(57)【要約】  電源装置は、熱電発電装置と、初期エネルギー管理アセンブリと、静電変換器と、最終エネルギー管理アセンブリとを備える。前記熱電発電装置は、熱電発電装置の全域に作用する温度勾配に応じて、十分高い電圧を有する電気活性化エネルギーを生成するように構成される。前記初期エネルギー管理アセンブリは、前記熱電発電装置に接続され、前記熱電発電装置によって生成された電気活性化エネルギーを受けて調整するように構成される。前記静電変換器は、前記初期エネルギー管理アセンブリに接続され、前記初期エネルギー管理アセンブリから受けた電気活性化エネルギーによって活性化可能であり、それ自体に作用する振動エネルギーに応じて電気エネルギーを生成するように構成される。前記最終エネルギー管理アセンブリは、前記静電変換器に接続され、それによって生成された電気エネルギーを調整するように構成される。
2009539345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電発電装置の全域に作用する温度勾配に応じて生成された十分に高い電圧を有する電気活性化エネルギーを生成するように構成された熱電発電装置と、
前記熱電発電装置に接続され、前記熱電発電装置から受けた電気活性化エネルギーによって活性化可能であり、それ自体に作用する振動エネルギーに応じて電気エネルギーを生成するように構成された静電変換器と
を備える電源装置。
【請求項２】
請求項１記載の電源装置において、
前記静電変換器は、電荷拘束モードにおいて、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されている電源装置。
【請求項３】
熱電発電装置の全域に作用する温度勾配に応じて生成された十分に高い電圧を有する電気活性化エネルギーを生成するように構成された熱電発電装置と、
前記熱電発電装置によって生成された電気活性化エネルギーを受けて調整するように接続及び構成された初期エネルギー管理アセンブリと、
前記初期エネルギー管理アセンブリに接続され、前記初期エネルギー管理アセンブリから受けた電気活性化エネルギーによって活性化可能であり、それ自体に作用する振動エネルギーに応じて電気エネルギーを生成するように構成された静電変換器と、
前記静電変換器に接続され、生成された電気エネルギーを調整するように構成された最終エネルギー管理アセンブリと
を備える電源装置。
【請求項４】
請求項３記載の電源装置において、
前記熱電発電装置及び前記静電変換器は、単一の電子アセンブリに組み込まれている電源装置。
【請求項５】
請求項３記載の電源装置において、
前記初期及び最終エネルギー管理アセンブリは、単一の電子アセンブリに組み込まれている電源装置。
【請求項６】
請求項３記載の電源装置において、
前記熱電発電装置、前記静電変換器、並びに、前記初期及び最終エネルギー管理アセンブリは、単一の電子アセンブリに組み込まれている電源装置。
【請求項７】
請求項３記載の電源装置において、
前記静電変換器は、電圧拘束モードにおいて、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されている電源装置。
【請求項８】
請求項３記載の電源装置において、
前記静電変換器は、電荷拘束モードにおいて、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されている電源装置。
【請求項９】
請求項８記載の電源装置において、
前記静電変換器は、初期ギャップと比較的大きな最終ギャップとの間で移動可能である離隔した一対の導体プレートを有する可変コンデンサを含み、
前記初期エネルギー管理システムは、前記可変コンデンサが最大キャパシタンスを有する初期ギャップで前記導体プレートが離隔されたとき、初期電圧で前記可変コンデンサに電気活性化エネルギーを提供するように構成され、
前記静電変換器は、それ自体に作用する振動エネルギーに応じて、前記導体プレート間の間隔を前記初期ギャップから前記最終ギャップへと増加させることで、キャパシタンスを減少させ、電圧を初期電圧から最大電圧へと増加させるように構成され、
前記静電変換器は、更に、貯蔵要素への伝達のため、最大電圧で前記可変コンデンサから電荷を抽出するように構成されている電源装置。
【請求項１０】
請求項３記載の電源装置において、
前記熱電発電装置及び前記静電変換器の少なくとも１つは、シリコンベース技術を使用して製造されている電源装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の電源装置において、
前記熱電発電装置及び前記静電変換器の少なくとも１つは、相補型金属−酸化物半導体（ＣＭＯＳ）製造プロセスを使用して製造されている電源装置。
【請求項１２】
請求項３記載の電源装置において、
前記熱電発電装置及び前記静電変換器の少なくとも１つは、マイクロ−電子−機械システム（ＭＥＭＳ）技術を使用して製造されている電源装置。
【請求項１３】
請求項３記載の電源装置において、
前記熱電発電装置は、バルク多結晶熱電材料からなる複数のｎ型及びｐ型熱電脚部を含む電源装置。
【請求項１４】
請求項３記載の電源装置において、
前記熱電発電装置は、電気メッキ技術を使用して製造されている電源装置。
【請求項１５】
請求項３記載の電源装置において、
前記熱電発電装置は、面内構造を有している電源装置。
【請求項１６】
請求項１５記載の電源装置において、
前記面内熱電発電装置は、薄膜技術を使用して製造されている電源装置。
【請求項１７】
請求項１６記載の電源装置において、
前記面内熱電発電装置は、
離隔した一対の熱結合プレートと、
前記熱結合プレートに熱的に連結される基板であって、対向する前方及び後方の基板面を有し、低い熱伝導率を有する電気絶縁材料からなる少なくとも１つの基板と、
前記前方及び後方の基板面の少なくとも一方において離隔され、かつ平行な配列で配置されたｎ型及びｐ型脚部であって、それぞれが熱電材料からなり、一連の細長く、交互に並べられたｎ型及びｐ型熱電脚部とを備え、
前記各ｐ型熱電脚部は、前記ｐ型熱電脚部の反対側の端部において隣接した前記ｎ型熱電脚部の１つに電気的に接続されて、そのため、前記一連のｎ型及びｐ型熱電脚部が電気的に直列に接続されると共に熱的に並列に接続されている電源装置。
【請求項１８】
請求項１７記載の電源装置において、
前記ｎ型及びｐ型熱電脚部は、Ｂｉ２Ｔｅ３型熱電材料からなる電源装置。
【請求項１９】
請求項１７記載の電源装置において、
前記面内熱電発電装置は、
電気的に直列に接続され、前記熱結合プレートの間に介装されて熱的に接続された複数の離隔した平行なフォイルセグメントを備え、
前記各フォイルセグメントは、
対向する前方及び後方の基板面を有する基板を備え、
前記交互に並べられたｎ型及びｐ型熱電脚部は、前記前方及び後方の基板面の少なくとも１つの上において離隔した平行な配列で配置されている電源装置。
【請求項２０】
請求項１７記載の電源装置において、
前記面内熱電発電装置は、
前記熱結合プレート間に介装され、かつ前記熱結合プレートを熱的に相互接続するらせん状に巻きつけられたフォイルセグメントを備え、
前記フォイルセグメントは、
対向する前方及び後方の基板面を有する細長い基板を備え、
前記交互に並べられたｎ型及びｐ型熱電脚部は、前記前方及び後方の基板面の少なくとも１つの上において離隔した平行な配列で配置されている電源装置。
【請求項２１】
請求項３記載の電源装置において、
前記熱電発電装置は、平断面構造を有している電源装置。
【請求項２２】
請求項２１記載の電源装置において、
前記平断面熱電発電装置は、
離隔した一対の熱結合プレートと、
前記熱結合プレートに対して垂直に配向され、それらの間で熱的に接続されたｎ型及びｐ型脚部であって、それぞれ熱電材料からなり、一連の細長く、交互に並べられたｎ型及びｐ型熱電脚部とを備え、
前記各ｐ型熱電脚部は、前記ｐ型熱電脚部の反対側の端部において隣接した前記ｎ型熱電脚部の１つに電気的に接続され、そのため、前記一連のｎ型及びｐ型熱電脚部が電気的に直列に接続されると共に熱的に並列に接続されている電源装置。
【請求項２３】
請求項２２記載の電源装置において、
前記ｎ型及びｐ型熱電脚部は、Ｂｉ２Ｔｅ３型熱電材料からなる電源装置。
【請求項２４】
前記静電変換器に作用する振動エネルギーに応じて電気を生成するように構成された静電変換器を有する電源装置に対し十分に高い電圧を有する電気活性化エネルギーを提供するように構成されている熱電発電装置。
【請求項２５】
請求項２４記載の熱電発電装置は面内構造を有し、その熱電発電装置は、
離隔した一対の熱結合プレートと、
前記熱結合プレートに対して垂直に配向され、それらの間で熱的に接続される基板であって、対向する前方及び後方の基板面を有する基板と、
少なくとも前記前方の基板面において離隔され、かつ平行な配列で配置されたｎ型及びｐ型脚部であって、それぞれが熱電材料からなり、一連の細長く、交互に並べられたｎ型及びｐ型熱電脚部とを備え、
前記各ｐ型熱電脚部は、前記ｐ型熱電脚部の反対側の端部において隣接した前記ｎ型熱電脚部の１つに電気的に接続され、そのため、前記一連のｎ型及びｐ型熱電脚部が電気的に直列に接続されると共に熱的に並列に接続されている熱電発電装置。
【請求項２６】
請求項２４記載の熱電発電装置は平断面構造を有し、その熱電発電装置は、
離隔した一対の熱結合プレートと、
前記熱結合プレートに対して垂直に配向され、それらの間で熱的に接続されたｎ型及びｐ型脚部であって、それぞれが熱電材料からなり、一連の細長く、交互に並べられたｎ型及びｐ型熱電脚部とを備え、
前記各ｐ型熱電脚部は、前記ｐ型熱電脚部の反対側の端部において隣接した前記ｎ型熱電脚部の１つに電気的に接続され、そのため、前記一連のｎ型及びｐ型熱電脚部が電気的に直列に接続されると共に熱的に並列に接続されている熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電に係り、詳しくは、熱電エネルギー変換と、静電又は機械的エネルギー変換との組み合わせを含み、特に、マイクロ電子デバイス及びシステムにより使用される電力の生産に適した自給自足型電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ電子デバイスの小型化に伴い、小型の電源装置の開発が求められている。電池及び太陽電池は、そのようなマイクロ電子デバイス用の電源として一般的である。しかしながら、電池によって供給される電力は、経時的に消耗されるため、電池を周期的に交換する必要性がある。太陽電池は、無限の有効寿命を有しているが、太陽や他の光源はいつでも利用できるものではなく、電力の一時的な供給源としてしか提供することができない。また、太陽電池は、エネルギー変換効率を維持するために、その表面を周期的にクリーニングすることが必要である。
【０００３】
熱電発電装置は、導体内での電荷キャリア拡散にその大部分が起因して熱差異を電気に変換する現象であるゼーベック効果によって、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する自給自足型エネルギー源である。電力は、一端で結合している一対の異なる金属（ｎタイプ及びｐタイプ）からなる熱電対を使用して、ゼーベック効果の下で発電される。ｎタイプ及びｐタイプは、それぞれ、材料内における電荷キャリアの負タイプ及び正タイプを意味する。
【０００４】
熱電対の端部間に存在する温度勾配は、人為的に印加されるか、或いは、人体によって常に退けられる発散熱や廃熱として自然に発生する。腕時計では、一方の面が周辺温度の空気に晒されると共に、反対側の面が着用者肌のより高い温度に晒されている。それにより、通常は、腕時計の厚さに亘って小さな温度勾配が生じる。熱電発電装置は、時計に組み込まれて発散熱や廃熱を利用すると共に、内蔵ユニットとして腕時計を駆動するための十分な電力供給を生成する。有利なことに、通常の腕時計と類似したサイズのマイクロ電子デバイスについてその多くは、少量の電力のみを必要とするため、熱電発電装置による電力供給に対し相性が良い。
【０００５】
環境や周囲エネルギーから電力を生成可能な他の自給自足型エネルギー源は、振動に基づく装置である。振動に基づいたエネルギー源を活用するための方法に関する最近の研究によって、静電マイクロパワー発電機に用いられる可変コンデンサの著しい発展がもたらされた。例えば、自動車エンジン、マイクロウエーブオーブン、及び通行量の多い車道付近の事務室の窓といった多くの場所での利用が容易な振動源のユビキタス化によって、機械的エネルギーをマイクロ電子デバイス及びシステムに電力を供給するための電気エネルギーに変換する機会が多く存在している。
【０００６】
一般に、一時的にしか利用できない太陽エネルギーとは異なり、振動源及び温度勾配は、通常、より定常的に利用することができる。振動エネルギーは、いくつかの原理の下で、電気エネルギーに変換することができる。例えば、電磁変換器は、磁界とコイルとの間の相対的な運動に応じて電流を生成する。圧電変換器は、圧電素子の極僅かな変形の結果として印加された機械的応力に応じて電気エネルギーを生成する。より具体的には、圧電変換器は、通常、それ自体に作用する機械的変形に応じて、電圧を生成する誘電材料に亘って電荷分離を生成させる誘電材料を含む。
【０００７】
静電変換器は、可変コンデンサとして構成され、可変コンデンサを含む一対のプレート間に形成された電界に対する機械的な運動の結果として、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されている。より具体的には、静電変換器において、プレート（即ち、導体）は、誘電体によって分離されると共に、プレートの１つに対し作用する振動に応じて、互いに相対運動するように駆動される。２つのプレート間の電界に作用する振動によってもたらされる動きは、コンデンサに蓄えられたエネルギーを変化させる。こうして、静電変換器は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するために使用される。
【０００８】
機械的エネルギー／電気的エネルギー変換装置の３つの類型（即ち、電磁、圧電及び静電）を比較すると、静電変換器は、幾つかの長所を備えている。例えば、多数のマイクロ電子デバイスにおける更なる小型化は、部分的に、マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）における進歩に起因している。ＭＥＭＳ技術を利用して静電変換器を製造できることによって、多くの電子工学マイクロシステムに静電変換器を容易に組み込むことができ、静電変換器によって電力が供給される電子デバイスの全体的なサイズを小さくすることができる。
【０００９】
更に、特別な圧電材料を必要とする圧電発電機とは異なり、一般に、静電変換器は、単純な材料から構成される。電磁発電機と比べて静電変換器により提供される更なる長所は、静電変換器により生成される比較的高い出力電圧に関連している。対照的に、電磁変換器は、比較的低い電圧を生成し、生成された電力は、多数の電子デバイスによって容易に使用することができない。
【００１０】
重要なことに、静電変換器は、高温環境、即ち熱が発生する環境下でも耐えられるように構成されている点で、電磁及び圧電発電機よりも優れた長所を有している。しかしながら、静電変換器は、上述した他の機械的エネルギー変換器にはない特定の欠点を有している。より具体的に、静電変換器は、一般に、機械的エネルギー（即ち、振動）を電気エネルギーに変換するプロセスを開始するのに十分に高い電圧の初期活性化エネルギーを必要とする。再生可能なエネルギーの実用的な供給源として振動エネルギーを上手く利用できる自給自足的動力源を提供するためには、必ず、電圧供給源を静電変換器に別途取り付けなければならない。
【００１１】
上述したマイクロ電子工学の小型化の発展から見て、本技術分野では、電池等の消耗性要素の周期的な交換の必要性を省くため、マイクロ電子工学デバイスやシステムに対し実質的に、かつ連続的な電源の供給を提供できる電源装置が求められている。より具体的には、本技術分野では、環境から振動エネルギーを取り除くことで安定的な、且つ有効な電源供給が可能な静電変換器が求められている。また、その静電変換器は、再生可能で、かつ自給自足的な熱電動力源によって自己活性化される。
【００１２】
なお、本出願は、「マイクロ静電エネルギー変換器を備える熱電発電装置」という題下で２００６年５月３１日付で出願され、同時係属中である米国特許仮出願第６０／８０９，４７９号に対して優先権を主張しており、その全体の内容は、ここに参照することにより明示的に組み込まれている。本出願は、更に、「低電力熱電発電装置」という題下で２００３年５月１９日付で出願された米国特許出願第１０／４４０，９９２号（現在米国特許第６，９５８，４４３号）の継続出願である「低電力熱電発電装置」という題下の米国特許出願第１１／１８５，３１２号（２００５年１１月１７日付出願）の一部継続出願である「改善された低電力熱電発電装置」という題下の米国特許出願第１１／３５２，１１３号（２００６年２月１０日付出願）に関連し、それらのそれぞれの全体の内容は、ここに参照することにより明示的に組み込まれている。
備考：連邦支援研究／開発（該当事項なし）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、特に、電気エネルギーへの機械的（すなわち、振動）エネルギーの変換を開始するために、静電変換器に別途の電圧供給源の要件を満たす電源装置を設けることにより、マイクロ電子デバイスに対する電源供給と関する前述した必要性に対処し、それを軽減させる。また、本発明は、温度勾配及び振動エネルギーのような公知の環境エネルギー源を利用することのできるエネルギー収獲デバイスの全体的なパワー出力を改善するための手段を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
広い意味で、本発明は、マイクロ電子デバイスに使用できる維持可能な動力源を提供するために、熱電発電装置を適切な電子回路を介して静電変換器と結合させる。熱電発電装置は、好ましくは、熱源及びヒートシンクに近接して配置されて、十分高い電圧を有する電気活性化エネルギーを生成するために、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するよう具体的に構成されている。電子回路は、熱電発電装置によって生成される電気活性化エネルギーを受けて、それを調整するように、接続及び適合された初期エネルギー管理アセンブリを備える。
【００１５】
電気活性化エネルギーの調整の後に、静電変換器が、それ自体に作用する振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができるように、初期エネルギー管理アセンブリは、電気活性化エネルギーを静電変換器に伝達して、駆動プロセスを開始させる。最終エネルギー管理アセンブリが更に備えられ、受取デバイスへのパワーの伝達の前に静電変換器によって生成される電気エネルギーを調節するために、静電変換器に接続される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本明細書に開示の各種の実施形態の利点及びさらなる特徴は、後述する詳細な説明及び図面を参照してよりよく理解されるはずであり、図面における同一の部材番号は、全体に亘って同一の部品を示す。
【００１７】
以下に、本発明の好ましい実施形態を説明するための図面を参照するが、これは、本発明を限定するものではない。図１は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するよう具体的に構成された電源装置１０の概略図である。有利に、本発明の電源装置１０は、パワーマイクロ電子デバイス及びセンサーシステムに、比較的に安定で、且つ連続的に十分な電気エネルギーの供給を提供できるように構成されている。
【００１８】
広い意味で、電源装置１０は、熱電発電装置１２と、初期エネルギー管理アセンブリ４４と、静電変換器１４と、最終エネルギー管理アセンブリ４６とを備える。熱電発電装置１２は、熱電発電装置１２の全域に作用する温度勾配に応じて、十分高い電圧を有する電気活性化エネルギーを生成するように構成される。初期エネルギー管理アセンブリ４４が、熱電発電装置１２に接続され、そこから電気活性化エネルギーを受けて、その電気活性化エネルギーを調整するように構成されたことにより、電気活性化エネルギーは、機械的−電気的エネルギー変換プロセスを開始するように静電変換器１４に対して提供される。
【００１９】
静電変換器１４は、初期エネルギー管理アセンブリ４４に接続されて、初期エネルギー管理アセンブリ４４から受けた電気活性化エネルギーにより活性化されうる。その後、静電変換器１４は、それ自体に作用する振動エネルギーに応じて電気エネルギーを生成することができる。最終エネルギー管理アセンブリ４６は、静電変換器１４に接続されて、マイクロ電子デバイス及びセンサーシステムのような任意の数の電子デバイス６２によって使用されるために、その静電変換器１４で生成された電気エネルギーを調整するように構成される。
【００２０】
有利に、本発明の電源装置１０は、特異的に、比較的小さな温度勾配からの熱エネルギーの収集を容易にする環境に適している。また、電源装置１０は、電気エネルギーへの変換のための振動形態の機械的エネルギーの収集を容易にさせる環境において使用するために構成されている。そのような熱エネルギーは、人体によって生成された発散熱、或いは、通常、駆動する間に有利に振動するマイクロウエーブ、またはガスモーター、又は電気モーターによって生成された廃熱のような各種の形態で利用することができる。従って、電源装置１０は、特異的に、配線電源または電池を使用するデバイスに電力を供給することが実用的ではないか、或いはできない状況に置いてある各種の電子デバイス６２に自給自足的で、且つ安定的に電源を提供するために、電気モーター等の単一環境的供給源から熱エネルギー及び機械的エネルギーの両方を収穫するのに適している。
【００２１】
図１を参照すれば、熱電発電装置１２を、Ｓｔａｒｋらに許与された「低電力熱電発電装置」という題下の米国特許第６，９５８，４４３号に示されて記述された構成と類似した面内熱電発電装置１２のように構成することができる電源装置１０が示されており、上記特許の全体の内容は、本明細書に参照することにより明示的に組み込まれている。本発明に係る使用のための面内熱電発電装置１２の別の態様は、Ｓｔａｒｋによって２００６年２月１０日付で出願された「低電力熱電発電装置」という題下の米国特許出願第１１／３５２，１１３号に開示されたものと類似することができ、上記特許文献の全体の内容も、本明細書に参照することにより明示的に組み込まれている。
【００２２】
更に、熱電発電装置１２は、図６に示されて、以下に詳述するように、ｎ型及びｐ型熱電脚部３８、４０が基板上に市松状配列で形成される平断面をなすように構成することができる。好ましくは、そのような平断面熱電発電装置１２は、エネルギーを比較的高い電圧レベルで供給するように構成されている。一般に、熱電発電装置１２は、静電発電機１４での静電エネルギー変換プロセスを開始するために十分高い電圧を有する電気活性化エネルギーを生成できる任意の好適な熱エネルギー変換デバイスとして構成されている。
【００２３】
図５によく示されているように、面内熱電発電装置１２の構成は、一般に、少なくとも１つの基板３０と、熱源２２及びヒートシンク２４への熱的接続のための離隔した一対の熱結合プレート２６とを備えることができる。好ましくは、基板３０は、熱結合プレート２６に対して垂直に配向し、その間で熱的に連結される。基板３０は、複数の熱電対４２が上に堆積されうる対向した前方及び後方の基板面を有してもよく、熱電対４２は、互いに離隔され、かつ平行な配列で配置された細長く、交互に並べられたｎ型及びｐ型熱電脚部３８、４０を備える。
【００２４】
ｎ型及びｐ型熱電脚部３８、４０のそれぞれは、熱電材料から形成することができる。一連のｎ型及びｐ型熱電脚部３８、４０が電気的に直列に接続されて、熱的に並列に接続されるように、各ｐ型脚部４０は、ｐ型熱電脚部４０の反対側の端部において隣接したｎ型熱電脚部３８の１つに電気的に接続されている。上方の熱結合プレートから下方の熱結合プレートまでの温度勾配は、ｎ型及びｐ型熱電脚部３８、４０の全域に熱流を発生させることにより電気エネルギーを生成する。上方の熱結合プレート２６は熱源２２に熱的に接続され、下方の熱結合プレート２６は、ヒートシンク２４に熱的に接続されている。
【００２５】
面内熱電発電装置１２の一つの構成は、電気的に直列に接続されて、且つ熱的に並列に接続され、上方の熱結合プレート２６と下方の熱結合プレート２６との間に介装される複数のフォイルセグメント２８を備えてもよい。フォイルセグメント２８は、上述した米国特許第６，９５８，４４３号に開示された配列と同様に、離隔した配列で並行して配向することができる。それとは別に、フォイルセグメント２８は、米国特許出願第１１／３５２，１１３号に示されて開示されたものと類似に、らせん状に巻き付けられていてもよい。
【００２６】
配列とは関係なく、フォイルセグメント２８は、離隔された並行な配列で配置され、交互に並べられたｎ型及びｐ型熱電脚部３８、４０を備える複数の熱電対４２がその上に配置された基板３０を備えるそれぞれのフォイルセグメント２８と、電気的に直列に接続されている。熱電対４２を構成する上記ｐ型及びｎ型熱電脚部４０、３８は金属ブリッジ３４を使用して接続され、金属コンタクト３６は、図５に示すように、隣接するフォイルセグメント２８のｎ型及びｐ型熱電脚部３８、４０を連結する。そのような金属ブリッジ３４及び金属コンタクト３６は、面内熱電発電装置１２の構成を成す薄膜熱電構造を形成するために、ｐ型及びｎ型熱電脚部４０、３８の堆積と組み合わせて基板３０に堆積することができる。
【００２７】
ｎ型及びｐ型熱電脚部３８、４０はそれぞれ、好ましくは、適切な熱電材料から形成される。面内熱電発電装置１２は、典型的に、熱電脚部３８、４０の端部の全域に亘る小さな温度差異を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換させるように構成される。そのような電気エネルギーの特性は、一般に、パワー出力は低いものの、電圧は比較的高い。面内熱電発電装置１２は、薄膜技術を含む各種の技術によって製造される。それらの比較的低いパワー出力にもかかわらず、面内熱電発電装置１２は、特定の電子デバイス６２へのエネルギー供給だけではなく、初期エネルギー管理アセンブリ４４にパワーを供給し、本発明の静電変換器１４のような特定の他のデバイスを活性化するために有用である。
【００２８】
面内熱電発電装置１２は、また、「センサー及びアクチュエータ、第７４号」（１９９９）という題下の出版物で再版された、Ｈ．Ｇｌｏｓｃｈらによる、「エネルギー供給のための熱電変換器」という題下の文献の第２４６−２５０頁に記述されたようなＭＥＭＳシリコンベース技術を使用して製造できることに留意すべきであり、上記文献の内容は、本明細書に参照することにより組み込まれている。更に、面内熱電発電装置１２は、インフィニオン・テクノロジーズ、Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ、Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ及びミュンヘン（Ｍｕｎｉｃｈ）技術大学、電子工学の物理学研究所のＭ．Ｓｔｒａｓｓｅｒらによる、「ポリＳｉ及びポリＳｉＧｅ表面のマイクロ加工に基づく、微小化された熱電発電装置」という題下の文献に記述されたようなシリコン技術を使用して製造でき、その内容は、本明細書に参照することにより組み込まれている。
【００２９】
面内熱電発電装置１２を製造するためのシリコンベース技術のさらなる記述は、インフィニオン・テクノロジーズ及びミュンヘン技術大学のＭ．Ｓｔｒａｓｓｅｒらによる、「ＣＭＯＳ低電力熱電発電装置の分析」という題下の文献に提供されており、その内容は、本明細書に参照することにより組み込まれている。面内熱電発電装置１２は、更に、マイクロ機械学及びマイクロエンジニアリング・ジャーナル、１１（２００１）に発表された、Ｗｅｎｍｉｎ  Ｑｕらによる、「自動的なマイクロシステムズのための電源としてのフレキシブルフォイル基板上での熱電発電装置のマイクロ加工」という題下の文献の第１４６−１５２頁に開示されたものと類似した電気メッキ技術を使用して製造でき、上記文献は、全体として参照により本明細書に組み込まれている。このような方法で、面内熱電発電装置１２は、エポキシフィルム内に埋め込まれたＳｂ−Ｂｉ熱電対ストリップの配列として構成され、面内熱電発電装置１２を形成するため、一連のフォイルリソグラフィーステップ、電気メッキステップ、埋め込みステップ、及び湿式化学的エッチングステップを利用する。
【００３０】
以下、図６を参照すると、図６に示した平断面熱電発電装置１２は、本技術分野にて公知の標準ペルチェ冷却器に使用される多結晶のバルク材料を用いて製造できる。この構成では、ｐ型及びｎ型熱電脚部４０、３８の長さが、通常は、多結晶バルク材料を利用した構成のためのミリメートル範囲内に設定される。熱結合プレート２６は、熱電脚部３８、４０を介した熱流を促進させるべく熱源とヒートシンク２２、２４とをそれぞれ熱的に接続させるために、離隔した熱電脚部３８、４０の対の上端部及び下端部に配置されている。
【００３１】
平断面熱電発電装置１２は、本技術分野に周知された多様な別の技術によって製造できる。例えば、平断面熱電発電装置１２は、ドイツのフライブルク所在のフラウンホーファーＩＰＭのＨ．Ｂｏｅｔｔｎｅｒによる、「マイクロペルト微小熱電デバイス：小さなサイズ、高い冷却パワー密度、短い応答時間」という題下の文献、または、同じくＨ．Ｂｏｅｔｔｎｅｒによる、「マイクロペルト：最新技術、ロードマップ及び適用」という題下の論文に開示される方式だけではなく、同じくＨ．Ｂｏｅｔｔｎｅｒらによる、「マイクロシステム技術を使用した新たな熱電コンポーネント」という題下の文献に開示された方式で製造でき、各文献の内容は、本明細書に参照することにより組み込まれている。
【００３２】
上述した論文において、平断面熱電発電装置１２は、比較的厚い（例えば、１０ミクロン）多結晶Ｂｉ２Ｔｅ３−ｎ型材料及び（Ｂｉ，Ｓｂ）２Ｔｅ３−ｐ型材料の複数の層を、あらかじめ構成した電極を有するウエハに堆積（例えば、スパッタリング）して製造できる。アニーリング処理後、ｎ型及びｐ型層は、高温半田を堆積することにより連結される。熱結合プレートを互いに半田付けした後、ｎ型及びｐ型熱電脚部３８、４０を形成するためにエッチングされる。
【００３３】
また、平断面熱電発電装置１２は、カリフォルニア技術研究所、ジェット推進研究所のＧ．Ｊｅｆｆｒｅｙ  Ｓｎｙｄｅｒらによって２００３年７月２７日付でオンライン上に発表された、「ＭＥＭＳ型電気化学プロセスにより製造された熱電マイクロデバイス」という題下の開示文献に記述されているような電気メッキ技術（例えば、ガルバニック処理技術）を使用して製造でき、それの内容は、本明細書に参照することにより組み込まれている。
【００３４】
図２を参照すると、熱電発電装置１２は、熱電発電装置１２によって生成された電気活性化エネルギーを調整するために具体的に構成された初期エネルギー管理アセンブリ４４に接続されている。初期エネルギー管理アセンブリ４４は、熱電発電装置１２から電気活性化エネルギーを受ける。また、初期エネルギー管理アセンブリ４４は、熱電発電装置１２によって生成された熱電電圧を整流及び制限して、過電圧の生成に対して保護し、また、エネルギー貯蔵要素５６の形態でエネルギー貯蔵能力を初期に提供するだけではなく、電力が静電変換器１４に放出される時点を調整するために電圧調整能力を提供するように構成される。
【００３５】
熱電電圧の整流は、温度フローや温度勾配の方向に関係なく、ただ１つの極性を有する電圧を提供するためにダイオード５０の使用を通じて容易に行うことができる。あるいは、整流器４８は、ダイオードブリッジ５２を使用することにより、熱流の方向に関係なく、温度勾配を利用可能に構成することができる。更に別の実施形態は、初期エネルギー管理アセンブリ４４による貯蔵エネルギーの放電を遮断するために、少なくとも１つのダイオードを含む。
【００３６】
初期エネルギー管理アセンブリ４４は、更に、ツェナー・ダイオード、単一ダイオード５０又は本技術分野にてよく知られた方式で直列に配置した複数のダイオード５０を利用することにより、過電圧の保護を提供することができる。広い意味で、初期エネルギー管理アセンブリ４４は、好ましくは、熱電発電装置１２の全域に亘り比較的高い温度勾配で発生する可能性のある有害な熱電電圧の生成を制限するために、過電圧保護を提供する。エネルギー貯蔵要素５６は、静電変換器１４を活性化するために十分なエネルギーを蓄積するように構成された再充電可能な薄膜電池６０又は小さなコンデンサ５８を含むことができる。電圧検出は、貯蔵されたエネルギーの量に対応する規定電圧の閾値で、スイッチ又は複数のスイッチの利用を通じて容易に行うことができる。所定の閾値以上で、貯蔵要素内における電荷は、静電変換器１４にパワーとして放出される。所定の閾値以下で、電流の流れは、妨害されるか又は防止されることがある。
【００３７】
静電変換器１４は、可変コンデンサ５８の２つのプレート間に形成された電界に対して遂行される作業の原則下で、振動からの機械的エネルギーを変換するように構成されている。静電変換器１４は、超大規模の集積回路（ＶＬＳＩ）システムに対する会報、Ｖｏｌ．９、Ｎｏ．１（２００１年２月）でＩＥＥＥにより発行された、Ｓ．Ｍｅｎｉｎｇｅｒらによる「振動−電気エネルギーへの変換」という題下の刊行物（以下、Ｍｅｎｉｎｇｅｒ参照文献という）に開示されているものと類似に構成することができ、その内容は、本明細書に参照することにより組み込まれている。
【００３８】
また、静電変換器１４は、イギリスのロンドンに所在するインペリアル・カレッジの電気・電子工学学部の光及び半導体デバイスグループのＰ．Ｍｉａｏらによる、「マイクロ機械加工された、電力生産のための可変コンデンサ」という題下の公報に開示されたものと類似に構成することができ、その内容は、本明細書に参照することにより組み込まれている。更に、静電変換器１４の構成や配列は、イギリスのロンドンに所在するインペリアル・カレッジのＰ．Ｄ．Ｍｉｔｃｈｅｓｏｎらによる、「低周波数駆動のためのＭＥＭＳ静電マイクロパワー発電機」という題下の文献に開示された構成と類似していてもよく、その文献は、２００４年６月１日付でオンラインにより入手可能であり、その内容は、本明細書に参照することにより組み込まれている。また、静電変換器１４は、カリフォルニア州に所在するバークリー大学のＳｈａｄ  Ｒｏｕｎｄｙらによって文書番号ＩＭＥＣＥ２００２−３９３０９で発行された「マイクロ静電振動−電力変換器」という題下の刊行物に開示されたものと類似に構成することができ、その内容は、本明細書に参照することにより組み込まれている。
【００３９】
静電変換器１４は、可変コンデンサ５８のマイクロ−機械加工の手段によって製造することができる。可変コンデンサ５８は、誘電体２０によって分離した一対のプレート１８の間に形成される電界に対して作用する機械的な力（即ち、振動）の結果として、電気エネルギーを生成する。これに関して、可変コンデンサ５８は、プレート１８の間で発生する相対的な振動運動に応じて一対のプレート１８の間の間隔を変更することにより、振動エネルギーを電気エネルギーに変換させる。可変コンデンサのプレートの幾何学的な大きさ及び間隔がキャパシタンスを決定する。上部プレートに対するベースプレートの動きは、パワー抽出回路などによる電荷抽出を可能とする。
【００４０】
静電変換器１４は、２つの相異なるモードである、電荷拘束モード及び電圧拘束モードで駆動することができる。駆動の電荷拘束モード及び電圧拘束モードの記述は、Ｍｅｎｉｎｇｅｒ参照文献と、上述したＲｏｕｎｄｙによる、「マイクロ静電振動−電気変換器」という題下の刊行物とに提供されている。電荷拘束モードにおいて、初期ギャップから最終ギャップまでのプレート間の間隔の増加によりキャパシタンスが減少することに伴い電圧を増加させるように、可変コンデンサ５８内の電荷が拘束される。電荷拘束モードにおいて、静電変換器１４は、静電変換器１４を活性化するため、熱電発電装置１２によって発電することができるような、単一の別の電圧源を必要とする。
【００４１】
可変コンデンサのキャパシタンスは、例えば、上記の電気モーターによる振動源によって誘導される振動に応じて、最大キャパシタンスと最小キャパシタンスとの間で変動する。熱電発電装置１２は、温度勾配に応じて生成された十分に高い電圧を有する電気活性化エネルギーを生成する。可変コンデンサが最大容量（Ｃｍａｘ）であるとき、活性化エネルギーは静電変換器に伝達される。活性化エネルギー又は電荷は、エネルギーが熱電発電装置１２（即ち、初期エネルギー管理アセンブリ４４を介して）から可変コンデンサへ流れるように、例えば、第１のスイッチを活性化して回路を閉鎖することにより転送される。
【００４２】
次に、第１のスイッチは、振動周波数のタイミングに合わせて開放されて、初期エネルギー管理アセンブリ４４と可変コンデンサとの間に開放回路が存在するとき、可変コンデンサが、Ｃｍａｘから最小キャパシタンス（Ｃｍｉｍ）の位置に移動する。ＣｍａｘからＣｍｉｎへのキャパシタンスの減少は、可変コンデンサの全域に電圧の増加をもたらす。Ｃｍｉｎで、可変コンデンサに貯蔵された電荷はその後、例えば、第２のスイッチを活性化して回路を閉鎖することにより、増加した電圧で最終エネルギー管理アセンブリ４６の別のコンデンサ等の貯蔵デバイスに伝達される。このような方式でサイクルが繰り返されると、振動によるＣｍａｘとＣｍｉｎとの間の変動により、電気エネルギーが生成される。
【００４３】
電圧拘束モードにおける静電変換器１４の駆動及び配列は、熱電発電装置１２のような別の電圧供給源によって供給される貯蔵要素からの最大電圧Ｖｍａｘで可変コンデンサを先に充電することにより開始される。Ｖｍａｘ値は、回路内のスイッチの最大電圧能力、または可変コンデンサ自体の最大フィールド限界によって決定することができる。可変コンデンサのプレートの全域に亘る電圧は、プレートが、振動力の下でＣｍａｘからＣｍｉｎに移動するときに、付加的な電圧供給源によって一定に維持され、その間に電荷の一部は、可変コンデンサから、最終エネルギー管理アセンブリ４６内に含むことのできるコンデンサ等の貯蔵要素へと移動する。付加的な電圧供給源は、付加的な熱電発電装置１２によって提供される。
【００４４】
明らかに、静電変換器の電荷拘束バージョンが、電圧拘束の場合から利用可能なエネルギーよりもっと少ないエネルギーを生成するとしても、別の電圧供給源は、可変コンデンサのプレートがＣｍａｘからＣｍｉｎに移動するとき、そのプレートの全域に亘り一定の電圧を維持するために、電圧拘束バージョンに必要である。従って、本発明の電源装置は、好ましくは、電荷拘束モードにおいて駆動するように配置されて、熱電発電装置１２は、有利に、自給自足型でありながら、再生可能な活性化エネルギーを静電変換器の可変コンデンサに提供される。重要なことに、熱電発電装置１２と静電変換器との一意的な組み合わせは、完全に再生可能であり、且つ自給自足型の電源装置として、本発明の電源装置を提供する。
【００４５】
図１を再び参照すると、最終エネルギー管理アセンブリ４６は、図示されているように、静電変換器１４に接続され、静電変換器１４によって生成された電気エネルギーを、初期エネルギー管理アセンブリ４４について前述したものと同様の方式で調整することができるよう具体的に構成されている。より具体的に、最終エネルギー管理アセンブリ４６は、最終エネルギー管理アセンブリ４６に接続された電気デバイスによる使用のために電気エネルギーを調整可能に構成されている。
【００４６】
最終エネルギー管理アセンブリ４６は、静電変換器１４を駆動するために、また、静電変換器１４によって生成された電圧を、電子デバイス６２を駆動して、それに動力を供給するための使用可能な水準に変換するために、コントローラーを含んでいてもよい。選択的に、コントローラーは、電子デバイス６２による使用のために、電磁ノイズを低減して、電圧を安定化させることができる。その上、最終エネルギー管理アセンブリ４６は、有利には、本発明の電源装置１０に接続される電子デバイス６２に動力を供給するのに十分な電気エネルギーを蓄積するため、小さなコンデンサ５８或いは再充電可能な薄膜電池６０のようなエネルギー貯蔵要素５６を含むことができる。
【００４７】
更に、エネルギー貯蔵要素５６は、熱電発電装置１２だけではなく、初期エネルギー管理アセンブリ４４のサイズ及び複雑度の低減を可能とする静電変換器１４に電気活性化エネルギーを提供するために利用することができる。電圧検出は、電力が放出される閾値を規制するように、最終エネルギー管理アセンブリ４６によって付加的に提供されていてもよい。電圧検出は、所定の電圧閾値で駆動する機能スイッチを使用して容易に行われる。電圧が所定の閾値に到達した場合、貯蔵要素内の電荷は、電子デバイス６２に放出される。更に、電気エネルギーの一部は、変換サイクルを続けるために、静電変換器１４に再度放出されて戻されることがある。所定の電圧閾値の下で、電子デバイス６２への電流供給は、妨害されるか、或いは防止される。
【００４８】
電源装置１０は、図２から図４に示す別の実施形態において提供される。例えば、図２に示すように、初期及び最終エネルギー管理アセンブリは、単一デバイスとして組み合わせることができ、電源装置１０は、３個の一般的なコンポーネントである熱電発電装置１２と、静電変換器１４と、エネルギー管理アセンブリ４４、４６とを含む。全てのコンポーネントは、図１に示すものと類似の方式で相互接続することができる。
【００４９】
図３において、電源装置１０は、更に別の実施形態で配置することができ、熱電発電装置１２及び静電変換器１４は、単一のデバイスに組み込まれている。例えば、静電変換器１４が電力を供給するシリコンベースマイクロ電子デバイスの集積化及び小型化を容易にするために、シリコンベース技術及びマイクロ−電子−機械システム（ＭＥＭＳ）技術を利用して静電変換器１４及び熱電発電装置１２を製造することが有利である。例えば、熱電発電装置１２及び静電変換器１４は、電源装置１０によって電力が供給されるマイクロ電子コンポーネントと組み合わせて、オンチップデバイスとして製造することができる。
【００５０】
更に別の配置において、熱電発電装置１２及び静電変換器１４は、ハイブリッドデバイスとして構成することができ、米国特許第６，９５８，４４３号に示されて開示されたものと類似に、静電変換器１４は、シリコンベース技術を使用して製造され、熱電発電装置１２は、非シリコンベースマイクロ技術を使用して製造される。より具体的には、米国特許第６，９５８，４４３号は、Ｂｉ２Ｔｅ３基盤の熱電材料システムを開示する。図３に示された配置において、初期及び最終エネルギー管理アセンブリは、上述されており、図２に示すものと類似した単一の構造として構成することができる。
【００５１】
更に別の実施形態において、電源装置１０は、図４に示すものと同様に配置することができ、熱電発電装置１２は、「低電力熱電発電装置」という題下の米国特許出願第１１／３５２，１１３号に開示されたものと類似したリング状またはらせん状のフォイルセグメント２８として配列される。開示されているように、熱電発電装置１２のらせん状巻き付け配置は、熱電発電装置１２の中央部に形成されたアパーチャまたは開口内に静電変換器１４を組み込むための機会を提供する。
【００５２】
らせん状配置において、面内熱電発電装置１２は、連続した基板３０または相互接続された基板３０セグメントのらせんのように配置することができ、比較的に多数の熱電脚部３８、４０が直列に接続されて、基板３０セグメントは、基板３０の間の金属コンタクト３６を使用して端部が接続されて、ｎ型及びｐ型熱電脚部３８、４０を直列に電気的に接続することができる。らせんまたは熱電対列の積み上げ構造は、熱源２２及びヒートシンク２４を接続するために、上端及び下端に配置された熱結合プレート２６を有していてもよい。また、電源装置１０を構成するコンポーネントのそれぞれが、単一構造に組み込まれて、封止され、数多くの一般のマイクロ電子デバイスに使用されるように適合することができる便利なアセンブリを形成するように考慮されている。
【００５３】
図４におけるコンポーネント間の電気接続は、上述されており、図１から図３に示されたものと同一である。付加的に、本発明の電源装置１０を構成するコンポーネントは、例えば、ＭＥＭＳ技術及びシリコンベース技術に基づいて、単一の封止されたデバイスに組み込むことができるように考慮されている。そのような装置は、シリコンベース技術を使用する静電変換器１４及び非シリコンマイクロ技術を利用する熱電発電装置１２として上述されたものと類似した構成のハイブリッドデバイスまたはオンチップで製造することができる。
【００５４】
以下、図１から図６を参照して、電源装置１０の駆動について記述する。熱電発電装置１２は、初期エネルギー管理アセンブリ４４に初期電気活性化エネルギーを供給するために、熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換するために、好ましくは、適切な熱源２２とヒートシンク２４との間に配置される。温度差異における不連続性または変動によって、そのような電気活性化エネルギーは、安定で且つ一貫した電気エネルギーの出力への継続的な調整を必要とする、比較的不規則的であり、または不連続的なエネルギーフローとして現われやすい。
【００５５】
したがって、初期エネルギー管理アセンブリ４４は、電気活性化エネルギーを整流して制限し、コンデンサ５８や小さな再充電可能な薄膜電池６０のような選択的エネルギー貯蔵要素５６内に電荷を生成する。更に、初期エネルギー管理アセンブリ４４は、電圧検出器を利用して、エネルギー貯蔵要素５６の電荷状態を検出するように構成される。所定の電圧レベルに達したとき、電気活性化エネルギーは、静電変換器１４に適切な電圧レベルにおいて放出されることができる。
【００５６】
静電変換器１４は、初期エネルギー管理アセンブリ４４からの電気活性化エネルギーを受けたとき、電気エネルギーを生成する。上述したとおり、静電変換器１４は、具体的に、振動源１６で作用する機械的なエネルギー（すなわち、振動）の結果として電気エネルギーを生成するように適合されている。これによって、静電変換器１４は、初期エネルギー管理アセンブリ４４と同様に、最終電子デバイス６２を駆動するために供給される電力を調整する最終エネルギー管理アセンブリ４６に電気エネルギーを供給する。更に、エネルギーの一部は、静電変換器１４を駆動するために、電源装置から電子デバイス６２にタッピング（ｔａｐｐｅｄ）することができる。
【００５７】
選択的に、最終エネルギー管理アセンブリ４６は、最終電子デバイス６２または静電変換器１４によって使用されないエネルギーである過剰エネルギーで充電することができる、再充電可能な薄膜電池６０のような比較的大きなエネルギー貯蔵要素５６を更に含むことができる。また、熱電発電装置１２によって生成されるが、静電変換器１４に提供されない過剰な電気エネルギーは、最終電子デバイス６２の駆動時間を延長するために、最終エネルギー管理アセンブリ４６の比較的大きなエネルギー貯蔵要素５６内に貯蔵することができる。
【００５８】
本発明の様々な実施形態の記述は、以上で説明した好ましい実施形態に提示されており、他の創意的な概念が、それ以外にも多様に実施されて、採択されることができる。添付の請求の範囲は、従来の技術によって制限される範囲を除く変形を含むと解釈されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の一実施形態によって構成されて、熱電発電装置と、初期エネルギー管理アセンブリと、静電変換器と、最終エネルギー管理アセンブリとを備えることができる電源装置の概略図。
【図２】初期及び最終エネルギー管理アセンブリが単一デバイスまたは構造に組み込まれている、別の実施形態における電源装置の概略図。
【図３】熱電発電装置及び静電変換器が単一構造に組み込まれている、更に別の実施形態における電源装置の概略図。
【図４】図３と類似に配置されるが、熱電発電装置が、静電変換器が内部に含まれうるようにラウンドディスクまたはリング状で形成されている、熱電発電装置及び静電変換器の統合を示した電源装置の概略図。
【図５】基板に堆積されたｐ型及びｎ型熱電脚部の基本的な構成を示す、面内熱電発電装置の斜視図。
【図６】静電変換器と組み合わせて使用することのできる、平断面熱電発電装置の斜視図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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