(57)【要約】  本発明は、周波数ｆの機械振動から電気エネルギを形成するための装置およびこの装置を使用する方法に関しており、この装置には、上記の機械振動によって運動して交流電圧を形成する圧電素子（１）が設けられており、また選択的な整流器と、電気的に接続された容量性エネルギ蓄積器（ＣS）と、このエネルギ蓄積器（ＣS）に電気的に並列接続されかつ出力電圧（Ｕ）が印加されるエネルギ消費装置（Ｒ）とにこの圧電素子のインピーダンスを整合させるインピーダンス整合装置が設けられている。本発明の特徴は、圧電素子（１）に誘導性素子（Ｌ）が電気的に接続されており、この誘導性素子（Ｌ）およびキャパシタンス（Ｃ）によって電気的な並列共振回路が構成されることである。ここでは、本発明による装置の電力を効果的に増大させる電気的な並列共振回路が提供される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数ｆの機械振動から電気エネルギを形成する装置であって、
該装置は、
前記機械振動によって運動して交流電圧を形成する圧電素子（１）と、インピーダンス整合装置とを有しており、
該インピーダンス整合装置は、選択的な整流器と、電気的に接続された容量性エネルギ蓄積器（ＣS）と、当該エネルギ蓄積器（ＣS）に電気的に並列接続されかつ出力電圧（Ｕ）が印加されるエネルギ消費装置（Ｒ）とに前記圧電素子をインピーダンス整合させる、電気エネルギを形成する装置において、
誘導性素子（Ｌ）とキャパシタンス（Ｃ）とによる電気的な並列振動回路が形成されるように前記圧電素子（１）に前記誘導性素子（Ｌ）が電気的に接続されている
ことを特徴とする、電気エネルギを形成する装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
前記出力電圧（Ｕ）の２つの極の間で前記誘導性素子（Ｌ）が、前記圧電素子（１）に電気的に直列接続されており、
前記容量性素子（Ｃ）は、前記誘導性素子（Ｌ）に電気的に並列接続されている、
ことを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の装置において、
前記誘導性素子（Ｌ）は、前記圧電素子（１）に電気的に並列接続されており、前記容量性素子（Ｃ）は、前記圧電素子（１）の容量性成分（Ｃel）である、
ことを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置において、
前記容量性素子（Ｃ）は、前記圧電素子（１）の容量性成分（Ｃel）と、前記誘導性素子（Ｌ）に電気的に並列接続された別のキャパシタンス（ＣW）とから構成される、
ことを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項２に記載の装置において、
１つのダイオード（Ｄ）が、前記圧電素子（１）に電気的に並列接続されており、かつ、前記圧電素子（１）の前記電圧に対して逆方向バイアスで接続されている、
ことを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項５に記載の装置において、
前記１つのダイオード（Ｄ）の代わりにまたは当該１つのダイオード（Ｄ）に追加して、制御可能な電子スイッチとしての能動的な整流器が電気的に接続されており、
該電子スイッチは、駆動制御回路により、極性交代時のゼロ通過に同期して開かれるかまたは閉じられる、
ことを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の装置において、
ブリッジ整流回路（３）が、前記圧電素子に電気的に並列接続されており、かつ、前記容量性エネルギ蓄積器（ＣS）に電気的に並列接続されている、
ことを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項２または４に記載の装置において、
前記容量性エネルギ蓄積器（ＣS）のキャパシタンスは、前記容量性素子（Ｃ）のキャパシタンスよりも少なくとも１０倍大きい、
ことを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか１項に記載の装置において、
前記圧電素子（１）の材料は、やわらかい圧電材料であるかまたは硬いチタン酸ジルコン酸鉛であり、または前記材料は、小さな結合係数を有する、
ことを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項に記載の装置において、
前記容量性エネルギ蓄積器（ＣS）は、二重層コンデンサである、
ことを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１から１０までのいずれか１項に記載の装置において、
前記インピーダンス整合装置は、ブーストコンバータ、ステップダウンコンバータまたはチャージポンプである、
ことを特徴とする装置。
【請求項１２】
電圧（Ｕ）および電力を供給するために、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の、機械振動から電気エネルギを形成する装置を使用する、
ことを特徴とする使用方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の機械振動から電気エネルギを形成する装置の使用方法において、
直流電圧を供給するために、殊に請求項５，６または７に記載の整流回路と連携して、機械振動から電気エネルギを形成する装置を使用する、
ことを特徴とする使用方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法において、
整流回路なしに交流電圧を供給するために、機械振動から電気エネルギを形成する装置を使用する、
ことを特徴とする使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載された装置と、請求項１２に記載された使用方法とに関する。
【０００２】
機械的エネルギから電気エネルギを供給するためには、殊に圧電素子が使用され、例えばいわゆるエネルギハーベスティング（ＥＨ）に対してマルチレイアの形態の圧電素子がエネルギ変換器として使用される。圧電エネルギ変換器は、時間の経過と共に、例えば圧力および温度などの外部の影響によって減極ないしは部分減極が進んでしまうことがある。このことは、殊にいわゆるやわらかい圧電材料からなる圧電素子に当てはまり、これらの圧電材料は、保磁力が小さい。上記の減極ないしは部分減極は、エネルギ変換器の電力出力効率を悪化させる。硬い圧電材料は、保磁力が高いことに起因して、このような部分減極をわずかにしか呈しない。しかしながらこのような硬い圧電材料の電力出力はふつう、やわらかい圧電材料の電力出力に比べて小さいのである。
【０００３】
従来は圧電エネルギ変換器が使用され、この圧電エネルギ変換器では電気回路が、整流回路と、後置接続されたインピーダンス整合部とからなり、このインピーダンス整合部は、エネルギ蓄積器およびエネルギ消費装置に対してインピーダンス整合している。従来の装置では、例えば、圧電素子の再分極は行われない。容易に思い付くのは、別個の再分極回路を用い、所定の時間間隔でエネルギ蓄積器に蓄積されたエネルギを再分極することである。しかしながらこのことが有し得る欠点は、このために蓄積したエネルギの一部分が必要になり、ひいては変換効率が低下してしまうことである。このような再分極回路には、回路技術的な要求も課される。従来はエネルギ変換器が使用され、このエネルギ変換器では電気回路が、後置置接続されたインピーダンス整合部を有する整流回路と、エネルギ消費装置とからなり、このインピーダンス整合部は、エネルギ蓄積器に対してインピーダンス整合する。インピーダンス整合は、例えば、いわゆるブーストコンバータ、ステップダウンコンバータまたはチャージポンプを用いて行われる。
【０００４】
本発明の課題は、例えば狭帯域の機械振動から電気エネルギを形成するための圧電素子において、電力出力を高めることである。殊に圧電素子に蓄積される容量的なエネルギ成分を利用可能にし、また負荷時の出力電圧および電力を高められるようにする。上記の圧電エネルギ変換器の機械的な共振周波数が、機械振動の周波数に電気的に整合できるようにする。ここでは、殊に周波数ｆの機械振動からエネルギ形成を行うケースに対し、電気的な出力結合を効果的に改善する。
【０００５】
この課題は、請求項１に記載した装置および請求項１２に記載した使用方法によって解決される。
【０００６】
第１の様相によれば、周波数ｆの機械振動から電気エネルギを形成する装置が提供され、ここでこの装置は、以下のユニットを有する。機械振動によって運動して交流電圧を形成する圧電素子と、選択的な整流器に対し、圧電素子のインピーダンスを整合させるためのインピーダンス整合装置と、電気的に接続される容量性エネルギ蓄積器ＣSと、このエネルギ蓄積器ＣSに電気的に並列接続かつ出力電圧Ｕが印加されるエネルギ消費装置Ｒを有する。この装置の特徴は、誘導性素子ＬとキャパシタンスＣとによって電気的な並列振動回路が構成されるように上記の圧電素子に誘導性素子Ｌが電気的に接続されることである。第２の様相によれば、機械振動から電気エネルギを形成する本発明の装置は、電圧および電力を供給するために使用される。
【０００７】
圧電素子と、少なくとも１つの誘導性素子Ｌとを直接接続することにより、簡単かつ効果的に電力を増大させる。
【０００８】
別の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。
【０００９】
別の有利な実施形態によれば、上記の出力電圧Ｕの２つの極の間で、誘導性素子Ｌが、圧電素子と電気的に直列接続されており、上記の容量性素子Ｃは、誘導性素子Ｌに電気的に並列接続されている。この実施形態による圧電素子の電気回路は、周波数ｆの狭帯域の機械振動からエネルギを形成する場合に、上記の機械的エネルギから得た電気エネルギを使用して、同時に上記の圧電素子を再分極する。圧電素子と、誘導性素子Ｌおよび容量性素子Ｃとを直接接続することにより、上記の電力を増大させることができる。ここでは電気的な共振により、出力電圧が逓倍化される。共振によって高められた出力電圧Ｕにより、上記のインダクタンスＬを介して直接、上記の圧電素子を再分極させることができる。この永続的な再分極により、このためのエネルギコストは極めて小さく、または上記のエネルギ変換の効率に直接的にプラスに作用する。そのための必要な回路構成はわずかな努力で済む。この電気回路により、上記のエネルギ変換器の高い効率と共に長期間安定的な動作が得られる。
【００１０】
別の有利な実施形態によれば、上記の誘導性素子Ｌは、圧電素子に電気的に並列接続することができ、かつ、上記の容量性素子Ｃは上記の圧電素子の容量性成分Ｃelとして得ることができる。ここでは誘導性素子Ｌは、適切な量が選択される。すなわち、このインダクタンスは、圧電素子の容量性成分Ｃelを可能な限り良好に補償するようにその量が選択される。ＣelおよびＬは、上記の共振周波数ｆにおいて高抵抗の並列振動回路を構成する。
【００１１】
別の有利な実施形態によれば、上記の誘導性素子Ｌは、圧電素子に対して電気的に並列接続することができ、また別の容量性素子ＣWを誘導性素子Ｌに対して電気的に並列接続することができる。これにより、容量性素子Ｃは、圧電素子の容量性成分Ｃelと、誘導性素子Ｌおよび圧電素子に電気的に並列接続された別のキャパシタンスＣWとから構成することができる。上記の誘導性素子Ｌにこのような容量性素子Ｃを並列接続することにより、共振周波数が同じままで、必要なインダクタンスの量を効果的に小さくすることができる。
【００１２】
上で述べた有利な３つの実施形態によれば、圧電素子に蓄積され使用できない容量性の電気エネルギ成分をエネルギ変換プロセスから分離できる。これによって殊に有利にも、圧電素子によるエネルギ形成のため、結合係数の小さい圧電材料を使用することができる。別の利点は、電気的な共振により、負荷を印加した状態で結合係数に応じて５０ないしは１００％出力電圧を効果的に増大させることができることである。これにより、電力も１００ないし３００％増大する。さらにインダクタンスＬを適切に設計することにより、圧電エネルギ変換器の機械的な共振周波数を上記の機械振動のあらかじめ設定された周波数ｆに適合させることができる。
Ｆ(ｔ)＝Ｆmax・sin(２π・ｆ・ｔ)        （１）
これは殊に有利である。なぜならこの適合化は機械的にだけ実施可能だったからである。機械的な適合化には比較的コストがかかり、後付けではほとんど行うことができない。ここでは例えば、エネルギ変換器モジュールの機械的に変更せずに種々異なるキャパシタンスおよびインダクタンスを簡単に切り換えることにより、上記の共振周波数を変化させることが可能である。
【００１３】
別の有利な実施形態によれば、１つのダイオードを上記の圧電素子に対して電気的に並行に、かつ圧電素子の電圧に対して逆方向バイアスで接続することができる。圧電素子に並列接続された１つのダイオードを用いた整流によってつぎのような利点が得られる。ここでは、極性が逆方向を向いておりかつ圧電素子のさらなる減極に結び付き得る電圧を回避することができる。従来のブリッジ整流部に比べて電圧倍化を行うことができる。さらにインピーダンスが倍になる。ここでこの倍化は、これによってインピーダンス変換部が省略できる場合には有利になり得る。さらにブリッジ回路に比べ、ダイオードの順方向電圧降下による電圧損失が半分になる。さらに従来のブリッジ整流部に比べて必要な構成部分が少なくなるため、このことからコスト上の利点と、必要な構造スペースについての利点とが得られる。
【００１４】
別の有利な実施形態によれば、１つのダイオードの代わりにまたはこれに補足的に、制御可能な電子スイッチである能動的な整流器を電気的に接続することができ、このスイッチは、駆動制御回路により、極性交代時のゼロ通過に同期して開かれるか閉じられる。
【００１５】
別の有利な実施形態によれば、上記の圧電素子に電気的に並列にまたは上記の容量性エネルギ蓄積器ＣSに電気的に並列にブリッジ整流回路を接続することができる。
【００１６】
別の有利な実施形態によれば、上記の容量性エネルギ蓄積器ＣSのキャパシタンスは、上記の容量性素子Ｃのキャパシタンスよりも少なくとも１０倍大きくすることができる。
【００１７】
別の有利な実施形態によれば、上記の圧電素子の材料は、やわらかい圧電材料とするかまたは硬いチタン酸ジルコン酸鉛とすることができ、またはこの材料は、小さな結合係数を有し得る。
【００１８】
別の有利な実施形態によれば、上記の容量性エネルギ蓄積器ＣSは、二重層コンデンサとすることが可能である。
【００１９】
別の有利な実施形態によれば、インピーダンス整合装置は、ブーストコンバータ、ステップダウンコンバータまたはチャージポンプとすることが可能である。
【００２０】
図面に関連し、実施例に基づいて本発明を詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による装置の第１実施例を示す図である。
【図２】本発明による装置の第２実施例を示す図である。
【００２２】
図１には周波数ｆの機械振動から電気エネルギを形成する装置が示されており、ここでは時間に依存する力Ｆ(ｔ)が圧電素子１に加わる。図１には周波数ｆの機械振動から電気エネルギを形成する装置が示されており、ここでは時間に依存する力Ｆ(ｔ)が圧電素子１に加わる。圧電素子１は、運動による上記の機械振動の結果、交流電圧を形成する。この圧電素子は、出力電圧Ｕないしはこれに対応する電力を電気エネルギ消費装置Ｒに供給する。圧電素子１とエネルギ消費装置Ｒとの間には、エネルギ消費装置Ｒに並列してエネルギ蓄積器ＣSが電気的に並列接続されている。圧電素子１には誘導性素子Ｌが電気的に接続されている。誘導性素子Ｌは、出力電圧Ｕの２つの極の間で素子１に電気的に直列接続されており、容量性素子Ｃは、誘導性素子Ｌに電気的に並列接続されている。圧電素子１と、誘導性素子Ｌおよび容量性素子Ｃとを直接接続することにより、電力を増大させることができる。共振によって出力電圧Ｕが逓倍化される。出力電圧Ｕはつぎのように整流される。すなわち、上記の極性とは逆の電圧が圧電素子１に加わらず、かつ、コンデンサＣSに発生する電圧Ｕが、蓄積チョークとして作用するインダクタンスＬを介して、圧電素子１を再分極させるかないしは極性を維持するように整流されるのである。正常の機能に対して有利であるのは、キャパシタンスＣSをキャパシタンスＣに対して大きくする場合である。インピーダンス整合部、エネルギ蓄積部およびエネルギ消費装置を含む別の回路は、従来技術と比べて実質的に変わっていない。以下の２つの式は、物理的な関係を表している。すなわち
【数１】
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である。
【００２３】
例えばこの第１の実施例について以下の計算を行うことができる。これに加えて典型的なマルチレイア積層体は以下のデータを有する。
結合係数ｋeff＝０．７，
層の個数ｎ＝３５０，
圧電定数ｄ33＝９５０ｐｍ／Ｖ，
圧電素子のばね剛性ｋ＝４０Ｎ/μｍ
である。
【００２４】
使用される電気構成部分の量はつぎのとおりである。すなわち、
コンデンサＣ＝２５μＦ，
巻線の直列抵抗ＲSを有する蓄積チョークＬ＝２７ｍＨ，
Ｃよりも何倍も大きい蓄積コンデンサＣS＝１ｍＦ，
整流ダイオードＤ、ただしこのダイオードのカソードは、圧電素子の＋側に接続しなければならない。モデル計算により、この実施例のつぎの値が得られる。
【００２５】
ＦP＝２００Ｎの力の振幅を有するｆ＝１６６Ｈｚの振動周波数において、共振時にはＲS＝１Ωに対し、圧電変換器において１００Ｖの最大の分極電圧ＵPが得られる。０．５および０．３Ωの蓄積チョークの比較的小さいオーム損失ＲSに対し、それぞれ２００Ｖおよび３４０Ｖの分極電圧ＵPが得られる。
【００２６】
ＦP＝１００Ｎに対し、共振時にはつぎが得られる。すなわち、
ＲS＝１Ωでは、圧電変換器において５０Ｖの最大分極電圧が得られ、
ＲS＝０．５Ωでは、圧電変換器において１００Ｖの最大分極電圧が得られ、
ＲS＝０．３Ωでは、圧電変換器において１７０Ｖの最大分極電圧が得られる。
【００２７】
この実施例において示した値は、線形モデルによって求めたものである。上記の圧電素子の実際の非線形特性により、上記の最適な構成素子値から偏差が生じ得る。これらの最適値は、最も簡単には構成素子を実験的に変化させることによって求めることができる。
【００２８】
図１に示した回路によって形成される電圧は、約１００μｍの個別層厚を有するマルチレイヤ積層体に対し、やわらかい圧電材料の抗電界強度を上回る場の強度を形成するのに十分である。これにより、良好な変換器効率に必要な分極状態を安定的に維持する再分極過程が励起される。
【００２９】
ダイオードＤの代わりに同期式整流回路を、いわゆる能動的な整流器を使用することも可能であり、この能動的な整流器は、制御可能な電子スイッチ、例えばMOSFETであり、このスイッチは、駆動制御回路により、極性交代時のゼロ通過に同期して開かれるかないしは閉じられる。スイッチオン状態において数１０ｍＶの小さな電圧降下は有利であり、これによって上記の回路のエネルギ効率がさらに高まる。これに反し、必要な駆動制御回路が上記の蓄積されたエネルギの一部を消費するという欠点が生じる。この欠点を克服できるか否かは、整流の際の設定された電流領域ないしは電圧領域に依存する。さらに上記の回路は、整流を行うため、最初に一度だけエネルギを提供しなければならない。これは、ダイオードＤを上記の回路にそのまま残して、上記の同期式整流部が機能するまでにコンデンサＣSが充電されるようにすることによって行われる。図１に記載した装置によれば、圧電素子１の再分極を行うことができる。
【００３０】
図２には本発明による装置の第２実施例が示されている。この装置は、周波数ｆの機械振動Ｆ(ｔ)から電気エネルギを形成する。この装置は、交流電圧を形成するため、上記の機械振動によって運動する圧電素子１を有する。圧電素子１は、電気的に並列接続されたエネルギ消費装置に対し、電力を供給する。エネルギ消費装置Ｒには電気蓄積器ＣSが電気的に並列接続されている。このエネルギ蓄積器ＣSは容量性エネルギ蓄積器である。図２では、圧電素子１と容量性エネルギ蓄積器ＣSとの間にブリッジ整流回路３が示されている。１つの実施形態では１つの誘導性素子だけが圧電素子１に電気的に並列接続されている。ここでは、適切な量を有するインダクタンスＬが圧電素子１に並列接続される。このインダクタンスの量は、これが圧電素子１の容量性成分Ｃelを可能な限り良好に補償するように定められる。ここではＣelおよびＬは、共振周波数ｆにおいて高抵抗の並列振動回路を構成する。上記のエネルギ消費装置のためのエネルギ蓄積部、整流部およびインピーダンス整合部を含む回路は、従来技術と比べて実質的に変わっていない。１つの実施例によれば、圧電素子１は典型的な多層積層体としてつぎのようなデータを有する。すなわち、
結合係数ｋeff＝０．７，
層の個数ｎ＝３５０，
圧電定数ｄ33＝９５０ｐｍ／Ｖ，
圧電素子のばね剛性ｋ＝４０Ｎ/μｍ
を有するのである。
【００３１】
圧電素子１のこれらのデータに基づき、この圧電素子の容量性成分Ｃelとして４．５μＦの値が得られる。例えばｆ＝１７５Ｈｚの共振周波数については上記の圧電素子の回路に対して１８４ｍＨのインダンクタンスを使用しなければならないことになる。従来技術によればこのインダンクタンスの蓄積器チョークは、実用的ではなくかつ高価になる。
【００３２】
図２には付加的な容量性素子Ｃが誘導性素子Ｌに電気的に接続される実施例が示されている。例えば値Ｃ＝２５μＦを有するキャパシタンスＣを上記の蓄積器チョークに上記のように並列接続することにより、同じ共振周波数においてこの蓄積器チョークの必要なインダクタンスの量を効果的に小さくすることができる。この場合にこのインダクタンスはＬ＝２７ｍＨだけである。この値は簡単に実現可能である。蓄積器チョークＬの設計において注意しなければならないのは、電流消費装置Ｒによる上記の振動回路の減衰および圧電素子１の励振に応じて、大きな電流がインダクタンスＬを通って流れ得ることであり、この電流が、コイルワイヤによるオーム損失および状況によっては蓄積器チョークＬの磁気コアの飽和に結び付き、ひいては望ましくないさらなる電気的な損失に結び付き得ることである。これらの損失は、上記の振動回路の電気的な共振を過剰に減衰させてエネルギ利得を低減させてしまうことになる。また圧電材料内のこれらの損失は、上記の振動回路の減衰に結び付いてしまうことがある。ここでは損失の小さい圧電材料、例えば、硬質ＰＺＴが使用することが有利になり得る。
【００３３】
図２に示した実施例による別の利点は、電流消費装置Ｒによるエネルギ消費が小さければ、例えば準備状態においてエネルギ蓄積器ＣSはつねに充電され続けることであり、この充電は、上記の振動回路のＱに依存して上記の回路の損失が大きくなって、上記の圧電素子によって供給されるエネルギと等しくなるまで続けられるのである。この場合に達成可能な出力電圧をふつうの出力電圧の数倍にすることが可能である。このことは、エネルギ蓄積器としていわゆるスーパキャパシタまたは二重層コンデンサを使用する際には殊に重要である。それは、その充電電圧は、充電エネルギの増大と共に増大し、充電電流が停止する可能性があるからである。上で挙げたデータおよび２７ｍＨの蓄積器チョークの７５０ｍΩのオーム抵抗では、モデル計算からは整流の後の出力電圧Ｕを６０％だけ増大させることができ、また出力に整合化させた３００Ωの抵抗Ｒにおいて１４７％電力を増大させることができる。結合係数ｋeffの小さな圧電材料では、さらに大きな増大が可能である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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2013526825.tif 000008
2013526825.tif 000009
2013526825.tif 000010
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