JP2008518573A - 共振周波数が調節可能なエネルギー回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共振周波数が調節可能なエネルギー回収装置。
【解決手段】本発明は、環境から誘起される振動からパワーを回収するための装置、システム及び方法を開示する。圧電素子（２４）と、その圧電素子の電力回収能力を高めるための電磁的装置（１００）又はキャパシタ式装置（９２，９４）と組み合わせて使用できる構造体とが開示されている。この電磁的装置（１００）又はキャパシタ式装置（９２，９４）は、エネルギー回収能力を最大にするためにシステムの機械的共振を維持するのを助けるために使用できる。本発明の電力回収装置及びシステムは、運動感知応用分野においてセンサと同時に動作でき、従って、自己電力供給式監視能力が提供される。

Description

本発明は、一般的に言うならば、ホスト構造体の機械的なエネルギー及び振動を受ける圧電構造体によって生成されるエネルギーを回収するためのコンパクトな小型化された装置及びそれに対応する方法に関するものである。ホスト構造体は事実上全ての物理的装置に対応させることができるが、本発明は、センサ応用装置との一体化に特に適している。

多くのセンサ応用装置では、関連した電気部品を動作させるための電力が必要であるが、電池のような一般的な手段又は燃焼プロセスによってこの電力を供給するには、メンテナンスの問題から不便であったり、スペース及び質量の制約上、不可能であったりすることが多い。この観点から、周囲のパワー、すなわち局部的な振動に蓄積されたパワーを集めて有用な電気に変換することができるコンパクトな小型化された電力回収システムを実現できれば極めて有利であろう。電力を発生する同様の技術をセンサとしても使用できれば、センサ構成を相当単純化してパッケージ全体の寸法を小さくすることができるので、更に有利である。最後に、最大量のエネルギーは機械的共振システムから得ることができるので、このような電力回収センサの共振に、電子制御下で動的に調節された機械的共振を持たせることができれば、最も有利であろう。

このような技術の応用としては、検知及び更にＲＦ送信のような通信のための自己電力供給式センサを提供するために振動する機械上で使用することができる、遠隔分散したアフターマーケットセンサ群が挙げられる。このような配置は、設置及びメンテナンスの観点から極めて便利である。分散したセンサのネットワークを用いる構造健全性監視は、独立して電力供給されているだけでなく、独立して報告する。

この型式の電力回収装置は、地球物理探査に、又は、自然な地球物理事象の警報器／データ記録器にも使用できる。地球物理探査の場合は、振動機のようなエネルギー源からの振動エネルギーをデータの遠隔送信のためのパワーに使用できる。これによってケーブル布線が必要なくなるので、地震記録装置の分散配置が相当単純化される。このようなシステムはＧＰＳ受信機を具備することもでき、それによって、天然資源探査時の地震計配置から位置測量段階をなくすことができる。装置を動作させるためのパワーは、装置を物理的に運搬し且つ探査現場に配置することに関連した振動及び地震波から発生するエネルギーから生じる。地球物理事象監視の場合は、事象の起こりそうな震央の周りに地震計アレイを相互に離して配置することができ、地震計アレイは、事象が発生したときに情報を送信し始めることができる。送信システムから電池を除去することによって、センサを安価にすることができ、安価であることは、火山活動又はその他の地球物理的活動が起きた場合のようにこれらのセンサが損傷したときに有利である。

このようなシステムは軍事用途又は保安用途での警報機にも使用でき、この場合、軍用用又はその他の車両からの振動から発生した電力によってセンサを起動し、警報を送信することができる。これら用途の全てにおいては、システムの健全性に関する情報を提供し又は特定の事象又は更には特定の車両を識別するために、振動スペクトルの解析を用いることもできる。このような装置は又、装着者の動きから電力を発生させることができるペースメーカ又はその他の侵襲的な健康管理装置又は健康維持装置に電力供給するために使用できる。

別の可能な用途はタイヤ及びタイヤ用センサに関する。多くのタイヤ内センサセットでは連続データ送信の必要性が認識されている。この必要性は安全上及び性能上の理由から生じる。例えば、正常な運転中に温度と圧力が徐々に変化する可能性がある場合、タイヤ内の温度及び圧力を監視する実際の利点の一つは、起こり得る突発的な故障をドライバに未然に警告することである。このような故障事象は極めて急速に高速で発達することがあるので、より連続的な監視が必要である。

下記の特許文献１には、タイヤの偏倚、タイヤ速度、タイヤ回転数等の情報を測定できるタイヤ監視システム及び方法が開示されている。
米国特許第5,749,984号明細書（Frey他）

下記の特許文献２には、タイヤ異常警報システムに係る別のタイヤ電子システムの例が記載されている。
米国特許第4,510,484号明細書（Snyder）

下記の特許文献３も、タイヤ電子装置に係るものであり、更に具体的には、自動車及びトラックのタイヤに関連して用いる回転計を開示している。
米国特許第4,862,486号明細書（Wing他）

更に、多数の車両制御システムと相互作用するリアルタイムセンサとして車両タイヤを働かさせることの利点が認識されている。非限定的な例としては、アンチロック・ブレーキ・システム（ＡＢＳ）、ステアリング制御及びトラクション制御が挙げられる。このような用途では、該当する制御システムに対する時間的ずれを最小限にした状態で、情報を連続的に送信することが極めて重要である。このような要件のために連続データ送信及び連続データ送信装置への電力供給方法を考慮せざるを得ない。タイヤ電子システムへ電力を供給する典型的な解決策は、再充電不可能な電池を使用するものである。しかし、この方法は、適正な電子システム動作は定期的な電池交換にかかっているので、タイヤの使用者にとっては本質的には不便なものである。また、従来の電池は、多量に使用されている場合には特に廃棄の問題が生じる、環境問題に不都合な重金属を含んでいることが多い。更に、複雑な機能レベルの電子応用装置へ電力を供給する場合には、電池は、蓄積しているエネルギーを急速に消耗する。電池の蓄積エネルギーの消耗は、例えばトラックホイール位置からトラック運転室内の受信器までのような比較的遠い距離を情報送信する電子システムでみられる。そのため、多くの理由から、電池が望ましくないことは容易に理解できる。従って、タイヤに固有の振動源及び変形源からパワーを捕捉する手段を見出すことは当業界の大きな発展となる。

タイヤ構造体と一体化された電子システムによって得られる更に他の可能性は、商業車両分野において財産追跡及び性能評価ができる点にある。商業用トラック、航空機及び土木車両／採鉱車両は全て、自己電力供給式タイヤ電子システムとそれに関連する情報送信の利点が利用できる発展可能性のある工業分野である。車両の各タイヤの走行距離を自己電力供給式タイヤセンサによって測定することができ、上記した商業システムのメンテナンス計画の助けとなる。採鉱装置等のコストのかかる用途では車両の配置及び性能を最適化させることができる。無線タグ送信を利用して車両群全体を追跡することができる。この例は下記の特許文献４に開示されている。
米国特許第5,457,447号明細書（Ghaem他）

従来、一体化されたこの種のタイヤ電子システムには、各種の技術及び様々な電力発生システムから電力が供給されてきた。タイヤの運動からエネルギーを発生させる機械機構の例が下記文献に開示されている。
米国特許第4,061,200号明細書（Thompson） 米国特許第3,760,350号明細書（Thomas）

しかし、上記文献に記載のシステムは、複雑で大きく、現代のタイヤ電子応用装置に組み入れるには一般的に適していない。タイヤ電子システムに電力を供給する他の選択肢が、上記した特許文献２に開示されている。特許文献２は、タイヤの半径方向中心線を中心に対称に配置した圧電リード電源に係る。

圧電材料の或る利点は従来認識されていた。しかし、圧電技術は絶えず改良され続け、改良された動作能力を有する圧電材料を利用する可能性がある。圧電技術の比較的最近の発展の例が、構造制御のための複合物に係る下記の特許文献に開示されている。
米国特許第5,869,189号明細書（Hagood, IV 他） 米国特許第6,048,622号明細書（Hagood, IV 他）

本発明は、圧電技術を更に発展させて、圧電式電力発生装置をエネルギー回収のために小型化し、且つ、ある特定の状況では同時にセンサの役目をさせ、事実上全ての振動発生装置又は構造体と一体化できるようにして、自己電力供給式システム及び装置を提供するものである。

上記した全米国特許文献の開示内容の全てを、ここに引用することにより本明細書に組み込んで、本明細書の一部を成すものである。各種の電力発生システムが既に開発されているが、以下に開示する本発明による所望特性を全て含んだ構成は出現していない。

従来技術における上述した問題に鑑みて、本発明は、振動エネルギーを回収するための改良された装置、システム及び方法を提供するものである。機械的誘起振動に伴う機械的応力及び歪みを電荷に変換するために圧電技術を用い、得られた電荷を回収して様々な多数の装置のための動作電力を供給することができる。

本発明の或る特徴によれば、装置を使用することができる環境に固有の振動エネルギー源から電力を発生できる小型化された装置及びシステム並びにそのような装置を製造するための方法が提供される。本発明の装置は、コンパクトな形に製造することができ、メソスケールからマイクロスケールに小型化することができる。本発明の装置の製造方法は標準的なＣＭＯＳプロセスの利点と両立することができ、本発明の電力回収装置を複雑なＣＭＯＳタイプのプロセスと直接統合させることができ、システムオンチップパッケージを開発することができる。本発明の装置の別の製造方法は、精密ミクロ機械加工及び成形を更に含む。ミクロ機械加工は、電力発生装置を集積回路パッケージに容易に取り付けることができるように電力発生装置をパッケージ化できる程、小型化された装置を提供することができる。モノリシック電力回収装置及び状態調整回路を集積回路の基板上に直接実装ことさえも可能である。

本発明の具体的特徴によれば、本発明の１つの特徴は自己電力供給式電子装置を提供することである。その電子装置は、一体化された圧電構造体から得られたエネルギーから自己電力供給され、また、様々な電子応用装置に対応させることができる。典型的な電子応用装置の１つには、圧力及び温度等のタイヤ状態に関する情報並びにタイヤ回転数又は一般的なタイヤ識別変数等の他の情報を測定及び送信するように構成されたタイヤ監視システムがある。

本発明の或る典型的な電子応用装置のもう１つの特徴は、自然に発生する事象から誘起される又は車両又はその他の機械の運動から誘起されうる地盤振動を監視及び／又は測定するように構成された地球物理監視システムである。このような応用は、地震、火山活動、又は、その他の自然発生的地質学的事象によって誘起される地盤振動を監視するように構成された自己電力供給式監視装置を提供する。その応用はまた、防御上、安全上又は軍事上の懸念に関する車両、機械又は生命体によって誘起される地盤及びその他の振動を検知するための自己電力供給式監視装置を提供する。

本発明の典型的な応用の更に別の特徴は、患者が装着した又は患者に埋め込まれた自己電力供給式医療装置に関する。自己電力供給式ペースメーカ及び健康管理装置は、患者／装着者の動きから発生したエネルギーを回収することによって電力供給することができる。

本発明の電子システム及び特別の電力発生装置の各種機構及び特徴には多くの利点がある。本発明は、電池交換に依存しない自己電力供給式の電子システムを提供する。電池及び電池動作式装置を本発明の特徴と一緒に用いることはできるが、本発明を用いることによって、電池によって電力供給されるだけの電子装置の場合の多くの複雑な問題は解消する。

本発明の更に別の特徴は、本発明が提供する電源によって動作可能な電子装置の形式及び量に関する制約が少ない点にある。本発明の圧電技術以外の従来法で電力供給される電子装置は、超低電力の装置にしばしば制限される。本発明による装置はこうした極端な電力制限を必ずしも受けない。この特徴によって、更に多くの部品及び／又は更に高いレベルの装置を使用できる可能性があるので、自己電力供給式電子装置の機能を容易に更に拡大することができる。

本発明の更に別の利点は、電力を発生させて、得られた電力を利用するための本発明のシステム及び方法を、種々の既存の応用装置に使用することができる点にある。測定装置、監視及び警報システム、車両フィードバックシステム及び資産追跡能力は、商業用トラック群、航空機及び採鉱／土木設備等の分野において利用できる。

本発明の一実施例は、回収されるエネルギーの量を増大させながら、システムの機械的共振を電子制御するための方法である。更に具体的には、本発明の実施例は、環境固有振動とより厳密に一致するようにシステムの共振を調節するためにシステムの可動部品に力を加える方法である。これらの実施例の一つは、圧電装置とその支持構造体との間に接続されるキャパシタ電極の使用を含む。これらの実施例のもう一つの例は、磁石とコイルとの装置を使用する。

本発明の更に別の実施例は、機械的、電子的又は電磁的方法を複数作用させて使用することによってシステムの可動部品に力を加える方法である。
最後に、本発明の更に別の実施例は、ミクロ機械加工技術、ホトリソグラフ技術、剥脱プロセス、及び、ウエハー接合技術を用いて製造するのに適した平面形態で本発明方法を具体化する方法である。

本発明のその他の特徴及び効果は、以下の詳細な説明において述べると共に、以下の詳細な説明から当業者には明らかになる筈である。更に、以下に詳細に図示し説明し参照し検討する本発明の特徴や工程に対する変更や修正は、本発明の技術思想の範囲から離れることなく、本発明の様々な実施例や使用方法において実現可能であることも理解される筈である。変更や修正には、限定するものではないが、図示し説明し参照し検討した様々な要素、特徴、工程などの均等手段への置換並びに図示し説明し参照し検討した様々な要素、特徴、工程などの機能上、動作上、位置上の逆転も含まれる。

更に、本発明の様々な実施例や様々な現在好ましい実施例は、ここに開示する特徴や工程や要素やそれらの均等物の様々な組合せや配置（図面に明確に示されていない又は図面を参照しての詳細な説明に記載さていない特徴や部品や工程や配置の組合せも含む）を含むものである。本明細書の「課題を解決するための手段」において必ずしも説明していない本発明の他の実施例は、本明細書の「課題を解決するための手段」において言及した特徴や部品や工程、及び／又は本明細書において別に検討している他の特徴や部品や工程の性質の様々の組合せも含むこともできる。本明細書の他の部分を検討することにより、当業者は、上記した実施例及びほかの特徴を更に良く理解できるであろう。

添付図面を参照した本明細書において、当業者に向けた最良態様を含めて本発明を十分且つ実施可能に説明する。
本発明の同一又は同様な特徴又は要素を指示するために、本明細書全体及び全添付図面において同一の参照番号を使用する。

本明細書の「課題を解決するための手段」において述べたように、本発明は、圧電装置を用いて、機械的振動によって発生した電力を回収し、様々な電子システムに電力供給し、必要に応じて、このような電子システム用のセンサとして機能させる改良システム及び方法に特に係るものである。

図１（ａ）は本発明の第１実施例を図示している。更に具体的には、図１（ａ）は、圧電材料のみを使用して回収する場合に予想される量を超える量のエネルギーを回収できる、電磁的エネルギー回収方法を用いる本発明の実施例を図示している。図１（ａ）を詳細に参照すると、図示された実施例は、撓み部材又は片持ち梁３４に取り付けられた圧電装置２４を示している。この圧電装置２４は、圧電性単結晶、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）又は圧電特性を有するその他の材料とすることができる。変形例では、圧電装置２４は、単結晶のユニモルフとすることもでき、又は、下記文献に記載の酸化物還元法を用いて製造することができる。

「レインボーセラミック：加工技術、圧電、誘電及びピロ電気特性、及び、ＳＬＩＭＭを用いて測定した分極分布」Lang及びLi、韓国物理学会誌、第３２巻、１９９８年、２月（ここに引用してこの文献は本明細書の一部を成す）

片持ち梁３４は非圧電材料に対応し、黄銅、Ｎｉ、ＮｉＴｉ合金、バネ鋼、ＦｅＮｉ合金等のような材料を含むことができる。本発明で使用できる圧電装置の部品の厳密な詳細は本発明を限定するものではなく、本発明はむしろ、電力回収配置に関するこのような圧電装置の様々な配置に主に係るものであることは明確に理解されたい。

図１（ａ）を更に詳細に参照すると、片持ち梁３４の自由端に基準錘９０が取り付けられている。基準錘９０は、環境から誘起された環境誘起振動によって加速し、圧電装置２４の圧電材料が歪み、電荷が発生する。更に、本発明では、本発明のこの実施例が磁石とコイルとの組合せ装置の形で追加のエネルギー回収要素を備える。この配置では、基準錘９０は、磁気要素とすることができ、この磁気要素は、外部から誘起された外部誘起振動を受けたときに、コイル１００の中へ入り外に出るように振動して電気エネルギーを発生し、この電気エネルギーを、組合体の圧電装置２４の部分に歪みを発生させる環境誘起振動から回収したエネルギーに加えることができる。圧電装置２４と磁石とコイルとの組合せ装置の両方によって生じたエネルギーは環境誘起振動に依存するので、圧電装置２４及び／又は磁石とコイルとの組合せ装置の両方又は一方によって生成された信号は、環境誘起振動を示すセンサ信号として使用できることも理解されたい。

本発明の更なる特徴によれば、図１（ａ）に示される本発明の実施例は更に、制御装置１１０を介して機械システムの共振周波数を動的に制御する能力を本発明は有しているという本発明の別の重要な特徴を図示している。図１（ａ）からわかるように、圧電装置２４は一端が導体１８を介して導電性支持フレーム２０に接続され、他端が導体１２を介して電気コイル１００の一端に接続されている。電気コイル１００の他端は導体１４を介して制御装置１１０に接続され、制御装置１１０への伝導経路が、導電性支持フレーム２０に接続された導体１６を介して完了する。コイル１００に加わる電圧及び／又はコイル１００を通る電流を制御することによって、コイル１００によって発生する電磁界によって磁気基準錘９０に加わる力を制御することができる。そして、基準錘９０に加わる力のこのような制御は、システムの機械的共振周波数を動的に制御するのに用いることができ、そして、機械構造体の共振を、存在する振動モードの一つ又は複数の周波数に整合させることによって、システムから回収したエネルギーを最適化することができる。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す片持ち梁状の圧電装置２４を、端部が支持構造体５０、５２によって支持されている、二重に締め付けられた圧電装置２６に置き換えた本発明の別の実施例を示している。圧電装置２６の中央部に接続された磁気基準錘９０及びコイル１００は、本発明のこの実施例でも使用され、図１（ａ）に関して述べた本発明の実施例について述べたものと同様の機能を果たす。この実施例では、圧電装置２６をユニモルフの装置として構成することができるが、その他の構造体を用いることもできる。図１（ｂ）には示されていないが、図１（ａ）に示す制御回路１１０と同様の制御回路を圧電装置２６及び電気コイル１００と組み合わせて使用でき、図１（ｂ）システムの一つ又は複数の機械的共振周波数を動的に制御して、図１（ａ）に関して述べたのと同様に、機械構造体の共振を、存在する振動モードの一つ又は複数の周波数に整合させることによってシステムから回収されるエネルギーを最適化することができる。

図１（ｃ）は、図１（ａ）に示した本発明の実施例の変形例を示している。この変形例では、図１（ａ）に示すシステムのエネルギー回収能力を超える高いエネルギー回収能力が複動式で実現され、この場合、第２電気コイル１００’及び第２磁気基準錘９０’が、回収される追加エネルギーを２倍にするように、磁気基準錘９０及び電気コイル１００と連係して動作するように構成される。図１（ａ）に示す実施例と同様に、制御回路１１０は、導体１４’、導体１８、導電性フレーム２０及び導体１６を介して電気コイル１００’及び圧電装置２４に接続することができ、磁気基準錘９０、９０’に加わる力を動的に制御し、機械システムの一つ又は複数の機械的共振周波数を動的に制御し、それによって、機械構造体の共振を、存在する振動モードの一つ又は複数の周波数に整合させて、システムから回収されるエネルギーを最適化することができる。上記説明に基づくと、上記と同じ複動の概念は、図１（ｃ）に示すものと同じ態様で部品を二倍にすることによって、図１（ｂ）に示す構造体にも適用できることは当業者には理解できよう。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は本発明の更に別の実施例を示している。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す実施例は、片持ち梁３４に取り付けられた圧電装置２４を支持する片持ち梁３４が設けられる点で、図１（ａ）の実施例と同様である。共通の参照番号によって示されるように、圧電装置２４及び片持ち梁３４は、図１（ａ）に示す本発明の実施例に関して図示及び記載した対応する要素と同様の態様で同様の材料から作ることができる。

基準錘９２（図２（ａ））及び９６（図２（ｂ））は先に図示した実施例の基準錘９０と同様の機械的機能を有する、すなわち、基準錘９２又は９６が環境誘起振動によって加速するにつれて、圧電装置２４の圧電材料が歪み、電荷が発生する。本発明のこの実施例でも、基準錘９２、９６は、上述した実施例の基準錘９０によって提供される二重機能と同様の方法で二重機能を提供する。図２（ａ）及び２（ｂ）に示す本発明の実施例では、基準錘９２、９６はキャパシタの可動電極に対応する。従って、基準錘９２、９６を作ることができる材料は、必ずしも磁性である必要はなく、むしろ材料は少なくとも導電性である。同様に、要素９４（図２（ａ））及び９８（図２（ｂ））はキャパシタの固定電極に対応し、各固定電極は導電性フレーム２０によって支持されている。電極９２、９４及び９６、９８で形成されたキャパシタは、それぞれ圧電装置２４と協働して、上述した実施例の磁石とコイルとの組合せ装置の態様とよく似た方法で、誘起振動から追加エネルギーを回収するのを助ける。この実施例では、環境誘起振動に応じた基準錘９２、９６の運動によって圧電材料２４中で誘起された歪みから発生した電荷は、導電性フレーム２０を通って電極９２、９４及び９６、９８によって形成されたキャパシタに運ばれる。環境的振動は、基準錘の運動と、その結果得られるキャパシタ電極９２、９４及び９６、９８の強制運動として、システムから追加のエネルギーを回収することができる。帯電したキャパシタ電極の強制的な間隔拡大によって、回路内に追加の電流が流れ、その結果、エネルギー回収能力が追加される。

図示したように、図２（ｂ）に示す実施例は、電極９６、９８の角度の付いた向きの点で図２（ａ）の実施例と異なる。このような角度の付いた形状は、レバーアームが撓むときに発生する可能性のある容量性フリンジ効果に適応するように設けることができる。

この実施例でも、存在する振動モードの一つ又は複数の周波数に構造体の共振を整合させることによってエネルギー回収能力を最適化するように、構造体の機械的共振周波数を動的に制御する制御回路１１０’を使用することができることを見落としてはならない。電極対９２、９４及び９６、９８によって形成されたキャパシタに加わる電圧及びこれを通る電流を制御することによって、基準錘に加わる力を制御することができ、それによって、システムの機械的共振周波数を制御することができる。上述した実施例における磁石とコイルの運動によって発生する信号のように、キャパシタ電極間の運動で生じる容量値の変化も、運動感応センサ源として使用できることも理解できよう。

ここで、図２（ｃ）を参照すると、図２（ａ）に示す上述した装置を、圧電装置と二重コイルの組合せに関して図１（ｃ）に示した態様と大体同じ態様で、複動圧電装置と二重キャパシタ装置とを組み合わせた形式に配置することができることがわかろう。更に、図２（ｃ）に示すように、このような複動配置と組み合わせて制御回路１１０’を用いることができ、対向するキャパシタの負荷を制御し、従って、システムの機械共振周波数を制御して、エネルギー回収能力を最適化することができる。

図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）は本発明の更に別の実施例を示している。これらの実施例では、上側基準錘２００を環境誘起振動の力によって下側錘２１０へ向かって加速させることができる。ピン２２０は、下側錘を支持構造体（図示せず）の適切な位置に動かないように固定する。この配置では、一対の応力を受けた圧電素子２４０がバネを形成し、環境誘起振動の力に対抗する復元力を発揮する。圧電素子２４０の撓みによって圧電素子が歪み、その結果、電気エネルギーが発生し、このエネルギーを適切な手段によって回収することができる。図示したように、基本的な電力回収能力に対する上述の電磁式又はキャパシタ式の強化乃至向上を適用することができる。図３（ａ）は、コイル２５０の配置によって得られる電磁的な強化乃至向上を示している。このコイル２５０の配置では、上側基準錘２００がコイル２５０の中へ入り又は外へ出ることによって、コイル２５０内に回収可能な電流を起す。一方、図３（ｂ）は、正（＋）及び負（−）の極性を示し、ここでは基準錘２００、２１０の端部がキャパシタ電極を形成し、且つ、同様に、既に述べた実施例と同様の態様で追加の回収可能なエネルギーを発生することができる。図示したように、図３（ｂ）は、本発明の電力回収装置の実施例のキャパシタ式強化例を示す正面図であり、図３（ｃ）は、その電力回収装置の側面図である。

図１（ａ）及び図２（ａ）に示す実施例のように、外部制御回路（図示せず）は、本発明の図３（ａ）の実施例のコイル２５０を通る電圧及び電流を制御するように、且つ、図３（ｂ）及び３（ｃ）に示す実施例における電極２００及び２１０によって形成されるキャパシタに加わる電圧及びこれを通る電流を制御するように構成することができ、それによって、制御された力を発生させて、機械システムの共振を動的に制御して、エネルギー回収動作を最適化することができることは理解できよう。圧電装置自身は歪みを受けたときにエネルギーを生成するだけでなく、エネルギーが加えられたときに撓むことは周知であるので、これらの実施例では、圧電装置自身を力発生要素として使用することも可能である。更に、これらの装置の複動配置も可能であることは理解すべきである。

図４（ａ）及び４（ｂ）は本明細書の基本概念を平面化微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）式で具体化することができることを示している。上記の基本構成の平面変換によって、典型的なミクロ機械加工技術を用いて本発明を製造することができる。図４（ａ）及び４（ｂ）はそれぞれ本発明の第１の平面式の実施例の平面図及び側面図を示している。図示したように、圧電層が取り付けられていてもよいバネ部材３００は剛体部材３１０へ向かって延びる。これらの部材はキャパシタ電極３２０、３２２を取り付けることができ、本発明の上記のキャパシタ式電力回収強化装置の実施例と極めて似た方法で動作する。更に、本発明のこの平面配置は、動的共振周波数制御を上記実施例と同様の態様で行う制御回路を更に有することができる。本発明の平面態様は、相互関係において図示した装置を鏡像関係に配置することによって、複動式にすることができることは当業者には明らかであろう。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）式応用装置で多くの薄膜圧電材料を用いることに関係する問題の１つは、圧電薄膜蒸着プロセスと、シリコン素子プロセスとが両立できないことである。これらの欠点の例としては、圧電薄膜内へシリコン（Ｓi）が拡散し、圧電薄膜が汚染されて、圧電特性が低下又は破壊されること、及び、許容可能な圧電特性を有する薄膜を製造するのに必要な高温の蒸着が、最終段階のシリコン素子製造プロセスの熱収支と両立できないことが挙げられる。

ＭＥＭＳ応用装置用の圧電膜に基づく装置の上記以外の欠点としては、エッチ選択性及びパターニングが挙げられる。これらの問題によってこのような装置の実現は複雑且つ高価になり、新材料のシステム及び次世代標準規格の製造プロセスの使用が要求されることが多い。圧電薄膜に関する別の問題は大部分の蒸着技術が多結晶層を生成することで、この多結晶層は単結晶圧電材料と比較して電気的及び機械的性能が両方とも低い。圧電薄膜の使用に関する最後の欠点は、薄膜が一般に機械的に脆いことである。一方で、ＭＥＭＳ装置はかなり大きく歪むように構成されていることが多い。これらのことを考慮すると、このような装置での歪み限度を克服することができる製造方法を考えるのが有利である。

これらの問題を処理するために、本発明は、標準的なウエット化学エッチング、標準的なホトリソグラフ技術、標準的な剥脱プロセス、及び、標準的なウエハー接合技術を用いてこのような装置を実現できる方法を開示している。この技術はまた、圧電層を機械的に強化する熱膨張係数（ＣＴＥ）誘起内部応力を有する機械的に優れた単結晶／金属ユニモルフを製造することができる。この方法で圧電層を機械的に強化することによって、圧電層が大きな機械的撓みに耐えることができる。

以上、特定な実施例を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明では上記実施例を変更、変形し、均等物に置換できるということは当業者には理解できよう。従って、上記の開示は単なる例であって本発明がそれに限定されるものではなく、本発明は変更、変形及び／又は追加を除外するものではないということは当業者には理解できよう。

本発明の実施例によるエネルギー回収システムの機械的共振周波数を調節するのに有用な磁石とコイルの組合せを示す図。 エネルギー回収能力を高めた図１（ａ）の一変形例を詳細に示す本発明の複動式の磁石とコイルの組合せの態様を示す図。 図１（ａ）の磁気構造の代わりの本発明のキャパシタ式の一変形例を例示する図。 基準錘とキャパシタ電極との間の角度を変更している図２（ａ）と同様な構造体を示す図。 エネルギー回収能力を高めた図２（ａ）の一変形例を詳細に示す本発明の複動式のキャパシタ配置を示す図。 図３（ａ）、図３（ｂ）及び図３（ｃ）は、圧電装置をバネとして使用し、且つ、磁気式及びキャパシタ式のエネルギーの回収装置を設けた本発明の変形例を示す図。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）における実施に適した本発明の平面配置の第１実施例の平面図及び側面図。

Claims (10)

1. 環境に固有の振動エネルギーを回収して電気エネルギーに変換するためのエネルギー回収装置であって、
   圧電素子と、
   前記圧電素子の少なくとも第１の部分を、少なくとも１つの軸線に沿った相対運動に対して固定する支持構造体と、
   前記圧電素子の第２の部分に結合された基準錘と、
   前記基準錘に対して制御可能な力を加えるための力発生手段と
   を具備し、
   前記環境に固有の振動エネルギーが前記基準錘の運動を発生し、その結果として前記圧電素子に歪みを生じ、それによって電気エネルギーが生じ、前記力発生手段は、当該エネルギー回収装置の共振周波数を、存在する環境に固有の振動エネルギーの一つ又は複数の周波数と一致するように調節することを特徴とするエネルギー回収装置。
2. 前記力発生手段が、当該エネルギー回収装置のエネルギー回収能力を高めるために、前記基準錘に結合された少なくとも１つの運動に感応する電気素子を具備することを特徴とする請求項１に記載のエネルギー回収装置。
3. 前記運動に感応する電気素子が、少なくとも１つのキャパシタを具備し、前記少なくとも一つのキャパシタの静電容量値が、前記環境に固有の振動エネルギーに基づいて変化することを特徴とする請求項２に記載のエネルギー回収装置。
4. 前記運動に感応する電気素子が、前記基準錘に磁気的に結合された電磁コイルを具備することを特徴とする請求項２に記載のエネルギー回収装置。
5. 前記運動に感応する電気素子が、前記基準錘に結合された第２圧電素子を具備することを特徴とする請求項２に記載のエネルギー回収装置。
6. 前記力発生手段と反対の向きで前記基準錘に接続された第２力発生手段を更に具備し、前記力発生手段と前記第２力発生手段とが交互に動作する複動式エネルギー回収能力を有することを特徴とする請求項１に記載のエネルギー回収装置。
7. 前記力発生手段と前記第２力発生手段の両方が磁気手段を具備することを特徴とする請求項６に記載のエネルギー回収装置。
8. 前記力発生手段と前記第２力発生手段の両方がキャパシタ式手段を具備することを特徴とする請求項６に記載のエネルギー回収装置。
9. 前記力発生手段が、当該力発生手段によって生成された力を動的に制御するための回路を更に具備することを特徴とする請求項１に記載のエネルギー回収装置。
10. 前記圧電素子、前記支持構造体、及び、前記キャパシタが共通面で整列していることを特徴とする請求項３に記載のエネルギー回収装置。

Images