JP2010517755A - 最適化された効率性で機械的な衝撃エネルギーを電気的エネルギーに転換するためのデバイス - Google Patents

Abstract

物体の衝撃による機械的エネルギーを電気的エネルギーへと転換するためのデバイスであって、フレームを備えており、フレームには、少なくとも第１の長手方向端部（４）と第２の長手方向端部（８）とによって膜（２）が懸架されており、膜（２）は、膜の中央平面に対して実質的に横断する方向に、物体によって衝撃が与えられるようになっており、膜（２）は、第１の長手方向端部（４）から第２の長手方向端部（８）まで延在している機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するための材料から形成されたコア（１２）と、コアの第１の面における少なくとも一つの電極（１４）ならびにコア（１２）の第２の面における少なくとも一つの電極（１６）とを備えており、電極（１４）は、第１の長手方向端部（４）から第２の長手方向端部（８）まで延在している。

Description

本発明は、機械的エネルギーを電気的エネルギーとして回収するためのデバイス、特に、変形可能な表面に衝撃を与える物体が衝突することによって生じたエネルギーを転換できるデバイスに関するものである。そのエネルギーが回収されることが望まれる物体は、例えば雨滴（その場合にはデバイスは外部環境に配置される）、あるいは例えば装填デバイスタイプにおけるパウダー、グレーン（grain）などの硬質な物体であってもよい。

エネルギー回収デバイスは、液体、例えば水の流れの中に配置された圧電材料からなる要素を備えたリボンの形態で知られており、その流れは、圧電材料からなる要素の表面に対して実質的に平行に流れる。要素の変形によって、圧電材料の各側における電極の端子において電圧の発生が引き起こされる。

しかしながら、このデバイスは、物体の衝撃から発生するエネルギーの最適な回収率を与えるものではない。なぜなら、従来のデバイスは、その表面全体にわたって不均等な流体が連続的に作用することによって機能するからである。ただし、物体によって衝撃が与えられる場合、衝撃の位置はランダムであり、かつ、ばらばらである。

さらに、このデバイスは、圧電材料からなる要素の表面に対して横断する衝撃に関して最適に変形するよう構成されていない。

非特許文献１によって、変形可能な構造物にバブルが周期的に当たることによって変形する圧電転換構造物が公知となっており、この構造物は、第１の端部においては埋め込まれた圧電材料からなりかつ第２の端部においては衝撃を回収するよう意図されたプレートを有するビームを備えている。この構造物は、衝撃を与える物体が正確なポイントで構造物を変形させた場合にのみ、有効となる。バブルがビームに直接衝撃を与えると発生する電荷(charge)の量は非常に小さい。

さらに、ビーム自身によって変形させられたエネルギー回収領域と衝撃が与えられる領域とは、物理的に分離されている。ゆえに、システムの全表面積を考慮すると、有効な領域は相対的に小さくなる。

米国ウィスコンシン州マディソン、２００２年５月２〜４日、医学および生態学におけるマイクロ工学に関する第二回IEEE-EMBS年次特別大会、「微小な泡を用いた微電力発生のための圧電カンチレバーの最適設計」ポスター１０２；４２４〜４２７ページ（"Optimal design of piezoelectric cantilever for a micro power generator with microbubble" 2nd Annual International IEEE-EMBS Special Topic Conference on Microtechnologies in Medicine & Biology, May 2-4, 2002, Madison, Wisconsin USA, Poster 102; page 424-427,）

したがって、本発明の目的の一つは、膜における物体の衝突によって生じるエネルギーを回収するためのデバイスを提供することであり、このものにおいて、エネルギーの回収は、膜における物体の衝撃の位置にほとんど依存しない。

上記目的は、機械的力の作用下で電圧を発生可能な材料から形成され、その最も大きな寸法に沿って懸架(suspend)され、かつ機械的エネルギーに転換することが望まれる物体の衝撃を直接回収する要素を備えたデバイスであって、当該要素がその表面の各側において、その最も大きな寸法に沿って延在する電極を備えているデバイスによって実現される。

言い換えると、当該デバイスは、変換する材料が直接作用させられ、かつ電極が、その材料の全長にわたって分布されているものである。これは、膜における衝撃の形状的な位置の影響を低減する。ゆえに、材料の全表面にわたって良好な効率の転換が実現され、かつ回収されるエネルギーの量が、膜における衝撃のポイントに関係なく実質的に等しくなる。

本発明によって、回収の空間的な効率が増加し、かつ物体の衝撃または流体の作用によって機械的に作用させられる領域に対するエネルギー回収の感応性が非常に実質的に軽減される。

したがって、提案された転換構造物は、システムの全表面に不均等に衝撃を与える物体からエネルギーを回収することを可能にする。それゆえ、衝撃領域と、機械的エネルギーを電気的エネルギーに転換する材料ならびに結合された電極によって形成された転換・エネルギー回収領域との間には、もはや物理的分離は存在しない。本発明によって、例えば雨滴、散水システムからの水滴、あるいは篩い分けもしくは貯蔵または使用のための移送中の硬い粒子による衝撃などによるランダムな空間的な拡散に伴う変形作用に関して、エネルギーの回収の効率を増加できる。

転換する材料が電極によって全体的にまたは部分的に被覆されている膜の製造を提供することができる。転換する材料が電極によって部分的に被覆されている場合、電極は、その幅において（つまり、膜と幾何学的に同じ状態で）全体的に連続していないが、衝突時の物体の大きさと同じ大きさのオーダーの幅を備えたリボンを形成するために分割されている；このようにして、変形における振動および電極下の平均力は、機械的応力が掛けられない領域における電気的な浪費を防ぐことによって、最小化される。

また、膜に衝撃を与える物体の除去を容易にするために穿孔された膜を提供することもできる。この実施形態において、膜は、平行に並置された離散したストリップによって形成できる。

エネルギー回収デバイスは、組み込まれたセンサ、あるいは一体化されたセンサ、すなわち膜自身によって形成されたセンサを提供するよう働くこともできる。

したがって、本発明の対象事項は、原理的に、物体の衝撃からの機械的エネルギーを電気的エネルギーへと転換するためのデバイスであって、フレームと、少なくとも第１および第２の長手方向端部によってフレームに懸架され、膜の中央部を実質的に横断する方向において物体によって衝撃が与えられることを意図され、第１の長手方区端部から第２の長手方向端部へ延在する機械的エネルギーを電気的エネルギーへと変換するための材料から形成されたコアを備えている膜と、コアの第１の面における少なくとも一つの電極ならびにコアの第２の面における少なくとも一つの電極であって、第１の長手方向端部から第２の長手方区端部まで延在しかつ少なくとも部分的にオーバーラップする電極と、を備えるデバイスである。

第一実施形態において、本発明のデバイスは、コアの第１の面において連続的な電極と、コアの第２の面において連続的な電極とを備えている。

有利なことに、膜は、物体の流出を可能とする開口を有することができる。

第二実施形態において、本発明のデバイスは、コアの第１の面における複数の電極と、コアの第２の面における複数の電極とを備えており、それぞれの複数の電極は、膜の第１の長手方向端部から膜の第２の長手方向端部まで延在する離散的な並置ブレードを備えており、第１の面における複数の電極と第２の面における複数の電極とは、少なくとも部分的にオーバーラップしている。ゆえに、回収されるエネルギーの量がさらに増加される。

第３の実施形態において、コアは、電極ブレード同士の間に延在する開口を備えることができる。

開口は、並置され懸架されたストリップの形態に膜を規定するよう、コアの第１の長手方向端部から第２の長手方向端部まで長手方向に延在している。膜あるいは特にストリップは小さな幅を有しているが、ストリップは、同じ衝撃に関して、より容易に変形可能であり、それは、転換されるエネルギーの量を増加させることができる。ブレードの幅は、例えばストリップの幅と実質的に等しい。

ブレード形態における電極の幅は、有利なことに、膜に衝撃を与えることを意図された物体のサイズよりも大きい。

膜が、ランダムな衝撃の場合において衝撃が与えられないときに、いかなる機械的張力の影響も受けないように構成することが可能であり、それゆえ、それは変形において高い振動を生じるようになる。

膜が、衝撃が与えられないときに所定の機械的張力が掛けられるように構成することが可能であり、それによって、電気的エネルギーへと転換される機械的エネルギーの量をさらに増大させる規則的な振動数での反復的な衝撃の場合、膜の共振振動数が衝撃の振動数と一致するようになる。

コアの変換材料は、例えば圧電材料あるいは電気活性材料であってもよい。

本発明のデバイスは、光起電セルと、光を透過する材料から製造される膜と、を備えた太陽エネルギーを電気的エネルギーへと転換するためのデバイスを備えることもでき、光起電セルは、物体の移動の方向に関連して膜の下流に配置されている。

本発明の他の対象事項は、本発明の転換デバイスと、転換デバイスによって少なくとも部分的に電力が供給される、物理量のためのセンサとを備えたシステムである。

このシステムにおいて、膜は、膜に衝撃を与える物体の情報を得ることを可能にする、センサのための感応領域を形成できる。

本発明は以下の説明および関連する図面によりさらに理解されるだろう。

本発明のエネルギー回収デバイスの第一実施形態の縦断面における概略図である。 図１のエネルギー回収デバイスの膜における衝撃領域の関数として記録されたエネルギーにおける変化を示す曲線の図である。 本発明のエネルギー回収デバイスの膜の第二実施形態の斜視図である。 本発明のデバイスの膜の第三実施形態の斜視図である。 図４における膜を形成するストリップの幅の関数として記録されたエネルギーにおける変化を示す曲線の図であり、このリボンは、１０ｃｍの長さと、２５μｍのＰＤＶＦ変換材料の厚さとを有している。 ３ｍｍ／秒の速度を有する１ｍｍの直径の雨滴の衝突時において、ＰＶＤＦの２５μｍの厚さと１０ｃｍの長さにわたる３ｍｍの幅とからなるリボンを覆う電極の端子において回収された電圧の記録を示す図である。 本発明のエネルギー回収デバイスの膜の第一実施形態の変形例の概略図である。 図１に示すデバイスと光起電セルとを含む本発明のハイブリッドエネルギー回収システムの縦断面における概略図である。

図１において、支持体６において第１の長手方向端部４によってかつ支持体１０において第２の長手方向端部８において懸架された長手方向の寸法ｌを備えた膜２を有する本発明のエネルギー回収デバイスの実施形態の詳細を見ることができる。

支持体６および１０は、本発明のデバイスの剛性基体(rigid chassis)の一部を形成する。

本発明の膜２は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するための材料から形成されるコア１２と、その上面に配置された電極１４と、その下面に配置された第２の電極１６と、を備えている。「下」および「上」という語は、図１に関連して用いられかつ限定的な状況下にあるものではなく、膜は水平以外のポジションを有することもできる。

電極１４および１６は、コア１２の各側において互いに合わせて少なくとも部分的に直交するように配置されている。

膜２は軸線Ｘに沿って延在している。

矢印１８は、膜２に衝撃を与えるよう意図された物体の移動の方向を示す。

本発明によれば、第１および第２の電極１４および１６は、膜２の全長にわたって延在しており、それゆえ、その全長にわたる変換材料からなるコア１２を覆っている。

したがって、膜２に衝撃を与える物体が電極１４に接触する可能性は、従来のデバイスに比べて大きくなる。

膜２は、正方形、長方形、または他の適切な形状のものであってもよく、かつその最大寸法に沿って、少なくともその二つの端部によって保持可能である。この膜に関しては、二つの支持体６および１０の間で張力を掛けることは必要ではない。

導電性電極１４および１６は、例えば胴、ニッケル、または炭素粉などの数ナノメートルの厚さの導電性材料の付着あるいは放電めっきによって製造可能である。そのため、この電極は、膜２の表面におけるさまざまな電気生成領域の境界を定める。

有利なことに、物体が構造物に衝撃を与えるときのエネルギー変換量を最大化させるために、形状において細長くかつ小さな厚さを有する膜を形成することが好ましい。

膜タイプの幾何学的形状に関する圧電転換の独自の場合において、以下の式が適用される：

Ｙは、圧電材料のヤング率であり、
Ｋ^２は、圧電材料の電気機械的結合定数であり、
Δσ_moyは、材料における平均応力変化であり、
Δε_moyは、材料における平均変形変化である。

このことから、電極１４および１６の端子における電圧、したがってエネルギー変換量を最大化するために、膜における平均応力変化および平均変形変化を最大化させることが好ましいことは明らかである。これは、大きな振幅にわたって変形可能なシステム、すなわち局所的に高い変形応力変化を得ることができる、長く、薄手のシステムによって実現される。

さらに、膜における衝撃の軸線ポジションがどんなものでも、膜の全長にわたってエネルギー回収量を最大化するために、電極１４および１６の長手方向の寸法は、膜、特に変換材料の寸法に実質的に等しくなるように設計される。

以下、ｘとは、支持体６から始まる長手方向軸線Ｘに沿った衝突領域の座標であるとする。

図２において、膜の全長ｌにわたる比率ｘの関数として膜の中央に与えられる衝撃に関連する回収されるエネルギーにおける、座標ポイントｘに与えられる衝撃に関連する回収されるエネルギーＥｒ（ｘ）の比率における振動が示される。この曲線は、１０ｃｍの長さと、１０ｃｍの幅と、２５μｍの厚さとを有する膜に関して記録されたものであり、膜に衝撃を与える物体は、３ｍ／秒で移動する直径１ｍｍの水滴である。

膜の中央で回収されたエネルギーに対するｘにおいて回収されたエネルギーの比率がｘに応じて非常に小さくしか変動しないことが明らかであり、この比率は、０.９７５から１の間で変動する。したがって、本発明によって、その回収効率が膜の表面全体にわたる衝撃の位置にほとんど依存しない、機械的エネルギーを電気的エネルギーに転換するためのデバイスが得られる。

膜２のコア１２は、ＬＴＺ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの固形圧電材料、あるいは３Ｍ社から市販されているVHB4910（登録商標）アクリル誘電性ポリマーなどの電気活性材料を用いたＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）などのポリマーから形成可能である。

材料の選択およびその厚さの選択はシステムに作用する機械的応力に応じる：直径が１から５ｍｍの水滴の衝撃に関して、約１０ミクロンの厚さを有するＰＶＤＦ膜が選択され、かつこれは、液滴の衝撃に応じて著しく変形可能となる。

より大きくかつより重い物体、例えば穀粒または岩石粒に関して、より厚みのある（約数百ミクロンの）ＰＶＤＦ、またはＬＴＺなどの機械的により硬度の高い要素、あるいは（１００μｍ〜１ｍｍより厚みのある）誘電タイプの電気活性ポリマーを使用することが可能となる。

同様に、デバイスがその中に配置される基材（medium）が、変換材料の選択において決定的な要因であってもよい。

湿潤環境の場合、エネルギーの生成および機械的な強度に関する最適条件は、ＩＰＭＣタイプの電気活性材料によって実現可能である。さらに、圧電材料または電気活性材料間の選択も、例えば励起振動数領域に応じてなされてもよい。例えば、１ｋＨｚ以上の励起振動数に関して、圧電材料が部分的に適合するものであるのに対して、他方では、１ｋＨｚ未満の励起振動数に関して、電気活性材料がより適切であることが明らかである。

一般的にその選択は、回収されるエネルギー（それに関して、高い変形を得ようとし、したがって厚みのないシステムを有するようにする）と、機械的応力（それは、機械的応力ならびにエネルギー回収デバイスの耐用期間を保証するために最小限の厚さを要求する）との間の最適条件によっておおまかに決定される。

加えて、上述したように、膜に関して、張力をかけた様式で懸架することは必要ない。これは、ランダムな衝撃、雨滴またはなんらかの固形粒の衝撃の場合に特に有利となる。その上、負荷が掛けられておらず、張力が掛けられていない膜を提供することができ、それゆえ、振動する膜は、それぞれの衝撃において、変形による高い振動を生じるようになり、電気的エネルギーへと転換可能な機械的エネルギーの量が増大される。

規則的な振動数での反復的な衝突の場合、一方では、張力下で膜を懸架することは有利となるだろう。膜の共振振動数が衝撃の振動数と一致するように、膜は形成されかつ／またはそれに対して負荷を掛けないような機械的張力が選択されるようになっており、それによって、電気的エネルギーへと転換される機械的エネルギーの量が増大させられる。

機械的張力は、レールに取り付けられた支持体６，１０を、支持体６，１０が互いから離隔可能なように設けることによって調節できる。

図３には、本発明の衝撃エネルギー回収デバイスのための膜の第二実施形態を示すが、この実施形態は、それが回収されるエネルギーの量を最適化するため、特に有利である。

図３に示される膜１０２は、機械的エネルギーを電気的エネルギーへと変換するための材料から形成されたコア１１２を備えており、その上に、電極１１４，１１６が、コア１１２の上面および下面の全長にわたって、それぞれ配置される。

この第二実施形態によれば、膜は、コア１１２の上面に配置された数個の電極１１４と、膜１０２の下面に配置された数個の電極１１６とを備えている。

各電極１１４は、少なくとも部分的に直交するように電極１１６に沿って配置されている。

電極１１４，１１６は、コア１１２の全幅にわたって分布する平行なストリップを形成しており、電極１１６は、電極１１４に沿って、直交するように配置されている。第一実施形態において、電極１４，１６は、それぞれ、コア１２の各面を覆う連続した層を形成している。

電極１１４，１１６の離散的な分布は、電荷の移動およびその均等な拡散を制限することによって、膜１０２の全表面にわたってエネルギーの回収量を最適化する。

これは、物体が膜２の上面に衝撃を与えるとき、コア１２が変形し、電荷の拡散の不均等さに基づいて変換材料における電圧の発生を生じるためである。

続いて、生じたエネルギーは、バッテリータイプの電気的貯蔵手段に蓄電される。

図１に示される電極１４，１６が、コア１２の上面および下面の全体を連続的に被覆する場合、荷電は、電極１２，１４によってコア２の中へ移動可能となる。一方で、コアの上面ならびにコア１２の下面にわたっている電極１１４，１１６の離散的な分布の場合には、荷電の移動は制限され、そして回収されるエネルギーの量は低減する。

続いて、本発明者は、潜在的に回収可能なエネルギーの量が、たとえ連続的な電極１４，１６を備えた図１のデバイスのものよりも少なくとも、図３におけるデバイスによって実際に回収されるエネルギーの量は、より大きいことに気付いた。

電極の幅は、膜の表面に衝撃を与える物体のサイズの大きさのオーダーよりも大きくなるように選択される。例えば、水滴が１ｍｍの直径を有しかつ衝突時にそれが４ｍｍの直径を有する場合、電極の幅は、４ｍｍよりも大きい。

図５には、ミリメートルでの電極の幅Ｌの関数として、回収された電気的エネルギーＥｒにおける荷電が示されている。

変換要素は、１０ｃｍの長さと、２５μｍの厚さとを有しており、コア２１２は、ＰＶＤＦから製造され、かつ各側において、膜の機械的挙動に干渉しない数ナノメートルの厚さのニッケルの層を備えた電極によって被覆されている。この要素の表面に衝撃を与える物体は１ｍｍの直径を有する雨滴であるが、その直径は、衝撃時に４ｍｍまで大きくなる。このグラフから、より幅広の電極が同様のエネルギーを生じることが可能であるにもかかわらず、幅が１０ｍｍの電極が、衝突時に変換される最大エネルギーを回収できることが理解されるだろう。

ただし、この場合において、まず、コア全体を被覆する電極によって分散されたエネルギーは、より大きくなるが、続いて、より低い全体的な効率性を有するようになり、その後、エネルギーが幅狭の電極の場合に回収されるようになっているフォームが、このエネルギーを処理しかつ回収する電子回路により適するようになる。

例えば、圧電材料から形成されたコアに関して、幅狭のブレードは、所定のエネルギーに関して、より高い回収される電圧を得ることができ、それは、信号の処理中、特に交流的な信号を連続信号へと転換するための調整ステップ中の損失を防ぐこととなる。

図４には、衝撃エネルギー回収膜の第三実施形態を示す。

この実施形態において、膜２０２は、互いに平行に配置されかつその各長手方向端部のそれぞれにおいて支持体２０６，２０８に固定されている複数の離散的な要素２０２’によって形成されている。

各離散的な要素２０２’は、コア２１２の全長にわたって延在する電極２１４，２１６によって各側で被覆された変換材料から形成されるコア２１２を備えている。

ストリップまたはブレードを形成する要素２０２’の幅は、回収することが望まれる衝撃エネルギーの直径などの大きさのオーダーと実質的に等しいものとなっている。

この実施形態によれば、変換要素のそれぞれが、機械的に独立した状態で形成されている。要素２０２’における物体の衝撃に伴う応力が、他の要素２０２’と機械的に関連することによって「制振」されないため、要素のそれぞれの変形は、図１および図３に示された実施形態に対して増大されている。

図１および図３におけるデバイスの場合、物体が膜２の衝撃を与えるとき、物体によって作用する応力（それは、膜２０２の表面に対して実質的に直交する方向を向く）は、膜の表面に直交する方向だけでなく膜の表面に平行な方向の両方において変形を生じさせる。膜の平面における変形に必要なエネルギーが重要となっているその全体の変形は、はるかに小さいものとなる。離散的な要素２０２’の場合、それぞれの離散的な要素２０２’が非常に小さく横方向に延在しているため、その変形に必要なエネルギーは非常に小さい。結果的に、膜に対して、あるいはより詳細には離散的な要素２０２’のそれぞれに対して直交する方向におけるその変形がより大きくなり、したがって、機械的エネルギーを転換することによって回収される電気的エネルギーがより大きくなる。

図４におけるデバイスも、膜に衝撃を与える物体を除去可能にするという利点を有している。これは、それが、離散的な要素２０２’を分離する空間（この空間の幅は、膜２０２に衝撃を与える物体の幅に基づいて選択される）を通過するためである。

ここで、図４のデバイスのサイズの一例を挙げる。

デバイスが、水などの液体の滴の衝撃エネルギーを回収するよう用いられる場合、デバイスは、以下の様式におけるサイズを有することができる：
転換デバイスは、それらの端部にそれぞれに埋め込まれかつ均一に分布させられたブレードのセットを備えている。これらのブレードは、機械的エネルギーを電気的エネルギーに転換する材料、例えば（ＰＶＤＦタイプの）圧電ポリマーまたは電気活性材料によって形成されている。各ブレードは、ポリマーを被覆する下側電極および上側電極によって被覆されており、それらの電極は、ブレードの全長にわたって延在している。有利なことに、上側電極は、すべての上側電極の間に電気的な接続がもたらされるように固定されたブレードの長手方向端部同士の間に、例えば単一構造の形態で、連続的に形成されている。下側電極に関しても同様に、下側電極は、有利なことに、単一構造の形態で形成されている。この独自の実施形態は、電極の各セットに関する二つの接続を満たすものであるから、電気的な接続の形成を簡単にする。

ブレードの幅は、ブレードに衝撃を与える物体のサイズに応じて決定されるものであり、例えば滴下物の場合、衝突後に広がる滴下物の直径の大きさと同じオーダーのものである。直径が１ｍｍの雨滴の場合、広がった後の直径は４ｍｍとなり、したがって、ブレードの幅は、広がった後の直径に少なくとも等しくなる（例えば約４ｍｍとなる）ように選択される。

さらに、ブレードの長さは、有利なことに、その幅よりも少なくとも大きなオーダーおよび大きさとなるよう選択される。

加えて、空間は、ブレードの間で、それが衝突前の水滴よりも大きくならないように選択されるようになり、したがって、ブレードの間を滴が通過する場合でさえも、滴がブレードに衝撃を与え、そしてそのエネルギーが多少は回収されるようになる。例えば、ブレードの間の空間は、衝突前の滴の直径とおおよそ同じになるように選択される。

１ｍｍの雨滴からエネルギーを回収する場合、したがって、ブレードが２５μｍの厚さ、２ｍｍの幅および１０ｃｍの長さのＰＶＤＦから形成され、これらのブレードが１ｍｍで離間されるようになるデバイスを製造することができる。

当然のことながら、電極同士の間の膜の長さのすべてまたは一部にわたって延在する開口を有する膜は、本発明の範囲から逸脱しない。

また、膜の表面に衝撃を与える物体の重力除去を容易にするために、膜の表面を傾斜させることも考えられる。

図６には、１０ｃｍの長さと、３ｍｍの幅と、２５μｍの厚さとを有する膜の端子における時間ｔの関数として回収される電圧Ｕｒの一例が示されているが、そのコアは、ＰＶＤＦから形成され、衝撃を与える物体は、１ｍｍの直径を有しかつ衝突前には３ｍｍ／秒の速度を有する雨滴である。この記録に関するスケールは、ｘ軸における目盛りごとに４０ミリ秒となっており、かつｙ軸における目盛りごとに１ボルトとなっている。それゆえ、回収された電圧Ｕｒが、数ボルトの値Ｖに達していることが明らかである。

図７には、図１のデバイスの膜２’のさまざまな実施形態が示されている。膜２’は、膜２’の表面に衝撃を与える物体を除去可能にするためのオリフィス２０を備えており、上側電極１４および下側電極１６（図示せず）が、コア１２にわたってかつ膜２’の全長にわたって連続的に延在している。

オリフィス２０は円形で示されているが、他の形状、例えばスロットの形状を有していてもよい。

それゆえ、これらのエネルギー回収デバイスは、雨滴の衝突のエネルギーを回収する場合、屋外の環境で使用されるよう意図されている。したがって、それは、他のエネルギー回収デバイス、特に太陽エネルギー回収デバイスと組み合わせることに大いに適している。

図８には、光起電セルを用いて太陽エネルギーを回収すること、および雨滴の衝撃エネルギーを回収することの両方が可能なハイブリッドエネルギー回収デバイスが示されている。

このため、ハイブリッドデバイスは、二つの支持体３０６，３１０同士の間で懸架される、光を透過する本発明に基づく膜３０２であって、その変換材料が例えば圧電材料またはアクリル誘電性ポリマーから選択されるようになっている膜３０２と、膜３０２と実質的に平行であり、雨滴の移動の方向において変換材料の下側に配置される光起電セル３２２と、を備えている。

膜は、コア３１２と、コアの各側上にありかつ膜の全長ｌにわたって延在している電極３１４，３１６とを備えている。

したがって、晴天時には、光が膜３０２を透過し、かつ光起電セルを機能させる。雨天時には、雨滴または、あられが、膜に衝突する。

ゆえに、このデバイスは、さまざまな計量状況下の自然の環境において：雨天状況において、かつ晴天状況において機能することに大いに適している。そのため、回収されるエネルギーの量が増大される。

もちろん、本発明のエネルギー回収デバイスは、この電気的エネルギーを蓄電する手段（図示せず）と組み合わされているが、それは当業者には周知であるため、本明細書ではこれ以上詳しく説明しない。

本発明に基づくすべてのエネルギー回収デバイスは、衝撃エネルギーの転換によって回収される電気的エネルギーが少なくとも部分的に供給されるセンサと組み合わせられるか、あるいはそれと一体化されることができる。

さらに有利なことに、このセンサは、測定システムとして上記膜を使用できる。衝突の場合において、それは、膜に衝撃を与える粒子のサイズおよび質量を測定し、衝撃の振動数を測定する衝撃カウンタであってもよい。そのため、このシステムは、例えば自然の環境において、この環境において、降雨の量に関する、あるいは、にわか雨の頻度に関する情報を得ることができる。

本発明のデバイスは、エネルギー回収機能およびセンサ機能の両方を兼ね備えることができる。

このデバイスは、実際に、衝撃の特性から、デバイス自体の特性に関連する情報を集めることを可能にすることができる。

例えば、滴の衝撃は、ブレードの共振振動数または膜の共振振動数を励振させ、共振振動数は、Ｖによって示された電圧最大値の存在によって図６におけるグラフにおいて認められる。この共振振動数は、膜の機械的特性および形状的特性、特にその厚さ、その長さ、それを形成する材料のタイプなどに関連している。ゆえに、時間をかけてこの共振振動数における振動を測定することによって、例えばブレードの厚さに関する振動を検出することができるようになる。そのため、その厚さにおける増大によって、膜またはブレードの厚さにおける増大を検出することができ、かつしたがって、石灰石または有機的な付着タイプのものからなる、膜における材料の付着物の存在を推測することができ、そして、この付着物の厚さを判定することができる。続いて、この情報は、デバイスのメンテナンス、例えば膜の洗浄または交換のための提供するよう使用できる。

加えて、特に有利なことに、完全に自動的な様式で、特性における変化を測定することができるが、この測定に必要なエネルギーは、滴の衝撃によって直接与えられる。

上述したように、本発明の衝撃エネルギー回収デバイスは、穀物のグレーンまたは砂利などの「固形」の物体にも使用できるものであり、それゆえ、回収デバイスは、充填デバイスまたは装填デバイスに使用される。

上記実施形態において、膜は、その面の一方のみにおける衝撃を回収するが、膜の両方の面に衝撃が与えられる転換デバイスも本発明の範囲から逸脱しない。

したがって、システムの幾何学的形状が、機械的に応力がかけられる領域の配置に関係なく、機械的応力を与えられる面全体にわたってエネルギーを回収することができるように最適化された膜タイプの機械的振動エネルギー回収システムが確実に製造される。

２，２’ 膜
４ 第１の長手方向端部
６，１０ 支持体
８ 第２の長手方向端部
１２ コア
１４ 上側電極
１６ 下側電極
２０ オリフィス
１０２ 膜
１１２ コア
１１４，１１６ 電極
２０２ 膜
２０２’ 離散的な要素
２０６，２０８ 支持体
２１２ コア
２１４，２１６ 電極
３０２ 膜
３０６，３１０ 支持体
３１２ コア
３１４，３１６ 電極
３２２ 光起電セル

Claims (14)

1. フレームを具備してなる、物体の衝撃による機械的エネルギーを電気的エネルギーへと転換するためのデバイスであって、
   膜（１０２，２０２，３０２）が、少なくとも第１の長手方向端部（４）と第２の長手方向端部（８）とによって前記フレームに懸架されており、
   前記膜（１０２，２０２，３０２）は、前記膜（１０２，２０２，３０２）の中央平面に対して実質的に横断する方向に、前記物体によって衝撃が与えられるよう意図されており、
   前記膜（１０２，２０２，３０２）は、
   機械的エネルギーを電気的エネルギーへと変換するための材料から形成されたコア（１１２，２１２，３０１２）を具備してなり、
   前記第１の長手方向端部（４）から前記第２の長手方向端部（８）へ延在しており、かつ、
   少なくとも部分的にオーバーラップしており、
   前記デバイスは、
   前記コア（１１２，２１２）の第１の面における第１の複数の電極（１１４，２１４）と、前記コア（１１２，２１２）の第２の面における第２の複数の電極（１１６，２１６）と、を具備してなり、
   それぞれの複数の電極（１１４，２１４，１１６，２１６）は、
   前記膜（１０２，２０２）の前記第１の長手方向端部から前記膜（１０２，２０２）の前記第２の長手方向端部へ延在する、並置された離散的なブレードを具備してなり、
   前記第１および第２の複数の電極は、少なくとも部分的にオーバーラップしており、
   前記コア（２１２）は、前記電極ブレード同士の間に延在する開口を具備してなることを特徴とするデバイス。
2. 前記膜（２０２）を、並置され、懸架されたストリップ（２０２’）の形態に規定するように、前記開口が、前記コア（２１２）の前記第１の長手方向端部から前記第２の長手方向部へ、長手方向に延在していることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. ブレードの形態における前記電極（１１４，１１６，２１４，２１６）の幅（Ｌ）は、前記膜（１０２，２０２）に衝撃を与えるよう意図された前記物体のサイズよりも大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のデバイス。
4. 前記膜に衝突する前の直径と前記膜に衝突した後の直径とを有している物体の衝撃エネルギーを回収するよう意図されており、
   前記電極ブレードが、衝突後の直径と少なくとも同等の幅を有しており、かつ前記開口が、衝突前の直径未満の幅を有していることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
5. 前記ブレードの幅（Ｌ）が、前記ストリップ（２０２’）の幅と実質的に等しいことを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載のデバイス。
6. 前記膜（１０２，２０２，３０２）は、衝撃が与えられない場合、いかなる機械的張力も受けないものであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のデバイス。
7. 前記膜（１０２，２０２，３０２）は、衝撃が与えられない場合、所定の機械的張力を受けるものであり、それによって、前記膜の共振振動数が、衝撃の振動数と一致するようになっていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のデバイス。
8. 前記コア（１１２，２１２，３１２）が、圧電材料または電気活性材料から形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のデバイス。
9. 前記膜に衝撃を与えるよう意図された前記物体は、水滴であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載のデバイス。
10. さらに、光起電セル（３２２）を具備してなる、太陽エネルギーを電気的エネルギーに転換するためのデバイスを具備してなり、
    前記膜（３０２）が、光を透過する材料から形成されており、
    前記光起電セル（３３２）が、前記物体の移動の方向に対して、前記膜（３０２）の下流に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載のデバイス。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の転換デバイスと、物理量のためのセンサとを具備してなるシステムであって、前記センサが、前記転換デバイスによって、少なくとも部分的に電源供給されるものであることを特徴とするシステム。
12. 前記膜が、前記センサの感応領域を形成しており、前記膜に衝撃を与える前記物体に関する情報を取得可能となっていることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
13. 前記膜は、前記センサの感応領域を形成しており、前記センサが、前記膜の共振振動数に関する振動を検出することによって、前記膜の特性に関する振動を検出するよう意図されたものであることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載のシステム。
14. 水滴の衝撃からエネルギーを回収するための請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載のデバイスの使用法。

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