特許 5917405 機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動エネルギー・ハーベスタ及び振動エネルギー・ハーベスタを動作させる方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5917405

(24)【登録日】2016年4月15日

(45)【発行日】2016年5月11日

(54)【発明の名称】機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動エネルギー・ハーベスタ及び振動エネルギー・ハーベスタを動作させる方法

(51)【国際特許分類】

   G05F 1/56 20060101AFI20160422BHJP

   G05F 1/618 20060101ALI20160422BHJP

【ＦＩ】

   G05F1/56 310T

   G05F1/618 310

【請求項の数】10

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2012-539313(P2012-539313)

(86)(22)【出願日】2010年11月17日

(65)【公表番号】特表2013-511756(P2013-511756A)

(43)【公表日】2013年4月4日

(86)【国際出願番号】EP2010067655

(87)【国際公開番号】WO2011061215

(87)【国際公開日】20110526

【審査請求日】2013年9月25日

(31)【優先権主張番号】0920259.9

(32)【優先日】2009年11月19日

(33)【優先権主張国】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】507340234

【氏名又は名称】パーペトゥーム、リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＰＥＲＰＥＴＵＵＭ ＬＴＤ．

(74)【代理人】

【識別番号】100117787

【弁理士】

【氏名又は名称】勝沼 宏仁

(74)【代理人】

【識別番号】100082991

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 泰和

(74)【代理人】

【識別番号】100103263

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 康

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100118843

【弁理士】

【氏名又は名称】赤岡 明

(74)【代理人】

【識別番号】100153914

【弁理士】

【氏名又は名称】小澤 勝己

(72)【発明者】

【氏名】ジョン、スチュアート、パーカー

(72)【発明者】

【氏名】スティーブン、ロバーツ

【審査官】 槻木澤 昌司

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−２４５８４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２３９７２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０３２４７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０５−０６２１８３（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０５Ｆ １／５６

Ｇ０５Ｆ １／６１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動エネルギー・ハーベスタであって、
機械的振動を受けたとき電気エネルギーを生成する装置と、
前記装置に電気的に接続され、前記振動エネルギー・ハーベスタの電気出力に実質的に一定の出力電流を供給する電流制御回路と、を備え、
前記電流制御回路は、前記装置と前記振動エネルギー・ハーベスタの前記電気出力との間に接続された第１の制御可能な可変抵抗を有し、
前記電流制御回路は、前記第１の制御可能な可変抵抗を制御して所定の入力電圧を維持するように構成され、且つ、前記振動エネルギー・ハーベスタの前記電気出力における出力電圧を、前記出力電圧が所定のしきい値電圧を超えないように制御するように構成され、
前記電流制御回路は、
前記振動エネルギー・ハーベスタの前記電気出力に接続された第２の制御可能な可変抵抗であって、前記第２の制御可能な可変抵抗は、前記装置の電源線と接地線との間にシャント抵抗を備える、第２の制御可能な可変抵抗と、
予め設定された基準電圧を生成する基準電圧生成器と、前記装置からの前記入力電圧を前記基準電圧と比較し、前記入力電圧が前記基準電圧とは異なる場合に、前記第１の制御可能な可変抵抗を選択的に調整する第１の制御信号を生成する誤差増幅器と、を有する、
振動エネルギー・ハーベスタ。

【請求項2】

前記第１の制御可能な可変抵抗は、ＭＯＳＦＥＴまたはバイポーラ接合トランジスタを備える、請求項１に記載の振動エネルギー・ハーベスタ。

【請求項3】

前記第２の制御可能な可変抵抗は、ＭＯＳＦＥＴまたはバイポーラ接合トランジスタを備える、請求項１に記載の振動エネルギー・ハーベスタ。

【請求項4】

前記誤差増幅器の出力が、前記第２の制御可能な可変抵抗に接続され、それによって前記誤差増幅器は、前記入力電圧が前記基準電圧とは異なる場合に、前記第２の制御可能な可変抵抗を選択的に調整する第２の制御信号を生成する、請求項１に記載の振動エネルギー・ハーベスタ。

【請求項5】

前記電流制御回路は前記装置と一体化されている、請求項１に記載の振動エネルギー・ハーベスタ。

【請求項6】

前記電流制御回路は、前記装置に取外し可能に取り付けられたモジュール内にある、請求項１に記載の振動エネルギー・ハーベスタ。

【請求項7】

機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動エネルギー・ハーベスタを動作させる方法であって、
ａ．振動可能な支持体上に、機械的振動を受けたとき電気エネルギーを生成する装置を設けるステップと、
ｂ．前記装置に電気的に接続され、前記装置が振動したとき、前記振動エネルギー・ハーベスタの電気出力に実質的に一定の出力電流を供給するステップを実行する電流制御回路を使用するステップと、を含み、
前記実質的に一定の出力電流を供給するステップは、
前記装置と前記振動エネルギー・ハーベスタの前記電気出力との間に接続された第１の制御可能な可変抵抗を、前記装置からの入力電圧が所定の電圧で維持されるように制御するステップと、
前記振動エネルギー・ハーベスタの前記電気出力に接続された第２の制御可能な可変抵抗を変化させることによって、前記振動エネルギー・ハーベスタの前記電気出力における出力電圧を、前記出力電圧が所定のしきい値電圧を超えないように制御するステップと、
を含み、
前記第１の制御可能な可変抵抗を制御するステップは、前記装置からの前記入力電圧を基準電圧と比較し、そして当該比較は、前記入力電圧が前記基準電圧とは異なる場合に、前記第１の制御可能な可変抵抗を選択的に調整する第１の制御信号を生成するステップを含み、
前記第２の制御可能な可変抵抗は、前記装置の電源線と接地線との間にシャント抵抗を備える、方法。

【請求項8】

前記電流制御回路は、前記装置からの前記入力電圧を前記基準電圧と比較し、そして当該比較は、前記入力電圧が前記基準電圧とは異なる場合に、前記第２の制御可能な可変抵抗を選択的に調整する第２の制御信号を生成する、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記振動エネルギー・ハーベスタを設置するステップをさらに含み、前記設置するステップにおいて、前記装置が振動したとき、前記振動エネルギー・ハーベスタの前記電気出力にて前記出力電流が測定される、請求項７に記載の方法。

【請求項10】

前記出力電流はマルチメータを用いて測定される、請求項９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動エネルギー・ハーベスタ（vibration energy harvester）に関する。本発明はまた、設置段階（installation phase）中を含めた、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動エネルギー・ハーベスタの動作方法に関する。特に、本発明は、例えば、インテリジェント・センサ・システムへの電力供給で用いられる、周囲の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能な小型発電機のような装置に関する。かかるシステムは、電源ケーブルまたはバッテリをなくすことに経済的利点または動作上の利点がある数多くの分野で使用され得る。

【背景技術】

【0002】

振動エネルギー・ハーベスタ（ＶＥＨ）は、当技術分野で良く知られており、電磁誘導または圧電電力変換を用いた機械的共振器からなる。いずれの場合も、機械的共振器は、ばね上質量（sprung mass）からなる。

【0003】

例えば、無線センサに電力供給するために、周囲の振動から有用な電力を取得する振動エネルギー・ハーベスタ、例えば電気機械発電機を使用することが知られている。

【0004】

典型的な電気機械発電機は、システムが振動したとき磁気コアによって形成された磁束をコイルが横断するように、磁石またはコイルに取り付けられた機械的なばねと質量の組合せからなる磁石コイル発電機である。振動エネルギー・ハーベスタは、固定の固有（共振）振動数を有するか、または動作温度が変化したときこの振動数の変化に対処できるほど十分大きくされた帯域幅を有するべきである。

【0005】

振動エネルギー・ハーベスタを予測される振動源上に設置している間、振動源に対する様々な予測される取付け位置を比較することができるように、ＶＥＨの電流出力を測定する何らかの方策を有すると有利となるであろう。このようにして、所与の振動エネルギー・ハーベスタの、所与の振動源に取り付けられたときの出力電流を最大化することができる。

【0006】

しかし一般に、その負荷へのＶＥＨの電流出力は、負荷のインピーダンスにも依存する。最大のＶＥＨの電流出力の実現にとってさらに厄介なことに、使用時、負荷は通常、ＶＥＨによって徐々に充電されるコンデンサである。充電過程中、コンデンサの実効インピーダンスは、大幅に変化する。したがって、電流出力もやはり、変化することになる。設置時の、所与の位置での初期のいかなる電流測定値も、動作中に最大電流が供給されることを必ずしも示さない。

【0007】

したがって、ＶＥＨ使用時に容量性負荷のインピーダンスを適正に表すことになる単一の負荷インピーダンスを、設置中に使用することができないという問題がある。したがって、ＶＥＨが設置された後で使用されているとき、ＶＥＨ電流出力が後でどうなるかを予測することは困難である。したがって、後の動作中に最大電流出力が得られることになる、予測される振動源上のＶＥＨの特定の取付け位置を決定することは困難である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動エネルギー・ハーベスタ、例えば電気機械発電機などを提供することを目的とし、ユーザが設置中に電流出力を測定すること、及び、振動エネルギー・ハーベスタが後で用いられる時に、同じ電流出力が負荷に送り込まれることを知ることが可能となるように構成された振動エネルギー・ハーベスタを提供することによって、上述の問題を解決することができる。

【課題を解決するための手段】

【0009】

したがって、本発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動エネルギー・ハーベスタであって、機械的振動を受けたとき電気エネルギーを生成する装置と、その装置に電気的に接続され、振動エネルギー・ハーベスタの電気出力（electrical output）にて実質的に一定の出力電流を供給する電流制御回路と、を備える、振動エネルギー・ハーベスタを提供する。

【0010】

好ましくは、電流制御回路は、振動エネルギー・ハーベスタの電気出力に接続された第１の制御可能な可変抵抗を備える。

【0011】

典型的には、第１の制御可能な可変抵抗は、ＭＯＳＦＥＴまたはバイポーラ接合トランジスタを備える。

【0012】

好ましくは、電流制御回路は、装置からの入力電圧が所定の電圧で維持されるように、第１の制御可能な可変抵抗を制御するように構成される。

【0013】

より好ましくは、電流制御回路は、予め設定された基準電圧を生成する基準電圧生成器と、装置からの入力電圧を基準電圧と比較し、入力電圧が基準電圧とは異なる場合に、第１の制御可能な可変抵抗を選択的に調整する第１の制御信号を生成する誤差増幅器と、をさらに備える。オプションで、追加の増幅器が、誤差増幅器の出力に接続されてもよく、追加の増幅器の出力は、第１の制御可能な可変抵抗への出力であり、第１の制御可能な可変抵抗を選択的に調整する。

【0014】

一実施形態では、電流制御回路は、振動エネルギー・ハーベスタの電気出力における出力電圧が所定のしきい値電圧を超えないように、出力電圧を制御するように構成される。

【0015】

好ましくは、電流制御回路は、振動エネルギー・ハーベスタの電気出力に接続された第２の制御可能な可変抵抗をさらに備え、この第２の制御可能な可変抵抗は、装置の電源線と接地線との間にシャント抵抗（shunt resistance）を備える。

【0016】

典型的には、第２の制御可能な可変抵抗は、ＭＯＳＦＥＴまたはバイポーラ接合トランジスタを備える。

【0017】

より好ましくは、誤差増幅器の出力は、第２の制御可能な可変抵抗に接続され、それによって誤差増幅器は、入力電圧が基準電圧とは異なる場合に、第２の制御可能な可変抵抗を選択的に調整する第２の制御信号を生成する。

【0018】

一実施形態では、電流制御回路は装置に組み込まれる。別の実施形態では、電流制御回路は、装置に取外し可能に取り付けられたモジュール内にある。

【0019】

本発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動エネルギー・ハーベスタの動作方法であって、ａ．振動可能な支持体上に、機械的振動を受けたとき電気エネルギーを生成する装置を設けるステップと、ｂ．装置に電気的に接続され、装置が振動したとき、振動エネルギー・ハーベスタの電気出力にて実質的に一定の出力電流を供給する電流制御回路を使用するステップと、を含む方法をさらに提供する。

【0020】

好ましくは、電流制御回路は、装置からの入力電圧が所定の電圧で維持されるように、振動エネルギー・ハーベスタの電気出力に接続された第１の制御可能な可変抵抗を制御する。

【0021】

より好ましくは、電流制御回路は、装置からの入力電圧を基準電圧と比較し、かかる比較によって、入力電圧が基準電圧とは異なる場合に、第１の制御可能な可変抵抗を選択的に調整する第１の制御信号を生成する。

【0022】

一実施形態では、電流制御回路は、振動エネルギー・ハーベスタの電気出力における出力電圧が所定のしきい値電圧を超えないように、出力電圧を制御する。

【0023】

より好ましくは、電流制御回路は、振動エネルギー・ハーベスタの電気出力に接続された第２の制御可能な可変抵抗を変化させることによって、振動エネルギー・ハーベスタの電気出力における出力電圧を制御し、この第２の制御可能な可変抵抗は、装置の電源線と接地線との間にシャント抵抗を備える。

【0024】

好ましくは、電流制御回路は、装置からの入力電圧を基準電圧と比較し、かかる比較によって、入力電圧が基準電圧とは異なる場合に、第２の制御可能な可変抵抗を選択的に調整する第２の制御信号を生成する。

【0025】

典型的には、この方法は、設置段階中に、振動エネルギー・ハーベスタを設置するステップをさらに含み、この設置するステップにおいて、装置が振動したとき、振動エネルギー・ハーベスタの電気出力にて出力電流が測定される。

【0026】

好ましくは、出力電流は、マルチメータを用いて測定される。

【0027】

本発明は、電気機械発電機、すなわち振動エネルギー・ハーベスタの電気出力に、“バッファ”回路を組み込むことによる、本発明の発明者らによる発見に少なくとも部分的に基づき、“バッファ”回路は、使用時にＶＥＨとＶＥＨの負荷との間に電気的に接続されることになり、かかる“バッファ”回路は、使用時に、ＶＥＨの電気出力が、ＶＥＨに接続されたいかなる負荷のインピーダンスのいかなる変化からも実質的に無関係となるように構成されている。その結果、広範囲にわたる負荷インピーダンスに同じ電流を送達（供給）し、最も重要なことには、充電容量性負荷に一定の電流を送達するように構成された改良された振動エネルギー・ハーベスタが得られる。

【0028】

ＶＥＨに電気的に接続されたかかるバッファ回路を用いると、設置中にＶＥＨの電流出力を測定し、装置の使用時に、どの負荷が後に選択されるかに拘わらず、同じ電流出力が後にいかなる負荷にも送り込まれることを知ることが可能となる。

【0029】

ＶＥＨの使用寿命中に負荷が交換される場合でも、ＶＥＨの電流出力はなおも知られることになり、その後も同じ電流出力が、交換された負荷に送り込まれることになる。

【0030】

次に、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態が単なる例によって説明される。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】本発明の第１の実施形態による機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械発電機の電気出力に接続された可変抵抗素子を含む、電流制御回路の概略回路図である。

【図2】図１の電流制御回路中で使用する可変抵抗素子の一実施形態の概略回路図である。

【図3】図２の電流制御回路の特定の例である。

【図4】本発明の第２の実施形態による機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械発電機の電気出力に接続された２つの可変抵抗素子を含む、電流制御回路の概略回路図である。

【図5】図４の電流制御回路中で使用する可変抵抗素子の一実施形態の概略回路図である。

【図6】図５の電流制御回路の特定の例である。

【図7】電圧に対する第１または第２の可変抵抗の値の間の関係を示し、且つ、入力電圧Ｖｉｎを基準電圧Ｖｒｅｆと比較する制御回路の動作によって、抵抗値がどのように低減されたかを示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0032】

図１を参照すると、本発明の第１の実施形態による、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械発電機２が概略的に示されている。かかる電気機械発電機は、当技術分野において、振動エネルギー・ハーベスタとして知られている。電気機械発電機２は、既知の構成のものでよく、特に、当技術分野で“速度減衰型（velocity-damped）”共振器として知られる共振発電機（resonant generator）を備えることができ、この共振器では、振動する装置に取り付けられたハウジングに対する慣性質量の運動によって行われる仕事は全て、その運動の瞬間速度に比例する。必然的に、そうした仕事量の一部分は、望ましくない機械的または電気的損失を克服するように吸収されるが、仕事量の残る部分が、電気コイル／磁気アセンブリなどの適切な変換機構を介して、電流を生成するために使用され得る。

【0033】

最も典型的には、電気機械発電機は、ハウジング内に取り付けられた共振質量−ばね装置（resonant mass-spring arrangement）を使用する。電気機械発電機２が外部振動源の影響を受けると、次いで慣性質量を備える磁気コア・アセンブリがハウジングに対して動き、少なくとも１つの静的電気コイルを備えるダンパに対して仕事が行われ、この移動可能な磁気コア・アセンブリは、前記または各電気コイルが内部に配設される磁束領域を生成する。電気コイルと磁束との相対運動は、電流を電気コイル内に誘起させ、この電流は、外部装置（図示せず）を駆動するための電力源として使用され得る。コイルは、整流器および関連付けられた回路に接続され、電気機械発電機２からの出力電力が、当技術分野で良く知られるように、全波整流され平滑化された出力の形で、出力線４、６に送達されることを実現する。

【0034】

適切な電気機械発電機２が、例えば先に公開された本出願人の特許明細書ＷＯ−Ａ−２００７／０９６６１５、ＷＯ−Ａ−２００８／１３２４２３、およびＷＯ−Ａ−２００９／０６８８５６などから知られる。

【0035】

図１に示されるように、本発明の第１の実施形態によれば、バッファ回路８の入力側が、電源線としての一方の出力線４と、グランドに接続された他方の出力線６とに接続されている。バッファ回路８の出力側は、改良された電気機械発電機２の第１の出力端子１０と、グランドに接続された第２の出力端子１２とに接続されている。したがって、バッファ回路は、２本の線、すなわち電源線１４と接地線１６とを備える。

【0036】

図１に示されるように、出力線４、６は、電圧Ｖ_ｉｎと電流Ｉ_ｉｎとを供給し、出力端子１０、１２は、電圧Ｖ_ｏｕｔと電流Ｉ_ｏｕｔとを供給する。

【0037】

図１から６は全て、Ｖ_ｉｎ、Ｖ_ｏｕｔ、およびＧＮＤノードを有し、これらは互いに置換え可能であり、各実施形態の回路は３端子装置でよい。

【0038】

電源線１４は、そこに電気的に接続された、図１ではＲ_ａｄｊで概略的に示された第１の制御可能な可変抵抗１８を有する。この制御可能な可変抵抗は、ＭＯＳＦＥＴなどの素子を備えることができる。抵抗Ｒ_ａｄｊは、Ｖ_ｉｎを一定の電圧バイアス点で保持するために、バッファ回路８によって変化させられるように構成されている。言い換えれば、抵抗Ｒ_ａｄｊは、入力電圧Ｖ_ｉｎが一定値に維持されるように自動的に調整される。特定の振動振幅、および振動周波数、および一定の出力電圧（これは、同等のＶ_ｉｎに制御される場合に実現される）では、ＶＥＨは、一定の電力（これはＩＶである）を送達し、したがって一定の電流Ｉ_ｉｎを送達するというのが、電気機械発電機ＶＥＨの特性である。Ｉ_ｏｕｔは、（制御可能な可変抵抗１８内の無視できる漏れシャント電流を除いて）Ｉ_ｉｎに等しいので、バッファ回路８は、Ｖ_ｏｕｔがＶ_ｉｎを超えない限り、Ｖ_ｏｕｔに拘わらず、その負荷に流れ込む一定の出力電流を有する。

【0039】

ＶＥＨの設置中、電流および電圧を選択的に測定するマルチメータ（図示せず）が出力端子１０、１２に取り付けられる場合、マルチメータのインピーダンスが、出力端子１０、１２に電気的に接続されると共にＶＥＨによって電力供給されることになる負荷、例えば蓄積コンデンサとは全く異なる場合でも、このマルチメータは、ＶＥＨが最終的に現場（field）で使用される間、出力電流Ｉ_ｏｕｔを正確に測定するために使用され得る。このように、ＶＥＨの設置中に、使用時の電流出力が正確に予測され得る。

【0040】

図２は、図１の電流制御回路中で使用する、可変抵抗素子の実施形態の概略回路図である。言い換えれば、図１のそれぞれのブロックによって概略的に示された、Ｒ_ａｄｊを供給する第１の制御可能な可変抵抗１８が、この可変抵抗を制御する制御回路を示す図２の回路図に組み込まれている。

【0041】

図２を参照すると、第１の制御可能な可変抵抗１８は、それぞれの電源線５０のＶ_ｉｎとＶ_ｏｕｔとの間に設けられ、接地線５２も存在している。これらの線は、電源線４および接地線６と同じでもよい。電圧センサ５４が、電源線５０と接地線５２との間に接続されている。電圧センサ５４の出力５６が、誤差増幅器６０の第１の入力５８に接続されている。基準電圧生成器６２が、接地線５２と、誤差増幅器６０の第２の入力６４との間に接続されている。誤差増幅器６０は、感知された電圧と基準電圧との間の任意の差の増幅である第１の制御信号を含む出力６５を有し、したがってこの信号は、実際の入力電圧Ｖ_ｉｎと基準電圧Ｖ_ｒｅｆとの間の誤差を構成する。出力６５における制御信号は、抵抗値Ｒ_ａｄｊを制御するように第１の制御可能な可変抵抗１８に送られる。

【0042】

図３の特定の回路を参照すると、誤差増幅器６０の出力６５は、トランジスタ６８のベース６６に接続され、このトランジスタ６８は、増幅器を構成している。トランジスタ６８のコレクタ７０は、第１の制御可能な可変抵抗１８に接続され、さらに抵抗器７２を介して電源線５０に接続されている。トランジスタ６８のエミッタ７４は、接地線５２に接続されている。コレクタ７０の出力電圧は、第１の制御可能な可変抵抗１８を選択的に制御し、それによって抵抗値Ｒ_ａｄｊを制御する第１の制御信号を構成する。

【0043】

誤差増幅器６０と、トランジスタ６８によって構成される増幅器とは、感知電圧値Ｖ_{ｓｅｎｓｅ}を供給する電圧センサ５４によって感知された入力電圧Ｖ_ｉｎを、基準電圧生成器６２によって生成された基準電圧Ｖ_ｒｅｆと比較する働きをし、Ｖ_ｉｎ値に対応するＶ_{ｓｅｎｓｅ}値とＶ_ｒｅｆ値との間のいかなる差も、誤差増幅器６０によって増幅され、この増幅器６０はトランジスタ６８を動作させて可変抵抗１８を制御する。

【0044】

Ｖ_ｉｎ値に対応するＶ_{ｓｅｎｓｅ}値とＶ_ｒｅｆ値との間のいかなる差も増幅され、その結果生じる出力６５における高い出力信号によって、トランジスタ６８がオンになり、そこを電流が流れることになる。これは、第１の可変抵抗１８を有するＭＯＳＦＥＴ１８のベースに高い信号を生じ、このことは電源線５０に沿った電流に対するそれの抵抗値を低下させる。

【0045】

誤差増幅器６０と、トランジスタ６８によって構成される増幅器とは、したがって抵抗値Ｒ_ａｄｊを有する可変抵抗１８を制御し、図１に関して上記で論じられたように、電圧値Ｖ_ｉｎは、基準電圧Ｖ_ｒｅｆによって決定された一定の電圧バイアス点でＶ_ｉｎを保持するように維持されることになる。この制御回路は、電圧値Ｖ_ｉｎを実質的に基準電圧Ｖ_ｒｅｆに維持するように自動的に動作する。

【0046】

第１の実施形態では、一般に、誤差増幅器が、可変抵抗１８を直接的に制御するのに必要とされる制御信号を生成する十分な利得を有する場合、Ｒ_ａｄｊを駆動する誤差増幅器は１つしか必要でなく、すなわち実際には２つの増幅器を有する必要はない。したがって、この実施形態の変形形態において、増幅器６８は省略されてもよい。

【0047】

図７を参照すると、誤差増幅器６０は、感知電圧値Ｖ_{ｓｅｎｓｅ}を供給する電圧センサ５４によって感知された入力電圧Ｖ_ｉｎを、基準電圧生成器６２によって生成された基準電圧Ｖ_ｒｅｆと比較する。Ｖ_ｉｎ値に対応するＶ_{ｓｅｎｓｅ}値がＶ_ｒｅｆ値よりも大きい場合、誤差増幅器からの出力信号は、可変抵抗１８を制御し、特に、入力電圧Ｖ_ｉｎと基準電圧Ｖ_ｒｅｆとの間に正の差がある場合、抵抗値Ｒ_ａｄｊが高レベルから低レベルに切り換わるようにする。したがって、Ｒ_ａｄｊは、Ｖ_ｉｎと、電圧バイアス点を成す基準電圧と、を比較する増幅器によって制御される。

【0048】

基準電圧生成器６２と、増幅器を構成するトランジスタ６８とのための電力は、Ｖ_ｉｎとグランドとの間で取り出されることに留意すべきである。典型的な実施形態では、上記の機能を実施するのに必要とされる電流は、Ｉ_ｉｎのうち少量、典型的にはほんのわずかな部分に相当する。

【0049】

図４に示されるように、本発明の第２の実施形態によれば、出力電圧をさらに制御するように構成された改良されたバッファ回路２８が設けられ、その結果端子１０、１２の最大出力電圧Ｖ_ｏｕｔが最大しきい値を超えることはない。こうした変形形態は、例えば、ＶＥＨによって電力供給されるべき装置内で、負荷蓄積コンデンサが最大動作電圧を有することが知られているか又は意図される場合に設けられる。第１の実施形態と比較して、同様の部品は、同様の参照符号によって識別される。

【0050】

この変形形態は、図４のＲ_{ａｄｊ（ｓｈｕｎｔ）}によって概略的に示される第２の制御可能な可変抵抗３０をバッファ回路２８中にさらに設けることを含み、この第２の可変抵抗３０は、シャント抵抗として出力線４と６との間に接続され、したがって抵抗Ｒ_ａｄｊを有する制御可能な可変抵抗１８の入力側に接続される。この場合もやはり、第２の制御可能な可変抵抗３０は、ＭＯＳＦＥＴまたはバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）などの素子を備えることができ、後者が図６の例に示されている。

【0051】

このバッファ回路２８では、そのＶ_ｏｕｔがＶ_ｉｎよりも低い間の通常動作中、抵抗Ｒ_{ａｄｊ（ｓｈｕｎｔ）}は、非常に高い抵抗で維持されるように制御され、一方Ｒ_ａｄｊは、上記で論じられたように、基準電圧によって決定されるそのバイアス電圧にてＶ_ｉｎを維持するように調整される。上記によって、出力線４と６との間のいかなるシャント電流も無視できるか、又はなくなることになる。

【0052】

しかし、Ｖ_ｏｕｔが上昇してＶ_ｉｎに等しくなると、通常動作中のＲ_{ａｄｊ（ｓｈｕｎｔ）}は非常に高い抵抗であり、その後Ｒ_{ａｄｊ（ｓｈｕｎｔ）}は、電流Ｉ_ｉｎの幾分かをグランドに分流させる（シャントさせる）ために低下される。このように、Ｖ_ｏｕｔはバイアス電圧Ｖ_ｉｎを超えることを防止される。したがって、負荷に印加される電圧はバイアス電圧に制限され、したがって負荷が、選択された最大しきい値電圧を受けるように制限する。

【0053】

図５は、図４の電流制御回路中で使用する可変抵抗素子の追加の実施形態の概略回路図である。言い換えれば、図４のそれぞれのブロックによって概略的に示される、Ｒ_ａｄｊを供給する第１の制御可能な可変抵抗１８と、Ｒ_{ａｄｊ（ｓｈｕｎｔ）}を供給する第２の制御可能な可変抵抗３０とのそれぞれが、それぞれの可変抵抗を制御する制御回路を示す図５の回路図に組み込まれている。

【0054】

図５を参照すると、第１の制御可能な可変抵抗１８は、それぞれの電源線５０のＶ_ｉｎとＶ_ｏｕｔとの間に設けられ、接地線５２もやはり存在している。これらの線は、電源線１４および接地線１６と同じでよい。第２の制御可能な可変抵抗３０は、電源線５０と接地線５２との間にシャント抵抗として設けられている。電圧センサ５４が、電源線５０と接地線５２との間に接続されている。電圧センサ５４の出力５６が、誤差増幅器６０の第１の入力５８に接続されている。基準電圧生成器６２が、接地線５２と、誤差増幅器６０の第２の入力６４との間に接続されている。誤差増幅器６０は、２つの素子に接続される出力６５を有する。第１の素子は、第２の制御可能な可変抵抗３０であり、この可変抵抗３０は、先の実施形態の第１の制御可能な可変抵抗１８について上述されたように、ＭＯＳＦＥＴまたはＢＪＴでよい。第２の素子は、増幅器８２の入力８０であり、第１の実施形態と同様に、増幅器８２の出力８４は、第１の制御可能な可変抵抗１８に接続され、この可変抵抗１８もやはり、上述のようにＭＯＳＦＥＴまたはＢＪＴでよい。増幅器８２によって増幅される誤差増幅器６０の出力は、第１の制御可能な可変抵抗１８を選択的に制御し、それによって抵抗値Ｒ_ａｄｊを制御する第１の制御信号を構成し、そして、誤差増幅器６０の出力は、第２の制御可能な可変抵抗３０を選択的に制御し、それによって抵抗値Ｒ_{ａｄｊ（ｓｈｕｎｔ）}をそれぞれ制御する第２の制御信号も構成する。

【0055】

図６の特定の回路を参照すると、誤差増幅器６０の出力６５は、第１のトランジスタ１６８のベース１６６に接続されている。第１のトランジスタ１６８のコレクタ１７０は、電源線５０に接続されている。第１のトランジスタ１６８のエミッタ１７４は、第２のトランジスタ１７６のベース１７５に接続されている。第２のトランジスタ１７６のコレクタ１７７は、第１の制御可能な可変抵抗１８に接続され、さらに抵抗器１７２を介して電源線５０に接続されている。コレクタ１７７の出力電圧は、第１の制御可能な可変抵抗１８を選択的に制御し、それによって抵抗値Ｒ_ａｄｊを制御する第２の制御信号を構成する。トランジスタ１６８のエミッタ１７８は、接地線５２に接続されている。

【0056】

誤差増幅器６０は、感知電圧値Ｖ_{ｓｅｎｓｅ}を供給する電圧センサ５４によって感知された入力電圧Ｖ_ｉｎを、基準電圧生成器６２によって生成された基準電圧Ｖ_ｒｅｆと比較する。Ｖ_ｉｎ値に対応するＶ_{ｓｅｎｓｅ}値とＶ_ｒｅｆ値との間のいかなる差も増幅され、その結果生じる出力６５における高い出力信号によって、トランジスタ１６８がオンになり、そこを電流が流れることになる（トランジスタ１６８は、そこを流れる比較的小さい電流だけを供給するように構成されている）。上記によって、次いでトランジスタ１７６のベース１７５に高い入力を供給し、したがってトランジスタ１７６がオンになり、そこを電流が流れることになる（トランジスタ１７６は、トランジスタ１６８に比べて、そこを流れる比較的高い電流を供給するように構成されている）。このことは、第１の可変抵抗１８を有するＭＯＳＦＥＴ１８のベースに高い信号を生じ、したがって電源線５０に沿った電流に対するそれの抵抗値を低下させる。上記によってまた、電流が電源線５０から、抵抗器１７２を介し、トランジスタ１７６を介し、接地線５２へと流れることになり、これは低抵抗シャントとして働く。このように、第１の可変抵抗１８と可変抵抗３０とはどちらも、共通の回路によって制御され、低下される。

【0057】

トランジスタ１６８、１７６は、抵抗値Ｒ_ａｄｊを有する可変抵抗１８を制御し、したがって電圧値Ｖ_ｉｎは、図４に関して上記で論じられたように、一定の電圧バイアス点でＶ_ｉｎを保持するように維持される。

【0058】

したがって、Ｒ_ａｄｊとＲ_{ａｄｊ（ｓｈｕｎｔ）}とは、共通の誤差増幅器によって制御され、この誤差増幅器は、Ｖ_ｉｎを、電圧バイアス点を成す基準電圧と比較し、この電圧バイアス点は、電圧値Ｖ_ｉｎと基準電圧Ｖ_ｒｅｆとの間に正の電圧差がある場合に、両抵抗を高レベルから低レベルに低下させることによって、両抵抗を制御するように利用される。

【0059】

再度図７を参照すると、誤差増幅器６０は、感知電圧値Ｖ_{ｓｅｎｓｅ}を供給する電圧センサ５４によって感知された入力電圧Ｖ_ｉｎを、基準電圧生成器６２によって生成された基準電圧Ｖ_ｒｅｆと比較する。Ｖ_ｉｎ値に対応するＶ_{ｓｅｎｓｅ}値が、Ｖ_ｒｅｆ値よりも大きい場合、誤差増幅器からの出力信号は、可変抵抗１８、３０を制御し、特に、抵抗値Ｒ_ａｄｊとＲ_{ａｄｊ（ｓｈｕｎｔ）}とが高レベルから低レベルに切り換わるようにする。抵抗値Ｒ_{ａｄｊ（ｓｈｕｎｔ）}は、Ｒ_{ａｄｊ（ｓｈｕｎｔ）}を介した電流分流によって生じる電流損失を最小限に抑えるために、抵抗値Ｒ_ａｄｊの低減の後のみに低減される。

【0060】

したがって、上記で図４に関して論じられたように、電圧値Ｖ_ｉｎが上昇してしきい値を超えると、抵抗値Ｒ_{ａｄｊ（ｓｈｕｎｔ）}が低下され、それによって、電圧値Ｖ_ｏｕｔをしきい値以下で保持するようにそこを流れる電流を分流させる。

【0061】

したがって、Ｒ_ａｄｊ及びＲ_{ａｄｊ（ｓｈｕｎｔ）}は、共通の電圧と、Ｖ_ｉｎを、各々の制御可能な抵抗の電圧バイアス点を成す基準電圧と比較する誤差増幅器回路と、によって制御される。このことは、共通の基準電圧を用いることによって２つの抵抗を制御する、安価で且つ簡単な電気的解決策である。

【0062】

図７から、第１の制御可能な抵抗１８、すなわちＲ_ａｄｊは、第２の制御可能な抵抗３０、すなわちＲ_{ａｄｊ（Ｓｈｕｎｔ）}よりも急速に低下されており、したがって第１の制御可能な抵抗Ｒ_ａｄｊがその最も低いレベル付近まで低下する前には、ごくわずかな電流しかグランドに分流されていないことに留意すべきである。

【0063】

したがって、好ましい実施形態は、振動エネルギー・ハーベスタの出力を制御して、一定の電流出力を供給するように適合された、信頼性が高く、かつ簡単なバッファ回路を提供する。バッファ回路は、振動エネルギー・ハーベスタに、例えば、このような振動エネルギー・ハーベスタにおいて従来から使用されている電圧制御および整流回路に、組み込まれ得る。あるいは、バッファ回路は、このような振動エネルギー・ハーベスタの電圧制御および整流回路への電気的な接続に適した別個のモジュール内に設けられてもよい。いずれのモードの実装形態の結果として得られる構造体も、堅牢で耐久性があり、かつコンパクトとなり得る。

【0064】

かかるバッファ回路を設けることによって、設置中にＶＥＨの電流出力を測定すること、及び、装置の使用時に、どの負荷が後に選択されるかに拘わらず、同じ電流出力が後にいかなる負荷にも送り込まれることになることを知ることが可能となる。さらに、ＶＥＨの使用寿命中に負荷が交換される場合でも、ＶＥＨの電流出力はなおも知られ、その後も同じ電流出力が、交換された負荷に送り込まれることになる。その電流を送り込むことが、Ｖ_ｉｎが“クランプされた”電圧バイアス点よりも大きい電圧を必要としない限り、いかなる負荷にも同じ電流が流れ込むことになる。

【0065】

本発明の他の変形形態および実施形態が、当業者には明白であろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】