JP7045673B2 - 圧電エネルギーハーベスティング曲げ構造及びその製造方法 - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、2017年7月5日に出願された米国仮出願第62 / 528,886号および2017年7月13日に出願された米国仮出願第62 / 532,195号の利益を主張するものである。

技術分野
本発明は、周囲の機械的振動または動きを利用して電気エネルギーを生成するための圧電カンチレバー構造に関する。この圧電カンチレバーは、センサー、電子回路または電子システムなどの電気システムに電力を供給するために、エネルギーハーベスティング作用を最適化するための電子動力管理回路に関連して使用できる。

エネルギー供給源においてバッテリーと寿命制限なしで電気エネルギーを生成することは、現在の環境問題に対応するための電子機器の課題の１つである。したがって、エネルギーハーベスティングシステムは、バッテリー代替についての最も関連するソリューションの１つである。圧電カンチレバーバイモルフビーム/構造を利用して周囲の振動エネルギーを集めること（ハーベスティングすること）は、長い間研究されプロトタイプが製造されてきた。図１は、従来技術を表し、アンカーまたはアンカーモジュール２内にしっかりと固定されている典型的なバイモルフカンチレバービーム１の側面図である。アンカーモジュール２内に収容されているカンチレバービーム１の部分は、カンチレバービーム１の「固定された領域」として定義でき、アンカーモジュール２の外側のカンチレバービーム１の部分は、自由長または「曲げ領域」として定義できる。通常、カンチレバービーム１は振動質量３の近くのその自由端で終端され、振動質量３はシステムに望ましい共振周波数を提供するために選択される。このようなシステムの共振周波数は、主にカンチレバービーム１の剛性と、カンチレバービーム１の先端に取り付けられた振動質量３とで決まる。カンチレバービーム１の剛性は、使用する材料の弾性定数と、曲げ領域におけるカンチレバービーム１の長さ及び厚さとに依存する。

多くの場合、これらの構造は、デバイスの効率を最大化するための多層構造を示す。カンチレバーバイモルフビームの最も一般的なデザインは、一般に、電極がめっきされた２つの圧電層の間に挟まれたアモルファスシム層（コア）を含み、オプションでビームの端に振動質量が取り付けられている。カンチレバービームは、振動質量が取り付けられている端とは反対側の一方の端でしっかりと支持されている。振動にさらされると、カンチレバービームが規則的に揺れ、その先端が特定の振幅で振動する。この動作中、圧電層に内部歪みが生成され、そして内在的に発生する電荷は、電子動力管理回路で２つの圧電層を接続することにより集められる。

振動に強く応答すると、カンチレバービームの原理により、圧電層内およびカンチレバービームに沿って機械的歪みが発生し、電荷が生成される。ただし、ひずみレベルはビームの長軸に規則的に分散されておらず、最大のひずみはカンチレバービームとアンカーモジュール間の接合界面に生じる。そのため、圧電カンチレバービームは、多くの場合、中心層と外層で構成され、これらの層は、構造がビームの主面に直交する方向に曲げられた場合に異なる機械的ストレスにさらされる。厚さ断面におけるビームのシムの対称軸に対応する中心線は、理論的には機械的ストレスを生成せず、ビームの中立軸またはファイバと呼ばれる。また、対向した面に取り付けられ中立軸から離れた他の層には中立軸を隔てる距離に比例してストレスがかかる。さらに、カンチレバービームがアンカーモジュールに埋め込まれている領域は曲がることがなく、カンチレバービームとアンカーモジュールによって決まる外部接合界面は、強いストレスが生じうる領域である。これにより、カンチレバービームの構造の機械的制約が指数関数的に上昇する。この領域で観察される非常に高いストレスは、デバイスの信頼性または平均故障間隔（MTBF）に劇的に影響を与える材料の微小亀裂または層間剥離を伴うビームの損傷の原因となる。

これまで、信頼性およびロバスト性を改善するために、圧電バイモルフカンチレバービームについていくつかの最適化が開示されている。ベナシュッティＤ（Benasciutti D.）らの出版物（最適化された形状の圧電バイモルフによる振動エネルギースカベンジング、マイクロシストテクノロ（Microsyst Technol）、2010、pp. 657-668）、及びデフォアスューＭ（Defosseux, M.）らの出版物（圧電振動エネルギーハーベスティングのさまざまなビーム形状の比較、プロシーディングオブパワーＭＥＭＳ２０１０）においてデザインのいくつかの例が開示されており、ここでは、可変幅のカンチレバーが研究されテストされている。ベナシュッティ（Benasciutt）とデフォアスュー（Defosseux）によって提案されたソリューションは、ビームの形状を変更しており、形状が制約される一部のアプリケーションでは機能しない場合がある。セディックＢＡ（Seddik, B. A）らによる別の開示US 2013/0342075では、中間シム層の厚さが変化することにより、固定側のストレスが減少し、一定の厚さの構造と比較してよりよいストレスの分布が得られる。残念なことに、このようなシムを作製することは一般的なプロセスではなく、特定のツールを必要とし、シムの厚さの変化を正確に制御する必要がある。

上述の説明を考慮すると、上述の欠点を克服する圧電カンチレバービームのより良いデザインが明らかに必要である。

本発明の概要
本発明の目的は、固定界面で発生する機械的制約およびストレスを制御するために、圧電バイモルフカンチレバービームの新しいデザインおよび関連する製造方法を提供し、それにより動作中の圧電バイモルフカンチレバービームのロバスト性および耐久性を高めることである。構成している複数の層が、同じ厚さを有し、かつ、中立軸またはファイバを対称軸として対称に配置されている圧電バイモルフカンチレバービームの共通構造から、本発明の圧電バイモルフカンチレバービームは、圧電バイモルフカンチレバービームの主面を覆うように設けられたビーム補強部又はビーム補強材を備え、ビーム補強部又はビーム補強材は固定界面から前記ビームの反対側の端に向かってその引張強度が変化する。

ビーム補強材の存在は、固定界面からビームの反対側の端部に向けて機械的ストレスを徐々に分散させる作用により、ビームの固定界面でのストレスを最小化する。このストレス低減は、固定界面での疲労を軽減するため、動作中のハーベスタの寿命を延ばす。

ある実施形態では、ビーム補強材がビームの各面に設けられ、ビーム補強材の引張強度の変化は、その厚さを変えることにより得られる。さらに、厚さの変化がビーム長に平行な座標関数として定義され、最適にデザインされている場合、ビームの最大ストレスは仕様に合わせて調整できる。このような場合、固定界面におけるストレスの減少は、このシステム（ビーム+アンカーモジュール）の全体的な発電出力に影響しない。本発明の第１実施形態の製造および実現の方法を容易にするために、同じ材料で構成された補強材の様々な長さの多重の複数層を使用することによりビーム補強材の変化する厚さを実現できる。各層の長さが適切にデザインされている場合、そのようにして得られた多層構造全体は、変化する厚さを有するビーム補強材と近似することができる。これらの複数の層の厚さと数がこの近似の精度を左右する。極度に単純化すると、１つのレイヤーのみとみなすことができる。

他のある実施形態では、補強材の引張強度の変化は、剛性が変化する複数の層を使ってビーム補強材の材料組成を変えること、材料に複数の穴を開けて複数の層を構造化すること、又はビーム補強材の複数の層の内部に１つまたは複数の材料の内包物を設けることにより得られる。得られる剛性に応じて多くの異なる形状と組成を適用でき、異なる引張特性の材料で複数の穴を埋めることができる。

さらに他の実施形態では、バイモルフ構造の層厚、特に外層の層厚は、ビーム長に平行な座標に沿って変化し得る。

本明細書の実施形態は、図解のための添付の図面と説明図と共に以下に説明され、特許請求の範囲を限定するものではない。
図１は、従来技術で一般的に知られている典型的なバイモルフカンチレバービームの断面図である。 図２は、２つの圧電層の間に挟まれたシムを有する圧電バイモルフカンチレバービームの断面図である。 図３は、カンチレバービームシステムで使用されるそれぞれの方向の説明図である。 図４は、本発明に従って作製された圧電バイモルフカンチレバービームシステムの第１実施形態の断面図である。 図５は、本発明に従って作製された圧電バイモルフカンチレバービームシステムの第２実施形態の断面図である。 図６は、本発明に従って作製された圧電バイモルフカンチレバービームシステムの第３実施形態の断面図である。 図７は、本発明に従って作製された圧電バイモルフカンチレバービームシステムの第４実施形態の断面図である。 図８は、ビーム補強材の影響を受けている、カンチレバービームに沿ったストレスの変化を示すグラフである。 図９は、本発明に従って作製された圧電バイモルフカンチレバービームシステムの第５実施形態の斜視図である。 図１０は、本発明に従って作製された圧電バイモルフカンチレバービームシステムの第６実施形態の斜視図である。 図１１は、本発明に従って作製された圧電バイモルフカンチレバービームシステムの第７実施形態の斜視図である。

本発明の例示的な実施形態の詳細な説明
ここで複数の図面と複数の説明図に関して、本発明は、周囲環境の振動から電気エネルギーを直接収集するための圧電バイモルフカンチレバービーム（ｐＢＣＢ）を製造するシステムおよび方法に関する。本発明はバイモルフカンチレバービームに限定されないが、この特定の実施形態は、明確にするために本出願の説明に使用される。本発明において、ｐＢＣＢは、主に数十Ｈｚの範囲の低周波振動に向けられデザインされており、好ましくは、医療用途のセンサーインプラントまたは産業用途のセンサーノードに統合される小さな寸法および体積を示すようにデザインされている。しかし、本発明はこれらの特定のデザイン上の選択に限定されない。

動作の原理は、圧電層に生じる機械的ストレスに基づき電極上に電荷が生成され、これらの電荷はその後、バッテリーまたはスーパーキャパシタを充電するか或いはシステムまたはセンサーに電力を供給するための電力管理回路（PMC）によって集められ整流される。カンチレバービーム構造として、ｐＢＣＢは一般にビーム形状にデザインされており、この厚さ寸法は構造の他の寸法に比べて小さい。そして、振動力は、構造を曲げるために好ましくはデバイスの厚さに垂直な方向に加えられ、 従って、好ましい結晶方位で圧電材料にストレスがかかる。

図２にｐＢＣＢ１０の詳細図が提供されており、ここで、シム３０は第１圧電層４０ａと第２圧電層４０ｂとの間に挟まれ、第１圧電層４０ａと第２圧電層４０ｂは好ましくはシム３０に関して対称に配置される。特に、シム３０は、アンカーまたはアンカーモジュール２０の内部に入り込み接続された近位端３２と、近位端３２の反対側の遠位端３４または自由端３４とを有する。第１圧電層４０ａはシム３０の第１主面３６上に積層され、第２圧電層は、第１主面３６の反対側のシム３０の第２主面３８上に積層される。第１および第２の圧電層４０ａ、４０ｂの各々は、その表面４２ａ、４２ｂ上に堆積された電極（図示せず）を有する。通常用いられるように、図３に示されるように、主要な直交３方向は、ｐＢＣＢ１０を機械的に特徴付ける。ここで、垂直方向Ｚが前記ｐＢＣＢ１０の主面に垂直であり、方向ＸおよびＹはｐＢＣＢ１０の主面に平行である。図２に示されるように、圧電層４０ａ、４０ｂの各々は、上下に動かされたときに対称的な動作を提供するために実質的に同じ厚さを有することが好ましい。しかし、本発明によれば、複数の圧電層は、以下でさらに議論されるように、異なる厚さでまたは変化する厚さで提供される、或いは異なる表面面積を有する。

収集する振動周波数に応じて、ｐＢＣＢ１０の長さおよび剛性はデバイスの共振周波数を左右する、一方、幅寸法は電気出力に比例的に影響する。ｐＢＣＢ１０の長さは、通常、低周波数システム（＜１００Ｈｚ）の場合、数十ミリメートルから１００ミリメートルまでの範囲にある。ｐＢＣＢ１０の幅は、ｐＢＣＢ１０の全表面（電気出力）を最適化するために決定され、システムの体積拘束に従って微調整される。通常、この幅は長さよりも短く、通常は数ミリメートルから数十ミリメートルの範囲である。中立軸またはファイバを構成するシム層は、全体の厚さを適切な比率に維持しながら、デバイスの圧電材料比率を最大化するために可能な限り薄く決定される。製造プロセスを容易にするため、その厚さは通常約１０マイクロメートルである。圧電層４０ａ、４０ｂの両方は、通常、シム３０の厚さ内の中立ファイバを維持するために同じ厚さを有する。圧電層４０ａ、４０ｂの厚さは、動作周波数およびパワー考察に基づいて決定される。典型的な周波数範囲（数ヘルツから数百ヘルツ）の場合、最小厚さは通常約数マイクロメートルで、最大厚さは数百マイクロメートルまでである。

ここで図４を参照すると、本発明の例示的なシステムにおいて、アンカーモジュール２０に取り付けられたｐＢＣＢ１０は、ｐＢＣＢの両方の主面（例えば、圧電層４０ａ、４０ｂの外面４２ａ、４２ｂ）に対称的に配置された第１ビーム補強材６０ａおよび第２ビーム補強材６０ｂを組み入れている。具体的には、例示的なｐＢＣＢ１０は、第１主面３６と、第１主面３６の反対側の第２主面３８とを有するシム３０を含む。さらに、シム３０の近位端３２はアンカーモジュール２０に接続し、遠位端３４は近位端３２の反対側である。図示されていないが、ｐＢＣＢ１０の遠位端（すなわち、シム３０の遠位端３４に隣接）は、振動質量を取り付けるように構成されている。

例示的なｐＢＣＢ１０は、シム３０の第１主面３６上に積層された第１圧電層４０ａと、シム３０の第２主面３８上に積層された第２圧電層４０ｂとをさらに含む。圧電層４０ａ、４０ｂのそれぞれは、その外面４２ａ、４２ｂ上に配置された１つ以上の電極（図示せず）を含む。これらの電極は、一般的に幅、すなわち図１のＹ方向、が均一であり、ｐＢＣＢ１０の長さ全体に実質的に広がっている。しかし、いくつかの好ましい実施形態では、ｐＢＣＢ１０の自由端での曲げひずみが電荷収集に効率的に貢献するには低すぎるため、これらの電極はシム３０の遠位端３４まで完全には広がっていない。特に、振動質量がｐＢＣＢ１０に接続されるとき、振動質量とｐＢＣＢ１０との間の界面では曲がることができない、したがって、この界面に電極が存在する必要はない。これらの電極の厚さは、それらを得るために使用される堆積プロセスに応じて、数百ナノメートルから数マイクロメートルの範囲である。また、これらの電極は、センサまたは電子回路などのシステムの残りの部分にｐＢＣＰ１０を接続するために、一般的には、アンカーモジュール２０を通って広がっている。しかし、アンカーモジュール２０の下の電極の寄生容量を最小化するために、ｐＢＣＢ１０の幅の小さな部分だけが電極で覆われている、通常はｐＢＣＢ１０の幅の４分の１が覆われる。

加えて、２つの圧電層４０ａ、４０ｂは、直列構成で電気的に接続されている。そのために、シム３０は、圧電層４０ａおよび４０ｂの両方を電気的に接続するために導電性でなければならない。したがって、シム３０の材料は、銅またはアルミニウムなどの金属製であることが好ましく、一方、圧電層４０ａ、４０ｂは、通常、ＰＺＴまたは他の鉛フリー材料（例えば、ＰＮＭ－ＰＴ、ＢＴＮ）である。

前述のように、ｐＢＣＢ１０は、第１圧電層４０ａの外面４２ａ上に設けられた第１ビーム補強材６０ａと、第２圧電層４０ｂの外面４０ｂ上に設けられた第２ビーム補強材６０ｂとを含む。図４に示すように、ビーム補強材６０ａ、６０ｂのそれぞれは、変化する厚さを有する。特に、ビーム補強材６０ａ、６０ｂは、それぞれアンカーモジュール２０に隣接してすぐにより厚い部分を有し、この厚みは、ｐＢＣＢ１０に沿って所定の距離で終端するまでアンカーモジュール２０からシム３０の遠位端３４に向かって減少する。図４に示した実施形態において、ビーム補強材６０ａ、６０ｂの厚さの変化は、長さと厚さとの間の線形関数として定義される。すなわち、ビーム補強材６０ａ、６０ｂの外面６２ａ、６２ｂは、実質的に平面であるか、または線形である。いくつかの実施形態において、ビーム補強材の特定の形状は、構造内のストレスの長手方向成分を考慮したモデリングプロセスに基づいて得られる。特に、補強材で最適に補われた構造の長手方向のストレス成分は、ｐＢＣＢの自由長全体に沿って一定である。これに到達するために、補強材の形状は、ｐＢＣＢの自由長のストレスプロファイルの形状に対応するべきである。

いくつかの例示的な実施形態では、ビーム補強材は好ましくは対称性を有し、このビーム補強材は好ましくはシムの幅とほぼ同じ幅（すなわち図３のＹ方向）を有する。ビーム補強材の長さは、特に限定されず、本発明のｐＢＣＢの期待応答に応じて変更することができる。すなわち、いくつかの実施形態では、ビーム補強材は実質的にｐＢＣＢの長さ全体に広がり、他のいくつかの実施形態では、ビーム補強材はｐＢＣＢの長さに沿って途中で終端する。

図４に示す例示的なシステムでは、ビーム補強材６０ａ、６０ｂは、アンカーモジュール２０に一体化されている（例えば、同時に形成される）。この結果のために、ビーム補強材６０ａ、６０ｂの材料は、アンカーモジュール２０の材料と同じであり、例えば、ｐＢＣＢ１０を覆うようにポリマー又は複合樹脂をオーバーモールドすることにより形成される。しかし、他の実施形態では、ビーム補強材は、アンカーモジュール２０の材料とは異なる密度およびヤング率を有する材料で作られている。例えば、いくつかの実施形態では、ビーム補強材は、金属（例えば、アルミニウム、銅など）、有機材料、または両方の複合物（例えば、ＦＲ４、アルミン（alumin）など）で構成され、一方で、アンカーモジュール２０は、同様の材料で構成されるか、或いは例えばタングステンのようなより重い材料で構成される。ビーム補強材が導電性材料で構成される実施形態では、ビーム補強材自体が電極として機能すると考えられ、したがって圧電層の外面に付加的な電極が不要になる。

前述のように、図４に示される実施形態では、ビーム補強材６０ａ、６０ｂの厚さの変化は、長さと厚さとの間の線形関数として定義される。ここで図５を参照すると、もう１つの例示的なシステムでは、ビーム補強材の厚さの変化は非線形関数として定義される。言い換えれば、ビーム補強材の外面は湾曲する。具体的にいうと、図５に示される例示的なシステムでは、上記のｐＢＣＢ１０と実質的に同じように、例示的なｐＢＣＢ１１０は、第１主面１３６、第１主面１３６の反対側の第２主面１３８、アンカーモジュール１２０に接続される近位端１３２、および近位端１３２の反対側の遠位端１３４を有するシム１３０を含む。例示的なｐＢＣＢ１１０は、上述のｐＢＣＢ１０と実質的に同じように、シム１３０の第１主面１３６上に積層された第１圧電層１４０ａと、シム１３０の第２主面１３８上に積層された第２圧電層１４０ｂとをさらに含む。

また、図４のシステムと同じように、第１ビーム補強材１６０ａは第１圧電層１４０ａの外面１４２ａを覆うように設けられ、第２ビーム補強材１６０ｂは第２圧電層１４０ｂの外面１４０ｂを覆うように設けられる。しかし、図４のシステムとは違って、上述のように、図５に示している例示的なシステムでは、ビーム補強材１６０ａ、１６０ｂの厚さの変化は、補強材１６０ａ、１６０ｂの外面１６２ａ、１６２ｂが湾曲するような非線形関数として定義される。もちろん、本発明によれば、ビーム補強材の断面プロファイルは、多くの形態および形状をとることができ、したがって、ある程度のデザインの自由度が与えられる。ここでも、第１ビーム補強材１６０ａの外面１６２ａの曲率を、所望の効果に応じて、第２ビーム補強材１６０ｂの外面１６２ｂの曲率と同じにすることもでき異なるものとすることもできる。

さらに、図４に示されたシステムと同じように、図５に図解されているように、ｐＢＣＢ１１０は、アンカーモジュール１２０に埋め込まれている。しかし、ビーム補強材１６０ａ、１６０ｂは、アンカーモジュール１２０と一体化してなく、アンカーモジュール１２０から独立している。もちろん、図５に示したような湾曲したビーム補強材は、図４に関して上述した構成と実質的に同じように、アンカーモジュールと一体的に形成することができる。

ここで、図６および図７を参照すると、本発明のいくつかの実施形態では、ｐＢＣＢをアンカーモジュールに埋め込むのではなく、ｐＢＣＢはアンカーモジュールの側面に直接取り付けられる。具体的には、特に図６を参照すると、例示的なｐＢＣＢ２１０は、第１主面２３６と、第１主面２３６の反対側の第２主面２３８と、アンカーモジュール２２０の側面２２２にすぐ隣接して配置される近位端２３２と、近位端２３２の反対側の遠位端２３４とを有するシム２３０を含む。例示的なｐＢＣＢ２１０は、シム２３０の第１主面２３６上に積層された第１圧電層２４０ａと、シム２３０の第２主面２３８上に積層された第２圧電層２４０ｂとをさらに含み、この圧電層２４０ａ、２４０ｂは、シム２３０の実質的に全長に沿って近位端２３２から遠位端２３４まで延びている。

図６に示すシステムでは、ビーム補強材２６０ａ、２６０ｂは、図５に関して上述したビーム補強材１６０ａ、１６０ｂと実質的に同じ方法で、圧電層２４０ａ、２４０ｂの外面２４２ａ、２４２ｂ上に形成される。すなわち、ビーム補強材２６０ａ、２６０ｂの外面２６２ａ、２６２ｂは湾曲しており、ビーム補強材２６０ａ、２６０ｂは、アンカーモジュール２２０と一体化されるのではなく、アンカーモジュール２２０とｐＢＣＢ２１０との間の接合部から始まる。

ここで図７を参照すると、もう１つの例示的な実施形態では、ビーム補強材のそれぞれは、複数の積み重ねられた層から構成される。図６に示されるシステムと同じように、図７のシステムでは、例示的なｐＢＣＢ３１０は、第１主面３３６と、第１主面３３６の反対側の第２主面３３８と、アンカーモジュール３２０の側面３２２にすぐ隣接して配置される近位端３３２と、近位端３３２の反対側の遠位端３３４とを有するシム３３０を含む。例示的なｐＢＣＢ３１０は、シム３３０の第１主面３３６に積層された第１圧電層３４０ａと、シム３３０の第２主面３３８に積層された第２圧電層３４０ｂとをさらに含み、この圧電層３４０ａ、３４０ｂは、近位端３３２から遠位端３３４までシム３３０の実質的に全長に沿って延びる。

上述したように、各ビーム補強材は、それぞれの圧電層３４０ａ、３４０ｂの外面３４２ａ、３４２ｂ上に積層された複数の層３７１ａ～３７８ａ、３７１ｂ～３７１ｂを含み、複数の層３７１ａ～３７８ａ、３７１ｂ～３７１ｂのそれぞれはシム３３０から遠くなると延びている長さが減少する。各層３７１ａ～３７８ａ、３７１ｂ～３７１ｂの長さが適切にデザインされている場合、そのようにして得られた多層構造全体は、変化する厚さを有するビーム補強材に近似することができる。この複数の層の厚さと数がこの近似の精度を左右する。したがって、積み重ねられた層３７１～３７８の全体的な効果は、上述のビーム補強材６０、１６０、２６０と同様に、厚さが減少するビーム補強材を提供する。実際、ビーム補強材の特定の構成に関係なく、図４～７に図解しているように、本発明のいくつかの好ましい実施形態では、ビーム補強材の厚さは、アンカー部材に隣接してすぐが最も厚く、シムの遠位端に向かって延びるに従って厚さが徐々に薄くなると考えられる。

多層構造が使用される実施形態では、個々の層の全体の剛性、つまりビーム補強材全体の応答に影響を与える各層の材料の組成を変えることができると考えられる。

図８のグラフは、一例として、圧電層の自由長（ＦＬ）における外面の１つにかかるストレスの縦方向成分のシミュレートされたプロファイルを示している。このグラフでは、ビーム補強材がＮ個の真鍮層で形成されている４つの例が比較されている、ここで各真鍮層は、４μｍの厚さを有する真鍮層のそれぞれがＦＬ／（Ｎ＋１）で連続して短くなる長さを有する。プロファイル０Ｌは、図２に示す構造と実質的に同様のビーム補強材のないカンチレバービームである。比較すると、プロファイル２Ｌは２層で構成される補強材を含むカンチレバービームに対応し、プロファイル４Ｌは４層で構成される補強材を含むカンチレバービームに対応し、プロファイル６Ｌは６層で構成される補強材を含むカンチレバービームに対応する。層の数がｐＢＣＢに与える影響は、出力パワーと最大ストレスの比として定義される性能指数（ＦｏＭ）で表される。各プロファイルのＦｏＭ値は、最大出力パワーを小さな割合だけ低下させるが最大ストレスレベルを大幅に削減する追加した層の増えた数の有益な効果を明らかにする。特に、プロファイル０ＬではＦｏＭは１．４であり、プロファイル２ＬではＦｏＭは１．７であり、プロファイル４ＬではＦｏＭは２．１であり、プロファイル６ＬではＦｏＭは２．１４である。

ここで図９を参照すると、本発明のさらなる別の例示的な実施形態において、ｐＢＣＢ４１０は、その端の１つでアンカーモジュール４２０に取り付けられている。明示的に示されていないが、ｐＢＣＢ４１０は、図４～図５に関して上記で示し説明した方法（すなわち、ｐＢＣＢ４１０はアンカーモジュール４２０に埋め込まれている）又は図６～図７に関して上記で示し説明した方法（すなわち、ｐＢＣＢ４１０がアンカーモジュール４２０の側面４２２に直接取り付けられている）のどちらか一方でアンカーモジュール４２０に取り付けることができると考えられる。ｐＢＣＢ４１０は、ｐＢＣＢ４１０の一方の面に取り付けられた補強材４６０をさらに含むが、第２補強材もｐＢＣＢ４１０の他方の面に取り付けることができると考えられる。補強材４６０は、補強材４６０の残りの材料がｐＢＣＢ４１０の長さ（すなわち図３のＸ方向）に沿ったその引張強度の長手方向の変化を示すように丸い穴４９１～４９５を有する。すなわち、アンカーモジュール４２０に隣接してすぐの穴４９１の第１列は第１直径で定められ、穴４９２の第２列は第１直径よりも大きい第２直径で定められる。同様に、穴４９３の第３列、穴４９４の第４列、および穴４９５の第５列は、それぞれ、徐々に増加する直径を有する。

穴４９１の第１列のようなより小さい穴では、穴のサイズと補強材４６０の厚さとのアスペクト比は概して１０：１である（例えば、補強材の厚さが十（１０）マイクロメータのとき、百（１００）マイクロメートルの穴の直径）。一方、穴４９５の第５列のようなより大きな穴では、補強材の厚さに関して隣接する２つの穴を隔てる壁のアスペクト比も概して１０：１である。

配置に関して、一列に並んだ複数の穴の中心は、ビームのＸ方向に関して隣接する穴の列と整列しているか、又は穴の中心が隣接する列の最も近い穴によって形成されるセグメントの垂直二等分線上に位置するように交互に配置されている。隣接する列の間の穴の配置がどうであれ、同じ列にある穴は、好ましくは、図３で定義されるＸ軸およびＺ軸によって形成されるｐＢＣＢ４１０の中間面に関して対称である。

ここで図１０を参照すると、別の形に成形した穴も考えられる。特に、図１０に示されるように、ｐＢＣＢ５１０は、その端の１つがアンカーモジュール５２０に取り付けられている。明確に示されていないが、ｐＢＣＢ５１０は、図４～図５に関して上述において示され説明された方法（すなわち、ｐＢＣＢ５１０がアンカーモジュール５２０に埋め込まれている）又は図６～図７に関して上述において示され説明された方法（すなわち、ｐＢＣＢ５１０がアンカーモジュール５２０の側面５２２に直接取り付けられている）のどちらか一方でアンカーモジュール５２０に取り付けることができると考えられる。ｐＢＣＢ５１０は、ｐＢＣＢ５１０の一方の面上に取り付けられた補強材５６０をさらに含むが、ｐＢＣＢ５１０の他方の面上に第２補強材を取り付けることも考えられる。補強材５６０は、補強材５６０の残りの材料がｐＢＣＢ５１０の長さ（すなわち図３のＸ方向）に沿ったその引張強度の長手方向の変化を示すように三角形の穴５９１～５９８を有する。具体的には、図１０に示したように、交互に並ぶ穴列は、向かい合って面している。すなわち、三角形の穴５９１の第１列、三角形の穴５９３の第３列、三角形の穴５９５の第５列、および三角形の穴５９７の第７列のそれぞれは同じ方向を向いており、三角形の穴５９２の第２列、三角形の穴５９４の第４列、三角形の穴５９６の第６列、および三角形の穴５９８の第８列は、反対方向を向いている。さらに、穴５９１～５９８の列のそれぞれは、サイズが次第に大きくなっている。もちろん、穴の特定の数、配置、および形状は限定されない。

ここで図１１を参照すると、補強材に複数の穴列を含めるのではなく、補強材は、ボディの間の結果的に生じた隙間が補強材の長さに渡って広くなるように、補強材の長さに沿って幅が先細りする複数のボディを含むことができる。具体的には、図１１に示されているように、ｐＢＣＢ６１０は、その端の１つにおいてアンカーモジュール６２０に取り付けられている。明示的に示されていないが、ｐＢＣＢ６１０は、図４～図５に関して上記で示し説明した方法（すなわち、ｐＢＣＢ６１０はアンカーモジュール６２０に埋め込まれている）又は図６～図７に関して上記で示し説明した方法（すなわち、ｐＢＣＢ６１０がアンカーモジュール６２０の側面６２２に直接取り付けられている）のどちらか一方でアンカーモジュール６２０に取り付けることができると考えられる。補強材６６０は４つのボディ６９１～６９４で構成され、これらのボディは、ボディ間に形成された穴が補強材６６０の長さにわたって広がるように、補強材６６０の長さに沿って（すなわち、アンカーモジュール６２０からｐＢＣＢ６１０の遠位端に向かって）幅が先細りになる。図１１に示されるように、補強材のボディ６９１～６９４は、アンカーモジュール６２０に隣接しているｐＢＣＢ６１０の全幅にわたって集合的に広がり、ボディ６９１～６９４のそれぞれは、ボディ６９１～６９４がアンカーモジュール６２０から離れるにつれて実質的に三角形の先細りとなる。もちろん、ボディの特定の数、配置、および形状は限定されない。

図９～１１に示される例示的な実施形態のように、ビーム補強材の表面領域が一様でない実施形態では、残りの補強材の材料とは異なる材料で穴を埋めてビーム補強材の全体的な剛性に影響を与えることが考えられる。さらに、当然のことながら、一様ではない複数の層は重ねて形成され、ビーム補強材全体の応答のさらなるカスタマイズを提供することができる。

本発明の圧電バイモルフカンチレバービームは、いくつかの製造プロセスで得ることができる。これらに限定されないが例として、スクリーン印刷、インクジェット印刷、ディップコーティング、スピンコーティング、スプレー、スパッタリング、エアロゾルデポジション法、電気泳動、無電解法、又は電気化学的方法などの異なる堆積方法でバイモルフ構造に補強材を付け加えることができる。これらの方法によれば、補強材は、先行する層のより薄くする必要があるゾーンを隠すためのマスクを使用した後続の堆積ステップにより形成される。

別の方法によれば、補強材は、樹脂（例えば、エポキシ、ポリウレタン、シリコンなど）でオーバーモールドすることにより形成される。有利には、オーバーモールドプロセスにより、補強材の形状を滑らかにすることができる。

さらに別の方法によれば、先に均一な層を形成し、続いて選択的エッチングのようなレーザーアブレーションプロセスにより補強材から材料を除去して穴などの配列を形成することにより、補強材が形成される。

当業者は、本発明の教示から逸脱することなく追加の実施形態が可能であることを認識するであろう。この詳細な説明、および特にそこに開示されている例示的な実施形態の特定の詳細は、主に理解を明確にするために与えられており、不必要な制限がそこから理解されるべきではない、改良について、この開示を読むことに基づいて当業者にとって明らかになるだろう、そして本発明の精神または範囲から逸脱することなく行うことができる。

参考文献
[1] ベナシュッティＤ（Benasciutti, D.）, モロＬ（Moro, L. ）, ゼレニカＳ（Zelenika S.）, 最適化された形状の圧電バイモルフによる振動エネルギースカベンジング, マイクロシストテクノロ（Microsyst Technol）, 2010, pp. 657-668.
[2] デフォアスューＭ（Defosseux, M.）, アランＭ（Allain, M.）, バスロアＳ（Basrour, S.）, 圧電振動エネルギーハーベスティングのための異なるビーム形状の比較, プロシーディングオブパワーＭＥＭＳ２０１０, １１月３０日―１２月３日, ルーバン, ベルギー, pp. 339-342.
[2] セディックＢＡ（Seddik, B. A.）, デフェイＥ（Defay, E.）, デスペセＧ（Despesse, G.）, 機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するための最適化されたデバイス, 米国特許No. 2013/0342075.

Claims (14)

1. 振動から電気エネルギーを収集するための圧電バイモルフカンチレバービームシステムであって、
   前記システムは、第１主面、第１主面の反対側の第２主面、アンカーに接続された近位端、および前記近位端の反対側の遠位端を含むシムと、前記シムの第１主面上に積層された第１圧電層と、前記シムの第２主面上に積層された第２圧電層と、前記アンカーに隣接する前記シムの第１主面上に設けられ、かつ、第１圧電層を少なくとも部分的に覆う第１ビーム補強材とを備え、
   第１圧電層の材料は、圧電材料であり、
   第２圧電層の材料は、前記圧電材料であり、
   第１ビーム補強材の材料は、前記圧電材料以外の材料であり、
   第１ビーム補強材は、前記アンカーから前記シムの遠位端に向かって減少するように変化する厚さを有する圧電バイモルフカンチレバービームシステム。
2. 前記アンカーに隣接する前記シムの第２主面上に設けられ、かつ、第２圧電層を少なくとも部分的に覆う第２ビーム補強材をさらに備え、
   第２ビーム補強材の材料は、前記圧電材料以外の材料であり、
   第２ビーム補強材は、前記アンカーから前記シムの遠位端に向かって減少するように変化する厚さを有する請求項１に記載のシステム。
3. 第１ビーム補強材、第２ビーム補強材、または第１ビーム補強材と第２ビーム補強材の両方は、平面状の外面を有する請求項２に記載のシステム。
4. 第１ビーム補強材、第２ビーム補強材、または第１ビーム補強材と第２ビーム補強材の両方は、湾曲した外面を有する請求項２に記載のシステム。
5. 第１ビーム補強材、第２ビーム補強材、または第１ビーム補強材と第２ビーム補強材の両方は、前記圧電層上に積み重ねられた複数の層を備え、前記複数の層のそれぞれは、前記シムから離れるにつれ延びている長さが短くなる請求項２に記載のシステム。
6. 前記複数の層のうちの１つ以上は、前記複数の層のうちの別の層の材料とは異なる組成を有する材料から構成される請求項５に記載のシステム。
7. 第１ビーム補強材、第２ビーム補強材、または第１ビーム補強材と第２ビーム補強材の両方は、前記シムに沿った位置に基づいてサイズが変化する複数の穴を画定する請求項２に記載のシステム。
8. 前記複数の穴は、前記アンカーから前記シムの前記遠位端に向かってサイズが大きくなる請求項７に記載のシステム。
9. 前記複数の穴は、残りの前記ビーム補強材の材料とは異なる材料で満たされている請求項７に記載のシステム。
10. 前記複数の穴は、前記シムの長さにわたって延びる中心線に関して対称である請求項７に記載のシステム。
11. 前記複数の層のうちの１つ以上が、前記シムに沿ったその位置に基づいてサイズが変化する複数の穴を画定する請求項５に記載のシステム。
12. 第１ビーム補強材は、前記アンカーに組み込まれ、
    第２ビーム補強材は、前記アンカーに組み込まれ、
    第１ビーム補強材及び第２ビーム補強材は、前記アンカーと同時に形成されている請求項２に記載のシステム。
13. 第１ビーム補強材、第２ビーム補強材、または前記第１ビーム補強材と第２ビーム補強材の両方は、平面状の外面を有する請求項１２に記載のシステム。
14. 第１ビーム補強材、第２ビーム補強材、または第１ビーム補強材と第２ビーム補強材の両方は、湾曲した外面を有する請求項１２に記載のシステム。

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