(57)【要約】  本発明の主目的は、少なくとも一つの圧電素子と、少なくとも一つの可変容量キャパシタによる、機械エネルギーの電気エネルギーへの変換方法であって、該方法は下記ステップを含む。  ａ）圧電素子の機械的変形、  ｂ）圧電素子の変形により生じた電荷の再生、  ｃ）圧電素子からキャパシタへの電荷の転送、  ｄ）キャパシタの容量の変更、  ｅ）電気エネルギーの少なくとも一部の再生。  本発明の他の目的は、圧電素子と可変容量キャパシタとを含み、前記圧電素子が前記キャパシタに電荷を転送することが可能な、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する変換装置。【選択図】  図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの圧電素子と、少なくとも一つの可変容量キャパシタによる、機械エネルギーの電気エネルギーへの変換方法であって、該方法は下記ステップを含む。
ａ）圧電素子の機械的変形、
ｂ）圧電素子の変形により生じた電荷の再生、
ｃ）圧電素子からキャパシタへの電荷の転送、
ｄ）キャパシタの機械的変形によるキャパシタの容量の変更、
ｅ）電気エネルギーの少なくとも一部の再生。
【請求項２】
圧電素子の変形とキャパシタの容量の変更は同時である、
請求項１に記載の変換方法。
【請求項３】
キャパシタの容量が最大の場合に、圧電素子の変形が最大である、
請求項２に記載の変換方法。
【請求項４】
圧電素子およびキャパシタは、同じ機械的強制力により変形する、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の変換方法。
【請求項５】
キャパシタにより変換された電気エネルギーの一部が、圧電素子に転送される、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の変換方法。
【請求項６】
電荷が、圧電素子の変形方向の関数として、第一のキャパシタまたは第二のキャパシタに転送される、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の変換方法。
【請求項７】
圧電素子の端子における電圧が最大の場合、続く変換周期において変換されるエネルギーを増加させ得る機械的制動力を生じるために、符号が反転する、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の変換方法。
【請求項８】
本発明に従う方法は、所定の電気エネルギー増幅レベルに達するまで、キャパシタにより生じた電気エネルギーを、第二のキャパシタに、また逆も同様に、転送する追加ステップを含む、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の変換方法。
【請求項９】
前記増幅レベルに関するエネルギーの過剰量は、ストレージまたは作動ユニットへ転送される、
請求項８に記載の変換方法。
【請求項１０】
ステップｃ）の電荷の転送が、制御回路に取り付けられたダイオードまたはスイッチにより制御される、
請求項１〜９のいずれか１項に記載の変換方法。
【請求項１１】
少なくとも一つの圧電素子（Ｐ）と、少なくとも一つの可変容量キャパシタと、圧電素子とキャパシタとの間の電荷の転送の制御方法とを含み、圧電素子（Ｐ）の変形の間に生じる電荷が、容量の変化により増幅される電気エネルギーを生じるために、キャパシタに転送される、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する変換装置。
【請求項１２】
電荷の転送の制御方法が、制御回路に取り付けられた少なくとも一つのダイオードまたはスイッチにより形成される、
請求項１１に記載の変換装置。
【請求項１３】
キャパシタの容量が、キャパシタのアーマチュアが動くことにより変更される、
請求項１１または１２に記載の変換装置。
【請求項１４】
圧電素子（Ｐ）と、キャパシタのアーマチュアは、同じ機械的強制力を受けるように、実質的に平行である、
請求項１３に記載の変換装置。
【請求項１５】
容量が反対に変化する２つのキャパシタを含む、
請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の変換装置。
【請求項１６】
機械的強制力の適用により動き、運動軸の両側に歯部（２１０）を備えた部位（２０２）を含み、歯部（２１２、２１４）を備えた２つの固定部（２０４、２０６）が可動部（２０２）の歯部と反対に動き、圧電素子（Ｐ）が可動部（２０２）の運動に対して垂直で、可動部（２０２）に電気的に接続され、向かい合った歯の対が、容量が反対に変化する直列のキャパシタを２組形成する、
請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の変換装置。
【請求項１７】
圧電素子（Ｐ）が、静電電極（４）および圧電素子（Ｐ）の第二電極（１０）が前記膜の変形により可変容量キャパシタを形成するように、静電電極（４）からある距離で懸架されたフレキシブル膜の形態である、
請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の変換装置。
【請求項１８】
第一の電位の第一電極（４１０）と、電気的絶縁材料の層（４１４）と、第二の電位の第二電極（４１２）とが交互になってキャパシタが形成された層構造を含み、電気的絶縁材料は弾性的に変形可能であり、圧電素子（Ｐ）が層構造の一つの層を形成する、
請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の変換装置。
【請求項１９】
圧電素子が、圧電材料の層と、圧電材料の層の各側に第一の電極と第二の電極とを備える、
請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の変換装置。
【請求項２０】
圧電材料が、PZT（PbZrtiO3）またはPLZT（ランタンを備える）またはBaTiO3等のセラミクス、ナノクリスタル（PZN-PTまたはPMN-PT）、ポリマー（PVDF）、またはAFC（Active Fiber Composites）から選択され得る、
請求項１９に記載の変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［技術領域および先行技術］
本発明は、主に、機械エネルギー、特に振動を、より効率よく電気エネルギーに変換する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動の形態の機械エネルギーを電気エネルギーに再生する装置が、例えば、非特許文献１において開示されている。その装置は、固定櫛部と可動櫛部とにより実行される二つの互いに向かいあったエレメントにより形成された、可変容量キャパシタを多数含み、可動櫛部は外部振動の影響で動き、２つのエレメント間のギャップ、すなわち、キャパシタの容量を変更する。
【非特許文献１】”Vibration-to-Electric Energy Conversion”, Meinger, S.; Mure-Miranda, J. O.; Amirtharajah, R.; Chandrakasan, A.; Lang, JH; Very Scale Integration(VLSI) Systems, IEEE Transactions on, Volume 9, Issue 1, Feb. 2001 Page(s):64-76
【０００３】
その結果、キャパシタのアーマチュア間に静電気力を発生することにより、電気エネルギーを再生することができる。
【０００４】
また、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するための、圧電素子の利用が開示されている。この場合、機械エネルギーは、圧電素子の変形を引き起こし、再生し得る電荷を素子に生じさせる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この静電気手段または圧電素子手段による再生は、最適ではない。
【０００６】
従って、本発明の目的は、従来技術の方法に対して、より効率の良い、機械エネルギーから電気エネルギーへの再生方法を提案することにある。
【０００７】
また、本発明の目的は、機械エネルギーを電気エネルギーへ最適に変換する装置を提案することにある。
【０００８】
［発明の開示］
上述した目的は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換できる圧電手段を用い、圧電手段により生じた電気エネルギーを増幅する静電手段に関連する、エネルギー変換装置により達成される。
【０００９】
言い換えれば、変換装置は、圧電素子と、可変容量キャパシタとに関連し、変形中に圧電素子により生じた電荷がキャパシタに転送され、キャパシタは、その容量を変化することにより、圧電素子により生じた電気エネルギーを増幅する。
【００１０】
容量の変化は、キャパシタのアーマチュアの相対運動により得られる。キャパシタの容量が低下すると、電荷は、キャパシタのアーマチュアの動きを制動する傾向のある静電力を生じ、従って、機械エネルギーの一部を電気エネルギーに変換する。その結果、変形中に圧電素子により生じる電気エネルギーは、キャパシタの容量の低下中に増幅される。
【００１１】
機械エネルギーを電気エネルギーに変換する構造は、静電気の原理と圧電変換とを、同期手法で結合している。実際、圧電素子の変形中に容量の変化があると、静電構造により、圧電素子で得られたエネルギーを増幅することが可能であり、継続的な増幅のために、圧電素子へ再注入することができる。各増幅フェーズにおいて、制動力（静電または圧電）が生じる。これは、毎回強力であり、機械エネルギーをさらに電気エネルギーに変換させる。
【００１２】
本発明で用いられる機械的容量の変化は、切替型容量の場合のように単純なものではなく、機械エネルギーの電気エネルギーへの変換である。実際、先行技術で開示された容量の切り替えは、電気エネルギー源の電位を上げることが可能であるが、エネルギーレベルを上げることはない。事実、電圧の増加は、平均出力パワーを平均入力パワーと等しく維持する出力電流の低下をもたらす。そこでは、電圧-電流積が一定となり、これは電気／電気エネルギー変換であって、機械／電気エネルギー変換ではない。他方、本発明により、機械的変形に起因する容量の低下により、電位が増加するだけでなく、蓄えられるエネルギーも増加する。容量を変化させる機械的エネルギーは、実際、最初に容量に蓄えられた電気エネルギーを増幅しながら、電気エネルギーに変換される。
【００１３】
機械的変形による容量の低下により、電気エネルギーは増幅され、文献EP 1 050 955で述べられているような切替型容量システムでは、電圧だけが増幅される。本発明の場合は、機械的容量が変形し値が低下した場合、電極における蓄積電荷Ｑは一定（回路が一時的に開いている）であり、容量Ｃの値により蓄積電荷Ｑを割った値に等しい電圧Ｕが増加する。同様に、蓄積電気エネルギーEcapa = QU/2は、Uが増加した場合、すなわち、Cが低下した場合、増加する。
【００１４】
【数１】
2009524387.tif 000003
【００１５】
従って、Qが一定で容量Cが低下した場合、Ecapaは増加する。
【００１６】
例えば、並列の容量を直列に通す、切替型容量システムは、機械的変化による容量変化とは異なる作動をする。実際、容量が並列の場合は、電荷は容量に分散され、それ等の直列の配置は、この配分を変化せず、等価容量は低下し、電荷の一部のみが外部端子において検出される。
【００１７】
等しく事前充電された１０個の容量の直列配置は、１０倍の電圧と、１０分の一の等価電荷と、不変の蓄積エネルギーQU/2を提供する。このシステムに対しては、外部エネルギーは加わらないため、これはもっともなことである。
【００１８】
本発明の範囲では、容量の機械的変化により変換されたエネルギーは、従って、圧電素子により変換されたエネルギーに関して有意である。
【００１９】
好ましくは、静電エレメントの最大容量は、圧電素子の端子における最大電圧に対応する。簡単な電気的手法を用いて、圧電素子により変換されたエネルギーは、容量値が最大の場合に、静電エレメントに効果的に変換され得る。このエネルギーは、容量が低下するフェーズの間に増幅される。
【００２０】
実際、静電変換と圧電変換の同期に加えて、静電構造の容量の各最大値において、圧電素子の最大変形が生じ、この増幅フェーズは最適化され得る。変形が最大の場合、圧電素子に蓄積された電気エネルギーは、最大容量値を有する静電構造に容易に転送される。静電構造が、最大容量値から最小値になると、この構造内で電気エネルギーの増加が生じる。この電気エネルギーが最大の場合、ストレージユニット（バッテリー）に転送され、または、再度増幅されるように、圧電素子に再注入される。
【００２１】
このシステムは、効率約20%の、移動質量のグラムあたり数マイクロワットのオーダーの、日常環境における機械的振動エネルギー（自動車、機械ツール等）を再生するために用いられ得る。
【００２２】
さらに、本発明に従う装置は、小さな機械的／電気的結合という観点における、静電構造の利点を保ちながら、電気エネルギーの初期ソースの必要なく有利に開始することができる。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の主目的は、従って、少なくとも一つの圧電素子と、少なくとも一つの可変容量キャパシタによる、機械エネルギーの電気エネルギーへの変換方法であって、下記ステップを含む。
ａ）圧電素子の機械的変形、
ｂ）圧電素子の変形により生じた電荷の再生、
ｃ）圧電素子からキャパシタへの電荷の転送、
ｄ）キャパシタの容量の変更、
ｅ）電気エネルギーの少なくとも一部の再生。
【００２４】
圧電素子の変形とキャパシタの容量の変更は同時である。
【００２５】
さらに、キャパシタの容量が最大の場合に、圧電素子の変形は最大である。
【００２６】
容量は、例えば、キャパシタの機械的変形により変更される。圧電素子およびキャパシタは、従って、同じ機械的強制力により変形し得る。
【００２７】
キャパシタにより変換された電気エネルギーの一部が、圧電素子に転送され得る。
【００２８】
電荷が、圧電素子の変形方向に依存して、第一のキャパシタまたは第二のキャパシタに転送され得る。
【００２９】
圧電素子の端子における電圧が最大の場合、続く変換周期において変換されるエネルギーを増加させ得る機械的制動力を生じるために、符号が反転する。
【００３０】
さらに、本発明に従う方法は、電気エネルギーの増幅の所定レベルに達するまで、キャパシタにより生じた電気エネルギーを、第二のキャパシタに、また逆も同様に、転送する、追加ステップを含み得る。
【００３１】
前記増幅に関する過剰エネルギー量は、ストレージまたは作動ユニットへ転送される。
【００３２】
ステップｃ）の電荷の転送は、制御回路に取り付けられたダイオードまたはスイッチにより制御される。
【００３３】
本発明の他の目的は、少なくとも一つの圧電素子と、少なくとも一つの可変容量キャパシタと、圧電素子とキャパシタとの間の電荷の転送の制御方法とを含み、圧電素子の変形の間に生じる電荷が、容量の変化により増幅される電気エネルギーを生じるために、キャパシタに転送される、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。
【００３４】
電荷の転送の制御方法は、制御回路に取り付けられた少なくとも一つのダイオードまたはスイッチにより形成される。
【００３５】
キャパシタの容量は、例えば、キャパシタのアーマチュアが互いに近づくことにより変更される。
【００３６】
圧電素子と、キャパシタのアーマチュアは、同じ機械的強制力を受けるように、実質的に平行である。
【００３７】
本発明に従う装置は、容量が反対に変化する２つのキャパシタを含んでいる。
【００３８】
一実施形態において、本発明に従う装置は、機械的強制力の適用により動き、運動軸の両側に歯部を備えた部位を含み、歯部を備えた２つの固定部が可動部の歯部と反対に動き、圧電素子が可動部の運動に対して垂直で、可動部に電気的に接続され、向かい合った歯の対が、容量が反対に変化する直列のキャパシタを２組形成する。
【００３９】
本発明に従う装置の他の実施形態では、圧電素子は、静電電極および圧電素子の第二電極が膜の変形により可変容量キャパシタを形成するように、静電電極からある距離で懸架されたフレキシブル膜の形態である。
【００４０】
本発明に従う装置は、第一の電位の第一電極と、電気的絶縁材料の層と、第二の電位の第二電極とが交互になってキャパシタが形成された層構造を含み、電気的絶縁材料は弾性的に変形可能であり、圧電素子が層構造の一つの層を形成する。
【００４１】
圧電素子は、圧電材料の層と、圧電材料の層の各側に第一の電極と第二の電極とを備えている。
【００４２】
圧電材料は、PZT（PbZrtiO3）またはPLZT（ランタンを含む）またはBaTiO3等のセラミクス、ナノクリスタル（PZN-PTまたはPMN-PT）、ポリマー（PVDF）、またはAFC（Active Fiber Composites）から選択されても良い。
【００４３】
［図面の簡単な説明］
本発明の他の特性と利点は、以下の添付図面を参照して下記記述を読むことで、より明瞭に理解される。
―図１Ａは、本発明に従う装置の一実施形態の図式的表示の平面図である。
―図１Ｂは、図１Ａの装置に対応する電気回路図の一例である。
―図１Ｃは、圧電素子のマイクロメータの変形と、圧電素子が変形した際の、図１Ａおよび図１Ｂの装置のキャパシタのピコファラッドの容量変化を、ミリセカンドの時間関数で示す図である。
―図１Ｄは、圧電素子が変形した際の、図１Ａおよび図１Ｂの装置のキャパシタの端末における電位の変化を、時間関数で示す図である。
―図１Ｅは、圧電素子の電気的動作のモデルである。
―図２Ａは、本発明に従うエネルギー再生装置の他の実施形態の透視図である。
―図２Ｂは、本発明に従う装置の基本原理電気回路図である。
―図３は、本発明の他の実施形態の透視図である。
―図４は、本発明の他の実施形態の図である。
―図５Ａは、本発明の他の実施形態の図である。
―図５Ｂは、図５Ａの装置の詳細図である。
―図５Ｃは、図５Ａの装置の詳細図である。
―図５Ｄは、図５Ａの装置に対応する電気回路図の一例である。
―図６は、本発明の他の実施形態に対応する電気回路図の一例である。
―図７は、本発明の他の実施形態に対応する電気回路図の一例である。
―図８は、本発明の他の実施形態に対応する電気回路図の一例である。
―図９は、本発明の他の実施形態に対応する電気回路図の一例である。
【発明の効果】
【００４４】
本システムは、効率約20%の、移動質量のグラムあたり数マイクロワットのオーダーの、日常環境における機械的振動エネルギー（自動車、機械ツール等）を再生する
【００４５】
さらに、初期電気エネルギー源を必要とすることなく開始することができる利点を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
［詳細な説明および具体的な実施形態］
説明を通じて、所与の電荷の下に弾性変形可能なエレメントは、「変形可能」を意味する。ここで、エレメントの材料は、再生装置が受ける可能性のある強制力に適して選択される。
【００４７】
図１Ａおよび１Ｂは、可動部２０２と、可動部２０２を囲む２つの固定部２０４、２０６とを含み、可動部と固定部が噛み合った、本発明の一実施形態を示している。
【００４８】
固定部と可動部は、導電性材料で作られている。
【００４９】
可動部２０２は、ｚ軸の両側に垂直に伸びる多数の歯部２１０が設定された、ｚ軸方向の本体を含んでいる。固定部２０４、２０６は、ｚ軸に平行で、ｚ軸に垂直な歯部２１２、２１４を含んでいる。固定部２０４の歯部２１２は、図面において、歯部２１０の右に位置する表面２１０．１に向かい合い、歯部２１４は、図面において、歯部２１０の左に位置する表面２１０．２に向かい合っている。
【００５０】
可動部２０２は、ｚ軸に沿って、左右に移動し得る。従って、可動部２０２が右に動いた場合、歯部２１０は歯部２１２から離れるとともに、歯部２１４に近づく。可動部２０２が左に動いた場合、歯部２１０は歯部２１２に近づくとともに、歯部２１４から離れる。
【００５１】
可動部２０２は、ｚ軸方向へ可動可能なように、変形アーム２１８により、キャリア２１６に結合されている。固定部２０４、２０６は、キャリア２１６に堅固に結合されている。
【００５２】
圧電素子Ｐは、可動部２０２が動いた場合に変形し得るように、アーム２１８上に位置している。この圧電素子Ｐは、電気的には直列または並列であってもよい。圧電素子Ｐは、一つの圧電材料と、その両側の２つの電極とを含んでいる。
【００５３】
固定部２０４の全ての歯部２１２と可動部２０２の歯部２１０は、可動部２０２が右に動いた場合に容量が増加するキャパシタの第一組を形成する。
【００５４】
固定部２０６の全ての歯部２１４と反対側の可動部２０２の全ての歯部２１０は、可動部２０２が左に動いた場合に容量が増加するキャパシタの第二組を形成する。
【００５５】
以下の記述においては、可動部２０２が右に動いた場合に、圧電素子の端子における電圧Vpが増加し、可動部２０２が左に動いた場合に、圧電素子の端子における電圧VPが低下するものとする。
【００５６】
図１Ｂは、図１Ａの装置に関連し得る電気回路の例を示す。この電気回路は、２つの副回路Ｃ１、Ｃ２で構成されている。第一副回路Ｃ１は、第一ダイオード２２４と、可変容量C226の第一キャパシタ２２６とに直列に取り付けられた圧電素子Ｐを有している。第一キャパシタ２２６は、歯部２１０と２１２により形成されるキャパシタの連続に相当するキャパシタを表している。第二副回路Ｃ２は、第二ダイオード２２８と、可変容量Ｃ２３０の第二キャパシタ２３０とに直列に取り付けられた同一の圧電素子２２を有している。第二キャパシタ２２６は、歯部２１０と２１４により形成されるキャパシタに相当するキャパシタを表している。第一ダイオード２２４と第二ダイオード２２８は、それぞれが逆方向電流経路を有し得るように、互いに反対向きに取り付けられている。
【００５７】
従って、圧電素子Ｐの端子における電圧VPが増加した場合は、第一ダイオード２２４が電流を流し、圧電素子Ｐの端子における電圧VPが低下した場合は、第二ダイオード２２８が電流を流す。
【００５８】
図の例では、副回路Ｃ１、Ｃ２は、ストレージユニットＣ５、または、個別のアプリケーションにそれぞれ接続されているが、同じユニット、または、同じアプリケーションに接続されても良い。
【００５９】
次に、本装置の動作を説明する。
【００６０】
キャリア２１６が機械振動を受けると、可動部は、ｚ軸方向に沿って左右に動く。可動部の動きは、圧電素子Ｐの変形を引き起こす。そして、圧電素子の端子に電圧が生じ、生じた電荷は、可変容量のキャパシタの一つに伝わる。これは、容量の変化および端子の電位変化に起因して再生された電気エネルギーを増幅する。
【００６１】
従って、動きの各方向において、機械エネルギーの電気エネルギーへの変換を引き起こしながら、圧電素子Ｐは変形する。
【００６２】
図の例では、電荷伝送の制御手段は、ダイオード２２４、２２８により形成されるが、例えば、制御回路を備えたスイッチが提供され得る。
【００６３】
ダイオードの場合、この伝送は、最小電荷値から連続的に実施される。一方、制御スイッチの場合は、この伝送は、圧電素子の端子間の電位が最大になった場合に、単一動作で実施される。スイッチは、ダイオードに対して逆に制御される必要があり、電流を流すために自動的に切り換わる。
【００６４】
図１Ｅは、圧電素子の電気的動作の簡易モデルを表す電気的回路図を示している。
【００６５】
この回路は、容量ＣＰのキャパシタ２２２．１と、変形圧電材料で形成される交流発電機２２２．２とを含んでいる。
【００６６】
図１Ｃは、キャパシタ２２６（曲線III）、２３０（曲線IV）の端子における容量の変化と、圧電素子の変形（曲線V）とを、時間関数で示している。
【００６７】
図１Ｄは、キャパシタ２２６（曲線I、II）、２３０（曲線I´、II´）の端子における電位の変化を示している。
【００６８】
可動部２０２が右に移動すると、圧電素子Ｐは変形し、圧電素子Ｐの端子における電圧VPが増加し、ダイオード３０４を導通状態とする（図１ＤのパートI）。キャパシタ２２６の端子における電位V226は、従って、図１Ｂの圧電素子のキャパシタP.1に蓄積される電荷のキャパシタ２２６への累積伝送により、電位VPに続く。そして、圧電素子の変形が最大に達すると、圧電素子の端子における電位VPは低下し始め、一方、電位V226は、これに反して、増加する（図１ＤのパートII）。これは、ダイオード２２４にブロックさせる。V226のこの増加は、可動部２０２が左に動いた場合、容量C226が低下するとともに（図１ＤのパートII´）、ダイオード２２４のブロッキングにより、キャパシタ226が残りの部分から電気的に分離される一方、電荷Q226＝C226V226は一定に維持される、という事実に起因する。この電荷Q226が一定で容量C226が低下した場合、電位V226は増加する。電位V226が最大に達すると、この電荷のエネルギーをストレージユニットＣ５またはパワーを要するアプリケーションに直接転送するために、古典的な放電回路（フライバック型構造等）が利用され得る。
【００６９】
容量C226が減少するこのフェーズにおいて得られた電気エネルギーE226は、1/2Ｑ226（V226max−V226min）、または1/2Q226（1/C226min−1/C226max）に等しい。電荷Q226は、圧電素子の端子における電圧が低下し始める（図１ＤのパートIIの開始）までに、圧電素子Ｐによりキャパシタ２２６に転送された電荷である。電圧V226maxは、パートIIの終端（図１Ｄ）での、キャパシタ２２６の端子における電圧である。電圧V226minは、パートIIの開始（図１Ｄ）での、キャパシタ２２６の端子における電圧である。容量C226minは、パートIIの終端（図１Ｄ）での、キャパシタ２２６の容量である。容量C226maxは、パートIIの開始（図１Ｄ）での、キャパシタ２２６の容量である。
【００７０】
圧電素子Ｐまたは静電構造において、最大の電圧を検出するためには、例えば、この電圧の、正の値から負の値に至る変動経路を検出すれば十分である。
【００７１】
さらに、装置は、対称性を提供し、従って、副回路Ｃ２において、電位VPが負になった場合、すなわち、可動部２０２が左に動いた場合に、同様の動作が介在する。この構造的対称性は、従って、双方向の動きにおいて、エネルギーを再生し得る。要望により、単一回路を提供し得る。
【００７２】
キャパシタ２２６、２３０の容量が最大の場合に、圧電素子の端子における電位VPが最大となる。これにより、変換された電気エネルギーを算出するための電位V226の値が、キャパシタ２２６の端子において最大値となるため、変換は、最適化される。
【００７３】
実際、圧電素子Ｐの電位VPが、キャパシタ２２６の容量C226の前後で最大であれば、キャパシタ２２６の端子における電位V226の値は、最大とはならず、パートII（図１Ｄ）の区間V226min；V226maxにおける値となる。
【００７４】
再び、圧電素子により実施された変換およびキャパシタ２２６、２３０で実施された変換は、圧電素子Ｐおよびキャパシタ２２６、２３０の変化が同じ外的機械作用により生じるため、同期する。ここで、後者は、圧電素子の端子における電位の相違の存在と、キャパシタ２２６、２３０の容量の変化を生じる。
【００７５】
本発明に従う装置は、可動部２０２により圧電素子が変形した場合に、圧電素子によりエネルギーが供給されるため、先行技術の静電システムに関し、さらに、初期電気エネルギー源を必要とすることなく開始することができる利点を有する。
【００７６】
さらに、先行技術の能動的充電サイクルは、電気回路の消費による電気損失源であり、容量の充電の瞬間を検出し、このエネルギーを装置に注入するために、既に充電されたストレージユニットからエネルギーが取り出されるのを許す。本発明に従えば、能動的充電サイクルは、完全に受動的で、必然的な同期充電サイクルに有利に置き換えられる。エネルギー変換は、静電気構造により主に実施されるため、静電構造に小さい初期電荷を注入することを主目的とする圧電素子は、高い効率を必要とされるものではない。
【００７７】
図２Ａは、圧電素子Ｐと静電電極４を有する、本発明に従う他の実施形態を示す。圧電素子Ｐと電極４は、実質的に平行であり、例えば空気のような誘電材料により分離されている。圧電素子Ｐと固定電極４は、長手方向の端部がキャリア６に取り付けられている。圧電素子Ｐと固定電極４は、電気的に絶縁されている。
【００７８】
圧電素子Ｐは、例えば圧電ＰＶＤＦ型ポリマーで作られた膜等の圧電材料９と、膜の両側の第一電極８および第二電極１０とを含んでいる。第二電極１０は、キャパシタ１２を形成するために、固定電極４に対向している。
【００７９】
圧電素子Ｐは、ｚ軸方向に機械的負荷がかかった場合に、変形し得る。この変形は、第二電極１０の変位を引き起こし、従って、固定電極４と可動電極１０との間の間隔ｄの変化を引き起こす。従って、キャパシタ１２は、膜９への機械的な力の印加で変化する容量を有する。
【００８０】
図２Ｂは、本発明に従う、例えば図１Ａ等の装置の基本原理電気回路図を示す。電荷転送制御手段２０が回路に取り付けられている。これ等の手段は、ダイオードまたはスイッチ型であり、制御回路に取り付けられている。これ等の手段２０は、キャパシタ１２に対する圧電素子Ｐの電荷転送を許可する。
【００８１】
力が、ｚ軸において圧電素子Ｐに加わった場合、圧電膜９は、第一電極８と第二電極１０との間に電位を生じながら変形する。圧電素子Ｐのこの変形は、第二電極１０と固定電極４を互いに近づけ、キャパシタ１２の容量の増加を生じる。
【００８２】
この動作は、図１Ａから１Ｅに関して述べた動作と同等である。
【００８３】
圧電素子Ｐの変形で生じた電荷は、キャパシタ１０へ転送される。そして、力が圧電素子Ｐに加わらなくなると、キャパシタは静止位置に復帰し、電極４と１０は、容量の低下を生じながら互いに離れる。
【００８４】
キャパシタ１２の端子における電位の変化に関連するこの容量変化は、蓄えられ得る、または、特定のアプリケーションにより直接利用され得る電気エネルギーの再生を可能にする。
【００８５】
圧電素子Ｐの変形は、容量の変化と圧電素子の変形を生じるエネルギーが同一の外的機械エネルギーであるため、静電エレメントの容量変化と同期する。
【００８６】
この装置は、例えば、スイッチの押圧、ガスの圧力変化、血管の圧力変化、または圧電素子上に落下する雨滴等に起因する、膜に印加される圧力や衝撃からのエネルギーを再生するために利用され得る。
【００８７】
図３は、分岐の内側端１０６、１０８が、互いに対向する静電電極１１０、１１２を有する、細長いＵ形状のキャリア１０４を含む、本発明に従う他の実施形態を示す。この装置は、Ｕの底部に取り付けられた圧電素子Ｐをも含む。圧電素子Ｐは、外側面に、それぞれ電極１１８、１２０を有し、内側面により、Ｕの枝部に対して平行に伸び、導電材料で作られたビーム１２２の第一端に取り付けられた、圧電材料で作られた２つの部位１１４、１１６を有する。ビームは、静電電極１１０、１１２の間に位置する可動マス１２４を、第二端に有している。マス１２４は、それぞれ電極１１０、１１２に対向する導電面１２６、１２８を含み、例えば空気等の誘電材料により、それ等と分離されている。
【００８８】
導電面１２６、１２８と、電極１１０、１１２とは、それぞれ、Ｕの枝部の間でマス１２４が動いた際に容量が変化し得るキャパシタを形成する。
【００８９】
このため、この装置は、可動マス１２４の慣性の結果、キャリア１０４に機械的振動が加わった場合に、電気エネルギーを再生するために利用され得る。キャリア１０４に機械的振動が加わった場合、マス１２４は、圧電素子１１４、１１６の変形を生じながら、Ｕの枝部の間で振動し、従って、電極１１８、１２０と共通電極１２２との間で、電位を生じると同時に、キャパシタの容量変化が生じる。
【００９０】
ビームが導電性であるため、電極１２２の電位は電極１１２６、１２８に等しい。
【００９１】
従って、例えば、図１Ｂの電気回路に結び付けて、電気エネルギーの再生が可能となる。
【００９２】
動作は、図１Ａの装置の動作と同等である。
【００９３】
図４は、多数の層により形成されたサンドイッチ構造を備えた、機械的強制力を電気エネルギーに変換する装置の他の実施形態を示す。
【００９４】
この装置は、圧電材料４０４の両側に電極４０６、４０８を備えた、圧電素子Ｐを含んでいる。また、この装置は、同一の電位U412の第二導電層４１２と交互で、変形可能な分離層４１４により分離された、同一の電位U410の第一導電層４１０を含む多層構造を有している。この構造は、圧電素子上に設置される。
【００９５】
電位U410は、電位U412と異なる。
【００９６】
第一導電層４１０および第二導電層４１２は、分離層４１４と共に、電気的に並列な、可変容量のキャパシタの連続を形成する。
【００９７】
電極４０６は、電極４１０と電気的に接触している。
【００９８】
圧電素子の側面と対向する側面は、ｚ軸方向の可変機械的強制力を受容するように設計されている。
【００９９】
強制力がサンドイッチに加わった場合、圧電素子Pの端子における電気エネルギーが増加し、互いに動く層４１０、４１２により、静電容量が増加する。これ等の層４１０、４１２は、強制力の効力下において、層４１０、４１２が互いに動くことを可能にする、例えばラバーなどの、非常にしなやかな電気絶縁体を選択することにより、互いに動き得る。
【０１００】
図１Ａの装置については、圧電素子Ｐにより生じた電気エネルギーは、最大の場合に、キャパシタ４１６に移動する。そして、電位エネルギーは、装置に加わっていた強制力がなくなると増幅される。
【０１０１】
圧縮の間、圧電素子は、機械エネルギーの一部を電気エネルギーに変換し、強制力がなくなると、この変換を増幅するのはキャパシタまたは静電部位である。
【０１０２】
静電構造についても言及され得る。実際、導電層４１０、４１２が互いに近づくと、それらは圧電素子Ｐから電荷を受け取る、この電荷は、導電層が互いに離れるのを防ぐ傾向のある静電気力を生じ、従って、圧縮の間に得られる機械エネルギーの一部を、電位エネルギーに変換する。得られたこの電位エネルギーは、電気回路、アクチュエータ、またはエネルギーストレージユニットに電力を供給するために利用され得る。
【０１０３】
図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃは、図１Ａの装置の形態と同等の形態を備えた、本発明に従う装置の具体的な実施形態を示す。
【０１０４】
説明を簡単にするために、図１Ａと同じ符号を用いるものとする。
【０１０５】
アーム２１８は、キャリアの全幅に渡って運動軸ｚに垂直に伸びる、圧電素子Ｐにより形成されている。圧電素子Ｐは、図５Ｂの詳細図でわかるように、例えば、その端部が、キャリアと固定部分２０４、２０６との間に組み込まれている。電気的絶縁体の層２２３は、圧電素子Ｐと固定部分２０４、２０６との間に置かれている。圧電素子は、圧電材料２３２の、可動部２０２と電気的に連結される一方の側に位置する電極２３４と、圧電材料２３２の他の側に位置する電極２３６、２３８とを有している。
【０１０６】
電極２３６、２３８は、共に同電位に接続されている。
【０１０７】
この装置は、移動の末に歯部間の接触による短絡を避けるための停止部２３９を有する。
【０１０８】
エネルギー変換装置は、図よりも多数の歯部を有していても良い。
【０１０９】
図５Ａ〜５Ｃのサイズは単に例示されたものであり、制限されるものではない。
【０１１０】
可動部２０２は、幅300μm、長さ7000μmである。歯部は、150μmの距離で間隔を置き、高さ1200μmである。この装置は、厚さ400μmであり、可動部２０２の各側に46個の歯部を有し、重量は約1gであり得る。歯部の空隙は、1μm〜50μmである。
【０１１１】
可動部２０２が、固定部２０４、２０６に対して、ｚ軸方向において図の右に動くと、可動部２０２と固定部２０４との間の容量が増加し、可動部２０２と固定部２０６との間の容量が低下する。同時に、圧電素子Ｐが、変形、特に伸張する。
【０１１２】
圧電素子の電極２３４は、可動部２０２と同じ電位を有することを考慮する。
【０１１３】
圧電素子Ｐが伸張された場合、対称性により、電極２３６、２３８の電位は同様に増加し、共に電位Ｖに接続され得る。
【０１１４】
このシステムは、部分的にまたは全体的にマイクロ電子技術を用いて、または、より大きいスケールにおいて標準的製造技術（機械加工、鋳造等）を用いて作られ得る。
【０１１５】
図５Ｄは、図５Ａの回路の機械構造に適用される電気回路を示している。
【０１１６】
図１Ｂに示す回路に加えて、機械エネルギーの変換により再生された電気エネルギーを電気エネルギーストレージユニットＣ５へ放電するための、例えば回路Ｃ３と、放電回路Ｃ３を開始させるための第二の電源Ｃ４の回路とを有している。
【０１１７】
この放電回路Ｃ３は、回路Ｃ１およびＣ２と並列に接続されている。放電回路は、それぞれ回路Ｃ１、Ｃ２に並列で、コイルＬ１、Ｌ２に直列のスイッチＫ１、Ｋ２を有している。また、スイッチＫ１、Ｋ２に接続されたダイオードＤＳ及びコイルＬＳをストレージユニットＣ５に直列に有している。また、端末Ｌ１、Ｌ２、及びＬＳは、同じ磁気回路を有している
【０１１８】
また、ダイオードＤＰが、圧電素子Ｐに並列に取り付けられている。
【０１１９】
第二の電源Ｃ４の回路は、例えば、ダイオード２２４及び２２８と、ダイオード２２４´及び２２８´により再充電され得るソースＥ´に接続される、２つのダイオード２２４´及び２２８´を有する。
【０１２０】
容量Ｃ226またはＣ230が最大値Ｃ226maxまたはＣ230maxに達する度に、圧電素子Ｐは最大変位となり、容量が最大値に達したキャパシタ２２６、２３０を再充電させ得る正電圧VPを生じる。
【０１２１】
そして、注入された電荷のエネルギーは、図１Ａの装置に対する方法と同様に、あらかじめ充電されたキャパシタ２２６、２３０の容量の値の低下、または、キャパシタ２２６、２３０の端子における電圧増加によって増幅される。
【０１２２】
キャパシタ２２６、２３０の端子における電圧が最大値となった場合、電気エネルギーは、対応するスイッチＫ１、Ｋ２を共鳴期間（Ｌ１Ｃ226またはＬ２Ｃ230）閉じることにより、放電回路Ｃ３によってストレージユニットＣ５に伝達される。そして、キャパシタ２２６、２３０により得られた電位エネルギーは、スイッチＫ１、Ｋ２を介して、放電回路Ｃ３に伝達され、ダイオードＤS介して、放電回路Ｃ３からストレージユニットＣ５へ伝達される。
【０１２３】
開始時に、ストレージユニットＣ５が空の場合は、スイッチＫ１及びＫ２の制御に要するエネルギーは、ダイオード２２４´及び２２８´により必然的に充電される第二のソースＥ´により供給され得る。次に、ストレージユニットＣ５が十分な電圧に達すると、これ等のスイッチの制御に電力を供給し得る。
【０１２４】
ダイオードＤPの役割は、キャパシタ２２６、２３０に事前に転送された電荷を、圧電素子Ｐの電極２２２．３に再注入することである。
【０１２５】
損失を最小限にするために、好ましくは、閾値が低く、電流が流れる際の抵抗が低く、逆電圧でのインピーダンスが高いダイオードが選択される。例えば、ショットキー形のダイオードであっても良い。好ましくは、電流が流れる際の抵抗が低く、オープン状態でのインピーダンスが高く、寄生容量が低いトランジスタが選択される。例えば、MOSFETまたはJFETであっても良い。
【０１２６】
圧電素子に関しては、使用される材料、厚さ及び長さは、回路Ｃ１及びＣ２を有する静電構造を事前充電する十分な電圧と電流を供給できるように、そして、好ましくは、再生を狙った機械振動または相対運動の周波数範囲内で、静電構造の共振が提供できるように、選択される。
【０１２７】
圧電素子は、PZT（PbZrtiO3）またはPLZT（ランタンを含む）またはBaTi O3等のセラミクス、ナノクリスタル（PZN-PTまたはPMN-PT）、ポリマー（PVDF）、またはAFC（Active Fiber Composites）の中から選択されても良い。
【０１２８】
誘導変圧器の磁気回路は、一周期の間に、キャパシタ２２６、または２３０によって得られたエネルギーを蓄えられるように選択される。この磁気回路に取り付けられたコイルＬ１、Ｌ２、及びＬｓのコイルの巻き数は、磁気回路の充電／放電回数が、相対運動の機械的周期に対して、極僅かであるように、選択される。この巻き数は、さらに、C226min、C230minの値と、ストレージユニットＣ５の端子における電圧に依存する。
【０１２９】
例えば、回路の共振期間L1C226min及びL2C230minを、マイクロセカンドオーダーとする、すなわち、数ミリセカンドの周期を有する機械振動の周期に対して、たいへん低くすることが可能である。
【０１３０】
上述した装置の寸法に基づいて、本発明に従う装置により再生され得るエネルギーを決定する。
【０１３１】
キャパシタ２２６または２３０の容量性表面面積は、次のとおりである。
S = 46×0.4×1  ＝18.4mm2
C226min = C230min= ε0S / dmax= ε0×18.4mm2 / 50μm = 3.3pF
C226max = C230max = ε0S / dmin = ε0×18.4mm2 / 1μm = 162.7pF
【０１３２】
dmax及びdminは、それぞれ、運動中のキャパシタC226及びC230の２つの歯部間の最大空隙及び最小空隙である。
【０１３３】
共鳴周波数をfr = 50 Hzとすると、可動部２０２のＺ軸に従う運動に対する圧電素子の全体剛性kは、次のとおりである。
k = M(2Πfr)P= 10-3(2Π50)P = 98.7N/m
【０１３４】
相対運動の増幅率がAの一周期において、機械的に利用可能なエネルギーは、Edispo ≒1/2kA2である。
【０１３５】
最も好ましい場合（エネルギーを最も生じる場合）、Aは(dmax - dmin) / P = 24.5μmである。
【０１３６】
従って、
Edispo ≒ 1/2kA2 = 1/2×98.7×(24.85×10-6) 2 =29.6nJ.
【０１３７】
静電構造により、一周期で電気的に変換可能なエネルギーは、以下のとおりである。
【数２】
2009524387.tif 000004
【０１３８】
電気的に変換可能なエネルギーを、機械的に利用可能なエネルギーと等しくしたい場合、それは減衰が１に近いことに対応し、E = Edispoであり、従って、V2charge = 2.7Vである。
【０１３９】
事前充電を実施するために、静電構造（C226またはC230）に注入されるエネルギーは、次のとおりである。
【数３】
2009524387.tif 000005
【０１４０】
従って、圧電素子が、各周期の間、24.5μm の相対振幅運動に対して、2.7Vで0.6nJのエネルギーを生み出すのは十分であり、これは、静電構造により変換されるエネルギーの４９倍以下である。従って、この場合、圧電ビームの唯一の役割は、静電変換構造の動作を開始することである。
【０１４１】
圧電素子により変換される電気エネルギーは、利用可能な機械エネルギーの2%にすぎないため、圧電素子の材料の選択は、用いられるマイクロ電子製造技術に対する互換性を主に考慮して行われ得る。
【０１４２】
50Hzおよび全振幅での、そのようなシステムにより再生され得るエネルギーは、以下のとおりである。
Precoverable50Hz = 29.6．10-9×2×50 = 2.96μW
機械的周期毎に、キャパシタC226による１周期と、キャパシタC230による１周期との２周期がある。
【０１４３】
本発明は、純粋な静電システムに対して、効率で20%の利得を可能とする。
【０１４４】
図６は、本発明の一実施形態に従う、同期型圧電素子および静電素子の関連性を利用するために用いられ得る電気回路図を示す。
【０１４５】
回路は、圧電素子Ｐ、ダイオード５０４、可変容量C506のキャパシタ５０６、圧電素子Ｐに並列なスイッチ５０８、および、コイル５１０を含んでいる。圧電素子Ｐの端子電圧はVPであり、キャパシタの端子電圧はV506である。
【０１４６】
この場合、VPが低下すると、キャパシタ５０６の容量が増加するものとする。
【０１４７】
本実施形態では、圧電素子の端子における電圧を反転し、装置の効率を上げるために、スイッチ５０８を作動する。
【０１４８】
電圧VPが最大の場合、圧電素子Ｐの端子電圧は、コイル５１０と圧電素子Ｐのキャパシタとで形成される回路の半共振期の間スイッチ５０８を閉じることで反転され得る。  圧電素子Ｐに蓄えられた電荷の符号のこの反転は、次の周期で変換されるエネルギーの増加を可能にする、機械的制動力を生じる。この周期は、電圧VPが低下するフェーズに対応する。電圧VPが最小の場合、半共振期の間スイッチ５０８が再び閉じられて電圧VPの極性が反転し、ダイオード５０４により、電圧VPが最大の場合に、キャパシタ５０６が充電される。キャパシタC506が低下すると、キャパシタC506の可変周期に対して非常に短い時間で、電力が供給されるべきアプリケーションに全体的または部分的に転送される前に、電位エネルギーは最大値まで増加する。残りのエネルギーは、電圧VPが０でない値で次の周期を開始するように、キャパシタ５０６に残る。
【０１４９】
図７は、エネルギーを供給することなく、変換装置の開始が可能な、他の実施形態の電気回路図を示す。
【０１５０】
回路は、ダイオード６０４及びキャパシタ６０６と、ダイオード６０８とに並列に配置された圧電素子Ｐを含んでいる。
【０１５１】
圧電素子Ｐとキャパシタ６０６は、それぞれの端子の一つにより、主要電位（potentiel de masse）６１０に接続されている。キャパシタ６０６は、他端により、放電回路に接続されている。
【０１５２】
キャパシタ６０６の容量C606が増加した場合、圧電素子の端子における電圧VPが増加し、逆も同様であるとする。
【０１５３】
電圧VPが増加した場合、ダイオード６０４は電流を通過させ、電圧VPが最大値に達するまでキャパシタ６０６を充電する。容量C506が低下した場合、キャパシタ６０６に転送されていた電荷が増幅される。この電位エネルギーが最大の場合、放電回路を介して、電力が供給されるべきアプリケーションにまたはストレージユニットに転送される。
【０１５４】
ダイオード６０８の導入により、正の周期の間に、電圧VPの最大値を増加するために、電圧VPが通常負の場合に、圧電素子Ｐの容量CPを再充電することが可能となる。
【０１５５】
図８は、エネルギーの再生の間に圧電素子を能動的にする、他の実施形態の電気回路図を示す。
【０１５６】
エネルギーの再生の間に、圧電素子を能動的にすることは、本発明の範囲では、変形に抗する圧電力を生じさせるために、電荷が圧電素子に注入される静電変換と同等である。運動に抗する力を生じさせることにより、圧電素子により一周期で変換されるエネルギーは、全くの受動的動作に対して、著しく増加する。
【０１５７】
図８の回路は、第一回路Ｃ６と、第二回路Ｃ７とを含んでいる。第一回路Ｃ６は、圧電素子Ｐ、ダイオード７０４、キャパシタ７０６、スイッチ７０８およびコイル７１０を含んでいる。スイッチ７０８およびコイル７１０は、ダイオード７０４に並列に配置されている。
【０１５８】
第二回路Ｃ７は、圧電素子Ｐ、ダイオード７１２、キャパシタ７１４、ダイオード７１２に並列に配置されるスイッチ７１６およびコイル７１８を含んでいる。スイッチ７０８およびコイル７１０は、ダイオード７０４に並列に配置されている。
【０１５９】
圧電素子Ｐは、ストレージユニットＣ５に接続されている。スイッチ７０８およびコイル７１０の間の第一回路Ｃ６と、スイッチ７１６およびコイル７１８の間の第二回路Ｃ７は、それぞれスイッチ７２０、７２２によって、ストレージユニットＣ５に接続されている。
【０１６０】
スイッチ７０８、７１６、７２０、７２２すべてが開いている場合、回路は図１Ｂの回路と同様に作動する。この形態は、システムを開始させることができる。すなわち、圧電素子の端子における電圧VPが増加すると、キャパシタ７０６が充電され、キャパシタ７０６の容量が低下すると、キャパシタの端子における電圧V706が増加する。電圧V706が最大の場合、ストレージユニットＣ５に対して、静電構造を完全に放電する代わりに、電気エネルギーの一部が圧電素子Ｐに転送される。この目的のため、スイッチ７０８が閉じられる。これは、キャパシタ７０６と圧電素子Ｐとの間に電流を流す効果を有する。この電流の循環は、電圧VPを反転させ、圧電素子Ｐにおいて機械的制動力を生じる。最終的に、全電気エネルギー（圧電素子、キャパシタ７０６、およびコイル７１０に蓄えられた）の一部が、スイッチ７０８を開き、スイッチ７２０を閉じることで、回路Ｃ６とストレージユニットＣ５との間の電流循環がなくなるまで、ストレージユニットに送り返され得る。
【０１６１】
０ではない分極により次の周期を開始するために、圧電素子の容量CPが完全に放電されなくても、ダイオード７０４の存在により、キャパシタ７０６は完全に放電され得ない、といことを留意すべきである。この電圧VPが、電圧V706の最大値に比べて低い限り、これは問題ではない。スイッチ７０８の閉時間は、圧延素子Ｐで望まれる分極値と、各周期においてストレージユニットＣ５に転送されるエネルギーに従って設定され得る。構造の対称性に起因して、圧電素子が図１Ａの装置と同様に異なる方向に動いた場合に、回路Ｃ７を介して、同様の動作が存在する。
【０１６２】
図９は、圧電素子が、エネルギーのイニシャルソースとして単に用いられた、他の実施形態の電気回路図を示す。ここでは、エネルギーは、静電構造の可変キャパシタを介して、幾つかの段階で、増幅される。
【０１６３】
回路は、第一回路Ｃ９と、第二回路Ｃ１０とを含んでいる。回路Ｃ９は、圧電素子Ｐ、ダイオード８０４、および、可変容量キャパシタ８０６を含んでいる。
【０１６４】
第二回路Ｃ１０は、圧電素子Ｐ、ダイオード８０８、および、可変容量キャパシタ８１０を含んでいる。
【０１６５】
キャパシタ８０６は、スイッチ８１２およびコイル８１４と並列に配置されている。
【０１６６】
キャパシタ８１０は、スイッチ８１６およびコイル８１４と並列に配置されている。
【０１６７】
コイル８１４は、スイッチ８１８により、ストレージユニットＣ５に接続されている。
【０１６８】
最初に、キャパシタ８０６の端子における電圧V806は０である。圧電素子の端子における電圧VPが正になると、キャパシタ８０６の初期充電が始まり、この充電に関連するエネルギーが、キャパシタ８０６の容量の低下によって増幅される。キャパシタ８０６の容量が最小になると、つまり、電圧V806が最大の場合、キャパシタ８０６の電位エネルギーは、スイッチ８１２を閉じることにより、まずインダクタンス８１４に転送され、次にスイッチ８１６を閉じることにより、インダクタンス８１４からキャパシタ８１０に転送される。さらに、キャパシタ８０６の容量が最小の場合、キャパシタ８１０の容量は最大であることを考えると、キャパシタ８１０の容量が低下する間に、他の電位エネルギーの増加がある。
【０１６９】
機械的期間の間に、一つのキャパシタから他のキャパシタにエネルギーを転送する時間は、ごくわずかであると考えられ、つまり、コイル８１４およびキャパシタ８０６で形成される回路と、コイル８１４およびキャパシタ８１０で構成される回路の共振周波数は、可動部の機械的共振周波数よりも非常に高い。キャパシタ８１０の電位エネルギーが最大値に達すると、エネルギーはキャパシタ８０６に転送される。
【０１７０】
２つのキャパシタ８０６、８１０の間の転送は、増幅レベルが十分になるまで続く。各機械的期間において、過剰なエネルギーは、ストレージユニットＣ５へ転送される。これは、コイル８１６に一時的に蓄えられたエネルギーを用いることで実施され得、スイッチ８１８を閉じることにより、部分的にまたは全体的にストレージユニットＣ５に転送され得る。
【０１７１】
配置の対称性により、圧電素子の端子が負の電圧VPの第二回路により、初期充電が行われ得る。
【０１７２】
本装置は、圧電素子において、０．数ボルトオーダーの非常に低い電圧（ダイオード８０６、８１０の閾値電圧よりわずかに高い電圧）で開始する利点を有する。
【０１７３】
装置の動作、特に、図２Ａの動作、は、圧縮力を考慮して述べてきたが、層４１０、４１２を離すように意図された牽引力の形態で適用されるエネルギーの変換も可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１７４】
本発明は、マイクロシステムに限定されず、メーター寸法のシステム、および、ナノメーター寸法のシステムにも適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１７５】
【図１Ａ】本発明に従う装置の一実施形態の図式的表示の平面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの装置に対応する電気回路図の一例である。
【図１Ｃ】圧電素子のマイクロメータの変形と、圧電素子が変形した際の、図１Ａおよび図１Ｂの装置のキャパシタのピコファラッドの容量変化を、ミリセカンドの時間関数で示す図である。
【図１Ｄ】圧電素子が変形した際の、図１Ａおよび図１Ｂの装置のキャパシタの端末における電位の変化を、時間関数で示す図である。
【図１Ｅ】圧電素子の電気的動作のモデルである。
【図２Ａ】本発明に従うエネルギー再生装置の他の実施形態の透視図である。
【図２Ｂ】本発明に従う装置の基本原理電気回路図である。
【図３】本発明の他の実施形態の透視図である。
【図４】本発明の他の実施形態の図である。
【図５Ａ】本発明の他の実施形態の図である。
【図５Ｂ】図５Ａの装置の詳細図である。
【図５Ｃ】図５Ａの装置の詳細図である。
【図５Ｄ】図５Ａの装置に対応する電気回路図の一例である。
【図６】本発明の他の実施形態に対応する電気回路図の一例である。
【図７】本発明の他の実施形態に対応する電気回路図の一例である。
【図８】本発明の他の実施形態に対応する電気回路図の一例である。
【図９】本発明の他の実施形態に対応する電気回路図の一例である。
【符号の説明】
【０１７６】
４  静電電極
６  キャリア
８  第一電極
９  圧電材料
１０  第二電極
１２  キャパシタ
２０  電荷伝送制御手段
２０２  可動部
２０４、２０６  固定部
２０８  本体
２１０、２１２、２１４  歯部
２１６  キャリア
２１８  変形アーム
２２４  第一ダイオード
２２６  第一キャパシタ
２２８  第二ダイオード
２３０  第二キャパシタ
４０４  圧電材料
４０６  電極
４０８  電極
４１０  第一導電層
４１２  第二導電層
４１４  分離層
Ｃ１  第一副回路
Ｃ２  第二副回路
Ｃ５  ストレージユニット
Ｐ  圧電素子
【図１Ａ】
2009524387.tif 000006
【図１Ｂ】
2009524387.tif 000007
【図１Ｃ】
2009524387.tif 000008
【図１Ｄ】
2009524387.tif 000009
【図１Ｅ】
2009524387.tif 000010
【図２Ａ】
2009524387.tif 000011
【図２Ｂ】
2009524387.tif 000012
【図３】
2009524387.tif 000013
【図４】
2009524387.tif 000014
【図５Ａ】
2009524387.tif 000015
【図５Ｂ】
2009524387.tif 000016
【図５Ｃ】
2009524387.tif 000017
【図５Ｄ】
2009524387.tif 000018
【図６】
2009524387.tif 000019
【図７】
2009524387.tif 000020
【図８】
2009524387.tif 000021
【図９】
2009524387.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成19年12月21日(2007.12.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの圧電素子と、少なくとも一つの可変容量キャパシタによる、機械エネルギーの電気エネルギーへの変換方法であって、該方法は下記ステップを含む。
ａ）圧電素子の機械的変形、
ｂ）圧電素子の変形により生じた電荷の再生、
ｃ）圧電素子からキャパシタへの電荷の転送、
ｄ）キャパシタの機械的変形によるキャパシタの容量の変更、
ｅ）電気エネルギーの少なくとも一部の再生。
【請求項２】
圧電素子の変形とキャパシタの容量の変更は同時である、
請求項１に記載の変換方法。
【請求項３】
キャパシタの容量が最大の場合に、圧電素子の変形が最大である、
請求項２に記載の変換方法。
【請求項４】
圧電素子およびキャパシタは、同じ機械的強制力により変形する、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の変換方法。
【請求項５】
キャパシタにより変換された電気エネルギーの一部が、圧電素子に転送される、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の変換方法。
【請求項６】
電荷が、圧電素子の変形方向の関数として、第一のキャパシタまたは第二のキャパシタに転送される、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の変換方法。
【請求項７】
圧電素子の端子における電圧が最大の場合、続く変換周期において変換されるエネルギーを増加させ得る機械的制動力を生じるために、符号が反転する、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の変換方法。
【請求項８】
本発明に従う方法は、所定の電気エネルギー増幅レベルに達するまで、キャパシタにより生じた電気エネルギーを、第二のキャパシタに、また逆も同様に、転送する追加ステップを含む、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の変換方法。
【請求項９】
前記増幅レベルに関するエネルギーの過剰量は、ストレージまたは作動ユニットへ転送される、
請求項８に記載の変換方法。
【請求項１０】
ステップｃ）の電荷の転送が、制御回路に取り付けられたダイオードまたはスイッチにより制御される、
請求項９に記載の変換方法。
【請求項１１】
少なくとも一つの圧電素子（Ｐ）と、少なくとも一つの可変容量キャパシタと、圧電素子とキャパシタとの間の電荷の転送の制御方法とを含み、圧電素子（Ｐ）の変形の間に生じる電荷が、容量の変化により増幅される電気エネルギーを生じるために、キャパシタに転送され、キャパシタの容量は、キャパシタのアーマチュアの運動により変更される、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する変換装置。
【請求項１２】
電荷の転送の制御方法が、制御回路に取り付けられた少なくとも一つのダイオードまたはスイッチにより形成される、
請求項１１に記載の変換装置。
【請求項１３】
圧電素子（Ｐ）と、キャパシタのアーマチュアは、同じ機械的強制力を受けるように、実質的に平行である、
請求項１２に記載の変換装置。
【請求項１４】
容量が反対に変化する２つのキャパシタを含む、
請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の変換装置。
【請求項１５】
機械的強制力の適用により動き、運動軸の両側に歯部（２１０）を備えた部位（２０２）を含み、歯部（２１２、２１４）を備えた２つの固定部（２０４、２０６）が可動部（２０２）の歯部と反対に動き、圧電素子（Ｐ）が可動部（２０２）の運動に対して垂直で、可動部（２０２）に電気的に接続され、向かい合った歯の対が、容量が反対に変化する直列のキャパシタを２組形成する、
請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の変換装置。
【請求項１６】
圧電素子（Ｐ）が、静電電極（４）および圧電素子（Ｐ）の第二電極（１０）が前記膜の変形により可変容量キャパシタを形成するように、静電電極（４）からある距離で懸架されたフレキシブル膜の形態である、
請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の変換装置。
【請求項１７】
第一の電位の第一電極（４１０）と、電気的絶縁材料の層（４１４）と、第二の電位の第二電極（４１２）とが交互になってキャパシタが形成された層構造を含み、電気的絶縁材料は弾性的に変形可能であり、圧電素子（Ｐ）が層構造の一つの層を形成する、
請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の変換装置。
【請求項１８】
圧電素子が、圧電材料の層と、圧電材料の層の各側に第一の電極と第二の電極とを備える、
請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の変換装置。
【請求項１９】
圧電材料が、PZT（PbZrtiO3）またはPLZT（ランタンを備える）またはBaTiO3等のセラミクス、ナノクリスタル（PZN-PTまたはPMN-PT）、ポリマー（PVDF）、またはAFC（Active Fiber Composites）から選択され得る、
請求項１８に記載の変換装置。
【国際調査報告】
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2009524387.tif 000024
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