JP5750439B2 - 圧電磁歪デバイス - Google Patents

Description

（関連出願の引用）
本願は、２００９年７月２日に出願された米国仮特許出願第６１／２７０，０８０号に基づくものであり、該米国仮特許出願の利益を主張するものである。

（発明の背景）
本願発明は、電子デバイスに電力供給するためのスタンドアローンの発電デバイスとして適した圧電磁歪デバイス（ｐｉｅｚｏ ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ ｄｅｖｉｃｅ）、または、例えば回転数、速度または空気圧等のタイヤの様々な機能を監視するために利用され得るタイプの無線周波数識別デバイス（ＲＦＩＤ）のコンポーネントとして適した圧電磁歪デバイスに関する。タイヤとともに用いるＲＦＩＤデバイスの使用を示す特許は、本発明者の特許文献１を含む。ＲＦＩＤデバイスを含むその他のデバイスであって、タイヤに関する様々な機能を監視するためのタイヤ構造の表面またはタイヤ構造内に組み込まれ得るその他のデバイスは、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８を含む。これらの特許に含まれる開示は、本明細書において参照により援用される。

米国特許第７，５０４，９４７号明細書 米国特許第５，５６２，７８７号明細書 米国特許第５，７４１，９６６号明細書 米国特許第６，０６２，０７２号明細書 米国特許第６，８５６，２４５号明細書 米国特許第６，８９７，７７０号明細書 米国特許第７，００９，５７６号明細書 米国特許第７，１８６，３０８号明細書

（発明の概要）
本発明は、穴の配列を有する圧電構造を有するデバイスに関し、穴のうちの少なくとも一部は、例えば磁歪材料等の応力生成化合物または歪み生成化合物によって充填される。磁歪材料が磁化の変化にさらされた場合、該磁歪材料は、形状の変化を受け、その結果、圧電構造の穴内の磁歪が、圧電材料に対して伸張または歪みを付与し、これにより、電力の生成を提供する。

本発明の目的および利点は、以下に示す好ましい実施形態の詳細な記載および添付の図面を検討した場合に当業者に理解され得る。

図１は、本発明の圧電磁歪デバイスの平面図である。 図２は、図１の一部分の拡大図であり、圧電シート内の穴の整列の一形態を示している。 図３は、図１のデバイスを通るようにとられた断面図である。 図４は、改変された実施形態の図２に類似した図であり、圧電シート内の互い違いになった穴の行列を示している。

図１および図３を参照すると、本発明の圧電磁歪デバイス１０が示されている。デバイスは、圧電材料のシート１２を含み、該圧電材料としては、例えば石英、トパーズ、蔗糖、ロッシェル塩、人工水晶等の圧電材料、例えばランガサイト、チタン酸バリウム等のパワーセラミックス、またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の重合体などである。シート１２の長さまたは幅に対する形状または特定のサイズの要件は存在しない。しかしながら、０．１〜２００ミリメートル（ｍｍ）の長さ、０．１〜２００ｍｍの幅であることが好ましい。圧電シート１２の厚さは、０．００５〜１．０ｍｍの範囲であり得る。

周知のとおり、圧電材料は、適用された機械的応力にさらされた場合に、電位を生成する能力がある。圧電材料のこの性質を活用して、シート１２内に穴１４の配列が形成され、これらの穴は、磁歪材料によって充填され、磁歪材料は、磁気的エネルギーの変化にさらされた際に長さまたは幅の変化を示すことにより、磁気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する。磁歪材料は、コバルト、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ、商標名Ｇａｌｆｅｎｏｌの鉄ガリウム合金、ＮｉＭｎＧａ等の合金を含み得る。さらに具体的に設計された鉄流体が、デバイス内に応力を含めるように利用され得る。図１は、長手方向の縁部および１つの横方向の縁部のみに沿った穴１４を示しているが、穴１４は、図２に示されているパターンまたは図４に示されているパターンのいずれかでシート１２の実質的に全体にわたり得る。

上述したように、圧電材料は、適用された機械的応力に応答して電位を生成する性質を有する。本発明に従うと、上述した材料または類似の性質を有するその他の材料等の磁歪材料を穴１４内に配置することにより、機械的歪み等が圧電シート１２に選択的に付与され得る。

図２の実施形態のもとで、任意の形状またはサイズであり得る穴１４は、整列された行列内に配置され、その結果、中断を伴わずに、長さ方向に延びる全ての穴１４が複数の整列された直線の列のうちの１つの列内に存在し、かつ、横方向に延びる全ての穴１４もまた横方向に延びる整列された一連の直線の列のうちの１つの列内に存在する。穴１４は、１ナノメートル程度に小さいものであり得、所望に応じて大きいものであり得る。穴１４の整列された列の間の空間は、中断を伴わずに、直線経路上でシート１２の長さ方向および横方向の両方に延びる。長手方向に整列された穴１４の間の空間は、数字１６によって示されており、横方向に整列された穴１４の間の空間は、数字１８によって示されている。

図２の実施形態とは対照的に、図４においては、改変された実施形態が示されており、同実施形態においては、穴１４の列は、シート１２の横方向に延びている穴の列に関して互い違いになった行列を有する。このようにして、図４に明確に見ることができるように、穴１４Ａは、第１の組の横方向に延びる列を規定し、該第１の組の横方向に延びる列は、互いに平行であり、かつ、互いに離間されている。第２の組の穴１４Ｂは、第２の組の横方向の列を規定し、該第２の組の横方向の列は、互いに平行であり、かつ、互いに離間されているが、穴１４によって形成される第１の横方向の列からずれている。

穴１４Ａの間の横方向の空間は、数字１８Ａによって示されており、穴１４Ｂの間の横方向の空間は、数字１８Ｂによって示されている。図４の実施形態の互い違いになった行列の穴１４Ａ、１４Ｂを配置することの結果として、空間１８Ａ、１８Ｂは、横方向の中断されない列（ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ ｒｏｗ）を提供しない。このようにして、本実施形態において、穴１４Ａは、空間１８Ｂの列を中断し、穴１４Ｂは、空間１８Ａの列を中断する。

穴１４Ａの長手方向の列と穴１４Ｂの長手方向の列との間の長手方向の空間１６の列は、中断されない。

磁歪材料は、穴１４の一部または全体に配置され、これには、図４の互い違いになった行列の場合において、穴１４Ａ、１４Ｂの両組を含む。穴１４内に磁歪材料を有する圧電シート１２のデバイス１０は、その磁化状態の変化にさらされ、穴１４内の磁歪材料は、形状の変化を受け、これにより、歪みが圧電シート１２に伸張を付与し、これにより、デバイス１０に電力生成を提供することになる。

図１に示されているように、電極２０が、圧電シート１２の対向端部上に搭載される。

シート１２の少なくとも一部の領域において、穴１４によって示されているようにシート全体にわたって延びる穴を有するよりもむしろ、シート１２の厚さの一部を通るように延びる窪みが存在し得ることもまた、本発明の想定内である。このような窪みの一部または全体は、磁歪材料によって充填され得る。

圧電シート１２は、長方形の形状で図１に示されているが、例えば円形または楕円形等の任意の様々な形状を有し得る。

磁歪材料の特定の形成におけるバリエーションは、デバイス１０の性能のキャパシティを変化および／または最大化させるために利用され得る。共振周波数のチューニングは、このような形成を変化させること、ならびに、穴のサイズ、穴の形状または穴の密度を変化させることにより、影響され得る。

さらに、図４に示されているような穴の配置の互い違いになった行列は、図２の整列された行列とは異なる性能特性を提供し得る。従って、行列の上述したバリエーション、すなわち穴のサイズ、穴の形状、穴の密度のバリエーションにより、複数の性能特性のうちの任意のものを有するようにデバイスを仕立てることが可能である。

図２に見ることができるように、穴１４の整列された行列は、磁化の変化および矢印Ｎによって示される方向からの磁場に対する露出の際に、穴１４内に含まれる磁歪材料の伸張を提供し、これにより、穴１４の列の間の横方向の空間１８内の文字「Ａ」によって表される領域内のシート１２の圧電材料に対する機械的伸張を誘導する。同様に、穴１４の 整列された行列は、穴１４の列の間の縦方向の空間１８内の文字「Ｂ」によって表される 領域内のシート１２の圧電材料に対する機械的圧縮力を誘導する。

図４の互い違いになった行列の場合、長手方向に延びる列１４Ａ、１４Ｂの間の空間１６は、穴１４内の磁歪材料の方向Ｎからの変化に起因して、文字「Ｃ」によって示される領域内の伸張を示す。しかしながら、図２の穴の整列とは対照的に、図４の互い違いになった行列においては、穴１４Ａの間の間の空間１８Ａは、非整列状態にある、または、開口１４Ｂの間の空間１８Ｂの横方向の配列の外部にある。矢印Ｎによって示される方向からの磁場を仮定した場合、図４において「Ｃ」で示された領域内の空間は、伸張され得、そして、「Ｄ」で示された領域内の空間は、圧縮され得る。

容易に理解され得るように、図４に示されている実施形態は、穴の隣接列が互いに対して横方向に整列されるように、穴１４Ａ、１４Ｂを配置することを示しているが、穴１４の長さ方向の列もまた穴の隣接列と整列されないことは、本発明の想定内である。

磁歪材料およびその化合物のバリエーションは、特定の用途または所望の性能能力に依存して、デバイス１０に対する特性を変化させる結果につながる。デバイス１０の共振周波数をチューニングすることは、圧電シート１２に対する材料および／または磁歪材料を変化させること、穴１４のサイズおよび／または形状を変化させること、穴１４の密度またはその他の配置を変化させることにより達成され得る。

本発明の上述した詳細な実施形態は、例示目的のために与えられている。多くの変更および改変が本発明の範囲を逸脱することなく行われ得ることが、当業者には理解され得る。従って、上述した記載の全体は、例示的な意味で想定され、限定的な意味で想定されるべきではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲のみによって規定されるべきである。

Claims (22)

1. 発電デバイスであって、
   （ａ）機械的歪みにさらされた場合に電場を生成する能力を有する圧電材料のシートであって、該シートは、０．００５〜１．０ｍｍの範囲の厚さを有し、
   （ｉ）第１の表面およびそこから離間され、かつ、それに対して実質的に平行な第２の表面と、
   （ｉｉ）該第１の表面から該第２の表面に向かって延びている複数の窪みまたは穴であって、該複数の窪みまたは穴は、四角形であり、
   （Ａ）複数の列であって、それぞれが、第１の方向における直線経路において延びており、かつ、該第１の方向に延びている各隣接列に平行であり、該第１の方向の列は、複数の平行に整列された空間を規定する各隣接列から離間されている、複数の列と、
   （Ｂ）複数の列であって、それぞれが、該第１の方向に実質的に垂直な第２の方向に延びている、複数の列とに配置されている、複数の窪みまたは穴と
   を有する、圧電材料のシートと、
   （ｂ）該複数の窪みまたは穴の少なくとも一部に配置された磁歪材料と
   を含む、発電デバイス。
2. 前記第２の方向に延びている前記複数の列のそれぞれは、該第２の方向に延びている各隣接列から離間されている、請求項１に記載の発電デバイス。
3. 前記第２の方向に延びている前記複数の列は、前記窪みまたは穴が互い違いに配置された行列からなる、請求項１に記載の発電デバイス。
4. 前記第２の方向に延びている隣接する列を規定する複数の窪みまたは穴は、前記第１の方向に延びている複数の列の互い違いになった列に配置されている、請求項３に記載の発電デバイス。
5. 発電デバイスであって、
   （ａ）機械的歪みにさらされた場合に電場を生成する能力を有する圧電材料のシートであって、該シートは、０．００５〜１．０ｍｍの範囲の厚さを有し、
   （ｉ）第１の表面およびそこから離間され、かつ、それに対して実質的に平行な第２
   の表面と、
   （ｉｉ）該第１の表面から該第２の表面に向かって延びている複数の窪みまたは穴と、
   （ｉｉｉ）第１の長手方向の縁部および第２の長手方向の縁部と、
   （ｉｖ）第１の端縁部および第２の端縁部であって、両組の端部は、該第１の表面から該第２の表面まで延びており、該複数の窪みまたは穴は、四角形であり、
   （Ａ）複数の長手方向の列であって、それぞれが、該長手方向の縁部に実質的に平行な直線において延びており、該長手方向の列は、隣接する長手方向の列のそれぞれから離間されており、複数の平行に整列された空間を規定しており、該平行な整列された空間は、該長手方向の縁部に対して平行である、複数の長手方向の列と、
   （Ｂ）複数の横方向の列であって、それぞれが、互いに平行な直線経路において延びている、複数の横方向の列と
   に配置されている、第１の端縁部および第２の端縁部と
   を有する、圧電材料のシートと、
   （ｂ）該複数の窪みまたは穴の少なくとも一部に配置された磁歪材料と
   を含む、発電デバイス。
6. 前記複数の横方向の列のそれぞれは、横方向の隣接列のそれぞれから離間されている、請求項５に記載の発電デバイス。
7. 前記第２の長手方向に延びている前記複数の列は、前記窪みまたは穴が互い違いに配置された行列からなる、請求項５に記載の発電デバイス。
8. 複数の隣接する横方向の列を規定する前記複数の窪みまたは穴は、前記複数の長手方向の列の互い違いになった列に配置されている、請求項７に記載の発電デバイス。
9. 発電デバイスであって、
   （ａ）機械的歪みにさらされた場合に電場を生成する能力を有する圧電材料のシートであって、該シートは、０．００５〜１．０ｍｍの範囲の厚さを有し、
   （ｉ）第１の表面およびそこから離間され、かつ、それに対して実質的に平行な第２の表面と、
   （ｉｉ）該第１の表面から該第２の表面に向かって延びている複数の窪みまたは穴であって、該複数の窪みまたは穴は、四角形であり、
   （Ａ）複数の列であって、それぞれが、第１の方向における直線経路において延びており、かつ、該第１の方向に延びている各隣接列に平行である、複数の列と、
   （Ｂ）複数の列であって、それぞれが、該第１の方向に実質的に垂直な第２の方向に延びている、複数の列と
   に配置されている、複数の窪みまたは穴と
   を有する、圧電材料のシートと、
   （ｂ）該複数の窪みまたは穴の少なくとも一部に配置された磁歪材料と
   を含む、発電デバイス。
10. 前記第１の方向の複数の列は、各隣接列から離間されることにより、複数の平行に整列された空間を規定している、請求項９に記載の発電デバイス。
11. 前記第２の方向に延びている前記複数の列のそれぞれは、前記第２の方向に延びている各隣接列から離間されることにより、前記第２の方向に延びている複数の平行な空間を規定している、請求項１０に記載の発電デバイス。
12. 前記第１の方向に延びている前記複数の列は、前記窪みまたは穴が互い違いに配置され
    た行列からなる、請求項９に記載の発電デバイス。
13. 前記第２の方向に延びている前記複数の列は、前記窪みまたは穴が互い違いに配置された行列からなる、請求項１２に記載の発電デバイス。
14. 発電デバイスの製造方法であって、
    （ａ）機械的歪みにさらされた場合に電場を生成する能力を有する圧電材料のシートを提供するステップであって、該シートは、０．００５〜１．０ｍｍの範囲の厚さを有し、第１の表面およびそこから離間され、かつ、それに対して実質的に平行な第２の表面を有する、ステップと、
    （ｂ）第１の表面から第２の表面まで延びている該シート内に複数の窪みまたは穴を形成するステップであって、該複数の窪みまたは穴は、四角形であり、
    （ｉ）複数の列であって、それぞれが、第１の方向における直線経路において延びており、かつ、該第１の方向に延びている各隣接列に平行である、複数の列と、
    （ｉｉ）複数の列であって、それぞれが、該第１の方向に対して実質的に垂直な第２の方向に延びている、複数の列と
    に配置されている、ステップと、
    （ｃ）該複数の窪みまたは穴の少なくとも一部に磁歪材料を配置するステップと、
    （ｄ）ステップ（ｃ）に記載の配置の時点で磁場が存在する場合に、該磁場とは異なる磁場に該圧電材料のシートおよび該磁歪材料をさらすステップと
    を含む、発電デバイスの製造方法。
15. 前記複数の窪みまたは穴を配置するステップであって、前記第１の方向に延びている該複数の窪みまたは穴のそれぞれが、各隣接列から離間されることにより、複数の平行に整列された空間を規定する、ステップをさらに含む、請求項１４に記載の発電デバイスの製造方法。
16. 前記複数の窪みまたは穴を配置するステップであって、前記第２の方向に延びている前記複数の列のそれぞれが、前記第２の方向に延びている各隣接列から離間される、ステップをさらに含む、請求項１５に記載の発電デバイスの製造方法。
17. 前記複数の窪みまたは穴を配置するステップであって、前記第２の方向に延びている前記複数の列は、前記窪みまたは穴が互い違いに配置された行列からなる、ステップをさらに含む、請求項１５に記載の発電デバイスの製造方法。
18. 前記複数の窪みまたは穴を配置するステップであって、前記第１の方向に延びている前記複数の列は、前記窪みまたは穴が互い違いに配置された行列からなる、請求項１４に記載の発電デバイスの製造方法。
19. 前記発電デバイスの共振周波数をチューニングするステップを更に含み、当該ステップは、用途または性能能力に応じて、前記窪みまたは穴の密度を変更するステップを含む、請求項１４に記載の発電デバイスの製造方法。
20. 前記発電デバイスの共振周波数をチューニングするステップを更に含み、当該ステップは、用途または性能能力に応じて、前記磁歪材料が配置された、前記窪みまたは穴の数を変更するステップを含む、請求項１４に記載の発電デバイスの製造方法。
21. 前記発電デバイスの共振周波数をチューニングするステップを更に含み、当該ステップは、用途または性能能力に応じて、前記圧電材料のシートの材料を変更するステップを含む、請求項１４に記載の発電デバイスの製造方法。
22. 前記発電デバイスの共振周波数をチューニングするステップを更に含み、当該ステップは、用途または性能能力に応じて、前記窪みまたは穴に充填される磁歪材料を変更するステップを含む、請求項１４に記載の発電デバイスの製造方法。

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