(57)【要約】  本発明は圧電変換器２を備えた共振システムから構成される圧電発電機に関する。前記発電機は、圧電変換器２の出力側に接続され、共振システムの振動数を調節するために使用されるフィードバック回路２６を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電変換器（２）を備え、機械的振動によって励振され得る共振システムと、
前記圧電変換器（２）に電気的に接続されるフィードバック回路（２６）と、
前記フィードバック回路（２６）によって制御される、前記共振システムの励振のための装置と、
を備える圧電発電機。
【請求項２】
前記共振システムは固有振動数を有し、
前記共振システムの励振のための装置は、前記共振システムの前記固有振動数で機械的振動の周波数を調節するのに適する、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電発電機。
【請求項３】
前記共振システムの機械的振動の励振のための、少なくとも１つのアクティベータ（６）をさらに備え、
前記フィードバック回路（２６）は前記共振システムにおいて前記アクティベータ（６）の作用周波数を調整するために設けられる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電発電機。
【請求項４】
前記アクティベータ（６）に機械的に接続され、バネの形状をした、機械的エネルギーのエネルギー蓄積器（７１）をさらに備える、
ことを特徴とする請求項３に記載の圧電発電機。
【請求項５】
圧縮空気式の機械的エネルギーのエネルギー蓄積器（７１）をさらに備え、
前記アクティベータ（６）は前記圧縮空気を放出するのに適する弁として設計され、
前記弁の開放により、空気圧は、振動可能な前記共振システムの部分へ生成される、
ことを特徴とする請求項３に記載の圧電発電機。
【請求項６】
前記アクティベータ（６）が固定される移動装置をさらに備え、
前記フィードバック回路（２６）は前記移動装置の特定のスピードを調節するために設けられる、
ことを特徴とする請求項３ないし５のうちいずれか１項に記載の圧電発電機。
【請求項７】
前記共振システムは、互いに対して反対に振動する振動素子（８ａ，８ｂ）を有する振動装置（５１）を備え、前記圧電変換器（２）は前記振動素子の間でクランプされる、
ことを特徴とする請求項１ないし６のうちいずれか１項に記載の圧電発電機。
【請求項８】
前記共振システムの機械的振動の励振のための、少なくとも１つのアクティベータ（６）をさらに備え、
前記アクティベータは前記振動素子（８ａ，８ｂ）の間の距離を変更することに適する、
ことを特徴とする請求項３及び７に記載の圧電発電機。
【請求項９】
前記振動素子はそれぞれ、前記振動素子（８ａ，８ｂ）の自由に振動する端の領域に、おもり（９ａ，９ｂ）を有する、
ことを特徴とする請求項７又は８に記載の圧電発電機。
【請求項１０】
前記振動素子（８ａ，８ｂ）は、前記フィードバック回路（２６）によって電磁気的に偏向するように、磁化される、
ことを特徴とする請求項７に記載の圧電発電機。
【請求項１１】
前記フィードバック回路（２６）は、前記アクティベータ（６）を駆動する制御パルスの生成に適する、
ことを特徴とする請求項３に記載の圧電発電機。
【請求項１２】
前記フィードバック回路（２６）は増幅器を備える、
ことを特徴とする請求項１ないし１１のうちいずれか１項に記載の圧電発電機。
【請求項１３】
前記圧電変換器（２）で生成される電気的エネルギーを蓄えるための電気的エネルギー蓄電素子（３２）をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１ないし１２のうちいずれか１項に記載の圧電発電機。
【請求項１４】
前記電気的エネルギー蓄電素子（３２）は、前記フィードバック回路（２６）にエネルギーを供給するために設けられる、
ことを特徴とする請求項１３に記載の圧電発電機。
【請求項１５】
前記フィードバック回路（２６）は、コンパレータを備え、
前記電気的エネルギー蓄電素子（３２）は、前記コンパレータ用の基準電圧を生成するために使用される、
ことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の圧電発電機。
【請求項１６】
前記圧電変換器（２）に電気的に接続された整流器（３１）をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１ないし１５のうちいずれか１項に記載の圧電発電機。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
圧電発電機は、例えば特許文献１から知られている。この発電機は時計に使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】米国特許第５７５１０９１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一形態において、本発明は、高い機械的安定性により特徴づけられる高性能な圧電発電機を明記する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
圧電発電機は機械的振動によって励振され得る共振システムとして知られている。このシステムは圧電変換器から構成される。さらに、発電機は、圧電発電機に電気的に接続されたフィードバック回路から構成される。フィードバック回路は共振システムの振動を制御し、特に共振システムの振動周波数を調節するために設けられる。
【０００５】
圧電発電機は機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するのに適している。圧電発電機は、例えば、携帯用電気装置の電源として実現され得る。共振システムの励振に使用される機械的エネルギーは本体の運動又は空気の運動によって生成される。
【０００６】
圧電発電機は、共振システムの機械的エネルギーを、電気負荷、すなわちコンシューマに与えられる電気的エネルギーに変換するのに適している。
【０００７】
圧電発電機の追加の有利な展開を説明する。
【０００８】
圧電変換器は、これ以降、圧電素子と呼ぶ。
【０００９】
機械的な共振システムは励振位相中に振動によって機械的に励振されるのが好ましい。このため、好適実施形態の発電機は、各励振位相中に共振システムの機械的励振のために提供される励振装置から構成される。
【００１０】
励振システムの機械的パラメータはフィードバック回路を用いて調節され得る。励振システムの機械的パラメータは、例えば、所定の回転数、又は、後に説明される、共振システムの励振のためのアクティベータを運ぶ輸送装置のスピードである。従って、アクティベータの作用周波数は共振システムに適合される。
【００１１】
発電機は、開始位相と、発電機の通常の稼働に対応する動作位相と、を有する。開始位相中に、共振システムは、はじめに、自発的に又は開始装置を用いて、均衡を崩す。これは、機械的な共振システムの固有振動数と一致する振動数を有する圧電素子において、電気信号を生成する共振システムの機械的振動を誘発する。この信号の一部は、フィードバック回路の制御信号に変換され、共振システムの励振装置の制御に使用される。フィードバック回路は、開始位相中、動作状態における共振システムの過渡振動の矯正手段として設けられる。フィードバック回路は励振周波数の安定化のために使用されるのが好ましい。単一時間あたりの共振システムの励振数は周波数として知られる。
【００１２】
共振システムは過渡位相の後に通常の動作状態に達する。通常の動作位相とは、好ましくは共振システムの固有振動数（共振周波数）での、共振システムの機械的振動を意味する。これらの振動は圧電素子によって電気信号に変換される。通常の動作における発電機の機能は以下で説明される。
【００１３】
例えば、圧電素子及び以下で説明される振動装置によって形成される機械的共振システムは固有振動数によって特徴づけられる。これは、基本周波数又は基本周波数の高調波であってもよい。共振システムの固有振動数は励振周波数のｎ次調波と一致していることが好ましく、ここでｎは整数でｎ≧１である。この共振システムの固有振動数と等しい励振周波数を選択することは有利である。その場合、ｎ＝１である。ｎの範囲は２から５の間であることが好ましい。
【００１４】
フィードバック回路を用いて制御される共振システムの機械的作用（励振）は、周波数、位相、及び振幅、すなわち特定の最大偏差に関して、共振システムの固有振動と同期することが好ましい。共振システムは、励振位相中、励振され、それは共振システムの振動周期Ｔの１／２を最大値とすることが好ましい。励振位相はＴ／４からＴ／２の間続くことも可能である。それによって、励振位相は振動位相と同期することが好ましく、すなわち、均衡状態に対する最大偏位は、励振せずに、共振システムの（減衰した）固有振動の最大振幅の１つが現れた時点で生じる。
【００１５】
共振システムは、振動素子の間で圧電素子がクランプで固定される励振可能な励振素子を有する励振装置から構成されることが好ましい。振動素子は互いに反対に振動することが好ましい。振動素子の振れる平面が重力の力方向に垂直である場合に有利である。振動素子は、静止位置に対して偏向する励振位相の後で自由に振動し得る。
【００１６】
振動装置は、圧電素子において圧縮応力を生成するように配置されることが好ましい。圧電素子は、例えば長手方向に沿った圧縮応力によって圧縮され得る。圧電素子のせん断変形も、圧縮応力を用いてもたらされ得る。振動装置でクランプされた圧電素子の変形は、振動素子の振動中に起こる。振動装置の機械的エネルギーは、圧電素子を用いて電気的エネルギーに変換される。
【００１７】
振動装置は、圧電素子にプレストレスを加えることが好ましい。プレストレスが加えられた圧電素子により、発電機の特に高い出力密度を達成することが可能である。
【００１８】
振動装置は、好適変形例において、振動素子と機械的に結合されたエネルギー源を有する。おもりは、（機械的な）エネルギーを蓄えるためのエネルギー貯蔵素子として適し、これらのおもりは振動素子の上に、好ましくは振動素子の自由に振動可能な端部の領域で、固定される。
【００１９】
発電機は、分離した振動素子の励振位相外で、エネルギーを蓄えるためのエネルギータンクを有し得る。このエネルギーは共振システムの励振のために使用され得、エネルギーの消費はフィードバック回路によって制御される。このエネルギーは、振動素子に直接に、又はアクティベータを用いて、供給される。このタンクに保存されたエネルギーは自由に変換され、又はアクティベータを使用している間は、振動装置の振動に強制的に変換される。
【００２０】
エネルギータンクは、相関関係のない機械的効果のエネルギーを蓄えることに適するように設計され得る。考えられる機械的効果は、例えば、振動装置を固定するキャリアの相関関係のない振動である。圧力空気（例えば、風及び環境の音響信号）のエネルギーでさえ、エネルギータンクに蓄積され得る。蓄えられたエネルギーは、例えば、アクティベータが接続される輸送装置を運転するために使用され得る。アクティベータは、エネルギータンクからエネルギーを受け取り、それを励振位相中に振動装置に移す。
【００２１】
圧縮空気はエネルギー貯蔵に適している。正の空気圧は、風、呼吸によって、又は歩行中の靴底の圧縮によって作り上げられる。容器は風船玉のように膨らませることが可能であり、過圧保護が容器に設けられる。
【００２２】
容器は、好ましくは吸入開口及び排出開口を有する。吸入開口は、空気を入れ得る方法として、第１弁を備える。排出開口は、弁として概念化されるアクティベータで閉じられ得る。その場合、アクティベータが、蓄積エネルギーの定量放出のためのレギュレータとして機能する。この変形例において、共振システムへのエネルギー移動と接触しないように規制することは可能である。それにより、好ましくは設定周波数で、空気は測定され、容器の外へ排出される。ここで、生成された気流は、共振システムの振動可能な部品を振動させ得る。
【００２３】
ぜんまい仕掛けのバネを備えた機械構造は、エネルギーを蓄えるための他の選択肢である。
【００２４】
励振装置は計測装置及びアクティベータから構成され得る。計測装置は、蓄積エネルギーの定量送出のためのエネルギータンクに結合され得る。アクティベータは計測装置に結合され、たとえば、弁として実現された場合は、少なくとも計測装置の一部を形成することが好ましい。定量送出とは、例えば、励振強度又はエネルギー要求に一致する励振周波数を意味する。計測装置は、フィードバック回路により修正される値を有する機械的パラメータを用いることによって特徴づけられる。このため、計測装置はフィードバック回路に結合されるのが好ましい。エネルギータンクからの機械的エネルギーの定量送出は、励振装置の振動の励振に特に有利である。
【００２５】
励振装置は、アクティベータの移動用に設けられた移動装置から構成される。移動装置は、電磁的に、例えば、フィードバック回路の制御パルスによって駆動される回転素子を有することが好ましい。制御パルスによって回転素子の回転スピードを調節することは可能である。したがって、共振システムにおけるアクティベータのスピード及び作用周波数は制御され得る。
【００２６】
アクティベータは外部の機械的な力の作用によって動かされ得る。アクティベータは、振動装置の振動を励起させるために使用されるくさび型の部品であることが好ましく、発電機の通常の動作における、共振システムへの機械的エネルギーの、定量送出、周期的な送出のために設けられる。
【００２７】
アクティベータは励振位相中の振動素子間を通過し、これらを別個に圧迫する。アクティベータの各通過中に、現静止位置からおもりのたわみに比例するエネルギーがおもりに蓄えられる。所定の最大たわみの後、励振位相の終わりの後に、このエネルギーは振動装置の自由振動のエネルギーに変換される。励振位相は、アクティベータがおもりの間の領域に存在するとすぐに、終わる。この領域にアクティベータが滞留する時間、すなわち、励振位相の周期は、最大で、振動装置の振動周期の半分になるように、選択される。
【００２８】
圧電発電機は、圧電変換器に電気的に接続される整流器を有し得る。したがって、圧電変換器で生成される交流電圧は、整流され得る。整流器は、圧電変換器と電気負荷との間に配置されることが好ましい。フィードバック回路は整流信号が供給されることが好ましい。
【００２９】
圧電発電機は、圧電変換器に電気的に接続されることが好ましい蓄電素子を有し得る。接地されたコンデンサは、蓄電素子として見なすことができる。コンデンサは、リップルを有する整流された発電電圧を取り除く。整流信号の一部は蓄電素子を充電するために使用され得る。蓄電素子に蓄積された電荷は、フィードバック回路の電力供給及び励振装置の起動のために使用され得る。
【００３０】
振動素子はそれぞれ、固定された端及び自由に振動可能な端を有することが好ましい。各振動素子は、例えば片持ちバネである。振動素子は、例えば、接続部分の領域でキャリアに固定されることが好ましいＵ字部品の脚を形成し得る。好適実施形態において、振動装置は音叉の形状を有する。キャリアの振動は、振動装置に自由振動を起こし得る。振動装置も、空気圧によって振動に至り得る。両方の場合において、これはアクティベータの有無にかかわらず起こる。
【００３１】
他の実施形態では、移動装置はコンベヤから構成され得る。このコンベヤは移動ローラを用いて動かされる。移動ローラは、前記の機械的エネルギー用のエネルギータンクに結合されていることが好ましい。移動装置は、あるいは、回転軸周りに回転することが可能であり、ホイールの回転中に振動素子間を通過するアクティベータが固定される、円盤状、ホイール、又はリングの形状をした回転装置から構成され得、それによって振動素子の個別の押圧に影響を与える。
【００３２】
圧電素子は電極及び電極間に配置された少なくとも１つの圧電層を有する。電極は、例えば、外部電極であり、それらは圧電素子の基板本体の表面に配置される。圧電層は外部電極間に配置される。外部電極の電荷は、この圧電層の変形によって起こる。しかし、電極は、２つの圧電層の間にそれぞれ配置される内部電極でもあり得る。第１及び第２の外部電極に交互に接続される多くの内部電極が存在することが好ましい。圧電特性を有するセラミックは圧電層に非常に良く適している。
【００３３】
フィードバック回路はコンパレータ及び／又は増幅器を有し得る。コンパレータはアナログ信号の振幅を比較するための回路である。電気的エネルギー積算器は、コンパレータの基準電圧の生成に使用され得る。この電圧はコンパレータの第１入力に供給される。このために、直列抵抗と反バイアス接地されたＺダイオードとを備える電圧分器がコンパレータの第１入力と電気的エネルギー積算器の間に配置される。整流された圧電素子の出力電圧はコンパレータの第２入力へ供給される。
【００３４】
計測装置は時計において実現される。エネルギータンクは振動素子（例えば、アンクル、てん輪の中心軸）に結合されることが好ましい。それによって、機械的エネルギーは振動素子の振動運動の力学的エネルギーに変換され得る。振動素子は、ホイール又はガンキ車を用いてシャフトを動かし、シャフトに回転を与え得る。シャフトは移動装置に属するか、又は移動装置と機械的に結合されているのが好ましい。振動素子の振動数はフィードバック回路によって制御され得る。これにより、シャフトの回転数、したがってアクティベータの所定のスピードは調節され得る。
【００３５】
計測装置は、ある実施形態において、てん輪の中心軸に結合されるバネから構成され、バネは、とりわけ、自発的な機械的効果によって巻き上げられ得る。てん輪の振動数はバネの長さによって調節され得る。バネの長さは、クランプ素子を用いて調節され得る。これは、移動可能な、例えば、電気機械的に又は電磁的に制御可能な素子に固定して接続され、この素子は線形運動を行うことが好ましい。
【００３６】
計測装置の機械的パラメータが、励振装置の初期周波数又は初期スピードが特定の動作点に近接するように、選択された場合に有利である。励振装置の初期周波数は動作点以下に選択されることが好ましい。フィードバック回路は、励振装置の周波数が初期位相の間に増加することを保証する。通常の動作において、この周波数は、フィードバックによって動作点に近づけられる。
【００３７】
計測装置の周波数制御は、コンパレータを用いて有利な方法で達成され得る。コンパレータは、電気機械的に又は電磁的に制御可能な素子に電気的に結合される。コンパレータは、圧電素子で生成された電圧を基準電圧と比較し、所定の電圧レベルを超えた場合は負の制御電圧を、このレベル以下の場合は正の制御電圧を出力する。電気機械的に又は電磁的に制御可能な素子は、コンパレータの状態に応じて、すなわち制御電圧のサインに応じて、一方向に又は反対方向に動かされる。制御可能な素子の位置は機械的パラメータ、したがって計測装置の周波数を決定する。
【００３８】
圧電発電機は、電気的エネルギー積算器又は他の電気的エネルギー積算器に電気的に結合される起動装置（スイッチ）を有し得、この装置は電気パルスを用いて励振装置を始動させるために設けられる。それによって、励振装置を立ち上げるフィードバック回路の蓄えられた電荷が供給される。圧電発電機はこの装置への機械的効果を用いて励振装置を始動させるための起動装置からも構成され得る。起動装置は手動でも起動され得る。さらに励振装置の接続を解除するためのスイッチが設けられ得る。
【００３９】
発電機は、１つのみの共振システムの代わりに多くの共振システムから構成されてもよい。これらのシステムは同じ周波数ではあるが異なる位相で励振され得る。
【００４０】
圧電発電機は、実測では描かれていない概略図を用いて説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】フィードバック回路を備えた圧電発電機の原則配置を示す。
【図２】エネルギー蓄積器を備えた圧電発電機の原則配置を示す。
【図３】多くの並列接続された電気機械変換器を有する構造について、図２に記載された圧電発電機の実現例を示す。
【図４】図３に記載の並列接続された電気機械変換器によって生成された電圧の時間依存性を示す。
【図５】多くの並列接続された電気機械変換器を有する構造について、図２に記載された圧電発電機の他の実現例を示す。
【図６】ダイオードブリッジの形式の整流器を備えた圧電発電機の詳細図を示す。
【図７】多くの並列接続された電気機械変換器を備え、各変換器に独立のアクティベータが設けられている、図２に記載の圧電発電機の実施形態を示す。
【図８】振動装置及びプレストレスを与えられた圧電素子を備え、振動装置の振動素子がアクティベータによってゆがめられ（上）、自由に振動する（下）、圧電発電機の横断面を示す。
【図９】アクティベータを動かす移動装置の斜視図を示す。
【図１０】アクティベータを動かす移動装置の斜視図を示す。
【図１１】多くのアクティベータが円盤形状をした回転装置に取り付けられている移動装置の上面図を示す。
【図１２】２つのアクティベータが、スポークの形状をした回転装置に、スポークの両端で取り付けられている移動装置の上面図を示す。
【図１３】圧縮空気用の蓄積器を備え、圧縮空気によって励振され得る振動装置を示す。
【図１４Ａ】一端が空気室に固定される蓋状の弁を備えた図１３に記載の空気室の詳細図を示す。
【図１４Ｂ】薄膜の形をした弁を備えた図１３に記載の空気室の詳細図を示す。
【図１５Ａ】吸入開口が閉じられた場合の、中心軸周りに回転され得るプレート状の弁を備えた図１３に記載の空気室の吸入開口の図を示す。
【図１５Ｂ】吸入開口が開かれた場合の、中心軸周りに回転され得るプレート状の弁を備えた図１３に記載の空気室の吸入開口の図を示す。
【図１６】フィードバック回路の実現例を示す。
【図１７】励振周波数における発電機によって生成された電圧の依存性を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１は、振動装置５１及び圧電変換器２（圧電素子）から構成される機械的な共振システム５を備えた圧電発電機１の概略的配置を示す。共振システム５は共振周波数ｆＲを有する。
【００４３】
振動装置５１及び圧電素子２は互いに機械的に結合される。振動装置５１と圧電変換器２の間の機械的結合は二重矢印４３で明らかにされている。機械的エネルギーの圧電変換器への移動はこの結合により可能となる。
【００４４】
振動装置５１はアクティベータ６を用いて励振され得る。振動周波数は、共振システムの共振周波数ｆＲと一致するのが好ましい。アクティベータ６は外部からの機械的力７のエネルギーを受け取る移動可能な部分であり、これを計測し、すなわち振動装置５１へ励振周波数ｆａでそれを移動させてこの装置を振動させる。好ましくは、ｆａ≒ｆＲ／ｎであり、ｎは１から５の間の整数である。
【００４５】
図２において、外部からの機械的力７によって生成された機械的エネルギーを蓄えるエネルギー蓄積器７１を有する圧電発電機１の変形例が示される。エネルギー蓄積器７１はアクティベータ６と、又は図２の矢印４１で示されるアクティベータの移動のための移動装置と結合される。
【００４６】
アクティベータ６は振動装置５１の振動可能素子を振れさせるために使用され得る。その場合、機械的接触４２はアクティベータ６と振動装置５１との間に、特定の時間間隔で存在する。アクティベータ６は、エネルギー蓄積器７１から圧縮空気を放出するための弁として概念化される。このアクティベータは接触しなくても振動装置５１を励振することができ、図１３の矢印６８に示すように、気流は所定の時間間隔で振動可能素子の主領域の方向に生成される。
【００４７】
ある実施形態においては、アクティベータ６の並進運動又は回転運動のエネルギーは振動装置５１の振動に変換される。振動装置５１は、振動中に、圧電素子に可変の圧縮ひずみを移す。圧電素子は電気的に電気負荷３のコンシューマと接続される。圧電素子において、電気的エネルギーへの機械的エネルギーの変換が起こる。電気的エネルギーは電気負荷３に供給される。原則として、圧電素子はいくつかの任意の配置を有し得る。
【００４８】
圧電変換器２は、アクティベータ６に、又は図９ないし図１２で説明される、アクティベータ６の移動用の移動装置に、フィードバックループを用いて電気的に結合されるのが好ましい。圧電素子で生成された電圧の一部は、フィードバック回路２６が配置されるフィードバックループに導入される。
【００４９】
交流電圧は圧電素子で生成される。圧電発電機１は交流電圧の生成のために設けられ得る。しかし、圧電発電機１は直流電圧の生成にも使用され得る。整流器３１は交流電圧から直流電圧を生成するために設けられる。独立した共振システムをそれぞれ有する、多くのブランチは、直流電圧生成のために並列に接続され得、交流電圧は異なるブランチで異なる位相で生成される。
【００５０】
圧電素子で生成される信号は整流器３１を用いて整流され、蓄電素子３２に蓄えられるのが好ましい。少なくとも１つのダイオードを備えたダイオード回路は整流器３１として適している。少なくとも１つのコンデンサ又は蓄電池から構成される回路は特に蓄電素子３２として適している。蓄電素子３２に蓄えられた電気的エネルギーは電気負荷３によって使用され得る。
【００５１】
生成された信号の一部はフィードバックに使用される。その場合、制御信号は、計測装置２７を制御するためにフィードバック回路２６の出力側で生成される。計測装置２７は、周波数又はスピードがフィードバック回路２６の制御信号で調節され得るメカニズムを有する。このメカニズムは、図９及び図１０に見られるように、アクティベータ６が固定される移動装置に機械的に結合される。計測装置２７の機械的パラメータは、励振周波数ｆａが動作点に一致するために調節されることができるように、変更され得る。
【００５２】
示されたすべての実施形態において、フィードバック回路２６のフィードバック信号は図１のように、整流器３１の出力でタップされ得る。フィードバック信号はあるいは、図２のように、圧電変換器２と整流器３との間、すなわち整流器の入力でタップされ得る。
【００５３】
図３は、Ｎ個の並列に接続されたブランチから構成される圧電発電機の例を示し、５−１、５−２、・・・５−Ｎの共振システムは各ブランチに配置され、ここでＮ＞１である。圧電素子２−ｉ及び整流器３１−ｉは第ｉ番目のブランチに配置される。ｉは序数であり、ｉ＝１、２、・・・Ｎ。すべてのブランチは、電気的エネルギー（ここではコンデンサ）のための共通のエネルギー蓄積器３２に接続されるのが好ましい。
【００５４】
各圧電素子２−ｉは、振動装置５１−ｉに機械的に結合される。フィードバック回路２６は少なくとも１つのブランチに、好ましくは整流器３１−ｉの出力側で、接続される。これは図３の第１（上）のブランチである。
【００５５】
フィードバック回路２６は少なくとも１つのブランチに、好ましくは整流器３１−ｉの出力で、接続される。代わりに、フィードバック回路用のフィードバック信号のタッピングは、図２に記載の実施形態のように、整流回路の前で起こる。後者の場合、導電接続３１２は、図３の破線で示した導電接続３１１で置き換えられる。
【００５６】
アクティベータ６−１、６−２・・・６−Ｎは各ブランチの共振システムの励振のために設けられる。各アクティベータは、矢印４１−１、４１−２、及び４１−Ｎで示したように、機械的に共通のエネルギー蓄積器７１に結合される。アクティベータ６−１、６−２・・・６−Ｎは、各発電機のブランチにおいて、励振４２−１、４２−２・・・４２−Ｎ及び共振システム５−１、５−２・・・５−Ｎが互いに同期するように、フィードバック回路２６を用いて制御される。
【００５７】
異なるブランチの共振システムは同様の方法で構築されることが好ましく、同じ周波数ではあるが異なる位相で制御される。図４は、図３に記載の並列接続された電気機械変換器によって生成された電圧Ｕの時間的経過を示す。電圧Ｕ１、Ｕ２等は、圧電素子２−１、２−２等によって生成される。Ｕ１、Ｕ２の位相は互いに関連してシフトされる。したがって、発電機の出力電圧の振幅変動（振動）を滑らかにすることが可能である。
【００５８】
図５は多くの並列接続された圧電素子２−１、２−２・・・２−Ｎを備えた圧電発電機の他の実施形態を示す。各整流器３１−１、３１−２・・・３１−Ｎは、図５に示すように、直列のダイオード及び並列のダイオードを含み得る。ここで、移動装置６’は、アクティベータ６−１、６−２・・・６−Ｎが結合されたフィードバック回路２６を用いて制御される。アクティベータの経路は互いに並行に延びることが好ましい。このため、図９及び図１０に図示されたコンベヤを備えた移動装置は特によく適する。異なるアクティベータは、好ましくは図９及び図１０のｙ方向に、互いに空間的にシフトされる。アクティベータ６の経路に沿ってｙ方向に次々に異なる振動装置を配置することも可能であり、したがって、異なる位相ではあるが同じアクティベータ６で異なる振動装置を励振することが可能である。
【００５９】
図６は、ダイオードブリッジ式の、整流器３１及び／又は３１−１、３１−２・・・３１−Ｎを備えた圧電発電機を詳細に示す。ダイオードブリッジの入力は圧電素子２に接続され、出力はエネルギー蓄積器３２及び／又は電気負荷３に接続される。
【００６０】
図７は、多くの並列接続された圧電素子を備えた圧電発電機の実施形態を示し、独立のアクティベータは各共振システムの励振用に設けられる。独立のフィードバック回路２６−１、２６−２・・・２６−Ｎは、序数ｉ＝１、２、・・・Ｎの圧電素子に接続され、このフィードバック回路は各アクティベータ６−１、６−２・・・６−Ｎ及びこれらに励振される共振システムの同期のために設けられる。その他、図７に示した装置の機能は図３と関連して説明される。
【００６１】
図８は、音叉の形状をした、すなわちＵ字部品として設計された、振動装置を備えた圧電発電機の実施例を示す。Ｕ字部品は２つの脚及び２つの脚を互いに接続する連結部を有する。Ｕ字部品の脚は、振動装置の翼を表す振動素子８ａ、８ｂである。第２の振動素子８ｂの振動は第１の振動素子８ａの振動と相関する。
【００６２】
Ｕ字部品の連結部は、発電機のハウジングのように振動装置がキャリア（図示せず）に固定される装着領域１７を有する。
【００６３】
初期状態では、圧電素子２は、連結部に近接した振動装置の翼（脚）の間でクランプされ、それによってプレストレスが与えられる。ある実施形態では、圧電素子２は振動装置の脚によって排他的に維持される。しかし、圧電素子２の周期的な圧縮のために主に翼が使用されることも可能であり、圧電素子は、振動装置から機械的に切り離された別の固定物によって支持され、維持され、搬送される。
【００６４】
振動装置の脚は、例えば、帯状の片持ちバネである。さらに、振動装置は、各振動素子８ａ、８ｂの自由端に取り付けられ、機械的エネルギーを蓄えることに適したおもり９ａ、９ｂから構成される。
【００６５】
接触領域では、おもり９ａ、９ｂ及びアクティベータ６は、互いに向き合う傾斜した表面を有し、これらの表面は、接触領域からアクティベータが滑る間、最後の接触点である位置で突然止まる。振動素子８ａ、８ｂの最大たわみはこの点で達成される。傾斜した表面は水平方向に走る平面と互いに交差することが好ましい。振動素子８ａ、８ｂの最大たわみが達成された後、振動装置の接触領域をアクティベータ６が直接的に通過中に、このようにして、これらの振動素子の突然の解放は有利に引き起こされる。したがって、機械的エネルギーを最も効率的な方法で振動装置に移すことが可能である。
【００６６】
アクティベータ６は特にくさび形状で設計され得る。アクティベータ６は図８のおもり９ａ、９ｂの間を左から右へ動き、アクティベータに面したこれらのおもりの表面上を滑る。アクティベータの断面の寸法がおもり９ａ、９ｂの間の最小距離を超えるとすぐに、図８の上図の矢印で示すように、おもり９ａ、９ｂは互いに離れるように押圧される。
【００６７】
おもり９ａ、９ｂは、これらのおもりの間のくさびの滑りが容易になるように、互いに向き合う側面で傾斜する。アクティベータ６のくさび形状及びおもり９ａ、９ｂの傾斜によって、非常に効率よく、衝撃のない方法で、振動素子８ａ、８ｂを別々に押すことが可能である。アクティベータ６は図８に示された横断面に垂直に動き得、おもり９ａ、９ｂの傾斜は常にアクティベータ６の運動方向に沿って延びる。
【００６８】
アクティベータの動きによって引き起こされる振動素子８ａ、８ｂのたわみは、これらの振動素子にエネルギーを蓄える。アクティベータが振動装置の接触領域から離れるとすぐに、おもりは復元力の影響の下、反対方向に動き始める。アクティベータが接触領域から滑り出したすぐ後の振動素子８ａ、８ｂの運動方向は図８の下図に矢印で示される。これにより、おもり９ａ、９ｂの運動は振動素子８ａ、８ｂの振動を引き起こすので、おもり９ａ、９ｂに蓄えられたエネルギーはこれらのおもりの振動エネルギー又は振動装置の振動エネルギーに変換される。
【００６９】
振動素子８ａ、８ｂの振動期間中に、圧電素子２は垂直方向ｚに機械的圧縮応力を受け、この応力は時間に関して周期的に変化し、圧電素子の収縮を引き起こす。圧電素子２で生成された圧縮応力は電気的エネルギーに、例えば以下に説明するように変換される。圧電効果によって、電荷は、電気負荷３又はエネルギー蓄積器に供給される圧電素子２の電極１０ａ、１０ｂ、１０ｃに現れる。全面の電極１０ａ、１０ｂは、両方とも第１電極に接続され、圧電素子の中央の電極１０ｃは負荷３の第２電極に接続されるので、電荷は圧電素子から流出することができる。
【００７０】
時間ｔに応じて圧電素子２で計測された交流電圧Ｕは、図８において概略的に示される。この電圧は、振動素子８ａ、８ｂの機械的振動の振幅に比例する。振動は摩擦損失及びエネルギー共役によって減少されるので、この振幅は時間と共に減少する。
【００７１】
振動素子８ａ、８ｂは互いに関して反対方向ではあるが同じ振幅で振動することが好ましい。振動装置の対称軸に近接する連結部の領域は基本的に、振動素子８ａ、８ｂの振動中は、動かないままである。取り付け領域１７はこの連結部の領域に配置されることが好ましい。したがって、振動素子８ａ、８ｂの振動はキャリアに接続することによってほんのわずかだけ減少される。
【００７２】
図８に示された圧電素子２は、多層化された部品及び／又は圧電スタック、すなわち交互に配置された圧電層及び金属層のスタックである。各金属層は内部電極として設計される。図８には示されていない第１内部電極は、第１外部電極１０ａと接続され、第２内部電極は第２外部電極１０ｂに、第３内部電極は第３外部電極１０ｃに接続される。外部電極１０ａ、１０ｂ、１０ｃは圧電素子２の表面に配置される。
【００７３】
振動装置５１の励振のための機械的配置は図９及び図１０に示され、図８に示された変形例と比較した場合、アクティベータ（図示せず）は振動素子８ａ、８ｂの長手方向軸ｘにそって延びず、むしろ他の横方向ｙ、すなわちそれに対して横断する方向にそって延びる。その場合、おもり９ａ、９ｂは、それらの間の距離がｙ方向に減少するように、傾斜する。
【００７４】
振動装置５１の振動数は、おもり９ａ、９ｂの質量、振動素子８ａ、８ｂの長さ、及び圧電素子２の位置、によって調節され得る。振動数は圧電素子２の共振周波数と等しいことが好ましい。
【００７５】
振動装置５１のアクティベータ６による励振は周期的であり得、励振の周期は計測装置５１の振動周期と等しいか、又はこの周期の整数倍であることが好ましい。励振周期は必要なら減衰し得、したがって、多くの、好ましくは同じタイプのアクティベータ６、６ａ、６ｂ、６ｃが図１１及び図１２に記載の変形例として１つのみのアクティベータの場所で使用される場合、励振周波数は増加し得、連続したアクティベータは移動装置に互いから等間隔で配置される。移動装置は図９及び図１０のようにコンベヤから構成され得、又図１１及び図１２のように回転装置から構成され得る。
【００７６】
ｙ方向に、すなわち左から右へ線形に置換する移動装置を図９、及び図１０で紹介する。移動装置は、アクティベータ６が固定されたコンベヤ６１から構成される。さらに、他のアクティベータ６ａはこのベルトの上に固定される。
【００７７】
運送ローラ６２ａ、６２ｂは回転軸周りを時計周りの方向に回転し、したがってコンベヤ６１の運動を時計回りの方向にも引き起こす。図９に記載の変形例では、コンベヤ６１は、くさび形状のアクティベータ６が固定された横方向に突出する突出部６３を有する。突出部６３はコンベヤ６１及び／又はアクティベータ６の運動方向を横断する方向に突出する。アクティベータが振動装置の接触領域を通過した場合、図８と関連して説明されたおもり９ａ、９ｂのたわみが生じる。
【００７８】
図１０では、コンベヤ６１の下部は振動素子８ａ、８ｂの間に配置される。ここで、アクティベータ６は、図９に記載の変形例と比較した場合、コンベヤ６１の中央領域に配置される。同時に、運送ローラの領域で内側に面したアクティベータ６の部分の障害のない通過を容易にするために、運送ローラ６２ａ、６２ｂのそれぞれは、ベルト運送のために設けられた領域よりも小さな断面の領域６４を有する。アクティベータ６の経路はおもり９ａ、９ｂの間を通過する。
【００７９】
図９及び図１０に示された振動装置５１は図１３の側面図にも示される。
【００８０】
図１１及び図１２に記載の変形例として、アクティベータは、コンベヤベルトの代わりに回転装置の上に取り付けられ得る。１つのみのアクティベータを備えた変形例と比較して、回転装置の一定な回転数によって励振周波数が増加され得ることにより、多くのアクティベータが回転装置に取り付けられ得る。回転装置及びアクティベータの配置は回転軸の中心点に関し点対称であることが好ましい。
【００８１】
図１１において、回転装置は円盤の主平面に垂直な軸周りに回転する円盤１６ｃとして実現される。代わりに、図１２に記載の変形例として、回転装置は少なくとも１つの横木１６ａを有し得、この横木は回転軸に垂直であり、回転軸周りに回転し得る。回転軸は横木１６ａの中心を通過する。アクティベータは横木１６ａの各端に固定される。
【００８２】
それぞれの場合において、各アクティベータ６、６ａ、６ｂ、６ｃの経路の一部は振動素子８ａ、８ｂの間を通る。
【００８３】
図１３は圧縮空気によって励振される振動装置５１を示し、圧縮空気用の蓄積器７１を示す。蓄積器７１は、弁６６によって閉じられ得る空気吸入開口６５及びアクティベータ６によって閉じられ得る空気排出開口６９を有する容器６０から構成される。
【００８４】
空気は、弁が開いた容器６０に注入され得る。弁６６は空気圧が外側から内側に向かう方向に吸入開口６５の領域に増加する場合のみ開けられる。弁６６は空気が吸入開口６５を通って容器６０から逃げるのを防ぐ。
【００８５】
排出開口６９は、同一に規定された第１の時間間隔でアクティベータ６によって開けられる。排出開口６９を通過する空気の漏れはアクティベータ６によって第２の時間間隔で妨げられる。アクティベータ６は、図１ないし図３、図５及び図７に示すフィードバックループを用いて制御され得る弁である。
【００８６】
弁６又は６６の異なる例は図１４Ａ、１４Ｂ及び図１５Ａ、１５Ｂに示される。図１４Ａは、空気タンクの一端に固定されたフラップ６６ａとして形成された弁６６を備えた図１３に記載の空気タンクを詳細に示す。図１４Ｂは薄膜６６ｂとして形成された弁を示す。
【００８７】
図１５Ａ及び図１５Ｂは、閉じた吸入開口（図１５Ａ）及び開いた吸入開口（図１５Ｂ）の中心軸ＤＤの周りに回転し得るプレート６６ｃの形状をした弁を備えた空気容器６０の吸入開口の図を示す。図１５Ａにおいて、プレート６６ｃの平面は横断し、図１５Ｂにおいては開口６５の垂線に並行に配置される。
【００８８】
図１６はフィードバック回路の例示的な実施形態を示す。フィードバック回路２６はコンパレータ２６１を有する。基準電圧Ｕｒｅｆはコンパレータの非反転の入力に適用される。基準電圧は蓄電素子３２を用いて供給され、Ｚダイオード２６２を用いて安定化される。基準電圧は共振システムの動作点を固定する。整流器３１の出力で拾い上げられる電圧Ｕはコンパレータ２６１の反転入力に適用される。
【００８９】
コンパレータの供給電圧は蓄電素子３２によって供給されＺダイオード２６３により安定化される。
【００９０】
コンパレータ２６１の出力信号は計測装置２７を制御するために使用される。コンパレータの出力信号は、例えば計測装置の機械的特性を調節する電気機械素子の切り替えに使用され得る。
【００９１】
コンパレータは内蔵増幅器から構成され得る。コンパレータの出力信号は図１６に示されていない別個の増幅器で増幅される。
【００９２】
図１７は励振周波数ｆａの関数として電圧Ｕを示す。この電圧は、コンパレータの入力で計測され、整流器の出力で生成された電圧と比例する。ｆａ，０は励振周波数の初期値であり、ｆａ，１は動作点に対応する励振周波数である。周波数ｆａ，０は静止状態で計測装置２７の機械的パラメータによって固定される。
【００９３】
ｆａ，Ｒは共振周波数の整数倍に等しい励振周波数である。この例では、周波数ｆａ，０及び動作点は、最大電圧を生成し得る周波数ｆａ，Ｒ以下に選択される。遷移位相中に、計測装置２７のパラメータは、励振周波数が、電圧レベルＵｒｅｆが達成されるｆａ，１の値まで増加するように、変更され、このレベルはコンパレータの第２の入力で特定される。このレベルを超える場合は、励振周波数はコンパレータの切り替えにより減少され、このレベル以下に繰り返し落ちる場合は、再び増加するので、動作点の近傍で安定化される。動作点に近接したごくわずかな周波数の変化は図１７の二重矢印２８で示される。
【００９４】
共振システムは、示された実施形態に制限されるものではない。圧電素子及び振動装置の附加的な構成は可能である。
【符号の説明】
【００９５】
１  圧電発電機
２  圧電素子
２６  フィードバック回路
２６１  コンパレータ
２６２，２６３  Ｚダイオード
２７  計測装置
３  電気負荷
３１  整流器
３１１，３１２  導電接続
３２  蓄電素子
４１，４３  機械的結合
４２  機械的励振
５  共振システム（電気機械変換器）
５１  振動装置
６，６ａ，６ｂ，６ｃ  アクティベータ
６０  圧縮空気の容器
６１  コンベヤ
６２ａ，６２ｂ  運送ローラ
６５  空気吸入開口
６６  弁
６８  気流
６９  空気排出開口
７  外部からの機械的力
７１  機械的エネルギーの蓄積器
８ａ，８ｂ  振動素子
９ａ，９ｂ  おもり
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ  圧電素子２の外部電極
１１  圧電層
１２  内部電極
１５ａ，１５ｂ  リード線
１６  リング
１７  取り付け領域
ＡＡ  回転軸
Ｕ  整流後の電圧
Ｕｒｅｆ  基準電圧
Ｕ１  第１電気機械変換器で生成された電圧
ＵＮ  Ｎ次電気機械変換器で生成された電圧
ｆａ  励振周波数
ｆａ，０  励振周波数の初期値
ｆａ，１  動作点に対応する励振周波数
ｆａ，Ｒ  共振周波数の整数倍に等しい励振周波数
ｆＲ  共振周波数
ｔ  時間
ｘ  振動素子８ａ，８ｂの長手方向に一致する第１横方向
ｙ  第２横方向
ｚ  垂直方向
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
2009542169.tif 000018
【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
2009542169.tif 000021
【国際調査報告】
2009542169.tif 000022
2009542169.tif 000023
2009542169.tif 000024
2009542169.tif 000025