(57)【要約】  第１電圧（Ｖｅ）のエネルギーを第２電圧（Ｖｓ）に変換するシステムであり、本システムは、電圧（Ｖｅ）のエネルギーソース（６）と、放電スイッチ（１８）と、可変キャパシタ（２０２）および収集手段（２０８）を備え、また、上記放電スイッチ（２１８）と上記エネルギーソース（６）との間に設けられた充電スイッチ（２１２）と、上記可変キャパシタ（２０２）と上記収集手段（２０８）との間に設けられた転送スイッチ（２１６）とを備え、更に、制御手段を備え、該制御手段により、ａ）最初のステップで、一方で上記放電スイッチ（２１８）および上記転送スイッチ（２１６）が開いている間に、上記充電スイッチ（２１２）を閉じて上記キャパシタ（２０２）を充電し、ｃ）続くステップで、上記充電スイッチ（２１２）が開いている間に上記放電スイッチ（２１８）が短時間だけ閉じ、上記可変キャパシタ（２０２）の少なくとも部分的な放電を可能とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変換システムにより、第１電圧（Ｖｅ）の電気エネルギーを前記第２電圧（Ｖｓ）の電気エネルギーに変換するための方法であり、前記変換システムは、充電スイッチ（２１２）を通じて可変キャパシタ（２０２）に接続された前記第１電圧（Ｖｅ）の少なくとも一つの電圧源（６）と、前記可変キャパシタと並列に配置された放電スイッチ（１８）と、前記第２電圧（Ｖｓ）のエネルギーを収集する手段（２０８）と、前記可変キャパシタ（２０２）と前記収集手段（２０８）との間でエネルギーを転送する手段（２１６）とを備え、前記可変キャパシタは、固定プレートと、前記固定プレートから離れる方向に移動可能であると共に前記固定プレートに向かう方向に移動可能な可動プレートと、前記可動プレートを、その初期位置に復帰させるための弾性手段とを備え、本方法は、完全な１つの変換サイクルについて、
ａ）前記第１電圧（Ｖｅ）で前記可変キャパシタ（２０２）を充電すると共に、前記放電スイッチが開いた状態を維持している間に前記充電スイッチ（２１２）を閉じて、前記キャパシタのキャパシタンスを増加させる前記可動プレートの変位を誘発させるステップと、
ｂ）一定電荷での前記キャパシタの動作を可能とするために、前記放電スイッチ（２１８）を開いた状態に保持している間に前記充電スイッチ（２１２）を開き、前記キャパシタ（２０２）のキャパシタンスが継続して増加するステップと、
ｃ）前記可変キャパシタ（２０２）の少なくとも部分的放電を可能とすると共に、前記可動要素の移動を反転させるために、前記放電スイッチ（２１８）を閉じるステップと、を備え、        
前記転送手段は、前記可動電極の移動中に前記キャパシタから前記収集手段へのエネルギー転送を提供する方法。
【請求項２】
第１電圧（Ｖｅ）の電気エネルギーから第２電圧（Ｖｓ）の電気エネルギーへの変換システムであり、充電スイッチ（１２；１１２；２１２）を通じて可変キャパシタ（２；１０２；２０２）に接続された少なくとも一つの前記第１電圧（Ｖｅ）の電圧源と、前記可変キャパシタと並列に配置された放電スイッチ（１８；１１８；２１８）と、前記第２電圧（Ｖｓ）のエネルギー収集手段（８；１０８；２０８）と、前記可変キャパシタ（２０２）と前記収集手段（２０８）との間でエネルギーを転送する手段（４；１６；１０４；１１６；２１６）とを備え、前記可変キャパシタ（２０２）は、固定プレートと、前記固定プレートから離れる方向に移動可能であると共に前記固定プレートに向かう方向に移動可能な可動プレートと、前記可動プレートを、その初期位置に復帰させるための弾性手段と、を備え、
前記変換システムは、また、前記充電スイッチおよび前記放電スイッチを制御するための手段を備え、１つの変換サイクルについて、
ａ）第１ステップで、前記放電スイッチが開かれると共に前記充電スイッチが閉じられて前記キャパシタを前記第１電圧（Ｖｅ）で充電し、前記可動プレートが変位されて前記キャパシタのキャパシタンスを増加させ、
ｂ）第２ステップで、前記充電スイッチが開かれると共に前記放電スイッチ開かれた状態に保持されて、一定電荷での前記キャパシタの動作を可能とし、前記キャパシタのキャパシタンスが継続して増加し、
ｃ）第３ステップで、前記放電スイッチが閉じられて、少なくとも前記可変キャパシタの部分的な変位が前記可動要素の移動の反転をもたらし、
前記転送手段が、前記可動電極の移動中に前記キャパシタから前記収集手段にエネルギーを転送する変換システム。
【請求項３】
前記スイッチは、前記キャパシタ（２；１０２；２０２）のキャパシタンスが最小であるときに前記充電スイッチ（１２；１１２；２１２）が閉じられるように制御される請求項２記載の変換システム。
【請求項４】
前記スイッチは、前記キャパシタ（２；１０２；２０２）のキャパシタンスが最大であるときに前記充電スイッチ（１８；１１８；２１８）が閉じられるように制御される請求項２記載の変換システム。
【請求項５】
前記キャパシタの電極のうちの一つ（２０２．２）は、転送スイッチまたはダイオード（２１６）を通じて前記収集手段（２０８）に接続された請求項２記載の変換システム。
【請求項６】
前記転送スイッチまたはダイオード（２１６）は、前記可変キャパシタンスにおける減少に相当する前記可変キャパシタの可動電極（２０２．２）の移動フェーズ中に導通している請求項５記載の変換システム。
【請求項７】
前記可変キャパシタは第１キャパシタ（２，１０２）を構成し、本システムは、また、第２可変キャパシタ（４，１０４）を備え、該第２可変キャパシタは、少なくとも、固定プレート（４．１；１０４．１）と、前記固定プレートから離れる方向に移動可能な可動プレート（４．２；１０２．２）とを備え、前記第１および第２キャパシタにおける前記可動プレートは動きが固定され、前記第２可変キャパシタ（４，１０４）は、転送スイッチまたはダイオード（１６，１１６）を通じて前記収集手段（８）に接続された請求項２記載の変換システム。
【請求項８】
前記第２キャパシタ（４）は、前記可動プレート（４．２）の両側に配置された二つの固定プレート（４．１ａ，４．１ｂ）を備えた請求項７記載の変換システム。
【請求項９】
各キャパシタは固定プレート（１０２．１，１０４．１）を備え、それぞれは、共通可動プレート（１０２．２）の片側に配置された請求項７記載の変換システム。
【請求項１０】
前記第１キャパシタ（１０２）の第１固定プレート（１０２．１）は、前記第２キャパシタ（１０４）の第２固定プレート（１０４．１）の表面上の可動プレート（１０２．２）に対向する表面を備えた請求項９記載の変換システム。
【請求項１１】
前記放電スイッチ（１８；１１８；２１８）の閉期間は、前記変換サイクルの期間の１００分の１よりも小さい請求項２記載の変換システム。
【請求項１２】
前記放電スイッチ（１８；１１８；２１８）は、前記可変キャパシタ（２；１０２；２０２）の前記可動プレートおよび前記固定プレート上に支持された要素から構成され、前記放電は、前記プレート上に支持された複数の要素を相互に接続することにより生じる請求項２ないし１１の何れか１項記載の変換システム。
【請求項１３】
スイッチは、時間、可動プレートの位置の値、前記キャパシタのうちの一つのキャパシタンス、キャパシタの端子の電圧、またはキャパシタの端子の電圧の微分係数に応じて制御される請求項１ないし１１の何れか１項記載の変換システム。
【請求項１４】
当該システムは、シリコンから製造された集積システムである請求項２ないし１３の何れか１項記載の変換システム。
【請求項１５】
前記復帰手段は、バネ、ブレード、変形可能なビームの中から選択されたものである請求項２ないし１４の何れか１項記載の変換システム。
【請求項１６】
電気エネルギー変換アセンブリであり、当該電気エネルギー変換アセンブリは、請求項２ないし１５の何れか１項による少なくとも二つの変換システムを備え、当該アセンブリは、第１電圧の第１エネルギーを複数の第２電圧の複数の第２エネルギーに変換する機能を有する電気エネルギー変換アセンブリ。
【請求項１７】
当該システムは、共通の可動電極を備えた請求項１６記載の電気エネルギー変換アセンブリ。
【請求項１８】
請求項２ないし１５の何れか１項による少なくとも一つの電気エネルギー変換システムまたは請求項１６または１７の何れか１項による変換アセンブリを備えた電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明、第１電位の電源ソースにより供給される電気エネルギーを、電気システムにより使用される別の電位の電気エネルギーに変換するように設計された小型の電力変換器(electrical converter)に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電源により供給される電気エネルギーは、例えば２２０Ｖの電圧であり、多くの電気製品、とりわけ携帯型電気製品は、低動作電圧、例えば１２Ｖまたは１４Ｖを必要とする。従って、これは、電力変換器とも称される電気エネルギー変換器の使用を必要とし、通常、このシステムは誘導型(inductive type)である。
【０００３】
電力変換器は、次の原理に基づいて動作する。任意のソースからの所定電位または所定電流の電気エネルギーは別の形式で蓄積(store)され、そして、所望電位または所望電流の電気形式でリストア(restore)される。
【０００４】
電気エネルギーは、公知の方法で磁気形式で電気／電気変換構造体（インダクタンス、変圧器）に蓄えられる。しかしながら、電磁気素子に基づくこれらの変換構造体は、良好な電気性能を提供するためには十分に大きくなければならない。もし誘導型電磁気系のサイズを小さくすれば、磁気素子に蓄えられるエネルギーに対して巻線による抵抗損失が極めて大きくなり、従って、効率が極めて低くなり、このことは、極めて低い効率が許容されない限り、例えばシリコン上に集積されたシステムなどの極めて小型のシステムでは全く魅力がない。
【０００５】
また、これらの構造体は電流循環(current circulation)を必要とし、これはまた、細い配線(small wires)における温度上昇とエネルギー損失をもたらす。
【０００６】
文献ＵＳ６３１７３４２に可変キャパシタ(variable captor)を用いた電圧変換器が記載されている。この変換器は高エネルギー損失を発生させる。また、それは、必然的に共振動作し、電荷を転送させるために外部クロックを必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の目的の一つは、良好な性能を備えた小型の電力変換システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は、可変の空隙を有する少なくとも一つのキャパシタを用いた静電構造を用いた機械的形式(mechanical form)でエネルギーが蓄えられ、上記変換を生じさせる上記キャパシタの可動片(armatures)間に静電力が現れるシステムによって達成される。一定電荷での動作ステップはシステム損失を低減させ、それにより、その性能は、従来技術によるシステムで可能な性能を上回る。
【０００９】
従って、上記変換は、静電力によって発生される機械的動作(mechanical movement)を含む。
【００１０】
蓄積は、例えば運動エネルギー及び／又は位置エネルギーなどの機械的エネルギーの形式で行われ、位置エネルギーは、場合によっては、ビーム(beam)のたわみ(spring)または曲げ(bending)の圧縮(compression)のような機械的変形エネルギーである。
【００１１】
本発明によるシステムは、可動片を備えた少なくとも一つの可変キャパシタを備え、前記キャパシタは、前記可動片を変位させることにより、例えばバネを変形させることにより、所定電圧の電気エネルギーを機械的エネルギーに変換する機能を有し、従って、機械的エネルギーが、前記バネに蓄えられ、そして、この機械的エネルギーが、前記可動片の新たな変位分だけ、他の電位の電気エネルギーに変換される。そして、前記静電構造体は、アクチュエータモードで使用され、そして、エネルギー変換モードで使用される。
【００１２】
他の実施形態では、本システムは二つのキャパシタを備え、一つは、可動片を変位させる主機能を有し、他の一つは、とりわけ、電圧を修正する主機能を有する。
【００１３】
本発明によるシステムは、電圧ステップダウンまたは電圧ステップアップで作動することができる。
【００１４】
本発明によれば、極めて小型の変換器が可能である。電磁気変換器についての場合と異なり、静電変換を用いて、構造体の単位体積あたりのキャパシタンスは、そのサイズが減少されるにつれて増加し、従って、単位体積あたりの変換可能なエネルギーは高くなる。表面積は増加し、材料構造はより良好であり、空隙は低減される。
【００１５】
また、静電システムにおいて、機械的力は、電流よりもエネルギーを蓄積するために電圧／電界によって生成され、従って、小さい断面積を有する配線における電流の循環に起因するエネルギー消費は存在せず、また温度上昇も存在しない。
【００１６】
また、シリコンのような単結晶材料は、極めて小型のシステムの場合に使用されることができ、そして、変換システムの機械的減衰(mechanical damping)は極めて小さく、機械的Ｑ値(mechanical quality factor)は非常に高く、その結果、極めて低い機械的損失が得られる。
【００１７】
そして、携帯型電子機器での使用に適合した極めて小型の集積システムを作成することが可能になる。
【００１８】
複数の電圧値の電気エネルギーへ変換させるために、複数のシステムを組み合わせることが可能である。
【００１９】
とりわけ、一つの有利な変換システムは、二つの注目すべきモード：即ち、
−  電荷の電位が、電流循環を伴うことなく、徐々に変化する第１モードと、
−  電荷が、電位差を伴うことなく循環する第２モードで動作する。
【００２０】
これらの二つのモードでの本システムの動作は、引き続いて、電荷転送(charge transfer)における無損失をもたらすことができる。変換システムにおいて消費される電力は、電流と電圧差の積に等しく、これらの二つのモードでは常にゼロであり、なぜならば、各モードにおける要素の一つは常にゼロだからである。そして、本発明によるシステムは、変換中の低エネルギー損失を達成する。
【００２１】
また、いわゆる“スイッチドキャパシタ”システムが存在し、その動作原理は、固定された機械的構造を有する少なくとも二つのキャパシタによりエネルギーを転送することから構成され、それらの接続を並列と直列とに連続的にスイッチングさせることによっている。
【００２２】
しかしながら、エネルギーは、ソースと、このソースに接続される直前のキャパシタとの間の電圧差が存在する場合にのみ転送される。その結果、消費によるエネルギー損失は、スイッチが電圧差により閉じられたときに発生する。
【００２３】
そして、本発明の主題は、変換システムにより、第１電圧の電気エネルギーを前記第２電圧の電気エネルギーに変換するための方法であり、前記変換システムは、充電スイッチを通じて可変キャパシタに接続された前記第１電圧の少なくとも一つの電圧源と、前記可変キャパシタと並列に配置された放電スイッチと、前記第２電圧のエネルギーを収集する手段と、前記可変キャパシタと前記収集手段との間でエネルギーを転送する手段とを備え、前記可変キャパシタは、固定プレートと、前記固定プレートから離れる方向に移動可能であると共に前記固定プレートに向かう方向に移動可能な可動プレートと、前記可動プレートを、その初期位置に復帰させるための弾性手段とを備え、本方法は、完全な１つの変換サイクルについて、ａ）前記第１電圧で前記可変キャパシタを充電すると共に、前記放電スイッチが開いた状態を維持している間に前記充電スイッチを閉じて、前記キャパシタのキャパシタンスを増加させる前記可動プレートの変位を誘発させるステップと、ｂ）一定電荷での前記キャパシタの動作を可能とするために、前記放電スイッチを開いた状態に保持している間に前記充電スイッチを開き、前記キャパシタのキャパシタンスが継続して増加するステップと、ｃ）前記可変キャパシタの少なくとも部分的放電を可能とすると共に、前記可動要素の移動を反転させるために、前記放電スイッチを閉じるステップと、を備え、前記転送手段は、前記可動電極の移動中に前記キャパシタから前記収集手段へのエネルギー転送を提供する。
【００２４】
本発明の他の主題は、第１電圧の電気エネルギーから第２電圧の電気エネルギーへの変換システムであり、充電スイッチを通じて可変キャパシタに接続された少なくとも一つの前記第１電圧の電圧源と、前記可変キャパシタと並列に配置された放電スイッチと、前記第２電圧のエネルギー収集手段と、（前記可変キャパシタと前記収集手段との間で）エネルギーを転送する手段とを備え、前記可変キャパシタは、固定プレートと、前記固定プレートから離れる方向に移動可能であると共に前記固定プレートに向かう方向に移動可能な可動プレートと、前記可動プレートを、その初期位置に復帰させるための弾性手段と、を備え、前記変換システムは、また、前記充電スイッチおよび前記放電スイッチを制御するための手段を備え、１つの変換サイクルについて、ａ）第１ステップで、前記放電スイッチが開かれると共に前記充電スイッチが閉じられて前記キャパシタを前記第１電圧で充電し、前記可動プレートが変位されて前記キャパシタのキャパシタンスを増加させ、ｂ）第２ステップで、前記充電スイッチが開かれると共に前記放電スイッチ開かれた状態に保持されて、一定電荷での前記キャパシタの動作を可能とし、前記キャパシタのキャパシタンスが継続して増加し、ｃ）第３ステップで、前記放電スイッチが閉じられて、少なくとも前記可変キャパシタの部分的な変位が前記可動要素の移動の反転をもたらし、前記転送手段が、前記可動電極の移動中に前記キャパシタから前記収集手段にエネルギーを転送する。
【００２５】
有利には、前記スイッチは、前記キャパシタのキャパシタンスが最小であるときに前記充電スイッチが閉じられるように制御される。
【００２６】
前記スイッチは、有利には、前記キャパシタのキャパシタンスが最大であるときに前記放電スイッチが閉じられるように、前記スイッチが制御される。
【００２７】
例えば、前記キャパシタの電極のうちの一つは、転送スイッチまたはダイオードを通じて前記収集手段に接続されてもよい。前記転送スイッチまたはダイオードは、前記可変キャパシタンスにおける減少に相当する前記可変キャパシタの可動電極の移動フェーズ中に導通していてもよい。
【００２８】
一実施形態において、前記可変キャパシタは第１キャパシタを構成し、本システムは、また、第２可変キャパシタを備え、該第２可変キャパシタは、少なくとも、固定プレートと、前記固定プレートから離間し前記固定プレートから離れる方向に移動可能な可動プレートとを備え、前記第１および第２キャパシタにおける前記可動プレートは動きが固定され、前記第２可変キャパシタは、転送スイッチまたはダイオードを通じて前記収集手段に接続される。前記第２キャパシタは、有利には、前記可動プレートの両側に配置された二つの固定プレートを備える。
【００２９】
他の実施形態では、各キャパシタは固定プレートを備え、それぞれは、共通可動プレートの片側に配置されている。
【００３０】
有利には、前記第１キャパシタの第１固定プレートは、前記第２キャパシタの第２固定プレートの表面上の可動プレートに対向する表面を提供する。
【００３１】
放電スイッチ閉期間は、有利には、前記変換サイクルの期間の１００分の１よりも小さい。
【００３２】
例えば、前記放電スイッチは、前記可変キャパシタの前記可動プレートおよび前記固定プレート上に支持された要素から構成され、前記放電は、前記プレート上に支持された複数の要素を相互に接続することにより生じる。
【００３３】
スイッチは、時間、または可動プレートの位置の値、または前記キャパシタのうちの一つのキャパシタンス、キャパシタの端子の電圧、またはキャパシタの端子の電圧の微分係数(derivative)に応じて制御される。
【００３４】
本システムは、シリコンから製造された集積システムであってもよい。
【００３５】
復帰手段は、例えば、バネ、ブレード、変形可能なビームの中から選択されてもよい。
【００３６】
本発明の他の主題は、電気エネルギー変換アセンブリ(Electrical energy conversion assembly)であり、該電気エネルギー変換アセンブリは、本発明による少なくとも二つの変換システムを備え、当該アセンブリは、第１電圧の第１エネルギーを複数の第２電圧の複数の第２エネルギーに変換する機能を有し、本システムは、共通の可動電極を備えてもよい。
【００３７】
本発明の他の主題は、本発明による少なくとも一つの電気エネルギー変換システムまたは本発明による変換アセンブリを備えた電子装置である。
【００３８】
本発明は、後述の説明および添付の図面を参照することにより、より良く理解することができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による変換システムの第１実施形態を図式的に示す図である。
【図２Ａ】図１における本システムの特性をグラフにより示す図である。
【図２Ｂ】図１における本システムの特性をグラフにより示す図である。
【図２Ｃ】図１における本システムの特性をグラフにより示す図である。
【図２Ｄ】図１における本システムの特性をグラフにより示す図である。
【図３】図１におけるスイッチの異なる複数の状態をクロノグラフにより示す図である。
【図４】本発明による変換システムの第２実施形態を図式的に示す図である。
【図５Ａ】図４における本システムの特性をグラフにより示す図である。
【図５Ｂ】図４における本システムの特性をグラフにより示す図である。
【図５Ｃ】図４における本システムの特性をグラフにより示す図である。
【図５Ｄ】図４における本システムの特性をグラフにより示す図である。
【図６】図４におけるスイッチの異なる複数の状態をクロノグラフにより示す図である。
【図７】本発明による、単一の可変キャパシタを備えた変換システムの第３実施形態を図式的に示す図である。
【図７Ａ】図７における本システムの異なる複数の特性をグラフにより示すである。
【図７Ｂ】図７における本システムの異なる複数の特性をグラフにより示すである。
【図７Ｃ】図７における本システムの異なる複数の特性をグラフにより示すである。
【図７Ｄ】図７におけるスイッチの異なる複数の状態をクロノグラフにより示す図である。
【図８Ａ】第３実施形態による変換システムの実施例の上面を示す図である。
【図８Ｂ】第３実施形態による変換システムの実施例の側面を示す図である。
【図９】第３実施形態による変換システム他の実施例の側面を示す図である。
【図１０】図９における本システムの静電力に応じて固定−固定ビームの変形の変化(variation)を示す図である。
【図１１】図９における本システムの固定−固定ビームについての変化振幅に応じた共振周波数の変化を示す図である。
【図１２】図７における変換システムの変形例を図式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下の説明において、本システムは、異なる複数のモード、即ち一定電圧モード(a constant voltage mode)および一定電荷モード(a constant charge mode)で動作するものとして説明される。しかしながら、これら二つのモードが重複することは可能であり、即ち、スイッチがどのように制御されるかに応じて、電圧が電荷と同時に変化することができ、逆も同様である。
【００４１】
図３，６，７Ｄに示されれるクロノグラフにおいて、数字０は、スイッチが開いた状態を表し、数字１は、スイッチが閉じた状態を表す。
【００４２】
図１は、第１実施形態による変換システムを図式的に示し、本変換システムは、第１可変キャパシタ２と、第２可変キャパシタ４と、所定電位Ｖｅの電気エネルギーソース６と、所定電位Ｖｓの電気エネルギー収集システム８とを備え、バッテリの形式で示されている。以下の説明では、上記収集システム８を、適宜、バッテリとして示す。
【００４３】
第１キャパシタは、可変空隙(variable air gap)を有するキャパシタを形成する固定プレート２．１および可動プレート２．２とを備え、第２キャパシタ４は、固定プレート４．１および可動プレート４．２を備え、これらもまた可変空隙を有するキャパシタを形成する。
【００４４】
示された例では、第２キャパシタ４は、可動プレート４．２の両側(each side)に配置された固定プレート４．１ａおよび４．１ｂを備える。
【００４５】
上記二つのキャパシタの可動プレート２．２および４．２は変位(displacement)が相互に固定されており、そして具体的には、第１キャパシタの固定プレート２．１に向かう方向の可動プレート２．２の移動は、第２キャパシタ４の固定プレート４．１ａに向かう方向の可動プレート４．２の移動と、第２キャパシタ４から離れる方向の固定プレート４．１ｂの移動を引き起こし、そして、第１キャパシタの固定プレート２．１から離れる方向の可動プレート２．２の移動は、第２キャパシタのプレート４．１ａから離れる方向の可動プレート４．２の移動と、第２キャパシタ４に向かう方向の固定プレート４．１ｂの移動を引き起こす。
【００４６】
示される例では、可動プレート２．２および４．２は同じ位置(coincident)にある。以下の説明では、二つのキャパシタ２および４に共通の可動プレートを参照するのに参照符号２．２のみを用いる。
【００４７】
また、単一の固定プレートを有する第２キャパシタ４を備えることも可能である。
【００４８】
以下で述べられるように、静電力は、固定プレート２．１，４．１ａ，４．１ｂと可動プレート２．２との間に発生し、可動プレートの変位を引き起こし、従って、複数の弾性復帰手段(elastic return means)１（図示なし）が、可動プレートに作用するように備えられる。これらの復帰手段は、機械的エネルギーの形式で電気エネルギーを一時的に蓄積する手段を形成する。例えば、復帰手段は、その軸に対して直角に変形可能なビームまたは１または複数のバネから構成される。
【００４９】
変形可能なビームの利点は、それが、例えばシリコン集積システムの場合において、マイクロ・エレクトロニック・プロセスにより容易に製造可能であることである。
【００５０】
エネルギーソース(energy source)６は、可動プレート２．２と固定プレート２．１との間に接続され、スイッチ１２が、エネルギーソース６と固定プレート２．１との間に備えられ、第１キャパシタ２のための充電スイッチを形成する。エネルギーソース６は、また、固定プレート４．１ａおよび４．１ｂに対して並列に接続され、スイッチ１４は、エネルギーソース６と固定プレート４．１ａおよび４．１ｂとの間に備えられる。スイッチ１４は、第２キャパシタ４についての充電スイッチを形成する。
【００５１】
また、収集システム(collection system)８は、可動プレート２．２に接続されると共に、固定プレート４．１ａ，４．１ｂに接続され、転送スイッチ１６は、バッテリ８と固定プレート４．１との間に備えられる。
【００５２】
固定プレート２．１は、また、スイッチ１８を通じて可動プレート２．２に接続され、第１キャパシタについての放電スイッチを形成する。
【００５３】
第１キャパシタ２の端子の電圧は、Ｖ１で表され、第２キャパシタ４の端子の電圧はＶ２で表され、固定プレート２．１によって可動プレート２．２上に作用される静電力はｆｅ１で表され、固定プレート４．１によって可動プレート２．２上に作用される静電力はｆｅ２で表され、弾性復帰手段によって作用される力はｆｋで表される。
【００５４】
可動プレート２．２の位置は、Ｚ軸に沿ってマークされ、ｚで表され、この例では、ｚは、可動電極４．２（または２．２）が二つの固定電極４．１ａおよび４．１ｂから等距離にあるときにゼロに等しく、バネは静止状態(rest state)にある。
【００５５】
次に、図２Ａから２Ｄにおける変換システムの異なる複数の特性のバリエーションを表すグラフ表現を参照して、電位Ｖｅの電気エネルギーをＶｅよりも高い電位Ｖｓに変換するための本システムの動作を説明する。
【００５６】
初期状態において、スイッチ１２，１４，１６，１８は開いており、第１および第２キャパシタは放電されている。時刻ｔ０において、スイッチ１２および１４が閉じられる。これらのスイッチが閉じると、固定プレート２．１，４．１ａ，４．１ｂおよび可動プレート２．２が充電され、キャパシタ２，４が電気的に接続され、そして、電圧Ｖ１およびＶ２が両方ともＶｅに等しくなる。電流Ｉ１がスイッチ１２を通じて循環(circulate)する。従って、静電力ｆｅ１およびｆｅ２が、固定プレート２．１と可動プレート２．２との間、および固定プレート４．１ａ，４．１ｂと可動プレート２．２との間にそれぞれ発生する。ｆｅ２は、可動プレート２．２上での固定プレート４．１ａおよび４．１ｂによって作用される静電力の結果として得られ、ｆｅ２は、可動プレート２．２が静止位置にあるときに最小である。プレート４．１ａ，４．１ｂ等は、可動プレートがプレート４．１ａに向けた移動（ｚは正）を開始したときに、結果(resultant)ｆｅ２がプレート４．１ａに向けて可動プレート２．２を作用させるように選択され、この例では上方向への可動プレートの移動の初期設定は、印加される静電力ｆｅ１の結果として得られる。
【００５７】
静電力ｆｅ１，ｆｅ２の和は、機械的力ｆｋの和よりも大きく、可動プレート２．２は固定プレート２．１，４．１ａに向けて移動し、ｚは、図２Ａに示されるように増加する。従って、エネルギーは、機械的形式（運動および位置エネルギー(kinetic and potential energy)）で蓄積される。
【００５８】
プレート２．１，４．１ａおよび２．２が相互に向かう方向に移動するので、静電力ｆｅ１，ｆｅ２および機械的力ｆｋは、図２Ｂに示されるように増加する。
【００５９】
スイッチ１２は時刻ｔ１まで閉じられた状態とされる。エネルギーソース６から引き出される電気エネルギーは、弾性手段の変形により、この弾性手段に機械的位置エネルギーの形式で蓄積されるが、電極の速度はゼロではないので、電極の変位による運動形式でも蓄積される。蓄積されるエネルギー量は、期間ｔ１−ｔ０が長いほど大きくなる。
【００６０】
初期状態では完全に放電されているキャパシタが充電されると、スイッチを閉じることにより電圧源から開始して、失われるエネルギーは、キャパシタに転送されるエネルギーに相当し、即ち、それが閉じられる時に１／２Ｃ×Ｖｅ２がスイッチで消費され、１／２Ｃ×Ｖｅ２が、充電されるべきキャパシタに効率的に転送され、一方、Ｖｅのエネルギーソースで消費されるエネルギーはＣ×Ｖｅ２に等しい。従って、スイッチ１２が時刻ｔ０で閉じられるときにキャパシタのキャパシタンスが最小であることが好ましい。従って、この時刻ｔ０と時刻ｔ１との間のフェーズにおいて転送されるエネルギーに対して失われるエネルギーの割合は、スイッチ１２が開く時刻とスイッチが閉じる時刻とでの第１キャパシタ２のキャパシタンスＣ１の比が高いときに、より低くなる。
【００６１】
本発明によれば、時刻ｔ１での次ステップにおいて、スイッチ１２が開かれ、そしてスイッチ１８が開いた状態に保持され、そして電流Ｉ１が、図２Ｄに示されるようにゼロになる。そして、本システムは、一定電荷(constant charge)で動作し、静電力ｆｅ１の増加が止まる。これは、図２Ｂにおける水平状態(plateau)によって示されている。プレート２．２は、その動きを継続し、固定プレート２．１および４．１ａに向けて移動する。電気電位および関連の電気エネルギーは、キャパシタ２のキャパシタンスが増加するにつれて（相互に向けて移動するプレート２．２および２．１により）、減少する。時刻ｔ１でキャパシタ２に蓄積される電気エネルギーは、弾性復帰手段に蓄積される機械的エネルギーに次第に変換される。
【００６２】
時刻ｔ２では、可動プレートが固定プレートに極めて接近しているとき、即ち、ｚが最大値に達したとき、第１キャパシタ２の固定プレート２．１からの電荷を見積もるために、スイッチ１４は開き、スイッチ１２は開いた状態を保持し、スイッチ１８は閉じられ、静電力ｆｅ１がゼロになる。
【００６３】
上述したように、スイッチ１８が閉じるときに消費されるエネルギーは、スイッチ１２が開くときの時刻とスイッチ１２が閉じるときの時刻とでのキャパシタ２のキャパシタンスの変分(variation)が増加するほど減少する。この時刻ｔ１と時刻ｔ２との間の一定電荷フェーズは、は、スイッチ１８が閉じられるときに失われるキャパシタに蓄積された電気エネルギーを減少させる。
【００６４】
上述の動作の一変形例によれば、キャパシタ２は、時刻ｔ２と時刻ｔ３との間の期間で部分的に放電される。部分的放電のケースにおける電圧Ｖ１の変分は、図２Ｃ’に示されている。可動プレートは、以下に説明するように、その平衡位置に向けて移動し、電圧Ｖ１が、サイクルの終わりで、さらに正確には次のサイクルの開始時刻ｔ０１でＶｅに概ね等しいように、キャパシタ２の部分的放電レベルが存在することが理解される。これは、第１に着目サイクル(the cycle considered)についてのエネルギー損失を制限し、時刻ｔ０１での次サイクルの開始でのスイッチ１２の閉成に関連したエネルギー損失を解消する賢明な手段を提供する。
【００６５】
キャパシタ２は、スイッチ１８が再度開いた後の時刻ｔ３での復帰力ｆｋが静電力の和よりも大きくなるように、十分に放電しなければならない。そして、復帰手段により作用される復帰力ｆｋは、可動プレート２．２を、その初期位置に移動させ、固定電極２．１および４．１ａから離れさせる。
【００６６】
有利には、プレート２．１および２．２が接触限界(contact limit)にあるときに、スイッチ１８が閉じられることが可能である。
【００６７】
ダメージを防止するために、安全な距離が可動プレートと固定プレートとの間に設けられる。しかしながら、その作動を制御しなければならない追加のスイッチを用いることなく、蓄積された電荷が自動的に排除されるように、可動プレートが、電気的導電ストップ(electrically conducting stop)と接触する状態になることが可能である。このストップとの接触は、それが可動プレート２．２からの機械的エネルギーを消費しないように生じ、システムにダメージを与えない。
【００６８】
その平衡位置への復帰(return)と、従って固定プレート４．１ａから離れる方向へのその移動に起因して、可動プレート２．２は、第２キャパシタ４の端子の電位を増加させる。可動プレート４．２が、その平衡位置に復帰するにつれ、第２キャパシタのキャパシタＣ２が減少する。固定プレート４．１は、スイッチ１４が開くことにより（スイッチ１６は、また、開いた状態に保持される）、他の回路から電気的に絶縁され、その電荷Ｑ２は変化せず、従って次の式を得る。
Ｖ２＝Ｑ２／Ｃ２  （Ｉ）
従って、Ｃ２の減少は、一定電荷Ｑ２でＶ２を増加させる。
【００６９】
従って、原理上、このフェーズは損失がない。
【００７０】
時刻ｔ４での次のステップでは、弾性復帰手段の変形フェーズ中に機械的形式で蓄積されたエネルギーは、電位Ｖｓでバッテリ８にリストア(restore)される。これを達成するために、電位Ｖ２が電位Ｖｓに到達したときにスイッチが閉じる。電位Ｖ２が制限され、そして、電荷が、固定プレート４．１からバッテリ８へ転送される。原理上、このフェーズも損失がなく、なぜならば、スイッチ１６が閉じるときにスイッチ１６の端子の電圧がゼロ（二つの端子で電位Ｖｓ）だからである。
【００７１】
電荷は、上述のフェーズの期間中に入力電位Ｖｅから出力電位Ｖｓへ転送(transfer)された。実際には、第２キャパシタ４は電荷キャリア(charge carrier)として働き、そして、第１キャパシタ２は、これらの電荷を電位Ｖｅから電位Ｖｓへ変化させるのに必要な追加のエネルギーを提供する。
【００７２】
可動プレート２．２は、残りの運動エネルギーにより、図２Ａに示されるように、サイクルの終わりの時刻ｔ５で初期位置にはない。
【００７３】
電位Ｖｅの電気エネルギーを電位Ｖｓの電気エネルギーに変換するためのステップは、１つの変換サイクルを構成する。本発明による変換器は、連続モード(continuous mode)または過渡モード(transient mode)の何れかで作動することができ、共振周波数周辺での連続モードでしか動作することができない現状技術による変換器とは異なる。本発明では、エネルギーは、迅速かつ任意の時刻に低エネルギー損失で転送されることができる。
【００７４】
また、時刻ｔ２とｔ３との間のキャパシタの放電は、初期位置間の機械的移動の１／１００よりも小さい期間で、時刻ｔ０と時刻ｔ５との間に初期位置に戻るときに、非常に速やかに発生する。
【００７５】
本発明では、サイクルは、次々に連鎖して連続的に実施され（可動要素の機械的共振で動作し、そして、機械的共振で動作せず）、または、アプリケーションに依存する時間で、各サイクル間で経過する中間の時間で、任意的に実施される。
【００７６】
本発明では、スイッチの賢明な制御は、好ましくは、可動要素を復帰させるために機械的構成要素の緩和時間(relaxation time)と両立するように選択されることに留意されたい。現在の技術による装置とは異なり、このタイプの賢明な制御は、本発明によるシステムが、その機械的共振周波数外で動作することを可能にする。
【００７７】
連続的動作は、電気的損失を低減する利点を有する。上述したように、電気エネルギーは、完全に放電されたキャパシタが充電されている間に消費されて失われ、そして、図２Ｄに示されるように、サイクル（ｔ０）の始めでＩ１についての電流ピークにより具現されている。しかしながら、新たなサイクルが、第１サイクルの直後の時刻ｔ０１で中断することなく開始するときに、第２キャパシタ２が、スイッチ１８が閉じられるときに意図的に完全に放電されなければ、スイッチ１２が閉じられるときにキャパシタ２を充電する必要がない。そして、図２Ｄに示されされるような消費電流ピークが存在しない。従って、第２サイクル中に電気的損失は存在しない。その結果、それに続くサイクルは、スイッチ１２の二つの側面でのこの事前充電現象に起因した電気的損失を何ら伴うことなく発生し、残りの全ては、キャパシタ２の部分的(partial)または全て(total)の放電に関連する損失である。
【００７８】
第１キャパシタは、共振に関連するトランジスタを用いて、または較正された時間を有するトランジスタを用いて、部分的に放電されることができる。
【００７９】
逆に、非同期動作の場合には、サイクルの始めでの損失は各時間で存在し、なぜならば、第１キャパシタが再充電される必要があるからである。
【００８０】
図１における第１実施形態における二つの固定電極４．１ａおよび４．１ｂの使用は、変換装置の制御性を改善する利点を有している。
【００８１】
二つの固定プレート４．１ａおよび４．１ｂによって可動プレート４．２上に作用される静電力の結果である静電力ｆｅ２は、電荷がＣ２上で一定に保持されているときに（スイッチ１４および１６が開いている）、可動プレート４．２の位置ｚに直接的に比例する。
【００８２】
一方、固定プレート２．１と可動プレート２．２との間の静電力である静電力ｆｅ１は、一定電荷で一定であり、それは、キャパシタ２の全(total)または部分的(partial)放電の場合である。もし放電が完全でなければ、ｆｅ２と比較して無視できると考えられる残りの静電力ｆｅ１ｒｅｓが存在する。
【００８３】
従って、次のように書き表すことができる。
ｆｅ２＝ｋｆｅ２ｚ
ｆｋ＝ｋｒｚ
ここで、ｋｆｅ２は、比例係数であり、ｋｒは、弾性手段の剛性係数(stiffness constant)である。
【００８４】
従って、時刻ｔ３で開始して、可動プレート２．２は、弾性手段の復帰力およびｆｅ２により作用される。ｋｆｅ２をｋｒよりも小さく選択することにより、ｆｅ１がゼロまたは約ゼロである場合に、可動プレート２．２に印加される力の結果(resultant)は、可動プレートが、プレート４．１ａより離れる方向に移動してその平衡位置に復帰することを可能にすることは明らかである。
【００８５】
図４は、本発明による電気変換器の第２実施形態を示し、可動プレートは、二つの可変キャパシタの固定プレート間に配置されている。
【００８６】
変換器は、可変空隙を有するキャパシタを形成する固定プレート１０２．１および可動プレート１０２．２から構成された第１キャパシタ１０２と、可変空隙キャパシタを形成する固定プレート１０４．１および可動プレート１０２．２から構成された第２キャパシタ１０４とを備える。また、本変換器は、電圧Ｖｅのエネルギーソース６、グランドと可動プレート１０２．２に接続された第１端子、スイッチ１１２を通じて固定プレート１０２．１に接続されると共にダイオード１１４を通じて固定プレート１０４．１に接続された第２端子を備える。また、本変換器は、電圧Ｖｓの電気エネルギー収集器１０８を備え、以下では、これをバッテリと称す。ダイオード１１６は、固定プレート１０４．１と収集器１０８との間に配置される。
【００８７】
また、固定プレート１０２．１は、スイッチ１１８を通じてグランドに接続される。
【００８８】
可動プレート１０２．２は、最大面(largest surface)と直交するｚ軸に沿って移動して固定プレート１０２．１，１０４．１から離れる方向に移動する。弾性手段１２０は可動プレートをフレーム（図示なし）に接続し、そして、この可動プレートを、その平衡位置に復帰させることができる。示された例では、弾性手段はバネである。ｚがゼロの平衡位置は、静電力が固定プレート１０２．１，１０４．１と可動プレート１０２．２との間に印加されない可動プレート１０２．２の位置である。
【００８９】
可動プレート１０２．２に対向する固定プレート１０２．１の表面積が、可動プレート１０２．２に対向する固定プレート１０４．１の表面積よりも大きいことが予定される。従って、プレート１０２．１によって作用される静電引力は、可動電極１０２．１がその平衡位置に近いときに、同じ印加電圧について、プレート１０４．１によって印加される静電引力よりも強い。
【００９０】
Ｖ１は、第１キャパシタ１０２の両端子での電位差であり、Ｖ２は、第２キャパシタ１０４の両端子での電位差である。
【００９１】
等表面積を有するプレートの場合では、動きを引き起こすためには非対称構造を有することが有利であり、これは、平衡位置をシフトさせること、即ち、可動電極１０２．２が電極１０４．１よりも電極１０２．１に近いことにより実施される。このシフトは、Ｖ２がＶｅに等しいときの初期位置が、例えば、電極１０２．１と１０４．１との間の中間位置であるように行われる。しかしながら、対称構造は依然として本発明の範囲内である。
【００９２】
次に、図５Ａないし５Ｄを参照すると共に、図６におけるスイッチ１１２の状態を示す時間ダイアグラムを参照して、図４による変換器の動作を説明する。
【００９３】
初期状態では、スイッチ１１２は開いており、第２キャパシタ１０４の固定プレート１０４．１のみが、ダイオード１１４を通じて、電圧Ｖｅ，Ｖ２＝Ｖｅで二極化(polarize)されている（ダイオード電圧を除く）。プレート１０４．１は電荷を運び、その結果、静電力が、固定プレート１０４．１と可動プレート１０２．２との間に現われる。その結果、可動プレート１０２．２が、固定プレート１０４．１に向けて移動し、従ってｚ座標が、図５Ａに示されるように、ｔ＝０では負になる。
【００９４】
次のステップでは、スイッチ１１２が閉じられ、そして、プレート１０２．１も電圧Ｖｅになり、Ｖ１＝Ｖｅである。そして、また、静電力が固定プレート１０２．１と可動プレート１０２．２との間に現われる。可動プレート１０２．２に対向する固定プレート１０２．１の表面積は、プレート１０４．１の表面積よりも大きく、従って、固定プレート１０２．１によって可動プレート１０２．２上に作用される引力は、固定プレート１０４．１により作用される引力よりも大きく、可動プレート１０２．２は、その変位方向(displacement direction)を変更し、そして、固定プレート１０４．１から離れる方向に移動することにより、固定プレート１０２．１に向けて移動する。この分離動作(separation movement)は、ダイオード１１４のブロッキング(blocking)を引き起こし、そして、一定電荷で第２キャパシタ１０４の端子での電圧Ｖ２の増加をもたらし、ダイオード１１４および１１６はブロックされ、それに続いて、キャパシタの端子の電圧Ｖ２が値Ｖ５（図５Ｃ参照）に到達したときにダイオード１１６が導通し、そして、第２キャパシタ１０４の固定プレート１０４．１からバッテリ１０８への電荷の転送が行われ、なぜならば、キャパシタが一定電圧Ｖｓで減少するときに電荷が減少するからである。
【００９５】
次のステップでは、スイッチ１１２が再び開かれる。その慣性により、可動プレート１０２．２は、最大位置ｚに向けて、その変位を継続する。スイッチ１１２が開いているので、キャパシタ１０２に蓄積された電荷量は一定を維持し、そして電圧Ｖ１は、図５Ｂに示されるように、相互に向けて移動するキャパシタ１０２のプレート１０２．１および１０２．２による電気的容量(electrical capacity)の増加のために減少する。
【００９６】
従って、蓄積された電気エネルギーは、弾性復帰手段１２０に蓄積される機械的位置エネルギー(mechanical potential energy)が増加するにつれて減少する。
【００９７】
可動プレート１０２．２が最大位置ｚにある場合、スイッチ１１８が閉じられ、そして、固定プレート１０２．１は、接地されているために、ゼロ電位である。
【００９８】
そして、可動プレート１０２．２が固定プレート１０２．１に向けて移動するときに復帰バネ１２０に蓄積されたエネルギーは、運動エネルギーの形式でリストア(restore)され、それが負のｚ値に到達するまで、固定プレート１０４．１に向けた可動プレート１０２．２の変位を発生させる。可動プレート１０２．２がその最小位置ｚに到達したときには、新たなサイクルが開始し、そして、スイッチ１１２が閉じられ、上述したような変換サイクルが再び開始する。
【００９９】
図４に示される変換器の一変形例によれば、スイッチ１８が、他の実施形態に関して上述したもののようなキャパシタ１０２の部分的変位を許容する手段で置き換えられる。キャパシタ１０２は、可動プレート１０２．２の移動の反転を可能とするために十分に放電されなければならない。このような部分的な放電は、次のサイクルにおけるスイッチ１１２での損失を低減させることができる。これを達成するために、電極１１０２．２は、スイッチ１１２が閉じられている時間に電圧Ｖｅに到達することを可能とするために、十分な電荷を維持しなければならない。
【０１００】
図５Ｄは、図４のシステムにおける異なる複数の電流のバリエーションを示す。
【０１０１】
バネに蓄積された位置エネルギーは、可動プレート１０２．２を、その平衡位置に戻すことができ、そして、このエネルギーは、次のサイクルで電気エネルギーに変換される。
【０１０２】
この実施形態は、連続動作の場合、即ち第２サイクルにおいて少ない損失が存在する場合の第１実施形態と同じ利点を有する。第１サイクルを実施することは、プレート１０２．１から更に離れた位置（その初期位置を超えた位置）に可動プレート１０２．１を位置させることができる。そして、電極１０２．２と電極１０４．１との間のキャパシタンスが増加され、より高い電荷（Ｑ＝ＣＶ２）が電極１０４．１に転送されて、バッテリ１０８に転送され、そしてその結果、より多くの電荷量が各サイクルにおいて転送される。
【０１０３】
そして、共振モードとも称される連続モードでは、スイッチ１１２は、電極１０２．１と電極１０２．２との間のキャパシタンスが非常に小さい場合、非常に小さい値のｚで閉じられることができ、そして、スイッチ１１２が閉じるときには、より少ない損失が存在し、そして、おそらくは、残りの電荷が電極１０２．１に残留していれば、第１実施形態を参照して説明したように、損失は全くない。
【０１０４】
図７は、本発明による電気変換システムの第３実施形態を示し、機能が時間で変化する単一の可変キャパシタを備える。
【０１０５】
本変換システムは、固定電極２０２．１および可変電極２０２．２から構成された可変キャパシタ２０２を備える。電圧Ｖｅのエネルギーソース２０６は、第一に、電荷スイッチと称されるスイッチ２１２を通じて上記キャパシタの可動電極２０２．２に接続され、第二に、上記キャパシタの固定電極２０２．１に接続される。放電スイッチと称されるスイッチ２１８は、可変キャパシタ２０２と並列に配置される。電圧Ｖｓのエネルギー収集器２０８は、第一に、スイッチ２１６を通じてキャパシタ２０２の可動プレート２０２．２に接続され、第二に、上記キャパシタの固定プレート２０２．１に接続される。
【０１０６】
また、弾性復帰手段２２０は、その初期位置に上記可動プレートを戻すために備えられ、その例に示されるように、これらの弾性手段は、バネの形式で図式的に示されている。
【０１０７】
以下では、図７Ｄの時間ダイアグラムに対応する図７Ａないし７Ｃにおける図表現を用いて本システムの動作を説明する。
【０１０８】
時刻ｔ０の前では、全てのスイッチが開いており、静電構造は完全に放電されている。電圧Ｖ２はゼロである。
【０１０９】
時刻ｔ０で、スイッチ２１２が閉じられ、可変キャパシタ２０２が電圧Ｖｅに速やかに充電され、この充電時間は、電極２０２．２の機械的移動の期間と比較して短い。この充電は速いので、エネルギーソースＶｅで消費されるエネルギーの半分は、キャパシタンス２０２に転送され、他の半分は、スイッチ２１２で消費される。有利には、スイッチ２１２はキャパシタンス２０２が可能な限り小さくなった瞬間に閉じられ、なぜならば、消費されるエネルギーは、1/2ＣＶｅ２に等しいからである。
【０１１０】
キャパシタ２０２の端子の電圧の存在により、時刻ｔ０とｔ１との間に、静電力が電極２０２．１と２０２．２との間に現われる（ステップ１）。この静電力は、電極２０２．１，２０２．２を相互に向かう方向に移動させ、そして、キャパシタ２０２のキャパシタンスを増加させる。そして、キャパシタおよび復帰手段に蓄積される機械的および電気的エネルギーが増加される。電極２０２．２の変位は、弾性要素（バネ）に蓄積される運動エネルギーおよび機械的位置エネルギーを増加させ、そして、Ｃｉｎｃｒｅａｓｅｄと称されるキャパシタンスの増加は、蓄積される電気エネルギーを増加させ、なぜならば、Ｅ＝1/2ＣｉｎｃｒｅａｓｅｄＶｅ２だからである。この静電構造に蓄積されたエネルギーの全体的増加は、エネルギーソースＶｅに由来し、実際上、無損失である。
【０１１１】
時刻ｔ１では、スイッチ２１２が開く。この時点でキャパシタンス２１２に蓄積される電荷は、Ｑｔ１＝Ｃｔ１Ｖｅと表される。
【０１１２】
ステップ２では、電極２０２．１は、一定電荷（Ｑ＝Ｑｔ１＝Ｃｔ１Ｖｅ）でその移動を継続する。キャパシタ２０２の端子の電圧Ｖ２は、上記キャパシタンスが増加するので（Ｖ２＝Ｑｔ１／Ｃｉｎｃｒｅａｓｅｄ）、減少し、従って対応の電気エネルギーが減少する（Ｅ＝1/2Ｑｔ１Ｖ）。実際には、時刻ｔ１でキャパシタ２０２に蓄積される電気エネルギーは、機械的エネルギーに徐々に変換される（弾性要素に蓄積される機械的エネルギーを増加させる）。
【０１１３】
時刻ｔ２で、有利には、電極２０２．２が、電極２０２．１に最接近している時刻で、換言すると、キャパシタのキャパシタンスが最大（Ｃｍａｘ）であり、従ってキャパシタ２０２に蓄積される電気エネルギーが最小となるときに、Ｅ＝1/2Ｑｔ１２／Ｃｍａｘであるので、スイッチ２１８は、電極２０２．２が移動する機械的期間(mechanical period)の前に短時間だけ閉じられ、従ってキャパシタ２０２に蓄積された電荷の一部を放電させる。
【０１１４】
ステップ４の最初に、スイッチ２１８は時刻ｔ３で再び開く。キャパシタ２０２に蓄積された電荷の減少は、電極２０２．１から離れる方向に移動して復帰(returning)する電極２０２．２に作用する電気的力と機械的力の新たな平衡をもたらす。全てのスイッチが開いているので、この復帰(return)は、ステップ４において一定電荷で発生する。キャパシタ２０２のキャパシタンスが減少しているので、その単位の電圧が増加し、なぜならば、Ｖ＝Ｑ／Ｃだからである。
【０１１５】
時刻ｔ４で、好ましくは、キャパシタ２０２の端子の電位が出力電圧Ｖｓに到達したときに、スイッチ２１６が閉じられる。そして、スイッチ２１６は、それらの端子間の電位差がゼロになる瞬間に閉じ、そして、上記キャパシタの上記二つの端子の電位がＶｓに等しいので、このスイッチ２１６の閉成に関連する損失は概ねゼロである。電極２０２．２は、一定電圧で（Ｖｓで）、電極２０２．１から離れる方向の移動を継続する。電極２０２．２に蓄積される電荷の一部は、収集器２０８に転送され、そして、キャパシタ２０２上の電荷が減少する。
【０１１６】
時刻ｔ５から開始すると、スイッチ２１６は、出力に転送される電気エネルギー、即ち、Ｅｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ＝1/2（Ｃｔ５−Ｃｔ４）Ｖｓ２を最小化するために、好ましくは、キャパシタ２０２のキャパシタンスが最小値に到達した瞬間に開く。
【０１１７】
可動電極２０２．２は、電極２０２．１に向けて移動し、そして、キャパシタンス２０２が一定電荷で増加し、そして、これらの端子の電圧が減少し、電圧Ｖ２が減少する。
【０１１８】
時刻ｔ６で、好ましくは、キャパシタ２０２の端子の電圧Ｖ２がＶｅに到達した瞬間に、スイッチ２１２が閉じる。そして、このスイッチは、これらの端子間の電位差がゼロになるときに閉じられ、電位は各側面でＶｅに等しくなる。従って、このスイッチの閉成に関連した損失は概ねゼロである。サイクルの連鎖は、スイッチ２１２の閉成に関連した損失を抑える。損失は開始遷移時ｔ０で発生し、なぜならば、キャパシタンス２１２は、初期状態では完全に放電されており、それはもはやｔ０１での場合ではないからである。
【０１１９】
図１２は、図７の本システムの変形例を示し、転送スイッチ２１６がダイオード２１４で置き換えられている。このシステムは、とりわけ、図７のシステムと同様に動作する。キャパシタ２０２のキャパシタの低減に対応する可動電極２０２．１の移動フェーズにおいて、電圧Ｖ２が、ダイオード電圧を除いて、電圧Ｖｓよりも大きくなったときに、ダイオード２１４が導通して収集器２０８に向けた電荷の転送を可能とする。
【０１２０】
全ての実施形態について、スイッチは、例えば、時間の関数として制御されてもよく、キャパシタンスまたは電圧測定の関数として制御されてもよく、または、電圧のゼロ微分係数(zero derivative)に応じて制御されてもよい。また、可動プレートの位置を検出する位置センサを使用することが可能である。
【０１２１】
上述した本発明の全ての実施形態は、電圧ステップアップまたはステップダウンで動作してもよい。出力収集手段における電圧レベルを検出する手段、および充電および放電スイッチについて旧来の作用を及ぼす機能を有するレギュレーションデバイスおよび他の手段が備えられても良い。例えば、変換サイクルの数が増加または減少されてもよい。
【０１２２】
示されている例では、本システムは、少なくとも一つの明確な電極（第１および第２実施形態）を有する二つのキャパシタ、または単一のキャパシタを備えてもよい。各キャパシタは、例えば、振動エネルギーから電気エネルギーへの変換の分野において公知の、インタ・デジテート状(inter-digitated)の櫛型のキャパシタの形式で、並列の複数のキャパシタから構成されていることに注意されたい。第１実施形態では、各第２キャパシタについて一つの第１キャパシタ１２を備える必要がなく、そのエネルギーを、入力電位とは異なる電位の電気エネルギーに変換する複数の第２キャパシタについて機械的エネルギーに電気エネルギーを変換するための一つのキャパシタ２を備えることが全く可能である。
【０１２３】
従って、本発明は、極めて小さなシステムの場合であっても高い効率を維持することができ、従って、ナノワットのオーダーの極めて低電力のシステムに適しており、また、１ワットのオーダーの中間電力システムにも適している。
【０１２４】
従って、本発明は、とりわけ、例えば、携帯電話やラップトップコンピュータのような携帯型電子機器など、全ての低電力システムに適用可能である。
【０１２５】
本発明は、とりわけ、このタイプの機器に有益である。これらの電子機器は、通常、異なる電源電圧で動作する複数の構成要素を備えている。現時点では、面倒な変換システムが各構成要素について使用されなければならない。本発明では、集積された変換システムが、各電圧について作成され、それは、また、ジュール効果に起因する熱の発生が極めて少ないか、全く発生されない。また、単一の作動キャパシタは、とりわけ第１実施形態の場合において複数の電圧レベルでの変換を実施するために使用することができる。
【０１２６】
本システムは、エネルギーを供給すべき機器の外部に存在する既存の従来システム（例えば携帯電話充電器）とは異なり、サイズを増加させることなく、電子機器に統合されることができる。
【０１２７】
図８Ａおよび８Ｂは、第３実施形態による変換システムの実施例を示す。
【０１２８】
本システムは、固定電極２０２．１が例えばメタライゼーション(metallization)によって形成された印刷回路タイプの支持体(support)２１６を備える。
【０１２９】
可動電極２０２．２は、固定電極２０２．１に対向して配置され、曲げ変形(deforming in bending)が可能な金属ブレードの形式で、機械的ビーム２１８の支持端(suspend end)２１８．２によって形成されている。
【０１３０】
ビーム２１８は、極めて良好な精度で固定電極から可動電極を離すために、支持体２１６上に固定された２行のスペーサ２２０上に、第１の縦端(longitudinal end)２１８．１によって固定されている。
【０１３１】
スペーサ２２０が固定された領域(zone)２１９は、ビーム２１８の電位が受容可能なようにメタル化され、スペーサ２２０は導電性を有し、印刷された回路は絶縁されている。
【０１３２】
例えば、ビーム２１８は、ステンレススチールから作成される。ビームは、それに向けて近くに移動するときに、変形後に固定電極２０２．１と平行になるような形状で、第１縦端２１８．１と反対の第２縦端２１８．２を有する。
【０１３３】
例えば、二つのスペーサ２２０を隔てる距離ｄ１は１ｃｍに等しい。電極の先(tip)の長さｄ２は３ｃｍに等しく、そして、固定電極２０２．１と可動電極２０２．２との間の空隙は１００μｍに等しい。
【０１３４】
次に、一例として、このタイプのシステムが変換することができるエネルギー／電力比を計算する。
【０１３５】
入力電圧Ｖｅ＝２４Ｖであり、出力電圧Ｖｓ＝５Ｖの場合を考える。
【０１３６】
可動電極２０２．２が５Ｖの電位の固定電極２０２．１から０．１μｍの地点に到達し、そしてそれが１５μｍの距離に離れるように、スイッチ２１２が時間ｔ１の間に閉じられ、スイッチ２１４が閉じられるものとし、転送されるＶｓでのエネルギーＥｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄは、次のように表される。
Ｅｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ＝１／２（Ｃｍａｘ−Ｃｍｉｎ）Ｖｓ２
【０１３７】
【数１】
2011507478.tif 000003
【０１３８】
従って、サイクルあたり、Ｅｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ＝１１０ｎＪである。
【０１３９】
そして、ビームを１０ｋＨｚで共振させるようにビーム厚とビーム材を選択することにより、１秒あたり約１００００サイクルを実施することが可能であり、エネルギーソースＶｅから出力Ｖｓに１００００×１１０×１０−９＝１．１ｍＷのエネルギーを転送することが可能である。
【０１４０】
その結果、キャパシタンスＣｍａｘを最大化し、従ってサイクルあたりの変換可能なエネルギーを最大化するためには、小さな空隙を有することが有利である（Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ＝ｄｍａｘ／ｄｍｉｎを高く保持した状態で）。この利点は、その構造がマイクロ・エレクトロニック・プロセスを用いて作成される場合にとりわけ有用である。
【０１４１】
また、高電力を変換する必要がある場合には、高い共振周波数を有することは有利である。
【０１４２】
また、ビームが、機械的損失を最小化する高いＱ値(quality factor)を有する場合にも有利である。
【０１４３】
図９は、第３実施形態による変換システムの他の実施例を示す。
【０１４４】
この例では、ビーム２１８は、固定電極からの可動電極の正確な間隔を提供するシム(shims)により、その縦端２１８．１，２１８．１のそれぞれの部分で支持(suspend)されている。ビームは、固定−固定ブレード型(fixed-fixed blade type)である。
【０１４５】
従って、可動電極２０２．２は、ビームの中央部分で形成され、固定電極２０２．１は、メタライゼーション(metallization)により支持体上に形成されている。
【０１４６】
例として、二つのシム(shims)間のビームの長さｄ３は６ｃｍである。静止した状態で可動電極と固定電極との間の距離は１００μｍである。
【０１４７】
このシステムは、図８Ａおよび８Ｂに示されたシステムと非常に類似しており、唯一の違いは、ビーム変形モードである。ビーム厚に対して振幅ビーム変形が小さい場合には、その挙動は、図８Ａおよび８Ｂに示されるシステムと同じである。ビームの変形振幅がビーム厚に対して大きい場合、その挙動は、著しく非線形であり、換言すると、その中心での変形（空隙変化）は、もはや印加される静電力に比例せず、その形状は、図１０に示されるようである。図１０に示される曲線は、静電力に応じた変形(deformation)Ｄｅｆの変化を示し、Ａで示される線形領域を含み、その後にＢで示される非線形領域が続く。線形領域から非線形領域への転換(changeover)は、点線Ｃで示され、概ねビーム厚に等しい変形に相当する。
【０１４８】
変形が小さい場合、換言すると、ビームの厚さと比較して変形が小さい場合には、メインモードは、変形が印加力に比例する曲げモード(bending mode)である。一方、変形が大きい場合には、換言すると、変形がビーム厚よりも大きい場合には、メインモードは、力が変形の３乗(cube)で変化する引っ張りモード(tension mode)（弦のような）である。
【０１４９】
この非線形性は、可動電極の作動(actuation)を促進することができる。可動電極が固定電極から遠くに離れている場合、適用可能な静電力は制限される（静電力は、電界「Ｅ＝Ｖｅ／空隙」に比例する）。従って、より大きな距離にあるときに適正な柔軟性のあるビームを有することは、静電力が制限されていても、それをより近くに移動させることを可能とする。一方、可動電極が固定電極の極めて近くに移動した場合、印加される静電力は非常に大きくなる。この場合、より堅くなるビームを有することは、動作を阻害せず、同一変位について、機械的形式で、より多くのエネルギーを蓄積することを可能にする。
【０１５０】
そして、線形領域よりもわずかに大きく初期の空隙を選択すること、換言すると、ビーム厚よりもわずかに大きく初期の空隙を選択することは有利である。
【０１５１】
また、ビームの非線形性は、図１１に示すような変形の振幅に共振周波数を依存させる。図１１における曲線は、振動振幅Ｖｉｂに応じた共振周波数の変化を示し、それは、Ｄで示される線形領域を有し、この線形領域の後にＥで示される非線形領域が続いている。
【０１５２】
共振周波数に関するその効果により、非線形領域は、また、電力転送を調整(regulate)することができる。スイッチ制御に作用を及ぼすことにより、ビームの変形振幅を修正することができ、従って、共振周波数、ひいては電荷転送周波数、またはエネルギーソースＶｅから出力Ｖｓへ伝送される電力を変化させることができる。変形振幅を修正するのに必要なことの全ては、例えば、スイッチ２１２の閉時間(closing time)を変えることにより、ビームへ入力されるエネルギーの量を変えることである。
【０１５３】
共振周波数を最初に調節することは、第１に、連続モード（従って低損失モード）のままで、変換される電力を調整することを可能にし、そして、第２に、スイッチのスイッチングの回数を制限することを可能にし、従って転送されるべき電力が低いときに関連の損失が小さく、そのことは、低変換電力でも、良好な効率（概ね一定の転送された電力／損失比）を維持するのに役立つ。
【０１５４】
当業者であれば、本発明による変換システムの他の実施形態を想起することができる。例えば、二つの電極間の対向面を変化させることにより、他方の電極に対して水平方向に移動可能な電極を備えたキャパシタのような他のタイプの可変キャパシタを使用することも可能である。
【符号の説明】
【０１５５】
２  第１可変キャパシタ
２．１  固定プレート
２．２  可動プレート
４  第２キャパシタ
４．１ａ，４．１ｂ  固定プレート
４．２  可動プレート
６  電気エネルギーソース
８  電気エネルギー収集システム
１２，１４，１６，１８  スイッチ
２０２：可変キャパシタ
２０２．１：固定電極
２０２．２：可変電極
２０６：エネルギーソース
２０８：エネルギー収集器
２１２，２１６，２１８：スイッチ
【図１】
2011507478.tif 000004
【図２Ａ−３】
2011507478.tif 000005
【図４】
2011507478.tif 000006
【図５Ａ−６】
2011507478.tif 000007
【図７】
2011507478.tif 000008
【図７Ａ−７Ｄ】
2011507478.tif 000009
【図８Ａ】
2011507478.tif 000010
【図８Ｂ】
2011507478.tif 000011
【図９】
2011507478.tif 000012
【図１０】
2011507478.tif 000013
【図１１】
2011507478.tif 000014
【図１２】
2011507478.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成22年8月12日(2010.8.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変換システムにより、第１電圧（Ｖｅ）の電気エネルギーを前記第２電圧（Ｖｓ）の電気エネルギーに変換するための方法であり、前記変換システムは、充電スイッチ（２１２）を通じて可変キャパシタ（２０２）に接続された前記第１電圧（Ｖｅ）の少なくとも一つの電圧源（６）と、前記可変キャパシタと並列に配置された放電スイッチ（１８）と、前記第２電圧（Ｖｓ）のエネルギーを収集する手段（２０８）と、前記可変キャパシタ（２０２）と前記収集手段（２０８）との間でエネルギーを転送する手段（２１６）とを備え、前記可変キャパシタは、固定プレートと、前記固定プレートから離れる方向に移動可能であると共に前記固定プレートに向かう方向に移動可能な可動プレートと、前記可動プレートを、その初期位置に復帰させるための弾性手段とを備え、本方法は、完全な１つの変換サイクルについて、
ａ）前記第１電圧（Ｖｅ）で前記可変キャパシタ（２０２）を充電すると共に、前記放電スイッチが開いた状態を維持している間に前記充電スイッチ（２１２）を閉じて、前記キャパシタのキャパシタンスを増加させる前記可動プレートの変位を誘発させるステップと、
ｂ）一定電荷での前記キャパシタの動作を可能とするために、前記放電スイッチ（２１８）を開いた状態に保持している間に前記充電スイッチ（２１２）を開き、前記キャパシタ（２０２）のキャパシタンスが継続して増加するステップと、
ｃ）前記可変キャパシタ（２０２）の少なくとも部分的放電を可能とすると共に、前記可動要素の移動を反転させるために、前記放電スイッチ（２１８）を閉じるステップと、を備え、       
前記転送手段は、前記可動電極の移動中に前記キャパシタから前記収集手段へのエネルギー転送を提供する方法。
【請求項２】
第１電圧（Ｖｅ）の電気エネルギーから第２電圧（Ｖｓ）の電気エネルギーへの変換システムであり、充電スイッチ（１２；１１２；２１２）を通じて可変キャパシタ（２；１０２；２０２）に接続された少なくとも一つの前記第１電圧（Ｖｅ）の電圧源と、前記可変キャパシタと並列に配置された放電スイッチ（１８；１１８；２１８）と、前記第２電圧（Ｖｓ）のエネルギー収集手段（８；１０８；２０８）と、前記可変キャパシタ（２０２）と前記収集手段（２０８）との間でエネルギーを転送する手段（４；１６；１０４；１１６；２１６）とを備え、前記可変キャパシタ（２０２）は、固定プレートと、前記固定プレートから離れる方向に移動可能であると共に前記固定プレートに向かう方向に移動可能な可動プレートと、前記可動プレートを、その初期位置に復帰させるための弾性手段と、を備え、
前記変換システムは、また、前記充電スイッチおよび前記放電スイッチを制御するための手段を備え、１つの変換サイクルについて、
ａ）第１ステップで、前記放電スイッチが開かれると共に前記充電スイッチが閉じられて前記キャパシタを前記第１電圧（Ｖｅ）で充電し、前記可動プレートが変位されて前記キャパシタのキャパシタンスを増加させ、
ｂ）第２ステップで、前記充電スイッチが開かれると共に前記放電スイッチ開かれた状態に保持されて、一定電荷での前記キャパシタの動作を可能とし、前記キャパシタのキャパシタンスが継続して増加し、
ｃ）第３ステップで、前記放電スイッチが閉じられて、少なくとも前記可変キャパシタの部分的な変位が前記可動要素の移動の反転をもたらし、
前記転送手段が、前記可動電極の移動中に前記キャパシタから前記収集手段にエネルギーを転送する変換システム。
【請求項３】
前記スイッチは、前記キャパシタ（２；１０２；２０２）のキャパシタンスが最小であるときに前記充電スイッチ（１２；１１２；２１２）が閉じられるように制御される請求項２記載の変換システム。
【請求項４】
前記スイッチは、前記キャパシタ（２；１０２；２０２）のキャパシタンスが最大であるときに前記充電スイッチ（１８；１１８；２１８）が閉じられるように制御される請求項２記載の変換システム。
【請求項５】
前記キャパシタの電極のうちの一つ（２０２．２）は、転送スイッチまたはダイオード（２１６）を通じて前記収集手段（２０８）に接続された請求項２記載の変換システム。
【請求項６】
前記転送スイッチまたはダイオード（２１６）は、前記可変キャパシタンスにおける減少に相当する前記可変キャパシタの可動電極（２０２．２）の移動フェーズ中に導通している請求項５記載の変換システム。
【請求項７】
前記可変キャパシタは第１キャパシタ（２，１０２）を構成し、本システムは、また、第２可変キャパシタ（４，１０４）を備え、該第２可変キャパシタは、少なくとも、固定プレート（４．１；１０４．１）と、前記固定プレートから離れる方向に移動可能な可動プレート（４．２；１０２．２）とを備え、前記第１および第２キャパシタにおける前記可動プレートは動きが固定され、前記第２可変キャパシタ（４，１０４）は、転送スイッチまたはダイオード（１６，１１６）を通じて前記収集手段（８）に接続された請求項２記載の変換システム。
【請求項８】
前記第２キャパシタ（４）は、前記可動プレート（４．２）の両側に配置された二つの固定プレート（４．１ａ，４．１ｂ）を備えた請求項７記載の変換システム。
【請求項９】
各キャパシタは固定プレート（１０２．１，１０４．１）を備え、それぞれは、共通可動プレート（１０２．２）の片側に配置された請求項７記載の変換システム。
【請求項１０】
前記第１キャパシタ（１０２）の第１固定プレート（１０２．１）は、前記第２キャパシタ（１０４）の第２固定プレート（１０４．１）の表面上の可動プレート（１０２．２）に対向する表面を備えた請求項９記載の変換システム。
【請求項１１】
前記放電スイッチ（１８；１１８；２１８）の閉期間は、前記変換サイクルの期間の１００分の１よりも小さい請求項２記載の変換システム。
【請求項１２】
前記放電スイッチ（１８；１１８；２１８）は、前記可変キャパシタ（２；１０２；２０２）の前記可動プレートおよび前記固定プレート上に支持された要素から構成され、前記放電は、前記プレート上に支持された複数の要素を相互に接続することにより生じる請求項２ないし１１の何れか１項記載の変換システム。
【請求項１３】
スイッチは、時間、可動プレートの位置の値、前記キャパシタのうちの一つのキャパシタンス、キャパシタの端子の電圧、またはキャパシタの端子の電圧の微分係数に応じて制御される請求項２ないし１１の何れか１項記載の変換システム。
【請求項１４】
当該システムは、シリコンから製造された集積システムである請求項２ないし１３の何れか１項記載の変換システム。
【請求項１５】
前記復帰手段は、バネ、ブレード、変形可能なビームの中から選択されたものである請求項２ないし１４の何れか１項記載の変換システム。
【請求項１６】
電気エネルギー変換アセンブリであり、当該電気エネルギー変換アセンブリは、請求項２ないし１５の何れか１項による少なくとも二つの変換システムを備え、当該アセンブリは、第１電圧の第１エネルギーを複数の第２電圧の複数の第２エネルギーに変換する機能を有する電気エネルギー変換アセンブリ。
【請求項１７】
当該システムは、共通の可動電極を備えた請求項１６記載の電気エネルギー変換アセンブリ。
【請求項１８】
請求項２ないし１５の何れか１項による少なくとも一つの電気エネルギー変換システムまたは請求項１６または１７の何れか１項による変換アセンブリを備えた電子装置。
【国際調査報告】
2011507478.tif 000016
2011507478.tif 000017
2011507478.tif 000018
2011507478.tif 000019
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