(57)【要約】  本発明は、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための変換装置（１）に関し、この変換装置（１）は、振動に対する電位差を生成する変換器（１１）と、変換器の端子に接続された電気回路（９）とを備えている。電気回路（９）は、並列に接続された第１および第２のブランチを備え、第１のブランチは、可変容量（Ｃ１）を有する第１のキャパシタシステムを備え、第２のブランチは、給電されるべき電気負荷（４）に直列に接続された可変容量（Ｃ２）を有する第２のキャパシタシステムを備えている。制御回路は、キャパシタシステムのそれぞれの容量を変化させ、これにより、変換器の機械共振周波数を変化させるように構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置（１）であって、
−  振動が与えられた時に電位差を発生する変換器（１１）と、
−  前記変換器の端子に接続され、並列に接続された第１および第２のアームを備える電気回路（９）であって、前記第１のアームは、第１の可変容量キャパシタステム（Ｃ１）を備え、前記第２のアームは、給電されるべき電気負荷（４）を備えている電気回路（９）とを備える、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置（１）において、
−  前記第２のアームは、電気負荷（４）に直列に接続された第２の可変容量キャパシタ（Ｃ２）を備え、
−  制御回路（８１、８２）は、前記第１および第２キャパシタシステムの、それぞれの容量値を変化させ、これにより、前記変換器の機械共振周波数を変化させるように構成されていることを特徴とする、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置。
【請求項２】
変換器（１１）は、振動を加えることによって変形する、少なくとも１つの圧電システム（１１０、１２０）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置。
【請求項３】
前記圧電システムは、振動支持体（５）の中に埋め込まれた第１の端部と可動質量体（６）の中に埋め込まれた第２の端部とを有する梁（１００）に取り付けられていることを特徴とする、請求項２に記載の、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置。
【請求項４】
圧電システム（１１０、１２０）は、梁（１００）の長さ方向に分極していることを特徴とする、請求項３に記載の、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置。
【請求項５】
−  振動支持体（５）の瞬時加速度を測定するようになっている加速度計（８３０）と、
−  前記圧電システムの端子における瞬時電圧を測定するための装置とを更に備え、
制御回路（８）は、前記第１および第２のキャパシタシステムの、前記それぞれの容量値を変化させ、これにより、前記圧電システムの前記端子における前記電圧を、振動支持体（５）の前記加速度と直交位相関係に維持するように構成されていることを特徴とする、請求項３または４に記載の、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置。
【請求項６】
測定された前記瞬時加速度から矩形波信号を生成する第１の比較回路と、測定された前記電圧から矩形波信号を生成する第２の比較回路と、前記生成された矩形波信号の中の１つに対して９０°の位相シフトを施す移相回路（８４０）とを備え、
前記制御回路は、一方の矩形波信号から生成された前記移相信号と他方の矩形波信号との間の相対位相の関数として、前記第１および第２キャパシタシステムの、前記それぞれの容量値を変化させるようになっていることを特徴とする、請求項５に記載の、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置。
【請求項７】
前記測定された瞬時加速度から矩形波信号を生成する第１の比較回路と、前記測定された電圧から矩形波信号を生成する第２の比較回路と、前記生成された矩形波信号の間の重なり部分のデューティ比を求める回路とを備え、
制御回路（８）は、前記求めた重なり部分のデューティ比の関数として、前記第１および第２キャパシタシステムの、前記それぞれの容量値を変化させるようになっていることを特徴とする、請求項５に記載の、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置。
【請求項８】
前記測定された加速度に前記測定された電圧を乗算するアナログ乗算器を備え、制御回路（８）は、前記アナログ乗算器の出力信号のＤＣ成分の関数として、前記第１および第２キャパシタシステムの、前記それぞれの容量値を変化させるようになっていることを特徴とする、請求項５に記載の、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置。
【請求項９】
第１および第２キャパシタシステム（Ｃ１、Ｃ２）は、並列に接続されている前記第１および第２のアームの等価容量Ｃｅを、Ｃｐを圧電システム（１１０、１２０）の容量として、制御回路（８１、８２）によって、０．２＊Ｃｐ以下の値と１．５＊Ｃｐ以上の値との間を変化させることができることを特徴とする、請求項２〜８のいずれか１項に記載の、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置。
【請求項１０】
調整可能な振幅を有し、変換器（１１）に直列に接続されたＤＣ電圧源（１２）を更に備え、前記制御回路は、前記ＤＣ電圧源の振幅を変化させるように構成されていることを特徴とする、請求項２〜９のいずれか１項に記載の、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置。
【請求項１１】
前記第１および第２キャパシタシステムは、１組のキャパシタ（Ｃ１１〜Ｃ１ｎ、Ｃ２１〜Ｃ２ｎ）を備え、この組の前記キャパシタのそれぞれは、前記制御回路によって制御される各スイッチに直列に接続されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置。
【請求項１２】
−  前記第１のアームは、並列に接続されたｎ個１組のキャパシタＣ１ｉを備え、ｉは１からｎまでの範囲の整数であり、各キャパシタＣ１ｉは、各スイッチｋ１ｉに直列に接続され、キャパシタＣ１ｉの容量値は、Ｃαを基準容量値として、Ｃ１ｉ＝２ｉ−１＊Ｃαの関係式によって定義され、
−  前記第２のアームは、並列に接続されたｎ個１組のキャパシタＣ２ｉを備え、ｉは１からｎまでの範囲の整数であり、各キャパシタＣ２ｉは、各スイッチｋ２ｉに直列に接続され、キャパシタＣ２ｉの容量値は、Ｃβを基準容量値として、Ｃ２ｉ＝２ｉ−１＊Ｃβの関係式によって定義されることを特徴とする、請求項１１に記載の、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置。
【請求項１３】
ディジタルカウンタを備え、このディジタルカウンタの各出力ビットは、それぞれのスイッチを制御することを特徴とする、請求項１１または１２に記載の、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置。
【請求項１４】
前記制御回路は、調整回路を備え、この調整回路は、前記第１および第２のキャパシタシステムの前記容量値を変化させ、これにより、電気回路（９）の負荷（４）の中の電力を最適化するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置。
【請求項１５】
変換器（１１）によって生成される電位差の最大値は、給電されるべき前記回路に給電するための電位差と比較して、少なくとも５倍大きいことを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する装置に関し、特に、振動により電気エネルギーを生成させる独立した電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特定の環境下、例えば、過酷な環境下、または運動している機械の中では、電気回路を電源ケーブルに接続することは困難である。この問題を克服するために、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する微小機械装置が知られている。この装置は、一般に、振動している支持体（例えば、機械または車両）に取り付けられるマイクロシステムを形成している。ある公知の技術では、共振システムを使用して、支持体の機械的振動を増幅し、増幅した運動を電気に変換している。従って、電気回路には、外部からのケーブルを使用することなく、電力を供給することができる。
【０００３】
機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する公知の原理の１つは、圧電素子を備える梁の振動を励起することに基づいている。このような梁は、一般的に、振動支持体の中に埋め込まれた第１の端部を有するコアを備えている。可動質量体が、コアの第２の端部に固定されている。１つの圧電素子が、コアの上面に固定され、別の圧電素子が、コアの下面に固定されている。電気回路が、圧電素子の端子に接続され、圧電素子は、電気的に直列または並列に配置されている。圧電素子は、可動質量体によって生成される機械エネルギーを電気エネルギーに変換するようになっている。
【０００４】
機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換するために適用される別の公知の原理は、静電システムに基づいている。この静電システムは、可変容量を使用して、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
【０００５】
種々のエネルギー収集微小構造に対して、しばしば生ずる問題は、得られるエネルギーの量が少ないこと、振動の周波数がシステムの固有機械共振周波数から離れると、エネルギーの収集効率が低下すること、また振動エネルギー収集の帯域幅が小さいことである。
【０００６】
圧電構造を使用する場合には、第１の圧電素子の分極を制御して、共振システムの機械共振周波数を変化させることにより、電気エネルギーを生成する振動の周波数帯域幅を増加させることができる。このことは、非特許文献１に記載されている。この場合、電気エネルギーは、第２の圧電素子のところで収集される。従って、第１の圧電素子の剛性によって梁の剛性を変化させることができ、これにより、機械共振周波数を変化させることができる。この目的のために、第１の圧電素子と並列に可変容量が接続される。第２の圧電素子は、可変容量に接続されていないので、この可変容量は、電気負荷への電気エネルギーの収集には影響を与えない。
【０００７】
従って、システムの機械共振周波数に対する自動制御を設定することができる。振動エネルギーを引き出すためのシステムが、可変振動数を有する場合には、この種の自動制御が必要であることが分かる。このようなシステムの１つの例は、エンジンの回転速度、または車輪の回転速度に大きな変動を有する自動車である。
【０００８】
このようなシステムは、機械共振周波数を振動源の周波数に適合させることが可能であるが、エネルギー収集に対して十分に最適化されてはいない。このシステムは、特に電気負荷における電気減衰係数と梁の機械減衰係数とを等しく合わせることを保証するものではない。またこのシステムでは、この負荷の動作を妨げることなく、負荷インピーダンスを変化させることにより、機械共振周波数を変化させることは困難である。さらに、このシステムによって、圧電素子から収集するエネルギーを最適にすることもできない。
【０００９】
非特許文献２は、ＰＤＬＣ液晶に基づく調整可能なキャパシタを記述している。非特許文献２は、振動エネルギーを収集するための装置の中に一体化された、上記のキャパシタついて説明している。エネルギー収集装置の効率は、調整可能なキャパシタを使用して、圧電素子を有する梁の共振周波数を調整し、外部の振動周波数に合わせることにより改善される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】“Frequency tuning concepts for piezoelectric cantilever beams and plates for energy harvesting（圧電片持ち梁に対する周波数同調の考え方とエネルギーを収集するための板）”, David Charnegie著。
【非特許文献２】“Tunable Capacitor Based on Polymer-Dispersed Liquid Crystal for Power Harvesting Microsystems（電力を収集するマイクロシステムのための高分子分散型液晶に基づく可変キャパシタ）”, 2008.年10月1日。
【非特許文献３】“Optimization of resonant harvesters in piezopolymercomposite technology（圧電高分子複合材料技術における共振型収集器の最適化）”, 28th and 29th PowerMEMS conference, 2007年11月。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、これらの欠点の１つ以上を解決することを目的としている。本発明は、特に、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置に関し、この装置は、
−  振動が与えられた時に電位差を発生する変換器と、
−  変換器の両端子に接続され、並列に接続された第１および第２のアームを備える電気回路であって、第１のアームは、第１の可変容量キャパシタステムを備え、第２のアームは、給電されるべき電気負荷に直列に接続された第２の可変容量キャパシタシステムを備えている電気回路と、
−  第１および第２キャパシタシステムの、それぞれの容量値を変化させ、これにより変換器の機械共振周波数を変化させるように構成されている制御回路とを備えている。
【００１２】
１つの変形においては、変換器は、振動を加えることによって変形する、少なくとも１つの圧電システムを含んでいる。
【００１３】
更に別の変形においては、圧電システムは、振動支持体の中に埋め込まれた第１の端部と可動質量体の中に埋め込まれた第２の端部とを有する梁に取り付けられている。
【００１４】
別の変形においては、圧電システムは、梁の長さ方向に分極している。
【００１５】
更に別の変形においては、この装置は、
−  振動支持体の瞬時加速度を測定するように構成された加速度計と、
−  圧電システムの端子における瞬時電圧を測定するための装置と、
−  第１および第２のキャパシタシステムの、それぞれの容量値を変化させ、これにより、圧電システムの端子における電圧を、振動支持体の加速度と直交位相関係に維持するように構成されている制御回路とを更に備えている。
【００１６】
更に別の変形においては、この装置は、測定された瞬時加速度から矩形波信号を生成する第１の比較回路と、測定された電圧から矩形波信号を生成する第２の比較回路と、生成された矩形波信号の中の１つに対して９０°の位相シフトを施す移相回路とを備え、前記制御回路は、一方の矩形波信号から生成された移相信号と、他方の矩形波信号との間の相対位相の関数として、第１および第２キャパシタシステムの、それぞれの容量値を変化させる。
【００１７】
更に別の変形においては、この装置は、測定された瞬時加速度から矩形波信号を生成する第１の比較回路と、測定された電圧から矩形波信号を生成する第２の比較回路と、生成された矩形波信号の間の重なり部分のデューティ比を求める回路とを備え、制御回路は、求めた重なり部分のデューティ比の関数として、第１および第２キャパシタシステムの、それぞれの容量値を変化させる。
【００１８】
別の変形においては、この装置は、測定された加速度に測定された電圧を乗算するアナログ乗算器を備え、制御回路は、アナログ乗算器の出力信号のＤＣ成分の関数として、第１および第２キャパシタシステムの、それぞれの容量値を変化させる。
【００１９】
更に別の変形においては、第１および第２キャパシタシステムは、並列に接続されている第１および第２のアームの等価容量Ｃｅを、Ｃｐを圧電システムの容量として、制御回路によって、０．２＊Ｃｐ以下の値と１．５＊Ｃｐ以上の値との間を変化させることができる。
【００２０】
更に別の変形においては、この装置は、調整可能な振幅を有し、変換器に直列に接続されたＤＣ電圧源を更に備え、制御回路は、ＤＣ電圧源の振幅を変化させるように構成されている。
【００２１】
１つの変形形態においては、第１および第２キャパシタシステムは、１組のキャパシタを備え、この組のキャパシタのそれぞれは、制御回路によって制御される各スイッチに直列に接続されている。
【００２２】
別の変形においては、
−  第１のアームは、並列に接続されたｎ個１組のキャパシタＣ１ｉを備え、ｉは、１からｎまでの範囲の整数であり、各キャパシタＣ１ｉは、各スイッチｋ１ｉに直列に接続され、キャパシタＣ１ｉの容量値は、Ｃαを基準容量値として、Ｃ１ｉ＝２ｉ−１＊Ｃαの関係式によって定義され、
−  第２のアームは、並列に接続されたｎ個１組のキャパシタＣ２ｉを備え、ｉは、１からｎまでの範囲の整数であり、各キャパシタＣ２ｉは、各スイッチｋ２ｉに直列に接続され、キャパシタＣ２ｉの容量値は、Ｃβを基準容量値として、Ｃ２ｉ＝２ｉ−１＊Ｃβの関係式によって定義される。
【００２３】
更に別の変形においては、この装置は、ディジタルカウンタを備え、このディジタルカウンタの各出力ビットは、それぞれのスイッチを制御する。
【００２４】
更に別の変形においては、制御回路は、調整回路を備え、この調整回路は、第１および第２のキャパシタシステムの容量値を変化させ、これにより、電気回路の負荷の中の電力を最適化するように構成されている。
【００２５】
１つの変形においては、変換器によって生成される電位差の最大値は、給電されるべき回路に給電するための電位差と比較して、少なくとも５倍大きい。
【００２６】
本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照して行う以下の説明から明らかになると思う。これらの説明は、網羅的ではない事例を示している。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】機械振動エネルギーを変換するための、本発明による装置の機械的構造の一例の縦断面である。
【図２】図１に示す装置の平面図である。
【図３】本発明による変換装置によって形成される電気回路の原理を示す図である。
【図４】変換装置に適合させた回路の第１の実施形態を示す図である。
【図５】変換装置に適合させた回路の第２の実施形態を示す図である。
【図６】自動制御回路の第１の変形例を示す図である。
【図７】自動制御回路の第２の変形例を示す図である。
【図８】自動制御回路の第３の変形例を示す図である。
【図９】機械共振周波数の変化を、容量値の関数として示すグラフである。
【図１０】電気回路の容量の変化を、２つのアームにおける容量値の関数として示すグラフである。
【図１１】本発明による変換装置の改良の原理を示す図である。
【図１２】本発明の改良による自動制御回路の一例を示す図である。
【図１３】本発明の別の改良による自動制御回路の一例を示す図である。
【図１４】本発明の別の改良による自動制御回路の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置１の機械的構造の一例の縦断面図である。図２は、変換装置１の平面図である。装置１は、機械振動エネルギーを生成するためのシステムに固定的に接合されるようになっている支持体５を備えている。装置１はまた、支持体５の中に形成された凹部５１の中に収容された可動質量体６を備えている。梁１００は、支持体５と可動質量体６との間を縦方向（図示されている座標系のｘ軸に沿って）に伸びている。梁１００は、１０ｍｍ未満の長さを有する微小構造とすることができる。梁１００は、２つの長手方向の端部１０１および１０２を有する。端部１０１および１０２は、それぞれ、支持体５および可動質量体６の中に埋め込まれている。可動質量体６は、支持体５の中に形成された凹部５１の中で、梁１００によって、懸架保持されている。梁１００は、可動質量体６と支持体５との間のｚ方向に沿った相対運動の影響で、ｙ方向の軸を中心に曲がるように構成されている。
【００２９】
支持体５、可動質量体６、および梁１００は、シリコン基板（または鋼基板）の中に一体で形成されることが有利である。このような構成は、シリコンまたは鋼を成形する従来技術によって簡単に得ることができるので、本発明による変換装置に対する適切な弾性係数を得ることができる。
【００３０】
可動質量体６は、梁１００の質量よりも遙かに大きな質量を有していると有利である。従って、機械共振周波数は、より簡単に定義することができ、蓄積可能な機械エネルギー（運動エネルギーおよびポテンシャルエネルギー）は、梁１００の端部において同じ質量および同じ変位を有する場合と比較して、大きな値を得ることができる。
【００３１】
梁１００は、その上面に固定された圧電素子１１０、および下面に固定された圧電素子１２０を有する。圧電素子１１０および１２０は、支持体５と可動質量体６との間を長手方向に延びている。圧電素子１１０および１２０は、相当程度大きな値の長手方向の分極を有する。従って、梁１００の撓みによって誘起される長手方向の引張力または圧縮力が、圧電素子１１０および１２０に加えられた時には、圧電素子１１０および１２０の両端部の間（それぞれ、１１１と１１２との間、および１２１と１２２との間）には、電圧が発生する。
【００３２】
本実施形態の場合の電気容量は、比較的値が小さく、圧電素子の断面積を梁の長さで割った値に比例する。従って、圧電素子は、横方向（ｚ軸方向）の分極を有することが有利であり、このためには、大きい電極面積（梁１００の長さ全体にわたって延びている、下面および上面の面積）と、小さな電極間距離（圧電素子の厚さは、梁の長さよりはるかに小さい）とを有することが有利である。発生する電圧は、電極間距離に比例するので、上述した分極はまた、誘電破壊の危険性を減少させる。
【００３３】
圧電素子１１０の端部１１２は、電気配線９５を介して、給電されるべき回路と、適応回路（図示せず）とに接続されている。端部１１１は、半導体基板の中に形成された支持体５によって、給電されるべき回路のグランド、および適応回路のグランドに接続されている。同様に、圧電素子１２０の端部１２２は、給電されるべき回路のグランドに接続されている。端部１２１は、電気配線（図示せず）によって、給電されるべき回路と適応回路とに接続されている。
【００３４】
この例では、長手方向とは、梁１００が固定されている支持体５の面５２に垂直な方向のことである。梁１００は、本明細書では、比較的簡単な構造を有している。しかし、圧電素子における均質な応力を促す構造も考えることもできる。このことは、非特許文献３に記述されている。
【００３５】
図３に示すように、機械システム１１（可動質量体６、梁１００、および圧電素子１１０、１２０を備える）は、２つの電気接続端子の間に電位差を発生させる。これらの電気接続端子は、給電されるべき負荷および可変容量キャパシタシステムＣ１およびＣ２を備える電気回路９に接続されている。
【００３６】
以下においては、次に示すパラメータを使用する。
ｆｖ：支持体５の振動周波数、
ｆｒｍ：アセンブリ１１の機械共振周波数、
ξｅ：変換装置１の電気減衰係数、
ξｍ：アセンブリ１１の機械減衰係数。
【００３７】
可変容量キャパシタシステムＣ１とＣ２とは、回路９の電気減衰係数ξｅ、および機械システム１１の機械共振周波数ｆｒｍの両方を規定する。回路９では、並列に接続された第１および第２のアームが、機械システム１１の接続端子に接続されている。第１のアームは、可変容量キャパシタシステムＣ１を含んでいる。第２アームは、給電されるべき電気負荷４と直列に接続された可変容量キャパシタシステムＣ２を含んでいる。簡略化のため、負荷４は、純粋な抵抗とする。
【００３８】
制御回路（図示せず）を使用して、キャパシタシステムＣ１およびＣ２のそれぞれの容量値を変化させることにより、システム１１の最適な機械共振周波数ｆｒｍを決定し、また、システム１１の機械減衰係数に等価な、変換装置１の電気減衰係数ξｅを得ることができる。これら２つの条件は、所与の振動の振幅および可動質量体に対して、負荷のところにおける電力を最大にすることができる。また、負荷４の端子における電位差を、動作最適値に維持することも可能である。従って、負荷４において得られる電気エネルギーは、最適化される。同時に、機械共振周波数ｆｒｍを、最適値に設定することができる。回路９が目的とする機械共振周波数ｆｒｍは、例えば、適切な測定装置（図示せず）によって、振動周波数ｆｖを測定するにより求めることができる。
【００３９】
キャパシタＣ１およびＣ２の、それぞれの容量値を制御することにより、第１アームを流れる電流の割合と第２アーム（給電されるべき負荷４を含む）を流れる電流の割合とを調整することができる。キャパシタシステムＣ１およびＣ２の、それぞれの容量値は、任意の適切な手段によっても制御することができる。容量値は、例えば、所望の機械共振周波数に応じて、変換装置１の中に記憶されているテーブルの中で定めることもできる。キャパシタシステムＣ１およびＣ２の容量値は、それぞれの制御ループによって定めることもできる。
【００４０】
実際には、回路９の容量の変化（キャパシタシステムＣ１およびＣ２の容量の変化によって定義される）は、圧電素子１１０および１２０の中の電気量の時間的分布を変化させる。回路９の容量の増大は、梁１００の剛性を低下させ、従って、システム１１の機械共振周波数を低下させる。キャパシタシステムＣ１とＣ２との間における、回路９の容量の分布によって、回路９の電気減衰係数を調整することができる。キャパシタシステムＣ１の容量に対する、キャパシタシステムＣ２の容量の増加は、回路９の電気減衰係数を増大させる。
【００４１】
【数１】
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実際における、変換装置１の電気減衰係数は、次に示す関係によって定義される。
【００４２】
ここで、
ω：生成された電位差の、振動周波数ｆｖによって定義される角周波数、
Ｒ：電気負荷４の抵抗、
ｋ：圧電素子の電気機械結合、
Ｃｐ：圧電素子によって誘起される容量、
Ｃ’ｐ＝１＋（Ｃ１／Ｃｐ）、
Ｃ’ｓ＝Ｃ２／Ｃｐである。
【００４３】
システム１１の端子間で発生させることができる電位差は、給電されるべき負荷４に対する電位差よりもはるかに大きいと有利である。圧電素子１１０および１２０は、例えば、負荷４に印加される電位差よりも、少なくとも１０倍大きい電位差を生成することもできる。従って、第２アームは、分圧器として機能し、これにより、負荷４に対する適切な電位差を得ることができると共に、機械共振周波数と電気減衰係数とを変化させることができる。従って、分圧比も変化させることができれば有利である。この種の電位差は、システム１１の機械共振周波数に対して、負荷４（本質的に抵抗性である）が与える影響を減少させることができる。例えば、負荷４の端子間における３Ｖ程度の最適電圧に対して、５０Ｖの電位差を発生させる圧電素子１１０および１２０を設けることもできる。
【００４４】
図４は、回路９の第１の実施形態を示す。給電されるべき負荷４は、電力消費回路４１およびＡＣ／ＤＣ変換器７を備えている。ＡＣ／ＤＣ変換器７には、梁１００の往復運動により発生する交流電位差が入力される。ＡＣ／ＤＣ変換器７は、ダイオードブリッジの形で実現することができる。負荷４は、ＡＣ／ＤＣ変換器７の出力に接続された蓄電装置（例えば、電池またはキャパシタ）を有し、これにより、回路４１がスタンバイ状態にあるときに、エネルギーを貯蔵することができれば有利である。回路９は、更に、１組のキャパシタＣ１１〜Ｃ１ｎおよびＣｍｉｎを備え、これらキャパシタの第１の電極は、システム１１の第１の端子に接続されている。キャパシタＣ１１〜Ｃ１ｎおよびＣｍｉｎは、更に、第２の電極を有している。キャパシタＣ１１〜Ｃ１ｎの第２の電極は、第１に、スイッチｋ１１〜ｋ１ｎを通して、システム１１の第２の端子に接続されている。キャパシタＣ１１〜Ｃ１ｎの第２の電極は、第２に、スイッチｋ２１〜ｋ２ｎを通して、ＡＣ／ＤＣ変換器７の入力に接続されている。従って、キャパシタＣ１１〜Ｃ１ｎは、負荷４に並列に接続された第１のアーム、または、負荷４に直列に接続された第２アームを形成することができる。ＡＣ／ＤＣ変換器７のもう一方の入力は、システム１１の第２端子に接続されている。スイッチｋ１１〜ｋ１ｎの開閉は、制御回路８１によって制御される。スイッチｋ２１〜ｋ２ｎの開閉は、制御回路８２によって制御される。スイッチｋ２１〜ｋ２ｎを選択的に閉じることによって、負荷４に直列に接続されたキャパシタの容量値を適切な値とすることができる。スイッチｋ１１〜ｋ１ｎを選択的に閉じることにより、システム１１の圧電素子の電極に直列に接続されたキャパシタの容量値を適切な値とすることができる。
【００４５】
電気負荷に直列または並列に接続されている容量値を高精度に調整できるようにするために、キャパシタＣ１１〜Ｃ１ｎ（すなわち、Ｃ１ｉのｉは、１〜ｎの範囲にある）を、関係式Ｃ１ｉ＝２ｉ−１＊Ｃによって定義される容量値とすることができる。ここで、Ｃは容量の基準値である。
【００４６】
キャパシタＣｍｉｎが存在することにより、電気負荷４と直列に接続された容量を最小値にすることによって、飽和領域を超えた状態に回路９を置くことができるので有利である。このことに関しては、図９のグラフを参照して詳細に説明する。更に、キャパシタＣ１ｉおよびＣ２ｉを制御するすぐ前であっても、この容量Ｃｍｉｎによって、負荷４に対して最小のエネルギーを供給することが可能になる。従って、負荷４のところで、まず、優先されるべき回路に、この第１のエネルギーを供給し、次いでこの優先された回路が、スイッチｋ１ｉとｋ２ｉとを最適に駆動できるようにすることができる。
【００４７】
図５は、回路９の第２の実施形態を示す。給電されるべき負荷４は、第１に、電力消費回路４１およびＡＣ／ＤＣ変換器７を備えている。ＡＣ／ＤＣ変換器７には、梁１００の往復運動により発生する交流電圧が入力される。
【００４８】
回路９は、更に、１組のキャパシタＣ１１〜Ｃ１ｎを備え、これらのキャパシタＣ１１〜Ｃ１ｎは、システム１１の第１の端子に接続された第１の電極を有する。キャパシタＣ１１〜Ｃ１ｎは、更に、スイッチｋ１１〜ｋ１ｎを介して、システム１１の第２の端子に接続された第２の電極を有する。従って、キャパシタＣ１１〜Ｃ１ｎは、圧電素子の電極と並列に接続されて、第１アームの中に適切な値の容量を形成することができる。
【００４９】
回路９は、更に、１組のキャパシタＣ２１〜Ｃ２ｎ、およびＣｍｉｎを有し、キャパシタＣ２１〜Ｃ２ｎおよびＣｍｉｎは、システム１１の第１端子に接続された第１の電極を有する。キャパシタＣ２１〜Ｃ２ｎは、更に、スイッチｋ２１〜ｋ２ｎを介してＡＣ／ＤＣ変換器７の入力に接続された第２の電極を有する。キャパシタＣｍｉｎは、ＡＣ／ＤＣ変換器７のこの同じ入力に接続されている。ＡＣ／ＤＣ変換器７のもう一方の入力は、システム１１の第２の端子に接続されている。従って、キャパシタＣ２１〜Ｃ２ｎ、およびＣｍｉｎは、負荷４に直列に接続されて、第２のアームの中に適切な値の容量を形成することができる。
【００５０】
スイッチｋ１１〜ｋ１ｎの開閉は、制御回路８１によって制御される。スイッチｋ２１〜ｋ２ｎの開閉は、制御回路８２によって制御される。スイッチｋ２１〜ｋ２ｎを選択的に閉じることにより、負荷４に直列に接続された容量を適切な値にすることができる。スイッチｋ１１〜ｋ１ｎを選択的に閉じることにより、圧電素子と並列に接続された容量を適切な値にすることができる。この実施形態では、２つのアームの中に使用されるキャパシタは、分離されている。
【００５１】
電気負荷に直列または並列に接続されている容量値を、数値制御によって、高精度に調整できるようにするために、キャパシタＣ１１〜Ｃ１ｎ（すなわち、Ｃ１ｉのｉは、１〜ｎの範囲にある）、およびＣ２１〜Ｃ２ｎ（すなわち、Ｃ２ｉのｉは、１〜ｎの範囲にある）を、関係式Ｃ１ｉ＝２ｉ−１＊Ｃα、およびＣ２ｉ＝２ｉ−１＊Ｃβによって定義される容量値にすることができる。ここで、ＣαおよびＣβは、それぞれ、システムＣ１およびＣ２に対する容量の基準値である。
【００５２】
キャパシタＣｍｉｎが存在することにより、電気負荷４と直列に接続された容量を最小値にして、飽和領域を超えた状態に回路９を置くことができるので有利である。このことに関しては、図９のグラフを参照して詳細に説明する。更に、キャパシタＣ１ｉおよびＣ２ｉを制御するすぐ前であっても、キャパシタＣｍｉｎのこの容量によって、負荷に対して最小のエネルギーを供給することが可能になる。従って、負荷のところで、まず、優先されるべき回路に、この第１のエネルギーを供給し、次いで、この優先された回路が、スイッチｋ１ｉとｋ２ｉとを最適に駆動できるようにすることができる。
【００５３】
図６は、機械共振周波数を追尾するための回路の第１の実施形態を示す。この回路は、システム１１からの出力電力の直接自動制御に基づいている。すなわち、機械共振周波数は、負荷４に供給される電力を恒久的に最適化することによって、自動的に調整される。回路９の負荷４の端子における瞬時電力Ｐｉが測定される。測定された電力は、低域通過フィルタ８０４に印加される。低域通過フィルタ８０４は、測定された電力の平滑化平均Ｐ２に等しい値を出力する。平滑化平均Ｐ２は、比較器８０６の入力に印加される。平滑化平均の値Ｐ１（先行するクロックサイクルで、ストレッジ容量Ｃｍの中に予め記憶されていた値）が、比較器８０６のもう一方の入力に同時に印加される。比較器８０６は、信号Ｓ１を生成する。電力が増加している場合には、信号Ｓ１は１に等しく、そうでない場合には０に等しい。信号Ｓ１は、ＸＮＯＲゲート８０１の入力に印加される。信号Ｅｖｏは、ＸＮＯＲゲート８０１のもう一方の入力に印加される。この信号は、機械共振周波数のすぐ前の変化の符号を表す。信号Ｅｖｏが信号Ｓ１と同じである場合には、ゲート８０１は、１に等しい信号Ｓ２を生成する。そうでない場合には、０に等しい信号Ｓ２が生成される。信号Ｓ２は、カウンタ８０２の入力に印加される。カウンタ８０２は、Ｓ２の値が０であるか、または１であるかに従って、カウントアップ、またはカウントダウンを行う。実際には、カウンタ８０２は、すぐ前におけるカウントが電力の増加を示していた場合には、同じカウント方向を保持し、逆に、電力が減少した場合には、カウント方向を変える。カウンタ８０２の出力は、不揮発性メモリ８０３（例えば、ＥＥＰＲＯＭメモリ）の入力（アドレスバス）に値Ｂを印加する。従って、Ｂの値は、不揮発性メモリ８０３のアドレスに対応する。不揮発性メモリ８０３には、このアドレスに、対応する開閉設定を記憶する。従って、不揮発性メモリ８０３は、スイッチｋ１１〜ｋ１ｎ、およびｋ２１〜ｋ２ｎを開閉するための信号を出力する。従って、第１および第２のアームのそれぞれの容量は、メモリ８０３に記憶されている設定によって決められる。第１のアームにおける容量と第２アームにおける容量との間の容量比率を選択する基準に関しては、図１０を参照しながら以下で詳細に説明する。
【００５４】
Ｓ２の値に応じて、出力値の増減をカウンタ８０２に命令するクロック信号の、同じエッジで、スイッチ８０７は、過渡的に閉じられて、キャパシタＣｍの中に、値Ｐ２が格納され、これは、Ｐ１として将来使用する値を設定する。信号Ｓ２の値は、同じクロックエッジの間に、Ｄラッチ８０２の中にも記憶され、次に続く信号Ｅｖｏが生成される。
【００５５】
スイッチ８０７、Ｄラッチ８０５、およびカウンタ８０２は、同じクロック信号によって駆動される。クロック信号は、システム１１の端子における電位差から生成することができ、従って、クロック信号は、システム１１の振動周波数と同相であり、また、自律クロック回路を設ける必要はない。クロック信号の立上りエッジおよび立下りエッジは、システム１１の端子における電位差が０に至る時刻によって定義することができる。従って、スイッチｋ１１〜ｋ１ｎおよびｋ２１〜ｋ２ｎを、電位差が０Ｖになるときに開閉することができ、これにより、キャパシタから圧電素子に対する、不適切な時刻における電荷の転送を防止することができる。
【００５６】
図７は、機械共振周波数を追尾するための回路の、簡単な構造を有する、第２の実施形態を示す。この回路は、システム１１からの出力電力の直接自動制御に基づいている。回路９の端子における瞬時電力Ｐｉが測定される。測定された電力は、低域通過フィルタ８０４に印加される。低域通過フィルタ８０４は、測定された電力の平滑化平均値Ｐ３に等しい値を出力する。平滑化平均値Ｐ３は、微分回路８０８に印加される。微分回路８０８の出力信号は、回路８０９（ゼロ比較器）の入力に印加される。回路８０９は、信号Ｐ３の微係数の符号を識別する。識別された信号に対応する信号Ｓ１は、回路８０９で生成されて出力される。信号Ｓ１は、電力が増加した場合には１に等しく、そうでない場合には、０に等しい。信号Ｓ１は、ＸＮＯＲゲート８０１の入力に印加される。信号Ｅｖｏは、ＸＮＯＲゲート８０１のもう一方の入力に印加される。この信号Ｅｖｏは、Ｓ２のすぐ前の値を表し、Ｓ２は、カウンタ８０２のすぐ前の変化を表し、カウンタ８０２の出力は、機械共振周波数を調整する。
【００５７】
信号Ｅｖｏが信号Ｓ１と同じである場合には、ゲート８０１は、１に等しい信号Ｓ２を生成する。そうでない場合には、ゲート８０１は、０に等しい信号Ｓ２を生成する。信号Ｓ２は、カウンタ８０２の入力に印加される。カウンタ８０２の出力は、スイッチｋ１１〜ｋ１ｎ、およびｋ２１〜ｋ２ｎの開閉を直接に制御する。スイッチｋ１ｉに印加される制御信号と、スイッチｋ２ｉに印加される制御信号とは、相補関係にある。図１０に示すように、Ｃ１が増加すると、Ｃ２は減少する。逆に、Ｃ１が減少すると、Ｃ２は増加する。従って、このような制御回路は、特に簡単であることが分かる。このような制御信号は、本明細書の上記で定義した関係式Ｃ１ｉ＝２ｉ−１＊Ｃα、およびＣ２ｉ＝２ｉ−１＊Ｃβ
に従ったキャパシタとともに使用すると有利である。ＣαおよびＣβの値によって、特に、Ｃ１およびＣ２の勾配を調整することができる。
【００５８】
Ｓ２の値に応じて出力値の増減をカウンタ８０２に命令するクロック信号の、同じエッジで、信号Ｓ２の値は、Ｄラッチ８０５の中にも記憶され、次に続く信号Ｅｖｏが生成される。
【００５９】
Ｄラッチ８０５およびカウンタ８０２は、同じクロック信号で駆動される。クロック信号は、システム１１の端子における電位差から生成することができ、従って、クロック信号は、システム１１の振動周波数と同相であり、自律クロック信号の生成は必要としない。
【００６０】
図８は、機械共振周波数を追尾するための回路の第３の実施形態を示す。この回路は、共振周波数および電気減衰係数の、微分自動制御に基づいている。
【００６１】
回路９の端子における瞬時電力Ｐｉが測定される。測定された電力は、第１の低域通過フィルタ８０４に印加される。低域通過フィルタ８０４は、測定された電力の平滑化平均Ｐ４に等しい値を出力する。平滑化平均Ｐ４は、第１に微分回路８１３に印加され、第２に別の低域通過回路８２６の入力に印加される。
【００６２】
微分回路８１３の出力信号は、回路８１４の入力に印加され、回路８１４は、信号Ｐ４の微係数の符号を識別する。識別された信号に対応する信号Ｓ３は、回路８１４の出力のところに生成される。信号Ｓ３は、電力が増加した場合には１に等しく、そうでない場合には、０に等しい。信号Ｓ３は、ＸＮＯＲゲート８１１の入力に印加される。ＸＮＯＲゲート８１１のもう一方の入力には、Ｄラッチ８１０に記憶されているすぐ前の値Ｓ３’が検索されて入力される。
【００６３】
信号Ｓ３’が信号Ｓ３と同じである場合には、ゲート８１１は、１に等しい信号Ｖ３を生成する。信号Ｓ３’が信号Ｓ３と同じでない場合には、ゲート８１１は、０に等しい信号Ｖ３を生成する。信号Ｖ３は、カウンタ８１２の入力に印加される。カウンタ８１２の出力は、ｎビットのバイナリモードに符号化され、ｎ本の配線上を伝送され、スイッチｋ２１〜ｋ２ｎの開閉を直接に命令する。従って、主に回路９の電気減衰係数を管理することができる。
【００６４】
低域通過回路８２６の出力は、微分回路８２３の入力に印加される。微分回路８２３の出力信号は、回路８２４の入力に印加され、回路８２４は、回路８２６からの信号の微係数の符号を識別する。識別された符号に対応する信号Ｓ４は、回路８２４で生成されて出力される。電力が増加した場合には、信号Ｓ４は１に等しく、また、そうでない場合には、信号Ｓ４は０に等しい。信号Ｓ４は、ＸＮＯＲゲート８２１の入力に印加される。ＸＮＯＲゲート８２１のもう一方の入力には、Ｄラッチ８２０に記憶されているすぐ前の値Ｓ４’が検索されて入力される。
【００６５】
信号Ｓ４’が信号Ｓ４と同じである場合には、ゲート８２１は、１に等しい信号Ｖ４を生成する。信号Ｓ４’が信号Ｓ４と同じでない場合には、ゲート８２１は、０に等しい信号Ｖ４を生成する。信号Ｖ４は、カウンタ８２２の入力に印加される。カウンタ８２２の出力は、スイッチｋ１１〜ｋ１ｎの開閉を直接に制御し、従って、主にシステム１１の共振周波数を管理することができる。
【００６６】
クロック信号は、周波数分周器８１５および周波数分周器８２５に印加される。周波数分周器８１５からのクロック信号は、ゲート８１０およびカウンタ８１２に印加される。周波数分周器８２５からのクロック信号は、ゲート８２０およびカウンタ８２２に印加される。周波数分周器８１５の分周比は、周波数分周器８２５の分周比より大きい（例えば、１０倍）。異なる応答時間を有する自動制御ループを使用して、共振周波数と電気減衰係数との自動制御を設定し、それにより、不安定なシステムが形成されるのを防止することが有利である。更に、容量を変化させた場合の共振周波数に対する応答時間は、減衰に対する応答時間よりも長い。これは、周波数自動制御ループの中で、長い帰還時間の使用を正当化するものである。帰還時間を長くすることは、第２の低域通過フィルタ８２６に導入することができ、また周波数分周器８１５によるクロック信号の分周数比を大きくすることにも導入することができる。
【００６７】
クロック信号のエッジにおいて、Ｄラッチ８１０および８２０は、それぞれ、信号Ｖ３および信号Ｖ４の値を格納し、引き続き、それぞれ、ゲート８１１およびゲート８２１の入力にそれらを印加する。カウンタ８１２および８２２は、Ｖ３およびＶ４の値に応じて、同じクロック信号エッジで、それぞれの出力値を増加または減少さする。
【００６８】
図９のグラフは、機械共振周波数ｆｒｍの変化を、回路９の内部に設定される容量値の関数として示す例である。より具体的には、ｘ軸は、等価容量Ｃｅ（キャパシタシステムＣ１、Ｃ２を含むアームの等価容量）の容量Ｃｐ（梁１００の圧電素子１１０および１２０によって誘起される容量）に対する比を示している。ｆｒｍは、システム１１の機械共振周波数の最小値ｆ０に対する比として表されている。機械共振周波数の変化は、梁１００の剛性の変化を表している。梁１００の剛性の変化は、電荷量の変化から生ずる圧電素子１１０および１２０の剛性の変化によって引き起こされる。
【００６９】
図に示すように、グラフは、５つの領域に分けられる。領域１および領域５は、飽和領域に対応する。領域１および領域５は、それぞれ、開放条件および短絡条件に近づく飽和領域に対応する。負荷４に直列に接続されたキャパシタＣｍｉｎが存在することにより、飽和領域１を回避することができる。領域２および領域４は、回路の非線形領域に対応している。領域３は、急峻な勾配を有する比較的線形に近い領域に対応している。動作領域がグラフの領域３の線形領域に限定されている場合には、回路９は、容易に制御することができる。線形領域３における回路９の動作は、このキャパシタシステムＣ１とＣ２とを、容量Ｃｐと比較して、適切な値にすることによって得ることができる。図に示すように、等価容量Ｃｅが０．１＊Ｃｐと２＊Ｃｐとの間を変化する場合には、回路９の動作を、線形領域３の中に保持することができる。
【００７０】
しかし、システムの周波数変化範囲を増大させるためには、領域２および領域４も使用することが賢明であり得る。この場合、帰還制御ループの安定性を検討して、帰還制御ループの要素（クロック周波数、容量の非量子化、フィルタの遮断次数および遮断周波数、また必要に応じた補正等）の値を決定する際には、動作の非線形特性を考慮に入れることが有利である。図６に示す場合のように、メモリを使用して、この非線形性の補正を容易にすることができる。
【００７１】
更に、変換装置１の動作に対する寄生容量の影響を減少させるためには、容量Ｃｐが極力高い値を有していると有利である。そのためには、圧電素子１１０および１２０の長さが、その厚さと比較して長い場合には、圧電素子１１０および１２０は、長手方向に対する横方向に分極していることが望ましい。圧電素子１１０および１２０の長さが、その厚さに比べて短い場合には、圧電素子は、その長手方向に分極されていることが望ましく、これにより、電気機械結合が改善される。梁の長さが長いこと、および強い電気機械結合が得られることに対する要求条件を、容量を低下させることなく満足するためには、梁の長さ方向に複数の圧電素子を取り付け、これらの圧電素子のそれぞれが、この長さ方向に沿って分極していることが有利である。
【００７２】
図１０は、キャパシタＣ１およびＣ２の、それぞれの最適な容量値を、回路９の等価容量Ｃｅの関数として示している。このグラフは、図６の実施形態において、Ｃ１とＣ２に対する最適な容量値を求め、開閉するべきスイッチを決定するのに役立たせることができる。この実施形態においては、これらのスイッチは、不揮発性メモリ８０３の中に記憶された値によって制御される。
【００７３】
このグラフによって、以下に示すように、変換装置１の動作を調節することができる。
【００７４】
まず第１に、振動周波数における機械共振周波数を調整するために必要な等価容量が決定される。そして、最適な電気減衰係数を規定するキャパシタＣ１とＣ２との容量値の間の比が決定される。
【００７５】
実際には、図６、図７、および図８の場合に、所望の全容量の反映するものは、カウンタの出力値であり、カウンタの増加分または減少分は、全容量の増加または減少を表している。そして、メモリ（図６）、並行して増加および減少を行うステップ（図７）、または第２の自動制御ループ（図８）によって、この全容量をＣ１とＣ２との間で分散させることができる。
【００７６】
図１１は、本発明による変換装置の改善策を示す図である。上記の例のように、機械システム１１（可動質量体６、梁１００、および梁１００の圧電素子１１０および１２０を備える）は、２つの電気接続端子間に電位差を発生させる。調整装置１２は、ＤＣ電圧源を備え、このＤＣ電圧源は、調整可能な振幅を有し、機械システム１１に直列に接続されている。電気回路９は、給電されるべき負荷４と、可変容量キャパシタのシステムＣ１およびＣ２とを備え、機械システム１１および調整装置１２によって形成されているアセンブリの端子に接続されている。制御装置８は、キャパシタＣ１およびＣ２の、それぞれの容量値を制御する。制御装置８は、調整装置１２によってシステム１１に印加される電界を制御する。
【００７７】
この改善策の原理は、機械システム１１の圧電素子１１０および１２０の圧電材料の中に、静電界（調整可能な振幅を有する）を印加することにある。振動支持体に往復機械運動を与えると、圧電素子の中に電界の変化を生じ、この電界の変化は、調整装置１２によって印加された静電界に重畳される。この静電界は、圧電材料の分極に対する静電界の印加方向に応じて、剛性を増大または減少させる。従って、機械共振周波数の変化範囲を更に広げることができ、振動周波数の非常に広い範囲を使用してエネルギーを得ることができる。従って、制御装置８は、調整装置１２によって印加された電圧に応じて、機械システム１１の共振周波数を制御することができる（機械システム１１の共振周波数に影響を与えるキャパシタＣ１およびＣ２の容量値に対する制御装置８の作用を補完するものとして）。高い抵抗値（Ｒは、例えば、１／（Ｃ１＊ω）の少なくとも１０倍）を有する抵抗Ｒを、Ｃ１と並列に配置することができ、Ｃ１の端子間の平均電圧を、殆ど０に等しく保持することができる（Ｃ１の端子に現れる可能性があり、システム１１の中に印加される平均電界を変化させるＤＣ電界を除去している）。
【００７８】
別の改善策においては、圧電素子１１０と１２０との間に生ずる電圧と、支持体５の加速度との間の位相差は、一定に保たれる。この考え方の目的は、圧電素子１１０および１２０のそれぞれの電圧の位相差と振動支持体の加速度との測定に基づいて、システム１１を、その共振周波数で動作するように維持することである。これらの電圧の位相を、ρ１およびρ２で表すことにする。
【００７９】
共振時には、電圧信号の１つと加速度を表す信号との位相差は、π／２（直交位相）に等しい。励振周波数がシステム１１の共振周波数より遙かに高い場合には、これらの２つの信号は、同位相になり、励振周波数が共振周波数より低い場合には、逆位相になる。
【００８０】
この改善策は、位相差をπ／２領域に維持する帰還システムを達成することを目的としており、共振している状態にシステムを維持することである。
【００８１】
図１２に示す、この改善策の第１の実施形態においては、２つの矩形波信号が、それぞれ、支持体５の加速度を表す電圧から、およびシステム１１の圧電素子の端子における電圧から生成される。加速度計８３０は、支持体５の加速度を表す信号を、比較器８３２の非反転入力に印加する。システム１１の端子における電圧（または、静電界を調整するための装置１２が存在する場合には、高域通過フィルタによってフィルタリングされた電圧、またはキャパシタＣ１の端子における電圧）は、比較器８３１の非反転入力に印加される（例えば、抵抗分割器ブリッジを通して、入力電圧に減衰を与え、これにより、システム１１の出力電圧と同等に高い電圧で比較器が給電されるのを防ぐことができる）。
【００８２】
比較器８３２の出力から供給される矩形波信号は、Ｄラッチ８３５のクロック信号として使用される。比較器８３１の出力から与えられる矩形波信号は、位相進み回路８３３の入力に印加される。位相進み回路８３３は、入力信号にπ／２の位相進みを与える。出力信号は、Ｄラッチ８３５のＤ入力に印加される。Ｄラッチ８３５は、共振周波数に対する振動周波数の位相を、移相量π／２と比較する機能を有する。
【００８３】
比較器８３１の出力信号の立上りエッジの時に、２つの異なる場合がある。
【００８４】
１つの場合には、支持体５の励振周波数は、共振周波数より高く、この場合には、比較器８３１の信号の、比較器８３２の信号に対する位相遅れは、π／２より大きい。この場合には、符号が変るまで共振周波数を上昇させる。
【００８５】
もう１つの場合には、支持体５の励振周波数は、共振周波数より低く、この場合には、比較器８３１の信号の、比較器８３２の信号に対する位相遅れは、π／２より小さい。この場合には、符号が変るまで共振周波数を下降させる。
【００８６】
Ｄラッチ８３５の出力は、カウンタ８３６の入力に直接に接続される。この入力は、カウンタのカウント方向を規定する。カウンタ８３６のクロック入力は、周波数分周器８３７の出力によって制御され、これにより、カウント周波数を減少させ、その結果、システムの消費電力を低減させる（分周比は、システムの帰還速度とシステムの消費電力との間で、見いだされるべき妥協点である。それらを決める考え方は、システムには、入力される振動の周波数変化と、加えられた振動の種類に大きく依存する変化速度とに追従するために必要なダイナミックレンジが正確に与えられなければならないということである）。比較器８３１の出力は、周波数分周器８３７の入力に印加される。カウンタ８３６は、キャパシタＣ１およびＣ２の容量値を決定するスイッチｋ１ｎおよびｋ２ｎを制御する。
【００８７】
追加として、代替または置換として、カウンタ８３６は、調整装置１２の中の静電界の増加または減少を命令することができると考えられる。これは、カウンタの値に直接に比例する電界の値、または、印加される電界の値を決めている最上位ビットおよびキャパシタＣ１およびＣ２の容量値を決めている最下位ビットのいずれかであってよい。従って、装置１２における静電界は、装置１２における電気エネルギーの増分／減分によって決めることができる。カウンタ値を増加させる代わりに、小さなエネルギーパルスが装置１２に送信され、逆に、カウンタ値を減少させる代わりに、小さなエネルギーパルスを、装置１２から取り出すことができる。
【００８８】
調整信号の各立上りエッジにおいて、共振周波数は、Δｆだけ増加または減少される。本明細書で上記した、ｆ＜ｆ０、またはｆ＞ｆ０のどちらの場合も（ｆは支持体５の振動周波数であり、ｆ０はシステムの共振周波数である）、システムは、ｆ０の周りで安定する（ｆ０−Δｆからｆ０＋Δｆの間で）。
【００８９】
図１３に示す、この改善策の第２の実施形態においては、２つの矩形波信号は、それぞれ、支持体５の加速度を表す電圧から、およびシステム１１の圧電素子の端子間電圧から生成される。加速度計８３０は、振動支持体５の加速度を表す信号を、比較器８３２の非反転入力に印加する。システム１１の端子における電圧は、比較器８３１の非反転入力に印加される。
【００９０】
比較器８３１および８３２からの出力信号は、ＸＮＯＲゲート８４０の入力に印加される。ＸＮＯＲゲート８４０の出力は、低域通過フィルタ８３８の入力に接続される。この低域通過フィルタ８３８からの出力信号は、ＸＮＯＲゲート８４０からの出力電圧の平均値を表す。この平均値Ｕは、典型的に、機械振動の１０周期のサイクルから算出される。この電圧平均値Ｕは、比較器８３１および８３２の出力における矩形波信号の間の位相差に比例している。低域通過フィルタ８３８からの出力信号は、比較器８３９の非反転入力に印加される。電圧Ｅ／２は、比較器８３９の反転入力に印加される。電圧Ｅは、ＸＮＯＲゲート８４０の電源電圧に対応し、従って、電圧Ｕによって得られる最大電圧に対応している。
ｆ＜ｆ０の場合、Ｕ＞Ｅ／２（Δω＞π／２）、
ｆ＝ｆ０場合、Ｕ＝Ｅ／２（Δω＝π／２）、
ｆ＞ｆ０場合、Ｕ＜Ｅ／２（Δω＜π／２）である。
【００９１】
比較器８３９の出力は、カウンタ８３６の入力に直接に接続されている。この入力は、カウント方向を規定する機能を有する。カウンタ８３６のクロック信号入力は、周波数分周器８３７の出力によって制御される。比較器８３１の出力は、周波数分周器８３７の入力に印加される。カウンタ８３６は、キャパシタＣ１およびＣ２の容量値を規定するスイッチｋ１ｎおよびｋ２ｎを制御する。
【００９２】
この目的は、共振周波数を、振動支持体５の振動周波数に極力近い値に設定することである。従って、電圧Ｕは、電圧Ｅ／２と比較される。Ｕ＞Ｅ／２の場合には、共振周波数は、低下する。またＵ＜Ｅ／２場合には、共振周波数は、上昇する。
【００９３】
図１４に示す、この改善策の第３の実施形態においては、振動支持体５の加速度を表す電圧、およびシステム１１の圧電素子の端子における電圧は、乗算回路８４１のそれぞれの入力に印加される。乗算回路８４１は、これら２つの電圧のアナログ乗算を行う。従って、乗算器８４１の出力信号は、ＤＣ成分とＡＣ成分とを備えている。ＡＣ成分は、振動周波数の２倍に等しい周波数を有する。ＤＣ成分は、これら２つの電圧の間の位相差を表す。例えば、機械振動の約１０周期で、乗算器８４１の出力信号の平均値を取ることができ、これにより、位相差に相当する直流成分を抽出することができる。乗算器８４１の出力は、低域通過フィルタ８３８に印加される。低域通過フィルタ８３８は、ＡＣ成分を除去し、直流成分を出力する。低域通過フィルタ８３８の出力は、比較器８３９の非反転入力に印加される。
【００９４】
ＤＣ成分がゼロであるときには、電圧が直交位相の関係にあるので、次に示す式に従って、システムは共振状態に移行する。
【数２】
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【００９５】
比較器８３９を使用して、乗算器８４１の出力におけるＤＣ成分が極力ゼロに近い値に保持される点に、システムを安定化させるようにすることができる。比較器８３９の出力は、カウンタ８３６の入力に直接に接続され、カウンタ８３６のカウント方向を制御する。
【００９６】
システム１１の端子における電圧は、比較器８３１の非反転入力に印加される。カウンタ８３６のクロック信号入力は、周波数分周器８３７の出力によって制御される。比較器８３１の出力は、周波数分周器８３７の入力に印加される。カウンタ８３６は、キャパシタＣ１およびＣ２の容量値を決めるスイッチｋ１ｎおよびｋ２ｎを制御する。
【００９７】
振動周波数に対する共振周波数の位置に応じて、比較器８３９は、カウント方向を変化させる。
【００９８】
本明細書で上記した例においては、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するためのシステムは、圧電素子を備える梁に基づくものである。本発明はまた、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する他のシステム（例えば、静電システム）にも適用することができる。
【００９９】
静電システムは、振動の影響の下で互いに相対的に移動する、互いに対向する２つの電極を備えることができる。静電システムは、電源によって行う電極の再充電、または、電極の少なくとも一方に対して可動であるエレクトレットの存在の、いずれかに基づくことができる。
【符号の説明】
【０１００】
１  変換装置
４  負荷
５  支持体
６  可動質量体
７  ＡＣ／ＤＣ変換器
８  制御装置
９  電気回路
１１  機械システム（変換器）
１２  調整装置
４１  電力消費回路
５１  凹部
５２  支持体５の面
８１、８２  制御回路
９５  電気配線
１００  梁
１０１、１０２  長手方向の端部
１１０、１２０  圧電素子
１１１、１１２、１２１、１２２  圧電素子の端部
８０１、８１１  ＸＮＯＲゲート
８０２  カウンタ
８０３  不揮発性メモリ
８０４  低域通過フィルタ
８０５、８１０、８２０、８３５  Ｄラッチ
８０６  比較器
８０７  スイッチ
８０８、８２３  微分回路
８０９  ゼロ比較器
８１１、８２１、８４０  ＸＮＯＲゲート
８１２、８２２  カウンタ
８１３、８２３  微分回路
８１４、８２４  ゼロ比較器
８１５、８２５  周波数分周器
８２６  第２の低域通過フィルタ
８３０  加速度計
８３１、８３２  比較器
８３３  位相進み回路
８３６  カウンタ
８３７  周波数分周器
８３８  低域通過フィルタ
８３９  比較器
８４１  乗算回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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