(57)【要約】本発明は、動き／移動のセンサ、検出器および／またはモニタ、ならびに、他の種類のセンサの分野に関する。特に、本発明は、温度、圧力およびエネルギなど感知されるのが非常に低い（あるいは遅い）動きや環境変化に応答して、例えば、大きなパルス出力電圧を提供し得る。本発明は、例えば、他の利用可能なセンサを提供し、また、関連プロセッシング回路網を「オフ」状態からオンにするのに十分高い出力を提供し得る。本発明は、何よりも、様々なイベントを感知すること、例えば、軸方向に分極したホモポリマのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）あるいは、他の圧電性材料を介し、感知することに関する。
2007519904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサとして使用する装置であって、該装置は、
スタックに配置された複数の圧電素子であって、そのそれぞれが出力を有する複数の圧電素子と、
該圧電素子のそれぞれの該出力上にある整流ブロックと、
該整流ブロックからの電荷を蓄積する、該整流ブロックのそれぞれに接続された容量素子と、
該容量素子から信号を供給する、該容量素子に接続されたセンサ出力と
を備える、装置。
【請求項２】
前記容量素子の出力に接続されたスイッチングデバイスをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記整流ブロックは、全波整流ブロックと半波整流ブロックとからなるグループから選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
３個以上のスタックされた圧電素子を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記整流ブロックと前記容量素子との間に提供された信号位相遅延素子をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記信号位相遅延素子は、インダクタを備える、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記スイッチングデバイスが、１つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備える、請求項２に記載の装置。
【請求項８】
前記スイッチングデバイスが、複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備える、請求項２に記載の装置。
【請求項９】
前記スイッチングデバイスが、１つのバイポーラトランジスタを備える、請求項２に記載の装置。
【請求項１０】
前記スイッチングデバイスが、複数のバイポーラトランジスタを備える、請求項２に記載の装置。
【請求項１１】
前記スイッチングデバイスが、リレーまたはマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）リレーを備える、請求項２に記載の装置。
【請求項１２】
前記スイッチングデバイスが、利用可能なタイマ回路を備える、請求項２に記載の装置。
【請求項１３】
前記スイッチングデバイスが、直接マイクロコントローラ入力を備える、請求項２に記載の装置。
【請求項１４】
前記装置が、大きな重力源の表面に対し、ある角度で回転する構造物に対する重力の影響から位置の変化を検出する手段を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記構造物が、車輪を備える、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記角度が、約９０度からなる、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記重力源が、地球を含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】
前記装置が、該装置を据え付けた構造物の動きから、位置の変化を検出する手段を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記装置が、該装置上に配置された構造物の動きの変化を検出する手段を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記装置が、局所電界から利用可能な、周波数または振幅の変化を検出する手段を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記電界が、約５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの範囲の電界を含む、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記装置が、低出力サウンドエネルギから利用可能な、周波数または振幅の変化を検出する手段を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記装置が、超音波エネルギから利用可能な、周波数または振幅の変化を検出する手段を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
前記整流ブロックの１つ以上が、回路基板を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記容量素子の１つ以上が、コンデンサを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
前記装置が、ＲＦスペクトルエネルギ場から利用可能な、周囲のパワーの変化を検出する手段を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
前記装置が、磁界の変化を検出する手段を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２８】
センサを製造する方法であって、該方法は、
複数の圧電素子をスタックに配置することと、
少なくとも１つの整流ブロックが、該圧電素子それぞれの出力上にあるように、複数の整流ブロックを接続することと、
該整流ブロックからの電荷を蓄積する複数の容量素子を配置することと、
該複数の容量素子から信号を提供する信号出力を提供することと
を包含する、方法。
【請求項２９】
前記複数の容量素子の出力に、スイッチングデバイスを接続することをさらに包含する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記配置するステップは、
寸法に従い、スタックに配置された前記複数の圧電素子を提供することを包含する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記１つ以上の整流ブロックは、全波整流ブロックと半波整流ブロックとからなるグループから選択される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
３個以上のスタック化された圧電素子を配置することを包含する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
１つ以上の前記複数の整流ブロックと１つ以上の前記複数の容量素子との間に提供された信号位相遅延素子を提供することを、さらに包含する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３４】
前記信号位相遅延素子は、インダクタを備える、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記スイッチングデバイスは、１つのＦＥＴを備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項３６】
前記スイッチングデバイスは、複数のＦＥＴを備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項３７】
前記スイッチングデバイスは、１つのバイポーラトランジスタを備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項３８】
前記スイッチングデバイスは、複数のバイポーラトランジスタを備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項３９】
前記スイッチングデバイスは、リレーまたはＭＥＭＳリレーを備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項４０】
前記スイッチングデバイスは、利用可能なタイマ回路を備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項４１】
前記スイッチングデバイスは、直接マイクロコントローラ入力を備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項４２】
大きな重力源の表面に対し、ある角度で回転する構造物に対する重力の影響から、位置の変化を感知することを包含する、請求項２８に記載の方法。
【請求項４３】
前記構造物が、車輪を備える、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記角度が、約９０度からなる、請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
前記重力源が、地球を含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４６】
装置を据え付けた構造物の位置の変化を感知することをさらに包含する、請求項２８に記載の方法。
【請求項４７】
装置上に配置された構造物の位置の変化を感知することをさらに包含する、請求項２８に記載の方法。
【請求項４８】
心拍から周波数または強度の変化を感知することをさらに包含する、請求項２８に記載の方法。
【請求項４９】
前記心拍が、ヒトの心拍を含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
局所電界から利用可能な、周波数または強度の変化を感知することを包含する、請求項２８に記載の方法。
【請求項５１】
前記電界が、約５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの範囲の電界を含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
低出力サウンドエネルギから利用可能な、周波数または強度の変化を感知することをさらに包含する、請求項２８に記載の方法。
【請求項５３】
超音波エネルギから利用可能な、周波数または強度の変化を感知することをさらに包含する、請求項２８に記載の方法。
【請求項５４】
チャージャーに、回路基板技術を組み込むことをさらに包含する、請求項２８に記載の方法。
【請求項５５】
前記容量素子の１つ以上が、コンデンサを備える、請求項２８に記載の方法。
【請求項５６】
ＲＦスペクトルエネルギ場から利用可能な、周囲のパワーの変化を感知することをさらに包含する、請求項２８に記載の方法。
【請求項５７】
磁界の変化を感知することをさらに包含する、請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本特許出願は、米国特許法第１２０条に基づき、米国特許出願第１０／７６２，２７８号（２００４年１月２３日出願）に関連し、その利益を主張するものであり、また、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づき、米国仮特許出願第６０／５３６，２５０号（２００４年１月１４日出願）の利益を主張するものである。両出願は、本明細書にて、その全体を援用する。
【０００２】
（発明の分野）
本出願は、動き／移動のセンサ、検出器および／またはモニタ、ならびに、他の種類のセンサの分野に関する。特に、本発明は、温度、圧力およびエネルギなど感知されるのが非常に低い（遅い）動きや環境変化に応答して、例えば、大きなパルス出力電圧を提供し得る。本発明は、例えば、他の利用可能なセンサに関するもので、関連プロセッシング回路網を「オフ」状態からオンにするのに十分高い出力を提供し得る。本発明は、何よりも、様々なイベントを感知することに関する。例えば、軸方向に分極したホモポリマのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）あるいは、他の圧電性材料を介し、感知することに関する。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
今日、圧電活性材料を用いて、様々なイベントを感知するデバイスで利用可能なものが幾つかある。これらデバイスからのエネルギパルスは、一般に電圧が非常に低いので、「オン」状態であることをモニタする回路が必要である。このモニタ回路は、一般に、その回路が感知したイベントを認識できるように増幅器を組み込んでいる。従来の感知用デバイスは、かなりの量の連続エネルギ（静止電流）を用いる。
圧電センサは数多く存在する。一般に、これらセンサは、２つの重複するカテゴリに属する。これらセンサは、圧電材料から信号をブーストする増幅器を、あるいは、圧電材料の信号を加算または減算するバイアス信号を必要とする。これら技術のそれぞれは、絶えず電流を引き出すセンサが「オン」であることを必要とする。これら技術のそれぞれは、電流を常に引き込み、センサが「オン」であることが要求される。このために、増幅器あるいはバイアス信号を用いる必要のないセンサに対するニーズが存在する。
なぜなら、圧電イベントは、一般に非常に低いエネルギしか生成せず、低周波数のイベントの検出には、大きな増幅が今まで必要とされてきたからである。このように、増幅器を補助に用いることなく、低周波数のイベントを検出できるセンサに対するニーズが存在する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（発明の概要）
本発明は、補助を用いない圧電デバイスをセンサ、モニタあるいは検出器として使用することに関する。従来技術に比べ、本発明によって、例えば、非常に大きな電圧パルスで、回路全体を「オフ」状態から「オン」状態へスイッチするための使用にも十分大きなパルスをモニタ回路網に送ることが可能となる。こうして、静止電流の使用を非常に低いレベルまでカットし、非常に小さなセンサパワーシステムを使うことが可能となる。本発明のセンサの出力は、例えば、センサ回路を「オフ」状態から「オン」状態にするのに使われ得る。また、本発明は、「オン」状態のモニタリング回路にある非増幅センサの出力信号を使用して、センサが「オフ」状態になるときを認識可能にする感知デバイスにも関する。これは、信号の極性に関わらず達成し得る。また、利用可能なセンサ素子の出力をスタックし、その合計した出力を使うことが、スイッチングデバイスが「オン」に変えるのに、有利な効果があることによって、達成され得る。こうして、スイッチングデバイスは、モニタ回路全体で「オン」に変わり得る。
感知は、以下のエネルギタイプの正または負への変化によってなされるが、以下に限定されない。すなわち、熱、赤外線または紫外線を含む可視光、機械的運動または衝撃、気流または物理的接触を含む摩擦電気、加速度、および、特定の周波数に関わらない無線周波（ＲＦ）電磁エネルギがある。本発明の様々な実施形態の素子は、ポテンシャル的に、例えば、圧電材料の寸法、圧電材料の機械的据え付けおよび結合、必要な電圧レベルで有効なパルスへのエネルギ変換、調整（電圧または電流）、および、フィルタリング（必要な場合）である。そのそれぞれが、例えば、感知されるべき任意の特定のイベントで、必要な出力に適合して、あるいは、組み合わせて調整され得る。
【０００５】
低周波数あるいは低電圧センサ出力をスタックすることには、大きな利点があり得る。例えば、低周波数あるいは低電圧センサの出力をスタックすると、従来は十分な電荷量あるいは電圧レベルでないために使えなかった局所センサのイベント（正または負）にも、たとえ、増幅器のない最も低い電圧回路網においてでも、使えるようになる点である。
【０００６】
供給されたエネルギが比較的小さな量のときの動作に、本発明が適応し得ることは、本発明の別の利点であり得る。本発明に向くエネルギ源の例として、本発明の実施形態が据え付けられ得る対象物に対し、縦方向（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）の伸縮運動が含まれ得る。この伸縮は、１．５μｍほどの小さな縦方向の運動によるエネルギを供給し得る。さらに、温度変化をベースとするアプリケーションにおいて、本発明の電荷スタックする特性は、比較的小さな温度変化をベースとするパルスを出力し得る。スタック化された素子アレイにおいて、温度変化は、全ての素子に対して同じであり得る。例えば、５つの素子からなるスタックにおいて、摂氏０．２度（１／５度）の変化は、約８ボルトの開回路出力パルスを生成し得る。このように、「ｎ」個の素子からなるスタックで、摂氏１／ｎ度の変化は、８ボルトの開回路出力パルスを生成し得る。
【０００７】
本発明の実施形態の目的は、ほとんど全てのイベントに対し、最適化し得る感知デバイスを提供することである。本発明の実施形態の別の目的は、ロボットの感覚用に感知デバイスを提供することである。本発明がロボットの感覚用の感知デバイスへのアプリケーションに有用であり得るのは、このセンサは、感知するものが存在しないときは、エネルギ消費を要しないからである。さらに、本発明は非常に小さなイベントあるいは非常に低周波数のイベントを検出可能であり得る。この検出能力は、デリケートな取り扱い時における使用あるいは他の複雑な状況下での使用のため、ロボットの接触センサあるいは他のセンサに、有効であり得る。
【０００８】
本発明の一実施形態は、センサとして使われる装置である。この装置は、スタック化された複数の圧電素子と、その圧電素子それぞれの出力に整流ブロックと、その整流ブロックからの電荷を蓄積するために配置された複数のコンデンサとを含む。さらに、特定の実施形態においては、スイッチングデバイスは、複数のコンデンサの出力に接続され得る。本発明は、コンデンサの使用という見地から記載されているが、本発明は、例えば、固有の容量を有する他の回路コンポーネントによって、実施されてもよい。このように、有効な容量を有する任意の素子が、容量素子として考慮され得る。
【０００９】
本発明の特定の実施形態において、整流ブロックは、全波整流ブロックであっても、半波整流ブロックであってもよい。本装置は、２個以上のスタック化された圧電素子を含み得る。その上、本発明の更なる実施形態においては、本装置は、整流ブロックと前記容量素子との間に設けられる信号位相遅延素子（例えば、インダクタのような）をさらに含む。本発明の別の特定の実施形態において、このスイッチングデバイスは、１つのトランジスタ、あるいは、グループとなっているトランジスタを含み得る。
【００１０】
本装置は、その装置の据え付けられた物品または構造物の位置変化の検出、モニタおよび／または感知を最適化し得る。ドアや窓は、このような構造物の例であり得る。ドアまたは窓が少しでも動いたら、本発明の実施形態のセンサが、出力を供給し得る。モニタされる物品または構造物の表面に対し、本発明の実施形態を据え付けるのに適切な角度は、モニタされる動きの面にほぼ垂直あるいは約９０度であり得る。
【００１１】
本発明の実施形態の装置は、センサ上に配置された物品または構造物の位置変化の検出、モニタおよび／または感知を最適化し得る。本発明の実施形態のセンサ上に配置された物品または構造物は、その物品または構造物が初期の位置から動かされたら、変化する事前加重を備え得る。モニタされるこのような物品の例として、博物館の古器物が挙げられる。古器物が動かされたら、センサが所望の出力を提供し得る。本発明の本実施形態のセンサは、特定の形での検出を避けるように構成され得る。例えば、常に電流を引き込むデバイスは、望ましくないことだが、電磁放射線を発し得る。この電磁放射線は、様々なセンサで、「観察され」得る。しかしながら、本発明の特定の実施形態は、トリガーされていない状態で、電流を全く引き込まないこと（あるいは、わずか数ナノアンペアだけ引き込むこと）によって、このような検出を避け得る。こうして、このように検出されることがあまり起こらないようにできる。
【００１２】
本発明の実施形態は、大きな重力源の表面に対し、ある角度で回転する構造物に対する重力の影響から位置変化を検出するために最適化され得る。車輪は、構造物の例であって、本発明の実施形態によって、位置変化を検出するターゲットになり得る。本実施形態において、重力源の表面に対する適切な角度は、ほぼ垂直あるいは約９０度であり得る。このような角度は、重力平面との関係で、位置の変化の最大量を提供し得る。一般に、他の角度が使われる場合は、測定に有効なコンポーネントは、重力源の表面に垂直なコンポーネントであり得る。大きな重力源としては、地球、月、小惑星、あるいは、ターゲットに対し著しく大きな他の物体であり得る。
【００１３】
本発明の実施形態の装置は、ヒトおよび他の動物の心拍からの周波数変化または振幅変化の測定または検出を最適化し得る。本装置は、局所電界から利用可能および／または検出可能なエネルギ変化を代替的に最適化し得る。別の実施形態において、本発明の装置は、低出力サウンドエネルギまたは超音波エネルギから利用可能な周波数変化または振幅変化の検出、感知またはモニタを最適化し得る。更なる別の実施形態において、本発明の装置は、ＲＦスペクトルエネルギ場から利用可能な周波数変化または振幅変化の検出、感知またはモニタを最適化し得る。別の実施形態において、本発明の装置は、磁界の変化をモニタ、検出または感知するのを最適化し得る。加えて、本装置は、非常に低い周波数のエネルギのモニタ、検出または感知を最適化し得る。その下限は、例えば、任意の特定の圧電材料の限界である。この限界は、Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄから入手のＤＴ−１型材料において、例えば、約０．００１Ｈｚであると考えられる。
【００１４】
本発明の特定の実施形態において、本装置は回路基板技術を組み込み得る。例えば、整流ブロックが回路基板内に実装され得る。このような実施形態において、デバイスの容量素子、抵抗素子（もし、あれば）あるいは誘導素子は、ディスクリートなコンポーネントとしてよりも、むしろ、回路基板のパーツまたは回路基板上のトレースとなり得る。さらに、インダクタは、特定の実施形態において、実装され得る。これらインダクタは、スタック内の各素子からのエネルギの位相調整に特に有用であり、また、一つの素子の出力が別の素子からの出力の一部を相殺するのを防ぐのに役立ち得る。
【００１５】
本発明の別の実施形態は、センサ製造方法を含み得る。その製造方法は、例えば、複数の圧電素子をスタックに配置するステップ、整流ブロックを圧電素子それぞれの出力上に接続するステップ、および、整流ブロックからの電荷を蓄積するための容量素子を複数配置するステップを含む。本発明の更なる実施形態は、例えば、複数の容量素子の出力に、スイッチングデバイスを接続するステップを含み得る。本発明の特定の実施形態において、前述の配置するステップは、寸法に従ってスタックに配置された前記複数の圧電素子を提供するステップを包み得る。
【００１６】
以上の記載および以下の詳細な説明は、例示的かつ説明的なものに過ぎず、本発明を、請求するものとして、限定するものではないことは理解されるべきである。本発明の実施形態を示す添付図面は、説明とともに、本発明の原理を解説する役割を果たす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（発明の詳細な説明）
本発明は、本明細書に記載された特定の方法論、化合物、材料、製造技術、使用、および、アプリケーションに限定されないことは、理解されるべきである。また、本明細書で用いる用語法は、特定の実施形態を記述することのみを目的に用いたもので、本発明の範囲を限定することを意図しないことも、理解されるべきである。本明細書および添付の請求項で用いられる単数形「１つの（ａおよびａｎ）」および「該（ｔｈｅ）」は、コンテキスト中に特記で明示されない限り、複数形の意味も含む。このように、例えば、「１つの素子」の意味は、１つまたは複数の素子を意味し、さらに、当業者に周知の素子と同等物も含む。同様に、また、別の例として、「１つのステップ」あるいは「１つの手段」の意味は、１つまたは複数のステップまたは手段を意味し、さらに、サブステップあるいは補助的な手段の意味も含む。用いられた接続詞の全ては、可能な意味を最も広く含む形で理解されるべきである。それゆえ、「または」の用語は、コンテキスト中に特記で明示されない限り、論理的に「排他的な、または」ではなく、むしろ、論理的な「または」の定義を有するものであると、理解されるべきである。また、本明細書に記載された構造物は、そのような構造と機能的に同等なものも意味するものとして理解される。近似を表現すると解釈され得る表現は、コンテキスト中に特記で明示されない限り、そのように理解されるべきである。
【００１８】
特記されない限り、本明細書で用いられる全ての技術用語と科学用語は、本発明が属する分野の当業者によって共通に理解されるのと、同じ意味を有する。本明細書には、好ましい方法、技術、デバイスおよび材料について記載されているが、記載の方法、技術、デバイスまたは材料と類似または均等なものが、本発明の実施あるいはテストに用いられ得る。本明細書に記載の構造物は、このような構造物と機能的に均等なものも意味することも、理解されるべきである。本明細書への引用文献の全ては、その全体を参考として本明細書に援用される。
【００１９】
本明細書に記載されるように、加えられる力は、各素子に対し、同じで一般的な方向と大きさであるものとして、理解される。力の種類は、本説明において重要ではなく、汎用的な力のベクトルが用いられる。フィルムエリアに対して加えられる力が異なる場合も、あるいは、力の方向に変化がある場合も、当業者は、前述の場合から容易に推測でき得る。ディスクリートなコンポーネント特性による小さな変化は、特定のコンポーネント値とは見なされない。なぜなら、その特性は変化し得るからであり、さらには、その特性は性能を最適化し得るが、性能に対し大きな影響を及ぼさないからである。
【００２０】
一般的に、ＰＶＤＦフィルムに掛かる力は、そのフィルムの少なくとも一部分における縦方向の動きを生じ得る。この縦方向のフィルムの一部分の移動は、電圧出力を生成し得る。電圧出力の大きさは、例えば、掛かる力、ＰＶＤＦフィルムの物理的寸法、および、フィルムの静電容量に依存する。ＰＶＤＦフィルムは、クーロン電荷を除去するために、導電性表面でコーティングされ得る。別の実施形態において、ＰＶＤＦフィルムは、電荷を除去するために、導体と接触し得る。このプロセスは、可逆であり得る。そのため、例えば、導電性コーティングされたＰＶＤＦフィルム表面への電圧印加は、フィルムが物理的に動く原因となり得る。軸方向に分極したＰＶＤＦは、このような電圧で誘発された移動は、多くの場合、縦方向へ向けてであり得る。典型的には、その移動の約１／１０００のみが、他の任意の方向へ向けてとなる。本発明に従って用いられ得るＰＶＤＦフィルムは、Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄから入手のＤＴ−１フィルムのようなフィルムであり得る。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態の回路図である。本図は、５つの圧電素子１５０が、電気的に一緒に接続され得る一つの方法を示す。圧電素子１５０は、互いに類似しているが、全く同一ではない。圧電材料セグメント１３０は、寸法が大きくなり得るもので、コンデンサ１４０は、特定の圧電材料セグメント１３０に対応するものが選択され得る。このような配置の例は、以下に詳細に記すように、図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃに記載されている。再び、図１について述べる。各圧電素子１５０は、ブリッジ整流器１２０を含み得る。ブリッジ整流器１２０は、例えば、４つのダイオード１１０を含む全波整流器を含み得る。ブリッジ整流器１２０は、圧電材料１３０に接続され得て、さらに、コンデンサ１４０に接続され得る。圧電素子１５０のスタックされたアレイは、コンデンサ１４０を直列に接続することで、電気的に接続され得る。１つのコンデンサ１４０の端子の１つは、センサ出力１７０として提供され得て、他の端子は、グラウンド１６０に接続され得る。最も下にある圧電素子１５０との接続を取り外し、その代わりに、直接グラウンドに接続すると、４つの素子からなるスタックも作成され得ることは、観察され得る。
【００２２】
図２Ａと図２Ｂは、本発明のグラウンドスイッチングのアプリケーションの２つの例を示す。図２Ａは、単一パルスの図であり、図２Ｂは、ラッチ付きパワーの図である。一つの実施形態において、図に示すように、例えば、図２Ａにおいて、センサ出力１７０は、ＮチャネルＦＥＴ２１０のゲートに接続され得る。ＮチャネルＦＥＴ２１０のソースは、グラウンド１６０に接続され得る。ＮチャネルＦＥＴ２１０のドレインは、モニタ回路のグラウンド２４０に接続され得る。電池２２０が、モニタ回路パワー２３０とグラウンド１６０間の電位差を提供し得る。こうして、センサ出力１７０からのセンサの高パルスが、パルス継続中にモニタ回路グラウンドに適用され得る。
【００２３】
別の実施形態において、図に示すように、例えば、図２Ｂにおいて、センサ出力１７０は、ＮチャネルＦＥＴ２１０のゲートに接続され得る。ＮチャネルＦＥＴ２１０のソースは、グラウンド１６０に接続され得る。ＮチャネルＦＥＴ２１０のドレインは、モニタ回路のグラウンド２４０に接続され得る。電池２２０が、モニタ回路パワー２３０とグラウンド１６０間の電位差を提供し得る。追加として、モニタ回路パワーラッチ２５０が、ダイオード１１０を介して、ＮチャネルＦＥＴ２１０のゲートに接続され得る。こうして、センサ出力１７０からの高パルスが、間接的にモニタ回路パワーラッチ２５０を活性化し、パルス継続が終了後、回路がパワーをラッチできるようにする。
【００２４】
図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、本発明のパワースイッチングへのアプリケーションの３つの例を示す。図３Ａに、単一パルス図を、図３Ｂに、アクティブハイのパワーラッチングの図を、図３Ｃに、アクティブローのパワーラッチングの図を示す。一つの実施形態において、図に示すように、例えば、図３Ａにおいて、センサ出力１７０は、ＮチャネルＦＥＴ２１０のゲートに接続され得る。ＮチャネルＦＥＴ２１０のソースは、グラウンド１６０に接続され得る。ＮチャネルＦＥＴ２１０のドレインは、抵抗器３１０とＰチャネルＦＥＴ３２０のゲートに接続され得る。抵抗器３１０は、ＰチャネルＦＥＴ３２０のソースに接続され得る。ＰチャネルＦＥＴ３２０のソースは、これもまた、電池２２０に接続され得る。次に、この電池２２０がグラウンド１６０に据え付けられ得る。ＰチャネルＦＥＴ３２０のドレインは、モニタ回路パワー２３０に接続され得る。こうして、センサの高パルスは、パルス継続中にモニタ回路パワー２３０に適用され得る。
【００２５】
他の実施形態において、図に示すように、例えば、図３Ｂにおいて、センサ出力１７０は、ＮチャネルＦＥＴ２１０のゲートに接続され得る。ＮチャネルＦＥＴ２１０のソースは、グラウンド１６０に接続され得る。ＮチャネルＦＥＴ２１０のドレインは、抵抗器３１０とＰチャネルＦＥＴ３２０のゲートに接続され得る。抵抗器３１０は、ＰチャネルＦＥＴ３２０のソースに接続され得る。ＰチャネルＦＥＴ３２０のソースは、これもまた、電池２２０に接続され得る。次に、この電池２２０がグラウンド１６０に据え付けられ得る。ＰチャネルＦＥＴ３２０のドレインは、モニタ回路パワー２３０に接続され得る。こうして、センサの高パルスは、パルス継続中にモニタ回路パワー２３０に適用され得る。追加として、モニタ回路パワーラッチ２５０は、ダイオード１１０を介して、ＮチャネルＦＥＴ２１０のゲートに接続され得る。こうして、センサ出力１７０からの高パルスが、間接的にモニタ回路パワーラッチ２５０を活性化し、パルスの継続が終了後、回路がパワーをラッチできるようにする。
【００２６】
他の実施形態において、図に示すように、例えば、図３Ｃにおいて、センサ出力１７０は、ＮチャネルＦＥＴ２１０のゲートに接続され得る。ＮチャネルＦＥＴ２１０のソースは、グラウンド１６０に接続され得る。ＮチャネルＦＥＴ２１０のドレインは、抵抗器３１０とＰチャネルＦＥＴ３２０のゲートに接続され得る。抵抗器３１０は、ＰチャネルＦＥＴ３２０のソースに接続され得る。ＰチャネルＦＥＴ３２０のソースは、これもまた、電池２２０に接続され得る。次に、この電池２２０がグラウンド１６０に据え付けられ得る。ＰチャネルＦＥＴ３２０のドレインは、モニタ回路パワー２３０に接続され得る。こうして、センサの高パルスは、パルス継続中にモニタ回路パワー２３０に適用され得る。追加として、モニタ回路パワーラッチ２５０は、ＰチャネルＦＥＴ３２０のゲートに接続され得る。こうして、センサ出力１７０からの高パルスが、間接的にモニタ回路パワーラッチ２５０を活性化し、パルスの継続が終了後、回路がパワーをラッチできるようにする。
【００２７】
図４Ａおよび図４Ｂは、本発明のリレーパワースイッチングへのアプリケーションの２つの例を示す。図４Ａに、単一パルスの図を、図４Ｂに、ラッチ付きパワーの図を示す。一つの実施形態において、図に示すように、例えば、図４Ａにおいて、センサ出力１７０は、リレー４１０のピン１に接続され得る。抵抗器３１０は、リレー４１０のピン２とグラウンド１６０の間に接続され得る。電池２２０は、リレー４１０のピン３とグラウンド１６０の間に接続され得る。リレー４１０のピン５は、オープンのままで残り得る。リレー４１０のピン４は、モニタ回路パワー２３０に接続され得る。こうして、センサの高パルスは、パルス継続中にモニタ回路パワーに適用され得る。
【００２８】
他の実施形態において、図に示すように、例えば、図４Ｂにおいて、センサ出力１７０は、リレー４１０のピン１に接続され得る。抵抗器３１０は、リレー４１０のピン２とグラウンド１６０の間に接続され得る。電池２２０は、リレー４１０のピン３とグラウンド１６０の間に接続され得る。リレー４１０のピン５は、オープンのままで残り得る。リレー４１０のピン４は、モニタ回路パワー２３０に接続され得る。追加として、モニタ回路パワーラッチ２５０は、ダイオード１１０を介して、リレー４１０のピン１に接続され得る。こうして、センサの高パルスは、パルス継続中にモニタ回路パワーに適用され得る。こうして、センサ出力１７０からの高パルスが、間接的にモニタ回路パワーラッチ２５０を活性化し、パルスの継続が終了後、回路がパワーをラッチできるようにする。
【００２９】
図５Ａおよび図５Ｂは、関心ある対象物に据え付けたセンサに感知する動きの２つの例を提供する。図５Ａに、窓の例を、図５Ｂに、ドアの例を示す。一実施形態において、図に示すように、例えば、図５Ａにおいて、センサ５１０は窓の部分５２０に据え付けられ得る。一実施形態において、センサ５１０は、セキュリティ会社のステッカに偽装され得る。他の実施形態において、センサ５１０は、窓５２０の不透明な部分に据え付けられ得る。
【００３０】
他の実施形態において、図に示すように、例えば、図５Ｂにおいて、センサ５１０はドア５３０に据え付けられ得る。センサ５１０は、例えば、接着剤の手段で貼り付けられる。センサ５１０は、ドア５３０の部分で、ドア５３０が開閉しようと試みるイベントで特に動きそうな部分に据え付けられ得る。
【００３１】
図６は、関心ある対象物（この場合、ダイアモンド６１０）の下に配置され、事前に荷重を加えられたセンサ５１０の例である。センサ５１０は、例えば、当初から台座６２０の表面に配置され得る。本実施形態において、ダイアモンド６１０が台座６２０から持ち上げられたら、センサ５１０は出力を提供する。
【００３２】
図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃは、５つの素子からなるスタックの図面である。図７Ａは、５つの素子からなるスタックの上面図である。図７Ｂは、５つの素子からなるスタックの下面図である。最後に、図７Ｃは、上面図と下面図とを重ね合わせて、図中の力の加わる中心７２０を介して、力の加わり方を示す。（本実施形態は、例えば、周囲の機械的エネルギを変換する。単一のＰＶＤＦフィルムが、図に示すように、長さが順に長くなるように、５つのセグメントに切り込まれ得る。これらのセグメント（あるいは、素子）７１１、７１２、７１３、７１４および７１５（これらは、図１の圧電材料１３０の特定のセグメントに対応し得る）は、図示されたように、小さなものから大きなものへと並び得る。素子は、異なった寸法でも作成され得る。これは、ＰＶＤＦフィルムにわたって均一に加えられた力に対し、フィルム寸法が大きくなるにつれ、より高い電圧を特に提供するためである。こうして、スタックは上から下まで（例えば、図１の回路図で、センサ出力１７０からグラウンド１６０まで）、正の電荷を得ることができる。（図１に示されるような）コンデンサ１４０は、そのコンデンサと組み合わされているＰＶＤＦ素子の特定の容量値に対して、寸法的にマッチすることが好ましい。組み合わせにされるのは、回路図の１２０に示すように、整流ブリッジを介してであり得る。これら整流ブリッジ１２０（図１に示されるような）は、全波整流ブリッジであることが好ましいが、代替的に、半波整流ブリッジでもあり得る。全波整流ブリッジの一つの利点は、両極性のエネルギを捕らえる能力を有することである。このようなマッチした組み合わせによって、フィルムからの電荷移動を最大にできる。本質的に、電荷移動によって、ＰＶＤＦフィルムに生成される最大電圧（−（マイナス）ダイオードの順電圧降下の２倍）が、関連コンデンサ上に集められる。
【００３３】
本発明で使用するのに、好ましい整流ブロックは、全波整流器である。なぜなら、全波整流器は、スタック内の低い電圧が、スタック内で素子の両面に高く表れることを可能にするからである。この構成は、例えば、一方の側への印加電圧を加えられた力と反対方向にフィルム内で機械的動きに変換し得る個々の圧電材料セグメント１３０の影響を、排除または低減するのにも役立ち得る。
【００３４】
本発明の実施形態のフィルムに対し、力は、概ね、フィルム中央の上部表面に垂直に、図の力の線に沿って、押さえられた質量を介して、加えられ得る。加えられた任意の力に対し、圧電素子の寸法と反比例する電圧が、各圧電素子にわたって生成し得る。
【００３５】
図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃは、５つの素子が単一のフィルムからなる本発明の実施形態である。例えば、セグメント７１１、７１２、７１３、７１４および７１５のエリアのような長方形のエリアにおいて、素子は銀のインクのアプリケーションによって規定され得る。寄生容量の生成を避けるために、このアプリケーションを幾何学的に制御して、エリアの規定に注意を払うのがよい。
【００３６】
図８Ａおよび図８Ｂは、回転式の据え付けの圧電素子１５０を用いる本発明の実施形態の図である。このような実施形態が回転すると、３６０度回転によって、圧電素子１５０に掛かる重力が変化する。重力が１Ｇである状況において、回転の間に、素子に働く（重力による）力（縦方向への）は、１Ｇ（図８Ｂ参照）および−１Ｇ（図８Ａ参照）の間を変化する。
【００３７】
図９は、ＰＶＤＦフィルムとスタックコンデンサを含む本発明の実施形態からの電圧出力のグラフである。本例において、電圧は、ＰＶＤＦフィルムから生成し、全出力の比率によって、５つのスタックコンデンサに蓄積される。この比率は、例えば、図７Ａ〜図７Ｃで示した寸法の素子を用いて、素子容量全体に対するフィルム素子容量の比率に基づき得る。図１に示したような回路のような回路が用いられた場合、個々のコンデンサ１４０にわたる電圧は、波形として示された対応する比例電圧（９３１、９３２、９３３、９３４および９３５）のように、変化し得る。本例において、センサ出力１７０に接続されたコンデンサ１４０の比例電圧９３１は、出力電圧全体９３６（これも波形として図示されている）の２５．７％である。同様に、グラウンド１６０に接続されたコンデンサ１４０の比例電圧９３５は、出力電圧全体９３６の１４．３％である。
【００３８】
ここに開示された発明の明細書および実行を考慮すると、本発明には他の実施形態があることは、当業者には明らかである。明細書や実施例は、たんに例示的なものに過ぎず、以下の特許請求の範囲によって示される本発明の真の範囲と精神とともに考慮されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、本発明の実施形態における５つの素子からなるスタックの回路図である。
【図２】図２Ａおよび図２Ｂは、本発明のＦＥＴグラウンドスイッチングの実施形態の回路図である。
【図３】図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、本発明のＦＥＴパワースイッチングの実施形態の回路図である。
【図４】図４Ａおよび図４Ｂは、本発明のリレーパワースイッチングの実施形態の回路図である。
【図５】図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の動き／移動を感知する実施形態の例で、移動を感知する対象物に据え付けたセンサを含むものである。
【図６】図６は、本発明の実施形態によって、動き／移動を感知する例の図で、対象物の移動をセンサとの関係で感知するために、対象物の下に据え付けられたセンサを含むものである。
【図７】図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃは、５つの素子からなるスタックのメカニカルな図である。本発明の物理的なＰＶＤＦレイアウトの１つのタイプであり、本発明の実施形態である。
【図８】図８Ａおよび図８Ｂは、位置変化の感知を最適化した本発明の実施形態の荷電デバイスを、地球あるいは他の大きな質量体（惑星、月、小惑星など）の表面に対して９０°の角度で、車輪に据え付けたときのレイアウトである。
【図９】図９は、本発明の実施形態の正弦波型エネルギスタッキングの図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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