(57)【要約】発明は、端子（１１、１２）のいずれか一方に電荷を蓄積することによって、ハーベスティングされることになるエネルギーの変動を、２つの電気端子（１１、１２）間の電位差に変換することが可能な変換器（１０）であって、圧電材料製の少なくとも１つの第１の層（１）を有する層のスタック（９）を含む、変換器（１０）と、・  ２つの電気端子（１１、１２）に接続され、スイッチ（３１）を備え、スイッチ（３１）が閉状態にあるとき電荷をハーベスティングするように構成されている収集回路（３０）であって、変換器（１０）は、収集回路（３０）が電荷をハーベスティングするとき、可聴周波数帯域にある音響振動を発することができる、収集回路（３０）とを備えるエネルギーハーベスタ（９０）であって、変換器（１０）の複数の部分放電を通じて電荷をハーベスティングするように、また各放電中、第１の層（１）が受ける偏差応力を制限するように、電位差が定義された閾値に達したときスイッチ（３１）の複数の開閉シーケンス（ＳFO）を制御するように構成された制御回路（３１０）をさらに備えるエネルギーハーベスタ（９０）に関する。
2021500842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの電気端子（１１、１２）の一方または他方での電荷の蓄積によって、ハーベスティングされることになるエネルギーの変化を前記２つの電気端子（１１、１２）間の電位差に変換することが可能な変換器（１０）であって、圧電材料製の少なくとも１つの第１の層（１）を含む層スタック（９）を含む、該変換器（１０）と、
前記２つの電気端子（１１、１２）に接続され、スイッチ（３１）を含み、前記スイッチ（３１）が閉状態にあるとき、前記電荷をハーベスティングするように設計されている収集回路（３０）であって、前記変換器（１０）は、前記収集回路（３０）が前記電荷をハーベスティングするとき、可聴周波数帯域にある音響振動を発することが可能である、該収集回路（３０）と
を備えるエネルギーハーベスタ（９０）であって、
前記変換器（１０）の複数の部分放電によって前記電荷をハーベスティングするように、および前記第１の層（１）が各放電中に受ける偏差応力を制限するように、前記電位差が定義された閾値に達したとき、前記スイッチ（３１）の複数の開閉シーケンス（ＳFO）を制御するために設計されている制御回路（３１０）を備えたことを特徴とするエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項２】
各シーケンス（ＳFO）について、前記スイッチ（３１）の閉状態は、前記制御回路（３１０）によって生成されるパルスによって制御されることを特徴とする請求項１に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項３】
パルスは、１００から１０００ナノ秒の幅を有し、２つの連続するシーケンス（ＳFO）の２つのパルスは、１０から１００マイクロ秒だけ離隔されることを特徴とする請求項２に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項４】
前記制御回路（３１０）は、前記電位差の定義された閾値を検出するための第１のステージ（３１１）と、前記パルスを生成する第２のステージ（３１２）と、前記スイッチ（３１）を制御する第３のステージ（３１３）とを備えたことを特徴とする請求項２または３に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項５】
前記第１のステージ（３１１）は、前記変換器（１０）の前記電気端子（１１、１２）に接続されおよび第１のアウトレット（Ｓ１）にて第１のトリガ信号を生成することが可能な、差動比較器（３１１ａ）を備えたことを特徴とする請求項４に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項６】
前記第２のステージ（３１２）は、前記第１のアウトレット（Ｓ１）に接続されおよび第２のアウトレット（Ｓ２）にてパルス列を形成する第２の信号を生成することが可能な、論理デバイスを備えたことを特徴とする請求項５に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項７】
前記第２の信号は、固定されたパルス幅、パルス周期、およびパルス数を有することを特徴とする請求項６に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項８】
前記第３のステージ（３１３）は、前記第２の信号を変換するために前記第２のアウトレット（Ｓ２）に接続され、および前記第２の信号を、パルス列を形成しおよび前記スイッチ（３１）の前記複数の開閉シーケンスを制御することが可能な制御信号に変換することを目的とした、適応デバイスを備えたことを特徴とする請求項６または７に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項９】
前記適応デバイスは、トランジスタ（３１３ａ）およびパルストランス（３１３ｂ）を備えたことを特徴とする請求項８に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項１０】
前記第２のステージ（３１２）または前記第１のステージ（３１１）および前記第２のステージ（３１２）によって形成されるアセンブリは、第２のアウトレット（Ｓ２）にて、パルス列を形成する第２の信号を生成するために設計されているマイクロコントローラを備えたことを特徴とする請求項４に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項１１】
前記第２の信号は、可変のパルス幅、パルス周期、およびパルス数を有することを特徴とする請求項１０に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項１２】
前記変換器（１０）は、磁気エネルギーの変化をその前記２つの電気端子（１１、１２）間の電位差に変換することが可能であり、その前記層スタック（９）は磁歪材料製の第２の層を含む、磁気−電気変換器であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項１３】
磁界源（５０）と、請求項１ないし１２のいずれか１つに記載のエネルギーハーベスタ（９０）とを備えたことを特徴とする発電機（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギーハーベスティングのためのデバイスの分野に関する。より詳細には、ハーベスティングされることになるエネルギーの変化を電位差に変換することが可能な変換器を備えるエネルギーハーベスタ（ｈａｒｖｅｓｔｅｒ）に関する。変換器（ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）は、圧電材料層を備える。
【背景技術】
【０００２】
磁界源およびエネルギーハーベスタを備える発電機が従来技術から知られている（特許文献１および特許文献２）。エネルギーハーベスタは、磁界の変化を２つの電気端子間の電位差に、電気端子の一方または他方に電荷を蓄積することによって変換することが可能な磁気−電気変換器（ｍａｇｎｅｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を備える。この変換器は電気機械的トランスデューサから構成され、機械的な変形を２つの電気端子に接続されている圧電層の電極間の電位差に変換することが可能な圧電層を備える。また、変換器は、参照平面に従って自由度なしに電気機械的トランスデューサに固定され磁界の変化を電気機械的トランスデューサに加えられる機械的な変形に変換することが可能な磁歪層から構成される。また、エネルギーハーベスタは、スイッチにより変換器の電気端子に接続される電荷収集回路を備え、スイッチは、電気端子間の電位差が所定の閾値より大きくなった後で、変換器の電気端子の一方に蓄積されたすべての電荷をハーベスティングすることを可能にするために、閉位置にトグルするように制御される。
【０００３】
動作中、この種の発電機は、ノッキング音を発する。この音波は、いくつかの用途にとってブレーキ効果、さらには返品効果さえ有することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０６３９５１号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２０１４／０６３９５８号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、従来技術の発電機によって生成される音波を制限または解消するための解決策を提案するというものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、
・  ２つの電気端子の一方または他方での電荷の蓄積によって、ハーベスティングされる（ｈａｒｖｅｓｔｅｄ）ことになるエネルギーの変化を２つの電気端子間の電位差に変換することが可能な変換器であって、圧電材料製の少なくとも１つの第１の層を含む層スタックを含む変換器と、
・  ２つの電気端子に接続され、およびスイッチを含み、スイッチが閉状態にあるとき、電荷をハーベスティングするように設計されている収集回路であって、変換器は、収集回路が電荷をハーベスティングするとき、可聴周波数帯域にある音響振動を発することが可能である、収集回路とを備えるエネルギーハーベスタに関する。
【０００７】
エネルギーハーベスタは、変換器の複数の部分放電により電荷をハーベスティングするように、また第１の層が各放電中に受ける偏差応力を制限するように、電位差が定義された閾値に達したときスイッチの複数の開閉シーケンスを制御するために設計されている制御回路を備えるという点で特徴的である。
【０００８】
個々の、または組合せでの本発明による変換器の有利な特徴によれば、
・  各シーケンスについて、スイッチの閉状態は、制御回路によって生成されるパルスによって制御される。
・  複数のパルスの少なくとも１つの幅、および前記パルスの周期は、第１の層が部分放電中に受ける応力ダイナミクスを制御するように選択される。
・  パルスは、１００から１０００ナノ秒の幅を有し、２つの連続するシーケンスの２つのパルスは、１０から１００マイクロ秒だけ離隔される。
・  制御回路は、電位差の定義された閾値を検出するための第１のステージと、パルスを生成する第２のステージと、スイッチを制御する第３のステージとを備える。
・  第１のステージは、変換器の電気端子に接続され、および第１のアウトレットの領域内で第１のトリガ信号を生成することが可能な、差動比較器を備える。
・  第２のステージは、第１のアウトレットに接続され、第２のアウトレットの領域内でパルス列を形成する第２の信号を生成することが可能な、論理デバイスを備える。
・  第２の信号は、固定されたパルス幅、パルス周期、およびパルス数を有する。
・  第３のステージは、第２のアウトレットに接続され、および第２の信号を、パルス列を形成しおよびスイッチの複数の開閉シーケンスを制御することが可能な制御信号に変換することを目的とした適応デバイスを備える。
・  適応デバイスは、トランジスタおよびパルストランスを備える。
・  第２のステージまたは第１のステージおよび第２のステージによって形成されるアセンブリは、第２のアウトレットの領域内で、パルス列を形成する第２の信号を生成するために設計されているマイクロコントローラを備える。
・  第２の信号は、可変のパルス幅、パルス周期、およびパルス数を有する。
・  変換器は、磁気エネルギーの変化をその２つの電気端子間の電位差に変換することが可能であり、その層スタックは磁歪材料製の第２の層を含む、磁気−電気変換器である。
【０００９】
発明は、磁界源および上記のようなエネルギーハーベスタを備える発電機にも関する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、本発明の以下の詳細な説明から明らかになろう。
【図１】本発明によるエネルギーハーベスタを備える発電機の図である。
【図２】本発明によるエネルギーハーベスタの配線図である。
【図３ａ】変換器の電気端子での電位差の周期的な変化の例の図である。
【図３ｂ】変換器の電気端子での電位差の周期的な変化の例の図である。
【図４ａ】本発明によるエネルギーハーベスタの変換器の電気端子での電位差の周期的な変化の例の図である。
【図４ｂ】本発明によるエネルギーハーベスタの変換器の電気端子での電位差の周期的な変化の例の図である。
【図５ａ】本発明によるエネルギーハーベスタの制御回路の第１のステージの配線図である。
【図５ｂ】本発明によるエネルギーハーベスタの制御回路の第１のステージの配線図である。
【図６】本発明によるエネルギーハーベスタの制御回路の第２のステージの配線図である。
【図７】本発明によるエネルギーハーベスタの制御回路の第３のステージの配線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図は実施形態を示しており、いずれにしても限定するものと考えられるべきでない。図内の同じ符号が同一のものに使用されることがある。
【００１２】
本発明は、発電機１００の一部を形成することを目的としたエネルギーハーベスタ（ｈａｒｖｅｓｔｅｒ）９０に関する。
【００１３】
エネルギーハーベスタ９０は、端子１１、１２の一方または他方に電荷を蓄積することによって、ハーベスティングされることになるエネルギーの変化を２つの電気端子１１、１２間の電位差に変換することが可能な変換器１０を備える。
【００１４】
変換器１０は、圧電材料製の少なくとも１つの第１の層１を備える層スタック９を備え、第１の層１は、２つの電気端子１１、１２に電気接続される２つの金属電極を備える。第１の層１の機械的な変形（ハーベスティングされることになる周囲エネルギーの変化による）により、電極の一方または他方に電荷が生成され、電荷はその後、発電機１００内でハーベスティングされることになる。
【００１５】
変換器１０の層スタック９は、変換器１０のタイプおよび動作モードに応じて、異なる材料製の追加の層から構成されてもよい。特に、変換器１０は、磁気エネルギーの変化を、その２つの電気端子１１、１２間の電位差に変換することが可能な磁気−電気（ｍａｇｎｅｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ）タイプのものであってよい。この場合、導入部で述べた従来技術文献に記載されているように、層スタックは、磁歪材料製で、第１の層の参照平面に従って自由度なしに圧電材料の第１の層１に固定される第２の層２を備えてよい。
【００１６】
磁気エネルギーの変化により、磁歪材料の第２の層２が変形し、この変形は、スタック９内で第２の層２と一体である圧電材料の第１の層１に加えられる。
【００１７】
磁気エネルギーの変化は、典型的には、磁界源５０の移動に起因し、磁界は、発電機１００の一部である。磁界源５０は、磁気エネルギーの変化をもたらすために、変換器１０の層スタック９に対して相対移動を行うことができなければならない。
【００１８】
図１に示されている発電機の実施形態では、変換器１０は、第１の層１の電極と電気端子１１、１２との間の電気接続を確保する接続層１３と一体である層構造９によって形成される。変換器１０は、軸Ｚに対して直交する平面において円形の形状であり、機械的サポート２０によって静的に保持される。磁界源５０は、環状の形状であり、軸Ｚ周りで回転移動を行うことが可能である。
【００１９】
例として、磁気エネルギー源５０のこの回転移動は、ユーザによる（たとえばライトを制御するための）ディマスイッチの操作、または換気ダクト内のタービンの回転に関連付けられてもよい。
【００２０】
したがって、ハーベスティングされることになるエネルギーの変化は、変換器１０によって電荷に変換され、これらの電荷は、その後、変換器１０の２つの電気端子１１、１２に電気接続されている電荷収集回路３０によりエネルギーハーベスタ９０内でハーベスティングされる。収集回路３０は、典型的には、誘導要素３２（たとえばコイル）およびスイッチ３１を備える（図２）。閉位置では、スイッチは、キャパシタ３３など電気エネルギーを貯蔵することが可能な電気負荷に接続されている誘導要素３２に向かって電荷が流れることを可能にする。この電気エネルギーを、電子構成要素に供給するために使用することができる。上記の実施形態に戻って、構成要素は、ライトのオンオフ切替え、さらには換気ダクトのパラメータの測定、表示、または記録を制御することができる。
【００２１】
スイッチ３１は、電気端子１１、１２間の電位差が指定された閾値に達したとき閉じられる。有利には、エネルギーの観点から、指定された閾値は、最大電荷、したがって最大エネルギーをハーベスティングする目的で、変換器１０によって得ることができる電位差の実質的に最大のレベルである。
【００２２】
本出願人は、動作中、上記のエネルギーハーベスタ９０を備える発電機１００がノッキング音を生成すること見出した。これはディマスイッチタイプの用途では騒々しいものではないが、この音は、発電機１００が居住地の換気ダクトに使用されるとき、はるかに問題のもとである。実際、それらの場所のユーザが聞くことができるこのノッキングノイズは、本当の騒音公害である。
【００２３】
本出願人は、このノッキング音の発生元を識別するために、様々な調査を実施した。特に電荷をハーベスティングするために収集システム３０のスイッチ３１を開いたとき誘導要素３２内で電流パルスが生成され、コイルのターンの変形をもたらす効果を含めて、様々な理論が提示された。別の理論は、圧電材料の第１の層１が非常に高速に放電し、第１の層内の応力の状態の突然の変化をもたらす効果であった。
【００２４】
最終的に、この第２の理論が検証された。本出願人は、音波が主に、電荷のハーベスティング中、圧電材料の第１の層１の応力の状態の突然の変化によって生成される音響振動によるものであることを立証した。変換器の放電の現象（変換器１０の電気端子の１つから収集回路３０の誘導要素３２への電荷の流れ）により、その端子１１、１２間の電位は、数十ボルト、さらには数百ボルトから数分の１秒でゼロになる。したがって、圧電材料の第１の層１の応力の状態の変化は急激であり、音響振動を生成し、それらの振動が、変換器１０に、また発電機１００のすべての要素に伝達される。
【００２５】
特に、本出願人は、放電前のその状態と放電後のその状態との間で第１の層１が受ける偏差応力を制限する目的で電荷ハーベスティングを複数のシーケンス（連続する部分放電）に分割する可能性を評価するために、スイッチ３１を開いたときの電荷の流れ時間を解析した。
【００２６】
変換器の完全な放電のための時間は、３マイクロ秒の領域内であることに注目した。
【００２７】
したがって、本発明によるエネルギーハーベスタ９０は、変換器の複数の部分放電により電荷をハーベスティングするように、電位差が定義された閾値に達したときスイッチ３１の複数の開閉シーケンスを制御するために設計されている制御回路３１０を備える。
【００２８】
電気端子１１、１２の一方に蓄積された電荷の一部だけを順次流すことにより、圧電材料の第１の層１の応力の状態の変化を管理することが可能である。各放電シーケンスについては、第１の層１が受ける偏差応力は制限され、したがって、音響振動を生成しない、または少量の音響振動しか生成しない。
【００２９】
有利には、各シーケンスについて、スイッチ３１の閉状態は、制御回路３１０によって生成されるパルスによって制御される。パルスは、典型的には１０から１０００ナノ秒の幅を有し、２つの連続するシーケンスの２つのパルスは、典型的には１０から１００マイクロ秒だけ離隔され、パルス列は、３ｍｓ未満の合計持続時間を有する。
【００３０】
パルスの特徴（幅、周期、パルス数）の選択は、変換器１０の端子１１、１２における電位差の値に応じて、および第１の層１の圧電材料に応じて変わることができる。
【００３１】
パルスの幅（スイッチ３１の閉時間）は、放電前の状態と放電後の状態との間で第１の層１が受ける偏差応力が音響振動を生成しない、または少なくとも前記振動が小さくて聞こえない（たとえば２５ｄＢＡ未満）ほど十分に少量の電荷をハーベスティングするために調整されることを必要とする。
【００３２】
さらに、有効性の理由で、変換器１０を完全に放電することが重要である。発電機１００内でハーベスティングされることになるエネルギーの変化は、しばしば周期的であり、したがって、変換器１０は、ハーベスティングされることになるエネルギーの変化の周期に関連付けられる周期性に従って、電気端子の一方で、次いで他方で交互に電荷の最大量を生成するように設計されることに留意されたい。たとえば変換器１０の電気端子１１、１２上の電荷の最大量Ｑ10は、それらの電荷が収集されない場合、図３に示されているように変わることができ、電気端子１１上の正電荷Ｍ１１のピーク（最大）、および電気端子１２上の負電荷Ｍ１２のピークを交互に通過する。
【００３３】
電荷は、有利には、２つの電気端子１１、１２間の電位差Δν最大値に対応する各電荷ピークＭ１１、Ｍ１２で収集される。これは、圧電材料製の変換器１０の第１の層１の変形のサイクルを最大限に使用することを可能にする。あるいは、電荷の収集を、電荷最大値Ｍ１１またはＭ１２、すなわち２つの電気端子１１、１２間の指定された電位差Δν閾値に達する前にトリガすることを選ぶことが可能である。
【００３４】
２つの電気端子１１、１２間の電位差Δνが交互に正および負であるため、ダイオードブリッジ３４（図２）により、収集回路３０の入力においてこれを整流することが可能になる。
【００３５】
図３ｂに示されているように、スイッチ３１を閉じた後、変換器１０の放電（従来技術によるシーケンス）は、非常に急速であり（数マイクロ秒）、そのエネルギーを誘導要素３２に転送するための時間に対応する。キャパシタ３３の電荷は、それよりわずかに長く、誘導要素３２からキャパシタ３３へのエネルギーの転送に対応する（約１００マイクロ秒）。図３ｂにおけるグラフの尺度を考えると、キャパシタ３３の端子での電圧Ｖ33の増大の持続時間を識別することは可能でないことに留意されたい。
【００３６】
したがって、有効性の理由で、本発明によるエネルギーハーベスタ９０内の変換器１０の完全な放電は、図４ａおよび図４ｂに示されているように、変換器１０の端子１１、１２間でゼロの電位差を達成するために、複数のパルス（スイッチ３１の複数の開閉シーケンスＳFOに対応する）をリンクすることを含む。したがって、上述のように、パルス数は、変換器１０の端子１１、１２での電位差Δνの値に応じて、および第１の層１の圧電材料に応じて変わることができる。
【００３７】
最後に、変換器１０の放電は、変換器１０内に蓄積された電荷が第１の層１の逆変形によって相殺できる前に、制限された時間内で実施されなければならない。したがって、パルス列の周期は、すべての蓄積された電荷を、それらが第１の層１内で平衡される前に放電することを可能にしなければならない。換言すれば、パルス列（すなわち、スイッチ３１の複数の開閉シーケンス）のために割り当てられる時間は、ハーベスティングされることになる発電機１００のエネルギーの変化に関連付けられる周期よりはるかに小さいままであることを必要とする。
【００３８】
しかし、相関的には、連続する放電が、機械的な意味で１つのパルスにおける放電（音響振動の生成）と同じ効果を有さないように、各放電シーケンス間に十分な時間が残っていること、すなわち第１の層１が応力の各状態間に十分な弛緩時間を有することが確保されるべきである。したがって、パルスの幅（または複数の幅）、およびパルスの周期はまた、連続する部分放電中に第１の層１が受ける応力ダイナミクスを制御するように選択されなければならない。
【００３９】
有利には、制御回路３１０は、
・  電位差の指定された閾値を検出する第１のステージ３１１であって、変換器１０の電気端子１１、１２間の閾値を検出するために、および第１のアウトレットＳ１にてトリガ信号（第１の信号と称される）を生成するために設計されている、第１のステージ３１１と、
・  パルスを生成する第２のステージ３１２であって、第１のアウトレットＳ１に接続され、第１のトリガ信号を受け取ったとき第２のアウトレットＳ２にてパルス列を形成する信号（第２の信号と称される）を生成するように設計されている、第２のステージ３１２と、
・  スイッチ３１を制御する第３のステージ３１３であって、第２のアウトレットＳ２に接続され、第２の信号を、パルス列を形成する制御信号に変換することを目的とし、第３のアウトレットＳ３での制御信号は、スイッチ３１の複数の開閉シーケンスを制御することが可能である、第３のステージ３１３とを備える。
【００４０】
第１の実施形態によれば、指定された閾値を検出する第１のステージ３１１は、変換器１０の電気端子１１、１２に接続される差動比較器３１１ａを備える（図５ａ）。
【００４１】
有利には、エネルギーの点から、スイッチ３１は、変換器１０の端子１１、１２での電位差Δνが最大であるとき（ピーク値）、トリガされる。この目的のために、高電圧信号Δνを測定するために外部ソースに接続された増幅器で形成された差動比較器３１１ａを使用することが可能である。ピークの検出は、変換器１０の端子での信号導出によって達成され、それが０を通過することが検出される。この導出は、同様に、キャパシタにより達成され、キャパシタの電流は、その端子にて印加される電圧から導出される。
【００４２】
変換器１０の電気端子１１、１２間の指定された電圧閾値を検出したとき、差動比較器３１１ａは、第１のアウトレットＳ１と称される増幅器の領域内で第１のトリガ信号を生成する。
【００４３】
第２の実施形態によれば、指定された閾値を検出する第１のステージ３１１は、半導体におけるアバランシェ効果を利用する（図５ｂ）。低電圧では、ツェナーダイオードのアバランシェが使用されてよい。高電圧では、たとえばＭＯＳトランジスタのゲートとドレインとの間のアバランシェを利用して、トランジスタ３１１ｂを使用することができることが有利である。この場合、ソースが浮遊電位を有することを防止するために、ソースは、ゲートに接続することができる（ＶGS＝０）。第１のステージ３１１の入力での電圧（変換器１０の電気端子１１、１２間の電位差）がＭＯＳアバランシェ電圧より小さい限り、トランジスタ３１１ｂは遮断され、アウトレット電圧Ｖｓはゼロである。第１のステージ３１１の入力での電圧がアバランシェ閾値を超えたとき、トランジスタのアウトレットでの電圧Ｖｓは増大し、第１のアウトレットＳ１にて第１のトリガ信号を形成するために使用することができる。
【００４４】
記載の第１の実施形態または第２の実施形態では、制御回路３１０の第２のステージ３１２は、第１のアウトレットＳ１に接続され、したがって、第１のトリガ信号を受け取ることが可能な論理デバイスを備えてよい。
【００４５】
第１の信号の各立ち上りエッジについて、論理デバイスは、指定されたパルス数、周期、およびデューティサイクル（パルス持続時間とパルス列の周期との比）を有する周期的なパルス列を形成する第２の信号を生成するために設計される。
【００４６】
パルス数は、２０から１５０の間であってよく、上述のように、パルスの幅は、１０から１０００ナノ秒の間であってよく、周期は、１０から１００マイクロ秒の間であってよい。
【００４７】
この場合、第２の信号は、固定されたパルス幅、パルス周期、およびパルス数を有する。実際、論理デバイスは、第２の信号の特性を固定するパルス列を生成するように事前決定される。
【００４８】
論理デバイスは、図６に示されているように論理ポートで形成することができる。それは、第１の信号の各立ち上りエッジに関連付けられた信号の生成を可能にする論理ポートの第１のセットを含む。
【００４９】
信号は、パルス列が生成されることになる時間を定義する単安定アセンブリ３１２ａをトリガすることを可能にする。単安定アセンブリ３１２ａは、パルス列を生成することになる非安定アセンブリ３１２ｂをトリガする。非安定アセンブリ３１２ｂは、典型的には、数十マイクロ秒の周期、および５０％に近い開放デューティサイクルを有する。次いで、各パルスの幅は、ＲＣ回路により定義される。
【００５０】
したがって、制御回路３１０の第２のステージ３１２を形成する論理デバイスは、第２の出力Ｓ２にて以下の特徴を有するパルス列を生成することを可能にする。
・  パルス数：１５から１５０
・  パルスの幅：１０から１０００ナノ秒、たとえば６００ナノ秒
・  周期：１０から１００マイクロ秒、たとえば４２マイクロ秒
上記のように論理デバイスから制御回路３１０の第２のステージ３１２を形成することには、自律デバイスという利点があり、機能するために外部エネルギーの入力を必要としない。
【００５１】
あるいは、制御回路３１０の第２のステージ３１２は、第２のアウトレットＳ２にてパルス列を形成する第２の信号を生成するために設計されているマイクロコントローラを備えてよい。この代替は、上述の第１の実施形態または第２の実施形態において適用される。
【００５２】
この場合、マイクロコントローラを可変のパラメータでプログラムすることができるので、第２の信号は、可変の調整可能なパルス幅、パルス周期、およびパルス数を有してよい。これは、パルス列の合計持続時間を削減することを可能にする場合もある。実際、放電の開始時（スイッチ３１の第１の開閉シーケンス）、電気端子１１、１２間の電位差Δνは高い。所与の持続時間の第１のシーケンス中の放電は、電位差Δνの減少により、同一の持続時間の後続のシーケンス中よりはるかに多くのエネルギーを提供することになる。したがって、短い持続時間（短い幅）を有するパルスにより放電を開始し、より長いパルス（より大きい幅）でそれを終了することが好都合であろう。これは、より少ないパルスを使用して、より短い合計時間ですべての電荷をハーベスティングすることを可能にする。同時に、パルス数を削減することは、スイッチング損失および制御のためのエネルギー消費を低減することを可能にする。したがって、収率を改善することができる。
【００５３】
例として、制御回路３１０の第２のステージ３１２を形成するマイクロコントローラは、第２の出力Ｓ２にて以下の特徴を有するパルス列を生成することを可能にすることができる。
・  パルス数：＜１５
・  パルスの幅：２から１０００ナノ秒。これは最初のパルスと最後のパルスとの間で可変してよい。
・  周期：１０から１００ナノ秒。これは最初のパルスと最後のパルスとの間で可変してよい。
【００５４】
本発明の第３の実施形態によれば、第１のステージ３１１および第２のステージ３１２によって形成されるアセンブリは、変換器１０の電気端子１１、１２にて電位差の指定された閾値を検出し、閾値が検出されたとき、第２の出力Ｓ２にてパルス列を形成する第２の信号の生成をトリガすることができるマイクロコントローラによって形成されてよい。
【００５５】
制御回路３１０の第１のステージ３１１において、または第１のステージ３１１および第２のステージ３１２においてマイクロコントローラを使用することは、機能するためにエネルギーを必要とし、したがって、エネルギーハーベスタ９０によってハーベスティングされる電気エネルギーの一部分を大きく減少できるであろうことに留意されたい。したがって、マイクロコントローラによって消費されるこのエネルギーは、外部電子構成要素に供給するためにはもはや使用可能ではない。しかしながら、前記マイクロコントローラの動作を、そのスタンバイフェーズを管理することによって、および／または隣接するシステムにおける他の機能を有するマイクロコントローラの使用を合理化することによって最適化することが可能である。
【００５６】
上記の実施形態の一方または他方では、制御回路３１０の第３のステージ３１３は、第２のアウトレットＳ２に接続され、第２の信号を、パルス列を形成し、スイッチ３１の複数の開閉シーケンスを制御することが可能な制御信号に変換することを目的とした適応デバイスを備える。
【００５７】
有利には、適応デバイスは、トランジスタ３１３ａおよびパルストランス３１３ｂを備える。トランジスタ３１３ａのゲートは、制御回路３１０の第２のステージ３１２の第２の出力Ｓ２に電気接続される。パルス列を形成する第２の信号は、低い電圧を有するので、スイッチ３１を制御するためにそれをより高い電圧の制御信号に変換することが必要である。
【００５８】
有利には、前記スイッチ３１は、低い寄生容量を有し、１００ナノ秒未満のスイッチング時間を受け入れることができる、そのドレインで高電圧（変換器の電気端子１１、１２間の電位差Δνに対応）を維持することが可能なトランジスタによって形成される。
【００５９】
第２の出力Ｓ２のパルス列は、トランジスタ３１３ａのゲートを制御する。パルストランス３１３ｂの１次巻線の入力３１３ｂ１は、供給電圧に接続される。入力３１３ｂ２は、トランジスタ３１３ａのドレインに接続される。トランジスタ３１３ａをトグルすることは、パルストランスにおける変化磁束をもたらし、第２のコイル（出力３１３ｂ３および出力３１３ｂ４）上に制御電圧を生成することを可能にする。パルストランス３１３ｂの出力端子３１３ｂ３、３１３ｂ４は、スイッチ３１を形成するトランジスタのゲートおよびソースにそれぞれ接続される。したがって、パルストランス３１３ｂは、低電圧エレクトロニクス（トランス３１３ｂの上流）を高電圧スイッチ３１から分離することを可能にする。
【００６０】
本発明によるエネルギーハーベスタ９０について、磁気−電気変換器１０の例に基づいて述べた。しかし、本発明は、その応力の状態および応力ダイナミクスの変化の大きさが変換器１０と収集回路３０との間に位置するスイッチ３１の開閉シーケンス（部分的な連続する放電）による電荷の制御されたハーベスティングによって制限されることを目的とする圧電材料製の少なくとも１つの第１の層１を備える層スタック９を含む任意のタイプの変換器１０に適合することができる。
【００６１】
さらに、本発明は、記載の実施形態に限定されず、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を超えることなしに、変形形態を加えることが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年6月18日(2020.6.18)
【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】
２つの電気端子（１１、１２）の一方または他方での電荷の蓄積によって、ハーベスティングされることになるエネルギーの変化を前記２つの電気端子（１１、１２）間の電位差に変換することが可能な変換器（１０）であって、圧電材料製の少なくとも１つの第１の層（１）を含む層スタック（９）を含む、該変換器（１０）と、
前記２つの電気端子（１１、１２）に接続され、スイッチ（３１）を含み、前記スイッチ（３１）が閉状態にあるとき、前記電荷をハーベスティングするように設計されている収集回路（３０）であって、前記変換器（１０）は、前記収集回路（３０）が前記電荷をハーベスティングするとき、可聴周波数帯域にある音響振動を発することが可能である、該収集回路（３０）と
を備えるエネルギーハーベスタ（９０）であって、
前記変換器（１０）の複数の部分放電によって前記電荷をハーベスティングするように、および前記第１の層（１）が各放電中に受ける偏差応力を制限するように、前記電位差が定義された閾値に達したとき、前記スイッチ（３１）の複数の開閉シーケンス（ＳＦＯ）を制御するために設計されている制御回路（３１０）を備えたことを特徴とするエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項２】
各シーケンス（ＳＦＯ）について、前記スイッチ（３１）の閉状態は、前記制御回路（３１０）によって生成されるパルスによって制御されることを特徴とする請求項１に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項３】
パルスは、１００から１０００ナノ秒の幅を有し、２つの連続するシーケンス（ＳＦＯ）の２つのパルスは、１０から１００マイクロ秒だけ離隔されることを特徴とする請求項２に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項４】
前記制御回路（３１０）は、前記電位差の定義された閾値を検出するための第１のステージ（３１１）と、前記パルスを生成する第２のステージ（３１２）と、前記スイッチ（３１）を制御する第３のステージ（３１３）とを備えたことを特徴とする請求項２または３に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項５】
前記第１のステージ（３１１）は、前記変換器（１０）の前記電気端子（１１、１２）に接続されおよび第１のアウトレット（Ｓ１）にて第１のトリガ信号を生成することが可能な、差動比較器（３１１ａ）を備えたことを特徴とする請求項４に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項６】
前記第２のステージ（３１２）は、前記第１のアウトレット（Ｓ１）に接続されおよび第２のアウトレット（Ｓ２）にてパルス列を形成する第２の信号を生成することが可能な、論理デバイスを備えたことを特徴とする請求項５に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項７】
前記第２の信号は、固定されたパルス幅、パルス周期、およびパルス数を有することを特徴とする請求項６に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項８】
前記第３のステージ（３１３）は、前記第２の信号を変換するために前記第２のアウトレット（Ｓ２）に接続され、および前記第２の信号を、パルス列を形成しおよび前記スイッチ（３１）の前記複数の開閉シーケンスを制御することが可能な制御信号に変換することを目的とした、適応デバイスを備えたことを特徴とする請求項６または７に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項９】
前記適応デバイスは、トランジスタ（３１３ａ）およびパルストランス（３１３ｂ）を備えたことを特徴とする請求項８に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項１０】
前記第１のトリガ信号は、前記変換器（１０）の前記２つの電気端子（１１、１２）での前記電位差が最大値であるときに生成されることを特徴とする請求項５ないし９のいずれか１つに記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項１１】
前記第２のステージ（３１２）または前記第１のステージ（３１１）および前記第２のステージ（３１２）によって形成されるアセンブリは、第２のアウトレット（Ｓ２）にて、パルス列を形成する第２の信号を生成するために設計されているマイクロコントローラを備えたことを特徴とする請求項４に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項１２】
前記第２の信号は、可変のパルス幅、パルス周期、およびパルス数を有することを特徴とする請求項１１に記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項１３】
前記変換器（１０）は、磁気エネルギーの変化をその前記２つの電気端子（１１、１２）間の電位差に変換することが可能であり、その前記層スタック（９）は磁歪材料製の第２の層を含む、磁気−電気変換器であることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項１４】
前記特定された閾値は、前記２つの電気端子（１１、１２）間の最大電位差に対応することを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１つに記載のエネルギーハーベスタ（９０）。
【請求項１５】
磁界源（５０）と、請求項１ないし１４のいずれか１つに記載のエネルギーハーベスタ（９０）とを備えたことを特徴とする発電機（１００）。
【国際調査報告】
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