(57)【要約】  本発明は圧電曲がり素子（２）を変形させる曲げ装置（１）であって、少なくとも１つの凸湾曲部（１１１１）を有する支持面（１１１）を備えた作動部材（１１）と、支持面の凸湾曲部とは実質的に逆の凹湾曲部（１２１１）を有する対向支持面（１２１）を備えた対向作動部材（１２）と、支持面の凸湾曲部を対向支持面の凹湾曲部の中へと案内することができるように作動部材と対向作動部材を互いに対して相対的に動かす装置とを有している。エネルギー変換のために曲がり素子は有利には支持面と対向支持面との間の間隙（１３）に配置され、前記相対運動により曲がり素子の変形が生じる。機械的エネルギーは円板曲がり素子を使用することにより高い効率で電気エネルギーに変換される。作動部材とその支持面は過負荷から保護を実現するように構成されている。本発明は機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー自給システムで使用される。
2013500695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電曲がり素子（２）を変形させる曲げ装置（１）であって、
少なくとも１つの凸湾曲部（１１１１）を有する支持面（１１１）を備えた作動部材（１１）と、
前記支持面の凸湾曲部とは実質的に逆の凹湾曲部（１２１１）を有する対向支持面（１２１）を備えた対向作動部材（１２）と、
前記支持面の凸湾曲部を前記対向支持面の凹湾曲部の中へと案内することができるように、前記作動部材と前記対向作動部材を互いに対して相対的に動かす装置（４、１２４）とを有しており、
前記曲がり素子は前記支持面と前記対向支持面との間の間隙（１３）に配置することができ、前記相対運動により前記曲がり素子の変形が生じる
ことを特徴とする曲げ装置。
【請求項２】
前記支持面及び／又は前記対向支持面は実質的に同じ大きさである、請求項１に記載の曲げ装置。
【請求項３】
前記湾曲部と前記対向湾曲部は実質的に同じ絶対値の曲率を有する、請求項１又は２に記載の曲げ装置。
【請求項４】
前記凸湾曲部及び／又は前記凹湾曲部は底部において円形の周を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の曲げ装置。
【請求項５】
前記曲がり素子は、前記作動部材の支持面と前記作動部材との接合箇所（１２２）及び／又は前記対向作動部材の対向支持面と前記対向作動部材との接合箇所に、接着接合（１４）により接合されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の曲げ装置。
【請求項６】
前記接着接合は接着剤を有する、請求項５に記載の曲げ装置。
【請求項７】
前記作動部材は前記対向作動部材を受け入れるための収容スペース（１２３）を有しており、前記作動部材と前記対向作動部材は、前記作動部材と前記対向作動部材の互いに対する相対運動を行うことができるようにベアリング（１２４）を介して互いに結合されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の曲げ装置。
【請求項８】
機械的エネルギーにより生じた機械的な力を少なくとも１つの圧電曲がり素子に入力することにより、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電エネルギー変換器であって、
請求項１から７のいずれか１項に記載の曲げ装置と、
圧電曲がり素子と
を有しており、
前記圧電曲がり素子は、作動部材と対向作動部材の互いに対する相対運動により前記圧電曲がり素子が変形し、当該変形により前記圧電曲がり素子に機械的な力が入力されるように、支持面と対向支持面との間の間隙に配置されている
ことを特徴とする圧電エネルギー変換器。
【請求項９】
前記圧電曲がり素子は円形の底面を有する圧電曲げ変換器である、請求項８に記載の圧電エネルギー変換器。
【請求項１０】
前記曲がり素子は前記作動部材の支持面と前記作動部材との接合箇所（１２２）に接着接合（１４）により接合されている、請求項８又は９に記載の圧電エネルギー変換器。
【請求項１１】
前記接着接合は接着剤を有する、請求項１０に記載の圧電エネルギー変換器。
【請求項１２】
請求項８から１１のいずれか１項に記載の圧電エネルギー変換器を使用して、前記作動部材と前記対向作動部材を互いに対して動かすことにより機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電曲がり素子を変形させる曲げ装置に関する。さらに、前記曲げ装置を用いて機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電エネルギー変換器と、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する方法も示される。
【０００２】
センサ系と周辺回路（信号処理、ＨＦ無線）が動作するにはエネルギーを供給しなければならない。通常、このエネルギーはバッテリから供給される。今日では、バッテリを自給的なエネルギー供給で置き換えるための多様な研究及び開発のアプローチが存在している。このためには、存在している周囲エネルギーを利用し、電気的に利用可能な形態に変換する必要がある。
【０００３】
このようなエネルギー自給システムに関しては様々な技術が研究されている。その中でも、圧電エネルギー変換器の形態のエネルギー変換器が特に有利であることが分かっている。圧電エネルギー変換器では、機械的な力が圧電素子に、例えば圧電曲げ変換器に入力される。曲がり素子は入力された機械的な力によって変形する。その結果、電荷分離が生じ、この電荷分離が電気エネルギーを得るのに利用される。
【０００４】
本発明の課題は、圧電効果を利用して機械的エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換する方法を示すことである。
【０００５】
上記課題を解決するために、圧電曲がり素子を変形させる曲げ装置は、少なくとも１つの凸湾曲部を有する支持面を備えた作動部材と、前記支持面の凸湾曲部とは実質的に逆の凹湾曲部を有する対向支持面を備えた対向作動部材と、前記支持面の凸湾曲部を前記対向支持面の凹湾曲部内へ案内することができるように前記作動部材と前記対向作動部材を互いに対して相対的に動かす装置とを有する。曲がり素子は、作動部材と対向作動部材の互いに対する相対運動によって曲がり素子が変形するように、支持面と対向支持面との間の間隙に配置することができる。
【０００６】
上記課題を解決するために、曲げ装置と圧電曲がり素子とを有する圧電曲げ変換器であって、機械的エネルギーによって生じた機械的な力を少なくとも１つの圧電曲がり素子に入力することにより機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電曲げ変換器も提供される。ここで、圧電曲がり素子は、作動部材と対向作動部材の互いに対する相対運動によって圧電曲がり素子が変形し、この変形によって圧電曲がり素子に機械的な力が入力されるように、支持面と対向支持面との間の間隙に配置されている。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、上記エネルギー変換器を使用して、作動部材と対向作動部材の互いに対して動かすことにより機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する方法が示される。
【０００８】
圧電曲がり素子は電極層と圧電層とさらに別の電極層とから成る積層体を有している。また、このような積層体を上下に複数積層して、電極層と圧電層とが交互に上下に積層された複層構造を形成してもよい。
【０００９】
電極層の電極材料は様々な金属又は金属合金から成っていてよい。白金、チタン及び白金／チタン合金が電極材料の例である。また、非金属性の導電材料も考えられる。
【００１０】
圧電層も同様に様々な材料から成っていてよい。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような圧電セラミック材料がその例である。また、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）又はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のような圧電有機材料も考えられる。
【００１１】
電極層の層厚は低μｍである。圧電層の層厚は数μｍから数ｍｍまでである。
【００１２】
エネルギー変換器は低ｍｍから数ｃｍまでの横寸法を有していてよい。薄膜の横寸法についても同様である。薄膜の層の層厚は低μｍから数ｍｍまで達する。
【００１３】
支持面と対向支持面の寸法もこの範囲内である。有利には、支持面と対向支持面は実質的に同じ大きさである。これは、支持面の大きさに関して１０％までの偏差が存在していてもよいということを意味する。しかしまた、一方の支持面を他方の支持面よりも遥かに大きくすることも考えられる。
【００１４】
湾曲部と対向湾曲部とが実質的に同じ絶対値大の曲率を有していると有利である。これらの曲率は絶対値で見てほぼ同じ曲率半径を有する。なお、１０％までの偏差は考えられる。曲率半径が絶対値的に同じであることによって、凸湾曲部は対向の凹湾曲部内にぴったり合うように配置することができる。作動部材と対向作動部材の互いに対する相対運動によって、凸湾曲部は凹湾曲部の凹部に挿入される。
【００１５】
曲がり素子は長方形の底面を有する従来型の曲げ変換器（曲げビーム）であってよい。圧電曲がり素子はとりわけ円形の底面を有する圧電曲げ変換器である。この圧電曲がり素子は円板曲がり素子である。基本的に、円板曲がり素子は、機械的エネルギーからできるだけ多くの電気エネルギーを得るのに適している。これは円板曲がり素子のジオメトリが変換に適しているからである。
【００１６】
曲げビームの幾何学パラメータ、すなわち長さｌ、幅ｂ、全厚ｈp、ｒ、ｓ及びｒhと、変形から生じる円筒ボウル形状（図３）とから、以下の関係が得られる。
【００１７】
【数１】
2013500695.tif 000003
これから最大の機械的応力が次のように求まる。
【００１８】
【数２】
2013500695.tif 000004
ここで、Ｅpはヤング率（弾性係数）であり、Ｓは機械的伸長（歪み）である。達成できる電気エネルギーと電圧は次の通りである。
【００１９】
【数３】
2013500695.tif 000005
これは、曲げビーム形態の従来の曲げ変換器に比べて、電気エネルギーが６倍大きく、電圧が２倍高いことを意味している。
【００２０】
特に円板曲がり素子の場合、凸湾曲部及び／又は凹湾曲部が底部において円板曲がり素子の寸法に合った円形の周を有していると有利である。円板曲がり素子は２つの作動部材の間に配置される。作動部材と対向作動部材の互いに対する相対運動によって、円板曲がり素子は変形する。これにより機械的エネルギーが効率的に電気エネルギーに変換される。同時に、円板曲がり素子が機械的に過負荷とならないよう配慮される。つまり、対向作動部材はストッパーとして機能する。湾曲部、対向湾曲部及び円板曲がり素子がぴったりと合うことによって、円板曲がり素子が変形の際に破壊されないように配慮されている。
【００２１】
曲げ変換器は（保持されずに）作動部材と対向作動部材との間の間隙に配置することができる。しかし有利には、曲げ変換器は曲げ過程の前に及び／又は最中に作動部材及び／又は対向作動部材に固定される。そのために曲がり素子は、特に作動部材の支持面と作動部材との接合箇所及び／又は対向作動部材の対向支持面と対向作動部材との接合箇所に接着接合によって接合されている。接着接合は例えばはんだ接合を有している。接着接合が接着剤を有していると特に有利である。曲げ変換器は作動部材の湾曲部に接着される。この種の接着接合は非常に簡単かつ持続的に形成することができる。さらに、接着接合を形成する際、作動部材及び／又は曲げ変換器に熱負荷が生じない。
【００２２】
特別な実施形態によれば、作動部材は対向作動部材を受け入れる収容スペースを有している。この場合、作動部材と対向作動部材とは、作動部材と対向作動部材の互いに対する相対運動が可能となるようにベアリングを介して互いに結合されている。このベアリングは作動部材と対向作動部材の互いに対する相対運動のための装置として機能する。例えばこのベアリングはスライドベアリングである。
【００２３】
本発明は機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー自給システムで使用される。
【００２４】
要約すると、本発明によって以下の利点が得られる。
【００２５】
特に円板曲がり素子を使用した場合、機械的な力が同じでも、ビーム形態の従来の曲げ変換器よりも大きな電気エネルギーを得ることができる。
【００２６】
機械的な力が閾値以上であれば、一定のエネルギー供給が可能である。
【００２７】
従来の曲げ変換器に比べて高い電圧が可能である。
【００２８】
機械的な力が閾値以上であれば、一定の出力電圧が生じる。
【００２９】
適切な積極的措置によって過負荷からの保護が可能である。
【００３０】
以下では、実施例及び関連する図面に基づいて本発明をより詳細に説明する。図面は概略的なものであり、縮尺通りではない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】外部から力の作用のない圧電エネルギー変換器の横からの断面図を示す。
【図２】外部から力の作用のあるエネルギー変換器の横からの断面図を示す。
【図３】２つの圧電層を有する円板曲がり素子を概略的に示す。
【００３２】
圧電曲がり素子２を変形させる曲げ装置１は支持面１１１を備えた作動部材１１を有している。支持面は適当な曲率の凸湾曲部１１１１を有している（円筒形）。凸湾曲部は底部に円形の周１１１３を有している。
【００３３】
曲げ装置１はさらに凹湾曲部１２１１を備えた対向作動部材１２を有している。この凹湾曲部は絶対値で見て凸湾曲部とほぼ同じ曲率を有している。また、凹湾曲部の底部における周１２１３も円形である。作動部材の支持面と対向作動部材の対向支持面は同じ大きさである。２つの湾曲部の曲率が同じであるため、支持面と対向支持面は互いにぴったりと合うように配置することができる。
【００３４】
圧電曲がり素子は円形の底面を有する円板曲がり素子である。これに代わる実施形態では、圧電曲がり素子は長方形の底面を有する。この圧電曲がり素子は従来型の曲げビームである。
【００３５】
底面の実施形態に関係なく、圧電曲がり素子は、２つの圧電層２１とこれら圧電層の間に配置された内部電極２２とを有する層構造を有している。この層構造は２つの外部電極２３で終端している。
【００３６】
支持面の接合箇所１２２において圧電曲がり素子は接着接合１４を介して支持面と接合されている。接着接合は接着剤を有している。圧電曲がり素子は。対向作動部材は作動部材の収容スペース１２３内にある。作動部材と対向作動部材は、支持面と対向支持面との間の距離１２５を変えることができるように収容スペース内の対向作動部材が作動部材に対して動くことができるように、ベアリング１２４を介して互いに結合されている。支持面と対向支持面は互いに対して相対的に動かすことができる。
【００３７】
機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するプロセスは以下の通りである。外部から機械的な力３によって対向作動部材を作動部材の方向へ動かすことにより、曲げ変換器が変形する。すると、圧電効果によって電荷分離が生じる。分離された電荷は電気エネルギーを得るために利用することができる。以上のプロセスにおいて、支持面を有する作動部材と対向支持面を有する対向作動部材はストッパーとして機能する。よって曲げ変換器が過負荷となることはない。
【図１】
2013500695.tif 000006
【図２】
2013500695.tif 000007
【図３】
2013500695.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成24年5月29日(2012.5.29)
【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】
圧電曲がり素子（２）を変形させる曲げ装置（１）であって、
少なくとも１つの凸湾曲部（１１１１）を有する支持面（１１１）を備えた作動部材（１１）と、
前記支持面の凸湾曲部とは逆の凹湾曲部（１２１１）を有する対向支持面（１２１）を備えた対向作動部材（１２）と、
前記支持面の凸湾曲部を前記対向支持面の凹湾曲部の中へと案内することができるように、前記作動部材と前記対向作動部材を互いに対して相対的に動かす装置（４、１２４）とを有しており、
前記曲がり素子は前記支持面と前記対向支持面との間の間隙（１３）に配置することができ、前記相対運動により前記曲がり素子の変形が生じる
ことを特徴とする曲げ装置。
【請求項２】
前記支持面及び／又は前記対向支持面は同じ大きさである、請求項１に記載の曲げ装置。
【請求項３】
前記湾曲部と前記対向湾曲部は同じ絶対値の曲率を有する、請求項１又は２に記載の曲げ装置。
【請求項４】
前記凸湾曲部及び／又は前記凹湾曲部は底部において円形の周を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の曲げ装置。
【請求項５】
前記曲がり素子は、前記作動部材の支持面と前記作動部材との接合箇所（１２２）及び／又は前記対向作動部材の対向支持面と前記対向作動部材との接合箇所に、接着接合（１４）により接合されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の曲げ装置。
【請求項６】
前記接着接合は接着剤を有する、請求項５に記載の曲げ装置。
【請求項７】
前記作動部材は前記対向作動部材を受け入れるための収容スペース（１２３）を有しており、前記作動部材と前記対向作動部材は、前記作動部材と前記対向作動部材の互いに対する相対運動を行うことができるようにベアリング（１２４）を介して互いに結合されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の曲げ装置。
【請求項８】
機械的エネルギーにより生じた機械的な力を圧電曲がり素子に入力することにより、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電エネルギー変換器であって、
圧電曲がり素子と、
圧電曲がり素子を変形させる曲げ装置と
を有しており、
前記曲げ装置は、
少なくとも１つの凸湾曲部を有する支持面を備えた作動部材と、
前記支持面の凸湾曲部とは逆の凹湾曲部を有する対向支持面を備えた対向作動部材と、
前記支持面の凸湾曲部を前記対向支持面の凹湾曲部の中へと案内することができるように、前記作動部材と前記対向作動部材を互いに対して相対的に動かす装置とを有しており、
前記圧電曲がり素子は、前記作動部材と前記対向作動部材の互いに対する相対運動により前記圧電曲がり素子が変形し、当該変形により前記圧電曲がり素子に機械的な力が入力されるように、前記支持面と前記対向支持面との間の間隙に配置されている
ことを特徴とする圧電エネルギー変換器。
【請求項９】
前記圧電曲がり素子は円形の底面を有する圧電曲げ変換器である、請求項８に記載の圧電エネルギー変換器。
【請求項１０】
前記曲がり素子は前記作動部材の支持面と前記作動部材との接合箇所（１２２）に接着接合（１４）により接合されている、請求項８又は９に記載の圧電エネルギー変換器。
【請求項１１】
前記接着接合は接着剤を有する、請求項１０に記載の圧電エネルギー変換器。
【国際調査報告】
2013500695.tif 000009
2013500695.tif 000010
2013500695.tif 000011
2013500695.tif 000012
2013500695.tif 000013
2013500695.tif 000014