(57)【要約】  低周波振動エネルギー捕集（ＶＥＨ）において、少ない撓み力を必要とするアクチュエータと共に使用するための装置。この装置は圧電性撓み部を含み、この圧電性撓み部には圧縮性予荷重力により荷重が加えられて、圧電性撓み部は圧縮下に置かれる。圧電性撓み部は、中間地点または撓み部の一端にて支持することができる。圧電性撓み部は圧縮性予荷重力により２つの安定した位置のうちの一方または他方へと撓み、これらの位置は長手方向中心線の両側でオフセットになっている。この中心線は、そこに圧縮性予荷重力が加わらなければ現れるはずの圧電性撓み部の位置を表す。圧縮性予荷重は、圧電性撓み部を「軟化」する負のばね定数を効果的にもたらし、低周波振動エネルギーに対する圧電性撓み部の反応性を高める。また、この圧電性撓み部は、先端質量を組み入れている従来のシステムよりもはるかに広い周波数帯域幅にわたって動作する。
2007500998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電性ウェハと、
前記圧電性ウェハを支持し、前記圧電性ウェハの振動を許容する支持体と、
前記支持体および前記圧電性ウェハに作用を及ぼすことが可能となるように結合され、前記ウェハを線形配向から２つの安定した非線形配向のうちの１つへと撓ませるのに十分な圧縮性予荷重力を前記圧電性ウェハに加え、前記２つの安定した位置間で前記支持体が受ける振動エネルギーに応答して前記圧電性ウェハが振動運動を開始するのを補助するバイアス要素とを含む、振動エネルギー捕集装置。
【請求項２】
前記支持体が、
その上に前記圧電性ウェハが固定された可撓性基板と、
前記可撓性基板に固定された基部とを含む、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記支持体が、
その上に前記圧電性ウェハが固定された可撓性基板と、
前記基板を支持するための基部と、
前記可撓性基板の両端に固定された１対のリンクアームとを含み、
前記バイアス要素がその両端でリンクアームに連結され、圧電性ウェハが圧縮下に置かれて可撓性基板が２つの安定した撓み状態を有する、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記リンクアームのうちの少なくとも１つが、間隔をおいて設けられた第１の対の抜け止めピンと、
第１端部と第２端部とを有し、前記第１端部が前記第１の対の抜け止めピンにより保持され、前記第２端部が前記バイアス部材の一端に連結されている第１連結撓み部とを含む、請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記１対のリンクアームの他方が、間隔をおいて設けられた第２の対の抜け止めピンを含み、
前記装置が第１端部と第２端部とを有する第２連結撓み部をさらに含み、前記第２連結撓み部の前記第１端部が前記第２リンクアームに連結され、前記第２連結撓み部の前記第２端部が前記バイアス要素の前記一端とは反対の端部に連結されている、請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記支持体が前記圧電性ウェハを中間地点からその長さ部分に沿って支持する、請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記支持体が前記圧電性ウェハをそのほぼ中間点で支持する、請求項１記載の装置。
【請求項８】
１対の前記バイアス要素が、前記支持体と前記圧電性ウェハとに作用を及ぼすことが可能となるように結合され、前記圧電性ウェハに対して平行に、前記圧電性ウェハの属する共通の長手方向平面内で延びる、請求項１記載の装置。
【請求項９】
旋回運動のためにその一端で前記支持体によって支持される片持ち梁をさらに含み、
前記片持ち梁が前記バイアス要素の一端に連結された自由端を有する、請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記片持ち梁の前記自由端と前記圧電性ウェハとの間に配置された撓み要素をさらに含む、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記支持体が、その上に前記圧電性ウェハが固定された可撓性基板と、
その一端で前記可撓性基板を支持する基部とを含み、前記基部に対する前記圧電性ウェハの振動旋回運動を可能にする、請求項１記載の装置。
【請求項１２】
前記支持体の両面に装着された１対の前記圧電性ウェハをさらに含む、請求項１記載の装置。
【請求項１３】
前記支持体が、その上に前記圧電性ウェハが固定された可撓性基板と、前記可撓性基板の第１端部を支持するための基部とを含んで、前記第１端部についての前記圧電性ウェハの振動旋回運動を可能にするとともに、
前記バイアス要素が、前記可撓性基板の第２端部と前記基部との間で動作可能に連結されている、請求項１記載の装置。
【請求項１４】
前記基部とバイアス部材との間に配置された片持ち梁をさらに含み、前記片持ち梁が第１端部で前記基部に枢結されている、請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記片持ち梁の第２端部と前記バイアス要素との間に配置された撓み部材をさらに含む、請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
前記バイアス要素がコイルばねを含む、請求項１４記載の装置。
【請求項１７】
支持基板と、
前記支持基板の表面に固定された圧電性ウェハと、
前記支持基板および前記圧電性ウェハの振動を可能にするように前記支持基板を支持するための基部と、
前記支持基板の長手方向両端に作用を及ぼすことが可能となるように結合され、振動エネルギーが存在しないとき前記ウェハを２つの曲げ配向のうちの一方へ撓ませるのに十分な機械的圧縮性予荷重力を前記圧電性ウェハに供給し、前記圧電性ウェハを軟化して、前記基部が受ける振動に応答して前記ウェハの振動を容易にするバイアス要素とを含む、エネルギー捕集装置。
【請求項１８】
前記基部がボス部を有し、前記支持基板をそのほぼ中央で支持する架枠を含む、請求項１７記載の装置。
【請求項１９】
前記支持基板の長手方向両端に連結された１対のリンクアームをさらに含み、
前記バイアス要素が前記リンクアーム間で連結されている、請求項１７記載の装置。
【請求項２０】
前記支持基板の両面に固定された１対の前記圧電性ウェハをさらに含む、請求項１７記載の装置。
【請求項２１】
１対の前記バイアス要素が前記支持基板に対して平行に配置され、各々がその両端で前記リンクアームの部分に連結されている、請求項１９記載の装置。
【請求項２２】
前記バイアス要素がコイルばねを含む、請求項１７記載の装置。
【請求項２３】
前記圧電性ウェハが圧電セラミックウェハを含む、請求項１７記載の装置。
【請求項２４】
前記支持基板の第１端部と前記基部との間に配置された片持ち梁をさらに含む、請求項１７記載の装置。
【請求項２５】
前記支持基板が、前記基部に対する振動のために前記基部により第１長手方向端部で支持される、請求項１７記載の装置。
【請求項２６】
前記バイアス要素が前記基部と前記支持基板の第２長手方向端部とに動作可能に連結され、したがって、前記圧電性ウェハの停止中、前記バイアス要素が概ね長手方向に前記支持基板と一直線に置かれる、請求項２５記載の装置。
【請求項２７】
前記バイアス要素と前記支持基板との間に配置された撓み要素をさらに含む、請求項１７記載の装置。
【請求項２８】
支持基板上に圧電性ウェハを配置するステップと、
前記支持基板の振動が可能となるように前記支持基板を支持するステップと、
前記圧電性ウェハを中央の非撓み位置から２つの撓み位置のうちの１つへと撓ませるのに十分な圧縮応力を前記支持基板に加え、前記圧縮応力が、前記圧電性ウェハを軟化して振動エネルギーに対する前記ウェハの応答性を高めるように作用するステップとを含む、振動エネルギー捕集方法。
【請求項２９】
前記圧電性ウェハの長手方向両端の振動を可能にするように前記支持面を固定するステップをさらに含む、請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記圧電性ウェハの長手方向一端の振動を可能にするように前記支持面を支持するステップをさらに含む、請求項２８記載の方法。
【請求項３１】
圧縮応力を加えるステップが、前記圧電性ウェハに動作可能に連結されたバイアス要素を使用して前記圧縮応力を加えるステップを含む、請求項２８記載の方法。
【請求項３２】
圧電性ウェハを用いてアクチュエータを形成する方法であって、
前記圧電性ウェハが動作可能となるように支持基板上で圧電性ウェハを支持するステップと、
前記圧電性ウェハを撓んだ非線形形状に保持するのに十分な圧縮性予荷重応力下に前記支持基板および前記圧電性ウェハを置き、前記圧縮性予荷重が前記ウェハを軟化してウェハの感度を高めるように作用するステップとを含む方法。
【請求項３３】
前記圧電性ウェハを圧縮性予荷重応力下に置くステップが、バイアス要素を使用して前記圧縮性予荷重応力を発生させるステップを含む、請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
前記支持基板を支持して前記圧電性ウェハの長手方向両端の動きを可能にするステップをさらに含む、請求項３２記載の方法。
【請求項３５】
前記支持基板を支持して前記圧電性ウェハの長手方向一端の動きを可能にするステップをさらに含む、請求項３２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の引用
本願は、２００３年７月３０日付け出願の米国特許出願第６０／４９１，１２２号からの優先権を主張する。これを参照により本明細書に組み込む。
【０００２】
発明の分野
本発明は振動エネルギー捕集（harvesting）デバイスに関し、より詳細には、振動構造からの低周波振動エネルギーの捕集に理想的に適合されている装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
多くの環境に、振動エネルギーを捕集するのに理想的な、振動の豊富な環境がみられる。このような環境はしばしば航空機や自動車用の用途において存在するが、その場合、航空機または自動車が受ける振動とは、センサあるいは遠隔設置されたその他のデバイスに動力を供給するのに使用可能なエネルギーのことである。ただし、このようなエネルギーが好適なデバイスにより捕集可能であるものとする。
【０００４】
振動構造とこの構造に連結された反応質量との間で、相対運動を、したがってエネルギーを発生させることにより、振動エネルギー捕集（ＶＥＨ）を実現することができる。圧電構造内に繰り返し応力を発生させることにより、この機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換することができる。このデバイスの単純な形態には、表面に圧電材料が取り付けられた片持ち梁がある。これを図１に示す。梁の先端に反応質量が取り付けられて、性能が強化される。振動を受けると、梁の先端は動きに抵抗しやすくなり、こうして圧電材料が応力下に置かれる。この応力により圧電材料内に電荷が蓄積される結果となり、このことにより、この材料の２点間の電位差が増加する結果となる。一方で、この位相が効率的に働くためには、振動エネルギーが梁の共振周波数にて、またはそれを上回って生じる必要がある。振動エネルギーの周波数成分が共振周波数を下回ると、先端質量と基部との間で生じる動きは非常に小さいものになる。
【０００５】
図１に示す片持ち梁が使用される場合、圧電材料、梁長さ（Ｌ）、および先端質量を含む梁の剛性によって、ＶＥＨデバイスが作動する最低周波数が決定される。さらに、圧電材料はふつうセラミックであり、引っ張り荷重を受けると脆弱になり、このことがＶＥＨデバイスの堅牢さおよびその寿命を制限することになる。図２は、このデバイスの周波数の関数としての先端の相対変位を示す。低周波では先端のある梁は振動構造に対して非常に小さく運動する。したがって、図１に示すＶＥＨデバイスは、低周波では、低周波振動により生じる動力が非常に小さい。共振周波数での振動エネルギーは最大ＶＥＨをもたらすことになるが、非常に狭い帯域幅により、実用性は制限される。
【０００６】
図１に示すシステムの効率的動作に関して、システムを片持ち梁の共振周波数付近に「合わせる」べき制限は重大な制約を課す。この理由は、しばしばシステムをそれに合わせることができるよりもはるかに広い周波数帯域幅にわたって、様々な構造が振動エネルギーを生成するからである。先端質量を選択して梁の共振周波数にて効率的に動作するようにシステムを本質的に合わせるということは、片持ち梁の共振周波数を上回ったり下回る他の周波数ではエネルギーを捕集するのにシステムが効率的にならないということを意味する。したがって、梁の共振周波数のみでの振動エネルギーの効率的な捕集に制限されず、相対的に広い周波数範囲にわたりエネルギーを捕集できるシステムのほうが、振動構造
から電力を発生するのにはるかに効果的となるであろう。
【０００７】
したがって、圧電材料と共に使用して、低周波での、また、そこから振動エネルギーが捕集されている構造の共振周波数を上回ったり下回る周波数での振動エネルギーの捕集を改良できる装置の必要性がやはり存在する。このような装置は、遠隔設置されたセンサおよびその他の多様な構成要素に、梁状の圧電構造が受ける低周波振動エネルギーによって動力を供給するのに極めて有益となろう。このような装置により、かつてはこのようなエネルギー捕集が実行不可能であった低周波振動を受ける多種多様な構造からエネルギーを捕集することが実際に可能となるであろう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明の概要
本発明は、ひずみエネルギーのシャトル装置および方法に関するものである。本発明の装置は、低周波振動エネルギーを受ける梁状の圧電構造からの低周波振動エネルギー捕集（ＶＥＨ）を提供するのに有益である。１つの好ましい形態において、この装置は、負のばね力を機械的に発生させるためのバイアス要素を含み、このばね力は圧電性撓み部（すなわち、梁状の圧電部品）と平行に付加される。バイアス要素がもたらす負のばね力は、圧電性撓み部を効果的に「軟化」し、ゼロ周波数で実質的にゼロ剛性の圧電性撓み部を実現する。この装置は、圧電構造を軟化するのが望ましい適用例、例えば、圧電構造が使用されて、低周波振動エネルギーを捕集する適用例、あるいはアクチュエータとして個別の構成部品を運動させる適用例にとって、重要な利益を提供する。いずれの適用例においても、本発明の装置は、圧電性撓み部の構造上の固有の剛性に打ち勝って、その曲げがはるかに容易に可能となるように動作する。
【０００９】
好ましい１実施形態において、バイアス要素は、支持構造に枢結された片持ち梁に連結されている。圧電性撓み部も、この圧電性撓み部がバイアス要素と概ね共通の平面に置かれるように、この構造に連結されている。圧電性撓み部の自由端は撓み部によりバイアス要素の自由端に連結される。このことにより２つの安定した位置が現れ、それぞれは、圧電性撓み部の取り付け地点からこの関連の構造まで延びる線から、また、片持ち梁の取り付け地点からこの構造まで延びる線から横方向にオフセットになっている。バイアス要素がもたらす力を正確に調整することによって、低周波振動エネルギーにより、圧電性撓み部を２つの安定した位置のうちの一方から他方へ、また元の所へ非常に容易に移動させることが可能となる。いったん一方の安定した位置から他方へ移動すると、圧電性撓み部は新たな安定した位置の周りで振動することになり、それにより、さらなる動力が発生する。
【００１０】
別の好ましい実施形態では、支持基板を有する圧電性撓み部を使用した装置が開示されており、この支持基板は、その上に、少なくとも１つの圧電セラミックウェハが固定されている。支持基板はその長さ部分の中間地点で支持されている。バイアス要素がこの支持基板と連動し、圧縮プレストレスを受けていないとき基板を貫通する中心線の両側の２つの安定した位置のうちの１つへと基板およびその上に装着された圧電セラミックウェハを撓ませるのに十分な圧縮力を、この基板に加える。バイアス要素がもたらす圧縮力は、圧電セラミックウェハの構造上の固有の剛性を「軟化」するのに役立ち、振動エネルギー、特に低周波振動エネルギーに対するその反応性を増大させる。
【００１１】
好ましい１形態において、複数のバイアス要素が、圧電セラミックウェハの両面で支持基板の縦軸に対して平行に、これに沿って長手方向に配置される。支持基板も、振動エネルギーを受ける基部組立体上においてほぼその中間点で支持される。支持基板の両端はリンクアームに固定されており、バイアス要素の各々は、支持基板の長手方向両側でリンク
アーム間に取り付けられている。この配置は、ウェハを軟化してウェハの両端を２つの安定した位置の１つへと撓ませる圧電セラミックウェハに圧縮応力を与える。最も重要なことは、この圧縮力が、低周波振動エネルギーに対する圧電材料の応答性を著しく増大させることである。
【００１２】
したがって、本発明は、圧電性撓み部が構造上の固有の剛性に打ち勝つのを著しく促進する。装置は、低周波振動エネルギー捕集の適用に関し、そうでなければ圧電性撓み部の十分な撓み、または曲げを引き起こすのに十分ではないはずの非常に低い周波振動エネルギーに対して、圧電性撓み部を極めて多感にする。本発明の重要な利点とは、先端質量を用いた従来の片持ち梁ＶＥＨデバイスで可能であるよりも著しく広い周波数帯域幅にわたって、振動エネルギー捕集を達成できるということである。
【００１３】
本発明を適用できるさらなる範囲が、以下に提供される詳細な説明から明らかとなろう。詳細な説明および具体的な実施例は例示のみを目的としており、本発明の範囲を限定することを意図したものではないということが理解されるべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、詳細な説明および添付の図面からより完全に理解されよう。
好ましい実施形態（単数・複数）の以下の説明は、実際、単に例示的なものであり、本発明、その適用例、あるいは使用法を限定することを意図するものでは決してない。
【００１５】
図３を参照すると、本発明の好ましい実施形態による装置１０が示されている。振動構造１４から固定支持される圧電性撓み部１２を使用することによって低周波振動エネルギー捕集（ＶＥＨ）を可能にするために、この装置が使用される。圧電性撓み部は基本的に梁状の構造を形成し、好ましい１形態では圧電性バイモルフ撓み部を含む。圧電性撓み部１２は、可撓性支持基板２０の両面に形成された圧電層１６、１８を含む。基板２０は、構造１４に固定的に連結された端部２２を含む。基板２０は、プラスチック製材料、金属製材料、またはその他の任意の可撓性材料とすることができ、圧電層１６、１８をこれに結合させることができる。
【００１６】
装置１０はリンクまたは片持ち梁２４をさらに含み、この片持ち梁は、枢軸ピン２８またはその他の好適な連結要素を介して第１端部２６で枢結され、梁２４は構造１４が受ける振動に応答してピン２８の周りを回動することができる。バイアス要素３０は、一端３２で梁２４の自由端３４に、また反対端３６で撓み部３８に固定的に連結されており、撓み部３８は圧電性撓み部１２の自由端４０に連結されている。撓み部３８は任意の好適な連結要素または材料を含むことができ、この連結要素は、バイアス要素３０の端部３６と圧電性撓み部１２の自由端４０との間の相対運動を可能にする。好ましい１形態において、バイアス要素３０は圧縮コイルばねを含むが、圧電性撓み部１２に対し作用する力を提供できる任意のバイアス要素が組み入れ可能であるということが理解されよう。
【００１７】
片持ち梁２４を（バイアス要素３０を介して）圧電性撓み部１２の自由端４０に連結することにより、圧電性撓み部１２が２つの安定した位置を有する配置が生成される（図３において一方を実線で示し、他方を仮想線で示す）。圧電性撓み部１２の安定した位置の各々は、圧電性撓み部１２の固定端部２２の取り付け地点と片持ち梁２４を支持する枢軸ピン２８との間を延びる長手方向中線４２から横方向にオフセットになっている。中線４２は不安定位置ではあるが、均衡位置と見なすことができる。この幾何学形状は、基本的に圧電性撓み部１２とバイアス要素３０との間で幾何学的余接関数を成す。実際に、圧電性撓み部１２はばね定数を受けるが、これはバイアス要素３０がもたらす負のばね定数である。
【００１８】
装置１０は、図３に示す２つの安定した位置間で圧電性撓み部１２を運動させるのに必要な力を著しく低減する。別の表現をすれば、バイアス要素３０および片持ち梁２４は、圧電層１６、１８を著しく「軟化」して各々の構造上の固有の剛性に打ち勝つように動作する。バイアス要素３０および圧電性撓み部１２のばね定数を調整することにより、状態を切り換えて、一方の安定した位置から生じて他方の安定した位置になる圧電性撓み部１２の運動を引き起こすのに必要なエネルギーを、圧電性撓み部１２が電気結合されている電気負荷に適合させることができる。適切に適合されると、装置１０は極めて効率的である。このような状態下で、電気負荷に送られるエネルギーは、圧電性撓み部１２において観察される応力‐ひずみヒステリシスに等しい。
【００１９】
装置１０は、従来のエネルギー捕集デバイス、例えば図１に示すものよりも、著しく低い動作周波数を有する。装置１０の動作周波数は、圧電性撓み部１２の剛性、および圧電性撓み部の質量により、ある程度決定する。圧電性撓み部１２の先端の角度撓み（すなわち先端３８の角度撓み）と加えられたトルクとの間の関係は、以下の方程式１で与えられる。
【００２０】
【数１】
2007500998.tif 000003
【００２１】
バイアス要素３０（すなわち圧縮ばね）は圧電性撓み部１２に非線形トルクを加える。この非線形トルクを以下の方程式２で表す。
【００２２】
【数２】
2007500998.tif 000004
【００２３】
圧電性撓み部１２に加えられたトルクにより、圧電性撓み部１２は、図３に示すような２つの位置で圧電性撓み部１２が安定する角度に変形する。圧電性撓み部１２の状態を＋θから−θへと変化させるのに必要なトルクは、方程式１においてバイアス要素により発生するトルクと方程式２において与えられるトルクとの間の差であり、以下の方程式３で表される。
【００２４】
【数３】
2007500998.tif 000005
【００２５】
トルクの差が圧電性撓み部１２の効果的な「軟化」である。方程式４は、バイアス要素３０（すなわちばね）の撓みを圧電性撓み部の角度θの関数として表す。
【００２６】
【数４】
2007500998.tif 000006
【００２７】
方程式５は最大ばね力Ｆｍａｘを定義する。
【００２８】
【数５】
2007500998.tif 000007
【００２９】
また、圧縮ばねが力‐距離の関係を示し、これは次の方程式６で表される。
【００３０】
【数６】
2007500998.tif 000008
【００３１】
この関係を装置１０に適用すると、２つの安定した角度が定まることになる。これらの位置を変化させるのに必要なトルクはばね定数の強関数であり、ここで、ばねが柔らかいほど、生成されるリセット力（すなわち圧電性撓み部１２を一方の安定した位置から他方へ移動させるのに必要な力）は少ない。方程式３は上記で、トルクとθとの関係が非線形特性であることを明確に示している。
【００３２】
装置１０のさらなる利点は、２つの安定した位置により、低周波振動と安定した角度位置の高周波数特性との間で周波数変換が生じるということである。別の表現をすれば、いったん外部の振動エネルギーにより圧電性撓み部１２が一方の安定した位置から他方へ移動すると、圧電性撓み部１２は移動してきたばかりの安定した位置の周りで振動することになり、圧電性撓み部１２の圧電材料１６、１８は多くのサイクルにわたってひずみエネルギーを捕集することができる。
【００３３】
振動エネルギー捕集の適用のために圧電性撓み部を「軟化する」ことに関連して装置１０を記載したが、装置１０をアクチュエータに容易に組み入れることができるということも理解されよう。例えば、装置１０は、例えば空気力学的流れ制御シンセティック・ジェット・アクチュエータ、または低周波のオーディオスピーカで圧電性撓み部の大きな撓みと少ない力とが必要とされる適用例に極めて良好に適合されている。この実施形態において、装置１０の状態を変化させるのに必要なトルクは、圧電材料のトルク提供能力の範囲内になるように装置１０が設計されている。圧電性撓み部１２上の圧電材料１６、１８に電圧を加えることにより、装置１０は状態を変化させて、圧電性撓み部がバイアス要素３０なしで励起された場合に生じるであろうよりも極めて大きく変位する。本発明に関する圧電性撓み部１２の動きの代表的な増加分は、いかなるばね力によっても促進されない単純な従来の圧電性撓み部で得られるものの１０〜２０倍とすることができる。
【００３４】
エネルギー捕集および作動のいずれの適用例についても、圧電材料以外のその他の材料が使用可能であるということも理解されよう。例えば、電磁、静電、および磁歪変換技術を使用することができる。
【００３５】
図４、図５を参照すると、本発明の他の好ましい実施形態によりＶＥＨ装置１００が図示されている。ＶＥＨ装置１００は、全体として基部１０３上に支持される圧電性撓み部
組立体１０２を含む。撓み組立体１０２は、支持基板１０８の両面に配置された１対の圧電性ウェハ１０４、１０６を含む。好ましい１形態において、圧電性ウェハ１０４、１０６はそれぞれ、圧電セラミックウェハを含む。撓み組立体１０２は、１対のリンクアーム１１０、１１２と、リンクアーム１１０、１１２の間で連結されている１対のバイアス要素１１４、１１６とをさらに含む。
【００３６】
撓み組立体１０２全体は、１対の直立したボス部１１５、１１７によって基部１０３上で支持されている。従来のねじ部品１１８、１２０が、支持基板１０８の支持アーム１２６、１２８において穴１２２、１２４を貫通し、したがって基部１０３の上方で撓み組立体１０２全体を懸架する。支持アーム１２６、１２８が支持基板１０８のほぼ中間点に設置されるが、リンクアーム１１０、１１２のうちの一方または他方に接近するように、したがって長手方向のほぼ中間点に配置されないように、支持アームをオフセットにすることもできる。基板１０８は、ばね鋼、ベリリウム銅、真鍮、ガラスエポキシ複合材料、または黒鉛エポキシ複合材料、あるいはその他任意の好適な材料から製造することができる。
【００３７】
特に図５を参照すると、各リンクアーム１１０、１１２へのバイアス要素１１４の取り付けをさらに詳しく見ることができる。同一の配置が用いられて、バイアス要素１１６の両端がリンクアーム１１０、１１２に連結される。各リンクアーム１１０、１１２は、その長さ部分に沿って形成された溝穴１３０、１３１を含む。各溝穴１３０、１３１はさらに、そのそれぞれのリンクアーム１１０または１１２の厚さ全体の中間点に沿って配置されている。溝穴１３０は、支持基板１０８の端部１３２を中で受け入れるのに十分な高さを有する。同様に、溝穴１３１は、支持基板１０８の端部１３３を受け入れるように寸法決めされている。端部１３２、１３３は、そのそれぞれの溝穴１３０または１３１内でそれぞれ接着され、さもなくば固定されて、リンクアーム１１０または１１２のいずれからも取り外し不能である。
【００３８】
リンクアーム１１０はさらに、リンクアーム１１０内で間隔をおいて設けられた穴１３６を貫通する１対のピン１３４を含む。同様に、リンクアーム１１２は、リンクアーム１１２内で穴１３７を貫通する１対のピン１３５を含む。これらのピン１３４は基本的に１つの溝を形成し、この溝を介して撓み部品１３８の一端１３８Ａを固定することができる。同様に、ピン１３５は溝を形成して、第２撓み部品１３９の端部１３９Ａを固定する。撓み部品の端部１３８Ａは断面厚さを有し、この断面厚さは端部１３８Ｂよりも大きいので、端部１３８Ａをピン１３４間から簡単に引き抜くことはできない。撓み部品１３９の端部１３９Ａは全く同じ方法により端部１３９Ｂよりも大きい厚さで構成されているので、これをピン１３５間から除去することはできない。しかし、この連結配置により、端部１３８Ａ、１３９Ａは、最小程度の摩擦で、そのそれぞれのピン１３４、１３５の周りで自由旋回運動することが可能となる一方、これに関連する撓み部品１３８または１３９がこの範囲で応力を制限する。
【００３９】
さらに図４、図５を参照すると、撓み部品１３８、１３９の各端部１３８Ｂ、１３９Ｂは、バイアス要素１１４の端部１４２、１４３を受ける穴１４０Ａ、１４０Ｂを含む。実際に、バイアス要素１１４の端部１４２、１４３を取り付けるための任意の好適な手段を使用することができる。同じ方法でバイアス要素１１６が連結されている。リンクアーム１１０、１１２は多様な材料から製造することができるが、好ましくは、アルミニウム、鋼、ガラス、あるいは黒鉛エポキシからなる。バイアス要素１１４をコイルばねとして図示するが、実際には、圧電性ウェハ１０４、１０６を圧縮状態に置くのに役立つリンクアーム１１０、１１２間で連結される、任意の形態のばねを使用することができる。
【００４０】
特に図４をさらに参照すると、リンクアーム１１０が耳片１１０Ａを形成する切欠を含
む一方、同様に、リンクアーム１１２が耳片１１２Ａを形成する切欠を含む。耳片１１０Ａ、１１２Ａは応力遷移領域をもたらし、この応力転移領域は、支持基板１０８の両端がそのそれぞれのリンクアーム１１０、１１２に連結されている範囲にわたって剛性を維持する。各リンクアーム１１０、１１２間に形成された間隙と圧電セラミックウェハ１０４、１０６の隣接する端部とが撓み部１０２に沿って曲げ剛性の低い領域を生成するが、これは、そうでなければ装置１００の性能を低下させるはずである。このように、各リンクアーム１１０、１１２の耳片１１０Ａ、１１２Ａはそれぞれ大きな曲げ剛性をもたらし、これらをオフセットにする。
【００４１】
さらに図５を参照すると、圧電性ウェハ１０４、１０６の各々は、厚さ、長さ、および幅を著しく変化させて特定の適用例の必要性に適合させることができる。一方で、好ましい１形態において、各圧電性ウェハ１０４、１０６は、厚さが約０．００５”〜０．０２”（０．１２７ｍｍ〜０．５０８ｍｍ）である。好ましい１形態において、圧電性ウェハ１０４、１０６の長さおよび幅はそれぞれ、約１．８”（４５．７２ｍｍ）、および約０．６”（１５．２４ｍｍ）である。装置１００により発生する曲げサイクル当たりの実際のエネルギーは、応力下にある圧電セラミック容量の関数である。圧電セラミックウェハは厚くなるほど高いエネルギー含量をもたらすが、そのエネルギーはより薄い材料と比較して高電圧および低電荷の形態となる。より厚い圧電セラミック材料からより多くのエネルギーを利用可能であるが、このエネルギーを捕らえるのに必要となる変換電子技術は、より薄い圧電セラミックウェハでの使用に必要とされるよりも著しく複雑で効率が悪い。圧電セラミック材料が薄いほど電圧は低くなるが、電荷ははるかに高くなる。単なる実施例として、圧電セラミックウェハにより生成される一般的な静電容量および電圧は、振動サイクル当たり、以下の通りである。
【００４２】
０．０２”厚、ＰＺＴ５Ａ−２００ボルトで１０ｎＦ（変換が困難）；
０．００５”厚、ＰＺＴ５Ａ−３０ボルトで１００ｎＦ（変換が容易）；
総エネルギーは、曲げサイクル当たりＣＶ＾２／２。
【００４３】
図６を参照すると、振動力に応答する撓み組立体１０２の振動がわかる。バイアス要素１１４、１１６により発生する圧縮力は、２つの安定した位置１４４または１４６のうちの一方での撓んだ（すなわち曲がった）配向で撓み組立体１０２を十分に維持する。長手方向直線１４８は、バイアス要素１１４、１１６からの圧縮力がなければ撓み組立体１０２が属するはずの平面を表す。位置１４４または１４６のいずれかのとき、撓み組立体１０２は低周波振動エネルギーに極めて反応しやすく、このようなエネルギーにより、他方の安定した位置へ容易に撓む。バイアス要素がもたらすばね力を調整して、特定のＶＥＨの用途に必要な感度を提供することができる。
【００４４】
したがって、本発明は圧電性撓み部を著しく「軟化する」手段を形成し、この手段は、そうでなければこのような撓み部が構造的に硬すぎて振動エネルギーを捕集できない低周波振動エネルギー捕集の適用例に、圧電性撓み部が使用されるのを可能にする。本発明の重要な利益とは、この圧電性撓み部を、圧電性撓み部の自由端に先端質量を組み入れている、既に開発されているＶＥＨデバイスよりも広い周波数帯域幅にわたって使用できることである。より広い帯域幅にわたり動作する能力により、本発明１０は、この構造から従来の圧電性撓み部で可能であるよりも効率的に振動エネルギーを捕集して、この振動エネルギーからより大きい電圧出力を発生させることが可能となる。
【００４５】
多様な好ましい実施形態を記載したが、発明の概念から逸脱することなく実行可能な変更態様あるいは変容を、当業者ならば理解するであろう。これらの実施例は本発明を説明するものであり、これを限定することを意図するものではない。したがって、説明および請求項は、適切な先行技術を考慮した必要な制限のみによって自由に解釈されるべきであ
る。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】梁状の圧電構造の自由端に配置された従来の先端質量を組み入れている先行技術のエネルギー捕集デバイスの図である。
【図２】図１に示す梁の、周波数に関する先端の変位のグラフである。
【図３】圧電性撓み部と共に使用するために組み入れられた、本発明の好ましい実施形態の図である。
【図４】視認可能な１対のバイアス要素を使用して組立体の圧電性撓み部を軟化する、本発明の代替の好ましい実施形態の斜視図である。
【図５】図４の組立体の側面図である。
【図６】図４の組立体の側面図であり、２つの安定した位置を表す。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成18年4月27日(2006.4.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
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【国際調査報告】
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