JP6781275B2 - 複合シムを用いる圧電エネルギーハーベスタシステム - Google Patents

Description

本発明の背景
本発明の技術分野
本発明は、一般的に、機械的振動を電気エネルギーに変換する振動圧電エネルギーハーベスタデバイスに関し、パワーエレクトロニクス装置に関する。より詳細には、本発明は、たわみ機械バネとして機能する複合シムを含む多層圧電振動機械デバイスに関する。

関連技術の説明
共振圧電構造を使って振動エネルギーを回収することが長い間研究され公開されている。１つの構造は、“機械バネ”と呼ばれているアモルファスシムが２つの圧電層の間に挟まれているビーム構造（梁構造）であり、各圧電層は主な表面にめっきされた電極を有する。このようなバイモルフ構造が機械的に曲がると、圧電層において曲げ応力が生じ、曲げの大きさに比例する電荷が電極で作り出される。電子回路を通じて両電極を導通させることは、作り出したエネルギーの回収を可能にする。通常、このような圧電ハーベスタは、圧電材料の変形ひいては電気エネルギー出力を最大にするために振動構造の共振周波数において動作する。

一般的な圧電曲げエネルギーハーベスタは、３３−変換モード（分極は関連応力に比べ共線的に方向付けられている）又は３１−変換モード（分極方向は関連応力に直角である）で動作し、かつ、平行六面体形状を有し、かつ、統一デザインである。このようなハーベスタデバイスの一般的な構造は、自由端に取り付けられ優位方位において自由に振動できる荷重質量を有する片持ちビーム構造（すなわち一方の端を固定したビーム構造）により代表されうる。この構造は、通常、望ましい共振周波数における動作に最適化されており、エネルギー出力を最大化するためにビームの曲げ応力を増加させている。

しかし、このような構造は、デバイス領域一面の曲げ応力はコンスタントでないため性能限界がある。実際に、典型的な圧電ハーベスタ片持ちビームは、最適作動のために、一方の端が機械的に固定され、他方の端に振動質量が取り付けられている。従って、振動の間、ビームの固定領域が集中的にストレスを受け電気的エネルギーの生産に主に貢献する。一般的に振動質量が取り付けられている反対側の端は、かなり低い局所的な負荷応力のためかなり低い割合で貢献するだろう。従って、一定の振動でデバイスの電力を増加させる内在的な解決策は、デバイス信頼性と耐久性を犠牲にして固定した領域における曲げ応力レベルを最大にすることにある。

高いレベルの曲げ応力とは、ハーベスタデバイスが局所的に（固定領域に近い）とても高いデポーリング電圧と限界引張デポーリング応力に達することができることを意味する。言い換えれば、出力性能の最大化は、製品寿命と信頼性を本質的に低下させるだろう。すべての従来のエネルギーハーベスタデザインにおける性能と寿命との間の必須のトレードオフは、現在利用できる製品の最も大きな制限である。

改良された均一の応力分布を達成するために、いくつかの戦略が従来技術で開示され経験されている。それらの大部分は、その厚さを先細りにするか（US20100194240A1, WO2012107327A1）、又は側面の寸法を先細りにする(US7948153B1)ことにより、長さ寸法に沿って曲げ応力分布を微調整する幾何学的デザインを実施する。これらの参照文献では、曲げ応力分布は、方向付けられた補強材により構造を補強するか、又はビームの長さ又は幅の寸法に沿ってバイモルフ構造の厚さを変えることにより、例えば、構造厚さを先細りにすることにより、“幾何学的に”制御される。

しかし、上記の参照文献は、対象デバイスの信頼性と製造コストに影響を与える複雑な実現プロセスを必要とする。

本発明の概要
本発明では、新しい複合シムが明らかにされる。

このシムは、最適に調整された曲げ応力を有する機械バネとして機能し、さらに製造及び組立プロセスを容易にする一定性と左右対称形状を保持する。この画期的なシムはマルチモルフハーベスタデバイスの全体形状と表面形状に影響を及ぼさないので、それは標準的にコスト効率の良い製造技術との互換性を保ち、かつ、例えば、医療移植片又は構造ヘルスモニタリング（ＳＨＭ）システム用の埋め込みセンサーモジュールなどの自律小型装置内に一体化できる。

ここで記載する複数の実施形態は、振動デバイスの横（主要な変位方向に直交）の寸法に沿って剛性分布の制御を改良するために、新しいシム（ここでは「計画応力複合シム構造」又は「PS-CSS」という）と、圧電エネルギーハーベスタ（ＰＥＨ）デバイス用の構成要素とを含む。PS-CSSは、すべてのタイプの圧電材料と堆積方法（すなわちバルク、印刷したもの、堆積させたもの、エピタキシャルに成長させたもの）と互換性がある。PS-CSSは、一般的に、他の寸法（長さと幅）より小さい（好ましくはとても小さい）厚さを有し、一方の端が強固に固定され他方の端に振動質量が搭載されるか若しくは両端において固定され２つの端の間の位置に振動質量が搭載された機械的な縦長の平行六面体のビームとして成形される。いくつかの特定の形態において、PS-CSSは、その周縁が強固に固定され振動質量がその中心に搭載された円板である。

PS-CSSは、好ましくは異なる複数の材料が混合された又は組み込まれた不均一な構成で作られている。圧電材料は、好ましくはPS-CSSの主要面上に堆積させており、振動する振動質量により若しくは振動する自重により生じる垂直加速により引き起こされるPS-CSSの屈曲に応じて作用する応力に応答する。

いくつかの実施形態において、PS-CSSは不均一な構成を含み、この構成において、第１材料のピラー（柱）に成形された複数の下位構造は、第２材料のマトリックス構造の中に不規則的分布配置で組み込まれている。この複数のピラーは、円形から卵形又は方形又は三角形又は利用できる産業プロセスにより生産されうるその他の任意の断面形状まで様々な断面形状を有する。

いくつかの他の実施形態において、PS-CSSは、第１材料からなる複数の壁下位構造を含み、この複数の壁下位構造は、第２材料からなるマトリックス構造の中に交差するように方向付けられた配置で埋め込まれている。

いくつかの実施形態において、PS-CSSは、円形、方形、三角形又は他の断面形状の組み込まれた複数のピラーを含み、この複数のピラーは、ピラーの中心からそれぞれの端（すなわち、PS-CSSの主要表面と一致する外表面）に向かい徐々に変化する横断面積を有する。

図１は、カンチレバー構造を有する従来の圧電エネルギーハーベスタ（ＰＥＨ）ビームの概略図である。 図２は、両端が固定された従来のＰＥＨビームの概略断面図である。 図３は、従来構造の一方の端が固定されたＰＥＨビームにおけるビームに沿った応力のグラフであり、計画応力複合シム構造（PS-CSS）ビームと比較している。 図４は、図５に示した切断線におけるＸ−Ｙ面での本発明の一実施形態に係る例示的なＰＥＨビームの概略断面図である。 図５は、図４に示した切断線におけるＸ−Ｚ面での図４の例示的なＰＥＨビームの概略断面図である。 図６は、図７に示した切断線におけるＸ−Ｙ面での本発明の他の実施形態に係る例示的なＰＥＨビームの概略断面図である。 図７は、図６に示した切断線におけるＸ−Ｚ面での図６の例示的なＰＥＨビームの概略断面図である。 図８は、図９に示した切断線におけるＸ−Ｙ面での本発明の他の実施形態に係る例示的なＰＥＨビームの概略断面図である。 図９は、図８に示した切断線におけるＸ−Ｚ面での図８の例示的なＰＥＨビームの概略断面図である。 図１０は、図１１に示した切断線におけるＸ−Ｙ面での本発明の他の実施形態に係る例示的なＰＥＨビームの概略断面図である。 図１１は、図１０に示した切断線におけるＸ−Ｚ面での図１０の例示的なＰＥＨビームの概略断面図である。 図１２は、図１３に示した切断線におけるＸ−Ｙ面での本発明の他の実施形態に係る例示的なＰＥＨビームの概略断面図である。 図１３は、図１２に示した切断線におけるＸ−Ｚ面での図１２の例示的なＰＥＨビームの概略断面図である。 図１４は、図１５に示した切断線におけるＸ−Ｙ面での本発明の他の実施形態に係る例示的なＰＥＨビームの概略断面図である。 図１５は、図１４に示した切断線におけるＸ−Ｚ面での図１４の例示的なＰＥＨビームの概略断面図である。

本発明の例示的な実施形態の詳細な説明
本発明の目的は、デバイス動作が限界引張応力領域とならないようにした場合において回収するエネルギー量を最大にするために、ビーム長さにおけるより均一で最適な応力分布を提供することである。

ここで説明する例示的な実施形態において示している振動電気機械構造は、医療、産業、自動車、建設における活用のために、拡張周波数範囲（１Hzから１KHzまで）の範囲内の振動からエネルギーを回収するために有利に用いることができる。この構造は、たわみ機械バネとして機能する１つ又はいくつかの内部又は外部の複合材料を有する多層バイモルフ又はモノモルフの振動機械構成を含む。この構造は、ビーム（梁）であってもよく、複合的な混合した境界条件（固定された又は自由な）と内部要素断面形状（限定されないが、円形、方形、台形、卵形、正方形を含む）を有する膜であってもよい。

ハーベスタ動作モードは、３３−変換モード（分極は関連応力に比べ共線的に方向付けられている）又は３１−変換モード（分極方向は関連応力に直角である）での電気機械的変換を利用することができる。各活性層は、別々にその分極方向及び電気的接続（直列又は並列）によって積層されてもよい。

図１と図２に、従来技術において通常見られる主要な２つのタイプのマルチモルフ圧電エネルギーハーベスタ（ＰＥＨ）デバイスを示す。図１は、シム１６の対向した主要面上に取り付けられた等しい厚さの２つの圧電層１２、１４（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）など）を含む従来のＰＥＨビーム１０の概略図である。そこでは、ＰＥＨビーム１０は、第１端１８（すなわち、第１主要先端）において構造２０（すなわち、ＰＥＨビームが取り付けられている構造）に固定されており、カンチレバービームを形成している。そして、第２端２２（すなわち、反対側の第２主要先端）には、所定周波数でカンチレバーを振動させる振動質量２４が搭載されている。Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向はそれぞれビーム長さＬに沿った基準、ビーム幅Ｗに沿った基準、ビーム厚さＴに沿った基準に対応する。圧電層１２、１４は、同じ又は反対の極性配向で取り付けられ、それらの外部主要表面に電極２６、２８がめっきされている。電極２６、２８は、ハーベスタ電子回路３０に電気的に接続する。整流器（図示していない）は、回路３０により、生成した電気エネルギーを集め、蓄電ユニット（スーパーキャパシティブストレージ又はバッテリーストレージ）に集めたエネルギーを蓄えることを可能にするだろう。図２において、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は変わりがなく、ＰＥＨビーム１０は、第１端１８と第２端２２（対向する両先端）の両方において固定されている。振動質量２４は、第１端１８と第２端２２の間の等距離位置に搭載されている。

振動にさらされているとき、振動質量２４は、Ｚ軸方向に上下動し、加えられた加速力に従った振幅でＰＥＨビーム１０を曲げる（撓ませる）。ＰＥＨビームの撓みは、正反対の方法（引張り／圧縮）で圧電層１２、１４にストレスを加える。従って、正電荷と負電荷は、曲げサイクルの間にそれぞれ電極２６、２８で生じ、それらに接続したハーベスタ電子回路３０により回収されるだろう。整流器（図示していない）は、回路３０により、その極性に関わらず、生成した電気エネルギーを集め、集めたエネルギーを蓄電ユニット（キャパシタ又はバッテリー）（図示していない）に蓄えることを可能にする。

図３に、一方の先端が固定された従来構造のＰＥＨビームにおけるビームに沿った応力曲線を、固定した領域における引張応力がかなり小さくなっているのにビーム長さ全体における最大応力の向上が観測された計画応力複合シム構造（PS-CSS）ビーム（すなわち本発明によるビーム）と比較して描いている。このグラフは、マルチモルフＰＥＨデザインの範囲内でPS-CSSビームの利点を明らかにする。引張応力改良が、他の図面と説明においてより詳細に開示されている複合シム構造（ＣＳＳ）デザイン最適化によって変化することは注目される。

図４から図１７は、以下に開示される本発明の複数の実施形態を示す。すべての実施形態は、一定の厚さ（Ｚ軸）、単純形状（方形又は円形）、および複合シム構造（すなわち、PS-CSS）という共通の特徴を有する。形状と厚さの制限は、簡易化した製造プロセスとデバイスのコンパクト性により決定される。

図４、図５において、ＰＥＨビーム４０を、Ｘ−Ｙ面とＸ―Ｚ面におけるそれぞれの断面図で示している。ＰＥＨビーム４０は、金属、有機物、無機物のグループの一部であり望ましいヤング率の値（望ましくは、ダメージ無しに加えられた屈曲に耐える数１０ＧＰａから１００ＧＰａの範囲内の値）を有する第１材料でできた複合シム４２と、複合シム４２の上面上に堆積させた第１圧電層４６と、複合シム４２の下面上に堆積させた第２圧電層４８と、Ｚ軸方向に方向付けられ、複合シム４２に一方の端から他方の端にかけて位置付けるために分布した複数の独立した下位構造ピラー５０ａ−５０[ｎ]（ここで、[ｎ]は、ピラー（集合的にピラー５０と呼ばれる）の総数に対応する参照番号である）とを含む。ピラー５０は、好ましくは有機材料、無機材料又は金属材料で満たされている。ピラー５０の材料は、複合構造を実現するために第１材料と異なる材料ならばどんな種類の材料でもよい。しかし、ビーム４０に沿って先細りの剛性を供給するために、第１材料４４のヤング率と異なるヤング率を有する材料を選ぶことが好ましい。ピラー５０の材料は、等方性又は異方性であってもよく、屈曲軸に沿って１０MPaから５００GPaの間のヤング率と０．２から０．４の範囲のポアソン比とを有することができる。ピラー５０の材料は、ポリマー、金属、又は多結晶もしくは単結晶のセラミックであってもよく、例えば、酸化物、セラミック又は金属のナノ粒子又はマクロ粒子あるいは気泡などの電気的で機械的な因子が混合されていてもよい。また、タングステンなどの高密度物質は、第１材料４４に組み込まれ、外付けの組立工程なしで局所質量として機能してもよい。図４と図５の他の実施形態において、ピラー５０は空気又は不活性ガスで満たされた空洞であってもよく、それらの両端において閉ざされていてもよく、開いていてもよい。空気又は不活性ガスで満たされた空洞の場合、ピラー５０は、複合シム４２又は圧電層４６、４８のヤング率とはとても異なるヤング率を有し、このことは変形軸（Ｘ軸）に沿って先細りの剛性を有するＰＥＨビーム４０を提供するだろう。

さらに、ピラー５０は、中心からピラー５０のそれぞれの最も外側の表面まで変化する断面直径を有する円筒形状又はダブルホーンプロファイルであってもよい。ＰＥＨビーム４０は、固定されていると考えられるホスティングボディ５４中に固定された第１端５２（第１先端）と、体積を最小限にするために通常例えばタングステンなどの高密度物質でできている振動質量５８が搭載された第２端５６（反対側の先端）とを有する。図４に示したように、複数のピラー５０は、Ｘ方向又はＹ方向において見られるように異なるように配置される。実際には、Ｘ軸方向に沿って、複数のピラー５０は、直径が徐々に最大から最小にシフトするように固定されている先端（左）から振動先端（右）に渡って位置し、一方、Ｙ軸方向において、ピラー５０の直径は中心からビームの両端に渡って規則的に減少し、同じ規則がＸ軸に平行に配置された複数のピラーのすべてのラインに適用される。この配置は、変化無しに円筒形状のピラー又はホーン形状のピラーに適用できる。

図６と図７において、ＰＥＨビーム１４０は、ホスティングボディ１５４の中で第１端１５２において固定され、振動質量１５８はＰＥＨビーム１４０の第２端１５６に搭載されている。複合シム１４２は、図４と図５に関して前述した複数の材料のグループの第１材料と、Ｚ軸方向に沿って垂直に位置し、直角に交差しＸ軸角が＋／−４５度となる２つの別のグループに分けられる下位構造の壁１５０ａ−１５０ｈ（集合的に下位構造の壁１５０と呼ばれる）とを含む。下位構造の壁１５０は、壁の厚さが同じように減少するに連れて左から右へ配置される。下位構造の壁１５０は、複合材料を実現するために第１材料と異なるものであれば、どのような種類の材料であってもよい。しかし、下位構造の壁１５０の材料は、ＰＥＨビーム１４０に沿った先細り剛性特徴を提供するために第１材料と異なるヤング率を有することが望ましい。１つの実施形態において、下位構造の壁１５０の材料は、金属又は硬質構成物質と組み合わせた可塑性ポリマーであり、そしてＰＥＨビーム１４０の剛性は、左から右に向かうにつれ徐々に変化するだろう。可塑性ポリマーは、エポキシ樹脂、ポリウレタン又はシリコンゴムなどのグループに属してもよく、硬化プロセスより前に毛細管力又は真空充填により下位構造の壁１５０の中に充填してもよい。第１圧電層１４６は複合シム１４２の上部表面上に堆積し、第２圧電層１４８は複合シム４２の底表面上に堆積する。金属電極（図示していない）は、第１圧電層１４６と第２圧電層１４８の面上にめっきされ、ＰＥＨビーム１４０への電気的接続を提供する。

図８と図９において、複合シム２４２を有するＰＥＨビーム２４０は、図４及び図５のＰＥＨビーム４０に類似したものを開示している、しかし、下位ピラー２５０ａ―２５０[ｎ] （ここで、[ｎ]は、ピラー（集合的にピラー２５０と呼ばれる）の総数に対応する参照番号である）は、ピラーの直径が徐々に減少しながら左から右へ配置されている。ＰＥＨビーム２４０の左端２５２（すなわち左先端）は、ホスティングボディ２５４に固定されており、右端２５６（すなわち右先端）には振動質量２５８が搭載されている。複数のピラー２５０はＸ軸に沿って配置されており、複合シム２４２に先細りの剛性を提供する。複数のピラー２５０はＹ軸に平行な複数のラインＬ_n（ここでｎ＝１から左から右へのラインの数である）に沿って配置され、ラインＬ_n-1の複数のピラーは、ラインＬ_nの複数のピラーよりも直径が大きいなどである。有利には、ラインＬ_n-1は、複合シム２４２の表面においてピラー２５０の密度が増加するように配置されてもよい。ピラー２５０用及び複合シム２４２用の材料は、ＰＥＨビーム２４０への望ましい先細り剛性を達成するために、十分に異なるヤング率（１：１０以上のオーダーが望ましい）を有する。

図１０、図１１において、複合シム３４２を有するＰＥＨビーム３４０は、図４と図５のＰＥＨビーム４０に類似したものを開示している、しかし、下位構造ピラー３５０ａ−３５０[ｎ]（ここで、[ｎ]は、ピラー（集合的にピラー３５０と呼ばれる）の総数に対応する参照番号である）は、Ｘ−Ｚ面（図１１）の断面において方形となり、Ｘ−Ｙ面（図１０）の断面において三角形となり、一番上から一番下までＸ軸に平行な等距離のラインＬ_1-nに配置されており、連続したラインＬ_jとＬ_kに属する複数のピラー３５０は、ヘッドトゥテールとなるように方向付けられてもよい。この構造は、複合シム３４２の表面の一面においてピラーの高い密度を可能にする。複合シム３４２の材料（すなわち第１材料）とピラー３５０の材料は、図４と図５の実施形態に関して記載されている複合シム４２に関して開示されたものと同じ特徴を有する。

図４から図１１に関して上述した実施形態は、振動数又は振幅に従って、ホスティングボディに固定された一方の端と振動質量が搭載された他方の端とを有するＰＥＨビームシステムに関連している。例示的な複合シム構造の記載は、理解するために提供され、図面はスケールを有していない。複数の実施形態は、例示的であり、本発明を限定するものではない。ピラー断面は、ここでは、簡単に理解するために、円形、方形（壁）又は三角形として上で示し、本発明はその原則が他のどのような一定の又は一定でないピラー断面に変化無しに適用されうる。

図１２と図１３は、本発明の他の実施形態を示し、ここでは、ＰＥＨビーム４４０は、図示したように、振動質量４５８の位置に対して対称的に固定されている。ＰＥＨビーム４４０は、図４から図１１に関して記載した複数の実施形態に基づくが、ホスティングボディ４５４中に固定されている２つの端４５２、４５６（すなわち両先端）から等距離であるＰＥＨビーム４４０の中央に搭載されている振動質量４５８を有する。従って、ＰＥＨビーム４０は、振動質量４５８により分けられた２つの離れたセクションに分かれ、対称的なシステムを形成している。図示したように、ＰＥＨビーム４４０の左半分と右半分は、それぞれ左複合シム４４２ａと右複合シム４４２ｂを構成し、これらは好ましくは構造配置と剛性分布に関して対称的で同等である。左複合シム４４２ａと右複合シム４４２ｂは、図４から図１１の実施形態に関して記載したような複合構造を、同じ種類のピラー、材料及び配置で対称的に適用されるように複数有する。図１２と図１３は、図４と図５の実施形態に関するピラー５０の配置と同じようなピラー４５０の配置を有する左複合シム４４２ａと右複合シム４４２ｂを示している。従って、図４と図５の実施形態に関するピラー断面、充填材料、配置のすべての記載は、図１２と図１３の実施形態に制限なく適用することができる。

図１４と図１５において、円板形のＰＥＨビーム５４０は、その外周において全体的にホスティングボディ５５４に固定されている。ＰＥＨビーム５４０の中心は、ＰＥＨビーム５４０の外周から等距離となるように設計されている円形の振動質量５５８によって占められている。複合シム５４２は、外周と振動質量５５８の外径との間の環帯（アニュラス）を占める。ピラー５５０ａ―５５０[ｎ] （ここで、[ｎ]は、ピラー（集合的にピラー５５０と呼ばれる）の総数に対応する参照番号である）は、規則的に分布しＺ軸で位置合わせされた外周から中心への複数の同心円上に配置される。ピラー５５０の直径は、外側の円から中心側の円に向けて減少する。しかし、ピラー５５０の直径は、複合シム５４２の所望の剛性機能に応じて、外側の円から中心側の円に向けて増加してもよい。図１４と図１５では、例として円形断面のピラー５５０を簡潔化のために示すが、当業者は、ここで開示した本発明の範囲の変化無しにピラー断面はどのような形状でもよく、ピラー形状はまっすぐでもよく曲がっていてもよいことがわかるだろう。複合シム５４２の構造と材料（すなわち、第１材料とピラー５５０の材料）は、図４から図１１の実施形態に関して記載した複合シム４２、１４２、２４２、３４２に関して開示されたものと同じ特徴を有してもよい。さらに、ＰＥＨビーム５４０の円形は実現の一例として提供されるが、ＰＥＨビーム５４０は、他の卵形又は多角形であってもよい。

例示的な複合シムとしてここまでで開示したような複合材料は、異なる材料の組み合わせをうまく利用する機会及び専用の機械機能（ここでは所定の厚さのＸ軸とＹ軸の両方において展開する調節可能なたわみバネ）のため、得られる複合部品を理想的に形作るための新しい自由度として材料分布を加えることを提供する。この複合シムは、複数の貫通孔を作るために機械的に又は化学的に処理された第１材料を含み、この複数の貫通孔は、複数のピラーを形成するために１つの又はいくつかの他の材料で充填されていてもよく、充填されていなくてもよい（空気又は真空）。複数のピラーは、多くの複合パターンで構成される。

図４から図１５は、２つ以上の材料が組み合わされた複合シムのパターンを示す。基本的な目的は、一定の形状を保って固定端から自由端に向かって徐々に曲げ剛性を減少させることである。このことは、異なる形状（方形、三角形、円形、溝又は複合形状）とサイズ（ナノサイズの孔隙から大きな穴）の堅いフレームの中へより柔らかい材料を充填組み込みにより挿入することによって行うことができる。これらの複雑な組み込みは、例えば、レーザダイシング、メカニカルダイシング、レーザ穴あけ、メカニカル穴あけ、ドライエッチング又はウェットエッチングによる孔隙の形成、フォト浸食、イオンビームエッチング、電子浸食などの異なる処理アプローチにより、又は３Ｄ印刷、エピタキシーなどの追加の技術を使って行われる。

挿入される材料によって、例えば、圧縮成形、注入、テープ成形、スクリーン印刷、無電解、ＤＣ又はＲＦマグネトロンスパッタリング、ＣＶＤ、ＰＶＤ（ＰＥＣＶＤとＬＰＣＶＤ）析出技術（裏面研削又はＣＭＰ（化学機械研磨）との組み合わせ）などの異なる充填技術が使われる。本発明の複合シムを製造するこれらの方法は、本発明を限定しない適用例の目的で提供される。

Claims (11)

1. 厚さ寸法が幅寸法及び長さ寸法より小さい形状を有する複合シムと、
   システムを周囲の振動共振に機械的に適合させるために前記複合シムに搭載された振動質量と、
   前記複合シム上に積層された１つ以上の圧電層と、
   ハーベスタ電子回路、電池又はスーパーキャパシタに接続するため前記１つ以上の圧電層上にめっきされた電極とを備え、
   前記複合シムの端の領域は、機械的に固定され、
   前記複合シムは、前記複合シムに埋め込まれた複数のピラー又は複数の壁を備え、
   複数のピラー又は複数の壁は、厚さ寸法方向に配向しており、
   複数のピラー又は複数の壁は、固定された領域において発生する応力が小さくなるように前記複合シムにおけるその位置に基づいてサイズが異なる直径又は幅を有し、長さ寸法及び幅寸法に沿って剛性分布の制御する圧電エネルギーハーベスタシステム。
2. 前記複合シムは、平行六面体形状を有し、かつ、前記固定された領域から前記振動質量に向かって徐々に減少する剛性を有し、
   前記振動質量は、前記固定された領域とは反対側の端に搭載され、
   複数のピラーは、前記複合シムにおけるその位置に基づいてサイズが異なる直径を有する請求項１に記載の圧電エネルギーハーベスタシステム。
3. 複数のピラーの直径は、前記複合シムの固定された領域から前記振動質量に向かって最大から最小に徐々にシフトし、かつ、前記複合シムの中心から前記複合シムの両側端に向かって規則的に減少する請求項２に記載の圧電エネルギーハーベスタシステム。
4. 前記複数のピラーは、前記複合シムの前記幅寸法における軸に平行な複数のライン上に配置されている請求項２に記載の圧電エネルギーハーベスタシステム。
5. 前記複合シムは、第１材料を備え、
   前記複数のピラーは、第１材料とは異なる材料を備える請求項２に記載の圧電エネルギーハーベスタシステム。
6. 前記複合シムは、平行六面体形状を有し、かつ、固定された領域において発生する機械的制約を最小限にするために１つの先端から他の先端に向けて変わる剛性を有し、
   前記振動質量は、前記固定された領域とは反対側の端に搭載され、
   複数のピラーは、前記複合シムにおけるその位置に応じてサイズが異なる三角形の断面を有する請求項１に記載の圧電エネルギーハーベスタシステム。
7. 前記複合シムは、第１材料を備え、
   前記複数のピラーは、第１材料とは異なる材料を備える請求項６に記載の圧電エネルギーハーベスタシステム。
8. 前記複合シムは、平行六面体形状を有し、かつ、固定された領域において発生する機械的制約を最小限にするために１つの先端から他の先端に向けて変わる剛性を有し、
   前記振動質量は、前記固定された領域とは反対側の端に搭載され、
   複数の壁は、前記厚さ寸法における軸に平行に配置され、かつ、前記幅寸法における軸及び前記長さ寸法における軸と角度を作り、
   複数の壁は、前記複合シムにおけるその位置に基づいてサイズが異なる幅を有する請求項１に記載の圧電エネルギーハーベスタシステム。
9. 前記複合シムは、第１材料を備え、
   前記複数の壁は、第１材料とは異なる材料を備える請求項８に記載の圧電エネルギーハーベスタシステム。
10. 前記複合シムは、大きいほう及び小さいほうの寸法よりも厚さ寸法が小さい円形又は卵形を有し、かつ、前記固定された領域から前記振動質量に向かって徐々に減少する剛性を有し、
    前記振動質量は、前記複合シムの重心に搭載され、
    複数のピラーは、前記複合シムにおけるその位置に基づいてサイズが異なる直径又は幅を有する請求項１に記載の圧電エネルギーハーベスタシステム。
11. 前記複合シムは、平行六面体形状を有し、かつ、２つの端を含み、かつ、前記２つの端のそれぞれにおける領域が固定され、かつ、固定された領域のそれぞれから前記振動質量に向かって徐々に減少する剛性を有し、
    前記振動質量は、前記複合シムの中央に搭載され、
    複数のピラーは、前記複合シムにおけるその位置に基づいてサイズが異なる直径又は幅を有する請求項１に記載の圧電エネルギーハーベスタシステム。