特許 6600400 発振構造を備えるエナジーハーベスティング回路

(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】6600400

(24)【登録日】2019年10月11日

(45)【発行日】2019年10月30日

(54)【発明の名称】発振構造を備えるエナジーハーベスティング回路

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/07 20060101AFI20191021BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/07

【請求項の数】15

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2018-187205(P2018-187205)

(22)【出願日】2018年10月2日

(65)【公開番号】特開2019-75977(P2019-75977A)

(43)【公開日】2019年5月16日

【審査請求日】2018年10月2日

(31)【優先権主張番号】17196598.1

(32)【優先日】2017年10月16日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】506425538

【氏名又は名称】ザ・スウォッチ・グループ・リサーチ・アンド・ディベロップメント・リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(72)【発明者】

【氏名】マッシミリアーノ・ブラッコ

【審査官】 佐藤 匡

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１７／０１７９７１５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１０１７８９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１５−２１１５７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つのエネルギー源（３）からエナジーハーベスティングを行うエナジーハーベスティング回路（１）であって、
第１の発振回路ノード（４）に接続されているインダクター（Ｌｅ）と、及び前記インダクター（Ｌｅ）と直列に接続しており第２の発振回路ノード（５）に接続しており前記少なくとも１つのエネルギー源（３）からの電荷を一時的に格納する第１のキャパシター（Ｃｅ）とを有する発振回路（Ｌｅ、Ｃｅ）と、
前記第１の発振回路ノード（４）と前記少なくとも１つのエネルギー源（３）の間にて接続しており、前記発振回路（Ｌｅ、Ｃｅ）に又は前記発振回路（Ｌｅ、Ｃｅ）から前記少なくとも１つのエネルギー源（３）を選択的に接続し分離する第１のスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）と、
前記第１の発振回路ノード（４）と、当該エナジーハーベスティング回路における実質的に最低の電位にあり、前記第１のキャパシター（Ｃｅ）をまたがる電圧が負であるときに前記少なくとも１つのエネルギー源（３）から電荷を集めるための前記発振回路（Ｌｅ、Ｃｅ）の発振の間に前記第１のキャパシター（Ｃｅ）をまたがる負の電圧を生成するための第３の発振回路ノードの間に接続されている第２のスイッチ（９）と、
前記少なくとも１つのエネルギー源（３）をまたがる電圧を制御する電圧調整要素（１１）と、
前記第１及び第２のスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、９）の開閉を制御する制御回路（６）と、及び
時間的に調和された形態で前記第１及び第２のスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、９）の開閉を可能にするように、前記制御回路（６）に第１のクロック信号を供給するクロック信号ジェネレーター（７）と
を有することを特徴とするエナジーハーベスティング回路（１）。

【請求項2】

前記第１のキャパシター（Ｃｅ）をまたがる電圧は、発振サイクルのサイクル長が前記第１のクロック信号と実質的に同じであるように、最大の正の電圧値と最小の負の電圧値の間にて発振するように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のエナジーハーベスティング回路（１）。

【請求項3】

前記第２のスイッチ（９）が開であるときに前記第１のスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）が閉であり、前記第２のスイッチ（９）が閉であるときに前記第１のスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）が開であるように構成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のエナジーハーベスティング回路（１）。

【請求項4】

さらに、第２のキャパシター（１５）と第３のスイッチ（１３）を有しており、前記第２のキャパシター（１５）は、前記第３のスイッチ（１３）を介して前記第１の発振回路ノード（４）に接続される
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエナジーハーベスティング回路（１）。

【請求項5】

前記第２のキャパシター（１５）は、前記第３のスイッチ（１３）が閉であるときに前記第１のキャパシター（Ｃｅ）からの電荷によってチャージされるように構成されている
ことを特徴とする請求項４に記載のエナジーハーベスティング回路（１）。

【請求項6】

前記制御回路（６）は、前記第３のスイッチ（１３）の動作を制御する第２のクロック信号を生成するように構成されている
ことを特徴とする請求項４又は５に記載のエナジーハーベスティング回路（１）。

【請求項7】

前記第２のクロック信号のクロック周波数は、前記第１のクロック信号のクロック周波数とは異なる
ことを特徴とする請求項６に記載のエナジーハーベスティング回路（１）。

【請求項8】

さらに、前記第３のスイッチ（１３）に接続しており前記第２のキャパシター（１５）から前記第１の発振回路ノード（４）へと電流が流れることを防ぐ電流調整要素（２９）を有する
ことを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載のエナジーハーベスティング回路（１）。

【請求項9】

前記クロック信号ジェネレーター（７）は、クオーツ結晶、ＲＣ発振器、リング発振器又は位相ロックループ（ＰＬＬ）を有するクオーツ発振器を有する
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のエナジーハーベスティング回路（１）。

【請求項10】

当該エナジーハーベスティング回路（１）は、複数のエネルギー源からエナジーハーベスティングを行うように構成しており、当該エナジーハーベスティング回路（１）は、前記複数のエネルギー源（３）と前記発振回路（Ｌｅ、Ｃｅ）の間に第１のスイッチの群（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）を有する
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のエナジーハーベスティング回路（１）。

【請求項11】

前記制御回路（６）は、同時に１つのエネルギー源（３）のみが前記発振回路（Ｌｅ、Ｃｅ）に接続されるように、前記第１のスイッチの群の動作を制御するように構成されている
ことを特徴とする請求項１０に記載のエナジーハーベスティング回路（１）。

【請求項12】

前記第１及び第２のスイッチは、ｎ型ＭＯＳＦＥＴである
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のエナジーハーベスティング回路（１）。

【請求項13】

前記少なくとも１つのエネルギー源（３）は、太陽電池、熱電ジェネレーター、磁気誘導回路、圧電素子又は電池のいずれかである
ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のエナジーハーベスティング回路（１）。

【請求項14】

請求項１〜１３のいずれかに記載のエナジーハーベスティング回路（１）を有する腕時計。

【請求項15】

請求項１〜１３のいずれかに記載のエナジーハーベスティング回路（１）を動作させる方法であって、
前記第１のキャパシター（Ｃｅ）をまたがる電圧が実質的にその最小の負の電圧レベルにあるときに前記第１のスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）の１つを閉にして、前記エネルギー源（３）を前記エナジーハーベスティング回路（１）に接続して、これによって、前記エネルギー源（３）からの電荷の収穫を可能にし、これと実質的に同時に前記第２のスイッチ（９）を開にする
ことを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一又は複数のエネルギー源から電気エネルギーを集めるように構成しているエナジーハーベスティング回路に関する。また、本発明は、エナジーハーベスティング回路を動作させる方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電子デバイスにおいてパワー効率を改善させる傾向によって、エナジーハーベスティングの手法の扉が開かれた。このようなエナジーハーベスティングにおいては、アプリケーションにパワー供給するために、容易に利用可能であるが弱いことが多いエネルギー源にのみ頼ることとなる。エナジーハーベスティングは、パワーマネジメントのための新しい挑戦をもたらし、パワーマネジメントデバイスにおいて、また、それらが制御する回路においても、動作特性が効率的であることを必要とする。低パワー特性と効率的な動作モードの組み合わせによって、エナジーハーベスティングの設計においてデザイナーが効率的なパワーマネジメントを達成することに、ますます多くの半導体デバイスが貢献することができるようになっている。このような設計には、エナジーハーベスティングのために特に意図されたデバイス、そして、低パワーアプリケーションのために意図された低電圧の直流／直流（ＤＣ／ＤＣ）コンバーターが含まれる。

【0003】

電池交換が困難であったり、高価であったり、危険であったりする、自動車、セキュリティ、医療及び無線家電などにおける成長している埋め込み型アプリケーションの部類のための「ゼロパワー」ソリューションの必要性が増大していることに伴って、エナジーハーベスティングの方法が脚光を浴びている。エナジーハーベスティングの設計は、光、振動、温度勾配及び無線周波数（ＲＦ）のエネルギーを、使用可能な電圧及び／又は電流へとトランスデューサーが変換する能力を向上させるが、このような電圧や電流は小さなレベルである。周囲のエネルギー源から利用可能な数マイクロワットのエネルギーを蓄積することによって、エナジーハーベスティングの設計は、実質的にゼロパワーの動作、すなわち、環境から集めたエネルギーよりも多く消費しない動作、を達成することができる。エナジーハーベスティングのアプリケーションのためのパワーマネジメントには、起動電圧及び供給電圧が最小限であること、スタンバイにてゼロパワーである能力、漏れ及びスタンバイ電流が極めて低いこと、効率が最大限であること、そして、小さな負荷で動作することが必要である。極めて低いパワーのＤＣ／ＤＣコンバーターは、これらの懸念事項の大部分又はすべてを解決して、アプリケーションが必要とする安定した電圧及び滑らかな電流を確実にする。

【0004】

ＤＣ／ＤＣコンバーターは、直流（ＤＣ）の供給源をある電圧レベルから別の電圧レベルに変換するように構成している電子回路ないし電気機械的デバイスである。これは、一種の電力コンバーターである。パワーレベルの範囲は、非常に低いもの（小さな電池）から非常に高いもの（高圧送電）にまで及ぶ。ＤＣ／ＤＣコンバーターは、典型的には、携帯電話やラップトップコンピューターのような携帯型電子デバイスにおいて使用される。このような携帯型電子デバイスには、主として電池からパワーが供給される。電子デバイスは、しばしばいくつかの副回路を有し、これらの副回路にはそれぞれ、電池や外部電源（供給電圧よりも高かったり低かったりすることもある）によって供給されるものとは異なる自身の電圧レベルの要件がある。また、蓄えたエネルギーが出ていくにしたがって、電池電圧が低下する。スイッチング型ＤＣ／ＤＣコンバーターは、部分的に低下した電池電圧から電圧を増加させる方法を提供して、これによって、同じことを達成するために多数の電池を用いずに空間を節約する。ＤＣ／ＤＣコンバーター、又はエネルギー的な電荷蓄積のためにキャパシターを用いて電圧を上げたり下げたりするＤＣ／ＤＣコンバーターであると考えることができる電荷ポンプは、電荷を抽出する電圧源によって制限される。電圧レベルが低すぎる場合、ＤＣ／ＤＣ電流は、供給キャパシターをチャージするために十分ではない。電荷ポンプにも同様な課題がある。エネルギー源から来る電圧レベルが十分に高くない場合、電荷ポンプは電力損失によって制限される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、電子デバイスにおけるエナジーハーベスティングに関連する上記の課題の少なくとも一部を解決することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の第１の態様によると、請求項１に記載のエナジーハーベスティング回路が提供される。

【0007】

提案される新しい解決策には、エナジーハーベスティング回路がエネルギー源のパワーによって制限されないという利点がある。なぜなら、下で詳細に説明するように、当該エナジーハーベスティング回路のキャパシターを共振振動数でチャージすることができるからである。エネルギー源のパワーが低くても、電荷又は荷電粒子を抽出し、これらを、利用可能なクロック信号ジェネレーターのおかげで、パワー消費のオーバーヘッドが低いキャパシターに格納することができる。このクロック信号ジェネレーターは、クオーツ発振器であることができ、これは、複雑な論理回路がなくアナログ的な信号処理をせずにいくつかのアクションを同期させる。

【0008】

本発明の第２の態様によると、請求項１５に記載の上記のエナジーハーベスティング回路を動作させる方法が提供される。

【0009】

従属請求項に、本発明の他の態様が記載されている。

【0010】

添付の図面を参照しながら例示的な実施形態についての下記の説明を読むことによって、本発明の他の特徴及び利点が明らかになるであろう。なお、これに限定されない。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の１つの例に係るエナジーハーベスティング回路のいくつかの要素を示している回路図である。

【図2】本発明の１つの例に係るエナジーハーベスティング回路のシミョレーション構成を示している回路図である。

【図3】図２の回路において測定されたいくつかの信号波形を示している信号図である。

【図4】図３に示している信号波形の一部を詳細に示している信号図である。

【図5】図２の回路構成を示しており、エナジーハーベスティング回路を動作させるいくつかの方法ステップを示している。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の１つの実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。腕時計のような電子計時器に基づいて本発明を説明する。しかし、本発明が教示することは、この環境に限定されない。別の図に描かれている同一又は対応する機能的な要素や構造的な要素には、同じ参照符号が割り当てられている。

【0013】

図１は、本発明の例に係るエナジーハーベスティング回路１を示している回路図である。この例において、複数の外部エネルギー源３から電気エネルギーを収穫ないし集めることができる。図１には、４つのエネルギー源３が示されている。これは、すなわち、太陽電池、ゼーベックジェネレーターとしても知られている熱電ジェネレーター（ＴＥＧ）、磁気誘導回路、圧電素子又は電池である。熱からエネルギーを回収するために、ＴＥＧを用いることができる。このＴＥＧは、ゼーベック効果（熱電効果の１つの形態）と呼ばれる現象によってヒートフラックス（温度差）を電気エネルギーへと直接変換するように構成している固体物性を利用するデバイスである。ＴＥＧは、一般的には、熱機関のように機能するが、それほどかさばらず、動く部品がない。本発明によると、エナジーハーベスティング回路１は、すべてのエネルギー源３から、電圧レベルや電流に関係なくエネルギーを集めるように構成している。下の例においては１つずつのエネルギー源３からエネルギーを集める。

【0014】

エナジーハーベスティング回路１は、コイルと呼ばれる外部インダクターＬｅと、及び外部キャパシターと呼ばれる、コイルＬｅと直列に接続する第１のキャパシターＣｅとを有する発振回路を有する。発振回路は、第１の発振回路ノード４と、アースに接続される第２の発振回路ノード５の間にて接続される。すなわち、外部キャパシターＣｅの一方の電極がアースされる。第１の発振回路ノード４は、第１のスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を介して、エネルギー源３に、具体的には、エネルギー源３の一部であると考えることができる、ソースキャパシターＣｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３、Ｃｓ４と呼ばれる第２のキャパシターに、接続される。したがって、対応するエネルギー源３の出力に、対応するソースキャパシターＣｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３、Ｃｓ４が設けられる。その２つの電極の一方がアースされている。この例において、第１のスイッチは、トランジスターであり、具体的には、ｎ型金属酸化物半導体の電界効果トランジスター（ＭＯＳＦＥＴ）である。これらのスイッチの動作は、論理回路と呼ばれる制御回路６によって制御される。より詳細には、論理回路６は、トランジスターＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４のゲート電圧を調整してソースとドレーンのノードの間のチャネルの導電率を調整するように構成している。このようにして、第１のスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、閉又は開のどちらかであるように構成している。本明細書において、スイッチが閉であると記載されている場合、ソースとドレーンのノードの間のパスが導電性であり、スイッチが開であると記載されている場合、このパスは導電性ではない。

【0015】

論理回路６は、そのタイミング信号又はクロック信号をクロック信号ジェネレーター７から受ける。このクロック信号ジェネレーター７は、この例において、結晶発振器としても知られているクオーツ発振器である。すなわち、論理回路６は、クオーツ発振器７によって提供されるクロック信号によって駆動される。

【0016】

なお、クロック信号ジェネレーターは、ＲＣ発振器又はリング発振器又はフェイズロックループ（ＰＬＬ）であることもできる。

【0017】

第１の発振回路ノード４とアースの間に、第２のスイッチ９が設けられている。これは、この例においてはトランジスター、具体的には、ｎ型ＭＯＳＦＥＴである。第２のスイッチ９の動作も論理回路６によって制御されるように構成している。第２のスイッチ９と並列に、電圧調整要素又はユニット１１が設けられる。この例において、電圧調整要素１１は、ダイオード接続トランジスターであり、この例において、ｐ型のＭＯＳＦＥＴである。これらの２つのトランジスターのソースノードは、アースされており、ドレーンノードは、第１の発振回路ノード４に接続されている。電圧調整要素１１の目的は、エネルギー源３にまたがる電圧、具体的には、エネルギー源３のソースキャパシターＣｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３、Ｃｓ４にまたがる電圧を制御することである。このようにして、ソースキャパシターＣｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３、Ｃｓ４のいずれかにまたがる電圧のいずれかが負電圧となることを回避することができる。なお、本明細書において、ある要素がアースされていると記載されている場合、その要素が、当該回路の中で電位が最も低い回路ノードに接続されているという意味であることができる。この電位は、好ましくは、所与のレベルに固定される。

【0018】

図１の例示的なエナジーハーベスティング回路１は、さらに、第１の発振回路ノード４に接続される第３のスイッチ１３を有する。この例において、第３のスイッチ１３は、トランジスター、具体的には、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ、である。これによって、このトランジスターのソースノードは、第１の発振回路ノード４に接続される。供給キャパシターと呼ばれる第２のキャパシター１５は、第３のスイッチ１３とアースの間に直列に接続される。供給キャパシター１５の目的は、下において詳細に示すように、外部キャパシターＣｅから電荷を集めることである。この種の構成によって、エネルギー源３から小さな電荷を集めるために外部キャパシターＣｅをまたがる高い発振電圧が用いられる場合であっても、外部キャパシターＣｅのキャパシタンスと供給キャパシター１５のキャパシタンスの間の効率的な分離を確実にすることができる。供給キャパシター１５が第３のスイッチ１３を介して第１の発振回路ノード４に接続されているようなこの種の構成において、第３のスイッチ１３は、第１の発振回路ノード４に接続されているそのソースノードにおいて（ドレーンノードは供給キャパシター１５に接続されている）、ゼロ又は比較的低い電圧に対処しなければならない。

【0019】

簡略的に記載すると、この例示的なエナジーハーベスティング回路１は、以下の特徴を有する。
− エネルギー源３の出力におけるソースキャパシターＣｓ１
− コイルとアース接続のためのｎ型ＭＯＳＦＥＴスイッチＳ１及び９
− ダイオードモードで接続しているｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１
− 図１に示しているようにすべてのソースからエネルギーを格納するためのコイルＬｅと外部キャパシターＣｅ
− 外部キャパシターＣｅの前にコイルＬｅが接続されて、外部キャパシターＣｅをまたがる負電圧が第２のスイッチ９をもまたがるように反映されることを避ける。そうでなければ、外部キャパシターＣｅを分離することは難しい。

【0020】

以下においては、エネルギー源３のいずれか１つから電荷を集めることができる手法を説明する。エナジーハーベスティング回路１において、第２のスイッチ９が閉であるときに、発振回路は、実質的にクオーツと同じ周波数で振動する。しかし、第１のスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を介してエネルギー源３のいずれか１つに発振回路が接続されているときに、振動周波数をわずかに変えることができる。このことによって、派生信号や積分信号を得るためにアナログ信号を処理することを避けることができる。また、このことは、電流の消費を最小限まで減らすことができ、バイアス段や増幅段を避けることができることを意味している。外部キャパシターＣｅをまたがる電圧がその最小（負電圧）となっているとき、第２のスイッチ９が開となっており、そして実質的に同時に、第１のスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４のうちの１つが閉となっており、これによって、エネルギー源３のうちの１つが、対応するスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を介してコイルＬｅに接続されている。このコイルＬｅは、電荷を抽出し、その電荷を外部キャパシターＣｅに格納することがすぐにできる。この例において、外部キャパシターＣｅをまたがる電圧がその最大値に達するまで、第１のスイッチが閉であり続ける。

【0021】

エナジーハーベスティング回路１の上記の動作を検討することによって、外部キャパシターＣｅをまたがる電圧が最小になったり、リチャージに関連する特定のプログラムされたレベルよりも下になったりするごとに、外部キャパシターＣｅがソースキャパシターＣｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３、Ｃｓ４に接続されることを観察することができる。同時に、コイルＬｅをまたがる電圧は、その最大値にあり、したがって、ソースキャパシターに電荷がわずかしかなくても、エナジーハーベスティング回路はこれらの電荷を集めることができる。

【0022】

提案している手法には、ＤＣ／ＤＣ回路と比べて大きな利点がある。提案している手法の代わりにＤＣ／ＤＣ回路が用いられ、ソースキャパシターに電荷がわずかしかない場合、外部コイルにおける電流は、外部キャパシターにおける電荷を格納するために十分であることができない。なぜなら、コイルにおける低いエネルギーを寄生抵抗が捨ててしまうからである。対照的に、提案している手法を用いると、外部コイルＬｅをまたがる電圧差が可能な限り最大限にされ、まだ十分でない場合、この回路は次の発振サイクルを待つだけでよい。この次の発振サイクルにおいては、何らかの他のエネルギー源によって電圧差が増加している。すなわち、エナジーハーベスティング回路１は、論理回路６によって有益であると判断されると、各発振サイクルの後に別のエネルギー源から電荷を集めるように構成している。電荷ポンプと比べると、利点は明らかである。電荷ポンプが用いられる場合、外部エネルギー源をまたがる電圧レベルに固定量を乗算することができるが、無限にすることはできない。なぜなら、すべての電荷ポンプ段によって付加的な抵抗が導入され、このことは利用可能なパワーを浪費するからである。提案している手法を用いると、メイン電源（図示せず）に直接接続された供給キャパシター１５に電荷を格納する前に所定の電圧レベルに達するまで発振回路を振動し続けることができる。

【0023】

図２は、下で説明されているシミュレーションにおいて用いられる例示的な回路構成を示している回路図である。この例においては太陽電池のような電流源である外部エネルギー源３は、電流源１７、抵抗１９及び１つのソースキャパシターＣｓ１（すべてが並列構成）によって象徴される。クロック信号ジェネレーター７はそれぞれ、この例において、第１のクロック信号と第２のクロック信号を生成する第１の電圧源と第２の電圧源を有する。電圧調整要素１１は、この例において、外部エネルギー源３がコイルＬｅのために十分な電荷を供給することができない場合にソースキャパシターＣｓ１のために低電圧（負電圧）保護をするダイオードである。論理回路６は、この例において単純なものであり、第１のＡＮＤゲート２１、第２のＡＮＤゲート２３、第１のＮＯＴゲート２５及び第２のＮＯＴゲート２７を有する。論理回路は、エナジーハーベスティング回路のスイッチの開閉を制御するために用いられる。複合信号を比較し、微分し、積分するために、特殊なアナログ回路類は何も必要ではない。外部コイルＬｅと外部キャパシターＣｅは、所与の固定発振サイクル長を有するクオーツ周波数で振動し、複雑な調整用回路類を用いずに（クオーツ周波数に対応する）共振レートで電荷が外部キャパシターＣｅに移動する。図２の回路は、さらに、電流調整要素２９を有し、これは、この例において、第３のスイッチ１３と供給キャパシター１５の間に接続されるダイオード２９である。このダイオードの代わりに、例えば、ダイオード接続トランジスターを用いることができる。この電流調整要素２９の目的は、電流又は電荷が供給キャパシター１５から外部キャパシターＣｅの方へと流れることを防ぐことである。

【0024】

図３は、図２のシミュレーション回路において測定されたいくつかの信号波形を示しており、図４は、図３に示した信号の一部を詳細に示した拡大図である。最も上に示した第１の信号波形（図３及び４にて「１」として示した）は、クロック信号ジェネレーター７によって生成されるメインクロック信号（ＣＬＫ）である。この例において、メインクロック信号は、矩形波である。すなわち、メインクロック信号は、固定された最小値と最大値の間で振幅が安定した周波数で交替し最小値と最大値にて持続時間が同じであるような波形である。このクロック信号から、論理回路６は、さらに、クロック信号、すなわち、最も上から数えて第２、第３及び第６の信号、を生成する。これらの信号はそれぞれ、図２に示した回路ノード３１、３３及び３５にて測定される。この例において、第２及び第３の信号は、メインクロック信号と同じ周波数を有する。図３及び４において、最も上から数えて第４の信号は、ノード３７で測定されるＣｓ１をまたがる電圧値を示している。第５の信号波形は、外部キャパシターＣｅをまたがる電圧値がどのように回路ノード３９で測定される正の値と負の値の間を振動するかを示している。この場合、この波形は、正弦波の波形と似ているが、ある時点まで絶えず振幅が増加している。図３及び４の最も下に示した第７の信号波形は、外部キャパシターＣｅから供給キャパシター１５に電荷が動くにしたがって、供給キャパシター１５をまたがる電圧値がどのように徐々に増加するかを示している。この電圧は、回路ノード４１で測定される。

【0025】

図３及び４の信号波形を調べることによって、以下のように観察することができる。第１及び第２のスイッチＳ１、９は、２つの反対側のクロック信号によって駆動される。すなわち、一方のクロック信号が論理的なものであれば、他方は論理的なゼロであり、そして、逆も成り立つ。このことは、第１のスイッチＳ１が閉であるとき、第２のスイッチ９は開であり、その逆も成り立つことを意味している。このようにして、第１及び第２のスイッチのスイッチングを同期された形態で行うことができる。複数の外部エネルギー源３が用いられる場合、すべての第１のスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が閉であるときにのみ、第２のスイッチ９が開となる。外部キャパシターＣｅに電荷が移動するにしたがって、第４の信号の信号レベルは徐々に減少する。この電荷移動は、第１のスイッチＳ１が閉であるときに行われる。第５の信号の発振の振幅は、コイルＬｅとクオーツ時計の間の共鳴効果に起因して、時間が経過するにしたがって増加する。この共鳴効果は、スイッチと、外部エネルギー源３へのコイルＬｅの接続とを制御する。すべての発振サイクル（メインクロック信号の２つの連続する等しい状態の間の時間差によって定められる）において、いくらかの電荷が発振信号の振幅を増加させる。メインクロック信号（図３及び４における第１の信号）のサイクル長は、この例において、第５の信号のサイクル長と実質的に同じである。これは、例えば、メインクロック信号の周波数と一致させるように外部コイルＬｅ及び／又は外部キャパシターＣｅの寸法を調整することによって達成することができる。又は、発振回路の共振振動数と一致させるようにメインクロック信号の周波数を調整することができる。第６の信号が論理値「１」になると、外部キャパシターＣｅからの電荷が、供給キャパシター１５に移動する。第７の信号は、第５の信号が論理値「１」のレベルになるごとに供給キャパシター１５をまたがる電圧がどのようにステップ的に増加するのかを示している。

【0026】

次に、図５を参照しながら、エナジーハーベスティング回路１を動作させる方法についてまとめる。
（１）まず、いくらかの電荷を外部キャパシターＣｅに移動させる。なぜなら、起動時において、外部エネルギー源３が、コイルＬｅを介して空の外部キャパシターＣｅをチャージするからである。
（２）論理回路は、第２のスイッチ９を（既に閉になっていなければ）閉にして、第１のスイッチＳ１を開にする。結果として、外部キャパシターＣｅからの電荷がアースへと移動し、コイルＬｅの磁場をチャージし、このコイルＬｅが外部キャパシターＣｅを放電させて、外部キャパシターＣｅをまたがる電圧が負になる。このようにして、外部キャパシターＣｅは、常に、外部エネルギー源３の電圧レベルに関係なく、外部エネルギー源３のうちの１つから他の電荷をすぐに受けることができるようになっている。
（３）次のチャージサイクルは、論理回路６が第１のスイッチＳ１を閉にして第２のスイッチ９を開にするときに行われる。このチャージサイクルの間に、外部エネルギー源３は、前サイクルにおけるように同じエネルギー源であることができ、又は別のエネルギー源、すなわち、スイッチＳ２、Ｓ３又はＳ４に接続されるエネルギー源のいずれか１つ、であることができる。論理回路６によって、適切なエネルギー源の選択を行うことができる。この選択は、例えば、異なるエネルギー源３のエネルギーレベルに基づくことができる。
（４）最後に、可能性としては何回も後のチャージサイクルの後に、電荷が供給キャパシター１５に移動し、そこに格納される。供給キャパシターをまたがる電圧レベルは、正であり、実質的に一定である。すなわち、発振がない。

【0027】

図面と上の説明において本発明を詳細に説明したが、このような図や説明は、例示的なものであって、これらに限定されるものではないと考えるべきである。本発明は、開示された実施形態には限定されない。図面、開示内容、請求の範囲の検討に基づいて、当業者であれば、請求の範囲に係る発明を実施するときに、他の実施形態や変種についても理解し達成することができるであろう。

【0028】

請求の範囲において、用語「有する」は、他の要素やステップがあることを排除するものではなく、また、単数形であっても複数あることを排除するものではない。互いに異なる従属請求項において異なる特徴が記載されていることだけをもって、これらの特徴の組み合わせを有利に使用できないことを意味していない。請求の範囲に記載された参照用の符号はいずれも、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

【符号の説明】

【0029】

１ エナジーハーベスティング回路
３ エネルギー源
４ 第１の発振回路ノード
５ 第２の発振回路ノード
６ 制御回路
７ クロック信号ジェネレーター
９ 第２のスイッチ
１１ 電圧調整要素
１３ 第３のスイッチ
１５ 第２のキャパシター
２９ 電流調整要素
Ｃｅ 第１のキャパシター
Ｌｅ インダクター
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４ 第１のスイッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】