(57)【要約】  本発明は、特にＭＥＭＳ技術を基礎として集積化されて小型化されたエネルギ生成システムとして構成されているエネルギ生成システムに関する。エネルギ生成システムは、少なくとも一つの圧電素子を備えており、この圧電素子に機械的な振動が励起されるように、流体流によって惹起される機械的な力を圧電素子に入力結合することができる、機械的なエネルギを電気的なエネルギに変換するための圧電エネルギ変換器を有している。集積回路（ＡＳＩＣ）は圧電エネルギ変換器から供給されるエネルギのエネルギ管理のために使用される。
2013513355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギ生成システム（ＥＥＳ）、特に集積化されて小型化されたエネルギ生成システム（ＥＥＳ）として構成されているエネルギ生成システム（ＥＥＳ）において、
ａ）少なくとも一つの圧電素子（ＰＥ）を備えた、該圧電素子（ＰＥ）に機械的な振動が励起されるように、流体流（ＦＳ）によって惹起される機械的な力を前記圧電素子（ＰＥ）に入力結合することができる、機械的なエネルギを電気的なエネルギに変換するための圧電エネルギ変換器（ＥＷ）と、
ｂ）内部に前記圧電素子（ＰＥ）が配置されており、且つ、前記流体流（ＦＳ）を流すことができるケーシングチャンバ（ＧＫ）を備えているケーシング（Ｇ）と、
ｃ）前記ケーシング（Ｇ）の体積を変化させ、該体積変化により機械的な変形エネルギを流体圧力エネルギに変換する手段（Ｗ１−Ｗ３）と、
ｄ）前記圧電エネルギ変換器（ＥＷ）から供給されるエネルギのエネルギ管理のための集積回路（ＡＳＩＣ）とを備えていることを特徴とする、エネルギ生成システム（ＥＥＳ）。
【請求項２】
前記ケーシング（Ｇ）の体積を変化させるための前記手段によって、前記流体流（ＦＳ）の衝撃圧力又は圧力渦が形成される、請求項１に記載のエネルギ生成システム（ＥＥＳ）。
【請求項３】
前記ケーシングの体積を変化させるための前記手段（Ｗ１−Ｗ３）は、前記ケーシング（Ｇ）又は前記ケーシングの一部の弾性に変形可能な壁によって形成されている、請求項１又は２に記載のエネルギ生成システム（ＥＥＳ）。
【請求項４】
前記ケーシング（Ｇ）の体積を変化させるための前記手段（Ｗ１−Ｗ３）は、前記ケーシング（Ｇ）又は前記ケーシングの一部の変形可能な機械的な部分によって形成されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のエネルギ生成システム（ＥＥＳ）。
【請求項５】
前記圧電素子は複数のＭＥＭＳ層を含む多層構造を有している、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のエネルギ生成システム（ＥＥＳ）。
【請求項６】
前記圧電素子（ＰＥ）は圧電性のタブを有している、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のエネルギ生成システム（ＥＥＳ）。
【請求項７】
前記圧電性のタブは実質的に三角形の底面を有している、請求項６に記載のエネルギ生成システム（ＥＥＳ）。
【請求項８】
前記圧電素子（ＰＥ）はダイアフラム（Ｍ）として形成されており、前記流体流（ＦＳ）は前記ダイアフラムに実質的に垂直に衝突し、
前記ダイアフラム（Ｍ）は交差する少なくとも二つのダイアフラムスリット（ＭＳ）を有している、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のエネルギ生成システム（ＥＥＳ）。
【請求項９】
前記圧電エネルギ変換器（ＥＷ）は、実質的に三角形の底面を備えている複数の圧電素子（ＰＥ）を有しており、該複数の圧電素子（ＰＥ）は全体として実質的に矩形の底面が生じるように配置されており、
前記流体流（ＦＳ）は全体の底面に実質的に垂直に衝突する、請求項１ないし８のいずれか一項に記載のエネルギ生成システム（ＥＥＳ）。
【請求項１０】
複数の圧電エネルギ変換器（ＥＷ）が連続的に接続されている、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のエネルギ生成システム（ＥＥＳ）。
【請求項１１】
前記集積回路（ＡＳＩＣ）はエネルギ自立型のセンサ及び／又はアクチュエータのエネルギ管理のために使用される、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のエネルギ生成システム（ＥＥＳ）。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のエネルギ生成システム（ＥＳＳ）を使用して、機械的なエネルギを電気的なエネルギに変換することにより、エネルギ自立型のシステムにエネルギを供給する方法において、
前記流体流によって惹起される力を前記圧電素子に入力結合させ、前記圧電素子（ＰＥ）に機械的な振動を励起させ、
前記集積回路（ＡＳＩＣ）によってシステムに対するエネルギ量を要求に応じて供給する、
ことを特徴とする、エネルギ自立型のシステムにエネルギを供給する方法。
【請求項１３】
静的な流体流（ＦＳ）を使用する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
時間的に変化する流体流（ＦＳ）を使用する、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギ生成システム、特に集積化されて小型化されたエネルギ生成システムとして構成されているエネルギ生成システムに関する。更に本発明は、エネルギ自立型のシステムに対してエネルギを供給するための方法に関する。
【０００２】
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を基礎としているアクチュエータ及びセンサがますます使用されてきている。そこでは特に、エネルギ自立的に機能するアクチュエータノード又はセンサノード及びネットワークに関心が寄せられている。その種のシステムは、個々のコンポーネントを動作させるために必要とされる電気的なエネルギをネットワーク供給部又はバッテリから取得しているのではなく、適切なエネルギ変換器を介して周囲環境から取得している。
【０００３】
重要な分野は、例えばタイヤ圧力コントロールシステム（タイヤセンサ）と関連する自動車産業である。今日のタイヤ圧力コントロールシステムは、所定の期間を空けて圧力及び温度を測定し、その結果を無線でコントロールユニットに送信することによって、自動車タイヤにおける圧力変動を監視している。このために必要とされる電気モジュールは弁を介して自動車タイヤのリムに固定されている。タイヤ圧力コントロールシステムの動作に必要とされるエネルギはバッテリから供給される。バッテリはタイヤ圧力コントロールシステムの寿命を制限する。
【０００４】
更に、太陽電池を介して給電が行われるシステムが公知である。しかしながら、工業オートメーションの分野、またそれに頻繁に付随して、光収支が著しく低減されている分野においてはこのシステムの使用は制限されている。
【０００５】
本発明の課題は、特に工業部門において分散型システムの自立的なエネルギ供給及びエネルギ制御を実現する、小型化されたエネルギ生成システムを提供することである。
【０００６】
この課題は、以下の構成を備えているエネルギ生成システム、特に集積化されて小型化されたエネルギ生成システムとして構成されているエネルギ生成システムによって解決される：
ａ）少なくとも一つの圧電素子を備えている、機械的なエネルギを電気的なエネルギに変換するための圧電エネルギ変換器。圧電素子には、この圧電素子に機械的な振動が励起されるように、流対流によって惹起される機械的な力を入力結合させることができる；
ｂ）ケーシングチャンバを有するケーシング。このケーシングチャンバ内に圧電素子が内部に配置されており、またこのケーシングチャンバを通過するように流体流を流すことができる；
ｃ）ケーシングの体積を変化させるための手段。体積変化によって機械的な変形エネルギが流体圧力エネルギに変換される。
ｄ）圧電エネルギ変換器から供給されるエネルギのエネルギ管理のための集積回路（ＡＳＩＣ）。機械的なエネルギの電気的なエネルギへの上述のような変換を、流体流を形成することができる場所であればどこでも実施することができ、例えば自動車のタイヤ内において実施することができる。流体流は適切に構成されている圧電素子を通過するように流れ、それにより圧電素子の機械的な振動が励起される。この機械的な振動が電気的なエネルギを取得するために利用される。取得されたエネルギはエネルギ管理システム（パワー管理ＡＳＩＣ）によって処理され、負荷（例えば分散型のアクチュエータ又はセンサ）に供給される。これによって、この分散型システムの自立的な動作が実現される。即ち、ケーブル敷設又はバッテリ動作は必要とされない。従ってこれらのシステムは原則としてメンテナンスフリーに動作することができる。
【０００７】
流体は有利には気体又は混合気である。液体の形態の流体も考えられる。液体は有利には絶縁性である。
【０００８】
有利には、内部に圧電素子が配置されており、且つ、流体流を案内することができるケーシングは流体入口及び流体出口を有している。流体は流体入口を通りケーシングチャンバへと流入するか、又は流体出口を通りケーシングチャンバから流出する。流体は圧電素子を通過するように流れ、またこの圧電素子を振動させる。
【０００９】
本発明の第１の有利な実施の形態においては、ケーシングの体積を変化させるための手段によって、流体流の衝撃圧力又は圧力渦を形成することができる。これによって、本発明に係るエネルギ生成システムを任意の動的な変形可能な環境に使用することができる。そのような環境として、例えば、弾性のベルトコンベアが変形される折り返し点を有しているベルトコンベア、又は、例えば変形可能なゴム製のブーツによって保護されている可動部が非常に多く存在している工業オートメーション（例えばロボット）が挙げられる。
【００１０】
本発明の別の有利な実施の形態においては、ケーシングの体積を変化させるための手段は、ケーシング又はケーシングの一部の弾性に変形可能な壁によって形成されている。ケーシングの体積を変化させるための手段によって、流体流の衝撃圧力又は圧力渦が形成される。衝撃圧力又は圧力渦に基づき、圧電素子には機械的な振動が励起される。流動性の衝撃圧力が生じた場合には、圧電素子、例えば圧電性のタブには次第に弱まる振動が生じる。圧電効果を介して、電極間の周期的な電荷分離が生じる。続いて、それにより取得される電荷の流れが電気的なエネルギとして外部に供給される。衝撃圧力又は圧力渦の力を効果的に圧電素子に入力結合できることを保証するために、圧電素子は例えば湾曲されているか、又は、圧電素子の表面には適切な流入幾何学が存在しているか、もしくは、流入が直接的に垂直に行われる。
【００１１】
弾性に変形可能な壁は例えば自動車タイヤの外被内のキャビティの壁である。弾性に変形可能な壁は、タイヤ接地面（タイヤ踏面）の所定の変形がキャビティの壁の所定の変形を生じさせ、従って、キャビティの所定の変形を生じさせるように自動車タイヤと接続されている。キャビティの所定の変形に基づき、所定の衝撃圧力が生じる。これによって、タイヤ自体がタイヤセンサの動作に必要とされるエネルギを供給することができる。更には、上述の変形は走行速度に依存しない。衝撃圧力の発生頻度のみが走行速度に依存する。
【００１２】
更には、ケーシングの弾性に変形可能な壁として、ケーシング壁の構成部材であるダイアフラムが考えられる。弾性に変形可能な壁は例えばゴムダイアフラムである。
【００１３】
本発明の別の有利な実施の形態においては、ケーシングの体積を変化させるための手段は、ケーシング又はケーシングの一部の変形可能な機械的な部分によって形成されている。この機械的な部分として例えば、ケーシング内に設けられており、且つ、その動作時にケーシング内の体積が縮小されるか拡大される、機械的な間接部又はヒンジが考えられる。体積変化によって生じる圧力又は渦は圧電素子に入力結合され、振動を惹起する。これによって機械的な変形エネルギが流体圧力エネルギに変換される。体積変化によって圧力又は渦を生じさせるために、ケーシング又はケーシングの一部をベローのように構成することもできる。
【００１４】
本発明の別の有利な実施の形態においては、圧電素子が複数のＭＥＭＳ（即ちMicro Electro Mechanical Systems技術）層を備えている多層構造を有している。圧電素子は電極層と圧電層と別の電極層とから成る積層体を有している。複数のその種の積層体を重ねて積層化することができるので、電極層と圧電層とが交互に重なって積層化された多層構造が得られる。ＭＥＭＳ技術を用いて圧電素子を形成する場合、個々の層内及び個々の層間において横方向の相応の引張応力又は圧縮応力を介して、層の露出後に湾曲されるか、又は、容易に巻き付けられる積層体を製造することができる。
【００１５】
電極層の電極材料を種々の金属又は金属合金から形成することができる。電極材料として例えば白金、チタン及び白金／チタン合金が挙げられる。また非金属の導電性材料も考えられる。
【００１６】
圧電層も同様に種々の材料から形成することができる。材料の例として圧電セラミック材料、例えばチタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が挙げられる。ポリビニリデンフルオライド（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同様に考えられる。
【００１７】
本発明の別の有利な実施の形態においては、圧電素子が圧電性のタブを有している。圧電素子は曲げエレメントとして、有利には圧電性のタブとして形成されている。このために、曲げエレメントは例えば圧電性の曲げ変換器である。曲げ変換器を製造するために、例えば電極層のためのメタライジングを用いて印刷されたセラミックグリーンシートが重ねられて積層化され、焼結される。これによりモノリシックな曲げ変換器が得られる。曲げ変換器を任意に、例えばバイモルフ素子として形成することができる。
【００１８】
達成すべき小型化に関しては、曲げ変換器を実現するためにＭＥＭＳ技術が特に適している。この技術によって、非常に小さい横方向の寸法を有している圧電エネルギ変換器が実現される。更には、非常に薄い層を形成することができる。つまり、電極層の層厚は例えば０．１μｍから０．５μｍである。圧電層は数μｍの厚さであり、例えば１μｍから１０μｍである。圧電素子は薄い圧電性のダイアフラム又はビームとして形成されている。圧電素子は非常に小さい質量を有している。更には、その種の圧電素子に機械的な振動を容易に励起させることができる。圧電性のダイアフラム又はビームの形態の圧電素子を完全なものにするために支持体層、例えばケイ素、ポリケイ素、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）又は窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）から成る支持体層を設けることができる。支持体層の層厚は１μｍから１００μｍの範囲から選定されている。支持体層はオプションである。
【００１９】
本発明の別の有利な実施の形態においては、圧電性のタブが実質的に三角形の底面を有している。これによりエネルギ変換時に高い効率が得られる。
【００２０】
本発明の別の実施の形態においては、圧電素子がダイアフラムとして形成されており、且つ、流体がこのダイアフラムに実質的に垂直に衝突し、ダイアフラムが少なくとも二つの交差するダイアフラムスリットを有している。
【００２１】
圧電ダイアフラムは電極層と圧電層と別の電極層とから成る積層体を有している。複数のその種の積層体を重ねて積層化することができるので、電極層と圧電層が交互に重なって積層化された多層構造体が得られる。ダイアフラムは実質的に円形の底面を有することができるが、矩形のダイアフラムも考えられる。
【００２２】
機械的な力が圧電層に作用することによって惹起される圧電層の変位（変形）によって、圧電素子における電荷移動又は電荷分離が生じる（圧電効果）。二つの電極層及び圧電層は、電気的なエネルギを取得するために、電荷分離を惹起する電荷の流れを利用できるように相互に接して配置されている。その結果、機械的なエネルギが電気的なエネルギに変換される。
【００２３】
電極層の電極材料を種々の金属又は金属合金から形成することができる。電極材料として例えば白金、チタン及び白金／チタン合金が挙げられる。また非金属の導電性材料も考えられる。
【００２４】
圧電層も同様に種々の材料から形成することができる。材料の例として圧電セラミック材料、例えばチタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が挙げられる。ポリビニリデンフルオライド（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同様に考えられる。
【００２５】
エネルギ変換器は数ｍｍから数ｃｍの横方向の寸法を有することができる。同様のことがダイアフラムの横方向の寸法に当てはまる。ダイアフラムの層の層厚は数μｍから数ｍｍの範囲にある。
【００２６】
圧電ダイアフラムは、流体流がこの圧電ダイアフラムに実質的に垂直に衝突し、且つ振動を生じさせるようにエネルギ変換器内に取り付けられている。ダイアフラムスリットは有利には、実質的にダイアフラムの中心点において交差しており、ダイアフラム構造内に複数の三角形を形成している。流体流の力作用は、そのような三角形の配置構成によって効果的なエネルギ変換のために使用される。
【００２７】
ダイアフラムスリットはダイアフラムの剛性を低減する。横方向におけるダイアフラムの直径（ダイアフラムスリットのダイアフラム開口部の直径）は数μｍである。ダイアフラムの直径は例えば数ｍｍまでの範囲から選定されている。
【００２８】
本発明の別の実施の形態においては、圧電エネルギ変換器が実質的に三角形の底面を備えている複数の圧電素子を有しており、それらの圧電素子は、全体として実質的に矩形の底面が生じるように配置されており、この場合、流体流は全体の底面に実質的に垂直に衝突する。圧電素子はそれぞれの辺を介して、エネルギ変換器の内面と接続されているか、又は、エネルギ変換器の流体案内部と接続されている。この配置構成は効率的なエネルギ変換を保証する。
【００２９】
本発明の別の有利な実施の形態においては、複数の圧電エネルギ変換器が連続的に接続されている。これによって、形成されるエネルギ量が増大される。従って、より多くのエネルギ量を必要とするシステムも考慮することができる。更にはこれによって、エネルギ生成システムを必要とされるエネルギに関してスケーリングすることができる。
【００３０】
本発明の別の有利な実施の形態においては、集積回路（ＡＳＩＣ）がエネルギ自立型のセンサ及び／又はアクチュエータのエネルギ管理のために使用される。圧電エネルギ変換器から供給されるエネルギのエネルギ管理のための集積回路（ＡＳＩＣ）は、給電されるべき分散型のシステムのその都度のエネルギ要求に適合されたエネルギ供給を実現する。これによって負荷に供給されるエネルギを適合させ、最大化することができる。
【００３１】
更に上記の課題は、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のエネルギ生成システムを使用して、機械的なエネルギを電気的なエネルギに変換することによって、エネルギ自立型のシステムに対してエネルギを供給するための方法によって解決され、この方法においては、流体流によって惹起される力を圧電素子に入力結合させ、それにより圧電素子に機械的な振動を励起させ、また集積回路（ＡＳＩＣ）によってシステムに関するエネルギ量が要求に応じて供給される。要求に応じて供給されるエネルギは、それぞれの要求にその都度適合された最適なエネルギ消費量を実現する。このことは給電すべき分散型システム（例えばアクチュエータ、センサ）の性能及び信頼性を高める。
【００３２】
本発明の別の有利な実施の形態においては、静的な流体流が使用される。静的（時間的に不変の）流体流は、圧電素子の機械的な振動を生じさせるために使用される。このために、例えばケーシングチャンバ内に流体流障害物が位置決めされている。流体流が流体流障害物を通過することによって渦が発生し、この渦によって自由可動性の圧電素子に振動が励起される。
【００３３】
本発明の別の有利な実施の形態においては、時間的に変化する流体流が使用される。時間的に変化する流体流は衝撃圧力又は圧力渦によってのみ形成されるのではなく、永続的な圧力変動によっても形成され、これは例えば通常の場合、自動車のタイヤにおいてタイヤの回転中に発生する。
【００３４】
要約すると、本発明によって以下の特別な利点が得られる：
−エネルギ生成システムは、既存の環境に影響を及ぼすことなく（これは特に、ＭＥＭＳ技術で実現されている、使用される小型モジュールによって実現される）、また改造措置を講じることなく、いずれにせよ既に存在している場所（例えばベルトコンベヤ、ゴム製のブーツ、タイヤ）において使用される。
−エネルギ生成システムは、分散型システム（例えばアクチュエータ／センサ）に対する自立的で目的に適った（スケーリングされた）エネルギ供給を実現する。
−圧電エネルギ変換器から供給されるエネルギのエネルギ管理のための集積回路（ＡＳＩＣ）は、給電すべき分散型のシステムのその都度のエネルギ要求に適合されたエネルギ供給（例えば、スタンバイモードにおいては少ないエネルギ、負荷モードにおいては多くのエネルギ）を実現する。また、ＡＳＩＣにエネルギ蓄積部（例えばコンデンサ）を設けることも可能である。これによってエネルギ管理を更に最適化することができる。
−機械的なエネルギを電気的なエネルギに変換するための振動ベースのバネ質量系において使用されるような、サイズモ質量体は必要ない。
−圧電エネルギ変換器を共振動作させることができる。即ち、圧電性のビーム／ダイアフラムの共振周波数で圧電エネルギ変換器を動作させることができる。しかしながらそれは必ずしも必要ではない。機械的なエネルギの電気的なエネルギへの変換に関して高い効率が維持される場合（十分な機械的なエネルギ供給されることを前提とする）、圧電エネルギ変換器を広帯域で（数Ｈｚから数百ｋＨｚの周波数領域）で動作させることができる。
−エネルギ変換器の質量体を無視することができるので、速度に依存する不所望な遠心力は、機械的なエネルギを電気的なエネルギに変換する際に重要ではない。
−衝撃圧力又は流体流によって生じる接地面の変形（特にタイヤに使用される場合）を利用することによって、タイヤ内に組み込まれている、衝撃圧力の簡単な形成部、従って機械的なエネルギを電気的なエネルギに変換するための簡単な解決手段が実現される。
−（自動車）タイヤにおける静的な（時間的に変化しない）流対流を、電気的なエネルギを取得するために利用することができる。
−機械的なエネルギを電気的なエネルギに変換することができる効率はタイヤの回転速度に依存しない。
−ケーシングを用いて、機械的な過負荷を保証するカプセル化された構造が実現される。
【００３５】
以下では、複数の実施例及び所属の図面に基づき本発明を詳細に説明する。図面は概略的に示されたものであり、縮尺どおりには図示されていない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係るエネルギ生成システムにおいて使用するための圧電エネルギ変換器の第１の実施例の断面図を示す。
【図２】本発明に係るエネルギ生成システムにおいて使用するための圧電エネルギ変換器の第２の実施例の断面図を示す。
【図３】圧電エネルギ変換器において使用するための圧電ダイアフラムを示す。
【図４ａ】静止状態における、本発明に係るエネルギ生成システムの第１の概略図を示す。
【図４ｂ】空間体積が低減されている、本発明に係るエネルギ生成システムの第２の概略図を示す。
【図４ｃ】チャンバ体積が拡大されている、本発明に係るエネルギ生成システムの第３の概略図を示す。
【図５】本発明に係るエネルギ生成システムの使用に関する例として、タイヤの側面図とタイヤ接地面を示す。
【図６】実質的に三角形の底面を備えている、例示的な圧電性のタブ（又は圧電性の曲げビーム）を示す。
【図７】圧電素子の例示的な装置を示す。
【００３７】
図１には、本発明に係るエネルギ生成システムＥＥＳ（図４ａ−４ｃを参照されたい）において使用するための圧電エネルギ変換器ＥＷの第１の実施例が断面図で示されている。圧電エネルギ変換器ＥＷは機械的なエネルギを電気的なエネルギに変換するために使用される。エネルギ変換器ＥＷは圧電素子ＰＥを有している。圧電素子ＰＥは、電極層ＥＳと圧電層と別の電極層とから成る積層体を有している。圧電素子ＰＥはＭＥＭＳ技術を基礎としている。圧電層は、チタン酸ジルコニウム酸鉛を有する圧電セラミック層ＰＫＳである。これとは異なり、圧電層が窒化アルミニウム又は酸化亜鉛を有していても良い。電極層ＥＳは白金から形成されている。最後に、オプションの支持体層ＴＳは窒化ケイ素から形成されている。これとは異なり、支持体層が酸化ケイ素から形成されていても良い。
【００３８】
圧電素子ＰＥはケーシングＧのケーシングチャンバＧＫ内に配置されている。ここでは、流体流ＦＳが圧電素子ＰＥを通り過ぎて流れることが保証されている。この流体流ＦＳによって惹起される機械的な力が圧電素子ＰＥに入力結合される。これによって圧電素子ＰＥの変位ＡＬが生じ、その結果、電荷分離が生じ、この電荷分離に基づいて電極を介して電気的なエネルギを取得することができる。
【００３９】
図１による実施例においては、ケーシングＧに流体入口ＦＳＥ及び流体出口ＦＳＡが統合されており、且つ相互に対向して配置されている。当業者であれば、流体入口ＦＳＥ及び流体出口ＦＳＡに関して別の配置構成又は別の実施形態も考えられることが分かる。流体入口ＦＳＥ及び流体出口ＦＳＡをケーシングＧの同一の側に配置すること、又は取り付けることも可能である。更には、流体入口ＦＳＥ及び流体出口ＦＳＡのためにケーシングＧの単一の（共通の）開口部を使用することも可能である。
【００４０】
図１による実施例においては、圧電素子ＰＥが湾曲した圧電性のタブである。圧電性のタブは、流体流ＦＳが通り過ぎることによって、従って機械的な力が入力されることによってこの圧電性のタブに振動が励起されるように形成されている。
【００４１】
図２には、本発明に係るエネルギ生成システムＥＥＳ（図４ａ−４ｃを参照されたい）において使用するための圧電エネルギ変換器ＥＷの第２の実施例が同様に断面図で示されている。図２による実施例においては、ケーシングＧが、このケーシングの体積を変化させるための手段Ｗ１を有している。この構成においては、ケーシングの体積を変化させるための手段Ｗ１によって、流体流ＦＳの衝撃圧力又は圧力渦が形成される。この手段は例えば、弾性に変形可能な壁Ｗ１を有しているキャビティである。機械的な圧力が変形可能な壁Ｗ１に作用することによって、どの方向からこの手段Ｗ１に機械的な圧力が作用するかに応じて、衝撃圧力又は圧力渦が生じる。形成された衝撃圧力又は圧力渦は圧電性のタブＰＥに伝達される。これにより上述の機械的な振動が生じる。
【００４２】
衝撃圧力又は圧力渦を形成するための弾性に変形可能な壁Ｗ１をケーシングＧに統合することができる。一つの実施の形態においては、壁がゴムダイアフラムである。図２による実施例には、流体入口ＦＳＥ及び流体出口ＦＳＡのために使用することができる唯一つのケーシング開口部が示されている。
【００４３】
図３には、本発明に係るエネルギ生成システムＥＥＳ（図４ａ−４ｃを参照されたい）における使用に適している、圧電エネルギ変換器ＥＷにおいて使用するための圧電ダイアフラムＭが平面図で示されている。ケーシングＧにおいては、圧電素子としてダイアフラムＭも使用することができ、そのようなダイアフラムＭは、流体流ＦＳがダイアフラムＭに衝突し、ダイアフラムＭに振動を励起するように配置されている。流体流ＦＳの衝撃圧力又は圧力渦による圧電ダイアフラムＭの圧電層の変位ＡＬもしくは変形に基づき、電気的なエネルギ及び電圧が生成される。有利には、ダイアフラムＭの底面ＧＦは円形又は矩形である。対称的な形状はエネルギ変換器におけるダイアフラムの取り付けを容易にする。
【００４４】
ダイアフラムの機械的な負荷を低減するために、有利には、ケーシングＧには相応の支台が設けられており、それによりダイアフラムＭの機械的な負荷は小さくなる。その種の支台は例えば、ケーシングの下側の部分に統合されている当接面であるか、又はケーシングカバーにおける相応の当接構造である。当接面又は当接構造により、ダイアフラムＭの更なる変位が生じないことが保証されている。従って、当接面又は当接構造は変位ＡＬの度合いを制限し、ダイアフラムＭのための過負荷保護部として機能する。
【００４５】
ダイアフラムＭが、このダイアフラムＭを貫通して延びるダイアフラムスリットＭＳを有している場合には有利である。ダイアフラムスリットＭＳはダイアフラムの中心点に向かって放射状に配向及び配置されている。ダイアフラムスリットＭＳはダイアフラムＭの剛性を低減するために使用される。
【００４６】
圧電ダイアフラムＭは、流体流ＦＳが実質的に圧電ダイアフラムに垂直に衝突して、この圧電ダイアフラムに振動を生じさせるようにエネルギ変換器に取り付けられている。ダイアフラムスリットＭＳは有利には、実質的にダイアフラムＭの中心点において交差しており、ダイアフラム構造において複数の三角形を形成している。流体流ＦＳの力作用はそのような三角形の配置構成によって効率的なエネルギ変換に使用される。
【００４７】
図４ａから図４ｃには、種々の動作状態にある、本発明に係るエネルギ生成システムＥＥＳの実施例が示されている。
【００４８】
多数の新規な用途は、高度なセンサ及び／又はアクチュエータを必要としている。それらのセンサ及び／又はアクチュエータは局所的に分散されていることが多く、これによって、電気的なエネルギ供給が煩雑になり、それと共に（例えば給電線の敷設によって）コストも上がることになる。幾つかの用途においては、その種の分散型システムの物理的な接続は完全に不可能であるので、それらの分散型システムは完全に自立的に動作することが必要になる。このことは、それらのセンサ自体にエネルギを供給しなければならず、また取得された測定データを無線伝送しなければならないことを意味している。
【００４９】
工業化された我々の世界においては、動的に変形する多くの環境が存在しており、これは、特に分散的な環境におけるエネルギの取得に適している。一つの例は、弾性のベルトが著しく変形される折り返し点を有するベルトコンベヤである。この機械的な変形は変形エネルギのソースを表す。この変形エネルギを電気的なエネルギに変換することができ、したがって分散型のセンサ及び／又はアクチュエータに電流が供給される。更に、工業オートメーションにおいてはロボットが使用されており、それらのロボットは非常に多数の可動部を有しており、また大抵の場合は、変形可能なゴム製のブーツによって保護されている。このゴム製のブーツも変形エネルギのソースを表している。別の例として自動車技術が挙げられる。自動車タイヤの外被は、使用時に継続的に機械的な変形に晒されている。電気的なエネルギを取得するために、この変形を使用することができる。自動車タイヤの変形から取得されたエネルギを、例えばタイヤ圧力又はタイヤ温度を監視するセンサに使用することができる。その種のシステムはエネルギ供給のためのバッテリを必要とせず、従って原則としてメンテナンスフリーである。圧電効果を利用して機械的な変形からエネルギを取得するための簡単なアプローチは、例えば、変形する機械的な部分（例えばベルトコンベア又はタイヤの内側又はゴム製のブーツの内側）に圧電構造を直接的に取り付けることである。その種のシステムは、分散的に取り付けられているアクチュエータ及び／又はセンサへの自立的なエネルギ供給を実現する。それらのシステムはメンテナンスフリーであり、またバッテリ交換を必要としないので、環境的な観点からも有利に作用する。
【００５０】
図４ａから図４ｃは、種々の動作状態にある、本発明に係るエネルギ生成システムＥＥＳの実施例を示す。本発明に係るエネルギ生成システムＥＥＳは、圧電ＭＥＭＳ発電機、エネルギ管理システムとしての集積回路ＡＳＩＣ、エネルギ変換器ＥＷと集積回路ＡＳＩＣとの間の電気的な接続部ＥＶ、並びに、機械的な変形エネルギを流体圧力エネルギに変換するための可変の体積を有する、ケーシングに統合されているチャンバＧＫとを含んでいる。機械的な変形は、ケーシングの体積を変化させるための手段を介して行なわれる。体積を変化させるためのその種の手段は、例えば、ケーシングが取り付けられる、変形ソースとしての弾性の支台であるか、又は、ケーシング内に取り付けられている、集積された壁としてのダイアフラムである。ダイアフラムは有利にはゴムダイアフラムとして形成されている。実施の形態に応じて、機械的な変形は低減されたチャンバ体積又は拡張されたチャンバ体積を生じさせる。この体積変化は圧力エネルギを有する流体流ＦＳを生じさせ、この圧力エネルギは圧電ＭＥＭＳ発電機によって電気的なエネルギに変換される。この電気的な一次エネルギは電気的な接続部ＥＶを介して集積回路（ＡＳＩＣ）に供給される。エネルギ管理システムとして動作するＡＳＩＣはこの一次エネルギを処理し、負荷（例えばセンサ又はアクチュエータ）に供給する。ＡＳＩＣには、それぞれの負荷の目的に適っており、また用途に応じたものであり、更にはスケーリング可能であるエネルギ供給を実現するインテリジェンスが備えられている。連続的に接続されているＭＥＭＳ発電機によって、形成されるエネルギ量を増大することができる。従って、その都度適合された、又はその都度必要とされるエネルギ量を供給することができるエネルギスケーリングが実現される。
【００５１】
図４ａは、静止状態にある、本発明に係るエネルギ生成システムＥＥＳの例示的な第１の概略図を示す。エネルギ生成システムＥＥＳは、ケーシングチャンバＧＫを備えているケーシングＧを含んでおり、このケーシングＧ内には圧電素子ＰＥが配置されており、またケーシングチャンバＧＫを通過するように流体流ＦＳを流すことができる。圧電エネルギ変換器としてのＭＥＭＳ発電機は機械的なエネルギを電気的なエネルギに変換する。エネルギ変換器ＥＷの圧電素子ＰＥには、流体流ＦＳによって惹起される機械的な力によって、機械的な振動が励起され、この機械的な振動がやはり電気的なエネルギに変換される。エネルギ変換器ＥＷから供給された電気的なエネルギは例えばケーブル接続部としての電気的な接続部ＥＶ（例えばワイヤ接続部）を介して、エネルギ管理システムとしてのＡＳＩＣに供給される。ＡＳＩＣはこのエネルギをそれぞれの負荷に更に供給することができる。更には、エネルギ生成システムＥＥＳはケーシングの体積を変化させるための手段Ｗ２，Ｗ３を含んでいる。ケーシングの体積を変化させるための手段として、例えば、変形ソースとしての弾性の支台（例えばベルトコンベヤ又はタイヤ外被）を使用することができる、及び／又は、ケーシングＧもしくはケーシング壁に集積されているダイアフラムを使用することができる。
【００５２】
図４ｂは、チャンバ体積が低減されている動作状態にある、本発明に係るエネルギ生成システムＥＥＳの例示的な第２の概略図を示す。図４ｂによる実施例においては、エネルギ生成システムＥＥＳが変形エネルギのソースとしての弾性の支台上に取り付けられている。この弾性の支台の一部はケーシング壁Ｗ３を表している。壁Ｗ３の領域における弾性の支台の変形によって、ケーシングＧ内部の体積が低減される。弾性の支台に対向して、ケーシングＧの別のフレキシブルな壁Ｗ２（例えばゴムダイアフラム）が設けられており、この壁Ｗ２を、低減されたチャンバ体積が存在するか拡張されたチャンバ体積が存在するかに応じて、機械的にフレキシブルに収縮させることができるか、又は、伸張させることができる。
【００５３】
図４ｃは、チャンバ体積が拡張されている動作状態にある、本発明に係るエネルギ生成システムＥＥＳの例示的な第３の概略図を示す。図４ｃによる実施例においては、弾性の支台がフレキシブルな壁Ｗ３の領域において、ケーシングＧ内において拡張されたチャンバ体積が生じるように動かされる。壁３の実質的に反対側にある壁Ｗ２は、この実施例においては壁Ｗ３の変形によって拡張される。図４ｃによる実施例においては、拡張されたチャンバ体積によって、ケーシングの内側の方向へと向かう流体流ＦＳが生じる。圧電素子ＰＥは流体流ＦＳによって振動状態にされる。チャンバ体積の拡張によって、流体流ＦＳを形成する渦作用（圧力渦）が発生する。この場合、図４ｃによる実施例においては、流体流ＦＳが実質的に開口部を通ってケーシング内に侵入し、圧電素子ＰＥを振動状態にする。
【００５４】
図４ｂのようにチャンバ体積が低減されている場合には、ケーシングの外部へと向かう流体流ＦＳの流れが形成される。チャンバ体積を低減することによって空気（又は別の気体）がケーシングチャンバ内で圧縮され、流体流ＦＳを形成する（開口部を介してケーシング内で発生する可能性がある）衝撃圧力が発生する。圧電素子ＰＥはここでもまた流体流ＦＳによって振動状態にされる。
【００５５】
本発明に係るエネルギ生成システムＥＥＳをＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanicial Systems）技術を基礎として実現することができ、従って小型化が実現され、この小型化によって、システムを非常に簡単に、エネルギ供給のための分散的な種々の個所に組み込むことができる。特に、本発明の利点は、小型の構造且つ僅かな質量で、いずれにせよ存在する機械的な変形エネルギを利用できること、また敏感な圧電セラミックの一次的な力を分離できること（暗黙的な過負荷保護）である。
【００５６】
図５には、本発明に係るエネルギ生成システムを使用するための例として、タイヤＲがタイヤ接地面ＲＬと共に側面図で示されている。図５においては、体積を変化させるための手段として、例えば自動車タイヤの外被内のキャビティの壁として設けられているような弾性に変形可能な壁が使用される。弾性に変形可能な壁は、タイヤ接地面（タイヤ踏面）の所定の変形がキャビティの壁の所定の変形を生じさせ、従って、キャビティの所定の変形を生じさせるように自動車タイヤと接続されている。キャビティの所定の変形に基づき、所定の衝撃圧力が生じる。上述のタイヤセンサに関して、その種の解決手段が特に有利である。何故ならば、タイヤ自体によって、タイヤセンサの動作に必要とされるエネルギを提供することができるからである。更には、上述の変形は走行速度に依存しない。衝撃圧力の発生頻度のみが走行速度に依存する。
【００５７】
図５においては、タイヤ接地面ＲＬの形成により衝撃圧力が形成されるように、キャビティが自動車タイヤＲ内に配置されている。タイヤ接地面ＲＬはタイヤの回転時に走行路Ｆ上に生じる。
【００５８】
図６は、実質的に三角形の底面を備えている、例示的な圧電性のタブ（又は圧電性のビーム）を示す。流体流ＦＳは三角形の圧電素子ＰＥの底辺部分に実質的に垂直に衝突し、圧電性のタブを振動させる。三角形の底面によりエネルギ変換時に高い効率が得られる。図６による圧電性のタブは、例えば図４に示した本発明に係るエネルギ変換器に使用することができる。
【００５９】
図７は、圧電エネルギ変換器に使用するために、それぞれが実質的に三角形の底面を備えている、圧電素子ＰＥの例示的な配置構成を示す。圧電素子（ＰＥ）は、全体として実質的に矩形の底面が生じるように配置されており、この場合、流体流は全体の底面に実質的に垂直に衝突する。圧電素子ＰＥはそれぞれの辺を介して、エネルギ変換器の内面と接続されているか、又は、エネルギ変換器の流体案内部と接続されている。この配置構成は効率的なエネルギ変換を保証する。
【００６０】
自立的なエネルギ生成システム、特にＭＥＭＳ技術を基礎とする、集積化されて小型化されたエネルギ生成システムとして構成されている自立的なエネルギ生成システムは、機械的なエネルギを電気的なエネルギに変換するための圧電エネルギ変換器を含んでおり、この圧電エネルギ変換器は少なくとも一つの圧電素子を有しており、この圧電素子に流体流によって惹起される機械的な力（特に変形力）を入力結合させ、それにより圧電素子に機械的な振動を励起させることができ、また集積回路（ＡＳＩＣ）は圧電エネルギ変換器から供給されるエネルギのエネルギ管理のために使用される。
【符号の説明】
【００６１】
ＥＥＳ  エネルギ生成システム、  ＥＷ  エネルギ変換器、  ＰＥ  圧電素子、  ＥＳ  電極層、  ＰＫＳ  圧電セラミック層、  ＴＳ  支持体層、  ＡＬ  変位、  Ｇ  ケーシング、  ＧＫ  ケーシングチャンバ、  ＦＳ  流体流、  ＦＳＥ  流体入口、  ＦＳＡ  流体出口、  Ｗ１−Ｗ３  体積を変化させるための手段、  ＥＶ  電気的な接続部、  Ｍ  圧電ダイアフラム、  ＧＦ  底面、  ＭＳ  ダイアフラムスリット、  Ｒ  自動車タイヤ、  ＲＬ  接地面、  Ｆ  走行路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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