され、バッテリ６はインダクタＬ０を介して導体１８に事実上短絡される（Lefeuvereら著の上述の参考文献を参照されたい）。
【００５３】
ＤＣ−ＤＣコンバータ４がイネーブルされるとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、インダクタＬ０への最大許容電流（図４において、電流パルスＥ及びＦで示す）のＣ０及びＣＰＩＥＺＯが完全に放電されるまでの伝導を開始し、同時に、その結果のインダクタＬ０の電流を制御及びＰＷＭ回路１４の出力に従ってバッテリ６へ導く。次いでＤＣ−ＤＣコンバータ４が直ちにディスエーブルされるか、又は次の振動ハーフサイクルの終わりまで、Ｖｈｒｖから事実上切断され、その間、Ｃ０及びＣＰＩＥＺＯが圧電ハーベスタ２によって再充電される。Ｃ０及びＣＰＩＥＺＯの放電電時間は、およそ１００マイクロ秒未満であり、従って、振動サイクルの持続時間に比べて無視することが可能である。振動サイクルの持続時間は、典型的には、およそ数ミリ秒未満である。（Ｃ０及びＣＰＩＥＺＯの放電時間は、典型的には、振動サイクルの少なくとも１００倍小さい（振動サイクルは、図４に示すものより、相対的にはるかに短い）。）
【００５４】
上述の圧電エネルギーハーベストシステムは、圧電ハーベスタから最大電力を抽出するための関連する回路要素を含む新規のＤＣ−ＤＣコンバータ構造を提供することによって、図１Ａに示す従来技術の大量電力浪費特性を防止する。これは、圧電ハーベスタを通る電流の方向における反転を検知し、その情報を用いて、現行の振動ハーフサイクルの初期に圧電ハーベスタによって生成された電荷及び電流の全てを伝送するために必要な場合にのみＤＣ−ＤＣコンバータをイネーブルするアクティブ整流器を用いことによって達成される。これは、付加的なスイッチを用いることなく達成される。
【００５５】
このように、圧電ハーベスタ２によって生成された振動エネルギーは完全に使用され、浪費的な散逸が生じない。Ｃ０は各振動サイクルで完全に放電される。これは、圧電ハーベスタ２の入力インピーダンスが、Ｒｉｎ〜１／ωＣ０に等しいことを意味する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４の入力インピーダンスは、キャパシタンスＣ０の適切な選択によって、圧電ハーベスタ２の出力インピーダンスに合致させることができる。
【００５６】
例示の実施形態の文脈で説明したような特徴又はステップのすべて又はその幾つかを有する例示の実施形態の文脈で説明した一つ又はそれ以上の特徴又はステップの異なる組合せを有する実施形態も、本明細書に包含されることを意図している。当業者にとっては本発明の請求の範囲内で他の多くの実施形態及び変形が可能であることが理解されるであろう。
【図１Ｂ】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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