JP2017520219A - Piezoelectric energy harvester device with frequency offset vibration harvester - Google Patents

Piezoelectric energy harvester device with frequency offset vibration harvester Download PDF

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デービッド トラオアーニヒト
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Abstract

本発明は、複数の細長い共振器梁を備えるエネルギーハーベスタデバイスに関する。共振器梁は、第1の端と第2の端との間に延在する圧電材料を含む。1つまたは複数のベースは、共振器梁のそれぞれの第1の端に接続され、共振器梁の第2の端は、片持ち梁として1つまたは複数のベースから自由に延在する。おもりが、共振器梁の第2の端に取付けられる。共振器梁のそれぞれは、他の共振器梁のそれぞれに対して0.1/W〜0.9/Wだけオフセットした共振周波数に同調され、ここでWは、共振器梁の運動を励起する第1のインパルスと第2のインパルスとの間の時間幅である。同様に、装置及びエネルギーハーベスタデバイスを備えるシステム並びに前記システムを使用するおよび設計する方法が開示される。The present invention relates to an energy harvester device comprising a plurality of elongated resonator beams. The resonator beam includes a piezoelectric material that extends between a first end and a second end. One or more bases are connected to a first end of each of the resonator beams, and a second end of the resonator beams extends freely from the one or more bases as a cantilever beam. A weight is attached to the second end of the resonator beam. Each of the resonator beams is tuned to a resonant frequency that is offset by 0.1 / W to 0.9 / W with respect to each of the other resonator beams, where W excites the motion of the resonator beam. It is a time width between the first impulse and the second impulse. Similarly, a system comprising an apparatus and an energy harvester device and methods for using and designing the system are disclosed.

Description

本発明は、周波数オフセット式振動ハーベスタを有する圧電エネルギーハーベスタデバイス、そのデバイスを備えるシステム、及びそのシステムを使用するおよび設計する方法に関する。   The present invention relates to a piezoelectric energy harvester device having a frequency offset vibration harvester, a system comprising the device, and a method of using and designing the system.

振動エネルギーハーベスタデバイスは、光、温度差、及び/または圧力差に欠ける環境において発電を提供する。代わりに、例えば、一定周波数の振動または多数の周波数を含むインパルス振動のいずれかの形態である可能性がある構造支持体から出る振動及び/または運動は、運動(例えば、振動エネルギー)を電気エネルギーに変換するためにスカベンジ(またはハーベスト)される可能性がある。1つの特定の型の振動エネルギーハーベスタは、Vaeth等に対する米国特許出願第14/173,131号(特許文献1)に記載される共振器梁等の、周囲振動(駆動力)によって引き起こされる梁の共振中に歪まされると電荷を生成する圧電材料を組込む片持ち梁としてベースから自由に延在する共振器梁を利用する。   Vibration energy harvester devices provide power generation in environments lacking light, temperature differences, and / or pressure differences. Instead, vibrations and / or movements emanating from a structural support, which may be in the form of, for example, constant frequency vibrations or impulse vibrations containing multiple frequencies, convert motion (eg vibration energy) into electrical energy. May be scavenged (or harvested) to convert to One particular type of vibration energy harvester is a beam of beams caused by ambient vibration (driving force), such as the resonator beam described in US patent application Ser. No. 14 / 173,131 to Vaeth et al. A resonator beam that freely extends from the base is used as a cantilever beam that incorporates a piezoelectric material that generates a charge when distorted during resonance.

複数のインパルスを受信するシステム内のこうしたデバイスのエネルギーハーベスト能力における改善が必要とされる。特に、片持ち梁ベースの圧電振動エネルギーハーベスタは、固有共振周波数を有する共振器梁を含む。共振器梁は、励起されて、短い加速インパルスによって固有共振周波数で振動する場合がある。振動エネルギーハーベスタに印加される更なるインパルスは、共振周波数に対する後続のインパルスのタイミングに応じて、共振器梁の運動を増大または抑制する場合がある。更なるインパルスが共振器梁運動と同位相で印加される場合、運動の振幅は増加する。しかし、更なるインパルスが共振器梁運動と位相がずれて印加される場合、運動の振幅は減少することになる。そのため、ハーベスタの性能は、システムに印加されるインパルス間のタイミングに依存する。   Improvements in the energy harvesting capability of such devices in systems that receive multiple impulses are needed. In particular, a cantilever-based piezoelectric vibration energy harvester includes a resonator beam having a natural resonance frequency. The resonator beam may be excited and vibrate at a natural resonant frequency with a short acceleration impulse. Further impulses applied to the vibration energy harvester may increase or suppress movement of the resonator beam depending on the timing of subsequent impulses relative to the resonance frequency. If further impulses are applied in phase with the resonator beam motion, the amplitude of the motion increases. However, if further impulses are applied out of phase with the resonator beam motion, the amplitude of the motion will decrease. Thus, the performance of the harvester depends on the timing between impulses applied to the system.

例として、インパルス間のタイミングは、タイヤが、路上でのタイヤの転動運動中に撓むときにハーベスタがインパルスを受ける、タイヤ圧モニタリングシステム(TPMS)等のシステムにおいて利用される振動エネルギーハーベスタにとって特に重要である。ハーベスタが位置付けられるタイヤの接地面の部分が路面に接触すると、タイヤのその部分は、強制的に短い平坦形状にされ、それが、次に、タイヤの周縁に取付けられるハーベスタについての加速プロファイルの変化をもたらす。タイヤの半径方向加速度のこの変化は、参照によりその全体が組込まれる、K.B.Singh等,"Piezoelectric Vibration Energy Harvesting System With An Adaptive Frequency Tuning Mechanism For Intelligent Tires,"Mechantronics 22:970−88(2012)(非特許文献1)において説明される。   As an example, the timing between impulses is for a vibration energy harvester used in a system such as a tire pressure monitoring system (TPMS) where the harvester receives an impulse when the tire flexes during rolling movement of the tire on the road. Of particular importance. When the portion of the tire's ground contact surface where the harvester is located contacts the road surface, that portion of the tire is forced into a short flat shape, which in turn changes the acceleration profile for the harvester that is attached to the tire periphery. Bring. This change in tire radial acceleration is incorporated by reference in its entirety. B. Singh et al., “Piezoelectric Vibration Energy Harvesting System With An Adaptive Frequency Tuning Mechanism For Intelligent Tires,” Ref.

タイヤの回転周期の大多数について、タイヤの周縁に位置付けられるタイヤの部分について比較的一定の求心加速度が存在する。タイヤのその部分が路面に最初に接触すると、半径方向加速度の初期増加が存在する。加速度の初期増加は、その後、ゼロへの半径方向加速度の急激な降下を伴う。ゼロへの急激な降下は、振動エネルギーハーベスタに第1のインパルスを提供し、共振器梁の運動を励起する。半径方向加速度は、その後、タイヤの部分が、路面との接触を通して回転するのにかかる時間の間、ゼロのままである。タイヤの部分が路面との接触を通して回転すると、半径方向加速度の急激な正の増大が存在し、それに続いて、平衡半径方向加速度に戻るセトリングが存在する。平衡に戻るまたは平衡の近くに戻る半径方向加速度の急激な上昇は、振動エネルギーハーベスタシステムに第2のインパルスを提供する。第2のインパルスは、第1のパルスと第2のパルスとの間の時間幅に応じて、第1のインパルスによって励起された共振器梁の振動を増大または抑制することになる。タイヤの回転速度及びタイヤの円周(または直径)は時間幅を決定する。共振器梁の振動、したがって、ハーベストされるエネルギーの量は、車両の速度に応じて大幅に変動する可能性がある。したがって、TPMS等において、複数のインパルスを受けるシステムにおいてより一貫性のある電気エネルギー源を提供する圧電エネルギーハーベスタを開発することが望ましいことになる。   For the majority of tire rotation cycles, there is a relatively constant centripetal acceleration for the portion of the tire located at the periphery of the tire. When that portion of the tire first contacts the road surface, there is an initial increase in radial acceleration. The initial increase in acceleration is then accompanied by a sudden drop in radial acceleration to zero. The sudden drop to zero provides a first impulse to the vibration energy harvester and excites the motion of the resonator beam. The radial acceleration then remains zero for the time it takes for the portion of the tire to rotate through contact with the road surface. As the portion of the tire rotates through contact with the road surface, there is a sharp positive increase in radial acceleration followed by settling back to equilibrium radial acceleration. A sudden increase in radial acceleration returning to or near equilibrium provides a second impulse for the vibration energy harvester system. The second impulse increases or suppresses the vibration of the resonator beam excited by the first impulse according to the time width between the first pulse and the second pulse. The rotation speed of the tire and the circumference (or diameter) of the tire determine the time width. The vibration of the resonator beam, and hence the amount of energy harvested, can vary significantly depending on the speed of the vehicle. Therefore, it would be desirable to develop a piezoelectric energy harvester that provides a more consistent electrical energy source in systems that receive multiple impulses, such as in TPMS.

米国特許出願第14/173,131号U.S. Patent Application No. 14 / 173,131

K.B.Singh等,"Piezoelectric Vibration Energy Harvesting System With An Adaptive Frequency Tuning Mechanism For Intelligent Tires,"Mechantronics 22:970−88(2012)K. B. Singh et al., “Piezoelectric Vibration Energy Harvesting System With An Adaptive Frequency Tuning Mechanical For Intelligent Tires,” 88-Mechanical 9

本発明は、当技術分野におけるこれらのまた他の欠点を克服することを対象とする。   The present invention is directed to overcoming these and other deficiencies in the art.

本発明の一態様は、複数の細長い共振器梁を備えるデバイスに関する。共振器梁のそれぞれは、第1の端と第2の端との間に延在する圧電材料を含む。1つまたは複数のベースは、共振器梁のそれぞれの第1の端に接続され、共振器梁の第2の端は、片持ち梁として1つまたは複数のベースから自由に延在する。おもり(mass)は、共振器梁の第2の端のそれぞれに取付けられる。共振器梁のそれぞれは、他の共振器梁のそれぞれに対して0.1/W〜0.9/Wだけオフセットした共振周波数に同調され、Wは、共振器梁の運動を励起する第1のインパルスと第2のインパルスとの間の時間幅である。   One aspect of the invention relates to a device comprising a plurality of elongated resonator beams. Each of the resonator beams includes a piezoelectric material that extends between a first end and a second end. One or more bases are connected to a first end of each of the resonator beams, and a second end of the resonator beams extends freely from the one or more bases as a cantilever beam. A mass is attached to each of the second ends of the resonator beams. Each of the resonator beams is tuned to a resonance frequency that is offset by 0.1 / W to 0.9 / W with respect to each of the other resonator beams, and W is a first that excites the motion of the resonator beam. Is the time width between the second impulse and the second impulse.

本発明の別の態様は、電動装置と、装置に結合された本発明のデバイスとを備えるシステムに関する。   Another aspect of the invention relates to a system comprising a motorized device and a device of the invention coupled to the device.

本発明の更に別の態様は、本発明のシステムを備えるタイヤに関する。   Yet another aspect of the invention relates to a tire comprising the system of the invention.

本発明の更なる態様は、電動装置に電力供給する方法に関する。この方法は、本発明によるシステムを設けること、及び、エネルギーハーベスタデバイスに電気エネルギーを発生させる複数のインパルスにシステムをさらすことを含む。電気エネルギーは、エネルギーハーベスタデバイスから装置に伝達されて、装置に電力を提供する。   A further aspect of the invention relates to a method for supplying power to an electrically powered device. The method includes providing a system according to the present invention and exposing the system to a plurality of impulses that generate electrical energy in the energy harvester device. Electrical energy is transferred from the energy harvester device to the device to provide power to the device.

本発明の別の態様は、タイヤが遭遇するインパルスに同調されたエネルギーハーベストデバイスを設計する方法に関する。方法は、所与の速度におけるタイヤの回転周期Pを決定することを含む。タイヤの外周上のポイントが路面に接触するときに生成される第1のインパルスと、タイヤの外周上のポイントが、決定された回転周期Pで路面との接触から引離されるときに生成される第2のインパルスとの間の時間幅が決定される。本発明のシステムは、時間幅Wの逆数の整数倍Mである第1の共振周波数に同調された複数の共振器梁の第1の共振器梁であって、Mは3以上である、第1の共振器梁を備える。また、本発明のシステムは、第1の共振器梁の第1の共振周波数に対して0.1/W〜0.9/Wだけオフセットした第2の共振周波数に同調された複数の共振器梁の第2の共振器梁を備える。システムはタイヤに接続される。   Another aspect of the invention relates to a method of designing an energy harvesting device tuned to the impulse encountered by a tire. The method includes determining a tire rotation period P at a given speed. A first impulse generated when a point on the outer circumference of the tire contacts the road surface, and a point generated on the outer circumference of the tire is pulled away from contact with the road surface at the determined rotation period P A time width between the second impulse is determined. The system of the present invention is a first resonator beam of a plurality of resonator beams tuned to a first resonance frequency that is an integral multiple M of the reciprocal of the time width W, wherein M is 3 or more. One resonator beam is provided. The system of the present invention also includes a plurality of resonators tuned to a second resonance frequency that is offset by 0.1 / W to 0.9 / W with respect to the first resonance frequency of the first resonator beam. A second resonator beam of beams is provided. The system is connected to the tire.

本発明のエネルギーハーベスタデバイスは、わずかにオフセットした共振周波数を有する片持ち梁として働く共振器梁を提供する。共振周波数のオフセットは、ハーベスタからの総合平均エネルギー出力に対する後続のインパルスの影響を制限することによって、システムが複数のインパルスを受けるときに、より一貫性のあるエネルギー源をもたらすエネルギーハーベスタを提供する。特に、共振周波数は、1つの共振器梁が、受信したインパルスに対する不適切な位相合せによって運動の減少を受けるときに、別の共振器梁が、受信したインパルスの好ましい位相合せによって増加した運動を受けるように選択される。更なる共振器梁は、異なるインパルスレートで生成されるエネルギー量における更なる一貫性を提供するために適用されてもよい。このデバイスは、変動するレートで複数のインパルスを受信し、デバイスパフォーマンスをより良くするシステムについて、より予測可能でかつ均一性のあるエネルギー源を提供する。   The energy harvester device of the present invention provides a resonator beam that acts as a cantilever with a slightly offset resonant frequency. The resonant frequency offset provides an energy harvester that provides a more consistent energy source when the system is subjected to multiple impulses by limiting the impact of subsequent impulses on the total average energy output from the harvester. In particular, the resonant frequency is such that when one resonator beam undergoes a decrease in motion due to improper phasing with respect to the received impulse, another resonator beam has increased motion due to favorable phasing of the received impulse. Selected to receive. Additional resonator beams may be applied to provide further consistency in the amount of energy generated at different impulse rates. The device receives multiple impulses at varying rates and provides a more predictable and uniform energy source for systems that improve device performance.

複数のエネルギーハーベスタを有する本発明のエネルギーハーベスタデバイスの一実施形態の上面図である。複数のエネルギーハーベスタのそれぞれは、第1の端と第2の端との間に延在する圧電材料を含む細長い共振器梁と、第1の端で共振器梁に接続されているベースであって、第2の端は、片持ち梁としてベースから自由に延在する、ベースと、共振器梁の第2の端に取付けられたおもりとを含む。1 is a top view of one embodiment of an energy harvester device of the present invention having a plurality of energy harvesters. FIG. Each of the plurality of energy harvesters is an elongated resonator beam including a piezoelectric material extending between a first end and a second end, and a base connected to the resonator beam at a first end. The second end includes a base that freely extends from the base as a cantilever and a weight attached to the second end of the resonator beam. 圧電材料を含む2つの細長い共振器梁を備えるエネルギーハーベスタを有する本発明のエネルギーハーベスタデバイスの別の実施形態の上面図である。共振器梁は、共通ベースから片持ち梁として自由に延在し、別個のおもりが、両方の共振器梁の、自由に延在する端に取付けられる。FIG. 6 is a top view of another embodiment of an energy harvester device of the present invention having an energy harvester with two elongated resonator beams comprising a piezoelectric material. The resonator beam extends freely as a cantilever from a common base, and separate weights are attached to the freely extending ends of both resonator beams. 図1に示す本発明の例示的な単一エネルギーハーベスタの斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of the exemplary single energy harvester of the present invention shown in FIG. 1. 図4A〜4Cは、タイヤ圧モニタリングシステムが本発明のエネルギーハーベスタデバイスに電気的に結合されて、タイヤ圧モニタリングシステムに電力供給する、本発明のシステムの一実施形態を示す図である。図4A及び4Bは、タイヤに対するシステムの(例えば、タイヤの接地面の下での)直接的取付けを示す。図4Cは、図4A及び4Bのタイヤに取付けられて示されるシステムの部分側面図でかつ部分ブロック図である。4A-4C illustrate an embodiment of the system of the present invention in which a tire pressure monitoring system is electrically coupled to the energy harvester device of the present invention to power the tire pressure monitoring system. 4A and 4B show the direct attachment of the system to the tire (eg, under the tire's ground plane). FIG. 4C is a partial side view and partial block diagram of the system shown attached to the tire of FIGS. 4A and 4B. 図5Aは、タイヤの回転中の図4A〜4Cに示すシステムの位置を示す図である。図5Bは、図5Aに示す種々の位置におけるシステムについての半径方向加速度プロファイルを示す図である。FIG. 5A shows the position of the system shown in FIGS. 4A-4C during rotation of the tire. FIG. 5B shows a radial acceleration profile for the system at various positions shown in FIG. 5A. Wがほぼ8.45msに等しい、0.635/Wの共振周波数オフセットを有する2つのエネルギーハーベスタデバイスの電力出力を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the power output of two energy harvester devices with a resonant frequency offset of 0.635 / W, where W is approximately equal to 8.45 ms.

本発明は、周波数オフセット振動ハーベスタを有する圧電エネルギーハーベスタデバイス、そのデバイスを備えるシステム、並びにそのシステムを使用及び設計する方法に関する。本発明のエネルギーハーベスタデバイスは、複数のインパルスを受けるシステムにおいて改善されたエネルギーハーベストの均一性を有する。   The present invention relates to a piezoelectric energy harvester device having a frequency offset vibration harvester, a system comprising the device, and a method of using and designing the system. The energy harvester device of the present invention has improved energy harvest uniformity in a system that receives multiple impulses.

本発明の一態様は、複数の細長い共振器梁を備えるデバイスに関する。共振器梁のそれぞれは、共振器梁の第1の端と第2の端との間に延在する圧電材料を含む。1つまたは複数のベースは、共振器梁のそれぞれの第1の端に接続され、共振器梁の第2の端は、片持ち梁として1つまたは複数のベースから自由に延在する。おもりが、共振器梁の第2の端のそれぞれに取付けられる。共振器梁のそれぞれは、他の共振器梁のそれぞれに対して0.1/W〜0.9/Wだけオフセットした共振周波数に同調され、Wは、共振器梁の運動を励起する第1のインパルスと第2のインパルスとの間の時間幅である。   One aspect of the invention relates to a device comprising a plurality of elongated resonator beams. Each of the resonator beams includes a piezoelectric material that extends between a first end and a second end of the resonator beam. One or more bases are connected to a first end of each of the resonator beams, and a second end of the resonator beams extends freely from the one or more bases as a cantilever beam. A weight is attached to each of the second ends of the resonator beams. Each of the resonator beams is tuned to a resonance frequency that is offset by 0.1 / W to 0.9 / W with respect to each of the other resonator beams, and W is a first that excites the motion of the resonator beam. Is the time width between the second impulse and the second impulse.

図1は、複数のエネルギーハーベスタ11(1)〜11(n)を含む本発明のエネルギーハーベスタ10デバイスの一実施形態の上面図である。エネルギーハーベスタ11(1)〜11(n)はそれぞれ、別個の個々のダイ上に位置付けられて示されるが、エネルギーハーベスタ11(1)〜11(n)の2つ以上が単一ダイ上に共に位置付けられる(co−locate)可能性があることが理解される。エネルギーハーベスタ11(1)〜11(n)の要素は、エネルギーハーベスタ11(1)〜11(n)が異なる共振周波数f〜fで動作するように同調されることを除いて、エネルギーハーベスタ11(1)〜11(n)のそれぞれが、エネルギーハーベスタ11(1)に関して述べることになるものと同じ要素を含むため、例示的なエネルギーハーベスタ11(1)に関して述べられる。エネルギーハーベスタ11(1)〜11(n)の共振周波数f〜fは、以下で更に述べるように互いにオフセットされる。 FIG. 1 is a top view of one embodiment of an energy harvester 10 device of the present invention that includes a plurality of energy harvesters 11 (1) -11 (n). Each of the energy harvesters 11 (1) -11 (n) is shown positioned on a separate individual die, but two or more of the energy harvesters 11 (1) -11 (n) are together on a single die. It is understood that there is a possibility of being co-located. Elements of the energy harvester 11 (1) ~11 (n), except that the energy harvester 11 (1) ~11 (n) is tuned to operate at different resonant frequencies f 1 ~f n, energy harvester Each of 11 (1) -11 (n) will be described with respect to exemplary energy harvester 11 (1) because it includes the same elements as will be described with respect to energy harvester 11 (1). The resonance frequency f 1 ~f n energy harvester 11 (1) ~11 (n) is further described as offset from each other below.

エネルギーハーベスタ11(1)は細長い共振器梁12(1)を含む。共振器梁は、第1の端14(1)と第2の端16(1)との間に延在する。第1の端14(1)はベース18(1)に接続され、一方、第2の端16(1)は、片持ち梁としてベース18(1)から自由に延在する。おもり20(1)は、共振器梁12(1)の第2の端16(1)に取付けられる。   The energy harvester 11 (1) includes an elongated resonator beam 12 (1). The resonator beam extends between the first end 14 (1) and the second end 16 (1). The first end 14 (1) is connected to the base 18 (1), while the second end 16 (1) extends freely from the base 18 (1) as a cantilever. A weight 20 (1) is attached to the second end 16 (1) of the resonator beam 12 (1).

エネルギーハーベスタ11(1)は、一体化式で自己パッケージ化式のユニットで形成されてもよい。特に、図1に示すように、共振器梁12(1)の第1の端16(1)が取付けられるベースを同様に形成するパッケージ18(1)は、片持ち梁構造を(少なくとも部分的に)閉囲するように片持ち梁構造(すなわち、共振器梁12(1)及びおもり20(1))を囲んで示される。本発明において、パッケージは、エネルギーハーベスタデバイスを完全に閉囲する可能性がある、または、エネルギーハーベスタデバイスを大気と通気させるように形成される可能性がある。パッケージがエネルギーハーベスタデバイスを完全に閉囲するとき、閉囲済みパッケージ内の圧力は、大気圧より高いか、大気圧に等しいか、または大気圧より低い場合がある。一実施形態において、閉囲済みパッケージ内の雰囲気圧は、大気圧未満、例えば、1トール未満である。   The energy harvester 11 (1) may be formed of an integrated and self-packaging unit. In particular, as shown in FIG. 1, a package 18 (1) that similarly forms a base to which the first end 16 (1) of the resonator beam 12 (1) is attached has a cantilever structure (at least partially). ) Surrounding the cantilever beam structure (ie, resonator beam 12 (1) and weight 20 (1)). In the present invention, the package may completely enclose the energy harvester device or may be formed to allow the energy harvester device to vent to the atmosphere. When the package completely encloses the energy harvester device, the pressure in the enclosed package may be above atmospheric pressure, equal to atmospheric pressure, or below atmospheric pressure. In one embodiment, the atmospheric pressure within the enclosed package is less than atmospheric pressure, for example less than 1 Torr.

一実施形態において、図2に示すように、エネルギーハーベスタ110は、パッケージ118を含み、パッケージ118は、パッケージ118から反対方向に自由に延在する2つの別個の片持ち梁構造を含んでもよい。片持ち梁構造の共振器梁112(1)及び112(2)は、以下で更に述べるように互いからわずかにオフセットする共振周波数に同調されてもよい。図1に示すエネルギーハーベスタ11(1)〜11(n)の1つまたは複数は、図2に示すエネルギーハーベスタ110によって置換されてもよい。   In one embodiment, as shown in FIG. 2, the energy harvester 110 includes a package 118, which may include two separate cantilever structures that extend freely from the package 118 in opposite directions. The cantilevered resonator beams 112 (1) and 112 (2) may be tuned to a resonant frequency that is slightly offset from each other as described further below. One or more of the energy harvesters 11 (1) to 11 (n) shown in FIG. 1 may be replaced by the energy harvester 110 shown in FIG.

再び図1を参照すると、一実施形態において、パッケージ18(1)は、パッケージに(例えば、パッケージの内部壁上に)接続された対応(compliant)ストッパを更に備えてもよく、ストッパは、破損を防止するため、片持ち梁の運動を安定化させるように構成される。エネルギーハーベスタデバイスのこの実施形態による適した対応ストッパは、参照によりその全体が組込まれる、Vaeth等に対する米国特許出願第14/173,131号に示され、記載される。エネルギーハーベスタデバイスの対応ストッパは、種々の材料で構成されてもよい。ストッパは、材料選択、設計、または材料選択と設計の両方を通して対応されてもよい。一実施形態によれば、ストッパは、パッケージと一体の材料から作られる。この実施形態による適した材料は、限定することなく、プラズマ強化化学蒸着(PECVD)からの、ガラス、金属、シリコン、酸化物、または窒化物、或はその組合せを含んでもよい。別の実施形態によれば、ストッパは、パッケージと一体でない。この実施形態によるストッパ用の適した材料は、限定することなく、ガラス、金属、ゴム、及び他のポリマー、セラミック、フォーム、並びにその組合せを含んでもよい。対応ストッパ用の他の適した材料は、限定はしないが、シクロオレフィンポリマー及び液晶ポリマー等の水浸透性の低いポリマーを含む。液晶ポリマーは、射出成形される可能性がある。   Referring again to FIG. 1, in one embodiment, the package 18 (1) may further comprise a compliant stopper connected to the package (eg, on the inner wall of the package), the stopper being damaged. Is configured to stabilize the movement of the cantilever. A suitable corresponding stop according to this embodiment of the energy harvester device is shown and described in US patent application Ser. No. 14 / 173,131 to Vaeth et al., Which is incorporated in its entirety by reference. The corresponding stopper of the energy harvester device may be composed of various materials. The stopper may be accommodated through material selection, design, or both material selection and design. According to one embodiment, the stopper is made from a material that is integral with the package. Suitable materials according to this embodiment may include, without limitation, glass, metal, silicon, oxide, or nitride from plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), or combinations thereof. According to another embodiment, the stopper is not integral with the package. Suitable materials for the stopper according to this embodiment may include, without limitation, glass, metal, rubber, and other polymers, ceramics, foams, and combinations thereof. Other suitable materials for the corresponding stopper include, but are not limited to, polymers with low water permeability such as cycloolefin polymers and liquid crystal polymers. The liquid crystal polymer may be injection molded.

代替の実施形態において、共振器梁12(1)は、片持ち梁の運動を安定化するように構成されるストッパフィーチャを有するように構成されてもよい。この実施形態による適したストッパフィーチャは、参照によりその全体が組込まれる、Andosca等に対する米国特許出願第14/145,560号に示される。この実施形態によれば、ストッパは、おもり及び/または共振器梁の第2の端上に形成され、共振器梁の第2の端とパッケージとの接触を防止するように構成される。   In an alternative embodiment, the resonator beam 12 (1) may be configured with a stopper feature configured to stabilize the cantilever motion. Suitable stopper features according to this embodiment are shown in US patent application Ser. No. 14 / 145,560 to Andosca et al., Which is incorporated by reference in its entirety. According to this embodiment, the stopper is formed on the weight and / or second end of the resonator beam and is configured to prevent contact between the second end of the resonator beam and the package.

図3は、図1に示すエネルギーハーベスタ11(1)〜11(n)を示す例示的なエネルギーハーベスタ11(1)の側断面図である。一実施形態によれば、共振器梁12(1)は、複数の層で形成されたラミネートを備える。共振器梁12(1)は、酸化物層26(1)上の片持ち梁層24(1)を覆う少なくとも圧電スタック層22(1)を含むが、共振器梁12(1)は、他の構成において、他の層を含んでもよい。他の層の非制限的な例は、参照によりその全体が組込まれる、Vaeth等に対する米国特許出願第14/173,131号に記載される層を含む。1つの特定の実施形態において、複数の層は、少なくとも2つの異なる材料を含む。   FIG. 3 is a cross-sectional side view of an exemplary energy harvester 11 (1) showing the energy harvesters 11 (1) -11 (n) shown in FIG. According to one embodiment, the resonator beam 12 (1) comprises a laminate formed of a plurality of layers. The resonator beam 12 (1) includes at least a piezoelectric stack layer 22 (1) that covers the cantilever layer 24 (1) on the oxide layer 26 (1), while the resonator beam 12 (1) In the configuration, other layers may be included. Non-limiting examples of other layers include those described in US patent application Ser. No. 14 / 173,131 to Vaeth et al., Which is incorporated by reference in its entirety. In one particular embodiment, the plurality of layers includes at least two different materials.

片持ち梁層24(1)は、シリコン、ポリSi、金属(例えば、CuまたはNi)、または他の金属酸化物半導体(CMOS)適合材料、或はポリイミド等の高温ポリマー等の任意の適した材料であってよい。一実施形態において、片持ち梁層24(1)は、約10μm〜約200μm、約10μm〜約75μm、または約10μm〜約50μmの厚さ範囲を有する。一実施形態において、片持ち梁層24(1)は、固有共振周波数を有する高Q共振器である。酸化物層26(1)は、一実施形態によれば、約1μmの厚さを有するシリコン層である。   The cantilever layer 24 (1) can be any suitable material such as silicon, poly-Si, metal (eg, Cu or Ni), or other metal oxide semiconductor (CMOS) compatible material, or a high temperature polymer such as polyimide. It may be a material. In one embodiment, the cantilever layer 24 (1) has a thickness range of about 10 μm to about 200 μm, about 10 μm to about 75 μm, or about 10 μm to about 50 μm. In one embodiment, the cantilever layer 24 (1) is a high Q resonator having a natural resonant frequency. The oxide layer 26 (1) is a silicon layer having a thickness of about 1 μm, according to one embodiment.

共振器梁12(1)の圧電スタック層22(1)は圧電材料を含む。適した圧電材料は、限定することなく、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、及びジルコン酸チタン酸鉛ベース化合物を含む。圧電材料は、機械的歪を受けると、電気的に分極する材料である。分極の程度は、加えられる歪に比例する。圧電材料は、広く知られており、多くの形態で入手可能である。多くの形態は、単結晶(例えば、石英)、圧電セラミック(例えば、ジルコン酸チタン酸鉛またはPZT)、薄膜(例えば、スパッタリング済み酸化亜鉛)、圧電セラミック粉末に基づくスクリーン印刷可能圧膜(例えば、参照によりその全体が組込まれる、Baudry,"Screen−printing Piezoelectric Devices,"Proc. 6th European Microelectronics Conference (London, UK) pp.456−63(1987)、及び、White&Turner,"Thick−film Sensors:Past,Present and Future,"Meas.Sci.Technol.8:1−20 (1997)参照)、及びポリフッ化ビニリデン(「PVDF」)等のポリマー材料(例えば、参照によりその全体が組込まれる、Lovinger,"Ferroelectric Polymers,"Science 220:1115−21 (1983)参照)を含む。 The piezoelectric stack layer 22 (1) of the resonator beam 12 (1) includes a piezoelectric material. Suitable piezoelectric materials include, without limitation, aluminum nitride, zinc oxide, polyvinylidene fluoride (PVDF), and lead zirconate titanate based compounds. Piezoelectric materials are materials that are electrically polarized when subjected to mechanical strain. The degree of polarization is proportional to the applied strain. Piezoelectric materials are widely known and are available in many forms. Many forms include screen-printable pressure films based on single crystals (eg, quartz), piezoelectric ceramics (eg, lead zirconate titanate or PZT), thin films (eg, sputtered zinc oxide), piezoelectric ceramic powders (eg, Baudry, “Screen-printing Piezoelectric Devices,” Proc. 6 th European Microelectronics Conference (London, UK) pp. 456-63 (1987) and ur, sir, T , Present and Future, "Meas. Sci. Technol. 8: 1-20 (1997)), and polyvinylidene fluoride. Emissions ( "PVDF"), and polymeric materials (e.g., entirely incorporated by reference, Lovinger, "Ferroelectric Polymers," Science 220: 1115-21 (1983) refer) a.

ポリマー材料は、通常、異方性特徴を示す。そのため、材料の特性は、力の方向及び分極の配向及び電極に応じて異なる。材料の圧電活性のレベルは、軸の表記と共に使用される一連の定数によって規定される。圧電歪定数dは、

Figure 2017520219
として規定できる。
(参照によりその全体が組込まれる、Beeby等,"Energy Harvesting Vibration Sources for Microsystems Applications,"Meas.Sci.Technol.17:R175−R195(2006)) Polymer materials usually exhibit anisotropic characteristics. Therefore, the material properties differ depending on the direction of force and the orientation of the polarization and the electrode. The level of piezoelectric activity of a material is defined by a series of constants used in conjunction with the axis notation. The piezoelectric strain constant d is
Figure 2017520219
Can be defined as
(Beeby et al., “Energy Harvesting Sources for Microsystems Applications,“ Meas. Sci. Technol. 17: R175-R195 (2006)), which is incorporated by reference in its entirety.)

共振器梁12(1)の圧電スタック層22(1)は、同様に、圧電スタック層22(1)と電気接触状態にある1つまたは複数の電極28(1)を含む。一実施形態によれば、電極28(1)は、モリブデン及びプラチナからなる群から選択される材料を含むが、電極構造を形成するのに適した他の材料が同様に使用されてもよい。更に、エネルギーハーベスタ11(1)は、1つまたは複数の電極28(1)と電気接続状態にある電気ハーベスト回路を更に含んで、共振器梁12(1)の圧電材料からの電気エネルギーをハーベストしてもよい。以下で更に詳細に述べるように、エネルギーハーベスタ回路は、電動装置に電気的に結合されて、圧電材料から生成され、装置に供給される電力を提供する可能性がある。   The piezoelectric stack layer 22 (1) of the resonator beam 12 (1) similarly includes one or more electrodes 28 (1) in electrical contact with the piezoelectric stack layer 22 (1). According to one embodiment, electrode 28 (1) comprises a material selected from the group consisting of molybdenum and platinum, although other materials suitable for forming the electrode structure may be used as well. In addition, the energy harvester 11 (1) further includes an electrical harvesting circuit in electrical connection with the one or more electrodes 28 (1) to harvest electrical energy from the piezoelectric material of the resonator beam 12 (1). May be. As described in more detail below, the energy harvester circuit may be electrically coupled to the motorized device to provide power generated from the piezoelectric material and supplied to the device.

エネルギーハーベスタ11(1)において、共振器梁12(1)は、片持ち梁としてベース18(1)から自由に延在する第2の端16(1)を有する。圧電材料を含む片持ち梁構造は、屈曲モードで動作するように設計され、それにより、圧電材料を歪ませ、d効果からの電荷を生成する(参照によりその全体が組込まれる、Beeby等,"Energy Harvesting Vibration Sources for Microsystems Applications,"Meas.Sci.Technol.17:R175−R195(2006))。片持ち梁は、共振器梁12(1)の第2の端16(1)に取付けられたおもり20(1)の存在によって更に減少された低共振周波数を提供する。   In the energy harvester 11 (1), the resonator beam 12 (1) has a second end 16 (1) that freely extends from the base 18 (1) as a cantilever beam. A cantilever structure containing a piezoelectric material is designed to operate in a bending mode, thereby distorting the piezoelectric material and generating charge from the d effect (incorporated in its entirety by reference, Beeby et al., “ Energy Harvesting Vibrations Sources for Microsystems Applications, “Meas. Sci. Technol. 17: R175-R195 (2006)). The cantilever beam provides a low resonant frequency that is further reduced by the presence of a weight 20 (1) attached to the second end 16 (1) of the resonator beam 12 (1).

共振器梁12(1)は、共振器梁12(1)を同調させるのに役立ち、構造的支持を提供するため種々の形状及び構成をとる側壁を有してもよい。一実施形態によれば、共振器梁12(1)は、参照によりその全体が組込まれる、Vaeth等に対する米国特許出願第14/145,534号に記載されるように、共振器梁12(1)の平面内で連続的に湾曲する側壁を有する。   The resonator beam 12 (1) may have sidewalls that take various shapes and configurations to help tune the resonator beam 12 (1) and provide structural support. According to one embodiment, the resonator beam 12 (1) is a resonator beam 12 (1) as described in US patent application Ser. No. 14 / 145,534 to Vaeth et al., Which is incorporated by reference in its entirety. ) Having side walls that continuously curve in the plane.

エネルギーハーベスタ11(1)は、共振器梁12(1)の第2の端16(1)におもり20(1)を含む。おもり20(1)は、共振器梁12(1)の周波数を下げ、また同様に、共振器梁12(1)の(例えば、圧電材料によって生成される)電力出力を増加させるために設けられる。おもり20(1)は、単一材料または複数材料(例えば、複数材料の複数層)で構成されてもよい。一実施形態によれば、おもり20(1)は、シリコンウェハ材料で形成される。他の適した材料は、限定することなく、電気めっきまたは熱蒸着によって堆積される銅、金、及びニッケルを含む。   The energy harvester 11 (1) includes a weight 20 (1) at the second end 16 (1) of the resonator beam 12 (1). A weight 20 (1) is provided to lower the frequency of the resonator beam 12 (1) and also increase the power output (eg, generated by piezoelectric material) of the resonator beam 12 (1). . The weight 20 (1) may be composed of a single material or multiple materials (eg, multiple layers of multiple materials). According to one embodiment, the weight 20 (1) is formed of a silicon wafer material. Other suitable materials include, without limitation, copper, gold, and nickel deposited by electroplating or thermal evaporation.

一実施形態において、単一おもり20(1)が、1つの共振器梁12(1)について設けられる。しかし、2つ以上のおもりが、同様に、共振器梁12(1)に取付けられてもよい。他の実施形態において、おもり20(1)は、例えば、共振器梁12に沿う異なる場所に設けられる。   In one embodiment, a single weight 20 (1) is provided for one resonator beam 12 (1). However, two or more weights may be attached to the resonator beam 12 (1) as well. In other embodiments, the weights 20 (1) are provided at different locations along the resonator beam 12, for example.

エネルギーハーベスタデバイス10(1)に加えられるインパルス運動等の運動を共振器梁12(1)が受けるときに、1つまたは複数の電極28(1)は、共振器梁12(1)の圧電材料から電気信号を出力する。したがって、電極28(1)は、共振器梁12(1)の圧電材料と電気連通状態にある。共振器梁12(1)の圧電材料から収集される電気エネルギーは、その後、更なる回路に伝達される。一実施形態において、更なる回路は、デバイス10上で電極28(1)にまたは電極28(1)の近くに形成される。別の実施形態において、回路は、別個のチップまたはボードであってよく、あるいは、別個のチップまたはボード上に存在する。   When the resonator beam 12 (1) is subjected to a motion, such as an impulse motion, applied to the energy harvester device 10 (1), the one or more electrodes 28 (1) are made of the piezoelectric material of the resonator beam 12 (1). Outputs an electrical signal. Thus, electrode 28 (1) is in electrical communication with the piezoelectric material of resonator beam 12 (1). The electrical energy collected from the piezoelectric material of the resonator beam 12 (1) is then transferred to a further circuit. In one embodiment, additional circuitry is formed on the device 10 at or near the electrode 28 (1). In another embodiment, the circuit may be a separate chip or board, or reside on a separate chip or board.

再び図1を参照すると、本発明のエネルギーハーベスタデバイスにおいて、エネルギーハーベスタデバイス10内のエネルギーハーベスタ11(1)〜11(n)のそれぞれは、それぞれの共振周波数f〜fに同調される共振器梁12(1)〜12(n)を含む。当業者が容易に認識するように、共振器梁12(1)〜12(n)は、共振器梁12(1)〜12(n)の断面形状、共振器梁12(1)〜12(n)の断面寸法、共振器梁12(1)〜12(n)の長さ、おもり20(1)〜20(n)のおもり、共振器梁12(1)〜12(n)上のおもり20(1)〜20(n)の場所、及び、共振器梁12(1)〜12(n)を作るために使用される材料等の幾つかのパラメータの任意の1つまたは複数を変動させることによって同調される可能性がある。 Referring again to FIG. 1, the resonance in the energy harvester devices of the present invention, each of the energy harvester 11 of the energy harvester device within 10 (1) ~11 (n) , which is tuned to the respective resonant frequencies f 1 ~f n It includes instrument beams 12 (1) -12 (n). As those skilled in the art will readily recognize, resonator beams 12 (1) -12 (n) are cross-sectional shapes of resonator beams 12 (1) -12 (n), resonator beams 12 (1) -12 ( n) cross-sectional dimensions, length of resonator beams 12 (1) -12 (n), weights of weights 20 (1) -20 (n), weights on resonator beams 12 (1) -12 (n) Vary any one or more of several parameters such as the location of 20 (1) -20 (n) and the material used to make the resonator beams 12 (1) -12 (n) May be tuned by.

本発明のエネルギーハーベスタ11(1)〜11(n)の共振周波数は、約50Hz〜約4,000Hz、約100Hz〜約3,000Hz、約100Hz〜約2,000Hz、または約100Hz〜約1,000Hzの周波数を含んでもよい。エネルギーハーベスタ11(1)〜11(n)の共振周波数f〜fは、他のエネルギーハーベスタ共振周波数に対して0.1/W〜0.9/Wだけオフセットし、ここで、Wは、共振器梁12(1)〜12(n)の運動を励起する第1のインパルスと第2のインパルスとの間の時間幅であるが、オフセットは、0.2/W〜0.8/W、0.3/W〜0.7/W、0.4/W〜0.6/W、または0.45/W〜0.55/Wであってよい。共振器梁12(1)〜12(n)は、共振周波数のオフセットに同調され、それにより、エネルギーハーベスタ11(1)〜11(n)の1つまたは複数は、以下で更に述べるように、受信インパルスのタイミングに関して適切な位相合せを受けることになる。共振周波数f〜fのオフセットは、エネルギーハーベスタデバイス10の共振器梁12(1)〜12(n)の運動を励起するインパルス間の種々の異なる時間幅Wで受信されるインパルスについて1つまたは複数の電極28(1)から一貫性のある電気信号出力源を提供する。 The resonant frequency of the energy harvester 11 (1) -11 (n) of the present invention is about 50 Hz to about 4,000 Hz, about 100 Hz to about 3,000 Hz, about 100 Hz to about 2,000 Hz, or about 100 Hz to about 1, A frequency of 000 Hz may be included. The resonance frequencies f 1 to f n of the energy harvesters 11 (1) to 11 (n) are offset by 0.1 / W to 0.9 / W with respect to the other energy harvester resonance frequencies, where W is , The time width between the first and second impulses that excite the motion of the resonator beams 12 (1) -12 (n), but the offset is 0.2 / W to 0.8 / It may be W, 0.3 / W to 0.7 / W, 0.4 / W to 0.6 / W, or 0.45 / W to 0.55 / W. The resonator beams 12 (1) -12 (n) are tuned to the resonance frequency offset so that one or more of the energy harvesters 11 (1) -11 (n) are as described further below. Appropriate phase matching is received with respect to the timing of the received impulse. The offset of the resonant frequencies f 1 -f n is one for impulses received at various different time widths W between the impulses that excite the motion of the resonator beams 12 (1) -12 (n) of the energy harvester device 10. Alternatively, a consistent electrical signal output source is provided from the plurality of electrodes 28 (1).

本発明のエネルギーハーベスタデバイスのエネルギーハーベスタ11(1)〜11(n)は、例えば、参照によりその全体が組込まれる、Andosca&Vaethに対する米国特許出願第14/145,534号、Vaeth等に対する米国特許出願第14/173,131号、及びAndosca等に対する米国特許出願第14/201,293号に記載される方法に従って作られてもよい。例えば、一実施形態によれば、エネルギーハーベスタデバイスを生産する方法は、第1及び第2の表面を有するシリコンウェハを設けることを含む。第1の二酸化シリコン(SiO)層は、シリコンウェハの第1の表面上に堆積される。片持ち梁材料は、第1の二酸化シリコン層上に堆積される。第2の二酸化シリコン層は、片持ち梁材料上に堆積される。圧電スタック層は、第2の二酸化シリコン層上に堆積される。圧電スタック層、第2の二酸化シリコン層、片持ち梁材料、及び第1の二酸化シリコン層はパターンを形成される。シリコンウェハの第2の表面は、エネルギーハーベスタデバイスを生産するためにエッチングされる。 The energy harvester 11 (1) -11 (n) of the energy harvester device of the present invention is described, for example, in US patent application No. 14 / 145,534 to Andosca & Vaeth, US patent application to Vaeth et al., Which is incorporated in its entirety by reference. 14 / 173,131, and US Patent Application No. 14 / 201,293 to Andoca, et al. For example, according to one embodiment, a method for producing an energy harvester device includes providing a silicon wafer having first and second surfaces. A first silicon dioxide (SiO 2 ) layer is deposited on the first surface of the silicon wafer. A cantilever material is deposited on the first silicon dioxide layer. A second silicon dioxide layer is deposited on the cantilever material. A piezoelectric stack layer is deposited on the second silicon dioxide layer. The piezoelectric stack layer, the second silicon dioxide layer, the cantilever material, and the first silicon dioxide layer are patterned. The second surface of the silicon wafer is etched to produce an energy harvester device.

本発明の別の態様は、本発明の装置及びデバイスを備えるシステムに関する。一実施形態において、デバイスは、装置に電気的に結合される。本発明の更に別の態様は、本発明のシステムを備えるタイヤに関する。   Another aspect of the present invention relates to a system comprising the apparatus and device of the present invention. In one embodiment, the device is electrically coupled to the apparatus. Yet another aspect of the invention relates to a tire comprising the system of the invention.

例えば、一実施形態によれば、本発明のシステムは、タイヤ内の圧力をモニターするセンサを含む無線センサデバイスであるが、本発明のシステムは、例えば、任意の1つまたは複数の種々の環境特性(温度、湿度、光、音、振動、風、運動、圧力等)をモニターする無線センサに適用されてもよい。本発明のエネルギーハーベスタシステムは、センサに結合されて、センサに電力を提供する。   For example, according to one embodiment, the system of the present invention is a wireless sensor device that includes a sensor that monitors pressure in a tire, but the system of the present invention can be used in any one or more of various environments, for example. The present invention may be applied to a wireless sensor that monitors characteristics (temperature, humidity, light, sound, vibration, wind, movement, pressure, etc.). The energy harvester system of the present invention is coupled to a sensor to provide power to the sensor.

ここで図4A〜4Cを参照すると、一実施形態によれば、本発明のシステムは、ハウジング32を含むタイヤ圧モニタリングシステム(「TPMS」)30であるが、本発明のシステムは、インパルス運動によって励起される他のシステムに適用される可能性がある。TPMS30は、タイヤ36の下側で(すなわち、タイヤ接地面38の下、及び、接地面38とホイールリム40との間で)タイヤ36に結合される。この実施形態において、TPMS30は、タイヤ圧をモニターするセンサコンポーネント42、エネルギーストレージ44、及びエネルギーハーベスタデバイス10を含み、それら全ては、電気連通状態にあり、また、ハウジング32内に位置付けられる。この実施形態によれば、エネルギーハーベスタデバイス10は、別の独立型エネルギー源の代わりにまたはそれと共に使用される、TPMS30のセンサ42に電力供給する独立型エネルギー源を提供する。本発明のエネルギーハーベスタデバイスは、同様に、電動装置に連結されるエネルギーストレージ44を充電することによって電動装置に電力供給してもよい。エネルギーストレージ44は、キャパシタバンクまたはスーパキャパシタであってよいが、他の用途において、エネルギーストレージ44は、充電式電池であってよい。例えば、エネルギーハーベスタデバイスは、電動装置に電力供給するエネルギーストレージ44にトリクル充電を提供してもよい。   Referring now to FIGS. 4A-4C, according to one embodiment, the system of the present invention is a tire pressure monitoring system (“TPMS”) 30 that includes a housing 32, but the system of the present invention is based on impulse motion. It may be applied to other systems that are excited. The TPMS 30 is coupled to the tire 36 below the tire 36 (ie, below the tire contact surface 38 and between the contact surface 38 and the wheel rim 40). In this embodiment, the TPMS 30 includes a sensor component 42 that monitors tire pressure, an energy storage 44, and an energy harvester device 10, all of which are in electrical communication and are positioned within the housing 32. According to this embodiment, the energy harvester device 10 provides a stand-alone energy source that powers the sensor 42 of the TPMS 30 for use in place of or in conjunction with another stand-alone energy source. Similarly, the energy harvester device of the present invention may supply power to the electric device by charging an energy storage 44 coupled to the electric device. The energy storage 44 may be a capacitor bank or a super capacitor, but in other applications, the energy storage 44 may be a rechargeable battery. For example, the energy harvester device may provide trickle charging to the energy storage 44 that powers the motorized device.

TPMS30は、タイヤ36に直接搭載され、それにより、エネルギーハーベスタデバイス10の共振器梁12(1)〜12(n)の運動は、タイヤ36が回転のフットプリント領域に入るときに(すなわち、TPMS30がタイヤ36に取付けられるポイントでタイヤ36が道路に接するときに)生成されるインパルスの結果として励起される。図5Aは、フットプリント領域46を含む、タイヤ36の360°全回転を通したタイヤ36の回転中のTPMS30の種々の位置(1〜6)を示す。図5Bは、位置1〜6における半径方向加速度を含む、タイヤ36の回転全体を通してタイヤ36に取付けられるときのTPMS30についての関連する半径方向加速度プロファイルを示す。   The TPMS 30 is mounted directly on the tire 36, so that the movement of the resonator beams 12 (1) -12 (n) of the energy harvester device 10 occurs when the tire 36 enters the rotational footprint region (ie, TPMS 30). Is excited as a result of the impulse generated when the tire 36 touches the road at the point where it is attached to the tire 36. FIG. 5A shows various positions (1-6) of the TPMS 30 during rotation of the tire 36 through a full 360 ° rotation of the tire 36, including the footprint region 46. FIG. FIG. 5B shows the associated radial acceleration profile for the TPMS 30 when attached to the tire 36 throughout the rotation of the tire 36, including radial acceleration at positions 1-6.

TPMS30は、フットプリント領域46の外側で、すなわち、位置1、2、及び6において平衡半径方向加速度で走行する。位置3において、TPMS30は、フットプリント領域46に入り、半径方向加速度の突然の増加を受け、それに続いて、ゼロへの半径方向加速度の突然の減少を受ける。突然の減少は、第1のインパルスを提供して、エネルギーハーベスタデバイス10の共振器梁12(1)〜12(n)の運動を励起する。TPMS30は、位置4を含むフットプリント領域46全体を通してゼロ半径方向加速度のままである。位置5において、TPMS30は、フットプリント領域46を出て、平衡半径方向加速度に戻るセトリングの前に半径方向加速度の突然の増加を受ける。位置5における突然の増加は、第2のインパルスを提供して、エネルギーハーベスタデバイスの共振器梁12(1)〜12(n)の運動を励起する。第1のインパルスと第2のインパルスとの間の時間幅または継続時間(W)は、タイヤ36の回転周期(P)よって決定され、回転周期(P)は、タイヤ36が位置する車両の速度によって決定される。   The TPMS 30 travels with a balanced radial acceleration outside the footprint area 46, ie at positions 1, 2 and 6. At position 3, TPMS 30 enters footprint region 46 and undergoes a sudden increase in radial acceleration followed by a sudden decrease in radial acceleration to zero. The sudden decrease provides a first impulse to excite the motion of the resonator beams 12 (1) -12 (n) of the energy harvester device 10. The TPMS 30 remains at zero radial acceleration throughout the footprint area 46 including position 4. At position 5, the TPMS 30 undergoes a sudden increase in radial acceleration before settling out of the footprint region 46 and back to equilibrium radial acceleration. The sudden increase at position 5 provides a second impulse to excite the motion of the resonator beams 12 (1) -12 (n) of the energy harvester device. The time width or duration (W) between the first impulse and the second impulse is determined by the rotation period (P) of the tire 36, and the rotation period (P) is the speed of the vehicle on which the tire 36 is located. Determined by.

一例において、TPMS30のエネルギーハーベスタデバイス10は、対応する共振周波数f及びfを有する2つのエネルギーハーベスタ11(1)及び11(2)を含んでもよい。この例において、エネルギーハーベスタ11(1)の共振周波数fは、所与の速度における時間幅Wに基づいて同調され、それにより、共振周波数fは式f=n/Wによって規定され、ここで、nは正整数である。一例において、n>4であるが、nのより大きな値が利用されて、例として、サイズ等のエネルギーハーベスタ11(1)の特徴に基づいて最適発電を提供してもよい。エネルギーハーベスタ11(1)は、当技術分野で知られている方法を使用して共振周波数fに同調されてもよい。例として、共振器梁12(1)は、共振器梁12(1)の断面形状、共振器梁12(1)の断面寸法、共振器梁12(1)の長さ、おもり20(1)のおもり、共振器梁12(1)上のおもり20(1)の場所、及び、共振器梁12(1)を作るために使用される材料等の幾つかのパラメータの任意の1つまたは複数を変動させることによって同調される可能性がある。 In one example, the energy harvester device 10 TPMS30 may comprise two energy harvester 11 having a corresponding resonance frequency f 1 and f 2 (1) and 11 (2). In this example, the resonance frequency f 1 of the energy harvester 11 (1) is tuned based on the time width W at a given speed, so that the resonance frequency f 1 is defined by the equation f 1 = n / W, Here, n is a positive integer. In one example, n> 4, but larger values of n may be used to provide optimal power generation based on features of the energy harvester 11 (1) such as size, for example. The energy harvester 11 (1) may be tuned to the resonant frequency f 1 using methods known in the art. As an example, the resonator beam 12 (1) includes a cross-sectional shape of the resonator beam 12 (1), a cross-sectional dimension of the resonator beam 12 (1), a length of the resonator beam 12 (1), and a weight 20 (1). Any one or more of several parameters such as weight, location of weight 20 (1) on resonator beam 12 (1), and material used to make resonator beam 12 (1) May be tuned by varying.

この例において、エネルギーハーベスタ11(2)は、共振周波数fからわずかにオフセットする共振周波数fに同調されてもよい。この例において、fとfとの間のオフセットは、0.1/W〜0.9/Wである、すなわち、f−fの絶対値は0.1/W〜0.9/Wに等しいが、オフセットは、0.2/W〜0.8/W、0.3/W〜0.7/W、0.4/W〜0.6/W、または0.45/W〜0.55/Wであってよい。エネルギーハーベスタ11(2)は、当技術分野で知られている方法を使用して共振周波数fに同調されてもよい。例として、共振器梁12(2)は、共振器梁12(2)の断面形状、共振器梁12(2)の断面寸法、共振器梁12(2)の長さ、おもり20(2)のおもり、共振器梁12(2)上のおもり20(2)の場所、及び、共振器梁12(2)を作るために使用される材料等の幾つかのパラメータの任意の1つまたは複数を変動させることによって同調される可能性がある。 In this example, the energy harvester 11 (2) may be tuned to the resonance frequency f 2 slightly offset from the resonant frequency f 1. In this example, the offset between f 1 and f 2 is 0.1 / W to 0.9 / W, ie, the absolute value of f 1 −f 2 is 0.1 / W to 0.9. / W but offset is 0.2 / W to 0.8 / W, 0.3 / W to 0.7 / W, 0.4 / W to 0.6 / W, or 0.45 / It may be W to 0.55 / W. Energy harvester 11 (2) may be tuned to the resonance frequency f 2 using methods known in the art. As an example, the resonator beam 12 (2) includes a cross-sectional shape of the resonator beam 12 (2), a cross-sectional dimension of the resonator beam 12 (2), a length of the resonator beam 12 (2), and a weight 20 (2). Any one or more of several parameters such as weight, location of weight 20 (2) on resonator beam 12 (2), and material used to make resonator beam 12 (2) May be tuned by varying.

動作時、エネルギーハーベスタ11(1)及び11(2)の共振器梁12(1)及び12(2)は、図5Aに示すように、TPMS30が位置3においてフットプリント領域46に入るときに受信される第1のインパルスによって励起される。第2のインパルスは、TPMS30が位置5においてフットプリント領域46に出るときに受信される。第1のインパルス及び第2のインパルスは、時間幅Wによって分離される。共振器梁12(1)はT=1/fの周期で振動し、一方、共振器梁12(2)はT=1/fの周期で振動する。時間幅WがTまたはTのほぼ整数倍である場合、関連するエネルギーハーベスタの運動は、第2のインパルスについて位相がずれることになる。これは、第2のインパルスが加速度の急峻な増加であり、一方、第1のインパルスが加速度の急峻な減少であるからである。したがって、このハーベスタは機能低下することになる。しかし、時間幅WがTまたはTの周期の整数n +/− 1/2倍である場合、関連するエネルギーハーベスタの運動は増大されることになる。fとfとの間のオフセットは、一方のエネルギーハーベスタが時間幅Wによってわずかに位相がずれているとき、他のエネルギーハーベスタが同相になって、エネルギーハーベスタデバイス10からの電力出力を、時間幅Wについての種々の値においてより均等にする可能性がある。この例は2つのエネルギーハーベスタを利用するが、オフセットした共振周波数を有する更なるエネルギーハーベスタが利用されて、種々の速度でより均一な電力源を提供してもよいことが理解される。一例において、更なるエネルギーハーベスタは、複数の共振器梁内の他の共振器梁のそれぞれに対して0.1/W〜0.9/Wだけオフセットする共振周波数を有する共振器梁を含むが、オフセットは、0.2/W〜0.8/W、0.3/W〜0.7/W、0.4/W〜0.6/W、または0.45/W〜0.55/Wであってよい。 In operation, the resonator beams 12 (1) and 12 (2) of the energy harvesters 11 (1) and 11 (2) are received when the TPMS 30 enters the footprint region 46 at position 3, as shown in FIG. 5A. Excited by the first impulse to be generated. The second impulse is received when TPMS 30 exits footprint area 46 at location 5. The first impulse and the second impulse are separated by a time width W. The resonator beam 12 (1) vibrates with a period of T 1 = 1 / f 1 , while the resonator beam 12 (2) vibrates with a period of T 2 = 1 / f 2 . If the time width W is approximately an integer multiple of T 1 or T 2 , the associated energy harvester motion will be out of phase for the second impulse. This is because the second impulse is a steep increase in acceleration, while the first impulse is a steep decrease in acceleration. Therefore, this harvester will be degraded. However, if the time width W is an integer n +/− 1/2 times the period of T 1 or T 2 , the motion of the associated energy harvester will be increased. The offset between f 1 and f 2 is that when one energy harvester is slightly out of phase by the time width W, the other energy harvester is in phase and the power output from the energy harvester device 10 is There is a possibility of more equality in various values for the time width W. Although this example utilizes two energy harvesters, it is understood that additional energy harvesters with offset resonant frequencies may be utilized to provide a more uniform power source at various speeds. In one example, the further energy harvester includes a resonator beam having a resonance frequency that is offset by 0.1 / W to 0.9 / W with respect to each of the other resonator beams in the plurality of resonator beams. The offset is 0.2 / W to 0.8 / W, 0.3 / W to 0.7 / W, 0.4 / W to 0.6 / W, or 0.45 / W to 0.55. / W.

本発明の更なる態様は、電動装置に電力供給する方法に関する。この方法は、本発明のエネルギーハーベスタシステムを設けることを含む。エネルギーハーベスタは、複数のインパルスを受けて、圧電材料から電気エネルギーを発生する。電気エネルギーは、圧電材料から電動装置に伝達されて、装置に電力を提供する。一例において、方法は、使用中の車両タイヤと関連して実施され、前記装置は、上述した、タイヤ圧モニタリングシステムまたはタイヤ圧モニタリングシステムのコンポーネントである。   A further aspect of the invention relates to a method for supplying power to an electrically powered device. The method includes providing an energy harvester system of the present invention. The energy harvester receives a plurality of impulses and generates electrical energy from the piezoelectric material. Electrical energy is transferred from the piezoelectric material to the motorized device to provide power to the device. In one example, the method is implemented in connection with a vehicle tire in use, the device being a tire pressure monitoring system or a component of a tire pressure monitoring system as described above.

本発明の別の態様は、タイヤが遭遇するインパルスに同調されたエネルギーハーベストデバイスを設計するための方法に関する。方法は、所与の速度における回転周期Pを決定することを含む。タイヤの外周上のポイントが路面に接触するときに生成される第1のインパルスと、タイヤの外周上のポイントが、決定された回転周期Pで路面との接触から引離されるときに生成される第2のインパルスとの間の時間幅が決定される。本発明のシステムは、時間幅Wの逆数の整数倍Mである第1の共振周波数に同調された複数の共振器梁の第1の共振器梁であって、Mは3以上である、第1の共振器梁を備える。また、本発明のシステムは、第1の共振器梁の第1の共振周波数に対して0.1/W〜0.9/Wだけオフセットした第2の共振周波数に同調された複数の共振器梁の第2の共振器梁を備える。システムはタイヤに接続される。   Another aspect of the invention relates to a method for designing an energy harvesting device tuned to an impulse encountered by a tire. The method includes determining a rotation period P at a given speed. A first impulse generated when a point on the outer circumference of the tire contacts the road surface, and a point generated on the outer circumference of the tire is pulled away from contact with the road surface at the determined rotation period P A time width between the second impulse is determined. The system of the present invention is a first resonator beam of a plurality of resonator beams tuned to a first resonance frequency that is an integral multiple M of the reciprocal of the time width W, wherein M is 3 or more. One resonator beam is provided. The system of the present invention also includes a plurality of resonators tuned to a second resonance frequency that is offset by 0.1 / W to 0.9 / W with respect to the first resonance frequency of the first resonator beam. A second resonator beam of beams is provided. The system is connected to the tire.

図1〜5Bを参照すると、タイヤ36が遭遇するインパルスに同調されるエネルギーハーベストデバイス10を設計するための方法が述べられる。所与の速度におけるタイヤ36の回転周期Pが決定される。回転速度及びタイヤ直径(または円周)が、その後、利用されて、図5Aの位置3に示すように、タイヤ36の外周上のポイントが路面に接触するときに生成される第1のインパルスと、図5Aの位置5に示すように、タイヤ36の外周上のポイントが、路面との接触から引離されるときに生成される第2のインパルスとの間の時間幅Wが決定されてもよい。時間幅Wは、回転周期Pに依存し、それにより、P/Wの値は、種々の車両速度においてかなり一定のままである。   With reference to FIGS. 1-5B, a method for designing an energy harvesting device 10 that is tuned to an impulse encountered by a tire 36 will be described. A rotation period P of the tire 36 at a given speed is determined. The rotational speed and tire diameter (or circumference) are then utilized to produce a first impulse that is generated when a point on the outer circumference of the tire 36 contacts the road surface, as shown at position 3 in FIG. 5A. As shown at position 5 in FIG. 5A, the time width W between the second impulse generated when the point on the outer periphery of the tire 36 is pulled away from contact with the road surface may be determined. . The time width W depends on the rotation period P, so that the value of P / W remains fairly constant at various vehicle speeds.

次に、本発明のTPMS30は、圧電材料を含む共振器梁12(1)〜12(n)を備える。共振器梁12(1)〜12(n)は、片持ち梁としてベース18(1)〜18(n)から自由に延在する。例示的な共振器梁12(1)は図3に示される。共振器梁12(1)〜12(n)は、図2において、例としてだけ、示す同じダイ上に位置付けられてもよい、または、図1に示すように、個々のハーベスタ11(1)〜11(n)としてエネルギーハーベストデバイス10内に別々に位置付けられてもよい。   Next, the TPMS 30 of the present invention includes resonator beams 12 (1) to 12 (n) including a piezoelectric material. The resonator beams 12 (1) to 12 (n) freely extend from the bases 18 (1) to 18 (n) as cantilever beams. An exemplary resonator beam 12 (1) is shown in FIG. Resonator beams 12 (1) -12 (n) may be positioned on the same die shown by way of example only in FIG. 2, or, as shown in FIG. 1, individual harvesters 11 (1)- 11 (n) may be positioned separately within the energy harvesting device 10.

第1の共振器梁12(1)は、所与の速度においてタイヤ36の時間幅Wの逆数の整数倍Mである第1の共振周波数fに同調される。一例において、Mは3以上であるが、Mの異なる値が、TPMS30の所望の性能特徴に応じて利用されてもよい。第1の共振器梁12(1)は、当技術分野で知られている方法を使用して共振周波数f=M/Wに同調されてもよい。例として、第1の共振器梁12(1)は、第1の共振器梁12(1)の断面形状、第1の共振器梁12(1)の断面寸法、第1の共振器梁12(1)の長さ、第1の共振器梁12(1)の端に取付けられたおもり20(1)のおもり、第1の共振器梁12(1)上のおもり20(1)の場所、及び、第1の共振器梁12(1)を作るために使用される材料等の幾つかのパラメータの任意の1つまたは複数を変動させることによって同調される可能性がある。 The first resonator beam 12 (1) is tuned to a first resonance frequency f1 that is an integer multiple M of the inverse of the time width W of the tire 36 at a given speed. In one example, M is 3 or greater, but different values of M may be utilized depending on the desired performance characteristics of TPMS 30. The first resonator beam 12 (1) may be tuned to the resonance frequency f 1 = M / W using methods known in the art. As an example, the first resonator beam 12 (1) includes a cross-sectional shape of the first resonator beam 12 (1), a cross-sectional dimension of the first resonator beam 12 (1), and the first resonator beam 12 The length of (1), the weight 20 (1) weight attached to the end of the first resonator beam 12 (1), and the location of the weight 20 (1) on the first resonator beam 12 (1) And may be tuned by varying any one or more of several parameters, such as the material used to make the first resonator beam 12 (1).

第2の共振器梁12(2)は、その後、第1の共振器梁12(1)の第1の共振周波数fに対して0.1/W〜0.9/Wだけオフセットされる第2の共振周波数fに同調されるが、オフセットは、0.2/W〜0.8/W、0.3/W〜0.7/W、0.4/W〜0.6/W、または0.45/W〜0.55/Wであってよい。第2の共振器梁12(2)は、当技術分野で知られている方法を使用して共振周波数fに同調されてもよい。例として、第2の共振器梁12(2)は、第2の共振器梁12(2)の断面形状、第2の共振器梁12(2)の断面寸法、第2の共振器梁12(2)の長さ、第2の共振器梁12(2)の端に取付けられたおもり20(2)のおもり、第2の共振器梁12(2)上のおもり20(2)の場所、及び、第2の共振器梁12(2)を作るために使用される材料等の幾つかのパラメータの任意の1つまたは複数を変動させることによって同調される可能性がある。 The second resonator beam 12 (2) is then offset by 0.1 / W to 0.9 / W with respect to the first resonance frequency f1 of the first resonator beam 12 (1). While tuned to a second resonance frequency f 2, offset, 0.2 / W~0.8 / W, 0.3 / W~0.7 / W, 0.4 / W~0.6 / W, or 0.45 / W to 0.55 / W. Second resonator beam 12 (2) may be tuned to the resonance frequency f 2 using methods known in the art. As an example, the second resonator beam 12 (2) includes the cross-sectional shape of the second resonator beam 12 (2), the cross-sectional dimension of the second resonator beam 12 (2), the second resonator beam 12 The length of (2), the weight 20 (2) weight attached to the end of the second resonator beam 12 (2), and the location of the weight 20 (2) on the second resonator beam 12 (2) , And may be tuned by varying any one or more of several parameters, such as the material used to make the second resonator beam 12 (2).

TPMS30は、共振器梁12(1)〜12(n)に対する0.1/W〜0.9/Wのオフセットで他の共振器梁からのオフセットに対して同調された共振器梁を有する更なるハーベスタを含んでもよい。一例において、第3の共振器梁12(3)は、第1の共振器梁12(1)の共振周波数fから0.25/W〜0.75/Wだけオフセットした共振周波数fを有してもよい、一方、第4の共振器梁12(4)は、第2の共振器梁12(2)の共振周波数fから0.25/W〜0.75/Wだけオフセットした共振周波数fを有してもよい。しかし、他のオフセットを有する更なる数の共振器梁が利用されてもよい。更に、方法は、別の所与の速度においてタイヤ36の回転周期を決定すること、及び、別の所与の速度におけるタイヤ36の回転周期Pに基づく周波数間隔によって2つ以上の共振器梁の共振周波数を同調させることを含んでもよい。更なる共振器梁は、種々の異なる速度のインパルス運動を受けると、システムに、より均一性のある電力源を提供することになる。 The TPMS 30 further includes a resonator beam tuned to an offset from another resonator beam with an offset of 0.1 / W to 0.9 / W with respect to the resonator beams 12 (1) -12 (n). A harvester may be included. In one example, the third resonator beam 12 (3), the first resonator beam 12 (1) the resonance frequency f 3 which is offset resonant frequency f 1 from 0.25 / W~0.75 / W of While the fourth resonator beam 12 (4) may be offset from the resonance frequency f2 of the second resonator beam 12 (2) by 0.25 / W to 0.75 / W. it may have a resonant frequency f 4. However, an additional number of resonator beams with other offsets may be utilized. Further, the method determines the rotation period of the tire 36 at another given speed, and the frequency interval based on the rotation period P of the tire 36 at another given speed, for two or more resonator beams. Tuning the resonant frequency may be included. Further resonator beams will provide a more uniform power source for the system when subjected to various different speeds of impulse motion.

以下の実施例は、本発明の実施形態を示すために提供されるが、その範囲を制限することを決して意図されない。   The following examples are provided to illustrate embodiments of the invention but are in no way intended to limit its scope.

実施例1−0.635/W(W=8.45ms)の共振周波数オフセットを有する2つのエネルギーハーベスタを有するデバイスの電力出力
システムは、転動タイヤが受けるものと同様の、第1のインパルスと第2のインパルスとの間またはインパルス対の間の遅延間隔で1つまたは複数のハーベスタにインパルスを提供するように構築された。このシステムは、これらのインパルス対の種々の繰返しレートで動作し、ハーベスタの出力電力はモニターされた。基準点として8.45msの時間幅Wを使用して、システムは、581Hzの共振周波数を有する振動エネルギーハーベスタを装填された。7〜10Hzの動作周波数(143ms〜100msの回転周期と同等)にわたって、生成される平均電力は4.3μWであり、7Hz及び8.5Hz回転周波数において平均電力はほとんど全く生成されない。
Example 1-Power output of a device having two energy harvesters with a resonant frequency offset of 0.635 / W (W = 8.45 ms) The system includes a first impulse, similar to that experienced by a rolling tire. It was constructed to provide impulses to one or more harvesters at a delay interval between a second impulse or between impulse pairs. The system was operated at various repetition rates of these impulse pairs and the harvester output power was monitored. Using a time width W of 8.45 ms as a reference point, the system was loaded with a vibration energy harvester having a resonant frequency of 581 Hz. Over an operating frequency of 7 to 10 Hz (equivalent to a rotation period of 143 ms to 100 ms), the generated average power is 4.3 μW, and almost no average power is generated at 7 Hz and 8.5 Hz rotation frequencies.

システムは、その後、ハーベスタ共振周波数の75Hzの差、(または、基準点としてW=8.45msである0.635/W)2つの周波数間のオフセットを示す、581Hzの共振周波数を有する振動エネルギーハーベスタ及び506Hzの共振周波数を有する第2の振動エネルギーハーベスタに適合された。図6を参照すると、破線は581Hzの共振周波数を有するエネルギーハーベスタについての電力出力を示し、一方、実線は506Hzの共振周波数を有するエネルギーハーベスタについての電力出力を示す。システムにおける0.635/Wの周波数オフセットを有する2つのエネルギーハーベスタの使用は、システムからのより均等な電力出力を提供する。動作周波数7Hz〜10Hz(143ms〜100msの回転周期と同等)にわたってこのシステムから生成される平均電力は9.9μWであり、ゼロ平均電力生成の帯域を持たない。   The system then vibrates an energy harvester with a resonant frequency of 581 Hz, indicating a difference of 75 Hz in the harvester resonant frequency (or 0.635 / W with W = 8.45 ms as the reference point) offset between the two frequencies. And a second vibration energy harvester with a resonant frequency of 506 Hz. Referring to FIG. 6, the dashed line shows the power output for an energy harvester having a resonant frequency of 581 Hz, while the solid line shows the power output for an energy harvester having a resonant frequency of 506 Hz. The use of two energy harvesters with a frequency offset of 0.635 / W in the system provides a more even power output from the system. The average power generated from this system over an operating frequency of 7 Hz to 10 Hz (equivalent to a rotation period of 143 ms to 100 ms) is 9.9 μW and has no zero average power generation band.

好ましい実施形態が、本明細書で詳細に示し述べられたが、種々の修正、追加、置換等が本発明の精神から逸脱することなく行われる可能性があり、したがって、これらが、添付特許請求の範囲内に規定される本発明の範囲内にあると考えられることが当業者に明らかになる。   While the preferred embodiment has been shown and described in detail herein, various modifications, additions, substitutions, etc. may be made without departing from the spirit of the invention, and thus they are described in the appended claims. It will be apparent to those skilled in the art that they are considered to be within the scope of the present invention as defined in

Claims (39)

複数の細長い共振器梁であって、前記複数の共振器梁のそれぞれは、第1の端と第2の端との間に延在する圧電材料を含む、複数の細長い共振器梁と、
前記複数の共振器梁のそれぞれの前記第1の端に接続されている1つまたは複数のベースであって、前記複数の共振器梁の前記第2の端のそれぞれは、片持ち梁として前記1つまたは複数のベースから自由に延在する、1つまたは複数のベースと、
前記第2の端のそれぞれに取付けられたおもり(mass)
とを備え、
前記複数の共振器梁のそれぞれは、前記複数の共振器梁内の他の共振器梁のそれぞれに対して0.1/W〜0.9/Wオフセットした共振周波数に同調され、Wは、前記複数の共振器梁の運動を励起する第1のインパルスと第2のインパルスとの間の時間幅である、エネルギーハーベスタデバイス。
A plurality of elongated resonator beams, each of the plurality of resonator beams including a piezoelectric material extending between a first end and a second end;
One or more bases connected to the first end of each of the plurality of resonator beams, wherein each of the second ends of the plurality of resonator beams is a cantilever beam One or more bases freely extending from one or more bases;
A weight attached to each of the second ends
And
Each of the plurality of resonator beams is tuned to a resonance frequency that is offset by 0.1 / W to 0.9 / W with respect to each of the other resonator beams in the plurality of resonator beams, An energy harvester device that is a time width between a first impulse and a second impulse that excite motion of the plurality of resonator beams.
前記オフセットは0.2/W〜0.8/Wである、請求項1に記載のエネルギーハーベスタデバイス。   The energy harvester device according to claim 1, wherein the offset is 0.2 / W to 0.8 / W. 前記オフセットは0.3/W〜0.7/Wである、請求項1に記載のエネルギーハーベスタデバイス。   The energy harvester device according to claim 1, wherein the offset is 0.3 / W to 0.7 / W. 前記オフセットは0.4/W〜0.6/Wである、請求項1に記載のエネルギーハーベスタデバイス。   The energy harvester device according to claim 1, wherein the offset is 0.4 / W to 0.6 / W. 前記オフセットは0.45/W〜0.55/Wである、請求項1に記載のエネルギーハーベスタデバイス。   The energy harvester device of claim 1, wherein the offset is 0.45 / W to 0.55 / W. 前記複数の共振器梁のそれぞれは、異なる層で形成されたラミネートを含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載のエネルギーハーベスタデバイス。   The energy harvester device according to claim 1, wherein each of the plurality of resonator beams includes a laminate formed of different layers. 前記異なる層は異なる材料を含む、請求項6に記載のエネルギーハーベスタデバイス。   The energy harvester device of claim 6, wherein the different layers comprise different materials. 前記複数の共振器梁のそれぞれは、
前記圧電材料と電気接触状態にある1つまたは複数の電極を更に備える、請求項1〜7のいずれか1項に記載のエネルギーハーベスタデバイス。
Each of the plurality of resonator beams is
The energy harvester device of any one of claims 1 to 7, further comprising one or more electrodes in electrical contact with the piezoelectric material.
前記1つまたは複数の電極は、モリブデン及びプラチナからなる群から選択される材料を含む、請求項8に記載のエネルギーハーベスタデバイス。   The energy harvester device of claim 8, wherein the one or more electrodes comprise a material selected from the group consisting of molybdenum and platinum. 前記複数の共振器梁のそれぞれは、
前記圧電材料から電気エネルギーをハーベストするための、前記1つまたは複数の電極と電気連通状態にある電気ハーベスト回路を更に備える、請求項8または請求項9に記載のエネルギーハーベスタデバイス。
Each of the plurality of resonator beams is
10. An energy harvester device according to claim 8 or claim 9, further comprising an electrical harvesting circuit in electrical communication with the one or more electrodes for harvesting electrical energy from the piezoelectric material.
前記圧電材料は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、フッ化ポリビニリデン、及びチタン酸ジルコン酸鉛化合物からなる群から選択される、請求項1〜10のいずれか1項に記載のエネルギーハーベスタデバイス。   The energy harvester device according to any one of claims 1 to 10, wherein the piezoelectric material is selected from the group consisting of aluminum nitride, zinc oxide, polyvinylidene fluoride, and a lead zirconate titanate compound. 電動装置と、
前記装置に電気的に結合された、請求項1〜11のいずれか1項に記載のエネルギーハーベスタデバイス
とを備える、システム。
An electric device;
12. A system comprising: an energy harvester device according to any one of claims 1-11, electrically coupled to the apparatus.
前記電動装置は、タイヤ圧モニタリングシステムまたはタイヤ圧モニタリングシステムのコンポーネントである、請求項12に記載のシステム。   The system of claim 12, wherein the electric device is a tire pressure monitoring system or a component of a tire pressure monitoring system. 請求項13に記載のシステムを備えるタイヤ。   A tire comprising the system according to claim 13. 前記オフセットは0.2/W〜0.8/Wである、請求項12または請求項13に記載のシステム。   14. A system according to claim 12 or claim 13, wherein the offset is between 0.2 / W and 0.8 / W. 前記オフセットは0.3/W〜0.7/Wである、請求項12または請求項13に記載のシステム。   14. A system according to claim 12 or claim 13, wherein the offset is between 0.3 / W and 0.7 / W. 前記オフセットは0.4/W〜0.6/Wである、請求項12または請求項13に記載のシステム。   14. A system according to claim 12 or claim 13, wherein the offset is between 0.4 / W and 0.6 / W. 前記オフセットは0.45/W〜0.55/Wである、請求項12または請求項13に記載のシステム。   14. A system according to claim 12 or claim 13, wherein the offset is between 0.45 / W and 0.55 / W. 前記複数の共振器梁のそれぞれは、異なる層で形成されたラミネートを含む、請求項12、13、または15〜18のいずれか1項に記載のシステム。   The system of any one of claims 12, 13, or 15-18, wherein each of the plurality of resonator beams comprises a laminate formed of different layers. 前記異なる層は異なる材料を含む、請求項19に記載のシステム。   The system of claim 19, wherein the different layers comprise different materials. 前記複数の共振器梁のそれぞれは、
前記圧電材料と電気接触状態にある1つまたは複数の電極を更に備える、請求項12、13、または15〜20のいずれか1項に記載のシステム。
Each of the plurality of resonator beams is
21. A system according to any one of claims 12, 13, or 15-20, further comprising one or more electrodes in electrical contact with the piezoelectric material.
前記1つまたは複数の電極は、モリブデン及びプラチナからなる群から選択される材料を含む、請求項21に記載のシステム。   The system of claim 21, wherein the one or more electrodes comprise a material selected from the group consisting of molybdenum and platinum. 前記複数の共振器梁のそれぞれは、
前記圧電材料から電気エネルギーをハーベストするための、前記1つまたは複数の電極と電気連通状態にある電気ハーベスト回路を更に備える、請求項21または請求項22に記載のシステム。
Each of the plurality of resonator beams is
23. The system of claim 21 or claim 22, further comprising an electrical harvesting circuit in electrical communication with the one or more electrodes for harvesting electrical energy from the piezoelectric material.
前記圧電材料は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、フッ化ポリビニリデン、及びチタン酸ジルコン酸鉛化合物からなる群から選択される、請求項12、13、または15〜23のいずれか1項に記載のシステム。   24. The system of claim 12, 13, or 15-23, wherein the piezoelectric material is selected from the group consisting of aluminum nitride, zinc oxide, polyvinylidene fluoride, and lead zirconate titanate compounds. . 電動装置に電力供給する方法であって、
請求項12、13、または15〜23のいずれか1項に記載のシステムを設けること、
前記システムを複数のインパルスにさらすことであって、それにより前記エネルギーハーベスタデバイスは電気エネルギーを発生する、こと、
前記エネルギーハーベスタデバイスによって生成された前記電気エネルギーを前記装置に伝達して、前記装置に電力を提供する、こと
を含む、方法。
A method of supplying power to an electric device,
Providing a system according to any one of claims 12, 13, or 15-23,
Exposing the system to a plurality of impulses, whereby the energy harvester device generates electrical energy;
Transferring the electrical energy generated by the energy harvester device to the device to provide power to the device.
使用中の車両タイヤと関連して実施され、かつ前記装置は、タイヤ圧モニタリングシステムまたはタイヤ圧モニタリングシステムのコンポーネントである、請求項25に記載の方法。   26. The method of claim 25, wherein the method is implemented in connection with a vehicle tire in use and the device is a tire pressure monitoring system or a component of a tire pressure monitoring system. 前記複数の共振器梁のそれぞれは、前記圧電材料と電気接触状態にある1つまたは複数の電極を更に備える、請求項25または請求項26に記載の方法。   27. A method according to claim 25 or claim 26, wherein each of the plurality of resonator beams further comprises one or more electrodes in electrical contact with the piezoelectric material. 前記複数の共振器梁のそれぞれは、前記圧電材料から電気エネルギーをハーベストするための、前記1つまたは複数の電極と電気連通状態にある電気ハーベスト回路を更に備える、請求項27に記載の方法。   28. The method of claim 27, wherein each of the plurality of resonator beams further comprises an electrical harvesting circuit in electrical communication with the one or more electrodes for harvesting electrical energy from the piezoelectric material. タイヤが遭遇するインパルスに同調されたエネルギーハーベストデバイスを設計する方法であって、
所与の速度における前記タイヤの回転周期Pを決定すること、
前記タイヤの外周上のポイントが路面に接触するときに生成される第1のインパルスと、前記タイヤの前記外周上の前記ポイントが、前記決定された回転周期Pで前記路面との接触から引離されるときに生成される第2のインパルスとの間の時間幅Wを決定すること、
請求項13、または15〜24のいずれか1項に記載のシステムを設けること、
前記複数の共振器梁の第1の共振器梁を、前記時間幅Wの逆数の整数倍Mである第1の共振周波数に同調させることであって、Mは3以上である、こと、
前記複数の共振器梁の第2の共振器梁を、前記第1の共振器梁の前記第1の共振周波数に対して0.1/W〜0.9/Wオフセットした第2の共振周波数に同調させること、及び
前記システムを前記タイヤに接続すること
を含む、方法。
A method of designing an energy harvesting device tuned to an impulse encountered by a tire, comprising:
Determining the rotation period P of the tire at a given speed;
The first impulse generated when a point on the outer periphery of the tire contacts the road surface, and the point on the outer periphery of the tire is separated from contact with the road surface at the determined rotation period P. Determining a time width W between the second impulse generated when
Providing a system according to claim 13 or any one of claims 15 to 24,
Tuning a first resonator beam of the plurality of resonator beams to a first resonance frequency that is an integral multiple M of the reciprocal of the time width W, wherein M is 3 or more;
A second resonance frequency obtained by offsetting the second resonator beam of the plurality of resonator beams by 0.1 / W to 0.9 / W with respect to the first resonance frequency of the first resonator beam. And connecting the system to the tire.
前記複数の共振器梁の第3の共振器梁を、他の共振器梁から0.1/W〜0.9Wの周波数間隔オフセットされる第3の共振周波数に同調させることを更に含む、請求項29に記載の方法。   Further comprising tuning a third resonator beam of the plurality of resonator beams to a third resonance frequency that is offset from another resonator beam by a frequency spacing of 0.1 / W to 0.9W. Item 30. The method according to Item 29. 異なる共振器梁の間の共振周波数におけるオフセットは0.2/W〜0.8/Wである、請求項29または請求項30に記載の方法。   31. A method according to claim 29 or claim 30, wherein the offset in resonance frequency between different resonator beams is between 0.2 / W and 0.8 / W. 異なる共振器梁の間の共振周波数におけるオフセットは0.3/W〜0.7/Wである、請求項29または請求項30に記載の方法。   31. A method according to claim 29 or claim 30, wherein the offset in resonance frequency between different resonator beams is between 0.3 / W and 0.7 / W. 異なる共振器梁の間の共振周波数におけるオフセットは0.4/W〜0.6/Wである、請求項29または請求項30に記載の方法。   31. A method according to claim 29 or claim 30, wherein the offset in resonance frequency between different resonator beams is between 0.4 / W and 0.6 / W. 異なる共振器梁の間の共振周波数におけるオフセットは0.45/W〜0.55/Wである、請求項29または請求項30に記載の方法。   31. A method according to claim 29 or claim 30, wherein the offset in resonance frequency between different resonator beams is between 0.45 / W and 0.55 / W. 前記複数の共振器梁のそれぞれは、前記圧電材料と電気連通状態にある1つまたは複数の電極を更に備える、請求項29〜34のいずれか1項に記載の方法。   35. A method according to any one of claims 29 to 34, wherein each of the plurality of resonator beams further comprises one or more electrodes in electrical communication with the piezoelectric material. 前記複数の共振器梁のそれぞれは、前記圧電材料から電気エネルギーをハーベストするための、前記1つまたは複数の電極と電気連通状態にある電気ハーベスト回路を更に備える、請求項35に記載の方法。   36. The method of claim 35, wherein each of the plurality of resonator beams further comprises an electrical harvesting circuit in electrical communication with the one or more electrodes for harvesting electrical energy from the piezoelectric material. 第3の共振器梁を第3の共振周波数に同調させることを更に含み、前記第1の共振周波数と前記第3の共振周波数との間の周波数間隔は、0.25/W〜0.75/Wである方法であって、
前記システムは、3つの共振器梁を備える、請求項29〜36のいずれか1項に記載の方法。
The method further includes tuning a third resonator beam to a third resonance frequency, wherein a frequency interval between the first resonance frequency and the third resonance frequency is 0.25 / W to 0.75. A method that is / W,
37. A method according to any one of claims 29 to 36, wherein the system comprises three resonator beams.
第4の共振器梁を第4の共振周波数に同調させることを更に含み、前記第2の共振周波数と前記第4の共振周波数との間の周波数間隔は、0.25/W〜0.75/Wである方法であって、
前記システムは、4つの共振器梁を備える、請求項37に記載の方法。
The method further includes tuning a fourth resonator beam to a fourth resonance frequency, wherein a frequency interval between the second resonance frequency and the fourth resonance frequency is 0.25 / W to 0.75. A method that is / W,
38. The method of claim 37, wherein the system comprises four resonator beams.
別の所与の速度における前記タイヤの前記回転周期を決定すること、
2つ以上の共振器梁の共振周波数を、前記別の所与の速度における前記タイヤの前記回転周期に基づく周波数間隔を用いて同調させること
を更に含む、請求項29〜38のいずれか1項に記載の方法。
Determining the rotation period of the tire at another given speed;
39. Any one of claims 29-38, further comprising tuning the resonant frequencies of two or more resonator beams using a frequency interval based on the rotation period of the tire at the another given speed. The method described in 1.
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